JP2014520258A - 平面基板における干渉法 - Google Patents

Abstract

平面基板を備える干渉計を提供する。この干渉計は、平面基板上に形成され、受信した光学信号を分岐するスプリッタと、平面基板上に形成され、分岐した光学信号の第１の部分を受信してサンプルへと導くサンプルアームと、平面基板上に形成され、分岐した光学信号の第２の部分を受信する参照アームと、分岐した光学信号の第１の部分とサンプルとの相互作用により生成された受信サンプル信号と分岐した光学信号の第２の部分とを干渉させることにより生成されたインターフェログラムを受信する検出素子とを備える。

Description

関連出願
本願は、２０１１年３月３１日に出願された米国仮特許出願第６１／４９１，６２０号に基づく優先権を主張するものであり、その内容は参照により援用される。

本発明は干渉法に関し、より具体的には平面基板上に形成した干渉計を用いてインターフェログラムを生成するための装置及び方法に関する。

本発明の１態様では干渉計が提供される。この干渉計は、平面基板と、平面基板上に形成され、受信した光学信号を分岐するスプリッタと、平面基板上に形成され、分岐した光学信号の第１の部分を受信してサンプルへと導くサンプルアームと、平面基板上に形成され、分岐した光学信号の第２の部分を受信する参照アームと、分岐した光学信号の第１の部分とサンプルとの相互作用により生成された受信サンプル信号と分岐した光学信号の第２の部分とを干渉させることにより生成されたインターフェログラムを受信する検出素子とを備える。

いくつかの実施形態では、分岐した光学信号の第１の部分と第２の部分との間に遅延を導入することが可能であり、また別の実施形態では、参照アームに遅延を導入することが可能である。

いくつかの実施形態では、干渉計は、遅延を調整することのできるコントローラブルな遅延素子をさらに備えてもよい。いくつかの実施形態では、参照アーム及びサンプルアームは、有効な屈折率を有する導波路であってもよく、別の実施形態では、前記コントローラブルな遅延素子は、参照アームの一部の屈折率を調整することにより遅延を導入することができる。いくつかの実施形態では、前記コントローラブルな遅延素子は、参照アームの一部の温度を変化させることにより参照アームの屈折率を調整することができる。また別の実施形態では、前記コントローラブルな遅延素子は、電気光学的効果により参照アームの屈折率を調整することができる。

いくつかの実施形態では、参照アームは蛇行形状であってもよい。また別の実施形態では、参照アーム及び／またはサンプルアームは、シリコン、窒化シリコン、ドープガラス、他のポリマー、あるいは目的とする波長範囲の光を導くのに好適な他の材料など、受信した光学信号の波長範囲で透過性を示す材料から形成することができる。

いくつかの実施形態では、干渉計は、インターフェログラムを受信して、受信したインターフェログラムの複数のスペクトルを表す複数の狭帯域インターフェログラムを生成するための分散素子と、前記複数の狭帯域インターフェログラムをそれぞれ受信するためのさらなる検出素子とをさらに備えることができる。

いくつかの実施形態では、干渉計の検出素子は、前記平面基板上に形成することができる。いくつかの実施形態では、干渉計は光源をさらに備えてもよく、この光源は光学信号を生成するために前記平面基板上に形成されていてもよい。また他の実施形態では、干渉計はさらに、ファイバー入力と接続してその光学信号を受信するための入力モード変換器を備えることができる。

いくつかの実施形態では、干渉計は、前記平面基板上に形成され、前記受信されたサンプル信号を受信するためのサンプルリターンアームと、前記平面基板上に形成され、サンプルリターンアームと参照アームとに光学的に接続され、リターンサンプル信号と分岐した信号の第２の部分とを干渉させてインターフェログラムを生成する合成器とをさらに備えることができる。いくつかの実施形態では、前記合成器は、リターンサンプル信号と分岐した信号の第２の部分とを干渉させることにより第２のインターフェログラムを生成することができ、第２のインターフェログラムは第２の検出器アレイによって受信されて、光路長の差を決定する。別の実施形態では、前記合成器は、リターンサンプル信号と分岐した信号の第２の部分とを干渉させることにより第２のインターフェログラムを生成することができ、この第２のインターフェログラムは、前記インターフェログラムと位相がずれており、第２の検出器アレイによって受信されるが、この第２の検出器アレイは前記第１のインターフェログラムのノイズをフィルタし、フィルタ補正された第３のインターフェログラムを生成する。

いくつかの実施形態では、干渉計の前記スプリッタは方向性結合器であってもよく、前記干渉計は、参照アームの一端に光学的に接続され、前記分岐した信号の第２の部分を前記方向性結合器に向けて反射させる反射素子をさらに備えることができる。この方向性結合器は、受信したサンプル信号と反射された分岐した信号の第２の部分との干渉によりインターフェログラムが生成するよう構成されている。

いくつかの実施形態では、前記方向性結合器は、受信したサンプル信号と反射された分岐した信号の第２の部分とを干渉させて第２のインターフェログラムを生成することができ、前記第２のインターフェログラムは第２の検出素子によって受信されて光路長の差を決定する。別の実施形態では、前記方向性結合器は、受信したサンプル信号と反射された分岐した信号の第２の部分とを干渉させて第２のインターフェログラムを生成することができ、この第２のインターフェログラムは第２の検出器アレイによって受信されるが、この第２の検出器アレイは前記第１のインターフェログラムのノイズをフィルタし、フィルタされた第３のインターフェログラムを生成する。

さらにまた別の実施形態では、干渉計はさらに、干渉計により受信される光学信号を生成する能力を有する調節可能な光源を備えることができる。

本明細書に記載するシステム及び方法の実施形態をよりわかりやすく説明するため、またそれらがどのように実施され得るかをより明確に示すため、例示として添付した図面を参照されたい。

