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】製造コストを低減することのできる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】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。より具体的には、同一チップ内に、光リング共振器に加えて、光リング共振器における共振波長の変化を検出するために用いられる波長変化検出用手段が実装される。この波長変化検出用手段の典型例としては、分光手段が採用される。このような波長変化検出用手段をチップ上に配置することで、比較的高価な波長可変光源や分光装置を不要とすることができる。それにより、コストを抑制した、微小物質検出センサおよび当該微小物質検出センサを備えた微小物質検出装置を実現できる。
【解決手段】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。より具体的には、同一チップ内に、光リング共振器に加えて、光リング共振器における共振波長の変化を検出するために用いられる波長変化検出用手段が実装される。この波長変化検出用手段の典型例としては、分光手段が採用される。このような波長変化検出用手段をチップ上に配置することで、比較的高価な波長可変光源や分光装置を不要とすることができる。それにより、コストを抑制した、微小物質検出センサおよび当該微小物質検出センサを備えた微小物質検出装置を実現できる。
【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小物質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、微小物質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、特表２００３−５１５７３７号公報（特許文献２）には、平坦な円筒状共鳴式光キャビティを有する共鳴式光学的検定構造体を有する高感度で高スループットの生物学的センサが開示されている。
【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】特表２００３−５１５７３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の特許文献１および２に開示される装置では、被検出物質が付着することにより共振波長が変化するという光学的な特性を利用している。このような共振波長の変化は、入射する光波の波長を変化させたり、共振器を通過した後の光波を分光することでその中に含まれる波長成分を観測したりすることで検出される。
【０００７】
しかしながら、照射される波長を変化することのできる光源（波長可変光源）や、光波を各波長に分離するための分光装置などは比較的高価であり、上述の特許文献１および２に開示されるようなセンサを用いた場合には、装置全体としてのコストが上昇するといった課題があった。
【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、製造コストを低減することのできる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、基板と、基板上に形成された、光源からの光波を伝搬する第１の導波路と、基板上に第１の導波路と近接して形成された、リング状の第２の導波路からなる光リング共振器と、被検出物質が光リング共振器と接触することによって生じる光リング共振器における共振波長の変化を検出するために用いられる、基板上に形成された波長変化検出用手段とを含む。
【００１０】
好ましくは、波長変化検出用手段は、第２の導波路と近接して形成された第３の導波路と、第３の導波路と接続された波長分離手段とを含む。
【００１１】
さらに好ましくは、波長分離手段は、第３の導波路と接続された入力ポートと、入力ポートから入力された光波を波長について分離して得られるそれぞれの光波を出力するための複数の出力ポートとを含む。
【００１２】
好ましくは、微小物質検出センサは、波長変化検出用手段としても機能する光リング共振器を複数有しており、複数の光リング共振器は、互いに共振波長を異ならせるように設計されている。波長変化検出用手段は、複数の第２の導波路とそれぞれ近接して形成されるとともに、基板の外部に光波を導く複数の第３の導波路を含む。
【００１３】
好ましくは、光リング共振器は、第２の導波路の周辺のみを生体修飾される。
好ましくは、光リング共振器は、被検出物質を含む物質が流れるための流路が第２の導波路に接触するように構成される。
【００１４】
この発明の別の局面に従う微小物質検出装置は、基板と、基板上に形成された、光源からの光波を伝搬する第１の導波路と、基板上に第１の導波路と近接して形成された、リング状の第２の導波路からなる光リング共振器と、被検出物質が光リング共振器と接触することによって生じる光リング共振器における共振波長の変化を検出するために用いられる、基板上に形成された波長変化検出用手段と、第１の導波路の一方端に接続され、光波を発生する光源と、波長変化検出用手段から出力される光波を波長別に検出する検出部とを含む。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、製造コストを低減することのできる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実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【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センサに実装される波長分離部の実現例を示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態に従う微小物質検出装置において光リング共振器を生体修飾するための構成を示す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態に従う微小物質検出装置において光リング共振器の部分に被検出物質を含む液体を流すための流路を設けた構成を示す模式図である。
【図５】本発明の実施の形態に従う微小物質検出センサに含まれる光リング共振器における共振波長について説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態に従う微小物質検出センサに含まれる光リング共振器における共振波長の変化（シフト）の一例を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態に従う微小物質検出センサに用いられる垂直カップリング構造の光リング共振器を示す模式図である。
【図８】本発明の実施の形態に従う微小物質検出センサに用いられる水平カップリング構造の光リング共振器を示す模式図である。
【図９】本発明の実施の形態に従う微小物質検出センサに用いられる立体カップリング構造の光リング共振器を示す模式図である。
【図１０】本発明の実施の形態の第１変形例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１１】本発明の実施の形態の第３変形例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１２】本発明の実施の形態の第３変形例に従う微小物質検出センサに含まれる光リング共振器における共振波長について説明するための図である。
【図１３】本発明の実施の形態の第４変形例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１４】本発明の実施の形態の第５変形例に従う光リング共振器の断面構造を示す模式図である。
【図１５】本発明の実施の形態の第６変形例に従う光リング共振器の断面構造を示す模式図である。
【図１６】本発明の実施の形態の第７変形例に従う光リング共振器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】
【００１７】
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。
【００１８】
［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、本実施の形態においては、同一チップ内に、光リング共振器に加えて、光リング共振器における共振波長の変化を検出するために用いられる波長変化検出用手段が実装される。この波長変化検出用手段の典型例としては、分光手段が採用される。このような波長変化検出用手段をチップ上に配置することで、比較的高価な波長可変光源や分光装置を不要とすることができる。それにより、コストを抑制した、微小物質検出センサおよび当該微小物質検出センサを備えた微小物質検出装置を実現できる。
【００１９】
［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の全体構成を示す模式図である。図１を参照して、微小物質検出装置は、微小物質検出センサ１００と、微小物質検出センサ１００に検出用の光を供給する光源１１０と、微小物質検出センサ１００を通過した後の光を検出する検出部１２０とを含む。
【００２０】
本実施の形態に従う微小物質検出装置は、微小物質検出センサ１００に含まれる光リング共振器に被検出物質を接触／近接させることで、光リング共振器における共振波長の変化を観測することで、被検出物質を検出する。
【００２１】
光源１１０は、微小物質検出センサ１００における設計上の共振波長を含む所定の波長範囲を発生するように構成される。微小物質検出センサ１００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１１０を用いることが好ましい。一例として、光源１１０は、（ハロゲン）ランプ、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ：Super Luminescent Diode）、スーパーコンティニュアム光源などの広帯域光源が好ましい。
【００２２】
本実施の形態に従う微小物質検出センサ１００は、後述するように、波長別に光波を出力するので、それぞれの光波を波長別に検出するための検出部１２０が採用される。検出部１２０の一例として、フォトダイオード（ＰＤ）を含む複数の光検出器を用いて構成される。あるいは、複数のフォトダイオードが所定規則で配列されたフォトダイオードアレイや、ＣＣＤ（Charged Coupled Device）などを検出部１２０として用いることができる。
【００２３】
微小物質検出センサ１００は、光リング共振器を含む。この光リング共振器は、基板１０と、基板１０上に形成された、光源１１０からの光波を伝搬する１次導波路１２（第１の導波路）と、基板１０上に１次導波路１２と近接して形成された、リング状に形成されたリング導波路１４（第２の導波路）とから構成される。
【００２４】
被検出物質は、この光リング共振器（厳密に言えば、リング導波路１４）の表面などに接触／近接するように構成される。すなわち、光源１１０が１次導波路１２の一方端に接続され、この光源１１０が発生する光波をリング導波路１４に導いて共振を生じさせるとともに、その共振波長の変化を検出する。
【００２５】
微小物質検出センサ１００は、さらに、被検出物質が光リング共振器と接触することによって生じる光リング共振器における共振波長の変化を検出するために用いられる、基板１０上に形成された波長変化検出用手段を有する。本実施の形態においては、波長変化検出用手段として、リング導波路１４と近接して形成された２次導波路１６（第３の導波路）と、２次導波路１６と接続された波長分離部１８とを含む。
