JP6320768B2 - Optical element - Google Patents

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Description

本発明は、波長選択性を持つ光学素子に関するものである。   The present invention relates to an optical element having wavelength selectivity.

下記特許文献1〜3には、表面プラズモン共鳴(SPR)の一種である局在プラズモン共鳴(LSPR)を用いた光学式バイオセンサが記載されている。   Patent Documents 1 to 3 below describe optical biosensors using localized plasmon resonance (LSPR), which is a kind of surface plasmon resonance (SPR).

これらの技術では、基板上に金属微細構造を形成し、この金属微細構造に光を照射することで、LSPRを発生させる。   In these technologies, a metal microstructure is formed on a substrate, and light is emitted to the metal microstructure to generate LSPR.

LSPRを発生させる光の共鳴特性(例えば共鳴角や反射率)は、金属微細構造の表面近傍における屈折率と強い相関を持つ。この表面近傍に吸着素子(例えば抗体)を取り付けておくと、この吸着素子に微小物質(例えば抗原)が吸着するかどうかにより、その部分での屈折率が変化する。そこで、入射光に対する共鳴特性の変化を検出することにより、微小物質の吸着の有無や吸着量を調べることができる。   The resonance characteristics (for example, resonance angle and reflectance) of light that generates LSPR have a strong correlation with the refractive index in the vicinity of the surface of the metal microstructure. If an adsorbing element (for example, an antibody) is attached in the vicinity of the surface, the refractive index at that portion changes depending on whether or not a minute substance (for example, an antigen) is adsorbed to the adsorbing element. Therefore, by detecting the change in the resonance characteristics with respect to the incident light, it is possible to examine the presence / absence and amount of adsorption of the minute substance.

一方、本発明者らは、基板上に形成した金属膜上に、起立した微小金属壁を周期的に形成することにより、LSPRを発生可能な光学素子を提案している(下記非特許文献1)。この技術では、金属膜と金属壁とで囲まれたU字状のキャビティ内で光が、LSPRの共鳴モードとキャビティモードとのカップリングによりトラップされる。この技術は、反射スペクトラムにおける鋭いディップを形成できるという利点を有している。   On the other hand, the present inventors have proposed an optical element capable of generating LSPR by periodically forming upstanding minute metal walls on a metal film formed on a substrate (Non-Patent Document 1 below). ). In this technique, light is trapped in a U-shaped cavity surrounded by a metal film and a metal wall by coupling between a resonance mode and a cavity mode of LSPR. This technique has the advantage that a sharp dip in the reflection spectrum can be formed.

本発明者らは、さらに研究を進めた結果、分光装置としても光スイッチとしても、さらにはバイオセンサとしても使用可能な基本特性を持つ、波長選択性の光学素子の新規な構造を見出した。   As a result of further research, the present inventors have found a novel structure of a wavelength-selective optical element having basic characteristics that can be used as a spectroscopic device, an optical switch, or a biosensor.

国際公開第2010/044274号公報International Publication No. 2010/044274 特開2009−133787号公報JP 2009-133787 A 特開2010−210253号公報JP 2010-210253 A

Ya-Lun Ho, Yaerim Lee, Etsuo Maeda, and Jean-Jacques Delaunay, "Coupling of localized surface plasmons to U-shaped cavities for high-sensitivity and miniaturized detectors" Optics Express Vol 21, No. 2, pp1531-1540, 2013.Ya-Lun Ho, Yaerim Lee, Etsuo Maeda, and Jean-Jacques Delaunay, "Coupling of localized surface plasmons to U-shaped cavities for high-sensitivity and miniaturized detectors" Optics Express Vol 21, No. 2, pp1531-1540, 2013 .

本発明は、前記の知見に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的は、SPR又はLSPRの現象を利用した新たな波長選択性の光学素子を提供することである。   The present invention has been made in view of the above findings. The main object of the present invention is to provide a new wavelength-selective optical element utilizing the SPR or LSPR phenomenon.

前記した課題を解決する手段は、以下の項目のように記載できる。   Means for solving the above-described problems can be described as follows.

(項目1)
基板と、複数のキャビティ部と、チャネル部とを備えており、
前記基板は、絶縁体により構成されており、
前記複数のキャビティ部は、前記基板上に配置されており、
かつ前記複数のキャビティ部は、それぞれ、第1起立部と、第2起立部と、接続部とを備えており、
各キャビティ部における前記第1起立部と第2起立部は、いずれも、前記基板の表面から外側方向に延長されており、かつ、互いに対向させられており、
各キャビティ部における前記接続部は、前記基板の表面上に配置されており、かつ、前記第1起立部と第2起立部とを接続することによって、前記キャビティ部を断面略U字形状に形成する構成となっており、
前記第1起立部と、第2起立部と、接続部とは、いずれも、光の照射によって表面プラズモンを発生可能な材質によって構成されており、
前記チャネル部は、隣接する前記キャビティ部の間に配置されており、
かつ、前記チャネル部は、隣接する前記キャビティ部のうちの一方における前記第1又は第2起立部と、隣接する前記キャビティ部のうちの他方における前記第2又は第1起立部とによって構成されており、
さらに、前記チャネル部は、このチャネル部を介して、外部からの光を前記基板表面に導入可能とされている
光学素子。
(Item 1)
A substrate, a plurality of cavities, and a channel,
The substrate is made of an insulator,
The plurality of cavities are disposed on the substrate;
Each of the plurality of cavities includes a first standing part, a second standing part, and a connection part,
The first standing part and the second standing part in each cavity part are both extended outward from the surface of the substrate, and are opposed to each other.
The connection part in each cavity part is disposed on the surface of the substrate, and the cavity part is formed in a substantially U-shaped cross section by connecting the first upright part and the second upright part. It is configured to
The first standing part, the second standing part, and the connection part are all made of a material capable of generating surface plasmon by light irradiation,
The channel portion is disposed between the adjacent cavity portions;
And the said channel part is comprised by the said 1st or 2nd standing part in one of the said adjacent cavity parts, and the said 2nd or 1st standing part in the other of the said adjacent cavity parts. And
Further, the channel section is configured to be able to introduce light from the outside to the substrate surface via the channel section.

(項目2)
前記基板表面に導入された前記光を、前記キャビティ部におけるキャビティモードと、前記チャネル部におけるギャップモードとのカップリングにより、前記基板内部に閉じ込める構成となっている
項目1に記載の光学素子。
(Item 2)
The optical element according to item 1, wherein the light introduced into the substrate surface is confined inside the substrate by coupling between a cavity mode in the cavity portion and a gap mode in the channel portion.

(項目3)
さらに光トラップ検出部を備えており、
前記光トラップ検出部は、前記チャネル部における光トラップの有無を検出する構成となっている
項目1又は2に記載の光学素子。
(Item 3)
Furthermore, it has an optical trap detector,
The optical element according to item 1 or 2, wherein the optical trap detection unit is configured to detect presence or absence of an optical trap in the channel unit.

(項目4)
前記光トラップ検出部は、前記チャネル部における温度変化を検出する温度検出素子を備えている
項目3に記載の光学素子。
(Item 4)
The optical element according to item 3, wherein the optical trap detection section includes a temperature detection element that detects a temperature change in the channel section.

(項目5)
前記温度検出素子は、前記チャネル部における前記第1起立部と第2起立部との間に配置された半導体により構成されている
項目4に記載の光学素子。
(Item 5)
The optical element according to item 4, wherein the temperature detection element is configured by a semiconductor disposed between the first upright part and the second upright part in the channel part.

(項目6)
前記光トラップ検出部は、前記半導体の抵抗変化を用いて、前記チャネル部における光トラップの有無を検出する構成となっている
項目5に記載の光学素子。
(Item 6)
The optical element according to item 5, wherein the optical trap detection unit is configured to detect the presence or absence of an optical trap in the channel unit by using a resistance change of the semiconductor.

(項目7)
前記キャビティ部の個数は、少なくとも3以上とされており、
かつ、前記キャビティ部は、所定のピッチで周期的に配置されている
項目1〜6のいずれか1項に記載の光学素子。
(Item 7)
The number of the cavity portions is at least 3 or more,
And the said cavity part is arrange | positioned periodically with a predetermined pitch. The optical element of any one of the items 1-6.