平面基板上に形成した時間領域干渉計の１実施形態を示す。

平面基板上に形成した時間領域干渉計の別の実施形態を示す。

スペクトロメータに光学的に接続された時間領域フーリエ領域干渉計の１実施形態を示す。

スペクトロメータに光学的に接続されたフーリエ領域干渉計の１実施形態を示す。

調節可能な光源を備えた波長掃引型干渉計の１実施形態を示す。

干渉計は、一般に干渉法技術とともにに用いられる装置及びシステムである。干渉法技術は一般に、重ね合わせた電磁波（光など）に基づいて情報の抽出や分析を行うものである。典型的な例において、干渉計は、単一の光ビームを受光してビームスプリッタにより２つのビーム（アーム）に分岐し、同じ周波数及び位相を持つ参照ビームとサンプルビームとを生成する。干渉計は、分岐した２つのビームの再合成または重ね合わせを行ったとき、出力波の振幅を、入力アーム間における遅延あるいは入力アーム間の光路差の関数として描画することができるインターフェログラムが生成されるように、２つのビームのうち一方の位相を既知の量だけシフトさせることができる。インターフェログラムを分析することにより、用途に応じた情報を得ることができる。例えば、分岐したビームの一方がサンプルへと導かれ、サンプルによって反射された場合、インターフェログラムを分析し、サンプルとの接触の結果光がどのように変化したかを調べることにより、サンプルのある種の特性を決定することができる。

一例を挙げると、光干渉断層撮影法（ＯＣＴ）は、コヒーレンスの低い光の干渉特性を用いてリアルタイムで３次元の断層画像を生成する撮像技術である。反響する音波すなわちエコーを用いて測定する超音波法とは異なり、ＯＣＴはサンプルに入射した光の後方散乱光の反射を測定して表面及び／または表面下の詳細画像を生成する。

ＯＣＴは、広帯域光源の光を分岐し、それらを再合成することにより、重ね合わされた波の差を検出する干渉法の技術である。時間の遅延または生成された音波の変化を測定する超音波技術とは異なり、干渉法は位相遅延や強度などの、反射光の変化の測定に基づいている。高速で進む光の遅延を直接測定することは一般的には不可能であるが、干渉法を用いることにより、反射光を（長さ及び遅延が既知である）既知の参照パスを経た.光である参照ビームと比較することができる。

一般にＯＣＴシステムは、光源アーム、サンプルアーム、参照アーム、及びリターンアームなど複数の光路すなわちアームを備えている。光源アームは、様々な波長の光を含む広帯域光ビームを発する（あるいは受光して方向づける）。光源からの光は干渉計に入射し、ビームスプリッタによりサンプルアームと参照アームとに分岐される。いくつかの撮像システムでは、一般的にサンプルアームの光路長を長くすることで参照ビームの位相を遅延させている。サンプルとの相互作用の後、反射されたビームは参照ビームと干渉し合う。この２つのビームを再合成すると、その結果として生じたインターフェログラムが記録される。遅延の導入により、例えば、サンプルの特定の点の深さに等しい既知の光路長だけ参照ビームを遅延させることで、サンプルの深度分析を行うことができる。

干渉計を用いたサンプルの走査など医療用撮像装置としての用途において、ＯＣＴシステムは、その解像度、サンプルへの透過深さ、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）、及び画像取得時間などの限界により使用が制限される傾向にある。一例を挙げれば、ＯＣＴの透過深さは、発信波長及び光源の出力によって決定されうる。この発信波長は、組織の吸収特性及び／または散乱特性に基づくものであり、透過の主要な決定因子となる傾向にある。波長が長くなると、ほとんどの生体組織において光の吸収は増加する。また、波長が長いほど散乱は少なくなり、透過深さが向上する。そのため、ＯＣＴでは近赤外線波長を用いることが多い。波長及びサンプルの光学特性にもよるが、一般に透過深さは数ミリメートルに限定され、超音波など他の技術で到達する深さに比べてかなり小さい。

ＯＣＴではコヒーレンスの低い光の干渉を利用するため、解像度の高い画像データが得られる。ＯＣＴ３次元（３Ｄ）撮像では、横断方向及び軸方向のいずれにおいても解像度を指定できる。軸方向の解像度と横方向の解像度とが互いに独立していることは、ＯＣＴの有用な特徴の一つである。軸方向の解像度は、光源のコヒーレンス長による制限を受け、スペクトル帯域幅に反比例する。横方向の解像度は、横方向サンプリングレート及び／またはプローブビームの直径寸法が不十分なことによる制限を受ける。

ＯＣＴ（または干渉法を用いた他の医療撮像）を行う場合、信号が一般にノイズを含むことは避けられない。ノイズ源は光源、走査する参照アーム、吸収媒体、検出器、あるいは光学分光測定法で用いられる電子測定システム類であり得る。スペックルノイズは、サンプル中の無相関な隣接散乱体から後方散乱したコヒーレント波同士が干渉して生じるもので、ＯＣＴ画像の主要なノイズ源である可能性がある。

ほとんどの干渉システムにおいて、参照アームの光路長は回転ミラーなどの機械的手段によって変調される。一例を挙げれば、現在のシステムで採用されている時間領域ＯＣＴのアプローチは、リアルタイムの撮像を達成するために非常に小さな遅延を非常に高速に走査する比較的複雑な光学的設計及び機械的設計を必要とし、そのことがこのアプローチの妨げとなる傾向にある。このような機械的構成要素は、撮像が完了する速度を制限する。さらに、撮像装置が大きくなることにより、生体内での有効性が限定される。そのため、機械的構成要素及びその他の構成要素の数を減じることでより高速に遅延を導入できる干渉計を提供することが望ましい。また、光路の遅延がほとんど瞬時に導入できるようなリアルタイムに近い撮像の可能な干渉計が望ましい。さらに、生体内分析に好適なサイズの構成要素を備えた干渉計が望ましい。

