(57)【要約】  【課題】検出対象物質に対する感度が高く且つ小型化が可能で、フォトニック結晶の製造が容易なフォトニック結晶を応用したセンサおよび検出対象物質の検出方法を提供する。  【解決手段】電磁波を導波する導波路部２、導波路部２から共鳴波長の電磁波を取り出し且つ検出対象物質に感応して共鳴波長が変化する共振器部３をスラブ型の２次元フォトニック結晶１に形成したセンサ素子Ａと、導波路部２の入力ポートＰ１へ共振器部３の設計上の共鳴波長を含む電磁波を供給する電磁波発生源１０と、導波路部２の出力ポートＰ２からセンサ素子Ａ外へ放射される電磁波を検出する電磁波検出手段たる検出器２０とを備え、検出対象物質による共振器部３の共鳴波長の変化および共振器部３での電磁波の吸収に応じて検出器２０の出力が変化する。導波路部２および共振器部３は２次元フォトニック結晶１にそれぞれ線状の欠陥、点状の欠陥を設けることにより形成する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を導波する導波路部、導波路部から共鳴波長の電磁波を取り出し且つ検出対象物質に感応して共鳴波長が変化する共振器部をフォトニック結晶に形成したセンサ素子と、導波路部の入力ポートへ共振器部の設計上の共鳴波長を含む電磁波を供給する電磁波発生源と、導波路部の出力ポートもしくは共振器部からセンサ素子外へ放射される電磁波を検出する電磁波検出手段とを備え、検出対象物質による共振器部の共鳴波長の変化および共振器部での電磁波の吸収に応じて電磁波検出手段の出力が変化することを特徴とするフォトニック結晶を応用したセンサ。
【請求項２】
前記センサ素子は、前記導波路部が前記フォトニック結晶に形成した１つの導波路により構成されて当該導波路の一端が前記入力ポートを構成するとともに他端が前記出力ポートを構成し、前記電磁波検出手段は、前記出力ポートから前記センサ素子外へ放射される電磁波を検出することを特徴とする請求項１記載のフォトニック結晶を応用したセンサ。
【請求項３】
前記センサ素子は、前記導波路部が前記フォトニック結晶に形成した１つの導波路により構成されて当該導波路の一端が前記入力ポートを構成するとともに他端が前記出力ポートを構成し、前記電磁波検出手段は、前記共振器部から前記センサ素子外へ放射される電磁波を検出することを特徴とする請求項１記載のフォトニック結晶を応用したセンサ。
【請求項４】
前記センサ素子は、前記導波路部が前記フォトニック結晶に形成した１つの導波路により構成されて当該導波路の一端が前記入力ポートを構成するとともに他端が前記出力ポートを構成し、前記電磁波検出手段は、前記入力ポートから前記センサ素子外へ放射される電磁波を検出することを特徴とする請求項１記載のフォトニック結晶を応用したセンサ。
【請求項５】
前記センサ素子は、前記導波路部が前記フォトニック結晶に形成した入力導波路および入力導波路と交差する方向に並設された出力導波路により構成されるとともに、前記共振器部が入力導波路と出力導波路との間に存在し、入力導波路の一端が前記入力ポートを構成するとともに出力導波路の一端が前記出力ポートを構成し、前記電磁波検出手段は、前記出力ポートから前記センサ素子外へ放射される電磁波を検出することを特徴とする請求項１記載のフォトニック結晶を応用したセンサ。
【請求項６】
前記センサ素子は、前記導波路部が前記フォトニック結晶に形成した入力導波路および入力導波路の光軸方向に沿って並設された出力導波路により構成されるとともに、前記共振器部が入力導波路と出力導波路との間に存在し、入力導波路において前記共振器部から遠い側の一端が前記入力ポートを構成するとともに出力導波路において前記共振器部から遠い側の一端が前記出力ポートを構成し、前記電磁波検出手段は、前記出力ポートから前記センサ素子外へ放射される電磁波を検出することを特徴とする請求項１記載のフォトニック結晶を応用したセンサ。
【請求項７】
前記センサ素子は、前記共振器部に前記検出対象物質を吸着する材料もしくは前記検出対象物質と反応する材料からなる感応部が設けられてなることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のフォトニック結晶を応用したセンサ。
【請求項８】
前記センサ素子は、前記フォトニック結晶に前記共振器部が複数形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のフォトニック結晶を応用したセンサ。
【請求項９】
前記センサ素子は、前記各共振器部のうちの少なくとも１つに、前記検出対象物質を吸着する材料もしくは前記検出対象物質と反応する材料からなる感応部が設けられてなることを特徴とする請求項８記載のフォトニック結晶を応用したセンサ。
【請求項１０】
前記センサ素子は、前記共振器部間のエネルギ結合経路に、前記検出対象物質を吸着する材料もしくは前記検出対象物質と反応する材料からなる感応部が設けられてなることを特徴とする請求項８記載のフォトニック結晶を応用したセンサ。
【請求項１１】
前記センサ素子は、前記フォトニック結晶が、２次元面内に屈折率周期構造を有する第１のフォトニック結晶部と第１のフォトニック結晶部とは屈折率周期構造の周期が異なる第２のフォトニック結晶部とが同一面内に並設された面内へテロ構造を有し、前記導波路部が、第１のフォトニック結晶部と第２のフォトニック結晶部との並設方向において第１のフォトニック結晶部と第２のフォトニック結晶部との全長に亙ってそれぞれの屈折率周期構造に線状の欠陥を設けることにより形成された入力導波路と、第１のフォトニック結晶部と第２のフォトニック結晶部との並設方向において第１のフォトニック結晶部と第２のフォトニック結晶部とに跨ってそれぞれの屈折率周期構造に線状の欠陥を設けることにより形成された出力導波路とで構成され、前記共振器部が、入力導波路と出力導波路との間に存在し、入力導波路の一端が前記入力ポートを構成するとともに出力導波路の一端が前記出力ポートを構成し、入力導波路において第１のフォトニック結晶部に形成された部分と第２のフォトニック結晶部に形成された部分との境界により前記共振器部の設計上の共鳴波長に一致させた所定波長の電磁波を反射する入力導波路側反射部が形成され、出力導波路において第１のフォトニック結晶部に形成された部分と第２のフォトニック結晶部に形成された部分との境界により前記所定波長の電磁波を反射する出力導波路側反射部が形成され、前記検出対象物質を吸着する材料もしくは前記検出対象物質と反応する材料からなる感応部が、入力導波路および出力導波路それぞれについて第１のフォトニック結晶部に形成された部分と第２のフォトニック結晶部に形成された部分とに跨って設けられてなることを特徴とする請求項１記載のフォトニック結晶を応用したセンサ。
【請求項１２】
前記センサ素子が前記導波路部と前記共振器部とを形成したセンサ部を複数有し、センサ部ごとに前記電磁波発生源および前記電磁波検出手段が設けられ、センサ部ごとに前記検出対象物質が異なることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のフォトニック結晶を応用したセンサ。
【請求項１３】
前記センサ素子は、前記導波路部が平行な複数本の直線状の導波路により構成され、前記共振器部が各導波路ことに導波路の長手方向に複数ずつ並設され、各導波路それぞれの一端がそれぞれ前記入力ポートを構成するとともに、各導波路それぞれの他端がそれぞれ前記出力ポートを構成し、前記電磁波検出手段は、前記各共振器部それぞれから前記センサ素子外へ放射される電磁波を個別に検出することを特徴とする請求項１記載のフォトニック結晶を応用したセンサ。
【請求項１４】
前記電磁波発生源が、単一波長の電磁波を前記入力ポートへ供給する光源であることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載のフォトニック結晶を応用したセンサ。
【請求項１５】
前記電磁波検出手段は、前記センサ素子外へ放射される電磁波の波長もしくは強度を検出することを特徴とする請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載のフォトニック結晶を応用したセンサ。
【請求項１６】
前記電磁波発生源が、前記入力ポートへ供給する電磁波の波長を掃引可能な光源であり、前記電磁波検出手段は、前記センサ素子外へ放射される電磁波の強度を検出することを特徴とする請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載のフォトニック結晶を応用したセンサ。
【請求項１７】
前記電磁波発生源は、広波長域の電磁波を前記入力ポートへ供給する光源であり、前記電磁波検出手段は、前記出力ポートから放射される電磁波を分光する分光器からなることを特徴とする請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載のフォトニック結晶を応用したセンサ。
【請求項１８】
前記センサ素子の前記フォトニック結晶に前記導波路部とは別に前記電磁波発生源から電磁波が供給されるレファレンス用導波路が形成されており、レファレンス用導波路から放射される電磁波をモニタするモニタ手段と、モニタ手段の出力に基づいて前記電磁波発生源から出力される電磁波の強度のゆらぎを補償する補償手段とを備えることを特徴とする請求項１ないし請求項１７のいずれかに記載のフォトニック結晶を応用したセンサ。
【請求項１９】
前記センサ素子の前記フォトニック結晶に前記導波路部と前記共振器部とを形成したセンサ部とは別にレファレンス用導波路とレファレンス用導波路から共鳴波長の電磁波を取り出すレファレンス用共振器とを形成したレファレンス部を有し、レファレンス用導波路から放射される電磁波をモニタするモニタ手段と、モニタ手段の出力に基づいて環境変化による前記共振器部の共鳴波長の変化を補償手段とを備えることを特徴とする請求項７または請求項９記載のフォトニック結晶を応用したセンサ。
【請求項２０】
前記共振器部の共鳴波長を前記設計上の共鳴波長に戻すリフレッシュ手段を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項１９のいずれかに記載のフォトニック結晶を応用したセンサ。
【請求項２１】
前記リフレッシュ手段は、前記共振器部を加熱するヒータからなることを特徴とする請求項２０記載のフォトニック結晶を応用したセンサ。
【請求項２２】
前記導波路部を導波する電磁波の波長もしくは強度を変調する変調手段を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項２１のいずれかに記載のフォトニック結晶を応用したセンサ。
【請求項２３】
前記変調手段は、ヒータからなることを特徴とする請求項２２記載のフォトニック結晶を応用したセンサ。
【請求項２４】
電磁波を導波する導波路部、導波路部から共鳴波長の電磁波を取り出し且つ検出対象物質に感応して共鳴波長が変化する共振器部をフォトニック結晶に形成したセンサ素子を用いた検出対象物質の検出方法であって、導波路部の入力ポートへ共振器部の設計上の共鳴波長を含む電磁波を供給して、導波路部の出力ポートもしくは共振器部からセンサ素子外へ放射される電磁波の変化により検出対象物質を検出することを特徴とする検出対象物質の検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶を応用したセンサおよび検出対象物質の検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ナノテクノロジーの分野において、光の波長程度（想定する電磁波帯の２分の１波長前後のことが多い）の屈折率周期構造を有するフォトニック結晶を応用した種々の光デバイス（例えば、光分波器、光結合器、光共振器、発光素子など）が各所で研究開発されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、フォトニック結晶は、結晶内部を伝搬する電磁波が多重反射を繰り返しながら伝搬する特性を有しており、結晶内部を伝搬する電磁波の群速度を自由に設計することができ、周波数と波数（伝搬定数）との分散関係における特定の条件において、光の群速度を真空中での群速度に比べて遅くできることが知られている。
