JP2009505050A - 逆伝播波分光器 - Google Patents

Abstract

本発明は、アクセス（１０ａ，１０ｂ，１２）が設けられた導波管（１０）と、２つのガイド逆伝播波を、それぞれのアクセスにより、空間干渉が導波管内で形成されるように注入する手段と、前記逆伝播波の干渉により生成されたガイド領域のエバネッセント波のエネルギーを検出する手段（１９，２０，１４，１６）を具備する分光器に関する。

Description

本発明は、光学の分野に関する。
本発明は、より具体的には、逆伝播波を使用するガイドレンズを有するフーリエ変換分光器に関する。

導波管における逆伝播波は干渉を形成することは、Labeyrieおよびその他（Labeyrie，A．とHuignard，J.P.とLoiseaux，B.による「マイクロファイバにおける光学的データ記憶（Optical data storage in microfibers）」，Optics Letters，23，301-303（1998））による刊行物に示されているように知られている。得られたインターフェログラムは、それぞれの波の光学経路における差に依存し、このインターフェログラムは、光源および／またはこれらの波が通過した環境についての情報を得るために分析できる。
しかし、逆伝播波が導波管において干渉すると、得られたインターフェログラムは、導波管に閉じ込められたままになり、分光測定のためのアクセスができない。

従来技術では、FroggatとErdoganによる刊行物（Froggat，M.とErdogan，T．による「全ファイバー波長計およびフーリエ変換分光計(All-fiber wavemeter and Fourier-transform spectrometer)」，Optics Letters，24，942-944（1999））に記述された逆伝播波分光器が知られている。インターフェログラムは、導波管内に存在するブラッグ(Bragg)格子により導波管から抽出された２つの逆伝播波の間に干渉を形成することにより得られる。光は、波長２λとブラッグ格子ピッチΛの間の比に依存する角度：sin（α）＝ｎ_eff−λ／Λ（p943，coll，116-24）において導波管から抽出される。

このシステムにおいては、導波管内において、周期的格子を使用することは絶対的に必要である。検出器上に記録されるインターフェログラムのピッチは、この角度と、ブラッグ格子のピッチに依存する。例えば、単色波に対しては、Froggatは、次のようなフリンジ周期：Ｐ_Froggat＝１／２（ｎ_eff−λ／Λ）を得た。しかし、Labeyrieの前述の刊行物において得られたインターフェログラムは、分割地点からの波の経路差にのみ依存する。例えば、単色波の場合、Ｐ_Labeyrie＝１／２ｎ_effである。

このシステムでは、注入された信号に関連する伝播波が作成される。この伝播波は、干渉領域とは区別され、導波管に位置するインターフェログラムへの直接のアクセスを提供しない。
更に、このシステム、特に周期的ブラッグ構造は、導波管内の波を妨害し続ける。
更に、上記のシステムは、信号波の注入を指定するのみで、それは、逆伝播波により反射される。これは、可能性のある干渉の中心フリンジへのアクセスを可能にしないという不都合点を有している。

本発明は、これらの不都合点を解決することを主な目的とする。
従って、本発明は、ガイド逆伝播波に対するこのインターフェログラムへのアクセスを提供することを目的とする。
逆伝播波の干渉によるインターフェログラムにアクセスすることは、例えば、従来のマイケルソン(Michelson)干渉計とは異なり、観測のために移動部を必要としないという追加的利点がある。

この理由のため、本発明は、２つのアクセスが設けられた導波管１０と、空間的干渉が導波管内で形成されるように、前記アクセスの１つによる２つのガイド逆伝播波を注入する手段と、前記逆伝播波の干渉により生成されたガイド領域のエバネッセント波のエネルギーを検出する手段を備える分光器１１に関する。

