(57)【要約】第１表面（１０２、２０２、３０２、４０２）と、該第１表面（１０２、２０２、３０２、４０２）に対置する第２表面（１０３、２０３、３０３、４０３）とを有する光導波路（１０１、２０１、３０１、４０１）を具備し、該光導波路（１０１、２０１、３０１、４０１）が該表面の一方の面上に回折格子（１１０、２１０、３１０、４１０）を有する回折格子カプラー（１００、２００、３００、４００）。該回折格子カプラーが、該光導波路（１０１、２０１、３０１、４０１）上に沈着されて付着された弾性ポリマーフィルム（１２０、２２０、３２０、４２０）を更に含有し、該弾性ポリマー（１２０、２２０、３２０、４２０）が、該光導波路（１０１、２０１、３０１、４０１）を部分的に包囲すると共に、該光導波路（１０１、２０１、３０１、４０１）の該２つの表面の一方の面を開放させ、試料（２３０、３３０、４３０）へ弾性ポリマーフィルム（１２０、２２０、３２０、４２０）を付着させることにより、該試料（２３０、３３０、４３０）上に該回折格子カプラー（１００，２００、３００、４００）が装着可能となる。
2011519071.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１表面（１０２、２０２、３０２、４０２）と、該第１表面（１０２、２０２、３０２、４０２）に対置する第２表面（１０３、２０３、３０３、４０３）とを有する光導波路（１０１、２０１、３０１、４０１）を具備し、
該光導波路（１０１、２０１、３０１、４０１）が該表面の一方の面上に回折格子（１１０、２１０、３１０、４１０）を有する回折格子カプラー（１００、２００、３００、４００）であって、
該回折格子カプラーが、該光導波路（１０１、２０１、３０１、４０１）上に沈着されて付着された軟質ポリマーフィルム（１２０、２２０、３２０、４２０）を更に具備し、該軟質ポリマー（１２０、２２０、３２０、４２０）が、該光導波路（１０１、２０１、３０１、４０１）を部分的に包囲すると共に、該光導波路（１０１、２０１、３０１、４０１）の該２つの表面の一方の面を開放させ、
試料（２３０、３３０、４３０）へ軟質ポリマーフィルム（１２０、２２０、３２０、４２０）を付着させることによって、該回折格子カプラー（１００，２００、３００、４００）を該試料（２３０、３３０、４３０）に装着させて一時的に密着させることを特徴とする、該回折格子カプラー（１００、２００、３００、４００）。
【請求項２】
軟質ポリマーフィルムがポリ（ジメチルシロキサン）から成る請求項１に記載の回折格子カプラー（１００、２００、３００、４００）。
【請求項３】
回折格子カプラー（１００、２００、３００、４００）を試料（２３０、３３０、４３０）に装着したときに、該回折格子カプラー（１００、２００、３００、４００）と該試料（２３０、３３０、４３０）との間に空隙が生じない請求項１または２に記載の回折格子カプラー（１００、２００、３００、４００）。
【請求項４】
回折格子（１１０、２１０、３１０、４１０）が複数の隆起（１１２、２１２，３１２，４１２）を具備し、該隆起（１１２、２１２，３１２，４１２）が光の入射角に従って制御可能である請求項１から３のいずれかに記載の回折格子カプラー（１００、２００、３００、４００）。
【請求項５】
隆起（１１２、２１２，３１２，４１２）が直線形状である請求項４に記載の回折格子カプラー（１００，２００、３００、４００）。
【請求項６】
回折格子（１１０、２１０、３１０、４１０）が以下の要件により特徴づけられる請求項４または５に記載の回折格子カプラー（１００，２００、３００、４００）：
隆起（１１２、２１２，３１２，４１２）の屈折率、該隆起（１１２、２１２，３１２，４１２）の間に存在する間隙の屈折率、該隆起の厚さ、該隆起の外形および周期。
【請求項７】
回折格子（１１０、２１０、３１０、４１０）が、少なくとも１つのＴＥ伝播モードと少なくとも１つのＴＭ伝播モードを励起するための位相整合条件を満足するような周期で設計される請求項６に記載の回折格子カプラー（１００，２００、３００、４００）。
【請求項８】
光導波路（１０１、２０１、３０１、４０１）が少なくとも１つの層を具備する請求項１から７のいずれかに記載の回折格子カプラー（１００、２００、３００、４００）。
【請求項９】
光導波路（１０１、２０１、３０１、４０１）が平面的な導波路である請求項１から８のいずれかに記載の回折格子カプラー（１００、２００、３００、４００）。
【請求項１０】
光導波路（１０１、２０１、３０１、４０１）が少なくとも１種の硬質光学材料から成る請求項１から９のいずれかに記載の回折格子カプラー（１００、２００、３００、４００）。
【請求項１１】
光導波路（１０１、２０１、３０１、４０１）が、該光導波路の屈折率と厚みにより特徴づけられる請求項１から１０のいずれかに記載の回折格子カプラー（１００、２００、３００、４００）。
【請求項１２】
光導波路（１０１、２０１、３０１、４０１）に回折格子（１１０、２１０、３１０、４１０）がエッチングされた請求項１から１１のいずれかに記載の回折格子カプラー（１００、２００、３００、４００）。
【請求項１３】
回折格子（１１０、２１０、３１０、４１０）が、該回折格子（１１０、２１０、３１０、４１０）がエッチングされた導波路（１０１、２０１、３０１、４０１）の層を構成する材料と異なる材料から成る請求項１２に記載の回折格子カプラー（１００、２００、３００、４００）。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかに記載の回折格子カプラー（２００、３００、４００）と、
該回折格子カプラー（２００、３００、４００）の軟質ポリマーフィルム（２２０、３２０、４２０）を介して該回折格子カプラー（２００、３００、４００）に装着される試料（２３０、３３０、４３０）と、
該回折格子カプラー（１００、２００、３００、４００）を照射する光源とを具備する、
試料の特性評価を行うシステムであって、
該光源の光を該試料（２３０、３３０、４３０）へ導くことによって、該回折格子カプラー（２００、３００、４００）に具備される導波路（２０１、３０１、４０１）内の少なくとも１つの導波モードを励起させるように、該回折格子カプラー（２００、３００、４００）を構成する該システム。
【請求項１５】
試料（２３０、３３０、４３０）が、基板上に沈着された薄膜材料またはバルク材料、あるいは基板上に沈着された薄膜の積層である請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
試料の屈折率を測定するための請求項１〜１３のいずれかに記載の回折格子カプラー（１００、２００、３００、４００）の使用であって、該試料が基板上に沈着された薄膜材料またはバルク材料、あるいは基板上に沈着された薄膜の積層である該使用。
【請求項１７】
以下の工程(i)〜(v)を含む、試料の特性評価方法：
(i)   請求項１〜１３のいずれかに記載の回折格子カプラー（２００、３００、４００）の軟質ポリマーフィルム（２２０、３２０、４２０）を試料（２３０、３３０、４３０）に対して圧着させることにより、該試料（２３０、３３０、４３０）上に該回折格子カプラー（２００、３００、４００）を装着させ；
(ii)  レーザーから放射される光線で該回折格子カプラー（２００、３００、４００）を照射することにより、該回折格子カプラー（２００、３００、４００）に具備される導波路（２０１、３０１、４０１）内での少なくとも１つの導波モードを励起させ；
(iii)  該回折格子カプラー（２００、３００、４００）上への該放射光線の入射角を走査し、
