JP2023104300A - 光センシング回路及び光センシング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光センシング回路において共振ピーク波長の温度依存性を緩和し、かつ光源とリング共振器との発振波長制御を不要にし、運用を簡便にする。【解決手段】、バンドパスフィルタと、リング共振器が形成された領域のクラッド上にヒーターとして抵抗材が設けられている参照リング共振器と、センシング領域が設けられているセンシングリング共振器と、受光素子とを備えて構成される。参照リング共振器の共振波長の光のうち、光がバンドパスフィルタで取り出された特定の波長帯域の、センシングリング共振器の入力導波路に送られ、センシングリング共振器の共振波長の光が、センシングリング導波路の出力導波路から、受光素子に送られ、バンドパスフィルタで取り出される特定の波長帯域は、センシングリング共振器のＦＳＲ以下である。【選択図】図１

Description

この発明は、光センシング回路及び光センシング方法に関し、特に、抗原抗体反応などの生体由来の反応に伴う微小な屈折率の変化を測定する光バイオセンサーとして用いることができる、光導波路型の光センシング回路と、この光センシング回路に用いることができる光センシング方法に関する。

近年、新型コロナウイルス（ＣＯＶＩＤ－１９）の世界的な流行を受け、ウイルス感染の防止や、在宅ワーク増加に伴う運動不足による慢性的な生活習慣病の予防のため、衛生環境や健康状態を恒常的にモニタする手段としてバイオセンサー技術が注目を集めている。

バイオセンサーとは、生体起源の分子認識機構を利用した化学センサーの総称であり、抗原抗体反応のような生体分子の特異な反応を電気信号に変換し検出するものである。この特異な反応を電気信号に変換する部分は、トランスデューサーと称され、バイオセンサーにおけるコアデバイスとなる。

光バイオセンサーは、光デバイスを用いて生体反応を蛍光量や屈折率の変化として捉えるバイオセンサーであって、非侵襲・非接触であるだけでなく、計測結果が出るまでの待機時間が比較的短い計測（リアルタイム計測）が可能であるという特徴を有する。このため、光バイオセンサーの重要性が高まっている。

また、蛍光分子や電気化学活性分子などによって標的分子や認識分子に標識を行って、反応による変化量を間接的に検出する手法に対し、非標識（ラベルフリー）と呼ばれる手法では、標識を行わず光学的変化や質量変化などを直接計測する。これにより検査実施者は煩雑な標識操作を行う必要がなく、標識分子修飾にともない人為的に生じる測定揺らぎである、アーティファクトの懸念が低減する。特に、光導波路デバイスを用いる場合、トランスデューサーとしての機能を担うセンシングセルに予め特定の抗原に対してのみ選択的に反応する抗体を固定しておくことで、抗原検知を屈折率あるいは透過率の変化として瞬時に捉えることができ、スペクトルアナライザあるいはパワーメータで出力特性を観測することで、あたかもラベルフリー手法のように計測できる。

上述のように、衛生環境や健康状態の恒常的なモニタの需要が高まる中で、センシングデバイスにはラベルフリー、非接触、リアルタイム性、小型、安価といったことが求められ、光導波路型の光センシング回路の研究開発が盛んに行われている（例えば、非特許文献１、２、３又は４参照)。

光導波路デバイスのプラットフォーム技術として、従来、シリコン（Ｓｉ）フォトニクスが注目を集めている。Ｓｉフォトニクスの特徴は、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）などの半導体装置の製造プロセスを利用することによる、光導波路とそれに準ずる変調器や受光器など光デバイスの小型・集積性、及び、既存の半導体製造技術を流用して提供される２００ｍｍあるいは３００ｍｍウェハープロセスによる生産性の高さである。また、Ｓｉをコア、Ｓｉ酸化膜（ＳｉＯ_２）をクラッドとするＳｉ導波路は比屈折率差が４０％に達するので、高い光の閉じ込め効果が得られる。特にＳｉ細線導波路では、曲げ導波路の曲率半径や並走配線ピッチを数ミクロンオーダーまで小さくでき、光回路レイアウトの小型化が可能となる。これらの特徴からＳｉフォトニクスは、光トランシーバや光センシング回路など様々なアプ
リケーションへの展開が期待される（例えば、特許文献１又は２、非特許文献１、２、３又は４参照)。

光導波路型の光センシング回路の代表例としてリング共振器を用いるものがある。

リング共振器は、入力導波路及び出力導波路、並びに、これらと光学的に結合が可能なリング形状のトレース導波路を備えて構成される。入力導波路とトレース導波路、及び、出力導波路とトレース導波路とは、それぞれ、局所的に方向性結合器が形成されており、導波路間での光の遷移を生じる。入力導波路より入力された光の一部が、トレース導波路に結合してトレース導波路に遷移する。また、トレース導波路を周回する光のうち、特定の干渉（共振）条件を満たす光のみが出力導波路に結合して出力導波路に遷移する。出力導波路に遷移した光は出力導波路を経て出力される。このトレース導波路における干渉条件は波長依存性を含むため、スペクトルピークとして観測される。光の損失を無視すれば、共振条件を満たさない光は、相補的な関係として入力導波路において光が入力された側と対向するポートから透過光として出力される。

図１５を参照して、従来のリング共振器を用いる光センシング回路の動作原理を説明する。図１５は、光センシング回路の動作原理を説明するための模式図である。図１５（Ａ）、（Ｃ）及び（Ｅ）は、リング共振器に装着された抗体５６０と、抗体５６０に抗原５７０が捕獲される様子を示す模式図である。図１５（Ｂ）、（Ｄ）及び（Ｆ）は、それぞれ、図１５（Ａ）、（Ｃ）及び（Ｅ）に対応する光出力スペクトルであって、横軸に波長をとって示し、縦軸に光出力パワーをとって示している。図１５（Ａ）及び（Ｂ）は、初期状態であり、図１５（Ｃ）及び（Ｄ）は、抗原の濃度が低い状態であり、図１５（Ｅ）及び（Ｆ）は、抗原の濃度が高い状態である。図１５（Ｇ）は、横軸に抗原の濃度をとって示し、縦軸に光出力パワーをとって示している。

