(57)【要約】  本発明は、第１の基材（１０）の表面（１１）と面一にされた第１の導光構造（１２）を含む第１の基材（１０）と、第２の基材（２０）の表面（２１）と面一にされた第２の導光構造（２２）を含む第２の基材（２０）とを備えた光導波路であって、これらの２つの基材（１０；２０）は、２つの前記導光構造（１２，２２）が、互いに向かい合い、同一方向に延在し、前記第１と第２のガイド構造（１２，２２）の間に前記方向に向けられたチャネル（３０）が収容されるように、前記表面（１１，２１）で重ね合わされて組み立てられ、前記チャネル（３０）が、前記第１の基材（１０）の前記表面（１１）および前記第２の基材（２０）の前記表面（２２）に対して実質的に平行な向きに長辺を有する断面を備え、光が流体と所定の距離で相互作用することを可能にする光導波路である。  用途は特に流体分析である。【選択図】図５Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基材（１０）の表面（１１）と面一にされた第１の導光構造（１２）を含む第１の基材（１０）と、第２の基材（２０）の表面（２１）と面一にされた第２の導光構造（２２）を含む第２の基材（２０）とを備えた光導波路であって、これらの２つの基材（１０；２０）は、２つの前記導光構造（１２，２２）が、互いに向かい合って同一方向（ｚ）に延在し、前記第１と第２のガイド構造（１２，２２）の間に前記方向（ｚ）に向けられたチャネル（３０）が収容されるように、前記表面（１１，２１）で重ね合わされて組み立てられ、前記チャネル（３０）が、前記第１の基材（１０）の前記表面（１１）および前記第２の基材（２０）の前記表面に対して実質的に平行な向きに長辺（ｄｒ）を有する断面を備え、前記チャネル（３０）が、流体を収容するように意図されている、光導波路。
【請求項２】
前記チャネル（３０）が、前記第１の導光構造（１２）、前記第２の導光構造（１２）、または前記第１と第２の導光構造（１２，２２）に重なる、請求項１に記載の光導波路。
【請求項３】
前記第１の導光構造（１２）と前記２の導光構造（２２）が、平面光導波路のコアまたはストリップ光導波路のコアから選択される、請求項１または２に記載の光導波路。
【請求項４】
前記チャネル（３０）の横に隣接し、また前記チャネル（３０）の実質的に長さ全体にわたって連続的に連通する少なくとも１つのリザーバ（４０）を更に含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項５】
直線形状、蛇行形状、渦巻き形状を有するか、これらの３つの形状を２つずつまたは３つずつ組み合わせる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項６】
ブラッグまたは他のタイプの反射器（５１）で終わるリング共振構造またはファブリ・ペロー共振構造を構成する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項７】
前記チャネル（３０）が、親水性または疎水性の内側面を有する、前記請求項のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項８】
前記リザーバ（４０）が、親水性または疎水性の内側面を有する、請求項４〜７のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項９】
前記第１の基材（１０）と前記第２の基材（２０）がガラスで作成されている、前記請求項のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項１０】
前記チャネルのいずれかの側に２つのリザーバ（４０）を備えた、請求項４〜９のいずれか一項に記載の光導波路（６０）と、前記リザーバ（４０）のうちの１つに接続された前記チャネルに流体を入れるための手段（６１）と、前記他のリザーバ（４０）に接続された前記チャネルから流体を出すための手段（６２）とを含むことを特徴とする、流体分析用の光センサ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の光センサと、前記光導波路（６０）の一端に接続された光源（６４）と、前記光導波路（６０）の他端に接続されたスペクトル分析器（６６）とを含む、分光装置。
【請求項１２】
チャネルを有する光導波路を製造する方法であって、
−第１の基材（１００）に、前記第１の基材の表面と面一にされた第１の導光構造（１０４）を形成し、第２の基材（２００）に、前記第２の基材（２００）の表面と面一にされた第２の導光構造（２０４）を形成する工程と、
−前記第１の基材（１００）、前記第２の基材（２００）、または前記第１と第２の基材（１００，２００）に重なるチャネル（１０３）であって、流体を収容するように意図されたチャネル（１０３）を形成する工程と、
−前記第１の基材と前記第２の基材の一方から前記基材（１００）の他方を回転させる工程と、
−両方の導光構造（１０４，２０４）が、互いに向かい合って重ねられ、同一方向に延在し、前記チャネル（１０４）が、前記第１の導光構造（１０４）と前記第２の導光構造（２０４）の間に収容され前記方向に向けられるように、前記第１の基材（１００）を前記第２の基材（２００）にその表面で位置合わせし組み立て、前記チャネル（１０４）が、前記第１の基材（１００）の前記表面および前記第２の基材（２００）の前記表面に対して実質的に平行な向きに長辺を有する断面を備えるようにする工程とを含む方法。
【請求項１３】
