(57)【要約】【課題】近赤外光の光信号を含む入力光の光強度が、従来の素子では検知が困難なほど微弱であっても、出力光の振幅を増大させて光信号のＳ／Ｎ比を向上して検出することができる半導体光増幅素子及び脈波計測装置を提供する。【解決手段】光信号Ｐ０を含む入力光Ｐｉｎを受光し、光増幅領域５，６、及び可飽和吸収領域４を含んでおり、出力光Ｐｏｕｔを出射する活性層２と、ｐ電極１０・１１・１２と、ｎ電極１５とを備えており、活性層２は、双安定状態又は単安定状態をとる光入出力特性を有しており、光信号Ｐ０には付加雑音光Ｐｎが付加され、付加雑音光Ｐｎの強度、光増幅領域５，６に注入される電流の強度、及び可飽和吸収領域４に印加される電圧の強度は、出力光強度が急激に増大するように調整される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体に照射されて反射あるいは透過した近赤外光の光信号を含む入力光を受光する半導体光増幅素子であって、
前記入力光を増幅するための領域である光増幅領域、及び光吸収機能を有していると共に、該光吸収機能について飽和状態をとることが可能となっている領域である可飽和吸収領域を含んでおり、前記入力光を受光して該入力光が増幅された出力光を出射する活性層と、第１の極性の電極と、該第１の極性の電極に対向して設けられている第２の極性の電極とを備えており、
前記第１の極性の電極及び前記第２の極性の電極の少なくとも一方は、前記光増幅領域と前記可飽和吸収領域とに対して独立に電流を注入できると共に、独立に電圧を印加できるように分割されており、
前記活性層は、入力光強度に対する出力光強度の対応関係において、入力光強度が、少なくとも１つ以上の所定の閾値を上回り又は下回る場合に、出力光強度が急激に変化する不連続点が存在する光入出力特性を有しており、
前記光信号には、雑音光が付加されており、
前記雑音光の強度、前記光増幅領域に注入される注入電流の強度、及び前記可飽和吸収領域に印加される印加電圧の強度は、前記光信号の強度と前記雑音光の強度とを確率的に同期させることにより、前記入力光が前記半導体光増幅素子の立上がり閾値及び立下がり閾値を上下して前記出力光の振幅が急激に増大するように調整されていることを特徴とする半導体光増幅素子。
【請求項２】
前記半導体光増幅素子は、入出力特性がヒステリシスを示す双安定半導体レーザであることを特徴とする請求項１に記載の半導体光増幅素子。
【請求項３】
前記半導体光増幅素子は、入出力特性が不連続性を示す半導体レーザであることを特徴とする請求項１に記載の半導体光増幅素子。
【請求項４】
前記光信号に付加される雑音光は、前記光増幅領域及び前記可飽和吸収領域の少なくとも一方に入射され、
前記雑音光の強度は、前記光信号の強度と前記雑音光の強度とを確率的に同期させることにより、前記入力光が前記半導体光増幅素子の立上がり閾値及び立下がり閾値を上下して前記出力光の振幅が急激に増大するように調整されていることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の半導体光増幅素子。
【請求項５】
前記雑音光の強度の最大値と最小値との差は、前記光信号の振幅の１／１０以下であることを特徴とする請求項４に記載の半導体光増幅素子。
【請求項６】
前記雑音光は、ランダムな強度変化を有することを特徴とする請求項４に記載の半導体光増幅素子。
【請求項７】
前記雑音光は、白色雑音の雑音光であることを特徴とする請求項４に記載の半導体光増幅素子。
【請求項８】
前記雑音光は、有色雑音の雑音光であることを特徴とする請求項４に記載の半導体光増幅素子。
【請求項９】
前記雑音光のカットオフ周波数は、前記光信号の強度と前記雑音光の強度とを確率的に同期させることにより、前記入力光が前記半導体光増幅素子の立上がり閾値及び立下がり閾値を上下して前記出力光の振幅が急激に増大するように調整されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体光増幅素子。
【請求項１０】
前記第１の極性の電極を通じて雑音電流が前記光増幅領域及び前記可飽和吸収領域の少なくとも一方に注入され、前記雑音電流の強度は、前記光信号の強度と前記雑音光の強度とを確率的に同期させることにより、前記入力光が前記半導体光増幅素子の立上がり閾値及び立下がり閾値を上下して前記出力光の振幅が急激に増大するように調整されていることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の半導体光増幅素子。
【請求項１１】
前記雑音電流の強度の最大値と最小値との差は、前記注入電流の振幅の１／１０以下であることを特徴とする請求項１０に記載の半導体光増幅素子。
【請求項１２】
前記雑音電流は、白色雑音の雑音電流であることを特徴とする請求項１０に記載の半導体光増幅素子。
【請求項１３】
前記雑音電流は、ランダムな強度変化を有することを特徴とする請求項１０に記載の半導体光増幅素子。
【請求項１４】
前記雑音電流は、有色雑音の雑音電流であることを特徴とする請求項１０に記載の半導体光増幅素子。
【請求項１５】
前記雑音電流のカットオフ周波数は、前記光信号の強度と前記雑音光の強度とを確率的に同期させることにより、前記入力光が前記半導体光増幅素子の立上がり閾値及び立下がり閾値を上下して前記出力光の振幅が急激に増大するように調整されていることを特徴とする請求項１４に記載の半導体光増幅素子。
【請求項１６】
前記活性層は、量子井戸構造を有することを特徴とする請求項１、２又は３に記載の半導体光増幅素子。
【請求項１７】
前記光増幅領域及び前記可飽和吸収領域の少なくとも一方に不純物が添加され、前記不純物の濃度は、前記光信号の強度と前記雑音光の強度とを確率的に同期させることにより、前記入力光が前記半導体光増幅素子の立上がり閾値及び立下がり閾値を上下して前記出力光の振幅が急激に増大するように調整されていることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の半導体光増幅素子。
【請求項１８】
前記光増幅領域は、前記可飽和吸収領域における光の共振器方向の両側にそれぞれ配置される第１及び第２の光増幅領域から構成されており、前記第１及び第２の光増幅領域のうちの一方の領域の端面から前記入力光が入射され、前記第１及び第２の光増幅領域のうちの他方の領域の端面から前記出力光が出射されることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の半導体光増幅素子。
【請求項１９】
前記活性層に対する前記可飽和吸収領域の光の共振器方向における長さの割合は、１％以上であり、かつ５０％未満であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の半導体光増幅素子。
【請求項２０】
請求項１〜１９のいずれか１項に記載の半導体光増幅素子を駆動する脈波計測装置であって、
前記出力光を検出して受信信号を出力する光電変換素子と、
前記受信信号を受けて、前記半導体光増幅素子の光の入出力特性を調整するための制御信号を出力するフィードバック制御回路とを備えることを特徴とする脈波計測装置。
【請求項２１】
前記半導体光増幅素子に接続されている可変抵抗と、前記フィードバック制御回路からの制御信号に従って前記可変抵抗の抵抗値を制御する可変抵抗制御部とをさらに備えることを特徴とする請求項２０に記載の脈波計測装置。
【請求項２２】
前記フィードバック制御回路は、前記半導体光増幅素子の前記可飽和吸収領域から流れる電流を前記可変抵抗を介してモニターすることを特徴とする請求項２１に記載の脈波計測装置。
【請求項２３】
前記受信信号を受けて、確率共鳴効果が得られるように雑音電流が付加された、前記半導体光増幅素子の入出力特性を調整するための電流を、前記半導体光増幅素子に供給するための制御信号を出力する確率共鳴制御回路と、
前記確率共鳴制御回路からの制御信号を受けて、前記付加雑音電流を前記半導体光増幅素子に供給する電流供給部とをさらに備えることを特徴とする請求項２０に記載の脈波計測装置。
【請求項２４】
前記半導体光増幅素子の入出力特性を調整するための光を前記半導体光増幅素子に供給するための光源をさらに備えることを特徴とする請求項２０に記載の脈波計測装置。
【請求項２５】
前記光源は、前記受信信号を受けて、確率共鳴効果が得られるように前記光信号に雑音光が付加された光を前記半導体光増幅素子に供給することを特徴とする請求項２４に記載の脈波計測装置。
【請求項２６】
前記フィードバック制御回路からの制御信号に基づいて、前記半導体光増幅素子の可飽和吸収領域に印加される電圧を制御する電圧制御回路と、前記電圧制御回路からの制御信号に従って前記半導体光増幅素子に電圧を供給する電圧供給部とをさらに備えることを特徴とする請求項２０に記載の脈波計測装置。
【請求項２７】
前記受信信号に基づいて、前記光信号の強度と前記雑音光の強度とを確率的に同期させることにより、前記入力光が前記半導体光増幅素子の立上がり閾値及び立下がり閾値を上下して前記出力光の振幅が急激に増大するように電流を前記半導体光増幅素子に供給する電流供給部をさらに備えることを特徴とする請求項２０に記載の脈波計測装置。
【請求項２８】
前記光電変換素子は、前記半導体光増幅素子と同一基板上に集積化されていることを特徴とする請求項２０に記載の脈波計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光増幅素子及び脈波計測装置に関し、より詳細には、生体に照射された近赤外域の微弱な光信号を増幅する半導体光増幅素子及び該半導体素子を備えた脈波計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近赤外の波長を持つ光を人体などの生体に照射して得られた反射光や透過光の光信号を観測する方法は、脂肪・血糖などの組成や血圧・酸素飽和度などのバイタルサインを生体を傷つけずに診断できるために、非常に有益である。
【０００３】
近赤外域の波長を持つ光には、血液に対して吸収があり、かつ水に吸収されにくいため、血行や血管などの検査に向いているからである。また、この波長域の発光・受光半導体素子は既に光通信用のＬＤ（Laser Diode）、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）及びＰＤ（Photo Diode）において開発されている技術なので、廉価な素子を容易に入手できるという利点もある。
【０００４】
血液は心臓のポンプ機能によって体内を循環しており、そのポンピングに伴って血管が拡張・収縮する。この拍動によって血液の流れに周期的変動が与えられるので、血液の容積や血流速度が変動する。変動は血管を伝播するが、これを脈波といい、血液の吸光度（光の吸収度合いを表す）は脈波の周期に従って変化するために、近赤外光を用いると血液の変動を脈波として検出することができる。こうした血行の動態には内臓に関わる病状が反映されるため、近赤外光を用いた観測は、血圧計や、酸素飽和度や、動脈硬化など、広範な診断対象・用途・使用場所に適用することができる。
【０００５】
近赤外光の光信号の測定方法には透過型と反射型とがあるが、いずれも生体に照射された近赤外光が生体組織内で散乱・吸収されるので、光の一部が受光素子に到達することによって光信号が検出される。吸光度は、組織内のヘモグロビンなどの血色素の濃度の変化と照射光の波長に依存し、吸光度の時間変化は心拍や血圧や血管の状態に依存する。よってその周波数解析やスペクトル解析から血行動態や酸素飽和度などを診断できる。
【０００６】
しかし、生体内では近赤外光は血液以外の組織による散乱が多いため、透過型でも反射型でも損失が大きく、受信される光信号は微弱で外乱に影響されやすい。よって精度のよい計測のために、微弱な光信号を検出し、信号対雑音比（Signal to Noise：以下「Ｓ／Ｎ比」と呼ぶ）を向上させる試みが行われている。
【０００７】
このような、試みにおける従来の技術のうち主なものはアルゴリズムやプロトコルの工夫である。つまりデータを微分してピークを抽出したり、多変量解析などの数値解析や高速フーリエ変換による周波数解析、モデル構築による方程式の作成や補正などの演算処理を行って有意データを抽出する。
【０００８】
たとえば特許文献１では、波形の包絡線から多角形パターンの整合性を調べて拍動を導出している。特許文献２では、マトリクスモデルを用いたアルゴリズムによってノイズを除去している。特許文献３では、相関関数波形の極大点の数によって脈波が正常に検出されたかどうか判断している。特許文献４では、微分した波形を解析して検出信号の良否を判定している。
【０００９】
