JP2003121675A - 集積光干渉センサ - Google Patents

集積光干渉センサ

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 環境の特性を検出する装置を提供する。 【解決手段】 環境の特性を検出する装置は、ａ．コヒ
ーレントな放射ビームを生成する手段と、ｂ．プレーナ
ー型導波路であって、ｉ．環境の特性への露出の第１の
作用として放射がその中を伝搬することを可能にする第
１の領域と、ｉｉ．環境の特性への露出の第２の作用と
して放射がその中を伝搬することを可能にする、第１の
領域とは異なる第２の領域であって、第２の作用は該第
２の作用と異なる、第２の領域とを含むプレーナー型導
波路と、ｃ．プレーナー型導波路にビームを結合する手
段と、ｄ．第１の領域を伝搬した後のビームの第１の部
分と第２の領域を伝搬した後のビームの第２の部分との
位相差を決定する手段とを含み、プレーナー型導波路を
介するビームの伝達をビームの単一のモードのみに制限
する構造的特徴を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、センサに関し、よ
り詳細には、それが曝される環境の特性を測定するため
の光干渉計センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば、センサが曝される環境におい
て、化学的または生化学的濃度、磁界または電界強度、
圧力、張力、温度、およびｐＨなどの物理量の絶対値ま
たは相対値を検出および測定するためのセンサは、当該
分野において周知である。従来技術のセンサには、例え
ばｍｅｒｏｕｒｙ温度計またはブルドン圧力計などの直
接読み取りセンサ、および入力信号または刺激を異なる
タイプの出力信号に変換するためのトランスデューサを
用いるセンサが含まれる。赤外線高温計は、このように
して、赤外線を、電気計量器によって読み取り可能な有
用な電気出力信号へと変換する。
【０００３】従来技術のセンサには、測定値を直接また
はトランスデューサを用いて提供する光学センサも含ま
れる。単純色比較ｐＨテスト装置は、直接読みとる光学
センサの一例であり、撮像光強度計量システムは、トラ
ンスデューサを用いる光センサである。最も感度の高い
光センサは、干渉型のもので、これは、感知された状態
に関する情報を提供するために干渉計を用いる。干渉計
は、入力源からの光を、２つ以上の光ビームに分割する
機器である。光ビームは、異なる有効光路長を有する異
なる経路を通って進行させられ、それによって、ビーム
が再結合される際に、干渉縞パターンが作られる。干渉
パターンの明るいバンドおよび暗いバンドの分析によ
り、異なる光路の有効経路長の差異に関する高感度な測
定が提供される。
【０００４】近年著しい技術的進展を経験した光センサ
の特定のグループには、集積光センサが含まれる。集積
光センサは、様々な光学コンポーネントを単一の光導波
路構造に集積することによって特徴づけられるモノリシ
ック構造である。集積光センサは、典型的には、単一の
基板上に構築された導波路を備えた薄膜素子であり、こ
の素子は、通常、導波路を伝搬する異なるビーム部分を
回折、屈折、反射、または合成させる他の光学素子また
は光学コンポーネントを設ける。集積光技術は、別個の
光学コンポーネントを用いる従来の干渉センサに関連し
た光学素子を提供する際に特に有用である。現在、従来
技術は、単一の基板上に、レンズ、検知フィールド（ｓ
ｅｎｓｉｎｇ ｆｉｅｌｄ）、およびフィルタを含む様
々なコンポーネントを内蔵した集積光センサを含む。
【０００５】典型的な集積光センサは、基板上のプレー
ナー構造として製造される１つ以上のチャネル導波路を
備える。チャネル導波路は、典型的には、光ビームが伝
搬する光路を提供する、小さな断面積（おおそ、数マイ
クロメートルの幅×数マイクロメートルの高さ）を有す
る直線構造である。チャネル導波路の屈折率は、周囲ま
たは支持基板の屈折率よりも高い。光源および必要な結
合機構が設けられ、それによって光ビームが、チャネル
波導路内を伝搬する。光源は、レーザ、発光ダイオード
（ＬＥＤ）、または白熱光源であり得る。伝搬する光ビ
ームは、環境の特定の状態に反応するチャネル導波路の
検知領域を透過する。環境により、屈折率の変化など
の、チャネル導波路の伝搬特性の変化が生じ得る。屈折
率の変化により、チャネル領域を通る有効経路長が変化
し、それによって、光ビームがチャネル導波路から現れ
る際に、光ビームの位相が変化する。あるいは、チャネ
ル導波路が、特定の環境に対して直接的に反応しない場
合は、その環境、または該環境のコンポーネントに反応
性を有する材料でコーティングされ得、それによって、
チャネル導波路の屈折率が変化する。従って、センサか
らの光学出力ビームは、環境の状態の相対値または絶対
値の測定に使用され得る。
【０００６】光学入力ビームは、周知のマクスウェルの
方程式を満足させるモードで、導波路を通って伝搬す
る。マクスウェルの方程式は、媒体を通って伝搬する電
磁波の電界および磁界を支配する。このモードは、構成
波の周波数、偏光、横電界分布、および位相速度によっ
て特徴づけられ得る。方形のチャネル導波路において
は、このモードは、それぞれＴＥ波（ｔｒａｎｓｖｅｒ
ｓｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ）およびＴＭ波（ｔｒａｎｓｖ
ｅｒｓｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ）である光ビームの直交偏
光コンポーネントのＴＥｍ，ｎおよびＴＭｍ，ｎとして
表される（モード番号指数ｍおよびｎは、負ではない整
数値である）。各モードは、各方向における導波路の波
ノード数に対応する異なる場（ｆｉｅｌｄ）分布を表
す。許容モードは、導波路の境界（集積光センサの場
合、境界は、基板と導波路との界面、環境と導波路との
界面、および／またはコーティングと導波路との界面で
ある）の構成によって決定される。境界および入力光源
の波長に応じて、０モード、または１つ以上のモード
が、導波路を通って伝搬することを許容され得る。
【０００７】市販の集積光干渉計には、本明細書中に援
用される米国特許第４、５１５、４３０号に開示されて
いるような、マッハ・ツェンダー干渉計技術を利用した
ものが含まれる。この技術は、２つの光ビームが２つの
光路を通る単一モードの伝搬で、２つのビームが合成さ
れて光干渉パターンが生成されることによって特徴づけ
られる。通常、マッハ・ツェンダー装置は、単一の入力
光ビームを受け取り、後に、この入力光ビームは、ビー
ムスプリッターによって、２つの異なるチャネル導波路
を通るように指向される２つのビームに分割される。１
つの導波路の光路長の変化は、環境によってその物理的
長さが変化する、または屈折率が変化する場合にもたら
される。チャネル導波路から出て来るビームは、再結合
され、それによって、装置を環境に曝すことによって生
じた相対的または絶対的変化を示す単一の干渉ビームが
生成される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】マッハ・ツェンダー構
成を用いた集積光干渉計は、顕著な感度を有し、小型に
作製され得る。しかし、これらのセンサは、典型的には
それぞれ２μｍ×３μｍの断面積寸法を有する２つ以上
の単一モードのチャネル導波路に依存し、その結果、製
造が困難となり、コストが高いという不利点を有する。
さらに２つのチャネル導波路は、環境の温度および振動
状態に、異なる影響を受け得、それによって、深刻な干
渉影響が生じる。最も重要なことは、 マッハ・ツェン
ダー干渉計の場合に、サイズの小さなチャネルにより、
効率的な光結合の達成が困難となることである。光結合
の困難さにより、多くの適用に対して、このタイプの干
渉計は役に立たないも同然である。
【０００９】第２のタイプの集積光干渉センサは、プレ
ーナー構造として、プレーナー型導波路を使用する。プ
レーナー型導波路は、チャネル導波路に典型的な４つの
長方形の境界ではなく、２つの（平行する）境界によっ
てのみ規定される。プレーナー型導波路においては、伝
搬モードは、ＴＥｍおよびＴＭｍ（それぞれＴＥ波およ
びＴＭ波である）として表される（モード番号指数ｍ
は、負ではない整数値である）。チャネル導波路の場合
と同様に、境界および入力光源の波長により、０または
１つ以上のモードのいずれが導波路を通って伝搬するこ
とを許可され得るかが決定される。
【００１０】本明細書の従来技術および本発明の説明に
おいて、「プレーナー構造」および「プレーナー型導波
路」という用語は、その全体的な構成において概して平
面である構造物をさす。しかし、プレーナー構造および
プレーナー型導波路は、溝のあるまたは隆起のある表
面、多孔性の層または領域、或いはその他の埋め込まれ
たまたは表面レリーフ特徴などの特徴を受け入れ得ると
いうことが理解されるべきである。さらに、ここでの従
来技術および本発明の説明では、「光学（的）（ｏｐｔ
ｉｃ）」および「光（ｌｉｇｈｔ）」という用語が使用
されるが、説明される技術は、概して電磁放射の現象で
あるということが認識されなければならない。従って、
ここでは、「光学（的）」および「光」という用語は、
センサの様々な部品の特性（例えば、光路のディメンシ
ョン）およびセンサと感知される環境の特徴との間の相
互作用の性質（例えば、センサの、波長の関数としての