前記チャネル（１０３）を形成する工程が、前記第１の導光構造（１０４）を形成する前記工程の前または後でかつ前記第２の導光構造（２０４）を形成する前記工程の前または後で行われる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の導光構造（１０４）を形成し、前記第２の導光構造（２０４）を形成し、前記チャネル（１０３）を形成する段階の後で、かつ前記基材の一方を回転させる工程の前に、前記チャネル（１０３）の横に隣接し前記チャネルの実質的に長さ全体にわたって連続的に連通する少なくとも１つのリザーバ（１０７，２０７）を形成する段階を含む、請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の導光構造（１０４）を形成する前記工程と、前記第２の導光構造（２０４）を形成する前記工程が、イオン交換、イオン注入または拡散、フォトライティング、または前記第１と第２の基材の屈折率を局所的に修正することを可能にする工程を含む、請求項１３または１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記チャネルの内側面および／または前記リザーバの内側面を親水化または疎水化する処理工程を更に含む、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノチャネルを備えた光導波路、および当該光導波路を使用する光学流体センサに関する。このようなセンサは、例えば、特に不良環境における流体化学、生物学、生化学または物理学分析に有効である。流体分析用センサの小型化によって、使用する流体の量を少なくでき、このことは、流体が放射性であるの場合に特に重要である。使用される流体サンプルは、放射性作用が少なくまた反応時間が短い。また、このことは、流体がクロマト分画のようなきわめて限られた体積を生成する手順または液抽出手順から得られる分析にとって重要である。そのような光学流体センサは、吸光分析を使用する。吸収スペクトルの測定は、産業から研究にわたる科学分野で幅広く使用される。
【０００２】
吸光分析は、幾つかの波長の光を吸収する化学種の能力に基づく。これは、Ｐ＝Ｐ０ｅｘｐ（−ΓαＬ）によって表されるベール−ランバート（ランベルト・ベール）の法則によって示され、
−Ｐ０は、光導波路の入力における光の強度であり、
−Ｐは、光導波路に送り込まれる光の強度であり、
−αは、分析する流体の吸収係数であり、分析する流体のモル吸光係数をε、分析する流体の濃度をｃとすると、α＝εｃであり、
−Γは、流体と光の干渉係数であり、
−Ｌは、流体と光との相互作用長である。
【０００３】
ナノチャネルを備えた光導波路が、電気通信分野で使用されることもあり、この場合、チャネルは、導かれた光学信号を変調および／またはフィルタリングおよび／または増幅できる流体で満たされることに注意されたい。
【背景技術】
【０００４】
近年、流体分析用の一体型光センサが急速に開発されてきた。実際には、一体型光センサは、多くの利点を有し、即ち、電磁障害に強く、多機能および高精度で、機械的および熱的に安定している。また、横寸法が数百ナノメートル〜数マイクロメートルの光導波路を使用している。光と分析する流体との相互作用は、数十〜数百ナノメートルの深さで起こる。垂直スロット付き光導波路は、例えば、非特許文献１、非特許文献２および非特許文献３から既知であり、これらの参照は後述する。図１を参照すると、光導波路は、コア２が乗せられた基材１を含み、コア２は、流体４を収容するスロット３を間に画定する２つの平行なレール２．１，２．２の形をとる。コア２は、一般に、窒化ケイ素などの高屈折率材料で作成され、基材１自体は、一般に、シリコンである。スロット３は、その短辺が基材１の主面と実質的に平行でその長辺が基材１の主面に実質的に垂直になるように向けられた断面を有する。この構造の１つの特徴は、導波路に注入された光の準ＴＥ成分のほとんどが流体中にあり、その結果、一方の分析される流体と他方の導かれた光との間で強い相互作用が起こることである。一方、１つの欠点は、基材がシリコンの場合に光が透過するように光の波長が１．１ナノメートルを超えなければならないことである。
【０００５】
特許文献１では、スロットは改善されており、その断面の短辺は、基材に対して実質的に垂直になっている。スロットは、使用される波長を透過する材料で満たされ、光導波路のコアを構成する２つの層に挟まれる。この透明材料は、光導波路のコアを構成する２つの層より低い屈折率を有する。この構成は、流体分析に適していない。別の構成では、スロットは、流体を導入可能なように、少なくとも局所的に空にされる。損失が減少し、光導波路に導入される光の準ＴＭ成分が流体に閉じ込められる。しかし、示された製造方法では、大きい長さを有する光導波路が得られず、スロットを乗せるコア層を破壊せずにスロットから材料を除去することが難しいので、光導波路の長さは、数十センチメートル、更には数メートルである。
【０００６】
しかし、濃度が低くモル係数が低い流体を、ビール−ランバート法によって、許容可能な感度で分析できるようにするには、大きい流体／光相互作用長と、したがって十分に長い光導波路が提供できなければならない。
【０００７】
現在、このタイプの光導波路は、層を付着させてそれらの層をエッチングする技術によって作成されており、そのような技術は従来のものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７，６０９，９３２号明細書
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Slot-waveguide biochemical sensor, C. A. Barrios et al., Optics Letters/ Vol.32, N°21/ November 1, 2007, pages 3080-3082.
【非特許文献２】“Guiding and confining light in void nanostructure” V. R. Almeida, June 1, 2004/Vol. 29, N°11/ Optics Letters, pages 1209-1211.
