(57)【要約】【課題】可視光の分光が可能なフォトニック結晶素子を安価に提供する。【解決手段】分光素子１１は、基板１１０と、純金属からなり、基板１１０上に配置された金属薄膜１１１と、可視光を通す樹脂からなり、金属薄膜１１１上に配置されたポリマー層１１２とを備える。ポリマー層１１２には、各々の直径が可視光の波長よりも小さい複数の空孔Ｐが周期的に形成されている。ポリマー層１１２は、周期的に形成される複数の空孔Ｐのうちの一部が点状に欠陥した点状欠陥領域Ｒ２を有する。【選択図】図１４
2019211326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
純金属からなり、前記基板上に配置された金属薄膜と、
可視光を通す樹脂からなり、前記金属薄膜上に配置された樹脂層とを備え、
前記樹脂層には、各々の直径が前記可視光の波長よりも小さい複数の空孔が周期的に形成されており、
前記樹脂層は、周期的に形成される前記複数の空孔のうちの一部が点状に欠陥した点状欠陥を有する、フォトニック結晶素子。
【請求項２】
前記樹脂層の可視領域における屈折率は、１．４以上かつ１．７５以下である、請求項１に記載のフォトニック結晶素子。
【請求項３】
前記複数の空孔のうちの隣接する空孔間の距離である格子定数に対する前記直径の比は、０．２以上かつ１．０以下である、請求項１または２に記載のフォトニック結晶素子。
【請求項４】
前記複数の空孔の各々は、前記樹脂層から前記金属薄膜に向かって前記直径が大きくなる逆テーパー形状を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のフォトニック結晶素子。
【請求項５】
各々が請求項１〜４のいずれか１項に記載のフォトニック結晶素子である複数の分光素子と、
前記可視光を発する光源と、
前記光源からの前記可視光が照射される試料を保持するように構成された保持部と、
前記試料に照射されて前記複数の分光素子により分光された光を検出する光検出器とを備え、
前記複数の分光素子の間では、前記複数の空孔のうちの隣接する空孔間の距離と、前記直径と、前記樹脂層の厚さとのうちの少なくとも１つが互いに異なる、分光システム。
【請求項６】
試料に含まれる可能性がある被検出物質を可視領域の検出光を用いて検出するための検出キットであって、
請求項１〜４のいずれか１項に記載のフォトニック結晶素子を備え、
前記点状欠陥の周囲に前記複数の空孔が形成された領域のうちの少なくとも一部は、前記被検出物質を特異的に付着可能なホスト物質により修飾されている、被検出物質の検出キット。
【請求項７】
前記検出光を発する光源と、
請求項６に記載の検出キットを保持するように構成された保持部と、
前記検出光による前記検出キットのスペクトル変化に基づいて前記被検出物質を検出する検出装置とを備える、被検出物質の検出システム。
【請求項８】
フォトニック結晶素子の製造方法であって、
基板上に金属薄膜を形成するステップと、
可視光を通す樹脂に鋳型を転写することにより、各々の直径が前記可視光の波長よりも小さい複数の空孔が周期的に形成された空孔形成領域と、前記複数の空孔のうちの一部に点状欠陥が形成された点状欠陥領域とを含む樹脂層を形成するステップとを含み、
前記複数の空孔の各々は、前記樹脂層から前記金属薄膜に向かって前記直径が大きくなる逆テーパー形状を有し、
前記フォトニック結晶素子の製造方法は、
前記樹脂層と仮設基板とを接着するステップと、
前記樹脂層から前記鋳型を除去するステップと、
前記金属薄膜と前記樹脂層とを接着するステップと、
前記樹脂層から前記仮設基板を除去するステップとをさらに含む、フォトニック結晶素子の製造方法。
【請求項９】
フォトニック結晶素子の製造方法であって、
基板上に金属薄膜を形成するステップと、
可視光を通す樹脂に鋳型を転写することにより、各々の直径が前記可視光の波長よりも小さい複数の空孔が周期的に形成された空孔形成領域と、前記複数の空孔のうちの一部に点状欠陥が形成された点状欠陥領域とを含む樹脂層を形成するステップとを含み、
前記複数の空孔の各々は、円柱形状、および、前記樹脂層から前記金属薄膜に向かって前記直径が小さくなるテーパー形状のうちのいずれかの形状を有し、
前記フォトニック結晶素子の製造方法は、
前記金属薄膜と前記樹脂層とを接着するステップと、
前記樹脂層から前記鋳型を除去するステップとをさらに含む、フォトニック結晶素子の製造方法。
【請求項１０】
前記樹脂は、光硬化性樹脂であり、
前記樹脂層を形成するステップは、前記光硬化性樹脂を硬化させるための光を照射するステップを含む、請求項８または９に記載のフォトニック結晶素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、フォトニック結晶を含む光学素子およびそれを備えた分光システム、被検出物質の検出キットおよび検出システム、ならびに、フォトニック結晶を含む光学素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶は、周期的な屈折率分布を有する光学材料であり、屈折率が異なる材料を多次元的に周期配列させることによって作製される。フォトニック結晶は従来の光学材料では得られない光学特性を発現するため、フォトニック結晶を含む光学素子は次世代素子として注目されている（たとえば特許文献１または非特許文献１参照）。以下では、フォトニック結晶を含む光学素子を「フォトニック結晶素子」とも称する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−２０７４９６号公報
【特許文献２】特開２０１４−２０２５７４号公報
【特許文献３】国際公開第２０１０／０４４２７４号
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Y.  Takahashi,  T.  Asano,  D.  Yamashita,  S.  Noda,  "Ultra-compact  32-channel  drop  filter  with  100  GHz  spacing"  Optics  Express  Vol.22,  Issue  4,  pp.4692-4698
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
典型的な分光システムは、光源と、試料を保持する保持部（試料室またはステージ）と、分光器と、光検出器とを備える。従来の分光器には、回折格子またはプリズム等の分散素子が設けられている。一方、近年ではフォトニック結晶素子を分光に適用することが提案されている。
【０００６】
これまでに提案された分光用のフォトニック結晶素子は、リソグラフィーまたは電子ビーム描画およびエッチングの技術を用いて、シリコンまたは化合物半導体などの半導体材料を加工することにより作製される。しかし、シリコンは赤外光を通す（透過、伝播）させるものの、可視光は通さない。よって、シリコンを用いると可視光を分光することはできない。一方の化合物半導体は一般に高価である。分光用の光学素子においては、可視光を分光可能であり、かつ安価であることに対する要望が常に存在する。
【０００７】