図１５（Ａ）に示すように、リング共振器には、抗体５６０が実装されている。ここでは可変波長光源を用いて出力波長をリング共振器の共振ピーク波長に合せると、出力導波路からの光出力は最大となる（図１５（Ｂ）参照）。この出力導波路からの光出力が最大となるとき、初期状態として、可変波長光源の波長をλ_０に固定する。

次に、光センシング回路がセンシング対象である検体に曝され、リング共振器に実装された抗体５６０が抗原５７０を捕獲する（図１５（Ｃ）及び（Ｅ）参照。）ことで、光導波路コアを伝送する光の実効屈折率（等価屈折率）が変化し、物質、抗原の濃度に応じた共振ピーク波長のシフトを生じる（図１５（Ｄ）及び（Ｆ）参照）。その際、波長を固定した光源の波長とリング共振器の共振ピーク波長との不一致から、リング共振器の出力導波路からの光出力が減衰する。このため、出力パワーの変動量とリング共振器が感知する屈折率の変動量を紐づけすることで屈折率の変化量を推測することが可能となる。検体は特有の屈折率をもつため、共振ピーク波長のシフトから、検知物質を特定したり、濃度などを知ったりすることができる（図１５（Ｇ）参照）。

Ｓｉフォトニクスに基づくリング共振器は先に述べたように曲率半径を数ミクロンオーダーまで小さくできるため、極めて微小なリング共振器デバイスを実現することが可能である。さらに、ゲルマニウム（Ｇｅ）成長装置を併用することで受光器（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）を同一ウェハー上に作りこむことができ、センシングに必要な素子を例えば数ｍｍ角サイズのチップ上に１０個以上集積形成できる。これにより１回の測定で複数のサンプルを同時に評価することが出来る。ただし、間接遷移型半導体であり発光効率の低いＳｉでは、光源の実現が困難である。このため、光源に関しては、現状ではリング共振器デバイスやＰＤが集積化されたＳｉチップ上に、別プロセスで作製したレーザーダイオード（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）チップを実装する手法や、外部光源を、光フ
ァイバ等を介して接続する手法が用いられる。

リング共振器のような導波路型の光センシング回路では、伝送モードのうちＳｉコアから漏れた成分であるエバネッセント波がセンシング検体、すなわち屈折率の摂動にオーバーラップすることで等価屈折率の変化を生じる。このため、検知感度を向上させるためにはＳｉ導波路コア直上のクラッドをエッチングや化学機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）などにより薄膜化して、検体とＳｉコアとの距離を縮めることが重要となる。

特開２０１８－１５５８６３号公報 特開２０１５－１２１６９６号公報

CLEO 2018 OSA 2018, JTh2A.60, "High Q Si Slot Waveguide Ring Resonators for Gas Sensing Application" Japanese Journal of Applied Physics 55, 04EM04 (2016), "Differential Si ring resonators for label-free biosensing" 11 June 2007 / Vol. 15, No. 12 / OPTICS EXPRESS 7612, "Silicon-on-Insulator microring resonator for sensitive and label-free biosensing" 13 February 2012 / Vol. 20, No. 4 / OPTICS EXPRESS 4189, "Electrical tracing-assisted dual-microring label-free optical bio/chemical sensors"

リング共振器のセンシング感度指標（Ｆｉｇｕｒｅ ｏｆ Ｍｅｒｉｔ）は、スペクトルＱ値(共振ピークの急峻さ)と、屈折率変化量に対する共振ピーク波長シフト係数（Δλ／ΔＮ）との積で見積もられる。例えば、Ｑ値が５０，０００、かつ、Δλ／ΔＮ＝１００［ｎｍ／ＲＩＵ］（ＲＩＵ：Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ Ｉｎｄｅｘ Ｕｎｉｔ）のリング共振器の検知可能屈折率変化量はおよそ２．０×１０^－５［ＲＩＵ］となる（例えば、非特許文献３参照）。一方、検知感度の面では温度依存性も重要なファクターである。一般的なＳｉ導波路デバイスでは、温度変動に対する共振ピーク波長の変化係数（Δλ／ΔＴ）は０．０５～０．０７［ｎｍ／Ｋ］となる。例えば、温度変動量ΔＴが±０．１Ｋの測定環境下では、±０．００５～０．００７［ｎｍ］の波長揺ぎが生じることを意味する。この波長揺らぎはΔλ／ΔＮ＝１００［ｎｍ／ＲＩＵ］のリング共振器においては５～７×１０^－５［ＲＩＵ］の屈折率変化量に相当し、これ以下の屈折率変化量は温度起因の測定ノイズとして埋もれてしまう。すなわち、温度依存性によりリング共振器本来の検知感度が制限されてしまう。

このように、温度依存性は最小検知可能屈折率に大きく影響し、光センシング回路の温度依存性をいかに低減できるかが課題となる。さらに、初期設定として光源波長と共振ピーク波長を一致させることが必要となる。光センシング回路の検知感度がよくなるほどシビアな温度管理と光源の発振波長制御が求められるため、一般環境下での運用を困難にさせる。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものである。この発明の目的は、光導波路型の光センシング回路及び光センシング方法において、共振ピーク波長の温度依存性を緩和し、かつ光源とリング共振器との発振波長制御を不要にし、運用を簡便にすることを目
的とする。

上述した目的を達成するために、この発明の光センシング回路は、支持基板と、支持基板上に形成されるクラッドと、クラッド中に埋設され、支持基板の上面に平行に設けられる、光導波路コアとを備える光導波路型の光センシング回路であって、バンドパスフィルタと、入力導波路、リング形状のトレース導波路、及び、出力導波路を備えて構成されるリング共振器であって、当該リング共振器が形成された領域のクラッド上にヒーターとして抵抗材が設けられている参照リング共振器と、入力導波路、リング形状のトレース導波路、及び、出力導波路を備えて構成されるリング共振器であって、センシング領域が設けられているセンシングリング共振器と、受光素子とを備えて構成される。

