JP2008116955A - 光導波路センサ・デバイス並びにその製造及び使用方法 - Google Patents

光導波路センサ・デバイス並びにその製造及び使用方法 Download PDF

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Abstract

【課題】十分な感度を有し、かつ、電子デバイスとの一体化が容易で、比較的サイズが小さい光導波路デバイスを提供する。
【解決手段】光導波路センサ１００は、基板１０２、及び基板１０２の上面１０４上に配されたデバイス層１１０を含む。デバイス層１１０は、１又は複数の検知用光導波路を含み、その各々は検知領域１２２を有する。基板１０２は、検知領域１２２と位置合わせされた空隙領域１０６を有する。空隙領域は、基板材料の塊が除去されている基板の領域である。空隙領域は、検知用光導波路の検知領域に光学的に結合されており、検知用光導波路の検知領域を透過する光信号のエネルギの一部が、空隙領域と相互作用する。検知用光導波路は、コア１２４及び上位クラッディング１２６を含み、下位側に基板１０２及び空隙領域１０６が配される。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般的には、センサ・デバイスに関する。更に特定すると、本発明は、化学及び生物化学センサとして使用するのに適した、光導波路を基礎とするセンサ・デバイスに関する。
なお、本出願は、２００６年１０月３１日に出願した米国仮特許出願第６０／８６３，７６６号の優先権を主張する。その内容は、ここで引用したことにより、本出願にも含まれるものとする。
現在の社会は、その人々の健康及び安全に対する化学的及び生物化学的脅威で溢れている。火薬、神経ガス及び毒のような物質、並びに炭疸やボツリヌスのような有機物が、戦争やテロリズムに関与している。食品及び水は、サルモネラ、大腸菌及びＥ．細菌(E. coli)のような微生物、並びに多種多様の化学物質によって汚染される可能性がある。環境自体でさえも、１００年にわたる産業社会では廃棄物によって汚染されている。したがって、化学及び生物化学作用薬(agent)を精度高く検知し監視する必要性が生じている。
種々の化学及び生物化学作用薬を検出するために、多くの種類のセンサが開発されている。化学作用役を検知し関しする方法で、現在非常に普及しているのが質量分光分析法である。この方法は、通例、比較的大型の被監視機器を用いており、可搬型監視デバイスを必要とする状況には適していない。例えば、質量分光分析器は、空港の設定で用いられることが多く、この場合、警備部門を通過した物品を集め、被管理及び禁止物質の存在を検知する。用いられる質量分光計は、通常、永続的又は半永続的検知ユニットであり、警備要員によって監視される。また、質量分光計を基礎とするシステムは、分散型及びプロセス内検知の用途では、使用が困難である。
対象となる化学及び生物化学作用薬を検知及び監視するための光学的検知デバイスの使用に対する関心は、増々高まりつつある。このようなデバイスの多くの例は、光導波路内を伝搬する光信号の、導波路を取り囲む環境との相互作用を拠り所とする。しかしながら、現在の導波路を基礎とするデバイスは、非常に低いレベルの化学及び生物化学作用薬を検出するだけの十分な感度に欠ける場合が多い。更に、現在の光導波路を基礎とするデバイスの多くは、製造、組立、及び電子デバイスとの一体化が困難であり、比較的サイズが大きいという問題がある。
本発明の一態様は、光導波路センサ・デバイスであり、基板と、基板の上面上に配されたデバイス層であって、１又は複数の検知用光導波路を備えており、各検知用光導波路は検知領域を有する、デバイス層とを備えている。基板は、検知用光導波路の検知領域と位置を合わせた１又は複数の空隙領域を有し、空隙領域内には実質的に基板材料が存在しない。各空隙領域は、検知用光導波路の検知領域と位置を合わせて、これに光学的に結合されている。
本発明の別の態様は、光導波路センサ・デバイスの製造方法であり、この方法は、基板を提供（準備）するステップと、基板上に１又は複数の検知用光導波路を備えているデバイス層を形成するステップであって、各検知用光導波路が検知領域を有する、ステップと、基板内に、検知用光導波路の検知領域と位置を合わせて１又は複数の空隙領域を形成するステップであって、空隙領域内には実質的に基板材料が存在しない、ステップとを備えている。
