(57)【要約】  バイオセンサに呼び掛けるために１本またはそれより多くの単一モード（ＳＭ）光ファイバを用い、バイオセンサに呼び掛けるために多モード（ＭＭ）光ファイバは用いない、ＳＭ光ファイバ投光/受光システムを有する光読取器システムが説明される。ＳＭ光ファイバ投光/受光システムの使用により、有効に、角度鋭敏性が低められ、不要なシステム反射が低減され、総合角度許容範囲が改善され、共振ピーク反射率及び共振ピーク幅が改善される。（１）デュアルファイバコリメータ投光/受光システム及び（２）垂直入射でバイオセンサに呼び掛けるシングルファイバ投光/受光システムを含む、ＳＭ光ファイバ投光/受光システムの２つの特定の実施形態が説明される。
2008530564.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光読取器システムにおいて、
光源、
光検出器、及び
バイオセンサに呼び掛けるために少なくとも１本の単一モード（ＳＭ）光ファイバを用い、バイオセンサに呼び掛けるために多モード（ＭＭ）光ファイバは全く用いない、投光/受光システム、
を備えることを特徴とする光読取器システム。
【請求項２】
前記投光/受光システムが、前記バイオセンサの前記呼掛け中に生じるフレネル反射及び寄生反射の阻止を可能にする、前記バイオセンサからあらかじめ定められた距離をおいて配置された、レンズを有するデュアルファイバコリメータ投光/受光システムであることを特徴とする請求項１に記載の光読取器システム。
【請求項３】
前記投光/受光システムが、前記バイオセンサの前記呼掛け中に前記バイオセンサ内の単一の回折格子から入力回折格子及び出力回折格子を有効につくりだす、前記バイオセンサからあらかじめ定められた距離をおいて配置された、レンズを有するデュアルファイバコリメータ投光/受光システムであることを特徴とする請求項１に記載の光読取器システム。
【請求項４】
前記投光/受光システムが、垂直入射において前記バイオセンサに呼び掛けるシングルファイバ投光/受光システムであることを特徴とする請求項１に記載の光読取器システム。
【請求項５】
前記シングルファイバ投光/受光システムが、前記バイオセンサの前記呼掛け中に生じるフレネル反射及び寄生反射を阻止する、円偏光子を有することを特徴とする請求項４に記載の光読取器システム。
【請求項６】
前記バイオセンサが共鳴導波路回折格子（ＲＷＧ）センサであることを特徴とする請求項１に記載の光読取器システム。
【請求項７】
バイオセンサに呼び掛けるための方法において、前記方法が、
バイオセンサに呼び掛けるために少なくとも１本の内部組込単一モード（ＳＭ）光ファイバを用い、前記バイオセンサに呼び掛けるために多モード（ＭＭ）光ファイバは全く用いない、投光/受光システムを用いる工程、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
前記投光/受光システム内の前記少なくとも１本のＳＭ光ファイバの前記使用により、１本またはそれより多くのＭＭ光ファイバが前記投光/受光システム内に用いられた場合に存在するであろう、望ましくない空間モードが排除されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記投光/受光システム内の前記少なくとも１本のＳＭ光ファイバの前記使用により、１本またはそれより多くのＭＭ光ファイバが前記投光/受光システム内に用いられた場合よりも、波長変化に関して、小さな前記バイオセンサの角度偏差に対する鋭敏性が前記投光/受光システムに与えられることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記投光/受光システム内の前記少なくとも１本のＳＭ光ファイバの前記使用により、１本またはそれより多くのＭＭ光ファイバが前記投光/受光システム内に用いられた場合よりも、前記バイオセンサにともなう共鳴波長が安定になることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
シングルファイバ投光/受光システムが垂直入射で前記バイオセンサに呼び掛けることにより、前記バイオセンサの角度偏差に対する前記システムの鋭敏性が最小化され、共鳴ピーク幅が最小化され、同時に、角度許容範囲が最大化され、共鳴反射効率が最大化されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、２００５年２月１４日に出願された、名称を「共鳴導波路回折格子センサに呼び掛けるための単一モード（ＳＭ）ファイバ光読取器システム及び方法（Single Mode （SM） Fiber Optical Reader System And Method For Interrogating Resonant Waveguide-Grating Sensor（s））」とする、米国特許出願第１１/０５８１５５号の恩典を主張する。上記特許出願の明細書は本明細書に参照として含まれる。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、寄生反射によって生じる問題に悩まされず、しかも、広い角度許容範囲を保持し、角度変化への感度を最小化して、共鳴導波路回折格子（ＲＷＧ）センサの上面における生物学的イベントを観測するためにＲＷＧセンサに呼び掛けるための単一モード（ＳＭ）ファイバ光読取器システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
