JP2007047051A - 多層屈折率測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高精度に温度制御が可能であり、かつ高精度に屈折率変化を測定可能な多層屈折率測定装置を提供すること。
【解決手段】 リング共振器１−１０と、該リング共振器１−１０と近傍部分をもち、導波路１−９および１−１１を有する第一層目の温度測定用光回路１−３と、リング共振器１−７と、該リング共振器１−７と近傍部分をもち、導波路１−６および１−８とを有し、第一層目の温度測定用光回路１−３上に積層された第二層目の屈折率測定用光回路１−２とを備える。リング共振器１−７が有する導波路の一部の導波路上のクラッドは、使用される光の波長と同程度またはそれより小さい厚さを有するか、あるいは、上記一部の導波路のコアが露出している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、多層屈折率測定装置に関し、より詳細には、医療分野や食品加工分野等における、検体の屈折率のセンシングを行う多層屈折率測定装置に関する。

従来、ある検体（測定対象）の成分変化等を検知するための装置として、液体および気体の屈折率の微小な変化を測定する装置が開発されている。このような装置は、医療分野や食品加工分野にて利用可能である。

上記屈折率の微小な変化を測定する装置は、例えば、医療分野では、抗原の検出に用いられている。通常、抗原抗体反応によって微小に抗体表面の屈折率が変化するが、この屈折率が変化する現象を用いて抗原の検出を行う。また、食品加工分野では、成分の変化に伴う屈折率変動をモニターし品質管理を行うことができる。

J.Haavisto, G.A.Pajer, "Resonance effects in low-loss ring waveguides" OPTICS LETTERS, Vol. 5, No. 12, December 1980

このように検体の成分変化等の検出に用いられる屈折率は、検体の成分変化のみならず温度によっても変化するので、微小な屈折率変化を検出するためには、高精度の温度制御および温度測定が必須である。検体は水溶液である場合が多いが、室温近傍における水の屈折率変化の温度依存性は、１０^−４Ｋ⁻¹程度であり、例えば１０^−８の屈折率変化を検出するためには、１０^−４Ｋの精度で温度制御か温度モニターが行われなければならない。室温近傍での１０^−４Ｋの精度での測温の困難性も重要であるが、さらに屈折率測定部分と温度測定部分とが一般には、検出装置内において離れて設けられているため、温度測定部分で測定された温度と、屈折率測定部分とが同一の温度である保証が無いことがさらに大きな問題となる。

また、屈折率測定そのものも、例えばプリズムカプラ（非特許文献１参照）を用いた測定では、１０^−４程度の精度しかなく、１０⁻⁸精度の屈折率変動測定は不可能であった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高精度に温度制御が可能であり、かつ高精度に屈折率変化を測定可能な多層屈折率測定装置を提供することにある。

本発明はこのような目的を達成するために、請求項１記載の発明は、少なくとも１個の第１のリング共振器と、該リング共振器と近傍部分をもち、光の入射および出射を行う少なくとも１本の第１の導波路とを有する第１の平面型光回路と、少なくとも１個の第２のリング共振器と、該リング共振器と近傍部分をもち、光の入射および出射を行う少なくとも１本の第２の導波路とを有し、前記第１の平面型光回路に積層された第２の平面型光回路であって、前記第２のリング共振器が有する導波路の一部の導波路上のクラッドは、入射される光の波長と同程度またはそれより小さい厚さを有するか、あるいは、前記一部の導波路のコアが露出している第２の平面型光回路とを備えることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記第１の平面型光回路は、複数積層されていることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記第１の平面型光回路は、ペルチェ素子に密着していることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記第２の平面型光回路の前記一部の導波路には、コアサイズよりも短い周期で導波方向に沿った周期的溝構造が形成され、該周期的溝構造上に検出する対象物が塗布、または滴下されることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、外部から平面型光回路に入射する光を予め超音波周波数シフターを通過させ、波長が変化させられる機構を持つことを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明において、前記リング共振器の一部に圧力を加える機構を有することを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の発明において、前記多層膜屈折率測定装置が恒温箱内に設置されていることを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項１乃至１乃至７のいずれかに記載の発明において、外部からのレーザー光を入力させる導波路は、レーザー光を入射する導波路端面の法線に対してリング共振器側にシフトするように屈曲していることを特徴とする。

請求項９記載の発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載の発明において、平面型光回路に光を導入するための集光手段をさらに備え、該集光手段によって集光された光は、平面型光回路端面において積層方向に伸びた長楕円であることを特徴とする。