本発明の別の態様は、分析物の検出方法であり、この方法は、光導波路センサ・デバイスを用意するステップを備えている。光導波路センサ・デバイスは、基板と、基板の上面上に配されたデバイス層であって、１又は複数の検知用光導波路を備えており、各検知用光導波路は検知領域を有する、デバイス層とを備えている。基板は、検知用光導波路の検知領域と位置を合わせた１又は複数の空隙領域を有し、空隙領域内には実質的に基板材料が存在しない。各空隙領域は、検知用光導波路の検知領域と位置を合わせて、これに光学的に結合されている。この方法は、更に、検知用光導波路の少なくとも１つに、光信号を通過させるステップと、光信号が少なくとも１つの検知用光導波路から出現した後に、これを検出するステップとを備えている。
本発明のデバイス及び方法により、従来技術のデバイス及び方法に対して多数の利点が得られる。例えば、本発明のある態様では、光導波路及びこれらを用いた方法は、従来技術の光導波路デバイスよりも高い感度を得ることができる。更に、本発明のある態様において達成される集積レベルによって、従来技術に見られるデバイスよりも小型化し、機能性を高め、及び／又は低価格化したデバイスの製造を可能とすることができる。例えば、本発明のある態様では、検知用光導波路の上方に電子デバイスを一体化し、分析物との相互作用が、検知用光導波路の下から生ずるようにすることができる。
本発明の一態様は、光導波路センサ・デバイスである。このようなデバイスの一実施形態を、図１における上面模式図、及び図２における１つのマッハ・ゼンダー導波路アームに沿った側断面模式図に示す。光導波路センサ１００は、基板１０２、及び基板１０２の上面１０４上に配されたデバイス層１１０を含む。デバイス層１１０は、１又は複数の検知用光導波路を含み、その各々は検知領域１２２を有する。基板１０２は、検知領域１２２と位置合わせされた空隙領域１０６を有する。空隙領域は、基板材料の塊が除去されている基板の領域である。空隙領域は、検知用光導波路の検知領域に光学的に結合されている（例えば、一過的に結合）、即ち、検知用光導波路の検知領域を透過する光信号のエネルギの一部が、空隙領域と相互作用する。図１及び図２の実施形態は、マッハ・ゼンダー干渉計として構成されており、検知領域１２２及び空隙領域１０６は、導波路アームの１つに沿って位置付けられている。図１の実施形態では、検知用光導波路１２０は、コア１２４及び上位クラッディング１２６を含み、検知用導波路は、その下位側において基板１０２及び空隙領域１０６によって被覆されている。
図３に断面図で示す本発明の別の実施形態では、１又は複数の誘電体材料の層を、基板とデバイス層との間に配する。図３の光導波路検知デバイス３００では、誘電体材料の層３３０が、基板３０４とデバイス層３１０との間に配されている。検知用光導波路コア３２４は、その上位側で上位クラッディング３２６によって被覆され、その下位側で誘電体材料の層３３０によって被覆されている。図３の実施形態では、誘電体材料の層は、検知区域とデバイスの残りとの間で均一であり、空隙領域３０６が検知用光導波路の検知領域３２２に光学的に結合されたままでいるように、十分に薄くなっている。しかしながら、本発明の別の実施形態では、１又は複数の空隙領域が、１又は複数の誘電体材料層の内部まで達する。例えば、図４の実施形態では、空隙領域４０６が誘電体材料層４３０の内部まで達している。本発明のこのような実施形態では、誘電体材料は、基板のその区域内では、検知用光導波路からそれを光学的に分離するように十分厚くし、空隙領域内では、空隙領域の検知用光導波路の検知領域に対する光学的結合（例えば、一過性結合）を可能にするように十分薄くすることができる。本発明のある実施形態では、空隙領域は実質的に１又は複数の誘電体材料層を貫通する。誘電体材料及び検知用光導波路の材料に応じて、１又は複数の誘電体材料層は、広い範囲の厚さを有することができる。例えば、１又は複数の誘電体材料層は、５０ｎｍ〜３μｍの範囲、又は１００ｎｍ〜１μｍの範囲とすることさえも可能である。検知用光導波路がシリコン導波路であり、１又は複数の誘電体材料の層が、ＳｉＯ２の層である場合、その厚さを１００〜５００ｎｍ程度にすることができる。更に、１又は複数の誘電体材料の層は、単一材料層（例えば、ＳｉＯ２）とすることができ、あるいは多数の異なる誘電体材料の副層で形成することもできる。
