(57)【要約】【課題】光以外の情報を高感度に検出するセンサで直接光出力し、さらに並列検出情報を直接並列光出力して、並列処理などの光の利点を活かした並列検出と並列光出力を行うことを可能とするセンサ素子、測定装置および測定情報伝達装置を提供する。【解決手段】光以外の情報を検出し，当該情報に応じた光出力を行うセンサ素子であって，発光を担う活性層と，光共振器を有し，当該活性層が光共振器による光電磁場モード選択の影響を受けて発光を制約され，発光が空間選択的に生じ，前記光共振器，活性層がモノリシックに構成する。【選択図】　　　　　　図１
2004029891.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光以外の情報を検出し，当該情報に応じた光出力を行うセンサ素子であって，発光を担う活性層と，光共振器を有し，当該活性層が光共振器による光電磁場モード選択の影響を受けて発光を制約され，発光が空間選択的に生じ，前記光共振器，活性層がモノリシックに構成されていることを特徴とするセンサ素子。
【請求項２】
前記活性層へ電気的なキャリア注入を行うための電気配線を有し，光以外の外部情報に応じて，当該電気配線における起電力を生じる，および／または，起電力を変化する作用を持つ電気素子を該電気配線に接続し，該電気素子を前記モノリシックな光共振器および活性層と同一基板上に配置した請求項１記載のセンサ素子を用いることを特徴とした測定装置。
【請求項３】
前記センサ素子を１次元または２次元にアレイ化して並列配置し，各センサ素子の位置に応じた並列な外部情報入力により，各センサ素子より生じた並列な光出力を得ることを特徴とした請求項２記載の測定装置。
【請求項４】
前記電気素子が圧力電気変換素子であることを特徴とした請求項２または請求項３記載の測定装置。
【請求項５】
前記電気素子が温度差電気変換素子であることを特徴とした請求項２または請求項３記載の測定装置。
【請求項６】
前記電気素子が位置電気変換素子であることを特徴とした請求項２または請求項３記載の測定装置。
【請求項７】
前記電気素子が湿度電気変換素子であることを特徴とした請求項２または請求項３記載の測定装置。
【請求項８】
前記電気素子が生体的およびまたは遺伝子的情報を電気に変換する素子であることを特徴とした請求項２または請求項３記載の測定装置。
【請求項９】
請求項３記載のアレイ化されたセンサ素子を用い，前記アレイ化されたセンサ素子からの・発光が，注入同期によりコヒーレントに行われ，波面上の位置に応じた振幅変調情報により検出情報が伝達されることを特徴とした測定情報伝達装置。
【請求項１０】
請求項３記載の測定装置を用い，前記並列光出力を光波面情報として検出する波面検出器を用いたことを特徴とした測定情報伝達装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，センサ素子、測定装置および測定情報伝達装置に関し、特に微小な圧力分布や温度分布，２次元的な生体および遺伝子情報を読み取るセンサに関連し，さらに，検出された情報を高効率で伝達，処理するデータ伝達装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より圧力や温度などを検出するセンサとしては，圧電素子や熱電対といったものが開発され，既に製品として広く用いられている。また，近年では，バイオ関連産業の成長と共に，ＤＮＡチップと呼ばれるような生物遺伝子情報を読み出す検出素子も開発されつつある。
このような検出素子，即ちセンサでは従来，検出した情報は電子の運動により伝達されており，すなわち，電流および電圧の変動として情報が伝達および読み出される。
【０００３】
半導体などでは、情報が電子の抜けた所謂，正孔である場合もあるが，この場合も基本的には複数の電子の運動が情報を伝達する担い手であることに変わりない。
このような検出装置において，検出した情報をより高速に伝達したいというニーズは自然であり，このニーズに対して，所謂ムーアの法則に代表されるように半導体素子内の電子流のスイッチング速度を向上するための素子構造の微細化が非常な投資の下に行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，素子，そして，システムとしての信号伝達の限界は電子の移動速度によって決まり，電子の移動速度は信号伝達の原理的な限界である光速度に比べて＊＊桁以上遅いことが分かっている。そのため，電子を情報伝達に使う限りは，信号伝達速度の向上は止まり，産業的に期待される性能に対して，応えられないという問題が生じる。
また，特に，並列にアレイ化された，２次元面上の，例えば圧力分布などの情報を検出し，それを伝達，処理する場合には，原理的に電子が光のような線形重ね合わせができないことから，配線が複雑になり，大型化すればするほどシステムとしての性能が落ちるという問題点が生じる。
【０００５】
そこで、本発明は、光以外の情報を高感度に検出するセンサで直接光出力し、さらに並列検出情報を直接並列光出力して、並列処理などの光の利点を活かした並列検出と並列光出力を行うことを可能とするセンサ素子、測定装置および測定情報伝達装置を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を達成するため、つぎの（１）〜（１０）のように構成したセンサ素子、測定装置および測定情報伝達装置を提供するものである。
