(57)【要約】【課題】リング共振器型のセンサで生体物質が検出できるようにする。【解決手段】下部クラッド層１０２および下部クラッド層１０２の上に形成された直線コア部１０３およびリングコア部１０４を備えるコアから構成されたリング共振器１１１を備え、下部クラッド層１０２の上で、リングコア部１０４の一部のコアの上に接して形成されたグラフェンからなる炭素層１０５を備える。【選択図】  図１
2014232076.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部クラッド層および前記下部クラッド層の上に形成された直線コア部およびリングコア部を備えるコアから構成されたリング共振器と、
前記下部クラッド層の上で、一部の前記リングコア部の上に接して形成されたグラフェンからなる炭素層と、
前記直線コア部の導波方向に交差する方向に延在し、流れる液体が前記炭素層に接触する状態とされた流路部と
を備えることを特徴とするリング共振器型センサ。
【請求項２】
請求項１記載のリング共振器型センサにおいて、
前記炭素層は、
前記リングコア部に接して形成された第１グラフェンと、
前記第１グラフェンの上に絶縁層を介して形成された第２グラフェンとを備え、
前記第１グラフェンと前記第２グラフェンとの間には電圧が印加可能とされていることを特徴とするリング共振器型センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リング共振器より構成された生体物質の測定を行うためのリング共振器型センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
光半導体材料は、数多くの元素が知られており、一般的にＩＩ−ＶＩ半導体材料、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料、ＩＶ族半導体材料に分類される。この中でも、光通信分野においては、シリコンおよびゲルマニウムなどに代表されるＩＶ族半導体材料を用いたコアによる光導波路を用いた光応用技術（通称：シリコンフォトニクス技術）が注目されている。この技術を用いることにより、大量生産が可能かつ小型・集積化など優れた利点を有することから、チップ間光インターコネクションに代表される極短距離光通信から中・長距離光通信まで幅広い応用が検討されている。
【０００３】
一方、上述した半導体から構成したコアによる光導波路の技術を、生体物質の検出に応用する動きも盛んである。通信応用で知られる大量生産と小型・集積化可能であることに加えて、コア材料とクラッド材料の屈折率差（Δｎ＝約２．５）が非常に大きいことから、コア周囲へのエバネッセント波（漏れ出し電界）が大きいことが、上述した技術の特徴である。従って、半導体によるコアを用いた光導波路を利用することで、高感度で周囲の屈折率変化を捉えることが可能である。
【０００４】
例えば、シリコンコアからなるサブミクロンオーダの微細加工により形成したリング共振器を用い、リング共振器周囲に選択的に試料溶液が流れる構造とした生体物質センサが提案されている（非特許文献１参照）。このセンサでは、ナトリウムイオン、３−アミノプロピルトリメトキシシラン（ＡＰＴＭＳ）、ペルオキシダーゼ（ＨＲＰ）、オリゴヌクレオチド（ＤＮＡ）などが、測定対象物として挙げられている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】M. Iqbal et al. ,"Label-Free Biosensor Arrays Based on Silicon Ring Resonators and High-Speed Optical Scanning Instrumentation",IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, vol.16, no.3, pp.654-661 ,2010.