請求項１０記載の発明は、請求項１乃至９のいずれかに記載の発明において、平面型光回路から光を取り出す導波路の出射点の各平面内の相対位置は、平面型光回路毎に異なることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、第１の平面型光回路と第２の平面型光回路とをカップリングが生じない程度に近接して積層させているので、高精度に温度制御が可能であり、かつ高精度に屈折率変化を測定可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明の一実施形態は、屈折率変動に敏感であるリング共振器を屈折率変動測定の原理として用い、同時に、検体の屈折率測定用の第一層と、温度測定用の第二層とを多層化している。すなわち、検体の屈折率変動の影響を受ける第一層と、検体とは独立に温度変化による屈折率変動のみ検出する第二層とをカップリングが起こらない程度に近接させている。これによって、温度変化分を補償することができる。リング共振器の共振ピークの半値幅は、導波路のロスに支配される。従って、水の吸収が小さな波長を光源として選択する、リング共振器の曲率によって曲げ損失を生じないコア・クラッド屈折率差を選択する、等の導波損を軽減する工夫が必要である。図１に積層光回路の構造を示す。

図１において、符号１−１は積層光回路の層構成である。層構成１−１は、平面型の温度測定用光回路（単に、第二層目とも呼ぶ）１−３上に、平面型の屈折率測定用（検体測定用）光回路（単に、第一層目とも呼ぶ）１−２が積層されている。図１において、符号１−２０は、屈折率測定用光回路１−２の概念図を示し、符号１−２１は、温度測定用光回路１−３の概念図を示す。

まず、第一層目の光回路１−２について説明する。第一層目１−２のクラッドの上面には、使用される光の波長と同程度かそれより薄い厚さの極薄クラッド部分１−４が形成されている。この極薄クラッド部分１−４は、第一層目のリング共振器１−７の導波路の一部１−５を覆う様に設計されている。なお、本発明の実施形態では、極薄クラッド部分１−４を形成する凹部の底部は、上述のように、せいぜい使用される光の波長と同程度の厚さであるが、この底部のクラッドを完全に除去しても良い。すなわち、リング共振器１−７の導波路の一部１−５上にはクラッドが存在しないようにして、リング共振器１−７の導波路の一部１−５に含まれる導波路コアを露出するようにしても良い。

外部からのレーザー光は、結合部１−１２から第一層目１−２へと導入し、導波路１−６を導波する。この導波路１−６は、レーザー光が入射する第一層目１−２の端面から所定の距離だけ、上記端面の法線に対して平行な領域を有し、その平行な領域の後段は、上記端面の法線に対してリング共振器１−７側に屈曲している。この屈曲領域の後段は、また第１の端面の法線に対して平行な領域となる。導波路１−６を導波する導波光は、リング共振器１−７の共振条件が満たされれば、リング共振器側に導波光のエネルギーの一部が移動し、さらに導波路１−８にそのエネルギーの一部が移動する。導波路１−８を導波する導波光は出射端１−１４から出射する。

次に、第二層目の光回路１−３について説明する。第二層目１−３は、第二層目１−３が第一層目１−２とカップリングしないような厚さを有するクラッドを有し、該クラッド内に各コアが埋め込まれている。

外部からのレーザー光は、結合部１−１３から第二層目１−３へと導入し、導波路１−９を導波する。この導波路１−９は、レーザー光が入射する第二層目１−３の第１の端面から所定の距離だけ、第１の端面の法線に対して平行な領域を有し、その平行な領域の後段は、第１の端面の法線に対してリング共振器１−１０側に屈曲している。この屈曲領域の後段は、また第１の端面の法線に対して平行な領域となり、さらに、導波路１−９は、第１の端面と対向する第２の端面付近でさらに第１の端面の法線に対してリング共振器１−１０側に屈曲している。導波路１−９を導波する導波光は、リング共振器１−１０の共振条件が満たされれば、リング共振器側に導波光のエネルギーの一部が移動し、さらに導波路１−１１にそのエネルギーの一部が移動する。この導波路１−１１は、リング共振器１−１０から第１の端面に向かって所定の距離だけ、第１の端面の法線に対して平行な領域を有し、その平行な領域の後段は、第１の端面の法線に対してリング共振器１−１０側に屈曲している。この屈曲領域の後段は、また第１の端面の法線に対して平行な領域となり、出射端１−１５に連結される。よって、導波路１−１１を導波する導波光は出射端１−１５から出射する。

さて、リング共振器１−７の共振条件は、

で与えられる。ここで、左辺の積分は、リング共振器に沿っての周回積分である。ｎ_ｅｆｆ(ｒ) は有効屈折率、λは真空中の光の波長、Ｍは任意の自然数である。即ち、導波路の有効屈折率が、温度変化や極薄クラッド部に滴下される物質の屈折率の影響を受けて変化したとき、共振条件を満たす波長（λ）が変化する事がわかる。従って、波長を微妙に変化させることができれば、その波長をモニターすることで屈折率変化を検出できることになる。

図２にリング共振器のロスと光の周波数選択性の関係を示す。条件として、共振器長が３１．４ｍｍ、平均的な有効屈折率が１．５、伝搬損が０．０５ｄＢ／ｃｍおよび０．０１ｄＢ／ｃｍ、ＨｅＮｅレーザーの６３２．８ｎｍの波長を超音波周波数シフタにてＦＭ変調した場合を想定している。原点は、（１）式を満たす周波数である。

図１では、２カ所ある極薄上部クラッド部分１−４の片方に屈折率ｎ_Ｒの参照試料を、もう片方に屈折率ｎ_Ｓの検体を設置するものとする。この場合、（１）式の有効屈折率は

