(57)【要約】本発明は、異なる光路長を有する（局所環境との）干渉路を持つ検出導波管を含む集積型光学導波管干渉計、および関心のある刺激を局所環境へ導入した（またはその変化）後のその絶対状態（またはその変化）を決定する方法ならびに関心のある刺激を局所環境へ導入する（またはその変化）前のその絶対較正状態を決定する方法に関する。
2005520143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
関心のある刺激の導入またはその変化によって引き起こされた局所環境内での変化に対する測定可能な応答を呈することが可能な検出導波管であって、該検出導波管は可変光路長の干渉路を有することを特徴とする関心のある刺激の量またはその変化を検知可能な集積型光導波管干渉計。
【請求項２】
関心のある刺激の導入またはその変化によって引き起こされる局所環境内の変化に対する測定可能な応答を、検出導波管において誘導することが可能な１以上の検出層をさらに含む請求項１記載の集積型光導波管干渉計。
【請求項３】
検出層が実質的に関心のある刺激の導入またはその変化によって引き起こされる局所環境内の変化に対する測定可能な応答を誘導することが不可能である不活性導波管をさらに含む請求項２記載の集積型光導波管干渉計。
【請求項４】
干渉路の光路長の変動が２π未満の関心のある刺激の導入またはその変化によって引き起こされる位相変化の変動を確保するのに十分である請求項１ないし３いずれか１記載の集積型光導波管干渉計。
【請求項５】
干渉路が段階的である請求項１ないし４いずれか１記載の集積型光導波管干渉計。
【請求項６】
干渉路が二重の光路長のものである請求項１ないし５いずれか１記載の集積型光導波管干渉計。
【請求項７】
二重の光路長の差が２π未満の関心のある刺激の導入またはその変化によって引き起こされる位相変化の差を確保するのに十分である請求項６記載の集積型光導波管干渉計。
【請求項８】
干渉路の光路長の変動が、その幾何学的な長さの変動によって供される請求項１ないし７いずれか１記載の集積型光導波管干渉計。
【請求項９】
幾何学的長さの変動が、２π未満の関心のある刺激の導入またはその変化によって引き起こされる位相変化の変動を確保するのに十分である請求項８記載の集積型光導波管干渉計。
【請求項１０】
干渉路の幾何学的長さが段階的である請求項８、９または１０記載の集積型光導波管干渉計。
【請求項１１】
干渉路が二重の幾何学的長さのものである請求項８、９または１０記載の集積型光導波管干渉計。
【請求項１２】
二重の幾何学的長さが、２π未満の関心のある刺激の導入またはその変化によって引き起こされる位相変化の変動を確保するのに十分である請求項１１記載の集積型光導波管干渉計。
【請求項１３】
干渉路の幾何学的な長さの変動が連続的である請求項８または９記載の集積型光導波管干渉計。
【請求項１４】
干渉路が勾配を有する請求項１３記載の集積型光導波管干渉計。
【請求項１５】
干渉路の可変光路長が、その屈折率の変動によって供される請求項１ないし７いずれか１記載の集積型光導波管干渉計。
【請求項１６】
検出導波管の材料の組成を変化させることによって、屈折率が固有に変化する請求項１５記載の集積型光導波管干渉計。
【請求項１７】
検出導波管が、異なる組成の材料の２以上の異なる部分で構成されている請求項１６記載の集積型光導波管干渉計。
【請求項１８】
検出導波管が二重の組成のものである請求項１６または１７記載の集積型光導波管干渉計。
【請求項１９】
屈折率が寸法的に変動する請求項１５記載の集積型光導波管干渉計。
【請求項２０】
屈折率が、検出導波管の厚みを変化させることによって次元的に変動する請求項１９記載の集積型光導波管干渉計。
【請求項２１】
検出導波管が二重の厚みのものである請求項１９または２０記載の集積型光導波管干渉計。
【請求項２２】
さらに、可変光路長の干渉路を規定するように適合されたキャップ層を含む請求項１ないし２２のいずれか１記載の集積型光導波管干渉計。
【請求項２３】
キャップ層が局所環境との境界となる窓を組み入れた請求項２２記載の集積型光導波管干渉計。
【請求項２４】
