JP2016061815A - Optical resonator structure - Google Patents

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雄一 樋口
Yuichi Higuchi
雄一 樋口
弦 岩崎
Gen Iwasaki
弦 岩崎
知巳 阪田
Tomomi Sakata
知巳 阪田
祐子 上野
Yuko Ueno
祐子 上野
靖彦 石川
Yasuhiko Ishikawa
靖彦 石川
格郎 平井
Kakuro Hirai
格郎 平井
貴裕 荒木
Takahiro Araki
貴裕 荒木
一実 和田
Kazumi Wada
一実 和田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical resonator structure such that detection sensitivity can be improved by using a photonic crystal by silicon easily manufactured.SOLUTION: Within a band in the vicinity of a band (PBG) end of a photonic band gap of a resonance portion 103, a period and diameter of a first hole portion 131 are set in a state where the optical energy of a target wavelength is available. In addition, within a photonic band gap of reflection portions, 104, 105, periods and diameters of second hole portions 141, 151 are set in a state where the optical energy of a target wavelength is available.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、シリコンからなるコアにより光共振器を構成した光共振器構造に関する。   The present invention relates to an optical resonator structure in which an optical resonator is constituted by a core made of silicon.

蛍光分子を標識剤とする蛍光ラベルにより特定分子を検出する蛍光型バイオセンサと異なり、ラベルフリーで光学的に分子検出を行うバイオセンサの研究開発が、人体の化学物質の分析や病気の早期発見などの医療応用の観点で進められている。ラベルフリーで光学的に分子検出を実施する技術として、例えば、表面プラズモン共鳴(surface plasmon resonance:SPR)測定器を用いた測定がある。SPR測定器は、分子吸着による屈折率/反射率変化を検出できる。この技術は、生化学研究で広く用いられているが、小型化に難がある。専門家による分析を必要とせず、家庭で簡便に利用できるバイオセンサには、小型化・低価格化が必須であり、エレクトロニクス同様、LSI(Large Scale Integration)の加工技術を用いてチップ上に機能集積したセンサが望ましい。   Unlike fluorescent biosensors that detect specific molecules using fluorescent labels that use fluorescent molecules as labeling agents, research and development of biosensors that perform molecular detection optically without labeling are used to analyze chemical substances in the human body and detect diseases early. It is advanced from the viewpoint of medical application. As a technique for performing molecular detection optically without labeling, for example, there is measurement using a surface plasmon resonance (SPR) measuring device. The SPR measuring device can detect a change in refractive index / reflectance due to molecular adsorption. Although this technology is widely used in biochemical research, it is difficult to reduce the size. Biosensors that do not require expert analysis and can be used easily at home require downsizing and cost reduction, and, like electronics, function on the chip using LSI (Large Scale Integration) processing technology. An integrated sensor is desirable.

今日まで、LSIの加工技術を用いて作製された光学的手法によるセンサチップが報告されている。例えば、板状のシリコン層を、数100nmの幅・高さの矩形断面をもつ細線に加工したシリコン光導波路をベースに、μmサイズの直径の微小リング光共振器を構成したセンサがある(非特許文献1参照)。抗原抗体反応により光導波路表面に選択的に分子が吸着することによって、屈折率に変化が生じ、光の透過率が変化することで分子を捉えることが可能となる。透過率の変化は、共振の起こる波長(共振波長)がシフトすることによる。   To date, sensor chips based on optical techniques manufactured using LSI processing technology have been reported. For example, there is a sensor in which a micro ring optical resonator having a diameter of μm is formed on the basis of a silicon optical waveguide obtained by processing a plate-like silicon layer into a thin wire having a rectangular cross section with a width and height of several hundreds of nanometers. Patent Document 1). By selectively adsorbing molecules on the surface of the optical waveguide due to the antigen-antibody reaction, the refractive index changes, and the light can be captured by changing the light transmittance. The change in transmittance is due to the shift of the wavelength at which resonance occurs (resonance wavelength).

