JP5077242B2 - 対象物の物理量測定方法及び制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、素子上又は素子中に存在する被測定物の物理量を、光導波路を用いて測定する対象物の物理量測定方法及び対象物の物理量制御方法に関するものである。

近年、化学物質や生体成分などの対象物（被測定物）に対し、混合、反応、分離、抽出、加熱、冷却、検出、検査などの様々な処理を集積して行うため、マイクロチップ技術が注目されている。このマイクロチップ技術では、ガラスなどからなる基板（素子）上に数十〜数百μｍの微細な流路（マイクロ流路）が形成され、該マイクロ流路中で上述のような各種処理が行われる。そして、そのような処理を的確に制御するため、マイクロ流路中の物質の物理量を高精度かつ短時間に測定するニーズが高まってきている。
特開２００６−２９７１９８号公報 K. Y. Song, Z. He, and K. Hotate, "Distributed strain measurement with millimeter-order spatial resolution based on Brillouin optical correlation domain analysis," Opt. Lett. 31, 2526-2528 (2006)

発明者らは、従来のマイクロチップ技術について検討した結果、以下のような課題を発見した。

すなわち、従来のマイクロチップ技術において、基板内における被測定物の温度を分布的に測定する場合、熱電対などの温度センサーを必要な数だけ分布的に基板に貼り付ける必要があった。サーモグラフィにより温度の面分布を測定できるが、表面温度のみ測定可能であった。また、熱電対などの温度センサーは、対象物の内部に設置されれば該対象物の内部温度は測定可能になるが、対象物自体が微小である場合や熱容量が小さい場合の温度測定には適さない。

さらに、従来のマイクロチップ技術では、基板内の対象物に対し分布的にその屈折率や吸収損失を測定する手法は無かった。そのため、例えば、抗体や試薬等の試料ごとに流路を形成し、別々の流路で試料それぞれの屈折率や吸収損失を測定する必要があった。また、流体デバイス内の流体の圧力や流速については、これまで有効な計測手段は無かった。

例えば特許文献１（特開２００６−２９７１９８号公報）には、マイクロチップのマイクロ流路を流れる流体（被測定物）に光を照射することで対象物の温度などを測定するため、基板中に光導波路を形成することが開示されている。

しかしながら、特許文献１に開示された技術によれば、マイクロ流路に対しスポット的に光が照射されるため、該照射点（光の通過点）における温度などが測定される。この場合、基板内に存在する対象物の物理量を分布的に測定することはできなかった。

一方、光ファイバ中のブリルアン散乱現象を用いて、光ファイバの長手方向に沿った温度分布、歪分布、損失分布などを測定する光センシング技術が従来から知られている。つまり、光ファイバ中を光（ポンプ光）が伝搬するとき、このポンプ光によってファイバ中に音響波が発生する。ブリルアン散乱とは、このようなポンプ光と音響波の相互作用によりポンプ光のパワーの一部が低周波側にシフトされ、後方に散乱光が生じる現象である。なお、ポンプ光と対向する光（プローブ光）がある場合には、この散乱光はプローブ光を増幅する利得となる。

ポンプ光とプローブ光の周波数差υを掃引することでブリルアン散乱による利得のスペクトルが得られる。これをブリルアンゲインスペクトル（ＢＧＳ）といい、ＢＧＳの中心周波数とスペクトル形状が温度に依存して、中心周波数が歪に依存して、そして、ゲインが損失に依存して、それぞれ変化する。よって、ＢＧＳを測定することで、光ファイバの長手方向に沿った温度、歪、損失を分布測定することができる。ＢＧＳの分布測定方式には、ＢＯＴＤＲ、ＢＯＴＤＡ、ＢＯＣＤＡなどの各種方式があるが、測定精度や測定時間などの点でＢＯＣＤＡ方式が好適である。

すなわち、ＢＯＣＤＡ方式（連続光波の相関制御法によるブリルアン散乱方式が採用された光ファイバ分布型センシング技術）による光センシング技術では、ポンプ光とプローブ光にυだけ周波数差を持たせて同様の周波数変調が施されることにより、２光波間の相関状態が制御される。光ファイバ中に相関の高い場所と低い場所が意図的に形成されることにより、相関の高い場所のＢＧＳ情報を選択的に採取することができる。例えば非特許文献１では、３ｍｍの空間分解能が実現されており、理論的には空間分解能０．２ｍｍ程度が可能と考えられている。

この発明は上述のような課題を解決するためになされたものであり、ブリルアン散乱現象を利用した光センシング技術により、微細構造物である素子上又は素子中に存在する対象物の物理量を測定する測定方法及び制御方法を提供することを目的としている。

以上の目的を達成するために、この発明に係る測定方法は、微細構造物である素子上又は素子中に存在する対象物（被測定物）の物理量を測定する方法であって、素子上又は素子中に一次元乃至三次元的に配置された光導波路を用意し、そして、光導波路中で発生するブリルアン散乱に起因した、該光導波路中を伝搬する光の特性変化に基づいて、対象物の物理量を測定する。