キャップ層が少なくとも二重の光路長の干渉路を規定し、ここにモード場の第１の部分は、窓における媒体と干渉し、モード場の第２の部分は、キャップ層の媒体と干渉するように該窓が媒体と境界をなす請求項２３記載の集積型光導波管干渉計。
【請求項２５】
（Ａ）前記請求項いずれか１で定義された集積型光導波管干渉計を供し；
（Ｂ）集積型光導波管干渉計を電磁波で照射し；
（Ｃ）局所環境に関心のある刺激を導入し；
（Ｄ）干渉路と干渉するモード場の位相シフトの変動を測定し；次いで
（Ｅ）位相シフトの変動から、集積型光導波管干渉計の絶対状態を計算することを特徴とする集積型光導波管干渉計の絶対状態を決定する方法。
【請求項２６】
関心のある刺激の導入またはその変化によって引き起こされる位相シフトの変動が、２π未満である請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
（Ａ１）干渉路が二重の光路長のものである請求項１ないし２２いずれか１で定義された集積型光導波管干渉計を供し；
（Ｂ）集積型光導波管干渉計を電磁波で照射し；
（Ｃ）局所環境に関心のある刺激を導入し；
（Ｄ１）二重の光路長の干渉路と、それぞれ干渉するモード場の第１および第２の部分の位相シフトの差を測定し；次いで
（Ｅ１）位相シフトの差から、集積型光導波管干渉計の絶対状態を計算することを特徴とする請求項２５または２６記載の方法。
【請求項２８】
関心のある刺激の導入またはその変化によって引き起こされる位相シフトの差が２π未満である請求項２５ないし２７いずれか１記載の方法。
【請求項２９】
（Ｆ）絶対状態を、関心のある化学的刺激の量またはその変化と関連付けることをさらに含む請求項２５ないし２８いずれか１記載の方法。
【請求項３０】
（Ａ）請求項１ないし２２いずれか１記載の集積型光導波管干渉計を供し；
（Ｂ）集積型光導波管干渉計を電磁波で照射し；
（Ｃ）干渉路と干渉するモード場の位相位置の変動を測定し；次いで
（Ｄ）位相位置の変動から、集積型光導波管干渉計の絶対状態を計算することを特徴とする請求項１ないし２２いずれか１記載の集積型光導波管干渉計の絶対較正状態を決定する方法。
【請求項３１】
（Ａ１）干渉路が二重の光路長のものである請求項１ないし２２いずれか１で定義された集積型光導波管干渉計を供し；
（Ｂ）集積型光導波管干渉計を電磁波で照射し；
（Ｃ１）二重の光路長の干渉路と、それぞれ干渉するモード場の第１および第２の部分の位相位置の差を測定し；次いで
（Ｄ１）位相位置の差から、集積型光導波管干渉計の絶対状態を計算することを含む請求項３０記載の方法。
【請求項３２】
工程（Ａ）ないし（Ｃ）が、始動時に行われる請求項３０または３１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、可変光路長の（局所環境との）干渉路を有する検出導波管を含む集積型光導波管干渉計、および局所環境への関心のある刺激の導入（またはその変化）後にその絶対状態を決定する方法ならびに局所環境への関心のある刺激の導入（またはその変化）前にその絶対較正状態を決定する方法に関する。
【０００２】
光学干渉計は、検出の分野において定評のある技術である。応答が循環性であり、位相差において２πラジアンの各整数倍に、同一の情報を提供することは、光学干渉計に固有である。２πラジアンを超える範囲の光学経路長の差を追跡するためには、干渉縞計数法が一般に必要である。しかしながら、集積型光学干渉計の場合、検出導波管に迅速に適用される大きな刺激は、誤計数を介して情報の喪失を招きかねない。この現象は、エイリアシングとして知られ、図１への言及をもって、本明細書において詳細に後記される。
【０００３】
エイリアシングに取り組むために、２以上の波長を利用して、ゆっくりと変動する位相位置マーカーとして作用する差信号を提供することが知られている。化学的および生物学的検出用の光学干渉計の場合には、化学物質または生物学物質における屈折率分散が、そのような分析を困難にするかもしれない。
【０００４】
光学干渉計が変化する局所環境に継続的に暴露され、その絶対状態がそれに従い変動することが、その有効期間にわたり、理解されるだろう。例えば、検出導波管に吸収される湿気のレベルは、雰囲気条件によって変動するだろう。実際には、これは、光学干渉計は、それが使用される前ごとに（典型的には較正ガスで）、較正することが必要になるだろう。これにより、効果的な屈折率の測定された変化が、関心のある刺激の導入またはその変化に専ら関連付けられる。各使用前に器具を較正する必要は、使用者にとって非常に不便なことであり、通常の較正材料の使用が制限される。