この他、測定方法の改善としては、光学系や測定部位の最適化などがある。特許文献６では光学系に保持台と空間を取り入れることで検出精度を高めている。
【特許文献１】特開２００５−３２３８５３号公報（平成１７年１１月２４日公開）
【特許文献２】特開２００５−２４５５７４号公報（平成１７年  ９月１５日公開）
【特許文献３】特開２００６−２４７２２１号公報（平成１８年  ９月２１日公開）
【特許文献４】特開２００６−２６３３５４号公報（平成１８年１０月  ５日公開）
【特許文献５】特開  平１０−２９５６５６号公報（平成１０年１１月１０日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前記の従来技術における数値解析による解決方法では、演算処理が煩雑で時間がかかり、ＣＰＵへの負荷もかかるために消費電力への影響が無視できないという問題点がある。また、それらの計算結果が有意であるかどうかの検証の基準が定まっておらず、信頼の置けるデータであるか否かの判断は難しいという問題点もある。
【００１１】
また、光学系や測定部位の最適化では、多少の改善は望めるものの、光信号のＳ／Ｎ比を大きく向上できる手法はまだ十分に見出されていないという問題点がある。
【００１２】
前記従来の技術においては、検出した光信号の解析方法、測定方法、及び配線の改善に関する技術は存在しているが、生体用の近赤外域に対応した受光素子自体の改善はほとんどなされていない。微弱な光信号の増幅には一般にＰＤが使われているが、その際、ＰＤの出力をそのまま増幅するだけなので雑音も増幅されてしまうという問題点がある。
【００１３】
本発明は、前記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、近赤外光の光信号を含む入力光の光強度が、従来の素子では検知が困難なほど微弱であっても、出力光の振幅を増大させて光信号のＳ／Ｎ比を向上して検出することができる半導体光増幅素子及び脈波計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の半導体光増幅素子は、前記課題を解決するために、生体に照射されて反射あるいは透過した近赤外光の光信号を含む入力光を受光する半導体光増幅素子であって、前記入力光を増幅するための領域である光増幅領域、及び光吸収機能を有していると共に、該光吸収機能について飽和状態をとることが可能となっている領域である可飽和吸収領域を含んでおり、前記入力光を受光して該入力光が増幅された出力光を出射する活性層と、第１の極性の電極と、該第１の極性の電極に対向して設けられている第２の極性の電極とを備えており、前記第１の極性の電極及び前記第２の極性の電極の少なくとも一方は、前記光増幅領域と前記可飽和吸収領域とに対して独立に電流を注入できると共に、独立に電圧を印加できるように分割されており、前記活性層は、入力光強度に対する出力光強度の対応関係において、入力光強度が、少なくとも１つ以上の所定の閾値を上回り又は下回る場合に、出力光強度が急激に変化する不連続点が存在する光入出力特性を有しており、前記光信号には、雑音光が付加されており、前記雑音光の強度、前記光増幅領域に注入される注入電流の強度、及び前記可飽和吸収領域に印加される印加電圧の強度は、前記光信号の強度と前記雑音光の強度とを確率的に同期させることにより、前記入力光が前記半導体光増幅素子の立上がり閾値及び立下がり閾値を上下して前記出力光の振幅が急激に増大するように調整されていることを特徴としている。
【００１５】
前記構成によれば、半導体光増幅素子は、生体に照射されて反射あるいは透過した近赤外光の光信号を含む入力光を受光するものである。また、半導体光増幅素子は、入力光を受光して該入力光が増幅された出力光を出射する活性層と、第１の極性の電極と、該第１の極性の電極に対向して設けられている第２の電極とを備える構成となっている。
【００１６】
また、活性層は、入力光を増幅するための領域である光増幅領域、及び光吸収機能を有していると共に、該光吸収機能について飽和状態をとることが可能となっている領域である可飽和吸収領域を含んでいる。また、活性層は、以下で説明するように、入力光強度に対する出力光強度の対応関係において、入力光強度が、少なくとも１つ以上の所定の閾値を上回り又は下回る場合に、出力光強度が急激に変化する不連続点が存在する光入出力特性を有している。
【００１７】
「可飽和吸収領域」は、例えば、光増幅領域で発生した光を吸収するとキャリア濃度が所定の飽和量に達するまで増大すると共に、該キャリア濃度が前記所定の飽和量を超えると光を吸収せずに透過させ、該キャリア濃度が前記飽和量よりも少ない所定量以下になると再び光を吸収するように構成される領域のことである。なお、ここでの所定の飽和量は活性層の組成や不純物の注入量によっても好適に決定できるため、半導体プロセスによっても以下で説明する双安定状態のヒステリシスの形状などをコントロールすることができる。
【００１８】
このような、可飽和吸収領域を活性層に設けることにより、入力光強度に対する出力光強度の対応関係において、入力光強度が、少なくとも１つ以上の所定の閾値を上回り又は下回る場合に、出力光強度が急激に変化する不連続点が存在する光入出力特性、例えば、いわゆる単安定状態や双安定状態を生じさせることができる。
【００１９】
本発明の半導体光増幅素子は、前記半導体光増幅素子は、入出力特性がヒステリシスを示す双安定半導体レーザであることが好ましい。
【００２０】
「双安定半導体レーザ」とは、入出力特性が双安定状態をとる半導体レーザのことである。ここで、「双安定状態」とは、例えば、入力光強度に対する出力光強度の対応関係において、入力光強度が、２つの所定の閾値を上回り又は下回る場合に、出力光強度が急激に変化する不連続点が存在する光入出力特性のことである。
【００２１】
この双安定状態では、一般に、上記２つの所定の閾値間において、ある入力光強度に対して、１対２対応で、相対的に出力光の強度が大きい状態と相対的に出力光の強度が小さい状態との２つ状態が存在している。言い換えると、双安定状態は、入力光強度に対する出力光強度の関係におけるヒステリシスを伴う。
【００２２】
双安定状態は、上述のように、ヒステリシスを伴うので、ここでは、２つの所定の閾値を、立ち上がり閾値及び立下り閾値と名づける。なお、立ち上がり及び立下りとは、ヒステリシスにおける光の入力に対する光の出力の立ち上がり（ヒステリシスの下部から上部へ移行する場合）、及び立下り（ヒステリシスの下部から上部へ移行する場合）のことである。
【００２３】
言い換えると、例えば、双安定状態の場合の２つの所定の閾値は、出力光強度が急激に増大する不連続点における入力光強度である立ち上がり閾値、及び出力光強度が急激に減少する不連続点における入力光強度である立下り閾値のことである。
【００２４】
このような双安定状態では、半導体光増幅素子への入力光がヒステリシスの立ち上がり閾値を超えると、光出力の振幅が増大するので、入力光が増幅されることになる。
【００２５】
また、本発明の半導体光増幅素子は、前記半導体光増幅素子は、入出力特性が不連続性を示す半導体レーザであっても良い。
【００２６】
入出力特性が不連続性を示す半導体レーザの例としては、単安定状態の半導体レーザを挙げることができる。
【００２７】
ここで、「単安定状態」とは、例えば、入力光強度に対する出力光強度の対応関係において、入力光強度が、１つの所定の閾値を上回り又は下回る場合に、出力光強度が急激に変化する不連続点が存在する光入出力特性のことである。
【００２８】
単安定状態が、上述のヒステリシスを伴う双安定状態と異なっているのは、入力光の立ち上がり閾値と立ち下がり閾値とが一致していることである。その結果、単安定状態では、光入出力特性においてヒステリシスを伴わないものとなる。
【００２９】
このように、立下り閾値と立ち上がり閾値が一致する単安定状態の場合、光の出力強度が高い状態となっても、光の出力光強度が低い状態にすぐに落ちてしまう確率が高くなってしまうので、双安定状態の場合よりも、振幅の増大効果が薄れてしまう。すなわち、上述した、双安定状態では、立下り閾値が立上がり閾値よりも低いことにより、振幅をより確実に増大させることが可能となっている。
【００３０】
また、本発明の半導体光増幅素子は、光信号には、雑音光が付加されており、雑音光の強度、光増幅領域に注入される注入電流の強度、及び可飽和吸収領域に印加される印加電圧の強度は、光信号の強度と雑音光の強度とを確率的に同期させることにより、前記入力光が半導体光増幅素子の立上がり閾値及び立下がり閾値を上下して出力光の振幅が急激に増大するように調整されている。
【００３１】
ここで「雑音光」は、光信号に付加される雑音として活性層に意図的に注入する光のことであり、伝送路等に起因する通常の雑音とは区別して用いている。
【００３２】
入力光の強度の最大値又は極大値（以下「ピーク」と呼ぶことがある。）、及び最小値又は極小値（以下「ボトム」と呼ぶことがある。）と、入力光とともに光増幅領域に注入される雑音光の強度とを確率的に同期させることで、入力光に含まれる光信号が、そのピーク又はボトムとなるタイミングに光出力が低い状態から高い状態へ、又は高い状態から低い状態に移行する。これにより、光出力の強度差に応じて出力光の振幅が増大し、振幅の大きい出力光を得ることができる。
【００３３】
また、このとき、入力光のピークが閾値を超える確率に比べて、ピーク以外のバックグラウンド部分は閾値を超える確率が低いので、得られる出力光は、入力光に含まれる光信号のピークを強調したものになる。つまり、光信号の周期を反映するように光出力の振幅が増大するので、入力光に対する出力光における光信号のＳ／Ｎ比の値を高く（Ｓ／Ｎ比が向上する）することが可能となる。
【００３４】
このように、雑音を付加することでかえって光信号のＳ／Ｎ比が向上する効果は「確率共鳴」と呼ばれる現象であり、通常の機能素子が検出できないような微弱な光信号を検出・増幅することができる。
【００３５】
以上のように、単安定状態及び双安定状態のいずれであっても、入力光強度における所定の閾値において出力光強度に不連続点が存在する。この不連続点の存在により、所定の閾値を上回り又は下回る強度の入力光が入力されると、出力光の強度が急激に増加したり、急激に減少したりするので、出力光の振幅を増大させることが可能となる。
【００３６】
なお、本発明の半導体光増幅素子においては、光入出力特性が、上述したように、単安定状態及び双安定状態のいずれかであることが好ましい。しかしながら、３以上の所定の閾値において、不連続点が存在するような系を活性層として採用した半導体光増幅素子であっても、本発明の、出力光の振幅を増大し、光信号のＳ／Ｎ比を向上させる効果を得ることができるものであれば、本発明の適用範囲に含まれる。
【００３７】
また、本発明の半導体光増幅素子は、以上のように、さらに、光信号の強度と雑音光の強度とを確率的に同期させることによる確率共鳴効果により、雑音光が付加された入力光が、前記所定の閾値を上下するように調整できるので、光信号のＳ／Ｎ比を向上させることが可能となっている。
【００３８】
よって、本発明の半導体光増幅素子を用いれば、デバイスの発振閾値（立ち上がり閾値のことである。以下同じ。）以下にまで弱まった劣化した近赤外光の光信号も検出することができ、さらに、振幅が増幅され強調された出力光を得ることができる。よって、光信号のＳ／Ｎ比を向上でき、例えば、微弱な脈波なども検出することができる。
【００３９】
また、本発明の半導体光増幅素子は、第１の極性の電極及び第２の極性の電極の少なくとも一方は、光増幅領域と可飽和吸収領域とに対して独立に電流を注入できると共に電圧を印加できるように分割されている。よって、可飽和吸収領域及び光増幅領域にそれぞれ注入される注入電流の制御をより独立に行いやすい構造となっている。
【００４０】
これにより、可飽和吸収領域を流れる電流と光増幅領域を流れる電流とが互いに干渉してしまうのを回避することができる。
【００４１】
また、該電極の構成により、光増幅領域に電流を注入し、可飽和吸収領域に、電圧を印加することができる。
【００４２】
また、本発明の半導体光増幅素子は、光増幅領域に注入する電流を調整することによってヒステリシスを制御することが可能となるが、具体的には、これにより、立ち上がり閾値を低くしてより低電流で素子を駆動したり、出力光の振幅を調整したり、また、光信号にゆらぎが生じたときにも光信号のＳ／Ｎ比が向上するようにヒステリシスの形状を好適に調整することができる。
【００４３】
また、可飽和吸収領域に印加する電圧値を制御することで、半導体光増幅素子の立ち上がり閾値及び／又は立下り閾値を上下させることができる。これにより、半導体光増幅素子に入射する入力光の平均光強度が大きく変化した場合にも対応できる。
【００４４】
