(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
−  基板平面を規定する基板（１０）と、
−  薄膜導波路（３０）と、
−  前記導波路（３０）に付随するサブ波長回折格子構造体であって、前記基板（１０）の入射表面（１２）に配置され、前記入射表面（１２）が、少なくとも１つの光源によって供給された入射光ビーム（４０）を受光するように企図され、前記入射光ビーム（４０）が、前記導波路（３０）の垂線に対して規定される入射角度を有し、前記回折格子構造体が、少なくとも１つの第１の型の回折格子構造体（２２）、及び少なくとも１つの第２の型の回折格子構造体（２４）を備える少なくとも１つの基本共鳴回折格子構造体を備える、サブ波長回折格子構造体と
を備える導波モード共鳴デバイス（１）であって、
−  前記導波路（３０）が、第１の型の回折格子構造体（２２）から、前記第２の型の回折格子構造体（２４）へと光を伝達し、また、前記第２の型の回折格子構造体（２４）から、前記第１の型の回折格子構造体（２２）へと光を伝達するように配置され、
−  前記導波路（３０）が、前記導波路（３０）の、前記入射表面（１２）とは反対側に隣接する材料の屈折率よりも少なくとも０．０５高い屈折率の材料で作成され、
−  前記第１の型の回折格子構造体（２２）が、前記入射光ビームの第１の部分（３２）を、前記導波路（３０）にインカップリングさせるように配置され、
−  前記第２の型の回折格子構造体（２４）が、前記入射光ビーム（４０）の第２の部分（３４）を、前記導波路（３０）にインカップリングさせるように配置され、
−  前記第１の型の回折格子構造体（２２）が、前記入射光ビームの前記第２の部分（３４）のアウトカップリング部分を、前記導波路（３０）からカップリング・アウトさせるように配置され、前記アウトカップリング部分が、第１の光ビーム（４２）を規定し、
−  前記第２の型の回折格子構造体（２４）が、前記入射光ビーム（４０）の前記第１の部分（３２）のアウトカップリング部分を、前記導波路（３０）からカップリング・アウトさせるように配置され、前記アウトカップリング部分が、第２の光ビーム（４４）を規定し、
−  前記第１の光ビーム（４２）、及び前記第２の光ビーム（４４）がそれぞれ、前記導波路（３０）に対する垂線に対して規定されるアウトカップリング角度を有し、前記アウトカップリング角度が、前記第１の光ビーム、及び第２の光ビーム（４４）が、前記導波路（３０）に対する垂線に関して、前記入射光ビームに対して対称でなく、且つ前記入射光ビーム（４０）に対して平行でないように規定され、
−  前記第１の光ビーム（４２）が、前記第２の光ビーム（４４）とは異なるスペクトル分布を有し、
−  前記第１の型の回折格子構造体（２２）と、前記第２の型の回折格子構造体（２４）とが、異なる回折格子周期及び／又は前記基板平面において異なる回折格子向きを有する、導波モード共鳴デバイス（１）。
【請求項２】
前記基本共鳴回折格子構造体が、２つの第１の型の回折格子構造体（２２）を備える、請求項１に記載の導波モード共鳴デバイス（１）。
【請求項３】
前記第２の型の回折格子構造体（２４）が、前記２つの第１の型の回折格子構造体（２２）間に配置され、
−  前記第１の型の回折格子構造体（２２）の一方が、前記入射光ビーム（４０）の第１の部分（３２）を前記導波路（３０）にインカップリングさせるように配置され、
−  前記第１の型の回折格子構造体（２２）の一方が、前記入射光ビーム（４０）の前記第２の部分（３４）のアウトカップリング部分を、前記導波路（３０）からカップリング・アウトさせるように配置され、前記アウトカップリング部分が、第１の光ビーム（４２）を規定する、請求項２に記載の導波モード共鳴デバイス（１）。
【請求項４】
前記導波路（３０）の材料が、ＴｉＯ２、又はＨｆＯ２、又はＴａ２Ｏ５、又はＺｒＯ２、又はＡｌＮ、又はＡｌ２Ｏ３、又はＺｎＯ、又はＳｉＯ２、又はＳｉ、又はＳｉ３Ｎ４、又はＭｇＦ２、又はＣａＦ２、又はＭｇＯ、又はそれらの組合せを含む群から選択することができる、請求項１から３までのいずれか一項に記載の導波モード共鳴デバイス（１）。
【請求項５】
前記回折格子構造体が、前記入射光ビーム（４０）に面した前記基板平面上に配置される、請求項１から４までのいずれか一項に記載の導波モード共鳴デバイス（１）。
【請求項６】
中間層（１１）が、前記基板（１０）と、前記回折格子構造体との間に配置される、請求項１から５までのいずれか一項に記載の導波モード共鳴デバイス（１）。
【請求項７】
前記第１の光ビーム（４２）、及び前記第２の光ビーム（４４）が、可視光ビームである、請求項１から６までのいずれか一項に記載の導波モード共鳴デバイス（１）。
【請求項８】
前記第１の光ビーム（４２）、及び前記第２の光ビーム（４４）の少なくとも一方が、赤外光ビームである、請求項１から６までのいずれか一項に記載の導波モード共鳴デバイス（１）。
【請求項９】
前記第１の光ビーム（４２）、及び前記第２の光ビーム（４４）の少なくとも一方が、紫外光ビームである、請求項１から６までのいずれか一項に記載の導波モード共鳴デバイス（１）。
【請求項１０】
前記第１の光ビーム（４２）、及び前記第２の光ビーム（４４）の帯域幅が、２５０ｎｍ未満、前記帯域幅の中心波長が、１０ｎｍ超異なる、請求項１から９までのいずれか一項に記載の導波モード共鳴デバイス（１）。
【請求項１１】
前記第１の光ビーム（４２）、及び前記第２の光ビーム（４４）が、前記入射角度とは１０°超異なるアウトカップリング角度を有する、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の導波モード共鳴デバイス（１）。
【請求項１２】
前記第１の光ビーム（４２）、及び／又は前記第２の光ビーム（４４）の口径が、１０°未満である、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の導波モード共鳴デバイス（１）。
【請求項１３】
前記基本回折格子構造体のアレイを備え、前記アレイが、少なくとも２つの基本回折格子構造体を備え、前記アレイの各基本回折格子構造体が、隣接する前記基本回折格子構造体と協働するように配置される、請求項１から１２までのいずれか一項に記載の導波モード共鳴デバイス（１）。
【請求項１４】
少なくとも１つの第３の型の回折格子構造体が、前記基本回折格子構造体に配置され、前記第３の型の回折格子構造体が、前記第１の型の回折格子構造体（２２）、又は前記第２の型の回折格子構造体（２４）のいずれかに隣接して配置され、前記第３の型の回折格子構造体（２６）が、前記入射光ビームの第３の部分を、前記導波路（３０）にインカップリングさせるように配置され、前記第３の部分が、前記導波路（３０）によって、前記第１の型の回折格子構造体（２２）、又は前記第２の型の回折格子構造体へと伝達され、前記第３の型の回折格子構造体（２６）が、前記入射光の前記第１の部分（３２）の一部、又は前記入射光の前記第２の部分（３４）の一部を、前記導波路（３０）からアウトカップリングさせるように配置され、前記アウトカップリングされた部分が、第３の光ビーム（４６）を規定し、前記第３の光ビーム（４６）が、請求項７から１２までのいずれか一項に記載の前記第１の光ビーム（４２）又は前記第２の光ビーム（４４）の光学特徴と同様の光学特徴を有する、請求項１から１３までのいずれか一項に記載の導波モード共鳴デバイス（１）。
【請求項１５】
前記基本構造体のアレイを備え、前記アレイが少なくとも２つの基本構造体を備え、前記アレイの各基本構造体が、隣接する前記基本構造体と協働するように配置される、請求項１４に記載の導波モード共鳴デバイス（１）。
【請求項１６】
前記基本構造体が、２次元アレイ（５０）として配置される、請求項１から１５までのいずれか一項に記載の導波モード共鳴デバイス（１）。
【請求項１７】
前記アレイが、基本構造体の並行行を備える、請求項１６に記載の導波モード共鳴デバイス（１）。
【請求項１８】
前記アレイが、基本構造体の非並行行を備える、請求項１６に記載の導波モード共鳴デバイス（１）。
【請求項１９】
前記基本構造体が、少なくとも１つのさらなる光学構造体をさらに備える、請求項１から１８までのいずれか一項に記載の導波モード共鳴デバイス（１）。
【請求項２０】
前記さらなる光学構造体が、回折格子構造体である、請求項１９に記載の導波モード共鳴デバイス（１）。
【請求項２１】
前記さらなる光学構造体が、マイクロレンズ・アレイである、請求項１９に記載の導波モード共鳴デバイス（１）。
【請求項２２】
さらなる光学構造体が、前記基本構造体に隣接して配置される、請求項１から２１までのいずれか一項に記載の導波モード共鳴デバイス（１）。
【請求項２３】
前記さらなる光学構造体が、回折格子構造体である、請求項２２に記載の導波モード共鳴デバイス（１）。
【請求項２４】
前記さらなる光学構造体が、マイクロレンズ・アレイである、請求項２２に記載の導波モード共鳴デバイス（１）。
【請求項２５】
コーティング層が、前記導波路（３０）の、前記入射光ビームに面した側に配置され、前記コーティング層が、前記導波路（３０）の少なくとも一部分上に配置される、請求項１から２３までのいずれか一項に記載の導波モード共鳴デバイス（１）。
【請求項２６】
請求項１から２４までのいずれか一項に記載の導波モード共鳴デバイス（１）を備えるガス感知デバイス（１００）であって、前記導波モード共鳴デバイス（１）が、前記第１の光ビーム（４２）及び／又は前記第２の光ビーム（４４）のスペクトル分布が、前記ガスの濃度変化によって改変されるように配置される、ガス感知デバイス（１００）。
【請求項２７】
前記第１の光ビーム（４２）及び／又は前記第２の光ビーム（４４）の広がりを方向転換させ、及び／又は変更させるように配置された光学系を備える、請求項２６に記載のガス感知デバイス（１００）。
【請求項２８】
少なくとも１つの光検出器を備える、請求項２６又は請求項２７に記載のガス感知デバイス（１００）。
【請求項２９】
ガスを感知するための方法であって、
−  請求項２６から２８までのいずれか一項に記載のガス感知デバイス（１００）を設けるステップと、
−  前記ガス感知デバイス（１００）の前記回折格子構造体側に光源を配置するステップと、
−  前記光源と、前記導波モード共鳴デバイス（１）との間に、ガスを導入し、又はガスの濃度を変更し、前記ガスを前記回折格子構造体、及び前記導波路（３０）と接触するように配置するステップと、
−  前記第１の光ビーム（４２）、及び前記第２の光ビーム（４４）のスペクトル分布の変化を目で観察する、又は光検出器を用いて検出するステップと、を含む、方法。
【請求項３０】
