JP4094997B2 - 光ファイバーセンサ - Google Patents

Description

本発明は、屈折率の異なる界面で赤外線が全反射するときにしみ出すエバネッセント光を利用するなどの光吸収分光による分析に用いる光ファイバーセンサに関する。

物質の特性を知る分析法に、物質の赤外スペクトルを測定する赤外分光法がある。赤外分光法の一つに、ＺｎＳｅなどのＡＴＲ（Attenuated Total Reflection）結晶プリズムを用いた全反射吸収スペクトル法（ＡＴＲ法）がある。ＡＴＲ法は、赤外線がＡＴＲ結晶プリズムの中を全反射する際に、試料が接しているプリズムの外側にわずかにしみ出す光（エバネッセント光）を利用するものであり、固体試料の表面や水溶液試料中の成分の分析を高感度に分析することを可能としている。

ＡＴＲ法による分析では、より感度を向上させるために、多数回の全反射が生じるように構成している（非特許文献１参照）。
また、ＡＴＲ法により、採血やセンサを埋め込むことなどを必要とせずに、人体の血中のグルコースの濃度を簡便に測定する分析システムなども開発されている（特許文献１参照）。

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
特公表２００２−５２７１３６号公報 実用分光法シリーズ（４）分光の医学応用，１９９９年９月３０日発行、（株）アイピーシー

しかしながら、従来のＡＴＲ法による分析では、ＡＴＲ結晶プリズムを小型化することが容易ではなく、分析システム（装置）の小型化が困難であった。このため、特定微小部異の計測を困難としていた。また、上述したＡＴＲ結晶を用いる場合、ＡＴＲ結晶に光を導入し、出射してくる光を計測するための光学系を、光の入射角度などを高精度に位置決めした状態で空間的に構成する必要がある。このため、これらの点でも小型化を阻害していた。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より小型な分析システムが構築できるようにすることを目的とする。

本発明に係る光ファイバーセンサは、光ファイバーの光出射端面に裏面が当接する下部クラッド層と、この下部クラッド層の表面に形成されて少なくとも一部の面が露出した細線コアと、この細線コアから構成された導波路の光入出射端と、下部クラッド層の裏面より光ファイバーから入射した光を、細線コアの光入出射端より細線コアに光結合させるための光結合手段とを少なくとも備え、導波路は、シングルモード導波路であり、細線コアの露出した面に分析対象物が接触するようにしたものである。
このセンサは、細線コアからしみ出した光が、コアの露出した面に接触している分析対象物により吸収されることを利用する。

上記光ファイバーセンサにおいて、膜厚が１００ｎｍ以下の状態で細線コアの露出した部分を覆うように形成され、所望とする分析対象の気体や液体及び超臨界流体などの流体を凝集する機能膜を備えるようにしてもよい。

上記光ファイバーセンサにおいて、２つの第１及び第２光ファイバーの先端に各々配置された第１及び第２光ファイバーセンサを備え、第１光ファイバーセンサの第１細線コアの光入射端は、第１光ファイバーに光接続され、第１細線コアの光出射端は、第２光ファイバーセンサの第２細線コアの光入射端に光接続され、第２細線コアの光出射端は、第２光ファイバーに光接続されているようにしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、光ファイバーの光出射端面に、一部が露出した細線コアよりなるシングルモード導波路を構成し、露出した部分に分析対象物を接触させることで、分析対象物における赤外線の吸収などを検出する分光法による分析を可能とした。従って、本発明によれば、従来のＡＴＲ法における結晶プリズムに代えて、シングルモード導波路を用い、光ファイバーの端面に検出部を設けるようにしたので、感度を低下させることが無く、より小型な分析システムが構築できるようになるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における光ファイバーセンサ１００の構成例を示す断面図（ａ），部分平面図（ｂ），斜視図（ｃ），及び平面図（ｄ）である。光ファイバーセンサ１００は、まず、例えば酸化シリコンから構成された下部クラッドとなる円板形状の基板（下部クラッド層）１０１の上に、スポットサイズ変換部（光結合手段）１０２及び微小光回路からなる検出部１０３を備える。