で表される。ここで、βはクラッドの厚みや構造によって決定される値で設計値となる。まず、参照試料も検体も滴下されていない状態では、全導波路長をＬとし、検体および参照資料が設置されていない場合の光の波長をλ_０として、

ついで、参照試料のみが滴下された状態では、参照試料が滴下されている極薄クラッドに覆われている導波路長をＨ、またＨ×β＝κとして、

であるから、

となる。最後に、検体を滴下し、検体と参照試料の屈折率差が小さく、検体滴下による共振条件の量子化飛びΔＭが等しいならば、参照資料のみ滴下した場合の光の波長をλ_Ｒ、参照資料および検体の両方を滴下した場合の光の波長をλ_Ｓとすると、

となる。（１，２，４，５）式より、Ｍ＞＞ΔＭを用いて、

となる。ここで、ｃは光速、ν_Ｒ，ν_Ｓは、それぞれ参照試料のみのピーク周波数、参照試料と検体の両方を滴下したときのピーク周波数を示す。例えば、β＝１／１０，Ｈ＝Ｌ／３、即ちκ＝Ｌ／３０として、１０^−７の屈折率変化は１ＭＨｚのピークシフトに対応し、数１００ＭＨｚの波長選択性に対して、１回の計測でギリギリ検出可能な変化量である。超音波周波数シフタが毎秒１００万回、波長シフトを繰り返したとして、１秒間計測を繰り返せば１００万回の計測を行うことになるから、１秒間の計測で３桁の精度向上、即ち原理的には１０⁻¹⁰の屈折率変動の計測が可能であることが判る。

しかしながら、屈折率は温度にも依存するから、本発明の一実施形態の第二層目に作られた温度計測用の光回路を用いた温度制御が必要である。例えば、第一層目１−２と第二層目１−３の距離Δｘを１０μｍ程度とし、第一層目１−２および第二層目１−３のクラッド材がアクリルで作られているとする。代表的なアクリルの熱伝導係数（κ_０＝０．１９Ｗ／（Ｋ・ｍ））、比熱（ｑ＝１４６０Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））、比重（ｇ＝１．１９×１０^３ｋｇ／ｍ^３）を用いて熱伝導方程式

より、微小間隔Δｘ＝１０μｍに対して、１ｍsee 程度の時定数で屈折率測定層（第一層目１−２）の温度は、温度測定層（第二層目１−３）の温度に追随することが判る。従って、導波路の有効屈折率の温度依存性を概ね１０^−４Ｋ^−１であるとして、１ｍsee 以内の時間範囲で温度測定層（第二層目１−３）のピークシフトが３ＭＨｚ以内、即ち第二層目１−３の温度変化が１００μＫ以内であれば、屈折率測定層（第一層目１−２）も１００μＫの精度で制御されていると推定できる。

実際の温度制御は、概ね±０．１℃の精度で制御されている恒温槽の中でさらにペルチェ素子で制御する２段制御が必要であるが、本発明の一実施形態の様に試料にごく接近した場所において高精度の測温が出来るので、高精度の屈折率測定を可能とする。以上が、本発明の一実施形態の根幹をなす部分である。

また屈折率測定部としての第一層目と温度測定部としての第二層目とが極めて接近しているということだけでなく、これら機能を合わせもつ素子が薄いシートで構成されており、加熱冷却素子に密着できるので、温度制御の時定数そのものを短くできる利点がある。つまり、本発明の一実施形態を構成する積層光回路をペルチェ素子に密着させれば、極めて高精度な温度制御機構が実現できる。このような構成としては、第二層目をペルチェ素子などの温度制御装置に密着させれば良い。

さて、参照試料および検体の屈折率が有効屈折率に及ぼす変化の度合い（β）は、リング共振器を導波する光が薄いクラッドをしみだして試料に達するエバネッセント光に依存している。そのしみ出し深さは、せいぜい波長オーダーであり、試料（参照試料と検体）のクラッド密着面から高さ数１００ｎｍの領域の屈折率のみ検出していることになる。しかし、本発明の一実施形態の主な利用分野のひとつである医療分野における抗原抗体反応を利用した抗原検出においては、抗原のサイズが１０ｎｍ程度のごく微細なものである場合があり、さらに感度を上げる必要がある。

感度向上のための方策として、薄いクラッド表面（図１では極薄クラッド部分１−４）に高い空間周波数で溝構造（周期構造）を持たせる方法がある。前述したように、共振器の導波損は共振周波数の周波数選択性を弱めるため、損失を高める導波方向に周期構造をもつのではなく、周期構造は導波方向に垂直に持たせる方が良い。すなわち、周期構造は溝構造となり、溝は導波方向に沿っていることになる。