光読取器システムの製造業者は常に、バイオセンサ（例えば、ＲＷＧセンサ、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）センサ）の上面で生体分子結合イベント（例えば検体とのリガンドの生物学的結合）がおこったか否かを判定するために、バイオセンサに呼び掛けるために用いることができる、新しい、改善された光読取器システムの設計を試みている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、バイオセンサに呼び掛けるために用いることができる、新しい、改善された光読取器システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、バイオセンサに呼び掛けるために１本またはそれより多くの単一モード（ＳＭ）光ファイバを用い、バイオセンサに呼び掛けるために多モード（ＭＭ）光ファイバは用いない、ＳＭ光ファイバ投光/受光システムを有する光読取器システムを含む。ＳＭ光ファイバ投光/受光システム使用により、有効に、角度鋭敏性が低められ、不要なシステム反射が実効的に低減され、共鳴ピーク反射率及び共鳴ピーク幅が改善される。（１）デュアルファイバコリメータ投光/受光システム及び（２）垂直入射でバイオセンサに呼び掛けるシングルファイバ投光/受光システムを含む、ＳＭ光ファイバ投光/受光システムの２つの特定の実施形態が本明細書に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明のさらに完全な理解は、添付図面とともになされる以下の詳細な説明を参照することで得ることができる。
【０００７】
図１を参照すれば、ＲＷＧセンサ１０２の上面での生物学的イベントを観察するために１つまたはそれより多くのＲＷＧセンサ１０２（示されているのは１つ）に呼び掛けることができる光読取器システム１００（呼掛けシステム１００）を示す図がある。光読取器システム１００は、光源１０４（例えば、ＳＬＤ，レーザ）、投光/受光システム１０６及び光検出器１０８（例えば、フォトダイオード、分光器、ＣＣＤカメラ）を備える。本発明にしたがえば、投光/受光システム１０６は、ＲＷＧセンサ１０２に呼び掛けるためにＳＭ光ファイバ１１０（＋その他の光学系）を利用し、ＲＷＧセンサ１０２に呼び掛けるために多モード（ＭＭ）光ファイバは全く使用しない。ＲＷＧセンサ１０２の構造及び機能に関する簡単な説明を与えてから、投光/受光システム１０６内にＳＭ光ファイバ１１０だけを使用する利点及びＳＭ光ファイバ投光/受光システム１０６の２つの例示的実施形態を詳細に説明する。
【０００８】
図１に示されるように、ＲＷＧバイオセンサ１０２は、回折格子１１４の表面上に被着され、導波路１１６を形成する、材料１１２の薄い（〜１００ｎｍ）層を有する。回折格子１１４は一般に、型押し、ホログラフィまたはその他の方法で基板材料１１８に形成される。あるいは、回折格子１１４は材料１１２自体に形成することができる。ＲＷＧセンサ１０２の上面１２２における屈折率を変える分子１２０またはバルク流体（カバー媒質）がＲＷＧセンサ１０２の上面１２２上に被着される。光ビーム１２４で回折格子１１４を探査することによりセンサ１０２の上面１２２上の屈折率の上記変化（〜１ｐｐｍ）を検出することができる。ＲＷＧセンサ１０２の上面１２２は、特定の相補的分子１２０しか表面に付着させない生化学的化合物（図示せず）で被覆して、ＲＷＧセンサ１０２を高感度かつ高特異性にすることもできる。そのようなＲＷＧセンサ１０２は、上面１２２上の広範な化合物または生体分子結合イベント（例えばタンパク質への薬物の結合）を検出するために呼び掛けることができる。ＲＷＧセンサ１０２のアレイは（例えば）高スループット薬物または化学物質スクリーニングシステムを可能にするマイクロプレートに用いることができる。ＲＷＧバイオセンサ１０２の構造及び機能に関するさらに詳細に議論については特許文献：
・名称を「物質の選択的検出のため及び/または気体、液体、固体及び多孔質試料の屈折率変化検出のための光センサ（Optical Sensor for Selective Detection of Substance and/or for the Detection of Refractive Index Changes in Gaseous, Liquid, Solid and Porous Samples）」とする、米国特許第４８１５８４３号明細書；
を参照されたい。上記特許文献の内容は本明細書に参照として含まれる。
【０００９】
生体分子結合イベントを検出するためにＲＷＧセンサ１０２に呼び掛けるために用いることができる一方法はスペクトル呼掛けとして知られている。スペクトル呼掛けは、多波長または広帯域光ビーム１２４でＲＷＧセンサ１０２を照射する工程、反射光１２６を集光する工程及び分光計１０８のようなスペクトル分散装置で反射光１２６のスペクトルを分析する工程を含む。そのようなＲＷＧセンサ１０２からの反射スペクトルの一例が図２に示される。ＲＷＧセンサ１０２の表面１２２で生体分子結合がおこると共鳴波長が若干シフトし、分光計１０８で検出されるのはこの共鳴波長シフトである。同じくＲＷＧセンサ１０２に呼び掛けるためにスペクトル呼掛けを用いる第２の構成は、入力ビームの波長を変調するためのソースとしてレーザ（またはファブリ−ペロフィルタ,...）のような波長可変光素子を用い、次いでセンサによって反射されるパワーが簡単な検出器（例えばフォトダイオード,...）で測定されて共鳴シフトが検出される工程を含む。
【００１０】
光ファイバ１１０は、光ビーム１２４及び１２６を、容易に経路を指定し、分割し、ＲＷＧセンサ１０２のアレイから集光するために用いることができるから、光ファイバ１１０の使用がＲＷＧセンサ１０２のアレイに呼び掛ける有効な方法であることはよく知られている。しかし、光ファイバ１１０を利用する、頑健で高感度の光呼掛けシステムを作成するためには、考慮する必要のある多くの重要な観点がある。これらの観点には、（１）スペクトルの品質、（２）角度鋭敏性及び（３）角度許容範囲があり、以下に詳細に説明される。
【００１１】
スペクトルの品質
スペクトル呼掛け法に対しては、反射光１２６のスペクトルの品質が決定的に重要である。理想的には、反射スペクトルは共鳴反射光だけを含むべきであり、センサ界面で生じるフレネル反射及び光路内のその他の「寄生」反射は阻止されているべきである。これらの無関係な反射は共鳴ピーク形状を歪ませ、共鳴ピークの正確な位置決定を一層困難にする。これらの無関係な反射は光システムに非線形態様で共鳴ピークシフトに応答させることもある。また、これらの無関係な反射が時間的に変化すれば、余分な雑音を生じさせ、結合イベントのように振る舞う偽の共鳴ピークシフトさえも生じさせ得る。これらの問題を排除するため、複数の入力及び出力回折格子を有するＲＷＧセンサも設計されている。これらのタイプのＲＷＧセンサは非特許文献：
