JP4228774B2

JP4228774B2 - Optical measuring device

Info

Publication number: JP4228774B2
Application number: JP2003138846A
Authority: JP
Inventors: 賢児折田; 信一瀧川
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2009-02-25
Anticipated expiration: 2023-05-16
Also published as: JP2004340797A

Description

【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√（n₁ ²sin²θ−n₂ ²） .........（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., "Si_1-xGe_x/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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical evaluation apparatus that evaluates optical characteristics of an object using evanescent light.
[0002]
[Prior art]
An evaluation method for measuring optical characteristics of an object and analyzing composition information (quantity, quality, etc.) in the object is widely used by taking advantage of the characteristics of non-destructive inspection. Among them, it is known that the near / mid-infrared wavelengths of wavelengths of 0.8 to 20 μm include a large number of unique absorption wavelengths related to chemical bonds constituting various organic substances (biological substances and the like). Therefore, when light of this wavelength band is transmitted through a certain substance, the type and amount of the substance can be measured by measuring the absorption spectrum.
[0003]
In particular, the ATR method (Attenuated Total Reflection), which uses evanescent light generated by reflection at the interface of optical crystals such as ZnSe and Ge through a material and uses its attenuation spectrum as a detection means, absorbs light in the material. It is suitable for measuring with high sensitivity. This is because the interaction between the evanescent wave and the measurement substance is sensitive to the optical properties of the measurement substance. Specifically, it is used in combination with a Fourier transform infrared spectrophotometer.
[0004]
An example of a conventional mid-infrared light emitting / receiving device is shown in FIG. The device under test 1008 is, for example, a living body, and the optical crystal 1003 also serves as a measurement head. The drive circuit 1004 is activated, and the mid-infrared light 1006 is emitted from the light source 1001. The mid-infrared light 1006 enters the optical crystal 1003, is repeatedly reflected, and is emitted to the light receiving element 1002. In this reflection portion, evanescent light 1009 is generated outside the optical crystal (see Patent Document 1).
[0005]
An object to be measured 1008 is in contact with the measurement surface of the optical crystal 1003. The evanescent light 1009 oozes out into the object to be measured 1008 and light absorption occurs in the object to be measured 1008. As a result, information (light absorption) of the object to be measured is superimposed. The mid-infrared light enters the light receiving element 1002, generates a photocurrent, and is amplified by the signal processing circuit 1005.
[0006]
On the other hand, when evanescent light penetrates into the sample, the intensity y at the distance x from the surface is
y = Aexp (-x / D) ......... (Formula 1)
Given in. Here, A is the intensity of evanescent light on the measurement surface (optical element surface), and D is
D = λ / 2π√ (n ₁ ² sin ² θ−n ₂ ² ) (Equation 2)
Given in. Here, λ is the measurement wavelength, n1 and n2 are the refractive indices of the optical element and the object to be measured, respectively, and θ is the incident angle (this formula is valid only above the critical angle).
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-57-66741
[Problems to be solved by the invention]
In order to obtain more biological information, it is desirable that A in (Expression 1) is larger, but evanescent light is inherently weak light. It can also be seen from the above equation that the intensity decreases rapidly as the strength leaves the surface. As described above, in the measurement using the evanescent wave, sufficient information cannot be obtained from the living body (light absorption at a specific wavelength by the biological component), and it has been difficult to improve the measurement accuracy.
[0009]
In the configuration as described above, the measurement light comes into contact with the atmosphere. As a result, an absorption change due to fluctuations of carbon dioxide in the atmosphere is superimposed on the measurement light, and it is difficult to obtain good signal-to-noise characteristics. In addition, the manufacture of the apparatus requires assembly of each optical component with high accuracy such as optical axis alignment, and the problem is that the mass productivity is low.
[0010]
