(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エバネッセント光を用いる光学測定装置のエバネッセント光発生用光学素子において、前記光学素子の測定面は少なくとも二種類以上のフォトニック結晶から構成されていることを特徴とした光学測定装置。
【請求項２】
光学素子を含むパッケージには、発光素子および受光素子がモノリシック集積またはハイブリッド集積により形成された半導体基板も納められていることを特徴とした請求項１記載の光学測定装置。
【請求項３】
前記半導体基板の材料がシリコンであることを特徴とした請求項２記載の光学測定装置。
【請求項４】
測定に用いる波長が波長０．８〜２０μｍの近・中赤外波長であることを特徴とする請求項２記載の光学測定装置。
【請求項５】
前記発光素子が、ポテンシャル井戸内に形成された特定のエネルギー準位間を電子または正孔がエネルギー遷移することで光子を放出することを特徴とした請求項４記載の光学測定装置。
【請求項６】
前記受光素子として、量子井戸のサブバンド間光子吸収を用いたことを特徴とした請求項４記載の光学測定装置。
【請求項７】
前記量子井戸がシリコンとシリコンゲルマニウムから形成されたことを特徴とした請求項６記載の光学測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エバネッセント光を用いて対象物の光学特性を評価する光学評価装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
対象物の光学特性を測定し対象物内の組成情報（量、質など）を解析する評価方法は、非破壊検査の特徴を活かして広く用いられている。その中でも、波長0.8〜20μmの近・中赤外波長には、各種有機物質（生体物質など）を構成する化学結合に関係する固有の吸収波長が多数含まれていることが知られている。それゆえ、ある物質にこの波長帯の光を透過させたとき、その吸収スペクトルを測定することにより、その物質の種類や量を測定することができる。
【０００３】
特にZnSeやGeなどの光学結晶の界面での反射により発生するエバネッセント光を物質に通し、その減衰スペクトルを検出手段として用いるATR法（全反射減衰法：Attenuated Total Reflection）は、物質内の光吸収を感度良く測定するのに適している。なぜなら、エバネッセント波と測定物質との相互作用が、測定物質の光学的性質に敏感だからである。具体的には、フーリエ変換赤外分光光度計と組合せて用いられている。
【０００４】
従来の中赤外域受発光装置の一例を図９に示す。被測定物１００８は、例えば、生体などであり、測定ヘッドは光学結晶１００３が兼ねる。駆動回路１００４を稼動させ、光源１００１から中赤外光１００６を出射させる。その中赤外光１００６は光学結晶１００３に入射し反射を繰り返し、受光素子１００２に出射される。この反射部分において、光学結晶の外側にエバネッセント光１００９が生じる（特許文献１参照）。
【０００５】
光学結晶１００３の測定面には、被測定物１００８が接している。エバネッセント光１００９が被測定物１００８の内部に染み出し、被測定物１００８において光吸収が生じる。この結果、被測定物の情報（光吸収）が重畳する。中赤外光は受光素子１００２に入射し、光電流を生じさせ、信号処理回路１００５で増幅される。
【０００６】
一方、エバネッセント光が試料内部に染み込んだ時、表面より距離ｘにおける強度ｙは、
y＝Aexp(−x／D)   ..............(式１）
で与えられる。ここでＡは測定表面（光学素子表面）におけるエバネッセント光の強度であり、Ｄは、
Ｄ＝λ／２π√（n12sin2θ−n22）  .........（式２）
で与えられる。ここでλは測定波長、n1、n2はそれぞれ光学素子、および被測定物の屈折率、θは入射角である（本式は臨界角以上でのみ有効である）。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭５７−６６７４１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