・エム・ウィキ（M. Wiki），アール・イー・クンツ（R. E. Kunz），ジー・ヴォアラン（G. Voirin），ケイ・ティーフェンターラー（K. Tiefenthaler），エイ・バーナード（A. Bernard），「三重回折格子カプラーに基づく新規な集積光センサ（Novel integrated optical sensor based on a grating coupler triplet）」，Biosensors and Bioelectronics、１９９８年，第１３巻，ｐ.１１８１〜１１８５;
・エム・ウィキ，アール・イー・クンツ，「生化学応用のための波長呼掛け型光センサ（Wavelength-interrogated optical sensor for biochemical applications）」，Optics Letters，２０００年，第２５巻、第７号，ｐ.４６３〜４６５;
・ケイ・コッティア（K. Cottier），エム・ウィキ，ジー・ヴォアラン，エイチ・ゲイオ（H. Gao），アール・イー・クンツ，「光ＩＣの波長呼掛けによる（小）分子の無ラベル高感度検出（Label-free highly sensitive detection of （small） molecules by wavelength interrogation of integrated optical chips）」，Sensors and Actuators B，２００３年，第９１巻，ｐ.２４１〜２５１;
に説明されている。上記非特許文献の内容は本明細書に参照として含まれる。
【００１２】
しかし、これらのタイプのＲＷＧセンサの設計は非常に複雑であり、センサ自体の作成を一層困難にする。本発明は、複雑な設計のＲＷＧセンサ１０２を必要とせずに高品質共鳴スペクトルを生成できるＳＭ光ファイバ投光/受光システム１０６を用いることによって、この問題に対処することができる。
【００１３】
角度鋭敏性
スペクトル呼掛け法についての別の問題は共鳴信号波長の入射角θへの依存性である。入射角θが変化すれば、共鳴波長がシフトするであろう。これは、近似ＲＷＧ共鳴条件（式１）：
【数１】
2008530564.tif 000003
【００１４】
からわかる。ここで、Λは回折格子１１４のピッチ、θは入射光ビーム１２４の角度、ｎ実効は導波路１１６の実効屈折率、λは共鳴の波長である。したがって、cosθ〜１（小入射角）の近似を行えば、計算により式２：
【数２】
2008530564.tif 000004
【００１５】
を得ることができる。５００ｎｍの回折格子ピッチに対し、これは８.７ｎｍ/°すなわち５００ｐｍ/ミリラジアン（ｍＲｄ）に相当する。このことは、総合計測器確度目標が、例えば、０.１ｐｍの範囲にあれば、角度ずれは１マイクロラジアンの１０分の２以下に抑えられなければならないことを意味する。したがって、他にフィルタリング効果が無ければ、そのような呼掛けシステムはＲＷＧセンサ１０２の総合角度位置決めに極めて敏感である。この角度位置決めへの鋭敏性は、ＲＷＧセンサ１０２を組み込んでいるマイクロプレートを検定途中で読取光学系から取り出して再挿入しなければならない場合に特に問題になる。角度鋭敏性を低める第２の理由は、本発明を用いるときに、「試料」信号と「基準」信号の間での比較による相対測定がなされることが多いことである。いかなるフィルタリング効果も無い場合、このことは、「基準」光路と「試料」光路の間の角度は１マイクロラジアンの１０分の２より小さい範囲で安定にとどまるべきであることを意味する。投光/受光システム１０６内のＳＭ光ファイバ１１０の限定使用がこの角度鋭敏性をどのようにして数桁低めるかを以下に説明する。
【００１６】
角度許容範囲
図３は多モード（１００μｍコア）投光ファイバ/単一モード（５.５μｍコア）受光ファイバ及び単一モード（５.５μｍコア）投光ファイバ/単一モード（５.５μｍコア）受光ファイバの角度許容範囲の一例を示す。この図から多モードファイバシステムの方が広い角度許容範囲をもつことが明らかに見てとれる。ＲＷＧセンサ１０２は、完全に平坦にはなり得ず、あるいはある角度範囲内で呼掛け光学系内におかれ得るから、広い集光角度許容範囲をもつファイバシステムが望ましい。これは、広い角度許容範囲を生じさせるための２つの選択肢−コアがより大きな（多モード）ファイバの使用、または直径が小さいビームによるセンサ呼掛けを必要とする短焦点距離レンズの使用−を設計者に与える。
【００１７】
上述したように、総合スペクトル品質及び光信号安定性のためにはＳＭファイバ１１０の使用が重要である。ＳＭファイバ１１０のコア直径が小さいことにより、このことから、角度許容範囲を可能な限り広く保って、かなりの角度変形を有するマイクロプレートに適合できるようにしておくために、短焦点距離レンズの使用が強いられる。しかし、短焦点距離レンズの使用によって、ＲＷＧセンサ１０２において小径ビームがつくられ、したがって望ましくない反射効率の低下及び望ましくない共鳴スペクトル幅の増大がおこる。小径ビームを用いる場合にこれらの有害な効果を排除することはできないが、以下に説明するＳＭ光ファイバ投光/受光システム１０６は、垂直入射光ファイバレンズの賢明な使用により、反射効率及び共鳴スペクトル幅において払われる犠牲を最小限に抑えながら、呼掛けシステム１００の総合角度許容範囲を改善することができる。
【００１８】
ＳＭ光ファイバ投光/受光システム１０６
投光/受光システム１０６内にＳＭ光ファイバ１１０だけを用いることの第一義的な利点は、ファイバ路における多重空間モードの排除である。図４は、光路にＳＭファイバだけが存在する場合及びＳＭファイバとＭＭファイバが混在する場合に得られた、広帯域超発光ダイオード（ＳＬＤ）光源１０４のスペクトルを示す。ＳＭ/ＭＭファイバ混用で得られたスペクトルに存在する高周波数構造は、多重経路（多重空間モード）干渉効果による。スペクトル上のこの高周波数構造はＲＷＧセンサ１０２からの光共鳴の形状を歪ませ、共鳴波長の正確な評価を妨げる。ＭＭ光ファイバの多モード区画を震動させるか、そうではなくともモードスクランブルをかけることでこれらの効果を緩和することはできるが、排除できるとは限らない。しかし、投光/受光システム１０６内の光ファイバが全てＳＭ光ファイバ１１０であれば、これらの多モード効果はシステムの動作波長帯域に対して排除することができる。ＳＭ/ＳＭ光ファイバ投光/受光システム１０６で観測した場合とＭＭ/ＳＭ光ファイバ投光/受光システムで観測した場合の、時間の関数としての共鳴波長の測定値の比較が図５に示される。共鳴波長はＳＭ光ファイバ限定投光/受光システム１０６についてより安定であることがわかる。
