(57)【要約】【課題】光導波路をはじめとする光学素子に効率的に光を結合する光結合装置を提供する。【解決手段】光学素子に光を結合するための光結合装置であって、流体の多層流を形成するための流路と、前記流体の多層流の光学的特性を変更するための手段を有しており、前記多層流のいずれかの層を光導波路として使用し、前記多層流の光学的特性を変更することで、前記光学素子との光の結合の効率を変更することを特徴とする光結合装置。前記多層流を形成するための流路は、複数種類の流体のそれぞれを注入する流路があり、注入地点より下流にある一点において合流することが好ましい。【選択図】図１
2009133923.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子に光を結合するための光結合装置であって、流体の多層流を形成するための流路と、前記流体の多層流の光学的特性を変更するための手段を有しており、前記多層流のいずれかの層を光導波路として使用し、前記多層流の光学的特性を変更することで、前記光学素子との光の結合の効率を変更することを特徴とする光結合装置。
【請求項２】
前記多層流を形成するための流路は、複数種類の流体のそれぞれを注入する流路があり、注入地点より下流にある一点において合流することを特徴とする請求項１に記載の光結合装置。
【請求項３】
前記多層流を形成する流体のうち少なくとも１つは他の流体と異なる屈折率を有することを特徴とする請求項１に記載の光結合装置。
【請求項４】
前記多層流の光学的特性を変更するための手段は、複数種類のそれぞれの流体に付与する圧力を調節することができることを特徴とする請求項１に記載の光結合装置。
【請求項５】
前記多層流の光学的特性の変更は、多層流を形成する少なくとも１つの層の幅、または多層流を形成する少なくとも１つの層の屈折率であることを特徴とする請求項１に記載の光結合装置。
【請求項６】
前記光の結合の効率が光学素子との光結合強度であることを特徴とする請求項１に記載の光結合装置。
【請求項７】
光学素子に光を結合する光結合方法であって、流体の多層流を形成する工程と、前記多層流のいずれかの層に光を導入し、前記光を導入した層を介して光学素子へ光を導入する工程を有することを特徴とする光結合方法。
【請求項８】
前記多層流の幅を調整することにより光が伝搬する前記多層流のいずれかの層の断面積を変化させることが可能であることを特徴とする請求項７に記載の光結合方法。
【請求項９】
前記多層流を構成する流体のうち少なくとも１つの流体を異なる屈折率を有する流体に変更することが可能であることを特徴とする請求項７に記載の光結合方法。
【請求項１０】
光学的な検出を行うための検出装置であって、流体の多層流を形成するための流路と、前記流体の多層流の光学的特性を変更するための手段と、前記流体のいずれかの層に選択的に光を導入する手段と、前記多層流から発せられる信号を検出する手段を有しており、前記多層流のいずれかの層を光導波路として使用し、前記多層流の光学的特性を変更することで、前記光学素子との光の結合の効率を変更し、前記光学素子に結合された光により検出することを特徴とする検出装置。
【請求項１１】
前記光学素子が、前記流路の壁面、底面または上面を構成する、または前記流路近傍に存在する光導波路であることを特徴とする請求項１０に記載の検出装置。
【請求項１２】
光検出方法であって、流体の多層流を形成する工程と、前記多層流のいずれかの層に光を導入し、前記光を導入した層を介して光学素子へ光を導入する工程と、前記光学素子を伝搬する光を利用して検出する工程を有することを特徴とする光検出方法。
【請求項１３】
前記光学素子を伝搬する光より生じるエバネッセント波を利用して検体を検出することを特徴とする請求項１２に記載の光検出方法。
【請求項１４】
前記エバネッセント波を利用して、光吸収、光散乱、蛍光、または表面プラズモン共鳴のいずれかの方法により検体を検出することを特徴とする請求項１２に記載の光検出方法。
【請求項１５】
請求項１３または１４に記載の検体は、化学物質、分子、細胞、粒子またはそれらの混合であることを特徴とする請求項１２に記載の光検出方法。
【請求項１６】
請求項１３または１４に記載の検体が、前記多層流により液−液抽出されたものであることを特徴とする請求項１２に記載の光検出方法。
【請求項１７】
請求項１３または１４に記載の検体が、前記多層流により前記光学素子近傍へ集められることを特徴とする請求項１２に記載の光検出方法。
【請求項１８】
前記光学素子を伝搬する光を利用して、前記多層流の状態をモニタすることを特徴とする請求項１２に記載の光検出方法。
【請求項１９】
前記光学素子を伝搬する光の強度を利用して、前記光学素子へ光を導入する工程をモニタすることを特徴とする請求項１２に記載の光検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子に光を結合させるための光結合装置および光結合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバは、少ないエネルギーロスで長距離に信号を伝搬する、レーザ光を光ファイバに結合することによりレーザ光を照射標的物へ向けて照射方向を簡便に変更できるなど、光を狭い空間に閉じ込めることによる利点が知られている。光ファイバ内での光の伝搬はコア部分の屈折率がその周囲にあるクラディング層屈折率より高いことにより、光がコア部分とクラディング層の境界面を全反射することにより実現する。同様の現象は光ファイバだけでなく、光導波路を形成しても生じる。半導体基板上に二酸化ケイ素などの透明な材質を薄膜として配置することにより、レーザ用の結晶より生じたレーザ光を導くなどの応用に利用されている。また、光を数マイクロメートル程度の大きさを有する薄膜導波路に導入することにより、薄膜導波路を伝搬する光を用いた物理的、化学的、および生物学的な光センサとしての応用が注目されている。（非特許文献１）
