JP7212901B2 - 集積化プラズモフォトニックバイオセンサおよび使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、平面集積化フォトニックバイオセンサの低コストの大量生産のための装置に関し、より具体的には、センサの感度を、低製造コストで、先例のないレベルへと上昇させる手段として、最適にバイアスをかけられたＭＺＩ干渉計内へのＣＭＯＳフォトニクスおよびプラズモニック構成要素のモノリシック共集積化に関連する。

高感度バイオセンシングの技術的課題に対処するために、いくつかの解決策が提案されてきた。しかし、幅広い商業的利用は、依然として、大型のフットプリントのシステムまたは中程度の感度を必要とする、複雑かつ高価な製造方法によって妨害されている。これが市場に達する前に、これらのすべての特性は、感知装置内で同時に対処される必要がある。

金属表面における強い光学場による屈折率の変化に対する表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）の感度が、非特許文献１により参照される生物由来物質の検出のためのＳＰＲ感知システムの開発につながっている。これらは、典型的に、光を平坦な金膜上の表面プラズモンモード内へと結合させるために、光学プリズムを使用する。しかし、これらのシステムの大きなサイズが、ポイントオブケアおよび他のポータブルアプリケーションにおいてのそれらの使用および低コストの製造のための平面モノリシックチップにおける小型化の大きな障害である。

ナノ加工における近年の進展を利用して、伝播表面プラズモンポラリトンを提供するプラズモニック導波路装置が、バイオセンサとして集積化されたが、感度の点から、依然として低い感知性能を有している。プラズモニックセンサの性能を高めるために、プラズモニック導波路は、「ＭＺＩ」として設計されるマッハツェンダ干渉計、および試験下の分析物の屈折率の変化に対する、プラズモニック導波路における光学場の位相依存を利用する他の干渉構成内で集積化された。非特許文献２中の論文が、シリコン上で集積化された金ベースのスロット導波路を備えるマッハツェンダ干渉計を明示する。しかし、ＭＺＩの小さなＦＳＲと組み合わされて、上方ブランチと下方ブランチとの間の長さの差、および電力不均衡を最適化するための最適なバイアス構成要素の欠如が、１０６１／ｎｍ／ＲＩＵのオーダーの光感度につながっている。本明細書に参照される非特許文献３の論文中に類似のアプローチが提案され、ハイブリッドプラズモニックスロット導波路を使用するが、設計は、ＭＺＩバランス構成要素および関連の性能指示器を欠くプラズモニック導波路に焦点を当てている。

特許文献１は、マイクロメートルスケールの寸法（２～２０μｍ）のみで適用され、それ以上ではなく、したがって、単にマイクロメートルスケールの集積化を可能にし、それ以上ではないプラズモニックを使用するＭＺＩセンサを開示している。さらに、前述の文献において、プラズモニック導波路とフォトニック導波路との結合の効率は、開示されていないが、これは、低効率であることが予想され、プラズモニック導波路が集積化されるＭＺＩのブランチにおいて、非常に大きな損失を導入する。これは、ＭＺＩの下方ブランチにバイアス構成要素が存在しないことと並行して、前述の文献には開示されていないが、感知計測中に低分解能をもたらし、したがってセンサ感度および検出限界を制限することが予想される。

特許文献２は、エバネッセント光学場に依存するが、ＭＺＩ感知ブランチ内に非常に長い相互作用アームを必要とする特別に設計されたフォトニックＭＺＩを使用する。これは、ポリマーのようのＣＭＯＳ非互換性材料の使用と組み合わされて、この機器の、マイクロスケールまたはナノスケールでのさらなる小型化、およびＣＭＯＳプラント内での大量生産を妨げる。上記の機器と同様に、このセンサは、また、ＭＺＩセンサを完璧に釣り合わせるために必要とされるバランス構成要素を使用していないが、それは、感度要件を満たすために、大量生産を制限し、したがって感知チップ製造のコスト削減を制限する大型のセンサ構成を必要とする。

ＢｉＭｏｄａｌ干渉計と呼称される新型の干渉計が、非特許文献４および非特許文献５により本明細書に参照され、熱安定性の向上および／または理想的な５０対５０の分割比からの逸脱を目標とするフォトニック構造およびプラズモニック構造の両方を使用して調査されている。それらは小型の解決策を提供するが、二峰性動作の要件が、感知領域の延長、および最適化された分解能のための２つのＭＺＩブランチの正確な釣り合いを妨げる。

ＭＺＩ構成を使用するマイクロファイバベースの屈折率センサは、本明細書に参照される非特許文献６の論文に報告された。提案されたレイアウトは、ＭＺＩセンサ動作および６ｃｍ光学マイクロファイバを最適化するために、光ファイバ、手動で制御される既製の光遅延ライン、および減衰器構成要素を利用する。この論文には、提案されたレイアウトを平面集積チップ内で配置し、集積化の形式で減衰器および遅延ラインを実現する方法は開示されていない。さらに、センサ減衰器として６ｃｍ長のマイクロファイバを使用することは、（ミリメートルまたはマイクロメートルスケールの）さらなる小型化および大量生産を可能にしない。

本明細書で参照される非特許文献７の論文の著者たちは、ＭＺＩ構成内の位相変調要素として、平面の、電気的に制御される熱光学移相を利用する方法を開示している。入れ子状のＭＺＩ構成内に電気制御位相変調器を組み合わせる類似のアプローチが、また、特許文献３（ＪＤＳ ＵＮＩＰＨＡＳＥ ＣＯＲＰ ［ＵＳ］；ＭｃＢｒｉｅｎ Ｇｒｅｇｏｒｙ Ｊ ［ＵＳ］；Ｋｉｓｓａ Ｋａｒｌ Ｍ ［ＵＳ］；Ｈａｌ、 ７ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２０００（２０００－１２－０７））に開示された。しかし、感知要素も感知機能も、いずれの案にも提案されていない。

特許文献３、特に図３において、干渉計のアーム内の場の位相および釣り合いを制御する電極を備える入れ子状のマッハツェンダ構成を開示している。しかし、開示された装置は、変調器であり、センサではなく、さらに、熱光学移相器を含まない。

米国特許出願公開第２００５／００１８９４９号明細書 欧州特許第２２１４０４９号明細書 国際公開第００／７３８４８号

Jiri Homola, Sinclair S. Yeea, Gaunter Gauglitzb, "Surface plasmon resonance sensors: review", Sensors and Actuators B: Chemical Volume 54, Issues 1-2, 25 January 1999, Pages 3-15. OSA-Optics Express, Vol. 23, Issue 20, pp. 25688-25699 (2015), doi.org/10.1364/OE.23.025688 [Wosinski] M.Z. Alam, F. Bahrami, J.S. Aitchison and M. Mojamedi, 'Analysis and Optimization of Hybrid Plasmonic Waveguide as a Platfrom for Biosensing, IEEE-Photonics Journal, Volume: 6, Issue: 4, Aug. 2014, DOI: 10.1109/JPHOT.2014.2331232. Yongkang Gao, Qiaoqiang Gan, Zheming Xin, Xuanhong Cheng, Filbert J Bartoli, "Plasmonic Mach-Zehnder Interferometer for Ultrasesnitive on-chip Biosesning", ACS Nano 2011 Dec 18;5(12):9836-44. Epub 2011 Nov 18. Kirill E. Zinoviev; Ana Belen Gonzalez-Guerrero; Carlos Dominguez; Laura M. Lechuga, "Integrated Bimodal Waveguide Interferometric Biosensor for Label-Free Analysis", Journal of Lightwave Technology Year: 2011, Volume: 29, Issue: 13, Pages: 1926-1930, DOI: 10.1109/JLT.2011.2150734. Jianghai Wo et al, "Refractive index sensor using microfiber-based Mach-Zehnder interferometer", OSA-Optics Letters, Vol. 37, Issue 1, pp. 67-69 (2012), doi.org/10.1364/OL.37.000067. Stewart A. Clark, Brian Culshaw, Emma J.C. Dawnay, Ian E. Day, "Thermo-optic phase modulators in SIMOX material", Proc. SPIE 3936, Integrated Optics Devices IV, (24 March 2000); doi: 10.1117/12.379940.