感度）によって課されるいかなる制約をも満たす、任意
の電磁放射をさすものとして読まれるべきである。典型
的には、光は可視または近可視の波長範囲にある。
【００１１】プレーナー型導波路干渉センサは、Ｈａｒ
ｔｍａｎに発行された米国特許第４，９４０，３２８号
およびＬｕｋｏｓｚに発行された米国特許第５，１２
０，１３１号で開示されており、これらの特許はここに
参考のために援用される。これらの特許に記載される装
置において、光は多チャネル導波路における伝搬とは対
照的に、１つのプレーナー型導波路において少なくとも
２つのモードで伝搬され、そして測定される環境に曝さ
れる感知領域を通過する。センサ出力は、プレーナー型
導波路において伝搬する少なくとも２つのモードの干渉
結果を含むビームを含む。より高いオーダーのモード
は、環境によってプレーナー型導波路の屈折率が変化す
るときに最も大きな影響を受け、より低いオーダーのモ
ードと組み合わされると、モード間干渉を示す出力をも
たらす。これらの装置は、単一モードのマッハ−ツェン
ダー装置よりも簡単に製造され、光の導波路への結合が
より簡単であることを特徴とする。しかし、これらの装
置の感度は、概してマッハ−ツェンダー装置の感度のわ
ずか２分の１〜３分の１である。感度がより低いのは、
より低いオーダーモードは環境の刺激によって全く影響
を受けないわけではなく、従って真の参照ビームを提供
しないという事実の結果である。
【００１２】従来技術による装置に関する別の問題は、
単一処理技術を使用して、１つの導波路における光学部
品の高度の集積を達成することができないということで
ある。
【００１３】上記の欠陥により、集積光センサの有用性
は大幅に削減され、そのコストは大幅に上昇する。必要
とされ、かつ現在入手可能でないのは、比較的安価で、
１つの導波路に高度の部品集積を取り入れ、単純かつ効
率的な光結合で高感度を提供する集積光センサである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】前述の従来技術の問題
は、本発明の集積光干渉センサによって克服される。光
源からの光ビームが提供されると、センサは、センサが
曝されている環境の特徴または状態を示す出力信号を提
供する。
【００１５】一実施形態においては、センサはプレーナ
ー型導波路、集積光回折格子、集積光複プリズム、およ
び位相格子から構成される。回折格子は、光源からの光
ビームをプレーナー型導波路に投入または結合し、これ
によって光ビームの１つのモードのみがプレーナー型導
波路で伝搬する。導波路において、光ビームの第１の部
分は環境の特徴によって第１の様態で影響を受け、光ビ
ームの第２の部分は環境の特徴によって第２の様態で影
響を受ける。光ビームの第１の部分は導波路の第１の領
域にあり、導波路の第２の領域にある光ビームの第２の
部分から空間的に離れている。集積光複プリズムはビー
ムの部分を偏向し、その結果第１のビームの部分は第２
のビームの部分と交差する。位相格子は、ビームの部分
が交差する点に配置され、これによってビームの部分の
少なくとも１つの結合を示す少なくとも１つの出力ビー
ムが生み出される。
【００１６】代替の実施形態は、回折格子をその他の光
入力カプラ（例えば、プリズム、ミラー）で置き換える
ことによって、または光源を適切に搭載して光入力カプ
ラーの必要性を排除することによって提供され得る。同
様に、ビーム偏向器として機能する集積光複プリズム
は、集積光学レンズ、集積光学回折格子、または全内反
射素子で置換し得る。さらに、ビーム結合器として機能
する位相格子は、フレネル反射素子、音響光学装置、ま
たは電気光学装置で置換し得る。
【００１７】センサのプレーナー型導波路の一部分は、
環境の特徴が導波路の光ビームの第１の部分に与える作
用を拡張するよう処理し得る。この処理は、プレーナー
型導波路の該部分を、環境の特徴のいかなる変化にも応
じて屈折率が変化する材料でコーティングする工程から
構成され得る。或いは、処理は、プレーナー型導波路の
該部分を、環境の特徴のいかなる変化にも応じて厚みが
変化する材料でコーティングする工程、またはプレーナ
ー型導波路の該部分を、環境内の物質と反応する材料で
コーティングする工程から構成され得る。処理はまた、
環境の特徴が光ビームの第１または第２の部分のどちら
かに与える作用を、拡張するよりむしろ最小限に抑え得
る。導波路を処理するより、プレーナー型導波路の少な
くとも一部分自体を、環境の特徴のいかなる変化にも応
じて屈折率が変化する材料、または環境の特徴のいかな
る変化にも応じて構成（例えば、形状あるいはサイズ）
が変化する材料、または環境内の物質と相互作用する材
料から構成し得る。
【００１８】好適には、プレーナー型導波路は、機械的
強度、靭性、または光学的特徴のために選択された基板
上で作製される。概して、基板が存在する場合は、セン
サ全体の下に位置し、その他のセンサ素子の作製のベー
スを提供する。本明細書においては、「導波路構造」と
いう用語は、存在し得る任意の基板およびプレーナー型
導波路に付与し得る任意のコーティングに加えてプレー
ナー型導波路自体を含む。
【００１９】本発明の顕著な特徴は、マッハ−ツェンダ
ー干渉計では典型的なように、プレーナー型導波路の第
１および第２の領域を、いかなる縦型の構造物または界
面によっても別個の「チャネル導波路」に分ける必要が
ないということである。第１および第２の領域は、本発
明のビーム処理領域を含み、ビーム処理領域は上部表面
および下部表面によってのみ規定される。第１の領域と
第２の領域との間には垂直な縦型の界面（横の境界）は
ない。この構造上の特徴に関しては、本発明は、先の米
国特許第４，９４０，３２８号によって記載される装置
と類似するが、本発明はプレーナー型導波路で伝搬する
１つの横断モードしか使用せず、これによって米国特許
第４，９４０，３２８号の多モード装置よりも感度は２
〜３倍向上される。本明細書で開示される付加的な信号
処理能力により、ＳＮ比は、米国特許第４，９４０，３
２８号の多モード装置よりもオーダー１以上の大きさで
増大する。
【００２０】センサがさらされる環境は、プレーナー型
導波路の少なくとも１つの感知領域（ｓｅｎｓｉｎｇ
ｒｅｇｉｏｎ）の屈折率を変化させることで、その領域
を通る光の伝搬に直接影響し得る。プレーナー型導波路
の影響された領域を通る光の伝搬の変化から、センスさ
れた環境条件に関する情報が得られる。上記したよう
に、導波路を通る光の伝搬が環境により直接変化するこ
とが可能でなければ、導波路の少なくとも１つの感知領
域が被膜コーティングされ得る。コーティングは、環境
条件に対して反応を示し、導波路を通る光の伝搬に影響
を及ぼす。
【００２１】１つ以上の光検出器が、出力ビームを検出
するために設けられ得る。光検出器は、出力ビームを直
接受けるように取り付けられるか、センサと統合されて
形成されるか、またはセンサからの出力を光検出器に結
合するために、回析格子、プリズムまたはミラーなどの
種々の光出力カプラが採用され得る。光検出器信号の処
理は、異なる構成（例えば、長さ、厚さ、形状など）、
または異なる材料（すなわち、異なる光学または化学性
質等を有するもの等）からなる多数の集積された光学感
知領域（すなわち、多数の干渉計）を作ることにより向
上され得る。
【００２２】本発明は、多数の干渉計を使用することに
より、少なくとも２つの主要信号処理の向上を提供す
る。信号処理の向上は、チャネル導波路を有するプレー
ナー構造の干渉計センサ（マッハ・ツェンダー素子な
ど）、およびプレーナー型導波路を有するプレーナー構
造の干渉計センサに適用され、プレーナー構造において
伝搬するモードの数あるいはタイプに関わらず適用され
得る。２つの向上のうちの前者において、プレーナー構
造構成、プレーナー構造材料、オーバーレイ構成、オー
バーレイ材料、基板構成、または基板材料などセンサの
構成パラメータを変化することにより、干渉計出力ビー
ム間の定常位相バイアス差（ｐｈａｓｅ ｂｉａｓ ｄ
ｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）が得られる。特に、約９０度の定
常位相バイアス差は、センサから最大感度が常に得られ
ることを確実にする。同一のパラメータにおいて他のバ
リエーションにすることにより、２つの向上のうちの後
者が得られる。この向上は、干渉計の一方に関連した出
力ビームの出力干渉パターンが、他方の干渉計からの出
力干渉パターンと比べた場合に、矩象（ｑｕａｄｒａｔ
ｕｒｅ）において異なる勾配を有するようになる。異な
る勾配は、高解像度情報および低解像度情報の両方が同
じセンサから得られることを確実にする。
【００２３】本明細書において、導波路感知領域の１つ
は「参照領域」と称する。環境における要因により影響
される光が伝搬する、その他のあらゆる導波路感知領域
は「信号領域」と称する。便宜上、「参照領域」は、代
表的に、信号領域と比べて、光の伝搬が環境における要
因によって影響されない、または影響されにくい、領域
である。
【００２４】本発明の好ましい実施形態において、感知
領域は、小さい共通導波路構造に配置されている。これ
により、環境熱、および物理条件は、センサ全体に均一
に影響しやすい。従って、温度または振動的な安定性を
得るために他のセンサタイプおよび構成には必要とされ
る物理的構造は必要でない。
【００２５】集積された光学部品の形成が、単一の形成