【０００３】
上記のような光電子光学およびセンサー工学において、薄膜導波路の有用性は実証されているが、光をいかに少ないエネルギーロスで薄膜導波路へ導入するかという課題を解決するために、従来技術として様々な方法が開示されている。なお、この光の導波路またはファイバへの導入は一般にカップリングまたは光結合と呼ばれるが、本明細書においては以下光結合と記載する。
【０００４】
端面光結合法はレンズによって集光された光を導波路の端面に照射する方法である（特許文献１参照）。また、プリズムによって光を導波路に結合させる方法も開示されている（特許文献２参照）。その他に、プリズムと同様な原理で光が導波路に結合される方法として、回折格子を用いた方法が開示されている（特許文献３参照）。さらに、導波路端面付近にマイクロミラーを用いて入射光を導波路方向へ反射することによって結合する方法も開示されている（特許文献４参照）。また、光ファイバより照射される光を導波路に結合する場合にはエンドバッド法が用いられることが多い（特許文献５参照）。エンドバッド法の応用として、導波路をテーパー形状の加工を施すことにより、より薄い導波路に光を結合する方法も開示されている（特許文献６参照）。
【０００５】
一方、光導波路をセンサとして用いる場合、流体内における検体の検出に光センサを応用する試みが実施されている。例えば、光導波路を流路近傍へ配置して、光導波路より生じるエバネッセント波により流路内の検体を検出する方法が開示されている（特許文献７参照）。また、マイクロ流路を用いたデバイスでは、一般的な流路幅は５０から２００μｍ程度で構成されることが多く、この大きさはおよそマルチモードの光ファイバの直径に相当する。このため、マイクロ流路を構成する部材より流体の屈折率が高くなるようにすると、マイクロ流路内に流体を満たして、そこに光を伝搬させるということが可能になり、マイクロ流体と光を融合したＯｐｔｏｆｌｕｉｄｉｃｓという分野が立ち上がりつつある。マイクロ流路内に入射された光は、流路壁面において全反射を繰り返し、光が光ファイバ内を伝搬するのと同様の原理でマイクロ流体内に閉じ込められたまま伝搬する（非特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平０５−２２４０９９号公報（第５項、図３）
【特許文献２】特開平０６−３４１８９４号公報（第６項、図１）
【特許文献３】特許第０３２３６１９９号公報（第７項、図１）
【特許文献４】特開平０５−２６４８３３号公報（第１０項、図１）
【特許文献５】特開平０７−２８１２１３号公報（第４項、図１）
【特許文献６】特開平０９−０６１６５２号公報（第７項、図１）
【特許文献７】特開２００６−１７７８７８号公報（第８項、図１）
【非特許文献１】Ｗ．Ｌｕｋｏｓｚ，“Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ａｎｄ  ｄｉｒｅｃｔ  ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｓｅｎｓｏｒｓ，”Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ｂ，１９９５，Ｖｏｌ．２９，ｐｐ３７から５０（第３８項、図１）
【非特許文献２】Ｄｅｍｅｔｒｉ  Ｐｓａｌｔｉｓ，Ｓｔｅｐｈｅｎ  Ｒ．  Ｑｕａｋｅ，ａｎｄ  Ｃｈａｎｇｈｕｅｉ  Ｙａｎｇ，“Ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ  ｏｐｔｏｆｌｕｉｄｉｃ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｔｈｒｏｕｇｈ  ｔｈｅ  ｆｕｓｉｏｎ  ｏｆ  ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ  ａｎｄ  ｏｐｔｉｃｓ，”Ｎａｔｕｒｅ，２００６，Ｖｏｌ．４４２，ｐｐ３８１から３８６（第３８４項、図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記端面光結合法およびマイクロミラーを用いた光結合方法において、導波路端面またはマイクロミラーへ入射光を集光するさいに精密なアライメントが要求されるという課題がある。
【０００７】
また、前記プリズムを用いた結合法は、プリズム面を導波路面に密着させる必要が生じるため、プリズムを押さえつけることによる導波路面の破損の可能性が生じるという課題がある。さらに、前記エンドバッド法では、導波路の断面積と光ファイバの断面積が同じような大きさであることが好ましく、センサとして使用される導波路は一般的なシングルモードの光ファイバ系である５μｍより小さいことがあるため、薄膜導波路への光結合には限界がある。
【０００８】
さらに、前記回折格子を用いた方法および前記テーパー状の導波路を形成する方法は、デバイスの作成方法が複雑であるという課題を有する。
エバネッセント波により流路内の検体を検出するセンサとして用いる方法は、流路側壁の近傍にしか光が到達せず、エバネッセント波の領域と重ならない流路領域の検体が検出されないという課題が存在する。
【０００９】
