JP6289525B2 - 光学測定装置 - Google Patents

Description

本出願は、２０１５年６月３日に出願された英国特許出願第１５０９６５５．５号を基礎としたものであり、その優先権の利益を主張し、その全内容は、参照によって本明細書に組み入れられる。
実施形態に係る装置は、光センシングの分野に関する。

光センシングの分野では、屈折率、放射特性、厚さまたは位置に関連し得る対象物の光学的な差を正確に測定または検出する必要がある。

以下、次の図を参照して本発明の実施形態に係る装置を説明する。
図１は、一実施形態に係る光学装置の図である。 図２は、位相変化を与える抵抗ヒーターを用いる基本動作を示す実験データであり、左側は、出力パワーの正弦波的変化を示すための線形目盛での広範囲のデータであり、右側は、０．１１６Ｗのヒーター出力でのレーザーの強い抑制を説明するための対数目盛での同じデータである。 図３は、一実施形態に係る光学装置に使用されることができるカプラーの図である。 図４は、図３に示されるタイプの代替となるカプラー設計の図である。 図５は、図３および図４に示されるタイプの代替となるカプラー設計の図である。 図６は、装置によって反射された光が光源に再び入ること（これは、例えば光源がレーザーである場合に、光源の動作に影響を及ぼすことがある）が光アイソレータの追加によって防止される上記の装置の図を示す。 図７は、２つのポートの出力における２つのチャネル中の流体の屈折率差を測定するための装置である。 図８は、光の伝搬方向に垂直な平面内においてスキャンするようにして、サンプルの光学的厚さの差を測定するための装置の概略図である。 図９は、サンプル中の光学活性欠陥からの放射を測定するための装置の概略図である。 図１０は、出力における反射面の小さい変位を測定する装置の概略図である。 図１１は、装置の出力面にあるサンプルが小さい角度だけ傾けられた場合において、制御可能な位相の関数として信号の変動を示す実験データである。図からわかるように、小さい回転は強度の大きな変化として検出可能である。 図１２は、光学活性欠陥の放射を干渉計に導くための装置の概略図である。 図１３は、２つの光学活性欠陥からの出力を干渉させるように構成された２つの光学測定装置を備える光子チップの概略図である。

一実施形態では、測定領域を測定するための光学測定装置であって、装置は、干渉計を有するフォトニックチップを備え、干渉計は、チップ上に定められ、干渉計は、フォトニックチップ上の第１および第２の導波路と、干渉領域と、を備え、第１および第２の導波路は、信号を干渉領域からサンプル領域へ運び、干渉領域へと戻し、装置は、測定領域によって反射された第１および第２の導波路中の信号間の位相差を変えるように構成された位相調節部をさらに備える、光学測定装置が提供される。

上記の配置はフォトニックチップ上に設けられ、これにより、測定システム全体が単一のチップ上に設けられることが可能になる。

一実施形態では、測定領域は、第１の領域および第２の領域を含み、第１の導波路中の信号は、第１の領域によって反射され、第２の導波路中の信号は、第２の領域によって反射され、位相調節部は、第１の領域および第２の領域の反射特性が一致するときに干渉領域において最大の干渉があるように、位相を調節するように構成される。反射特性は、反射されて第１および第２の導波路へ戻る信号に影響を及ぼすいかなる特性であってもよく、例えば、第１および／または第２の導波路からの反射面の距離、実際の反射面の反射特性、あるいは、信号が反射される際に通過する材料の吸収特性であってもよい。

このようにして干渉を最大にすることによって、干渉領域からの出力は、特定の出口経路を進むように、あるいは、特別の出口経路の使用を抑制するように、制御されることができる。一実施形態では、干渉領域からの所定の経路に沿った出力を抑制するために干渉が最大にされる場合、第１の領域と第２の領域との間の差は経路に沿った出力の極めて大きい変化となり、ここでは、第１および第２の領域が一致するときに信号が抑制される。

さらなる実施形態では、光学測定装置は、フォトニックチップ上に定められた入力導波路および出力導波路をさらに備え、入力導波路は、光信号が干渉領域の後に第１および第２の導波路に沿って伝搬するように、干渉領域に光信号を渡すように構成され、出力導波路は、測定領域によって反射された後の干渉領域からの信号を運ぶように構成され、入力導波路から出力導波路へ移る信号の量は、位相調節部によって制御される。光源は、入力導波路に取り付けられることができ、例えば、光源は、導波路内で実際にチップの端部に接合されたレーザーであってもよい。

１つの動作モードでは、測定領域は、第１の領域および第２の領域を含み、第１の導波路中の信号は、第１の領域によってまたは第１の領域を経由して反射され、第２の導波路中の信号は、第２の領域によってまたは第２の領域を経由して反射され、位相調節部は、第１および第２の領域中の信号に対する第１の領域および第２の領域の光学特性が一致するときに出力導波路へ移る信号が最小になるように、位相を調節するように構成される。したがって、第１および第２の領域の間の光学特性の変化は、出力導波路中の信号をモニターすることによって検出されることができる。

さらなる実施形態では、検出器は出力導波路からの出力を受け取るために設けられる。

異なる動作モードでは、光学測定装置は、出力導波路中の出力信号を最小にするために位相調節コントローラを制御し、出力導波路中の信号を最小にするために適用される位相調節を決定するように構成されたコントローラをさらに備える。この配置では、位相調節は、出力導波路中の信号を最小にするために変えられ、適用される位相調節は、第１および第２の領域の間の差の測定として使用される。例えば、一実施形態では、第１および第２の領域が一致するときに適用される必要がある位相差は基準値として決定され、他のすべての位相調節は、この基準に対して測定される。

さらなる実施形態では、入力導波路および第１の導波路は単一の連続的な導波路によって定められ、出力導波路および第２の導波路は単一の連続的な導波路によって定められ、干渉領域では、これらの連続的な導波路は、連続的な導波路中の導波モードからのエバネセント場が重なるように近接近している。さらなる配置では、入力導波路および第２の導波路は単一の連続的な導波路によって定められ、出力導波路および第１の導波路は単一の連続的な導波路によって定められ、干渉領域では、これらの連続的な導波路は互いに交差する。別の配置では、入力導波路、出力導波路、第１の導波路および第２の導波路は、個別の導波路であり、干渉領域は、多重モードカプラーを備える。

