(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項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、
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小物質を検出するための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に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光学デバイスを用いて微生物などの微小物質を検出するための微小物質検出センサが実用化されている。このような微小物質検出センサは、バイオセンサとも称されており、このセンサを用いることで、各種の微小物質の有無、その量、その種類などを検出することができる。このような微小物質検出センサの動作原理としては、光学デバイスの周囲に検出対象の微小物質（被検出物質）が付着することで、当該光学デバイスが示す光学特性が変化することを利用している。
【０００３】
例えば、特開２００８−３０４２１６号公報（特許文献１）には、光学デバイスとして光リング共振器を用いた物質検知装置が開示されている。このような光リング共振器を用いる場合には、その光リング共振器の周囲に微生物が付着するように構成するとともに、光リング共振器での共振波長の変化を検出できるように構成される。この光リング共振器での共振波長の変化は、微生物の付着によって光リング共振器の屈折率が変化することに起因している。特に、特開２００８−３０４２１６号公報（特許文献１）には、波長選択性を有しない第１の光導波路と共振結合する位置に第２の光導波路を配置してマイクロリング共振器を形成するとともに、第２の光導波路に、検出対象の物質が入り得る孔を設ける構成が開示されている。
【０００４】
また、特開２００５−３３１６１４号公報（特許文献２）には、光学デバイスとして光導波路を用いた導波路型光センサが開示されている。この特許文献２に開示される導波路型光センサでは、導波方向を変更して往復するコアから検出領域を構成するとともに、コアの一部でスラブ型分光部を構成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−３０４２１６号公報
【特許文献２】特開２００５−３３１６１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の特許文献１に開示される物質検知装置では、マイクロリング共振器の一部に孔を設けた構造を採用しており、構造が複雑化する上に、光リング共振器としての性能（光共振性）が損なわれるという課題がある。また、特許文献１に開示される物質検知装置は、単に、被検出物質が存在するか否かを検出するものであり、その量を検出することはできない。
【０００７】
また、上述の特許文献２に開示される導波路型光センサでは、光リング共振器を用いる場合に比較して、より長い光導波路を用いる必要があり、製造上のコストが増加するとともに、共振構造を有していないために検出感度を高めることが難しいという課題がある。また、光を被検出物質にしみ出させるためにコアを露出する必要があり、長期保存時にデバイスとしての安定性が損なわれるという課題もある。
【０００８】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、検出感度を高めたリング共振型の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を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のある局面に従う微小物質検出センサは、リング状の第１の導波路を有する、光リング共振器と、光リング共振器と近接して配置された第２の導波路とを含む。光リング共振器は、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いる。光リング共振器は、コアと、コアに隣接し、かつ、第１の導波路の断面において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、コアに隣接し、かつ、第１の導波路の断面において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とを含み、コアを伝搬する光波の電界振動方向が、コアと低屈折率層とを結ぶ方向と一致するように構成される。
【００１０】
好ましくは、光リング共振器は、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。
【００１１】
さらに好ましくは、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、光波が実質的に低屈折率層を伝搬しないように設定される。