また、分光用のフォトニック結晶素子を用いて試料のスペクトル変化を検出することによって、試料に含まれ得る被検出物質を検出することも考えられる。このような被検出物質の検出においても、被検出物質の光学特性に応じて可視光を使用することが求められる場合がある。さらに、被検出物質の検出キットも安価に作製可能であることが望ましい。
【０００８】
本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、可視光の分光が可能なフォトニック光学素子を提供することである。また、本開示の他の目的は、上記フォトニック光学素子を安価に製造可能な技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）本開示のある局面に従うフォトニック結晶素子は、基板と、純金属からなり、基板上に配置された金属薄膜と、可視光を通す樹脂からなり、金属薄膜上に配置された樹脂層とを備える。樹脂層には、各々の直径が可視光の波長よりも小さい複数の空孔が周期的に形成されている。樹脂層は、周期的に形成される複数の空孔のうちの一部が点状に欠陥した点状欠陥を有する。
【００１０】
（２）好ましくは、樹脂層の可視領域における屈折率は、１．４以上かつ１．７５以下である。
【００１１】
（３）好ましくは、複数の空孔のうちの隣接する空孔間の距離である格子定数に対する直径の比は、０．２以上かつ１．０以下である。
【００１２】
（４）好ましくは、複数の空孔の各々は、樹脂層から金属薄膜に向かって直径が大きくなる逆テーパー形状を有する。
【００１３】
（５）本開示の他の局面に従う分光システムは、各々が上記フォトニック結晶素子である複数の分光素子と、可視光を発する光源と、光源からの可視光が照射される試料を保持するように構成された保持部と、試料に照射されて複数の分光素子により分光された光を検出する光検出器とを備える。複数の分光素子の間では、複数の空孔のうちの隣接する空孔間の距離と、直径と、樹脂層の厚さとのうちの少なくとも１つが互いに異なる。
【００１４】
（６）本開示のさらに他の局面に従う被検出物質の検出キットは、試料に含まれる可能性がある被検出物質を可視領域の検出光を用いて検出するためのキットである。検出キットは、上記フォトニック結晶素子を備える。点状欠陥の周囲に複数の空孔が形成された領域のうちの少なくとも一部は、被検出物質を特異的に付着可能なホスト物質により修飾されている。
【００１５】
（７）本開示のさらに他の局面に従う被検出物質の検出システムは、検出光を発する光源と、請求項６に記載の検出キットを保持するように構成された保持部と、検出光による検出キットのスペクトル変化に基づいて被検出物質を検出する検出装置とを備える。
【００１６】
（８）本開示のさらに他の局面に従うフォトニック結晶素子の製造方法は、第１〜第６のステップを含む。第１のステップは、基板上に金属薄膜を形成するステップである。第２のステップは、可視光を通す樹脂に鋳型を転写することにより、各々の直径が可視光の波長よりも小さい複数の空孔が周期的に形成された空孔形成領域と、複数の空孔のうちの一部に点状欠陥が形成された点状欠陥領域とを含む樹脂層を形成するステップである。複数の空孔の各々は、樹脂層から金属薄膜に向かって直径が大きくなる逆テーパー形状を有する。第３のステップは、樹脂層と仮設基板とを接着するステップである。第４のステップは、樹脂層から鋳型を除去するステップである。第５のステップは、金属薄膜と樹脂層とを接着するステップである。第６のステップは、樹脂層から仮設基板を除去するステップである。
【００１７】
（９）本開示のさらに他の局面に従うフォトニック結晶素子の製造方法は、第１〜第４のステップを含む。第１のステップは、基板上に金属薄膜を形成するステップである。第２のステップは、可視光を通す樹脂に鋳型を転写することにより、各々の直径が可視光の波長よりも小さい複数の空孔が周期的に形成された空孔形成領域と、複数の空孔のうちの一部に点状欠陥が形成された点状欠陥領域とを含む樹脂層を形成するステップである。複数の空孔の各々は、円柱形状、および、樹脂層から金属薄膜に向かって直径が小さくなるテーパー形状のうちのいずれかの形状を有する。第３のステップは、金属薄膜と樹脂層とを接着するステップである。第４のステップは、樹脂層から鋳型を除去するステップである。
【００１８】
（１０）好ましくは、樹脂は、光硬化性樹脂である。樹脂層を形成するステップ（第２のステップ）は、光硬化性樹脂を硬化させるための光を照射するステップを含む。
【発明の効果】
【００１９】
本開示によれば、可視光の分光が可能なフォトニック結晶素子を安価に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施の形態１に係る分光システムの全体構成を概略的に示す図である。
【図２】分光器の構成を示す図である。
【図３】分光素子の上面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ’線に沿う分光素子の断面図である。
【図５】分光素子の走査型電子顕微鏡像である。
【図６】分光素子の拡大走査型電子顕微鏡像である。
【図７】分光素子による分光メカニズムを説明するための図である。
【図８】分光素子による光閉じ込めのメカニズムを説明するための図である。
【図９】分光素子のスペクトルのシミュレーション結果の一例を示す図である。
【図１０】分光素子のスペクトルの測定結果の一例を示す図である。
【図１１】分光素子のパラメータ設計手法を説明するための図である。
【図１２】格子定数が３００ｎｍに固定された場合の分光素子のパラメータ設計手法を説明するための図である。
【図１３】実施の形態１における、円柱構造を有する分光素子の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図１４】円柱構造を有する分光素子の製造方法の概略工程図である。
【図１５】鋳型を準備するステップを詳細に説明するための概略工程図である。
【図１６】テーパー構造を有する分光素子の製造方法の概略工程図である。
【図１７】分光素子による光閉じ込めのメカニズムを説明するための図である。
【図１８】テーパー構造を有する分光素子によるスペクトルと、逆テーパー構造を有する分光素子によるスペクトルとを比較するための図である。
【図１９】分光素子の構造の違いによるＱ値への影響を示す図である。
【図２０】実施の形態２における分光素子の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図２１】逆テーパー構造を有する分光素子の製造方法の概略工程図である。
【図２２】逆テーパー構造を有する分光素子の断面画像である。
【図２３】シリコーンゴム基板の除去後の分光素子の画像である。
【図２４】完成した分光素子の上面画像である。
【図２５】実施の形態１，２の変形例に係る分光素子の上面図である。
【図２６】実施の形態３に係る検出システムの全体構成を概略的に示す図である。
【図２７】実施の形態３に係るバイオセンサの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本開示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、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００２２】