本発明は、簡易で低コストの製造方法を用いることによりマイクロメートルスケールのチップベースの構成内に集積化され得る超高感度バイオセンサ装置を提案することにより、上記の各種問題に同時に対処することを目的とする。

分子レベルに至るまで標的物質をリアルタイムで正確に読み取ることが可能となる感知技術は、早期診断および疾患の予防、ポイントオブケアの適用および正確な環境監視を促進する。プラズモニクスは、ナノメートルスケールの寸法で光を閉じ込め、優れた感度対相互作用長の関係をもたらすその能力のため、感知に適用される場合、計り知れない可能性を有する技術である。プラズモニクスの単位長さ当たりの先例のない感度は、低損失フォトニクス、エレクトロニクス－ｎｍスケールかつ金属の性質－、および生化学的機構（生体適合性）と調和的に共存する能力と共に、性能、多機能性、およびコンパクト性に関して、バイオセンサシステムにおける新たな可能性を開くことになる。

並行して、プラズモニック導波路をＳｉ₃Ｎ₄ベースのフォトニクスと選択的に組み合わせることは、電子ＩＣ工場のＣＭＯＳバックエンド製造プロセスを利用して、集積化フォトニックセンサを低コストの大量生産に近づけることができる。プラズモニクスの付加価値は実際に認められているが、集積化プラズモニックセンサを、高損失性かつ孤立した技術から、価値の高い実践的なＣＭＯＳ互換性装置へと変換するための組織的努力は、未だなされていない。簡潔に言うと、集積平面チップ内でのＣＭＯＳ互換性プラズモニクスとフォトニクスとの調和かつ釣り合いのとれた混合が、プラズモフォトニックセンサを、高価で複雑な技術から、フォトニック集積回路（ＰｌＣ）ベースのセンサにおける、大規模の、かつさまざまな産業上の必要性に亘る、先例のない性能および機能を提供する、真の技術革命へと変換することが期待される。

したがって、本発明は、ＣＭＯＳ製造業者、特に、典型的に電子集積回路に使用されるモノリシック集積化を用いて、低コストかつ大量生産で製造され得る、特に１０ナノメートルから数１００ナノメートルまでの範囲の大きい波長ＦＳＲを有する、最適に釣り合いのとれたフォトニックＭＺ干渉計内において、プラズモニック導波路を使用する、先例のない、仮におよそ１５００００ｎｍ／ＲＩＵの光感度を有する、集積化された、すなわちコンパクトな感知装置（チップ）の必要性に対処することを目的とする。この観点から、センサ設計、構成要素製造方法、それぞれの装置および感知方法が、本発明に従い提案される。

さらに、本発明は、ＣＭＯＳチップ上で平面集積されるナノメートルスケールのＳｉ₃Ｎ₄フォトニック導波路およびナノメートルスケールのプラズモニック導波路を利用する光マッハツェンダ干渉ＭＺＩバイオセンサを提案する。本発明は、試験下の分析物または気体がプラズモニック導波路を覆う際に干渉計のプラズモニック導波路部分において生じる公知の屈折率の変化を利用することにより、化学量および／または物理量の検出を目標とする。追加の、すなわち第２のマッハツェンダ干渉ＭＺＩが、可変光減衰器ＶＯＡとして光移相器とともに使用され、独立型の移相器が、センサを最適に釣り合わせ、最新技術を用いて達成可能なものをかなり下回る測定感度を達成するために、干渉計の１つのブランチ、それにより下方ブランチに含まれる。センサ設計は、低コスト材料、および大量生産を可能にする製造プロセスと組み合わされる。

本発明は、液体または気体中に存在する化学、生化学または他の物理量の検出のために使用される超高感度バイオセンサチップの低コストの大量生産に対処する。

本発明により、低コストかつ大量生産プラントにおいて製造され得る、特別に設計されるＭＺＩ構成内に配置されるフォトニック導波路およびプラズモニック導波路を用いる超高感度バイオセンサ機器が提案される。特に、本発明により、ナノメートルスケールの集積化のためのフォトニック構成要素および新しいプラズモニック構成要素を備える機器が提案される。

本発明による装置の主要な実施形態によると、装置は、数１０ナノメートル～数１００ナノメートルの大きな波長ＦＳＲを有するマッハツェンダ干渉ＭＺＩセンサである光干渉センサを備え、プラズモニック導波路、特に、薄膜またはハイブリッドスロットは、Ｓｉ₃Ｎ₄フォトニック導波路上で平面集積される変換素子として組み込まれ、装置は、
－低屈折率酸化物基板（substrate）ＳｉＯ₂と低屈折率酸化物上板（superstrate）ＬＴＯとの間に挟まれる高屈折率窒化ケイ素ストリップを備えるフォトニック導波路のセットと、
－光Ｉ／Ｏとして機能する、センサの両端部の光結合構造と、
－ＭＺＩセンサの第１のジャンクションにおける光分割のため、および第１のＭＺＩセンサの第２のジャンクション、特にＹジャンクション、方向性カプラまたは多モード干渉カプラ（ＭＭＩ）における光結合のための光スプリッタおよび光コンバイナと、
－金属と分析物との界面における表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）への結合により光伝播を閉じ込める、センサの上方ブランチ内に配置されるプラズモニック導波路と
を備え、
装置は、ＭＺＩセンサの基準アーム内に配置されるマッハツェンダ型の追加の光学的に顕著な干渉要素を顕著に備え、ＭＺＩ要素の両方は、干渉計の両方に最適にバイアスをかけるための熱光学加熱器を備え、全体チップをさらに備え、追加のＭＺＩを備える可変光減衰器ＶＯＡは、追加のＭＺＩの第１のジャンクションにおける光分割のため、および追加のＭＺＩの第２のジャンクションにおける光結合のための光スプリッタおよび光コンバイナを配置し、
－各ＭＺＩの基準アーム内の光学信号の位相を調整するための熱光学移相器のセットであって、熱光学移相器は、互いに対し平行である２つの金属ストライプを、フォトニック導波路の一部分の上部の上に、および光の伝播の方向に沿って堆積させることにより形成される、熱光学移相器のセットをさらに備える。

したがって、本発明による装置は、上記のこれらのいくつかの特徴、特に、追加のマッハツェンダ型光干渉計を顕著なものとして備え、共に、可変光減衰器として、干渉計のバイアスユニットとしての熱光学加熱器と、ＭＺＩ１センサ内に入れ子状になっている追加のＭＺＩ２を有するＶＯＡと、熱光学移相器のセットを含むという点で、最も近い先行技術と異なる。

これらの特徴は、第１のセンサ内に入れ子状に配置される干渉計ＭＺＩ２が、その基準アーム内に熱光学移相器を有し、ＭＺＩ２が、熱光学移相器の駆動信号により制御される可変光減衰器ＶＯＡとして機能することを含む技術的効果を含む。このＶＯＡは、第１の干渉センサの基準アーム内の信号の強度を制御する。第１の干渉センサの基準アーム内の追加の熱光学移相器は、基準アーム内のビームの位相を制御することを可能にする。したがって、ＭＺＩ１が、所望の作業点において電気信号により釣り合わされ、およびバイアスをかけられ得るように、干渉計ＭＺＩ１の基準アーム内の場の位相および振幅の制御が可能である。

最も近い先行技術ＸＰ０１１５５２５８６に対して解決すべき課題は、干渉計センサの釣り合いおよびバイアスの点を制御することである。本発明により提案される装置により提供される解決策は、干渉センサのバイアス点を制御するための基準アーム内のＶＯＡおよび移相器が、図１および関連文書において「調整可能ＯＤＬ」および減衰器と本明細書で参照されて、ＪＩＡＮＧＨＡＩ ＷＯらのＸＰ００１５７２４４８によりまだ開示されているという点で注目すべきである。しかし、後者の文献は、熱光学移相器を含むものとしての調整可能ＯＤＬも、追加の熱光学要素を含むマッハツェンダ干渉計により作成される減衰器も開示していない。したがって、この文献は技術的課題の解決策をまだ開示しているが、本発明の主要の実施形態に欠けている特長を含んでいない。実際には、ＸＰ００１５７２４４８の干渉計と呼称される、最も近い先行技術ＸＰ０１１５５２５８６の平面技術とは異なり、光ファイバに基づいている。したがって、そこには、このさらなる文献の調整可能な遅延および減衰器を、参照される最も近い先行技術の平面導波路センサ中に実装する方法は、示唆されていない。熱光学要素を含む平面導波路技術における移相器の実装が、熱光学要素含むマッハツェンダ構成中の可変光減衰器と共に、その引用された部分を参照して、ＸＰ５５４１４１１４により開示される。結論として、本発明に到達するためには、最も近い先行技術ＸＰ０１１５５２５８６において、ＸＰ５５４１４１１４の平面導波路技術を用いて取得される、この追加の文献の光ファイバ構成要素の機能を実施する必要がある。