請求項１から２４までのいずれか一項に記載の導波モード共鳴デバイス（１）を備える生化学物質の生化学感知デバイス（１２０）であって、前記生化学物質と化学反応するように設計された生化学層をさらに備え、前記生化学層が、前記導波路（３０）及び／又は前記回折格子構造体と接触するように配置され、前記生化学感知デバイス（１２０）が、前記第１の光ビーム（４２）及び／又は前記第２の光ビーム（４４）のスペクトル分布が前記生化学層の前記生化学物質との反応によって改変されるように配置される、生化学感知デバイス（１２０）。
【請求項３１】
固定層を備え、前記固定層が、前記生化学層を組み込むように配置される、請求項３０に記載の生化学感知デバイス（１２０）。
【請求項３２】
前記固定層が、ポリマー層である、請求項３１に記載の生化学感知デバイス（１２０）。
【請求項３３】
前記第１の光ビーム（４２）及び／又は前記第２の光ビーム（４４）の広がりを方向転換させ、及び／又は変更させるように配置される光学系を備える、請求項３０から３２までのいずれか一項に記載の生化学感知デバイス（１２０）。
【請求項３４】
少なくとも１つの光検出器を備える、請求項３０から３３までのいずれか一項に記載の生化学感知デバイス（１２０）。
【請求項３５】
生化学物質を感知するための方法であって、
−  請求項３０から３４までのいずれか一項に記載の生化学感知デバイス（１２０）を設けるステップと、
−  前記導波モード共鳴デバイス（１）の前記回折格子構造体側に光源を配置するステップと、
−  前記生化学物質を前記生化学層と接触するように配置して、前記物質と前記生化学層との間で反応を引き起こすステップと、
−  前記第１の光ビーム（４２）、及び前記第２の光ビーム（４４）のスペクトル分布の変化を目で観察する、又は光検出器を用いて検出するステップと
を含む、方法。
【請求項３６】
請求項１から２５までのいずれか一項に記載の導波モード共鳴デバイス（１）を備えるセキュリティ・デバイス（１３０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学デバイスの分野に関し、より詳細には、光導波路を組み込んだデバイスに関する。本発明は、より具体的には、導波モード共鳴デバイス、並びに光学センサ、光学フィルタ、及びセキュリティ・デバイスへのその応用に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜光学系の分野は、光技術において重要な一領域である。膨大な種類のフィルタ及び光学デバイスが作製され、多数の産業において多岐にわたる用途に使用されている。こうした薄膜光学構造体、アセンブリ、及びデバイスのほとんどが、厚さ及び材料パラメータを精確に制御して堆積させた均質な層からなり、これらの層は、多くの場合低圧雰囲気において実現され、高度な技術が必要となる。そのような多層フィルタを用いたデバイスの例として、それだけに限られるものではないが、反射防止フィルタ、低域及び高域通過フィルタ、位相板、平面ビームスプリッタ、偏光フィルタ、マイクロミラーが挙げられる。これらのデバイスのいくつかでは、薄膜光学構造体を、その組合せによってデバイスの利用可能性の幅が広がるように配置することができる。
【０００３】
これらの薄膜光学デバイスに伴う重大な欠点は、顕著な光効果を得るには、多数の層が必要となることが非常に多いことである。積層させる必要層数は５０を超えることも例外ではない。これらの光学デバイスは、主に、デバイスの積層された様々な層のインターフェイス間で生じる繰返し反射によって機能する。こうしたデバイスの光学品質を確保する技術はかなり複雑となることがあり、したがって高価となる。また、多数の層の積層に伴う接着性及び安定性の問題も課題となり得る。とりわけ、いかなる迷光も制約要因となり得る高品質フィルタ、干渉分光法、又は高出力レーザの用途などで生じるものなどの特殊な光学的効果を得たい場合には、光学積層体内部の散乱効果、及び望ましくない反射が、目下の課題となっている。
【０００４】
回折格子がやはり、光ビームを分光させ、フィルタリングするデバイスとして広く使用されてきている。回折格子と導波路とを組み合わせることによって、非常に狭い帯域幅を有するフィルタなど、独自の特性を有する光学構造体及び光学デバイスを作成することが提案されてきている。より詳細には、共鳴導波路回折格子では、特に、従来の光学部品では実現できない特に興味深い光学的効果を生じることが可能となるので、共鳴導波路回折格子の分野においてかなりの作業量の開発が行われてきている。
【０００５】
共鳴導波路回折格子は、導波モード共鳴フィルタとも呼ばれ、サブ波長回折格子と薄膜導波路との組合せからなる。そのような構造体は、多層構造を有し、基本構成として、基板、誘電体又は半導体の導波路薄層、及び場合によっては回折格子が中に形成される追加の層を備える。入射光が回折格子によって回折され、導波路のモードに整合するといわゆる共鳴が生じる。スペクトルの大部分は導波路にカップリング（ｃｏｕｐｌｅ）されないので、反射及び透過において強いスペクトル変化が観察される。そのような共鳴の存在が、回折格子開発の初期段階で発見されてきている（Ｒ．Ｗ．Ｗｏｏｄ、Ｐｈｉｌ．Ｍａｇ．第４巻、３９６〜４０２頁、１９０２）。こうした共鳴は、回折格子構造体内の異常回折現象の一種に属し、入射波の角度及び／又は波長などの物理的パラメータに関して外部から観察可能な回折次数の急速な変動を意味する。回折格子製造の初期段階では、反射の急激な変化を説明することができなかった。Ｈｅｓｓｅｌ及びＯｌｉｎｅｒ（Ａｐｐｌ．Ｏｐｔｉｃｓ、第４巻、１２７５〜１２９７頁、１９６５）は、回折格子異常には基本的に２つの種類があることを指摘した。１つは、レイリー型と呼ばれるもので、古典的なウッドの異常であり、もう１つは、共鳴型と呼ばれるものである。レイリー型異常は、より高次の回折エネルギーがエバネッセント波に伝達されるため生じる。
【０００６】
本特許出願の例において特に対象とする、回折格子の共鳴異常は、外部から入射した波が構造体によって支持された表面導波にカップリングするプロセスによって生じる。こうした回折格子異常は、構造体の種類に従って２つの種類に分類することができ、フーリエ−レイリー近似法を用いると正確な結果を得ることができる。この方法は、回折格子溝が深い場合には適用することができない。幾人かの著者が、弱く波打った導波路からの反射について研究を行った。深い回折格子溝の収束問題は、フーリエ・モード法（ＦＭＭ：Ｆｏｕｒｉｅｒ−Ｍｏｄａｌ−Ｍｅｔｈｏｄ）又は厳密結合波理論（ＲＣＷＡ：Ｒｉｇｏｒｏｕｓ  Ｃｏｕｐｌｅｄ−Ｗａｖｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）などの厳密なシミュレーション法を用いることによって緩和させることができた。これらの新しい数学的ツールを用いて、数多くのデバイスがこの１０年で提案され、開発されてきている。
【０００７】
導波モード共鳴構造体の主な用途の１つとして、反射及び透過の非常に狭いスペクトル線幅を有するフィルタの設計がある。帯域幅を極めて狭く、０．１ｎｍ程度で設計することができ、回折格子深さ、負荷サイクル、及び導波路層の厚さなどのパラメータによって同調させることができる。Ｍａｇｎｕｓｓｏｎは、波長選択反射フィルタを提案し、それらの線形状について研究した（Ｒ．Ｍａｇｎｕｓｓｏｎ及びＳ．Ｓ．Ｗａｎｇ、「Ｎｅｗ  ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ  ｆｏｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｌｔｅｒｓ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、第６１巻、１０２２〜１０２４頁、１９９２）。また、共鳴回折格子導波路構造体の系統的解析が、Ｒｏｓｅｎｂｌａｔｔ及びＳｈａｒｏｎによって以下の通り発刊されている。
−  Ｄ．Ｒｏｓｅｎｂｌａｔｔ等、「Ｒｅｓｏｎａｔｉｎｇ  ｇｒａｔｉｎｇ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」、ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．、第３３巻１１号、２０３８〜２０５９頁、１９９７
−  Ａ．Ｓｈａｒｏｎ等、「Ｒｅｓｏｎａｔｉｎｇ  ｇｒａｔｉｎｇ−ｗａｖｅｇｕｄｉｅ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｆｏｒ  ｖｉｓｉｂｌｅ  ａｎｄ  ｎｅａｒ−ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ」、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．、第１４巻１１号、２９８５〜２９９３頁、１９９７
Ｒｏｓｅｎｂｌａｔｔ及びＳｈａｒｏｎは、上記論文において、共鳴時の順方向伝播と逆方向伝播との間の波エネルギーの効率的な伝達は、入射波と回折波との間での相対的な位相シフトに起因し、その結果順方向伝播波と逆方向伝播波との破壊的干渉、及び建設的干渉が生じることを説明した。
【０００８】
共鳴導波路構造体の制約は、特に、正反射現象によってフィルタの性能が低減するという事実に特に関連する。この正反射効果はまた、共鳴導波路構造体によって特定の色を生じる際に、その性能に制約を課すことがある。色相は、内面反射効果及び／又は正反射による効果によって制約を受ける。
【０００９】
導波モード共鳴デバイスはまた、センサの部品として使用することができる。ガス又は生化学層などの物質を共鳴導波路と接触するように付着させると、これらの物質を検出することができる。センサ内の導波モード共鳴デバイスの制約は、前記物質と相互作用する波の相互作用長が限定され、したがって僅かな効果しか得られないという点である。
【００１０】
ガスの存在を検出するセンサとしての共鳴導波路回折格子の使用例が、Ｌ．Ｄａｖｏｉｎｅらの論文「Ｒｅｓｏｎａｎｔ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ  ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ｌａｙｅｒ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｇｒａｔｉｎｇｓ」Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ、３４０〜３４９頁、第５２巻３号、２０１３に記載されている。そのようなデバイスでは、主な欠点は、光の、導波路に沿った固有の漏れであり、したがって共鳴光は、完全に吸収されることができない。さらに、実施可能な吸収強化と共鳴導波路構造体の共鳴帯域幅との間で微妙なトレードオフを選択しなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】ＰＣＴ／ＥＰ２０１３／０６５６３１
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｒ．Ｗ．Ｗｏｏｄ、Ｐｈｉｌ．Ｍａｇ．第４巻、３９６〜４０２頁、１９０２
