(57)【要約】少なくとも１つの入力光学信号を受信し、２つ以上の複数の空間的に分離されたスペクトル成分を生成するように構成されている少なくとも２つの分散要素であって、それらの少なくとも一部が、第１の基板上に実装されている、少なくとも２つの分散要素と、少なくとも２つの分散要素に結合され、２つ以上の複数の空間的に分離されたスペクトル成分からそれぞれ導出される２つ以上の複数の狭帯域光学信号を受信し、測定するように構成されている単一の検出器アレイとを備えている分光計のための装置、システム、および方法の種々の実施形態が、本明細書に説明される。
2015534056.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの入力光学信号を受信し、２つ以上の複数の空間的に分離されたスペクトル成分を生成するように構成されている少なくとも２つの分散要素であって、前記２つの分散要素のうちの少なくとも一部は、第１の基板上に実装されている、少なくとも２つの分散要素と、
前記少なくとも２つの分散要素に結合されている単一検出器アレイと
を備え、
前記単一検出器アレイは、前記２つ以上の複数の空間的に分離されたスペクトル成分からそれぞれ導出された２つ以上の複数の狭帯域光学信号を受信し、測定するように構成されている、分光計。
【請求項２】
前記少なくとも２つの分散要素は、
前記第１の基板上に配置され、第１の入力光学信号を受信し、第１の複数の空間的に分離されたスペクトル成分を生成するように構成されている第１の分散要素と、
前記第１の基板上に配置され、第２の入力光学信号を受信し、第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分を生成するように構成されている第２の分散要素と
を備えている、請求項１に記載の分光計。
【請求項３】
前記分光計は、偏光スプリッタをさらに備え、
前記偏光スプリッタは、初期入力光学信号を前記少なくとも１つの入力光学信号として受信し、動作帯域幅範囲にわたって、第１の偏光状態を有する前記第１の入力光学信号と、第２の偏光状態を有する前記第２の入力光学信号とに前記初期入力光学信号を空間的に分離するように構成され、
前記第１の分散要素は、前記偏光スプリッタに結合され、前記第１の入力光学信号を受信し、前記第１の偏光状態を有する前記第１の複数の空間的に分離されたスペクトル成分を生成し、
前記第２の分散要素は、前記偏光スプリッタに結合され、前記第２の入力光学信号を受信し、前記第２の偏光状態を有する前記第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分を生成する、
請求項２に記載の分光計。
【請求項４】
前記偏光スプリッタは、前記第１の基板または別個の基板のうちの１つ上に実装されている、請求項３に記載の分光計。
【請求項５】
前記少なくとも２つの分散要素は、前記第１の基板上に実装されている偏光分割格子構成内において共通専有面積を共有するように構成され、前記偏光分割格子構成は、動作帯域幅範囲にわたって、第１および第２の偏光状態に対する有効屈折率において差異を有し、前記偏光分割格子構成は、初期入力光学信号を前記少なくとも１つの入力光学信号として受信し、第１の偏光状態を有する第１の複数の空間的に分離された信号と、第２の偏光状態を有する第２の複数の空間的に分離された信号とに前記初期入力光学信号を空間的に分離するように構成されている、請求項１に記載の分光計。
【請求項６】
前記第１および第２の偏光状態に対する有効屈折率における差異は、前記初期入力光学信号の前記２つの偏光成分を空間的に分離するために十分に大きく、それによって、前記動作帯域幅範囲にわたって、前記第１の偏光状態を有する前記第１の複数の空間的に分離されたスペクトル成分の最小出力角度は、前記第２の偏光状態を有する前記第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分の最大出力角度より大きい、請求項５に記載の分光計。
【請求項７】
前記偏光分割格子構成は、前記第１および第２の偏光状態に対する有効屈折率において差異を有する平面凹面格子（ＰＣＧ）偏光分割格子を備え、それによって、前記第１の偏光状態を有する前記第１の複数の空間的に分離されたスペクトル成分は、前記ＰＣＧ偏光分割格子の出力の第１の部分に沿って配置され、前記第２の偏光状態を有する前記第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分は、前記第１の部分と異なる前記出力の第２の部分に沿って配置される、請求項５に記載の分光計。
【請求項８】
前記偏光分割格子構成は、前記第１および第２の偏光状態に対する有効屈折率において差異を有するアレイ導波路格子（ＡＷＧ）偏光分割格子を備え、それによって、前記第１の偏光状態を有する前記第１の複数の空間的に分離されたスペクトル成分は、前記ＡＷＧ偏光分割格子の出力の第１の部分に沿って配置され、前記第２の偏光状態を有する前記第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分は、前記第１の部分と異なる前記出力の第２の部分に沿って配置される、請求項５に記載の分光計。
【請求項９】
前記第１および第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分は、格子モード次数ｍ１およびｍ２を使用して伝送され、前記偏光分割格子構成の前記第１および第２の有効屈折率（それぞれ、ｎｅｆｆ，１およびｎｅｆｆ，２）は、条件ｍ１λｍｉｎ／ｎｅｆｆ，１（λｍｉｎ）＞ｍ２λｍａｘ／ｎｅｆｆ，２（λｍａｘ）を満たすように設計され、数字１および２は、それぞれ、前記第１および第２の偏光状態を表し、ｍ１およびｍ２は、同様または異なるモード次数であり、λｍｉｎおよびλｍａｘは、前記動作帯域幅範囲にわたる最小および最大波長を定義し、ｎｅｆｆ，１（λｍｉｎ）およびｎｅｆｆ，２（λｍａｘ）は、前記動作帯域幅範囲の前記最小および最大波長における有効屈折率を表す、請求項５から８のいずれかに記載の分光計。
【請求項１０】
前記偏光分割格子構成は、隣接するファセットと比較して、ｍ２λ０／ｎｅｆｆ，２（λ０）およびｍ１λ０／ｎｅｆｆ，１（λ０）の光学経路長差を実質的に同時に提供するように一組のファセットにおける各ファセットを位置付けることによって、異なる偏光状態を有する前記第１および第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分を独立して集束させるようにさらに構成され、数字１および２は、それぞれ、前記第１および第２の偏光状態を表し、ｍ１およびｍ２は、同様または異なるモード次数であり、λ０は、所与のモード次数に対する中心波長であり、ｎｅｆｆ，１（λ０）およびｎｅｆｆ，２（λ０）は、それぞれ、前記第１および第２のモード次数に対する屈折率を表す、請求項５から９のいずれかに記載の分光計。
【請求項１１】
前記分光計は、前記少なくとも２つの分散要素の出力からの前記２つ以上の複数の狭帯域光学信号を捕捉し、前記単一検出器アレイの入力に伝送するための２つ以上の導波路アレイをさらに備えている、請求項１から１０のいずれかに記載の分光計。
【請求項１２】
前記単一検出器アレイは、異なるチップの第２の基板上にあり、前記第１の基板のある縁は、前記単一検出器アレイの入力において前記２つ以上の複数の狭帯域光学信号を捕捉するために、前記第２の基板のある面に向けられている、請求項１から１１のいずれかに記載の分光計。
【請求項１３】
前記単一検出器アレイは、異なるチップの第２の基板上にあり、前記第１の基板のある面は、前記単一検出器アレイの入力において前記２つ以上の複数の狭帯域光学信号を捕捉するために、前記第２の基板のある面に向けられている、請求項１から１１のいずれかに記載の分光計。
【請求項１４】
前記単一検出器アレイは、前記第１の基板上に位置している、請求項１から１１のいずれかに記載の分光計。
【請求項１５】
前記分光計は、前記単一検出器アレイから測定値を受信し、所望の出力データフォーマットを有する出力サンプルを前記測定値から生成するための読み取り電子機器をさらに備えている、請求項１から１４のいずれかに記載の分光計。
【請求項１６】
前記読み取り電子機器は、前記第１の基板上に位置している、請求項１５に記載の分光計。
【請求項１７】
前記単一検出器アレイは、前記第１の基板と異なる基板上に位置し、１つ以上のレンズが、前記第１の基板と前記単一検出器アレイとの間に位置し、前記２つ以上の複数の狭帯域光学信号を再集束させ、結合効率を改善する、請求項１から１１のいずれかに記載の分光計。
【請求項１８】
２つ以上の複数の空間的に分離されたスペクトル成分を測定する方法であって、前記方法は、
少なくとも１つの入力光学信号を受信することと、
前記少なくとも１つの入力光学信号を少なくとも２つの分散要素に提供することによって、前記少なくとも１つの入力光学信号から２つ以上の複数の空間的に分離されたスペクトル成分を生成することであって、前記少なくとも２つの分散要素のうちの少なくとも一部は、第１の基板上に実装されている、ことと、
前記２つ以上の複数の空間的に分離されたスペクトル成分から２つ以上の複数の狭帯域光学信号をそれぞれ導出することと、
単一検出器アレイを用いて、前記２つ以上の複数の空間的に分離されたスペクトル成分を測定することと
を含む、方法。
【請求項１９】
前記少なくとも２つの分散要素は、第１および第２の分散要素を備え、前記方法は、
前記第１の基板上に配置されている前記第１の分散要素において、第１の入力光学信号を受信することと、
前記第１の分散要素を用いて、第１の複数の空間的に分離されたスペクトル成分を生成することと、
前記第１の基板上に配置されている前記第２の分散要素において、第２の入力光学信号を受信することと、
前記第２の分散要素を用いて、第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分を生成することと
をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記方法は、
偏光スプリッタにおいて、初期入力光学信号を前記少なくとも１つの入力光学信号として受信することと、
前記偏光スプリッタを使用して、動作帯域幅範囲にわたって、第１の偏光状態を有する前記第１の入力光学信号を生成することと、
前記偏光スプリッタを使用して、前記動作帯域幅範囲にわたって、前記第２の偏光状態を有する前記第２の入力光学信号を生成することと、
前記第１の分散要素を用いて、前記第１の偏光状態を有する前記第１の複数の空間的に分離されたスペクトル成分を生成することと、
前記第２の分散要素を用いて、前記第２の偏光状態を有する前記第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分を生成することと
をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記少なくとも２つの分散要素は、前記第１の基板上に実装されている偏光分割格子構成内において共通専有面積を共有するように構成され、前記偏光分割格子構成は、動作帯域幅範囲にわたって、第１および第２の偏光状態に対する有効屈折率において差異を有し、
前記方法は、
前記偏光分割格子構成において、初期入力光学信号を前記少なくとも１つの入力光学信号として受信することと、
第１の偏光状態を有する第１の複数の空間的に分離された信号と、第２の偏光状態を有する第２の複数の空間的に分離された信号とに前記初期入力光学信号を空間的に分離することと
を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記方法は、前記動作帯域幅範囲にわたって、前記第１の偏光状態を有する第１の複数の空間的に分離されたスペクトル成分の最小出力角度が、前記第２の偏光状態を有する第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分の最大出力角度より大きくなるように、前記初期入力光学信号の２つの偏光状態を空間的に分離することを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記偏光分割格子構成は、前記第１および第２の偏光状態に対する有効屈折率において差異を有し、それによって、前記第１の偏光状態を有する前記第１の複数の空間的に分離されたスペクトル成分は、前記偏光分割格子構成の出力の第１の部分に沿って配置され、前記第２の偏光状態を有する前記第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分は、前記第１の部分と異なる前記出力の第２の部分に沿って配置される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
少なくとも１つの入力光学信号のスペクトル成分を測定するための分光計であって、前記分光計は、
少なくとも１つの分散要素構成であって、前記少なくとも１つの分散要素構成は、前記少なくとも１つの入力光学信号の少なくとも第１の部分を第１の偏光状態を有する第１の複数の空間的に分離されたスペクトル成分に分離し、前記少なくとも１つの入力光学信号の少なくとも第２の部分を第２の偏光状態を有する第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分に空間的に分離するように適合され、前記少なくとも１つの分散要素構成は、動作帯域幅範囲にわたって動作するように適合され、前記少なくとも１つの分散要素構成の少なくとも一部は、第１の基板上に実装されている、少なくとも１つの分散要素構成と、
前記少なくとも１つの分散要素構成に結合されている検出器アレイと
を備え、
検出器アレイは、前記第１および第２の複数の空間的に分離されたスペクトル光学構成要素からそれぞれ導出された第１および第２の複数の狭帯域光学信号に関連するデータを受信し、測定するように構成されている、分光計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本願は、米国仮出願第６１／７０４，９１１号（２０１２年９月２４日出願）の利益を主張し、米国仮出願第６１／７０４，９１１号の内容は、その全体が参照により本明細書に引用される。
【０００２】
（技術分野）
本明細書に説明される種々の実施形態は、概して、複数の機能を果たす、分光計を実装および使用するための装置ならびに方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
光学分光計は、光学信号のスペクトル成分をサンプリングするために使用される、システムである。一般的な場合、分散分光計は、回折格子等の分散要素を使用し、光学信号のスペクトル成分を空間的に分布させる。これらのスペクトル成分は、次いで、検出器アレイとしても知られる、検出器要素の線形アレイによって測定される。
【０００４】
格子およびレンズ等の個別の自由空間光学構成要素を使用して構築される、分光計は、典型的には、ある方法において、例えば、固定動作帯域幅にわたる特性分散を用いて、１つの光学信号の波長内容のみを設計するように設計される。一実施例では、これらの従来の分光計は、典型的には、光学信号内の光のスペクトルおよび偏光状態の両方を測定するように設計されない。偏光は、光波の電場の発振の配向を説明する。光の偏光は、２つの直交基本状態の組み合わせを使用して説明されることができる。光信号を２つの偏光状態に分割し、偏光毎にスペクトル成分を測定する、いくつかの分光計があるが、これらの分光計は、より多くの光学構成要素を使用し、および／または追加の信号処理を要求する。その結果、偏光は、自由空間ビームと光学表面との間の各相互作用において、制御および管理される必要があり、これは、概して、自由空間光学系を使用したコストがかかり、かつ困難なタスクである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
ある広範な側面では、本明細書に説明される少なくとも一実施形態は、少なくとも１つの入力光学信号を受信し、２つ以上の複数の空間的に分離されたスペクトル成分を生成するように構成されている少なくとも２つの分散要素であって、２つの分散要素のうちの少なくとも一部は、第１の基板上に実装されている、少なくとも２つの分散要素と、少なくとも２つの分散要素に結合され、２つ以上の複数の空間的に分離されたスペクトル成分からそれぞれ導出された２つ以上の複数の狭帯域光学信号を受信し、測定するように構成されている単一検出器アレイとを備えている、分光計を提供する。
【０００６】
少なくともいくつかの実施形態では、少なくとも２つの分散要素は、第１の基板上に配置され、第１の入力光学信号を受信し、第１の複数の空間的に分離されたスペクトル成分を生成するように構成されている第１の分散要素と、第１の基板上に配置され、第２の入力光学信号を受信し、第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分を生成するように構成されている第２の分散要素とを備えている。
【０００７】
少なくともいくつかの実施形態では、分光計は、初期入力光学信号を受信し、動作帯域幅範囲にわたって、第１の偏光状態を有する第１の入力光学信号と、第２の偏光状態を有する第２の入力光学信号とに初期入力光学信号を空間的に分離するように構成されている、偏光スプリッタを備えている。第１の分散要素は、偏光スプリッタに結合され、第１の入力光学信号を受信し、第１の偏光状態を有する、第１の複数の空間的に分離されたスペクトル成分を生成し得、第２の分散要素は、偏光スプリッタに結合され、第２の入力光学信号を受信し、第２の偏光状態を有する、第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分を生成し得る。
【０００８】
少なくともいくつかの実施形態では、偏光スプリッタは、第１の基板または別個の基板のうちの１つ上に実装され得る。
【０００９】
少なくともいくつかの実施形態では、少なくとも２つの分散要素は、第１の基板上に実装されている偏光分割格子構成内において共通専有面積を共有するように構成され、偏光分割格子構成は、動作帯域幅範囲にわたって、第１および第２の偏光状態に対する有効屈折率において差異を有し、偏光分割格子構成は、初期入力光学信号を少なくとも１つの入力光学信号として受信し、第１の偏光状態を有する第１の複数の空間的に分離された信号と、第２の偏光状態を有する第２の複数の空間的に分離された信号とに初期入力光学信号を空間的に分離するように構成される。
【００１０】
少なくともいくつかの実施形態では、第１および第２の偏光状態に対する有効屈折率における差異は、動作帯域幅範囲にわたって、第１の偏光状態を有する第１の複数の空間的に分離されたスペクトル成分の最小出力角度が、第２の偏光状態を有する第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分の最大出力角度より大きくなるように、初期入力光学信号の２つの偏光成分を空間的に分離するために十分に大きい。
【００１１】
少なくともいくつかの実施形態では、偏光分割格子構成は、第１の偏光状態を有する第１の複数の空間的に分離されたスペクトル成分が、ＰＣＧ偏光分割格子の出力の第１の部分に沿って配置され、第２の偏光状態を有する第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分が、第１の部分と異なる出力の第２の部分に沿って配置されるように、第１および第２の偏光状態に対する有効屈折率において差異を有する平面凹面格子（ＰＣＧ）偏光分割格子を備えている。
【００１２】
少なくともいくつかの実施形態では、第１の偏光状態を有する第１の複数の空間的に分離されたスペクトル成分は、ＰＣＧ偏光分割格子の出力焦点曲線の第１の部分に沿って配置され得、第２の偏光状態を有する第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分は、第１の部分と異なる出力焦点曲線の第２の部分に沿って配置され得る。
【００１３】
少なくともいくつかの実施形態では、偏光分割格子構成は、第１の偏光状態を有する第１の複数の空間的に分離されたスペクトル成分が、ＡＷＧ偏光分割格子の出力の第１の部分に沿って配置され、第２の偏光状態を有する第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分が、第１の部分と異なる出力の第２の部分に沿って配置されるように、第１および第２の偏光状態に対する有効屈折率において差異を有するアレイ導波路格子（ＡＷＧ）格子分散要素を備えている。
【００１４】
少なくともいくつかの実施形態では、第１の偏光状態を有する第１の複数の空間的に分離されたスペクトル成分は、ＡＷＧ偏光分割格子の出力焦点曲線の第１の部分に沿って配置され得、第２の偏光状態を有する第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分は、第１の部分と異なる出力焦点曲線の第２の部分に沿って配置され得る。
【００１５】
