特許 5907561 フォトニック結晶光共振器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5907561

(24)【登録日】2016年4月1日

(45)【発行日】2016年4月26日

(54)【発明の名称】フォトニック結晶光共振器

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/122 20060101AFI20160412BHJP

   G02B 1/02 20060101ALI20160412BHJP

【ＦＩ】

   G02B6/122 301

   G02B1/02

【請求項の数】6

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2012-271088(P2012-271088)

(22)【出願日】2012年12月12日

(65)【公開番号】特開2014-115553(P2014-115553A)

(43)【公開日】2014年6月26日

【審査請求日】2014年12月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(74)【代理人】

【識別番号】100153006

【弁理士】

【氏名又は名称】小池 勇三

(72)【発明者】

【氏名】林 勝義

(72)【発明者】

【氏名】堀内 勉

(72)【発明者】

【氏名】岩崎 弦

(72)【発明者】

【氏名】瀬山 倫子

(72)【発明者】

【氏名】井上 鈴代

(72)【発明者】

【氏名】為近 恵美

(72)【発明者】

【氏名】石川 靖彦

(72)【発明者】

【氏名】和田 一実

(72)【発明者】

【氏名】ツァイ ジンナン

【審査官】 奥村 政人

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−０４７６０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２６８９８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００５／０２２２２０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 Mindy Lee and Philippe M. Fauchet，Two-dimensional silicon photonic crystal based biosensing platform for protein detection，Optics Express，米国，Optical Society of America，２００７年 ４月 ３日，Vol. 15,No. 8，pp. 4530-4535

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ６／１２− ６／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリコンからなるフォトニック結晶本体に設けられて周期的に配置された柱状の複数の第１格子要素を備える基部と、
前記フォトニック結晶本体の中央部に設けられて周期的に配置された柱状の複数の第２格子要素を備える共振部と、
前記フォトニック結晶本体を挾んで接続されたシリコンコアおよび前記シリコンコアよりなる２つの光導波路と
を備え、
前記共振部は、２つの前記光導波路の間に配置され、２つの前記光導波路の間に前記第１格子要素および前記第２格子要素が、各々の周期で欠陥を設けることなく配置され、
前記第１格子要素および前記第２格子要素は、周囲と屈折率が異なり、
複数の前記第２格子要素は、複数の前記第１格子要素とは周期および径の少なくとも１つが異なり、
複数の前記第１格子要素の周期および前記第１格子要素の径により決定される前記フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内に対象とする波長の光のエネルギーがあり、複数の前記第２格子要素の周期および前記第２格子要素の径により決定される前記フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ外に対象とする波長の光のエネルギーがあり、前記第２格子要素によるフォトニックバンドギャップの上端より大きなエネルギーのバンドに前記光のエネルギーがあるように、複数の前記第２格子要素の周期および前記第２格子要素の径が設定されていることを特徴とするフォトニック結晶光共振器。

【請求項2】

請求項１記載のフォトニック結晶光共振器において、
前記第１格子要素および前記第２格子要素は、周囲をシリコンとする柱状の中空構造であることを特徴とするフォトニック結晶光共振器。

【請求項3】

請求項１記載のフォトニック結晶光共振器において、
前記第１格子要素および前記第２格子要素は、周囲を空間とするシリコンからなる柱状構造であることを特徴とするフォトニック結晶光共振器。

【請求項4】

請求項１〜３のいずれか１項に記載のフォトニック結晶光共振器において、
前記共振部に共振させる光は、波長１．５５μｍであり、
前記第２格子要素の周期は、３５０ｎｍより大きく９００ｎｍより小さい範囲であり、
前記第２格子要素の径の半径を周期で除した値は、０．１５より大きく０．５０より小さい範囲である
ことを特徴とするフォトニック結晶光共振器。

【請求項5】

請求項１〜３のいずれか１項に記載のフォトニック結晶光共振器において、
前記共振部に共振させる光は、波長１．３μｍであり、
前記第２格子要素の周期は、２５０ｎｍより大きく７５０ｎｍより小さい範囲であり、
前記第２格子要素の径の半径を周期で除した値は、０．１５より大きく０．５０より小さい範囲である
ことを特徴とするフォトニック結晶光共振器。

