(57)【要約】  基板（２）およびエバネッセント場検知のための基板（２）に集積された少なくとも１つの光学微細構造（３）を包含する移植可能な光学センサ（１）であって、少なくとも１つの光学微細構造（３）が、基板（２）の表面（５）の一部の上に光学的相互作用エリア（４）を形成するべく位置決めされ、光学アッセンブリ（１）が、さらに、少なくとも光学的相互作用エリア（４）を覆う薄い保護層（６）を包含し、薄い保護層（６）が、腐食保護特性を伴うあらかじめ決定済みの材料であり、かつエバネッセント場検知に影響を与えないように、あらかじめ決定済みの厚さを有する、移植可能な光学センサ（１）。
2020515869.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（２）およびエバネッセント場検知のための前記基板（２）に集積された少なくとも１つの光学微細構造（３）を包含する移植可能な光学センサ（１）であって、
前記少なくとも１つの光学微細構造（３）が、前記基板（２）の表面（５）の一部の上に光学的相互作用エリア（４）を形成するべく位置決めされ、
前記光学アッセンブリ（１）が、さらに、少なくとも前記光学的相互作用エリア（４）を覆う薄い保護層（６）を包含し、前記薄い保護層（６）が、腐食保護特性を伴うあらかじめ決定済みの材料であり、かつ前記エバネッセント場検知に影響を与えないように、あらかじめ決定済みの厚さを有する、
移植可能な光学センサ（１）。
【請求項２】
前記保護層（６）は、前記光学的相互作用エリア（４）と関連付けされた外部表面に対して共形である、請求項１に記載の移植可能な光学センサ。
【請求項３】
前記保護層（６）は、シリコン・カーバイド（ＳｉＣ）、ダイヤモンド状炭素膜（ＤＬＣ）、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3からなるグループからの１つまたは複数の材料を包含する、請求項１乃至２のいずれか１つに記載の移植可能な光学センサ。
【請求項４】
前記光学アッセンブリは、少なくとも１つのフォトニック集積回路デバイスを包含する、請求項１乃至３のいずれか１つに記載の移植可能な光学センサ。
【請求項５】
前記光学微細構造（３）は、ＳｉＮ、ＳＯＩ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＴｉＯ2、ガラス、またはシリカに基づいている、請求項１乃至４のいずれか１つに記載の移植可能な光学センサ。
【請求項６】
前記保護層（６）は、非多孔質である、請求項１乃至５のいずれか１つに記載の移植可能な光学センサ。
【請求項７】
前記保護層（６）は、前記光学微細構造（３）の厚さの５０％より小さい厚さを有する、請求項１乃至６のいずれか１つに記載の移植可能な光学センサ。
【請求項８】
前記保護層（６）は、前記光学微細構造（３）の厚さの３０％より小さい厚さを有する、請求項１乃至６のいずれか１つに記載の移植可能な光学センサ。
【請求項９】
前記保護層（６）は、前記光学微細構造（３）の厚さの１０％より小さい厚さを有する、請求項１乃至６のいずれか１つに記載の移植可能な光学センサ。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの光学微細構造（３）は、あらかじめ決定済みの波長範囲内の光を用いるエバネッセント場検知のために構成される、請求項１乃至９のいずれか１つに記載の移植可能な光学センサ。
【請求項１１】
前記基板（２）は、低屈折率クラッディングであり、前記光学微細構造（３）は、前記低屈折率クラッディング上に堆積された高誘電率コアを包含するシングル・モード導波路であり、前記高誘電率コアは、前記光の前記波長より小さい厚さを有する、請求項１０に記載の移植可能な光学センサ。
【請求項１２】
前記光の前記波長は、７００ｎｍと２５００ｎｍの間の近ＩＲ波長範囲内であるか、または２．５μｍと８μｍの間の中ＩＲ波長範囲内である、請求項１０乃至１１のいずれか１つに記載の移植可能な光学センサ。
【請求項１３】
前記光の前記波長は、１５００ｎｍから１８５０ｎｍまでの帯域内、または２０８０ｎｍから２３２５ｎｍまでの帯域内である、請求項１０乃至１１のいずれか１つに記載の移植可能な光学センサ。
【請求項１４】
前記保護層（６）は、光学的に透明である、請求項１乃至１３のいずれか１つに記載の移植可能な光学センサ。
【請求項１５】
前記センサ（１）が、前記基板（２）に集積され、かつ前記光学微細構造（３）に接続される処理回路（７）と；前記処理回路（７）および前記光学微細構造（３）に接続される放射線源（８）と；前記処理回路（７）に接続されるインターフェース回路（９）と、を包含し；前記処理回路（７）および放射線源（８）は、動作時に、前記光学微細構造（３）および光学的相互作用エリア（４）と関連付けされたエバネッセント場と相互作用する物質の光学的な検知のために配される、請求項１乃至１４のいずれか１つに記載の移植可能な光学センサ。
【請求項１６】
移植可能な光学センサを製造する方法であって、
基板（２）を提供することと、
前記基板を用いてエバネッセント場検知のための少なくとも１つの光学微細構造（３）を集積することであって、前記少なくとも１つの光学微細構造（３）が、前記基板（２）の表面（５）の一部の上に光学的相互作用エリア（４）を形成するべく位置決めされることと、
少なくとも前記光学的相互作用エリア（４）を覆う薄い保護層（６）を提供することであって、前記薄い保護層（６）が、腐食保護特性を伴うあらかじめ決定済みの材料であり、かつ前記エバネッセント場検知に影響を与えないように、あらかじめ決定済みの厚さを有することと、
を包含する、移植可能な光学センサを製造する方法。
【請求項１７】
前記保護層（６）は、前記光学的相互作用エリア（４）の外部表面に対して共形に提供される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記保護層（６）は、化学蒸着堆積法（ＣＶＤ）、プラズマ強化化学蒸着堆積法（ＰＥＣＶＤ）、原子層堆積法（ＡＬＤ）、スパッタリング、または分子ビーム・エピタキシャル成長法堆積テクニックを使用して提供される、請求項１６乃至１７のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１９】