説明を簡単かつ明瞭にするため、適切と思われる場合、添付図面中同一または類似の構成要素および工程を示すには同じ参照符号を用いることとする。また、本明細書で説明する実施形態を十分に理解できるよう、多くの具体的詳細について述べている。しかしながら、当業者には、本明細書で記述する実施形態がそのような具体的な詳細がなくとも実施可能であることは理解されよう。他の例では、本明細書で説明する実施形態を不明瞭にすることのないよう、周知の方法、手順、及び構成要素について詳細には説明していない。また、本明細書の記載は、いかなる点でも本明細書で説明する実施形態の範囲を限定するものととらえるべきではなく、本明細書に記載する様々な実施形態を実施するための単なる例示と解釈すべきである。

図１に、平面基板１０２上に形成された各構成要素を含む干渉計１００を示す。干渉計１００は、光学信号を生成する光源１０４を備える。本実施形態では、光源１０４は平面基板１０２に形成されているが、当業者には、別の実施形態において、光源１０４が平面基板外に設けられ、例えば平面基板１０２上に形成した導波路に連結した光ファイバーケーブルによって平面基板１０２と光学的に連結されていてもよいことが理解されよう。また別の実施形態において、光源１０４は、高輝度発光ダイオード、ファイバー増幅器、フェムト秒パルスレーザー、スーパーコンティニューム光源、または電磁波スペクトルの近赤外もしくは近赤外以外のに周波数帯域を有する他の広帯域光源であってもよい。

干渉計１００はさらに、平面基板１０２に形成されたスプリッタ１０６を含む。スプリッタ１０６は、光源１０４が生成した光学信号を受信し、その光学信号を第１の部分と第２の部分とに分岐する。第１の部分はサンプルパスすなわちサンプルアーム１０８へと導かれ、第２の部分は参照パスすなわち参照アーム１１０へと導かれる。いくつかの実施形態において、スプリッタ１０６は広い帯域幅を有し、対象となるどの波長に対しても一律に５０：５０の分岐比で動作可能である。これにより、光学信号の損失を低減することができる。別の実施形態において、スプリッタ１０６は５０：５０以外の分岐比を有し、合成器１１４での各アームの出力が等しくなるようにし、干渉信号の干渉縞コントラストを最適化する。スプリッタ１０６は、ｙ−スプリッタ、マルチモード干渉スプリッタ、方向性結合器、マッハ・ツェンダースプリッタ、または受信した光学信号を分岐して分岐信号を２以上の光路に導くことが可能な他の光学ビームスプリッタであってもよい。

本実施形態では、スプリッタ１０６から出力された分岐した光学信号の第１の部分は、平面基板１０２上に形成したサンプルアーム１０８へと導かれる。サンプルアーム１０８は、分岐した光学信号の第１の部分をサンプル１２２へと導く。別の実施形態において、分岐した光学信号の第１の部分は、サンプルアーム１０６によって平面基板１０２の端部へと導かれ、光ファイバー、または他の適切な光伝導素子に連結され、サンプル１２２へと導かれて相互作用する。相互作用としては、例えば、分岐した光学信号の第１の部分がサンプル１２２に当たる、サンプル１２２の片面または両面を貫通する、サンプル１２２によって反射または散乱するなどが挙げられ、これによりリターン光学信号が生成する。このような実施形態において、分岐した光学信号の第１の部分とサンプル１２２との相互作用により生成されたリターン光学信号は、平面基板１０２上に形成されたリターンアーム１１２によって受信される。当業者には、別の実施形態において、光ファイバーや他の光伝導素子を用いることなく、分岐した光学信号の第１の部分がサンプル１２２に隣接して設置した平面基板１０２の端部へと導かれることが理解されよう。

スプリッタ１０６から出力された分岐した光学信号の第２の部分は、平面基板１０２上に形成された参照アーム１１０へと導かれる。図示した本実施形態において、参照アーム１１０は曲線状または蛇行状の光路を有し、その結果平面基板１０２上において参照アーム１１０の占める面積がコンパクトになっている。しかしながら、当業者には、他のらせん形状、ラスター走査線形状などの他形状でもコンパクトな参照アーム１１０となることが理解されよう。また、参照アーム１１０は線状であってもよく、直線状に形成されていてもよいことが理解されよう。いくつかの実施形態において、参照アーム１１０の全光路長は、光学信号がサンプル１２２との間を往復する距離を含む、サンプルアーム１０８とリターンアーム１１２を合わせた光路長と一致していてもよい。

図示した本実施形態において、干渉計１００はさらにコントローラブルな遅延素子１１６を備える。この遅延素子１１６は、参照アーム１１０を通って導かれる分岐した光学信号の第２の部分に光学的遅延を導入できる。いくつかの実施形態において、コントローラブルな遅延素子１１６は、平面基板１０２上に形成される。別の実施形態において、コントローラブルな遅延素子１１６は、光学的遅延を導入できるよう、平面基板１０２及び参照アーム１１０に隣接するよう配置される。

図示した本実施形態において、遅延（Δｘ）は参照アーム１１０の材料の屈折率を変化させることにより導入される。参照アーム１１０の材料にもよるが、例えば、参照アーム１１０（または参照アーム１１０の一部）の温度を変化させることにより、あるいは電気光学的効果により、遅延を達成することができる。例えば、いくつかの実施形態において、コントローラブルな遅延素子は、加熱素子、冷却素子、ダイオード、または電極であってよい。別の実施形態において、参照アーム１１０の光路長が、光学信号がサンプル１２２との間を往復する距離を含む、サンプルアーム１００とリターンアーム１１２を合わせた光路長より大きく、あるいは小さくなるように干渉計１００を設計して、遅延を導入することができる。