【０００４】
群速度を遅くすることは実質的に光路長を長くすることと等価であり、近年、フォトニック結晶を応用したセンサとして、検出対象ガスの吸収波長に一致する波長の光の群速度が真空中に比べて遅くなるように設計したバルク型のフォトニック結晶を応用したガスセンサが提案されている。（非特許文献２参照）。
【０００５】
上記非特許文献２に開示されたガスセンサでは、従来の光学式のガスセンサに比べて小型化を図れるという利点がある。ここにおいて、従来の光学式のガスセンサは、ガス分子の種類による赤外線吸収スペクトルの波長の違いやガスの濃度による赤外線の吸収量の違いからガスの種類や濃度を測定するものであって、検出セルと、検出セルへ赤外線を放射する赤外線光源と、検出セル内を透過した赤外線を受光する受光素子とを少なくとも備えているが、検出セル内における赤外線の光路長が短くなると感度が低下してしまうので、現状では検出セル内における光路長が１０ｃｍ〜１ｍ程度になるように設計されている。
【０００６】
これに対して、上記非特許文献２に提案されているガスセンサは、図２５に示すバルク型の３次元フォトニック結晶１００へ厚み方向の一面（図２５における上面）から検出対象ガスを導入するとともに検出対象ガスの吸収波長と一致する波長の光を入射させ（図２５中の矢印Ｆは３次元フォトニック結晶１００へのガスの導入方向を示し、矢印Ｅは３次元フォトニック結晶１００への光の入射方向を示す）、３次元フォトニック結晶１００の上記厚み方向の他面から出射される光をフォトディテクタのような検出器にて検出するように構成されている。ここに、図２５に示した３次元フォトニック結晶１００は、上記厚み方向に貫通し且つ内径が徐々に増減する多数の孔１０２を上記一面に平行な面内で２次元的に配列した構造体により構成されている。
【０００７】
図２５の３次元フォトニック結晶１００を用いたガスセンサでは、検出対象ガスの濃度に応じて孔１０２内での光の吸収量が変化するので、３次元フォトニック結晶１００の上記他面から出射する光の強度変化を測定することにより検出対象ガスを検出することができる。ここにおいて、３次元フォトニック結晶１００を検出対象ガスの吸収波長の光の群速度が遅くなるように設計することにより、従来のガスセンサに比べて光の伝搬距離を短くしながらも吸収波長の光の減衰量を同程度とすることができるので、感度を低下させることなく従来に比べて小型で新規なガスセンサの実現が可能となるのである。
【０００８】
なお、上記非特許文献２に開示されたガスセンサでは、３次元フォトニック結晶１００を伝搬する光の群速度ｖgを真空中の光速の３０％程度の値に設計しているので、３次元フォトニック結晶１００の上記厚み方向の寸法は数ｃｍ程度必要になると推定される。
【非特許文献１】S.Fan,et al,「Channel drop filters in Photonic Crystals」，OPTICS EXPRESS 3,4(1998)
【非特許文献２】R.Wehrspohn編、「Photonic  Crystals」、ISBN3-527-40432-5、p.238-246
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、フォトニック結晶中を伝搬する電磁波の群速度をｖg、伝搬定数をβ、周波数をωとすると、群速度ｖgはｖg＝（ｄβ／ｄω）-1で定義される。したがって、群速度ｖgは、伝搬定数βの変化に対する周波数ωの変化が小さくなるほど遅くなり、周波数ωと伝搬定数βとの関係が定在波条件（導波モードのモード端の条件）になると零になる。
【００１０】
しかしながら、上記非特許文献２に開示されたガスセンサでは、３次元フォトニック結晶１００を伝搬する光の群速度ｖgを真空中の光速の３０％程度の値に設計することで光路長を長くしたものであり、３次元フォトニック結晶１００の上記厚み方向の寸法（つまり、光の入射方向に沿った方向の寸法）を従来のガスセンサの検出セルの長さ寸法の３０％程度までしか小さくすることができないので、より小型のガスセンサの実現が要望されている。
【００１１】
また、上記非特許文献２に開示されたガスセンサでは、上述の理由から３次元フォトニック結晶１００の厚さ寸法を数ｃｍ程度に設計してあるが、設計した郡速度を得るための周波数ωと伝搬定数βとの条件を満足する１００ｎｍオーダの屈折率周期構造を３次元フォトニック結晶１００の全体に亙って均一に作製する必要があり、屈折率周期構造がゆらぐとその部分では群速度ｖgが設計値からずれてしまうので、３次元フォトニック結晶１００の製造にあたって非常に精度の高い製造技術が要求される。
【００１２】
また、上記非特許文献２のガスセンサでは、バルク型の３次元フォトニック結晶１００を用いており厚さ寸法が比較的大きいので、伝搬モードがマルチモードとなって同じ波長でも群速度が遅いモードと速いモードとが混在し、群速度が一定の場合に比べて感度が低下してしまう恐れがあり、３次元フォトニック結晶１００への入射光についても様々なモードへの結合効率を一定にしないと、感度がばらつくことなるから、光源と３次元フォトニック結晶との相対的な位置関係について高い位置精度が要求される。
【００１３】
また、群速度ｖgの遅い光による空間的な電界強度分布が一般的な空間光の電界強度分布であるガウス分布とは大きく異なるので、上記非特許文献２に開示されたガスセンサでは、３次元フォトニック結晶１００における光の入射面において光の結合損失が生じて感度の低下を招いてしまうから、電界強度分布を変換するような複雑なカップリング構造が必要となる。
【００１４】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、検出対象物質に対する感度が高く且つ小型化が可能で、フォトニック結晶の製造が容易なフォトニック結晶を応用したセンサおよび検出対象物質の検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１の発明は、電磁波を導波する導波路部、導波路部から共鳴波長の電磁波を取り出し且つ検出対象物質に感応して共鳴波長が変化する共振器部をフォトニック結晶に形成したセンサ素子と、導波路部の入力ポートへ共振器部の設計上の共鳴波長を含む電磁波を供給する電磁波発生源と、導波路部の出力ポートもしくは共振器部からセンサ素子外へ放射される電磁波を検出する電磁波検出手段とを備え、検出対象物質による共振器部の共鳴波長の変化および共振器部での電磁波の吸収に応じて電磁波検出手段の出力が変化することを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、電磁波を導波する導波路部、導波路部から共鳴波長の電磁波を取り出し且つ検出対象物質に感応して共鳴波長が変化する共振器部をフォトニック結晶に形成したセンサ素子を用いているので、センサ素子の小型化を図りながらも、共振器部に関係するＱ値（共振器部と導波路部との間のＱ値、共振器部と自由空間との間のＱ値、共振器部の吸収によるＱ値）を適宜設計することで、検出対象物質に応じて設計する共振器部の共鳴波長の電磁波の進む経路の長さ（光路長）を長くすることができるから、バルク型の３次元フォトニック結晶を用いたガスセンサのようにフォトニック結晶の全体に亙って電磁波の群速度が一定となるような設計を行うことなく検出対象物質に対する感度を高めることができ、フォトニック結晶において精度の高い製造技術が要求される部分が共振器部近傍の領域だけとなって、フォトニック結晶全体に亙って高い製造技術が要求される場合に比べてフォトニック結晶の製造が容易になる。
【００１７】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記センサ素子は、前記導波路部が前記フォトニック結晶に形成した１つの導波路により構成されて当該導波路の一端が前記入力ポートを構成するとともに他端が前記出力ポートを構成し、前記電磁波検出手段は、前記出力ポートから前記センサ素子外へ放射される電磁波を検出することを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、前記センサ素子において導波路の一端から入射され他端から前記センサ素子外へ放射される電磁波の出力変化に基づいて検出対象物質を検出することが可能となる。
【００１９】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記センサ素子は、前記導波路部が前記フォトニック結晶に形成した１つの導波路により構成されて当該導波路の一端が前記入力ポートを構成するとともに他端が前記出力ポートを構成し、前記電磁波検出手段は、前記共振器部から前記センサ素子外へ放射される電磁波を検出することを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、前記センサ素子における前記共振器部から前記センサ素子外へ放射される電磁波の出力変化に基づいて検出対象物質を検出することが可能となる。
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記センサ素子は、前記導波路部が前記フォトニック結晶に形成した１つの導波路により構成されて当該導波路の一端が前記入力ポートを構成するとともに他端が前記出力ポートを構成し、前記電磁波検出手段は、前記入力ポートから前記センサ素子外へ放射される電磁波を検出することを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、前記センサ素子において前記入力ポートから入射され前記入力ポートから前記センサ素子外へ放射される電磁波の出力変化に基づいて検出対象物質を検出することが可能となる。
【００２２】
請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記センサ素子は、前記導波路部が前記フォトニック結晶に形成した入力導波路および入力導波路と交差する方向に並設された出力導波路により構成されるとともに、前記共振器部が入力導波路と出力導波路との間に存在し、入力導波路の一端が前記入力ポートを構成するとともに出力導波路の一端が前記出力ポートを構成し、前記電磁波検出手段は、前記出力ポートから前記センサ素子外へ放射される電磁波を検出することを特徴とする。
【００２３】
この発明によれば、前記センサ素子において入力導波路の一端から入射され出力導波路の一端から前記センサ素子外へ放射される電磁波の出力変化に基づいて検出対象物質を検出することが可能となる。
【００２４】
請求項６の発明は、請求項１の発明において、前記センサ素子は、前記導波路部が前記フォトニック結晶に形成した入力導波路および入力導波路の光軸方向に沿って並設された出力導波路により構成されるとともに、前記共振器部が入力導波路と出力導波路との間に存在し、入力導波路において前記共振器部から遠い側の一端が前記入力ポートを構成するとともに出力導波路において前記共振器部から遠い側の一端が前記出力ポートを構成し、前記電磁波検出手段は、前記出力ポートから前記センサ素子外へ放射される電磁波を検出することを特徴とする。
【００２５】
この発明によれば、前記センサ素子において入力導波路の一端から入射され前記共振器部を介して出力導波路の一端から前記センサ素子外へ放射される電磁波の出力変化に基づいて検出対象物質を検出することが可能となる。
【００２６】
請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６の発明において、前記センサ素子は、前記共振器部に前記検出対象物質を吸着する材料もしくは前記検出対象物質と反応する材料からなる感応部が設けられてなることを特徴とする。
【００２７】
