JPH11500220A - 検出のための干渉計装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 装置は、互いに平行な入力（２）及び出力（５）ガイドラインと、それらの間の移行領域（１０）を定める平面的なガイドと、を備えている。光トンネル効果は、平面的なガイドと、マイクロガイドとの間を結合する。移行領域は、少なくとも２つの領域を備えている。すなわち、参照領域（１０ａ）と相互作用領域あ（１０ｂ）とである。相互作用領域（１０ｂ）は、光指標や厚さが調査の媒体に対して感度のある基板を置くことにより形成さる。光ビームは、入力マイクロガイドを介して、平面的なガイドへ伝わる。この伝わった光は、参照領域（１０ａ）を通過する参照ビームと、相互作用領域（１０ｂ）を通過する測定ビームとに、分割される。これら参照及び測定ビームは、出力マイクロガイド（５）で、互いに干渉する。参照及び相互作用領域の幾何学的な形状に依存して、この装置はツーウェーブ又はマルチプルウェーブの干渉計を形成する。前記装置は、物理学、化学、生物学のセンサーとして、便利である。

Description

【発明の詳細な説明】 検出のための干渉計装置 本発明は、光学技術を統合して製造された干渉計により、媒体の特性を検出す るための装置に関する。本発明は、基板と、光ビームを発する手段の入力端に接 続された入力マイクロガイドと、前記光ビームから少なくとも１つの参照ビーム と１つの測定ビームとを形成するための形成手段と、参照ビームと測定ビームと を干渉させ、干渉信号を供給するための手段と、干渉信号が送られる出力マイク ロガイドの出力端に接続された検出するための手段と、測定ビームと調査する媒 体との間の相互作用ゾーンとを、備えている。 ガスの存在や濃度を検出するために、光学的干渉計を使うことは知られている 。既知の装置としては、Mach-Zehnderタイプの干渉計が使われている。この装置 は、統合的な光学技術によりなされている。この装置を図１に示す。干渉計は、 入力マイクロガイド２が形成された基板１を備えている。入力マイクロガイド２ は最初のＹジャンクションで２つのアームに分岐し、参照アーム３と測定アーム ４とになる。これら２つのアームは２番目のＹジャンクション手段で結合し、出 力マイクロガイド５になる。調査するガスが存在する相互作用ゾーン６は、測定 アーム４の一部をカバーしている。この相互作用ゾーンは、例えば、予め決めら れたガスを吸収できるフィルムでカバーされている。その屈折係数は、吸収した ガスの量にしたがって、変化する。入力光ビーム７は、入力用のマイクロガイド ２から入力される。したがって、この入力光ビーム７は、２つのビームに分かれ る。２つのビームの一方は、出力マイクロガイドへ参照アームにより伝わる。２ つのビームの他方は、測定アームで伝わって、吸収したフィルムの係数の変化に したがって、位相変位の変化を受ける。これら参照及び測定ビームは、２番目の Ｙジ ャンクションで干渉する。したがって、マイクロガイド５の出力側で、干渉信号 が形成され、これが調査するガスを代表する。 本発明の目的は、統合的な光学として容易に、感度が増大した装置を提供する ことにある。 本発明によれば、この目的は、各マイクロガイドとフラットガイドとの間の光 トンネル効果により、光の結合がなされるように、入力及び出力ガイドの間に配 置されたフラットガイドを有する形成手段と、少なくとも、媒体に対して感度の ない第１ゾーンと、媒体の相互作用ゾーンを構成する第２ゾーンとを、備えると いう事実により、成し遂げられる。そして、これら異なるゾーンは、どのような 形でもよい。 フラットガイドは、それぞれ入力及び出力マイクロガイドと平行な２つの辺を 有している。これらの各辺は、マイクロガイドの中間部分の近くに配置されてい る。 本発明の発展したものによれば、相互作用ゾーンは、調査する媒体に対する高 い感度の、基板に置かれた、上板（superstrat）を備える。 第１の択一的な実施例によれば、入力及び出力マイクロガイドは、平行に設け られており、相互作用ゾーンは、これらマイクロガイドに平行に設けられた２つ の辺を有する平行四辺形に形成されている。 第２の択一的な実施例によれば、相互作用ゾーンは三角形の形状をしており、 この三角形は、フラットガイドを入力マイクロガイドと関係づけるようにする辺 上にある１つの辺と、フラットガイドを出力マイクロガイドと関係づけるように する辺上にある反対側頂点とを、有する。 本発明の他の長所や特徴は、以下に記述した本発明の特有の実施例から、より 明瞭に明白になるであろう。本発明は、以下の例だけに限定されるものではない が、以下の図面のように示される。 図１は、既知のタイプの装置を示す図である。 図２は、本発明に係る装置の１つの実施例を示す図である。 