In addition, there has been no semiconductor light emitting device capable of emitting light in this wavelength band at room temperature. Conventional semiconductor lasers use conduction band / valence band interband transitions, so Auger non-radiative recombination and heterointerface overflow are problematic, making room temperature oscillation in the mid-infrared difficult. For this reason, it was necessary to use a large-scale solid-state light source (such as a CO ₂ laser) or perform spectroscopy of a low-efficiency halogen bulb. Therefore, there is a problem that the apparatus is large, consumes a large amount of power, and is expensive to manufacture. If it is possible to reduce the size, power consumption, and price, it can be widely used for consumer use, such as environmental analyzers, water quality analyzers, non-invasive living body sensors, recycling sorting devices for recycling, and vegetable freshness sensors.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, an optical measuring device according to claim 1 of the present invention is an optical element for generating evanescent light of an optical measuring device using evanescent light, wherein the measuring surface of the optical element has at least two types of photo It is composed of a nick crystal. According to this configuration, since the control of the light distribution is improved, the measurement light can be localized near the surface in contact with the object to be measured. For the localization of the light, for example, total reflection at the interface between the photonic crystal including the surface in contact with the object to be measured and the photonic crystal not in contact with the non-measurement object can be used. Such localization near the measurement surface enhances the generation of evanescent light that interacts with the substance to be measured. As a result, it is possible to achieve a higher sensitivity and higher accuracy measurement.
[0012]
The photonic crystal described above is a material in which a high refractive index material and a low refractive index material are periodically formed on the order of wavelengths. In a normal crystal (a structure having no periodic refractive index change), there is a proportional relationship between the light frequency ω and the wave vector k. However, in the photonic crystal, this proportional relationship is broken, and the dispersion curve of ω-k forms a complex band structure instead of a straight line (just as electrons in a semiconductor having a periodic potential have a band structure). As a result, special light properties such as a decrease in group velocity (dω / dk) are exposed.
[0018]
Next, the optical measuring device according to claim 2 is the optical measuring device according to claim 1, wherein the package including the optical element includes a semiconductor substrate in which the light emitting element and the light receiving element are formed by monolithic integration or hybrid integration. It is characterized by being. Thereby, the whole apparatus can be reduced in size and weight.
[0019]
Next, an optical measuring apparatus according to a third aspect is the optical measuring apparatus according to the second aspect , wherein the material of the semiconductor substrate is silicon. Since a silicon substrate is easy to integrate elements and a large-diameter wafer is inexpensive, the manufacturing cost can be reduced.
[0020]
Next, the optical measuring device according to claim 4 is the optical measuring device according to claim 1 or 2, wherein the wavelength used for the measurement is a near / mid-infrared wavelength of 0.8 to 20 μm. .
[0021]
The optical measuring device according to claim 5 is the optical measuring device according to claim 4 , wherein the light emitting element causes an energy transition of electrons or holes between specific energy levels formed in the potential well. It is characterized by emitting photons.
[0022]
Such devices include quantum cascade type semiconductor lasers recently developed (for example, 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)). Whereas conventional semiconductor lasers use conduction band / valence band interband transitions, this quantum cascade laser emits light in the intersubband transition of the conduction band formed in the quantum well. Therefore, the quantum cascade laser can easily achieve room temperature oscillation with little Auger non-radiative recombination and heterointerface overflow even in the mid-infrared region. In addition, since the quantum cascade laser oscillates using the intersubband transition in the quantum well, the oscillation wavelength has a good unity.
[0023]
By using such a quantum cascade laser as a mid-infrared light source, a light emitting element can be integrated on a semiconductor substrate. In addition, the optical characteristics of the photonic crystal placed in the optical element are determined by the optical band structure as described above, and thus have a large wavelength dependency. If the unity of the wavelength of the light source is low, the accuracy of the measurement is reduced. However, by using a quantum cascade laser with good wavelength unity, high-accuracy measurement can be realized even using the above-described optical element having a photonic crystal.
