[go: up one dir, main page]

JP2004340797A - Optical measuring device - Google Patents

Optical measuring device Download PDF

Info

Publication number
JP2004340797A
JP2004340797A JP2003138846A JP2003138846A JP2004340797A JP 2004340797 A JP2004340797 A JP 2004340797A JP 2003138846 A JP2003138846 A JP 2003138846A JP 2003138846 A JP2003138846 A JP 2003138846A JP 2004340797 A JP2004340797 A JP 2004340797A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
optical
light
measurement
photonic crystal
measuring device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2003138846A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP4228774B2 (en
Inventor
Kenji Orita
賢児 折田
Shinichi Takigawa
信一 瀧川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP2003138846A priority Critical patent/JP4228774B2/en
Publication of JP2004340797A publication Critical patent/JP2004340797A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4228774B2 publication Critical patent/JP4228774B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

【課題】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提供する。
【解決手段】エバネッセント光109を発生させる光学素子103の被測定物108に接する測定面にフォトニック結晶107を設置する。フォトニック結晶107が形成する光バンド構造により、定面近くにおいて測定光106の群速度が測低下する。その結果、エバネッセント光109と被測定物108が相互作用する時間が長くなり、本来微弱であるエバネッセント光109であっても被測定物の物質情報を示す信号をより多く検出することができる。
【選択図】 図1
A highly accurate optical measuring device using evanescent light is provided.
A photonic crystal is provided on a measurement surface of an optical element for generating evanescent light, which is in contact with an object to be measured. Due to the optical band structure formed by the photonic crystal 107, the group velocity of the measurement light 106 near the fixed surface is measured and reduced. As a result, the time during which the evanescent light 109 and the device under test 108 interact with each other becomes longer, and even the evanescent light 109 which is originally weak can detect more signals indicating substance information of the device under test.
[Selection diagram] Fig. 1