本発明は、このような背景技術を鑑みてなされたものであり、アライメント条件を低減し、簡便なデバイス作成方法により薄膜導波路に代表される光学素子への光結合を実現する光結合装置および光結合方法を提供するものである。さらに、前記光結合装置を用いて検体のデッドボリュームを低減させた検出装置および検出方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決する光結合装置は、光学素子に光を結合するための光結合装置であって、流体の多層流を形成するための流路と、前記流体の多層流の光学的特性を変更するための手段を有しており、前記多層流のいずれかの層を光導波路として使用し、前記多層流の光学的特性を変更することで、前記光学素子との光の結合の効率を変更することを特徴とする。
【００１１】
上記の課題を解決する光結合方法は、光学素子に光を結合する光結合方法であって、流体の多層流を形成する工程と、前記多層流のいずれかの層に光を導入し、前記光を導入した層を介して光学素子へ光を導入する工程を有することを特徴とする。
【００１２】
上記の課題を解決する光検出装置は、光学的な検出を行うための検出装置であって、流体の多層流を形成するための流路と、前記流体の多層流の状態を変更するための手段と、前記流体のいずれかの層に選択的に光を導入する手段と、前記多層流から発せられる信号を検出する手段を有しており、前記多層流のいずれかの層を光導波路として使用し、前記多層流の状態を変更することで、前記光学素子との光の結合の状態を変更し、前記光学素子に結合された光により検出することを特徴とする。
【００１３】
上記の課題を解決する光検出方法は、流体の多層流を形成する工程と、前記多層流のいずれかの層に光を導入し、前記光を導入した層を介して光学素子へ光を導入する工程と、前記光学素子を伝搬する光を利用して検出する工程を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、光導波路をはじめとする光学素子へマイクロ流路内の流体で構成された光導波路を介して光結合させる光結合装置および光結合方法を提供することができる。
本発明の光結合装置においては、マイクロ流路を用いて光導波路を構成するため、テーパーなどの複雑な形状を形成するために、半導体製造装置などの特殊な製造機器を用いることなく、射出成型などの簡便な方法によりデバイスを作成できるという効果を有する。
【００１５】
また、マイクロ流路の幅は５０から２００μｍ程度で用いられることが多いため、５μｍ未満のシングルモード光導波路幅へ直接光結合するためのアライメント条件に比較すると、大きく緩和されるという効果がある。
【００１６】
さらに、本発明における光結合装置は、光導波路面と接触するのがプリズムのような固体でなく流体であるため、光導波路面を損傷することなく光結合が可能であるという効果を有する。
【００１７】
また、本発明における光検出装置は、検体を光導波路より生じるエバネッセント領域に閉じ込めて検出するため、検体のデッドボリュームが低減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】
【００１８】
以下、本発明を詳細に記載する。
本発明に関わる光結合装置は、光学素子に光を結合するための光結合装置であって、流体の多層流を形成するための流路と、前記流体の多層流の光学的特性を変更するための手段を有しており、前記多層流のいずれかの層を光導波路として使用し、前記多層流の光学的特性を変更することで、前記光学素子との光の結合の効率を変更することを特徴とする。
【００１９】
前記多層流を形成するための流路は、複数種類の流体のそれぞれを注入する流路があり、注入地点より下流にある一点において合流する流路が好ましい。
前記多層流を形成する流体のうち少なくとも１つは他の流体と異なる屈折率を有することが好ましい。
【００２０】
前記多層流の光学的特性を変更するための手段は、複数種類のそれぞれの流体に付与する圧力を調節することができる装置が好ましく、マイクロデバイス内に圧力調整装置が組みまれていても、もしくは圧力調整装置がマイクロデバイス外部に存在していてもよい。
【００２１】
前記多層流の光学的特性の変更は、多層流を形成する少なくとも１つの層の幅、または多層流を形成する少なくとも１つの層の屈折率であることが好ましい。
前記光の結合の効率は、光学素子との光結合強度であることが好ましい。
【００２２】
本発明に関わる光結合方法は、光学素子に光を結合する光結合方法であって、流体の多層流を形成する工程と、前記多層流のいずれかの層に光を導入し、前記導入した層を介して光学素子へ光を導入する工程を有することを特徴とする。
【００２３】
前記多層流の幅を調整することにより光が伝搬する多層流のいずれかの層の断面積を変化させることが可能であることが好ましい。
前記多層流を構成する流体のうち少なくとも１つの流体を異なる屈折率を有する流体に変更することが可能であることが好ましい。
【００２４】
本発明に関わる光検出装置は、光学的な検出を行うための検出装置であって、流体の多層流を形成するための流路と、前記流体の多層流の光学的特性を変更するための手段と、前記流体のいずれかの層に選択的に光を導入する手段と、前記多層流から発せられる信号を検出する手段を有しており、前記多層流のいずれかの層を光導波路として使用し、前記多層流の状態を変更することで、前記光学素子との光の結合の効率を変更し、前記光学素子に結合された光により検出することを特徴とする。
【００２５】
前記光学素子が、前記流路の壁面、底面または上面を構成する、または前記流路近傍に存在する光導波路であることが好ましい。