[0024]
Next, an optical measurement apparatus according to a sixth aspect is the optical measurement apparatus according to the fourth aspect , wherein inter-subband photon absorption of a quantum well is used as the light receiving element.
[0025]
Moreover, it is desirable to use an element using intersubband photon absorption of a quantum well as the light receiving element. Since it is not interband photon absorption, such as HgCdTe, which is often used for receiving mid-infrared light, the degree of freedom in material selection is increased, and the integration of the light receiving element on the semiconductor substrate is facilitated.
[0026]
Next, an optical measurement apparatus according to a seventh aspect is the optical measurement apparatus according to the sixth aspect , wherein the quantum well is formed of silicon and silicon germanium.
[0027]
In this case, the light receiving elements can be monolithically integrated on the silicon semiconductor substrate, and the assembly process can be reduced and the mass production can be achieved.
[0028]
The integration as described above prevents the measurement light from coming into contact with the atmosphere. Therefore, a good signal-to-noise characteristic can be obtained without an absorption change due to fluctuations of carbon dioxide in the atmosphere being superimposed on the measurement light. Further, the position of each optical component can be determined with mechanical accuracy by integration, and the optical adjustment process is simplified. As a result, mass productivity is improved and a measuring device can be manufactured at low cost.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described more specifically using embodiments.
[0030]
(First embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram of an optical measurement apparatus according to the first embodiment. The light source 101 is a CO ₂ laser. The drive circuit 104 is operated, and the mid-infrared light 106 having a wavelength of 9.6 μm is emitted from the light source 101. The mid-infrared light 106 is incident on a ZnSe optical element 103 having a photonic crystal layer 107 on the measurement surface, is repeatedly reflected, and is emitted to the light receiving element 102. The DUT 108 is, for example, a living body, and the optical head 103 serves as the measurement head. In the above-described reflection portion, evanescent light 109 is generated outside the optical element 103. An object to be measured 108 is in contact with the surface of the photonic crystal layer 107. The evanescent light 109 oozes out into the object to be measured 108 and light absorption occurs at a wavelength unique to the object to be measured 108. As a result, information (light absorption) of the DUT 108 is superimposed on the mid-infrared light 106. The mid-infrared light 106 enters the light receiving element 102, generates a photocurrent, and is amplified by the signal processing circuit 105.
[0031]
As shown in FIG. 2, in the first embodiment, the photonic crystal layer 107 is a multilayer film. Here, a stacked film of three layers of Ge and ZnSe is used. Since Ge and ZnSe are about 4.0 and about 2.4, respectively, for light of about 9 μm, the Ge layer 111 becomes a high refractive index layer and the ZnSe layer 112 becomes a low refractive index layer. As is well known, Ge and ZnSe are transparent to light in the vicinity of 9 μm and do not adversely affect the measurement. The photonic crystal layer 107 that is the multilayer film was formed on ZnSe by PLD (pulse laser deposition method).
[0032]
The thicknesses of the Ge layer 111 and the ZnSe layer 112 were optical length / 4, which were 0.56 μm and 0.93 μm, respectively. In this configuration, the group velocity of the mid-infrared light 106 decreases due to the photonic band structure. That is, the mid-infrared light 106 incident on the photonic crystal layer 107 undergoes multiple reflections due to Bragg reflection of the multilayer film. As a result, since the effective propagation speed of light energy is slowed down, the time for interacting with the object to be measured becomes longer, and more information on the object to be measured (absorption by the object to be measured) can be obtained. As described above, by forming photonic crystals having different periods on the surface of the optical element, high-accuracy measurement is possible.
[0033]
