JP4779022B2 - マイクロ共振器センサ - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ共振器センサに関するものであり、より詳しくは、共振器の屈折率変化を用いて被測定物質の特性を検出するセンサに関するものである。

一般的に、共振器センサは、導波路の出力端における光の強度を検出して、被測定物質の特性を検出するものであり、より具体的には、入力端と出力端とが形成された導波路を通って進む光が、当該導波路と離隔されて設けられたリング共振器に結合され、結合時に発生する当該リング共振器の有効屈折率の変化に対応する導波路の出力端における光の強度を検出して、被測定物質の特性を検出するものである。

図１には既存のマイクロリング共振器センサが示されている。
図１を参照すると、既存のマイクロリング共振器センサは、主導波路（１１０）及びリング共振器（１２０）から構成される。主導波路（１１０）は、光ファイバ又は光導波管からなり、主導波路（１１０）の両端は、各々、光信号が入力される入力端と光信号が出力される出力端として機能する。リング共振器（１２０）は、一定の半径（Ｒ）を有するリング形態の光ファイバ又は光導波管であり、リング共振器（１２０）には、表面が界面処理された開口部（１２２）が形成され、リング共振器（１２０）を構成する光ファイバ又は光導波管を通って進む光が、被測定物質である液体又は気体と效果的に反応できるようにしている。
このような開口部（１２２）はリング共振器（１２０）を構成する光ファイバ又は光導波管の上面又は側面に形成される。開口部（１２２）の形成位置に応じて、マイクロリング共振器センサが受容可能な光伝達モードが決定される。従って、開口部（１２２）をリング共振器（１２０）の上面及び側面共に形成すると、ＴＭモードとＴＥモードの光信号を共に受容することができる。主導波路（１１０）とリング共振器（１２０）は１つの誘電体基板上に互いに離隔して配置されてマイクロリング共振器センサを構成する。

図１に示しているような既存のマイクロリング共振器センサにおいて、主導波路（１１０）の入力端を介して入力された光信号は、主導波路（１１０）に沿って進み、主導波路（１１０）と離隔して配置されたリング共振器（１２０）の共振条件に応じてリング共振器（１２０）に結合される。このとき、リング共振器（１２０）に入射される光は、リング共振器（１２０）に形成された開口部（１２２）の界面処理された面で被測定物質である液体又は気体状態の生体物質と反応する。これによって、リング共振器（１２０）の有効屈折率が変わるようになる。また、リング共振器（１２０）の有効屈折率が変わることによって主導波路（１１０）からリング共振器（１２０）への光結合条件が変更される。このとき、リング共振器（１２０）の上面と側面で反応する物質の濃度に対応してリング共振器（１２０）の有効屈折率が変わる。これによって主導波路（１１０）の出力端を介して出力される光の量が変わるようになるため物質の特性を検出できる。このように、リング共振器（１２０）の開口部（１２２）に生物学的要素を導入して生物変換器を構成するようになるとリング共振器を用いたバイオセンサの製作が可能である。

図１に示されている４つのポート（ａ１、ｂ４、ａ３、ｂ２）を有する既存のマイクロリング共振器センサにおいてリング共振器（１２０）内で反射がないため初期条件はｂ１＝ｂ３＝ａ２＝ａ４＝０である。従って、図１に示されているマイクロリング共振器センサの特性関数は次の数１に表される。

数１において、｜ｋ２｜は、光導波路を一回進む時に、ポート１（ａ１）からポート４（ｂ４）に結合された光信号の強度であり、｜１−ｋ２｜は、光導波路を一回進む時に、結合されることなく進む光信号の強度である。

また、リング共振器の内部における光信号は次の数２に表現される。

数２において、αＲは、リング共振器の内部で一回進む時に生じる損失であり、φＲはリング共振器の内部で一回進む時生じる位相差である。

一方、数１から次の数３を得ることができる。

また、数２と数３から次の数４が導出される。

また、数４において、φ＝２ｍπである時、リングの共振がおき、このとき、数４は次の通り整理される。

数５のように定義される共振条件が発生すると、主導波路（１１０）からリング共振器（１２０）への結合が発生し、次の数６のような条件を満たす時に、臨界結合条件が満たされて、主導波路（１１０）の出力端に光信号が出力されないようになる。臨界結合条件が満たされる時点において主導波路（１１０）からリング共振器（１２０）へ結合される光信号の強度が最大となる。

共振状態において、臨界結合条件は、結合係数（ｋ）と損失係数（αＲ）の調整により作られる。このとき、結合係数（ｋ）は、主導波路（１１０）とリング共振器（１２０）との間の隔離距離により決定され、損失係数（αＲ）はリング共振器（１２０）に形成された開口部（１２２）における光信号と生体物質との反応により決定される。

図２には主導波路（１１０）に光信号が入力された時に、リング共振器（１２０）の共振条件により入射光の波長に応じた出力光の特性曲線の一形態が示されている。図２を参照すると、リング共振器（１２０）の共振条件において臨界結合が発生すると、最小波長で主導波路（１１０）の出力端で出力が発生することなく、最小となる波長は生体分子間の相互作用に応じて移動する。すなわち、主導波路（１１０）の出力端で出力が発生しなくなる光信号の波長はリング共振器（１２０）の開口部（１２２）に接触された被測定物質によるリング共振器（１２０）の有効屈折率の変化量に応じて変わるようになる。
図２によると、リング共振器（１２０）の有効屈折率が１×１０−４増加するごとに主導波路（１１０）の出力端で出力が発生しない最小波長が一定に増加することが分かる。従って、マイクロリング共振器センサは主導波路（１１０）の出力端を介して出力される光信号の強度と波長に対する応答信号を測定することによって被測定物質の特性を検出できる。

一方、マイクロリング共振器センサの出力は、媒質がリング共振器（１２０）に形成された開口部（１２２）と接触する時に生じる媒質の誘電定数の変化に大きな影響を受ける。すなわち、媒質がマイクロリング共振器センサの開口部（１２２）を介して流動することによって媒質の誘電定数が変化し、これによってリング共振器（１２０）の有効屈折率が変わる。このようなリング共振器（１２０）の有効屈折率の変化は共振条件の変化を招いて出力波長が移動する。従って、マイクロリング共振器センサは、主導波路（１１０）の出力端で測定された光信号の強度及び位相に基づいて算出したリング共振器（１２０）の有効屈折率により被測定物質の濃度を把握することによって被測定物質の特性を検出する。

