JP2008304216A - 物質検知方法、物質検知装置、物質検知装置の本体 - Google Patents

Abstract

【課題】量産性に富み、微細構造の実現が容易なバイオセンサにする。
【解決手段】波長選択性を有しない入射側光導波路３０ａや分離側光導波路３０ｂと共振結合する位置に光導波路３３を配置してマイクロリング共振器３２を形成する。光導波路３３の一部には、検出対象の物質が入り得る孔３４を設ける。孔３４の内部に物質が存在しないときには、マイクロリング共振器３２の損失が大きく、分離光Ｌｄの強度は小さく大部分が直進光Ｌｃとなるに対して、孔３４の内部に物質が存在するときには、マイクロリング共振器３２の損失が小さく、大部分が分離光Ｌｄとなり直進光Ｌｃは少なくなる。入射側光導波路３０ａに共振光Ｌｂを含む所定波長の入射光Ｌを入射し、入射側光導波路３０ａを伝搬した直進光Ｌｃおよび／またはマイクロリング共振器３２による共振結合に基づく分離光Ｌｄの強度を検出することで、孔３４に検出対象の物質が存在するか否かを判定する。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、物質検知方法、物質検知装置、物質検知装置の本体に関する。

たとえば、バイオ技術においては、遠心分離器などによる処理を経ることにより分析対象の大きさを選別してから分析を行なう方法が主流であったが、近年は高度なデバイスを用いて簡易に分析を行ないたいという要望がある。

たとえば、非特許文献１には、ガラス製光導波路によるマイクロリング共振器を用いたバイオセンサが提案されている。

また、非特許文献２には、シリコン基板に微小な孔を形成したバイオセンサが提案されている。

IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL.12, NO.1, JANUARY/FEBRUARY 2006，"Optical Sensing of Biomolecules Using Microring Resonators"，Ayga Yalgm, Student Member, IEEE, Ketul C. Popat, John C. Aldridge, Tejal A. Desai, John Hryniewicz, Nabil Chbouki, Brent E. Little, Oliver King, Vien Van, Sai Chu, David Gill, Matthew Anthes-Washburn, M. Selim Unlii, Senior Member, IEEE, and Bennett B. Goldberg "Label-Free Optical Sensing of Proteins with Porous Silicon Microcavities"，Huimin Ouyang, Romain Viard and Philippe M. Fauchet，Department of Electrical and Computer Engineering and Center for Future Health, Univerisity of Rochester, Rochester, NY 14627

しかしながら、非特許文献１に記載の仕組みは、基板材料がガラス基板であるため、シリコン基板に形成するデバイスに比較して、量産性に欠ける、また微細構造の実現に欠けるという欠点が存在する。

また、非特許文献２に記載の仕組みは、センサ面積が広いデバイスのであるので、分解能を高めるためには多くの試験サンプルを要求するという欠点が存在する。

本発明は、新たな物質検知の仕組みを提供することを目的とする。好ましくは、前述の欠点の少なくとも１つを解決し得る物質検知の仕組みを提供することを目的とする。

本発明に係る物質検知手法の一実施形態は、波長選択性を有しない第１の光導波路と共振結合する位置に第２の光導波路を配置してマイクロリング共振器を形成するとともに、第２の光導波路には、検出対象の物質が入り得る孔を設けておく。そして、第１の光導波路に共振周波数と等しい波長の光を含む所定波長の入射光を入射し、第１の光導波路を伝搬した光および／またはマイクロリング共振器による共振結合に基づく光の強度を検出することで、孔に検出対象の物質が存在するか否かを判定することとした。

マイクロリング共振器による共振結合に基づく光の強度を検出する場合には、第２の光導波路と共振結合する位置に配置され、第１の光導波路と第２の光導波路との間での共振結合により第２の光導波路に伝搬された光を、さらに共振結合により導光し伝搬する第３の光導波路を設け、この第３の光導波路を伝搬し出力される光の強度を検出する。

ここで、第１の光導波路と第２の光導波路とは（第３の光導波路を設ける場合には、第３の光導波路も）、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）技術によって形成されたものとするのがよい。

なかでも、第１の光導波路（第３の光導波路を設ける場合には第３の光導波路も）と第２の光導波路とを基板の平面方向に並べて配置された構成とする面内結合型のものよりは、ＳＩＭＯＸ（サイモックス）技術によって形成され、シリコンと酸化シリコンが基板の厚さ方向に積層された構成を持つ垂直結合型のものとするのが好ましい。

本発明に係る物質検知手法の一実施形態の基本的な仕組みは、マイクロ共振器を構成する第２の光導波路の所定部分に検出対象の物質が入り得る所定形状・所定サイズの孔を形成し、その孔内の物質の有無を光学的な強度に変換して判断するのである。

第２の光導波路に形成した孔の内部に物質が存在しないときには、マイクロリング共振器の損失が大きく、第２の光導波路と波長選択性を有しない第１の光導波路（第３の光導波路を設ける場合には第３の光導波路も）との組合せによる波長フィルタは機能しない。このため、共振周波数と等しい波長の光であっても、第２の光導波路との間での共振結合による成分が非常に少なくなり、大部分が第１の光導波路を直進することになるので、第１の光導波路を直進した光を検出したときの光強度が大きくなる。第３の光導波路を設ける場合、共振結合により第２の光導波路側に導光（分離）された微小な光をさらに第３の光導波路に導光して伝搬するが、その第３の光導波路を直進した光を検出したときの光強度は当然に小さくなる。