少なくともいくつかの実施形態では、第１および第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分は、格子モード次数ｍ１およびｍ２を使用して伝送され、偏光分割格子構成の第１および第２の有効屈折率（それぞれ、ｎｅｆｆ，１およびｎｅｆｆ，２）は、条件ｍ１λｍｉｎ／ｎｅｆｆ，１（λｍｉｎ）＞ｍ２λｍａｘ／ｎｅｆｆ，２（λｍａｘ）を満たすように設計され、数字１および２は、それぞれ、第１および第２の偏光状態を表し、ｍ１およびｍ２は、同様または異なるモード次数であることができ、λｍｉｎおよびλｍａｘは、動作帯域幅範囲にわたる最小および最大波長を定義し、ｎｅｆｆ，１（λｍｉｎ）およびｎｅｆｆ，２（λｍａｘ）は、動作帯域幅範囲の最小および最大波長における有効屈折率を表す。
【００１６】
少なくともいくつかの実施形態では、偏光分割格子構成はさらに、隣接するファセットと比較して、ｍ２λ０／ｎｅｆｆ，２（λ０）およびｍ１λ０／ｎｅｆｆ，１（λ０）の光学経路長差を実質的に同時に提供するように、一組のファセットにおける各ファセットを位置付けることによって、異なる偏光状態を有する第１および第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分を独立して集束させるように構成され、数字１および２は、それぞれ、第１および第２の偏光状態を表し、ｍ１およびｍ２は、同様または異なるモード次数であり、λ０は、所与のモード次数に対する中心波長であり、ｎｅｆｆ，１（λ０）およびｎｅｆｆ，２（λ０）は、それぞれ、第１および第２のモード次数に対する屈折率を表す。
【００１７】
少なくともいくつかの実施形態では、分光計はさらに、少なくとも２つの分散要素の出力からの２つ以上の複数の狭帯域光学信号を捕捉し、単一検出器アレイの入力に伝送するための２つ以上の導波路アレイを備えている。
【００１８】
少なくともいくつかの実施形態では、単一検出器アレイは、異なるチップの第２の基板上にあり得、第１の基板のある縁は、単一検出器アレイの入力において、２つ以上の複数の狭帯域光学信号を捕捉するために、第２の基板のある面に向けられ得る。
【００１９】
少なくともいくつかの実施形態では、単一検出器アレイは、異なるチップの第２の基板上にあり得、第１の基板のある面は、単一検出器アレイの入力において、２つ以上の複数の狭帯域光学信号を捕捉するために、第２の基板のある面に向けられ得る。
【００２０】
少なくともいくつかの実施形態では、単一検出器アレイは、第１の基板上に位置し得る。
【００２１】
本明細書に説明される分光計の種々の実施形態は、概して、単一検出器アレイから測定値を受信し、所望の出力データフォーマットを有する出力サンプルを測定値から生成するための読み取り電子機器を備え得る。
【００２２】
少なくともいくつかの実施形態では、読み取り電子機器は、第１の基板上に位置し得る。
【００２３】
少なくともいくつかの実施形態では、単一検出器アレイは、第１の基板と異なる基板上に位置し得、１つ以上のレンズが、第１の基板と単一検出器アレイとの間に位置し、２つ以上の複数の狭帯域光学信号を再集束させ、結合効率を改善し得る。
【００２４】
別の広範な側面では、本明細書に説明される少なくとも一実施形態は、２つ以上の複数の空間的に分離されたスペクトル成分を測定する方法であって、方法は、少なくとも１つの入力光学信号を受信することと、少なくとも１つの入力光学信号を少なくとも２つの分散要素に提供することによって、少なくとも１つの入力光学信号から２つ以上の複数の空間的に分離されたスペクトル成分を生成することであって、少なくとも２つの分散要素の少なくとも一部は、第１の基板上に実装される、ことと、２つ以上の複数の空間的に分離されたスペクトル成分から２つ以上の複数の狭帯域光学信号をそれぞれ導出することと、単一検出器アレイを用いて、２つ以上の複数の空間的に分離されたスペクトル成分を測定することとを含む、方法を提供する。
【００２５】
少なくともいくつかの実施形態では、少なくとも２つの分散要素は、第１および第２の分散要素を備え、本方法はさらに、第１の基板上に配置される第１の分散要素において、第１の入力光学信号を受信することと、第１の分散要素を用いて、第１の複数の空間的に分離されたスペクトル成分を生成することと、第１の基板上に配置される第２の分散要素において、第２の入力光学信号を受信することと、第２の分散要素を用いて、第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分を生成することとを含む。
【００２６】
少なくともいくつかの実施形態では、本方法はさらに、偏光スプリッタにおいて、初期入力光学信号を少なくとも１つの入力光学信号として受信することと、偏光スプリッタを使用して、動作帯域幅範囲にわたって、第１の偏光状態を有する第１の入力光学信号を生成することと、偏光スプリッタを使用して、動作帯域幅範囲にわたって、第２の偏光状態を有する第２の入力光学信号を生成することと、第１の分散要素を用いて、第１の偏光状態を有する第１の複数の空間的に分離されたスペクトル成分を生成することと、第２の分散要素を用いて、第２の偏光状態を有する第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分を生成することとを含む。
【００２７】
少なくともいくつかの実施形態では、少なくとも２つの分散要素は、第１の基板上に実装されている偏光分割格子構成内において共通専有面積を共有するように構成され、偏光分割格子構成は、動作帯域幅範囲にわたって、第１および第２の偏光状態に対する有効屈折率において差異を有し、本方法は、偏光分割格子構成において、初期入力光学信号を少なくとも１つの入力光学信号として受信することと、第１の偏光状態を有する第１の複数の空間的に分離された信号と、第２の偏光状態を有する第２の複数の空間的に分離された信号とに初期入力光学信号を空間的に分離することとを含む。
【００２８】
少なくともいくつかの実施形態では、本方法は、動作帯域幅範囲にわたって、第１の偏光状態を有する第１の複数の空間的に分離されたスペクトル成分の最小出力角度が、第２の偏光状態を有する第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分の最大出力角度より大きくなるように、初期入力光学信号の２つの偏光状態を空間的に分離することを含む。
【００２９】
少なくともいくつかの実施形態では、偏光分割格子構成は、第１の偏光状態を有する第１の複数の空間的に分離されたスペクトル成分が、偏光分割格子構成の出力の第１の部分に沿って配置され、第２の偏光状態を有する第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分が、第１の部分と異なる出力の第２の部分に沿って配置されるように、第１および第２の偏光状態に対する有効屈折率において差異を有する。
【００３０】
少なくともいくつかの実施形態では、第１の偏光状態を有する第１の複数の空間的に分離されたスペクトル成分は、偏光分割格子構成の出力焦点曲線の第１の部分に沿って配置され得、第２の偏光状態を有する第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分は、第１の部分と異なる出力焦点曲線の第２の部分に沿って配置され得る。
【００３１】
さらに別の広範な側面では、本明細書に説明される少なくとも一実施形態は、少なくとも１つの入力光学信号のスペクトル成分を測定するための分光計であって、少なくとも１つの入力光学信号の少なくとも第１の部分を第１の偏光状態を有する第１の複数の空間的に分離されたスペクトル成分と、少なくとも１つの入力光学信号の少なくとも第２の部分を第２の偏光状態を有する第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分とに空間的に分離するように適合される少なくとも１つの分散要素構成であって、少なくとも１つの分散要素構成は、動作帯域幅範囲にわたって動作するように適合され、少なくとも１つの分散要素構成の少なくとも一部は、第１の基板上に実装されている、少なくとも１つの分散要素構成と、少なくとも１つの分散要素構成に結合され、第１および第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分からそれぞれ導出された第１および第２の複数の狭帯域光学信号に関連するデータを受信し、測定するように構成されている、検出器アレイとを備えている、分光計を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
本明細書に説明される種々の実施形態の理解を深めるために、かつこれらの種々の実施形態が、どのように実施され得るかをより明確に示すために、少なくとも一例示的実施形態を示す、付随の図面を一例として参照する。
【図１】図１は、偏光感受型分光計の例示的実施形態のブロック図である。
【図２】図２は、偏光感受型分光計の別の例示的実施形態のブロック図である。
【図３】図３は、偏光感受型分光計の別の例示的実施形態のブロック図である。
【図４Ａ】図４Ａは、分散および偏光分割機能の両方を提供することができる、偏光分割格子構成の略図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、分散および偏光分割機能の両方を提供する、平面凹面格子（ＰＣＧ）偏光分割格子の概略である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、分散および偏光分割機能の両方を提供する、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）偏光分割格子の概略である。
【図５Ａ】図５Ａ−５Ｄは、ＰＣＧ偏光分割格子の例示的実施形態を使用して、分散および偏光分割機能の両方を提供する、偏光感受型分光計に関する複屈折対波長および帯域幅ならびに帯域幅と波長との間の関係を図示する、略図である。
【図５Ｂ】図５Ａ−５Ｄは、ＰＣＧ偏光分割格子の例示的実施形態を使用して、分散および偏光分割機能の両方を提供する、偏光感受型分光計に関する複屈折対波長および帯域幅ならびに帯域幅と波長との間の関係を図示する、略図である。
【図５Ｃ】図５Ａ−５Ｄは、ＰＣＧ偏光分割格子の例示的実施形態を使用して、分散および偏光分割機能の両方を提供する、偏光感受型分光計に関する複屈折対波長および帯域幅ならびに帯域幅と波長との間の関係を図示する、略図である。
【図５Ｄ】図５Ａ−５Ｄは、ＰＣＧ偏光分割格子の例示的実施形態を使用して、分散および偏光分割機能の両方を提供する、偏光感受型分光計に関する複屈折対波長および帯域幅ならびに帯域幅と波長との間の関係を図示する、略図である。
【図６】図６は、入力光学信号の帯域幅が偏光分割格子構成の最大帯域幅より大きいときの不完全偏光分割のシナリオを図示し、その場合、二次偏光分割要素または波長分離要素は、入力光学信号の偏光成分の完全分離のために使用されることができる。