前記移植可能な光学センサは、請求項１乃至１５のいずれかに記載のセンサである、請求項１６乃至１８のいずれか１つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板および基板に集積された少なくとも１つの光学微細構造を包含する光学アッセンブリに関する。光学微細構造は、基板の表面の一部の上に光学的相互作用エリアを形成するべく位置決めされる。さらなる態様において、本発明は、光学アッセンブリを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、グルコース等の物質を検知するセンサを開示している。センサは、生き物の体の中に移植される。センサは、フォトニック集積回路、たとえば、標本と相互作用する放射線をスペクトル的に処理するためのシリコン・フォトニクス・ベースの放射線プロセッサを包含する。
【０００３】
特許文献２は、光学構成要素であって、導波構造およびさらなる光学構成要素に対する導波構造の光学結合のための結合素子を含む光学構成要素を開示している。導波構造および結合素子は、共通の基板上に取り付けられる。結合素子は、導波構造と光学構成要素の間を伝播する光の伝播方向および波面の形状の同時的な変更のために、反射湾曲表面を含む。光導波コア層および結合素子を、汚染、湿分、または損傷等の外的な影響から保護し、かつ周囲から光学的に絶縁するべく働く、カバー層を伴う実施態様が述べられている。硬化後の状態におけるカバー層の代表的な厚さは、１０μｍから５００μｍまでの間である。
【０００４】
特許文献３は、内側への光ビームの入射を許可する第１の光学素子および内側から光ビームを放射する第２の光学素子を少なくとも有する光ビーム透過性の基板、第１および第２の光学素子のうちの少なくとも１つが上に形成される基板の主表面上に形成され、３乃至３００μｍの厚さを有し、かつ基板材料より高い屈折率を有するポリマ樹脂材料から作られる光導波路層、および光導波路層上に形成され、かつ導入された供試体に反応して光ビームまたは光ビームのエバネッセント波を吸収する能力を有する反応生成物を作り出す検知膜を含む光導波路タイプの生化学センサ・チップを開示している。検知膜は、格子の間に位置決めされる、保護膜が形成されない領域内に形成される。
【０００５】
特許文献４は、たとえば集積回路（ＩＣ）チップ、移植可能なパルス発生器、１つのチップが電子回路を含み、別のチップが光学センサまたはエミッタを有する複数のＩＣチップを伴うデバイス等といった移植可能な集積回路構造を開示している。この構造は、回路層を密封シールする共形薄膜シーリング層を包含する。シーリング層は、それが関連付けされる構造の総体積を実質的に増加させないような厚さの薄膜コーティングである。約０．１から約１０．０μｍまでの範囲にわたる厚さが開示されている。
【０００６】
特許文献５は、入射光を受け取り、入射光から表面プラズモンを生成するべく構成された入力カプラ、および表面プラズモンに基づいてスペックル・パターンを出力するべく構成された出力カプラを含む対象を認証するための認証装置を開示している。この認証装置は、金属膜および誘電体膜を包含する多層構造を含む。入力カプラは、多層構造の第１のエリア内に提供され、出力カプラは、多層構造の第２のエリア内に提供される。誘電体膜は、金属膜上に形成されてもよく、金属膜を保護するべく構成であってもよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１１／０２９８８６号パンフレット
【特許文献２】米国特許出願公開第２００６／０２５１３５７号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００７／００８１７５８号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２０１０／００１６９２８号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２０１６／０１０３０６５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、光学アッセンブリの光学的特性および寿命に対して経時的に有害な影響を及ぼす流体との直接かつ長期にわたる接触を伴う応用、たとえば、移植可能な光学アッセンブリの場合に特に適した光学アッセンブリを提供することを求める。本発明のさらなる態様は、フォトニック集積回路を伴う応用に特に適した光学アッセンブリを提供することを求める。フォトニック集積回路自体は、この分野の当業者に周知である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、上で定義した光学アッセンブリが提供され、さらに、少なくとも光学的相互作用エリアをカバーする保護層を包含する。光学的相互作用エリアは、たとえば、光学アッセンブリが移植可能な光学センサとして具体化されるとき、動作の間、流体との直接かつ長期にわたる接触をする。保護層は、事実上、光学的相互作用エリアを遮蔽し、より具体的に述べれば、光学アッセンブリの光学的微細構造を、それの屈折率、吸収等の光学的特性に有害な影響を与えることなく、使用の間にわたって劣化から保護する。ここで提示するとおりの保護層の実施態様は、経時的に望ましい光学的機能を変化させることなく、光学アッセンブリの環境との光学微細構造の相互作用を可能にする。より具体的に述べれば、光学アッセンブリの全体的な光学的特性に対して、保護層がいくらかの影響を与えることがあるとしてさえも（たとえば、導波路の有効屈折率）、その影響は、維持されるべき光学微細構造の導波ケイパビリティに対して、たとえば検知原理に関して充分に小さい。
【００１０】
さらなる態様においては、本発明が、光学アッセンブリ、たとえば、この中で説明している実施態様のうちのいずれかに従った光学アッセンブリを製造するための方法に関する。この方法は、光学的相互作用エリアを形成する集積された光学微細構造を基板に提供すること、および少なくとも光学的相互作用エリアの上に保護層を提供することを包含する。保護層が、それ自体は周知の堆積テクニックを使用して適用可能であり、かつ光学アッセンブリのほかの要素のための製造ステップと互換性があることから、この方法は、効率的かつコスト効果的な製造方法として実装することが可能である。
