シリコンフォトニクス技術と光バイオセンサーへの展開
高橋志村博之
大輔

太縄
増田陽介
誠

佐々木浩紀

2030年までに達成すべき国際社会共通の17の目標としして、Internet of Things（IoT）ネットワーク向けの超小型て掲げられたSustainable Development Goals（SDGs）

光トランシーバーへの適用を目指し、国立研究開発法人に取り組む企業が増えている。OKIでも、SDGsに掲げられ新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）より委託た社会課題を解決するため新規分野に挑戦し、これまで光を受けた「超低消費電力型光エレクトロニクス実装システ

通信用に開発してきたシリコンフォトニクス技術をヘルスム技術開発」（光エレ実装PJ）に参画し、シリコンフォトニ

ケア向けの超小型の光バイオセンサーへと技術展開し、ウィクスの技術開発を進めてきた1）。

ルス類の高精度なリアルタイムセンシングなどへの応用を目指している。

図1に開発した一芯双方向光送受信チップの構成と試作したモジュールの写真を示す。IoTを支えるアクセスネッ

シリコンフォトニクス技術とは、CPUやメモリーの量産に使トワークとして期待される第5世代モバイルネットワークのわれるComplementary Metal Oxide Semiconductor

膨大な通信容量を収容するため、上り下り各4波長の波長（CMOS）技術を応用して、シリコンを主材料とした超微細多重を組み合わせたTime and Wavelength Division

な光回路をSilicon On Insulator（SOI）ウェハ上に低コスMultiplexing（TWDM）に対応した集積チップ構成となっトで製造する技術である。一方、バイオセンサーとは、生体ている2）。光エレ実装PJを通して、多くの光機能デバイスを起源の分子認識機構を利用した化学センサーの総称であ開発してきたが、中でも偏波無依存を実現した波長フィルる。抗原抗体反応のような生体分子の特異な反応を電気ターや微弱な信号を内部増幅できる高感度なアバランシェ信号に変換し、検出するのがその基本原理である。この特フォトダイオード（APD）は、独自の構造を持つ大きな成果

異な反応をなんらかの手段を用いて電気信号に変換するであり3） 4）、光バイオセンサーの基本構成にも利用できる部分をトランデューサーといい、シリコンフォトニクス技術重要なデバイスである。なお、シリコンベースの光源は物が応用できる部分である。
光を用いたバイオセンサーとしては、表面プラズモン共理的に実現が困難なため、別途作製した半導体レーザーアレイをフリップチップ実装している。

鳴（SPR）を利用したセンサーが実用化されているが、反射光の角度依存性を測定する都合上、装置が大きくなるのに対し、シリコンフォトニクスを用いたバイオセンサーは、
ཷಙ㒊

原理的に可動部が無く装置が小型になることが期待される。また、センサーチップが極めて小さいためアレイ化によ㏦ಙ㒊る多数同時測定が容易という特徴がある。
バイオ技術は測定物質に依存し対象が非常に広いため、本稿では、測定対象によらず共通の基礎技術となるシリコンフォトニクス技術を中心に紹介する。

シリコンフォトニクスの概要と成果

1

図1

TWDM-PON 用送受信モジュールとチップ構成

シリコンフォトニクスは、シリコンをベースとすることで、光導波路や波長合分波フィルターなどのパッシブ素子だ

54

けでなく、変調器や受光器といった電気的に駆動できるア

シリコンフォトニクスを用いた光バイオセンサー

クティブ素子も同時に一括形成できることが大きな特徴で本稿では、「測定対象の物質を選択的に吸着し、その際ある。OKIは、このようなシリコンフォトニクスの特徴を生かに構造変化（屈折率変化）を起こすバイオ技術」と、「微小OKI テクニカルレビュー
2021 年 5 月／第 237 号 Vol.88 No.1