【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、上述したリング共振器を用いたセンシング原理では、検出可能な物理量は、測定対象物質の屈折率変化のみであり、材料を選択的に識別できない。例えば、コアと非常に近い屈折率の測定対象物質、もしくは、コアと同一屈折率の測定対象物質は見分けることが原理的に難しい。
【０００７】
一方、コアに測定対象物質が吸着（付着）すれば、エバネッセント波が吸収されて導波光の強度が変化するので、測定対象物の検出が可能となる。しかしながら、一般に、光の導波特性を優先して形成しているコアの表面には、生体物質が吸着し難いので、この点においても、リング共振器型のセンサでは、生体物質の検出が困難である。
【０００８】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、リング共振器型のセンサで生体物質が検出できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るリング共振器型センサは、下部クラッド層および下部クラッド層の上に形成された直線コア部およびリングコア部を備えるコアから構成されたリング共振器と、下部クラッド層の上で、一部のリングコア部の上に接して形成されたグラフェンからなる炭素層と、直線コア部の導波方向に交差する方向に延在し、流れる液体が炭素層に接触する状態とされた流路部とを備える。
【００１０】
上記リング共振器型センサにおいて、炭素層は、リングコア部に接して形成された第１グラフェンと、第１グラフェンの上に絶縁層を介して形成された第２グラフェンとを備え、第１グラフェンと第２グラフェンとの間には電圧が印加可能とされている。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、リング共振器を構成するリングコア部にグラフェンからなる炭素層を設けるようにしたので、リング共振器型のセンサで生体物質が検出できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の実施の形態におけるリング共振器型センサの構成を示す平面図（ａ）および一部断面図（ｂ）である。
【図２】図２は、実施の形態におけるリング共振器型センサの特性を解析した結果を示す特性図である。
【図３】図３は、実施の形態におけるリング共振器型センサの検出領域におけるグラフェン長とＱ値および消光比との関係を示す特性図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態における他のリング共振器型センサの構成を示す平面図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態における他のリング共振器型センサの構成を示す平面図（ａ）および一部断面図（ｂ）である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態における他のリング共振器型センサの構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態におけるリング共振器型センサの構成を示す平面図（ａ）および一部断面図（ｂ）である。このセンサは、まず、下部クラッド層１０２および下部クラッド層１０２の上に形成された直線コア部１０３およびリングコア部１０４を備えるコアから構成されたリング共振器１１１を備える。コアは、例えば、断面視矩形であり、チャネル型導波路を構成している。
【００１４】
下部クラッド層１０２は、基板１０１の上に形成されている。例えば、よく知られたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用い、埋め込み絶縁層を下部クラッド層１０２とし、表面シリコン層をパターニングして直線コア部１０３およびリングコア部１０４とすればよい。この場合、コアは、シリコンから構成されることになる。
【００１５】
また、実施の形態におけるリング共振器型センサは、下部クラッド層１０２の上で、一部のリングコア部１０４の上に接して形成されたグラフェンからなる炭素層１０５を備える。グラフェンは、炭素ｓｐ2結合で構成された炭素原子が２次元に結合した構造である。グラフェンは、層状物質グラファイトを構成する原子層を１層取り出したものといえる。なお、炭素層１０５は、リングコア部１０４の所望とする検出領域に形成すればよい。
【００１６】