上述したように、光学測定装置はフォトニックチップ上に設けられる。フォトニックチップは、平面基板上に支持される複数の要素を有することができる。そのような要素は、カプラー、光源、スイッチ、ヒーターまたは検出器を含むことができる。一実施形態では、導波路を定めるために使用される材料は、酸化ケイ素がドープされたコアを有する酸化ケイ素がドープされてないクラッド、または高屈折率の窒化物に富んだコアおよび低屈折率の酸化物に富んだクラッドを有する酸窒化ケイ素から選択される。さらなる実施形態では、導波路は、半導体、リッジ導波路、吊形式のブリッジ（suspended bridge）であってもよい。

一実施形態では、位相調節部は、第１および第２の導波路の少なくとも１つの導波路に沿って移動する光の位相シフトを変えるように構成されたフォトニックチップ上の位相調節要素を備える。フォトニックチップ上の位相調節要素は、第１および／または第２の導波路の一部を熱するように構成された加熱素子であることができる。

本発明の実施形態に係る装置は、第１および第２の領域の反射特性の差を決定するために使用されるが、それらは、透過特性の差を決定するために使用されてもよい。一実施形態では、測定領域は、第１の領域および第２の領域を含み、第１の領域および第２の領域は、入力光信号の周波数で放射を伝え、装置は、第１の領域を通過して伝えられる光信号がミラーで反射されて第１の導波路へ戻るように設けられたミラーと、第２の領域を通過して伝えられる光信号がミラーで反射されて第２の導波路へ戻るように設けられたミラーと、をさらに備える。例えば、第１の領域は、流体を収容するように構成されることができ、第２の領域は、流体を収容するように構成されることができ、第１および第２の領域は、第１の領域中の流体と第２の領域中の流体との間の屈折率の差を決定することを可能にするために、第１および第２の領域に収容された流体を通過する光信号の物理的な経路長が同じであるように構成される。

さらなる実施形態では、測定装置は顕微鏡として構成される。ここで、装置は、測定領域が第１および第２の導波路に対して移動可能であるように構成された移動ステージをさらに備える。出力導波路上の信号は、ここでは、第１の領域と第２の領域との間の差を表す。ステージが移動されると、第１および第２の領域は両方とも変わるだろう。

上記の例は、測定領域の光学特性の差の測定に主に関係している。しかしながら、光学測定装置は、測定領域における対象物の変位を測定するように構成されてもよい。そのような配置では、測定領域における対象物の配置が第１の導波路および第２の導波路を移動する信号間の経路長の差を生じさせるように、対象物の位置を定めるように構成された測定ステージ（可動式または非可動式）が設けられ、装置は、出力導波路中の信号を期間にわたって測定するように構成された検出器をさらに備える。

さらなる実施形態では、光学測定装置は、光学的に作動される量子エミッタからの出力を測定するように構成され、光学測定装置は、量子エミッタが第１または第２の導波路の一方に結合されるように、測定領域において量子エミッタを支持するためのステージをさらに備え、位相調節部は、入力導波路から出力導波路へ移る信号を最小にするために、第１および第２の導波路中の信号間の位相差を変えるように構成される。この配置では、量子エミッタを励起するために使用される信号は、干渉領域で量子エミッタ自体からの放射から除去される。したがって、量子エミッタからの信号は、容易に観測および操作されることができる。一実施形態では、出力導波路中の量子エミッタからの信号は、カプラー、位相シフト器、遅延、および検出器の配置を含むさらなるフォトニック回路に結合される。

さらなる実施形態では、第１の光学測定装置および第２の光学測定装置を備える光学測定システムであって、第１の光学測定装置は、上記の光学測定装置を備え、第２の光学測定装置は、上記の光学測定装置を備え、第１の光学測定装置の出力導波路および第２の光学測定装置の出力導波路は、カプラーにおいて結合される、光学測定システムが提供される。

一実施形態では、光学測定装置は、第１および第２の導波路のうちの少なくとも１つの導波路に設けられた可変損失要素をさらに備え、可変損失要素は、第１および第２の導波路の少なくとも１つの導波路中の信号の振幅を変えるように構成される。

さらなる実施形態では、第１および第２の導波路は単一モード導波路である。

干渉領域は、干渉領域へ渡される光信号を不等にまたは等しく分割するように構成されることができる。

一実施形態では、干渉領域へ渡される光信号は単色である。

さらなる実施形態では、測定領域の光学測定を実行する方法が提供され、この方法は、干渉計を有するフォトニックチップを備える光学測定装置であって、干渉計がチップ上に定められ、干渉計がフォトニックチップ上の第１および第２の導波路と干渉領域とを備える、光学測定装置を用意することを備え、この方法は、信号を干渉領域から第１および第２の導波路を介して測定領域に運び、同じ第１および第２の導波路を介して干渉領域へ戻し、測定領域によって反射された第１および第２の信号導波路中の信号間の位相差を変えることを備える。

このような装置は、リフレクタとして働く２つの対象物の小さい光学的な差に敏感になるように設計され作動されることができる。

上記の実施形態に係る装置は、第１の領域と第２の領域との間の小さい差の光学測定を可能にする。例えば、第１の領域は、ある参照領域（第２の領域）に対して測定されることになる試験領域である。この実施形態に係る装置は、位置、屈折率、または放射特性の変化によって生じる信号の振幅、偏光、または位相の変化である、サンプルによって反射された光信号の任意の差に敏感である。

図１は、本発明の一実施形態に係る装置の概略図を示す。フォトニックチップ１は、干渉領域９を出る第１の導波路５および第２の導波路７を備える。第１の導波路５は試験領域１１に結合し、第２の導波路７は参照領域１３に結合する。本実施形態では、フォトニックチップは、光源３に結合される入力導波路１９をさらに備え、光信号は、入力導波路１９に沿って干渉領域９へ伝搬する。出力導波路２１は、干渉領域９と検出器１９との間に設けられる。

図１の装置では、入力導波路１９および第１の導波路５は単一の連続的な導波路であり、出力導波路２１および第２の導波路は単一の連続的な導波路である。これらの２つの連続的な導波路は、干渉領域９においてそれらの間に光カプラーを定めるように形成される。