(項目8)
項目1〜7のいずれか1項に記載の光学素子を複数備えており、
前記キャビティ部における、前記第1起立部と前記第2起立部との間での前記接続部の幅(w)は、前記複数の光学素子どうしの間で、異なった値に設定されている
分光装置。
(Item 8)
Comprising a plurality of optical elements according to any one of items 1 to 7,
The width (w) of the connection portion between the first upright portion and the second upright portion in the cavity portion is set to a different value between the plurality of optical elements. apparatus.

(項目9)
さらに角度変更部を備えており、
前記角度変更部は、前記基板への光線の入射角を変更する構成となっている
項目1又は2に記載の光学素子。
(Item 9)
In addition, it has an angle changer,
The optical element according to item 1 or 2, wherein the angle changing unit is configured to change an incident angle of a light beam on the substrate.

(項目10)
前記角度変更部は、ピエゾ素子を備えており、
前記ピエゾ素子は、前記基板に取り付けられて、前記基板の傾斜を調整する構成となっている
項目9に記載の光学素子。
(Item 10)
The angle changing unit includes a piezo element,
The optical element according to item 9, wherein the piezo element is attached to the substrate and adjusts the inclination of the substrate.

(項目11)
前記角度変更部は、静電アクチュエータを備えており、
前記静電アクチュエータは、静電引力を用いて前記基板の傾斜を調整する構成となっている
項目9に記載の光学素子。
(Item 11)
The angle changing unit includes an electrostatic actuator,
Item 10. The optical element according to Item 9, wherein the electrostatic actuator is configured to adjust the inclination of the substrate using electrostatic attraction.

(項目12)
項目8〜11のいずれか1項に記載の光学素子を備えた光スイッチング装置。
(Item 12)
An optical switching device comprising the optical element according to any one of items 8 to 11.

(項目13)
項目1〜7、9〜11のいずれか1項に記載の光学素子と、吸着素子とを備えており、
前記吸着素子は、前記キャビティ部又は前記チャネル部の近傍において対象物を吸着する構成となっている、
吸着センサ。
(Item 13)
Comprising the optical element according to any one of items 1 to 7 and 9 to 11 and an adsorption element;
The adsorption element is configured to adsorb an object in the vicinity of the cavity part or the channel part.
Adsorption sensor.

(項目14)
項目8に記載の分光装置を用いて行われる分光方法であって、
前記複数のキャビティ部及び前記チャネル部にわたって光を照射するステップと、
前記チャネル部における光トラップの有無を検出するステップと、
を備える分光方法。
(Item 14)
A spectroscopic method performed using the spectroscopic device according to item 8,
Irradiating light across the plurality of cavities and the channel; and
Detecting the presence or absence of an optical trap in the channel portion;
Spectroscopic method comprising:

(項目15)
項目12に記載の光スイッチング装置を用いて行われる光スイッチング方法であって、
前記複数のキャビティ部及び前記チャネル部にわたって光を照射するステップと、
前記入射角を変化させるステップと、
を備える光スイッチング方法。
(Item 15)
An optical switching method performed using the optical switching device according to item 12,
Irradiating light across the plurality of cavities and the channel; and
Changing the incident angle;
An optical switching method comprising:

(項目16)
項目13に記載の吸着センサを用いて行われる物質検出方法であって、
前記複数のキャビティ部及び前記チャネル部にわたって光を照射するステップと、
前記対象物が前記吸着素子に吸着される前後における前記吸着センサの共鳴特性の変化を検出するステップと、
を備える物質検出方法。
(Item 16)
A substance detection method performed using the adsorption sensor according to item 13,
Irradiating light across the plurality of cavities and the channel; and
Detecting a change in resonance characteristics of the adsorption sensor before and after the object is adsorbed to the adsorption element;
A substance detection method comprising:

本発明によれば、SPR又はLSPRの現象を利用した新たな波長選択性の光学素子を提供することが可能になる。さらに、本発明によれば、この光学素子を利用した分光装置、光スイッチング装置、あるいは吸着センサを提供することが可能になる。   According to the present invention, it is possible to provide a new wavelength-selective optical element using the SPR or LSPR phenomenon. Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide a spectroscopic device, an optical switching device, or an adsorption sensor using this optical element.

本発明の第1実施形態に係る分光装置の概略的構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the spectroscopic device which concerns on 1st Embodiment of this invention. 図1の分光装置に用いる光学素子の概略的な断面図である。It is a schematic sectional drawing of the optical element used for the spectrometer of FIG. 図2の光学素子における波長−吸収特性の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the wavelength-absorption characteristic in the optical element of FIG. 図2の光学素子における光トラップ動作を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the optical trap operation | movement in the optical element of FIG. 図1の分光装置を用いた分光方法を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the spectroscopy method using the spectroscopy apparatus of FIG. 本発明の第2実施形態に係る光スイッチング装置の概略的構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the optical switching apparatus which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 図6の光スイッチング装置における一部の拡大説明図である。FIG. 7 is a partial enlarged explanatory view of the optical switching device of FIG. 6. 図6の光スイッチング装置において使用する光学素子の要部の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the principal part of the optical element used in the optical switching apparatus of FIG. 図8の光学素子における吸収波長と入射角との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the absorption wavelength and incident angle in the optical element of FIG. 図8の光学素子における入射角と反射率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the incident angle and the reflectance in the optical element of FIG. 本発明の第3実施形態に係る吸着センサの要部を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the principal part of the adsorption | suction sensor which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態に係る光学素子の製造方法を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the manufacturing method of the optical element which concerns on 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態に係る光スイッチング装置の概略的構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the optical switching apparatus which concerns on 5th Embodiment of this invention.

(第1実施形態…分光装置)
以下、添付図面を参照しながら、本発明の第1実施形態に係る分光装置について説明する。
(First embodiment: spectroscopic device)
Hereinafter, a spectroscopic device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

(第1実施形態の構成)
本実施形態の分光装置は、複数の光学素子101,102,…,10nを備えている。ここで、符号中のnはn個目の光学素子であることを示している。なお、光学素子の個数は、測定したい波長の個数(すなわち波長λ1,λ2,…,λn)に対応するので、1波長のみ検出する場合は一つでもよい。また、本実施形態における光学素子101…は、支持体10によって支持されている。
(Configuration of the first embodiment)
The spectroscopic device of the present embodiment includes a plurality of optical elements 101, 102,. Here, n in the code indicates the n-th optical element. Note that the number of optical elements corresponds to the number of wavelengths to be measured (that is, wavelengths λ1, λ2,..., Λn), so that only one wavelength may be detected. Further, the optical elements 101 in the present embodiment are supported by the support 10.

本実施形態の分光装置は、さらに、試料からの光を光学素子101〜10nに送るための光学系200と、試料を支持するテーブル300とを備えている。   The spectroscopic device of the present embodiment further includes an optical system 200 for sending light from the sample to the optical elements 101 to 10n, and a table 300 that supports the sample.

(光学素子)
一つの光学素子101を例として、光学素子の構成を、図2(a)をさらに参照しながら詳しく説明する。他の光学素子102…の構成も、基本的には、この光学素子101と同様である。なお、図2は、図1とは上下反転した状態で記載してある。
(Optical element)
Taking one optical element 101 as an example, the configuration of the optical element will be described in detail with further reference to FIG. The configuration of the other optical elements 102 is basically the same as that of the optical element 101. Note that FIG. 2 is shown upside down with respect to FIG.

光学素子101は、基板11と、複数のキャビティ部121,122,…,12nと、チャネル部13と、光トラップ検出部14とを備えている。   The optical element 101 includes a substrate 11, a plurality of cavity portions 121, 122,..., 12 n, a channel portion 13, and an optical trap detection portion 14.

基板11は、絶縁体により構成されている。絶縁体としては、本実施形態では、プローブ光として使用される光を透過させることのできる材質であることが好ましい。そのような材質としては、例えばサファイア、石英ガラス、CaF、Si、Alであるが、他の物質も使用可能である。 The substrate 11 is made of an insulator. In this embodiment, the insulator is preferably made of a material that can transmit light used as probe light. Such a material, for example sapphire, quartz glass, is a CaF 2, Si 3 N 4, Al 2 O 3, other materials may be used.