【００１９】
上述したように、レンズが、小コア直径（例えば単一モード）ファイバとともに、集光する集光角の範囲は、大径コア（例えば多モード）ファイバをともなうレンズに比較して、大きく縮小される。一見すると、この縮小された角度許容範囲のためＳＭ光ファイバ投光/受光システム１０６はそれほど望ましくはならないように思われるが、さらに検討すると、この縮小された角度範囲は実用システムについて明らかに有利であることがわかる。同じく上述したように、ＲＷＧセンサ１０２は入力光ビーム１２４に対して傾けられると共鳴波長を変えるであろう。しかし、レンズ（コリメータ）の受光端にＳＭ光ファイバ１１０が用いられると、これは選択された角度帯域だけが通過させられ、したがって、共鳴波長の上記シフトの効果が弱められることを意味する。
【００２０】
すなわち、ＳＭ光ファイバ１１０がレンズ（コリメータ）とともに用いられる場合、これは実効的に、光線１２４及び１２６を非常に狭い角度円錐から発するかまたは受けることができる、「角度フィルタ」として振る舞うファイバ/レンズシステムをつくりだす。近似円錐角はΔθ＝ｄ/ｆ（ｄ＝コア直径、ｆ＝レンズの焦点距離）で与えられ、よって、例えばコーニング（Corning）ＦｌｅｘＣｏｒ７８０（５μｍコアＳＭファイバ）及びｆ＝２ｍｍのレンズが用いられた場合にはΔθ〜２.５ミリラジアンである。ＳＭ投光/ＳＭ受光システム１０６とＭＭ投光/ＳＭ受光システムの角度鋭敏性の比較が図６及び７でなされている。ＭＭ投光/ＳＭ受光システムではｄλ/ｄθ＝７.５ｎｍ/°であり、これは上述した８.７ｎｍ/°に近い。実際、この７.５ｎｍ/°（４３０ｐｍ/ミリラジアン）の観測値は、導波路の分散効果を考慮すればさらに正確に予測することができる。しかし、ＳＭ投光/ＳＭ受光システム１０６については〜０.１８ｎｍ/°（１０ｐｍ/ミリラジアン）でしかない波長感度が観測される。このＳＭ角度鋭敏性はＭＭ投光/ＳＭ受光システムよりほぼ２桁小さい。
【００２１】
光放射及び光検出において同等のＳＭ光ファイバ１１０をモデル計算すると、共鳴波長が、原理的に、このフィルタリング効果のため、ＲＷＧセンサ１０２のいかなる角度ずれにも不感であることを示すことができる。実際、角度にともなういかなる残留波長変化も生じさせ得るのは、光学欠陥及び収差だけである。したがって、可能な限り弱い角度鋭敏性を達成するためには、以下のパラメータ：
・光学品質：レンズによるかまたはセンサ表面の変形によって生じる収差は可能な限り小さくするべきである；
・清浄性：光学系及びセンサはいかなる粒子/塵埃も有するべきではない；
・放射ファイバ及び検出ファイバは完全に同等であることが重要である；
・ＳＭ光ファイバ１１０のクラッドへのいかなる光伝搬も除去すべきである；
を考慮した態様で、ＳＭ光ファイバ投光/受光システム１０６を作成するべきである。
【００２２】
言い換えれば、「理想的」とはいえない光路を生じるいかなるシステム効果も、呼掛けシステム１００に対する残留角度鋭敏性を生じさせるであろう。そうではあっても、呼掛けシステム１００の実用角度鋭敏性は容易に＜１０ｐｍ/ｍＲｄとすることができる。角度によるそのような小さい波長シフトは、小さな角度誤差は得られる信号を有意に擾乱させないであろうから、生化学検査中の（１つまたはそれより多くの）ＲＷＧセンサ１０２の取出し/再挿入を実行可能にする。
【００２３】
デュアルファイバ投光/受光システム（第１の実施形態）
図８を参照すれば、本発明の一実施形態にしたがうデュアルファイバコリメータ投光/受光システム１０６ａが示されている。以下に説明するように、２本のＳＭ光ファイバ１１０ａ及び１１０ｂで構成されたデュアルファイバコリメータ投光/受光システム１０６ａは、ＲＷＧセンサ１０２への呼掛けに極めて有用なツールである。バイオセンサ１０２からのコリメータ９０２の離隔距離すなわち「バックオフ距離」を制御することにより、入力回折格子１１４ａ及び出力回折格子１１４ｂが実効的に分離される。
【００２４】
入力回折格子１１４ａ及び出力回折格子１１４ｂのそのような分離はコリメータの「バックオフ」距離を大きくするにつれて強くなる。入力回折格子１１４ａ及び出力回折格子１１４ｂの分離の使用により、フレネル反射及びＲＷＧセンサ１０２の様々な材料界面からの多重反射によって生じる「寄生」反射の阻止が可能になる。幸いに、共振モードは導波路１１６を通って伝搬してから外部結合されるから、フレネル反射及び寄生反射の強度の低下は共鳴反射強度の低下よりかなり大きい。この導波モード減衰の特徴は一般にＲＷＧセンサの漏洩係数「アルファ」すなわちαであり、位置ｘの関数としての導波モードの強度Ｉは：
【数３】
2008530564.tif 000005
【００２５】
で与えられる。
【００２６】
コリメータ「バックオフ」がある場合とない場合に得られたスペクトルが図９に示される。共鳴強度及びフレネル反射強度に関する「バックオフ」距離の漸進効果は図１０及び１１に表示される測定値である。ファイバコリメータ９０２にバックオフをかけることの対価は共鳴信号振幅の緩やかな低下である。したがって、結合損失係数αを慎重に考慮すれば、共鳴効率が高く、フレネル反射及び寄生反射が極めて少ない、ＲＷＧセンサ１０２を設計することができる。ＲＷＧセンサ１０２の設計においては、αの値が最適コリメータ離隔距離に影響することに注意すべきである。例えば、このことは、「アルファ」が大きいＲＷＧセンサ１０２に対しては、「アルファ」が小さいＲＷＧセンサ１０２に対するよりＲＷＧセンサ１０２に近づけてコリメータ９０２をはたらかせるであろうことを意味する。
【００２７】
共鳴ピーク反射の振幅を「バックオフ」距離の関数として測定すれば、実際上この回折格子損失パラメータαの測定を行うことができる。これは、「バックオフ」距離が大きくなるにつれて回折格子の入力領域１１４ａ及び出力領域１１４ｂの間の離隔も大きくなるという事実から、可能である。したがって、入力回折格子１１４ａ及び出力回折格子１１４ｂが完全に分離されている限り、戻り共鳴信号は入力/出力離隔距離に関して指数関数的に減衰する。そのような測定は、ＲＷＧセンサ１０２を設計するため及びＲＷＧセンサアレイの品質管理を行うために有用である。
【００２８】