【請求項6】

請求項１〜３のいずれか１項に記載のフォトニック結晶光共振器において、
前記共振部に共振させる光は、波長１．１μｍであり、
前記第２格子要素の周期は、２００ｎｍより大きく６５０ｎｍより小さい範囲であり、
前記第２格子要素の径の半径を周期で除した値は、０．１５より大きく０．５０より小さい範囲である
ことを特徴とするフォトニック結晶光共振器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、シリコンからなるフォトニック結晶により光共振器を構成したフォトニック結晶光共振器に関する。

【背景技術】

【0002】

蛍光ラベルにより特定分子を検出する蛍光型バイオセンサと異なり、ラベルフリーで光学的に分子検出を行うバイオセンサの研究開発が、人体の化学物質の分析や病気の早期発見などの医療応用の観点で進められている。例えば、ラベルフリーで光学的に分子検出が行えるセンサとして、表面プラズモン共鳴（surface plasmon resonance：ＳＰＲ）センサがある。ＳＰＲセンサは、分子吸着による屈折率／反射率変化を捉えるセンサであり、生化学研究で広く用いられているが、小型化に難がある。専門家による分析を必要とせず、家庭で簡便に利用できるバイオセンサには、小型化・低価格化が必須であり、エレクトロニクス同様、Ｓｉ−ＣＭＯＳ技術を用いてチップ上に機能集積したセンサが望ましい。

【0003】

今日まで、Ｓｉ−ＣＭＯＳ加工技術を用いた光学的手法によるセンサチップが報告されている。例えば、板状のＳｉ層（Ｓｉスラブ）を数１００ｎｍの幅・高さの矩形断面をもつ細線に加工したＳｉ光導波路をベースに、Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計を構成したセンサがある。また、上述したＳｉ光導波路をベースに、μｍサイズの直径の微小リング光共振器を構成したセンサがある。

【0004】

抗原抗体反応により光導波路表面に選択的に分子が吸着することによって、屈折率に変化が生じ、光の透過率が変化することで分子を捉えることが可能となる。透過率の変化は、マッハツェンダー（Mach-Zehnder）干渉計では強め合う、または、弱め合う干渉が起こる波長、すなわち、共振の起こる波長（共振波長）がシフトすることによる。また、Ｓｉスラブに周期的に孔を形成したフォトニック結晶（ＰｈＣ）において、一部に孔を形成しない部分を設け、また、孔の大きさを変えた点欠陥を設けて光共振器として動作させること（非特許文献１参照）により、分子吸着を捉えることが可能である。

【0005】

しかし、これらの共振器の多くでは、光のパワーが主にＳｉ中に閉じ込められており、導波路から弱くしみ出したエバネッセント波で表面に吸着した分子を捉えているため、ＳＰＲに比べると感度（検出濃度の下限）に難がある。高感度化には、導波路側壁の粗を原子レベルで低減する超精密加工により、共振器のＱ値（quality factor）を極めて高くする必要がある（非特許文献２参照）。一方、Ｓｉ導波路中にスロットと呼ばれる空隙を設け（非特許文献３参照）、また、フォトニック結晶中で点欠陥となっている１個の孔のサイズを調整し（非特許文献１参照）、導波路や光共振器からしみ出した光強度を増加させることにより、検出感度を向上させる試みがなされている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】M. R. Lee and P. M. Fauchet, "Two-dimensional silicon photonic crystal based biosensing platform for protein detection", Opt. Express, vol.15, no.8, pp.4530-4535, 2007.

【非特許文献2】A. M. Armani et al. , "Label-Free, Single-Molecule Detection with Optical Microcavities", Science, vol.317, pp.783-787, 2007.

