(57)【要約】広帯域波長可変レーザー及びそのシステムの波長判定の方法は、フォトニック集積回路技術に基づくフォトニックシステムベースの固体レーザー並びに広帯域波長可変外部共振器レーザー及びシステムのような個別のテーブルトップシステムを用いて実施される。この方法によれば、外部波長モニタリング機器の必要なく即座のシステム波長較正を可能にする一体型波長制御が可能となる。波長判定は、波長エタロンとして機能する良好に定義された透過又は反射関数を有するモノリシックな固体ベースの光共振器を使用して達成される。固体エタロンを例えば非平衡干渉計のような波長シフト追跡装置と共に使用することで、一回の波長掃引中にレーザー放射波長調整曲線全体を較正できる。この方法は、外部機器による波長の較正をなくすのに有用である。【選択図】図３ｃ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体レーザーに基づくデバイスであって、
光を放射するための固体利得媒体ベースの広帯域波長可変レーザーと、
前記放射された光の波長シフトを追跡するための波長シフト追跡装置と、
明確な透過スペクトル又は明確な反射スペクトルのうちの少なくとも一方を有する光学素子を含む固体ベースのエタロンと
を含み、
前記広帯域波長可変レーザーの波長掃引中に、前記固体ベースのエタロンと波長シフト追跡装置は、共働して、前記広帯域波長可変レーザーの絶対波長判定及び制御を提供するように構成されている、固体レーザーに基づくデバイス。
【請求項２】
前記波長掃引中に、前記波長シフト追跡装置は、波長シフトの出力を時間の関数として提供し、前記固体エタロンは、前記掃引中のある瞬間における前記絶対波長に関する情報を有する信号の出力を提供する、請求項１に記載の固体レーザーに基づくデバイス。
【請求項３】
前記固体ベースのエタロンと前記波長シフト追跡装置の前記出力との組み合わせにより、前記掃引中のレーザー波長調整曲線全体の復元が可能である、請求項２に記載の固体レーザーに基づくデバイス。
【請求項４】
前記広帯域波長可変レーザーは、リトロー構成又はリットマン−メトカーフ構成のうちの少なくとも一方を成すように構成された、半導体ゲインチップ及び複数の自由空間光学素子を含む外部共振器ダイオードレーザーを含む、請求項１に記載の固体レーザーに基づくデバイス。
【請求項５】
前記広帯域波長可変レーザー、波長シフト追跡装置、及び固体波長基準エタロンは、単一の半導体チップ内にモノリシックに実現される、請求項１に記載の固体レーザーに基づくデバイス。
【請求項６】
前記広帯域波長可変レーザーは、ＩＶ族半導体フォトニック集積回路チップ上にハイブリッド又はヘテロジニアスに集積されたＩＩＩ−Ｖ半導体ゲインチップを含む外部共振器レーザー構造を備えている、請求項１に記載の固体レーザーに基づくデバイス。
【請求項７】
前記ＩＶ族半導体フォトニック集積回路チップは、シリコン・オン・インシュレータ、窒化シリコン、又はゲルマニウム・オン・インシュレータ材料プラットフォームのうちの少なくとも１つを含む、請求項６に記載の固体レーザーに基づくデバイス。
【請求項８】
前記エタロンは、分布ブラッグ反射鏡、分布フィードバック格子、結合リング共振器、レーストラック共振器、及び／又はファブリーペローキャビティからなる群から選択された共振光空洞を含む、請求項１に記載の固体レーザーに基づくデバイス。
【請求項９】
少なくとも１つの光検出器をさらに含み、
前記少なくとも１つの光検出器と前記共振光空洞は、協働して、前記絶対波長の判定が可能となるように構成され、配置されている、請求項８に記載の固体レーザーに基づくデバイス。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの光検出器は、前記波長掃引中に前記レーザーの放射波長の較正が可能となるように構成され、配置されている、請求項９に記載の固体レーザーに基づくデバイス。
【請求項１１】
前記波長シフト追跡装置は、非平衡干渉計と、少なくとも１つの光検出器とを含む、請求項１に記載の固体レーザーに基づくデバイス。
【請求項１２】
前記非平衡干渉計は、マッハツェンダー干渉計、マルチモード干渉デバイス、及びマイケルソン干渉計からなる群から選択される、請求項１１に記載の固体レーザーに基づくデバイス。
【請求項１３】
前記固体利得媒体は、ＩＩＩ−Ｖ半導体ベースのゲインチップを含む、請求項１に記載の固体レーザーに基づくデバイス。
【請求項１４】
前記ＩＩＩ−Ｖ半導体は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｐ、Ｎ、Ｂｉ、及びそれらの合金の組み合わせのうちの少なくとも１つを含む、請求項１３に記載の固体レーザーに基づくデバイス。
【請求項１５】
前記レーザーは、モードホッピングである、請求項１に記載の固体レーザーに基づくデバイス。
【請求項１６】
広帯域波長可変レーザーの波長判定及び制御のための方法であって、
固体利得媒体ベースの広帯域波長可変レーザーと、波長シフト追跡装置と、固体エタロンとを含むレーザーベースのデバイスを提供するステップと、
前記広帯域波長可変レーザーによって放射された光による波長掃引を実施するステップと、
並行して、（ｉ）前記放射された光の波長シフトを、前記波長シフト追跡装置を用いて追跡及び記録し、（ｉｉ）前記放射された光の絶対波長値を、前記固体エタロンを用いて記録するステップと、
前記記録された波長シフトの値を、前記固体エタロンを用いて記録された絶対波長値と組み合わせて使用して、レーザー波長調整曲線を較正するステップと
を含む方法。
【請求項１７】
前記波長シフト追跡装置は、非平衡干渉計を含み、前記波長シフトを追跡することは、少なくとも１つの光検出器を使用して前記非平衡干渉計の出力ポートをモニタリングすることを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
少なくとも１つの光検出器を使用して、前記固体エタロンの出力をモニタリングすることにより、前記絶対波長値を判定する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記記録された波長シフトの値と記録された絶対波長値とを併用して、一回の波長掃引中にレーザー波長調整曲線全体を較正すること
をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
物質の分光センシングを実施するための方法であって、
光を放射するための固体利得媒体ベースの広帯域波長可変レーザーと；
前記放射された光の波長シフトを追跡するための波長シフト追跡装置と；
明確な透過スペクトル又は明確な反射スペクトルのうちの少なくとも一方を有する光学素子を含む固体ベースのエタロンと
を含む固体レーザーに基づくデバイスを提供し、
前記広帯域波長可変レーザーの波長掃引中に、前記固体ベースのエタロンと波長シフト追跡装置は、共働して、前記広帯域波長可変レーザーの絶対波長判定及び制御を提供するように構成されており、
前記固体レーザーに基づくデバイスを、前記物質を含む標的物体と光学的に連通するように配置し、
前記広帯域波長可変レーザーから放射された光を前記標的物体へと伝送し、前記伝送された光は、前記物質内の分子と相互作用し、光と分子の相互作用により、前記伝送された光のスペクトル特性が変化され、
前記広帯域波長可変レーザーによって放射された光による波長掃引を実施し、前記放射された光は、（ｉ）Ｃ−Ｈ分子結合の伸縮振動の基本音若しくは第一倍音、又は（ｉｉ）Ｃ−Ｈ、Ｎ−Ｈ及びＯ−Ｈ分子結合の伸縮振動と曲げ振動の組み合わせ、のうちの少なくとも一方と一致するスペクトル帯域幅にわたって掃引され、前記分子結合の伸縮振動と曲げ振動の吸収スペクトルは、分子固有であり、かつユニークであり、
並行して、（ｉ）前記放射された光の波長シフトを、前記波長シフト追跡装置を用いて追跡及び記録し、（ｉｉ）前記放射された光の絶対波長値を、前記固体エタロンを用いて記録し、
前記記録された波長シフトの値を、前記固体エタロンを用いて記録された絶対波長値と組み合わせて使用して、レーザー波長調整曲線を較正し、
前記標的物体からの光信号を、透過又は拡散反射のうちの少なくとも一方によって収集し、
前記収集された光信号を処理することにより、前記物質を特徴付けること
を含む方法。
【請求項２１】
前記物質を特徴付けることは、前記物質中の分子の濃度レベルを計算することを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記濃度レベルは、ｍｇ／ｄＬ、ｍｍｏｌ／ｌ、及びｇ／ｌからなる群から選択された較正済み単位で表される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記物質を特徴付けることは、前記物質中に配置された少なくとも１つの分子の種を判定することを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記物質を特徴付けることは、前記物質中の分子種の有無を判定することを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
前記標的物体は、人体の少なくとも一部を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２６】
前記標的物体は、単離された生理学的物質を含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記単離された生理学的物質は、全血、血清、血漿、間質液、呼気、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記光信号を処理することは、統計的回帰を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２９】
前記統計的回帰は、既知の標的分子の吸光度と前記物質内の対応する濃度データを使用して構築された多変量部分最小二乗アルゴリズムに基づく、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記レーザーは、モードホッピングである、請求項２０に記載の方法。
【請求項３１】
前記記録された波長シフトの値と記録された絶対波長値とを併用して、一回の波長掃引中にレーザー波長調整曲線全体を較正すること
をさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項３２】
前記波長掃引の波長調整関数は、不連続であり、階段関数、傾斜階段関数、線形関数、及び、前記階段関数、前記傾斜階段関数及び前記線形関数の任意の重ね合わせからなる群から選択される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
固体レーザーに基づくデバイスを使用して遠隔の物体のキーインジケータを測定する方法であって、
光を放射するための固体利得媒体ベースの広帯域波長可変レーザー；
前記放射された光の波長シフトを追跡するための波長シフト追跡装置；
光検出器；及び
明確な透過スペクトル又は明確な反射スペクトルのうちの少なくとも一方を有する光学素子を含む固体ベースのエタロン
を含む固体レーザーに基づくデバイスを提供し、
前記広帯域波長可変レーザーの波長掃引中に、前記固体ベースのエタロンと波長シフト追跡装置は、共働して、前記広帯域波長可変レーザーの絶対波長判定及び制御を提供するように構成されており、
前記広帯域波長可変レーザーによって放射された光による波長掃引を実施し、
並行して、（ｉ）前記放射された光の波長シフトを、前記波長シフト追跡装置を用いて追跡及び記録し、（ｉｉ）前記放射された光の絶対波長値を、前記固体エタロン及びエタロン光検出器を用いて記録し、