内蔵の光源３は、フォトニックチップ上に設けられ、チップは、光源３からの光が入力導波路１９へ結合されるように構成される。入力導波路１９は単一モード導波路であり、入力導波路１９に沿った光の伝搬は干渉領域９へ進む。

干渉領域９では、２つの連続的な導波路中の光学モードは重なり、したがって、光源３から離れて入力導波路１９を移動する光信号は、第１の導波路５および第２の導波路７へ分離される。第１の導波路中の光信号は、第１の領域１１における第１の導波路の終端まで第１の導波路に沿って進み続ける。ここで、光信号は、反射されて第１の領域１１から第１の導波路へ戻り、点線の矢印によって示されるように、干渉領域９に向かって第１の導波路を再び伝搬する。干渉領域９で第２の導波路７に移った光信号は、第２の領域１３における第２の導波路の終端まで第２の導波路７に沿って伝搬する。ここで、光信号は、反射されて第２の領域１３から第２の導波路へ戻り、点線の矢印によって示されるように、干渉領域９に向かって第１の導波路を再び伝搬する。以降では、第１の領域１１を試験領域と称し、第２の領域１３を参照領域と称する。

試験領域１１および参照領域１３からの反射光は、干渉領域９に入射すると干渉するだろう。

位相シフトコンポーネント１５は、第１の導波路５および第２の導波路７のいずれか一方に位置してもよく、それらの両方に位置してもよく、試験領域１１および参照領域１３からの反射された２つの光信号の間に位相シフトを生じさせるように構成され、それは、干渉領域９での干渉が入力導波路１９に沿って戻るように光の大部分を優先的に導くことを確実なものにする。しかしながら、不完全な相殺的干渉がある場合、一部の光は光検出器１７に向かって出力導波路２１を伝搬するだろう。したがって、光検出器１７は、この相殺的干渉が達成された度合いを測定するために使用されることができる。この検出器は、試験領域１１および参照領域１３からの反射信号における小さい光学的な差に特に敏感である。

試験領域１１および参照領域１３が同じであり、且つ、干渉領域９から試験領域１１までの経路長が干渉領域９から参照領域１３までの経路長と等しい場合、光源３から入力導波路１９に入り反射された後の光は、出力導波路２１へ完全に導かれるだろう。

したがって、出力導波路２１中の光を最小にするために、位相シフト要素１５は、通過のたびにπ／２の位相シフトを与えるように設定される必要がある。図１に示される配置では、第２の導波路７を移動する光は、参照領域１３に到達する前に、および、この領域１３から反射されたときに、位相シフト要素を横断し、合計πの位相シフトを受けるだろう。したがって、干渉領域９での干渉は、検出器１７における信号を最小にするだろう。

一実施形態では、光源３は、電気的に制御されるが、いかなる形態の光を放射してもよく、考えられる例は、レーザーまたは発光ダイオードである。一実施形態では、光源は、入力導波路１９に光子を直接注入するチップ上に位置する。代替として、光源が別の場所に位置し、光が光ファイバーを用いて集積フォトニックチップへ導光されてもよい。

一実施形態では、フォトニックチップは、光学モードが容易に定められることができるように、本質的に安定で固体の材料系の一部として形成されることができる。これを達成する可能な方法は後述される。最適の条件は、導波路が注入された光子のエネルギーの１つの光学モードだけをサポートし、それが干渉的に安定である（すなわち、光子波長の数分の一のスケールで安定である）ことである。一例として、一実施形態に係る装置は、位相シフト要素１５を変えることによって、消光比ＥＲ（これは出力導波路中の最大の信号を出力導波路中の最小の信号で割ったものである）として知られるファクターだけ出力導波路へ結合される光を変えることができる。この実施形態では、位相安定は、少なくとも波長／ＥＲ以下の値であるべきである。

チップ上の干渉領域９は、入力導波路１９に入る光が干渉領域９を通過した後に第１の導波路５および第２の導波路７へ分離されることを可能にする。可能な設計は後述される。ここで議論される実施形態では、干渉領域９はカプラーを含む。このカプラーは、ユニタリーであるべき、すなわち、低損失を示すべきである。

この実施形態では、位相変化要素１５はまた、干渉的に安定であり、例えば電気的な手段によって、外部から制御される。フォトニックチップ材料系に例示される実施形態では、これは、電流がそれに通電されると温度を局所的に変えるサンプルの表面上の（標準のフォトリソグラフィーによって定められた）抵抗ワイヤであることができる。それは、出力導波路２１に結合される光を最小にするのに十分な位相変化を導入することができれば十分であり、これは、それが１回の通過に対してπ（第２の導波路７の往復に対して２π）の位相変化を与える必要があることを意味する。対称性から、この位相変化要素は、代替としてあるいは追加として、第１の導波路に位置してもよい。

この実施形態では、第１の導波路の出力は試験領域１１に結合され、第２の導波路の出力は参照領域１３に結合される。試験領域１１および参照領域１３は、一実施形態では第１の導波路５および第２の導波路７を伝搬する光の伝搬方向に垂直な平面内において、これらの領域からの反射光または散乱光の一部が第１および第２の導波路へ結合されて戻され、干渉領域に向かって第１および第２の導波路を伝搬するように、位置している。一例では、試験／参照領域は、第１および第２の導波路の端部に非常に近接している。試験領域１１および参照領域１３が同一である、あるいは、少なくとも反射または散乱が同じ光である場合に、位相シフト器１５は、光検出器１７に到達する信号を最小にするように設定される。光学チップの単一光学モードは、照射される試験領域１１および参照領域１３の範囲を規定するだろう。

いくつかのアプリケーションでは、検出器は、アバランシェフォトダイオードのような「単一光子検出器」であってもよく、超伝導単一画素検出器であってもよく、またはその類似のものであってもよい。しかしながら、いくつかのアプリケーションでは、より大きな強度が得られる場合があり、光電子増倍管、フォトダイオードまたはＣＣＤが使用されてもよい。この検出器１７は、チップ上に集積されてもよく、他の場所に位置し、第２の導波路７からの光が光ファイバーを用いて検出器１７に結合されるようにしてもよい。

図２は、一実施形態に係る装置による実験データを示す。この場合では、光源３は、９４０ｎｍで放射する連続波レーザーであり、フォトニックチップは、非ドープ酸化ケイ素に埋め込まれたドープ酸化ケイ素導波路からなり、検出器１７は、シリコンフォトダイオードだった。