【非特許文献２】Ｈｅｓｓｅｌ及びＯｌｉｎｅｒ（Ａｐｐｌ．Ｏｐｔｉｃｓ、第４巻、１２７５〜１２９７頁、１９６５）
【非特許文献３】Ｒ．Ｍａｇｎｕｓｓｏｎ及びＳ．Ｓ．Ｗａｎｇ、「Ｎｅｗ  ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ  ｆｏｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｌｔｅｒｓ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、第６１巻、１０２２〜１０２４頁、１９９２
【非特許文献４】Ｄ．Ｒｏｓｅｎｂｌａｔｔ等、「Ｒｅｓｏｎａｔｉｎｇ  ｇｒａｔｉｎｇ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」、ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．、第３３巻１１号、２０３８〜２０５９頁、１９９７
【非特許文献５】Ａ．Ｓｈａｒｏｎ等、「Ｒｅｓｏｎａｔｉｎｇ  ｇｒａｔｉｎｇ−ｗａｖｅｇｕｄｉｅ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｆｏｒ  ｖｉｓｉｂｌｅ  ａｎｄ  ｎｅａｒ−ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ」、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．、第１４巻１１号、２９８５〜２９９３頁、１９９７
【非特許文献６】Ｌ．Ｄａｖｏｉｎｅらの論文「Ｒｅｓｏｎａｎｔ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ  ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ｌａｙｅｒ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｇｒａｔｉｎｇｓ」Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ、３４０〜３４９頁、第５２巻３号、２０１３
【非特許文献７】Ｈｅｓｓｅｌ及びＯｌｉｎｅｒのＡｐｐｌ．Ｏｐｔｉｃｓ、第４巻、１２７５〜１２９７頁、１９６５
【非特許文献８】Ｒ．Ｆ．Ｄｅｌｍｄａｈｌ等、「Ｓｐｅｃｔｒａｌ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｇｒａｔｉｎｇ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ」Ｍａｔ．Ｗｉｓｓ．ｕ．Ｗｅｒｋｓｔｏｆｆｔｅｃｈｃ．、第３８巻３号、２００７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、従来技術について説明した、導波モード共鳴デバイスの制約を少なくとも部分的に克服することであり、それによって光学的管理性能が向上した導波モード共鳴デバイスを提供することである。本発明のもう１つの目的は、そのような導波モード共鳴デバイスが、ガス及び生化学センサ・デバイス、並びにセキュリティ・デバイスの主要部品として使用される際の、その性能を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この目的で、本発明は、少なくとも２つの回折格子に当たる入射光ビームによって供給された光を交換することによって互いに連絡する（ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅ）前記少なくとも２つの回折格子が上に配置された共鳴導波路回折格子をベースとした、導波モード共鳴デバイスに関する。光を交換することによって、少なくとも２つの回折格子は、異なるスペクトル分布を有する少なくとも２つのアウトカップリング光ビームを生成する。
【００１５】
本発明の目的は、
−  基板と、
−  導波路と、
−  前記導波路に付随する回折格子構造体であって、前記基板の入射表面に配置され、前記入射表面が、少なくとも１つの光源によって供給された入射光ビームを受光するように企図され、前記入射光ビームが、前記導波路の垂線に対して規定される入射角度を有し、前記回折格子構造体が、少なくとも１つの第１の型の回折格子構造体、及び少なくとも１つの第２の型の回折格子構造体を備える少なくとも１つの基本構造体を備え、前記第１の型の回折格子構造体と、前記第２の型の回折格子構造体とが、異なる回折格子周期及び／又は異なる回折格子向きを有する、回折格子構造体と
を備える、導波モード共鳴デバイスによってより正確に達成される。言い換えれば、前記第１の型の回折格子構造体と、第２の型の回折格子構造体とは、異なる実効回折格子周期を呈し、これについては後に詳述する。
【００１６】
導波モード共鳴デバイスの導波路は、第１の型の回折格子構造体から、第２の型の回折格子構造体へと光を伝達し、また、第１の型の回折格子構造体から、第２の型の回折格子構造体へと光を伝達するように配置される。導波路は、導波路の、入射表面とは反対側に隣接する材料の屈折率よりも少なくとも０．０５高い屈折率の材料で作成される。これによって、基板、導波路、及び基板と導波路との間の実施可能ないかなる中間層にも、多種多様な材料を使用することが可能となる。
【００１７】
第１の型の回折格子構造体は、前記入射光ビームの第１の部分を、前記導波路にインカップリングさせるように配置され、第２の型の回折格子構造体は、前記入射光ビームの第２の部分を、前記導波路にインカップリングさせるように配置される。また、第１の型の回折格子構造体は、前記入射光ビームの前記第２の部分のアウトカップリング部分を、前記導波路からカップリング・アウトさせるように配置され、前記アウトカップリング部分が、第１の光ビームを規定し、第２の型の回折格子構造体は、前記入射光ビームの前記第１の部分のアウトカップリング部分を、前記導波路からカップリング・アウトさせるように配置され、前記アウトカップリング部分が、第２の光ビームを規定する。前記第１の光ビームは、前記第２の光ビームとは異なるスペクトル分布を有する。この配置によって、少なくとも２つの光ビームを、導波モード共鳴デバイスの導波路からカップリング・アウトさせることができる。このような配置は、広いスペクトル分布を有する入射光ビームを、異なるスペクトル分布を有する２つの分離したビームに分割しなければならない用途、２つのビームの色を鮮明にしなければならない用途、また、前記２つのビーム間の色コントラストを高くしなければならない用途といった、様々な光学用途に使用することができる。本発明の導波モード共鳴デバイスではまた、多数の内面反射のため、迷光のレベルを極めて低くすることが可能となり、したがって前記２つのビームの色の質、及びコントラストをさらに改善させることができる。
【００１８】
導波モード共鳴デバイスによって生成される第１の光ビーム、及び第２の光ビームはそれぞれ、前記第１及び第２の光ビームが、導波路に対する垂線に関して、前記入射光ビームと対称とならないような、導波路に対する垂線に対して規定されるアウトカップリング角度を有する。この配置は、非正反射配置とも呼ばれ、反射ビームが、金属又は多層誘電体表面、デバイスの垂線に関して、入射光ビームと実質的に対称となる正反射ビームで典型的な干渉、及び迷光作用を低減させることが可能となる。したがって、この導波モード共鳴デバイスは、光ビームを異なるスペクトル分布を有する少なくとも２つの部分に分割する他の光学デバイスに比べて優れた光学特性を有することになる。また、このデバイスは作製が簡易で、したがって安価でもある。第１及び第２のアウトカップリング光ビームは、一般的に分散型であり、異なる波長で異なるアウトカップリング角度を有する。第１の光ビームと、第２の光ビームとはそれぞれ、回折格子の異なるインカップリング共鳴及びアウトカップリング共鳴に対応した異なるスペクトル帯を含む。これらの理由で、アウトカップリングされる第１の光ビーム又は第２の光ビームは、異なる角度でアウトカップリングされる異なる波長帯域を含むことができる。前記第１の光ビーム、及び前記第２の光ビームの角度色分布は、連続しても不連続でもよい。
【００１９】
一実施例によれば、導波モード共鳴デバイスは、２つの第１の型の回折格子構造体と、前記２つの第１の型の回折格子構造体間に配置することができる１つの第２の型の回折格子構造体とを備える少なくとも１つの基本構造体を備えることができる。そのような配置によって、光学設計の自由度を広げ、それぞれが異なるスペクトル分布を有する、異なるアウトカップリング光ビームを３つまで生成することが可能となる。
【００２０】
導波モード共鳴デバイスの前記導波路の材料は、ＴｉＯ２、又はＨｆＯ２、又はＴａ２Ｏ５、又はＺｒＯ２、又はＡｌＮ、又はＡｌ２Ｏ３、又はＺｎＯ、又はＳｉＯ２、又はＳｉ３Ｎ４、又はＭｇＦ２、又はＣａＦ２、又はＭｇＯ、又はそれらの組合せを含む群から選択することができる。材料のこの幅広い選択肢によって、導波モード共鳴デバイスを、前記アウトカップリング・ビームの特定のスペクトル分布がそれぞれ必要となる、広範囲にわたる用途に使用することが可能となる。
【００２１】
好ましい実施例では、導波モード共鳴デバイスの前記回折格子構造体は、前記基板の、前記入射光ビームに面した表面上に配置される。この配置によって、アウトカップリング・ビーム間で良好な色コントラストを得ることが可能となる。
【００２２】
一実施例では、中間層が、前記基板と、前記回折格子構造体との間に配置される。前記中間層を配置することによって、設計可能性を広げることができ、また、この配置を用いて、前記導波路と導波モード共鳴デバイスの前記基板との間の屈折率の整合を高めることができる。
【００２３】
前記第１の光ビーム、及び前記第２の光ビームはそれぞれ、可視光ビームでも、赤外光ビームでも、紫外光ビームでもよく、又はそのスペクトル分布は、これらの異なる範囲の一部をカバーすることができる。第１の光ビームと第２の光ビームとは、同じ波長範囲でも、別の波長範囲でもよい。導波モード共鳴デバイスの回折格子構造体及び導波路を異なる波長で設計し、配置することを可能とすることによって、紫外、可視、及び赤外範囲において、又はこれらの範囲の組合せにおいて実施可能な用途の数を大幅に広げることが可能となる。
【００２４】
前記第１の光ビーム、及び前記第２の光ビームのスペクトル幅は、２５０ｎｍ未満、好ましくは１００ｎｍ未満であり、前記帯域幅の中心波長は、１０ｎｍ超、好ましくは３０ｎｍ超、より好ましくは５０ｎｍ超異なる。帯域幅を広くすることによって、このデバイスを、導波モード共鳴デバイスのアウトカップリング光ビームを目で観察する用途、又は高いアウトカップリング出力強度が必要となる用途に使用することが可能となる。アウトカップリング・ビームが小さい帯域幅を有するようにデバイスを適合させることによって、このデバイスを、ガス及び／又は生化学感知用途の分野などの特定の用途に使用することが可能となる。
