JP2007271790A - 光コネクタ及びマイクロ化学反応装置 - Google Patents

Abstract

【課題】生化学反応等に使用される光を導波するための光コネクタを提供すること。
【解決手段】ファイバ挿通孔２４を有する本体２１と、本体２１の先端面でファイバ挿通孔２４の周囲に形成された凹部２５と、ファイバ挿通孔２４内に取り付けられ且つ本体２１の先端面より後退させた位置に先端を配置した光ファイバ２３と、凹部２５内に充填された屈折率調整剤２６とを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、光コネクタ及びマイクロ化学反応装置に関し、より詳しくは、生化学反応等に使用される光を導波するための光コネクタと、そのような光コネクタを備えたマイクロ化学反応装置に関する。

ＤＮＡ反応、ＤＮＡ増殖、ＤＮＡ合成等のＤＮＡ分子ハンドリング及び定量などをターゲットとして分析を行うためのマイクロ化学反応装置として、例えば下記の特許文献１に複数のユニットセルを持つ構成が提案されている。

そのマイクロ化学反応装置には、図９に示すようなチャンネル基板１００が使用される。チャンネル基板１００は、ガラスから構成された板状の基板本体１０１と、基板本体１０１の一端から他端にかけて形成された空洞のマイクロチャンネル１０２と、フェムト秒レーザの照射によって基板本体１０１の側面からマイクロチャンネル１０２の側部に至る経路に形成された光導波路１０３から構成されている。

そのマイクロチャンネル１０２内には一端から他端に向けて被検出体を含む液体が流される。また、マイクロチャンネル１０２には光導波路１０３を介して例えば計測用のレーザ光が照射される場合もあり、そのレーザ光を導入するために、例えば図１０に示すような光コネクタ１１０が使用される。

光コネクタ１１０は、ガラス材や樹脂からなるコネクタ本体１１１及びフランジ部１１２を有している。また、コネクタ本体１１１には、フランジ部１１２を貫通してその先端に達する光ファイバ１１３が間隔をおいて一列又は複数列に複数本取り付けられている。
特開２００５−１６１１２５号公報

ところで、光コネクタ１１０の光ファイバ１１３とチャンネル基板１００の光導波路１０３とを高機密性を保って接続するためには、コネクタ本体１１１及び光ファイバ１１３の端面を精密研削、研磨することが必要である。これにより不揃いの光ファイバ１１３の先端もコネクタ本体１１１の先端で揃うことになる。

しかし、光コネクタ１１０の先端を平坦化しても、チャンネル基板１００の側面に凹凸があったり或いは光コネクタ１１０の取り付け誤差が生じたりすることによってその接続部分に空気層が介在することもある。その空気層は、チャンネル基板１００側面や光ファイバ１１３の端面において反射を生じさせる原因となる。

このように、光コネクタと光導波路の接続部分で反射が生じると、接続損失が増加したり、戻り光による発光素子の不安定動作を招いたりするといった不都合がある。

本発明の目的は、マイクロ流体を流す領域に損失が少ない状態で光を照射することができる光コネクタ及びマイクロ化学反応装置を提供することにある。

上記の課題を解決するための本発明の第１の態様は、ファイバ挿通孔を有する本体と、前記ファイバ挿通孔内に取り付けられ且つ前記本体の前記先端面より後退させた位置に先端を配置した光ファイバと、前記光ファイバの先端の前に充填された屈折率調整剤とを有することを特徴とする光コネクタである。

本発明の第２の態様は、前記第１の態様に係る光コネクタにおいて、 前記本体の先端面で前記ファイバ挿通孔の周囲に形成された凹部を有し、前記凹部には前記屈折率調整材が充填されていることを特徴とする。

本発明の第３の態様は、前記第１又は第２の態様に係る光コネクタにおいて、前記ファイバ挿通孔及び前記光ファイバは間隔をおいて複数設けられていることを特徴とする。

本発明の第４の態様は、前記第３の態様に係る光コネクタにおいて、前記凹部は、複数の前記ファイバ挿通孔の全体を囲む形状か個々に囲む形状かのいずれかを有していることを特徴とする。

上記の課題を解決するための本発明の第５の態様は、前記第１乃至第４の態様のいずれかに記載の光コネクタと、流体試料を流す空洞を有するセルと、前記セルに形成された高屈折領域であって前記光コネクタの前記光ファイバに前記屈折率調整剤を介して光接続される光導波路と
を有することを特徴とするマイクロ化学反応装置である。

