微小物質検出センサおよびそれを有する微小物質検出装置
【課題】検出感度を高めたリング共振型の微小物質検出センサおよびそれを有する微小物質検出装置を提供する。
【解決手段】リング状の第１の導波路からなる光リング共振器と、光リング共振器と近接して配置された第２の導波路とを含む。第１の導波路は、方形状の断面形状を有するコアを含む。光リング共振器は、コアの断面における特定の辺に対応する表面部分で被検出物質と接触するように構成されている。コアの断面形状は、コアから被検出物質へ向かう方向と平行な方向の第１の長さが、コアから被検出物質へ向かう方向と垂直な方向の第２の長さと比較して、より短くなるように構成される。
【解決手段】リング状の第１の導波路からなる光リング共振器と、光リング共振器と近接して配置された第２の導波路とを含む。第１の導波路は、方形状の断面形状を有するコアを含む。光リング共振器は、コアの断面における特定の辺に対応する表面部分で被検出物質と接触するように構成されている。コアの断面形状は、コアから被検出物質へ向かう方向と平行な方向の第１の長さが、コアから被検出物質へ向かう方向と垂直な方向の第２の長さと比較して、より短くなるように構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小物質を検出するための微小物質検出センサおよびそれを有する微小物質検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光学デバイスを用いて微生物などの微小物質を検出するための微小物質検出センサが実用化されている。このような微小物質検出センサは、バイオセンサとも称されており、このセンサを用いることで、各種の微小物質の有無、その量、その種類などを検出することができる。このような微小物質検出センサの動作原理としては、光学デバイスの周囲に検出対象の微小物質（被検出物質）が付着することで、当該光学デバイスが示す光学特性が変化することを利用している。
【０００３】
例えば、特開２００８−３０４２１６号公報（特許文献１）には、光学デバイスとして光リング共振器を用いた物質検知装置が開示されている。このような光リング共振器を用いる場合には、その光リング共振器の周囲に微生物が付着するように構成するとともに、光リング共振器での共振波長の変化を検出できるように構成される。この光リング共振器での共振波長の変化は、微生物の付着によって光リング共振器の屈折率が変化することに起因している。特に、特開２００８−３０４２１６号公報（特許文献１）には、波長選択性を有しない第１の光導波路と共振結合する位置に第２の光導波路を配置してマイクロリング共振器を形成するとともに、第２の光導波路に、検出対象の物質が入り得る孔を設ける構成が開示されている。
【０００４】
また、特開２００５−３３１６１４号公報（特許文献２）には、光学デバイスとして光導波路を用いた導波路型光センサが開示されている。この特許文献２に開示される導波路型光センサでは、導波方向を変更して往復するコアから検出領域を構成するとともに、コアの一部でスラブ型分光部を構成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−３０４２１６号公報
【特許文献２】特開２００５−３３１６１４号公報
【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、上述の特許文献１に開示される物質検知装置では、マイクロリング共振器の一部に孔を設けた構造を採用しており、構造が複雑化する上に、光リング共振器としての性能（光共振性）が損なわれるという課題がある。また、特許文献１に開示される物質検知装置は、単に、被検出物質が存在するか否かを検出するものであり、その量を検出することはできない。
【０００７】
また、上述の特許文献２に開示される導波路型光センサでは、光リング共振器を用いる場合に比較して、より長い光導波路を用いる必要があり、製造上のコストが増加するとともに、共振構造を有していないために検出感度を高めることが難しいという課題がある。また、光を被検出物質にしみ出させるためにコアを露出する必要があり、長期保存時にデバイスとしての安定性が損なわれるという課題もある。
【０００８】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、検出感度を高めたリング共振型の微小物質検出センサおよびそれを有する微小物質検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のある局面に従う微小物質検出センサは、リング状の第１の導波路からなる光リング共振器と、光リング共振器と近接して配置された第２の導波路とを含む。第１の導波路は、方形状の断面形状を有するコアを含む。光リング共振器は、コアの断面における特定の辺に対応する表面部分で被検出物質と接触するように構成されている。コアの断面形状は、コアから被検出物質へ向かう方向と平行な方向の第１の長さが、コアから被検出物質へ向かう方向と垂直な方向の第２の長さと比較して、より短くなるように構成される。
【００１０】
好ましくは、光リング共振器は、第１の導波路がシングルモード条件を満足するように構成される。
【００１１】
さらに好ましくは、コアの断面形状は、シングルモード条件を満足するとともに、第１の長さと第２の長さとのアスペクト比が所定条件を満足するように構成される。
【００１２】
好ましくは、光リング共振器は、コアを伝搬する光波の電界振動方向が、コアから被検出物質へ向かう方向と一致するように構成される。
【００１３】
好ましくは、光リング共振器は、被検出物質が第１の導波路のリング形状に対応する一方の環状面の全部または一部に接触するように構成される。
【００１４】
好ましくは、光リング共振器は、被検出物質が第１の導波路のリング形状に対応する内径面または外形面の全部または一部に接触するように構成される。
【００１５】
好ましくは、第２の導波路は、伝搬する光波のスポットサイズを整合するためのスポットサイズ変換導波路を含む。
【００１６】
この発明の別の局面に従う微小物質検出装置は、リング状の第１の導波路からなる光リング共振器と、光リング共振器と近接して配置された第２の導波路と、第１の導波路の一方端に接続され、光を発生する光源と、第１の導波路の他方端に接続され、光源からの光を検出する検出部とを含む。第１の導波路は、方形状の断面形状を有するコアを含む。光リング共振器は、コアの断面における特定の辺に対応する表面部分で被検出物質と接触するように構成されている。コアの断面形状は、コアから被検出物質へ向かう方向と平行な方向の第１の長さが、コアから被検出物質へ向かう方向と垂直な方向の第２の長さと比較して、より短くなるように構成される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、検出感度を高めたリング共振型の微小物質検出センサおよびそれを有する微小物質検出装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態に従う微小物質検出装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態に従う微小物質検出装置を構成する微小物質検出センサ１の全体構成を示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態に従うサンプルの一例を示す模式図である。
【図４】本実施の形態に従う光リング共振器の光導波路の断面構造を示す模式図である。
【図５】有限差分法を用いて計算した実効屈折率のコアの高さについての依存性を示す図である（ＴＥモード）。
【図６】有限差分法を用いて計算した実効屈折率のコアの高さについての依存性を示す図である（ＴＭモード）。
【図７】実効屈折率の変化の外部屈折率変化についての依存性を示す図である（ＴＥモード）。
【図８】実効屈折率の変化の外部屈折率変化についての依存性を示す図である（ＴＭモード）。
【図９】サンプルＳＭＰへ向かう方向の電界振幅を示す図である（比較例）。
【図１０】サンプルＳＭＰへ向かう方向の電界振幅を示す図である（実施例）。
【図１１】図１２に示すシミュレーションでのモード数の定義を示す表である。
【図１２】有限差分法を用いて計算した許容される導波モードのコアのサイズについての依存性を示す図である。
【図１３】本実施の形態の変形例に従う光リング共振器の光導波路の断面構造を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２０】
［Ａ．概要］
本実施の形態に従う微小物質検出センサは、光リング共振器を用いて微小物質を検出する。特に、光リング共振器においては、光導波路を構成するコアとクラッドとについて、コアの厚さを、シングルモード条件を満足させるとともに、サンプルが存在する方向に薄くすることで、サンプル側への光波の電磁界成分のしみ出し量を増加させる。これにより、光リング共振器の共振条件の変化量をより大きくし、検出感度を高めることができる。
【００２１】
本実施の形態に従う光導波路では、コアの周囲がクラッドで覆われているため、コアの酸化等による劣化を防止し、デバイスを長期間安定に保つことができる。
【００２２】
また、本実施の形態に従う光リング共振器では、コアを伝搬する光波の電界振動方向が、コアとサンプルとを結ぶ方向と一致するように構成されることが好ましい。これにより、コアからサンプルへ向かう電界強度をより高めることができる。
【００２３】
また、スポットサイズ変換導波路を用いることで、光ファイバなどの既存の光導波路との接続を容易化できる。
【００２４】
［Ｂ．装置構成］
図１は、本発明の実施の形態に従う微小物質検出装置ＳＹＳの全体構成を示す模式図である。図２は、本発明の実施の形態に従う微小物質検出装置ＳＹＳを構成する微小物質検出センサ１の全体構成を示す模式図である。
【００２５】
図１を参照して、微小物質検出装置ＳＹＳは、微小物質検出センサ１と、微小物質検出センサ１に検出用の光を供給する光源１０と、微小物質検出センサ１を通過した後の光を検出する検出部２０とを含む。
【００２６】
本実施の形態に従う微小物質検出装置ＳＹＳにおいては、微小物質検出センサ１における共振条件の変化を観測することで、被検出物質を検出する。そのため、光源１０は、微小物質検出センサ１における共振波長を含む波長範囲の光波を発生するように構成される。なお、微小物質検出センサ１における設計バラツキなどを考慮して、ある程度のマージンをもった波長範囲を有する光源１０を用いることが好ましい。
【００２７】
検出部２０は、上述のような微小物質検出センサ１における共振条件の変化を観測できるような検出範囲（波長感度）を有する。具体的には、微小物質検出センサ１の共振波長を含む所定波長における光量を検出するためのフィルタおよびフォトディテクタなどから構成される。なお、検出部２０として、分光光学系を採用して、スペクトルを検出するようにしてもよい。
【００２８】
