JP7793993B2 - Optical sensing circuit and optical sensing method - Google Patents
Optical sensing circuit and optical sensing methodInfo
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Description
この発明は、光センシング回路及び光センシング方法に関し、特に、抗原抗体反応などの生体由来の反応に伴う微小な屈折率の変化を測定する光バイオセンサーとして用いることができる、光導波路型の光センシング回路と、この光センシング回路に用いることができる光センシング方法に関する。 This invention relates to an optical sensing circuit and an optical sensing method, and in particular to an optical waveguide-type optical sensing circuit that can be used as an optical biosensor to measure minute changes in refractive index associated with biological reactions such as antigen-antibody reactions, and an optical sensing method that can be used with this optical sensing circuit.
近年、新型コロナウイルス(COVID-19)の世界的な流行を受け、ウイルス感染の防止や、在宅ワーク増加に伴う運動不足による慢性的な生活習慣病の予防のため、衛生環境や健康状態を恒常的にモニタする手段としてバイオセンサー技術が注目を集めている。 In recent years, in response to the global spread of the novel coronavirus (COVID-19), biosensor technology has been attracting attention as a means of constantly monitoring sanitary conditions and health status in order to prevent viral infections and chronic lifestyle-related diseases caused by lack of exercise due to increased work from home.
バイオセンサーとは、生体起源の分子認識機構を利用した化学センサーの総称であり、抗原抗体反応のような生体分子の特異な反応を電気信号に変換し検出するものである。この特異な反応を電気信号に変換する部分は、トランスデューサーと称され、バイオセンサーにおけるコアデバイスとなる。 Biosensors are a general term for chemical sensors that utilize molecular recognition mechanisms of biological origin, converting specific reactions of biomolecules, such as antigen-antibody reactions, into electrical signals for detection. The part that converts this specific reaction into an electrical signal is called a transducer, and is the core device in a biosensor.
光バイオセンサーは、光デバイスを用いて生体反応を蛍光量や屈折率の変化として捉えるバイオセンサーであって、非侵襲・非接触であるだけでなく、計測結果が出るまでの待機時間が比較的短い計測(リアルタイム計測)が可能であるという特徴を有する。このため、光バイオセンサーの重要性が高まっている。 Optical biosensors are biosensors that use optical devices to detect biological reactions as changes in the amount of fluorescence or refractive index. They are not only non-invasive and non-contact, but also have the advantage of being capable of measurements with relatively short waiting times until results are obtained (real-time measurement). For these reasons, optical biosensors are becoming increasingly important.
また、蛍光分子や電気化学活性分子などによって標的分子や認識分子に標識を行って、反応による変化量を間接的に検出する手法に対し、非標識(ラベルフリー)と呼ばれる手法では、標識を行わず光学的変化や質量変化などを直接計測する。これにより検査実施者は煩雑な標識操作を行う必要がなく、標識分子修飾にともない人為的に生じる測定揺らぎである、アーティファクトの懸念が低減する。特に、光導波路デバイスを用いる場合、トランスデューサーとしての機能を担うセンシングセルに予め特定の抗原に対してのみ選択的に反応する抗体を固定しておくことで、抗原検知を屈折率あるいは透過率の変化として瞬時に捉えることができ、スペクトルアナライザあるいはパワーメータで出力特性を観測することで、あたかもラベルフリー手法のように計測できる。 In contrast to methods that label target or recognition molecules with fluorescent or electrochemically active molecules to indirectly detect changes due to a reaction, label-free methods directly measure optical or mass changes without labeling. This eliminates the need for the tester to perform tedious labeling procedures and reduces concerns about artifacts, which are measurement fluctuations caused by modification with labeled molecules. In particular, when using optical waveguide devices, by immobilizing antibodies that selectively react only with specific antigens in advance to the sensing cell that functions as the transducer, antigen detection can be instantly captured as a change in refractive index or transmittance, and by observing the output characteristics with a spectrum analyzer or power meter, measurements can be made just like using label-free methods.
上述のように、衛生環境や健康状態の恒常的なモニタの需要が高まる中で、センシングデバイスにはラベルフリー、非接触、リアルタイム性、小型、安価といったことが求められ、光導波路型の光センシング回路の研究開発が盛んに行われている(例えば、非特許文献1、2、3又は4参照)。 As mentioned above, amid growing demand for constant monitoring of sanitary environments and health conditions, sensing devices are required to be label-free, non-contact, real-time, compact, and inexpensive, and research and development of optical waveguide-type optical sensing circuits is being actively conducted (see, for example, Non-Patent Documents 1, 2, 3, or 4).
光導波路デバイスのプラットフォーム技術として、従来、シリコン(Si)フォトニクスが注目を集めている。Siフォトニクスの特徴は、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)などの半導体装置の製造プロセスを利用することによる、光導波路とそれに準ずる変調器や受光器など光デバイスの小型・集積性、及び、既存の半導体製造技術を流用して提供される200mmあるいは300mmウェハープロセスによる生産性の高さである。また、Siをコア、Si酸化膜(SiO2)をクラッドとするSi導波路は比屈折率差が40%に達するので、高い光の閉じ込め効果が得られる。特にSi細線導波路では、曲げ導波路の曲率半径や並走配線ピッチを数ミクロンオーダーまで小さくでき、光回路レイアウトの小型化が可能となる。これらの特徴からSiフォトニクスは、光トランシーバや光センシング回路など様々なアプ
リケーションへの展開が期待される(例えば、特許文献1又は2、非特許文献1、2、3又は4参照)。
Silicon (Si) photonics has been attracting attention as a platform technology for optical waveguide devices. Si photonics features include the compact size and integration of optical waveguides and related optical devices such as modulators and photodetectors, achieved by utilizing semiconductor device manufacturing processes such as CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), and high productivity achieved through 200mm or 300mm wafer processes that utilize existing semiconductor manufacturing technologies. Furthermore, Si waveguides with a Si core and a Si oxide ( SiO2 ) cladding have a relative refractive index difference of up to 40%, providing a high optical confinement effect. In particular, Si nanowire waveguides allow the radius of curvature of bent waveguides and the parallel wiring pitch to be reduced to the order of several microns, enabling the miniaturization of optical circuit layouts. Due to these characteristics, Si photonics is expected to be used in a variety of applications such as optical transceivers and optical sensing circuits (see, for example, Patent Document 1 or 2, and Non-Patent Documents 1, 2, 3, or 4).
光導波路型の光センシング回路の代表例としてリング共振器を用いるものがある。 A typical example of an optical waveguide type optical sensing circuit is one that uses a ring resonator.
リング共振器は、入力導波路及び出力導波路、並びに、これらと光学的に結合が可能なリング形状のトレース導波路を備えて構成される。入力導波路とトレース導波路、及び、出力導波路とトレース導波路とは、それぞれ、局所的に方向性結合器が形成されており、導波路間での光の遷移を生じる。入力導波路より入力された光の一部が、トレース導波路に結合してトレース導波路に遷移する。また、トレース導波路を周回する光のうち、特定の干渉(共振)条件を満たす光のみが出力導波路に結合して出力導波路に遷移する。出力導波路に遷移した光は出力導波路を経て出力される。このトレース導波路における干渉条件は波長依存性を含むため、スペクトルピークとして観測される。光の損失を無視すれば、共振条件を満たさない光は、相補的な関係として入力導波路において光が入力された側と対向するポートから透過光として出力される。 A ring resonator is composed of an input waveguide, an output waveguide, and a ring-shaped trace waveguide that can be optically coupled to them. Local directional couplers are formed between the input waveguide and the trace waveguide, and between the output waveguide and the trace waveguide, respectively, causing light to transition between the waveguides. A portion of the light input from the input waveguide couples with the trace waveguide and transitions to the trace waveguide. Furthermore, of the light circulating through the trace waveguide, only light that meets specific interference (resonance) conditions couples with the output waveguide and transitions to the output waveguide. The light that transitions to the output waveguide is output via the output waveguide. Because the interference conditions in the trace waveguide are wavelength-dependent, they are observed as spectral peaks. Ignoring optical loss, light that does not meet the resonance conditions is output as transmitted light from the port opposite the input port of the input waveguide, in a complementary relationship.
図15を参照して、従来のリング共振器を用いる光センシング回路の動作原理を説明する。図15は、光センシング回路の動作原理を説明するための模式図である。図15(A)、(C)及び(E)は、リング共振器に装着された抗体560と、抗体560に抗原570が捕獲される様子を示す模式図である。図15(B)、(D)及び(F)は、それぞれ、図15(A)、(C)及び(E)に対応する光出力スペクトルであって、横軸に波長をとって示し、縦軸に光出力パワーをとって示している。図15(A)及び(B)は、初期状態であり、図15(C)及び(D)は、抗原の濃度が低い状態であり、図15(E)及び(F)は、抗原の濃度が高い状態である。図15(G)は、横軸に抗原の濃度をとって示し、縦軸に光出力パワーをとって示している。 The operating principle of a conventional optical sensing circuit using a ring resonator will be explained with reference to Figure 15. Figure 15 is a schematic diagram for explaining the operating principle of an optical sensing circuit. Figures 15(A), (C), and (E) are schematic diagrams showing an antibody 560 attached to a ring resonator and the capture of an antigen 570 by the antibody 560. Figures 15(B), (D), and (F) are optical output spectra corresponding to Figures 15(A), (C), and (E), respectively, with wavelength on the horizontal axis and optical output power on the vertical axis. Figures 15(A) and (B) show the initial state, Figures 15(C) and (D) show states where the antigen concentration is low, and Figures 15(E) and (F) show states where the antigen concentration is high. Figure 15(G) shows antigen concentration on the horizontal axis and optical output power on the vertical axis.
図15(A)に示すように、リング共振器には、抗体560が実装されている。ここでは可変波長光源を用いて出力波長をリング共振器の共振ピーク波長に合せると、出力導波路からの光出力は最大となる(図15(B)参照)。この出力導波路からの光出力が最大となるとき、初期状態として、可変波長光源の波長をλ0に固定する。 As shown in Fig. 15A, an antibody 560 is mounted on the ring resonator. When the output wavelength is adjusted to the resonance peak wavelength of the ring resonator using a tunable light source, the optical output from the output waveguide is maximized (see Fig. 15B). When the optical output from the output waveguide is maximized, the wavelength of the tunable light source is fixed to λ 0 as the initial state.