このように、光信号の強度と雑音光の強度とを確率的に同期させることにより、入力光が半導体光増幅素子の立上がり閾値及び立下がり閾値を上下して出力光の振幅が急激に増大するように、雑音光の強度、光増幅領域に注入される注入電流の強度、及び可飽和吸収領域に印加される印加電圧の強度を調整することで、消費電力が少ない状態で、出力光の振幅が増大し、光信号のＳ／Ｎ比が向上するようにすることが可能となる。
【００４５】
また、本発明の半導体光増幅素子を例えば、脈波計測装置などに適用する場合、素子自体の改善を行なっているので、生体差に依存せず、さらにデータの蓄積や複雑な演算を必要としないので、従来の素子や装置のようにデータの蓄積や複雑な演算を必要とするものよりも検出速度が向上し、消費電力も低減させることが可能となる。
【００４６】
以上より、近赤外光の光信号を含む入力光の光強度が、従来の素子では検知が困難なほど微弱であっても、出力光の振幅を増大させて光信号のＳ／Ｎ比を向上して検出することができる半導体光増幅素子及び脈波計測装置を提供することができる。
【００４７】
また、本発明の半導体光増幅素子は、前記光信号に付加される雑音光は、前記光増幅領域及び前記可飽和吸収領域の少なくとも一方に入射され、前記雑音光の強度は、前記光信号の強度と前記雑音光の強度とを確率的に同期させることにより、前記入力光が前記半導体光増幅素子の立上がり閾値及び立下がり閾値を上下して前記出力光の振幅が急激に増大するように調整されていても良い。
【００４８】
すなわち、前記光信号に付加される雑音光は、光増幅領域ではなく可飽和吸収領域に雑音光を注入しても、光信号のＳ／Ｎ比が向上した光出力を得ることができる。この場合、可飽和吸収領域が飽和しやすくなるので雑音光の注入量の上限が低くなり、雑音光の強度の最大値と最小値との差を好適に決定しづらくなるものの、可飽和吸収領域への雑音光の注入によってヒステリシス形状を調整しやすくなる。
【００４９】
また、雑音光の注入量を変えることによって、半導体光増幅素子の立ち上がり閾値及び立下り閾値を変動させ、ヒステリシス形状を調整することも可能である。したがって、この場合においても雑音光の雑音光強度又はそのカットオフ周波数（有色雑音の場合）を、光信号のボトム又はピークに応じて立ち上がり閾値が上下するように最適に調整することで、大きい振幅を持ち、かつ光信号のＳ／Ｎ比が向上した出力光が得られる。
【００５０】
また、雑音光は、光信号に付加してから半導体光増幅素子の光増幅領域に注入せずとも、別々の他の回路などを介して独立に光増幅領域又は可飽和吸収領域に注入してもよい。その場合、他の回路などが余分に必要になり光軸の調整を要するものの、雑音光強度の調整がやりやすくなるという利点がある。
【００５１】
また、本発明の半導体光増幅素子は、前記構成に加えて、前記雑音光の強度の最大値と最小値との差は、前記光信号の振幅の１／１０以下であることが好ましい。
【００５２】
雑音光の振幅の最大値と最小値との差（以下、「雑音光強度」という）は、光信号のＳ／Ｎ比が最大である最適強度となるように調整されていることが望ましいが、雑音光強度はこれに限るものではなく、得られる出力光に必要とされる光信号のＳ／Ｎ比の値を満たす範囲の雑音光強度であれば構わない。この場合、雑音光強度が半導体光増幅素子の光信号の振幅の１／１０以下であれば、光信号のＳ／Ｎ比が向上された出力光が得られやすい。
【００５３】
また、雑音光強度が強すぎると、出力光の波形が崩れるので雑音の低減は起こりにくくなる。少なくとも、雑音光強度が光信号の振幅より大きい場合、光信号の波形及び周期を再現できなくなるため、近赤外光の光信号の検出ができなくなる。これに対し、雑音光強度が光信号の振幅の１／１０以下であれば、さらに出力光の振幅を大きくでき、光信号のＳ／Ｎ比を向上することができるため、好ましい。
【００５４】
また、本発明の半導体光増幅素子は、前記構成に加えて、前記雑音光は、ランダムな強度変化を有することが好ましい。
【００５５】
例えば、雑音光の代わりにクロック光又は周期信号光を入力光に付加してヒステリシスの上部に移行させようとした場合、位相及び周期が光信号と完全に同一か正確に倍数になっていて両者のピーク又はボトムが同期しなければ、大きな振幅の出力光は得られにくい。よって、光信号の時間変動が激しく波形がゆらいでいると、光信号のＳ／Ｎ比の向上効果は低減してしまう。
【００５６】
これに対し、ランダムな強度変化を有する雑音光は様々な周波数成分を含むので、光信号の波形のゆらぎにも強くなり、光信号のＳ／Ｎ比の向上効果を維持できる。また、周期信号光を発生させるよりも雑音光を発生させるほうが消費電力が少なくて済むという利点もある。
【００５７】
また、本発明の半導体光増幅素子は、前記構成に加えて、前記雑音光は、白色雑音の雑音光であっても良い。
【００５８】
白色雑音の場合、有色雑音のようなカットオフ周波数が存在しないので、半導体光増幅素子は、光信号のＳ／Ｎ比効果を最大に得られるように雑音光のカットオフ周波数によって調整することができず、確率共鳴現象を起こしにくくなるが、構成が簡潔で実装がコンパクトになるという利点がある。
【００５９】
また、本発明の半導体光増幅素子は、前記構成に加えて、前記雑音光は、有色雑音の雑音光であることが好ましい。
【００６０】
この場合、有色雑音は、カットオフ周波数により周波数帯域が決まるので、カットオフ周波数によって有色雑音の周波数帯域を調整することができる。そのため、光信号の周波数に合わせて有色雑音の周波数帯域を調整することで、光信号のＳ／Ｎ比の向上効果をより得やすくなるというメリットがある。
【００６１】
また、本発明の半導体光増幅素子は、前記構成に加えて、前記雑音光のカットオフ周波数は、前記光信号の強度と前記雑音光の強度とを確率的に同期させることにより、前記入力光が前記半導体光増幅素子の立上がり閾値及び立下がり閾値を上下して前記出力光の振幅が急激に増大するように調整されていることが好ましい。
【００６２】
ここで、カットオフ周波数は雑音光の強度に影響するので、調整した方がより最適な雑音光強度を得やすくなり、またより光信号のＳ／Ｎ比の向上効果も期待できる。
【００６３】
また、本発明の半導体光増幅素子は、前記構成に加えて、前記第１の極性の電極を通じて雑音電流が前記光増幅領域及び前記可飽和吸収領域の少なくとも一方に注入され、前記雑音電流の強度は、前記光信号の強度と前記雑音光の強度とを確率的に同期させることにより、前記入力光が前記半導体光増幅素子の立上がり閾値及び立下がり閾値を上下して前記出力光の振幅が急激に増大するように調整されていても良い。
【００６４】
ここでは、入力光に対する雑音として半導体光増幅素子の活性層に注入される電流を「雑音電流」と呼ぶ。
【００６５】
「雑音電流」は、出力光が光信号のＳ／Ｎ比の向上効果を得られるような強度に適度に調整する。光増幅領域に電流を注入せず、可飽和吸収領域にバイアスを印加しない状態では、入力光の強度は生体への照射による劣化によって、例えば、双安定状態の場合は、ヒステリシスの立ち上がり閾値を越えられないほど微弱であることが一般的である。
【００６６】
そのため、入力光を活性層に注入しただけでは、出力光は、ヒステリシス下部に留まり、ヒステリシス上部へと移行することはできない。
【００６７】
そこで、雑音電流を光増幅領域へと注入する。入力光によって半導体光増幅素子の活性層に注入された光子には、雑音電流の注入により活性層にキャリアが注入されて発生した光子が付加される。これにより、光増幅領域の光子が増大し、入力光の強度が立ち上がり閾値を越えやすくなる。
【００６８】
このとき、雑音電流の変動に伴ってキャリアの増加量も変動する。そこで、雑音電流の強度を、入力光のピークやボトムが、立ち上がり閾値、及び立下り閾値を上下するようにように最適に調整する。これにより、大きい振幅を持ち、かつ光信号のＳ／Ｎ比が向上した出力光が得られる。
【００６９】
上記のように、雑音電流の強度を、光信号のＳ／Ｎ比の向上効果が最大に得られるよう最適に調整することにより、半導体光増幅素子の立ち上がり閾値以下である微弱な入力光であっても検出して増幅することができる。
【００７０】
なお、活性層に注入する電流の少なくとも１つを一定電流に変更してもかまわない。この場合においても、振幅が増大し、光信号のＳ／Ｎ比が向上された光出力を得られる。ただしこの場合、光信号のＳ／Ｎ比の向上効果を最大に得られるように調整しにくくなるが、変調回路を減らせるので、構成が簡潔になるというメリットがある。
【００７１】
また、本発明の半導体光増幅素子は、前記構成に加えて、前記雑音電流の強度の最大値と最小値との差は、前記注入電流の振幅の１／１０以下であることが好ましい。
【００７２】
以下では、雑音電流の強度の最大値と最小値との差を、「雑音電流強度」と呼ぶ。
【００７３】
雑音電流強度は、光信号のＳ／Ｎ比が最大である最適強度となるように調整されていることが望ましいが、雑音電流強度はこれに限るものではなく、得られる出力光に必要とされる光信号のＳ／Ｎ比の値を満たす範囲の強度であれば構わない。この場合、雑音電流強度が半導体光増幅素子の注入電流の振幅の１／１０以下であれば、光信号のＳ／Ｎ比が向上された出力光が得られやすい。
【００７４】
雑音電流強度が強すぎると、出力光の波形が崩れるので、伝送路等に起因する通常の雑音の低減は起こりにくくなる。少なくとも、雑音電流強度が入力光の振幅より大きい場合、光信号の波形及び周期を再現できなくなるため、近赤外光の光信号の検出ができなくなる。これに対し、雑音電流強度が注入電流の振幅の１／１０以下であれば、さらに出力光の振幅を大きくでき、光信号のＳ／Ｎ比を向上することができるため、好ましい。
【００７５】
また、本発明の半導体光増幅素子は、前記構成に加えて、前記雑音電流は、白色雑音の雑音電流であっても良い。
【００７６】
白色雑音の雑音電流の場合、カットオフ周波数が存在しないので、半導体光増幅素子は、光信号のＳ／Ｎ比効果を最大に得られるように雑音電流のカットオフ周波数によって調整することができず、確率共鳴現象を起こしにくくなるが、構成が簡潔で実装がコンパクトになるという利点がある。
【００７７】
また、本発明の半導体光増幅素子は、前記構成に加えて、前記雑音電流は、ランダムな強度変化を有することが好ましい。
【００７８】
例えば、雑音電流の代わりに周期信号電流によって生じる光子を入力光に付加してヒステリシスの上部に移行させようとした場合、位相及び周期が光信号と完全に同一か正確に倍数になっていて両者のピークが同期しなければ、大きな振幅の出力光は得られにくい。よって、光信号の時間変動が激しく波形がゆらいでいると、光信号のＳ／Ｎ比の向上効果は低減してしまう。
【００７９】
これに対し、ランダムな強度変化を持つ雑音電流は様々な周波数成分を有するので、光信号の波形のゆらぎにも強くなり、光信号のＳ／Ｎ比の向上効果を維持できる。また、周期信号電流を発生させるよりも雑音電流を発生させるほうが消費電力が少なくてすむという利点もある。
【００８０】
また、本発明の半導体光増幅素子は、前記構成に加えて、前記雑音電流は、有色雑音の雑音電流であることが好ましい。
【００８１】
この場合、有色雑音の雑音電流は、カットオフ周波数により周波数帯域が決まるので、カットオフ周波数によって有色雑音の雑音電流の周波数帯域を調整することができる。そのため、光信号の周波数に合わせて有色雑音の雑音電流の周波数帯域を調整することで、光信号のＳ／Ｎ比の向上効果をより得やすくなるというメリットがある。
【００８２】
また、本発明の半導体光増幅素子は、前記構成に加えて、前記雑音電流のカットオフ周波数は、前記光信号の強度と前記雑音光の強度とを確率的に同期させることにより、前記入力光が前記半導体光増幅素子の立上がり閾値及び立下がり閾値を上下して前記出力光の振幅が急激に増大するように調整されていることが好ましい。
【００８３】
ここで、カットオフ周波数は雑音電流の強度に影響するので、調整した方がより最適な雑音電流の強度を得やすくなり、またより光信号のＳ／Ｎ比の向上効果も期待できる。
【００８４】
なお、本発明の半導体光増幅素子は、前記構成に加えて、前記活性層は、量子井戸構造を有することが好ましい。
【００８５】
活性層の構成を量子井戸構造を有するものとすれば、量子井戸内での電子の状態密度を制御して光利得をより大きく得ることができ、光強度が小さい入力光から、より大きな出力光を得る、というメリットがある。
【００８６】
また、本発明の半導体光増幅素子は、前記構成に加えて、前記光増幅領域及び前記可飽和吸収領域の少なくとも一方に不純物が添加され、前記不純物の濃度は、前記光信号の強度と前記雑音光の強度とを確率的に同期させることにより、前記入力光が前記半導体光増幅素子の立上がり閾値及び立下がり閾値を上下して前記出力光の振幅が急激に増大するように調整されていても良い。
【００８７】