この明細書において、「素子」とは、例えば、化学物質や生体成分などの対象物の流路自体、対象物が充填される複数のセル（凹部）などが所定パターンで形成されたガラスやプラスチックなどの基板、半導体集積回路が形成されたＩＣチップなどの微細構造物が含まれる。マイクロチップ技術では、化学物質や生体成分などの対象物に対し、混合、反応、分離、抽出、加熱、冷却、検出、検査などの様々な処理が行われる。素子の大きさは必ずしも限定されるものではなく、数ｃｍ〜数十ｃｍオーダーのサイズが適用可能である。また、マイクロチップのような、数十〜数百μｍオーダーのサイズも適用可能である。このようなサイズの素子は、微細な流路、セルなどが形成されたマイクロ化学チップやＩＣチップの分野において好適に用いられる。

また、この明細書において、「素子上又は素子中に一次元乃至三次元的に配置された光導波路を準備する」には、例えば、素子上又は素子中に形成された対象物の流路、複数のセル又は半導体集積回路の形成パターンなどに沿って、一次元的、二次元的又は三次元的に、該素子上又は素子中に光導波路が形成される場合、対象物の流路自体が光導波路として利用される場合、対象物自体が光導波路として利用される場合、複数のセル又は半導体集積回路の形成パターンに対し所望の複数箇所にて測定が可能になるよう、一次元的、二次元的又は三次元的に、素子上又は素子中に光導波路が所望のパターンで形成される場合などが含まれる。さらに、素子とは別に用意された基板、チップなどに光導波路が形成された光導波路チップ（別部材）が、素子に取り付けられてもよい。

具体的に、対象物が流動体である場合、該対象物内に光を伝搬させることにより該対象物自体を光導波路として利用することが可能である。この場合、この発明に係る測定方法では、まず、素子上又は素子中に形成された流路であって光入射端及び光出射端としてそれぞれ機能する２つの端部を有する流路中に存在する、対象物としての流動体自体が、光導波路として確保される。当該測定方法は、流路内の流動体自体が光導波路として確保された状態で、光入射端である流路の一方の端部から対象物である流動体に光を照射し、流路中に存在する流動体内を伝搬した後に光出射端である流路の他方の端部から出射された光を検出し、そして、流動体中で発生するブリルアン散乱に起因した、検出光の特性変化に基づいて、流動体自体の物理量を測定する。

この発明に係る測定方法において、光導波路中を伝搬する光の特性変化は、該光導波路中で発生するブリルアン散乱に起因した利得のスペクトルであるＢＧＳの中心周波数及びスペクトル形状の少なくとも一方の変化である。

なお、この明細書において、「スペクトル形状」とは、スペクトル線幅、スペクトル形状の急唆度（テーパ部の角度）又は隣り合うＢＧＳの中心周波数間隔をいい、「スペクトル形状の変化」とは、光導波路の長手方向の変化又は時間的変化の両方を含む。

また、この発明に係る測定方法は、ＢＧＳの中心周波数及びスペクトル形状の少なくとも一方の変化に基づいて、対象物の温度を測定することができる。この発明に係る測定方法は、ＢＧＳの中心周波数及びスペクトル形状の少なくとも一方の変化に基づいて、対象物の屈折率を測定することも可能である。この発明に係る測定方法は、ＢＧＳの中心周波数及びスペクトル形状の少なくとも一方の変化に基づき、光導波路に加わる歪を求め、得られた歪みの測定結果に基づいて対象物に加わる圧力をけっていする。さらに、この発明に係る測定方法は、ＢＧＳの中心周波数及びスペクトル形状の変化に基づき、光の伝搬方向の速度成分を持つ被測定物の流速を測定することができる。

さらに、光導波路中を伝搬する光の特性変化（測定されるべき対象物の物理量）は、ＢＧＳの変化であってもよい。このＢＧＳの変化に基づき、この発明に係る測定方法は、対象物の光吸収損失を測定することができる。

また、この発明に係る測定方法は、それぞれが、光入射端と光出射端を有する光導波路が配置された複数の素子に対し、一体的に対象物の物理量を測定することも可能である。この場合、複数の素子のうち一の素子に配置された光導波路の光出射端と、別の素子に配置された光導波路の光入射端とを順次光学的に接続していくことにより、全体として、光入射端及び光出射端としてそれぞれ機能する２つの光導波路端部を有する素子群が構成される。当該測定方法は、このように構成された素子群の光入射端として機能する光導波路端部から入射され、複数の素子それぞれに配置された光導波路内を伝搬した後に素子群の光出射端として機能する光導波路端部から出射された光を検出する。この構成によっても、複数の素子それぞれにおける対象物の物理量を測定することができる。

この発明に係る制御方法は、上述のように構成された測定方法による対象物の測定結果を基づいて、該対象物の物理量を調整する。

なお、この発明に係る各実施例は、以下の詳細な説明及び添付図面によりさらに十分に理解可能となる。これら実施例は単に例示のために示されるものであって、この発明を限定するものと考えるべきではない。