前記記録された波長シフトの値を、前記固体エタロンを用いて記録された絶対波長値と組み合わせて使用して、レーザー波長調整曲線を較正し、
前記レーザーによって光を放射し、（ｉ）前記レーザーは、モードホッピングであり、モードホップ間の差は既知であり、（ｉｉ）前記波長掃引の波長調整関数は、不連続であり、（ｉｉｉ）前記レーザーによって放射された光は、２つのパスに分割され、第１のパスの長さは、基準物体までの既知の距離を含み、第２のパスの長さは、前記遠隔の物体までの距離を含み、
前記放射された光が、前記遠隔の物体及び前記基準物体に当たり、そこから反射された後、前記遠隔の物体及び前記基準物体から反射された反射ビームを前記光検出器で収集し、前記反射ビームを前記光検出器で混合し、前記光検出器は、振動応答信号を提供し、
前記遠隔の物体の前記キーインジケータを計算すること
を含む方法。
【請求項３４】
前記遠隔の物体の前記キーインジケータは、距離、速度、形態、構成、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記波長調整関数は、階段関数、傾斜階段関数、線形関数、及び、前記階段関数、前記傾斜階段関数及び前記線形関数の任意の重ね合わせからなる群から選択される、請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
前記振動応答信号の振動周波数は、（ｉ）前記レーザーの２つのモードホップ間の時間である期間、及び（ｉｉ）前記振動応答信号のフーリエ変換の相対振幅及び前記振動応答信号のフーリエ変換に存在する２つのビート周波数によって定義されるデューティサイクルによって定義された時間的周期関数である、請求項３３に記載の方法。
【請求項３７】
前記振動周波数の前記周期関数、前記波長調整関数、及び前記基準物体までの距離を使用して、（ｉ）前記レーザーベースのシステムから前記遠隔の物体までの距離、及び（ｉｉ）前記レーザーベースのシステムに対する前記遠隔の物体の速度のうちの少なくとも一方の前記キーインジケータを計算すること
をさらに含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記レーザーと前記遠隔の物体との間に配置された媒体の化学組成を分析すること
をさらに含み、前記媒体の化学組成の分析が、
前記レーザーベースのシステムに対する前記遠隔の物体の前記計算された距離及び速度の値を使用して、前記媒体を通る前記遠隔の物体の全光路を計算し、
前記媒体の波長調整可能なレーザー吸収分光法によって、反射された戻り光ビームの分光分析を実施し、
分子固有の回転振動分子吸収に起因する複数の分子の元素寄与を判定すること
によって実施される、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
少なくとも１つのキーインジケータを使用して、物体固有のセキュリティキーを形成すること
をさらに含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項４０】
前記少なくとも１つのキーインジケータを計算することは、２Ｄラスタースキャンを使用することを含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
複数のキーインジケータを計算することをさらに含み、
前記キーインジケータは、
前記レーザーベースのシステムからの前記遠隔の物体の少なくとも１点の距離、
前記レーザーベースのシステムに対する前記遠隔の物体の少なくとも１点の速度、
前記遠隔の物体の分子組成、
前記遠隔の物体と前記レーザーベースのシステムとの間に配置された媒体の分子組成、又は
それらの組み合わせ
のうちの少なくとも１つを含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４２】
前記遠隔の物体の物体固有の多次元画像を形成することをさらに含み、（ｉ）前記画像の寸法は、前記遠隔の物体の空間的外観、前記遠隔の物体の速度、前記遠隔の物体の化学組成、又はそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含み、（ｉｉ）前記物体固有のセキュリティキーは、前記遠隔の物体の前記固有の多次元画像を含む、請求項４１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
この出願は、２０１８年２月２日に出願された米国仮出願第６２／６２５，６９６号に対して優先権の利益を主張するものである。この米国仮出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
発明の分野
本発明の種々の実施形態は、例えば、個別の光学素子に基づく外部共振器レーザーや、フォトニック集積回路技術に基づく半導体利得媒体又は外部共振器レーザーのような、半導体ベースの広帯域波長可変レーザー及びそのレーザーシステムの波長判定及び自動較正に関する。正確な波長判定が、明確な透過又は反射機能を備えた一体型固体光源エタロンを使用して、相対波長調整方向のモニタリングと組み合わせて実施され、一回の波長掃引中にシステムの放射波長を自動較正することを可能にする。本発明の実施形態は、分光センシング、光コヒーレント・トモグラフィー、ライダー（ＬＩＤＡＲ）、及びセキュアな顔認識のような応用事例に特に有用である。
【背景技術】
【０００３】
半導体レーザーベースの広帯域波長可変レーザーは、多数の方法で実現することができ、例えば、半導体ベースのゲインチップを外部共振器構造に埋め込むこと（米国特許出願公開第２００７／００４７５９９Ａ１号、ＵＳ２００６／０１９３３５４Ａ１号、ＵＳ２００３／００１６７０７Ａ１号、及び米国特許第６，３２７，０３６号、及び６，７１４，３０９号参照）や、空洞部と波長調整部を１つのチップでモノリシックに実現すること（米国特許第６，７２８，２７９号参照）によって実現することができる。あるいは、この広帯域波長可変レーザーは、ＩＩＩ−Ｖ半導体ゲインチップとシリコンフォトニック集積回路（Ｓｉ  ＰＩＣ）との組み合わせのようなチップの組み合わせに基づいて実現することができ、シリコンフォトニック集積回路（Ｓｉ  ＰＩＣ）は、シリコン・オン・インシュレータ、窒化シリコン、ゲルマニウム・オン・インシュレータ、及び他の材料プラットフォームに基づく場合がある（Ｒ．  Ｗａｎｇ他著、Ｓｅｎｓｏｒｓ  １７、１７８８、２０１７；Ｒ．  Ｗａｎｇ  他著、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ  ２４（２５）、２８９７７−２８９８６、２０１６；及び、Ｈ．Ｌｉｎ他著、Ｎａｎｏｐｈｏｔｏｎｉｃｓ、Ｖｏｌ．７，第２号、（２０１７）３９３−４２０ページ；及び、ＷＯ２０１８／２１５３８８参照）。これらの刊行物のそれぞれは、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００４】
リットマン−メトカーフ構成又はリトロー構成に基づく外部共振器レーザーダイオードのような非モノリシックの広帯域波長可変レーザーコンセプトの場合、絶対波長制御は、通常、分光計やスペクトル分析器のような外部機器を用いて測定された出力波長を参照した後、機械モーターの位置を較正することによって達成される。このような方法の欠点は、波長較正の実施に外部機器が必要になることである。他の方法としては、フィルタ、ガスセル又は電子的に波長調整可能な格子のような複雑な及び／又はかさばるエタロンを使用することや、ファブリーペローキャビティに固定することが挙げられる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
概要
本発明の種々の実施形態によれば、全固体デバイスにより、絶対波長基準、及び波長追跡が可能となる。このデバイスは、広帯域波長可変レーザーと、干渉計のような波長シフト追跡装置と、オフセット分布ブラッグ反射器又は任意の光空洞（光共振器）のようなエタロンとを含む場合がある。ビームの一部は分割され、波長シフト追跡装置及び固体エタロンに沿って通過する。波長シフト追跡装置及び固体エタロンの出力部における信号を記録するために、個別の検出器が使用される。エタロンの明確な波長固有の透過／反射機能により、レーザー波長がいったんエタロンの固有波長に波長調整された後は、エタロンの出力信号は、明確な信号（高又は低の何れか）を提供する。同時に、非平衡干渉計の形態を有する波長シフト追跡装置の出力部における振動周期信号が、時間の関数として記録される。この信号の周期は、干渉計のアーム間の光ビーム経路の差に直接関連しているため、この周期から、時間の経過に伴う波長シフトに関する情報が得られる。エタロン出力からの読み取り値と組み合わせることにより、レーザー波長調整曲線全体を復元することができ、掃引中の任意の瞬間における絶対波長情報を得ることができる。
【０００６】
この構成により、如何なる外部共振器レーザーの場合でも、波長掃引中におけるシンプルで、低コストで、実質的にメンテナンスフリーの波長較正が可能になる。明確で曖昧さのない変調曲線を、絶対波長基準として使用することができる。同原理は、モノリシックなハイブリッドＩＩＩ−Ｖ／ＩＶ広帯域波長可変レーザー、及びそのようなレーザーを使用した集積フォトニック回路にも、転用することができる。どちらの場合も、波長エタロンは、パッシブであり、同じ半導体技術に基づいており、低コストであり、また、操作が簡単である。
【０００７】
一態様において、本発明の種々の実施形態は、光を放射するための固体利得媒体ベースの広帯域波長可変レーザーと、前記放射された光の波長シフトを追跡するための波長シフト追跡装置と、固体ベースのエタロンとを含む固体レーザーに基づくデバイスに関する。前記固体ベースのエタロンは、明確な透過スペクトル又は明確な反射スペクトルのうちの少なくとも一方を有する光学素子を含む。前記広帯域波長可変レーザーの波長掃引中に、前記固体ベースのエタロンと波長シフト追跡装置は、共働して、前記広帯域波長可変レーザーの絶対波長判定及び制御を提供するように構成されている。
【０００８】
次の機能のうちの１以上が含まれる場合がある。前記波長掃引中に、前記波長シフト追跡装置は、波長シフトの出力を時間の関数として提供することができ、前記固体エタロンは、前記掃引中のある瞬間における絶対波長に関する情報を有する信号の出力を提供することができる。前記固体ベースのエタロンと前記波長シフト追跡装置の出力との組み合わせにより、前記掃引中のレーザー波長調整曲線全体の復元が可能となる場合がある。これは、分光センシング、ＯＣＴ、又は周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）ＬＩＤＡＲのような応用事例で、波長掃引が非線形であるときに、特に有利である。これらの応用事例では、広い帯域幅にわたる線形波長掃引が必要である。しかしながら、ほとんどの実際の事例では、位相の変化は非線形である。記載される本発明の種々の実施形態によれば、位相（波長）変化の関数を追跡することが可能となり、したがって、信号処理の際にそれを考慮することが可能となる。
【０００９】
前記広帯域波長可変レーザーは、リトロー構成又はリットマン−メトカーフ構成のうちの少なくとも一方を成すように構成された、半導体ゲインチップ及び複数の自由空間光学素子を含む外部共振器ダイオードレーザーを含む場合がある。
【００１０】
前記広帯域波長可変レーザー、波長シフト追跡装置、及び固体波長基準エタロンは、単一の半導体チップ内にモノリシックに実現されてもよい。
【００１１】