生体の情報をより多く得るためには、（式１）におけるＡが大きい方が望ましいが、エバネッセント光は本来、微弱な光である。また強度が表面より離れるに伴い急速に減衰することが上式より分かる。このようにエバネッセント波を用いた計測では、生体から充分な情報を得る（生体成分による特定波長の光吸収）ことができず、測定精度を高めることが難しかった。
【０００９】
また、上述のような構成では測定光が大気に触れる。その結果、大気中の二酸化炭素などの揺らぎによる吸収変化が測定光に重畳されてしまい、良好な信号対雑音特性を得ることが難しかった。また、装置の製造は各光学部品を光軸合わせなどの高精度に組み立てる必要があり、量産性が低いことが課題であった。
【００１０】
また、この波長帯を室温発光できる半導体発光素子はこれまで存在しなかった。従来の半導体レーザは伝導帯／価電子帯のバンド間遷移を用いているため、オージェ非発光再結合やヘテロ界面のオーバーフローが課題となり、中赤外の室温発振が困難であった。そのため、大掛かりな固体光源（CO2レーザなど）を用いたり、低効率なハロゲン電球の分光などを行う必要があった。従って、装置が大型で消費電力が大きく製造コストも高いという問題があった。もし小型化・低消費電力化・低価格化できれば、環境分析器、水質分析器、非侵襲生体センサー、リサイクル用再生分別装置、野菜鮮度センサーなど民生用に広く活用することができる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１記載の光学測定装置は、エバネッセント光を用いる光学測定装置のエバネッセント光発生用光学素子において、前記光学素子の測定面は少なくとも二種類以上のフォトニック結晶から構成されているものである。この構成によれば、光分布の制御が向上するため、測定光を被測定物に接する面近くに局在させることができる。この光の局在化には、例えば、被測定物に接する面を含むフォトニック結晶と非測定物に接しないフォトニック結晶との界面での全反射が利用できる。このような測定面近くに局在化により、被測定物質と相互作用するエバネッセント光の発生が増強される。そのため、さらなる高感度で高精度の測定が実現できる。
【００１２】
上記で述べたフォトニック結晶とは、高屈折率材料と低屈折率材料が波長のオーダで周期的に構成されたものである。通常の結晶（周期的屈折率変化を持たない構造）では、光の周波数ωと波数ベクトルｋには比例関係が存在する。しかしながら、フォトニック結晶では、この比例関係が崩れ、（ちょうど周期的ポテンシャルを有する半導体中の電子がバンド構造を有するように）ω−ｋの分散曲線は直線ではなく複雑なバンド構造を形成する。この結果、群速度（ｄω／ｄｋ）の低下などの特殊な光の性質が露呈する。
【００１８】
次に、請求項２記載の光学測定装置は、請求項１記載の光学測定装置において、光学素子を含むパッケージには、発光素子および受光素子がモノリシック集積またはハイブリッド集積により形成された半導体基板も納められていることを特徴としたものである。これにより装置全体を小型・軽量化できる。
【００１９】
次に、請求項３記載の光学測定装置は、請求項２記載の光学測定装置において、前記半導体基板の材料がシリコンであることを特徴としたものである。シリコン基板であれば素子の集積が容易であり大口径のウェハが安価であるため、製造コストを低くすることが出来る。
【００２０】
次に、請求項４記載の光学測定装置は、請求項１または請求項２記載の光学測定装置において、測定に用いる波長が波長0.8〜20μmの近・中赤外波長であることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項５記載の光学測定装置は、請求項４記載の光学測定装置において、前記発光素子が、ポテンシャル井戸内に形成された特定のエネルギー準位間を電子または正孔がエネルギー遷移することで光子を放出することを特徴としたものである。
【００２２】
