(57)【要約】      （修正有）【課題】１つまたは複数の格子を有する可搬導波路センサを提供すること。【解決手段】一実施形態において、センサは導波路を有し、導波路上に印刷された複数の溝がブラッグ格子を形成する。溝の表面は、注目する物質、たとえば生物病原体を結合するように適合された機能層を有する。病原体が機能層に結合すると、結合は、格子によって以前に反射されたプローブ光が今度は格子を通るように、ブラッグ格子に対応するスペクトル反射帯をシフトし、それによって病原体の存在を示す。  別の実施形態において、センサはマッハ−ツェンダー干渉計（ＭＺＩ）を有し、その一方のアームは２つのブラッグ格子によって形成された共振器を有する。ＭＺＩに結合された光が比較的大きい有効伝搬長にわたって結合された病原体と相互作用し、その結果比較的大きい差分位相シフト、したがって有利には病原体に対する高い感度をもたらす。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の格子を有する光導波路を備えるデバイスであって、
前記導波路の少なくとも一部分が、検体を結合するように構成された機能層を有し、
前記検体が前記機能層に結合し、前記結合が前記導波路の光学特性を変化させるデバイス。
【請求項２】
前記光導波路の複数の溝が前記第１の格子を形成し、前記溝の少なくともいくつかが前記機能層によって覆われている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記第１の格子が、中心波長によって特徴付けられる光反射帯を有し、
前記結合が前記中心波長をシフトする、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
各々が格子を有する２つまたはそれ以上の光導波路を備え、
各格子が、中心波長によって特徴付けられる光反射帯を有し、
少なくとも２つの格子が異なる反射帯を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
入力ポートおよび前記２つまたはそれ以上の光導波路に結合された２つまたはそれ以上の出力ポートを有するアレイ導波路格子（ＡＷＧ）をさらに備え、
各光導波路について、前記ＡＷＧが、対応する中心波長を有する光を前記入力ポートから前記光導波路に結合された前記出力ポートに回すように構成され、
前記ＡＷＧと前記２つまたはそれ以上の光導波路が単一の集積デバイスに実装されている、請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
少なくとも２つの光導波路が、異なる検体を結合するように構成された異なる機能層を有する請求項４に記載のデバイス。
【請求項７】
２つのアームを有するマッハ−ツェンダー干渉計（ＭＺＩ）を備え、
一方のアームが前記光導波路を含み、
前記光導波路が第２の格子を有し、
前記第１および第２の格子が光共振器を形成し、
前記第１の格子と第２の格子の間の前記光導波路の断面が前記機能層を有し、
前記結合がＭＺＩの差分位相シフトを変化させる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記第１の格子がブラッグ格子である請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
第１の格子を有する光導波路に光を透過させる工程と、
光検出器を使用して透過光を測定する工程と
を備え、
前記導波路の少なくとも一部分が、検体を結合するように構成された機能層を有し、
前記検体が前記機能層に結合したとき、前記結合が前記導波路の光学特性を変化させる、検体を検出する方法。
【請求項１０】
光導波路の光学特性の変更を検出する工程を備える、検体を検出する方法であって、
前記導波路の少なくとも一部分が、検体を結合するように構成された機能層を有し、
前記検体が前記機能層を結合したとき、前記結合が光学特性を変化させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセンサに関し、より詳細には、化学物質および生体物質を検出するための光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