前記広帯域波長可変レーザーは、ＩＶ族半導体ベースのフォトニック集積回路チップ上にハイブリッド又はヘテロジニアスに集積されたＩＩＩ−Ｖ半導体ゲインチップを含む外部共振器レーザー構造を有する場合がある。このＩＶ族フォトニック集積回路チップは、シリコン・オン・インシュレータ、窒化シリコン、又はゲルマニウム・オン・インシュレータ材料プラットフォームのうちの少なくとも１つを含む場合がある。
【００１２】
前記エタロンは、分布ブラッグ反射鏡、分布フィードバック格子、結合リング共振器、レーストラック共振器、及び／又はファブリーペローキャビティのような共振光空洞を含む場合がある。
【００１３】
前記レーザーベースのデバイスは、少なくとも１つの光検出器を含む場合があり、前記少なくとも１つの光検出器と前記共振光空洞は、協働して、前記絶対波長の判定が可能となるように構成され、配置される。前記少なくとも１つの光検出器は、前記波長掃引中に前記レーザーの放射波長の較正が可能となるように構成され、配置される場合がある。
【００１４】
前記波長シフト追跡装置は、例えば、マッハツェンダー干渉計、マルチモード干渉デバイス、及びマイケルソン干渉計のような非平衡干渉計と、少なくとも１つの光検出器とを含む場合がある。
【００１５】
前記固体利得媒体は、ＩＩＩ−Ｖ半導体ベースのゲインチップを含む場合がある。前記ＩＩＩ−Ｖ半導体は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｐ、Ｎ、Ｂｉ、及び／又はそれらの合金の組み合わせを含む場合がある。
【００１６】
前記レーザーは、モードホッピングであってもよい。
【００１７】
別の態様において、本発明の種々の実施形態は、広帯域波長可変レーザーの波長判定及び制御のための方法に関する。この方法は、固体利得媒体ベースの広帯域波長可変レーザーと、波長シフト追跡装置と、固体エタロンとを含むレーザーベースのデバイスを提供することを含む。前記広帯域波長可変レーザーによって放射された光により、波長掃引が実施される。並行して、（ｉ）前記放射された光の波長シフトが、前記波長シフト追跡装置を用いて追跡及び記録され、（ｉｉ）前記放射された光の絶対波長値が、前記固体エタロンを用いて記録される。前記記録された波長シフトの値を、前記固体エタロンを用いて記録された絶対波長値と組み合わせて使用して、レーザー波長調整曲線が較正される。
【００１８】
以下の機能のうちの１以上が含まれる場合がある。前記波長シフト追跡装置は、非平衡干渉計を含む場合があり、前記波長シフトを追跡することは、少なくとも１つの光検出器を使用して前記非平衡干渉計の出力ポートをモニタリングすることを含む。少なくとも１つの光検出器を使用して、前記固体エタロンの出力をモニタリングすることにより、前記絶対波長値を判定することができる。
【００１９】
前記記録された波長シフトの値と記録された絶対波長値とを併用して、一回の波長掃引中にレーザー波長調整曲線全体を較正することができる。
【００２０】
さらに別の態様において、本発明の種々の実施形態は、物質の分光センシングを実施するための方法に関する。この方法は、光を放射するための固体利得媒体ベースの広帯域波長可変レーザーと；前記放射された光の波長シフトを追跡するための波長シフト追跡装置と；明確な透過スペクトル又は明確な反射スペクトルのうちの少なくとも一方を有する光学素子を含む固体ベースのエタロンとを含む固体レーザーに基づくデバイスを提供することを含む。前記広帯域波長可変レーザーの波長掃引中に、前記固体ベースのエタロンと波長シフト追跡装置は、共働して、前記広帯域波長可変レーザーの絶対波長判定及び制御を提供するように構成されている。前記固体レーザーに基づくデバイスは、前記物質を含む標的物体と光学的に連通するように配置される。前記広帯域波長可変レーザーから放射された光は、前記標的物体へと伝送される。前記伝送された光は、前記物質内の分子と相互作用し、光と分子の相互作用により、前記伝送された光のスペクトル特性が変化される。前記広帯域波長可変レーザーによって放射された光による波長掃引を実施する。前記放射された光は、（ｉ）Ｃ−Ｈ分子結合の伸縮振動の基本音若しくは第一倍音、又は（ｉｉ）Ｃ−Ｈ、Ｎ−Ｈ及びＯ−Ｈ分子結合の伸縮振動と曲げ振動の組み合わせ、のうちの少なくとも一方と一致するスペクトル帯域幅にわたって掃引される。前記分子結合の伸縮振動と曲げ振動の吸収スペクトルは、分子固有であり、かつユニークである。並行して、（ｉ）前記放射された光の波長シフトが、前記波長シフト追跡装置を用いて追跡及び記録され、（ｉｉ）前記放射された光の絶対波長値が、前記固体エタロンを用いて記録される。前記記録された波長シフトの値を、前記固体エタロンを用いて記録された絶対波長値と組み合わせて使用して、レーザー波長調整曲線が較正される。前記標的物体からの光信号は、透過又は拡散反射のうちの少なくとも一方によって収集される。前記収集された光信号を処理することにより、前記物質が特徴付けられる。
【００２１】
以下の機能のうちの１以上が含まれる場合がある。前記物質を特徴付けることは、前記物質中の分子の濃度レベルを計算することを含む場合がある。前記濃度レベルは、ｍｇ／ｄＬ、ｍｍｏｌ／ｌ、又はｇ／ｌのような較正済み単位で表される場合がある。
【００２２】
前記物質を特徴付けることは、前記物質中に配置された少なくとも１つの分子の種を判定することを含む場合がある。前記物質を特徴付けることは、前記物質中の分子種の有無を判定することを含む場合がある。
【００２３】
前記標的物体は、人体の少なくとも一部を含む場合がある。前記標的物体は、全血、血清、血漿、間質液、呼気、及び／又はそれらの組み合わせのような、単離された生理学的物質を含む場合がある。
【００２４】
前記光信号を処理することは、統計的回帰を含む場合がある。前記統計的回帰は、既知の標的分子の吸光度と前記物質内の対応する濃度データを使用して構築された多変量部分最小二乗アルゴリズムに基づく場合がある。
【００２５】
前記レーザーは、モードホッピングであってもよい。
【００２６】
前記記録された波長シフトの値と記録された絶対波長値とを併用して、一回の波長掃引中にレーザー波長調整曲線全体を較正することができる。
【００２７】
前記波長掃引の波長調整関数は、不連続であってもよく、階段関数、傾斜階段関数、線形関数、及び／又は、前記階段関数、前記傾斜階段関数及び前記線形関数の任意の重ね合わせであってもよい。
【００２８】
さらに別の態様において、本発明の種々の実施形態は、固体レーザーに基づくデバイスを使用して遠隔の物体のキーインジケータを測定する方法に関する。この方法は、光を放射するための固体利得媒体ベースの広帯域波長可変レーザーと；前記放射された光の波長シフトを追跡するための波長シフト追跡装置と；光検出器と；明確な透過スペクトル又は明確な反射スペクトルのうちの少なくとも一方を有する光学素子を含む固体ベースのエタロンとを含む固体レーザーに基づくデバイスを提供することを含む。前記広帯域波長可変レーザーの波長掃引中に、前記固体ベースのエタロンと波長シフト追跡装置は、共働して、前記広帯域波長可変レーザー広の絶対波長判定及び制御を提供するように構成されている。前記広帯域波長可変レーザーによって放射された光による波長掃引が実施される。並行して、（ｉ）前記放射された光の波長シフトが、前記波長シフト追跡装置を用いて追跡及び記録され、（ｉｉ）前記放射された光の絶対波長値が、前記固体エタロンを用いて記録される。前記記録された波長シフトの値を、前記固体エタロンを用いて記録された絶対波長値と組み合わせて使用して、レーザー波長調整曲線が較正される。前記レーザーによって、光が放射される。（ｉ）前記レーザーは、モードホッピングであり、モードホップ間の差は既知である。（ｉｉ）前記波長掃引の波長調整関数は、不連続である。（ｉｉｉ）前記レーザーによって放射された光は、２つのパスに分割される。第１のパスの長さは、基準物体までの既知の距離を含み、第２のパスの長さは、前記遠隔の物体までの距離を含む。前記放射された光が、前記遠隔の物体及び前記基準物体に当たり、そこから反射された後、前記遠隔の物体及び前記基準物体から反射された反射ビームを前記光検出器で収集し、前記反射ビームを前記光検出器で混合する。前記光検出器は、振動応答信号を提供する。前記遠隔の物体の前記キーインジケータが計算される。
【００２９】
以下の機能のうちの１以上が含まれる場合がある。前記遠隔の物体の前記キーインジケータは、距離、速度、地形、構成、及び／又はそれらの組み合わせである場合がある。
【００３０】
前記波長調整関数は、階段関数、傾斜階段関数、線形関数、及び、前記階段関数、前記傾斜階段関数及び前記線形関数の任意の重ね合わせであってもよい。
【００３１】
前記振動応答信号の振動周波数は、（ｉ）前記レーザーの２つのモードホップ間の時間である期間、及び（ｉｉ）前記振動応答信号のフーリエ変換の相対振幅及び前記振動応答信号のフーリエ変換に存在する２つのビート周波数によって定義されるデューティサイクルによって定義された時間的周期関数である場合がある。
【００３２】
前記振動周波数の前記周期関数、前記波長調整関数、及び前記基準物体までの距離を使用して、（ｉ）前記レーザーベースのシステムから前記遠隔の物体の少なくとも１点までの距離、及び（ｉｉ）前記レーザーベースのシステムに対する前記遠隔の物体の少なくとも１点の速度のうちの少なくとも一方のキーインジケータを計算することができる。
【００３３】
前記レーザーと前記遠隔の物体との間に配置された媒体の化学組成が、前記レーザーベースのシステムに対する前記遠隔の物体の前記計算された距離及び速度の値を使用して、前記媒体を通る前記遠隔の物体の全光路を計算することにより、分析される。前記媒体の波長調整可能なレーザー吸収分光法によって、反射された戻り光ビームの分光分析が実施される場合がある。分子固有の回転振動分子吸収に起因する複数の分子の元素寄与を、判定することができる。
【００３４】
少なくとも１つのキーインジケータを使用して、物体固有のセキュリティキーを形成することができる。前記少なくとも１つのキーインジケータを計算することは、２Ｄラスタースキャンを使用することを含む場合がある。
【００３５】
複数のキーインジケータが計算されてもよい。前記キーインジケータは、前記レーザーベースのシステムからの前記遠隔の物体の少なくとも１点の距離、前記レーザーベースのシステムに対する前記遠隔の物体の少なくとも１点の速度、前記遠隔の物体の分子組成、前記遠隔の物体と前記レーザーベースのシステムとの間に配置された媒体の分子組成、及び／又は、それらの組み合わせを含む。
【００３６】
前記遠隔の物体の物体固有の多次元画像が形成されてもよい。（ｉ）前記画像の寸法は、前記遠隔の物体の空間的外観、前記遠隔の物体の速度、前記遠隔の物体の化学組成、又はそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含み、（ｉｉ）前記物体固有のセキュリティキーは、前記遠隔の物体の前記物体固有の多次元画像を含む。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来技術による、リットマン−メトカーフ構成の外部共振器ダイオードレーザーを示す概略図である。
【図２】（ａ）と（ｂ）は、異なる屈折率コントラストを持つ選択された固体共振空洞エタロンの２１００ｎｍ〜２３００ｎｍのスペクトル領域における明確な反射及び透過スペクトルを示す図である。特に、（ａ）はＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布ブラッグ反射器の反射スペクトルを示し、（ｂ）は、空洞欠陥を有するＳｉ／ＳｉＯ2分布ブラッグ反射器の反射スペクトルを示している。