図３と図４は、図２の装置におけるフラットガイドの２つの特有の実施例を示 し、ダブルウェーブの干渉計を示す図である。 図５は、図３と図４の装置の、振幅−位相変位応答曲線を示す図である。 図６と図７と図９とは、図２の装置におけるフラットガイドの３つの特有の実 施例を示し、マルチプルウェーブの干渉計を示す図である。 図８と図１０は、それぞれ、図７と図９の装置の振幅−位相変換応答曲線を示 す図である。 図２に示す装置は、基板１上に、統合的な光学技術により成し遂げられている 。既知の装置のように、入力マイクロガイド２の入力端は、光源８に接続されて いる。このような光源は、基板１に直接固定されたレーザーダイオードで形成で き、又は、光ファイバー手段によりマイクロガイド２の入力へ接続することもで きる。出力マイクロガイド５の出力端は、光検出器９に接続されている。これら マイクロガイド２、５は、好ましくは、明らかな平行に形成される。フラットガ イド１０により形成される移行ゾーンは、光トンネル効果により光の結合が成し 遂げられるように、マイクロガイド２と５の間に配置されている。同様に、入力 マイクロガイド２とフラットガイド１０との間、及び、フラットガイド１０と出 力マイクロガイド５との間の、全体的な反射を妨げる。 入力側である、マイクロガイド２の第１部分２ａは、光源８に接続されており 、マイクロガイドの基本的モードを安定させる目的に役立つ。移行ゾーン１０の 近くに位置した、マイクロガイド２の中間部である、第２部分２ｂでは、ゾーン １０の光トンネル効果により光が結合する。この結合は比較的弱く、それゆえ、 ゾーン１０における規則的な光分布を確実にする。光の結合されなかった部分は 、マイクロガイド２の出力側である第３部分２ｃを経由して、装置から出力され る。 参照光検出器１１は、マイクロガイド２の出力側に接続される。したがって、測 定された参照信号は、光源８の変化の結果による光検出器９によりなされた干渉 信号の測定の変化を正すために、演算処理装置で使われる。 移行ゾーン１０は、少なくとも、ゾーン１０ａと１０ｂとに分割される。第１ ゾーン１０ａは、参照ゾーンとして動作する。第２ゾーン１０ｂは、調査する媒 体とともに相互作用ゾーンを構成する。それは、上述の媒体の相互作用のとき、 その光係数と厚さ・濃さ（epaisseur）のうちの少なくとも一方を修正する上板 によりカバーされる。この修正は、上板の下方に位置するフラットガイドの一部 により構成される光学的媒体の光波における一定の伝播の修正をする。 ゾーン１０を通過した光は、近くに位置する、出力マイクロガイドの中間部５ ａと、光トンネル効果により、結合される。それゆえ、中間部５ａは結合を形成 し、干渉信号を形成する干渉ゾーンは、部分２ｂからそれぞれゾーン１０ａと１ ０ｂを通過した光線の合計で構成される。したがって、参照ゾーン１０ａを通過 した参照光ビームと、調査する媒体の成分により変位した測定光ビームとの間で 、干渉がある。これを、いくつかの光線を表した図３に示す。この干渉信号は、 マイクロガイド５の出力側の部分５ｂにより、光検出器９へ伝わる。 参照ゾーン１０ａと干渉ゾーン１０ｂとは、いかなる幾何学的な形でもよい。 図２では、全体として任意の形のライン１０ｃにより、分離されている。図２の 好ましい実施例によれば、移行ゾーン１０は台形である。それは、部分２ｂの近 くに平行に設けられた小さいベース１２と、出力マイクロガイド５の部分５ａの 近くに設けられた大きいベース１３とを、備えている。図２では、それは、長方 形の台形の形をしている。その傾斜された辺１４は、マイクロガイド２と５の出 力端と同じ側に配置されている。 そのような装置は、極めて簡単に成し遂げられ、簡単に改造できる。標準基本 的な装置は、マイクロガイド２、５と、フラットガイド１０と、おそらく、光源 ８と、光検出器９、１１とを、備えている。そのような装置は、連続的に製造で きる。そのような装置は、調査する媒体に適した上板を単に置くことにより、要 求に適合させることができる。その幾何学的な形状は、任意に選択される。もし 必要ならば、参照ゾーン１０ａもまた、調査する媒体に対して感度のないなんら かの材料でカバーすることもできる。 図３と図４に示す択一的な実施例では、干渉ゾーン１０ｂは平行四辺形の形を している。この平行四辺形は、移行ゾーンを構成する長方形の台形における、小 さいベース１２と大きいベース１３とにそれぞれ位置する２つの辺を有している 。図３では、相互作用ゾーンは、ゾーン１０の中央部分に配置される。そのとき 、参照ゾーン１０ａは、ゾーン１０ｂの上方に位置する、ゾーン１０の残りによ り、形成される。図４では、ゾーン１０ｂはゾーン１０の上側部分に配置される 。ゆえに、両方の干渉計は、図５に示すような形の応答曲線を持つ、ダブルウェ ーブの干渉計を形成する。