参照リング共振器の共振波長の光のうち、バンドパスフィルタで取り出された特定の波長帯域の光が、センシングリング共振器の入力導波路に送られ、センシングリング共振器の共振波長の光が、センシングリング導波路の出力導波路から、受光素子に送られ、バンドパスフィルタで取り出される特定の波長帯域は、センシングリング共振器のＦＳＲ（Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ）以下である。

また、この発明の光センシング回路の好適実施形態によれば、支持基板と、支持基板上に形成されるクラッドと、クラッド中に埋設され、支持基板の上面に平行に設けられる、光導波路コアとを備える光導波路型の光センシング回路であって、バンドパスフィルタと、入力導波路、リング形状のトレース導波路、及び、出力導波路を備えて構成されるリング共振器であって、当該リング共振器が形成された領域のクラッド上にヒーターとして抵抗材が設けられている参照リング共振器と、分岐部と、入力導波路、リング形状のトレース導波路、及び、出力導波路を備えて構成されるリング共振器であって、センシング領域が設けられている、Ｎ（Ｎは２以上の整数）個のセンシングリング共振器と、Ｎ個の受光素子とを備えて構成される。

参照リング共振器の共振波長の光のうち、バンドパスフィルタで取り出された特定の波長帯域の光が、分岐部に送られ、分岐部は、受け取った光をＮ分岐して、それぞれ、第１～第Ｎのセンシングリング共振器の入力導波路に送り、第１～第Ｎのセンシングリング共振器の共振波長の光が、それぞれ、第１～第Ｎのセンシングリング共振器の出力導波路から、第１～第Ｎの受光素子に送られ、バンドパスフィルタで取り出される特定の波長帯域は、センシングリング共振器のＦＳＲ以下である。

また、この発明の光センシング回路の他の好適実施形態によれば、支持基板と、支持基板上に形成されるクラッドと、クラッド中に埋設され、支持基板の上面に平行に設けられる、光導波路コアとを備える光導波路型の光センシング回路であって、Ｎのバンドパスフィルタと、入力導波路、リング形状のトレース導波路、及び、出力導波路を備えて構成されるリング共振器であって、当該リング共振器が形成された領域のクラッド上にヒーターとして抵抗材が設けられている、１個あるいはＮ個の参照リング共振器と、入力導波路、リング形状のトレース導波路、及び、出力導波路を備えて構成されるリング共振器であって、センシング領域が設けられている、Ｎ個のセンシングリング共振器と、Ｎ個の受光素子とを備えて構成される。

第ｐ（ｐは１以上Ｎ以下の整数）のバンドパスフィルタで取り出された、参照リング共振器の共振波長の各ピークを含む波長帯域の光が、第ｐのセンシングリング共振器の入力導波路に送られ、第ｐのセンシングリング導波路の共振波長の光が、第ｐのセンシングリング共振器の出力導波路から、第ｐの受光素子に送られ、第１～第Ｎのバンドパスフィルタで取り出される特定の波長帯域は、それぞれ、第１～第Ｎのセンシングリング共振器の
共振波長を含み、ＦＳＲ以下であり、及び、互いに異なる波長帯域である。

上述の光センシング回路の実施に当たり、センシング領域のクラッドが、部分的に又は全体的に薄膜化されているのが良い。

また、上述した目的を達成するために、この発明の光センシング方法は、上述の光センシング回路を用いて行われ、光源として広い波長帯域に渡りフラットな出力特性を有する広帯域光源を用いて、必要に応じて、参照リング共振器が備えるヒーターの温度を変化させて、参照リング共振器の共振波長と、センシングリング共振器の共振波長が一致する初期状態に設定する過程と、センシングリング共振器を検体に曝す過程と、参照リング共振器の共振波長と、センシングリング共振器の共振波長のずれ量を取得し、波長のずれ量から、抗原の濃度を取得する過程とを備える。

ここで、共振波長のずれ量の取得は、受光素子における受光パワーの、初期状態からの減衰量に基づいて行われるのが良い。また、共振波長のずれ量の取得は、受光素子における受光パワーが、初期状態における受光パワーに一致するように、参照リング共振器が備えるヒーターに供給する電力を変化させたときの、ヒーター電力に基いて行われてもよい。

この発明の光センシング回路及び光センシング方法によれば、光源として広帯域光源を用いることができるため、従来の手法のように光源の発振波長とリング共振器のピーク波長を合わせる必要がなくなる。さらに、測定環境の温度が揺らいだとしても、参照リング共振器及びセンシングリング共振器の２つのリング共振器デバイスが同一チップ上に近接配置されるため、２つのリング共振器は同じように温度の影響を受ける。すなわち、２つの共振ピーク波長の相対的な関係は、温度に依存することなく保持されるため、出力特性はセンシング検体の屈折率にのみ依存し、温度依存性をキャンセルすることが可能となり、共振ピーク波長の温度依存性を緩和し、かつ光源とリング共振器との発振波長制御が不要にし、運用が簡便になる。また、バンドパスフィルタを備えることで、不慮の共振ピーク波長の一致によるセンシング特性の劣化を避けることができる。

第１の光センシング回路の概略的平面図である。 第１の光センシング回路の概略的断面図である。 参照リング共振器及びセンシングリング共振器を説明するための図である。 第１の光センシング回路の動作を説明するための模式図である。 参照リング共振器及びセンシングリング共振器のピーク波長のずれ量Δλと、受光素子での受光パワーの関係を示す図である。 バンドパスフィルタの動作を説明するための模式図であって、バンドパスフィルタがない場合の共振スペクトルを示す。リブ導波路を備えるアーム導波路を説明するための模式図である。 バンドパスフィルタの概略的平面図である。 バンドパスフィルタの動作を説明するための模式図であって、バンドパスがある場合の共振スペクトルを示す。 第１の光センシング回路の他の構成例の概略的平面図である。 第２の光センシング回路の動作を説明するための模式図である。 第３の光センシング回路の概略的平面図である。 第４の光センシング回路の概略的平面図である。 第４の光センシング回路の動作を説明するための模式図である。 第５の光センシング回路の概略的平面図である。 リング共振器を用いる光センシング回路の動作原理を説明するための模式図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

