JP2008175615A - 表面プラズモン共鳴センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 光導波路型の構成において、屈折率の変化に対して出射光強度の変化を増大でき、感度を向上することができる表面プラズモン共鳴センサを提供すること
【解決手段】 コア１と当該コア１を覆うクラッド２とを有する光導波路基板１２の表面に、測定に用いる波長で表面プラズモン共鳴を起こす金属薄膜３を形成し、当該金属薄膜３に接する被測定物質１０について表面プラズモン共鳴現象を起こすようにする。光導波路はイオン交換法により形成し、電界を加えるイオン交換の時間を所定に長くすることで屈折率の最も高い部分を表面から所定の深さに埋め込み、コア１の屈折率の最も高い部位が、金属薄膜３から所定に隔たる間隔ｄは例えば４μｍ以上にする。コア１は金属薄膜３と接しない構成なので、コア１を伝搬する光の電界強度の大きい部分を金属薄膜３から遠ざけることができ、金属薄膜３による吸収の影響を低減できる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、界面における表面プラズモン共鳴を検出する表面プラズモン共鳴センサに関するもので、より具体的には、光導波路基板の表面に金属薄膜を形成して当該金属薄膜に接する被測定物質について表面プラズモン共鳴現象を起こすようにした光導波路型の構成での感度特性の改良に関する。

屈折率および屈折率変化を利用した計測に関して、界面においてある特定の条件下では外部から入射された光が金属中の電子と結合して強い電場を生成した状態、つまり表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）の変化を利用したセンサがある。以下、この表面プラズモン共鳴センサはＳＰＲセンサと略記する。

ＳＰＲセンサは、表面プラズモンの励起条件が周囲の屈折率に対して高い感度を有することを利用しており、被測定物質の物性値を、標識化処理を必要とすることなく動的に測定することができることから、バイオテクノロジーや化学の分野で適用が見られる。

金や銀などの金属表面に光を照射すると、金属中の自由電子の集団的な動き（プラズモン）が励起する。金属と誘電体の界面において、金属内の電子の集団的振動による粗密波と誘電体中の光が結合することにより、界面に沿って伝搬する表面プラズモンポラリトンと言われる状態が生じる。表面プラズモンポラリトンの生成条件は、金属および金属に接する誘電体の屈折率によって決定し、屈折率の変化に非常に強い影響を受ける。表面プラズモンの分散は、誘電体中を自由伝搬する光のものとは交わらないため直接励起することはできない。表面プラズモンを外部の光により励起させるには、回折格子や高屈折率のプリズムを用いて波数を制御して結合させることになる。

表面プラズモンの励起方法として、よく知られる方法にクレッチマン配置と呼ばれる方法がある。クレッチマン配置は図１に示すように、高屈折率のプリズム１１に光を照射して照射された光が金属薄膜３を透過して反対側の誘電体（被測定物質１０）との界面に表面プラズモンを励起するようにしている。この場合、表面プラズモンが励起される波長や入射角度では、外部からの光は表面プラズモンの励起にエネルギが使われるため反射光はなくなるが、それ以外の条件では光は全反射する。この出射光の強度変化から金属薄膜（３）表面の近傍の屈折率変化を測定するのがＳＰＲセンサの原理となる。

ＳＰＲセンサとしては、例えば特許文献１などに見られるように、プリズムの代わりに光導波路のエパネセント成分による結合を用いる光導波路型ＳＰＲセンサがある。プリズムでは光が空間を伝搬するため、レンズなどによる集光や高精度の位置調整が必要となるが、導波路型ＳＰＲセンサは、光源や受光部と光ファイバによって接続することができるためレンズなどの部品は不要となり、装置を小型化することができ、光ファイバを固定した構成になるので測定時に煩雑な光学調整は不要となる。

