2020 Fiscal Year Research-status Report

集光レンズ装荷シリコンフォトニクスによる光ピンセットシステムの開発

Research Project

Project/Area Number	19K15055
Research Institution	National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
Principal Investigator	渥美裕樹国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (30738068)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	シリコンフォトニクス / 光ピンセット
Outline of Annual Research Achievements	本研究では、これまで実施者らが光通信用アプリケーションとして開発を進めてきたシリコン表面光結合器をバイオテクノロジー分野に応用し、小型・高機能・高性能なマイクロ粒子補足操作システムを開発することを目的としている。具体的にはイオン注入プロセスによりチップ面方向に湾曲させたシリコン導波路から集光もしくは擬コリメートビームを発生させ、チップ表面上に塗布した溶媒中のマイクロスケールの粒子を捕獲・操作する。本年度は、溶媒中粒子の捕捉力を高めるべく、複数のシリコン導波路出射光をクロスさせることで高開口数の集光スポットを実現できることを三次元有限差分時間領域(FDTD)法によって明らかにした。一般的に光ピンセット空間光学系システムでは超高開口数を有する対物レンズを用いるが、本手法のように角度を持った複数ビームをクロスさせる事で比較的に容易に疑似的な高開口数ビームを実現可能とする。また、複数ビームの位相を制御することで渦状位相ビームを生成できることから多様な捕捉粒子操作も期待できる。またデバイス作製及び観察評価では、2ポート鏡筒をベースとした赤外線と可視光を分離する観察系を組み上げ、シリコン湾曲導波路からの赤外光出射プロファイル及び溶媒中マイクロ粒子を分離して観察できることを確認した。この測定系を使うことで、粒子捕捉用赤外光のオン・オフに対する粒子の挙動を同時に解析することが可能となった。一方で、湾曲導波路アレイを配置したシリコン集積チップのプロセス開発を完了した。本年度得られた成果は、次年度に行うターゲット操作解析を大きく前進させるものである。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 当初計画では、アレイ化光ピンセットデバイスによる静的検証を行う予定であったが、コロナ禍の下プロセス開発が遅延してしまったため、本年度はサンプルの作製プロセス技術の確立および測定評価系の動作確認までの達成となった。
Strategy for Future Research Activity	次年度では、ターゲット粒子を含んだ溶媒の封止技術およびセル化技術を確立し、目標とするターゲット粒子の捕捉操作を実現する。また、各種捕捉ターゲットの材質、粒径、表面状態による補足効果への影響解析を行う。
Causes of Carryover	収束の見通せないコロナ禍の状況下、主に想定していた学会参加費や、外部実験施設でのプロセスによる支出が後ろ倒しとなったため来年度への繰り越しを行った。