JP2007528516A - フォトニック結晶センサ - Google Patents
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Abstract
欠陥を導入することによって、２次元および３次元フォトニック結晶からフォトニック結晶センサを作製することが可能である。欠陥領域における光場の局在化によって、小容積の検体を検知する能力が得られる。
Description
本発明は、フォトニック結晶センサに関する。
光学測定に基づく薄膜センサは、一般に、ある特定領域にわたる平均薄膜厚を測定する。薄膜厚の測定に関する２つの一般的な光学的アプローチは、偏光解析および表面プラズモン共鳴に基づくものである。他の光学的アプローチは、２つの分岐導波路を利用した干渉分光法に基づくものである。非光学的薄膜センサの一例には、機械的共振の変化を測定することによって薄膜厚が求められる、水晶共振器がある。薄膜厚測定の用途には、作製プロセスのモニタ、および沈着および吸収速度が重要な抗原抗体反応速度実験がある。典型的な光学センサのアプローチでは、入射角または反射角の高精度な測定によって、良好な感度が得られる。一般に、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）における精密角度測定には、試料と検出器との間に広い測定面積または長い距離、または、その両方が必要とされる。極めて薄い膜を測定するには、一般に、光場を垂直次元においてしっかりと閉じ込める必要がある。ここで、垂直次元は、薄膜厚の方向に相当する。
本発明によれば、格子欠陥を導入して、２次元または３次元フォトニック結晶格子からフォトニック結晶センサを作製することが可能である。フォトニック結晶センサを利用して、測定面積が１μｍ２未満の可能性のある薄膜厚を測定することが可能である。フォトニック結晶センサは、一般に、厚みが測定されるべき薄いコンフォーマル・フィルムによるコーティングが施される。光場は、測定される薄膜厚の変化に起因するものではない屈折率の変動に対する感度を低下させるため、２次元フォトニック結晶格子から作製されるフォトニック結晶センサにおいて、約６００ｎｍ未満の半径に閉じ込められる。２次元フォトニック結晶から作製されるフォトニック結晶センサは、多数の試料の迅速な調査を可能にするため、アレイをなすように配列することができる。
フォトニック結晶構造によって、光場を約１μｍ３未満の容積内にしっかりと閉じ込めることが可能となる。フォトニック結晶構造は、フォトニック・バンドギャップと呼ばれる、ある禁止周波数または波長範囲を生じさせることが可能な、誘電率の周期性をもたらすようにパターン化された材料である。バンドギャップ内にあるエネルギを持つフォトンは、材料を通って伝搬することができない。フォトニック結晶格子構造に欠陥を導入することによって、２次元または３次元フォトニック結晶格子内にフォトニック結晶センサを生成することが可能である。本特許出願の目的上、「フォトニック結晶センサ」という用語は、フォトニック結晶を用いて、平均電気分極率が周囲の材料より低いある容積内に光場または光を局在化する光センサと定義される。こうした容積は、例えば、２次元フォトニック結晶センサにおける欠陥ホールである（図１参照）。本出願において定義されるフォトニック結晶センサは、光マイクロ共振器センサ（例えば、米国特許第６，６６１，９３８号明細書、第３欄、２６〜３８行参照）と区別される。光マイクロ共振器センサの場合、感度を高めるには、Ｑ値を高くする必要がある。後述するように、これは、フォトニック結晶センサには当てはまらない。
本発明による２次元フォトニック結晶格子は、例えば、ＳｉまたはＩｎＰから製造された高屈折率材料のスラブに、同じ半径の穴をエッチングすることによって形成することが可能であり、この場合、欠陥は、他の穴とは半径の異なる穴である。第３の次元における光閉じ込めは、高屈折率のスラブの上および下に低屈折率のクラッド層、一般に、ＳｉＯ２のような酸化膜または空気を用いることによって行う。広いフォトニック・ギャップを生じさせるため、穴の半径は、一般に、約０．２ａ〜０．４ａの範囲であり、ここで、ａは格子定数である。一般に、六方対称の格子構造によって、最大のバンドギャップが得られる。
本発明によれば、屈折率の高い誘電体ロッドの層から３次元フォトニック結晶格子を作製することが可能である。次に、フォトニック・バンドギャップによって、３つの次元の全てにおいて、光が閉じ込められる。
図１を参照すると、本発明による実施形態の１つでは、フォトニック結晶センサ１００は、２次元フォトニック結晶格子構造１１０を利用して作製することが可能である。フォトニック結晶格子構造１１０は、厚み約２６０ｎｍ（０．５９ａ）のＳｉスラブ材料における約４４０ｎｍの格子定数ａの三角形格子上に、直径約２５５ｎｍ（０．５８ａ）の穴１５５をエッチングすることにより、約１３００ｎｍ〜１６００ｎｍのバンドギャップを備えるように作製することが可能である。欠陥穴１１８の直径を約２５５ｎｍ（０．５８ａ）から約１７６ｎｍ（０．４０ａ）に縮小すると、フォトニック結晶センサ１００が得られる。