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√(n sinθ−n ) .........(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(CO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が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ものである。本構成によれば、フォトニック結晶などの周期的に屈折率変化を有する構造による多重反射により光エネルギーの実質的な伝搬速度である群速度が低下するため、測定光と被測定物質の相互作用時間が延びるので、より多くの情報を物質より得ることができる。そのため、高感度で高精度の測定が可能となる。
【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。
【0013】
次に、本発明の請求項2記載の光学測定装置は、第1項記載の光学測定装置において、測定に用いる光の波長が、前記フォトニック結晶により形成される光バンド構造の分散曲線の極大点もしくは極小点の付近にあることを特徴としたものである。
【0014】
この構成によれば、測定光の群速度をほとんど零とすることができるので、さらに測定精度を向上させることができる。
【0015】
次に、本発明の請求項3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ことを特徴としたものである。
【0016】
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。
【0017】
次に、請求項4記載の光学測定装置は、前記光学素子に被測定物に接する面を含む第1のフォトニック結晶と前記非測定物に接しない第2のフォトニック結晶が設置され、前記第1のフォトニック結晶の前記測定面に垂直な方向の周期は1周期分であり、前記第1のフォトニック結晶の前記測定面に垂直な方向の周期は前記第2の周期体の前記測定面に垂直な方向の周期と異なることを特徴としたものである。すなわち、1種類のフォトニック結晶の周期を前記被測定物に接する面近くの1周期を変更するだけで、実質的に前述の2種類のフォトニック結晶を形成することができ、上述のように測定面近傍への光局在が実現する。この構造は、例えば多層膜において膜厚を変更することなどで簡便に作製できるため、高精度の測定装置を量産性よく生産できる。
【0018】
次に、請求項5記載の光学測定装置は、第1項記載または第3項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6記載の光学測定装置は、第5項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7記載の光学測定装置は、第1項記載または第3項または第5項に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8記載の光学測定装置は、第7項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9記載の光学測定装置は、請求項7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10記載の光学測定装置は、第9項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CO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CO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−xGe/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]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical evaluation device that evaluates optical characteristics of an object using evanescent light.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art An evaluation method for measuring the optical characteristics of an object and analyzing composition information (quantity, quality, etc.) in the object is widely used taking advantage of the characteristics of nondestructive inspection. Among them, it is known that the near / mid-infrared wavelength of 0.8 to 20 μm contains many unique absorption wavelengths related to chemical bonds constituting various organic substances (such as biological substances). I have. Therefore, when light in this wavelength band is transmitted through a certain substance, the type and amount of the substance can be measured by measuring its absorption spectrum.
[0003]
In particular, the ATR method (Attenuated Total Reflection), in which evanescent light generated by reflection at the interface of an optical crystal such as ZnSe or Ge passes through a substance and its attenuation spectrum is used as detection means, is based on light absorption in the substance. 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]
FIG. 9 shows an example of a conventional mid-infrared light emitting / receiving device. The device under test 1008 is, for example, a living body, and the optical head 1003 also serves as a measurement head. The drive circuit 1004 is operated to emit the mid-infrared light 1006 from the light source 1001. The mid-infrared light 1006 enters the optical crystal 1003, repeats reflection, 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 seeps 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 device under test 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 the evanescent light permeates into the sample, the intensity y at a distance x from the surface is
y = Aexp (-x / D). . . . . . . . . . . . . . (Equation 1)
Given by 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 by Here, λ is the measurement wavelength, n1 and n2 are the refractive indexes of the optical element and the object to be measured, respectively, and θ is the incident angle (this formula is valid only at a critical angle or more).
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-57-66741 [0008]
[Problems to be solved by the invention]
In order to obtain more information on a living body, it is desirable that A in (Equation 1) is larger, but evanescent light is originally weak light. It can also be seen from the above equation that the intensity decreases rapidly with increasing distance from the surface. As described above, in the measurement using an evanescent wave, sufficient information cannot be obtained from a living body (light absorption of a specific wavelength by a biological component), and it has been difficult to increase the measurement accuracy.
[0009]
In the above-described configuration, the measurement light comes into contact with the atmosphere. As a result, changes in absorption due to fluctuations of atmospheric carbon dioxide and the like are superimposed on the measurement light, and it has been difficult to obtain good signal-to-noise characteristics. Further, in manufacturing the apparatus, it is necessary to assemble each optical component with high precision such as optical axis alignment, and there is a problem that mass productivity is low.
[0010]
Further, there has been no semiconductor light emitting device that can emit light in this wavelength band at room temperature. Since the conventional semiconductor laser uses the transition between the conduction band and the valence band, Auger non-radiative recombination and overflow at the hetero interface have become problems, and it has been difficult to oscillate the mid-infrared at room temperature. Therefore, it was necessary to use a large-scale solid-state light source (such as a CO 2 laser) or perform low-efficiency spectral analysis of a halogen bulb. Therefore, there is a problem that the device is large, consumes large power, and has a high manufacturing cost. If miniaturization, low power consumption, and low price can be achieved, it can be widely used for consumer use such as environmental analyzers, water quality analyzers, non-invasive biosensors, recycling and sorting equipment, and vegetable freshness sensors.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, an optical measuring device according to claim 1 of the present invention is an optical measuring device using evanescent light, wherein an optical element for generating evanescent light has a measuring surface of the optical element made of a photonic crystal. It is characterized by having. According to this configuration, the group velocity, which is the substantial propagation speed of light energy, is reduced due to multiple reflection by a structure having a periodically changing refractive index such as a photonic crystal. As time increases, more information can be obtained from the substance. Therefore, highly sensitive and highly accurate measurement is possible.
[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 a wavelength. 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 like an electron in a semiconductor having a periodic potential has a band structure). As a result, special light properties such as a decrease in the group velocity (dω / dk) are exposed.
[0013]
Next, in the optical measuring device according to claim 2 of the present invention, in the optical measuring device according to claim 1, the wavelength of light used for measurement is the maximum of a dispersion curve of an optical band structure formed by the photonic crystal. It is characterized by being near a point or a minimum point.
[0014]
According to this configuration, the group velocity of the measurement light can be almost zero, so that the measurement accuracy can be further improved.
[0015]
Next, in the optical measuring device according to claim 3 of the present invention, in the evanescent light generating optical element of the optical measuring device using evanescent light, the measuring surface of the optical element is composed of at least two or more types of photonic crystals. It is characterized by having.
[0016]
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 an interface between a photonic crystal including a surface in contact with an object to be measured and a photonic crystal not in contact with an object to be measured can be used. Such localization near the measurement surface enhances the generation of evanescent light interacting with the substance to be measured. Therefore, higher sensitivity and higher precision measurement can be realized.
[0017]