上述したようなマイクロリング共振器センサは、互いに結合される生体分子のうち１つの生体分子が、マイクロリング共振器センサに形成された開口部（１２２）の表面に固定された状態で被測定物質として、これに対応する生体分子を開口部（１２２）の表面に接触させた後、これらの間の結合作用を検出するバイオセンサの形態として具現化できる。互いに結合される生体分子の例としては、抗体−抗原、ホルモン−受容体、蛋白質−蛋白質、ＤＮＡ−ＤＮＡ、ＤＮＡ−蛋白質などを挙げることができる。このように、リング共振器を用いたバイオセンサは、マイクロリング共振器センサの開口部（１２２）の表面に配位子（リガンド）を固定化させたセンサである。リガンドの固定化方法の一形態として、リガンドにチオール基を共有結合により付けてチオール化されたリガンドを金属表面に化学的に吸着させる方法を挙げることができる。また、カルボキシルメチル化デキストラン（ｃａｒｂｏｘｙｌ−ｍｅｔｈｙｌａｔｅｄ ｄｅｘｔｒａｎ）鎖から構成されたヒドロゲルマトリクス（ｈｙｄｒｏｇｅｌ ｍａｔｒｉｘ）を用いてリガンドをマイクロリング共振器センサの開口部（１２２）の表面に固定化する方法も存在する。このようなマイクロリング共振器センサの最も大きい長所は、放射性物質や蛍光物質のような指標物質を用いることなく直接分子を測定できるという点である。さらには、マイクロリング共振器バイオセンサを用いると生体分子をリアルタイムで結合過程をモニタリングできる。

しかしながら、既存のマイクロリング共振器センサは、簡単な構成により被測定物質の特性測定が可能であるという長所があるが、センサの小型化の側面において制限が存在する。すなわち、光導波管が円形のループ形態からなる共振器を備えている既存のマイクロリング共振器センサの場合、過度な放射損失をすることなくリング共振器の半径を減らすためにはリング共振器を構成する光導波管の周辺を深くエッチングする必要がある。このように、リング共振器を構成する光導波管の周辺を深くエッチングすると、光導波管の側面光閉じ込め効果を高めることができるが、側面粗さにより光電波損失が増加する問題がある。また、リング共振器を形成している光導波管自体が真性物質からなっている場合、真性物質を介するエッチングは過度の表面再結合による問題が引き起こされる。さらには、このようなリング共振器は放射損失の増加を招いて、結果的にリング共振器センサの小型化の阻害要因として作用する。

本発明が解決しようとする技術的課題は、センサの小型化に伴う放射損失を最小化し、いつどこでも利用できるようにオンチップ（Ｏｎ−Ｃｈｉｐ）に集積化された超小型の高感度マイクロ共振器センサを提供することである。

上記の技術的課題を達成するための、本発明に係るマイクロ共振器センサの一実施形態は、光信号が入射される入射口と光信号が出射される出射口とを備え、上記入射口を介して入力された光信号の一部が分岐される光結合領域を有する主導波路と上記主導波路の光結合領域と光結合され上記主導波路から分岐される分岐光信号を入力される光結合領域を有し、複数の光導波路を多角形状に配置して構成される共振導波路と、上記共振導波路を形成する各々の光導波路が接する頂点領域に設けられ、上記共振導波路に入力された上記分岐光信号の少なくとも一部を反射させ上記分岐光信号が上記共振導波路内を周回するようにする光経路変更手段とを備え、上記共振導波路を構成する光導波路のうち少なくとも１つの光導波路の上面及び側面のうち少なくとも１つの面であって、前記光導波路の各頂点領域に設けられる光経路変更手段の間に開口部が形成されるものである。

上記の技術的課題を達成するための、本発明に係るマイクロ共振器センサの他の実施形態は、光信号が入射される入射口と光信号が出射される出射口とを備え、上記入射口を介して入力された光信号の一部が分岐される光結合領域を有する第１の主導波路と、上記第１の主導波路の光結合領域と光結合され上記第１の主導波路から分岐される分岐光信号を入力される光結合領域を有し、複数の光導波路を多角形状に配置して構成される第１の共振導波路と、光信号が入射される入射口と光信号が出射される出射口とを備え、上記入射口を介して入力された光信号の一部が分岐される光結合領域を有する第２の主導波路と、上記主導波路の光結合領域と光結合され上記第２の主導波路から分岐される分岐光信号を入力される光結合領域を有し、複数の光導波路を多角形状に配置して構成される第２の共振導波路と、上記第１の共振導波路及び第２の共振導波路を形成する各々の光導波路が接する頂点領域に設けられ、上記第１の共振導波路又は上記第２の共振導波路に入力される分岐光信号の少なくとも一部を反射させ上記分岐光信号が上記第１の共振導波路及び上記第２の共振導波路内を周回するようにする光経路変更手段と、を備え、上記第１の共振導波路と第２の共振導波路は１つの頂点を共有して単一の共振経路を形成し、上記第１の共振導波路と第２の共振導波路を構成する光導波路のうち少なくとも１つの光導波路の上面及び側面のうち少なくとも１つの面であって、前記光導波路の各頂点領域に設けられる光経路変更手段の間に開口部が形成されるものである。

これによって超小型のリング共振器センサの製作が可能であり、光源と検出器を同一のウエハ上、つまり、オンチップに集積させることができてバイオ環境センサ及び医療応用分野に適用できる。

本発明に係るマイクロ共振器センサによると、全反射ミラーを用いて共振器を構成することによって、過度な放射損失を抑制できるマイクロ共振器センサを超小型に製作できる。また、全体素子を同一なウエハに集積可能であるため、オンチップでの製作が可能であり、携帯用端末機に適用されることができる超小型光センサモジュールの生産が可能であるという利点がある。

以下、添付された図面を参照して本発明に係るマイクロ共振器センサの望ましい実施形態について詳細に説明する。

図４は、本発明に係るマイクロ共振器センサに用いられる波長可変光源の一形態を示した図面である。
図４を参照すると、波長可変光源は、レーザダイオードのような光源から放出された光信号の波長を所望の波長の信号に変更してマイクロ共振器センサの主導波路に提供する。波長可変光源は光発生部（４１０）、光導波路（４２０）、第１の共振リング（４３０）及び第２の共振リング（４４０）から構成される。