また、この発明のさらなる応用範囲は、以下の詳細な説明から明らかになる。しかしながら、詳細な説明及び特定の事例はこの発明の好適な実施例を示すものではあるが、例示のためにのみ示されているものであって、この発明の範囲における様々な変形及び改良はこの詳細な説明から当業者には自明であることは明らかである。

以上のようにこの発明によれば、素子上又は素子中に一次元乃至三次元的に配置された光導波路をセンサヘッドとして利用し、又は、素子上又は素子中に形成された対象物の流路を光導波路として利用し、該光導波路中で発生するブリルアン散乱に起因する光の特性変化の分布測定が行われる。これにより、素子上又は素子中における対象物の物理量（例えば、対象物の温度、屈折率、歪み、圧力、流速、光吸収損失など、及びそれらの分布）が分布的に測定可能になる。

また、対象物の流路自体が光導波路として利用される場合、この流路に複数の抗体や試薬等の試料を間隔をあけて配置すればよく、複数の流路を形成する必要がなくなる。

また、複数の素子を光学的に結合することで、複数の素子上又は素子中における対象物それぞれを単一方法で一括して測定することができる。

さらに、上述のように測定された対象物の物理量（測定結果）に基づいて、対象物の物理量を任意に調節することも可能である。

したがって、この発明に係る測定方法及び制御方法は、例えば、ガラス製の基板などの素子上又は素子中において、化学物質や生体成分などの対象物に対し、混合、反応、分離、抽出、加熱、冷却、検出、検査などの様々な処理を集積して行うマイクロ化学チップ、マイクロ化学プラント、生体検査や、ＩＣチップにおける導通検査などの、各種微細構造物における測定や制御に好適に応用できるなど、多くの効果を奏する。

は、この発明に係る対象物の物理量測定方法及び対象物の物理量制御方法の一実施例を実現する概略構成を示す平面図である。 は、図１に示された素子の断面図である。 は、ＢＯＣＤＡ方式の光センシング装置の構成を示す模式図である。 は、この発明に係る対象物の物理量測定方法及び対象物の物理量制御方法の他の実施例を実現する素子構成を示す平面図である。 は、この発明に係る対象物の物理量測定方法及び対象物の物理量制御方法のさらに他の実施例を実現する素子構成を示す平面図及び断面図である。 は、吸収損失測定の一方式を説明するための概念図である。 は、複数の素子を光学的に結合した場合の測定方法を説明するための平面図である。 は、素子とは別に一次元的に配置された光導波路を含む光導波路チップの構造を示す平面図及び側面図である。 は、図８の領域（ａ）中のＩ−Ｉ線に沿った光導波路チップの断面図であって、該光導波路チップと素子の結合状態を示す断面図である。 は、素子とは別に二次元的に配置された光導波路を含む光導波路チップの構造を示す平面図及び側面図である。 は、図１０の領域（ａ）中のＩＩ−ＩＩ線に沿った光導波路チップの断面図であって、該光導波路チップと素子の結合状態を示す断面図である。 は、図１０に示された光導波路チップに結合される結合用光導波路チップの平面図及び結合状態を示す平面図である。 は、素子とは別に三次元的に配置された光導波路を含む光導波路チップの構造を示す平面図及び側面図である。 は、図１３の領域（ａ）中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った光導波路チップの断面図であって、該光導波路チップと素子の結合状態を示す断面図である。

符号の説明

１…素子、２…基板、３…流路、４、４’…光導波路、５…測定器本体、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ…接続用光ファイバ、２０…凹部（セル）、３０ａ〜３０ｃ…光導波路チップ（光導波路を備えた取付用部材）。

以下、この発明に係る対象物の物理量測定方法及び対象物の物理量制御方法の各実施例を、図１〜図１４を参照して詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一部位、同一箇所には同一符号を付して重複する説明を省略する。

図１〜図３を参照しながら、この発明に係る測定方法及び制御方法の一実施例について説明する。なお、図１は、この発明に係る対象物の物理量測定方法及び対象物の物理量制御方法の一実施例を実現する概略構成を示す平面図である。図２は、図１に示された素子（光導波路が素子内に配置された構成）の断面図であり、領域（ａ）は、流路と光導波路が異なる構成を示し、領域（ｂ）は流路が光導波路を兼ねた構成を示す。また、図３は、ＢＯＣＤＡ方式の光センシング装置の構成を示す模式図である。

図１において、測定／制御対象となる素子１は、ガラス製の基板２中に数十〜数百μｍ径の流路３がループ状に（二次元的に）形成された微細構造物である。素子１は、その流路３の一端側から流入した対象物としての流動体が他端側から流出させるとともに、流路３中にて所定の化学プロセスが行われるよう、例えば加熱／冷却手段（物理量調整手段５０に含まれる）などを備えたマイクロ化学チップである。