複数のキャビティ部121,122,…,12nは、基板11の表面(図2において上面)に配置されている。なお、本実施形態における複数のキャビティ部121,122,…,12nは、図2における左右方向に周期的に配置されているが、以下の説明においては、隣接するキャビティ部121及び122を主として説明する。なお、キャビティ部の最小の個数は、理論的には2個であるが、現実的には3個以上であることが好ましい。   The plurality of cavity portions 121, 122,..., 12n are arranged on the surface of the substrate 11 (upper surface in FIG. 2). In addition, although the several cavity parts 121,122, ..., 12n in this embodiment are periodically arrange | positioned in the left-right direction in FIG. 2, it demonstrates mainly the adjacent cavity parts 121 and 122 in the following description. To do. The minimum number of the cavity portions is theoretically two, but is practically preferably three or more.

キャビティ部121は、第1起立部1211と、第2起立部1212と、接続部1213とを備えている。   The cavity part 121 includes a first upright part 1211, a second upright part 1212, and a connection part 1213.

キャビティ部121における第1起立部1211と第2起立部1222は、いずれも、基板11の表面から外側方向(図2において上側方向)に延長されており、かつ、互いに対向させられている。より具体的には、本例での第1起立部1211と第2起立部1222はたがいに平行となっており、さらに、いずれも奥行き方向(図2の紙面に交差する方向、後述の図5参照)に延長させられている。   The first upright portion 1211 and the second upright portion 1222 in the cavity portion 121 both extend outward from the surface of the substrate 11 (upward in FIG. 2) and are opposed to each other. More specifically, the first upright portion 1211 and the second upright portion 1222 in this example are parallel to each other, and both are in the depth direction (direction intersecting the paper surface of FIG. 2, FIG. 5 described later). See).

キャビティ部121における接続部1213は、基板11の表面上に配置されており、かつ、第1起立部1211と第2起立部1212とを接続している。なお、接続部1213も、奥行き方向に延長させられている。この構成によって、接続部1213は、キャビティ部121を断面略U字形状(図2参照)に形成する構成となっている。   The connection part 1213 in the cavity part 121 is disposed on the surface of the substrate 11 and connects the first upright part 1211 and the second upright part 1212. The connecting portion 1213 is also extended in the depth direction. With this configuration, the connection portion 1213 is configured to form the cavity portion 121 in a substantially U-shaped cross section (see FIG. 2).

本実施形態における第1起立部1211と、第2起立部1212と、接続部1213とは、いずれも、光の照射によって表面プラズモンを発生可能な材質によって構成されている。そのような材質としては、例えば金であるが、それ以外に銀、白金、それらの合金、酸化物半導体(例えばVO、In)など、他の材質を用いることができる。なお、厳密には金属ではない酸化物半導体も、表面プラズモンを発生可能であれば、使用可能である。 The first upright portion 1211, the second upright portion 1212, and the connecting portion 1213 in the present embodiment are all made of a material that can generate surface plasmons by light irradiation. Such a material is, for example, gold, but other materials such as silver, platinum, alloys thereof, and oxide semiconductors (for example, VO 2 , In 2 O 3 ) can be used. Note that an oxide semiconductor that is not strictly a metal can be used as long as it can generate surface plasmons.

同様に、キャビティ部122は、第1起立部1221と、第2起立部1222と、接続部1223とを備えている。キャビティ部122の構成は、基本的に、キャビティ部121と同様である。他のキャビティ部が存在する場合も同様である。後述するように、キャビティ部の幅w(図2(a)参照)は、検出したい波長に対応して設定されている。具体的には、キャビティ部の幅は、複数の光学素子101,…,10nどうしの間で、異なった値に設定されており、これによって、異なる波長(λ1,…,λn)を検出できるようになっている。   Similarly, the cavity part 122 includes a first upright part 1221, a second upright part 1222, and a connection part 1223. The configuration of the cavity part 122 is basically the same as that of the cavity part 121. The same applies when other cavities exist. As will be described later, the width w of the cavity portion (see FIG. 2A) is set corresponding to the wavelength to be detected. Specifically, the width of the cavity portion is set to a different value between the plurality of optical elements 101,..., 10n, so that different wavelengths (λ1,..., Λn) can be detected. It has become.

図2において中央のチャネル部13は、隣接するキャビティ部121とキャビティ部122との間に配置されている。同様に、他のチャネル部13は、隣接するキャビティ部の間に配置されている。このため、本実施形態では、複数のチャネル部が周期的に配置されたものとなっている。   In FIG. 2, the central channel portion 13 is disposed between the adjacent cavity portion 121 and the cavity portion 122. Similarly, the other channel part 13 is arrange | positioned between adjacent cavity parts. For this reason, in this embodiment, the several channel part is arrange | positioned periodically.

図2において中央のチャネル部13は、キャビティ部121における第2起立部1212と、隣接するキャビティ部122における第1起立部1221とによって構成されている。すなわち、より一般的に記述すれば、チャネル部13は、隣接するキャビティ部のうちの一方における第1又は第2起立部と、隣接するキャビティ部のうちの他方における第2又は第1起立部とによって構成されている。要するに、チャネル部13は、隣接するチャネル部の間に形成された隙間である。   In FIG. 2, the center channel portion 13 is constituted by a second upright portion 1212 in the cavity portion 121 and a first upright portion 1221 in the adjacent cavity portion 122. That is, more generally, the channel portion 13 includes a first or second upright portion in one of the adjacent cavity portions, and a second or first upright portion in the other of the adjacent cavity portions. It is constituted by. In short, the channel portion 13 is a gap formed between adjacent channel portions.

さらに、各チャネル部13は、このチャネル部を介して、外部からの光を基板11の表面に導入可能とされている。つまり、各チャネル部13の底部においては、光を反射する層(例えば金属層)が存在せず、外部からの光が基板11に到達可能となっている。   Furthermore, each channel part 13 can introduce light from the outside into the surface of the substrate 11 through this channel part. That is, at the bottom of each channel portion 13, there is no light reflecting layer (for example, a metal layer), and light from the outside can reach the substrate 11.

光トラップ検出部14は、各チャネル部13における光トラップの有無を検出する構成となっている。より具体的には、光トラップ検出部14は、各チャネル部13にそれぞれ配置された温度検出素子により構成されている。本実施形態の光トラップ検出部14では、温度検出素子として半導体が用いられており、半導体の抵抗変化を用いて、各光トラップ部における光トラップの有無を検出する構成となっている。温度検出素子としての半導体を挟んだキャビティ部121,…の等価回路を図2(b)に示す。各半導体は、キャビティ部を介して直列に接続されているので、全体の抵抗は、近似的に
N×R(T)
で表現できる。ここで、
N:チャネル部の個数(つまり半導体の個数)、
R:半導体部分の抵抗値、
T:半導体部分の温度
である。なお、前記の式では、SN比を向上させるため、キャビティ部の導電性が半導体よりも十分に高いことを想定したが、キャビティ部の導電性をある程度低くすることは可能である。
The optical trap detection unit 14 is configured to detect the presence or absence of an optical trap in each channel unit 13. More specifically, the optical trap detection unit 14 includes temperature detection elements disposed in the respective channel units 13. In the optical trap detection unit 14 of the present embodiment, a semiconductor is used as a temperature detection element, and the presence or absence of an optical trap in each optical trap unit is detected using a change in resistance of the semiconductor. FIG. 2B shows an equivalent circuit of the cavity 121,... Sandwiching a semiconductor as a temperature detecting element. Since each semiconductor is connected in series via the cavity, the overall resistance is approximately N × R (T).
Can be expressed as here,
N: the number of channel portions (that is, the number of semiconductors),
R: resistance value of the semiconductor part,
T: The temperature of the semiconductor portion. In the above formula, it is assumed that the conductivity of the cavity is sufficiently higher than that of the semiconductor in order to improve the SN ratio, but it is possible to reduce the conductivity of the cavity to some extent.

半導体の抵抗Rは温度Tの関数となっており、温度に応じて敏感に変化する。後述するように、チャネル部13において光トラップが生じると半導体温度が上昇するので、全体の抵抗値を検出することにより、当該光学素子における光トラップの有無を検出することができる。   The resistance R of the semiconductor is a function of the temperature T and changes sensitively according to the temperature. As will be described later, when an optical trap occurs in the channel section 13, the semiconductor temperature rises. Therefore, the presence or absence of the optical trap in the optical element can be detected by detecting the entire resistance value.

(光学系)
光学系200(図1参照)は、試料からの光を平行光にして光学素子101〜10nに送るいわゆるコリメート光学系となっている。
(Optical system)
The optical system 200 (see FIG. 1) is a so-called collimating optical system that converts the light from the sample into parallel light and sends it to the optical elements 101 to 10n.