このような素子には、近年開発された量子カスケード型の半導体レーザ（例えば、F.Cappaso et.al.,"New Frontiers in Quantum Cascade Lasers and Applications", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.6, No.6, p.931 (2000)）がある。従来の半導体レーザが伝導帯／価電子帯のバンド間遷移を用いているのに対し、この量子カスケードレーザは量子井戸内に形成された伝導帯のサブバンド間遷移で発光するものである。そのため、量子カスケードレーザは中赤外域においてもオージェ非発光再結合やヘテロ界面のオーバーフローが少なく、容易に室温発振を達成できる。また、量子カスケードレーザは量子井戸内のサブバンド間遷移を利用して発振するため、発振波長の単一性がよい。
【００２３】
このような量子カスケードレーザを中赤外光源に用いることにより、発光素子を半導体基板に集積化できる。また、前記光学素子に設置されたフォトニック結晶の光学特性は、上述のように光バンド構造により決定されるため波長依存性が大きい。もし光源の波長の単一性が低ければ、測定の精度が低下する。しかし、波長単一性のよい量子カスケードレーザを用いることにより、フォトニック結晶を備えた前述の光学素子を用いても高精度な測定が実現できる。
【００２４】
次に、請求項６記載の光学測定装置は、請求項４記載の光学測定装置において、前記受光素子として、量子井戸のサブバンド間光子吸収を用いたことを特徴としたものである。
【００２５】
また、前記受光素子として、量子井戸のサブバンド間光子吸収を用いた素子を用いることが望ましい。中赤外光の受光によく使われるHgCdTeなどのようにバンド間光子吸収ではないことから、材料選択の自由度が高くなり、受光素子の半導体基板への集積が容易となる。
【００２６】
次に、請求項７記載の光学測定装置は、請求項６記載の光学測定装置において、前記量子井戸がシリコンとシリコンゲルマニウムから形成されたことを特徴としたものである。
【００２７】
この場合、シリコンの半導体基板へ受光素子をモノリシック集積することができ、組立て工程が削減され量産性よく製造できる。
【００２８】
上述のような集積化により、測定光が大気に触れることがない。したがって大気中の二酸化炭素などの揺らぎによる吸収変化が測定光に重畳されることなく、良好な信号対雑音特性を得ることができる。また、集積化により各光学部品の位置を機械的精度で決定することができ、光学調整の工程が簡素化する。その結果、量産性が向上し低コストで測定装置を製造することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。
【００３０】
（第１の実施の形態）
図１は第１の実施の形態における、光学測定装置の構成図である。光源１０１はCO2レーザである。駆動回路１０４を稼動させ、光源１０１から波長9.6μmの中赤外光１０６を出射させる。その中赤外光１０６は、測定表面にフォトニック結晶層１０７を備えたZnSeの光学素子１０３に入射し反射を繰り返し、受光素子１０２に出射される。被測定物１０８は、例えば、生体などであり、測定ヘッドは光学素子１０３が兼ねる。上述の反射部分において、光学素子１０３の外側にエバネッセント光１０９が生じる。フォトニック結晶層１０７の表面には、被測定物１０８が接している。エバネッセント光１０９が被測定物１０８の内部に染み出し、被測定物１０８に固有の波長において光吸収が生じる。この結果、被測定物１０８の情報（光吸収）が中赤外光１０６に重畳する。中赤外光１０６は受光素子１０２に入射し、光電流を生じさせ、信号処理回路１０５で増幅される。
【００３１】
図２に示すように、この第１の実施の形態においてフォトニック結晶層１０７は多層膜である。ここではGeとZnSeの各層３層の積層膜を用いている。GeとZnSeは約９μmの光に対し各々、約4.0、約2.4であるので、Ge層１１１が高屈折率層、ZnSe層１１２が低屈折率層になる。また、よく知られているようにGeおよびZnSeは９μm近傍の光に対しては透明であるため、測定に悪影響を与えない。上記の多層膜であるフォトニック結晶層１０７は、ZnSe上にPLD（パルスレーザデポジッション法）により形成した。
【００３２】
Ge層１１１、ZnSe層１１２の厚みは光学長／４とし、各々0.56μm、0.93μmとした。この構成において、フォトニックバンド構造により中赤外光１０６の群速度が低下する。すなわち、フォトニック結晶層１０７に入射した中赤外光１０６は多層膜のブラッグ反射により、多重反射が生じる。その結果、実効的な光エネルギーの伝搬速度が遅くなるため、被測定物と相互作用する時間が長くなり被測定物の情報（被測定物による吸光）をより多く得ることができる。このように、光学素子の表面に周期の異なるフォトニック結晶を形成することにより、高精度な測定が可能となった。