【非特許文献3】T. Claes et al. , "Label-Free Biosensing With a Slot-Waveguide-Based Ring Resonator in Silicon on Insulator", IEEE Photonics Journal, vol.1,no.3, pp.197-204, 2009.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

検出感度の向上は、シリコンによる微小リング光共振器やフォトニック結晶を用いた共振器のＱ値（quality factor）を高くすることで実現できる。共振器のＱ値の向上は、現状では、主に、導波路側壁の粗を原子レベルで低減する超精密加工によって行われている。このため、従来では、Ｑ値を向上させることが容易ではないという問題があった。

【0008】

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、容易に製造できるシリコンによるフォトニック結晶において、Ｑ値の向上によらずに検出感度が向上できるようにすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明に係るフォトニック結晶光共振器は、シリコンからなるフォトニック結晶本体に設けられて周期的に配置された柱状の複数の第１格子要素を備える基部と、フォトニック結晶本体の中央部に設けられて周期的に配置された柱状の複数の第２格子要素を備える共振部と、フォトニック結晶本体を挾んで接続されたシリコンコアおよびシリコンコアよりなる２つの光導波路とを備え、共振部は、２つの光導波路の間に配置され、２つの光導波路の間に第１格子要素および第２格子要素が、各々の周期で欠陥を設けることなく配置され、第１格子要素および第２格子要素は、周囲と屈折率が異なり、複数の第２格子要素は、複数の第１格子要素とは周期および径の少なくとも１つが異なり、複数の第１格子要素の周期および第１格子要素の径により決定されるフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内に対象とする波長の光のエネルギーがあり、複数の第２格子要素の周期および第２格子要素の径により決定されるフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ外に対象とする波長の光のエネルギーがあり、第２格子要素によるフォトニックバンドギャップの上端より大きなエネルギーのバンドに光のエネルギーがあるように、複数の第２格子要素の周期および第２格子要素の径が設定されている。

【0010】

上記フォトニック結晶光共振器において、第１格子要素および第２格子要素は、周囲をシリコンとする柱状の中空構造であればよい。また、第１格子要素および第２格子要素は、周囲を空間とするシリコンからなる柱状構造であってもよい。

【0011】

上記フォトニック結晶光共振器において、共振部に共振させる光は、波長１．５５μｍであり、第２格子要素の周期は、３５０ｎｍより大きく９００ｎｍより小さい範囲であり、第２格子要素の径の半径を周期で除した値は、０．１５より大きく０．５０より小さい範囲である。また、共振部に共振させる光は、波長１．３μｍであり、第２格子要素の周期は、２５０ｎｍより大きく７５０ｎｍより小さい範囲であり、第２格子要素の径の半径を周期で除した値は、０．１５より大きく０．５０より小さい範囲である。また、共振部に共振させる光は、波長１．１μｍであり、第２格子要素の周期は、２００ｎｍより大きく６５０ｎｍより小さい範囲であり、第２格子要素の径の半径を周期で除した値は、０．１５より大きく０．５０より小さい範囲である。

【発明の効果】

【0012】

以上説明したことにより、本発明によれば、容易に製造できるシリコンによるフォトニック結晶において、Ｑ値の向上によらずに検出感度が向上できるようになるという優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶光共振器の構成を示す平面図である。

【図2】図２は、本発明の実施の形態における他のフォトニック結晶光共振器の構成を示す平面図である。

【図3】図３は、本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶光共振器の構成を示す断面図である。

【図4】図４は、フォトニック結晶におけるフォトニックバンドギャップの状態を示す説明図である。

【図5】図５は、ＴＥモードの光にして厚さ２５０ｎｍのフォトニック結晶本体１０１を用いた場合の分散関係を示す特性図である。

【図6】図６は、フォトニック結晶における格子要素の半径および周期に対するフォトニックバンドギャップのバンド端のエネルギーの関係を示す特性図である。

【図7】図７は、波長が１．５５μｍの光が厚さ２５０ｎｍのフォトニック結晶本体１０１のフォトニックバンドギャップ内となるａおよびｒ／ａの関係を「○」で示す説明図である。

【図8】図８は、波長が１．３μｍの光が厚さ２５０ｎｍのフォトニック結晶本体１０１のフォトニックバンドギャップ内となるａおよびｒ／ａの関係を「○」で示す説明図である。