（第１実施形態）
図１及び２を参照して、この発明に係る光センシング回路の第１実施形態（以下、第１の光センシング回路とも称する。）を説明する。図１は、第１の光センシング回路の概略的平面図であって、後述する支持基板及びクラッドを省略し、光導波路コアのみを示している。なお、他の概略的平面図においても後述する支持基板及びクラッドを省略する。図２は、第１の光センシング回路の概略的断面図である。図２（Ａ）は、図１のＡ－Ａ線に沿った概略的断面図であり、図２（Ｂ）は、図１のＢ－Ｂ線に沿った概略的断面図である。

第１の光センシング回路１００は、支持基板１０、クラッド２０、及び、光導波路コア３０を備える光導波路を基本構造として有している。

支持基板１０は、例えば単結晶シリコン（Ｓｉ）を材料とした平板状体で構成されている。

クラッド２０は、支持基板１０上に設けられている。クラッド２０は、支持基板１０の上面を被覆し、かつ、光導波路コア３０を包含して形成されている。クラッド２０は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を材料として形成されている。

光導波路コア３０は、クラッド２０の屈折率（１．４５）よりも高い屈折率（３．５）を有する例えばＳｉを材料として形成されている。その結果、光導波路コア３０と周囲のクラッド２０は、光の伝送路（光導波路）として機能し、光導波路コア３０に入力された光が光導波路コア３０の平面形状に応じた伝播方向に伝播する。

この光導波路の基本構造は、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を利用することによって、簡易に製造することができる。以下、光導波路構造の製造方法の一例を説明する。

先ず、支持基板層、ＳｉＯ_２層、及びＳｉ層が順次積層されて構成されたＳＯＩ基板を用意する。次に、例えばドライエッチングを行い、Ｓｉ層をパターニングする。その後、ＳｉＯ_２層上、Ｓｉ層を覆うＳｉＯ_２膜を形成する。この結果、支持基板１０、クラッド２０、及び、光導波路コア３０を備える光導波路の基本構造を得ることができる。

第１の光センシング回路１００は、入力部２００、バンドパスフィルタ３００、参照リング共振器４００、センシングリング共振器５００、受光素子６００、及び、出力部７００を備えて構成される。

第１の光センシング回路１００には、光源９００で生成された光が入力される。光源９００として、例えば、広い波長帯域にフラットな出力特性を有する広帯域光源（ＢＢＬＳ
：Ｂｒｏａｄ Ｂａｎｄ Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｕｒｃｅ）が用いられる。間接遷移型半導体であり発光効率の低いＳｉでは、上述の出力特性を有する光源９００の実現が困難である。このため、光センシング回路１００が集積化されたＳｉチップ上に、光源９００として別プロセスで作製したレーザーダイオード（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）チップを実装する手法や、光源９００を、光ファイバ等を介して接続する手法が用いられる。

第１の光センシング回路１００への光の入力インタフェースである入力部２００として、エッジカップリング型スポットサイズ変換器（ＳＳＣ：Ｓｐｏｔ Ｓｉｚｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）、又は、平面カップリング型グレーティングカプラ（ＧＣ：Ｇｒａｔｉｎｇ
Ｃｏｕｐｌｅｒ）を用いることができる。なお、入力部２００として、偏波依存性の大きなＳｉ導波路デバイスの偏波揺らぎによる特性変動を緩和するため、かつ、リング共振器デバイスの集積密度を高めるためには、偏波選択性が強くチップ上のどこにでも配置可能なＧＣが好適である。このため、ここでは入力部２００としてＧＣを用いる例を説明する。

光源９００であるＢＢＬＳから、入力部２００であるＧＣを経て、光センシング回路１００に入力された光は、バンドパスフィルタ３００を経て参照リング共振器４００に送られる。バンドパスフィルタ３００は、第１の入力ポート３０１、第１の出力ポート３０２及び第２の出力ポート３０３を有する。バンドパスフィルタ３００の詳細については後述する。入力部２００は、バンドパスフィルタ３００の第１の入力ポート３０１に光学的に接続されている。

参照リング共振器４００及びセンシングリング共振器５００は、いずれも、いわゆるリング共振器である。図３を参照して、参照リング共振器４００及びセンシングリング共振器５００について説明する。図３は、参照リング共振器４００及びセンシングリング共振器５００を説明するための図である。図３（Ａ）は、リング共振器を説明するための模式図であり、図３（Ｂ）及び（Ｃ）は、それぞれ、参照リング共振器４００及びセンシングリング共振器５００の概略的平面図である。

リング共振器１０００は、入力導波路１０１０、リング状のトレース導波路１０２０、及び、出力導波路１０３０を備えて構成される。入力導波路１０１０とトレース導波路１０２０、及び、出力導波路１０３０とトレース導波路１０２０とは、それぞれ、局所的に方向性結合器１０４０及び１０５０を形成しており、導波路間での光の遷移を生じる。入力導波路１０１０より入力された光の一部が、方向性結合器１０４０においてトレース導波路１０２０に結合してトレース導波路１０２０に遷移する。また、トレース導波路１０２０を周回する光のうち、特定の干渉（共振）条件を満たす光のみが、方向性結合器１０５０において出力導波路１０３０に結合して出力導波路１０３０に遷移する。出力導波路１０３０に遷移した光は出力導波路１０３０を経て出力される。このトレース導波路１０２０における干渉条件は波長依存性を含むため、スペクトルピークとして観測される。光の損失を無視すれば、共振条件を満たさない光は、相補的な関係として入力導波路１０１０において光が入力された側と対向するポートから透過光として出力される。

参照リング共振器４００は、入力導波路４１０、トレース導波路４２０及び出力導波路４３０を備えて構成される。また、参照リング共振器４００は、トレース導波路４２０の直上にヒーター４４０として、ＴｉＮなどの抵抗材を備えて構成される。ヒーター４４０に電力を供給して、トレース導波路４２０を加熱すると参照リング共振器４００の共振波長が変化する。