また、直線コア部１０３の導波方向に交差する方向に延在し、流れる液体１２１が炭素層１０５に接触する状態とされた流路部１０６を備える。例えば、リングコア部１０４は、平面視で直径２０μｍ程度のリング状に形成されている。また、流路部１０６は、例えば、リングコア部１０４の形成領域が含まれる程度の幅に形成されている。このリング共振器型センサでは、リング共振器を構成してる直線コア部１０３およびリングコア部１０４は、下部クラッド層１０２の上において、上面および側面を露出した状態としている。
【００１７】
流路部１０６は、例えば、流路基板１０７に形成された溝部から構成されている。流路基板１０７は、例えば、ガラスやプラスチックなどから構成すればよい。実施の形態では、流路部１０６には、導入口１６１および排出口１６２が接続されている。導入口１６１および排出口１６２は、流路基板１０７を貫通して形成された孔部から構成されている。導入口１６１に、測定対象物質が含まれる溶液を、マイクロピペットなどにより供給すれば、この溶液が、流路部１０６を流れるようになる。
【００１８】
例えば、よく知られたフォトリソグラフィー技術により、ＳＵ−８などのネガレジストを用いて鋳型を形成する。次に、形成した鋳型にＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）を流し込み、これを加熱することで硬化させ、この後、ＰＤＭＳにより構成された流路基板１０７を鋳型より離型する。流路基板１０７には、流路部１０６などのマイクロ流路となる溝部や、導入口１６１および排出口１６２となる貫通孔が形成された状態となる。このようにして形成した流路基板を、炭素層１０５が形成されているリングコア部１０４を備えるリング共振器１１１の上に載置して固定すれば、実施の形態におけるリング共振器型センサが得られる。
【００１９】
上述した実施の形態のリング共振器型センサによれば、流路部１０６を流れる測定対象の試料溶液中に存在する核酸などの生体物質が、炭素層１０５に吸着する。炭素層１０５を構成するグラフェンは、ｓｐ2混成軌道の結合によって構成される材料であるため、面間方向（ｐ軌道）では、π−π結合による強い相互作用を備えることが知られている。このため、例えば、核酸（ＤＮＡ、ＲＮＡ）を構成する塩基とグラフェンとの間には、π−πスタッキング相互作用が働き、核酸がグラフェンに吸着する。
【００２０】
直線コア部１０３による光導波路の一方より入力された光信号は、直線コア部１０３とリングコア部１０４との近設部により構成される方向性結合器で、リングコア部１０４に結合されて導波する。この中で、生体物質がリングコア部１０４の炭素層１０５形成部に吸着すると、リングコア部１０４より染み出すエバネッセント波が、吸着した生体物質に吸収されるようになる。これらのことにより、直線コア部１０３による光導波路を通り抜ける光信号の強度は、上述した吸収により変化することになる。この変化の状態を測定することで、炭素層１０５に吸着した生体物質の状態を検出できる。
【００２１】
例えば、特定の疾患タンパク質と特異的に結合する核酸配列（アプタマー）と炭素層１０５表面との核酸の競合吸着を、上述したように観察することで、蛍光分子や酵素などの標識剤を必要としない、ラベルフリーな生体物質の検出が可能となる。また、グラフェンは、温度や機械強度などに関して高安定性を同時に示すことから、センシング時の環境変化によるノイズの発生が抑制でき、長期保管に対して非常に有効である。更に、グラフェンは、光波長に対して無依存であるため、測定対象物質の吸収特性に依らない光源の選択が可能である。
【００２２】
ところで、下部クラッド層１０２の上に直線コア部１０３，リングコア部１０４などを形成した後で、炭素層１０５を形成すればよい。各コア部を形成した後、全域にグラフェンを成膜した後、一部のリングコア部１０４と重なる所望とする検出領域にグラフェンが残るように、パターニングすればよい。
【００２３】
前述したようにＳＯＩ基板の表面シリコン層よりコアの部分を形成する場合、コア形成前の表面シリコン層の上にグラフェンを形成すると、コア形成後には、コアの上面にしかグラフェンを配置できない。これに対し、コアの部分を形成した後で、グラフェンを形成すれば、コアの上面に加え、コアの側面にもグラフェンが形成できる。このように、コアの上面および両側面に炭素層１０５が形成できれば、検出領域（炭素層１０５とエバネッセント波とが重なる領域）をより増やすことが可能となる。
【００２４】
ところで、グラフェンは、光電界に対して大きな光吸収係数を持っている。１層のグラフェンで、波長に依らず２．３％であることが知られている。このため、上述したリング共振器型センサでは、炭素層１０５を形成した検出領域の広さ（長さ）と、グラフェンによる光吸収による感度劣化とが、トレードオフになると予想される。以下では、理論解析として、具体的な数値計算結果を挙げて、リングコア部１０４における最適な導波方向の検出領域の長さ（グラフェン長）について説明する。