Next, in the optical measurement device according to claim 4, a first photonic crystal including a surface in contact with the object to be measured and a second photonic crystal not in contact with the non-measurement object are provided in the optical element, The period of the first photonic crystal in the direction perpendicular to the measurement surface is one period, and the period of the first photonic crystal in the direction perpendicular to the measurement surface is the measurement of the second periodic body. The period is different from the period in the direction perpendicular to the plane. That is, by simply changing the period of one type of photonic crystal to one period near the surface in contact with the object to be measured, the above-mentioned two types of photonic crystals can be formed substantially, as described above. Optical localization near the measurement surface is realized. This structure can be easily manufactured, for example, by changing the film thickness of a multilayer film, so that a highly accurate measuring device can be produced with good mass productivity.
[0018]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the optical measuring device according to the first or third aspect, wherein the light emitting element and the light receiving element are formed on the package including the optical element by monolithic integration or hybrid integration. The semiconductor substrate is also provided. Thereby, the whole apparatus can be reduced in size and weight.
[0019]
Next, an optical measuring apparatus according to a sixth aspect is the optical measuring apparatus according to the fifth aspect, wherein a material of the semiconductor substrate is silicon. If a silicon substrate is used, integration of elements is easy and a large-diameter wafer is inexpensive, so that manufacturing cost can be reduced.
[0020]
Next, the optical measuring device according to claim 7 is the optical measuring device according to claim 1, wherein the wavelength used for measurement is near / mid-infrared light having a wavelength of 0.8 to 20 μm. Wavelength.
[0021]
The optical measuring device according to claim 8 is the optical measuring device according to claim 7, wherein the light-emitting element performs energy transition of electrons or holes between specific energy levels formed in the potential well. And emits photons.
[0022]
Such devices include quantum cascade-type semiconductor lasers developed recently (for example, F. Cappaso et. Al., “New Frontiers in Quantum Cascade Lasers and Applications”, IEEE Journal of Electronic Components, Limited, Electronic Components, Limited, Electronic Components, Electronic Components, Limited, Limited, Electronic Components, Limited, Limited, Limited, Limited, Limited, Limited, Limited) 6, No. 6, p. 931 (2000)). While the conventional semiconductor laser uses the conduction band / valence band transition between bands, this quantum cascade laser emits light at the conduction band transition between sub-bands formed in the quantum well. Therefore, the quantum cascade laser has little Auger non-radiative recombination and overflow at the hetero interface even in the mid-infrared region, and can easily achieve room-temperature oscillation. In addition, since the quantum cascade laser oscillates using the transition between sub-bands in the quantum well, the oscillation wavelength has 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. Further, the optical characteristics of the photonic crystal provided in the optical element are determined by the optical band structure as described above, and thus have a large wavelength dependence. If the wavelength unity of the light source is low, the accuracy of the measurement decreases. However, by using a quantum cascade laser having good wavelength uniformity, highly accurate measurement can be realized even by using the above-described optical element having a photonic crystal.
[0024]
Next, an optical measuring device according to a ninth aspect is the optical measuring device according to the seventh aspect, characterized in that inter-subband photon absorption of a quantum well is used as the light receiving element.
[0025]
Further, it is desirable to use an element using intersubband photon absorption of a quantum well as the light receiving element. Unlike HgCdTe, which is often used for receiving mid-infrared light, it is not an inter-band photon absorption, so that the degree of freedom in material selection is increased, and the light receiving elements can be easily integrated on a semiconductor substrate.
[0026]
Next, an optical measuring device according to a tenth aspect is the optical measuring device according to the ninth aspect, wherein the quantum well is formed of silicon and silicon germanium.
[0027]
In this case, the light receiving element can be monolithically integrated on the silicon semiconductor substrate, and the number of assembling steps can be reduced, so that mass production can be achieved.
[0028]
With the integration as described above, the measurement light does not come into contact with the atmosphere. Therefore, a good signal-to-noise characteristic can be obtained without the absorption change due to the fluctuation 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 can be improved and the measuring device can be manufactured at low cost.
[0029]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to embodiments.
[0030]
(First Embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram of the optical measurement device according to the first embodiment. The light source 101 is a CO 2 laser. The drive circuit 104 is operated to emit the mid-infrared light 106 having a wavelength of 9.6 μm from the light source 101. The mid-infrared light 106 is incident on the ZnSe optical element 103 having the photonic crystal layer 107 on the measurement surface, is repeatedly reflected, and is emitted to the light receiving element 102. The object to be measured 108 is, for example, a living body, and the optical element 103 also serves as a measuring head. In the above-mentioned reflection portion, evanescent light 109 is generated outside the optical element 103. The object to be measured 108 is in contact with the surface of the photonic crystal layer 107. The evanescent light 109 oozes into the object 108, and light absorption occurs at a wavelength unique to the object 108. As a result, information (light absorption) of the device under test 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 laminated 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. Also, as is well known, Ge and ZnSe are transparent to light near 9 μm, and thus do not adversely affect the measurement. The photonic crystal layer 107, which is a multilayer film, was formed on ZnSe by PLD (pulse laser deposition).
[0032]
The thicknesses of the Ge layer 111 and the ZnSe layer 112 were set to the optical length / 4, and were set to 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, multiple reflection occurs in the mid-infrared light 106 incident on the photonic crystal layer 107 due to Bragg reflection of the multilayer film. As a result, the propagation speed of the effective light energy is reduced, so that the time for interacting with the object is increased, and more information (absorption by the object) of the object can be obtained. As described above, by forming photonic crystals having different periods on the surface of the optical element, highly accurate measurement can be performed.
[0033]
(Second embodiment)
Next, a second embodiment will be described. The basic configuration of the entire device is the same as that of the first embodiment. However, as shown in FIG. 3, in the photonic crystal layer 207 provided in the optical element 203, the refractive index periodic structure is formed not only in the stacking direction but also in the plane. Are also formed two-dimensionally. The in-plane period (period parallel to the measurement surface) was set to 0.75 μm, which is the optical length / 4, in consideration of the effective refractive index of the multilayer film as the Ge layer 211 / ZnSe layer 212. By periodically forming the refractive index change not only in the stacking direction but also in the plane, the group velocity of the measuring light in the photonic crystal layer 207 decreases not only in the stacking direction but also in the in-plane direction. Occurs. For this reason, measurement with higher accuracy than in the first embodiment has become possible.
[0034]
A method for manufacturing an optical element according to 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 by using a PLD.
[0035]