技術、または一連の互換性のある技術を利用することに
よって、単一製造プロセスにより、複数の集積された光
学部品がセンサに形成され得ることが好ましい。つま
り、材料および形成技術の選択は、これらのセンサ素子
の経済的実用可能性に重要となる。現在の形成技術は、
フォトリソグラフィ、およびホログラフィエッチング処
理を使用する薄膜蒸着、イオン交換、イオン注入、およ
び真空蒸着を含む。格子は、例えば、格子エッチングマ
スクを作るのに２本のビームの干渉パターンを使用して
形成され得る。エッチングマスクは、集積された光学格
子のための所望の表面トポロジーを残して、エッチング
の後に除去される。
【００２６】従って、本発明の目的は、改善された集積
された光学干渉性センサを提供することである。
【００２７】本発明のさらなる目的は、向上した熱およ
び物理的安定性を有し、従って、種々の環境条件の下で
も信頼性のある測定値が得られる光学センサを提供する
ことである。
【００２８】本発明のさらなる目的は、高いセンサ感度
を有し、入力光源と容易に結合し、低コストで形成され
得る集積された光学干渉計を提供することである。
【００２９】本発明のさらなる目的は、例えば、温度、
湿度、ならびに化学組成および生化学組成などの種々の
環境条件の下で感度を有するセンサを提供することであ
る。
【００３０】本発明のさらなる目的は、向上した光学ビ
ーム操作、ならびに信号処理能力を提供することであ
る。
【００３１】本発明のさらなる目的は、単一素子におい
て光学部品の高レベルの集積を提供し、安定性、および
ＳＮ比を改善し、単一処理技術を採用し得るようにする
ことである。
【００３２】本発明の他の目的および特徴は、以下の特
定の実施形態の詳細な説明を添付の図面とともに読むこ
とにより容易に理解できるであろう。
【００３３】
【発明の実施の形態】次に、図１を参照して、集積光干
渉センサであって、該センサがさらされている環境の物
理特性を測定するための集積光干渉センサの好適な実施
形態を示している。このセンサ全体を番号１０で示す。
センサ１０を、全体的に矩形のものとして示している
が、製造技術、完全なセンサシステムおよびその他の設
計の最終的な実施形態、ならびに製造上の好みおよび製
造上考慮すべき事柄に応じて他の全体的構成を用いても
よいことは、集積光学分野の当業者により理解されるは
ずである。センサ１０は、光ビームが伝搬する導波路構
造１２（図８Ａ〜図８Ｃに図示）を含む。この導波路構
造は、伝搬光ビームを以下により明確に説明するように
所望の態様で操作する集積光学素子を含む。光源１８
は、導波路構造１２において伝搬する光ビーム１５を与
える。光検出器アレイ６２は、導波路の出力光ビームに
反応し、検出光に応答して電気信号を生成する。集積光
ビーム処理領域１７は、導波路構造１２を通る光の伝搬
を、外部環境の刺激または条件に応答して変えることに
より、センサの変換器能力を与える。この外部環境の刺
激または条件は、測定または数量化することが望まし
い。確実にビーム処理領域１７だけを環境にさらすよう
にするために、センサ１０中の他のすべての領域の上
に、保護カバー（図示せず）を置くことができる。
【００３４】図８Ａから図８Ｃに一連の断面図で示す導
波路構造１２は、プレーナー型導波路２２を含み、基板
２０、１つ以上の選択的オーバーレイ５５、および１つ
以上の保護オーバーレイ６０を含み得る。基板２０は、
基板下面２４および基板−導波路界面２６を含む。基板
下面２４および基板−導波路界面２６は、実質的に平行
な平面にある。プレーナー型導波路２２は光透過材料か
らなる薄膜であり、導波路上面２８および基板−導波路
界面２６を有し、これらの表面２８および２６も、実質
的に平行な平面にある。基板２０も、光透過材料を含
む。
【００３５】導波路２２の屈折率は、基板２０の屈折率
よりも大きい。この屈折率の差によって導波路２２内を
伝搬する光は全内反射し、これにより、光が導波路２２
を出ることを防ぐ。光は全内反射するが、導波路の境界
の外側あるいはその近傍の領域において電場および磁場
が誘導される。これらの誘導された場は「エバネセント
場」と呼ばれる。
【００３６】導波路構造１２の材料の選択は、用途に応
じて行われる。基板２０は、例えば、ホウ素をドープし
た二酸化シリコンを含むシリカを含有する化合物から製
造される場合が多い。導波路２２は、ガラス、およびポ
リマーを含む他の透明な誘電材料から製造され得る。ガ
ラス材料には、例えば、窒化シリコンまたはチタンをド
ープした二酸化シリコンが含まれる。ポリマー材料に
は、例えば、ポリイミドが含まれる。
【００３７】選択される材料は、基板および導波路材料
の間に所定の屈折率差ΔＮを与え得るものでなければな
らない。但し、導波路の屈折率Ｎは、基板の屈折率より
も大きい。光学干渉センサの基板によく用いられる材料
の屈折率は、大凡１．４〜１．６の範囲内である。典型
的に、導波路の屈折率は１．４〜４の範囲内である。有
機蒸気（ｏｒｇａｎｉｃ ｖａｐｏｒ）検出センサの好
適な実施形態において、基板材料は、Ｎが１．５１５で
あるＢＫ７系ホウケイ酸ガラスであり得る。これに、屈
折率が１．５２０である導波路層が付与され、ΔＮは
０．００５となる。
【００３８】導波路２２は、導波路構造の別個の層とし
て基板２０上に付与されてもよいし、あるいは、基板２
０内に形成されてもよい。前者の場合、化学蒸着（ＣＶ
Ｄ）、薄膜蒸着および真空スパッタリングを含む方法に
よって導波路を基板２０に付与する。導波路２２が基板
２０内に形成される場合、イオン注入およびイオン交換
を含む方法が使用され得る。これらのプロセスのいずれ
かを使用して、基板２０の導波路上面２８近傍にある部
分の屈折率を、局所的な化学組成を変化させることによ
って０．１〜１０ｍｍの深さにまで増大させ得る。これ
らのプロセスによって０．１〜１０ｍｍの導波路厚さを
得ることが可能である。有機蒸気検出センサの好適な実
施形態においては、イオン交換プロセスによってＢＫ７
ホウケイ酸基板内に導波路を形成することが可能であ
り、その場合、基板２０の導波路上面２８において、銀
イオンをナトリウムまたはカリウムイオンに交換する。
【００３９】センサ１０の集積光学素子には、集積光学
光入力結合格子（ｏｐｔｉｃ ｌｉｇｈｔ ｉｎｐｕｔ
ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｇｒａｔｉｎｇ）３２、集積光学
光ブロック（ｏｐｔｉｃ ｌｉｇｈｔ ｂｌｏｃｋ）３
４、集積光学複プリズム３５および集積光学位相格子３
６が含まれる。入力結合格子３２は、光をプレーナー型
導波路２２内に結合し、これにより、光は所望の伝搬路
に沿って導波路内を伝搬する。入力結合格子３２および
集積光学位相格子３６は、プレーナー型導波路２２の表
面上に配置された、あるいはその中に埋め込まれた格子
であり得る。伝搬光ビームは、光ブロック３４上に入射
すると実効的に２本に分岐し、これにより、参照ビーム
Ｓ１および信号ビームＳ２の一対のビームを規定する。
光ビームＳ１およびＳ２は複プリズム３５を通過する際
に偏向し、ビームＤ１およびＤ２を形成する。その後、
ビームＤ１およびＤ２は位相格子３６上に入射する。位
相格子３６はビームとして機能し、各入射ビームの一
部、好ましくはその５０％が影響を受けずに格子を通過
し、各ビームの残りの部分が回折するように構成されて
いる。各入射ビームの回折部分が、他の入射ビームの透
過部分あるいは影響を受けなかった部分と共直線的に
（ｃｏｌｉｎｅａｒｌｙ）格子を出るように回折角が選
択される。このようにして、ビームＤ１の透過部分およ
びビームＤ２の回折部分が混合または結合光ビームＭ１
を形成する。ビームＭ１がビームＤ１およびＤ２の干渉
結果（ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｐｒｏｄｕｃｔ）を
含むことが当業者には理解される。同様に、ビームＤ２
の透過部分およびビームＤ１の回折部分が混合または結
合光ビームＭ２を形成する。光ビームＭ１およびＭ
２を、参照ビームＳ１および信号ビームＳ２の干渉部分
を含むものとみなすこともできる。なぜなら、これらの
ビームの相対的な位相は複プリズム３５内で変化しない
からである。光ビームＤ１およびＤ２は、光検出器アレ
イ６２上に入射した時点でも、それぞれ参照ビームＳ１
および信号ビームＳ２の光だけを含む。
【００４０】入力結合格子３２は、大凡導波路構造１２
の入力端３８に配置される。先に簡単に説明したよう
に、入力結合格子３２は、導波路２２上または導波路２
２内に所定の深さを有する、プレーナー型導波路２２上
に配置された、あるいはその中に埋め込まれた集積光学
構造である。入力結合格子３２は、大凡導波路２２に直
交する入力光（ｉｎｃｏｍｉｎｇ ｌｉｇｈｔ）の伝搬
路を再配向し、単一モードが導波路２２内に伝搬するよ
うに不要なモードを排除する機能を果たす。中間ビーム
整形レンズ（図示せず）と組み合わされ得る光源および
入力格子は、幅１００μｍ〜数ミリメートルの光ビーム
を導波路２２内に結合する。
【００４１】プリズム２７または直接結合（ｄｉｒｅｃ
ｔ ｂｕｔｔ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を含む、光ビームを
プレーナー型導波路２２内に結合する別の手段を、入力
結合格子３２の代わりに用いることが可能である。図３
Ｂに示すように、プリズム２７は、導波路２２よりも屈
折率が大きい材料から形成される三角形の断面を持つ素
