JP2019100990A - ディスポーザブル生化学センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度かつ簡便にアラインメントを実現するディスポーザブル生化学センサ装置を提供する。【解決手段】本願発明のディスポーザブル生化学センサ装置では、複数の第１の溝部が形成された平板と、生化学的なセンシング構造を有する第１の光導波路が形成され、前記第１の溝部と向かい合う位置に複数の第２の溝部が形成された第１の基板と、互いに向かい合う位置に形成されている前記第１の溝部と前記第２の溝部のそれぞれに嵌合する複数のスペーサとを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、生化学分野において、吸光スペクトル変化や屈折率変化などの光の性質を利用して、化学物質の検出・定量を行う生化学センサ装置に関する。

医療・畜産・自然環境の測定の分野では、様々な化学物質の検出・定量を行う需要があり、そのための技法・技術は急速に発展し続けており、これまで多くの技法・技術が提案されている。例えば、検出・定量すべき標的物質が含まれた実試料の吸光スペクトルを測定する方法や、標的物質に特異的に結合する分析試料を用いて吸光度変化・屈折率変化を測定するような光学的な測定方法が提案されている。

光学的な測定を行うための測定系としては、単純な比色測定のような肉眼での観察や、ＦＴ−ＩＲ等でも用いられる自由空間光学系の測定系があるが、高精度かつコンパクトな測定系として、平面光波回路（ＰＬＣ：Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）をベースとした光導波路デバイスによる測定系が存在する。これまで、光導波路デバイスを応用して化学物質の検出・定量を行う生化学センサとしては、マッハツェンダー干渉計型生化学センサや、ＡＷＧ型生化学センサ、およびリング共振器型生化学センサ等、数多くの光導波路デバイスを用いた生化学センサが提案されている（例えば、非特許文献１−３参照）。

一方、医療・畜産の現場では、感染防止などの観点からディスポーザブルなセンシングの実現は強く要求されてる。特に、臨床現場即時検査（ＰＯＣ ｔｅｓｔｉｎｇ：ｐｏｉｎｔ−ｏｆ−ｃａｒｅ ｔｅｓｔｉｎｇ）においては、センサがディスポーザブルで、かつ簡便に着脱可能であることは必須条件である。例えば、光導波路デバイスを用いたディスポーザブルセンサとしては、特許文献１のような構成が提案されている。

非特許文献１のような光導波路デバイスを応用した生化学センサを、ディスポーザブルセンサとして用いる場合の構成としては、図１３のような構成が考えられる。図１３は、センサＰＬＣチップ５０１は２つのファイバブロック５１３に挟まれており、センサＰＬＣチップ５０１に形成されているマッハツェンダー干渉計型生化学センサ５０４を構成する導波路５１０はファイバブロック５１３を介して光ファイバ５０３と光結合をする構成となっている。

通信用途のＰＬＣにおいては、ファイバブロック５１３とセンサＰＬＣチップ５０１を接着して用いることが一般的であるが、この生化学センサをディスポーザブルセンサとして使用するためには、センサＰＬＣチップ５０１のみを交換可能として、他の光コンポーネントを再利用することができるように、ファイバブロック５１３とセンサＰＬＣチップ５０１を接着しない構成として容易に着脱可能な構成とする必要がある。

特許３５８６２３７

Y. Liu、他２名、"An Integrated Optical Sensor for Measuring Glucose Concentration"、Applied Physics B、54、pp.18-23、1992 駒井友紀、他４名、"Application of Arrayed-Waveguide Grating to Compact Spectroscopic Sensors"、Japanese Journal of Applied Physics、Vol.43、No.8B、pp.5795-5799、2004 Chung-Yen Chao、他１名、"Biochemical sensors based on polymer microrings with sharp asymmetrical resonance"、Applied Physics Letters、Vol.83、No.8、pp.1527-1529、2003

ここで、センサＰＬＣチップ５０１を着脱可能に構成した場合には、センサＰＬＣチップ５０１を接続するたびに、センサＰＬＣチップ５０１とファイバブロック５１３をアクティブアライメントにより調心をする必要がある。このアクティブアライメントには、調心のために必要な時間の増大、測定装置が調心機構を持つことによる費用の増大、さらには、調心のための可動機構を持つことによる測定装置全体の信頼性の低下といった問題があり、医療・畜産の現場における条件を満たすようなシングルモード光導波路ベースのディスポーザブル生化学センサを安価かつ簡便に実現することは難しいのが現状である。