基板１０１は、光ファイバー１４０の外径にほぼ等しい直径の円板であり、基板１０１の裏面の周端部には、光ファイバー１４０の端部を保持するリング状の枠１０４が固定されている。これらの構成は、例えば市販されているＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を加工することで形成できる。ＳＯＩ基板のシリコンからなる基部より枠１０４が形成可能であり、基部の上の埋め込み酸化層を基板１０１として用いることができる。また、埋め込み酸化層の上の単結晶シリコン層を加工することで、検出部１０３を形成することができる。

基板１０１の裏面側においては、枠１０４に光ファイバー１４０の端部が嵌合され、光ファイバー１４０の端面が基板１０１の裏面に当接されている。光ファイバー１４０の端部は、枠１０４の中に、例えば接着剤などにより固定するようにしてもよい。ここで、枠１０４の内径を光ファイバー１４０の外径とほぼ同様とすることで、光ファイバー１４０のコア１４１の位置を、後述するスポットサイズ変換部１０２の反射面１２３の位置に、高い精度で合わせることが容易にできる。なお、枠１０４は、リング状に限らず、開口形状が任意の多角形であってもよい。

スポットサイズ変換部１０２は、変換部コア１２１とこれを覆うように形成された上部クラッド層１２２とから構成され、基板１０１のほぼ中央部に配置されている。例えば、変換部コア１２１は、例えばシリコン酸窒化物から構成され、上部クラッド層１２２は、酸化シリコンから構成されている。

また、スポットサイズ変換部１０２の変換部コア１２１と上部クラッド層１２２との界面に、基板１０１の平面と４５°程度の角度を有する反射面１２３を備える。上部クラッド層１２２と変換部コア１２１との屈折率の差により、反射面１２３で光が反射するようになる。また、反射面１２３に金属膜を形成し、より大きな光の反射を得るようにしてもよい。反射面１２３を基板１０１に投影した部分が、基板１０１の中央部にあたり、この部分に、光ファイバー１４０のコア１４１の端部が配置されることになる。

また、反射面１２３が基板１０１の平面に平行な方向に投影される面となるスポットサイズ変換部１０２の側部より、検出部１０３を構成する細線コア１３１の先端部（光入出射端）が貫入している。細線コア１３１は、例えば、単結晶シリコンから構成され、断面の寸法及び形状は、１μｍ角の正方形である。なお、細線コア１３１の断面形状は、正方形に限るものではなく、１μｍ×２μｍの長方形など、少なくとも一辺が１μｍ程度とされた長方形であっても、波長４μｍ体の光をシングルモードで導波させることができる。

細線コア１３１は、酸化シリコンからなる基板１０１の上に形成され、基板１０１を下部クラッド層とする導波路を構成している。また、基板１０１の上において、細線コア１３１は上面及び両側面を露出している。なお、細線コア１３１の側部の領域が、基板１０１と同様の酸化シリコンからなるクラッドで充填され、このクラッドに細線コア１３１の両側面が接触しているようにしてもよい。

ここで、細線コア１３１は、断面寸法を１μｍ角程度としてあるので、上記導波路は、波長４μｍ以下の光がシングルモードで伝搬する。言い換えると、シリコン細線コア１３１は、これより構成される導波路が、シングルモードとなる寸法に形成されていればよい。例えば、コアの断面寸法を０．３μｍ角程度あるいは０．２μｍ×０．４μｍ程度とすれば、波長１．５μｍの光をシングルモードで導波する導波路とすることができる。

細線コア１３１の先端部は、基板１０１の上面で、変換部コア１２１の中にまで貫入している。また、細線コア１３１の貫入している先端部は、先端に行くほど幅が狭くなる先細りとなっている。
細線コア１３１は、例えば、図１（ｄ）に示すように、基板１０１の上面で任意の方向に延在する閉回路を構成している。

基板１０１の裏面より光ファイバー１４０から入射した光は、スポットサイズ変換部１０２の反射面１２３で反射して伝搬の方向が変更され、細線コア１３１の先端部より細線コア１３１に光結合する。この光結合した光は、細線コア１３１よりなる導波路を導波し、細線コア１３１の先端部に帰還する。