図１〜図４に示した本発明の実施形態では、間隙領域内にある空気又は液体が、検知用光導波路の検知領域内を誘導される光信号と相互作用することができる。ある種の分析物は、光信号を吸収する、又は光信号が有する有効屈折率を混乱させ、これによって分析的測定の基準を設けることができる。
しかしながら、本発明の別の実施形態では、空隙領域内に検知材料を設け、空隙領域と位置合わされた検知用光導波路の検知領域に光学的に結合する（例えば、一過的に結合する）。図５に示す実施形態では、検知材料５４０を空隙領域５０６内に設け、その検知領域５２２において検知用光導波路に光学的に結合する。検知材料は、事実上、任意の厚さに設けることができる。本発明のある実施形態では、検知用光導波路の検知領域を通過する光信号の一過性波を実質的に埋め込むことができる厚さとする。例えば、検知材料の厚さは、５００ｎｍ〜５０μｍの範囲とすることができる。
検知材料は、対象の分析物に応答してその光学的特性を変化させるように選択することができる。検知材料は、例えば、ポリマ材料、有機／珪酸塩混合材料、及び生物認識層(biorecognition layer)とすることができる。多くのポリマ材料及び有機／珪酸塩混合材料は、対象分析物に応答して、その化学的特性を変化させることが知られている。例えば、ポリマ材料は、炭化水素、エーテル及びエーテル系溶剤、並びにハロカーボンのような有機分析物の蒸気又は水溶液に晒すと、屈折率が変化する。屈折率変化の大きさは、有機分析物の濃度、及びポリマと分析物との間の屈折率の差に応じて変化する。ある種のポリマ材料は、ポリマ又は標示薬（例えば、比色標示薬）のようなドーパントとの電子的相互作用によって、分析物との相互作用の際に屈折率及び／又は吸光度が変化する場合もある。化学的検知におけるポリマ材料の使用の例が、G. Gauglitz and J. Ingenhoff,"Integrated optical sensors for halogenated and non-halogenated hydrocarbons"（ハロゲン化及び非ハロゲン化炭化水素用集積光センサ）,Sensors and Actuators B, 11 (1993) 207-212、A. Ksendozov et al., "Integrated optics ring-resonator chemical sensor with polymer transduction layer"（ポリマ変換層を有する集積光学環状共振器化学センサ）, Proc. of SPIE, vol. 6556, 6556ID (2007)、H. Hisamoto and K. Suzuki, "Ion-selective optodes: current developments and future prospects" （イオン選択オプトード：現在の開発及び今後の展望）, Trends in Analytical Chemicals, 18 (1999) 513-524、及びD.P. Campbell et al, "Polymers: The Key Ingredient in Waveguide Chemical Sensors"（ポリマ：導波路化学センサにおける主要成分）, Polymer Preprints, August 1998, 1085に記載されている。これらは、ここで引用したことにより、その内容が本出願にも含まれるものとする。有機／珪酸塩混合材料は、有機的に改質した珪酸塩材料（例えば、トリアルコキシラン(trialkoxysilanes)の凝縮反応生成物(condensation reaction product)）、並びに対象の分析物と相互作用する有機又は生物分子種をドープした多孔質珪酸塩を含む。