光ファイバとの接続を考慮した場合、光導波路はシングルモード導波路である方が光ファイバ内でのモードゆらぎに起因したノイズがないためセンサには適している。シングルモード導波路に一定の波長の光を入射して、金属薄膜に接する物質の屈折率（誘電率）を変化させたとき、出射光強度は表面プラズモンの共鳴条件をピーク値とする光強度の低下がある。この傾きを利用すれば屈折率の測定が可能であり、この傾き強いほど屈折率変化に対して光強度の変化が大きく、屈折率に対する感度が高いといえる。
特許３５７６０９３号公報

ところで、光導波路型ＳＰＲセンサは、光導波路の出射光の変化によって測定対象の屈折率を測定するが、その感度を高くするには表面プラズモンの共鳴が発生する条件と、そうでない条件での出射光強度に大きな差をつける必要がある。

表面プラズモンは金属薄膜の近傍で発生するが、金属薄膜には光を吸収する性質があるため、金属薄膜の近傍に強い電界を有する表面プラズモンは伝搬とともに金属薄膜の部分でエネルギを損失する。

従来の光導波路型ＳＰＲセンサは、光導波路のコア部分が金属に接しており、金属薄膜の近傍に導波光として強い電界があるため、表面プラズモンの共鳴条件以外でも光導波路を伝搬する光が金属薄膜に吸収されて出射光が低下してしまう問題がある。結果として、表面プラズモンの共鳴が発生する場合と、そうでない場合の出射光強度の差が少なくなり、屈折率の変化に対して出射光強度の変化が少なく感度がよくない。

この発明は上述した課題を解決するもので、その目的は、光導波路型の構成において、屈折率の変化に対して出射光強度の変化を増大でき、感度を向上することができる表面プラズモン共鳴センサを提供することにある。

上述した目的を達成するために、本発明に係る表面プラズモン共鳴センサは、コアと当該コアを覆うクラッドとを有して屈折率差によりコア内に光を閉じ込めて特定の波数で伝搬させる光導波路基板を備えて、その光導波路基板の表面に、測定に用いる波長で表面プラズモン共鳴を起こす金属薄膜を形成し、当該金属薄膜に接する被測定物質について表面プラズモン共鳴現象を起こす光導波路型の表面プラズモン共鳴センサにおいて、コアは屈折率の最も高い部位が前記金属薄膜と接しない所定に隔たる配置である構成にする。

また、光導波路基板には、測定に用いる光に対してシングルモードとなる光導波路を設ける。

また、測定対象の屈折率が導波路基板の屈折率より低い場合は、金属箔膜上に、クラッドよりも高い屈折率を有する高屈折率薄膜を形成し、屈折率が比較的に低い被測定物質を前記高屈折率薄膜に接触させる構成にする。

また、光導波路基板の入力側に偏波保持光ファイバを接続して光源へ連結するともに、出力側には偏波保持光ファイバまたはシングルモード光ファイバを接続して受光器へ連結させる。

また、光導波路基板における光導波路が、イオン交換法により形成してある構成にする。

また、光導波路基板における光導波路は、電界を加えることによるイオンの移動を利用した方法により形成し、コアについて屈折率の最も高い部位を表面から所定に隔たる配置とさせる。あるいは、光導波路基板における光導波路はコアが表面に接する配置とするが、当該表面には、屈折率をクラッドと同一に調整した透明樹脂あるいはガラスなど貼り付けし、コアについて屈折率の最も高い部位を表面から所定に隔たる配置とさせる。

また、コアの屈折率の最も高い部位が、金属薄膜から所定に隔たる間隔を４μｍ以上にする。

係る構成にすることにより本発明では、光導波路基板において、コアは金属薄膜と接しない構成なので、コアを伝搬する光について電界強度の大きい部分を金属薄膜から遠ざけることができる。これにより、表面プラズモンの共鳴が生じない条件での金属薄膜による吸収の影響を低減できる。一方、表面プラズモンの共鳴条件では、コアが金属薄膜と離れていても光導波路を伝搬する光のエバネッセント波により表面プラズモンを励起し、金属薄膜の近傍に強い電界分布ができるため、光エネルギの吸収が大きく起きる。

