6751353 層深さの大きい導波路の特性を評価する、プリズム結合システムおよび方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6751353

(24)【登録日】2020年8月18日

(45)【発行日】2020年9月2日

(54)【発明の名称】層深さの大きい導波路の特性を評価する、プリズム結合システムおよび方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/43 20060101AFI20200824BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/43

【請求項の数】10

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2016-567909(P2016-567909)

(86)(22)【出願日】2015年5月20日

(65)【公表番号】特表2017-522542(P2017-522542A)

(43)【公表日】2017年8月10日

(86)【国際出願番号】US2015031722

(87)【国際公開番号】WO2015179487

(87)【国際公開日】20151126

【審査請求日】2018年5月17日

(31)【優先権主張番号】62/001,116

(32)【優先日】2014年5月21日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】397068274

【氏名又は名称】コーニング インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100073184

【弁理士】

【氏名又は名称】柳田 征史

(74)【代理人】

【識別番号】100090468

【弁理士】

【氏名又は名称】佐久間 剛

(72)【発明者】

【氏名】リ，シェンピン

(72)【発明者】

【氏名】ロセフ，ロスティスラフ ヴァチェフ

【審査官】 平田 佳規

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１２／１２８１８４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０２−２４４１０６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／００− ２１／０１

Ｇ０１Ｎ ２１／１７− ２１／６１

Ｇ０１Ｊ ３／００− ３／５１

Ｇ０１Ｌ １／００

Ｇ０１Ｌ １／２４

Ｇ０１Ｌ ５／００− ５／２８

Ｇ０１Ｍ １１／００

Ｃ０３Ｃ １５／００− ２３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板の上部表面に形成されかつ５０μｍを超える層深さ（ＤＯＬ）を有する、導波路の、少なくとも１つのモードスペクトルを測定する測定システムであって、
入力面、出力面、結合面、屈折率ｎ_p、および出力面と結合面との間の結合プリズム角度α、を有し、かつ前記結合面が前記基板の前記上部表面で前記導波路と界面接合して、それにより基板‐プリズム界面を画成する、結合プリズムと、
前記結合プリズムの前記入力面を通して前記基板‐プリズム界面を照らし、それにより第１のサイズを有する前記少なくとも１つのモードスペクトルのモードラインを含む、前記結合プリズムの前記出力面を出て行く反射光を形成するように構成された、光源系と、
検出器を含み、かつ前記結合プリズムからの前記反射光を受けて前記検出器で前記少なくとも１つのモードスペクトルを検出するように配置された、光検出器系と、
前記結合プリズムの前記出力面で前記反射光の屈折によって引き起こされた前記モードラインの間隔を、第２のサイズを有する調整されたモードスペクトルへと調整するよう、検出された前記少なくとも１つのモードスペクトルを処理するように構成された、コントローラと、
を備え、さらに、臨界角であって、該臨界角を超えると前記反射光が前記結合プリズムの前記出力面で内部全反射される、臨界角に、前記結合プリズムの最大プリズム角度α_maxが等しく、かつ前記結合プリズム角度αが０．８１α_max≦α≦０．９９α_maxの範囲であり、さらに前記第１のサイズが前記第２のサイズと同一であることを特徴とする測定システム。

【請求項2】

前記結合プリズム角度αが、０．９０α_max≦α≦０．９９α_maxの範囲であることを特徴とする請求項１記載の測定システム。

【請求項3】

前記結合プリズム角度αが、０．９５α_max≦α≦０．９９α_maxの範囲であることを特徴とする請求項２記載の測定システム。

【請求項4】

前記少なくとも１つのモードスペクトルが、ＴＥモードスペクトルおよびＴＭモードスペクトルを含むことを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の測定システム。

【請求項5】

前記検出器が、ＴＥモードスペクトルを検出する第１の部分と、ＴＭモードスペクトルを検出する第２の部分とを含むことを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の測定システム。

【請求項6】

前記結合プリズム角度αが９０°よりも大きいことを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の測定システム。

【請求項7】

５０μｍを超える層深さ（ＤＯＬ）を有する、基板の上部表面に形成された導波路の、モードスペクトルを測定する方法において、
結合プリズムであって、出力面によって画成される、０．８１α_max≦α≦０．９９α_maxの範囲の結合プリズム角度αを有する結合プリズムを、前記基板と界面接合させて、基板‐プリズム界面を形成するステップであって、このときα_maxは、前記結合プリズム内で起こる内部全反射に関連する最大結合プリズム角度を明示するものである、ステップ、
光を前記結合プリズムに通して前記基板‐プリズム界面へと導き、前記導波路の少なくとも１つのモードスペクトルのモードラインを含む、前記結合プリズムの前記出力面から出て行く反射光を形成するステップ、
前記結合プリズムの前記出力面での前記反射光の屈折に起因して調整されたモードライン間隔を有する、前記結合プリズムから出て行く前記反射光の前記少なくとも１つのモードスペクトルの前記モードラインを、検出するステップ、および、
前記調整されたモードライン間隔を、前記検出するステップの後に補正するステップ、
を含むことを特徴とする方法。

【請求項8】

前記結合プリズム角度αが９０°よりも大きいことを特徴とする請求項７記載の方法。

【請求項9】

前記補正されたモードライン間隔に基づいて、前記導波路の少なくとも１つの特性を判定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項７または８記載の方法。

【請求項10】

前記導波路の前記少なくとも１つの特性が、表面応力、応力プロファイル、圧縮応力、ＤＯＬ、屈折率プロファイル、および複屈折、のうちの１以上を含むことを特徴とする請求項９記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【関連出願の説明】

【0001】

本出願は、その内容が引用され、その全体が参照することにより本書に組み込まれる、２０１４年５月２１日に出願された米国仮特許出願第６２／００１，１１６号の優先権の利益を米国特許法第１１９条の下で主張するものである。

【技術分野】

【0002】

本開示は、導波路の特性を評価するプリズム結合システムおよび方法に関し、特に、層深さの大きい導波路の特性を評価するシステムおよび方法に関する。

【0003】

「イオン交換ガラスの応力プロファイルを測定するシステムおよび方法（Systems and methods for measuring the stress profile of ion-exchanged glass）」と題される特許文献１、「ガラスおよびガラスセラミックの複屈折性を測定するシステムおよび方法（Systems and methods for measuring birefringence in glass and glass-ceramics）」と題される特許文献２、および「急峻領域を含む屈折率プロファイルのモードスペクトル測定装置および方法（Apparatus and methods for measurement of mode spectra of index profiles containing a steep region）」と題される特許文献３（以下’５４６出願）を含め、本書で述べられるいずれの刊行物または特許文献の全開示も参照することにより組み込まれる。

【背景技術】

【0004】

プリズム結合技術は、平面的な光導波路の導波モードのスペクトルを測定して、例えば屈折率および応力のプロファイル測定など、導波路の性質の特性評価を行うために使用され得る。この技術は、様々なイオン交換（ＩＯＸ）ガラスの応力および層深さ（ＤＯＬ）の測定に使用されてきた。

【0005】

特定のタイプのＩＯＸガラスとして、２セグメントのプロファイルを生み出す第１および第２の拡散によって形成された、実際の二重ＩＯＸ（ＤＩＯＸ）ガラスがある。第１のセグメントは表面に隣接し、相対的に急峻な勾配を有し、一方第２のセグメントは基板内のより深くまで延びているが、相対的に浅い勾配を有している。こういったＤＩＯＸプロファイルは、特定のタイプの化学強化ガラスおよび抗菌性ガラスで形成される。

【0006】

この２セグメントのプロファイルは、相対的に高い有効屈折率を有する低次モード間に相対的に大きい間隔をもたらし、また相対的に低い有効屈折率を有する高次モード間に極小さい間隔をもたらす。このモード間隔の差は、出力側の角度αが約６０°である従来の結合プリズムを使用すると、さらに増大する。このような結合プリズムでは、出て行く光線の角感度は、高次モードよりも低次モードで高くなる。モードは光検出器（すなわち、デジタルカメラ）によって検出されるため、モード間の間隔は関心対象となる。測定の分解能は、隣接するモード間の光検出器の画素数によって画成される。