(iv)  導波モードの励起角を記録し、
(v)  モデリング法を使用して、試料の特定のパラメータを算出する。
【請求項１８】
試料（２３０、３３０、４３０）が、基板上に沈着された薄膜材料またはバルク材料、あるいは基板上に沈着された薄膜の積層である請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学デバイス、特に回折格子カプラーに関する。
【背景技術】
【０００２】
光回折格子は、導波モードの面外励起にしばしば使用されている。得られる結合光は種々の目的、例えば導波路に沿って電磁エネルギーを伝送すること、または所謂Ｍ線法を用いて薄膜の特性評価を行うことなどに使用されている。導波モードの励起は、回折格子構造および導波路構造を含む系のパラメータに依存する極めて特殊な入射角で生じる。
【０００３】
導波路内に組み込まれた回折格子若しくは導波路上に装着された回折格子、あるいは装着可能なプリズムカプラーを用いて、導波モードの異面励起を行う種々の方法が、例えば以下の文献に記載されている：Ｒ.ウルリッチ他著、「プリズムカプラーを用いる薄膜のパラメータの測定」、Ａｐｐｌ.Ｏｐｔ、第１２巻、第２９０１頁〜第２９０８頁（１９７３年）、またはＳ.モネレット他著「Ｍ線法：プリズム結合の測定と、均一導波路に関する精度の考察」J.Opt.Ａ、第２巻、第１８８頁〜第１９５頁（２０００年）。
【０００４】
プリズムカプラーは、信頼性と効率を備えるにもかかわらず、幾つかの欠点を有する。例えば、プリズムの屈折率が、励起モードの有効伝播指数よりも高くなければならないことである。この要因に起因して、高い屈折率を示す物質から成る導波路内に光を結合させるためにプリズムを使用できない。それに加えて、プリズムは嵩張っている。多くのチップを順次作動させるために、１つのプリズムを使用できるが、バッチ生産のために、各小型チップ上に複数のプリズムを一体化させることは実際上不可能である。
【０００５】
数平方ミリメートルの小さな範囲内に多くの回折格子カプラーを一体化する機能を備える回折格子カプラー（ＤＧＣ）の代表的な長さは、１００μｍ未満である。数十ナノメーター深さを有する浅い回折格子上での導波モードの励起は、入射角の極めて狭い範囲内で生じる。励起角は、導波層または被覆層の屈折率の１０-２の変化に応答し、１０-１度よりも大きく変化できる。この性質は、センサーにおいて有効に使用でき、また導波路の特性評価に応用できる。導波路の複素屈折率と厚みの測定は、プリズム結合に関するＭ線法の場合と同様にして行うことができる。
【０００６】
高精度な回折格子カプラーの主な問題は、該カプラーの製造の複雑性、例えば、高精度化、ミクロン以下の分解能を有する平板印刷、各格子の特性評価、ミクロン以下の周期を有する波形の製造技術の適合性、および同一の試料についての光波の回路機構に関する複雑性などである。これらの問題は、コストを増加させ、また、回折格子を内蔵する導波路の製造を複雑にする。
【０００７】
特に、特性評価を行うために、各試料上に波形を形成することは極めてコスト高で、困難である。さらに、一度製造された回折格子を導波路から取り除くことができない。また、導波路内に内蔵された回折格子を用いることによって達成することが困難である複雑な波形断面または多層構造が適用されない限り、通常は、回折格子は低い結合効率を示す。幾つかの試みが、以下の文献によって開示されている：Ｒ.オロブチョウク他、「絶縁体上に担持させたマイクロメーター以下のシリコン導波路における高効率光結合」、Appl. Opt.、第３９巻、第５７７３頁〜５７７７頁（２０００年）、Ｓ．ウラ他「効率が改良された三次回折格子カプラー」Appl. Opt.、第３８巻、第３００３頁〜第３００７頁（１９９９年）、およびＮ.デスタッチズ他「−１次の共鳴格子において測定された９９％の効率」、Opt. Express、第１３巻、第３２３０頁〜第３２３５頁（２００５年）。
【０００８】
一方、ＰＤＭＳ、即ち、粘弾性エラストマーシリコーンは、ソフト平板印刷において広く使用され、Ａ.Ｎシモノフ他「粘弾性型伸縮性回折格子に基づく光走査装置」Opt. Lett.、第３０巻、第９４９頁〜第９５１頁（２００５年）に記載されているような、伸縮性の回折格子を含む光学デバイスの製造に応用されている。
【０００９】
純粋なエラストマー製の回折格子は、近年、コカバス他「エラストマー製の回折格子カプラーを用いる高屈折率の測定」、Opt. Lett.、第３０巻、第３１５０頁〜第３１５２頁（２００５年）において報告されている。該文献においては、表面に格子構造を有するエラストマー製のスタンプが開示されている。このような回折格子は集積光回路（ＩＯＣ）内に組み込まれるカプラーの製造を必要としない。該格子の製造は、以下のようにして行われる：シリコンウエハー上の干渉平板印刷によって作製したマスター格子からなる型板枠上に、液体のポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を注入した。研磨したウエハーをその上面に配設した。液体のＰＤＭＳが硬化した後、シリコン表面からエラストマー製の格子スタンプを剥離した。上記技術によると、絶縁体上に担持させたシリコン（ＳＯＩ）の平面状導波路の高い屈折率の測定が可能となり、また、導波路表面を破損させることなくエラストマー製のスタンプを除去できる。
【００１０】
しかしながら、該方法は、Ｙ.シャー他「ソフト平板印刷」Angew Chem. Int. Ed.、第３７巻、第５５０頁〜第５７５頁（１９９８年）に記載されているように、ポリマーの弾性に起因する欠点を有する。波形の周期性が、複数の要因、例えば熱収縮、側面の崩壊などによって変化してしまう。このため、格子は波形の崩壊を避けるために、充分な厚みを有さなければならない。別の欠点は、エラストマーの屈折率が低い値に固定されていることである。この結果として、導波路内または導波路外に光結合をもたらすような格子を設計する場合、カプラーの比較的長い励起長が生じ、特に、モードの高い閉じこめが併発する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｒ.ウルリッチ他著、「プリズムカプラーを用いる薄膜のパラメータの測定」、Ａｐｐｌ.Ｏｐｔ、第１２巻、第２９０１頁〜第２９０８頁（１９７３年）
【非特許文献２】Ｓ.モネレット他著「Ｍ線法：プリズム結合の測定と、均一導波路に関する精度の考察」J.Opt.Ａ、第２巻、第１８８頁〜第１９５頁（２０００年）
【非特許文献３】Ｒ.オロブチョウク他、「絶縁体上に担持させたマイクロメーター以下のシリコン導波路における高効率光結合」、Appl. Opt.、第３９巻、第５７７３頁〜５７７７頁（２０００年）
【非特許文献４】Ｓ．ウラ他「効率が改良された三次回折格子カプラー」Appl. Opt.、第３８巻、第３００３頁〜第３００７頁（１９９９年）
【非特許文献５】Ｎ.デスタッチズ他「−１次の共鳴格子において測定された９９％の効率」、Opt. Express、第１３巻、第３２３０頁〜第３２３５頁（２００５年）
【非特許文献６】Ａ.Ｎシモノフ他「粘弾性型伸縮性回折格子に基づく光走査装置」Opt. Lett.、第３０巻、第９４９頁〜第９５１頁（２００５年）
【非特許文献７】コカバス他「エラストマー製の回折格子カプラーを用いる高屈折率の測定」、Opt. Lett.、第３０巻、第３１５０頁〜第３１５２頁（２００５年）