本発明によれば、導波管に位置するインターフェログラムは、ガイド領域のエバネッセント波によりアクセスされ、このインターフェログラムへの実際のアクセスを提供する。
他方では、Froggatの上記の刊行物において、導波管内に位置する周期的格子は、２つの波の１つを抽出し、それらを検出器上で干渉させて、異なるインターフェログラムを構成する。
前記検出手段は、好ましくは、前記導波管の近くに位置する少なくとも１つの平坦導波管（１４，１４ａ，１４ｂ）と、前記平坦導波管から来る波を検出するように配置された少なくとも１つの光電検出器を備える。
前記検出手段が、前記導波管の２つのアクセス間に分布された複数の局所検出器を備えることは有利なことである。
前記検出手段が、少なくとも１つの固定または可動拡散点と、少なくとも１つの光電検出器を備えることは有利なことである。

１つの実施の形態によれば、２つの波を注入する前記手段は、同じ波の２つの部分を、前記導波管の２つのアクセスに従って導くように配置された波分離器である。
本発明は、本発明によるアレイ状に配置された複数の分光器を備える分光撮像システムにも関し、注入手段は、入力レンズの焦点面にある。
本発明は、付随する図面を参照して、本発明の１つの実施の形態の、説明のためのみに提供される下記の記述により、より良く理解されるであろう。

図１に示される本発明の第１実施の形態によれば、分析される光は、導波管１０の端部において装置１１に、接続光ファイバーにより、またはボリューム光学機器、または光を注入する任意の他のシステムを使用しての注入により、またはガイドまたはその他により導入される。
光は、波を２つの部分に分離する構成要素１２に向かって伝播する。インターフェログラムは、エバネッセント波が、湾曲した導波管からの光から切り離されることを確実にするゾーン１３の周りに形成される。構成要素１２は、波が、ゾーン１３において、導波管１０の２つの別個のアクセス手段を通過することを保証する。図１で、ゾーン１３において示されている振動関数は、干渉ゾーン１３に存在するインターフェログラムを示している。

ゾーン１３は、ゾーン１３とゾーン１２を接続する２つの経路に従う波を分離するゾーン１２から等距離に位置している。
装置１１は、湾曲導波管に存在する光が、ゾーン１４から半径方向に出ることができるように平坦導波管ゾーン１４も備えており、それにより、湾曲導波管に存在していたインターフェログラムの一部は、図の面に直交する垂直方向（つまり、構成要素の厚さ方向）に、媒体１７のエッジに向かってガイドされ、一方、システムの平面において形状が比Ｒ（ｘ）／ｒだけ拡大される。ここにおいてｘはエッジに沿う座標であり、ｒは導波管の曲率半径であり、Ｒ（ｘ）は、曲率中心において、ｘ座標上の点を、導波管の対応する一部から分離する半径方向の距離である。

この実施の形態においては、フリンジピッチは、頂点から、ループの曲率中心への距離比Ｒ／ｒに従って調整でき、それにより、検出器を使用するインターフェログラムの補正シャノン(Shannon)サンプリングが可能になり、フリンジの周期が、選択された格子ピッチにのみ依存し、従って、Λ／２の周りの狭いスペクトル範囲λ²／（４ｎｅｆｆ・Ｐ）へのアクセスのみを提供するFroggatの上記の刊行物における分光器とは異なり、ピクセルの寸法は、波長の１／４よりも大きくなる。

ゾーン１４は、例えば、湾曲導波管から来る光の逃散率を制御して、光を、構成要素１７の頂点にガイドするために使用される、湾曲導波管上に並べて置かれた平坦導波管に対応する。非湾曲導波管に対しては、プリズム１４もまた、検出を非局在化するために使用できるということは理解されよう。
プリズム１４内では、逆伝播波の干渉により形成された、ガイド領域のエバネッセント波は、検出を非局在化することを可能にする伝播波に変換される。
光感知検出手段１６は、媒体の接線領域に沿って、導波管から抽出されたインターフェログラムの一部を検出するように調整される。