図２を参照して、微小物質検出センサ１は、リング状の光導波路を有する光リング共振器（マイクロリング共振器）３と、光リング共振器３と近接して配置された直線状の光導波路とを有する。この微小物質検出センサ１は、基材としての基板２を有しており、この基板２の上に、コア（光導波路コア）およびクラッド（光導波路クラッド）からなる光導波路が形成される。すなわち、基板２の上面には、主として、相対的に屈折率の低い材料からなるクラッド４が形成されるとともに、光を伝搬させる経路に対応して、相対的に屈折率の高い材料からなるコア３１および３２が形成されている。すなわち、コア３２とクラッド４とにより、光リング共振器３を構成する光導波路が形成され、コア３１とクラッド４とにより、光源１０からの光を伝搬させるための光導波路が形成される。
【００２９】
コア３１の入射端３４には光源１０が接続され、コア３１の出射端３５には検出部２０が接続される。また、コア３１は、コア３２（光リング共振器３）の一部と近接して配置される。この結果、コア３１とコア３２との間には、電磁気的（光学的）な相互作用を生じることになる。すなわち、直線状の光導波路は、リング状の光導波路と電磁的に接続される、方向性結合部３３を含むことになる。
【００３０】
図１に示す微小物質検出装置ＳＹＳにおいては、被検出物質が光リング共振器３を構成する光導波路のリング形状に対応する一方の環状面の全部または一部に接触するように構成される。すなわち、測定時には、被検出物質を吸着したサンプルＳＭＰを微小物質検出センサ１の上側表面に接触配置する。これにより、光リング共振器３は、リング状の光導波路の断面における特定の辺に対応する表面部分で被検出物質と接触することになる。
【００３１】
図３は、本発明の実施の形態に従うサンプルＳＭＰの一例を示す模式図である。例えば、タンパク質を被検出物質とする場合には、当該タンパク質を捕捉する抗体といった吸着物質を下地層として用いることができる。図３に示すように、多数の吸着物質１０２を含むサンプルＳＭＰを用いて、被検出物質１０４を捕捉する。このように被検出物質１０４が捕捉された状態のサンプルＳＭＰを微小物質検出装置ＳＹＳの上表面に配置することで、そのサンプルＳＭＰに含まれる被検出物質の量や種類などを測定できる。
【００３２】
特に、本実施の形態に従う微小物質検出装置ＳＹＳにおいては、このような被検出物質に対する検出感度を高めるために、シングルモード条件を満たしながら光導波路のコア３２の厚さをサンプルＳＭＰが存在する方向について薄くすることで、サンプルＳＭＰ側に光導波路の電磁界成分をしみ出させることである。これにより、光リング共振器３を用いた微小物質検出センサの検出感度を高めることができる。
【００３３】
以下、光リング共振器３を用いた微小物質を検出するための原理について説明した後、本実施の形態に従う光リング共振器３の構造について詳述する。あわせて、このような扁平した断面形状を有するコア３２を採用することで検出感度を高めることができる理由についても説明する。
【００３４】
［Ｃ．光リング共振器による検出原理］
次に、光リング共振器３を用いて微小物質を検出するための原理について説明する。
【００３５】
上述したように、微小物質を高感度に検出するためのセンサとして光共振器を応用することが注目されている。一般的な光共振器に使用される光導波路の構造としては、直線形状の光導波路を形成し、その両端面で光波が繰返し反射により位相をそろえて重ねることで共振させるものと、閉じたリング形状として光波がそのリングを一周した後に位相が重なるように光路長を設定することで共振させるものなどがある。
【００３６】
リング形状の共振器は、光導波路内での反射構造が必要ないため、構成を簡素化できるとともに、反射による光路損失が小さく効率の高い共振が得られるというメリットがある。
【００３７】
そのため、本実施の形態に従う微小物質検出装置ＳＹＳにおいては、リング状の光導波路を有する光リング共振器３を採用する。
【００３８】
この光リング共振器３を微小物質検出センサとして用いる場合には、光リング共振器３へ光のエネルギーが集中する効果と、共振器近傍にある物質によって光リング共振器３の共振条件がずれる効果とを利用することになる。
【００３９】
光リング共振器３においては、光波は、光導波路の屈折率に幾何行路長を乗じた光路長（実効行路長）がその波長の整数倍と一致している場合のみに存在できる。この条件を満たさない場合には急激に光リング共振器３内での光量が減衰する。
【００４０】
ここで、光リング共振器３の周囲に微小物質が付着した場合には、光リング共振器３の共振条件がずれるため、この共振条件のずれを観測することで、周囲の媒質の屈折率変化を高感度に検出できる。また、光リング共振器３が共振条件を満たした状態において、光リング共振器３の周囲に電磁界が集中するため、この現象を利用して、光リング共振器３の周囲に配置した蛍光物質を高効率で光らせることもできる。
【００４１】
次に、光リング共振器３の共振条件について説明する。
図１に示す微小物質検出装置ＳＹＳにおいて、コア３１の入射端３４から入射された光（所定幅にわたる波長成分を有するものとする）は、方向性結合部３３を介して光リング共振器３へ伝えられる。この光のうち、光リング共振器３での共振条件を満たした波長成分のみが光リング共振器３内に閉じ込められることになる。
【００４２】
この結果、共振条件を満たした波長についてみれば、コア３１の入射端３４から出射端３５までの透過率が大きく低下する。光リング共振器３の共振波長は、光導波路（コア３２）の実効屈折率Ｎｅｆｆと光リング共振器３の共振器長Ｌとを用いて、（１）式のように示すことができる。ここで、ｍは共振次数（整数）、λは真空中における光の波長を示す。
【００４３】
【数１】
【００４４】
上述したように、微小物質検出センサ１を特定の物質を検出するバイオセンサとして利用する場合には、サンプルＳＭＰを光リング共振器３に近接配置する。あるいは、クラッド４の上部に流路を設けて、流路表面に被検出物質のみを付着させる下地層を形成してもよい。例えば、タンパク質を被検出物質とする場合には、抗体などを含む下地層を用いて検出対象のタンパク質を捕捉するとともに、それを水溶させたサンプルを光リング共振器３の表面に配置してもよい。
【００４５】
光リング共振器３の表面に被検出物質が存在すると、その被検出物質の量に応じて、（１）式に示す実効屈折率Ｎｅｆｆが変化する。この結果、光リング共振器３の共振条件が初期状態から変化するため、初期状態と比較して光リング共振器３の透過率が大きく変動することになる。この透過率の変動を観測することで、サンプルＳＭＰ中における被検出物質の存在の有無や被検出物質の濃度などを測定することができる。
【００４６】
なお、光リング共振器３の透過率を観測することで、被検出物質を測定する例を示したが、例えば、被検出物質に蛍光標識をつけておくことで、発生する蛍光の量によって被検出物質の存在や量を特定することもできる。
【００４７】
［Ｄ．光リング共振器の構造］
次に、光リング共振器３の構造について説明する。
【００４８】
上述した（１）式に示すように、微小物質検出センサにおける検出感度を高めるためには、被検出物質に起因して実効屈折率Ｎｅｆｆが大きく変化することが重要である。そこで、本実施の形態に従う光リング共振器３においては、被検出物質に起因して実効屈折率Ｎｅｆｆを大きく変化させるための構成を採用する。以下、光リング共振器３の構造について説明する。
【００４９】
図４は、本実施の形態に従う光リング共振器３の光導波路の断面構造を示す模式図である。なお、図４に示す断面構造は、図２に示すＩＶ−ＩＶ破断線に対応する。
【００５０】
図４を参照して、光リング共振器３は、基板２の上に形成された光導波路によって構成される。より具体的には、図４に示す光リング共振器３においては、リング形状の（光導波路）コア３２（コア材料の屈折率ｎｃｏｒｅ）が形成されるとともに、コア３２の周囲に（光導波路）クラッド４（クラッド材料の屈折率ｎｃｌａｄ）が形成されている。
【００５１】
コア３２は、方形状の断面形状（高さＨ×幅Ｗ）を有する。本実施の形態に従う光リング共振器３においては、その中を伝搬する光波の伝搬モードがシングルモードとなるように設計されることが好ましい。そのため、光リング共振器３の光導波路がシングルモード条件を満足するように、コア３２の断面形状（幅Ｗ×高さＨ）などが設計される。
【００５２】
また、コア３２とサンプルＳＭＰとの間に存在するクラッド４の厚さＤは、光リング共振器３のコア３２を伝搬する光波の電磁界成分のサンプルＳＭＰ側へのしみ出し量が実質的に影響する程度の厚さに設計されている。すなわち、コア３２を伝搬する光波がある程度の割合でしみ出るように、クラッド４の厚さＤが決定される。このため、サンプルＳＭＰ中に被検出物質５３が存在する場合には、直線状の光導波路（コア３１）を伝搬する光波の実効屈折率Ｎｅｆｆがより大きく変化する。
【００５３】
特に、本実施の形態に従う光リング共振器３のコア３２は、光リング共振器３の光導波路についてシングルモード条件を満たしつつ、（光導波路）コア３２の断面形状をサンプルＳＭＰが存在する側に薄くするように設計される。すなわち、コア３２の断面形状は、コア３２からサンプルＳＭＰへ向かう方向と平行な方向の長さ（高さＨ）が、コア３２からサンプルＳＭＰへ向かう方向と垂直な方向の長さ（幅Ｗ）と比較して、より短くなるように構成される。言い換えると、コアの高さＨは、コアの幅Ｗよりも薄くなるように構成される。
【００５４】
言い換えれば、コア３２の断面形状は、（１）シングルモード条件、および、（２）高さＨ＜幅Ｗとの条件のいずれをも満足するように設計される。
【００５５】
このような構造を採用することで、光リング共振器３の光導波路（コア３２）による、光波の閉じ込め作用は、サンプルＳＭＰが存在する側に相対的に弱くなり、電磁界漏れ成分を大きくできる。すなわち、光リング共振器３を伝搬する光波の一部が被検出物質の側により多く「しみ出す」ことになる。このような「しみ出す」効果によって、被検出物質との間の相互作用が生じて、光リング共振器３にける共振条件の変化量が増大し、その結果、検出感度を高めることができる。
【００５６】
なお、コア３２の断面形状は、上記の２つの条件に加えて、結合効率の観点から、アスペクト比（高さＨと幅Ｗとの比）の大きさが所定範囲に制限されることが好ましい。このようなコア３２の実際の設計例については、後述する。
【００５７】
［Ｅ．設計手順］
次に、光リング共振器３の具体的な設計手順について示す。
【００５８】
本実施の形態に従う微小物質検出装置ＳＹＳにおいて使用される光波の一例としては、１．３〜１．６［μｍ］の波長帯域を有する近赤外線が考えられる。このような近赤外線の波長帯域では、光導波路を構成するコアの材料としては、シリコン（Ｓｉ）が考えられる。
【００５９】
リング共振器および光導波路などの集積といった応用を考えた場合、光導波路のスポットサイズ（ビーム断面積）が小さいことが望ましい。スポットサイズに関係する量として、比屈折率差Δが知られている。この比屈折率差Δは、（２）式のように示すことができる。ここで、ｎｃｏｒｅはコア材料の屈折率、ｎｃｌａｄはクラッドの屈折率を示す。なお、理論的には、比屈折率差Δは、０＜Δ＜０．５の範囲の大きさをとる。
【００６０】
【数２】
【００６１】
