(57)【要約】  導波路集積型光検出器（１００）を記載している。導波路集積型光検出器は、プラズモンサポート材料から成る第１層（１１０）を備え、第１層（１１０）は、第１放射線を導波路と結合させるために第１層を貫通する入力スリット（１１２）を有する。光検出器（１００）はまた、プラズモンサポート材料からなり、第１層（１１０）に面し、第１層（１１０）から第１方向に第１距離を隔てた第２層（１２０）を有する。第２層（１２０）は、第２層（１２０）を貫通し、入力スリット（１１２）から第１方向と異なる第２方向に沿って第２距離隔てた出力スリット（１２２）を有する。光検出システム（１００）はまた、第１層（１１０）と第２層（１２０）との間に配置した誘電体層（１３０）、および出力スリット（１２２）に近接する、出力スリット（１２２）を通って出射する結合した放射線を検出するための、検出器（１４０）とを備える。
2012522235.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズモンサポート材料から成る第１層（１１０）であって、第１放射線を導波路と結合させるために第１層を貫通する入力スリット（１１２）を有する第１層（１１０）と、
プラズモンサポート材料からなり、第１層（１１０）に面し、第１層（１１０）から第１方向に第１距離を隔てた第２層（１２０）であって、第２層（１２０）を貫通し、入力スリット（１１２）から第１方向と異なる第２方向に沿って第２距離隔てた出力スリット（１２２）を有する第２層（１２０）と、
第１層（１１０）と第２層（１２０）との間に配置した誘電体層（１３０）と、
出力スリット（１２２）の近くにある、出力スリット（１２２）を通って出射する結合した放射線を検出するための検出器（１４０）とを備え、
一体となった第１層、誘電体層、および第２層は、導波路として機能するようにした導波路集積型光検出器（１００）。
【請求項２】
検出器（１４０）は、第２層（１２０）と直接接触しているか、第２層（１２０）に近接しているか、または第２層（１２０）の近接場内にある、のいずれかである請求項１記載の導波路集積型光検出器（１００）。
【請求項３】
励起放射線の光学特性を変更して前記第１放射線をもたらすための手段（１５０）を備えた請求項１または２記載の導波路集積型光検出器（１００）。
【請求項４】
励起放射線の光学特性を変更するための手段（１５０）は、入力スリット（１１０）内に設置された請求項３記載の導波路集積型光検出器（１００）。
【請求項５】
光学特性を変更するための手段（１５０）は、蛍光分子、リン光発光性分子、量子ドット、ドープナノ粒子、発光特性を有するナノ粒子、磁気光学活性ナノ粒子のいずれかを備える請求項３または４記載の導波路集積型光検出器（１００）。
【請求項６】
光学特性を変更するための手段（１５０）は、励起放射線の波長および／または偏光を変更するための手段である請求項３〜５のいずれかに記載の導波路集積型光検出器（１００）。
【請求項７】
入力スリット（１１２）は、第１放射線を入射結合させること、および励起放射線を遮断することに適合した請求項３〜６のいずれかに記載の導波路集積型光検出器（１００）。
【請求項８】
第１層（１１０）と誘電体層（１３０）の界面は、第１表面プラズモンモードを維持するようにした請求項１〜７のいずれかに記載の導波路集積型光検出器（１００）。
【請求項９】
第１層（１１０）と誘電体層（１３０）の界面は、第２表面プラズモンモードを維持するようにした請求項１〜８のいずれかに記載の導波路集積型光検出器（１００）。
【請求項１０】
入力スリット（１１２）は、所定の偏光を有する放射線を収集するように適合した請求項１〜９のいずれかに記載の導波路集積型光検出器（１００）。
【請求項１１】
第１層（１１０）の厚さは、第１層（１１０）が光学的に不透明であるように選択された請求項１〜１０のいずれかに記載の導波路集積型光検出器（１００）。
【請求項１２】
第２層（１２０）の厚さは、第２層（１２０）が光学的に不透明であるように選択された請求項１〜１１のいずれかに記載の導波路集積型光検出器（１００）。
【請求項１３】
誘電体層（１３０）の厚さは、第１層（１１０）と第２層（１２０）とが光学的に相互作用するように選択された請求項１〜１２のいずれかに記載の導波路集積型光検出器（１００）。
【請求項１４】
誘電体層（１３０）の厚さは、電磁放射線が検出器（１４０）と光学的に結合するように選択された請求項１〜１３のいずれかに記載の導波路集積型光検出器（１００）。
【請求項１５】
第２距離は、入力スリット（１１２）での励起波長のエバネッセントテールより長く選択された請求項１〜１４のいずれかに記載の導波路集積型光検出器（１００）。
【請求項１６】
誘電体層（１３０）は、１または複数の伝播導波路モードを維持する能力を有するようにした請求項１〜１５のいずれかに記載の導波路集積型光検出器（１００）。
【請求項１７】
第１層（１１０）は金属である請求項１〜１６のいずれかに記載の導波路集積型光検出器（１００）。
【請求項１８】
第２層（１２０）は金属である請求項１〜１７のいずれかに記載の導波路集積型光検出器（１００）。
【請求項１９】
検出器（１４０）は半導体層を備える請求項１〜１８のいずれかに記載の導波路集積型光検出器（１００）。
【請求項２０】
金属製のスロット導波路における表面プラズモンポラリトンの電気的検出に適合した請求項１〜１９のいずれかに記載の導波路集積型光検出器（１００）。
【請求項２１】
集積型の金属−半導体−金属検出器（１４０）である請求項１〜２０のいずれかに記載の導波路集積型光検出器（１００）。
【請求項２２】
前記第１放射線から励起放射線を抽出するためのフィルタ手段（１６０）をさらに備えた請求項１〜２１のいずれかに記載の導波路集積型光検出器（１００）。
【請求項２３】
フィルタ手段（１６０）は、ブラッグ反射器である請求項２２記載の導波路集積型光検出器（１００）。
【請求項２４】
フィルタ手段（１５０）は、導波路中の第１放射線および励起放射線の透過性をベースとするフィルタ機構を備える請求項２２または２３記載の導波路集積型光検出器（１００）。
【請求項２５】
光信号を検出するための方法であって、
第１放射線を得るために、励起放射線ビームを、該励起放射線ビームの光学特性を変更するための変更手段の方向へ向けることと、