【００１２】
好ましくは、光リング共振器は、コアを伝搬する光波の電界振動方向が、コアと低屈折率層とを結ぶ方向と一致するように構成される。
【００１３】
好ましくは、コアは、その断面が正方形となるように構成される。
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。
【００１４】
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。
【００１５】
好ましくは、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。
【００１６】
この発明の別の局面に従う微小物質検出装置は、リング状の第１の導波路を有する、光リング共振器と、光リング共振器と近接して配置された第２の導波路と、第２の導波路の一方端に接続され、光を発生する光源と、第２の導波路の他方端に接続され、光源からの光を検出する検出部とを含む。光リング共振器は、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いる。光リング共振器は、コアと、コアに隣接し、かつ、第１の導波路の断面において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、コアに隣接し、かつ、第１の導波路の断面において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とを含み、コアを伝搬する光波の電界振動方向が、コアと低屈折率層とを結ぶ方向と一致するように構成される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、検出感度を高めたリング共振型の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を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態に従う微小物質検出装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態に従う微小物質検出装置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。
【図３】本発明の実施の形態に従うサンプルの一例を示す模式図である。
【図４】本実施の形態に従う光リング共振器の光導波路の断面構造を示す模式図である。
【図５】有限差分法を用いて計算した実効屈折率のコアの高さについての依存性を示す図である（ＴＥモード）。
【図６】有限差分法を用いて計算した実効屈折率のコアの高さについての依存性を示す図である（ＴＭモード）。
【図７】実効屈折率の変化の外部屈折率変化についての依存性を示す図である（ＴＥモード）。
【図８】実効屈折率の変化の外部屈折率変化についての依存性を示す図である（ＴＭモード）。
【図９】サンプルＳＭＰへ向かう方向の電界振幅を示す図である（比較例）。
【図１０】サンプルＳＭＰへ向かう方向の電界振幅を示す図である（本実施の形態）。
【図１１】許容される伝搬モードの低屈折率層の屈折率についての依存性を示す図である。
【図１２】本実施の形態の変形例に従う光リング共振器の光導波路の断面構造を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２０】
［Ａ．概要］
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。
【００２１】
また、本実施の形態に従う光リング共振器では、コアを伝搬する光波の電界振動方向が、コアと低屈折率層とを結ぶ方向と一致するように構成されることが好ましい。これにより、コアからサンプルへ向かう電界強度をより高めることができる。
【００２２】
また、スポットサイズ変換導波路を用いることで、光ファイバなどの既存の光導波路との接続を容易化できる。
【００２３】
［Ｂ．装置構成］
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。
【００２４】
図１を参照して、微小物質検出装置ＳＹＳは、微小物質検出センサ１と、微小物質検出センサ１に検出用の光を供給する光源１０と、微小物質検出センサ１を通過した後の光を検出する検出部２０とを含む。
【００２５】
本実施の形態に従う微小物質検出装置ＳＹＳにおいては、微小物質検出センサ１における共振条件の変化を観測することで、被検出物質を検出する。そのため、光源１０は、微小物質検出センサ１における共振波長を含む波長範囲の光波を発生するように構成される。なお、微小物質検出センサ１における設計バラツキなどを考慮して、ある程度のマージンをもった波長範囲を有する光源１０を用いることが好ましい。
【００２６】