「バックオフ」をもつデュアルファイバコリメータ投光/受光システム１０６ａを使用する別の利点は、「バックオフ」距離が大きくなるにつれて共鳴幅が減少することである。この幅減少は、ビームがＲＷＧ内部をより長い距離にわたって伝搬するという事実の結果である。これは、事実上、上掲した文献に説明されているような、導波路で連結された個別回折格子ではなく連続回折格子を用いることの利点の１つである。信号対雑音比が一定のままであれば、共鳴の幅が狭くなるほど、共鳴の位置を一層正確に決定することができる。この共鳴幅挟化効果の例が図１２に表示される測定値に示される。
【００２９】
シングルファイバ投光/受光システム１０６ｂ（第２の実施形態）
前節で概説したデュアルファイバコリメータ投光/受光システム１０６ａでは、ＳＭファイバ１１０ａ及び１１０ｂのそれぞれはレンズ９０２の光軸から本質的にずれており、よって呼掛けは非垂直入射角で行われる。そのような非垂直入射角においては、ビーム直径を小さくしていくと、ＲＧＷセンサ１０２のピーク反射率が急激に低下し、同時に、共鳴のスペクトル幅も広くなることを示すことができる。これらの効果はいずれも呼掛けシステム１００の性能に悪影響を与える。スポット径が小さくなるほど、呼掛けシステム１００のＲＷＧセンサ１０２への呼掛け領域が小さくなり、したがって局所的擾乱及び非一様性に一層敏感になるから、性能に有害になる。共鳴スペクトル幅が広くなると、呼掛けシステム１００の最終的な（波長）分解能が共鳴幅とともに広がり、したがってピーク幅が広くなるほど分解能が低下するから、やはり有害である。
【００３０】
他方で、スポット径が小さくなるほど、かなりの実用的な利点が得られる。実際の計測器はＲＷＧセンサ１０２がおかれたマイクロプレートの非平坦性を処理しなければならない。したがって、呼掛けシステム１００のレンズ１４０２（図１３には１つだけが示されている）の位置合せを新しい測定毎にやり直さないとすれば、呼掛けシステム１００の角度許容範囲はマイクロプレート/ＲＷＧセンサ１０２の一般的な角度変形よりも大きくなければならない。角度許容範囲は回折格子１１４にかかるビーム直径によって直接に規定され、直径が小さいほど広い角度許容範囲が得られる。すなわち、回折限界から、呼掛けシステム１００の角度許容範囲は、ＲＧＷセンサ１０２に呼び掛けるために用いられるスポットの回折限界によっておおよそ式３：
【数４】
2008530564.tif 000006
【００３１】
で規定される。ここで、Δθは集光され得る角度範囲、λは入射光１２４の波長、ｄスポットはＲＷＧセンサ１０２上の焦点におけるビーム１２４の直径である。この全てが−共鳴を良く定めるためには大きなスポット径を使用したいが、広い角度許容範囲を得るためには小さいスポット径を使用したい−というジレンマを生じさせる。
【００３２】
このジレンマに対する解決策は垂直入射でＲＷＧセンサ１０２に呼び掛けることである。この場合、シングルファイバ投光/受光システム１０６ｂには、光ビーム１２４がＲＷＧセンサ１０２で反射されると、反射ビーム１２６は来た経路を戻ってＳＭ光ファイバ１１０に入るように互いに位置合せされた１本のＳＭ光ファイバ１１０及びレンズ１４０２（図１３を見よ）が用いられることになろう。この場合、ＳＭ光ファイバ１１０は光射出及び検出のいずれにも用いられる。この構成の利点は、ＲＷＧセンサ１０２にかかる光ビーム１２４/１２６の直径を劇的に縮小でき、優れたピーク反射率係数を共鳴幅とともに維持できることである。これは、垂直入射近傍における共鳴の波長依存性が、より大きい角度で成立する式１で示される線形近似ではなく、実際上、角度の放物型関数であるためである。共鳴反射効率のこの放物型関数のグラフは、共鳴反射効率はＲＷＧセンサ１０２における前方伝搬モード及び後方伝搬モードに対する波長及び角度に関係するように、図１４に示される。このグラフにおいて、上の放物線は前方伝搬モードの強度を表す。また、下の放物線は逆方向伝搬導波路モードの強度を表す。この現象に関するさらに詳細な議論については以下の非特許文献：
・エフ・レマーチャンド（F. Lemadchand），エイ・センテナック（A. Sentenac），エイチ・ジョバニーニ（H. Giovannini），「二重周期構造による共鳴回折格子フィルタの角度許容範囲拡大（Increasing the angular tolerance of resonant grating filters with doubly periodic structures）」，Opt. Lett.，１９９８年，第２３巻，第１５号，ｐ.１１４９〜１１５１；
・エフ・レマーチャンド，エイ・センテナック，イー・キャンブリル（E. Cambril），エイチ・ジョバニーニ，「導波路回折格子の共鳴挙動の研究：導波モードフィルタの角度許容範囲拡大（Study of the resonant behaviour of waveguide gratings: increasing the angular tolerance of guided-mode filters）」，J. Opt. A: Pure Appl. Opt.，１９９９年，第１巻，ｐ.５４５〜５５１；
・ディー・ジェイコブ（D. Jacob），エス・ダン（S. Dunn），エム・モハラン（M. Moharam），「有限ビームの高効率挟帯域スペクトルフィルタリングのための垂直入射共鳴回折格子反射フィルタ（Normally incident resonant grating reflection filters for efficient narrow-band spectral filtering of finite beams）」，J. Opt. Soc. Am.，２００１年，第Ａ１８巻，第９号，ｐ.２１０９〜２１２０；
を参照されたい。上記非特許文献の内容は本明細書に参照として含まれる。
【００３３】
図１４には、角度ゼロ（垂直入射）近傍では共鳴波長が角度にともなって緩やかにしか変化しないこと、すなわちｄλ/ｄθがゼロに近づくことを、明瞭に見ることができる。この情報及び式３を用いれば、ビーム直径の関数として計算されたピーク幅を示す、図１５〜１６のグラフを得ることができる。図からわかるように、垂直入射ではビーム直径をかなり縮小することができ、それでも共鳴品質を維持することができる。
【００３４】