また、シリコンスラブに周期的に穴を形成したフォトニック結晶(PhC)において、一部に穴の大きさを変えた点欠陥を設けて光共振器として動作させること(非特許文献2)により、分子吸着を捉えることが可能である。   Further, in a photonic crystal (PhC) in which holes are periodically formed in a silicon slab, a point defect having a hole size changed in part is provided to operate as an optical resonator (Non-Patent Document 2). It is possible to capture molecular adsorption.

T.Claes et al. , "Experimental characterization of a silicon photonic biosensor consisting of two cascaded ring resonators based on the Vernier-effect and introduction of a curve fitting method for an improved detection limit", Optics Express, vol.18, no.22, pp.22747-22761,2010.T. Claes et al., "Experimental characterization of a silicon photonic biosensor consisting of two cascaded ring resonators based on the Vernier-effect and introduction of a curve fitting method for an improved detection limit", Optics Express, vol.18, no. 22, pp.22747-22761,2010. M. R. Lee and P. M. Fauchet, "Nanoscale microcavity sensor for single particle detection", Optics Letters, vol.32, no.22, pp.3284-3286, 2007.M. R. Lee and P. M. Fauchet, "Nanoscale microcavity sensor for single particle detection", Optics Letters, vol.32, no.22, pp.3284-3286, 2007. J. T. Robinson et al. , "On-chip gas detection in silicon optical microcavities", Optics Express, vol.16, no.6, pp.4296-4301,2008.J. T. Robinson et al., "On-chip gas detection in silicon optical microcavities", Optics Express, vol.16, no.6, pp.4296-4301,2008.

しかしながら、上述した共振器では、光のパワーが主にシリコン中に閉じ込められており、導波路から弱くしみ出したエバネッセント波で表面に吸着した分子を捉えているため、SPR測定に比べると感度(検出濃度の下限)に難がある。ここで、検出感度の向上には、シリコンによる微小リング光共振器やフォトニック結晶を用いた共振器のQ値(quality factor)を高くすることが有効である。しかしながら、現状は、主に、導波路側壁の粗を原子レベルで低減する超精密加工によって、共振器のQ値の向上を図っている。この加工は容易ではなく、従来では、Q値を向上させることが容易ではないという問題があった。   However, in the above-described resonator, the power of light is mainly confined in silicon, and the molecules adsorbed on the surface by evanescent waves that ooze out weakly from the waveguide are captured. Therefore, the sensitivity ( The lower limit of the detected concentration is difficult. Here, in order to improve the detection sensitivity, it is effective to increase the Q value (quality factor) of a micro ring optical resonator made of silicon or a resonator using a photonic crystal. However, at present, the Q value of the resonator is improved mainly by ultra-precision machining that reduces the roughness of the waveguide side wall at the atomic level. This processing is not easy, and conventionally, there is a problem that it is not easy to improve the Q value.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、容易に製造できるシリコンによるフォトニック結晶を用い、検出感度が向上できるようにすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to improve detection sensitivity by using a photonic crystal made of silicon that can be easily manufactured.

本発明に係る光共振器構造は、クラッド層の上に形成されたシリコンからなるコアと、コアの一部に配置される共振部と、共振部を挟んでコアに形成された2つの反射部と、コアの延在方向に周期的に1列に配列されてクラッド層の法線方向に柱状とされ、共振部のコアに形成された複数の第1穴部と、コアの延在方向に周期的に1列に配列されてクラッド層の法線方向に柱状とされ、反射部のコアに形成された複数の第2穴部とを備え、共振部のフォトニックバンドギャップのバンド端近傍のバンド内に、対象とする波長の光のエネルギーがある状態に、第1穴部の周期および径が設定され、反射部のフォトニックバンドギャップ内に、対象とする波長の光のエネルギーがある状態に第2穴部の周期および径が設定されている。   An optical resonator structure according to the present invention includes a silicon core formed on a clad layer, a resonance part disposed in a part of the core, and two reflection parts formed in the core with the resonance part interposed therebetween. A plurality of first holes that are periodically arranged in a row in the extending direction of the core and formed in a column shape in the normal direction of the cladding layer, and in the extending direction of the core. A plurality of second holes that are periodically arranged in a row and are columnar in the normal direction of the clad layer, and formed in the core of the reflective portion, near the band edge of the photonic band gap of the resonant portion A state where the period and diameter of the first hole are set in a state where there is light energy of the target wavelength in the band, and there is light energy of the target wavelength in the photonic band gap of the reflection unit The period and the diameter of the second hole are set.