【００１１】
以下、次に挙げる添付図面を参照して本発明をより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施態様に従った光学微細構造アッセンブリの略図的な２次元断面図である。
【図２】本発明の第２の実施態様に従った光学微細構造アッセンブリの略図的な２次元断面図である。
【図３】本発明の第３の実施態様に従った光学微細構造アッセンブリの略図的な２次元断面図である。
【図４】本発明のさらなる実施態様に従った光学微細構造アッセンブリの略図的な２次元断面図である。
【図５】本発明の光学アッセンブリのさらに別の実施態様を略図的に表現した断面図である。
【図６】本発明の光学アッセンブリのさらに別の実施態様を略図的に表現した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、概して、好ましくない環境との光学微細構造の表面の直接および／または長期の相互作用を必要とする光学アッセンブリを含む、多くの応用のための光学微細構造の使用に関する。これらの光学構造は、放射線を、たとえば導波構造を介してガイドするべく構成され、そのためにガイドされる放射線のエバネッセント・テールが環境と相互作用する。図１は、本発明に従った光学アッセンブリ１の第１の実施態様の略図的な２次元断面図を示している。光学アッセンブリ１は、基板２および基板２に集積された光学微細構造３を包含する。光学微細構造３は、基板２の表面５の一部の上に光学的相互作用エリア４を形成するべく位置決めされる。光学微細構造３は、たとえば、基板２内に完全にまたは部分的に埋め込まれるか、集積されるか、またはパターン化され、環境と直接光学接触する。光学アッセンブリ１は、さらに、少なくとも光学的相互作用エリア４を覆う保護層６を包含する。図１に示されている実施態様においては、基板２のトップに提供され、かつ（薄い）保護層６によって覆われる複数の導波構造を、光学微細構造３が包含する。その結果として、光学微細構造３からのエバネッセント波が、なおも光学的相互作用エリア４内の環境と光学的に相互作用することが可能である。
【００１４】
光学微細構造３内の光の殆どは、導波層内に閉じ込められるが、エバネッセント場と呼ばれるわずかな部分が外に出て外部媒体内に達する。エバネッセント場は、たとえば、トラッピング、検知、励起のための環境との相互作用に使用される。このエバネッセント場は、導波表面からの距離の増加に従って指数関数的に減衰する。たとえば、検知応用の場合においては、光学モードのエバネッセント・テールの変動が、ガイドされるモードの有効屈折率またはそれの振幅を変化させ、それらは、それぞれ検知のための手段として使用可能であり、エバネッセント場検知と呼ばれる。
【００１５】
腐食は、初期化学組成物内の材料が、隣接する材料または周囲を取り囲む環境（固体、液体、気体、またはすべての組み合わせ）からの二次的な成分との化学反応を受けて、その結果、所定の周囲状態（圧力、体積、温度）の下に、それのエンタルピーまたは熱力学的な可用エネルギ（ギブスの自由エネルギー）を減少させる化学−物理プロセスである。結果としてもたらされる化合物は、多くの場合、オリジナルの材料状態より化学的活性が低い（所定の環境状態に対して化学的に不活性）。化合物の形成が連続的であれば、腐食が、初期材料の初期特性を最終的に低下させる。駆動力は、材料から、またはその環境から、またはこれらの組み合わせから引き起こすことが可能である。エネルギの観点からは、系（たとえば、材料または材料の組成物）が最小自由エネルギに向かって動き、それの環境との反応を経て、系内の遊離体より低い自由エネルギを呈する生成物に向かう。腐食反応の間の反応生成物は、それの個別の遊離体と比較して化学的に異なるだけでなく、物性も異なる。たとえば、酸化を受けている金属は、より化学的に不活性な金属酸化物に向かってそれのエネルギを減じていく。これは、根底にある量子構造の変化を伴い、バンド・ギャップにおける変化、伝導、熱、および化学的挙動等の特性に対する変化を導く。反応は、材料の結晶構造の構成に対する影響も有し、化学反応時にそれの体積の変化を導く。この反応は、新しい材料に対し、かつ隣接する層、たとえば初期表面に対して及ぼされる機械的な力を誘導する。腐食生成物の体積が、反応を受けている遊離体の表面積よりはるかに大きい場合には、系内に割れを引き起こし、本来備わっている応力を解放して蓄積されたエネルギを減ずるまで応力が蓄積される。エネルギを減ずるために化学−物理変化を受ける例は、酸化された材料の剥落、孔食、応力割れ腐食、接触腐食等である。
【００１６】
上記の腐食の定義の意味における好ましくない環境は、液体、固体、または気体形式で、その環境に曝露された材料に腐食を誘導することが可能なエネルギを伴った状態の化学成分を含む環境である。例として、純水は、液体マトリクスへの溶質の取り込みを通じて減ずる高い熱力学的活性を有する。したがって、水は、シリコン酸化物（ＳｉＯx）またはシリコン窒化物（ＳｉＮ）等の材料にとって、好ましくない、あるいは腐食性の環境であると考えることが可能である。体液は、溶存酸素、過酸化水素、塩素、およびそのほかの多くの酸化性およびそのほかの熱力学的活性が高い作用物質を含み、複数の材料を高い腐食のリスクに曝す環境を代表する。
【００１７】