本発明に関わる光検出方法は、光検出方法であって、流体の多層流を形成する工程と、前記多層流のいずれかの層に光を導入し、前記導入した層を介して光学素子へ光を導入する工程と、前記光学素子を伝搬する光を利用して検出する工程を有することを特徴とする。
【００２６】
前記光学素子を伝搬する光より生じるエバネッセント波を利用して検体を検出することが好ましい。
前記エバネッセント波を利用して、光吸収、光散乱、蛍光、または表面プラズモン共鳴のいずれかの方法により検体を検出することが好ましい。
【００２７】
前記検体が、化学物質、分子、細胞、粒子またはそれらの混合であることが好ましい。
前記検体が、多層流により液−液抽出されたものであることが好ましい。
前記検体が、前記多層流により前記光学素子近傍へ集められることが好ましい。
前記光学素子を伝搬する光を利用して、前記多層流の状態をモニタすることが好ましい。
前記光学素子を伝搬する光の強度を利用して、前記光学素子へ光を導入する工程をモニタすることが好ましい。
【００２８】
本発明において、光学素子とは、素子内または表面において光を閉じ込めて伝搬させることができる機構を有する素子を表し、一般に光導波路を有していることが好ましい。
本発明において、デバイスとは、何らかの機能を有する素子を表し、一例として流路や光導波路を有している素子が含まれる。
本発明は、マイクロ流路内に多層流を形成するが、ある特定の流路内における流体の流れが層流を形成するかまたは乱流を形成するかはレイノルズ数Ｒｅで見積もることが可能であり、以下の式、
【００２９】
【数１】
2009133923.tif 000003
【００３０】
によって導かれる。ここで、Ｕは代表速度、Ｌは代表長さ、νは動粘度係数である。厳密な境界となる数値はないが、一般におよそレイノルズ数が２０００より低ければ、当該系の流体は層流を形成すると考えられている。実際、マイクロ流路の場合レイノルズ数が低くなることが知られ、その値は通常１００より低く、しばしば１以下にもなるため、マイクロ流路においては流体の流れは層流を形成するものと考えてよい。
【００３１】
また、本発明は光を流体に伝搬させるが、その方法は光ファイバと同様の原理を用いている。光ファイバはコア部分の屈折率が周囲を取り囲むクラディング層の屈折率よりも高く設定されていて、そのために光がコア部分で全反射されながら伝搬される現象を利用している。同様な現象はコア部分とクラディング層の一方または双方が流体であるときにも成り立ち、光の伝搬のようすはマックスウェル方程式より導くことが可能である。
【００３２】
前記マックスウェル方程式の解は、導波路付近の光の伝搬のようすは、導波路とクラディング層の断面積、光の伝搬モード、伝搬波長、導波路とクラディング層の屈折率をパラメータとして導き出される。このとき、各パラメータの条件により、光を導波路から侵出した領域を伝搬するエバネッセント波とよばれる状態で伝搬させることが可能である。このエバネッセント波は導波路から垂直方向へ指数的に強度が弱まり通常導波路近傍にのみ存在するが、前記近傍領域内にもう１つの導波路が存在している場合には、光はもう１つの導波路へ移動してゆき、この現象をエバネッセント光結合と呼ぶ。
【００３３】
本発明は、上記の原理を利用して多層流のいずれかに光を伝搬させて、前記エバネッセント光結合を用いて光導波路をはじめとする光学素子へ光結合を行う装置である。図１は本発明の検出装置の一実施態様を示す概念図である。以下、図１を用いて詳細に説明する。
【００３４】
本発明の光結合装置は、デバイス基板１にあるレザーバ２および３はそれぞれ流体１０と高屈折率流体１１を含んでいる。レザーバ２および３よりそれぞれ流体注入流路６および高屈折率流体注入流路７が延びており、流体注入流路６と高屈折率流体注入流路７は合流し、合流部９を形成する。合流部９へ達した流体は廃棄流路８を通って、廃棄レザーバ４へ達する。このとき、流体１０と高屈折率流体１１は合流部９において多層流を形成し、界面１２近傍を除いて、低レイノルズ数である環境のために両流体は混合されることなく進行する。入射光１３を高屈折率流体注入流路７より合流部９の方向へ入射すると、電界分布１４によって示されるように、エバネッセント波を除いて高屈折率流体１１内に閉じ込められながら伝搬する。
【００３５】
合流部９近傍において、薄膜光導波路５が配置されている。入射光１３は高屈折率流体１１のエバネッセント波を通じて薄膜光導波路５と接し、これにより薄膜光導波路５へ光結合される。
【００３６】
デバイス基板１の材質は、ガラス、セラミック、プラスチック、半導体またはそれらのハイブリッドなど特に限定を設ける必要はないが、必要とされる入射光の波長における吸収ができる限り少ない材質が好ましい。また、流体１０および高屈折率流体１１に対する化学的耐性を有するものが好ましく、さらに高温度などの特殊な環境にて設置される場合には、それらへの耐性も考慮する必要がある。
【００３７】
薄膜光導波路５は、固体で構成されており、ある一定の屈折率を有する。また、合流部９から離れた近傍領域に配置されていてもよいし、合流部の流路壁面を構成していてもよい。また、図１においては図示していないが、薄膜導波路５を伝搬する光を通じていかなる工程を経るものであってもよい。
【００３８】
各流路６、７、８、および合流部９は、合流部９において注入された流体どうしが多層流を形成することができる大きさであればよく、おおよその幅および深さは上記レイノルズ数より計算することができる。ただし、少なくとも１つの断面積寸法が１００ｎｍから５００μｍ程度であるマイクロ流路と一般に呼ばれる流路幅であることが好ましい。