検出部２０は、上述のような微小物質検出センサ１における共振条件の変化を観測できるような検出範囲（波長感度）を有する。具体的には、微小物質検出センサ１の共振波長を含む所定波長における光量を検出するためのフィルタおよびフォトディテクタなどから構成される。なお、検出部２０として、分光光学系を採用して、スペクトルを検出するようにしてもよい。
【００２７】
図２を参照して、微小物質検出センサ１は、リング状の光導波路を有する光リング共振器（マイクロリング共振器）３と、光リング共振器３と近接して配置された直線状の光導波路とを有する。この微小物質検出センサ１は、基材としての基板２を有しており、この基板２の上に、コア（光導波路コア）およびクラッド（光導波路クラッド）からなる光導波路が形成される。すなわち、基板２の上面には、主として、相対的に屈折率の低い材料からなるクラッド４が形成されるとともに、光を伝搬させる経路に対応して、相対的に屈折率の高い材料からなるコア３１および３２が形成されている。すなわち、コア３２とクラッド４とにより、光リング共振器３を構成する光導波路が形成され、コア３１とクラッド４とにより、光源１０からの光を伝搬させるための光導波路が形成される。
【００２８】
コア３１の入射端３４には光源１０が接続され、コア３１の出射端３５には検出部２０が接続される。また、コア３１は、コア３２（光リング共振器３）の一部と近接して配置される。この結果、コア３１とコア３２との間には、電磁気的（光学的）な相互作用を生じることになる。すなわち、直線状の光導波路は、リング状の光導波路と電磁的に接続される、方向性結合部３３を含むことになる。
【００２９】
図１に示す微小物質検出装置ＳＹＳにおいては、被検出物質が光リング共振器３を構成する光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。すなわち、測定時には、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。これにより、光リング共振器３は、リング状の光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ことになる。
【００３０】
図３は、本発明の実施の形態に従うサンプルＳＭＰの一例を示す模式図である。例えば、タンパク質を被検出物質とする場合には、当該タンパク質を捕捉する抗体といった吸着物質を下地層として用いることができる。図３に示すように、多数の吸着物質１０２を含むサンプルＳＭＰを用いて、被検出物質１０４を捕捉する。このように被検出物質１０４が捕捉された状態のサンプルＳＭＰを微小物質検出装置ＳＹＳの上表面に配置することで、そのサンプルＳＭＰに含まれる被検出物質の量や種類などを測定できる。
【００３１】
特に、本実施の形態に従う微小物質検出装置ＳＹＳにおいては、このような被検出物質に対する検出感度を高めるために、光リング共振器３のコア３２のサンプルＳＭＰ（被検出物質）が存在する側（すなわち、上面側）に、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（後述する）が形成されている。以下、光リング共振器を用いた微小物質を検出するための原理について説明した後、本実施の形態に従う光リング共振器３の構造について詳述する。あわせて、低屈折率層を設けることで検出感度を高めることができる理由についても説明する。
【００３２】
［Ｃ．光リング共振器による検出原理］
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。
【００３３】
上述したように、微小物質を高感度に検出するためのセンサとして光共振器を応用することが注目されている。一般的な光共振器に使用される光導波路の構造としては、直線形状の光導波路を形成し、その両端面で光波が繰返し反射により位相をそろえて重ねることで共振させるものと、閉じたリング形状として光波がそのリングを一周した後に位相が重なるように光路長を設定することで共振させるものなどがある。
【００３４】
リング形状の共振器は、光導波路内での反射構造が必要ないため、構成を簡素化できるとともに、反射による光路損失が小さく効率の高い共振が得られるというメリットがある。
【００３５】
そのため、本実施の形態に従う微小物質検出装置ＳＹＳにおいては、リング状の光導波路を有する光リング共振器３を採用する。
【００３６】
この光リング共振器３を微小物質検出センサとして用いる場合には、光リング共振器３へ光のエネルギーが集中する効果と、共振器近傍にある物質によって光リング共振器３の共振条件がずれる効果とを利用することになる。
【００３７】
光リング共振器３においては、光波は、光導波路の屈折率に幾何行路長を乗じた光路長（実効行路長）がその波長の整数倍と一致している場合のみに存在できる。この条件を満たさない場合には急激に光リング共振器３内での光量が減衰する。