子である。プリズム２７は、プリズムの屈折率に応じた
角度で光ビーム１５を屈折させることによって、光ビー
ム１５を導波路２２内に向ける。図３Ｃに示すように、
直接結合（ｂｕｔｔ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ）は、導波路２
２の入力端３８エッジに直接接触するように光源を配置
するか、または、中間伝送レンズ（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉ
ａｔｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｌｅｎｓ）を介して光ビー
ム１５を導波路２２の入力端３８エッジに集光すること
によって行われる。
【００４２】図１および図３に示す実施形態において、
入力結合格子３２は、図示したように、導波路２２内の
入力端３８近傍に形成される。導波路２２を形成するた
めに用いられる上記製造技術を用いて、結合格子３２を
形成することが可能であり、あるいは、導波路２２また
はその屈折率Ｎの周期的な乱れ（ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃ
ｅ）を生じさせる他の方法を用いることも可能である。
図３に示すように、格子の特徴は、周期Ｐが０．２〜
１．５ｍｍ、高さＨが０．２〜１．０ｍｍの起伏（ｃｏ
ｒｒｕｇａｔｉｏｎ）または周期的な屈折率の変化４０
である。これらのタイプの集積光学素子の結合効率は、
２０〜３０％の範囲内である。
【００４３】光源１８は光ビーム１５を提供して、セン
サ１０を光学的に付勢する。光源１８は、図３の実施形
態に示すような光ファイバピグテール４２等の受動素子
であってもよい。光ファイバピグテール４２は、基板の
下側表面２４に通じており、エポキシ４３によって定位
置に維持される。ピグテール４２は光学的エネルギーの
導管としてのみ機能し、それ故に受動素子なのである。
あるいは、光源１８は、図３Ａに示すようなレーザーダ
イオード４４等の能動素子であってもよい。レーザーダ
イオード４４は、導管４７を介して外部電流によって付
勢され、これにより、センサ１０を付勢する光ビーム１
５を発生する。別の実施形態において、光源１８は、基
板２０の本体内に集積された、センサから延びるワイヤ
の電気的接点を持つレーザーダイオードであってもよ
い。このレーザーダイオードは、外部手段、または、セ
ンサ上に印刷され、外部電源の相手側接点（ｍａｔｉｎ
ｇｃｏｎｔａｃｔｓ）と電気的に接触するように配置さ
れる電気的接点によって付勢される。センサ製造分野の
当業者には自明であるように、基板２０は、センサ１０
を付勢するための所望の波長の光に対して光学的に透明
であり、且つ、プレーナー型導波路２２への光の結合を
阻害しない分散または他の性質を持っていなければなら
ない。また別の実施形態において、光源は、導波路２２
の上側表面上に直接製造され得る。この場合、内部結合
素子（ｉｎｃｏｕｐｌｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）の必要
が無くなる。本発明の目的において、プレーナー型導波
路２２内に光源１８を集積すること、あるいは、光源１
８をプレーナー型導波路２２に直接結合することは、光
ビーム１５の単一モードのみがプレーナー型導波路２２
内を伝搬するように光源１８からプレーナー型導波路２
２内に光ビーム１５を結合するための、格子３２、プリ
ズム２７、レンズまたは他の手段と等価である。
【００４４】集積光学複プリズム３５はビーム処理領域
１７の光出力端４５に位置する。複プリズム３５は、ビ
ーム処理領域１７を通過する光ビームを受け取り、これ
らの光ビームを位相回折格子３６で重複させて干渉ビー
ムを生成するために再結合させる働きをする。複プリズ
ム３５は、参照および信号誘導波をずらして重複させる
バルクプリズムとして機能する薄膜複プリズムである。
ビームの角偏差ｆは、プリズム領域と不変の導波路との
間の屈折率の差およびプリズムの頂角ａに依存する。実
効モードの屈折率の差が０．１〜０．１５の場合、シン
グルモード動作を保持する一方で２〜３度の偏差を実現
し得る。複プリズム３５は図１および図３に概略的に示
される。複プリズム３５は、光ビームＳ１およびＳ２が
通過する入射面４６を含む。プリズムはまた、頂角ａの
角度をなして互いに位置する対向面４８を含む。好適な
実施形態では、頂角ａは１５０〜１７０度の範囲であ
り、隣接する角度は５〜１５度の範囲である。これらの
角度寸法は、実質的には、センサの構造上の寸法に依存
し、当然ながら、これらの寸法に適合するために必要で
あれば、本明細書にて示した範囲を外れてもよい。別の
集積光学構造体を光ビームを偏向させる手段として作用
させて、複プリズム３５の代わりに用いてもよい。これ
らの構造体としては、図１Ａに示す集積光学レンズ７
１、または図１Ｂに示す集積回折格子７２が含まれる。
【００４５】図１において、位相格子３６は、偏向参照
および信号ビームＤ１およびＤ２のためのビーム結合器
として働く。このタイプの格子は、格子周期Ｇは典型的
には１〜５ｍｍの範囲であるため、回折効率の制御が容
易であり、また、ホトリソグラフィー技術によって容易
に生成される。格子周期Ｇは、複プリズムによって生成
される偏差角ｆ、誘導光の波長ｌ、および導波路の実効
モードの屈折率Ｎｅｆ ｆに依存し、以下の式によって計
算される。
【００４６】２Ｎｅｆｆ・Ｇ・ｓｉｎＱ＝Ｍλ ここで、Ｑは位相格子のブラッグ角であり、Ｍ＝１であ
る。図１から分かるように、１つの偏向ビームを位相格
子によって回折される他の偏向ビームの一部と結合させ
るためには、プリズム偏向角ｆはブラッグ角Ｑと同じで
あるべきである。
【００４７】２ｍｍ幅のビームを用いてセンサの全長を
５０ｍｍ以下に保持するためには、プリズム偏向角ｆは
約２．８度であるべきである。従って、位相格子のブラ
ッグ角Ｑもまた２．８度である。動作周波数が０．７８
０μｍの場合は、導波路の実効周波数モードの屈折率を
１．５２と仮定すると、これは５．２μｍの格子周期Ｇ
に対応する。集積光学素子の製造で利用されるホトリソ
グラフィーの能力では、これらは比較的大きな寸法であ
り、容易に再生成され得る。
【００４８】実用においては、複プリズム３５と位相格
子３６とを同時に製造するために、単一のホトリソグラ
フィーマスクを使用することができる。格子は、表面浮
彫り構造として、または埋め込み格子として製造され得
る。また、格子周期は粗いため、格子の角度選択性は非
常に大きく、これは誘導波が整合することを意味する。
また格子はまっすぐである。上述のように、複プリズム
の代わりに、集積光学レンズ、集積光学回折格子、また
は全内反射素子を使用し得ることに留意されたい。
【００４９】位相格子３６が、ビーム結合を実現する受
動の十分に集積された手段を提供する一方で、ビームと
部分との結合を示す出力ビームを生成する他の手段が利
用可能および適用可能であることに留意することも有益
である。例えば、図１Ｃに示す音響光学装置７５は、導
波路の屈折率を変動させてビーム結合を生じさせるため
に使用され得る。音響光学装置７５は音響光学材料によ
り構成されるプレーナー型導波路２２である。制御電圧
７６を音響光学材料に印加することによって、導波路内
に位相格子が確立される。音響光学装置７５の利点は、
制御電圧７６を変動させることによって、導波路を伝搬
する変動する位相格子７７が得られることである。もし
くは、図１Ｄに示すように、従来の方法による圧電層を
導波路に適用することによって、電気光学装置８５を構
成し得る。デジタル間トランスデューサ８８を導波路２
２の一方の表面に配置し、制御電圧８６に接続させ得
る。制御電圧８６を変動させることにより、位相格子が
エミュレートされ、ビーム結合が行われる。
【００５０】図２に示すように、集積光学複プリズム３
５と位相格子３６との組み合わせは、全内反射素子８１
とフレネル反射素子８２との組み合わせに置き換えるこ
とができる。全内反射素子８１は、導波路２２内のくさ
び状の空間によって形成される。反射素子８１は内面８
１ａおよび８１ｂと外面８１ｃおよび８１ｄとを有す
る。くさび状空間の頂点８３で外面８１ｃおよび８１ｄ
によって形成される角度は十分に大きいため、導波路内
の誘導波は全面的に内面８１ａから反射され、フレネル
反射素子８２に衝突する。フレネル反射素子８２は、図
２Ｂに断面で示す厚い導波路領域と薄い導波路領域の細
長いストリップよりなる。フレネル反射素子８２は、誘
導波の一部を反射および透過させ、反射部分と透過部分
とのビーム結合を行うために用いられる。結合ビームは
次に内面８１ｂから反射してセンサの光検出器に向か
う。
【００５１】ビーム処理領域１７は参照領域５２と信号
領域５４とを含む。領域５２および５４は、図１に示す
ような一般に細長い方形パッチ内の導波路２２の上表面
の接触インタフェース５６に、１層以上の選択性オーバ
ーレイ（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｏｖｅｒｌａｙ）５５およ
び／または１層以上の保護オーバーレイ６０を積層する
ことによって画定され、またこれにより存在し得る。参
照領域および感知領域はまた、導波路を構成するために
使用される材料を変えることによって画定され得る。セ
ンサの適用にとって適切であれば、図１に示す方形以外
の輪郭形状を用いてもよい。さらに、参照領域５２また