【0007】

例として、Ａｇ⁺（浅い）およびＫ⁺（深い）拡散を用いて形成された、ＤＩＯＸガラスの典型的な屈折率プロファイルを検討する。急峻な浅いＡｇ⁺のＩＯＸ領域は、約０．０６の屈折率変動を有し得、またその深さはガラス表面から約３μｍになり得る。より浅いがより深いＫ⁺のＩＯＸ領域は、わずか約０．０１の大幅に小さい屈折率変動を有し得、またその深さはガラス表面から約９０μｍになり得る。光検出器での最低次の２つの（ＴＥまたはＴＭ）モード間の間隔は何百もの画素になり得、一方最高次の２つのモード間の間隔は数画素のみになり得る。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】米国特許出願第１３／４６３，３２２号明細書

【特許文献2】米国特許出願公開第２０１４／００９２３７７号明細書

【特許文献3】米国仮特許出願第６１／８９７，５４６号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

光検出器の画素に亘るこういったモードの分布は、より深いセグメントを進む高次モードが不十分なサンプリングとなるため、ＤＩＯＸプロファイルのより深いセグメントの正確な測定を得ようとすると問題になる。ＤＯＬが十分に大きい場合、高次モードのスペクトルラインを適切に分解することは不可能になり、結果的にＤＩＯＸプロファイルを正確に測定することはできない。

【0010】

必要な測定分解能を得るための１つの選択肢は、より多くの画素を含むより大きい光検出器を手に入れることであるが、これにはいくつかの事例で、より開口の大きい光学系がさらに必要になり得る。しかしながら、このような光検出器およびより開口の大きい光学系ではコストがかなり増大し、かつ測定システムが複雑になる。

【課題を解決するための手段】

【0011】

ＤＩＯＸガラスサンプルに形成されたような層深さが大きい導波路の、特性を評価する、プリズム結合システムおよび方法が開示される。このシステムおよび方法は、結合角度αを有する結合プリズムであって、内部全反射が起こるその最大結合角度がα_maxである、結合プリズムを利用する。このプリズム角度αは、０．８１α_max≦α≦０．９９α_maxの範囲である。この構成によりモードスペクトルは好ましく調整され、より間隔の狭いより高次のモードラインが、プリズムからの出射角ではよりうまく分離される。他のやり方では間隔が狭かったより高次モードのモードラインの適切なサンプリングを可能にする、調整されたモードライン間隔を有する調整されたモードスペクトルを、検出器が検出し、それと同時に、元々、より広い間隔であったより低次モードのモードラインに対して、検出器の空間をより効率的に使用できるようになる。検出されたモードスペクトルのモードライン間隔は、次いで後処理によって再調整（補正）される。この再調整（補正）されたモードスペクトルを次いで、導波路の少なくとも１つの特性を得るよう処理する。この方法は、複屈折プロファイルの測定結果と、従って導波路の応力プロファイルの測定を得るために、ＴＭモードスペクトルおよびＴＥモードスペクトルの両方に適用することができる。

【0012】

本開示の態様は、基板の上部表面に形成されかつ５０μｍを超える層深さ（ＤＯＬ）を有する、導波路の、少なくとも１つのモードスペクトルを測定する測定システムである。この測定システムは、入力面、出力面、結合面、屈折率ｎ_p、および出力面と結合面との間のプリズム角度α、を有しかつ結合面が基板の上部表面で導波路と界面接合してそれにより基板‐プリズム界面を画成する、結合プリズムと、プリズムの入力面を通して基板‐プリズム界面を照らし、それにより第１のサイズを有する少なくとも１つのモードスペクトルのモードラインを含む、結合プリズムの出力面を出て行く反射光を形成するように構成された、光源系と、検出器を含み、かつ結合プリズムからの反射光を受けて検出器で少なくとも１つのモードスペクトルを検出するように配置された、光検出器系と、結合プリズムの出力面で反射光の屈折によって引き起こされたモードラインの歪みを、第２のサイズを有する補正されたモードスペクトルへと補正するよう、検出された少なくとも１つのモードスペクトルを処理するように構成された、コントローラとを備え、さらに、その角度を超えると反射光がプリズムの出力面で内部全反射される、臨界角に、結合プリズムの最大プリズム角度α_maxが等しく、かつプリズム角度αは０．８１α_max≦α≦０．９９α_maxの範囲であり、さらに第１のサイズは第２のサイズと実質的に同一である。

【0013】

本開示の別の態様は、５０μｍを超えるＤＯＬを有する、基板の上部表面に形成された導波路の、モードスペクトルを測定する方法である。この方法は、結合プリズムであって、出力面によって画成される、０．８１α_max≦α≦０．９９α_maxの範囲の結合プリズム角度を有する結合プリズムを、基板と界面接合させて、基板‐プリズム界面を形成するステップであって、このときα_maxは、結合プリズム内で起こる内部全反射に関連する最大結合プリズム角度を明示するものである、ステップ、光を結合プリズムに通して基板‐プリズム界面へと導き、導波路の少なくとも１つのモードスペクトルのモードラインを含む、結合プリズムの出力面から出て行く反射光を形成するステップ、結合プリズムの出力面での反射光の屈折に起因して調整されたモードライン間隔を有する、結合プリズムから出て行く反射光の少なくとも１つのモードスペクトルのモードラインを、検出するステップ、および、調整されたモードライン間隔を、この検出の後に補正するステップ、を含む。

【0014】

本開示の別の態様は、５０μｍを超えるＤＯＬへの二重イオン拡散によって、基板の上部表面に形成された導波路の、モードスペクトルを測定する方法である。この方法は、入力面、出力面、上部表面と界面接合して基板‐プリズム界面を画成する結合面、結合面および出力面によって画成される結合プリズム角度α、を有する結合プリズムを、導波路と界面接合させるステップであって、結合プリズムの最大プリズム角度α_maxが出力面での内部全反射角度に相当し、結合プリズム角度が０．８１α_max≦α≦０．９９α_maxの範囲であるステップ、光を入力面に通して基板‐プリズム界面へと導き、それによりモードスペクトルのモードラインを含む反射光を形成するステップであって、反射光が出力面から結合プリズムを出て行き、かつ反射光を検出器に入射させる、ステップ、結合プリズムの出力面での反射光の屈折に起因して調整されたモードライン間隔を有する、モードスペクトルのモードラインを、検出器で検出するステップ、および、この検出の後に、モードライン間隔の調整を補正するステップ、を含む。

【0015】

さらなる特徴および利点は以下の詳細な説明の中に明記され、ある程度は、その説明から当業者には容易に明らかになるであろうし、あるいは書かれる説明およびその請求項、並びに添付の図面で説明するように実施形態を実施することにより認識されるであろう。前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、単なる例示であり、請求項の本質および特徴を理解するための概要または構成を提供することを意図したものであることを理解されたい。

【0016】

添付の図面はさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれかつその一部を構成する。図面は１以上の実施形態を示し、詳細な説明とともに、種々の実施形態の原理および動作を説明するのに役立つ。従って本開示は、付随する図面と併せて以下の詳細な説明から、より十分に理解される。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1A】平面基板の形を成している一例のＤＩＯＸガラス基板の上方斜視図