【００３８】
ここで、光リング共振器３の周囲に微小物質が付着した場合には、光リング共振器３の共振条件がずれるため、この共振条件のずれを観測することで、周囲の媒質の屈折率変化を高感度に検出できる。また、光リング共振器３が共振条件を満たした状態において、光リング共振器３の周囲に電磁界が集中するため、この現象を利用して、光リング共振器３の周囲に配置した蛍光物質を高効率で光らせることもできる。
【００３９】
次に、光リング共振器３の共振条件について説明する。
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。
【００４０】
この結果、共振条件を満たした波長についてみれば、コア３１の入射端３４から出射端３５までの透過率が大きく低下する。光リング共振器３の共振波長は、光導波路（コア３２）の実効屈折率Ｎｅｆｆと光リング共振器３の共振器長Ｌとを用いて、（１）式のように示すことができる。ここで、ｍは共振次数（整数）、λは真空中における光の波長を示す。
【００４１】
【数１】
0005581955.tif 000002
【００４２】
上述したように、微小物質検出センサ１を特定の物質を検出するバイオセンサとして利用する場合には、サンプルＳＭＰを光リング共振器３に近接配置する。あるいは、クラッド４の上部に流路を設けて、流路表面に被検出物質のみを付着させる下地層を形成してもよい。例えば、タンパク質を被検出物質とする場合には、抗体などを含む下地層を用いて検出対象のタンパク質を捕捉するとともに、それを水溶させたサンプルを光リング共振器３の表面に配置してもよい。
【００４３】
光リング共振器３の表面に被検出物質が存在すると、その被検出物質の量に応じて、（１）式に示す実効屈折率Ｎｅｆｆが変化する。この結果、光リング共振器３の共振条件が初期状態から変化するため、初期状態と比較して光リング共振器３の透過率が大きく変動することになる。この透過率の変動を観測することで、サンプルＳＭＰ中における被検出物質の存在の有無や被検出物質の濃度などを測定することができる。
【００４４】
なお、光リング共振器３の透過率を観測することで、被検出物質を測定する例を示したが、例えば、被検出物質に蛍光標識をつけておくことで、発生する蛍光の量によって被検出物質の存在や量を特定することもできる。
【００４５】
［Ｄ．光リング共振器の構造］
次に、光リング共振器３の構造について説明する。
【００４６】
上述した（１）式に示すように、微小物質検出センサにおける検出感度を高めるためには、被検出物質に起因して実効屈折率Ｎｅｆｆが大きく変化することが重要である。そこで、本実施の形態に従う光リング共振器３においては、被検出物質に起因して実効屈折率Ｎｅｆｆを大きく変化させるための構成を採用する。以下、光リング共振器３の構造について説明する。
【００４７】
図４は、本実施の形態に従う光リング共振器３の光導波路の断面構造を示す模式図である。なお、図４に示す断面構造は、図２に示すＩＶ−ＩＶ破断線に対応する。
【００４８】
図４を参照して、光リング共振器３は、基板２の上に形成された光導波路によって構成される。より具体的には、図４に示す光リング共振器３においては、リング形状の（光導波路）コア３２（コア材料の屈折率ｎｃｏｒｅ）が形成されるとともに、基板２の平面に沿ってコア３２の両側に（光導波路）クラッド４（クラッド材料の屈折率ｎｃｌａｄ）が形成されている。さらに、コア３２に隣接し、基板２が位置する側とは反対側に、コア３２と隣接して低屈折率層６が形成されている。この低屈折率層６の屈折率ｎＬｏｗＮは、コア３２の屈折率ｎｃｏｒｅよりも高く、かつ、クラッド４の屈折率ｎｃｌａｄよりも低くなるように設計される。すなわち、以下に示す関係が成り立つ。
【００４９】
ｎｃｏｒｅ＜ｎＬｏｗＮ＜ｎｃｌａｄ
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。
【００５０】
なお、図４においては、下地層５１と吸着物質５２とを含むサンプルＳＭＰが光リング共振器３の上側面に配置される例を示す。このサンプルＳＭＰでは、吸着物質５２によって被検出物質５３が捕捉される。
【００５１】
図４に示すように、クラッド４は、コア３２に隣接し、かつ、光リング共振器３の光導波路の断面において被検出物質（サンプルＳＭＰ）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。これに対して、低屈折率層６は、コア３２に隣接し、かつ、光リング共振器３の光導波路の断面において被検出物質（サンプルＳＭＰ）が接触する表面部分に対応する辺を構成する。そして、低屈折率層６は、その値がクラッド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。
【００５２】