一方、第２の光導波路に形成した孔の内部に物質が存在するときには、マイクロリング共振器の損失が小さくなり、第２の光導波路と波長選択性を有しない第１の光導波路（第３の光導波路を設ける場合には第３の光導波路も）との組合せによる波長フィルタが機能するようになる。このため、共振周波数と等しい波長の光は、第２の光導波路との間での共振結合による成分が非常に多くなり、第１の光導波路を直進する成分が非常に少なくなため、第１の光導波路を直進した光を検出したときの光強度が非常に小さくなる。第３の光導波路を設ける場合、共振結合により第２の光導波路側に導光（分離）された非常に大きな光をさらに第３の光導波路に導光して伝搬すると、その第３の光導波路を直進した光を検出したときの光強度は当然に大きくなる。

結果的に、第１の光導波路を直進する成分を検出した光強度や第２の光導波路側に導光（分離）した成分を検出した光強度は、第２の光導波路に形成した孔の内部に物質（被分析物）が存在するか否かの違いにより変化する。換言すると、その光強度の違いは、孔に被分析物があるかどうかの違いを示すことになる。

本発明の一実施形態によれば、波長選択性を有しない第１の光導波路と共振結合する位置に第２の光導波路を配置してマイクロリング共振器を形成するとともに、第２の光導波路に検出対象の物質が入り得る孔を設けておき、第１の光導波路に共振周波数と等しい波長の光を含む所定波長の入射光を入射し、第１の光導波路を伝搬した光および／またはマイクロリング共振器による共振結合に基づく光の強度を検出するようにした。

孔に検出対象の物質が存在するか否かの違いで、マイクロリング共振器を構成する第２の光導波路と波長選択性を有しない第１の光導波路（第３の光導波路を設ける場合には第３の光導波路も）との組合せによる波長フィルタが機能するか否かの違いが生じる。その結果、第１の光導波路を直進する成分を検出した光強度や第２の光導波路側に導光（分離）した成分を検出した光強度が、孔の内部に物質（被分析物）が存在するか否かの違いにより変化するので、その光強度の違いに基づいて、孔に被分析物があるかどうかの違いを、簡単に判定することができる。

マイクロリング共振器を構成する第２の光導波路の所定部分に孔を形成すればよく、非特許文献２に記載の仕組みとは異なり、分解能を高める場合であっても、多くの試験サンプルを要求するという欠点は存在しない。

また、第１の光導波路と第２の光導波路とを（第３の光導波路を設ける場合には、第３の光導波路も）、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）技術によって形成すれば、非特許文献２に記載の仕組みとは異なり、集積回路製造技術を使用できるので、非常に微細のパターン形成が可能であるし、基板材料がガラスではなくシリコンであるので、ガラス基板のような量産性に欠ける難点はない。

また、ＳＩＭＯＸ技術を適用すれば、第１の光導波路（第３の光導波路を設ける場合には第３の光導波路も）と第２の光導波路との間のギャップを、露光精度に依存することなく均一に形成することができるので、結合効率を安定に高めることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

＜＜第１実施形態＞＞
図１〜図１Ｄは、本発明に係る物質検知装置の一実施形態を適用したバイオセンサ１の第１実施形態を説明する図である。ここで、図１は、第１実施形態のバイオセンサ１の全体構造（本体と光源など）を示す斜視図である。図１Ａは、第１実施形態のバイオセンサ１の本体（物質検知装置の本体：以下センサ本体と称する）３の平面図である。図１Ｂは、図１Ａのセンサ本体３の断面図（図１ＡのＡ−Ａ’線）である。図１Ｃは、センサ本体３におけるマイクロリング共振器を構成する光導波路の一部（図１ＡのＢ部分）に形成された孔３４および保護膜３６の断面構成を説明する図である。図１Ｄは、孔３４の形状や配置数の変形例を示す図である。

本実施形態の物質検知装置の一例であるバイオセンサ１は、ＳＩＭＯＸ（サイモックス）技術などを利用した光導波路デバイスをバイオ技術に適用したものである。

ＳＩＭＯＸは、ＳＯＩ（Silicon On Insulator：シリコン・オン・インシュレータ）技術の一例であり、簡単に言えば、酸素イオン注入によるＳＯＩ作成技術である。まず、ＳＯＩは、絶縁膜上に形成した単結晶シリコンを基板とした半導体および半導体技術である。このＳＯＩ技術では、プロセッサ基板上のトランジスタ層から絶縁層を超えて流れ出る電荷の停留を半分程度に減らすことができるので、たとえば、同じクロックスピードで動作する類似のチップと比べて、性能が最大で数１０％向上する、あるいは電力消費を半分程度に減らすことができるなどの利点がある。ただし、トランジスタを作るためのシリコン結晶薄膜は純粋なシリコン結晶であるのに対して、その下の絶縁膜は完全な結晶ではないので、その上に完全な結晶を形成することは難しいという問題がある。

この問題を解決する一手法がＳＩＭＯＸ技術であり、いわば、シリコンと酸化シリコンの層状基板を形成する技術である。すなわち、半導体基板中にイオン打ち込みによって、シリコン結晶表面から僅かに深い部分に酸素分子を注入し、その後熱処理を加えることにより、注入した酸素分子を高熱で酸化させることで酸化物（絶縁体）の層を形成するもので、酸化物絶縁層とその上のシリコン結晶薄膜を作る技術である。因みに、熱処理にはイオンの通過によって生じた結晶構造の欠陥を修復する効果もある。