【図1B】図１ＡのＤＩＯＸ基板のｘ−ｙ平面で取った拡大断面図であって、基板表面に亘って基板の本体内に起こる二重イオン交換プロセスを示した図

【図1C】ＤＩＯＸ基板を形成するＤＩＯＸプロセスの結果を示した概略図

【図2】図１Ｃに示されているＤＩＯＸ基板の各側での、屈折率プロファイルｎ（ｘ）の例を表した図

【図3A】本開示による一例のプリズム結合システムの概略図

【図3B】図３Ａのプリズム結合システムの光検出器系の拡大図

【図3C】図３Ｂの光検出器系によって取り込まれたＴＭモードスペクトルおよびＴＥモードスペクトルの概略図

【図4】イオン交換基板およびこれに形成された導波路と界面接合している状態の本書で開示される結合プリズムの例を示した、プリズム結合システムの拡大図

【図5A】プリズム屈折率ｎ_p＝１．７２９８に基づく、４０°、４５°、５０°、５５°、および６０°のプリズム角度αでのｄβ₂／ｄｎ_eff（ｒａｄ／ＲＩＵ）対ｎ_effのプロット

【図5B】プリズム屈折率ｎ_p＝１．７２９８に基づく、６０°、７４°、８２°、８６°、８８°、９０°、および９２°のプリズム角度αでのｄβ₂／ｄｎ_eff（ｒａｄ／ＲＩＵ）対ｎ_effのプロット

【図6】モードスペクトル画像の全幅を同じサイズに保ちながらプリズム角度を６０°からプリズム角度α＝９２°とした場合の集光光学系の焦点面でのモードライン間隔Δｘの変化Ｄ（Δｘ）（％）を、有効屈折率ｎ_effに対して示したプロットであり、Ｄ（Δｘ）＝０の位置に水平の点線を設けた図

【図7】基板バルク屈折率ｎ_s＝１．４５、１．４６、１．４７、１．４８、１．４９、１．５０、および１．５１での、最大プリズム角度α_max対プリズム屈折率ｎ_pのプロット

【図8】プリズム屈折率ｎ_p＝１．７２９８に対する、最大プリズム角度α_max対基板バルク屈折率ｎ_sのプロット

【図9】図９Ａは、夫々のモードライン間隔がΔｘであるモードラインを含む、理想的で純粋な、歪んでいない、あるいはそれ以外の変化をしていない、モードスペクトルの例を示した概略図である。図９Ｂは、図９Ａに類似しているが、図９Ａのモードスペクトルの調整されたバージョンのモードスペクトルであり、図９Ａおよび９Ｂの対応するモードラインをつなぐ点線で示されているように、Δｘ’で画成されるこのモードライン間隔が、結合プリズムの出力面での屈折に起因して変化したものであることを示した図である。図９Ｃは、図９Ｂの調整されたバージョンのモードスペクトルに対して補正（すなわち再調整）を行って、図９Ａの補正された（未調整の）モードスペクトルを得るものを示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

ここで本開示の種々の実施形態を詳細に参照し、その例を添付の図面に示す。可能な限り、図面を通じて、同じまたは同様の部分の参照に、同じまたは同様の参照番号および符号を使用する。図面は必ずしも原寸に比例したものではなく、本開示の重要な態様を示すために図面が簡略化された場合、当業者はそれを認識するであろう。

【0019】

以下に明記される請求項は、この詳細な説明に組み込まれ、かつその一部を構成する。

【0020】

デカルト座標が参照のためにいくつかの図に示されているが、方向または向きに関して限定することを意図したものではない。

【0021】

略記ＲＩＵは、「屈折率単位（refractive index unit）」を表す。

【0022】

以下の議論は、ＩＯＸプロセスによって形成された導波路の、より低次モードおよびより高次モードを参照する。モードは、電場振幅の深さ分布におけるゼロ（ノード）の数によって順序付けされる。最低次モード（横磁界モードに対してＴＭ₀、および横電界モードに対してＴＥ₀と表示）は分布においてゼロがなく、最も高い有効屈折率を有する。第２のモード（ＴＭ₁またはＴＥ₁）は、その電場振幅の深さ分布において１つのノードを有し、２番目に高い有効屈折率を有するなどとなる。導波路によって支持される２つの偏光状態の夫々に対する最高次の導波モードは、電場振幅の深さ分布において最も多くのゼロを含み、その偏光状態のモードの中で最も低い有効屈折率を有する。

【0023】

ＤＯＬが大きく強化イオン（Ｎａ⁺の代わりにＫ⁺とするイオン交換における、Ｋ⁺など）を含む化学強化ガラスに関する多くの例において、最高次モードの有効屈折率は基板すなわちバルクガラスの屈折率よりも極わずかに高くなり得、また最低次（基本）モードの有効屈折率は、導波路内の任意の位置の材料屈折率の最大値（ガラス表面に存在することが多い）よりも極わずかに低くなり得る。

【0024】

従って本書では「より高次モード」および「より低次モード」という用語は、便宜上、一定数の最低次モードを集合的に「低次モード」と定義し、より高い残りのモードを「より高次モード」を構成すると定義し得るという点で、やや相対的である。結果として、モード間を区別するためあるいはモードを異なる群のものであると称するために使用される特定の相違点は、説明を簡単にするためのものであり、限定することを意図したものではない。

【0025】

図１Ａは、本体２１と（上部）表面２２とを有する平面的なイオン交換基板２０の形を成す、ガラス基板の例の上方斜視図である。この本体は、ベース（バルク）屈折率ｎ_sおよび表面屈折率ｎ₀を有する。図１Ｂは、イオン交換基板２０のｘ−ｙ平面で取った拡大断面図であり、表面２２に亘ってｘ方向へと本体２１内に起こる、二重イオン交換（ＤＩＯＸ）プロセスの例を示している。

【0026】

図１Ｃは、（二重）イオン交換基板２０を形成する二重イオン交換プロセスの結果を概略的に示している。イオン交換基板２０は、第１のイオンＩ１および第２のイオンＩ２と交換される、基板イオンＩＳを本体２１内に含んでいる。第１のイオンＩ１および第２のイオンＩ２は、既知の技術を用いて順次または同時にガラス本体内に導入することができる。例えば第２のイオンＩ２は、第１のイオンＩ１を導入する前に強化のためにＫＮＯ₃浴により導入された、Ｋ⁺イオンでもよく、第１のイオンＩ１は、表面２２の近くに抗菌特性を付加するためにＡｇＮＯ₃含有浴により導入された、Ａｇ⁺イオンでもよい。イオンＩ１およびＩ２を表す図１Ｂの円は、単に概略的図示のために用いられたものであり、その相対的サイズは必ずしも、イオン交換に関与している実際のイオンのサイズ間の何らかの実際の関係を表したものではない。

【0027】

さらに、イオンＩ１は領域Ｒ１およびＲ２の両方にかなりの数で存在し得（図２参照、以下で紹介および議論する）、タイプＩ２のイオンも同様になり得る。ワンステップのイオン交換プロセスでさえ、イオンＩ１およびＩ２の相対的濃度が著しく異なる２つの領域Ｒ１およびＲ２の形成を認めることができる。一例において、ＫＮＯ₃およびＡｇＮＯ₃の混合物を含有している浴内において、Ｎａ含有ガラスのイオン交換を用いると、かなりの濃度のＡｇ⁺およびＫ⁺を含む領域Ｒ１と、同じくかなりの濃度のＡｇ⁺およびＫ⁺を含む領域Ｒ２とを得ることができるが、Ｋ⁺に対するＡｇ⁺の相対的濃度は、領域Ｒ２内よりも領域Ｒ１内で著しく大きくなり得る。

【0028】

図２は、例えば図１Ｃに示されているようなイオン交換基板２０での、屈折率プロファイルｎ（ｘ）の例を表したものである。屈折率プロファイルｎ（ｘ）は、より浅いイオン交換（イオンＩ１）に関連する、本体２１内の深さＤ１の第１の領域Ｒ１を含む。屈折率プロファイルｎ（ｘ）は、より深いイオン交換（イオンＩ２）に関連する、層深さ（ＤＯＬ）を画成する深さＤ２の第２の領域Ｒ２をさらに含む。一例においてＤＯＬは少なくとも５０μｍであり、さらに一例では１５０μｍほどの大きさになり得る。別の例においてＤＯＬは７０μｍから１００μｍの範囲である。