【０００５】
位相差の履歴が知られておらず、あるいはそれが光学干渉計のモニタリング中の休止の間に失われているならば、使用者は、分析物への応答として、その絶対状態を決定することができない。作業工程を開始または再開すると、信号喪失（エイリアシング）が起こったかもしれないため、重大なエラーを招きかねない。典型的には、一旦、光学干渉計が較正されると、較正を失うことなしにそれを切り替えることはできない。
【０００６】
ＷＯ−Ａ−０１／３６９４７（Ｆａｒｆｉｅｌｄ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  Ｌｉｍｉｔｅｄ）は、熱的または波長バイアスを使用して、光学干渉計の絶対測定を行い、エイリアシングに取り組むことを開示する。これは、むしろ精巧な付属構成要素が検出アセンブリに組み込まれることを必要とする。
【０００７】
本発明は、エイリアシングのリスクを大きく減少させ、検出導波管を有する光学干渉計を、内蔵型基準システムで利用することによって、使用前の通常の較正の必要性を排除しようとする。さらに具体的には、本発明は、その検知導波管の上に、干渉路のよく特徴付けられた可変光路長を有する集積型光導波管干渉計に関する。
【０００８】
すなわち、１側面から見れば、本発明は：
関心のある刺激の導入またはその変化によって引き起こされた局所環境の変化に対する測定可能な応答を呈することが可能な検出導波管であって、該検出導波管は可変光路長の干渉路を有することを特徴とする関心のある刺激の量（例えばその濃度）またはその変化を検知することが可能な集積型光導波管干渉計を提供する。
【０００９】
本発明の集積型光導波管干渉計によって、使用者は関心のある刺激の導入前または後にその絶対状態を（任意の位相位置にかかわらず）決定することが可能になる。また、作業の停止（例えば停電）によって、位相シフトの継続したモニタリングが妨害された後、本発明の集積型光導波管干渉計がその先に決定された状態のままであることを確証することも容易なことである。これは、実質的に、エイリアシングに付されている集積型光導波管干渉計のアウトプットのリスクを排除する。
【００１０】
好ましい具体例において、集積型光導波管干渉計は、さらに：
関心のある刺激の導入またはその変化によって引き起こされた局所環境の変化に対する測定可能な応答を検出導波管に誘導することが可能な１以上の検出層を含む。
【００１１】
この具体例において、集積型光導波管干渉計は、有利に適合されて、検出導波管に測定可能な応答を誘導するように、エバネッセント成分を最適化する。集積型光導波管干渉計は、複数の別々の検出層を含み、異なる局所環境の変化が検知されることを可能にする。
【００１２】
検出層（または各検出層）は、関心のある刺激であるか、あるいはそれを含んでもよい。
【００１３】
本発明の好ましい集積型光導波管干渉計において、検出層は、吸収性材料（例えば、ポリメタクリル酸メチル、ポリシロキサン、ポリ−４−ビニルピリジン）または生理活性材料（例えば、抗体、酵素、ＤＮＡ断片、機能性蛋白質または全細胞を含有する）を含む。吸収性材料は、ガス、液体または関心のある化学的刺激を含有する蒸気分析物を吸収することが可能である。生理活性材料は、液相または気相バイオ検知に適している。例えば、検出層は、所望により、抗体、酵素、ＤＮＡ断片、機能性蛋白質または全細胞と生機能性化多孔性ケイ素材料を特徴とする。生物学的または化学的検出で使用する集積型光導波管干渉計において、関心のある刺激と検出層との干渉は、結合性干渉または吸収または他のいずれかの干渉である。
【００１４】
その性能を最適化するために、集積型光導波管干渉計は、さらに、検出層が実質的に、関心のある刺激の導入またはその変化によって引き起こされた局所環境の変化に対する測定可能な応答を誘導することが不可能である不活性導波管を含むことができる。不活性導波管は、基準層として作用することが可能である。検出導波管および不活性導波管が、関心のある刺激の導入またはその変化によって引き起こされた局所環境の変化に対する測定可能な応答以外は、同一の性質を有するのが好ましい。
