JP3924211B2 - 集積光干渉センサ - Google Patents

Description

【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（ｓｅｎｓｉｎｇ 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（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ）およびＴＭ波（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ）である光ビームの直交偏光コンポーネントのＴＥ_ｍ，ｎおよびＴＭ_ｍ，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、ＴＥ_ｍおよびＴＭ_ｍ（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）（ｏｐｔｉｃ）」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、Ｈａｒｔｍａｎ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５，１２０，１３１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４，９４０，３２８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 ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）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（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）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２０内に形成されてもよい。前者の場合、化学蒸着（ＣＶＤ）、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）３４、集積光学複プリズム３５および集積光学位相格子３６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Ｓ_１および信号ビームＳ_２の一対のビームを規定する。光ビームＳ_１およびＳ_２は複プリズム３５を通過する際に偏向し、ビームＤ_１およびＤ_２を形成する。その後、ビームＤ_１およびＤ_２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Ｄ_１の透過部分およびビームＤ_２の回折部分が混合または結合光ビームＭ_１を形成する。ビームＭ_１がビームＤ_１およびＤ_２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Ｄ_２の透過部分およびビームＤ_１の回折部分が混合または結合光ビームＭ_２を形成する。光ビームＭ_１およびＭ_２を、参照ビームＳ_１および信号ビームＳ_２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Ｄ_１およびＤ_２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Ｓ_１および信号ビームＳ_２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２２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（ｄｉｒｅｃｔ 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３Ｂ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２２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（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ 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（ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ）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（ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ）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１５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（ｍａｔｉｎｇ ｃｏｎｔａｃｔｓ）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１８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２２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Ｓ_１およびＳ_２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７１、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Ｄ_１およびＤ_２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Ｎ_ｅｆｆに依存し、所定の式によって計算される。
【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。
【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０．７８０μｍ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２２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３５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８１ａ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Ｓ_１が主に参照領域５２を通過する光よりなり、信号ビームＳ_２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Ｓ_１およびＳ_２は、後に位相格子３６内で結合され、光ビームＭ_１およびＭ_２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（ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌｌｙ）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（ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌｅ）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Ｓ_２を参照ビームＳ_１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５２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（ｏｐｔｉｃａｌｌｙ ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ 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５２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（ａｐｐｌｉｅｄ）選択性材料はシグナルビームＳ_２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Ｓ_１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Ｍ_１およびＭ_２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Ｍ_１およびＭ_２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、
Ｉｍ_１＝出力ビームＭ_１の強度 Ｉ_ｓ１＝参照ビームＳ_１の強度
Ｉｍ_２＝出力ビームＭ_２の強度 Ｉ_ｓ２＝参照ビームＳ_２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
ΔＮ_ｅｆｆ＝Ｎ_{ｅｆｆ（ｓ１）}−Ｎ_{ｅｆｆ（ｓ２）}
Ｎ_{ｅｆｆ（ｓ１）}＝導波路構造参照領域５２の実効屈折率
Ｎ_{ｅｆｆ（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（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ 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Ｓ_１およびＳ_２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Ｓ_１およびＳ_２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Ｍ_１およびＭ_２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Ｄ_２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Ｄ_１およびＤ_２は、ビームＭ_１およびＭ_２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６８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１Ｅ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Ｄ_１を受光し、同一のアレイの第２部分６８ｂは、光ビームＭ_１を受光し、同一のアレイの第３部分６８ｃは、光ビームＳ_２を受光し、光ビームＤ_２、Ｍ_２、およびＳ_１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２２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２２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Ｍ_１およびＭ_２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Ｍ_１およびＭ_２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Ｍ_１の出力は、エネルギー保存により、出力ビームＭ_２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 ｇｒｅａｔｅｓｔ ｓｌｏｐｅ）または矩象点（ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）で正弦波表示によって提供される。出力ビームＭ_１およびＭ_２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Ｍ_２と位相が９０度ずれているＭ_１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Ｍ_２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５２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Ｆ_０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６２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Ｉ_１（Ｉ_１ｒおよびＩ_１ｓ）およびＩ_２（Ｉ_２ｒおよびＩ_２ｓ）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Ｉ_３（Ｉ_３ｒおよびＩ_３ｓ）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（Ｉ_１ｒｓ、Ｉ_１ｓｒ、Ｉ_２ｒｓ、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Ｉ_１およびＩ_２の長さが長ければ、高解像度の情報が得られ、参照信号対Ｉ_３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Ｉ_１（Ｉ_１ｒおよびＩ_１ｓ）およびＩ_２（Ｉ_２ｒおよびＩ_２ｓ）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Ｉ_３およびＩ_１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Ｉ_４（Ｉ_４ｒ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Ｄ_１、Ｍ_１およびＳ_２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

Claims (11)

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の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．該環境の該特性にさらされることの第１の作用として放射がその中を通って伝搬することを可能にする第１の領域と、
   ｉｉ．該環境の該特性にさらされることの第２の作用として放射がその中を通って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１の作用とは異なる、第２の領域と、
   を含むプレーナー型導波路と、
   ｃ．該ビームを該プレーナー型導波路に結合する手段と、
   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、
   該位相差決定手段は、
   該ビームの該第１の部分の第１の成分を該ビームの該第２の部分の第１の成分に結合することにより、該位相差を示す干渉ビームを生成する手段と、
   該ビームの該第１の部分の第２の成分と該ビームの該第２の部分の第２の成分とを用いて、該干渉ビームを正規化する手段と
   を含み、
   該装置は、該プレーナー型導波路を通って該ビームを伝達することを該ビームの単一のモードのみに制限する構造的な特徴を有している、装置。
2. 前記結合手段は、源から前記プレーナー型導波路に前記放射の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. 前記第１の領域は、前記環境の前記特性と相互作用し、該環境の該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。
4. 前記第１の領域は、外表面を有し、該第１の領域を通る前記ビームの伝搬に影響を与えるドーパント材料は、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。
5. 前記位相差決定手段は、前記干渉ビームを検出する手段をさらに含む、請求項１に記載の装置。
6. 前記結合手段は、
   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５に記載の装置。
7. 前記検出手段は、
   ａ．光検出器のアレイと、
   ｂ．前記干渉ビームの一部分を該光検出器の該アレイに向ける出力格子カプラと
   を含む、請求項５に記載の装置。
8. 前記構造的な特徴は、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。
9. 前記構造的な特徴は、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。
10. 前記構造的な特徴は、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。
11. 前記構造的な特徴は、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。

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