図３に本発明の一実施形態に係る溝構造を図示する。コア３−１の直上に極薄クラッド部分３−３がある。この極薄クラッド部分３−３は、通常の厚さのクラッドに囲まれている。極薄クラッド部分３−３に導波方向３−２に沿って溝３−５を形成する。例えば、コア径を１μｍ角としてクラッド厚の最も薄い部分は１００ｎｍ、溝の高さは２００ｎｍで、溝周期は２００ｎｍ程度とする。溝部分３−５には、凹部、凸部、側壁の全てに抗体が塗布されている。この様な構造を持つことで、単に平坦な極薄クラッドに覆われている場合に比べ、表面積は、側壁部の存在によってかさ上げされ、２倍に増えることになる。溝を深くすればするほど表面積のかさ上げ効果は大きくなるが、同時に溝加工が困難になるので、費用対効果の観点から溝深さを決定することになる。

前述したが、屈折率の精密測定には高精度な温度制御が必要であるから、いくら高性能の温度センサが近接しているとはいえ、環境温度が一定である方が制御は簡単である。そのために、本発明の一実施形態に係る光回路を恒温槽内に設置することが望ましい。

また、外部光を光回路に結合する際、１００％の効率で結合させることは困難であり、必ずクラッドに幾分かの光が漏れることになる。漏れた光がリング共振器に達するとノイズ原因となるので、クラッドに漏れた光がリング共振器に直接達することが無いよう、図１において導波路１−６、１−９に示されるように、光導入用の導波路は、リング共振器側に屈曲する様にしておくのが良い。こうすることで、クラッドに放射される光は、直接リング共振器に達することが無くなる、ないしは軽減されるので、Ｓ／Ｎ比が向上する。

本発明の一実施形態の主な利用分野のひとつである抗原検出においては、検体が接触する部分は使い捨てであることが望ましい。従って、本発明の一実施形態の構成では、積層光回路の部分全体が使い捨てになる。その場合、光を導波路に結合する部分は、レンズを用いたアクティブサーボを採用することが望ましい。図４は、外部からの光入力方法を説明する図である。符号４−１は、本発明の一実施形態に係る、第一層目の積層回路である。符号４−１８は、第一層目の外部光入力導波路の出射端であり、破線で示した符号４−１７は、第二層目の外部光入力導波路の出射端である。

図４において、レーザー光４−３は集光レンズ４−４によって、光回路端面の外部光入力導波路４−２の端面近傍にて集光される。この集光部近傍の拡大図を符号４−９に示す。符号４−１６はクラッド・空気界面、符号４−１１は第一層目光回路面、符号４−１２は第二層目光回路面、符号４−１４は第一層目の外部光入力導波路の入射端である導波路コア、符号４−１５は第二層目の外部光入力導波路の入射端である導波路コアを示す。導波路コア４−１４、４−１５は、図中で左右方向には揃っていることが望ましいが、実際の積層工程においてサブμｍオーダーの位置合わせは困難であるから、左右にずれていることを前提に外部光入力装置は設計されなければならない。

そこで、レンズ４−４による集光形状を層間距離も長い長軸をもつ楕円４−１０になるようにする。すなわち、光回路の外部光の入射端面において、積層方向に伸びた長楕円とするのである。同時に電磁アクチュエータ４−６によって図中で左右方向、即ち楕円４−１０の短軸方向に微調可能な構造を持たせる。集光楕円が第一層目の導波路コア４−１４を覆うとフォトディテクタ４−７に光が到達する。一方、集光楕円が第二層目の導波路コア４−１５を覆うとフォトディテクタ４−８に光が到達する。従って、検体および参照試料の屈折率測定時および温度測定時には、それぞれ、フォトディテクタ４−７および４−８の受光量が最大になるようにアクチュエータ４−６を調整することになる。

リング共振器との共振が起きている場合、共振によるエネルギー移動により、フォトディテクタ４−７および４−８の受光量が小さくなるが、共振による減衰は数１００ＭＨｚ〜数ＭＨｚの周期で発生するのに対し、アクチュエータの周波数特性はせいぜい数ｋＨｚなので、フォトディテクタ４−７および４−８の応答周波数を１ＭＨｚ以下にしておけば、共振による減衰が外部光結合へのアクティブサーボに与える影響は無視することができる。

さて、積層光回路製造上の問題から、第一層目と第二層目のアライメントがサブμｍ以下でできない場合があるので、第一層目と第二層目とが同時に励起されないことを前提に、上記のアクティブサーボを既述した。しかし、偶然、第一層目と第二層目とがサブμｍ精度で一致している場合もありうる。その場合、図１の光出射端１−１４および１−１５が上下層で一致していると、出力が第一層目からのものか、第二層目からのものか判別できなくなる。従って、上下層で位置を大きくずらし、両者を分離できる構造にしておくと便利である。ただし、逆に入射端１−１２および１−１３を大きくずらしておけば、出射端１−１４および１−１５は一致していても良い。

また、本発明の一実施形態では、第一層目および第二層目の導波路をプラスチックにて作製するのが好ましい。プラスチックは一般に、温度に対して非常に敏感であるので、温度測定の精度を向上することができる。また、第一層目と第二層目とを別個に作製してから、それら層を積層させることができるので、本発明の一実施形態に係る、多層屈折率測定装置を用意に作製することが可能となる。