次に、光センシング回路がセンシング対象である検体に曝され、リング共振器に実装された抗体560が抗原570を捕獲する(図15(C)及び(E)参照。)ことで、光導波路コアを伝送する光の実効屈折率(等価屈折率)が変化し、物質、抗原の濃度に応じた共振ピーク波長のシフトを生じる(図15(D)及び(F)参照)。その際、波長を固定した光源の波長とリング共振器の共振ピーク波長との不一致から、リング共振器の出力導波路からの光出力が減衰する。このため、出力パワーの変動量とリング共振器が感知する屈折率の変動量を紐づけすることで屈折率の変化量を推測することが可能となる。検体は特有の屈折率をもつため、共振ピーク波長のシフトから、検知物質を特定したり、濃度などを知ったりすることができる(図15(G)参照)。 Next, the optical sensing circuit is exposed to the analyte to be sensed, and the antibody 560 mounted on the ring resonator captures the antigen 570 (see Figures 15(C) and (E)). This changes the effective refractive index (equivalent refractive index) of the light transmitted through the optical waveguide core, resulting in a shift in the resonant peak wavelength corresponding to the concentration of the substance or antigen (see Figures 15(D) and (F)). At this time, the optical output from the ring resonator's output waveguide is attenuated due to a mismatch between the wavelength of the fixed light source and the resonant peak wavelength of the ring resonator. Therefore, by linking the fluctuation in output power to the fluctuation in the refractive index sensed by the ring resonator, it is possible to estimate the amount of change in the refractive index. Because analytes have unique refractive indices, the shift in the resonant peak wavelength can be used to identify the detected substance and determine its concentration (see Figure 15(G)).
Siフォトニクスに基づくリング共振器は先に述べたように曲率半径を数ミクロンオーダーまで小さくできるため、極めて微小なリング共振器デバイスを実現することが可能である。さらに、ゲルマニウム(Ge)成長装置を併用することで受光器(PD:Photo Diode)を同一ウェハー上に作りこむことができ、センシングに必要な素子を例えば数mm角サイズのチップ上に10個以上集積形成できる。これにより1回の測定で複数のサンプルを同時に評価することが出来る。ただし、間接遷移型半導体であり発光効率の低いSiでは、光源の実現が困難である。このため、光源に関しては、現状ではリング共振器デバイスやPDが集積化されたSiチップ上に、別プロセスで作製したレーザーダイオード(LD:Laser Diode)チップを実装する手法や、外部光源を、光フ
ァイバ等を介して接続する手法が用いられる。
As mentioned above, ring resonators based on Si photonics can achieve a radius of curvature on the order of several microns, making it possible to realize extremely small ring resonator devices. Furthermore, by using a germanium (Ge) growth system, photodetectors (PDs) can be fabricated on the same wafer, allowing the elements required for sensing to be integrated, for example, ten or more on a chip several millimeters square. This allows multiple samples to be evaluated simultaneously in a single measurement. However, Si is an indirect transition semiconductor with low luminous efficiency, making it difficult to realize a light source. For this reason, current light sources involve mounting a laser diode (LD) chip fabricated in a separate process on a Si chip integrated with a ring resonator device or PD, or connecting an external light source via optical fiber or other means.
リング共振器のような導波路型の光センシング回路では、伝送モードのうちSiコアから漏れた成分であるエバネッセント波がセンシング検体、すなわち屈折率の摂動にオーバーラップすることで等価屈折率の変化を生じる。このため、検知感度を向上させるためにはSi導波路コア直上のクラッドをエッチングや化学機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)などにより薄膜化して、検体とSiコアとの距離を縮めることが重要となる。 In waveguide-type optical sensing circuits such as ring resonators, evanescent waves, which are components of the transmission mode that leak from the Si core, overlap with the sensing specimen, i.e., perturbations in the refractive index, causing a change in the equivalent refractive index. Therefore, to improve detection sensitivity, it is important to thin the cladding directly above the Si waveguide core by etching or chemical mechanical polishing (CMP), thereby reducing the distance between the specimen and the Si core.
リング共振器のセンシング感度指標(Figure of Merit)は、スペクトルQ値(共振ピークの急峻さ)と、屈折率変化量に対する共振ピーク波長シフト係数(Δλ/ΔN)との積で見積もられる。例えば、Q値が50,000、かつ、Δλ/ΔN=100[nm/RIU](RIU:Refractive Index Unit)のリング共振器の検知可能屈折率変化量はおよそ2.0×10-5[RIU]となる(例えば、非特許文献3参照)。一方、検知感度の面では温度依存性も重要なファクターである。一般的なSi導波路デバイスでは、温度変動に対する共振ピーク波長の変化係数(Δλ/ΔT)は0.05~0.07[nm/K]となる。例えば、温度変動量ΔTが±0.1Kの測定環境下では、±0.005~0.007[nm]の波長揺ぎが生じることを意味する。この波長揺らぎはΔλ/ΔN=100[nm/RIU]のリング共振器においては5~7×10-5[RIU]の屈折率変化量に相当し、これ以下の屈折率変化量は温度起因の測定ノイズとして埋もれてしまう。すなわち、温度依存性によりリング共振器本来の検知感度が制限されてしまう。 The sensing sensitivity index (Figure of Merit) of a ring resonator is estimated by the product of the spectral Q value (steepness of the resonant peak) and the resonant peak wavelength shift coefficient (Δλ/ΔN) relative to the amount of refractive index change. For example, the detectable refractive index change of a ring resonator with a Q value of 50,000 and Δλ/ΔN = 100 nm/RIU (RIU: Refractive Index Unit) is approximately 2.0 × 10 −5 RIU (see, for example, Non-Patent Document 3). Meanwhile, temperature dependence is also an important factor in terms of detection sensitivity. In a typical Si waveguide device, the coefficient of change in the resonant peak wavelength relative to temperature fluctuation (Δλ/ΔT) is 0.05 to 0.07 nm/K. For example, this means that a wavelength fluctuation of ±0.005 to 0.007 nm occurs in a measurement environment where the temperature fluctuation ΔT is ±0.1 K. This wavelength fluctuation corresponds to a refractive index change of 5 to 7 × 10 −5 [RIU] in a ring resonator with Δλ/ΔN = 100 [nm/RIU], and any refractive index change below this is buried as measurement noise due to temperature. In other words, the inherent detection sensitivity of the ring resonator is limited by temperature dependency.
このように、温度依存性は最小検知可能屈折率に大きく影響し、光センシング回路の温度依存性をいかに低減できるかが課題となる。さらに、初期設定として光源波長と共振ピーク波長を一致させることが必要となる。光センシング回路の検知感度がよくなるほどシビアな温度管理と光源の発振波長制御が求められるため、一般環境下での運用を困難にさせる。 As such, temperature dependence has a significant impact on the minimum detectable refractive index, and the challenge is how to reduce the temperature dependence of the optical sensing circuit. Furthermore, it is necessary to initially match the light source wavelength with the resonant peak wavelength. The higher the detection sensitivity of the optical sensing circuit, the more strict temperature management and light source oscillation wavelength control are required, making operation in general environments difficult.
この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものである。この発明の目的は、光導波路型の光センシング回路及び光センシング方法において、共振ピーク波長の温度依存性を緩和し、かつ光源とリング共振器との発振波長制御を不要にし、運用を簡便にすることを目
的とする。
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and aims to alleviate the temperature dependency of the resonance peak wavelength in an optical waveguide type optical sensing circuit and optical sensing method, eliminate the need for oscillation wavelength control between the light source and the ring resonator, and simplify operation.
上述した目的を達成するために、この発明の光センシング回路は、支持基板と、支持基板上に形成されるクラッドと、クラッド中に埋設され、支持基板の上面に平行に設けられる、光導波路コアとを備える光導波路型の光センシング回路であって、バンドパスフィルタと、入力導波路、リング形状のトレース導波路、及び、出力導波路を備えて構成されるリング共振器であって、当該リング共振器が形成された領域のクラッド上にヒーターとして抵抗材が設けられている参照リング共振器と、入力導波路、リング形状のトレース導波路、及び、出力導波路を備えて構成されるリング共振器であって、センシング領域が設けられているセンシングリング共振器と、受光素子とを備えて構成される。 To achieve the above-mentioned objectives, the optical sensing circuit of the present invention is an optical waveguide-type optical sensing circuit comprising a support substrate, a cladding formed on the support substrate, and an optical waveguide core embedded in the cladding and arranged parallel to the upper surface of the support substrate; a bandpass filter; a ring resonator comprising an input waveguide, a ring-shaped trace waveguide, and an output waveguide; a reference ring resonator in which a resistive material is provided as a heater on the cladding in the region in which the ring resonator is formed; a sensing ring resonator comprising an input waveguide, a ring-shaped trace waveguide, and an output waveguide, in which a sensing region is provided; and a light-receiving element.
参照リング共振器の共振波長の光のうち、バンドパスフィルタで取り出された特定の波長帯域の光が、センシングリング共振器の入力導波路に送られ、センシングリング共振器の共振波長の光が、センシングリング導波路の出力導波路から、受光素子に送られ、バンドパスフィルタで取り出される特定の波長帯域は、センシングリング共振器のFSR(Free Spectral Range)以下である。 Of the light with the resonant wavelength of the reference ring resonator, light in a specific wavelength band extracted by a bandpass filter is sent to the input waveguide of the sensing ring resonator, and light with the resonant wavelength of the sensing ring resonator is sent from the output waveguide of the sensing ring waveguide to the light receiving element. The specific wavelength band extracted by the bandpass filter is below the FSR (Free Spectral Range) of the sensing ring resonator.
