(57)【要約】【課題】化学物質検出装置の検出感度の向上を図ること。【解決手段】基板上に形成したマッハツェンダー干渉計を有する化学物質検出チップにおいて、干渉計入力光導波路部又は出力光導波路部の一部をテーパ形状の導波路とするか、又はマッハツェンダー干渉計のＹ分岐から二つに分岐する導波路の一方の導波路の厚さ又は幅をテーパ状に変化するように構成する。【選択図】  図１１
2005009944.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力光導波路部と、出力光導波路部と、
前記入力光導波路部と前記出力光導波路部との間に設けられ、かつ、それぞれ２つに分岐する第１および第２の分岐部を介して接続される第１および第２の中間光導波路部を有したマッハツェンダー干渉計とが基板上に設けられ、
前記第１の中間光導波路部の少なくとも一部の表面上には被検出物質と特異的に結合するリガンドが設けられ、
前記入力光導波路部と前記第１の分岐部との接続部分における前記入力光導波路部の導波路の幅または厚さの少なくとも一方の大きさは、前記入力光導波路部と前記第１の分岐部との接続部分と反対側の端部近傍における前記入力光導波路部の導波路の幅または厚さの少なくとも一方の大きさよりも小さく、
前記第１および第２の中間光導波路部の導波路の幅または厚さの少なくとも一方の大きさは、前記入力光導波路部と前記第１の分岐部との接続部分と反対側の端部近傍における前記入力光導波路部の導波路の幅または厚さの少なくとも一方の大きさよりも小さいことを特徴とする化学物質検出装置。
【請求項２】
前記出力光導波路部と前記第２の分岐部との接続部分における前記出力光導波路部の導波路の幅または厚さの少なくとも一方の大きさは、前記出力光導波路部と前記第２の分岐部との接続部分と反対側の端部近傍における前記出力光導波路部の導波路の幅または厚さの少なくとも一方の大きさよりも小さくことを特徴とする請求項１記載の化学物質検出装置。
【請求項３】
前記入力光導波路部の導波路の幅または厚さの少なくとも一方は前記導波路の長手方向に単調増加または単調減少するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の化学物質検出装置。
【請求項４】
前記出力光導波路部の導波路の幅または厚さの少なくとも一方は前記導波路の長手方向に単調増加または単調減少するように構成されていることを特徴とする請求項２記載の化学物質検出装置。
【請求項５】
前記導波路のうち、少なくとも前記第１の中間光導波路部を構成する導波路は、基板上にクラッド層、前記クラッド層を構成する材料よりも屈折率が高い第１のコア層、前記第１のコア層を構成する材料よりも屈折率が高い第２のコア層がその順序で設けられたものを有し、前記第２のコア層の方が前記第１のコア層よりのその厚さが小さいことを特徴とする請求項１記載の化学物質検出装置。
【請求項６】
前記第１の中間光導波路部を構成する導波路の前記第２のコア層上にリガンドが設けられていることを特徴とする請求項５記載の化学物質検出装置。
【請求項７】
前記入力光導波路部又は前記入力光導波路部の少なくとも一方の前記導波路の前記第２のコア層上部の少なくとも一部には保護膜が設けられていることを特徴とする請求項５記載の化学物質検出装置。
【請求項８】
前記マッハツェンダー干渉計を構成する光導波路は複屈折率特性を有することを特徴とする請求項１記載の化学物質検出装置。
【請求項９】
前記第２のコア層は複屈折率特性を有する材料により構成されていることを特徴とする請求項５記載の化学物質検出装置。
【請求項１０】
入力光導波路部と、出力光導波路部と、
前記入力光導波路部と前記出力光導波路部との間に設けられ、かつ、それぞれ２つに分岐する第１および第２の分岐部を介して接続される第１および第２の中間光導波路部を有したマッハツェンダー干渉計とが基板上に設けられ、
前記第１の中間光導波路部の少なくとも一部の表面上には被検出物質と特異的に結合するリガンドが設けられ、
前記第１の中間光導波路部と前記第１の分岐部との接続部分における前記第１の中間光導波路部の導波路の幅または厚さの少なくとも一方の大きさは、前記第１の中間光導波路部の中央部分における前記第１の中間光導波路部の導波路の幅または厚さの少なくとも一方の大きさよりも大きいことを特徴とする化学物質検出装置。
【請求項１１】
前記第２の中間光導波路部と前記第１の分岐部との接続部分における前記第２の中間光導波路部の導波路の幅または厚さの少なくとも一方の大きさは、前記第２の中間光導波路部の中央部分における前記第２の中間光導波路部の導波路の幅または厚さの少なくとも一方の大きさよりも大きいことを特徴とする請求項１０記載の化学物質検出装置。
【請求項１２】
前記第１の中間光導波路部と前記第２の分岐部との接続部分における前記第１の中間光導波路部の導波路の幅または厚さの少なくとも一方の大きさは、前記第１の中間光導波路部の中央部分における前記第１の中間光導波路部の導波路の幅または厚さの少なくとも一方の大きさよりも大きいことを特徴とする請求項１０記載の化学物質検出装置。
【請求項１３】
前記第２の中間光導波路部と前記第２の分岐部との接続部分における前記第２の中間光導波路部の導波路の幅または厚さの少なくとも一方の大きさは、前記第２の中間光導波路部の中央部分における前記第２の中間光導波路部の導波路の幅または厚さの少なくとも一方の大きさよりも大きいことを特徴とする請求項１０記載の化学物質検出装置。
【請求項１４】
前記第１および第２の中間光導波路部の少なくとも一方の導波路の幅または厚さの少なくとも一方は前記導波路の長手方向に単調減少する第１の部分を有し、前記第１の部分の先で単調増加する第２の部分を有することを特徴とする請求項１０記載の化学物質検出装置。
【請求項１５】
前記導波路のうち、少なくとも前記第１の中間光導波路部を構成する導波路は、基板上にクラッド層、前記クラッド層を構成する材料よりも屈折率が高い第１のコア層、前記第１のコア層を構成する材料よりも屈折率が高い第２のコア層がその順序で設けられたものを有し、前記第２のコア層の方が前記第１のコア層よりのその厚さが小さいことを特徴とする請求項１０記載の化学物質検出装置。
【請求項１６】
前記第１の中間光導波路部を構成する導波路の前記第２のコア層上にリガンドが設けられていることを特徴とする請求項１５記載の化学物質検出装置。
【請求項１７】
前記入力光導波路部又は前記入力光導波路部の少なくとも一方の前記導波路の前記第２のコア層上部の少なくとも一部には保護膜が設けられていることを特徴とする請求項１５記載の化学物質検出装置。
【請求項１８】
前記マッハツェンダー干渉計を構成する光導波路は複屈折率特性を有することを特徴とする請求項１０記載の化学物質検出装置。
【請求項１９】
前記第２のコア層は複屈折率特性を有する材料により構成されていることを特徴とする請求項１５記載の化学物質検出装置。
【請求項２０】
前記被検出物質を含む気体または液体が前記リガンドと直接的に接触するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の化学物質検出装置。
【請求項２１】
入力光導波路部と、出力光導波路部と、
前記入力光導波路部と前記出力光導波路部との間に設けられ、かつ、それぞれ２つに分岐する第１および第２の分岐部を介して接続される第１および第２の中間光導波路部を有したマッハツェンダー干渉計とが基板上に設けられ、
前記第１の中間光導波路部の少なくとも一部の表面上には被検出物質と特異的に結合するリガンドが設けられ、
前記導波路のうち、少なくとも入力光導波路は、基板上にクラッド層、前記クラッド層を構成する材料よりも屈折率が高い第１のコア層、前記第１のコア層を構成する材料よりも屈折率が高い第２のコア層がその順序で設けられたものを有し、前記第２のコア層の方が前記第１のコア層よりのその幅が大きいことを特徴とする化学物質検出装置。
【請求項２２】
入力光導波路部と、出力光導波路部と、
前記入力光導波路部と前記出力光導波路部との間に設けられ、かつ、それぞれ２つに分岐する第１および第２の分岐部を介して接続される第１および第２の中間光導波路部を有したマッハツェンダー干渉計とが基板上に設けられ、
前記第１の中間光導波路部の少なくとも一部の表面上には被検出物質と特異的に結合するリガンドが設けられ、
前記導波路のうち、少なくとも第１の光導波路は、上面と側面のうちすくなくとも２面以上で前記被検出物質を含む気体または液体が前記リガンドと直接的に接触するようにを特徴とする化学物質検出装置。
【請求項２３】
入力光導波路部と、出力光導波路部と、
前記入力光導波路部と前記出力光導波路部との間に設けられ、かつ、それぞれ２つに分岐する第１および第２の分岐部を介して接続される第１および第２の中間光導波路部を有し、
前記第１の中間光導波路部の少なくとも一部の表面上には被検出物質と特異的に結合するリガンドが設けられ、
前記入力光導波路部と前記第１の分岐部との接続部分における前記入力光導波路部の導波路の幅または厚さの少なくとも一方の大きさは、前記入力光導波路部と前記第１の分岐部との接続部分と反対側の端部近傍における前記入力光導波路部の導波路の幅または厚さの少なくとも一方の大きさよりも小さく、
前記第１および第２の中間光導波路部の導波路の幅または厚さの少なくとも一方の大きさは、前記入力光導波路部と前記第１の分岐部との接続部分と反対側の端部近傍における前記入力光導波路部の導波路の幅または厚さの少なくとも一方の大きさよりも小さいことを特徴とする化学物質検出装置。
【請求項２４】
前記導波路のうち、少なくとも前記第１の中間光導波路部を構成する導波路は、基板上にクラッド層、前記クラッド層を構成する材料よりも屈折率が高い第１のコア層、前記第１のコア層を構成する材料よりも屈折率が高い第２のコア層がその順序で設けられたものを有し、前記第２のコア層の方が前記第１のコア層よりのその厚さが小さいことを特徴とする請求項２３記載の化学物質検出装置。
【請求項２５】
入力光導波路部と、出力光導波路部と、
前記入力光導波路部と前記出力光導波路部との間に設けられ、かつ、それぞれ２つに分岐する第１および第２の分岐部を介して接続される第１および第２の中間光導波路部を有し、
前記第１の中間光導波路部の少なくとも一部の表面上には被検出物質と特異的に結合するリガンドが設けられ、
前記導波路のうち、少なくとも入力光導波路は、基板上にクラッド層、前記クラッド層を構成する材料よりも屈折率が高い第１のコア層、前記第１のコア層を構成する材料よりも屈折率が高い第２のコア層がその順序で設けられたものを有し、前記第２のコア層の方が前記第１のコア層よりのその幅が大きいことを特徴とする化学物質検出装置。
【請求項２６】
入力光導波路部と、出力光導波路部と、
前記入力光導波路部と前記出力光導波路部との間に設けられ、かつ、それぞれ２つに分岐する第１および第２の分岐部を介して接続される第１および第２の中間光導波路部を有し、
前記第１の中間光導波路部の少なくとも一部の表面上には被検出物質と特異的に結合するリガンドが設けられ、
前記導波路のうち、少なくとも第１の光導波路は、上面と側面のうちすくなくとも２面以上で前記被検出物質を含む気体または液体が前記リガンドと直接的に接触するようにを特徴とする化学物質検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は化学物質検出装置に関し、特に工業プラント中の有害な化学物質や有害な病原菌の検出や環境中の有害な化学物質や有害な微生物の検出や家庭や病院での病気や健康に関わるたんぱく質や病原菌などの検出するための化学物質および生体物質の検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、生体中のたんぱく質間の相互作用の強度の検出や生体や環境中のたんぱく質やその他の化学物質の濃度を検出するために、蛍光ラベルを用いずに上記化学量を測定する方法が知られている。このような蛍光体を用いない検出器が必要な理由は次のようなものである。蛍光体を用いる方法では、蛍光体を直接あるいは間接的に検出したい化学物質に結合させるため、蛍光体の反応作業を伴い簡易な測定ができず、反応に必要な時間が長い場合もある。また、特定の化学物質の検出を常に行うモニタを行う場合には常に蛍光体を反応させ続けなければならなず、実用的でない。また、同時に、蛍光体を含む化学物質が検出している化学物質フローの下流に流れ出てしまうという問題も起こす可能性もあった。蛍光体を用いない方法では上記の問題は発生しない。
【０００３】
次に、本発明に関連する蛍光体を用いない化学物質検出器の従来技術について記す。蛍光体を用いない方法では基板上に検出したい化学物質（被検出（化学）物質）と特異的に結合する化学物質（リガンド）を基板の上に固定し、被検出物質がリガンドに結合したかどうかを検出する。また、被検出物質とリガンドとの結合相互作用の時間的変化や、結合・解離定数を計測することも可能である。
【０００４】
このような基板上に固定化されたリガンドと被検出物質との結合を利用した化学物質検出方法の中には、基板上に固定化されたリガンドに被検出物質が結合・吸着する時に起きる基板表面近傍の屈折率変化を検出する方法が知られている。この基板表面近傍の屈折率変化を検出する方法として、表面プラズモン共鳴を利用する方法（たとえば、Ｌ．  Ｓ．  Ｊｕｎｇ  ｅｔ．  ａｌ．  Ｌａｎｇｍｕｉｒ  ｖｏｌ．  １４  ｐ．  ５６３６  （１９９８）参照。）と光導波路を伝播する光の位相変化を検出する方法（Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ｖｏｌ  ５７  ｐｐ．１１８８Ａ（１９８５）を参照）の二つの方法が知られている。
光導波路を伝播する光の位相の変化を検出する方法では屈折率変化を導波路の長さ分だけ積分した位相情報を検出するため導波路を長くすることによって高感度化が可能であり、特にマッハツェンダー干渉計を用いる方法が上記位相検出を実現する最も基本的な構成として知られている。（例えば、Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ｂ，  ２４／２５  ｐｐ．  ７６２  （１９９５）を参照。）
このようなマッハツェンダー干渉系を用いた化学物質検出器としては図１および図２および図３のような構成の公知の技術が知られている（ＵＳ５４６５１５１，ＵＳ６１３７５７６，ＵＳ６４２９０２３を参照）。以下に構成と動作原理について記す。単一発振波長のレーザ光源１６から出射された光を光ファイバ１０６等の光の伝達手段および半導体またはガラス基板２００上の光導波路に光を導入する手段７０１（レンズやファイバブロック等）を通して、基板上に形成された光導波路５０１に光を導入する。導波路５０１に光が導入される位置（図１中断面Ａ’）での断面図を図３に示す。基板２００上に導波路５０１を形成している。導波路５０１を伝播する光ビームは光結合手段７０１から出力される光ビームとその形状と大きさがほぼ一致するように設計する。このことによって、ほとんどの光結合手段からの光が導波路５０１に入力される。光導波路５０１を伝播した光は二つの導波路５１６と５１７に分岐される。分岐された後の図１の断面Ａでの断面構造を図２に示す。このとき、一方の導波路５１６を伝播する光は被検出物質６０２を特異的に吸着するリガンド６０１を表面に固定化した領域４００を通過し、もう一方の導波路５１７を伝播する光は被検出物質６０２を吸着しない領域４０１を伝播する。これらの二つの光は再び合波され導波路５０２を伝播する。合波時に導波路中で干渉し、導波路５１７を伝播した光と導波路５１６を伝播した光の位相差に対応して強度変化が発生する。この強度変化した光を導波路基板からファイバ等への光の導入手段７０２（レンズはファイバブロック等）およびファイバ等の光伝達手段１０７を通してフォトディテクタ４０に導き、光強度を電流量に変換する。
測定の原理は、被検出物質６０２の吸着量に比例して一方の導波路５１６を通った光の位相が変化し、この変化をフォトディテクタ４０（ＰＤ１に対応）での光強度に変化として測定するものである。図４に位相変化に対応した光強度変化を示す。グラフの横軸は導波路５１６と５１７を伝播した光の位相差であり、縦軸は図１の導波路５０２からの出力される光強度を示す。横軸の位相変化量は被測定物質の吸着量に比例し、事前に別の方法で測定した位相変化量と吸着量の関係を使ってサンプル吸着量に変換する。
【０００５】
次に被測定物質の吸着によって位相変化が生じる理由を記す。図１中の断面Ａにおける断面図である図２に示すように、導波路５１６および導波路５１７を伝播する光は前記導波路から被検出物質６０２を含む溶液または気体のある領域（領域４００および４０１）にほんのわずかに光分布がはみ出しており、このため被検出物質６０２がリガンド６０１に結合・吸着するとその吸着量に比例して光路５１６を伝播する光の感じる屈折率が変化する。さらにこれによって領域４００を通過する光の位相変化量は４０１を通過する光の位相変化量より大きくなる。
【０００６】
上記原理によって被測定物質の吸着を測定する。溶液中のサンプル濃度を測定する場合は、位相変化量と物質吸着量の関係については事前に濃度が既知の被検出物質の位相変化を測定することによって行う。
【０００７】
このように特定の化学物質の吸着量をマッハツェンダ−干渉計を用いてリガンドに吸着する物質の量あるいは溶液中の濃度を測定できることが知られている。
【０００８】
ここまで被検出物質のリガンドへの吸着による屈折率変化を測定することによって化学物質を測定する従来方法について記してきた。このような方法以外に、光導波路表面に被検出物質が吸着したときに生じる屈折率変化ではなく、光導波路の吸収係数変化をすることによって化学物質を検出する方法が知られている。また、被検出物質のみの吸収係数変化では検出感度が不足の場合には、被検出物質に既知の波長で光を強く吸収する物質（マーカーと呼ぶ）を結合させ、かつ光導波路表面に被検出物質とマーカーの複合体が吸着することによる光導波路の吸収係数変化を測定するによって化学物質を検出する方法がしられている。
【０００９】
このような光導波路の吸収係数変化を利用した化学物質検出器としては図３１および図３２および図３３のような構成の公知の技術が知られている（基本的な構成についてはＵＳ５８５４３８を参照）。以下に構成と動作原理について記す。マッハツェンダーの場合と同様に図３１中の単一発振波長のレーザ光源１６から出射された光を光ファイバ１０６等の光の伝達手段および図３２，３３の半導体またはガラス基板２００上の光導波路に光を導入する手段７０１（レンズやファイバブロック等）を通して、基板上に形成された光導波路５０１に光を導入する。導波路５０１に光が導入される位置（図３１中断面Ａ’）での断面図を図３３に示す。基板２００上に導波路５０１を形成している。導波路５０１を伝播する光ビームは光結合手段７０１から出力される光ビームとその形状と大きさがほぼ一致するように設計する。このことによって、ほとんどの光結合手段からの光が導波路５０１に入力される。光導波路５０１を伝播した光は二つの導波路５１８と５１９に分岐される。
【００１０】
分岐された後の図３１の断面Ａでの断面構造を図３２に示す。このとき、一方の光導波路５１８を伝播する光は被検出物質６０２を特異的に吸着するリガンド６０１を表面に固定化した領域４００を通過し、もう一方の導波路５１９を伝播する光は被検出物質６０２を吸着しない領域４０１を伝播する。リガンドを固定化した領域４００では被検出物質の吸着によって吸収係数が増し、光導波路５１８を伝播し、出力される光強度はリガンドの固定のない領域４０１を通って光導波路５１９から出力される光強度よりも弱くなる。すなわち、光導波路５１９から出てくる光強度と光導波路５１８から出てくる光強度の差が被検出物質の吸着量に比例する。また、被検出物質が  マーカーと結合して、吸着する場合も同様に、強度度の差を測定することによって被検出物質を測定できる。２本の光導波路５１８および５１９から出力された光は光結合手段こ導入手段７０２、７０３（レンズはファイバブロック等）およびファイバ等の光伝達手段１０７、１０８を通してフォトディテクタ４０、４１に導き、光強度を電流量に変換し、外部の装置に伝達可能となる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように被検出物質の吸着による屈折率変化を高効率で位相変化に変換するためには公知例Ｋ．  Ｆｉｓｃｈｅｒ  ａｎｄ  Ｊ．  Ｍｕｌｌｅｒ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ｂ９，  ｐ．  ２０９  （１９９２），  Ｆ．  Ｂｒｏｓｉｎｇｅｒ，  Ｈ．  Ｆｒｅｉｍｕｔｈ，  Ｍ．  Ｌａｃｈｅｒ，  Ｗ．  Ｅｈｒｆｅｌｄ，  Ｅ．  Ｇｅｄｉｇ，  Ａ．  Ｋａｔｅｒｋａｍｐ，  Ｆ．  Ｓｐｅｎｅｒ，  Ｋ．  Ｃａｍｍａｎｎ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ｂ  ４４  ｐ．  ３５０  （１９９７），  Ｒ．  Ｇ．  Ｈｅｉｄｅｍａｎ，  Ｒ．  Ｐ．  Ｈ．  Ｋｏｏｙｍａｎ  ａｎｄ  Ｊ．  Ｇｒｅｖｅ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ｂ  １０  ｐ．  ２０９  （１９９３））に公開されているように光導波路５１６および５１７の厚さ（図５中の厚さｘ）を薄くすることが有効である。図５は化学物質を検出する図１における断面Ａでの断面図である。これ以上薄くすると光が伝播しなくなる限界まで薄くすれば光のリガンドが存在する部分への光強度の染み出しが多くなり、被検出物質吸着による屈折率変化が効率的に光導波路を伝播する光の位相変化に変換される。この光導波路の厚さは波長１．５５ｍｍの波長の光に対して０．２〜０．４ｍｍ程度の薄膜が好適となる。また、光導波路構造は光を導波路５０１に入力する位置でも変化がないため、図１の断面Ａ’での断面構造は図６に示すような構造になる。図５と図６からわかるように光導波路５０１を形成するリッジの幅および高さは光の伝播方向に変化しない。
【００１２】
次にこのような薄膜を使ったマッハツェンダー型検出器の課題を記す。従来の方式では図１の外部光源１６からの光を基板２００上に形成した光導波路５０１に導入するときに、光源１６からレンズやファイバを通った光の断面形状および大きさ（以下、光の伝播方向に対して垂直な断面での光の強度分布のことを光スポットと呼ぶ。光スポットの大きさとは、光強度の最大値に対して強度が半分になる半値幅のことを指す。）が光導波路５０１を伝播する光スポットの形状および大きさと一致しない場合に、入力された光の一部が光導波路５０１に入力されずに漏れてしまう。漏れる光の強度は光スポットの形状および大きさのズレが大きいほど強くなる。
【００１３】
ここで図１において光導波路５１６および光導波路５１７と光導波路５０１は同時にエッチングによって形成されるため、図５あるいは図６中の光導波路のコア層５０５の厚さは同じ値である。また、後に示すように、被検出物質のリガンドへの吸着による屈折率変化を高効率に位相変化へ変換するためには、厚さの薄い薄膜構造から構成された光導波路が望ましい。そのため、光導波路５０１を伝播する光のスポットは基板厚み方向に図５および図６中のｘで示すように０．３〜０．６ｍｍ程度と非常に小さい。一方、ファイバから出力される光ビームのスポット径は１０ｍｍ程度と大きい。このため、光ファイバから光導波路５０１への結合効率は１０％以下となり、ほとんどの光が漏れ光となる。また、光源１６からの光をレンズを用いて、波長１．５５ｍｍの光を光導波路５０１に導入しようとするとき、導波路中のスポットサイズは０．３〜０．６ｍｍであり、レンズで絞ることのできるスポット径の限界値である０．８ｍｍ程度に比べて小さくなってしまう。このため、レンズを用いた結合をしようとした場合にも、スポットサイズの不一致による強い漏れ光が発生する。
【００１４】
ここまで、高効率な光導波路を伝播する光のスポット形状およびサイズと外部の光源からの光のスポット形状およびサイズの相違から、光源１６からの光が効率的に光導波路５０１に入力できなくなることを記した。次に効率的に光導波路５０１に光を導入されずに強い漏れ光が発生した時に生じる問題について記す。
【００１５】
図１において光源１６からの光のうち光導波路５０１に入力されなかった光は基板２００の内部や基板の上面の表面近傍を通過して、光導波路５０１から光導波路５１６，光導波路５１７を通った光と干渉および混合し、フォトディテクタ４０で計測される光強度が被検出物質の吸着とは無関係に変化する。このとき、特に問題なのは、基板２００内部や基板２００表面近傍を通過する光は化学物質検出器の外部の温度変化や被検出物質の流れの変化による屈折率変化によって位相や強度が変化し易いことである。それによって本来の光導波路５１６，光導波路５１７を伝播した光と干渉、混合したとき意図しない強度揺らぎを引き起こし、少量の被検出物質吸着による位相変化が観測できなくなる。すなわち、光導波路５０１への結合効率の劣化は被検出物質の計測感度の劣化を引き起こす。
【００１６】
また、マッハツェンダー型光導波路を形成した基板２００（以下センサチップと記す）からの光も高効率でフォトディテクタ４０に入力しなければならない。すなわち、光導波路５１６，５１７を伝播し、光導波路５０２で合波された光を図１に示した光結合手段７０２でファイバやフォトディテクタに効率的に光を導入するためにスポットサイズを調整しなければならない。何故なら、この場合にも、光導波路５０２の厚さが薄いと効率的に光をファイバやフォトディテクタに導入することができなくなることによって、フォトディテクタで観測される光の強度がサンプル吸着以外の要因で変動することになるからである。例えば、漏れた光が光結合手段７０２の表面で反射し、光結合手段７０１の表面でもう一度反射し、その光がファイバやフォトディテクタに導入されると、前記と同様に光の強度揺らぎを発生させるからである。反射する点は他にも多数ある可能性がある。
【００１７】
次に、被検出物質のリガンドへの吸着による屈折率変化を高効率で位相変化に変換するためにはなぜ薄膜構造が好適なのかを図７で示す。図７の横軸Ｙは  √（ｎｓ２−ｎｃ２）／ｎｃで（ｎｓは図４の光導波路５１６、５１７の薄膜コアの屈折率、ｎｃはクラッドである基板２００（図４では基板とクラッドは同一）の屈折率である）クラッドである基板２００に対する薄膜コアの規格化された屈折率差に対応し、縦軸は薄膜コアの厚さである。
【００１８】
この二つのパラメタを平面内で変化させて、色分けによって、被検出物質の吸着による屈折率変化に対する位相変化の比（比が大きいほど効率が高い）を表現した。図７では色が薄い（白い）ほど前記変換効率が高い。図７から分かるように適切に薄膜の屈折率を選択すれば（例えばＹ＝０．３）薄膜は薄い方が効率が高いことがわかる。しかし、光導波路を構成する薄膜コアの厚さを薄くしすぎると光を伝播させることができなくなるため、薄膜の屈折率が１．７、基板２００側のクラッドの屈折率が１．５２の場合には０．２〜０．４ｍｍ程度の厚さが最適である。このため光導波路を伝播する光のスポットは基板に垂直方向に０．３〜０．６ｍｍとなる。
【００１９】
光導波路を伝播する光の吸収量を測定する場合もマッハツェンダー干渉計を光導波路に置き換えればまったく同様である。すなわち、リガンドが固定された光導波路についても、基準となるリガンドが固定化されていない光導波路についても、それぞれの出力光に光導波路を伝播した光以外の漏れ光が出力光に混ざり、干渉することによって光強度が揺らぐ、このため、感度劣化が生じるのである。意図しない揺らぎを引き起こす光が光導波路の途中に反射する点が挿入されることによっても発生することはマッハツェンダー型と同様である。
【００２０】
【発明を解決するための手段】
上記課題を改善するために、光源からの光を基板上に構成された光導波路に基板端面から入力する構成をもつ化学物質センサチップにおいて、光導波路に光を閉じ込めるために周辺よりも屈折率を高くした部分（この部分をコア層と呼ぶ）の断面形状が基板端面から内部に行くに従って、波長にくらべて十分ゆっくりと変化する構造を有することで入射光の光導波路からの漏れを抑圧する。以下、構成を具体的に記す。波長に比べて十分ゆっくりとした変化とは光の伝播方向での波長の１０倍以上の距離を進む間に同じ光導波路の構造、すなわち、幅や厚さが波長と同程度からそれより小さな変化しかしないことをさす。
【００２１】
具体例としては次の通りである。基板上に形成したマッハツェンダー干渉計を有する化学物質検出チップであって、干渉計入力光導波路部又は出力光導波路部の一部をテーパ形状の導波路とする（これによりファイル等からの光ビームのスポット形状を円に近い形から縦横比の大きい楕円に変換するか又はそのような楕円形状のビームを円に近い形にビームに変換する）。又はマッハツェンダー干渉計のＹ分岐から二つに分岐する導波路の少なくとも一方の導波路の厚さ又は幅をテーパ状に変化するように構成する。入出力導波路部の導波路の少なくとも一部のテーパ形状にする代わりに、干渉計を構成する導波路のＹ分岐部に近いところの導波路幅又は厚さを相対的に大きくし、その導波路の中央部分の導波路幅又は厚さを相対的に小さくする。これによりＹ分岐部に近いところの導波路では光ビームのスポット形状は円に近い形となり、中央部ではそれよりも縦横比の大きい楕円形状に変化する。
【００２２】
以下、構成を具体的に記す。
【００２３】
図８に示すようなマッハツェンダー型化学物質検出器チップの基板２００上の光導波路への光の入力および出力に部分にスポットサイズ変換機能を実現する手段５０５および５１１を配置する。光源１０からの光はレンズやファイバブロックなどの光結合手段２０によって基板２００上のスポットサイズ変換機能つきの光導波路５０５に導かれ、Ｙ分岐１００で光は均等に２波に分波され干渉計を構成する。このスポットサイズ変換機能付光導波路５０５は光の進行方向に向かって光導波路の幅および厚さがテーパー状に変化していることを特徴とする。この変化は十分ゆっくりあることが必要である。その後、従来と同様にリガンドが固定化された図８中の光導波路５０１とリガンドが固定化されていない光導波路５０２を光が伝播する。このとき、被検出物質のリガンドへの吸着によって図８中の光導波路５０１を伝播する光の位相が光導波路５０２を伝播する光の位相に比べて多く変化し、両者を伝播する光に位相差が生じる。次に、これらの光はＹ分岐１１０にて合波され、干渉することによって被検出物質の吸着に依存して光強度が変化する。この光強度変化を測定することによって被検出物質の吸着量を測定する。すなわち、光がスポットサイズ変換つき光導波路５１１からレンズやファイバブロック等の光結合手段３０を介してフォトディテクタ４０で電気信号に変換する。
【００２４】
図４０に入出力導波路部の導波路の少なくとも一部のテーパ形状にする代わりに、干渉計を構成する導波路のＹ分岐部に近いところの導波路幅又は厚さを相対的に大きくし、その導波路の中央部分の導波路幅又は厚さを相対的に小さくした場合の上面図をしめす。図８との相違点はテーパ構造が入出力導波路５０５と５１１はテーパー状導波路ではなく、光導波路の幅と厚さは変化しない。一方、図４０中の光導波路５３１はテーパー型導波路であり、光導波路５０１の幅または厚さが光導波路５０５および５１１の幅または厚さよりも大きくなっている。これによって入出力部分の光スポットサイズを拡大し、光結合手段での光の損失を低減することができる。
【００２５】
次に化学物質検出装置全体の構成を図２６に示す。まず、１１７０にためられた比較のための被測定物質の入っていない溶媒（例えば純水等）を反応室３０５に流す。この流れのコントロールは計測コントローラ１０１０からフローコントローラ１１５０を通して行う。このときレーザ光源１０は光信号を光導波路基板２００に接続されている。環境温度等に対応してフォトディテクタ４０，４１の出力が出力演算制御部１０００に入力される。ここで、（ＰＤ１−ＰＤ２）／（ＰＤ１＋ＰＤ２）が０になるように光源１０の波長をコントロールする波長コントローラ１１１０に信号を送り、波長を変えることで図１６における動作点に移動させる。次にフローコントローラは被測定環境からのフローに切り替えて、被検出物質６０２を反応室３０５に導入する。このとき光源１０の波長は一定のままである。被検出物質の濃度に従って、（ＰＤ１−ＰＤ２）／（ＰＤ１＋ＰＤ２）が変化する。この出力信号は測定コントローラ１０１０に送られ、キャリブレーションによって得られた上記測定データを被検出物質に濃度に変換するデータを参照し、被測定物質濃度という出力を表示装置１２００やネットワーク上の他の端末１３００等に送信する。また、さらなる感度向上のために上記では測定時には波長は一定であったが、（ＰＤ１−ＰＤ２）／（ＰＤ１＋ＰＤ２）が０になるように光源１０の波長をコントロールし、この波長コントローラ１１１０への信号を被検出物質に変換して化学物質を検出することも可能である。
【００２６】
次にスポットサイズ変換機能を実現するための特に簡易な構造であって、かつ製造が容易な光導波路５０５および光導波路５１１の構造の鳥瞰図を図１１に示す。図６の断面Ｅに対応し、かつ、図１１の鳥瞰図の隠れた奥の面に対応する断面図を図９に示す。また、図６は断面Ｄに対応し、かつ、図１１の鳥瞰図の前面に対応する断面図を図１０に示す。図１２はリガンド６０１への被検出物質６０２の吸着するセンサ部分を含む光導波路の基本構造の断面図であり、この断面構造は図８中の断面Ｅに置ける断面図である。すなわち、図９における断面構造と同じである。スポットサイズ変換機能は図１１に示すように、薄膜第一コア層５０５の幅を基板端面に向かって（図１１中では手前にむかって）狭めた構造で実現する。すなわち、図９の形状から基板２００の端面に近づくに従って、徐々に第一コア層５０５が狭くなるテーパー構造で基板端面では図１０に示す断面構造になる。
【００２７】
図９に示す導波路の基本構造（センサ部分を含む）は次ぎのようなものである。屈折率が最も高い第一の薄膜コア層５０５と層５０５と基板２００基板の間に薄膜コア層よりも屈折率の低いクラッド層２５０（基板の屈折率が第一の薄膜コア層よりも低く、光吸収率が小さい場合には基板２００をクラッド層２５０の代わりに用いることもできる。）を配置し、さらに、クラッド層２５０と第一の薄膜コア層５０５の間に第一のコア層５０５よりも屈折率が低く、クラッド層よりも屈折率が高い第二のコア層３００を有することを特徴とする。図９の断面図は図８の上面図のなかでは例えば断面Ｅに対応し基板端面から十分離れた位置での断面に対応する。この断面構造においては光のスポット５１０はほとんど第一のコア層に閉じ込められ、スポットサイズも小さく扁平している。
【００２８】
一方、光源からの光を導波路へ導入する手段２０から光が最初に基板に導入される点２１近傍での断面Ｄが図１０に対応する。断面Ｄ（図１０）における光のスポットサイズ５１０が大きくなるように第一のコア層５０５の幅３１０をせばめている。すなわち、幅３１０を狭めることによって、層５０５での光の閉じ込め効果を弱め、相対的に第二のコア層３００の閉じ込め効果を高めることにによって、第一のコア層５０５と第二のコア層３００の組み合わせた構造がコア層（光閉じ込め層）として機能させ、光スポットサイズを拡大する。適切に第二のコア層３００の厚さを設定し、光ファイバのレンズからの光のスポットに前記図１０中のスポット５１０を適合させ、効率的な光結合を実現する。
【００２９】
図１２にセンサ部分の断面構造を示す。導波路の基本構造は図９と同様である。導波路の一方には被検出物質６０２を選択的に吸着するリガンド６０１を導波路５０２の領域４０１に固定化されている。一方、導波路５０１の領域４００にはリガンドは固定せず位相変化の基準と導波路として働く。
【００３０】
上記構造でのスポットの拡大方法をさらに詳細に記すと、下記のようになる。日検出物質の吸着による位相変化の効率を向上するために、導波路を構成する第一のコア層の厚さ図１０中の３１２は０．２〜０．４ｍｍと薄く、クラッド層２５０に対する屈折率差を１０％以上の適切な値に設定する。第二のコア層３００の厚さ３１３は数ｍｍ程度と厚く、さらに、クラッドとの屈折率差を０．４％よりも小さくすることによってすることによって、光スポット５１０がクラッド層２５０に大きくはみ出すようにすることができ、スポット形状を円形に近づけることができる。これによって光ファイバやレンズからのスポット形状とよく適合させることができる。また、第二のコア層３００の屈折率をクラッド層２５０の屈折率に近づける（０．４％以下にする）ことはセンサ部分に置けるスポット５１０が第一のコア層５０５にほとんど閉じ込める状態にし、サンプル吸着による位相変化の効率向上にも有効である。
【００３１】
また、本構造は第一のコア層５０５の幅を基板面内で変化・制御することのみでスポットの形と大きさをコントロールすることが可能である。薄膜構造の幅の面内での制御は半導体リソグラフィー技術を用いれば簡易かつ高精度に実現できる。このため、断面図１０におけるスポットサイズと形状を高精度に制御することを簡易な作製方法で実現できる。
【００３２】
次ぎに入力時の漏れ光以外の光が混ざることによって測定光強度が揺らぐ場合について記し、次ぎにその解決策を記す。
【００３３】
漏れ光以外の光が混ざることによって測定光強度が揺らぐ可能性のあるセンサチップの光導波路に沿った断面図を図１３に示す。基板２００上にクラッド層２５０の上に薄膜のコア層５０５形成し、コア層の一部分にはレセプタ６０１を固定している。そして保護層としての役目を果たす上部クラッド層５０６を光の入出力層を含む領域に形成する。
【００３４】
このとき、上部クラッド層５０６の屈折率はコア層５０５の屈折率に近づけることによってスポットサイズを拡大することができるが、レセプタを固定する領域を含む領域では被測定物質を含む溶媒（水や空気等）の屈折率が低いため（水の場合の屈折率１．３３３，空気の屈折率１．０）上部クラッド層の屈折率が必ず高くなり、点２２および点２３が反射点となってしまう。これによって入力から点２２→点２３→出力と導波路を戻ることなく直接出力される光が観測されるだけでなく、入力→点２２→点２３→点２２→点２３→点２２→出口のなどの多重反射を受けた光が前記直接光と干渉して観測される。さらに、このような多重反射を受けた光の光路長は溶媒の温度や密度の揺らぎによって大きく変化してしまう。このため、干渉後の光強度が揺らいでしまうことになる。
【００３５】
このような多重反射を取り除く方法は図１４に示すように上部クラッド層５０６の厚みにテーパ構造を導入することである。
【００３６】
しかし、上部クラッド層５０６をクラッド層２５０よりも高屈折率にすると光のスポット形状は非対称となってしまうため、対称な光ファイバ等の光スポットとのズレを完全に解消することはできなく、スポットサイズも２〜３ｍｍが限界であり、ファイバのスポットとはサイズの点でも完全な解消はできない。
【００３７】
しかし、前記のように光結合付近に上部クラッド層を設けないでセンサチップを構成する場合、前記のような多重反射の問題は発生しない。
【００３８】
また、前記の解決策のように第一コア層５０５以外に第二コア層３００を挿入することによって、図１３の点２２，２３で層５０５の幅を狭めておくことによって多重反射率を低減できることは言うまでもない。
【００３９】
また、第一のコア層と第二のコア層をもった前記解決策と上部クラッド層５０６のテーパ構造を併用することがさらに望ましいことは言うまでもない。
【００４０】
次ぎに、センサチップからフォトディテクタへの光入力効率向上方法について記す。図１５に示すように光導波路５０１および５０２を伝播した光を方向性結合器１１１で合分波し、干渉させる。その結果、導波路５１１、５１２を伝播し、光結合手段３０と３１を通して、フォトディテクタ４０、４１にて計測される強度は光導波路５０１と５０２を伝播した光の位相差によって、図１６のようにその強度が変化する。図１６で横軸は上記位相差を示し、縦軸が光強度すなわち、ＰＤ１（フォトディテクタ４０に対応）またはＰＤ２（フォトディテクタ４１に対応）で測定される光強度を示す。ここで重要な点はどのような位相条件でもＰＤ１（フォトディテクタ４０に対応）とＰＤ２（フォトディテクタ４１に対応）の強度の和は一定である。このため原理的には位相差によって方向性結合器で光が合分波されたときに、光が導波路以外に漏れることがない。このため漏れた光が多重反射して、光強度揺らぎを増大させることが抑制できる。
【００４１】
最後に、センサ部分の導波路構造を変更し、さらなる高感度化（被検出物質の吸着に対する位相変化変換効率の向上）を図る方法について記す。前記の解決手段においてセンサ部分の導波路構造は薄膜の第一コア層５０５に光を閉じこめ、被検出物質を吸着するレセプタは図９に示すように薄膜の第一コア層５０５の上面のみに固定していた。さらに、レセプタと光の重なりの大きくするために図１７に示すように幅が０．５ｍｍ以下になるようにすることによって、光の染み出し程度は前記薄膜と同程度で２倍のレセプタ固定領域を確保することができるため感度を２倍程度向上することができる。図１８に光を導入する領域の近傍での断面図を示す。コア層５０５の幅を広げるとともに上部クラッド層を導入し、その屈折率をコア層５０５に近づけることによってファイバと同様の大きさのスポットを得ることができる。図１５と図１４の断面構造の間はテーパー構造によって滑らかに接続することは言うまでもない。
【００４２】
光吸収率の変化を測定する場合についても入出力光導波路にテーパー構造を導入することで漏れ光を低減し、出力される光揺らぎを抑圧することができる。光入力部分の断面図は図９，１０，１１に示したとおりでマッハツェンダー型の入力部分の断面図と同じである。このようなテーパー状構造の導入によって漏れ光を抑圧し光揺らぎを低減することができる。次に、上面図を図３４に示す。図１５に示したマッハツェンダー型との相違は図３４では一本の光導波路が二本の光導波路５１８と５１９に分岐され、その後合波されずに出力光導波路５１１および５１２に接続されている点である。光導波路５１８上の領域４００にはリガンドが固定化されており、被検出物質または被検出物質とマーカーの複合体を吸着できる。一方、光導波路５１９上の領域４０１にはリガンドが固定化されていないか、被検出物質以外の物質を選択的に吸着するリガンドが固定化されている。このため、被検出物質の吸着によって光導波路５１１から出力される光強度と光導波路５１２から出力される光導波路５１２の差が大きくなりこの強度差を被検出物質の吸着量に変換し、被検出物質を検出する。多重反射の抑圧、導波路側面にもリガンドを固定化することによってもマッハツェンダー型と同様な効果を期待することができることはいうまでもない。
【００４３】
【実施例】
［実施例１］
図１９に本発明を実現する第一の形態でのセンサ部分の構成を示す。光導波路を形成する厚さ１ｍｍのシリコン基板２００を熱伝導性の高い銅で作製したサブマウント７０１に固定する。ＤＦＢ（分布帰還型）レーザ１０からのレーザ光をファイバ６０１と光結合手段であるファイバブロック（図２０の２０）を介してスポット変換機能付導波路５０５に光が入力する。ここで、スポット変換機能付導波路は基板に平行方向のテーパー構造有している。基板の端面に近い位置断面Ｄの断面を図２２に示し、断面Ｄよりも端面から離れた位置断面Ｅでの断面図を図２３に示した。導波路５０５の幅が断面Ｄの方が断面Ｅよりも狭くなっている。すなわち、図２３中の３１０（６  ｍｍ）と図１９中の３１０（３．８  ｍｍ）を比較すると図２２中の３１０の方が小さくなるようにする。これによって、センサ部分と同じ幅の導波路の光のスポットの形５１０は図２３のに示すように扁平な楕円形状となり、光スポットの基板に垂直方向の高さ３１１は０．６ｍｍ程度と小さいが、端面付近では比較的円に近くスポットサイズ３１１は８ｍｍ程度とすることができ、ファイバブロック２０の中のファイバとの良好な光結合を実現することができる。この光をＭＭＩ（マルチモード干渉計）１００にて２波に分岐する。この分波用ＭＭＩは長さが３１０  ｍｍ幅を２０  ｍｍとした。このときＭＭＩ部分とセンサ部分の断面の基本構造は同じである。このようにすることができた理由は第一のコア層を完全にエッチングし、第一のコア層５０５の幅によって光導波路の幅（スポットサイズ）が決定されるようにしたため、導波路特性がエッチング量に依存せず安定した特性を得ることができたからである。かりに、従来の薄膜を利用した導波路のようにコア層の一部分のエッチングのみで導波路を構成するとエッチング量によって導波路特性が変化し、ＭＭＩの最適な長さと幅が変化することになる。このことは光の漏れをもたらすため、感度劣化を引き起こすのである。によって完全に分波された光は長さ１５０００  ｍｍの導波路５０１と長さ１５０８０ｍｍの導波路５０２を伝播する。
【００４４】
導波路幅は６  ｍｍとした。導波路５０１はレセプタを固定化した領域４００を通り、サンプルの吸着により位相が変化する。導波路５０１と５０２は長さが８０ｍｍ程度異なっていることから、両者の位相差は波長を変えて調整することができる。２０ｎｍの波長変化によって２πだけの位相差を作り出すことができる。合波器については２入力２出力のＭＭＩを用いた長さは３９５  ｍｍ、幅１４．５  ｍｍとした。２波に分波した光はスポット変換機能付導波路５１１と５１２を通して２チャンネル−ファイバブロック３０と光ファイバ６０２，６０３を通してフォトディテクタ４０，４１で計測する。２チャンネルファイバブロックは図２１に示す。これによって過剰損失が１ｄＢ以下に抑制することができた。
【００４５】
次に形成方法を記す。図１９の断面Ｃでの断面図を図２４に示す。厚さ１ｍｍのシリコン基板上２００にマッハツェンダー干渉計を形成するために、熱硬化性ポリマ（屈折率１．５）を１５  ｍｍの厚さで塗布し、熱硬化してクラッド層３０１を形成する。その上に入出力部分で光導波路の第二のコア３００となる層３１３を４．０  ｍｍ塗布し、硬化する。センサ部で光導波路の第一のコアとなる層５０１および５０２を熱硬化性のポリマ（屈折率１．８）によって０．３  ｍｍの厚さで同様に形成する。この材料はＳｉＮやＺｉＯやＴｉＯなどの材料を用いても良いことは言うまでもない。このとき導波路を形成するために塗布の後に導波路形状のフォトレジストパタンを形成し、ドライエッチングによってコア層のみだけ反応性イオンエッチングによりパタニングし、センサ部分で幅６μｍとし、導波路の太さ基板の端面付近の幅を３．８μｍとしたそのとき光導波路を作製する。次に同じ反応性イオンエッチングによって層３０３を幅４０ｍｍでエッチングし、図１９中の３０３に示すように導波路５０１，５０２，５０５，５１１，５１２を取り囲んで漏れ光の拡散を抑圧する。
【００４６】
また、断面Ｄに対応する図２２と断面Ｅに対応する図２０ではＰＤＭＳで作製した保護膜で導波路上を覆った。これによって図２５に示した反応室の脱着を行ったときにも安定した光信号を得ることができるようにした。
【００４７】
次に溶液中のダイオキシンを検出することを目的としてイムノアッセイ法でも用いられている抗ダイオキシンモノクロな−ル抗体を領域４００に固定かするために、シランカップリング材をフォトレジストを使って、領域４００に塗布した。こののち上記抗体を含んだバッファ中に基板２００を浸漬し、抗ダイオキシンモノクロな−ル抗体を領域４００に固定化した。また、非検出物質が他の物質に変わった場合、対応する抗体を領域４００に固定化することは言うまでもない。さらに、感度を向上するために被検出物質といっしょになって固定化した抗体に結合する２次抗体を用いることもできる。さらに、本実施例では領域４０１には何も固定化していないが、この領域に４００に固定化した抗体と競合関係にある別の抗体を固定化することによって測定精度を向上することができることも言うまでもない。また、被検出物質であるダイオキシンが吸着することによってリガンドの構造が変化することによって入射した光波長において屈折率が変化する現象を利用できることは言うまでもない。
【００４８】
また、センサ部断面図２４において導波路５０１と５０２の第一のコア層を構成する層は強い複屈折率特性を有する材料から構成されている。このため、構造効果を含めた光導波路５０１および５０２としても強い複屈折率特性を有する。これによって、ＴＥ偏光の光とＴＭ偏光の光では光の染み出し方がことなり、同じサンプル吸着量でも位相変化が異なることになる。逆にことことを利用して、被検出物質の断面方向での分布を知ることが可能である。
【００４９】
上記のように本実施例ではレーザ１０から光導波路５０５、また光導波路５１１，５１２からフォトディテクタ４０，４１への光の結合手段である２０と３０はファイバブロックを用いた。６０１〜６０３は光ファイバである。１０は分布帰還型レーザダイオードであり、波長帯は１．５５  ｍｍ帯で、ペルチェ素子によってレーザ素子の温度を変えて、出力される光の波長をコントロールすることができる。受光素子はＩｎＧａＡｓを吸収層に持つフォトディテクタであり、二つのフォトディテクタの感度のばらつきを最小限にするために、面型の素子でかつ吸収層の厚さが１ｍｍ以上の厚いものを用いた。これらの光源と基板２００と受光素子は熱伝導性の高いＣｕ製の台７０５上に配置し、この台７０５はペルチェ素子７０６によって温度コントロールした。これによって基板の温度を一定に保った。
【００５０】
次にサンプルフロー系について記す。反応室３０５はテフロン（登録商標）製の箱で図２４と図２５に示すような形で基板２００への取り付けを行った。図２５は図１９の断面Ｂでの断面図である。３０１は被測定物質を含む溶液を反応室３０５に導入するチューブ、３０２は溶液を排出するチューブである。なお、７０６は温度コントロールするためのペルチェ素子である。
【００５１】
また、本発明によれば、検出したい物質の混入した液体または気体をポート３０１から反応室３００を通ってポート３０２に流し続けることによって連続的に検出したい物質の濃度を測定することができる。ただし、この目的のためには被検出物質６０２とリガンド６０１（例えば６０２を抗原とする抗体）間の平衡状態を一定に保つために温度を７０６のペルチェ素子を用いて一定に保たれなければならない。
【００５２】
次に検出装置全体の信号の流れを図２６に示す。まず、１１７０にためられた比較のための被測定物質の入っていない溶媒（例えば純水等）を反応室３０５に流す。この流れのコントロールは計測コントローラ１０１０からフローコントローラ１１５０を通して行う。このときレーザ光源１０は光信号を光導波路基板２００に入力している。環境温度等に対応してフォトディテクタ４０，４１の出力が出力演算制御部１０００に入力される。ここで、（ＰＤ１−ＰＤ２）／（ＰＤ１＋ＰＤ２）が０になるように波長コントローラ１１１０に信号を送り、図１６における動作点に移動させる。次にフローコントローラは被測定環境からのフローに切り替えて、被検出物質６０２を反応室３０５に導入する。このとき光源１０の波長は一定のままである。被検出物質の濃度に従って、（ＰＤ１−ＰＤ２）／（ＰＤ１＋ＰＤ２）が変化する。この出力信号は測定コントローラ１０１０に送られ、キャリブレーションによって得られた上記測定データを被検出物質に濃度に変換するデータを参照し、被測定物質濃度という出力を表示装置１２００やネットワーク上の他の端末１３００等に送信する。もちろん、被検出物質６０２とリガンド６０１の間の平衡関係を維持するために基板と反応室内の温度は一定になるように温度コントローラ１１５０を使って基板２００の温度と反応質３０５の温度をコントロールする。温度コントロールのためにはペルチェ素子７０６等を使い、温度モニタにはサーミスタ等を用いる。
【００５３】
このようなダイオキシン検出装置を作製し、屈折率変化に換算して１０−１０の微小な変化を検出することに成功し、２次抗体を用いてサブＰＰＢの測定を可能にした。
［実施例２］
本発明を実施する第二の形態のセンサチップの構成を示す。本実施例は光導波路に閉じ込められた光スポットの幅が光導波路を構成する第一のコアによっては決まらず、光スポットが第一のコア層がエッチングによって加工できるリッジの幅で決まるような断面構造を持つ場合の例である。センサ部分の断面図を図３５に示す。
【００５４】
第一のコア層５２０は導波路５０１部分と光導波路５０２部分とで分離されずにつながっている。この第一のコア層は光導波５０１および光導波路５０２の部分にリッジ構造を作成する。このリッジ構造のために、光導波路に閉じ込められる光スポットは５０６および５０７のようにリッジの幅で規定される幅となる。第一のコア層の厚さはリッジを構成するの厚い部分で３００ｎｍとし、リッジのない薄い部分で１５０ｎｍとした。また、第一のコア層がつながっていることに伴って、第２のコア層も基板全体に広がっている。ただ、入力された光がおよばない導波路から十分はなれた領域では第一および第二のコア層の存在の有無は問題ではない。センサチップの上面図は実施例１の図１９と同様であり、図３６に示す。また、装置全体のシステムも実施例１の場合と同じである。次に光入力部分の導波路構造を図３７と図３８に示す。図３６中の断面Ｄに対応するのは図３７に対応し、断面Ｅは図３８に対応する。断面Ｄの方が断面Ｅに比べてリッジの幅３１０が狭くなっている。これは入力光導波路では図１１に示すようテーパー構造になっていることに対応する。本実施例では第一のコア層および第二のコア層ともに光導波路に閉じ込められた光スポットの幅にくられべて数倍以上大きく、光スポット幅を規定していないため、外部光源との光結合を行うためにスポットをたとえば光ファイバに適合させて１０ｍｍにしようとするとき、横方向には閉じ込め構造が第一のコアしかないため光スポットは大きくなりすぎてしまう一方、縦方向（基板に垂直な方向）には第一のコア層が広い幅で残っているため、十分に広げることができない。しかし、テーパー構造がない場合にくらべて、スポットサイズの不適合程度は小さく漏れ光も抑制されている。このため、従来例に比べて光揺らぎは抑制することができ、感度を向上することができた。