上記光共振器構造において、コアは、断面形状が矩形とされていればよい。   In the optical resonator structure, the core may have a rectangular cross-sectional shape.

以上説明したことにより、本発明によれば、容易に製造できるシリコンによるフォトニック結晶を用い、検出感度が向上できるようになるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an excellent effect that detection sensitivity can be improved by using a photonic crystal made of silicon that can be easily manufactured.

図1は、本発明の実施の形態における光共振器構造の構成を示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of an optical resonator structure according to an embodiment of the present invention. 図2は、フォトニックバンドギャップの上端より大きなエネルギーのバンドにエネルギーがある光、およびフォトニックバンドギャップの上端より大きなエネルギーのバンドにエネルギーがある光のコア202および穴部203における分布の状態を説明するための説明図である。FIG. 2 shows the state of distribution in the core 202 and the hole 203 of light having energy in an energy band larger than the upper end of the photonic band gap and light having energy in an energy band larger than the upper end of the photonic band gap. It is explanatory drawing for demonstrating. 図3は、コア102による光導波路を導波する光が共振部103および反射部104,105を透過した後の光の強度を示す特性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram showing the intensity of light after the light guided through the optical waveguide formed by the core 102 passes through the resonance unit 103 and the reflection units 104 and 105. 図4は、共振部103における第1穴部131の数とQ値との関係を示す特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the number of first holes 131 in the resonance unit 103 and the Q value. 図5は、共振部103における第1穴部131の数とS×Q値(FOM)との関係を示す特性図である。FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the number of first holes 131 in the resonance unit 103 and the S × Q value (FOM).

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態における光共振器構造の構成を示す構成図である。図1の(a)は平面を示している。図1の(b)は、図1の(a)の断面を示している。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of an optical resonator structure according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A shows a plane. FIG. 1B shows a cross section of FIG.

この光共振器構造は、クラッド層101の上に形成されたシリコンからなるコア102を備える。コア102は、断面視矩形とされ、例えば、断面視で幅400nm、厚さ220nmとされている。コア102には、共振部103および2つの反射部104,反射部105が形成されている。反射部104,反射部105は、共振部103を挟んで配置されている。   This optical resonator structure includes a core 102 made of silicon formed on a clad layer 101. The core 102 has a rectangular shape in sectional view, and has a width of 400 nm and a thickness of 220 nm in sectional view, for example. In the core 102, a resonance part 103 and two reflection parts 104 and 105 are formed. The reflection unit 104 and the reflection unit 105 are arranged with the resonance unit 103 interposed therebetween.

また、共振部103のコア102には、複数の第1穴部131が形成されている。第1穴部131は、クラッド層101の法線方向に伸びる柱状とされている。また、第1穴部131は、コア102の延在方向に周期的に1列に配列されている。   A plurality of first holes 131 are formed in the core 102 of the resonance unit 103. The first hole 131 has a columnar shape extending in the normal direction of the cladding layer 101. Further, the first hole portions 131 are periodically arranged in one row in the extending direction of the core 102.

また、反射部104,105にも、複数の第2穴部141,151が形成されている。第2穴部141,151も、クラッド層101の法線方向に伸びる柱状とされている。また、第2穴部141,151も、コア102の延在方向に周期的に1列に配列されている。   In addition, a plurality of second hole portions 141 and 151 are also formed in the reflection portions 104 and 105. The second hole portions 141 and 151 are also columnar shapes extending in the normal direction of the cladding layer 101. The second hole portions 141 and 151 are also periodically arranged in one row in the extending direction of the core 102.