物質分析器（ｓｕｂｓｔａｎｃｅ  ａｎａｌｙｚｅｒｓ）は環境監視、工業プロセス制御、および医療、分析および軍事用途に使用されている。たとえば、サルモネラなどの生物病原体はしばしば肉および鳥製品に存在する。これらの病原体による汚染は健康に有害であるので、低濃度、一般的には微量を迅速かつ確実に検出する必要がある。
【非特許文献１】Ｂ．Ｊ．Ｌｕｆｆ他、Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１９９８、Ｖｏｌ．１６、Ｎｏ．４、ｐ．５８３
【非特許文献２】Ｇ．Ｔ．Ｈｅｒｍａｎｓｏｎ著、「Ｂｉｏｃｏｎｊｕｇａｔｅ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」、Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ、Ｓａｎ  Ｄｉｅｇｏ、１９９６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
分析研究所において、質量分析、クロマトグラフィー、電気化学分析、免疫測定などの特殊技術が、様々な化学および生体物質（すなわち検体）を検出するために、高い感度および高い選択性をもって容易に利用可能である。しかしながら、利用可能な技術はしばしば時間がかかり、労力を要し、および／または比較的高価である。さらに、これらの技法を実施するデバイスは可搬使用用に適合されておらず、また研究所外で使用するように適合されていない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
従来技術における問題は、本発明の原理によれば、注目する特定の物質、たとえば生物病原体の存在下でセンサの光学特性に変化を生じるように構成された１つまたは複数の格子（ｇｒａｔｉｎｇ）を有する可搬（ｐｏｒｔａｂｌｅ）導波路センサによって対処される。一実施形態において、センサは導波路を有し、導波路上に印刷された（ｉｍｐｒｉｎｔｅｄ）複数の溝がブラッグ格子を形成する。溝の表面は、病原体を結合する（束縛する、ｂｉｎｄ）ように構成された機能層を有する。病原体が機能層に結合する際、結合は、格子によって以前に反射されたプローブ光が今度は格子を通るように、ブラッグ格子に対応するスペクトル反射帯をシフトし、それによって病原体の存在を示す。別の実施形態において、センサはマッハ−ツェンダー干渉計（ＭＺＩ）を有し、その一方のアームは、２つのブラッグ格子によって形成された共振器を有する。格子間の共振器の表面は機能層を有するが、ブラッグ格子自体はそのような層を有しない。共振器内の多数の反射によって、ＭＺＩに結合された光は比較的大きい有効伝搬長にわたって、結合された病原体と相互作用し、その結果比較的大きい差分位相シフト、したがって有利には病原体に対する比較的高い感度をもたらす。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
本明細書での「一実施形態」または「実施形態」の参照は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造または特性を本発明の少なくとも１つの実施形態に含めることができることを意味する。明細書の様々な箇所での「一実施形態」という句の出現は必ずしもすべて同じ実施形態に言及しているのではなく、また他の実施形態を互いに排除する別個のまたは代替の実施形態でもない。
【０００６】
図１は、Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９８，Ｖｏｌ．１６，Ｎｏ．４，ｐ．５８３で出版された、Ｂ．Ｊ．Ｌｕｆｆ他の論文に開示された従来技術の光センサ１００の透視３次元図を示し、その教示は参照によって本明細書に組み込まれる。センサ１００は、ガラス基板１０２上に形成されたマッハ−ツェンダー干渉計（ＭＺＩ）１１０を有する平面導波路デバイスである。ＭＺＩ１１０を覆う分離層１０４は、ＭＺＩの一方のアームを環境に露出する開口１０６を有するとともに、他方のアームをそのような露出から保護する。センサ１００に印加される光入力ビーム１２０は、ＭＺＩ１０を伝搬する際に２つのビーム部分に分割され、このビーム部分は次いでＭＺＩの出力で再結合されて光出力ビーム１３０を生成する。ビーム１３０の強度は再結合点におけるビーム部分間の差分位相シフトに依存する。たとえば、差分位相シフトが約２πｋ、ただしｋは整数であるとき、ビーム部分は強め合うように干渉し、ビーム１３０は比較的高い強度を有するようになる。他方、差分位相シフトが約（２ｋ＋１）πのとき、ビーム部分は弱め合うように干渉し、ビーム１３０は比較的低い強度を有するようになる。