【0029】

より深い第２の領域Ｒ２は、実際には、より浅い領域の前に生成され得る。領域Ｒ１は基板表面２２に隣接し、比較的急峻でありかつ浅く（例えば、Ｄ１は数μｍ）、一方領域Ｒ２はあまり急峻ではなく、基板内に前述の深さＤ２まで比較的深く延びる。一例において領域Ｒ１は、基板表面２２で最大屈折率ｎ₀を有し、かつ中間屈折率ｎ_iに向かって急峻にテーパし、一方領域Ｒ２は、中間屈折率から基板（バルク）屈折率ｎ_sに下がるまで、より緩やかにテーパする。急峻かつ浅い表面付近の屈折率変化は他のイオン交換プロセスがもたらし得ること、さらに二重イオン交換プロセスは実例としてここで論じたものであることをここで強調したい。

【0030】

一例において、本書で開示される方法は、特殊な結合プリズムを備えている以下で説明するようなプリズム結合システムを用いたイオン交換基板２０の光学的測定を採用する。こういったシステムで従来の結合プリズムを採用したものは当技術において一般に既知であり、また以下に明記するような結合プリズムの改変を用いて本開示の方法を実行する際に使用するのに適したシステムの例は、上で特定した米国特許出願に記載されている。
プリズム結合システム
図３Ａは、屈折率プロファイルｎ（ｘ）を有するイオン交換基板２０に対してＴＥモードスペクトルおよびＴＭモードスペクトルを測定する方法を実行するのに適した、プリズム結合システム（「システム」）１０の例の概略図である。図３Ｂは、図３Ａのプリズム結合システム１０の光検出器系の拡大図である。一例においてイオン交換基板２０は、ニューヨーク州コーニング所在のコーニング社製ＧＯＲＩＬＬＡ（登録商標）ガラスなどの化学強化ガラスを構成する。

【0031】

システム１０は、基板２０を保持するように構成された基板ホルダ３０を備えている。ただし、代わりの実施形態において基板ホルダ３０は必須ではない。システム１０は、入力面４２と、随意的な平坦な上部表面４３と、結合面４４と、出力面４６とを含む、結合プリズム４０をさらに含んでいる。結合プリズム４０の屈折率ｎ_pは、ｎ_p＞ｎ₀である。結合プリズムの結合面４４と基板の上部表面２２とを光学的に接触させることによって結合プリズム４０を基板２０と界面接合させ、それにより、随意的に界面接合用流体（図示なし）を含む、基板‐プリズム界面（「界面」）５０を画成する。

【0032】

結合プリズム４０は、出力面４６と結合面４４とによって形成される角度を示す、出力側プリズム角度（「プリズム角度」）αを有する。プリズム角度αの選択を、以下でより詳細に説明する。

【0033】

引き続き図３Ａを参照すると、システム１０は光軸Ａ１およびＡ２を含み、Ａ１およびＡ２は、プリズム／空気界面での屈折を考慮して概して界面５０で合流するように、結合プリズム４０の入力面４２および出力面４６を夫々通過する。システム１０は、以下で説明するが、軸Ａ１に沿って順に、波長λの測定光６２を放射する光源６０と、代わりに軸Ａ２上の検出経路内に含むこともできる、随意的な光学フィルタ６６と、散乱光６２Ｓを形成する随意的な光散乱要素７０と、（測定）光６２Ｆをある程度集中させることができる随意的な集束光学系８０とを含んでいる。従ってシステム１０の例において、光源６０とプリズムの入力面４２との間に光学素子は存在していない。

【0034】

システム１０はさらに、結合プリズム４０から軸Ａ２に沿って順に、焦点面９２および焦点距離ｆを有しかつ以下で説明するように反射光６２Ｒを受ける、集光光学系９０と、偏光子系１００と、光検出器系１３０とを含んでいる。軸Ａ１は、光源６０と結合プリズムの結合面４４との間の光路ＯＰ１の中心を画成する。軸Ａ２は、結合面４４と光検出器系１３０との間の光路ＯＰ２の中心を画成する。軸Ａ１およびＡ２は、屈折により入力面４２および出力面４６で夫々曲げられ得ることに留意されたい。これらは、光路ＯＰ１および／またはＯＰ２内にミラーを挿入することによって、サブ経路に分割することもできる。

【0035】

一例において光検出器系１３０は、検出器（カメラ）１１０およびフレームグラバ１２０を備えている。以下で論じる他の実施形態において、光検出器系１３０はＣＭＯＳまたはＣＣＤカメラを含む。図３Ｂは、偏光子系１００と、光検出器系１３０の検出器１１０の拡大上方斜視図である。一例において偏光子系１００は、ＴＥ偏光子部分１００ＴＥおよびＴＭ偏光子部分１００ＴＭを含む。光検出器系１３０は感光性表面１１２を含んでいる。感光性表面１１２は、感光性表面が軸Ａ２に概して垂直となる状態で、集光光学系９０の焦点面９２内に存在している。これは、結合プリズムの出力面４６から出て行く反射光６２Ｒの角度分布を、カメラ１１０のセンサ面で光の横方向空間分布へと変える働きをする。図３Ｂの拡大差込図を参照すると、一例の実施形態において感光性表面１１２は画素１１２ｐを含み、すなわち検出器１１０はデジタルカメラなどのデジタル検出器である。

【0036】

感光性表面１１２をＴＥ部分１１２ＴＥおよびＴＭ部分１１２ＴＭに分割すると、反射光６２ＲのＴＥ偏光およびＴＭ偏光に対する角度反射スペクトル（モードスペクトル）のデジタル画像の、同時記録が可能になる。この同時検出は、システムパラメータが時間と共に移り得ることを考えると、ＴＥおよびＴＭの測定を異なる時期に行うことにより生じ得る測定ノイズの原因を排除する。

【0037】

システム１０の別の実施形態において、偏光子系１００は分割偏光子構成を含まずに代わりに単一の偏光子を備え、ＴＭスペクトルまたはＴＥスペクトルを伝送する２つの状態の間で連続的に９０°回転させて、連続的にＴＭおよびＴＥの結合スペクトルを得る。この実施形態では、偏光子系１００を光源経路ＯＰ１または検出経路ＯＰ２のいずれに設置してもよい。

【0038】

図３Ｃは、光検出器系１３０によって取り込まれたＴＭモードスペクトルおよびＴＥモードスペクトル１１３の概略図である。ＴＭモードスペクトルおよびＴＥモードスペクトル１１３は、夫々のスペクトルライン（モードライン）１１５ＴＭおよび１１５ＴＥから構成されている。ＴＭモードスペクトルおよびＴＥモードスペクトルの夫々は、より低次モード（すなわち高有効屈折率モード）のＬ−ＴＥおよびＬ−ＴＭと、より高次モード（すなわち低有効屈折率モード）のＨ−ＴＥおよびＨ−ＴＭを含む。隣接するモードライン１１５間の間隔はΔｘで示され、この間隔は与えられたモードスペクトル１１３の長さに沿って変化して、より低次モードからより高次モードへと次第に小さくなる。

【0039】

光源６０の例としては、レーザ、発光ダイオード、高温の白熱電球および石英灯などの、より広帯域幅の光源が挙げられる。光源６０によって生成される測定光６２の動作波長λの例としては、近紫外線波長、可視波長、および赤外線波長を挙げることができる。光源６０がコヒーレントである場合、移動または振動する拡散器とし得る前述の光散乱要素７０を使用すると、結合スペクトルの正確な測定にとって問題となり得るスペックルを軽減する助けになり得る。

【0040】

システム１０は、システムの動作を制御するように構成されたコントローラ１５０を含んでいる。コントローラ１５０は、取り込まれたＴＥモードスペクトルおよびＴＭモードスペクトルの画像を表す光検出器系１３０からの画像信号ＳＩを、受信および処理するようにも構成されている。コントローラ１５０は、プロセッサ１５２およびメモリユニット（「メモリ」）１５４を含んでいる。コントローラ１５０は、光源制御信号ＳＬを用いて光源６０の起動および動作を制御することができ、さらに光検出器系１３０から（例えば、図示のようにフレームグラバ１２０から）の画像信号ＳＩを受信および処理する。