好ましくない環境には、限定ではないが、身体組織および体液（血液または間質液等）への曝露、生体内および生体外、植物性の組織および液体、発酵タンクおよびバイオ・リアクタ等の化学プロセス内の流体、海、湖、川、および水槽を含む水産養殖、および石油化学流体、水、および腐食性気体が含まれる。好ましくない環境との相互作用は、光学微細構造の露出表面の光学的、機械的、および電気的なパフォーマンスを、たとえば、腐食または溶解によって低下させる。例として述べれば、フォトニック・マイクロシステムを通じて光を運ぶために使用される光学グレードのシリコン（Ｓｉ）およびＳｉＮ構造は、水成または腐食性化学環境内において使用されたとき、分解し、穴があき、崩壊する。フォトニック・マイクロシステムからの光を環境と相互作用させることが意図された応用においては、表面の品質の劣化が、光学アッセンブリのパフォーマンスに対する直接的な影響を有する。環境とエバネッセント接触するために構成された光学微細構造が、その光学微細構造の表面状態によって強く影響を受けることも周知である。したがって、本発明の実施態様においては、より詳細を後述するとおり、保護層が追加され、それが、環境との直接相互作用を有する相互作用エリアを保護する。このコーティングは、当業者によって期待され得るとおり、光学微細構造のパフォーマンスを劣化させることがなく、光学微細構造の機能を改変することもない。特に、光学アッセンブリにとっては、この保護層が系の望ましい光学的機能に有害な影響を与えないことが望ましい。
【００１８】
この説明の中で使用されるところの腐食耐性材料は、特定の物理環境状態（温度、体積、圧力）の下に、周囲を取り囲む環境（たとえば、固体、気体、液体）との有害な反応（酸化）を受けることによるさらなる最小化が不可能な最小エネルギの状態を有するか、または系内にさらなるエネルギが追加されない限り、環境の熱力学的活性もしくは化学ポテンシャルが崩壊させることが不可能な強い材料内結合を呈する材料を言う。系の強度は、結晶化度（低減されたエネルギ）およびそれの強い材料間結合（たとえば、ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素膜（ＤＬＣ））のレベル、先行する酸化を通じて低減されたエネルギおよび強い結合（たとえば、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化チタン）または両方の組み合わせ（たとえば、サファイア、純粋な結晶のＡｌ2Ｏ3）によって与えることが可能である。
【００１９】
本発明の光学アッセンブリ実施態様の光学微細構造３は、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）の一部として実装可能であり、これは、フォトニック回路を作るために使用される多様な形式および材料系のことを言う。本発明の１つの実施態様においては、光学アッセンブリ１が、少なくとも１つのフォトニック集積回路デバイスを包含する。本発明のさらなる実施態様においては、光学微細構造３が、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）、ＳｉＮ（シリコン・リッチまたはストイキ・シリコン）、ＩｎＰ、ＴｉＯ2半導体膜、ポリマ、ガラス／シリカ、ＡｌxＧａ1-xＡｓ、ＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-y、およびプラズモン（たとえば、金属ナノ粒子、金属層）等のプラットフォームに基づく。光学微細構造３は、基板２内に埋め込まれるか、集積されるか、またはパターン化された集積型光学キャビティ、集積型光学共振器、集積型光学干渉計、集積型光カプラ、光導波路、テーパー、可調フィルタ、位相シフタ、格子、フォトニック結晶、変調器、検出器、ソース、マルチプレクサ、デマルチプレクサ、またはこれらの組み合わせといった集積型光学構成要素とすることが可能である。光学微細構造３は、能動または受動のいずれとすることも可能である。光学微細構造３は、基板２の一部の上に光学的相互作用エリア４を形成するために、完全に埋め込まれるかまたは部分的に埋め込まれた構造として基板に集積される。この説明の中の光学微細構造の厚さに対してなされる参照は、それの導波層の厚さ（たとえば、ＳＯＩ光導波路の場合におけるデバイス層（Ｓｉ）の厚さ）を言い、したがって、基板２の厚さは除外される。
【００２０】
本発明の実施態様は、図１に１つが示されているが、光学微細構造３と光学アッセンブリ１の外部環境の間における光学的相互作用のケイパビリティを維持する保護層６を使用して表面保護の獲得を可能にする。例示的な実施態様を後述する保護層６は、光学微細構造と環境の光学的相互作用を、長期にわたって望ましい光学的機能を変化させることなく可能にする。光学アッセンブリ１の製造は、電子ビーム・テクノロジ、フォトリソグラフィック・プロセス、ＣＭＯＳテクノロジ等の多様なテクニック、またはシリコン・ベースのテクノロジを使用して、またはこれらの組み合わせを使用して実行することが可能である。これには、材料のエッチング・プロセス（たとえば、ウェット・エッチング、ドライ・エッチング）およびそのほかの典型的な配線工程プロセス（たとえば、金属化）または、それ自体はこの分野の当業者に周知の、基板上におけるほかのマイクロ構成要素の不均一集積化（たとえば、フリップ・チップ、ボンディング）を伴うステップを含めることが可能である。
【００２１】
図２は、本発明の第２の実施態様に従った光学アッセンブリ１の略図的な２次元断面図を示している。この実施態様においては、光学微細構造３が基板２内に埋め込まれ、結果として光学的相互作用エリア４が平面であり、表面５と同じ高さになる。さらにまた、この実施態様における保護層６が、基板２の全（トップ）表面５上に存在し、基板２の裏側にさえ広がっている。このことは、保護層６を適用するための処理ステップの観点から有利となり得る。また、図１および図２に示されている実施態様の、たとえば、全表面５（前側、後ろ側、および前側と後ろ側の間のエッジを含む）の上に保護層６が存在する変形も可能である。ただし、好ましくない環境内において光学アッセンブリ１が適正に動作するためには、光学的相互作用エリア４の上を覆う保護層６の存在で充分である。光学アッセンブリ１の残りの部分は、したがって、保護層６を用いて覆われることが必ずしも必要でない。
【００２２】