【図７Ａ】図７Ａは、あるチップ上の分光計と異なるチップ上の検出器アレイとの間の配列の例示的実施形態を示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、あるチップ上の分光計と異なるチップ上の検出器アレイとの間の配列の別の例示的実施形態を示す。
【図８】図８は、平面基板および単一検出器アレイ上に複数の分散要素を有する、分光計の例示的実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
種々の装置またはプロセスが、各請求される主題の実施形態の実施例を提供するために、以下に説明される。以下に説明される実施形態は、いずれの請求される主題も制限せず、いずれの請求される主題も、以下に説明されるものと異なるプロセスまたは装置を網羅し得る。請求される主題は、以下に説明される任意の１つの装置またはプロセスの特徴の全てを有する装置またはプロセス、あるいは以下に説明される装置またはプロセスの複数または全てに共通する特徴に限定されない。以下に説明される装置またはプロセスは、いずれの請求される主題の実施形態ではないことも可能である。本書に請求されない、本明細書に説明される装置またはプロセスにおいて開示されるいずれの主題も、別の保護対象器具、例えば、継続特許出願の主題であり得、出願人、発明者、または所有者は、本書におけるその開示によって、いずれのそのような主題も断念、放棄、公衆に解放することを意図しない。
【００３４】
さらに、便宜上、かつ例証を明確にするために、適切と見なされる場合、参照番号は、対応または類似要素を示すために、図間で繰り返され得ることを理解されるであろう。加えて、多数の具体的詳細が、本明細書に説明される実施形態の完全な理解を提供するために記載される。しかしながら、本明細書に説明される実施形態が、これらの具体的詳細を伴わずに実践され得ることは、当業者によって理解されるであろう。他の事例では、周知の方法、手技、および構成要素は、本明細書に提示される実施形態の説明を曖昧にしないように、詳細に説明されていない。また、説明は、本明細書に説明される実施形態の範囲をいかようにも限定すると見なされず、単に、説明される種々の実施形態の実装を説明する。
【００３５】
用語または語句「ある実施形態」、「実施形態」、「複数の実施形態」、「本実施形態」、「本複数の実施形態」、「１つ以上の実施形態」、「いくつかの実施形態」、「少なくとも一実施形態」、「少なくともいくつかの実施形態」、および「一実施形態」は、別様に明示的に規定されない限り、「本主題の１つ以上の（但し、全てではない）実施形態」を意味することに留意されたい。
【００３６】
また、用語「〜を含む」、「〜を備えている」、およびその変形例は、別様に明示的に規定されない限り、「限定ではないが、〜を含む」ことを意味することに留意されたい。項目の列挙は、別様に明示的に規定されない限り、項目の一部または全部が、互に排他的であることを含意するものではない。
【００３７】
また、用語「結合される」または「結合する」は、本明細書で使用されるように、用語が使用される文脈に応じて、いくつかの異なる意味を有することができることに留意されたい。例えば、用語「結合される」または「結合する」は、機械、電気、または光学的意味合いのうちの少なくとも１つを有することができる。例えば、文脈に応じて、用語「結合される」または「結合する」は、２つの要素またはデバイスが、物理的、電気的、または光学的にのうちの少なくとも１つによって、直接、互に接続されることができる、あるいは限定ではないが、例えば、ワイヤ、光ファイバケーブル、または導波路等の物理的、電気的、または光学的接続のうちの少なくとも１つを介して、１つ以上の中間要素またはデバイスを通して互に連結され得ることを示し得る。
【００３８】
「実質的に」、「約」、および「およそ」等の程度の用語は、本明細書で使用されるように、最終結果が有意に変更されないように、修飾された用語の合理的量の逸脱を意味することに留意されたい。これらの程度の用語は、本逸脱が、それが修飾する用語の意味を否定しないであろう場合、修飾された用語のある量までの逸脱を含むものとして解釈されるべきである。
【００３９】
さらに、本明細書における終点による数値範囲の列挙は、その範囲内に含められる全数字および分数を含む（例えば、１から５は、１、１．５、２、２．７５、３、３．９０、４、および５を含む）。また、全数字およびその分数は、用語「約」によって修飾されると推定されることを理解されたい。用語「約」は、それが修飾する用語の意味を否定せずに参照される数字の±ある量までの逸脱を意味する。
【００４０】
さらに、以下の節では、実施形態の異なる側面が、より詳細に定義される。そのように定義された各側面は、明確にそうではないことが示されない限り、任意の他の側面または複数の側面と組み合わせられ得る。特に、好ましいまたは有利であると示される任意の特徴は、好ましいまたは有利であると示される少なくとも１つの他の特徴または複数の特徴と組み合わせられ得る。
【００４１】
光学分光計は、典型的には、１つの入力光学信号を受信し、特定のスペクトル分解能または分散を用いて、特定の動作波長範囲にわたって、その光学信号の波長内容を測定する。従来、複数の分光計が、例えば、偏光等の波長の他に、複数の光学信号、複数のスペクトル分解能、複数の動作帯域幅範囲、または複数の光学特性を測定するために、構築されなければならない。複数の分光計集合のコストおよびサイズは、線形的に増加する傾向にあり、例えば、３つの分光計は、１つの分光計の３倍のコストであり、空間を３倍も占める。この規模拡張は、主に、分光計あたり１つのカメラ（１つの検出器アレイに加え、読み取り電子機器を含む）の要件に加え、複数のカメラをサポートするための関連付けられたデータ接続およびコンピューティング要件によってもたらされる。
【００４２】
このコストおよびサイズの規模拡張は、多くの有用な分光計集合の実践的実装を妨害する。多くの場合、単一機能分光計と比較して、サイズまたはコストがほとんど増加せずに複数の機能を果たすことができる、単一検出器アレイを伴う多機能分光計を作成することが望ましい。例えば、ある場合には、光学信号は、複数の波長範囲にスペクトル特徴を有し得、その結果、潜在的に、各波長範囲内に異なるスペクトル分解能を用いて、各波長範囲を独立して測定することが望ましい。ある場合には、複数の光学信号は、複数のサンプルまたは同一のサンプル上の複数のエリアから収集される場合があり、同一の同期トリガイベントを用いて、１度に全光学信号の波長内容を測定することが望ましい。さらに他の場合には、バランスのとれた検出方式を実装するために、干渉計から出力される２つの光学信号の波長内容を測定することが望ましい。
【００４３】
本明細書に説明される教示による種々の実施形態は、単一検出器アレイを用いて、多機能分光計を実装するために使用されることができることを新しく発見した。
【００４４】
ある場合には、独立して、入力光学信号の両偏光のスペクトル成分を測定することができる、偏光感受型分光計を作成することが望ましい。例えば、偏光感受型光学コヒーレントトモグラフィ（ＰＳ−ＯＣＴ）は、異なる偏光改変特性を伴う組織または材料間の強調画像コントラストを提供することができる、撮像技法である。スペクトルドメインＰＳ−ＯＣＴ（ＳＤ−ＰＳ−ＯＣＴ）は、データ捕捉の速度により、時間ドメインＰＳ−ＯＣＴより好ましい。ＳＤ−ＰＳ−ＯＣＴにおけるデータ捕捉は、偏光感受型分光計を用いて行われることができる。
【００４５】
しかしながら、従来のＳＤ−ＰＳ−ＯＣＴシステムは、典型的には、自由空間光学系構成要素のみの使用と、例えば、複数のカメラ、複数のビームスプリッタ、および複数の波長板のうちの少なくとも１つ、ならびにこれらのシステムを正確に整列および較正するコストの必要性とにより、大型かつ高価である。例えば、ＳＤ−ＰＳ−ＯＣＴのための従来の測定アプローチは、入力光学信号を２つの偏光成分に分離するための偏光ビームスプリッタに続いて、偏光成分を並行して測定するための２つの独立分光計を含む。２つの分光計、特に、２つのラインスキャンカメラのための要件は、システムコストを有意に増加させる。故に、１つのみのカメラを使用する偏光感受型分光計は、コストを削減することになるであろう。同様に、第２の分光計をチップに追加する増加コストは、本明細書のいくつかの実施形態に説明されるように、第２の自由空間光学分光計を取得するよりはるかに少ないであろう。
【００４６】
概して、偏光された入力光学信号の偏光は、楕円形偏光を描く、任意の２つの直交基本状態に分解され得る。楕円形偏光の２つの具体的例は、円形偏光および線形偏光である。偏光された入力光信号の偏光状態の測定は、例えば、偏光感受型分光計を使用して、２つの直交基本状態の強度を測定することによって、達成されることができる。インコヒーレントまたは部分的に偏光された入力光学信号は、ストークスパラメータによって、より完全に説明され得る。ストークスパラメータの測定は、偏光感受型分光計を使用した、複数の測定値と組み合わせられた、入力光学信号の状態の複数の操作を含み得る。以下の説明では、入力光学信号は、２つの線形に偏光された直交基本状態の組み合わせとして測定される。他の実施形態では、他の偏光状態は、例えば、右旋円偏光および左旋円偏光直交基本状態等の偏光感受型分光計によって測定されることができる。
【００４７】
自由空間光学構成要素に基づく、従来のＰＳ−ＯＣＴシステムに関する課題は、平面基板（また、集積回路、ウエハ、またはチップとも称される）上に２つ以上の分散要素を位置させることによって、単一検出器アレイまたはカメラを用いて、本明細書に説明されるように、より単純な偏光感受型分光計を構築することによって克服されることができる。少なくとも部分的に、チップ上に実装される光学システムは、チップの表面上に、光学信号を経路指定および処理するための平面光学導波路を含む。統合された光学構成要素は、少なくとも部分的に、入力光学信号の偏光に敏感である。例えば、略長方形断面を伴う、統合された導波路内の入力光学信号の偏光状態は、準横電気（「ＴＥ」）および準横磁気（「ＴＭ」）偏光状態（また、モードとしても知られる）であると説明され得る。
【００４８】
統合された導波路では、ＴＥモードとＴＭモードとは、導波路の垂直断面と水平断面との間の幾何学形状または屈折率の差異により、異なる有効屈折率ｎｅｆｆまたは伝搬速度ｃ／ｎｅｆｆを有する。有効屈折率における差異は、複屈折と称され、式１に示されるように、数学的に表されることができる。
【００４９】
【数１】
2015534056.tif 000003
【００５０】