は信号領域５４、もしくはこれら両方は、導波路表面に
多数の選択性オーバーレイを画定することによって、い
くつかの小領域に分割してもよい。選択される形状がど
のようなものであれ、ビーム処理領域１７は、参照ビー
ムＳ１が主に参照領域５２を通過する光よりなり、信号
ビームＳ２が主に信号領域５４を通過する光よりなるよ
うに設計されるべきである。図８Ａ〜図８Ｃは一定の比
例で描かれていないことに留意されたい。つまり、オー
バーレイ５５および６０の厚さは見やすいように誇張さ
れている。選択性オーバーレイ５５の典型的な厚さは、
単一原子の層から１ミリメートルの何分の１かの範囲で
ある。
【００５２】選択性オーバーレイ５５は、接触インタフ
ェース５６に沿って導波路と光学的に接触して配置さ
れ、領域５２または５４のうちの一方を通る光の伝搬に
影響を与え、他方の領域を通る光の伝搬には影響を与え
ない。選択性オーバーレイ５５は、これら領域を通る光
の伝搬を変化させるか、または一方の領域を通る光の伝
搬の変化を防ぐように作用する。上記に簡単に述べたよ
うに、これらの領域を通る光の伝搬の差により、センサ
が機能するためのメカニズムが提供される。互いに僅か
に異なる光ビームＳ１およびＳ２は、後に位相格子３６
内で結合され、光ビームＭ１およびＭ２を生成する。こ
れらの光ビームは干渉ビームであり、これらを解釈する
ことにより測定環境についての情報が提供される。
【００５３】選択性オーバーレイ５５は、導波路２２よ
りも低い屈折率を有するか、または、選択性オーバーレ
イ５５が導波路厚みに対して十分薄い場合は導波路より
も高い屈折率を有していてもよく、または、測定しよう
とする環境に曝された際に可変であるような屈折率を有
していてもよい。例えば、環境のある化学成分と化学応
答性選択性オーバーレイ５５との間の共有結合、水素結
合吸収または吸着などの局所的な化学反応などにより、
この環境成分の濃度または強度に比例して屈折率が変化
し得る。屈折率の変化は、選択性オーバーレイによって
覆われた領域を通る光の伝搬に影響を与える。試験され
る環境物質と化学応答性選択性オーバーレイ５５との間
の化学的結合はまた、選択性オーバーレイの全体的な構
成（通常は厚さ）に変化を起こし、選択性オーバーレイ
によって覆われた領域を通る光の伝搬に影響を与え得
る。この領域を通る光の伝搬の変化の大きさは、環境成
分濃度または環境のその他の特性と相関付けることがで
きる。ガス状アンモニアセンサの好適な実施態様におい
て、選択性オーバーレイはポリビニルアルコールの薄膜
であってもよく、その場合、アンモニアガスとポリビニ
ルアルコール膜との間の陽子交換が、存在するアンモニ
アの濃度に比例してポリビニルアルコール膜の屈折率を
変化させる。
【００５４】図８Ａに示すように、環境自体が、環境の
物理特性を感知するための選択性オーバーレイとして機
能し得る。その場合、シグナル領域５４は、導波路のう
ち選択性材料コーティングを受けない部分として規定さ
れる。参照領域５２は、保護オーバーレイ６０でコーテ
ィングされることにより、環境への曝されることによる
影響を受けないか、あるいは影響の受け方が異なるよう
にされる。この場合、導波路上面２８と環境との間にお
いて直接相互作用が起きる。相対湿度に応答する湿度セ
ンサは、環境の水分が導波路上面２８と介在的に（ｉｎ
ｔｅｒｓｔｉｔｉａｌｌｙ）相互作用することにより、
シグナル領域５４の屈折率に局所変化を起こす一例であ
る。
【００５５】図８Ｂに示す、センサ１０とともに用いる
化学応答層の特定例において、選択性オーバーレイ５５
は、導波路表面に接着された生物分子（ｂｉｏｍｏｌｅ
ｃｕｌｅ）の層であり、生物分子は分子結合対のうちの
一方である。例えば、抗原、抗体、酵素、レクチンまた
は単鎖核酸が、導波路表面のシグナル領域５４に結合さ
れ得る。この場合、シグナル領域５４は、特異的な分子
結合を起こすように機能化されていると言うことができ
る。結合対の他方を含有する溶液がセンサに曝されたと
き、結合対間の特異的分子結合が、シグナル領域５４中
の導波路屈折率が変化させる。結果として、シグナルビ
ームの位相が変更され、シグナルビームＳ２を参照ビー
ムＳ１とを結合する（ｃｏｍｂｉｎｅ）ことにより、結
合対の２番目側の存在に関する情報が得られる。インフ
ルエンザＡウィルスの検知のための好適な実施態様にお
いて、選択性オーバーレイは、インフルエンザＡのＮＰ
タンパク質に対して特異的なモノクローナル抗体の層で
あり得る。
【００５６】選択性オーバーレイ５５自体が、センサを
環境に曝すことなしに導波路の屈折率ならびにそこを通
った光の伝搬に対して自発的な効果を有し得るため、導
波路を正規化する（ｎｏｒｍａｌｉｚｅ）必要が生じ得
る。これは、図８Ｃに示すように、特定の選択性オーバ
ーレイ５５の層を参照領域５２に加えた後、参照領域５
２上に位置している選択的オーバーレイ５５を保護オー
バーレイ６０で覆うことによってなされる。保護オーバ
ーレイ６０は非感光層（ｏｐｔｉｃａｌｌｙｉｎｓｅｎ
ｓｉｔｉｖｅ ｌａｙｅｒ）を形成することにより、セ
ンサが環境に曝されたとき、参照領域５２を規定する選
択性オーバーレイ５５の屈折率に対しても、参照領域５
２を通る光伝搬に対しても、環境からの影響がなくな
る。保護オーバーレイは、例えば、二酸化シリコンまた
はポリテトラフルオロエチレンから製造され得る。
【００５７】別の実施態様において、印加された電界に
応じて屈折率が変化する選択性オーバーレイ５５を設け
るか、あるいはプレーナー型導波路２２または基板２０
を印加電界に応答する材料から構築することによって、
センサ１０は環境中の電界を測定するように構成され得
る。同様に、磁界または機械的力への曝すことに応答し
て屈折率が変化する材料で構成された選択性オーバーレ
イ５５を設けること、あるいはこのような材料からプレ
ーナー型導波路２２または基板２０を構築することによ
り、センサは環境中の磁界条件または機械的力をそれぞ
れ測定するように構成され得る。印加された電界に応答
して屈折率が変化する材料は、例えばポリビニリデンま
たはリチウムニオベートを含む。磁界に応答して屈折率
が変化する材料は、例えばニッケル−ポリマー構造を含
む。機械的力に応答して屈折率が変化する材料は、例え
ばポリスチレンまたはメチルメタクリレートなどのポリ
マーを含む。
【００５８】光が入力結合格子３２によってプレーナー
型導波路２２に入射されて領域５２および５４中を伝搬
する際、シグナル領域５４に塗布された（ａｐｐｌｉｅ
ｄ）選択性材料はシグナルビームＳ２のエバネセントフ
ィールドによって見られ、結果としてシグナルビームＳ
２の位相が変更される。位相格子３６によって変更され
ていないまたは異なる変更を受けた参照ビームＳ１と
（偏向（ｄｅｆｌｅｃｔ）後に）結合されたとき、得ら
れる位相シフトは、干渉効果のために、出力ビームＭ１
およびＭ２の両方において正弦波状の強度変化として現
れる。出力ビームＭ１およびＭ２の強度は、以下の出力
ビーム強度式によって記述される：
【００５９】
【数１】 ただし、 Ｉｍ１＝出力ビームＭ１の強度 Ｉｓ１＝
参照ビームＳ１の強度 Ｉｍ２＝出力ビームＭ２の強度 Ｉｓ２＝
参照ビームＳ２の強度 Ф（）＝導波路構造構成パラメータから得られる定常位
相バイアス ΔＮｅｆｆ＝Ｎｅｆｆ（ｓ１）−Ｎｅｆｆ（ｓ２） Ｎｅｆｆ（ｓ１）＝導波路構造参照領域５２の実効屈折
率 Ｎｅｆｆ（ｓ２）＝導波路構造シグナル領域５４の実効
屈折率 Ｌ＝ビーム処理領域１７の物理長 λ＝光ビームの自由空間波長 これらの等式は、出力ビーム強度の変化の大きさは、ビ
ーム処理領域１７の長さＬの領域５２および５４間の実
効屈折率差倍の関数であることを示している。従って、
シグナル領域５４の屈折率を変化させる環境条件の変化
について、センサ１０の感度は長さＬに対して直接比例
関係にある。
【００６０】集積された光学光ブロック（ｉｎｔｅｇｒ
ａｔｅｄ ｏｐｔｉｃ ｌｉｇｈｔｂｌｏｃｋ）３４
は、導波路の中心に沿った所定領域内を伝搬する光を、
領域５２および５４に平行に領域５２および５４の対向
する内端に沿ってブロックすることによって、導波路領
域５２および５４をいっそう別々に規定することができ
る。光ブロック３４は不透明または光吸収性材料から構
成され、シグナル領域５４の特性または参照領域５２の
特性のいずれも有さない光を、光ビームＳ１およびＳ２
と混ぜる（ｃｏｍｍｉｎｇｌｅ）ことによりセンサ感度
を減少させることを防止する。
【００６１】上述のように、光ビームＳ１およびＳ２は
複プリズム３５を通過して屈折され（好適な実施態様に
おいて典型的には２度〜３度の角度）、ビームを位相格
子３６においてオーパーラップさせ、ここにおいてビー
ムが結合される。ビームＭ１およびＭ２が屈折率および
環境の変化に関する情報を提供する一方で、ビームＤ １
およびＤ２は、例えば入力電力の変動または出力におけ
る熱起因性の変化などに起因するセンサの動作変動を示
すために有用である。従って、ビームＤ１およびＤ
２は、ビームＭ１およびＭ２を正規化して電力変動また
は熱変化による偽効果を除去するために用い得る。
【００６２】センサ用の光検出器は、導波路構造１２の
エッジ６４の部分に沿って配置されている光検出器アレ
イ６２を有し得る。各光検出器アレイ６２は、導波路構
造１２に面する各受光面６６に設けられた光感知素子６
８が出力ビームと光学的に連通して配置されるように、
受光面６６を規定する。図１およびさらに詳細には図１
Ｅに示すように、光検出器アレイ６２の光感知素子６８