本発明の態様は、大きな自由スペクトル領域（ＦＳＲ）（１０ナノメートル～数１００ナノメートル）のＳＰＰ導波路の強力な光・物質相互作用、および最適にバイアスのかかったＭＺ干渉構成を利用することにより、既に存在する先行技術装置を超える、プラズモニック導波路の上方の光共鳴シフト対単位屈折率変化などの光感度を提供するその能力である。干渉計の感知および基準アームの間の光路差が小さいほど、ＦＳＲは大きくなり、プラズモニック導波路上の試験下の分析物の屈折率に対する干渉計感度が高くなる。本発明により、全体の構成および最適バイアス方法が提案される。

本発明の別の態様は、低コストの製造と同時に記録的な感度を達成するために、ナノメートルスケールのＳＰＰ導波路（薄膜またはハイブリッドフォトニックスロット）、窒化ケイ素フォトニック導波路、および入れ子状態のＭＺ干渉構成内で金属加熱器により実装される熱光学移相器のモノリシック集積化のための方法である。

本発明のさらに別の態様は、ＣＭＯＳ適合性材料（酸化物、金属、絶縁体）、および低コストでセンサチップの大量生産を可能にする方法を用いるコンパクトなＭＺＩ構成内で、ナノメートルスケールのＳＰＰ導波路（薄膜またはハイブリッドフォトニックスロット）、ナノメートルスケールの窒化ケイ素フォトニック導波路、および熱光学移相器のモノリシック集積化である。

本発明は、また、装置に関し、特に、本発明の別の態様は、特にハイブリッドスロットＳＰＰ導波路が配置される場合の、フォトニックおよびプラズモニック導波路の設計であり、その設計は、単一のマスクおよびリフトオフプロセスで、ならびに製造の全体コストをさらに低下させる同じ金属で、プラズモニックスロット導波路および熱光学移相器の金属接点の同時の堆積を可能にする。

本発明のさらなる態様は、低コストおよび大量生産プラントで製造され得る特別に設計されるＭＺＩ構成のアレイ内に配置されるフォトニック導波路およびプラズモニック導波路ならびに波長分割多重ＷＤＭ技術を用いて、超高感度バイオセンサアレイ機器を提供することである。アレイは、単一のバイオセンサ機器と同じ感度および製造コストで、試験分析物または気体から複数の物理量を同時に検出することが可能となる。

要約すると、本発明により、マイクロメートルスケールの集積化を単に可能にするのみでありそれ以上ではない、既に引用した特許文献１と対照的に、ナノメートルスケールの集積化のためのフォトニック構成要素および新しいプラズモニック構成要素を備える機器が提供される。さらに、前述の文献におけるプラズモニック導波路とフォトニック導波路との結合の効率は開示されていないが、これは、低くなることが予想され、プラズモニック導波路が集積化されるＭＺＩのブランチにおいて、非常に大きな損失を導入する。これは、ＭＺＩの下方ブランチにバイアス構成要素が存在しないことと並行して、前述の文献には開示されていないが、本発明により提供される。感知計測中に低分解能がもたらされ、したがってセンサ感度および検出限界を制限することが予想される。上記の問題は、実際においては、小型化された感知チップを低コストで製造することができるように、モノリシック集積化およびナノメートルスケールの幾何学的形状を用いて達成される必要がある。これらの問題は、プラズモニック感知要素および追加のフォトニックＭＺＩを備えるＭＺＩセンサ、ならびに移相器が、モノリシック集積化を使用して低い製造コストで、超高感度感知のためにＭＺＩを完璧に釣り合わせる方法を開示することで、本発明により解決される。

ＭＺＩ１の基準アーム内における追加のＭＺＩと、移相器（金属加熱器）との配置が、消光比および検出限界を最大化する感知計測の前の出力において、完璧に釣り合いのとれた干渉を取得するために使用される。本発明の好ましい実施形態によると、現在および将来の必要性に対処する超高感度および感知性能を達成するための方法として、上記のものは、大きいＦＳＲ（１０ナノメートル～数１００ナノメートルのＦＳＲ）のＭＺＩ構成と組み合わされる。

さらに、本発明の追加の実施形態により、単一のリフトオフステップのプラズモニック導波路と共に単一のエッチングのフォトニック導波路（ストリップ）を含む、エッチングおよびリフトオフステップの減少を伴う、全体の製造コストを低下させる特定の構成要素が提供される。さらに、低コストの製造と組み合される先行技術のものを超えて感度レベルを上昇させ得る集積化ＭＺＩプラズモフォトニックセンサの設計方法が提供される。

本発明による装置の特定の実施形態によると、プラズモニック導波路は、金（Ａｕ）または銀（Ａｇ）などの貴金属で作製され、可能であれば、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、窒化チタン（ＴｉΝ）または他のＣＭＯＳ互換性金属などの低コスト金属でも作製される。

本発明による装置の（１つまたは複数の）さらなる実施形態によると、プラズモニック導波路は、以下の２つの導波路のいずれかで作製される。
－フォトニック導波路の上部酸化物クラッド（cladding）および窒化ケイ素コアをその部分のみでエッチングすることにより形成される空洞を用いて、酸化物上板上に直接堆積された薄い金属ストライプにより構成される「薄膜導波路」（ＴＦＷ）
－「ハイブリッドプラズモフォトニックスロット導波路」（ＨＰＰＳＷ）であって、空洞または追加の処理ステップの必要性なしに、導波路の所定の部分の上部の上に直接堆積される２つの平行な金属ワイヤを備え、金属ストライプの下のフォトニック導波路は、追加のマスクまたは処理ステップなしで、リソグラフィ中に中断され、プラズモニックスロットおよび移相器は、フォトニック導波路のエッチングのない単一のステップにて、および単一金属層堆積ステップで、フォトニック導波路の上部の上に直接堆積され、さらに特に、金属ストライプの離間値（距離Ｗ_slot）ならびに金属ストライプの長さおよび幅は、ＨＰＰＳＷおよび熱光学移相器（加熱器）の両方を単一のマスク内に設計するために、センサのマスクの設計中に画定され、よりさらに特に、フォトニック導波路からの光を、プラズモニックスロットへと、そしてフォトニック導波路に戻るように結合するために、方向性結合（directional coupling）が含まれ、プラズモニックスロットの前端および後端のプラズモニックテーパもまた、結合効率の向上のために使用される、「ハイブリッドプラズモフォトニックスロット導波路」

本発明は、また、上で提案した装置のアレイを備える機器に関し、機器は、同一チップ上の複数の物質の同時検出を可能にし、機器は、プラズモニック導波路を有する複数の上方ブランチと、加熱器およびＶＯＡを有する下方ブランチの同一コピーとを備え、共通の光スプリッタおよび共通のコンバイナは、すべてのＭＺＩに対し、チップの入力および出力においてそれぞれ配置され、各ＭＺＩセンサは、光スプリッタによりバイオセンサに同時に注入される同数の波長のうちの別個の波長を使用し、各ＭＺＩは、入力光学信号からその動作波長を選択するために、そのブランチの入力において、および入力のスプリッタの後に光フィルタを備え、特に、光フィルタ、またはＡＷＧのような類似の機能を有する他の光フィルタは、リング共振器により構成される。

本発明による装置のより特定の実施形態によると、装置は、Ｓｉおよびシリコンオンインシュレーター（ＳＯＩ）、ＴｉＯ₂のような、他のＣＭＯＳ互換性フォトニック材料で作製され、それぞれ、Ａｌ、Ｃｕ、ＴｉＮのようなさらに他のＣＭＯＳ互換性金属材料またはそれらの材料の化合物で作製される。