【非特許文献８】Ｙ.シャー他「ソフト平板印刷」Angew Chem. Int. Ed.、第３７巻、第５５０頁〜第５７５頁（１９９８年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、硬質な光学材料から製造される導波路と、回折格子と、測定若しくは特性評価されるべき基板若しくは試料へ該導波路を付着させまたは装着するための軟質ポリマー部材とを具備する回折格子カプラーによって、上記諸課題を解決する。したがって、本発明によれば、エラストマーは装着目的のためにのみ使用される。本発明によるデバイスおよび方法によれば、個別に製造される回折格子カプラーとＩＯＣとの良好かつ再現可能な接触を確実に行うことができる。導波路および回折格子は、特別に設計され、バッチ式で製造された後、軟質ポリマーフィルム（例えばポリジメチルシロキサン）に固定され、次いで入念な特性評価に付された後、ならびに特性評価されるべき基板若しくは試料上に装着される。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の１態様は、第１表面と、該第１表面に対置する第２表面とを有する光導波路を具備し、該光導波路がこれらの表面の一方の表面上に回折格子を有する回折格子カプラーに関する。該回折格子カプラーは、該光導波路に沈着されて装置された軟質ポリマーフィルムをさらに具有し、該軟質ポリマーフィルムは、該光導波路を部分的に包囲すると共に、該光導波路の２つの表面のうちの１つの表面を開放する。このようにして該軟質ポリマーフィルムを試料へ付着させることにより、回折格子カプラーを該試料に装着させて一時的に密着させることができる。
【００１４】
軟質ポリマーフィルムは、好ましくはポリ（ジメチルシロキサン）から成る。
【００１５】
好ましくは、回折格子カプラーが試料上に装着されたとき、該回折格子カプラーと該試料の間に空隙が生じない。
【００１６】
好ましくは、回折格子は複数の隆起を具有し、該隆起は、光の入射角に従って制御可能である。好ましくは、該隆起は直線形状である。
【００１７】
好ましくは、回折格子は以下の要件により特徴づけられる：隆起の屈折率、隆起間の空隙の屈折率、隆起の厚み、隆起の外形およびその周期。好ましくは、回折格子は、その周期が少なくとも１種のＴＥ伝播モードおよびＴＭ伝播モードの励起に対する位相整合条件を満足する様に設計される。
【００１８】
特定の実施態様において、光導波路は少なくとも１つの層を含有する。この光導波路は、平面的な導波路であってもよい。この光導波路は少なくとも１種の硬質な光学材料から形成される。好ましくは、この光導波路は、その屈折率と厚みにより特徴づけられる。
【００１９】
好ましくは、光導波路に回折格子をエッチングする。好ましくは、回折格子は、回折格子がエッチングされる導波路層の物質と異なる物質からなる。
【００２０】
本発明による別の実施態様において、試料の特性評価をおこなうシステムが提供される。該システムは、上述したような回折格子カプラーと、該回折格子カプラーの軟質ポリマーフィルムを介して該回折格子カプラーが装着された試料と、該回折格子カプラーを照射するための光源とを具備し、該回折格子カプラーは、該光源からの光を該試料と結合させるように構成され、その結果、回折格子カプラーに具備される導波路内で少なくとも１種の導波モードが励起される。
【００２１】
好ましくは、試料は、基板上に沈着された薄膜材料またはバルク材料、あるいは基板上に沈着された薄膜の積層である。
【００２２】
また、本発明は、試料、即ち、基板上に沈着された薄膜材料またはバルク材料、あるいは基板上に沈着された薄膜の積層の屈折率を測定するための、上述した回折格子カプラーの使用を提供する。
【００２３】
また、本発明は試料の特性評価方法に関し、該方法は以下の工程を含む：
（i）回折格子カプラーの軟質ポリマーフィルムを試料に圧着することにより、該試料上に該回折格子カプラーを装着させ、
（ii）レーザーから放射される光線で該回折格子カプラーを照射することにより、該回折格子カプラーに具備される導波路内で少なくとも１種の導波モードを励起させ、
（iii）該回折格子カプラー上への該放射光線の入射角を走査し、
（iv）導波モードの励起角を記録し、
（v）モデリング法を使用して、試料の特定のパラメータを算出する。
好ましくは、試料は、基板上に沈着された薄膜材料またはバルク材料、あるいは基板上に沈着された薄膜の積層である。
【００２４】
本発明の利点を、以下の説明において明らかにする。
【００２５】
本明細書を完全にし、本発明をより良く理解するために、一組の図面を提供する。該図面は、本明細書にとって欠くことのできないものであり、本発明の好ましい実施態様を例証する。該図面は、本発明の範囲を限定するものとして理解されるべきはではなく、本発明がどのように具現化されるかを示す例にすぎない。図面には以下の図が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
図１は、本発明の実施態様による回折格子カプラーの断面図を示す。
図２は、本発明による回折格子カプラーの例示的な実施態様の断面図を示す。
図３は、本発明による回折格子カプラーの例示的な実施態様の断面図を示す。
図４は、本発明による回折格子カプラーの例示的な実施態様の断面図を示す。
図５ａから図５ｈは、図２に基づく実施例を例示的に説明する。
図６ａから図６ｄは、図３に基づく実施例を例示的に説明する。
図７ａから図７ｆは、本発明による回折格子カプラーの製造例を示す。
図８は、プローブの特性評価方法の流れを説明する。
図９ａ〜９ｃは、ＴＥ偏光に関する入射角に対する回折格子プローブの透過率（９ａ）、プローブを透過した光によって形成されたスポットの画像（９ｂ）、および、実施例において使用した構造の断面図（９ｃ）を示す。
図１０ａ〜１０ｃは、導波路プローブの励起の実施例および共鳴状態および非共鳴状態におけるプローブを透過した光によって形成されたスポットの画像を示す。
図１０ｄ〜１０ｇは、図１０ａのカプラーをガラス基板上へ装着させる方法を示すもので、ガラス表面へ密着するプローブの漸進的変化を示す。
図１１は、ポリマーフィルムの実施例を示す。
図１２は、本発明による混成ＤＧＣ-ＰＤＭＳ系を使用して、うね状導波路内への面外光の結合を例証する。
図１３は、窒化ケイ素製の導波路上にプローブを装着させた場合と、装着させない場合における、該窒化ケイ素製の導波路に対して形成された電界のモード分布を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明との関係において、次の定義が考慮されなければならない：
【００２８】
軟質ポリマー：ガラス転移温度よりも高温での機械的性質がゴムの機械的性質と類似する非晶質高分子。換言すれば、ガラス転移温度よりも高温では、軟質ポリマーは弾性を示す。この性質に起因して、相当なセグメント運動が可能となる。従って、軟質ポリマーは、一時的な粘着剤として使用できる。
【００２９】
硬質光学材料：ガラス転移温度より低い温度では、損失のない光伝播を行なえる物質である。硬質光学材料は限定されないが、該材料の例としては、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、タンタル酸化物およびガラスが挙げられる。
【００３０】
バルク材料：潜在的に透過できる光の波長よりも非常に大きい厚みを有する物質である。バルク材料を光が通過して伝播する場合、干渉現象は観察されない。
【００３１】
ＴＥ（横方向電界）モード：伝播方向に電界を有さないモード。
【００３２】
ＴＭ（横方向磁界）モード：伝播方向に磁界を有さないモード。
【００３３】