この発明によれば、前記検出対象物質に対する感度および選択性を高めることができる。
【００２８】
請求項８の発明は、請求項１ないし請求項６の発明において、前記センサ素子は、前記フォトニック結晶に前記共振器部が複数形成されてなることを特徴とする。
【００２９】
この発明によれば、前記共振器部が１つだけ形成されている場合に比べて、前記センサ素子による前記共鳴波長に一致する電磁波の前記出力ポートへの透過効率が低くなるので、高感度化を図ることができる。
【００３０】
請求項９の発明は、請求項８の発明において、前記センサ素子は、前記各共振器部のうちの少なくとも１つに、前記検出対象物質を吸着する材料もしくは前記検出対象物質と反応する材料からなる感応部が設けられてなることを特徴とする。
【００３１】
この発明によれば、前記検出対象物質に対する感度および選択性を高めることができる。
【００３２】
請求項１０の発明は、請求項８の発明において、前記センサ素子は、前記共振器部間のエネルギ結合経路に、前記検出対象物質を吸着する材料もしくは前記検出対象物質と反応する材料からなる感応部が設けられてなることを特徴とする。
【００３３】
この発明によれば、前記検出対象物質の影響により前記共振器部間の結合状態が変化して前記出力ポートから前記センサ素子外へ放射される電磁波の強度が変化するので高感度化を図ることができ、請求項８の発明に比べて前記共振器部の共鳴波長の設計が容易になる。
【００３４】
請求項１１の発明は、請求項１の発明において、前記センサ素子は、前記フォトニック結晶が、２次元面内に屈折率周期構造を有する第１のフォトニック結晶部と第１のフォトニック結晶部とは屈折率周期構造の周期が異なる第２のフォトニック結晶部とが同一面内に並設された面内へテロ構造を有し、前記導波路部が、第１のフォトニック結晶部と第２のフォトニック結晶部との並設方向において第１のフォトニック結晶部と第２のフォトニック結晶部との全長に亙ってそれぞれの屈折率周期構造に線状の欠陥を設けることにより形成された入力導波路と、第１のフォトニック結晶部と第２のフォトニック結晶部との並設方向において第１のフォトニック結晶部と第２のフォトニック結晶部とに跨ってそれぞれの屈折率周期構造に線状の欠陥を設けることにより形成された出力導波路とで構成され、前記共振器部が、入力導波路と出力導波路との間に存在し、入力導波路の一端が前記入力ポートを構成するとともに出力導波路の一端が前記出力ポートを構成し、入力導波路において第１のフォトニック結晶部に形成された部分と第２のフォトニック結晶部に形成された部分との境界により前記共振器部の設計上の共鳴波長に一致させた所定波長の電磁波を反射する入力導波路側反射部が形成され、出力導波路において第１のフォトニック結晶部に形成された部分と第２のフォトニック結晶部に形成された部分との境界により前記所定波長の電磁波を反射する出力導波路側反射部が形成され、前記検出対象物質を吸着する材料もしくは前記検出対象物質と反応する材料からなる感応部が、入力導波路および出力導波路それぞれについて第１のフォトニック結晶部に形成された部分と第２のフォトニック結晶部に形成された部分とに跨って設けられてなることを特徴とする。
【００３５】
この発明によれば、前記電磁波発生源から供給される電磁波が複数周波数の電磁波であっても前記共振器部の共鳴波長に一致する波長の電磁波を前記出力ポートから高いドロップ効率で放射させることが可能であり、前記検出対象物質の影響によって、入力導波路側反射部により反射され前記共振器部近傍まで戻ってきた時の電磁波の位相変化量および出力導波路側反射部により反射され前記共振器部近傍まで戻ってきた時の電磁波の位相変化量が変化して前記出力ポートへのドロップ効率が変化するので、前記検出対象物質を高感度に検出することができる。
【００３６】
請求項１２の発明は、請求項１ないし請求項６の発明において、前記センサ素子が前記導波路部と前記共振器部とを形成したセンサ部を複数有し、センサ部ごとに前記電磁波発生源および前記電磁波検出手段が設けられ、センサ部ごとに前記検出対象物質が異なることを特徴とする。
【００３７】
この発明によれば、複数種の検出対象物質を同時に検出することができる。
【００３８】
請求項１３の発明は、請求項１の発明において、前記センサ素子は、前記導波路部が平行な複数本の直線状の導波路により構成され、前記共振器部が各導波路ことに導波路の長手方向に複数ずつ並設され、各導波路それぞれの一端がそれぞれ前記入力ポートを構成するとともに、各導波路それぞれの他端がそれぞれ前記出力ポートを構成し、前記電磁波検出手段は、前記各共振器部それぞれから前記センサ素子外へ放射される電磁波を個別に検出することを特徴とする。
【００３９】
この発明によれば、前記センサ素子において前記各共振器部を含む面内に対する前記検出対象物質のマッピングが可能となる。
【００４０】
請求項１４の発明は、請求項１ないし請求項１３の発明において、前記電磁波発生源が、単一波長の電磁波を前記入力ポートへ供給する光源であることを特徴とする。
【００４１】
この発明によれば、前記検出対象物質による前記共振器部の共鳴波長の変化に応じて前記出力ポートから放射される電磁波の強度が変化するので、前記電磁波検出手段として電磁波の強度のみを測定できるものを用いることが可能となる。
【００４２】
請求項１５の発明は、請求項１ないし請求項１３の発明において、前記電磁波検出手段は、前記センサ素子外へ放射される電磁波の波長もしくは強度を検出することを特徴とする。
【００４３】
この発明によれば、前記センサ素子外へ放射される電磁波の波長もしくは強度の変化により前記検出対象物質を検出することができる。
【００４４】
請求項１６の発明は、請求項１ないし請求項１３の発明において、前記電磁波発生源が、前記入力ポートへ供給する電磁波の波長を掃引可能な光源であり、前記電磁波検出手段は、前記センサ素子外へ放射される電磁波の強度を検出することを特徴とする。
【００４５】
この発明によれば、前記電磁波発生源から前記入力ポートへ供給する電磁波の波長を掃引し前記電磁波検出手段により前記センサ素子外へ放射される電磁波の強度を検出することによって、前記電磁波検出手段において広波長域での電磁波の強度分布の変化を検出することができる。
【００４６】
請求項１７の発明は、請求項１ないし請求項１３の発明において、前記電磁波発生源は、広波長域の電磁波を前記入力ポートへ供給する光源であり、前記電磁波検出手段は、前記出力ポートから放射される電磁波を分光する分光器からなることを特徴とする。
【００４７】
この発明によれば、前記電磁波検出手段において広波長域での電磁波の強度分布の変化を検出することができる。
【００４８】
請求項１８の発明は、請求項１ないし請求項１７の発明において、前記センサ素子の前記フォトニック結晶に前記導波路部とは別に前記電磁波発生源から電磁波が供給されるレファレンス用導波路が形成されており、レファレンス用導波路から放射される電磁波をモニタするモニタ手段と、モニタ手段の出力に基づいて前記電磁波発生源から出力される電磁波の強度のゆらぎを補償する補償手段とを備えることを特徴とする。
【００４９】
この発明によれば、前記電磁波発生源から前記センサ素子の前記入力ポートへ供給される電磁波の強度のゆらぎによる前記電磁波検出手段の出力変化を補償することができる。
【００５０】
請求項１９の発明は、請求項７または請求項９の発明において、前記センサ素子の前記フォトニック結晶に前記導波路部と前記共振器部とを形成したセンサ部とは別にレファレンス用導波路とレファレンス用導波路から共鳴波長の電磁波を取り出すレファレンス用共振器とを形成したレファレンス部を有し、レファレンス用導波路から放射される電磁波をモニタするモニタ手段と、モニタ手段の出力に基づいて環境変化による前記共振器部の共鳴波長の変化を補償手段とを備えることを特徴とする。
【００５１】
この発明によれば、前記センサ素子の周囲環境（温度、屈折率など）の変化による前記共振器部の共鳴波長の変化を補償できる。
【００５２】
請求項２０の発明は、請求項１ないし請求項１９の発明において、前記共振器部の共鳴波長を前記設計上の共鳴波長に戻すリフレッシュ手段を備えることを特徴とする。
【００５３】
この発明によれば、前記センサ素子の長寿命化を図れる。
【００５４】
請求項２１の発明は、請求項２０の発明において、前記リフレッシュ手段は、前記共振器部を加熱するヒータからなることを特徴とする。
【００５５】
この発明によれば、ヒータへの通電により前記共振器部を加熱して前記共振器部から前記検出対象物質を脱離させることで前記共振器部の共鳴波長を前記設計上の共鳴波長に戻すことができる。
【００５６】
請求項２２の発明は、請求項１ないし請求項２１の発明において、前記導波路部を導波する電磁波の波長もしくは強度を変調する変調手段を備えることを特徴とする。
【００５７】
この発明によれば、測定精度を高めることができる。
【００５８】
請求項２３の発明は、請求項２２の発明において、前記変調手段は、ヒータからなることを特徴とする。
【００５９】
この発明によれば、ヒータへの通電により前記導波路部を導波する電磁波の波長もしくは強度を変調することができる。
【００６０】
請求項２４の発明は、電磁波を導波する導波路部、導波路部から共鳴波長の電磁波を取り出し且つ検出対象物質に感応して共鳴波長が変化する共振器部をフォトニック結晶に形成したセンサ素子を用いた検出対象物質の検出方法であって、導波路部の入力ポートへ共振器部の設計上の共鳴波長を含む電磁波を供給して、導波路部の出力ポートもしくは共振器部からセンサ素子外へ放射される電磁波の変化により検出対象物質を検出することを特徴とする。
【００６１】
この発明によれば、フォトニック結晶を応用したセンサ素子の小型化を図りながらも検出対象物質を高感度で検出することができる。
【発明の効果】
【００６２】
請求項１の発明は、センサ素子の小型化を図りながらも、共振器部に関係するＱ値（共振器部と導波路部との間のＱ値、共振器部と自由空間との間のＱ値、共振器部の吸収によるＱ値）を適宜設計することで、検出対象物質に応じて設計する共振器部の共鳴波長の電磁波の進む経路の長さを長くすることができるので、バルク型の３次元フォトニック結晶を用いたガスセンサのようにフォトニック結晶の全体に亙って電磁波の群速度が一定となるような設計を行うことなく検出対象物質に対する感度を高めることができ、フォトニック結晶において精度の高い製造技術が要求される部分が共振器部近傍の領域だけとなって、フォトニック結晶全体に亙って高い製造技術が要求される場合に比べてフォトニック結晶の製造が容易になるという効果がある。
【００６３】
請求項２３の発明は、フォトニック結晶を応用したセンサ素子の小型化を図りながらも検出対象物質を高感度で検出することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６４】
（実施形態１）
本実施形態のセンサは、フォトニック結晶を応用したセンサであって、図１に示すように、２次元面内に屈折率周期構造を有する２次元フォトニック結晶１を用いたセンサ素子Ａを備えている。ここに、センサ素子Ａは、２次元フォトニック結晶１の屈折率周期構造に線状の欠陥を設けることにより電磁波を導波する導波路部２を形成するとともに、２次元フォトニック結晶１の屈折率周期構造に点状の欠陥を設けることにより導波路部２から共鳴波長の電磁波を取り出し且つ検出対象物質に感応して共鳴波長が変化する共振器部３を形成してある。
【００６５】
本実施形態のセンサは、センサ素子Ａにおける導波路部２の一端（図１の左端）を入力ポートＰ１とするとともに、他端（図１の右端）を出力ポートＰ２としてあり、導波路部２の入力ポートＰ１へ共振器部３の設計上の共鳴波長を含む電磁波を供給する電磁波発生源１０と、導波路部２の出力ポートＰ２からセンサ素子Ａ外へ放射される電磁波を検出する電磁波検出手段たる検出器２０とを備えており（なお、図１中の矢印Ｅ１はセンサ素子Ａへ入射する電磁波の進行方向を示し、矢印Ｅ２はセンサ素子Ａの出力ポートＰ２から放射される電磁波の進行方向を示す）、検出対象物質による共振器部３の共鳴波長の変化および共振器部３での電磁波の吸収に応じて検出器２０の出力が変化する。