本発明による装置の追加の（１つまたは複数の）実施形態によると、装置は、第１のセンサ（ＭＺＩ１）の垂直Ｉ／Ｏおよびスプリッタコンバイナとして同時に機能するように、第１のＭＺＩセンサ（ＭＺＩ１）の他の光Ｉ／Ｏおよびスプリッタコンバイナの代わりに配置される双方向性垂直光学格子結合器を含む。

本発明による装置の（１つまたは複数の）特定の実施形態によると、集積化された光源、特に、ＶＣＳＥＬ、ＬＥＤ、広帯域光源、または他の光源および光学光検出器は、機器の入力および出力にそれぞれ配置され、さらに特に、光源および光検出器は、格子結合器の上方に、またはフォトニック導波路の同レベル上に、フリップチップまたはウェハボンディングまたはダイボンディングまたはエピタキシャル成長法を使用して集積化される。

本発明による装置の（１つまたは複数の）さらなる実施形態によると、集積化された光源および光学検出器のアレイは、機器の入力および出力に配置され、特に、光源および光検出器は、格子結合器の上方に、またはフォトニック導波路の同レベル上に、フリップチップまたはウェハボンディングまたはダイボンディングまたはエピタキシャル成長法を使用して集積化される。

本発明による装置の顕著な実施形態によると、装置は、熱光学移相器に接続され、同一チップ上に三次元集積化される電子回路により、熱光学移相器を電気的に制御する、ＴＳＶとしても知られる垂直電気ビア（via）を備える。

本発明による装置のさらなる顕著な実施形態によると、装置は、プラズモン変換素子上で所定の溶液／分析物を流動させるためにプラズモニック導波路の表面上に取り付けられる追加の流体チャネルを備える。

本発明による装置のさらに顕著な実施形態によると、特定の生体および／もしくは化学物質、ならびに／または特定の生体および／もしくは化学分子の検出のための追加の捕獲層が、プラズモニック変換器の表面に生成される。

本発明は、また、より具体的には、センサの感度を、低製造コストで、先例のないレベルへと上昇させる手段として、最適にバイアスをかけられたＭＺＩ干渉計内へのＣＭＯＳフォトニックおよびプラズモニック構成要素のモノリシック共集積化に関連する。

本発明は、また、上で明記された装置の使用方法に関連し、特に、同一寸法の追加の非官能化プラズモニック導波路は、センサ（ＭＺＩ１）の下方ブランチ上、またはＭＺＩアレイにおけるそれぞれの同等物上にそれぞれ製造され、特に、標的分析物が、センサの上方ブランチ上の官能化導波路に類似の、この追加の導波路上を流動するように誘導され、不必要な結合またはノイズが除去される。

本発明による装置の使用方法の主要実施形態によると、以下のステップを追加で含むという点を特徴とし、使用方法は、
－両方のマッハツェンダ型干渉計に備えられる熱光学加熱器により、可変光減衰器として、干渉計（ＭＺＩ）に最適にバイアスをかけるステップと、
－第１センサ内に入れ子状に配置される追加の第２の干渉計を有する可変光減衰器（ＶＯＡ）による、追加の第２の干渉計の第１のジャンクションにおける光分割のため、および第２の干渉計の第２のジャンクションにおける光結合のための光スプリッタおよび光コンバイナを配置するステップと、
－各干渉計（ＭＺＩ１、ＭＺＩ２）－（ＶＯＡ）の基準アーム内の光学信号の位相を、熱光学移相器により調整し、互いに対し平行である２つの金属ストライプを、フォトニック導波路の一部分の上部の上に、および光の伝播の方向に沿って堆積し、それによって熱光学移相器が形成されるステップと
を含み、
－それによって、第１の光干渉センサ内で入れ子状に配置され、その基準アーム内に熱光学移相器を有する追加の光干渉計は、熱光学移相器の駆動信号により制御される可変光減衰器（ＶＯＡ）として機能し、
－可変光減衰器（ＶＯＡ）は、第１の干渉センサの基準アーム内の信号の強度を制御するが、第１の干渉センサの基準アーム内の追加の熱光学移相器は、基準アーム内のビームの位相を制御することを可能にし、したがって、干渉計センサが、所望の作業点において電気信号により釣り合わされ、およびバイアスをかけられ得るように、第１の干渉センサの基準アーム内の場の振幅および位相の制御を可能にする。

本発明による方法のさらなる実施形態によると、同一寸法の追加の非官能化プラズモニック導波路が、第１のセンサの下方ブランチ上に、またはＭＺＩアレイ内のそれぞれの同等物上に製造され、標的分析物が、第１のセンサの上方ブランチ上の官能化導波路に類似の、この追加の導波路上を流動し、不必要な結合またはノイズが除去される。

要するに、本発明により、超高感度のための集積化プラズモフォトニックバイオセンサおよびそのための装置の低コストの大量生産の方法が提供される。

本発明のさらなる特徴は、対応する従属請求項にて規定される。

添付の図面と併せて、本発明のいくつかの例示的実施形態をより詳細に説明する。本発明の実施形態、および実施形態における特徴は、本出願の範囲内で、互いに組み合わされ得ることに留意すべきである。

プラズモフォトニックＭＺＩベースのバイオセンサ回路の概略図を示す。 センサのプラズモニック部分および熱光学移相器（加熱器）に使用されるハイブリッドプラズモフォトニックスロット導波路（ＨＰＰＳＷ）の斜視図である。 センサのプラズモニック部分および熱光学移相器（加熱器）に使用されるハイブリッドプラズモフォトニックスロット導波路（ＨＰＰＳＷ）の断面図である。 センサのプラズモニック部分および熱光学移相器（加熱器）に使用されるハイブリッドプラズモフォトニックスロット導波路（ＨＰＰＳＷ）の側面図である。 フォトニック導波路と、センサのプラズモニック部分に使用される薄膜プラズモニック導波路（ＴＦＰＷ）との間の薄膜界面の斜視図である。 フォトニック導波路と、センサのプラズモニック部分に使用される薄膜プラズモニック導波路（ＴＦＰＷ）との間の薄膜界面の概略的な側面図である。 ＦＳＲが１１６４ｎｍを有して設計されるセンサＭＺＩの共鳴ピークのスペクトルシフトを示す。 バイオセンサの光感度を計測するために使用される数式１の第１項を表す。 バイオセンサの光感度を計測するために使用される数式１の第２項を表す。 多重ＭＺＩセンサ、光フィルタおよび複数の光学信号（波長）の並列化のためのＷＤＭを使用する多チャネルバイオセンサ構成の概略図を示し、各光波長は、単一のＭＺＩセンサにより使用される。

最初に、以下において、回路の実施形態をより詳細に説明する。本発明の装置は、特に、ＣＭＯＳチップ上に平面集積されるナノメートルスケールのＳｉ₃Ｎ₄フォトニック導波路およびナノメートルスケールのプラズモニック導波路を利用するマッハツェンダ型ＭＺＩの、光干渉バイオセンサを含む。本発明の方法は、試験下の分析物または気体が干渉計のプラズモニック導波路部分に付着する際に、そこで起こる既知の屈折率の変化を利用することにより、化学量および／または物理量を検出することを含む。追加のＭＺＩ、たとえば第２の光干渉マッハツェンダＭＺＩ２が、可変光減衰器ＶＯＡとして光移相器に加えて使用され、独立型の移相器が、センサを最適に釣り合わせ、測定感度を達成するために、１つのブランチ、特に干渉計の下方ブランチ内に含まれる。センサ設計は、大量生産を可能にする製造プロセスおよび低コストの材料と組み合わされる。

図１は、集積センサ回路を示し、集積センサ回路は、図３に３０１、３０２、３０３、３０４で、図６に６０１、６０２、６０３、６０６で部分的に示すような、低屈折率酸化物基板ＳｉＯ₂と低屈折率酸化物上板ＬＴＯとの間に挟まれる高屈折率窒化ケイ素ストリップを使用するフォトニック導波路を備える。前述の回路は、前述のセンサの両端部１０１、１１０に、光Ｉ／Ｏとして機能する光結合構造をさらに備える。回路は、また、前述の第１のＭＺＩ（センサ）の第１のジャンクション１０２において光を分割するため、および前述の第１のＭＺＩ（センサ）１１２の第２のジャンクション１０９において光を結合するための光スプリッタおよび光コンバイナを備える。それは、Ｙジャンクションまたは多モード干渉カプラＭＭＩであり得る。