【図9】図９は、波長が１．１μｍの光が厚さ２５０ｎｍのフォトニック結晶本体１０１のフォトニックバンドギャップ内となるａおよびｒ／ａの関係を「○」で示す説明図である。

【図10A】図１０Ａは、本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶光共振器の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。

【図10B】図１０Ｂは、本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶光共振器の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。

【図10C】図１０Ｃは、本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶光共振器の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。

【図10D】図１０Ｄは、本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶光共振器の製造方法を説明する各工程における状態を示す断面図である。

【図11】図１１は、中空のシリコン細線部を備えるシリコン光導波路から構成したバイオセンサを示す写真である。

【図12】図１２は、本発明の実施の形態における他のフォトニック結晶光共振器の構成を示す平面図である。

【図13】図１３は、本発明の実施の形態における他のフォトニック結晶光共振器の構成を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

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フォトニック結晶光共振器の構成を示す平面図である。このフォトニック結晶光共振器は、シリコンからなるフォトニック結晶本体１０１が、基部１０２と、フォトニック結晶本体１０１の中央部に設けられた共振部１０３とを備える。基部１０２は、周期的に配置された柱状の複数の第１格子要素１２１を備える。また、共振部１０３は、周期的に配置された柱状の複数の第２格子要素１３１を備える。また、フォトニック結晶本体１０１には、シリコンコア１０４およびシリコンコア１０５が接続されている。また、シリコンコア１０４およびシリコンコア１０５は、クラッド１０６の上に形成されている。

【0015】

ここで、まず、第１格子要素１２１および第２格子要素１３１は、周囲と屈折率が異なり、複数の第２格子要素１３１は、複数の第１格子要素１２１とは周期および径の少なくとも１つが異なる。加えて、複数の第１格子要素の周期および第１格子要素の径により決定されるフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内に対象とする波長の光のエネルギーがあり、複数の第２格子要素の周期および第２格子要素の径により決定されるフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ外に対象とする波長の光のエネルギーがあり、第２格子要素によるフォトニックバンドギャップの上端より大きなエネルギーのバンド（airバンド）内に光のエネルギーがあるように、複数の第２格子要素の周期および第２格子要素の径が設定（設計）されている。このようにすることで、Ｑ値の向上によらずに検出感度が向上できるようになる。

【0016】

図１では、第２格子要素１３１は、第１格子要素１２１に比較して小さい径とした場合について示しているが、これに限らず、例えば、図２に示すように、第１格子要素１２１に比較して大きい径とした第２格子要素１３１ａから構成した共振部１０３ａとしてもよい。また、複数の第２格子要素１３１ａは、複数の第１格子要素１２１に比較した大きな周期となっている。ここで、「周期」は、隣り合う格子要素の配置間隔であり、フォトニック結晶の技術においては、格子定数とも呼ばれている。図１，図２に示す例では、各格子要素を孔（円柱）から構成し、六方晶構造としている。なお、図１，図２において、共振部１０３，共振部１０３ａを示す点線は、実際に存在するものではない。

【0017】

上述したフォトニック結晶光共振器は、よく知られたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いることで形成（作製）できる。例えば、図３の断面図に示すように、基体部１１０，埋め込み絶縁層１１１，表面シリコン層１１２を備えるＳＯＩ基板を用い、表面シリコン層１１２に、基部１０２，共振部１０３，シリコンコア１０４，シリコンコア１０５を形成し、基部１０２に形成した貫通孔より第１格子要素１２１を構成し、共振部１０３に形成した貫通孔より第２格子要素１３１を構成すればよい。また、フォトニック結晶本体１０１の下部には、埋め込み絶縁層１１１に形成した空間１１１ａが形成されていればよい。なお、この場合、埋め込み絶縁層１１１がシリコンコア１０４，シリコンコア１０５に対するクラッドとなる。

【0018】

上述した構成のフォトニック結晶光共振器を用いることで、バイオセンサが構成できる。共振部１０３の表面や共振部１０３の第２格子要素１３１の側面への分析対象の分子吸着による屈折率や光吸収の変化が、シリコンコア１０４およびシリコンコア１０５よりなる光導波路を導波する光スペクトルのピーク波長や強度の変化として検出できる。