この曲線は、測定及び干渉ビームの間の、相互作用ゾ ーン１０ｂによりもたらさせた、位相変位Φに関する、干渉信号の強度Ｉを示し ている。このような曲線は、次の形となる。 Ｉ＝Ｉｏ（１＋ＣｏｓΦ） （１） ここで、Ｉｏは、位相変位のない場合の、信号の強さである。位相変位Φは、相 互作用ゾーン１０ｂに置いた上板の屈折係数ｎに比例させることができ、調査す る媒体により変化させることができる。このタイプの応答は、大きな測定レンジ に適している。参照ゾーン１０ａに対する干渉ゾーン１０ｂの幅は、これら２つ のゾーンの間における光の強さの分布により、決定される。これにより、最適な 干渉計の対比とすることが可能となる。 図６、図７及び図９に示す択一的な実施例によれば、相互作用ゾーン１０ｂは 、三角形状をしている。この三角形状の１つの辺は、台形の小さいベース１２上 に位置している。これと反対側の頂点１５は、台形の大きいベース１３上に位置 し ている。図６及び図７からわかるように、上述した三角形の辺は、小さいベース １２と同じ長さを有している。これに対して、図９における辺は、小さいベース １２よりも小さい。図６からわかるよに、頂点１５は大きいベース１３の中央部 分に位置している。図７及び図９からわかるように、三角形の第２の辺は、台形 の傾斜辺１４と同じに位置している。 図６及び図７の実施例の応答曲線を、図８に示す。これは以下の形で表せる。 Ｉ＝Ｉｏ（１−ＣｏｓΦ）／Φ² （２） この応答は、はっきりとしたレベルの検出に適している。すなわち、振幅の上 方レベルのときの、与えられた位相変位レベルに対応する、予め決められた、強 さのレベルの検出に適している。 図１０は、図９の択一的な実施例の応答曲線を示す。この図１０は、図５と図 ８との間の中間的な応答を示している。 これら図６、図７及び図９に示す３つの実施例では、干渉計はマルチプルウェ ーブの干渉計を形成する。 本発明は、図面に示した幾何学的な形に限定されないばかりでなく、移行ゾー ンや、相互作用ゾーン１０ｂと参照ゾーン１０ａとを分離する境界線は、いかな る幾何学的な形にも拡張される。特に、ゾーン１０は、いくつかの感度ゾーンと いくつかの参照ゾーンとに、分割することができる。 干渉計の振幅−位相変位応答は、装置の基板上に置いた層の幾何学的な形状に より、決定される。それは、共振装置や、ダブルウェーブの干渉計や、他の中間 的な応答と、同様のタイプである。 既知のタイプのダブルウェーブの干渉計では、図１に示したように、相互作用 ゾーン６上に置かれた吸収基板が、干渉計のアームのバランスを崩すおそれがあ る。これは、測定信号の対比に有害な影響を及ぼす。本発明に係る装置によれば 、自由に選択した幾何学的な相互作用ゾーンが、この問題を回避することを可能 に する。 さらに、相互作用の面１０ｂを大きくしてもよい。これは、相互作用ゾーンを カバーする基板に有り得る異物に対する、干渉計の感度を、減少させる。 そのうえ、本発明に係る装置によれば、既知のFabry-Perotタイプの干渉計と 違って、反射要素を備えていない。この反射要素は、統合光学的にデリケートな ものである。図１に示す既知の装置と違って、どちらも曲がったガイドを備えて いない。このガイドは、確かな統合光学上の問題の、原因となる。このため、製 造が簡単になり、このタイプのセンサーの製造コストの実質的な削減が導かれる 。 この装置は、当然、統合光学固有のすべての利点を提供する。特に、振動に対 する無感度、簡潔さ、温度コントロールの容易性、連続的な工業生産の可能性、 及び、電磁気障害に対する対抗性を、提供する。 上述した装置は、物理学、化学、生物学等に適用するセンサーとして、使うこ とができる。すなわち、相互作用ゾーン上に置いた上板と接触する状態になる、 調査するための媒体に適用することができる。より一般的には、相互作用が、外 部の媒体と光との間の確立したときにいつでも、使うことができる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年２月３日 【補正内容】 本発明は、光学技術を統合して製造された干渉計により、媒体の特性を検出す るための装置に関する。本発明は、基板と、光ビームを発する手段の入力端に接 続された入力マイクロガイドと、前記光ビームから少なくとも１つの参照ビーム と１つの測定ビームとを形成するための形成手段と、参照ビームと測定ビームと を干渉させ、干渉信号を供給するための手段と、干渉信号が送られる出力マイク ロガイドの出力端に接続された検出するための手段と、測定ビームと調査する媒 体との間の相互作用ゾーンとを、備えている。 ガスの存在や濃度を検出するために、光学的干渉計を使うことは知られている 。