前記構成によれば、光増幅領域又は可飽和吸収領域に不純物を添加することにより、それぞれのキャリア寿命を調整することができる。よって、半導体プロセスによってヒステリシスの形状などをコントロールすることができる。
【００８８】
また、本発明の半導体光増幅素子は、前記構成に加えて、前記光増幅領域は、前記可飽和吸収領域における光の共振器方向の両側にそれぞれ配置される第１及び第２の光増幅領域から構成されており、前記第１及び第２の光増幅領域のうちの一方の領域の端面から前記入力光が入射され、前記第１及び第２の光増幅領域のうちの他方の領域の端面から前記出力光が出射されることが好ましい。
【００８９】
前記構成のように、光増幅領域を２つ設けた方が、入力光と出力光とをそれぞれ制御しやすくなるというメリットがある。
【００９０】
また、入射側の端面と出射側の端面とを別個に作らずとも、光信号のＳ／Ｎ比が向上した出力光を得ることは可能である。しかしながら、入射側の端面（一方の領域の端面）と出射側の端面（他方の領域の端面）とを作り分けた方が、入力光と出力光とをそれぞれ制御しやすく、光学系の光軸の調整も容易となる。
【００９１】
さらに、本発明の半導体光増幅素子は、前記構成に加えて、前記活性層に対する前記可飽和吸収領域の光の共振器方向における長さの割合は、１％以上であり、かつ５０％未満であることが好ましい。
【００９２】
ここで、活性層に対する可飽和吸収領域の光の共振器方向における長さの割合が小さくなると、それにともなって半導体光増幅素子の双安定状態が実現しにくくなる。特に、当該割合が１％未満で双安定状態の半導体光増幅素子を作製しようとすると、作製工程の手間や拡散材料の選定等が著しく困難となる。したがって、活性層に対する可飽和吸収領域の光の共振器方向における長さの割合は、１％以上であることが望ましい。
【００９３】
一方、活性層に対する可飽和吸収領域の光の共振器方向における長さの割合が大きくなると、それにともなって立ち上がり閾値も上昇する。特に、当該割合が５０％より大きくなると、消費電力が著しく増大し、その結果、発熱が大きくなる。
【００９４】
また、活性層に対する可飽和吸収領域の光の共振器方向における長さの割合が大きくなると、ヒステリシスの形状を最適にするために注入する電流を増やす必要が生じる。特に、当該割合が５０％より大きくなると、消費電力が著しく増大し、その結果、発熱が大きくなる。さらに、ヒステリシスの形状が最適でない場合には、光信号のＳ／Ｎ比の向上効果が減少し、光出力の増幅も低減する。
【００９５】
これらの理由により、活性層に対する可飽和吸収領域の光の共振器方向における長さの割合は、１％以上で、かつ５０％以下であることが望ましい。これにより、双安定状態を満足しやすくなり、かつ立ち上がり閾値を低くでき、またヒステリシスの形状も好適に決定できる。また、消費電力も発熱も少なくて済み、光信号のＳ／Ｎ比の向上効果を得やすくなり、さらに素子の作製条件を満たしやすくなるという利点がある。
【００９６】
また、本発明の脈波計測装置は、前記半導体光増幅素子のいずれかを駆動し、前記出力光を検出して受信信号を出力する光電変換素子と、前記受信信号を受けて、前記半導体光増幅素子の光の入出力特性を調整するための制御信号を出力するフィードバック制御回路とを備えることが好ましい。
【００９７】
前記構成によれば、前記脈波計測装置は、出力光を検出して受信信号を出力する光電変換素子を備える。これにより、半導体光増幅素子から受光した出力光の一部を光電変換素子で電気信号に変換して利用できるというメリットがある。
【００９８】
また、前記脈波計測装置は、光電変換素子が出力する受信信号を受けて、半導体光増幅素子の光の入出力特性を調整するための制御信号を出力するフィードバック制御回路を備えている。これにより、フィードバック制御回路によって半導体光増幅素子に入力される光信号に応じてヒステリシスの形状を精度よく制御することができ、半導体光増幅素子の動作条件を精密に調整することができる。したがって、前記脈波計測装置は、確率共鳴効果を得るために最適化された半導体光増幅素子を駆動することができる。
【００９９】
また、本発明の脈波計測装置は、前記半導体光増幅素子に接続されている可変抵抗と、前記フィードバック制御回路からの制御信号に従って前記可変抵抗の抵抗値を制御する可変抵抗制御部とをさらに備えることが好ましい。
【０１００】
さらに、前記脈波計測装置は前記構成に加えて、前記フィードバック制御回路は、前記半導体光増幅素子の前記可飽和吸収領域から流れる電流を前記可変抵抗を介してモニターすることが好ましい。
【０１０１】
前記構成によれば、可変抵抗制御部は、フィードバック制御回路からの制御信号に従って、半導体光増幅素子の所望の入出力特性が得られるように可変抵抗の抵抗値を調整する。半導体光増幅素子は、可変抵抗の抵抗値の増減によって、可飽和吸収領域の電流値が増減する。
【０１０２】
これにより、可飽和吸収領域内のキャリア量が変化するので、光吸収効果を制御できる。なぜなら、半導体光増幅素子のヒステリシスの形状は、可飽和吸収領域への光注入又は電流注入によるキャリア量の変化に影響を受けるからである。可飽和吸収領域に電流が注入されるとキャリアの注入により光子が発生する。また光増幅領域からの光が可飽和吸収領域に注入されると光子が発生する。
【０１０３】
これらの結果として、可飽和吸収領域の光子が増加する。これにより、可飽和吸収領域の光吸収効果が減少し、ヒステリシス全体が注入電流値の低い側へ移動する。これを利用して、可飽和吸収領域へ注入する光の強度又は電流値を変動させることによってヒステリシスの形状も変動させることができる。
【０１０４】
以上により、フィードバック制御回路によって半導体光増幅素子に入力される光信号に応じてヒステリシスの形状を精度よく制御することができ、半導体光増幅素子の動作条件を精密に調整することができる。したがって、前記脈波計測装置は、確率共鳴効果を得るために最適化された半導体光増幅素子を駆動することができる。
【０１０５】
また、本発明の脈波計測装置は、前記構成に加えて、前記受信信号を受けて、確率共鳴効果が得られるように雑音電流が付加された、前記半導体光増幅素子の入出力特性を調整するための電流を、前記半導体光増幅素子に供給するための制御信号を出力する確率共鳴制御回路と、前記確率共鳴制御回路からの制御信号を受けて、前記付加雑音電流を前記半導体光増幅素子に供給する電流供給部とをさらに備えることが好ましい。
【０１０６】
前記構成によれば、確率共鳴制御回路は、半導体光増幅素子の入出力特性を調整するための制御信号を電流供給部に出力するものである。すなわち、光電変換素子を介して出力光の状態をモニターするためのものである。
【０１０７】
電流供給部は、確率共鳴制御回路からの制御信号に従って、雑音電流を含む電流（以下「付加雑音電流」と呼ぶ。）を第１の極性の電極（又は第２の極性の電極）を介して半導体光増幅素子に注入するものである。この付加雑音電流は、確率共鳴効果によって振幅が増幅され光信号のＳ／Ｎ比が向上した出力光が得られるように雑音電流が調整された電流のことである。
【０１０８】
これにより、確率共鳴による入力光の増幅を行なうのに最適なヒステリシス形状の入出力特性で半導体光増幅素子を作動させることが可能となる。半導体光増幅素子によって増幅された出力光は、光電変換素子で検出される。これにより、通常の素子では検出できないような微弱な信号を検出できる。
【０１０９】
また、ヒステリシスの立ち上がり閾値を細かく上下させて低電流で駆動したり、出力光の振幅をより精密に制御できるという利点もある。
【０１１０】
以上のように、付加雑音電流を介して半導体光増幅素子の入出力特性のヒステリシス形状を精度よく制御している。これにより確率共鳴効果を利用して、入力光の増幅を行なうために最適な半導体光増幅素子のヒステリシス特性を得ることができ、光信号の劣化を補償することができる。
【０１１１】
なお、確率共鳴制御回路及び電流供給部は、半導体光増幅素子や光電変換素子と共に集積してモジュールとして一体化してもよい。この場合、構成がコンパクトになり、半導体光増幅素子駆動回路の取り扱いが簡単になる。
【０１１２】
また、本発明の脈波計測装置は、前記構成に加えて、前記半導体光増幅素子の入出力特性を調整するための光を前記半導体光増幅素子に供給するための光源をさらに備えることが好ましい。
【０１１３】
ここで、光源としては、通常近赤外域のＬＥＤ（light-emitting diode）を使用することが考えられるが、ＬＥＤ以外の光源で構成しても良い。また、ＬＥＤを光源とする場合、光源を取り付ける部位は、例えば人差し指の爪の上などが好適である。
【０１１４】
また、本発明の脈波計測装置は、前記構成に加えて、前記光源は、前記受信信号を受けて、確率共鳴効果が得られるように前記光信号に雑音光が付加された光を前記半導体光増幅素子に供給しても良い。
【０１１５】
前記構成によれば、出力光を検出して受信信号を出力する光電変換素子と、前記受信信号を受けて、前記半導体光増幅素子の光の入出力特性を調整するための制御信号を出力するフィードバック制御回路を備えた脈波計測装置において、前記光源は、前記受信信号を受けて、確率共鳴効果が得られるように前記光信号に雑音光が付加された光を前記半導体光増幅素子に供給するようになっている。
【０１１６】
これにより、入力光の劣化を補償して、光信号のＳ／Ｎ比が向上した出力光が得られる。また、半導体光増幅素子の入力光の強度とヒステリシスの立ち上がり閾値及び立下り閾値との関係を制御しやすくなるという利点がある。
【０１１７】
また、本発明の脈波計測装置は、前記構成に加えて、前記フィードバック制御回路からの制御信号に基づいて、前記半導体光増幅素子の可飽和吸収領域に印加される電圧を制御する電圧制御回路と、前記電圧制御回路からの制御信号に従って前記半導体光増幅素子に電圧を供給する電圧供給部とをさらに備えることが好ましい。
【０１１８】
前記構成によれば、電圧制御回路は、フィードバック制御回路からの制御信号に従って、電圧供給部を制御する。電圧供給部は、電圧制御回路からの制御信号に基づいて、半導体光増幅素子に印加する電圧値を上下させる。本発明の脈波計測装置は、電圧制御回路及び電圧供給部を用いて半導体光増幅素子に与える電圧値を制御することで、半導体光増幅素子の立ち上がり閾値及び／又は立下がり閾値を上下させることができる。
【０１１９】
これにより、半導体光増幅素子に入射する入力光の平均光強度が大きく変化した場合にも対応できる。また、入力光が光信号のボトムに相当する値をとるタイミングにあわせて、逆バイアスを印加してキャリアを引き抜き、半導体光増幅素子の応答速度を向上させることもできる。
【０１２０】
また、本発明の脈波計測装置は、前記構成に加えて、前記受信信号に基づいて、前記光信号の強度と前記雑音光の強度とを確率的に同期させることにより、前記入力光が前記半導体光増幅素子の立上がり閾値及び立下がり閾値を上下して前記出力光の振幅が急激に増大するように電流を前記半導体光増幅素子に供給する電流供給部をさらに備えることが好ましい。
【０１２１】
前記構成によれば、前記脈波計測装置は、光電変換素子からの受信信号の一部を受信電流としてフィードバック制御回路に出力している。また、電流供給部は、前記受信信号に基づいて、前記入力光が前記半導体光増幅素子の立上がり閾値及び立下がり閾値を上下して前記出力光の振幅が急激に増大するように電流を前記半導体光増幅素子に供給する。
【０１２２】
そのため、前記脈波計測装置は、半導体光増幅素子の出力光の状態をモニターしながら、半導体光増幅素子の入出力特性を変化させたり安定化させたりすることができる。これにより、半導体光増幅素子の出力光が確率共鳴効果を得られる最適なヒステリシス形状を有するように出力光を調整しやすくなる。
【０１２３】
前記光電変換素子は、前記半導体光増幅素子と同一基板上に集積化されていることが好ましい。
【０１２４】
前記構成によれば、半導体光増幅素子と光電変換素子とを同一基板上に集積しているので、個別に配置するよりもコストダウンとなり、半導体光増幅素子と光電変換素子との光軸合わせを行なう必要もなくなる。
【発明の効果】
【０１２５】
本発明の半導体光増幅素子は、生体に照射されて反射あるいは透過した近赤外光の光信号を含む入力光を受光する半導体光増幅素子であって、前記入力光を増幅するための領域である光増幅領域、及び光吸収機能を有していると共に、該光吸収機能について飽和状態をとることが可能となっている領域である可飽和吸収領域を含んでおり、前記入力光を受光して該入力光が増幅された出力光を出射する活性層と、第１の極性の電極と、該第１の極性の電極に対向して設けられている第２の極性の電極とを備えており、前記第１の極性の電極及び前記第２の極性の電極の少なくとも一方は、前記光増幅領域と前記可飽和吸収領域とに対して独立に電流を注入できると共に、独立に電圧を印加できるように分割されており、前記活性層は、入力光強度に対する出力光強度の対応関係において、入力光強度が、少なくとも１つ以上の所定の閾値を上回り又は下回る場合に、出力光強度が急激に変化する不連続点が存在する光入出力特性を有しており、前記光信号には、雑音光が付加されており、前記雑音光の強度、前記光増幅領域に注入される注入電流の強度、及び前記可飽和吸収領域に印加される印加電圧の強度は、前記光信号の強度と前記雑音光の強度とを確率的に同期させることにより、前記入力光が前記半導体光増幅素子の立上がり閾値及び立下がり閾値を上下して前記出力光の振幅が急激に増大するように調整されているものである。