【００２６】
後述するように、光リング共振器（リング導波路１４）を循環する光波の一部は、２次導波路１６を通じて、波長分離部１８へ導かれる。波長分離部１８は、２次導波路１６を通じて入力された光波を各波長成分λ１，λ２，λ３，λ４，λ５に分離するとともに、それぞれの波長成分を複数の３次導波路２１，２２，２３，２４，２５を通じて、それぞれ検出部１２０へ出力する。なお、図１には、一例として、５つの波長成分のみを図示するが、この波長成分の数は適宜設計することができる。分離する波長成分の数は、検出部１２０の仕様に応じて設計することができるが、フォトダイオードアレイの場合などには、１６〜１０２４個の波長成分に分離するような構成を採用できる。
【００２７】
各導波路は、波長選択性がなく、測定波長範囲の光波をなるべく低損失で伝搬することのできる導波路を用いることが好ましい。このような導波路は、主として、基板１０の上に形成されたコア（相対的に屈折率の高い部分）と、コアの周囲に配置されたクラッド（相対的に屈折率の低い部分）とからなる。より具体的には、このような導波路を構成する材質としては、ガラス、サファイア、石英、光学樹脂といった光学的に透明な材料や、Ｓｉ，ＧａＡｓ，ＧａＮといった半導体材料を用いることができる。なお、測定に用いる光の波長は、導波路の波長透過性能に応じて決定することもできる。すなわち、各導波路が透明である波長範囲内を測定波長に設定すればよい。
【００２８】
［Ｃ．波長分離手段］
次に、図１に示す波長分離部１８の構成について説明する。
【００２９】
本実施の形態に従う波長分離部１８は、基板１０の上に実装可能な光デバイスであれば、どのような種類のものを採用してもよい。典型的には、光通信の波長分波／合波の用途として利用・提案されている光デバイスを用いることができる。
【００３０】
一例として、波長分離部１８としては、アレイ導波路回折格子（Arrayed Waveguide Grating：以下「ＡＷＧ」とも称す。）、マッハツェンダ光干渉計を利用する構成、マルチモード干渉型（Multi-Mode Interference；ＭＭＩ）導波路を利用する構成、フォトニック結晶を利用する構成、リング共振器を利用する構成などを採用することができる。以下の説明では、波長分離部１８の実現例として、ＡＷＧを用いた構成について説明する。
【００３１】
図２は、本発明の実施の形態に従う微小物質検出センサ１００に実装される波長分離部１８の実現例を示す模式図である。
【００３２】
図２を参照して、波長分離部１８は、２次導波路１６と接続された入力ポートと、入力ポートから入力された光波を波長について分離して得られるそれぞれの光波を出力するための複数の出力ポートとを含む。より具体的には、波長分離部１８は、２次導波路１６を伝搬する光波を所定数に分割してそれぞれの光波を伝搬する入力側導波路群１８１と、入力側スラブ導波路１８２と、入力側スラブ導波路１８２と出力側スラブ導波路１８４とを接続する中間導波路群１８３と、出力側スラブ導波路１８４と、３次導波路２１，２２，２３，２４，２５にそれぞれの光波を伝搬する出力側導波路群１８５とを含む。
【００３３】
［Ｄ．光リング共振器による検出原理］
次に、光リング共振器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。光リング共振器では、所定波長を有する光波について、光導波路を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光共振を生じさせる。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。
【００３４】
光リング共振器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の共振条件がずれる効果とを利用することになる。光リング共振器において、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内での光量が減衰する。
【００３５】
そこで、光リング共振器の周囲に微小物質が付着した場合には、光リング共振器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。言い換えれば、光リング共振器の周囲に微小物質が付着した場合には、光リング共振器における共振波長が変化することになる。
【００３６】
次に、光リング共振器の周囲に微小物質を付着させる方法について説明する。たとえば、タンパク質といった生物学的な微小物質を被検出物質とする場合には、光リング共振器の周辺を生体修飾する方法、あるいは、光リング共振器の部分に被検出物質を含む液体を流すための流路を設ける方法などがある。これらの方法について、図３および図４を参照して説明する。
【００３７】
図３は、本発明の実施の形態に従う微小物質検出装置において光リング共振器を生体修飾するための構成を示す模式図である。図４は、本発明の実施の形態に従う微小物質検出装置において光リング共振器の部分に被検出物質を含む液体を流すための流路を設けた構成を示す模式図である。
【００３８】
図３を参照して、光リング共振器は、コア１４１およびクラッド１４２からなり、基本的には、コア１４１の表面に、被検出物質であるバイオマーカが選択的に吸着するように生体修飾しておく。すなわち、コア１４１の表面に生体修飾部１４３を設ける。この生体修飾部１４３は、典型的には、抗原抗体反応を利用して実現され、特定の種類のタンパク質のみを特異的に吸着する。
【００３９】
図３に示すような構成に対して、被検出物質を含む検体を生体修飾部１４３の滴下すると、検体中の被検出物質のみが選択的にコア１４１の表面に吸着することになる。光リング共振器の光導波路であるコア１４１の表面に吸着した物質に向けて、光導波路を伝搬する光波（電磁波）の一部がしみ出ることによって、光導波路における透過屈折率がわずかに変化し、それによって、光リング共振器における共振波長も変化（シフト）する。
【００４０】
また、図４（ａ）および図４（ｂ）を参照して、光リング共振器のコア１４１に近接した部分に、被検出物質１４８が含まれる液体１４７を流すための流路１４６を設けてもよい。この場合においても、被検出物質１４８が存在することで、光導波路を伝搬する光波（電磁波）の一部がしみ出し、それによって、光リング共振器における共振波長が変化（シフト）する。
【００４１】
なお、図４（ａ）に示すように、流路１４６の幅がコア１４１の幅に比較して狭くなるように構成してもよいし、図４（ｂ）に示すように、流路１４６の幅がコア１４１の幅に比較して広くなるように（コア１４１の全体を覆うように）構成してもよい。
【００４２】
さらに、コア１４１の表面に被検出物質であるバイオマーカが選択的に吸着するように生体修飾した上で、これらの生体修飾された部分に、被検出物質１４８が含まれる液体１４７を通過させるための流路を設けてもよい。
【００４３】
本実施の形態に従う微小物質検出センサ１００においては、光リング共振器を透過した光を上述したような波長分離部１８で分光することで、光リング共振器の共振波長（共振スペクトル）を検出する。
【００４４】
なお、光リング共振器以外の部分、特に、波長分離部１８の部分に検体（被検出物質）を滴下または流すと、光リング共振器において共振波長が変化（シフト）するのと同様に、分光性能が変化する可能性がある。また、滴下した検体に含まれるバイオマーかのうち、波長シフト（波長変化）に寄与するのは、光リング共振器の表面に付着した成分のみであるから、生体修飾する部分や検体（被検出物質を含む液体）を滴下または流す部分を光リング共振器の周辺部分のみとすることが望ましい。
【００４５】
このような方法の具体例としては、光リング共振器の部分のみを生体修飾する、被検出物質を含む検体は光リング共振器周辺のみに滴下する、光リング共振器の周辺に流路を設けてそこに検体を流す、光リング共振器以外はクラッドで保護し、検体を滴下しても波長分離部１８における波長分光特性が変化しないようにする、といった方法を採用できる。
【００４６】
このように、光リング共振器は、被検出物質がリング導波路１４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。あるいは、光リング共振器は、被検出物質を含むがリング導波路１４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。あるいは、光リング共振器は、被検出物質を含む検体が流れるための流路がリング導波路１４に接触するように構成される。
【００４７】
図５は、本発明の実施の形態に従う微小物質検出センサ１００に含まれる光リング共振器における共振波長について説明するための図である。図５（ａ）に示すように、隣接して配置されている１次導波路１２とリング導波路１４との間の電磁的な相互作用によって、１次導波路１２に入射した光波Ｉｉｎの一部（κ１）は、リング導波路１４に入射し、残りの光波（τ１）は、１次導波路１２をそのまま透過した後に出力される（光波Ｉｔｒａｎｓ）。リング導波路１４に入射した光波κ１は、その導波路内を循環する。さらに、リング導波路１４に入射した光波κ１の一部は、リング導波路１４と２次導波路１６との間の電磁的な相互作用によって、光波Ｉｄｒｏｐとして２次導波路１６へ伝搬する。なお、リング導波路１４と２次導波路１６との間の相互作用によって、２次導波路１６を伝搬する光波があれば、その一部（κ２）は、リング導波路１４に入射する。
【００４８】
１次導波路１２に入射される光波Ｉｉｎの光強度と、２次導波路１６から出射される光波Ｉｄｒｏｐの光強度との比（スペクトル）は、図５（ｂ）に示すようになる。すなわち、図５（ｂ）は、１次導波路１２に白色光（広帯域光）を入射し（光波Ｉｉｎ）、２次導波路１６から出力された光（光波Ｉｄｒｏｐ）のスペクトルを観測したものである。この図５（ｂ）においては、共振波長において、より強度の強い光波Ｉｄｒｏｐが２次導波路１６から出射される。このピーク波長は、ＦＳＲ（Free spectral range）毎に生じる。すなわち、白色光のうち、光リング共振器の共振波長に対応する波長のみが、１次導波路１２→リング導波路１４→２次導波路１６の順に伝搬して、光波Ｉｄｒｏｐとして観測される。
【００４９】
本実施の形態に従う微小物質検出センサ１００では、これらのピーク波長の変化（シフト）を観測する。観測対象のピーク波長は、１つでもよいし、より精度を高めるために、複数のピークシフトの各々についてそのシフト量を観測してもよい。
【００５０】
図６は、本発明の実施の形態に従う微小物質検出センサ１００に含まれる光リング共振器における共振波長の変化（シフト）の一例を示す図である。図６に示すように、被検出物質が光リング共振器と接触することによって、観測されるピーク波長は、Δλだけ変化する。変化量Δλは、検出対象の被検出物質の量や種類などに依存する。そのため、この変化量Δλの大きさを評価することで、被検出物質がどの程度の濃度（量）で存在するのか、および／または、どのような種類の被検出物質が存在するのかを測定することができる。
【００５１】
上述したように、本実施の形態に従う微小物質検出センサ１００においては、光リング共振器を透過した光波Ｉｄｒｏｐを波長別に分離して得られた各成分を個別に取得できる。そのため、比較的高価な波長可変光源や分光装置を用いることなく、被検出物質が光リング共振器と接触することによって生じる光リング共振器における共振波長の変化を検出することができる。そのため、よりコストを低減した構成を用いて、被検出物質の濃度などを測定することができる。
【００５２】
［Ｅ．光リング共振器の構造］