このように、光導波路デバイスを用いた生化学センサでは、ＰＬＣ上の導波路としてシングルモード導波路を用いることが前提となっているため、シングルモード導波路における光結合を安価かつ簡便に実施することが難しいという問題があり、光導波路デバイスを用いた生化学センサは高価なものとなる場合が多い。実際、市販されている光導波路を用いたディスポーザブルセンサとしては、特許文献１のようなマルチモード導波路を用いたものが一般的であり、ディスポーザブルなセンシングにおいては、シングルモード光導波路を用いない構成や、あるいは光ファイバ同士を接続しない構成とせざるを得ないのが現状である。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、シングルモード導波路ベースの生化学センサ装置をディスポーザブルに実現しながら、高精度かつ簡便にアラインメントを実現するディスポーザブル生化学センサ装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本願発明のディスポーザブル生化学センサ装置では、複数の第１の溝部が形成された平板と、生化学的なセンシング構造を有する第１の光導波路が形成され、前記第１の溝部と向かい合う位置に複数の第２の溝部が形成された第１の基板と、互いに向かい合う位置に形成されている前記第１の溝部と前記第２の溝部のそれぞれに嵌合する複数のスペーサとを備える。

上記課題を解決するために、本願発明のディスポーザブル生化学センサ装置では、複数の第１の溝部が形成された平板と、生化学的なセンシング構造を有する第１の光導波路が形成され、前記第１の溝部と向かい合う位置に複数の第２の溝部が形成された第１の基板と、生化学的なセンシング構造を有しない第２の光導波路が形成され、前記第１の溝部と向かい合う位置に複数の第３の溝部が形成され、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の入出射端面同士が互いに向かい合うように配置されている第２の基板と、互いに向かい合う位置に形成されている前記第１の溝部と、前記第２の溝部および前記第３の溝部のそれぞれに嵌合する複数のスペーサとを備える。

また、本願発明のディスポーザブル生化学センサ装置では、前記第２の基板と前記平板が接着されていてもよく、前記第２の基板にファイバブロックが接着されていてもよく、前記平板が、前記第１の基板の生化学的なセンシング構造の部分を覆わないように構成されていてもよい。

また、本願発明のディスポーザブル生化学センサ装置では、前記第１の基板は、シリコンからなる支持基板部と、前記支持基板部の上に形成された酸化シリコンからなるクラッド層とを備え、前記第２の溝部と、前記生化学的なセンシング構造のセンシング部を形成するための溝部が、前記クラッド層に同一の深さで形成されていてもよい。

また、本願発明のディスポーザブル生化学センサ装置では、前記第２の溝部と、前記生化学的なセンシング構造のセンシング部を形成するための溝部が、前記支持基板部に到達する深さまで形成されていてもよい。

また、本願発明のディスポーザブル生化学センサ装置では、前記光導波路はシングルモード光導波路であってもよい。

本発明によれば、シングルモード導波路ベースの生化学センサ装置をディスポーザブルに実現しながら、高精度かつ簡便にアラインメントを実現するディスポーザブル生化学センサ装置を提供することが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るマッハツェンダー干渉計型生化学センサを用いたディスポーザブル生化学センサ装置を組み立てた状態を示す図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係るマッハツェンダー干渉計型生化学センサを用いたディスポーザブル生化学センサ装置を展開した状態を示す図である。 図３は、本発明の第１の実施形態に係るマッハツェンダー干渉計型生化学センサを用いたディスポーザブル生化学センサ装置を構成するセンサＰＬＣチップとＰＰＣＰブロックの構成を示す図である。 図４は、本発明の第１の実施形態に係るセンサＰＬＣチップとＰＰＣＰブロックが重なっている部位における導波方向に垂直な断面を示す図である。 図５は、本発明の第１の実施形態に係るＰＰＣＰブロックを展開した状態を示す図である。 図６は、本発明の第１の実施形態に係るＰＰＣＰブロックを構成する平板とブリッジＰＬＣチップの実装面の構成を示す図である。 図７は、本発明の第１の実施形態に係るＰＰＣＰブロックを構成する平板とブリッジＰＬＣチップが重なっている部位における導波方向に垂直な断面を示す図である。 図８は、本発明の第２の実施形態に係るリング共振器型生化学センサを用いたディスポーザブル生化学センサ装置を構成するセンサＰＬＣチップとＰＰＣＰブロックの構成を示す図である。 図９は、本発明の第３の実施形態に係るＡＷＧ型生化学センサを用いたディスポーザブル生化学センサ装置を構成するセンサＰＬＣチップとＰＰＣＰブロックの構成を示す図である。 図１０は、本発明の第４の実施形態に係る溝部が支持基板にまで到達しているセンサＰＬＣチップとＰＰＣＰブロックの構成を示す図である。 図１１は、本発明の第４の実施形態に係る溝部が支持基板にまで到達しているセンサＰＬＣチップとＰＰＣＰブロックが重なっている部位における導波方向に垂直な断面を示す図である。 図１２は、本発明の第４の実施形態に係る溝部が支持基板にまで到達しているセンサＰＬＣチップにおけるセンシング部を含む部位の導波方向に垂直な断面を示す図である。 図１３は、従来のマッハツェンダー干渉計型生化学センサを用いたディスポーザブル生化学センサ装置を示す図である。