前述の回路は、追加の、実際には第２のＭＺＩを使用することによる可変光減衰器（ＶＯＡ）１１１をさらに含み、第２のＭＺＩは、第１のＭＺＩ内に入れ子状態に配置され、第２のＭＺＩの第１のジャンクションにおける光の分割、および前述の第２のＭＺＩの第２のジャンクションにおける光の結合のための光スプリッタ１０５および光コンバイナ１０８を配置する。

回路は、さらに、各ＭＺＩ、すなわち前述の第１のセンサ１１２および第２のＶＯＡ１１１の基準アーム内の光学信号の位相を調整するための熱光学移相器１０４、１０６を含む。熱光学移相器は、フォトニック導波路の一部分の上部の上に、光の伝播方向に沿って、互いに対して平行な２つの金属ストライプを堆積させることにより形成される。

その中にはプラズモニック導波路がさらに備えられ、プラズモニック導波路は、前述の第１のＭＺＩの上方ブランチ１０３内に配置され、プラズモニック導波路は、金属と分析物との界面において表面プラズモンポラリトンＳＰＰと結合することにより光の伝搬を閉じ込める。プラズモニック導波路は、金（Ａｕ）または銀（Ａｇ）などの貴金属、および銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、または他のＣＭＯＳ互換性金属などの低コスト金属を用いて実装され得る。プラズモニック導波路は、以下の２つの導波路のいずれかを用いて実装され得る。まず、いわゆる薄膜導波路ＴＦＷであって、薄膜導波路ＴＦＷは、図５に示すように、フォトニック導波路の上部酸化物クラッドおよび窒化ケイ素コアをその部分のみエッチングすることにより形成される空洞を用いて酸化物上板上に直接堆積された薄い金属ストライプを備える。または、導波路は、いわゆる「ハイブリッドプラズモフォトニックスロット導波路」ＨＰＰＳＷから構成されてもよく、ハイブリッドプラズモフォトニックスロット導波路は、図２に示すように、空洞または追加の処理ステップの必要性なしに、導波路の所定の部分の上部の上に直接堆積される２つの平行な金属ワイヤを備える。この場合、金属ストライプの下のフォトニック導波路は、追加のマスクまたは処理ステップを必要とせずに、リソグラフィ中に中断される。プラズモニックスロットおよび移相器は、フォトニック導波路の上部の上に直接、および単一のステップにて、堆積され得るため、さらに低コストの種類のセンサを提供し、結果として、フォトニック導波路のエッチングはなく、図４に示すような単一金属層の堆積ステップをもたらす。距離Ｗ_slotで表される金属ストライプの間隔の値と、金属ストライプの長さおよび幅とは、単一のマスク内にＨＰＰＳＷおよび熱光学移相器（加熱器）の両方を設計するために、センサのマスク設計中に画定され得る。フォトニック導波路からの光を、プラズモニックスロットに結合し、そしてまたフォトニック導波路に戻して結合するために、方向性結合が利用される。図２のプラズモニックスロットの前端および後端にあるプラズモニックテーパもまた、結合効率の向上のために使用され得る。

表１は、物質分散が省略される場合に、最適にバイアスされたＭＺＩにおけるＴＦＰＷおよびＨＰＰＳＷに対し測定されるＦＳＲの増加と共に感度がいかに上昇するかを示す。

フォトニック導波路およびプラズモニック導波路の構成要素を以下において説明する。ここに展開されるフォトニック導波路は、断面寸法が３６０×８００ｎｍの化学量論組成のＳｉ₃Ｎ₄技術に基づいており、偏光ＴＭおよび偏光ＴＥにて１５５０ｎｍの光波長で、関心の対象である２つの導波フォトニックモードをサポートする。しかし、プラズモニック導波路への光モードの移行をサポートし得る他の寸法のフォトニック導波路も使用され得る。

この導波路構造および前述の２種類のプラズモニック導波路に基づき、本発明の２つ態様において、フォトニックからプラズモニックへの界面が配置される。第１の態様は、図５および図６に示す、ＴＭ偏光を必要とする薄膜プラズモニック導波路（ＴＦＷ）のためのバットカップリングシナリオに基づくフォトニックからプラズモニックへのモード遷移に関し、第２の態様は、図２、３および４に示す、ＴＥ偏光を必要とするハイブリッドプラズモニックスロット導波路（ＨＰＰＳＷ）のための方向性結合スキームに基づく遷移に関する。両方の場合において、フォトニック構造は、必要な結合機構を提供し、同時に、製造の制限を満足し得るように注意深く選択された寸法を有するＳｉ₃Ｎ₄矩形導波路である。

ハイブリッドスロット導波路の場合、方向性結合機構が、利用される導波路のハイブリッド特性に従い利用される。このハイブリッド導波路は、特に、そのプラズモニック部分およびそのフォトニック部分の両方における電界分布を有するモードをサポートすることができ、適切に設計されれば準偶または奇対称を示し得る。電力交換は、これら２つのモード間におけるビート（beating）の結果によるものと考えられ得る。図３は、この導波路構成の断面を示し、導波路構成は、Ｓｉ₃Ｎ₄バス導波路－フォトニック部分－、およびＳｉ₃Ｎ₄導波路の上方に位置する金属ベーススロット－プラズモニック部分－により構成される。２つの導波路、すなわちフォトニック導波路およびプラズモニック導波路の間には、フォトニック導波路のクラッドとして、およびスロット導波路におけるスペーサとして機能する低温酸化物（ＬＴＯ）層が存在する。

ハイブリッド導波路は、そのプラズモニック部分およびそのフォトニック部分の両方における界分布を有するモードをサポートすることができる。二次元固有値解析により、偶対称および奇対称を有するハイブリッドモードがサポートされ得るように、すべての起こり得る幾何学パラメータの組合せが与えられる。徹底的な調査の後に、適切な幾何学設定（たとえばＷ_slot＝２００ｎｍ、Ｓｉ₃Ｎ₄幅：Ｗ_SiN＝７００ｎｍおよびＬＴＯ厚さ：ｈ_LTO＝合計６６０ｎｍ）が選択されたが、それによって、関心の対象であるモードが、必要な対称性を示すだけでなく、小さな結合長さをもたらす。この状況では、プラズモニック部分からフォトニック部分へと電力を伝送するために必要なおおよその結合長さは、約７μｍと推定されている。寸法は、シミュレーションツールおよびパラメータに応じて変化し得る。

三次元ＦＤＴＤ電磁シミュレーションは、結果を検証するために使用され、同時に、ビート長さを、そしてその結果、重なり合う結合領域を最小化し、フォトニック部分からプラズモニック部分への、および逆方向の電力の移行を最大化する幾何学的構成を微調整することを目的とする。この三次元幾何モデルでは、関心の対象であるハイブリッド導波路が、ＴＥフォトニックモードにより励起され、Ｓｉ₃Ｎ₄バス導波路は、７μｍ（Ｌｃ）の長さの後に遮断される。この遮断は、図４にて平面Ａで表され、フォトニック部分への任意の小さな電力漏洩を防止するので、結合効率の点から有益であると証明される。ＦＤＴＤシミュレーションによると、そのようなハイブリッド構成は、金をその金属として使用する場合、移行ごとに６８％に達し得る効率で、光を、フォトニック部分からプラズモニック部分へと、そして逆方向へと効果的に伝達することができる。フォトニックテーパは、光導波路からのフォトニックモードを、プラズモニック導波路のモードに適合させるために配置される。