次に、光リング共振器の構造について説明する。
【００５３】
上述したように、本実施の形態に従う微小物質検出センサ１００において用いられる光リング共振器は、２つの光導波路をそれぞれリング導波路１４と近接させた構造を基板１０上に形成したものである。典型的には、以下のような構造を採用することができる。
【００５４】
（ｅ１：垂直カップリング構造）
図７は、本発明の実施の形態に従う微小物質検出センサ１００に用いられる垂直カップリング構造の光リング共振器を示す模式図である。
【００５５】
図７（ａ）を参照して、垂直カップリング構造の光リング共振器では、リング導波路１４の軸方向に沿って、１次導波路１２および２次導波路１６をそれぞれ近接配置したものである。この場合、図７（ｂ）に示すように、リング導波路１４の軸方向において、１次導波路１２および２次導波路１６の位置がリング導波路１４のリングの位置と一致することが好ましい。
【００５６】
なお、リング導波路１４と、１次導波路１２および２次導波路１６との間の間隔ｇａｐは、導波路間の電磁的な結合量を考慮して、適切な値に設計される。
【００５７】
（ｅ２：水平カップリング構造）
図８は、本発明の実施の形態に従う微小物質検出センサ１００に用いられる水平カップリング構造の光リング共振器を示す模式図である。
【００５８】
図８（ａ）を参照して、垂直カップリング構造の光リング共振器では、リング導波路１４の半径方向に沿って、１次導波路１２および２次導波路１６をそれぞれ近接配置したものである。この場合、図８（ｂ）に示すように、リング導波路１４の半径方向において、１次導波路１２および２次導波路１６の高さがリング導波路１４のリングの高さと一致することが好ましい。すなわち、１次導波路１２、リング導波路１４および２次導波路１６は、同一平面上に隣接して配置される。
【００５９】
なお、リング導波路１４と、１次導波路１２および２次導波路１６との間の間隔ｇａｐは、導波路間の電磁的な結合量を考慮して、適切な値に設計される。
【００６０】
（ｅ３：立体カップリング構造）
図９は、本発明の実施の形態に従う微小物質検出センサ１００に用いられる立体カップリング構造の光リング共振器を示す模式図である。
【００６１】
図９に示すように、１次導波路１２と２次導波路１６とが延伸する向きを非平行（典型的には、直交）とすることもできる。この場合には、１次導波路１２が配置される平面と、２次導波路１６が配置される平面とを互いに一致しないように構成することができる。但し、これらの導波路が同一平面上に形成されてもよい。
【００６２】
［Ｆ．変形例］
（ｆ１：複数の光リング共振器）
上述の実施の形態においては、１つの光リング共振器に対して、１つの波長分離部１８が接続されている構成を例示した。本変形例においては、複数の光リング共振器が１つの波長分離部１８を共有する構成について例示する。
【００６３】
図１０は、本発明の実施の形態の第１変形例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１０を参照して、本変形例に従う微小物質検出装置は、微小物質検出センサ１００Ａと、微小物質検出センサ１００Ａに検出用の光をそれぞれ供給する光源１１０＿１および１１０＿２と、微小物質検出センサ１００Ａを通過した後の光を検出する検出部１２０とを含む。
【００６４】
微小物質検出センサ１００Ａは、複数の光リング共振器（図１０の例では、２個）を含む。これらの光リング共振器は、基板１０Ａと、基板１０Ａ上に形成された、１次導波路１２＿１および１２＿２（第１の導波路）と、基板１０Ａ上に１次導波路１２＿１および１２＿２とそれぞれ近接して形成されたリング導波路１４＿１および１４＿２（第２の導波路）とから構成される。さらに、微小物質検出センサ１００Ａは、リング導波路１４＿１および１４＿２とそれぞれ近接して形成された２次導波路１６＿１および１６＿２（第３の導波路）を含む。
【００６５】
図１０に示す構成においては、それぞれの光リング共振器から出力される光波は、２次導波路１６＿１および１６＿２を通じて、波長分離部１８へ入力される。
【００６６】
図１０に示す微小物質検出装置では、典型的には、被検出物質を含む検体が流れるための流路が複数の光リング共振器に亘って形成される。このように構成することで、それぞれの光リング共振器において実質的に同じ被検出物質を応じた共振波長の変化が生じる。そのため、波長分離部１８に入射される光波の強度は、１つの光リング共振器を用いた場合に比較して、その個数倍となる。
【００６７】
したがって、被検出物質に対する検出感度を高めることができる。
代替の構成として、共振波長の異なる複数の光リング共振器を設けることで、複数種類の被検出物質を含む検体であっても同時に検出することができる。
【００６８】
なお、図１０に示す構成において、各光リング共振器からの光を伝搬する２次導波路１６＿１および１６＿２と波長分離部１８との間に、スイッチ機能をさらに設けて、いずれか１つの光リング共振器からの光波のみを波長分離部１８へ導くようにしてもよい。
【００６９】
その他の構成については、上述の実施の形態と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【００７０】
（ｆ２：トラック型）
上述の実施の形態においては、光リング共振器を構成するリング導波路１４（第２の導波路）として、円形のものを例示したが、これに限られない。たとえば、楕円（横長円）や真円と楕円との複合型といったものを採用することができる。
【００７１】
（ｆ３：透過光検出型）
上述の実施の形態においては、光源１１０から、１次導波路１２、リング導波路１４、２次導波路１６の順に伝搬して出力される光波Ｉｄｒｏｐを観測する構成について例示した。これに対して、光源１１０から１次導波路１２を透過して出力される光波Ｉｔｒａｎｓを観測してもよい。
【００７２】
図１１は、本発明の実施の形態の第３変形例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１１を参照して、本変形例に従う微小物質検出装置は、微小物質検出センサ１００Ｂと、微小物質検出センサ１００Ｂに検出用の光をそれぞれ供給する光源１１０と、微小物質検出センサ１００Ｂを通過した後の光を検出する検出部１２０とを含む。
【００７３】
図１２は、本発明の実施の形態の第３変形例に従う微小物質検出センサ１００Ｂに含まれる光リング共振器における共振波長について説明するための図である。図１２（ａ）に示すように、隣接して配置されている１次導波路１２とリング導波路１４との間の電磁的な相互作用によって、１次導波路１２に入射した光波Ｉｉｎの一部（κ）は、リング導波路１４に入射し、残りの光波（τ）は、１次導波路１２をそのまま透過した後に出力される（光波Ｉｔｒａｎｓ）。
【００７４】
１次導波路１２に入射される光波Ｉｉｎの光強度と、２次導波路１６から出射される光波Ｉｄｒｏｐの光強度との比（スペクトル）は、図１２（ｂ）に示すようになる。すなわち、図１２（ｂ）は、１次導波路１２に白色光（広帯域光）を入射し（光波Ｉｉｎ）、１次導波路１２を透過した光（光波Ｉｔｒａｎｓ）のスペクトルを観測したものである。この図１２（ｂ）においては、共振波長において、入射光は光リング共振器（リング導波路１４）と共振して、その中に取り込まれる。そのため、１次導波路１２についての透過率が低下する。そのため、図１２（ｂ）に示すように、光リング共振器の共振波長に対応する波長において逆ピークが生じている。
【００７５】
本変形例の形態に従う微小物質検出センサ１００Ｂでは、これらの逆ピーク波長の変化（シフト）を観測する。観測対象のピーク波長は、１つでもよいし、より精度を高めるために、複数のピークシフトの各々についてそのシフト量を観測してもよい。
【００７６】
その他の構成については、上述の実施の形態と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【００７７】
（ｆ４：複数の光リング共振器）
上述の実施の形態においては、特定の共振波長を有する光リング共振器と波長分離部とを用いる構成について例示したが、互いに共振波長を異ならせるように設計された複数の光リング共振器を用いる構成を採用することもできる。
【００７８】
図１３は、本発明の実施の形態の第４変形例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１３を参照して、微小物質検出装置は、微小物質検出センサ１００Ｃと、微小物質検出センサ１００Ｃに検出用の光を供給する光源１１０Ｃと、微小物質検出センサ１００を通過した後の光を検出する検出部１２０Ｃとを含む。光源１１０Ｃは、上述の実施の形態において説明したような、（ハロゲン）ランプ、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ：Super Luminescent Diode）、スーパーコンティニュアム光源などの広帯域光源ではなく、特定の波長成分を有するレーザ光が好ましい。
【００７９】
微小物質検出センサ１００Ｃは、設計された共振波長の異なる複数の光リング共振器を含む。共振波長を異ならせるためには、光導波路の屈折率を異ならせることもできるが、リング半径を異ならせることで実現するのが現実的である。
【００８０】
これらの光リング共振器は、基板１０と、基板１０上に形成された、光源１１０Ｃからの光波を伝搬する１次導波路１２（第１の導波路）と、基板１０上に１次導波路１２と近接して形成された、リング状に形成された複数のリング導波路１４１，１４２，１４３，１４４，１４５，１４６（第２の導波路）とから構成される。さらに、微小物質検出センサ１００Ｃは、複数のリング導波路１４１，１４２，１４３，１４４，１４５，１４６とそれぞれ近接して形成された２次導波路１６１，１６２，１６３，１６４，１６５，１６６（第３の導波路）を含む。なお、光リング共振器の数については、多いほどその検出精度が高まるので好ましいが、コストおよびセンサのサイズなどから、適切な値が設定される。
【００８１】
本変形例に従う微小物質検出装置においては、微小物質検出センサ１００Ｃに含まれる複数の光リング共振器に被検出物質を接触／近接させることで、それぞれの光リング共振器における共振波長の変化を観測することで、被検出物質を検出する。
【００８２】
被検出物質を含む検体が複数の光リング共振器のいずれにも共通的に付着されることが好ましい。たとえば、複数の光リング共振器に亘って、被検出物質を含む液体を流すための流路を近接配置する構成などを採用することが好ましい。
【００８３】
上述したように、被検出物質が光リング共振器の表面または周辺に付着することで、当該光リング共振器の共振波長が異なるが、被検出物質の付着によって、その共振波長が変化（シフト）する。本変形例に従う微小物質検出装置においては、光源１１０Ｃとして、特定の光リング共振器における（設計上の）共振波長と実質的に同一の波長を有する光波を、１次導波路１２を通じて入射し、いずれの光リング共振器において共振が生じているのかを観測する。以下、具体例について説明する。
【００８４】
たとえば、光リング共振器（リング導波路１４１，１４２，１４３，１４４，１４５，１４６）が（設計上の）共振波長として、λ１，λ２，λ３，λ４，λ５，λ６をそれぞれ有しているとする。ここで、光源１１０Ｃから波長λ４（リング導波路１４４における共振波長と同じ）のレーザ光を入射することを考える。
【００８５】
複数の光リング共振器の周辺に何らの被検出物質も存在しない場合には、この光源１１０Ｃからの光波（波長λ４）は、４番目の光リング共振器において共振を生じる。言い換えれば、光源１１０Ｃからの光波が１次導波路１２を伝搬したとしても、４番目の光リング共振器以外の光リング共振器では共振を生じない。
【００８６】