上述したように、本発明の目的は、シングルモード導波路ベースの生化学センサ装置をディスポーザブルに実現しながら、高精度かつ簡便にアラインメントを実現するディスポーザブル生化学センサ装置を提供することにある。

光通信の分野においても、シングルモード光導波路同士の良好な光接続を得るためには、デバイス間の高精度のアライメントが不可欠であり、サブμｍオーダーの精度でのアライメントが要求されている。例えば、特許第６１７５１０６号等では、通信用シングルモード光導波路のコンパクトで簡便な接続を実現する手法として、ＰＰＣＰ（Ｐｌｕｇｇａｂｌｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｐｌａｔｆｏｒｍ）が提案されている。ＰＰＣＰでは、パッシブアライメントによるサブμｍ単位での高い精度で簡便な光接続を実現するとともに、光導波路の集積化によるコンパクト化を実現することができるものである。本発明は、このＰＰＣＰ技術を生化学センサ装置において利用することで、高精度かつ簡便にアラインメントを実現するディスポーザブル生化学センサ装置を実現するものである。

以下、本願発明の実施の形態について図面を用いて説明する。但し、本願発明は、多くの異なる形態で実施することが可能であり、以下に説明する実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係るマッハツェンダー干渉計型生化学センサを用いたディスポーザブル生化学センサ装置を組み立てた状態を示す図である。図１では、マッハツェンダー干渉計型生化学センサ１０４を備えたセンサＰＬＣチップ１０１にＰＰＣＰブロック１０２が２つ接続されており、マッハツェンダー干渉計型生化学センサ１０４の光導波路１１０は、光ファイバ１０３にパッシブアライメントされている。ここで、センサＰＬＣチップ１０１とＰＰＣＰブロック１０２は、ＰＰＣＰ接続により単に接しているだけであり、その接触面は接着剤等により接着されていないため、センサＰＬＣチップ１０１とＰＰＣＰブロック１０２は容易に着脱可能である。これにより、生化学センサのディスポーサブル性を実現する。

図２は、本発明の第１の実施形態に係るマッハツェンダー干渉計型生化学センサを用いたディスポーザブル生化学センサ装置を展開した状態を示す図である。図２では、センサＰＬＣチップ１０１には嵌合用溝部１０６が形成されており、この嵌合用溝部１０６に対応する形で円柱形のスペーサ１０５が配置されている。ＰＰＣＰブロック１０２は、この円柱形のスペーサ１０５を嵌合用溝部１０６に嵌合することによりセンサＰＬＣチップ１０１と接合しており、この構造によりマッハツェンダー干渉計型生化学センサ１０４の導波路１１０と光ファイバ１０３の間でパッシブアライメントが成立している。

図２におけるセンサＰＬＣチップ１０１には、導波路１１０の方向に長手方向を有する４個の嵌合用溝部１０６と、導波路１１０の方向に垂直な方向に長手方向を有する４個の嵌合用溝部１０６の合計８個の嵌合用溝部１０６が形成されている。このような互いに直交する嵌合用溝部１０６を形成することで、どちらか一方の方向の嵌合用溝部１０６を形成した場合と比較して、センサＰＬＣチップ１０１に対するＰＰＣＰブロック１０２の位置決め誤差を低減し、より高精度な位置決めを行うことが可能となる。