また、基板２中に二次元的に形成された光導波路４の一端は、接続用の光ファイバ５ａを介して測定器本体５と光学的に接続される一方、光導波路４の他端は、測定用の光ファイバ５ｂを介して測定器本体５と光学的に接続されている。これら接続用の光ファイバ５ａ、５ｂは、基板２の外に配置されており、それぞれの一端が測定器本体５に接続されることで、光導波路４が、ＢＯＣＤＡ方式（連続光波の相関制御法によるブリルアン散乱方式が採用された光ファイバ分布型センシング技術）のセンサヘッドとして機能するようになっている。

光導波路４は、例えば図２中の領域（ａ）に示されたように、基板２中に埋設された光ファイバであってもよく、また、基板２自体に直接形成されてもよい。光導波路４は、図２中の領域（ｂ）に示されたように、流路３自体が光導波路４として機能してもよい。また、光導波路４は、図２中の領域（ａ）に示されたように、流路３の下方に沿うように形成されてもよく、また、流路３に沿って該流路３の上方又は側方に形成されてもよい。さらに、流路３は、基板２の表面に形成されてもよい。この場合、光導波路４は、流路３の下方又は側方に形成されるか、あるいは、流路３自体が光導波路４として機能することができる。

ＢＯＣＤＡ方式の光センシング装置は、図３に示されたように構成されている。すなわち、測定器本体５は、光源としてのレーザダイオード（ＬＤ）６を備えるとともに、プローブ光の生成系と、ポンプ光生成系と、測定系から構成される。プローブ光生成系は、３ｄＢカプラ７と、偏波コントローラ８と、マイクロ波発生器により制御される位相変調器（ＬＮｍｏｄ．）９と、アイソレータ９０そ備える。ポンプ光生成系は、３ｄＢカプラ７と、偏波コントローラ１０と、強度変調器（ＩＭ）１１と、遅延線１２と、光ファイバアンプ（ＥＤＦＡ）１３と、アイソレータ１３０と、サーキュレータ１４を備える。測定系は、サーキュレータ１４と、光フィルタ１５と、フォトダイオード１６と、ロックインアンプ（ＬＩＡ）１７と、コンピュータ１８を備える。

まず、ＬＤ６から出力された光は、３ｄＢカップラ７で２光波成分に分岐される。一方の光は、偏波コントローラ（ＰＣ）８を介して、位相変調器（ＬＮｍｏｄ．）９で約１１ＧＨｚ周波数がシフトされる。この周波数シフトされた光が、プローブ光Ｐ_２として、アイソレータ９０、接続用光ファイバ５ａを順に伝搬し、光導波路４の一端側に入射する。他方の光は、偏波コントローラ１０、強度変調器（ＩＭ）１１、遅延線１２を介して、光ファイバアンプ（ＥＤＦＡ）１３で増幅される。この増幅光が、ポンプ光Ｐ_１として、アイソレータ１３０、接続用光ファイバ５ｂを順に伝搬し、光導波路４の他端側に入射する。このように、ポンプ光とプローブ光は光導波路４中を対向伝搬し、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）が発生する。このとき、プローブ光Ｐ_２は、ストークス光のゲインスペクトル（ＢＧＳ）に対応したゲインだけ増幅される。増幅されたプローブ光は、サーキュレータ１４を介して光フィルタ１５に導かれる。光フィルタ１５により不要光成分が除去された後、プローブ光Ｐ_２は、フォトダイオード（ＰＤ）１６、ロックインアンプ（ＬＩＡ）１７などにより、ＢＧＳが検出される。制御部１８（コンピュータ）は、このＢＧＳの検出結果に基づいて、素子１中における対象物の物理量を測定する。さらに、制御部１８は、対象物の物理量を調整するよう、物理量調整手段５０を制御する（この発明に係る対象物の物理量制御方法）。

上述のＢＯＣＤＡ方式において、ポンプ光Ｐ_１及びプローブ光Ｐ_２の周波数は、ＬＤ６の注入電流を正弦波状に変化させることで変調される。このため、光導波路４の長手方向にポンプ光Ｐ_１及びプローブ光Ｐ_２の周波数差が一定となる相関の高い位置（相関ピーク）と低い位置が生成され、相関ピークのみで大きなＳＢＳが発生する。

この結果、特定位置でのストークス光のＢＧＳ情報を得ることができ、ポンプ光Ｐ_１、プローブ光Ｐ_２の周波数変調パターンを順次変化させることにより、流路３中の流動体（対象物）の温度、屈折率、圧力、流速、光吸収損失などの物理量が、高精度かつ短時間に測定可能になる。

また、上述のＢＯＣＤＡ方式では、ポンプ光Ｐ_１及びプローブ光Ｐ_２の周波数変調パターンを調整することで、長手方向の空間分解能、測定範囲、測定時間などを自由に調整することができる。すなわち、被測定物における物理量の時間的変化や分布を的確に捉えるためには、対象物における分布変化の位置の面での細かさや広がり、変化の速度と、光導波路４による長手方向の空間分解能、測定範囲、測定時間とが対応していることが重要である。