励起放射線ビームの変更を通じて前記第１放射線を得ることと、
入力スリットを通る前記第１放射線を導波路と結合させ、表面プラズモンポラリトンを使用して前記放射線を出力スリットの方へ伝搬させることと、
前記出力スリットを出射する前記第１放射線を検出することとを含む方法。
【請求項２６】
第１放射線ビームから励起放射線ビームを抽出することをさらに含む請求項２５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出の分野に関する。より具体的には、本発明は、光検出のための方法およびシステム、ならびにかかるシステムを作成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
表面プラズモン導波路の動作は、中長距離表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）導波路、および強電場閉じ込めを用いた短距離金属導波路のための、走査型近接場顕微法および走査型近接場分光法のような光学テクニックを使用して主に実証されてきた。上述の方法は、表面プラズモンの特性を探査するための優れた手段を提供するが、その中に、現在あるプラズモンデバイスにすぐに取り込むことができるものはない。
【０００３】
米国公開公報第２００９／００２７６８１号は、プラズモン空洞(cavity)に結合したＧａＡｓ光伝導体による表面プラズモンの電気的検出に関する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態の目的は、検出のための優れた方法およびシステムを提供することである。本発明に係る実施形態の利点は、導波路集積型検出器を小さい領域内に設けることができることである。上記目的は、本発明に係る方法およびデバイスによって達成される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、プラズモンサポート材料から成る第１層と、第１層に面し、第１層から第１方向に第１距離隔てたプラズモンサポート材料から成る第２層と、第１層と第２層との間に配置した誘電体層と、出力スリットを通じて出射する結合した放射線を検出するための検出器とを備える導波路集積型光検出器に関し、前記第１層は、第１放射線を導波路と結合させるために第１層を貫通する入力スリットを有し、前記第２層は、第２層を貫通し、入力スリットから、第１方向とは異なる第２方向に沿って第２距離を隔てた出力スリットを有し、一体となった第１層、誘電体層、および第２層は導波路として機能する。
【０００６】
本発明に係る実施形態の利点は、放射線が結合して表面プラズモンポラリトンを生じることに起因して、優れた検出効率を得ることができることであり、検出は第２層の近くで実施する。
【０００７】
検出器は、第２層と直接接触しているか、第２層に近接しているか、または第２層の近接場内にある、のいずれでもよい。
【０００８】
導波路集積型光検出器は、前記第１放射線を生じる励起放射線の光学特性を変更するための手段を備えてもよい。
【０００９】
励起放射線の光学特性を変更するための手段は、入力スリット内に設置してもよい。光学特性を変更するための該手段は、代替として、入力スリットの近くに設置してもよい。光学特性を変更するための該手段は、フルオロフォア、量子ドットなどの存在でもよい。それは、スリット内、スリットの上方、またはスリットの隣に位置してもよく、金属膜の近くに位置してもよい。入力スリットの近くとは、金属膜の上方１０〜１００ｎｍの範囲であり、スリットから２０マイクロメートルの範囲内でもよい。スリット上方に位置するフルオロフォアに関して、スリットの近くとは、スリットの真上１０ｎｍ〜２０マイクロメートルを含む範囲でもよい。
【００１０】
光学特性を変更するための手段は、蛍光分子、リン光発光性分子、量子ドット、ドープナノ粒子、発光特性を有するナノ粒子、磁気光学活性ナノ粒子のいずれを備えてもよい。
【００１１】
光学特性を変更するための手段は、励起放射線の波長および／または偏光を変更するための手段でもよい。
【００１２】
一実施形態において、照射光(impinging light)の光学特性を変更するための手段は、前記入力スリットを照射する光の少なくとも１つの特性に影響を与える。該少なくとも１つの特性は、例えば電磁放射線の偏光または波長であってもよい。
【００１３】
入力スリットは、第１放射線を入射結合させるように適合してもよく、および励起放射線を遮断するように適合してもよい。この発明の第１の態様の更なる実施形態において、他の実施形態のいずれかで述べる導波路集積型光検出器では、照射光の光学特性を変更するための手段は、蛍光分子を備えることができる。蛍光分子は、他の分子（例えば、それに限定されないが、生体分子、ターゲット分子）と結合可能であり、発光特性を有することができる。
【００１４】
第１層と誘電体層の界面は、第１表面プラズモンモードを維持してもよい。本発明に係る実施形態の利点は、局在プラズモンモードが、第１層と入力スリット内の周囲環境（例えば、それに限定されないが、空気または水）の界面で発生可能であることである。これは、一体となった第１層、誘電体層、および第２層内で伝播導波路モードとして伝搬する。
【００１５】
第１層と誘電体層の界面は、第２表面プラズモンモードを維持してもよい。ＭＩＭ導波路は、誘電体の厚さに依存して、結合または分離した表面プラズモンモードを維持してもよい（薄いほど、２つの金属／誘電体界面でモードが結合する）。
【００１６】
入力スリットは、所定の偏光を有する放射線を収集するように適合してもよい。
【００１７】
第１層の厚さは、第１層が光学的に不透明であるように選択してもよい。
【００１８】
第２層の厚さは、第２層が光学的に不透明であるように選択してもよい。
【００１９】
誘電体層の厚さは、第１層と第２層とが光学的に相互作用するように選択してもよい。
【００２０】
誘電体層の厚さは、電磁放射線が光検出器と光学的に結合するように選択してもよい。
【００２１】
第２距離は、入力スリットでの励起波長のエバネッセントテール(evanescent tail)より長く選択してもよい。本発明に係る実施形態の利点は、励起放射線と光検出器との直接結合が妨げられることである。
【００２２】