次に、複数の光リング共振器に対して検体（被検出物質）を滴下または流すと、それぞれの光リング共振器における共振波長が設計値から変化（シフト）する。そのため、４番目の光リング共振器の共振波長も変化し、光源１１０Ｃからの光波（波長λ４）では共振を生じなくなる。
【００８７】
ここで、複数の光リング共振器の（設計上の）共振波長の間隔を被検出物質によって生じる変化量Δλと同程度に設計しておけば、すなわち、λ５＝λ４＋Δλと設計しておけば、この被検出物質の付着によって、５番目の光リング共振器において共振が生じる。すなわち、被検出物質が存在しない場合には、４番目の光リング共振器と接続されている２次導波路１６４を通じて光波が出力され、被検出物質が存在する場合には、５番目の光リング共振器と接続されている２次導波路１６５を通じて光波が出力されることになる。
【００８８】
したがって、いずれの光リング共振器から光波が出力されるのかを観測することで、被検出物質がどの程度の濃度（量）で存在するのか、および／または、どのような種類の被検出物質が存在するのかを測定することができる。
【００８９】
なお、光リング共振器の共振波長λ１（最小値）と共振波長λ６（最大値）との差が被検出物質を検出するべきレンジに対応するように、複数の光リング共振器の共振波長を設計することが好ましい。
【００９０】
本変形例においては、被検出物質が光リング共振器と接触することによって生じる光リング共振器における共振波長の変化を検出するために用いられる波長変化検出用手段として、設計された共振波長の異なる複数の光リング共振器と、複数の光リング共振器を構成するリング導波路１４１，１４２，１４３，１４４，１４５とそれぞれ近接して形成されるとともに、基板１０の外部に光波を導く複数の２次導波路１６１，１６２，１６３，１６４，１６５を含む。これらは、いずれも基板１０上に形成されている。すなわち、本変形例においては、複数の光リング共振器は、波長変化検出用手段としても機能する。
【００９１】
その他の構成については、上述の実施の形態と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【００９２】
（ｆ５：しみ出し光波（電磁波）を増大させる構造１）
上述の実施の形態においては、一般的な光導波路を用いた光リング共振器について例示したが、以下のような特徴的な構造を有する光リング共振器を用いることで、より検出感度を高めることができる。
【００９３】
図１４は、本発明の実施の形態の第５変形例に従う光リング共振器の断面構造を示す模式図である。図１４を参照して、本変形例に従う光リング共振器を構成するリング導波路１４Ａは、コア１４１とクラッド１４２とに加えて、コア１４１に隣接し、かつ、被検出物質を付着させる側に、その値がクラッド１４２の屈折率（クラッド材料の屈折率ｎｃｌａｄ）より高く、かつ、コア１４１の屈折率（コア材料の屈折率ｎｃｏｒｅ）より低い屈折率を有する低屈折率層１４９（屈折率ｎＬｏｗＮ）が設けられている。
すなわち、以下に示す関係が成り立つ。
【００９４】
ｎｃｏｒｅ＜ｎＬｏｗＮ＜ｎｃｌａｄ
このような低屈折率層１４９を設けることで、コア１４１を伝搬する光波の電磁界成分を被検出物質が付着する側へしみ出させ、これにより、光リング共振器の共振条件をより大きく変化させる。
【００９５】
なお、本変形例に従う光リング共振器では、コア１４１を伝搬する光波の電界振動方向が、コア１４１と低屈折率層１４９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１４１から被検出物質へ向かう電界強度をより高めることができる。また、本変形例に従う光リング共振器では、シングルモード条件を満たすように、リング導波路１４Ａを設計することが好ましい。
【００９６】
その他の構成については、上述の実施の形態と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【００９７】
（ｆ６：しみ出し光波（電磁波）を増大させる構造２）
図１５は、本発明の実施の形態の第６変形例に従う光リング共振器の断面構造を示す模式図である。図１５を参照して、本変形例に従う光リング共振器を構成するリング導波路１４Ｂは、コア１４１とクラッド１４２とから構成される。特に、本変形例に従う光リング共振器のリング導波路１４Ｂのコア１４１は、光リング共振器のリング導波路１４Ｂについてシングルモード条件を満たしつつ、コア１４１の断面形状を被検出物質が付着する側に薄くするように設計される。すなわち、コア１４１の断面形状は、コア１４１から被検出物質へ向かう方向と平行な方向の長さ（高さＨ）が、コア１４１から被検出物質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。
【００９８】
言い換えれば、コア１４１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。
【００９９】
このような構造を採用することで、光リング共振器の光導波路（コア１４１）による、光波の閉じ込め作用は、被検出物質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。
【０１００】
なお、コア１４１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。
【０１０１】
その他の構成については、上述の実施の形態と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【０１０２】
（ｆ７：しみ出し光波（電磁波）を増大させる構造３）
図１６は、本発明の実施の形態の第７変形例に従う光リング共振器の断面構造を示す模式図である。図１６を参照して、本変形例に従う光リング共振器を構成するリング導波路１４Ｃは、コア１４１とクラッド１４２とから構成される。特に、本変形例に従うリング導波路１４Ｃのコア１４１は、光リング共振器のリング導波路１４Ｃについてマルチモード条件を満たしつつ、コア１４１の断面形状を被検出物質が付着する側に厚くするように設計される。すなわち、コア１４１の断面形状は、コア１４１から被検出物質へ向かう方向と垂直な方向の長さ（幅Ｗ）が、コア１４１から被検出物質へ向かう方向と平行な方向の長さ（高さＨ）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、コアの幅Ｗは、コアの高さＨよりも薄くなるように構成される。
【０１０３】
言い換えれば、コア１４１の断面形状は、（１）マルチモード条件、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。
【０１０４】
このような構造を採用することで、光リング共振器の光導波路（コア１４１）による、光波の閉じ込め作用は、被検出物質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。
【０１０５】
なお、コア１４１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。
【０１０６】
その他の構成については、上述の実施の形態と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
［Ｇ．作用効果］
本実施の形態に従う微小物質検出センサによれば、同一チップ内に、光リング共振器に加えて、光リング共振器における共振波長の変化を検出するために用いられる波長変化検出用手段が実装される。この波長変化検出用手段の典型例としては、分光手段が採用される。このような波長変化検出用手段をチップ上に配置することで、比較的高価な波長可変光源や分光装置を不要とすることができる。それにより、コストを抑制した、微小物質検出センサおよび当該微小物質検出センサを備えた微小物質検出装置を実現できる。
【０１０７】
また、本実施の形態に従う微小物質検出センサによれば、リング共振器を通過した光波を外部の分光装置に入射させる必要がない。従来のように、外部に設けられた分光装置に光波を入射させる際には、光学アライメントが必要である。光学アライメントは非常に手間と時間を要する作業であるので、この光学アライメントの処理を省略できることは、コスト的に非常に有利となる。さらに、光学アライメントの不具合による、結合ロスに起因する信号強度（Ｓ／Ｎ比）の低下を回避できる。
【０１０８】
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】
【０１０９】
１０，１０Ａ 基板、１２ １次導波路、１４，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４１，１４２，１４３，１４４，１４５，１４６，１４１，１４２，１４３，１４４，１４５，１４４ リング導波路、１６，１６１，１６２，１６３，１６４，１６５，１６１，１６２，１６３，１６４，１６５，１６６，１６４，１６５ ２次導波路、１８ 波長分離部、２１，２２，２３，２４，２５ ３次導波路、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ 微小物質検出センサ、１１０，１１０Ｃ 光源、１２０，１２０Ｃ 検出部、１４１ コア、１４２ クラッド、１４３ 生体修飾部、１４６ 流路、１４７ 液体、１４８ 被検出物質、１４９ 低屈折率層、１８１ 入力側導波路群、１８２ 入力側スラブ導波路、１８３ 中間導波路群、１８４ 出力側スラブ導波路、１８５ 出力側導波路群。
【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小物質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、微小物質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、特表２００３−５１５７３７号公報（特許文献２）には、平坦な円筒状共鳴式光キャビティを有する共鳴式光学的検定構造体を有する高感度で高スループットの生物学的センサが開示されている。
【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】特表２００３−５１５７３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の特許文献１および２に開示される装置では、被検出物質が付着することにより共振波長が変化するという光学的な特性を利用している。このような共振波長の変化は、入射する光波の波長を変化させたり、共振器を通過した後の光波を分光することでその中に含まれる波長成分を観測したりすることで検出される。
【０００７】
しかしながら、照射される波長を変化することのできる光源（波長可変光源）や、光波を各波長に分離するための分光装置などは比較的高価であり、上述の特許文献１および２に開示されるようなセンサを用いた場合には、装置全体としてのコストが上昇するといった課題があった。
【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、製造コストを低減することのできる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、基板と、基板上に形成された、光源からの光波を伝搬する第１の導波路と、基板上に第１の導波路と近接して形成された、リング状の第２の導波路からなる光リング共振器と、被検出物質が光リング共振器と接触することによって生じる光リング共振器における共振波長の変化を検出するために用いられる、基板上に形成された波長変化検出用手段とを含む。
【００１０】