センシングリング共振器５００は、入力導波路５１０、トレース導波路５２０及び出力導波路５３０を備えて構成される。センシングリング共振器５００では、光導波路コア直
上にセンシング対象となる検体に曝されるセンシング領域５４０が施されている。センシング領域５４０では、屈折率変化の検知感度向上のため、トレース導波路５２０と抗体５６０などとの距離が近い方が好ましい。このため、光導波路コア３０直上のクラッド２０が部分的にあるいは全体的に薄膜化されている。この薄膜化されているクラッドに、特定の生体検体を検出するため抗体などが実装される。

参照リング共振器４００の入力導波路４１０は、バンドパスフィルタ３００の第１の出力ポート３０２に光学的に接続されている。参照リング共振器４００の出力導波路４３０は、センシングリング共振器５００の入力導波路５１０に光学的に接続されている。また、センシングリング共振器５００の出力導波路５３０は、受光素子６００に光学的に接続されている。

受光素子６００は、例えば、Ｇｅなどで形成された導波路型ＰＤで構成される。

図４を参照して、第１の光センシング回路１００の動作を説明する。図１５を参照して説明したように、センシングリング共振器５００では抗原を捕獲した抗体の屈性率・濃度に応じて共振ピークスペクトルが変化する。ここでは例として、参照リング共振器のピーク波長とセンシングリング共振器のピーク波長とのずれ量Δλが０．５、１．０、２．０ｎｍの３通りの場合に分け示している。

図４（Ａ）、（Ｃ）及び（Ｅ）は、参照リング共振器及びセンシングリング共振器のそれぞれの共振ピークスペクトルを示し、図４（Ｂ）、（Ｄ）及び（Ｆ）は、参照リング共振器及びセンシングリング共振器の共振ピークスペクトルの和を示している。図４（Ａ）及び（Ｂ）は、参照リング共振器のピーク波長とセンシングリング共振器のピーク波長とのずれ量Δλが０．５ｎｍの場合を示し、図４（Ｃ）及び（Ｄ）は、Δλが１．０ｎｍの場合を示し、図４（Ｅ）及び（Ｆ）は、Δλが２．０ｎｍの場合を示している。図４（Ａ）～（Ｆ）は、横軸に波長をとって示し、縦軸に透過率［単位：ｄＢ］をとって示している。

前段の参照リング共振器４００は、図４（Ａ）、（Ｃ）及び（Ｅ）中、曲線Ｉに示すピークスペクトルを有し、後段のセンシングリング共振器５００は、曲線ＩＩに示す固有の共振ピークスペクトルを有する。この場合、参照リング共振器４００及びセンシングリング共振器５００を通過した光のスペクトルは、図４（Ｂ）、（Ｄ）及び（Ｆ）に示すように、参照リング共振器の共振ピークスペクトルと、センシングリング共振器の共振ピークスペクトルの透過率の積（ｄＢ表記の場合、和）として、出力される。

ここで、センシングリング共振器５００の出力導波路５３０からのスペクトルは、後段の受光素子６００で受光され、光源９００として広帯域光源を用いる場合、その受光パワーは、参照リング共振器４００の共振ピークスペクトルと、センシングリング共振器５００の共振ピークスペクトルの和の波長積分に相当する。受光素子６００の受光パワーは、参照リング共振器４００とセンシングリング共振器５００間のピーク波長のずれ量Δλに依存し、２つのピーク波長が一致している時（Δλ＝０）を最大値とし、ピーク波長のずれ量Δλが大きくなるにつれ減衰していく。

図５は、参照リング共振器及びセンシングリング共振器のピーク波長のずれ量Δλと、受光素子６００での受光パワーの関係を示す図であって、横軸に、ピーク波長のずれ量Δλ［単位：ｎｍ］をとって示し、縦軸に、受光パワー［単位：ｄＢ］をとって示している。ここで、受光パワーは、Δλ＝０の時の受光パワーを基準とした相対受光パワーである。図５に示すように、２つのピーク波長のずれ量Δλに応じて受光素子６００で検出される受光パワーが変動する。このため、ピーク波長のずれ量を屈折率と紐づけすることで横
軸を屈折率変化量に置き換えることができ、検体の屈折率を推定することが可能となる。

検体がない初期の状態において、参照リング共振器４００とセンシングリング共振器５００とは、共振ピーク波長及びＦＳＲ（Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ）などの波長特性が同一になるように設計する。しかし、作製誤差による特性ばらつきにより、初期の共振ピーク波長がずれる場合がある。

この場合、参照リング共振器４００に実装されたヒーター４４０に電流を流して、参照リング共振器４００の共振ピーク波長を変化させ、受光素子６００の受光パワーが最大値となる点を初期状態とする。続けて、センシングリング共振器５００のセンシング領域５４０を検体に曝し、出力変化（減衰量）をモニタする。なお、２つのリングピーク波長のずれ量がＦＳＲ／２以上になると、出力減衰カーブは再び増加してしまうため、検出可能域はＦＳＲの２分の１となる。

次に、図６～８を参照して、バンドパスフィルタ３００について説明する。図６は、バンドパスフィルタの機能を説明するための模式図であって、バンドパスフィルタがない場合の共振スペクトルを示す。図７は、バンドパスフィルタの一例として、グレーティング型波長フィルタの構成を説明するための概略的平面図である。図８は、バンドパスフィルタの機能を説明するための模式図であって、バンドパスフィルタがある場合の共振スペクトルを示す。

図６（Ａ）及び（Ｂ）、並びに、図８（Ａ）及び（Ｂ）の上段は、参照リング共振器の共振スペクトルを示す図であり、下段は、センシングリング共振器の共振スペクトルを示す図である。また、図６（Ａ）及び図８（Ａ）は、初期状態の共振スペクトルを示し、図６（Ｂ）及び図８（Ｂ）は、検体検出時の共振スペクトルを示している。