光発生部（４１０）は、電極（４１２）を介して外部から入力される電流又は電圧により一定な波長の光信号を発生するレーザダイオードである。光導波路（４２０）は、第１の共振リング（４３０）及び第２の共振リング（４４０）と一定距離離隔されて配置される。光導波路（４２０）と各々の共振リング（４３０、４４０）との隔離距離に応じて光導波路（４２０）と各々の共振リング（４３０、４４０）との間の結合係数が変わり、互いに結合される光信号の量が変わるようになる。このような光導波路（４２０）は、位相制御領域（４２２）と反射領域（４２４）とから構成され、位相制御領域（４２２）には電極（４２６）が連結されて、位相制御領域（４２２）に入力する電流又は電圧により屈折率を変更させることによって、光信号の位相を制御する。
光発生部（４１０）から放出されて光導波路（４２０）に入力された光信号は第１の共振リング（４３０）に結合されて第１の共振リング（４３０）内で時計方向への第１の光波を形成する。また、第１の光波は、第２の共振リング（４４０）に結合されて第２の共振リング（４４０）内で反時計方向への第２の光波を形成する。このような第１の光波及び第２の光波は、光導波路（４２０）の反射領域（４２４）で光導波路（４２０）に結合されて光発生部（４１０）へ進む。このように、光発生部（４１０）からの光信号に加えられることによって最終的に放出される光信号の波長を変更する。

第１の共振リング（４３０）及び第２の共振リング（４４０）は、外部から供給される駆動電流の大きさに応じて屈折率が変化する位相制御領域（４３２、４４２）が形成されている光ファイバ又は光導波管を円形に構成して製作される。第１の共振リング（４３０）及び第２の共振リング（４４０）は互いに光信号が交流できるように光結合される。また、第１の共振リング（４３０）及び第２の共振リング（４４０）の直径（Ｒ０、Ｒ１）は互いに異なるように設定され、これによって各々の共振リング（４３０、４４０）内における光信号の周回長さが異なり、各々の共振リング（４３０、４４０）の共振波長が変わる。このような状態で、一方の共振リング（例えば、共振リング（４３０））に入力される電流量を変化させて共振リング（４３０）の屈折率を変化させると、バーニア効果によって特定の波長でのみ２つのリングが同時に共振するようになって強い反射を誘発する。すなわち、一方の共振リング（４３０）の屈折率を固定させて他方の共振リング（４４０）の屈折率を順次増加させたり減少させると、定数倍の自由スペクトル域（ＦＳＲ：Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ）ずつ増加したり減少した波長で反射率ピークが順に現れるようになる。

図４を参照して説明したような可変波長光源を、本発明に係るマイクロ共振器センサに適用すると、全体センサの構成素子を単一ウエハに集積可能であるため、光集積化回路形態のマイクロ共振器センサの集積が可能であり、これによってマイクロ共振器センサをより簡単かつ低価格で生産できる。併せて、本発明に係るマイクロ共振器センサの光源としては、図４を参照して説明した可変波長光源外に、レーザダイオードのような広く知られた発光素子を適用できる。

［第１実施形態］
図５は本発明に係るマイクロ共振器センサに対する第１の実施形態の構成を示した図面である。
図５を参照すると、本発明に係るマイクロ共振器センサの第１の実施形態は、主導波路（５１０）、共振導波路（５２０）、全反射ミラー（５３０）及びビームスプリッタ（５３２、５３４）を備える。主導波路（５１０）は、光信号が入射される入射口と光信号が出射される出射口とを備え、主導波路（５１０）には入射口を介して入力された光信号が共振導波路（５２０）に結合される光結合領域が形成される。共振導波路（５２０）は主導波路（５１０）の光結合領域と光結合され主導波路（５１０）の入射口を介して入力された光信号のうち、共振導波路（５２０）に結合される光信号（以下、「分岐光信号」という）が入力される光結合領域を有し、複数の光導波路を三角形状に配置して構成される。このとき、三角形状の共振導波路（５２０）の三辺を構成する光導波路のうち１つの光導波路は、主導波路（５１０）を構成する光導波路と一体からなる。ビームスプリッタ（５３２、５３４）は、三角形状の共振導波路（５２０）の三辺を構成する光導波路のうち主導波路（５１０）を構成する光導波路と一体からなる光導波路を除外した他の２つの光導波路と主導波路（５１０）が接続される地点に配置される。また、全反射ミラー（５３０）は、主導波路（５１０）を構成する光導波路と一体からなる光導波路を除外した他の２つの光導波路が接続される地点に配置される。

主導波路（５１０）の入射口を介して入力された光信号は、第２のビームスプリッタ（５３４）を通過した後、第１のビームスプリッタ（５３２）により分岐されて主導波路（５１０）の出射口を介して出力されると共に共振導波路（５２０）に入力される。共振導波路（５２０）に入力された分岐光信号は、全反射ミラー（５３０）により反射され、続いて、第２のビームスプリッタ（５３４）により分岐されて一部はモニターリング部（不図示）に向かい、一部は主導波路（５１０）の出射口に向かう。このような方式により、共振導波路（５２０）に入力された分岐光は共振導波路（５２０）内を周回するようになる。

一方、共振導波路（５２０）を構成する光導波路のうち主導波路（５１０）を構成する光導波路と一体からなる光導波路を除外した他の２つの光導波路のうち少なくとも１つの光導波路の上面及び側面のうち少なくとも１つの面には開口部（５２２、５２４）が形成される。主導波路（５１０）の入射口を介して入力された光信号は、第１のビームスプリッタ（５３２）を介して共振導波路（５２０）に結合され、結合された分岐光信号は共振導波路（５２０）に形成された開口部（５２２、５２４）で液体又は気体からなる被測定物質と反応する。このような分岐光信号と被測定物質の反応により共振導波路（５２０）の有効屈折率が変わるようになり、これによって光信号の位相が変化して結合共振条件が変わるようになる。このような共振導波路（５２０）の共振条件及び共振状態における臨界結合条件は数５及び数６の通りである。以上のように、共振導波路（５２０）の開口部（５２２、５２４）の界面で反応する被測定物質の濃度に対応して共振導波路（５２０）の共振条件が変更されるため、主導波路（５１０）の出射口を介して出力される光信号の強度を測定すると被測定物質の特性を検出できる。