本開示およびその実施の形態において、「空孔」とは、直径がナノメートルオーダーの微細孔を意味する。空孔の深さは、ナノメートルオーダーであってもよいし、より深くてもよい。空孔の形状は、円柱を含むがこれに限定されず、円錐台（テーパ−形状）であってもよい。なお、空孔は貫通孔であることが好ましい。空孔の両端のうちの一方または両方が固体（たとえば金属）に達している場合にも空孔を貫通孔と見なすことができる。また、空孔の断面形状は、できるだけ真円に近い方が望ましいが、楕円であってもよい。
【００２３】
「ナノメートルオーダー」とは、１ｎｍから１，０００ｎｍ（＝１μｍ）までの範囲を意味する。ナノメートルオーダーは、典型的には数ｎｍ〜数百ｎｍの範囲を示し、好ましくは２０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲を示し、より好ましくは５０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲を示し得る。
【００２４】
本開示およびその実施の形態において、「可視光」または「可視領域」の光とは、３６０ｎｍ〜８３０ｎｍの波長領域の光を意味する。「赤外光」または「赤外領域」の光とは、８３０ｎｍ〜２，５００ｎｍの波長領域の光を意味する。「紫外光」または「紫外領域」の光とは、１０ｎｍ〜３６０ｎｍの波長領域の光を意味する。
【００２５】
本開示およびその実施の形態において、「可視光を通す」材料、または、「可視光に対して透明」な材料とは、材料の厚さが所定値（１ｍｍ）である場合に、可視光（可視領域の単色光であってもよい）の透過率が５０％以上の材料を意味し、好ましくは７０％以上である材料を意味する。
【００２６】
本開示およびその実施の形態において、「試料」とは、被検出物質を含む物質または被検出物質を含む可能性がある物質を意味する。試料は、たとえば動物（たとえばヒト、ウシ、ウマ、ブタ、ヤギ、ニワトリ、ラット、マウスなど）からの生体試料であり得る。生体試料は、たとえば、血液、組織、細胞、分泌液、体液等を含み得る。なお、試料は、それらの希釈物を含んでもよい。
【００２７】
本開示において、「被検出物質」とは、検出キットを用いて検出される物質を意味する。被検出物質の例としては、細胞、微生物（細菌、真菌等）、生体高分子（タンパク質、核酸、脂質、多糖類等）、抗原（アレルゲン等）およびウイルスなどが挙げられる。ただし、被検出物質は、生体由来の物質に限定されず、金属ナノ粒子、半導体ナノ粒子、有機ナノ粒子、樹脂ビーズなどであってもよい。「金属ナノ粒子」とは、ナノメートルオーダーのサイズを有する金属粒子である。「半導体ナノ粒子」とは、ナノメートルオーダーのサイズを有する半導体粒子である。「有機ナノ粒子」とは、ナノメートルオーダーのサイズを有する有機化合物からなる粒子である。「樹脂ビーズ」とは、ナノメートルオーダーのサイズを有する樹脂からなる粒子である。また、被検出物質は、上記ナノ粒子の集合体または集積構造体を含んでもよい。
【００２８】
本開示において、「ホスト物質」との用語は、被検出物質を特異的に付着させることが可能な物質を意味する。被検出物質を特異的に付着させることが可能なホスト物質と被検出物質との組み合わせとしては、たとえば、抗原と抗体、糖鎖とタンパク質、脂質とタンパク質、低分子化合物（リガンド）とタンパク質、タンパク質とタンパク質、一本鎖ＤＮＡと一本鎖ＤＮＡなどが挙げられる。これらの特異的親和性を有する両者のうちのいずれか一方が被検出物質である場合に、他方をホスト物質として用いることができる。すなわち、たとえば抗原が被検出物質である場合には、抗体をホスト物質として用いることができる。逆に抗体が被検出物質である場合には、抗原をホスト物質として用いることができる。また、ＤＮＡのハイブリダイゼーションにおいては、被検出物質がターゲットＤＮＡであり、ホスト物質がプローブＤＮＡである。なお、抗原は、アレルゲン、微生物（細菌、真菌など）、ウイルスなどを含み得る。また、抗体の種類を変えることによって、検出可能なアレルゲンあるいはウイルスの種類を変えることもできる。したがって、本開示により検出可能なアレルゲンまたはウイルスの種類は特に限定されるものではない。また、被検出物質が重金属である場合には、重金属イオンを捕集可能な物質をホスト物質として利用することができる。
【００２９】
実施の形態１，２では、本開示に係るフォトニック結晶素子を含んで構成される分光システムの構成について説明する。以下に説明する例では、本開示に係る分光システムにより得られるスペクトルとして、横軸に光の波長を示し、縦軸に光の強度を示す。しかし、スペクトルの種類はこれに限定されず、横軸に光のエネルギーに比例した物理量（波数、周波数、電子ボルトなど）を示すものであってもよく、縦軸に光強度から導かれる物理量(偏光度など）を示すものであってもよい。
【００３０】
［実施の形態１］
＜分光システムの全体構成＞
図１は、実施の形態１に係る分光システムの全体構成を概略的に示す図である。以下の説明では、Ｘ方向およびＹ方向は水平方向を表す。Ｘ方向とＹ方向とは互いに直交する。Ｚ方向は鉛直方向を表す。重力の向きはＺ方向下方である。また、Ｚ方向上方を「上方」と略し、Ｚ方向下方を「下方」と略す場合がある。
【００３１】
図１を参照して、分光システム１は、光源２と、試料室３と、分光器１０と、光検出器４と、制御装置５とを備える。試料室３には、分光対象とする試料を保持するセルＣＬが載置されている。
【００３２】
光源２は、制御装置５からの指令に応じて、試料を照射するための可視光である照射光Ｌ１を発する。１つの実施例として、ハロゲンランプなどの白色光源を光源２として用いることができる。
【００３３】
試料室３は、たとえばＸＹＺ軸ステージと、調整機構（いずれも図示せず）とを含んで構成されている。調整機構は、たとえばサーボモータまたは焦準ハンドルなどの駆動機構であり、制御装置５からの指令に応じて、照射光Ｌ１の照射位置とＸＹＺ軸ステージとの相対的な位置関係を調整する。なお、試料室３は、本開示に係る「保持部」に相当する。
【００３４】
セルＣＬ内の試料に照射光Ｌ１が照射されると、照射光Ｌ１のうちの一部が試料を透過する。この透過光Ｌ２が分光器１０に入射され、分光器１０内に設けられた分光素子１１〜１４（図２参照）により分光される。分光器１０の詳細な構成については後述する。
【００３５】
光検出器４は、可視領域の光を検出可能な光電変換素子がアレイ状に配列された検出器であり、たとえばＣＣＤ（Charge  Coupled  Device）イメージセンサまたはＣＭＯＳ（Complementary  Metal-Oxide-Semiconductor）イメージセンサを含んで構成されている。光検出器４は、制御装置５からの指令に応じて、分光器１０からの出射光Ｌ３を検出し、その検出結果を制御装置５に出力する。
【００３６】
制御装置５は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）と、メモリと、入出力ポート（いずれも図示せず）とを含んで構成されるマイクロコンピュータである。制御装置５は、分光システム１内の各機器（光源２、調整機構および光検出器４）を制御する。また、制御装置５は、光検出器４による検出結果に基づいて試料の散乱スペクトルを作成する。