初期状態として、参照リング共振器４００とセンシングリング共振器５００とは特性が同一になるように設計される（図６（Ａ）及び図８（Ａ）参照）。しかしながら、上述の通り、抗体の屈折率によっては２つのリング共振器のＦＳＲがずれてしまうことが想定される。その場合、バーニア効果により観測中心波長から離れた波長においてピークが一致する波長が生じることがある（図６（Ｂ）において、Ｉで示す部分）。この場合、出力減衰カーブが鈍化しセンシング感度を鈍らせ、同時に屈折率の検出可能域を狭めてしまう可能性がある。そのため、光源９００の出力波長域を観測中心付近に絞るためバンドパスフィルタを挿入することが好ましい。

バンドパスフィルタ３００としては特定の波長帯域に対してのみ強い選択性を示すグレーティング型波長フィルタが好ましい。図７に示すバンドパスフィルタ３００の好適例によれば、バンドパスフィルタ３００は、グレーティング３１０、モードフィルタ３２０、入力導波路３３０、第１の出力導波路３４０及び第２の出力導波路３５０を備えて構成される。入力導波路３３０が前段の入力部２００と光学的に接続されており、第１の出力導波路３４０が後段の参照リング共振器４００の入力導波路と光学的に接続されている。

グレーティング３１０では、導波路に周期的な屈折率の変調構造が施されている。グレーティング３１０では、伝送する光のうち前進波および後進波の等価屈折率をそれぞれｎ_ａとｎ_ｂとし、屈折率の変調周期をΛとおくと、以下の式（１）を満たすＢｒａｇｇ波長（λ_{Ｂｒａｇｇ}）がスペクトルに反射として現れる。

（ｎ_ａ＋ｎ_ｂ）Λ＝λ_{Ｂｒａｇｇ} （１）
例えば、入力導波路３３０から入力された光の前進波を基本モード、後進波を高次モードに設定し、後進波としての高次モードをモードフィルタ３２０で選択的に取り出すこと
で、Ｂｒａｇｇ波長付近のバンドパス機能を得ることができる。取り出された光は、第１の出力導波路３４０から出力される。

バンドパスフィルタの波長帯域は、参照リング共振器のピーク波長を中心にセンシングリング共振器の共振ピークスペクトルのＦＳＲと一致するようにすることが好ましい。これにより、ＢＢＬＳを用いつつも観測波長帯域以外の出力はカットされるため、不慮の共振ピーク波長の一致によるセンシング特性の劣化を避けることができる（図８（Ｂ）参照）。

また、光センシング回路１００が形成されたチップをファイバ実装して使う場合、入力部２００のＧＣと同様の構造を出力部７００として使うことができる。実装するアレイファイバのピッチをＸとした場合、ファイバの配列に沿ってＸの整数倍だけ離れた場所に出力部７００を配置することで、ＢＢＬＳから入力された光のうちバンドパスフィルタ３００でバンドパスされずに、第２の出力導波路３５０から出力される透過光をタップ光として調芯等の際のモニタ光として用いることができる。

第１の光センシング回路は、上述の構成に限定されない。図９を参照して、第１の光センシング回路の他の構成例を説明する。図９は、第１の光センシング回路の他の構成例の概略的平面図である。

他の構成例の光センシング回路１００ａは、バンドパスフィルタ３００と参照リング共振器４００の位置関係が、図１を参照して説明した第１の光センシング回路１００と異なっている。他の構成や動作は、図１を参照して説明した第１の光センシング回路１００と同様であるので、重複する説明を省略することもある。

他の構成例の光センシング回路１００ａでは、光源９００であるＢＢＬＳから、入力部２００であるＧＣを経て、光センシング回路１００に入力された光は、参照リング共振器４００に送られる。参照リング共振器４００の共振条件を満たす光は、バンドパスフィルタ３００に送られる。一方、参照リング共振器４００の共振条件を満たさない光は、出力部７００から出力される。

バンドパスフィルタ３００は、特定の波長帯域の光を取り出して、センシングリング共振器５００の入力導波路に送る。

このように、他の構成例の光センシング回路１００ａにおいても、第１の光センシング回路１００と同様に、参照リング共振器４００の共振波長の光のうち、バンドパスフィルタ３００で取り出された特定の波長帯域の光が、センシングリング共振器５００の入力導波路に送られる。従って、他の構成例の光センシング回路１００ａについても、第１の光センシング回路１００と同様の機能が得られる。

（第２実施形態）
図１０を参照して、この発明に係る光センシング回路の第２実施形態（以下、第２の光センシング回路とも称する。）を説明する。図１０は、第２の光センシング回路の動作を説明するための模式図である。

第２の光センシング回路の構成は、第１の光センシング回路と同様であるため説明は省略する。

第１の光センシング回路は、参照リング共振器４００とセンシングリング共振器５００との共振ピーク波長のずれ量に依存して受光素子６００の受光パワーが変動することを利
用する。この受光パワーの変動量から、検体の屈折率および濃度を推定する。

これに対し、第２の光センシング回路では、参照リング共振器４００に実装されたヒーター４４０への印加電力を掃引することで、検体による屈折率変化量を推定する。

センシングリング共振器５００のセンシング領域５４０に検体が曝された状態では、センシングリング共振器５００の共振ピーク波長は検体の屈折率及び濃度に応じてシフトを生じる。一方、参照リング共振器４００の共振ピーク波長はヒーター４４０に加えた電力、すなわち参照リング共振器４００へ局所的に与えた温度に依存する。

このヒーター電力を掃引し、ヒーター電力と受光素子６００の受光パワーとの相関をプロットすると、図１０（Ａ）のようになる。受光素子６００の受光パワーは参照リング共振器とセンシングリング共振器の共振ピーク波長が一致するとき最大値をとり、その時のヒーター電力は検体に依存する。ヒーター電力Ｐと参照リング共振器の共振ピーク波長λとの関係は実験的に求められ、図１０（Ｂ）に示されるような比例関係となる。その傾きΔλ／ΔＰを用いることで図１０（Ａ）の横軸（電力）をピーク波長のシフト量に換算することができ、図１０（Ｃ）に示すような疑似スペクトルを得ることが出来る。さらに、センシングリング共振器はデバイス固有の、屈折率変化に対する波長シフト係数Δλ／ΔＮをもつため、受光パワーが最大となる波長シフト量Δλ_ｍａｘからΔλ／ΔＮを割ることで、検体による屈折率変化量ΔＮを推定することが可能となる。