［第２実施形態］
図６は、本発明に係るマイクロ共振器センサに対する第２の実施形態の構成を示した図面である。
図６を参照すると、本発明に係るマイクロ共振器センサの第２実施形態は主導波路（５４０）、共振導波路（５５０）及び全反射ミラー（５６０、５６２、５６４）を備える。主導波路（５４０）は、光信号が入射される入射口と光信号が出射される出射口とを備え、主導波路（５４０）には入射口を介して入力された光信号が共振導波路（５５０）に結合される光結合領域が形成される。共振導波路（５５０）は、主導波路（５４０）の光結合領域と光結合され主導波路（５４０）の入射口を介して入力された光信号のうち共振導波路（５５０）に結合される光信号を入力される光結合領域を有し、複数の光導波路を三角形状に配置して構成される。このとき、三角形状の共振導波路（５５０）の三辺を構成する光導波路のうち１つの光導波路は、主導波路（５４０）と平行に配置される。全反射ミラー（５６０、５６２、５６４）は三角形状の共振導波路（５５０）の三辺を構成する光導波路が互いに接続される地点である頂点領域に配置される。

一方、共振導波路（５５０）を構成する光導波路のうち、主導波路（５４０）を構成する光導波路と平行に配置される光導波路を除外した他の２つの光導波路のうち少なくとも１つの光導波路の上面及び側面のうち少なくとも１つの面には開口部（５５２、５５４）が形成される。主導波路（５４０）の入射口を介して入力された光信号は、光結合領域で共振導波路（５５０）に結合される。共振導波路（５５０）に入力された光信号は、共振導波路（５５０）の各頂点に設けられた全反射ミラー（５６０、５６２、５６４）により反射されて共振導波路（５５０）内を時計方向に進むようになる。このとき、共振導波路（５５０）内を進む光信号は、共振導波路（５５０）に形成された開口部（５５２、５５４）で液体又は気体からなる被測定物質と反応し、これによって共振導波路（５５０）の有効屈折率が変わるようになり、これによって光信号の位相が変化して結合共振条件が変わるようになる。次いで、共振導波路（５５０）内を進む光信号は、共振導波路（５５０）の光結合領域で主導波路（５４０）に結合されて主導波路（５４０）の出射口を介して出力される。以上のように、共振導波路（５５０）の開口部（５５２、５５４）の界面で反応する被測定物質の濃度に対応して共振導波路（５５０）の共振条件が変更されるため、主導波路（５４０）の出射口を介して出力される光信号の強度を測定すると被測定物質の特性を検出できる。

［第３実施形態］
図７は、本発明に係るマイクロ共振器センサに対する第３の実施形態の構成を示した図面である。
図７を参照すると、本発明に係るマイクロ共振器センサの第３の実施形態は、主導波路（５７０）、光結合器（５７５）、共振導波路（５８０）及び全反射ミラー（５９０、５９２、５９４、５９６）を備える。主導波路（５７０）は、光信号が入射される入射口と光信号が出射される出射口とを備え、主導波路（５７０）には入射口を介して入力された光信号が光結合器（５７５）に結合される光結合領域が形成される。光結合器（５７５）は主導波路（５７０）の入射口を介して入力された光信号を主導波路（５７０）の出射口及び共振導波路（５８０）に分配する。また、光結合器（５７５）は共振導波路（５８０）内を周回した光信号を主導波路（５７０）の出射口及び共振導波路（５８０）に分配する。このような光結合器（５７５）として、セルフイメージング現象を用いた多重モード干渉結合器（ＭＭＩＣ：Ｍｕｌｔｉ−ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｃｏｕｐｌｅｒ）を適用すると、全体的なマイクロ共振器センサの大きさをコンパクトにでき、光結合器（５７５）と他の素子とを単一ウエハ上に容易に実装できるという利点がある。

共振導波路（５８０）は、光結合器（５７５）と光結合され主導波路（５７０）の入射口を介して入力された光信号のうち共振導波路（５８０）に結合される光信号を入力される光結合領域を有し、複数の光導波路を四角形状に配置して構成される。このとき、四角形状の共振導波路（５８０）の四辺を構成する光導波路のうち１つの光導波路が光結合器（５７５）に接続される。全反射ミラー（５９０、５９２、５９４、５９６）は四角形状の共振導波路（５８０）の四辺を構成する光導波路が互いに接続される地点である頂点領域に配置される。

一方、共振導波路（５８０）を構成する光導波路のうち光結合器（５７５）に結合された光導波路を除外した他の３つの光導波路のうち少なくとも１つの光導波路の上面及び側面のうち少なくとも１つの面には開口部（５９２）が形成される。主導波路（５７０）の入射口を介して入力された光信号は、光結合器（５７５）を介して共振導波路（５８０）に結合される。共振導波路（５８０）に入力された光信号は、共振導波路（５８０）の各頂点に設けられた全反射ミラー（５９０、５９２、５９４、５９６）により反射されて共振導波路（５８０）内を反時計方向に進む。このとき、共振導波路（５８０）内を進む光信号は、共振導波路（５８０）に形成された開口部（５８２）で液体又は気体からなる被測定物質と反応し、これによって共振導波路（５８０）の有効屈折率が変わるようになり、これによって光信号の位相が変化して結合共振条件が変わる。次いで、共振導波路（５８０）内を進む光信号は、光結合器（５７５）を介して主導波路（５７０）に結合されて主導波路（５７０）の出射口を介して出力される。以上のように、共振導波路（５８０）の開口部（５８２）の界面で反応する被測定物質の濃度に対応して共振導波路（５８０）の共振条件が変更されるため、主導波路（５７０）の出射口を介して出力される光信号の強度を測定すると被測定物質の特性を検出できる。