しかし、デュアルファイバコリメータ投光/受光システム１０６ａにおけるような照射領域と集光領域の分離はないから、シングルファイバ投光/受光システム１０６ｂによる垂直入射での呼掛けは、フレネル反射及びその他の寄生反射が共鳴反射とともに集光されるであろうという欠点に悩まされる。
【００３５】
これらの反射を低減または阻止するため、図１７に示されるように、何らかの形態の光アイソレータ１８０２をシングルファイバ投光/受光システム１０６ｂに付加することができる。光アイソレータ１８０２はファイバレンズ１４０２の上に直線偏光子１８０４をおくことで形成することができ、直線偏光子１８０４の上には偏光子透過軸に対して光軸が４５°をなす１/４波長板１８０６をおくことができる。そのような改良型シングルファイバ投光/受光システム１０６ｂ'のスペクトル出力が図１８に示される。これら２つの付加コンポーネント１８０４及び１８０６は、フレネル反射を阻止するが共鳴反射は通過させる、円偏光子１８０２を形成する。円偏光子１８０２はそれを通過する全ての光１２４/１２６を円偏光にし、フレネル反射の場合のように−反射に際して偏光が変化しなければ、同じ円偏光は、戻ってきて円偏光子１８０２を通過しようとするときに、阻止されるであろう。
【００３６】
シングルファイバ投光/受光システム１０６ｂの能力及び特徴のいくつかを確認するために用いた光学モデルを説明するための詳細な議論が次に与えられる。特に、以下の議論は、シングルファイバ投光/受光システム１０６ｂを用いたときの垂直入射における共鳴のモデル化及び測定を説明する。
【００３７】
１．大入射角におけるモデルの説明
有限径入力ビーム１２４をモデル化するために考えられる方法は、入射ビーム１２４を無限個の平面波の総和に分解する工程及び、次いで、これらの平面波のそれぞれにＲＣＷＡモデル化法を用いることで計算された反射係数を適用する工程を含む。これらの方程式は以下の通りである。初めに、入射波を式４.１：
【数５】
2008530564.tif 000007
【数６】
2008530564.tif 000008
【数７】
2008530564.tif 000009
【００３８】
にしたがって分解する。ここで、
指数ｉは「入射」を表し、
ＦＦＰは遠視野パターンを表し、
ＴＦはフーリエ変換を表す。
【００３９】
次いで、回折格子１１４で反射されたビーム１２６のエネルギー分布を計算するため、波長λ及び回折格子ベクトルに沿う入射ｋベクトルの射影の関数である反射係数の関数として、式４.２： 
【数８】
2008530564.tif 000010
【数９】
2008530564.tif 000011
【数１０】
2008530564.tif 000012
【数１１】
2008530564.tif 000013
【００４０】
にしたがって入射遠視野パターンを適用する。
【００４１】
上式を用いて反射波の電場を計算した後、この電場とＳＭファイバ１１０の電場出力との接合積分積を計算することにより、集められたパワーの総量、すなわちセンサからの共鳴の実効全反射率を決定した。
【００４２】
このモデルは、例えば、入力ビーム１２４及び出力ビーム１２６の直径の関数として共鳴形状を計算するために適用することができる。おこっていることをさらによく説明するための補助として、入射角（Ｘ軸）及び波長（Ｙ軸）の関数として反射率の絶対値が示される、図１９のグラフが用いられる。このグラフにおいて、モード分散の第１近似は無視し、後方伝搬モード及び前方伝搬モードに対して漏洩係数は同じであると仮定した。このグラフは、例えば、角度を固定すると、（垂直線上で）後方伝搬モード及び前方伝搬モードに対応する２つの対称な共鳴が得られることを示す。しかし、垂直入射に近づくと後方伝搬モード及び前方伝搬モードはもはや独立ではなくなり、干渉し始めるため、式４.２はもはや成立しない。
【００４３】
このグラフは、用いるビーム直径が小さくなると共鳴のピークパワーが減少し、その幅が広くなる理由を説明するために用いることもできる。これを説明するため、図２０に示される、前のグラフの１つの枝を用いる。初めに、フーリエ空間における与えられた角度広がりΔθに対応する直径を有する入射ガウス型ビームを考える。すると、ビーム形が小さくなるほど角度広がりは大きくなる。角度広がりを大きくすると、それぞれの入射角に対してある共鳴波長範囲があるから、波長広がりも大きくなることがグラフからわかる。すなわち、ビーム径を縮小すると共鳴幅が広がる。
【００４４】
さらに、中心波長だけを考える。水平線を引くと、共鳴角の最大値に近い入射角の光だけが反射され、その他の角度の光は失われる。よって、角度範囲を広げると、反射される光のパーセンテージは減少する。すなわち、ビーム径を縮小すると共鳴のピークパワーは減少する。
【００４５】
これら２つの基本ルールを説明するため、以下の図２１及び２２のグラフは、入射ビーム１２４の直径の関数としての共鳴ピークパワー及び共鳴幅の変化を示す。
【００４６】
ここで、前述した式に基づいて、ＳＭ/ＳＭ構成において得られる結合係数を計算すれば、結果：
【数１２】
2008530564.tif 000014
【００４７】
が得られ：
【数１３】
2008530564.tif 000015
【数１４】
2008530564.tif 000016
【００４８】
とすれば：
【数１５】
2008530564.tif 000017
【００４９】
となる。ここでδｋはセンサの角度ずれに比例する。この最後の式は、センサに角度ずれがあると、おこる唯一のことは共鳴の振幅の減少であり、共鳴の形状及び位置はいずれも影響されない。
【００５０】
２．垂直入射におけるモデルの説明
２.１ 厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）モデルの結果
垂直入射近傍での後方伝搬モードと前方伝搬モードの間の干渉効果のため、反射率対入射ｋベクトル及び波長を表す式４.２はもはや成立せず、２Ｄ反射率関数を計算するためにはＲＣＷＡ法を用いなければならない。
【００５１】
図１４の写真はＲＣＷＡ法で計算された波長（縦軸）及び入射角（横軸）の関数としての反射率を示す。図からわかるように、後方伝搬モード（下の曲線）及び前方伝搬モード（上の曲線）の共振は、垂直入射に近づくと、湾曲し始め、いずれの湾曲も中心で互いに交差することはない。同じく図からわかるように、前方伝搬モードは垂直入射近傍で消失する。