式中、Δｎｅｆｆは、複屈折による有効屈折率における差異であり、ｎｅｆｆ，ＴＥは、ＴＥモードに対する有効屈折率であり、ｎｅｆｆ，ＴＭは、ＴＭモードに対する有効屈折率である。複屈折は、ＴＥおよびＴＭモードが統合された光学構造を通して異なるように伝搬することをもたらす。故に、２つの分散要素は、ＴＥおよびＴＭ偏光状態に対してそれぞれ１つであるように設計されることができる。いくつかの実施形態では、２つの分散要素は、次いで、同一の専有面積および同一の格子を利用する（すなわち、２つの分散要素は、共通専有面積および共通格子を有する）ようにオーバーレイされることができる。２つの分散要素のこの組み合わせは、本明細書では、偏光分割格子構成として定義および参照される。ある場合には、この配列は、代替として、少なくとも１つの分散要素構成と称され得る。
【００５１】
本明細書に説明される種々の実施形態の少なくともいくつかでは、例えば、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）または平面凹面格子（ＰＣＧ）等のオンチップ分散要素は、所与の波長における光のＴＥ偏光部分が、その同一の波長における光のＴＭ偏光部分と異なる出力導波路に向かわせられ、入力光学信号の両偏光成分のスペクトル内容の同時独立測定を可能にするように設計される。本明細書に説明されるように、これは、光学信号の２つの偏光が、２つの出力領域に向かわせられるように、オンチップ偏光分割格子の複屈折を設計し、検出器の単一アレイを用いて、光学信号の偏光を測定することによって、行われることができる。
【００５２】
入力光学信号の偏光を分割することに加え、本明細書に説明される分光計の少なくともいくつかはまた、入力光学信号の両偏光成分が、殆どまたは全く収差を伴わずに、良好に集束させられるように設計されることができる。少なくとも１つの統合された構成要素を使用することによって、本明細書に説明される分光計の種々の実施形態はまた、自由空間光学構成要素に基づく従来のシステムと比較して、ＳＤ−ＰＳ−ＯＣＴシステムのサイズおよびコストを削減する。
【００５３】
本明細書に説明される実施形態の少なくともいくつかにおける分散要素の設計および実装は、これらの従来の統合された構造が、光学信号の２つの偏光成分間の有効複屈折Δｎｅｆｆを減少または排除するように設計されるため、光学信号を処理する従来の統合された構造のいくつかの事例とは対照的である。このように、光学信号の２つの偏光成分は、これらの従来の統合された構造を通して同様に伝搬し、結果として生じる従来のシステムは、偏光非感受型である。
【００５４】
統合された光学構成要素を使用する別の利点は、チップ上に位置する光学構成要素が、チップ製作プロセスの間、互に事前整列させられることができ、最終組立プロセスの際に手動で整列させられる必要がある構成要素がほとんどないことである。特に、分光計チップ（例えば、少なくとも１つの分散要素を有するチップ）上の光学導波路は、１つ以上の分散要素からの出力を再配置し、それらを単一検出器アレイと適切にインターフェースをとるように経路指定するために使用されることができる。次いで、分光計チップと検出器アレイを整列させることによって、分散要素出力の全てが、同時に、単一製造ステップにおいて、検出器アレイの検出器要素の入力と整列させられる。本アプローチは、従来行われるように、複数の自由空間光学構成要素のシステムを構築し、次いで、手動で整列させられなければならないことに関連付けられたコストおよび努力を有意に削減させる。
【００５５】
さらに、本明細書に説明される種々の実施形態のロバスト性は、ＯＣＴおよびＰＳ−ＯＣＴシステムが以前に使用されていない、モバイルおよび診療現場用途に役立つ。
【００５６】
統合された光学構成要素を使用する別の利点は、偏光が、自由空間ビームと統合された構造のための光学表面との間の相互作用ごとに制御される必要がないことである。実際、統合されたフォトニックプラットフォームの場合、導波路構造は、偏光保存的であり、自由空間設計を用いては可能でない単純性および設計柔軟性の程度をもたらす。
【００５７】
いくつかの実施形態では、少なくともいくつかの要素は、平面基板上に形成される導波路から構成される。いくつかの実施形態では、これらの導波路は、いくつかの実施形態では、限定ではないが、８５０ｎｍ、１０５０ｎｍ、または１３１０ｎｍスペクトルバンド等、典型的には、ＯＣＴシステム内で使用される範囲内の近赤外線スペクトルでは、透明である材料から成ることができる。しかしながら、他の実施形態では、光の特定の波長または波長の範囲に適切である、代替材料が、選定されることができることを理解されたい。種々の実施形態のいくつかでは、導波路を形成するために使用される材料は、１．０５：１以上のコアとクラッディングの比率等、高屈折率コントラストを有することが好ましくあり得、高屈折率コントラストは、低屈折率コントラストを有する材料と比較して、光を閉じ込め、よりコンパクトなフォトニック構成要素を可能にする。いくつかの実施形態では、導波路は、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、シリコン、ＳＵ８、ドープされたガラス、他のポリマー、または他の好適な材料から成ることができる。
【００５８】
いくつかの実施形態では、これらの実施形態の統合された要素は、フォトリソグラフィを使用して、平面基板上に形成されることができる。しかしながら、フォトニック回路は、限定ではないが、例えば、電子ビームリソグラフィまたはナノインプリントリソグラフィ等の他の方法によって製作されることができることを理解されたい。
【００５９】
要素がフォトリソグラフィを使用して平面基板上に形成される実施形態と、導波路および平面基板上の他のフォトニック要素が窒化ケイ素から作製される実施形態とでは、下側導波路クラッディングとして、基板の上部表面上に熱的に成長させられる数ミクロンの二酸化ケイ素を有する標準的シリコンウエハが、使用されることができる。本明細書に説明される実施形態の少なくともいくつかでは、厚さ３−４ミクロンの二酸化ケイ素が、使用されることができる。しかしながら、他の厚さも、使用されることができ、分析および／または処理される光学入力信号の波長範囲に基づいて適切に選定され得ることを理解されたい。いくつかの実施形態では、二酸化ケイ素は、プラズマ強化化学蒸着等の他の技法によっても堆積されることができる。いくつかの実施形態では、二酸化ケイ素以外の材料が、下側導波路クラッディングとして使用され得る。
【００６０】
窒化ケイ素が、次いで、平面基板上に堆積されることができ、いくつかの実施形態では、数百ナノメートルの化学量論的窒化ケイ素が、低圧化学蒸着を使用して、堆積されることができる。限定ではないが、Ｒｏｈｍ  ａｎｄ  Ｈａａｓ  ＡＲ３等の反射防止コーティング層が、加えて、平面基板上にスピンコーティングすることによって適用されることができ、これは、フォトリソグラフィプロセスの性能を向上させることができる。限定ではないが、Ｓｈｉｐｌｅｙ  ＵＶ２１０等のＵＶ感受型フォトレジストが、次いで、平面基板上にスピンコーティングすることによって適用されることができる。
【００６１】
平面基板は、導波路および他のデバイスのパターンを有するレジストを露光するために適切な露光時間で、フォトリソグラフィックパターン化ツールを使用して、パターン化されることができる。露光後、平面基板は、ＭｉｃｒｏＣｈｅｍｉｃａｌｓ  ＡＺ  ７２６ＭＩＦまたは別の好適な現像剤によって現像され、露光されなかったレジストを除去することができる。残渣除去プロセスは、残存レジストを除去するために、プラズマエッチング装置とともに使用されることができ、レジスト内のパターンは、いくつかの実施形態では、数分間、いかなる表面粗度も平滑化するための熱板を用いて、リフローされることができる。
【００６２】
平面基板上の窒化ケイ素は、ＣＨＦ３／Ｏ２配合を用いて、誘導結合型反応性イオンエッチング（ＩＣＰ  ＲＩＥ）を使用してエッチングされることができる。エッチングのために使用されるレジストマスクは、次いで、酸素プラズマまたは加熱された溶媒を含むレジスト高温剥離槽内で除去されることができる。
【００６３】
平面基板は、いくつかの実施形態では、１，２００℃で３時間、炉酸化管内でアニーリングされることができる。これは、光学源が近赤外線である波長において光学信号を生成する実施形態では、材料吸収損失を低減させる傾向となり得る。
【００６４】
平面基板は、次いで、酸化物内に被覆されることができ、これは、いくつかの実施形態では、炉管内に堆積された高温酸化物を使用することによって、またはプラズマ強化化学蒸着を使用することによって、行われることができる。平面基板は、次いで、ダイスカットされることができ、最終ファセットは、研磨されることができ、導波路と平面基板上に形成される他の光学要素との結合を改善することができる。代替として、最終ファセットは、リソグラフィを用いて画定され、限定ではないが、例えば、Ｂｏｓｃｈプロセス等の深反応性イオンエッチングプロセスを使用して、エッチングされることができる。
【００６５】
製造される分光計の特定の実施形態および／または分光計の特定の使用に応じて、前述の製作技法の変形例が存在し得ることに留意されたい。
【００６６】
ここで図１を参照すると、そこに示されるのは、偏光感受型分光計１０の例示的実施形態のブロック図である。分光計１０は、オフチップ偏光スプリッタ１２と、第１の分散要素１４と、第２の分散要素１６と、第１の導波路アレイ１８と、第２の導波路アレイ２０と、読み取り電子機器２８に結合される出力ライン２６を有する検出器アレイ２４とを備えている。第１および第２の分散要素１４および１６と第１および第２の導波路アレイ１８および２０は、集積回路の基板またはチップ２２上に実装される。分光計１０の出力は、周波数または波長の関数として、初期入力光学信号３０のスペクトルを生成するために使用されることができる。
【００６７】
ＴＥおよびＴＭ偏光成分の一方または両方を含む、初期入力光学信号３０が、分光計１０に入力される。用語「入力光信号」はまた、初期入力光学信号３０のためにも使用されることができることに留意されたい。偏光スプリッタ１２は、初期入力光学信号３０の２つの偏光成分ＴＭおよびＴＥを空間的に分離するために使用される。ＴＭおよびＴＥ成分の各々は、次いで、分光計チップ２２上に結合される。スプリッタ１２は、自由空間光学系、光ファイバ、または別個のフォトニックチップを使用して実装され得る。例えば、スプリッタ１２は、偏光ビームスプリッタまたは光ファイバ偏光スプリッタであってもよい。
【００６８】
第１および第２の分散要素１４および１６は、好ましくは、例えば、所望の偏光の有効屈折率ｎｅｆｆ、群屈折率ｎｇ、および導波路モードサイズを考慮することによって、特定の偏光との使用のために最適化される。故に、第１の分散要素１４は、ＴＭ入力光学信号のスペクトルを表すＴＭ偏光成分を有する、複数の空間的に分離されたスペクトル成分を生成する。第２の分散要素１６は、ＴＥ入力光学信号のスペクトルを表すＴＥ偏光成分を有する、複数の空間的に分離されたスペクトル成分を生成する。使用され得るオンチップ分散要素の実施例として、限定ではないが、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）および平面凹面格子（ＰＣＧ）が挙げられる。