穴１１５および欠陥穴１１８に屈折率が約１．００の空気を充填すると、動作波長が約１３５０ｎｍになる。本特許出願の目的上、「動作波長」または「動作周波数」は、光場または光が局在化される波長または周波数と定義される。フォトニック結晶センサ１００が、一般に、屈折率が約１．５で、厚み約１０ｎｍの薄いコンフォーマル・フィルムでコーティングされている場合、一般に、穴１１５および欠陥穴１１８の平均屈折率が高くなって、動作周波数が約１３６０ｎｍにシフトする。対象となる典型的な薄膜のほとんどが、コンフォーマルである。水をベースにした溶液の分析の場合、フォトニック結晶センサ１００の表面の親水性を確保することによって、コンフォーマリティを促進することが可能である。蛋白質の分析に関しては、高分子電解質薄膜付着技法を用いて、表面に対する蛋白質の結合を強化する、ポリ−ｄ−リジンの連続したコンフォーマル・コーティングを調製することが可能である。しかし、薄膜材料が穴１１５および欠陥穴１１８に入り込む限りにおいて、薄膜はコンフォーマルである必要はない。一般に、動作波長のシフトは、穴１１５の半径および欠陥穴１１８の半径によって決まる。マサチューセッツ工科大学から入手可能なＭＩＴフォトニック・バンド（ＭＰＢ）のようなソフトウェア・パッケージを利用して、動作波長を予測することが可能である。全ての穴１１５および欠陥穴１１８が、この例の場合、約２６０ｎｍのスラブ材料の厚みに対応する深さを備えている点に留意されたい。
本発明の実施形態の１つによれば、長さが約０．７５ｍｍの、２つの従来式のリッジ型導波路１７５が、フォトニック結晶センサ１００に光を結合し、フォトニック結晶センサ１００から外部に光を結合するのに用いられ、一般に、フォトニック結晶格子構造１１０の導波路伝搬に利用される方向に対して垂直な方向に、フォトニック結晶格子構造１１０に取り付けられる。従来のリッジ型導波路１７５は、図１に示すモード・プロフィールに整合するように、約２μｍの幅から約０．６μｍである約１．４ａの幅へと下方に向かって先細になっている。従来式のリッジ型導波路１７５の外部ファセットは、一般に、ファブリ・ペロー共振を抑制するため、１対のＴｉＯ２およびＳｉＯ２層による反射防止コーティングが施されている。反射防止コーティングの利用は、導波路のテーパ形状を利用して、空気界面における反射率が高くない低屈折率（一般に、約１．５）の導波路内に光学モードを拡大することによって回避可能である。フォトニック結晶格子構造１１０における２つの異なる方向は、最近接方向（ΓＫ）と２番目の近接方向（ΓＭ）である。フォトニック結晶センサ１００は、従来式のリッジ型導波路１７５間に、ΓＭ方向に沿った一般に６つのフォトニック結晶層と、垂直なΓＫ方向に沿った一般に１１〜１２の層を備えている。本発明の実施形態の１つによれば、ΓＭ方向に沿った結合効率は、一般に、ΓＫ方向より少なくとも４倍高いので、光は、ΓＭ方向に沿ったフォトニック結晶センサ１００に結合される。結合効率の差が生じるのは、これらの種類の双極モードにおける有限サイズ効果による面内漏洩が、主としてΓＭ方向に生じるためである。
透過率スペクトルは、一般に、自由空間または導波光学素子を用いてフォトニック結晶格子構造１１０に結合された、同調可能狭帯域光源を利用して測定される。例えば、同調可能ＴＥ偏光レーザ・ビームは、例えば、顕微鏡対物レンズを利用して、従来式のリッジ型導波路１７５に集束させることが可能である。従来式のリッジ型導波路１７５は、開口数（ＮＡ）またはそれに関連した受光角を有している。顕微鏡対物レンズから入射する集束レーザ・ビームのＮＡが従来式のリッジ型導波路１７５のＮＡ未満である限り、光は従来式のリッジ型導波路１７５に結合される。従来式のリッジ型導波路１７５のＮＡは、導波路コアの屈折率ｎ１と導波路クラッドの屈折率ｎ２との差に関連している、すなわち、ＮＡ＝（ｎ１ ２−ｎ２ ２）１／２。導波路クラッドに比べて導波路コアの屈折率が大きくなるほど、ＮＡまたは受光角も大きくなる。
例えば、ｎ１が約３．４およびｎ２が約１．５の場合、受光角は、ほぼ９０度になり、入射角の関数としての反射率／透過率を考慮することが必要になる。図２Ａには、曲線２８１がＴＭ偏波に関する入射角の関数としての反射率を示し、一方、曲線２８２が入射角の関数としての透過率を示すグラフ２８０が示されている。図２Ｂには、曲線２８７がＴＥ偏波に関する入射角の関数としての反射率を示し、一方、曲線２８６が入射角の関数としての透過率を示すグラフ２８５が示されている。全ての偏波は、ＴＥおよびＴＭ偏波の一次結合として表現することが可能である。フォトニック結晶センサ１００の場合、ＴＥ偏波だけがフォトニック・バンドギャップを有している。
広帯域光源によって照射される分光計またはモノクロメータを利用して、透過率スペクトルを測定することも可能である。従来式のリッジ型導波路１７５を出る透過パワーは、一般に、較正されたＩｎＧａＡｓ検出器または他の適合する光検出器（不図示）を利用して測定される。診断用として赤外線カメラを利用して、透過光のモード・プロフィールをモニタし、導波モードからの信号だけしか光検出器に入射しないことを保証することが可能である。狭帯域光源の光波長がフォトニック結晶センサ１００の動作波長と一致すると、フォトニック結晶センサ１００を最大光パワーが透過する。曲線の当てはめを用いて、フォトニック結晶センサ１００の動作周波数または波長を求める感度を向上させることが可能である。
図２Ｇを参照すると、本発明の実施形態の１つによれば、ディザ・システム２３３の場合、狭帯域光源２６０が、フォトニック結晶センサ１００に光学的に結合されている。狭帯域光源２６０の光周波数は、信号発生器２６９からのゆっくりと変化する正弦波信号を用いて、光周波数または波長をゆっくりと変化させる（「ディザリング」と称する場合もある）ことによって変調可能である。狭帯域光源２６０は、一般に、注入電流にわずかな変調を施すことによって変調可能な半導体レーザが選択される。狭帯域光源２６０の光周波数または波長が、動作波長または周波数の中心周波数または波長に近い場合、ゆっくり変化する光周波数または波長に応答して、光検出器２６１からの電圧も変調される。光検出器２６１からの電圧の振幅は、ゆっくりと変化する光周波数または波長が動作周波数または波長からどの程度離れているかに関連する。一般に、例えば、ロックイン増幅器２６３のような装置を利用して、狭帯域光源２６０およびプロセッサ２６５に向かう誤り信号を発生することが可能である。光検出器２６１のディザ信号の振幅は、狭帯域光源２６０の光周波数がフォトニック結晶センサ１００の動作周波数または波長である場合に最小になるので、誤り信号によって、フィードバック・ループを用いた動作周波数のピークへのロックが可能になる。従って、フォトニック結晶センサ１００の動作周波数または波長は、プロセッサ２６５において求めることが可能である。