【００３７】
なお、分光システム１の光学系は、光源２からの照射光Ｌ１をセルＣＬに照射することが可能であり、かつ、試料の透過光Ｌ２を分光器１０に入射することが可能であり、かつ、分光器１０により分光された出射光Ｌ３を光検出器４に取り込むことが可能であれば、図１に示した構成に限定されない。たとえば、分光システム１の光学系は、ミラー、ダイクロイックミラー、プリズム、光ファイバ等の光学部品（図示せず）をさらに含んで構成されていてもよい。また、図１には試料の散乱スペクトルを測定する例が示されているが、試料の他の光応答スペクトル（吸収スペクトル、反射スペクトル、消衰スペクトルなど）を分光システム１により測定してもよい。
【００３８】
図２は、分光器１０の構成を示す図である。図２を参照して、分光器１０は、互いに近接して同一平面（ＸＹ平面）上に配列された分光素子１１〜１４を含む。分光素子１１〜１４の各々は、２次元フォトニック結晶素子であり、互いに異なる特定の波長の光を選択的に増強するように構成されている（詳細は後述）。
【００３９】
図面が煩雑になるのを防ぐため、図２には４つの分光素子のみが示されているが、分光素子の数は複数であればこれに限定されず、５以上であってもよい。分光素子数は、各素子により増強される波長幅、および、測定しようとするスペクトルの波長領域の広さなどに応じて適宜定められ、実際には、より多く（たとえば数十個〜数百個）の分光素子が分光器１０内に設けられる。ただし、分光素子数は２または３であってもよい。
【００４０】
なお、分光器１０は、分光素子１１〜１４と外部との間で光の授受を行なうための光学部品をさらに含んでもよい。具体的には、分光素子１１〜１４の端面近傍または上方に光導波路（光ファイバーなど）を設けてもよいし、ミラーまたはレンズ（コリメータ）などの光学素子を設けてもよい。
【００４１】
分光素子１１〜１４の構成は、空孔Ｐの形状が異なるものの、基本的に同等であるため、以下では分光素子１１の構成について代表的に説明する。
【００４２】
＜分光素子の構成＞
図３は、分光素子１１の上面図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ’線に沿う分光素子１１の断面図である。図３および図４を参照して、分光素子１１は、基板１１０と、金属薄膜１１１と、ポリマー層１１２とを備える。
【００４３】
基板１１０は、分光素子１１の機械的強度を確保するために設けられ、たとえばシリコン基板である。あるいは、ガラス基板またはＰＥＴ（polyethylene  terephthalate）フィルムなどを基板１１０として採用してもよい。基板１１０の形状は特に限定されないが、本実施の形態では、上面視した場合に長方形となる平面形状（直方体形状）である。
【００４４】
金属薄膜１１１は、純金属からなり、基板１１０上に配置された薄膜である。金属薄膜１１１の材料としては、具体的に、金、銀、銅、アルミニウム、チタンおよびクロムのうちのいずれか１つを好適に用いることができる。金属薄膜１１１の厚みは、特に限定されないが、数十ｎｍ〜数百ｎｍ（本実施の形態では２００ｎｍ）であることが好ましい。
【００４５】
金属薄膜１１１の屈折率は、ポリマー層１１２の屈折率よりも十分に小さいことが望ましい。また、金属薄膜１１１の可視領域における反射率は、５０％以上であることが望ましい。
【００４６】
ポリマー層（樹脂層）１１２は、可視光を通すポリマーからなり、金属薄膜１１１上に配置された薄膜である。ポリマー層１１２の屈折率は、可視領域において分光素子１１の周囲の媒質（この例では空気）の屈折率よりも大きく、かつ、金属薄膜１１１の屈折率よりも大きい。なお、以下に記載する屈折率の数値も、いずれも可視領域のものである。
【００４７】
本実施の形態では、エポキシ樹脂ベースの光硬化性樹脂（日本化薬株式会社製、型番：ＳＵ−８  ２０００．５）がポリマー層１１２の材料として用いられる。この光硬化性樹脂の屈折率は、１．５〜１．６である。
【００４８】
ただし、ポリマー層１１２の材料は、可視光を通す（好ましくは可視光に対して透明）であれば、エポキシ樹脂に限定されるものではない。たとえば、ポリオレフィン系樹脂（ポリエチレン、ポリプロピレンなど）、ポロスチレン、ポリ塩化ビニル、アクリル樹脂、ポリアミド系樹脂（ナイロンなど）、または、ポリエステルをポリマー層１１２の材料（本開示に係る「樹脂」）として用いてもよい。これらの樹脂の屈折率は、１．４〜１．７５である。
【００４９】
ポリマー層１１２には、周期的（より詳細には六方最密構造状）に配列された複数の空孔Ｐが形成されている。空孔Ｐの開口部の半径を「半径ｒ」と記載し、隣接する空孔Ｐ間の距離を「格子定数ａ」と記載する。また、ポリマー層１１２の厚さを「膜厚ｔｈ」と記載する。
【００５０】
本実施の形態においては、複数の空孔Ｐのうちの一部には空孔Ｐが形成されておらず、その位置はポリマーにより充填（埋設）されている。これにより、複数の空孔Ｐの配列に一部に欠陥Ｑが形成されている。詳細には、ポリマー層１１２は、空孔形成領域Ｒ１と、点状欠陥領域Ｒ２と、線状欠陥領域Ｒ３とを含む。
【００５１】
空孔形成領域Ｒ１とは、複数の空孔Ｐが周期的に配列された領域である。点状欠陥領域Ｒ２とは、点状（図３および図４に示す例では１つ）の欠陥Ｑを含む領域である。線状欠陥領域Ｒ３とは、線状に配列された複数の欠陥Ｑを含む領域であり、この例では、ポリマー層１１２を上面視した場合の長方形の向かい合う辺の間を直線状につなぐ領域である。なお、点状欠陥領域Ｒ２は、線状欠陥領域Ｒ３に対して電磁気的に相互作用を及ぼし合い得る範囲内に近接して配置される。
【００５２】
図５は、分光素子１１の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning  Electron  Microscope）像である。図６は、分光素子１１の拡大ＳＥＭ像である。図５および図６に示す例では、空孔Ｐの半径ｒが６０ｎｍ〜１３０ｎｍの範囲内の値であり、格子定数ａが３００ｎｍであり、ポリマー層１１２の膜厚ｔｈが３５０ｎｍであった。
【００５３】
図４に示した断面図では、複数の空孔Ｐの各々は、その直径が一定である「円柱形状」を有する。以下では、各空孔Ｐが円柱形状である分光素子を「円柱構造」を有する分光素子１１Ａと記載する。これに対し、図６の右側に示された断面画像において、複数の空孔Ｐの各々は、ポリマー層１１２から金属薄膜１１１に向かって（すなわち図中下側に向かって）直径が小さくなる「テーパー形状」を有する。以下では、各空孔Ｐがテーパー形状である分光素子を「テーパー構造」を有する分光素子１１Ｂと記載する。なお、両者を特に区別しない場合には包括的に分光素子１１と記載する。
【００５４】
＜分光メカニズム＞
以上のように構成された分光素子１１による分光メカニズムについて、図７および図８を用いて簡単に説明する。
【００５５】