本発明のさらなる実施態様においては、保護層６が、光学的相互作用エリア４と関連付けされた外部表面に対して共形である。保護層６の共形層実装は、実質的に一様な厚さのコーティングを用いて全表面を覆い、このことは、共形の保護層６の厚さが、保護層６が存在する光学的相互作用エリア４全体にわたって実質的に同じになることを意味する。共形コーティングのための堆積方法の例は、原子層堆積（ＡＬＤ）（たとえば、熱ＡＬＤまたはプラズマ強化ＡＬＤ）である。光学的相互作用エリア４に関連付けされる外部表面は、たとえば、表面５にパターン化されるかまたはエンボスされる光学微細構造３にわたって広がる。パターン化された光学的相互作用エリア４については、共形保護層６が、光学微細構造３の段差、角、および湾曲部を、実質的に一様な態様で（図１の実施態様に示されているとおり）覆う。本発明のさらに別の実施態様においては、保護層６が、腐食保護特性を伴う材料を包含する。したがって、保護層６は、腐食性の好ましくない環境に曝露されたときに劣化（腐食および溶解）に対して光学微細構造３（および光学的相互作用エリア４内の周囲を取り囲む表面５の部分）を保護する。
【００２３】
エバネッセント場検知を可能にするために、保護層６は、光学微細構造３の光学的特性に有害な影響を与えない態様で選択される。本発明のさらなる実施態様においては、保護層６が、シリコン・カーバイド（ＳｉＣ）、ダイヤモンド状炭素膜（ＤＬＣ）、ＴｉＯ2、またはＡｌ2Ｏ3からなるグループからの１つまたは複数の材料になる。ＤＬＣは、この分野において、無定形炭素の準安定型としても知られている。これらの材料のそれぞれは、ＤＬＣを除けば、本質的に誘電体であり、コントロールされた厚さで光学微細構造上に堆積することが可能である。保護層６としてのＳｉＣ（主に、それのアモルファス形式（α−ＳｉＣ））、ＴｉＯ2、およびＡｌ2Ｏ3の使用は、それの、光学アッセンブリ１に適用されるＳｉおよびＳｉベースの微細加工テクノロジとの互換性および集積の容易性に起因する利点を有する。それに加えて、不活性、長続きする機械的安定性、生物的適合性、および光学的互換性等の特性から、本発明の実施態様における保護層６としての使用のための良好な候補となる。ＤＬＣタイプの保護層６は、たとえば、紙漂白産業または廃水処理プラントにおいて使用される強い酸化剤に対して非常に良好な化学的不活性を提供する。さらにまた、これらの材料は、貧弱な光導波路として知られているが、極薄いコーティングの適用は、保護層６が、下に横たわる光学微細構造３の導波路内の光の伝播に有害な変化を与えないことを保証する。保護コーティング材料は、Ｓｉ、ＳｉＯｘ、ＳｉＮ、およびＩＩＩ−Ｖ群の材料等の高品質光学グレード材料のグループからの、主要な光搬送手段としての光学微細構造３の材料の可能性のある選択肢と互換性がある。結果として本発明の実施態様は、光学的特性の劣化を伴うことなく、光学微細構造３の実装としてのモノ・モード・フォトニック導波路の保護を可能にする。
【００２４】
光学微細構造３を通じて光を運ぶために使用される光学グレードのＳｉおよびＳｉＮの導波路は、水成または腐食性化学環境内において使用されたとき、分解し、穴があき、崩壊する。光学微細構造３内の光が環境と相互作用する応用、たとえば検知活動においては、光学微細構造３および関連する光学的相互作用エリア４の質の劣化が、光学アッセンブリ１のパフォーマンスに対する直接的な影響を有する。光学アッセンブリ１に露出される物質は、センサのためのターゲット分析物、たとえば、組織内、間質液、尿、または血液等の体液内に存在する分析物であってもよい。それに代えて、光学アッセンブリ１の動作に言及すると、たとえば、発酵タンク内、燃料タンク内、またはたとえば石油化学環境内において一般に使用される燃料パイプライン内における化学流体の存在を検知するべく光学アッセンブリ１を使用できる。上で論じたとおり、保護層６は、環境との光学微細構造３の光学的相互作用を、長期にわたり、それの構造、物理的、光学的、または化学的特性に変化を与えることなく可能にする。この理由に起因して、化学もしくは生物分解を受けやすいポリマ層、またはセンサの光学的特性に影響を与えるものが、保護層６として選択されることはない。デバイスのそのほかのすべてのエリアは、必須ではないが、ポリマを用いて保護することが可能である。
【００２５】
本発明のさらに別の実施態様においては、保護層６が非多孔質であり、たとえば保護層６が、本質的に非多孔質の材料を包含する。この実施態様は、動作の間における化学的または生物学的流体の光学微細構造３との直接接触を可能にし、それによって光学アッセンブリ１の材料および光学的パフォーマンスを低下させる保護層６内の多孔性のチャンネルまたはピン・ホールの発生を防止する。非多孔質の保護層６を有することによって、好ましくない検知環境への光学的相互作用エリア４のあらゆる直接曝露が、長期的な動作上の使用後においてさえ防止される。
【００２６】
エバネッセント場検知は、シングル・モードおよびマルチモード両方の波の伝播をサポートする光学微細構造３を利用する。マルチモード光学微細構造３は、測定されるべき化合物による吸収に使用される光の波長より大きい厚さを有する。しかしながら、エバネッセント場の強度の相対的に低いレベルに起因して、検知応用のための検出方法に限定される。シングル・モード導波路は、通常、低屈折率クラッディング上に堆積される非常に薄い（光の波長より小さい）高誘電率コアを包含する。通常、薄膜堆積テクニックまたはエピタキシャル成長を使用して膜が製造される。コアとクラッディングの間に大きな屈折率の差を伴うシングル・モード導波路（高コントラスト導波路システム）は、表面における高い場の強度に起因して、より大きな感度を提供する。高屈折率コントラストを伴うシングル・モード平面導波路は、光の波長（約２５０ｎｍ−３００ｎｍ）の２分の１を超えると、認め得る程度の強度を伴わない導波路の表面から離れるエバネッセント場の急激な減衰を可能にするが、低率コントラスト・モノ・モードおよびマルチモード構成は、通常、１−２μｍの侵入深度を呈する。保護層６は、さらに別の実施態様において、光学微細構造３の（たとえば、光導波路の）５０％に等しいか、またはそれより小さい厚さを有する。この厚さは、３０％未満というように、より小さくすることさえ、あるいは１０％未満にさえすることが可能である。保護層６は、より厚い層が、可能性として、検知媒体の、第一に光学的なエバネッセント場に対するアクセス可能性に影響を及ぼし、第二には、全体の光学的な挙動を実質的に劣化させ得たことから、５０％に等しいか、またはそれより小さく選択された。光学微細構造３内のエバネッセント場が存在する限定された距離に起因して、保護層６が、好都合にも可能な限り薄くなる。