好ましくは、波長変化検出用手段は、第２の導波路と近接して形成された第３の導波路と、第３の導波路と接続された波長分離手段とを含む。
【００１１】
さらに好ましくは、波長分離手段は、第３の導波路と接続された入力ポートと、入力ポートから入力された光波を波長について分離して得られるそれぞれの光波を出力するための複数の出力ポートとを含む。
【００１２】
好ましくは、微小物質検出センサは、波長変化検出用手段としても機能する光リング共振器を複数有しており、複数の光リング共振器は、互いに共振波長を異ならせるように設計されている。波長変化検出用手段は、複数の第２の導波路とそれぞれ近接して形成されるとともに、基板の外部に光波を導く複数の第３の導波路を含む。
【００１３】
好ましくは、光リング共振器は、第２の導波路の周辺のみを生体修飾される。
好ましくは、光リング共振器は、被検出物質を含む物質が流れるための流路が第２の導波路に接触するように構成される。
【００１４】
この発明の別の局面に従う微小物質検出装置は、基板と、基板上に形成された、光源からの光波を伝搬する第１の導波路と、基板上に第１の導波路と近接して形成された、リング状の第２の導波路からなる光リング共振器と、被検出物質が光リング共振器と接触することによって生じる光リング共振器における共振波長の変化を検出するために用いられる、基板上に形成された波長変化検出用手段と、第１の導波路の一方端に接続され、光波を発生する光源と、波長変化検出用手段から出力される光波を波長別に検出する検出部とを含む。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、製造コストを低減することのできる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実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【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センサに実装される波長分離部の実現例を示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態に従う微小物質検出装置において光リング共振器を生体修飾するための構成を示す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態に従う微小物質検出装置において光リング共振器の部分に被検出物質を含む液体を流すための流路を設けた構成を示す模式図である。
【図５】本発明の実施の形態に従う微小物質検出センサに含まれる光リング共振器における共振波長について説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態に従う微小物質検出センサに含まれる光リング共振器における共振波長の変化（シフト）の一例を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態に従う微小物質検出センサに用いられる垂直カップリング構造の光リング共振器を示す模式図である。
【図８】本発明の実施の形態に従う微小物質検出センサに用いられる水平カップリング構造の光リング共振器を示す模式図である。
【図９】本発明の実施の形態に従う微小物質検出センサに用いられる立体カップリング構造の光リング共振器を示す模式図である。
【図１０】本発明の実施の形態の第１変形例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１１】本発明の実施の形態の第３変形例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１２】本発明の実施の形態の第３変形例に従う微小物質検出センサに含まれる光リング共振器における共振波長について説明するための図である。
【図１３】本発明の実施の形態の第４変形例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１４】本発明の実施の形態の第５変形例に従う光リング共振器の断面構造を示す模式図である。
【図１５】本発明の実施の形態の第６変形例に従う光リング共振器の断面構造を示す模式図である。
【図１６】本発明の実施の形態の第７変形例に従う光リング共振器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】
【００１７】
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。
【００１８】
［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、本実施の形態においては、同一チップ内に、光リング共振器に加えて、光リング共振器における共振波長の変化を検出するために用いられる波長変化検出用手段が実装される。この波長変化検出用手段の典型例としては、分光手段が採用される。このような波長変化検出用手段をチップ上に配置することで、比較的高価な波長可変光源や分光装置を不要とすることができる。それにより、コストを抑制した、微小物質検出センサおよび当該微小物質検出センサを備えた微小物質検出装置を実現できる。
【００１９】
［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の全体構成を示す模式図である。図１を参照して、微小物質検出装置は、微小物質検出センサ１００と、微小物質検出センサ１００に検出用の光を供給する光源１１０と、微小物質検出センサ１００を通過した後の光を検出する検出部１２０とを含む。
【００２０】
本実施の形態に従う微小物質検出装置は、微小物質検出センサ１００に含まれる光リング共振器に被検出物質を接触／近接させることで、光リング共振器における共振波長の変化を観測することで、被検出物質を検出する。
【００２１】
光源１１０は、微小物質検出センサ１００における設計上の共振波長を含む所定の波長範囲を発生するように構成される。微小物質検出センサ１００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１１０を用いることが好ましい。一例として、光源１１０は、（ハロゲン）ランプ、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ：Super Luminescent Diode）、スーパーコンティニュアム光源などの広帯域光源が好ましい。
【００２２】
本実施の形態に従う微小物質検出センサ１００は、後述するように、波長別に光波を出力するので、それぞれの光波を波長別に検出するための検出部１２０が採用される。検出部１２０の一例として、フォトダイオード（ＰＤ）を含む複数の光検出器を用いて構成される。あるいは、複数のフォトダイオードが所定規則で配列されたフォトダイオードアレイや、ＣＣＤ（Charged Coupled Device）などを検出部１２０として用いることができる。
【００２３】
微小物質検出センサ１００は、光リング共振器を含む。この光リング共振器は、基板１０と、基板１０上に形成された、光源１１０からの光波を伝搬する１次導波路１２（第１の導波路）と、基板１０上に１次導波路１２と近接して形成された、リング状に形成されたリング導波路１４（第２の導波路）とから構成される。
【００２４】
被検出物質は、この光リング共振器（厳密に言えば、リング導波路１４）の表面などに接触／近接するように構成される。すなわち、光源１１０が１次導波路１２の一方端に接続され、この光源１１０が発生する光波をリング導波路１４に導いて共振を生じさせるとともに、その共振波長の変化を検出する。
【００２５】
微小物質検出センサ１００は、さらに、被検出物質が光リング共振器と接触することによって生じる光リング共振器における共振波長の変化を検出するために用いられる、基板１０上に形成された波長変化検出用手段を有する。本実施の形態においては、波長変化検出用手段として、リング導波路１４と近接して形成された２次導波路１６（第３の導波路）と、２次導波路１６と接続された波長分離部１８とを含む。
【００２６】
後述するように、光リング共振器（リング導波路１４）を循環する光波の一部は、２次導波路１６を通じて、波長分離部１８へ導かれる。波長分離部１８は、２次導波路１６を通じて入力された光波を各波長成分λ１，λ２，λ３，λ４，λ５に分離するとともに、それぞれの波長成分を複数の３次導波路２１，２２，２３，２４，２５を通じて、それぞれ検出部１２０へ出力する。なお、図１には、一例として、５つの波長成分のみを図示するが、この波長成分の数は適宜設計することができる。分離する波長成分の数は、検出部１２０の仕様に応じて設計することができるが、フォトダイオードアレイの場合などには、１６〜１０２４個の波長成分に分離するような構成を採用できる。
【００２７】
各導波路は、波長選択性がなく、測定波長範囲の光波をなるべく低損失で伝搬することのできる導波路を用いることが好ましい。このような導波路は、主として、基板１０の上に形成されたコア（相対的に屈折率の高い部分）と、コアの周囲に配置されたクラッド（相対的に屈折率の低い部分）とからなる。より具体的には、このような導波路を構成する材質としては、ガラス、サファイア、石英、光学樹脂といった光学的に透明な材料や、Ｓｉ，ＧａＡｓ，ＧａＮといった半導体材料を用いることができる。なお、測定に用いる光の波長は、導波路の波長透過性能に応じて決定することもできる。すなわち、各導波路が透明である波長範囲内を測定波長に設定すればよい。
【００２８】
［Ｃ．波長分離手段］
次に、図１に示す波長分離部１８の構成について説明する。
【００２９】
本実施の形態に従う波長分離部１８は、基板１０の上に実装可能な光デバイスであれば、どのような種類のものを採用してもよい。典型的には、光通信の波長分波／合波の用途として利用・提案されている光デバイスを用いることができる。
【００３０】
一例として、波長分離部１８としては、アレイ導波路回折格子（Arrayed Waveguide Grating：以下「ＡＷＧ」とも称す。）、マッハツェンダ光干渉計を利用する構成、マルチモード干渉型（Multi-Mode Interference；ＭＭＩ）導波路を利用する構成、フォトニック結晶を利用する構成、リング共振器を利用する構成などを採用することができる。以下の説明では、波長分離部１８の実現例として、ＡＷＧを用いた構成について説明する。
【００３１】
図２は、本発明の実施の形態に従う微小物質検出センサ１００に実装される波長分離部１８の実現例を示す模式図である。
【００３２】
図２を参照して、波長分離部１８は、２次導波路１６と接続された入力ポートと、入力ポートから入力された光波を波長について分離して得られるそれぞれの光波を出力するための複数の出力ポートとを含む。より具体的には、波長分離部１８は、２次導波路１６を伝搬する光波を所定数に分割してそれぞれの光波を伝搬する入力側導波路群１８１と、入力側スラブ導波路１８２と、入力側スラブ導波路１８２と出力側スラブ導波路１８４とを接続する中間導波路群１８３と、出力側スラブ導波路１８４と、３次導波路２１，２２，２３，２４，２５にそれぞれの光波を伝搬する出力側導波路群１８５とを含む。
【００３３】
［Ｄ．光リング共振器による検出原理］
次に、光リング共振器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。光リング共振器では、所定波長を有する光波について、光導波路を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光共振を生じさせる。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。
【００３４】