【００６９】
導波路アレイ１８は、複数の導波路を有し、複数の導波路は、ＴＭ偏光成分を有する複数の狭帯域光学信号を捕捉して、検出器アレイ２４からの検出器画素（また、検出器要素としても知られる）の第１の部分とインターフェースをとる適切な様式において、これらの信号を経路指定するように配列される。例えば、検出器アレイ２４は、典型的には、検出器要素の線形アレイを備え、その場合、導波路アレイ１８の複数の導波路の出力ポートは、検出器アレイ２４とインターフェースをとる、分光計チップ２２の縁に線形ピッチで配列される。いくつかの実施形態では、各狭帯域信号は、検出器アレイ２４内の単一検出器画素によって吸収および検出され得る。代替実施形態では、各狭帯域信号は、検出器アレイ２４内の複数の検出器画素によって吸収および検出され得る。
【００７０】
導波路アレイ２０は、複数の導波路を有し、複数の導波路は、ＴＥ偏光成分を有する複数の狭帯域光学信号を捕捉し、検出器画素の第１の部分と異なる検出器アレイ２４からの検出器画素の第２の部分とインターフェースをとるための適切な様式（導波路アレイ１８に関して説明されるように）において、これらの信号を経路指定するように配列される。
【００７１】
本実施形態は、従来の自由空間光学系システムに優る利点を保有する。なぜなら、チップ製造プロセス中に、導波路アレイ１８および２０が分散要素１４および１８に精密に整列させられることができ、それによって、チップ２２を検出器アレイ２４に整列させることが、自動的に、分散要素１４および１６と、導波路アレイ１８および２０と、検出器アレイ２４の入力とを整列させるからである。これは、従来の自由空間光学系システムを用いては不可能である。
【００７２】
代替実施形態では、分散要素１４および１６は、それぞれ、導波路アレイ１８および２０を使用せずに、直接、検出器アレイ２４の検出器画素を照射することができる。この場合、検出器アレイ２４の検出器要素は、それぞれ、ＴＭおよびＴＥ偏光成分を有する、第１および第２の複数の狭帯域光学信号を捕捉する。本実施形態も、従来の自由空間光学系システムに優る利点を保有する。なぜなら、チップ製造プロセス中に、分散要素１４および１６が互におよびチップ２２の出力に精密に整列させられ得、それによって、チップ２２の出力と検出器アレイ２４の入力の整列が、自動的に、分散要素１４および１６の両方と検出器アレイ２４を整列させるからである。
【００７３】
検出器アレイ２４は、限定ではないが、例えば、分散要素１４および１６から導出された複数の狭帯域光学信号を受信および測定し、それによって、初期入力光学信号３０に関する具体的情報を測定するように配列される、表面照射型検出器画素または統合された導波路フォト検出器等の検出器要素のアレイである。典型的には、検出器要素は、検出器要素の線形に離間されたアレイを提供するように線形に配列され、導波路アレイ１８および２０からの各狭帯域光学信号は、１つ以上の検出器要素を照射する。これを促進するために、検出器アレイ２４の入力は、チップ２２の出力と精密に整列させられる。
【００７４】
概して、本明細書の種々の実施形態に示される検出器アレイ２４は、単一検出器アレイである。しかしながら、２つ以上の検出器アレイを使用することが有益であり得る、いくつかの代替実施形態も存在し得る。
【００７５】
検出器アレイ２４によって測定されるデータは、特定の実装に応じて、チップ上の伝導性トレースまたは電気ワイヤであり得る、出力ライン２６を介して、読み取り電子機器２８に提供される。読み取り電子機器２８は、検出器アレイ２４によって生成された電気信号（すなわち、測定されたデータを表す）をコンピューティングデバイス（図示せず）によって使用され得る好適なフォーマットを有する出力データにを変換するために使用され、コンピューティングデバイスは、例えば、出力データの逆フーリエ変換を算出すること等によって、出力データを分析する。いくつかの実施形態では、読み取り電子機器２８は、検出器アレイ２４から測定されたデータを読み取り、次いで、好適な出力データフォーマットを使用して、測定されたデータをフォーマット化するために、クロックおよび制御信号を検出器アレイ２４に提供する、フィールドプログラマブルゲートアレイまたはマイクロコントローラを含む。例えば、出力データフォーマットは、ＵＳＢ接続が、読み取り電子機器２８とコンピューティングデバイスとの間で使用され得るように、ＵＳＢフォーマットであることができる。いくつかの実施形態では、カメラリンクまたはギガビットイーサネット（登録商標）接続等の別のフォーマットが、使用されることができる。いくつかの実施形態では、検出器アレイ２４が、出力アナログ信号を生成する場合、読み取り電子機器２８はまた、好適な数のチャネルを伴う、好適な数のアナログ／デジタルコンバータを含む。
【００７６】
集合的に、偏光スプリッタ１２ならびに分散要素１４および１６は、入力光学信号を受信し、動作帯域幅範囲にわたって、第１の偏光状態を有する第１の複数の空間的に分離されたスペクトル成分と、第２の偏光状態を有する第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分とに入力光学信号を空間的に分離するように構成される、少なくとも２つの分散要素と称され得ることに留意されたい。
【００７７】
ここで図２を参照すると、そこに示されるのは、偏光感受型分光計５０の別の例示的実施形態のブロック図である。分光計５０は、分光計１０に類似するが、分光計５０は、オンチップ偏光スプリッタ５２を備えている。オンチップ偏光スプリッタ５２は、限定ではないが、例えば、導波路偏光スプリッタであることができる。オンチップ偏光スプリッタ５２は、分散要素１４および１６ならびに導波路アレイ１８および２０と同一のチップ５４上に位置する。分光計５０は、分光計１０と同様に動作する。しかしながら、分光計５０は、チップ２２の場合のＴＭおよびＴＥ入力光学信号の両方と比較して、単一初期入力光学信号３０のみが、チップ５４と整列させられるため、分光計１０より好ましい。加えて、全体的分光計５０は、構成要素の数の減少および整列要件の減少のため、分光計１０より小型かつ安価であることができる。
【００７８】
集合的に、偏光スプリッタ５２ならびに分散要素１４および１６は、入力光学信号を受信し、動作帯域幅範囲にわたって、第１の偏光状態を有する第１の複数の空間的に分離されたスペクトル成分と、第２の偏光状態を有する第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分とに入力光学信号を空間的に分離するように構成される、少なくとも２つの分散要素と称され得ることに留意されたい。
【００７９】
ここで図３を参照すると、そこに示されるのは、偏光感受型分光計１００の別の例示的実施形態のブロック図である。分光計１００は、偏光毎に１つずつ設計された２つの分散要素を備え、２つの分散要素は、偏光分割格子構成１０２内に共通専有面積を共有するようにオーバーレイされ、偏光分割格子構成１０２は、分散および偏光分割機能の両方を提供し得る、偏光分割格子構成１０２は、導波路アレイ１８および２０とともに、チップ１０４上に実装される。分光計５０と同様に、初期入力光学信号３０のみが、チップ１０４と整列させられる。本実施形態は、偏光依存有効屈折率ｎｅｆｆを使用することによって可能にされることができ、偏光依存有効屈折率ｎｅｆｆは、一実施例として、導波路構造の幾何学形状および導波路構造内で使用される材料に基づいて、導波路構造内に設計され得る。本分光計１００は、分光計１００が、別個の偏光分割成分を要求せず、２つの分散要素の組み合わせられた専有面積が減少され得るので、分光計１０および５０より好ましい。
【００８０】
偏光分割格子構成１０２は、入力光学信号を受信し、動作帯域幅範囲にわたって、第１の偏光状態を有する第１の複数の空間的に分離されたスペクトル成分と、第２の偏光状態を有する第２の複数の空間的に分離されたスペクトル成分とに入力光学信号を空間的に分離するように構成される、少なくとも２つの分散要素として見なされ得ることに留意されたい。
【００８１】
ここで図４Ａを参照すると、そこに示されるのは、分散および偏光分割機能の両方を提供することができる、偏光分割格子構成１５０の略図である。偏光分割格子構成１５０は、ＴＥ偏光の有効屈折率に対して動作し、出力をＴＥ出力領域に向かわせる第１の分散要素と、ＴＭ偏光の有効屈折率に対して動作し、出力をＴＭ出力領域に向かわせる第２の分散要素とから構築される。この場合、２つの分散要素は、互にオーバラップし、共通専有面積を共有するように構成される。ＴＥおよびＴＭ成分の両方を有する入力光学信号が提供されるとき、ＴＭ出力光学信号の波長は、ＴＥ出力光学信号の波長と空間的にオーバラップしない。
【００８２】
偏光分割格子構成１５０の例示的実施形態は、図４Ｂに示される、ＰＣＧ偏光分割格子１６０である。ＰＣＧ偏光分割格子１６０は、出力焦点曲線１６４を有する。ＰＣＧ偏光分割格子１６０は、ＴＥ偏光に対する有効屈折率を有し、出力を出力焦点曲線１６４の第１の部分１６６に向かわせる第１の分散要素と、ＴＭ偏光に対する有効屈折率を有し、出力を出力焦点曲線１６４の第２の部分１６８に向かわせる第２の分散要素とから構築され、２つの分散要素は、互にオーバラップするように構成され、共通専有面積を共有する。第１および第２の部分１６６と１６８との間にオーバラップが存在しないことが分かる。
【００８３】
他の実施形態では、ＰＣＧ偏光分割格子１６０は、ＴＥ偏光に対する有効屈折率を有し、出力をＰＣＧ偏光分割格子１６０の出力の第１の部分に向かわせる第１の分散要素と、ＴＭ偏光に対する有効屈折率を有し、出力をＰＣＧ偏光分割格子１６０の出力の第２の部分に向かわせる第２の分散要素とから構築され得、出力の第１および第２の部分は、近接し得るが、必ずしも、ＰＣＧ偏光分割格子１６０の出力焦点曲線上にないもともある。
【００８４】
偏光分割格子構成１５０の別の例示的実施形態は、図４Ｃに示される、ＡＷＧ偏光分割格子１７０である。ＡＷＧ偏光分割格子１７０は、入力自由伝搬領域１７２と、複数の導波路１７４と、出力焦点曲線１７８が存在するような出力自由伝搬領域１７６とを有する。入力自由伝搬領域１７２では、入力光学信号の光は、拡散し、複数の導波路１７４を照射し、異なる経路長に沿って、出力自由伝搬領域１７６に進行し、そこで、光学信号は、ＡＷＧ偏光分割格子１７０の出力に集束させられる。ＡＷＧ偏光分割格子１７０は、ＴＥ偏光の有効屈折率を有し、出力を出力焦点曲線１７８の第１の部分１８０に向かわせる第１の分散要素と、ＴＭ偏光に対する有効屈折率を有し、出力を出力焦点曲線１７８の第２の部分１８２に向かわせる第２の分散要素とから構築され、２つの分散要素は、互にオーバラップし、共通専有面積を共有するように構成される。第１および第２の部分１８０と１８２との間にオーバラップは存在しないことが分かる。