【００２５】
一実施例では、前記第１の光ビーム、及び前記第２の光ビームは、前記入射角度とは１０°超異なるアウトカップリング角度を有する。一変形例では、前記第１のビーム、及び／又は前記第２のビームの口径は、１０°未満、好ましくは５°未満、より好ましくは２°未満である。異なるアウトカップリング角度がそれぞれ、同じ又は異なる口径を有するように第１及び第２の型の回折格子を設計し、配置することを可能とすることによって、設計可能性をさらに高め、したがって実施可能な応用分野を広げることが可能となる。
【００２６】
一実施例では、導波モード共鳴デバイスは、前記基本構造体のアレイを備えることができる。前記アレイは、少なくとも２つの基本構造体を備えることができ、前記アレイの各基本構造体は、隣接する前記基本構造体と協働するように、すなわち光を交換するように配置される。異なる基本構造体をアレイに適合させることによって、デバイスの設計変形例をさらに広げることが可能となる。前記基本構造体をアレイに使用する主な利点の１つとして、表面被覆率、及び表面単位当たりのアウトカップリング光出力密度を向上させることがある。このことは、観察されるアウトカップリング光がより見やすく、又は感知しやすくなるということに言い換えられる。アレイを設計する際、前記回折格子構造体のそれぞれに、その隣接する回折格子構造体に光をインカップリングさせ、そこからアウトカップリングさせて、アウトカップリング光出力密度を最大にする点が興味深い。
【００２７】
別の実施例では、少なくとも１つの第３の型の回折格子構造体が、前記アレイに配置され、前記第３の型の回折格子構造体が、前記第１の型の回折格子構造体、又は前記第２の型の回折格子構造体のいずれかに隣接して配置される。前記第３の型の回折格子構造体は、前記入射光ビームの第３の部分を、前記導波路にインカップリングさせるように配置され、前記第３の部分は、前記導波路によって、前記第１の型の回折格子構造体、又は前記第２の型の回折格子構造体へと伝達される。前記第３の型の回折格子構造体は、前記入射光の前記第１の部分の一部、又は前記入射光の前記第２の部分の一部を、前記導波路からアウトカップリングさせるようにさらに配置され、前記アウトカップリングされた部分が、第３の光ビームを規定する。第３の光ビームは、前記第１の光ビーム又は前記第２の光ビームの光学特徴と同様の光学特徴を有する。第３の型の回折格子を基本回折格子構造体に配置することによって、デバイスの設計可能性を高めることが可能となる。
【００２８】
一実施例では、少なくとも１つの第３の型の回折格子を備える少なくとも２つの基本構造体のアレイが、導波モード共鳴デバイスに配置され、前記アレイの各基本構造体は、光を交換することによって、隣接する前記基本構造体と協働するように配置される。
【００２９】
さらなる実施例では、基本構造体は、２次元アレイとして配置することができる。前記アレイは、基本構造体の並行行を備えても、基本構造体の非並行行を備えてもよい。前記基本構造体をアレイに配置することによって、導波モード共鳴デバイスの設計自由度をさらに広げることができ、また、実施可能な用途の範囲を広げることができる。
【００３０】
別の実施例では、前記基本構造体は、少なくとも１つのさらなる光学構造体を備えることができる。前記さらなる光学構造体は、回折格子構造体でも、マイクロレンズ・アレイでもよい。一変形例では、さらなる光学構造体は、前記基本構造体に隣接して配置される。前記さらなる光学構造体は、回折格子構造体でも、マイクロレンズ・アレイでもよい。前記さらなる光学構造体を導波モード共鳴デバイスに組み込むことによって、デバイスの機能性を向上させることが可能となり、例えば、光学構造体を組み込むことによって、迷光及び／又は導波された総光強度を検証することが可能となり、したがってデバイスの機能性をチェックすることが可能となる。光学セキュリティ用途では、他の光学セキュリティ要素を、前記基本構造体に幾分近接させて組み込むことができる。そのような光学セキュリティ要素は、ホログラム、ゼロ次デバイス、モアレ、マイクロレンズ、反射又は散乱表面、光カプラ、光可変インキ、非可変インキ、又はそれらの組合せでよい。
【００３１】
一実施例では、コーティング層が、前記導波路の、前記入射光ビームに面した側に配置され、前記コーティング層は、前記導波路の少なくとも一部分上に配置される。コーティングをデバイスに適合させることは、いくつかの用途では、デバイスを保護するのに有用となり得る。一例として、このコーティングは、前記基本構造体に機械的且つ環境的堅牢性を与える光学クラッドとして設計することができる。
【００３２】
本発明はまた、本発明による導波モード共鳴デバイスを備えるガス感知デバイスに関し、前記導波モード共鳴デバイスは、前記第１の光ビーム及び／又は前記第２の光ビームのスペクトル分布が、基板、導波路、回折格子の材料、又は前記中間層若しくは前記コーティングなど、それらを取り囲む層の少なくとも１つの誘電率の変化によって改変されるように配置される。誘電率のこの変化は、前記基本構造体と接触している前記ガスの濃度変化のため、これらの材料の少なくとも１つの屈折率又は吸収係数に影響を及ぼすことができる。ガス濃度の変化による屈折率の変化の効果に基づくデバイスにより、簡易で安価、且つ迅速なガス感知デバイスを作成することが可能となる。異なる前記基本構造体、又は異なる材料によって機能性を持たせた基本構造体の異なる前記アレイの組合せによって、様々なガス感度、選択性、及び運動性を操作して、様々なガス混合物の存在を検出し、監視することが可能となる。
【００３３】
一実施例では、ガス感知デバイスは、前記第１の光ビーム及び／又は前記第２の光ビーム及び／又は前記入射光ビームの広がりを方向転換させ、及び／又は変更させるように配置された光学系を備える。このガス感知デバイスは、前記第１又は前記第２の光ビームの少なくとも一方の強度を測定する少なくとも１つの光検出器を備えることができる。本発明による導波モード共鳴デバイスをベースとしたガス感知デバイスによって、小型の受動ガス感知デバイスを実現することが可能となり、また、前記第１及び第２の光ビームのスペクトル分布の変化を瞬時に検出することによって、迅速なガス検出が実現される。
【００３４】
本発明の目的はまた、ガスを感知するための方法であって、
−  前述のガス感知デバイスを設けるステップと、
−  ガス感知デバイスの前記回折格子構造体側に光源を配置する、又は使用環境からの光源を使用するステップと、
−  導波モード共鳴デバイスの直接環境において、ガスを導入し、又はガスの濃度を変更し、前記ガスを前記回折格子構造体、及び前記導波路と接触するように配置するステップと、
−  前記第１の光ビーム、及び前記第２の光ビームのスペクトル分布の変化を目で観察し、又は少なくとも１つの光検出器を用いて検出するステップと
を含む、方法によって達成される。本発明によるガス検出方法によって、特定のガスを検出する簡易で安価、且つ迅速な手法を提供することが可能となる。そのようなガスの一例として、アンモニウムがある。本発明によるガス検出方法では、非常に基本的な光学系を使用することができ、又は、追加の光学部品なしで実施することができ、したがって前記アウトカップリング・ビームの色を単に目で観察することによってガスを検出することが可能となる。
【００３５】
本発明はまた、本発明による導波モード共鳴デバイスを備える生化学物質の生化学感知デバイスに関し、この生化学感知デバイスは、前記生化学物質と化学反応するように設計された生化学層を備える。前記生化学層は、前記導波路及び／又は前記回折格子構造体と接触するように配置され、また、前記生化学感知デバイスは、前記第１の光ビーム及び／又は前記第２の光ビームのスペクトル分布が前記生化学物質の前記生化学層との反応によって改変されるように配置される。本発明による生化学感知デバイスによって、簡易且つ安価なデバイスを作成することが可能となり、このデバイスは、使い捨てでもよい。ガス感知について開示されている、化学濃度の変化を光学挙動の変化に変換する変換機構を、別の特定の機能を用いて操作し最適化させて他の化学種を検出することができることは、当業者には自明である。
【００３６】
一実施例では、生化学感知デバイスは、固定層を備え、前記固定層は、前記生化学層を組み込むように配置される。
【００３７】
一実施例では、生化学感知デバイスの固定層は、ポリマー層、多孔質層、又はゲル層である。前記該固定層のデバイスへの適合は、前記導波路及び／又は前記回折格子構造体の光学的近傍で誘電率の変化を生じることになる特定の化学結合及び／又は物理吸着及び／又は化学反応をもたらすように設計されている。
【００３８】
本発明の生化学感知デバイスは、前記第１の光ビーム及び／又は前記第２の光ビーム及び／又は前記入射光ビームの広がりを方向転換させ、及び／又は変更させるように配置された光学系を備えることができる。
【００３９】
本発明のデバイスはまた、少なくとも１つの光検出器を備えることができる。前記光学系、及び光検出器は、本発明のガス感知デバイスにおいて実装されるものと同様でよい。光学系を前記生化学センサに適合させることによって、ポイント・オブ・ケア診断などの多種多様な実施可能構成に適合させたセンサ・プラットフォームを設計することが可能となる。
【００４０】
本発明の目的はまた、生化学物質を感知するための方法であって、
−  本発明による生化学感知デバイスを設けるステップと、
−  導波モード共鳴デバイスの前記回折格子構造体側に光源を配置する、又は生化学感知デバイスが使用される環境から利用可能な、太陽光又は人工光源でよい光源を使用するステップと、
−  前記生化学物質を、拡散、搬送、又は移動して前記生化学層と接触するように付着させるステップと、
−  前記物質と前記生化学層との間で、反応、例えば結合反応及び／又は吸着反応を引き起こすステップと、
−  前記第１の光ビーム、及び前記第２の光ビームのスペクトル分布の変化を目で観察する、又は光検出器を用いて検出するステップと
を含む、方法によって達成される。
【発明の効果】
【００４１】
本発明による生化学物質検出方法によって、特定の生化学物質を検出する簡易で安価、且つ迅速な手法を提供することが可能となる。この手法は、例えば生体監視又は診断に使用することができる。そのような生化学物質の一例として、抗体がある。本発明による生体物質検出方法では、非常に基本的な光学系を使用することができ、又は、追加の光学部品なしで実施することができ、したがって前記アウトカップリング・ビームの色を単に目で観察することによって、１つ又は複数の生体化学物質を検出することが可能となる。
【００４２】