図７は、分光素子１１による分光メカニズムを説明するための図である。図１、図２および図７を参照して、分光素子１１のポリマー層１１２では、２次元フォトニック結晶の周期的な屈折率分布により光のエネルギーに対してバンド構造が形成される。そのため、ポリマー層１１２は、光の伝播が不可能となるエネルギー領域(フォトニックバンドギャップ)を有する。ポリマー層１１２の主面に平行な方向（図７ではＸＹ平面方向）への光の伝播は、フォトニックバンドギャップにより禁じられている。一方、周期構造が設けられていない、ポリマー層１１２の主面に垂直な方向（図７ではＺ方向であり、以下、「面直方向」とも記載する）については、以下に説明するメカニズムにより光がポリマー層１１２内に閉じ込められる。
【００５６】
図８は、分光素子１１による光閉じ込めのメカニズムを説明するための図である。図８（Ａ）には円柱構造を有する分光素子１１Ａが示され、図８（Ｂ）にはテーパー構造を有する分光素子１１Ｂが示されている。図８（Ａ）および図８（Ｂ）（ならびに後述する図１７）では、図中左側に分光素子１１のＸＺ断面図を示し、右側に面直方向に沿う分光素子１１の屈折率ｎを示す。
【００５７】
図８（Ａ）を参照して、ポリマー層１１２の上面ＴＳよりも上方の屈折率は、分光素子１１の周囲に媒質として存在する空気の屈折率であり、約１．０である。ポリマー層１１２の屈折率（たとえば１．４〜１．７５）は、空気の屈折率よりも大きい。そのため、ポリマー層１１２内の光は、ポリマー層１１２の上面ＴＳと空気との界面において全反射を起こし、上面ＴＳから外部に取り出されることなくポリマー層１１２内に留まることになる。
【００５８】
分光素子１１の下面ＵＳよりも下方には金属薄膜１１１が配置されている。前述のように金属薄膜１１１は純金属からなるため、ポリマー層１１２内の光は、ポリマー層１１２の下面ＵＳと金属薄膜１１１との界面においても鏡面反射を起こす。このように、ポリマー層１１２が低屈折率である媒質（この例では空気）と、純金属からなる金属薄膜１１１とにより面直方向に挟まれているため、両界面での反射によりポリマー層１１２の内部に光を閉じ込めることができる。
【００５９】
なお、図８（Ｂ）にように分光素子１１がテーパー構造を有する場合、面直方向に沿ってポリマー層１１２の上面ＴＳから下面ＵＳに向かうに従ってポリマー層１１２の断面積（あるいは、ＸＹ平面方向の全面積に対してポリマー層１１２が占める面積の割合）が増加する。これに伴い、上面ＴＳから下面ＵＳに向かうに従ってポリマー層１１２の屈折率も大きくなる。このように、分光素子１１がテーパー構造を有する場合には、面直方向に沿うポリマー層１１２の屈折率分布が異なるものの、光閉じ込めメカニズムは分光素子１１が円柱構造を有する場合と基本的に同等である。
【００６０】
再び図７を参照して、ポリマー層１１２に適切な欠陥Ｑを形成すると、エネルギー準位（欠陥準位）がフォトニックバンドギャップ中に形成される。そうすると、フォトニックバンドギャップ中のエネルギーに対応する波長領域のうち、欠陥準位のエネルギーに対応する波長の光のみが欠陥Ｑの位置に存在可能になる。
【００６１】
複数の欠陥Ｑが線状に配列された線状欠陥領域Ｒ３は、導波路として機能する。そのため、図７に示すように線状欠陥領域Ｒ３の一方端に透過光Ｌ２を入射すると、その入射光を複数の欠陥Ｑの配列方向（図７ではＸ方向）に沿って伝播させることができる。なお、線状欠陥領域Ｒ３の幅は、導波路として求められる特性に応じて種々に変更することが可能である。典型的な線状欠陥領域Ｒ３は図３および図７に示すように１列の欠陥Ｑを形成しないことによって得られるが、隣接する複数列の欠陥Ｑが形成されてもよい。
【００６２】
一方、１つの欠陥Ｑが設けられた点状欠陥領域Ｒ２は、光共振器（の一部）として機能する。この光共振器は、「フォトニック結晶ナノ共振器」（ＰＣＮ：Photonic  Crystal  Nanocavity）とも呼ばれる（図５に白線破線で示す）。点状欠陥領域Ｒ２において共振する光の波長（共振波長λ）は、欠陥Ｑの形状および屈折率に依存する。そのため、空孔Ｐの半径ｒおよび格子定数ａならびにポリマー層１１２の膜厚ｔｈを適宜設定することで、共振波長λを選択することができる。すなわち、所望の波長を選択的に増強させることが可能になる。したがって、周囲の空孔Ｐの形状が互いに異なる複数の点状欠陥領域Ｒ２を設けることにより、様々な波長の光を増強させることができる。
【００６３】
図２に示した分光器１０の構成例において、分光素子１１〜１４の空孔形成領域Ｒ１および点状欠陥領域Ｒ２は、互いに異なる波長の光を共振させるように設計されている。そのため、波長領域が広い透過光Ｌ２（この例では白色光）を線状欠陥領域Ｒ３内に導入すれば、分光素子１１〜１４毎に異なる波長の光が増強される。そして、各分光素子１１〜１４において増強された波長の光は、点状欠陥領域Ｒ２からＱ値が相対的に小さい面直方向へと出射される（出射光Ｌ３）。このようにして、分光素子１１〜１４により透過光Ｌ２が分光される。
【００６４】
従来の分光素子には、シリコンまたは化合物半導体などの半導体材料が用いられる。シリコンは、赤外光は低損失で伝搬させ得るものの、可視光を伝搬させることはできない。よって、シリコンを用いた素子では可視光を分光することはできない。これに対し、分光素子１１では可視光を通すポリマー層１１２が用いられているため、分光素子１１〜１４により可視光を分光することができる。また、ポリマー層１１２の材料（樹脂）は、特に化合物半導体と比較した場合に遥かに安価である。したがって、実施の形態１によれば、可視光の分光が可能な分光素子１１〜１４を安価に実現することができる。
【００６５】
＜スペクトルの測定／シミュレーション＞
次に、分光素子１１によるスペクトルのシミュレーション結果および測定結果を説明する。これらの結果は、試料室３に試料が設置されていない条件下において、分光素子１１の分光性能を評価するためのものである。
【００６６】
図９は、分光素子１１のスペクトルのシミュレーション結果の一例を示す図である。このシミュレーションでは、時間領域差分法（ＦＤＴＤ：Finite-Difference  Time-Domain  method）を用いた。図９および図１０において、横軸は分光素子１１からの出射光の波長を表し、縦軸は出射光の強度を表す。
【００６７】
図９には、空孔Ｐの半径ｒを６０ｎｍから１３０ｎｍまでの範囲内で１０ｎｍずつ増加させた場合のスペクトル変化が示されている。これにより、スペクトルの孔径依存性が理解される。図９より、半径ｒが大きくなるに従ってピーク波長が短波長側にシフト（ブルーシフト）することが分かる。
【００６８】
図１０は、分光素子１１のスペクトルの測定結果の一例を示す図である。図１０（Ａ）には半径ｒ＝９０ｎｍである場合の測定結果が示されており、図１０（Ｂ）には半径ｒ＝１００ｎｍである場合の測定結果が示されている。
【００６９】
図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）に示されるように、半径ｒ＝９０ｎｍである場合にはスペクトルのピーク波長が約６００ｎｍであったのに対し、半径ｒ＝１００ｎｍである場合にはピーク波長が約５６０ｎｍであった。図９に示したシミュレーション結果と図１０に示す測定結果とを比較すると、両者がよく一致することが分かる。これにより、半径ｒに応じて特定の波長の光を選択的に増強可能であることが実証された。
【００７０】
＜分光素子の設計＞