【００６６】
また、図示していないが、本実施形態のセンサは、電磁波発生源１０の出力を制御するとともに検出器２０の出力に基づいて検出対象物質の存否の判断や濃度の演算などの処理を行うマイクロコンピュータからなる制御回路と、制御回路による処理結果を測定結果として表示するディスプレイのような表示手段とを備えている。ここにおいて、本実施形態のセンサを例えば上記非特許文献２と同様に、ガスセンサとして用いる場合には、検出対象物質として規定したガスの分子構造から決定する吸収波長の赤外線を含む電磁波を電磁波発生源１０から入力ポートＰ１へ供給し出力ポートＰ２から放射される上記吸収波長の赤外線の強度を検出器２０により検出し、上記制御回路にて検出器２０の出力変化に基づいて上記吸収波長の赤外線の吸光度を演算してガスの濃度を決定するようにすればよい。なお、本実施形態のセンサは、電磁波発生源１０から出力する電磁波の波長帯を適宜設定することにより、ガスセンサに限らず、例えば、湿度センサ、イオンセンサ、ＤＮＡやたんぱく質などの生体高分子を検出するバイオセンサなど他のセンサを構成することも可能である。
【００６７】
電磁波発生源１０からセンサ素子Ａの入力ポートＰ１へ供給する電磁波の波長は検出対象物質に応じて適宜設定すればよく、電磁波発生源１０としては、例えば、光通信波長帯の電磁波を発生する光源として、発光ダイオード、半導体レーザ、ハロゲンランプ、ＡＳＥ（Amplified  Spontaneous  Emission）光源、ＳＣ（supercontinuum）光源などを用いることができ、中近赤外波長帯の電磁波を発生する光源として、シリコン基板などをマイクロマシンニング技術により加工して形成した矩形枠状の支持基板の一表面側において２点間に線状の発熱体を架け渡した所謂マイクロブリッジ構造の赤外線放射素子のような黒体放射の光源などを用いることができる。ここに、前者の電磁波発生源１０を用いた場合の検出器２０としては、例えば、光通信波長帯用のフォトディテクタや分光器などを用いることができ、後者の電磁波発生源１０を用いた場合の検出器２０としては、例えば、サーモパイルなどを用いることができる。
【００６８】
図１に示したセンサ素子Ａの基礎となる構造体である２次元フォトニック結晶１は、いわゆるスラブ型の２次元フォトニック結晶であり、高屈折率媒質（例えば、Ｓｉなど）からなるスラブ１１の厚み方向の両側を一様な低屈折率媒質（例えば、空気、ＳｉＯ２など）により挟んだ構成となっており、厚み方向に直交する２次元面内ではフォトニックバンドギャップにより電磁波を閉じ込め、厚み方向には全反射により電磁波を閉じ込めるようになっている。ここに、２次元フォトニック結晶１は、多数の円孔１２がスラブ１１の厚み方向に直交する面内で２次元的な周期構造を有するように配列されており、スラブ１１を構成する高屈折率媒質と円孔１２内の空気からなる低屈折率媒質とで上記屈折率周期構造を有する２次元フォトニック結晶１を構成している。具体的には、スラブ１１において、単位格子が正三角形の仮想的な２次元三角格子の各格子点に対応する各部位に円孔１２を形成することにより、フォトニック結晶１を形成してある。言い換えれば、円孔１２はスラブ１１の厚み方向に直交する面内において三角格子状に配列されている。
【００６９】
本実施形態におけるセンサ素子Ａは、厚み方向の中間に絶縁膜であるシリコン酸化膜（埋込酸化膜）を有する所謂ＳＯＩ（Silicon  On  Insulator）基板を用いて形成してある。すなわち、センサ素子Ａにおける２次元フォトニック結晶１および導波路部２および共振器部３はＳＯＩ基板の主表面側のシリコン層をリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して加工することによって形成されている。したがって、２次元フォトニック結晶１および導波路部２および共振器部３を比較的簡単に形成することができる。例えば、市販のＳＯＩウェハにおける主表面側のシリコン層上に所望の形状にパターニングしたレジスト層を形成した後、ドライエッチング装置によって導波路部２および共振器部３およびスラブ１１に対応した部分が残り且つ各円孔１２に対応する部位が除去されるようにシリコン層をエッチングすることによって、２次元フォトニック結晶１および導波路部２および共振器部３を同時に形成することが可能となる。なお、Ｃ帯やＬ帯などの光通信波長帯においては、Ｓｉの屈折率が３．４程度、ＳｉＯ２の屈折率が１．５程度、空気の屈折率が１であり、スラブ１１とその両側のクラッドとの屈折率差は５５〜７０％となり、一般的な光ファイバのコアとクラッドとの比屈折率差である０．３％と比較して非常に大きな値となるので、光ファイバに比べて光の閉じ込め効果を高めることができ、小型化を図れる。ここに、スラブ１１を構成する高屈折率媒質はＳｉに限らず、例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどの他の材料を採用してもよい。
【００７０】
センサ素子Ａの設計にあたって、入力ポートＰ１へ供給される電磁波の周波数帯が例えばＣ帯（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）やＬ帯（１５６５ｎｍ〜１６２５ｎｍ）などの光通信波長帯である場合には、例えば、２次元フォトニック結晶１における円孔１２の配列方向の周期（２次元フォトニック結晶１の屈折率周期構造の周期であって２次元三角格子の格子点間の距離）ａを０．４２μｍ、円孔１２の半径を０．２９ａ、スラブ１１の厚さを０．６ａに設定することにより、フォトニック結晶１の厚み方向に直交する２次元面内のあらゆる方向から入射する上記周波数帯の電磁波（光）を伝搬しない波長帯であるフォトニックバンドギャップを形成することができ、導波路部２および共振器部３は適宜の数の円孔１２を抜くことにより形成することができる。なお、上述の円孔１２の配列方向の周期ａや円孔１２の半径の各数値は特に限定するものではなく、周期ａは上記周波数帯の電磁波の波長程度（例えば、電磁波の波長の２分の１程度）の周期であればよい。
【００７１】
ここで、図２に示すようにスラブ型の２次元フォトニック結晶１に共振器部３のみを形成した仮想モデルについて、２次元フォトニック結晶１のスラブ１１の屈折率ｎを３．４と仮定し、共振器部３の周囲の空間Ｂの屈折率ｎenvを変化させた場合の共振器部３の共鳴波長λの変化をシミュレーションした結果を図３に示す。図３から、共振器部３の周囲の屈折率ｎenvが変化することにより、共振器部３の共鳴波長が変化することが分かる。
【００７２】
以上説明した本実施形態のフォトニック結晶を応用したセンサでは、電磁波を導波する導波路部２、導波路部２から共鳴波長の電磁波を取り出し且つ検出対象物質に感応して共鳴波長が変化する共振器部３をスラブ型の２次元フォトニック結晶１に形成したセンサ素子を用いているので、センサ素子Ａの小型化を図りながらも、共振器部３に関係するＱ値（共振器部３と導波路部３との間のＱ値、共振器部３と自由空間との間のＱ値、共振器部３の吸収によるＱ値）を適宜設計することで、検出検出対象物質に応じて設計する共振器部３の共鳴波長の電磁波の進む経路の長さ（光路長）を長くすることができるから、上記非特許文献２に開示されたバルク型の３次元フォトニック結晶１００を用いたガスセンサのようにフォトニック結晶の全体に亙って電磁波の群速度が一定となるような設計を行うことなく検出対象物質に対する感度を高めることができ、フォトニック結晶において精度の高い製造技術が要求される部分が共振器部３近傍の領域だけとなって、フォトニック結晶全体に亙って高い製造技術が要求される場合に比べてフォトニック結晶の製造が容易になる。特に本実施形態では、２次元フォトニック結晶１としてスラブ型の２次元フォトニック結晶を採用しているので、導波路部２および共振器部３を容易に形成することができる。なお、本実施形態では、センサ素子Ａにおいて電磁波の入射面に直交する方向（導波路部２の長手方向に沿った方向）の寸法を数μｍ程度に設定することができ、当該寸法を上記非特許文献２に開示されたガスセンサにおいて電磁波の入射面に直交する方向の寸法（数ｃｍ）に比べて大幅な短縮できる。
【００７３】
また、本実施形態のセンサでは、２次元フォトニック結晶１に導波路部２および共振器部３を形成したセンサ素子Ａを採用していることにより、電磁波発生源１０とセンサ素子Ａの入力ポートＰ１との間のカップリングにスポットサイズ変換器を採用することができ、上記非特許文献２のような複雑なカップリング構造を必要としないので、低コスト化を図ることができる。
【００７４】
ところで、電磁波発生源１０として発光ダイオードのような単一波長の電磁波を放射する光源を用いる場合には、検出対象物質による共振器部３の共鳴波長の変化に応じて出力ポートＰ２から放射される電磁波の強度が変化するので、検出器２０として電磁波の強度のみを測定できるフォトディテクタを用いることが可能となる。なお、電磁波発生源１０および検出器２０それぞれとセンサ素子Ａの各ポートＰ１，Ｐ２とは例えばスポットサイズ変換器や光ファイバを介して光結合すればよい。
【００７５】
また、電磁波発生源１０として複数波長を含む電磁波を放射する光源を用いる場合には、検出器２０においてセンサ素子Ａの出力ポートＰ２からセンサ素子Ａ外へ放射される電磁波の波長もしくは強度を検出すれば、センサ素子Ａ外へ放射される電磁波の波長もしくは強度の変化により検出対象物質を検出することができる。
【００７６】
また、電磁波発生源１０として入力ポートＰ１へ供給する電磁波の波長を掃引可能な光源（例えば、波長可変レーザ）を用いる場合には、検出器２０においてセンサ素子Ａの出力ポートＰ２からセンサ素子Ａ外へ放射される電磁波の強度を電磁波の波長の掃引に同期して検出すれば、検出器２０において広波長域での電磁波の強度分布の変化を検出することができる。
【００７７】
また、電磁波発生源１０としてＳＣ光源やＡＳＥ光源などのように広波長域の電磁波（ブロード光）を入力ポートＰ１へ供給する光源を用いる場合には、検出器２０として出力ポートＰ２から放射される電磁波を分光する分光器を用いれば、検出器２０において広波長域での電磁波の強度分布の変化を検出することができる。
【００７８】
（実施形態２）
本実施形態のフォトニック結晶を応用したセンサの基本構成は実施形態１と略同じであって、図４に示すように、電磁波検出手段たる検出器２０が共振器部３からセンサ素子Ａ外へ放射される電磁波を検出するように構成されている点が相違するだけである。すなわち、本実施形態では、共振器部３の共鳴波長に一致する波長の電磁波であって共振器部３から法線方向（図４の上方向）へ放射される電磁波を検出器２０により検出するように構成してある。ここに、図４中の矢印Ｅ３はセンサ素子Ａの共振器部３から法線方向へ放射される電磁波の進行方向を示す。他の構成は実施形態１と同様なので、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００７９】
しかして、本実施形態においても、実施形態１と同様に、センサ素子Ａの小型化を図りながらも、検出対象物質に応じて設計する共振器部３の共鳴波長の電磁波の進む経路の長さを長くすることができて検出対象物質に対する感度を高めることができるので、上記非特許文献２のように３次元フォトニック結晶１００全体に亙って高い製造技術が要求される場合に比べてフォトニック結晶の製造が容易になる。
【００８０】
なお、実施形態１では電磁波検出手段たる検出器２０が出力ポートＰ２からセンサ素子Ａ外へ放射される電磁波を検出するように構成され、実施形態２では検出器２０が共振器部３からセンサ素子Ａ外へ放射される電磁波を検出するように構成されているが、検出器２０が入力ポートＰ１からセンサ素子Ａ外へ放射される電磁波を検出するように構成してもよく、この場合には、例えば入力ポートＰ１にサーキュレータと呼ばれる光学部品を配置して入力ポートＰ１へ入射する電磁波と入力ポートＰ１からセンサ素子Ａ外へ放射される電磁波とを分離するようにすればよい。