【００１５】
本発明の好ましい集積型光導波管干渉計において、検出導波管（および／または不活性導波管）は、窒化ケイ素または（好ましくは）酸窒化ケイ素を特徴とする。
【００１６】
好ましくは、検出導波管およびいずれかのさらなる導波管（例えば参照導波管）は、平面導波管（つまり、平面内のいずれかの任意の方向に光伝播させる導波管）、特に好ましくはスラブ型導波管である。
【００１７】
好ましい具体例において、干渉路の光路長の変動が、２π未満の関心のある刺激の導入またはその変化によって引き起こされた位相変化の変動を確保するのに十分である。
【００１８】
一例として、干渉路は段階的である。好ましくは、干渉路は、二重の光路長である。特に好ましくは、二重の光路長の差は、２π未満の関心のある刺激の導入またはその変化によって引き起こされた位相変化の差を確保するのに十分である。
【００１９】
干渉路（Ｌ’）の光路長は、関係：
Ｌ’＝λＬ／ｎ
によって干渉路（Ｌ）の幾何学的長さに関係している（ここに、λは電磁波の自由空間波長であり、ｎは干渉路の屈折率である）。
【００２０】
すなわち、干渉路の可変光路長は、その幾何学的長さの変動によって供される。好ましくは、幾何学的長さの変動は、２π未満の関心のある刺激の導入またはその変化によって引き起こされた位相変化の変動を確保するのに十分である。
【００２１】
例えば、干渉路の幾何学的長さは段階的である。好ましくは、干渉路は、二重の幾何学的長さである。特に好ましくは、二重の幾何学的長さの差は、２π未満の関心のある刺激の導入またはその変化によって引き起こされた位相変化の差を確保するのに十分である。
【００２２】
干渉路の幾何学的長さの変動は連続的である。例えば、干渉路は勾配を有していてもよい。
【００２３】
干渉路の可変光路長は、その屈折率の変動によって供される。屈折率は、固有に、または寸法的に変動してもよい。
【００２４】
屈折率は、検出導波管の材料の組成を変動させることによって、固有に変動する。例えば、検出導波管は、異なる（かつよく特徴付けられた）成分の材料の２以上の異なる部分で構成される。好ましくは、検出導波管は、二重の組成のものである。
【００２５】
好ましくは、屈折率は、寸法的に変動する（それは、有利には、既知の製作技術を介して非常に正確に達成されることができる）。例えば、屈折率は、検出導波管の厚さを変動させることによって、寸法的に変動する。好ましくは、検出導波管は、二重の厚さのものである。
【００２６】
好ましい具体例において、集積型光導波管干渉計は、さらに、キャップ層を特徴とし、これは可変光路長の干渉路を規定するように適合される。キャップ層は、典型的に、検出導波管の表面と接触する。
【００２７】
キャップ層は、局所環境との境界となる窓を組み入れてもよい（例えば、上記、キャップ層が接触している検出導波管の部分）。例えば、窓は、吸収性材料または生活性材料といった検出層と境界となってもよい（上記で非常に詳細に記載した）。窓の形は、干渉路の光路長の変動を正確に規定するように最適化される。
【００２８】
窓を組み入れることによって、キャップ層は（少なくとも）二重の光路長の干渉路を規定し、ここにモード場の第１の部分は、窓の媒体と干渉し、モード場の第２の部分は、キャップ層の媒体と干渉する。
【００２９】
キャップ層の組成（従って、屈折率）は、半導体加工に精通した通常の材料蒸着方法（例えば、ＰＥＣＶＤを用いる二酸化ケイ素蒸着）を用いて、正確に決定することができる。フォトリソグラフィーは窓を規定するのに使用され、１ミクロン未満の解像度を有する。光路長の変動は、すなわち、このレベルまで調節可能である。
【００３０】
適したキャップ層は、２００２年２月１５日に、Ｆａｒｆｉｅｌｄ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  Ｌｉｍｉｔｅｄによって出願された同時係属中の英国特許出願ｎｏ．０２０３５８１．４に記載されている。キャップ層は、典型的には、１０ミクロンまたはそれ未満、好ましくは５ミクロンまたはそれ未満の厚みを有し、二酸化ケイ素で構成されていてもよい。
【００３１】