既知の装置（Article <<Gas sensor based on an integrated optical interf erometer>>，by A.BRANDENBURG et al.，SPIE，vol．1510 Chemical and Medica l Sensors，1991）としては、Mach-Zehnderタイプの干渉計が使われている。こ の装置は、統合的な光学技術によりなされている。この装置を図１に示す。干渉 計は、入力マイクロガイド２が形成された基板１を備えている。入力マイクロガ イド２は最初のＹジャンクションで２つのアームに分岐し、参照アーム３と測定 アーム４とになる。これら２つのアームは２番目のＹジャンクション手段で結合 し、出力マイクロガイド５になる。調査するガスが存在する相互作用ゾーン６は 、測定アーム４の一部をカバーしている。この相互作用ゾーンは、例えば、予め 決められたガスを吸収できるフィルムでカバーされている。その屈折係数は、吸 収したガスの量にしたがって、変化する。入力光ビーム７は、入力用のマイクロ ガイド２から入力される。したがって、この入力光ビーム７は、２つのビームに 分かれる。２つのビームの一方は、出力マイクロガイドへ参照アームにより伝わ る。２つのビームの他方は、測定アームで伝わって、吸収したフィルムの係数の 変化にしたがって、位相変位の変化を受ける。これら参照及び測定ビームは、２ 番目のＹジャンクションで干渉する。したがって、マイクロガイド５の出力側で 、干渉信号が形成され、これが調査するガスを代表する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 統合的光学技術により製造され、干渉計により媒体の特性を検出するた めの、装置であって、 基板（１）上に設けられた入力マイクロガイド（２）であって、光ビームを発 する手段（８）へ入力端が接続される、入力マイクロガイド（２）と、 前記光ビームから、少なくとも参照ビームと測定ビームとを形成するための、 形成手段（１０ａ、１０ｂ）と、 前記参照ビームと前記測定ビームとを干渉させ、干渉信号を供給するための、 手段（５ａ）と、 前記干渉信号を伝える出力マイクロガイド（５）の出力端へ接続する、検出手 段（９）と 前記測定ビームと調査する前記媒体との間の、相互作用ゾーン（１０ｂ）と、 を備えるとともに、 前記形成手段は、 前記入力及び出力マイクロガイド（２、５）の間に配置されたフラットガイド （１０）であって、各マイクロガイドと前記フラットガイドとの間の光トンネル 効果により、光結合が成し遂げられるように配置された、フラットガイドと、 少なくとも、前記媒体に対して感度のない第１ゾーン（１０ａ）と、前記媒体 との相互作用ゾーンを構成する第２ゾーン（１０ｂ）と、 を備えることを特徴とする装置。 ２． 前記相互作用ゾーンは、調査する前記媒体に対して感度のある、且つ、 前記基板（１）上に置かれた、上板を、備えることを特徴とする請求項１に記載 の装置。 ３． 調査する前記媒体の特性にしたがって、前記上板の光係数を変えること を特徴とする請求項２に記載の装置。 ４． 調査する前記媒体の特性にしたがって、前記上板の厚さを変えることを 特徴とする請求項２に記載の装置。 ５． 前記フラットガイド（１０）は、入力及び出力マイクロガイド（２、５ ）に対してそれぞれ平行な２つの辺（１２、１３）を備えており、前記辺のそれ ぞれは、マイクロガイドの中央部分（２ｂ、５ａ）の近くに配置されている、こ とを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の装置。 ６． 前記出力マイクロガイド（５）と関係づけられるフラットガイドの辺（ １３）は、前記入力マイクロガイド（２）と関係づけられるフラットガイドの辺 （１２）よりも、長い、ことを特徴とする請求項５に記載の装置。 ７． 前記入力及び出力マイクロガイド（２、５）は平行に設けられており、 前記相互作用ゾーン（１０ｂ）は平行四辺形の形状をしており、この平行四辺形 の２つの辺は前記マイクロガイド（２、５）と平行である、ことを特徴とする請 求項５又は請求項６に記載の装置。 ８． 前記相互作用ゾーン（１０ｂ）は三角形の形状をしており、この三角形 は、前記フラットガイド（１０）を前記入力マイクロガイド（２）と関係づける ようにする辺上にある１つの辺と、前記フラットガイド（１０）を前記出力マイ クロガイド（５）と関係づけるようにする辺上にある反対側頂点（１５）とを、 有する、ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の装置。 ９． 前記入力マイクロガイド（２）の出力端へ接続された、参照光信号を検 出するための手段（１１）を、備えることを特徴とする請求項１乃至請求項８の いずれかに記載の装置。