誘電体層は、１または複数の伝搬導波路モードを維持する能力を有してもよい。
【００２３】
第１層は金属でもよい。第２層は金属でもよい。
【００２４】
検出器は、半導体層を備えてもよい。
【００２５】
導波路集積型光検出器は、金属製のスロット導波路における表面プラズモンポラリトンの電気的検出に適合してもよい。
【００２６】
光検出器は、集積型の金属−半導体−金属光検出器でもよい。
【００２７】
導波路集積型光検出器はさらに、前記第１放射線から励起放射線を抽出するためのフィルタ手段を備えてもよい。
【００２８】
該フィルタ手段は、ブラッグ反射器でもよい。
【００２９】
該フィルタ手段は、導波路中の第１放射線および励起放射線の透過性をベースとするフィルタ機構を備えてもよい。
【００３０】
本発明はまた、光信号を検出するための方法に関し、該方法は、第１放射線を得るために、励起放射線ビームを、該励起放射線ビームの光学特性を変更するための変更手段に向けることと、励起放射線ビームの変更を通じて前記第１放射線を得ることと、入力スリットを介して前記第１放射線を導波路と結合させ、表面プラズモンポラリトンを使用して前記放射線を出力スリットの方向へ伝搬させることと、前記出力スリットを出射する前記第１放射線を検出することとを含む。
【００３１】
該方法はさらに、第１放射線ビームから励起放射線ビームを抽出することを含んでもよい。
【００３２】
本発明の特定かつ好ましい態様は、添付した独立および従属の請求項に記述されている。従属請求項からの特徴は、適切かつ請求項で明示されたものとしてだけではなく、独立請求項の特徴および他の従属請求項の特徴と組み合わせてもよい。
【００３３】
本発明の、これらの態様および他の態様は、これ以後説明する実施形態から明らかであり、かつこれらの実施形態を参照して解明されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態に係る導波路集積型光検出器のコンポーネントの概略図を示す。
【図２】本発明の実施形態に係る導波路集積型光検出器において使用可能なブラッグ反射器の概略図を図示する。
【図３ａ】本発明の実施形態で使用可能な、図２で記載されるブラッグ反射器の構造パラメータの関数として、反射率を図示する。
【図３ｂ】本発明の実施形態で使用可能な、図２で記載されるブラッグ反射器の構造パラメータの関数として、反射率を図示する。
【図４】本発明の一実施形態に係る導波路集積型ＭＳＭ検出器において使用可能な、ＭＩＭ−ＭＳＭの概略図である。
【図５】図４に係るデバイスの走査型電子顕微鏡写真である。入射スリットおよび検出スリットの位置は、三角形で印をつけている。
【図６ａ】図５ａに示すシステムに対する本システムにおけるＴＥ偏光の、平面波励起についての数値計算を示す。
【図６ｂ】図５ａに示すシステムに対する本システムにおけるＴＭ偏光の、平面波励起についての数値計算を示す。
【図７】異なるレーザー強度についてのＩＶ曲線を提供する。最大６００の電流増幅率が測定される。暗電流は、図中の挿入図においてより明確に与えられ、明確な連続するショットキー特性を明らかにする。
【図８ａ】レーザースポット位置の関数としてのＭＳＭ光電流測定結果を提供し、本発明の実施形態の特徴を表し、８μｍの入射−検出距離に対する２次元光電流地図を示す。
【図８ｂ】レーザースポット位置の関数としてのＭＳＭ光電流測定結果を提供し、本発明の実施形態の特徴を表し、入射スリットと検出スリットとの間のさまざまな距離に対する、ＴＭ偏光における導波路の中央を越える光電流の線走査を示す。
【図９ａ】レーザースポット位置の関数として追加のＭＳＭ光電流測定結果を提供する。導波路集積型検出器（底部）のスペクトル応答、および対応する、計算した光吸収スペクトルを提供する。
【図９ｂ】レーザースポット位置の関数として追加のＭＳＭ光電流測定結果を提供する。計算したｅ−１減衰長と実験値との比較を提供する。
【図１０】本発明の実施形態に係る導波路集積型検出器のシミュレーションに使用する典型的構造を図示する。
【図１１ａ】図１０に係るシステムについての、フルオロフォア双極子のさまざまな配向に対するさまざまな方向での電場成分を図示する。
【図１１ｂ】図１０に係るシステムについての、フルオロフォア双極子のさまざまな配向に対するさまざまな方向での電場成分を図示する。
【図１２ａ】図１０に係るシステムにおける、フルオロフォア双極子のさまざまな配向および位置に対する電荷密度のプロットを図示する。
【図１２ｂ】図１０に係るシステムにおける、フルオロフォア双極子のさまざまな配向および位置に対する電荷密度のプロットを図示する。
【図１２ｃ】図１０に係るシステムにおける、フルオロフォア双極子のさまざまな配向および位置に対する電荷密度のプロットを図示する。
【図１２ｄ】図１０に係るシステムにおける、フルオロフォア双極子のさまざまな配向および位置に対する電荷密度のプロットを図示する。
【００３５】
図面は概略的なものに過ぎず、限定的でない。図面において、いくつかのエレメントのサイズは、説明目的のため、誇張し、およびスケールどおり描いていないことがある。
【００３６】
請求項中の参照符号は、範囲を限定するように解釈すべきではない。異なる図面において、同一の参照符号は、同一または類似のエレメントに関する。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明の実施形態において、導波路に関して述べる場合、第１層、誘電体層および第２層の一体スタックに関し、導波モードは、プラズモンモードとして一体スタック中を伝播する。
【００３８】
本発明の実施形態において、入力スリットに関して述べる場合、チャンネル、ホール、細孔(pore)などの形態であってもよい経路に関する。
【００３９】
本発明の実施形態において、直接接触に関して述べる場合、直接接触を構成する２つのコンポーネント間に、他の材料が存在しないような接触に関する。
【００４０】