本発明の実施は、以下のようにして行うことができる
【００３４】
図１は、本発明の実施態様による回折格子カプラー１００の断面図を示す。該カプラー１００は、回折格子１１０を有する光導波路１０１を具備する。該導波路１０１は、単層式の導波路であってもよく、多層式の導波路（層を積層することにより形成された導波路）であってもよい。
【００３５】
回折格子１１０は、導波路１０１内に組み込まれてもよく、導波路１０１に固定されてもよい。該回折格子１１０は、導波路１０１の表面の一部または全表面に沿う平行な隆起状構成要素から成る構造１１２である。隆起１１２は、「歯」とも称され、一方で、隆起１１２の間の空間１１１は「間隙」とも称される。
【００３６】
格子１１０は、複数の隆起（歯）１１２により特徴づけられ、個々の隆起１１２は、各間隙１１１によって隔てられる。回折格子の歯１１２は、回折格子の間隙１１１の屈折率とは異なる屈折率を有する材料から成る。２つの導波路の表面１０２および１０３のいずれかに、回折格子１１０を形成できる。
【００３７】
好ましくは、光導波路１０１は平面状導波路である。導波路１０１は、前記定義のような硬質光学材料から成る。
【００３８】
回折格子カプラー１００は、導波路１０１および回折格子１１０が付着されたポリマーフィルム１２０も具備する。導波路１０１、回折格子１１０およびポリマーフィルム１２０は、「プローブ導波路」または「プローブ」を形成する。ポリマーフィルム１２０は軟質ポリマーである。軟質ポリマーは限定されないが、以下のものが例示される：ポリ（ジメチルシロキサン）（ＰＤＭＳ）、ＳＵ８フォトレジストおよびポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）。好ましくは、軟質ポリマーフィルムは、ポリ（ジメチルシロキサン）（ＰＤＭＳ）からなる。例えば、硬質光学材料から成る導波路１０１は、軟質ポリマーフィルム１２０上に永続的に固定される。
【００３９】
導波路１０１上に沈着または付着されるポリマーフィルム１２０は、導波路１０１を部分的に包囲する。図１に示されるように、ポリマーフィルム１２０は導波路１０１を完全に包囲せず、該導波路１０１面の一部の表面は開放される。
【００４０】
プローブ（導波路１０１と回折格子１１０とポリマーフィルム１２０から成る）は、以下のパラメータを有する：導波路１０１の厚み、導波路１０１の屈折率、回折格子１１０の格子波形の深さ、回折格子１１０の周期およびデューティ・サイクル、隆起（または歯）１１２を構成する材料の屈折率、ならびにポリマーフィルムの屈折率。導波路１０１の厚みは、好ましくは５０〜５０００ｎｍである。導波路１０１の屈折率は、好ましくは１.１〜４.１ＲＩＵ（屈折率単位）である。回折格子の波形の深さは、好ましくは５０〜５０００ｎｍである。回折格子１１０の周期は、好ましくは２００〜１０００ｎｍである。回折格子１１０のデューティ・サイクルは、好ましくは０.２〜０.８である。隆起（または歯）１１２を構成する材料の屈折率は、好ましくは１.１〜４.１ＲＩＵである。ポリマーフィルム１２０の屈折率は、好ましくは１.１〜２.１ＲＩＵの範囲である。
【００４１】
回折格子カプラー１００は、ポリマーフィルム１２０を介して基板または試料に装着できるように設計され、該ポリマーフィルムは、回折格子カプラー１００を基板または試料に付着させるように設計される。該回折格子カプラーを装着するために、回折格子１１０を有する導波路１０１と軟質ポリマー１２０から成るプローブは、ポリマーフィルム１２０により被覆されていない開口または開放された光学プローブを有する該プローブの表面若しくは側面を介して基板または試料に圧着される。したがって、軟質ポリマーフィルム１２０を介して基板または試料に圧着された導波路プローブは、該基板または試料と該導波路プローブの間に空隙を生じさせることなく、該基板または試料に装着される。回折格子１１０を有する導波路１０１と軟質ポリマー１２０から成る導波路プローブは、必要な場合には、基板または試料から剥離させてもよい。
【００４２】
このため、この混成構造体（硬質材料と軟質ポリマーフィルムから成るプローブ）がいずれかの光集積回路（ＩＯＣ）上に配置されると、軟質ポリマー（例えばＰＤＭＳ）の特有の構造的特性は、基板が非平面状の場合でさえ、回折格子カプラーとＩＯＣの間に空隙を生じさせないことを保証にする（すなわち、ＰＤＭＳがＩＯＣ表面に密着する）。この状態は、本発明による系の適正な機能を保証する。軟質ポリマー（例えばＰＤＭＳ）の弾性力は、複合体および脆い構造体から該ポリマーを剥離させることを可能とし、また、該弾性力は、カプラーを、例えば導波路から取り除くことを可能にし、さらに、必要に応じて、カプラーを再び装着することも可能にする。
【００４３】
従って、回折格子を再使用および再装着するための確実性が高くて、融通性のある方法であって、ＩＯＣ内への光のピンポイント入射、および所定層の光学特性の測定に使用できる該方法が提供される。
【００４４】
図２は、試料２３０が配置された基板２４０に付着された、回折格子カプラー２００の実施態様の断面図を示す。該実施態様の目的は、試料（例えば導波路層）２３０の特性を評価するか、またはこの層２３０内へ光を入射することである（この場合、試料は単一の導波路である）。軟質ポリマー２２０を具有する構造に起因して、プローブと試料（または導波路）２３０の表面との間に、空隙が生じないものと想定される。回折格子２１０へ特定の角度θで入射する光は、基板２４０上に沈着された試料（導波路２３０）内でその一部が結合し、該試料に沿って伝播する。導波路２３０のパラメータ（厚みおよび屈折率）と共に、プローブのパラメーター（厚み、屈折率および格子の周期）は、導波路２３０および回折格子２１０を有する導波路２０１とポリマーフィルム２２０から成るプローブにより形成される構造に沿って伝播可能な伝播モードの励起角θを規定する。プローブのパラメータは既知であると仮定されるので、励起角を知ることにより、当業者には明らかな常套の方法を用いることによって、導波路２３０のパラメータを導くことができる。例えば、導波路２３０から放出される光のエネルギーの極大値を角度に対して走査して検出することにより、これらの励起角θを導くことができる。
【００４５】
プローブの屈折率と同程度の屈折率を示す単一モードの導波路２３０上に配設されるプローブは、導波路２３０の厚みよりも厚い導波路構造を形成する。従って、２つのモードを励起できるので、分散方程式における対応する系を解くことにより、導波路の屈折率および厚みを算出できる。
【００４６】
図３は、バルク材料の試料または層３３０に付着された回折格子カプラー３００の別の実施態様の断面図を示す。層３３０を形成するバルク材の屈折率は、このような配置でプローブとバルク試料３３０によって形成される構造中を伝播できる、導波路プローブの伝播モードの励起角θを規定する。励起角を求めることにより、当業者において明らかである常套の方法を使用してバルク材料３３０のパラメータ（すなわち複合体の屈折率）を導くことができる。例えば、プローブとバルク材料の試料３３０により形成される構造から反射された光の異常な挙動を角度に対して走査して検出することにより、このような励起角θを見出すことができる。この特定例の目的は、バルク材料の試料３３０の屈折率を測定すること、またはバルク材３３０の屈折率が既知の場合、プローブを較正することである。
【００４７】
軟質ポリマーと、回折格子を形成する硬質光学材料とを併用することに起因して、プローブの屈折率よりも低い屈折率を示すバルク材料の屈折率の特性評価を行うために、本発明によるカプラーを使用できる。該特性評価は、プローブを励起させ、励起角から特性評価されるべき屈折率を導くことにより行われる。