一例を挙げると、典型的な光ファイバ中の群速度２．０×１０^８ｍ／秒、ＢＧＳ線幅５０ＭＨｚにおいて、既存のレーザダイオード（ＬＤ）で実現可能な周波数変調の振幅２ＧＨｚ、変調周波数１００ＭＨｚとすると、長手方向の空間分解能（ｄｚ）は約１ｃｍが可能になる。

また、ＢＯＣＤＡ方式では連続光を使用するため、パルス法に比べてＯＳＮＲ（光信号と雑音との強度比）が良く、光信号の積算、平均化の必要がない。そのため高速な測定が可能であり、測定点１箇所あたり５７Ｈｚでの測定が確認されている。

このように得られた対象物の物理量に関する測定データは、測定器本体５に内蔵された、パーソナルコンピュータなどで構成される制御部１８に送られ蓄積される。制御部１８は、この測定データに基づいて、例えば、素子１が備える加熱／冷却手段（物理量調整手段５０に含まれる）を調整することで化学プロセスの制御を行うこともできる。

以下、より具体的な測定方法及び制御方法について説明する。

（温度の測定）
温度測定では、図１、図２中の領域（ａ）及び図３に示されたように、素子１の流路３に沿って設けられた光導波路４の一端側からプローブ光Ｐ_２が入射され、他端側からポンプ光Ｐ_１が入射される。光導波路４中をポンプ光Ｐ_１とプローブ光Ｐ_２が対向伝搬すると、相関ピークでＢＧＳが検出され、この測定データが制御部１８に送られる。ＢＧＳの中心周波数とスペクトル形状は温度によって変化し、中心周波数、スペクトル形状と温度との対応は、予め制御部１８のメモリに蓄積されている。よって、ＢＧＳの中心周波数又はスペクトル形状を測定することで、流路３中を流動する被測定物の所望箇所の温度又は流路３の長手方向に沿った温度分布を測定することができる。なお、温度の制御は、得られた測定データに基づいて、制御部１８が直接、物理量調整手段５０に含まれる加熱／冷却手段を制御することにより行われる。

（屈折率の測定）
屈折率測定では、図１、図２中の領域（ｂ）及び図３に示されたように、素子１の流路３自体が光導波路４に設定される。この光導波路４の一端側からプローブ光Ｐ_２が入射され、他端側からポンプ光Ｐ_１が入射される。この場合も相関ピークでＢＧＳが検出され、その測定データが制御部１８に送られる。この場合、流路３の屈折率制御は、制御部１８の指示に従って物理量調整手段５０が流路３の温度を調整することにより、間接的に調整可能である。また、流路３内の流動体の屈折率制御では、該流動体に加わる圧力や流速の調整（この場合、物理量調整手段５０は、流路３への試薬等の流動体注入量や排出量を調整する）によっても間接的に屈折率制御は可能である。

なお、ＢＧＳの中心周波数υ_Ｂは、以下の式（１）で表される。

ただし、ｎは光導波路４の屈折率、ｖ_ａは光導波路４の音速、λは真空中での光波長である。屈折率ｎに比例してＢＧＳの中心周波数υ_Ｂが変化する。中心周波数と屈折率との対応は、予め制御部１８のメモリに蓄積されている。これにより、ＢＧＳの中心周波数υ_Ｂを測定することで、流路３中の対象物（流動体）の屈折率の変化が測定できる。

例えば、対象物がガラスの場合、音速５９６０ｍ／ｓ、屈折率１．４４とし、光波長１．５５μｍにおけるＢＧＳの中心周波数は１１．０７ＧＨｚである。屈折率変化による中心周波数の変化は、屈折率１０^−４当たり７６９ｋＨｚとなる。

一方、対象物（流動体）が水の場合、音速１５００ｍ／ｓ、屈折率１．３２１とし、光波長１．５５μｍにおけるＢＧＳの中心周波数は２．５６ＧＨｚである。屈折率変化による中心周波数の変化は、屈折率１０^−４当たり１９４ｋＨｚとなる。

（圧力の測定）
圧力測定では、図１、図２の領域（ａ）及び図３に示されたように、素子１の流路３に沿って設けられた光導波路４の一端側からプローブ光Ｐ_２が入射され、他端側からポンプ光Ｐ_１が入射させる。この場合もＢＧＳが相関ピークで検出され、その測定データが制御部１８に送られる。

ＢＧＳの中心周波数は、光導波路４の長手方向の歪に比例してシフトする。中心周波数と歪み、圧力との対応は、予め制御部１８のメモリに蓄積されている。よって、流路３に沿って光導波路４を形成することで、流路３中の対象物（流動体）の圧力を歪として測定することができる。この場合、流動体の圧力制御は、制御部１８が、測定データに基づいてに物理量調整手段５０を制御することにより行われる。すなわち、制御部１８の指示に従って、物理量調整手段５０が流路３に注入される試薬等の流動体の注入量や排出量を調整することで、流動体の圧力を間接的に調整することが可能になる。