検知の用途における有機／珪酸塩混合材料の使用の例が、例えば、B.D. MacCraith et al.,"Sol-gel coatings for optical chemical sensors and biosensors"（光化学センサ及びバイオセンサ用ゾル−ゲル・コーティング）, Sensors and Actuators B, 29 (1995), 51- 57、B.D. MacCraith et al., "Optical Chemical Sensors based on Sol-Gel Materials: Recent Advances and Critical Issues"（ゾル−ゲル材料に基づく光化学センサ：最近の発展及び重大な問題）, Chemistry and Materials Science, 8 (1997), 1053-1061、米国特許第５，７７４，６０３号、及び米国特許出願公開第２００７／００５９２１１号、E.L. Chronister, "Ultrafast photochromic sol-gel glasses & fiber optical sensors"（超高速光互変性ゾル−ゲル・ガラス及び光ファイバ・センサ）, Final Report, Grant No. DAAL03-92-G-0399, Accession No. ADA332537, August 19, 1997に記載されている。これらは、ここで引用したことにより、その内容が本出願にも含まれるものとする。生物認識層は、生物種（例えば、蛋白質、ヌクレオチド、細胞、酵素基質）との相互作用の際に、その光学的特性が変化する。例えば、ＥＬＩＳＡ、ヌクレオチド結合、酵素反応生成物の比色検出に基づく生物認識層が知られており、本発明における使用に合わせて適応させることができる。
基板は、光導波路デバイスに用いるのに適した基板であればいずれでも利用可能である。例えば、基板はシリコン基板とすることができる。基板がシリコン基板である場合、１又は複数の空隙領域は、シリコン基板の異方性ウェット・エッチングを伴うプロセスによって形成することができる。本発明の別の実施形態では、基板はガラス基板又はプラスチック基板である。本発明の一実施形態では、基板、誘電体材料の層、及びデバイス層は、絶縁物上シリコン構造から形成される。例えば、図３に示す実施形態では、基板３０２は、絶縁物上シリコン基板のシリコン・ウェハとすることができ、１又は複数の誘電体材料の層３３０は、その酸化シリコン又は酸窒化シリコン・バッファ層とすることができ、検知用光導波路のコア３２４は、そのシリコン層で形成することができる。図３に示す十次形態では、バッファ層は、検知用光導波路の下位クラッディングとして機能する。
検知用光導波路は、事実上、任意の材料系で作ることができる。例えば、検知用光導波路は、シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、又は二酸化シリコン系材料（例えば、ドープした又は非ドープのＳｉＯ２）で作ったコアを有することができる。III-IV半導体材料のようなその他の材料も、不活性無機光導波路のコアを形成するために用いることができる。検知用光導波路は、窒化シリコン、酸窒化シリコン、及び二酸化シリコン系材料を含む、任意数の材料で作った上位及び下位クラッディングを有することができる。
本発明のある実施形態では、検知用光導波路は、それ自体が分析物に応答する材料系で作ることもできる。例えば、検知用光導波路は、空隙領域に関して先に説明したポリマ材料又は有機／珪酸塩混合材料で形成されたコアを有することができる。また、検知用光導波路の上位クラッディングは、検知材料（所望の屈折率差が得られるように改質する）で作ることもできる。また、検知用光導波路の上位クラッディングは、しかるべき屈折率を有する不活性ポリマ材料又は珪酸塩（例えば、ゾル−ゲル由来）材料で作ることもできる。検知用光導波路を分析物応答材料で作る場合、デバイスにおいて不活性光導波路（例えば、前述の無機材料で作られた）と組み合わせることができる。検知用光導波路の検知領域は、基板の空隙領域に光学的に結合される。これは、図１を参照して先に説明した通りである。異なる種類の導波路を突き合わせて結合することもでき、あるいは、これらの間の結合効率を高めるように設計した漸減状又はその他のカップリングによって、互いに結合することもできる。多種多様の光導波路センサ・デバイスを提供するために、不活性無機光導波路は、検知用光導波路との事実上いかなる組み合わせでも、組み合わせることができる。デバイスの大部分に不活性無機光導波路を用いることによって、ポリマ又は有機／珪酸塩混合検知用光導波路は損失が比較的大きいという固有の性能上の問題を緩和することができる。著しく敏感なポリマ又は有機／珪酸塩混合材料を用いることができるので、検知用光導波路を非常に短くすることができる。更に、不活性無機光導波路からデバイスの高感度結合及び分割構造を作るために、精密な製作技法を用いることができる。不活性無機光導波路（特に、シリコン光導波路）は、比較的きつい回転半径を規定することができ、したがって比較的小さいデバイスを得ることができる。このため、不活性無機光導波路をポリマ又は有機／珪酸塩検知用光導波路と組み合わせることによって、不活性無機光導波路あるいはポリマ又は有機／珪酸塩光導波路単独で形成したデバイスに対して利点を得ることができる。