本発明の第６の態様は、前記第５の態様に係るマイクロ化学反応装置において、前記セルはガラスから構成され、前記光導波路は前記セルにフェムト秒レーザを照射した形成された領域であることを特徴とする。

本発明の光コネクタによれば、ファイバ挿通孔を有するコネクタ本体の先端面で、凹部を形成するとともに、ファイバ挿通孔内に取り付けられる光ファイバの先端をコネクタ本体の先端面よりも後退させて配置し、さらに、光ファイバ先端の前に屈折率調整剤を充填するようにしたので、光ファイバとこれに接続される光導波路との間に屈折率調整剤を介在させることができ、その光接続部分での反射を防止することができる。

さらに、屈折率調整剤が充填される凹部をファイバ挿通孔の周囲に広がらせるように形成すれば、光ファイバ取り付け後に光ファイバの先端に屈折率調整剤を確実且つ容易に充填及び交換することが可能になる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の実施形態に係るマイクロ化学反応装置を示す斜視図である。

図１において、マイクロ化学反応装置は、流体試料を混合する混合ユニットセル１と、混合ユニットセル１に流体試料を前方から供給する供給ユニットセル５と、混合ユニットセル１から後方に流体試料を外部に排出させる排出ユニットセル６、その他のユニットセルを備えている。

混合ユニットセル１は、図２に示すチャンネル基板１０を複数段重ねて前後に取り出し可能に収納する基板収納スペース２を有する枠状体３を有している。また、枠状体３の側部には、後述する光コネクタ２０を接続するコネクタ接続口４が形成されている。

チャンネル基板１０は、厚み０．３〜３．０ｍｍ、幅３〜１００ｍｍ、長さ１０〜１００ｍｍ程度の大きさを有するガラスから形成された板状の基板本体１１と、基板本体１１の一端から他端にかけて形成されて流体試料を流すための空洞のマイクロチャンネル１２と、マイクロチャンネル１２の側部から基板本体１１側面に至る経路に形成された光導波路１３とから構成されている。マイクロチャンネル１２は、例えば、基板本体１１の試料流入端に２つの流入口１２ａ，１２ｂを有し、試料流出端に１つの流出口１２ｃを有するＹ字状の平面形状を有している。

光導波路１３は、フェムト秒レーザの照射によって基板本体１１を部分的に高屈折化することにより形成される。その照射条件は、例えば、Ｔｉ：サファイアレーザを用いる場合に、入射エネルギーを１〜１００μＪ、パルス幅を５０〜１０００ヘムト秒、パルス周期を１〜１０００Ｈｚに設定される。

混合ユニットセル１のコネクタ接続口４は、基板収納スペース２内で重ねて収納された複数のチャンネル基板１０の光導波路１３の全てを露出する位置と大きさで形成されている。

混合ユニットセル１に取り付けられる光コネクタ２０は、図３に示すように、コネクタ接続口４に嵌め込まれるコネクタ本体２１と、コネクタ本体２１の後端で周囲に広がるフランジ２２とを有している。

コネクタ本体２１及びフランジ２２には、複数本の光ファイバ２３を挿入するファイバ挿通孔２４が間隔をおいて一列に配列されている。ファイバ挿通孔２４の直径は、光ファイバ２３の直径よりも１μｍ又は数ミクロン程度広い値となっている。また、ファイバ挿通孔２４同士のピッチは、基板収納スペース２内で複数のチャンネル基板１０が縦方向に重ねられた状態で各光導波路１３のピッチと実質的に一致する大きさとなっている。

また、コネクタ本体２１の先端面のうちファイバ挿通孔２４を含む範囲には、その先端面から０．１〜５．０μｍ程度後退する深さの凹部２５が形成され、その凹部２５の底面からはファイバ挿通孔２４が露出している。なお、凹部２５の断面形状はコ字状となっている。

ファイバ挿通孔２４に挿入された光ファイバ２３は、その先端をコネクタ本体２１の先端面よりも後退した位置であって凹部２５の底面と一致するかそれよりも突出された状態で差し込まれ、さらに、ファイバ挿通孔２４内に充填される接着剤によって接着されている。

凹部２５内には、チャンネル基板１０の光導波路１３と光ファイバ２３との光接合の損失を低減するとともに、光導波路１３と光ファイバ２３の間に形成される間隙の屈折率を調整するための粘性のある光透過性屈折率整合剤２６、例えば屈折率１．４６程度のシリコーン系材料が充填されている。