【００４８】
図１〜３において示した実施態様のいずれの場合においても、導波路（１０１、２０１、３０１）の上部または上面（１０２、２０２、３０２）に回折格子（１１０、２１０、３１０）を設けてもよく、あるいは導波路（１０１、２０１、３０１）の反対側または反対面（１０３、２０３、３０３）に設けてもよい。
【００４９】
回折格子（１１０、２１０、３１０）が、導波路（１０１、２０１、３０１）の上部または上面（１０２、２０２、３０２）に構築される場合、回折格子の隆起または歯（１１２、２１２、３１２）の屈折率は、歯（１１２、２１２，３１２）の間の間隙（１１１、２１１，３１１）を充填するポリマーフィルム（１２０、２２０，３２０）の屈折率と異なる。
【００５０】
あるいは、回折格子（１１０、２１０、３１０）が、導波路（１０１、２０１、３０１）の下部または下面（底部または底面）（１０２、２０２、３０２）に構築される場合、回折格子の隆起または歯（１１２、２１２、３１２）の屈折率は、周囲媒体（例えば空気）の屈折率と異なる必要がある（図１参照）。
【００５１】
図１〜３において示した実施態様のいずれの場合も、導波路の励起は、レーザー光源（図示せず）から干渉性のレーザー光を放射することにより行われる。
【００５２】
本発明による回折格子カプラー（１００、２００、３００）は、導波路プローブの固有特性（例えば、導波路の厚みおよび屈折率）を特性評価するために使用できる。導波路プローブを形成する導波路（１０１、２０１、３０１）は、軟質ポリマーフィルム（１２０，２２０、３２０）を形成するポリマーの屈折率と比べて、実質的に高い屈折率を有する物質から成る。分散方程式の系を解くことによってプローブの特性評価が可能となるようにするために、導波路（１０１、２０１、３０１）は、ＴＥ偏光を有する少なくとも１種の伝播モードと、ＴＭ偏光を有する少なくとも１種の伝播モードを提供させる。
【００５３】
本発明による回折格子カプラー（１００、２００、３００）を形成するプローブは、以下に示す図３の実施態様のようにして、バルク材料の屈折率の特性評価を行うために使用できる。この実施態様において、回折格子３１０を有する導波路３０１と軟質ポリマーフィルム３２０から成る回折格子カプラー３００と、バルク材層３３０によって形成される構造は、少なくとも１種のＴＥ偏光モードおよび／またはＴＭ偏光モードを提供する。当業者にとって明らかなように、このことは、プローブ内の伝播モードを励起させた後、バルク材料３３０の屈折率を得るために必要な要件である。この場合、導波路３０１の屈折率は、特性評価される材料（バルク材３３０）の屈折率と比べて高くなければならない。回折格子３１０の周期は、該構造の励起がもたらされるように選択される。このことは、回折格子３１０の周期を適切に選択しなければならないことを意味する。該周期が適切に選択されない場合、導波路プローブの励起がもたらされないので屈折率を測定できない。
【００５４】
本発明による回折格子カプラー（１００、２００、３００）を形成するプローブは、基板上に沈着される薄膜の積層または薄膜の特性評価を行うためにも使用できる。図４はこの実施態様を示す。この場合、回折格子４１０を有する導波路４０１と軟質ポリマーフィルム４２０から成る回折格子カプラー４００と、薄膜４３０若しくは薄膜の積層４３０と基板４４０によって形成される構造は、少なくとも１つのＴＥの伝播モードと少なくとも１つのＴＭ偏光の伝播モードを提供する。さらに、このことは、プローブ内で伝播モードを励起させるために必要な要件である。導波路４０１の屈折率は、特性評価される物質（該物質は積層薄膜４３０を形成する）とポリマーフィルム４２０の屈折率と比べて、高くてもよく低くてもよい。回折格子４１０の周期は、導波路の構造が励起をもたらすように選択される。該周期は適切に選択されなければならない。該周期を適切に選択しない場合、導波路プローブの励起がもたらされないので屈折率を決定できない。
【００５５】
あるいは、回折格子カプラーを形成するプローブは、光学導波路の特性評価のために設計して、使用してもよい。また、この態様は、導波路４３０が特性評価される図４に示す。この実施態様において、回折格子４１０を有する導波路４０１と軟質ポリマーフィルム４２０から成る導波路プローブと、薄膜４３０若しくは積層薄膜４３０（すなわち、特性評価される導波路）と、基板４４０は、少なくとも１つのＴＥ伝播モードと少なくとも１つのＴＭ偏光の伝播モードを提供する。該プローブは、光導波路内へ光が結合するように設計される。
【００５６】
上記のいずれの実施態様においても、ポリマーフィルム（１２０、２２０、３２０、４２０）を形成するポリマーが軟質でなければならない理由は、他の種類のポリマーとは対照的に、付着させる必要のある表面形状に対して弾性フィルムは容易に適合できるからである。この観点から、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）から成るフィルム（１２０、２２０、３２０、４２０）を具有する導波路プローブと、硬質光学材料からから成る導波路が、試料（２３０、３３０、４３０）へ付着させるために適当である。
【００５７】
従って、軟質材料製フィルム（１２０、２２０、３２０、４２０）を具有する導波路プローブは、装着可能な回折格子カプラーを構築できる。このことは、導波路プローブ中に具備される軟質ポリマーフィルム（１２０、２２０、３２０、４２０）の装着と脱着可能な性質に基づく。
【００５８】
回折格子（１１０、２１０、３１０、４１０）を形成する場合、導波路（１０１、２０１、３０１、４０１）内に該回折格子を組み込むことが好ましい。この目的のために、平板印刷と組合せた乾式または湿式エッチング法を使用できる。
【００５９】
次に、回折格子カプラー（１００、２００、３００、４００）に関する幾つかの使用例を示す。
【００６０】
図５ａは、導波路に付着させた後、緩衝層と基板に沈着させた回折格子カプラーの実施例を示す。該図は、図４で表される実施態様に対応し、基板５４０上に沈着された２種類の薄膜５３０を具備する構造が示されている。この実施態様においては、本発明によるプローブは、屈折率が２．０３で厚みが１８０ｎｍの導波路に装着され、シリカ緩衝層（厚み２μｍ）上に沈着された後、シリコン基板（屈折率３.８８；虚数部は省略した）上に配置される。次いで、該プローブは、厚み３０ｎｍ、周期５００ｎｍ、デューティ・サイクル０.５を備える回折格子を有する。プローブの導波路は、厚み１５０ｎｍであり、屈折率２.０３を有すると推定した。入射角は空気中で算出した。
【００６１】
図５ｂは、該構造からの反射の入射角に対する依存性を示す。励起角がオートコリメーション条件に一致する角度（以下の式１参照）から大きく離れた場合、１に近似する異常反射が観察される。図５ａで表される構造に関して、６３３ｎｍのレーザー波長に対して入射角が３９.２５度の場合、オートコリメーション条件を満足する。この範囲において、低い反射とＱ因子が観察される。
【００６２】
【数１】
2011519071.tif 000003
【００６３】
図５ｂは、シリコン基板（屈折率３.８８；虚数部は省略した）上に配設されたシリカ緩衝層（厚み２μｍ）上に沈着された屈折率が２.０３の導波路上に装着されたプローブからの反射をシミュレーションした結果を示す。該プローブは、厚み３０ｎｍ、周期５００ｎｍ、デューティ・サイクル０.５を備える回折格子を有する。プローブの導波路５０１は、厚み１５０ｎｍであり、屈折率２.０３を示した。入射角は空気中で算出した。