な屈折率変化を検出し、その光学的変化を受光器で電気等価屈折率の変化も大きく、観測される波長シフト量も大信号に変換するシリコンフォトニクス技術」を組み合わせきくなる。図2(b)の断面構造を考慮すると、シリコン導波路て構成されたセンサーデバイスを光バイオセンサーと定義からクラッド上部に染み出した電界成分（エバネッセントする。

波）の影響が大きいことは明らかである。ゆえに、
上部クラッバイオ技術で生じた屈折率変化を検出するには、
マッハツェンダー干渉計（MZI）やリング共振器の波長シフトで検ドのエッチング深さとその再現性は、デバイス構造の重要な制御パラメーターである。

出するのが基本である。MZIは、入射光を等分岐し、一方に屈折率差をつけた後に合波し、その位相差を光強度変化

䜶䝑䝏䞁䜾ຍᕤ䛻䜘䜛㛤ཱྀ㒊として検出するデバイスである。バイオ技術で生じる屈折率変化は小さいため、十分な位相差をつけるには、光路長を数mm程度と長くする必要があり、デバイスサイズが大きୖ㒊䜽䝷䝑䝗くなってしまう。一方、
リング共振器は、半径が〜数10μm程度と非常に小さく、Q値（共振波長ピークの鋭さの指標）が非常に高いため、微小な波長シフトでも大きな強度ୗ㒊䜽䝷䝑䝗

変化が得られる。したがって、将来のアレイ化による一括䝅䝸䝁䞁ᇶᯈ䝅䝸䝁䞁ᑟἼ㊰同時検査などを考慮して、本研究ではリング共振器を基本構造として選択した。

(a)

(b)

次にリング共振器を用いた光バイオセンサーの構造と

図2

光バイオセンサーの構造原理について説明する。図2(a)は、リング共振器の電子顕微鏡写真である。直線導波路に近接して、リング共振器が配置されている。入射光は、方向性結合器部を介して、共ගฟຊ

振波長のみがリング共振器に結合される。
リング共振器をගධຊ

周回する共振波長は、=2(a)と表される。neff は光導波路の等価屈折率、Rはリング共振器の半径、mは次数（正）である。共振波長は、等価屈折率に比例するので、等価屈折率の変化が大きくなる構造の模索が大きな設計指針である。(b)は、リング共振器部の導波路断面構造である。光導波路の直上の上部クラッドをエッチングで除去して開口部を形成した。

(b)
図3(c)
光バイオセンサーの動作原理

このようなリング共振器を用いた光バイオセンサーの動作原理を図3に示す。形成したクラッドの開口部にSi-tag 5）と呼ばれる抗体結合タンパク質を介して抗体がシリコン導光バイオセンサーチップの設計と試作波路上に固定される（図3(a)、図3(b)）。このとき、別途形

前章で述べたように、リング共振器型光バイオセンサー成したマイクロ流路を介して検出対象の抗原が抗体に補の設計で重要なことは、屈折率変化による波長シフト量と足されると、その濃度に比例して導波路周辺の屈折率がQ値の大きさである。

瞬時に変化することになる（図3(c)）。導波路周辺の屈折率が変化したときの等価屈折率の変化は、

本 研 究で採 用している光 導 波 路は、幅 4 4 0 n m 、高さ220nmの扁平な断面形状をし、偏波依存性が存在する。すなわち、電界が水平方向であるTransverse Electric（TE）モードと垂直方向であるTransverse Magnetic（TM）モードで伝搬特性が大きく異なる。通常の通信波長帯では、扱いやすいで表すことができる。したがって、屈折率変化の空間分布TEモードを用いるのが一般的であるが、本研究ではTMモー∆n(x,y)と光の電界分布E(x,y)が重なる部分が大きいほどドを利用する。これは、導波路上に開口部を設けた場合、TM

O K I テクニカルレビュー
2021 年 5 月／第 237 号 Vol.88 No.1

55

モードの方がより大きな屈折率変化を感じるからである。

変 化を再 現した。また、測 定には 、エッチング 残し厚を図4(a)はTEモードの電界分布、図4(b)はTMモードの電界分50nm以下に調整したリング共振器を使用した。