【図３ａ】本発明の一実施形態による、反射構成を有する固体波長基準エタロンを備えた、改変された外部共振器ダイオードレーザー（ＥＣＤＬ）を示す概略図である。
【図３ｂ】本発明の一実施形態による、時間領域信号の波長領域への変換を示す図である。
【図３ｃ】本発明の一実施形態による、非平衡干渉計の形態を有する固体波長基準エタロン及び波長シフト追跡装置を含む、最適化された外部共振器ダイオードレーザーを示す概略図である。
【図４ａ】本発明の一実施形態による、結合マイクロリング共振器及び広帯域反射器を利用したバーニアフィルタ波長調整機構に基づく一体型ハイブリッドＩＩＩ−Ｖ／ＩＶ広帯域波長可変レーザーを示す概略図である。
【図４ｂ】本発明の一実施形態による、非平衡干渉計の形態を有する波長シフト追跡装置を含む、改変された広帯域波長可変レーザー（ＷＴＬ）を示す概略図である。
【図５ａ】本発明の一実施形態による、結合マイクロリング共振器の形態を有する共振光空洞を示す概略図である。
【図５ｂ】図５ａの結合されたマイクロリング共振器の対応する透過スペクトルを示す図であり、本発明の種々の実施形態による、固体エタロンとして可能な機能を示している。
【図６】本発明の一実施形態による、一回の掃引中に完全な自動較正が可能な、共振光空洞の形態を有する波長シフト追跡装置及び波長基準エタロンを含む、最適化されたハイブリッドＩＩＩ−Ｖ／ＩＶ広帯域波長可変レーザーを示す概略図である。
【図７ａ】本発明の一実施形態による、非平衡干渉計の出力ポートにおいて光検出器によってモニタリングされた、実験に基づく時間領域信号を示すグラフである。
【図７ｂ】本発明の一実施形態による、固体エタロンの出力ポートにおいて光検出器で測定された時間領域信号を示すグラフである。
【図８ａ】本発明の一実施形態による、オフセットＤＢＲである固体エタロンの既知の関数を使用した、時間領域信号の波長領域への変換を示すグラフである。
【図８ｂ】本発明の一実施形態による、空洞欠陥を有する別の固体エタロンのポートにおける、実験に基づく透過測定を示すグラフである。
【図８ｃ】図８ｃと図８ｄは、本発明の種々の実施形態による、２つの異なる実験用広帯域波長可変レーザーについての、異なるポートにおける非平衡干渉計光検出器の時間領域信号を較正するための、図８ａの情報の使用を示すグラフである。
【図８ｄ】図８ｃと図８ｄは、本発明の種々の実施形態による、２つの異なる実験用広帯域波長可変レーザーについての、異なるポートにおける非平衡干渉計光検出器の時間領域信号を較正するための、図８ａの情報の使用を示すグラフである。
【図９ａ】本発明の一実施形態による、波長掃引によるレーザー波長調整曲線の較正の実験に基づく実例を示すグラフである。
【図９ｂ】本発明の一実施形態による、波長掃引によるレーザー波長調整曲線の較正の実験に基づく実例を示すグラフである。
【図１０】本発明の一実施形態による、異なるグルコース濃度についての透過率スペクトルの実験に基づく二次導関数を示すグラフである。
【図１１ａ】本発明の一実施形態による、生体分子濃度センシングのための分光センサーを示す概略図である。
【図１１ｂ】本発明の一実施形態による、生体分子濃度センシングのための分光センサーを示す概略図である。
【図１２】本発明の一実施形態による、チップ上の分光システムを示す略斜視図である。
【図１３】２８人の異なる人の全血から得られた、実験に基づくグルコースセンサー較正曲線を示すグラフである。
【図１４】（ａ）は、従来のＦＭＣＷの動作の原理を示す概略図である。（ｂ）〜（ｅ）は、従来のＦＭＣＷの動作の原理を示すグラフである。
【図１５ａ】（ａ）は、本発明の一実施形態による、モードホッピングＦＭＣＷ  ＬＩＤＡＲを示す概略図である。（ｂ）〜（ｅ）は、本発明の一実施形態による、モードホッピングＦＭＣＷ  ＬＩＤＡＲを示すグラフである。
【図１６ａ】（ａ）は、本発明の一実施形態による、傾斜波長調整機能を有するモードホッピングＦＭＣＷ  ＬＩＤＡＲを示す概略図である。（ｂ）〜（ｅ）は、本発明の一実施形態による、傾斜波長調整機能を有するモードホッピングＦＭＣＷ  ＬＩＤＡＲを示すグラフである。
【図１７ａ】（ａ）は、本発明の一実施形態による、レーザーベースのシステムに対する遠隔の物体の速度を判定するためのモードホッピングＦＭＣＷ  ＬＩＤＡＲを示す概略図である。（ｂ）〜（ｅ）は、本発明の一実施形態による、レーザーベースのシステムに対する遠隔の物体の速度を判定するためのモードホッピングＦＭＣＷ  ＬＩＤＡＲを示すグラフである。
【図１８ａ】本発明の一実施形態による、広帯域波長可変レーザーベースのＬＩＤＡＲを示す略ブロック図である。
【図１８ｂ】本発明の一実施形態による、広帯域波長可変レーザーベースのＬＩＤＡＲを示す略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
詳細な説明
本発明の種々の実施形態は、広帯域波長可変レーザーの動作中の波長制御に関するものであり、外部光学素子を必要とすることなく、レーザーシステムの較正を可能にする。記載される方法は、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）若しくは分布フィードバック格子（ＤＦＢ）を使用し、あるいは、ＤＢＲやＤＦＢのような周期的キャビティミラーを備えた共振器を使用して形成することができ、又は、マイクロリング共振器（ＭＲＲ）やレーストラック共振器のような結合共振器を使用する、任意の共振光空洞を使用する。固体エタロンが狭帯域出力を提供する実施形態では、広帯域波長可変レーザーの絶対波長較正は、非平衡干渉計のような波長シフト追跡装置と組み合わせて使用される。適当な非平衡干渉計の例には、例えば、マッハツェンダー干渉計、マルチモード干渉デバイス、及びマイケルソン干渉計などが含まれる。
【００３９】
記載される方法は、モノリシックな広帯域波長可変レーザーアーキテクチャと、非モノリシックな広帯域波長可変レーザーアーキテクチャとの両方に適用可能である。明確にするために、２つのアーキテクチャは、別々に説明される。外部機器の使用や再較正を必要とせずに、分光器や波長分割多重などの応用事例で確実に使用できるようにするためには、何れのアーキテクチャの場合であっても、絶対波長を知っていることが必要とされる。
【００４０】
非モノリシックな広帯域波長可変レーザーは、通常、外部共振器構造に埋め込まれた半導体光学素子（「ゲインチップ」）を含むため、外部共振器ダイオードレーザー（ＥＣＤＬ）と呼ばれる。ＥＣＤＬは、さまざまな方法で実現することができるが、最も一般的には、リトロー構成又はリットマン−メトカーフ構成の何れかを成すように構成された、半導体ゲインチップ及び複数の自由空間光学素子を含む。
【００４１】
従来技術のリットマン−メトカーフ構成の簡単な概略図が、図１に示されている。半導体ゲインチップ１がコリメートされた光を放射すると、光は、ビーム経路１０にしたがって進み、すれすれの入射角で回折格子２に当たる。０次のビームは、出力に向かい、１次のビームは、可動／回転ミラー３に向かって反射される。可動／回転ミラー３は、その光を回折格子に向けて反射して戻し、半導体ゲインチップへと戻す。半導体ゲインチップは、そのフィルタリングされた信号を増幅し、それを出力に向けて送信する。この構成では、波長制御が、仮想旋回点軸を中心としたミラーの回転によって達成される。回転角によって、共振器内の波長が決まり、それが、回折格子、及び、半導体ゲインチップの利得帯域幅によって選択される。実際のシステムでは、ミラーは、機械モーター、圧電素子、又はガルバノ磁気ＭＥＭＳミラーを使用して回転される。何れの場合も、モーターの回転位置やガルバノ磁気電流値を外部機器で測定し、特定の波長に較正しない限り、放射波長が、先験的に分かっていることはない。こうしたシステムは、機械的不安定性や振動によるドリフトや偏差を引き起こしやすい傾向があり、一般に、時々再較正を必要とする。ガスセル、周波数コム用フィルタ、及びファブリーペローキャビティのような、さまざまな波長制御方法が実証されている。
【００４２】
本発明の種々の実施形態は、ビームスプリッタを介してビーム経路に埋め込まれ、モニタリング光検出器に焦点を調節された分布ブラッグミラー（ＤＢＲ）のような周期的光学構造を含む。ＤＢＲは、調整可能なレーザー放射帯域を基準にしてオフセットされた反射帯域を有するように設計され（図２ａ）、又は、空洞欠陥を有するように設計され（図２ｂ）、レーザー波長に、明確で曖昧さのない透過又は反射特性を与えることができる。このような構造の設計は、周期的ブラッグ反射器を形成する異なる屈折率を有する材料のエピタキシャル周期対を堆積又は成長させることによって実施される。周期や個々の層の厚さを変えると、ブラッグ波長に変化が生じ、それによって透過スペクトルと反射スペクトルが変化する。一般的なＤＢＲは、図２ａに示されるように、ブラッグ波長の周りに広い反射帯域を有している。図２ａは、約２０００ｎｍに対応するブラッグ波長の周りに設計された、実験に基づくＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ  ＤＢＲ反射スペクトルを示している。Ｓｉ／ＳｉＯ2のような高い屈折率差の材料対で設計された類似のＤＢＲ構造が、図２ｂに示されている。このＤＢＲ構造も、埋め込まれた光空洞を含み、そのため、ＤＢＲの反射スペクトル内に明確な鋭い落ち込みがある。埋め込まれた光空洞によるこのような特定のスペクトル変調は、屈折率差が大きい場合にのみ強くなるため、Ｓｉ／ＳｉＯ2を使用する場合、光共振器を有するＤＢＲは、固体波長エタロンの場合の良い選択である。ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材料系のように屈折率差が小さい実施形態の場合、ＤＢＲは、そのブラッグ波長が広帯域波長可変レーザー放射に対してオフセットされるように設計されてもよく、その結果、この放射スペクトルは、図２ａに示されように、ＤＢＲ反射阻止帯域の横で、透過／反射の周期的変調と重なり合うものとなる。
【００４３】
この種の周期的エタロンを含むＥＣＤＬの構成が、図３ａに示されている。ビームスプリッタ４は、ビームの一部をエタロンミラー５に向けて分割する。エタロンミラー５は、明確な反射スペクトルを有する周期的光構造である。したがって、エタロンミラー５から反射された光は、ミラーの波長固有の反射／透過関数によって変調され、単一のエタロン光検出器６によって時間関数として記録される。エタロン光検出器６は、例えば、バイポーラダイオードデバイスであってもよいし、バリアフォトダイオードや量子井戸型赤外線光検出器（ＱＷＩＰ）のようなユニポーラデバイスであってもよい。エタロンミラー５は、異なる屈折率を有する２つの材料の周期構造を重ねることにより形成されるため、温度ドリフトを補償することが重要である。これは、エタロンミラー５にサーモパイル（図示せず）を含めることで簡単に達成できる。これにより、温度による反射／透過関数（既知の関数である）のシフト（ずれ）を評価したり、熱電クーラー／ヒーターを使用した個別の温度安定化によりエタロンを一定の温度に維持したりすることが、可能になる。
【００４４】
図３ｂは、図３ｂに示したオフセットＤＢＲのような固体エタロンを使用する、光検出器６によって記録された時間領域信号のスペクトル領域への変換を示している。明確なスペクトル変調を行うために、ＤＢＲの中心波長は、半導体ゲインチップの利得曲線の中心に対してオフセットされている場合がある。エタロン光検出器６によって記録された明確な変調を見ることができる。
【００４５】