【００２７】
光学微細構造３内における導波の伝播は、横電界（ＴＥ）偏波導波または横磁界（ＴＭ）偏波導波のいずれかになることが可能である。ＴＥ波は、平面導波路の表面と平行な電界ベクトルを有し、ＴＭ波は、平面導波路の表面と垂直な電界ベクトルを有する。光学微細構造３の全体的な感度は、導波路の材料およびその設計に強く依存する。具体的に述べれば、指数関数的に減衰する電界と保護層６の厚さのオーバーラップを最適化し、導波路の表面における電界強度を最大化することが、光学アッセンブリ１の検出感度の最適化を可能にする。実際問題としては、薄い保護層６が、より厚い保護層６と比較して光学微細構造３の外側において高い量のエバネッセント場を有することを導く。保護層６は、光学微細構造３がサポートする導波の偏波がいずれであるかとは無関係に、任意のタイプの光学微細構造３に適用可能である。薄い防食性の保護層６を使用する利点は、光学微細構造３の導波路全体の、それの表面の劣化を伴うことなく、環境との光学的相互作用を可能にすること、およびその結果としての生物学的またはそのほかの腐食性の環境内における長い寿命である。
【００２８】
例示的な実施態様においては、光学微細構造３が、環境に曝露される、螺旋の特定の長さ（通常、クラッディング領域内における分析物との最大相互作用のための最適な長さ）の導波路である。光は、導波モードまたは環境とオーバーラップするモードのエバネッセント・テールを有するべく構成された螺旋導波路によってガイドされる。環境との光の相互作用は、光のスペクトル振幅に影響を与える。
【００２９】
例示的な実施態様においては、光学微細構造３が、コンパクトな波長選択デバイスのマイクロリング共振器（ＭＲＲ）になる。３ポートＭＲＲの場合においては、「イン・ポート」（光学カップリング・イン）、「スルー・ポート」（光学カップリング・アウト）、および「ドロップ・ポート」（光学カップリング・アウト）として知られる３つのポートが提供される。光信号がＭＲＲの「イン・ポート」を通過するとき、その光信号の一部がキャビティ内にエバネッセント結合され、それがリングの周りを伝播し、後の、「イン・ポート」から到来する信号の到着部分と干渉する。（キャビティの場と到来信号の場の）弱め合う干渉が、光の殆どを「スルー・ポート」に渡す結果をもたらし、強め合う干渉が、入力パワーの殆どがリングを回り、最終的に、再びエバネッセント結合を通じて「ドロップ・ポート」に現れる結果をもたらす。言い換えると、共振波長周りの光が、「ドロップ・ポート」内にピークとして、また「スルー・ポート」内にディップとして現れる。ＭＲＲの共振波長は、生物学的および化学的な応用のための強力なエバネッセント場光学系として使用するために利用されるエバネッセント場の変化による影響を強く受ける。より一般的に言えば、系の損失（伝播損および結合損）に応じて、光が内側にとどまり、リングのＱ値によって決定される「Ｎ」の回数にわたってリングを周回する。これは、一方において、事実上、分析物との相互作用を増加し、他方においては、周囲を取り囲む環境におけるあらゆる小さな変化に対して極めて敏感にもなる。
【００３０】
例示的な実施態様においては、光学微細構造３が、スロット導波路に基づく導波構造である。スロット導波路は、低屈折率のスロット領域によって分離された高屈折率の２つのアームを包含する。（たとえば、ｅビームまたは深ＵＶリソグラフィのいずれかによるＳＯＩテクノロジで製造される）光スロット導波路内においては、高屈折率コントラスト材料の間のインターフェースにおける電界の不連続が、低屈折率材料のナノメートル・スケールのエリア（ギャップ領域）の内側の高い光閉じ込めを可能にする。多様な光学微細構造が、螺旋導波路、マイクロリング共振器、ディスク共振器、および１次元フォトニック結晶等のスロット導波路を使用して実現することが可能である。スロット導波構造の有効屈折率と組み合わされるスロット領域内に築き上げられる非常に高い場の強度は、それの環境の屈折率における変化に対して非常に敏感であり、それが効率的な光学センサになる。
【００３１】
図３は、本発明のさらなる実施態様に従った光学アッセンブリ１の略図的な２次元断面図を示している。この実施態様においては、光学微細構造３が基板２にエッチングされ、結果として光学的相互作用エリア４が、表面５内のパターン化された谷になる。この実施態様における保護層６は、エッチングされた谷および光学微細構造３の表面５に対して共形である。
【００３２】
さらに別の実施態様においては、保護層６が、基板２の後ろおよびエッジの側に広がる。このことは、保護層６を適用するための処理ステップの観点から有利となり得る。図４は、本発明のこの実施態様に従った光学アッセンブリ１の略図的な２次元断面図を示している。図３に示されている実施態様と同様に、これにおいても光学微細構造３が基板２にエッチングされ、結果として光学的相互作用エリア４が、表面５内のパターン化された谷になる。
【００３３】
本発明のさらなる実施態様においては、保護層６が光学的に透明である（光学的損失が低い）。さらなる実施態様においては、電磁スペクトルの可視波長領域または赤外線（ＩＲ）領域において透明とすることが可能である。これは、近ＩＲ波長領域（７００ｎｍと２５００ｎｍの間）内または中ＩＲ波長領域（２．５μｍから８μｍまで）内とすることが可能である。光学アッセンブリ１は、これらの波長領域、たとえば、グルコースが特定の吸収ピークまたは散乱共振を有する領域における使用のために適合させることができる。たとえば、光学アッセンブリを、グルコースが多くの吸収帯を有し、水が比較的低い吸収を有する第一倍音帯（１５００ｎｍから１８５０ｎｍまで）および／またはコンビネーション帯（２０８０ｎｍから２３２５ｎｍまで）において動作するために適合させることができる。使用する波長範囲をいずれにするかという選択は、たとえば、利用可能な放射線源に基づくことも可能である。
【００３４】