また、この発明の光センシング回路の好適実施形態によれば、支持基板と、支持基板上に形成されるクラッドと、クラッド中に埋設され、支持基板の上面に平行に設けられる、光導波路コアとを備える光導波路型の光センシング回路であって、バンドパスフィルタと、入力導波路、リング形状のトレース導波路、及び、出力導波路を備えて構成されるリング共振器であって、当該リング共振器が形成された領域のクラッド上にヒーターとして抵抗材が設けられている参照リング共振器と、分岐部と、入力導波路、リング形状のトレース導波路、及び、出力導波路を備えて構成されるリング共振器であって、センシング領域が設けられている、N(Nは2以上の整数)個のセンシングリング共振器と、N個の受光素子とを備えて構成される。 Furthermore, according to a preferred embodiment of the optical sensing circuit of the present invention, the optical sensing circuit is an optical waveguide type optical sensing circuit comprising a support substrate, a cladding formed on the support substrate, and an optical waveguide core embedded in the cladding and arranged parallel to the upper surface of the support substrate, and is configured with: a bandpass filter; a ring resonator comprising an input waveguide, a ring-shaped trace waveguide, and an output waveguide; a reference ring resonator in which a resistive material is provided as a heater on the cladding in the region in which the ring resonator is formed; a branching section; a ring resonator comprising an input waveguide, a ring-shaped trace waveguide, and an output waveguide; and a sensing region; N (N is an integer of 2 or greater) sensing ring resonators; and N light-receiving elements.
参照リング共振器の共振波長の光のうち、バンドパスフィルタで取り出された特定の波長帯域の光が、分岐部に送られ、分岐部は、受け取った光をN分岐して、それぞれ、第1~第Nのセンシングリング共振器の入力導波路に送り、第1~第Nのセンシングリング共振器の共振波長の光が、それぞれ、第1~第Nのセンシングリング共振器の出力導波路から、第1~第Nの受光素子に送られ、バンドパスフィルタで取り出される特定の波長帯域は、センシングリング共振器のFSR以下である。 Of the light with the resonant wavelength of the reference ring resonator, light in a specific wavelength band extracted by the bandpass filter is sent to the branching section, which branches the received light into N parts and sends each part to the input waveguides of the first to Nth sensing ring resonators. The light with the resonant wavelength of the first to Nth sensing ring resonators is sent from the output waveguides of the first to Nth sensing ring resonators to the first to Nth light receiving elements, respectively. The specific wavelength band extracted by the bandpass filter is less than the FSR of the sensing ring resonator.
また、この発明の光センシング回路の他の好適実施形態によれば、支持基板と、支持基板上に形成されるクラッドと、クラッド中に埋設され、支持基板の上面に平行に設けられる、光導波路コアとを備える光導波路型の光センシング回路であって、Nのバンドパスフィルタと、入力導波路、リング形状のトレース導波路、及び、出力導波路を備えて構成されるリング共振器であって、当該リング共振器が形成された領域のクラッド上にヒーターとして抵抗材が設けられている、1個あるいはN個の参照リング共振器と、入力導波路、リング形状のトレース導波路、及び、出力導波路を備えて構成されるリング共振器であって、センシング領域が設けられている、N個のセンシングリング共振器と、N個の受光素子とを備えて構成される。 In addition, according to another preferred embodiment of the optical sensing circuit of the present invention, there is provided an optical waveguide type optical sensing circuit comprising a support substrate, a cladding formed on the support substrate, and an optical waveguide core embedded in the cladding and arranged parallel to the upper surface of the support substrate, and the optical sensing circuit comprises one or N reference ring resonators each comprising N bandpass filters, an input waveguide, a ring-shaped trace waveguide, and an output waveguide, wherein a resistive material is provided as a heater on the cladding in the region where the ring resonator is formed, N sensing ring resonators each comprising an input waveguide, a ring-shaped trace waveguide, and an output waveguide, wherein a sensing region is provided, and N light-receiving elements.
第p(pは1以上N以下の整数)のバンドパスフィルタで取り出された、参照リング共振器の共振波長の各ピークを含む波長帯域の光が、第pのセンシングリング共振器の入力導波路に送られ、第pのセンシングリング導波路の共振波長の光が、第pのセンシングリング共振器の出力導波路から、第pの受光素子に送られ、第1~第Nのバンドパスフィルタで取り出される特定の波長帯域は、それぞれ、第1~第Nのセンシングリング共振器の
共振波長を含み、FSR以下であり、及び、互いに異なる波長帯域である。
Light in a wavelength band including each peak of the resonant wavelength of the reference ring resonator, extracted by the pth bandpass filter (p is an integer greater than or equal to 1 and less than or equal to N), is sent to the input waveguide of the pth sensing ring resonator, and light of the resonant wavelength of the pth sensing ring waveguide is sent from the output waveguide of the pth sensing ring resonator to the pth light receiving element, and the specific wavelength bands extracted by the first to Nth bandpass filters are wavelength bands that include the resonant wavelengths of the first to Nth sensing ring resonators, are less than or equal to the FSR, and are different from each other.
上述の光センシング回路の実施に当たり、センシング領域のクラッドが、部分的に又は全体的に薄膜化されているのが良い。 When implementing the above-mentioned optical sensing circuit, it is preferable that the cladding of the sensing region is partially or entirely thinned.
また、上述した目的を達成するために、この発明の光センシング方法は、上述の光センシング回路を用いて行われ、光源として広い波長帯域に渡りフラットな出力特性を有する広帯域光源を用いて、必要に応じて、参照リング共振器が備えるヒーターの温度を変化させて、参照リング共振器の共振波長と、センシングリング共振器の共振波長が一致する初期状態に設定する過程と、センシングリング共振器を検体に曝す過程と、参照リング共振器の共振波長と、センシングリング共振器の共振波長のずれ量を取得し、波長のずれ量から、抗原の濃度を取得する過程とを備える。 Furthermore, to achieve the above-mentioned object, the optical sensing method of the present invention is performed using the above-mentioned optical sensing circuit, and includes the steps of using a broadband light source with flat output characteristics across a wide wavelength band as the light source, changing the temperature of a heater provided in the reference ring resonator as necessary to set the reference ring resonator to an initial state in which the resonant wavelength of the reference ring resonator and the resonant wavelength of the sensing ring resonator match, exposing the sensing ring resonator to a sample, and obtaining the amount of deviation between the resonant wavelength of the reference ring resonator and the resonant wavelength of the sensing ring resonator, and obtaining the concentration of the antigen from the amount of wavelength deviation.
ここで、共振波長のずれ量の取得は、受光素子における受光パワーの、初期状態からの減衰量に基づいて行われるのが良い。また、共振波長のずれ量の取得は、受光素子における受光パワーが、初期状態における受光パワーに一致するように、参照リング共振器が備えるヒーターに供給する電力を変化させたときの、ヒーター電力に基いて行われてもよい。 Here, the amount of shift in the resonant wavelength is preferably obtained based on the amount of attenuation of the light receiving power at the light receiving element from the initial state. Alternatively, the amount of shift in the resonant wavelength may be obtained based on the heater power when the power supplied to the heater provided in the reference ring resonator is changed so that the light receiving power at the light receiving element matches the light receiving power in the initial state.
この発明の光センシング回路及び光センシング方法によれば、光源として広帯域光源を用いることができるため、従来の手法のように光源の発振波長とリング共振器のピーク波長を合わせる必要がなくなる。さらに、測定環境の温度が揺らいだとしても、参照リング共振器及びセンシングリング共振器の2つのリング共振器デバイスが同一チップ上に近接配置されるため、2つのリング共振器は同じように温度の影響を受ける。すなわち、2つの共振ピーク波長の相対的な関係は、温度に依存することなく保持されるため、出力特性はセンシング検体の屈折率にのみ依存し、温度依存性をキャンセルすることが可能となり、共振ピーク波長の温度依存性を緩和し、かつ光源とリング共振器との発振波長制御が不要にし、運用が簡便になる。また、バンドパスフィルタを備えることで、不慮の共振ピーク波長の一致によるセンシング特性の劣化を避けることができる。 The optical sensing circuit and optical sensing method of this invention allow the use of a broadband light source, eliminating the need to align the light source's oscillation wavelength with the ring resonator's peak wavelength, as in conventional methods. Furthermore, even if the temperature of the measurement environment fluctuates, the two ring resonator devices, the reference ring resonator and the sensing ring resonator, are closely located on the same chip, so the two ring resonators are affected by temperature in the same way. In other words, the relative relationship between the two resonant peak wavelengths is maintained independently of temperature, so the output characteristics depend only on the refractive index of the sensing specimen, canceling out temperature dependence. This mitigates the temperature dependence of the resonant peak wavelength and eliminates the need to control the oscillation wavelengths of the light source and ring resonator, simplifying operation. Furthermore, the inclusion of a bandpass filter prevents degradation of sensing characteristics due to accidental coincidence of the resonant peak wavelengths.
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings. However, the shape, size, and relative positions of each component are merely shown in a general manner to enable understanding of the invention. Furthermore, the following describes a preferred configuration example of the present invention, but the materials and numerical conditions of each component are merely preferred examples. Therefore, the present invention is not limited to the following embodiment, and many modifications and variations can be made that achieve the effects of the present invention without departing from the scope of the configuration of the present invention.
(第1実施形態)
図1及び2を参照して、この発明に係る光センシング回路の第1実施形態(以下、第1の光センシング回路とも称する。)を説明する。図1は、第1の光センシング回路の概略的平面図であって、後述する支持基板及びクラッドを省略し、光導波路コアのみを示している。なお、他の概略的平面図においても後述する支持基板及びクラッドを省略する。図2は、第1の光センシング回路の概略的断面図である。図2(A)は、図1のA-A線に沿った概略的断面図であり、図2(B)は、図1のB-B線に沿った概略的断面図である。
(First embodiment)
A first embodiment of a light-sensing circuit according to the present invention (hereinafter also referred to as a first light-sensing circuit) will be described with reference to Figures 1 and 2. Figure 1 is a schematic plan view of the first light-sensing circuit, omitting a support substrate and cladding, which will be described later, and showing only an optical waveguide core. Note that the support substrate and cladding, which will be described later, are also omitted from other schematic plan views. Figure 2 is a schematic cross-sectional view of the first light-sensing circuit. Figure 2(A) is a schematic cross-sectional view taken along line A-A in Figure 1, and Figure 2(B) is a schematic cross-sectional view taken along line B-B in Figure 1.