(テーブル)
テーブル300(図1参照)は、X−Y方向に試料を移動させることができる構成となっている。
(table)
The table 300 (see FIG. 1) is configured to be able to move the sample in the XY direction.

(分光方法)
次に、前記した分光装置を用いた分光方法について説明する。
(Spectroscopic method)
Next, a spectroscopic method using the spectroscopic device will be described.

(光学素子の基本的特性)
説明の前提として、本実施形態の光学素子における基本的な特性の一例を、図3を参照して説明する。
(Basic characteristics of optical elements)
As a premise for explanation, an example of basic characteristics of the optical element of the present embodiment will be described with reference to FIG.

この光学素子においては、キャビティ部121,…の幅wに対応して、光の吸収波長が変化する。図3の例では、幅wが25nm変化するごとに、吸収波長がおおよそ50nm変化している。したがって、光学素子ごとに幅wを変化させておくことによって、複数の波長を検出することができる。なお、図3の例はシミュレーションによって求めたものであり、その条件は下記のとおりである。   In this optical element, the absorption wavelength of light changes corresponding to the width w of the cavity portions 121. In the example of FIG. 3, every time the width w changes by 25 nm, the absorption wavelength changes by approximately 50 nm. Therefore, a plurality of wavelengths can be detected by changing the width w for each optical element. In addition, the example of FIG. 3 was calculated | required by simulation, The conditions are as follows.

(図3のシミュレーション条件)
キャビティ部の配置周期d = 1.780 - 1.905μm
(キャビティ部の幅w = 1.150 - 1.275μm)
キャビティ部の高さh = 1.1μm
各チャネル部の幅 (半導体部分の幅) = 0.23μm
キャビティ部を構成する金属層の厚さt (銀層) = 0.2μm
入射角 = 0 deg
基板材質: Si3N4
入射光のP偏光:図2の紙面に平行な方向
(Simulation conditions of FIG. 3)
Cavity placement period d = 1.780-1.905 μm
(Cavity width w = 1.150-1.275μm)
Cavity height h = 1.1μm
Each channel width (semiconductor width) = 0.23μm
Thickness t (silver layer) of metal layer composing the cavity = 0.2μm
Incident angle = 0 deg
Board material: Si 3 N 4
P-polarized light of incident light: direction parallel to the paper surface of FIG.

また、本実施形態の光学素子では、図4の上方から基板11に向けて照射された光は、チャネル部13によりトラップされて、基板11の中へと進入し、基板11の内部で渦を巻く(すなわち「閉じ込められる」)。このトラップは、キャビティ部におけるキャビティモードと、チャネル部におけるギャップモードとのカップリングにより生じると考えられる。より詳しくは、このトラップは、
(1)各起立部の端部におけるLSPRとキャビティモードとのカップリング、及び
(2)前記(1)のカップリングとチャネル部におけるギャップモードとのカップリング
により生じるものと考えられる。また、前記(1)及び(2)のカップリングは、ごく狭い幅の波長の光によって生じる(図3参照)。
In the optical element of the present embodiment, the light irradiated toward the substrate 11 from above in FIG. 4 is trapped by the channel portion 13 and enters the substrate 11, and vortices are generated inside the substrate 11. Wrap (ie “contained”). This trap is considered to be generated by coupling between a cavity mode in the cavity portion and a gap mode in the channel portion. More specifically, this trap
This is considered to be caused by (1) the coupling between the LSPR and the cavity mode at the end of each standing part, and (2) the coupling between the coupling in (1) and the gap mode in the channel part. The couplings (1) and (2) are caused by light having a very narrow wavelength (see FIG. 3).

したがって、チャネル部にトラップされた光の存在(すなわち電磁気的変化)を検出すれば、特定の波長における光トラップの発生を検出できることになる。   Therefore, by detecting the presence (that is, electromagnetic change) of the light trapped in the channel portion, the occurrence of an optical trap at a specific wavelength can be detected.

(光照射ステップ)
本実施形態の分光方法でも、基本的な手法は従来の分光装置と同様とすることができる。例えば、試料に向けてプローブ光(例えば赤外光)を照射する。そして、試料により反射され、あるいは試料を透過した光を、光学系200を介して、本実施形態の光学素子101〜101nに照射する。これにより、それぞれの光学素子における複数の光トラップ部及び接続部にわたって光を照射することができる。ここで試料とは、例えば生体組織の一部である。よく知られているように、正常細胞と異常細胞(例えばがん細胞)との間では、光の吸収波長が変化する。そこで、吸収波長を検出することで、異常細胞の有無を検出することができる。なお、試料としては生体組織に限るものではなく、吸光度スペクトルの測定を必要とする他の有機材料あるいは無機材料とすることができる。
(Light irradiation step)
Even in the spectroscopic method of this embodiment, the basic method can be the same as that of a conventional spectroscopic device. For example, probe light (for example, infrared light) is irradiated toward the sample. Then, light reflected by the sample or transmitted through the sample is irradiated to the optical elements 101 to 101 n of the present embodiment via the optical system 200. Thereby, light can be irradiated over several optical trap parts and connection parts in each optical element. Here, the sample is, for example, a part of a living tissue. As is well known, the absorption wavelength of light changes between normal cells and abnormal cells (for example, cancer cells). Therefore, the presence or absence of abnormal cells can be detected by detecting the absorption wavelength. Note that the sample is not limited to a living tissue, and may be other organic materials or inorganic materials that require measurement of an absorbance spectrum.

(光トラップ検出ステップ)
ついで、X−Y平面における特定の位置ごとに、光学素子101〜10nの光トラップ部における光トラップの有無を検出する。なお、この検出は、前記した抵抗値R(T)の測定により可能である。光学素子101〜10nごとに光トラップの有無を検出することにより、光学素子に特有の波長の吸収が生じているかどうかを波長ごとに検出することができる。例えば、O−H基に特有な吸収波長をλ1とすれば、このλ1に対応した光学素子での光トラップを検出すれば、O−H基の存否や存在量を検出することができる。同様に、他の吸収波長λ2,…,λnに対応した光学素子を備えておけば、それぞれの波長に対応した物質を検出することができる(図5参照)。
(Optical trap detection step)
Subsequently, the presence or absence of the optical trap in the optical trap part of the optical elements 101 to 10n is detected for each specific position in the XY plane. This detection is possible by measuring the resistance value R (T). By detecting the presence or absence of an optical trap for each of the optical elements 101 to 10n, it is possible to detect for each wavelength whether or not absorption of a wavelength specific to the optical element occurs. For example, if the absorption wavelength peculiar to the O—H group is λ1, the presence / absence and amount of the O—H group can be detected by detecting an optical trap in an optical element corresponding to this λ1. Similarly, if optical elements corresponding to other absorption wavelengths λ2,..., Λn are provided, substances corresponding to the respective wavelengths can be detected (see FIG. 5).

また、光照射は、テーブル300を駆動することにより、試料と光学素子との相対的位置関係をずらしながら行う。これにより、X−Y平面における場所ごとの試料の検査を行うことができる。例えば、本例では、(x,y)座標ごとに、(λ1,λ2,…,λn)の組で表される吸光度スペクトルを得ることができる。   Further, the light irradiation is performed while driving the table 300 while shifting the relative positional relationship between the sample and the optical element. Thereby, the test | inspection of the sample for every place in an XY plane can be performed. For example, in this example, an absorbance spectrum represented by a set of (λ1, λ2,..., Λn) can be obtained for each (x, y) coordinate.

本実施形態では、標識なしで試料の組成を検出できるので、標識による試料への影響を防ぐことができ、さらには、分析に要する時間を短縮できるという利点がある。   In the present embodiment, since the composition of the sample can be detected without labeling, there is an advantage that the influence on the sample by the label can be prevented and the time required for analysis can be shortened.