なお、温度変化に伴い、温度測定層のリング共振器の共振点が変化するが、コストの関係で、高圧をかけられない／高周波をかけられない場合には、低圧・低周波にて共振点を探すことになる。その場合、必ず共振点が存在する様にするためには、共振器長を長くする必要が出てくる。そうすると、わずかな温度変化で、（１）式のＭが変化してしまい、温度制御が困難になる。その場合、温度制御層を複数層にし、各層の共振器長を異なる長さにする、もしくは単一層に共振器の異なる複数の共振器を設けることで、温度制御を可能にすることができる。これは、（１）式のＭが変化したかどうかが、共振器長が異なる２個以上の共振器を測定することで判定できるからである。

以上説明したように、本発明の一実施形態によれば、高精度の温度測定機構を備えた屈折率測定光チップが構成可能であり、その結果、測定対象が最小１０⁻¹⁰ 程度の屈折率変化しか起こさない場合でも、１秒程度の測定時間で、その変化を検知することが可能となる。微小屈折率変化を測定可能であるために、僅かな混入で大きな問題を引き起こす生体内の高分子（ウイルス、タンパク質、脂質等）や、食品中の不純物を高速高感度で検出し、健康被害を未然に防ぐ為のデータを提供することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態に係る多層屈折率測定装置を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明は、下記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々変更可能であることは言うまでもない。

（実施例１）
本実施例では、図５に示された光回路を用いる。符合５−１は、第一層目としての光回路であり、符号５−２は、第二層目としての光回路である。光回路５−１，５−２のサイズは３２ｍｍ×２４ｍｍで、コア、クラッドともにアクリル系ＵＶ硬化樹脂を用いて作製する。コアおよびクラッドの屈折率は、波長６３２．８ｎｍにてそれぞれ１．５２３および１．５０であり、比屈折率差を１．５％とした。コア５−１９、５−２０、５−２４のコア断面の大きさは０．８μｍ×１μｍの矩形で、厚み方向を０．８μｍ、光回路面内の幅を０．８μｍとする。第一層目のリング共振器５−１１は、直径１５ｍｍの半円二つを１５ｍｍ離れた長さ５ｍｍの平行線で繋いだ陸上トラックの様な形状で、１周が５７．１２ｍｍである。上記長さ５ｍｍの平行線部分が、外部光導入用導波路５−５および出射用導波路との結合部５−７および５−１６であり、該結合部においてリング共振器と各導波路は、５ｍｍの長さに渡って５μｍのクラッド材を隔てて平行になっている。

一方、第二層目の共振器５−１２は交差点を持つ花びら模様で、共振器の総延長は２００ｍｍとする。外部光導入用導波路５−６および出射用導波路との結合部５−５および５−１７は、第一層目と同様で５μｍを隔て長さ５ｍｍを持つ。出射端５−１４および５−１５は図中の上下方向に３ｍｍ離れている。外部光結合用導波路５−５および５−６もその出射端５−９および５−１０において図中の上下方向に３ｍｍ離れている。

第一層目５−１には、２つの極薄クラッド部５−１３および５−２６が形成されている。図５では、極薄クラッド部５−２６の断面を符号５−２２に示す。この実施例では、リング共振器コア５−２４上のクラッドは１００ｎｍ程度の極薄で、光回路と空気の境界面５−２３には、抗体が薄く塗布されている。極薄クラッド部５−１３も同様である。極薄クラッド部５−１３および５−２６以外では、クラッド厚は１０μｍであり、二層の光回路の合計厚みは３２μｍである。

図６に、本実施例に係る温度制御のための装置構成を示す。アクリル系ＵＶ樹脂で形成された、図５の第一層目５−１および第二層目５−２を積層させた二層光回路６−２は、極薄クラッド部と同じサイズの穴６−４をもつ厚み５ｍｍの平坦な銅板を上板６−１とし、厚み５ｍｍの平坦な銅板を下板６−３として、これら銅板にサンドイッチされる。図６では、下板と二層積層光回路との密着部断面図を符号６−５に示す。下板６−３においては、二層光回路６−２と密着する側６−９にＳｉＯ_２スパッタ膜６−８を挟んでニッケルとクロムの共蒸着膜６−７が形成され、該薄膜に電流を流すことで、面型ヒーターが形成されている。また、該銅板は、上板、下板とも熱電対６−１０、６−１１を備え、ラフな絶対温度測定ができる様になっている。

光源として、安定化ＨｅＮｅレーザーの６３２．８ｎｍを使用している。該レーザー光を周波数１００ＭＨｚ〜１．１ＧＨｚを１ＭＨｚの繰り返し周波数で変調された超音波が進行する音響光学素子内を通過させることで、光の周波数をチャーピングさせる。レーザー光は、レンズによって円形に集光され、第一層目の外部光入力導波路入射端５−３もしくは、第二層目の外部光入力導波路入射端５−４にマイクロメーターを用いて位置合わせを行う。