Next, as shown in FIG. 4B, a periodic recess 215 of 0.45 μm square having a period of 0.75 μm was formed using photolithography and dry etching. Although not shown in FIG. 4B, the photoresist is still formed on the surface other than the holes. Next, the hole is filled with Ge using PLD to form a buried portion 216. At this time, Ge is deposited on the photoresist in portions other than the holes, so that unnecessary Ge can be easily removed by lift-off. After Ge removal, CMP (Chemical Mechanical Polishing) is performed to flatten the surface (FIG. 5C). As described above, 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, if the measurement light is set at a frequency near the minimum point or the maximum point (dω / dk to 0) of the dispersion curve, the group velocity is further reduced. More information on the object to be measured can be obtained, and the measurement accuracy is significantly improved.
[0037]
(Third embodiment)
A third embodiment will be described. The basic configuration is the same as that of the second embodiment, but as shown in FIG. 5, the thickness of the Ge layer 311 inside the photonic crystal layer 307 provided in the optical element 303 is 0 (optical length / 4). The feature is that the film thickness of the outermost Ge layer 311a in the photonic crystal layer 307 is 1.12 μm, ie, optical length / 2, with respect to .56 μm. 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 to the outermost surface. This phenomenon is the same as the phenomenon in which a surface level is generated due to a difference in period at the surface in the energy band structure of electrons, and electrons are captured by 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 the optical element has good mass productivity with a simple process.
[0039]
By localizing the light near the measurement surface as described above, evanescent light can be efficiently generated. As a result, in addition to the decrease in the group velocity, more information on the object to be measured (light absorption by the object to be measured) can be obtained, and more accurate measurement can be performed.
[0040]
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment will be described. Although the basic configuration is the same as that of the second embodiment, as shown in FIG. 7, two types of first photonic crystal layers 407 and second photonic crystal layers 408 are provided on the measurement surface side of the optical element 403. Have been. The inner first photonic crystal layer 407 is formed into a multi-layered film (two layers each) of 0.56 μm and 0.93 μm each having a film thickness of the optical length / 4 of the Ge layer 411 and the ZnSe layer 412. As in the embodiment, the structure 416 is periodically embedded with a period of 0.75 μm and a period of 0.45 μm square. On the other hand, the second photonic crystal layer 408 close to the measurement surface is a multilayer film (two layers each) of 1.12 μm and 0.93 μm in which the film thickness of each of the Ge layer 421 and the ZnSe layer 422 is the optical length / 2. And a periodically embedded structure 416 of 0.45 μm square with a period of 0.75 μm.
[0041]
In this configuration, similarly to 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 done. In addition, the group velocity can be reduced by the dispersion characteristics of the second photonic crystal 408. As a result, information on the object to be measured (light absorption by the object to be measured) can be obtained effectively, and more accurate measurement has become possible.
[0042]
(Fifth embodiment)
FIG. 8 shows a fifth embodiment of the present invention. 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 driving 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 bulb as the mid-infrared light source, the light receiving and 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 an Au-Sn-based metal. By etching the silicon substrate 504, a recessed semiconductor laser mounting portion is formed. By setting the plane orientation of the silicon substrate 504 to (100), which is 9.7 degrees off in the <110> direction, a rising mirror 520 that bends the light of the semiconductor laser 501 in the direction perpendicular to the substrate surface is formed on the laser front emission side. (See, for example, Optronics, Inc., “Optical Technology Precision Processing Technology,” Part 2, Chapter 3, Section 2).
[0046]
It can be said that it is more preferable to provide a reflection film of 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 including a SiGe / Si quantum well (50 layers) formed on a silicon substrate 504. The mid-infrared light is detected by absorbing the mid-infrared light and performing a sub-band transition between the valence band sub-bands formed in the SiGe quantum well (see RP. G.Karunasiri et al., "Si 1 -x Ge x / Si multiple quantum well infrared detector", Appl. Phys. see, eg, 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. In addition, Si and Ge are abundant resources compared to HgCdTe and the like, so that 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 a signal from the signal light receiving element 502. An earth electrode pad 510, a power supply electrode pad 511, a laser drive value setting electrode pad 516, and a signal extraction electrode pad 517 are formed for connection with the outside. This integrated circuit 503 operates with a power supply of +10 V.
[0049]
The package 505 is formed of an epoxy resin. The package 505 is provided with a ground lead electrode 506, a power lead electrode 507, a laser drive value setting lead electrode 512, a signal extraction lead electrode 513, and a heat dissipation metal 518. The lead electrodes 516, 517, 512, and 513 are mainly made of copper, and the surfaces are plated with Ni and Au. In addition, oxygen-free copper is used for the metal 518 for heat radiation. The substrate 504 is bonded to the heat dissipating 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]
The top of the package 505 is open, and an optical element 521 of ZeSe is attached to the opening. On the surface of the optical element 521, a first photonic crystal layer 522 and a second photonic crystal layer 523 are formed. These have the same structure as in the fourth embodiment, and have the effect of localizing light on the measurement surface and increasing the measurement sensitivity.
[0051]
With the above configuration, the size of the present light emitting / receiving device is 5 mm in width, 10 mm in length, and 4 mm in thickness (excluding the lead electrode), and an extremely compact mid-infrared region light emitting / receiving device is realized.
[0052]
As an operation method, first, a voltage of 10 V is applied to the lead electrode 507 to drive the integrated circuit. Next, by applying a voltage of 5 V or more to the lead electrode 512, a 200 mA pulse current (pulse width 1 μsec, duty 10%) flows through the semiconductor laser 501. 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 using such short pulses, 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 by the integrated circuit 503 into a full-scale 10V voltage signal.
[0053]
When the measurement was actually performed, the noise was 1 mV or less, the dynamic range was 80 dB or more, and sufficient S / N characteristics were obtained. Such high characteristics are obtained because the light receiving element and the integrated circuit are extremely close to each other, so that not only electric noise is small but also noise due to absorption of carbon dioxide and the like in the atmosphere is reduced.
[0054]
【The invention's effect】
As described above, by using the present invention, 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 illustrating an optical measurement device using evanescent light according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram illustrating an optical element according to the first embodiment of the present invention. FIG. 4 is a view showing an optical element according to a second embodiment of the present invention. FIG. 4 is a view showing a manufacturing process of an optical element according to a second embodiment of the present invention. FIG. 5 is an optical view showing a second embodiment of the present invention. FIG. 6 is a view showing an element manufacturing process. FIG. 6 is a view showing an optical element according to a third embodiment of the present invention. FIG. 7 is a view showing an optical element according to 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 DUTs 109, 1009 Evanescent light 111, 211, 311 Ge layer 112, 212 ZnSe layer 215 Concave part 216 Embedding part 221 Incident surface 222 Exit surface 311a Top surface Ge layer 407 First photonic crystal layer 408 Second photonic crystal 411 Ge layer 412 of the first photonic crystal 412 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 501 Quantum cascade laser 502 Collection of light receiving elements 503 Circuit 504 Silicon substrate 505 Package 506 Grounding 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 (10)