図２Ｈを参照すると、本発明の実施形態の１つによれば、同期走査システム２３４を用いて、動作周波数または波長を求めることが可能である。光検出器２６１からの光電流を時間の関数として測定し、同調可能レーザ（チューナブル、波長可変レーザ）のような時変同調可能狭帯域光源２４５との同期をとることによって、動作周波数または波長を時間遅延δとして符号化することが可能である。例えば、フォトニック結晶センサ１００に結合された同調可能狭帯域光源２４５が、一様に同調されて、約２０ミリセカンド内に１４９０ｎｍ〜１５１０ｎｍの走査を行い、走査開始時にクロック２４６によってパルスがピーク捕捉回路２６８に送られる場合、時間内のいつピーク電流が発生するかを測定することによって、動作周波数または波長を求めることが可能になる。例えば、ピーク電流が、波長走査の開始を指示するパルスがピーク捕捉回路２６８に送られてから１０ミリセカンド後に発生する場合、動作波長は１５００ｎｍになる。
図２Ｉを参照すると、本発明の実施形態の１つによれば、発光ダイオード（ＬＥＤ）のような比較的広帯域の波長同調不能光源（ノンチューナブル光源）を用いた、広帯域の複数素子同調不能光源システム（multiple element non-tunable source system）２３５を比較的低コストで利用することが可能である。例えば、それぞれが異なる波長１４８０ｎｍ、１５００ｎｍ、および１５２０ｎｍに中心がくる、約４０ｎｍの全幅半値（ＦＷＨＭ）スペクトル幅を備えた３つのＬＥＤ２４１、２４２、２４３を利用することが可能である。ＬＥＤ２４１、２４２、２４３は、それぞれ、クロック２４６によって順次オンになり、フォトニック結晶センサ１００と光学的に結合される。光検出器２６１は、各ＬＥＤ２４１、２４２、２４３からの透過パワーを順次測定する。光検出器２６１によって生じる電流は、ＬＥＤのパワー分布とフォトニック結晶１００の透過曲線の畳み込み積分によって調節される。３つのＬＥＤ２４１、２４２、２４３を用いることによって、動作周波数または波長が光源のピーク周波数と一致しない場合に生じる、波長または周波数の曖昧さが取り除かれて、システムのダイナミック・レンジが拡大される。光源の周波数の広がりが大きくなるほど、対応可能な動作周波数が増し、これにより、欠陥穴１１８のサイズまでのより広い範囲の薄膜厚が許容される。ＬＥＤのＦＷＨＭが約４０ｎｍで、センサのスペクトル・プロフィールのＦＷＨＭが約２ｎｍの場合、十分な波長識別能が得られる。
図２Ｊを参照すると、本発明の実施形態の１つによれば、フォトニック結晶センサ１００に光学的に結合された同調可能狭帯域光源（チューナブル挟帯域光源）２４７を用いた、勾配に基づくピーク検出システム２３６が利用されるが、この場合、同調可能狭帯域光源２４７の周波数または波長は、２つの光波長間の周波数ｆ０でスイッチされる。２つの光波長間の差は、同調可能狭帯域光源２４７の電子回路によって一定に保たれ、同調可能狭帯域光源２４７は、「ディザ」・モードで動作している。光検出器２６１によって、２つの異なる波長で透過された相対的パワーが測定され、ｆ０に中心がくるバンドパス・フィルタ２４９からの誤り信号によって、低いほうの周波数または波長に同調させられて、光検出器２６１からの電流が両方の波長に関して等しくなる。従って、動作波長は、低い波長と高い波長の中間になる。
注射器によって、フォトニック結晶センサ１００の表面に較正された市販のシリコーン油の小滴を付けると、一般に、フォトニック結晶センサ１００の表面にほぼ数百μｍほどの薄膜厚が生じ、被覆面積は約５ｍｍ２になる。フォトニック結晶センサ１００の表面上におけるシリコーン油の容積は、検知容積より数桁大きいので、シリコーン油は、空気に取って代わる、無限均質バックグラウンドとみなすことが可能である。フォトニック結晶センサ１００は、アセトンおよびイソプロパノールで洗浄され、その後、乾燥させてから、屈折率の異なるシリコーン油の次の小滴が付けられる。
図２Ｃのグラフ２００には、図１に示す本発明による実施形態に関して、動作波長のシフトΔλ＝λ（ｎ）−λ（空気）が穴１１５および穴１１８における周囲屈折率ｎの関数として示されている。測定データ２０１および計算データ２０２の両方に二次曲線の当てはめ２０３が適用された。計算データ２０２と測定データ２０１とがほぼ一致することは、シリコーン油が穴１１５および１１８を完全に充填したことを表わしている。
図２Ｄには、Δｎ＝０．００２の増分で、約ｎ＝１．４６６〜ｎ＝１．４５４の５つの異なる屈折率を用いて得られた正規化透過率スペクトル２７１、２７２、２７３、２７４、２７５が、それぞれ示されている。図２Ｄの動作波長は、屈折率の増大がΔｎ＝０．００２の場合、約０．４ｎｍだけ増すことになる。透過データを数値的に平滑化して、従来式のリッジ型導波路１７５の端面における残留反射率に起因するファブリ・ペロー振動が除去される。動作ピーク波長は、ローレンツ型曲線にデータを当てはめることによって求められる。透過率スペクトル２７１、２７２、２７３、２７４、２７５は、フォトニック結晶センサ１００の表面に市販のシリコーン油の小滴を順次付けることによって得られた。用いられた市販のシリコーン油は、較正屈折率正確度がΔｎ＝±０．０００２であり、屈折率増分はΔｎ＝０．００２である。