低屈折率層６の厚さＤは、光リング共振器３のコア３２を伝搬する光波の電磁界成分のサンプルＳＭＰ側へのしみ出し量が実質的に影響する程度の厚さに設計されている。すなわち、コア３２を伝搬する光波がある程度の割合でしみ出るように、低屈折率層６の厚さＤが決定される。このため、サンプルＳＭＰ中に被検出物質５３が存在する場合には、直線状の光導波路（コア３１）を伝搬する光波の実効屈折率Ｎｅｆｆがより大きく変化する。
【００５３】
すなわち、本実施の形態に従う微小物質検出装置ＳＹＳにおいては、光リング共振器３のクラッド４よりも屈折率が高く、かつ、コア３２よりも屈折率が低い低屈折率層６を設けることで、サンプルＳＭＰ（被検出物質５３）が存在する方向における、光リング共振器３の光導波路による光波の閉じ込め効果が弱くなる。これにより、被検出物質５３が存在する方向の電磁界成分の漏れ量を相対的に大きくすることができ、被検出物質５３の量に依存する光導波路の実効屈折率Ｎｅｆｆの変化を大きくできる。
【００５４】
本実施の形態に従う光リング共振器３においては、その中を伝搬する光波の伝搬モードがシングルモードとなるように設計されることが好ましい。より具体的には、光リング共振器３の光導波路がシングルモード条件を満足するように、コア３２の断面形状（幅Ｗ×高さＨ）などが設計される。
【００５５】
［Ｅ．設計手順］
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。
【００５６】
（ｅ１：コアおよびシングルモード条件）
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。
【００５７】
リング共振器および光導波路などの集積といった応用を考えた場合、光導波路のスポットサイズ（ビーム断面積）が小さいことが望ましい。スポットサイズに関係する量として、比屈折率差Δが知られている。この比屈折率差Δは、（２）式のように示すことができる。ここで、ｎｃｏｒｅはコア材料の屈折率、ｎｃｌａｄはクラッドの屈折率を示す。なお、理論的には、比屈折率差Δは、０＜Δ＜０．５の範囲の大きさをとる。
【００５８】
【数２】
0005581955.tif 000003
【００５９】
スポットサイズを小さくするためには、光導波路が（２）式で定義される比屈折率差Δの値が０．２以上であることが望ましい。このような高い比屈折率差Δを有する光導波路は、高屈折率差導波路と称される。
【００６０】
また、高速信号伝搬における波形乱れに起因する分散の影響を避けるためには、存在する伝搬モードが単一となる、いわゆるシングルモード条件を満たしていることが望ましい。本発明の実施の形態に従う微小物質検出装置ＳＹＳを構成する光導波路のような、２次元のスラブ導波路におけるシングルモード条件は既知である。例えば、参考文献１（岡本勝就著、“フォトニクスシリーズ１３  光導波路の基礎”、コロナ社、１９９２年）などに、シングルモード条件について詳述されているので参照されたい。
【００６１】
また、３次元矩形導波路については、実用上は、等価屈折率法、有限差分法、および有限要素法などの手法を用いてシングルモード条件を求めることができる。
【００６２】
一般的に光導波路に用いられる誘電体材料を材質（屈折率）で示すと、以下のようになる。
【００６３】
波長１．３〜１．５［μｍ］帯においては、コア材料として、シリコンＳｉ（３．４８）があり、クラッド材料または低屈折率層の材料として、ＳｉＯｘ（１．４〜３．４８）やＡｌ２Ｏ３（１．８）などがある。このとき、比屈折率差Δとしては、０．００１〜０．４２といった範囲の値に設計することができる。
【００６４】
波長４００〜８００［ｎｍ］の可視帯域においては、コア材料として、ＧａＡｓ（３．３）やＳｉ（３．７）などがあり、クラッド材料または低屈折率層の材料として、Ｔａ２Ｏ５（２．５）やＳｉＯｘ（１．４〜３．７）などがある。このとき比屈折率差Δとしては、０．００１〜０．４１といった範囲の値に設計することができる。
【００６５】
上述したもの以外にコアに用いることができる高屈折率材料（波長域）としては、以下のような例が挙げられる。
【００６６】
（１）ダイヤモンド（可視全域）
（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。
【００６７】
本実施の形態に係るデバイスでは、上述したような材料に限定されず、例えば、ＴｉＯ２，ＳｉＮ，ＺｎＳなどの複数の材料を組み合わせたり、フォトニック結晶構造を用いたりすることで、比屈折率差Δの値をある程度自由に設計することができる。
【００６８】
また、モードフィールド径を０．５［μｍ］程度に小さくするためには、例えば、コア屈折率を３．５程度にすることで、比屈折率差Δを０．４程度まで高めた高屈折率差導波路を用いる方法を採用してもよい。
【００６９】
次に、近赤外線の波長帯域の光源を用いる場合の具体的なコアサイズの具体例について説明する。
【００７０】