スポットサイズを小さくするためには、光導波路が（２）式で定義される比屈折率差Δの値が０．２以上であることが望ましい。このような高い比屈折率差Δを有する光導波路は、高屈折率差導波路と称される。
【００６２】
また、高速信号伝搬における波形乱れに起因する分散の影響を避けるためには、存在する伝搬モードが単一となる、いわゆるシングルモード条件を満たしていることが望ましい。本発明の実施の形態に従う微小物質検出装置ＳＹＳを構成する光導波路のような、２次元のスラブ導波路におけるシングルモード条件は既知である。例えば、参考文献１（岡本勝就著、“フォトニクスシリーズ１３ 光導波路の基礎”、コロナ社、１９９２年）などに、シングルモード条件について詳述されているので参照されたい。
【００６３】
また、３次元矩形導波路については、実用上は、等価屈折率法、有限差分法、および有限要素法などの手法を用いてシングルモード条件を求めることができる。
【００６４】
一般的に光導波路に用いられる誘電体材料を材質（屈折率）で示すと、以下のようになる。
【００６５】
波長１．３〜１．５［μｍ］帯においては、コア材料として、シリコンＳｉ（３．４８）があり、クラッド材料または低屈折率層の材料として、ＳｉＯｘ（１．４〜３．４８）やＡｌ２Ｏ３（１．８）などがある。このとき、比屈折率差Δとしては、０．００１〜０．４２といった範囲の値に設計することができる。
【００６６】
波長４００〜８００［ｎｍ］の可視帯域においては、コア材料として、ＧａＡｓ（３．３）やＳｉ（３．７）などがあり、クラッド材料または低屈折率層の材料として、Ｔａ２Ｏ５（２．５）やＳｉＯｘ（１．４〜３．７）などがある。このとき比屈折率差Δとしては、０．００１〜０．４１といった範囲の値に設計することができる。
【００６７】
上述したもの以外にコアに用いることができる高屈折率材料（波長域）としては、以下のような例が挙げられる。
【００６８】
（１）ダイヤモンド（可視全域）
（２）ＩＩＩ−Ｖ族半導体：ＡｌＧａＡｓ（近赤外，赤）、ＧａＮ（緑，青）、ＧａＡｓＰ（赤，橙，青）、ＧａＰ（赤，黄，緑）、ＩｎＧａＮ（青緑，青）、ＡｌＧａＩｎＰ（橙，黄橙，黄，緑）
（３）ＩＩ−ＶＩ族半導体：ＺｎＳｅ（青）
上述したもの以外にクラッドまたは低屈折率層に用いることができる材料としては、炭化シリコンＳｉＣ、弗化カルシウムＣａＦ、チッ化シリコンＳｉ３Ｎ４、酸化チタンＴｉＯ２、ダイヤモンドＣなどが挙げられる。
【００６９】
本実施の形態に係るデバイスでは、上述したような材料に限定されず、例えば、ＴｉＯ２，ＳｉＮ，ＺｎＳなどの複数の材料を組み合わせたり、フォトニック結晶構造を用いたりすることで、比屈折率差Δの値をある程度自由に設計することができる。
【００７０】
また、モードフィールド径を０．５［μｍ］程度に小さくするためには、例えば、コア屈折率を３．５程度にすることで、比屈折率差Δを０．４程度まで高めた高屈折率差導波路を用いる方法を採用してもよい。
【００７１】
次に、近赤外線の波長帯域の光源を用いる場合の具体的なコアサイズの具体例について説明する。
【００７２】
一例として、光導波路を伝搬する光波の設計波長を１．３１［μｍ］とし、基板２（図４参照）として石英（屈折率１．４４）を用い、コア３２（図４参照）としてシリコン（屈折率３．４８）を用い、クラッド４として石英を用いることとする。また、サンプルＳＭＰは、被検出物質５３を含んだ水（屈折率１．３３）を想定する。ここで、コア３２の幅Ｗ（図４参照）を３００［ｎｍ］（固定）とする。
【００７３】
上述のような前提条件下において、コア３２からサンプルＳＭＰへ向かう方向におけるコア３２の大きさである、コア３２の高さＨ（図４参照）を変化させると、設計波長を有する光波が光導波路の中を伝搬することが許容される伝搬モードの数が変化する。図５には、その状態を示す。
【００７４】
ここで、光導波路（コア３２）を伝搬する光波のうち、基板２に対して平行な方向の電界成分を主とするモードをＴＥモードと称し、基板２に対して垂直な方向の電界成分を主とするモードをＴＭモードと称する。すなわち、ＴＥモードにおいては、コア３２を伝搬する光波の主たる電界成分の方向が基板２の表面に平行な方向と一致し、ＴＭモードにおいては、コア３２を伝搬する光波の主たる電界成分の方向が基板２とサンプルＳＭＰとを結ぶ方向と一致する。
【００７５】
「シングルモード条件」は、ＴＥモードおよびＴＭモードがそれぞれ１つしか存在しない条件に相当する。シングルモード条件については、上述したとおり、有限差分法や有限要素法などの手法を用いて計算できる。
【００７６】
図５および図６は、有限差分法を用いて計算した実効屈折率Ｎｅｆｆのコア３２の高さＨについての依存性を示す図である。図５にはＴＥモードについての解析結果を示し、図６にはＴＭモードについての解析結果を示す。
【００７７】
図５を参照して、ＴＥモードについてのシングルモード条件としては、コア３２の高さＨが３００［ｎｍ］以下となり、ＴＭモードについてのシングルモード条件としては、コア３２の高さＨが３００［ｎｍ］以下となる。
【００７８】
一般的には、光導波路の対称性を良くするために、断面形状が正方形のコアが採用される。そこで、以下の検討においては、比較例として、コア３２からサンプルＳＭＰへ向かう方向と垂直な方向のコア３２の大きさである幅Ｗを３００［ｎｍ］とし、コア３２からサンプルＳＭＰへ向かう方向のコア３２の大きさであるコアの高さＨを３００［ｎｍ］とするコア（比較例）を考える。
【００７９】
これに対して、本実施の形態に従う光リング共振器３の光導波路を構成するコア３２として、コア３２からサンプルＳＭＰへ向かう方向と垂直な方向のコア３２の大きさである幅Ｗが３００［ｎｍ］であり、コア３２からサンプルＳＭＰへ向かう方向のコア３２の大きさであるコアの高さＨが２５０［ｎｍ］である断面形状を有するコア３２（実施例）を考える。すなわち、コア３２からサンプルＳＭＰへ向かう方向のコア３２の長さであるコアの高さＨは、サンプルＳＭＰへ向かう方向と垂直な方向のコア３２の長さである幅Ｗより短くなるように構成される。
【００８０】
なお、このような幅Ｗおよび高さＨに設定したとしても、図５および図６に示すとおり、ＴＥモードおよびＴＭモードがそれぞれ１つしか存在しないため、このコアサイズは、ＴＥモードおよびＴＭモードのいずれの場合もシングルモード条件を満たしていることになる。このように、サンプルＳＭＰへ向かう方向のコア３２の長さ（この場合には、高さＨ）がシングルモード条件を満たしつつ、サンプルＳＭＰへ向かう方向と垂直な方向の長さ（この場合には、幅Ｗ）より短く設計することで、検出感度を高めることができる。以下、検出感度を高めることができる原理について説明する。
【００８１】
光リング共振器３に近接した位置に被検出物質５３が存在することで、サンプルＳＭＰの平均屈折率Ｎ１が変化する。検出感度を高めるためには、サンプルＳＭＰの平均屈折率Ｎ１の変化に対する、光リング共振器３における共振波長（共振条件）の変化を大きくすることが重要である。（１）式から、初期波長λ０に対する相対的な波長変動の大きさを計算すると、（３）式のように示すことができる。ここで、ｍは共振次数（整数）、Ｎ０は初期状態における光導波路の実効屈折率Ｎｅｆｆの値を示す。
【００８２】
【数３】
【００８３】
（３）式によれば、サンプルＳＭＰの平均屈折率Ｎ１の変化に対する共振波長の変化の大きさは、平均屈折率Ｎ１の変化に対する実効屈折率Ｎｅｆｆの変化の大きさとみなすことができる。すなわち、測定の感度を上げることは平均屈折率Ｎ１の変化に対するＮｅｆｆの変化を大きくすることと同じである。
【００８４】
そこで、ＴＥモードおよびＴＭモードのそれぞれについて、平均屈折率Ｎ１の変化（Δｎｏｕｔ）に対する実効屈折率Ｎｅｆｆの変化量（（Ｎｅｆｆ−Ｎ０）／Ｎ０）の大きさについて評価した。
【００８５】
より具体的には、上述したような比較例のコア（幅Ｗ：３００［ｎｍ］×高さ：３００［ｎｍ］）を採用した場合と、本実施の形態に従うコア（幅Ｗ：３００［ｎｍ］×高さ：２５０［ｎｍ］）を採用した場合とを比較した。なお、現実の計算方法としては、有限要素法を用いた導波路解析を採用した。
【００８６】
図７および図８は、実効屈折率の変化の外部屈折率変化についての依存性を示す図である。すなわち、図７には、ＴＥモード（ＴＥ０：０次モード）について、平均屈折率Ｎ１の変化量（Δｎｏｕｔ）に対する実効屈折率Ｎｅｆｆの変化量（（Ｎｅｆｆ−Ｎ０）／Ｎ０）の比較結果を示す。また、図８には、ＴＭモード（ＴＭ０：０次モード）について、平均屈折率Ｎ１の変化量（Δｎｏｕｔ）に対する実効屈折率Ｎｅｆｆの変化量（（Ｎｅｆｆ−Ｎ０）／Ｎ０）の比較結果を示す。
【００８７】
図７および図８においては、平均屈折率Ｎ１を１．０〜１．４まで変化させた場合の計算例を示す。また、図７および図８においては、断面形状が正方形のコア（比較例）についての特性を丸印（●）で示し、断面形状が長方形のコア３２（実施例）についての特性を角印（■）で示す。
【００８８】
図７に示すように、ＴＥモードについてみれば、本実施の形態に従う長方形のコア３２を採用することで、平均屈折率Ｎ１の変化量（Δｎｏｕｔ）に対する実効屈折率Ｎｅｆｆの変化量（（Ｎｅｆｆ−Ｎ０）／Ｎ０）、すなわち、検出感度を約１．７倍に高めることができる。
【００８９】
図８に示すように、ＴＭモードについてみれば、本実施の形態に従う長方形のコア３２を採用することで、平均屈折率Ｎ１の変化量（Δｎｏｕｔ）に対する実効屈折率Ｎｅｆｆの変化量（（Ｎｅｆｆ−Ｎ０）／Ｎ０）、すなわち、検出感度を約３．７倍に高めることができる。
【００９０】
図７および図８に示す比較結果によれば、ＴＥモードおよびＴＭモードのいずれにおいても、本実施の形態に従う長方形のコア３２を採用することで、検出感度を高めることができる。但し、その検出感度を高める効果は、ＴＥモードに比較してＴＭモードの方が著しい。この理由は、ＴＭモードにおいては、光波の電界の振動方向がサンプルＳＭＰの存在する方向と一致しているためであると考えられる。すなわち、ＴＭモードでは、コア３２に垂直な電界成分が多く存在するため、電束密度の連続性からコア３２からサンプルＳＭＰへ向かう電界強度を高めることができるためである。以下、この電束密度の連続性について検討する。
【００９１】
コア３２とクラッド４との境界における電束密度の境界条件（境界における連続性）に従うと、電界の境界面に対する法線方向の成分は、相対的に屈折率の低いクラッド４側で大きくなる。すなわち、コア３２とクラッド４との境界面において、サンプルＳＭＰへ向かう方向のコア３２側の電界成分Ｅｃｏｒｅとクラッド４側の電界成分Ｅｃｌａｄについて、（４）式に示す関係式が成立する。
【００９２】
【数４】
【００９３】
ここで、クラッド４側により多くの電界成分が分布するための、比屈折率差Δについての条件は、（５）式に示す不等式によって算出される。
【００９４】
【数５】
【００９５】
すなわち、比屈折率差Δ＞０．２５となるときに、サンプルＳＭＰへ向かう方向の電界成分が大きく分布することがわかる。
【００９６】
次に、ＴＭモードにおいて、サンプルＳＭＰへ向かう方向の電界成分を具体的に計算した。比較のため、断面形状が正方形のコア（比較例）を採用した場合と、断面形状が長方形のコア３２（実施例）を採用した場合とについてそれぞれ計算した。