図２Ｅのグラフ２５０には、本発明による実施形態の１つに関して、動作波長Δλのシフトが薄膜厚の関数として示されている。グラフ２５０には、屈折率が蛋白質および抗体と同様の（約１．４〜１．５の範囲内の屈折率）典型的な材料を用いた、動作波長のシフトが示されている。帯電した高分子の層毎の静電堆積は、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）、ポリナトリウム４−スチレンサルフェート（ＰＳＳ）、およびポリ（臭化水素酸ｄ−リジン）（ＰＬＳ−ＨＢＲ）を用いて実施される。薄膜層の厚みは、それぞれ、一般に、２〜３ｎｍの範囲内である。ＰＥＩおよびＰＬＳ−ＨＢＲの実効電荷は正であるが、ＰＳＳの実効電荷は負である。ＰＥＩは、ＳｉＯ２表面に容易に付着するので、一般に、表面前処理化学物質としてうまく機能する。ＰＳＳおよびＰＬＳ−ＨＢＲは、平滑で均一な単一層として付着する弱電解質である。
薄膜厚が穴１１８の半径未満であれば、フォトニック結晶センサ１００を用いて、薄膜厚を測定することが可能である。欠陥穴１１８および穴１１５が充填されると、光場または光がフォトニック結晶センサ１００の平面内に閉じ込められるので、動作周波数または波長はシフトしない。穴１１５より前に、欠陥穴１１８が充填されると、やはり、動作波長または周波数のシフトが生じる。典型的な工程において、欠陥穴１１８が完全に充填されることはない。
フォトニック結晶センサ１００は、時間分解原位置検知（time resolved in-situ sensing）を実施する働きも可能である。一例として、ほぼ上述のシリコーン油小滴ほどの容積を有する脱イオン水中の５パーセント・グリセロール小滴が、フォトニック結晶センサ１００の表面に付けられる。次に、フォトニック結晶センサ１００を加熱すると、結果として、脱イオン水が蒸発する。図２Ｆのグラフ２９９には、動作波長の変化が時間の関数として示されているが、ここで、右の縦軸は、図２Ａからの二次曲線の当てはめを利用して得られた対応する屈折率ｎを示している。脱イオン水が蒸発すると、動作波長は、屈折率が約ｎ＝１．３３８からｎ＝１．４５１に変化するのに対応して、約１４８０．８２ｎｍから約１５０１．４５ｎｍにシフトする。初期屈折率および最終屈折率は、それぞれ、グリセロール・脱イオン水混合液中における５パーセントおよび８５パーセント・グリセロールに対応する。グリセロール・脱イオン水混合液は、約９００秒後に定常状態に達する。
フォトニック結晶センサ１００に関するノイズ源には、温度変動が含まれる。例えば、水の屈折率は、水温によって左右される。温度が約２０℃〜５０℃の範囲の場合、温度に対する水の屈折率の依存度は、約１５００ｎｍで、ｄｎ／ｄＴ≒３×１０−４である。従って、温度が１℃変化すると、屈折率は、約３×１０−４変化し、フォトニック結晶センサ１００に関する動作周波数または波長の変化は、約０．０６ｎｍになる。
さまざまな感度を有する、図１のフォトニック結晶センサ１００の変形を作り上げることが可能である。図３Ａ〜図３Ｅには、図１に示すフォトニック結晶センサ１００の変形が示されている。３００、３０１、３０２、３０３、３０４は、それぞれ、ＳｉまたはＧａＡｓのような材料に対応する約３．４の屈折率ｎと厚み約０．６ａを有する高屈折率スラブ３２０、３２１、３２２、３２３、３２４を利用しているが、ここで、ａは格子定数である。スラブ３２０、３２１、３２２、３２３、３２４は、それぞれ、ＳｉＯ２のような材料に対応する約１．４の屈折率を有する低屈折率材料の上に配置されている。それぞれ、スラブ３２０、３２１、３２２、３２３、３２４に対応する５層の穴３１５、３１６、３１７、３１８、３１９が、伝搬方向に沿って配置され、フォトニック結晶センサ３００、３０１、３０２、３０３、３０４に用いられている。幅１．４ａの従来式リッジ型導波路３７５を利用して、光がフォトニック結晶センサ３００、３０１、３０２、３０３、３０４に結合され、それらから外部に結合される。穴３１５、３１６、３１７、３１８、３１９は、それぞれ、高屈折率スラブ３２０、３２１、３２２、３２３、３２４の格子定数がａの三角形格子上に形成されている。穴３１５、３１６、３１７、３１８、３１９は、空気が充填されているか、または、屈折率が約１．４の低屈折率材料が充填されているものとみなす。高屈折率スラブ３２０、３２１、３２２、３２３、３２４の上方領域は、空気か、または、屈折率が約１．４の低屈折率材料である。フォトニック結晶センサ３００、３０１、３０２、３０３、３０４に関する動作周波数の変化Δνを空気中における動作周波数νａｉｒで割ると、フォトニック結晶センサ３００、３０１、３０２、３０３、３０４の感度の測度が得られる。Δν／νａｉｒが大きいほど、特定フォトニック結晶センサの感度が高くなり、優れたセンサということになる。
図３Ａには、フォトニック結晶センサ３００が示されており、この場合、穴３１５の半径は、本発明による実施形態の１つにおける約０．２９ａ、または、本発明による代替実施形態の１つにおける約０．３６ａであるが、ここで、ａは格子間隔である。穴３５５の半径は、穴３１５の半径が約０．２９ａの場合には、約０．１７ａであり、穴３１５の半径が約０．３６ａの場合には、約０．２１ａである。フォトニック結晶センサ３００の場合、この結果、穴３１５の半径が約０．２９ａであれば、感度測度がΔν／νａｉｒ＝０．０４４になり、穴３１５の半径が約０．３６ａであれば、感度測度がΔν／νａｉｒ＝０．０６５になる。
図３Ｂには、フォトニック結晶センサ３０１が示されており、この場合、穴３１６の半径は、本発明による実施形態の１つにおける約０．２９ａ、または、本発明による代替実施形態の１つにおける約０．３６ａである。中間層の穴３９１および穴３５６は、伝搬方向に約０．１２５ａだけ長く、その結果、楕円形の穴３９１の長軸は、それぞれ、半径が約０．２９ａまたは０．３６ａの穴３１６に対応する、約０．７０５ａまたは０．８４５ａになる。楕円形の穴３５６の長軸は、穴３１６の半径が約０．２９ａの場合には、約０．４６５ａ、穴３１６の半径が約０．３６ａの場合には、約０．５４５になる。フォトニック結晶センサ３０１の場合、この結果、穴３１６の半径が約０．２９ａであれば、感度測度がΔν／νａｉｒ＝０．０３８になり、穴３１６の半径が約０．３６ａであれば、Δν／νａｉｒ＝０．０５６になる。