本願発明者は、ＳＯＩ基板の製造方法の１つであるＳＩＭＯＸ法を応用した手法により、シリコン基板の表面直下に光導波路を形成する手法を発見し、マイクロリング共振器と波長選択性を有しない光導波路とを基板の厚さ方向に積層することにより、結合効率の高いマイクロリング共振器光導波路デバイス（以下ＳＩＭＯＸ光導波路デバイスとも称する）を開発している（参考文献１を参照）。

参考文献１：APPLIED PHYSICS LETTERS VOLUME 85, NUMBER 69 AUGUST 2004，“Vertically-coupled micro-resonators realized using three-dimensional sculpting in silicon”，Prakash Koonath,a Tejaswi Indukuri, and Bahrain Jalalib，Department of Electrical Engineering, University of California−Los Angeles, Los Angeles, California 90095-1594

このＳＩＭＯＸ光導波路デバイスをバイオ技術に適用することにより、従来のバイオセンサが持つ問題点を解消する仕組みを開発した。その仕組みの基本は、ＳＩＭＯＸ光導波路デバイスにおけるマイクロリング共振器部分に、検出対象となる物質が入る程度の大きさの所定の孔を配置し、その孔内に検出対象となる物質が存在するか否かで、マイクロリング共振器の条件が変化することをセンシング原理とするものである。つまり、マイクロ共振器部分に所定の孔を形成し、その孔内の物質の有無を光学的な強度に変換して判断するのである。

波長選択性を有しない光導波路は、ＳＩＭＯＸ光導波路形成法などに形成することができるシリコン光導波路を用いた構造で、シリコン基板には適用が容易である微細パターニング技術とを組み合わせてセンサーデバイスを作製したものであり、バイオ分野などへの適用が可能である。マイクロリング共振器についてもＳＩＭＯＸ形成法を適用するのがよい。

もちろん、光導波路やマイクロリング共振器は、ＳＩＭＯＸ技術を利用することに限らず、シリコン材料をベースとするその他の一般的なＳＯＩ技術を利用して形成してもよい。ＳＯＩ技術を適用することで、現在のＶＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit：大規模集積回路）製造技術を使用して、非常に微細のパターン形成が可能である。また、基板材料がガラスではなくシリコンであるので、ガラス基板のような量産性に欠ける難点はない。以下、ＳＩＭＯＸ技術を利用する場合の仕組みを、具体的に説明する。

図１に示すように、第１実施形態のバイオセンサ１は、センサ本体３と、光源５と、光源５からの光をセンサ本体３に導光する光学系７と、センサ本体３から出力される光を検知する２つの検知部９とを備えている。

センサ本体３は、シリコン基板４上に、波長選択性を有しない２本の直線状の光導波路３０（それぞれを３０ａ，３０ｂとする）と、第２の光導波路としてのリング状の光導波路３３を持つマイクロリング共振器３２とを有する。光導波路３０は、その一方を特に第１の光導波路としての入射側光導波路３０ａと称し、他方を特に第３の光導波路としての分離側光導波路３０ｂと称する。マイクロリング共振器３２を構成するリング状の光導波路３３の一部（図１ＡのＢを参照）には、所定の孔が形成されている（詳細は図１Ｃを参照）。入射側光導波路３０ａ、分離側光導波路３０ｂ、および光導波路３３の各幅Ｗ３０ａ，Ｗ３０ｂ，Ｗ３３は、たとえば２μｍ程度である。

マイクロリング共振器３２（光導波路３３）と波長選択性を有しない入射側光導波路３０ａとの組合せおよびマイクロリング共振器３２（光導波路３３）と波長選択性を有しない分離側光導波路３０ｂとの組合せにより、それぞれ波長フィルタが形成される。ここでは、それぞれで形成される各波長フィルタの特性が同じになるようにする。

図１に示すように、入射側光導波路３０ａの入射端面３１ａに入射する入射光Ｌは、共振周波数と等しくない波長の光（以下非共振光と称する）Ｌａと共振周波数と等しい波長の光（以下共振光と称する）Ｌｂとを含む。入射側光導波路３０ａのセンサ本体３の一方の端面（入射端面と称する）３１ａが光源５側となり、入射側光導波路３０ａのセンサ本体３の他方の端面（出射端面と称する）３１ｂには、入射側光導波路３０ａを直進する光（以下直進光と称する）Ｌｃを検出する検出ポートＡをなす第１の検知部９ａが設けられている。

また、図１に示す構成例では、マイクロリング共振器３２を利用して分離された光（分離光Ｌｄと称する）が分離側光導波路３０ｂ内を進行した後に分離光Ｌｄの進行方向を反転させる反転路３０ｃと、反転路３０ｃで反転された共振光Ｌｂを導光する分離側光導波路３０ｄが設けられている。分離側光導波路３０ｄのセンサ本体３の一方（出射端面３１ｂと同じ側）の端面（出射端面と称する）３１ｃには、マイクロリング共振器３２を利用して分離された光（分離光と称する）Ｌｄを検出する検出ポートＢをなす第２の検知部９ｂが設けられている。

なお、図１Ａに示す構成例のように、反転路３０ｃを設けずに、分離側光導波路３０ｂのセンサ本体３の他方（入射端面３１ａと同じ側）の端面を出射端面３１ｃとして、マイクロリング共振器３２を利用して分離された分離光Ｌｄを検出する検出ポートＢをなす第２の検知部９ｂ（図示せず）を設けるようにしてもよい。