一例として、光導波路を伝搬する光波の設計波長を１．３１［μｍ］とし、基板２（図４参照）として石英（屈折率１．４４）を用い、コア３２（図４参照）としてシリコン（屈折率３．４８）を用い、クラッド４として石英を用い、低屈折率層６として厚さ１００［ｎｍ］のＳｉＯｘ（屈折率２．００）を用いることとする。また、サンプルＳＭＰは、被検出物質５３を含んだ水（屈折率１．３３）を想定する。ここで、コア３２の幅Ｗ（図４参照）を３００［ｎｍ］（固定）とする。
【００７１】
上述のような前提条件下において、コア３２からサンプルＳＭＰへ向かう方向におけるコア３２の大きさである、コア３２の高さＨ（図４参照）を変化させると、設計波長を有する光波が光導波路の中を伝搬することが許容される伝搬モードの数が変化する。図５には、その状態を示す。
【００７２】
ここで、光導波路（コア３２）を伝搬する光波のうち、基板２に対して平行な方向の電界成分を主とするモードをＴＥモードと称し、基板２に対して垂直な方向の電界成分を主とするモードをＴＭモードと称する。すなわち、ＴＥモードにおいては、コア３２を伝搬する光波の主たる電界成分の方向が基板２の表面に平行な方向と一致し、ＴＭモードにおいては、コア３２を伝搬する光波の主たる電界成分の方向が基板２と低屈折率層６とを結ぶ方向と一致する。
【００７３】
「シングルモード条件」は、ＴＥモードおよびＴＭモードがそれぞれ１つしか存在しない条件に相当する。シングルモード条件については、上述したとおり、有限差分法や有限要素法などの手法を用いて計算できる。
【００７４】
図５および図６は、有限差分法を用いて計算した実効屈折率Ｎｅｆｆのコア３２の高さＨについての依存性を示す図である。図５にはＴＥモードについての解析結果を示し、図６にはＴＭモードについての解析結果を示す。
【００７５】
図５を参照して、ＴＥモードについてのシングルモード条件としては、コア３２の高さＨが２８０［ｎｍ］以下となり、ＴＭモードについてのシングルモード条件としては、コア３２の高さＨが１５０［ｎｍ］以下となる。
【００７６】
以上のような導出手順によって、一例として、コア３２からサンプルＳＭＰへ向かう方向と垂直な方向のコア３２の大きさである幅Ｗを３００［ｎｍ］とし、コア３２からサンプルＳＭＰへ向かう方向のコア３２の大きさであるコアの高さＨを３００［ｎｍ］とする。すなわち、コア３２においては、その断面が正方形となるように構成される。このように、正方形のコアを用いることで光導波路の対称性を良くすることができる。もちろん、その断面が長方形のコア３２を用いてもよい。
【００７７】
なお、ここでは導波路形状の対称性が良い正方形のコアの例を説明するが、さらに、シングルモード条件をＴＥモードおよびＴＭモードの両方で満たすためには、コアの高さＨが１５０［ｎｍ］以下であることが望ましい。
【００７８】
（ｅ２：低屈折率層）
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。
【００７９】
光リング共振器３に近接した位置に被検出物質５３が存在することで、サンプルＳＭＰの平均屈折率Ｎ１が変化する。検出感度を高めるためには、サンプルＳＭＰの平均屈折率Ｎ１の変化に対する、光リング共振器３における共振波長（共振条件）の変化を大きくすることが重要である。（１）式から、初期波長λ０に対する相対的な波長変動の大きさを計算すると、（３）式のように示すことができる。ここで、ｍは共振次数（整数）、Ｎ０は初期状態における光導波路の実効屈折率Ｎｅｆｆの値を示す。
【００８０】
【数３】
0005581955.tif 000004
【００８１】
（３）式によれば、サンプルＳＭＰの平均屈折率Ｎ１の変化に対する共振波長の変化の大きさは、平均屈折率Ｎ１の変化に対する実効屈折率Ｎｅｆｆの変化の大きさとみなすことができる。すなわち、測定の感度を上げることは平均屈折率Ｎ１の変化に対するＮｅｆｆの変化を大きくすることと同じである。
【００８２】
そこで、ＴＥモードおよびＴＭモードのそれぞれについて、平均屈折率Ｎ１の変化（Δｎｏｕｔ）に対する実効屈折率Ｎｅｆｆの変化量（（Ｎｅｆｆ−Ｎ０）／Ｎ０）の大きさについて評価した。
【００８３】
より具体的には、本実施の形態に従う光リング共振器３のように低屈折率層６を有する構成を採用した場合と、低屈折率層６に代えてクラッド４と同一の材料を用いた構成を採用した場合とを比較した。なお、現実の計算方法としては、有限要素法を用いた導波路解析を採用した。
【００８４】
図７および図８は、実効屈折率の変化の外部屈折率変化についての依存性を示す図である。すなわち、図７には、ＴＥモード（ＴＥ０：０次モード）について、平均屈折率Ｎ１の変化量（Δｎｏｕｔ）に対する実効屈折率Ｎｅｆｆの変化量（（Ｎｅｆｆ−Ｎ０）／Ｎ０）の比較結果を示す。また、図８には、ＴＭモード（ＴＭ０：０次モード）について、平均屈折率Ｎ１の変化量（Δｎｏｕｔ）に対する実効屈折率Ｎｅｆｆの変化量（（Ｎｅｆｆ−Ｎ０）／Ｎ０）の比較結果を示す。