図２ａを再び参照すると、この変調関数を見ることができる。これは、基準ＤＢＲミラーのみの測定反射スペクトルである。このような曲線により、レーザー波長調整スペクトル、及び回折格子の回転と一致するスペクトル領域、若しくはＭＥＭＳミラーの移動が一定速度であるスペクトル領域について固体エタロンの明確な反射又は透過パターンが分かっていれば、エタロン光検出器６で時間信号をモニタリングすることによって、追加の外部機器を使用せずに、ＥＣＤＬの絶対波長較正が可能となる。格子の回転又はＭＥＭＳミラーの偏向を掃引すると、掃引を開始するときに加速期間が発生し、掃引が終了するときに減速が発生するため、後者の条件を満たすことは、困難である。その結果、時間の関数としての波長の非線形歪みがもたらされ、自動較正は、不可能になる。これは、波長シフト値を時間の関数として提供する波長シフト追跡装置を使用することにより、遷移効果による非線形性の記録を可能にし、それらを考慮に入れることで、克服できる。
【００４６】
固体エタロンが、共振光空洞やフィルタのような狭帯域出力、又はオフセットＤＢＲのような明確な出力を有する実施形態では、固体エタロンを、図３ｃに示されている非平衡干渉計のような波長シフト追跡装置と組み合わせて使用して、波長較正を掃引全体にわたって実施することができる。ここで、ＥＣＤＬレーザーからの出力ビームは、ビームスプリッタ４によって２つの部分に分割される。ビームの一方の部分は、広帯域波長可変レーザーシステムの出力であり、ビームの他方の部分は、第２のビームスプリッタ７によってさらに分割され、ビームの一部は、２つのビームスプリッタ８、１１、及び２つのミラー９、１０を含む非平衡干渉計に入射する。２つのビームスプリッタ８、１１を通過する上側アームを通る光路長は、光が２つのミラー９、１０を通過する下側アームより短いため、ビームスプリッタ７は、非平衡である。これにより、干渉計の出力に干渉光信号が生成され、２つのアームからの光信号は、再び結合される。この振動信号は、ビームスプリッタ１１の出力の何れかにおいて第２の光検出器１２を用いてモニタリングすることができる。第２の光検出器１２によって記録される振動関数は、干渉計アーム間の光路差によって決まる振動周期を有している。この光路差は、既知であり、設計によって決まる。したがって、絶対波長シフトを、リアルタイムで追跡することができる。固体エタロン５に関連するエタロン光検出器６が、いったんエタロンからの絶対波長固有出力を判定し、記録した後は、この値と、第２の光検出器１２を用いて記録された絶対波長シフト値との組み合わせにより、波長調整曲線全体の較正が可能になる。このようなエタロン及び波長シフト追跡装置は、モノリシックでハイブリッドに集積された広帯域波長可変レーザーと、ヘテロジニアスに集積された広帯域波長可変レーザーとの、何れにも適用することができる。
【００４７】
図３ｃは、当業者に知られている非平衡干渉計を実現することが可能な多数の方法のうちの１つの方法のみを示している。波長シフト追跡装置及び固体エタロンを追加すると、ＥＣＤＬ技術に基づくベンチトップ型離散広帯域波長可変レーザーの構成要素の複雑さは増大するが、記載した実施形態は、同じチップ内のＩＩＩ−Ｖゲインチップとフォトニック集積回路とのハイブリッドな組み合わせによって実現される一体型広帯域波長可変レーザーに、特に有用である。
【００４８】
半導体チップ内に広帯域波長可変レーザー（ＷＴＬ）を設計する最も一般的な方法は、バーニアフィルタ効果を使用することである。バーニアフィルタ効果は、わずかに異なる自由スペクトル範囲を有する２つの結合共振器を利用する。各共振器は、周波数コムを備えている。レーザー発振周波数は、２つの周波数コムが重なり合う周波数である。レーザー発振周波数は、一方の共振器の実効屈折率を変更することによって、すばやく変更（調整）することができる。バーニアフィルタは、標本化ブラッグ格子、超周期構造回折格子（ＳＳＧ）、又は結合マイクロリング共振器（ＭＲＲ）を使用して、実現することができる。
【００４９】
図４ａは、２つの結合ＭＲＲを有するハイブリッドＩＩＩ−Ｖ／シリコン広帯域波長可変レーザー（ＷＴＬ）を示す概略図である。光を放射するための固体利得媒体ベースのＷＴＬは、フォトニック集積回路に結合された半導体ゲインチップ１を使用して実現することができる。フォトニック集積回路において、光は、導波路構造２０を通って導かれる。固体利得媒体は、ＩＩＩ−Ｖ半導体ベースのゲインチップを含む場合があり、ＩＩＩ−Ｖ半導体は、例えば、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｐ、Ｎ、Ｂｉ、及びそれらの合金の組み合わせを含む。フォトニック集積回路は、シリコン・オン・インシュレータ、窒化シリコン又はゲルマニウム・オン・インシュレータ、及び他の材料プラットフォームに基づく場合がある。
【００５０】
光は、二重ＭＲＲベースのバーニアフィルタ３０、３１、及び広帯域反射器４０に結合される。波長調整は、ＭＲＲの屈折率をヒーター５０、５５によって熱的に変化させることによって達成される。このようにして、ＩＩＩ−Ｖゲインチップの利用可能な利得帯域幅全体にわたって波長を迅速に掃引することが可能である。ただし、この構成では、半導体ゲインチップの利得帯域幅が、ある程度わかっているが、正確な波長シフト及び絶対放射波長を、外部機器を使用せずに判定することはできない。
【００５１】
非平衡１×２マッハツェンダー干渉計のような非平衡干渉計をＷＴＬに追加することにより、波長シフト追跡装置として機能する両方の出力アームに、発振出力が、波長の関数として生成される。この構造により、図４ｂに示したような２つの干渉計アーム間の光路差に応じた分解能で、波長調整の大きさを正確に追跡することが可能となる。ここで、ＷＴＬの出力信号を、ビームスプリッタとして機能する１×２マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）６０に伝送すると、１×２ＭＺＩ６０は、ビームの一部をシステムの出力６２へと分割する。ビームの残りの部分は、基準信号となり、非平衡ＭＺＩ７０を介して送信される。非平衡ＭＺＩ７０は、波長固有の伝送機能を提供し、２つの出力７１、７２による波長シフト追跡を可能にする。原理的には、２つの出力のうちの一方をモニタリングするだけで、波長シフト情報を得ることができる。両方の出力をモニタリングすることは、精度が向上し、信号対雑音比が高くなる点で有益である。
【００５２】
波長シフトの追跡は可能であるが、この構造だけでは、実際の放射波長の値に関する情報は、得られない。事前に分かっている特定のスペクトル形状を有する一部のサンプルの分光の場合のように、場合によっては、１ｘ２の非平衡ＭＺＩを有するバーニアフィルタベースのレーザーは、信号処理及び制御アルゴリズムの追加という犠牲を払って、絶対波長値を提供することもできる。
【００５３】
この欠点は、欠陥のある共振光空洞（ＲＯＣ）を含む個別のＥＣＤＬベースの広帯域波長可変レーザーの場合と同様の方法で、ＷＴＬ及び波長追跡装置と組み合わせる形で固体エタロンを追加することによって、解決することができる。ＲＯＣは、ＤＢＲ、ＤＦＢ、若しくはＭＲＲであってもよく、又は、明確に定義された波長固有の透過／反射スペクトルを有する他のタイプの共振光空洞であってもよい。ＤＢＲベースのＲＯＣ反射スペクトルの一例が、図２ｂに示されている。ストップバンドの中心に明確なキャビティディップが見られる。このキャビティディップを使用して、ＷＴＬを波長較正することができる。個別の広帯域波長可変レーザーの場合、ＤＢＲが個別部品として設計されていれば、フォトニック集積回路技術を使用して、Ｓｉ、ＳｉＮ又はＧｅ導波路を周期的にエッチングすることにより、それを実現することもできる。この周期と屈折率との差によって、図２ｂに示したような透過特性及び反射特性が定義される。周期性は、屈折率変動の観点から定義されるため、これは、当業者に知られている多くの異なる方法で達成することができ、例えば、完全にエッチングされた格子、部分的にエッチングされた（浅い）格子、波形側壁格子、フォトニック結晶格子、又はサイドグレーティングなどによって、達成することができる。
【００５４】
図５ａ及び図５ｂを参照すると、マイクロリング共振器（ＭＲＲ）３０に基づく共振光空洞（ＲＯＣ）を介した伝送は、バス導波路に結合された共振リング空洞のために、特徴的な共振ディップを有している。
【００５５】
このようなＲＯＣをフォトニック集積回路において実施する方法が、図６に示されている。ここで、ＷＴＬは、フォトニック集積回路に結合された半導体ゲインチップ１を使用して実現されている。フォトニック集積回路において、光は、導波路構造２０を通って導かれる。光は、２つのＭＲＲ３０、３１、及び広帯域反射器４０に基づくバーニアフィルタに結合される。波長調整は、ＭＲＲの屈折率をヒーター５０、５５によって熱的に変化させることによって達成される。次に、出力信号を、ビームスプリッタとして機能する１×２マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）６０に伝送する。１×２ＭＺＩ６０は、その光信号を、出力ビームと基準信号とに分割する。基準信号は、付加的な１×２ＭＺＩビームスプリッタ８０に伝送される。１×２ＭＺＩビームスプリッタ８０の出力ポートは、波長シフト追跡に使用される非平衡ＭＺＩ波長追跡装置７０に接続され、さらに、ＲＯＣエタロン９０にも接続されている。ＲＯＣエタロン９０は、出力ポート９１を通して、絶対波長較正に使用される。
【００５６】
固体ベースのエタロン９０の出力ポート９１にある光検出器は、ＭＺＩ波長追跡装置７０の出力７１、７２にある少なくとも１つの光検出器と共働して、広帯域波長可変レーザーの絶対波長判定及び制御を提供し、それによって、掃引中の絶対波長掃引較正を可能にする。固体エタロン構成によっては、出力９１にある光検出器は、レーザーがエタロンの基準波長に波長調整するときに、ハイ又はローを読み取る。この信号を、波長シフト追跡装置７０の出力にある時間関数レコーダと組み合わせると、波長調整関数全体の復元が可能になる。波長調整関数は、波長調整電流、ミラーの偏向、回折格子の回転角度などの外部駆動信号によって、波長が時間の関数として変化する仕方である。掃引中のレーザーの波長調整関数は、レーザーシステムの設計に応じて決まり、線形であることもあるが、ほとんどの場合、非線形であり、任意の数学関数に従う。波長シフトが一定の時間関数ではないといった遷移効果は、波長シフト追跡装置７０の出力の周期に、変化を生じさせる。したがって、いったん絶対波長基準信号が記録されれば、掃引中のあらゆる非線形性を復元することができる。したがって、システムのあらゆる非線形性を含めて、波長調整関数全体を復元することができる。
【００５７】
図７ａは、非平衡干渉計の出力ポート７１、７２において光検出器によって記録された時間領域信号を示しており、図７ｂは、固体エタロンの出力ポート９１に関連する光検出器によって測定された時間領域信号を示している。出力ポート９１で記録された時間領域信号は、既知であり、したがって、この時間領域信号を、２つの異なる固体エタロンについて、図８ａ又は図８ｂに示されるように、波長領域又は周波数領域に変換することができる。次に、この情報を使用して、非平衡干渉計の出力ポート７１、７２において光検出器によって記録された時間領域信号を較正することができ、図８ｃ及び図８ｄにそれぞれ示されるように、波長領域又は周波数領域に変換することができる。この情報は、掃引中の任意の瞬間における絶対波長値及び波長シフトの大きさに関する較正された波長領域情報を含み、したがって、図９ａ及び図９ｂに示されるような掃引の任意の非線形波長調整関数の完全な復元、並びに、レーザーの波長調整関数の較正が可能となる。
【００５８】