第１の態様において、本発明の実施形態は、導波路集積型光検出器システムとも呼ばれる導波路集積型光検出器に関する。本発明の実施形態はそれに限定されないが、本発明の実施形態に係る導波路集積型光検出器は、蛍光検出および、例えばバイオセンシングへの応用に特に好適である。いくつかの他の応用例は、オンチップ（on-chip）光通信のための高速検出、高密度カメラのための、高速で小さい画素などであってもよい。本発明の実施形態に係る導波路集積型光検出器は、本発明の実施形態はそれに限定されないが、例えば金属のようなプラズモンサポート材料から成る第１層を備える。表面プラズモンポラリトンは、導体と誘電体の界面で、より具体的には、異符号の誘電率を示す２つの物質の界面で存在できるので、表面プラズモンサポート材料は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉのような金属が可能である。第１層は、第１電磁波を導波路と結合させるための、第１層を貫通する入力スリットを有する。第１放射線は、励起ビームを使用した励起によって誘導される放射線であってもよい。導波路集積型光検出器はまた、第１層に面し、第１層と第１方向に第１距離を隔てたプラズモンサポート材料から成る第２層を備える。その結果、少なくとも第１層と第２層との間に配置した誘電体層の端から端までの間隔が得られる。第２層は、第２層を貫通し、入力スリットから、第１方向とは異なる第２方向に沿って第２距離を隔てた出力スリットを有する。その結果、出力スリットは、出射する第１放射線に適合する。導波路集積型光検出器はさらに、出力スリットを出射する放射線を検出するための検出器を、出力スリットの近くに備える。
【００４１】
例として、本発明の実施形態はそれに限定されないが、導波路集積型検出器のさまざまなコンポーネントを、図１に関してより詳細に説明する。
【００４２】
図１は、導波路集積型光検出器１００を示す。導波路集積型光検出器１００は、プラズモンサポート材料から成る第１層１１０を備える。本発明の実施形態はそれに限定されないが、かかる第１層１１０は、金属層でもよい。金属は、例えば上述のような金属でもよいし、または例えば金、銀、銅、アルミニウム、スズ、ニッケル、ならびにそれらの合金および組み合わせから成るグループから選択してもよい。第１層が光学的に不透明であるように、第１層１１０の厚さを選択してもよい。一実施形態において、第１層の厚さは少なくとも２００ｎｍである。別の実施形態において、第１層の厚さは少なくとも５０ｎｍ、または少なくとも１００ｎｍ、または少なくとも２００ｎｍ、または少なくとも３００ｎｍ、または少なくとも５００ｎｍ、またはそれより大きい。第１層１１０は、第１放射線を導波路と結合するために第１層を貫通する入力スリット１１２を有する。該スリットは、例えば材料平面内にあってもよく、その側壁は水平、または傾斜していてもよい。スリット幅は、例えば１０〜１０００ｎｍ、または１０〜５００ｎｍの間で変化することができる。入力スリット１１２は、所定の偏光を有する光を受容するように適合してもよい。入力スリット１１２により、第１放射線は更なる導波路と結合することができる。
【００４３】
導波路集積型光検出器１００はまた、プラズモンサポート材料から成る第２層１２０を備える。本発明の実施形態はそれに限定されないが、かかる材料は、例えば金属層でもよい。金属は、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、スズ、ニッケル、およびそれらの組み合わせから成るグループから選択してもよい。特定の実施形態において、第１層１１０と第２層１２０の両方が金属である。第２層１２０は、少なくとも２００ｎｍの厚さを有してもよい。別の実施形態において、第２層１２０の厚さは、少なくとも５０ｎｍ、または少なくとも１００ｎｍ、または少なくとも２００ｎｍ、または少なくとも３００ｎｍ、または少なくとも５００ｎｍ、またはそれより大きい。第２層１２０は、第１層１１０に面しているが、間隔を有する。その結果、さらに記載するように、少なくとも第１層１１０と第２層１２０との間に配置した誘電体層の端から端までの間隔が得られる。第２層１２０は、第２層を貫通し、入力スリットから隔てた出力スリット１２２を有する。出力スリット１２２は、２０〜５００ｎｍの間、または５０〜３００ｎｍの間の大きさを有してもよい。出力スリット１２２は、第１スリットから第２距離のところに位置してもよく、第２距離は、第１方向と異なる第２方向に沿って伸びている。第２距離は、例えば、１μｍ〜２０μｍの間、または１μｍ〜１５μｍの間にあってもよい。それゆえに、出力スリット１２２は、第１放射線が出射するように適合する。
【００４４】
導波路集積型光検出器１００はさらに、第１層１１０と第２層１２０との間に間隔を置く誘電体層１３０を備える。第１層および第２層と結合する誘電体層１３０は、導波路として機能し、表面プラズモンポラリトンを使用して、第１放射線ビームを伝播することを可能にする。誘電体層は、誘電体材料１３０を含んでもよい。誘電体層１３０は、例えば、第１層１１０、誘電体層１３０、第２層１２０のスタックを、プラズモンモードとして電磁波が伝播するのを可能にするように選択することができる。電磁波の波長は、予め定めることができる。誘電体材料はまた、電気絶縁性を有してもよい。誘電体は、好ましくは、ＳｉＯ２、ＡＩ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｓｉ、ＧａＡｓ、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＮ、ＧａＮ、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、ＭｇＯ、空気、真空のような非吸収誘電体から選択可能であり、その厚さは、１０〜１０００ｎｍの間で可変である。
【００４５】
導波路集積型光検出器１００はさらに、出力スリット１２２の近くに、出力スリット１２２を出射する放射線を検出するための検出器１４０を備える。検出器１４０は、いずれの好適な検出器でもよい。検出器１４０は、例えば半導体層を備えてもよい。半導体層における導電性の変化を、特定の実施形態で測定することができる。半導体材料は、例えばＧａＡｓ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＣｄＴｅを含むことができる。半導体層は、誘導された光放射線を受容する能力を有する材料を備える。半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料から成る活性化領域を有する。特定の実施形態において、一組の電極が活性化領域と接触する。検出器１４０は、集積型の金属−半導体−金属光検出器であってもよい。本発明の実施形態の利点は、集積型の金属−半導体−金属（ＭＳＭ）光検出器によって、金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）導波路中に充分に閉じ込められた表面プラズモンポラリトンを検出し、特性化することができることである。さらに、ＭＳＭ光検出器の小領域、および導波路と検出器との効率的な結合に起因して、ノイズを非常に小さくし、高い信号対ノイズ比を得ることができる。また、該小領域が小さいキャパシタンスを示す場合、検出器は、非常に高速で動作可能である（＞１００ＧＨｚ）。