光学的に同様の試験領域１１および参照領域１３を提供するために、ＧａＡｓ基板上のＧａＡｓ／ＡｌＡｓブラッグミラーが使用され、構造は、第１の導波路５および第２の導波路７に沿って伝搬するモードと直角に集積チップの端部に押し付けられた。

図２（ａ）は、位相シフト要素１５によって適用される位相シフトの関数として出力導波路中の光の強度を示す。この場合、位相シフトは、位相シフト要素１５を駆動するために使用されるヒーター出力に比例する。建設的および相殺的干渉が生じるので、出力導波路２１中の光強度は正弦波的変動に従う。ゼロのヒーター出力での明白なゼロでない位相シフトは、製作中に生じた第１および第２の導波路の経路長の小さな差の結果であり、それは、本発明の実施形態に係る装置の性能に影響を及ぼさない。

出力導波路中の光が最小にされるヒーター出力（その一例が０．１１６Ｗのヒーター出力と右側の図に示される）では、干渉領域９に最大の相殺的干渉がある。最小の信号では、出力導波路の光は２６００分の１に低減される。この最小値の付近では、第１および第２の導波路を伝搬する信号における位相シフトの小さい変化は出力導波路中の信号の大きい変化をもたらし、位相の小さい変化に対する感度が最大化される。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示される最小値のうちの１つを拡大して図２（ａ）のデータを示す。図２のデモンストレーションでは、位相シフトは、加熱によって位相シフト要素を変化させることによって導入されるが、試験領域１１で反射された光の変化によって同様に容易に引き起こされることもある。

上述した実施形態では、カプラーの分割比に対する制限はない。いくつかの実施形態では、カプラーは５０／５０カプラーであってもよい。しかしながら、一般に、強度反射（Ｒ）および強度透過（Ｔ）係数は任意の値をとることができる。これは、入力導波路１９から第１の導波路５へさらに第１の導波路５から出力導波路２１までの経路がファクターＲＴだけ光強度を低くし、第１の導波路１９から第２の導波路７へさらに第２の導波路７から出力導波路２１までの経路がファクターＴＲだけ光強度を低くするからである。いくつかの実施形態では、５０％を超えるＴを有するカプラーを選ぶことにいくつかの実際的な利点があり得る。例えば、試験領域中のソースからの蛍光発光または発光が検出される場合、このソースによって放射された光子を出力導波路２１に可能な限り多く到達させるのに有利である。

図３から図５は、本発明の実施形態に係る３つの可能なカプラー設計を示す。図３から図５に示される設計はフォトニックチップにおいて実現される。光導波路は、理想的には小さな損失で、光を伝えることができるチャネルとして働く。光路の制限は全反射によってコア領域に沿って生じる。これは、「コア」領域が周囲の（「クラッド」）層より高い有効屈折率を有するような導波路の設計によって可能である。

この必要な屈折率は、多くの方法で、誘電体（例えば、ＳｉＯ_２、ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ、Ｓｉ_３Ｎ_４など）、ポリマー、シリコンオンインシュレータ、Ｌｉ_３ＮＢＯ、およびＩＩＩ−Ｖ族材料（例えば、ＩｎＰ、ＧａＡｓなど）などの多くの材料系を使用して、実現されることができる。導波路は、標準の光リソグラフィーまたは電子線リソグラフィーを使用して定められることができる。材料は、本発明を制限することなしに、例えばプラズマ助長化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）または火炎加水分解堆積（ＦＨＤ）などの化学蒸着（ＣＶＤ）を含む技術の範囲を使用して、成長されることができる。

コアの物理的な寸法は、それがサポートする光学モードの数と、それが「試験領域」上で調査する面積と、に関して、導波路の特性を決定する。これは、システムの屈折率プロフィールおよび導光される光の波長の両方の関数である。一実施形態では、エッチングされた酸窒化ケイ素誘電体コア層は二酸化ケイ素の下側および上側クラッド層に囲まれて設けられる。酸窒化ケイ素は、材料中の酸素／窒素の比に依存して、３００Ｋにおいて１．５から２．０までの屈折率を有する。使用される屈折率に依存して、導波路がちょうど１．５×１．５ミクロンの断面積を有する場合、モードは９００ｎｍの単一光学モードをサポートする可能性がある。

しかしながら、いくつかの実施形態では、モードが標準の光ファイバーのモードサイズ（典型的には、円形断面であって９００ｎｍで５〜６ミクロンの直径）により良く合致し、外部の光源および検出器へのチップ上のモードの接続を容易にするように、より小さい屈折率コントラストおよびより大きい導波路寸法が使用される。

さらなる実施形態では、導波路は２５０ミクロンの間隔を空けられるが、これは、導波路ＡおよびＢに接続するために使用されることができるファイバー光学アレイのための標準の間隔である。最後の寸法はフォトニックチップの全長であり、それは、一実施形態ではカプラーおよびヒーター（光源および検出器がチップ外に位置する場合）を保持するのに十分なものである。この長さは、数ｍｍから数ｃｍまでの規模であることができる。

いくつかのアプリケーションでは、いずれかの導波路の位置は、試験領域１１および参照領域１３に対して、あるいは、光源および検出器に対して固定されることがある。これは、接着の機械的な位置決めの使用によってあるいは他の方法によって達成されることができる。これは、装置を将来の使用に対してロバストにするだろう。

導波路構造は、次のようないくつかの方法で定められることができる。

１．平坦な第１のクラッドおよびより高い屈折率を有する上にある平坦なコア層の堆積、それに続く「コア」の幅を定めるためにコアのエッチング、並びに、第２のクラッド層の最後の堆積による。この方法は、段階状の屈折率変化を備えた矩形断面の導波路を作成する。そのような場合に使用される材料は、シリコンオンインシュレータ、並びに、二酸化ケイ素、窒化ケイ素および酸窒化ケイ素などの誘電体を含む。これらの場合では、屈折率コントラストは、例えば、異なる化学量論で誘電体を使用することによって、あるいは、屈折率を修正するために層のうちの１つをドープすることによって、達成されることができる。