【非特許文献３】“Demonstration of slot-waveguide structures on silicon nitride/silicon oxide platform” C.A Barrios et al., May 28,2007/ Vol.15, N°11/Optics Express, pages 6846-6856.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の１つの目的は、正確には、流体が低い濃度とモル吸光係数を有する場合でも、適切な感度で流体分析を行うように特に適応されたチャネルを備えた光導波路を提供することである。
【００１１】
本発明の１つの目的は、先行技術ほど著しい拡散または放射損失のない光導波路を提供することである。拡散損失は、使用される技術と導波路の凹凸によるものであり、放射損失は、導波路の湾曲によるものである。
【００１２】
本発明のもう１つの目的は、数十センチメートル、または数十メートルを測定することができ、またわずか数センチメートルの辺を有する占有面積を有することができる光導波路を提供することである。
【００１３】
本発明のもう１つの目的は、流体と共に使用されたとき、チャネル内の流体を阻止し流体の流動を妨げるリスクのない光導波路を提供することである。
【００１４】
本発明の更にもう１つの目的は、流体と共に使用されるとき、充填または空にするのが難しくない光導波路を提供することである。
【００１５】
本発明の更にもう１つの目的は、流体と共に使用されたとき、流体によって生成された圧力のために損傷を受けるリスクがない光導波路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
これを達成するために、本発明は、これらの基材の表面に露出された導光構造をそれぞれ含む２つの基材を接合し、どちらかまたは両方の導光構造にチャネルを提供することを提案する。
【００１７】
より詳細には、本発明は、第１の基材の表面と面一にされた第１の導光構造を含む第１の基材と、第２の基材の表面と面一にされた第２の導光構造を含む第２の基材とを含む光導波路を提供し、これらの２つの基材は、２つの導光構造が互いに向かい合い、同一方向に延在し、チャネルが同一方向に向けられた第１と第２の導光構造の間に収容されるように、その表面で重ね合わされ組み立てられ、このチャネルは、第１の基材の表面および第２の基材の表面と実質的に平行な向きに長辺（大きい寸法）を有する断面を備え、このチャネルは、流体を収容するように意図される。
【００１８】
チャネルは、第１の導光構造、第２の導光構造、または第１と第２の導光構造と重なりうる。
【００１９】
第１の導光構造と第２の導光構造は、平面光導波路のコアまたはストリップ光導波路のコアから選択される。
【００２０】
有利には、特に導波路内に導かれる光信号の横方向閉じ込めを改善し、また起こりうる導波路の湾曲によって生じる出力損失を減らすために、導波路は、更に、チャネルの横に隣接し、実質的にチャネルの長さ方向全体にわたってチャネルと連続的に連通する少なくとも１つのリザーバを含む。
【００２１】
光導波路は、直線導波路でよいが、小さい占有面積を有する光導波路の大きい長さから利益を得られるように、蛇行形状、螺旋形状をとってもよく、これらの３つの形状の２つずつまたは３つずつの組み合わせが好ましい。
【００２２】
あるいは、光導波路は、ブラッグ（Ｂｒａｇｇ）または他のタイプ反射器で終わるリング共振構造またはファブリ・ペロー共振構造であってもよい。
【００２３】
チャネル内で循環する流体の良好な循環を保証するために、チャネルは、親水性内側面を有することが好ましい。
【００２４】
同じ目的のため、リザーバは、親水性内側面を有することが望ましい。
【００２５】
あるいは、チャネルは、疎水性内側面を有しうる。リザーバは、疎水性内側面を有しうる。
【００２６】
有利には、第１の基材と第２の基材は、ガラスから構成され、その理由は、ガラスは光損傷を受けにくく加工しやすいからである。ガラスは、優れた化学的耐性を有し、光学または微小流体機能の共集積化を可能にする。
【００２７】
本発明は、また、チャネルの両側の２つのリザーバと、リザーバの一方に接続されたチャネルに流体を入れるための手段と、他のリザーバに接続されたチャネルから流体を出すための手段とにより特徴付けられた光導波路を含む流体分析用の光センサに関する。
【００２８】
本発明は、また、そのように特徴付けられた光センサと、光導波路の一端に接続された光源と、光導波路の他端に接続されたスペクトル分析器とを含む分光装置に関する。
【００２９】
本発明は、また、チャネルを含む光導波路を製造する方法であって、
−第１の基材に、第１の基材の表面と面一にされた第１の導光構造を形成し、第２の基材に第２の基材の表面と面一にされた第２の導光構造を形成する工程と、
−第１の基材、第２の基材、または第１と第２の基材に重なるチャネルを形成する工程であって、このチャネルが流体を収容するように意図された工程と、
−基材の一方を第１の基材と第２の基材から回転させる工程と、
−第１の基材を第２の基材に対してその表面で位置合わせし組み立てて、両方の導光構造が、互いに向かい合って重なり、同一方向に延在し、チャネルが、第１の導光構造と第２の導光構造の間に前記方向に沿って収容され、このチャネルが、第１の基材の表面と第２の基材の表面と実質的に平行な向きに長辺（大きい寸法）を有する断面を備えるようにする工程とを含む方法に関する。
【００３０】
チャネルを形成する工程が、第１の導光構造を形成する工程の前または後、または第２の導光構造を形成する工程の前または後で行われる。
【００３１】
第１の導光構造を形成し、第２の導光構造を形成し、チャネルを形成する工程の後で、かつ基材のうちの１つを回転させる工程の前に、チャネルと横に隣接する少なくとも１つのリザーバを形成し、リザーバと実質的にチャネルの長さ全体にわたって連続的に連通させる工程を提供すると有利である。
【００３２】
第１の導光構造を形成する工程と、第２の導光構造を形成する工程が、イオン交換、イオン注入または拡散、フォトライティングの工程を含み、また第１と第２の基材の屈折率を局所的に修正することを可能にする段階を含む。
【００３３】