【0019】

このフォトニック結晶光共振器では、基部１０２の第１格子要素１２１とは異なる周期，径の第２格子要素１３１から共振部１０３を構成したヘテロ構造フォトニック結晶とし、主に、図４に示すように、共振部１０３の第２格子要素１３１を構成する孔の内部に光が存在する状態（ａｉｒバンド）を利用する。また、このフォトニック結晶光共振器では、空間１１１ａを、分析対象流体の流路として用いることもできる。

【0020】

フォトニック結晶を構成する柱状の複数の格子要素の径を小さくする、あるいは格子要素の周期をより大きくするなどにより、図４に示すように、フォトニックバンドギャップの周波数(エネルギー)が低下する。フォトニック結晶の一部に、周囲（基部１０２）に比較して、上述したように格子パラメータを変化させた領域（共振部１０３）を設けると、周囲のフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ域の周波数(エネルギー)でかつ共振部１０３のフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ外でギャップ上端よりも大きな周波数（エネルギー）において光共振器として動作する。

【0021】

共振部１０３の内部はａｉｒバンドの状態が許容されるため、上述の構成の場合、円筒状の孔である屈折率の低い第２格子要素１３１の内部に光が多く存在する。第２格子要素１３１の側壁に吸着した分子の存在による光学定数変化が、光の透過スペクトル（共振ピークの波長や強度）に大きく現れ、共振波長のシフトを大きくすることができる。このように大きなシフトが得られる実施の形態のフォトニック結晶光共振器を用いたバイオセンサによれば、センサ感度を向上できる。

【0022】

次に、対象とする波長の光が、複数の第１格子要素１２１の周期および第１格子要素１２１の径により決定される共振部のフォトニックバンドギャップ内のエネルギーをもつことについて説明する。

【0023】

まず、電界がフォトニック結晶本体１０１（基部１０２あるいは共振部１０３）の平面方向に向いたＴＥモードの光に対して、厚さ２５０ｎｍのフォトニック結晶本体１０１を用いた場合の分散関係を図５に示す。以下では、周期（格子定数）をａとし、第１格子要素１２１あるいは第２格子要素１３１は、中空の円筒とし、この半径をｒとしている。また、厚さは、柱状の格子要素の高さ方向のフォトニック結晶の寸法である。

【0024】

例えば、図５の（ａ）に示すように、ａ＝４００ｎｍ、ｒ／ａ＝０．３とすると、０．７８ｅＶ（波長１５９０ｎｍ）から１．０２ｅＶ（波長１２１０ｎｍ）の範囲で光が存在できないフォトニックバンドギャップが形成される。図５の（ｂ），図５の（ｃ），および図６に示すように、第１格子要素１２１あるいは第２格子要素１３１の円筒半径を小さくする、または、第１格子要素１２１あるいは複数の第２格子要素１３１の周期を大きくすることで、バンド端のエネルギーおよびフォトニックバンドギャップの大きさが減少する。

【0025】

特にバンドギャップ上端であるａｉｒバンド下端のエネルギーが低下することにより、図５の（ａ）に示す場合のフォトニックバンドギャップ域であった光の存在が許容されるようになり、かつａｉｒバンド内に存在する光であることから、共振部１０３の第２格子要素１３１内部での光強度を大きくできる。これにより、フォトニック結晶光共振器をセンサとして用いた場合のセンシング感度を向上することができる。

【0026】

フォトニック結晶本体１０１の厚さが２５０ｎｍであり、クラッドが大気であり、格子要素の配置が三角格子の構成を考えた場合、例えば波長が１．５５μｍの光は、ａとｒ／ａを、図７の「○」となる領域に選ぶことにより、フォトニックバンドギャップ内に存在するようにできる。例えば、１．５５μｍの光がフォトニックバンドギャップ内に存在するような最も小さい構造はａ＝３５０ｎｍ、ｒ／ａ＝０．１５程度であり、最も大きい構造はａ＝９００ｎｍ、ｒ／ａ＝０．５０程度である。