【０００７】
注目する化学または生物物質（以下「検体」と呼ぶ）の検出を可能にするために、開口１０６内の露出したＭＺＩアームの表面には機能層による変更が加えられ、表面上への検体の吸収が容易になる。その後、センサ１００が検体に露出されたとき、検体は機能層に結合し、それによってアームの導波路特性が変化する。この変化は差分位相シフトを変化させ、その結果ビーム１３０の対応する強度変化が生じ、これは検出時に環境中の検体の存在に関連付けることができる。しかしながら、センサ１００の１つの問題は、その感度が比較的低いことである。これは大部分は、露出したアームに結合される光が、エバネセント場（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ  ｆｉｅｌｄ）によって、吸収された検体と相互作用することによる。エバネセント場は比較的弱いので、検出可能な強度変化を生じるためには比較的大きい相互作用長が必要であり、不都合なほどに大きいおよび／または実用的でないＭＺＩ構造をもたらす。
【０００８】
図２Ａ〜Ｂは本発明の一実施形態による光センサ２００を示す。より詳細には、図２Ａはセンサ２００の透視３次元図を示し、図２Ｂはそのセンサの溝付き部分の拡大図を示す。センサ２００は、基板２０２上に形成された導波路２０８を有する平面導波路デバイスである。導波路２０８は、集積ブラッグ格子２１４を形成する複数の溝２１２を有する。当技術分野で知られているように、ブラッグ格子の１つの特性は、比較的狭いスペクトル帯に対応する光を反射するとともに、すべての他の光を透過することができることである。たとえば、格子２１４は中心波長λ０およびスペクトル幅Δλをもつ反射帯を有するように製作することができる、ただしスペクトル幅は中心波長に対応する反射率の１／２を有する帯点間の波長差である。一実施態様において、λ０およびΔλはそれぞれ約１５５０ｎｍおよび０．１ｎｍであり、λ０における反射率は約１００％である。
【０００９】
検体検出を可能にするために、溝２１２の表面はセンサ１００のものと同様な機能層により変更がなされている。図２Ａにおいて、機能層は図の溝２１２に接続されたＹ字形記号によって概略的に示されている。センサ２００が検体（図２Ａに矩形で概略的に示される）に露出されると、検体は機能層に結合し、それによって格子２１４の光学特性が変化する。たとえば、期間Λ（図２Ｂ参照）を有する周期的溝構造について、中心波長は次式で与えられる。
λ０＝２Λｎｅｆｆ  （１）
上式で、ｎｅｆｆは格子２１４に対応する有効屈折率である。検体は機能層に結合すると、ｎｅｆｆを、したがってλ０を変化させる。導波路２０８に結合される光入力ビーム２２０が検体の不在時に格子２１４の中心波長に対応する波長λ’０を有すると仮定する。その場合、光出力ビーム２３０がブラッグ反射による極めて低い強度を有することになる。しかしながら、センサ２００が検体に露出されると、検体結合はｎｅｆｆを変化させ、中心波長をλ”０にシフトする。このシフトはλ’０における格子反射率を低減し、ビーム２３０の強度を増加させ、それによって環境中に検体が存在することを示す。有利には、センサ２００の感度はデバイス１００の感度に比較して改善される。この改善は大部分は格子２１４の波形プロファイルによるものであり、センサ１００のエバネセント場制限構造のものに比較してセンサ２００の結合された検体とのプローブ光の相互作用断面を増加させる。
【００１０】
図３は本発明の一実施形態による光感知システム３００を示す。システム３００はアレイ導波路格子（ＡＷＧ）３４０を有し、その出力ポートはセンサ３５２に結合されている。センサ３５２は３つのセンサ３５０ａ〜ｃを有するアレイセンサであり、各センサは図２のセンサ２００と同様である。しかしながら、センサ３５０ａ〜ｃは（１）各センサが異なる中心波長（すなわち、それぞれλａ、λｂおよびλｃ）を有し、（２）各センサが異なる検体を結合するように適合された異なる機能層を有する点で互いに異なる。検体固有接合を可能にする表面層の機能化はバイオ技術分野で知られており、たとえばＧ．Ｔ．Ｈｅｒｍａｎｓｏｎ著の書籍「Ｂｉｏｃｏｎｊｕｇａｔｅ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」、Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ、Ｓａｎ  Ｄｉｅｇｏ、１９９６に記載されており、その教示は参照により本明細書に組み込まれる。したがって、システム３００は３つの異なる検体を検出するように適合されている。当業者は２つまたは４つまたはそれ以上の異なる検体を検出するように適合された感知システムを同様に設計することができることを理解するであろう。好ましい実施形態において、ＡＷＧ３４０およびセンサ３５２は集積導波路回路で実装される。