好ましくは、集積型光導波管干渉計は、多重層構造（例えば、導波管構造）を構成する。好ましい具体例において、多重層構造の複数の層の各々は、ＰＥＣＶＤ、ＬＰＣＶＤ等といった既知の工程を介して、基析（例えばケイ素基析）の上に組み立てられる。そのような工程は、非常に反復可能で、正確な製造へと導く。中間透明層を、所望により、加えることもできる（例えば、二酸化ケイ素）。典型的に、多重層構造は０．２ないし１０ミクロンの範囲内の厚みでできている。有利には、層構造によって、層は近接することができる（例えば、検出導波管および不活性（基準）導波管は、お互いに近接し、そして温度および他の環境的要因の害のある効果を最小限に食い止める）。好ましくは、集積型光導波管干渉計は、透明の誘電層を含み、ここに層は近接して配置される。好ましくは、各層は、構造内の誘導モードを同時に刺激することにより、電磁波の等量が伝播されるように製作される。特に好ましくは、検出導波管／不活性導波管内の電磁波の量は同等である。
【００３２】
慣用的源から発生した電磁波は、多くの方法によって、集積型光導波管干渉計へと伝播させることができる。好ましい具体例において、放射線は、集積型光導波管干渉計の末端面を介して、入力される（これは、時に、「たて型（an end firing procedure）」と記載される）。好ましくは、電磁波源は、光学範囲内の波長を有する入射電磁波を供する。伝播手段は、実質的に同時に、入射電磁波を複数の導波管へ伝播するのに使用される。例えば、１以上の回折格子または鏡の結合が使用されてもよい。回折格子または鏡の結合よりはむしろテーパ付きの末端カプラーを使用して、一番下の導波管に光を伝播することもできる。
【００３３】
所望により、入射電磁波は、適した偏光方法を用いて、配向させることができる（例えば、面偏光）。所望により、入射電磁波は、レンズまたは同様の微小焦点方法を用いて、焦点に集めることができる。
【００３４】
集積光導波管干渉計は、さらに：検出導波管の少なくとも一部分を（または検出層（または各検出層）の少なくとも一部分を）、局所環境に、密接に暴露する手段（例えば、ＷＯ−Ａ−０１／３６９４５）記載）を含む。例えば、検出導波管の少なくとも一部分（または検出層（または各検出層）の少なくとも一部分）を、局所環境に密接に暴露する手段は、表面上に配置可能なミクロ構造の一部分であってもよく、検出導波管と近接な接触を持っていてもよい。ミクロ構造は、１以上のミクロチャンネルおよび／またはミクロチャンバーの形態で、検出導波管の少なくとも一部分（または検出層（または各検出層）の少なくとも一部分）を、局所環境に密接に暴露する手段を含む。例えば、化学的刺激を含有する分析物は、ミクロチャンネルを介して供され、あるいはミクロチャンバーに位置する分析物で化学反応が起こるかもしれない。化学的刺激を含有する分析物は、毛管作用によってミクロチャンネルに供されるか、あるいは推進手段によって供される。検出導波管の少なくとも一部分（または検出層（または各検出層）の少なくとも一部分）を、局所環境に密接に暴露する手段は、検出導波管上に統合されたり、あるいはクラッド層に含まれても良い。例えば、ミクロチャンネルおよび／またはミクロチャンバーは、クラッド層に刻まれてもよい。
【００３５】
検出導波管の少なくとも一部分（または検出層（または各検出層）の少なくとも一部分）を、局所環境に密接に暴露する手段は、適合されて、関心のある化学的または生物学的刺激を含有する静的分析物の化学的または生物学的変化を誘導する。この意味では、システムは動的であると考えられる。化学的または生物学的変化（例えば反応）は、熱または放射線といったいずれかの慣用的方法で誘導される。
【００３６】
局所環境での関心のある物理的、生物学的および／または化学的刺激の導入またはその変化（つまり、局所環境の材料の屈折率の変化）の結果として、検出導波管下の電磁波の伝達に変化が起こり、これは測定可能（つまり測定可能な応答）である。干渉路の光路長が変動するため、測定可能な応答は変動する。すなわち、可変の測定可能な応答を比較することによって、本発明の光学干渉計は、位相変化の多数サイクルにわたり、ゆっくりと変動する位相位置マーカーを入手可能にし、ならびに、通常の較正の必要性を不要にすることによって、関心のある刺激の導入前または後に、集積型光導波管干渉計の絶対状態の測定を可能にする。