図８は本発明に係るマイクロ共振器センサの信号検出方法を示した図面である。
図８を参照すると、図５〜図７を参照して説明したマイクロ共振器センサは、主導波路（５１０、５４０、５７０）の入射口を介して入力された光信号が主導波路（５１０、５４０、５７０）に沿って進み、主導波路（５１０、５４０、５７０）と光結合された共振導波路（５２０、５５０、５８０）の共振条件に合う波長のみ共振導波路（５２０、５５０、５８０）に結合される。このとき、共振導波路（５２０、５５０、５８０）の屈折率は共振導波路（５２０、５５０、５８０）に形成された開口部（５２２、５２４、５５２、５５４、５８２）に配置されている受容体と被測定物質（例えば、バイオ試料、環境試料）の結合程度に応じて変わる。このような共振導波路（５２０、５５０、５８０）の屈折率の変化は、共振導波路（５２０、５５０、５８０）内を周回する光信号の位相変化を起こし結合共振条件が変わり、これによって主導波路（５１０、５４０、５７０）の入射口を介して入力された光信号のうち共振導波路（５２０、５５０、５８０）に結合されることなく主導波路（５１０、５４０、５７０）の出射口を介して出力される光信号の波長が変わる。

測定部（不図示）は、主導波路（５２０、５４０、５７０）の出射口に配置されたフォトダイオードのような光検出素子により主導波路（５１０、５４０、５７０）の出射口から出力される光信号の強度を検出する。このとき、測定部は、共振導波路（５２０、５５０、５８０）を構成する光導波路に形成された開口部（５２２、５２４、５５２、５５４、５８２）に被測定物質が位置しない状態で主導波路（５１０、５４０、５７０）と共振導波路（５２０、５５０、５８０）との間の共振条件を満たして主導波路（５１０、５４０、５８０）の出射口で光信号が検出されない波長である共振波長に該当する波長を有する光の強度を検出する。このような共振波長は自由スペクトル域（ＦＳＲ）に該当する間隔ごとに存在し、より正確な検出のために測定部は複数の共振波長（すなわち、１５４９．８９３ｎｍと１５５０．６９８ｎｍ）で下方向及び上方向に光信号の強度を検出するのが望ましい。次に、測定部は、検出した光信号の強度に基づいて共振導波路（５２０、５５０、５８０）を構成する光導波路に形成された開口部（５２２、５２４、５５２、５５４、５８２）に位置した被測定物質による共振導波路（５２０、５５０、５８０）の有効屈折率の変化量を算出する。

複数の共振波長で光信号の強度を検出した場合、測定部は、共振波長で検出された光信号の強度の差値（第１の共振波長で上方向に測定された光の強度から第２の共振波長で下方向に測定された光の強度を引いた値）を算出し、これに基づいて共振導波路（５２０、５５０、５８０）の有効屈折率の変化量を算出する。最後に、測定部は、算出した有効屈折率の変化量により共振導波路（５２０、５５０、５８０）を構成する光導波路に形成された開口部（５２２、５２４、５５２、５５４、５８２）に位置した被測定物質の濃度を把握して被測定物質の特性を検出する。

［第４実施形態］
図９は、本発明に係るマイクロ共振器センサに対する第４の実施形態の構成を示した図面である。図９に示されているマイクロ共振器センサは図６に示されているマイクロ共振器センサの２つが連結された構造を有する。

図９を参照すると、本発明に係るマイクロ共振器センサの第４の実施形態は、第１の主導波路（７１０）、第２の主導波路（７２０）、第１の共振導波路（７３０）、第２の共振導波路（７４０）、ビームスプリッタ（７５０）及び全反射ミラー（７５２、７５４、７５６、７５８）を備える。図９に示されているマイクロ共振器センサは、図６に示されているマイクロ共振器センサの２つをビームスプリッタ（７５０）により結合させた構造を有する。第１の主導波路（７１０）の入射口を介して入力された光信号は、光結合領域で第１の共振導波路（７３０）に結合される。第１の共振導波路（７３０）に入力された光信号は、第１の共振導波路（７３０）に設けられた第１の全反射ミラー（７５２）により反射されてビームスプリッタ（７５０）に向かう。ビームスプリッタ（７５０）は、入射された光信号を第１の共振導波路（７３０）に設けられた第２の全反射ミラー（７５４）と第２の共振導波路（７４０）に分岐させる。第２の共振導波路（７４０）に入射された光信号は、第２の共振導波路（７４０）に設けられた第４の全反射ミラー（７５８）と第３の全反射ミラー（７５６）により反射されて第２の共振導波路内を周回し、またビームスプリッタ（７５０）に入射されて一部が第１の共振導波路（７３０）に結合される。

上述したような光信号の伝達過程で第１の共振導波路（７３０）と第２の共振導波路（７４０）に入射される光信号は、各々、第１の共振導波路（７３０）と第２の共振導波路（７４０）に形成された開口部（７３２、７３４、７４２、７４４）で液体又は気体からなる被測定物質と反応し、開口部（７３２、７３４、７４２、７４４）で反応する被測定物質の濃度に応じて第１の共振導波路（７３０）及び第２の共振導波路（７４０）の有効屈折率が変わる。２つの共振導波路（７３０、７４０）の有効屈折率が変わると、第１の主導波路（７１０）から第１の共振導波路（７３０）に結合される条件が変わり、これによって第１の主導波路（７１０）の出射口を介して出力される光の量が変わるため、これによって被測定物質の特性を検出できる。図９に示すように、２つの共振導波路を結合して共振器を構成すると、主導波路を介して出力される光信号の波長がバンドストップの形態でなく、バンドパスの形態の出力形態を有するようになり、バーニア効果によって広い共振間隔を得ることができるという利点がある。

［第５実施形態］
図１０は本発明に係るマイクロ共振器センサに対する第５の実施形態の構成を示した図面である。
図１０を参照すると、本発明に係るマイクロ共振器センサの第５の実施形態は、第１の主導波路（７６０）、第１の光結合器（７６５）、第２の主導波路（７７０）、第２の光結合器（７７５）、共振導波路（７８０）及び全反射ミラー（７９０、７９２、７９４、７９６）を備える。