【０１２６】
それゆえ、近赤外光の光信号を含む入力光の光強度が、従来の素子では検知が困難なほど微弱であっても、出力光の振幅を増大させて光信号のＳ／Ｎ比を向上して検出することができる半導体光増幅素子及び脈波計測装置を提供できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０１２７】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【０１２８】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１における半導体光増幅素子１の共振器側面の概略的な構成を示した断面図である。
【０１２９】
図１を参照して、実施の形態１の半導体光増幅素子１は、活性層２と、ｎ型ＩｎＰ（インジウムリン）基板９と、ｎ型ＩｎＰクラッド層１４と、ｐ型ＩｎＰクラッド層１３と、ｐ電極（第１の極性の電極）１０〜１２と、ｎ電極（第２の極性の電極）１５とを備える。ｎ型ＩｎＰ基板９の上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層１４が形成されている。ｎ型ＩｎＰクラッド層１４の上に、活性層２が形成されている。
【０１３０】
活性層２は、ＩｎＧａＡｓＰ（インジウムガリウム砒素リン）から構成されている。活性層２は、近赤外光の光信号を含む入力光Ｐｉｎを受光して、入力光Ｐｉｎを増幅し出力光Ｐｏｕｔとして出射する。そして、活性層２は、可飽和吸収領域４と、光増幅領域５，６とを含む。光増幅領域５，６は、半導体光増幅素子１の共振器側面から見て、可飽和吸収領域４の両側にそれぞれ設けられている。光増幅領域５は、入力光Ｐｉｎが入射される入射面７を有する。光増幅領域６は、出力光Ｐｏｕｔが出射される出射面８を有する。可飽和吸収領域４は、光吸収機能を有していると共に、該光吸収機能について飽和状態をとることが可能となっている領域である。また、光増幅領域５，６は、入力光Ｐｉｎを増幅するための領域である。
【０１３１】
活性層２の上に、ｐ型ＩｎＰクラッド層１３が形成されている。ｐ型ＩｎＰクラッド層１３の上に、ｐ電極１０〜１２が設けられている。ｐ電極１０は、可飽和吸収領域４に対して設けられており、ｐ電極１１，１２は、光増幅領域５，６に対してそれぞれ設けられている。ｐ電極１０〜１２からは、注入電流がそれぞれ注入される。ｐ電極１０〜１２に対応して、ｎ型ＩｎＰ基板９の下にｎ電極１５が設けられている。すなわち、ｎ電極１５は、ｐ電極１０〜１２と対向して設けられている。
【０１３２】
光増幅領域５，６には、ｐ電極１１，１２を介して、バイアス電流がそれぞれ注入される。可飽和吸収領域４には、ｐ電極１０を介して、光増幅領域５，６とは独立にバイアス電流が注入される。
【０１３３】
可飽和吸収領域４及び光増幅領域５，６からなる活性層２は、入力光Ｐｉｎに対する出力光Ｐｏｕｔの対応関係において、入力光Ｐｉｎが、少なくとも１つ以上の所定の閾値を上回り又は下回る場合に、出力光Ｐｏｕｔが急激に変化する不連続点が存在する光入出力特性を有している。
【０１３４】
具体的には、可飽和吸収領域４及び光増幅領域５，６は、半導体光増幅素子１が双安定状態となる条件で構成されている。双安定状態とは、半導体光増幅素子１の光の入出力特性にヒステリシスが現れる状態である（図５の（ａ）も参照）。すなわち、双安定状態とは、不連続点が存在する光入出力特性を有している状態である。
【０１３５】
光増幅領域５，６へ直流電流を注入すると、半導体光増幅素子１は双安定状態となって動作する。光の共振器方向における可飽和吸収領域４の長さは、光の共振器方向の長さ全体の約１０％としている。
【０１３６】
実施の形態１の半導体光増幅素子１は、活性層２が可飽和吸収領域４と光増幅領域５，６との３つに分割されているのに合わせて、ｐ電極も３つに分割されている。つまり、半導体光増幅素子１は、可飽和吸収領域４及び光増幅領域５、６にそれぞれ注入される注入電流の制御をより独立に行いやすい構造となっている。
【０１３７】
これにより、可飽和吸収領域４を流れる電流と光増幅領域５、６を流れる電流とが互いに干渉してしまうのを回避することができる。なお、図１ではｐ電極のみが分割されている例を示しているが、これは一例であり、電流を独立に注入するにはｐ電極とｎ電極がともに分割されていてもよい。
【０１３８】
半導体光増幅素子１の活性層２のうち、可飽和吸収領域４の部分にはキャリア寿命を調整するために不純物を添加している。ここでは、不純物としてＳｉ（シリコン）を１×１０１９ｃｍ−３添加している。
【０１３９】
次に、半導体光増幅素子１の動作について説明する。以下では、非周期的でランダムな強度変化を持ち、光信号に対する雑音として活性層に意図的に注入する光（雑音光）を「付加雑音光」と称し、伝送路等に起因する雑音とは区別している。
【０１４０】
図２〜図４は、この発明の実施の形態１における半導体光増幅素子１の活性層２への入力光Ｐｉｎがどのように生成されるかを説明するための図である。
【０１４１】
図２に示す光信号Ｐ０は、生体に照射されて吸収・散乱を受けて劣化した光であり、脈波を反映している。図２は光信号Ｐ０の時間波形を示す波形図である。脈波は心拍に呼応して周期的に繰り返されるため、図２の時間波形のような増減を繰り返すパルス状の信号として観測される。よって図２に示すように光信号Ｐ０は脈波の拍動に従って極大値と極小値が繰り返し現れるが、以下ではこの極大値をピーク、極小値をボトムと呼ぶ。
【０１４２】
図３は、付加雑音光Ｐｎの時間波形を示す波形図である。以下では、付加雑音光Ｐｎの最大値と最小値との差分（差）ΔＰｎを付加雑音光Ｐｎの雑音強度と呼ぶ。付加雑音光Ｐｎは有色雑音の強度変化を示す。周波数帯域を持たない白色雑音に対し、有色雑音は周波数帯域を有する。有色雑音の周波数帯域は、カットオフ周波数によって表わされる。
【０１４３】
図４は、図２の光信号Ｐ０に図３の付加雑音光Ｐｎを付加した入力光Ｐｉｎ＝Ｐ０＋Ｐｎの時間波形を示す波形図である。図３に示す付加雑音光Ｐｎは図２の光信号Ｐ０の波形を大きく崩さない程度の微弱な雑音であるため、図４の入力光Ｐｉｎにおいても元の光信号Ｐ０のピークとボトムが反映されている。こうして生成された入力光Ｐｉｎは、図１の半導体光増幅素子１の活性層２へと注入される。
【０１４４】
図５は、この発明の実施の形態１における半導体光増幅素子１の動作特性を説明するための説明図である。
【０１４５】
図５の（ａ）は図１の半導体光増幅素子１における光の入出力特性を示す波形図であり、図５の（ｂ）は図４で説明した入力光Ｐｉｎの時間波形を示す波形図であり、図５の（ｃ）は図５の（ｂ）の入力光Ｐｉｎを半導体光増幅素子１に注入した結果得られる出力光Ｐｏｕｔの時間波形を示す波形図である。図５の（ａ）において、横軸は入力光Ｐｉｎの光強度、縦軸は入力光Ｐｉｎに応じて得られる出力光Ｐｏｕｔの光強度をそれぞれ表わす。
【０１４６】
図５の（ａ）に示すように、一般に双安定半導体レーザでは、入力光の強度に対する出力の光強度の関係にヒステリシスの特性がみられ、ヒステリシスの範囲内では、ある入力光の強度に対する出力光の強度の安定状態が、ヒステリシス上部Ｂ１とヒステリシス下部Ａ１との２つ存在する、双安定状態となっている。すなわち「双安定状態」とは、例えば、入力光強度に対する出力光強度の対応関係において、入力光強度が、２つの所定の閾値（立上り閾値または立下り閾値）を上回り又は下回る場合に、出力光強度が急激に変化する不連続点が存在する光入出力特性のことである。
どちらの値をとるかはそれまでの入力光の状態によって異なる。
【０１４７】
この双安定状態を生じさせるには、本実施の形態１のように半導体レーザの活性層中に可飽和吸収領域を設けることがひとつの方法である。可飽和吸収領域には光吸収効果があるが、キャリア濃度がある一定の飽和量を超えると光吸収効果が飽和し、光を吸収せず透過させる働きを持つ。また、飽和していてもキャリア濃度がある一定以下になると再び光吸収効果が回復する。飽和量は活性層の組成や不純物の注入量によって好適に決定できるため、半導体プロセスによってもヒステリシスの形状をコントロールできる。
【０１４８】
双安定半導体レーザの光増幅領域にのみ入力光を注入していくと、出力光Ｐｏｕｔの強度はヒステリシス下部Ａ１の曲線に沿って増大していく。このとき、光増幅領域で発生した光を吸収することにより、可飽和吸収領域でのキャリア濃度が増大していく。これに伴い、可飽和吸収領域の光吸収効果は減少していく。
【０１４９】
さらに光増幅領域への入力光Ｐｉｎの強度を増大させていくと、可飽和吸収領域の光吸収効果が飽和するために出力光Ｐｏｕｔの強度が急激に増し、Ａ１で示したヒステリシス下部の状態からＢ１で示したヒステリシス上部へと急激に増大する。このヒステリシス下部Ａ１からヒステリシス上部Ｂ１へ出力光Ｐｏｕｔの状態が移行する光強度を本明細書ではヒステリシスの立ち上がり閾値（所定の閾値）ＰｔｈＯＮと呼ぶ。
【０１５０】
さらに、今度は光増幅領域への入力光Ｐｉｎの強度を減らしていくと、可飽和吸収領域はすぐには光吸収効果を回復できないために出力光Ｐｏｕｔの強度は急激には減らないので、立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮにおいてもヒステリシス下部Ａ１に移行せずに、ヒステリシス上部Ｂ１をたどって緩やかに減少していく。このとき、可飽和吸収領域のキャリア濃度及び出力光Ｐｏｕｔの強度が減少していく。
【０１５１】
さらに光増幅領域への入力光Ｐｉｎの強度を減少させていくと、キャリア濃度及び出力光Ｐｏｕｔの強度の減少によって可飽和吸収領域の光吸収効果が回復し、入力光Ｐｉｎの強度がＰｔｈＯＦＦとなったところで出力光Ｐｏｕｔの強度がヒステリシス下部Ａ１へ急激に減少する。このＰｔｈＯＦＦを本明細書ではヒステリシスの立下り閾値（所定の閾値）と呼ぶ。
【０１５２】
ヒステリシスの立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮ及び立下り閾値ＰｔｈＯＦＦは、図２及び図４においても示されている。
【０１５３】
このように、双安定状態では、立下り閾値が立上がり閾値よりも低い。一方、立下り閾値と立ち上がり閾値が一致する状態（例えば、後述する単安定状態）の場合、出力光Ｐｏｕｔの強度が、出力光強度の高い状態に押しあがっても、出力光強度の低い状態にすぐに落ちてしまう確率が高くなってしまうので、双安定状態の場合よりも、振幅の増大効果が薄れてしまう。すなわち、上述した、双安定状態では、立下り閾値が立上がり閾値よりも低いことにより、振幅をより確実に増大させることが可能となっている。
【０１５４】
図２を参照して、付加雑音光Ｐｎを印加する前の光信号Ｐ０の強度は、最大値がヒステリシスの立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮより小さくなるほど劣化している。そのため、図２の光信号Ｐ０を図１の半導体光増幅素子１の活性層２に注入しただけでは、出力光Ｐｏｕｔの強度は図５の（ａ）の入出力特性曲線上でヒステリシス下部Ａ１に留まり、ヒステリシス上部Ｂ１へと移行することができない。
【０１５５】
図２の光信号Ｐ０に図３の付加雑音光Ｐｎを印加した入力光Ｐｉｎは、図４に示すように、光信号Ｐ０のピーク近傍で光強度がヒステリシスの立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮを越えるので、図５においても光信号Ｐ０のピーク近傍で光強度がヒステリシスの立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮを越える。そして入力光Ｐｉｎは光信号Ｐ０のピークを過ぎると再びＰｔｈＯＮ以下となり、さらに入力光Ｐｉｎが減少するとＰｔｈＯＦＦ以下となって出力光Ｐｏｕｔの強度はヒステリシスの下部へ移行する。
【０１５６】