【００３９】
合流部９における流体注入流路６と高屈折率注入流路７の接触角度は任意に設定でき、入射光や高屈折率流体１１への結合効率により決定されることが好ましい。
高屈折率流体１１は、流体１０と屈折率が異なる材質であればよく、流体１０に他の物質を混合させて屈折率を変化させたり、または流体１０と物理化学的性質が異なる材質でもよい。ただし、入射光１３の波長における吸収ができる限り少ない材質で構成されるのが好ましい。なお、高屈折率流体１１はデバイス基板１および流体１０より高い屈折率を有することを特徴とする。
【００４０】
入射光１３はデバイス基板１の吸収波長や流体１０、および高屈折率流体１１の吸収波長は好ましくなく、好ましくはレーザ光などのコヒーレントな光が選択されるとよい。
流体１０と高屈折率流体１１を流す手段は、それぞれの流体に圧力を付与することができる装置でよく、例えばレザーバを介してチューブで接続されたシリンジポンプ、あるいはデバイス基板１内に組み込まれたマイクロポンプなどを用いてもよい。流体１０と高屈折率流体１１に付与される圧力により、合流部９におけるそれぞれの流体の幅が決定されるが、その幅は任意に設定でき、あらかじめ計算によって求めることができる。
【００４１】
上記光結合装置はさまざまな製造方法が採用できる。一例として、ガラス基板上にガラスより高い屈折率を有するポリマー薄膜をコーティングした光導波路を利用することができる。ポリマー薄膜の上に流路およびレザーバ形状を施されたポリジメチルシロキサンなどのシーリングできるポリマーを配置することによりデバイスが製造できる。但し、上記製造方法は一例であって、これに限定されるものではなく、従来技術で用いられる半導体製造技術を応用したものでもデバイス作成は可能である。
【実施例】
【００４２】
以下、実施例を示し本発明をさらに具体的に説明する。なお、以下の実施例は本発明をより詳細に説明するための例であって、実施形態は以下の実施例のみに限定されない。
実施例１
実施例１において、流体幅を調整することによる本発明の応用について図１を用いて説明する。
【００４３】
まず、レザーバ２および３にそれぞれ含まれる流体１０と高屈折率流体１１に圧力を付与して合流部９へ向けて流体を流す。このとき、高屈折率流体１１としては例えば屈折率整合オイルを用いることにより、およそ１．４５〜２．３程度の範囲の屈折率を選択することができる。また、屈折率整合オイルはオイルによる光吸収が少ないものを選択すると、伝搬光の媒体として好ましい。また、流体１０の主成分が水であれば、水とオイルの物性により混合が生じにくく、安定した２層流の形成が期待される。合流部９へ達した流れは、２層流を形成しながらレザーバ４へ流れる。
【００４４】
次に入射光１３を高屈折率流体注入流路７へ合流部９に向かって照射し、高屈折率流体１１内を伝搬させる。入射光１３はコヒーレントな光であることが好ましく、レーザ光などがこれに相当する。また、入射光１３と高屈折率流体１１へのカップリングロスを低減するために、光ファイバを高屈折率流体注入流路７近傍に配置してもよい。さらには、高屈折率流体注入流路７幅と光ファイバの径を似たような大きさにすることにより、高屈折率流体１１へのより効率的な光結合が期待される。このときの光ファイバ径は、シングルモードファイバであるおよそ５μｍや、マルチモードファイバである１００μｍであってもよく、高屈折率流体流路７幅に合わせて設定することが好ましい。
【００４５】
合流部９部分へ達した入射光１３は、電界分布１４を示しながら引き続き高屈折率流体１１内を伝搬するが、このとき流体１０と高屈折率流体１１に付与する圧力を調整することにより、合流部９内におけるそれぞれの流体の幅を調整することができる。同時に、電界分布１４も高屈折率流体１１の幅の変化に対応して電界分布を再編成しながら伝搬することになる。
【００４６】
いま、流体１０側の圧力を高めて高屈折率流体１１側の圧力を低くすると、合流部９において高屈折率流体１１幅が両流体を等しい圧力で流したときと比較して狭くなる。この狭くなる中間状態として流体によるテーパー型が現れる。高屈折率流体１１内を伝搬している光はテーパー形状に沿うように伝搬し、それに付随して電界分布１４も狭い範囲に閉じ込められるが、同時に薄膜光導波路５側へのエバネッセント波の侵出距離も増大する。
【００４７】
薄膜光導波路５側へのエバネッセント波の侵出距離も増大とともに、薄膜光導波路５へ光結合が生じ、入射光１３は高屈折率流体１１を通じて薄膜光導波路５へと移動する。この結合効率はある一定の波長の場合、薄膜光導波路５の屈折率や幅、高屈折率流体１１の屈折率や幅、および流体１０の屈折率に影響される。これらのパラメータはあらかじめ設定できるが、高屈折率流体１１の幅または屈折率を直接のパラメータとしてデバイスを製造後にも結合効率を調整できるという効果も有する。
【００４８】
このように、本発明において、流体を介した光結合方法を採用することが可能なので、光導波路面を傷つけることなく、高屈折率流体注入流路７を入射光１３の幅に合わせることによる入射光のアライメント条件の大幅な緩和が実現される。
【００４９】
実施例２
実施例２おいて、平面導波路への結合に対する本発明の応用を図２を用いて説明する。
図２はデバイス基板２１上にある薄膜光導波路２５が形成され、その上に流路部材３５によって流路が配置された光結合装置の断面図である。
【００５０】