詳細は後述するが、たとえば、入射側光導波路３０ａ側に入射した非共振光Ｌａと共振光Ｌｂを含む入射光Ｌの内、マイクロリング共振器３２と入射側光導波路３０ａの組合せによる波長フィルタによって分離された分離光Ｌｄ（＝共振光Ｌｂ）が光導波路３３内を伝搬する。分離されない非共振光Ｌａは、入射側光導波路３０ａを直進する直進光Ｌｃとなる。

光導波路３３内を伝搬した分離光Ｌｄ（＝共振光Ｌｂ）は、マイクロリング共振器３２と分離側光導波路３０ｂの組合せによる波長フィルタによって分離側光導波路３０ｂに結合される。分離側光導波路３０ｂに結合された分離光Ｌｄ（＝共振光Ｌｂ）は、分離側光導波路３０ｂ内を伝搬する。

光源５としては、たとえば、一般的なレーザ光源やＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission：自発放射増幅）光源を使用することができる。ＡＳＥ光源は、高輝度でしかも出力安定性が非常に優れており、また、広帯域でインコヒーレント光を発する光源であり、本例のような光波センシングに適した光源である。

光学系７としては、図１では簡単に集光レンズ７ａのみを示しているが、実際には、その他の光学部材が使用されることもある。光学系７は集光レンズ７ａなどで光源５から発せられた光（入射光と称する）Ｌを、センサ本体３の側面に設けられた入射端面３０ａに集光して入射させる。

図１Ｂに示すように、第１実施形態のバイオセンサ１（センサ本体３）における波長選択性を有しない入射側光導波路３０ａおよび分離側光導波路３０ｂと、マイクロリング共振器３２を構成する光導波路３３との共振結合は、各光導波路３０ａ，３０ｂとマイクロリング共振器３２を構成する光導波路３３を、ＳＩＭＯＸ法により基板の厚さ方向に積層された構成としている点に特徴を有する。このようなＳＩＭＯＸ法により形成される構造のマイクロリング共振器３２を、特に、垂直結合型（Vertical coupling ）マイクロリング共振器と称する。垂直結合型マイクロリング共振器とすることで、結合効率を安定に高めることができる（詳細は第５実施形態で説明する）。

なお、第１実施形態のセンサ本体３の入射側光導波路３０ａおよび分離側光導波路３０ｂは、ＳＯＩ技術を適用してシリコン基板４上に酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）の絶縁層を形成し、その絶縁層上にさらに単結晶シリコンＳｉの薄膜を形成し、各光導波路３０ａ，３０ｂをなす部分に所望の幅および厚さ（高さ）の尾根（ridge ／ＳＯＩ waveguide）が形成された構造をなしている。

ただしこれは一例であって、図示を割愛するが、シリコン基板４上に酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）の絶縁層を形成し、その絶縁層内の各光導波路３０ａ，３０ｂをなす部分に所望の幅および厚さ（高さ）の薄膜が形成されたストリップワイヤ（ＳＯＩ waveguide）とする構造のものとしてもよい。

図１Ｃに示すように、マイクロリング共振器３２を構成する光導波路３３の一部（図１のＢ部分）には、所定の大きさ・形状の孔３４（本例では４個）が形成されている。孔３４の深さＤ３４は、マイクロリング共振器３２を構成する光導波路３３の深さＤ３３に比較して、若干浅く形成した図を記載しているが、この孔３４の深さＤ３４は、孔３４に物質が入っている場合と入っていない場合とで、光導波路３３の損失の値が変化する程度であればよい。

図１Ｃに示すように、孔３４が形成された部分を除く他の部分は、外部の環境変化の影響を受け難くするために、保護膜３６が形成されている。第１実施形態のバイオセンサ１（センサ本体３）の保護膜３６としては、４個の孔３４を纏めた領域３４ａよりも大きな開口部３６ａを保護膜３６に設けた構造にしている。このような構造の場合、各孔３４を纏めた領域３４ａよりも大きな開口部３６ａを形成すればよいので、マイクロリング共振器３２の孔３４が設けられている部分Ｂに開口部３６ａを形成するのが容易である。反面、各孔３４には入り切らない形状・大きさの物質が丁度孔３４の上の載ったときにも僅かではあるが孔３４内に物質が少し入った状態となり得るために、共振条件が若干変動し、Ｃ／Ｎ比（Carrier to Noise ratio）の面では不利である（後述する図６と比較するとよい）。

図１Ｃに示した例では、同一形状・同一径の孔３４を４個設けているが、これは一例に過ぎず、図１Ｄに示すように、形状・径、配置数は適宜決定すればよい。たとえば、図１Ｄ（Ａ）に示す第１変形例では、分析対象物の形状に対応した孔３４を１つ設けている。図示のように、その孔３４の光導波路３３の幅方向の径は、マイクロリング共振器３２を構成する光導波路３３の幅Ｗ３３より大きくても差し支えない。

図１Ｄ（Ｂ）に示す第２変形例では、光導波路３３の幅Ｗ３３よりも小さな所定径φ３４（φ３４＜Ｗ３３）の円形の孔３４を３個、マイクロリング共振器３２の長手方向（リング方向）に一列に配置している。

図１Ｄ（Ｃ）に示す第３変形例では、光導波路３３の幅Ｗ３３よりも小さな所定径φ３４（φ３４＜Ｗ３３）の円形の孔３４を３個、光導波路３３の幅方向に一列に配置している。

図１Ｄ（Ｄ）に示す第４変形例は、図１Ｄ（Ｂ）と図１Ｄ（Ｃ）とを組み合わせた態様であり、光導波路３３の幅Ｗ３３よりも小さな所定径φ３４（φ３４＜Ｗ３３）の円形の孔３４を７個、光導波路３３の長手方向（リング方向）と光導波路３３の幅方向の領域（７個の孔３４を囲む点線で示す略円領域）において、概ね均等配置となるようにしている。