（第３実施形態）
図１１を参照して、この発明に係る光センシング回路の第３実施形態（以下、第３の光センシング回路とも称する。）を説明する。図１１は、第３の光センシング回路の動作を説明するための模式図である。以下の説明において、第１及び第２の光センシング回路と重複する説明は省略することもある。

第３のセンシング回路１０１は、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のセンシングリング共振器５００－１～Ｎを備え、参照リング共振器４００とセンシングリング共振器５００の間に分岐部８００を備える点が、第１の光センシング回路と異なっている。なお、Ｎは２のべき乗であることが好ましい。

分岐部８００は、参照リング共振器から送られた光を、Ｎ分岐させて、それぞれ、第１～第Ｎのセンシングリング共振器５００－１～Ｎに送る。第１～第Ｎのセンシングリング共振器５００－１～Ｎの後段には、それぞれ、第１～第Ｎの受光素子６００－１～Ｎが光学的に接続されている。

分岐部８００は、光をＮ分岐させるために必要な数のカプラーを備えて構成される。カプラーは、いわゆる３ｄＢカプラーであることが好ましい。センシングリング共振器の数Ｎが２^ｋ（ｋは１以上の整数）の場合、カプラーはｌｏｇ_２Ｎ段配列され、２^{ｌｏｇ２Ｎ}―１個必要となる。第１段から第ｌｏｇ_２Ｎ－１段のカプラーは、それぞれ、前段から受け取った光を２分岐して、後段のカプラーに送る。第ｌｏｇ_２Ｎ段のカプラーは、それぞれ光を２分岐して、第１～第Ｎの受光素子に送る。

図１１では、一例としてＮが４（＝２^２）の場合を示している。第１段のカプラー８１０－１は、参照リング共振器から受け取った光を２分岐して、第２段の第１カプラー８１０－２及び第２カプラー８１０－３に送る。第２段の第１カプラー８１０－２は、第１段のカプラーから受け取った光を２分岐して、第１の受光素子６００－１及び第２の受光素子６００－２に送る。また、第２段の第２カプラー８１０－３は、第１段のカプラー８１０－１から受け取った光を２分岐して、第３の受光素子６００－３及び第４の受光素子６
００－４に送る。

ここで、第１～第Ｎのセンシングリング共振器５００－１～Ｎは同一設計であるが、クラッドにより空間的に分離している。このため各々のセンシングリング共振器５００－１～Ｎのセンシング領域には独立した検体をそれぞれ用いることが可能となる。従って、第１又は第２の光センシング回路と同様に各々の導波路型フォトダイオードの受光パワーを計測することで、複数のサンプルを同時に評価が可能となる。

（第４実施形態）
図１２及び図１３を参照して、第４の光センシング回路を説明する。図１２は、第４の光センシング回路の他の構成例の概略平面図である。図１３は、第４の光センシング回路の動作を説明するための模式図である。

第４のセンシング回路は、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の参照リング共振器４００－１～Ｎ及びセンシングリング共振器５００－１～Ｎを備え、Ｎ個のバンドパスフィルタ３００－１～Ｎを直列に備える点が、第１の光センシング回路と異なっている。

第１～第Ｎのバンドパスフィルタ３００－１～Ｎは、直列に接続され、互いに異なる帯域の波長を取り出して、それぞれ、第１～第Ｎの参照リング共振器４００－１～Ｎに送る。参照リング共振器以降の構成は、第１～第３の光センシング回路と同様の思想で構成できる。

ここで、第１～第Ｎのセンシングリング共振器５００－１～Ｎは同一設計であるが、クラッドにより空間的に分離している。このため各々のセンシングリング共振器５００－１～Ｎのセンシング領域には独立した検体をそれぞれ用いることが可能となる。従って、第１又は第２の光センシング回路と同様に、各々の導波路型フォトダイオードの受光パワーを計測することで、複数のサンプルを同時に評価が可能となる。

また、第２～第Ｎのバンドパスフィルタは、前段までのバンドパスフィルタで取り出されずに透過した帯域の波長から、所定の帯域の波長を取り出す。図１３（Ａ）～（Ｄ）は、それぞれ第１～第４の参照リング共振器の共振波長を実線で示している。図１３に示されるように、第１～第Ｎのセンシングリング共振器５００－１～Ｎでは、それぞれ異なる波長帯域の光が用いられる。

このように、第４の光センシング回路は、第１～第３の光センシング回路において検体の検出に用いられなかった波長の光を用いて、検体の検出を行うので、光源９００で生成される光を有効に活用できる。

（第５の実施形態）
図１４を参照して、第５の光センシング回路を説明する。図１４は、第５の光センシング回路の他の構成例の概略平面図である。第５の光センシング回路は、１つの参照リング共振器４００及びＮ個のセンシングリング共振器５００－１～Ｎを備える点、及び、バンドパスフィルタ３００と参照リング共振器４００の位置関係が、第４の光センシング回路と異なっている。他の構成や動作は、第４の光センシング回路と同様であるので、重複する説明を省略することもある。

入力部２００を経て、第５の光センシング回路に入力された光は、参照リング共振器４００に送られる。参照リング共振器４００の共振条件を満たす光は、第１のバンドパスフィルタ３００－１に送られる。

第１～第Ｎのバンドパスフィルタ３００－１～Ｎは、直列に接続され、互いに異なる帯域の波長を取り出して、それぞれ、第１～第Ｎのセンシングリング共振器５００－１～Ｎに送る。センシングリング共振器以降の構成は、第４の光センシング回路と同様であるので説明を省略する。

第Ｎのバンドパスフィルタ３００－Ｎで取り出されなかった光は、出力部７００を経て、出力される。

ここで、第１～第Ｎのセンシングリング共振器５００－１～Ｎは同一設計であるが、クラッドにより空間的に分離している。このため各々のセンシングリング共振器５００－１～Ｎのセンシング領域には独立した検体をそれぞれ用いることが可能となる。従って、第１又は第２の光センシング回路と同様に、各々の導波路型フォトダイオードの受光パワーを計測することで、複数のサンプルを同時に評価が可能となる。