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. The basic configuration of the entire apparatus is the same as that of the first embodiment, but the refractive index periodic structure is not only in the stacking direction but also in the plane in the photonic crystal layer 207 installed in the optical element 203 as shown in FIG. Is also formed in two dimensions. This in-plane period (period parallel to the measurement surface) was set to 0.75 μm which is an optical length / 4 in consideration of the effective refractive index of the multilayer film which is the Ge layer 211 / ZnSe layer 212. Thus, by forming a refractive index change periodically not only in the stacking direction but also in the plane, the group velocity of the measurement light in the photonic crystal layer 207 decreases not only in the stacking direction but also in the in-plane direction. Arise. For this reason, it is possible to perform measurement with higher accuracy than in the first embodiment.
[0034]
A method for manufacturing an optical element in the second embodiment will be described. As shown in FIG. 4A, Ge thin films 211 and ZnSe thin films 212 are alternately formed on the ZnSe optical element 203 using PLD.
[0035]
Next, as shown in FIG. 4B, periodic recesses 215 with a period of 0.75 μm and 0.45 μm square were formed by using photolithography and dry etching. Although not shown in FIG. 4B, the photoresist is still formed on the surface other than the hole. Next, the hole is filled with Ge using PLD to form a buried portion 216. At this time, Ge is vapor-deposited on the photoresist at portions other than the holes, so that unnecessary Ge can be easily removed by lift-off. After removing Ge, CMP (Chemical Mechanical Polishing) is performed to flatten the surface (FIG. 5C). Thus, the first photonic crystal layer 207 is formed. Finally, the entrance surface 221 and the exit surface 222 are formed by polishing, and the optical element 203 is completed (FIG. 5D).
[0036]
In the photonic band structure formed by the photonic crystal layer 207, when the measurement light is set at a frequency near the minimum point or near the maximum point (dω / dk to 0) of the dispersion curve, the group velocity further decreases, As a result, information on the object to be measured can be obtained, and the measurement accuracy is remarkably improved.
[0037]
(Third embodiment)
A third embodiment will be described. Although the basic configuration is the same as that of the second embodiment, as shown in FIG. 5, the film thickness of the Ge layer 311 inside the photonic crystal layer 307 installed in the optical element 303 is 0.56, which is optical length / 4. The thickness of the outermost Ge layer 311a in the photonic crystal layer 307 is characterized by an optical length / 2 of 1.12 μm with respect to μm. Thus, by changing the period only on the outermost surface of the photonic crystal, light can be localized on the outermost surface. This is because the light reflected from the measurement surface and traveling from the outermost surface layer to the inner photonic crystal causes total reflection at the boundary, so that the light is strongly confined on the outermost surface. This phenomenon is similar to the phenomenon that a surface level is generated due to a difference in period on the surface in the energy band structure of electrons, and electrons are trapped in the surface level.
[0038]
Changing only the period of the outermost Ge layer 311a can be easily realized by controlling the deposited film thickness in the multilayer film deposition process. That is, it can be said that it is an optical element with good mass productivity by a simple process.
[0039]
As described above, the evanescent light can be efficiently generated by localizing the light in the vicinity of the measurement surface. As a result, it is possible to obtain more information on the object to be measured (absorption by the object to be measured) in combination with the decrease in the group velocity, and it is possible to measure with higher accuracy.
[0040]
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment will be described. Although the basic configuration is the same as that of the second embodiment, two types of first photonic crystal layer 407 and second photonic crystal layer 408 are provided on the measurement surface side of the optical element 403 as shown in FIG. Has been. The internal first photonic crystal layer 407 is a multilayer film (two layers each) of 0.56 μm and 0.93 μm in which the film thickness of each of the Ge layer 411 and the ZnSe layer 412 is optical length / 4, and the second embodiment Similar to the configuration, the structure 416 is periodically embedded with 0.45 μm square with a period of 0.75 μm. On the other hand, the second photonic crystal layer 408 close to the measurement surface is formed into a multilayer film (two layers each) having a film thickness of 1.12 μm and 0.93 μm, each having an optical length / 2 of the Ge layer 421 and the ZnSe layer 422. This is a structure 416 periodically embedded with 0.45 μm square of 0.75 μm.
[0041]