本発明の光結合装置は、デバイス基板２１にあるレザーバ２２および２３はそれぞれ流体３０と高屈折率流体３１を含んでいる。レザーバ２２および２３よりそれぞれ流体注入流路２６および高屈折率流体注入流路２７が延びており、流体注入流路２６と高屈折率流体注入流路２７は合流し、合流部２９を形成する。合流部２９へ達した流体は廃棄流路２８を通って、レザーバ２４へ達する。このとき、流体３０と高屈折率流体３１は合流部２９において多層流を形成し、界面３２近傍を除いて、低レイノルズ数である環境のために両流体は混合されることなく進行する。入射光３３を高屈折率流体注入流路２７より合流部２９の方向へ入射すると、電界分布３４によって示されるように、エバネッセント波を除いて高屈折率流体３１内に閉じ込められながら伝搬する。
【００５１】
合流部２９近傍において、薄膜光導波路２５が配置されている。界面３２は合流部２９に流体注入流路２６が合流したさいにテーパー形状を形成することができ、入射光３３は高屈折率流体３１内に閉じ込められ、同時にエバネッセント波を通じて薄膜光導波路３５と接し、これにより薄膜光導波路３５へ光結合される。
【００５２】
上記光結合装置は、簡便な方法によって作成することが可能である。デバイス基板２１にガラスを用いると、ガラス上に薄膜光導波路２５は、ガラスの屈折率より高い屈折率を有するポリマー、例えばポリカーボネ−トをスピンコートすることにより形成できる。流路部材３５はポリジメチルシロキサンのような平面に吸着して流体をシールすることができる部材が好ましい。また、ポリジメチルシロキサンであれば離形剤を塗布した金型上で熱固化して流路を形成できるため、安価に生産することも可能である。流路部材３５内に各流路およびレザーバを形成して、薄膜光導波路２５上に流路部材３５を配置することにより結合装置は作成される。
【００５３】
このように、本発明は簡便なデバイス作成方法にて実現するものであり、さらに流体にてテーパー形状を形成することが可能である。
【００５４】
実施例３
実施例３において光スイッチに対する本発明の応用を図１および図３を用いて説明する。
図３は、図１の概念図と同様である。図１は薄膜光導波路５へ入射光１３を光結合させる方法について説明した。図３においては、薄膜光導波路５への光結合効率を大幅に下げることにより、薄膜光導波路５の延長方向に光検出器を配置した場合には光強度が大幅に減少する。これによる図１と図３の状態を利用した光スイッチングデバイスとした応用を以下説明する。
【００５５】
図１における界面１２の位置を調節して、入射光１３がなるべく高屈折率流体１１内の狭い範囲に閉じ込められるようにして薄膜光導波路５へ光結合させた。一方、図３においては、流体１０に付与する圧力を高屈折率流体１１に付与する圧力に対して相対的に低減させることにより、界面１２は流体１０の幅を狭くする方向へ移動する。これにより、高屈折率流体１１の電界分布１４は図１の状態と比較してより多くが高屈折率流体１１内に留まり、より少ないエバネッセント波が薄膜光導波路５へ侵出することにより、薄膜光導波路５への光結合の強度が弱まる。
【００５６】
つまり、薄膜光導波路５への光結合効率を調節する機能が本発明に備わっていて、光結合強度をアナログ信号として抽出することができる。また、得られた信号、つまり光結合強度を測定することで、流体１０と高屈折率流体１１に付与する圧力のモニタリングにも利用できる。例えば、光結合強度を薄膜光導波路５の延長上にある固定された位置において光検出器で検出し、その結果を流体１０と高屈折率流体１１に付与する圧力へフィードバックすることにより、安定的な流体の供給を提供できる。他の例として、流体１０か高屈折率流体１１に付与する圧力のどちらか一方だけを可変とすると、薄膜光導波路５への光結合強度をフィードバックすることにより、圧力をモニタリングすることになる。これを用いて、光結合強度を任意の値に設定できるように自動化することも可能である。
【００５７】
実施例４
実施例４として、検出器としての本発明の応用を図４を用いて説明する。
図４Ａにおける本発明の光結合装置は、デバイス基板４１にあるレザーバ４２および４３はそれぞれ流体５０と高屈折率流体５１を含んでいる。レザーバ４２および４３よりそれぞれ流体注入流路４６および高屈折率流体注入流路４７が延びており、流体注入流路４６と高屈折率流体注入流路４７は合流し、合流部４９を形成する。合流部４９へ達した流体は廃棄流路４８を通って、レザーバ４４へ達する。このとき、流体５０と高屈折率流体５１は合流部４９において多層流を形成し、界面５２近傍を除いて、低レイノルズ数である環境のために両流体は混合されることなく進行する。入射光５３を高屈折率流体注入流路４７より合流部４９の方向へ入射すると、電界分布５４によって示されるように、エバネッセント波を除いて高屈折率流体５１内に閉じ込められながら伝搬する。
【００５８】
合流部４９近傍において、薄膜光導波路４５が配置されている。界面５２は合流部４９に流体注入流路４６が合流したさいにテーパー形状を形成することができ、入射光５３は高屈折率流体５１内に閉じ込められ、同時にエバネッセント波を通じて薄膜光導波路４５と接し、これにより薄膜光導波路４５へ光結合される。図４Ｂは図４ＡのＡ−Ａ’断面を示しており、入射光５３が薄膜光導波路４５へ光結合されるときの電界分布５４を図示している。
【００５９】
さらに、薄膜光導波路４５は合流部４９の周囲を取り囲むように形成されているため、高屈折率流体５１を介して薄膜光導波路４５へ光結合された光は、薄膜光導波路４５内を広がり、一部は合流部４９の底面を伝搬する。図４Ｃは図４ＡのＢ−Ｂ’断面を示しており、入射光５３の一部が薄膜光導波路４５の合流部４９底面を伝搬するときの電界分布５５を図示している。
【００６０】