また、スポットサイズ変換部１０２では、「細線コア１３１の屈折率＞変換部コア１２１，１０４の屈折率＞上部クラッド層１２２の屈折率」となっている。このように構成したスポットサイズ変換部１０２により、光ファイバー１４０を導波してスポットサイズ変換部１０２に入射し、反射面１２３で反射してきた赤外線を、損失を低減した状態でスポットサイズを変換し、細線コア１３１の一端に結合させることを可能としている。

また、細線コア１３１から構成される導波路は、最小曲げ半径が約１５μｍ以下と、非常に小さい曲率で導波方向を変更することが可能である。従って、細線コア１３１は、狭い間隔で往復させて配置させることが可能となり、光ファイバー１４０の端面の狭い領域（検出部１０３）内で、試料と接触する領域をより長くすることが可能となる。図２は、導波路（コア）を導波する波長１．５μｍの光の損失とコアの曲げ半径との関係を示す特性図である。図１に示す光ファイバーセンサ１００の場合、細線コア１３１を曲げ半径５μｍまで曲げても、損失はほとんど無い。

これらのように構成された細線コア１３１よりなる導波路（微小光回路）に赤外線を導波させると、検出部１０３で露出する細線コア１３１の上面及び側面に接触している分析対象の試料の側に、シングルモードで導波する赤外線の一部がしみ出す。しみ出した光は、試料の特性に応じて吸収されるため、この吸収の強さに応じて導波する光の強度が低下する。従って、例えば、細線コア１３１から構成されている導波路（微小光回路）を導波する光の強度をある波長帯域に対して測定すれば、分析対象の試料による吸収スペクトルが得られる。

図１に示す光ファイバーセンサ１００によれば、光ファイバー１４０の端面に検出部１０３を配置しているので、光ファイバー１４０の先端部が挿入可能な領域であれば、光ファイバーセンサ１００による分析が可能となる。また、光ファイバー１４０の端面に、長い距離にわたって細線コア１３１を配設できるので、検出の領域をより広く（長く）することが可能となり、高い感度の分析が可能となる。

図１に示す光ファイバーセンサ１００は、例えば図３に示すように、光ファイバー１４０に、光源２０１，光分離部２０２，光検出器２０３を接続することで、分光分析システムとして用いることができる。光源２０１から出射された光は、光分離部２０２を介して光ファイバー１４０に入射し、光ファイバー１４０（コア１４１）を伝搬して光ファイバーセンサ１００に到達する。また、光ファイバーセンサ１００の検出部１０３（微小光回路）を通過した光は、スポットサイズ変換部１０２を介して光ファイバー１４０に帰還し、光検出器２０３で観測される。光分離部２０２により波長を掃引された光により、前述したように、分析対象の試料による吸収スペクトルが得られる。

ここで、図１に示す光ファイバーセンサ１００の製造方法について簡単に説明する。
まず、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用意する。ＳＯＩ基板は、埋め込み絶縁層（埋め込み酸化層）の上のシリコン層（単結晶シリコン層）が、高抵抗ｐ形あるいは高抵抗ｎ形であればよい。また、シリコン層は、所望の厚さより薄い高抵抗ｐ形の単結晶シリコン層の上に、ノンドープの単結晶シリコンを結晶成長させて所望の厚さとしたものでもよい。同様に、シリコン層は、所望の厚さより薄い高抵抗ｎ形の単結晶シリコン層の上に、ノンドープの単結晶シリコンを結晶成長させて所望の厚さとしたものでもよい。

上述したＳＯＩ基板のシリコン層により、図１示す細線コア１３１が構成され、埋め込み酸化層が基板１０１となり、ＳＯＩ基板のベースとなる基体により枠１０が形成される。上述したようなＳＯＩ基板を用意したら、シリコン層を、公知のリソグラフィ技術とエッチング技術とにより微細加工し、基板１０１となる埋め込み酸化層の上に、細線コア１３１を形成する。