２．構造の一部をある外部刺激剤に選択的にさらすことによって、成長後の層（layer post-growth）内に物理的変化を導入することによる。例えば、人は、屈折率の抑制された半永久的な増大を作成するために、ＳｉＯ_２のＧｅドープ層内のポイントに集中して、紫外線レーザーを使用することができる。ＳｉＯ_２層にレーザーをトレースする（tracing）ことによって、導波路は定められることができる。これは、滑らかに変わる屈折率変化を備えた円形／楕円形の断面の導波路を作成する。

３．例えば表面上のリッジをエッチングして、サンプル全体の有効屈折率を修正するために、成長された構造の上部に構造を堆積またはパターニングすることによる。

導波路カプラーは自由空間ビームスプリッタのアナロジーである。それらは、光子の入射光線が所定比で所定数の出力経路へ分割されることを可能にする。カプラーの例は図３から図５にある。

方向性カプラー図３の場合には、２つの導波路３１、３３は、各チャネル３１、３３の導波モードからのエバネセント場が重なるように、領域３５で近接近にされる。これは、システム内に閉じ込められたエネルギーが領域３５において２つの導波路３１、３３間で周期的に振動することを可能にする。この相互作用が生じることができる長さを制御することによって、装置の結合比を正確に制御することができる。位相変化要素３７は、図１に関して説明したように、導波路の一方または両方に設けられることができる。

図１、６〜１０では、カプラーは、一般性の喪失なしに、方向性カプラーとして示されている。装置内で位相シフトを達成する可能な方法が議論されるが、他の方法も可能である。図４はＸカプラーを示し、Ｘカプラーは図３に関して説明されたものと同様の結果を達成するが、ここで、２つの導波路４１、４３は領域４５で物理的に交わる。導波路が交わる角度は、光が分割される比を決定する。位相変化要素４７は、図１に関して説明したように、導波路の一方または両方に設けられることができる。

第３のタイプのカプラーは、図５に示されるような多重モード干渉カプラーである。ここでは、典型的な単一モード入力導波路５１は、複数の光学モードをサポートすることができる非常に広いセクション５３に入るだろう。入射場はこれらのモードのいくつかを励起し、それらは、多重モード導波路要素５３を下流に伝搬するにつれて発達する。構造の長さに沿ったある点において、これら複数のモードは入射発射場（incident launch field）のコピー（または複数のコピー）を作成するために干渉するだろう。第１および第２の導波路５５、５７がこれらの点と一致するように位置する場合、発射場の複数コピーを抽出することができ、したがって、カプラーを実現することができる。位相変化要素６１は、図１に関して説明したように、導波路の一方または両方に設けられることができる。

導波路システムにおける可逆的な位相シフトは、構造の一部の局所的な屈折率を変化させることにより実現される。一実施形態では、これは、電流が通電される抵抗ヒーターを使用して、導波路の小さい長さを物理的に加熱することによってされることができ、また、ある力を導波路構造に加えることによって引き起こされる歪みは、位相シフト装置の実現を可能にする。外部の熱または圧力が除去されると、システムはその元の状態に徐々に戻るだろう。電気光学効果を示す材料では、変化は導波路の長さを横切って電場を適用することによって実現されることができる。

位相シフト器として使用することができる代替の媒質は、カルコゲナイドガラスである。これらの材料の物理的状態は、熱の適用によって非結晶と結晶とを切り替えられることができる。各状態では、材料は、屈折率などの異なる光学特性を示す。一旦調節されると、外部の熱源は取り除かれることができ、位相シフト要素の位置は固定されるだろう。さらなる調節が必要となれば、材料の以前の変化をさらに変化させるあるいは逆にするように熱が再び適用されることができる。

図６は、いくつかのオプションの追加要素を組み込むさらなる実施形態に係る装置を示す。不要な反復を回避するために、同様の参照数字が同様の特徴を示すために使用される。

いくつかのアプリケーションでは、光アイソレータ１０１が光源３とフォトニックチップ１との間に設けられる。一例は光源３がレーザーである場合であり、反射光がレーザーのレーザー発振動作に影響することがある。

図６では、光ファイバー１０３、１０５は、フォトニックチップから光源および検出器に至るように示される。いくつかの実施形態では、フォトニックチップ１の周囲のコンポーネント（光源３、検出器１７、試験領域１１、参照領域１３）はフォトニックチップに直接結合され、他では、それらは光ファイバーを介してフォトニックチップ１に結合されてもよい。図では、光ファイバーが示されなくても、そのようなファイバーは実際の装置にあってもよい。

さらなる実施形態では、第２の導波路７に可変損失要素１０７がさらに設けられていてもよい。この場合、最も一般に、参照領域１３によって反射された光の位相および振幅の制御は、出力導波路２１に到達する光を最小にするように光が干渉することを保証するために、変調されることができる。

さらに、参照領域または参照リフレクタ１３は、例えば第２の導波路の終端に金の層を堆積させることによって、チップ１上に集積されることができる。しかしながら、試験領域１３は、異なるタイプのもの、すなわち、測定されるサンプルであってもよい。この場合、試験領域１１および参照リフレクタ１３の両方は異なる振幅反射率を有する可能性がある。可変損失要素１５の最適化は、最大の相殺的干渉が干渉領域９において反射光ビーム間にそれでもやはり生じることができることを保証する。

さらなる実施形態では、制御システム１０９が設けられ、制御システム１０９は、位相シフト要素１５、可変損失要素１０７を変えることができ、検出要素１７における信号を最小にするために検出要素１７を読むことができる。

そのような配置では、干渉が最大化される位相変化要素に適用される信号は、参照領域１３と試験領域１１との間の変化の指示として使用される。

図６はまた、カプラーから試験領域１１までの第１の導波路５の長さとカプラーから参照領域１３までの第２の導波路７の長さとが等しくない光学長を有することがあることを示す。この場合、入力導波路１９から出力導波路２１へ移動した光は、その波長にかかわらず、相殺的に干渉するようにされることができる。したがって、光源からの光のスペクトル幅に対する制限はない。しかしながら、第１の導波路５および第２の導波路７の長さが等しくない実施形態では、光源のスペクトル幅は、出力導波路への伝搬を最小にさせることを可能にするために選択されるべきである。