【００４６】
いくつかの実施形態において、その例を本出願中にさらに記載するが、導波路光検出器１００はまた、入射励起放射線ビームの光学特性を変更するための変更手段１５０をさらに備えてもよく、生じる放射線は、その後に第１放射線ビームとなる。変更手段１５０は、例えばフルオロフォアを備えてもよく、その結果、蛍光測定のために、本発明の実施形態を使用することができる。いくつかの実施形態において、光学特性を変更するための手段１５０は、蛍光分子、リン光発光性分子、量子ドット、ドープナノ粒子、発光特性を有するナノ粒子、磁気光学活性ナノ粒子のいずれを備えてもよい。照射光の光学特性を変更するための変更手段１５０は、照射放射線による励起後に電磁放射線を放射するように選択してもよく、電磁放射線の少なくとも一特性は、照射放射線に関して変更される。一実施形態において、電磁放射線の少なくとも一特性は、電磁放射線の波長である。別の実施形態において、電磁放射線の少なくとも一特性は、電磁放射線の偏光である。照射放射線の偏光は、放射した電磁放射線が入力スリット１１２に入射することができるように変更される。
【００４７】
変更手段１５０が存在する、または使用されるいくつかの実施形態において、フィルタ手段１６０は、第１放射線から励起放射線を分離するために存在してもよい。かかるフィルタ手段１６０は、システムのさまざまな層の特性の選択でもよいし、または例えば偏光フィルタもしくはブラッグ反射器のような追加のコンポーネントでもよい。例として、本発明の実施形態はそれに限定されないが、ブラッグ反射器の例をさらに図示する。
【００４８】
励起放射線フィルタ手段は、導波路それ自体の特性をベースとしてもよい。例えば、導波路の特性は、励起波長放射線について伝搬距離が大きく減少するように選択することができ、応答放射線についての伝搬距離は、検出器に達するのに充分長い。例えば、ＭＩＭベースの導波路の場合、ＭＩＭベースのプラズモン導波路の固有の特性は、光学特性のうち強分散(strong dispersion)を含む。プラズモン共鳴エネルギーにより近いエネルギーにとって、プラズモンの閉じ込めは増強するが（波長はより短くなる）、同時に損失も増加し、伝搬長はより短くなる。６００ｎｍ未満のＡｕにおける増大した損失（バンド間遷移に起因する）と結合して、６００ｎｍより大きい伝搬長は急速に増大する。その傾斜とこの増大は、誘電体スペーサの厚さとその誘電率の両方を自由に変化させる(play with)ことで調節する。励起放射線フィルタ手段１６０は、例えば励起放射線が特定の偏光を有する場合は、偏光フィルタ手段でもよい。例えば、溶液中のフルオロフォアによる放射光の偏光は、通常、励起光の偏光と比較して変更される。いくつかの実施形態における励起放射線フィルタ手段は、導波路集積型反射器、例えば導波路集積型ブラッグ反射器、励起波長のために設計した導波路中のスタブ(stub)のような追加のフィルタ手段でもよい。かかる反射器は、放射波長での放射線が透過する間に励起波長での放射線が反射可能であるように設計することができる。例として、本発明の実施形態はそれに限定されないが、ブラッグ反射器の例を図２に示し、さまざまな波長についての透過挙動を、ブラッグ反射器の構造パラメータの関数として図３ａおよび図３ｂにプロットしている。ブラッグ反射器は、導波路の一部に複数の溝を有する。所定の溝幅ｄ１および溝のピッチｄ２について（ｄ１＝７５ｎｍ、ｄ２＝７５ｎｍ）、および所定の導波路層の直径ｇ２、本実施例では１００ｎｍである、について、第２層から突き出た溝の高さの反射挙動に対する影響（０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内のｇ１について）または底部での溝の深さ（１００ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内のｇ１について）を、導波路の一方に位置する溝と反対側に位置する溝との間の距離ｇ１の関数としての透過挙動を表すことによって図示している。図３ａは、０ｎｍ〜１００ｎｍで変化する溝と第１層との間隔、に対する影響を図示し、図３ｂは、第２層中の溝に対する影響を図示している。間隔の好適な選択により、特定波長の反射を得ることができる一方、他の波長は、損失を少ししか伴わずに透過する。例えば、溝の上側と導波路の側壁との間隔を１２０ｎｍと選択すると、６４０ｎｍ未満の波長は反射し、６４０ｎｍより大きい波長は、損失を少ししか伴わずに透過する。本発明のいくつかの可能性を図示するために使用する取得結果は、ブラッグ反射器の挙動の有限差分時間領域シュミレーションをベースにしている。
【００４９】
本発明の実施形態に従って、拡張可能な金属製の高帯域導波路において、充分に閉じ込めた表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）モードの電気的な遠隔検出を可能にする導波路集積型光検出器を設けることができる。その結果、いくつかの特定の実施形態は、金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）導波路と、本質的に高速なナノスリット金属−半導体−金属（ＭＳＭ）光検出器とを結合し、ナノスケールまで拡張可能なデバイスをもたらし、非常に小さい領域を有する使用可能なプラズモン回路が可能になる。金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）導波路は、高い空間場閉じ込めとマイクロメータ域の伝搬長とを結合する見通しを与える。金属ベースの導波路は、電気信号および光信号を導波路を通じて伝送させる、またとない機会を提供する。