第1の光センシング回路100は、支持基板10、クラッド20、及び、光導波路コア30を備える光導波路を基本構造として有している。 The first optical sensing circuit 100 has as its basic structure an optical waveguide including a support substrate 10, a cladding 20, and an optical waveguide core 30.
支持基板10は、例えば単結晶シリコン(Si)を材料とした平板状体で構成されている。 The support substrate 10 is composed of a flat plate made of, for example, single-crystal silicon (Si).
クラッド20は、支持基板10上に設けられている。クラッド20は、支持基板10の上面を被覆し、かつ、光導波路コア30を包含して形成されている。クラッド20は、例えば酸化シリコン(SiO2)を材料として形成されている。 The cladding 20 is provided on the support substrate 10. The cladding 20 covers the upper surface of the support substrate 10 and is formed to encompass the optical waveguide core 30. The cladding 20 is formed from, for example, silicon oxide (SiO 2 ).
光導波路コア30は、クラッド20の屈折率(1.45)よりも高い屈折率(3.5)を有する例えばSiを材料として形成されている。その結果、光導波路コア30と周囲のクラッド20は、光の伝送路(光導波路)として機能し、光導波路コア30に入力された光が光導波路コア30の平面形状に応じた伝播方向に伝播する。 The optical waveguide core 30 is formed from a material such as Si, which has a higher refractive index (3.5) than the refractive index (1.45) of the cladding 20. As a result, the optical waveguide core 30 and the surrounding cladding 20 function as an optical transmission path (optical waveguide), and light input into the optical waveguide core 30 propagates in a direction that corresponds to the planar shape of the optical waveguide core 30.
この光導波路の基本構造は、例えばSOI(Silicon On Insulator)基板を利用することによって、簡易に製造することができる。以下、光導波路構造の製造方法の一例を説明する。 The basic structure of this optical waveguide can be easily manufactured by using, for example, an SOI (Silicon On Insulator) substrate. Below, we will explain one example of a method for manufacturing an optical waveguide structure.
先ず、支持基板層、SiO2層、及びSi層が順次積層されて構成されたSOI基板を用意する。次に、例えばドライエッチングを行い、Si層をパターニングする。その後、SiO2層上、Si層を覆うSiO2膜を形成する。この結果、支持基板10、クラッド20、及び、光導波路コア30を備える光導波路の基本構造を得ることができる。 First, an SOI substrate is prepared, which is constructed by sequentially stacking a support substrate layer, a SiO 2 layer, and a Si layer. Next, the Si layer is patterned, for example, by dry etching. After that, a SiO 2 film is formed on the SiO 2 layer to cover the Si layer. As a result, a basic structure of an optical waveguide is obtained, which includes a support substrate 10, a cladding 20, and an optical waveguide core 30.
第1の光センシング回路100は、入力部200、バンドパスフィルタ300、参照リング共振器400、センシングリング共振器500、受光素子600、及び、出力部700を備えて構成される。 The first optical sensing circuit 100 is composed of an input section 200, a bandpass filter 300, a reference ring resonator 400, a sensing ring resonator 500, a light receiving element 600, and an output section 700.
第1の光センシング回路100には、光源900で生成された光が入力される。光源900として、例えば、広い波長帯域にフラットな出力特性を有する広帯域光源(BBLS
:Broad Band Light Source)が用いられる。間接遷移型半導体であり発光効率の低いSiでは、上述の出力特性を有する光源900の実現が困難である。このため、光センシング回路100が集積化されたSiチップ上に、光源900として別プロセスで作製したレーザーダイオード(LD:Laser Diode)チップを実装する手法や、光源900を、光ファイバ等を介して接続する手法が用いられる。
Light generated by a light source 900 is input to the first light-sensing circuit 100. The light source 900 may be, for example, a broadband light source (BBLS) having flat output characteristics over a wide wavelength band.
A broadband light source (LD) is used. With Si, which is an indirect transition semiconductor and has low light emission efficiency, it is difficult to realize a light source 900 having the above-described output characteristics. For this reason, a method is used in which a laser diode (LD) chip fabricated in a separate process is mounted as the light source 900 on a Si chip on which the light sensing circuit 100 is integrated, or a method is used in which the light source 900 is connected via an optical fiber or the like.
第1の光センシング回路100への光の入力インタフェースである入力部200として、エッジカップリング型スポットサイズ変換器(SSC:Spot Size Converter)、又は、平面カップリング型グレーティングカプラ(GC:Grating
Coupler)を用いることができる。なお、入力部200として、偏波依存性の大きなSi導波路デバイスの偏波揺らぎによる特性変動を緩和するため、かつ、リング共振器デバイスの集積密度を高めるためには、偏波選択性が強くチップ上のどこにでも配置可能なGCが好適である。このため、ここでは入力部200としてGCを用いる例を説明する。
The input unit 200, which is an input interface of light to the first light-sensing circuit 100, may be an edge-coupling spot size converter (SSC) or a planar coupling grating coupler (GC).
A GC having strong polarization selectivity and capable of being placed anywhere on the chip is suitable for the input section 200 in order to mitigate characteristic variations due to polarization fluctuations in Si waveguide devices that are highly polarization dependent, and to increase the integration density of ring resonator devices. For this reason, an example in which a GC is used as the input section 200 will be described here.
光源900であるBBLSから、入力部200であるGCを経て、光センシング回路100に入力された光は、バンドパスフィルタ300を経て参照リング共振器400に送られる。バンドパスフィルタ300は、第1の入力ポート301、第1の出力ポート302及び第2の出力ポート303を有する。バンドパスフィルタ300の詳細については後述する。入力部200は、バンドパスフィルタ300の第1の入力ポート301に光学的に接続されている。 Light input from the BBLS (light source 900) to the optical sensing circuit 100 via the GC (input section 200) is sent to the reference ring resonator 400 via the bandpass filter 300. The bandpass filter 300 has a first input port 301, a first output port 302, and a second output port 303. Details of the bandpass filter 300 will be described later. The input section 200 is optically connected to the first input port 301 of the bandpass filter 300.
参照リング共振器400及びセンシングリング共振器500は、いずれも、いわゆるリング共振器である。図3を参照して、参照リング共振器400及びセンシングリング共振器500について説明する。図3は、参照リング共振器400及びセンシングリング共振器500を説明するための図である。図3(A)は、リング共振器を説明するための模式図であり、図3(B)及び(C)は、それぞれ、参照リング共振器400及びセンシングリング共振器500の概略的平面図である。 The reference ring resonator 400 and the sensing ring resonator 500 are both so-called ring resonators. The reference ring resonator 400 and the sensing ring resonator 500 will be described with reference to Figure 3. Figure 3 is a diagram for explaining the reference ring resonator 400 and the sensing ring resonator 500. Figure 3(A) is a schematic diagram for explaining a ring resonator, and Figures 3(B) and (C) are schematic plan views of the reference ring resonator 400 and the sensing ring resonator 500, respectively.
リング共振器1000は、入力導波路1010、リング状のトレース導波路1020、及び、出力導波路1030を備えて構成される。入力導波路1010とトレース導波路1020、及び、出力導波路1030とトレース導波路1020とは、それぞれ、局所的に方向性結合器1040及び1050を形成しており、導波路間での光の遷移を生じる。入力導波路1010より入力された光の一部が、方向性結合器1040においてトレース導波路1020に結合してトレース導波路1020に遷移する。また、トレース導波路1020を周回する光のうち、特定の干渉(共振)条件を満たす光のみが、方向性結合器1050において出力導波路1030に結合して出力導波路1030に遷移する。出力導波路1030に遷移した光は出力導波路1030を経て出力される。このトレース導波路1020における干渉条件は波長依存性を含むため、スペクトルピークとして観測される。光の損失を無視すれば、共振条件を満たさない光は、相補的な関係として入力導波路1010において光が入力された側と対向するポートから透過光として出力される。 The ring resonator 1000 is composed of an input waveguide 1010, a ring-shaped trace waveguide 1020, and an output waveguide 1030. The input waveguide 1010 and the trace waveguide 1020, and the output waveguide 1030 and the trace waveguide 1020, locally form directional couplers 1040 and 1050, respectively, causing light to transition between the waveguides. A portion of the light input from the input waveguide 1010 couples to the trace waveguide 1020 in the directional coupler 1040 and transitions to the trace waveguide 1020. Furthermore, of the light circulating through the trace waveguide 1020, only light that satisfies specific interference (resonance) conditions couples to the output waveguide 1030 in the directional coupler 1050 and transitions to the output waveguide 1030. The light that transitions to the output waveguide 1030 is output via the output waveguide 1030. The interference conditions in this trace waveguide 1020 include wavelength dependency, and are therefore observed as spectral peaks. If optical loss is ignored, light that does not satisfy the resonance conditions is output as transmitted light from the port opposite the side into which the light was input in the input waveguide 1010, in a complementary relationship.
参照リング共振器400は、入力導波路410、トレース導波路420及び出力導波路430を備えて構成される。また、参照リング共振器400は、トレース導波路420の直上にヒーター440として、TiNなどの抵抗材を備えて構成される。ヒーター440に電力を供給して、トレース導波路420を加熱すると参照リング共振器400の共振波長が変化する。 The reference ring resonator 400 is configured with an input waveguide 410, a trace waveguide 420, and an output waveguide 430. The reference ring resonator 400 is also configured with a heater 440 made of a resistive material such as TiN, directly above the trace waveguide 420. When power is supplied to the heater 440 to heat the trace waveguide 420, the resonant wavelength of the reference ring resonator 400 changes.