何れの場合も、２μｍ程度の幅Ｗ３３を持つ光導波路３３の所定部分Ｂ（実質的なセンサ面積部分）に孔３４を形成すればよく、非特許文献２に記載の仕組みとは異なり、分解能を高める場合であっても、多くの試験サンプルを要求するという欠点は存在しない。

第１実施形態（後述する他の実施形態も同様）のバイオセンサ１は、センサ本体３に設けたマイクロリング共振器３２の有する敏感なセンシング機能を応用したものであり、マイクロリング共振器３２に形成された孔３４に入ることのできる被分析物が孔３４に配置した場合（ほぼ入りきった場合）において、マイクロリング共振器３２の共振条件が変化することをセンシング原理としている。

マイクロリング共振器３２の一部に分析を行ないたい物質に対応した孔３４を形成し、ある波長の光（共振光Ｌｂ）がマイクロリング共振器３２の光導波路３３と共振結合するように配置された波長選択性を有しない入射側光導波路３０ａの入射端面３１ａに入射光Ｌを入射し、孔３４の中に被分析物が存在するか否かの測定を、マイクロリング共振器３２の損失が変化するものとして検知部９により検知する。

次に、マイクロリング共振器３２の光導波路３３に設けた孔３４に被分析物が存在するか否かの測定を、検知部９にて行なう仕組みについて説明する。

＜被分析物が存在しない場合＞
図２〜図２Ｃは、マイクロリング共振器３２の光導波路３３に設けた孔３４に被分析物４０が存在しない場合のバイオセンサ１の動作を説明する図である。ここで、図２は、被分析物４０が孔３４上に配置している状態を示す図である。図２Ａは、孔３４に被分析物４０が存在しない場合における非共振光Ｌａと共振光Ｌｂの伝搬状態を説明する図である。図２Ｂは、孔３４に被分析物４０が存在しない場合における第１の検知部９ａによる検知特性を説明する図である。図２Ｃは、孔３４に被分析物４０が存在しない場合における第２の検知部９ｂによる検知特性を説明する図である。

本例は、マイクロリング共振器３２のＢ部分に形成されている孔３４に入ることのできない粒子が存在する場合に相当する。マイクロリング共振器３２の孔３４内には物質が存在しないので、光導波路３３にはｎ＝１（空気の屈折率）あるいはｎ＝約１．３（溶媒の屈折率）を有する孔形状に応じた摂動が加わっていることとなり、孔３４が形成された光導波路３３（Ｂの部分）の損失がとても大きい状態となっている。

したがって、本来、マイクロリング共振器３２の損失が小さく、マイクロリング共振器３２（光導波路３３）と波長選択性を有しない入射側光導波路３０ａや分離側光導波路３０ｂとの組合せによる波長フィルタは機能しないこととなる。

つまり、図２Ａに示すように、マイクロリング共振器３２の共振周波数と等しい波長の光（共振光Ｌｂ）は、非常に少ない結合効率でしかマイクロリング共振器３２の光導波路３３部分を導波しないこととなる（分離され導波された成分である分離光Ｌｄを共振光Ｌｂ１とする）。よって、マイクロリング共振器３２の共振周波数でない波長の光（非共振光Ｌａ）と同様に、共振光Ｌｂの殆ど（共振光Ｌｂ２）が直進する直進光Ｌｃとなる。

結果的には、検出ポートＡにおける第１の検知部９ａによる出力光（非共振光Ｌａおよび共振光Ｌｂ２について）の光強度は、図２Ｂに示すように、変動が小さくなる。

また検出ポートＢにおける第２の検知部９ｂによる出力光（共振光Ｌｂ１について）の光強度は、図２Ｃに示すように、とても少ない。

＜被分析物が存在する場合＞
図３〜図３Ｃは、マイクロリング共振器３２の光導波路３３に設けた孔３４に被分析物４０が存在する場合のバイオセンサ１の動作を説明する図である。ここで、図３は、被分析物４０が孔３４内に配置している状態を示す図である。図３Ａは、孔３４に被分析物４０が存在する場合における非共振光Ｌａと共振光Ｌｂの伝搬状態を説明する図である。図３Ｂは、孔３４に被分析物４０が存在する場合における第１の検知部９ａによる検知特性を説明する図である。図３Ｃは、孔３４に被分析物４０が存在する場合における第２の検知部９ｂによる検知特性を説明する図である。

本例は、マイクロリング共振器３２のＢ部分に形成されている孔３４に入ることのできる粒子が存在する場合に相当する。マイクロリング共振器３２の孔３４内には物質が存在することとなるので、孔３４部分の屈折率が、光導波路３３にはｎ＝１（空気の屈折率）あるいはｎ＝約１．３（溶媒の屈折率）の場合に比較して大きくなるので（Ｓｉの屈折率に比較的近くなるので）、孔３４が形成された光導波路３３部分の屈折率の摂動は物質が存在しない場合に比較して小さくなる。

したがって、マイクロリング共振器３２の損失が小さくなり、マイクロリング共振器３２（光導波路３３）と波長選択性を有しない入射側光導波路３０ａや分離側光導波路３０ｂとの組合せによる波長フィルタは機能し始めることとなる。