図３Ｃには、フォトニック結晶センサ３０２が示されており、この場合、穴３１７の半径は、本発明による実施形態の１つにおける約０．２９ａ、または、本発明による代替実施形態の１つにおける約０．３６ａである。中間層の穴３９２および穴３５７は、伝搬方向に約０．１２５ａだけ長く、その結果、楕円形の穴３９２の長軸は、それぞれ、半径が約０．２９ａまたは０．３６ａの穴３１７に対応する、約０．７０５ａまたは０．８４５ａになる。楕円形の穴３５７の長軸は、穴３１７の半径が約０．２９ａの場合には、約０．５２５ａ、穴３１７の半径が約０．３６ａの場合には、約０．６２５ａになる。フォトニック結晶センサ３０２の場合、この結果、穴３１７の半径が約０．２９ａであれば、感度測度がΔν／νａｉｒ＝０．０４４になり、穴３１７の半径が約０．３６ａであれば、Δν／νａｉｒ＝０．０６３になる。
図３Ｄには、フォトニック結晶センサ３０４が示されており、この場合、穴３１９の半径は、本発明による実施形態の１つにおける約０．２９ａ、または、本発明による代替実施形態の１つにおける約０．３６ａである。円形の穴３５９は、半径が約０．５７ａである。フォトニック結晶センサ３０４の場合、この結果、穴３１９の半径が約０．２９ａであれば、感度測度がΔν／νａｉｒ＝０．０４５になり、穴３１９の半径が約０．３６ａであれば、感度測度がΔν／νａｉｒ＝０．０７３になる。
図３Ｅには、フォトニック結晶センサ３０３が示されており、この場合、穴３１８の半径は、本発明による実施形態の１つにおける約０．２９ａ、または、本発明による代替実施形態の１つにおける約０．３６ａである。楕円形の穴３５８の短軸は、約０．６６ａで、長軸は約１．４８ａになる。フォトニック結晶センサ３０３の場合、この結果、穴３１８の半径が約０．２９ａであれば、感度測度がΔν／νａｉｒ＝０．０５１になり、穴３１８の半径が約０．３６ａであれば、Δν／νａｉｒ＝０．０７７になる。従って、屈折率の変化に対する感度はフォトニック結晶センサ３０３が最高になるが、感度を低下させる働きをする高屈折率材料内における光場の局在性が高いので、Ｑ値は、フォトニック結晶センサ３０１および３０２の方が高くなる。
フォトニック結晶センサ３００〜３０４の透過率は、穴３１５、３１６、３１７、３１８、３１９の半径が約０．３６ａの場合、約０．２９ａの場合と比べて低くなるが、これは従来式リッジ型導波路３７５と高屈折率スラブ３２０、３２１、３２２、３２３、３２４との結合が弱まるためである。例えば、フォトニック結晶センサ３０３の透過率は、穴３１８の半径が約０．３６ａの場合の０．１１に比べて、穴３１８の半径が約０．２９ａの場合には０．３１になる。高屈折率スラブ３２０、３２１、３２２、３２３の平均誘電率は、穴３１５、３１６、３１７、３１８、３１９の半径が約０．３６ａの場合、約０．２９ａの場合と比べて低くなる。従って、高屈折率スラブ３２０、３２１、３２２、３２３、３２４と従来式リッジ型導波路３７５の間の屈折率の不連続性が増し、結合が弱まることになる。上述のように、従来式リッジ型導波路３７５をテーパ状にすることによって、結合を改善することが可能である。高屈折率スラブ３２０、３２１、３２２、３２３、３２４の上方および下方に金属層を配置して、光の閉じこめを強化することにより、感度を高めることが可能である。吸収が少ないので、金、銀、または、アルミニウムのような金属を利用することが可能である。金属層の厚みは、一般に、ほぼ格子定数ａ程度以下である。詳細については、参考までに援用されている米国特許公報第２００２０１５９１２６Ａ１号を参照されたい。金属層は、２次元フォトニック結晶スラブに対して垂直方向に光を閉じ込める働きをするので、Ａｌ２Ｏ３、ＧａＮ、ＳｉＮ、または、ＳｉＯ２のような、Ｓｉ以外の材料を利用することが可能である。これによって、フォトニック結晶センサ３０３のようなフォトニック結晶センサの感度が高くなる。しかし、こうしたフォトニック結晶センサの場合、金属による光吸収（とりわけ、可視波長または近赤外波長における）によって、透過率およびＱ値が低下する。
図４Ａおよび図４Ｂには、それぞれ、本発明による３次元フォトニック結晶センサ４００の側面図および平面図が示されている。フォトニック結晶センサ４００は、２１の層を備えている。フォトニック結晶センサ４００は３次元のため、光のいかなる入射角についても、欠陥領域４３５による透過率のピークが生じることになる。従って、光は、例えば、従来式リッジ型導波路４５２および４５３を用いて、それぞれ、動作波長で、一方の側からフォトニック結晶センサ４００に結合し、もう一方の側から外部に結合することが可能である。光が３次元フォトニック結晶格子４０１の層に垂直に結合されることになる場合、一般に、光ファイバ導波路が用いられる。３次元フォトニック結晶センサ４００は、フォトニック結晶センサ３００、３０１、３０２、３０３、３０４よりも優れた感度をもたらすが、一般に、作製が困難である。本発明による実施形態の１つでは、３次元フォトニック結晶センサ４００は、３次元フォトニック結晶格子４０１を形成するように、屈折率が約３．６の誘電体ロッド４５０の層から構成され、一般に、Ｓｉ、ＧａＡｓ、または、ＩｎＰである。例えば、誘電体ロッド４５０の断面寸法は０．２２ｃ×０．２５ｃであるが、ここで、ｃは、スタック方向に沿った１単位セルの厚みであり、４つの誘電体ロッド４５０の厚みに等しい。誘電体ロッド４５０は、各層内において互いに約０．６８７５ａだけ分離されている。欠陥領域４３５は、ロッド４５１の約０．６２５ａの中間部分を除去することによって生じる。フォトニック結晶センサ４００の感度測度はΔν／νａｉｒ＝０．１１２になる。