このように、屈折率調整剤２６が充填される凹部２５をファイバ挿通孔２４の周囲に広がらせるように形成しているので、光ファイバ２３の取り付け後に光ファイバ２３の先端に屈折率調整剤２６を確実且つ容易に充填及び交換することが可能になる。

なお、図３において符号２７は、光ファイバの被覆を示している。

上記のマイクロ化学反応装置の混合ユニットセル１において、複数のチャンネル基板１０を重ねてそれらの光導波路１３がコネクタ接続口４を向くように、チャンネル基板１０を基板収納スペース２に挿入する。

さらに、図４に示すように、光コネクタ２０のコネクタ本体２１先端を混合ユニットセル１のコネクタ接続口４に挿入し、その先端面をチャンネル基板１０に接触させると、光コネクタ２０内の光ファイバ２４の先端は、図５に示すように、チャンネル基板１０の側部の光導波路１３の外端に突き当てられる。この場合、コネクタ本体２１先端から少し盛り上がるように屈折率整合剤２６を凹部２５に充填することにより、光ファイバ２３と光導波路１３が光接続されることになる。

従って、コネクタ本体２１とチャンネル基板１０の間に例え僅かな隙間が生じたとしてもその隙間には屈折率整合剤２６が介在しているので、隙間による屈折率の低下は防止される。
しかも、屈折率調整剤が充填される凹部をファイバ挿通孔の周囲に広がらせるように形成しているので、光ファイバ取り付け後に光ファイバの先端に屈折率調整剤を確実且つ容易に充填及び交換することが可能になる。

これにより、図１に示す供給ユニットセル５から供給される流体試料は、混合ユニットセル１内のチャンネル基板１０内のマイクロチャンネル１２内を流れて排出ユニットセル６から外部に排出される。マイクロチャンネル１２内に流体試料が流されている状態で、その流体試料には光導波路１３を介して光コネクタ２０内の光ファイバ２３から所定波長の光が照射射される。

この結果、光ファイバ２３と光導波路１３の間では実質的に反射が発生せず、これにより光結合損失が低減されることになり、しかも、反射による戻り光も生じないので光ファイバ２６に接続される発光素子（不図示）の動作も安定する。

ところで、光コネクタ２０のコネクタ本体２１の先端の凹部２５を、図６に示すように、各ファイバ挿通孔２４の先端を別々に囲むように複数形成してもよい。これによれば、光ファイバ２３から出射された光をコネクタ本体２１の壁によって遮ることが可能になり、光ファイバ２３間のピッチが狭くなる構造については隣接する光ファイバ２３同士の光の干渉が防止される。

また、コネクタ本体２１の先端の凹部２５の断面形状を、図７に示すように、テーパー状にしてもよい。これによれば、凹部２５に屈折率整合剤２７をさらに充填しやすくなるし、交換もさらに容易になる。

なお、上記の光コネクタ２０は、コネクタ本体２１及びフランジ２２に１本の光ファイバ２３を取り付けるようにしてもよい。また、コネクタ本体２１の先端をフラットにして、光ファイバ２３を先端より後退させてもよい。
（第２の実施の形態）
図８は、本発明の第２実施形態に係るマイクロ化学反応装置を示す斜視図である。

図８に示すマイクロ化学反応装置は、ガラス製のマイクロセル３０を有し、その中には、中心軸が上下に延びる円柱状空洞からなる流路３１が形成されている。また、流路３１の上部には、流体試料を供給する試料供給部３２が接続されている。

マイクロセル３０の側部には、流路３１に到達する光導波路３２がヘムト秒レーザ照射により形成されている。光導波路３２は、マイクロセル３０において高屈折領域となっている。

マイクロセル３０の側面には光導波路３２の端部に接続される光ファイバ４１を備えた光コネクタ４０が取り付けられている。光コネクタ４０には、先端から後方に延びるファイバ挿通孔４２が少なくとも１つ形成されている。また、光コネクタ４０の先端面のうちファイバ挿通孔４２の周囲には、第１実施形態と同様に、先端面から０．１〜５．０μｍ程度後退する底面を有する断面Ｕ字状又はテーパー状の凹部４３が形成されている。

ファイバ挿通孔４２内には、光コネクタ４０の先端面よりも後退した位置であって且つ凹部４３の底面と一致させるかそれよりも凹部４３内に先端を突出させた光ファイバ４１が接着剤により接着され、その後端は外部に引き出されている。また、光コネクタ４０の凹部４３内には第１実施形態と同様に、屈折率整合剤４４が充填されている。