【００９７】
図９および図１０は、サンプルＳＭＰへ向かう方向の電界振幅を示す図である。図９には、断面形状が正方形のコアを採用した光リング共振器（比較例）における計算結果を示し、図１０には、断面形状が長方形のコアを採用した光リング共振器（実施例）における計算結果を示す。
【００９８】
図９および図１０には、いずれも、ＴＭモード（ＴＭ０：０次モード）についての電界成分の大きさを示す。図９（ａ）および図１０（ａ）は、光導波路の断面における強度分布を示す。なお、図９（ａ）および図１０（ａ）のＸ軸は、基板２の表面に平行な方向に対応し、Ｙ軸は基板２に対して垂直な方向に対応する。一方、図９（ｂ）および図１０（ｂ）には、それぞれ図９（ａ）および図１０（ａ）に示す強度分布において、Ｘ＝０に対応する軸上の強度変化を示す。
【００９９】
図９と図１０とを比較すると、本実施の形態に従う光リング共振器３を採用することで、サンプルＳＭＰが存在する方向の電界成分が増大していることがわかる。このように、光導波路（コア３２）を伝搬する光波の電界振動方向が、コア３２とサンプルＳＭＰとを結ぶ方向と一致するように構成されることで、検出感度をより高めることができる。
【０１００】
次に、コア３２の好ましい断面形状について検討する。
まず、コア３２の断面形状は、（１）シングルモード条件、（２）高さＨ＜幅Ｗの条件、および、（３）アスペクト比の条件のいずれをも満足することが好ましい。（１）および（２）の条件については、上述したのでその内容については繰返さない。一方、（３）アスペクト比の条件については、光ファイバなどの対称性が良い光導波路との結合効率を所定レベルに維持するための条件である。例えば、参考文献２（河野健治著、“光結合系の基礎と応用”、現代工学社、１９９１年）に記述されているように、コア３２の幅Ｗと高さＨとのアスペクト比を４倍程度以内に抑えることが好ましい。すなわち、一般的に正方形または円状の断面形状を有する光ファイバを伝搬する光波のスポットサイズ（ｗ１）と、コア３２を伝搬する光波のスポットサイズ（ｗ２）との不整合が生じると、両者の間の結合効率は（６）式に示される。
【０１０１】
【数６】
【０１０２】
（６）式によれば、スポットサイズが４倍異なると、結合効率は１／５に低下する。そのため、アスペクト比は４倍程度以内に維持することが好ましい。
【０１０３】
このような条件を考慮して、コア３２の幅Ｗおよび高さＨを所定単位ずつ変化させて、当該光導波路において許容される導波モード数について計算した。なお、計算には、有限要素法を用いた。
【０１０４】
図１１は、図１２に示すシミュレーションでのモード数の定義を示す表である。図１２は、有限差分法を用いて計算した許容される導波モードのコアのサイズについての依存性を示す図である。
【０１０５】
このシミュレーションにおいては、許容される導波モード数について、図１１に示すような定義を採用した。すなわち、ＴＥモードまたはＴＭモードが少なくとも一つ存在する場合を導波モードが１つ存在するとみなすように定義している。例えば、モード数が「２」の場合は、少なくとも１つのＴＥモードと少なくとも１つのＴＭモードに加えて、さらに、少なくとも１つのＴＥモードまたはＴＭモードが存在する状態に相当する。図１１に示す表において、モード数が「１」である場合がシングルモード条件を満たしている状態に相当する。
【０１０６】
図１２には、モード数が「１」，「２」，「３」となる、幅Ｗに対する高さＨの限界値を示す。すなわち、図１２では、モード数が「１」となるために必要な高さＨをそれぞれの幅Ｗについて算出した値を白抜き丸印（○）で示している。コア３２の高さＨが、この白抜き丸印（○）をトレースすることで得られるライン（「１」と表記）より小さい場合には、モード数が「０」となり、光波が光リング共振器３の光導波路（コア３２）を伝搬できないことを意味する。従って、コア３２の幅Ｗに対する高さＨは、白抜き丸印（○）で示したラインより大きい（グラフにおいて右側に位置する）ことが必要である。
【０１０７】
また、図１２では、モード数が「２」となるために必要な高さＨをそれぞれの幅Ｗについて算出した値を白抜き三角（△）で示している。シングルモード条件を満足するためには、従って、コア３２の幅Ｗに対する高さＨは、白抜き三角（△）で示したライン（「２」と表記）より小さい（グラフにおいて左側に位置する）ことが必要である。
【０１０８】
以上が、（１）シングルモード条件を満足するための制約である。
次に、（２）高さＨ＜幅Ｗの条件を満足するためには、図１２に示すグラフにおいて、高さＨ＝幅Ｗの直線より下側に位置する必要がある。
【０１０９】
さらに、（３）アスペクト比の条件（アスペクト比が４以下）を満足するためには、図１２に示すグラフにおいて、高さＨ＝幅Ｗ／４の直線より上側に位置する必要がある。
【０１１０】
以上の制約をまとめると、図１２に示すグラフにおいて、４つの黒丸印（●）で示した点で囲まれた領域にコア３２のサイズを設定することが好ましい。
【０１１１】
以上のように、コア３２の断面形状は、シングルモード条件を満足するとともに、高さＨと幅Ｗとのアスペクト比が所定条件を満足するように構成される。
【０１１２】
［Ｆ．変形例］
（ｆ１．クラッドの変形例）
上述の実施の形態に従う光リング共振器においては、典型例として、クラッド４として石英を用いる構成について例示したが、これに限られることはない。すなわち、クラッド４は、コア３１，３２の材料よりも低い屈折率を有する材料であればよく、上部のクラッドは空気や水で構成してもよい。
【０１１３】
（ｆ２．サンプルＳＭＰの接触位置の変形例）
上述の実施の形態においては、被検出物質を吸着したサンプルＳＭＰを微小物質検出センサ１の上側表面に接触配置する構成について例示したが、サンプルＳＭＰを微小物質検出センサ１の接触させる位置は、これに限られない。例えば、サンプルＳＭＰを、光リング共振器（マイクロリング共振器）３のリング形状に対応する内径面または外形面の全部または一部に接触するように配置されてもよい。
【０１１４】
図１３は、本実施の形態の変形例に従う光リング共振器３の光導波路の断面構造を示す模式図である。図１３を参照して、本実施の形態の変形例に従う微小物質検出センサにおいては、サンプルＳＭＰは、基板２上においてコア３２の側面に（コア３２に並んで）配置されている。このとき、コア３２の断面形状としては、コア３２からサンプルＳＭＰへ向かう方向と垂直な方向の長さ（高さＨ）と比較して、コア３２からサンプルＳＭＰへ向かう方向と平行な方向の長さ（幅Ｗ）がより短くなるように構成される。言い換えると、コア幅Ｗはコア高さＨよりも薄くなるように構成される。
【０１１５】
図１３に示すような構造は、例えば、光リング共振器３の中心に孔を設けておき、流路などを通じて当該孔へサンプルＳＭＰを導入することによって実現できる。光導波路などの作成については、半導体リソグラフィなどの公知技術を用いて、高精度かつ安価に大量生産することができる。
【０１１６】
また、この場合には、ＴＥモードの光波を測定に用いることが好ましい。上述したように、検出感度を高めるためには、光導波路（コア３２）を伝搬する光波の電界振動方向が、コア３２からサンプルＳＭＰへ向かう方向と一致するように構成することが好ましい。図１３に示す構成においては、サンプルＳＭＰが基板２に対して平行な方向に位置することになるので、コア３２を伝搬する光波の主たる電界成分の方向が基板２の表面に平行な方向と一致するＴＥモードを採用することが好ましい。
【０１１７】
（ｆ３．スポットサイズ変換導波路）
既存の光ファイバなどの光導波路と微小物質検出センサ１とを接続するためには、伝搬する光波のスポットサイズを整合するためのスポットサイズ変換導波路を設けることが望ましい。より具体的には、図２に示す直線状の光導波路（コア３１）の入射端３４にスポットサイズ変換導波路を設け、光源１０（図１参照）などから供給される光を微小物質検出センサ１内に導くことになる。
【０１１８】
このようにスポットサイズ変換導波路を設けることで、一般的な光デバイスを用いることができるため、汎用性を高めることができる。そのため、本実施の形態に従う微小物質検出センサを用いた微小物質検出装置を容易に実現できる。
【０１１９】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１２０】
１ 微小物質検出センサ、２ 基板、３ 光リング共振器、４ クラッド、１０ 光源、２０ 検出部、３１，３２ コア、３３ 方向性結合部、３４ 入射端、３５ 出射端、５３，１０４ 被検出物質、１０２ 吸着物質、ＳＭＰ サンプル、ＳＹＳ 微小物質検出装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小物質を検出するための微小物質検出センサおよびそれを有する微小物質検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光学デバイスを用いて微生物などの微小物質を検出するための微小物質検出センサが実用化されている。このような微小物質検出センサは、バイオセンサとも称されており、このセンサを用いることで、各種の微小物質の有無、その量、その種類などを検出することができる。このような微小物質検出センサの動作原理としては、光学デバイスの周囲に検出対象の微小物質（被検出物質）が付着することで、当該光学デバイスが示す光学特性が変化することを利用している。
【０００３】
例えば、特開２００８−３０４２１６号公報（特許文献１）には、光学デバイスとして光リング共振器を用いた物質検知装置が開示されている。このような光リング共振器を用いる場合には、その光リング共振器の周囲に微生物が付着するように構成するとともに、光リング共振器での共振波長の変化を検出できるように構成される。この光リング共振器での共振波長の変化は、微生物の付着によって光リング共振器の屈折率が変化することに起因している。特に、特開２００８−３０４２１６号公報（特許文献１）には、波長選択性を有しない第１の光導波路と共振結合する位置に第２の光導波路を配置してマイクロリング共振器を形成するとともに、第２の光導波路に、検出対象の物質が入り得る孔を設ける構成が開示されている。
【０００４】
また、特開２００５−３３１６１４号公報（特許文献２）には、光学デバイスとして光導波路を用いた導波路型光センサが開示されている。この特許文献２に開示される導波路型光センサでは、導波方向を変更して往復するコアから検出領域を構成するとともに、コアの一部でスラブ型分光部を構成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−３０４２１６号公報
【特許文献２】特開２００５−３３１６１４号公報
【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、上述の特許文献１に開示される物質検知装置では、マイクロリング共振器の一部に孔を設けた構造を採用しており、構造が複雑化する上に、光リング共振器としての性能（光共振性）が損なわれるという課題がある。また、特許文献１に開示される物質検知装置は、単に、被検出物質が存在するか否かを検出するものであり、その量を検出することはできない。