（１）光以外の情報を検出し，当該情報に応じた光出力を行うセンサ素子であって，発光を担う活性層と，光共振器を有し，当該活性層が光共振器による光電磁場モード選択の影響を受けて発光を制約され，発光が空間選択的に生じ，前記光共振器，活性層がモノリシックに構成されていることを特徴とするセンサ素子。
（２）前記活性層へ電気的なキャリア注入を行うための電気配線を有し，光以外の外部情報に応じて，当該電気配線における起電力を生じる，および／または，起電力を変化する作用を持つ電気素子を該電気配線に接続し，該電気素子を前記モノリシックな光共振器および活性層と同一基板上に配置した上記（１）記載のセンサ素子を用いることを特徴とした測定装置。
（３）前記センサ素子を１次元または２次元にアレイ化して並列配置し，各センサ素子の位置に応じた並列な外部情報入力により，各センサ素子より生じた並列な光出力を得ることを特徴とした上記（２）記載の測定装置。
（４）前記電気素子が圧力電気変換素子であることを特徴とした上記（２）または上記（３）記載の測定装置。
（５）前記電気素子が温度差電気変換素子であることを特徴とした上記（２）または上記（３）記載の測定装置。
（６）前記電気素子が位置電気変換素子であることを特徴とした上記（２）または上記（３）記載の測定装置。
（７）前記電気素子が湿度電気変換素子であることを特徴とした上記（２）または上記（３）記載の測定装置。
（８）前記電気素子が生体的およびまたは遺伝子的情報を電気に変換する素子であることを特徴とした上記（２）または上記（３）記載の測定装置。
（９）上記（３）記載のアレイ化されたセンサ素子を用い，前記アレイ化されたセンサ素子からの・発光が，注入同期によりコヒーレントに行われ，波面上の位置に応じた振幅変調情報により検出情報が伝達されることを特徴とした測定情報伝達装置。
（１０）上記（３）記載の測定装置を用い，前記並列光出力を光波面情報として検出する波面検出器を用いたことを特徴とした測定情報伝達装置。
【０００７】
【発明の実施の形態】
上記構成を適用することにより、測定装置および測定データ伝達システムにおいて，光以外の情報を検出し，当該情報に応じた光出力を行うことができる。さらに，微小共振器による発光の制御を用いることにより，検出した情報に対応する信号を，物理限界である光速度によって直接伝達でき，さらに，アレイ化した素子を構成して並列光出力することにより，直接的に並列出力を処理したり，簡便な構成で並列に伝達することが可能となる。
【０００８】
【実施例】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
本実施例は本発明の微小光共振器による発光制御を用いた光出力のセンサ素子を実施したものである。
まず，図１を用いて本実施例のセンサ素子の原理的構成について説明する。図１中，基板１０１上に構成された光共振器用反射鏡１０２，１０３と共振器スペーサ１０４によりまず，光共振器が構成されている。スペーサ部分の内部には発光を担う活性層１０４が含まれている。この活性層へ電子，および正孔のキャリア注入を行うための配線１０６が施されており，その実効的な回路抵抗１０７が図示されている回路はＰＺＴ等の材料で構成された圧電素子１０８に接続されており，よって，圧電素子１０８にかかる外部圧力１０９の効果により起電力が発生し，回路に電位差すなわち電圧を与える。この電圧により回路に電流が流れると，この電流量に応じて活性層１０４が物理的に反応し，共振器を含むＬＥＤそしてレーザとして光出力１０５を出力する。
【０００９】
図２は本発明の実際のセンサ素子の外観図を摸式的に表わした図であり，図２中，基板２０１は例えばＧａＡｓを用い，その上に共振器および活性層部分を，モノリシックに結晶成長後，ＥＢ露光，プラズマエッチングなどのリソグラフイー加エプロセスを経て形成したものが，高反射率多層膜ミラー２０２，２０３，共振器スペーサ２０４，活性層であるＩｎＡｓ等の半導体量子ドット２０５である。一方，基板の裏面，または裏表面に近い内部には圧電素子２０６が配置されており，不図示の配線によって，前記の活性層に電気的に繋がっている。近年の基礎研究によれば，このような高品質なすなわち高いＱ値を持つ半導体微小共振器の内部に活性層を閉じ込めることにより，発光そのものが制御され，共振器の光モードヘ高い効率で結合するために，その結果として，超低しきい値のレーザが実現される（例えば，培風館アドバンストエレクトロニクスシリーズ，量子光学の基礎，山本喜久，渡辺仁貴　共著）。
【００１０】
このような超低しきい値のレーザは時折，０しきい値レーザとも呼ばれており通常のレーザにおいて低電流入力での反応の遅いＬＥＤとしての発光応答特性が実質的になく，低電流領域からでもレーザ光出力の，（１）光出力の応答線形性，（２）低雑音性，（３）高コヒーレンスといった，光出力を情報伝達に用いる際に非常に有利となる複数の性質を有効利用することができる。