【００８５】
他の実施形態では、ＡＷＧ偏光分割格子１７０は、ＴＥ偏光に対する有効屈折率を有し、出力をＡＷＧ偏光分割格子１７０の出力の第１の部分に向かわせる第１の分散要素と、ＴＭ偏光に対する有効屈折率を有し、出力をＡＷＧ偏光分割格子１７０の出力の第２の部分に向かわせる第２の分散要素とから構築され得、出力の第１および第２の部分は、近接し得るが、必ずしも、ＡＷＧ偏光分割格子１７０の出力焦点曲線上にない。
【００８６】
偏光分割が、偏光分割格子構成内の共通専有面積を共有する２つの分散要素によって実装され得るかどうかを決定するために、分光計の総動作帯域幅を検討しなければならない。偏光分割格子に基づく、分光計内で利用可能な総帯域幅は、以下のように、数学的に説明されることができ、式２に示される格子式から開始する。
【００８７】
【数２】
2015534056.tif 000004
【００８８】
式２では、ｄは、格子ピッチであり、θｉは、入力光学信号の入力角度であり、θｍは、出力光学信号の出力角度であり、ｍは、モード次数であり、λは、出力光学信号の波長であり、ｎｅｆｆは、有効屈折率である（一般に、波長の関数である）。中心波長λ０の場合、有効屈折率ｎｅｆｆ、ＴＭ（λ０）を伴うＴＭモードの出力角度は、式３によって与えられる。
【００８９】
【数３】
2015534056.tif 000005
【００９０】
有効屈折率ｎｅｆｆ、ＴＥ（λ０）を伴うＴＥモードの出力角度は、式４によって与えられる。
【００９１】
【数４】
2015534056.tif 000006
【００９２】
出力角度間の差異は、式５によって与えられ、
【００９３】
【数５】
2015534056.tif 000007
【００９４】
単一波長λ０におけるＴＥ偏光成分とＴＭ偏光成分との分離を提供するために使用されることができる。
【００９５】
分光計１００が、動作スペクトル範囲Δλｓｐｅｃ＝λｍａｘ−λｍｉｎにわたって、高忠実性を伴って動作するためには、いくつかの異なる例示的実施形態に関して図４Ａ−４Ｃに示されるように、ＴＭ最小波長が、ＴＥ最大波長から分離される、または言い換えると、θｍｉｎ，ＴＭ＞θｍａｘ、ＴＥあることが望ましい。これらの式は、ｎｅｆｆ、ＴＭ＜ｎｅｆｆ、ＴＥである場合、導出される。同様の式が、ｎｅｆｆ、ＴＭ＞ｎｅｆｆ、ＴＥである場合、導出され得ることに留意されたい。
【００９６】
したがって、本例示的実施形態では、ＴＥ分散要素およびＴＭ分散要素は、以下を呈する偏光分割格子構成内で組み合わせられる。
【００９７】
【数６】
2015534056.tif 000008
【００９８】
【数７】
2015534056.tif 000009
【００９９】
【数８】
2015534056.tif 000010
【０１００】
【数９】
2015534056.tif 000011
【０１０１】
偏光分割格子構成は、したがって、ＴＭモードに対する有効屈折率ｎｅｆｆ、ＴＭおよびＴＥモードに対する有効屈折率ｎｅｆｆ、ＴＥの適切な値を工夫することによって、所望のスペクトル範囲λｍｉｎ〜λｍａｘにわたって動作するように設計されることができる。これは、２つの分散要素によって共有される偏光分割格子構成の領域において使用される幾何学形状および材料の適切な設計によって行われることができる。
【０１０２】
実施例として、図５Ａ−５Ｄは、ＰＣＧ偏光分割格子の例示的実施形態を使用し、分散機能および偏光分割機能の両方を提供する偏光感受型分光計に対する、複屈折対波長および帯域幅、帯域幅と波長との間の関係を図示する略図を示す。特に、図５Ａ−５Ｂは、スラブ導波路ＰＣＧデバイス内の二酸化ケイ素によって包囲される１５０ｎｍ厚の窒化ケイ素のスラブから成る、共有伝搬領域に対して計算された複屈折を示す。図５Ｃ−５Ｄは、この同一のスラブ導波路ＰＣＧデバイスに対して、偏光を完全に分割しながら、達成可能な４６ｎｍ帯域幅を示す。これらの結果は、有限要素法（ＦＥＭ）モードソルバーを使用して行われる、モード有効屈折率シミュレーションを使用することによって得られた。帯域幅は、スラブ導波路ＰＣＧデバイスの幾何学形状および材料屈折率を改変することによって上昇または降下されることができる。例えば、いくつかの実施形態では、導波路コア、底部クラッディング、および上部クラッディングは、例えば、限定ではないが、窒化ケイ素、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、シリコンリッチ窒化ケイ素、シリコン、ＳＵ８、ドープされたガラス、他のポリマー、または他の好適な材料等の種々の材料から成ることができる。一般に、ＴＥおよびＴＭ偏光成分に対する有効屈折率におけるより多くのコントラストは、ＴＥおよびＴＭ偏光成分のより大量の分割および偏光分割格子構成および分光計システムに対するより大きな達成可能帯域幅につながる。
【０１０３】
より一般的な場合、ＴＥおよびＴＭ分散要素はまた、異なる格子モード次数ｍＴＥおよびｍＴＭで動作し得る。その場合、偏光分割格子は、式１０に示される条件を満たすように設計されることができる。
【０１０４】
【数１０】
2015534056.tif 000012
【０１０５】
ここで図６を参照すると、偏光分割格子構成１９０に対する入力光学信号の帯域幅が、その最大帯域幅より大きい場合もあり得、その場合、出力偏光信号は、完全に分離されず、最も中心の出力のいくつかは、ある波長でのＴＥ狭帯域光学信号と、別の波長でのＴＭ狭帯域光学信号とを含むであろうことに留意されたい。言い換えると、これらの場合、偏光分割格子構成１９０のＴＥおよびＴＭ出力における波長に重複があるであろう。このオーバラップは、これらの波長におけるＴＥおよびＴＭ出力が、偏光分割格子構成１９０内で同一の有効屈折率ｎｅｆｆを経験したため、偏光分割格子構成１９０の同一の出力に到着したという事実によるものである。この場合、偏光または波長のいずれかに基づく二次分割要素１９２が、ＴＥおよびＴＭ出力信号を完全に分離するために使用され得る。これは、分光計に複雑性を追加するが、最大分割帯域幅（前述のように計算される）が、所与の用途に対して不十分である場合、使用され得る。
【０１０６】
前述のように、それらを分割することに加え、偏光分割格子構成を使用して、入力光学信号の２つの偏光成分を独立して集束させることも可能である。これを達成するために、偏光分割格子構成は、整数ｉによって番号が付与された格子ファセットが、式１１および１２に示される２つの制約条件を満たす中心場所（ｘｉ、ｙｉ）を有することを要求することによって設計されることができる。
【０１０７】
【数１１】
2015534056.tif 000013
【０１０８】
波長λ０に対して特定の無収差または収差がない出力点を伴う格子を作成するために使用され得る、制約関数の実施例は、式１３に示される。
【０１０９】
【数１３】
2015534056.tif 000014
【０１１０】
式１３では、ｉは、整数であり、ｒ１は、入力点（ａ１、ｂ１）と任意の点（ｘ、ｙ）との間の距離であり、ｒ２は、出力点（ａ２、ｂ２）と（ｘ、ｙ）との間の距離であり、ｒ１，０は、（ａ１、ｂ１）と格子極（ｘ０、ｙ０）との間の距離であり、ｒ２，０は、（ｘ０、ｙ０）と（ａ２、ｂ２）との間の距離である。言い換えると、本形式の制約機能は、格子ファセットが、出力点（ａ２、ｂ２）上に波長λ０の収差のない集束を提供するように設置されることを保証する。具体的には、各ファセットは、隣接するファセットと比較して、ファセットへの入力から出力へ光学経路に沿って、ｍλ０／ｎｅｆｆの光学経路長差を提供するように位置付けられる。
【０１１１】
位置（ａ２，ｂ２）ＴＭに位置するＴＭ出力の場合、式１４に従って、位置（ａ２，ｂ２）ＴＥに位置するＴＥ出力の場合、式１５に従って、２つの制約関数が、各偏光成分に対して、中心波長λ０に対する２つの別個の無収差出力点を生成するために使用されることができる。
【０１１２】
【数１４】
2015534056.tif 000015
【０１１３】
【数１５】
2015534056.tif 000016
【０１１４】
言い換えると、両偏光の収差のない集束が、ＴＥ分散要素およびＴＭ分散要素に対する両式を同時に満たすファセット位置を求めることによって提供される。各ファセットは、隣接するファセットと比較して、ｍＴＥλ０／ｎｅｆｆ，ＴＥおよびｍＴＭλ０／ｎｅｆｆ，ＴＭの光学経路長差を同時に提供するように位置付けられる。工夫された偏光分割と工夫された偏光集束とを組み合わせることによって、例えば、本明細書に示される式を使用して、高性能および高効率を伴って、入力光学信号の２つの偏光成分を分離および測定する、分光計を作成することができる。
【０１１５】
ここで図７Ａを参照すると、そこに示されるのは、１つ以上の分散要素を含むチップ２０２と、検出器アレイを含む第２の異なるチップ２０４との間の配列の例示的実施形態２００である。この場合、分散要素チップ２０２から、検出器アレイ２０４の入力を含む平面に出力光学信号を伝送するために、分散要素チップ２０２と検出器アレイチップ２０４との間に、縁／面配向が存在する。この配向は、検出器要素の１Ｄ（すなわち、線形）アレイを有する、検出器アレイに好適である。
【０１１６】
ここで図７Ｂを参照すると、そこに示されるのは、１つ以上の分散要素を含むチップ２５２と、検出器アレイを含む第２の異なるチップ２５４との間の配列の別の例示的実施形態２５０である。この場合、分散要素チップ２５２と検出器アレイチップ２５４との間には、面／面配向が存在し、分散要素チップ２５２は、第１のチップの平面から、検出器アレイ２５４の入力を含む平面に光を向かわせるための要素または複数の要素を含む。そのような要素の実施例として、限定ではないが、格子結合器、４５°ミラー、または方向性散乱要素が挙げられる。この配向は、検出器要素の１Ｄ（すなわち、線形）アレイまたは検出器要素の２Ｄ（すなわち、面積）アレイのいずれかを有する、検出器アレイに好適である。
【０１１７】
両図７Ａ−７Ｂでは、分散要素チップ２０２／２５２は、チップの平面に光学デバイスを含み、検出器アレイチップ２０４／２５４は、そのチップ表面に垂直な光を受信することに留意されたい。
【０１１８】
ここで図８を参照すると、そこに示されるのは、分割要素３０２と、平面基板３１２（すなわち、チップまたはＩＣ）上の複数の分散要素３０４から３０８および複数の導波路１８、３１０、２０と、単一検出器アレイ２４とを有する分光計３００の別の例示的実施形態である。分光計３００はまた、検出器アレイ２４に結合される、読み取り電子機器を備えている。代替実施形態では、検出器アレイ２４および分割要素３０２のうちの少なくとも１つは、平面基板３１２上に実装され得る。代替実施形態では、導波路１８、３１０および２０は、必要でないこともある。