第１の主導波路（７６０）の入射口を介して入力された光信号は、第１の光結合器（５６５）により共振導波路（７８０）に結合される。共振導波路（７８０）に結合された光信号は、共振導波路（７８０）に配置された第１の全反射ミラー（７９０）及び第２の全反射ミラー（７９２）により反射されて第２の光結合器（７７５）に入力される。第２の全反射ミラー（７９２）により反射されて第２の光結合器（７７５）に入力された光信号は第２の主導波路（７７０）に結合されて第２の主導波路（７７０）の出射口を介して出力される。この過程で共振導波路（７８０）に結合された光信号は、第１の全反射ミラー（７９０）と第２の全反射ミラー（７９２）との間に形成された開口部（７８２）で液体又は気体からなる被測定物質と反応し、これによって共振導波路（７８０）の有効屈折率が変わり、これによって光信号の位相が変化して結合共振条件が変わる。従って、第２の主導波路（７７０）の出射口を介して出力される光信号の強度を測定すると被測定物質の特性を検出できる。一方、第２の主導波路（７７０）の入射口を介して光信号が入力されると、被測定物質は共振導波路（７８０）に配置された第３の全反射ミラー（７９４）と第４の全反射ミラー（７９６）との間に形成された開口部（７８４）で光信号と反応する。この場合、被測定物質の特性検出は、第１の主導波路（７６０）の出射口を介して出力される光信号の強度を測定してなる。図１０に示すように２つの共振導波路を結合して共振器を構成すると、主導波路を介して出力される光信号の波長がバンドストップの形態でなく、バンドパスの形態の出力形態を有するようになる。

［第６実施形態］
図１１は本発明に係るマイクロ共振器センサに対する第６の実施形態の構成を示した図面である。図１１に示されているマイクロ共振器センサは、マッハツェンダー電界光学変調器に、図６に示されているマイクロ共振器センサの第２実施形態を結合した構造を有する。

図１１を参照すると、本発明に係るマイクロ共振器センサの第６の実施形態は、マッハツェンダー電界光学変調器を構成する２つの光導波路（８１０、８１５）のうち１つの光導波路（８１０）に、頂点に全反射ミラー（８３０、８３２、８３４）が配置された共振導波路（８２０）が結合された構造を有する。電気光学物質上に形成されたマッハツェンダー電界光学変調器の入力端に入射された光信号は、相異する２つの光導波路（８１０、８１５）を介して、また、１つの光になった後、出力端へ出射される。このとき、一方の光導波路（８１０）を介して入射された光信号は、該当光導波路（８１０）と平行に配置された共振導波路（８２０）を構成する光導波路に結合されて共振導波路（８２０）に入力される。共振導波路（８２０）に入力された光信号は、共振導波路（８２０）の頂点に配置された全反射ミラー（８３２、８３０、８３４）により反射されて共振導波路（８２０）内を周回する。

共振導波路（８２０）内を周回する光信号は、各々の全反射ミラー（８３２、８３０、８３４）の間に形成された開口部（８２２、８２４）で液体又は気体からなる被測定物質と反応し、開口部（８２２、８２４）で反応する被測定物質の濃度に応じて共振導波路（８２０）の有効屈折率が変わる。このような共振導波路（８２０）の有効屈折率の変化により共振導波路（８２０）からマッハツェンダー電界光学変調器を構成する光導波路のうち、共振導波路（８２０）と結合される光導波路（８１０）に再結合される光信号の位相が変わる。従って、電気光学物質上に作られたマッハツェンダー電界光学変調器の相異する２つの光導波路（８１０、８１５）を通過する光信号の位相差にともなう光信号間の補強又は相殺干渉が発生するため、マッハツェンダー電界光学変調器の出射口を介して出力される光信号の強度を測定して被測定物質の特性を検出できる。

［第７実施形態］
図１２は本発明に係るマイクロ共振器センサに対する第７の実施形態の構成を示した図面である。図１２に示されているマイクロ共振器センサは、マッハツェンダー電界光学変調器に、図７に示されているマイクロ共振器センサの第３の実施形態を結合した構造を有する。

図１２を参照すると、本発明に係るマイクロ共振器センサの第７の実施形態は、マッハツェンダー電界光学変調器を構成する２つの光導波路（８５０、８５５）のうち１つの光導波路（８５０）に、光結合器（８６０）を介して各々の頂点に全反射ミラー（８８０、８８２、８８４、８８６）が配置された共振導波路（８７０）が結合された構造を有する。電気光学物質上に形成されたマッハツェンダー電界光学変調器の入力端に入射された光信号は、相異する２つの光導波路（８５０、８５５）を介して、また、１つの光になった後、出力端へ出射される。このとき、一方の光導波路（８５０）を介して入射された光信号は該当光導波路（８５０）に結合されている光結合器（８６０）により共振導波路（８７０）に結合される。共振導波路（８７０）に入力された光信号は共振導波路（８７０）の頂点に配置された全反射ミラー（８８０、８８２、８８４、８８６）により反射されて共振導波路（８７０）内を周回する。

共振導波路（８７０）内を周回する光信号は、全反射ミラー（８８２、８８４）の間に形成された開口部（８７２）で液体又は気体からなる被測定物質と反応し、開口部（８７２）で反応する被測定物質の濃度に応じて共振導波路（８７０）の有効屈折率が変わるようになる。このような共振導波路（８７０）の有効屈折率の変化により共振導波路（８７０）から光結合器（８６０）を介してマッハツェンダー電界光学変調器を構成する光導波路のうち、共振導波路（８７０）と結合される光導波路（８５０）に再結合される光信号の位相が変わる。従って、電気光学物質上に作られたマッハツェンダー電界光学変調器の相異する２つの光導波路（８５０、８５５）を通過する光信号の位相差にともなう光信号間の補強又は相殺干渉が発生するため、マッハツェンダー電界光学変調器の出射口を介して出力される光信号の強度を測定して被測定物質の特性を検出できる。

［第８実施形態］
図１３は、図１２に示されているマイクロ共振器センサの第７の実施形態に、波長可変光源と光検出素子が結合されてなる本発明に係るマイクロ共振器センサに対する第８の実施形態の構成を示した図面である。
図１３に示されているマイクロ共振器センサの第８の実施形態は、光発生部（９１０）、共振部（９２０）及び光検出部（９３０）から構成されて同一なウエハに光集積化技術により集積されたセンサモジュール構造である。このようなマイクロ共振器センサは、超小型に製作が可能であるため携帯用装備に応用することができ、いくつかの相異する大きさの共振器を集積して多重波長を適用できて多重センサとして具現されることができる。併せて、図１３には、図１２を参照して説明した本発明に係るマイクロ共振器センサの第７の実施形態が共振部（９２０）として採用されるが、本発明に係るマイクロ共振器センサの第１の実施形態〜第６の実施形態も共振部（９２０）として採用できる。