【００８１】
（実施形態３）
本実施形態のフォトニック結晶を応用したセンサの基本構成は実施形態１と略同じであって、実施形態１では導波路部２が１つの導波路により構成されていたのに対して、図５に示すように、センサ素子Ａの導波路部２が直線状の入力導波路２ａと入力導波路２ａに交差する方向（２次元面内において入力導波路２ａと直交する方向）に並設された出力導波路２ｂとにより構成されている（つまり、互いに平行な入力導波路２ａと出力導波路２ｂとの２つの導波路で構成されている）点、共振器部３が入力導波路２ａと出力導波路２ｂとの間に存在している点などが相違する。また、本実施形態では、入力導波路２ａの一端（図５における左端）が入力ポートＰ１を構成するとともに出力導波路２ｂの一端（図５における右端）が出力ポートＰ２を構成し、電磁波検出手段たる検出器２０が出力ポートＰ２からセンサ素子Ａ外へ放射される電磁波を検出するように構成してある。なお、他の構成は実施形態１と同様なので、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００８２】
ところで、図５に示したセンサ素子Ａにおいて、入力ポートＰ１から入力導波路２ａへ入射される電磁波であって共振器部３の共鳴周波数に一致する所定周波数の電磁波の振幅をｓ+1、出力ポートＰ２から出射される電磁波であって上記所定周波数の電磁波の振幅をｓ-2、出力ポートＰ２のドロップ効率をＤ＝｜ｓ-2／ｓ+1｜２とし、共振器部３の吸収によるＱ値をＱaとした場合、例えば検出対象物質が特定波長の光を吸収するガスであるとすれば、共振器部３の共鳴波長を上記ガスの吸収波長に設計しておくことにより、ガスが共振器部３に近づいた時に共振器部３に局在していた光を吸収することで、Ｑaが大きく変化し共振器部３の吸収係数が変化するので、ドロップ効率Ｄが変化する。なお、Ｑaは、共振器部３内部で吸収により失われるエネルギの量に関係する値であって、共振器部３の共鳴周波数をω０、共振器部３に蓄積されるエネルギをＷ、共振器部３での吸収により単位時間に失われるエネルギを−ｄＷ／ｄｔとすれば、Ｑa＝ω０×Ｗ／（−ｄＷ／ｄｔ）により定義され、共振器部３の屈折率をｎm、共振器部３の吸収係数をα、真空中の光速をｃとすれば、Ｑa＝（ω０×ｎm）／（α×ｃ）と表すことができる。
【００８３】
以上説明した本実施形態のセンサでは、センサ素子Ａにおいて入力導波路２ａの一端よりなる入力ポートＰ１から入射され出力導波路２ｂの一端よりなる出力ポートＰ２からセンサ素子Ａ外へ放射される電磁波の出力変化に基づいて検出対象物質を検出することが可能となる。
【００８４】
しかして、本実施形態においても、実施形態１と同様に、センサ素子Ａの小型化を図りながらも、検出対象物質に応じて設計する共振器部３の共鳴波長の電磁波の進む経路の長さを長くすることができて検出対象物質に対する感度を高めることができるので、上記非特許文献２のように３次元フォトニック結晶１００全体に亙って高い製造技術が要求される場合に比べてフォトニック結晶の製造が容易になる。
【００８５】
（実施形態４）
本実施形態のフォトニック結晶を応用したセンサの基本構成は実施形態１と略同じであって、図６に示すように、センサ素子Ａにおける導波路部２が直線状の入力導波路２ａと入力導波路２ａの長手方向に沿って並設された出力導波路２ｂとにより構成されるとともに共振器部３が入力導波路２ａと出力導波路２ｂとの間に存在している点などが相違する。また、本実施形態では、入力導波路２ａにおいて共振器部３から遠い側の一端（図６における左端）が入力ポートＰ１を構成するとともに出力導波路２ｂにおいて共振器部３から遠い側の一端（図６における右端）が出力ポートＰ２を構成し、電磁波検出手段たる検出器２０が出力ポートＰ２からセンサ素子Ａ外へ放射される電磁波を検出するように構成してある。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００８６】
ところで、図６に示す構成のセンサ素子Ａにおいて、共振器部３の共鳴周波数をω0、入力ポートＰ１から入力導波路２ａへ入射される電磁波（光）であって共振器部３の共鳴周波数に一致する所定周波数の電磁波の振幅をｓ+1、出力ポートＰ２から出射される電磁波（光）であって上記所定周波数の電磁波の振幅をｓ-2とし、モード結合理論を利用して出力ポートＰ２の出力光強度を求めると後述の数１の数式が得られる。ただし、モード結合理論を適用するにあたっては、共振器部３と入力導波路２ａとの間のＱ値および共振器部３と出力導波路２ｂとの間のＱ値をいずれもＱin、共振器部３の吸収によるＱ値をＱaとし、共振器部３と自由空間との間のＱ値をＱvとし、Ｑv≫Ｑinとしている。なお、Ｑinは、共振器部３と入力導波路２ａまたは出力導波路２ｂとの系において共振器部３から入力導波路２ａまたは出力導波路２ｂへ漏れるエネルギの量に関係する値（つまり、共振器部３と入力導波路２ａまたは出力導波路２ｂとの系において共振器部３にどの程度のエネルギを蓄えることができるかを示す値）であって、共振器部３に蓄積されるエネルギをＷ、共振器部３から入力導波路２ａ側または出力導波路２ｂ側へ単位時間に失われるエネルギを−ｄＷ／ｄｔとすれば、Ｑin＝ω０×Ｗ／（−ｄＷ／ｄｔ）と定義される。また、Ｑaは、共振器部３内部で吸収により失われるエネルギの量に関係する値であって、共振器部３に蓄積されるエネルギをＷ、共振器部３での吸収により単位時間に失われるエネルギを−ｄＷ／ｄｔとすれば、Ｑa＝ω０×Ｗ／（−ｄＷ／ｄｔ）により定義され、共振器部３の有効屈折率をｎm、共振器部３の吸収係数をα、真空中の光速をｃとすれば、Ｑa＝（ω０×ｎm）／（α×ｃ）と表すことができる。
【００８７】
【数１】
2005274329.tif 000003
【００８８】
ここにおいて、例えば検出対象物質が特定波長の光を吸収するガスであるとすれば、共振器部３の共鳴波長を上記ガスの吸収波長に設計しておくことにより、ガスが共振器部３に近づいた時に共振器部３に局在していた光を吸収することで、Ｑaが大きく変化し共振器部３の吸収係数が変化するので、数１の数式により求められる出力光強度が変化する。したがって、入力光強度Ｉinに対する出力光強度Ｉoutの減衰率（＝（Ｉin−Ｉout）／Ｉin）は、共振器部３の吸収係数αが変化することにより、出力光強度の減衰率が変化する。
【００８９】
上述のＱinを１０００００、ｎmを２．７とし、吸収係数αを変化させた場合の出力光強度の減衰率をシミュレーションした結果を図７に示す。図７から、共振器部３の吸収係数αが変化することにより、出力光強度の減衰率が変化することが分かる。ここに、共振器部３の吸収係数αは、検出対象物質の材料固有の物理定数と共振器部３の局在モードの電磁界パターンによって決定される。なお、共振器部３のＱ値（Ｑa）をより高く設定すれば、共振器部３での吸収量がより多くなり、検出対象物質に対する感度の向上につながる。
【００９０】
以上説明した本実施形態のセンサでは、センサ素子Ａにおいて入力導波路２ａの一端よりなる入力ポートＰ１から入射され共振器部３を介して出力導波路２ｂの一端よりなる出力ポートＰ２からセンサ素子Ａ外へ放射される電磁波の出力変化（電磁波の強度の変化もしくは波長の変化）に基づいて検出対象物質を検出することが可能となる。
【００９１】
しかして、本実施形態においても、実施形態１と同様に、センサ素子Ａの小型化を図りながらも、検出対象物質に応じて設計する共振器部３の共鳴波長の電磁波の進む経路の長さを長くすることができて検出対象物質に対する感度を高めることができるので、上記非特許文献２のように３次元フォトニック結晶１００全体に亙って高い製造技術が要求される場合に比べてフォトニック結晶の製造が容易になる。
【００９２】
（実施形態５）
本実施形態のフォトニック結晶を応用したセンサの基本構成は実施形態１と略同じであって、図８に示すように、センサ素子Ａにおける共振器部３の表面に検出対象物質を吸着する材料もしくは検出対象物質と反応する材料からなる感応部３ｂが設けられている点が相違する（なお、図８（ｂ）中のＤは感応部３ｂの表面に到達した検出対象物質の分子を模式的に示している）。ここにおいて、本実施形態のセンサを例えば湿度センサとする場合には、感応部３ｂの材料としてＳｉＯ２やポリマーなどの水を吸着しやすい材料を用いればよく、バイオセンサとする場合には、感応部３ｂの材料としてバイオセンサの分野においてレセプタとして採用されているカルボキシレートなどの材料を用いればよい。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００９３】
ここで、図９に示すように２次元フォトニック結晶１に共振器部３のみを形成した仮想モデルについて、２次元フォトニック結晶１のスラブ１１の屈折率ｎを３．４、共振器部３の周囲の空間Ｂの屈折率ｎenvを１．３３、円孔１２の配列方向の周期（２次元フォトニック結晶１の屈折率周期構造の周期であって２次元三角格子の格子点間の距離）ａを０．４２μｍ、円孔１２の半径を０．２９ａ、スラブ１１の厚さを０．６ａ、感応部３ｂの厚みを０．１ａと仮定し、感応部３ｂの屈折率ｎsurfaceを変化させた場合の共振器部３のＱ値および共鳴波長λの変化をシミュレーションした結果を図１０に示す。図１０から、感応部３ｂの屈折率ｎsurfaceが変化することにより、共振器部３のＱ値および共鳴波長λが変化することが分かる。
【００９４】
しかして、本実施形態においても、実施形態１と同様に、センサ素子Ａの小型化を図りながらも、検出対象物質に応じて設計する共振器部３の共鳴波長の電磁波の進む経路の長さを長くすることができて検出対象物質に対する感度を高めることができるので、上記非特許文献２のように３次元フォトニック結晶１００全体に亙って高い製造技術が要求される場合に比べてフォトニック結晶の製造が容易になる。
【００９５】
また、本実施形態のセンサでは、センサ素子Ａにおける共振器部３に感応部３ｂを設けてあるので、検出対象物質に応じて感応部３ｂの材料を適宜決定することにより、検出対象物質に対する感度および選択性を高めることができる。
【００９６】
（実施形態６）
本実施形態のフォトニック結晶を応用したセンサの基本構成は実施形態４と略同じであって、図１１に示すように、入力導波路２ａと出力導波路２ｂとを結ぶ直線上に共振器部３を複数（図示例では、５つ）設けてある点が相違する。ここに、各共振器部３の共鳴波長は同一の共鳴波長に設計してある。なお、実施形態４と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００９７】
しかして、本実施形態では、センサ素子Ａにおける入力導波路２ａと出力導波路２ｂとの間に複数の共振器部３が存在する（つまり、入力ポートＰ１と出力ポートＰ２との間に複数の共振器部３が存在する）ので、実施形態４のように入力導波路２ａと出力導波路２ｂとの間に共振器部３が１つだけ存在する場合に比べて共振器部３の共鳴波長に一致する電磁波の出力ポートＰ２への透過効率が低くなるから、より一層の高感度化を図ることができる。
【００９８】
なお、本実施形態では、入力導波路２ａと出力導波路２ｂとを結ぶ直線上に複数の共振器部３を設けてあるが、実施形態３のように入力導波路２ａと出力導波路２ｂとが平行に並設された構造において入力導波路２ａと出力導波路２ｂとの間に複数の共振器部３が存在するような構成としてもよい。要するに、入力ポートＰ１と出力ポートＰ２との間に複数の共振器部３が存在する構成とすることで、共振器部３が１つだけ存在する構成の場合に比べて高感度化を図れる。
【００９９】
（実施形態７）
本実施形態のフォトニック結晶を応用したセンサの基本構成は実施形態３と略同じであって、図１２に示すように、入力導波路２ａと出力導波路２ｂとの並設方向に沿って互いに結合する２つの共振器部３を所定距離だけ離間して設け、１つの共振器部３に実施形態５にて説明した感応部３ｂを設けてある点が相違する。なお、実施形態３と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【０１００】