干渉計１００はさらに、平面基板１０２上に形成された合成器１１４を備え、この合成器１１４は、参照アーム１１０から出力される分岐した光学信号の第２の部分とリターン光学信号（サンプル１２２と分岐した光学信号の第１の部分との相互作用により生成したサンプル信号）とを受信し、これらの信号を干渉させてインターフェログラムを生成する。いくつかの実施形態において、合成器１１４は広い帯域幅を有し、対象となるどの波長に対しても一律に５０：５０の分岐比で動作可能である。これにより、光学信号の損失を低減することができる。合成器１１４は、非対称方向性結合器、ドレスト状態による断熱的結合、または受信した２つの光学信号を干渉させることによってインターフェログラムを生成できる他の光学ビーム合成器であってもよい。

いくつかの実施形態において、合成器１１４は単一の出力を生成することができる。すなわち、受信したビームを結合または干渉させ、インターフェログラムとして投影される単一のビームとする。別の実施形態において、合成器１１４は２つの出力を生成することができ、これらの出力はそれぞれインターフェログラムとして投影される。このさらなる出力ビームのインターフェログラムは、第２の検出器アレイによって検出される。このような実施形態では、２つの出力の位相は、１８０°ずれていてもよく、一方の出力がナル値のとき、他方はピーク値となる。このような実施形態において、２つの出力は、合成器１１４によって生成される２つの出力のＳ／Ｎ比よりも高いＳ／Ｎ比を有する第３の出力を生成することができる。このような実施形態において、合成器１１４が生成する２つの出力間の変動が１８０°の位相差以外のものであれば、干渉計１００によって導入された変動などのノイズと解釈することができる。このような実施形態において、合成器１１４が生成する２つの出力は、インターフェログラムＩ_１及びＩ_２と表すことができる。式Ｉ_３＝（Ｉ_１−Ｉ_２）／（Ｉ_１＋Ｉ_２）によって、２つのインターフェログラムＩ_１とＩ_２の差をインＩ_１とＩ_２の和で除することにより、Ｉ_１とＩ_２の変動をフィルタし、ノイズを取り除き、第３のインターフェログラム（Ｉ_３）を得ることができる。第３のインターフェログラム（Ｉ_３）は、第１のインターフェログラムＩ_１のノイズをフィルタしたものであり、第１のインターフェログラムＩ_１のＳ／Ｎ比よりも高いＳ／Ｎ比を有する。

干渉計１００はさらに、合成器１１４が生成したインターフェログラムを分析のために受信する検出器１１８を備える。例えば、いくつかの実施形態において、検出器１１８は集積導波路型受光素子であってもよい。この場合、受信した光学信号の全光路差が等しくなるような、サンプル１２２の特定位置での反射情報を測定することができ、より強い干渉縞を検出できる。

いくつかの実施形態において、干渉計１００を光干渉断層撮影（ＯＣＴ）システムに用いて参照アーム１１０の光路長を走査することにより、また遅延素子１１６により参照アーム１１０の屈折率及び遅延を変化させることにより、サンプル１２２の深度情報を求めることができる。このような実施形態では、参照アーム１１０の屈折率を変化させることによって各光路長を選択することができ、検出器１１８は、選択された光路長ごとに生成されたインターフェログラムを検出する。

別の実施形態では、サンプル１２２または平面基板１０２を（手動または自動化された機械的手段により）移動させ、サンプルの横断方向情報を得ることができる。また、サンプル１２２の３次元（３Ｄ）画像を生成させることができる。いくつかの実施形態において、例えば２次元のラスター走査パターンでの走査中に、サンプル１２２を前後左右に移動させることができる。走査中、遅延素子１１６は、ある遅延範囲内でサイクルさせることができる（例えば、参照アーム１１０の屈折率を変えて、サンプル１２２の走査部分ごとに、各走査部分の深度関数として反射率を表す様々なインターフェログラムを生成させる）。このような実施形態では、プロセッサ（図示せず）が、個々の深度データをコンパイルし、走査した部分について、サンプル１２２の３Ｄ画像とすることができる。当業者には、２次元のラスター走査以外の走査パターンを用いてもサンプルの３Ｄ画像を得られることが理解されよう。また、別の実施形態において、走査中、サンプル１２２をある位置に固定しておき、干渉計１００の位置を変えてもよいことも理解されよう。

図１に示す実施形態では、サンプルアーム１０８、参照アーム１１０、リターンアーム１１２、光源１０４とスプリッタ１０６との光学的接続部、及び合成器１１４と検出器１１８との接続部は、平面基板１０２上に形成された導波路となっている。いくつかの実施形態では、これら導波路は、ＯＣＴシステムで典型的に用いられる近赤外線スペクトル領域において透過性を示す材料から成っていてもよく、いくつかの実施形態では８００ｎｍ、１０５０ｎｍ、または１３００ｎｍのスペクトル帯である。しかしながら、当業者には、別の実施形態において特定の波長や波長領域の光に適した別の材料を選択できることが理解されよう。いくつかの実施形態では、導波路の形成に用いる材料の屈折率は高いほうが好ましい。光を閉じこめることができ、また屈折率差の小さい材料と比べて光素子をより小さくできるからである。いくつかの実施形態において、導波路は、窒化シリコン、酸窒化シリコン、シリコン、ＳＵ８、ドープガラス、他のポリマー、あるいは他の好適な材料で形成することができる。

いくつかの実施形態において、干渉計１００の素子は、電子ビームリソグラフィにより平面基板１０２上に形成することができる。しかしながら、当業者には、ディープＵＶリソグラフィなどの別の方法によってもフォトニック回路を製造できることが理解されよう。