動作時には、ＷＴＬによって放射された光を使用して、例えば、バーニアフィルタを形成する結合共振器３０、３１のうちの少なくとも一方の電熱波長調整により、波長掃引を実施する。波長シフト追跡装置７０の出力７１、７２のうちの一方において少なくとも１つの光検出器は、波長が掃引される際に、時間領域における発振信号、すなわち、放射された光の波長シフトを追跡し、記録する。並行して、固体エタロン９０の出力にある少なくとも１つの光検出器９１は、放射された光の絶対波長値を記録する。掃引中の特定の瞬間に、ＷＴＬ波長は、固体エタロン９０の基準波長を横切って掃引され、これによって、固体エタロン９０の出力９１における少なくとも１つの光検出器に明確な信号読み取り値が提供され、絶対波長値を判定し、記録することが可能となる。次に、この記録された波長シフト値を、固体エタロンを用いて記録された絶対波長値の基準と組み合わせて使用することにより、図９ａ及び図９ｂに示したように、ＷＴＬの波長調整関数全体を較正することができる。
【００５９】
上述の方法及びアーキテクチャによれば、一回の波長掃引中に達成できる正確な絶対波長判定及び追跡が可能になり、それによって、外部計測器を使用することなく、レーザー及びそのシステムの波長調整関数の自動較正が可能になる。また、システム温度を、例えば一体型サーモパイルによってモニタリングし、熱電温度制御により、一定の温度を固体エタロンに提供することができるため、記載された実施形態は、熱的に安定であることができる。
【００６０】
本明細書に記載したアーキテクチャ及び方法によれば、非常に幅広い応用事例が可能になる。これには、分光バイオセンシング、すなわち、血液成分（グルコース、尿素、乳酸塩、血清アルブミンなど）の濃度判定、自律車両用のコヒーレントＬＩＤＡＲ、セキュリティ、産業用インライン検査とリモートセンシング、顔認識などが含まれる。
【００６１】
分光バイオセンシングの応用事例では、広帯域波長可変レーザー光源は、センサーチップの重要な構成要素である。なぜなら、光吸収は、光と分子の相互作用の結果であり、分子に固有であるからである。スペクトル領域によっては、例えば、Ｃ−Ｈの伸縮、又はＣ−Ｈ、Ｏ−Ｈ、及びＮ−Ｈの伸縮振動と曲げ振動の組み合わせによる分子固有の倍音及び基本吸収帯域を識別することができ、関心のある分子とその分子の濃度との両方を識別することができる。気相では、吸収帯域が非常に狭いが（通常は１００ＭＨｚ）、広帯域波長可変レーザーは、複数の分子の吸収帯域をカバーできるため、多分子センシングの場合に、特に興味深い。液相では、分子吸収帯域は、衝突によってスペクトル的に広く、通常１００ｎｍ以上に及ぶ。したがって、分子固有のスペクトルを把握するためには、レーザーを非常に広い波長範囲にわたって調整する必要がある。本発明の一実施形態によるレーザーベースのデバイスを使用して得られた、異なるグルコース濃度についての透過率スペクトルの実験に基づく二次導関数が、図１０に示されている。分子固有のスペクトルは、２１５０ｎｍから２３５０ｎｍ以上までの２００ｎｍ以上に及ぶことが分かる。
【００６２】
広帯域波長可変レーザーベースの分光センサー１１００の可能な構造が、図１１ａに示されている。分光センサー１１００は、広帯域波長可変レーザーアレイ１００、１０１、１０２、…、１ＸＸと、ビーム結合器２００と、出力部６００と、信号検出インターフェース７００とを含む。ビーム結合器２００は、一本の導波路であっても、複数の導波路アレイであっても、マルチモード干渉デバイス等であってよい。出力部６００は、自由空間光学系及び／又は光ファイバーインターフェースによって形成される場合がある。光ファイバーインターフェースは、例えば、格子結合器、複数の格子結合器、フェーズドアレイ、出力ミラー、又はエンドファイア導波路であってもよい。信号検出インターフェース７００は、少なくとも１つの光検出器であってよい。分光センシングを実施するために、広帯域波長可変レーザーアレイ１００、１０１、…１ＸＸから波長調整可能なレーザー放射を放射し、ビーム結合器２００へ導く。次に、結合されたビームを出力部６００へ導く。次に、その波長調整可能なレーザー光を、自由空間ビーム伝送又は光ファイバ伝送８００を介して、サンプル又は標的１０００に結合する。サンプル又は標的１０００は、ヒトの表皮層における分離された一滴の血液、又は血液及び間質液であってもよい。すると、光は、標的分子と相互作用し、光の一部が、サンプル内の標的分子によって吸収され、光のスペクトルが変化される。この光は、拡散反射され、戻りビーム９００を介してセンサーに戻され、信号光検出器７００によって収集され、その光電圧又は光電流が、サンプル成分の濃度に変換される。
【００６３】
図１１ｂにおいて、分光センサー１１００は、相互作用ブロック１３００をさらに含む。光を、センサーの外側で結合する代わりに、単に、センシングされることになる環境に近接させている。この相互作用ブロック１３００は、導波路のすぐ外側にあるエバネッセント場によって周囲をセンシングするらせん状の導波路であってもよいし、分子固有の受容体によって屈折率シフトを引き起こすことが可能な機能を持つインターフェースであってもよいし、周囲の音響をテストすることができる光音響部品などであってもよい。相互作用ブロック１３００を使用する場合は、光がセンサーから出ないので、出力部６００は不要である。
【００６４】
図１２は、本明細書に記載されるような、血液分析のための分光センサー１１００の実験に基づく実現の一例を示している。このセンサーは、２００ｍｍ及び３００ｍｍのウェーハサイズの商用ＣＭＯＳ製造工場で入手可能なフォトニック集積回路技術に基づいている。物理センサーダイのサイズは、ＩＩＩ−Ｖ成分（すなわち、ゲインチップと光検出器）のサイズによって決まる。センサー１１００の小型バージョンは、４つのＩＩＩ−Ｖゲインチップ１と、１×４の基準光検出器アレイ１２１０と、単一の信号光検出器１２２０とを含む場合がある。ＩＩＩ−Ｖ成分の数を減らすことにより、センサーのサイズを低減することができる。単一の分子のみが関心対象である特定の実施形態では、単一のＩＩＩ−Ｖゲインチップの帯域幅で十分であり、これによって、センサーの全体的サイズは、数ｍｍ2になる。小型サイズであることから、そのようなセンサー１１００は、従来のパッケージング技術を使用して、スマートウォッチ、スマートフォン、又はスマートリストバンドのようなハンドヘルドでウェアラブルな家電製品に、簡単に組み込むことが可能となる。対象との光通信は、例えば、封止剤５０００の上面に実現された光学窓３０００を介して実施されてもよい。自由空間伝送８００、及び戻りビーム９００が示されている。究極の小型化のために、ドライバー電子回路４０００は、フォトニック回路の下にある同じシリコン結晶で実現されてもよく、これによって、完全な３Ｄハイブリッドエレクトロニックフォトニック集積回路が得られる。
【００６５】
サイズとは別に、記載したセンサーを、ＩＶ族半導体技術プラットフォーム（ＣＭＯＳなど）を使用して実現する能力によれば、製造規模を変更し、年間数百万ユニットを低コストで製造することが可能となる。例えば、図１２に示したような４つのＩＩＩ−Ｖゲインチップと１つの１ｘ４基準光検出器アレイとを有する比較的大きなセンサーを考えてみてほしい。単一の２００ｍｍ  Ｓｉウェーハ上に４０００以上のこのようなセンサーチップを形成することができる。この場合、２５ウェーハの標準的生産バッチで１０万個のセンサーチップが生成されるため、単一のセンサーチップのコストは、１０米ドル未満となる。記載した種々の実施形態及びそれらの大規模技術との互換性によれば、年中無休のリアルタイムの余分な努力なしに、重要な代謝産物の安価なモニタリングが可能となる。
【００６６】
全血から得られた実験に基づくグルコースセンサー較正曲線の一例が、図１３に示されている。濃度の較正された値は、例えば、既知の標的分子吸光度及び生理学的物質内の対応する濃度データを使用して構築された多変量部分最小二乗アルゴリズムに基づく統計回帰法を使用することによって、見つけることができる。図１３では、生理学的物質は全血であるが、生理学的物質は、組織、間質液、血漿、血清などであってもよい。ここでは、本発明の種々の実施形態によるレーザー装置を使用して、２８人の異なる人からの５００を超えるデータセットを使用した。３〜２０ｍｍｏｌ／ｌの濃度範囲では、実験に基づく９５％の判定係数が、１．１５ｍｍｏｌ／ｌの二乗平均平方根誤差で達成される。データ点の８５％は、臨床的に正しい判定であることを示すクラークグリッドの領域にある。本発明の種々の実施形態によるセンサーは、乳酸塩、尿素、血清アルブミン、クレアチニンなどのような複数の分子の濃度を検出するように変更を加えることができる。他の実際的事例として、関心のある標的分子種の有無の事実のみが必要な場合、統計的回帰を使用した較正手順は、必要ない場合があり、しきい値条件を適用してもよい。この場合、測定されたレーザー強度信号の修正のみで十分な場合がある。
【００６７】
ＦＭＣＷ  ＬＩＤＡＲへの応用事例では、広帯域波長可変レーザー光源を使用して、環境を撮影し、遠隔の物体のキーインジケータを記録する。キーインジケータには、遠隔の物体の少なくとも１点までの距離、物体の速度、物体の形態、レーザーベースのシステムと物体との間にある媒体の元素組成、物体の元素組成、及びそれらの組み合わせが含まれる。例えば、Ｑｕａｃｋ、Ｎｉｅｌｓ他著、「Development of a FMCW LADAR Source Chip UsingMEMS-Electronic-Photonic Heterogeneous Integration」、ＧＯＭＡＣＴｅｃｈ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、２０１４年、１３−４頁；Ａｍｍａｎ他著、「Laser ranging: a critical review of usual techniques for distancemeasurement」、Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．、４０（１）１０−１９（２００１年１月）；及び、Ｄｉｌａｚａｒｏ他著、「Large-volume, low-cost, high-precision FMCW tomography usingstitched DFBs」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、２６巻、３号（２０１８年２月５日）２８９１−２９０４を参照。これらのそれぞれは、その全体が本明細書に組み込まれる。
【００６８】
図１４ａは、典型的なＦＭＣＷ  ＬＩＤＡＲシステムの動作原理を示している。波長可変レーザー１００の出力８００は、例えばビームスプリッタ２００によって、標的アーム８１０と基準アーム８２０とに分割される。基準物体１２００及び標的物体１０００（本明細書では遠隔の物体とも呼ばれる）までの距離は異なり、それぞれＲ及びＲ＋Ｌで示される。反射ビーム９００、９１０は、光検出器７００へ導かれる。光検出器７００は、測定されたパワーを、時間の関数として記録する。本明細書では、この時間の関数は、振動応答信号と呼ばれる。図１４ｂを参照すると、レーザー源１００の波長（又はこれに相当する周波数）は、連続的に調整される。パスの長さが異なるため、標的アームの周波数は、基準アームのものとは異なっている。波長調整曲線は、時間的に次のようにシフトしている。
【００６９】
【数１】
2021512497.tif 000003
【００７０】