光リング共振器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の共振条件がずれる効果とを利用することになる。光リング共振器において、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内での光量が減衰する。
【００３５】
そこで、光リング共振器の周囲に微小物質が付着した場合には、光リング共振器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。言い換えれば、光リング共振器の周囲に微小物質が付着した場合には、光リング共振器における共振波長が変化することになる。
【００３６】
次に、光リング共振器の周囲に微小物質を付着させる方法について説明する。たとえば、タンパク質といった生物学的な微小物質を被検出物質とする場合には、光リング共振器の周辺を生体修飾する方法、あるいは、光リング共振器の部分に被検出物質を含む液体を流すための流路を設ける方法などがある。これらの方法について、図３および図４を参照して説明する。
【００３７】
図３は、本発明の実施の形態に従う微小物質検出装置において光リング共振器を生体修飾するための構成を示す模式図である。図４は、本発明の実施の形態に従う微小物質検出装置において光リング共振器の部分に被検出物質を含む液体を流すための流路を設けた構成を示す模式図である。
【００３８】
図３を参照して、光リング共振器は、コア１４１およびクラッド１４２からなり、基本的には、コア１４１の表面に、被検出物質であるバイオマーカが選択的に吸着するように生体修飾しておく。すなわち、コア１４１の表面に生体修飾部１４３を設ける。この生体修飾部１４３は、典型的には、抗原抗体反応を利用して実現され、特定の種類のタンパク質のみを特異的に吸着する。
【００３９】
図３に示すような構成に対して、被検出物質を含む検体を生体修飾部１４３の滴下すると、検体中の被検出物質のみが選択的にコア１４１の表面に吸着することになる。光リング共振器の光導波路であるコア１４１の表面に吸着した物質に向けて、光導波路を伝搬する光波（電磁波）の一部がしみ出ることによって、光導波路における透過屈折率がわずかに変化し、それによって、光リング共振器における共振波長も変化（シフト）する。
【００４０】
また、図４（ａ）および図４（ｂ）を参照して、光リング共振器のコア１４１に近接した部分に、被検出物質１４８が含まれる液体１４７を流すための流路１４６を設けてもよい。この場合においても、被検出物質１４８が存在することで、光導波路を伝搬する光波（電磁波）の一部がしみ出し、それによって、光リング共振器における共振波長が変化（シフト）する。
【００４１】
なお、図４（ａ）に示すように、流路１４６の幅がコア１４１の幅に比較して狭くなるように構成してもよいし、図４（ｂ）に示すように、流路１４６の幅がコア１４１の幅に比較して広くなるように（コア１４１の全体を覆うように）構成してもよい。
【００４２】
さらに、コア１４１の表面に被検出物質であるバイオマーカが選択的に吸着するように生体修飾した上で、これらの生体修飾された部分に、被検出物質１４８が含まれる液体１４７を通過させるための流路を設けてもよい。
【００４３】
本実施の形態に従う微小物質検出センサ１００においては、光リング共振器を透過した光を上述したような波長分離部１８で分光することで、光リング共振器の共振波長（共振スペクトル）を検出する。
【００４４】
なお、光リング共振器以外の部分、特に、波長分離部１８の部分に検体（被検出物質）を滴下または流すと、光リング共振器において共振波長が変化（シフト）するのと同様に、分光性能が変化する可能性がある。また、滴下した検体に含まれるバイオマーかのうち、波長シフト（波長変化）に寄与するのは、光リング共振器の表面に付着した成分のみであるから、生体修飾する部分や検体（被検出物質を含む液体）を滴下または流す部分を光リング共振器の周辺部分のみとすることが望ましい。
【００４５】
このような方法の具体例としては、光リング共振器の部分のみを生体修飾する、被検出物質を含む検体は光リング共振器周辺のみに滴下する、光リング共振器の周辺に流路を設けてそこに検体を流す、光リング共振器以外はクラッドで保護し、検体を滴下しても波長分離部１８における波長分光特性が変化しないようにする、といった方法を採用できる。
【００４６】
このように、光リング共振器は、被検出物質がリング導波路１４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。あるいは、光リング共振器は、被検出物質を含むがリング導波路１４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。あるいは、光リング共振器は、被検出物質を含む検体が流れるための流路がリング導波路１４に接触するように構成される。
【００４７】
図５は、本発明の実施の形態に従う微小物質検出センサ１００に含まれる光リング共振器における共振波長について説明するための図である。図５（ａ）に示すように、隣接して配置されている１次導波路１２とリング導波路１４との間の電磁的な相互作用によって、１次導波路１２に入射した光波Ｉｉｎの一部（κ１）は、リング導波路１４に入射し、残りの光波（τ１）は、１次導波路１２をそのまま透過した後に出力される（光波Ｉｔｒａｎｓ）。リング導波路１４に入射した光波κ１は、その導波路内を循環する。さらに、リング導波路１４に入射した光波κ１の一部は、リング導波路１４と２次導波路１６との間の電磁的な相互作用によって、光波Ｉｄｒｏｐとして２次導波路１６へ伝搬する。なお、リング導波路１４と２次導波路１６との間の相互作用によって、２次導波路１６を伝搬する光波があれば、その一部（κ２）は、リング導波路１４に入射する。
【００４８】
１次導波路１２に入射される光波Ｉｉｎの光強度と、２次導波路１６から出射される光波Ｉｄｒｏｐの光強度との比（スペクトル）は、図５（ｂ）に示すようになる。すなわち、図５（ｂ）は、１次導波路１２に白色光（広帯域光）を入射し（光波Ｉｉｎ）、２次導波路１６から出力された光（光波Ｉｄｒｏｐ）のスペクトルを観測したものである。この図５（ｂ）においては、共振波長において、より強度の強い光波Ｉｄｒｏｐが２次導波路１６から出射される。このピーク波長は、ＦＳＲ（Free spectral range）毎に生じる。すなわち、白色光のうち、光リング共振器の共振波長に対応する波長のみが、１次導波路１２→リング導波路１４→２次導波路１６の順に伝搬して、光波Ｉｄｒｏｐとして観測される。
【００４９】
本実施の形態に従う微小物質検出センサ１００では、これらのピーク波長の変化（シフト）を観測する。観測対象のピーク波長は、１つでもよいし、より精度を高めるために、複数のピークシフトの各々についてそのシフト量を観測してもよい。
【００５０】
図６は、本発明の実施の形態に従う微小物質検出センサ１００に含まれる光リング共振器における共振波長の変化（シフト）の一例を示す図である。図６に示すように、被検出物質が光リング共振器と接触することによって、観測されるピーク波長は、Δλだけ変化する。変化量Δλは、検出対象の被検出物質の量や種類などに依存する。そのため、この変化量Δλの大きさを評価することで、被検出物質がどの程度の濃度（量）で存在するのか、および／または、どのような種類の被検出物質が存在するのかを測定することができる。
【００５１】
上述したように、本実施の形態に従う微小物質検出センサ１００においては、光リング共振器を透過した光波Ｉｄｒｏｐを波長別に分離して得られた各成分を個別に取得できる。そのため、比較的高価な波長可変光源や分光装置を用いることなく、被検出物質が光リング共振器と接触することによって生じる光リング共振器における共振波長の変化を検出することができる。そのため、よりコストを低減した構成を用いて、被検出物質の濃度などを測定することができる。
【００５２】
［Ｅ．光リング共振器の構造］
次に、光リング共振器の構造について説明する。
【００５３】
上述したように、本実施の形態に従う微小物質検出センサ１００において用いられる光リング共振器は、２つの光導波路をそれぞれリング導波路１４と近接させた構造を基板１０上に形成したものである。典型的には、以下のような構造を採用することができる。
【００５４】
（ｅ１：垂直カップリング構造）
図７は、本発明の実施の形態に従う微小物質検出センサ１００に用いられる垂直カップリング構造の光リング共振器を示す模式図である。
【００５５】
図７（ａ）を参照して、垂直カップリング構造の光リング共振器では、リング導波路１４の軸方向に沿って、１次導波路１２および２次導波路１６をそれぞれ近接配置したものである。この場合、図７（ｂ）に示すように、リング導波路１４の軸方向において、１次導波路１２および２次導波路１６の位置がリング導波路１４のリングの位置と一致することが好ましい。
【００５６】
なお、リング導波路１４と、１次導波路１２および２次導波路１６との間の間隔ｇａｐは、導波路間の電磁的な結合量を考慮して、適切な値に設計される。
【００５７】
（ｅ２：水平カップリング構造）
図８は、本発明の実施の形態に従う微小物質検出センサ１００に用いられる水平カップリング構造の光リング共振器を示す模式図である。
【００５８】
図８（ａ）を参照して、垂直カップリング構造の光リング共振器では、リング導波路１４の半径方向に沿って、１次導波路１２および２次導波路１６をそれぞれ近接配置したものである。この場合、図８（ｂ）に示すように、リング導波路１４の半径方向において、１次導波路１２および２次導波路１６の高さがリング導波路１４のリングの高さと一致することが好ましい。すなわち、１次導波路１２、リング導波路１４および２次導波路１６は、同一平面上に隣接して配置される。
【００５９】
なお、リング導波路１４と、１次導波路１２および２次導波路１６との間の間隔ｇａｐは、導波路間の電磁的な結合量を考慮して、適切な値に設計される。
【００６０】
（ｅ３：立体カップリング構造）
図９は、本発明の実施の形態に従う微小物質検出センサ１００に用いられる立体カップリング構造の光リング共振器を示す模式図である。
【００６１】
図９に示すように、１次導波路１２と２次導波路１６とが延伸する向きを非平行（典型的には、直交）とすることもできる。この場合には、１次導波路１２が配置される平面と、２次導波路１６が配置される平面とを互いに一致しないように構成することができる。但し、これらの導波路が同一平面上に形成されてもよい。
【００６２】
［Ｆ．変形例］
（ｆ１：複数の光リング共振器）
上述の実施の形態においては、１つの光リング共振器に対して、１つの波長分離部１８が接続されている構成を例示した。本変形例においては、複数の光リング共振器が１つの波長分離部１８を共有する構成について例示する。
【００６３】
図１０は、本発明の実施の形態の第１変形例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１０を参照して、本変形例に従う微小物質検出装置は、微小物質検出センサ１００Ａと、微小物質検出センサ１００Ａに検出用の光をそれぞれ供給する光源１１０＿１および１１０＿２と、微小物質検出センサ１００Ａを通過した後の光を検出する検出部１２０とを含む。
【００６４】
微小物質検出センサ１００Ａは、複数の光リング共振器（図１０の例では、２個）を含む。これらの光リング共振器は、基板１０Ａと、基板１０Ａ上に形成された、１次導波路１２＿１および１２＿２（第１の導波路）と、基板１０Ａ上に１次導波路１２＿１および１２＿２とそれぞれ近接して形成されたリング導波路１４＿１および１４＿２（第２の導波路）とから構成される。さらに、微小物質検出センサ１００Ａは、リング導波路１４＿１および１４＿２とそれぞれ近接して形成された２次導波路１６＿１および１６＿２（第３の導波路）を含む。