つまり、図３Ａに示すように、マイクロリング共振器３２の共振周波数と等しい波長の光（共振光Ｌｂ）は、非常に大きな結合効率でマイクロリング共振器３２の光導波路３３部分を導波することとなる（分離され導波された成分である分離光Ｌｄを共振光Ｌｂ１とする）。よって、共振光Ｌｂの殆ど（共振光Ｌｂ１）が分離側光導波路３０ｂ側へ分離され、マイクロリング共振器３２の共振周波数でない波長の光（非共振光Ｌａ）と同様に直進光Ｌｃとなる成分（共振光Ｌｂ２）は非常に少なくなる。要するに、マイクロリング共振器３２の共振周波数と等しい波長の光（共振光Ｌｂ）の大部分は、検出ポートＢの方に出力されるようになる。

結果的には、検出ポートＡにおける第１の検知部９ａによる出力光（非共振光Ｌａおよび共振光Ｌｂ２について）の光強度は、図３Ｂに示すように、変動が大きくなる。

また検出ポートＢにおける第２の検知部９ｂによる出力光（共振光Ｌｂ１について）の光強度も、図３Ｃに示すように、変動が大きくなる。

＜被分析物の有無の判別＞
結果的に、検出ポートＡにおける第１の検知部９ａで検知される出力光の波長特性および検出ポートＢにおける第２の検知部９ｂで検知される波長特性は、被分析物４０が孔３４内に存在するか否かの違いにより変化する。

すなわち、検出ポートＡの出力あるいは検出ポートＢの出力のどちらかを監視（モニタリング）することにより、孔３４に被分析物４０があるかどうかの違いを検出することができることとなる。

第１実施形態のバイオセンサ１は、検出ポートＡと検出ポートＢの双方で検知する構造にしている。この場合、２つのセンサを用いることにより、データの信頼性が向上する。具体的には、２つのポートＡ，Ｂの光信号を比較することにより被分析物により吸収される波長スペクトルも容易に得ることができ、物質を特定する際の信頼性が向上する効果が得られる。

なお、第１実施形態のバイオセンサ１においては、センサ本体３の入射側光導波路３０ａに入射させる入射光Ｌの波長は、図２Ｂおよび図２Ｃに示したように、ブロード波長の光を入力していた。しかしながらこのことは必須ではなく、原理的には、共振する波長のみを入力すれば物質の有無を検知することができることとなる。しかしながら、実際には、孔３４に入り込む被分析物４０の屈折率変化などの共振条件にばらつきを持たせる要因を考慮すると、複数の波長の光を入力する方が精度が向上する。

＜＜第２実施形態＞＞
図４および図４Ａは、本発明の物質検知装置の一実施形態を適用したバイオセンサ１の第２実施形態を説明する図である。ここで、図４は、第２実施形態のバイオセンサ１の全体構造（本体と光源など）を示す斜視図である。図４Ａは、第２実施形態のバイオセンサ１のセンサ本体３の平面図である。

第２実施形態のバイオセンサ１は、第１実施形態のバイオセンサ１に対して、センサ本体３の分離側光導波路３０ｂ（関連する反転路３０ｃや分離側光導波路３０ｄも）を取り外して、検出ポートＡのみで孔３４に被分析物４０があるかどうかの違いを検出する構造にしたものである。センサ本体３には分離側光導波路３０ｂを設けていないので、第２実施形態のバイオセンサ１としては、第２の検知部９ｂを設けていない。

検出ポートＡのみで被分析物４０の有無を検知する構造にした第２実施形態のバイオセンサ１は、センサが１つであるので、低コスト化が可能となる効果が得られる。

なお、第２実施形態のバイオセンサ１においては、センサ本体３の入射側光導波路３０ａに入射させる入射光Ｌの波長は、図３Ｂおよび図３Ｃに示したように、ブロード波長の光を入力していた。しかしながらこのことは必須ではなく、第１実施形態と同様に、原理的には、共振する波長のみを入力すれば物質の有無を検知することができることとなる。しかしながら、実際には、孔３４に入り込む被分析物４０の屈折率変化などの共振条件にばらつきを持たせる要因を考慮すると、複数の波長の光を入力する方が精度が向上する。

＜＜第３実施形態＞＞
図５は、本発明の物質検知装置の一実施形態を適用したバイオセンサ１の第３実施形態を説明する図である。ここで、図５は、第３実施形態のバイオセンサ１のセンサ本体３の平面図である。

第３実施形態のバイオセンサ１は、第２実施形態のバイオセンサ１に対して、入射光Ｌを単波長にする場合においても精度を向上させる仕組みとしたものであり、センサ本体３に第２の光導波路としてのリング状の光導波路３３を持つマイクロリング共振器３２を複数設けるようにした点に特徴を有する。図示した例では、入射側光導波路３０ａの長手方向（光伝搬方向）に沿って、マイクロリング共振器３２を２つ（それぞれを３２ａ，３２ｂとする）設けているが、これは一例に過ぎず、配置数は適宜決定すればよい。

図示を割愛するが、図１Ｃや図１Ｄに示した例と同様に、各マイクロリング共振器３２ａ，３２ｂを構成する光導波路３３（それぞれを３３ａ，３３ｂとする）の一部（図５のＢａ，Ｂｂ部分）には、所定の大きさ・形状の孔３４を形成する。

入射端面３１ａ側のマイクロリング共振器３２ａ（光導波路３３ａ）と波長選択性を有しない入射側光導波路３０ａとの組合せおよび出射端面３１ｂ側のマイクロリング共振器３２ｂ（光導波路３３ｂ）と波長選択性を有しない分離側光導波路３０ｂとの組合せにより、それぞれ波長フィルタが形成される。ここでは、それぞれで形成される各波長フィルタの特性が異なるものとする。つまり、各マイクロリング共振器３２ａ，３２ｂでの共振周波数が異なるものとする。