In this configuration, as in the third embodiment, light is strongly localized inside the second photonic crystal 408 near the surface by total reflection at the interface between the first photonic crystal 407 and the second photonic crystal 408. Can be made. In addition, the group velocity can be reduced by the dispersion characteristics in the second photonic crystal 408. As a result, information on the object to be measured (absorption by the object to be measured) can be obtained effectively, and more accurate measurement is possible.
[0042]
(Fifth embodiment)
A fifth embodiment of the present invention is shown in FIG. A silicon substrate 504 on which a light emitting element 501, a light receiving element 502, and an integrated circuit (LSI) 503 are integrated is mounted in a package 505.
[0043]
The light emitting element 501 is an InGaAs / InAlAs quantum cascade laser and emits laser light having a wavelength of 9.6 μm. The threshold current of this semiconductor laser is about 100 mA, and the slope efficiency is 0.6 W / A. The drive current is supplied from the integrated circuit 503.
[0044]
By using a quantum cascade laser instead of a solid-state light source such as a CO ₂ laser or a low-efficiency halogen light bulb as a mid-infrared light source, the light receiving / emitting mechanism can be integrated on the silicon substrate 504 and the package can be downsized.
[0045]
The epitaxial growth surface of the semiconductor laser 501 is fused to the silicon substrate 504 using Au—Sn metal. By etching the silicon substrate 504, a concave semiconductor laser mounting portion is formed. By setting the plane orientation of this silicon substrate 504 to 9.7 degrees off in the <110> direction (100), a rising mirror 520 for bending the light of the semiconductor laser 501 in the direction perpendicular to the substrate surface is formed on the laser emission side. (For example, see Optronics "Optical Technology Precision Machining Technology" Part 2, Chapter 3, Section 2).
[0046]
It can be said that it is more preferable to provide a reflective film such as Ag or Al on the surface of the rising mirror 520 in order to increase the reflectance at a wavelength of 9.6 μm.
[0047]
The light receiving element 502 is a mid-infrared light receiving element composed of a SiGe / Si quantum well (50 layers) formed on a silicon substrate 504. Between the valence band subbands formed in the SiGe quantum well, the mid-infrared light is detected by the holes absorbing the mid-infrared light and performing the sub-band transition (for details, see RPG Karunanasiri et al. , "Si _1-x Ge _x / Si multiple quantum well infrared detector", Appl. Phys. Lett. 59 (20) p. 2588 (1991)). By using SiGe instead of HgCdTe, which is often used for receiving mid-infrared light, integration on a silicon substrate becomes possible. Compared to HgCdTe, Si and Ge are abundant resources, so low-cost manufacturing is easy.
[0048]
An electric signal converted from light in the signal light receiving element 502 is sent to the integrated circuit 503. The integrated circuit 503 includes a silicon bipolar circuit that drives the semiconductor laser 501 in a pulsed manner and a CMOS amplifier circuit that processes the signal from the signal light receiving element 502. A ground electrode pad 510, a power electrode pad 511, a laser drive value setting electrode pad 516, and a signal extraction electrode pad 517 are formed for connection to the outside. The integrated circuit 503 operates with a power supply + 10V.
[0049]
The package 505 is formed of an epoxy resin. The package 505 has a ground lead electrode 506, a power supply lead electrode 507, a laser drive value setting lead electrode 512, a signal extraction lead electrode 513, and a heat radiating metal 518. The lead electrodes 516, 517, 512, and 513 are mainly made of copper, and the surfaces thereof are plated with Ni and Au. The heat radiating metal 518 uses oxygen-free copper. The substrate 504 is bonded to the heat radiating metal 518 using a conductive adhesive 519. The electrode pads 510, 511, 516, and 517 are connected to the lead electrodes 506, 507, 512, and 513 by gold wires 508, 509, 514, and 515, respectively.
[0050]
An upper portion of the package 505 is opened, and a ZeSe optical element 521 is attached to the opening. A first photonic crystal layer 522 and a second photonic crystal layer 523 are formed on the surface of the optical element 521. These have the same structure as the fourth embodiment, and have the effect of localizing light on the measurement surface and enhancing the measurement sensitivity.
[0051]
With the above configuration, the size of the light receiving / emitting device is 5 mm wide, 10 mm long, and 4 mm thick (excluding the lead electrode), thereby realizing an extremely compact mid-infrared light emitting / receiving device.
[0052]