この出願の中での光または放射線に対してなされた参照は、電磁放射線を言う。企図されている光は、物質の検知のため、すなわち検出または作像のための適切な波長または波長の範囲を有する放射線である。いくつかの実施態様においては、使用される光が、可視光放射線またはＩＲ放射線、たとえば、近ＩＲ放射線または中ＩＲ放射線になる。いくつかの実施態様においては、放射線が、７００ｎｍと２５００ｎｍの間または２．５μｍと８μｍの間の波長または波長範囲、あるいはこれらの組み合わせを有するが、本発明の実施態様がそれに限定されることはない。たとえば、シリコン・フォトニクスのための製造および集積化テクノロジは、約１５５０ｎｍに中心を置くテレコミュニケーション波長範囲において良好に開発され、それを、本発明の光学アッセンブリ１の容易かつ信頼性があり、コスト効果的な製造のために利用することが可能である。
【００３５】
図５は、本発明の光学アッセンブリ１のさらに別の実施態様を略図的に表現した断面図を示している。この実施態様においては、光学アッセンブリ１が、基板２に取り付けられるか、または集積された処理回路７を包含する。放射線源８および検出器が、処理回路７に接続されている。インターフェース回路９（たとえば、電子回路）が、処理回路７、少なくとも１つの放射線源８、および検出器に接続されている。この実施態様の光学アッセンブリ１は、たとえば、移植可能なセンサ、（部分的に）浸漬されるセンサ、または浮遊するセンサ）であり、光学的相互作用エリア４と接触する物質の光学検知のために、動作する処理回路７、放射線源８、少なくとも１つの検出器および／またはインターフェース回路９（有線または無線）が配されている。保護層６は、光学アッセンブリ１の光学的相互作用エリア４を覆う。検出器は、光信号を電気信号に変換するべく光学アッセンブリ１内に集積できる。検出器を、処理回路７の一部とすること、または別々のデバイスとして配することは可能である。処理回路７において処理済みの放射線を処理した後、インターフェース回路９を介して出力信号を生成できる。インターフェース回路９は、光学アッセンブリ１に入出するデータおよび電力の伝送を容易にする。
【００３６】
図５に示されているとおり、放射線源８およびインターフェース回路９は、処理回路７に電気的に接続され、かつそれによってコントロールされ、放射線源８および検出器は、光学微細構造３と光通信する。処理回路７は、たとえば、フォトニック集積回路として実装され、放射線源８から放射される、たとえば、物質を検知するために使用される放射線をスペクトル的にコントロールするため、および検知信号を処理するため（光学的または電子的に）に配される。処理回路７は、光学アッセンブリ１内にモノリシックに、ハイブリッドで、または不均一に集積化される電子または流体回路を包含できる。言い換えると、光学アッセンブリは、放射線源８から向けられ、光学微細構造３の光学的相互作用エリア４と接触している物質と相互作用した放射線を取り込むために配することができる。処理回路７は、導波路、マルチプレクサ、デマルチプレクサ、カプラ、スプリッタ、フィルタ等の複数の集積構成要素、および可調要素さえも包含できる。処理回路７は、波長依存態様で放射線を処理するために適合される。本発明の少なくともいくつかの実施態様においては、処理回路７は、光学構成要素を包含できる。処理回路７は、たとえば、マルチプレクサもしくはデマルチプレクサまたはそれらの一部、干渉計またはそれの一部、集積型光学キャビティ、集積型光学共振器、集積型光カプラ、導波路、格子、あるいはこれらの組み合わせとして作用する。処理回路７は、たとえば、チップに入出する放射線の結合および分離のためのカプラを包含できる。カプラの１つの例は、オンチップ回折格子とすることができる。チップ上で放射線を取り込むカプラは、光学設計テクニックを使用して最適な量の光を取り込むために最適化できる。処理回路７は、干渉計、可調フィルタ、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）、平面凹面格子（ＰＣＧ）、またはこれらの組み合わせとすることができる。フォトニック集積回路ベースの放射線プロセッサを、処理回路７として使用し、光学アッセンブリ１の小型化を可能にできることは、この実施態様の利点である。小型化は、体液の自然な流れ、または、たとえば、生き物の中に存在する物質の自然な拡散が、物質の検知および連続監視の可能性を可能にするほど、デバイスをコンパクトにすることを可能にする。また、たとえば、検知が光学的特徴記述を使用して実行され、したがって、試薬またはそのほかの補助剤を必要としないことも利点である。これらの利点は、結果として信頼性があり、ユーザの有意のインタラクションの必要性を伴うことなく長期にわたって使用可能な光学アッセンブリ１をもたらす。
【００３７】
図６は、本発明の光学アッセンブリ１のさらに別の実施態様を略図的に表現した断面図を示している。この実施態様においては、光学アッセンブリ１が、基板２に取り付けられるか、または集積された処理回路７を包含し、処理回路７に接続される放射線源／検出器８を伴う。インターフェース回路９は、処理回路７および放射線源／検出器８に接続される。この実施態様においては、保護層６が、光学アッセンブリ１の基板２の全表面を覆う。
【００３８】
代替または追加の実施態様においては、光学マイクロシステム・アッセンブリ１が移植可能なセンサになる。センサは、人間を含む生き物の体内の物質を検知するためのものとすることが可能であるが、本発明がそれに限定されることはない。生き物は、センサを移植することが可能な任意の生物であってもよい。たとえば、それは、植物または、哺乳または非哺乳動物等の動物であってもよい。それを、変温または恒温動物であってもよい。いくつかの好ましい実施態様においては、センサがグルコースを検知するために提供されるが、センサは、そのほかの、尿素、乳汁、クレアチニン、中性脂肪、タンパク質、コレステロール、およびエタノール等の物質を検知するためにも提供される。したがって、それに代えて、またはそれに加えて、物質が組織自体も含むことができ、たとえば血管、神経、癌組織、細胞変化等の作像目的のために検知を実行することができる。注意を要するが、検知が実行される波長は、検知されることになる物質によって主に決定されることができる。検知される、すなわち、検出されるか、作像されるか、または監視されることになる異なる物質の選択は、したがって結果として、グルコースについて説明したものに類似するが、別の波長領域における機能可能性または変換器をそのために有する構成要素を使用する必要性に帰する可能性がある。便宜上、本発明の実施態様を、グルコース検知を参照してさらに述べるが、この分野の当業者には、実施態様および例の中での説明に必要な変更を加えて、異なる波長における物質または異なる物質の検知の実施態様に適用可能であることは明らかになるであろう。センサは、たとえば、特定の検出素子および／または放射線源をはじめ、光学プロセッサ内に使用されている光学構成要素によって、近ＩＲ放射線の波長範囲内、たとえば、７００ｎｍと２５００ｎｍの間の範囲内において使用されるべく適合させることができる。