本発明はまた、上述の前記導波モード共鳴デバイスを含むセキュリティ文書及び／又は重要文書に関する。導波モード共鳴デバイスによってアウトカップリングされた少なくとも第１の光ビーム及び第２の光ビームの色輝度によって、色コントラストが高く、様々な照明角度及び／又は観察角度によって強度及び色が変化するなどの光学可変効果を有する可視セキュリティ記号を実現することが可能となる。
【００４３】
本発明の上述の目的及び利点は、以下の詳細な説明、及び添付の図面を検討すれば当業者にはより容易に明白となろう。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】導波モード共鳴デバイスの断面図である。
【図２ａ】第１の型の回折格子構造体、及び第２の型の回折格子構造体を備える基本回折格子構造体を示す図である。
【図２ｂ】導波路と基板との間に中間層を備える基本回折格子構造体を示す図である。
【図３】導波モード共鳴デバイスのシミュレーションを示す図である。
【図４ａ】少なくとも２つの第１の型の回折格子構造体を備える基本回折格子構造体の一実施例を示す図である。
【図４ｂ】少なくとも２つの第１の型の回折格子構造体を備える基本回折格子構造体の一実施例を示す図である。
【図４ｃ】少なくとも２つの第１の型の回折格子構造体を備える基本回折格子構造体の一実施例を示す図である。
【図５】第１の型の回折格子構造体、第２の型の回折格子構造体、及び第３の型の回折格子構造体を備える別の基本回折格子構造体を示す図である。
【図６】それぞれが第１の型の回折格子構造体、及び第２の型の回折格子構造体を備える、２つの協働する基本構造体の直線アレイを示す図である。
【図７ａ】それぞれが３つの異なる型の回折格子構造体を備える、２つの協働する基本構造体の直線アレイを示す図である。
【図７ｂ】それぞれが３つの異なる型の回折格子構造体を備える、２つの協働する基本構造体の直線アレイを示す図である。
【図８ａ】基本回折格子構造体の一構成を示す図である。
【図８ｂ】基本回折格子構造体の一構成を示す図である。
【図８ｃ】基本回折格子構造体の一構成を示す図である。
【図９】基本回折格子構造体の２次元アレイを示す図である。
【図１０】基本回折格子構造体の直線アレイを備える導波モード共鳴デバイスの上面図である。
【図１１】導波モード共鳴デバイスを備えるガス感知デバイスを示す図である。
【図１２】導波モード共鳴デバイスを備える生化学センサを示す図である。
【図１３】導波モード共鳴デバイスを備えるセキュリティ要素を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
共鳴導波路回折格子（ＲＷＧ：ｒｅｓｏｎａｔｉｎｇ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｇｒａｔｉｎｇ）は、漏れモード・フィルタ（ｌｅａｋｙ  ｍｏｄｅ  ｆｉｌｔｅｒ）、又は導波モード共鳴フィルタ若しくは導波モード共鳴デバイスとも呼ばれ、文献に詳述されている。これらのデバイスの機能原理は、導波路回折格子構造体内で生じ得る共鳴現象に基づく。共鳴導波路回折格子は、サブ波長回折格子と薄膜導波路との組合せからなる。サブ波長回折格子は、導波路のインカップリング（ｉｎｃｏｕｐｌｉｎｇ）回折格子として働く。共鳴は、回折格子によって回折された入射光の一部分が、導波路のモードに整合すると生じる。回折格子に当たった入射光のスペクトルの大部分は導波路にカップリングされないので、反射及び／又は透過において強いスペクトル変化を観察することができる。共鳴効果については、その理論的説明及び応用例がこれまで広範に説明されてきており、本明細書でさらに解説することはない。本主題の関連情報については、以下の参照文献に見ることができる。
−  Ｈｅｓｓｅｌ及びＯｌｉｎｅｒのＡｐｐｌ．Ｏｐｔｉｃｓ、第４巻、１２７５〜１２９７頁、１９６５
−  Ｒ．Ｆ．Ｄｅｌｍｄａｈｌ等、「Ｓｐｅｃｔｒａｌ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｇｒａｔｉｎｇ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ」Ｍａｔ．Ｗｉｓｓ．ｕ．Ｗｅｒｋｓｔｏｆｆｔｅｃｈｃ．、第３８巻３号、２００７
−  Ｄ．Ｒｏｓｅｎｂｌａｔｔ等、「Ｒｅｓｏｎａｔｉｎｇ  ｇｒａｔｉｎｇ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」、ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、第３３巻１１号、２０３８〜２０５９、１９９７
−  Ａ．Ｓｈａｒｏｎ等、「Ｒｅｓｏｎａｔｉｎｇ  ｇｒａｔｉｎｇ−ｗａｖｅｇｕｄｉｅ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｆｏｒ  ｖｉｓｉｂｌｅ  ａｎｄ  ｎｅａｒ−ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ」、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．、第１４巻１１号、２９８５〜２９９３頁、１９９７
【００４６】
本発明の導波モード共鳴デバイス１の好ましい実施例を、図１に示す。前記好ましい実施例の構成は、以下の基本構成、すなわち
−  光ビーム４０を受光するように適合された入射光表面を備え、前記入射光表面がまた、入射表面として規定され、基板平面としても規定される、基板１０と、
−  前記基板１０上に配置され、光ビームを受光するように適合され、２つの異なる回折周期を有する少なくとも２つの異なる回折格子構造体を備え、前記２つの異なる回折格子構造体が、第１の型の回折格子構造体２２、及び第２の型の回折格子構造体２４として規定される、基本回折格子構造体と、
−  導波路３０としても規定される、前記基本回折格子構造体２上に配置された導波路層３０であって、前記２つの異なる回折格子構造体によって、前記導波路３０にカップリングされた光の少なくとも一部分を導波するように構成された、導波路層３０と
を備える。
【００４７】
分かりやすいように、ｘ、ｙ、及びｚ方向を以下のように規定する。ｚ方向は、垂直方向であり、前記入射表面に垂直として規定する。ｘ方向は、実質的に進行方向４であるとして規定し、前記導波路層３０にカップリングされた光の誘導方向（ｇｕｉｄａｎｃｅ）としても規定し、ｙ方向は、導波路３０の平面において、ｘ方向に垂直な方向として規定する。ｙ方向は、回折パターンとしても規定される回折ラインの方向に実質的に対応し、これについてはさらに規定する。ｚ方向に規定される導波路厚さは非常に小さいため、ｘ−ｙ平面が基板平面を実質的に規定している。前記ｘ、ｙ、ｚ方向を図１に示す。
【００４８】
入射光ビーム４０はまた、入射光４０として規定され、可視光、近赤外光、赤外光、又は紫外光、又はこれらの波長範囲の組合せでよい。「可視」という用語は、本明細書では、４００ｎｍから６８０ｎｍの間の波長を有する光を意味し、「近赤外」とは、６８０ｎｍから２μｍの間の波長を有する光を意味し、「赤外」は２μｍよりも大きい波長を有する光を意味し、「紫外」光は、４００ｎｍよりも低い波長を有する光を意味する。
【００４９】
基板１０は、好ましくは実質的に均質な層であり、好ましくはガラス基板１０又はより好ましくはポリマー基板１０である。最終的には、基板１０は、それだけに限られるものではないが、接着層、バリア膜層、又は保護コーティングなどの追加の層を含むことができる。基板１０は、剛性基板１０でも、可撓性箔基板１０でもよい。基板１０の厚さは、５ミクロンから２０ｍｍの間でよく、０．５ｍｍから３ｍｍの間が好ましい。前記基板１０は、前記入射光ビーム４０の少なくとも一部分に対して透過性でなくてもよい。基板１０の屈折率は、導波路３０の屈折率よりも少なくとも０．０５低い値を有する。
【００５０】
好ましい実施例では、前記回折格子構造体は、前記基板１０の前記入射表面に直接配置される。前記回折格子構造体は、好ましくは、それだけに限られるものではないが、エンボス技術、又は紫外キャスティング技術、又はドライ反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ：ｄｒｙ  ｒｅａｃｔｉｖｅ  ｉｏｎ  ｅｔｃｈｉｎｇ）−反応性エッチング技術によって実現することができ、それによって基板１０の前記入射光表面の構造化が得られる。前記第１の型の回折格子構造体２２、及び前記第２の型の回折格子構造体２４は、前記回折格子構造体に入射した光をカップリングさせるように配置された、回折格子要素としても規定される回折格子パターンを備える。前記回折格子要素は、実質的にバイナリ及び／又は正弦波及び／又はサイクロイド回折格子要素でよい。前記第１の型の回折格子構造体２２と、前記第２の型の回折格子構造体２４とは、異なる実効回折格子周期を有する異なる型の回折格子構造体である。実効周期は、ｘ方向の周期として規定することができる。以下のパラメータをやはり、異なる回折格子型で適合させてもよい。
−  回折パターンの最も高い点と最も低い点との間で規定され、サブ波長寸法を有する回折格子深さ（ｄ）
−  サブ波長寸法を有する回折格子要素の幅（ｗ）
−  回折格子要素の深さと幅との比率ｄ／ｗとして規定されるフィーチャ・サイズ
−  入射光ビーム４０と、前記回折格子要素によって回折された光ビームとによって、ｘ−ｚ平面において規定される規定される回折格子要素のプロファイル
−  基板１０の表面のｘ−ｙ平面における回折格子のパターンの形状
−  ｘ−ｙ平面における回折格子の向き
【００５１】
ｘ−ｙ平面において導波路３０に対して異なる向きを有する２つの類似した回折格子では、導波路３０内の伝播方向（ｘ方向）に関する実効周期が互いに異なるので、これらの２つの類似した回折格子もやはり、本願では異なる型の回折格子として規定する。前記第１の型の回折格子構造体と、前記第２の型の回折格子構造体とは、前記導波路３０内部での光ビームの伝播方向に沿って、必ず異なる実効回折格子周期を有する。これは、２つの型の回折格子に異なる周期を持たせる、又は実質的に同じ周期を有するが、ｘ−ｙ平面において、前記導波路層３０に入る光の誘導方向としても規定される、実質的に進行方向である前記ｘ方向に対して異なる回折格子向きを持たせることによって実現することができる。この条件は、第１の光ビーム４２、及び第２の光ビーム４４が、入射光４０ビームに対して、垂直又はｚ方向に関して非対称の角度で、又は前記入射光４０ビームに対して平行でなく、アウトカップリングされるということに言い換えられる。
【００５２】
一例として、可視光の用途では、回折格子の格子深さは、５ｎｍから３００ｎｍの間、好ましくは１０ｎｍから６０ｎｍの間である。格子深さ、及び格子周期は、導波路３０にインカップリングすべき波長範囲について、中程度から高度のカップリング効率が達成されるように選択されたサブ波長寸法を有する。中程度のカップリング効率によって、光４を、前記共鳴導波路回折格子２２に搬送し、効率が良すぎる形でアウトカップリングさせるのではなく、さらに遠くまで前記導波路３０中を伝播させることが可能となる。共鳴導波路回折格子２２の領域内の搬送距離が遠距離であるため、導波路３０にカップリングされた光をより強力に色フィルタリング又は波長フィルタリングすることが可能となる。