また、従来の分光器においては、例えば回折格子を用いて、波長ごとに光を分散させる必要があった。このため、装置全体が大型化するだけでなく、光を回折格子まで運ぶための導波路が必要になる。これに対して、本実施形態では、回折格子のような光分散手段を用いることなく、複数の光学素子を備えるだけで、波長ごとの光の検出が可能になるという利点がある。また、本実施形態では、小型の光学素子によって吸光度スペクトルを取得可能なので、例えばプローブの先端に本実施形態の光学素子を取り付け、そこからの電気的信号(例えば抵抗値変化による電圧又は電流の変化)をシステム側に送るという構成も可能になる。すると、装置全体の小型化、簡素化を図ることができる。さらには、光学素子をカプセルに入れて生体内に送ることで、生体への侵襲度の低い吸光度スペクトル測定が可能になると考えられる。   Moreover, in the conventional spectrometer, it was necessary to disperse | distribute light for every wavelength, for example using a diffraction grating. For this reason, not only the whole apparatus becomes large, but also a waveguide for carrying light to the diffraction grating is required. On the other hand, the present embodiment has an advantage that light can be detected for each wavelength only by providing a plurality of optical elements without using a light dispersion means such as a diffraction grating. Further, in this embodiment, since the absorbance spectrum can be obtained by a small optical element, for example, the optical element of this embodiment is attached to the tip of the probe, and an electrical signal (for example, change in voltage or current due to change in resistance value) ) Can be sent to the system side. Then, the whole apparatus can be reduced in size and simplified. Furthermore, it is considered that the absorption spectrum measurement with a low degree of invasiveness to the living body can be performed by putting the optical element in the capsule and sending it into the living body.

さらに、本実施形態の光学素子は、図3に示されるように、吸収特性において非常に鋭いピークを有するので、高い測定精度を得ることができるという利点がある。例えば、前記した非特許文献1の技術では、半値全幅(full width at half maximum, FWHM)として、2μmの波長において42nmを得ている。この特性自体もかなり鋭いピークということができる。しかしながら、本実施形態の光学素子によれば、図3に例示するように、4μm近辺という、約2倍の波長において、7〜24nmという狭いFWHMを得ることができる。したがって、本実施形態の光学素子を用いることにより、高い測定精度を持つ分光装置を提供可能となる。   Furthermore, as shown in FIG. 3, the optical element of the present embodiment has a very sharp peak in the absorption characteristic, so that there is an advantage that high measurement accuracy can be obtained. For example, in the above-described technique of Non-Patent Document 1, 42 nm is obtained at a wavelength of 2 μm as a full width at half maximum (FWHM). This characteristic itself can be said to be a fairly sharp peak. However, according to the optical element of this embodiment, as illustrated in FIG. 3, a narrow FWHM of 7 to 24 nm can be obtained at a wavelength of about 2 times, ie, around 4 μm. Therefore, by using the optical element of the present embodiment, a spectroscopic device having high measurement accuracy can be provided.

(第2実施形態…光スイッチ)
つぎに、本発明の第2実施形態に係る光スイッチング装置を、図6〜図10を参照しながら説明する。なお、この第2実施形態の説明においては、前記した第1実施形態と基本的に共通する要素については、同一符号を用いることにより、説明の煩雑を避ける。
(Second embodiment: optical switch)
Next, an optical switching device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the description of the second embodiment, the same reference numerals are used for elements that are basically the same as those in the first embodiment, thereby avoiding complicated description.

第2実施形態の光スイッチング装置においても、複数の光学素子101,102,…,10nを用いる(図6参照)。光学素子101の拡大図を図7に示す。ただし、本実施形態の光学素子では、第1実施形態における光トラップ検出部14が省略されており、各チャネル部13には、絶縁体としての空気が存在している(図8参照)。なお、空気に代えて他の絶縁体、例えば石英ガラス、Si、サファイアなどを用いることは可能である。また、第2実施形態の各光学素子は、一端が固定され、他端が自由端とされた片持ち梁構造となっている(図7参照)。 Also in the optical switching device of the second embodiment, a plurality of optical elements 101, 102,..., 10n are used (see FIG. 6). An enlarged view of the optical element 101 is shown in FIG. However, in the optical element of this embodiment, the optical trap detector 14 in the first embodiment is omitted, and air as an insulator exists in each channel portion 13 (see FIG. 8). Note that other insulators such as quartz glass, Si 3 N 4 , and sapphire can be used instead of air. Each optical element of the second embodiment has a cantilever structure in which one end is fixed and the other end is a free end (see FIG. 7).

さらに、第2実施形態の光スイッチング装置は、角度変更部15(図7参照)と、受光部16と、ビームスプリッタ17とを備えている。   Furthermore, the optical switching device according to the second embodiment includes an angle changing unit 15 (see FIG. 7), a light receiving unit 16, and a beam splitter 17.

角度変更部15(図7参照)は、各光学素子101…の傾斜角度(すなわち各光学素子への光線入射角)を変化させる機能を備えている(なお、図6では角度変更部の図示を省略した)。このような角度変更部15は、例えば、片持ち式に支持された基板11に取り付けられて、それ自体の変形によって基板11を変形させるピエゾ素子を用いて構成することができる。すなわち、角度変更部15を構成するピエゾ素子は、基板11に取り付けられて、基板11の傾斜角θ(図7参照)を調整する構成となっている。また、この構成により、角度変更部15は、基板11への光線の入射角を変更することができるようになっている。ただし、角度変更部15としては、ピエゾ素子に限らず、例えば静電アクチュエータで構成されていてもよい。静電アクチュエータを用いれば、静電引力を用いて基板の傾斜角を調整することができる。   The angle changing unit 15 (see FIG. 7) has a function of changing the inclination angle of each optical element 101... (That is, the light incident angle on each optical element) (in FIG. 6, the angle changing unit is illustrated. Omitted). Such an angle changing unit 15 can be configured using, for example, a piezo element that is attached to the substrate 11 supported in a cantilever manner and deforms the substrate 11 by its own deformation. That is, the piezo element constituting the angle changing unit 15 is attached to the substrate 11 to adjust the inclination angle θ (see FIG. 7) of the substrate 11. In addition, with this configuration, the angle changing unit 15 can change the incident angle of the light beam on the substrate 11. However, the angle changing unit 15 is not limited to a piezo element, and may be constituted by, for example, an electrostatic actuator. If an electrostatic actuator is used, the tilt angle of the substrate can be adjusted using electrostatic attraction.

受光部16は、各光学素子で反射した光を受光し、受光した光を、例えば光ファイバ(図示せず)により伝送することができるようになっている(図6参照)。   The light receiving unit 16 receives light reflected by each optical element, and can transmit the received light through, for example, an optical fiber (not shown) (see FIG. 6).

ビームスプリッタ17は、発光素子(例えばレーザダイオード)18からの赤外光を所定の反射率で反射させて対応する光学素子に送り、透過した光が後続のビームスプリッタに届くにようになっている(図6参照)。ビームスプリッタ17の反射率は、図示の例では、左から右に1/5、1/4、1/3、1/2のように順次高くなるように設定されている。   The beam splitter 17 reflects infrared light from a light emitting element (for example, a laser diode) 18 with a predetermined reflectance and sends it to a corresponding optical element so that the transmitted light reaches a subsequent beam splitter. (See FIG. 6). In the illustrated example, the reflectivity of the beam splitter 17 is set to increase sequentially from left to right, such as 1/5, 1/4, 1/3, and 1/2.

(第2実施形態の動作)
次に、本実施形態に係る光スイッチング装置の動作を説明する。
(Operation of Second Embodiment)
Next, the operation of the optical switching device according to this embodiment will be described.

(光学素子の特性)
第2実施形態の光学素子においても、第1実施形態で説明した、鋭い波長選択性という特性を持つ。しかしながら、第2実施形態では、光学素子における別の特性を利用する。この特性を、図9を参照しながら説明する。
(Characteristics of optical elements)
The optical element of the second embodiment also has the sharp wavelength selectivity characteristic described in the first embodiment. However, in the second embodiment, another characteristic of the optical element is used. This characteristic will be described with reference to FIG.