【００２５】
一般的な、シングルパスのリング共振器では、直線導波路の入力端面より導波された信号光は、方向性結合器へと伝搬され、方向性結合器において、直線導波路の出射方向と、リング導波路方向とに分波される。このとき、直線導波路の出射方向に分波された光の透過率は、解析的に求めることが可能であり、以下の式（１）で表される。この（式１）により、より適切なグラフェン長を導出する。
【００２６】
【数１】
2014232076.tif 000003
【００２７】
式（１）において、Ｔは光強度透過率、Ｐは光強度、αは減衰係数、Ｌはリング共振器長、κは方向性結合器の結合定数、ｌは方向性結合器の結合長、φは光位相である。
【００２８】
まず、検出領域となるグラフェン長の導出において、以下に示すパラメータを設定した。リング共振器１１１は、リングコア部１０４が、シリコンから構成され、半径Ｒ＝１０μｍとする。従って、リング共振器長Ｌ＝２πＲ≒６２．８μｍとなる。
【００２９】
次に、減衰係数は、炭素層１０５を形成しない場合は、リング共振器１１１を構成している光導波路の伝搬損失２ｄＢ／ｃｍと仮定し、その他の吸収は無いものとした。この場合、リングコア部１０４の部分全体の損失をリング共振器長Ｌで平均化した吸収係数αSiliconは、２３．０ｍ-1となる。
【００３０】
一方、炭素層１０５を形成する構成として、グラフェン長を、５μｍ，１０μｍ，および２０μｍの３例を設定した、また、グラフェンによる吸収損失は、０．０９ｄＢ／μｍと仮定した（なお、シリコン導波路の伝搬損失２ｄＢ／ｃｍが重畳される）。この場合、リングコア部１０４の部分全体の損失をリング共振器長Ｌで平均化した吸収係数αGrapheneは、設定した３つの条件において、各々、８４８．２ｍ-1、１６７３．３ｍ-1、３３２３．５ｍ-1となる。なお、この値は、ＴＥモードにて実際に測定された値である。また、測定した単位長さ当たりの吸収損失は、ラマン分光によりｐ型の状態と推定されるグラフェンである。なお、グラフェンにおける導電型の状態は、グラフェンの成長手法およびプロセスなどに依存するため、この限りではない。
【００３１】
最後に、方向性結合器の結合係数κおよび結合長ｌは、モデル簡略化のため両者の積であるκ×ｌの値として０．１と設定した。
【００３２】
なお、入力部および出力部やリング共振部における導波路寸法は、コアおよびクラッドとなる材料の屈折率に依存するため、一意には決定できないが、本実施例ではチャネル型シリコン導波路構造を例に取り、断面視で、コア幅は４００〜６００ｎｍとし、コア高さは１５０〜３００ｎｍ程度を仮定する。
【００３３】
上述したパラメータ設定による解析結果を図２に示す。図２において、横軸は光位相変化（Phaseshift［rad］）、縦軸は、直線コア部による光導波路の出力側から見た光強度透過率（Transmittance［a.u.］）を示す。また、図２において、（ａ）は、炭素層１０５を形成しない構成の解析結果である。また、（ｂ）は、グラフェン長が、５μｍの構成の解析結果である。また、（ｃ）は、グラフェン長が、１０μｍの構成の解析結果である。また、（ｄ）は、グラフェン長が、２０μｍの構成の解析結果である。
【００３４】
光信号の波長を光通信で一般的に用いられる１．５５μｍと仮定した場合、シリコン（伝搬損失２ｄＢ／ｃｍ）からコアを構成している場合、炭素層を形成していない構成では半値幅は２．３ＧＨｚ（Ｑ値：〜８２０００）であるのに対し、グラフェン長５μｍ、１０μｍ、２０μｍの場合、各々２１．４ＧＨｚ（Ｑ値：〜９０００）、４０．２ＧＨｚ（Ｑ値：〜４８００）、７８．０ＧＨｚ（Ｑ値：〜２５００）と変化した。
【００３５】
また、消光比についても上述と同様にして解析した結果、炭素層を形成していない状態では、５．２ｄＢであるのに対して、グラフェン長５μｍ，１０μｍ，２０μｍの場合、各々１．６ｄＢ，０．８ｄＢ，０．４ｄＢであった。
【００３６】
次に、上述した結果を左側の縦軸をＱ値とし、右側の縦軸を消光比としてプロットすると、図３に示す結果となる。白丸がＱ値の変化を示し、黒丸が消光比の変化を示している。図３に示すように、上述した設計パラメータの構成では、共振スペクトルの半値幅と消光比の双方共に、グラフェン長１０μｍを越えると急激に特性が悪化している（Ｑ値＞１００００、消光比＞１ｄＢ）。このことから、本発明における最適なグラフェン長は、数μｍ程度であると推測できる。