【００５２】
２.２ 実験的証拠
反射率曲線を実験的に検証するため、多モード（ＭＭ）ファイバ投光/単一モード（ＳＭ）ファイバ受光システムを垂直入射近傍で用いた。これにより、広い範囲にわたってセンサ角度を変え、それでも反射共鳴光のかなりの分率を集光することが可能になった。図２３は共鳴の変化を−１１ｍＲｄから＋１１ｍＲｄの角度にわたるプレートの傾きの関数として示すグラフである。図からわかるように、垂直入射に近づくと、前方伝搬モード共鳴（左側のピーク）のピークパワーは低下するが、後方伝搬モード共鳴（右側のピーク）からは常に一定の間隔で隔てられたままである。この結果はＲＣＷＡモデルの予測と一致している。次に、図２３のデータを用いてそれぞれの共振ピークの位置及びピークパワーを図２４及び２５に示されるように決定した。図２３及び２４は、図２２に示されるデータから抽出された共振波長及び振幅及び共振パワーの結果であることは当然である。
【００５３】
３．垂直入射の利点
垂直入射を用いる利点の１つは、入射ビーム直径を縮小して、呼掛けシステム１００を角度ずれに鈍感にすることである。第１節で提示されたピーク共振形状対ビーム直径の議論を振り返ると、反射率が放物型曲線であることを考慮すれば角度広がりの増大による共振拡大が図２６に示される線形関数の場合におけるよりかなり小さいことがわかる。他方で、放物線の頂点近く（垂直入射近傍）で曲線と交差する波長を利用すれば、垂直入射から遠く離れて曲線と交差する波長に対するよりも広い角度範囲がこの波長に対して高効率で反射されることが観察される。したがって、垂直入射近傍での呼掛けに対し、反射された共鳴の振幅は入射ビーム角度広がりの増大に僅かにしか影響されないであろう。図１５及び１６はそれぞれ、垂直入射及び大角度入射において計算されたピーク反射率対ビーム直径及びピークＦＷＨＭ対ビーム直径のこの変化を示す。図からわかるように、垂直入射構成の使用には、特にビーム直径を縮小した場合に、回折効率及び共鳴幅に関して利点がある。
【００５４】
４．垂直入射の実験結果
ビーム１２４の径を縮小するために光路に様々なレンズ１４０２を挿入した場合に与えられたＲＷＧセンサから得られる結果を表＃１に要約してある。
【表１】
2008530564.tif 000018
【００５５】
おそらくは回折格子の欠陥による、無視できない差が期待値と測定値の間に見られるが、全般的結論は、反射効率をそれほど犠牲にせずに、あるいは共鳴幅をそれほど広げずに、ビーム直径を１/１０まで縮小できるということである。
【００５６】
５．垂直入射で小径ビームを利用する場合の考察
垂直入射で集束ビームを用いることにより、設計は入力ビームが十分にはコリメートされていないＭＭ構成と同様であると考えることができる。例えば、一見して、同じ大きな５００ｐｍ/ｍＲｄの角度鋭敏性を得られると期待できる。しかし、ＲＷＧセンサ上にビームを集束させることによって、ガウス型ビームが想定され、したがって、最適ＳＭ構成にある。よって、上で説明したように、光学モデルは、ＳＭ投光/受光構成が（非垂直入射及び垂直入射のいずれにおいても）角度ずれにほとんど完全に不感であることを示す。
【００５７】
図２７は、垂直入射での１００μｍのビーム直径による共鳴位置の角度鋭敏性が面の傾きに対して測定された、いくつかのグラフを示す。図からわかるように、角度鋭敏性は、ＭＭ構成の角度鋭敏性より数桁低い、ほぼ１０ｐｍ/ｍＲｄである。
【００５８】
ビーム直径の縮小によって生じ得るであろう問題は測定がセンサの局所欠陥に一層敏感になることである。図２８は共鳴波長の変化をセンサの横方向運動の関数として示すグラフである。図からわかるように、全体にわたって２ｐｍ/μｍまでのスペクトルシフトがあり、８ｐｍ/μｍまでのスペクトルシフトを生じさせる局所欠陥さえもいくつかある。同様に、別の問題は、センサにかけて生化学的結合の量に大きな非一様性があれば、小径ビームはシステムをこれらの空間変動に一層敏感にし、結合信号における量変動（または、分散係数ＣＶ）を増大させることである。しかし、センサ自体の作成、センサに適用される表面化学及びセンサへの生化学物質の導入に用いられる流体ハンドリングにおける賢明な実践をこれらの問題を緩和するために用いることができる。さらに、小径スポット呼掛けの空間鋭敏性を低下させるために、光ビームのスキャン及びセンサ表面にわたるデータの空間積分を用いることができる。例えば、名称を「空間スキャン型光読取器システム及びそれを使用するための方法（Spatially Scanned Optical Reader System and Method for Using Same）」とする、米国特許出願第１１/０２７５４７号の明細書を参照されたい。上記特許文献の内容は本明細書に参照として含まれる。
【００５９】
上述から、本明細書に説明されたことが、バイオセンサ１０２に呼び掛けるために１本またはそれより多くのＳＭ光ファイバ１１０を用い、バイオセンサ１０２に呼び掛けるためにＭＭファイバは全く用いないＳＭ光ファイバ投光/受光システム１０６であることが当業者には容易に理解され得る。ＳＭ光ファイバ投光/受光システム１０６の使用により、有効に、角度鋭敏性が低められ、不要なシステム反射が低減され、総合角度許容範囲が改善され、ピーク反射率及び共鳴ピーク幅が改善される。また、（１）デュアルファイバコリメータ投光/受光システム１０６ａ及び（２）垂直入射でバイオセンサ１０２に呼び掛けるシングルファイバ投光/受光システム１０６ｂを含む、ＳＭ光ファイバ投光/受光システム１０６の２つの特定の実施形態が本明細書に説明される。
【００６０】
本発明のいくつかの実施形態を添付図面に示し、上記詳細な説明で説明したが、本発明が開示した実施形態に限定されず、添付される特許請求の範囲に述べられ、定められる、本発明の精神を逸脱することのない、数多くの再構成、改変及び置換が可能であることは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明にしたがうＳＭ光ファイバ投光/受光システムを有する光読取器システムを示す概念図である
【図２】ＲＷＧセンサからの光共鳴を示すグラフである
【図３】ＳＭ投光/ＳＭ受光ファイバシステム及びＭＭ投光/ＳＭ受光ファイバシステムについての受光パワー対入射角のグラフである