図４に示されるようなデバイスは、シリコン基板上に異方性エッチングを用いてＶ字型流路を形成し、その表面に二酸化シリコン膜および窒化シリコン膜を配置して蓋をすることにより形成できるが、製造方法が複雑である。より簡便に、イオン交換法によっても薄膜導波路を形成してもよい。ナトリウムを含むガラス基板に流路を形成し、硝酸銀溶液に流路面が接するようにガラス基板を浮遊させると、一定時間後にガラス表面のナトリウムイオンと銀イオンの交換が生じるため、ガラス表面の屈折率が上昇する。イオン同士の交換は拡散に支配されるため、表面近傍はより高い屈折率となり、ガラス基板深部までイオンが到達しない程度の時間であればガラス基板深部の屈折率は変化しない。また、硝酸銀のほかには硝酸カリウムによるカリウムとナトリウムのイオン交換による光導波路を形成してもよく、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００６１】
いま、レザーバ４２内に検体５６を含むとすると、検体５６は流体５０によって運ばれながら電界分布５５を示す付近の合流部を通過する。このとき、電界分布５５内に存在する検体５６は、光散乱、光吸収などにより検出することが可能である。また、検体５６に蛍光色素のような標識が付与されていれば、標識に応じた検出を行うことが可能である。さらに、標識より発した光の一部が薄膜光導波路４５内を伝搬するときは、その伝搬光を検出してもよい。
【００６２】
実施例５
実施例５として、検出器としての本発明の他の応用を図４および図５を用いて説明する。
【００６３】
図４におけるデバイスと同様のデバイスを用いる。合流部４９部分の薄膜光導波路４５を伝搬する入射光４３において、位置Ｂ−Ｂ’における合流部４９底面における電界分布は５５のように図示される。薄膜光導波路４５表面において、受容体５７を配置する。検体５６の一部が、選択的に受容体５７と化学結合することができるとき、本発明の光結合装置は選択的に検体を検出できる検出デバイスとして機能する。
【００６４】
検体５６の一例として、種々の抗原抗体反応や核酸のハイブリダイゼーションが挙げられる。検体５６応じて受容体５７はレセプター、相補鎖ＤＮＡなどに変更することが好ましい。化学結合によって蛍光標識が発せられることにより、検体５６の存在を確認することが可能である。また、合流部４９の表面に金などの金属膜を蒸着し、その上に受容体５７を配置した場合には、入射光５３の波長を表面プラズモン共鳴が生じるように選択することにより、検体５６を標識を使わずに検出することもできる。
【００６５】
なお、図５においては、例示のため電界分布５５は受容体５７に重ならないように図示されているが、本発明においては受容体５７は電界分布５５の範囲内に含まれる。
【００６６】
実施例６
実施例６として、検出装置としての本発明の他の応用を図６を用いて説明する。
図６Ａにおいて、デバイス基板６１にあるレザーバ６２および６３はそれぞれ流体７０と高屈折率流体７１を含んでいる。レザーバ６２および６３よりそれぞれ流体注入流路６６および高屈折率流体注入流路６７が延びており、流体注入流路６６と高屈折率流体注入流路６７は合流し、合流部６９を形成する。合流部６９へ達した流体は廃棄流路６８を通って、レザーバ６４へ達する。このとき、流体７０と高屈折率流体７１は合流部６９において多層流を形成し、界面７２近傍を除いて、低レイノルズ数である環境のために両流体は混合されることなく進行する。入射光７３を高屈折率流体注入流路６７より合流部６９の方向へ入射すると、電界分布７４によって示されるように、エバネッセント波を除いて高屈折率流体７１内に閉じ込められながら伝搬する。
【００６７】
合流部６９近傍において、薄膜光導波路６５が配置されている。入射光７３は高屈折率流体７１のエバネッセント波を通じて薄膜光導波路６５と接し、これにより薄膜光導波路６５へ光結合される。
【００６８】
図６Ｂにおいて、図６Ａにおける位置Ａ−Ａ’の断面図を示す。
いま、検体７６は高屈折率流体７１と親和性を有する性質を有するとし、レザーバ６２内に含まれる。検体７６は流体７０によって運ばれ、合流部６９において界面７２を越えて高屈折率流体７１内を進行する。薄膜光導波路６５に光結合された電界分布は図６Ｂにおける７４のように示され、薄膜光導波路６５からの高屈折率流体７１へのエバネッセント光によって検体は検出される。検体７６は、光散乱、光吸収などにより検出することが可能である。また、検体７６に蛍光色素のような標識が付与されていれば、標識に応じた検出を行うことが可能である。さらに、標識より発した光の一部が薄膜光導波路６５内を伝搬するときは、その伝搬光を検出してもよい。
【００６９】
このように本発明は、流体同士による液−液抽出された検体を検出することが可能であり、同様な検出方法は、実施例２において説明されたような多層流が縦方向に形成されたデバイスにおいても可能である。また、抽出効率を上昇させるために、流体７０をさらにもう１つの流体を用いて高屈折率流体７１側へ加圧することにより押し付てもよい。
【００７０】
なお、図６Ｂにおいては、例示のため電界分布７４は検体７６に重ならないように図示されているが、本発明においては検体７６は電界分布７４の範囲内に含まれる。
【００７１】
実施例７
実施例７として、検出装置としての本発明の他の応用を図７を用いて説明する。