ハイブリッドスロット導波路の構成要素のためにＣＭＯＳ金属を利用して、同一の設計手順に従うことができる。金属スロットが、この目的のために修正された唯一の部分であるため、既に提示された二段階分析が繰り返されており、図２に示すものに類似のハイブリッド構造が、二次元固有モード解析を通して解析されている。２つの偶対称モードおよび奇対称モードが検出され、必要な結合長さが計算されている。そして、全体の導波路構造が、フォトニック部分からプラズモニック部分への、および逆方向の結合効率を推定するために、三次元ＦＤＴＤモデルによりシミュレートされた。期待されたように、関心の対象であるＴＥ偏光Ｓｉ₃Ｎ₄モードを有するこのハイブリッド構造のフォトニック部分を励起することにより、およびＬｃ＝６μｍの長さの後にＳｉ₃Ｎ₄バス導波路を遮断することにより、光は、少なくとも、Ａｌを使用する場合、６０％の電力効率で、Ｃｕを使用する場合、７４％の電力効率で、フォトニック部分からプラズモニック部分へ効率的に伝達され得る。

感知プラズモニック導波路としてＨＰＰＳＷを用いる本発明の態様では、センサの製造を単純化し、センサの製造コストを低下させる単一金属層において、製造プロセスの最終段階として、センサチップ内の加熱器およびプラズモニック導波路は、チップの材料積層の同一レベル上に同時に堆積され得る。なお、酸化物分離層は、ＨＰＰＳＷおよび加熱器構造に対し同じままである。

図５および６に示す薄膜導波路の、このフォトニックからプラズモニックへの界面構成では、フォトニック導波路とプラズモニック導波路との間の結合機構は、関心の対象である２つのモードの空間的適合に基づく。この目的のため、フォトニックＳｉ₃Ｎ₄導波路およびプラズモニックＡｕベース薄膜構造を含む突き合せ結合（butt-coupling）方式が採用されている。２つの導波路構造は、一方の入力レベルが他方の出力に一致するように設置される。設計プロセスは、光がフォトニック部分からプラズモニック部分へ、そしてその逆に効率的に通過できるように、各導波路の正確な幾何学パラメータを検出することを目的とする。この方向に向かって、第１に、２つの導波路は、二次元固有値解析に関して別個に解析されている。ＴＭ偏光が必要とされる偏光および界分布に関して、互いに適合させることにより、関心の対象である２つの固有モードを選択した後、この構成の電力結合能力を示す第１の推定を得るために、電力重なり積分の計算に基づくパラメータ解析が利用されている。この推定は、三次元ＦＤＴＤシミュレーションにより第２ステップにて検証されている。

薄膜プラズモニック導波路は、バイオセンシング適用環境を最適に模するために、ＳｉＯ₂層の上方に設置される金属薄膜と、上部クラッド材料としての水とを備える。調査は、このプラズモニック構成要素の二次元固有値解析で開始した。この構成は、金属ストライプおよびクラッド材料の幾何学的形状に大きく依存するモード特性を備える、大部分が金属とクラッドとの界面上に集中したプラズモニックモードをサポートすることが可能である。図５および６は、この導波路の幾何学的形状を斜視図および側面図で描いている。

フォトニックからプラズモニックへの界面の場合、関心の対象であるフォトニックＴＭモードの特性、特に偏光、界プロファイルを調査するために、Ｓｉ₃Ｎ₄フォトニック導波路は別個に分析されている。Ｓｉ₃Ｎ₄および薄膜導波路の両方の固有値解析が考慮され、両方の構成要素の幾何学的構成が、空間的に、および偏光に関して、モードの適合性を満たすために慎重に選択されている。さらに、これらの２つの導波路構造は、図５および６に示されるもののように、突き合せ結合構成で組み合わされている。フォトニック構成要素からプラズモニック構成要素への単一の移行の三次元モデルが、三次元ＦＤＴＤシミュレーションにより解析されている。２つの導波路の寸法を適切に調節することにより、フォトニックモードからプラズモニックモードへの電力伝達を最大化することができることが示された。より具体的には、電力重なり積分計算に関する徹底的な調査の後に、関心の対象である２つの導波路の断面寸法は、Ｓｉ₃Ｎ₄および金属膜に対し、それぞれ、３６０ｎｍ×７．５μｍおよび１００ｎｍ×７μｍに設定されている。そして、図６において、縦方向のオフセットとしてのｈ_offsetおよび横方向のオフセットとしてのＬ_offsetを備える界面構成におけるそれらの正確な場所が、結合効率を最大化させるために調査されている。数値的なシミュレーションは、４００ｎｍのオーダーの縦方向のオフセットでは、薄膜金属として金が使用される場合、最大結合効率約６４％が達成され得ることを示した。

バイオセンサチップの大量生産を容易にするために、ＣＭＯＳ金属が金の代わりに使用されてもよい。フォトニック部分からプラズモニック部分への光伝達比（結合効率）は、ＡｌおよびＣｕを使用する場合、それぞれ、６０％および６８％に達し得る。ＴｉＮまたは他のＣＭＯＳ互換性金属化合物も代わりに使用され得る。

ハイブリッド導波路に類似して、およびこのフォトニックからプラズモニックへの界面を完成させるために、先行技術を用いるフォトニックテーパも、Ｓｉ₃Ｎ₄幅を８００ｎｍ～７．５μｍで調節するために設計および使用された。

フォトニック導波路の上部クラッドのための酸化物材料の他の例は、ＬＴＯ、ＳｉＯ₂、ＳＵ８、または本発明のすべての態様に対する類似の光学的性質を有する他の酸化物である。

上記のすべての構成要素を備える完全なセンサは、破壊的な感度性能を提供しながらも、各センサチップのコストを低減するために、大型のＣＭＯＳウェハおよび電子ＩＣファブを使用することによって、単一のチップ上にモノリシックに集積化され得る。代替的に、プラズモニック導波路のために金または銀が使用される本発明の態様では、ＣＭＯＳプラントの外部に、またはＣＭＯＳプラントの特別に作製されたセクション内に、金または銀のための堆積処理を提供し得る追加の金属堆積処理が必要とされる。

センサ設計手法に関して、本発明において、プラズモニック導波路の実効屈折率は、既知の表面機能付与方法を用いてプラズモニック導波路に結合する、試験される液体または気体中の標的物質の濃度に依存する。プラズモニック導波路の実効屈折率の変化は、ＭＺＩセンサの分光共鳴のシフトをもたらす。液体の屈折率の変化に対する共鳴のシフトが、バイオセンサの感度を決定する。センサのバルク感度が、以下の式を用いて計算される。

ここでは、λは、光学信号の波長、ｎ_liqは、適用される液体の屈折率、およびｎ_effは、プラズモニック導波路内のモード実効屈折率であり、Ｘｕ Ｓｕｎらの、「Ｈｉｇｈ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｌｉｑｕｉｄ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｓｅｎｓｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ｗｉｔｈ ａ ｄｏｕｂｌｅ－ｓｌｏｔ ｈｙｂｒｉｄ ｐｌａｓｍｏｎｉｃ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ」，ＯＳＡ Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．３，Ｎｏ２０，２０１５が参照される。

光モードの電界の大部分が、プラズモニック導波路の水と金属の界面を移動するが、フォトニック感知導波路内では、光モードのエバネッセント場と試験下の分析物との間の空間的重なりがはるかに小さいため、プラズモニック導波路が、第２項を最大化する。

本明細書において既に説明した、上記のすべての構成要素を備える実施形態を使用することにより干渉計に最適にバイアスをかけることで、数式１の第１項が最大化される。具体的には、特定のＦＳＲ用にＭＺブランチ間の光路が設計されると、図１に示すＭＺＩ２、１１１内の加熱器１および加熱器２、１０６を使用することにより、開示されるセンサのバイアスの最適化が達成される。

図１の加熱器１は、下方ブランチの光路を最適化するために含まれ、それによって、上方ブランチの光および下方ブランチの光の間の相対的な位相変化は、特定の動作波長について２πラジアンの倍数となる。並行して、加熱器１が、製造プロセス中に製造誤差が導入された後に、光路差を再調整するために使用される。これは、加熱器１の場合、電力、すなわち直流電圧を両方の金属ストライプに適用することにより達成される。当業者が理解するように、ＭＺＩの上方ブランチと下方ブランチとの間の光路差を監視するためには、光パワーメータが必要とされる。

図１の加熱器１は、下方ブランチの光損失が上方ブランチの光損失と同等であるように、下方ブランチにおける光強度を最適化するために、ＭＺＩ２に含まれる。ＭＺＩ２は、ＭＺＩの２つのブランチにおける光強度を釣り合わせるために使用される可変光減衰器ＶＯＡとして動作する。これは、電力（直流電圧）を加熱器２の両方の金属ストライプに適用することにより達成される。両方のブランチにおける同等の損失は、当業者が理解するように、干渉計の最大消光比をもたらし、感知計測の感度（分解能）を効果的に上昇させる。