しかして、本実施形態では、検出対象物質が感応部３ｂに近づいて吸着ないし反応することによって、感応部３ｂを有する共振器部３の共鳴波長およびＱ値が他方の共振器部３の共鳴波長およびＱ値から大きく変化し、共振器部３間の結合が弱くなって出力ポートＰ２からセンサ素子Ａ外へ放射される電磁波の強度が変化するので、実施形態３に比べて検出対象物質に対する感度および選択性を向上させることができる。
【０１０１】
なお、本実施形態では、共振器部３を２つ設けて１つの共振器部３に感応部３ｂを設けてあるが、隣り合う共振器部３同士が結合するように３つ以上の共振器部３を設けて少なくとも１つに感応部３ｂを設けるようにしてもよい。
【０１０２】
（実施形態８）
本実施形態のフォトニック結晶を応用したセンサの基本構成は実施形態１と略同じであって、図１３に示すように、導波路部２の長手方向に沿って互いに結合する２つの共振器部３を所定距離だけ離間して設け、１つの共振器部３に実施形態５にて説明した感応部３ｂを設けてある点が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【０１０３】
しかして、本実施形態では、検出対象物質が感応部３ｂに近づいて吸着ないし反応することによって、感応部３ｂを有する共振器部３の共鳴波長およびＱ値が他方の共振器部３の共鳴波長およびＱ値から大きく変化し、共振器部３間の結合が弱くなって出力ポートＰ２からセンサ素子Ａ外へ放射される電磁波の強度が変化するので、実施形態１に比べて検出対象物質に対する感度および選択性を向上させることができる。
【０１０４】
なお、本実施形態では、共振器部３を２つ設けて１つの共振器部３に感応部３ｂを設けてあるが、共振器部３を３つ以上設けて少なくとも１つに感応部３ｂを設けるようにしてもよい。
【０１０５】
（実施形態９）
本実施形態のフォトニック結晶を応用したセンサの基本構成は実施形態４と略同じであって、図１４に示すように、入力導波路２ａと出力導波路２ｂとの間に２つの共振器部３を所定距離だけ離間して設け、１つの共振器部３に実施形態５にて説明した感応部３ｂを設けてある点が相違する。なお、実施形態４と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【０１０６】
しかして、本実施形態では、検出対象物質が感応部３ｂに近づいて吸着ないし反応することによって、感応部３ｂを有する共振器部３の共鳴波長およびＱ値が他方の共振器部３の共鳴波長およびＱ値から大きく変化し、共振器部３間の結合が弱くなって出力ポートＰ２からセンサ素子Ａ外へ放射される電磁波の強度が変化するので、実施形態４に比べて検出対象物質に対する感度および選択性を向上させることができる。
【０１０７】
なお、本実施形態では、共振器部３を２つ設けて１つの共振器部３に感応部３ｂを設けてあるが、共振器部３を３つ以上設けて少なくとも１つに感応部３ｂを設けるようにしてもよい。
【０１０８】
（実施形態１０）
ところで、実施形態８のセンサでは、導波路部２の長手方向に沿って２つの共振器部３を所定距離だけ離間して設け、一方の共振器部３に感応部３ｂを設けているので、感応部３ｂを設けた共振器部３の共鳴波長と感応部３ｂを設けていない共振器部３の共鳴波長とを合わせるのが難しくなる可能性がある。
【０１０９】
これに対して、本実施形態では、図１５に示すように、導波路部２において隣り合う共振器部３間のエネルギ結合経路となる部位の表面に感応部３ｂと同様の感応部４を設けてある点が相違する。なお、実施形態８と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【０１１０】
しかして、本実施形態では、検出対象物質が感応部４に近づいて吸着ないし反応することによって、共振器部３間の結合状態が変化し、出力ポートＰ２からセンサ素子Ａ外へ放射される電磁波の強度が変化するので、実施形態８と同様に検出対象物質に対する感度および選択性を向上させることができるのは勿論のこと、共振器部３同士の特性がずれるのを防止することができる。すなわち、本実施形態では、各共振器部３を同一の構造とすることができるので、実施形態８に比べてセンサ素子Ａの設計および製造が容易になる。
【０１１１】
（実施形態１１）
本実施形態のフォトニック結晶を応用したセンサの基本構成は実施形態１０と略同じであって、図１６に示すように、スラブ１１において隣り合う共振器部３の間の部位であり且つ隣り合う共振器部３間のエネルギ結合経路となる部位の表面に感応部４を設けてある点が相違する。なお、実施形態１０と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【０１１２】
しかして、本実施形態では、検出対象物質が感応部４に近づいて吸着ないし反応することによって、共振器部３間の結合状態が変化し、出力ポートＰ２からセンサ素子Ａ外へ放射される電磁波の強度が変化するので、実施形態８と同様に検出対象物質に対する感度および選択性を向上させることができるのは勿論のこと、共振器部３同士の特性がずれるのを防止することができる。すなわち、本実施形態では、各共振器部３を同一の構造とすることができるので、実施形態８に比べてセンサ素子Ａの設計および製造が容易になる。
【０１１３】
（実施形態１２）
ところで、実施形態７のセンサでは、互いに平行な入力導波路２ａと出力導波路２ｂとの並設方向に沿って互いに結合する２つの共振器部３を所定距離だけ離間して設け、一方の共振器部３に感応部３ｂを設けているので、感応部３ｂを設けた共振器部３の共鳴波長と感応部３ｂを設けていない共振器部３の共鳴波長とを合わせるのが難しくなる可能性がある。
【０１１４】
これに対して、本実施形態では、図１７に示すように、スラブ１１において隣り合う共振器部３の間の部位であり且つ隣り合う共振器部３間のエネルギ結合経路となる部位の表面に感応部３ｂと同様の感応部４を設けてある点が相違する。なお、実施形態７と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【０１１５】
しかして、本実施形態では、検出対象物質が感応部４に近づいて吸着ないし反応することによって、共振器部３間の結合状態が変化し、出力ポートＰ２からセンサ素子Ａ外へ放射される電磁波の強度が変化するので、実施形態７と同様に検出対象物質に対する感度および選択性を向上させることができるのは勿論のこと、共振器部３同士の特性がずれるのを防止することができる。すなわち、本実施形態では、各共振器部３を同一の構造とすることができるので、実施形態７に比べてセンサ素子Ａの設計および製造が容易になる。
【０１１６】
（実施形態１３）
本実施形態のフォトニック結晶を応用したセンサの基本構成は実施形態３と略同じであって、図１８に示すように、センサ素子Ａにおけるフォトニック結晶１が、それぞれ異なる周期の屈折率周期構造を有する２次元フォトニック結晶部１１，１２を一方向（図１８の左右方向）に並設した面内へテロ構造を有している点に特徴がある。ここに、センサ素子Ａは、２次元フォトニック結晶部１１，１２の並設方向において両２次元フォトニック結晶部１１，１２の全長に亙ってそれぞれの屈折率周期構造に線状の欠陥を設けることにより入力導波路２ａおよび出力導波路２ｂを形成し、一対の２次元フォトニック結晶部１１，１２の一方の２次元フォトニック結晶部１１の屈折率周期構造に点状の欠陥を設けることにより共振器部３を形成してあり、入力導波路２ａの一端（図１８の左端）を入力ポートＰ１とし、出力導波路２ｂの一端（図１８の左端）を出力ポート（ドロップポート）Ｐ２としている。
【０１１７】
ここにおいて、本実施形態のセンサ素子Ａでは、入力ポートＰ１へ複数周波数の電磁波が入射されると、入力導波路２ａに並設した出力導波路２ｂの中間部との間に存在する共振器部３の共鳴周波数に一致する所定周波数の電磁波が共振器部３を介して出力導波路２ｂへ移行し出力導波路２ｂの出力ポートＰ２から出射されるように構成されている。
【０１１８】
各２次元フォトニック結晶部１１，１２は、いわゆるスラブ型の２次元フォトニック結晶であり、高屈折率媒質（例えば、Ｓｉなど）からなるスラブ１１１，１１２の厚み方向の両側を一様な低屈折率媒質（例えば、空気、ＳｉＯ２など）により挟んだ構成となっており、厚み方向に直交する２次元面内ではフォトニックバンドギャップにより電磁波を閉じ込め、厚み方向には全反射により電磁波を閉じ込めるようになっている。ここに、各２次元フォトニック結晶部１１，１２は、多数の円孔１２１，１２２がスラブ１１１，１１２の厚み方向に直交する２次元面内で２次元的な周期構造を有するように配列されており、スラブ１１１，１１２を構成する高屈折率媒質と円孔１２１，１２２内の空気からなる低屈折率媒質とで上記屈折率周期構造を有する２次元フォトニック結晶部１１，１２を構成している。具体的には、各スラブ１１１，１１２ごとに、単位格子が正三角形の仮想的な２次元三角格子の各格子点に円孔１２１，１２２を形成することにより、フォトニック結晶部１１，１２を形成してある。言い換えれば、円孔１２１，１２２はそれぞれスラブ１１１，１１２の厚み方向に直交する面内において三角格子状に配列されている。
【０１１９】
本実施形態におけるセンサ素子Ａでは、一対の２次元フォトニック結晶部１１，１２の屈折率周期構造が相似的な関係にあり、一対の２次元フォトニック結晶部１１，１２で面内へテロ構造が形成されるように、２次元フォトニック結晶部１２の円孔１２２の配列方向における周期を２次元フォトニック結晶部１１の円孔１２１の配列方向における周期よりも数％（例えば、１．２％）小さく設定してある。
【０１２０】
センサ素子Ａの設計にあたって、入力ポートＰ１へ供給される電磁波の周波数帯が例えばＣ帯（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）やＬ帯（１５６５ｎｍ〜１６２５ｎｍ）などの光通信波長帯である場合には、例えば、２次元フォトニック結晶部１１における円孔１２１の配列方向の周期（２次元フォトニック結晶部１１の屈折率周期構造の周期であって２次元三角格子の格子点間の距離）ａ１を０．４２μｍ、円孔１２１の半径を０．２９ａ１、スラブ１１１の厚さを０．６ａ１とし、２次元フォトニック結晶部１１に並設された２次元フォトニック結晶部１２は円孔１２２の半径およびスラブ１１２の厚さを２次元フォトニック結晶部１１と同じとし、円孔１２２の配列方向の周期（２次元フォトニック結晶部１２を構成する屈折率周期構造の周期であって２次元三角格子の格子点間の距離）ａ２を２次元フォトニック結晶部１１における円孔１２１の周期ａ１よりも１．２％小さく設定することにより、２次元面内のあらゆる方向から入射する上記周波数帯の電磁波（光）を伝搬しない波長帯であるフォトニックバンドギャップを形成することができ、入力導波路２ａおよび出力導波路２ｂおよび共振器部３は適宜の数の円孔１２１，１２２を抜くことにより形成することができる。なお、上述の円孔１２１，１２２の配列方向の周期ａ１，ａ２や円孔１２１，１２２の半径の各数値は特に限定するものではなく、周期ａ１，ａ２は上記周波数帯の電磁波の波長程度（例えば、電磁波の波長の２分の１程度）の周期であればよい。
【０１２１】