図７Ａにおいて、デバイス基板８１にあるレザーバ８２および８３はそれぞれ流体９０と高屈折率流体９１を含んでいる。レザーバ８２および８３よりそれぞれ流体注入流路８６および高屈折率流体注入流路８７が延びており、流体注入流路８６と高屈折率流体注入流路８７は合流し、合流部８９を形成する。合流部８９へ達した流体は廃棄流路８８を通って、レザーバ８４へ達する。このとき、流体９０と高屈折率流体９１は合流部８９において多層流を形成し、界面９２近傍を除いて、低レイノルズ数である環境のために両流体は混合されることなく進行する。入射光９３を高屈折率流体注入流路８７より合流部８９の方向へ入射すると、電界分布９４によって示されるように、エバネッセント波を除いて高屈折率流体９１内に閉じ込められながら伝搬する。
【００７２】
合流部８９近傍において、薄膜光導波路８５が配置されている。入射光９３は高屈折率流体９１のエバネッセント波を通じて薄膜光導波路８５と接し、これにより薄膜光導波路８５へ光結合される。
【００７３】
図７Ｂにおいて、図７Ａにおける位置Ａ−Ａ’の断面図を示す。
いま、検体９６は高屈折率流体９１と親和性を有することがない性質を有するとし、レザーバ８３内に含まれる。検体９６は高屈折率流体９１によって運ばれる。合流部８９より先は高屈折率流体９１と流体９０との圧力差により界面９２の位置が決定され、界面９２ができる限り薄膜光導波路８５へ近くなるように調整することが可能である。このとき、検体９６は合流部８９の薄膜導波路８５側の流路側壁に沿ってのみ進行することになる。薄膜光導波路８５に光結合された電界分布は図７Ｂにおける９４のように示され、薄膜光導波路８５からの高屈折率流体９１へのエバネッセント光によって検体は検出される。検体９６は、光散乱、光吸収などにより検出することが可能である。また、検体９６に蛍光色素のような標識が付与されていれば、標識に応じた検出を行うことが可能である。さらに、標識より発した光の一部が薄膜光導波路８５内を伝搬するときは、その伝搬光を検出してもよい。また、合流部８９の薄膜光導波路８５側の表面に金などの金属薄膜を蒸着し、金属薄膜上に受容体を配置することもできる。このとき、入射光５３の波長を表面プラズモン共鳴が生じるように選択することにより、受容体と検体９６の特異的な化学反応を標識を使わずに薄膜光導波路８５を伝搬する光の強度によって検出することもできる。
【００７４】
このように本発明においては、多層流に付与される圧力差を調節して界面を移動させることにより、検体を光導波路近傍へ収束させることが可能で、そのため検出における検体のデッドボリュームが低減されるという効果がある。なお、図７Ｂにおいては、例示のため電界分布９４は検体９６に重ならないように図示されているが、本発明においては検体９６は電界分布９４の範囲内に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は、多層流の少なくとも１層に伝搬する光を介して流路近傍に配置された光導波路へ光結合することができるので、流体を用いた光操作デバイスに対して利用することができる。また、化学合成、環境分析、臨床検体分析を実施するためのマイクロ流体デバイスやキャピラリ内にある化学物質、分子、細胞などの検出に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の光結合装置の一実施態様を示す概念図である。
【図２】本発明の光結合装置の他の実施態様を示す概念図である。
【図３】本発明の光結合装置の光スイッチングデバイスに対する応用の一実施態様を示す概念図である。
【図４】本発明の光結合装置の検体検出デバイスに対する応用の一実施態様を示す概念図である。
【図５】本発明の光結合装置の検体検出デバイスに対する受容体を用いた応用の一実施態様を示す概念図である。
【図６】本発明の光結合装置の検体検出デバイスに対する液−液抽出を用いた応用の一実施態様を示す概念図である。
【図７】本発明の光結合装置の検体検出デバイスに対する検体デッドボリューム低減方法の一実施態様を示す概念図である。
【符号の説明】
【００７７】
１  デバイス基板
２、３、４  レザーバ
５  薄膜光導波路
６  流体注入流路
７  高屈折率流体注入流路
８  廃棄流路
９  合流部
１０  流体
１１  高屈折率流体
１２  界面
１３  入射光
１４  電界分布
２１  デバイス基板
２２、２３、２４  レザーバ
２５  薄膜光導波路
２６  流体注入流路
２７  高屈折率流体注入流路
２８  廃棄流路
２９  合流部
３０  流体
３１  高屈折率流体
３２  界面
３３  入射光
３４  電界分布
３５  流路部材
４１  デバイス基板
４２、４３、４４  レザーバ
４５  薄膜光導波路
４６  流体注入流路
４７  高屈折率流体注入流路
４８  廃棄流路
４９  合流部
５０  流体
５１  高屈折率流体
５２  界面
５３  入射光
５４、５５  電界分布
５６  検体
５７  受容体
６１  デバイス基板
６２、６３、６４  レザーバ
６５  薄膜光導波路
６６  流体注入流路
６７  高屈折率流体注入流路
６８  廃棄流路
６９  合流部
７０  流体
７１  高屈折率流体
７２  界面
７３  入射光
７４  電界分布
７６  検体
８１  デバイス基板
８２、８３、８４  レザーバ
８５  薄膜光導波路
８６  流体注入流路
８７  高屈折率流体注入流路
８８  廃棄流路
８９  合流部
９０  流体
９１  高屈折率流体
９２  界面
９３  入射光
９４  電界分布
９６  検体
【図１】
2009133923.tif 000004
【図２】
2009133923.tif 000005
【図３】
2009133923.tif 000006
【図４】
2009133923.tif 000007
【図５】
2009133923.tif 000008
【図６】
2009133923.tif 000009
【図７】
2009133923.tif 000010