は、光ビーム出力を受光するように設計され、１つのア
レイの第１部分６８ａは、光ビームＤ１を受光し、同一
のアレイの第２部分６８ｂは、光ビームＭ１を受光し、
同一のアレイの第３部分６８ｃは、光ビームＳ２を受光
し、光ビームＤ２、Ｍ２、およびＳ１は、他のアレイの
光感知素子６８によって受光される。光感知素子６８
は、例えば、電荷結合素子（ＣＣＤ）または多重離散型
ＰＩＮダイオードを有し得る。
【００６３】導波路構造１２の出力エッジ６４に沿って
アレイを設ける以外に、出力ビーム１６を光検出器アレ
イ６２に結合させる他の手段も使用できる。光検出器ア
レイ６２は、出力結合格子３３、プリズム３７、または
全内反射ミラー５０によって、出力ビーム１６に結合さ
れ得る。図３Ｄに示すように、出力結合格子３３は、上
記の入力結合格子３２と同様の、プレーナー型導波路２
２に埋め込まれたまたは導波路２２上に配置された集積
光学構造である。出力結合格子３３は、導波路２２から
の出力ビーム１６を基板２０を通して基板の下面２４か
ら、格子の周期および光源の波長に応じた角度で方向づ
ける。図３Ｅに示すように、プリズム３７は、導波路２
２よりも高い屈折率を有する材料で構成された三角形断
面素子である。プリズム３７は、導波路２２からの出力
ビーム１６を、プリズムの屈折率に応じた角度で方向づ
ける。図３Ｆに示すように、全内反射ミラー５０は、研
磨斜面３９を導波路２２の出力エッジ６４に設けること
によって構築され得る。全内反射ミラー５０は、導波路
２２からの出力ビーム１６を基板２０を通して基板の下
面２４から、斜面の角度に応じた角度で方向づける。図
３Ｆに示すように、好ましい角度は４５度である。出力
ビーム１６を光検出器アレイ６２に結合する他の手段
は、導波路２２内に光感知素子６８を一体化することで
ある。このような集積化は、ハイブリッド技術（例え
ば、素子を導波路と同一平面上に設けること）またはモ
ノリッシック技術（即ち、検出器を導波路と同時に形成
すること）のいずれかを用いて成し遂げられ得る。
【００６４】上記のように、図４にグラフで示す出力ビ
ームＭ１およびＭ２の強度は、領域５２および５４の有
効屈折率の差が直線的に変化するにつれて、正弦波状に
変化する。出力ビームＭ１およびＭ２の強度の正弦波パ
ターンの変化は、測定している環境条件に相関され得
る。ビームＭ１の出力は、エネルギー保存により、出力
ビームＭ２と位相が１８０度ずれている。最も貴重で、
最も明瞭な情報は、最大勾配点（ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｇ
ｒｅａｔｅｓｔ ｓｌｏｐｅ）または矩象点（ｐｏｉｎ
ｔ ｏｆ ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）で正弦波表示によっ
て提供される。出力ビームＭ１およびＭ２の１つの強度
が常に矩象点付近にあることを確実にするためには、出
力を出力ビームＭ２と位相が９０度ずれているＭ１にす
ることが好ましい。これは、１／４波フィルタを導波路
構造１２と、光検出器アレイ６２の１つとの間で使用す
るか、または導波路内の集積光学構成要素として、ビー
ムＭ １またはＭ２の１つの光路に沿って例えば位相格子
構造を設けることによって成し遂げられ得る。
【００６５】ビーム処理領域１７は、２つ以上の参照領
域５２および／または２つ以上の信号領域５４とに分割
することも可能である。例えば、図５に示す実施態様
は、２つの信号領域５４と対になった２つの参照領域５
２を示す。あるいは、図６は、多数の信号領域５４ａ、
５４ｂ、５４ｃ、および５４ｄを示し、これらはすべ
て、同一の参照領域５２を共有している。上記の分析
は、各参照および信号領域対に適用される。しかし、同
一のセンサ１０内の多数の参照および／または感知領域
の利点は、導波路構造１２に対して用いられる材料（好
ましくは、光学特性または化学特性などの材料特性に対
して選択される）または導波路構造１２に対して用いら
れる構成（例えば、形状およびサイズ）などのパラメー
タが、各対について異なり得ることである。これによっ
て、光検出器アレイ６２はさらに異なる情報を検出で
き、多数の環境効果の感知および／または向上した信号
処理が可能になる。
【００６６】向上した信号処理の例としては、図５にお
ける２つの参照領域５２および信号領域５４のそれぞれ
を実質的に同一の物理的長さになるように構成し、信号
領域のそれぞれを同一の環境に敏感な選択オーバーレイ
５５で処理することが挙げられる。参照領域５２および
信号領域５４のそれぞれの下部に位置する導波路２２ま
たは基板２０の構成および／または材料を適切に選択す
ることによって、当業者は、２つの参照−信号対のそれ
ぞれが、異なる定常位相バイアスＦ０および無視できる
ほどの感度差をもつようにすることができる。異なる定
常位相バイアスとは、各参照−信号対によって生成され
る他の点では実質的に同一の出力が、光検出器アレイ６
２上の正弦波状に変化する出力干渉パターンの異なる部
分をイメージすることである。１つの定常位相バイアス
を他の定常位相バイアスとｐ／２ラジアン（９０度）だ
け異なるように構築することによって、常に少なくとも
１つの出力が、干渉パターンの矩象点、即ち最も感度の
高い部分付近でイメージされることが確実になり得る。
【００６７】向上した信号処理の他の実施例を図７に示
す。図７は、図２にさらに詳細に示す全内反射素子８１
およびフレネル反射素子８２を示す。図７に示すよう
に、参照−信号対Ｉ１（Ｉ１ｒおよびＩ１ｓ）およびＩ
２（Ｉ２ｒおよびＩ２ｓ）の信号領域上の環境に敏感な
選択オーバーレイ５５は、参照−信号対Ｉ３（Ｉ３ｒお
よびＩ３ｓ）の信号領域上の他の点では実質的に同一の
環境に敏感な選択オーバーレイ５５よりも長くなるよう
に構築されている。上記の出力ビーム強度式によって示
すように、および各参照−信号対（Ｉ１ｒｓ、
Ｉ１ｓｒ、Ｉ２ｒｓ、等）に対する出力干渉において示
すように、選択オーバーレイ５５が長くなればなるほ
ど、オーバーレイの長さに比例して感知効果が増加す
る。特に、オーバーレイの長さが変化すると、矩象点に
おいて出力干渉パターンの傾斜も変化することが理解さ
れる。この傾斜は、通常干渉計の感度と呼ばれる、測定
される環境効果における単位変化当たりの干渉計（矩象
点において）の位相変化である。参照信号対Ｉ１および
Ｉ２の長さが長ければ、高解像度の情報が得られ、参照
信号対Ｉ３の長さが短かければ、同一の環境効果に関し
て低解像度の情報が得られる。図７に示す実施態様にお
いて、高解像度信号対Ｉ１（Ｉ１ｒおよびＩ１ｓ）およ
びＩ ２（Ｉ２ｒおよびＩ２ｓ）間の９０度定常位相バイ
アス差は、上述したように、感知領域の下部に位置する
プレーナー型導波路２２または基板２０の構成または材
料における適切な差によって引き起こされ、これらの２
つの信号対の少なくとも１つが常に矩象点付近にあるこ
とを確実にする。同様に、導波路構造１２の構成パラメ
ータを適切に選択することによって、信号対Ｉ３および
Ｉ１間の定常位相バイアス差が最小限にされ得る。オー
バーレイを受けない参照−信号対Ｉ４（Ｉ４ｒおよびＩ
４ｓ）は、制御情報を提供する。
【００６８】上記信号処理技術は、プレーナー構造中の
電磁波が伝搬する際のセンサに適用できることに留意さ
れたい。さらに、これらの技術は、プレーナー構造を伝
搬するモードの数またはタイプに関係なく適用できる。
これらの技術は、特に、集積光学プレーナー構造におい
て有用である。従って、本願で開示する向上した信号処
理技術は、マッハ−ツェンダーセンサ（即ち、米国特許
第４，５１５，４３０号）などのチャネル導波路を有す
るプレーナー構造、および上記で詳細に開示したまたは
米国特許第４，９４０，３２８号または米国特許第５，
１２０，１３１号において開示されている干渉計センサ
などのプレーナー型導波路を有するプレーナー構造に対
する向上を提供する。
【００６９】言うまでもなく、上記の実施態様は、本発
明を単に例示するものである。本発明をその好ましい実
施態様を参照しながら詳細に説明したが、当然のことな
がら、本願で記載し、添付の請求の範囲に定義した本発
明の精神および範囲を逸脱せずに、これらの実施態様に
対して変更および改変が行われ得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の干渉センサの一実施形態の斜視図
【図１Ａ】本発明の干渉センサの一実施形態の部分斜視
図であって、図１の集積光複プリズムの代わりに薄膜レ
ンズを使用する場合を示す図
【図１Ｂ】本発明の干渉センサの一実施形態の部分斜視
図であって、図１の集積光複プリズムの代わりに集積光
回折格子を使用する場合を示す図
【図１Ｃ】本発明の干渉センサの一実施形態の部分斜視
図であって、図１の位相格子の代わりに音響光学装置を
使用する場合を示す図
【図１Ｄ】本発明の干渉センサの一実施形態の部分斜視
図であって、図１の位相格子の代わりに電気光学装置を
使用する場合を示す図
【図１Ｅ】本発明で使用するための光検出器の斜視図で
あって、光ビームＤ１、Ｍ１およびＳ２をそれぞれ受け
取る光検出器アレイの部分を示す図
【図２】本発明の干渉センサの一実施形態の部分斜視図
であって、図１の集積光複プリズムおよび位相格子の代
わりに全内反射素子およびフレネル反射素子を使用する
場合を示す図
【図２Ａ】図２の線２ａ−２ａに沿って見た、図２の実
施形態の断面図であって、干渉センサの集積光学素子の
断面図
【図２Ｂ】図２の線２ｂ−２ｂに沿って見た、図２の実