以上、本発明の望ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した特定の望ましい実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載される本発明の要旨を外れない限り、当該発明が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば多様な変形実施が可能なあることは言うまでもなく、そのような変更は特許請求の範囲に記載の範囲内である。

既存のマイクロリング共振器センサを示した図である。 既存のマイクロリング共振器センサにおいて、リング共振器の共振条件による出力光の特性曲線の一形態を示した図である。 既存のマイクロリング共振器センサにおいて、一方の共振リングが固定された状態で、他方の共振リングの屈折率を３．２９００１及び３．２９０５９に設定した時測定した反射スペクトラムを示した図である。 本発明に係るマイクロ共振器センサに採用される波長可変光源の一形態を示した図である。 本発明に係るマイクロ共振器センサに対する第１の実施形態の構成を示した図である。 本発明に係るマイクロ共振器センサに対する第２の実施形態の構成を示した図である。 本発明に係るマイクロ共振器センサに対する第３の実施形態の構成を示した図である。 本発明に係るマイクロ共振器センサの信号検出方法を示した図である。 本発明に係るマイクロ共振器センサに対する第４の実施形態の構成を示した図である。 本発明に係るマイクロ共振器センサに対する第５の実施形態の構成を示した図である。 本発明に係るマイクロ共振器センサに対する第６の実施形態の構成を示した図である。 本発明に係るマイクロ共振器センサに対する第７の実施形態の構成を示した図である。 図１２に示されているマイクロ共振器センサの第７の実施形態に、波長可変光源と光検出素子とが結合されてなる本発明に係るマイクロ共振器センサに対する第８の実施形態の構成を示した図面である。

１１０、５１０、５４０、５７０ 主導波路
１２０ リング共振器
１２２、５５２、５５４、５９２、７３２、７３４、７４２、７４４、８７２ 開口部
４１０ 光発生部
４２０、８１０、８１５、８５０、８５５ 光導波路
４２２、４３２、４４２ 位相制御領域
４２４ 反射領域
４２６ 電極
４３０ 第１の共振リング
４４０ 第２の共振リング
５２０、５５０、５８０、７８０、８２０ 共振導波路
５３０、５６０、５６２、５６４、５９０、５９２、５９４、５９６、７５２、７５４、７５６、７５８、７９０、７９２、７９４、７９６、８３０、８３２、８３４、８８０、８８２、８８４、８８６ 全反射ミラー
５３２、５３４、７５０ ビームスプリッタ
５６５、５７５、７７５、８６０ 光結合器
７１０、７６０ 第１の主導波路
７２０、７７０ 第２の主導波路
７３０ 第１の共振導波路
７４０ 第２の共振導波路
９１０ 光発生部
９２０ 共振部
９３０ 光検出部

Claims (18)