【００５３】
前記第１の型の回折格子構造体２２、及び前記第２の型の回折格子構造体２４はそれぞれ、上記で詳述したｘ方向及び／又はｙ方向に規定される寸法が異なってもよい。
【００５４】
前記第１の型の回折格子構造体２２、及び前記第２の型の回折格子構造体２４は、回折効率、及び光の導波路３０へのインカップリングを向上させるように企図されたコーティングを備えることができる。前記コーティングは、多層コーティングでもよい。
【００５５】
前記第１の型の回折格子構造体２２及び／又は前記第２の型の回折格子構造体２４を実現する方法に関する詳細を得るには、本出願人が出願した特許出願ＰＣＴ／ＥＰ２０１３／０６５６３１を参照することができる。前記第１の型の回折格子構造体２２、及び前記第２の型の回折格子構造体２４を実現する方法は、ＰＣＴ／ＥＰ２０１３／０６５６３１に開示されているものに限られない。特許出願ＰＣＴ／ＥＰ２０１３／０６５６３１において論じられている構造体は、大規模マルチモード導波路へのカップリングに最適化されているが、本明細書では、モノモード導波路、バイモード導波路、トリモード導波路を主に対象としていることに留意されたい。４モード以上のマルチモード導波路もやはり、可能である。
【００５６】
導波路３０としても規定される、前記導波路層３０はまた、好ましくは、前記第１の型の回折格子構造体２２、及び前記第２の型の回折格子構造体２４の前記回折格子要素上に堆積させた導波路コーティングであり、基板１０の表面の、前記第１の型の回折格子構造体と、前記第２の型の回折格子構造体２４とを分離している部分上にも堆積又は配置してもよい。前記第１の型の回折格子構造体２２と、第２の型の回折格子構造体２４とは、互いに隣接してもよい。前記導波路層３０は、前記第１の型の回折格子構造体２２、及び前記第２の型の回折格子構造体２４上に配置され、したがって入射光４０の、前記第１の型の回折格子構造体２２、及び第２の型の回折格子構造体２４に当たった部分が、導波モード共鳴デバイス１の導波路３０にカップリングされることになる。前記導波路３０の材料は、ＴｉＯ２、又はＨｆＯ２、又はＴａ２Ｏ５、又はＺｒＯ２、又はＡｌＮ、又はＡｌ２Ｏ３、又はＺｎＯ、又はＳｉＯ２、又は真性Ｓｉ、又はドープＳｉ、又はＳｉ３Ｎ４、又はＭｇＦ２、又はＣａＦ２、又はＭｇＯ、又はそれらの組合せを含む群から選択することができる。前記導波路層３０は、ｙ方向に規定される幅が、前記回折格子要素のやはりｙ方向に規定される幅と実質的に同じである。前記導波モード共鳴デバイス１のアレイが図９にさらに示すように基板１０上にパターニングされている場合、前記導波路３０は、ｙ方向において、回折格子構造体よりも大きくてもよく、基板１０の表面全体に延在させてもよい。前記幅は、典型的には１０μｍから１００ｍｍであり、好ましくは５０μｍから１０００μｍである。ｚ方向に規定される前記導波路３０の厚さは、前記導波路３０にインカップリングすべき光の波長に依存し、典型的には、それだけに限られるものではないが、１０ｎｍから１０００ｎｍである。前記導波路３０は、実質的にストリップ形状を有することができる。導波路３０は、ｘ−ｙ平面において規定される形状が、直線の導波路３０でも、湾曲した導波路３０でもよい。導波路３０は、ｘ−ｙ平面において規定される形状が、Ｌ型など、より複雑な形状でもよい。導波路３０は、十字導波路３０として配置してもよく、その場合、導波路構成は実質的にＸ型を有し、各導波路３０は少なくとも第１の型の回折格子構造体、及び第２の型の回折格子構造体２４を備える。
【００５７】
前記第１の型の回折格子構造体２２、及び前記第２の型の回折格子構造体２４の前記回折格子パラメータは、有利には、前記第１の型の回折格子構造体２２、及び前記第２の型の回折格子構造体２４がそれぞれ、前記入射光ビーム４０の異なる部分を前記導波路３０にカップリングさせるように選択される。前記第１の型の回折格子構造体２２は、入射光４０の第１の部分３２を前記導波路３０にインカップリングさせ、前記第２の型の回折格子構造体２４は、入射光４０の第２の部分３４を前記導波路３０にインカップリングさせる。前記第１の部分３２、及び前記第２の部分３４は、実質的に同じ強度を有することができるが、必ずしもそうである必要はない。いくつかの用途では、前記第１の部分３２の導波光出力と、前記第２の部分３４の導波光出力とでは、２倍、さらにはそれよりも多く、例えば１０倍異なってもよい。第１の型の回折格子構造体２２は、前記入射光ビーム４０の前記第２の部分３４のアウトカップリング部分を前記導波路３０からカップリング・アウトさせるように配置され、前記アウトカップリング部分が、第１の光ビーム４２を規定し、第２の型の回折格子構造体２４は、前記入射光ビーム４０の前記第１の部分３２のアウトカップリング部分を前記導波路３０からカップリング・アウトさせるように配置され、前記アウトカップリング部分が、第２の光ビーム４４を規定する。本明細書では、連絡（ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）という用語は、以下では、ある型の回折格子によって導波路３０の別の位置でインカップリングされた光ビームの一部が、別の型の回折格子によって導波路３０からアウトカップリングされることとして定義される。連絡という用語はまた、２つの異なる型の回折格子がそれぞれ、前記２つの異なる型の回折格子の他方によってインカップリングされた光のアウトカプラとなる場合も含む。前記第１のビームと第２のビームの光出力密度は、好ましくは実質的に同じであるが、異なってもよい。前記第１の光ビーム４２は、前記第２の光ビーム４４とは異なるスペクトル分布を有する。
【００５８】
前記第１の光ビーム４２、及び前記第２の光ビーム４４はそれぞれ、好ましくは前記入射角度とは１０°超で異なるアウトカップリング角度を有する。一変形例では、前記第１のビーム４２及び／又は前記第２のビームの口径は、１０°よりも小さく、好ましくは５°未満、より好ましくは２°未満である。
【００５９】
第１の光ビーム４２、及び第２の光ビーム４４は、入射ビーム角度、及び考慮される波長範囲に依存した角度で前記導波モード共鳴デバイスから伝播して出ることになる。前記第１の部分３２、及び第２の部分３４は、ある特定の波長範囲について、前記第１の型の回折格子構造体２２、前記第２の型の回折格子構造体２４の回折格子パラメータ、並びに導波路３０の材料及び厚さを選択し、最適化させることによって決まる。前記選択及び最適化は、導波モード共鳴デバイス１の用途、及び導波モード共鳴デバイス１を用いて実現される所望の光効果に応じて実施される。
【００６０】
図３は、以下のパラメータを有する導波モード共鳴デバイス１の共鳴位置のシミュレーション結果を示す図である。
−  第１の型の回折格子構造体の格子周期：２７０ｎｍ
−  第２の型の回折格子構造体の格子周期：３５０ｎｍ
−  格子深さ：４０ｎｍ
−  導波路厚さ（ｚ方向）：１００ｎｍ
−  導波路の屈折率：２．４
−  基板１０の屈折率：１．５
−  回折格子構造体の入射光４０側のガス（空気）の屈折率：１
−  基板垂線からのインカップリング角度：３３°
【００６１】
図３は、入射が３３°、格子周期が２７０ｎｍ及び３５０ｎｍの回折格子について、上述の構造体のカップリング共鳴の位置を示している。
【００６２】
光は、第１の型の回折格子２２によって以下の中心波長付近で導波路３０にインカップリングされ、第２の型の回折格子２４によって以下の角度付近でアウトカップリングされる。
−  ＴＭでは４５０ｎｍの−１次回折で、出力角度が１１°
−  ＴＥでは５１５ｎｍの−１次回折で、出力角度が８°
光は、第２の型の回折格子２４によって以下の中心波長付近で導波路３０にインカップリングされ、第１の型の回折格子２２によって以下の角度付近でアウトカップリングされる。
−  ＴＭでは５６５ｎｍの＋１次回折で、出力角度が４°
−  ＴＥでは６３５ｎｍの＋１次回折で、出力角度が０°
【００６３】
この実例では、光は、光源から、入射光ビーム４０による照明によって、第１の型の回折格子２２、及び第２の型の回折格子２４それぞれの２つの異なる波長で導波モード共鳴デバイス１に３３°の角度でインカップリングされ、各型の回折格子で、ＴＥ偏光及びＴＭ偏光のそれぞれについて、ある共鳴が生じ、他方の型の回折格子に伝播することになる。回折次数の符号は、第１の型の回折格子２２では負であり、第２の型の回折格子２４では正であり、このため導波路３０にインカップリングされる光ビームは反対方向に伝播することが可能となる。所与の照明方向について、第１の型の回折格子２２と、第２の型の回折格子２４とを互いに左右に正しく配置すると、導波路３０内の伝播モードは、逆の型の回折格子に到達し、第１及び第２の光ビームとしてアウトカップリングされることになる。これらの４つのカップリング・モードは、それぞれが固有の偏光を有する他方の型の回折格子によって、導波路３０から様々な角度でアウトカップリングされることになる。一実例として、第１の型の回折格子２２によってカップリングされるＴＥ−１次回折光は、第２の型の回折格子２４によって、５１５ｎｍを中心としたスペクトル帯域幅で約８°でアウトカップリングされることになる。
【００６４】
前記第１の型の回折格子構造体２２と、前記第２の型の回折格子構造体２４とは、互いに隣接して配置しても、図２ａに示すように、前記導波路３０の一部分だけ分離させて配置してもよく、前記一部分は、分離区画３５として規定され、前記分離区画３５は、前記回折格子構造体に連結している。前記分離区画３５の長さの選択は、用途に依存する。導波モード共鳴デバイス１を感知の用途に使用する場合、前記分離区画３５は、導波路３０によって導波される波のエバネッセント部分と、前記導波路３０と接触している直接環境との相互作用を高めることが可能となるように、できる限り広く選択される。分離区画３５の長さは、所望の感度と、前記第１のビーム、及び前記第２のビームの表面積当たりの光出力密度との間で折合いが付くように選択され、表面積当たりの光出力密度は、導波路に沿った光損失による影響、及び基本回折格子構造体の個数による影響を受ける。前記折合いは特定の用途に依存する。
【００６５】
前記分離区画３５の典型的な長さは、５μｍから５ｍｍ、好ましくは２０μｍから０．５ｍｍである。前記分離区画３５の長さは、例えば、面積単位当たりのアウトカップリング出力密度が、主要な所望の光学特性となるセキュリティ・デバイスの用途の場合、実質的にゼロでよい。その場合、前記回折格子構造体は、実質的に互いに隣接して配置され、導波路３０によって連結され、導波路３０のｘ方向における長さは、実質的に、ｘ方向に規定される第１の型の回折格子構造体２２の長さと第２の型の回折格子構造体２４の長さとの合計となる。