施形態の断面図であって、干渉センサの集積光学素子の
断面図
【図３】図１の線３−３に沿って見た、図１の実施形態
の断面図であって、干渉センサの集積光学素子の側面図
【図３Ａ】図１の線３−３に沿って見た、図１の実施形
態と同様の実施形態の部分断面図であって、光ファイバ
ピグテールをレーザダイオードに置き換えた場合を示す
図
【図３Ｂ】図１の線３−３に沿って見た、図１の実施形
態と同様の実施形態の部分断面図であって、光−入力結
合手段としてプリズムを示す図
【図３Ｃ】図１の線３−３に沿って見た、図１の実施形
態と同様の実施形態の部分断面図であって、直接結合
（ｄｉｒｅｃｔ ｂｕｔｔ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ）による
光入力を示す図
【図３Ｄ】図１の線３−３に沿って見た、図１の実施形
態と同様の実施形態の部分断面図であって、光−出力結
合手段として格子を示す図
【図３Ｅ】図１の線３−３に沿って見た、図１の実施形
態と同様の実施形態の部分断面図であって、光−出力結
合手段としてプリズムを示す図
【図３Ｆ】図１の線３−３に沿って見た、図１の実施形
態と同様の実施形態の部分断面図であって、全内反射ミ
ラーによる光出力を示す図
【図４】本発明のセンサの光出力ビームの正弦波出力パ
ターンをグラフで表したものであって、ビームの振幅を
位相シフトΔＦの関数として示す図
【図５】１つの基板上に装着された２つの干渉センサを
有する、本発明の集積マルチセンサの実施形態の斜視図
【図６】図２の実施形態の部分斜視図であって、信号ア
ームを細分して、多数の種類の検知またはより高度な信
号処理のための多数の検知用小領域を生成する場合を示
す図
【図７】共通の構造の制御干渉センサおよび３つのさら
なる干渉センサと、これらの干渉センサのうちの２つの
干渉センサであって、信号領域上の、環境に敏感な選択
的オーバーレイの長さが異なり、それによりこれらの２
つの信号領域から発する信号の感度が異なる２つの干渉
センサの出力干渉パターンと、信号領域の導波路または
基板の構成または材料が異なり、それにより信号領域か
ら発する信号の定常（ｃｏｎｓｔａｎｔ）位相バイアス
が異なるもう１つの干渉センサの出力パターンとを示す
図
【図８Ａ】図１の線８Ａ−８Ａに沿って見た、図１の実
施形態と類似した実施形態の断面図であり、参照領域を
規定する１つの保護オーバーレイを誇張して示す図
【図８Ｂ】図１の線８Ｂ−８Ｂに沿って見た、図１の実
施形態と類似した実施形態の断面図であり、信号領域を
規定する１つの選択的オーバーレイを誇張して示す図
【図８Ｃ】図１の線８Ｃ−８Ｃに沿って見た、図１の実
施形態と類似した実施形態の断面図であり、参照領域お
よび信号領域を規定する選択的オーバーレイを誇張して
示しており、該参照領域は保護オーバーレイも受け入れ
る図
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１４年７月８日（２００２．７．８）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正内容】
【００４５】図１において、位相格子３６は、偏向参照
および信号ビームＤ１およびＤ２のためのビーム結合器
として働く。このタイプの格子は、格子周期Ｇは典型的
には１〜５ｍｍの範囲であるため、回折効率の制御が容
易であり、また、ホトリソグラフィー技術によって容易
に生成される。格子周期Ｇは、複プリズムによって生成
される偏差角ｆ、誘導光の波長ｌ、および導波路の実効
モードの屈折率Ｎｅｆ ｆに依存し、所定の式によって計
算される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正内容】
【００４６】図１から分かるように、１つの偏向ビーム
を位相格子によって回折される他の偏向ビームの一部と
結合させるためには、プリズム偏向角ｆはブラッグ角Ｑ
と同じであるべきである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F064 FF02 GG06 GG13 GG20 GG24 2G059 AA01 AA05 BB01 BB04 BB12 EE02 EE09 FF08 FF09 GG01 GG10 JJ11 JJ12 JJ17 JJ22 KK04 MM01 2H047 KA02 MA03 MA05 MA07 QA04 QA05 RA01

Claims (44)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 環境の特性を検出する装置であって、 ａ．コヒーレントな放射ビームを生成する手段と、 ｂ．プレーナー型導波路であって、 ｉ．該環境の該特性への露出の第１の作用（ｆｕｎｃｔ
    ｉｏｎ）として放射がその中を伝搬することを可能にす
    る第１の領域と、 ｉｉ．該環境の該特性への露出の第２の作用として放射
    がその中を伝搬することを可能にする、該第１の領域と
    は異なる第２の領域であって、該第２の作用は該第２の
    作用と異なる、第２の領域と、を含むプレーナー型導波
    路と、 ｃ．該プレーナー型導波路に該ビームを結合する手段
    と、 ｄ．該第１の領域を伝搬した後の該ビームの第１の部分
    と該第２の領域を伝搬した後の該ビームの第２の部分と
    の位相差を決定する手段と、を含み、該プレーナー型導
    波路を介する該ビームの伝達を該ビームの単一のモード
    のみに制限する構造的特徴を有する、装置。
  2. 【請求項２】 前記結合手段は、源から前記プレーナー
    型導波路へ前記放射ビームを方向づける結合格子を含
    む、請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記位相差の、前記環境の前記特性に対
    応する所定の位相差との比較をユーザに示す手段をさら
    に含む、請求項１に記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記第１の領域は、前記環境の前記特性
    の変化に応答して変化する屈折率を有する材料を含む、
    請求項１に記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記第１の領域は、該第１の領域の屈折
    率が前記環境の前記特性の変化に応答して変化するよう
    に、該環境の該特性と相互作用する材料を含む、請求項
    １に記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記第１の領域は、前記環境の前記特性
    の変化に応答して変化する構成を有する材料を含む、請
    求項１に記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記第１の領域は、外表面を有し、該第
    １の領域を介する該ビームの伝搬に影響を与える材料
    は、該外表面の少なくとも一部分に隣接して設けられて
    いる、請求項１に記載の装置。
  8. 【請求項８】 該材料は、前記環境の前記特性の変化に
    応答して変化する屈折率を有する、請求項７に記載の装
    置。
  9. 【請求項９】 前記材料は、前記第１の領域の屈折率が
    前記環境の前記特性の変化に応答して変化するように、
    該環境の該特性と相互作用する、請求項７に記載の装
    置。
  10. 【請求項１０】 前記材料は、前記環境の前記特性の変
    化に応答して変化する構成を有する、請求項７に記載の
    装置。
  11. 【請求項１１】 前記材料は、前記プレーナー型導波路
    上に成長したドープ剤層を含む、請求項７に記載の装
    置。
  12. 【請求項１２】 前記材料は、前記プレーナー型導波路
    内に注入されたドープ剤層を含む、請求項７に記載の装
    置。
  13. 【請求項１３】 前記材料は、前記プレーナー型導波路
    に塗布（ａｐｐｌｙ）された層を含む、請求項７に記載
    の装置。
  14. 【請求項１４】 前記プレーナー型導波路に対するサポ
    ートを提供し且つ前記第１の領域を介した前記ビームの
    伝搬に影響を与える、前記プレーナー型導波路と接する
    基板をさらに含む、請求項１に記載の装置。
  15. 【請求項１５】 前記基板の少なくとも一部分は、前記
    環境の前記特性の変化に応答して変化する屈折率を有す
    る少なくとも１つの材料を含む、請求項１４に記載の装
    置。
  16. 【請求項１６】 前記基板の少なくとも一部分は、前記
    第１の領域の屈折率が前記環境の前記特性の変化に応答
    して変化するように、該環境の該特性と相互作用する少
    なくとも１つの材料を含む、請求項１４に記載の装置。
  17. 【請求項１７】 前記基板の少なくとも一部分は、前記
    環境の前記特性の変化に応答して変化する構成を有する
    少なくとも１つの材料を含む、請求項１４に記載の装
    置。
  18. 【請求項１８】 前記位相差決定手段は、 ａ．前記ビームの前記第１の部分の一部分と該ビームの
    前記第２の部分の一部分とを結合（ｃｏｍｂｉｎｅ）し
    て、干渉結果のビームを生成する手段と、 ｂ．該干渉結果のビームを検出する手段と、を含む、請
    求項１に記載の装置。