本実施形態におけるセンサ素子Ａは、実施形態１と同様に所謂ＳＯＩ基板を用いて形成してある。すなわち、センサ素子Ａにおける各２次元フォトニック結晶部１１，１２およびび入力導波路２ａおよび出力導波路２ｂおよび共振器部３はＳＯＩ基板の主表面側のシリコン層をリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して加工することによって形成されている。したがって、各２次元フォトニック結晶部１１，１２および入力導波路２ａおよび出力導波路２ｂおよび共振器部３を比較的簡単に形成することができる。例えば、市販のＳＯＩウェハにおける主表面側のシリコン層上に所望の形状にパターニングしたレジスト層を形成した後、ドライエッチング装置によって入力導波路２ａおよび出力導波路２ｂおよび共振器部３およびスラブ１１１，１１２に対応した部分が残り且つ円孔１２１，１２２に対応する部位が除去されるようにシリコン層をエッチングすることによって、各２次元フォトニック結晶部１１，１２および入力導波路２ａおよび出力導波路２ｂおよび共振器部３を同時に形成することが可能となる。なお、Ｃ帯やＬ帯などの光通信波長帯においては、Ｓｉの屈折率が３．４程度、ＳｉＯ２の屈折率が１．５程度、空気の屈折率が１であり、スラブ１１１，１１２とその両側のクラッドとの屈折率差は５５〜７０％となり、一般的な光ファイバのコアとクラッドとの比屈折率差である０．３％と比較して非常に大きな値となるので、光ファイバに比べて光の閉じ込め効果を高めることができ、小型化を図れる。
【０１２２】
ところで、本実施形態におけるセンサ素子Ａは、上述のように一対の２次元フォトニック結晶部１１，１２で面内へテロ構造が形成されているが、一対の２次元フォトニック結晶部１１，１２では一対の２次元フォトニック結晶部１１，１２に跨って形成された入力導波路２ａおよび出力導波路２ｂの導波モードが異なるので、各導波路２ａ，２ｂにおいて２次元フォトニック結晶部１１に形成された部分を伝搬する複数の周波数の一部の周波数が２次元フォトニック結晶部１２に形成された部分を伝搬できず反射されるから、この反射される周波数を共振器部３の共鳴周波数に一致させている。したがって、本実施形態におけるセンサ素子Ａは、２次元フォトニック結晶部１１に形成された共振器部３の共鳴周波数が２次元フォトニック結晶１２において導波モードが存在しない周波数帯に含まれており、一対の２次元フォトニック結晶部１１，１２の境界近傍では、入力導波路２ａにおいて一方（以下、前段側と称す）の２次元フォトニック結晶部１１に形成された部分と他方（以下、後段側と称す）の２次元フォトニック結晶部１２に形成された部分との境界により、前段側の２次元フォトニック結晶部１１に形成された共振器部３の共鳴周波数に一致する周波数の電磁波を反射する入力導波路側反射部５１が形成され、出力導波路２ｂにおいて前段側の２次元フォトニック結晶部１１に形成された部分と後段側の２次元フォトニック結晶部１２に形成された部分との境界により、前段側の２次元フォトニック結晶部１１に形成された共振器部３の共鳴周波数に一致する所定周波数の電磁波を反射する出力導波路側反射部６１が形成されている。
【０１２３】
すなわち、本実施形態におけるセンサ素子Ａでは、入力導波路２ａの上記一端を入力ポートＰ１、出力導波路２ｂの上記一端を出力ポートＰ２とし、入力導波路２ａにおいて共振器部３を基準として上記一端とは反対側に共振器部３の共鳴周波数の電磁波を反射する入力導波路側反射部５１を設けるとともに、出力導波路２ｂの他端側に共振器部３の共鳴周波数の電磁波を反射する出力導波路側反射部６１を設けてある。したがって、本実施形態におけるセンサ素子Ａでは、入力導波路２ａから共振器部３を介して出力導波路２ｂへ移行した電磁波において出力導波路２ｂの出力ポートＰ２とは反対の上記他端側へ向かって伝搬した電磁波は出力導波路側反射部６１で反射され、入力導波路２ａから共振器部３へ移行した電磁波において共振器部３から入力導波路２ａへ戻り入力導波路２ａの入力ポートＰ１とは反対の上記他端側へ向かって伝搬した電磁波および共振器部３の共鳴周波数の電磁波であって共振器部３へ移行せずに入力導波路２ａの上記他端側へ向かって伝搬した電磁波は入力導波路側反射部５１で反射される。
【０１２４】
ここで、センサ素子Ａにおいて、入力導波路２ａの長手方向（２次元フォトニック結晶部１１と２次元フォトニック結晶部１２との並設方向）に沿った方向における共振器部３と入力導波路側反射部５１との間の距離をｄ１、出力導波路２ｂの長手方向（２次元フォトニック結晶部１１と２次元フォトニック結晶部１２との並設方向）に沿った方向における共振器部３と出力導波路側反射部６１との間の距離をｄ２、入力導波路２ａの伝搬定数をβ１、出力導波路２ｂの伝搬定数をβ２、入力導波路側反射部５１により反射される電磁波の反射位相変化をΔ１、出力導波路側反射部６１により反射される電磁波の反射位相変化をΔ２、入力導波路側反射部５１により反射され共振器部３近傍まで戻ってきた時の電磁波の位相変化量をθ１、出力導波路側反射部６１により反射され共振器部３近傍まで戻ってきた時の電磁波の位相変化量をθ２とすれば、
θ１＝２β１×ｄ１＋Δ１
θ２＝２β２×ｄ２＋Δ２
であり、共振器部３の共鳴周波数をω0、入力ポートＰ１から入力導波路２ａへ入射される電磁波であって共振器部３の共鳴周波数に一致する所定周波数の電磁波の振幅をｓ+1、出力ポートＰ２から出射される電磁波であって上記所定周波数の電磁波の振幅をｓ-2、出力ポートＰ２のドロップ効率をＤとし、モード結合理論を利用してドロップ効率Ｄを求めると後述の数２の数式が得られる。ただし、モード結合理論を適用するにあたっては、共振器部３と入力導波路２ａとの間のＱ値をＱinb、共振器部３と出力導波路２ｂとの間のＱ値をＱinr、共振器部３と自由空間との間のＱ値をＱv、共振器部３の吸収によるＱ値をＱaとしている。なお、Ｑinbは、共振器部３と入力導波路２ａとの系において共振器部３から入力導波路２ａへ漏れるエネルギの量に関係する値（つまり、共振器部３と入力導波路２ａとの系において共振器部３にどの程度のエネルギを蓄えることができるかを示す値）であって、共振器部３に蓄積されるエネルギをＷ、共振器部３から入力導波路２ａ側へ単位時間に失われるエネルギを−ｄＷ／ｄｔとすれば、Ｑinb＝ω０×Ｗ／（−ｄＷ／ｄｔ）と定義される。同様に、Ｑinrは、共振器部３と出力導波路２ｂとの系において共振器部３から出力導波路２ｂへ漏れるエネルギの量に関係する値（つまり、共振器部３と出力導波路２ｂとの系において共振器部３にどの程度のエネルギを蓄えることができるかを示す値）であって、共振器部３から出力導波路２ｂ側へ単位時間に失われるエネルギを−ｄＷ／ｄｔとすれば、Ｑinr＝ω０×Ｗ／（−ｄＷ／ｄｔ）と定義され、Ｑvは、共振器部３と自由空間との系において共振器部３から自由空間へ漏れるエネルギの量に関係する値（つまり、共振器部３と自由空間との系において共振器部３にどの程度のエネルギを蓄えることができるかを示す値）であって、共振器部３に蓄積されるエネルギをＷ、共振器部３から自由空間側へ単位時間に失われるエネルギを−ｄＷ／ｄｔとすれば、Ｑv＝ω０×Ｗ／（−ｄＷ／ｄｔ）と定義される。また、Ｑaは、共振器部３内部で吸収により失われるエネルギの量に関係する値であって、共振器部３に蓄積されるエネルギをＷ、共振器部３での吸収により単位時間に失われるエネルギを−ｄＷ／ｄｔとすれば、Ｑa＝ω０×Ｗ／（−ｄＷ／ｄｔ）により定義され、共振器部３の有効屈折率をｎm、共振器部３の吸収係数をα、真空中の光速をｃとすれば、Ｑa＝（ω０×ｎm）／（α×ｃ）と表すことができる。
【０１２５】
【数２】
2005274329.tif 000004
【０１２６】
ここにおいて、本実施形態のセンサ素子Ａにおける共振器部３はスラブ型の２次元フォトニック結晶部１１の屈折率周期構造に欠陥を設けることにより形成されており、当該欠陥が２次元フォトニック結晶部１１の屈折率周期構造において円孔１２１が形成されるべき部位を半導体材料で充実させた所謂ドナー型欠陥（本実施形態では、２つの円孔１２１がＳｉで埋められた形のドナー型欠陥）であり、自由空間への放射損失が少なくて高いＱvが得られ、Ｑinb／（１＋cosθ１）≪Ｑvとなるので、上述の数２の数式中の１／Ｑvの項を０として無視することができる。したがって、
Ｑinb／（１＋cosθ１）＝Ｑinr／（１＋cosθ２）
θ１，θ２≠２Ｎπ（Ｎ＝０，１，…）
の関係を満たすように各パラメータｄ１，ｄ２，β１，β２，Δ１，Δ２，θ１，θ２，Ｑinb，Ｑinr，Ｑvを設定することで、検出対象物質の影響を受けない時のドロップ効率Ｄを略１（つまり、略１００％）とすることが可能となり、実施形態３に比べて高感度化を図れる。なお、２次元フォトニック結晶へドナー型欠陥を設けることにより形成した共振器部が高いＱ値（Ｑv）を有することは、例えば、刊行物１（赤羽、他３名「２次元フォトニック結晶スラブ点欠陥共振器の格子点シフトによるＱ値の大幅な向上」、第５０回応用物理学関係連合講演会講演予稿集、29a−YN−9、2003年3月）や、刊行物２（Y.Akahane,et al、「Demonstration of ultrahigh-Q photonic nanocavity based on Gaussian-like optical confinement」，PECS-V (International Symposium on Photonic and Electromagnetic Crystal Structures V),Tu-E1,p81,2004）や、刊行物３（S Noda,et al、「In-Plane Hetero Photonic Crystals」，PECS-V (International Symposium on Photonic and Electromagnetic Crystal Structures V),Tu-E6,p86,2004）などでも報告されている（刊行物１にはＱvとして４５０００の値が得られることが報告され、刊行物２にはＱvとして１０００００の値が得られることが報告されている）。
【０１２７】
また、本実施形態のセンサ素子Ａでは、実施形態５にて説明した感応部３ｂと同様の感応部４が、入力導波路２ａおよび出力導波路２ｂそれぞれについて第１のフォトニック結晶部１１に形成された部分と第２のフォトニック結晶部１２に形成された部分とに跨って設けられているので、入力導波路側反射部５１により反射され共振器部３近傍まで戻ってきた時の電磁波の位相変化量θ１および出力導波路側反射部６１により反射され共振器部３近傍まで戻ってきた時の電磁波の位相変化量θ２が検出対象物質の影響によって変化し、出力ポートＰ２から出射される電磁波の強度が変化する（つまり、ドロップ効率Ｄが変化する）から、検出対象物質を高感度に検出することができる。
【０１２８】
（実施形態１４）
本実施形態のフォトニック結晶を応用したセンサの基本構成は実施形態１と略同じであって、図１９に示すように、１つの２次元フォトニック結晶１に、それぞれ導波路部２１，２２と共振器部３１，３２とを有する２つのセンサ部Ｓ１，Ｓ２を設け、センサ部Ｓ１，Ｓ２ごとに電磁波発生源１０１，１０２および電磁波検出手段たる検出器２０１，２０２を設けてある点が相違する。したがって、本実施形態では、各導波路部２１，２２それぞれの一端を入力ポートＰ１１，Ｐ１２とし、各導波路部２１，２２それぞれの他端を出力ポートＰ２１，Ｐ２２としてある（図１９中の矢印Ｅ１１，Ｅ１２はセンサ素子Ａの入力ポートＰ１１，Ｐ１２へ入射する電磁波の進行方向を示し、矢印Ｅ２１，Ｅ２２はセンサ素子Ａの出力ポートＰ２１，Ｐ２２から放射される電磁波の進行方向を示す）。ここにおいて、センサ素子Ａは、隣り合うセンサ部Ｓ１，Ｓ２間で電磁波の移り変わりが起こらない（つまり、カップリングが起こらない）ように導波路部２１，２２および共振器部３１，３２の相対的な位置を決めてある。また、本実施形態では、各共振器部３１，３２それぞれに実施形態５にて説明した感応部３ｂと同様の感応部３ｂ１，３ｂ２を設け、共振器部３１，３２ごとに感応部３ｂ１，３ｂ２を構成するレセプタの材料を異ならせてある。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【０１２９】
しかして、本実施形態では、共振器部３１，３２ごとに感応部３ｂ１，３ｂ２を構成するレセプタの材料を異ならせてあるので、センサ部Ｓ１，Ｓ２ごとに検出対象物質が異なり、２種類の検出対象物質を同時に検出することができる。
【０１３０】