ここで、本発明の実施の形態では、共振部103のフォトニックバンドギャップのバンド(PBG)端近傍のバンド内に、対象とする波長の光のエネルギーがある状態に、第1穴部131の周期および径が設定されている。言い換えると、第1穴部131の穴径およびこれらの配置周期により決定されるフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップのバンド端近傍のバンド内に、対象とする波長の光のエネルギーが存在する状態とする。例えば、コア102の厚さが220nm、幅が400nmのとき、第1穴部131は、周期440nmとされ、半径が周期×0.175(nm)とされている。   Here, in the embodiment of the present invention, the first hole 131 is in a state where there is energy of light of the target wavelength in the band near the band (PBG) end of the photonic band gap of the resonator 103. Period and diameter are set. In other words, the energy of light of the target wavelength exists in the band near the band edge of the photonic band gap of the photonic crystal determined by the hole diameter of the first hole 131 and the arrangement period thereof. To do. For example, when the core 102 has a thickness of 220 nm and a width of 400 nm, the first hole 131 has a period of 440 nm and a radius of a period × 0.175 (nm).

また、反射部104,105のフォトニックバンドギャップ内に、対象とする波長の光のエネルギーがある状態に第2穴部141,151の周期および径が設定されている。言い換えると、第2穴部141,151の穴径およびこれらの配置周期により決定されるフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内に、対象とする波長の光のエネルギーが存在する状態とする。例えば、第2穴部141,151は、周期430nmとされ、半径が周期×0.225(nm)とされている。   Further, the periods and diameters of the second hole portions 141 and 151 are set so that the energy of light having a target wavelength exists within the photonic band gap of the reflecting portions 104 and 105. In other words, the energy of the light of the target wavelength exists in the photonic band gap of the photonic crystal determined by the hole diameters of the second hole portions 141 and 151 and their arrangement period. For example, the second hole portions 141 and 151 have a period of 430 nm and a radius of period × 0.225 (nm).

上記各寸法とすることで、波長1.55μm域で動作する光共振器構造とすることができる。なお、第1穴部131および第2穴部141,151は、周囲のコア部とは、屈折率が異なる状態となる。   By setting each of the above dimensions, an optical resonator structure operating in a wavelength range of 1.55 μm can be obtained. Note that the first hole 131 and the second holes 141 and 151 have different refractive indexes from the surrounding core.

ここで、フォトニックバンドギャップの上端より大きなエネルギーのバンド(Air band)にエネルギーがある光は、図2の(b)の光分布に示すように、クラッド層201の上に形成されたシリコンからなるコア202に形成されている、屈折率のより小さい穴部203内部に多く存在するようになる。これに対し、フォトニックバンドギャップの下端より小さなエネルギーのバンド(Dielectric band)にエネルギーがある光は、図2の(c)の光分布に示すように、穴部203の周囲の、屈折率のより大きいコア202に存在するようになる。   Here, light having energy in an energy band (Air band) larger than the upper end of the photonic band gap is generated from silicon formed on the cladding layer 201 as shown in the light distribution of FIG. A large number of holes 203 having a smaller refractive index are formed in the core 202. On the other hand, light having energy in a smaller energy band (Dielectric band) than the lower end of the photonic band gap has a refractive index around the hole 203 as shown in the light distribution of FIG. It will be present in the larger core 202.

前述した構成とすることで、反射部104,105がミラーとして機能し、共振部103を備えることで、図3に示すように、共振器として機能する。なお、図3は、コア102による光導波路を導波する光が共振部103および反射部104,105を透過した後の光の強度を示す特性図である。前述した構成では、コア102による光導波路を導波する光が伝搬する際、共振部103では第1穴部131の穴の内部に多く存在する状態となる。この状態でバイオセンサとして機能させると、検出分子と光の相互作用が増加し、Q値の向上によらずに検出感度が向上できる。   With the above-described configuration, the reflection units 104 and 105 function as a mirror, and by including the resonance unit 103, the reflection units 104 and 105 function as a resonator as illustrated in FIG. FIG. 3 is a characteristic diagram showing the intensity of light after the light guided through the optical waveguide formed by the core 102 passes through the resonance unit 103 and the reflection units 104 and 105. In the configuration described above, when the light guided through the optical waveguide by the core 102 propagates, the resonance unit 103 is in a state where there are many inside the holes of the first hole 131. When functioning as a biosensor in this state, the interaction between the detection molecule and light increases, and the detection sensitivity can be improved regardless of the improvement of the Q value.