【００３７】
さらなる側面から見ると、本発明は：
（Ａ）前記定義の集積型光導波管干渉計を供し；
（Ｂ）集積型光導波管干渉計を電磁波で照射し；
（Ｃ）関心のある刺激を局所環境に導入し；
（Ｄ）干渉路と干渉するモード場の位相シフトの変動を測定し；次いで
（Ｅ）集積型光導波管干渉計の絶対状態を、位相シフトの変動から計算することを特徴とする集積型光導波管干渉計の絶対状態を決定する方法を提供する。
【００３８】
好ましくは、関心のある刺激の導入またはその変化によって引き起こされた位相シフトの変動は、２π未満である。
【００３９】
好ましい具体例において、本発明の方法は：
（Ａ１）前記定義の集積型光導波管干渉計を供し、ここに干渉路は二重の光路長で構成され；
（Ｂ）集積型光導波管干渉計を電磁波で照射し；
（Ｃ）関心のある刺激を局所環境に導入し；
（Ｄ１）それぞれ二重の光路長で構成された干渉路と干渉するモード場の第１および第２の部分の位相シフトの差を測定し；次いで
（Ｅ１）集積型光導波管干渉計の絶対状態を、位相シフトから計算することを含む。
【００４０】
好ましくは、関心のある刺激の導入またはその変化によって引き起こされた位相シフトの差は、２π未満である。
【００４１】
好ましくは、該方法は、さらに：
（Ｆ）関心のある化学的刺激の量（例えば、濃度）またはその変化に、絶対状態を関連付けることを含む。この計算を行う方法は、当業者はよく知っているだろう。
【００４２】
さらなる側面から見ると、本発明は：
（Ａ）前記定義の集積型光導波管干渉計を供し；
（Ｂ）集積型光導波管干渉計を電磁波で照射し；
（Ｃ）干渉路と干渉するモード場の位相位置の変動を測定し；次いで
（Ｄ）集積型光導波管干渉計の絶対較正状態を、位相位置の変動から計算することを特徴とする集積型光導波管干渉計の絶対較正状態を決定する方法を提供する。
【００４３】
好ましい具体例において、本発明の方法は：
（Ａ１）本明細書中に前記定義したごとく、集積型光導波管干渉計を提供し、ここに干渉路は二重の光路長で構成され；
（Ｂ）集積型光導波管干渉計を電磁波で照射し；
（Ｃ１）それぞれ二重の光路長で構成された干渉路と干渉する第１および第２部分のモード場の位相位置の差を測定し；次いで
（Ｄ１）集積型光導波管干渉計の絶対状態を、位相位置の差から計算することを含む。
【００４４】
好ましい具体例において、工程（Ａ）ないし（Ｃ）は、始動時に（例えば、自動的に）行われる。
【００４５】
集積型光導波管干渉計からの電磁波が自由空間と結合されると、干渉パターンは発生し、パターンは、慣用的方法で記録される（例えば、ＷＯ−Ａ−９８／２２８０７参照）。局所環境の変化に対する検出導波管の測定可能な応答は、それ自体を、干渉パターンの縞の動きとして発現する。検出導波管の放射線の位相シフトは、縞の動きから容易に計算できる。
【００４６】
干渉縞の動きは、電磁波強度の変化を測定する単一の検知器または多くの縞または全干渉パターンで起こる変化をモニターする複数のそのような検知器のいずれかを用いて測定できる。１以上の検知器は、１以上のフォトディテクターを含む。１以上のフォトディテクターが使用される場合、これは一列に並べられる。
【００４７】
好ましくは、集積型光導波管干渉計は適合されて、その絶対較正状態を始動時に決定する。特に好ましくは、集積型光導波管干渉計は適合されて、その絶対較正状態を、始動時に自動的に決定する。
【００４８】
本発明は、付属の図面への言及と共に、非限定的意味で記載され、ここに：
図１は、先行技術の集積型光導波管干渉計の側面図である；
図２は、本発明の集積型光導波管干渉計の具体例の分解平面図である；
図３は、図２の具体例の左手および右手のモード場から生じた干渉パターンを示す；
図４は、連関の路長の２の並行モード場φ１およびφｒおよびその差を示す；
図５は、本発明の集積型光導波管干渉計の具体例の分解平面図である；
図６は、本発明の集積型光導波管干渉計の具体例を示し；次いで
図７は、本発明の集積型光導波管干渉計を示す。
【００４９】