1. 光信号が入射される入射口と光信号が出射される出射口とを備え、上記入射口を介して入力された光信号の一部が分岐される光結合領域を有する主導波路；
   上記主導波路の光結合領域と光結合され、上記主導波路から分岐される分岐光信号が入力される光結合領域を有し、複数の光導波路を多角形状に配置して構成される共振導波路；及び
   上記共振導波路を形成する各々の光導波路が接する頂点領域に設けられ、上記共振導波路に入力された上記分岐光信号の少なくとも一部を反射させ上記分岐光信号が上記共振導波路内を周回するようにする光経路変更手段；を含み、
   上記共振導波路を構成する光導波路のうち少なくとも１つの光導波路の上面及び側面のうち少なくとも１つの面であって、前記光導波路の各頂点領域に設けられる光経路変更手段の間に開口部が形成されることを特徴とするマイクロ共振器センサ。
2. 請求項１において、
   上記主導波路の光結合領域と上記共振導波路の光結合領域とは、上記主導波路を構成する光導波路に一体に形成され、
   上記光経路変更手段は、
   上記光結合領域の両端に設けられ、上記入射口を介して入射された光信号を上記主導波路の出射口及び上記共振導波路に分岐する光分岐素子；及び
   上記共振導波路を構成する光導波路のうち上記光結合領域に該当する光導波路を除外した他の光導波路が接する頂点領域に設けられ、入射された分岐光信号を全反射させる全反射素子；を含むことを特徴とするマイクロ共振器センサ。
3. 請求項２において、
   上記主導波路と平行に配置された補助導波路をさらに含み、
   上記補助導波路の一端は上記主導波路の入射口に光結合され、上記補助導波路の他端は上記主導波路の出射口に光結合されることを特徴とするマイクロ共振器センサ。
4. 請求項２において、
   上記共振導波路を構成する光導波路のうち上記光分岐素子のうち上記主導波路の入射口側に設けられた光分岐素子と連結される光導波路から出力される光信号を検出するモニタリング部をさらに含むことを特徴とするマイクロ共振器センサ。
5. 請求項１において、
   上記光経路変更手段は、上記共振導波路を構成する各々の光導波路が接する頂点領域に設けられ、入射された分岐光信号を全反射させる全反射ミラーであることを特徴とするマイクロ共振器センサ。
6. 請求項１において、
   入力された光信号を分配及び結合させる光結合素子をさらに含み、
   上記主導波路の光結合領域と上記共振導波路の光結合領域は、上記光結合素子と各々光結合され、
   上記光経路変更手段は、上記共振導波路を構成する各々の光導波路が接する頂点領域に設けられ、入射された分岐光信号を全反射させる全反射ミラーであることを特徴とするマイクロ共振器センサ。
7. 請求項１において、
   上記主導波路と平行に配置された補助導波路をさらに含み、
   上記補助導波路の一端は上記主導波路の入射口に光結合され、上記補助導波路の他端は上記主導波路の出射口に光結合されることを特徴とするマイクロ共振器センサ。
8. 請求項１において、
   上記主導波路の出射口から出力される光の強度を検出して上記共振導波路を構成する光導波路に形成された開口部に位置した被測定媒質による共振導波路の有効屈折率の変化量を算出する測定部をさらに含むことを特徴とするマイクロ共振器センサ。
9. 請求項８において、
   上記測定部は、定数倍の自由スペクトル域に該当する間隔を有する複数の共振波長の各々に該当する波長を有する光の強度を検出し、上記検出された光の強度の差値に基づいて上記共振導波路の有効屈折率の変化量を算出することを特徴とするマイクロ共振器センサ。
10. 請求項８において、
    上記光信号を発生して上記主導波路の入射口に入力する光源部をさらに含むことを特徴とするマイクロ共振器センサ。
11. 請求項１０において、
    上記光源部は、
    光信号を出力する光源；
    外部から供給される駆動電流の大きさに応じて屈折率が変化する位相制御領域が形成された第１の半径を有する円形の光導波路から構成される第１の共振リング；
    外部から供給される駆動電流の大きさに応じて屈折率が変化する位相制御領域が形成された第２の半径を有する円形の光導波路から構成される第２の共振リング；及び
    上記第１の共振リング及び第２の共振リングと離隔して配置され、上記第１の共振リング又は第２の共振リングの屈折率変化に対応して上記光源から出力された光信号の波長を変更させて出力する光導波路；を含むことを特徴とするマイクロ共振器センサ。
12. 請求項１０において、
    上記光源部、上記主導波路、上記共振導波路、上記光経路変更手段及び上記測定部は、単一ウエハに集積されて光集積化回路として製作されることを特徴とするマイクロ共振器センサ。
13. 光信号が入射される入射口と光信号が出射される出射口とを備え、上記入射口を介して入力された光信号の一部が分岐される光結合領域を有する第１の主導波路；
    上記第１の主導波路の光結合領域と光結合され上記第１の主導波路から分岐される分岐光信号を入力される光結合領域を有し、複数の光導波路を多角形状に配置して構成される第１の共振導波路；
    光信号が入射される入射口と光信号が出射される出射口とを備え、上記入射口を介して入力された光信号の一部が分岐される光結合領域を有する第２の主導波路；
    上記主導波路の光結合領域と光結合され上記第２の主導波路から分岐される分岐光信号を入力される光結合領域を有し、複数の光導波路を多角形状に配置して構成される第２の共振導波路；及び
    上記第１の共振導波路及び第２の共振導波路を形成する各々の光導波路が接する頂点領域に設けられ、上記第１の共振導波路又は上記第２の共振導波路に入力される分岐光信号の少なくとも一部を反射させ上記分岐光信号が上記第１の共振導波路及び上記第２の共振導波路内を周回するようにする光経路変更手段；を含み、
    上記第１の共振導波路と第２の共振導波路は１つの頂点を共有して単一の共振経路を形成し、上記第１の共振導波路と第２の共振導波路を構成する光導波路のうち少なくとも１つの光導波路の上面及び側面のうち少なくとも１つの面であって、前記光導波路の各頂点領域に設けられる光経路変更手段の間に開口部が形成されることを特徴とするマイクロ共振器センサ。
14. 請求項１３において、
    上記第１の主導波路の光結合領域と上記第１の共振導波路の光結合領域は上記第１の主導波路を構成する光導波路に一体に形成され、上記第２の主導波路の光結合領域と上記第２の共振導波路の光結合領域は上記第２の主導波路を構成する光導波路に一体に形成され、
    上記光経路変更手段は、
    上記光結合領域の両端に設けられ、上記入射口を介して入射された光信号を上記第１の主導波路及び第２の主導波路の出射口と上記第１の共振導波路及び上記第２の共振導波路に各々分岐する第１の光分岐素子；
    上記第１の共振導波路及び上記第２の共振導波路が共有する頂点領域に設けられ、上記第１の共振導波路に入射された分岐光信号を上記第２の共振導波路に提供し、上記第２の共振導波路に入射された分岐光信号を上記第１の共振導波路に提供する第２の光分岐素子；及び
    上記第１の共振導波路及び第２の共振導波路を構成する光導波路のうち上記光結合領域に該当する光導波路を除外した他の光導波路が接する頂点領域に設けられ、入射された分岐光信号を全反射させる全反射素子；を含むことを特徴とするマイクロ共振器センサ。
15. 請求項１３において、
    上記光経路変更手段は、
    上記第１の共振導波路及び第２の共振導波路が共有する頂点領域に設けられ、上記第１の共振導波路に入射された分岐光信号を上記第２の共振導波路に提供し、上記第２の共振導波路に入射された分岐光信号を上記第１の共振導波路に提供する光分岐素子；及び
    上記第１の共振導波路及び第２の共振導波路を構成する各々の光導波路が接する頂点領域に設けられ、入射された分岐光信号を全反射させる全反射ミラー；を含むことを特徴とするマイクロ共振器センサ。
16. 請求項１３において、
    上記第１の主導波路の光結合領域と上記第１の共振導波路の光結合領域が各々光結合される第１の光結合素子；及び
    上記第２の主導波路の光結合領域と上記第２の共振導波路の光結合領域が各々光結合される第２の光結合素子；をさらに含み、
    上記光経路変更手段は、
    上記第１の共振導波路及び第２の共振導波路が共有する頂点領域に設けられ、上記第１の共振導波路に入射された分岐光信号を上記第２の共振導波路に提供し、上記第２の共振導波路に入射された分岐光信号を上記第１の共振導波路に提供する光分岐素子；及び
    上記光経路変更手段は、上記共振導波路を構成する各々の光導波路が接する頂点領域に設けられ、入射された分岐光信号を全反射させる全反射ミラーを含むことを特徴とするマイクロ共振器センサ。
17. 請求項１３において、
    上記第１の主導波路又は第２の主導波路の出射口から出力される光の強度を検出して上記第１の共振導波路又は第２の共振導波路を構成する光導波路に形成された開口部に位置した被測定媒質による第１の共振導波路又は第２の共振導波路の有効屈折率の変化量を算出する測定部をさらに含むことを特徴とするマイクロ共振器センサ。
18. 請求項１７において、
    上記測定部は、定数倍の自由スペクトル域に該当する間隔を有する複数の共振波長の各々に該当する波長を有する光の強度を検出し、上記検出された光の強度の差値に基づいて上記第１の共振導波路及び第２の共振導波路の有効屈折率の変化量を算出することを特徴とするマイクロ共振器センサ。

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