なお、図２の構成では、合計８個の嵌合用溝部１０６が形成された構成を説明したが、所望の精度の位置決めを行うことができる範囲内で、嵌合用溝部１０６とスペーサ１０５の数を適宜変更することも可能である。例えば、導波路１１０の方向の４個の嵌合用溝部１０６の数を減らす構成や、導波路１１０の方向に垂直な方向の嵌合用溝部１０６の数を減らす構成も可能である。

また、嵌合用溝部１０６が形成されている方向も、導波路１１０の方向やそれに垂直な方向に限られず、それらの方向に対して傾いた方向に長手方向を有するように嵌合用溝部１０６を形成してもよい。さらには、嵌合用溝部１０６の形状も図示したような構成に限られず、正方形や円形等の他の形状の嵌合用溝部１０６を形成してもよい。嵌合用溝部１０６の形状に対応して、スペーサ１０５の形状も変更されることは言うまでもない。

図３は、本発明の第１の実施形態に係るマッハツェンダー干渉計型生化学センサを用いたディスポーザブル生化学センサ装置を構成するセンサＰＬＣチップとＰＰＣＰブロックの構成を示す図である。図３では、センサＰＬＣチップ１０１とＰＰＣＰブロック１０２の実装面は接着剤等で半永久的・永久的な接合はされておらず、センサＰＬＣチップ１０１とＰＰＣＰブロック１０２は容易に着脱可能な状態となっている。

センサＰＬＣチップ１０１に形成されている嵌合用溝部１０６と向かい合うように、ＰＰＣＰブロック１０２にも嵌合用溝部１０６が形成されており、このセンサＰＬＣチップ１０１とＰＰＣＰブロック１０２の互いに向かい合う嵌合用溝部１０６にスペーサ１０５が嵌合される。これにより、センサＰＬＣチップ１０１に形成されたセンシング部１０７を持つマッハツェンダー干渉計型生化学センサ１０４の導波路１１０と光ファイバ１０３の間でパッシブアライメントが成立している。

図４は、本発明の第１の実施形態に係るセンサＰＬＣチップとＰＰＣＰブロックが重なっている部位における導波方向に垂直な断面を示す図である。図３におけるＡ−Ａ’の断面では、ＰＰＣＰブロック１０２の平板１１１とセンサＰＬＣチップ１０１が、スペーサ１０５と嵌合用溝部１０６により接合された状態の断面が得られる。

図４において、平板１１１とセンサＰＬＣチップ１０１は、ともにクラッド層１０８と支持基板部１０９を有し、クラッド層１０８には、嵌合用溝部１０６と導波路１１０が形成されている。ＰＰＣＰブロック１０２の平板１１１とセンサＰＬＣチップ１０１は、嵌合用溝部１０６にスペーサ１０５を嵌合させることにより接合されており、高精度な位置合わせが可能となっている。なお、平板１１１とセンサＰＬＣチップ１０１は同じ材料系で構成してもよいし、異なる材料系で構成してもよい。

センサＰＬＣチップ１０１およびＰＰＣＰブロック１０２の平板１１１に形成されている嵌合用溝部１０６は、フォトリソグラフィにより形成されるので、嵌合用溝部１０６の位置、幅、長さについては、非常に高い精度で形成することができる。そのような高い精度で形成された嵌合用溝部１０６に、スペーサ１０５を嵌合することにより、センサＰＬＣチップ１０１とＰＰＣＰブロック１０２を非常に高い精度で位置合わせすることが可能となる。これにより、センサＰＬＣチップ１０１に形成されたマッハツェンダー干渉計型生化学センサ１０４の導波路１１０と光ファイバ１０３の間でパッシブアライメントを成立させている。

図５は、本発明の第１の実施形態に係るＰＰＣＰブロックを展開した状態を示す図である。ＰＰＣＰブロック１０２は、平板１１１、スペーサ１０５、ブリッジＰＬＣチップ１１２、およびファイバブロック１１３から構成されている。ブリッジＰＬＣチップ１１２には、嵌合用溝部１０６が形成されており、この嵌合用溝部１０６に対応する形で円柱形のスペーサ１０５が配置されている。平板１１１は、この円柱形のスペーサ１０５を嵌合用溝部１０６に嵌合することによりブリッジＰＬＣチップ１１２と接合している。さらに、平板１１１、ブリッジＰＬＣチップ１１２、ファイバブロック１１３は、直接もしくは他の部材を介して間接的に、接着剤等により互いに固定されている。