信号の再構築は、導波管に沿う湾曲した横座標を、ｘ座標に向けて射影する、形状的変換を考慮しなければならない。この形状は、等間隔に配置されているピクセルを有する検出器に対して、インターフェログラムのサンプリング則は、δ＝arctan(x/R)・rであることを意味し、ここにおいてδは、分離ゾーン１２からの等しい長さの光学経路に対する中心フリンジ点からの経路差の湾曲横座標である。ｘは、構成要素の頂点上のインターフェログラムの射影に対する幾何学的距離を表わしている。

ガイド１０の分離ゾーン１３における、導波管から抽出された光の量は、湾曲導波管と平坦導波管の間の幾何学的適応または屈折率に依存する。このようにして、１３の各点から逃散しなければならない光の量を調整することが可能であり、それにより、媒体１７のエッジにおいてサンプリングされたインターフェログラムのアポダイゼーションに関して作用することが可能になる。このように、逃散率の一定の適応は、ゾーン１３における湾曲導波管に沿う光の分布の指数関数的な減少をもたらし、それは、波がどの方向からこの部分に入射したかに依存する。システムの寸法は、検出器画像要素（ピクセル）の間の隙間に依存する。寸法合わせは、例えば、次のようにして計算される。

検出器１６の特性と、ピクセルの寸法ｄｘと、細片におけるピクセルの数Ｎが開始点として使用される。そうすると、検出器１６の長さは、Ｌ＝Ｎ・ｄｘである。分析される周波数範囲においては、検出器は感知可能でなければならず、導波管は、単一モードで伝播可能でなければならない。そして、動作波長の範囲は、λ_minとλ_maxにより規定される。
インターフェログラムの中心におけるサンプリングは、指標ｎが、広域帯におけるシャノン定理に従って、平坦導波管１４による引き起こされる拡大Ｇにより乗算される環境において、波長λ_min／４におけるフリンジ間隔に対応する距離に対して２つのピクセルを置くことを可能にしなければならない。インターフェログラムの中心におけるこの拡大は、Ｇ＝Ｒ／ｒであり、それにより
ｄｘ＝Ｇ・λ_min／４ｎ
である。
プリズム１４のビーム角Ａは、逆伝播波導波管のループの曲率中心にプロットされた、検出器の長さに整合しなければならない。
Ａ＝２arctan（Ｌ／２Ｒ）
最後に、導波管の曲率ｒと、平坦導波管１４の正確な形状は、所望の逃散率に依存して、例えば、R. Hiremathおよびその他による刊行物（K. R. Hiremath, M. Hammer, R. Stoffer, Prkna, J. Ctyrokyによる「誘電体光学湾曲スラブ導波管への分析的アプローチ（Analytical approach to dielectric optical bent slab waveguides）」，Optical and Quantum Electronics 37 (1-3), 37-61 (2005)などの、既知の電磁計算により決定される。

図２に示される、本発明の第２実施の形態によれば、ガイドゾーン１４は対称形状を有し、それにより、中心フリンジに関連して対称的な方法でインターフェログラムを記録できる。更に、システムの対称性に関連して、平面１７を斜めに切ることにより、スペクトルについての情報がより豊富な、インターフェログラムの中心に対応するフリンジが、たまにあまり興味の対象とならない高周波数のサンプリングを犠牲にすることで、より良好にサンプリングされる。

同様に、図１に示されるような構成において、インターフェログラムのアームの１つを拡張することもできる。このようにして、インターフェログラムは、導波管１０のループが拡張された方向において、光電検出器の細片上でオフセットされる。
図３に示されるように、本発明による分光器は、インターフェログラムのいくつかの別個の部分をサンプリングするように、複数の検出器１６ａ，１６ｂと関連する複数のプリズム１４ａ，１４ｂを備えることもできる。