実際には、フォトニック結晶センサ４００の欠陥領域４３５がある検知容積は、リソグラフィによって形成される。光場または光は、欠陥領域４３５に局在化されるので、検体の充填に利用可能な容積を欠陥まわりに備えることだけが重要である。空気を例えばＳｉＯ２に交換すると、操作および作製が単純化され、同時に、フォトニック結晶センサ４００の性能が維持される。参考までに援用されている、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１９９９年、第１７巻（第１１号）、ｐ．１９５６−１９６２のＦｌｅｍｍｉｎｇ，Ｊ．Ｇ．およびＬｉｎ，Ｓ．Ｙ．の論文参照。フォトニック結晶センサ４００の３次元層の完了後、フォトレジストの開口とフォトニック結晶センサ４００の欠陥領域４３５との位置合わせが行われる。フッ化水素酸によるエッチングまたはＳｉＯ２にエッチングを施す他の選択性エッチングを利用すると、検知容積内のＳｉＯ２を除去することが可能になる。これによって、フォトニック結晶センサ４００の明確に限定された小容積内への検体の制御流れが可能になり、必要とされる検体が減少する。
本発明の実施形態によれば、２次元フォトニック結晶センサは、図５Ｂに示す複数欠陥穴への対処を可能にするため、図５Ａに示すフォトニック結晶構造５００をなすように配列することが可能である。欠陥穴５１５によって、フォトニック結晶導波路５２０から外部へ光を結合することが可能になる。欠陥穴５１５の動作波長において、光が、フォトニック結晶導波路５２０から外部に結合され、パワーがフォトニック結晶構造５００の平面の上部から出て行く場合に、ピークが生じると、フォトニック結晶導波路５２０に沿った透過率が低下する。欠陥穴５１５のサイズおよび／または形状を変更すると、動作波長が変化する。図５Ｂの概念図に示すように、フォトニック結晶導波路５５０の全長に沿って、一連の欠陥穴５２５、５３５、５４５を配列することが可能である。同調可能光源（波長可変光源）（不図示）によるある波長帯にわたる掃引時に、欠陥穴５２５、５３５、５４５の異なる動作波長において、フォトニック結晶導波路５７５の平面から信号が漏洩する場合に、信号ピーク５８１、５８２、５８３が生じる。信号ピーク５８１、５８２、５８３（図５Ｂ参照）は、一般に、それぞれ、欠陥穴５２５、５３５、５４５の上方に配置された光検出器（不図示）を用いて測定される。一般に、信号は、マイクロレンズ（不図示）を用いて、各光検出器に集束させられる。
図５Ａを参照すると、例えば、本発明による実施形態の１つでは、フォトニック結晶構造５００の穴５６０は、半径が約０．２９ａになり（ここで、ａは格子定数である）、ＳｉＯ２基板に付着したシリコン・スラブ５６１におけるその深さが０．６ａになる。１列分の穴５６０が、短軸が約０．６６ａで、長軸が約１．４８ａの楕円穴５６２に置き換えられる。欠陥穴５１５は、半径が約０．４１ａである。図５Ｃには、フォトニック結晶導波路５２０に沿った透過率対周波数と、フォトニック結晶構造５００の平面の上部から漏洩する光信号のグラフ５９９が示されている。欠陥穴５１５の動作周波数０．２５４ｃ／ａにおいて（ここで、ｃは真空内における光速）、ライン５９０で表示された、フォトニック結晶導波路５２０に沿った透過率の約８ｄＢの低下と、ライン５９１で表示された平面からのパワー漏洩時のピークが生じる。漏洩パワーの約８％は、下方のＳｉＯ２基板内に入り込み、漏洩パワーの約７％は、平面から上方の空気中に入り込む。
図５Ｂを参照すると、欠陥穴５２５、５３５、５４５の順序は、一般に、フォトニック結晶導波路５２０により強く結合する欠陥穴が、透過信号がより弱くなる、フォトニック結晶導波路５２０のより遠い位置に配置されるように構成されている。これは、出力効率が面内Ｑ値と面に対して垂直なＱ値との比によって決まるためである。出力効率が最高になるのは、その比が１の場合である。Ｑ値は、欠陥穴５２５、５３５、５４５の形状とサイズの両方、欠陥穴５２５、５３５、５４５とフォトニック結晶導波路５５０の離隔距離、フォトニック結晶スラブ５６２の厚み、およびフォトニック結晶スラブ５６２と基板（図５Ｂには示されていない）の屈折率によって決まる。フォトニック結晶導波路５５０は損失が多いので、欠陥穴５２５、５３５、５４５のうち出力効率の低い欠陥穴が、フォトニック結晶導波路５５０への入力の近くに配置され、欠陥穴５２５、５３５、５４５のうち出力効率の高い欠陥穴が、フォトニック結晶導波路５５０の終端部近くに配置される。出力効率に関する詳細については、参考までに本明細書において援用されている、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、２００２年、第２０巻、ｐ．８７３のＭ．Ｉｍａｄａ他の論文において知ることが可能である。
本発明の実施形態の１つによれば、図６Ａに簡略化した形で示すように、センサ・チップ６００上にフォトニック結晶センサ６１０のアレイを配列することが可能である。導波路６１５のアレイがセンサ・チップ６００のエッジにくるようにして、各フォトニック結晶センサ６１０毎に、１つの導波路６１５を配置することが可能である。導波路６１５アレイのピッチは、一般に、約４μｍである。本発明による高ＮＡ集束レンズの焦点距離は、一般に約１ｍｍであり、集束レンズの開口は、一般に０．５ｍｍである。アレイ内において対応可能な導波路６１５の数は、固定入力パワーに関して、導波路６１５への十分な透過率（図２Ａおよび図２Ｂ参照）を維持しながら、どれだけ大きい入射角を実現できるかによって有効に制限される。