【００６４】
従って、導波路５０１の厚みは、複合導波路の有効屈折率（下記式で表される）を避けるように選択されるべきである。
【００６５】
【数２】
2011519071.tif 000004
【００６６】
この条件は以下のいずれの場合においても有効である：回折格子が、導波路５０１'の上側または導波路５０１の下側に取り付けられる場合。図５ｄは、種々の導波路の試料（図５ｃ参照）に関する入射角に対する反射の関係を示す。この関係は、図５ｂにおいて示される関係と類似している。異常反射ピークは、３９.２５度付近においてはほとんど識別できない。図５ｂと図５ｄに関するグラフの違いは、両方の場合における回折格子の受光角である。図５ｄにおいて、反射ピークが極めて狭く、このことは、波形のより低い対照的な屈折率に起因する（１.０３に比べて０.６２を示す）。従って、この構造の分解能はより優れている。共鳴反射が低下する導波路の厚みは変化するが、対応する励起角は３９.２５度付近に存在する。各ピーク幅は約０.０５度である。したがって、１５０ｎｍ〜２００ｎｍの間の領域における分解能は以下のように規定される：
（４１.８度−４０.１度／５０ｎｍ／０.０５度）−１＝１.５ｎｍ、（測定精度は、ＦＷＨＭでのピークの角度幅に相当する０.０５度と仮定した）。１００ｎｍ〜１２５ｎｍの範囲における分解能は、以下のように規定される：（３９.０８度−３７.８度／２５ｎｍ／０.０５度）-１＝１ｎｍ、（測定精度は、ＦＷＨＭでのピークの角度幅に相当する０.０５度と仮定した）。
【００６７】
図５ｅにおいて、０次モードと、１次モードに関する共鳴反射曲線が示される。屈折率が２.０３である導波路上に装着されたプローブは、シリコン基板（屈折率３.８８；虚数部は省略した）上に配設したシリカ緩衝層（厚み２μｍ）上に沈着させた。該プローブは、３０ｎｍの厚みと、５００ｎｍの周期と、０.５のデューティ・サイクルとを具有する回折格子を有する。プローブの導波路は、２.０３の屈折率を示し、厚みが１５０ｎｍであると推定した。入射角は空気中で算出した。図中の黒丸は、導波路の屈折率が２．０３である場合の結果を示し、白丸は、導波路の屈折率が２．００である場合の結果を示す。波線は、厚みが１５０ｎｍである導波路を示し、点線は、厚みが１７５ｎｍである導波路に関する結果を示す。実線は、厚みが２００ｎｍである導波路に関する結果を示す。回折格子は、図５ｃで示したものである。
【００６８】
図５ｆは、導波路試料のパラメータに対する励起角の関係を示す。シリコン基板（屈折率３.８８；虚数部は省略した）上に配設したシリカ緩衝層（厚み２μｍ）上に沈着させた導波路の上に、プローブを装着させた。該プローブは、３０ｎｍの厚みと、５００ｎｍの周期と、０.５のデューティ・サイクルとを有する回折格子を具有する。プローブの導波路は、２.０３の屈折率を示し、厚みが１５０ｎｍであると推定した。入射角は空気中で算出した。図中の白四角はゼロ次モードの場合を示し、黒四角は１次モードの場合を示す。回折格子は、図５ｃで示したものである。
【００６９】
試料である導波路の屈折率はいずれのモードにも影響を及ぼすが、１次モード（２２-２７度／ＲＩＵ）と比べて、０次モードはより強い影響を受ける（３２-４２度／ＲＩＵ）。厚みの影響は、ゼロ次モード（０.０２８−０.０３３度／ｎｍ）に比べて、１次モードがより強い影響を受ける（０.０７-０.０９３度／ｎｍ）。また、重要なパラメータは、試料である導波路の屈折率が増加するにつれて０.０１ＲＩＵあたり約０.３３度増加するモード間の角度差である。従って、角度測定の精度が、実質的に全ての場合において０.１度より優れる受光角によって制限される場合、該角度測定の精度は、厚みと屈折率に関する数値を用いて分散式を解くことにより評価される。シミュレーションの結果を図５ｇに示す。屈折率２.０３を示し厚さ１５０ｎｍである導波路に関する、導波モードの励起に相当する角度（４０.０７度および１７.４度）は図５ｆから得た。黒四角によって表されるポイントは、実測値から正方向および負方向に０.１度の角度偏差を用いる伝送行列アプローチを使用することにより算出された。
【００７０】
最後に、図５ｈは、シリコン基板（屈折率３.８８；虚数部は省略した）上に配設したシリカ緩衝層（厚み１.７５μｍ）上に沈着された埋め込み型の導波路（厚み２５０ｎｍ、屈折率１.５）上に装着されたプローブからの反射を示す。該プローブは、３０ｎｍの厚みと、５００ｎｍの周期と、０.５のデューティ・サイクルとを具有する回折格子を有する。プローブの導波路は、２.０３の屈折率を示し、１００ｎｍと１５０ｎｍの厚みを有する推定された。入射角は空気中で算出した。
【００７１】
図６ａおよび６ｂは、図３で表される実施態様に基づく実施例であって、回折格子カプラーをバルク材料層６３０、６３０'に付着させた該実施例の断面図を示す。
【００７２】
図６ａおよび６ｂは、バルク材料の屈折率を特性評価するための２種類の実施例を示す。図６ａにおいて、回折格子は、ポリマーフィルム６２０によって包囲されない側の導波路面に配設される。一方、図６ｂにおいて、回折格子は、ポリマーフィルム６２０'によって包囲された導波路側の面に配設される。図６ｂで表される態様の場合には、回折格子の受光角が比較的小さいので、感度はより高くなる。
【００７３】
図６ｃは、試料の屈折率に対する励起角の感度を示す。図中の黒四角は、２０ｎｍの回折格子、１００ｎｍの導波路および図６ｂに示される回折格子を示す。白四角は、２０ｎｍの回折格子、１００ｎｍの導波路および図６ａに示される回折格子を示す。黒三角は、３０ｎｍの回折格子、１００ｎｍの導波路および図６ｂに示される回折格子を示す。白三角は、３０ｎｍの回折格子、１５０ｎｍの導波路および図６ｂに示される回折格子を示す。
【００７４】
屈折率ｎを有するバルク材料上に取り付けたプローブの励起角と受光角を算出し、これらの値から、図６ｃにおいて示される感度を、屈折率変化量の単位あたりの励起角の変化量として算出される（下記式参照）。
【００７５】
【数３】
2011519071.tif 000005
【００７６】
分解能は、以下の式で表される比として定義され、式中、θaccは、半値全幅（FWHM)における回折格子の受光角を示す。
【００７７】
【数４】
2011519071.tif 000006
【００７８】
図６ｄは、試料の屈折率に対する屈折率の分解能を示す。図中の黒四角は、２０ｎｍの回折格子、１００ｎｍの導波路および図６ａに示される回折格子を示す。白四角は、２０ｎｍの回折格子、１００ｎｍの導波路および図３に示される回折格子を示す。黒三角は、３０ｎｍの回折格子、１００ｎｍの導波路および図６ａに示される回折格子を示す。白三角は、３０ｎｍの回折格子、１５０ｎｍの導波路および図６ａに示される回折格子を示す。
【００７９】
適当なパラメータを備えるプローブを使用する場合、バルク材料の屈折率は、０.００２５よりも良好な精度で測定できる。この目的のために、該プローブ厚は、試料（バルク材料）上に配設されるプローブの導波路の遮断条件に対応する厚みに設定されるべきである。なお、遮断条件は、その値を越えると導波路がもはや励起されなくなるパラメータ（例えば屈折率および厚み）のブロックである。例えば、シリカ基板上に配設され２.０の屈折率を備える導波路の厚みが約７０ｎｍを下回る場合、該導波路は励起できない（光を伝播できない）。
【００８０】
次いで、製造例を説明する。図７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄおよび７ｆは、製造したデバイスの断面図を示す。図７ｆは、製造後の装置の上面図を示す。カプラーの製造は、以下のようにして行われる：