図４に示される別の実施の形態によれば、波を、それを導波管１０ａと１０ｂの２つのアクセスに注入する前に分割することができる。この構成は、特にインターフェログラムの位相を測定するときには最適である。システムの対称性は、完全な補正色収差を保証し、それにより、測定される信号における波長変動に対して、位相測定の無感知性を保証する。更に、ニオブ酸リチウムの場合のように、環境の指標を修正する電子光学効果により、または、弾性光学または音響光学効果および任意の他の方法のいずれかにより、実際の構成要素２１におけるチャネルの１つの上の光学経路を修正できる。外部においては、この光学経路のシフトは、例えば、マイケルソン(Michelson)アセンブリのような、波をホールドアップ線から分離するシステムを形成できる。この変形例は、インターフェログラムの他の部分を記録できるようにし、それにより、システムのスペクトル分解能を増大、またはインターフェログラムのサンプリングを改善できる。

図５に示される、本発明の別の実施の形態によれば、以前に分割された波は、１０ａおよび１０ｂにより、導波管１０の２つのアクセスを介して構成要素に注入され、波は、導波管および検出器内で干渉して点を拡散し、またはボロメーター１９が導波管の表面上に置かれ、従って、導波管内に存在する領域の一部を感知する。
このように、例えば、複数の固定された局所検出器１９が、導波管１０の外側に位置する。導波管１０により生成されたエバネッセント波を感知する材料を、例えば、これらの局所検出器の製造に使用できる。そして、検出器１９はエバネッセント波の強度をサンプリングする。
この技術に精通した者は、波長λを検出する必要があるときは、検出器は、対応する信号を再構築するために、λ／４に実質的に等しい距離だけ間隔を空けて置かれるということは、明確に理解されよう。

多色スペクトルの広域帯検出に対しては、この距離は、調べられたスペクトルの最小波長の１／４でなければならない。これより短い波長の検出は効率が悪く、または干渉システムにまったく貢献しない。
逆に、多色スペクトルの狭域帯検出に対しては、これらの検出器が、調べられたスペクトルの最小波長の１／４よりも小さいサイズを有していれば、狭域帯におけるシャノンの定理に従って、λ／４より大きい距離で検出器を置くことができる。
従って、検出層１９は、規則的な分布がブラッグ格子効果による波における崩壊につながるということを考慮して、例えば、複数の等距離局所検出器を含む。

この問題を解くためには、導波管と、等間隔に配置された局所検出器の間の連続光感知環境を設置すること、または局所検出器を、例えば、連続する素数により規定される間隔のような非周期的な方法で、位置決めすることが潜在的に可能である。
これらの検出器は、本発明の範囲に何らの制限も課さないくつかのタイプが可能であることに留意されたい。
これらは、例えば、フォトダイオードの端子において電流を収集するためのフォトダイオードと電極を備えた薄い半導体基板上に生成された光導電接合ｐｎである。この基板は、分子接着または糊付けにより導波管１０に隣接している。
これらの検出器は、導波管１０の２つの対向するアクセスの間の分布されたネットワークを形成する超伝導ワイヤを有するマイクロボロメーターであってもよい。
マイクロアンテナ、セレニウム光導電体、またはジョンソン(Johnson)効果光電検出器を使用することも可能である。

同様に、図６に示されるように、導波管１０内で生成されたインターフェログラムは、構造の対向する入力１０ａと１０ｂにおける２つの波の間の位相シフトを非常に良好に感知する。インターフェログラムは、この位相シフトに従って、導波管に沿って動く。従って、導波管上に設置された検出器または単一の固定または可動拡散点２０により、その動きを通して、インターフェログラムを記録することが可能である。
また、エバネッセント領域を変換して、それをエバネッセントゾーンの外側に設置された検出器に向けて伝播させ、例えば、ＣＣＤのピクセルのように、波長よりも厚い検出器の使用を可能にするために、エバネッセント領域における光電検出器を、伝播方向の最小波長の１／４よりも小さい直径を有する１つまたは２つ以上の拡散点と置き換えることも可能である。

既知の位相シフトが加えられて、インターフェログラムの記録が可能になるか（分光測定）、またはインターフェログラムの動きが測定されて２つの波の間の位相シフトを決定できるようになるか（計測学）、または最終的に、拡散点が既知の方法で動かされて、インターフェログラムが記録される。
構成要素内の位相をシフトする１つの方法が図７に示されており、光学経路上の作用により開いている場合は、波の分離は外部で起こり、１０ａと１０ｂに注入される。インターフェログラムは、拡散点または欠陥２０において検出される。