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が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。An optical measuring device for generating evanescent light of an optical measuring device using evanescent light, wherein a measuring surface of the optical element is formed of a photonic crystal. 測定に用いる光の波長が、前記フォトニック結晶により形成される光バンド構造の分散曲線の極大点もしくは極小点の付近にあることを特徴とした第1項記載の光学測定装置。2. The optical measurement device according to claim 1, wherein the wavelength of the light used for the measurement is near a maximum point or a minimum point of a dispersion curve of an optical band structure formed by the photonic crystal. 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。An optical element for generating evanescent light of an optical measuring apparatus using evanescent light, wherein a measurement surface of the optical element is composed of at least two or more types of photonic crystals. 前記光学素子に被測定物に接する面を含む第1のフォトニック結晶と前記非測定物に接しない第2のフォトニック結晶が設置され、前記第1のフォトニック結晶の前記測定面に垂直な方向の周期は1周期分であり、前記第1のフォトニック結晶の前記測定面に垂直な方向の周期は前記第2の周期体の前記測定面に垂直な方向の周期と異なることを特徴とした第3項記載の光学測定装置。A first photonic crystal including a surface in contact with an object to be measured and a second photonic crystal not in contact with the non-measurement object are provided on the optical element, and the first photonic crystal is perpendicular to the measurement surface of the first photonic crystal. The period in the direction is one period, and the period of the first photonic crystal in the direction perpendicular to the measurement surface is different from the period of the second periodic body in the direction perpendicular to the measurement surface. 4. The optical measuring device according to claim 3, wherein 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第1項記載または第3項記載の光学測定装置。4. The optical measuring device according to claim 1, wherein the package including the optical element also includes a semiconductor substrate on 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第5項記載の光学測定装置。6. The optical measuring device according to claim 5, wherein the 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第1項記載または第3項または第5項に記載の光学測定装置。6. The optical measuring device according to claim 1, wherein the wavelength used for the measurement is a near / mid-infrared wavelength of 0.8 to 20 μm. 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第7項記載の光学測定装置。8. The optical measurement apparatus according to claim 7, wherein the light emitting element emits a photon when electrons or holes make energy transition 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第7項記載の光学測定装置。The optical measurement device according to claim 7, 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第9項記載の光学測定装置。10. The optical measurement device according to claim 9, wherein the quantum well is formed from silicon and silicon germanium.
JP2003138846A 2003-05-16 2003-05-16 Optical measuring device Expired - Fee Related JP4228774B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003138846A JP4228774B2 (en) 2003-05-16 2003-05-16 Optical measuring device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003138846A JP4228774B2 (en) 2003-05-16 2003-05-16 Optical measuring device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2004340797A true JP2004340797A (en) 2004-12-02
JP4228774B2 JP4228774B2 (en) 2009-02-25