また、共振部103,反射部104,105は、各穴部を1列に並べて構成しているので、コア102による光導波方向に垂直な方向へ広がりがなく、2次元フォトニック結晶に比較して小さな面積で構成できる。このため、例えば、1つのチップの上に複数の光共振器構造を集積させることが容易である。   In addition, since the resonating unit 103 and the reflecting units 104 and 105 are configured by arranging the holes in a row, the resonating unit 103 and the reflecting units 104 and 105 do not spread in a direction perpendicular to the optical waveguide direction by the core 102, and are compared with a two-dimensional photonic crystal. Can be configured with a small area. Therefore, for example, it is easy to integrate a plurality of optical resonator structures on one chip.

加えて、上述した実施の形態では、共振部103のフォトニックバンドギャップのバンド端近傍のバンド内に、対象とする波長の光のエネルギーがある状態に、第1穴部131の周期および径を設定しているので、Q値をより向上させることができる。シミュレーションの結果、フォトニックバンドギャップのバンド端より0.02eVの範囲のバンド内に、対象とする波長の光のエネルギーがある状態に、第1穴部131の周期および径が設定されていればよいことが判明している。これは、上記構成とすることで、群速度が低下するスローライト効果によって、光共振器(共振部103)での光の滞在時間を大きくできるためである。特に、後述するように、第1穴部131の数を増やして共振部103の導波方向長さを長くすることで、より高いQ値が得られるようになる。   In addition, in the above-described embodiment, the period and the diameter of the first hole 131 are set so that the energy of the light of the target wavelength exists in the band near the band edge of the photonic band gap of the resonance unit 103. Since it is set, the Q value can be further improved. As a result of the simulation, if the period and the diameter of the first hole 131 are set in a state where the energy of light of the target wavelength is within the band in the range of 0.02 eV from the band edge of the photonic band gap. It turns out to be good. This is because the light staying time in the optical resonator (resonant unit 103) can be increased by the slow light effect in which the group velocity is reduced with the above configuration. In particular, as will be described later, a higher Q value can be obtained by increasing the number of the first holes 131 and increasing the length of the resonance portion 103 in the waveguide direction.

ところで、センサの性能指標は、一般に、検出効率S値(単位屈折率変化に対する共振波長の変化量)と共振器のQ値の積「S×Q値」で定義できる。例えば、実施の形態における共振器構造によりバイオセンサを構成する場合、検出下限が「S×Q値」に比例する。上述した共振部103のフォトニックバンドギャップの設定によりQ値がより向上するので、センサの性能を高くすることができる。   By the way, the performance index of a sensor can be generally defined by a product “S × Q value” of a detection efficiency S value (amount of change in resonance wavelength with respect to unit refractive index change) and a Q value of a resonator. For example, when a biosensor is configured with the resonator structure in the embodiment, the detection lower limit is proportional to “S × Q value”. Since the Q value is further improved by setting the photonic band gap of the resonating unit 103 described above, the performance of the sensor can be improved.

ここで、上述したような光共振器構造において、一般には、フォトニックバンドギャップの外に対象とする波長の光のエネルギーがある状態に、共振部の穴部の周期および径を設定し、共振器としている。しかしながら、この構成を用いたセンサでは、S×Q値が2×104nm/RIU程度に留まる。バイオセンサとしては、更なる検出効率の向上が要求されており、この性能では、要求が満たされない場合が発生する。 Here, in the optical resonator structure as described above, in general, the period and the diameter of the hole portion of the resonance portion are set in a state where the energy of the light of the target wavelength is outside the photonic band gap, and the resonance is performed. It is a vessel. However, in the sensor using this configuration, the S × Q value remains at about 2 × 10 4 nm / RIU. As a biosensor, further improvement in detection efficiency is required, and this performance may not satisfy the requirement.