【００３３】
（第２の実施の形態）
次に第２の実施の形態を説明する。装置全体の基本構成は第１の実施の形態と同じであるが、図３のように、光学素子２０３に設置されたフォトニック結晶層２０７において屈折率周期構造が積層方向だけでなく面内においても２次元に形成されている。この面内周期（測定面に平行な周期）はGe層２１１／ZnSe層２１２である多層膜の実効屈折率を考慮して、光学長／４である0.75μmとした。このように積層方向だけでなく面内においても周期的に屈折率変化を形成することにより、フォトニック結晶層２０７中における測定光の群速度の低下が積層方向だけでなく、面内方向にも生じる。このため、第１の実施の形態よりもさらに高精度な測定が可能となった。
【００３４】
第２の実施の形態における光学素子の作製方法を示す。図４（ａ）のように、ZnSe光学素子２０３上に、PLDを用いて、Ge薄膜２１１およびZnSe薄膜２１２を交互に形成する。
【００３５】
次に図４（ｂ）のようにフォトリソグラフィとドライエッチングを用いて、周期0.75μmの0.45μm□の周期的凹部２１５を形成した。なお、図４（ｂ）では示されていないが、穴以外の表面にはフォトレジストが形成されたままである。次にPLDを用いて穴をGeで埋め、埋め込み部２１６を形成する。この時、穴以外の部分ではフォトレジスト上にGeが蒸着するので、リフトオフにより容易に不要なGeを除去できる。Ge除去後、CMP（Chemical Mechanical Polishing）を施し、表面を平坦にする（図５（ｃ））。以上により、第１フォトニック結晶層２０７を形成する。最後に研磨により、入射面２２１、出射面２２２を形成し、光学素子２０３が完成する（図５（ｄ））。
【００３６】
なお、フォトニック結晶層２０７により形成されたフォトニックバンド構造において、分散曲線の極小点もしくは極大点近傍（ｄω／ｄｋ〜０）の周波数に測定光を設定すると、さらに群速度が低下するため、より被測定物の情報を得ることができ、測定精度が格段に向上する。
【００３７】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態を説明する。基本構成は第２の実施の形態と同じであるが、図５に示すように、光学素子３０３に設置されたフォトニック結晶層３０７の内部におけるGe層３１１の膜厚が光学長／４の0.56μmに対して、フォトニック結晶層３０７における最表面のGe層３１１ａの膜厚は光学長／２の1.12μmであることが特徴である。このようにフォトニック結晶の最表面のみ周期を変えることにより、光を最表面に局在することができる。これは測定面で反射し最表面層から内側のフォトニック結晶へ向かう光が境界において全反射を生じるため、最表面に光が強く閉じ込められるためである。この現象は電子のエネルギーバンド構造において表面における周期の違いにより表面準位が発生し、電子が表面準位に捕獲されることと同様の現象である。
【００３８】
最表面のGe層３１１ａの周期のみを変更することとは、多層膜の堆積プロセスにおいて堆積膜厚を制御することによって容易に実現できる。すなわち、簡便なプロセスで量産性のよい光学素子と言える。
【００３９】
上述のように測定面の近傍に光を局在させることにより、効率的にエバネッセント光を発生させることができる。その結果、群速度の低下と合わせて、被測定物の情報（被測定物による吸光）をさらに多く得ることができ、より高精度な測定が可能となった。
【００４０】
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態を説明する。基本構成は第２の実施の形態と同じであるが、図７に示すように、光学素子４０３の測定面側に２種類の第１フォトニック結晶層４０７、第２フォトニック結晶層４０８が設置されている。内部の第１フォトニック結晶層４０７はGe層４１１、ZnSe層４１２の各々の膜厚が光学長／４の、0.56μm、0.93μmでの多層膜（各２層）に、第２の実施の形態と同様に周期0.75μmの0.45μm□の周期的に埋め込んだ構造４１６である。一方、測定面に近い第２フォトニック結晶層４０８はGe層４２１、ZnSe層４２２の各々の膜厚が光学長／２の、1.12μm、0.93μmでの多層膜（各２層）に、周期0.75μmの0.45μm□の周期的に埋め込んだ構造４１６である。
