(57)【要約】      （修正有）【課題】容易に製造できるシリコンによるフォトニック結晶を用い、検出感度が向上できる光共振器構造を提供する。【解決手段】共振部１０３のフォトニックバンドギャップのバンド（ＰＢＧ）端近傍のバンド内に、対象とする波長の光のエネルギーがある状態に、第１穴部１３１の周期および径が設定されている。また、反射部１０４，１０５のフォトニックバンドギャップ内に、対象とする波長の光のエネルギーがある状態に第２穴部１４１，１５１の周期および径が設定されている。【選択図】図１
2016061815.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クラッド層の上に形成されたシリコンからなるコアと、
前記コアの一部に配置される共振部と、
前記共振部を挟んで前記コアに形成された２つの反射部と、
前記コアの延在方向に周期的に１列に配列されて前記クラッド層の法線方向に柱状とされ、前記共振部の前記コアに形成された複数の第１穴部と、
前記コアの延在方向に周期的に１列に配列されて前記クラッド層の法線方向に柱状とされ、前記反射部の前記コアに形成された複数の第２穴部と
を備え、
前記共振部のフォトニックバンドギャップのバンド端近傍のバンド内に、対象とする波長の光のエネルギーがある状態に、前記第１穴部の周期および径が設定され、
前記反射部のフォトニックバンドギャップ内に、対象とする波長の光のエネルギーがある状態に前記第２穴部の周期および径が設定されている
ことを特徴とする光共振器構造。
【請求項２】
請求項１記載の光共振器構造において、
前記コアは、断面形状が矩形とされていることを特徴とする光共振器構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンからなるコアにより光共振器を構成した光共振器構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
蛍光分子を標識剤とする蛍光ラベルにより特定分子を検出する蛍光型バイオセンサと異なり、ラベルフリーで光学的に分子検出を行うバイオセンサの研究開発が、人体の化学物質の分析や病気の早期発見などの医療応用の観点で進められている。ラベルフリーで光学的に分子検出を実施する技術として、例えば、表面プラズモン共鳴（surface plasmon resonance：ＳＰＲ）測定器を用いた測定がある。ＳＰＲ測定器は、分子吸着による屈折率／反射率変化を検出できる。この技術は、生化学研究で広く用いられているが、小型化に難がある。専門家による分析を必要とせず、家庭で簡便に利用できるバイオセンサには、小型化・低価格化が必須であり、エレクトロニクス同様、ＬＳＩ（Large Scale Integration）の加工技術を用いてチップ上に機能集積したセンサが望ましい。
【０００３】
今日まで、ＬＳＩの加工技術を用いて作製された光学的手法によるセンサチップが報告されている。例えば、板状のシリコン層を、数１００ｎｍの幅・高さの矩形断面をもつ細線に加工したシリコン光導波路をベースに、μｍサイズの直径の微小リング光共振器を構成したセンサがある（非特許文献１参照）。抗原抗体反応により光導波路表面に選択的に分子が吸着することによって、屈折率に変化が生じ、光の透過率が変化することで分子を捉えることが可能となる。透過率の変化は、共振の起こる波長（共振波長）がシフトすることによる。
【０００４】
また、シリコンスラブに周期的に穴を形成したフォトニック結晶（ＰｈＣ）において、一部に穴の大きさを変えた点欠陥を設けて光共振器として動作させること（非特許文献２）により、分子吸着を捉えることが可能である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】T.Claes et al. , "Experimental characterization of a silicon photonic biosensor consisting of two cascaded ring resonators based on the Vernier-effect and introduction of a curve fitting method for an improved detection limit", Optics Express, vol.18, no.22, pp.22747-22761,2010.
【非特許文献２】M. R. Lee and P. M. Fauchet,  "Nanoscale microcavity sensor for single particle detection", Optics Letters, vol.32, no.22, pp.3284-3286, 2007.
【非特許文献３】J. T. Robinson et al. , "On-chip gas detection in silicon optical microcavities", Optics Express, vol.16, no.6, pp.4296-4301,2008.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した共振器では、光のパワーが主にシリコン中に閉じ込められており、導波路から弱くしみ出したエバネッセント波で表面に吸着した分子を捉えているため、ＳＰＲ測定に比べると感度（検出濃度の下限）に難がある。ここで、検出感度の向上には、シリコンによる微小リング光共振器やフォトニック結晶を用いた共振器のＱ値（quality factor）を高くすることが有効である。しかしながら、現状は、主に、導波路側壁の粗を原子レベルで低減する超精密加工によって、共振器のＱ値の向上を図っている。この加工は容易ではなく、従来では、Ｑ値を向上させることが容易ではないという問題があった。
【０００７】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、容易に製造できるシリコンによるフォトニック結晶を用い、検出感度が向上できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る光共振器構造は、クラッド層の上に形成されたシリコンからなるコアと、コアの一部に配置される共振部と、共振部を挟んでコアに形成された２つの反射部と、コアの延在方向に周期的に１列に配列されてクラッド層の法線方向に柱状とされ、共振部のコアに形成された複数の第１穴部と、コアの延在方向に周期的に１列に配列されてクラッド層の法線方向に柱状とされ、反射部のコアに形成された複数の第２穴部とを備え、共振部のフォトニックバンドギャップのバンド端近傍のバンド内に、対象とする波長の光のエネルギーがある状態に、第１穴部の周期および径が設定され、反射部のフォトニックバンドギャップ内に、対象とする波長の光のエネルギーがある状態に第２穴部の周期および径が設定されている。
【０００９】
上記光共振器構造において、コアは、断面形状が矩形とされていればよい。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したことにより、本発明によれば、容易に製造できるシリコンによるフォトニック結晶を用い、検出感度が向上できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における光共振器構造の構成を示す構成図である。
【図２】図２は、フォトニックバンドギャップの上端より大きなエネルギーのバンドにエネルギーがある光、およびフォトニックバンドギャップの上端より大きなエネルギーのバンドにエネルギーがある光のコア２０２および穴部２０３における分布の状態を説明するための説明図である。
【図３】図３は、コア１０２による光導波路を導波する光が共振部１０３および反射部１０４，１０５を透過した後の光の強度を示す特性図である。
【図４】図４は、共振部１０３における第１穴部１３１の数とＱ値との関係を示す特性図である。
【図５】図５は、共振部１０３における第１穴部１３１の数とＳ×Ｑ値（ＦＯＭ）との関係を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における光共振器構造の構成を示す構成図である。図１の（ａ）は平面を示している。図１の（ｂ）は、図１の（ａ）の断面を示している。
【００１３】
この光共振器構造は、クラッド層１０１の上に形成されたシリコンからなるコア１０２を備える。コア１０２は、断面視矩形とされ、例えば、断面視で幅４００ｎｍ、厚さ２２０ｎｍとされている。コア１０２には、共振部１０３および２つの反射部１０４，反射部１０５が形成されている。反射部１０４，反射部１０５は、共振部１０３を挟んで配置されている。
【００１４】
また、共振部１０３のコア１０２には、複数の第１穴部１３１が形成されている。第１穴部１３１は、クラッド層１０１の法線方向に伸びる柱状とされている。また、第１穴部１３１は、コア１０２の延在方向に周期的に１列に配列されている。
【００１５】
また、反射部１０４，１０５にも、複数の第２穴部１４１，１５１が形成されている。第２穴部１４１，１５１も、クラッド層１０１の法線方向に伸びる柱状とされている。また、第２穴部１４１，１５１も、コア１０２の延在方向に周期的に１列に配列されている。
【００１６】
ここで、本発明の実施の形態では、共振部１０３のフォトニックバンドギャップのバンド（ＰＢＧ）端近傍のバンド内に、対象とする波長の光のエネルギーがある状態に、第１穴部１３１の周期および径が設定されている。言い換えると、第１穴部１３１の穴径およびこれらの配置周期により決定されるフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップのバンド端近傍のバンド内に、対象とする波長の光のエネルギーが存在する状態とする。例えば、コア１０２の厚さが２２０ｎｍ、幅が４００ｎｍのとき、第１穴部１３１は、周期４４０ｎｍとされ、半径が周期×０．１７５（ｎｍ）とされている。
【００１７】
また、反射部１０４，１０５のフォトニックバンドギャップ内に、対象とする波長の光のエネルギーがある状態に第２穴部１４１，１５１の周期および径が設定されている。言い換えると、第２穴部１４１，１５１の穴径およびこれらの配置周期により決定されるフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内に、対象とする波長の光のエネルギーが存在する状態とする。例えば、第２穴部１４１，１５１は、周期４３０ｎｍとされ、半径が周期×０．２２５（ｎｍ）とされている。
【００１８】
上記各寸法とすることで、波長１．５５μｍ域で動作する光共振器構造とすることができる。なお、第１穴部１３１および第２穴部１４１，１５１は、周囲のコア部とは、屈折率が異なる状態となる。
【００１９】
ここで、フォトニックバンドギャップの上端より大きなエネルギーのバンド（Air band）にエネルギーがある光は、図２の（ｂ）の光分布に示すように、クラッド層２０１の上に形成されたシリコンからなるコア２０２に形成されている、屈折率のより小さい穴部２０３内部に多く存在するようになる。これに対し、フォトニックバンドギャップの下端より小さなエネルギーのバンド（Dielectric band）にエネルギーがある光は、図２の（ｃ）の光分布に示すように、穴部２０３の周囲の、屈折率のより大きいコア２０２に存在するようになる。
【００２０】
前述した構成とすることで、反射部１０４，１０５がミラーとして機能し、共振部１０３を備えることで、図３に示すように、共振器として機能する。なお、図３は、コア１０２による光導波路を導波する光が共振部１０３および反射部１０４，１０５を透過した後の光の強度を示す特性図である。前述した構成では、コア１０２による光導波路を導波する光が伝搬する際、共振部１０３では第１穴部１３１の穴の内部に多く存在する状態となる。この状態でバイオセンサとして機能させると、検出分子と光の相互作用が増加し、Ｑ値の向上によらずに検出感度が向上できる。
【００２１】
また、共振部１０３，反射部１０４，１０５は、各穴部を１列に並べて構成しているので、コア１０２による光導波方向に垂直な方向へ広がりがなく、２次元フォトニック結晶に比較して小さな面積で構成できる。このため、例えば、１つのチップの上に複数の光共振器構造を集積させることが容易である。
【００２２】
加えて、上述した実施の形態では、共振部１０３のフォトニックバンドギャップのバンド端近傍のバンド内に、対象とする波長の光のエネルギーがある状態に、第１穴部１３１の周期および径を設定しているので、Ｑ値をより向上させることができる。シミュレーションの結果、フォトニックバンドギャップのバンド端より０．０２ｅＶの範囲のバンド内に、対象とする波長の光のエネルギーがある状態に、第１穴部１３１の周期および径が設定されていればよいことが判明している。これは、上記構成とすることで、群速度が低下するスローライト効果によって、光共振器（共振部１０３）での光の滞在時間を大きくできるためである。特に、後述するように、第１穴部１３１の数を増やして共振部１０３の導波方向長さを長くすることで、より高いＱ値が得られるようになる。
【００２３】
ところで、センサの性能指標は、一般に、検出効率Ｓ値（単位屈折率変化に対する共振波長の変化量）と共振器のＱ値の積「Ｓ×Ｑ値」で定義できる。例えば、実施の形態における共振器構造によりバイオセンサを構成する場合、検出下限が「Ｓ×Ｑ値」に比例する。上述した共振部１０３のフォトニックバンドギャップの設定によりＱ値がより向上するので、センサの性能を高くすることができる。
【００２４】
ここで、上述したような光共振器構造において、一般には、フォトニックバンドギャップの外に対象とする波長の光のエネルギーがある状態に、共振部の穴部の周期および径を設定し、共振器としている。しかしながら、この構成を用いたセンサでは、Ｓ×Ｑ値が２×１０4ｎｍ／ＲＩＵ程度に留まる。バイオセンサとしては、更なる検出効率の向上が要求されており、この性能では、要求が満たされない場合が発生する。
【００２５】
上述した定義より明らかなように、性能の向上には、まず、Ｓ値の向上が考えられる。Ｓ値向上には、Ｓｉからなる光導波光の浸み出し光（エバネッセント光）と、対象となる生体高分子（蛋白質、ＤＮＡ）や細胞などとの相互作用を高める必要がある。このために、エバネッセント光を増大させる一方で、光の伝搬損失を抑制できる構造として、スロット構造が考えられる。実際、Ｓｉリングにスロット構造を導入したスロットリング共振器を作製することで、Ｓ値の向上が図られたとする報告がなされている（非特許文献３参照）。
【００２６】
しかしながら、スロット構造では、スロット構造などの作製誤差により、伝搬損失の増大に敏感になる問題があり、作製が容易ではない。
【００２７】
一方、Ｑ値の向上は、実施の形態で示したように、共振部１０３における第１穴部１３１の周期および径の設定の最適化により実現でき、製造が容易である。
【００２８】
次に、共振部１０３における第１穴部１３１の数、言い換えると、前述したことにより決定した所定の周期とした複数の第１穴部１３１を備える共振部１０３の長さと、Ｑ値の増大との関係について説明する。
【００２９】
共振部１０３における第１穴部１３１の数を増大させると、図４に示すようにＱ値を増大させることができる。このように、本発明の構成によれば、所定の周期とした複数の第１穴部１３１を備える共振部１０３を長くすることで、より高いＱ値が得られるようになる。特に、図４の（ａ）に示すように、最適なエッジ距離においては効果的である。なお、エッジ距離は、共振部１０３と反射部１０４，１０５との接続距離（端の穴の中心間距離）である、図４の（ａ）は、エッジ距離が０．３〜０．４μｍであり、（ｂ）は、エッジ距離が０．５μｍであり、（ｃ）は０．１μｍであり、（ｄ）は、エッジ距離が０．２μｍである。エッジ距離を増加させることで、共振ピークは長波長側に移動する。エッジ距離を適切な値に設定することで、共振ピークの位置を制御し、対象とする光において共振器として機能させる。
【００３０】
また、前述したようにセンサとしての性能は、「Ｓ×Ｑ値」で示されるので、図５に示すように、共振部１０３における第１穴部１３１の数を増大させると、センサとしての性能を向上させることができる。これは、前述したように、群速度が低下するスローライト効果によって、光共振器（共振部１０３）での光の滞在時間を大きくでき、結果として、共振部１０３における光と対象分子との相互作用の時間が増大するためと考えられる。特に、図５の（ａ）に示すように、最適なエッジ距離において、効果的である。図５の（ａ）は、エッジ距離が０．３〜０．４μｍであり、（ｂ）は、エッジ距離が０．５μｍであり、（ｃ）は０．１μｍである。
【００３１】
ところで、上述した実施の形態における光共振器構造は、よく知られたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いることで形成（作製）できる。例えば、ＳＯＩ基板の埋め込み絶縁層をクラッド層１０１とし、表面シリコン層をパターニングすることで、コア１０２よび各穴部を形成すればよい。
【００３２】
上述した実施の形態における光共振器構造を用いたバイオセンサでは、共振部１０３の第１穴部１３１内部への分析対象の分子吸着による屈折率や光吸収の変化が、コア１０２よりなる光導波路を導波する光スペクトルのピーク波長や強度の変化として検出できる。
【００３３】
ここで、バイオセンサとして機能させるためには、バイオマーカを共振部１０３に吸着させる必要がある。バイオマーカは、測定対象の液体，気体中に存在する微量の分子である場合が多く、効率よく共振部１０３に吸着させるためには、共振部１０３以外の部分を保護膜で覆い、共振部１０３に、直接バイオマーカが溶けている検体液、検体ガスを接触させるようにすればよい。
【００３４】
具体的には、ディスペンサなどを用い、対象となる液体やガスを共振部１０３に滴下し、また吹き付ける方法がある。また、共振部１０３をマイクロ流路内に組み込み、外部圧力あるいは毛細管力（液体の場合）などによって、共振部１０３まで対象とする液体やガスを輸送する方法がある。このような方法により、第１穴部１３１に検出分子を吸着させることができる。
【００３５】
測定では、共振部１０３の第１穴部１３１内にバイオマーカを吸着させた光共振器構造の一方から光を入射し、反対側で出射光を受光し、入射光と出射光の比較あるいは出射光のセンシング前後（例えば、抗原抗体反応の前後）の比較をすることによって行われる。入射光は、バイオマーカのセンシング前後での屈折率変化に感応する波長領域をカバーするものとする。入射光が単一波長の時は、出射光の強度変化を観測する。
【００３６】
入射光の波長をスキャンして入射波長の毎に強度変化を測定することで、スペクトル変化を測定することができる。ブロードな波長をもつ入射光を用い出射光を分光すれば、同様なスペクトル変化を短時間で得ることができる。光源、受光器は、バイオ材料の安定性や熱耐性、測定時間などを勘案し、測定対象、測定方法に応じて最適なものを選択すればよい。
【００３７】
以上に説明したように、本発明によれば、共振部のフォトニックバンドギャップのバンド端近傍のバンド内に、対象とする波長の光のエネルギーがある状態に、第１穴部の周期および径を設定するようにしたので、容易に製造できるシリコンによるフォトニック結晶を用い、検出感度が向上できるようになる。本発明によれば、生体高分子（蛋白質、ＤＮＡ）や細胞などに対して高感度なバイオセンサが実現可能となる。
【００３８】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【符号の説明】
【００３９】
１０１…クラッド層、１０２…コア、１０３…共振部、１０４，１０５…共振部、１３１…第１穴部、１４１，１５１…第２穴部。
【図１】
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【図３】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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