As an operation method, first, a voltage of 10 V is applied to the lead electrode 507 to drive the integrated circuit. Next, a pulse current of 200 mA (pulse width 1 μsec, duty 10%) flows through the semiconductor laser 501 by applying 5 V or more to the lead electrode 512. As a result, about 60 mW of mid-infrared light 531 is emitted, and evanescent light 532 is generated on the surface of the optical element. By making such a short pulse, the thermal influence on the object to be measured is reduced. The mid-infrared light 531 absorbed by the object to be measured generates a photocurrent by the light receiving element 502 and is converted into a full-scale voltage signal of 10V by the integrated circuit 503.
[0053]
When actually measured, the noise was 1mV or less and the dynamic range was 80dB or more, and sufficient S / N characteristics were obtained. The reason why such a high characteristic can be obtained is that the light receiving element and the integrated circuit are extremely close to each other, and not only there is little electrical noise but also noise due to absorption of carbon dioxide in the atmosphere is reduced.
[0054]
【The invention's effect】
As described above, if the present invention is used, a highly accurate optical measuring device using evanescent light can be manufactured at high productivity and at a low price, which is industrially useful.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an optical measuring device using evanescent light in the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing an optical element in the first embodiment of the present invention. The figure which shows the optical element in 2nd Embodiment of this invention FIG. 4 The figure which shows the manufacturing process of the optical element in 2nd Embodiment of this invention [FIG. 5] The optical in 2nd Embodiment of this invention FIG. 6 is a diagram showing an optical element manufacturing process. FIG. 6 is a diagram showing an optical element in a third embodiment of the present invention. FIG. 7 is a diagram showing an optical element in a fourth embodiment of the present invention. FIG. 9 is a diagram showing an optical measuring device according to a fifth embodiment of the invention. FIG. 9 is a diagram showing an example of a conventional optical measuring device using evanescent light.
101, 1001 Light source 102, 1002 Light receiving element 103, 203, 303, 403, 1003 Optical element 104, 1004 Drive circuit 105, 1005 Signal processing circuit 106, 1006 Mid-infrared light 107, 207, 307 Photonic crystal layer 108, 1008 DUT 109, 1009 Evanescent light 111, 211, 311 Ge layer 112, 212 ZnSe layer 215 Recessed portion 216 Buried portion 221 Incident surface 222 Emitted surface 311a Outermost surface Ge layer 407 First photonic crystal layer 408 Second photonic crystal 411 Ge layer 412 of the first photonic crystal ZnSe layer 416 of the first photonic crystal Buried portion 421 Ge layer 422 of the second photonic crystal ZnSe layer 501 of the second photonic crystal Quantum cascade laser 502 Light receiving element 503 Integrated circuit 504 Silicon Substrate 5 5 Package 506 Ground lead electrode 507 Power supply lead electrode 508, 509, 514, 515 Gold wire 510, 511, 516, 517 Electrode pad 512 Laser drive value setting lead electrode 513 Signal extraction lead electrode 518 Heat radiation metal 521 Optical Element 522 First photonic crystal 523 Second photonic crystal 531 Mid-infrared light 532 Evanescent light

Claims

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。 In the optical element for generating evanescent light of an optical measuring apparatus using evanescent light, the optical measuring apparatus is characterized in that the measurement surface of the optical element is composed of at least two types of photonic crystals.

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。 2. The optical measuring apparatus according to claim 1, wherein the package including the optical element includes a semiconductor substrate in which the light emitting element and the light receiving element are formed by monolithic integration or hybrid integration.

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。 The optical measurement apparatus according to claim 2, wherein a material of the semiconductor substrate is silicon.

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。3. The optical measuring apparatus according to claim 2, wherein the wavelength used for the measurement is a near / mid-infrared wavelength of 0.8 to 20 [mu] m.

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。 The optical measurement apparatus according to claim 4, wherein the light emitting element emits a photon by an energy transition of electrons or holes between specific energy levels formed in the potential well.

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。 The optical measurement apparatus according to claim 4, wherein inter-subband photon absorption of a quantum well is used as the light receiving element.

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。 The optical measurement apparatus according to claim 6, wherein the quantum well is formed of silicon and silicon germanium.