【0041】

一例においてコントローラ１５０は、コンピュータを備え、かつ例えばフロッピーディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、光磁気ディスク（ＭＯＤ）、フラッシュドライブ、またはネットワークまたはインターネットなど別のデジタルソースなどの、コンピュータ可読媒体から、命令および／またはデータを読み取るための読取装置、例えばフロッピーディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、ＤＶＤドライブ、ＭＯＤ装置（図示なし）、またはイーサネット機器（図示なし）などのネットワーク接続機器を含む任意の他のデジタル機器、を含んでいる。コントローラ１５０は、本書で開示される表面の複屈折／応力の測定を実行するための信号処理命令など、ファームウェアおよび／またはソフトウェア（図示なし）に格納された命令を実行するように構成されている。いくつかの例において、「コントローラ」および「コンピュータ」という用語は交換可能である。

【0042】

コントローラ１５０は、基板２０の例えば応力プロファイルＳ（ｘ）、複屈折、または圧縮応力ＣＳなどの特性の、あるいはＴＥ成分およびＴＭ成分を含み得る屈折率プロファイルｎ（ｘ）の、測定に到達するべく、システム１０の動作および画像信号ＳＩの後処理（信号処理）など、本書で説明される機能を実行するようプログラム可能である。本書では「コンピュータ」という用語は、当技術においてコンピュータと称されるその集積回路のみに限定されるものではなく、コンピュータ、プロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブルロジックコントローラ、特定用途向け集積回路、および他のプログラマブル回路を幅広く称し、これらの用語を本書では交換可能に使用する。

【0043】

ソフトウェアは、前述の信号処理を含め、本書で開示されるシステム１０の動作の性能を実施する、または助けることができる。ソフトウェアはコントローラ１５０に、特にプロセッサ１５２およびメモリ１５４に、動作可能にインストールされ得る。ソフトウェアの機能は、実行可能コードを含むプログラミングを必要とし得、かつこの機能を使用して本書で開示される方法を実施することができる。こういったソフトウェアコードは、汎用コンピュータによって、あるいは以下で説明されるプロセッサユニットによって実行可能である。

【0044】

動作時には、コードおよび場合によっては関連するデータレコードが、汎用コンピュータプラットフォーム内、プロセッサ１５２内、および／またはメモリ１５４に格納される。しかしながら他の時点では、ソフトウェアを他の位置に格納してもよいし、および／または適切な汎用コンピュータシステム内に入れるために移送してもよい。従って本書で論じられる実施形態は、少なくとも１つの機械可読媒体により実行されるコードの１以上のモジュールの形を成した、１以上のソフトウェア製品を含むものである。コンピュータシステム１５０のプロセッサ１５２によって、あるいはプロセッサユニットによってこのコードを実行すると、プラットフォームはカタログおよび／またはソフトウェアダウンロード機能を、本質的に本書で図示および議論される実施形態において行われるやり方で実施することができる。

【0045】

コントローラ１５０および／またはプロセッサ１５２は夫々、コンピュータ可読媒体または機械可読媒体（例えば、メモリ１５４）を採用してもよく、これらは例えば基板２０の表面複屈折／応力または応力プロファイルＳ（ｘ）の量の判定を含む実行命令をプロセッサに提供するのに関与する、任意の媒体を称する。メモリ１５４はコンピュータ可読媒体を構成する。このような媒体は、限定するものではないが、不揮発性媒体、揮発性媒体、および伝送媒体など、多く形を取り得る。不揮発性媒体としては、上で論じたサーバプラットフォームの１つとして動作する任意のコンピュータ内の任意の記憶装置など、例えば光ディスクまたは磁気ディスクが挙げられる。揮発性媒体としては、このようなコンピュータプラットフォームのメインメモリなどの動的メモリが挙げられる。物理的伝送媒体としては、コンピュータシステム内のバスを構成するワイヤなど、同軸ケーブル、銅線、および光ファイバが挙げられる。

【0046】

従ってコンピュータ可読媒体の一般的な形としては、例えば、フロッピーディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、フラッシュドライブ、および任意の他の磁気媒体と、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、および任意の他の光媒体と、パンチカード、紙テープ、および孔のパターンを有する任意の他の物理的媒体など、あまり一般的に使用されていない媒体と、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ−ＥＰＲＯＭ、および任意の他のメモリチップまたはカートリッジと、データまたは命令を移送する搬送波、このような搬送波を移送するケーブルまたはリンク、またはコンピュータがプログラミングコードおよび／またはデータをこれから読み取ることが可能な任意の他の媒体とが挙げられる。こういった形のコンピュータ可読媒体の多くは、１以上の連続した１以上の命令を、実行のためにプロセッサ１５２へと伝送することに関与し得る。

【0047】

一例においてコントローラ１５０は、測定されたモードスペクトルに基づいて、イオン交換基板２０の少なくとも１つの特性を判定するようにプログラムされている。特性の例としては、表面応力、応力プロファイル、圧縮応力、層深さ、屈折率プロファイル、および複屈折が挙げられる。一例においてコントローラ１５０は、A. Brandenburgによる論文「イオン交換ガラス導波路における応力（Stress in Ion-Exchanged Glass Waveguides）」、Journal of Lightwave Technology 4、第１０号、１９８６年１０月、１５８０〜１５９３頁において開示されている、さらに前述の’５４６出願において開示されている、計算を実行するようにプログラムされている。

【0048】

システム１０は、日本の東京所在の折原製作所より製造および販売されているプリズム結合器ＦＳＭ−６０００など、市販のプリズム結合器の変形バージョンでもよい。ＦＳＭ−６０００計器は、平坦なイオン交換ガラスの応力の高スループット非破壊測定における最先端のものに相当し、５８９ｎｍでプリズム屈折率ｎ_p＝１．７２の結合プリズム４０を利用する。ＦＳＭ−６０００は、屈折率ｎ_f＝１．６４の屈折率整合流体を使用する。ＦＳＭ−６０００計器では、最初の２つの横磁界（ＴＭ）モードおよび最初の２つの横電界（ＴＥ）モードの有効屈折率ｎ_effから表面圧縮応力（ＣＳ）を計算し、一方線形屈折率プロファイルの仮定に基づく層深さ（ＤＯＬ）の計算のために、基板屈折率と前述の最初の２つのモードの有効屈折率と共に、確認されたモードの総数を使用する。
結合プリズム
図４は、イオン交換基板２０の上部表面２２と界面接合している結合プリズム４０を、一例の光線６２の経路と共に示した拡大側面図であり、光線６２は、入力面４２を通過する集束光６２Ｆとして始まり、プリズム出力面４６の法線に対する入射角β₁の反射光６２Ｒとして、結合面４４から角度θで反射し、さらに出力面から出射角β₂の反射光として出て行く。

【0049】

所与の導波モードに対し、プリズムの結合面の法線に対する入射共鳴角は以下で与えられる。

【0050】

【数1】

【0051】

ここでｎ_pはプリズムの屈折率であり、またｎ_effは導波モードの有効屈折率である。結合プリズム４０の出力面４６の法線Ｎに対する、対応する入射角β₁および出射角β₂間の関係は、

【0052】

【数2】

【0053】

であり、ここでｎ_air＝１は空気の屈折率である。

【0054】

入射角β₁の大きさと角度θに対するプリズム角度αとの関係は以下で与えられる。

【0055】

【数3】

【0056】

方程式（１）および（２）より、プリズム角度αの関数としての出射角β₂と有効屈折率ｎ_effとの間の関係は以下のように書ける。

【0057】

【数4】

【0058】

次に、対応する有効屈折率ｎ_effに対するプリズム出射角β₂の感度は、以下のように表現される。

【0059】

【数5】

【0060】

光検出器系１３０を集光光学系９０に対して、軸Ａ２がカメラ１１０の焦点面９２にほぼ垂直になるように配置すると、出射角β₂において差Δβ₂を有する２つの（鉛直）モードライン１１５間の間隔Δｘは以下で与えられる。