流体循環を改善するために、チャネルの内側面および／またはリザーバの内側面を親水化または疎水化するための処理工程を更に提供することが有利である。
【００３４】
本発明は、添付図面を参照して、決して限定のためではなく純粋に例示として示された例示的な実施形態の記述を読むことによってよりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】既に述べた先行技術によるスロット付き光導波路の横断面図である。
【図２Ａ】本発明の対象の代替光導波路の横断面図である。
【図２Ｂ】本発明の対象の代替光導波路の横断面図である。
【図２Ｃ】本発明の対象の代替光導波路の横断面図である。
【図３Ａ】本発明の対象の光導波路の構成の平面図である。
【図３Ｂ】本発明の対象の光導波路の構成の平面図である。
【図３Ｃ】本発明の対象の光導波路の構成の平面図である。
【図３Ｄ】本発明の対象の光導波路の構成の平面図である。
【図４】放射損失を、リザーバを備えるか備えていない本発明の光導波路の曲率半径の関数として示す図である。
【図５Ａ】少なくとも１つのリザーバを備えた本発明の対象の代替光導波路の横断面図である。
【図５Ｂ】少なくとも１つのリザーバを備えた本発明の対象の代替光導波路の横断面図である。
【図５Ｃ】少なくとも１つのリザーバを備えた本発明の対象の代替光導波路の横断面図である。
【図６Ａ１】本発明の対象の光導波路を製造する方法の工程を示す図である。
【図６Ａ２】本発明の対象の光導波路を製造する方法の工程を示す図である。
【図６Ｂ１】本発明の対象の光導波路を製造する方法の工程を示す図である。
【図６Ｂ２】本発明の対象の光導波路を製造する方法の工程を示す図である。
【図６Ｃ１】本発明の対象の光導波路を製造する方法の工程を示す図である。
【図６Ｃ２】本発明の対象の光導波路を製造する方法の工程を示す図である。
【図６Ｄ１】本発明の対象の光導波路を製造する方法の工程を示す図である。
【図６Ｄ２】本発明の対象の光導波路を製造する方法の工程を示す図である。
【図６Ｅ１】本発明の対象の光導波路を製造する方法の工程を示す図である。
【図６Ｅ２】本発明の対象の光導波路を製造する方法の工程を示す図である。
【図６Ｆ１】本発明の対象の光導波路を製造する方法の工程を示す図である。
【図６Ｆ２】本発明の対象の光導波路を製造する方法の工程を示す図である。
【図６Ｇ１】本発明の対象の光導波路を製造する方法の工程を示す図である。
【図６Ｇ２】本発明の対象の光導波路を製造する方法の工程を示す図である。
【図６Ｈ１】本発明の対象の光導波路を製造する方法の工程を示す図である。
【図６Ｈ２】本発明の対象の光導波路を製造する方法の工程を示す図である。
【図６Ｉ１】本発明の対象の光導波路を製造する方法の工程を示す図である。
【図６Ｉ２】本発明の対象の光導波路を製造する方法の工程を示す図である。
【図６Ｊ】本発明の対象の光導波路を製造する方法の工程を示す図である。
【図７】本発明による光導波路を使用する流体分析用の光センサと、かかる光センサを含む分光装置とを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
後述する様々な図における同一部分、類似部分または等価部分は、ひとつの図から別の図への切り換えを容易にするために同じ参照番号を有する。図の示された様々な部分は、図をより分かり易くするために、必ずしも均一の縮尺で描かれていない。示されたそのような様々な代替は、相互に排他的でないと理解されたい。
【００３７】
次に、本発明による光導波路の第１の例を横断面図で示す図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃを参照する。本発明によるチャネルを含む光導波路は、第１の基材１０と第２の基材２０を含み、基材は、いわゆる主面（それぞれ１１と２１）を有する。これらの基材は、主面１０および２０によって接合される。第１の基材１０は、第１の導光構造１２を含む。この第１の導光構造１２は、第１の基材１０の表面１１と面一にされ、第１の基材１０の表面で露出される。第１の導光構造１２が光導波路コアを構成し、第１の基材１０が光導波路シェルを構成し、第１の導光構造を含む第１の基材が第１の光導波路を構成する。
【００３８】
図２Ａと２Ｂの例では、第１の光導波路は、ストリップ導波路であり、図２Ｃの例では、平面導波路である。
【００３９】
第２の基材２０は、第２の導光構造２２を含む。この第２の導光構造は、第２の基材２０の表面２１と面一にされ、第２の基材２０の表面に露出される。第２の導光構造が導波路コアを構成し、第２の基材が光導波路シェルを構成し、これらは全て、第２の光導波路を構成する。両方の光導波路は隣接している。
【００４０】
図２Ａと図２Ｃの例では、第２の光導波路は、平面導波路であり、図２Ｂの例では、ストリップ導波路である。
【００４１】
第１のガイド構造と第２のガイド構造は、対面して重ねられ、同じ方向に延在する。この方向は、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃに示された方向ｚである。基材１０，１１の接合面１１，２１は、両方の導波路に共通の界面を構成する。
【００４２】
第１と第２の光導波路構造の屈折率は、導波路構造を含む基材より高い。
【００４３】
第１と第２のガイド構造の間にチャネル３０が収容される。チャネル３０は、図２Ｃのように第１のガイド構造で形成されてもよく、図２Ａのように第２の導光構造で形成されてもよく、図２Ｂのように第１の導光構造と第２の導光構造の両方に重なってもよい。チャネル３０は、第１と第２の導光構造と同じ方向ｚに延在する。チャネル３０の横断面は、第１の基材１０の表面１１と基材２０の表面２１に対して実質的に平行な向きに長辺（大きい寸法）を有する。チャネル３０は、これらの表面１１，２１に実質的に対して垂直な向きに短辺（小さい寸法）を有する。
【００４４】
導光構造は、光を伝播させる。流体分析の用途では、チャネル３０は、流体を収容する。
【００４５】
本発明の対象のチャネルを含む光導波路は、直線導波路でよい。次に示す図３Ｃと図３Ｄは、チャネルを含む光導波路の直線部分５０，５２を示す。
【００４６】