この光学素子では、モードカップリングの発生と入射角との間に、図9に示すような関係を持つ。例えば入射角θ=0度のとき、波長λaでモードカップリングを生じて、図3に示すような波形の吸収(つまり反射率の減少)を生じたとする。このとき、入射角度θを変化させると、図9に示されるように、共鳴する光の波長が変化する。図9は、反射率最小(Rminimum=0.2)となる波長及び角度の条件を示しており、このグラフから外れた点では、反射率はおおよそ0.8となる。図9には明記していないが、例えば、入射角が2度変化すると、共鳴波長が20〜30nm変化する。この関係を、波長をλb(図9参照)としたときの入射角と反射差率であらわすと、図10のようになる。入射角がわずか2度変化するだけで、反射率がおおよそ0.2から0.8に大きく変化する。したがって、入射角を変更することにより、光スイッチングを実行可能であることが分かる。ここで、図10に示す特性はシミュレーションにより得られたものであり、そのシミュレーション条件は下記のとおりである。 In this optical element, there is a relationship as shown in FIG. 9 between the occurrence of mode coupling and the incident angle. For example, it is assumed that mode coupling occurs at the wavelength λa when the incident angle θ = 0 °, and absorption of a waveform as shown in FIG. 3 (that is, a decrease in reflectance) occurs. At this time, when the incident angle θ is changed, as shown in FIG. 9, the wavelength of the resonating light changes. FIG. 9 shows the conditions of the wavelength and angle at which the reflectance is minimum (R minimum = 0.2), and the reflectance is approximately 0.8 at points outside this graph. Although not clearly shown in FIG. 9, for example, when the incident angle changes by 2 degrees, the resonance wavelength changes by 20 to 30 nm. This relationship can be expressed as an incident angle and a reflectance difference when the wavelength is λb (see FIG. 9), as shown in FIG. With only a 2 degree change in the incident angle, the reflectivity changes greatly from about 0.2 to 0.8. Therefore, it can be seen that optical switching can be performed by changing the incident angle. Here, the characteristics shown in FIG. 10 are obtained by simulation, and the simulation conditions are as follows.

(図10のシミュレーション条件)
キャビティ部の配置周期d= 1.50μm
キャビティ部の高さh = 0.77μm
各チャネル部の幅 (空気層) = 0.11μm
キャビティ部を構成する金属層の厚さt (銀層) = 0.1μm
入射角= 0 - 5 deg
基板材質: Si3N4
入射光のP偏光:図10の紙面に平行な方向
(Simulation conditions in FIG. 10)
Arrangement period of cavity part d = 1.50μm
Cavity height h = 0.77μm
Width of each channel part (air layer) = 0.11μm
Thickness (silver layer) of metal layer composing the cavity part = 0.1μm
Incident angle = 0-5 deg
Board material: Si 3 N 4
P-polarized light of incident light: direction parallel to the paper surface of FIG.

なお、第1実施形態の光学素子について説明した特性は、第2実施形態の光学素子も同様に有している。また、第1実施形態の光学素子でも、第2実施形態で説明した特性は発揮可能である。   The characteristics described for the optical element of the first embodiment also have the characteristics of the optical element of the second embodiment. The characteristics described in the second embodiment can also be exhibited by the optical element of the first embodiment.

(光スイッチング方法)
前記した光学素子の特性を前提として、本実施形態における光スイッチング方法を説明する。
(Optical switching method)
Based on the characteristics of the optical element described above, the optical switching method in this embodiment will be described.

まず、前提として、発光素子18から、特定の波長(例えば1.55μm)の光がビームスプリッタ17に照射されているものとする(図6参照)。これにより、各光学素子における複数の光トラップ部及び接続部にわたって光を照射することができる。   First, as a premise, it is assumed that light of a specific wavelength (for example, 1.55 μm) is emitted from the light emitting element 18 to the beam splitter 17 (see FIG. 6). Thereby, light can be irradiated over several optical trap parts and connection parts in each optical element.

さらに、本実施形態では、角度変更部15(図7参照)を用いて、基板11の傾斜角θを変化させる。ただし、傾斜角θは微小(例えば1〜5度程度)に設定されている。   Furthermore, in this embodiment, the inclination angle θ of the substrate 11 is changed using the angle changing unit 15 (see FIG. 7). However, the inclination angle θ is set to be very small (for example, about 1 to 5 degrees).

すると、ビームスプリッタ17により光学素子に送られた光は、光学素子の表面で反射され、ビームスプリッタ17を通って受光部16に届く。届いた光は、光ファイバなどの伝送媒体を介して伝送される。   Then, the light transmitted to the optical element by the beam splitter 17 is reflected by the surface of the optical element and reaches the light receiving unit 16 through the beam splitter 17. The arrived light is transmitted through a transmission medium such as an optical fiber.

ここで、本実施形態では、基板11の傾斜角の変動幅を小さい値(例えば1〜5度)としているので、光学素子により反射された光を受光部16により問題なく受け取ることができるという利点がある(図6参照)。   Here, in this embodiment, since the fluctuation range of the tilt angle of the substrate 11 is set to a small value (for example, 1 to 5 degrees), the light reflected by the optical element can be received by the light receiving unit 16 without any problem. (See FIG. 6).

また、本実施形態では、図9及び図10に示したように、光の入射角の変化によって反射率(あるいは吸収率)が大きく変動する。このため、前記した基板11の傾斜角の変化(つまり入射角の変化)により、受光部16における受光量(受け取った光の強度)を切り替えることができる。これにより、光電変換を行わずに光スイッチングを実行できるという利点がある。   In the present embodiment, as shown in FIGS. 9 and 10, the reflectance (or absorption rate) varies greatly depending on the change in the incident angle of light. For this reason, the amount of received light (the intensity of received light) in the light receiving unit 16 can be switched by the change in the inclination angle of the substrate 11 (that is, the change in the incident angle). Thereby, there exists an advantage that optical switching can be performed without performing photoelectric conversion.

さらに、本実施形態では、基板11を片持ち梁構造としたので、基板11を小型化すれば、これを高速で(例えば数kHz〜数GHzオーダーで)振動させることができる。このため、高速な光スイッチングを実現できるという利点がある。   Furthermore, in this embodiment, since the substrate 11 has a cantilever structure, if the substrate 11 is reduced in size, it can be vibrated at high speed (for example, in the order of several kHz to several GHz). For this reason, there is an advantage that high-speed optical switching can be realized.

また、本実施形態において、各光学素子におけるキャビティ部の幅wを異ならせることにより、スイッチングする光の周波数を、光学素子ごとに異なる値に設定することができるという利点もある。   Further, in the present embodiment, there is an advantage that the frequency of light to be switched can be set to a different value for each optical element by making the width w of the cavity portion in each optical element different.

第2実施形態における他の構成及び利点は、前記第1実施形態と同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。   Other configurations and advantages of the second embodiment are the same as those of the first embodiment, and thus detailed description thereof is omitted.

(第3実施形態…吸着センサ)
つぎに、本発明の第3実施形態に係る吸着センサを、図11を参照しながら説明する。なお、この第3実施形態の説明においては、前記した第1実施形態と基本的に共通する要素については、同一符号を用いることにより、説明の煩雑を避ける。
(Third embodiment ... Adsorption sensor)
Next, an adsorption sensor according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the description of the third embodiment, elements that are basically the same as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, thereby avoiding complicated description.

第3実施形態の吸着センサでは、一つの光学素子101を用いる(図11参照)。   In the adsorption sensor of the third embodiment, one optical element 101 is used (see FIG. 11).

さらに、本実施形態の吸着センサは、吸着素子19を備えている。吸着素子19は、キャビティ部121,122,…の各接続部1213,1223,…の近傍において対象物を吸着する構成となっている。さらに、本実施形態の吸着素子19は、チャネル部13の内側(起立部の側面)にも配置されている。より具体的には、本実施形態では、吸着素子として、特定の対象物(アナライト)に吸着するリガンドが用いられており、このリガンドの端部が、各接続部1213,…及びチャネル部13の表面に結合されている。   Further, the suction sensor of this embodiment includes a suction element 19. The adsorbing element 19 is configured to adsorb an object in the vicinity of each connection part 1213, 1223,... Of the cavity parts 121, 122,. Furthermore, the adsorption element 19 of the present embodiment is also disposed inside the channel portion 13 (side surface of the standing portion). More specifically, in the present embodiment, a ligand that adsorbs to a specific object (analyte) is used as the adsorbing element, and the end of this ligand is connected to each connecting portion 1213... And the channel portion 13. Bound to the surface.

(第3実施形態における物質検出方法)
次に、本実施形態に係る吸着センサの動作を説明する。
(Substance detection method in the third embodiment)
Next, the operation of the adsorption sensor according to this embodiment will be described.

本実施形態の吸着センサの表面に接触するように、対象物を含む溶液を流す。すると、対象物の一部が吸着素子19に吸着して保持される。   A solution containing an object is allowed to flow so as to come into contact with the surface of the adsorption sensor of the present embodiment. Then, a part of the object is sucked and held by the suction element 19.