図１は、参照番号１によって一般に示される先行技術の集積型光導波管干渉計の側面図である。集積型光導波管干渉計１は、ＷＯ−Ａ−９８／２２８０７記載の型のものであり、これは、この具体例において、ケイ素基材層４ａ、二酸化ケイ素層４ｂおよび４ｄ、酸窒化ケイ素層４ｃおよび４ｅならびに吸収性検出層４ｆを含む。酸窒化ケイ素層４ｃは、参照導波管として作動し、酸窒化ケイ素層４ｅは、検出導波管をして作動し、そうすることで、集積型光導波管干渉計１は、エバネッセントモードで使われる。アセンブリは、さらに、遠距離電磁場における干渉パターン１１の縞１０を検知するフォト検知器２、フォーカスレンズ３および電磁波Ｅの源（図示せず）を含む。
【００５０】
酸窒化ケイ素層４ｅ（検出導波管）は、そのエバネッセント場を介して作動して、吸収性検出層４ｆの光幾何学性質の変化を伝達するメカニズムを供する。検出導波管モード（β）の伝播定数は、吸収性検出層４ｆの光幾何学性質が変化すると変化し、検出導波管モードの遠隔電磁場出力が、参照導波管４ｃのそれと再度組み合わされると、干渉パターン１１の強度分布はシフトする。
【００５１】
観察された位相シフト（Δφ）は、検出導波管４ｅの干渉モード場および出力面５の参照導波管４ｃの間の相対的位相位置のシフトに関係している。参照導波管４ｃのモード場は主に吸収性検出層４ｆの光幾何学性質の変化によって影響を受けないため、観察された位相シフトは、ほぼ特に、検出導波管の伝播定数の変化によるものである。干渉路の長さ（Ｌ）（エバネッセント場がトランスデューサーとして作動する長さ）を通じて、観察された位相シフトは：
Δφ＝ΔβＬ
［式中、Δβは、伝播定数β／干渉の単位長の変化である］によって与えられる。遠隔電磁場で生じた干渉パターン１１は、
Δφ＝ｎ２π
［式中、ｎは整数である］である時に、同一に再現される。
【００５２】
すなわち、もし「縞計数」（つまり、ｎの計数）の方法が使用されないならば、あるいはもし方法が位相の高速かつ大きな変化を十分に迅速に記録できないならば、Δφの値を曖昧さなしに決定することは不可能であろう。
【００５３】
絶対測定およびエイリアシングの阻止
図２は、分解平面図において、本発明の集積型光導波管干渉計の具体例を示す。それは、図１を参照して前記したものと殆ど同一であるが、吸収性検出層４ｆは、既知の屈折率のキャップ層４ｇによって置き換えられ、これに、正確に定義された寸法の窓１５が層の選択的除去によって導入され、それにより、検出導波管４ｅの経路を暴露する。窓１５は、干渉路を供し、ここに、検出導波管モードのエバネッセント場は、窓内で媒体と干渉することができる。干渉路は、二重の長さＬ１およびＬ２であり、これは路長がΔＬだけ異なっている。
【００５４】
二重の長さＬ１およびＬｒの干渉路に取り込まれたモード場の左部分および右部分によって経験された位相変化Δφ１およびΔφｒは、路長が異なるため、異なっている。位相変化間の差Δは、それが路長：
Δ＝Δφｌ−Δφｒ＝ΔβΔＬ＝Δβ（Ｌｌ−Ｌｒ）
の差によって決定されるため、Δβよりずっと緩慢な関数である。
【００５５】
もし、条件Δ＜２πが、路長ΔＬに適した小さな差を設計することによって達成されれば、モード場の左部分および右部分から生じる干渉パターンは、モード場の左部分および右部分によって個々に経験される位相変換の多数サイクルを通して、１サイクルの反復内に留まる（共に比較した場合）（図３参照）。
【００５６】
一例として、関心のある刺激は、典型的には、１１．２８３ｘ１０３ｍ−１の伝播定数（Δβ）の変化を引き起こす（水が導入されて、検出導波管の表面上の媒体として空気を置き換える時に、そのような変化は起こる）。次いで、必要な路長の最大差は、ΔＬ＝２π／Δβ＝０．５５７ｍｍによって与えられる。
【００５７】
二重の長さの干渉路に取り込まれたモード場の並行部分の相対的位相位置は、関心のある刺激の導入前および後に決定することができるため、エイリアシングは阻止される。関心のある刺激を適用する間、各個々の構成要素の位相位置を継続的にモニターする必要は全くない。この方法でΔを得、ΔＬを知っていることで、所望のΔβを直接的に得ることができる。
【００５８】
較正
