JP5373478B2 - 化学物質センサ - Google Patents
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Description
本発明は、高感度な化学物質センサを提供することを目的とする。
図7に変形例1の化学物質センサ500’の構成例を示す。なお、図9、10、1、5及び6と対応する構成要素については、同様の符号を付す。全反射ミラー素子523を光集積回路型プラズモン素子210の一つの端面として集積形成し、光集積回路型プラズモン素子210の他の端面と利得光導波手段321’を光ファイバ551で接続する。このような構成にすることによって、光集積回路型プラズモン素子210は、光ファイバ551のケーブルを介して、化学物質センサ500’の残余の部分に対し移動自在に結合されるセンシング部を構成する。化学物質センサ500’全体では、それを設置ないし移動させて対象を測定することが物理的に困難な場合であっても、光集積回路型プラズモン素子210をサンプルに接触させ、化学物質の測定をすることができる。
図8に変形例2の化学物質センサ500”の構成例を示す。なお、図9、10、1、5、6及び7と対応する構成要素については、同様の符号を付す。化学物質センサ500”において、レーザ光源部520、基準レーザ光源部330及び光導波路型の光カプラ340”は、すべて1つの光導波路基板560上に設けられる。また、光検出器341も同じ基板上に搭載される。ここでそれらを相互に接続する光導波手段は、すべてその基板上に形成される光導波路552である。このような構成とすることで、半導体レーザやフォトダイオードを同一の光導波路基板上に集積するような工程と同様の工程により化学物質センサ500”を作製できる。構成全体を集積化することにより、高精度な組み立て作業は必要なくなり、さらなる小型化、低価格化も可能である。さらに、変形例2では、基準レーザ光源部330は、レーザ光源部520と同様の構成を有し、共振器522及び利得光導波手段321’を、レーザ光源部520と基準レーザ光源部330によって共用することによって、さらなる小型化、低価格化を可能としている。この場合、基準レーザ光源部330のSPR構造210’の金属膜2’は、測定対象の化学物質が付着しないようにする。なお、基準レーザ光源部330は、別途、光導波路基板560上に半導体レーザ等を設けたものであってもよい。また、利得光導波手段321’として化合物半導体を用いてもよい。
100、300、400、500,500’、500” 化学物質センサ
210 光集積回路型プラズモン素子 220 平面多層構造
230 光導波路 240 光導波路基板 310 SPR構造
320,520 レーザ光源部 321 利得媒体
321’ 利得光導波手段 322,522 光共振器
330 基準レーザ光源部 340 結合手段
340’、340” 光カプラ 341 光検出器
350 周波数測定器 550 光導波手段
551 光ファイバ 552 光導波路
Claims (9)
- 測定対象の化学物質が付着する面と光が照射される面を有する金属膜を備え、付着した前記化学物質の量に依存して前記光に対する周波数特性が変化する表面プラズモン共鳴構造(以下「SPR構造」という)を用いた化学物質センサであって、
光共振器と、光共振器の内部に収容される利得媒体と、光共振器の内部を伝播する光のエネルギーの一部が表面プラズモン共鳴によって失われるように具備される前記SPR構造とを有してなり、前記金属膜に付着した前記化学物質の量に依存した発振周波数でレーザ発振した光を出力するレーザ光源部と、
基準となる光を出力するもう一つのレーザ光源である基準レーザ光源部と、
前記レーザ光源部からの出力光と前記基準レーザ光源部からの出力光とを合波する手段と、
その合波された光を検出する光検出器と、
前記光検出器の出力を受けて前記合波された光のビート周波数を測定する周波数測定器と、
を備える化学物質センサ。 - 請求項1に記載される化学物質センサにおいて、
前記SPR構造は、プリズムの表面に前記金属膜が形成された構造であり、
前記光共振器の内部を伝播する光は、前記金属膜に対してプリズム側から0度でない所定の入射角を有して入射する
ことを特徴とする化学物質センサ。 - 請求項1に記載される化学物質センサにおいて、
前記SPR構造の金属膜は、周期的なトポグラフィを有し、前記光共振器は、前記SPR構造の前記金属膜が構成するミラー面と該ミラー面に対向して設けられる他の一部透過性ミラーとでなる光共振器であり、前記光共振器の内部を伝播する光は、前記SPR構造の前記金属膜が構成するミラー面に対して垂直入射することを特徴とする化学物質センサ。 - 請求項1に記載される化学物質センサにおいて、
前記SPR構造は、光導波路基板の光導波路を有する面において、前記金属膜が該光導波路を覆う構造である光集積回路型プラズモン素子であり、
前記レーザ光源部は、全反射ミラー素子と一部透過性ミラー素子とを光導波手段で相互に接続してなる光共振器の光路中に、前記光集積回路型プラズモン素子と、前記利得媒体を含有する光導波手段である利得光導波手段とを、直列に介挿して構成され、
前記合波する手段は、光導波手段でなる光カプラであり、
前記レーザ光源部の前記一部透過性ミラー素子及び前記基準レーザ光源部の出射端の各々と前記光カプラ、並びに前記光カプラと前記光検出器とは、すべて光導波手段で相互に接続されていることを特徴とする化学物質センサ。 - 請求項4に記載される化学物質センサにおいて、
前記全反射ミラー素子と一部透過性ミラー素子との少なくとも一方は、前記光集積回路型プラズモン素子または前記利得光導波手段の何れかの一つの端面であることを特徴とする化学物質センサ。 - 請求項5に記載される化学物質センサにおいて、
前記全反射ミラー素子は、前記光集積回路型プラズモン素子の一つの端面であり、
前記光集積回路型プラズモン素子の他の端面と前記利得光導波手段とを接続する光導波手段は、光ファイバであり、
前記光集積回路型プラズモン素子は、その光ファイバのケーブルを介して、化学物質センサの残余の部分に対し移動自在に結合されるセンシング部を構成することを特徴とする化学物質センサ。 - 請求項4又は5に記載される化学物質センサにおいて、
前記レーザ光源部、前記光カプラ及び前記光検出器は、すべて1つの基板上に設けられ、それらを相互に接続する前記光導波手段は、すべてその基板上に形成される光導波路であることを特徴とする化学物質センサ。 - 請求項1から7の何れかに記載される化学物質センサにおいて、
前記基準レーザ光源部は、前記レーザ光源部の前記金属膜に化学物質の付着していない場合に射出する光がもつ周波数と同一の周波数を有する光を射出することを特徴とする化学物質センサ。 - 請求項1から8の何れかに記載される化学物質センサにおいて、
前記SPR構造において、前記金属膜は、前記化学物質の付着を受ける面において測定対象の化学物質と選択的に反応する物質を塗布した分子認識機能膜を有することを特徴とする化学物質センサ。
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