【０１１９】
分光計３００の構成要素は、前述の類似構成要素と同一の方法で機能する。しかしながら、本実施形態では、分光計に提供される、２つ以上の入力信号が存在し、分散要素は、必ずしも、互に対して異なる偏光を有してない３つ以上の複数の空間的に分離されたスペクトル成分を集合的に生成する。さらに、この一般的な場合において、入力光学信号は、単に、入力光学信号を２つの別個の均一または不均一強度入力光学信号に分割する等、偏光以外の原理に基づいて分割され得ることに留意されたい。
【０１２０】
使用時、第１の初期入力光学信号（光学入力＃１）は、分割要素によって受信され、第１および第２の入力光学信号に分離される。分割は、第１の初期入力光学信号の偏光、波長、振幅、またはいくつかの他の特性に基づいて行われ得る。第１および第２の入力光学信号は、それぞれ、第１および第２の分散要素３０４および３０６に送信される。第２の初期入力光学信号（光学入力＃２）は、直接、第３の分散要素３０８に送信される。
【０１２１】
分散要素３０４から３０８の各々は、対応する導波路１８、３１０、および２０によって、各々が複数の狭帯域光学信号として捕捉される、複数の空間的に分離されたスペクトル成分を生成する。３つの複数の狭帯域光学信号は、次いで、複数の狭帯域光学信号を測定する検出器アレイ２４の異なる領域に提供される。測定は、次いで、電気接続２６を介して、読み取り電子機器２８に送信され、そこで、測定値が読み取られ、視認または他の目的のために、出力データとして提供される。
【０１２２】
分光計３００は、複数の（例えば、２つ以上の）分散要素を、ゼロ、１、またはそれ以上のスプリッタおよび単一検出器アレイとともに、多機能分光計に組み合わせることが有利であり得る一般的場合を表す。そのような実施形態は、各分散要素がその独自の検出器アレイを有するであろう従来の方式より多くの利点を提供する。これらの利点の実施例として、限定ではないが、サイズ縮小、コスト削減、コンピューティング要件の減少、全出力の同時トリガ（単一検出器アレイが検出を行うため）、および温度依存性の複雑性の低減（従来の方式における２つ以上の別個の検出器アレイの異なる温度依存性を考慮することと比較して、単一検出器アレイのみの温度依存性が考慮される必要があるため）が挙げられる。単一検出器アレイが異なる分散要素のために共有され得る場合の例は、２０４８画素等、検出器アレイ内に複数の画素が存在するが、いくつかの画素のみが、いくつかの異なる分散要素の各々の出力を測定するために必要とされるときである。
【０１２３】
分光計３００は、複数の光学入力信号が、分光計に進入し得る状況において使用され得ることに留意されたい。例えば、異なる入力光学信号は、異なる波長範囲または異なる偏光状態を伴う光学信号を搬送し得、または光学信号は、異なるサンプルまたは同一のサンプル上の異なる場所から捕捉され得、または光学信号は、例えば、干渉計の複数の出力から受信され得る。
【０１２４】
また、分光計３００の種々の代替実施形態では、１つ以上の分割要素が、入力光学信号の波長、偏光状態、または他の特性のうちの少なくとも１つにおいて異なり得る、複数の入力光学信号に１つの入力光学信号を分割するために含まれ得ることに留意されたい。
【０１２５】
また、分光計３００の種々の実施形態では、チップ３１２上の異なる分散要素は、異なる波長範囲にわたって動作するように、入力光学信号を異なる分解能に分散させるように、異なる偏光状態に対して動作するように、または入力光学信号の他の光学特性に関して異なって動作するように構成されることができることに留意されたい。
【０１２６】
本明細書の教示による、種々の例示的実施形態は、チップベースのシステムが、自由空間光学系内に実装することが不可能または非実践的であるであろう、光学要素の多くの複合順列が、分光計のために実装されることを可能にすることを示す。
【０１２７】
本明細書に説明される種々の分光計実施形態の代替では、検出器アレイ（および／または読み取り電子機器）は、検出器アレイの入力に対する分光計の出力のいかなる手動整列も完全に排除するために、分光計と同一のチップ上に位置することができる。
【０１２８】
本明細書に説明される種々の分光計実施形態のさらなる代替では、検出器アレイが、図１から３、７Ａ、７Ｂ、および８に示されるように、別個のチップ上に位置する場合、１つ以上のレンズが、分散要素チップと検出器アレイとの間に設置され、分散要素チップからの出力光学信号を再集束させ、結合効率を改善することができる。
【０１２９】
一側面では、少なくとも１つの分散要素構成が、統合された基板または平面基板上に実装される、本明細書に図示および説明される種々の偏光感受型分光計実施形態は、手動整列を要求する構成要素がほとんどない、より小型かつより単純な単一カメラまたは単一検出器アレイ偏光感受型分光計の構造を可能にする。これは、自由空間光学要素を使用して実装され、かさばりかつ高価である、従来の分光計と比較して、コストを削減し、かつ信頼性およびロバスト性を改善する。特に、本明細書に説明される種々の偏光感受型分光計実施形態のソリッドステート形態は、複合自由空間光学系システムと比較して、ロバスト性の増加をもたらし、また、診療現場用途を可能にし、本明細書に説明される分光計システムの少なくともいくつかは、以前は可能ではなかったが、種々のサンプルを分析するために、現場に携行されることができることを意味する。統合された基板上に実装される、図示される本明細書に図示される種々の偏光感受型分光計実施形態の要素はまた、他のオンチップ構成要素と容易に統合されることができる。
【０１３０】
別の側面では、本明細書に図示および説明される種々の偏光感受型分光計実施形態の少なくともいくつかは、ＯＣＴ画像におけるスペックル雑音を低減させることができる。これは、スペックルと標的からの光との間の偏光特性の差異を利用することによって行われる。加えて、本技法は、所望の（優勢的に偏光された）ＯＣＴ信号と優勢的に偏光されていない背景信号を区別する際（例えば、単一散乱対多重散乱光）、有用である。
【０１３１】
別の側面では、本明細書に図示および説明される種々の偏光感受型分光計実施形態の少なくともいくつかは、光学信号内の両偏光に影響を及ぼす、コモンモード雑音を除去するために使用されることができる。入射光の偏光に敏感ではない従来の分光計は、取得されたスペクトル内のコモンモード雑音を区別することができない。しかし、本明細書の教示による偏光感受型分光計の場合、コモンモード雑音をフィルタリングするために、より高度な区別基準を実装することが可能である。例えば、波長に伴って変化する偏光に平滑度限界を課すこと、標的位相画像を取得すること、および適切な位相較正が全て、コモンモード雑音の影響を緩和するために使用されることができ、これは、単一偏光または偏光非感受型分光計の能力を超える。
【０１３２】
別の側面では、本明細書に図示および説明される種々の偏光感受型分光計実施形態は、導波路デバイス内のゼロ複屈折（または、「偏光補償」）の必要性を排除する。
【０１３３】
本明細書に説明される種々の実施形態は、それぞれ、ＴＥおよびＴＭ偏光状態を有する、第１および第２の複数の狭帯域光学信号を導出するための入力光学信号の処理を説明したが、これらの実施形態は、より一般的には、それぞれ、第１の偏光状態および第２の偏光状態を有する、第１および第２の複数の狭帯域光学信号を導出するために、入力光学信号を処理するように設計されることができることを理解されたい。故に、ＴＥおよびＴＭモードに対する種々のパラメータの使用は、より一般的には、第１および第２の偏光状態に対するパラメータによって表されることができる。
【０１３４】
本明細書の教示による種々の実施形態では、２つ以上の複数の狭帯域光学信号が、いくつかの異なる方法において、２つ以上の複数の空間的に分離されたスペクトル成分から導出され得ることに留意されたい。例えば、いくつかの実施形態では、本導出は、２つ以上の導波路アレイへの入力として提供される、２つ以上の複数の空間的に分離されたスペクトル成分から２つ以上の複数の狭帯域光学信号を捕捉する、２つ以上の導波路アレイによって行われ得る。代替として、いくつかの実施形態では、本導出は、単一検出器アレイへの入力として提供される、２つ以上の複数の空間的に分離されたスペクトル成分から２つ以上の複数の狭帯域光学信号を捕捉する、単一検出器アレイによって行われ得る。
【０１３５】
本明細書に説明される種々のＯＣＴ実施形態の要素の少なくともいくつかは、少なくとも部分的に、ソフトウェアを介して実装され、必要に応じて、オブジェクト指向プログラミング、スクリプト言語、アセンブリ言語、機械言語、ファームウェア、または任意の他の好適なプログラミング言語等の高レベル手続型言語で書き込まれ得る。プログラムコードは、要求される機能性を実装するために十分なプロセッサまたは関連付けられたハードウェアを有する、汎用または特殊目的プログラマブル電子機器によって読み取り可能な記憶媒体またはコンピュータ読み取り可能な媒体上に記憶されることができる。プログラムコードは、プロセッサまたは関連付けられたハードウェアによって読み取られると、本明細書に説明される機能のうちの少なくとも１つを行うために、具体的かつ所定の様式において動作するように、これらの要素を構成する。
【０１３６】
前述の説明は、種々の実施形態の実施例を提供するが、説明される実施形態のいくつかの特徴および／または機能は、説明される実施形態の動作の原理から逸脱することなく、修正を受けることを理解されるであろう。故に、前述は、本明細書に説明される主題の例証であり、かつ非限定的であることが意図され、他の変形および修正も、本明細書に添付の請求項に定義される、請求される主題の範囲から逸脱することなく、行われ得ることが、当業者によって理解されるであろう。さらに、請求項の範囲は、本明細書に説明される好ましい実施形態および実施例によって限定されるべきではなく、全体としての説明と一貫する、最も広義の可能な解釈が与えられるべきである。
【図１】
2015534056.tif 000017
【図２】
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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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
2015534056.tif 000025
【図５Ｄ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【国際調査報告】
2015534056.tif 000031
2015534056.tif 000032
2015534056.tif 000033