一方、光学素子における複数のキャビティ部121,122,…,12n及びチャネル部13にわたって光を照射する。   On the other hand, light is irradiated over the plurality of cavity portions 121, 122,..., 12n and the channel portion 13 in the optical element.

ついで、対象物が吸着素子19に吸着される前後における、光学素子の共鳴特性の変化を検出する、すなわち、対象物が吸着素子19に吸着されると、キャビティ部近傍及び/又はチャネル部内側の屈折率が変化し、基板11での光閉じ込めを生じるための共鳴条件が変化する。例えば、共鳴する光の波長や入射角が変化する。そこで、この変化を検出することにより、対象物の検出が可能となる。したがって、この吸着センサは、例えばいわゆる生化学的(bio-chemical)センサとして使用できる。この共鳴条件の変化を用いた検出方法自体は、従来のSPRを用いた化学的センサ(例えば前記した特許文献1参照)と同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。   Next, a change in the resonance characteristics of the optical element before and after the object is adsorbed by the adsorption element 19 is detected. That is, when the object is adsorbed by the adsorption element 19, the vicinity of the cavity and / or the inside of the channel part The refractive index changes, and the resonance condition for causing optical confinement in the substrate 11 changes. For example, the wavelength and incident angle of the resonating light change. Therefore, the object can be detected by detecting this change. Therefore, this adsorption sensor can be used as a so-called bio-chemical sensor, for example. Since the detection method itself using this change in resonance condition is the same as that of a conventional chemical sensor using SPR (see, for example, Patent Document 1 described above), further detailed description is omitted.

第3実施形態における他の構成及び利点は、前記第1実施形態と同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。   Other configurations and advantages of the third embodiment are the same as those of the first embodiment, and a detailed description thereof will be omitted.

(第4実施形態…作製方法)
つぎに、第4実施形態として、本発明の光学素子を作製する方法の一例を、図12を参照しながら説明する。なお、この第4実施形態の説明においては、前記した第1実施形態と基本的に共通する要素については、同一符号を用いることにより、説明の煩雑を避ける。
(Fourth embodiment: manufacturing method)
Next, as a fourth embodiment, an example of a method for producing the optical element of the present invention will be described with reference to FIG. In the description of the fourth embodiment, elements that are basically the same as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, thereby avoiding complicated description.

図12(a)に示されるように、まず、基板11の表面に、レジスト400を周期的に配置する。   As shown in FIG. 12A, first, a resist 400 is periodically arranged on the surface of the substrate 11.

ついで、基板11及びレジスト400を覆うように、アモルファスシリコン層500を形成する(図12(b)参照)。この形成は、例えばスパッタリングにより行うことができる。   Next, an amorphous silicon layer 500 is formed so as to cover the substrate 11 and the resist 400 (see FIG. 12B). This formation can be performed by sputtering, for example.

ついで、上方からのイオンビーム照射により、アモルファスシリコン層500のうちで基板11と平行に配置された部分を除去し、基板11に垂直な部分のみ残す(図12(c)参照)。   Next, the portion of the amorphous silicon layer 500 arranged in parallel with the substrate 11 is removed by ion beam irradiation from above, and only the portion perpendicular to the substrate 11 is left (see FIG. 12C).

ついで、プラズマエッチングを用いて、レジスト400を除去する(図12(d)参照)。これにより、基板11に垂直な方向に延びるアモルファスシリコン層500のみを基板上に残すことができる。   Next, the resist 400 is removed by plasma etching (see FIG. 12D). Thereby, only the amorphous silicon layer 500 extending in the direction perpendicular to the substrate 11 can be left on the substrate.

ついで、基板11の上面及びアモルファスシリコン層500にわたって、金属層600を形成する(図12(e)参照)。この形成にもスパッタリングを使用可能である。   Next, a metal layer 600 is formed over the upper surface of the substrate 11 and the amorphous silicon layer 500 (see FIG. 12E). Sputtering can also be used for this formation.

ついで、イオンビームを用いて、アモルファスシリコン層500の上方における金属層600を除去する(図12(f)参照)。残存した金属層600は、前記した実施形態におけるキャビティ部121,122,…を形成することになる。   Next, the metal layer 600 above the amorphous silicon layer 500 is removed using an ion beam (see FIG. 12F). The remaining metal layer 600 forms the cavity portions 121, 122,... In the above-described embodiment.

これにより、第1実施形態における構成の光学素子を得ることができる。なお、金属層600の間に残存したアモルファスシリコン層500(図12(f)参照)は、第1実施形態における光トラップ検出部14に相当する。   Thereby, the optical element of the structure in 1st Embodiment can be obtained. Note that the amorphous silicon layer 500 (see FIG. 12F) remaining between the metal layers 600 corresponds to the optical trap detection unit 14 in the first embodiment.

(第5実施形態…光スイッチの変形例)
つぎに、本発明の第5実施形態に係る光スイッチング装置を、図13を参照しながら説明する。なお、この第5実施形態の説明においては、前記した第2実施形態と基本的に共通する要素については、同一符号を用いることにより、説明の煩雑を避ける。
(Fifth Embodiment: Modification of Optical Switch)
Next, an optical switching device according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the description of the fifth embodiment, the same reference numerals are used for elements that are basically the same as those of the second embodiment described above, thereby avoiding complicated description.

第5実施形態の光スイッチング装置においても、複数の光学素子101,102,…,10nを用いる(図13参照)。さらに、第5実施形態の光スイッチング装置は、図7の例と同様に、角度変更部15(図7参照)と、受光部16と、ビームスプリッタ17とを用いる。   Also in the optical switching device of the fifth embodiment, a plurality of optical elements 101, 102,..., 10n are used (see FIG. 13). Furthermore, the optical switching device of the fifth embodiment uses an angle changing unit 15 (see FIG. 7), a light receiving unit 16, and a beam splitter 17, as in the example of FIG.

ただし、第5実施形態では、1枚のビームスプリッタ17に代えて、一組のビームスプリッタ17a及び17bを用いる(図13参照)。この例では、発光素子18からの光の一部がビームスプリッタ17aで反射され、さらにビームスプリッタ17bで反射されて各光学素子101,…に届く。各光学素子101,…で反射された光の一部は、ビームスプリッタ17bを透過して受光部16に届く。ビームスプリッタ17aの反射率は、図示の例では、左から右に1/4、1/3、1/2、1/1のように順次高くなるように設定されている。ビームスプリッタ17bの反射率はいずれも1/2でよい。   However, in the fifth embodiment, a set of beam splitters 17a and 17b is used in place of one beam splitter 17 (see FIG. 13). In this example, a part of the light from the light emitting element 18 is reflected by the beam splitter 17a and further reflected by the beam splitter 17b and reaches each optical element 101,. A part of the light reflected by each of the optical elements 101,... Passes through the beam splitter 17 b and reaches the light receiving unit 16. In the illustrated example, the reflectivity of the beam splitter 17a is set to increase sequentially from left to right, such as 1/4, 1/3, 1/2, and 1/1. The reflectivity of the beam splitter 17b may be 1/2.

第5実施形態では、光源方向に戻る光がないので、エネルギー効率を改善できるという利点がある。また、各受光部に届く光の強度をほぼ一定にすることも可能となる。   In the fifth embodiment, since there is no light returning to the light source direction, there is an advantage that energy efficiency can be improved. In addition, it is possible to make the intensity of light reaching each light receiving unit substantially constant.

第5実施形態における他の構成及び利点は、前記第2実施形態と同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。   Other configurations and advantages of the fifth embodiment are the same as those of the second embodiment, and a detailed description thereof will be omitted.

なお、本発明の内容は、前記各実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に記載された範囲内において、具体的な構成に対して種々の変更を加えうるものである。   The contents of the present invention are not limited to the above embodiments. In the present invention, various modifications can be made to the specific configuration within the scope of the claims.