詳細には、流体／光相互作用長を最大にすることが試みられる用途では、チャネルを含む光導波路が、図３Ａのような湾曲した螺旋形状、図３Ｂのような湾曲した蛇行形状であることが好ましい。より詳細には、図３Ａでは、二重螺旋であり、光導波路は、ヘアピンのように折り畳まれ螺旋状にされる。当然ながら、これらの３つの形状を２つずつ組み合せでもよく、３つ全てを組み合わせてもよい。
【００４７】
あるいは、本発明の対象のチャネルを含む光導波路は、図３Ｃに示されたようなリング共振構造を構成してもよい。リング５３として構成されたスロット付き光導波路と、リングに結合されたスロット付き光導波路の直線部分５２がある。結合は、エバネセント波によって行われる。
【００４８】
あるいは、本発明の対象のチャネルを含む光導波路は、図３Ｄに示されたようなファブリ・ペロー共振構造を構成することができる。参照番号５０で示されたチャネル（本発明の対象）を含む光導波路の部分は、チャネルの２つの端部でブラッグ反射器５１によって取り囲まれる。あるいは、他のタイプの反射器を使用することができ、これらは、必要とされる用途によりある程度反射性のミラーになる。これらの構造は、当業者に周知である。
【００４９】
導波路が湾曲されたとき、導波路内に伝搬する導かれた電磁波の一部分がコアから漏れることは周知である。これらは、放射または湾曲損失である。
【００５０】
湾曲による放射をきわめて効率よく最小にできる代替案によれば、本発明の対象のチャネルを含む光導波路は、チャネル３０の横に実質的にその長さ全体にわたって隣接し、チャネル３０と連続的に連通する少なくとも１つのリザーバ４０を備える。図５Ａ、図５Ｂ、および図５Ｃを参照することができる。図５Ｂは、単一のリザーバ４０だけを示し、図５Ａ、図５Ｃは、チャネル３０の横方向を取り囲むリザーバの２つを示す。リザーバ４０は、その最も小さい側でチャネル３０と連通する。図５Ａに表わされたチャネルを含む光導波路は、図２Ａに表わされた光導波路と類似し、図５Ｂに表わされた光導波路は、図２Ｂに表わされた光導波路と類似し、図５Ｃに表わされた光導波路は、図２Ｃに表わされた光導波路と類似する。単一リザーバ４０の使用は、特に導波路が単一の湾曲方向だけを有する場合に利益を有する。その場合、リザーバ４０は、チャネル３０の凸状縁に配置される。リザーバ４０の１つの目的は、流体内の電磁界の横方向の封じ込めを高めて磁界が湾曲から漏れるのを防ぐことである。
【００５１】
図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃでは、リザーバ４０の横断面が表わされる。この断面の長辺ｐｒは、第１と第２の基材の表面に対して実質的に垂直でよく、一方、短辺Ｉｒは、これらの表面と実質的に平行に向けられる。一方と他方で逆が可能であり、リザーバの断面は、２つの横寸法ｐｒおよびＩｒを実質的に等しくすることがある。
【００５２】
効率的なリザーバ４０がある場合は、もちろん、それらのリザーバ４０が、第１と第２の導光構造１２，２２に十分に近くなければならない。リザーバ４０のもう１つの利益は、導波路の変形または損傷を引き起こす圧力なしに、チャネル３０を満たしたり空にしたりすることを容易にすることである。詳細には、２つのリザーバ４０がある場合、チャネルが湾曲している場合でも、リザーバのうちの１つに流体を注入し、また例えば他のリザーバのポンプによってそのリザーバから抽出することによって、チャネル３０の流体の連続的な流れを保証できる。あるいは、流体を両方のリザーバに注入してもよく、更には２つの流体供給源を各リザーバに別の方法で注入してもよい。
【００５３】
リザーバ４０のもう１つの目的は、外圧を加えずまた毛細血管圧を制限することなくチャネルに充填できるようにすることである。リザーバの更にもう１つの目的は、光結合ゾーン内で流体サンプル全体の著しい流体弾性力学フラックスを設定することなくチャネルに充填できるようにすることである。リザーバ４０の更にもう１つの目的は、導波路が目詰まり問題を生じさせにくくすることである。
【００５４】
流体分析が、本発明の対象のチャネルを含む光導波路によって行われるとき、測定を停止することなく第１の流体を第２の流体に切り替えることができ、流れが継続し、第１の流体が、少し後に第２の流体で完全に置き換わる。第１の流体がチャネル内に存在する時間は、特に、両方のリザーバの間の距離に依存する。各リザーバの含量は、同一でなくてもよい。
【００５５】
次に、チャネル３０とリザーバ４０の断面が備えることができる最大寸法を非限定的な例で示す。これらの寸法は、図５Ａと図５Ｂに示されている。チャネル３０の横断面の長辺（大きい寸法）ｄｒまたは幅は、有利には、１００マイクロメートル以下である。これは、両方のリザーバ４０の間隔に対応する。チャネル３０の短辺（小さい寸法）ｐｎｃまたは深さは、有利には、１００ｎｍ以下である。これは、１ナノメートルまで小さくすることができる。これは、次に述べるチャネルを含む導波路を製造する方法によって可能になる。これは、先行技術の前述の文書の導波路の事例ではない。前述の寸法は、エバネセント波型構成以外は、スロット付き導波管構成として使用するのに完全に適しており、これらの横寸法はもっと大きくてもよい。実際には、エバネセント波センサと共に統合吸光分析も使用される。
【００５６】
リザーバの横寸法ｐｒおよびｌｒは、リザーバの主な目的のうちの１つ、主に流体から受ける圧力除去を保持するために、有利には１マイクロメートル以上である。
【００５７】
図４では、本発明の対象のチャネルを含む導波路の曲率半径の関数として湾曲損失（ｄＢ／ｃｍ）を示すグラフが表わされる。そのような損失は、リザーバのないチャネルを備えた導波路と、２つのリザーバが設けられたチャネルを備えた導波路に関して表される。最も色の濃い連続曲線は、リザーバのない光導波路の損失に対応する×印のほとんどを通る指数関数である。
【００５８】
そのような損失は、ＡＦＭＭ（非周期モードフーリエ法）を実施するソフトウェアを使用するシミュレーションによって得られた。このシミュレーションでは、本発明の対象のチャネルを含む光導波路が使用され、その前述の寸法は、以下の通りである。チャンネル：ｄr＝３０マイクロメートルとｐｎｃ＝１００ナノメートル。リザーバ：ｌｒ＝１マイクロメートルとｐｒ＝２マイクロメートル。
【００５９】