導波路の有効屈折率の平均値は、約１．５２であり、５７．１２ｍｍ長の共振器では３．４５ＧＨｚ毎に共振条件が成立する。つまり、１００ＭＨｚ〜１．１ＧＨｚの周波数変調では共振条件が存在しない場合がある。一方、第二層目のリング共振器は共振器長が２００ｍｍあるので、９８６ＭＨｚ毎に共振条件が成立する。従って、１００ＭＨｚ〜１．１ＧＨｚの周波数変調を行えば、必ず共振を起こす周波数が存在することになる。

測定手順は以下の通りである。

まず、外気温が安定した状態で、熱電対６−１０，６−１１にて測温し、両者の平均値を光回路部の温度とする。次いでニッケル・クロム共蒸着面に端子６−１２，６−１３を通じて通電し、温度を上昇させる。このとき、熱電対の指示値をモニタしながら、０．１℃／sec以下の一定速度（ξＫ／sec）になるよう電流値を制御する。温度上昇時に熱電対６−１０，６−１１の指示温度を第二層目の共振周波数の関数（Ｔ_up(ν））としてモニタする。次いで、電流量を減らし、温度上昇時と同じ変化率（−ξＫ／sec）で温度を下げる。温度上昇時と同様に、熱電対６−１０，６−１１の指示温度を第二層目の共振周波数の関数（Ｔ_down（ν））としてモニタする。温度上昇時と下降時とで、熱電対の指示温度を第二層目の共振周波数の関数として表示すると温度のヒステリシスループが描ける。まず、共振周波数の温度変化特性は、

である。最小二乗法によって傾きを求めても良い。目的とする温度精度をΔＴとして、適当なνに対して、

なる時間（τ）、共振周波数の変化（δν）が

に収まっている事を確認し、屈折率の測定を行うことになる。温度制御は、第二層目の共振周波数が目的の周波数になるようにニッケルクロム共蒸着層６−７への電流を制御するＰＩＤ制御で行う。

次いで、極薄クラッド領域５−１３に参照試料を滴下し、前記の方法で温度が一定になるまで待つ。温度が一定になったことを確認し、第一層目の外部光入力導波路入射端５−３にレーザー光の集光スポットを移動する。ここで、共鳴周波数が存在すれば、その共鳴周波数を測定する。測定は１秒間行うが、１ＭＨｚの周波数で光の周波数シフトが行われているので１００万回の測定が可能である。共鳴周波数が存在しなければ、再び第二層目の外部光入力導波路入射端５−６にレーザー光の集光スポットを移動する。ここで、温度を９８６×１０^６／ω℃だけ上昇させ、第二層目のリング共振器５−１７の次の共鳴条件を探す。温度変化は０．０３℃程度の微小である。温度はシフトしているがＰＩＤ制御の目標周波数は不変である。温度が一定になったところで、再び、第一層目の外部光入力導波路入射端５−３にレーザー光の集光スポットを移動し、共鳴周波数を探す。もし、共鳴条件がなければ、もう一度、温度を上昇させる前記の過程を繰り返す。こうして、参照試料が滴下された状態で、第一層のリング共振器の共振周波数（ν_Ｒ）が特定の温度（Ｔ_Ｒ）において測定されたことになる。

次いで、極薄クラッド領域５−２６に検体を滴下し、前記と同様の作業を行い第一層目のリング共振器５−１１の共振周波数（ν_Ｓ）を温度（Ｔ_Ｓ）において測定する。

ここで、Ｔ_ｍ＝（Ｔ_Ｒ＋Ｔ_Ｓ）として、ν_Ｓ０＝ν_Ｓ＋ω（Ｔ_Ｓ−Ｔ_ｍ），ν_Ｒ０＝ν_Ｒ＋ω（Ｔ_Ｒ−Ｔ_ｍ）、および式（７）を用いて、

が得られる。例えば、ν_Ｒ０−ν_Ｓ０＝１０ＭＨｚのとき、検体の屈折率は参照試料と９．６×１０^−７の差を持つことが分かる。ここで、κ＝５７．１２／３０ｍｍとしたが、正確には、抗体の屈折率を考慮した上でリング共振器の構造から数値計算によって求められる。

（実施例２）
本実施例において、二層光回路と温度制御装置の構成は、実施例１で説明した図５、図６と同じものを用いる。レーザー光も実施例１と同様に音響光学素子によって１００ＭＨｚ〜１．１ＧＨｚの範囲で変調されている。導波路入射端５−３，５−４への光結合は、電磁アクチュエータによって長楕円が１軸制御される図４で示される構成を持つ。一層目への光結合と二層目への光結合を１ｍsec 毎に周期的に繰り返す。この方式の場合、温度が少々ふらつく場合に有効であり、第一層目の共振周波数測定前後の第二層目の共振周波数（ν_Ｒ.before，ν_Ｒ.after，ν_Ｓ.before，ν_S.after）を用いて、