このように、図５の（ａ）のような入出力特性を有する双安定半導体レーザに対して図５の（ｂ）に示すように閾値ＰｔｈＯＦＦ以下の光強度と発振閾値ＰｔｈＯＮ以上の光強度との間で変動を繰り返す入力光Ｐｉｎを注入すると、入力光Ｐｉｎが立ち上がり／立ち下がり閾値を超えることによって、出力光Ｐｏｕｔの強度がヒステリシスの上下を移行する。これにより、出力光Ｐｏｕｔの光強度が急激に増減する。よって図５の（ｃ）に示すように入力光の振幅に比べて出力光の振幅が増大するので、入力光に含まれる近赤外の光信号Ｐ０の周期を反映した振幅の増幅効果が得られる。これにより、劣化した微弱な光信号の検出、光信号のＳ／Ｎ比の向上などの効果が得られる。
【０１５７】
すなわち、入力光Ｐｉｎのピークが閾値を超える確率に比べて、ピーク以外のバックグラウンド部分は閾値を超える確率が低いので、得られる出力光Ｐｏｕｔは、入力光Ｐｉｎに含まれる光信号Ｐ０のピークを強調したものになる。つまり、光信号Ｐ０の周期を反映するように光出力の振幅が増大するので、入力光Ｐｉｎに対する出力光Ｐｏｕｔにおける光信号のＳ／Ｎ比を向上させることが可能となる。
【０１５８】
このように、受光素子のヒステリシスの閾値を超えられないほど劣化して弱まった信号に雑音を付加すると、双安定半導体レーザからなる受光素子において光信号Ｐ０のピークに応じて入力光Ｐｉｎの強度が入出力特性の閾値を超えることができ、ヒステリシスを上下するので、微弱な信号も検出できる。また入力光に含まれる近赤外の光信号Ｐ０の周期を強調するように強度が増幅された出力光が得られる。雑音を付加することでかえって光信号のＳ／Ｎ比が向上するこうした効果は「確率共鳴」と呼ばれる現象であり、通常の機能素子が検出できないような微弱な信号を検出、増幅することができる。
【０１５９】
その結果、図５の（ｃ）に示すように、脈波が反映されている光信号Ｐ０の周期が強調され振幅が増大した出力光Ｐｏｕｔを得ることができる。
【０１６０】
付加雑音光Ｐｎは、光信号Ｐ０に印加される際、出力光Ｐｏｕｔが伝送路等に起因する雑音の低減効果を得られるような雑音強度とカットオフ周波数とを有するように適度に調整される。
【０１６１】
なぜなら、付加雑音光Ｐｎの雑音強度が小さすぎると、出力光Ｐｏｕｔの強度がヒステリシスの上部へ移行することが出来ず、光信号のＳ／Ｎ比を向上するために必要な大きさの振幅を持つ出力光Ｐｏｕｔを得られないからである。また、付加雑音光Ｐｎの雑音強度が大きすぎると、光信号Ｐ０の波形とは無関係に出力光Ｐｏｕｔの強度がヒステリシスの上部へ移行するため、出力光Ｐｏｕｔの強度変化がランダムになってしまい、光信号のＳ／Ｎ比を向上できないためである。
【０１６２】
また、付加雑音光Ｐｎのカットオフ周波数が高くなると、それとともに雑音強度も大きくなり、ヒステリシス上下の移行に影響を及ぼす。
【０１６３】
図６は、付加雑音光Ｐｎの雑音強度を変化させたときの出力光Ｐｏｕｔの光信号のＳ／Ｎ比を示した図である。
【０１６４】
図６に示すように、光信号のＳ／Ｎ比は、最適な雑音強度Ｄｍにおいて最大となる。実施の形態１では、この最適な雑音強度Ｄｍを有する付加雑音光Ｐｎを光信号Ｐ０に付加している。これにより、適度な付加雑音光Ｐｎが微小な光信号Ｐ０をヒステリシスの上部に押し上げ、振幅が大きく光信号のＳ／Ｎ比が向上した出力光Ｐｏｕｔの発生を可能にしている。実施の形態１では、出力光Ｐｏｕｔの光信号のＳ／Ｎ比が最大である最適な雑音強度Ｄｍを有するように、付加雑音光Ｐｎを調整している。
【０１６５】
このように、付加雑音光Ｐｎは、光信号のＳ／Ｎ比の向上効果を得られるような雑音強度とカットオフ周波数とに適度に調整されて、光信号Ｐ０とともに、図１の半導体光増幅素子１の光増幅領域５，６に注入される。付加雑音光Ｐｎの雑音強度とそのカットオフ周波数とを適度に調節して光信号Ｐ０に付加することにより、入力光Ｐｉｎの値を、光信号Ｐ０の値を中心値としてランダムに変化させている。
【０１６６】
このとき、光信号Ｐ０のピーク及び／またはボトムと、光信号Ｐ０とともに光増幅領域５，６に注入される付加雑音光Ｐｎの強度とを確率的に同期（共鳴）させることで、光信号Ｐ０が脈波を反映したピークまたはボトムとなるタイミングに出力光Ｐｏｕｔの強度がヒステリシスの上下に移行する。これにより、ヒステリシス上下の強度差に応じて出力光の振幅が増大するので、光信号Ｐ０よりも振幅が増大し光信号のＳ／Ｎ比も向上した出力光Ｐｏｕｔを得ることができる。
【０１６７】
付加雑音光Ｐｎの代わりにクロック光または周期信号光を光信号Ｐ０に付加してヒステリシスの上部に移行させようとした場合、位相及び周期が光信号Ｐ０と完全に同一か正確に倍数になっていて両者のピークが同期しなければ、大きな振幅の出力光Ｐｏｕｔは得られない。よって、光信号Ｐ０の時間変動が激しく波形がゆらいでいると、光信号のＳ／Ｎ比の向上効果は低減してしまう。
【０１６８】
これに対し、ランダムな強度変化を持つ付加雑音光Ｐｎは様々な周波数成分を有するので、信号波形のゆらぎにも強くなり、光信号のＳ／Ｎ比の向上効果を維持できる。また、周期信号光を発生させるよりも付加雑音光Ｐｎを発生させるほうが消費電力が少なくてすむ利点がある。
【０１６９】
また、光増幅領域５，６及び可飽和吸収領域４に電流を注入しており、この電流の値を調整して注入することによってもヒステリシスを制御できるので、光信号Ｐ０にゆらぎが生じたときにも出力光Ｐｏｕｔの光信号のＳ／Ｎ比を向上させるようにヒステリシスの形状を好適に調整できる。
【０１７０】
以上のように、光信号Ｐ０には、付加雑音光Ｐｎが付加されており、雑音強度Ｄｍ、光増幅領域５，６に注入される注入電流の強度、及び可飽和吸収領域４に印加される印加電圧の強度は、光信号Ｐ０のピーク及び／またはボトムと付加雑音光Ｐｎの強度とを確率的に同期させることにより、入力光Ｐｉｎが半導体光増幅素子１の立上がり閾値及び立下がり閾値を上下して出力光Ｐｏｕｔの振幅が急激に増大するように調整されている。
【０１７１】
これにより、光信号Ｐ０に基づいた振幅が増大し高い光強度を有する出力光Ｐｏｕｔが得られる。よって実施の形態１の半導体光増幅素子１を用いれば、デバイスの発振閾値以下にまで弱まった劣化した光信号Ｐ０も検出でき、さらに、脈波を反映した振幅が増幅され強調された出力光Ｐｏｕｔを得ることができる。よって、出力光のＰｏｕｔの光信号のＳ／Ｎ比を向上でき、微弱な脈波も検出できる。
【０１７２】
さらに、図１の半導体光増幅素子１は、光増幅領域５，６と可飽和吸収領域４とで独立に電流を注入しているので、電流注入によってヒステリシスを制御できる。これにより、立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮを低くしてより低電流で駆動したり、出力光Ｐｏｕｔの振幅を調整したりできる。
【０１７３】
また、活性層２は、量子井戸構造を有しているので、状態密度関数を制御して光利得をより得ることができ、光強度が小さい入力光からより大きな光出力を得られるというメリットが得られる。なお、図１において、入射面７と出射面８とを別個に作らずとも、光信号のＳ／Ｎ比が向上した出力光Ｐｏｕｔを得ることは可能である。しかしながら、図１のように入射面７と出射面８とを作り分けた方が、入力光Ｐｉｎと出力光Ｐｏｕｔとをそれぞれ制御しやすく、光学系の光軸の調整も容易となるので望ましい。
【０１７４】
また活性層２に注入する電流の少なくともひとつを一定電流に変更してもかまわない。この場合においても、劣化した信号を増幅し、光信号のＳ／Ｎ比が向上された出力光Ｐｏｕｔを得られる。ただし光信号のＳ／Ｎ比向上効果を最大に得られるように調整しにくくなるが、変調回路を減らせるので、構成が簡潔になる。
【０１７５】
また、付加雑音光Ｐｎのカットオフ周波数は最適に調整せずとも、光信号のＳ／Ｎ比の向上効果を得ることは可能である。しかし、カットオフ周波数は雑音強度に影響するので、調整した方がより最適な雑音強度を得やすくなり、光信号のＳ／Ｎ比の向上効果も得られるため望ましい。
【０１７６】
また、図１において、可飽和吸収領域４の光の共振器方向に占める長さは、約１０％でなくとも光信号のＳ／Ｎ比の向上効果を得ることは可能である。
【０１７７】
しかし、可飽和吸収領域４の光の共振器方向に占める長さの割合が小さくなると、それにともなって半導体光増幅素子１の双安定状態が実現しにくくなる。特に、当該割合が１％未満で双安定状態の半導体素子を作製しようとすると、作製工程の手間や拡散材料の選定等が著しく困難となる。したがって、可飽和吸収領域４の光の共振器方向に占める長さの割合は、１％以上であることが望ましい。
【０１７８】
逆に、可飽和吸収領域４の光の共振器方向に占める長さの割合が大きくなると、それにともなって発振閾値も上昇する。特に、当該割合が５０％より大きくなると、消費電力が著しく増大し、その結果、発熱が大きくなる。
【０１７９】
また、可飽和吸収領域４の光の共振器方向に占める長さの割合が大きくなると、ヒステリシスの形状を最適にするために注入電流を増やす必要が生じる。特に、当該割合が５０％より大きくなると、消費電力が著しく増大し、その結果、発熱が大きくなる。さらに、ヒステリシスの形状が最適でない場合には、光信号のＳ／Ｎ比の向上効果が減少し、出力光Ｐｏｕｔの強度の増大も低減する。
【０１８０】
これらの理由により、光の共振器方向における可飽和吸収領域４の長さの割合は、１％以上で、かつ５０％以下であることが望ましい。これにより、双安定状態を満足しやすくなり、かつ発振閾値を低くでき、またヒステリシスの形状も好適に決定できる。また、消費電力も発熱も少なくて済み、光信号のＳ／Ｎ比の向上効果を得やすくなり、さらに素子の作製条件を満たしやすくなるという利点がある。
【０１８１】
また、図６を参照して、付加雑音光Ｐｎの強度は、光信号のＳ／Ｎ比が最大である最適雑音強度Ｄｍとなるように調整されている。しかしながら、付加雑音光Ｐｎの強度はこれに限るものではなく、得られる出力光Ｐｏｕｔが、脈波計測で必要とされる光信号のＳ／Ｎ比の値を満たす範囲の雑音強度であればかまわない。その場合、付加雑音光Ｐｎの最大値と最小値との差が半導体光増幅素子１の入力光Ｐｉｎの振幅の１／１０以下であれば、光信号のＳ／Ｎ比が向上された出力光Ｐｏｕｔが得られる。
【０１８２】
付加雑音光Ｐｎの強度が強すぎると、出力光Ｐｏｕｔの波形が崩れるので雑音の低減は起こらなくなる。少なくとも、付加雑音光Ｐｎの雑音強度ΔＰｎが光信号Ｐ０の振幅より大きい場合、光信号Ｐ０の波形及び周期を再現できなくなるため、光信号Ｐ０の検出ができなくなる。これに対し、付加雑音光Ｐｎの雑音強度が入力光Ｐｉｎの振幅の１／１０以下であれば、さらに出力光Ｐｏｕｔの振幅を大きくでき、光信号のＳ／Ｎ比を向上することができるため、好ましい。
【０１８３】
また、付加雑音光Ｐｎとして有色雑音を用いたが、強度変化が非周期的でランダムであれば、有色雑音でなくとも光信号のＳ／Ｎ比の向上効果を得ることは可能である。しかし、有色雑音を用いた場合、カットオフ周波数によって有色雑音の周波数帯域を調整することができる。そのため、光信号Ｐ０の周波数に合わせて有色雑音の周波数帯域を調整することで、光信号のＳ／Ｎ比の向上効果をより得やすくなるというメリットがある。
【０１８４】
なお、図１ではｐ電極を３つ設ける場合について説明したが、電極の数はこれに限るものではなく、ｐ電極及びｎ電極をそれぞれ２つ以上用いた、双安定状態を有する他の半導体光増幅素子についても、同様に光信号のＳ／Ｎ比の向上効果を得ることが可能である。しかし、図１に示した半導体光増幅素子１のように、光増幅領域を２つ設け、それぞれに対応した電極を作る方が、入力光Ｐｉｎと出力光Ｐｏｕｔとをそれぞれ制御しやすくなるというメリットがある。
【０１８５】
また、図１において、光増幅領域５，６ではなく可飽和吸収領域４に付加雑音光Ｐｎを注入しても、光信号のＳ／Ｎ比が向上した出力光Ｐｏｕｔを得ることができる。この場合、可飽和吸収領域４が飽和しやすくなるので光の注入量の上限が低くなり、付加雑音光Ｐｎの雑音強度を好適に決定しづらくなるものの、可飽和吸収領域４への付加雑音光Ｐｎの注入によってヒステリシス形状を調整しやすくなる。付加雑音光Ｐｎの注入量を変えることによって、半導体光増幅素子１の立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮ及び立ち下がり閾値ＰｔｈＯＦＦを変動させ、ヒステリシス形状を調整することも可能である。したがって、この場合においても付加雑音光Ｐｎの雑音強度及びそのカットオフ周波数を、入力光Ｐｉｎのボトムまたはピークに応じて立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮを上下するように最適に調整することで、大きい振幅を持ち、かつ光信号のＳ／Ｎ比が向上した出力光Ｐｏｕｔが得られる。
【０１８６】
また、付加雑音光Ｐｎは、光信号Ｐ０に付加してから半導体光増幅素子１の光増幅領域５，６に注入せずとも、別々の回路を介して独立に光増幅領域５，６に注入してもよい。その場合、回路が余分に必要になり光軸の調整を要するものの、雑音強度の調整がやりやすくなるという利点がある。