【００６６】
前記第１の型の回折格子構造体２２、及び前記第２の型の回折格子構造体２４の光伝播方向、すなわち実質的にｘ方向における好ましい寸法は、３μｍから２ｍｍの間、好ましくは２０μｍから０．５ｍｍの間であり、考慮される波長範囲に依存する。前記入射光ビーム４０の伝播方向に垂直に規定される、前記入射光ビーム４０の断面は、前記導波モード共鳴デバイス１の前記入射表面で、前記第１の型の回折格子構造体２２、及び前記第２の型の回折格子構造体２４を完全に、又は部分的に覆うことができる。入射光ビーム４０は、前記第１の型の回折格子構造体２２、及び前記第２の型の回折格子構造体２４を少なくとも部分的に覆う単一の光ビームでよい。入射光ビーム４０は、少なくとも第１の入射光ビーム部分と、第２の入射光ビーム部分とを含むことができ、前記入射光ビーム部分はそれぞれ、前記第１の型の回折格子構造体２２、又は前記第２の型の回折格子構造体２４を少なくとも部分的に照明する。
【００６７】
入射光ビーム４０の断面直径は、導波モード共鳴デバイス１の特定の構成に依存し、典型的には０．１ｍｍから３０ｍｍ、好ましくは１０ｍｍから２００ｍｍである。入射光ビーム４０は、実質的にコリメート光源によって供給しても、拡散光源によって供給してもよい。光源は、いくつかの光源を備えてもよい。
【００６８】
不透明層と、入射光ビーム４０のスペクトルの一部について入射光４０を少なくとも部分的に遮蔽するように企図された少なくとも１つの開口とを備えるマスクを、導波モード共鳴デバイス１の表面に配置することができる。前記マスクは、前記第１の型の回折格子構造体２２、及び前記第２の型の回折格子構造体２４、及び／又は前記導波路３０に面した少なくとも１つの開口を含むことができる。前記マスクは、光学フィルタと組み合わせることができる。前記マスクは、迷光の少なくとも一部分を低減させるように配置することができる。光学フィルタを、前記導波モード共鳴デバイス１上に配置してもよい。前記光学フィルタは、前記マスクと組み合わせてもよい。
【００６９】
別の実施例では、前記基本回折格子構造体２は、図４ａ、ｂ、ｃに示すように、少なくとも２つの第１の型の回折格子構造体を備えることができる。図４ａ、ｂに示す好ましい変形例では、前記第２の型の回折格子構造体２４は、前記２つの第１の型の回折格子構造体２２間に配置される。図４ａ、ｂの前記好ましい変形例では、入射ビーム４０の第１の部分３２が、第１の型の回折格子構造体２２の少なくとも一方によってインカップリングされ、この第１の部分３２の少なくとも一部が、前記第２の型の回折格子構造体２４によってアウトカップリングされる。前記好ましい変形例では、入射ビーム４０の第２の部分３４が、第２の型の回折格子構造体２４によってインカップリングされ、この第２の部分３４の少なくとも一部が、前記第１の型の回折格子構造体２２の一方によってアウトカップリングされる。図４ａ、ｂに示す前記好ましい変形例では、前記２つの第１の型の回折格子構造体２２の１つは、アウトカプラとして配置され、一方、前記２つの第１の型の回折格子構造体２２の２つ目は、インカプラとして配置される。
【００７０】
図４ａ、ｂの実施例の一変形例では、図４ｃに示すように、前記２つの第１の型の回折格子構造体２２の１つを、前記第２の型の回折格子構造体２４と、前記第１の型の回折格子構造体２２の２つ目との間に配置してもよい。
【００７１】
前記第１の型の回折格子２２と、前記第２の型の回折格子２４との間での光の交換、すなわち協働は、図４ａ、ｂ、ｃに示すように、導波路３０の同じ伝播方向で行っても、２つの逆向きの方向で行ってもよい。
【００７２】
図５に示すさらなる実施例では、基本回折格子構造体のアレイに、３つ以上の異なる型の回折格子構造体を配置してもよい。図５は、第１の型の回折格子構造体２２、第２の型の回折格子構造体２４、及び第３の型の回折格子構造体２６を備える基本回折格子構造体を示している。図５の導波モード・デバイスは、３つの異なる光ビーム４２、４４、４６をカップリング・アウトさせる。前記光ビーム４２、４４、４６はそれぞれ、異なる色を有してもよく、また、それぞれが異なるビーム形状を有してもよい。
【００７３】
図６は、別の実施例を示し、ここでは、図２の実施例の少なくとも２つの基本回折格子構造体が、導波モード共鳴デバイス１の直線アレイとして配置されている。
【００７４】
図７ａ、ｂに示す別の実施例では、段落［００６９］で規定され、図５に示す、少なくとも２つの基本回折格子構造体が、直線アレイとして配置されている。図７ａ、ｂの実施例では、前記少なくとも２つの回折格子構造体は、２つの異なる型の回折格子構造体間での光の交換によって協働する。前記２つの異なる型の回折格子構造体は、単一の基本回折格子構造体２の内部で互いに協働しても、及び／又は少なくとも２つの分離した基本構造体に配置された２つの異なる型の回折格子構造体が協働してもよい。２つの異なる型の回折格子構造体間の協働は、前記回折格子構造体が、少なくとも別の回折格子構造体２よって分離された２つの基本回折格子構造体２内に配置される場合でも、実施することができる。
【００７５】
図８ａ、ｂ、ｃは、基本回折格子構造体２の直線アレイの例示的ないくつかの配置を示している。アレイの全ての基本回折格子構造体が、各基本回折格子構造体において、同じ回折格子構造体配置を有している必要はない。
【００７６】
図８ａには、例えば、２つの基本回折格子構造体がそれぞれ、Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３としてそれぞれ規定された第１の回折格子構造体２２、第２の回折格子構造体２４、及び第３の回折格子構造体２６を備えるアレイが示されている。図８ａの例では、第１の基本回折格子構造体のＧ１、Ｇ２、Ｇ３によってインカップリングされた光は、第２の基本の回折格子構造体のＧ１、Ｇ２、Ｇ３によってそれぞれアウトカップリングされる。図８ｂ、及び図８ｃは、図８ａの代替配置を示し、ここではＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４としてそれぞれ規定され示された４つの異なる型の回折格子が、アウトカプラ及び／又はインカプラとして配置されている。図８ｂは、例示的ないくつかのアウトカップリング光ビーム４２、４４、４６を示している。基本回折格子構造体２の実施可能な組合せの数、及び基本回折格子構造体のアレイ内の前記基本回折格子構造体内に配置される回折格子構造体の型の数は、図８に示す例に限られるものではないことは自明である。
【００７７】
別の実施例では、基本回折格子構造体の直線アレイは、隣接する基本回折格子構造体間に配置された少なくとも追加の回折格子構造体２５を含むことができる。これは、図８ｂに示されている。前記追加の回折格子構造体は、前記基本回折格子構造体２の回折格子構造体とは別の型のものでもよい。一変形例では、隣接する２つの基本回折格子構造体２間に、少なくとも１つのマイクロレンズ・アレイを配置することができる。別の実施例では、基本回折格子構造体２は、少なくとも１つのマイクロレンズ・アレイを含むことができる。前記マイクロレンズ・アレイは、基本回折格子構造体２に隣接して配置することができる。一変形例では、基本回折格子構造体２は、前記基本の回折格子構造体２の他方の回折格子構造体と協働しない、追加の回折格子構造体を備えてもよい。前記追加の回折格子構造体は、例えば、導波路３０から光をカップリング・アウトさせ、迷光が存在するかどうかを判定する働きをし、それによって導波モード共鳴デバイス１が損傷しているかどうかを判定することが可能であり、又は強度参照の目的で働くことができる。前記追加の回折格子構造体及び／又は前記マイクロレンズ・アレイを導波モード共鳴デバイス１の回折格子構造体及び／又は導波路３０に配置することによって、導波モード共鳴デバイス１に、追加の機能性を持たせることができる。
【００７８】
本発明の別の実施例では、中間層を、基板１０と回折格子構造体との間に配置することができる。前記中間層の屈折率は、導波路層３０の屈折率よりも０．０５高い。別の実施例では、回折格子構造体は、前記導波路構造体３０に埋め込むことができる。さらなる実施例では、導波路構造体３０を、前記基板１０上に配置し、前記回折格子構造体を前記導波路３０上に配置してもよい。共鳴導波路３０デバイスの実現を可能とする、基板１０、導波路３０、及び回折格子構造体の実施可能な配置の数は、当業者には周知であり、本明細書でさらに発展させることはない。
【００７９】
さらなる実施例では、コーティング層を、導波モード共鳴デバイス１の入射光４０側に配置することができる。前記コーティングは、デバイスの操作のため生じ得る損傷を回避する保護コーティングでよい。前記コーティングは、多層コーティングでもよい。
【００８０】
一実施例では、基本回折格子構造体は、図９に示すように２次元アレイとして配置してもよい。上述のアレイ状の基本回折格子構造体の様々な配置は全て、前記２次元アレイとしても実施可能である。異なる第１の光ビーム４２と、第２の光ビーム４４とを組み合わせて、より複雑なアウトカップリング・ビームにするために、特殊な光学的配置によって、前記２次元アレイのある行から別の行へとアウトカップリングされた光ビームと、ある列から別の列へとアウトカップリングされた光ビームとの混合を可能とすることができる。一実施例では、前記２次元アレイは、追加の回折格子構造体を備えることができる。基本回折格子構造体２ｓの２次元配置は、セキュリティ・デバイス１３０の分野において特に有用であり、これについてはさらに説明する。
【００８１】
本発明によれば、特定の状況では、導波モード共鳴デバイス１は、導波モード共鳴デバイス１の各側部に少なくとも１つの光源が位置する、少なくとも２つの光源が存在する場合に対処するように配置することができる。
【００８２】
本発明による導波モード共鳴デバイス１の作製は容易であり、例えばロール・ツー・ロール法によって作製される。一方、本発明による導波モード共鳴デバイス１を、特に偽造防止、及びセキュリティ用途の対象として設計し、考案するのに必要となる技術は、かなり複雑で、費用がかかる。
【００８３】
図１０は、第１の型の回折格子の直線アレイと、第２の型の回折格子の直線アレイとを、連続する導波路３０によって連結し、互いの型間で連絡させた状態で備える例示的な導波モード共鳴デバイス１の典型的な実現を示す。
【００８４】
導波モード共鳴デバイス１の実施可能な用途の数、及び種類は、極めて広くなり得る。例えば、本デバイスは、ガス感知デバイス、生化学センサとして、又はセキュリティ検知システム及びデバイスとして実装することができ、これらについてさらに概説する。導波モード共鳴デバイス１はまた、装飾要素として、光電池の要素としても使用することができる。導波モード共鳴デバイス１が配置されるデバイス又はシステムは、ｍｍからｃｍの範囲の典型的寸法を有することができるが、用途によっては、典型的寸法は、メートルの範囲となることもある。デバイス又はシステムに配置することのできる、導波モード共鳴デバイス１の数に制約はない。