図８に示されるように、図５に関連して記述された局所検出器が設けられた波分離の閉じた導波管を使用することができる。この場合、導波管は湾曲していないが、図１のようにプリズムの位置を決めて、拡大せずに装置の縁の干渉図を観測することも可能である。
同じ方法で、図９に示すように、拡散要素を、波の内部分割と組み合わせて使用することが可能である。

最後に、本発明は、上述したように、アレイ状に配置された複数の分光器を備える分光撮像システムにも関する。この場合、得られるシステムは、２つのレンズから構成され、それにより、波が単一モード導波管に適合できるようになる。検出器の集合体は、導波管のエバネッセント領域に設置される。例えば、ＣＣＤ検出器細片が得られ、それは、単一モード導波管が製造される環境の指標を考慮して、波長の１／４よりも小さなピッチを有していなければならない。そのような要素から構成されたモザイクは、波面を分割し、このモザイクの２つの面上に同時に画像を形成する光学システムにおいて使用されなければならない。
現場での検出を行う分光器を提供する本発明は、ジャイロレーザー、計測法、またはＯＣＴ（光干渉断層計）、またはセンソリックス（sensorics）（化学的および生化学的検出および分析）のような分光測定を使用する多数の分野において適用可能である。

図１は、閉ループ逆伝播波分光器を備える、本発明の第１実施の形態を示す。 図２は、傾斜面上で検出をする、本発明の第２実施の形態を示す。 図３は、２つのプリズムを有する、本発明の１つの実施の形態を示す。 図４は、２つの入力を有する導波管に対する、本発明の１つの実施の形態を示す。 図５は、本発明の１つの実施の形態を示し、検出は、エバネッセント領域における複数の局所検出器により実行される。 図６は、本発明の１つの実施の形態を示し、検出は、拡散点により実行される。 図７は、信号位相シフト手段を備える、本発明の１つの実施の形態を示す。 図８は、本発明の１つの実施の形態を示し、ループ導波管と、複数の局所検出器が使用される。 図９は、閉ループと位相シフト手段に対する、本発明の別の実施の形態を示す。

Claims (8)

1. 分光器であって、
   ２つのアクセス（１０ａ，１０ｂ，１２）が設けられた導波管（１０）と、
   前記アクセスのそれぞれにより、２つのガイド逆伝播波を、前記導波管内で空間干渉が形成されるように注入する手段と、
   前記逆伝播波の前記干渉により生成されたガイド領域のエバネッセント波を検出する手段（１９，２０，１４，１６）と、を含む分光器。
2. 前記検出手段は、前記導波管の近くに位置する少なくとも１つの平坦導波管（１４，１４ａ，１４ｂ）と、前記平坦導波管からの波を検出するように配設されている少なくとも１つの光電検出器と、を具備することを特徴とする請求項１に記載の分光器。
3. 前記検出手段は、前記導波管の２つのアクセスの間に分布されている複数の局所検出器を具備することを特徴とする請求項１に記載の分光器。
4. 前記局所検出器は、前記波の波長の１／４よりも小さいサイズを有する請求項３に記載の分光器。
5. 前記検出手段は、少なくとも１つの固定または可動拡散点と、少なくとも１つの光電検出器と、を具備することを特徴とする請求項１に記載の分光器。
6. 前記拡散点は、前記波の波長の１／４よりも小さいサイズを有する請求項５に記載の分光器。
7. 前記２つの波を注入する手段は、前記導波管への前記２つのアクセスに従って、前記同じ波の前記２つの部分を導くように配置されている波分離器であることを特徴とする請求項１に記載の分光器。
8. 分光撮像システムであって、上記請求項のいずれか１つに記載されている複数の分光器を、アレイ状に配置して具備し、前記注入手段は、入力レンズの焦点面にあることを特徴とする分光撮像システム。

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