図９および図１０に示した例では空孔Ｐの半径ｒを調整したが、格子定数ａの調整によっても共振波長λを変化させることができる。よって、これらのパラメータ（半径ｒおよび格子定数ａ）が適切な値になるように欠陥Ｑの形状を設計することで、共振波長λが可視領域内に含まれるようになり、可視光を分光することが可能になる。
【００７１】
図１１は、分光素子１１のパラメータ設計手法を説明するための図である。図１１において、横軸は、格子定数ａに対する空孔Ｐの半径ｒの比（＝ｒ／ａ）を表す。縦軸は、格子定数ａと共振波長λとの比（＝ａ／λ）を表す。
【００７２】
共振波長λが可視領域内になるようにするためには、図中に斜線が付された領域内に各パラメータを設定すればよい。具体的には、格子定数ａに対する半径ｒの比（ｒ／ａ）を０．１以上かつ０．５以下とすればよいことが図１１から読み取れる。理解をより容易にするため、一例として、格子定数ａを３００ｎｍに固定した場合について説明する。
【００７３】
図１２は、格子定数ａが３００ｎｍに固定された場合の分光素子１１のパラメータ設計手法を説明するための図である。図１２には、空孔Ｐの半径ｒ（横軸）と共振波長λ（縦軸）との間の関係が示されている。図１２によれば、格子定数ａ＝３００ｎｍの場合には、半径ｒを２０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲内とすることにより、共振波長λが可視領域内（この例では５３０ｎｍ〜８１０ｎｍの範囲内）となることが分かる。
【００７４】
なお、図１１および図１２には示されていないが、ポリマー層１１２の膜厚ｔｈによっても共振波長λを調整することができる。膜厚ｔｈが共振波長λに与える影響は、半径ｒおよび格子定数ａが共振波長λに与える影響と比べて小さい。したがって、半径ｒおよび格子定数ａの設定後に共振波長λの微調整のために膜厚ｔｈを用いることができる。
【００７５】
＜フォトニック結晶素子の製造フロー＞
多くの場合、シリコンまたは化合物半導体などの半導体材料の加工には、リソグラフィーまたは電子ビーム描画などの精密加工技術が用いられる。これらの技術には高価な露光装置が必要とされる。そのため、半導体材料からなる分光素子を大量生産するためには、その生産量に応じた台数の露光装置を準備しなければならず、製造コストが増大する可能性がある。以下では、製造コストを低減するため、インプリント（転写）技術を用いた分光素子１１の製造方法について説明する。
【００７６】
なお、円柱構造を有する分光素子１１Ａと、テーパー構造を有する分光素子１１Ｂとは、同等の製造方法によって製造可能であるため、以下では分光素子１１Ａの製造方法を代表的に説明する。
【００７７】
図１３は、実施の形態１における、円柱構造を有する分光素子１１Ａの製造方法を説明するためのフローチャートである。図１４は、円柱構造を有する分光素子１１Ａの製造方法の概略工程図である。
【００７８】
図１３および図１４（Ａ）を参照して、ステップ（以下、ステップを「Ｓ」と略す）１１において、基板１１０上に金属薄膜１１１が形成される。より詳細には、まず、基板１１０が洗浄される。たとえば、アセトンで満たしたビーカー（図示せず）の中に基板１１０を沈め、超音波洗浄機（図示せず）を用いて超音波を所定時間照射することで基板１１０を洗浄することができる。この洗浄後に、たとえばイオンスパッタリング法により基板１１０上に金属薄膜１１１が形成される。金属薄膜１１１の膜厚は、たとえば数十ｎｍ〜数百ｎｍである。なお、金属薄膜１１１の形成手法は、イオンスパッタリング法に限られず、他の物理気相成長法（ＰＶＤ：Physical  Vapor  Deposition）、化学気相成長法（ＣＶＤ：Chemical  Vapor  Deposition）、無電解メッキ法などを用いてもよい。
【００７９】
続くＳ１２１〜Ｓ１２６では、インプリント技術に使用するための鋳型７０が準備される（図１４（Ｂ）参照）。
【００８０】
図１５は、鋳型７０を準備するステップを詳細に説明するための概略工程図である。図１３および図１５を参照して、Ｓ１２１において、電子ビーム描画またはドライエッチングによりシリコンを加工することにより、シリコン鋳型７１が作製される（図１５（Ａ）参照）。なお、シリコン鋳型７１の作製には電子ビーム描画が使用され得るが、シリコン鋳型７１を用いて多数の分光素子１１を作製可能である（多数回の使用が可能である）ため、分光素子１１の製造コストの増加は最小限に抑えられる。
【００８１】
続くＳ１２２において、シリコン鋳型７１に光硬化性樹脂が充填され、光照射が行なわれる。これにより、樹脂鋳型７２が作製される（図１５（Ｂ）参照）。樹脂鋳型７２に採用可能な光硬化性樹脂としては、たとえば、紫外光で硬化する接着剤であるノーランド社製ＮＯＡ８１が挙げられる。その後、たとえばＰＥＴからなるプラスチック基板７３が樹脂鋳型７２に接着される（Ｓ１２３、図１５（Ｃ）参照）。ただし、Ｓ１２３の処理は省略可能である。
【００８２】
次に、シリコン鋳型７１が除去され（Ｓ１２４、図１５（Ｄ）参照）、樹脂鋳型７２に水溶性樹脂が塗布される（Ｓ１２５、図１５（Ｅ）参照）。水溶性樹脂としては、たとえばポリビニルアルコール（ＰＶＡ：poly（vinyl  alcohol））を好適に用いることができる。水溶性樹脂が乾燥するまで所定時間待ち、乾燥した水溶性樹脂を樹脂鋳型７２から剥離することで鋳型７０が作製される（Ｓ１２５、図１５（Ｆ）参照）。
【００８３】
図１３および図１４に戻り、Ｓ１３において、ポリマーを鋳型７０に充填することによりポリマー層１１２が形成される（図１４（Ｃ）参照）。より具体的には、エポキシ系の光硬化性樹脂であるポリマー（ＳＵ−８）が充填された状態の鋳型７０に所定強度の紫外光を規定時間だけ照射し、ポリマーに光硬化を起こさせる。
【００８４】
Ｓ１４において、鋳型７０のうち光硬化したポリマーが充填された面（ポリマー層１１２が形成された面）と、Ｓ１１にて形成された金属薄膜１１１とが接着される（図１４（Ｄ）参照）。ポリマー層１１２と金属薄膜１１１との接着には、樹脂―金属接合に使用可能な一般的な接着剤（たとえばエポキシ系の接着剤）が用いられる。
【００８５】
Ｓ１５において、鋳型７０が除去される（図１４（Ｅ）参照）。詳細には、鋳型７０は水溶性樹脂からなるため、水中に浸漬することにより鋳型７０を溶解することができる。これにより、分光素子１１Ａが完成し、一連の処理が終了する。
【００８６】
図１６は、テーパー構造を有する分光素子１１Ｂの製造方法の概略工程図である。この概略工程図は、鋳型７０に代えて、テーパー形状形成用の鋳型８０が使用されている点において、円柱構造を有する分光素子１１Ａを製造するための概略工程図（図１４参照）と異なる。鋳型８０は、鋳型７０と同様に作製することができる。また、図１６に示される各工程は、鋳型８０を使用する点以外は図１２に示した概略工程図の対応する工程と同等である。よって、詳細な説明は繰り返さない。
【００８７】