このように、共振周波数の異なる複数のマイクロリング共振器３２（本例ではマイクロリング共振器３２ａ，３２ｂ）を入射側光導波路３０ａの光伝搬方向に沿って配置すると、入射光Ｌが単波長であっても検出精度を向上させることができる。マイクロリング共振器３２ａ，３２ｂの何れかの共振周波数近くに該当すれば、バイオセンサ１の機能を満たすことができる、すなわち、被分析物４０が孔３４内に存在するか否かの違いを検知することができるからである。

＜＜第４実施形態＞＞
図６は、本発明の物質検知装置の一実施形態を適用したバイオセンサ１の第４実施形態を説明する図である。ここで、図６は、第４実施形態のバイオセンサ１のセンサ本体３におけるマイクロリング共振器を構成する光導波路の一部（図１ＡのＢ部分相当）に形成された孔３４および保護膜３６の断面構成を説明する図である。

第４実施形態のバイオセンサ１は、第１〜第３実施形態のバイオセンサ１に対して、センサ本体３におけるマイクロリング共振器３２の光導波路３３に設ける孔３４および保護膜３６の断面構成に変形を加えた点に特徴を有する。すなわち、図６に示すように、孔３４が形成された部分を除く他の部分は、図１Ｃに示したものよりもさらに外部の環境変化の影響を受け難くするために、保護膜３６としては、４個の孔３４のそれぞれに対応する開口部３６ｂを保護膜３６に設けた構造にしている。

このような第４実施形態の構造の場合、各孔３４のそれぞれに、各孔３４の径φ３４とほぼ同一もしくは少しだけ大きな径φ３６の開口部３６ｂを各別に形成しなければならないので、マイクロリング共振器３２の孔３４が設けられている部分Ｂに保護膜３６を形成するのが難しくなる。反面、各孔３４には入り切らない形状・大きさの物質が丁度孔３４の上の載ったときは、先ず保護膜３６の開口部３６ａ上にその物質が載ることになるので、孔３４内に物質が少し入った状態となることを避けることができるために、図１Ｃに示したものとは異なり共振条件の微小変動が起きず、Ｃ／Ｎ比の面では有利である。

なお、図６（Ａ）に示す第１例は、各孔３４の径φ３４とほぼ同一の径φ３６の開口部３６ｂを設けた場合であり、図６（Ｂ）に示す第２例は、各孔３４の径φ３４よりも少し大きな径の開口部３６ｂを、孔３４ごとに各別に設けた場合である。第１例のように、開口部３６ｂの径φ３６を各孔３４の径φ３４とほぼ同一にすると、分析対象である物質（被分析物４０）が孔３４内に配置される現象を阻害する懸念が生じる。一方、第２例のように、開口部３６ｂの径φ３６を各孔３４の径φ３４よりも少し大きくすると、分析対象である物質（被分析物４０）が孔３４内に配置される現象を阻害する懸念を緩和することができる。

こう言った点では、各孔３４に対して各別に開口部３６ｂを設ける場合、その径φ３６は、分析対象である物質（被分析物４０）が孔３４内に配置される現象を極端に阻害しない程度で、またＣ／Ｎ比に影響を与えない程度に設定すればよいことになる。

＜＜第５実施形態＞＞
図７および図７Ａは、本発明の物質検知装置の一実施形態を適用したバイオセンサ１の第５実施形態を説明する図である。ここで、図７は、第５実施形態のバイオセンサ１のセンサ本体３の平面図である。図７Ａは、図７のセンサ本体３の断面図（図７のＡ−Ａ’線）である。図７Ｂは、第１および第５実施形態のバイオセンサ１の各センサ本体３の相違を説明する図である。

図７および図７Ａに示すように、第５実施形態のバイオセンサ１（センサ本体３）における波長選択性を有しない入射側光導波路３０ａおよび分離側光導波路３０ｂと、マイクロリング共振器３２を構成する光導波路３３との共振結合は、各光導波路３０ａ，３０ｂとマイクロリング共振器３２を構成する光導波路３３を、基板の平面方向に並べて配置された構成としている点に特徴を有する。このよう構造のマイクロリング共振器３２を、特に、面内結合型（Lateral coupling）マイクロリング共振器と称する。

面内結合型マイクロリング共振器とすることで、ＳＩＭＯＸを用いずに露光技術を適用した単純なエッチング工程によりマイクロリング共振器３２を形成できる利点がある。反面、図７Ｂに示すように、垂直結合型マイクロリング共振器に比べて結合効率が低下する。

すなわち、図７Ｂに示す結合効率の特性図から理解されるように、結合効率はギャップに大きく左右され、共振結合部分のギャップが０．１μｍ程度では結合効率が０．４以上あるが、ギャップが０．１５μｍ程度以上になると結合効率が極端に小さくなる。そういった点では、ギャップを０．１μｍ程度以下となるように管理する必要がある。

垂直結合型マイクロリング共振器は、酸素イオン注入によるＳＯＩ作成技術であるＳＩＭＯＸ技術で生成できるので、露光技術を適用して製造される面内結合型マイクロ共振器に比較して、リング状の光導波路３３と直線状の光導波路３０（入射側光導波路３０ａや分離側光導波路３０ｂ）との距離（ギャップ：gap ）を露光精度に依存することなく均一に形成することができるので、ギャップを０．１μｍ程度以下となるように管理することが可能であり、結合効率を安定に高めることに適している。