細線コア１３１を形成したら、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法によるステンシルマスクを用いた選択的な堆積により、変換部コア１２１を構成する材料からなるパターンを形成する。このパターンを公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより、開口部の間隔を徐々に広げた複数のマスクパターンによる選択的なエッチングを繰り返し、反射面１２３となる傾斜部を備えた変換部コア１２１を形成する。また、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法によるステンシルマスクを用いた選択的な堆積により、上部クラッド層１２２を形成する。

最後に、ＳＯＩ基板の基体側よりエッチングして所定の形状の開口部を形成し、埋め込み酸化層の裏面を露出させて枠１０４を形成する。このエッチングでは、基板１０１となる埋め込み酸化層がエッチング停止層となる。

次に、本発明の実施の形態における光ファイバーセンサ１００の他の構成例について、図４を用いて説明する。図４に示す光ファイバーセンサ１００は、検出部１０３の細線コア１３１を、機能膜１３２で覆うようにしたものである。機能膜１３２は、分析対象の物質（液体、気体）を凝集する機能を有するものである。また、機能膜１３２は、これより外側にエバネッセント光がしみ出す状態となるように、膜厚は１００ｎｍ以下とした方がよい。

機能膜としては、パン酵母やグルコースオキシダーゼやレクチン（コンカナバリンＡ）やウレアーゼなどの膜を用いることができる。パン酵母の膜を用いることで、分析対象としてアミノ酸類を凝集させることが可能となる。また、グルコースオキシダーゼやレクチンの膜を用いることで、分析対象としてグルコースを凝集させることが可能となる。また、ウレアーゼの膜を用いることで、分析対象として尿素を凝集させることが可能となる。

また、ヒドロキシエチルスターチや、ミオグロビントロポニンＴや、ヘモグロビンＡ１抗体や、抗ヒト免疫グロブリンＧなどの様々な抗体を含む膜を機能膜として用いるようにしてもよい。ヒドロキシエチルスターチを含む機能膜により、分析対象として硫酸化デキストランを凝集させることが可能となる。また、ミオグロビントロポニンＴを含む機能膜により、分析対象として心筋梗塞マーカ抗体を凝集させることが可能となる。また、ヘモグロビンＡ１抗体を含む機能膜により、分析対象としてヘモグロビンを凝集させることが可能となる。また、抗ヒト免疫グロブリンＧを含む機能膜により、分析対象としてヒト免疫グロブリンを凝集させることが可能となる。

これらの他に、様々なホルモンを含む機能膜や、シアル酸含有糖鎖（マンノース糖鎖類）を含む膜を、機能膜として用いるようにしてもよい。ホルモンを含む機能膜により、分析対象としてレセプター類を凝集させることが可能となる。また、シアル酸含有糖鎖類を含む機能膜により、分析対象として大腸菌やインフルエンザウイルスを凝集させることが
なお、図４において、同一の構成については、図１と同様の符号を付してあり、説明は省略する。

ところで、検出部１０３における細線コア１３１の配置は、図１（ｄ）に示す形態に限るものではない。例えば、図５（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、基板１０１の上に、細線コア１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃが設けられているようにしてもよい。

また、上述では、細線コア１３１による微小光回路を閉回路としたが、これに限るものではない。例えば、図６に示すように、光源の光が導入される光ファイバー６４０ａに接続された光ファイバーセンサ６００ａと、光検出器などに接続する光ファイバー６４０ｂに接続された光ファイバーセンサ６００ｂとを組み合わせ、検出部６０３ａの光回路と検出部６０３ｂの光回路とを結合し、開回路として構成するようにしてもよい。

この場合、光ファイバー６４０ａから入射した光は、スポットサイズ変換部６０２ａを介して検出部６０３ａの光回路から検出部６０３ｂの光回路を通り、スポットサイズ変換部６０２ｂを介して光ファイバー６４０ｂに結合し、図示しない光検出器に検出される。

また、図７に示すように、光ファイバー１４０の端面より広い面積の基板７０１の上に、細線コアの微小光回路よりなる検出部７０３やスポットサイズ変換部７０２などを設け、枠７０４と光ファイバー１４０の端部との間にワッシャ７０８を嵌合させ、光ファイバー１４０の端部に光ファイバーセンサ７００を固定するようにしてもよい。