【0027】

このように、対象とする波長の光が、フォトニックバンドギャップ内となるａとｒ／ａの関係から、孔の加工精度に対して共振器（共振部１０３）の孔の内部での光強度を大きくできる構造を選択することができ、検出感度を最大化することができる。

【0028】

対象とする光の波長を１．５５μｍ以外とする際は、波長に比例してａやフォトニック結晶本体１０１の厚さを変化させるなど、適宜に構造パラメータを設定すればよい。図８に、対象とする光の波長を１．３μｍとした場合のａとｒ／ａの関係を示し、図９に、対象とする光の波長を１．１μｍとした場合のａとｒ／ａの関係を示す。図８に示すように、１．３μｍの光がフォトニックバンドギャップ内に存在するような最も小さい構造はａ＝２５０ｎｍ、ｒ／ａ＝０．１５程度であり、最も大きい構造はａ＝７５０ｎｍ、ｒ／ａ＝０．５０程度である。また、図９に示すように、１．１μｍの光がフォトニックバンドギャップ内に存在するような最も小さい構造はａ＝２００ｎｍ、ｒ／ａ＝０．１５程度であり、最も大きい構造はａ＝６５０ｎｍ、ｒ／ａ＝０．５０程度である。波長１．５５μｍ以外の光の場合でも、波長を変更してａとｒ／ａの関係を導出することで、共振器（共振部１０３）の孔の内部での光強度の増大が図れ、センサとして用いた場合の検出感度の向上が図れる。

【0029】

次に、本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶光共振器の製造について簡単に説明する。まず、図１０Ａに示すように、基体部１１０，埋め込み絶縁層１１１，表面シリコン層１１２を備えるＳＯＩ基板を用意する。次に、図１０Ｂに示すように、表面シリコン層１１２の上に、レジストパターン２０１を形成する。レジストパターン２０１は、第１格子要素形成領域２２１に複数の第１格子要素形成孔２０２を備え、共振部形成領域２１３に複数の第２格子要素形成孔２０３を備える。また、レジストパターン２０１は、コア形成領域２１４，２１５に、コア形成パターン２０４，２０５を備える。

【0030】

例えば、よく知られたポジ型のフォトレジストを、スピンコート法により表面シリコン層１１２の上に塗布してレジスト膜を形成し、形成したレジスト膜を公知のフォトリソグラフィー技術によりパターニングすることで、レジストパターン２０１が形成できる。

【0031】

次に、形成したレジストパターン２０１をマスクとして公知のドライエッチング技術により表面シリコン層１１２を選択的にエッチングすることで、図１０Ｃに示すように、第１格子要素１２１，第２格子要素１３１，シリコンコア１０４，およびシリコンコア１０５が形成できる。

【0032】

次に、緩衝フッ酸液あるいはフッ酸水溶液を用いたウエットエッチングにより、形成した第１格子要素１２１および第２格子要素１３１による貫通孔を介して第１格子要素形成領域２２１，共振部形成領域２１３の埋め込み絶縁層１１１を等方的にエッチングすることで、図１０Ｄに示すように、空間１１１ａを形成してもよい。この後、レジストパターン２０１を除去すれば、図１，図３に示したフォトニック結晶光共振器が得られる。なお、レジストパターン２０１を除去した後で、ウエットエッチングにより空間１１１ａを形成してもよい。

【0033】

実施の形態におけるフォトニック結晶光共振器によれば、例えばセンシング（検出）を行う共振部１０３などのフォトニック結晶本体１０１は、第１格子要素１２１および第２格子要素１３１を形成しているが、一体構造であり、高い機械的強度が得られている。

【0034】

例えば、図１１に示すような、中空のシリコン細線部を備えるシリコン光導波路から構成したバイオセンサがある。このバイオセンサは、中央部を左右に横切る溝部を備え、上下方向に配列されているシリコン光導波路のシリコン細線が、溝部において露出する中空構造を備えている。このバイオセンサでは、溝部にシリコン細線を架設して中空構造としているため、高い機械的強度が得られない。図１１に示す例では、この写真中央部にあるはずのシリコン細線が破断して無い状態となり、右側のシリコン細線の近傍に飛散している。このように、図１１に示すバイオセンサでは、破損が発生しやすい。これに対し、実施の形態におけるフォトニック結晶光共振器によれば、前述したように高い機械的強度が得られており、破損などが発生しにくい。