干渉計１００が電子ビームリソグラフィにより平面基板１０２上に形成され、かつ平面基板１０２上の導波路及び他の光素子が窒化シリコンであるようないくつかの実施形態では、熱成長させた数ミクロンの二酸化シリコンを上面に有する一般的なシリコンウエハを用いることができる。いくつかの実施形態では、干渉計１００の実装に厚さ３〜４ミクロンの二酸化シリコンを用いてもよいが、これ以外の厚さであってもよく、干渉計１００で分析及び／または処理する光学入力信号の波長範囲に基づいて適宜選択しうることが、当業者でには理解されよう。

このような実施形態では、次いで窒化シリコンを平面基板１０２上に蒸着してもよく、いくつかの実施形態では、数百ナノメートルの化学量論的窒化シリコンを低圧化学気相蒸着法により蒸着することができる。また、Ｓｕｒｐａｓｓ３０００ＴＭなど接着促進層をさらに設けることにより、次いで約３００ナノメートルの厚みになるよう平面基板上にスピンコートされる電子ビームレジストの剥離を防止することができる。平面基板１０２上に導電層をスピンコートし、帯電によるスティッチングエラーを防止することができる。

電子ビームパターニングツールを用いて平面基板１０２に適切な電流をかけ、レジストの露光によりパターンを施すことができる。露光後、平面基板１０２を脱イオン水ですすぎ、導電層を除去することができる。いくつかの実施形態では、平面基板１０２を３００ＭＩＦを用いた処理によって現像し、未露光のレジストを除去することができる。バレル型エッチング装置を用いたデスカム処理により、レジスト残渣を除去することができる。また、いくつかの実施形態では、ホットプレートを用いて数分間、レジストのパターンをリフローし、表面を滑らかにすることができる。

ＣＨＦ_３／Ｏ_２を用いた誘導結合反応性イオンエッチング（ＩＣＰ ＲＩＥ）により、平面基板１０２をエッチングすることができる。エッチングに用いたレジストマスクは、加熱した溶剤の入ったレジストホットストリップ槽内で除去することができる。

次いで、平面基板１０２をプラズマ洗浄してレジスト残渣をすべて除去し、酸化炉管内において、いくつかの実施形態では１２００℃で３時間アニールすることができる。これにより、光源１０４が近赤外波長を有する光学信号を生成する実施形態において、材料の吸収損失を低減することができる。

次いで、いくつかの実施形態では酸化炉管内での高温酸化物蒸着やプラズマ増強化学気相蒸着法を用いて、平面基板１０２を酸化物で覆ってもよく、リフトオフ法を用いてコントローラブルな遅延素子１１６を形成することができる。いくつかの実施形態では、遅延素子１１６はＮｉＣｒを蒸着して形成したヒーターである。次いで、平面基板１０２をダイスし、端面を研磨する。この研磨によって、平面基板１０２上に形成される導波路及び他の光学素子の結合を向上させることができる。

図２に、平面基板２０２上に構成要素が形成された干渉計２００を示す。干渉計２００は、光学信号を生成する光源２０４を備える。図示した本実施形態では、光源２０４は平面基板２０２に形成されているが、当業者には、別の実施形態において、光源２０４が平面基板２０２の外部に設けられ、例えば平面基板２０２上に形成した導波路に連結した光ファイバーケーブルによって平面基板２０２と光学的に連結されていてもよいことが理解されよう。いくつかの実施形態では、光源２０４は、高輝度発光ダイオード、ファイバー増幅器、フェムト秒パルスレーザー、スーパーコンティニューム光源、またはその他の広帯域もしくは近赤外線光源であってよい。

干渉計２００は、平面基板２０２上に形成された方向性結合器２０６をさらに備える。方向性結合器２０６は、光源２０４によって生成された光学信号を受信し、その光学信号を分岐した光学信号の第１の部分と分岐した光学信号の第２の部分とに分岐する。分岐した光学信号の第１の部分はサンプルパスすなわちサンプルアーム２０８へと導かれ、分岐した光学信号の第２の部分は参照パスすなわち参照アーム２１０へと導かれる。いくつかの実施形態において、方向性結合器２０６は広い動作帯域を有し、マイケルソン干渉計で典型的に使用されるビームスプリッタであってもよい。このような実施形態において、方向性結合器２０６は、対象となるどの波長に対しても５０：５０の分岐比で動作可能である。これにより、光学信号の損失を低減することができる。

この実施形態では、方向性結合器２０６から出力された分岐した光学信号の第１の部分は、平面基板２０２上に形成されたサンプルアーム２０８へと導かれる。サンプルアーム２０８は、分岐した光学信号の第１の部分をサンプル２１８へと導く。いくつかの実施形態において、分岐した光学信号の第１の部分は、サンプルアーム２０８によって平面基板２０２の端部へと導かれ、光ファイバー、または他の適切な光伝導素子に連結され、サンプル２１８へと導かれて相互作用する。相互作用としては、例えば、サンプル２１８に当たる、サンプル２１８の片面または両面を貫通する、サンプル２１８によって反射または散乱するなどが挙げられ、これによりリターン光学信号が生成する。このような実施形態において、分岐した光学信号の第１の部分とサンプル２１８との相互作用により生成されたリターン光学信号は、サンプルアーム２０８によって再度受信される。当業者には、別の実施形態において、光ファイバーや他の光伝導素子を用いることなく、分岐した光学信号の第１の部分がサンプル２１８に隣接して設置した平面基板２０２の端部へと導かれることが理解されよう。

方向性結合器２０６から出力された分岐した光学信号の第２の部分は、平面基板２０２上に形成された参照アーム２１０へと導かれる。図示した本実施形態において、参照アーム２１０は曲線状または蛇行状の光路を有し、その結果平面基板２０２上において参照アーム２１０の占める面積がコンパクトになっている。しかしながら、当業者には、他のらせん形状またはラスター走査線形状などの他形状でもコンパクトな参照アーム２１０となることが理解されよう。また、いくつかの実施形態において、参照アーム２１０は線状であってもよく、直線状に形成されていてもよいことが理解されよう。いくつかの実施形態において、参照アーム２１０の全光路長は、サンプル２１８に到達する光が移動する光路長と一致していてもよい。