【０１８７】
また、半導体光増幅素子１は、脈波を検出するために適した波長であれば、ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体だけでなくたとえば、ＡｌＧａＡｓ（アルミニウムガリウム砒素）系、ＩｎＰ（インジウムリン）系など、他の材料を用いた半導体レーザであってもよい。
【０１８８】
また、半導体光増幅素子１の活性層２のうち可飽和吸収領域４の部分にはキャリア寿命を調整するために不純物としてＳｉを１×１０１９ｃｍ−３添加しているが、半導体光増幅素子１が双安定状態となる条件を満たすのであれば、この値に限るものではない。
【０１８９】
また、半導体光増幅素子１から出力され出力光Ｐｏｕｔを受光素子で受光してもよい。この場合、受光した出力光Ｐｏｕｔの一部を光電変換素子などで電気信号に変換して利用できるというメリットがある。さらに、半導体光増幅素子１と上記の受光素子とを同一基板上に集積すれば、個別に配置するよりもコストダウンとなり、半導体光増幅素子１と当該受光素子との光軸合わせを行なう必要もなくなる。
【０１９０】
以上のように、実施の形態１によれば、光信号Ｐ０に付加雑音光Ｐｎを印加した入力光Ｐｉｎを双安定状態の半導体光増幅素子１に注入することによって、光信号Ｐ０の周期を反映した状態で振幅が増大するので、振幅が強調された出力光Ｐｏｕｔを、消費電力や回路への負担が少なく、得ることができる。これにより、脈波が反映された光信号のＳ／Ｎ比を向上することが可能となる。
【０１９１】
（実施の形態１の変形例１）
次に、図７を用い、実施の形態１における半導体光増幅素子１の第１の変形例である半導体光増幅素子１Ａについて説明する。図７は、半導体光増幅素子１Ａの共振器側面の概略的な構成を示した断面図である。
【０１９２】
図７に示す半導体光増幅素子１Ａは、付加雑音光Ｐｎとして有色雑音の代わりに白色雑音を用いた以外は、実施の形態１の半導体光増幅素子１と同じである。したがって、図１等と重複する部分の説明はここでは繰り返さない。半導体光増幅素子１Ａにおいても、劣化した信号を検知して増幅し、光信号のＳ／Ｎ比が向上した出力光Ｐｏｕｔを得られる。
【０１９３】
半導体光増幅素子１Ａは、光信号のＳ／Ｎ比効果を最大に得られるように付加雑音光のカットオフ周波数によって調整することができず、確率共鳴現象を起こしにくくなるが、構成が簡潔で実装がコンパクトになるという利点がある。
【０１９４】
（実施の形態１の変形例２）
次に、図８を用い、実施の形態１における半導体光増幅素子１の第２の変形例である半導体光増幅素子１Ｂについて説明する。図８は、半導体光増幅素子１Ｂの共振器側面の概略的な構成を示した断面図である。
【０１９５】
図８に示す半導体光増幅素子１Ｂは、付加雑音光Ｐｎが付加雑音電流Ｉｎに置き換えられた点において、図１の半導体光増幅素子１と異なる。したがって、図１等と重複する部分の説明はここでは繰り返さない。以下では、非周期的でランダムな強度変化を持ち、光信号Ｐ０に対する雑音として半導体光増幅素子１Ｂの活性層２に注入される電流を「付加雑音電流」と称する。
【０１９６】
図９，１０は、半導体光増幅素子１Ｂの活性層２への光信号Ｐ０及びｐ電極１１，１２を通じて付加される付加雑音電流Ｉｎについて説明するための図である。
【０１９７】
図９は、半導体光増幅素子１Ｂに入射される光信号Ｐ０の時間波形を示す波形図である。図９に示す光信号Ｐ０は、図２で説明したものと基本的に同一であり、図５の（ａ）における半導体光増幅素子１の立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮ以下である。
【０１９８】
図１０は、半導体光増幅素子１Ｂに注入される付加雑音電流Ｉｎの時間波形を示す波形図である。付加雑音電流Ｉｎには、有色雑音が用いられている。付加雑音電流Ｉｎは、半導体光増幅素子１Ｂのｐ電極１１，１２を通じて供給される電流とともに活性層２内の光増幅領域５，６へと注入される。付加雑音電流Ｉｎは、出力光Ｐｏｕｔが光信号のＳ／Ｎ比の向上効果を得られるような電流値に適度に調整されている。以下では、付加雑音電流Ｉｎの電流値の最大値と最小値との差分（差）を、付加雑音電流Ｉｎの最大振幅ΔＩｎと呼ぶ。
【０１９９】
光増幅領域に電流を注入せず、可飽和吸収領域４にバイアスを印加しない状態では、光信号Ｐ０の強度は生体への照射による劣化によって図５の（ａ）におけるヒステリシスの立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮを越えられないほど微弱である。そのため、光信号Ｐ０を活性層２に注入しただけでは、出力光Ｐｏｕｔは、図５の（ａ）の入出力特性曲線上でヒステリシス下部に留まり、ヒステリシス上部へと移行することはできない。
【０２００】
そこで、付加雑音電流Ｉｎを半導体光増幅素子１Ａの光増幅領域５，６の活性層２へと注入する。光信号Ｐ０によって半導体光増幅素子１Ａの活性層２に注入された光子には、付加雑音電流Ｉｎの注入により活性層２にキャリアが注入されて発生した光子が付加される。これにより、光増幅領域５，６の光子が増大し、出力光Ｐｏｕｔが立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮｂを越えやすくなる。
【０２０１】
このとき、付加雑音電流Ｉｎの変動に伴ってキャリアの増加量も変動する。そこで、付加雑音電流Ｉｎを、脈波を反映している光信号Ｐ０のピークやボトムに応じて入力光Ｐｉｎが立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮ、立下り閾値ＰｔｈＯＦＦを上下するように最適に調整する。これにより、大きい振幅を持ち、かつ光信号のＳ／Ｎ比が向上した出力光Ｐｏｕｔが得られる。
【０２０２】
上記のように、実施の形態１の変形例２では、付加雑音電流Ｉｎの最大振幅ΔＩｎを、光信号のＳ／Ｎ比の向上効果が最大に得られるよう最適に調整している。よって、半導体光増幅素子１Ａの立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮ以下である微弱な光信号Ｐ０であっても検出して増幅することができる。
【０２０３】
なお、付加雑音電流Ｉｎとして有色雑音を用いたが、強度変化が非周期的でランダムであれば、有色雑音でなくとも光信号のＳ／Ｎ比の向上効果を得ることは可能である。すなわち、付加雑音電流Ｉｎとして白色雑音を用いることも可能である。
【０２０４】
以上のように、実施の形態１の変形例１によれば、付加雑音光Ｐｎの代わりに、付加雑音電流Ｉｎを半導体光増幅素子１Ａの活性層２へと注入することにより、振幅が増大し光信号のＳ／Ｎ比が向上された出力光Ｐｏｕｔを得ることができる。
【０２０５】
なお、実施の形態１の変形例２は、実施の形態１の変形例１及び以下で説明する実施の形態１の変形例３にも適用することが可能である。
【０２０６】
（実施の形態１の変形例３）
次に、図１１を用い、実施の形態１における半導体光増幅素子１の第３の変形例である半導体光増幅素子１Ｃについて説明する。図１１は、半導体光増幅素子１Ｃの側面の概略的な構成を示した断面図である。
【０２０７】
図１１に示す半導体光増幅素子１Ｂは、双安定状態の半導体素子とは入出力特性の異なる非線形の半導体光素子が用いられている点において、図１の半導体光増幅素子１と異なる。したがって、図１等と重複する部分の説明はここでは繰り返さない。半導体光増幅素子１Ｃは、たとえばＩｎＧａＡｓＰ系化合物半導体によって作製されている。
【０２０８】
図１２は、半導体光増幅素子１Ｃの入力光Ｐｉｎ及び出力光Ｐｏｕｔの入出力特性の一例を示した図である。
【０２０９】
図１２に示すように、半導体光増幅素子１Ｃは、不連続性を有する入出力特性を示す。このような、入出力特性が不連続性を示す半導体レーザの例としては、単安定状態の半導体レーザを挙げることができる。単安定状態が、上述のヒステリシスを伴う双安定状態と異なっているのは、入力光の立ち上がり閾値（所定の閾値）と立ち下がり閾値（所定の閾値）とが一致していることである。その結果、単安定状態では、光入出力特性においてヒステリシスを伴わないものとなる。半導体光増幅素子１Ｃの活性層２に電流または光を注入していくと、閾値Ｐｔｈで出力光Ｐｏｕｔの強度が急峻に立上がる。図１２の不連続特性において、立ち上がり閾値を越えない状態の出力光Ｐｏｕｔ及び立ち上がり閾値を越えた状態の出力光Ｐｏｕｔを利用することにより、微弱な光信号Ｐ０を増幅・検出でき、光信号のＳ／Ｎ比の向上効果が得られる。
【０２１０】
なお、上記のような入出力特性の不連続性を有する半導体光増幅素子１Ｃは、たとえば、光増幅領域５，６に対する可飽和吸収領域４の体積比を図１の半導体光増幅素子１よりも小さくするか、一般的な双安定半導体レーザの可飽和吸収領域４に適度な電流を注入することによって得られる。
【０２１１】
以上のように、実施の形態１の変形例３によれば、ヒステリシスを持たず不連続な入出力特性を有する半導体光増幅素子１Ｃにおいて、入出力特性の立ち上がり閾値を越えない状態の出力光Ｐｏｕｔ及び立ち上がり閾値を越えた状態の出力光Ｐｏｕｔを利用することにより、振幅が増大して光信号のＳ／Ｎ比が向上された出力光Ｐｏｕｔを得ることができる。
【０２１２】
変形例３の半導体光増幅素子１Ｃにも、双安定半導体レーザを用いた実施の形態１の半導体光増幅素子１と同様の機能を持たせることができる。変形例２では、ヒステリシスが無いので実施の形態１と比較すると光信号Ｐ０の増幅効果はやや劣るが、入力光Ｐｉｎに対する出力光Ｐｏｕｔにおける光信号のＳ／Ｎ比の向上などの効果が得られる。
【０２１３】
［実施の形態２］
図１３は、この発明の実施の形態２による脈波計測装置２０の概略的な構成を示した図である。
【０２１４】
図１３を参照して、実施の形態２の脈波計測装置２０は、フィードバック制御回路２１と、可変抵抗制御部２２と、可変抵抗２３と、確率共鳴制御回路２４と、電流供給部２５と、電圧制御回路２６と、電圧供給部２７と、光電変換素子２８と、光源５０とを備える。可変抵抗２３は、位相を含めて制御可能な可変インピーダンス素子であってもよい。光電変換素子２８は入射される出力光Ｐｏｕｔを受けて内部で処理し、受信信号Ｓｒ、受信電流Ｉｒ１，Ｉｒ２などを出力する。
【０２１５】
半導体光増幅素子１は、光増幅領域３１，３２と可飽和吸収領域３３とを含む活性層３４と、ｐ電極３５〜３７と、ｎ型ＩｎＰ基板４１と、クラッド層３８，３９と、ｎ電極４０とを含む。活性層３４は、量子井戸構造を有する。
【０２１６】
ｐ電極３５，３６は、それぞれ光増幅領域３１，３２に対応するようにクラッド層３８上に形成されている。ｐ電極３５，３６は、電流供給部２５から出力される付加雑音電流Ｉｎを受ける。ｐ電極３７は、可飽和吸収領域３３に対応するようにクラッド層３８上に形成されている。ｐ電極３７は、可変抵抗２３に接続されており、電圧供給部２７から電圧が印加される。ｎ電極４０は、ｎ型ＩｎＰ基板４１とクラッド層３９の下に設けられている。ｎ電極４０は、電圧供給部２７から電圧が印加されるとともに、接地ノードに接続されている。
【０２１７】
フィードバック制御回路２１は、光電変換素子２８から出力される受信電流（受信信号）Ｉｒ１を受けて、可変抵抗制御部２２に制御信号を出力する。可変抵抗制御部２２は、フィードバック制御回路２１からの制御信号に従って、半導体光増幅素子１のｐ電極３７に接続されている可変抵抗２３の抵抗値を調整する。確率共鳴制御回路２４は、光電変換素子２８から出力される受信電流Ｉｒ２を受けて、電流供給部２５に制御信号を出力する。電流供給部２５は、確率共鳴制御回路２４からの制御信号に従って、雑音を含む電流を半導体光増幅素子１のｐ電極３５，３６に供給する。電圧制御回路２６は、フィードバック制御回路２１からの制御信号に基づいて、電圧供給部２７に制御信号を出力する。電圧供給部２７は、電圧制御回路２６からの制御信号に従って、可変抵抗２３を介してまたは直接に半導体光増幅素子１のｐ電極３７に電圧を印加する。
【０２１８】
次に、脈波計測装置２０の動作及びこれを用いた半導体光増幅素子１の駆動方法について説明する。
【０２１９】
脈波計測装置２０の半導体光増幅素子１は、光増幅領域３１において入力光Ｐｉｎを受け、ｐ電極３５，３６からの制御に応じて、光増幅領域３２から出力光Ｐｏｕｔを出射する。入力光Ｐｉｎは、光源５０から生体に照射された光Ｐｓが生体を透過する過程で散乱・吸収され一般に劣化しているものである。
【０２２０】
光源５０は、たとえば近赤外域のＬＥＤが用いられる。光源を取り付ける部位は、たとえば人差し指の爪の上が用いられる。
【０２２１】