【０００７】
また、上述の特許文献２に開示される導波路型光センサでは、光リング共振器を用いる場合に比較して、より長い光導波路を用いる必要があり、製造上のコストが増加するとともに、共振構造を有していないために検出感度を高めることが難しいという課題がある。また、光を被検出物質にしみ出させるためにコアを露出する必要があり、長期保存時にデバイスとしての安定性が損なわれるという課題もある。
【０００８】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、検出感度を高めたリング共振型の微小物質検出センサおよびそれを有する微小物質検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のある局面に従う微小物質検出センサは、リング状の第１の導波路からなる光リング共振器と、光リング共振器と近接して配置された第２の導波路とを含む。第１の導波路は、方形状の断面形状を有するコアを含む。光リング共振器は、コアの断面における特定の辺に対応する表面部分で被検出物質と接触するように構成されている。コアの断面形状は、コアから被検出物質へ向かう方向と平行な方向の第１の長さが、コアから被検出物質へ向かう方向と垂直な方向の第２の長さと比較して、より短くなるように構成される。
【００１０】
好ましくは、光リング共振器は、第１の導波路がシングルモード条件を満足するように構成される。
【００１１】
さらに好ましくは、コアの断面形状は、シングルモード条件を満足するとともに、第１の長さと第２の長さとのアスペクト比が所定条件を満足するように構成される。
【００１２】
好ましくは、光リング共振器は、コアを伝搬する光波の電界振動方向が、コアから被検出物質へ向かう方向と一致するように構成される。
【００１３】
好ましくは、光リング共振器は、被検出物質が第１の導波路のリング形状に対応する一方の環状面の全部または一部に接触するように構成される。
【００１４】
好ましくは、光リング共振器は、被検出物質が第１の導波路のリング形状に対応する内径面または外形面の全部または一部に接触するように構成される。
【００１５】
好ましくは、第２の導波路は、伝搬する光波のスポットサイズを整合するためのスポットサイズ変換導波路を含む。
【００１６】
この発明の別の局面に従う微小物質検出装置は、リング状の第１の導波路からなる光リング共振器と、光リング共振器と近接して配置された第２の導波路と、第１の導波路の一方端に接続され、光を発生する光源と、第１の導波路の他方端に接続され、光源からの光を検出する検出部とを含む。第１の導波路は、方形状の断面形状を有するコアを含む。光リング共振器は、コアの断面における特定の辺に対応する表面部分で被検出物質と接触するように構成されている。コアの断面形状は、コアから被検出物質へ向かう方向と平行な方向の第１の長さが、コアから被検出物質へ向かう方向と垂直な方向の第２の長さと比較して、より短くなるように構成される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、検出感度を高めたリング共振型の微小物質検出センサおよびそれを有する微小物質検出装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態に従う微小物質検出装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態に従う微小物質検出装置を構成する微小物質検出センサ１の全体構成を示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態に従うサンプルの一例を示す模式図である。
【図４】本実施の形態に従う光リング共振器の光導波路の断面構造を示す模式図である。
【図５】有限差分法を用いて計算した実効屈折率のコアの高さについての依存性を示す図である（ＴＥモード）。
【図６】有限差分法を用いて計算した実効屈折率のコアの高さについての依存性を示す図である（ＴＭモード）。
【図７】実効屈折率の変化の外部屈折率変化についての依存性を示す図である（ＴＥモード）。
【図８】実効屈折率の変化の外部屈折率変化についての依存性を示す図である（ＴＭモード）。
【図９】サンプルＳＭＰへ向かう方向の電界振幅を示す図である（比較例）。
【図１０】サンプルＳＭＰへ向かう方向の電界振幅を示す図である（実施例）。
【図１１】図１２に示すシミュレーションでのモード数の定義を示す表である。
【図１２】有限差分法を用いて計算した許容される導波モードのコアのサイズについての依存性を示す図である。
【図１３】本実施の形態の変形例に従う光リング共振器の光導波路の断面構造を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２０】
［Ａ．概要］
本実施の形態に従う微小物質検出センサは、光リング共振器を用いて微小物質を検出する。特に、光リング共振器においては、光導波路を構成するコアとクラッドとについて、コアの厚さを、シングルモード条件を満足させるとともに、サンプルが存在する方向に薄くすることで、サンプル側への光波の電磁界成分のしみ出し量を増加させる。これにより、光リング共振器の共振条件の変化量をより大きくし、検出感度を高めることができる。
【００２１】
本実施の形態に従う光導波路では、コアの周囲がクラッドで覆われているため、コアの酸化等による劣化を防止し、デバイスを長期間安定に保つことができる。
【００２２】
また、本実施の形態に従う光リング共振器では、コアを伝搬する光波の電界振動方向が、コアとサンプルとを結ぶ方向と一致するように構成されることが好ましい。これにより、コアからサンプルへ向かう電界強度をより高めることができる。
【００２３】
また、スポットサイズ変換導波路を用いることで、光ファイバなどの既存の光導波路との接続を容易化できる。
【００２４】
［Ｂ．装置構成］
図１は、本発明の実施の形態に従う微小物質検出装置ＳＹＳの全体構成を示す模式図である。図２は、本発明の実施の形態に従う微小物質検出装置ＳＹＳを構成する微小物質検出センサ１の全体構成を示す模式図である。
【００２５】
図１を参照して、微小物質検出装置ＳＹＳは、微小物質検出センサ１と、微小物質検出センサ１に検出用の光を供給する光源１０と、微小物質検出センサ１を通過した後の光を検出する検出部２０とを含む。
【００２６】
本実施の形態に従う微小物質検出装置ＳＹＳにおいては、微小物質検出センサ１における共振条件の変化を観測することで、被検出物質を検出する。そのため、光源１０は、微小物質検出センサ１における共振波長を含む波長範囲の光波を発生するように構成される。なお、微小物質検出センサ１における設計バラツキなどを考慮して、ある程度のマージンをもった波長範囲を有する光源１０を用いることが好ましい。
【００２７】
検出部２０は、上述のような微小物質検出センサ１における共振条件の変化を観測できるような検出範囲（波長感度）を有する。具体的には、微小物質検出センサ１の共振波長を含む所定波長における光量を検出するためのフィルタおよびフォトディテクタなどから構成される。なお、検出部２０として、分光光学系を採用して、スペクトルを検出するようにしてもよい。
【００２８】
図２を参照して、微小物質検出センサ１は、リング状の光導波路を有する光リング共振器（マイクロリング共振器）３と、光リング共振器３と近接して配置された直線状の光導波路とを有する。この微小物質検出センサ１は、基材としての基板２を有しており、この基板２の上に、コア（光導波路コア）およびクラッド（光導波路クラッド）からなる光導波路が形成される。すなわち、基板２の上面には、主として、相対的に屈折率の低い材料からなるクラッド４が形成されるとともに、光を伝搬させる経路に対応して、相対的に屈折率の高い材料からなるコア３１および３２が形成されている。すなわち、コア３２とクラッド４とにより、光リング共振器３を構成する光導波路が形成され、コア３１とクラッド４とにより、光源１０からの光を伝搬させるための光導波路が形成される。
【００２９】
コア３１の入射端３４には光源１０が接続され、コア３１の出射端３５には検出部２０が接続される。また、コア３１は、コア３２（光リング共振器３）の一部と近接して配置される。この結果、コア３１とコア３２との間には、電磁気的（光学的）な相互作用を生じることになる。すなわち、直線状の光導波路は、リング状の光導波路と電磁的に接続される、方向性結合部３３を含むことになる。
【００３０】
図１に示す微小物質検出装置ＳＹＳにおいては、被検出物質が光リング共振器３を構成する光導波路のリング形状に対応する一方の環状面の全部または一部に接触するように構成される。すなわち、測定時には、被検出物質を吸着したサンプルＳＭＰを微小物質検出センサ１の上側表面に接触配置する。これにより、光リング共振器３は、リング状の光導波路の断面における特定の辺に対応する表面部分で被検出物質と接触することになる。
【００３１】
図３は、本発明の実施の形態に従うサンプルＳＭＰの一例を示す模式図である。例えば、タンパク質を被検出物質とする場合には、当該タンパク質を捕捉する抗体といった吸着物質を下地層として用いることができる。図３に示すように、多数の吸着物質１０２を含むサンプルＳＭＰを用いて、被検出物質１０４を捕捉する。このように被検出物質１０４が捕捉された状態のサンプルＳＭＰを微小物質検出装置ＳＹＳの上表面に配置することで、そのサンプルＳＭＰに含まれる被検出物質の量や種類などを測定できる。
【００３２】
特に、本実施の形態に従う微小物質検出装置ＳＹＳにおいては、このような被検出物質に対する検出感度を高めるために、シングルモード条件を満たしながら光導波路のコア３２の厚さをサンプルＳＭＰが存在する方向について薄くすることで、サンプルＳＭＰ側に光導波路の電磁界成分をしみ出させることである。これにより、光リング共振器３を用いた微小物質検出センサの検出感度を高めることができる。
【００３３】
以下、光リング共振器３を用いた微小物質を検出するための原理について説明した後、本実施の形態に従う光リング共振器３の構造について詳述する。あわせて、このような扁平した断面形状を有するコア３２を採用することで検出感度を高めることができる理由についても説明する。
【００３４】
［Ｃ．光リング共振器による検出原理］
次に、光リング共振器３を用いて微小物質を検出するための原理について説明する。
【００３５】
上述したように、微小物質を高感度に検出するためのセンサとして光共振器を応用することが注目されている。一般的な光共振器に使用される光導波路の構造としては、直線形状の光導波路を形成し、その両端面で光波が繰返し反射により位相をそろえて重ねることで共振させるものと、閉じたリング形状として光波がそのリングを一周した後に位相が重なるように光路長を設定することで共振させるものなどがある。
【００３６】
リング形状の共振器は、光導波路内での反射構造が必要ないため、構成を簡素化できるとともに、反射による光路損失が小さく効率の高い共振が得られるというメリットがある。