センシングリング共振器500は、入力導波路510、トレース導波路520及び出力導波路530を備えて構成される。センシングリング共振器500では、光導波路コア直
上にセンシング対象となる検体に曝されるセンシング領域540が施されている。センシング領域540では、屈折率変化の検知感度向上のため、トレース導波路520と抗体560などとの距離が近い方が好ましい。このため、光導波路コア30直上のクラッド20が部分的にあるいは全体的に薄膜化されている。この薄膜化されているクラッドに、特定の生体検体を検出するため抗体などが実装される。
The sensing ring resonator 500 is configured with an input waveguide 510, a trace waveguide 520, and an output waveguide 530. In the sensing ring resonator 500, a sensing region 540 that is exposed to the analyte to be sensed is provided directly above the optical waveguide core. In the sensing region 540, it is preferable that the trace waveguide 520 and the antibody 560 or the like are close to each other to improve the detection sensitivity of refractive index changes. For this reason, the cladding 20 directly above the optical waveguide core 30 is partially or entirely thinned. An antibody or the like for detecting a specific biological analyte is implemented in this thinned cladding.
参照リング共振器400の入力導波路410は、バンドパスフィルタ300の第1の出力ポート302に光学的に接続されている。参照リング共振器400の出力導波路430は、センシングリング共振器500の入力導波路510に光学的に接続されている。また、センシングリング共振器500の出力導波路530は、受光素子600に光学的に接続されている。 The input waveguide 410 of the reference ring resonator 400 is optically connected to the first output port 302 of the bandpass filter 300. The output waveguide 430 of the reference ring resonator 400 is optically connected to the input waveguide 510 of the sensing ring resonator 500. In addition, the output waveguide 530 of the sensing ring resonator 500 is optically connected to the light receiving element 600.
受光素子600は、例えば、Geなどで形成された導波路型PDで構成される。 The light receiving element 600 is composed of a waveguide-type PD made of, for example, Ge.
図4を参照して、第1の光センシング回路100の動作を説明する。図15を参照して説明したように、センシングリング共振器500では抗原を捕獲した抗体の屈性率・濃度に応じて共振ピークスペクトルが変化する。ここでは例として、参照リング共振器のピーク波長とセンシングリング共振器のピーク波長とのずれ量Δλが0.5、1.0、2.0nmの3通りの場合に分け示している。 The operation of the first optical sensing circuit 100 will be explained with reference to Figure 4. As explained with reference to Figure 15, the resonant peak spectrum of the sensing ring resonator 500 changes depending on the refractive index and concentration of the antibody that has captured the antigen. As an example, three cases are shown here where the deviation Δλ between the peak wavelength of the reference ring resonator and the peak wavelength of the sensing ring resonator is 0.5, 1.0, and 2.0 nm.
図4(A)、(C)及び(E)は、参照リング共振器及びセンシングリング共振器のそれぞれの共振ピークスペクトルを示し、図4(B)、(D)及び(F)は、参照リング共振器及びセンシングリング共振器の共振ピークスペクトルの和を示している。図4(A)及び(B)は、参照リング共振器のピーク波長とセンシングリング共振器のピーク波長とのずれ量Δλが0.5nmの場合を示し、図4(C)及び(D)は、Δλが1.0nmの場合を示し、図4(E)及び(F)は、Δλが2.0nmの場合を示している。図4(A)~(F)は、横軸に波長をとって示し、縦軸に透過率[単位:dB]をとって示している。 Figures 4(A), (C), and (E) show the resonant peak spectra of the reference ring resonator and the sensing ring resonator, respectively, while Figures 4(B), (D), and (F) show the sum of the resonant peak spectra of the reference ring resonator and the sensing ring resonator. Figures 4(A) and (B) show the case where the deviation Δλ between the peak wavelength of the reference ring resonator and the peak wavelength of the sensing ring resonator is 0.5 nm, Figures 4(C) and (D) show the case where Δλ is 1.0 nm, and Figures 4(E) and (F) show the case where Δλ is 2.0 nm. Figures 4(A) to (F) show wavelength on the horizontal axis and transmittance (unit: dB) on the vertical axis.
前段の参照リング共振器400は、図4(A)、(C)及び(E)中、曲線Iに示すピークスペクトルを有し、後段のセンシングリング共振器500は、曲線IIに示す固有の共振ピークスペクトルを有する。この場合、参照リング共振器400及びセンシングリング共振器500を通過した光のスペクトルは、図4(B)、(D)及び(F)に示すように、参照リング共振器の共振ピークスペクトルと、センシングリング共振器の共振ピークスペクトルの透過率の積(dB表記の場合、和)として、出力される。 The reference ring resonator 400 at the front stage has a peak spectrum shown by curve I in Figures 4(A), (C), and (E), and the sensing ring resonator 500 at the rear stage has a unique resonance peak spectrum shown by curve II. In this case, the spectrum of light passing through the reference ring resonator 400 and the sensing ring resonator 500 is output as the product (sum, in dB notation) of the transmittance of the resonance peak spectrum of the reference ring resonator and the resonance peak spectrum of the sensing ring resonator, as shown in Figures 4(B), (D), and (F).
ここで、センシングリング共振器500の出力導波路530からのスペクトルは、後段の受光素子600で受光され、光源900として広帯域光源を用いる場合、その受光パワーは、参照リング共振器400の共振ピークスペクトルと、センシングリング共振器500の共振ピークスペクトルの和の波長積分に相当する。受光素子600の受光パワーは、参照リング共振器400とセンシングリング共振器500間のピーク波長のずれ量Δλに依存し、2つのピーク波長が一致している時(Δλ=0)を最大値とし、ピーク波長のずれ量Δλが大きくなるにつれ減衰していく。 Here, the spectrum from the output waveguide 530 of the sensing ring resonator 500 is received by the downstream light receiving element 600. When a broadband light source is used as the light source 900, the received light power corresponds to the wavelength integral of the sum of the resonant peak spectrum of the reference ring resonator 400 and the resonant peak spectrum of the sensing ring resonator 500. The received light power of the light receiving element 600 depends on the peak wavelength shift Δλ between the reference ring resonator 400 and the sensing ring resonator 500, and is at its maximum when the two peak wavelengths are the same (Δλ = 0), and attenuates as the peak wavelength shift Δλ increases.
図5は、参照リング共振器及びセンシングリング共振器のピーク波長のずれ量Δλと、受光素子600での受光パワーの関係を示す図であって、横軸に、ピーク波長のずれ量Δλ[単位:nm]をとって示し、縦軸に、受光パワー[単位:dB]をとって示している。ここで、受光パワーは、Δλ=0の時の受光パワーを基準とした相対受光パワーである。図5に示すように、2つのピーク波長のずれ量Δλに応じて受光素子600で検出される受光パワーが変動する。このため、ピーク波長のずれ量を屈折率と紐づけすることで横
軸を屈折率変化量に置き換えることができ、検体の屈折率を推定することが可能となる。
5 is a diagram showing the relationship between the shift Δλ in the peak wavelengths of the reference ring resonator and the sensing ring resonator and the received light power at the light receiving element 600, with the horizontal axis representing the shift Δλ in peak wavelength (unit: nm) and the vertical axis representing the received light power (unit: dB). Here, the received light power is relative to the received light power when Δλ = 0. As shown in FIG. 5, the received light power detected by the light receiving element 600 varies depending on the shift Δλ between the two peak wavelengths. Therefore, by linking the shift in peak wavelength to the refractive index, the horizontal axis can be replaced with the amount of change in refractive index, making it possible to estimate the refractive index of the sample.
検体がない初期の状態において、参照リング共振器400とセンシングリング共振器500とは、共振ピーク波長及びFSR(Free Spectral Range)などの波長特性が同一になるように設計する。しかし、作製誤差による特性ばらつきにより、初期の共振ピーク波長がずれる場合がある。 In the initial state when no specimen is present, the reference ring resonator 400 and the sensing ring resonator 500 are designed to have identical wavelength characteristics, such as the resonant peak wavelength and FSR (Free Spectral Range). However, variations in characteristics due to manufacturing errors may cause the initial resonant peak wavelength to deviate.
この場合、参照リング共振器400に実装されたヒーター440に電流を流して、参照リング共振器400の共振ピーク波長を変化させ、受光素子600の受光パワーが最大値となる点を初期状態とする。続けて、センシングリング共振器500のセンシング領域540を検体に曝し、出力変化(減衰量)をモニタする。なお、2つのリングピーク波長のずれ量がFSR/2以上になると、出力減衰カーブは再び増加してしまうため、検出可能域はFSRの2分の1となる。 In this case, a current is passed through the heater 440 implemented in the reference ring resonator 400 to change the resonant peak wavelength of the reference ring resonator 400, and the point at which the light receiving power of the light receiving element 600 reaches its maximum value is set as the initial state. Next, the sensing region 540 of the sensing ring resonator 500 is exposed to the specimen, and the change in output (attenuation) is monitored. Note that when the difference between the two ring peak wavelengths becomes FSR/2 or more, the output attenuation curve increases again, and the detectable range becomes half of the FSR.
次に、図6~8を参照して、バンドパスフィルタ300について説明する。図6は、バンドパスフィルタの機能を説明するための模式図であって、バンドパスフィルタがない場合の共振スペクトルを示す。図7は、バンドパスフィルタの一例として、グレーティング型波長フィルタの構成を説明するための概略的平面図である。図8は、バンドパスフィルタの機能を説明するための模式図であって、バンドパスフィルタがある場合の共振スペクトルを示す。 Next, the bandpass filter 300 will be described with reference to Figures 6 to 8. Figure 6 is a schematic diagram for explaining the function of a bandpass filter, showing the resonance spectrum when there is no bandpass filter. Figure 7 is a schematic plan view for explaining the configuration of a grating-type wavelength filter as an example of a bandpass filter. Figure 8 is a schematic diagram for explaining the function of a bandpass filter, showing the resonance spectrum when there is a bandpass filter.
図6(A)及び(B)、並びに、図8(A)及び(B)の上段は、参照リング共振器の共振スペクトルを示す図であり、下段は、センシングリング共振器の共振スペクトルを示す図である。また、図6(A)及び図8(A)は、初期状態の共振スペクトルを示し、図6(B)及び図8(B)は、検体検出時の共振スペクトルを示している。 The upper rows of Figures 6(A) and (B) and Figures 8(A) and (B) show the resonance spectrum of the reference ring resonator, and the lower rows show the resonance spectrum of the sensing ring resonator. Furthermore, Figures 6(A) and 8(A) show the resonance spectrum in the initial state, and Figures 6(B) and 8(B) show the resonance spectrum when a sample is detected.