本発明の別の実施形態では、検知用光導波路を、二酸化シリコン又は酸窒化シリコンのような、屈折率が比較的小さい（例えば、可視及び近赤外線において２．０未満）材料系で作り、一方、不活性光導波路をシリコンで作る。屈折率が比較的小さい検知用光導波路を用いることにより、一過性波内の光信号が増加するため、感度を高めることができる。これらの検知用導波路をシリコン導波路と（例えば、漸減状のカップリングによって）結合することによって、比較的小型の構造で、損失が少なく、しかも高い感度を有するという望ましいデバイスが可能となる。
デバイス層は、基板の上面上に配されている。デバイス層１１０は、図１に示すように、基板１０２の上面上に直接配置することができる。あるいは、１又は複数の中間層を、デバイス層と基板の上面との間に配置することもできる。本発明のある実施形態では、しかしながら、デバイス層は、基板の上面の１０ミクロン以内、又は３μｍ以内のこともある。以下で述べるように、デバイスは、基板表面に対して、１又は複数の水平面内に導波路を含むことができる。
本発明の別の実施形態では、光導波路センサ・デバイスは更に、基板の下に配置され、１又は複数の空隙領域と共に１又は複数の実質的に閉鎖された検知セルを画定するベース・プレートも備えている。例えば、図６に示す実施形態では、光導波路センサ・デバイス６００は、基板６０２の下に配置されたベース・プレート６５０を含む。実質的に閉鎖された検知セル６５２は、ベース・プレート及び空隙領域６０６によって作成される。ベース・プレートは、例えば、入口孔６５４及び出口孔６５６を含むことができ、実質的に閉鎖された検知セルを通ってサンプル（試料）が流れることができるようになっている。
図１に示した光導波路センサ・デバイスは、マッハ・ゼンダー干渉計として構成され、その２本のアームの有効屈折率間における差の相対的な変化を検知する。図１のデバイスでは、緩衝器の一方のアームには、空隙領域が光学的に結合されており、他方のアームには結合されていない。温度変動による屈折率変化は、干渉計の双方のアームに等しく発生し、事実上相殺される。分析物との相互作用による屈折率変化は、空隙領域に露出される検知用光導波路においてのみ生ずる。本発明の別の実施形態では、干渉計の双方のアームを空隙領域に露出させる。例えば、空隙領域の１つの中に検知材料を配することができ、他の空隙領域には配さない。検知材料を有する空隙領域に結合されている干渉計のアームのみに、分析物との相互作用による大きな屈折率変化が生じ、他方のアームは分析物には応答しないが、温度変動には同様に応答する。本発明の代替実施形態では、空隙領域の１つは、標示薬をドープしたポリマを有し、別の材料はその中に非ドープのポリマを有する。標示薬をドープしたポリマは分析物に応答するが、双方のアームは温度及び干渉種には同様に応答するため、測定に対するそれらの影響を相殺する。
光導波路センサ・デバイスは、種々のアーキテクチャを有することができる。例えば、前述のように、光導波路センサ・デバイスは、マッハ・ゼンダー干渉計のアーキテクチャを有することができる。図７の上面模式図に示す本発明の一実施形態では、光導波路センサ・デバイスは、リング共振器(ring resonator)の構成を有する。光導波路センサ・デバイス７００は、直線状検知用導波路７２０と、環状検知用光導波路７２６とを有する。直線状検知用光導波路７２０は、検知領域７２２を有し、環状検知用光導波路７２６は全てが検知領域となっている。検知用導波路は、ドープした二酸化シリコン材料系で形成され、屈折率の差は比較的小さい（〜１％）。直線状検知用光導波路７２０は、漸減部を介して、シリコンで形成した不活性光導波路７２８に結合され、デバイスの検知部にそしてデバイスの検知部から信号を導く。環状検知用光導波路７２６は、リング共振器を構成し、これに直線状検知用光導波路７２０が光学的に結合されている。空隙領域７０６は、直線状光導波路７２０の検知領域７２２及び環状検知用光導波路７２６に光学的に結合されており、検知材料があってもなくても、これらが分析物と相互作用することができるようになっている。