【００３９】
光学アッセンブリ１のフォトニックおよび／または電子構成要素は、たとえば、モノリシックに、不均一に、またはハイブリッド法によって集積化することが可能である。モノリシック集積化は、単一の処理フローを使用して、可能性としては異なる材料を使用する多様な構成要素、たとえば、シリコン・フォトニック集積回路（ＩＣ）内のエピタキシャル成長ゲルマニウム検出器を処理する集積テクノロジである。不均一集積化は、構成要素が別々の処理フロー内で処理され、その後、ダイまたはウェファ・レベルにおいて、たとえば、ＢＣＢボンディング、ウェファ・ボンディング、そのほかのボンディング・スキーム、または３Ｄ集積化で集積される集積テクノロジである。ハイブリッド集積化は、処理済みのフォトニック集積プラットフォーム上における構成要素または材料の集積であり、たとえば、検出器のフリップ・チップ、バンピング、接着、ワイヤ・ボンディング、共パッケージング等である。
【００４０】
本発明の実施態様のデバイスおよび方法は、Ｓｉ、Ｓｉ互換材料、ＩＩＩ−Ｖ群の材料、ポリマ、ＳｉＮ／ＳｉＯｘを含む広範な材料について説明されている。例示的な実施態様においては、本発明が、光学アッセンブリ１がＳｉＮベースの材料実装となる実施態様に関係する。ＳｉＮは、高度に集積されたフォトニック回路のための非常に興味深い材料実装である。高屈折率コントラストは、小さいチップ上に多様な機能を集積することが可能となるように、サブミクロン寸法のフォトニック導波路および導波路構成要素が、非常に小さいスケールで光をガイドし、曲げ、コントロールすることを可能にする。
【００４１】
ＳＯＩベースの光学微細構造３は、好都合な高レベルの小型化を可能にする。さらにまた、光学微細構造３への光の入出の効率的な結合を、たとえば格子カプラまたは別の結合素子の使用によって可能にする。ＳＯＩの使用は、いくつかの技術的な利点も有する。ＣＭＯＳ産業に起因して、シリコン・テクノロジは、パフォーマンス、リソグラフィ精度、再現性、およびスループットの見地から、ほかのあらゆる平面チップ製造テクニックを数桁の規模で凌ぐ成熟レベルに到達している。ナノフォトニックＩＣは、ウェファ・スケールのプロセスを用いて製造することが可能であり、このことは、ウェファが、多数のフォトニック集積回路を含むことが可能であることを意味する。比較的控えめなコストにおける大型ウェファの商的な入手可能性と組み合わせると、これは、光学アッセンブリ１当たりの価格が非常に低くなり得ることを意味する。
【００４２】
本発明は、さらなる態様において、光学アッセンブリ、たとえば、この中に説明されている実施態様のいずれかに従った光学アッセンブリ１を製造する方法に関し、当該方法は、基板２に光学的相互作用エリア４を形成する集積された光学微細構造３を提供すること、および少なくとも光学的相互作用エリア４の上に保護層６を提供することを包含する。上で論じたとおり、保護層６は、光学的相互作用エリア４の外部表面に対して共形に提供でき、それのための処理の代替手段を、上で論じたとおり好都合に使用できる。使用する堆積テクニック（特に、保護層６を堆積するため）は、保護層６の特性のうちの１つまたは複数を強化または最適化するべく選択することができる。代替実施態様においては、非多孔質の層として保護層６を提供させるべく堆積方法を最適化することができる。
【００４３】
保護層６を適用する方法は、多くの薄膜製造テクノロジのうちの１つを使用することができ、それ自体は周知である。たとえば、これを、化学蒸着堆積法（ＣＶＤ）、プラズマ強化化学蒸着堆積法（ＰＥＣＶＤ）、原子層堆積法（ＡＬＤ）、スパッタリング、パルス・レーザ堆積法（ＰＬＤ）、または分子ビーム・エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）堆積テクニックとすることが可能である。ＰＥＣＶＤ法を使用する場合には、光学微細構造３の光学的な透明性およびそのほかの光学的特性に影響を与えることなく、それのトップの保護層６としてＳｉＣまたはＤＬＣ層を堆積するための主ガスとしてシランおよびメタンを使用することが可能であるが、それに限定されることはない。保護層６は、光学微細構造３を製造するために使用される製造方法（たとえば、フォトリソグラフィおよび乾式反応性エッチングによって構造化またはパターン化される）とまったく同じ製造方法を使用して堆積し、構造化することが可能である。
【００４４】
以上、図面に示されているとおり、例示的な実施態様のうちのいくつかを参照して本発明を説明してきた。いくつかの部品または要素の修正および代替実装は可能であるが、それらは、付随する特許請求の範囲内に定義されるとおりの保護の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【００４５】
１  光学アッセンブリ、光学マイクロシステム・アッセンブリ、移植可能な光学センサ
２  基板
３  光学微細構造
４  光学的相互作用エリア
５  表面
６  保護層
７  処理回路
８  放射線源
９  インターフェース回路
【図１】
2020515869.tif 000003
【図２】
2020515869.tif 000004
【図３】
2020515869.tif 000005
【図４】
2020515869.tif 000006
【図５】
2020515869.tif 000007
【図６】
2020515869.tif 000008
【国際調査報告】
2020515869.tif 000009
2020515869.tif 000010
2020515869.tif 000011