第１実施形態のバイオセンサの全体構造を示す斜視図である。 第１実施形態のセンサ本体の平面図である。 図１Ａのセンサ本体の断面図（図１ＡのＡ−Ａ’線）である。 第１実施形態のマイクロリング共振器を構成する光導波路の一部（図１ＡのＢ部分）に形成された孔および保護膜の断面構成を説明する図である。 孔の形状や配置数の変形例を示す図である。 マイクロリング共振器の光導波路に設けた孔内に被分析物が存在しない状態を示す図である。 非共振光と共振光の伝搬状態を説明する図である。 孔内に被分析物が存在しない場合における第１の検知部による検知特性を説明する図である。 孔内に被分析物が存在しない場合における第２の検知部による検知特性を説明する図である。 マイクロリング共振器の光導波路に設けた孔内に被分析物が存在する状態を示す図である。 孔内に被分析物が存在する場合における非共振光と共振光の伝搬状態を説明する図である。 孔内に被分析物が存在する場合における第１の検知部による検知特性を説明する図である。 孔内に被分析物が存在する場合における第２の検知部による検知特性を説明する図である。 第２実施形態のバイオセンサの全体構造を示す斜視図である。 第２実施形態のセンサ本体の平面図である。 第３実施形態のバイオセンサのセンサ本体の平面図である。 第４実施形態のバイオセンサのセンサ本体におけるマイクロリング共振器を構成する光導波路の一部（図１ＡのＢ部分相当）に形成された孔および保護膜の断面構成を説明する図である。 第５実施形態のバイオセンサのセンサ本体の平面図である。 図７のセンサ本体の断面図（図１ＡのＡ−Ａ’線）である。 第１および第５実施形態のバイオセンサの各センサ本体の相違を説明する図である。

符号の説明

１…バイオセンサ（物質検知装置の一例）、３…センサ本体、３０…光導波路、３０ａ…入射側光導波路、３０ｂ，３０ｄ…分離側光導波路、３０ｃ…反転路、３１ａ…入射端面、３１ｂ…出射端面、３１ｃ…出射端面、３２，３２ａ，３２ｂ…マイクロリング共振器、３３，３３ａ，３３ｂ…光導波路、３４…孔、３６…保護膜、３６ａ，３６ｂ…開口部、４…シリコン基板、４０…被分析物、５…光源、７…光学系、７ａ…集光レンズ、９…検知部、９ａ…第１の検知部、９ｂ…第２の検知部、Ｌ…入射光、Ｌａ…非共振光、Ｌｂ…共振光、Ｌｃ…直進光、Ｌｄ…分離光

Claims (9)

1. 波長選択性を有しない第１の光導波路と共振結合する位置に配置された第２の光導波路を具備するマイクロリング共振器の前記第２の光導波路に検出対象の物質が入り得る孔を設け、
   前記第１の光導波路に共振周波数と等しい波長の光を含む入射光を入射し、前記第１の光導波路を伝搬した光および／または前記マイクロリング共振器による共振結合に基づく光の強度を検出することで、前記孔に検出対象の物質が存在するか否かを判定する
   ことを特徴とする物質検知方法。
2. 波長選択性を有しない第１の光導波路と、
   前記第１の光導波路と共振結合する位置に配置された、検出対象の物質が入り得る孔が形成されている第２の光導波路を具備するマイクロリング共振器と、
   前記第１の光導波路に共振周波数と等しい波長の光を含む入射光を入射する光源と、
   前記第１の光導波路を伝搬した光および／または前記マイクロリング共振器による共振結合により前記第２の光導波路に伝搬された光の強度を検出する検知部と
   を備え、
   前記検知部で検知された光強度に基づいて、前記孔に検出対象の物質が存在するか否かを判定する
   ことを特徴とする物質検知装置。
3. 前記検知部は、前記第１の光導波路を伝搬した光の強度を検出する第１の検知部と、前記マイクロリング共振器による共振結合により前記第２の光導波路に伝搬された光の強度を検出する第２の検知部とを有し、
   前記第１および第２の各検知部で検知されたそれぞれの光強度に基づいて、前記孔に検出対象の物質が存在するか否かを判定する
   ことを特徴とする請求項２に記載の物質検知装置。
4. 波長選択性を有しない第１の光導波路と、
   前記第１の光導波路と共振結合する位置に配置された第２の光導波路を具備するマイクロリング共振器とを備え、
   前記第２の光導波路には、検出対象の物質が入り得る孔が形成されている
   ことを特徴とする物質検知装置の本体。
5. 前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とは、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）技術によって形成されたものである
   ことを特徴とする請求項４に記載の物質検知装置の本体。
6. 前記第１の光導波路と前記第２の光導波路は、ＳＩＭＯＸ（サイモックス）技術によって形成され、シリコンと酸化シリコンが基板の厚さ方向に積層された構成を持つ
   ことを特徴とする請求項５に記載の物質検知装置の本体。
7. 前記第２の光導波路と共振結合する位置に配置され、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間での共振結合により前記第２の光導波路に伝搬された光を、さらに共振結合により導光し伝搬する第３の光導波路
   を備えたことを特徴とする請求項４に記載の物質検知装置の本体。
8. 前記第１の光導波路の光伝搬方向に沿って、複数の前記第２の光導波路が設けられ、
   それぞれの第２の光導波路による共振結合の特性が異なる
   ことを特徴とする請求項４に記載の物質検知装置の本体。
9. 前記第２の光導波路上の前記孔が形成されている部分以外の領域には、外部の環境変化の影響を受け難くするための保護膜が形成されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の物質検知装置の本体。

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