以上のように、実施の形態１に係る分光素子１１〜１４は、２次元フォトニック結晶構造が作製されたポリマー層１１２を備える。このポリマー層１１２が可視光を通すため、可視光を分光することができる。また、ポリマー層１１２の材料（樹脂）は化合物半導体と比べて安価であるため、部材コストを低減することができる。さらに、インプリント技術を使用することで、リソグラフィーまたは電子ビーム描画を使用する従来技術と比べ、製造コストも低減することができる。このように、実施の形態１によれば、可視光の分光が可能なフォトニック結晶素子である分光素子１１〜１４および、それを備えた分光システム１を安価に提供することができる。
【００８８】
［実施の形態２］
実施の形態１では、円柱構造を有する分光素子１１Ａおよびテーパー構造を有する分光素子１１Ｂについて説明した。一般に、分光器の波長分解能は、より小さいほど望ましく、好ましくは数ｎｍ以下である。しかしながら、図１０に示したスペクトル測定結果によれば、ピーク幅（半値幅）が２０ｎｍ〜３０ｎｍ程度と広い。このことは、分光素子１１の波長分解能が比較的低いことを示している。
【００８９】
そこで、実施の形態２においては、「逆テーパー構造」を有する分光素子１１Ｃについて説明する。逆テーパー構造とは、ポリマー層１１２から金属薄膜１１１に向かって、各空孔Ｐの直径が大きくなる構造を意味する。分光素子１１Ｃが逆テーパー構造を有することにより、以下に説明するように波長分解能を向上させることができる。なお、実施の形態２に係る分光システムの全体構成は、実施の形態１に係る分光システム１の構成（図１参照）と同等である。
【００９０】
＜逆テーパー構造＞
図１７は、分光素子１１Ｃによる光閉じ込めのメカニズムを説明するための図である。図１７は、図８（Ａ）および図８（Ｂ）と対比される。
【００９１】
図８（Ａ）および図８（Ｂ）にて、点状欠陥領域Ｒ２にて共振された光は、ポリマー層１１２の上面ＴＳと空気との界面において全反射を起こすとともに、ポリマー層１１２の下面ＵＳと金属薄膜１１１との界面において全反射を起こすため、ポリマー層１１２内に閉じ込められると説明した。しかし、図８（Ａ）および図８（Ｂ）に示されるように、ポリマー層１１２の下面ＵＳと金属薄膜１１１との界面における屈折率変化量（屈折率の差または比）ΔｎＵが比較的大きいのに対し、ポリマー層１１２の上面ＴＳと空気との界面における屈折率変化量ΔｎＴは相対的に小さい。そのため、円柱構造を有する分光素子１１Ａおよびテーパー構造を有する分光素子１１Ｂでは、ポリマー層１１２の上面ＴＳにおける全反射条件が満たされなくなることに起因する光の漏れが発生し易い。その結果、分光素子１１Ａ，１１Ｂの波長分解能が低下し得る。
【００９２】
これに対し、図１７を参照して、逆テーパー構造を有する分光素子１１Ｃにおいては、面直方向に沿ってポリマー層１１２の上面ＴＳに近いほどポリマー層１１２の断面積が大きくなるため、ポリマー層１１２の屈折率も上面ＴＳに近いほど大きくなる。よって、分光素子１１Ｃでは、分光素子１１Ａ，１１Ｂと比べて、上面ＴＳと空気との界面における屈折率変化量ΔｎＴが大きくなる。したがって、ポリマー層１１２の上面ＴＳにおける全反射条件が満たされ易くなることで光閉じ込め効果が増強され、それにより波長分解能を向上させることができる。
【００９３】
なお、分光素子１１Ｃが逆テーパー構造を有する場合、ポリマー層１１２の上面ＴＳにおける屈折率が大きくなる一方で、ポリマー層１１２の下面ＵＳにおける屈折率は小さくなる。そうすると、下面ＵＳと金属薄膜１１１との界面における屈折率変化量ΔｎＵが相対的に小さくなるため、下面ＵＳからの光の漏れが懸念され得る。しかし、金属薄膜１１１に入射する光は鏡面反射によりポリマー層１１２に閉じ込められるため、ポリマー層１１２の下面ＵＳからの光の漏れは問題になりにくい。
【００９４】
＜スペクトル比較＞
図１８は、テーパー構造を有する分光素子１１Ｂによるスペクトルと、逆テーパー構造を有する分光素子１１Ｃによるスペクトルとを比較するための図である。図１８（Ａ）は分光素子１１Ｂによるスペクトル測定結果を示し、図１８（Ｂ）は分光素子１１Ｃによるスペクトル測定結果を示す。分光素子１１Ｂに設けられた各空孔Ｐと、分光素子１１Ｃに設けられた各空孔Ｐとは、形状の上下が逆である点において異なるものの、サイズは同等である。また、分光素子１１Ｂと分光素子１１Ｃとは、共通の格子定数ａを有する。
【００９５】
図１８（Ａ）および図１８（Ｂ）より、逆テーパー構造を有する分光素子１１Ｃでは、テーパー構造を有する分光素子１１Ｂと比べて、ピーク幅が狭くなることが分かる。具体的には、分光素子１１Ｂにおけるピーク幅が約１０ｎｍであったのに対し、分光素子１１Ｃにおけるピーク幅が約３ｎｍ〜４ｎｍであった。これにより、逆テーパー構造により波長分解能が向上することが確認されたと言える。
【００９６】
＜Ｑ値への影響＞
図１９は、分光素子１１Ａ〜１１Ｃの構造の違いによるＱ値への影響を示す図である。図１９の縦軸には、３種類の構造（テーパー構造、円柱構造および逆テーパー構造）毎の分光素子１１のＱ値が表されている。
【００９７】
図１９を参照して、白丸で示す理論値Ｑｉｄｅａｌと黒丸で示す測定値Ｑｅｘｐとの間に若干の誤差が存在するものの、理論値Ｑｉｄｅａｌおよび測定値Ｑｅｘｐは、いずれも、テーパー構造を有する分光素子１１Ａ、円柱構造を有する分光素子１１Ｂ、逆テーパー構造を有する分光素子１１Ｃの順にＱ値が高くなる傾向を示す。つまり、この順に光閉じ込め効果が高くなることが分かる。
【００９８】
＜分光素子の製造フロー＞
図２０は、実施の形態２における分光素子１１Ｃの製造方法を説明するためのフローチャートである。図２１は、逆テーパー構造を有する分光素子１１Ｃの製造方法の概略工程図である。
【００９９】
図２０および図２１を参照して、実施の形態２では、鋳型７０，８０に代えて、逆テーパー形状の空孔Ｐを形成するための鋳型９０が使用される点が異なる。鋳型９０は、実施の形態１における鋳型７０，８０と同様に準備することができる（図１５参照）。Ｓ２１〜Ｓ２３の処理は、鋳型９０が異なる点以外は実施の形態１におけるＳ１１〜Ｓ１３の処理（図１３参照）とそれぞれ同等であるため、説明は繰り返さない。
【０１００】
Ｓ２４において、鋳型９０に充填されて光硬化したポリマー層１１２とシリコーンゴム基板９４とを密着させる（図２１（Ｃ）参照）。シリコーンゴム基板９４とは、シリコーンゴム層が形成された基板であり、本開示に係る「仮設基板」に相当する。
【０１０１】
Ｓ２５において、鋳型９０が除去される（図２１（Ｄ）参照）。鋳型９０も水溶性樹脂（たとえばＰＶＡ）からなるため、水による溶解処理が可能である。
【０１０２】
Ｓ２６において、鋳型９０除去後のポリマー層１１２のうちシリコーンゴム基板９４との接着面の反対面に、Ｓ２１にて作製された金属薄膜１１１が接着される（図２１（Ｅ）参照）。たとえばエポキシ樹脂などの接着剤により、ポリマー層１１２と金属薄膜１１１とを接着することができる。
【０１０３】
Ｓ２７において、Ｓ２４にて密着させたポリマー層１１２からシリコーンゴム基板９４が機械的に剥離される（図２１（Ｆ）参照）。シリコーンゴム基板９４の剥離の際にポリマーの残渣膜が生じる。この残渣膜はエッチング処理により除去される。これにより、分光素子１１Ｃが完成に至り、一連の処理が終了する。
【０１０４】
図２２は、逆テーパー構造を有する分光素子１１Ｃの断面画像である。図２２には、シリコーンゴム基板９４の剥離後かつエッチング処理前における分光素子１１が示されている。図２２に示す断面画像によれば、ポリマー層１１２の残渣膜（後にエッチング処理により除去される膜）の厚さが１８０ｎｍであり、ポリマー層１１２の膜厚ｔｈが２９０ｎｍであった。