なお、この圧力測定の場合、図４に示されたように、光導波路４が流路３に対し、繰り返し直交する方向に交差するよう形成されるのが好ましい。圧力は流路３の径方向に対しセンシティブだからである。

（流速の測定）
この流速測定では、図１、図２の領域（ｂ）及び図３に示されたように、流路３内の流動体（対象物）自体が光導波路４として設定される。光導波路となる流路３の一端側からプローブ光Ｐ_２が入射され、他端側からポンプ光Ｐ_１が入射される。これによりＢＧＳが相関ピークで検出され、その測定データが制御部１８に送られる。なお、流動体の流速制御も、制御部１８が、測定データに基づいて物理量調整手段５０を制御することにより行われる。すなわち、制御部１８の指示に従って物理量調整手段５０が流路３に注入される試薬等の流動体の注入量や排出量を調整するすることで、流動体の流速を間接的に調整することで可能になる。

流路３内を流動体が流れている場合、ＢＧＳの中心周波数υ_Ｂは、ドップラー効果により流速に比例して変化する。ＢＧＳの中心周波数υ_Ｂは、流速ゼロのとき、以下の式（２）で表される。

ここで、ｖ_ａはポンプ光の進行方向が正の値をとる。また、流速をｖ_ｓ（ポンプ光の進行方向が正の値）とすると、中心周波数υ_Ｂは、以下の式（３）で表される。

ここで、中心周波数υ_Ｂと被測定物（流体）の流速との対応は予め制御部１８に蓄積されている。よって、前記したように流体の中心周波数υ_Ｂを測定することで、流路３中の流体の流速を測定することができる。

例えば、流路３中を水（被測定物）が流れている場合、音速１５００ｍ／ｓ、屈折率１．３２１とすると、光波長１．５５μｍにおけるＢＧＳの中心周波数υ_Ｂは流速ゼロの場合２．５６ＧＨｚで、流速による中心周波数υ_Ｂの変化は、流速１０ｃｍ／ｓ当たり１７０ｋＨｚになる。

（吸収損失の測定）
吸収損失測定では、図１、図２の領域（ａ）及び図３に示されたように、流路３に沿って設けられた光導波路４が利用される。なお、図２の領域（ｂ）に示されたように、流路３自体が光導波路４として利用されてもよい。また、図５の領域（ａ）及び（ｂ）に示されたように、基板２の上面に、対象物が充填される複数のセル（凹部）２０が所定の配列パターンで形成され、それぞれのセル２０に近接するように形成された光導波路４が利用されてもよい。それぞれのセル２０内に充填された対象物自体が光導波路４の一部を構成してもよい。

光導波路４の各所で発生するブリルアンゲインは、ポンプ光Ｐ_１とプローブ光Ｐ_２のパワーに比例する。ポンプ光Ｐ_１とプローブ光Ｐ_２の相互作用によるパワーの増減を無視すれば、各所で発生するブリルアンゲインは一定である。光導波路４上で発生する吸収損失は場所により異なり、分布的にこのブリルアンゲインを測定することで、吸収損失分布を測定することができる。なお、流路３の吸収損失制御は、得られた測定データに基づいて、制御部１８が流路３の反応状態を推定し、流路３の反応状態が所望の反応状態になるよう調整することにより、間接的に行われる。すなわち、制御部１８の指示に従って物理量調整手段５０が加熱、冷却、試薬等の流動体の注入量や排出量（流動体自体の圧力、流速制御）などを調整することにより、流路３の反応状態が意図的に変更され、結果的に、流路３の吸収損失が間接的に制御される。

それぞれのセル２０が測定点である場合（図５の領域（ａ）及び領域（ｂ）参照）、図６に示されたように、測定点間のゲインを相関値として比較することにより、測定点で受けた吸収損失を制御部１８にて算出することができる。詳しくは、図６において、ポンプ光のパワーがＰ_１、これと対向伝搬するプローブ光のパワーがＰ_２とし、図のように吸収損失α、βが光導波路に分布していると仮定する。この場合、単位長当たりのブリルアンゲインは光導波路のどこでも、δｇとなる。この場合、プローブ光Ｐ_２とともに測定されるブリルアンゲインは、最もプローブ光源に近い（サーキュレータ１４から最も遠い）光導波路の箇所で発生したブリルアンゲインがαβδｇと測定され、次に近い箇所で発生したブリルアンゲインがαδｇと測定され、最も遠い（サーキュレータ１４に最も近い）箇所で発生したブリルアンゲインがδｇと測定される。これらを基準値と比較することにより、光導波路４の任意の各所の吸収損失α、βが求められる。