Family

ID=33528105

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003138846A Expired - Fee Related JP4228774B2 (en) 2003-05-16 2003-05-16 Optical measuring device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4228774B2 (en)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006275568A (en) * 2005-03-28 2006-10-12 Institute Of Physical & Chemical Research Method and apparatus for measuring photonic band structure of photonic crystal waveguide
WO2008130278A3 (en) * 2007-04-23 2008-12-11 Valery Nikolaevich Konopsky Biosensor based on photonic crystal surface waves
JP2009527025A (en) * 2006-02-16 2009-07-23 ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル.ピー. Composite evanescent waveguides and related methods
JP2010107231A (en) * 2008-10-28 2010-05-13 Panasonic Electric Works Co Ltd Infrared gas sensor
WO2011060157A3 (en) * 2009-11-11 2011-09-22 The Regents Of The University Of Michigan Analytical system with photonic crystal sensor
RU2661454C1 (en) * 2017-07-20 2018-07-16 Валерий Николаевич Конопский Method for registration of processes of deposition on a surface of a solid body with two-dimensional visualization and device for its implementation
US11304635B2 (en) 2016-12-26 2022-04-19 Mitsubishi Electric Corporation Biological material measuring apparatus
US11832942B2 (en) 2018-02-02 2023-12-05 Mitsubishi Electric Corporation Biological material measuring apparatus
WO2024203490A1 (en) * 2023-03-24 2024-10-03 京セラ株式会社 Measurement device