図７は、試験領域１１と参照領域１３との間の屈折率の小さい変化をセンシングするために使用される装置の概略図である。この場合、第１の導波路５および第２の導波路７は、部分的に透明な材料の一部分に入り、任意のタイプの反射面であり得るリフレクタ１２１がその部分の後ろにある。この部分的に透明な材料は、流体の形態であってもよく、ゲルの形態であってもよく、固体の形態であってもよい。本発明を制限することなしに、我々は、例となる材料である流体を使用して図７についてさらに議論する。不要な反復を回避するために、同様の参照数字が同様の特徴を示すために使用される。

この例では、光は、光源３から発せられ、フォトニックチップ１に入る。光は、カプラー１を通過し、第１の導波路５および第２の導波路７に結合される。この例では、カプラー１は、図３に示されるタイプの方向性カプラーである。しかしながら、他のタイプのカプラーが使用されることができ、例えば、図４および図５のカプラーが使用されることができるが、これらに限らない。

この例では、試験領域１１は未知の屈折率を有する流体であり、この未知の屈折率をｎ＋ｄｎと表す。ミラー１２１は、光が第１の導波路７に入り、流体を通過し、ミラー１２１によって反射され、流体を再び通過し、第１の導波路へ結合されて戻るように、試験領域中の流体の後ろに設けられる。参照領域１３は、既知の屈折率ｎを有する流体である。ミラー１２１は、光が第２の導波路７を出て、流体を通過し、ミラー１２１によって反射され、流体を再び通過し、第２の導波路へ結合されて戻るように、試験領域中の流体の後ろに設けられる。出力導波路中の光が最小化されるように同じ屈折率の２つの流体を用いてこの装置を調整することは、最も高い感度をもたらし、その場合、試験領域の屈折率が小さな値ｄｎだけ変わることが許容される。

上記の実施形態に係る装置は、砂糖が水に加えられた場合などのように流体の屈折率の小さい変化をセンシングすることに応用されることができる。この場合、食品会社および製薬会社は、最も高い精度で砂糖含有量を決定する必要がある。他のアプリケーションでは、冷却液に導入される抑制剤は高精度に決定される必要がある。流体を保持するチャネルは、流体が移動する光流体チップの部分であってもよく、流体が流れることができるフォトニックチップのエッチングされた部分であってもよく、第１の導波路５および第２の導波路７と部分的に重なることができる。

さらなる実施形態に係る装置は、データ記憶媒体によって散乱された光の小さい変化を測定するために使用されてもよい。例は、データが金属フィルム中の窪みとして記憶されるコンパクトディスク、および画素中の染料の屈折率が変えられるＣＤ−Ｒまたは材料の物理的状態が変えられるＣＤ−ＲＷを含む。実施形態に係る装置は、小さい領域（ピクセル）内の小さい物理的な変化をセンシングすることに適しており、したがって、記憶されたデータを光学的に読み出すのに利点があり得る。一実施形態では、装置は、２値（低い屈折率が０、高い屈折率が１）でピクセルを測定することができ、代替として、それは屈折率変化における一連の増加量を測定してもよい。

図８は、さらなる実施形態に係る装置であり、位置決めステージ１５３上に第１の導波路５および第２の導波路７の端部に取り付けられたサンプル１５１を示す。第１の導波路５の端部におけるサンプル１５１の部分は、第１の領域であり、第２の導波路の端部におけるサンプルの部分は、第２の領域である。ここで、装置は、試験領域と参照との間の差を測定する代わりに、同じサンプルの２つの部分または領域の間の差を測定する。サンプルは、サンプルの光学的厚さ、すなわち、その厚さまたは屈折率の小さい変化のマッピングを可能にするために、その表面にわたって走査されることができる。一実施形態では、サンプル領域は導波路間隔の間隔より広い範囲になることがあり、したがって、マップは、第１の導波路５および第２の導波路７の出力における信号の差の画像を明らかにするだろう。サンプルの位置決めは、サンプルの直線変位を可能にする図示されたｘｙｚステージ１５３によって達成されることができ、あるいは、半径に沿った直線変位を備える回転ステージは、ディスク状の領域を調査するのにより適していることができる。

位置決めシステムは、サンプルの動きを示すために描かれるが、同じ効果はサンプルに対してフォトニックチップを移動させることによって達成されることもできる。

図９は、図８のサンプルの変形を示す。ここで、サンプルは、単一エミッタ（single emitters）、例えば、単一量子ドット、ダイヤモンド内の色中心、色素分子、または他の光学活性欠陥など、を含む。この場合、入力導波路１９へ注入される光は、出力導波路に到達することを妨げられることがある。しかしながら、第１の導波路５の経路にある単一エミッタからの蛍光あるいは発光は、第１の導波路５から出力導波路２１へ自由に導光されることができる。したがって、出力導波路を出る光は、主として試験領域１１からの放射からなり、光源からの光は、相殺的干渉によって除去される。量子フォトニクスの分野では、試験領域１１からの光は、量子統計、狭スペクトル特性、またはエンタングルされているなどの有益な特性を有することがあり、したがって、それが量子光学のアプリケーションには有利だろう。

この場合、光は、図１に示されるように検出されてもよく、あるいは、あるアプリケーションへ渡されてもよい。例は、フォトニック量子情報処理装置、量子通信システム、フォトニックセンサーシステム、または量子乱数発生器を含む。

実際のアプリケーションでは、位置決めステージ上の量子エミッタを含む装置（図９）を取り付けることは有利であることがあり、したがって、第１の導波路からの光と相互作用するために、それは１つの欠陥または量子ドットのために最適に整列されることができる。位置決めステージを走査することによって、これは、サンプルの小さい変化のマッピングを可能にするだろう。エミッタは、ガイドＹにおいて光と相互作用するために一様に位置している可能性がある。カプラー１の反射／透過係数の最適の選択は、検出器に到達するエミッタの蛍光／発光を最大化するように要求されることがある。

図１０は、機械系１７１の小さい偏向を測定するために使用されることができるさらなる実施形態に係る装置を示す。不要な反復を回避するために、同様の参照数字が同様の特徴を示すために使用される。第１の導波路５および第２の導波路７の出力における角度θによって示される機械系の任意の小さな回転は、反射されて出力導波路２１へ戻る光の相対位相を変えることになる。図示された例では、第１の導波路５中の光は、第２の導波路の光に対して縮小された経路長を経験することになる。したがって、装置は、機械系がフォトニックチップ４に対して平坦または正確に平行であることを保証することができる。代替として、それは、機械系が振動するときに角度θの小さい偏位を測定するために使用されてもよい。