【0061】

【数6】

【0062】

イオン交換基板２０により支持される全モードのスペクトル全体を光検出器系１３０で取り込むためには、有効屈折率ｎ_effが基板２０の屈折率ｎ_sに等しいか、あるいはこれより若干大きい場合、プリズム角度αは出射角β₂＝９０°となる角度よりも小さくなければならない。これは最大プリズム角度α_maxの以下の条件につながる。

【0063】

【数7】

【0064】

光検出器系１３０によってモードスペクトル全体を取り込むことが可能な最小プリズム角度α_minは、ｎ_effが基板表面２２の屈折率ｎ₀に等しいか、あるいはこれより若干より小さい場合、条件β₂≦９０°により規定され、以下により与えられる。

【0065】

【数8】

【0066】

従って、導波路内の全モードのスペクトル全体を取り込むためには、プリズム角度αはα_max≧α≧α_minの範囲でなければならない。
最適なプリズム角度
プリズム結合システムの従来の常識では、採用される結合プリズム（多くは二等辺のもの）の結合面と出口面との間のプリズム角度αは、６０°またはほぼ６０°が最も多く、一般的に７５°未満である。７５°程度の大きさのプリズム角度は、プリズムの屈折率が測定されるガラス基板の屈折率よりも極わずかに大きい（２％〜４％大きい）稀な事例で使用されていた。こういったプリズムの寸法は、結合長さが小さいため小さいものであった(＜８ｍｍ）し、ＤＯＬが大きいＤＩＯＸプロファイルのスペクトルの分解には適さなかった。典型的なプリズム角度がもたらす、ｄβ₂／ｄｎ_effと表現される有効屈折率ｎ_effに対する出射角の感度は、ｎ_effの増加に伴って増加する。これまでこれは問題にはならなかったが、より高い有効屈折率ｎ_effに関連するまばらな間隔のより低次モードと、より低い有効屈折率に関連する密な間隔のより高次モードとを呈する、ＤＯＬの大きい導波路を測定すると、この感度が望ましくないことが判明する。

【0067】

図５Ａおよび５Ｂは、有効屈折率ｎ_effの関数としての有効屈折率ｎ_effに対するプリズム出射角β₂の感度のプロットであり、すなわちプリズム屈折率ｎ_p＝１．７２９８に基づく、４０°、４５°、５０°、５５°、および６０°のプリズム角度αでの（図５Ａ）、さらに６０°、７４°、８２°、８６°、８８°、９０°、および９２°のプリズム角度αでの（図５Ｂ）、ｄβ₂／ｄｎ_eff（ラジアン／ＲＩＵ）対ｎ_effのプロットである。図５Ａのｄβ₂／ｄｎ_effに対する範囲は、図５Ｂのものよりも小さいことに留意されたい。図５Ａのプリズム角度α＝６０°の曲線は、正の傾きと、ｎ_effの範囲に亘って変化率が小さいことを示している。これは種々の屈折率を有する導波路の測定を可能にするが、ｄβ₂／ｄｎ_effの曲線の正の傾きは、プロファイルが急峻であり屈折率差が大きい導波路、すなわち例えばＡｇ⁺およびＫ⁺の拡散により形成されたＤＩＯＸガラスのプロファイルなど深いプロファイル部分を有する導波路の測定では問題になる。

【0068】

ｄβ₂／ｄｎ_eff対ｎ_effの正の傾きは、ＴＥモードスペクトルおよびＴＭモードスペクトルの画像（図３Ｃ参照）における、低次モード（すなわち高い有効屈折率）のライン間の比較的広い間隔と、高次モード（すなわち低い有効屈折率）のライン間の非常に狭い間隔とを持続させる。これは２つの主な測定の問題につながる。第１に、高次モードのライン間隔が狭いと、適度なコストの産業用高分解能センサを用いた場合にこのラインの分解能力が限定され、これにより測定可能なＤＯＬが限定される。第２に、広い間隔の高次モードでは測定のダイナミックレンジが減少し、従って、屈折率または応力プロファイルの深い部分に対する測定の確度および感度を向上させるためにより長い焦点距離を有する集光光学系９０を使用できなくなってしまう。

【0069】

図５Ａおよび５Ｂは、ｄβ₂／ｄｎ_eff曲線の傾きが、プリズム角度αが約８６°よりも大きくなると負から正に変化することを示している。プリズム角度αが増加すると、低い範囲のｎ_eff（１．４５から１．５）における出射角感度ｄβ₂／ｄｎ_effが急速に増大し、一方高い範囲のｎ_eff（１．５から１．６）における感度は、よりゆっくりと変化する。この特徴はまさに、高い範囲のｎ_effにおけるモード間のモードライン間隔Δｘを著しく変化させることなく、低い範囲のｎ_effにおけるモードライン１１５間のライン間隔を著しく拡大させるため、前述の２つの測定の問題を抑制するために必要なものである。

【0070】

この相対的増加を低いｎ_eff範囲で可能にする物理的効果は、入射角β₁での、内部全反射の臨界角に近づくような相当な屈折である。この効果は、低屈折率のモードの出力面４６での入射角β₁が、より高い有効屈折率ｎ_effを有する低次モードの入射角よりも大きいと、低屈折率のモードの感度に利益をもたらす。プリズム角度を６０°から９２°まで変化させたときの、ｎ_effの関数としてのプリズム角度αの感度の向上は、ｎ_eff＝１．４５で約６００％である。これは、有効屈折率１．４５に対してモード間のライン間隔が約６倍拡大されることを意味する。一方、最も高い有効屈折率ｎ_eff＝１．６での感度の変化は約２７％のみである。大きな感度の向上は、より高いプリズム屈折率ｎ_p、例えばｎ_p＝１．８などを選択することによって、ｎ_eff＝１．４５を上回る１．５などのより高い有効屈折率値まで押し上げられ得る。

【0071】

上記の方程式（６）で示されているように、光検出器系１３０で測定されたときのモード（モードライン１１５）間の間隔Δｘは、集光光学系９０の焦点距離にほぼ等しい集光光学系９０と検出器１１０との間の距離に比例し、またモードの有効屈折率ｎ_effに対する出射角β₂の感度に比例する。モードスペクトル全体を取り込むためには、その空間的範囲は感光性表面１１２のサイズ以下でなければならない。システム１０において使用される一例の検出器は、幅２２．３ｍｍの感光性表面１１２を有している。従って、感度ｄβ₂／ｄｎ_effが増加されると、モードスペクトルの画像サイズを確実に実質的に同一のままとするよう、集光光学系９０を異なる焦点距離で構成することが必要になり得る。一方、結合プリズム４０と集光光学系９０との種々の組合せに対するモードライン１１５間のライン間隔の変化を比較して、実質的に同一の画像サイズを生み出す組合せを識別することができる。

【0072】

図６は、モードスペクトル画像の幅を出射角α＝６０°のプリズムとの比較で同一に維持した状態での、プリズム角度α＝９２°に対する集光光学系９０の焦点面９２における隣接するモードライン間の間隔Δｘの変化Ｄ（Δｘ）（％）を、有効屈折率ｎ_effに対して示したプロットである。プロット内の水平の点線は、モードライン間隔が増加または減少する間の移行部を示し、すなわちモードライン間隔に変化が生じない位置を示している。集光光学系９０の焦点距離はα＝６０°で１３０ｍｍであり、またα＝９２°では６３．３ｍｍまで変化する。図６のプロットは、プリズム角度αを６０°から９２°に増加させることによって、低い範囲のｎ_eff（＜１．５）における隣接するモード間のライン間隔ｘが増加することを示している。一方、高い範囲のｎ_eff（＞１．５）では、プリズム角度αを６０°から９２°に変化させることによってモードライン１１５間のライン間隔ｘは減少し、それにより感度の向上とダイナミックレンジとの間の好ましいトレードオフが強化される。