ＭＩＭ構造の金属層は、ＭＳＭ光検出器の半導体部分と、電気的に直接接触している。ＭＳＭ光検出器は、充分高速な光応答および高い信号対ノイズ比を提供する。導波路集積型ＭＳＭ検出器の例の概略図を図４に示す。詳細なプロセスフローを以下に記載する。図によって与えられる例の構造は、半導体のＧａＡｓウエハ上で製造した。分子ビームエピタキシーによって、１μｍの厚さのアンドープＧａＡｓ層を、光検出器のための活性層として成長させた。ＭＩＭ導波路は、Ａｕ（１００ｎｍ）／水素シルセスキオキサン（ＨＳＱ）（９０ｎｍ）／Ａｕ（１６０ｎｍ）の層スタックから成る。３００ｎｍの幅を有するサブ波長スリットが底部金層内で製造され、該スリットは検出器とのコンタクトを２つ設け、同時にスリット内で局在化したプラズモンモードの励起を可能にする。導波路内でのＳＰＰモードの励起は、上部金属層にエッチングした３００ｎｍのスリットを用いて達成する。入射スリットと検出スリットとの間の距離は、０〜１２μｍまで、１μｍごとに変化する。充分加工したデバイスの側面からの走査型電子顕微鏡写真を図５に提示している。
【００５０】
コムソル・マルチフィジックス(Comsol Multiphysics)を使用して、２Ｄの数値計算を実施することによって、デバイスを正確にモデル化および最適化した。ＴＥ偏光（Ｅ⊥ｚ軸）およびＴＭ偏光（Ｅ｜｜ｚ軸）に対する正規化電場のシュミレーション結果を図６ａおよび図６ｂに示している。全体構造は、ｙ方向に伝搬する平面波によって照射する。Ｅをｚ軸に平行な方向（Ｈに垂直な方向）に設定した場合、入射スリットの一次元構造のために、充分なＳＰＰの励起を期待できない。絶縁体層の厚さが１００ｎｍを超える場合、非常に小さい伝搬距離を有する従来の導波路モードは、ＴＥ偏光における小さい自由空間波長（＜６００ｎｍ）に対してアドレス可能であることを、Ａｇ／ＳｉＮ４／ＡｇについてのＭＩＭ導波路のシュミレーションが示している。興味ある波長領域が実験の範囲内（６００ｎｍ〜８７５ｎｍ）にあり、より屈折率の小さいＨＳＱコア(core)を考慮に入れる場合、従来の導波路モードまたはプラズモンモードのＴＥ偏光における寄与は全く期待できない。
【００５１】
ＴＭ偏光に対して、平面波は、導波路で伝搬モードに非常に効率的に結合する入射スリット内で、局在プラズモンモードを励起する。導波路は、それの近接場内に位置する。シュミレーションは(データは示していない）は、６５０ｎｍ〜８７５ｎｍの励起波長について、スリットに入る光のそれぞれ４０〜６５パーセントがＳＰＰと結合するということを示している。結合機構を、導波路の上方の干渉パターンによって図６ａおよび図６ｂ
に図示している。ＴＭ偏光に対する干渉パターンは、スリット上方で消失する（スリットに入射する光と導波路モードとの優れたモード結合に起因して少ししか反射しないので）。一方、ＴＥ偏光に対する干渉パターンは依然存在する。
【００５２】
ＳＰＰ検出は、サブ波長検出スリットによって、結合させて、管理する局在モードに戻すことによって確立する。検出スリット内で局在プラズモンモードに結合させることを、７００〜８５０ｎｍの間の波長に対して６０％より大きい効率で達成する。最大の損失は、検出間隔にわたるＳＰＰの部分的透過によって引き起こされる。小さい割合（＜５パーセント）のみが反射する（データは示していない）。ＧａＡｓの高い屈折率は、ＭＳＭ検出器の電極の間にちょうど配置した半導体の体積内に、充分なモード閉じ込めをもたらす。モード閉じ込めは、強電場領域に対応する半導体内の小領域に、光吸収を充分に制限し、その結果、平均収集距離および平均通過時間は大きく減少する。
【００５３】
狭い間隔を有する、櫛歯状にエピタキシャル成長したＧａＡｓのＭＳＭ検出器で、より早期に実施したモンテカルロシュミレーションは、約２５ｎｍ〜約５００ｎｍの間隙幅に対する、約０．２５ｐｓ〜約３ｐｓの範囲の固有の応答時間を実証し、このような検出器を、高帯域の応用に非常に好適にする。同程度の間隔を有するＭＳＭ検出器を製造し、プラズモンの使用可能なモードの閉じ込めを利用することによって、同程度またはより短い光応答時間が我々のサンプルに適する。例えば、我々の間隙幅(実験で実現した）、４０〜４００ｎｍに対して、我々のＭＳＭ検出器のドリフト効果が支配的な(drift dominated)応答時間、τ＝約０．３ｐｓから〜約２．５ｐｓを仮に計算することができる。ＲＣ遅延を考慮して、デバイスのキャパシティを計算した。デバイスのキャパシタンスは、ＭＩＭ導波路の平行板キャパシタンスによって支配される。チョウ(Chou)らをベースとし、彼らの方程式ｆ３ｄＢ＝０．４４１／ｔ（ｔは応答時間である）を使用して、これらのデバイスについて得られる、通過時間限定した帯域幅は、１７６ＧＨｚ（３００ｎｍのワイドギャップ）〜１４７０ＧＨｚ（３０ｎｍのワイドギャップ）で変化すると結論付けることもできる。ＲＣ限定した帯域幅は、２４０ＧＨｚ(導波路の幅＝５μｍ、長さ＝２０μｍ）〜９０９ＧＨｚ（導波路の幅＝１μｍ、長さ＝２０μｍ）の間で変化し、提示したデバイスについて、実際は、帯域幅は通過時間限定であることを意味する。
【００５４】
ここで提示したすべての実験結果は、幅６μｍの底部金属層を有するＭＩＭ導波路で得られた。検出器にとっての最適バイアス電圧を決定するために、入射スリットと検出スリットとの間に３００ｎｍの間隔、およびゼロ変位(displacement)を有する導波路上のレーザー出力の関数として、ＩＶ曲線を測定した。結果を表すグラフを図７に提示している。暗電流の任意スケール曲線を挿入部分に示しており、線形領域において最大３００ｐＡの極端に低い暗電流を明らかにしている。これは、ＭＳＭ検出器のハイクオリティを表している。約０．５ボルトの電圧を検出器にわたって印加する場合、ショットノイズ限定した最大の信号対ノイズ比（適度な光強度で１０３）が見られる。結果として、以降の測定のすべてで、バイアス電圧を０．５Ｖに設定する。検出器に入射するレーザー出力および対応する光電流を測定することによって、検出器の外部量子効率は、１Ｖ〜１０Ｖに対して、それぞれ８．９〜３４．３パーセントと計算された。
【００５５】