【００６５】
図１０に示す構成においては、それぞれの光リング共振器から出力される光波は、２次導波路１６＿１および１６＿２を通じて、波長分離部１８へ入力される。
【００６６】
図１０に示す微小物質検出装置では、典型的には、被検出物質を含む検体が流れるための流路が複数の光リング共振器に亘って形成される。このように構成することで、それぞれの光リング共振器において実質的に同じ被検出物質を応じた共振波長の変化が生じる。そのため、波長分離部１８に入射される光波の強度は、１つの光リング共振器を用いた場合に比較して、その個数倍となる。
【００６７】
したがって、被検出物質に対する検出感度を高めることができる。
代替の構成として、共振波長の異なる複数の光リング共振器を設けることで、複数種類の被検出物質を含む検体であっても同時に検出することができる。
【００６８】
なお、図１０に示す構成において、各光リング共振器からの光を伝搬する２次導波路１６＿１および１６＿２と波長分離部１８との間に、スイッチ機能をさらに設けて、いずれか１つの光リング共振器からの光波のみを波長分離部１８へ導くようにしてもよい。
【００６９】
その他の構成については、上述の実施の形態と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【００７０】
（ｆ２：トラック型）
上述の実施の形態においては、光リング共振器を構成するリング導波路１４（第２の導波路）として、円形のものを例示したが、これに限られない。たとえば、楕円（横長円）や真円と楕円との複合型といったものを採用することができる。
【００７１】
（ｆ３：透過光検出型）
上述の実施の形態においては、光源１１０から、１次導波路１２、リング導波路１４、２次導波路１６の順に伝搬して出力される光波Ｉｄｒｏｐを観測する構成について例示した。これに対して、光源１１０から１次導波路１２を透過して出力される光波Ｉｔｒａｎｓを観測してもよい。
【００７２】
図１１は、本発明の実施の形態の第３変形例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１１を参照して、本変形例に従う微小物質検出装置は、微小物質検出センサ１００Ｂと、微小物質検出センサ１００Ｂに検出用の光をそれぞれ供給する光源１１０と、微小物質検出センサ１００Ｂを通過した後の光を検出する検出部１２０とを含む。
【００７３】
図１２は、本発明の実施の形態の第３変形例に従う微小物質検出センサ１００Ｂに含まれる光リング共振器における共振波長について説明するための図である。図１２（ａ）に示すように、隣接して配置されている１次導波路１２とリング導波路１４との間の電磁的な相互作用によって、１次導波路１２に入射した光波Ｉｉｎの一部（κ）は、リング導波路１４に入射し、残りの光波（τ）は、１次導波路１２をそのまま透過した後に出力される（光波Ｉｔｒａｎｓ）。
【００７４】
１次導波路１２に入射される光波Ｉｉｎの光強度と、２次導波路１６から出射される光波Ｉｄｒｏｐの光強度との比（スペクトル）は、図１２（ｂ）に示すようになる。すなわち、図１２（ｂ）は、１次導波路１２に白色光（広帯域光）を入射し（光波Ｉｉｎ）、１次導波路１２を透過した光（光波Ｉｔｒａｎｓ）のスペクトルを観測したものである。この図１２（ｂ）においては、共振波長において、入射光は光リング共振器（リング導波路１４）と共振して、その中に取り込まれる。そのため、１次導波路１２についての透過率が低下する。そのため、図１２（ｂ）に示すように、光リング共振器の共振波長に対応する波長において逆ピークが生じている。
【００７５】
本変形例の形態に従う微小物質検出センサ１００Ｂでは、これらの逆ピーク波長の変化（シフト）を観測する。観測対象のピーク波長は、１つでもよいし、より精度を高めるために、複数のピークシフトの各々についてそのシフト量を観測してもよい。
【００７６】
その他の構成については、上述の実施の形態と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【００７７】
（ｆ４：複数の光リング共振器）
上述の実施の形態においては、特定の共振波長を有する光リング共振器と波長分離部とを用いる構成について例示したが、互いに共振波長を異ならせるように設計された複数の光リング共振器を用いる構成を採用することもできる。
【００７８】
図１３は、本発明の実施の形態の第４変形例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１３を参照して、微小物質検出装置は、微小物質検出センサ１００Ｃと、微小物質検出センサ１００Ｃに検出用の光を供給する光源１１０Ｃと、微小物質検出センサ１００を通過した後の光を検出する検出部１２０Ｃとを含む。光源１１０Ｃは、上述の実施の形態において説明したような、（ハロゲン）ランプ、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ：Super Luminescent Diode）、スーパーコンティニュアム光源などの広帯域光源ではなく、特定の波長成分を有するレーザ光が好ましい。
【００７９】
微小物質検出センサ１００Ｃは、設計された共振波長の異なる複数の光リング共振器を含む。共振波長を異ならせるためには、光導波路の屈折率を異ならせることもできるが、リング半径を異ならせることで実現するのが現実的である。
【００８０】
これらの光リング共振器は、基板１０と、基板１０上に形成された、光源１１０Ｃからの光波を伝搬する１次導波路１２（第１の導波路）と、基板１０上に１次導波路１２と近接して形成された、リング状に形成された複数のリング導波路１４１，１４２，１４３，１４４，１４５，１４６（第２の導波路）とから構成される。さらに、微小物質検出センサ１００Ｃは、複数のリング導波路１４１，１４２，１４３，１４４，１４５，１４６とそれぞれ近接して形成された２次導波路１６１，１６２，１６３，１６４，１６５，１６６（第３の導波路）を含む。なお、光リング共振器の数については、多いほどその検出精度が高まるので好ましいが、コストおよびセンサのサイズなどから、適切な値が設定される。
【００８１】
本変形例に従う微小物質検出装置においては、微小物質検出センサ１００Ｃに含まれる複数の光リング共振器に被検出物質を接触／近接させることで、それぞれの光リング共振器における共振波長の変化を観測することで、被検出物質を検出する。
【００８２】
被検出物質を含む検体が複数の光リング共振器のいずれにも共通的に付着されることが好ましい。たとえば、複数の光リング共振器に亘って、被検出物質を含む液体を流すための流路を近接配置する構成などを採用することが好ましい。
【００８３】
上述したように、被検出物質が光リング共振器の表面または周辺に付着することで、当該光リング共振器の共振波長が異なるが、被検出物質の付着によって、その共振波長が変化（シフト）する。本変形例に従う微小物質検出装置においては、光源１１０Ｃとして、特定の光リング共振器における（設計上の）共振波長と実質的に同一の波長を有する光波を、１次導波路１２を通じて入射し、いずれの光リング共振器において共振が生じているのかを観測する。以下、具体例について説明する。
【００８４】
たとえば、光リング共振器（リング導波路１４１，１４２，１４３，１４４，１４５，１４６）が（設計上の）共振波長として、λ１，λ２，λ３，λ４，λ５，λ６をそれぞれ有しているとする。ここで、光源１１０Ｃから波長λ４（リング導波路１４４における共振波長と同じ）のレーザ光を入射することを考える。
【００８５】
複数の光リング共振器の周辺に何らの被検出物質も存在しない場合には、この光源１１０Ｃからの光波（波長λ４）は、４番目の光リング共振器において共振を生じる。言い換えれば、光源１１０Ｃからの光波が１次導波路１２を伝搬したとしても、４番目の光リング共振器以外の光リング共振器では共振を生じない。
【００８６】
次に、複数の光リング共振器に対して検体（被検出物質）を滴下または流すと、それぞれの光リング共振器における共振波長が設計値から変化（シフト）する。そのため、４番目の光リング共振器の共振波長も変化し、光源１１０Ｃからの光波（波長λ４）では共振を生じなくなる。
【００８７】
ここで、複数の光リング共振器の（設計上の）共振波長の間隔を被検出物質によって生じる変化量Δλと同程度に設計しておけば、すなわち、λ５＝λ４＋Δλと設計しておけば、この被検出物質の付着によって、５番目の光リング共振器において共振が生じる。すなわち、被検出物質が存在しない場合には、４番目の光リング共振器と接続されている２次導波路１６４を通じて光波が出力され、被検出物質が存在する場合には、５番目の光リング共振器と接続されている２次導波路１６５を通じて光波が出力されることになる。
【００８８】
したがって、いずれの光リング共振器から光波が出力されるのかを観測することで、被検出物質がどの程度の濃度（量）で存在するのか、および／または、どのような種類の被検出物質が存在するのかを測定することができる。
【００８９】
なお、光リング共振器の共振波長λ１（最小値）と共振波長λ６（最大値）との差が被検出物質を検出するべきレンジに対応するように、複数の光リング共振器の共振波長を設計することが好ましい。
【００９０】
本変形例においては、被検出物質が光リング共振器と接触することによって生じる光リング共振器における共振波長の変化を検出するために用いられる波長変化検出用手段として、設計された共振波長の異なる複数の光リング共振器と、複数の光リング共振器を構成するリング導波路１４１，１４２，１４３，１４４，１４５とそれぞれ近接して形成されるとともに、基板１０の外部に光波を導く複数の２次導波路１６１，１６２，１６３，１６４，１６５を含む。これらは、いずれも基板１０上に形成されている。すなわち、本変形例においては、複数の光リング共振器は、波長変化検出用手段としても機能する。
【００９１】
その他の構成については、上述の実施の形態と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【００９２】
（ｆ５：しみ出し光波（電磁波）を増大させる構造１）
上述の実施の形態においては、一般的な光導波路を用いた光リング共振器について例示したが、以下のような特徴的な構造を有する光リング共振器を用いることで、より検出感度を高めることができる。
【００９３】
図１４は、本発明の実施の形態の第５変形例に従う光リング共振器の断面構造を示す模式図である。図１４を参照して、本変形例に従う光リング共振器を構成するリング導波路１４Ａは、コア１４１とクラッド１４２とに加えて、コア１４１に隣接し、かつ、被検出物質を付着させる側に、その値がクラッド１４２の屈折率（クラッド材料の屈折率ｎｃｌａｄ）より高く、かつ、コア１４１の屈折率（コア材料の屈折率ｎｃｏｒｅ）より低い屈折率を有する低屈折率層１４９（屈折率ｎＬｏｗＮ）が設けられている。
すなわち、以下に示す関係が成り立つ。
【００９４】
ｎｃｏｒｅ＜ｎＬｏｗＮ＜ｎｃｌａｄ
このような低屈折率層１４９を設けることで、コア１４１を伝搬する光波の電磁界成分を被検出物質が付着する側へしみ出させ、これにより、光リング共振器の共振条件をより大きく変化させる。
【００９５】
なお、本変形例に従う光リング共振器では、コア１４１を伝搬する光波の電界振動方向が、コア１４１と低屈折率層１４９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１４１から被検出物質へ向かう電界強度をより高めることができる。また、本変形例に従う光リング共振器では、シングルモード条件を満たすように、リング導波路１４Ａを設計することが好ましい。
【００９６】