フォトニック結晶センサ６１０のアレイには、回折光アレイ発生器６４０を利用して、導波路６１５のアレイに同時に対応または結合することによって対処することが可能である。回折光アレイ発生器６４０のような回折光アレイ発生器については、例えば、参考までに本明細書において援用されている、Ｇｍｉｔｒｏ，Ａ．Ｆ．、およびＣｏｌｅｍａｎ，Ｃ．Ｌ．、「Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ ａｎｄ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ＳＰＩＥ、１９９６年、第ＣＲ６２巻、第８８号に記載がある。市販の回折光アレイ発生器は、２０の回折次数光を発生し、効率は約９５％である。回折光アレイ発生器６４０は、近傍回折次数光または小ビーム間に所定の分離角を生じるように設計されている。例えば、焦点距離が約１ｍｍで、導波路６１５のアレイのピッチが４μｍの場合、必要な分離角は０．００４ラジアンになる。回折光アレイ発生器６４０は、一般に、回折スーパーセル６９０に分割される。この分離角によって、λ／ｓｉｎθで決まる回折スーパーセル６９０（図６Ｂ参照）のサイズが確定するが、ここで、λは光の波長であり、θは分離角である。θ＝０．００４で、λ＝１５００ｎｍの場合、回折スーパーセル６９０のサイズは、約３７５μｍになる。回折スーパーセル６９０は、一般に、いくつかのピクセル６９５に分割され、各ピクセル６９５毎に位相遅れが付与される。各ピクセル６９５によって生じる位相遅れは、回折スーパーセル６９０の表面６８７に対する深さｄのエッチングによって決まるので、位相遅れは、（ｎ１−ｎ２）２ｄπ／λによって示される。ここで、ｎ１は回折スーパーセル６９０の屈折率であり、ｎ２は、周囲媒質の屈折率であり、λは、光波長である。
ピクセル６９５の数が大きくなるほど、対処することが可能な回折次数が増し、回折次数全体にわたるパワーの均一性が良好になる。ピクセル６９５のサイズが約１μｍで、回折スーパーセル６９０のサイズが３７５μｍであるとすると、光の回折次数を約１００にすることが可能になり、各次数の強度は、約２０％内に等しくなる。
波長が変化すると、同調可能光源の効果を考慮する必要がある。例えば、同調可能光源に関して、同調範囲が約１０ｎｍで、中心波長が１５００ｎｍであると仮定すると、５０次回折光は、１５００ｎｍにおいて約１１．５７度の角度で回折され、１５１０ｎｍにおいて約１１．６２度の角度で回折される。回折次数の側方変位は、従って、１５００ｎｍで約２００μｍ、１５１０ｎｍで約２０１μｍになる。結合効率が低下するが、重要な部分は、依然として、同調可能光源の１０ｎｍの同調範囲にわたって、導波路６１５に結合される。１０ｎｍの同調範囲は、一般に、フォトニック結晶センサ６１０のダイナミック・レンジ全体をカバーして、水の存在下において、フォトニック結晶センサ６１０に対する生体分子の付着を検出するのに十分である。より広い同調範囲を得るには、一般に、回折次数の数、従って、対処可能な導波路６１５の数を減らすことが必要になる。回折光アレイ発生器６４０の静的回折素子は、一般に、水晶のような誘電体材料、または、ポリメチルメタクリレートまたはポリカーボネートのようなポリマから作製される。
回折光アレイ発生器に対する代替案には、動的に再構成可能な回折光アレイ発生器として利用することが可能な空間光変調器（ＳＬＭ）（例えば、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ、１９９４年、第１０５巻、ｐ．３０２−３０８におけるＫｉｒｋ，Ａ．他の論文参照）、およびＭＥＭベースの動的に再構成可能なミラー・アレイ（例えば、ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ、２００３年、ｐ．１３６０−１３６２におけるＹａｍａｍｏｔｏ，Ｔ他による論文参照）が含まれる。ＳＬＭによって、一般に、導波路６１５のそれぞれの個別対応を時間的に順次行うことが可能になる。
図７には、材料スタック７００を利用した、本発明による実施形態の１つが示されている。ＳｉまたはＧｅ単結晶質のような、または、ＧａＡｓまたはＩｎＰ化合物半導体材料のような、屈折率が３〜４の範囲の高屈折率コア層７１０が、クラッド層７２０および７３０によって包囲されている。クラッド層７２０および７３０は、一般に、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、または、スピン・オン・グラスのような、屈折率が約１．５の材料から作製される。Ｓｉ単結晶質を利用する場合、上部および下部クラッド層７２０および７３０は、一般に、ＳｉＯ２またはスピン・オン・グラスのような、屈折率が約１．５の材料から形成される。ＩＩＩ−Ｖ族材料のような化合物半導体材料を利用する場合、下部クラッド層７２０は、一般に、化合物を含むアルミニウムによるエピタキシャル層を容易に形成できるので、Ａｌ２Ｏ３（屈折率が約１．７６）になる。アルミニウム層は測面酸化を利用してその後酸化される。材料スタック２００の平面から外へ光を結合することになる場合、上部クラッド層７３０は、一般に、屈折率が下部クラッド層７２０よりも高く、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、または、屈折率が２未満の他の適合材料から作製することが可能である。
本発明による２次元フォトニック結晶センサに関する典型的な構造は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）・ウェーハ、ＧａＡｓ／ＡｌｘＯｙ、または、ＩｎＧａＡｓＰ／ＡｌｘＯｙ材料である。２次元フォトニック結晶センサは、例えば、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）のために開発された湿式酸化テクノロジを用いて、ＧａＡｓ／ＡｌｘＯｙ材料またはＩｎＧａＡｓＰ／ＡｌｘＯｙ材料で、および深いエッチングを必要とし、さらに、伝搬損失を低減するため、垂直側壁の保存を必要とする、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰまたはＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓをベースにした材料のような、屈折率の小さい対比材料で実現することが可能である。