本発明のある実施形態では、不活性無機光導波路とは異なる水平面（即ち、基板に対して）検知用光導波路を形成する。このような実施形態では、検知用光導波路と不活性無機光導波路との間の結合は、性質上一過性となる。例えば、図８の上面模式図及び図９の真向き(end-on)断面模式図に示す光導波路センサ・デバイス８００では、リング共振器として構成されており、検知用光導波路８２０によってリングが形成され、それに不活性光導波路８２８が結合されている。検知用光導波路及び不活性光導波路は、シリコンのような同じ材料で作ることができ、あるいは、二酸化シリコン及びシリコンのように、それぞれ異なる材料で作ることもできる。不活性光導波路８２８は、検知用光導波路８２０の上に形成されている。空隙領域８０６は基板８０２内に形成され、誘電体材料の層８３０内に侵入している。検知材料８４０が空隙領域８０６内に配され、検知用光導波路８２０に光学的に結合されている。
本発明の別の実施形態では、光導波路センサ・デバイスは、相対的吸光度の測定を行うように構成されている。例えば、図１０における上面模式図に示す光導波路センサ・デバイス１０００では、検知用光導波路１０２０は２本のアーム１０２４及び１０２６に分岐している。アーム１０２４は検知領域１０２２を有し、これが空隙領域１００６に結合されている。光吸収又は光散乱材料が空隙領域１００６に入ると、アーム１０２４を伝搬する光信号は強度が減少する。アーム１０２６を伝搬する光信号を監視すれば、光源におけるドリフト又は入力結合効率の変化による強度変化を相殺するための基準を設けることができる。
本発明の別の実施形態では、光導波路センサ・デバイスは更に、検知用光導波路の上方に取り付けられているスーパーストレート(superstrate)を備えている。例えば、図１１の実施形態では、スーパーストレート１１６０が検知用光導波路１１２０の上方に取り付けられている。本発明のこの実施形態にしたがってスーパーストレートを用いることによって、特に、基板１１０４の空隙領域１１０６の区域において、光導波路センサ・デバイスの機械的強度を高めることができ、更に、実装及びその他の物理的動作のための表面を設けることができる。しかしながら、本発明の別の実施形態では、光導波路センサ・デバイスには、検知光導波路の上方に取り付けられたスーパーストレートがない。
本発明の一実施形態によれば、光導波路センサ・デバイスのデバイス層は１又は複数の電子デバイスも含む。電子デバイスは、検知用光導波路に、直接又は１又は複数の不活性光導波路を介在して、動作的に結合することができる。また、電子デバイスは、１又は複数の不活性光導波路に動作的に結合することもできる。例えば、デバイス層に光検出器を含ませることができる。シリコン及び／又はゲルマニウムの光検出器は、可視光又は近赤外線光を光導波路センサ・デバイスにおいて用いる場合には、特に有用である可能性がある。本発明の別の実施形態では、デバイス層は、不活性光導波路の少なくとも１つ及び検知用光導波路の１つに結合されている変調器を含む。絶縁物上シリコンを用いると、デバイス上にシリコン系電子デバイスを構築することが可能となる。デバイスの光導波路をシリコンで形成しない場合、絶縁物上シリコン構造のシリコン層をエッチングして除去し、絶縁物層のみを、光導波路を作るためのプラットフォームとして残すことができる。本発明のデバイスにおいて用いることができる電子デバイスは、例えば、増幅器、信号調整及びインターフェース回路、並びに検出器、位相変調器及びスイッチのような光電デバイスを含む。電子デバイスは、検知用光導波路の上方にある平面内に配することができ、このような実施形態においても、検知を行うことができる。何故なら、分析物と検知法光導波路との間の相互作用は、基板内の空隙空間を介して、デバイスの下側から生ずるからである。