布を計算したもので、両者を比較すると、TMモードの方が図6(a)に示すリング共振器の透過スペクトルの測定結果導波路の上下方向に広く分布していることがよく分かる。

から、ピーク波長を屈折率に対してプロットした図が図6(b)図5に、実測した開口部のエッチング残し厚と波長シフトである。傾きが、波長シフト係数を表し、およそ224nm/RIU係数の関係を示す。TEモードよりもTMモードの感度が高であった。この値は、図5の計算値と概ね一致する。また、

いこと、残し厚が薄くなるほど波長シフト係数が大きくなり、図6(a)の共振ピークの半値幅から見積もったQ値は、およそ4000であった。この値は、シリコンリング共振器として妥当ではあるが決して高くはなく、伝搬損失の低減、共振とエッチング加工時のダメージを考慮し、わずかに上部ク器長の増大、結合効率の低減によって、1桁程度の増大がラッドを残すのが良い。

期待できる6）。
㻜㻝㻡㻢㻜㻙㻡㻝㻡㻡㻤䝢䞊䜽Ἴ㛗㼇㼚㼙㼉㏱㐣⋡㼇㼐㻮㼉

感度が高いことが確認できる。シリコン導波路直上のクラッドを全て除去することが理想だが、実用上は、面内均一性㻙㻝㻜㻙㻝㻡㻙㻞㻜㻝㻚㻠㻥㻙㻞㻡㻝㻡㻡㻜ᑟἼ㊰ୖ㒊䜽䝷䝑䝗ୗ㒊䜽䝷䝑䝗
ୖ㒊䜽䝷䝑䝗ୗ㒊䜽䝷䝑䝗㼅ᗙᶆ䚷㼇䃛㼙㼉㻝㻚㻡㻠

屈折率変化と共振波長シフトサーについて紹介する。特性の良かった光バイオセンサー㼅ᗙᶆ䚷㼇䃛㼙㼉(a)

チップ（シリフォトチップ）に、入出力用光ファイバー、結合用レンズ、温度調整用ペルチェ素子などを取り付けて光バ(b)
図4

㻝㻚㻡㻝
ᒅᢡ⋡

最後に、扱いやすいようにモジュール化した光バイオセン





㻝㻡㻡㻜
㻝㻚㻠㻤





㻝㻡㻢㻜

(b)

図6



㻝㻡㻡㻡Ἴ㛗㼇㼚㼙㼉㼥㻌㻩㻌㻞㻞㻟㻚㻤㼤㻌㻗㻌㻝㻞㻝㻤㻝㻡㻡㻞㻝㻚㻡㻞ᑟἼ㊰㟁⏺ᙉᗘ >DX@㟁⏺ᙉᗘ >DX@㻝㻚㻡㻝㻝㻡㻡㻠(a)㻝㻚㻡㻜㻝㻡㻡㻢イオセンサーモジュールを試作した（図7）。これにより、実TE モードと TM モード際に抗原抗体反応を評価することが可能となった。モジュール化前後で特性に大きな変化はなく、微細なリング共振器デバイスの評価が簡単にできることを確認している。

㻞㻡㻜㼀㻹Ἴ㛗䝅䝣䝖ಀᩘ㼇㼚㼙㻛㻾㻵㼁㼉㻞㻜㻜䝅䝸䝣䜷䝖䝏䝑䝥㼀㻱㻝㻡㻜ୖ㒊䜽䝷䝑䝗ୗ㒊䜽䝷䝑䝗㻝㻜㻜䝅䝸䝁䞁ᑟἼ㊰䜶䝑䝏䞁䜾ṧ䛧ཌගධຊ㼀㻱㼀㻹㻡㻜ගฟຊ䝺䞁䝈䝺䞁䝈䝨䝹䝏䜵⣲Ꮚ㻜㻜㻡㻜㻝㻜㻜㻝㻡㻜㻞㻜㻜