【００８１】
シリコン基板上において、１μｍの二酸化ケイ素層（ＳｉＯ２）を熱成長させた。次いで、ホログラフィと反応性イオン・エッチングを組合せて使用することにより回折格子を調製した。５００ｎｍの周期と０.５のデューティ・サイクルと４０ｎｍの深さを有する回折格子で、ウエハー全体を被覆した。次いで、１５０ｎｍの窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）の層を、ＬＰＣＶＤ法で沈着させた。次いで、フォトリソグラフィーと反応性イオン・エッチングを使用して、プローブを規定した（図７ａ）。その後、該ウエハーを、予め形成したＰＤＭＳフィルムで被覆した（図７ｂ）。該プローブの下方に空洞を形成するために、強反応性イオン・エッチングを使用した（図７ｃ）。二酸化ケイ素層を、エッチング停止層として使用した。次いで、ＳｉＯエッチング溶液を使用して、シリカのエッチングを行った（図７ｄ）。その後、チップ上に規定された切込み溝に沿って、カッターでフィルムを切断した（図７ｅ）。最後に、プローブと共にＰＤＭＳフィルムの切断片をウエハーから剥離し、試料の上に配設した（図７ｆ）。
【００８２】
さらに、本発明は試料（例えば、基板上に配設した薄膜材料またはバルク材料、あるいは基板上に配設した積層薄膜）の特性評価（例えば、特定のパラメータ、例えば複合体の屈折率などの測定法）を提供する。該方法は、以下の工程(i)〜(v)を含む：
(i)回折格子カプラー（２００、３００、４００）の軟質フィルム（２２０、３２０、４２０）を、試料（２３０、３３０、４３０）に対して圧着することにより、上記方法に従って調製した回折格子カプラーまたは導波路プローブを、試料（２３０、３３０、４３０）上へ装着させ；
(ii)レーザーから放射された光線で回折格子カプラーを照射することにより、回折格子カプラー（２００、３００、４００）内に具備された導波路（２０１、３０１、４０１）内で少なくとも１種の導波モードを励起させ；
(iii)プローブを形成する導波路の回折格子上に放射された光線の入射角を走査し；
(iV)導波モードの励起角を記録し；
(v)常套のモデリング法を用いて、試料の特定のパラメータを算出する。
【００８３】
次に、プローブの特性評価例を説明する。プローブを、事前に洗浄した基板、好ましくは硬質材料製基板、より好ましくはＢＫ７ガラスおよびＰＭＡから調製された基板上に装着した。回折格子カプラーは８００で示す。ＴＥ偏光およびＴＭ偏光に対するプローブの励起を、基板側から生じさせた。レーザー８５０から放射される光をレンズ８６０で集光する場合、該励起はより効率的にもたらされた。４０μｍの大きさのスポットに適合させるために、７５ｍｍの焦点距離を有するレンズ８６０を適用した。１．５ｍｍを越えるビーム直径が要求される（および０.０１を越える開口数も要求される）。図８は該実施例を示す。
【００８４】
ＣＣＤマトリックスを使用して励起を観察できる。該励起には、透過異常が伴う。透過スポットの中心に存在する黒線が、角度Ｑ0でのプローブの励起に対応する。図９ａ〜９ｃは、ＴＥ偏光に関する入射角に対する、回折格子プローブの透過率を示す。該プローブは、厚み１５０ｎｍ、屈折率２.０３を有する導波路９０１を具有すると推定された。３０ｎｍの格子深さを有する該プローブは、２.０３の屈折率、５００ｎｍの周期、０.５のデューティ・サイクルを備える長方形の溝を有すると推定された。
【００８５】
図１０ａで表される実施例において、レーザー１０５０、レンズ１０６０、回折格子カプラー１０００およびカメラ１０８０が記載されている。図１０ｂは非共鳴モードを示し、図１０ｃは共鳴モードを表す。該イメージは、低解像度のウェブカメラを使用して走査した。第２のイメージにおける黒線は、図９ａのグラフにおける最小値に相当する。
【００８６】
ガラス（この実施態様においてはＢＫ７を用いた）の表面に付着させたプローブの漸進的変化を示す図１０ｄ、１０ｅ、１０ｆおよび１０ｇにおいて表される装着方法に続けて、導波路プローブ１０００がガラス基板上に装着された（図１０ａ参照）。図１０ｄは９分後の写真を示し、図１０ｅは２６分後の写真を示し、図１０ｆは２９分後の写真を示し、および図１０ｇは８２分後の写真を示す。図１０ｄ、１０ｅ、１０ｆおよび１０ｇは、光学顕微鏡を使用して撮影した。
【００８７】
チップとプローブを装着した後、窒化ケイ素製プローブと基板の間に気泡（不均質な白点）が観察された。時間が経つにつれ、エラストマーフィルムによりもたらされた圧力により、該気泡が押し出された。その後、図１０ｇに示すように、空隙は観察されていない。
【００８８】
シミュレーションによると、気層厚に大きく依存する反射は、５ｎｍから始まることが観察されている。８０分を経過した後、イメージにおいて、他の変化は観察されなかったので、空隙の厚さが５ｎｍ未満であることが判明した。光ホログラフィによって形成された波形は、完全な特性を示さなかったので、プローブ上のある程度の不均一性は回折格子の深さの不均一性に起因させることができる。一部の不均一性は、実施例の前に洗浄を行わなかった基板表面の属性に起因した。
【００８９】
表面に形成されたポリマーフィルムは、平面状ではないことが予測できる。このことは、基板上にフィルムを配設する際に生じる張力により引き起されると予測される。このことは、測定に影響を及ぼし、角度測定における不正確さを生じさせ、プリズム様作用を引き起し得る。図１１に、非平面状のポリマーフィルムが図示され、以下の関係が導かれる：
【００９０】
【数５】
2011519071.tif 000007
【００９１】
【数６】
2011519071.tif 000008
【００９２】
α０１＝α０２の場合、以下の式が導かれる：
【００９３】
【数７】
2011519071.tif 000009
【００９４】
通常、励起角は正方向と負方向において測定され、これらの角度の合計の半値として導かれた値が結果となる（下記式参照）：
【００９５】
【数８】
2011519071.tif 000010
【００９６】
しかしながら、α０１＝α０２で、これらの値が０ではない場合、以下の式で表される角度は、上面が底面と平行である場合の該角度と異なる。角度がα０１＝α０２で、これらの値が０でなく、しかも不明な場合、角度測定における不正確さは、提案される方法を使用して種々の材料の特性評価を行うときにより大きな誤差をもたらす。
【００９７】
【数９】
2011519071.tif 000011
【００９８】
この非平面性の問題は、ＰＤＭＳフィルムの上面にガラス板を配設することにより解決した。完全に平行な表面を得ることはできなかったが、少なくとも、既知のくさび角を有する平面が得られた。
【００９９】
ＰＤＭＳフィルムの屈折率は、ＢＫ７ガラスプリズム−ＰＤＭＳフィルム界面からの全内反射（ＴＩＲ）を使用して測定した。ＴＩＲは３７.４８度で生じ、これは１.４１３の屈折率に相当した。該方法を検証するために、空気の屈折率を測定した。ＴＩＲは−５.６０度で生じ、該値は屈折率１.００１に相当する。従って、測定精度は１０-３であった。
【０１００】
図１２において、提案した混成ＤＧＣ-ＰＤＭＳ系を使用して、リブ状導波路内への面外光を結合させることの実例を説明する。Ｈｅ-Ｎｅレーザーからの光（６３２.８ｎｍ）を、平凸レンズを使用して回折格子上に集光させ、該光を特定の入射角にて導波路内へ結合させた。リブの高さは４ｎｍであり、導波路の厚みは２５０ｎｍであった。