【００８５】
図７および図８においては、平均屈折率Ｎ１を１．０〜１．４まで変化させた場合の計算例を示す。また、図７および図８においては、低屈折率層６が存在しない場合の特性を丸印（●）で示し、低屈折率層６が存在する場合の特性を角印（■）で示す。
【００８６】
図７に示すように、ＴＥモードについてみれば、本実施の形態に従う微小物質検出センサ１を採用することで、平均屈折率Ｎ１の変化量（Δｎｏｕｔ）に対する実効屈折率Ｎｅｆｆの変化量（（Ｎｅｆｆ−Ｎ０）／Ｎ０）、すなわち、検出感度を約１．３８倍に高めることができる。
【００８７】
図８に示すように、ＴＭモードについてみれば、本実施の形態に従う微小物質検出センサ１を採用することで、平均屈折率Ｎ１の変化量（Δｎｏｕｔ）に対する実効屈折率Ｎｅｆｆの変化量（（Ｎｅｆｆ−Ｎ０）／Ｎ０）、すなわち、検出感度を約１．４９倍に高めることができる。
【００８８】
図７および図８に示す比較結果によれば、ＴＥモードおよびＴＭモードのいずれにおいても、本実施の形態に従う微小物質検出センサ１を採用することで、検出感度を高めることができる。但し、その検出感度を高める効果は、ＴＥモードに比較してＴＭモードの方が大きい。この理由は、ＴＭモードにおいては、光波の電界の振動方向がサンプルＳＭＰの存在する方向と一致しているためであると考えられる。すなわち、ＴＭモードでは、コア３２に垂直な電界成分が多く存在するため、電束密度の連続性からコア３２からサンプルＳＭＰへ向かう電界強度を高めることができるためである。以下、この電束密度の連続性について検討する。
【００８９】
コア３２とクラッド４との境界における電束密度の境界条件（境界における連続性）に従うと、電界の境界面に対する法線方向の成分は、相対的に屈折率の低いクラッド４側で大きくなる。すなわち、コア３２とクラッド４との境界面において、サンプルＳＭＰへ向かう方向のコア３２側の電界成分Ｅｃｏｒｅとクラッド４側の電界成分Ｅｃｌａｄについて、（４）式に示す関係式が成立する。
【００９０】
【数４】
0005581955.tif 000005
【００９１】
ここで、クラッド４側により多くの電界成分が分布するための、比屈折率差Δについての条件は、（５）式に示す不等式によって算出される。
【００９２】
【数５】
0005581955.tif 000006
【００９３】
すなわち、比屈折率差Δ＞０．２５となるときに、サンプルＳＭＰへ向かう方向の電界成分が大きく分布することがわかる。
【００９４】
次に、ＴＭモードにおいて、サンプルＳＭＰへ向かう方向の電界成分を具体的に計算した。比較のため、本実施の形態に従う光リング共振器３のように低屈折率層６を有する構成を採用した場合と、低屈折率層６に代えてクラッド４と同一の材料を用いた構成を採用した場合とについてそれぞれ計算した。
【００９５】
図９および図１０は、サンプルＳＭＰへ向かう方向の電界振幅を示す図である。図９には、本実施の形態に従う低屈折率層６を採用していない光リング共振器（比較例）における計算結果を示し、図１０には、本実施の形態に従う低屈折率層６を採用した光リング共振器３における計算結果を示す。
【００９６】
図９および図１０には、いずれも、ＴＥモード（ＴＥ０：０次モード）についての電界成分の大きさを示す。図９（ａ）および図１０（ａ）は、光導波路の断面における強度分布を示す。なお、図９（ａ）および図１０（ａ）のＸ軸は、基板２の表面に平行な方向に対応し、Ｙ軸は基板２に対して垂直な方向に対応する。一方、図９（ｂ）および図１０（ｂ）には、それぞれ図９（ａ）および図１０（ａ）に示す強度分布において、Ｘ＝０に対応する軸上の強度変化を示す。
【００９７】
図９と図１０とを比較すると、本実施の形態に従う光リング共振器を採用することで、サンプルＳＭＰが存在する方向の電界成分が増大していることがわかる。このように、光導波路（コア３２）を伝搬する光波の電界振動方向が、コア３２と低屈折率層６とを結ぶ方向と一致するように構成されることで、検出感度をより高めることができる。
【００９８】
次に、低屈折率層６の屈折率ｎＬｏｗＮの好ましい大きさについて検討する。
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。
【００９９】
光リング共振器においては、コア３２をリング状に形成して光共振を起こさせるため、光波が低屈折率層６を伝搬する状態は望ましくない。
【０１００】
図１１は、許容される伝搬モードの低屈折率層６の屈折率ｎＬｏｗＮについての依存性を示す図である。図１１においては、低屈折率層６の屈折率ｎＬｏｗＮを１．５〜３．５の範囲で変化させるとともに、ＴＥモード（ＴＥ０：０次モード）およびＴＭモード（ＴＭ０：０次モード）のそれぞれにおける実効屈折率Ｎｅｆｆの変化を示す。なお、低屈折率層６の屈折率ｎＬｏｗＮが実効屈折率Ｎｅｆｆを超えると、光波は、コア３２ではなく低屈折率層６を伝搬するようになる。