一例は、フォトニックチップの動きに対して移動することができる第１の導波路および第２の導波路の出力に位置する可撓性のあるマイクロメカニカル装置であり、したがって、システムの小さな機械的な運動が測定されることができる。そのような小型化されたシステムは、エアバッグのトリガや航空宇宙などの運動をセンシングする多数の用途を有する。そのような装置は微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）製造技術を使用して小さくされることができ、それは、使用される光の波長分の一で位置の変位を測定することができる。

さらなる実施形態では、装置は、例えばエンジンにおいて、回転軸の変位をセンシングするために使用されることができ、それは、故障の初期のインジケータである。この場合、回転部品は、第１の導波路５および第２の導波路７の出力に位置し、この回転部品が固定軸まわりに回転するように設けられ、軸によって反射された信号は一定であり得る。回転部品が（例えばベアリングの故障によって）揺れ始めると、これは、出力導波路への反射信号の変化に変わることになる。装置は、構成部品の安定性を前提として、長期間にわたって高温または高圧力の環境で動作することができる。

図１１は、図１０のものと同様の配置に対する測定からの予備実験データを示す。この場合、ミラーは装置の試験領域および参照領域に位置し、それは、図１０に示されるようにミラーを回転させることができる６軸のマイクロ位置決めステージに取り付けられた。中空でないデータ点は、ミラーがフォトニックチップ１の出力面とほぼ平行である場合において、第２の導波路中の加熱素子によって与えられた位相シフトの関数として出力導波路２１で検出された光強度を示す。中空のデータ点は、ミラーの傾斜角θが０．０２７度だけ変更された場合において、同様のデータセットを示す。この場合、例えば０．１８Ｗのヒーター出力での信号の変化は、実施形態に係る装置の極限感度を示すファクター１０００を超える。回転の小さい変化は検出器１７での信号の大きい変化として示される。

図１２は、一方のアームにＭＺＩ位相シフト要素Φ′２０３を備えるマッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）の追加が装置の機能性を高めるために使用されることができる実施形態に係る装置を示す。図１２に示される装置において、同様の参照数字が同様の特徴を示すために使用される。ＭＺＩ２０１は出力導波路２１に配置される。これらの入力は、入力信号を第１のＭＺＩアーム２０７または第２のＭＺＩアームに結合する第１のＭＺＩカプラー２０５へ導かれる。この図では、ＭＺＩ位相シフト要素２０３は第２のＭＺＩアーム２０９に位置する。しかし、それは第２のＭＺＩアーム２０９に位置していてもよい。第１のＭＺＩアーム２０７および第２のＭＺＩアーム２０９は、第１のＭＺＩ出力２１１および第２のＭＺＩ出力２１３へ信号を出力するために、第２のＭＺＩカプラー２１２において結合される。ＭＺＩ出力のどちらが選択されるかは、ＭＺＩ位相シフト要素２０３によって制御されることができる。

図９と同様に、位相シフト要素１５は、出力導波路２１へ入る光源３からの放射を抑制するために設定されるが、単一量子エミッタからの放射は、カプラー１の伝送損失を前提としてそうすることが可能である。この場合、ＭＺＩは、第１の導波路の終端に位置する単一量子エミッタ２１５からの放射が２つのＭＺＩ出力２１１、２１３の間で共有されるように、設定されることができる。これらの出力２１１、２１３における２つの単一光子検出器を用いた自己相関測定は、単一量子エミッタ２１５の量子統計を確認することができる。代替として、ＭＺＩ位相シフト要素２０３Φ′は、光子がどちらの出力２１１、２１３に導かれるかを切り替えるために使用されてもよい。出力２１１、２１３は、同じフォトニックチップ上の他のアプリケーションに通じていてもよく、あるいは、ファイバーを介してチップの外部にある別のアプリケーションに通じていてもよい。

図１３は、図９に示されるものと同様の装置を示す。この場合、単一のチップ上に設けられた２つの光学測定装置があり、それらの出力導波路がともに結合される。便宜上、チップは、紙上にあるように説明される。第１の光学測定装置は、前述したように、入力導波路１９、出力導波路２１、第１の導波路５、および第２の導波路７を備える。位相調節要素１５は第２の導波路７に設けられるが、同様に容易に第１の導波路５に設けられてもよい。第１の導波路５は、それが第１の量子エミッタ２５３による放射エミッタを集めるように設けられる。

第２の光学測定装置は、第１の光学測定装置と平行に設けられる。第２の光学測定装置１′は、前述したように、入力導波路１９′、出力導波路２１′、第１の導波路５′、および第２の導波路７′を備える。位相調節要素１５′は第２の導波路７′に設けられるが、同様に容易に第１の導波路５′に設けられてもよい。第１の導波路５′は、それが第１の量子エミッタ２５３′による放射エミッタを集めるように設けられる。

第１の光学測定装置１および第２の光学測定装置１′からの２つの出力波２１および２１′は、２つの量子エミッタ２５３および２５３′から放射された光子による二光子干渉を実現するために、平衡カプラー（balanced coupler）２５１で交差する。両方の量子エミッタに２５３、２５３′が同じエネルギーで放射される場合、カプラー２５１での干渉は、二光子「ＮＯＯＮ」状態である、カプラー後の出力状態｜２_Ｃ０_Ｃ′>＋｜０_Ｃ２_Ｃ′>をもたらす。この状態は、位相変化に対する感度が高いことから、量子フォトニクスのいくつかのアプリケーションにとって特別に興味深いものであり、したがって、量子的に高められたセンシングに使用されることができる。

同じ波長の２つの単一光子エミッタを達成することは、例えば、注意深いサンプル用意（例えばダイヤモンド中のシリコン空孔欠陥）によって、あるいは、ある同調機構による放射エネルギーのポストグロース制御によって、例えば、電圧Ｖ２５５、２５５Ｖ′によって制御され得る独立したダイオード構造に単一量子ドットを組み入れることにより単一量子ドットの放射をシュタルクシフトする（Stark-shifting）ことによって、ある材料系で達成されることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (19)