また、本発明の光導波路センサ・デバイスは、検知用光導波路に動作的に結合した（例えば、直接又は不活性光導波路を介して）光源を含むこともできる。光源は、導波路構造に応答させる(interrogate)ために用いる光信号を供給する。これは、光ファイバを通じて供給することができ、あるいはプリズム、格子又はレンズ、又は突き合わせ結合を用いて導波路の１つに結合することができる。光源は、検知用光導波路のそれぞれの波長（即ち、検知用光導波路が分析物に応答してその光学的特性を変化させる波長）と重複する１つ又は複数の波長範囲を有することができ、例えば、可視光、近赤外線、又は赤外線波長範囲において動作することができる。光源は、例えば、レーザ（例えば、固定波長レーザ又は走査レーザ）、あるいは広帯域光源とすることができる。
本発明の光導波路センサ・デバイスは、検知用光導波路に（例えば、直接又は不活性光導波路を介して）動作的に結合した光検出器も含むことができる。前述のように、本発明のある実施形態では、検出器をデバイス層自体の中に設ける。本発明の別の実施形態では、別個のデバイス内又は別個のチップ上に検出器を設ける。検出器は、固定波長又は波長範囲で動作するか、又は複数の波長全域を走査して、分光分析情報を提供することができる。同様に、格子又はプリズムによる検出器アレイを用いて、分光分析情報を提供すること、又は、特定のスペクトル領域を監視することもできる。検出器は、光ファイバ、プリズム又は格子を通じて、あるいは突き合わせ結合によって、デバイスの導波路に結合することができる。
本発明の光導波路センサ・デバイスは、多数の検知用光導波路及び／又は多数の空隙領域を含むことができる。多数の空隙領域内には、異なる検知デバイスを配置することができる。多数の検知用光導波路及び多数の検知材料を並列して用いることにより、干渉信号に考慮することが可能となり、あるいは、多数の異なる分析物の同時検知に対処することが可能となる。
本発明の別の態様は、光導波路センサ・デバイスの製造方法である。この方法は、基板を用意するステップと、基板上に１又は複数の検知用光導波路を形成するステップとを含む。各検知用光導波路は、前述のような、検知領域を有する。この方法は、更に、基板内に１又は複数の空隙領域を、検知用光導波路の検知領域と位置を合わせて形成するステップを含む。空隙領域内には、実質的に基板材料は存在しない。標準的な一体化光学部品試作技法を用いて、検知用光導波路を作ることができる。蒸着、フォトリソグラフ、エッチング、リフトオフ、及び関連技法を用いて、シリコン、酸化シリコン材料、窒化シリコン、及び酸窒化シリコン材料から導波路を作ることができる。これらの標準的技法は、ポリマ及び有機／珪酸塩混合材料から導波路を作る際にも用いることができる。米国特許第７，０１１，９３２号に記載されているような、フォトリソグラフ方法を用いても、ポリマ材料から検知用光導波路を作ることができる。空隙領域は、反応性イオン・エッチング、ウェット・エッチング、研磨及び微細下降のような物理的プロセスのいずれの組み合わせでも作ることができる。基板をシリコンで形成する場合、空隙領域を形成するには、異方性ウェット・エッチングを用いることができる。本発明のこの態様による方法は、前述のような光導波路センサ・デバイスを作るために用いることができる。
本発明の一実施形態では、前述の方法は、少なくとも１つの空隙領域内に検知材料を設けるステップを含む。検知材料は、前述したものとすることができ、溶液からの析出、ゾル−ゲル方法の使用、反応性硬化方法の使用、シランに基づく結合を含む種々の方法を用いてデポジット（堆積）することができる。
本発明の一実施形態では、前述の方法は、更に、１又は複数の検知用導波路を形成する前に、基板上に１又は複数の誘電体材料の層を形成するステップを含む。１又は複数の誘電体材料の層は、基板とデバイス層との間に配する。１又は複数の誘電体材料の層を作るには、ＣＶＤのような標準的な半導体製作方法を用いることができる。
本発明の一実施形態では、デバイス層を形成するステップは、デバイス層内に１又は複数の電子デバイスを形成するステップを含む。絶縁物上シリコン構造を用いれば、基板及び電子デバイスを形成することができる。電子デバイスを作るには、イオン打ち込み、物理的及び化学的デポジット、化学機械的研磨及びパターニング技法のような標準的な集積電子デバイス製作技法を用いることができる。