方向性結合器２０６から出力された分岐した光学信号の第２の部分は、参照アーム２１０を通って導かれ、反射素子２１２により反射されて参照アーム２１０の同じ光路を戻る。いくつかの実施形態において、反射素子２１２は、ブラッグ反射鏡などの、平面基板２０２上に設けられた一体型ミラーであってもよく、別の実施形態では、蒸着された金属被膜であってもよい。反射素子２１２により生成された信号は、参照アーム２１０を通って方向性結合器２０６へと戻る。

図示した本実施形態において、干渉計２００はさらにコントローラブルな遅延素子２１４を備える。コントローラブルな遅延素子２１４は、参照アーム２１０を通って導かれる分岐した光学信号の第２の部分に光学的遅延を導入することができる。いくつかの実施形態において、コントローラブルな遅延素子２１４は平面基板２０２上に形成されている。別の実施形態において、コントローラブルな遅延素子２１４は、光学的遅延を導入できるよう、平面基板２０２及び参照アーム２１０に隣接するよう配置される。

図示した本実施形態において、遅延は、コントローラブルな遅延素子２１４によって参照アーム２１０の材料の屈折率を変化させることにより導入される。参照アーム２１０の材料にもよるが、例えば、参照アーム２１０の温度を変化させることや電気光学的効果によって遅延を導入することができる。例えば、いくつかの実施形態において、コントローラブルな遅延素子２１４は加熱素子、冷却素子、ダイオード、または電極であってよい。

分岐した光学信号の第１の部分とサンプル２１８との相互作用によって生成されたリターン光学信号は、サンプルアーム２０８によって受信され、サンプルアーム２０８を通って方向性結合器２０６へと戻る。上述したように、反射素子２１２によって反射された信号もまた、参照アーム２１０を通って方向性結合器２０６へと戻る。方向性結合器２０６は、リターン信号と反射信号とを干渉させることにより、インターフェログラムを生成して出力する。図示した本実施形態では、方向性結合器２０６は２つのインターフェログラム出力を生成する。第１のインターフェログラム出力は検出器２１６へと導かれ、第２のインターフェログラム出力は光源２０４へと導かれる。

。図示した本実施形態において、いくつかの実施形態で平面基板２０２上に形成してもよい検出器２１６は、方向性結合器２０６によって生成されたインターフェログラムのうち１つを分析のために受信する。例えば、いくつかの実施形態において、検出器２１６は集積導波路型受光素子であってもよい。この場合、検出器２０６が受信した光学信号の光源２０４からの全光路長が等しくなるような、サンプル２１８の特定位置での反射情報を測定することができ、より強い干渉縞を検出することができる。例えば、いくつかの実施形態において、全光路長が等しく、サンプル２１８の走査部分によって強い反射が生成される場合、検出器２１６は、増加的干渉及び相殺的干渉を含むより強いインターフェログラムを受信する傾向にある。

図示した本実施形態において、方向性結合器２０６により生成された第２の出力は、光路長の測定に用いることができる。いくつかの実施形態では、例えば検出器２１６が受信した第１の出力の干渉縞の干渉により生じたノイズをフィルタすることができる。図２の実施形態では、方向性結合器２０６により生成されて光源２０４へと導かれた第２のインターフェログラムは、光学素子（図示せず）によるピックオフを行うことができ、このような実施形態において、第２のインターフェログラムは、検出器２１６へと導かれたインターフェログラムとは１８０°位相がずれることがある。いくつかの実施形態では、上述の通り、フィルタされたインターフェログラムを生成することができる。このフィルタされたインターフェログラムは、検出器２１６に導かれたインターフェログラムを表すが、より高いＳ／Ｎ比を有する。このような実施形態において、Ｉ_１が検出器２１６へと導かれたインターフェログラム、Ｉ_２が光源２０４へと導かれたピックオフインターフェログラム、Ｉ_３がフィルタされたインターフェログラムであるとき、フィルタされたインターフェログラムは、式Ｉ_３＝（Ｉ_１−Ｉ_２）／（Ｉ_１＋Ｉ_２）に基づいて生成することができる。

図２に示す実施形態では、干渉計２００がＯＣＴシステムに用いられているが、参照アーム２１０の光路長を走査することにより、また遅延素子２１４を用いて参照アーム２１０の屈折率及び遅延を変化させることにより、サンプル２１８の深度情報を求めることができる。別の実施形態では、サンプル２１８または平面基板２０２を移動させるか位置を変えることにより、横断方向のサンプル情報を得ることができ、このような実施形態では、サンプル２１８の３Ｄ画像を生成することができる。例えば、上述の通り、遅延素子２１４をある遅延範囲内でサイクルさせる（参照アーム２１０の屈折率を変化させる）ことができるラスター走査パターン法を用いてサンプル２１８を走査し、分析用の複数のインターフェログラムを生成することができる。このインターフェログラムの深度データから３Ｄ画像を生成することができる。

図３に干渉計３００を示す。図示した干渉計３００は、スペクトロメータ３１０と光学的に接続されている。この実施形態において、干渉計３００は図１に示す干渉計１００と実質的に同等であり、実質的に同等に動作する。すなわち、インターフェログラムを生成し、加熱素子、冷却素子、ダイオード、または電極などのコントローラブルな遅延素子を用いて、参照アーム（または参照アームの一部）の材料の屈折率を変化させ、参照アームを通じて導かれる光学信号の遅延を調整することができる。