加熱器１および加熱器２内の干渉計を釣り合わせるために主直流電圧が識別されると、次にこれらは、干渉計のバイアスを十分に最適化するために２つの直流電圧間で反復法で微調整される必要がある。これが達成されると、ＭＺＩ１出力１１０において波長共鳴７０１が取得される。そして、試験下の分析物が、先行技術の方法、たとえば流体チャンバにより、または手動で、プラズモニック導波路１０７上に付着され、干渉計共鳴が、センサの出力において計測され、光スペクトルにおける共鳴シフトが、図７に示すように計測される。共鳴シフト７０２～７０５は、試験下の分析物の屈折率の変化に依存する。そのような計測に対し、数式１の第１および第２項が、図８および９にプロットされて、センサ装置の全体の感度値がもたらされる。

この方法を用いて、および１１６４ｎｍのＦＳＲのセンサ回路に対し数式１を使用して、ＴＦＷを使用して１６２，０００ｎｍ／ＲＩＵの感度が達成され、数値モデリングツールを使用するＨＰＰＳＷを使用して１１，７９２ｎｍ／ＲＩＵの感度が達成される。より小さい、またはさらにより大きいＦＳＲ、すなわちより小さいまたはより大きい感度が、光路差をそれに応じて設計することによって、および開示するセンサの同じ最適化方法に従うことによって達成され得る。

さらに、センサ計測方法も提供される。３つの異なる照合方法が、開示する装置における屈折率の変化を計測するために使用されてもよい。

第１の方法は、波長可変レーザおよびパワーメータを使用して、第１のＭＺＩ共鳴のスペクトルシフトを計測することから構成され、波長可変レーザ源が、センサの入力において光源として必要とされ、パワーメータが、センサの出力において必要とされる。プラズモニック導波路上への分析物の適用前後のセンサのスペクトル応答の変化が、当業者が理解するように、共鳴のスペクトルシフトを示す。

さらなる方法は、広帯域光源および光スペクトルアナライザを使用して、第１のＭＺＩ共鳴のスペクトルシフトを計測することから構成され、白色光源、ＬＥＤもしくはＬＥＤのアレイ、または他の任意の種類の広帯域光源のような広帯域光源が、センサの入力において光源として必要とされ、スペクトルアナライザが、センサの出力において必要とされる。プラズモニック導波路上への分析物の適用前後のセンサのスペクトル応答の変化が、当業者が理解するように、共鳴のスペクトルシフトを示す。

さらなる方法は、単一波長源を使用して、プラズモニック導波路における位相シフトを計測することから構成され、上記のものと同じＦＳＲの場合、センサ入力において単一波長光を射出し、第１のＭＺＩの出力において、パワーメータを用いて光強度を測定することにより、屈折率の変化を位相シフトに直接関連付けることができる。時間に対する正弦波的な電力変動が、当業者が理解するように、位相シフトをラジアンで提供する。

本発明の別の態様は、同一のチップを使用する、多チャンネル感知とも呼称される、複数の物質の同時検出を達成するために、多重ＭＺＩ構成および波長選択光フィルタから構成される。上記の実施形態は、図１０に示すように、３つの物質の同時検出を扱うために組み合わされる。

上記の実施形態を使用する、図１０に示すような入れ子状態の３つのＭＺＩセンサは、前述の実施形態で説明した、プラズモニック導波路１００７を備える３つの上方ブランチと、加熱器１００５およびＶＯＡ１００８を備える下方ブランチの３つのコピーとを備える。共通の光スプリッタおよび共通のコンバイナが、チップの入力および出力においてそれぞれ、３つのすべてのＭＺＩに使用される。各ＭＺＩセンサは、光スプリッタ１００３を通してバイオセンサ内に同時に射出される３つの波長のうちの別個の波長を使用する。各ＭＺＩは、また、入力光学信号からその動作波長を選択するために、そのブランチの入力において、および入力スプリッタの後に、光フィルタ１００６を備える。先行技術に共通のリング共振器は、光フィルタ、または類似の機能を有する他の光フィルタとして使用され得る。

この実施形態の別の態様は、入力共通カプラおよびアレイ導波路格子ＡＷＧなどの光フィルタの代わりのＷＤＭマルチプレクサ、ブラッグ格子ベースのマルチプレクサ、または同一の機能を有する他のＷＤＭマルチプレクサの配置である。

より多くの感知用チャネルが、ユーザの要求、およびチップのフットプリントに応じて単一チップ上で集積化され得る。

Claims (16)