本発明の別の態様は、分析物の検出方法である。この方法は、前述のような光導波路センサ・デバイスを用意するステップを備えている。この方法は、更に、光信号を検知用光導波路の少なくとも１つに通過させるステップも含む。光信号は、１又は複数の検知用光導波路のそれぞれの波長と重複する波長範囲内にある。光信号は、本発明の光導波路センサ・デバイスに関して先に説明したような光源を用いることによって供給することができる。また、この方法は、光信号が少なくとも１つの検知用光導波路から出現した後に、これを検出するステップも含む。光信号を検出するためには、本発明の光導波路センサ・デバイスに関して先に説明した検出器を用いることができる。光信号の性質及び光導波路センサ・デバイスの構成に応じて、検出する光信号は多くの形態をとることができ、スペクトログラフ、インターフェログラム、ピーク上の位置、又は吸光連続帯における位置を含む。その特徴に応じて、電子的処理、ソフトウェア処理、又は手作業の処理を用いて、検出した光信号を分析物の濃度と相関付けることができる。
以上、本発明の種々の具体的な実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態そのものに限定されるのではなく、特許請求する発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更又は修正が当業者によって実施可能であることは言うまでもない。
本発明の一実施形態によるマッハ・ゼンダー光導波路センサ・デバイスの上面模式図である。 図１の光導波路センサ・デバイスの側断面模式図である。 本発明の別の実施形態による光導波路センサ・デバイスの側断面模式図である。 本発明の別の実施形態による光導波路センサ・デバイスの側断面模式図である。 検知材料を含む、本発明の実施形態による光導波路センサの側断面模式図である。 ベース・プレートを含む、本発明の実施形態による光導波路センサ・デバイスの側断面模式図である。 本発明の一実施形態によるリング共振器光導波路センサ・デバイスの上面模式図である。 本発明の別の実施形態によるリング共振器光導波路センサ・デバイスの上面模式図である。 図８のリング共振器光導波路センサの側断面模式図である。 本発明の別の実施形態にしたがって、相対的吸光度測定を行うように構成された光導波路センサ・デバイスの上面模式図である。 本発明の別の実施形態による、スーパーストレートを有する光導波路センサ・デバイスの側断面図である。

Claims (3)

  1. 光導波路センサ・デバイスであって、
    基板と、
    前記基板の上面上に配され、それぞれが検知領域を有する１又は複数の検知用光導波路を備えているデバイス層と、
    を備えており、
    前記基板は、前記検知用光導波路の前記検知領域と位置合わせされた１又は複数の空隙領域であって、実質的に基板材料が存在しない空隙領域を有しており、
    それぞれの空隙領域は、位置合わせされた前記検知用光導波路の検知領域と光学的に結合されていることを特徴とする光導波路センサ・デバイス。
  2. 光導波路センサ・デバイスの製造方法であって、
    基板を提供するステップと、
    前記基板上に１又は複数の検知用光導波路を備えているデバイス層を形成するステップであって、各検知用光導波路が検知領域を有する、ステップと、
    前記基板内に、前記検知用光導波路の検知領域と位置合わせされた１又は複数の空隙領域を形成するステップであって、前記空隙領域内には実質的に基板材料が存在しない、ステップと、
    を備えていることを特徴とする方法。
  3. 分析物の検出方法であって、
    光導波路センサ・デバイスを提供するステップであって、該光導波路センサ・デバイスが、
    基板と、
    前記基板の上面上に配されたデバイス層であって、１又は複数の検知用光導波路を備えており、各検知用光導波路は検知領域を有する、デバイス層と、
    を備えており、
    前記基板は、検知用光導波路の検知領域と位置合わせされた１又は複数の空隙領域を有し、該空隙領域内には実質的に基板材料が存在せず、
    各空隙領域は、位置合わせされた前記検知用光導波路の前記検知領域と光学的に結合されている
    デバイス提供ステップと、
    前記検知用光導波路の少なくとも１つに、光信号を通過させるステップと、
    前記光信号が前記少なくとも１つの検知用光導波路から出現した後に、これを検出するステップと、
    を備えていることを特徴とする方法。
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