本発明に係る表面プラズモン共鳴センサでは、光導波路基板において、コアは金属薄膜と接しない構成なので、コアを伝搬する光について電界強度の大きい部分を金属薄膜から遠ざけることができ、金属薄膜による吸収の影響を低減できる。表面プラズモンの共鳴条件では、コアが金属薄膜と離れていても表面プラズモンを励起し、光エネルギの吸収が大きく起きる。したがって、屈折率の変化に対して出射光強度の変化を増大でき、光導波路型の構成でも感度を向上することができる。

図２は本発明の好適な一実施の形態を示している。本実施形態において、表面プラズモン共鳴センサ（ＳＰＲセンサ）は、コア１と当該コア１を覆うクラッド２とを有して屈折率差によりコア１内に光を閉じ込めて特定の波数で伝搬させる光導波路基板１２を備えている。光導波路基板１２の表面には、測定に用いる波長で表面プラズモン共鳴を起こす金属薄膜３を形成し、当該金属薄膜３に接する被測定物質１０について表面プラズモン共鳴現象を起こすようになっている。

コア１は屈折率の最も高い部位が金属薄膜３と接しない所定に隔たる配置にしてある。コア１の屈折率の最も高い部位が、金属薄膜３から所定に隔たる間隔ｄは４μｍ以上にすることが好ましい。

光導波路基板１２には、測定に用いる光に対してシングルモードとなる光導波路を設ける。また、光導波路基板１２における光導波路は、例えばイオン交換法により形成することが好ましい。つまり、光導波路基板１２における光導波路は、電界を加えることによるイオンの移動を利用した方法により形成し、コア１について屈折率の最も高い部位を表面から所定に隔たる配置とさせる。あるいは、光導波路基板１２における光導波路はコア１が表面に接する配置とするが、当該表面には、屈折率をクラッド２と同一に調整した透明樹脂あるいはガラスなど貼り付けし、コア１について屈折率の最も高い部位を表面から所定に隔たる配置とさせる構成にしてもよい。

光導波路を形成する方法としてイオン交換法は、ガラス（クラッド２）中のアルカリイオンとイオン半径の異なるイオンを交換することにより高屈折率部分を形成して光導波路（コア１）とする方法であるが、溶融中で電界を加えることにより高屈折率部分を基板内部に埋め込むことができる。図３は、イオン交換法による形成における光導波路（コア）の屈折率の断面分布を示すグラフ図である。同図から分かるように、電界を加えるイオン交換の時間を長くすることに応じて屈折率の最も高い部分が表面から離れてゆき、埋め込み深さが増しているのがわかる。したがって、電界を加えることによるイオンの移動を適宜に制御することで埋め込み深さを自在に調整することができ、コア１の高屈折率部位について金属薄膜３からの隔たり間隔ｄを適正値に設定できる。

なお、金属薄膜３上に、クラッド２よりも高い屈折率を有する高屈折率薄膜を形成し、屈折率が比較的に低い被測定物質１０を高屈折率薄膜に接触させる構成にすることもよい。つまり、光導波路基板１２に金属薄膜３だけの構造では、測定可能な屈折率は光導波路基板１２に近い値になってしまうが、金属薄膜３の上に光導波路よりも高い屈折率を有する材料を成膜することにより、対応屈折率を低屈折率側に移動させることができる。

測定系としては、光導波路基板１２の入力側に、偏波保持光ファイバを接続して光源へ連結するとともに、出力側には偏波保持光ファイバまたはシングルモード光ファイバを接続して受光器へ連結させる。