ここで、ｃは、光の速度であり、ｆ（ｔ−Δｔ）で示される。周波数が異なるため、基準アームと標的アームの周波数の差によって、光検出器で測定される振動応答信号にビートノードが発生する。図１４ｃを参照すると、線形に変化するレーザー周波数の場合、このビート周波数は、時間的に一定であり、単位時間ｙあたりの周波数差、及びアームの時間差Δｔによって決まる。ビート周波数が一定であるため、検出器７００で測定された振動応答信号は、図１４ｅに示されるような単純な正弦関数である。この正弦関数のフーリエ変換が、図１４ｄに示されている。したがって、ビート周波数ｆBeatは測定することができ、周波数変化γはレーザーから分かるため、Δｔ及び距離Ｌを、簡単に抽出することができる。
【００７１】
上述したように、典型的なＦＭＣＷ  ＬＩＤＡＲシステムは、レーザー光源の線形周波数調整を必要とする。レーザーがモードホップを示す場合、これは不可能である。例えば、図１５ａ〜図１５ｅを参照すると、結合マイクロ共振器（例えば、マイクロリング、又はサンプリングされた格子）のバーニアフィルタ構成に基づく本発明の一実施形態によるレーザーデバイスは、図１５ｂに示されるように、共振器の１つが外部制御信号（機械的変化、熱的、電気的又は他の制御信号）によって波長調整されると、ある波長から別の波長へとホップする。適当な分析により、依然としてキーインジケータを抽出することができる。
【００７２】
距離及び／又は形態は、次のように判定することができる。図１５ａの基本構成は図１４ａと同じであり、レーザー光源１００の出力８００は、ビームスプリッタ２００によって、２つのアーム８１０と８２０に分割される。反射信号９００と９１０の干渉は、検出器７００によって追跡される。ただし、波長（又は周波数）はある値から別の値にホップする。この動作は、図１５ｂのような階段関数で表すことができる。数学的には、これは次のように表される。
【００７３】
【数２】
2021512497.tif 000004
【００７４】
ここで、ｆSは、周波数ホップであり、ｔSは、２つのホップ間の時間である。Ｈ（ｔ）は、ヘビサイド関数である。標的アームからの遅延信号も、ｆ（ｔ−Δｔ）で示されている。検出器７００で測定された振動応答信号は、２つのアーム間の周波数差によって変動するが（図１５ｅ）、典型的なＬＩＤＡＲとは異なり、これはもはや一定ではない。図１５ｃは、結果として生じる周波数差を示している。これは、２つの周波数が存在する方形波関数であり、周波数ホップｆSの整数値である。整数ｍは、現時点では不明である。検出器７００における光電圧のフーリエ変換（図１５ｄ）は、これらの２つの周波数を示している。これらは測定可能であり、周波数ホップはシステムの関数である。したがって、整数ｍを抽出することができる。なお、周波数間の間隔は、ｆSであり、確認に使用することができる。フーリエスペクトルのスペクトル線の相対振幅から、方形波のデューティサイクルを推定することができ、したがって、Δｔ及び距離Ｌを明確に抽出することができる。
【００７５】
実際には、バーニア型又は他のモードホッピングを有する広帯域波長可変レーザーは、理想的なモードホップフリーレーザーと階段レーザーの重ね合わせを示し、傾斜階段レーザーになる（図１６ａ〜図１６ｅ）。動作原理は、階段状レーザーと同じであり、フーリエ変換によって、周波数は、ビート周波数の項γｔだけシフトする結果となる。
【００７６】
上記の説明では、抽出される特性として、距離Ｌ又は形態に焦点を当てたが、他のキーインジケータを測定してもよい。例えば、遠隔の物体の速度を計算してもよい。図１７に示されるように、標的１０００（遠隔の物体）が速度ｖで動いている場合、周知のドップラー効果によって、標的アームに周波数シフトが発生する。標的アーム９００における反射信号の周波数は、ドップラーシフトによってシフトされ、数学的には、次のように表される。
【００７７】
【数３】
2021512497.tif 000005
【００７８】
ここで、ｖTは、標的物体の速度であり、ｃは、光速であり、及び／又は、ｆは、標的に到達する前（図１７ａの８１０）の光の周波数である。このドップラーシフトは、現在のビート周波数に余分な項が追加された結果としての周波数差（図１７ｃ）にも、検出器７００の光電圧のフーリエ変換（図１７ｄ）にも見られる。簡単な分析では、この余分なドップラー項は、予測距離にオフセットを生じさせる結果となる。なぜなら、余分な距離がさらに、周波数シフトに変換されるからである。換言すれば、距離−速度について、一組の解が見つかる。二回目の測定により、両者を区別することが可能になる。なぜなら、新しい一組の解は、ただ一つの距離−速度対においてのみ、以前の一組の解と重なり合うからである。なお、関係式ｖ＝ｄＬ／ｄｔによって、これをさらにさらに絞り込むことができる。
【００７９】
モードホッピングＦＭＣＷ  ＬＩＤＡＲシステムを作成可能な種々のアーキテクチャが、図１８ａ及び図１８ｂに示されている。広帯域波長可変レーザーアレイ１００、１０１、…、１ＸＸは、ビーム結合器２００を介して結合される。ビーム結合器２００は、一本の導波路であっても、複数の導波路アレイであっても、マルチモード干渉デバイスであってもよい。結合されたビームは、出力部６００に導かれる。出力部６００は、自由空間光学系及び／又は光ファイバーインターフェースによって形成される場合がある。光ファイバーインターフェースは、格子結合器、複数の格子結合器、フェーズドアレイ、出力ミラー、又はエンドファイア導波路であってもよい。次に、波長調整可能なレーザー光を、自由空間ビーム伝送又は光ファイバ伝送８００を介して、標的１０００に結合する。標的１０００は、モニタリングされる環境内の任意の物体であってよく、例えば遠隔の物体であってよい。光の一部は、反射され、戻りビーム９００を介してＬＩＤＡＲシステムに戻され、信号光検出器７００によって収集される。第２の出力ビーム８１０は、ＬＩＤＡＲからの既知の距離にある基準物体１２００へ伝送される。基準物体１２００は、例えば、事前に較正された基準ミラーであってもよい。反射ビーム９１０も、信号光検出器７００によって収集される。この検出器７００の光電圧又は光電流は、標的物体までの距離に変換される。図１６ｂは、このモードホッピングＦＭＣＷ  ＬＩＤＡＲシステム１１００を作成するための第２の可能なアーキテクチャを示している。この例では、基準アームが、ＬＩＤＡＲシステムから外に出ていない。この基準アーム１２００は、例えば、らせん状導波路又は低速光導波路であってもよく、例えば、フォトニック集積回路内にモノリシックに実現される場合がある。
【００８０】
本明細書に記載したレーザーベースのシステムの実際の応用事例は、レーザーベースのシステムと遠隔の物体との間にある媒体の、分光センシングによる、元素組成の遠隔測定である。遠隔の物体の元素組成を測定する例は、バイオセンサーへの応用実施形態に関して、すでに説明した。他の実際的なケースでは、レーザーベースのシステムと特定の遠隔の物体との間にある媒体の、元素組成に関心があることがある。例えば、環境センシングへの応用事例、セキュリティへの応用事例、産業的応用事例などでは、媒体は、気相であっても、液相であっても、固体であってもよく、ガスセンシング又は液体センシングの場合のように、分子固有の吸収特性を有する分子を含有する場合がある。媒体の元素組成を判定する簡単な例は、最初にレーザーベースのシステムと物体との間の光路を判定し、光が検出される前に光がこの距離を移動する回数を判定することである。レーザーベースのシステムによれば、広い波長掃引が可能となり、最初の掃引中にレーザーベースのシステムを絶対波長領域に入るように較正することができ、それによって、媒体を介して物体に送信されたビームの正確なスペクトル特性を知ることが可能となる。次に、物体からの反射ビームを送信されたビームと比較することで、光媒体、光物体、又は両方の相互作用の組み合わせによるスペクトルの変化部分を、明らかにすることができる。次に、ランベルト・ベールの法則を使用し、物体までの距離と、レーザーベースのシステムによって検出される前に光が通った回数とを使用して、この情報を定量的に評価することができる。この機能は、ガス漏れ、汚染、有害物質の痕跡、若しくは応用分野（産業プロセス、法医学、環境モニタリング、セキュリティなど）に関連するプロセス固有のインジケータの探索のような、リモートセンシングへの応用にとって、非常に重要である。
【００８１】
別の応用事例として、本発明の種々の実施形態によるレーザーベースのシステムは、例えばセキュアな顔認識のような、セキュアな識別に使用されてもよい。レーザーベースのシステムは、システム構成要件に応じて、２Ｄラスタースキャンを実施するように編成されてもよいし、２Ｄアレイを成すように編成されてもよい。レーザーベースのシステムから遠隔の物体（例えば、一意の識別マークとして使用される顔や他の体の部分）までの距離を測定すると、その物体の一意の３次元画像を、非常に高い解像度で得ることができる。さらに、形態情報を第４の次元として、物体固有の元素組成及び分光情報と組み合わせることで、多次元（形態＋元素組成）の物体固有のセキュリティキーを形成することができる。
【００８２】
例
生理学的物質中の分子の組成及び／又は存在の測定
実際の応用事例では、本発明の種々の実施形態を使用して、波長調整可能なレーザー吸収分光法により、全血、血清、血漿、皮膚、組織等の生理学的物質中の標的代謝産物について、較正された濃度レベルデータを取得することができる。最も関連性の高い生体分子（すなわち、そのようなグルコース、尿素、乳酸、血清アルブミン、クレアチニンなど）は、Ｃ−Ｈ、Ｏ−Ｈ、Ｎ−Ｈ又はその任意の組み合わせを含む。これらの結合は、移動する（すなわち、特徴的な態様、つまり、分子固有の態様で、伸縮し、回転し、曲がる）。レーザー光子エネルギーが、分子固有の振動のエネルギーと一致するように調整されると、光子−フォノン間の相互作用により、光は分子に吸収され、強度やスペクトルのような光の特性が変化する。強度の変化は、特定波長における物質中の標的分子の濃度に比例するため、濃度レベルに変換することができる。広帯域波長可変レーザーは、いくつかの分子の特定の吸収機能を備えたスペクトル帯域にわたって波長掃引を実施するように設計することが可能である。吸収特性は、分子固有であり、ユニークである。したがって、個々の寄与を分離することにより、生理学的物質中の異なる分子の濃度レベルを差し引くことができる。
【００８３】
反射測定の機器配置の場合、レーザーベースのデバイスからの光は、物体（この場合は生理学的物質）に送られ、そこで光は、拡散して散乱され、物質内の分子と相互作用する。拡散反射された信号は、光検出器によって収集され、分析される。
【００８４】
本発明の種々の実施形態による、レーザーベースのデバイスを使用する拡散反射率測定を使用して、拡散反射率スペクトルＲ（λ）を収集することができる。拡散反射率スペクトルＲ（λ）は、次の関係によって、吸光度Ａ（λ）に変換することができる。
【００８５】
【数４】
2021512497.tif 000006
【００８６】
収集された吸光度スペクトルは、次のような寄与分子種の個々の吸光度スペクトル成分の合計からなる。
【００８７】
【数５】
2021512497.tif 000007
【００８８】
提案した広帯域波長可変レーザーベースのデバイスを使用すると、単一の広帯域波長可変レーザー放射又は図１１ａに基づくアレイによって、集団内の分子の特徴的吸収をカバーする波長調整可能な放射光を放射するように、センサーを設計することができる。
【００８９】
したがって、人間の組織のような非常に複雑な散乱行列からの非常に複雑な吸光度スペクトルを、個々の分子吸光度成分に分解し、その後、次のようなランベルト・ベールの法則を適用することにより、この吸光度を、較正された濃度レベルに変換することができる。
【００９０】
【数６】
2021512497.tif 000008