ブリッジＰＬＣチップ１１２には導波路１１０が形成されており、ＰＰＣＰブロック１０２を作製する際には、ブリッジＰＬＣチップ１１２の持つ導波路１１０とファイバブロック１１３の持つ光ファイバ１０３はアクティブアライメントにより調心され、接着剤により半永久的あるいは永久的な接合がされている。

ファイバブロック１１３と調心されているブリッジＰＬＣチップ１１２と平板１１１を、スペーサ１０５を嵌合用溝部１０６に嵌合することによってＰＰＣＰブロック１０２を構成し、さらに、調心済のＰＰＣＰブロック１０２とセンサＰＬＣチップ１０１を、スペーサ１０５を嵌合用溝部１０６に嵌合することによって接合することにより、センサＰＬＣチップ１０１の導波路１１０と光ファイバ１０３の間でパッシブアライメントを成立させることで、高精度な位置合わせを簡便な構成で実現可能としている。

図６は、本発明の第１の実施形態に係るＰＰＣＰブロックを構成する平板とブリッジＰＬＣチップの実装面の構成を示す平面図である。図６では、平板１１１とブリッジＰＬＣチップ１１２の実装面は接着剤等で半永久的・永久的な接合がなされており、平板１１１とブリッジＰＬＣチップ１１２は容易に付けたり外したりが不可能な状態となっている。

ブリッジＰＬＣチップ１１２に形成されている嵌合用溝部１０６と向かい合うように、平板１１１にも嵌合用溝部１０６が形成されており、このブリッジＰＬＣチップ１１２と平板１１１の互いに向かい合う嵌合用溝部１０６にスペーサ１０５が嵌合される。ブリッジＰＬＣチップ１１２には導波路１１０が形成されており、この導波路１１０と光ファイバ１０３の間でアクティブアライメントによる調心を行った後、ファイバブロック１１３とブリッジＰＬＣチップ１１２は接着剤等で半永久的にあるいは永久的に接合され、高精度な位置合わせが実現されている。

図７において、本発明の第１の実施形態に係るＰＰＣＰブロックを構成する平板とブリッジＰＬＣチップが重なっている部位における導波方向に垂直な断面を示す図である。図６におけるＢ−Ｂ’の断面では、ＰＰＣＰブロック１０２の平板１１１とブリッジＰＬＣチップ１１２が、スペーサ１０５と嵌合用溝部１０６により接合された状態の断面が得られる。

図７では、平板１１１とブリッジＰＬＣチップ１１２は、ともにクラッド層１０８と支持基板部１０９を有し、クラッド層１０８には嵌合用溝部１０６と導波路１１０が形成されている。平板１１１とブリッジＰＬＣチップ１１２は嵌合用溝部１０６にスペーサ１０５を嵌合させることにより接合されており、高精度な位置合わせが可能となっている。なお、平板１１１とブリッジＰＬＣチップ１１２は同じ材料系で構成してもよいし、異なる材料系で構成してもよい。

ブリッジＰＬＣチップ１１２およびＰＰＣＰブロック１０２の平板１１１に形成されている嵌合用溝部１０６は、フォトリソグラフィにより形成されるので、嵌合用溝部１０６の位置、幅、長さについては、非常に高い精度で形成することができる。そのような高い精度で形成された嵌合用溝部１０６に、スペーサ１０５を嵌合することにより、ブリッジＰＬＣチップ１１２とＰＰＣＰブロック１０２を非常に高い精度で位置合わせすることが可能となる。

このように、第１の実施の形態によれば、シングルモード導波路ベースの生化学センサ装置をディスポーザブルに実現しながら、高精度かつ簡便にアラインメントを実現するディスポーザブル生化学センサ装置を提供することができる。

＜第２の実施の形態＞
図８は、本発明の第２の実施形態に係るリング共振器型生化学センサを用いたディスポーザブル生化学センサ装置を構成するセンサＰＬＣチップとＰＰＣＰブロックの構成を示す図である。図８では、センサＰＬＣチップ２０１とＰＰＣＰブロック２０２の実装面は接着剤等で半永久的・永久的な接合はされておらず、センサＰＬＣチップ２０１とＰＰＣＰブロック２０２は容易に着脱可能な状態となっている。これにより、生化学センサのディスポーサブル性を実現する。