初期状態として、参照リング共振器400とセンシングリング共振器500とは特性が同一になるように設計される(図6(A)及び図8(A)参照)。しかしながら、上述の通り、抗体の屈折率によっては2つのリング共振器のFSRがずれてしまうことが想定される。その場合、バーニア効果により観測中心波長から離れた波長においてピークが一致する波長が生じることがある(図6(B)において、Iで示す部分)。この場合、出力減衰カーブが鈍化しセンシング感度を鈍らせ、同時に屈折率の検出可能域を狭めてしまう可能性がある。そのため、光源900の出力波長域を観測中心付近に絞るためバンドパスフィルタを挿入することが好ましい。 Initially, the reference ring resonator 400 and the sensing ring resonator 500 are designed to have identical characteristics (see Figures 6(A) and 8(A)). However, as mentioned above, it is expected that the FSR of the two ring resonators will differ depending on the refractive index of the antibody. In this case, the Vernier effect may result in wavelengths with matching peaks at wavelengths away from the central observation wavelength (part I in Figure 6(B)). In this case, the output attenuation curve may become blunt, reducing sensing sensitivity and potentially narrowing the detectable range of refractive index. For this reason, it is preferable to insert a bandpass filter to narrow the output wavelength range of the light source 900 to near the central observation wavelength.
バンドパスフィルタ300としては特定の波長帯域に対してのみ強い選択性を示すグレーティング型波長フィルタが好ましい。図7に示すバンドパスフィルタ300の好適例によれば、バンドパスフィルタ300は、グレーティング310、モードフィルタ320、入力導波路330、第1の出力導波路340及び第2の出力導波路350を備えて構成される。入力導波路330が前段の入力部200と光学的に接続されており、第1の出力導波路340が後段の参照リング共振器400の入力導波路と光学的に接続されている。 A grating-type wavelength filter that exhibits strong selectivity only for a specific wavelength band is preferable as the bandpass filter 300. According to a preferred example of the bandpass filter 300 shown in Figure 7, the bandpass filter 300 is configured with a grating 310, a mode filter 320, an input waveguide 330, a first output waveguide 340, and a second output waveguide 350. The input waveguide 330 is optically connected to the input section 200 in the preceding stage, and the first output waveguide 340 is optically connected to the input waveguide of the reference ring resonator 400 in the subsequent stage.
グレーティング310では、導波路に周期的な屈折率の変調構造が施されている。グレーティング310では、伝送する光のうち前進波および後進波の等価屈折率をそれぞれnaとnbとし、屈折率の変調周期をΛとおくと、以下の式(1)を満たすBragg波長(λBragg)がスペクトルに反射として現れる。 In the grating 310, a periodic refractive index modulation structure is applied to the waveguide. In the grating 310, if the equivalent refractive indices of the forward and backward waves of the transmitted light are n a and n b , respectively, and the refractive index modulation period is Λ, then the Bragg wavelength (λ Bragg ) that satisfies the following formula (1) appears as reflection in the spectrum.
(na+nb)Λ=λBragg (1)
例えば、入力導波路330から入力された光の前進波を基本モード、後進波を高次モードに設定し、後進波としての高次モードをモードフィルタ320で選択的に取り出すこと
で、Bragg波長付近のバンドパス機能を得ることができる。取り出された光は、第1の出力導波路340から出力される。
( na + n b )Λ=λ Bragg (1)
For example, a bandpass function near the Bragg wavelength can be obtained by setting the forward wave of light input from the input waveguide 330 to the fundamental mode and the backward wave to a higher-order mode, and selectively extracting the higher-order mode as the backward wave using the mode filter 320. The extracted light is output from the first output waveguide 340.
バンドパスフィルタの波長帯域は、参照リング共振器のピーク波長を中心にセンシングリング共振器の共振ピークスペクトルのFSRと一致するようにすることが好ましい。これにより、BBLSを用いつつも観測波長帯域以外の出力はカットされるため、不慮の共振ピーク波長の一致によるセンシング特性の劣化を避けることができる(図8(B)参照)。 The wavelength band of the bandpass filter is preferably set to match the FSR of the resonant peak spectrum of the sensing ring resonator, centered around the peak wavelength of the reference ring resonator. This allows the BBLS to be used while cutting out output outside the observed wavelength band, thereby avoiding degradation of sensing characteristics due to accidental coincidence of the resonant peak wavelengths (see Figure 8 (B)).
また、光センシング回路100が形成されたチップをファイバ実装して使う場合、入力部200のGCと同様の構造を出力部700として使うことができる。実装するアレイファイバのピッチをXとした場合、ファイバの配列に沿ってXの整数倍だけ離れた場所に出力部700を配置することで、BBLSから入力された光のうちバンドパスフィルタ300でバンドパスされずに、第2の出力導波路350から出力される透過光をタップ光として調芯等の際のモニタ光として用いることができる。 Furthermore, when a chip on which the optical sensing circuit 100 is formed is used with fiber mounting, a structure similar to the GC of the input section 200 can be used as the output section 700. If the pitch of the array fiber to be mounted is X, by arranging the output section 700 at a location that is an integer multiple of X away from the fiber arrangement, the transmitted light that is input from the BBLS but is not bandpassed by the bandpass filter 300 and is output from the second output waveguide 350 can be used as tap light and as monitor light during alignment, etc.
第1の光センシング回路は、上述の構成に限定されない。図9を参照して、第1の光センシング回路の他の構成例を説明する。図9は、第1の光センシング回路の他の構成例の概略的平面図である。 The first light-sensing circuit is not limited to the configuration described above. Another example configuration of the first light-sensing circuit will be described with reference to Figure 9. Figure 9 is a schematic plan view of another example configuration of the first light-sensing circuit.
他の構成例の光センシング回路100aは、バンドパスフィルタ300と参照リング共振器400の位置関係が、図1を参照して説明した第1の光センシング回路100と異なっている。他の構成や動作は、図1を参照して説明した第1の光センシング回路100と同様であるので、重複する説明を省略することもある。 In the optical sensing circuit 100a of this alternative configuration example, the positional relationship between the bandpass filter 300 and the reference ring resonator 400 differs from that of the first optical sensing circuit 100 described with reference to Figure 1. Other configurations and operations are similar to those of the first optical sensing circuit 100 described with reference to Figure 1, so redundant explanations may be omitted.
他の構成例の光センシング回路100aでは、光源900であるBBLSから、入力部200であるGCを経て、光センシング回路100に入力された光は、参照リング共振器400に送られる。参照リング共振器400の共振条件を満たす光は、バンドパスフィルタ300に送られる。一方、参照リング共振器400の共振条件を満たさない光は、出力部700から出力される。 In another example configuration of the optical sensing circuit 100a, light input to the optical sensing circuit 100 from the BBLS (light source 900) via the GC (input unit 200) is sent to the reference ring resonator 400. Light that satisfies the resonance conditions of the reference ring resonator 400 is sent to the bandpass filter 300. On the other hand, light that does not satisfy the resonance conditions of the reference ring resonator 400 is output from the output unit 700.
バンドパスフィルタ300は、特定の波長帯域の光を取り出して、センシングリング共振器500の入力導波路に送る。 The bandpass filter 300 extracts light in a specific wavelength band and sends it to the input waveguide of the sensing ring resonator 500.
このように、他の構成例の光センシング回路100aにおいても、第1の光センシング回路100と同様に、参照リング共振器400の共振波長の光のうち、バンドパスフィルタ300で取り出された特定の波長帯域の光が、センシングリング共振器500の入力導波路に送られる。従って、他の構成例の光センシング回路100aについても、第1の光センシング回路100と同様の機能が得られる。 In this way, in the optical sensing circuit 100a of the other configuration example, as in the first optical sensing circuit 100, light of a specific wavelength band extracted by the bandpass filter 300 from the light of the resonant wavelength of the reference ring resonator 400 is sent to the input waveguide of the sensing ring resonator 500. Therefore, the optical sensing circuit 100a of the other configuration example also achieves the same functionality as the first optical sensing circuit 100.
(第2実施形態)
図10を参照して、この発明に係る光センシング回路の第2実施形態(以下、第2の光センシング回路とも称する。)を説明する。図10は、第2の光センシング回路の動作を説明するための模式図である。
Second Embodiment
A second embodiment of the light-sensing circuit according to the present invention (hereinafter also referred to as a second light-sensing circuit) will be described with reference to Fig. 10. Fig. 10 is a schematic diagram for explaining the operation of the second light-sensing circuit.
第2の光センシング回路の構成は、第1の光センシング回路と同様であるため説明は省略する。 The configuration of the second light sensing circuit is similar to that of the first light sensing circuit, so a detailed description will be omitted.
第1の光センシング回路は、参照リング共振器400とセンシングリング共振器500との共振ピーク波長のずれ量に依存して受光素子600の受光パワーが変動することを利
用する。この受光パワーの変動量から、検体の屈折率および濃度を推定する。
The first optical sensing circuit utilizes the fact that the light receiving power of the light receiving element 600 varies depending on the amount of difference between the resonance peak wavelengths of the reference ring resonator 400 and the sensing ring resonator 500. The refractive index and concentration of the sample are estimated from the amount of variation in the light receiving power.
これに対し、第2の光センシング回路では、参照リング共振器400に実装されたヒーター440への印加電力を掃引することで、検体による屈折率変化量を推定する。 In contrast, the second optical sensing circuit estimates the amount of refractive index change caused by the sample by sweeping the power applied to the heater 440 implemented in the reference ring resonator 400.
センシングリング共振器500のセンシング領域540に検体が曝された状態では、センシングリング共振器500の共振ピーク波長は検体の屈折率及び濃度に応じてシフトを生じる。一方、参照リング共振器400の共振ピーク波長はヒーター440に加えた電力、すなわち参照リング共振器400へ局所的に与えた温度に依存する。 When a sample is exposed to the sensing region 540 of the sensing ring resonator 500, the resonant peak wavelength of the sensing ring resonator 500 shifts depending on the refractive index and concentration of the sample. Meanwhile, the resonant peak wavelength of the reference ring resonator 400 depends on the power applied to the heater 440, i.e., the temperature locally applied to the reference ring resonator 400.