本発明の実施形態の１つによれば、図８Ａを参照すると、２次元フォトニック結晶センサが、厚み約２６０ｎｍのＳｉスラブ８０１が厚み約１μｍのＳｉＯ２層８１０によってＳｉ基板８１６から分離された、ＳＯＩウェーハから作製される。図８Ａには、低温プラズマ利用化学蒸着を利用して、ＳＯＩウェーハ８１０上に付着させた１００ｎｍ厚のＳｉＯ２ハード・マスク８１５が示されている。Ｓｉスラブ８１６の厚みは、Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ、１９９９年、第６０巻、第８号、ｐ．５７５１においてＪｏｈｎｓｏｎ，Ｓ．Ｇ．他によって解説されているように、大きいフォトニック・バンドキャップを生じるように選択される。等価屈折率法を利用して、Ｓｉスラブ８１６の厚みが約２６０ｎｍを超えると、結果として、多モード導波路が得られることが分っている。異なるクラッド層を利用することによって、Ｓｉスラブ８１６の厚みがしかるべく調整される。
フォトニック結晶格子構造１１０およびリッジ型導波路１７５（図１参照）が、電子ビーム・リソグラフィ・ツールを用いて、単一リソグラフィ・ステップでパターン形成される。フォトニック結晶格子構造１１０は、一般に、約５ｎｍのグリッド上に高解像度モードで形成され、リッジ型導波路１７５は、一般に、約５０ｎｍのより粗いグリッド上に形成される。フォトニック結晶格子構造１１０とリッジ型導波路１７５とのアライメントは、フォトニック結晶格子構造１１０とリッジ型導波路１７５の両方の基準を先行リソグラフィ・ステップで作成された金属アライメント・マーク（不図示）とすることによって保たれる。穴１１８は、一般に、リッジ型導波路１７５の伝搬方向に対して垂直な２〜４の格子周期構造によって包囲されている。電子ビーム・リソグラフィ・パターンが、ＣＨＦ３／Ｈｅ／Ｏ２の化学反応を利用した、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）で、ＳｉＯ２ハード・マスク８１５（図８Ｂ参照）に転写される。Ｓｉスラブ８１６のエッチング（図８Ｃ参照）は、ＨＢｒ化学反応を利用して、垂直性および平滑性の高い側壁を形成することによって実施される。参考までに本明細書で援用されている、Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１９９９年、第１７巻（第１１号）、ｐ．２０８２におけるＰａｉｎｔｅｒ他による論文を参照されたい。フォトニック結晶構造１１０上に良質なファセットを得るため、フォトニック結晶格子構造１１０がダイシングされ、研磨される場合、フォトニック結晶構造１１０の上面１４５は、付着後に容易に除去することが可能な熱安定性有機媒質（一般にフォトレジスト）によって保護される。研磨は、一般に、コロイド状シリカ磨き剤であるＳＹＴＯＮ（登録商標）を用いて実施される。
欠陥穴１１８および穴１１５の適正サイズは、レイアウトの幾何学的考慮事項と電子ビーム線量とのバランスをとることによって得られる。ナノスケールの特徴に関する線量定義実験では、近接効果が考慮される。線量は、ＳｉＯ２とＳｉの両方のエッチング・プロセス後における最終穴寸法と相関関係がある。穴１１５および欠陥穴１１８の最終寸法は、一般に、電子ビーム・リソグラフィによって形成される特徴よりも小さく、エッチング・プロセスは、一般に、垂直とはとても云えない側壁が生じることを示唆している。
ＳｉＯ２層８１５へのパターン転写に用いられる特定のエッチング・プロセスは、穴１１５および欠陥穴１１８の直径に影響する。穴１１５および欠陥穴１１８は、特定のエッチング条件に応じて、直径が大きくなるか、あるいは、小さくなる可能性がある。エッチング・プロセス中に反応器の圧力が低下すると、穴１１５および欠陥穴１１８の設計寸法と最終寸法の間で、直径のわずかな変化が生じることになる。典型的な作製許容差は、初期リソグラフィ・パターンとフォトニック結晶格子構造１１０の間で２％未満である。下方のＳｉＯ２層８１０は、追加機械的支持を施すために保存される。
Claims (10)
- 光を入射させるための導波路（例えば、１７５）と、
前記導波路（１７５）に光学的に結合されたフォトニック結晶スラブ（例えば、１１０）とを有し、前記フォトニック結晶スラブ（１１０）に、２次元周期格子をなす穴（例えば、１１５）が含まれることと、前記２次元周期格子をなす穴（１１５）が、格子定数と欠陥穴（例えば、１１８）を有することと、前記フォトニック結晶スラブ（１１０）が、前記導波路（１７５）から前記光を受光して、ある動作波長で、前記欠陥穴（１１８）に前記光を閉じ込める働きをする、
２次元フォトニック結晶センサ装置（例えば、１００）。 - 前記欠陥穴（例えば、３５９）の容積が前記穴（３１９）より大きい、請求項１に記載の装置。
- 前記欠陥穴（例えば、３５７）の容積が前記穴（３１７）より小さい、請求項１に記載の装置。
- 前記フォトニック結晶スラブ（例えば、１１０）がシリコンから構成される、請求項１に記載の装置。
- 前記２次元周期格子が三角形格子である、請求項１に記載の装置。
- 前記欠陥穴（３５８）の断面がほぼ楕円形である、請求項１に記載の装置。
- さらに、前記導波路（例えば、１７５）に結合された波長可変光源を有する、請求項１に記載の装置。
- 前記フォトニック結晶センサ（例えば、１００）の動作波長がディザ・システム（２３３）によって決まる、請求項１に記載の装置。
- 前記フォトニック結晶センサ（例えば、１００）の動作波長が同期走査システム（２３４）によって決まる、請求項１に記載の装置。
- 光検出器が、前記フォトニック結晶スラブ（５６３）の平面外に配置されて、前記フォトニック結晶センサ（５００）の動作波長で前記光を検出する働きをする、請求項１に記載の装置。
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