【００３７】
そのため、本実施の形態に従う微小物質検出装置ＳＹＳにおいては、リング状の光導波路を有する光リング共振器３を採用する。
【００３８】
この光リング共振器３を微小物質検出センサとして用いる場合には、光リング共振器３へ光のエネルギーが集中する効果と、共振器近傍にある物質によって光リング共振器３の共振条件がずれる効果とを利用することになる。
【００３９】
光リング共振器３においては、光波は、光導波路の屈折率に幾何行路長を乗じた光路長（実効行路長）がその波長の整数倍と一致している場合のみに存在できる。この条件を満たさない場合には急激に光リング共振器３内での光量が減衰する。
【００４０】
ここで、光リング共振器３の周囲に微小物質が付着した場合には、光リング共振器３の共振条件がずれるため、この共振条件のずれを観測することで、周囲の媒質の屈折率変化を高感度に検出できる。また、光リング共振器３が共振条件を満たした状態において、光リング共振器３の周囲に電磁界が集中するため、この現象を利用して、光リング共振器３の周囲に配置した蛍光物質を高効率で光らせることもできる。
【００４１】
次に、光リング共振器３の共振条件について説明する。
図１に示す微小物質検出装置ＳＹＳにおいて、コア３１の入射端３４から入射された光（所定幅にわたる波長成分を有するものとする）は、方向性結合部３３を介して光リング共振器３へ伝えられる。この光のうち、光リング共振器３での共振条件を満たした波長成分のみが光リング共振器３内に閉じ込められることになる。
【００４２】
この結果、共振条件を満たした波長についてみれば、コア３１の入射端３４から出射端３５までの透過率が大きく低下する。光リング共振器３の共振波長は、光導波路（コア３２）の実効屈折率Ｎｅｆｆと光リング共振器３の共振器長Ｌとを用いて、（１）式のように示すことができる。ここで、ｍは共振次数（整数）、λは真空中における光の波長を示す。
【００４３】
【数１】
【００４４】
上述したように、微小物質検出センサ１を特定の物質を検出するバイオセンサとして利用する場合には、サンプルＳＭＰを光リング共振器３に近接配置する。あるいは、クラッド４の上部に流路を設けて、流路表面に被検出物質のみを付着させる下地層を形成してもよい。例えば、タンパク質を被検出物質とする場合には、抗体などを含む下地層を用いて検出対象のタンパク質を捕捉するとともに、それを水溶させたサンプルを光リング共振器３の表面に配置してもよい。
【００４５】
光リング共振器３の表面に被検出物質が存在すると、その被検出物質の量に応じて、（１）式に示す実効屈折率Ｎｅｆｆが変化する。この結果、光リング共振器３の共振条件が初期状態から変化するため、初期状態と比較して光リング共振器３の透過率が大きく変動することになる。この透過率の変動を観測することで、サンプルＳＭＰ中における被検出物質の存在の有無や被検出物質の濃度などを測定することができる。
【００４６】
なお、光リング共振器３の透過率を観測することで、被検出物質を測定する例を示したが、例えば、被検出物質に蛍光標識をつけておくことで、発生する蛍光の量によって被検出物質の存在や量を特定することもできる。
【００４７】
［Ｄ．光リング共振器の構造］
次に、光リング共振器３の構造について説明する。
【００４８】
上述した（１）式に示すように、微小物質検出センサにおける検出感度を高めるためには、被検出物質に起因して実効屈折率Ｎｅｆｆが大きく変化することが重要である。そこで、本実施の形態に従う光リング共振器３においては、被検出物質に起因して実効屈折率Ｎｅｆｆを大きく変化させるための構成を採用する。以下、光リング共振器３の構造について説明する。
【００４９】
図４は、本実施の形態に従う光リング共振器３の光導波路の断面構造を示す模式図である。なお、図４に示す断面構造は、図２に示すＩＶ−ＩＶ破断線に対応する。
【００５０】
図４を参照して、光リング共振器３は、基板２の上に形成された光導波路によって構成される。より具体的には、図４に示す光リング共振器３においては、リング形状の（光導波路）コア３２（コア材料の屈折率ｎｃｏｒｅ）が形成されるとともに、コア３２の周囲に（光導波路）クラッド４（クラッド材料の屈折率ｎｃｌａｄ）が形成されている。
【００５１】
コア３２は、方形状の断面形状（高さＨ×幅Ｗ）を有する。本実施の形態に従う光リング共振器３においては、その中を伝搬する光波の伝搬モードがシングルモードとなるように設計されることが好ましい。そのため、光リング共振器３の光導波路がシングルモード条件を満足するように、コア３２の断面形状（幅Ｗ×高さＨ）などが設計される。
【００５２】
また、コア３２とサンプルＳＭＰとの間に存在するクラッド４の厚さＤは、光リング共振器３のコア３２を伝搬する光波の電磁界成分のサンプルＳＭＰ側へのしみ出し量が実質的に影響する程度の厚さに設計されている。すなわち、コア３２を伝搬する光波がある程度の割合でしみ出るように、クラッド４の厚さＤが決定される。このため、サンプルＳＭＰ中に被検出物質５３が存在する場合には、直線状の光導波路（コア３１）を伝搬する光波の実効屈折率Ｎｅｆｆがより大きく変化する。
【００５３】
特に、本実施の形態に従う光リング共振器３のコア３２は、光リング共振器３の光導波路についてシングルモード条件を満たしつつ、（光導波路）コア３２の断面形状をサンプルＳＭＰが存在する側に薄くするように設計される。すなわち、コア３２の断面形状は、コア３２からサンプルＳＭＰへ向かう方向と平行な方向の長さ（高さＨ）が、コア３２からサンプルＳＭＰへ向かう方向と垂直な方向の長さ（幅Ｗ）と比較して、より短くなるように構成される。言い換えると、コアの高さＨは、コアの幅Ｗよりも薄くなるように構成される。
【００５４】
言い換えれば、コア３２の断面形状は、（１）シングルモード条件、および、（２）高さＨ＜幅Ｗとの条件のいずれをも満足するように設計される。
【００５５】
このような構造を採用することで、光リング共振器３の光導波路（コア３２）による、光波の閉じ込め作用は、サンプルＳＭＰが存在する側に相対的に弱くなり、電磁界漏れ成分を大きくできる。すなわち、光リング共振器３を伝搬する光波の一部が被検出物質の側により多く「しみ出す」ことになる。このような「しみ出す」効果によって、被検出物質との間の相互作用が生じて、光リング共振器３にける共振条件の変化量が増大し、その結果、検出感度を高めることができる。
【００５６】
なお、コア３２の断面形状は、上記の２つの条件に加えて、結合効率の観点から、アスペクト比（高さＨと幅Ｗとの比）の大きさが所定範囲に制限されることが好ましい。このようなコア３２の実際の設計例については、後述する。
【００５７】
［Ｅ．設計手順］
次に、光リング共振器３の具体的な設計手順について示す。
【００５８】
本実施の形態に従う微小物質検出装置ＳＹＳにおいて使用される光波の一例としては、１．３〜１．６［μｍ］の波長帯域を有する近赤外線が考えられる。このような近赤外線の波長帯域では、光導波路を構成するコアの材料としては、シリコン（Ｓｉ）が考えられる。
【００５９】
リング共振器および光導波路などの集積といった応用を考えた場合、光導波路のスポットサイズ（ビーム断面積）が小さいことが望ましい。スポットサイズに関係する量として、比屈折率差Δが知られている。この比屈折率差Δは、（２）式のように示すことができる。ここで、ｎｃｏｒｅはコア材料の屈折率、ｎｃｌａｄはクラッドの屈折率を示す。なお、理論的には、比屈折率差Δは、０＜Δ＜０．５の範囲の大きさをとる。
【００６０】
【数２】
【００６１】
スポットサイズを小さくするためには、光導波路が（２）式で定義される比屈折率差Δの値が０．２以上であることが望ましい。このような高い比屈折率差Δを有する光導波路は、高屈折率差導波路と称される。
【００６２】
また、高速信号伝搬における波形乱れに起因する分散の影響を避けるためには、存在する伝搬モードが単一となる、いわゆるシングルモード条件を満たしていることが望ましい。本発明の実施の形態に従う微小物質検出装置ＳＹＳを構成する光導波路のような、２次元のスラブ導波路におけるシングルモード条件は既知である。例えば、参考文献１（岡本勝就著、“フォトニクスシリーズ１３ 光導波路の基礎”、コロナ社、１９９２年）などに、シングルモード条件について詳述されているので参照されたい。
【００６３】
また、３次元矩形導波路については、実用上は、等価屈折率法、有限差分法、および有限要素法などの手法を用いてシングルモード条件を求めることができる。
【００６４】
一般的に光導波路に用いられる誘電体材料を材質（屈折率）で示すと、以下のようになる。
【００６５】
波長１．３〜１．５［μｍ］帯においては、コア材料として、シリコンＳｉ（３．４８）があり、クラッド材料または低屈折率層の材料として、ＳｉＯｘ（１．４〜３．４８）やＡｌ２Ｏ３（１．８）などがある。このとき、比屈折率差Δとしては、０．００１〜０．４２といった範囲の値に設計することができる。
【００６６】
波長４００〜８００［ｎｍ］の可視帯域においては、コア材料として、ＧａＡｓ（３．３）やＳｉ（３．７）などがあり、クラッド材料または低屈折率層の材料として、Ｔａ２Ｏ５（２．５）やＳｉＯｘ（１．４〜３．７）などがある。このとき比屈折率差Δとしては、０．００１〜０．４１といった範囲の値に設計することができる。
【００６７】
上述したもの以外にコアに用いることができる高屈折率材料（波長域）としては、以下のような例が挙げられる。
【００６８】
（１）ダイヤモンド（可視全域）
（２）ＩＩＩ−Ｖ族半導体：ＡｌＧａＡｓ（近赤外，赤）、ＧａＮ（緑，青）、ＧａＡｓＰ（赤，橙，青）、ＧａＰ（赤，黄，緑）、ＩｎＧａＮ（青緑，青）、ＡｌＧａＩｎＰ（橙，黄橙，黄，緑）
（３）ＩＩ−ＶＩ族半導体：ＺｎＳｅ（青）
上述したもの以外にクラッドまたは低屈折率層に用いることができる材料としては、炭化シリコンＳｉＣ、弗化カルシウムＣａＦ、チッ化シリコンＳｉ３Ｎ４、酸化チタンＴｉＯ２、ダイヤモンドＣなどが挙げられる。
【００６９】
本実施の形態に係るデバイスでは、上述したような材料に限定されず、例えば、ＴｉＯ２，ＳｉＮ，ＺｎＳなどの複数の材料を組み合わせたり、フォトニック結晶構造を用いたりすることで、比屈折率差Δの値をある程度自由に設計することができる。
【００７０】
また、モードフィールド径を０．５［μｍ］程度に小さくするためには、例えば、コア屈折率を３．５程度にすることで、比屈折率差Δを０．４程度まで高めた高屈折率差導波路を用いる方法を採用してもよい。
【００７１】
次に、近赤外線の波長帯域の光源を用いる場合の具体的なコアサイズの具体例について説明する。
【００７２】
一例として、光導波路を伝搬する光波の設計波長を１．３１［μｍ］とし、基板２（図４参照）として石英（屈折率１．４４）を用い、コア３２（図４参照）としてシリコン（屈折率３．４８）を用い、クラッド４として石英を用いることとする。また、サンプルＳＭＰは、被検出物質５３を含んだ水（屈折率１．３３）を想定する。ここで、コア３２の幅Ｗ（図４参照）を３００［ｎｍ］（固定）とする。
【００７３】