また、光コネクタ４０の先端面には凹部４３の両側にガイドピン４７が取り付けられ、ガイドピン４７はマイクロセル３０の光導波路３２の周囲に設けたピン嵌合孔に差し込まれている。

以上のような光コネクタ４０は、光ファイバ４１の先端がマイクロセル３０の光導波路３２の端部と光軸が一致するように取り付けられるが、その場合、光ファイバ４１と光導波路３２の間には屈折率整合剤４４が介在しているので、光ファイバ４１と光導波路３２の間では光軸に沿って導波される光の反射が防止される。

この結果、光結合損失が低減されることになり、しかも、反射による戻り光も生じないので光ファイバ４１に接続される発光素子（不図示）の動作も安定する。

なお、上記した第１、第２実施形態においては、光導波路を１つ形成する例について説明しているが、流路の両側に光導波路を２つ形成し、それらに上記の光コネクタを接続するような構成を採用してもよい。この場合、一方の光コネクタの光ファイバから出射された光は流路内で流体試料に当たり、さらに流体内を通過した光は他方の光コネクタの光ファイバにより受光される。なお、２つの光コネクタは互いの光ファイバの光軸を一致させる場合もあるし、一致させない場合もある。

図１は、本発明の第１実施形態に係るマイクロ化学反応装置を示す分解斜視図である。 図２は、本発明の第１実施形態に係るマイクロ化学反応装置に使用されるチャンネル基板を示す斜視図である。 図３（ａ）は、本発明の実施形態に係る１実施形態に係るマイクロ化学反応装置の光コネクタを示す斜視図、図３（ｂ）は、本発明の実施形態に係る１実施形態に係るマイクロ化学反応装置の光コネクタを示す断面図である。 図４は、本発明の第１実施形態に係るマイクロ化学反応装置の混合ユニットセルを示す斜視図である。 図５は、本発明の第１実施形態に係るマイクロ化学反応装置におけるチャンネル基板と光コネクタの接続状態を示す断面図である。 図６は、本発明の第１実施形態に係るマイクロ化学反応装置における光コネクタの別の例を示す正面図である。 図７は、本発明の第１実施形態に係るマイクロ化学反応装置における光コネクタのさらに別の例を示す断面図である。 図８（ａ）は、本発明の第２実施形態に係るマイクロ化学反応装置を示す斜視図、図８（ｂ）は本発明の第２実施形態に係るマイクロ化学反応装置におけるマイクロセルと光コネクタの接続状態を示す断面図である。 図９は、従来技術に係るマイクロ化学反応装置に使用されるチャンネル基板を示す斜視図である。 図１０は、従来技術に係るマイクロ化学反応装置に使用される光コネクタを示す斜視図である。

符号の説明

１：混合ユニットセル
２：基板収納スペース
３：枠状体
４：コネクタ接続口
１０：チャンネル基板
１２：マイクロチャンネル
１３：光導波路
２０：光コネクタ
２１：コネクタ本体
２３：光ファイバ
２４：ファイバ挿入孔
２５：凹部
２６：屈折率整合剤
３０：マイクロセル
３１：流路
３２：光導波路
４０：光コネクタ
４１：光ファイバ
４２：ファイバ挿入孔
４３：凹部
４４：屈折率整合剤

Claims (6)

1. ファイバ挿通孔を有する本体と、
   前記ファイバ挿通孔内に取り付けられ且つ前記本体の前記先端面より後退させた位置に先端を配置した光ファイバと、
   前記光ファイバの先端の前に充填された屈折率調整剤と
   を有することを特徴とする光コネクタ。
2. 前記本体の先端面で前記ファイバ挿通孔の周囲に形成された凹部を有し、前記凹部には前記屈折率調整材が充填されていることを特徴とする請求項１に記載委の光コネクタ。
3. 前記ファイバ挿通孔及び前記光ファイバは間隔をおいて複数設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光コネクタ。
4. 前記凹部は、複数の前記ファイバ挿通孔の全体を囲む形状か個々に囲む形状かのいずれかを有していることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の光コネクタ。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光コネクタと、
   流体試料を流す空洞を有するセルと、
   前記セルに形成された高屈折領域であって前記光コネクタの前記光ファイバに前記屈折率調整剤を介して光接続される導波路と
   を有することを特徴とするマイクロ化学反応装置。
6. 前記セルはガラスから構成され、
   前記導波路は前記セルにフェムト秒レーザを照射した形成された領域である
   ことを特徴とする請求項５に記載のマイクロ化学反応装置。

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