なお、上述の温度、屈折率、圧力の各測定において、流路３に代えて複数のセル２０が適用されてもよい。

（複数の素子の場合）
次に、上述のような構造を有する複数の素子について対象物の物理量測定が行われる場合、図７に示されたように、それぞれの素子１の光導波路４を、接続用の光ファイバ５ｃにより光学的に結合することで１本の光導波路が構成される（素子群を構成）。その両端を接続用の光ファイバ５ａ、５ｂを介して測定器本体５に光学的に接続すれば、素子群を構成する素子１それぞれにおける光導波路４において、各種測定を一括して行うことができる。

なお、上述の例において、基板２、流路３、光導波路４の形状、形態などは図示の形状等に限定されず、用途、被測定物の特性、測定目的などに応じて任意に選択可能であることは言うまでもない。

（光導波路を別部材とする場合）
図８〜図１４には、上述の光導波路４を素子１とは異なる取付用部材（光導波路チップ３０ａ〜３０ｃ）に形成し、該光導波路チップ３０ａ〜３０ｃのいずれかを素子１に取り付ける例が示されている。

まず、光導波路４が一次元的に配置された光導波路チップ３０ａの構造について図８及び図９を参照しながら説明する。図８は、素子１とは別に一次元的に配置された光導波路４を含む光導波路チップ３０ａの構造を示す平面図（領域（ａ））及び側面図（領域（ｂ））である。また、図９は、図８の領域（ａ）中のＩ−Ｉ線に沿った光導波路チップ３０ａの断面図であって、該光導波路チップ３０ａと素子１の結合状態を示す断面図である。

この光導波路チップ３０ａは、図８の領域（ａ）及び領域（ｂ）に示されたように、四角形状のガラス基板３３上と、クラッド層３１と、該クラッド層３１とともに一次元的に形成された光導波路４と、該クラッド層３１の上面にカバー部材として形成されたクラッド層３２を備える。なお、光導波路４の両端４ａ、４ｂは、クラッド層３１の端面に位置し、それぞれ拡径処理されている。これにより、端部４ａ、４ｂに接続用の光ファイバ５ａ、５ｂが結合され、測定器本体５（図３参照）に光学的に接続される。この場合、光導波路４がＢＯＣＤＡ方式のセンサヘッドとして機能する。このように構成された光導波路チップ３０ａが、光導波路４を備えない通常のマイクロ化学チップやＩＣチップなどの素子１に任意に取り付けて使用される（図９参照）。

次に、光導波路４が二次元的に配置された光導波路チップ３０ｂの構造について図１０及び図１１を参照しながら説明する。図１０は、素子１とは別に二次元的に配置された光導波路４を含む光導波路チップ３０ｂの構造を示す平面図（領域（ａ））及び側面図（領域（ｂ））である。また、図１１は、図１０の領域（ａ）中のＩＩ−ＩＩ線に沿った光導波路チップ３０ｂの断面図であって、該光導波路チップ３０ｂと素子１の結合状態を示す断面図である。

この光導波路チップ３０ｂも、図１０の領域（ａ）及び領域（ｂ）に示されたように、四角形状のガラス基板３３上と、クラッド層３１と、該クラッド層３１とともに二次元的に形成された光導波路４と、該クラッド層３１の上面にカバー部材として形成されたクラッド層３２を備える。なお、光導波路４の両端４ａ、４ｂは、クラッド層３１の端面に位置し、それぞれ拡径処理されている。これにより、端部４ａ、４ｂに接続用の光ファイバ５ａ、５ｂが結合され、測定器本体５（図３参照）に光学的に接続される。この場合、光導波路４がＢＯＣＤＡ方式のセンサヘッドとして機能する。このように構成された光導波路チップ３０ｂが、光導波路４を備えない通常のマイクロ化学チップやＩＣチップなどの素子１に任意に取り付けて使用される（図１１参照）。

一方、光導波路チップ３０ｂは、図１２の領域（ａ）に示されたような、接続用の光導波路チップ３０ｂ'と連結することにより（図１２の領域（ｂ）参照）、図７に示された複数素子それぞれにおける対象物の物理量を測定することも可能である。なお、３枚以上の光導波路チップが連結される場合には、図１０に示された、二次元的に光導波路４が配置された光導波路チップ３０ｂと、図１２（ａ）に示された連結用の光導波路チップ３０ｂ’を交互に配設すればよい。ここで、図１２は、図１０に示された光導波路チップ３０ｂに結合される結合用の光導波路チップ３０ｂ'の平面図（領域（ａ））及び結合状態を示す平面図（領域（ｂ））である。

さらに、光導波路４が三次元的に配置された光導波路チップ３０ｃの構造について図１３及び図１４を参照しながら説明する。図１３は、素子１とは別に三次元的に配置された光導波路４、４’を含む光導波路チップ３０ｃの構造を示す平面図（領域（ａ））及び側面図（領域（ｂ）及び領域（ｃ））である。また、図１４は、図１３の領域（ａ）中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った光導波路チップ３０ｃの断面図であって、該光導波路チップ３０ｃと素子１の結合状態を示す断面図である。