上述のような前提条件下において、コア３２からサンプルＳＭＰへ向かう方向におけるコア３２の大きさである、コア３２の高さＨ（図４参照）を変化させると、設計波長を有する光波が光導波路の中を伝搬することが許容される伝搬モードの数が変化する。図５には、その状態を示す。
【００７４】
ここで、光導波路（コア３２）を伝搬する光波のうち、基板２に対して平行な方向の電界成分を主とするモードをＴＥモードと称し、基板２に対して垂直な方向の電界成分を主とするモードをＴＭモードと称する。すなわち、ＴＥモードにおいては、コア３２を伝搬する光波の主たる電界成分の方向が基板２の表面に平行な方向と一致し、ＴＭモードにおいては、コア３２を伝搬する光波の主たる電界成分の方向が基板２とサンプルＳＭＰとを結ぶ方向と一致する。
【００７５】
「シングルモード条件」は、ＴＥモードおよびＴＭモードがそれぞれ１つしか存在しない条件に相当する。シングルモード条件については、上述したとおり、有限差分法や有限要素法などの手法を用いて計算できる。
【００７６】
図５および図６は、有限差分法を用いて計算した実効屈折率Ｎｅｆｆのコア３２の高さＨについての依存性を示す図である。図５にはＴＥモードについての解析結果を示し、図６にはＴＭモードについての解析結果を示す。
【００７７】
図５を参照して、ＴＥモードについてのシングルモード条件としては、コア３２の高さＨが３００［ｎｍ］以下となり、ＴＭモードについてのシングルモード条件としては、コア３２の高さＨが３００［ｎｍ］以下となる。
【００７８】
一般的には、光導波路の対称性を良くするために、断面形状が正方形のコアが採用される。そこで、以下の検討においては、比較例として、コア３２からサンプルＳＭＰへ向かう方向と垂直な方向のコア３２の大きさである幅Ｗを３００［ｎｍ］とし、コア３２からサンプルＳＭＰへ向かう方向のコア３２の大きさであるコアの高さＨを３００［ｎｍ］とするコア（比較例）を考える。
【００７９】
これに対して、本実施の形態に従う光リング共振器３の光導波路を構成するコア３２として、コア３２からサンプルＳＭＰへ向かう方向と垂直な方向のコア３２の大きさである幅Ｗが３００［ｎｍ］であり、コア３２からサンプルＳＭＰへ向かう方向のコア３２の大きさであるコアの高さＨが２５０［ｎｍ］である断面形状を有するコア３２（実施例）を考える。すなわち、コア３２からサンプルＳＭＰへ向かう方向のコア３２の長さであるコアの高さＨは、サンプルＳＭＰへ向かう方向と垂直な方向のコア３２の長さである幅Ｗより短くなるように構成される。
【００８０】
なお、このような幅Ｗおよび高さＨに設定したとしても、図５および図６に示すとおり、ＴＥモードおよびＴＭモードがそれぞれ１つしか存在しないため、このコアサイズは、ＴＥモードおよびＴＭモードのいずれの場合もシングルモード条件を満たしていることになる。このように、サンプルＳＭＰへ向かう方向のコア３２の長さ（この場合には、高さＨ）がシングルモード条件を満たしつつ、サンプルＳＭＰへ向かう方向と垂直な方向の長さ（この場合には、幅Ｗ）より短く設計することで、検出感度を高めることができる。以下、検出感度を高めることができる原理について説明する。
【００８１】
光リング共振器３に近接した位置に被検出物質５３が存在することで、サンプルＳＭＰの平均屈折率Ｎ１が変化する。検出感度を高めるためには、サンプルＳＭＰの平均屈折率Ｎ１の変化に対する、光リング共振器３における共振波長（共振条件）の変化を大きくすることが重要である。（１）式から、初期波長λ０に対する相対的な波長変動の大きさを計算すると、（３）式のように示すことができる。ここで、ｍは共振次数（整数）、Ｎ０は初期状態における光導波路の実効屈折率Ｎｅｆｆの値を示す。
【００８２】
【数３】
【００８３】
（３）式によれば、サンプルＳＭＰの平均屈折率Ｎ１の変化に対する共振波長の変化の大きさは、平均屈折率Ｎ１の変化に対する実効屈折率Ｎｅｆｆの変化の大きさとみなすことができる。すなわち、測定の感度を上げることは平均屈折率Ｎ１の変化に対するＮｅｆｆの変化を大きくすることと同じである。
【００８４】
そこで、ＴＥモードおよびＴＭモードのそれぞれについて、平均屈折率Ｎ１の変化（Δｎｏｕｔ）に対する実効屈折率Ｎｅｆｆの変化量（（Ｎｅｆｆ−Ｎ０）／Ｎ０）の大きさについて評価した。
【００８５】
より具体的には、上述したような比較例のコア（幅Ｗ：３００［ｎｍ］×高さ：３００［ｎｍ］）を採用した場合と、本実施の形態に従うコア（幅Ｗ：３００［ｎｍ］×高さ：２５０［ｎｍ］）を採用した場合とを比較した。なお、現実の計算方法としては、有限要素法を用いた導波路解析を採用した。
【００８６】
図７および図８は、実効屈折率の変化の外部屈折率変化についての依存性を示す図である。すなわち、図７には、ＴＥモード（ＴＥ０：０次モード）について、平均屈折率Ｎ１の変化量（Δｎｏｕｔ）に対する実効屈折率Ｎｅｆｆの変化量（（Ｎｅｆｆ−Ｎ０）／Ｎ０）の比較結果を示す。また、図８には、ＴＭモード（ＴＭ０：０次モード）について、平均屈折率Ｎ１の変化量（Δｎｏｕｔ）に対する実効屈折率Ｎｅｆｆの変化量（（Ｎｅｆｆ−Ｎ０）／Ｎ０）の比較結果を示す。
【００８７】
図７および図８においては、平均屈折率Ｎ１を１．０〜１．４まで変化させた場合の計算例を示す。また、図７および図８においては、断面形状が正方形のコア（比較例）についての特性を丸印（●）で示し、断面形状が長方形のコア３２（実施例）についての特性を角印（■）で示す。
【００８８】
図７に示すように、ＴＥモードについてみれば、本実施の形態に従う長方形のコア３２を採用することで、平均屈折率Ｎ１の変化量（Δｎｏｕｔ）に対する実効屈折率Ｎｅｆｆの変化量（（Ｎｅｆｆ−Ｎ０）／Ｎ０）、すなわち、検出感度を約１．７倍に高めることができる。
【００８９】
図８に示すように、ＴＭモードについてみれば、本実施の形態に従う長方形のコア３２を採用することで、平均屈折率Ｎ１の変化量（Δｎｏｕｔ）に対する実効屈折率Ｎｅｆｆの変化量（（Ｎｅｆｆ−Ｎ０）／Ｎ０）、すなわち、検出感度を約３．７倍に高めることができる。
【００９０】
図７および図８に示す比較結果によれば、ＴＥモードおよびＴＭモードのいずれにおいても、本実施の形態に従う長方形のコア３２を採用することで、検出感度を高めることができる。但し、その検出感度を高める効果は、ＴＥモードに比較してＴＭモードの方が著しい。この理由は、ＴＭモードにおいては、光波の電界の振動方向がサンプルＳＭＰの存在する方向と一致しているためであると考えられる。すなわち、ＴＭモードでは、コア３２に垂直な電界成分が多く存在するため、電束密度の連続性からコア３２からサンプルＳＭＰへ向かう電界強度を高めることができるためである。以下、この電束密度の連続性について検討する。
【００９１】
コア３２とクラッド４との境界における電束密度の境界条件（境界における連続性）に従うと、電界の境界面に対する法線方向の成分は、相対的に屈折率の低いクラッド４側で大きくなる。すなわち、コア３２とクラッド４との境界面において、サンプルＳＭＰへ向かう方向のコア３２側の電界成分Ｅｃｏｒｅとクラッド４側の電界成分Ｅｃｌａｄについて、（４）式に示す関係式が成立する。
【００９２】
【数４】
【００９３】
ここで、クラッド４側により多くの電界成分が分布するための、比屈折率差Δについての条件は、（５）式に示す不等式によって算出される。
【００９４】
【数５】
【００９５】
すなわち、比屈折率差Δ＞０．２５となるときに、サンプルＳＭＰへ向かう方向の電界成分が大きく分布することがわかる。
【００９６】
次に、ＴＭモードにおいて、サンプルＳＭＰへ向かう方向の電界成分を具体的に計算した。比較のため、断面形状が正方形のコア（比較例）を採用した場合と、断面形状が長方形のコア３２（実施例）を採用した場合とについてそれぞれ計算した。
【００９７】
図９および図１０は、サンプルＳＭＰへ向かう方向の電界振幅を示す図である。図９には、断面形状が正方形のコアを採用した光リング共振器（比較例）における計算結果を示し、図１０には、断面形状が長方形のコアを採用した光リング共振器（実施例）における計算結果を示す。
【００９８】
図９および図１０には、いずれも、ＴＭモード（ＴＭ０：０次モード）についての電界成分の大きさを示す。図９（ａ）および図１０（ａ）は、光導波路の断面における強度分布を示す。なお、図９（ａ）および図１０（ａ）のＸ軸は、基板２の表面に平行な方向に対応し、Ｙ軸は基板２に対して垂直な方向に対応する。一方、図９（ｂ）および図１０（ｂ）には、それぞれ図９（ａ）および図１０（ａ）に示す強度分布において、Ｘ＝０に対応する軸上の強度変化を示す。
【００９９】
図９と図１０とを比較すると、本実施の形態に従う光リング共振器３を採用することで、サンプルＳＭＰが存在する方向の電界成分が増大していることがわかる。このように、光導波路（コア３２）を伝搬する光波の電界振動方向が、コア３２とサンプルＳＭＰとを結ぶ方向と一致するように構成されることで、検出感度をより高めることができる。
【０１００】
次に、コア３２の好ましい断面形状について検討する。
まず、コア３２の断面形状は、（１）シングルモード条件、（２）高さＨ＜幅Ｗの条件、および、（３）アスペクト比の条件のいずれをも満足することが好ましい。（１）および（２）の条件については、上述したのでその内容については繰返さない。一方、（３）アスペクト比の条件については、光ファイバなどの対称性が良い光導波路との結合効率を所定レベルに維持するための条件である。例えば、参考文献２（河野健治著、“光結合系の基礎と応用”、現代工学社、１９９１年）に記述されているように、コア３２の幅Ｗと高さＨとのアスペクト比を４倍程度以内に抑えることが好ましい。すなわち、一般的に正方形または円状の断面形状を有する光ファイバを伝搬する光波のスポットサイズ（ｗ１）と、コア３２を伝搬する光波のスポットサイズ（ｗ２）との不整合が生じると、両者の間の結合効率は（６）式に示される。
【０１０１】
【数６】
【０１０２】
（６）式によれば、スポットサイズが４倍異なると、結合効率は１／５に低下する。そのため、アスペクト比は４倍程度以内に維持することが好ましい。
【０１０３】
このような条件を考慮して、コア３２の幅Ｗおよび高さＨを所定単位ずつ変化させて、当該光導波路において許容される導波モード数について計算した。なお、計算には、有限要素法を用いた。
【０１０４】
図１１は、図１２に示すシミュレーションでのモード数の定義を示す表である。図１２は、有限差分法を用いて計算した許容される導波モードのコアのサイズについての依存性を示す図である。
【０１０５】
このシミュレーションにおいては、許容される導波モード数について、図１１に示すような定義を採用した。すなわち、ＴＥモードまたはＴＭモードが少なくとも一つ存在する場合を導波モードが１つ存在するとみなすように定義している。例えば、モード数が「２」の場合は、少なくとも１つのＴＥモードと少なくとも１つのＴＭモードに加えて、さらに、少なくとも１つのＴＥモードまたはＴＭモードが存在する状態に相当する。図１１に示す表において、モード数が「１」である場合がシングルモード条件を満たしている状態に相当する。
【０１０６】