上述した定義より明らかなように、性能の向上には、まず、S値の向上が考えられる。S値向上には、Siからなる光導波光の浸み出し光(エバネッセント光)と、対象となる生体高分子(蛋白質、DNA)や細胞などとの相互作用を高める必要がある。このために、エバネッセント光を増大させる一方で、光の伝搬損失を抑制できる構造として、スロット構造が考えられる。実際、Siリングにスロット構造を導入したスロットリング共振器を作製することで、S値の向上が図られたとする報告がなされている(非特許文献3参照)。   As is clear from the above definition, first, improvement of the S value can be considered to improve the performance. In order to improve the S value, it is necessary to enhance the interaction between the oozing light (evanescent light) of the optical waveguide light made of Si and the target biopolymer (protein, DNA) or cell. For this reason, a slot structure is conceivable as a structure that can suppress the propagation loss of light while increasing the evanescent light. In fact, it has been reported that the S value is improved by producing a slot ring resonator in which a slot structure is introduced into an Si ring (see Non-Patent Document 3).

しかしながら、スロット構造では、スロット構造などの作製誤差により、伝搬損失の増大に敏感になる問題があり、作製が容易ではない。   However, the slot structure has a problem of being sensitive to an increase in propagation loss due to manufacturing errors of the slot structure and the like, and is not easy to manufacture.

一方、Q値の向上は、実施の形態で示したように、共振部103における第1穴部131の周期および径の設定の最適化により実現でき、製造が容易である。   On the other hand, as shown in the embodiment, the improvement of the Q value can be realized by optimizing the setting of the period and the diameter of the first hole 131 in the resonating unit 103 and easy to manufacture.

次に、共振部103における第1穴部131の数、言い換えると、前述したことにより決定した所定の周期とした複数の第1穴部131を備える共振部103の長さと、Q値の増大との関係について説明する。   Next, the number of first hole portions 131 in the resonance portion 103, in other words, the length of the resonance portion 103 including a plurality of first hole portions 131 having a predetermined period determined by the above, and an increase in Q value The relationship will be described.

共振部103における第1穴部131の数を増大させると、図4に示すようにQ値を増大させることができる。このように、本発明の構成によれば、所定の周期とした複数の第1穴部131を備える共振部103を長くすることで、より高いQ値が得られるようになる。特に、図4の(a)に示すように、最適なエッジ距離においては効果的である。なお、エッジ距離は、共振部103と反射部104,105との接続距離(端の穴の中心間距離)である、図4の(a)は、エッジ距離が0.3〜0.4μmであり、(b)は、エッジ距離が0.5μmであり、(c)は0.1μmであり、(d)は、エッジ距離が0.2μmである。エッジ距離を増加させることで、共振ピークは長波長側に移動する。エッジ距離を適切な値に設定することで、共振ピークの位置を制御し、対象とする光において共振器として機能させる。   When the number of the first holes 131 in the resonating part 103 is increased, the Q value can be increased as shown in FIG. Thus, according to the configuration of the present invention, it is possible to obtain a higher Q value by lengthening the resonance unit 103 including the plurality of first holes 131 having a predetermined period. In particular, as shown in FIG. 4A, it is effective at an optimum edge distance. Note that the edge distance is a connection distance (distance between the centers of the end holes) between the resonance unit 103 and the reflection units 104 and 105. FIG. 4A illustrates an edge distance of 0.3 to 0.4 μm. In (b), the edge distance is 0.5 μm, (c) is 0.1 μm, and (d) is the edge distance is 0.2 μm. By increasing the edge distance, the resonance peak moves to the long wavelength side. By setting the edge distance to an appropriate value, the position of the resonance peak is controlled to function as a resonator in the target light.