【００４１】
この構成において、第３の実施の形態と同様に、第１フォトニック結晶４０７と第２フォトニック結晶４０８の界面における全反射により、表面近くの第２フォトニック結晶４０８内部に光を強く局在させることができる。また、第２フォトニック結晶４０８における分散特性により群速度を低下させることができる。その結果、被測定物の情報（被測定物による吸光）を効果的に得ることができ、より高精度な測定が可能となった。
【００４２】
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態を図８に示す。発光素子５０１、受光素子５０２、集積回路（LSI）５０３を集積したシリコン基板５０４が、パッケージ５０５中に実装されている。
【００４３】
発光素子５０１は、InGaAs／InAlAs量子カスケードレーザであり、波長9.6μmのレーザ光を放出する。本半導体レーザの閾値電流は、約100mA、スロープ効率は0.6W／Aである。駆動電流は集積回路５０３から供給される。
【００４４】
中赤外光源にCO2レーザなどの固体光源や低効率なハロゲン電球ではなく、量子カスケードレーザを用いることにより、受発光機構のシリコン基板５０４上への集積化とパッケージ小形化が可能である。
【００４５】
半導体レーザ５０１のエピタキシャル成長面がシリコン基板５０４に、Au-Sn系金属を用いて融着されている。シリコン基板５０４をエッチングすることにより、凹形状の半導体レーザ取り付け部が形成されている。このシリコン基板５０４の面方位を<110>方向に9.7度オフした(100)とすることにより、半導体レーザ５０１の光を基板表面垂直方向に折り曲げる立上げミラー５２０をレーザ前出射側に形成している（例えば、オプトロニクス社「光技術精密加工技術」第２部第３章第２節を参照）。
【００４６】
立上げミラ−５２０の表面には、波長9.6μmでの反射率を高くするために、AgやAl等の反射膜を設けると更に好ましいと言える。
【００４７】
受光素子５０２は、シリコン基板５０４上に形成されたSiGe／Si量子井戸（50層）からなる中赤外受光素子である。SiGe量子井戸に形成された価電子帯のサブバンド間を、正孔が中赤外光を吸収してサブバンド遷移を行うことにより、中赤外光を検出する（詳細は、R.P.G.Karunasiri et al., "Si1-xGex/Si multiple quantum well infrared detector", Appl. Phys. Lett. 59 (20) p. 2588 (1991)などを参照）。中赤外光の受光によく使われるHgCdTeなどではなくSiGeを用いることにより、シリコン基板上への集積が可能となる。またHgCdTeなどと比較しSiやGeは豊富な資源であるため、低コストの製造が容易である。
【００４８】
信号受光素子５０２において光から変換された電気信号は集積回路５０３に送られる。集積回路５０３は、半導体レーザ５０１をパルス駆動するシリコンバイポーラ回路、信号受光素子５０２の信号を処理するCMOS増幅回路から構成されている。外部との接続用として、アース用電極パッド５１０、電源用電極パッド５１１、レーザ駆動値設定用電極パッド５１６、信号取り出し用電極パッド５１７が形成されている。本集積回路５０３は、電源＋10Vにより動作する。
【００４９】
パッケージ５０５はエポキシ系樹脂で形成されている。パッケージ５０５には、アース用リード電極５０６、電源用リード電極５０７、レーザ駆動値設定用リード電極５１２、信号取り出し用リード電極５１３および放熱用金属５１８が取り付けてある。リード電極５１６、５１７、５１２、５１３は銅を主材とし、表面はNiおよびAuメッキを施してある。また放熱用金属５１８は無酸素銅を使用している。基板５０４は、導電性接着材５１９を用いて、放熱用金属５１８に接着されている。また、金ワイヤ５０８、５０９、５１４、５１５により、各電極パッド５１０、５１１、５１６、５１７は、各リード電極５０６、５０７、５１２、５１３に接続されている。