【0073】

低い有効屈折率範囲よりも高い有効屈折率範囲においてモードライン間隔ｘが大幅に大きいため、この特徴はＤＩＯＸ基板２０の測定に特に有用である。従って、より間隔の空いたモードライン１１５を空間的に圧縮することができると同時に、より密集されたモードラインを空間的に伸長する（すなわち、広げる）ことができるように、プリズム角度αは選択され得る。このモードライン間隔の圧縮および伸長は、出力面４６から結合プリズム４０を出て行くときの、異なるモードライン１１５に対する反射光６２Ｒの異なる屈折角度によるものである。

【0074】

この定義上の圧縮および伸長は、実際のまたは真のモードスペクトルを変化させる（歪ませる、調整する等）ものであり、検出器１１０によってモードライン１１５を検出した後に、補正する（再調整する、歪んでいないものとする等）必要がある。この補正は測定および特性評価プロセスにステップを追加するものであるが、一方、モードライン１１５を選択的に圧縮および伸長させることによってモードスペクトルを変化させることで、検出された全てのモードラインを適切にサンプリングすることができる十分な検出器画素１１２ｐが与えられる形で、モードスペクトルは検出器１１０の範囲内に収まることができる。これにより、既存の検出器のサイズを効率的に使用することができ、モードスペクトルの適切な空間サンプリングを得るために検出器のサイズを増加させる（これは通常、より大きくより高価な検出器１１０の購入を意味する）必要がなくなり、さらにスペクトル光全体を集めるために、より大きくより高価な光学系を使用する必要がなくなる。

【0075】

図５Ａおよび５Ｂに示されているように、プリズム角度αが大きくなればなるほど、低い有効屈折率範囲での感度が向上することが分かる。しかしながら全てのモードのスペクトル全体を取り込むためには、上で定義したように、プリズム角度αは最大プリズム角度α_maxよりも小さいものでなければならない。最大プリズム角度α_maxは、プリズム屈折率ｎ_pおよび基板２０の屈折率ｎ_sに依存する。

【0076】

図７は、基板の屈折率ｎ_s＝１．４５、１．４６、１．４７、１．４８、１．４９、１．５０、および１．５１に対する、最大プリズム角度α_max対プリズム屈折率ｎ_pのプロットである。図８は、プリズム屈折率ｎ_p＝１．７２９８に対する、最大プリズム角度α_max対基板の屈折率ｎ_sのプロットである。最大プリズム角度α_maxは、基板２０の屈折率ｎ_sとともに、ほぼ直線的に増加することが分かる。

【0077】

反射光６２Ｒが結合プリズム４０内から、臨界角に近い大きな入射角β₁で出力面４６に入射すると、ＴＭ偏光とＴＥ偏光との間の反射性に大きな差が生じ得る。これは、図３Ｂに示されているようにＴＭモードスペクトルおよびＴＥモードスペクトルが同時に取り込まれる場合に、現実的な問題をいくつか引き起こし得る。特に、検出器１１０に到達するＴＥモードスペクトルの光は大幅に少なくなり得る。従って、一例の実施形態において出力面４６は、測定される所望範囲の有効屈折率ｎ_effの入射角β₁特性の範囲に対して最適化された、アンチリフレクションコーティングを有している。

【0078】

一例において、プリズム角度αは最大プリズム角度α_maxよりも若干小さくなるように選択される。種々の例においてこのプリズム角度αは、０．８１α_max≦α≦０．９９α_maxの範囲、または０．９０α_max≦α≦０．９９α_maxの範囲、または０．９５α_max≦α≦０．９９α_maxの範囲である。

【0079】

上記の通りに選択されたプリズム角度αを有する結合プリズム４０を含むシステム１０を用いて一旦モードスペクトルの測定が行われると、コントローラ１５０を使用して、測定されたモードスペクトルの後処理を行う。これは、モードスペクトルが、様々な出射角β₂を有する様々なモードライン１１５によって「歪められている」ためである。別の言い方をすると、隣接するモード間の間隔は、方程式（５）で与えられ図５に示されているｄβ₂／ｄｎ_effによって明示されているように、非線形の形で影響される。幸いにも、モードスペクトルの「歪み」すなわち選択的な調整は明確に定義され、システム１０の特定の動作パラメータに基づいて分かるものであり、そのためコントローラ１５０を用いて、測定されたスペクトルを後処理することにより補正することができる。方程式（５〜６）をコントローラ１５０で使用して、後処理の補正を行うことができ、また方程式（６）をコントローラ１５０で使用して、ＴＥモードスペクトルおよびＴＭモードスペクトルにおける隣接するモード間の適切な間隔Δｎ_effを確立することができる。代わりの実施形態においてｎ_effは、前述の’３７７公開において開示された厳密式を使用して、センサ上の位置ｘから直接計算される。

【0080】

有効屈折率を、画像の中心のｘ座標、すなわちｘ_centerに対応して割り当てる。次いで、その中心の屈折率に対応する出射角を、その関係から見出す。

【0081】

【数9】

【0082】

上記の関係を利用し、センサ上の任意の位置ｘに対応する有効屈折率を、以下の厳密関係より見出すことができる。

【0083】

【数10】

【0084】

コントローラ１５０は次いで、当技術において既知の計算を用いる、ＤＩＯＸ基板２０の前述の特性のうちの少なくとも１つの計算へと進む。

【0085】

図９Ａは、上で論じたようにモードの順に応じて変化する夫々のモードライン間隔Δｘを伴うモードライン１１５を有する、理想的で純粋な、歪んでいない（測定の角度範囲に亘ってｄβ₂／ｄｎ_effがほぼ一定である場合）、あるいはそれ以外の変化をしていない、モードスペクトル１１３の例を示した概略図である。この理想的なモードスペクトル１１３は基板‐プリズム界面５０に存在するが、容易に接近可能なものではなく、そのため一般的に直接測定することはできない。

【0086】

図９Ｂは図９Ａに類似したものであり、モードスペクトル１１３の調整されたバージョンとしてモードスペクトル１１３’を示している。調整されたモードスペクトル１１３’では、対応するモードライン１１５をつなぐ点線により示されているようにモードライン間隔は既に変化し、かつΔｘ’で画成されている。上で論じたようにモードライン間隔の変化は、モードスペクトルの様々なモードに関連する反射光６２Ｒの出力面４６での屈折によって生じる。モードスペクトル１１３’の、より間隔の空いたより低次モードＬの調整されたモードライン間隔Δｘ’が、理想的なモードスペクトル１１３に比べてどのように減少し、また同時により間隔の狭いより高次モードＨのモードライン間隔が理想的なモードスペクトルに比べて増加したかに留意されたい。この例では、調整されたモードスペクトル１１３’の全体のサイズは、図９Ａの理想的なモードスペクトル１１３のものとほぼ同じであることにも留意されたい。

【0087】

図９Ｃは、調整されたバージョンのモードスペクトルに１１３’に対して補正（すなわち再調整）を行って、図９Ａの補正された（未調整の）モードスペクトル１１３を得るものを示しており、これはこれまでに公知ではないと考えられるものであった。この補正は、結合プリズム４０の構成を含めたシステム１０の構成を知り、さらに、元のまたは真のモードスペクトル１１３の様々なモードに対する様々なモードライン１１５に関連する測定光６２の経路に、結合プリズムの出力面４６での屈折がどのように影響を与えるかを知ることによって達成される。上で論じたように、方程式（５〜６）は有効屈折率ｎ_effの関数としてモードライン間隔Δｘの変化との間に関係を与える。従って、コントローラ１５０を使用して、コンピュータ可読媒体（例えば、ソフトウェア）内の方程式（６）を実行することによって、真のまたは未調整のモードスペクトル１１３を得ることができる。