【００９１】
ここで、εiは、較正されたモル減衰係数であり、ｃiは、濃度である。
【００９２】
個々の分子についての較正された減衰係数は、予め決まっており、実験によって得られた拡散反射スペクトルを処理する（すなわち、スペクトルを個々の吸光度スペクトル成分に分解し、較正された濃度レベルを計算する）ための較正されたアルゴリズムの実行に備えて、ＣＰＵに記憶されている。
【００９３】
具体的には、一実施形態において、センサーは、セルのアレイを含む場合があり、少なくとも１つのアレイセルは、少なくとも１つの吸水のピークに対応するスペクトル領域、すなわち、１４６０ｎｍ以下、１９００〜２０００ｎｍ以下、又は３０００ｎｍ以下のスペクトル領域を標的にしている。アレイ内の別のセルは、血液成分標的分子の少なくとも１つの吸収ピークに対応するスペクトル領域を標的にしている場合がある。センサーは、少なくとも１つのアレイセルによって測定された少なくとも１つの吸水のピークに基づいて、水濃度レベル及び吸水スペクトルを判定するようにプログラムされたＣＰＵを含む場合がある。ＣＰＵは、ベースラインを取り除き、少なくとも１つのアレイセルに隣接するアレイセルによってカバーされたスペクトル領域の複雑な吸光度スペクトルを分解し、根底にある標的分子吸収特性を明らかにするように、さらにプログラムされてもよい。さらに、ＣＰＵは、拡散反射スペクトルを吸光度に変換するようにプログラムされてもよい。吸光度は、他の分子吸収との重複が存在しない異なるスペクトル領域で動作する隣接するアレイセルからの情報を使用することにより分離された複数の個々の吸光度スペクトル成分を含む、収集された吸光度スペクトルを含む場合がある。
【００９４】
記載したアルゴリズムと本明細書に記載されたセンサーアーキテクチャーとの組み合わせによれば、任意の複雑さの吸収スペクトルを個々の成分に分解し、したがって各個々の成分の濃度を評価することが可能になる。これは、所与の波長における個々の干渉種のそれぞれの個々の減衰係数を事前に知っていることによって、促進される場合がある。一部の干渉種の減衰係数が不明な状況では、既知又は可能なスペクトルの寄与を差し引く機能により、較正された濃度レベルの標的分子を得るための多変量部分最小二乗法や主成分回帰法のような信号処理アルゴリズムの精度が、大幅に向上される。本発明の一実施形態による実験に基づくセンサー較正曲線が、図１３に示されている。この図では、全血内のグルコース濃度の較正されたレベルが、測定された。
【００９５】
遠隔の物体までの距離の測定
本発明の種々の実施形態によるレーザーベースのデバイスを使用して、遠隔の物体までの距離、例えば、遠隔の物体の表面上の点までの距離を測定することができる。次の例では、関連情報を抽出する方法を説明する。
【００９６】
中心波長２１００ｎｍ（又は、ｆcenter＝１４２．８６ＴＨｚに相当）のレーザーの場合、波長調整関数のモードホップは、１０ｎｍのスパンにわたって０．４ｎｍであり、これは、ｆS＝２７．２１２ＧＨｚの周波数ホップに対応する。ホップは、ｔS＝５００ｎｓごとに取得される。計算すべき遠隔の物体までの距離は、Ｌ＋Ｒ＝１００ｍであるが、基準物体は、非常に近接しており、Ｒ＝０ｍの場所である。
【００９７】
経路長の違いから、反射ビーム９００、９１０（図１５）間の遅延時間は、Δｔ＝２Ｌ／ｃ＝６６６ｎｓになる。この時間遅延は、次のように、２以上のホップをカバーすることに留意されたい：Δｔ＝６６６ｎｓ＝（ｍ＋ＤＣ）ｔS。ただし、整数ｍ＝１であり、デューティサイクルＤＣ＝０．３３である。周波数差ｆREF−ｆTARは、ｍfs＝２７．２１２ＧＨｚの下側周波数と、（ｍ＋１）ｆS＝５４．４２４ＧＨｚの上側周波数とを有する方形波関数となり、デューティサイクルは、３３％であり、周期は、５００ｎｓである。
【００９８】
光検出器７００の測定された振動応答信号は、Ｖ（ｔ）＝ｃｏｓ［２π（ｆREF−ｆTAR）ｔ］である。フーリエ変換を行った後、２つのピークを識別することができる。第１のピークは、２７．２１２ＧＨｚにあり、第２のピークは、５４．４２４ＧＨｚにあり、エネルギーの３３％は、後者にある。これから、これらのピークの周波数位置から、整数ｍは、簡単に抽出できるが、方形波関数のデューティサイクルは、３３％でなければならない。ｔSは、５００ｎｓであることが分かっているため、遅延時間を、Δｔ＝（ｍ＋ＤＣ）ｔS＝６６６ｎｓのように計算することができる。この遅延時間から、求める距離Ｌは、１００ｍになる。
【００９９】
遠隔の物体の速度の測定
本発明の種々の実施形態によるレーザーベースのデバイスは、遠隔の物体の距離だけでなく、速度の測定にも使用される場合がある。
【０１００】
上記と同じレーザーを仮定し、遠隔の物体が、距離Ｌ＋Ｒ＝１００ｍにあり、速度ｖ＝２００ｋｍ／ｈで移動しているものと仮定する。基準物体は、ＬＩＤＡＲ  Ｒ＝０ｍの近くにあり、静止している。
【０１０１】
経路長の違いから、時間遅延は、Δｔ＝２Ｌ／ｃ＝６６６ｎｓになる。上記と同様に、周波数差は、周期５００ｎｓ及びデューティサイクル３３％を有する方形波となる。ただし、今度は、周波数が、ドップラー周波数ｆDopp＝（２ｖ／ｃ）ｆcenter＝５３ＭＨｚだけシフトされる。
【０１０２】
検出器７００で測定された振動応答信号のフーリエスペクトルは、２７．２６５ＧＨｚと５４．４７７ＧＨｚで、それらの周波数を示しており、後者は、エネルギーの３３％を保持している。周波数の位置がそれぞれ、ｍｆS＋ｆDoppと（ｍ＋１）ｆS＋ｆＤoppになることがわかっているため、整数ｍとドップラーシフト周波数ｆＤoppの種々の組み合わせを作成することができる。この場合、ｍ＝０であれば、ドップラーシフトは、２７．２６５ＧＨｚでなければならず；ｍ＝１であれば、ドップラーシフトは、５３ＭＨｚでなければならない等。３３％のデューティサイクルと整数ｍから、時間遅延を、Δｔ＝（ｍ＋ＤＣ）ｔSのように復元することができ、したがって、距離Ｌ＝ｃ（Δｔ／２）も、復元することができる。ドップラーシフトから、速度を、ｖ＝（ｃ／２）・（ｆDopp／ｆcenter）のように抽出することができる。これらの数値を使用した場合、次の解が存在する場合がある：ｍ＝０の場合、距離はＬ＝２５ｍであり、速度ｖ＝１０３０００ｋｍ／ｈであり、ｍ＝１の場合、距離はＬ＝１００ｍであり、速度ｖ＝２００ｋｍ／ｈである、等。
【０１０３】
解が大きく異なるため、それらの解を区別するために、予想範囲内の速度を単純に選択してもよい。あるいは、時間ｔ‘後に、第２の測定を行い、解Ｌ’及びｖ‘を生成してもよい。Ｌ’＝Ｌ＋ｖｔ‘であるから、正しい解を選択することができる。
【０１０４】
遠隔の物体の形態の測定
本発明の種々の実施形態によるレーザーベースのデバイスは、遠隔の物体の形態の測定にも使用される場合がある。そのような場合、２Ｄスキャンが実施され、それによって遠隔の物体の各点までの距離が測定される。
【０１０５】
各点は、レーザースポットのサイズによって定義され、アッベ回折限界によって下は波長のサイズまでに制限され、また、走査光学系の分解能によっても制限される。一例として、１００メートル離れて配置された、深さ１ｍの穴を有する平らな遠隔の物体を考える。上記のパラメータを想定すると、距離が１００ｍの場合、デューティサイクルは３３．３％になる。さらに１ｍ離れたそれらの穴のデューティサイクルは、３４．７％になる。２Ｄスキャンのすべての点について、上記と同様の計算が行われる。スキャン寸法は、物体のサイズやシステム構成に応じて、角度空間全体（３６０度まで）をカバーすることができる。
【０１０６】
レーザーベースのシステムと遠隔の物体との間にある媒体の元素組成の遠隔測定
実際の事例では、レーザーベースのシステムから物体までの距離が、既知であるか又は先の例のように測定済みである場合、媒体の元素組成を、媒体の吸光度の分光測定を使用して測定することができる。生理学的物質の元素組成を測定するための分光バイオセンサーの場合のように、レーザーベースのデバイスと物体との間にある媒体は、構成要素（例えば、分子）の集合と見ることができ、各構成要素が、Ａ（λ）＝ΣiＡ（λ）1＝Ａ（λ）2＋Ａ（λ）3＋Ａ（λ）4＋…のように、媒体の吸光度スペクトルに特定の寄与を提供する。
【０１０７】
ここで、Ａ（λ）1, 2, 3, …は、媒体のさまざまな元素成分からの個々の吸光度の寄与である。
【０１０８】
個々の吸光度は、さらに次のように表すことができる。
【０１０９】
【数７】
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【０１１０】
ここで、εは、較正されたモル減衰係数であり、ｃは、濃度である。
【０１１１】
厚さｌの媒体の場合、各元素成分の吸光度は、次のようになる。
【０１１２】
【数８】
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【０１１３】
レーザーベースのデバイスは、Ｃ−Ｈ伸縮、又はＣ−Ｈ、Ｏ−Ｈ、Ｎ−Ｈ伸縮の組み合わせによる倍音（第１、第２倍音）又は基本吸収が存在する帯域幅全体にわたって、掃引を提供する。光は、媒体を通って物体まで進み、そこで、物体までの距離が既知であるか又は測定済みである場合、光は反射され、媒体を通ってレーザーベースのシステムに戻され、したがって、媒体を２回通過することになる。次に、レーザーベースのシステムは、反射信号を検出し、元素固有の波長における個々の寄与の吸光度測定を、集合を個々の寄与に分解するような形で実施する。光路が既知である場合、個々の元素のモル減衰係数は、データベース又は基準測定から知ることができ、測定された吸光度の変化を使用して、個々の元素の濃度、したがって媒体の組成を、計算することができる。
【０１１４】
セキュリティを目的とした顔認識
本発明の種々の実施形態によるレーザーベースのデバイスは、顔認識に基づくセキュリティキーの提供に使用される場合がある。遠隔の物体（例えば、ユーザーの顔）の物体固有（例えば、顔固有）の多次元画像は、ユーザーを特定の距離に配置し、レーザーベースのデバイスから、ユーザーの顔に向けて光を放射することによって、形成することができる。この特定の距離は、レーザーベースのシステムから、数センチメートルから数メートル若しくは数十メートル若しくは数百メートルまでであってもよい。２Ｄスキャンは、顔全体又は顔の一部の形態を復元するのに十分な点を有することが好ましく、ユニークな人固有画像として機能するのに適している。例えば、３Ｄスキャンの範囲は、数平方センチメートルから数十平方センチメートルである場合がある。顔画像は、形態画像（上記の例を参照）として記録される場合があり、この情報は、個人固有のセキュリティキーとして記憶される場合がある。形態に加えて、入れ墨や生理学的データのような人の顔に固有の分光学的特徴を、形態と組み合わせて使用してもよい。
【０１１５】
本発明の記載した種々の実施形態は、単なる例示であることを意図しており、当業者には、多数の変形及び修正が明らかになるであろう。そのような変更及び修正はすべて、添付の特許請求の範囲に規定された本発明の範囲内にあることが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図８ｄ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８ａ】
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【図１８ｂ】
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【国際調査報告】
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