フィードバック制御回路２１は、光電変換素子２８を介して出力光Ｐｏｕｔの状態をモニターしている。フィードバック制御回路２１は、半導体光増幅素子１の入出力特性を調整するための制御信号を、可変抵抗制御部２２及び電圧制御回路２６にそれぞれ出力する。なお、半導体光増幅素子１の入出力特性は、図５の（ａ）に示されている特性と基本的には同じである。
【０２２２】
フィードバック制御回路２１には、可変抵抗２３の抵抗値などの駆動条件に応じた半導体光増幅素子１の入出力特性のデータが予め入力されている。フィードバック制御回路２１は、当該入力データに基づいて、半導体光増幅素子１の入出力特性のヒステリシスが所望の形状となるように、可変抵抗制御部２２での抵抗値を算出する。
【０２２３】
可変抵抗制御部２２は、フィードバック制御回路２１からの制御信号に従って、半導体光増幅素子１の所望の入出力特性が得られるように可変抵抗２３の抵抗値を調整する。半導体光増幅素子１は、可変抵抗２３の抵抗値の増減によって、可飽和吸収領域３３の電流値が増減する。
【０２２４】
これにより、可飽和吸収領域３３内のキャリア量が変化するので、光吸収効果を制御できる。なぜなら、半導体光増幅素子１のヒステリシスの形状は、可飽和吸収領域３３への光注入または電流注入によるキャリア量の変化に影響を受けるからである。可飽和吸収領域３３に電流が注入されるとキャリアの注入により光子が発生する。また光増幅領域３１，３２からの光が可飽和吸収領域３３に注入されると光子が発生する。これらの結果として、可飽和吸収領域３３の光子が増加する。これにより、可飽和吸収領域３３の光吸収効果が減少し、ヒステリシス全体が注入電流値の低い側へ移動する。これを利用して、可飽和吸収領域３３へ注入する光の強度または電流値を変動させることによってヒステリシスの形状も変動させることができる。
【０２２５】
よって、脈波計測装置２０は、可変抵抗２３の値によっても半導体光増幅素子１の入出力特性のヒステリシス形状を制御することができる。
【０２２６】
電圧制御回路２６は、フィードバック制御回路２１からの制御信号に従って、電圧供給部２７を制御する。電圧供給部２７は、電圧制御回路２６からの制御信号に基づいて、半導体光増幅素子１に印加する電圧値を上下させる。脈波計測装置２０は、電圧制御回路２６及び電圧供給部２７を用いて半導体光増幅素子１に与える電圧値を制御することで、半導体光増幅素子１の立ち上がり閾値及び／または立下がり閾値を上下させることができる。これにより、半導体光増幅素子１に入射する入力光Ｐｉｎの平均光強度が大きく変化した場合にも対応できる。また、入力光Ｐｉｎが光信号Ｐ０のボトムに相当する値をとるタイミングにあわせて、逆バイアスを印加してキャリアを引き抜き、半導体光増幅素子１の応答速度を向上させることもできる。
【０２２７】
確率共鳴制御回路２４は、光電変換素子２８を介して出力光Ｐｏｕｔの状態をモニターしている。確率共鳴制御回路２４は、半導体光増幅素子１の入出力特性を調整するための制御信号を電流供給部２５に出力する。
【０２２８】
電流供給部２５は、確率共鳴制御回路２４からの制御信号に従って、雑音を含む電流をｐ電極３５，３６を介して半導体光増幅素子１に注入する。この付加雑音電流Ｉｎは、確率共鳴効果によって振幅が増大し光信号のＳ／Ｎ比が向上した出力光Ｐｏｕｔが得られるように雑音が調整された電流である。
【０２２９】
上記のように、実施の形態２の脈波計測装置２０は、電流制御に加えて、可変抵抗値制御及び電圧制御によって、半導体光増幅素子１のヒステリシス形状を調整している。脈波計測装置２０は確率共鳴効果を得るために、半導体光増幅素子１のヒステリシス形状を調整して入出力特性を最適化する。
【０２３０】
よって、実施の形態２の脈波計測装置２０は、確率共鳴による入力光Ｐｉｎの増幅を行なうのに最適なヒステリシス形状の入出力特性で半導体光増幅素子１を作動させることが可能となる。半導体光増幅素子１によって光強度が増大した出力光Ｐｏｕｔは、光電変換素子２８で検出される。これにより、脈波計測装置２０は、通常の受信器では検出できないような微弱な信号を検出できる受信器として機能する。
【０２３１】
なお、図１３のようなｐ電極３５〜３７及びｎ電極４０の構成は一例であって、光増幅領域３１，３２と可飽和吸収領域３３とに対して独立に電流を注入できるのであれば、ｐ電極３５〜３７及びｎ電極４０はどのように分割されていても構わない。また、ｐ電極３５〜３７からの制御及び入力光Ｐｉｎに応じて出力光Ｐｏｕｔを出射できるのであれば、出力光Ｐｏｕｔが光増幅領域３１または可飽和吸収領域３３から出射されても構わない。
【０２３２】
さらに、可飽和吸収領域３３の体積比が活性層３４全体の５０％以上になると半導体光増幅素子１の消費電力が増大するので、可飽和吸収領域３３の活性層３４に対する体積比は、できれば５０％以下が望ましい。
【０２３３】
また、実施の形態２の脈波計測装置２０では、光増幅領域３１，３２に光または電流を注入しても、半導体光増幅素子１のヒステリシス形状を制御でき、光信号のＳ／Ｎ比の向上効果が得られる。光増幅領域３１，３２に光が注入されると光子の注入によりキャリアが発生する。光増幅領域３１，３２に電流が注入されるとキャリアが発生する。これらの結果、光増幅領域３１，３２のキャリアが増大し、半導体光増幅素子１にバイアスがかかる。さらに、光増幅領域３１，３２へ注入する光の強度または電流値を変動させることでバイアス量が変動する。この場合、制御するパラメータが多くなって処理が複雑になるが、光信号のＳ／Ｎ比を向上させるためにヒステリシスの状態をより好適に決定できるという利点がある。
【０２３４】
また、実施の形態２の脈波計測装置２０では、可飽和吸収領域３３に電圧を印加する代わりに電流を注入しても、半導体光増幅素子１のヒステリシス形状を制御でき、光信号のＳ／Ｎ比の向上効果が得られる。この場合、上述したように逆バイアスをかけてキャリアを引き抜いて応答速度を向上させることはできなくなるが、半導体光増幅素子１の発振閾値を調整しやすくなるという利点がある。
【０２３５】
上記のように、実施の形態２の脈波計測装置２０は、電圧及び電流の制御、及び可飽和吸収領域３３に対して設けられたｐ電極３７に接続されている可変抵抗２３の抵抗値制御によって、半導体光増幅素子１の入出力特性を調整している。
【０２３６】
脈波計測装置２０は、可変抵抗制御部２２、確率共鳴制御回路２４、電圧制御回路２６などからヒステリシスの形状を迅速に精度よく制御することによって、半導体光増幅素子１の動作条件を精密に調整することができる。したがって、脈波計測装置２０は、確率共鳴効果を得るために最適化された半導体光増幅素子１を駆動することができる。
【０２３７】
実施の形態２では、光電変換素子２８からの受信信号Ｓｒの一部を受信電流Ｉｒ１としてフィードバック制御回路２１に出力している。そのため、実施の形態２の脈波計測装置２０は、半導体光増幅素子１の出力光Ｐｏｕｔの状態をモニターしながら、半導体光増幅素子１の入出力特性を変化させたり安定化させたりすることができる。これにより、半導体光増幅素子１の出力光Ｐｏｕｔが確率共鳴効果を得られる最適なヒステリシス形状を有するように出力光Ｐｏｕｔを調整しやすくなる。
【０２３８】
また、脈波計測装置２０において、フィードバック制御回路２１、可変抵抗制御部２２、確率共鳴制御回路２４、電圧制御回路２６などの制御回路（制御部）を、半導体光増幅素子１や光電変換素子２８と共に集積してモジュールとして一体化してもよい。この場合、構成がコンパクトになり、脈波計測装置２０の取り扱いが簡単になる。
【０２３９】
また、脈波計測装置２０において、ヒステリシスの立ち上がり閾値を細かく上下させて低電流で駆動したり、出力光Ｐｏｕｔの振幅をより精密に制御できるように抵抗値、電圧及び雑音電流の強度を調整できるという利点もある。
【０２４０】
また、脈波計測装置２０において、上述のように可飽和吸収領域３３に逆バイアスを印加してキャリアを引き抜くことにより、ヒステリシス形状を制御することも可能である。
【０２４１】
以上のように、実施の形態２によれば、抵抗値、電流、電圧などを介して半導体光増幅素子１の入出力特性のヒステリシス形状を精度よく制御している。これにより確率共鳴効果を利用して、入力光Ｐｉｎの増幅を行なうために最適な半導体光増幅素子１のヒステリシス特性を得ることができ、光信号Ｐ０の劣化を補償することができる。
【０２４２】
（実施の形態２の変形例１）
次に、実施の形態２における脈波計測装置２０の変形例である脈波計測装置２０Ａについて説明する。
【０２４３】
実施の形態２の変形例１の脈波計測装置２０Ａは、半導体光増幅素子１に供給される付加雑音電流Ｉｎを用いず、実施の形態１と同様の付加雑音光Ｐｎを使用する点において、図１３の脈波計測装置２０と異なる。したがって、図１３と重複する部分の説明はここでは繰り返さない。
【０２４４】
脈波計測装置２０Ａにおいても、出力光Ｐｏｕｔを増大させることで入力光Ｐｉｎの劣化を補償して、光信号のＳ／Ｎ比が向上した出力光Ｐｏｕｔが得られる。この場合、確率共鳴制御回路２４からの制御電流によって雑音光を発生させる光源が必要になるが、半導体光増幅素子１の入力光Ｐｉｎの強度とヒステリシスの閾値との関係を制御しやすくなるという利点がある。
【０２４５】
なお、本発明の半導体光増幅素子は、半導体光増幅素子１または半導体光増幅素子１Ｃのように、単安定状態及び双安定状態のいずれかであることが好ましい。しかしながら、３以上の所定の閾値において、不連続点が存在するような系を活性層として採用した半導体光増幅素子であっても、本発明の、出力光Ｐｏｕｔの振幅を増大し、光信号のＳ／Ｎ比を向上させる効果を得ることができるものであれば、本発明の適用範囲に含まれる。
【０２４６】
また、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【０２４７】
さらに、今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０２４８】
本発明は、近赤外光を用いた観測などに使用される半導体光増幅素子及びその半導体光増幅素子を備えた脈波計測装置に適用できる。具体的には、例えば、血圧計、酸素飽和度検査装置、及び動脈硬化診断装置など、広範な診断対象・用途・使用場所における診断装置、検査装置、及び測定装置などに広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０２４９】
【図１】本発明の一実施形態である半導体光増幅素子１の共振器側面の概略的な構成を示した断面図である。
【図２】脈波を反映している劣化した光信号Ｐ０の時間波形を示した波形図である。
【図３】光信号Ｐ０に付加される付加雑音光Ｐｎの時間波形を示した波形図である。
【図４】図２の光信号Ｐ０に図３の付加雑音光Ｐｎを付加した入力光Ｐｉｎの時間波形を示した波形図である。
【図５】本発明の実施の形態１の半導体光増幅素子１の動作特性を説明するための図である。
【図６】付加雑音光Ｐｎの雑音強度を変化させたときの出力光Ｐｏｕｔの光信号のＳ／Ｎ比（ＳＮＲ）を示した図である。
【図７】本発明の他の実施形態である半導体光増幅素子１Ａの共振器側面の概略的な構成を示した断面図である。
【図８】本発明のさらに他の実施形態である半導体光増幅素子１Ｂの共振器側面の概略的な構成を示した断面図である。
【図９】前記半導体光増幅素子１Ｂに入射される光信号Ｐ０の時間波形を示した波形図である。
【図１０】前記半導体光増幅素子１Ｂに注入される付加雑音電流Ｉｎの時間波形を示した波形図である。
【図１１】本発明のさらに他の実施形態である半導体光増幅素子１Ｃの共振器側面の概略的な構成を示した断面図である。
【図１２】前記半導体光増幅素子１Ｃの入力光Ｐｉｎと出力光Ｐｏｕｔとの入出力特性の一例を示した図である。
【図１３】本発明のさらに他の実施形態である脈波計測装置２０の概略的な構成を示した図である。
【符号の説明】
【０２５０】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ  半導体光増幅素子
２，３４  活性層
４，３３  可飽和吸収領域
５，６，３１，３２  光増幅領域
７  入射面
８  出射面
９，４１  ｎ型ＩｎＰ基板
１０〜１２，３５〜３７  ｐ電極（第１の極性の電極）
１３  ｐ型ＩｎＰクラッド層
１４  ｎ型ＩｎＰクラッド層
１５，４０  ｎ電極（第２の極性の電極）
２０，２０Ａ  脈波計測装置
２１  フィードバック制御回路
２２  可変抵抗制御部
２３  可変抵抗
２４  確率共鳴制御回路
２５  電流供給部
２６  電圧制御回路
２７  電圧供給部
２８  光電変換素子
３８，３９  クラッド層
【図１】
2009049280.tif 000003
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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