［実施例３］
本発明を実施する第三の形態についてのセンサチップの構成を示す。図２７に断面Ｂに対応する断面図に示す。本実施の構成では保護膜３０４の端面での多重反射を抑制する。ＰＤＭＳの整形はＳｉの型にＰＤＭＳ原料を流しこみ、１０４Ｐａ圧力をかけながら２００℃の温度を加えて行った。これによって厚さが滑らかに変化したテーパー状の構造を含む保護膜３０４を作製した。このテーパー構造の導入によって保護膜の切れ目での反射率を１０−６以下に抑制することができた。本実施例では保護膜３０４のテーパー構造がある直下での導波路構造はセンサ部と同じ断面構造であり、図２３と同じである。また、第一のコア層の幅は６ｍｍとしたが、幅を３．８  ｍｍまで狭めて、光のスポットを第二のコア層３０３に光を押しやって、反射率をさらに抑制することができることは言うまでもない。
［実施例４］
本実施例ではさらに薄膜を縦型にすることによって高感度化を図ることが可能な例を示す。上面図２８は実施例１における上面図１９とほぼ同じであるが、第二のコア層３０３は簡便化のため排除している。また、ＰＤＭＳの保護膜３０４は図２８に示すような基板面内でのテーパー構造を導入することによって保護膜の切れ目での反射を抑制している。図２８の断面Ｃにおける断面図を図２９に示す。Ｓｉ基板２００上に１５ｍｍのポリマ材料塗布し、熱硬化することによってクラッド層２５０、次にポリイミド材用（屈折率１．８）を４ｍｍの厚さで塗布し、反応性イオンエッチングによって幅２１０を０．３ｍｍにエッチングして導波路５０１および５０２を形成した。図２８の断面Ｄでの断面は図３０に示すようにコア層５０５は幅・厚さともにファイバのスポットサイズと適合するようなサイズに設定されている。領域４００ではリガンドとなる抗体を導波路５０２の側面および上面に固定化した。これによって抗体固定面は３面となり、２倍程度感度を向上することができた。
［実施例５］
次に被検出物質の光導波路表面への吸着による屈折率変化ではなく、吸収率変化を測定することによって被検出物質を検出する構成について記述する。本実施例では光吸収型化学センサにおいて光入出力部分にテーパー状光導波路を構成することによって漏れ光を低減し、光揺らぎを抑制することによって感度向上を図る。本実施例に対応するセンサチップの上面図を図３９に示す。マッハツェンダー型化学センサの上面図である図１９との相違はテーパー状の入力光導波路から入力された光が分岐用ＭＭＩで分岐されたあと、光導波路５２５および５２６を伝播し、合波されることなく出力用光導波路５１１および５１２に導かれることである。詳細の作成方法は実施例１と同じである。また、被検出物質がリガンドに吸着することによる光導波路の吸収率の変化を測定するだけでなく、マーカーとの複合体がリガンドに吸着することによる光導波路の吸収率変化を測定することによっても被検出物質を検出することが可能である。また、他のバリエーションとして、被検出物質がリガンドに吸着することによってリガンド構造が変化し、吸収係数が変化する現象を利用することができることはいうまでもない。信号の処理方法はマッハツェンダー干渉計の場合と若干異なるので次に記述する。
【００５５】
吸収率の変化を測定する場合には光強度が直接、被検出物質の吸着量に比例する。このため、原則的には吸着量に対応して光強度変化を事前に調べ、この結果を測定時に参照することによって吸着量を算出することができる。ただし、被検出物質の吸着以外の効果で吸収量が増減する場合があり得ることを考慮して、参照用光導波路５２６からの光出力であるフォトダイオード４１とセンサ用光導波路５２５からの光出力であるフォトダイオード４０の出力の差を検出し吸着量を算出する方がより正確である。
システム構成は図２６と同じでＰＤ１−ＰＤ２を（ＰＤ１−ＰＤ２）／（ＰＤ１＋ＰＤ２）のかわりの測定する点が異なるだけである。
【００５６】
【発明の効果】
本発明の実施例によれば、マッハツェンダー干渉型化学センサの高感度化が可能である。より具体的には、小型で安定動作可能で高感度にすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】公知の化学センサの構成図（上面図）。
【図２】公知の化学センサの断面図（断面Ａ）。
【図３】本発明の実施例に係るマッハツェンダ型干渉系１出力の場合の出力と位相差の関係。
【図４】公知例図１の断面Ａにおける断面図（薄膜コア）。
【図５】公知例図１の断面図Ａ’における断面図（薄膜コア）。
【図６】薄膜導波路を用いた場合の公知例における断面図。
【図７】薄膜の厚さと屈折率変化を位相変化に変換する効率の関係のグラフ。
【図８】本発明におけるマッハツェンダー干渉型化学センサの上面図（１出力）。
【図９】本発明における端面付近以外の導波路断面図（基本導波路構造）。
【図１０】本発明における端面付近の導波路断面図。
【図１１】本発明における端面付近の導波路の鳥瞰図。
【図１２】本発明におけるセンサ部分の断面構造図。
【図１３】多重反射を説明する図。
【図１４】多重反射を抑制した構成の図。
【図１５】本発明において出力を２本にした場合の上面図。
【図１６】マッハツェンダ型干渉系２出力の場合の出力と位相差の関係。
【図１７】幅の薄い導波路を用いて感度を向上した構成のセンサ部断面図。
【図１８】幅の薄い導波路を用いて感度を向上した構成の端面部断面図。
【図１９】実施例１に対応するマッハツェンダー干渉型化学センサの上面図。
【図２０】１入力ファイバブロック図。
【図２１】２出力ファイバブロック図。
【図２２】図１６の断面Ｄに対応する断面図。
【図２３】図１６の断面Ｅに対応する断面図。
【図２４】図１６の断面Ｃに対応する断面図。
【図２５】図１６の断面Ｂに対応する断面図。
【図２６】実施例１におけるシステム構成図。
【図２７】実施例３における図１９の断面Ｂに対応する断面図。
【図２８】実施例４に対応するマッハツェンダー干渉型化学センサの上面図。
【図２９】実施例４における図２８の断面Ｃに対応する断面図。
【図３０】実施例４における図２８の断面Ｄに対応する断面図。
【図３１】吸収型化学センサの従来例の上面図。
【図３２】図３１の断面Ａに対応する断面図。
【図３３】図３１の断面Ａ’に対応する断面図。
【図３４】本発明における吸収型化学センサの上面図。
【図３５】実施例２におけるセンサ部分の断面図（図３６の断面Ｃに対応）。
【図３６】実施例２におけるにマッハツェンダー干渉型化学センサの上面図。
【図３７】実施例２における図３６の断面Ｄに対応する断面図。
【図３８】実施例２における図３６の断面Ｅに対応する断面図。
【図３９】実施例５に対応する吸収型化学センサの上面図。
【図４０】干渉計を構成する導波路のＹ分岐に近い部分をテーパ状した場合の上面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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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】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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