このように、第５の光センシング回路は、第１～第３の光センシング回路において検体の検出に用いられなかった波長の光を用いて、検体の検出を行うので、第４の光センシング回路と同様に、光源９００で生成される光を有効に活用できる。また、第４の光センシング回路と比較して、参照リング共振器の数を減らすことができる。

１０ 支持基板
２０ クラッド
３０ 光導波路コア
１００、１０１ 光センシング回路
２００ 入力部
３００ バンドパスフィルタ
４００ 参照リング共振器
５００ センシングリング共振器
６００ 受光素子
７００ 出力部
８００ 分岐部
８１０ カプラー
９００ 光源

Claims (7)

1. 支持基板と、
   前記支持基板上に形成されるクラッドと、
   前記クラッド中に埋設され、前記支持基板の上面に平行に設けられる、光導波路コアとを備える光導波路型の光センシング回路であって、
   バンドパスフィルタと、
   入力導波路、リング形状のトレース導波路、及び、出力導波路を備えて構成されるリング共振器であって、当該リング共振器が形成された領域のクラッド上にヒーターとして抵抗材が設けられている参照リング共振器と、
   入力導波路、リング形状のトレース導波路、及び、出力導波路を備えて構成されるリング共振器であって、センシング領域が設けられているセンシングリング共振器と、
   受光素子と
   を備え、
   前記参照リング共振器の共振波長の光のうち、前記バンドパスフィルタで取り出された特定の波長帯域の光が、前記センシングリング共振器の入力導波路に送られ、
   前記センシングリング共振器の共振波長の光が、前記センシングリング導波路の出力導波路から、前記受光素子に送られ、
   前記バンドパスフィルタで取り出される前記特定の波長帯域は、前記センシングリング共振器のＦＳＲ（Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ）以下である
   ことを特徴とする光センシング回路。
2. 支持基板と、
   前記支持基板上に形成されるクラッドと、
   前記クラッド中に埋設され、前記支持基板の上面に平行に設けられる、光導波路コアとを備える光導波路型の光センシング回路であって、
   バンドパスフィルタと、
   入力導波路、リング形状のトレース導波路、及び、出力導波路を備えて構成されるリング共振器であって、当該リング共振器が形成された領域のクラッド上にヒーターとして抵抗材が設けられている参照リング共振器と、
   分岐部と、
   入力導波路、リング形状のトレース導波路、及び、出力導波路を備えて構成されるリング共振器であって、センシング領域が設けられている、Ｎ（Ｎは２以上の整数）個のセンシングリング共振器と、
   Ｎ個の受光素子と
   を備え、
   前記参照リング共振器の共振波長の光のうち、前記バンドパスフィルタで取り出された特定の波長帯域の光が、前記分岐部に送られ、
   前記分岐部は、受け取った光をＮ分岐して、それぞれ、第１～第Ｎのセンシングリング共振器の入力導波路に送り、
   第１～第Ｎのセンシングリング導波路の共振波長の光が、それぞれ、第１～第Ｎのセンシングリング共振器の出力導波路から、第１～第Ｎの受光素子に送られ、
   前記バンドパスフィルタで取り出される前記特定の波長帯域は、前記センシングリング共振器のＦＳＲ（Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ）以下である
   ことを特徴とする光センシング回路。
3. 支持基板と、
   前記支持基板上に形成されるクラッドと、
   前記クラッド中に埋設され、前記支持基板の上面に平行に設けられる、光導波路コアとを備える光導波路型の光センシング回路であって、
   Ｎ（Ｎは２以上の整数）個のバンドパスフィルタと、
   入力導波路、リング形状のトレース導波路、及び、出力導波路を備えて構成されるリング共振器であって、当該リング共振器が形成された領域のクラッド上にヒーターとして抵抗材が設けられている、１個あるいはＮ個の参照リング共振器と、
   入力導波路、リング形状のトレース導波路、及び、出力導波路を備えて構成されるリング共振器であって、センシング領域が設けられている、Ｎ個のセンシングリング共振器と、
   Ｎ個の受光素子と
   を備え、
   第ｐ（ｐは１以上Ｎ以下の整数）のバンドパスフィルタで取り出された、参照リング共振器の共振波長の各ピークを含む波長帯域の光が、第ｐのセンシングリング共振器の入力導波路に送られ、
   第ｐのセンシングリング導波路の共振波長の光が、第ｐのセンシングリング共振器の出力導波路から、第ｐの受光素子に送られ、
   第１～第Ｎのバンドパスフィルタで取り出される特定の波長帯域は、それぞれ、第１～第Ｎのセンシングリング共振器の共振波長を含み、ＦＳＲ（Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ
   Ｒａｎｇｅ）以下であり、及び、互いに異なる波長帯域である
   ことを特徴とする光センシング回路。
4. 前記センシング領域のクラッドが、部分的に又は全体的に薄膜化されている
   ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の光センシング回路。
5. 請求項１～４のいずれか一項に記載の光センシング回路を用いた光センシング方法であって、
   必要に応じて、前記参照リング共振器が備えるヒーターの温度を変化させて、前記参照リング共振器の共振波長と、前記センシングリング共振器の共振波長が一致する初期状態に設定する過程と、
   前記センシングリング共振器を検体に曝す過程と、
   前記参照リング共振器の共振波長と、前記センシングリング共振器の共振波長のずれ量を取得し、共振波長のずれ量から、抗原の濃度を取得する過程と
   を備える光センシング方法。
6. 前記共振波長のずれ量の取得は、
   前記受光素子における受光パワーの、初期状態からの減衰量に基づいて行われる
   ことを特徴とする請求項５に記載の光センシング方法。
7. 前記共振波長のずれ量の取得は、
   前記受光素子における受光パワーが、初期状態における受光パワーに一致するように、参照リング共振器が備えるヒーターに供給する電力を変化させたときの、ヒーター電力に基いて行われる
   ことを特徴とする請求項５に記載の光センシング方法。