の様に、温度揺らぎを補正した上で、（１１）式に当てはめて屈折率変化を求める。

（実施例３）
図７に実施例３で使用する光回路を示す。ただし、抗体が塗布されているのは極薄クラッド部７−１３のみであり、極薄クラッド部７−１８には抗体と同程度の屈折率の媒質が同じ厚みで塗布されており、目的とする抗原とは反応を起こさない。第一層目としての光回路７−１および第二層目としての光回路７−２はＵＶ硬化アクリル樹脂で形成されている。入射光は、ＨｅＮｅレーザーの６３２．８ｍｍで、超音波による周波数シフトを行わず、実施例２で既述されたような長楕円に集光された光を層方向に微調させて、各光回路の導波路端７−３，７−４へと結合させる。第一層目７−１と第二層目７−２とのリング共振器７−１１，７−１２は、同一のリング共振器であり、二重のループになっている。それぞれのリング共振器の長さは、９４．８ｍｍである。第一層目と第二層目との共振器部分の位置合わせ精度は±５０μｍに抑える。

本実施例では、第一層目のリング共振器７−１１の平行線部分が、外部光導入用導波路７−５および出射用導波路との結合部７−７および７−１６である。結合部７−１６は、第一層目の出力導波路の出射端７−１４を有する第一層目の出力導波路に接続されている。一方、第二層目のリング共振器７−１２の平行線部分が、外部光導入用導波路７−６および出射用導波路との結合部７−８および７−１７である。結合部７−１７は、第一層目の出力導波路の出射端７−１５を有する第二層目の出力導波路に接続されている。

リング共振器７−１１の、二重ループの内側部分７−１９は加圧部分であり、幅２００μｍで、直径１２ｍｍの円周の３／４を覆っている。加圧部分には、均一に加圧され、０〜２１．１ｋｇの加重が２０ｋＨｚの繰り返し周波数で、三角波状に印加される。この場合、０〜２１．１ｋｇのいずれかの加重で、第一層目、第二層目共に１回の共振条件が成立する。加圧時と減圧時とで、ヒステリシスが存在するので、加圧時のみ、もしくは減圧時のみのどちらかの共振条件の加重を求めることになる。ここでは、加圧時に共振を起こす加重を求める。

ここで、温度制御は図６に示された銅ブロックの上板６−１に光回路の二重ループの内側に相当する部分に＋３００μｍの余裕を持たせた直径（１２．３ｍｍ）の円形穴を空けたものを用いる。下板６−３の構成は不変である。該穴に外径１２．１ｍｍ、内径１９．９ｍｍの円筒を挿入し、該円筒に圧電素子にて０〜２８ｋｇの加重をかける。円筒全体に加重されるので、２１．１ｋｇの４／３倍の加重が必要となっている。

本実施例においては、前述の実施例と異なり、第一層目の共振器も必ずいずれかの加重時に共振を起こす。まず、第二層目の外部光結合部７−４にレーザー光が来るように、アクチュエータを制御する。制御は第二層目の外部光入力導波路の出力端７−１０からの出射光が最大になるようにして行うが、加圧減圧の繰り返し周期が２０ｋＨｚと小さいので、出力光の計測は１ｋＨｚ以下のローパスフィルターを通して計測する。外気温が安定した状態で、熱電対６−１０，６−１１にて測温し、両者の平均値を光回路部の温度とする。次いでニッケル・クロム共蒸着層６−７面に端子６−１２，６−１３を通じて通電し、温度を上昇させる。このとき、熱電対の指示値をモニタしながら、０．１℃／sec 以下の一定速度（ξＫ／sec)になるよう電流値を制御する。温度上昇時に熱電対６−１０，６−１１の指示温度を第二層目の共振加重の関数（Ｔ_up（Ｍ））としてモニタする。次いで、電流量を減らし、温度上昇時と同じ変化率（−ξＫ／sec)で温度を下げる。温度上昇時と同様に、熱電対６−１０，６−１１の指示温度を第二層目の共振加重の関数（Ｔ_down（Ｍ））としてモニタする。温度上昇時と下降時で、熱電対の指示温度を第二層目の共振加重の関数として表示すると温度のヒステリシスループが描ける。共振加重の温度変化特性は、

である。最小二乗法によって傾きを求めても良い。目的とする温度精度をΔＴとして、適当なＭに対して、

なる時間（τ_M）、共振加重の変化（δＭ）が

に収まっている事を確認し、屈折率の測定を行うことになる。温度制御は、第二層目の共振加重が目的の加重になるようにニッケル・クロム共蒸着層６−７への電流を制御するＰＩＤ制御で行う。

次いで、極薄クラッド部７−１８に検体を滴下し、前記の方法で温度が一定になるまで待つ。温度が一定になったことを確認し、第一層目の外部光入力導波路入射端７−３にレーザー光が来るように移動する。ここで、共鳴加重を測定する。測定は５秒間行うが、２０ｋＨｚの周波数で加重減圧が行われているので１０万回の測定が可能である。こうして、極薄クラッド部７−１８に検体が滴下された状態で、第一層目のリング共振器の共振加重（Ｍ_Ｒ）が測定されたことになる。