リザーバを有する光導波路の場合、３ｍｍの曲率半径は、０．５ｄＢ／ｃｍ未満の損失レベルを得ることを可能にし、一方、リザーバのない光導波路の場合、この損失レベルを得るには曲率半径を１５ｍｍ未満にできないことに注意されたい。損失は、０．５ｄＢ／ｃｍ以下の場合に無視できると考えられる。図３Ａに示された二重渦巻き構造では、その折り返し部分における光導波路の限界曲率半径Ｒｍｉｎは、リザーバ付き光導波路では３ｍｍ未満、リザーバなしの光導波路では１５ｍｍ未満であってはならない。これにより、単一渦巻きしかない場合と同じ占有面積でリザーバとの相互作用長を高めることが可能である。
【００６０】
次に、本発明の対象の光導波路を製造する例示的な方法を、図６Ａ１〜図６Ａ２、図６Ｉ１〜図６Ｉ２および図６Ｊを参照して説明する。
【００６１】
最初に、例えば、ガラスの第１の基材１００と第２の基材２００がある（図６Ａ１と図６Ａ２）。ガラスは、化学的処理に関して、光損傷、強度、安定性および多機能性の影響を受けにくいので、この用途では興味深い材料である。マイクロエレクトロニクスと適合するようにあまり凹凸のない表面状態を有する基材１００，２００が選択される。あるいは、これらの基材１００，２００は、シリコンのような半導体材料、重合体プラスチック材料、または導波路に適した他の材料でよい。各基材の表面は、マスクで被覆され、マスクはそれぞれ１０１，２０１で参照される（図６Ｂ１、図６Ｂ２）。マスク１０１，２０１は、交換イオンを通さないアルミニウムや他の任意の材料でよい。
【００６２】
これらのマスク１０１，２０１のそれぞれには、一般にリソグラフィによって、窓１０２，２０２が開けられる（図６Ｃ１と図６Ｃ２）。窓１０２，２０２の範囲は、第１の基材上の第１の導光構造の境界と、第２の基材上の第２の導光構造の境界を定める。
【００６３】
少なくとも１つのマスク１０１の窓１０２内で、基材１００の表面を侵食させてチャネル１０３を掘るためのエッチング工程が行なわれうる。このエッチング工程（図６Ｄ１）は、微細加工、ウェットまたはドライ化学エッチングによるエッチングでよい。この工程は、少なくとも深さを有するチャネルを提供し、その表面寸法は、最終的なものでもよく、リザーバの形成がある場合は後で再加工されてもよい。マスクは、省略されてもよく、チャネルは、レーザアブレーションで掘られてもよい。
【００６４】
前述の例では、チャネル１０３は、第１の基材１００にのみ掘られる。したがって、第２の基材２００は、図６Ｃ２と図６Ｄ２の間で修正されていない。
【００６５】
このエッチング工程は、第２の基材だけに行われてもよく、両方の基材に行われてもよい。
【００６６】
基材１００，２００のそれぞれに、基材１００，２００の表面と面一にされた導光構造１０４，２０４が作成される。これは、基材１００，２００のそれぞれの表面でのイオン交換によって行われうる（図６Ｅ１、図６Ｅ２）。このようにマスクされた両方の基材１００，２００は、例えばＡｇ＋またはＫ＋更にはＴｌ＋カチオンを含有する融解塩槽に浸漬されてもよい。窓１０２，２０２の場所で、ガラスのＮａ＋カチオンと塩槽のカチオンが交換される。これにより、露出領域内の屈折率が上昇し、その結果、導光構造１０４，２０４が形成され、その表面寸法は、マスク１０１，２０１に設けられる窓１０２，２０２の寸法に依存する。導光構造の横寸法は、リザーバが提供された場合に調整されうる。
【００６７】
導光構造を形成するために、イオン注入または拡散、フォトライティング、または第１と第２の基材の屈折率を局所的に修正できる他の方法のような他の方法を使用可能である。
【００６８】
導光構造を形成する工程とチャネルを形成する工程が逆にされてもよい。チャネルは、導光構造内に少なくとも部分的に延在する。第１の基材１００では、導光構造１０４は、平面ガイド構造であり、第２の基材２００では、導光構造２０４は、ストリップガイド構造である。
【００６９】
以下の工程は、両方のマスクを除去する工程である（図６Ｆ１、図６Ｆ２）。
【００７０】
チャネルを含む光導波路にリザーバがない場合は、基材の一方を回転させ、両方の導光基材１０４，２０４が互いに重ね合わされるように基材を互いに位置合わせし、両方の基材を互いに組み立てるだけでよい。次に、両方の導光構造１０４，２０４が同じ方向に延在する。この組み立ては、分子結合、陽極接合、熱結合または化学結合によって行われてもよい。この工程は、この構成で示されない。図６Ｊは、位置合わせと組み立てを示すために参照されうる。
【００７１】
１つまたは複数のリザーバが提供される場合、両方の基材１００，２００（図６Ｇ１、図６Ｇ２）それぞれの表面にマスク１０５，２０５が付着される。マスク材料は、エッチング方法に依存し、例えば、アルミニウム、アルミナ、クロム、樹脂であってもよい。
【００７２】
マスクは、リザーバの周囲に窓１０６，２０６を形成するためにリソグラフィによって開口され、これらのリザーバは、最終的に、この例では横方向に縮小されるチャネル１０４のどちらの側にも提供される。この窓を開ける工程を図６Ｈ１，図６Ｈ２に示す。リザーバは、また、チャネルの長さにわたってチャネルと連通する。基材１００，２００は、マスク１０５，２０５の窓１０６，２０６に深くエッチングされる。リザーバをエッチングするこの工程は、チャネルをエッチングする工程のように、例えば微小機械加工、ウェットまたはドライ化学エッチングによるエッチングでよい。レーザアブレーションを使用することができ、この場合もマスクは不要になる。各基材１００，２００では、リザーバ１０７，２０７の一部分だけがエッチングされる（図６Ｉ１，図６Ｉ２）。リザーバ１０８，２０８は、両方の基材１００，２００を組み立てる際に、リザーバ１０７および２０７の２つの部分を向かい合わせて重ね合わせるだけで完成する。第１の基材にリザーバ部分をエッチングする結果、チャネル１０４の幅が減少する。これにより、両方の基材の後の位置合わせが容易になる。
【００７３】
次に、リザーバと関連したマスクが除去される（図６Ｉ１，図６Ｉ２）。
【００７４】
残りは、基材１００，２００の一方を回転させ前述のように位置合わせすることによって、両方の基材１００，２００を組み立てることだけである（図６Ｊ）。
【００７５】
分析する流体が水相の場合、チャネルとリザーバの内側面を親水化するために、これらの基材の表面を処理する工程が提供されうる。
【００７６】
分析する流体が水相の場合に、例えば、チャネルとリザーバの内側面を疎水化するために、他の処理を考えることができる。これらの表面に提供される特性の選択は、使用される流体に依存する。