  19. 【請求項１９】 前記結合（ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ）手段
    は、 ａ．前記ビームの前記第１の部分の前記一部分が、交点
    において該ビームの前記第２の部分の前記一部分と交差
    するように、該ビームの該第１の部分の該一部分と、該
    ビームの該第２の部分の該一部分とを偏向する手段と、 ｂ．該交点に設けられ、該ビームの該第１の部分と該ビ
    ームの該第２の部分との少なくとも１つの結合（ｃｏｍ
    ｂｉｎａｔｉｏｎ）を示す少なくとも１つの出力ビーム
    を生成する手段と、を含む、請求項１８に記載の装置。
  20. 【請求項２０】 前記検出手段は、 ａ．光検出器アレイと、 ｂ．前記干渉結果のビームの一部分を該光検出器アレイ
    に向ける出力格子カプラと、を含む、請求項１８に記載
    の装置。
  21. 【請求項２１】 前記構造的特徴は、前記プレーナー型
    導波路の横断方向ディメンションを含む、請求項１に記
    載の装置。
  22. 【請求項２２】 前記構造的特徴は、前記プレーナー型
    導波路の屈折率を含む、請求項１に記載の装置。
  23. 【請求項２３】 前記構造的特徴は、前記プレーナー型
    導波路の屈折率および横断方向ディメンションを含む、
    請求項１に記載の装置。
  24. 【請求項２４】 前記構造的特徴は、前記結合手段のジ
    オメトリーを含む、請求項１に記載の装置。
  25. 【請求項２５】 物質の濃度を検出する装置であって、 ａ．コヒーレントな放射ビームを生成する手段と、 ｂ．外表面を有し且つ該ビームの１つのモードのみを伝
    達する能力を有するプレーナー型導波路であって、 ｉ．外表面を有し、放射がその中を伝搬することを可能
    にする第１の領域と、 ｉｉ．放射がその中を伝搬することを可能にする第２の
    領域と、 ｉｉｉ．該第１の領域の該外表面に隣接して設けられた
    材料であって、該材料が該物質の該濃度に露出されたと
    きに第１の屈折率を有し、該材料が該物質の該濃度に露
    出されないときに異なる屈折率を有する材料と、 ｃ．該プレーナー型導波路に該ビームを結合する手段
    と、 ｄ．該第１の領域を伝搬した後の該ビームの第１の部分
    と該第２の領域を伝搬した後の該ビームの第２の部分と
    の位相差を決定する手段と、 ｅ．該位相差を、該物質の該濃度に関連する所定の位相
    差と比較する手段と、 ｆ．該位相差が該物質の該濃度を示す所定の位相差に対
    応したときにユーザに示す手段と、 を含む、装置。
  26. 【請求項２６】 物質の濃度を検出する方法であって、 ａ．コヒーレントな放射ビームを生成する工程と、 ｂ．該ビームの１つのモードのみが伝達され、該ビーム
    の第１の部分が第１の領域を伝搬し、該ビームの第２の
    部分が第２の領域を伝搬するように、該ビームを、外表
    面を有するプレーナー型導波路に結合する工程であっ
    て、 ｉ．該第１の領域が、該物質への露出の第１の作用とし
    て放射がその中を伝搬することを可能にするように、該
    第１の領域を適用させる工程と、 ｉｉ．該第２の領域が、該物質への露出の第２の作用と
    して放射がその中を伝搬することを可能にするように、
    該第２の領域を適用させる工程であって、該第２の作用
    は該第１の作用と異なる、工程と、 ｃ．該第１の領域を伝搬した後の該ビームの第１の部分
    と該第２の領域を伝搬した後の該ビームの第２の部分と
    の位相差を決定する工程と、 ｄ．該位相差を示す信号を発生させる工程と、 ｅ．該位相差信号を、該第１の領域が該物質の該濃度に
    露出されたときに予測される位相差に対応する所定の信
    号と比較する工程と、 ｆ．該位相差信号が該所定の信号に対応したときにユー
    ザに示し、それにより該第１の領域が該物質の該濃度に
    露出されていることを示す工程と、 を含む、方法。
  27. 【請求項２７】 露出される環境の特性を感知する装置
    であって、 ａ．コヒーレントな放射ビームを発生させる手段と、 ｂ．プレーナー構造と、 ｃ．該ビームを該プレーナー構造に結合する手段と、 ｄ．該プレーナー構造内の少なくとも１つの参照領域
    と、 ｅ．該プレーナー構造内の複数の信号領域であって、そ
    れぞれが該少なくとも１つの参照領域と対をなす、信号
    領域と、 ｆ．該少なくとも１つの参照領域から出る光ビーム部分
    と、該信号領域から出る光ビーム部分とを対として結合
    （ｃｏｍｂｉｎｅ）する、複数のビーム結合器（ｃｏｍ
    ｂｉｎｅｒ）であって、それにより複数の出力ビームを
    生成し、該出力ビームの少なくとも１つが各参照／信号
    領域対と関連する、ビーム結合器（ｃｏｍｂｉｎｅｒ）
    と、 ｇ．該出力ビームの少なくとも１つの強度を決定する手
    段と、 を含む、装置。
  28. 【請求項２８】 センサの少なくとも１つの構造パラメ
    ータは、前記複数対の参照／信号領域の少なくとも１つ
    に関して異なり、それにより前記出力ビームのうちの少
    なくとも２つの間に定常位相バイアス差を引き起こす、
    請求項２７に記載の装置。
  29. 【請求項２９】 前記定常位相バイアス差は約９０度で
    ある、請求項２８に記載の装置。
  30. 【請求項３０】 前記構造パラメータは、プレーナー構
    造構成とプレーナー構造材料からなる群より選択され
    る、請求項２８に記載の装置。
  31. 【請求項３１】 センサの少なくとも１つの構造パラメ
    ータは、前記複数対の参照／信号領域の少なくとも１つ
    に関して異なり、それにより該複数対の参照／信号領域
    の１つに関連する出力ビームの出力干渉パターンが、前
    記出力ビームの少なくとも別の１つの出力干渉パターン
    に比較して、矩象（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）において異
    なるスロープを有するようになる、請求項２７に記載の
    装置。
  32. 【請求項３２】 前記構造パラメータは、プレーナー構
    造構成とプレーナー構造材料からなる群より選択され
    る、請求項３１に記載の装置。
  33. 【請求項３３】 前記プレーナー構造上のオーバーレイ
    をさらに含む、請求項２７に記載の装置。
  34. 【請求項３４】 センサの少なくとも１つの構造パラメ
    ータは、前記複数対の参照／信号領域の少なくとも１つ
    に関して異なり、それにより前記出力ビームのうちの少
    なくとも２つの間に定常位相バイアス差を引き起こす、
    請求項３３に記載の装置。
  35. 【請求項３５】 前記定常位相バイアス差は約９０度で
    ある、請求項３４に記載の装置。
  36. 【請求項３６】 前記構造パラメータは、プレーナー構
    造構成、プレーナー構造材料、オーバーレイ構成および
    オーバーレイ材料からなる群より選択される、請求項３
    ４に記載の装置。
  37. 【請求項３７】 センサの少なくとも１つの構造パラメ
    ータは、前記複数対の参照／信号領域の少なくとも１つ
    に関して異なり、それにより該複数対の参照／信号領域
    の１つに関連する出力ビームの出力干渉パターンが、前
    記出力ビームの少なくとも別の１つの出力干渉パターン
    に比較して、矩象において異なるスロープを有するよう
    になる、請求項３３に記載の装置。
  38. 【請求項３８】 前記構造パラメータは、プレーナー構
    造構成、プレーナー構造材料、オーバーレイ構成および
    オーバーレイ材料からなる群より選択される、請求項３
    ７に記載の装置。
  39. 【請求項３９】 前記プレーナー構造と接する基板をさ
    らに含む、請求項２７に記載の装置。
  40. 【請求項４０】 センサの少なくとも１つの構造パラメ
    ータは、前記複数対の参照／信号領域の少なくとも１つ
    に関して異なり、それにより前記出力ビームのうちの少
    なくとも２つの間に定常定位相バイアス差を引き起こ
    す、請求項３９に記載の装置。
  41. 【請求項４１】 前記定常位相バイアス差は約９０度で
    ある、請求項４０に記載の装置。
  42. 【請求項４２】 前記構造パラメータは、プレーナー構
    造構成、プレーナー構造材料、基板構成および基板材料
    からなる群より選択される、請求項４０に記載の装置。
  43. 【請求項４３】 センサの少なくとも１つの構造パラメ
    ータは、前記複数対の参照／信号領域の少なくとも１つ
    に関して異なり、それにより該複数対の参照／信号領域
    の１つに関連する出力ビームの出力干渉パターンが、前
    記出力ビームの少なくとも別の１つの出力干渉パターン
    に比較して、矩象において異なるスロープを有するよう
    になる、請求項３９に記載の装置。
  44. 【請求項４４】 前記構造パラメータは、プレーナー構
    造構成、プレーナー構造材料、基板構成および基板材料
    からなる群より選択される、請求項４３に記載の装置。
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