また、図８に示すように、酸化シリコンからなる基板８０１の一部領域に細線コア８０４からなる光回路を形成し、基板８０１の平面に平行な状態で固定された光ファイバー１４０を、細線コア８０４の一部に光結合させて接続させるようにしてもよい。光ファイバー１４０は、基板８０１のＶ字状溝８０１ａに接着剤などにより固定され、光ファイバー１４０と細線コア８０４とは、スポットサイズ変換部８０２により光結合されている。また、スポットサイズ変換部８０２は、上部クラッド層８０２に覆われている。

なお、上述では、細線コアの材料として、シリコンを用いるようにしたが、これに限るものではない。細線コアは、多結晶や非晶質などの非結晶状態のシリコンから構成するようにしてもよい。また、細線コアは、窒化シリコン，炭化シリコン，酸窒化シリコンなど、他のシリコンを含む材料や、リチウム酸ニオブ（ＬｉＮｂＯ₃）などから構成してもよい。これらの、シリコン単体よりバンドギャップの広い材料を用いることにより、可視領域の光を用いた分光分析を行うことができるようになる。

例えば、これらの材料からなる細線コアを用いることで、波長０．３〜１μｍの光を用いた光吸収分光による分析が可能となる。また、細線コアの下部に配置される下部クラッド層には、細線コアより屈折率の小さい材料が用いられればよい。同様に、細線コアの側面に充填されるクラッド層は、細線コアより屈折率の小さい材料から構成されていればよい。

、本発明の実施の形態における光ファイバーセンサ１００の構成例を示す断面図（ａ），部分平面図（ｂ），斜視図（ｃ），及び平面図（ｄ）である。 導波路（コア）を導波する光の損失とコアの曲げ半径との関係を示す特性図である。 光ファイバーセンサ１００を用いた分光分析システムの例を示す構成図である。 本発明の実施の形態における光ファイバーセンサ１００の他の構成例について示す模式的な断面図である。 微小光回路の他の構成例を示す平面図である。 本発明の実施の形態における光ファイバーセンサの他の構成例について示す模式的な断面図である。 光ファイバーセンサの他の構成例を示す模式的な断面図である。 光ファイバーセンサの他の構成例を示す模式的な斜視図である。

符号の説明

１００…光ファイバーセンサ、１０１…基板（下部クラッド層）、１０２…スポットサイズ変換部（光結合手段）、１０３…検出部、１０４…枠、１２１…変換部コア、１２２…上部クラッド層、１２３…反射面、１３１…細線コア、１４０…光ファイバー、１４１…コア。

Claims (3)

1. 光ファイバーの光出射端面に裏面が当接する下部クラッド層と、
   この下部クラッド層の表面に形成されて少なくとも一部の面が露出した細線コアと、
   この細線コアから構成された導波路の光入出射端と、
   前記下部クラッド層の裏面より前記光ファイバーから入射した光を、前記細線コアの光入出射端より前記細線コアに光結合させるための光結合手段と
   を少なくとも備え、
   前記導波路は、シングルモード導波路であり、
   前記細線コアの露出した面に分析対象物が接触する
   ことを特徴とする光ファイバーセンサ。
2. 請求項１記載の光ファイバーセンサにおいて、
   膜厚が１００ｎｍ以下の状態で前記細線コアの露出した部分を覆うように形成され、所望とする分析対象の流体を凝集する機能膜
   を備えたことを特徴とする光ファイバーセンサ。
3. 請求項１または２記載の光ファイバーセンサにおいて、
   ２つの第１及び第２光ファイバーの先端に各々配置された第１及び第２光ファイバーセンサを備え、
   前記第１光ファイバーセンサの第１細線コアの光入射端は、前記第１光ファイバーに光接続され、
   前記第１細線コアの光出射端は、前記第２光ファイバーセンサの第２細線コアの光入射端に光接続され、
   前記第２細線コアの光出射端は、前記第２光ファイバーに光接続され
   ていることを特徴とする光ファイバーセンサ。

Images