【００５０】
パッケージ５０５の上部は開口されており、その開口部にはZeSeの光学素子５２１が取り付けてある。光学素子５２１の表面には、第１フォトニック結晶層５２２、第２フォトニック結晶層５２３が形成されている。これらは、第４の実施の形態と同じ構造をしており、測定表面に光を局在させ、測定感度を増強する作用がある。
【００５１】
上記の構成により、本受発光装置の大きさは横５mm、縦１０mm、厚み４mm（リード電極を除く）であり、極めてコンパクトな中赤外域受発光装置を実現している。
【００５２】
操作方法としては、まずリード電極５０７に電圧10Vを印加し、集積回路を駆動させる。次に、リード電極５１２に５V以上を印加することにより、半導体レーザ５０１に200mAのパルス電流（パルス幅１μsec、デューティ10％）流れる。この結果、約60mWの中赤外光５３１が放出され、光学素子の表面にエバネッセント光５３２が発生する。このような短パルスにすることにより、被測定物への熱的影響を小さくしている。被測定物により吸収を受けた中赤外光５３１は受光素子５０２により光電流を生成し、集積回路５０３により、フルスケール10Vの電圧信号に変換される。
【００５３】
実際に計測を行うとノイズは１mV以下でダイナミックレンジは80dB以上が確保でき、充分なS/N特性を得られた。このように高特性が得られるのは、受光素子と集積回路が極めて近く、電気的な雑音が少ないのみならず、大気中の二酸化炭素などの吸収による雑音が減少することによる。
【００５４】
【発明の効果】
上記のように、本発明を用いれば、エバネッセント光を利用した精度の高い光学測定装置を量産性高く、かつ、低価格に製造することができ、工業的に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるエバネッセント光を用いた光学測定装置を示す図
【図２】本発明の第１の実施の形態における光学素子を示す図
【図３】本発明の第２の実施の形態における光学素子を示す図
【図４】本発明の第２の実施の形態における光学素子の作製工程を示す図
【図５】本発明の第２の実施の形態における光学素子の作製工程を示す図
【図６】本発明の第３の実施の形態における光学素子を示す図
【図７】本発明の第４の実施の形態における光学素子を示す図
【図８】本発明の第５の実施の形態における光学測定装置を示す図
【図９】従来のエバネッセント光を用いた光学測定装置の一例を示す図
【符号の説明】
１０１、１００１  光源
１０２、１００２  受光素子
１０３、２０３、３０３、４０３、１００３  光学素子
１０４、１００４  駆動回路
１０５、１００５  信号処理回路
１０６、１００６  中赤外光
１０７、２０７、３０７  フォトニック結晶層
１０８、１００８  被測定物
１０９、１００９  エバネッセント光
１１１、２１１、３１１  Ge層
１１２、２１２  ZnSe層
２１５  凹部
２１６  埋め込み部
２２１  入射面
２２２  出射面
３１１ａ  最表面Ge層
４０７  第１フォトニック結晶層
４０８  第２フォトニック結晶
４１１  第１フォトニック結晶のGe層
４１２  第１フォトニック結晶のZnSe層
４１６  埋め込み部
４２１  第２フォトニック結晶のGe層
４２２  第２フォトニック結晶のZnSe層
５０１  量子カスケードレーザ
５０２  受光素子
５０３  集積回路
５０４  シリコン基板
５０５  パッケージ
５０６  アース用リード電極
５０７  電源用リード電極
５０８、５０９、５１４、５１５  金ワイヤ
５１０、５１１、５１６、５１７  電極パッド
５１２  レーザ駆動値設定用リード電極
５１３  信号取り出し用リード電極
５１８  放熱用金属
５２１  光学素子
５２２  第１フォトニック結晶
５２３  第２フォトニック結晶
５３１  中赤外光
５３２  エバネッセント光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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