【0088】

添付の請求項において画成される本開示の精神または範囲から逸脱することなく、本書で説明した本開示の好適な実施形態の種々の改変が作製可能であることは当業者には明らかであろう。従って、その改変および変形が添付の請求項およびその同等物の範囲内であるならば、本開示はこの改変および変形を含む。

【0089】

以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。

【0090】

実施形態１
基板の上部表面に形成されかつ５０μｍを超える層深さ（ＤＯＬ）を有する、導波路の、少なくとも１つのモードスペクトルを測定する測定システムであって、
入力面、出力面、結合面、屈折率ｎ_p、および出力面と結合面との間のプリズム角度α、を有し、かつ前記結合面が前記基板の前記上部表面で前記導波路と界面接合して、それにより基板‐プリズム界面を画成する、結合プリズムと、
前記プリズムの前記入力面を通して前記基板‐プリズム界面を照らし、それにより第１のサイズを有する前記少なくとも１つのモードスペクトルのモードラインを含む、前記結合プリズムの前記出力面を出て行く反射光を形成するように構成された、光源系と、
検出器を含み、かつ前記結合プリズムからの前記反射光を受けて前記検出器で前記少なくとも１つのモードスペクトルを検出するように配置された、光検出器系と、
前記結合プリズムの前記出力面で前記反射光の屈折によって引き起こされた前記モードラインの歪みを、第２のサイズを有する補正されたモードスペクトルへと補正するよう、検出された前記少なくとも１つのモードスペクトルを処理するように構成された、コントローラと、
を備え、さらに、臨界角であって、該臨界角を超えると前記反射光が前記プリズムの前記出力面で内部全反射される、臨界角に、前記結合プリズムの最大プリズム角度α_maxが等しく、かつ前記プリズム角度αが０．８１α_max≦α≦０．９９α_maxの範囲であり、さらに前記第１のサイズが前記第２のサイズと実質的に同一であることを特徴とする測定システム。

【0091】

実施形態２
前記プリズム角度αが、０．９０α_max≦α≦０．９９α_maxの範囲であることを特徴とする実施形態１記載の測定システム。

【0092】

実施形態３
前記プリズム角度αが、０．９５α_max≦α≦０．９９α_maxの範囲であることを特徴とする実施形態２記載の測定システム。

【0093】

実施形態４
前記少なくとも１つのモードスペクトルが、ＴＥモードスペクトルおよびＴＭモードスペクトルを含むことを特徴とする実施形態１記載の測定システム。

【0094】

実施形態５
前記検出器が、ＴＥモードスペクトルを検出する第１の部分と、ＴＭモードスペクトルを検出する第２の部分とを含むことを特徴とする実施形態１記載の測定システム。

【0095】

実施形態６
前記プリズム角度αが９０°よりも大きいことを特徴とする実施形態１記載の測定システム。

【0096】

実施形態７
前記結合プリズムが、平坦な上部表面を有していることを特徴とする実施形態１記載の測定システム。

【0097】

実施形態８
５０μｍを超える層深さ（ＤＯＬ）を有する、基板の上部表面に形成された導波路の、モードスペクトルを測定する方法において、
結合プリズムであって、出力面によって画成される、０．８１α_max≦α≦０．９９α_maxの範囲の結合プリズム角度αを有する結合プリズムを、前記基板と界面接合させて、基板‐プリズム界面を形成するステップであって、このときα_maxは、前記結合プリズム内で起こる内部全反射に関連する最大結合プリズム角度を明示するものである、ステップ、
光を前記結合プリズムに通して前記基板‐プリズム界面へと導き、前記導波路の少なくとも１つのモードスペクトルのモードラインを含む、前記結合プリズムの前記出力面から出て行く反射光を形成するステップ、
前記結合プリズムの前記出力面での前記反射光の屈折に起因して調整されたモードライン間隔を有する、前記結合プリズムから出て行く前記反射光の前記少なくとも１つのモードスペクトルの前記モードラインを、検出するステップ、および、
前記調整されたモードライン間隔を、前記検出するステップの後に補正するステップ、
を含むことを特徴とする方法。

【0098】

実施形態９
前記プリズム角度αが、０．９０α_max≦α≦０．９９α_maxの範囲であることを特徴とする実施形態８記載の方法。

【0099】

実施形態１０
前記プリズム角度αが、０．９５α_max≦α≦０．９９α_maxの範囲であることを特徴とする実施形態９記載の方法。

【0100】

実施形態１１
前記プリズム角度αが９０°よりも大きいことを特徴とする実施形態８記載の方法。

【0101】

実施形態１２
前記補正されたモードライン間隔に基づいて、前記導波路の少なくとも１つの特性を判定するステップをさらに含むことを特徴とする実施形態８記載の方法。

【0102】

実施形態１３
前記導波路の前記少なくとも１つの特性が、表面応力、応力プロファイル、圧縮応力、ＤＯＬ、屈折率プロファイル、および複屈折、のうちの１以上を含むことを特徴とする実施形態１２記載の方法。

【0103】

実施形態１４
前記少なくとも１つのモードスペクトルが第１のサイズを有し、かつ前記調整されたモードライン間隔を、前記検出するステップの後に補正する前記ステップが、前記第１のサイズと実質的に同一の第２のサイズを有する、調整されたモードスペクトルを形成するものであることを特徴とする実施形態８記載の方法。

【0104】

実施形態１５
前記少なくとも１つのモードスペクトルが、ＴＥモードスペクトルおよびＴＭモードスペクトルから成ることを特徴とする実施形態８記載の方法。

【0105】

実施形態１６
二重イオン拡散（ＤＩＯＸ）プロセスによって前記導波路を形成するステップを含むことを特徴とする実施形態８記載の方法。

【0106】

実施形態１７
５０μｍを超える層深さ（ＤＯＬ）への二重イオン拡散によって、基板の上部表面に形成された導波路の、モードスペクトルを測定する方法において、
入力面、出力面、前記上部表面と界面接合して基板‐プリズム界面を画成する、結合面、前記結合面および前記出力面によって画成される、結合プリズム角度α、を有する結合プリズムを、前記導波路と界面接合させるステップであって、前記結合プリズムの最大プリズム角度α_maxが、前記出力面での内部全反射角度に相当し、前記結合プリズム角度が、０．８１α_max≦α≦０．９９α_maxの範囲である、ステップ、
光を前記入力面に通して前記基板‐プリズム界面へと導き、それにより前記モードスペクトルのより高次のモードラインおよびより低次のモードラインを含む、反射光を形成するステップであって、前記反射光が前記出力面から前記結合プリズムを出て行き、かつ前記反射光を検出器に入射させる、ステップ、
前記結合プリズムの前記出力面での前記反射光の屈折に起因して調整されたモードライン間隔を有する、前記モードスペクトルのより高次のモードラインおよびより低次のモードラインを、検出器で検出するステップ、および、
前記検出するステップの後に、前記モードライン間隔の前記調整を補正するステップ、
を含むことを特徴とする方法。

【0107】

実施形態１８
前記補正されたモードライン間隔に基づいて、前記導波路の少なくとも１つの特性を判定するステップをさらに含むことを特徴とする実施形態１７記載の方法。

【0108】

実施形態１９
前記導波路の前記少なくとも１つの特性が、表面応力、応力プロファイル、圧縮応力、ＤＯＬ、屈折率プロファイル、および複屈折、のうちの１以上を含むことを特徴とする実施形態１８記載の方法。

【0109】

実施形態２０
前記結合プリズム角度αが、０．９０α_max≦α≦０．９９α_maxの範囲であることを特徴とする実施形態１７記載の方法。

【符号の説明】

【0110】

１０ プリズム結合システム
２０ イオン交換基板
２２ 上部表面
４０ 結合プリズム
４２ 入力面
４４ 結合面
４６ 出力面
５０ 界面
６０ 光源
６２Ｒ 反射光
１１０ 検出器
１１３ モードスペクトル
１１５ モードライン
１３０ 光検出器系
１５０ コントローラ

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9A-9C】