(57)【要約】【課題】良好な波長選択性を持つ光学素子を提供する。【解決手段】基板１１は絶縁体で構成される。複数のキャビティ部１２１，１２２，…は、基板１１の表面上に配置される。各キャビティ部における第１起立部１２１１と第２起立部１２１２は、いずれも、基板１１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いる。各キャビティ部における接続部１２１３は、第１起立部１２１１と第２起立部１２１２とを接続することによって、キャビティ部を断面略Ｕ字形状に形成している。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。チャネル部１３は、隣接するキャビティ部の間に配置される。チャネル部１３は、このチャネル部１３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。【選択図】図２
2015141144.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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
請求項１に記載の光学素子。
【請求項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
請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項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
請求項３に記載の光学素子。
【請求項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
請求項４に記載の光学素子。
【請求項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
請求項５に記載の光学素子。
【請求項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
請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項８】
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。
【請求項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
請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項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
請求項９に記載の光学素子。
【請求項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
請求項９に記載の光学素子。
【請求項１２】
請求項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。
【請求項１３】
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。
【請求項１４】
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。
【請求項１５】
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。
【請求項１６】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０４４２７４号公報
【特許文献２】特開２００９−１３３７８７号公報
【特許文献３】特開２０１０−２１０２５３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】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.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【００１１】
（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。
【００１２】
（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。
【００１３】
（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。
【００１４】
（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。
【００１５】
（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。
【００１６】
（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。
【００１７】
（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。
【００１８】
（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。
【００１９】
（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。
【００２０】
（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。
【００２１】
（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。
【００２２】
（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。
【００２３】
（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。
【００２４】
（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。
【００２５】
（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。
【００２６】
（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。
【発明の効果】
【００２７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】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。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
（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。
【００３０】
（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。
【００３１】
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。
【００３２】
（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。
【００３３】
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。
【００３４】
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、ＣａＦ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３であるが、他の物質も使用可能である。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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ＶＯ２、Ｉｎ２Ｏ３）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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
（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。
【００４７】
（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。
【００４８】
（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。
【００４９】
（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。
【００５０】
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。
【００５１】
（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
【００５２】
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）。
【００５３】
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。
【００５４】
（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。
【００５５】
（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）。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
（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。
【００６１】
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、Ｓｉ３Ｎ４、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）。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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）。
【００６５】
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。
【００６６】
（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。
【００６７】
（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。
【００６８】
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。
【００６９】
（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
【００７０】
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。
【００７１】
（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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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）。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
（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。
【００８１】
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）。
【００８２】
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。
【００８３】
（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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
（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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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）。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
（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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【符号の説明】
【０１０２】
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
【図１】
2015141144.tif 000003
【図２】
2015141144.tif 000004
【図３】
2015141144.tif 000005
【図４】
2015141144.tif 000006
【図６】
2015141144.tif 000007
【図７】
2015141144.tif 000008
【図８】
2015141144.tif 000009
【図９】
2015141144.tif 000010
【図１０】
2015141144.tif 000011
【図１１】
2015141144.tif 000012
【図１３】
2015141144.tif 000013
【図５】
2015141144.tif 000014
【図１２】
2015141144.tif 000015