JP5581955B2 - 微小物質検出センサおよびそれを有する微小物質検出装置 - Google Patents
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Description
好ましくは、光リング共振器は、被検出物質が第1の導波路のリング形状に対応する一方の環状面の全部または一部に接触するように構成される。
本実施の形態に従う微小物質検出センサは、光リング共振器を用いて微小物質を検出する。特に、光リング共振器においては、光導波路を構成するコアとクラッドとに加えて、コアに隣接し、かつ、サンプルが接触する側に、その値がクラッドの屈折率より高く、かつ、コアの屈折率より低い屈折率を有する低屈折率層を設けることで、検出感度を高める。このような低屈折率層を設けることで、コアを伝搬する光波の電磁界成分をサンプル側へしみ出させ、これにより、光リング共振器の共振条件をより大きく変化させるものである。
図1は、本発明の実施の形態に従う微小物質検出装置SYSの全体構成を示す模式図である。図2は、本発明の実施の形態に従う微小物質検出装置SYSを構成する微小物質検出センサ1の全体構成を示す模式図である。
次に、光リング共振器3を用いて微小物質を検出するための原理について説明する。
図1に示す微小物質検出装置SYSにおいて、コア31の入射端34から入射された光(所定幅にわたる波長成分を有するものとする)は、方向性結合部33を介して光リング共振器3へ伝えられる。この光のうち、光リング共振器3での共振条件を満たした波長成分のみが光リング共振器3内に閉じ込められることになる。
次に、光リング共振器3の構造について説明する。
このように、被検出物質(サンプルSMP)とコア32との間に低屈折率層6を介挿して配置することで、光リング共振器3を伝搬する光波の一部が被検出物質の側に「しみ出す」ことになる。このような「しみ出す」効果によって、被検出物質との間の相互作用が生じて、光リング共振器3にける共振条件の変化量が増大し、その結果、検出感度を高めることができる。
次に、光リング共振器3の具体的な設計手順について示す。
本実施の形態に従う微小物質検出装置SYSにおいて使用される光波の一例としては、1.3〜1.6[μm]の波長帯域を有する近赤外線が考えられる。このような近赤外線の波長帯域では、光導波路を構成するコアの材料としては、シリコン(Si)が考えられる。
(2)III−V族半導体:AlGaAs(近赤外,赤)、GaN(緑,青)、GaAsP(赤,橙,青)、GaP(赤,黄,緑)、InGaN(青緑,青)、AlGaInP(橙,黄橙,黄,緑)
(3)II−VI族半導体:ZnSe(青)
上述したもの以外にクラッドまたは低屈折率層に用いることができる材料としては、炭化シリコンSiC、弗化カルシウムCaF、チッ化シリコンSi3N4、酸化チタンTiO2、ダイヤモンドCなどが挙げられる。
本実施の形態に従う光リング共振器3においては、クラッド4の屈折率より高く、かつ、コア32の屈折率より低い屈折率を有する低屈折率層6が形成されている。このような構成を採用することで、センサとして検出感度を高めることができる。以下、検出感度を高めることができる原理について説明する。
まず、低屈折率層6の屈折率nLowNの大きさとしては、伝搬する光波をコア32内に閉じ込めるために、クラッド4の屈折率ncladより高いことが必要である。一方、低屈折率層6の屈折率nLowNを高くしてコア32の屈折率ncoreに近付けていくと、低屈折率層6の屈折率nLowNの値がある程度以上になると、光波がコア32ではなく低屈折率層6を伝搬するようになる。
(f1.クラッドの変形例)
上述の実施の形態に従う光リング共振器においては、典型例として、クラッド4として石英を用いる構成について例示したが、これに限られることはない。すなわち、クラッド4は、コア31,32の材料よりも低い屈折率を有する材料であればよく、上部のクラッドは空気や水で構成してもよい。
上述の実施の形態においては、被検出物質を吸着したサンプルSMPを微小物質検出センサ1の上側表面に接触配置する構成について例示したが、サンプルSMPを微小物質検出センサ1の接触させる位置は、これに限られない。例えば、サンプルSMPを、光リング共振器(マイクロリング共振器)3のリング形状に対応する内径面または外形面の全部または一部に接触するように配置されてもよい。
既存の光ファイバなどの光導波路と微小物質検出センサ1とを接続するためには、伝搬する光波のスポットサイズを整合するためのスポットサイズ変換導波路を設けることが望ましい。より具体的には、図2に示す直線状の光導波路(コア31)の入射端34にスポットサイズ変換導波路を設け、光源10(図1参照)などから供給される光を微小物質検出センサ1内に導くことになる。
Claims (8)
- リング状の第1の導波路を有する、光リング共振器と、
前記光リング共振器と近接して配置された第2の導波路とを備え、
前記光リング共振器は、前記第1の導波路の断面における特定の辺に対応する表面部分で被検出物質と接触するように構成されており、
前記光リング共振器は、
コアと、
前記コアに隣接し、かつ、前記第1の導波路の断面において前記被検出物質が接触する表面部分に対応する辺とは異なる辺を構成するクラッドと、
前記コアに隣接し、かつ、前記第1の導波路の断面において前記被検出物質が接触する表面部分に対応する辺を構成するとともに、その値が前記クラッドの屈折率より高く、かつ、前記コアの屈折率より低い屈折率を有する低屈折率層とを含み、
前記コアを伝搬する光波の電界振動方向が、前記コアと前記低屈折率層とを結ぶ方向と一致するように構成される、微小物質検出センサ。 - 前記光リング共振器は、前記第1の導波路がシングルモード条件を満足するように構成される、請求項1に記載の微小物質検出センサ。
- 前記低屈折率層の屈折率は、シングルモード条件を満足するとともに、光波が実質的に前記低屈折率層を伝搬しないように設定される、請求項2に記載の微小物質検出センサ。
- 前記コアは、その断面が正方形となるように構成される、請求項1に記載の微小物質検出センサ。
- 前記光リング共振器は、前記被検出物質が前記第1の導波路のリング形状に対応する一方の環状面の全部または一部に接触するように構成される、請求項1に記載の微小物質検出センサ。
- 前記光リング共振器は、前記被検出物質が前記第1の導波路のリング形状に対応する内径面または外形面の全部または一部に接触するように構成される、請求項1に記載の微小物質検出センサ。
- 前記第2の導波路は、伝搬する光波のスポットサイズを整合するためのスポットサイズ変換導波路を含む、請求項1に記載の微小物質検出センサ。
- リング状の第1の導波路を有する、光リング共振器と、
前記光リング共振器と近接して配置された第2の導波路と、
前記第2の導波路の一方端に接続され、光を発生する光源と、
前記第2の導波路の他方端に接続され、前記光源からの光を検出する検出部とを備え、
前記光リング共振器は、前記第1の導波路の断面における特定の辺に対応する表面部分で被検出物質と接触するように構成されており、
前記光リング共振器は、
コアと、
前記コアに隣接し、かつ、前記第1の導波路の断面において前記被検出物質が接触する表面部分に対応する辺とは異なる辺を構成するクラッドと、
前記コアに隣接し、かつ、前記第1の導波路の断面において前記被検出物質が接触する表面部分に対応する辺を構成するとともに、その値が前記クラッドの屈折率より高く、かつ、前記コアの屈折率より低い屈折率を有する低屈折率層とを含み、
前記コアを伝搬する光波の電界振動方向が、前記コアと前記低屈折率層とを結ぶ方向と一致するように構成される、微小物質検出装置。
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