2015 Fiscal Year Annual Research Report

金属アシスト型スロット導波路に基づく集積バイオセンサに関する研究

Research Project

Project/Area Number	15H06698
Research Institution	Kanto Gakuin University
Principal Investigator	石坂雄平関東学院大学, 理工学部, 講師 (60758598)
Project Period (FY)	2015-08-28 – 2017-03-31
Keywords	集積光デバイス / バイオセンサ / 光導波路 / 表面プラズモンポラリトン / 有限要素法
Outline of Annual Research Achievements	シリコンフォトニクスやMEMSと呼ばれる半導体微細加工技術を利用した集積バイオセンサの研究開発は近年より一層進展しており，医療および健康管理市場への寄与が期待されている．本研究では，金属アシスト型スロット導波路を基軸として，従来のものより高感度な集積バイオセンサを創製することを目的としている．平成27年度の研究では，金属アシスト型スロット導波路の上部クラッドを水溶液で満たした場合のセンサ感度の評価を2次元ベクトル有限要素法を用いて行った.センサ感度はLipson教授のグループが提案している性能指標を用いており，光閉じ込め係数から実効屈折率を除し，共振波長を乗じたものとして与えられる．まず，光閉じ込め係数を算出し，シリカ層の厚さを薄くするほど光閉じ込め係数が大きくなることを示した．これは金属によって基板方向への光の染み出しが抑えられていることを意味している．結果的に，光パワーは解析対象物が存在する上部クラッドに集中することとなり，解析対象物の濃度変化に起因する屈折率変動に敏感な導波路構造を実現できる．次に，センサ感度の評価を行い，最大で1018nm/RIUものセンサ感度が達成できることを明らかにした．また，従来型スロット導波路に比べて最大で2.2倍のセンサ感度が得られることを示した．今後の研究では，共振器の設計や曲げ損失の評価を行うとともに，導波路を構成する材料の組み合わせを変えた場合のセンサ感度を評価する．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 当初の計画通りメッシュ生成ソフトウェア(GiD)等を購入し，2次元ベクトル有限要素解析を行うための環境を整えた．これを用いて金属アシスト型スロット導波路のセンサ感度を評価し，従来型スロット導波路に比べて最大で2.2倍のセンサ感度が得られることを明らかにした．
Strategy for Future Research Activity	今後の研究では，共振器構造の設計や曲げ損失の評価を行う．特に曲げ導波路の性能は，集積度を決定する上で重要な要素になることが考えられる．一般的に，導波路を曲げた場合，直線状態における実効屈折率が大きいほど，曲げ損失は小さくなる．一方，センサ感度は実効屈折率が小さいほど大きくなる傾向にあるため，集積度とセンサ感度にはトレードオフの関係があると予想される．平成28年度の研究では，集積度とセンサ感度の関係性を明らかにし，金属アシスト型スロット導波路に基づく集積バイオセンサの開発を推進する．上記の研究と並行して，ポリマー材料で導波路を構成した場合のセンシング特性を明らかにする．このとき，コア材料をSu-8またはPMMA，下部クラッド材料をCytopとする予定である．また，金，銅，アルミニウム等と使用する金属を変えたときの諸特性への影響について調査する．