図１２には、モード数が「１」，「２」，「３」となる、幅Ｗに対する高さＨの限界値を示す。すなわち、図１２では、モード数が「１」となるために必要な高さＨをそれぞれの幅Ｗについて算出した値を白抜き丸印（○）で示している。コア３２の高さＨが、この白抜き丸印（○）をトレースすることで得られるライン（「１」と表記）より小さい場合には、モード数が「０」となり、光波が光リング共振器３の光導波路（コア３２）を伝搬できないことを意味する。従って、コア３２の幅Ｗに対する高さＨは、白抜き丸印（○）で示したラインより大きい（グラフにおいて右側に位置する）ことが必要である。
【０１０７】
また、図１２では、モード数が「２」となるために必要な高さＨをそれぞれの幅Ｗについて算出した値を白抜き三角（△）で示している。シングルモード条件を満足するためには、従って、コア３２の幅Ｗに対する高さＨは、白抜き三角（△）で示したライン（「２」と表記）より小さい（グラフにおいて左側に位置する）ことが必要である。
【０１０８】
以上が、（１）シングルモード条件を満足するための制約である。
次に、（２）高さＨ＜幅Ｗの条件を満足するためには、図１２に示すグラフにおいて、高さＨ＝幅Ｗの直線より下側に位置する必要がある。
【０１０９】
さらに、（３）アスペクト比の条件（アスペクト比が４以下）を満足するためには、図１２に示すグラフにおいて、高さＨ＝幅Ｗ／４の直線より上側に位置する必要がある。
【０１１０】
以上の制約をまとめると、図１２に示すグラフにおいて、４つの黒丸印（●）で示した点で囲まれた領域にコア３２のサイズを設定することが好ましい。
【０１１１】
以上のように、コア３２の断面形状は、シングルモード条件を満足するとともに、高さＨと幅Ｗとのアスペクト比が所定条件を満足するように構成される。
【０１１２】
［Ｆ．変形例］
（ｆ１．クラッドの変形例）
上述の実施の形態に従う光リング共振器においては、典型例として、クラッド４として石英を用いる構成について例示したが、これに限られることはない。すなわち、クラッド４は、コア３１，３２の材料よりも低い屈折率を有する材料であればよく、上部のクラッドは空気や水で構成してもよい。
【０１１３】
（ｆ２．サンプルＳＭＰの接触位置の変形例）
上述の実施の形態においては、被検出物質を吸着したサンプルＳＭＰを微小物質検出センサ１の上側表面に接触配置する構成について例示したが、サンプルＳＭＰを微小物質検出センサ１の接触させる位置は、これに限られない。例えば、サンプルＳＭＰを、光リング共振器（マイクロリング共振器）３のリング形状に対応する内径面または外形面の全部または一部に接触するように配置されてもよい。
【０１１４】
図１３は、本実施の形態の変形例に従う光リング共振器３の光導波路の断面構造を示す模式図である。図１３を参照して、本実施の形態の変形例に従う微小物質検出センサにおいては、サンプルＳＭＰは、基板２上においてコア３２の側面に（コア３２に並んで）配置されている。このとき、コア３２の断面形状としては、コア３２からサンプルＳＭＰへ向かう方向と垂直な方向の長さ（高さＨ）と比較して、コア３２からサンプルＳＭＰへ向かう方向と平行な方向の長さ（幅Ｗ）がより短くなるように構成される。言い換えると、コア幅Ｗはコア高さＨよりも薄くなるように構成される。
【０１１５】
図１３に示すような構造は、例えば、光リング共振器３の中心に孔を設けておき、流路などを通じて当該孔へサンプルＳＭＰを導入することによって実現できる。光導波路などの作成については、半導体リソグラフィなどの公知技術を用いて、高精度かつ安価に大量生産することができる。
【０１１６】
また、この場合には、ＴＥモードの光波を測定に用いることが好ましい。上述したように、検出感度を高めるためには、光導波路（コア３２）を伝搬する光波の電界振動方向が、コア３２からサンプルＳＭＰへ向かう方向と一致するように構成することが好ましい。図１３に示す構成においては、サンプルＳＭＰが基板２に対して平行な方向に位置することになるので、コア３２を伝搬する光波の主たる電界成分の方向が基板２の表面に平行な方向と一致するＴＥモードを採用することが好ましい。
【０１１７】
（ｆ３．スポットサイズ変換導波路）
既存の光ファイバなどの光導波路と微小物質検出センサ１とを接続するためには、伝搬する光波のスポットサイズを整合するためのスポットサイズ変換導波路を設けることが望ましい。より具体的には、図２に示す直線状の光導波路（コア３１）の入射端３４にスポットサイズ変換導波路を設け、光源１０（図１参照）などから供給される光を微小物質検出センサ１内に導くことになる。
【０１１８】
このようにスポットサイズ変換導波路を設けることで、一般的な光デバイスを用いることができるため、汎用性を高めることができる。そのため、本実施の形態に従う微小物質検出センサを用いた微小物質検出装置を容易に実現できる。
【０１１９】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１２０】
１ 微小物質検出センサ、２ 基板、３ 光リング共振器、４ クラッド、１０ 光源、２０ 検出部、３１，３２ コア、３３ 方向性結合部、３４ 入射端、３５ 出射端、５３，１０４ 被検出物質、１０２ 吸着物質、ＳＭＰ サンプル、ＳＹＳ 微小物質検出装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リング状の第１の導波路からなる光リング共振器と、
前記光リング共振器と近接して配置された第２の導波路とを備え、
前記第１の導波路は、方形状の断面形状を有するコアを含み、
前記光リング共振器は、前記コアの断面における特定の辺に対応する表面部分で被検出物質と接触するように構成されており、
前記コアの断面形状は、前記コアから前記被検出物質へ向かう方向と平行な方向の第１の長さが、前記コアから前記被検出物質へ向かう方向と垂直な方向の第２の長さと比較して、より短くなるように構成される、微小物質検出センサ。
【請求項２】
前記光リング共振器は、前記第１の導波路がシングルモード条件を満足するように構成される、請求項１に記載の微小物質検出センサ。
【請求項３】
前記コアの断面形状は、シングルモード条件を満足するとともに、前記第１の長さと前記第２の長さとのアスペクト比が所定条件を満足するように構成される、請求項２に記載の微小物質検出センサ。
【請求項４】
前記光リング共振器は、前記コアを伝搬する光波の電界振動方向が、前記コアから前記被検出物質へ向かう方向と一致するように構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の微小物質検出センサ。
【請求項５】
前記光リング共振器は、前記被検出物質が前記第１の導波路のリング形状に対応する一方の環状面の全部または一部に接触するように構成される、請求項１に記載の微小物質検出センサ。
【請求項６】
前記光リング共振器は、前記被検出物質が前記第１の導波路のリング形状に対応する内径面または外形面の全部または一部に接触するように構成される、請求項１に記載の微小物質検出センサ。
【請求項７】
前記第２の導波路は、伝搬する光波のスポットサイズを整合するためのスポットサイズ変換導波路を含む、請求項１に記載の微小物質検出センサ。
【請求項８】
リング状の第１の導波路からなる光リング共振器と、
前記光リング共振器と近接して配置された第２の導波路と、
前記第１の導波路の一方端に接続され、光を発生する光源と、
前記第１の導波路の他方端に接続され、前記光源からの光を検出する検出部とを備え、
前記第１の導波路は、方形状の断面形状を有するコアを含み、
前記光リング共振器は、前記コアの断面における特定の辺に対応する表面部分で被検出物質と接触するように構成されており、
前記コアの断面形状は、前記コアから前記被検出物質へ向かう方向と平行な方向の第１の長さが、前記コアから前記被検出物質へ向かう方向と垂直な方向の第２の長さと比較して、より短くなるように構成される、微小物質検出装置。
【請求項１】
リング状の第１の導波路からなる光リング共振器と、
前記光リング共振器と近接して配置された第２の導波路とを備え、
前記第１の導波路は、方形状の断面形状を有するコアを含み、
前記光リング共振器は、前記コアの断面における特定の辺に対応する表面部分で被検出物質と接触するように構成されており、
前記コアの断面形状は、前記コアから前記被検出物質へ向かう方向と平行な方向の第１の長さが、前記コアから前記被検出物質へ向かう方向と垂直な方向の第２の長さと比較して、より短くなるように構成される、微小物質検出センサ。
【請求項２】
前記光リング共振器は、前記第１の導波路がシングルモード条件を満足するように構成される、請求項１に記載の微小物質検出センサ。
【請求項３】
前記コアの断面形状は、シングルモード条件を満足するとともに、前記第１の長さと前記第２の長さとのアスペクト比が所定条件を満足するように構成される、請求項２に記載の微小物質検出センサ。
【請求項４】
前記光リング共振器は、前記コアを伝搬する光波の電界振動方向が、前記コアから前記被検出物質へ向かう方向と一致するように構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の微小物質検出センサ。
【請求項５】
前記光リング共振器は、前記被検出物質が前記第１の導波路のリング形状に対応する一方の環状面の全部または一部に接触するように構成される、請求項１に記載の微小物質検出センサ。
【請求項６】
前記光リング共振器は、前記被検出物質が前記第１の導波路のリング形状に対応する内径面または外形面の全部または一部に接触するように構成される、請求項１に記載の微小物質検出センサ。
【請求項７】
前記第２の導波路は、伝搬する光波のスポットサイズを整合するためのスポットサイズ変換導波路を含む、請求項１に記載の微小物質検出センサ。
【請求項８】
リング状の第１の導波路からなる光リング共振器と、
前記光リング共振器と近接して配置された第２の導波路と、
前記第１の導波路の一方端に接続され、光を発生する光源と、
前記第１の導波路の他方端に接続され、前記光源からの光を検出する検出部とを備え、
前記第１の導波路は、方形状の断面形状を有するコアを含み、
前記光リング共振器は、前記コアの断面における特定の辺に対応する表面部分で被検出物質と接触するように構成されており、
前記コアの断面形状は、前記コアから前記被検出物質へ向かう方向と平行な方向の第１の長さが、前記コアから前記被検出物質へ向かう方向と垂直な方向の第２の長さと比較して、より短くなるように構成される、微小物質検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−８３１６８（Ｐ２０１２−８３１６８Ａ）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２８６１７（Ｐ２０１０−２２８６１７）
【出願日】平成２２年１０月８日（２０１０．１０．８）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月８日（２０１０．１０．８）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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