㻞㻡㻜

図7

モジュール化した光バイオセンサー䜶䝑䝏䞁䜾ṧ䛧ཌ㼇㼚㼙㼉
図5

波長シフト係数とエッチング残し厚まとめ
これまで、光通信用に開発してきたシリコンフォトニクス

56

次に、波長シフト係数を求めるために、リング共振器の技術のヘルスケア分野への技術展開を検討した。シリコン共振波長の屈折率依存性を調べた。ここでは、屈折率調整フォトニクス技術を用いた微細なリング共振器の基礎評価液（n=1.49、1.50、1.51、1.52）を用いて、疑似的に屈折率を行い、超小型あるいは多チャンネルの光バイオセンサー

OKI テクニカルレビュー
2021 年 5 月／第 237 号 Vol.88 No.1

の実現に向けた確認ができた。ウィルス類の高精度なリア佐々木浩紀：Hironori Sasaki. イノベーション推進センター

ルタイムセンシングを可能にし、日々の体調管理や感染症ビジネス推進部の拡大防止への応用を目指すことが今後の方針である。ま志村大輔：Daisuke Shimura. イノベーション推進センター

た、同様に抗原抗体反応が利用できるアレルギー物質やセンシング技術研究開発部環境ホルモンなどのセンシングへの応用も期待できる。さ増田誠：Makoto Masuda. イノベーション推進センター

らに、食品や医療、セキュリティなど幅広い応用が期待されセンシング技術研究開発部

る匂い検知への適用も検討している。

謝辞
この成果の一部は、国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の委託業務（JPNP13004）の結果得られたものです。
広島大学ナノデバイス・バイオ融合科学研究所の雨宮嘉照特任助教には、光バイオセンサーチップの加工でご協力していただきました。この場を借りて深くお礼申し上げます。

シリコンフォトニクス
Complementary metal oxide semiconductor（CMOS）
技術を用いて、SOI（Silicon On Insullator）
基板上にシリコンを主材料とした光機能素子を高密度に集積する技術。
フリップチップ実装
半導体LDチップをひっくり返して（＝フリップ）実装する方法。
シリコンフォトニクス集積チップ上の電極と半導体LDの表面に形成された電極をはんだバンプを介して直接接合するため、ワイヤが不要で実装面積を小さくできる。

1）「超低消費電力型光エレクトロニクス実装システム技術開発」プロジェクト
http://www.petra-jp.org/pj_pecjs/index.html

抗原抗体反応
生体に侵入した異物（抗原）と抗体の特異な結合によって生じる反応のことで、免疫反応ともいう。

2）八重樫浩樹：シリコンフォトニクス技術を用いたIoTネッ
トワーク向け超小型トランシーバーの開発、OKIテクニカル
レビュー第229号、Vol.84 No.1、pp.56-59、2017年5月

Q値（Quality Factor）
共振器の共振波長の鋭さを表す。共振波長λ0、半値幅FWHMとすると、

3）Y. Onawa, et al.: Polarization insensitive wavelength
demultiplexer using arrayed waveguide grating andQ factor =0と表せる。

polarization rotator/splitter,
Electro. Letters, Vol.55, Issue.8, pp.475-476 (2019)4）H. Ono, et al.: Si Photonics Butt-Coupled Waveguide
Germanium Avalanche Photodiodes with Lateral SAM
Structures, OFC 2019.Th2A.95）池田丈、本村圭、阿部陽介、雨宮嘉照、福山正隆、廣田隆一、横山新、黒田章夫：シリカ結合タンパク質を用いた半導体バイオ融合デバイス開発、第62回日本生物工学会大会、トピックス集、pp.43-44、2010年9月
6）W. Bogaerts, et al.: Silicon microring resonators,
Laser Photonics Rev.6, No.1, pp.47-73 (2012).

高橋博之：Hiroyuki Takahashi. イノベーション推進センター
センシング技術研究開発部
太縄陽介：Yosuke Onawa. イノベーション推進センター
センシング技術研究開発部

O K I テクニカルレビュー
2021 年 5 月／第 237 号 Vol.88 No.157