このような所謂０しきい値レーザの代表的なしきい値入力電流としてはｎＡからμＡが実現されている。本実施例の光出カセンサ素子は圧力を検出するものであり，圧電素子をこのレーザの電流入力回路に接続している。
従って，圧電素子２０６に圧力がかかると，圧力に応じた起電力が生じ，図１に図示された回路抵抗１０７に応じた電流が流れる。代表的な値は，回路抵抗が１〜１０００ＭΩ（１０６Ω）オーダ，起電力が１Ｖオーダ，電流がｎＡ〜μＡオーダである。
【００１１】
そして，上述した発光部分の高い性能により，高感度で応答性の良い光出力が得られる。
このように構成された本発明のセンサ素子では素子からの出力が光出力であり，光は伝達される信号速度が物理的限界の光速度であるため，この素子からの出力をそのまま最も高速な信号伝達手段として用いることができる。
【００１２】
［実施例２］
本発明の第２の実施例を，以下，図３を用いて説明する。
本実施例は前記第１の実施例で説明したセンサ素子をさらに同一の基板に２次元アレイ化した並列検出・並列光出力のセンサ素子である。
図３中，基板３０１上に２次元アレイとして作成された超低しきい値発光アレイ部２０２はそのキャリア注入電気回路にそれぞれ並列に圧電素子アレイ２０４が接続されている。
この構成に従って，本実施例では，圧電素子アレイがそれぞれの位置に応じた局所的な圧力情報を微小電流に変換し，その微小電流に非常に敏感に，そして，線形性の高い応答によって，光出力が得られる。そして光出力も直接アレイ化されており，並列に出力された光線の各要素成分が並列に前記複数の圧電素子の位置に応じた局所的な圧力情報を担って出力されている。
【００１３】
［実施例３］
本発明の第３の実施例を，以下，図４を用いて説明する。
本実施例は前記第２の実施例で説明した一体アレイ型測定装置からの並列光出力を伝達して，そして検出する伝達システムを実施した一例である。
図４中，実施例２で説明したアレイ型測定装置３０１からの並列光信号を自由空間を光速度にて伝達させる。
【００１４】
この伝達において，並列光信号は，光波面４０２として構成され，伝達される。光波面４０２は電磁波の伝達を表わすマクスウエル方程式によって記述されるように自由空間を伝播し，検出用光学系４０３によって光のまま所謂並列処理され，光情報読み出し用検出素子３０４により情報が受信され，読み出される。本実施例では検出用光学系４０３として結像光学系を用いた，すなわち，光波面４０２に応じて，検出素子３０４に結像される点像の強度分布が変化し，その変化により情報を読み出すものである。
【００１５】
この実施例以外にも，例えば，フーリエ変換光学系，リレー光学系，アフォーカル変倍系など，光波面を用いた並列情報処理に用いられる様々な光学系を用いて情報を処理することができる。加えて，光波面をビームスプリソタにより分割して情報を複数にすることもでき，複数のそれぞれ異なる検出用光学系や検出素子を用いることができる。
【００１６】
［他の実施例］
本発明は以上説明した実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲においてシーケンスの流れなどは種々に変更する事が可能である。
例えば、前記実施例１から３において，圧電素子を熱電対のような温度検出起電素子，または，湿度検出起電素子，静電気検出起電素子，そして，さらに，ＤＮＡやバイオ情報を担う分子の電気的，光学的変化を検出して起電する素子などに置き換えて実施することが可能であり，その場合も本発明の高感度検出・直接光出力の効果や，並列検出・並列光出力の効果などは同様に有効に発現される。
【００１７】
【発明の効果】
本発明によれば、測定装置および測定データ伝達システムにおいて，光以外の情報を検出し，当該情報に応じた光出力を行うことができる。さらに，微小共振器による発光の制御を用いることにより，検出した情報に対応する信号を，物理限界である光速度によって直接伝達でき，さらに，アレイ化した素子を構成して並列光出力することにより，直接的に並列出力を処理したり，簡便な構成で並列に伝達することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の超低しきい値半導体レーザを用いた検出素子の構成を示す摸式図。
【図２】実施例１の検出・出力素子アレイ装置の構成を示す摸式図。
【図３】実施例２の検出情報の並列光出力による伝達と検出を示す模式図。
【図４】実施例３を説明するための図である。
【符号の説明】
１０１：基板
１０２：微小共振器第２ミラー
１０３：微小共振器第１ミラー
１０４：共振器スペーサおよび活性層
１０５：光出力
１０６：配線
１０７：抵抗
１０８：圧電素子
１０９：検出圧力
２０１：基板
２０２：微小共振器第２ミラー
２０３：微小共振器第１ミラー
２０４：共振器スペーサ
２０５：活性層（量子ドット）
２０６：光出力圧電素子
２０７：抵抗
３０１：基板
３０２：発光素子アレイ
３０３：並列光出力
３０４：圧電素子アレイ
４０１：検出・出力装置
４０２：光波面情報
４０３：波面情報検出用光学系
４０４：光検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004029891.tif 000005
【図４】
2004029891.tif 000006