【０１０１】
図１１に示すように、光波がコア３２を伝搬するという条件、および、光導波路内を光波が伝搬するモードが存在するという条件を満たす条件は、低屈折率層６の屈折率ｎＬｏｗＮ＜２．５となる。すなわち、低屈折率層６の屈折率ｎＬｏｗＮ≧２．５となると、光リング共振器内の光波がコア３２ではなく、低屈折率層６を伝搬するようになる。
【０１０２】
ここで、コア３２の低屈折率層６に対する比屈折率差Δ’ｃｏｒｅは、（６）式のように示すことができる。
【０１０３】
【数６】
0005581955.tif 000007
【０１０４】
（６）式に対して、低屈折率層６の屈折率ｎＬｏｗＮ＜２．５という条件を適用すると、Δ’ｃｏｒｅ＞０．２４という条件式が算出される。したがって、コア３２の低屈折率層６に対する比屈折率差Δ’ｃｌａｄは０．２４以上に設計することが好ましい。
【０１０５】
同様に、低屈折率層６のクラッド４に対する比屈折率差Δ’ｃｌａｄは、（７）式のように示すことができる。
【０１０６】
【数７】
0005581955.tif 000008
【０１０７】
（７）式に対して、低屈折率層６の屈折率ｎＬｏｗＮ＜２．５という条件を適用すると、Δ’ｃｏｒｅ＜０．３３という条件式が算出される。したがって、コア３２の低屈折率層６に対する比屈折率差Δ’ｃｌａｄは０．３３未満に設計することが好ましい。
【０１０８】
以上のように、低屈折率層６の屈折率ｎＬｏｗＮは、光リング共振器３の光導波路がシングルモード条件を満足するとともに、光波が実質的に低屈折率層６を伝搬しないように設定される。
【０１０９】
［Ｆ．変形例］
（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。
【０１１０】
（ｆ２．サンプルＳＭＰの接触位置の変形例）
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。
【０１１１】
図１２は、本実施の形態の変形例に従う光リング共振器３の光導波路の断面構造を示す模式図である。図１２を参照して、本実施の形態の変形例に従う微小物質検出センサにおいては、サンプルＳＭＰは、基板２上においてコア３２の側面に（コア３２に並んで）配置されている。このとき、低屈折率層６は、基板２上において、コア３２とサンプルＳＭＰとの間に介挿されるように配置される。
【０１１２】
図１２に示すような構造は、例えば、光リング共振器３の中心に孔を設けておき、流路などを通じて当該孔へサンプルＳＭＰを導入することによって実現できる。光導波路などの作成については、半導体リソグラフィなどの公知技術を用いて、高精度かつ安価に大量生産することができる。
【０１１３】
また、この場合には、ＴＥモードの光波を測定に用いることが好ましい。上述したように、検出感度を高めるためには、光導波路（コア３２）を伝搬する光波の電界振動方向が、コア３２と低屈折率層６とを結ぶ方向と一致するように構成することが好ましい。図１２に示す構成においては、サンプルＳＭＰが基板２に対して平行な方向に位置することになるので、コア３２を伝搬する光波の主たる電界成分の方向が基板２の表面に平行な方向と一致するＴＥモードを採用することが好ましい。
【０１１４】
（ｆ３．スポットサイズ変換導波路）
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。
【０１１５】
このようにスポットサイズ変換導波路を設けることで、一般的な光デバイスを用いることができるため、汎用性を高めることができる。そのため、本実施の形態に従う微小物質検出センサを用いた微小物質検出装置を容易に実現できる。
【０１１６】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１１７】
１  微小物質検出センサ、２  基板、３  光リング共振器、６  低屈折率層、１０  光源、２０  検出部、３１，３２  コア、３３  方向性結合部、３４  入射端、３５  出射端、５１  下地層、５２，１０２  吸着物質、５３，１０４  被検出物質、ＳＭＰ  サンプル、ＳＹＳ  微小物質検出装置。
【図１】
0005581955.tif 000009
【図２】
0005581955.tif 000010
【図３】
0005581955.tif 000011
【図４】
0005581955.tif 000012
【図５】
0005581955.tif 000013
【図６】
0005581955.tif 000014
【図７】
0005581955.tif 000015
【図８】
0005581955.tif 000016
【図９】
0005581955.tif 000017
【図１０】
0005581955.tif 000018
【図１１】
0005581955.tif 000019
【図１２】
0005581955.tif 000020