センサＰＬＣチップ２０１に形成されている嵌合用溝部２０６と向かい合うように、ＰＰＣＰブロック２０２にも嵌合用溝部２０６が形成されており、このセンサＰＬＣチップ２０１とＰＰＣＰブロック２０２の互いに向かい合う嵌合用溝部２０６にスペーサが嵌合される。これにより、センサＰＬＣチップ２０１に形成されているセンシング部２０７を持つリング共振器型生化学センサ２０４の導波路２１０と光ファイバ２０３の間でパッシブアライメントが成立している。

このように、第２の実施の形態によれば、シングルモード導波路ベースの生化学センサ装置をディスポーザブルに実現しながら、高精度かつ簡便にアラインメントを実現するディスポーザブル生化学センサ装置を提供することができる。

＜第３の実施の形態＞
図９は、本発明の第３の実施形態に係るＡＷＧ型生化学センサを用いたディスポーザブル生化学センサ装置を構成するセンサＰＬＣチップとＰＰＣＰブロックの構成を示す図である。図９では、センサＰＬＣチップ３０１とＰＰＣＰブロック３０２の実装面は接着剤等で半永久的・永久的な接合はされておらず、センサＰＬＣチップ３０１とＰＰＣＰブロック３０２は容易に着脱可能な状態となっている。これにより、生化学センサのディスポーサブル性を実現する。

センサＰＬＣチップ３０１に形成されている嵌合用溝部３０６と向かい合うように、ＰＰＣＰブロック３０２にも嵌合用溝部３０６が形成されており、このセンサＰＬＣチップ３０１とＰＰＣＰブロック３０２の互いに向かい合う嵌合用溝部３０６にスペーサが嵌合される。これにより、センサＰＬＣチップ３０１に形成されているセンシング部３０７を持つＡＷＧ型生化学センサ３０４の導波路３１０と光ファイバ３０３の間でパッシブアライメントが成立している。

このように、第３の実施の形態によれば、シングルモード導波路ベースの生化学センサ装置をディスポーザブルに実現しながら、高精度かつ簡便にアラインメントを実現するディスポーザブル生化学センサ装置を提供することができる。

＜第４の実施の形態＞
図１０は、本発明の第４の実施形態に係る溝部が支持基板にまで到達しているセンサＰＬＣチップとＰＰＣＰブロックの構成を示す図である。図１０では、センサＰＬＣチップ４０１とＰＰＣＰブロック４０２の実装面は接着剤等で半永久的・永久的な接合はされておらず、センサＰＬＣチップ４０１とＰＰＣＰブロック４０２は容易に付けたり外したりが可能な状態となっている。これにより、生化学センサのディスポーサブル性を実現する。

センサＰＬＣチップ４０１に形成されている嵌合用溝部４０６と向かい合うように、ＰＰＣＰブロック４０２にも嵌合用溝部４０６が形成されており、このセンサＰＬＣチップ４０１とＰＰＣＰブロック４０２の互いに向かい合う嵌合用溝部４０６にスペーサ４０５が嵌合される。これにより、センサＰＬＣチップ４０１に形成されているセンシング部を持つマッハツェンダー干渉計型生化学センサ４０４の導波路４１０と光ファイバ４０３の間でパッシブアライメントが成立している。

図１１は、本発明の第４の実施形態に係る溝部が支持基板にまで到達しているセンサＰＬＣチップとＰＰＣＰブロックが重なっている部位における導波方向に垂直な断面を示す図である。図１０におけるＣ−Ｃ’の断面では、ＰＰＣＰブロック４０２の平板４１１とセンサＰＬＣチップ４０１が、スペーサ４０５と嵌合用溝部４０６により接合された状態の断面が得られる。

図１１において、平板４１１とセンサＰＬＣチップ４０１は、ともにクラッド層４０８と支持基板部４０９を有し、クラッド層４０８には導波路４１０と嵌合用溝部４０６が形成されている。ここで、嵌合用溝部４０６は、支持基板部４０９に到達する深さまで形成されている。平板４１１は、嵌合用溝部４０６にスペーサ４０５を嵌合させることによりセンサＰＬＣチップ４０１に接合されており、高精度な位置合わせが可能となっている。なお、平板４１１とセンサＰＬＣチップ４０１は同じ材料系で構成してもよいし、異なる材料系で構成してもよい。