【００３７】
ここで、グラフェンのフェルミレベルは、グラフェンの成長手法およびプロセスなどにより変化し、このフェルミレベルの状態により炭素層の吸収率が大きく変化する。このように、吸収率が大きく変化する場合や、測定対象物質の吸着面積を優先する場合、図４に示すように、リングコア部１０４に対して２つの炭素層１０５ａ，炭素層１０５ｂを設けるようにしてもよい。ただし、方向性結合器付近は、結合係数の変化が予想されるため、炭素層を配置しない方がよい。
【００３８】
次に、屈折率変化によるリング共振波長変化について、簡単に説明する（非特許文献１参照）。リング共振条件は、次の式（２）で示される。
【００３９】
【数２】
2014232076.tif 000004
【００４０】
式（２）において、ｎeffは実効屈折率、Ｌはリング共振器長、ｍは共振次数である。例として、実効屈折率ｎeff＝２．１６７（断面形状４００ｎｍ×２００ｎｍの場合）、リング共振器長Ｌ＝６２．８μｍ、共振次数ｍ＝８８と設定すると、共振波長は１５４７．２３ｎｍに一意に決まる。この条件では、測定対象物質の炭素層１０５への付着による屈折率変化ｎeffを受けた場合の共振波長変化は、以下の式３で示される。
【００４１】
【数３】
2014232076.tif 000005
【００４２】
例として、屈折率変化ｎeff＝＋０．００１の変化を受けた場合、共振波長は１５４７．９５ｎｍに変化する。直線コア部１０３による光導波路を透過した光の共振波長シフトを測定することにより、炭素層１０５へのＤＮＡやＲＮＡなどの生体物質の吸着、更には、吸着した生体物質の濃度を把握することができる。
【００４３】
ところで、前述したように、グラフェンのフェルミレベルは、グラフェンの成長手法およびプロセスなどにより変化し、例えば、ｐ型の特性を有するグラフェンが形成される場合がある。このため、炭素層１０５においては、フェルミレベルを電荷中性点近傍とするなどの調整ができるようにするとよい。
【００４４】
このためには、図５に示すように、炭素層１０５を、リングコア部１０４に接して形成された第１グラフェン２０５ａと、第１グラフェン２０５ａの上に絶縁層２０４を介して形成された第２グラフェン２０５ｂとから構成すればよい。第１グラフェン２０５ａには配線２１１ａを接続し、第２グラフェン２０５ｂには配線２１１ｂを接続し、電圧が印加可能とされていればよい。絶縁層２０４は、例えば、ＳｉＯ2またはＡｌ2Ｏ3から構成すればよい。第１グラフェン２０５ａと第２グラフェン２０５ｂとの間に印加する電圧の変化により、炭素層１０５におけるフェルミレベルが調整可能である。
【００４５】
このように、炭素層１０５におけるフェルミレベルを調整可能とすることで、炭素層１０５における吸収係数が制御できるようになり、最適なＱ値および消光比の設定が可能となる。このことにより、Ｓ／Ｎ比を向上させることができ、検出時の共振波長シフトがより正確に測定できるようになる。
【００４６】
以上に説明したように、本発明によれば、リング共振器を構成するリングコア部にグラフェンからなる炭素層を設けるようにしたので、リング共振器型のセンサで生体物質が検出できるようになる。
【００４７】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、リング共振器は、シングルパスに限るものではなく、図６に示すように、２つの直線コア部３０１，３０２と、リングコア部３０３とを備えるデュアルパスのリング共振器としてもよい。この場合においても、一部のリングコア部３０３の上に接して形成されたグラフェンからなる炭素層３０５を備えるようにすればよい。
【００４８】
また、コアの材料は、シリコンなどの半導体に限るものではなく、窒化シリコン、ゲルマニウム、インジウム燐、石英、ガリウムヒ素、高分子ポリマーなどかを用いるようにしてもよい。また、炭素層は、１層のグラフェンに限らず、多層のグラフェンから構成してもよい。複数のグラフェンを積層して炭素層とすることで、更なる高感度化が可能となる。
【符号の説明】
【００４９】
１０１…基板、１０２…下部クラッド層、１０３…直線コア部、１０４…リングコア部、１０５…炭素層、１０６…流路部、１０７…流路基板、１１１…リング共振器、１６１…導入口、１６２…排出口。
【図１】
2014232076.tif 000006
【図３】
2014232076.tif 000007
【図４】
2014232076.tif 000008
【図５】
2014232076.tif 000009
【図６】
2014232076.tif 000010
【図２】
2014232076.tif 000011