図１の吸収性検出層４ｆの代わりに、キャップ層（またはスペーサー）を組み込み、ここに正確に定義された寸法の窓を利用して、関心のある刺激に酸窒化ケイ素層４ｅ（検出導波管）を露出することが可能である。例えば、キャップ層４ｇを使用して、図２を参照して前記した二重の干渉路を定義できる。半導体加工でよく知られた標準的材料蒸着方法（例えば、ＰＥＣＶＤを使用する二酸化ケイ素蒸着）を用いて、構成要素およびすなわちキャップ層４ｇの屈折率は、正確に決定される。典型的には、窓を定義するのに使用されるフォトリトグラフィーは、１ミクロン未満の解像度を有する。較正は、検出導波管のモード場の伝播定数の絶対値を必要とし、これは関心のある刺激の導入前に決定される。キャップ層の屈折率が分かっているとすれば、較正は次のように実施することが可能である。
【００５９】
図４を参照して、二重の長さの干渉路で取り込まれたモード場φ１およびφｒの２つの並行部分の出力位相位置の測定された差Δは、次の公式で示される：
Δ＝（βｃ−βｓ）ΔＬ＝ΔβΔＬ              （１）
［式中、βｃは、キャップ層の直下の検出導波管のモード場の部分の伝播定数であり、βｓは、窓内の検出導波管のモード場の部分の伝播定数である］
【００６０】
キャップ層が十分に厚いとすれば、伝播定数（Δβ）の差は、窓内の媒体およびキャップ層間の屈折率の差のみによって決まる。前者は、例えば空気であってよい（この屈折率はほぼ均一であると知られている）。
【００６１】
２の直交偏光（ＴＥおよびＴＭ）を用いて、Δの２つの異なる値を測定することができる（ΔＴＥおよびΔＴＭ）。式１は、屈折率の値およびΔＴＥおよびΔＴＭに対応するΔβＴＥおよびΔβＴＭを供する検出導波管の厚みの値につき、数値的に解明することができる。ΔβＴＥおよびΔβＴＭのプロット対厚みおよび屈折率は、お互いを交差し、検出導波管につき、パラメーターのユニークな組（厚みおよび屈折率）にて、共通の値を有する。伝播定数の絶対値は、当業者に知られる方法によって得ることができる。
【００６２】
図５は、本発明の集積型光導波管干渉計の具体例を分解平面図にて示す。それは、図１を参照して前記したものとほぼ同一であるが、吸収性検出層４ｆは、キャップ層と置き換えられて、検出導波管として作動する酸窒化ケイ素層４ｅの表面を露出する。検出導波管モードは、勾配Ｘによって供された可変光路長の干渉路内に取り込まれる。これにより、路Ｌ１およびＬｒ間の層の段階的変化を非常に詳細に測定することができる。
【００６３】
図６は、本発明の集積型光導波管干渉計の具体例を示す。それは、図１を参照して前記したものとほぼ同一であるが、これは吸収性検出層４ｆを持っていない。酸窒化ケイ素層４ｅ（検出導波管）は、Ｔ１およびＴ２の二重の厚さを持ち、下記のごとく、二重の光路長の干渉路を与える。
【００６４】
図７は、本発明の集積型光導波管干渉計の具体例を示す。それは、図１を参照して前記したものとほぼ同一であるが、これは吸収性検出層４ｆを持っていない。酸窒化ケイ素層４ｅ（検出導波管）は、二重の組成を持ち（つまり、二重の固有の屈折率ＲＩ１およびＲＩ２）、下記のごとく、二重の光路長の干渉路を与える。
【００６５】
図６および７を参照し、光路長（Ｌ’）は、
Ｌ’＝λＬ／ｎ
［式中、λは、励起放射線の波長であり、ｎは干渉路の屈折率である］
によって幾何学的路長に関係している。
【００６６】
Ｌ’の変動はいずれも、絶対位相状態を決定するのに使用できる。Ｌの変動は、図２および５を参照して記載されてきた。屈折率（寸法的であるか−図６参照、固有的であるか−図７参照のいずれか）の既知の変動を持つ検出導波管を同様に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】図１は、先行技術の集積型光導波管干渉計の側面図である。
【図２】図２は、本発明の集積型光導波管干渉計の具体例の分解平面図である。
【図３】図３は、図２の具体例の左手および右手のモード場から生じた干渉パターンを示す。
【図４】図４は、連関の路長の２の並行モード場φ１およびφｒおよびその差を示す。
【図５】図５は、本発明の集積型光導波管干渉計の具体例の分解平面図である。
【図６】図６は、本発明の集積型光導波管干渉計の具体例を示す。
【図７】図７は、本発明の集積型光導波管干渉計を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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