なお、本実施形態では、１つの２次元フォトニック結晶１に２つのセンサ部Ｓ１，Ｓ２を設けてあるが、センサ部を３つ以上設けてもよく、センサ部ごとに感応部を構成する材料を異ならせることにより複数種類（センサ部の数）の検出対象物質を同時に検出することが可能となる。また、本実施形態では、実施形態１にて説明した導波路部２と共振器部３とを備えるセンサ部を１つの２次元フォトニック結晶１に対して複数設けてあるが、他の実施形態２〜１４においても同様のセンサ部を複数設けてもよい。
【０１３１】
（実施形態１５）
本実施形態のフォトニック結晶を応用したセンサの基本構成は実施形態１４と略同じであって、図２０に示す構成を有する。すなわち、本実施形態では、実施形態１４における感応部３ｂ１，３ｂ２を設けずに、各共振器部３１，３２の共鳴波長を異ならせてある点が実施形態１４とは相違する。なお、実施形態１４と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【０１３２】
しかして、本実施形態では、１つの２次元フォトニック結晶１に設けたセンサ部Ｓ１，Ｓ２ごとに共振器部３１，３２の共鳴波長を異ならせてあるので、２種類の検出対象物質を同時に検出することができる。
【０１３３】
なお、本実施形態では、１つの２次元フォトニック結晶１に２つのセンサ部Ｓ１，Ｓ２を設けてあるが、センサ部を３つ以上設けてもよく、センサ部ごとに共振器部の共鳴波長を異ならせることにより複数種類（センサ部の数）の検出対象物質を同時に検出することが可能となる。また、本実施形態では、実施形態１にて説明した導波路部２と共振器部３とを備えるセンサ部を１つの２次元フォトニック結晶１に対して複数設けてあるが、他の実施形態２〜１４においても同様のセンサ部を複数設けてもよい。
【０１３４】
（実施形態１６）
本実施形態のフォトニック結晶を応用したセンサの基本構成は実施形態２と略同じであって、図２１に示すように、センサ素子Ａにおける導波路部２が平行に並設された複数の直線状の導波路２０により構成され、共振器部３が各導波路２０ことに導波路２０の長手方向に複数ずつ並設され、各導波路２０それぞれの一端がそれぞれ入力ポートＰ１を構成するとともに、各導波路２０それぞれの他端がそれぞれ出力ポートＰ２を構成し、電磁波検出手段たる検出器２０が各共振器部３それぞれからセンサ素子Ａ外へ放射される電磁波を個別に検出する２次元のフォトディテクタアレイ（フォトディテクタを２次元アレイ状に配設した検出器）により構成されている点が相違する。要するに、検出器２０は、各共振器部３に対向する部位それぞれにフォトディテクタが配設されている。なお、実施形態２と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【０１３５】
しかして、本実施形態では、センサ素子Ａにおいて各共振器部３を含む２次元の面内に対する検出対象物質のマッピングが可能となる。
【０１３６】
（実施形態１７）
本実施形態のフォトニック結晶を応用したセンサの基本構成は実施形態１と略同じであって、図２２に示すように、センサ素子Ａの基礎となる構造体である２次元フォトニック結晶１に導波路部２とは別に、電磁波発生源１０から電磁波が供給されるレファレンス用導波路２ｍが形成されており、レファレンス用導波路２ｍから放射される電磁波をモニタするモニタ手段たる検出器２０ｍを備え、実施形態１にて説明した制御回路が、検出器２０ｍの出力に基づいて電磁波発生源１０から出力される電磁波の強度や波長のゆらぎを補償する補償手段としての機能を有している点が相違する。ここに、検出器２０と検出器２０ｍとは同じ構成のものを用いればよく、電磁波発生源１０から出力される電磁波はファイバカプラなどを利用して各導波路部２，２ｍへ供給すればよい。要するに、各導波路２，２ｍに対して、１つの電磁波発生源１０から波長、強度および位相が同じ電磁波が供給されるようにすればよい。なお、図２２中のＰ１ｍはレファレンス用導波路２ｍの一端からなる入力ポートを示し、Ｐ２ｍはレファレンス用導波路２ｍの他端からなる出力ポートを示し、矢印Ｅ２ｍは出力ポートＰ２ｍから放射される電磁波の進行方向を示す。
【０１３７】
しかして、本実施形態では、電磁波発生源１０からセンサ素子Ａの入力ポートＰ１へ供給される電磁波の強度や波長のゆらぎによる電磁波検出手段（検出器２０）の出力変化を補償することができるので、実施形態１や上記非特許文献２に開示されたセンサに比べて電磁波発生源１０の出力のゆらぎによる感度のゆらぎを防止することができる。なお、本実施形態の技術思想を他の実施形態２〜１６にも適用できることは勿論である。
【０１３８】
（実施形態１８）
本実施形態のフォトニック結晶を応用したセンサの基本構成は実施形態１と略同じであって、図２３に示すように、センサ素子Ａの基礎となる構造体である２次元フォトニック結晶１に対して、導波路部２と共振器部３とを形成したセンサ部Ｓとは別に、レファレンス用導波路２ｒとレファレンス用導波路２ｒから共鳴波長の電磁波を取り出すレファレンス用共振器３ｒとを形成したレファレンス部Ｒを有し、レファレンス用導波路２ｒへ電磁波を供給する電磁波発生源１０ｒおよびレファレンス用導波路２ｒから放射される電磁波をモニタするモニタ手段たる検出器２０ｒを備え、実施形態１にて説明した制御回路が、検出器２０ｒの出力に基づいて環境変化（温度や屈折率などの変化）による共振器部３の共鳴波長の変化を補償する補償手段としての機能を有している点が相違する。なお、図２３中のＰ１ｒはレファレンス用導波路２ｒの一端からなる入力ポートを示し、Ｐ２ｒはレファレンス用導波路２ｒの他端からなる出力ポートを示し、矢印Ｅ１ｒは入力ポートＰ１ｒへ入射する電磁波の進行方向を示し、矢印Ｅ２ｒは出力ポートＰ２ｒから放射される電磁波の進行方向を示す。
【０１３９】
しかして、本実施形態では、センサ素子Ａの周囲環境（温度、屈折率など）の変化による共振器部３の共鳴波長の変化を補償できるので、実施形態１に開示されたセンサに比べて環境変化による感度の低下を防止することができる。なお、本実施形態の技術思想を他の実施形態２〜１６にも適用できることは勿論である。
【０１４０】
（実施形態１９）
本実施形態のフォトニック結晶を応用したセンサの基本構成は実施形態１と略同じであって、図２４に示すように、２次元フォトニック結晶１のスラブ１１の表面において共振器部３から所定距離だけ離間した部位に、共振器部３の共鳴波長を設計上の共鳴波長に戻すリフレッシュ手段としてヒータ７を設けてある点が相違する。ここに、ヒータ７への通電は実施形態１にて説明した制御回路により制御するようにすればよい。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【０１４１】
しかして、本実施形態では、ヒータ７への通電により共振器部３を加熱して共振器部３から検出対象物質を脱離させることで共振器部３の共鳴波長を設計上の共鳴波長に戻すことができるので、検出対象物質の影響による感度の低下を抑制することができるとともにセンサ素子Ａの長寿命化を図ることができる。
【０１４２】
また、上述のヒータ７を、導波路部２を導波する電磁波の波長もしくは強度を変調する変調手段として利用すれば、ヒータ７への通電により導波路部２を導波する電磁波の波長もしくは強度を変調することができ、測定精度を高めることができる。
【０１４３】
ここに、変調手段はヒータ７に限らず、例えば、電磁波発生源１０から出力される電磁波の波長変調や強度変調を行えるものであればよく、例えば、電磁波発生源１０の出力を周期的に遮断するためのチョッパ回転板と当該チョッパ回転板の駆動モータとで変調手段を構成して、駆動モータを上記制御回路にて制御するようにしてもよい。
【０１４４】
なお、他の実施形態１〜１８において本実施形態におけるリフレッシュ手段や変調手段と同様の構成を設けてもよいことは勿論である。
【０１４５】
以上説明した各実施形態のフォトニック結晶を応用したセンサを用いた検出対象物質の検出方法は、言い換えれば、電磁波を導波する導波路部２、導波路部２から共鳴波長の電磁波を取り出し且つ検出対象物質に感応して共鳴波長が変化する共振器部３を２次元フォトニック結晶１に形成したセンサ素子Ａを用いた検出対象物質の検出方法であって、導波路部２の入力ポートＰ１へ共振器部３の設計上の共鳴波長を含む電磁波を供給して、導波路部２の出力ポートＰ２もしくは共振器部３からセンサ素子Ａ外へ放射される電磁波の変化により検出対象物質を検出するので、フォトニック結晶を応用したセンサ素子Ａの小型化を図りながらも検出対象物質を高感度で検出することができる。
【０１４６】
なお、上記各実施形態では、２次元フォトニック結晶１をシリコンと空気との２種類の媒質の周期構造により構成していたが、円孔１２内をシリコンとは屈折率の異なる誘電体材料により充実してシリコンと誘電体とで２次元フォトニック結晶を形成するようにしてもよいし、あるいは３種類以上の媒質の周期構造としてもよく、例えば、シリコンからなるスラブ１１に設けた円孔１２の内周面を被覆するＳｉＯ２またはＳｉ３Ｎ４からなる絶縁膜を形成することによってシリコンと絶縁膜と空気との３種類で２次元フォトニック結晶を構成するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１４７】
【図１】実施形態１を示す概略構成図である。
【図２】同上の特性を検証するための仮想モデルの説明図である。
【図３】同上の仮想モデルの特性説明図である。
【図４】実施形態２を示す概略構成図である。
【図５】実施形態３を示す概略構成図である。
【図６】実施形態４を示す概略構成図である。
【図７】同上の特性説明図である。
【図８】実施形態５を示し、（ａ）は概略構成図、（ｂ）は要部拡大平面図、（ｃ）は要部拡大断面図である。
【図９】同上の特性を検証するための仮想モデルの説明図である。
【図１０】同上の仮想モデルの特性説明図である。
【図１１】実施形態６を示す概略構成図である。
【図１２】実施形態７を示す概略構成図である。
【図１３】実施形態８を示す概略構成図である。
【図１４】実施形態９を示す概略構成図である。
【図１５】実施形態１０を示す概略構成図である。
【図１６】実施形態１１を示す概略構成図である。
【図１７】実施形態１２を示す概略構成図である。
【図１８】実施形態１３を示す概略構成図である。
【図１９】実施形態１４を示す概略構成図である。
【図２０】実施形態１５を示す概略構成図である。
【図２１】実施形態１６を示す概略構成図である。
【図２２】実施形態１７を示す概略構成図である。
【図２３】実施形態１８を示す概略構成図である。
【図２４】実施形態１９を示す概略構成図である。
【図２５】従来例の説明図である。
【符号の説明】
【０１４８】
Ａ  センサ素子
１  ２次元フォトニック結晶
２  導波路部
３  共振器部
１０  電磁波発生源
２０  検出器
１１  スラブ
１２  円孔
Ｐ１  入力ポート
Ｐ２  出力ポート
【図３】
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【図７】
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【図１０】
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【図２１】
2005274329.tif 000008
【図２５】
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【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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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】
2005274329.tif 000023
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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