一連の実験において、偏光依存性測定による、ＧａＡｓのＭＳＭ検出器を用いた遠隔ＳＰＰ検出を説明する。図８ａにおいて、スリット間隔が８μｍであるＭＩＭ−ＭＳＭデバイスの、レーザー強度に関して規格化した光電流地図を、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光について示している。入射スリットの位置および出力スリットの位置を、それぞれＩとＤで表す矢印によって示している。励起波長は８００ｎｍである。ＴＥ偏光の場合は、レーザースポットがＳＰＰ入射スリットを越えて走査する際、（上部の)非常に小さい吸収増大のみを検出する。これは、どの表面プラズモンおよび従来の導波路も励起しないことを示している。ＴＭ偏光を用いた測定（底部）において、大きな光応答が観察される。増強した応答は、入射スリットで開始したＳＰＰの遠隔検出に寄与する。導波路に沿ったＳＰＰエネルギーの減衰を調査するために、０〜１２μｍ（λ＝７２０ｎｍ）の入射−検出距離を有するＭＩＭ導波路に対する導波路の中央でライン走査した結果を図８ｂに提示する。検出スリットは、ｘ＝０に位置している。導波路の金属部分での場の侵入に起因して、２つの金属層における抵抗損は、導波路に沿って伝搬するにしたがって、ＳＰＰエネルギーを指数関数的に減衰させる。これは、測定した光電流走査において明確に観察される。光電流を１〜１２μｍの入射−検出距離に適合させることによって、７２０ｎｍに対して４．７μｍのｅ−１減衰長が見られた。ピークは、距離の増加に伴って左から右へ移動する。指数関数的減衰が観察される。
【００５６】
導波路におけるＳＰＰ分散を調べるために、特別な測定を実施した。光源、モノクロメータ、および他の光学コンポーネントの波長依存性を排除するために、ＳＰＰの特徴を包含しない参照検出器の光応答によって、測定データを分割する。また、背景信号（導波路長から独立した）をデータから差し引いて、数値計算によって得られる結果と直接比較することができる。図９ａに、ＴＭ偏光の場合（底部）の光応答の規格化スペクトルを、波長の関数として示している。明確な入射−検出距離依存性が認められ、先に提示した実験結果と一致している。金属層における、より長い波長での、より低い吸収に起因して、自由空間波長の関数として、上昇曲線が見られる。結果は、数値計算で得られる、図の上部に提示したデータに非常によく対応する。数値計算は、実験と同じパラメータについて実施した。有限サイズの励起レーザースポットは、両スリットでの部分的反射によって引き起こされる顕著な干渉の形成を妨げる。かかる干渉効果は、図９ａで観察した定在波パターンにつながる。２Ｄシュミレーションの場合と異なり、スペクトル実験データは、顕著な振動を示さない、ということを有限のスポットサイズが明らかにする。異なる入射−検出距離に対する光電流データを適合させることによって、３．５μｍ（６６０ｎｍの自由空間波長）〜９．５μｍ（波長８７０ｎｍ）のｅ−１減衰長が見られた。
【００５７】
独立して調査する場合、ｅ−１減衰長は、ルーメリカル(Lumerical)社のＦＤＴＤのモードソルバ(modesolver)を使用することによって決定した。図９ｂから推定できるように、調査したＭＩＭ導波路は、０〜数十マイクロメートルのｅ−１減衰長を維持する。電気的ＳＰＰ検出によって得られる実験データポイントを、シュミレーション曲線と一緒にプロットしている。実験値と計算値との間に優れた一致が観察される。これらすべての結果は、集積型ＭＳＭ検出器は、金属製のスロット導波路内でＳＰＰを検出するための充分な方法を提供し、その特性を探査するための強力な方法を提供することを裏付けている。これらのプラズモン検出器を、導波路集積型ＬＥＤの、金属コーティングしたナノ空洞光源またはナノワイヤ光源と結合させることによって、拡張可能な高帯域のプラズモンオンチップ回路を近い将来実現することができる。
【００５８】
ナノスケールのＭＳＭ検出器による、ＭＩＭ導波路内部のＳＰＰの電気的な遠隔検出により、電気回路における拡張可能な高帯域の金属製導波路が可能になる。光−電気変換は、ＧａＡｓの導波路集積型ＭＳＭ検出器まで伝搬する表面プラズモンポラリトンの共鳴結合によって実現した。偏光依存性測定およびスペクトル測定を実施し、閉じ込めた表面プラズモンポラリトンの電気的検出を探査および研究した。３．５μｍ（６６０ｎｍの自由空間波長）〜９．５μｍ（波長８７０ｎｍ）のｅ−１減衰長が見られた。これらの新しく盛んなプラズモンコンポーネントの開発および製造は、科学的研究および応用志向の研究の両方に対する優れた可能性を開く。
【００５９】
例として、システムを製造し、特徴付けるための製造技術および測定技術を以下に記載するが、本発明の実施形態はそれに限定されない。
【００６０】
導波路構造を半絶縁性のＧａＡｓウエハ上で製造した。分子ビームエピタキシーによって、１μｍの厚さのアンドープＧａＡｓ層が、ＭＳＭ光検出器のための活性層として成長した。ＧａＡｓ自然酸化物を取り除いた後、ＭＩＭ導波路の底層をスパッタリングによって堆積する（Ａｕ／Ｔｉ  １００ｎｍ／２ｎｍ）。３００ｎｍのサブ波長間隔は、電子ビームリソグラフィによるネガ型ＨＳＱレジストにおいて規定される。１００Ｗの酸素プラズマに２０分間曝してレジストを硬化した後、パターンをイオンミリングによって金層に移す。チタン接着層および残ったＨＳＱをＨＦで除去する。ＭＩＭ構造の絶縁体層は、９０ｎｍのＨＳＱレジストから成り、それを１００Ｗの酸素プラズマ中で２０分間効果処理した場合、ＳｉＯ２に似た構造が得られる。ＨＳＱを選択するのは、サブマイクロメータ構造のための優れた平坦化特性およびＳｉＯ２に似た光学特性のためである。導波路の最上金属層もまた、スパッタリング堆積する（Ａｕ／Ｔｉ  １６０ｎｍ／２ｎｍ）。入射スリットを製造するために、同様の電子ビームステップおよびイオンミリングステップを、検出スリットに関して実施した。最後のステップにおいて、光学リソグラフィステップを使用して平坦化層をコンタクトの最上部で選択的にエッチングし、ワイヤボンディングまたはプローブ針によってコンタクト経路にアクセスする。
【００６１】