このヒーター電力を掃引し、ヒーター電力と受光素子600の受光パワーとの相関をプロットすると、図10(A)のようになる。受光素子600の受光パワーは参照リング共振器とセンシングリング共振器の共振ピーク波長が一致するとき最大値をとり、その時のヒーター電力は検体に依存する。ヒーター電力Pと参照リング共振器の共振ピーク波長λとの関係は実験的に求められ、図10(B)に示されるような比例関係となる。その傾きΔλ/ΔPを用いることで図10(A)の横軸(電力)をピーク波長のシフト量に換算することができ、図10(C)に示すような疑似スペクトルを得ることが出来る。さらに、センシングリング共振器はデバイス固有の、屈折率変化に対する波長シフト係数Δλ/ΔNをもつため、受光パワーが最大となる波長シフト量ΔλmaxからΔλ/ΔNを割ることで、検体による屈折率変化量ΔNを推定することが可能となる。 Sweeping this heater power and plotting the correlation between the heater power and the light-receiving power of the light-receiving element 600 results in the graph shown in Figure 10(A). The light-receiving power of the light-receiving element 600 reaches its maximum when the resonant peak wavelengths of the reference ring resonator and the sensing ring resonator coincide, and the heater power at this point depends on the specimen. The relationship between the heater power P and the resonant peak wavelength λ of the reference ring resonator was experimentally determined, resulting in a proportional relationship as shown in Figure 10(B). Using the slope Δλ/ΔP, the horizontal axis (power) in Figure 10(A) can be converted to the shift in peak wavelength, resulting in a pseudospectrum such as that shown in Figure 10(C). Furthermore, because the sensing ring resonator has a device-specific wavelength shift coefficient Δλ/ΔN relative to the refractive index change, it is possible to estimate the refractive index change ΔN due to the specimen by dividing Δλ/ΔN by the wavelength shift Δλ max at which the light-receiving power is maximized.
(第3実施形態)
図11を参照して、この発明に係る光センシング回路の第3実施形態(以下、第3の光センシング回路とも称する。)を説明する。図11は、第3の光センシング回路の動作を説明するための模式図である。以下の説明において、第1及び第2の光センシング回路と重複する説明は省略することもある。
(Third embodiment)
A third embodiment of the light-sensing circuit according to the present invention (hereinafter also referred to as the third light-sensing circuit) will be described with reference to Fig. 11. Fig. 11 is a schematic diagram for explaining the operation of the third light-sensing circuit. In the following description, explanations that overlap with those of the first and second light-sensing circuits may be omitted.
第3のセンシング回路101は、N個(Nは2以上の整数)のセンシングリング共振器500-1~Nを備え、参照リング共振器400とセンシングリング共振器500の間に分岐部800を備える点が、第1の光センシング回路と異なっている。なお、Nは2のべき乗であることが好ましい。 The third sensing circuit 101 differs from the first optical sensing circuit in that it includes N (N is an integer greater than or equal to 2) sensing ring resonators 500-1 to 500-N and includes a branching section 800 between the reference ring resonator 400 and the sensing ring resonator 500. It is preferable that N be a power of 2.
分岐部800は、参照リング共振器から送られた光を、N分岐させて、それぞれ、第1~第Nのセンシングリング共振器500-1~Nに送る。第1~第Nのセンシングリング共振器500-1~Nの後段には、それぞれ、第1~第Nの受光素子600-1~Nが光学的に接続されている。 The branching unit 800 branches the light sent from the reference ring resonator into N parts and sends them to the first to Nth sensing ring resonators 500-1 to 500-N, respectively. The first to Nth light receiving elements 600-1 to 600-N are optically connected to the downstream of the first to Nth sensing ring resonators 500-1 to 500-N, respectively.
分岐部800は、光をN分岐させるために必要な数のカプラーを備えて構成される。カプラーは、いわゆる3dBカプラーであることが好ましい。センシングリング共振器の数Nが2k(kは1以上の整数)の場合、カプラーはlog2N段配列され、2log2N―1個必要となる。第1段から第log2N-1段のカプラーは、それぞれ、前段から受け取った光を2分岐して、後段のカプラーに送る。第log2N段のカプラーは、それぞれ光を2分岐して、第1~第Nの受光素子に送る。 The branching unit 800 is configured with the number of couplers required to branch the light into N. The couplers are preferably so-called 3 dB couplers. When the number N of sensing ring resonators is 2 k (k is an integer greater than or equal to 1), the couplers are arranged in log 2 N stages, and 2 log 2 N −1 couplers are required. The first to log 2 N−1 stage couplers each branch the light received from the previous stage into two and send them to the subsequent stage coupler. The log 2 N stage coupler each branch the light into two and send them to the first to Nth light receiving elements.
図11では、一例としてNが4(=22)の場合を示している。第1段のカプラー810-1は、参照リング共振器から受け取った光を2分岐して、第2段の第1カプラー810-2及び第2カプラー810-3に送る。第2段の第1カプラー810-2は、第1段のカプラーから受け取った光を2分岐して、第1の受光素子600-1及び第2の受光素子600-2に送る。また、第2段の第2カプラー810-3は、第1段のカプラー810-1から受け取った光を2分岐して、第3の受光素子600-3及び第4の受光素子6
00-4に送る。
11 shows an example where N is 4 (=2 2 ). The first-stage coupler 810-1 splits the light received from the reference ring resonator into two and sends them to the first coupler 810-2 and second coupler 810-3 of the second stage. The second-stage first coupler 810-2 splits the light received from the first-stage coupler into two and sends them to the first light-receiving element 600-1 and second light-receiving element 600-2. The second-stage second coupler 810-3 splits the light received from the first-stage coupler 810-1 into two and sends them to the third light-receiving element 600-3 and fourth light-receiving element 600-4.
Send to 00-4.
ここで、第1~第Nのセンシングリング共振器500-1~Nは同一設計であるが、クラッドにより空間的に分離している。このため各々のセンシングリング共振器500-1~Nのセンシング領域には独立した検体をそれぞれ用いることが可能となる。従って、第1又は第2の光センシング回路と同様に各々の導波路型フォトダイオードの受光パワーを計測することで、複数のサンプルを同時に評価が可能となる。 Here, the first through Nth sensing ring resonators 500-1 through 500-N have the same design, but are spatially separated by cladding. This allows independent samples to be used in the sensing region of each sensing ring resonator 500-1 through 500-N. Therefore, by measuring the received light power of each waveguide photodiode in the same way as the first or second optical sensing circuit, multiple samples can be evaluated simultaneously.
(第4実施形態)
図12及び図13を参照して、第4の光センシング回路を説明する。図12は、第4の光センシング回路の他の構成例の概略平面図である。図13は、第4の光センシング回路の動作を説明するための模式図である。
(Fourth embodiment)
The fourth light-sensing circuit will be described with reference to Fig. 12 and Fig. 13. Fig. 12 is a schematic plan view of another configuration example of the fourth light-sensing circuit. Fig. 13 is a schematic view for explaining the operation of the fourth light-sensing circuit.
第4のセンシング回路は、N個(Nは2以上の整数)の参照リング共振器400-1~N及びセンシングリング共振器500-1~Nを備え、N個のバンドパスフィルタ300-1~Nを直列に備える点が、第1の光センシング回路と異なっている。 The fourth sensing circuit differs from the first optical sensing circuit in that it includes N (N is an integer greater than or equal to 2) reference ring resonators 400-1 to 400-N and sensing ring resonators 500-1 to 500-N, and N bandpass filters 300-1 to 300-N connected in series.
第1~第Nのバンドパスフィルタ300-1~Nは、直列に接続され、互いに異なる帯域の波長を取り出して、それぞれ、第1~第Nの参照リング共振器400-1~Nに送る。参照リング共振器以降の構成は、第1~第3の光センシング回路と同様の思想で構成できる。 The first through Nth bandpass filters 300-1 through 300-N are connected in series, extract wavelengths in different bands, and send them to the first through Nth reference ring resonators 400-1 through 400-N, respectively. The configuration after the reference ring resonator can be constructed using the same concept as the first through third optical sensing circuits.
ここで、第1~第Nのセンシングリング共振器500-1~Nは同一設計であるが、クラッドにより空間的に分離している。このため各々のセンシングリング共振器500-1~Nのセンシング領域には独立した検体をそれぞれ用いることが可能となる。従って、第1又は第2の光センシング回路と同様に、各々の導波路型フォトダイオードの受光パワーを計測することで、複数のサンプルを同時に評価が可能となる。 Here, the first through Nth sensing ring resonators 500-1 through 500-N have the same design, but are spatially separated by cladding. This allows independent samples to be used in the sensing region of each sensing ring resonator 500-1 through 500-N. Therefore, similar to the first or second optical sensing circuit, multiple samples can be evaluated simultaneously by measuring the received light power of each waveguide photodiode.
また、第2~第Nのバンドパスフィルタは、前段までのバンドパスフィルタで取り出されずに透過した帯域の波長から、所定の帯域の波長を取り出す。図13(A)~(D)は、それぞれ第1~第4の参照リング共振器の共振波長を実線で示している。図13に示されるように、第1~第Nのセンシングリング共振器500-1~Nでは、それぞれ異なる波長帯域の光が用いられる。 The second through Nth bandpass filters extract wavelengths in a specific band from the band of wavelengths that were not extracted by the bandpass filters up to the previous stage. Figures 13(A) through (D) show the resonant wavelengths of the first through fourth reference ring resonators, respectively, with solid lines. As shown in Figure 13, the first through Nth sensing ring resonators 500-1 through 500-N each use light in a different wavelength band.
このように、第4の光センシング回路は、第1~第3の光センシング回路において検体の検出に用いられなかった波長の光を用いて、検体の検出を行うので、光源900で生成される光を有効に活用できる。 In this way, the fourth optical sensing circuit detects the analyte using light of a wavelength that was not used for analyte detection in the first to third optical sensing circuits, thereby making effective use of the light generated by the light source 900.