1. 測定領域を測定するための光学測定装置であって、
   前記装置は、干渉計を有するフォトニックチップを備え、前記干渉計は、前記チップ上に定められ、
   前記干渉計は、第１および第２の導波路と、干渉領域と、を備え、
   前記第１および第２の導波路は、信号を前記干渉領域から前記測定領域へ運び、前記干渉領域へと戻し、前記第１の導波路中の信号は、前記測定領域の第１の領域によって反射されて前記干渉領域に戻され、前記第２の導波路中の信号は、前記測定領域の第２の領域によって反射されて前記干渉領域に戻され、
   前記装置は、
   前記測定領域によって反射された前記第１および第２の導波路中の前記信号間の位相差を変えるように構成された位相調節部と、
   前記フォトニックチップ上に定められ、前記測定領域によって反射された後の前記干渉領域からの信号を運ぶように構成された出力導波路であって、前記出力導波路へ移る信号の量は、前記位相調節部によって制御され、前記位相調節部は、前記第１の領域および前記第２の領域の反射特性が一致するときに前記出力導波路へ移る前記信号が最小になるように、前記位相を調節するように構成される、出力導波路と、
   をさらに備える、光学測定装置。
2. 前記位相調節部は、前記第１の領域および前記第２の領域の反射特性が一致するときに前記干渉領域において最大の干渉があるように、前記位相を調節するように構成される、請求項１に記載の光学測定装置。
3. 入力導波路をさらに備え、前記入力導波路は、光信号が前記干渉領域の後に前記第１および第２の導波路に沿って伝搬するように、前記干渉領域に前記光信号を渡すように構成される、請求項１に記載の光学測定装置。
4. 検出器が前記出力導波路からの出力を受け取るために設けられる、請求項１に記載の光学測定装置。
5. 前記第１および第２の導波路のうちの少なくとも１つの導波路に設けられた可変損失要素をさらに備え、前記可変損失要素は、前記第１および第２の導波路の前記少なくとも１つの導波路中の前記信号の振幅を変えるように構成される、請求項１に記載の光学測定装置。
6. 前記測定領域は、表面を有するサンプルを含み、前記サンプルの前記表面は、前記第１および第２の導波路中の前記信号の進行方向に垂直である、請求項１に記載の光学測定装置。
7. 前記第１および第２の導波路は単一モード導波路である、請求項１に記載の光学測定装置。
8. 光源が前記入力導波路に取り付けられる、請求項３に記載の光学測定装置。
9. 前記フォトニックチップ上の前記位相調節部は、前記第１の導波路および第２の導波路のうちの少なくとも１つの導波路の一部を熱するように構成された加熱素子である、請求項１に記載の光学測定装置。
10. 前記出力導波路中の出力信号を最小にするために前記位相調節部を制御し、前記出力導波路中の前記信号を最小にするために適用される位相調節を決定するように構成されたコントローラをさらに備える請求項１に記載の光学測定装置。
11. 前記第１の領域および前記第２の領域は、入力された光信号の周波数で放射を伝え、前記装置は、前記第１の領域を通過して伝えられる光信号がミラーで反射されて前記第１の導波路へ戻るように設けられたミラーと、前記第２の領域を通過して伝えられる光信号がミラーで反射されて前記第２の導波路へ戻るように設けられたミラーと、をさらに備える、請求項１に記載の光学測定装置。
12. 前記第１の領域は、流体を収容するように構成され、前記第２の領域は、流体を収容するように構成され、前記第１および第２の領域は、前記第１の領域中の前記流体と前記第２の領域中の前記流体との間の屈折率の差を決定することを可能にするために、前記第１および第２の領域に収容された前記流体を通過する前記光信号の物理的な経路長が同じであるように構成される、請求項１１に記載の光学測定装置。
13. 前記測定領域が前記第１および第２の導波路に対して移動可能であるように構成された移動ステージをさらに備える請求項１に記載の光学測定装置。
14. 前記測定領域における対象物の配置を測定するように構成され、前記測定領域における前記対象物の前記配置が前記第１の導波路および前記第２の導波路を移動する前記信号間の経路長の差を生じさせるように、前記対象物の位置を定めるように構成された測定ステージをさらに備え、前記装置は、前記出力導波路中の前記信号を期間にわたって測定するように構成された検出器をさらに備える、請求項１に記載の光学測定装置。
15. 光学的に作動される量子エミッタを測定するように構成され、前記光学測定装置は、前記量子エミッタが前記第１または第２の導波路の一方に結合されるように、前記測定領域において前記量子エミッタを支持するためのステージをさらに備え、前記位相調節部は、前記入力導波路から前記出力導波路へ移る前記信号を最小にするために、前記第１および第２の導波路中の前記信号間の位相差を変えるように構成される、請求項３に記載の光学測定装置。
16. 前記入力導波路から与えられる前記光信号は、前記量子エミッタを励起することができるエネルギーにある、請求項１５に記載の光学測定装置。
17. 前記出力導波路は、さらなるフォトニック回路に結合される、請求項１６に記載の光学測定装置。
18. 第１の光学測定装置および第２の光学測定装置を備える光学測定システムであって、前記第１の光学測定装置は、請求項１６に記載の光学測定装置を備え、前記第２の光学測定装置は、請求項１６に記載の光学測定装置を備え、前記第１の光学測定装置の出力導波路および前記第２の光学測定装置の出力導波路は、カプラーにおいて結合される、光学測定システム。
19. 測定領域の光学測定を実行する方法であって、
    干渉計を有するフォトニックチップを備える光学測定装置であって、前記干渉計が前記チップ上に定められ、前記干渉計が第１および第２の導波路と干渉領域とを備える、光学測定装置を用意することと、
    信号を前記干渉領域から前記第１および第２の導波路を介して前記測定領域に運び、前記第１および第２の導波路を介して前記干渉領域へ戻すことと、前記第１の導波路中の信号は、前記測定領域の第１の領域によって反射されて前記干渉領域に戻され、前記第２の導波路中の信号は、前記測定領域の第２の領域によって反射されて前記干渉領域に戻される、
    前記フォトニックチップ上に定められた出力導波路に沿って、前記測定領域によって反射された後の前記干渉領域からの信号を運ぶことと、
    前記第１の領域および前記第２の領域の反射特性が一致するときに前記出力導波路へ移る信号の量が最小になるように、前記測定領域によって反射された前記第１および第２の導波路中の前記信号間の位相差を変えることと、
    を備える方法。