図３に示す実施形態では、干渉計３００が生成したインターフェログラムは、分析のためスペクトロメータ３１０によって受信される。スペクトロメータ３１０は、分散素子３１２と検出器アレイ３１４とを備える。分散素子３１２は、干渉計３００が出力するインターフェログラムの複数のスペクトルを表す複数の狭帯域インターフェログラムを出力する。狭帯域インターフェログラムはそれぞれ、検出器アレイ３１４により受信される。いくつかの実施形態において、検出器アレイ３１４はプロセッサ（図示せず）に接続することができ、フーリエ変換により各狭帯域インターフェログラムを分析し、干渉計３００が生成したインターフェログラムのスペクトルを取得、分析、及び／または処理することができる。

いくつかの実施形態において、スペクトロメータ３１０は、干渉計３００と同じ平面基板上に形成することができる。別の実施形態において、スペクトロメータ３１０は、干渉計３００から独立していてもよく、この場合、光ファイバーケーブルまたはその他の適切な光伝導素子により干渉計３００と光学的に接続されていてもよい。また別の実施形態において、スペクトロメータ３１０は、干渉計３００が生成し出力したインターフェログラムを受信できるよう、干渉計３００に隣接して配置されていてもよい。

図４に干渉計４００を示す。この実施形態において、干渉計４００はスペクトロメータ４１０と光学的に接続されている。図示した本実施形態において、スペクトロメータ４１０は、図３を参照しつつ説明したスペクトロメータ３１０と実質的に同等であり、実質的に同等に動作する。しかしながら、干渉計４００は、参照アーム４０２を通って導かれる分岐した光学信号の第２の部分に光学的遅延を導入するためのコントローラブルな遅延素子を含まない。代わって、本実施形態では、分岐した光学信号の第１の部分と、分岐した光学信号の第１の部分がサンプルと相互作用して生成されたリターン信号とが通った光路の合計長に対する、参照アーム４０２の全長に基づき、遅延を参照アーム４０２に導入する。このような実施形態では、参照アーム４０２の長さは、干渉計４００を構成する前にあらかじめ決定しておく。干渉計４００をＯＣＴ画像処理に用いるいくつかの実施形態において、撮像するサンプルの直前または最も深い貫通点で分岐した光学信号間の光路差の値がゼロになるよう、参照アーム４０２の長さをあらかじめ決定しておくことができる。このような実施形態では、光路差ゼロから光路差１〜２ｃｍの遅延までサンプルを走査すればＯＣＴの用途には十分である。

図４に示す実施形態では、上述の通り、スペクトロメータ４１０は図３を参照しつつ説明したスペクトロメータ３１０と実質的に同等に動作する。スペクトロメータ４１０は、干渉計４００によって生成されたインターフェログラムを受信し、複数の狭帯域インターフェログラムを、干渉計４００によって出力されたインターフェログラムのスペクトルとして出力する。干渉計４００によって生成されたインターフェログラムの複数のスペクトルの取得、分析、及び／または処理のため、狭帯域インターフェログラムはそれぞれ検出器アレイによって受信される。図４に示す実施形態のような、遅延が固定されている実施形態では、例えばサンプルの端から端までを横方向にラスター走査する場合、他の用途では利点となりうる遅延調整能力を犠牲にしても、遅延素子の連続的調整を行わないほうが走査をより速く終えることができる。

図５に干渉計５００を示す。干渉計５００は、図１を参照しつつ説明した干渉計１００と実質的に同等である。しかしながら、干渉計５００は、参照アーム５０４を通じて導かれる分岐した光学信号の第２の部分に光学的遅延を導入するためのコントローラブルな遅延素子を含まない。代わって、図５の実施形態では、分岐した光学信号の第１の部分と、分岐した光学信号の第１の部分がサンプルと相互作用して生成されたリターン信号とが通った光路の合計長に対する、参照アーム５０４の全長に基づき、遅延を導入することができる。このような実施形態では、（例えば図４を参照しつつ干渉計４００について説明したように、）干渉計５００を構成する際に参照アーム５０４の長さをあらかじめ決定しておくことができる。

また、図５に示す干渉計５００は、調節可能な光源５０２を備える。このような実施形態では、干渉計５００を使用する前に光の特定の波長を選択及び／またはあらかじめ決定し、調節可能な光源５０２を設定または制御してその所定の波長の光を出力することができる。

干渉計５００をＯＣＴの用途に用いる実施形態では、干渉計５００を用いて波長掃引型ＯＣＴ走査を行うことができる。このようなシステムでは、調節可能な光源５０２は、スペクトル帯域を変化させながらスペクトルごとの光を出力することができる。干渉計５００は、検出器による測定の可能なインターフェログラムを生成することができる。このようなシステムでは、干渉計５００で走査したサンプルの分析を行うため、生成されたインターフェログラムはプロセッサ（図示せず）にて処理及び／または分析される。例えばフーリエ変換分析によって、走査された物質またはサンプルの深度反射率プロファイルを取得することができる。

図２〜５を参照しつつ説明した実施形態を含む、本明細書に記載の実施形態において、平面基板で光学信号を伝達するために用いることができる干渉計の素子は、導波路であってよく、図１を参照しつつ説明した通り、ＯＣＴシステムで典型的に用いられる近赤外線スペクトル領域において透過性を示す材料から成っていてもよく、いくつかの実施形態では８００ｎｍ、１０５０ｎｍ、または１３００ｎｍのスペクトル帯である。しかしながら、当業者には、別他の実施形態において特定の波長または光の波長領域に適した別の材料を選択できることが理解されよう。いくつかの実施形態では、そのような導波路の形成に用いられる材料は、高い屈折率を有することが好ましい。これにより、光を閉じこめることができ、また屈折率の小さい材料と比べてまた光素子をより小さくできるからである。いくつかの実施形態では、導波路は、窒化シリコン、酸窒化シリコン、シリコン、ＳＵ８、ドープガラス、他のポリマー、あるいは他の好適な材料で形成することできる。