【００７７】
これらの処理は、当業者にとって難しいことではない。
【００７８】
次に、基材と乾燥とすすぎが必要とされる。親水性表面は、流体がより広がり易くし、流体の流動化を容易にする。この処理工程が、チャネル１０４だけに関係し、例えば、図６Ｆ１、図６Ｆ２に示された工程の後でかつ図６Ｇ１，図６Ｇ２に示されたマスクを付着させる工程の前に、事前に行われてもよい。
【００７９】
マスクを付着させる各工程の直前と両方の基材の最終組み立て前に、基材を洗浄する工程を提供することが好ましい。
【００８０】
適切な洗浄方法は、多数あり、当業者にとって難しいことではない。
【００８１】
次に、図７を参照して、本発明の対象の分光測定法による流体分析装置について述べる。この装置は、流体入口装置６１および流体出口装置６２と連携する本発明によるチャネル６０を含む光導波路６００を含む光センサ６００を含む。センサは、エバネセント波センサでよい。
【００８２】
この図では、チャネル６０を含む光導波路が、二重渦巻きとして配置される。渦巻きは、上側基材（または、上層（ｓｕｐｅｒｓｔｒａｔｕｍ））の一部分が除去されたものとして表され仮定される。当然ながら、導波路は、特に高感度が不要な場合には蛇行形状または直線形状のような別の形態をとってもよい。
【００８３】
チャネル６０を含む光導波路には、チャネルの各側面に、チャネルと連通するリザーバが横方向に提供される。リザーバは、図では見えない。リザーバのうちの１つは、流体入口手段６１に接続される。他のリザーバは、流体出口手段６２に接続される。流体入口手段と流体出口手段の少なくとも一方は、吸収または噴射ポンプ（図示せず）を組み込むことができる。これらの流体入口または流体出口手段６１，６２は、小瓶の形をとる。あるいは、例えば注射器の形でもよい。チャネルの流体の詰まりや極めて高い流体圧力によるチャネルの破損を心配することなく連続流体流動測定を行うことが可能である。
【００８４】
チャネル６０を含む光導波路の端の一方は、光ファイバ６３によって、レーザダイオード、スーパールミネッセントダイオード、レーザ、スーパーコンティニュームレーザ源、白色光源などの光源６４に接続される。光源６４の選択で重要なことは、光源６４が、チャネルを含む光導波路の出力で信号を検出するのに十分な強度を有し、またその波長範囲が、分析する流体に適合することである。白色光源とスーパーコンティニュームレーザ源は、数百ナノメートルの波長範囲を有効範囲に含むことができるため特に興味深い。
【００８５】
チャネル６０を含む光導波路の他端は、別の光ファイバ６５を介してスペクトル分析器６６に接続される。両方の光ファイバ６３，６５は、光源６４に適合される。光ファイバ６３，６５は、適切なコネクタによって、一方は光源６４と第１の基材用のチャネル６０を含む光導波路とに接続され、他方はチャネル６０を含む光導波路とスペクトル分析器６６に接続される。
【００８６】
光源６４、チャネル６０を含む光導波路、およびスペクトル分析器６６は、同一チップ６０．１上で一体化されてもよい。
【００８７】
かかる分光装置は、分子分光分析法、吸光分析法、蛍光分光分析法または比色法を行なうために使用されてもよい。本発明の対象の光センサは、一般に、化学分野で、原子力産業における分離プロセスを分析し、廃油や汚染水などの流体を分析し、定量滴定、ｐＨ測定を行うために使用されうる。生物学では、ＤＮＡ鎖を解くために使用されうる。他の用途は、例えば、大気汚染測定を行うことが考えられる。
【００８８】
チャネルを含む光導波路を曲げて流体と光との間の相互作用長を長くすることによって、追加損失を導入することなくセンサの感度を高めうる。これは、様々な流体で使用されうる。
【００８９】
本発明の幾つかの実施形態を詳細の提示し説明してきたが、本発明の範囲から逸脱せずに様々な変更と修正を提供できることを理解されよう。特に、既に開発されているかまたは当業者に知られている他のエッチングおよび付着方法を使用できる。
【符号の説明】
【００９０】
１０，２０  基材
１１，２１  表面
１２，２２  導光構造
３０  チャネル
【図１】
2015535604.tif 000003
【図２Ａ】
2015535604.tif 000004
【図２Ｂ】
2015535604.tif 000005
【図２Ｃ】
2015535604.tif 000006
【図３Ａ】
2015535604.tif 000007
【図３Ｂ】
2015535604.tif 000008
【図３Ｃ】
2015535604.tif 000009
【図３Ｄ】
2015535604.tif 000010
【図４】
2015535604.tif 000011
【図５Ａ】
2015535604.tif 000012
【図５Ｂ】
2015535604.tif 000013
【図５Ｃ】
2015535604.tif 000014
【図６Ａ１】
2015535604.tif 000015
【図６Ａ２】
2015535604.tif 000016
【図６Ｂ１】
2015535604.tif 000017
【図６Ｂ２】
2015535604.tif 000018
【図６Ｃ１】
2015535604.tif 000019
【図６Ｃ２】
2015535604.tif 000020
【図６Ｄ１】
2015535604.tif 000021
【図６Ｄ２】
2015535604.tif 000022
【図６Ｅ１】
2015535604.tif 000023
【図６Ｅ２】
2015535604.tif 000024
【図６Ｆ１】
2015535604.tif 000025
【図６Ｆ２】
2015535604.tif 000026
【図６Ｇ１】
2015535604.tif 000027
【図６Ｇ２】
2015535604.tif 000028
【図６Ｈ１】
2015535604.tif 000029
【図６Ｈ２】
2015535604.tif 000030
【図６Ｉ１】
2015535604.tif 000031
【図６Ｉ２】
2015535604.tif 000032
【図６Ｊ】
2015535604.tif 000033
【図７】
2015535604.tif 000034
【手続補正書】