【００１１】
動作時、波長λａ、λｂおよびλｃを有する多重化光入力ビーム３２０がＡＷＧ３４０に印加される。各部品は次いで適切な出力ポートに回され、対応する導波路３０８に結合され、そこでブラッグ格子３１４に当たる。格子を通過した光は、たとえばセンサ２００について上述した異なる検体の存在を感知するために光検出器のアレイ（図示せず）を使用して測定される。
【００１２】
図４Ａ〜Ｂは本発明の別の実施形態による光センサ４００を示す。より詳細には、図４Ａはセンサ４００の透視３次元図を示し、図４Ｂはそのセンサの光共振器４１６の拡大図を示す。センサ４００は基板４０２上に形成されたマッハ−ツェンダー干渉計（ＭＺＩ）４１０を有し、センサ１００（図１）のＭＺＩ１１０と同様な分離層４０４によって覆われる。しかしながら、ＭＺＩ４１０とＭＺＩ１１０の間の１つの差異は、ＭＺＩ４１０の露出したアームが共振器４１６を形成する２つのブラッグ格子４１４ａ〜ｂを有することである。各格子４１４は、図４Ｂに示すように導波路４０８上に印刷された溝４１２とともに形成される。各ブラッグ格子の反射率は共振器４１６に出入りする光を結合するため、および共振器内の光の多数の丸いトリップを生成するために適切に選択される。
【００１３】
格子４１４ａ〜ｂ間の導波路４０８の断面は図４ＢにＹ字形記号で示される機能層を有する。好ましい実施形態において、溝４１２はそのような層を有しない。これは共振器の光学特性が検体への露出によって著しく変化しないことを保証する。共振器４１６はしたがって大部分は結合された検体（図４Ｂに矩形で概略的に示される）によってＭＺＩ４１０の露出したアーム内の光の有効相互作用長を増加するのに役立つ。増加した相互作用長により、ＭＺＩ４１０で生成された差分位相シフトは同様にサイズ決定されたＭＺＩ１１０（図１）の場合よりも大幅に大きくなる。したがって、センサ４００の感度は有利にはセンサ１００の感度に比較して改善される。
【００１４】
以上、本発明について例示的な実施形態を参照しながら説明したが、この説明は限定的な意味で解釈されるべきものではない。本発明のブラッグ格子は導波路上に印刷された溝で実装されるものとして説明されているが、当技術分野で知られている他の格子実装形態を同様に使用することができる。格子は異なる中心波長および／または異なる形状を有する反射帯を有することができる。本発明の導波路共振器は当技術分野で知られている異なる光反射構造を使用して実装することができる。本発明が関係する当業者に明らかな、説明した実施形態の様々な変更、ならびに本発明の別の実施形態は添付の特許請求の範囲に明記されている本発明の原理および範囲内に入ると思われる。
【００１５】
もしあれば、添付の方法クレームにおける工程は、クレーム列挙がそれらの工程の一部または全部を実装するための特定の順序を別様に暗示しない限り、対応するラベリングをもつ特定の順序で列挙されているが、それらの工程は必ずしもその特定の順序で実装されることに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来技術の光センサの透視３次元図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態による光センサを示す図である。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態による光センサを示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による図２に示されるセンサと同様のセンサのアレイを有する光感知システムを示す図である。
【図４Ａ】本発明の別の実施形態による光センサを示す図である。
【図４Ｂ】本発明の別の実施形態による光センサを示す図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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