また、前述したようにセンサとしての性能は、「S×Q値」で示されるので、図5に示すように、共振部103における第1穴部131の数を増大させると、センサとしての性能を向上させることができる。これは、前述したように、群速度が低下するスローライト効果によって、光共振器(共振部103)での光の滞在時間を大きくでき、結果として、共振部103における光と対象分子との相互作用の時間が増大するためと考えられる。特に、図5の(a)に示すように、最適なエッジ距離において、効果的である。図5の(a)は、エッジ距離が0.3〜0.4μmであり、(b)は、エッジ距離が0.5μmであり、(c)は0.1μmである。   Further, as described above, the performance as a sensor is indicated by “S × Q value”. Therefore, as shown in FIG. 5, when the number of first holes 131 in the resonance portion 103 is increased, the performance as a sensor is increased. Can be improved. As described above, the slow light effect that decreases the group velocity can increase the staying time of light in the optical resonator (resonant unit 103). As a result, the mutual light between the light and the target molecule in the resonator 103 can be increased. This is probably because the time of action increases. In particular, as shown in FIG. 5A, it is effective at an optimum edge distance. 5A shows an edge distance of 0.3 to 0.4 μm, FIG. 5B shows an edge distance of 0.5 μm, and FIG. 5C shows 0.1 μm.

ところで、上述した実施の形態における光共振器構造は、よく知られたSOI(Silicon on Insulator)基板を用いることで形成(作製)できる。例えば、SOI基板の埋め込み絶縁層をクラッド層101とし、表面シリコン層をパターニングすることで、コア102よび各穴部を形成すればよい。   By the way, the optical resonator structure in the above-described embodiment can be formed (manufactured) by using a well-known SOI (Silicon on Insulator) substrate. For example, the core 102 and each hole may be formed by using the buried insulating layer of the SOI substrate as the cladding layer 101 and patterning the surface silicon layer.

上述した実施の形態における光共振器構造を用いたバイオセンサでは、共振部103の第1穴部131内部への分析対象の分子吸着による屈折率や光吸収の変化が、コア102よりなる光導波路を導波する光スペクトルのピーク波長や強度の変化として検出できる。   In the biosensor using the optical resonator structure in the above-described embodiment, the change in the refractive index and the light absorption due to the adsorption of the molecule to be analyzed inside the first hole 131 of the resonance unit 103 is the optical waveguide formed of the core 102. Can be detected as a change in the peak wavelength or intensity of the light spectrum.

ここで、バイオセンサとして機能させるためには、バイオマーカを共振部103に吸着させる必要がある。バイオマーカは、測定対象の液体,気体中に存在する微量の分子である場合が多く、効率よく共振部103に吸着させるためには、共振部103以外の部分を保護膜で覆い、共振部103に、直接バイオマーカが溶けている検体液、検体ガスを接触させるようにすればよい。   Here, in order to function as a biosensor, it is necessary to adsorb the biomarker to the resonance unit 103. In many cases, the biomarker is a very small amount of molecules present in the liquid or gas to be measured. In order to efficiently adsorb the biomarker to the resonance unit 103, a part other than the resonance unit 103 is covered with a protective film, and the resonance unit 103 is covered. In addition, the sample liquid and the sample gas in which the biomarker is dissolved may be directly brought into contact with each other.

具体的には、ディスペンサなどを用い、対象となる液体やガスを共振部103に滴下し、また吹き付ける方法がある。また、共振部103をマイクロ流路内に組み込み、外部圧力あるいは毛細管力(液体の場合)などによって、共振部103まで対象とする液体やガスを輸送する方法がある。このような方法により、第1穴部131に検出分子を吸着させることができる。   Specifically, there is a method in which a target liquid or gas is dropped onto the resonance unit 103 and sprayed using a dispenser or the like. In addition, there is a method in which the resonating unit 103 is incorporated in the micro flow channel and the target liquid or gas is transported to the resonating unit 103 by external pressure or capillary force (in the case of liquid). By such a method, the detection molecule can be adsorbed in the first hole 131.

測定では、共振部103の第1穴部131内にバイオマーカを吸着させた光共振器構造の一方から光を入射し、反対側で出射光を受光し、入射光と出射光の比較あるいは出射光のセンシング前後(例えば、抗原抗体反応の前後)の比較をすることによって行われる。入射光は、バイオマーカのセンシング前後での屈折率変化に感応する波長領域をカバーするものとする。入射光が単一波長の時は、出射光の強度変化を観測する。   In the measurement, light is incident from one of the optical resonator structures in which the biomarker is adsorbed in the first hole 131 of the resonance unit 103, and the emitted light is received on the opposite side, and the incident light and the emitted light are compared or output. This is done by comparing before and after sensing of the light (for example, before and after the antigen-antibody reaction). The incident light covers a wavelength region that is sensitive to a change in refractive index before and after biomarker sensing. When the incident light has a single wavelength, the intensity change of the emitted light is observed.