1. 少なくとも１つの光干渉センサである、チップ上に形成された、１０ナノメートル～数１００ナノメートルの大きいＦＳＲを有する第１のマッハツェンダ型干渉計（１１２）を備える装置であって、前記第１のマッハツェンダ型干渉計（１１２）は、
   それぞれがフォトニック導波路により形成される上方ブランチおよび下方ブランチと、
   それぞれが光入力／出力のそれぞれとして機能する、前記第１のマッハツェンダ型干渉計（１１２）の両端部（１０１、１１０）の光結合構造と、
   前記第１のマッハツェンダ型干渉計（１１２）の第１のジャンクション（１０２）における光分割のための光スプリッタ、および前記第１のマッハツェンダ型干渉計（１１２）の第２のジャンクション（１０９）における光結合のための光コンバイナと、
   前記第１のマッハツェンダ型干渉計（１１２）の前記上方ブランチ内に配置されるプラズモニック導波路（１０７）であって、前記プラズモニック導波路（１０７）が、前記フォトニック導波路上で平面集積されるプラズモン変換素子として組み込まれ、前記プラズモニック導波路（１０７）が、金属と分析物との界面における表面プラズモンポラリトンへの結合により光伝播を閉じ込めるように構成される、プラズモニック導波路（１０７）と、
   前記第１のマッハツェンダ型干渉計（１１２）の前記下方ブランチ内に配置される第２のマッハツェンダ型干渉計（１１１）であって、前記第２のマッハツェンダ型干渉計（１１１）は、上方ブランチおよび下方ブランチを備え、前記第２のマッハツェンダ型干渉計（１１１）が、前記第２のマッハツェンダ型干渉計（１１１）の第１のジャンクションにおける光分割のための光スプリッタ（１０５）、および前記第２のマッハツェンダ型干渉計（１１１）の第２のジャンクションにおける光結合のための光コンバイナ（１０８）を備える、第２のマッハツェンダ型干渉計（１１１）と
   を備え、
   前記第１のマッハツェンダ型干渉計（１１２）および前記第２のマッハツェンダ型干渉計（１１１）の両方は、前記第２のマッハツェンダ型干渉計（１１１）が可変光減衰器として機能するように、前記第１のマッハツェンダ型干渉計（１１２）の前記下方ブランチおよび前記第２のマッハツェンダ型干渉計（１１１）の前記下方ブランチに、前記第１のマッハツェンダ型干渉計（１１２）および前記第２のマッハツェンダ型干渉計（１１１）に最適にバイアスをかけるための熱光学移相器（１０４、１０６）を備え、
   前記第１のマッハツェンダ型干渉計（１１２）の前記熱光学移相器（１０４）および前記第２のマッハツェンダ型干渉計（１１１）の前記熱光学移相器（１０６）はそれぞれ、前記第１のマッハツェンダ型干渉計（１１２）の前記下方ブランチ内および前記第２のマッハツェンダ型干渉計（１１１）の前記下方ブランチ内で光学信号の位相を調整するように構成され、前記熱光学移相器（１０４、１０６）はそれぞれ、互いに対し平行である２つの金属ストライプを、前記フォトニック導波路の一部分の上部の上に、および光の伝播の方向に沿って堆積させることにより形成される、
   装置。
2. 前記フォトニック導波路は、ＳｉＯ₂などの低屈折率酸化物基板と、ＬＴＯなどの低屈折率酸化物上板との間に挟まれる高屈折率窒化ケイ素ストリップ（３０３、６０３）を有する、請求項１記載の装置。
3. 前記プラズモニック導波路は、貴金属で作製される、または、
   前記プラズモニック導波路は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、または窒化チタン（ＴｉＮ）で作製される、請求項１または２記載の装置。
4. 前記プラズモニック導波路は、金（Ａｕ）または銀（Ａｇ）で作製される、請求項３記載の装置。
5. 前記プラズモニック導波路（１０７）は、薄膜またはハイブリッドスロットを含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記プラズモニック導波路は、前記フォトニック導波路の上部酸化物クラッドおよび窒化ケイ素コアをその部分のみでエッチングすることにより形成される空洞を用いて酸化物基板上に直接堆積される薄い金属ストライプを備えるいわゆる薄膜導波路（ＴＦＷ）により構成される導波路で作製される、または、
   前記プラズモニック導波路は、空洞または追加の処理ステップの必要性なしに、前記フォトニック導波路の所定の部分の上部の上に直接堆積される２つの平行な金属ワイヤ（２０２、３０５）を備えるいわゆるハイブリッドプラズモフォトニックスロット導波路（ＨＰＰＳＷ）で作製され、前記金属ワイヤ（２０２、３０５）の下の前記フォトニック導波路は、追加のマスクまたは処理ステップなしで、リソグラフィ中に中断され、前記金属ワイヤ（２０２、３０５）は、前記フォトニック導波路の上部の上に直接、および前記フォトニック導波路のエッチングのない単一のステップにて、および単一金属層堆積ステップで堆積される、
   請求項５記載の装置。
7. 前記プラズモニック導波路が、前記ハイブリッドプラズモフォトニックスロット導波路で作製される場合、前記熱光学移相器（１０４、１０６）は、前記金属ワイヤ（２０２、３０５）と同様に、前記フォトニック導波路の上部の上に直接、および前記フォトニック導波路のエッチングのない単一のステップにて、および単一金属層堆積ステップで堆積され、前記ハイブリッドプラズモフォトニックスロット導波路および前記熱光学移相器（１０４、１０６）の両方が単一のマスクを用いて形成されるように、前記金属ワイヤ（２０２、３０５）の間の間隔Ｗ_slotならびに前記金属ワイヤ（２０２、３０５）の長さおよび幅が、前記単一のマスクにより画定される、
   請求項６記載の装置。
8. 前記装置が、Ｓｉ、シリコンオンインシュレーター（ＳＯＩ）、またはＴｉＯ₂で作製される、または、
   前記装置が、Ａｌ、Ｃｕ、もしくはＴｉＮ、またはこれらの材料の化合物で作製される、
   請求項１記載の装置。
9. 前記プラズモニック導波路（１０７）と同一寸法の非官能化プラズモニック導波路が、前記第１のマッハツェンダ型干渉計（１１２）の前記下方ブランチ上に設けられ、前記第１のマッハツェンダ型干渉計（１１２）は、前記プラズモニック導波路（１０７）および前記非官能化プラズモニック導波路の両方を標的分析物が流動するように構成される、請求項１～８のいずれか１項に記載の装置。
10. 同一のチップ上で複数の物質を同時に検出するための、請求項１～９のいずれか１項に記載の装置を備える機器であって、前記機器は、複数の第１のマッハツェンダ型干渉計を備え、前記複数の第１のマッハツェンダ型干渉計のそれぞれが、プラズモニック導波路を有する上方ブランチと、熱光学移相器、および可変光減衰器として機能する第２のマッハツェンダ型干渉計を有する下方ブランチとを備え、共通の光スプリッタおよび共通のコンバイナが、すべての前記複数の第１のマッハツェンダ型干渉計に対し、すべての前記複数の第１のマッハツェンダ型干渉計の入力および出力においてそれぞれ配置され、前記複数の第１のマッハツェンダ型干渉計のそれぞれは、前記光スプリッタにより前記複数の第１のマッハツェンダ型干渉計に同時に注入される入力光学信号のうち、前記複数の第１のマッハツェンダ型干渉計の別の第１のマッハツェンダ型干渉計で使用される光学信号の波長とは別個の波長を有する光学信号を使用し、前記複数の第１のマッハツェンダ型干渉計のそれぞれは、前記入力光学信号から、前記複数の第１のマッハツェンダ型干渉計のそれぞれのための波長を有する光学信号を選択するために、前記複数の第１のマッハツェンダ型干渉計のそれぞれの前記上方ブランチおよび前記下方ブランチの入力において、および前記光スプリッタの後に光フィルタを備える、機器。
11. 集積化された光源および光学光検出器が、前記複数の第１のマッハツェンダ型干渉計のすべての入力および出力にそれぞれ配置される、請求項１０記載の機器。
12. 集積化された光源および光学検出器のアレイは、前記複数の第１のマッハツェンダ型干渉計のすべての入力および出力に配置される、請求項１０記載の機器。
13. 前記熱光学移相器に接続され、前記同一のチップ上に三次元集積化される電子回路により前記熱光学移相器を電気的に制御する、ＴＳＶとしても知られる垂直電気ビアを備える、請求項１０～１２のいずれか１項に記載の機器。
14. プラズモン変換素子上で所定の溶液／分析物を流動させるために、前記プラズモニック導波路の表面上に取り付けられる追加の流体チャネルを備える、請求項１０～１３のいずれか１項に記載の機器。
15. 特定の生体および／もしくは化学物質、ならびに／または特定の生体および／もしくは化学分子の検出のための追加の捕獲層が、プラズモン変換素子の表面に生成される、請求項１０～１４のいずれか１項に記載の機器。
16. 請求項１～９のいずれか１項に記載の装置の使用方法であって、前記使用方法は、以下の
    前記第１のマッハツェンダ型干渉計（１１２）および前記第２のマッハツェンダ型干渉計（１１１）の両方に備えられる前記熱光学移相器（１０４、１０６）により、前記第２のマッハツェンダ型干渉計（１１１）が可変光減衰器として機能するように、前記第１のマッハツェンダ型干渉計（１１２）および前記第２のマッハツェンダ型干渉計（１１１）に最適にバイアスをかけるステップと、
    前記第１のマッハツェンダ型干渉計（１１２）の前記光スプリッタにより、前記第１のマッハツェンダ型干渉計（１１２）に入力される光学信号を前記第１のマッハツェンダ型干渉計（１１２）の前記上方ブランチおよび前記下方ブランチに分割し、前記第１のマッハツェンダ型干渉計（１１２）の前記光コンバイナにより、前記第１のマッハツェンダ型干渉計（１１２）の前記上方ブランチおよび前記下方ブランチから出力される光学信号を結合するステップと、
    前記第２のマッハツェンダ型干渉計（１１１）の前記光スプリッタ（１０５）により、前記第２のマッハツェンダ型干渉計（１１１）に入力される光学信号を前記第２のマッハツェンダ型干渉計（１１１）の前記上方ブランチおよび前記下方ブランチに分割し、前記第２のマッハツェンダ型干渉計（１１１）の前記光コンバイナ（１０８）により、前記第２のマッハツェンダ型干渉計（１１１）の前記上方ブランチおよび前記下方ブランチから出力される光学信号を結合するステップと、
    前記第１のマッハツェンダ型干渉計（１１２）の前記下方ブランチ内および前記第２のマッハツェンダ型干渉計（１１１）の前記下方ブランチ内の光学信号の位相を、前記第１のマッハツェンダ型干渉計（１１２）の前記熱光学移相器（１０４）および前記第２のマッハツェンダ型干渉計（１１１）の前記熱光学移相器（１０６）により調整するステップと
    を含み、
    前記可変光減衰器は、前記第１のマッハツェンダ型干渉計（１１２）の前記下方ブランチ内の光学信号の強度を制御するが、前記第１のマッハツェンダ型干渉計（１１２）の前記下方ブランチ内の前記熱光学移相器（１０４）は、前記第１のマッハツェンダ型干渉計（１１２）の前記下方ブランチ内の光学信号の位相を制御することを可能にし、したがって、前記第１のマッハツェンダ型干渉計（１１２）が、所望の作業点において電気信号により釣り合わされ、およびバイアスをかけられ得るように、前記第１のマッハツェンダ型干渉計（１１２）の前記下方ブランチ内の光学場の振幅および位相の制御を可能にする、
    使用方法。

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