【0035】

以上に説明したように、本発明によれば、複数の第１格子要素の周期および第１格子要素の径により決定されるフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内に対象とする波長の光のエネルギーがあり、複数の第２格子要素の周期および第２格子要素の径により決定されるフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ外に対象とする波長の光のエネルギーがあり、第２格子要素によるフォトニックバンドギャップの上端より大きなエネルギーのバンド（airバンド）内に光のエネルギーがあるように、複数の第２格子要素の周期および第２格子要素の径が設定（設計）されている状態としているので、容易に製造できるシリコンによるフォトニック結晶において、Ｑ値の向上によらずに検出感度が向上できるようになる。共振器となるフォトニック結晶の部分（共振部）の格子要素のサイズや格子要素の周期を適切に選ぶことによって、共振器の孔の内部で大きな光強度が得られるようになる。

【0036】

このようなフォトニック結晶光共振器をバイオセンサに用いると、シリコン内部ではなく、分子の吸着が起こるシリコンの外部である大気あるいは溶液側での光強度を増大できるようになり、分子吸着による共振波長のシフト量が増加し、分子を検出する感度を向上させることができる。

【0037】

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、格子要素を中空構造としたが、これに限るものではなく、格子要素の部分にシリコンが存在し、格子要素の周囲が空間の状態としてもよい。

【0038】

例えば、図１２の平面図および図１３の断面図に示すように、基体部３１０，埋め込み絶縁層３１１，表面シリコン層３１２を備えるＳＯＩ基板を用い、表面シリコン層３１２に、基部３０２，共振部３０３，シリコンコア３０４，シリコンコア３０５を形成し、基部３０２に形成したシリコンからなる柱状構造体より第１格子要素３２１を構成し、共振部３０３に形成したシリコンからなる柱状構造体より第２格子要素３３１を構成してもよい。第１格子要素３２１および第２格子要素３３１の周囲が空間の状態となる。

【0039】

なお、フォトニック結晶本体３０１は、基部３０２と、フォトニック結晶本体３０１の中央部に設けられた共振部３０３とを備え、基部３０２は、周期的に配置された柱状の複数の第３格子要素３２１を備え、共振部３０３は、周期的に配置された柱状の複数の第２格子要素３３１を備え、フォトニック結晶本体３０１には、シリコンコア３０４およびシリコンコア３０５が接続され、シリコンコア３０４およびシリコンコア３０５は、クラッド３０６（埋め込み絶縁層３１１）の上に形成されている。

【0040】

また、例えば、上述では、六方晶構造のフォトニック結晶を例に説明したが、これに限るものではなく、正方晶構造のフォトニック結晶であってもよい。また、格子要素は、円柱に限らず、四角柱，六角柱などであってもよい。

【0041】

また、フォトニック結晶本体の一部（下部）にＳｉＯ₂からなる構造体が配置されていてもよい。この構成では、対象とする光が、ＳｉＯ₂およびＳｉが透明な近赤外域（１．１〜３μｍ）に動作が制限される。フォトニック結晶本体の一部と光入出力用導波路の大部分を中空構造のフォトニック結晶導波路とすることで、中赤外域（３−８μｍ程度）でも動作可能となる。このようなフォトニック結晶光共振器をバイオセンサに用いることで、分子吸着による屈折率変化に加えて、分子振動励起による光吸収変化によるセンシングも可能となる。

【符号の説明】

【0042】

１０１…フォトニック結晶本体、１０２…基部、１０３…共振部、１０４…シリコンコア、１０５…シリコンコア、１０６…クラッド、１２１…第１格子要素、１３１…第２格子要素。

【図1】

【図2】

【図3】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【図10C】

【図10D】

【図12】

【図13】

【図4】

【図5】

【図11】