【００８５】
本発明はまた、上述の導波モード共鳴デバイス１を備えるガス感知デバイス１００に関する。前記ガス感知デバイス１００は、前記ガスの濃度が変化したときの、本発明の導波モード共鳴デバイス１の導波路３０によって導波された波のエバネッセント部分の吸収変化に基づく。図１１に示す前記ガス感知デバイスは、導波路３０の部分３５によって、すなわち前記分離区画３５によって分離された少なくとも第１の型の回折格子構造体２２、及び第２の型の回折格子構造体２４を備える。前記部分３５の長さは、検出すべきガスの種類に適合される。好ましくは、化学的感度の高い染料薄層を、前記導波モード共鳴デバイス１の少なくとも導波路３０に配置する。導波路３０のその部分によって、前記導波路３０によって導波された波のエバネッセント部分が、前記化学的感度の高い染料層と相互作用することが可能となる。前記化学的感度の高い染料層と直接接触した状態で存在する、又は流れるガスは、この化学的感度の高い染料層による、前記エバネッセント波の吸収に変化を生じることになる。この吸収は、導波モードの共鳴によって強く増幅される。前記吸収が変化すると、デバイスのアウトカップリング光ビームのスペクトル分布が変化することになり、容易に検出することができる。このようにして生成された色効果は、非常に目に見える効果であり、というのは、目は、前記アウトカップリング光ビームの色の相対変化に非常に敏感であるからである。スペクトル分布の変化も当然ながら、光検知システムによって検出することができ、これについてさらに説明する。
【００８６】
本発明によるガス感知デバイス１００の例示的な構成を、図１１に示す。図１１の実施例のガス感知デバイスは、光源１０１、及び導波モード共鳴デバイス１を備える。この導波モード共鳴デバイスは、選択された横方向寸法１０２と、アウトカップリング・ビーム広がり１０４、１０６とを有し、これらの広がりはそれぞれ、このデバイスの前記基本回折格子構造体によって、アウトカップリングされた異なる光ビームの一部が、観測者の目の方へと収束することができるように設けられている。
【００８７】
一実施例では、前記ガス感知デバイス１００は、導波モード共鳴デバイス１のアウトカップリング・ビームを、好ましくは検出器アレイを備える検出器システムに方向転換させる光学系を備える。
【００８８】
本発明の目的は、上述のガス感知デバイス１００を使用することによって、ガス、又はガス濃度の変化を検出する方法によってさらに達成される。この方法は、
−  上述のガス感知デバイス１００を設けるステップと、
−  ガス感知デバイス１００の前記回折格子構造体側に光源を配置するステップと、
−  前記光源と、導波モード共鳴デバイス１との間に、ガスを導入する、又はガス濃度を変化させ、前記ガスを前記回折格子構造体、及び前記導波路３０と接触するように配置するステップと、
−  前記第１の光ビーム４２、及び前記第２の光ビーム４４のスペクトル分布の変化を目で観察する、又は光検出器を用いて検出するステップと
を含む。
【００８９】
本発明はまた、上述の導波モード共鳴デバイス１を備える生化学感知デバイス１２０に関する。化学センサ、及び生化学センサは、日常生活においてますます重要になってきている。いかなる化学汚染若しくは危険な化学物質、及び／又は生命に害を及ぼし得る生物学的物質についても人々に警告することができる視覚センサに特に関心が持たれている。そのような生化学物質に曝されると色が変化する様々な化学システム、例えば、液体の酸性度が変化すると色が変わるｐＨ検出紙が、市販されている。また、例えば、パッケージ済み食品の安全性を検出する簡易で安価なセンサにもやはり、関心が持たれている。純粋な化学手法に基づいた検出デバイスの主な欠点は、感度が低く、光学的な見た目の変化が小さいことである。本発明の生化学感知デバイスは、こうした制約の改善を可能とする。本発明の生化学感知デバイス１２０は、導波モード共鳴デバイスの前記アウトカップリング・ビームのスペクトルの変化に基づき、こうした変化は、生化学反応が導波モード共鳴デバイス１の導波路３０の表面で起こるときの、本発明の導波モード共鳴デバイス１のモード共鳴の改変に起因する。例えば、屈折率を変えることによって、導波モード共鳴の共鳴条件が変化し、したがってデバイスのアウトカップリング光ビームのスペクトル分布が変化する。また、本発明の導波モード共鳴デバイス１の導波路回折格子３０の共鳴を用いると、エバネッセント波と、生化学反応が生じる生化学層との相互作用のため、前記導波路３０の導波された波のエバネッセント部分の吸収変化の視覚的効果を強調することができる。前記生化学感知デバイスの前記分離区画３５を長く選択することにより、導波モード共鳴デバイスの導波路３０に配置された薄層内での光吸収を大幅に増幅させることができる。吸収される光の量は、前記エバネッセント波の局所場の振幅、生化学反応による固有の吸収変化、及び前記エバネッセント波と相互作用する物質の容量に依存する。
【００９０】
図１２に示す一実施例では、前記生化学感知デバイス１２０は、導波路３０の表面に配置された生化学層１２１を備える。前記生化学層に付着した物質は、前記生化学層１２１と反応し、反応を生じることができ、したがって導波路３０内の伝播光４のエバネッセント場は、前記生化学層の屈折率の変化のため、部分的に吸収されるか、又は前記エバネッセント波の伝播特性が変化する。前記吸収及び／又は前記屈折率の変化によって、導波モード共鳴デバイス１の共鳴条件が変化する。前記共鳴条件のいかなる変化も、前記少なくとも第１の光ビーム、及び第２の光ビーム４４のスペクトル特徴を改変させ、それによって生化学反応を検出することが可能となる。固定層を、導波モード共鳴デバイス１の、特に、導波路３０の一部分を備える表面の一部分に配置することができる。前記固定層は、生化学層の、前記導波路３０上に実質的に位置する検出面積への接着を向上させることができる。一実施例では、ポリマー層を、生化学層１２１と導波路３０との間に配置することができる。一変形例では、ジェルを配置してもよい。前記生化学層又は生化学物質を、前記ジェルに配置しても、そこに組み込んでもよい。
【００９１】
一実施例では、生化学感知デバイス１２０は、導波モード共鳴デバイス１のアウトカップリング・ビームを方向転換させる光学系を備える。そのような構成は、図１１に示す構成と同様でよい。
【００９２】
本発明はまた、生化学物質を感知するための方法であって、
−  上述の生化学感知デバイス１２０を設けるステップと、
−  導波モード共鳴デバイス１の前記回折格子構造体の入射側に光源を配置するステップと、
−  前記生化学物質を前記生化学層と接触するように配置して、前記物質と前記生化学層との間で反応を引き起こすステップと、
−  前記第１の光ビーム４２、及び前記第２の光ビーム４４のスペクトル分布の変化を目で観察する、又は光検出器及び適切な計算手段を用いて検出するステップと
を含む、方法に関する。
【００９３】
本発明のもう１つの目的は、上述の導波モード共鳴デバイス１を備えるセキュリティ・デバイス１３０によって達成される。前記セキュリティ・デバイス１３０は、目で観察したときに、明るい色を有する少なくとも２つのビームを発する。本発明によるそのようなセキュリティ・デバイス１３０の利点は、そのセキュリティ要素を実現するための設備の初期費用が高額となる点である。したがって、このセキュリティ要素は、偽造しにくい。前記セキュリティ要素によって得られる色の質は、従来技術によるセキュリティ要素によって実現されるものよりも優れている。前記セキュリティ要素により、例えば、上述したように、前記基本回折格子構造体２を、通常のアレイとして、又は通常でない２次元アレイとして配置することによって、特殊なスペクトル効果を得ることができる。
【００９４】
本発明のセキュリティ・デバイス１３０を用いて得ることができる特定の光学的に可変の効果は、従来技術で報告されているデバイスに比べて際立っており、その理由は、前記入射光ビーム４０が超低反射回折を示す一方で、前記少なくとも第１及び／又は第２のアウトカップリング光ビームは非正反射性の可変色効果を示すように、導波モード共鳴を操作することができるからである。そのような効果は、紫外及び／又は可視及び／又は赤外スペクトル領域において設計することができる。本発明の導波モード共鳴デバイス１を用いたセキュリティ・デバイス１３０の実現は、ロール・ツー・ロール複製技術を用いて行うことができ、比較的安価なデバイスの作製が可能となり、このデバイスは、高度なセキュリティを有し、セキュリティに使用される他の光学可変デバイスと組み合わせることができるが、一方でその独自の技術及び設計には先進の機器が必要となる。前記導波モード共鳴デバイス１に基づいたそのような光学セキュリティ・デバイスを用いて、信託文書、識別文書、運転その他の免許証などの重要な文献、及び貴重品などを、特有の見た目であるが複製又は偽造しにくい外観によって、それらの光学制御を可能にすることによって、保護することができる。
【００９５】
また、マイクロレンズ又は追加の回折格子などの追加の構造体を、上述のように基本回折格子構造体に配置することによって、前記セキュリティ・デバイス１３０の偽造のしにくさを向上させることができる。多くの用途では、セキュリティ要素は、目で観察され、セキュリティ・デバイスを角度１３２だけ回転させると、色が観察される。デバイスの角度１３２を変えると、その角度１３２に応じて異なる色が現れる。セキュリティ・デバイス１３０の基本回折格子構造体は、セキュリティ・デバイスを空間内で回転させると、異なる色が現れるように配置することができる。前記回転は、ｘ−ｙ平面において、ｙ−ｚ平面において、又は前記両平面において行うことができる。一変形例では、前記セキュリティ・デバイスを、少なくとも光検出器、及び適切な計算手段を備える検知システムに組み込むことができ、それによって、セキュリティ・デバイス１３０の導波モード共鳴デバイス１からカップリング・アウトされた少なくとも前記第１の光ビーム２２、及び前記第２の光ビーム４４のスペクトル分布を分析することが可能となる。このセキュリティ・デバイスは、好ましくは、文書、又はその識別の安全性が確保され、及び／又は制御可能でなければならないいかなる対象にも配置することができる。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５】
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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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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