次いで、極薄クラッド部７−１３に検体を滴下し、前記と同様の作業を行い第一層のリング共振器の共振加重（Ｍ_S）を測定する。

こうして、検体の屈折率が、抗体の有無によってどの程度の変化を示すかが求められる。光回路の材料であるアクリル樹脂の光弾性係数を６×１０^−１2Ｐａ^−１として、

が得られる。例えば、Ｍ_Ｒ−Ｍ_S＝５０ｇのとき、検体の屈折率は抗体の有無で３．５６×１０^−７の差を持つことが分かる。ここで、κ＝１／３０としたが、正確には、抗体の屈折率を考慮した上でリング共振器の構造から数値計算によって求められる。

（実施例４）
図８に本実施例の温度制御装置構成を示す。実施例１と異なる部分は、熱浴８−７に接したペルチェ素子８−３が下板である点にある。本実施例では、実施例１と同様に、２層光回路８−２は、極薄クラッド部と同じサイズの孔８−４を持つ平坦な胴板を上板８−１とし、ペルチェ素子８−３を下板として、これら上板と下板との間でサンドイッチされている。

本実施例における温度制御はニッケル・クロム薄膜のヒーターによるのではなく、ペルチェ素子８−３にて行う。このペルチェ素子８−３は、ペルチェ素子の電流端子から電流が注入されることによって動作する。さらに、図８で示された温度制御装置は、全体が恒温槽に入っている。温度の絶対値は１個の熱電対８−６で行われ、実施例１で行った、２個の熱電対６−１０，６−１１の指示温度の平均値をとる作業は行わない。

（実施例５）
実施例３に示した方法で、極薄クラッド部７−１３，７−１８部に図３で示される様な溝構造を採用する。本実施例で用いる溝構造において、溝高さは２００ｎｍ，溝ピッチは２００ｎｍで、凹凸のデューティは５０：５０である。実施例３においてκ＝１／３０としたが、本実施例では、κ＝１／１５が望め、

となり、感度が実施例３の２倍になる。

本発明の一実施形態に係る、光回路構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、リング共振器の共振周波数付近での周波数選択性を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、上部極薄クラッド部の溝構造を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、外部光入力光学系を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、光回路を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、温度制御装置の構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、光回路を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、温度制御装置の構成を示す図である。

符号の説明

１−１ 光回路構成
１−２ 屈折率測定用光回路
１−３ 温度測定用光回路
１−４ 極薄クラッド部分
１−５ 第一層目光回路が極薄クラッド部分で覆われている範囲
１−６ 第一層目の外部光導入用導波路
１−７ 第一層目のリング共振器
１−８ 第一層目の光出射用導波路
１−９ 第二層目の外部光導入用導波路
１−１０ 第二層目のリング共振器
１−１１ 第二層目の光出射用導波路
１−１２ 第一層目の外部光結合部
１−１３ 第二層目の外部光結合部
１−１４ 第一層目の光出射端
１−１５ 第二層目の光出射端

Claims (10)

1. 少なくとも１個の第１のリング共振器と、該リング共振器と近傍部分をもち、光の入射および出射を行う少なくとも１本の第１の導波路とを有する第１の平面型光回路と、
   少なくとも１個の第２のリング共振器と、該リング共振器と近傍部分をもち、光の入射および出射を行う少なくとも１本の第２の導波路とを有し、前記第１の平面型光回路に積層された第２の平面型光回路であって、前記第２のリング共振器が有する導波路の一部の導波路上のクラッドは、入射される光の波長と同程度またはそれより小さい厚さを有するか、あるいは、前記一部の導波路のコアが露出している第２の平面型光回路と
   を備えることを特徴とする多層屈折率測定装置。
2. 前記第１の平面型光回路は、複数積層されていることを特徴とする請求項１記載の多層屈折率測定装置。
3. 前記第１の平面型光回路は、ペルチェ素子に密着していることを特徴とする請求項１または２記載の多層屈折率測定装置。
4. 前記第２の平面型光回路の前記一部の導波路には、コアサイズよりも短い周期で導波方向に沿った周期的溝構造が形成され、該周期的溝構造上に検出する対象物が塗布、または滴下されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の多層屈折率測定装置。
5. 外部から平面型光回路に入射する光を予め超音波周波数シフターを通過させ、波長が変化させられる機構を持つことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の多層屈折率測定装置。
6. 前記リング共振器の一部に圧力を加える機構を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の多層屈折率測定装置。
7. 前記多層膜屈折率測定装置が恒温箱内に設置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の多層屈折率測定装置。
8. 外部からのレーザー光を入力させる導波路は、レーザー光を入射する導波路端面の法線に対してリング共振器側にシフトするように屈曲していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の多層屈折率測定装置。
9. 平面型光回路に光を導入するための集光手段をさらに備え、
   該集光手段によって集光された光は、平面型光回路端面において積層方向に伸びた長楕円であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の多層屈折率測定装置。
10. 平面型光回路から光を取り出す導波路の出射点の各平面内の相対位置は、平面型光回路毎に異なることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の多層屈折率測定装置。
    

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