10 支持体
101,102,…,10n 光学素子
11 基板
121,122,…,12n キャビティ部
1211・1221 第1起立部
1212・1222 第2起立部
1213,1223 接続部
13 チャネル部
14 光トラップ検出部
15 角度変更部
16 受光部
17 ビームスプリッタ
18 発光素子
19 吸着素子
200 光学系
300 テーブル
400 レジスト
500 アモルファスシリコン層
600 金属層
w キャビティ部の幅
d キャビティ部の配置周期
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Support body 101,102, ..., 10n Optical element 11 Board | substrate 121,122, ..., 12n Cavity part 1211 * 1221 1st standing part 1212 * 1222 2nd standing part 1213,1223 Connection part 13 Channel part 14 Optical trap detection part DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 Angle change part 16 Light-receiving part 17 Beam splitter 18 Light emitting element 19 Adsorption element 200 Optical system 300 Table 400 Resist 500 Amorphous silicon layer 600 Metal layer w Cavity part width d Cavity part arrangement period

Claims (16)

基板と、複数のキャビティ部と、チャネル部とを備えており、
前記基板は、絶縁体により構成されており、
前記複数のキャビティ部は、前記基板上に配置されており、
かつ前記複数のキャビティ部は、それぞれ、第1起立部と、第2起立部と、接続部とを備えており、
各キャビティ部における前記第1起立部と第2起立部は、いずれも、前記基板の表面から外側方向に延長されており、かつ、互いに対向させられており、
各キャビティ部における前記接続部は、前記基板の表面上に配置されており、かつ、前記第1起立部と第2起立部とを接続することによって、前記キャビティ部を断面略U字形状に形成する構成となっており、
前記第1起立部と、第2起立部と、接続部とは、いずれも、光の照射によって表面プラズモンを発生可能な材質によって構成されており、
前記チャネル部は、隣接する前記キャビティ部の間に配置されており、
かつ、前記チャネル部は、隣接する前記キャビティ部のうちの一方における前記第1又は第2起立部と、隣接する前記キャビティ部のうちの他方における前記第2又は第1起立部とによって構成されており、
さらに、前記チャネル部は、このチャネル部を介して、外部からの光を前記基板表面に導入可能とされており、
前記チャネル部を介して前記基板表面に導入された前記光に対して、前記キャビティ部におけるキャビティモードと、前記チャネル部におけるギャップモードとの間で生じたモードカップリングにより決まる波長をピークとする吸収特性を有している
光学素子。
A substrate, a plurality of cavities, and a channel,
The substrate is made of an insulator,
The plurality of cavities are disposed on the substrate;
Each of the plurality of cavities includes a first standing part, a second standing part, and a connection part,
The first standing part and the second standing part in each cavity part are both extended outward from the surface of the substrate, and are opposed to each other.
The connection part in each cavity part is disposed on the surface of the substrate, and the cavity part is formed in a substantially U-shaped cross section by connecting the first upright part and the second upright part. It is configured to
The first standing part, the second standing part, and the connection part are all made of a material capable of generating surface plasmon by light irradiation,
The channel portion is disposed between the adjacent cavity portions;
And the said channel part is comprised by the said 1st or 2nd standing part in one of the said adjacent cavity parts, and the said 2nd or 1st standing part in the other of the said adjacent cavity parts. And
Furthermore, the channel part can introduce light from the outside to the substrate surface via the channel part ,
Absorption having a peak at a wavelength determined by mode coupling generated between a cavity mode in the cavity portion and a gap mode in the channel portion with respect to the light introduced to the substrate surface through the channel portion. An optical element having characteristics .
前記基板表面に導入された前記光を、前記キャビティ部におけるキャビティモードと、前記チャネル部におけるギャップモードとのモードカップリングにより、前記基板内部に閉じ込める構成となっている
請求項1に記載の光学素子。
2. The optical element according to claim 1, wherein the light introduced into the substrate surface is confined inside the substrate by mode coupling between a cavity mode in the cavity portion and a gap mode in the channel portion. .
さらに光トラップ検出部を備えており、
前記光トラップ検出部は、前記チャネル部における光トラップの有無を検出する構成となっている
請求項1又は2に記載の光学素子。
Furthermore, it has an optical trap detector,
The optical element according to claim 1, wherein the optical trap detection unit is configured to detect the presence or absence of an optical trap in the channel unit.
前記光トラップ検出部は、前記チャネル部における温度変化を検出する温度検出素子を備えている
請求項3に記載の光学素子。
The optical element according to claim 3, wherein the optical trap detection section includes a temperature detection element that detects a temperature change in the channel section.
前記温度検出素子は、前記チャネル部における前記第1起立部と第2起立部との間に配置された半導体により構成されている
請求項4に記載の光学素子。
The optical element according to claim 4, wherein the temperature detection element is configured by a semiconductor disposed between the first upright part and the second upright part in the channel part.
前記光トラップ検出部は、前記半導体の抵抗変化を用いて、前記チャネル部における光トラップの有無を検出する構成となっている
請求項5に記載の光学素子。
The optical element according to claim 5, wherein the optical trap detection unit is configured to detect the presence or absence of an optical trap in the channel unit using a resistance change of the semiconductor.
前記キャビティ部の個数は、少なくとも3以上とされており、
かつ、前記キャビティ部は、所定のピッチで周期的に配置されている
請求項1〜6のいずれか1項に記載の光学素子。
The number of the cavity portions is at least 3 or more,
And the said cavity part is arrange | positioned periodically with a predetermined pitch. The optical element of any one of Claims 1-6.
請求項1〜7のいずれか1項に記載の光学素子を複数備えており、
前記キャビティ部における、前記第1起立部と前記第2起立部との間での前記接続部の幅(w)は、前記複数の光学素子どうしの間で、異なった値に設定されている
分光装置。
A plurality of the optical elements according to any one of claims 1 to 7,
The width (w) of the connection portion between the first upright portion and the second upright portion in the cavity portion is set to a different value between the plurality of optical elements. apparatus.
さらに角度変更部を備えており、
前記角度変更部は、前記基板への光線の入射角を変更する構成となっている
請求項1又は2に記載の光学素子。
In addition, it has an angle changer,
The optical element according to claim 1, wherein the angle changing unit is configured to change an incident angle of a light beam on the substrate.
前記角度変更部は、ピエゾ素子を備えており、
前記ピエゾ素子は、前記基板に取り付けられて、前記基板の傾斜を調整する構成となっている
請求項9に記載の光学素子。
The angle changing unit includes a piezo element,
The optical element according to claim 9, wherein the piezo element is attached to the substrate to adjust an inclination of the substrate.
前記角度変更部は、静電アクチュエータを備えており、
前記静電アクチュエータは、静電引力を用いて前記基板の傾斜を調整する構成となっている
請求項9に記載の光学素子。
The angle changing unit includes an electrostatic actuator,
The optical element according to claim 9, wherein the electrostatic actuator is configured to adjust an inclination of the substrate using an electrostatic attractive force.
請求項〜11のいずれか1項に記載の光学素子を備えた光スイッチング装置。 Optical switching device provided with an optical element according to any one of claims 9-11. 請求項1〜7、9〜11のいずれか1項に記載の光学素子と、吸着素子とを備えており、
前記吸着素子は、前記キャビティ部又は前記チャネル部の近傍において対象物を吸着する構成となっている、
吸着センサ。
The optical element according to any one of claims 1 to 7 and 9 to 11, and an adsorption element,
The adsorption element is configured to adsorb an object in the vicinity of the cavity part or the channel part.
Adsorption sensor.
請求項8に記載の分光装置を用いて行われる分光方法であって、
前記複数のキャビティ部及び前記チャネル部にわたって光を照射するステップと、
前記チャネル部における光トラップの有無を検出するステップと、
を備える分光方法。
A spectroscopic method performed using the spectroscopic device according to claim 8,
Irradiating light across the plurality of cavities and the channel; and
Detecting the presence or absence of an optical trap in the channel portion;
Spectroscopic method comprising:
請求項12に記載の光スイッチング装置を用いて行われる光スイッチング方法であって、
前記複数のキャビティ部及び前記チャネル部にわたって光を照射するステップと、
前記入射角を変化させるステップと、
を備える光スイッチング方法。
An optical switching method performed using the optical switching device according to claim 12,
Irradiating light across the plurality of cavities and the channel; and
Changing the incident angle;
An optical switching method comprising:
請求項13に記載の吸着センサを用いて行われる物質検出方法であって、
前記複数のキャビティ部及び前記チャネル部にわたって光を照射するステップと、
前記対象物が前記吸着素子に吸着される前後における前記吸着センサの共鳴特性の変化を検出するステップと、
を備える物質検出方法。
A substance detection method performed using the adsorption sensor according to claim 13,
Irradiating light across the plurality of cavities and the channel; and
Detecting a change in resonance characteristics of the adsorption sensor before and after the object is adsorbed to the adsorption element;
A substance detection method comprising:
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