具体的に、図１３に示された光導波路チップ３０ｃは、複数の光導波路チップ３０ｂ（図１０参照）同士を多段状に重ねることにより得られる。上下の光導波路チップにおける光導波路４、４’の方向を適宜選択することで、例えば図１３に示すような、碁盤目状の光導波路４、４’が実現される。図１３に示された光導波路チップ３０ｃによれば、上下の光導波路４，４によって測定点がより多点になるので、より高精度な測定が可能になるなどの効果がある。

このような光導波路チップ３０ｃにおいても、チップ形状や光導波路形態は、測定対象としての素子１や流路３の形状、対象物の特性又は測定目的などに応じて適宜に選択可能であることは言うまでもない。

なお、図９、図１１、及び図１４において、素子１は、例えば上述のマイクロ化学チップであって、ガラス製基板の上面に数十〜数百μｍ径の流路３がループ状に２次元配置されている。素子１と光導波路チップ３０（３０ａ〜３０ｃ）は、流路３が形成された素子面とクラッド層３２とが接するように互いに重ね合わされた状態で、流路３上に光導波路４が位置するように位置調整される。位置合わせは、素子１上に形成された位置合わせマーカー（図示せず）と、光導波路チップ３０（３０ａ〜３０ｃ）に形成された位置合わせマーカー３４を合わせるようにしてもよい。

以上の本発明の説明から、本発明を様々に変形しうることは明らかである。そのような変形は、本発明の思想及び範囲から逸脱するものとは認めることはできず、すべての当業者にとって自明である改良は、以下の請求の範囲に含まれるものである。

この発明に係る対象物の物理量測定方法及び対象物の物理量制御方法は、マイクロ化学チップやＩＣチップなどの微細構造物である素子上又は素子中に存在する対象物の物理量を測定する光センシング技術に適用可能である。

Claims (10)

1. 素子上又は素子中に存在する対象物の物理量を測定する方法であって、
   前記素子上又は素子中に形成された流路であって光入射端及び光出射端としてそれぞれ機能する２つの端部を有する流路中に存在する、前記対象物としての流動体自体を光導波路として確保した状態で、光入射端である前記流路の一方の端部から前記対象物である流動体に光を照射し、
   前記流路中に存在する流動体内を伝搬した後に光出射端である前記流路の他方の端部から出射された光を検出し、そして、
   前記流動体中で発生するブリルアン散乱に起因した、検出光の特性変化に基づいて、前記流動体自体の物理量を測定する対象物の物理量測定方法。
2. 前記光導波路中を伝搬する光の特性変化は、前記光導波路中で発生するブリルアン散乱に起因した利得のスペクトルであるブリルアンゲインスペクトルの中心周波数及び形状の少なくとも一方の変化であることを特徴とする請求項１記載の対象物の物理量測定方法。
3. 前記ブリルアンゲインスペクトルの中心周波数及び形状の少なくとも一方の変化に基づき、前記対象物の温度を測定することを特徴とする請求項２記載の対象物の物理量測定方法。
4. 前記ブリルアンゲインスペクトルの中心周波数及び形状の少なくとも一方の変化に基づき、前記対象物の屈折率を測定することを特徴とする請求項２記載の対象物の物理量測定方法。
5. 前記ブリルアンゲインスペクトルの中心周波数及び形状の少なくとも一方の変化に基づき、前記光導波路に加わる歪を測定し、そして、得られた歪みの測定結果に基づいて前記対象物へ加わる圧力を決定することを特徴とする請求項２記載の対象物の物理量測定方法。
6. 前記ブリルアンゲインスペクトルの中心周波数及び形状の少なくとも一方の変化に基づき、光の伝搬方向に一致した速度成分を持つ前記対象物自体の流速を測定することを特徴とする請求項２記載の対象物の物理量測定方法。
7. 前記光導波路中を伝搬する光の特性変化は、前記光導波路中で発生するブリルアン散乱に起因した利得であるブリルアンゲインの変化であることを特徴とする請求項１記載の対象物の物理量測定方法。
8. 前記ブリルアンゲインの変化に基づき、前記対象物における光吸収損失を測定することを特徴とする請求項７記載の対象物の物理量測定方法。
9. それぞれが、光入射端と光出射端を有する光導波路が配置された複数の素子を用意し、
   前記複数の素子のうち一の素子に配置された光導波路の光出射端と、別の素子に配置された光導波路の光入射端とを順次光学的に接続していくことにより、全体として、光入射端及び光出射端としてそれぞれ機能する２つの光導波路端部を有する素子群を構成し、そして、
   前記素子群の光入射端として機能する光導波路端部から入射され、前記複数の素子それぞれに配置された光導波路内を伝搬した後に前記素子群の光出射端として機能する光導波路端部から出射された光を検出することで、前記複数の素子それぞれにおける対象物の物理量を測定する請求項１〜８のいずれか一項記載の対象物の物理量測定方法。
10. 請求項１〜９のいずれか一項記載の測定方法による対象物の測定結果を基づいて、前記対象物の物理量を調整する対象物の物理量制御方法。

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