本発明にあっては、光導波路基板１２において、コア１は金属薄膜３と接しない構成なので、コア１を伝搬する光について電界強度の大きい部分を金属薄膜３から遠ざけることができる。これにより、表面プラズモンの共鳴が生じない条件での金属薄膜３による吸収の影響を低減できる。一方、表面プラズモンの共鳴条件では、コア１が金属薄膜３と離れていても光導波路を伝搬する光のエバネッセント波により表面プラズモンを励起し、金属薄膜３の近傍に強い電界分布ができるため、光エネルギの吸収が大きく起きる。したがって、屈折率の変化に対して出射光強度の変化を増大でき、光導波路型の構成でも高い感度を得ることができる。

本発明に係る光導波路型のＳＰＲセンサ、つまり図２に示す構成について数値計算を行ったところ、図４に示す特性を得た。この数値計算はビーム伝搬法によるものであり、金属薄膜３は厚さ５０ｎｍの金とし、図４にはコア１の埋め込み深さをパラメータにして屈折率変化に対する出力強度変化を示している。

図４から明らかなように、コア１の埋め込みが最も深い条件７μｍではピークが強いが、埋め込みが浅くなると徐々に共鳴点以外の損失が多くなり、まったく埋め込まない条件０μｍでは、ほとんどピークが確認できなくなる。

クレッチマン配置を説明する構成図である。 本発明に係る表面プラズモン共鳴センサを示す断面図である。 イオン交換法による形成における光導波路（コア）の屈折率の断面分布を示すグラフ図である。 本発明に係る光導波路型のＳＰＲセンサについて数値計算の結果を示すグラフ図であり、コアの埋め込み深さをパラメータにして屈折率変化に対する出力強度変化を示している。

符号の説明

１ コア
２ クラッド
３ 金属薄膜
１０ 被測定物質
１１ プリズム
１２ 光導波路基板

Claims (8)

1. コアと当該コアを覆うクラッドとを有して屈折率差により前記コア内に光を閉じ込めて特定の波数で伝搬させる光導波路基板を備えて、前記光導波路基板の表面に、測定に用いる波長で表面プラズモン共鳴を起こす金属薄膜を形成し、当該金属薄膜に接する被測定物質について表面プラズモン共鳴現象を起こす光導波路型の表面プラズモン共鳴センサにおいて、
   前記コアは屈折率の最も高い部位が前記金属薄膜と接しない所定に隔たる配置であることを特徴とする表面プラズモン共鳴センサ。
2. 前記光導波路基板には、測定に用いる光に対してシングルモードとなる光導波路を設けることを特徴とする請求項１に記載の表面プラズモン共鳴センサ。
3. 前記金属薄膜上に、前記クラッドよりも高い屈折率を有する高屈折率薄膜を形成し、屈折率が比較的に低い被測定物質を前記高屈折率薄膜に接触させることを特徴とする請求項２に記載の表面プラズモン共鳴センサ。
4. 前記光導波路基板の入力側に偏波保持光ファイバを接続して光源へ連結するともに、出力側には偏波保持光ファイバまたはシングルモード光ファイバを接続して受光器へ連結させることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の表面プラズモン共鳴センサ。
5. 前記光導波路基板における光導波路が、イオン交換法により形成してあることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の表面プラズモン共鳴センサ。
6. 前記光導波路基板においてイオン交換法を用いて形成された導波路は、電界を加えることによるイオンの移動を利用した方法により形成し、前記コアについて屈折率の最も高い部位を表面から所定に隔たる配置とさせることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の表面プラズモン共鳴センサ。
7. 前記光導波路基板における光導波路は前記コアが表面に接する配置とするが、当該表面には、屈折率を前記クラッドと同一に調整した透明樹脂あるいはガラスなど貼り付けし、前記コアについて屈折率の最も高い部位を表面から所定に隔たる配置とさせることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の表面プラズモン共鳴センサ。
8. 前記コアの屈折率の最も高い部位が、前記金属薄膜から所定に隔たる間隔を４μｍ以上にすることを特徴とする請求項５に記載の表面プラズモン共鳴センサ。

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