また、図２〜５を参照しつつ説明した実施形態を含む、本明細書に記載の実施形態において、干渉計は、電子ビームリソグラフィを用いて平面基板上に形成することができ、干渉計の平面基板上の導波路及び他の光素子が窒化シリコンである場合、熱成長させた数ミクロンの二酸化シリコンを基板の上面に有する一般的なシリコンウエハを用いることができる。

上記のように、本明細書に記述の実施形態において、上記干渉計及び／またはスペクトロメータは、上記の電子ビームリソグラフィ及び上記の方法を用いて平面基板上に形成することができる。しかしながら、当業者には、フォトニック回路はディープＵＶリソグラフィなどの別の方法によっても作製できることが理解されよう。

特定の実施形態に関して本発明を記載したが、記載した本発明の範囲を逸脱することなく様々な変形や修正が可能であることは、当業者には明らかであろう。

Claims (22)

1. 平面基板と、
   前記平面基板上に形成され、受信した光学信号を分岐するスプリッタと、
   前記平面基板上に形成され、分岐した光学信号の第１の部分を受信してサンプルへと導くサンプルアームと、
   前記平面基板上に形成され、分岐した光学信号の第２の部分を受信する参照アームと、
   分岐した光学信号の第１の部分とサンプルとの相互作用により生成された受信サンプル信号と分岐した光学信号の第２の部分とを干渉させることにより生成されたインターフェログラムを受信する検出素子と
   を備える干渉計。
2. 分岐した光学信号の第１の部分と分岐した光学信号の第２の部分との間に遅延が導入されることを特徴とする、請求項１に記載の干渉計。
3. 遅延が前記参照アームに導入されることを特徴とする、請求項２に記載の干渉計。
4. コントローラブルな遅延素子をさらに備え、前記遅延素子が遅延を調整するよう動作可能であることを特徴とする、請求項３に記載の干渉計。
5. 前記参照アーム及びサンプルアームが有効な屈折率を有する導波路であることを特徴とする、請求項４に記載の干渉計。
6. 前記コントローラブルな遅延素子が前記参照アームの一部の屈折率を調整することにより遅延が導入されることを特徴とする、請求項５に記載の干渉計。
7. 前記コントローラブルな遅延素子が前記参照アームの一部の温度を変えることにより参照アームの屈折率を調整することを特徴とする、請求項６に記載の干渉計。
8. 前記コントローラブルな遅延素子が電気光学的効果により前記参照アームの屈折率を調整することを特徴とする、請求項６に記載の干渉計。
9. 前記参照アームが蛇行形状であることを特徴とする、請求項５に記載の干渉計。
10. 前記参照アーム及びサンプルアームが、前記受信した光学信号の波長範囲で透過性を示す材料から形成されていることを特徴とする、請求項５に記載の干渉計。
11. 前記材料がシリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコン、ドープガラス、またはポリマーであることを特徴とする、請求項１０に記載の干渉計。
12. インターフェログラムを受信して、受信したインターフェログラムの複数のスペクトルを表す複数の狭帯域インターフェログラムを生成するための分散素子と、前記複数の狭帯域インターフェログラムをそれぞれ受信するためのさらなる検出素子とをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の干渉計。
13. 前記検出素子が前記平面基板上に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の干渉計。
14. 光学信号を生成する、前記平面基板上に形成された光源をさらに備えることを特徴とする、請求項１３に記載の干渉計。
15. ファイバー入力と接続してその光学信号を受信するための入力モード変換器をさらに備えることを特徴とする、請求項１３に記載の干渉計。
16. 前記受信サンプル信号を受信するために前記平面基板上に形成されたサンプルリターンアームと、前記平面基板上に形成され、サンプルリターンアーム及び参照アームに光学的に接続されてリターンサンプル信号と分岐した光学信号の第２の部分とを干渉させてインターフェログラムを生成する合成器とをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の干渉計。
17. 前記合成器が、リターンサンプル信号と分岐した光学信号の第２の部分とを干渉させることにより第２のインターフェログラムを生成し、第２のインターフェログラムが第２の検出器アレイによって受信されて、光路長の差を決定することを特徴とする、請求項１６に記載の干渉計。
18. 前記合成器が、リターンサンプル信号と分岐した光学信号の第２の部分とを干渉させることにより第２のインターフェログラムを生成し、第２のインターフェログラムは前記インターフェログラムと位相がずれており、第２のインターフェログラムが第２の検出器アレイによって受信されて、第１のインターフェログラムからノイズがフィルタされた第３のインターフェログラムを生成することを特徴とする、請求項１６に記載の干渉計。
19. 前記スプリッタが方向性結合器であり、前記干渉計が、参照アームの一端に光学的に接続され、前記分岐した光学信号の第２の部分を前記方向性結合器に向けて反射させる反射素子をさらに備え、前記方向性結合器が受信したサンプル信号と反射された分岐した光学信号の第２の部分とを干渉させてインターフェログラムを生成することを特徴とする、請求項１に記載の干渉計。
20. 前記方向性結合器が、受信したサンプル信号と反射された分岐した光学信号の第２の部分とを干渉させて第２のインターフェログラムを生成し、第２のインターフェログラムが第２の検出素子によって受信されて光路長の差を決定することを特徴とする、請求項１９に記載の干渉計。
21. 前記方向性結合器が、受信したサンプル信号と反射された分岐した光学信号の第２の部分とを干渉させて第２のインターフェログラムを生成し、前記第２のインターフェログラムが第２の検出器アレイによって受信されて、第１のインターフェログラムからノイズがフィルタされた第３のインターフェログラムを生成することを特徴とする、請求項１９に記載の干渉計。
22. インターフェログラムにより受信される光学信号を生成することが可能である調節可能な光源をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のインターフェログラム。

Images