【０１０１】
結合は、回折格子プローブと平面導波路によって形成された複合導波路において生じる（図５ａ参照）。励起波は、複合体構造のパラメータに拘束される。カプラーを用いない導波路の分布は異なり、結合要素の末端で幾分かの損失が生じる。該損失は、２つの導波路の電界の分布の重複により説明される。導波路間のエネルギー伝達を最大限にするために、導波モード場の分布を可能な限り同程度に調和させるべきである。従って、導波路カプラーの厚みを最小限にすべきである。短い距離で強い結合が必要な場合、屈折率の強い変調を行うべきである。従って、プローブの底部に回折格子を配置することがより好ましい。
【０１０２】
図１３は、１５０ｎｍの厚みを有する窒化ケイ素製導波路（ｎ＝２.０３）において、その上にプローブを配設した場合と配設しない場合の該導波路に関して構築された電界のモード分布を示す。実線は、深さ３０ｎｍ、デューティ・サイクル０.５および周期５００ｎｍを有する回折格子を具備する、厚さ１００ｎｍのプローブに関する。波線は、ＰＤＭＳカバーのみで、プローブを用いない場合に関する。点線は、上記と同じ回折格子を有する、厚さ５０ｎｍのプローブに関する。
【０１０３】
カプラーの別の組を、リブ状導波路のアレーを有する小さなチップ（３×７ｍｍ２）上に配設した。導波路と同調する各カプラーが、１８０ｎｍの厚みと、１４０ｎｍのリブ高さを有するように、該チップを配設させた。
【０１０４】
予想通り、回折格子と導波路の間に空隙は観察されず、該ＤＧＣはＩＯＣと接触していることが確認された。Ｈｅ-Ｎｅレーザーからの光（６３２.８ｎｍ）を、対物レンズ（倍率１０、開口数０.２５）を用いる直接的な焦点調節により、導波路内へ結合させた。
【０１０５】
同一の回折格子上の同一の導波路の面外励起は、７５ｍｍの焦点距離を有する平凸レンズにより集光した光線を用いて行った。開口数と、焦点におけるスポットサイズは、それぞれ０.３３と１２μｍであった。ＴＥ偏光の基本モードが励起した時に、最大結合効率が５％に達した。得られた効率は低いと考えられるが、該効率は、カプラーを適切に設計し、集光する光学系のパラメータを最適化することにより、向上させることができる。このように、シミュレーションによると、実施例において使用した構造の励起長は５０μｍであるので、導波路に沿うスポットサイズを該値に調整すべきである。その結果、結合効率は、倍増加することが予測される。
【０１０６】
上述した導波路の屈折率と厚みを決定するために、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光に関する励起角を算出した。ＴＥ偏光の場合、モードの励起は、一次回折において３７°４０’（０次モード）、２３°００'(１次モード）で生じ、ＴＭ偏光の場合、３２°１０’（０次モード）、１７°００'(１次モード）で生じた。伝播定数に対応する導波路パラメータの算出により、２.０４４の屈折率と、１６８ｎｍの厚みを導いた。これらのパラメータは、エリプソメーターにより測定した値（屈折率２.０３、厚み１８０ｎｍ）と充分に一致し、このことは、本発明による薄膜の特性評価法の有用性を証明する。
【０１０７】
結論として、本発明は、ＰＤＭＳと結合回折素子を兼ね備える、新規で包括的な混成系を開示する。装着技術の使用によりに、一体化された光学回路上にカプラーを正確に配設できる。実験結果は、使用する材料の特性評価と、ＩＯＣ内への入射光／反射光の光の結合に関する本発明による構造の有効性を裏付けている。カプラーの内部のさらなる最適化が必要である。しかしながら、該方法は、集積光学素子において使用するために確実性があり、信頼性があり、概念的に簡単であることが判明した。
【０１０８】
一般に、プローブは、特定の目的と用途に応じて設計して製造できる。単一のＰＤＭＳチップ上に、複数個のカプラーを配設することができる。導波路と光学回路の全体を製造した後、これを硬質材料製または軽量エラストマーフィルム製の別の基板に装着させることができる。ＤＧＣと、ＰＤＭＳ上に形成されたマイクロ流体系とＩＯＣの組み合わせは、検出用途に関して将来性がある。ガラス基板上にフォトニックデバイスを製造する技術に代えて、シリコン技術を用いて製造されたデバイスを透明基板上に転写させることができる。
【０１０９】
本発明との関係において使用される、「約（around, about, approximately)」および「実質的(substantially)」ならびにこれらに類似する用語(approximateなど）は、上記用語に付随して開示される値に極めて近似な値を含む用語であると理解されるべきである。すなわち、厳密値からの合理的限界内での偏差は許容されるべきである。何故ならば、開示される値からのこのような偏差は測定誤差などに起因して不可避であることを、本技術分野の当業者は理解しているからである。
【０１１０】
本明細書において、用語「（含）有する、具備する、含む（comprise）」およびその派生語（例えば「comprising」など）は、その意義を除いて理解されるべきではない。すなわち、これらの用語は、記載される事項および定義される事項には更なる要素および工程などを含んでもよいという可能性を除去するものと解釈されるべきではない。
【０１１１】
一方、本発明は、本明細書において記載された特定の実施態様に限定されないことが明らかである。また、添付した請求の範囲において定義される本発明の一般的範囲内で、当業者により考慮され得るあらゆる変形（例えば、材料、寸法、成分および形態等の選択など）も包含する。
【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５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図５ｄ】
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【図５ｅ】
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【図５ｆ】
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【図５ｇ】
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【図５ｈ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
2011519071.tif 000025
【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図７】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１０ｄ】
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【図１０ｅ】
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【図１０ｆ】
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【図１０ｇ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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2011519071.tif 000044
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