嵌合用溝部４０６を、支持基板部４０９に到達する深さまで形成した場合、図１１に示すように、嵌合用溝部４０６に嵌合したスペーサ４０５を、平板４１１とセンサＰＬＣチップ４０１のそれぞれの嵌合用溝部４０６の底に露出した支持基盤部４０９とが接するように構成できるので、支持基板部４０９としてＳｉ基板のように平坦度の高い基板を用いることで、非常に高い精度で平板４１１とセンサＰＬＣチップ４０１の相対的な高さを位置決めすることができる。このような構成によれば、第１の実施の形態と比較して、より精度の高いパッシブアラインメントを実現することができる。

図１２は、本発明の第４の実施形態に係る溝部が支持基板にまで到達しているセンサＰＬＣチップにおけるセンシング部を含む部位の導波方向に垂直な断面を示す図である。図１２は、図１０のＤ−Ｄ’における断面であり、センサＰＬＣチップ４０１のセンシング部４０７が形成された部分の断面が得られる。

センサＰＬＣチップ４０１はクラッド層４０８と支持基板部４０９を有し、クラッド層４０８には、導波路４１０とセンシング部４０７に試料導入するための溝部が形成されている。ここで、試料導入によりセンシング部４０７を形成するための溝部は、嵌合用溝部４０６と同一の深さで形成されており、図１２の例では、支持基板部４０９に到達する深さまで形成されている。

このような構成は、特に、石英系ＰＬＣ技術をベースとした材料系を用いて、クラッド層４０８をＳｉＯ₂、支持基板部４０９をＳｉ基板とした際に、支持基板部４０９がフォトリソグラフィを用いたエッチングにおけるエッチストップ層となるため、非常に容易に精度良く作成することが可能である。この場合、フォトリソグラフィのマスクをセンシング部４０７の溝部と嵌合用溝部４０６において共通化することができるので、作製コストを低減できるだけでなく、溝部の物理的構造を高精度に作製できるので、実装精度の向上とセンシングにおける誤差の低減を同時に達成することができる。

＜その他の実施の形態＞
上記実施形態におけるディスポーザブル生化学センサ装置では、左右両端の２か所において光結合を行う構成となっているが、この構成は、あくまで例示である。例えば、光結合が１か所のみで行う構成や、光結合を３か所以上で行う構成としてもよい。

上記実施形態では、センシング光回路として、マッハツェンダー干渉計、ＡＷＧ、リング共振器を例として説明したが、これらは例示であり、センシング光回路としてはこれらに限定されるものではなく、他のセンシング回路を用いることができることは言うまでもない。本発明の生化学センサ装置は、用いられるセンシング光回路の種類や構成に対して独立したものである。

同様に、本発明におけるセンシング光回路のセンシング部におけるセンシングの原理は、上記実施形態で示したものに限定されない。例えば、表面プラズモン共鳴や屈折率変化や分光分析といった測定手法、固相化抗原やアプタマーといった測定試薬、センシングの溝部形状や薄膜の構成といった物理的構造、などのセンシング部の構成要素を任意に採用することができる。

さらに、上記実施形態では、ＰＬＣを接合するためのスペーサとして円柱形スペーサを用いた構成を説明したが、嵌合用溝部と適切に嵌合するのであれば円柱形スペーサ以外の形状のものを採用してかまわない。例えば、円柱・円筒・球・台形・多角柱・ラグビーボール状等の形状のスペーサを嵌合用溝部の形状に合わせて任意に採用することができる。なお、円柱型スペーサとしては、例えば、光ファイバを用いることができるが、光ファイバに限定されるものではない。

また、ＰＬＣと平板の材料系は任意に選択することができる。本発明においては、支持基板にＳｉ基板を、クラッド層にＳｉＯ₂を用いる石英系ＰＬＣが適しているが、他にもＴａＯ₂／ＳｉＯ₂系やニオブ酸リチウム系といった誘電体材料系の材料・化合物半導体系材料による導波路構造を持つＰＬＣや、シリコンフォトニクス材料系によるＰＬＣなどを採用することができる。