【図４】超発光ダイオード（ＳＬＤ）のミラーからの反射の、全ＳＭファイバ光路で観測されるスペクトル及びＭＭ集光ファイバを用いたときに観測されるスペクトルのグラフである
【図５】共鳴波長を、時間の関数として、ＳＭ投光/ＳＭ受光ファイバシステムについてＭＭ投光/ＳＭ受光ファイバシステムと比較して示すグラフである
【図６】ＭＭ投光/ＳＭ受光ファイバシステムについて共鳴波長対入射角を示すグラフである
【図７】近垂直入射において８種の異なるコリメータで測定したＳＭ投光/ＳＭ受光システムについての共鳴波長帯入射角を示すグラフである
【図８】本発明の一実施形態にしたがう、ＲＷＧセンサに呼び掛けているデュアルファイバコリメータ投光/受光システムの基本コンポーネントを示すブロック図である
【図９】「バックオフ」がある場合とない場合の、デュアルファイバコリメータ投光/受光システムを用いるＲＷＧセンサからの反射スペクトルを示すグラフである
【図１０】デュアルファイバコリメータ投光/受光システムを用いる、コリメータバックオフの関数として共鳴強度を示すグラフである
【図１１】デュアルファイバコリメータ投光/受光システムを用いる、コリメータバックオフの関数としてピークパワーに対するフレネル反射強度の比を示すグラフである
【図１２】デュアルファイバコリメータ投光/受光システムを用いる、コリメータバックオフの関数として共鳴半値全幅を示すグラフである
【図１３】本発明の別の実施形態にしたがう、垂直入射でＲＷＧセンサに呼び掛けているシングルファイバ投光/受光システムの基本コンポーネントを示すブロック図である。
【図１４】ＲＷＧセンサについて入射角及び波長の関数としての共鳴強度の計算結果を示す２Ｄ図である
【図１５】シングルファイバ投光/受光システムを用いる、垂直入射照射及び非垂直入射照射について光ビーム直径の関数としてピーク共鳴反射率を示すグラフである
【図１６】シングルファイバ投光/受光システムを用いる、垂直入射照射及び非垂直入射照射についてビーム直径の関数として共鳴ピーク半値全幅（ＦＷＨＭ）を示すグラフである
【図１７】本発明のまた別の実施形態にしたがう、図１３に示されるシステムと同様であるが円偏光子（アイソレータ）も組み込まれている、シングルファイバコリメータ投光/受光システムの基本コンポーネントを示すブロック図である
【図１８】シングルファイバ投光/受光システムに円偏光子（アイソレータ）がある場合とない場合について、垂直入射で呼び掛けられているＲＷＧセンサからの反射スペクトルを示すグラフである
【図１９】シングルファイバ投光/受光システムのいくつかの能力及び特徴を確認するために行われた実験の結果を示す２Ｄ図である
【図２０】シングルファイバ投光/受光システムのいくつかの能力及び特徴を確認するために行われた実験の結果を示す別の２Ｄ図である
【図２１】シングルファイバ投光/受光システムのいくつかの能力及び特徴を確認するために行われた実験の結果を示すグラフである
【図２２】シングルファイバ投光/受光システムのいくつかの能力及び特徴を確認するために行われた実験の結果を示す別のグラフである
【図２３】シングルファイバ投光/受光システムのいくつかの能力及び特徴を確認するために行われた実験の結果を示すまた別のグラフである
【図２４】シングルファイバ投光/受光システムのいくつかの能力及び特徴を確認するために行われた実験の結果を示すまた別のグラフである
【図２５】シングルファイバ投光/受光システムのいくつかの能力及び特徴を確認するために行われた実験の結果を示すまた別のグラフである
【図２６】シングルファイバ投光/受光システムのいくつかの能力及び特徴を確認するために行われた実験の結果を示すまた別の２Ｄ図である
【図２７】シングルファイバ投光/受光システムのいくつかの能力及び特徴を確認するために行われた実験の結果を示すまた別のグラフである
【図２８】シングルファイバ投光/受光システムのいくつかの能力及び特徴を確認するために行われた実験の結果を示すまた別のグラフである
【符号の説明】
【００６２】
１００    光読取器システム
１０２    ＲＷＧセンサ
１０４    光源
１０６    投光/受光システム
１０８    光検出器
１１０    ＳＭ光ファイバ
１１２    材料
１１４    回折格子
１１６    導波路
１１８    基板材料
１２０    分子
１２２    上面
１２４    光ビーム
１２６    反射光
【図１】
2008530564.tif 000019
【図２】
2008530564.tif 000020
【図３】
2008530564.tif 000021
【図４】
2008530564.tif 000022
【図５】
2008530564.tif 000023
【図６】
2008530564.tif 000024
【図７】
2008530564.tif 000025
【図８】
2008530564.tif 000026
【図９】
2008530564.tif 000027
【図１０】
2008530564.tif 000028
【図１１】
2008530564.tif 000029
【図１２】
2008530564.tif 000030
【図１３】
2008530564.tif 000031
【図１４】
2008530564.tif 000032
【図１５】
2008530564.tif 000033
【図１６】
2008530564.tif 000034
【図１７】
2008530564.tif 000035
【図１８】
2008530564.tif 000036
【図１９】
2008530564.tif 000037
【図２０】
2008530564.tif 000038
【図２１】
2008530564.tif 000039
【図２２】
2008530564.tif 000040
【図２３】
2008530564.tif 000041
【図２４】
2008530564.tif 000042
【図２５】
2008530564.tif 000043
【図２６】
2008530564.tif 000044
【図２７】
2008530564.tif 000045
【図２８】
2008530564.tif 000046
【国際調査報告】
2008530564.tif 000047
2008530564.tif 000048
2008530564.tif 000049