(第5の実施形態)
図14を参照して、第5の光センシング回路を説明する。図14は、第5の光センシング回路の他の構成例の概略平面図である。第5の光センシング回路は、1つの参照リング共振器400及びN個のセンシングリング共振器500-1~Nを備える点、及び、バンドパスフィルタ300と参照リング共振器400の位置関係が、第4の光センシング回路と異なっている。他の構成や動作は、第4の光センシング回路と同様であるので、重複する説明を省略することもある。
Fifth Embodiment
The fifth optical sensing circuit will be described with reference to Fig. 14. Fig. 14 is a schematic plan view of another configuration example of the fifth optical sensing circuit. The fifth optical sensing circuit differs from the fourth optical sensing circuit in that it includes one reference ring resonator 400 and N sensing ring resonators 500-1 to 500-N, and in the positional relationship between the bandpass filter 300 and the reference ring resonator 400. Other configurations and operations are similar to those of the fourth optical sensing circuit, so duplicated descriptions may be omitted.
入力部200を経て、第5の光センシング回路に入力された光は、参照リング共振器400に送られる。参照リング共振器400の共振条件を満たす光は、第1のバンドパスフィルタ300-1に送られる。 Light input to the fifth optical sensing circuit via the input section 200 is sent to the reference ring resonator 400. Light that satisfies the resonance conditions of the reference ring resonator 400 is sent to the first bandpass filter 300-1.
第1~第Nのバンドパスフィルタ300-1~Nは、直列に接続され、互いに異なる帯域の波長を取り出して、それぞれ、第1~第Nのセンシングリング共振器500-1~Nに送る。センシングリング共振器以降の構成は、第4の光センシング回路と同様であるので説明を省略する。 The first through Nth bandpass filters 300-1 through 300-N are connected in series, extract wavelengths in different bands, and send them to the first through Nth sensing ring resonators 500-1 through 500-N, respectively. The configuration after the sensing ring resonator is the same as that of the fourth optical sensing circuit, so a description will be omitted.
第Nのバンドパスフィルタ300-Nで取り出されなかった光は、出力部700を経て、出力される。 Light not extracted by the Nth bandpass filter 300-N is output via the output section 700.
ここで、第1~第Nのセンシングリング共振器500-1~Nは同一設計であるが、クラッドにより空間的に分離している。このため各々のセンシングリング共振器500-1~Nのセンシング領域には独立した検体をそれぞれ用いることが可能となる。従って、第1又は第2の光センシング回路と同様に、各々の導波路型フォトダイオードの受光パワーを計測することで、複数のサンプルを同時に評価が可能となる。 Here, the first through Nth sensing ring resonators 500-1 through 500-N have the same design, but are spatially separated by cladding. This allows independent samples to be used in the sensing region of each sensing ring resonator 500-1 through 500-N. Therefore, similar to the first or second optical sensing circuit, multiple samples can be evaluated simultaneously by measuring the received light power of each waveguide photodiode.
このように、第5の光センシング回路は、第1~第3の光センシング回路において検体の検出に用いられなかった波長の光を用いて、検体の検出を行うので、第4の光センシング回路と同様に、光源900で生成される光を有効に活用できる。また、第4の光センシング回路と比較して、参照リング共振器の数を減らすことができる。 In this way, the fifth optical sensing circuit detects analytes using light of a wavelength that was not used for analyte detection in the first to third optical sensing circuits, and thus, like the fourth optical sensing circuit, can effectively utilize the light generated by the light source 900. Furthermore, compared to the fourth optical sensing circuit, the number of reference ring resonators can be reduced.
10 支持基板
20 クラッド
30 光導波路コア
100、101 光センシング回路
200 入力部
300 バンドパスフィルタ
400 参照リング共振器
500 センシングリング共振器
600 受光素子
700 出力部
800 分岐部
810 カプラー
900 光源
REFERENCE SIGNS LIST 10 Support substrate 20 Cladding 30 Optical waveguide core 100, 101 Optical sensing circuit 200 Input section 300 Bandpass filter 400 Reference ring resonator 500 Sensing ring resonator 600 Light receiving element 700 Output section 800 Branching section 810 Coupler 900 Light source
Claims (8)
前記支持基板上に形成されるクラッドと、
前記クラッド中に埋設され、前記支持基板の上面に平行に設けられる、光導波路コアとを備える光導波路型の光センシング回路であって、
直列に接続された、N(Nは2以上の整数)個のバンドパスフィルタと、
入力導波路、リング形状のトレース導波路、及び、出力導波路を備えて構成されるリング共振器であって、当該リング共振器が形成された領域のクラッド上にヒーターとして抵抗材が設けられている、1個あるいはN個の参照リング共振器と、
入力導波路、リング形状のトレース導波路、及び、出力導波路を備えて構成されるリング共振器であって、センシング領域が設けられている、N個のセンシングリング共振器と、
N個の受光素子と
を備え、
第1のバンドパスフィルタに入力された光は、第Nのバンドパスフィルタまで、順に送られ、
第p(pは1以上N以下の整数)のバンドパスフィルタで取り出された、参照リング共振器の共振波長の各ピークを含む波長帯域の光が、第pのセンシングリング共振器の入力導波路に送られ、
第pのセンシングリング導波路の共振波長の光が、第pのセンシングリング共振器の出力導波路から、第pの受光素子に送られ、
第1~第Nのバンドパスフィルタで取り出される特定の波長帯域は、それぞれ、第1~第Nのセンシングリング共振器の共振波長を含み、FSR(Free Spectral Range)以下であり、及び、互いに異なる波長帯域である
ことを特徴とする光センシング回路。 A support substrate;
a cladding formed on the support substrate;
an optical waveguide core embedded in the cladding and provided parallel to an upper surface of the support substrate,
N (N is an integer equal to or greater than 2) bandpass filters connected in series ;
One or N reference ring resonators, each of which is a ring resonator including an input waveguide, a ring-shaped trace waveguide, and an output waveguide, and in which a resistive material is provided as a heater on a clad in a region where the ring resonator is formed;
N sensing ring resonators, each of which includes an input waveguide, a ring-shaped trace waveguide, and an output waveguide, and each of which has a sensing region;
N light receiving elements;
The light input to the first bandpass filter is transmitted to the Nth bandpass filter in order,
light in a wavelength band including each peak of the resonant wavelength of the reference ring resonator, extracted by the pth bandpass filter (p is an integer of 1 to N), is sent to the input waveguide of the pth sensing ring resonator;
Light having a resonant wavelength of the p-th sensing ring waveguide is transmitted from the output waveguide of the p-th sensing ring resonator to the p-th light receiving element;
The specific wavelength bands extracted by the first to Nth bandpass filters include the resonant wavelengths of the first to Nth sensing ring resonators, respectively, and are equal to or less than an FSR (Free Spectral Range), and are mutually different wavelength bands.
ことを特徴とする請求項1に記載の光センシング回路。 2. The optical sensing circuit according to claim 1, wherein the bandpass filter is a grating-type wavelength filter.
第pの前記バンドパスフィルタで取り出された光が、第pの前記参照リング共振器の入力導波路に送られ、
さらに、第pの前記参照リング共振器の出力導波路から、第pの前記参照リング共振器の入力導波路に送られる
請求項1又は2に記載の光センシング回路。 The number of the reference ring resonators is N,
the light extracted by the p-th bandpass filter is sent to the input waveguide of the p-th reference ring resonator;
3. The optical sensing circuit according to claim 1, further comprising: a light source connected to an input waveguide of the pth reference ring resonator;
前記参照リング共振器からの光が、第1の前記バンドパスフィルタに送られ、
第pの前記バンドパスフィルタで取り出された光が、第pの前記参照リング共振器の入力導波路に送られる
請求項1又は2に記載の光センシング回路。 the number of the reference ring resonators is one,
light from the reference ring resonator is sent to a first of the bandpass filters;
3. The optical sensing circuit according to claim 1, wherein the light extracted by the pth bandpass filter is sent to an input waveguide of the pth reference ring resonator.
ことを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載の光センシング回路。 5. The light-sensing circuit according to claim 1, wherein the cladding of the sensing region is partially or entirely thinned.
必要に応じて、前記参照リング共振器が備えるヒーターの温度を変化させて、前記参照リング共振器の共振波長と、前記センシングリング共振器の共振波長が一致する初期状態に設定する過程と、
前記センシングリング共振器を検体に曝す過程と、
前記参照リング共振器の共振波長と、前記センシングリング共振器の共振波長のずれ量を取得し、共振波長のずれ量から、抗原の濃度を取得する過程と
を備える光センシング方法。 A light sensing method using the light sensing circuit according to any one of claims 1 to 5 , comprising:
If necessary, changing the temperature of a heater included in the reference ring resonator to set the reference ring resonator to an initial state in which the resonant wavelength of the reference ring resonator coincides with the resonant wavelength of the sensing ring resonator;
exposing the sensing ring resonator to an analyte;
and acquiring a shift between the resonant wavelength of the reference ring resonator and the resonant wavelength of the sensing ring resonator, and acquiring the concentration of the antigen from the shift in the resonant wavelength.
前記受光素子における受光パワーの、初期状態からの減衰量に基づいて行われる
ことを特徴とする請求項6に記載の光センシング方法。 The amount of shift in the resonant wavelength is obtained by
7. The optical sensing method according to claim 6 , wherein the optical sensing method is performed based on an amount of attenuation of the light receiving power in the light receiving element from an initial state.
前記受光素子における受光パワーが、初期状態における受光パワーに一致するように、参照リング共振器が備えるヒーターに供給する電力を変化させたときの、ヒーター電力に基づいて行われる
ことを特徴とする請求項6に記載の光センシング方法。 The amount of shift in the resonant wavelength is obtained by
7. The optical sensing method according to claim 6, wherein the optical sensing is performed based on heater power when power supplied to a heater provided in a reference ring resonator is changed so that the received light power at the light receiving element coincides with the received light power in an initial state.
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