また、上記実施形態では、光入力および光出力構造として光ファイバ用いた構成を説明したが、本発明における光接続構造は、光接続構造に対する入力信号光がどのような形で入力され、出力信号光がどのような形で出力されるかについては特に限定されない。例えば、入力信号光の場合、光ファイバブロック接着を介した光ファイバによる入力以外にも、空間光学系による入力、平面光波回路の端面に光信号入力面が存在せず平面光波回路上や内部に配置されたレーザーダイオードなどの発光素子・変調素子からの入力、などの任意の方式を用いることができる。

また、出力信号光の場合、同様に光ファイバブロック接着を介した光ファイバによる出力以外にも、空間光学系による出力、平面光波回路の端面に光信号出力面が存在せず平面光波回路上や内部に配置されたフォトダイオードなどの受光素子への出力、などの任意の方式を用いることができる。

さらに、上記実施形態では、ＰＰＣＰブロックおよびＰＰＣＰブロックを構成する平板が、センシング部位を覆わない構成をとっているが、平板がセンシング部位の全部または一部を覆う構成としてもよい。

１０１、２０１、３０１、４０１、５０１…センサＰＬＣチップ、１０２、２０２、３０２、４０２…ＰＰＣＰブロック、１０３、２０３、３０３、４０３、５０３…光ファイバ、１０４、４０４、５０４…マッハツェンダー干渉計型生化学センサ、２０４…リング共振器型生化学センサ、３０４…ＡＷＧ型生化学センサ、１０５、４０５…スペーサ、１０６、２０６、３０６、４０６…嵌合用溝部、１０７、２０７、３０７、４０７、５０７…センシング部、１０８、４０８…クラッド層、１０９、４０９…支持基板部、１１０、２１０、３１０、４１０、５１０…導波路、１１１、４１１…平板、１１２…ブリッジＰＬＣチップ、１１３、２１３、３１３、４１３、５１３…ファイバブロック。

Claims (8)

1. 複数の第１の溝部が形成された平板と、
   生化学的なセンシング構造を有する第１の光導波路が形成され、前記第１の溝部と向かい合う位置に複数の第２の溝部が形成された第１の基板と、
   互いに向かい合う位置に形成されている前記第１の溝部と前記第２の溝部のそれぞれに嵌合する複数のスペーサと、
   を備えるディスポーザブル生化学センサ装置。
2. 複数の第１の溝部が形成された平板と、
   生化学的なセンシング構造を有する第１の光導波路が形成され、前記第１の溝部と向かい合う位置に複数の第２の溝部が形成された第１の基板と、
   生化学的なセンシング構造を有しない第２の光導波路が形成され、前記第１の溝部と向かい合う位置に複数の第３の溝部が形成され、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の入出射端面同士が互いに向かい合うように配置されている第２の基板と、
   互いに向かい合う位置に形成されている前記第１の溝部と、前記第２の溝部および前記第３の溝部のそれぞれに嵌合する複数のスペーサと、
   を備えるディスポーザブル生化学センサ装置。
3. 請求項２に記載のディスポーザブル生化学センサ装置において、
   前記第２の基板と前記平板が接着されていること
   を特徴とするディスポーザブル生化学センサ装置。
4. 請求項２または３に記載のディスポーザブル生化学センサ装置において、
   前記第２の基板にファイバブロックが接着されていること
   を特徴とするディスポーザブル生化学センサ装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のディスポーザブル生化学センサ装置において、
   前記平板が、前記第１の基板の生化学的なセンシング構造の部分を覆わないように構成されること
   を特徴とするディスポーザブル生化学センサ装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のディスポーザブル生化学センサ装置において、
   前記第１の基板は、シリコンからなる支持基板部と、前記支持基板部の上に形成された酸化シリコンからなるクラッド層とを備え、
   前記第２の溝部と、前記生化学的なセンシング構造のセンシング部を形成するための溝部が、前記クラッド層に同一の深さで形成されていること
   を特徴とするディスポーザブル生化学センサ装置。
7. 請求項６に記載のディスポーザブル生化学センサ装置において、
   前記第２の溝部と、前記生化学的なセンシング構造のセンシング部を形成するための溝部が、前記支持基板部に到達する深さまで形成されていること
   を特徴とするディスポーザブル生化学センサ装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のディスポーザブル生化学センサ装置において、
   前記光導波路はシングルモード光導波路であること
   を特徴とするディスポーザブル生化学センサ装置。

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