【提出日】平成27年7月21日(2015.7.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基材（１０）の表面（１１）と面一にされた第１の導光構造（１２）を含む第１の基材（１０）と、第２の基材（２０）の表面（２１）と面一にされた第２の導光構造（２２）を含む第２の基材（２０）とを備えた光導波路であって、これらの２つの基材（１０；２０）は、２つの前記導光構造（１２，２２）が、互いに向かい合って同一方向（ｚ）に延在し、前記第１と第２のガイド構造（１２，２２）の間に前記方向（ｚ）に向けられたチャネル（３０）が収容されるように、前記表面（１１，２１）で重ね合わされて組み立てられ、前記チャネル（３０）が、前記第１の基材（１０）の前記表面（１１）および前記第２の基材（２０）の前記表面に対して実質的に平行な向きに長辺（ｄｒ）を有する断面を備え、前記チャネル（３０）が、流体を収容するように意図されている、光導波路。
【請求項２】
前記チャネル（３０）が、前記第１の導光構造（１２）、前記第２の導光構造（１２）、または前記第１と第２の導光構造（１２，２２）に重なる、請求項１に記載の光導波路。
【請求項３】
前記第１の導光構造（１２）と前記２の導光構造（２２）が、平面光導波路のコアまたはストリップ光導波路のコアから選択される、請求項１または２に記載の光導波路。
【請求項４】
前記チャネル（３０）の横に隣接し、また前記チャネル（３０）の実質的に長さ全体にわたって連続的に連通する少なくとも１つのリザーバ（４０）を更に含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項５】
直線形状、蛇行形状、渦巻き形状を有するか、これらの３つの形状を２つずつまたは３つずつ組み合わせる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項６】
ブラッグまたは他のタイプの反射器（５１）で終わるリング共振構造またはファブリ・ペロー共振構造を構成する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項７】
前記チャネル（３０）が、親水性または疎水性の内側面を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項８】
前記リザーバ（４０）が、親水性または疎水性の内側面を有する 、請求項４〜７のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項９】
前記第１の基材（１０）と前記第２の基材（２０）がガラスで作成されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項１０】
前記チャネルのいずれかの側に２つのリザーバ（４０）を備えた、請求項４〜９のいずれか一項に記載の光導波路（６０）と、前記リザーバ（４０）のうちの１つに接続された前記チャネルに流体を入れるための手段（６１）と、前記他のリザーバ（４０）に接続された前記チャネルから流体を出すための手段（６２）とを含むことを特徴とする、流体分析用の光センサ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の光センサと、前記光導波路（６０）の一端に接続された光源（６４）と、前記光導波路（６０）の他端に接続されたスペクトル分析器（６６）とを含む、分光装置。
【請求項１２】
チャネルを有する光導波路を製造する方法であって、
−第１の基材（１００）に、前記第１の基材の表面と面一にされた第１の導光構造（１０４）を形成し、第２の基材（２００）に、前記第２の基材（２００）の表面と面一にされた第２の導光構造（２０４）を形成する工程と、
−前記第１の基材（１００）、前記第２の基材（２００）、または前記第１と第２の基材（１００，２００）に重なるチャネル（１０３）であって、流体を収容するように意図されたチャネル（１０３）を形成する工程と、
−前記第１の基材と前記第２の基材の一方から前記基材（１００）の他方を回転させる工程と、
−両方の導光構造（１０４，２０４）が、互いに向かい合って重ねられ、同一方向に延在し、前記チャネル（１０４）が、前記第１の導光構造（１０４）と前記第２の導光構造（２０４）の間に収容され前記方向に向けられるように、前記第１の基材（１００）を前記第２の基材（２００）にその表面で位置合わせし組み立て、前記チャネル（１０４）が、前記第１の基材（１００）の前記表面および前記第２の基材（２００）の前記表面に対して実質的に平行な向きに長辺を有する断面を備えるようにする工程とを含む方法。
【請求項１３】
前記チャネル（１０３）を形成する工程が、前記第１の導光構造（１０４）を形成する前記工程の前または後でかつ前記第２の導光構造（２０４）を形成する前記工程の前または後で行われる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の導光構造（１０４）を形成し、前記第２の導光構造（２０４）を形成し、前記チャネル（１０３）を形成する段階の後で、かつ前記基材の一方を回転させる工程の前に、前記チャネル（１０３）の横に隣接し前記チャネルの実質的に長さ全体にわたって連続的に連通する少なくとも１つのリザーバ（１０７，２０７）を形成する段階を含む、請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の導光構造（１０４）を形成する前記工程と、前記第２の導光構造（２０４）を形成する前記工程が、イオン交換、イオン注入または拡散、フォトライティング、または前記第１と第２の基材の屈折率を局所的に修正することを可能にする工程を含む、請求項１３または１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記チャネルの内側面および／または前記リザーバの内側面を親水化または疎水化する処理工程を更に含む、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【国際調査報告】
2015535604.tif 000035
2015535604.tif 000036
2015535604.tif 000037
2015535604.tif 000038
2015535604.tif 000039
2015535604.tif 000040