入射光の波長をスキャンして入射波長の毎に強度変化を測定することで、スペクトル変化を測定することができる。ブロードな波長をもつ入射光を用い出射光を分光すれば、同様なスペクトル変化を短時間で得ることができる。光源、受光器は、バイオ材料の安定性や熱耐性、測定時間などを勘案し、測定対象、測定方法に応じて最適なものを選択すればよい。   By changing the intensity change for each incident wavelength by scanning the wavelength of the incident light, the spectral change can be measured. If the outgoing light is split using incident light having a broad wavelength, a similar spectral change can be obtained in a short time. The light source and the light receiver may be selected in accordance with the measurement target and the measurement method in consideration of the stability, heat resistance, measurement time, and the like of the biomaterial.

以上に説明したように、本発明によれば、共振部のフォトニックバンドギャップのバンド端近傍のバンド内に、対象とする波長の光のエネルギーがある状態に、第1穴部の周期および径を設定するようにしたので、容易に製造できるシリコンによるフォトニック結晶を用い、検出感度が向上できるようになる。本発明によれば、生体高分子(蛋白質、DNA)や細胞などに対して高感度なバイオセンサが実現可能となる。   As described above, according to the present invention, the period and diameter of the first hole portion are in a state where the energy of light of the target wavelength exists in the band near the band edge of the photonic band gap of the resonance portion. Therefore, detection sensitivity can be improved by using a photonic crystal made of silicon that can be easily manufactured. According to the present invention, a highly sensitive biosensor can be realized for biopolymers (proteins, DNA), cells, and the like.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.

101…クラッド層、102…コア、103…共振部、104,105…共振部、131…第1穴部、141,151…第2穴部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Cladding layer, 102 ... Core, 103 ... Resonance part, 104, 105 ... Resonance part, 131 ... 1st hole part, 141, 151 ... 2nd hole part.

Claims (2)

クラッド層の上に形成されたシリコンからなるコアと、
前記コアの一部に配置される共振部と、
前記共振部を挟んで前記コアに形成された2つの反射部と、
前記コアの延在方向に周期的に1列に配列されて前記クラッド層の法線方向に柱状とされ、前記共振部の前記コアに形成された複数の第1穴部と、
前記コアの延在方向に周期的に1列に配列されて前記クラッド層の法線方向に柱状とされ、前記反射部の前記コアに形成された複数の第2穴部と
を備え、
前記共振部のフォトニックバンドギャップのバンド端近傍のバンド内に、対象とする波長の光のエネルギーがある状態に、前記第1穴部の周期および径が設定され、
前記反射部のフォトニックバンドギャップ内に、対象とする波長の光のエネルギーがある状態に前記第2穴部の周期および径が設定されている
ことを特徴とする光共振器構造。
A core made of silicon formed on the cladding layer;
A resonating portion disposed in a part of the core;
Two reflecting parts formed on the core across the resonance part;
A plurality of first holes formed in the core of the resonating portion, arranged in a row periodically in the extending direction of the core and being columnar in the normal direction of the cladding layer;
A plurality of second holes formed in the core of the reflective portion, and arranged in a row periodically in the extending direction of the core to be columnar in the normal direction of the cladding layer,
Within the band near the band edge of the photonic band gap of the resonance part, the period and the diameter of the first hole are set in a state where there is light energy of a target wavelength,
The optical resonator structure, wherein the period and the diameter of the second hole portion are set so that the energy of light having a target wavelength exists within the photonic band gap of the reflecting portion.
請求項1記載の光共振器構造において、
前記コアは、断面形状が矩形とされていることを特徴とする光共振器構造。
The optical resonator structure according to claim 1,
An optical resonator structure, wherein the core has a rectangular cross-sectional shape.
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