超連続体白色光源からの光をモノクロメータに結合し、所望の波長を選択する。サンプル上の１００Ｘ／０．７ＮＡアポクロマート長作動距離対物レンズによって該光を直線偏光し、または集光する。電気接続部をワイヤボンディングまたはプローブ針によって設ける。デバイスの電気的読み出しは、ケイスレー(Keithley)社の２４００ソースメータを用いて実施した。ＸＹＺステージの上に据えつけられたＸＹピエゾスキャナによって、一次元スキャンおよび二次元スキャンの実施が可能になる。選択した全ての位置で電流を測定する。焦点面でサンプルを走査することによって、検出器の光電流の一次元地図または二次元地図を達成する。図８ａに提示する２Ｄ光電流地図において、ｘ軸は０．２３μｍの幅で９０刻みを有し、ｙ軸は０．４６μｍの幅で７０刻みを有する。図９ａに示す、ＭＳＭ検出器のスペクトル応答は、レーザースポットを入射スリットに集光し、波長スイープを実施することにより得られる。
【００６２】
図６ａおよび図６ｂで提示する数値計算に対して、コムソル・マルチフィジックスのＲＦモジュールを使用した。完全に適合した層を使用することによって、金属はいずれの寄生反射(parasitical reflection)も導入しないで境界部を貫通することができ、無限長を有する導波路をシュミレーションできる。図７において、シュミレーションについてルーメリカルＦＤＴＤのモードソルバを使用した。
【００６３】
例として、本発明の実施形態はそれに限定されないが、結合の際のフルオロフォア双極子における偏光効果、したがって検出能力が以下で与えられる。図１０は、フルオロフォア双極子の偏光の関数として、電場および電荷分布のシュミレーション（ルーメリカルＦＤＴＤを使用した）に使用する構造を図示している。双極子は、構造の最上部にある金属層の上方１００ｎｍの位置に保持した。長さ２μｍ、即ち入力スリットから左右に１μｍ、を超える構造における電場および電荷分布で、シュミレーションを作成した。示した双極子のさまざまな配向に対する、さまざまな方向での電場成分を、図１１ａおよび図１１ｂに示している。フルオロフォア双極子の１配向に対して、誘導電場は比較的大きいことがわかるが、これは第２配向には当てはまらない。フルオロフォア双極子の２つの異なる配向は、２つの異なる垂直偏光状態をもたらす。対応する電荷密度プロットを図１２ａおよび図１２ｂに示しており、それぞれ電荷密度の実部および虚部を表している。局在モードは入射スリット内で励起し、フルオロフォア双極子の配向の中には、伝搬導波路モードとの効率的な結合が得られるものがあることがわかる。図１２ｃおよび図１２ｄは、スリットに関して異なる位置に対する得られた電荷密度を図示しており、図のように、異なる電荷密度の挙動をもたらす。
【００６４】
本発明の実施形態は、主にデバイスに関して記載してきたが、本発明の実施形態はまた、光信号を検出するための方法に関する。その結果、方法は、かかるデバイスの１以上のコンポーネントによって提供される１以上の機能性を表すステップを含んでもよい。例えば、例示的な一実施形態において、本発明は、光信号を検出するための方法に関する。その結果、該方法は、第１放射線を得るために、励起放射線ビームを、該励起放射線ビームの光学特性を変更するための変更手段に向けることを含む。これは、例えば励起放射線ビームを一連のフルオロフォアの方向に向け、第１ビームを発生させることのように、例えば粒子を生成し、または粒子の方向を変える複数の放射線を励起することでもよい。該方法はまた、入力スリットを介して第１放射線を導波路と結合させること、および表面プラズモンポラリトンを使用して、出力スリット方向へ前記放射線を伝搬させることを含む。第１放射線は、出力スリットから出射し、検出される。いくつかの実施形態において、本発明は、バイオセンシングのための光信号を検出する方法に関し、例えばフルオロフォアは、興味ある粒子に結合可能であり、入力スリットの位置または入力スリットの近くに設置可能であり、その結果、かかる興味ある粒子が存在する場合、これは、例えば上で記載したような方法を使用して検出可能である。いくつかの実施形態において、励起放射線は、抽出によって第１放射線から分離する。上で記載したように、更なる方法の特徴が、上で記載したようなデバイスのコンポーネントによって導入される機能性と対応してもよい。
【００６５】
開示された実施形態への他のバリエーションは、図面、開示、および添付した請求項に関する研究から、請求項記載の発明を実施する際に、当業者によって理解され達成されるだろう。請求項において、用語「備える、含む(comprising)」は、他のエレメントまたはステップを除外するものではなく、不定冠詞「一つ（a or an）」は、複数を除外しない。単一のプロセッサまたは他のユニットが、請求項に記載されるいくつかの事項の機能を発揮してもよい。ある手段について互いに異なる従属請求項で記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせは有利に使用することができないということを示すものではない。コンピュータプログラムは、好適な媒体、例えば光記憶媒体、または他のハードウェアと一緒に、もしくは他のハードウェアの一部として供給された固体の媒体に記憶させ／分配されてもよく、他の形態、例えばインターネットまたは他の有線もしくは無線通信を用いて分配されてもよい。請求項におけるいかなる参照符号も技術的範囲を制限するものとして解釈されるべきでない。
【００６６】
先の説明は、本発明の特定の実施形態を詳細に述べている。しかしながら、どれほど詳細に先の説明を明細書にて行っても、本発明は多くの方法で実施でき、また開示した実施形態に限定されないことが理解されるだろう。本発明のある特徴または態様を述べる場合の特定の用語の使用は、その用語が関係する本発明の特徴または態様のいかなる特定の特徴も含むように限定するように、その用語が本明細書で再定義されるということを暗示するように取られるべきではないことに注目すべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１２ｃ】
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【図１２ｄ】
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【国際調査報告】
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2012522235.tif 000024
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