【０１０５】
図２３は、ポリマー層１１２の残渣膜の除去後（エッチング後）の分光素子１１Ｃの画像である。図２４は、完成した分光素子１１Ｃの上面画像である。図２３および図２４より、残渣膜が完全に除去されており、空孔Ｐが上方に開口していることが確認された。
【０１０６】
以上のように、実施の形態２に係る分光素子１１Ｃは、実施の形態１に係る分光素子１１Ａ，１１Ｂと同様に可視光を通すポリマー層１１２を備えるため、可視光を分光することができる。また、ポリマーのインプリント技術を使用することで、部材コストおよび製造コストを低減することができる。
【０１０７】
さらに、実施の形態２においては、分光素子１１Ｃが逆テーパー構造を有する。そのため、分光素子１１Ａ，１１Ｂとの比較において、ポリマー層１１２の上面ＴＳと空気との界面における屈折率変化量ΔｎＴが大きくなり、その界面における全反射条件が満たされ易くなる。その結果、光閉じ込め効果が増強され、波長分解能を向上させることができる（図１７および図１８（Ｂ）参照）。このような逆テーパー構造は、一般的なリソグラフィー技術および電子ビーム描画技術では作製が困難であり、インプリント技術の採用により実現可能になる。
【０１０８】
［実施の形態１，２の変形例］
実施の形態１，２では、複数の空孔Ｐのうちの１つに欠陥Ｑが形成されている領域を点状欠陥領域Ｒ２と説明した（図３参照）。しかし、点状欠陥領域Ｒ２に含まれる欠陥Ｑの数は、１に限定されるものではない。
【０１０９】
図２５は、実施の形態１，２の変形例に係る分光素子の上面図である。図２５に示すように、点状欠陥領域Ｒ２は複数の欠陥Ｑを含んでもよい。分光素子１１Ｄにおいては、隣接する３つの欠陥Ｑ１〜Ｑ３が破線で模式的に示されている。欠陥Ｑ１〜Ｑ３のうちの中央の欠陥Ｑ２（より詳細には、欠陥Ｑの位置の仮想的な空孔Ｐの中心軸）を通り、かつ、ポリマー層１１２の主面（ＸＹ平面）に垂直な平面（ＹＺ平面）を平面ＰＬと記載すると、欠陥Ｑ１〜Ｑ３は、平面ＰＬに関して面対称に配列している。
【０１１０】
このように、平面ＰＬに関して面対称に配列しているのであれば、点状欠陥領域Ｒ２に含まれる欠陥Ｑの数は３に限定されるものではなく、５以上（ただし奇数）としてもよい。なお、分光素子１１Ｄに設けられた各空孔Ｐの形状は特に問われず、テーパー形状、円柱形状および逆テーパー形状のうちの任意の形状とすることができる。
【０１１１】
［実施の形態３］
本開示に係るフォトニック結晶素子は、試料の物性を分光学的に調査する用途だけではなく、スペクトル変化に基づいて試料に含まれ得る被検出物質を検出する用途にも適用可能である。実施の形態３においては、被検出物質の一例としてのウイルスを検出するための構成について説明する。
【０１１２】
なお、スペクトル変化とは、ピークシフトであってもよいし、ピーク強度の増大であってもよいし、ピーク幅の増大であってもよい。また、これらのうちの２つまたは３つの組合せであってもよい。
【０１１３】
図２６は、実施の形態３に係るウイルスの検出システムの全体構成を概略的に示す図である。図２６を参照して、検出システム１Ａは、分光器１０を備えていない点、試料室３に代えてステージ（保持部）３Ａを備えている点、および、制御装置５に代えて検出装置５Ａを備えている点において、図１に示した分光システム１と異なる。バイオセンサ１５は、ステージ３Ａ上に設置されている。検出システム１Ａのそれ以外の構成は、分光システム１の対応する構成と同等である。
【０１１４】
ただし、ウイルスの検出システムでは、試料にウイルスが含まれるか否かに応じてスペクトル変化が起こる波長の光を測定すればよい。そのため、光源２は、実質的に単色光（スペクトル変化が起こる波長の光）を発する光源であってもよく、たとえばレーザ光源であってもよい。このときの単色光の波長は、分光素子１１により選択的に増強される可視領域の波長に定められる。
【０１１５】
図２７は、実施の形態３に係るバイオセンサ１５の構成を示す図である。図２７に示すように、バイオセンサ１５においては、点状欠陥領域Ｒ２の周囲の空孔形成領域Ｒ１のうちの少なくとも一部において、被検出物質であるウイルス（図示せず）と特異的に付着可能な抗体（ウイルスとの抗原抗体反応を起こす抗体）１１３により各空孔Ｐの表面が修飾されている。
【０１１６】
空孔Ｐの表面を抗体１１３により修飾することで、空孔Ｐ内に侵入したウイルスが空孔Ｐ内に固定（捕捉）される。ウイルスが空孔Ｐ内に存在しない状態では、空孔Ｐ内は水で満たされている。そのため、空孔Ｐ内の屈折率は、水の屈折率である１．３３である。一方、ウイルスは一般に核酸を取り囲むタンパク質の殻を有するため、ウイルスの屈折率は、タンパク率の代表的な屈折率である１．５８に近い値である。したがって、ウイルスが空孔Ｐ内に固定されると、空孔Ｐ内の屈折率が１．３３から１．５８までの範囲内の値に増加する。この屈折率の増加に起因してスペクトル変化が生じる。よって、スペクトル変化の有無を判定することで、試料にウイルスが含まれているか否かを判定することができる。
【０１１７】
図示しないが、抗体１１３の修飾位置は空孔Ｐ内に限定されず、ポリマー層１１２の上面ＴＳであってもよい。なお、バイオセンサ１５は、本開示に係る「検出キット」に相当する。また、抗体１１３は、被検出物質と特異的に付着可能な「ホスト物質」の一例であり、ホスト物質は、被検出物質に応じて適宜変更され得る。
【０１１８】
バイオセンサ１５の製造方法は、抗体を修飾するための処理を含む以外は、実施の形態１，２における分光素子１１Ａ〜１１Ｄ，１２〜１４の製造方法と同等であるため、ここでは説明は繰り返さない。
【０１１９】
以上のように、実施の形態３によれば、実施の形態１，２と同様に可視光を通すポリマー層１１２が用いられているため、ウイルスの有無に応じた可視光のスペクトル変化を検出することができる。また、ポリマーのインプリント技術の使用により、バイオセンサ１５を安価に製造することができる。
【０１２０】
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。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許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】
【０１２１】
１  分光システム、１Ａ  検出システム、２  光源、３  試料室、３Ａ  ステージ、４  光検出器、５  制御装置、１０  分光器、１１〜１４，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ  分光素子、１５  バイオセンサ、７０，８０，９０  鋳型、７１  シリコン鋳型、７２  樹脂鋳型、７３  プラスチック基板、９４  シリコーンゴム基板、１１０  基板、１１１  金属薄膜、１１２  ポリマー層、１１３  抗体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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