その他の構成については、上述の実施の形態と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【００９７】
（ｆ６：しみ出し光波（電磁波）を増大させる構造２）
図１５は、本発明の実施の形態の第６変形例に従う光リング共振器の断面構造を示す模式図である。図１５を参照して、本変形例に従う光リング共振器を構成するリング導波路１４Ｂは、コア１４１とクラッド１４２とから構成される。特に、本変形例に従う光リング共振器のリング導波路１４Ｂのコア１４１は、光リング共振器のリング導波路１４Ｂについてシングルモード条件を満たしつつ、コア１４１の断面形状を被検出物質が付着する側に薄くするように設計される。すなわち、コア１４１の断面形状は、コア１４１から被検出物質へ向かう方向と平行な方向の長さ（高さＨ）が、コア１４１から被検出物質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。
【００９８】
言い換えれば、コア１４１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。
【００９９】
このような構造を採用することで、光リング共振器の光導波路（コア１４１）による、光波の閉じ込め作用は、被検出物質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。
【０１００】
なお、コア１４１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。
【０１０１】
その他の構成については、上述の実施の形態と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
【０１０２】
（ｆ７：しみ出し光波（電磁波）を増大させる構造３）
図１６は、本発明の実施の形態の第７変形例に従う光リング共振器の断面構造を示す模式図である。図１６を参照して、本変形例に従う光リング共振器を構成するリング導波路１４Ｃは、コア１４１とクラッド１４２とから構成される。特に、本変形例に従うリング導波路１４Ｃのコア１４１は、光リング共振器のリング導波路１４Ｃについてマルチモード条件を満たしつつ、コア１４１の断面形状を被検出物質が付着する側に厚くするように設計される。すなわち、コア１４１の断面形状は、コア１４１から被検出物質へ向かう方向と垂直な方向の長さ（幅Ｗ）が、コア１４１から被検出物質へ向かう方向と平行な方向の長さ（高さＨ）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、コアの幅Ｗは、コアの高さＨよりも薄くなるように構成される。
【０１０３】
言い換えれば、コア１４１の断面形状は、（１）マルチモード条件、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。
【０１０４】
このような構造を採用することで、光リング共振器の光導波路（コア１４１）による、光波の閉じ込め作用は、被検出物質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。
【０１０５】
なお、コア１４１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。
【０１０６】
その他の構成については、上述の実施の形態と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
［Ｇ．作用効果］
本実施の形態に従う微小物質検出センサによれば、同一チップ内に、光リング共振器に加えて、光リング共振器における共振波長の変化を検出するために用いられる波長変化検出用手段が実装される。この波長変化検出用手段の典型例としては、分光手段が採用される。このような波長変化検出用手段をチップ上に配置することで、比較的高価な波長可変光源や分光装置を不要とすることができる。それにより、コストを抑制した、微小物質検出センサおよび当該微小物質検出センサを備えた微小物質検出装置を実現できる。
【０１０７】
また、本実施の形態に従う微小物質検出センサによれば、リング共振器を通過した光波を外部の分光装置に入射させる必要がない。従来のように、外部に設けられた分光装置に光波を入射させる際には、光学アライメントが必要である。光学アライメントは非常に手間と時間を要する作業であるので、この光学アライメントの処理を省略できることは、コスト的に非常に有利となる。さらに、光学アライメントの不具合による、結合ロスに起因する信号強度（Ｓ／Ｎ比）の低下を回避できる。
【０１０８】
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】
【０１０９】
１０，１０Ａ 基板、１２ １次導波路、１４，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４１，１４２，１４３，１４４，１４５，１４６，１４１，１４２，１４３，１４４，１４５，１４４ リング導波路、１６，１６１，１６２，１６３，１６４，１６５，１６１，１６２，１６３，１６４，１６５，１６６，１６４，１６５ ２次導波路、１８ 波長分離部、２１，２２，２３，２４，２５ ３次導波路、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ 微小物質検出センサ、１１０，１１０Ｃ 光源、１２０，１２０Ｃ 検出部、１４１ コア、１４２ クラッド、１４３ 生体修飾部、１４６ 流路、１４７ 液体、１４８ 被検出物質、１４９ 低屈折率層、１８１ 入力側導波路群、１８２ 入力側スラブ導波路、１８３ 中間導波路群、１８４ 出力側スラブ導波路、１８５ 出力側導波路群。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された、光源からの光波を伝搬する第１の導波路と、
前記基板上に前記第１の導波路と近接して形成された、リング状の第２の導波路からなる光リング共振器と、
被検出物質が前記光リング共振器と接触することによって生じる前記光リング共振器における共振波長の変化を検出するために用いられる、前記基板上に形成された波長変化検出用手段とを備える、微小物質検出センサ。
【請求項２】
前記波長変化検出用手段は、
前記第２の導波路と近接して形成された第３の導波路と、
前記第３の導波路と接続された波長分離手段とを含む、請求項１に記載の微小物質検出センサ。
【請求項３】
前記波長分離手段は、前記第３の導波路と接続された入力ポートと、前記入力ポートから入力された光波を波長について分離して得られるそれぞれの光波を出力するための複数の出力ポートとを含む、請求項２に記載の微小物質検出センサ。
【請求項４】
前記微小物質検出センサは、前記波長変化検出用手段としても機能する前記光リング共振器を複数備え、複数の前記光リング共振器は、互いに共振波長を異ならせるように設計されており、
前記波長変化検出用手段は、複数の前記第２の導波路とそれぞれ近接して形成されるとともに、前記基板の外部に光波を導く複数の第３の導波路を含む、請求項１に記載の微小物質検出センサ。
【請求項５】
前記光リング共振器は、前記第２の導波路の周辺のみを生体修飾される、請求項１〜４のいずれか１項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、前記被検出物質を含む物質が流れるための流路が前記第２の導波路に接触するように構成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の微小物質検出センサ。
【請求項７】
基板と、
前記基板上に形成された、光源からの光波を伝搬する第１の導波路と、
前記基板上に前記第１の導波路と近接して形成された、リング状の第２の導波路からなる光リング共振器と、
被検出物質が前記光リング共振器と接触することによって生じる前記光リング共振器における共振波長の変化を検出するために用いられる、前記基板上に形成された波長変化検出用手段と、
前記第１の導波路の一方端に接続され、光波を発生する光源と、
前記波長変化検出用手段から出力される光波を波長別に検出する検出部とを備える、微小物質検出装置。
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された、光源からの光波を伝搬する第１の導波路と、
前記基板上に前記第１の導波路と近接して形成された、リング状の第２の導波路からなる光リング共振器と、
被検出物質が前記光リング共振器と接触することによって生じる前記光リング共振器における共振波長の変化を検出するために用いられる、前記基板上に形成された波長変化検出用手段とを備える、微小物質検出センサ。
【請求項２】
前記波長変化検出用手段は、
前記第２の導波路と近接して形成された第３の導波路と、
前記第３の導波路と接続された波長分離手段とを含む、請求項１に記載の微小物質検出センサ。
【請求項３】
前記波長分離手段は、前記第３の導波路と接続された入力ポートと、前記入力ポートから入力された光波を波長について分離して得られるそれぞれの光波を出力するための複数の出力ポートとを含む、請求項２に記載の微小物質検出センサ。
【請求項４】
前記微小物質検出センサは、前記波長変化検出用手段としても機能する前記光リング共振器を複数備え、複数の前記光リング共振器は、互いに共振波長を異ならせるように設計されており、
前記波長変化検出用手段は、複数の前記第２の導波路とそれぞれ近接して形成されるとともに、前記基板の外部に光波を導く複数の第３の導波路を含む、請求項１に記載の微小物質検出センサ。
【請求項５】
前記光リング共振器は、前記第２の導波路の周辺のみを生体修飾される、請求項１〜４のいずれか１項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、前記被検出物質を含む物質が流れるための流路が前記第２の導波路に接触するように構成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の微小物質検出センサ。
【請求項７】
基板と、
前記基板上に形成された、光源からの光波を伝搬する第１の導波路と、
前記基板上に前記第１の導波路と近接して形成された、リング状の第２の導波路からなる光リング共振器と、
被検出物質が前記光リング共振器と接触することによって生じる前記光リング共振器における共振波長の変化を検出するために用いられる、前記基板上に形成された波長変化検出用手段と、
前記第１の導波路の一方端に接続され、光波を発生する光源と、
前記波長変化検出用手段から出力される光波を波長別に検出する検出部とを備える、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１４】
【図１５】
【図１６】
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−９３１６５（Ｐ２０１２−９３１６５Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３９５２２（Ｐ２０１０−２３９５２２）
【出願日】平成２２年１０月２６日（２０１０．１０．２６）
【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５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２６日（２０１０．１０．２６）
【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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