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006275568A (en) * 2005-03-28 2006-10-12 Institute Of Physical & Chemical Research Method and apparatus for measuring photonic band structure of photonic crystal waveguide
JP2009527025A (en) * 2006-02-16 2009-07-23 ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル.ピー. Composite evanescent waveguides and related methods
US8497992B2 (en) 2006-07-25 2013-07-30 The Regents Of The University Of Michigan Analytical system with photonic crystal sensor
WO2008130278A3 (en) * 2007-04-23 2008-12-11 Valery Nikolaevich Konopsky Biosensor based on photonic crystal surface waves
RU2341785C1 (en) * 2007-04-23 2008-12-20 Валерий Николаевич Конопский Method of registration of biological, chemical and biochemical processes on boundary liquid-photon crystal and device for its realisation
JP2010107231A (en) * 2008-10-28 2010-05-13 Panasonic Electric Works Co Ltd Infrared gas sensor
WO2011060157A3 (en) * 2009-11-11 2011-09-22 The Regents Of The University Of Michigan Analytical system with photonic crystal sensor
US11304635B2 (en) 2016-12-26 2022-04-19 Mitsubishi Electric Corporation Biological material measuring apparatus
RU2661454C1 (en) * 2017-07-20 2018-07-16 Валерий Николаевич Конопский Method for registration of processes of deposition on a surface of a solid body with two-dimensional visualization and device for its implementation
WO2019017822A3 (en) * 2017-07-20 2019-03-14 Валерий Николаевич КОНОПСКИЙ Method and device for recording deposition processes on a surface of a solid body
US11832942B2 (en) 2018-02-02 2023-12-05 Mitsubishi Electric Corporation Biological material measuring apparatus
WO2024203490A1 (en) * 2023-03-24 2024-10-03 京セラ株式会社 Measurement device

Also Published As

Publication number Publication date
JP4228774B2 (en) 2009-02-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10551314B2 (en) Gas sensor
JP4214178B2 (en) Infrared light source and manufacturing method thereof
US8047713B2 (en) Plasmon resonance detector
JP3882756B2 (en) Blood flow sensor and blood flow meter
US8634078B2 (en) Sensor, method for detecting the presence and/or concentration of an analyte using the sensor, and use of the method
JP5654760B2 (en) Optical element
US20120154812A1 (en) Cmos moems sensor device
US20110215246A1 (en) Photoconductive element
JP4228774B2 (en) Optical measuring device
CN105699330A (en) Refractive index sensor based on surface plasmon laser and detection system and method
JP6365770B2 (en) Optical analyzer and manufacturing method thereof
JP4724559B2 (en) Optical sensor and sensor unit thereof
JP6410679B2 (en) Gas sensor
US20230063072A1 (en) Analysis device
JP6721431B2 (en) Quantum cascade detector
JP2005026347A (en) Photoconductive element, infrared radiation element using the same, and detection element thereof
JP2004152875A (en) Semiconductor laser module
TW202025585A (en) Low divergence vertical cavity surface emitting lasers, and modules and host devices incorporating the same
JP5344393B2 (en) Mounting method of superconducting single photon detector components
CN101551329A (en) Biosensor
US20150097156A1 (en) Photodetector
JP2004247458A (en) Light emitting / receiving device and manufacturing method thereof
JP6294150B2 (en) Light emitting / receiving device
CN1993869A (en) Optical semiconductor device
JP6150951B2 (en) Integrated micromechanical fluid sensor component manufacturing method, integrated micromechanical fluid sensor component, and fluid identification method using integrated micromechanical fluid sensor component

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20060425

RD01 Notification of change of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421

Effective date: 20060512

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20071221

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20080115

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20080312

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20080520

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20080717

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20080819

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20081010

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20081111

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20081124

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111212

Year of fee payment: 3

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees