生体光計測装置および生体計測用半導体レーザ装置
【課題】生体計測用装置に用いられる光源を軽量化し、複数の光源からの光出力変動を０．１％以下に低減すること。また、生体計測用に望ましい７００ｎｍ〜７６０ｎｍの波長で発振する高信頼な半導体光素子を供給することが課題である。
【解決手段】異なる波長で発振する複数の発光素子が近接して搭載されたサブマウントと、その発光素子の光出力を検出する一つの光出力モニタ素子とが同一のヒートシンクに搭載され、ひとつのカンパッケージに収納された光源装置と、生体からの信号を検出する受光素子と、発光素子からの光出力信号を分離する回路とを持つ生体計測用装置であって、少なくとも一つの発光素子は、ＧａＡｓ基板上のＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層および障壁層からなる発光層を持ち、歪εが０．４％≦ε≦１．４％、量子井戸層の組成が０．１０≦ｙ≦０．４５で、波長が７００ｎｍ以上７６０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【解決手段】異なる波長で発振する複数の発光素子が近接して搭載されたサブマウントと、その発光素子の光出力を検出する一つの光出力モニタ素子とが同一のヒートシンクに搭載され、ひとつのカンパッケージに収納された光源装置と、生体からの信号を検出する受光素子と、発光素子からの光出力信号を分離する回路とを持つ生体計測用装置であって、少なくとも一つの発光素子は、ＧａＡｓ基板上のＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層および障壁層からなる発光層を持ち、歪εが０．４％≦ε≦１．４％、量子井戸層の組成が０．１０≦ｙ≦０．４５で、波長が７００ｎｍ以上７６０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体発光素子を用いた光計測装置に関するものであり、特に光を用いた生体計測用の装置およびその装置に用いられる可視から赤外の波長範囲の発光光源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
可視から赤外の波長範囲の光源を用いた分光は広く行われており、その中で、生体内部の情報を計測するために適した波長が示されてきた。たとえば、特許文献１によると、可視から赤外に至る光は、代謝物質により波長特異的に吸収されることがよく知られており、特に生体組織中での散乱が少なく、また水による吸収が少ない７００nm〜１３００ｎｍの波長を選択するのが望ましいことが示されている。
【０００３】
前記特許文献１には血液中の還元型ヘモグロビン濃度を計測する場合に用いる光源の波長として、この物質の特異的吸収波長である７６０ｎｍおよびこの近傍(例えば、８００ｎｍ)の２波長を用いたり、この物質の吸収係数の差の大きな２種の波長とその中間の１波長との合計３波長を用いたりすることが開示されている。また、前記還元型ヘモグロビンと同時に酸素型ヘモグロビンの濃度を計測するには両ヘモグロビンにて吸収係数に差を有する特異的吸収波長である例えば６５０ｎｍとこの近傍の波長と両ヘモグロビンにて等しい吸収波長を示す例えば８０５ｎｍとこの近傍の波長との合計４波長を用いることが開示されている。前記特許文献１は生体光計測の前にあらかじめ生体形状をＸ線ＣＴまたはＮＭＲＣＴを用いて測定する必要があった。
【０００４】
また、特許文献２は光だけで生体内の情報を計測する装置において、信号処理方法として、光源を任意の周波数で強度変調して生体からの信号をロックインアンプなどで処理して時系列データとして表示するする方法が開示されている。このとき、光源として半導体レーザを用いてもよいことがあげられているが、その波長以外は詳細についての記述はない。
【０００５】
これらの計測に用いられる発振波長の異なる複数の光源として半導体レーザを用いる場合は、市販のカンパッケージに入った素子を並べて使用していた。従来の半導体レーザ素子は、ひとつのカンパッケージの中にひとつの波長の半導体レーザが入っているものが主流である。
【０００６】
例外としては特許文献３に示されるような光ディスク記録再生装置に用いられるＣＤ再生用の波長７８０ｎｍ帯とＤＶＤ記録再生用の波長６５０ｎｍ帯の２つの波長の半導体レーザがひとつのサブマウント上に実装されてカンパッケージに収納されたものが市販されている。さらには、特許文献４には前記２つの波長にブルーレイまたはＨＤ−ＤＶＤの記録再生用の波長４０５ｎｍ帯の半導体レーザを合わせた３波長の半導体レーザを同様にひとつのカンパッケージに収納する技術が開示されている。これらの複数波長の半導体レーザはその用途から同時に発振させることはない。
【０００７】
また、特許文献５には、３波長の半導体レーザを近接して配置しひとつのパッケージに一体収納した光源が開示されている。前記３波長は、例えばディスプレイ用途の赤色、緑色、青色に相当する波長である。このような複数波長の半導体レーザを一体収納したカンパッケージを用いることにより、この光源を含む装置の小型化を実現することができる。
【０００８】
計測装置、光ディスク記録再生装置、ディスプレイ装置などの光源となる半導体レーザは、光出力を検出して、光出力を安定化するためのフィードバック回路を持つことが必要である。その光出力検出方式には、たとえば、光ディスク記録再生装置に多く採用されている前方検出方式（特許文献６）、および民生品用途の半導体レーザで採用されている後方検出方式（非特許文献１）の２つがある。
【０００９】
前者の前方検出方式では複数の波長の半導体レーザを同時に動作させることは少ないためひとつの光出力モニタ素子を持つことが多いが、前記特許文献６は複数個のレーザを時分割で動作させてその動作期間に同期して光出力を検出する装置が開示されている。
【００１０】
後者の後方検出方式では特許文献７のように複数発光点の光をひとつの光出力モニタ素子を用いた光量補正手段を持つ書込装置がある。この複数ビーム発光素子の場合は書込用途のため、光を検知する感光体の感度のよい同一の波長であり、同時に光らせることはない。
【００１１】
さらに特許文献１の中で望ましい波長とされた７００ｎｍ〜１３００ｎｍの波長帯の中で、７００ｎｍ〜７６０ｎｍの波長で発振する半導体レーザは特性や信頼性の向上が困難なため市場にほとんど出回っていない。活性層材料としては、ＡｌＧａＡｓのＡｌ組成を増やすか、ＧａＩｎＰを高歪にするか、ＧａＩｎＰにＡｓを加えた材料などがある。非特許文献２によると量子井戸層はＩｎＧａＡｓＰ（歪１．６％）で波長７３０ｎｍが得られているが、歪量が大きく信頼性が課題であった。また、 特許文献８にはＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層においてｙ≦０．１５を数値限定しているが、波長が６３５nmであり本発明の波長範囲に含まれない。
【００１２】
【特許文献１】特開平２−２９０５３４号公報
【特許文献２】特開平８−１０３４３４号公報
【特許文献３】特開平１１−１８６６５１号公報
【特許文献４】特開２００１−２３０５０２号公報
【特許文献５】特開２００６−１８６２４３号公報
【特許文献６】特開２００４−２０７４２０号公報
【特許文献７】特開平９−１６４７２２号公報
【特許文献８】特開平９−３０７１８３号公報
【非特許文献１】伊藤良一・中村道治、半導体レーザ[基礎と応用]、培風館、（１９８９）、p.２３６
【非特許文献２】ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＥＬＥＣＴＥＤ ＴＯＰＩＣＳ ＩＮ ＱＵＡＮＴＵＭ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ、 ＶＯＬ. ５、 ＮＯ. ３、 ｐ.７８５−７９１（１９９９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
生体計測装置は従来、少数の医療機関や研究機関で用いられることが多かったが、多くの場所で用いることができるようにするためには小型軽量化が必要である。その部品のひとつである複数の波長の異なる発光素子を持つ光源も同様に小型化が求められている。そこで、前記光ディスク記録再生装置用途やディスプレイ用途に開示されているような複数の波長をひとつのサブマウント上に実装し、ひとつのカンパッケージに収納した光源を用いることがひとつの解決法となる。
【００１４】
また、生体計測装置の精度を上げるためには、生体の状態は常に変化しており観測信号と雑音との区別が難しくあいまいになりやすいのを防ぐため、光源の光出力や波長が安定していることが必要である。そのとき、生体からの信号の雑音は１％程度となるため、光源の光出力変動は０．１％以下が求められる。
【００１５】
それぞれの半導体レーザの光出力を検出する方法として、従来の前方検出方式の問題点は検出用の光出力モニタ素子が半導体レーザを収納しているカンパッケージの外部に出されて部品点数が増えることである。一方、後方検出方式では検出用の光出力モニタ素子を発光素子と同じヒートシンクに実装してひとつのカンパッケージに収納することができる。前記特許文献５においては半導体レーザ素子と同数の光出力モニタ素子が各半導体レーザの後方に配置されている図面が示されているが、検出方式に関する詳細な説明はない。生体計測のような複数の半導体レーザをある時間間隔の中で同時に動作させる使用方法では、前記特許文献５の配置ではひとつの光出力モニタ素子に前置きした半導体レーザの後方光出力と隣接する半導体レーザの後方光出力の両方が入力され、正しい光出力を検出することができない可能性があり、隣接素子の影響を分離することが課題となる。
【００１６】
さらに特許文献１の中で望ましい波長とされた７００ｎｍ〜１３００ｎｍの波長帯の中で、７００ｎｍ〜７６０ｎｍの波長で発振する半導体レーザは。活性層材料としては、７８０ｎｍ帯レーザに用いられるＡｌＧａＡｓのＡｌ組成を増やしたものか、６００ｎｍ帯で用いられるＧａＩｎＰを高歪にしたものか、結晶成長の難しいＩｎＧａＡｓＰなどがある。ＡｌＧａＡｓ系のＡｌ組成が大きいと酸化されやすく信頼性が低下したり、ＡｌＧａＡｓクラッド層との組成差が小さいためにキャリアの閉じ込めが悪く特性劣化につながったりする恐れがある。また、ＧａＩｎＰを高歪にすると結晶欠陥が入りやすくなり信頼性が低下する。ＩｎＧａＡｓＰは結晶成長が難しいといわれるため実施例が非常に少ない。そのため、この波長帯の発光素子は特性や信頼性の向上が困難なため市場にほとんど出回っていない。
【００１７】
そこでこの波長帯の半導体レーザの特性と信頼性を向上させ、安定に製造できる技術を立ち上げることが課題となる。
そこで、本発明は生体計測用の光源として、可視から赤外の複数の異なる波長で発振する半導体発光素子をひとつのカンパッケージに収納した小型光源装置およびその光源装置を搭載した生体光計測装置を提供することを目的とする。また、もうひとつには、生体計測用の光源として市場で入手困難であった７００ｎｍ〜７６０ｎｍの波長で発振する半導体レーザの特性安定化、高信頼化が可能となる構成を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明では可視から赤外の複数の異なる波長で発振する複数の半導体発光素子を近接してひとつのサブマウント上に搭載し、前記半導体発光素子の光出力を検出する光出力モニタ素子１個とともに同一のヒートシンクに搭載して、ひとつのカンパッケージに収納し、光出力モニタ素子の検出信号から、前記それぞれの発光素子からの光出力信号を分離する回路を持つ構成とする。前記回路の方式としては、各半導体発光素子を異なる周波数で変調してロックインアンプで分離する方式、各半導体発光素子を時分割で動作させその動作と同期して検出する方式、またはその両方式の併用が考えられる。
【００１９】
図１、図２は本発明の基本構成を示す。図１は本発明の生体光計測装置に用いる光源の構成で、複数の半導体レーザとして３個の場合を図示する。半導体レーザ１〜３はサブマウント４に半田を介して接合されている。電極パッドのアノード側５〜７、カソード側８は半導体レーザを駆動するための配線が接続される。この例ではカソード側を共通としたが、アノード側を共通にしてもよい。一方、光出力モニタ素子９は半導体レーザ１〜３の後方に配置され、サブマウント４とともにヒートシンク１０に搭載される。光出力モニタ素子９の受けた信号はモニタ信号分離回路１１へ到達する。分離された信号に従い、各半導体レーザ１〜３の光出力が一定となるようなフィードバック信号を発光素子駆動電源１２〜１４に送る。
【００２０】
この光源を生体計測用に用いる場合には、被測定物質の特異的吸収波長を目安として波長を選ぶ必要がある。例えば還元型ヘモグロビン濃度を計測する場合に用いる光源の波長として、図３に示す還元型および酸素型ヘモグロビンの吸収係数を参考にすると、この物質の特異的吸収波長である７６０ｎｍおよびこの近傍(例えば、８００ｎｍ)の２波長を用いたり、この物質の吸収係数の差の大きな２種の波長とその中間の１波長との合計３波長を用いたりするとよい。図３よりその３波長のうち一つ目は、還元型ヘモグロビンの吸収係数の大きな７３０ｎｍ付近以下で信号強度を確保できるように生体の吸収の大きすぎない６５０ｎｍ以上の領域からひとつ（例えば６９０ｎｍ）を選ぶ。二つ目は酸化型ヘモグロビンの吸収係数の大きな８３０ｎｍ付近以上の領域からひとつ（例えば８３０ｎｍ）を選ぶ。三つ目は前記二つの波長の間で７６０ｎｍを選ぶ。この波長は還元型ヘモグロビンの吸収係数が７５０ｎｍ〜７６０ｎｍの間に極大値をもつことから、吸収される信号が大きくなり、計測精度向上に役立つ特異的吸収波長であるといえる。したがって、光源波長のひとつを７５０ｎｍ〜７６０ｎｍに選ぶことには意味がある。
【００２１】
ところで、一つ目の波長を選ぶ際には、レーザ製品の放射安全基準(ＪＩＳ Ｃ ６８０２)、世界基準(ＩＥＣ ６０８２５)を考慮して、７００ｎｍ以上の波長を選ぶと同じクラスでも許容される強度を大きくでき、計測の信号を大きくすることができるため精度を上げることができる。このように、生体組織中での散乱が少ないことと安全上の基準を考慮しても測定精度を上げることができるので、波長を７００ｎｍ以上にすることには意味がある。
【００２２】
図１の構成を持つ光源から発生した光は、そのまま光ファイバに導入して伝送させたり、空中伝播させたり、直接生体に照射してもよい。光ファイバに導入する場合は光ファイバ内で元の光出力が減衰されるので、ファイバ出力に対して安全上の配慮をした、光源光出力の設計が必要である。一方、空中伝播と生体照射の場合は、光源そのものの光出力に前記波長に応じた安全上の制限が加わる。前記安全基準により、観測者の目に対する安全を確保するために、焦点の合う最短距離である１０ｃｍ離れたところでの瞳の大きさに相当する直径７ｍｍの円内での光強度に制限があるため、レンズなどの光を広げる手段を用いて光を広げるとよい。
【００２３】
また、図３より還元型ヘモグロビンの８０５ｎｍ以下の領域の吸収係数は波長変動に対し敏感なので、波長変動は小さいほうがよい。通常半導体レーザのカタログでは波長の仕様は±１０ｎｍに設定されているが、光源を生体に近接して配置する場合は、温度変化が室温の２５℃から、生体体温の約４０℃に素子発熱分の１０℃を加えた５０℃程度までとなると考えると、温度変化に対する波長変動率は０．２ｎｍ/Ｋなので、波長変動を５ｎｍ程度にすることができる。これに作製ロットごとの活性層の組成ずれなど、作製上必要な余裕を持たせると、波長変動は倍の±５ｎｍ程度にすることができる。
【００２４】
このような直接光源を被検体に照射する光計測装置では戻り光による光源の光出力変動は計測誤差につながるので、戻り光耐性を持つことが必要である。ひとつの解決方法は被検体からの反射戻り光が半導体レーザの共振器に入らないように、前端面の反射率を高く設定することが望ましい。端面発光型の半導体レーザの場合、よく知られている材料である、酸化珪素と窒化珪素とをそれぞれ四分の一波長の膜厚で積層すると約５０％の高反射膜となる。さらに複数周期積み上げるとさらに高反射膜を作ることができ、よりよい戻り光耐性が得られる。また、面発光レーザでは半導体ＡｌＧａＡｓの積層膜で９５％を超える反射率を用いることが多い。また、発光素子として発光ダイオードを用いることもでき、この場合は最初からコヒーレント光ではないので、戻り光には強い。
【００２５】
また、特に光源の反射率を低くして、前面からの光出力を多くしたい場合には、もうひとつの解決方法として、公知の技術であるセルフパルセーション動作により、縦モードを多モードにして結合しにくくすることができる。
【００２６】
このような光源を用いて、生体に近接して生体情報を測定する場合には、生体に光源装置を密着させ、生体内で一部吸収されて戻った光を検出する検出器を光源位置に対して最適化された位置に配置したようなプローブを用いると位置決めがしやすい。光源装置は少なくとも２種類の異なる発光波長を持つ発光素子を含み、それぞれの発光素子を光らせるタイミングとしては周波数の異なる強度変調か時分割で動作させる。このような光源装置と検出器を複数個用意し、２次元的に配置したプローブを用いることで、広範囲の生体情報を一度に得ることもできる。
【００２７】
次に７００ｎｍ〜７６０ｎｍの波長で発振する半導体発光素子を実現する手段を詳しく述べる。
この波長範囲を満たすことのできる活性層として結晶成長方法が確立されていなかったために作製が困難であったＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓＰを選ぶ。有機金属気層成長（ＭＯＶＰＥ）装置を用いて、成長条件を実験的に最適化することでＧａＡｓ基板上にレーザの活性層相当の膜厚をもつＩｎＧａＡｓＰを成長させることに成功した。成長条件はＧａＡｓ基板を用いた成長の常識的な範囲内のあるものであったが、装置ごとに最適化するべきものである。
【００２８】
７００ｎｍ〜７６０ｎｍの波長で発振する半導体発光素子は図１２を基本構成とする。ｎ型ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２０２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層２０４、歪量子井戸活性層２０５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層２０６、第１ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０７、第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０８、ｐ型ＧａＩｎＰキャップ層２０９、ｐ型ＧａＡｓキャップ層２１０を、順次、ＭＯＶＰＥ法で成長する。第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０８、ｐ型ＧａＩｎＰキャップ層２０９、ｐ型ＧａＡｓキャップ層２１０は、所定のエッチングによってストライプ形状に形成され、ストライプの側壁は絶縁膜２１１で保護される。また、ｐ型ＧａＡｓキャップ層２１０上にはｐ電極２１２、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１下にはｎ電極２１３が設けられる。
【００２９】
上記歪量子井戸活性層２０５はＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ（０．１０≦ｙ≦０．４５）量子井戸層（面内の格子定数ａｗ）および（ＡｌｚＧａ１−ｚ）ｗＩｎ１−ｗＰ障壁層からなる。ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層の歪量は、実験を行ない特性や信頼性を評価することで決定できる。理論計算および実験の結果、波長に関わらず、ε（％）＝（ａｗ−ａ）／ａ×１００で定義される歪εは０．４％≦ε≦１．４％が望ましいことが明らかになった。特に、波長が７００ｎｍ以上７２０ｎｍ以下の場合は、０．４％≦ε≦１．２％が望ましく、さらに０．４％≦ε≦０．９％が最適範囲である。また、波長が７２５ｎｍ以上７６０ｎｍ以下の場合は、０．６％≦ε≦１．４％の歪の範囲が望ましいことが明らかになった。
なお、上記ＧａＡｓ基板２０１は面方位が（１００）面から＜０１１＞方向へ傾いたオフ基板でも良く、また、上記歪量子井戸活性層２０５は、障壁層に引張り歪を加えた歪補償構造でも良い。
【００３０】
ここで、本発明と従来技術との差異を述べる。
特許文献１は生体の情報を得るために、光計測に先立ってＣＴ計測が必要であるが、本発明では、光計測のみで生体情報を得る。特許文献２は光計測により生体情報を時系列表示できるが、その光源については波長以外の詳細な記述がない。本発明では特許文献２の信号処理理論をそのまま用いて、光計測装置に用いる光源の構成と光出力安定化の制御を提案した。
【００３１】
特許文献３、４、７は複数の半導体発光素子を搭載した半導体光源で、主な用途が光記録および光書込であるため、それぞれの発光点を同時に光らせて使用する用法はないが、本発明は複数の異なる波長を持つ半導体発光素子を同時に発光させて用いる。特許文献７とはひとつの光出力モニタ素子を用いている点は共通であるが、ある特定の時間に光っている１つの素子のみに制御信号を返して光出力を安定化させる構成であるのに対し、本発明は同時に複数の半導体発光素子を光らせ、それぞれを異なる周波数または時分割で動作させることでひとつの光出力モニタ素子に入った信号を分離してそれぞれの半導体発光素子の光出力安定化ができるようになっており、光出力安定化に関する構成が異なる。
【００３２】
この光出力安定化方法の構成により、特許文献５とも区別できる。なぜなら、特許文献５では複数の波長の異なる半導体発光素子を搭載した半導体光源で、主な用途はディスプレイのため、複数の発光素子を同時に発光させることがあるが、それぞれの発光素子の光出力を測定するために同数の光出力モニタ素子が用意されている。本発明ではそのことを安定化させるための課題として挙げて、ひとつの光出力モニタ素子に入った信号を分離する構成としている。
【００３３】
特許文献６は複数の発光素子の前方で行路の途中に光出力モニタ素子を置いているが、本発明は、光源を生体に近接させる用法を含むため行路の途中に光出力モニタ素子を置くことができず、発光素子の発光点より後方に光出力モニタ素子を置いた。
【００３４】
特許文献８の半導体発光素子は活性層にＩｎＧａＡｓＰを用いているが、発光波長が６３５ｎｍで、従来技術でも安定に結晶成長できる範囲の組成を用いており、同じ構成では本発明の７００ｎｍ以上の波長帯での組成を達成することができない。一方、非特許文献２は本発明と発光波長帯は同じであるが、本発明では、より信頼性の高い、発光波長７００ｎｍ〜７６０ｎｍの発光素子を与える結晶の供給を実現するために、歪に着目して組成の限定を加えたことが従来と異なる。
【００３５】
これら、従来の技術をすべて組み合わせても、生体に近接して情報を計測する場合には対応できず、本発明では、生体に近接して光源と生体からの信号を検出する検出器とを配置し、光源を光らせるタイミングを選ぶ方式と光出力安定化および発光波長安定化について言及している点が従来と異なる。
【００３６】
また、発光波長７００ｎｍ〜７６０ｎｍの発光素子を高信頼の半導体発光素子で供給することができなかったため、従来はこれとは異なる波長範囲の半導体光源を生体光計測に用いていた。本発明による高信頼性の得られる構成によって初めて発光波長７００ｎｍ〜７６０ｎｍの発光素子を生体光計測の光源として用いることができるようになった。
【発明の効果】
【００３７】
生体光計測装置として、半導体発光素子の入ったカンパッケージを複数個並べるのに比べ、複数波長の半導体発光素子の入ったひとつのカンパッケージを使用するので小型・軽量化できる。また、前記半導体光素子の光出力検出用にひとつの光出力モニタ素子を前記複数の発光素子を近接して搭載した後方に配置して、前記複数の発光素子からの信号を分離する回路を持つことにより、隣接素子の影響を分離できる。そして、生体計測用光源として、これまで実現困難であった７００ｎｍ〜７６０ｎｍの波長の半導体レーザを供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳述する。
【実施例１】
【００３９】
本発明の第１の実施例を、図１、および図２に示す装置に従い説明する。半導体レーザ１〜３はそれぞれ有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）装置を用いて、図４に断面構造を示すようにｎ型ＧａＡｓ基板１０１上にｎ型クラッド層１０２、活性層１０３、ｐ型クラッド層１０４、ｐ型コンタクト層１０５の順に結晶成長する。３個の半導体レーザのうち発振波長７６０ｎｍ以下を狙う１、２は、ｐ型、ｎ型クラッド層１０２、１０４に厚さ１．５μｍのＡｌＧａＩｎＰ層を用いて、活性層１０３には厚さ１０ｎｍのＧａＩｎ(Ａｓ)Ｐの井戸層と厚さ１５ｎｍのＡｌＧａＩｎＰの障壁層からなる多重量子井戸構造とそれを挟んだ厚さ２５ｎｍのＡｌＧａＩｎＰ層からなる光ガイド層を持ち、ｐ型コンタクト層１０５にはＧａＡｓ層を用いる。残りの１個の発振波長８００ｎｍ台を狙う半導体レーザ３は、ｐ型、ｎ型クラッド層１０２、１０４に厚さ１．５μｍのＡｌＧａＡｓ層を用いて、活性層１０３には厚さ１０ｎｍのＧａＡｓの井戸層と厚さ１５ｎｍのＡｌＧａＡｓの障壁層からなる多重量子井戸構造とそれを挟んだ厚さ２５ｎｍのＡｌＧａＡｓ層からなる光ガイド層を持ち、ｐ型コンタクト層１０５にはＧａＡｓ層を用いる。
【００４０】
フォトリソグラフィー工程により、ストライプ状のパターニングをした後、ドライエッチング装置によりストライプを残してエッチングし、メサ形状を形成する。半導体レーザ３のみ、ストライプのパターニングをしたときに用いたマスクを利用してＭＯＶＰＥ装置による選択成長でストライプ以外の部分にｎ型ドープＡｌＧａＡｓとｎ型ドープＧａＡｓからなるブロック層を成長させ、マスクを除去した後、ｐ型ドープＧａＡｓコンタクト層を成長させてメサを埋め込む。
【００４１】
ストライプ以外の場所に厚さ３５０ｎｍの酸化珪素膜によるパッシベーションを施し、ｐ側電極となるチタン、白金、金を順に電子ビーム蒸着する。ＧａＡｓ基板の裏面を研磨して厚さ１００μｍとしてから、裏面にｎ側電極となる金―ゲルマニウム、ニッケル、チタン、白金、金を順に電子ビーム蒸着したあと、合金化する。各ウェハは半導体レーザの共振器長が８００μｍとなるように劈開する。劈開端面にはスパッタリング装置で、前面にアルミナを付着させ反射率を１３％程度とし、後面にはアルミナと酸化チタンの積層膜を付着させ反射率を９０％以上とした。
【００４２】
こうして作製した半導体レーザ１〜３をジャンクションダウンでサブマウント４に実装する。ヒートシンク１０には半導体レーザの光出力安定化のための光出力モニタ素子としてモニタ用フォトダイオード(以下、モニタＰＤ)９を先に半田で固定してから、半導体レーザ１〜３を実装したサブマウント４を半田で固定する。半導体レーザ１〜３からの配線を電極パッド５〜８を介してヒートシンクの入出力側ピンに接続する。図１ではカソードコモンの接続を例に示しているが、アノードコモンとしてもよく、まったく同様に制御可能である。このあとキャップ(図示せず)をつけて封じることでカンパッケージが完成する。モニタＰＤ９からの出力はモニタ信号分離回路１１へ導かれ、ここで分離された信号は半導体レーザ１〜３の駆動電源１２〜１４にフィードバックされ光出力変動をなくすように補正をかけられる。
ここでは、生体計測の分光分析の精度を上げるために、半導体レーザ１〜３は、非常に近いが異なる周波数で変調されており、このときモニタ信号分離回路１１としてはロックインアンプを用いるとよい。
【００４３】
本実施例で作製した半導体レーザ１〜３の発振波長はそれぞれ、６９０ｎｍ、７６０ｎｍ、８３０ｎｍで、２５℃から５０℃において光出力５０ｍＷで動作し、その温度範囲の発振波長の変動は±５ｎｍ以内であった。また、５０℃、５０ｍＷでの一定光出力の寿命試験では２０００時間以上の動作を確認した。さらに、各半導体レーザを異なる周波数で変調して、後方で受光した光出力モニタ信号はロックインアンプを用いて分離することができ、半導体レーザ駆動電源１２〜１４にフィードバックすることにより、光出力の変動量は０．１％以下に抑えることができた。
【実施例２】
【００４４】
本発明の第２の実施例を、図５に示す生体光計測装置に従い説明する。複数波長の半導体レーザを搭載した光源１５は、第１の実施例と同様の作製方法で得られる。制御・表示用パソコン１７により制御された、送信機１８内のパルス発生器１９によるパルス信号をＣＤＭＡエンコード回路２０により変調信号として、光源ドライバ１６に供給して、光源１５を駆動する。この光源１５は発振波長６９５ｎｍ、７８０ｎｍ、８５０ｎｍで発振し、２５℃から６０℃において光出力５０ｍＷでは光出力変動量０．１％以下で動作する。この光源１５から発光される３波長の光は発光点間隔が２２０μｍで、この光を直径１ｍｍのコア部分を持つバンドルファイバ２１に導入する。そのファイバ出力光を周波数変調して生体２２に照射し、生体物質での光吸収後に戻ってきた光を受光素子モジュール２３で捉える。この光源１５と受光素子モジュール２３は信号処理に最適な間隔でプローブ２４に着脱可能な状態で固定されており、生体２２の表面での位置決めが容易であると同時に、故障時のモジュール交換が可能となっている。アナログ増幅器２５とＣＤＭＡデコード回路２６をあわせた受信機２７を用いて信号処理を行い、生体からの信号として制御・表示用パソコン１７で解析・表示する。光源１５の光出力変動が小さいので、信号の信頼度を高くすることができた。
【実施例３】
【００４５】
本発明の第３の実施例は、図５に示す装置と同じ構成である。複数波長の半導体レーザを搭載した光源１５は、第１の実施例と同様の作製方法で得られ、発振波長６８０ｎｍ、７５５ｎｍ、８３０ｎｍで発振し、２５℃から６０℃において光出力５０ｍＷでは光出力変動量０．１％以下で動作する。この波長の選び方は、図３により還元型ヘモグロビンの吸収係数が非常に大きい６８０ｎｍと酸化型ヘモグロビンの吸収係数が比較的大きい８３０ｎｍとその中間の波長７５５ｎｍである。この光源１５から発光される３波長の光を直径１ｍｍのコア部分を持つバンドルファイバ２１に導入する。そのファイバ出力光を周波数変調して生体２２に照射し、生体物質での光吸収後に戻ってきた光を受光素子モジュール２３で捉え、第２の実施例と同様に受信機２７により信号処理を行い、生体からの信号として解析する。光源１５の光出力変動が小さく、計測対象の還元型ヘモグロビンと酸化型ヘモグロビンの吸収係数の差の大きな２波長とその中間の波長を選んでいるので精度よく測定することができた。
【実施例４】
【００４６】
本発明の第４の実施例は、図１に示した光源装置の半導体レーザの波長を限定したものである。半導体レーザ１、２、３の発振波長はそれぞれ７０５±５ｎｍ、７５５±５ｎｍ、８３０±５ｎｍとなるように活性層組成を決める。半導体レーザ１、２は活性層にＩｎＧａＡｓＰの井戸層を持つ量子井戸構造を用いて製造し、半導体レーザ３は活性層にＧａＡｓの井戸層を持つ量子井戸構造を用いて製造すればよい。
【００４７】
特に、生体組織中での散乱が少なく水による吸収が少ない７００ｎｍ〜１３００ｎｍの波長を選択しているため精度よく生体からの信号を取り出すことができた。この中の半導体レーザ１は最も短い波長７０５±５ｎｍを持つが、生体組織中での散乱が少ないことと安全上の基準を考慮した７００ｎｍ以上の波長で最大限に還元型ヘモグロビンの吸収係数の大きい波長である。また、半導体レーザ２は、還元型ヘモグロビンの吸収係数が極大値を持つ特異的吸収波長である７５０〜７６０ｎｍの波長で発振するため、吸収される信号が大きくなる。これらのことから半導体レーザの発振波長として７０５±５ｎｍ、７５５±５ｎｍを選ぶことは測定精度向上に役立っている。
【実施例５】
【００４８】
本発明の第５の実施例を、図６、および７に示す装置に従い説明する。図６は本発明の光源を発光面から見た図であり、図７はそれを横から見た断面図である。半導体レーザ１２０、１２１、１２２は垂直共振器面発光型レーザで、波長は７８０ｎｍ、８０５ｎｍ、８３０ｎｍである。これらの半導体レーザはサブマウント１２３の上に実装され、モニタＰＤ１２４とともにヒートシンク１２５に固定されている。その後、上記波長における反射率が１０％程度で光伝播方向に対して垂直から若干傾いた窓の付いたキャップ１２６で封じる。この光源２８はこれらの３つの波長のおのおので光出力２ｍＷが得られた。
【００４９】
光出力を安定化する構成は図８を用いて説明する。モニタＰＤ１２４からの出力はモニタ信号分離回路１１へ導かれ、ここで分離された信号は半導体レーザ１２０〜１２２の光源ドライバ１６にフィードバックされ光出力変動をなくすように補正をかけられる。ここでは、生体計測の分光分析の精度を上げるために、半導体レーザ１２０〜１２２は、時分割で駆動されており、このときモニタ信号はモニタ信号分離回路１１によって半導体レーザ１２０〜１２２に同期した信号のみが検出される。この全体で光源モジュール２９を形成する。
【００５０】
本実施例の光源は生体から数ｍｍの距離に近接して使用され、使用温度がほぼ４０℃に保たれていたため、波長変動が小さく、素子ごとに±５ｎｍ以内の変動であった。また、面発光型レーザでは光の放出面の反射率が約９５％のため、戻り光耐性があり、光出力変動が０．０５％以内であった。このことから安定して雑音の少ない生体からの信号を得ることができた。
【００５１】
なお、半導体レーザ１２０、１２１、１２２は発光ダイオードに置き換えてもよい。それは発光ダイオードがコヒーレント光でないために、垂直共振器面発光型レーザと同等の良好な戻り光耐性を持つためである。
【実施例６】
【００５２】
本発明の第６の実施例を、図９に示す装置に従い説明する。複数波長の半導体レーザを搭載した光源モジュール２９は第５の実施例と同様の作製方法で得られ、ここでは発振波長７８０ｎｍ、８３０ｎｍの２種類の波長で発振し、使用温度２５℃から４０℃の範囲では、光出力２ｍＷで、波長変動は±５ｎｍ以内、光出力変動は０．０５％以内であった。この光源モジュール２９は送信機１８により動作のタイミングを決める信号を受け、生体２２に光を照射する。生体物質での光吸収後に戻ってきた光を受光素子モジュール２３で捉える。その信号を受信機２７で信号処理し、生体からの信号として制御・表示用パソコン１７で解析・表示する。
【００５３】
この光源モジュール２９と受光素子モジュール２３は信号処理に最適な間隔でプローブ２４に着脱可能な状態で固定されており、生体２２の表面での位置決めが容易であると同時に、故障時のモジュール交換が可能となっている。プローブ２４の断面の一部は図１０に示すようになっている。光源モジュール２９は光源２８とその光出力安定化回路３０とともにケース３１に入っており、給電コネクタ３２で外から電源供給を受ける。受光素子モジュール２３はアバランシェフォトダイオード３３と増幅器や高圧電源部を含む制御回路３４とがケース３１に入っており、給電コネクタ３２で外から電源供給を受ける。ケース３１はプローブ２４から着脱可能となっている。図には光源モジュール２９と受光素子モジュール２３が２個ずつ固定されているが、さらに多くのモジュールをアレイ状に配置して、生体からの広い面積の信号を得ることもできる。
【００５４】
光源モジュール２９が生体に光を導入するための光ファイバを不要とし小型軽量化できたために、生体光計測装置の小型化が実現し、従来どおりの測定精度も実現することができた。
【実施例７】
【００５５】
本発明の第７の実施例を、図１１に示す装置に従い説明する。半導体レーザ１３０は公知の２波長集積半導体レーザの技術で作製された端面発光型レーザであり、発振波長は６９０ｎｍ、７６０ｎｍである。光の放出端面の反射率は酸化珪素と窒化珪素の四分の一波長積層膜を２周期形成することにより６８％とした。光出力はそれぞれの波長で４ｍＷが得られた。観測者の目に直接入ることを想定したときの安全性の問題を回避するために、光源のパッケージには光を広げる手段、たとえばレンズ１３１を持つ。
【００５６】
光出力を安定化する構成は図８の構成と同じである。半導体レーザ１３０は、時分割で駆動されており、このときモニタ信号は図８に示すモニタ信号分離回路１１と同様の回路によって半導体レーザ１３０の各波長の光に同期した信号のみが検出される。ここで、計測精度を上げるためには複数の波長で同時に光っているほうが、同じ時刻での複数の信号を得られるために望ましく、半導体レーザ１３０の各波長の光を異なる周波数で強度変調し、モニタ信号を分離する回路１１としてロックインアンプを用いて各波長の光強度を安定化する方法を使ってもよい。さらに精度を上げるために、時分割および、異なる周波数での強度変調との両方の駆動タイミングを掛け合わせたもので、複数の波長の光を駆動してもよい。いずれにしても発光素子の駆動タイミングにあわせて、モニタＰＤ９に入った信号を分離するように図８に示すモニタ光出力分離回路１１と同様の回路を作ればよい。
【００５７】
本実施例の光源は生体から数ｍｍの距離に近接して使用され、使用温度がほぼ４０℃に保たれていたため、波長変動が小さく、素子ごとに±５ｎｍ以内の変動であった。光の放出面の反射率が６８％のため、戻り光耐性があり、光出力変動が０．０８％以内であった。このことから安定して雑音の少ない生体からの信号を得ることができた。
【実施例８】
【００５８】
本発明の第８の実施例を、図１１を用いて説明する。ここでは半導体レーザ１３０は光を放出する端面付近に過飽和領域を設けることによりパルセーション動作を発生させることにより戻り光耐性を高くしている。光出力を安定化させるのは例えば図２の構成と同様に、各半導体レーザを異なる周波数で駆動して、モニタＰＤの信号をロックインアンプで分離するとよい。
【００５９】
本実施例の光源は生体から数ｍｍの距離に近接して使用され、使用温度がほぼ４０℃に保たれていたため、波長変動が小さく、素子ごとに±５ｎｍ以内の変動であった。パルセーション動作ため戻り光が結合しにくく、光出力変動が０．０８％以内であった。このことから安定して雑音の少ない生体からの信号を得ることができた。
【実施例９】
【００６０】
第９の実施例について、半導体レーザの断面構造図（図１２）を使って説明する。所定のｎ型ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２０２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層２０４、歪量子井戸活性層２０５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層２０６、第１ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０７、第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０８、ｐ型ＧａＩｎＰキャップ層２０９、ｐ型ＧａＡｓキャップ層２１０が、順次、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）で積層される。第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０８、ｐ型ＧａＩｎＰキャップ層２０９、ｐ型ＧａＡｓキャップ層２１０は、所定のエッチングによってストライプ形状に形成され、ストライプの側壁は絶縁膜２１１で保護される。また、ｐ型ＧａＡｓキャップ層２１０上にはｐ電極２１２、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１にはｎ電極２１３が設けられる。
【００６１】
第９の実施例では、上記歪量子井戸活性層２０５はＩｎ０．５Ｇａ０．５Ａｓ０．１６Ｐ０．８４量子井戸（圧縮歪０．７％）および（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層からなる。この場合、量子井戸幅を７〜１２ｎｍの間で調整することによって波長７０５ｎｍで発振する半導体レーザ装置が得られる。
【００６２】
これを第１の実施例の半導体レーザ１に適用することで生体光計測に適した光源を供給することができる。
【実施例１０】
【００６３】
第１０の実施例について、半導体レーザの断面構造図（図１２）を使って説明する。本実施例では、上記歪量子井戸活性層２０５はＩｎ０．５Ｇａ０．５Ａｓ０．３２Ｐ０．６８量子井戸（圧縮歪１．２％）および（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層からなる。この場合、量子井戸幅を７〜１２ｎｍの間で調整することによって波長７５５ｎｍで発振する半導体レーザ装置が得られる。
これを第１の実施例の半導体レーザ２に適用することで生体光計測に適した光源を供給することができる。
【００６４】
なお、上記ＧａＡｓ基板２０１は面方位が（１００）面から＜０１１＞方向へ傾いたオフ基板でも良く、また、上記歪量子井戸活性層２０５は、障壁層に引張り歪を加えた歪補償構造でも良い。また、上記ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層の歪量は、実験を行ない特性や信頼性を評価することで決定できる。理論計算および実験の結果、波長に関わらず、０．４％≦ε≦１．４％が望ましいことが明らかになった。特に、波長が７００ｎｍ以上７２０ｎｍ以下の場合は、０．４％≦ε≦１．２％が望ましく、さらに０．４％≦ε≦０．９％が最適範囲である。また、波長が７２５ｎｍ以上７６０ｎｍ以下の場合は、０．６％≦ε≦１．４％の歪の範囲が望ましいことが明らかになった。
【００６５】
なお、本実施例およびその変形で実現できるのは下記の半導体レーザ装置である。
１．格子定数ａを有するＧａＡｓ基板上に設けられ、面内の格子定数ａｗを有するＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層および障壁層からなる発光層を有し、前記発光層は、前記量子井戸層がε（％）＝（ａｗ−ａ）／ａ×１００で定義される歪εが０．４％≦ε≦１．４％で、その組成が０．１０≦ｙ≦０．４５であり、発光する波長が７００ｎｍ以上７６０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ装置。
２．格子定数ａを有するＧａＡｓ基板上に設けられ、面内の格子定数ａｗを有するＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層および障壁層からなる発光層を有し、前記発光層は、前記量子井戸層がε（％）＝（ａｗ−ａ）／ａ×１００で定義される歪εが０．４％≦ε≦１．２％で、その組成が０．１０≦ｙ≦０．２５であり、発光する波長が７００ｎｍ以上７３０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ装置。
３．格子定数ａを有するＧａＡｓ基板上に設けられ、面内の格子定数ａｗを有するＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層および障壁層からなる発光層を有し、前記発光層は、前記量子井戸層がε（％）＝（ａｗ−ａ）／ａ×１００で定義される歪εが０．４％≦ε≦０．９％で、その組成が０．１０≦ｙ≦０．２であり、発光する波長が７００ｎｍ以上７２０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ装置。
４．格子定数ａを有するＧａＡｓ基板上に設けられ、面内の格子定数ａｗを有するＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層および障壁層からなる発光層を有し、前記発光層は、前記量子井戸層がε（％）＝（ａｗ−ａ）／ａ×１００で定義される歪εが０．６％≦ε≦１．４％で、その組成が０．２０≦ｙ≦０．３５であり、発光する波長が７００ｎｍ以上７６０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ装置。
５．格子定数ａを有するＧａＡｓ基板上に設けられ、面内の格子定数ａｗを有するＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層および障壁層からなる発光層を有し、前記発光層は、前記量子井戸層がε（％）＝（ａｗ−ａ）／ａ×１００で定義される歪εが０．１％≦ε≦０．４５％で、その組成が０．４≦ｙ≦１．４であり、発光する波長が７００ｎｍ以上７６０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ装置。
６．格子定数ａを有するＧａＡｓ基板上に設けられ、面内の格子定数ａｗを有するＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層および障壁層からなる発光層を有し、前記発光層は、前記量子井戸層がε（％）＝（ａｗ−ａ）／ａ×１００で定義される歪εが０．４％≦ε≦１．２％で、その組成が０．１０≦ｙ≦０．２５であり、発光する波長が７００ｎｍ以上７３０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ装置。
７．所定のＧａＡｓ基板（格子定数ａ）上に設けられた、Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層（面内の格子定数ａｗ）および障壁層からなる発光層において、ε（％）＝（ａｗ−ａ）／ａ×１００で定義される歪εが０．４％≦ε≦０．９％、量子井戸層の組成が０．１０≦ｙ≦０．２０、波長が７００ｎｍ以上７２０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体発光装置を搭載したことを特徴とする半導体レーザ装置。
８．所定のＧａＡｓ基板（格子定数ａ）上に設けられた、Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層（面内の格子定数ａｗ）および障壁層からなる発光層において、ε（％）＝（ａｗ−ａ）／ａ×１００で定義される歪εが０．６％≦ε≦１．４％、量子井戸層の組成が０．２０≦ｙ≦０．３５、波長が７２５ｎｍ以上７６０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体発光装置を搭載したことを特徴とする半導体レーザ装置。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、複数の波長の光を用いた高精度生体計測およびその光源として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の一実施形態を示す、半導体レーザ集積光源を示す図。
【図２】本発明の一実施形態を示す、半導体レーザ集積光源とその光出力制御系統を示す図。
【図３】還元型ヘモグロビンと酸化型ヘモグロビンの吸収係数の波長依存性を示す図。
【図４】本発明に用いた半導体レーザの結晶成長構造を示す図。
【図５】本発明の一実施形態を示す、半導体レーザ集積光源を用いた生体計測装置を示す図。
【図６】本発明の一実施形態を示す、半導体レーザ集積光源を示す図。
【図７】本発明の一実施形態を示す、半導体レーザ集積光源の断面図。
【図８】本発明の一実施形態を示す、半導体レーザ集積光源とその光出力制御系統を示す図。
【図９】本発明の一実施形態を示す、光源モジュールを用いた生体光計測装置を示す図。
【図１０】本発明の一実施形態を示す、光源モジュールを用いた生体光計測装置のプローブ断面図。
【図１１】本発明の一実施形態を示す、半導体レーザ集積光源の断面図。
【図１２】本発明の一実施形態を示す、半導体レーザの断面図。
【符号の説明】
【００６８】
１,２,３：半導体レーザ素子、４：サブマウント、５,６,７,８：電極配線用パッド、９：半導体レーザ光出力光出力モニタ素子、１０：ヒートシンク、１１：モニタ信号分離回路、１２,１３,１４：発光素子駆動電源、１５：光源、１６：光源ドライバ、１７：制御・表示用パソコン、１８：送信機、１９：パルス発生器、２０：ＣＤＭＡエンコード回路、２１バンドルファイバ、２２生体、２３：受光素子モジュール、２４：プローブ、２５：アナログ増幅器、２６：ＣＤＭＡデコード回路、２７：受信機、２８：光源、２９：光源モジュール、３０：光出力安定化回路、３１：ケース、３２給電コネクタ、３３：アバランシェフォトダイオード、３４：制御回路、１０１：ｎ型ＧａＡｓ基板、１０２：ｎ型クラッド層、１０３：活性層、１０４：ｐ型クラッド層、１０５：ｐ型コンタクト層、１２０,１２１：垂直共振器面発光型レーザ、１２２：垂直共振器面発光型レーザ、１２３：サブマウント、１２４：半導体レーザ光出力光出力モニタ素子、１２５：ヒートシンク、１２６：キャップ、１３０：半導体レーザ素子、１３１：レンズ、２０１：ｎ型ＧａＡｓ基板、２０２：ｎ型ＧａＡｓバッファ層、２０３：ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、２０４：ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層、２０５：歪量子井戸活性層、２０６：ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層、２０７：第１ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、２０８：第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、２０９：ｐ型ＧａＩｎＰキャップ層、２１０：ｐ型ＧａＡｓキャップ層、２１１：絶縁膜、２１２：ｐ電極、２１３：ｎ電極。
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体発光素子を用いた光計測装置に関するものであり、特に光を用いた生体計測用の装置およびその装置に用いられる可視から赤外の波長範囲の発光光源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
可視から赤外の波長範囲の光源を用いた分光は広く行われており、その中で、生体内部の情報を計測するために適した波長が示されてきた。たとえば、特許文献１によると、可視から赤外に至る光は、代謝物質により波長特異的に吸収されることがよく知られており、特に生体組織中での散乱が少なく、また水による吸収が少ない７００nm〜１３００ｎｍの波長を選択するのが望ましいことが示されている。
【０００３】
前記特許文献１には血液中の還元型ヘモグロビン濃度を計測する場合に用いる光源の波長として、この物質の特異的吸収波長である７６０ｎｍおよびこの近傍(例えば、８００ｎｍ)の２波長を用いたり、この物質の吸収係数の差の大きな２種の波長とその中間の１波長との合計３波長を用いたりすることが開示されている。また、前記還元型ヘモグロビンと同時に酸素型ヘモグロビンの濃度を計測するには両ヘモグロビンにて吸収係数に差を有する特異的吸収波長である例えば６５０ｎｍとこの近傍の波長と両ヘモグロビンにて等しい吸収波長を示す例えば８０５ｎｍとこの近傍の波長との合計４波長を用いることが開示されている。前記特許文献１は生体光計測の前にあらかじめ生体形状をＸ線ＣＴまたはＮＭＲＣＴを用いて測定する必要があった。
【０００４】
また、特許文献２は光だけで生体内の情報を計測する装置において、信号処理方法として、光源を任意の周波数で強度変調して生体からの信号をロックインアンプなどで処理して時系列データとして表示するする方法が開示されている。このとき、光源として半導体レーザを用いてもよいことがあげられているが、その波長以外は詳細についての記述はない。
【０００５】
これらの計測に用いられる発振波長の異なる複数の光源として半導体レーザを用いる場合は、市販のカンパッケージに入った素子を並べて使用していた。従来の半導体レーザ素子は、ひとつのカンパッケージの中にひとつの波長の半導体レーザが入っているものが主流である。
【０００６】
例外としては特許文献３に示されるような光ディスク記録再生装置に用いられるＣＤ再生用の波長７８０ｎｍ帯とＤＶＤ記録再生用の波長６５０ｎｍ帯の２つの波長の半導体レーザがひとつのサブマウント上に実装されてカンパッケージに収納されたものが市販されている。さらには、特許文献４には前記２つの波長にブルーレイまたはＨＤ−ＤＶＤの記録再生用の波長４０５ｎｍ帯の半導体レーザを合わせた３波長の半導体レーザを同様にひとつのカンパッケージに収納する技術が開示されている。これらの複数波長の半導体レーザはその用途から同時に発振させることはない。
【０００７】
また、特許文献５には、３波長の半導体レーザを近接して配置しひとつのパッケージに一体収納した光源が開示されている。前記３波長は、例えばディスプレイ用途の赤色、緑色、青色に相当する波長である。このような複数波長の半導体レーザを一体収納したカンパッケージを用いることにより、この光源を含む装置の小型化を実現することができる。
【０００８】
計測装置、光ディスク記録再生装置、ディスプレイ装置などの光源となる半導体レーザは、光出力を検出して、光出力を安定化するためのフィードバック回路を持つことが必要である。その光出力検出方式には、たとえば、光ディスク記録再生装置に多く採用されている前方検出方式（特許文献６）、および民生品用途の半導体レーザで採用されている後方検出方式（非特許文献１）の２つがある。
【０００９】
前者の前方検出方式では複数の波長の半導体レーザを同時に動作させることは少ないためひとつの光出力モニタ素子を持つことが多いが、前記特許文献６は複数個のレーザを時分割で動作させてその動作期間に同期して光出力を検出する装置が開示されている。
【００１０】
後者の後方検出方式では特許文献７のように複数発光点の光をひとつの光出力モニタ素子を用いた光量補正手段を持つ書込装置がある。この複数ビーム発光素子の場合は書込用途のため、光を検知する感光体の感度のよい同一の波長であり、同時に光らせることはない。
【００１１】
さらに特許文献１の中で望ましい波長とされた７００ｎｍ〜１３００ｎｍの波長帯の中で、７００ｎｍ〜７６０ｎｍの波長で発振する半導体レーザは特性や信頼性の向上が困難なため市場にほとんど出回っていない。活性層材料としては、ＡｌＧａＡｓのＡｌ組成を増やすか、ＧａＩｎＰを高歪にするか、ＧａＩｎＰにＡｓを加えた材料などがある。非特許文献２によると量子井戸層はＩｎＧａＡｓＰ（歪１．６％）で波長７３０ｎｍが得られているが、歪量が大きく信頼性が課題であった。また、 特許文献８にはＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層においてｙ≦０．１５を数値限定しているが、波長が６３５nmであり本発明の波長範囲に含まれない。
【００１２】
【特許文献１】特開平２−２９０５３４号公報
【特許文献２】特開平８−１０３４３４号公報
【特許文献３】特開平１１−１８６６５１号公報
【特許文献４】特開２００１−２３０５０２号公報
【特許文献５】特開２００６−１８６２４３号公報
【特許文献６】特開２００４−２０７４２０号公報
【特許文献７】特開平９−１６４７２２号公報
【特許文献８】特開平９−３０７１８３号公報
【非特許文献１】伊藤良一・中村道治、半導体レーザ[基礎と応用]、培風館、（１９８９）、p.２３６
【非特許文献２】ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＥＬＥＣＴＥＤ ＴＯＰＩＣＳ ＩＮ ＱＵＡＮＴＵＭ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ、 ＶＯＬ. ５、 ＮＯ. ３、 ｐ.７８５−７９１（１９９９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
生体計測装置は従来、少数の医療機関や研究機関で用いられることが多かったが、多くの場所で用いることができるようにするためには小型軽量化が必要である。その部品のひとつである複数の波長の異なる発光素子を持つ光源も同様に小型化が求められている。そこで、前記光ディスク記録再生装置用途やディスプレイ用途に開示されているような複数の波長をひとつのサブマウント上に実装し、ひとつのカンパッケージに収納した光源を用いることがひとつの解決法となる。
【００１４】
また、生体計測装置の精度を上げるためには、生体の状態は常に変化しており観測信号と雑音との区別が難しくあいまいになりやすいのを防ぐため、光源の光出力や波長が安定していることが必要である。そのとき、生体からの信号の雑音は１％程度となるため、光源の光出力変動は０．１％以下が求められる。
【００１５】
それぞれの半導体レーザの光出力を検出する方法として、従来の前方検出方式の問題点は検出用の光出力モニタ素子が半導体レーザを収納しているカンパッケージの外部に出されて部品点数が増えることである。一方、後方検出方式では検出用の光出力モニタ素子を発光素子と同じヒートシンクに実装してひとつのカンパッケージに収納することができる。前記特許文献５においては半導体レーザ素子と同数の光出力モニタ素子が各半導体レーザの後方に配置されている図面が示されているが、検出方式に関する詳細な説明はない。生体計測のような複数の半導体レーザをある時間間隔の中で同時に動作させる使用方法では、前記特許文献５の配置ではひとつの光出力モニタ素子に前置きした半導体レーザの後方光出力と隣接する半導体レーザの後方光出力の両方が入力され、正しい光出力を検出することができない可能性があり、隣接素子の影響を分離することが課題となる。
【００１６】
さらに特許文献１の中で望ましい波長とされた７００ｎｍ〜１３００ｎｍの波長帯の中で、７００ｎｍ〜７６０ｎｍの波長で発振する半導体レーザは。活性層材料としては、７８０ｎｍ帯レーザに用いられるＡｌＧａＡｓのＡｌ組成を増やしたものか、６００ｎｍ帯で用いられるＧａＩｎＰを高歪にしたものか、結晶成長の難しいＩｎＧａＡｓＰなどがある。ＡｌＧａＡｓ系のＡｌ組成が大きいと酸化されやすく信頼性が低下したり、ＡｌＧａＡｓクラッド層との組成差が小さいためにキャリアの閉じ込めが悪く特性劣化につながったりする恐れがある。また、ＧａＩｎＰを高歪にすると結晶欠陥が入りやすくなり信頼性が低下する。ＩｎＧａＡｓＰは結晶成長が難しいといわれるため実施例が非常に少ない。そのため、この波長帯の発光素子は特性や信頼性の向上が困難なため市場にほとんど出回っていない。
【００１７】
そこでこの波長帯の半導体レーザの特性と信頼性を向上させ、安定に製造できる技術を立ち上げることが課題となる。
そこで、本発明は生体計測用の光源として、可視から赤外の複数の異なる波長で発振する半導体発光素子をひとつのカンパッケージに収納した小型光源装置およびその光源装置を搭載した生体光計測装置を提供することを目的とする。また、もうひとつには、生体計測用の光源として市場で入手困難であった７００ｎｍ〜７６０ｎｍの波長で発振する半導体レーザの特性安定化、高信頼化が可能となる構成を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明では可視から赤外の複数の異なる波長で発振する複数の半導体発光素子を近接してひとつのサブマウント上に搭載し、前記半導体発光素子の光出力を検出する光出力モニタ素子１個とともに同一のヒートシンクに搭載して、ひとつのカンパッケージに収納し、光出力モニタ素子の検出信号から、前記それぞれの発光素子からの光出力信号を分離する回路を持つ構成とする。前記回路の方式としては、各半導体発光素子を異なる周波数で変調してロックインアンプで分離する方式、各半導体発光素子を時分割で動作させその動作と同期して検出する方式、またはその両方式の併用が考えられる。
【００１９】
図１、図２は本発明の基本構成を示す。図１は本発明の生体光計測装置に用いる光源の構成で、複数の半導体レーザとして３個の場合を図示する。半導体レーザ１〜３はサブマウント４に半田を介して接合されている。電極パッドのアノード側５〜７、カソード側８は半導体レーザを駆動するための配線が接続される。この例ではカソード側を共通としたが、アノード側を共通にしてもよい。一方、光出力モニタ素子９は半導体レーザ１〜３の後方に配置され、サブマウント４とともにヒートシンク１０に搭載される。光出力モニタ素子９の受けた信号はモニタ信号分離回路１１へ到達する。分離された信号に従い、各半導体レーザ１〜３の光出力が一定となるようなフィードバック信号を発光素子駆動電源１２〜１４に送る。
【００２０】
この光源を生体計測用に用いる場合には、被測定物質の特異的吸収波長を目安として波長を選ぶ必要がある。例えば還元型ヘモグロビン濃度を計測する場合に用いる光源の波長として、図３に示す還元型および酸素型ヘモグロビンの吸収係数を参考にすると、この物質の特異的吸収波長である７６０ｎｍおよびこの近傍(例えば、８００ｎｍ)の２波長を用いたり、この物質の吸収係数の差の大きな２種の波長とその中間の１波長との合計３波長を用いたりするとよい。図３よりその３波長のうち一つ目は、還元型ヘモグロビンの吸収係数の大きな７３０ｎｍ付近以下で信号強度を確保できるように生体の吸収の大きすぎない６５０ｎｍ以上の領域からひとつ（例えば６９０ｎｍ）を選ぶ。二つ目は酸化型ヘモグロビンの吸収係数の大きな８３０ｎｍ付近以上の領域からひとつ（例えば８３０ｎｍ）を選ぶ。三つ目は前記二つの波長の間で７６０ｎｍを選ぶ。この波長は還元型ヘモグロビンの吸収係数が７５０ｎｍ〜７６０ｎｍの間に極大値をもつことから、吸収される信号が大きくなり、計測精度向上に役立つ特異的吸収波長であるといえる。したがって、光源波長のひとつを７５０ｎｍ〜７６０ｎｍに選ぶことには意味がある。
【００２１】
ところで、一つ目の波長を選ぶ際には、レーザ製品の放射安全基準(ＪＩＳ Ｃ ６８０２)、世界基準(ＩＥＣ ６０８２５)を考慮して、７００ｎｍ以上の波長を選ぶと同じクラスでも許容される強度を大きくでき、計測の信号を大きくすることができるため精度を上げることができる。このように、生体組織中での散乱が少ないことと安全上の基準を考慮しても測定精度を上げることができるので、波長を７００ｎｍ以上にすることには意味がある。
【００２２】
図１の構成を持つ光源から発生した光は、そのまま光ファイバに導入して伝送させたり、空中伝播させたり、直接生体に照射してもよい。光ファイバに導入する場合は光ファイバ内で元の光出力が減衰されるので、ファイバ出力に対して安全上の配慮をした、光源光出力の設計が必要である。一方、空中伝播と生体照射の場合は、光源そのものの光出力に前記波長に応じた安全上の制限が加わる。前記安全基準により、観測者の目に対する安全を確保するために、焦点の合う最短距離である１０ｃｍ離れたところでの瞳の大きさに相当する直径７ｍｍの円内での光強度に制限があるため、レンズなどの光を広げる手段を用いて光を広げるとよい。
【００２３】
また、図３より還元型ヘモグロビンの８０５ｎｍ以下の領域の吸収係数は波長変動に対し敏感なので、波長変動は小さいほうがよい。通常半導体レーザのカタログでは波長の仕様は±１０ｎｍに設定されているが、光源を生体に近接して配置する場合は、温度変化が室温の２５℃から、生体体温の約４０℃に素子発熱分の１０℃を加えた５０℃程度までとなると考えると、温度変化に対する波長変動率は０．２ｎｍ/Ｋなので、波長変動を５ｎｍ程度にすることができる。これに作製ロットごとの活性層の組成ずれなど、作製上必要な余裕を持たせると、波長変動は倍の±５ｎｍ程度にすることができる。
【００２４】
このような直接光源を被検体に照射する光計測装置では戻り光による光源の光出力変動は計測誤差につながるので、戻り光耐性を持つことが必要である。ひとつの解決方法は被検体からの反射戻り光が半導体レーザの共振器に入らないように、前端面の反射率を高く設定することが望ましい。端面発光型の半導体レーザの場合、よく知られている材料である、酸化珪素と窒化珪素とをそれぞれ四分の一波長の膜厚で積層すると約５０％の高反射膜となる。さらに複数周期積み上げるとさらに高反射膜を作ることができ、よりよい戻り光耐性が得られる。また、面発光レーザでは半導体ＡｌＧａＡｓの積層膜で９５％を超える反射率を用いることが多い。また、発光素子として発光ダイオードを用いることもでき、この場合は最初からコヒーレント光ではないので、戻り光には強い。
【００２５】
また、特に光源の反射率を低くして、前面からの光出力を多くしたい場合には、もうひとつの解決方法として、公知の技術であるセルフパルセーション動作により、縦モードを多モードにして結合しにくくすることができる。
【００２６】
このような光源を用いて、生体に近接して生体情報を測定する場合には、生体に光源装置を密着させ、生体内で一部吸収されて戻った光を検出する検出器を光源位置に対して最適化された位置に配置したようなプローブを用いると位置決めがしやすい。光源装置は少なくとも２種類の異なる発光波長を持つ発光素子を含み、それぞれの発光素子を光らせるタイミングとしては周波数の異なる強度変調か時分割で動作させる。このような光源装置と検出器を複数個用意し、２次元的に配置したプローブを用いることで、広範囲の生体情報を一度に得ることもできる。
【００２７】
次に７００ｎｍ〜７６０ｎｍの波長で発振する半導体発光素子を実現する手段を詳しく述べる。
この波長範囲を満たすことのできる活性層として結晶成長方法が確立されていなかったために作製が困難であったＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓＰを選ぶ。有機金属気層成長（ＭＯＶＰＥ）装置を用いて、成長条件を実験的に最適化することでＧａＡｓ基板上にレーザの活性層相当の膜厚をもつＩｎＧａＡｓＰを成長させることに成功した。成長条件はＧａＡｓ基板を用いた成長の常識的な範囲内のあるものであったが、装置ごとに最適化するべきものである。
【００２８】
７００ｎｍ〜７６０ｎｍの波長で発振する半導体発光素子は図１２を基本構成とする。ｎ型ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２０２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層２０４、歪量子井戸活性層２０５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層２０６、第１ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０７、第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０８、ｐ型ＧａＩｎＰキャップ層２０９、ｐ型ＧａＡｓキャップ層２１０を、順次、ＭＯＶＰＥ法で成長する。第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０８、ｐ型ＧａＩｎＰキャップ層２０９、ｐ型ＧａＡｓキャップ層２１０は、所定のエッチングによってストライプ形状に形成され、ストライプの側壁は絶縁膜２１１で保護される。また、ｐ型ＧａＡｓキャップ層２１０上にはｐ電極２１２、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１下にはｎ電極２１３が設けられる。
【００２９】
上記歪量子井戸活性層２０５はＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ（０．１０≦ｙ≦０．４５）量子井戸層（面内の格子定数ａｗ）および（ＡｌｚＧａ１−ｚ）ｗＩｎ１−ｗＰ障壁層からなる。ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層の歪量は、実験を行ない特性や信頼性を評価することで決定できる。理論計算および実験の結果、波長に関わらず、ε（％）＝（ａｗ−ａ）／ａ×１００で定義される歪εは０．４％≦ε≦１．４％が望ましいことが明らかになった。特に、波長が７００ｎｍ以上７２０ｎｍ以下の場合は、０．４％≦ε≦１．２％が望ましく、さらに０．４％≦ε≦０．９％が最適範囲である。また、波長が７２５ｎｍ以上７６０ｎｍ以下の場合は、０．６％≦ε≦１．４％の歪の範囲が望ましいことが明らかになった。
なお、上記ＧａＡｓ基板２０１は面方位が（１００）面から＜０１１＞方向へ傾いたオフ基板でも良く、また、上記歪量子井戸活性層２０５は、障壁層に引張り歪を加えた歪補償構造でも良い。
【００３０】
ここで、本発明と従来技術との差異を述べる。
特許文献１は生体の情報を得るために、光計測に先立ってＣＴ計測が必要であるが、本発明では、光計測のみで生体情報を得る。特許文献２は光計測により生体情報を時系列表示できるが、その光源については波長以外の詳細な記述がない。本発明では特許文献２の信号処理理論をそのまま用いて、光計測装置に用いる光源の構成と光出力安定化の制御を提案した。
【００３１】
特許文献３、４、７は複数の半導体発光素子を搭載した半導体光源で、主な用途が光記録および光書込であるため、それぞれの発光点を同時に光らせて使用する用法はないが、本発明は複数の異なる波長を持つ半導体発光素子を同時に発光させて用いる。特許文献７とはひとつの光出力モニタ素子を用いている点は共通であるが、ある特定の時間に光っている１つの素子のみに制御信号を返して光出力を安定化させる構成であるのに対し、本発明は同時に複数の半導体発光素子を光らせ、それぞれを異なる周波数または時分割で動作させることでひとつの光出力モニタ素子に入った信号を分離してそれぞれの半導体発光素子の光出力安定化ができるようになっており、光出力安定化に関する構成が異なる。
【００３２】
この光出力安定化方法の構成により、特許文献５とも区別できる。なぜなら、特許文献５では複数の波長の異なる半導体発光素子を搭載した半導体光源で、主な用途はディスプレイのため、複数の発光素子を同時に発光させることがあるが、それぞれの発光素子の光出力を測定するために同数の光出力モニタ素子が用意されている。本発明ではそのことを安定化させるための課題として挙げて、ひとつの光出力モニタ素子に入った信号を分離する構成としている。
【００３３】
特許文献６は複数の発光素子の前方で行路の途中に光出力モニタ素子を置いているが、本発明は、光源を生体に近接させる用法を含むため行路の途中に光出力モニタ素子を置くことができず、発光素子の発光点より後方に光出力モニタ素子を置いた。
【００３４】
特許文献８の半導体発光素子は活性層にＩｎＧａＡｓＰを用いているが、発光波長が６３５ｎｍで、従来技術でも安定に結晶成長できる範囲の組成を用いており、同じ構成では本発明の７００ｎｍ以上の波長帯での組成を達成することができない。一方、非特許文献２は本発明と発光波長帯は同じであるが、本発明では、より信頼性の高い、発光波長７００ｎｍ〜７６０ｎｍの発光素子を与える結晶の供給を実現するために、歪に着目して組成の限定を加えたことが従来と異なる。
【００３５】
これら、従来の技術をすべて組み合わせても、生体に近接して情報を計測する場合には対応できず、本発明では、生体に近接して光源と生体からの信号を検出する検出器とを配置し、光源を光らせるタイミングを選ぶ方式と光出力安定化および発光波長安定化について言及している点が従来と異なる。
【００３６】
また、発光波長７００ｎｍ〜７６０ｎｍの発光素子を高信頼の半導体発光素子で供給することができなかったため、従来はこれとは異なる波長範囲の半導体光源を生体光計測に用いていた。本発明による高信頼性の得られる構成によって初めて発光波長７００ｎｍ〜７６０ｎｍの発光素子を生体光計測の光源として用いることができるようになった。
【発明の効果】
【００３７】
生体光計測装置として、半導体発光素子の入ったカンパッケージを複数個並べるのに比べ、複数波長の半導体発光素子の入ったひとつのカンパッケージを使用するので小型・軽量化できる。また、前記半導体光素子の光出力検出用にひとつの光出力モニタ素子を前記複数の発光素子を近接して搭載した後方に配置して、前記複数の発光素子からの信号を分離する回路を持つことにより、隣接素子の影響を分離できる。そして、生体計測用光源として、これまで実現困難であった７００ｎｍ〜７６０ｎｍの波長の半導体レーザを供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳述する。
【実施例１】
【００３９】
本発明の第１の実施例を、図１、および図２に示す装置に従い説明する。半導体レーザ１〜３はそれぞれ有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）装置を用いて、図４に断面構造を示すようにｎ型ＧａＡｓ基板１０１上にｎ型クラッド層１０２、活性層１０３、ｐ型クラッド層１０４、ｐ型コンタクト層１０５の順に結晶成長する。３個の半導体レーザのうち発振波長７６０ｎｍ以下を狙う１、２は、ｐ型、ｎ型クラッド層１０２、１０４に厚さ１．５μｍのＡｌＧａＩｎＰ層を用いて、活性層１０３には厚さ１０ｎｍのＧａＩｎ(Ａｓ)Ｐの井戸層と厚さ１５ｎｍのＡｌＧａＩｎＰの障壁層からなる多重量子井戸構造とそれを挟んだ厚さ２５ｎｍのＡｌＧａＩｎＰ層からなる光ガイド層を持ち、ｐ型コンタクト層１０５にはＧａＡｓ層を用いる。残りの１個の発振波長８００ｎｍ台を狙う半導体レーザ３は、ｐ型、ｎ型クラッド層１０２、１０４に厚さ１．５μｍのＡｌＧａＡｓ層を用いて、活性層１０３には厚さ１０ｎｍのＧａＡｓの井戸層と厚さ１５ｎｍのＡｌＧａＡｓの障壁層からなる多重量子井戸構造とそれを挟んだ厚さ２５ｎｍのＡｌＧａＡｓ層からなる光ガイド層を持ち、ｐ型コンタクト層１０５にはＧａＡｓ層を用いる。
【００４０】
フォトリソグラフィー工程により、ストライプ状のパターニングをした後、ドライエッチング装置によりストライプを残してエッチングし、メサ形状を形成する。半導体レーザ３のみ、ストライプのパターニングをしたときに用いたマスクを利用してＭＯＶＰＥ装置による選択成長でストライプ以外の部分にｎ型ドープＡｌＧａＡｓとｎ型ドープＧａＡｓからなるブロック層を成長させ、マスクを除去した後、ｐ型ドープＧａＡｓコンタクト層を成長させてメサを埋め込む。
【００４１】
ストライプ以外の場所に厚さ３５０ｎｍの酸化珪素膜によるパッシベーションを施し、ｐ側電極となるチタン、白金、金を順に電子ビーム蒸着する。ＧａＡｓ基板の裏面を研磨して厚さ１００μｍとしてから、裏面にｎ側電極となる金―ゲルマニウム、ニッケル、チタン、白金、金を順に電子ビーム蒸着したあと、合金化する。各ウェハは半導体レーザの共振器長が８００μｍとなるように劈開する。劈開端面にはスパッタリング装置で、前面にアルミナを付着させ反射率を１３％程度とし、後面にはアルミナと酸化チタンの積層膜を付着させ反射率を９０％以上とした。
【００４２】
こうして作製した半導体レーザ１〜３をジャンクションダウンでサブマウント４に実装する。ヒートシンク１０には半導体レーザの光出力安定化のための光出力モニタ素子としてモニタ用フォトダイオード(以下、モニタＰＤ)９を先に半田で固定してから、半導体レーザ１〜３を実装したサブマウント４を半田で固定する。半導体レーザ１〜３からの配線を電極パッド５〜８を介してヒートシンクの入出力側ピンに接続する。図１ではカソードコモンの接続を例に示しているが、アノードコモンとしてもよく、まったく同様に制御可能である。このあとキャップ(図示せず)をつけて封じることでカンパッケージが完成する。モニタＰＤ９からの出力はモニタ信号分離回路１１へ導かれ、ここで分離された信号は半導体レーザ１〜３の駆動電源１２〜１４にフィードバックされ光出力変動をなくすように補正をかけられる。
ここでは、生体計測の分光分析の精度を上げるために、半導体レーザ１〜３は、非常に近いが異なる周波数で変調されており、このときモニタ信号分離回路１１としてはロックインアンプを用いるとよい。
【００４３】
本実施例で作製した半導体レーザ１〜３の発振波長はそれぞれ、６９０ｎｍ、７６０ｎｍ、８３０ｎｍで、２５℃から５０℃において光出力５０ｍＷで動作し、その温度範囲の発振波長の変動は±５ｎｍ以内であった。また、５０℃、５０ｍＷでの一定光出力の寿命試験では２０００時間以上の動作を確認した。さらに、各半導体レーザを異なる周波数で変調して、後方で受光した光出力モニタ信号はロックインアンプを用いて分離することができ、半導体レーザ駆動電源１２〜１４にフィードバックすることにより、光出力の変動量は０．１％以下に抑えることができた。
【実施例２】
【００４４】
本発明の第２の実施例を、図５に示す生体光計測装置に従い説明する。複数波長の半導体レーザを搭載した光源１５は、第１の実施例と同様の作製方法で得られる。制御・表示用パソコン１７により制御された、送信機１８内のパルス発生器１９によるパルス信号をＣＤＭＡエンコード回路２０により変調信号として、光源ドライバ１６に供給して、光源１５を駆動する。この光源１５は発振波長６９５ｎｍ、７８０ｎｍ、８５０ｎｍで発振し、２５℃から６０℃において光出力５０ｍＷでは光出力変動量０．１％以下で動作する。この光源１５から発光される３波長の光は発光点間隔が２２０μｍで、この光を直径１ｍｍのコア部分を持つバンドルファイバ２１に導入する。そのファイバ出力光を周波数変調して生体２２に照射し、生体物質での光吸収後に戻ってきた光を受光素子モジュール２３で捉える。この光源１５と受光素子モジュール２３は信号処理に最適な間隔でプローブ２４に着脱可能な状態で固定されており、生体２２の表面での位置決めが容易であると同時に、故障時のモジュール交換が可能となっている。アナログ増幅器２５とＣＤＭＡデコード回路２６をあわせた受信機２７を用いて信号処理を行い、生体からの信号として制御・表示用パソコン１７で解析・表示する。光源１５の光出力変動が小さいので、信号の信頼度を高くすることができた。
【実施例３】
【００４５】
本発明の第３の実施例は、図５に示す装置と同じ構成である。複数波長の半導体レーザを搭載した光源１５は、第１の実施例と同様の作製方法で得られ、発振波長６８０ｎｍ、７５５ｎｍ、８３０ｎｍで発振し、２５℃から６０℃において光出力５０ｍＷでは光出力変動量０．１％以下で動作する。この波長の選び方は、図３により還元型ヘモグロビンの吸収係数が非常に大きい６８０ｎｍと酸化型ヘモグロビンの吸収係数が比較的大きい８３０ｎｍとその中間の波長７５５ｎｍである。この光源１５から発光される３波長の光を直径１ｍｍのコア部分を持つバンドルファイバ２１に導入する。そのファイバ出力光を周波数変調して生体２２に照射し、生体物質での光吸収後に戻ってきた光を受光素子モジュール２３で捉え、第２の実施例と同様に受信機２７により信号処理を行い、生体からの信号として解析する。光源１５の光出力変動が小さく、計測対象の還元型ヘモグロビンと酸化型ヘモグロビンの吸収係数の差の大きな２波長とその中間の波長を選んでいるので精度よく測定することができた。
【実施例４】
【００４６】
本発明の第４の実施例は、図１に示した光源装置の半導体レーザの波長を限定したものである。半導体レーザ１、２、３の発振波長はそれぞれ７０５±５ｎｍ、７５５±５ｎｍ、８３０±５ｎｍとなるように活性層組成を決める。半導体レーザ１、２は活性層にＩｎＧａＡｓＰの井戸層を持つ量子井戸構造を用いて製造し、半導体レーザ３は活性層にＧａＡｓの井戸層を持つ量子井戸構造を用いて製造すればよい。
【００４７】
特に、生体組織中での散乱が少なく水による吸収が少ない７００ｎｍ〜１３００ｎｍの波長を選択しているため精度よく生体からの信号を取り出すことができた。この中の半導体レーザ１は最も短い波長７０５±５ｎｍを持つが、生体組織中での散乱が少ないことと安全上の基準を考慮した７００ｎｍ以上の波長で最大限に還元型ヘモグロビンの吸収係数の大きい波長である。また、半導体レーザ２は、還元型ヘモグロビンの吸収係数が極大値を持つ特異的吸収波長である７５０〜７６０ｎｍの波長で発振するため、吸収される信号が大きくなる。これらのことから半導体レーザの発振波長として７０５±５ｎｍ、７５５±５ｎｍを選ぶことは測定精度向上に役立っている。
【実施例５】
【００４８】
本発明の第５の実施例を、図６、および７に示す装置に従い説明する。図６は本発明の光源を発光面から見た図であり、図７はそれを横から見た断面図である。半導体レーザ１２０、１２１、１２２は垂直共振器面発光型レーザで、波長は７８０ｎｍ、８０５ｎｍ、８３０ｎｍである。これらの半導体レーザはサブマウント１２３の上に実装され、モニタＰＤ１２４とともにヒートシンク１２５に固定されている。その後、上記波長における反射率が１０％程度で光伝播方向に対して垂直から若干傾いた窓の付いたキャップ１２６で封じる。この光源２８はこれらの３つの波長のおのおので光出力２ｍＷが得られた。
【００４９】
光出力を安定化する構成は図８を用いて説明する。モニタＰＤ１２４からの出力はモニタ信号分離回路１１へ導かれ、ここで分離された信号は半導体レーザ１２０〜１２２の光源ドライバ１６にフィードバックされ光出力変動をなくすように補正をかけられる。ここでは、生体計測の分光分析の精度を上げるために、半導体レーザ１２０〜１２２は、時分割で駆動されており、このときモニタ信号はモニタ信号分離回路１１によって半導体レーザ１２０〜１２２に同期した信号のみが検出される。この全体で光源モジュール２９を形成する。
【００５０】
本実施例の光源は生体から数ｍｍの距離に近接して使用され、使用温度がほぼ４０℃に保たれていたため、波長変動が小さく、素子ごとに±５ｎｍ以内の変動であった。また、面発光型レーザでは光の放出面の反射率が約９５％のため、戻り光耐性があり、光出力変動が０．０５％以内であった。このことから安定して雑音の少ない生体からの信号を得ることができた。
【００５１】
なお、半導体レーザ１２０、１２１、１２２は発光ダイオードに置き換えてもよい。それは発光ダイオードがコヒーレント光でないために、垂直共振器面発光型レーザと同等の良好な戻り光耐性を持つためである。
【実施例６】
【００５２】
本発明の第６の実施例を、図９に示す装置に従い説明する。複数波長の半導体レーザを搭載した光源モジュール２９は第５の実施例と同様の作製方法で得られ、ここでは発振波長７８０ｎｍ、８３０ｎｍの２種類の波長で発振し、使用温度２５℃から４０℃の範囲では、光出力２ｍＷで、波長変動は±５ｎｍ以内、光出力変動は０．０５％以内であった。この光源モジュール２９は送信機１８により動作のタイミングを決める信号を受け、生体２２に光を照射する。生体物質での光吸収後に戻ってきた光を受光素子モジュール２３で捉える。その信号を受信機２７で信号処理し、生体からの信号として制御・表示用パソコン１７で解析・表示する。
【００５３】
この光源モジュール２９と受光素子モジュール２３は信号処理に最適な間隔でプローブ２４に着脱可能な状態で固定されており、生体２２の表面での位置決めが容易であると同時に、故障時のモジュール交換が可能となっている。プローブ２４の断面の一部は図１０に示すようになっている。光源モジュール２９は光源２８とその光出力安定化回路３０とともにケース３１に入っており、給電コネクタ３２で外から電源供給を受ける。受光素子モジュール２３はアバランシェフォトダイオード３３と増幅器や高圧電源部を含む制御回路３４とがケース３１に入っており、給電コネクタ３２で外から電源供給を受ける。ケース３１はプローブ２４から着脱可能となっている。図には光源モジュール２９と受光素子モジュール２３が２個ずつ固定されているが、さらに多くのモジュールをアレイ状に配置して、生体からの広い面積の信号を得ることもできる。
【００５４】
光源モジュール２９が生体に光を導入するための光ファイバを不要とし小型軽量化できたために、生体光計測装置の小型化が実現し、従来どおりの測定精度も実現することができた。
【実施例７】
【００５５】
本発明の第７の実施例を、図１１に示す装置に従い説明する。半導体レーザ１３０は公知の２波長集積半導体レーザの技術で作製された端面発光型レーザであり、発振波長は６９０ｎｍ、７６０ｎｍである。光の放出端面の反射率は酸化珪素と窒化珪素の四分の一波長積層膜を２周期形成することにより６８％とした。光出力はそれぞれの波長で４ｍＷが得られた。観測者の目に直接入ることを想定したときの安全性の問題を回避するために、光源のパッケージには光を広げる手段、たとえばレンズ１３１を持つ。
【００５６】
光出力を安定化する構成は図８の構成と同じである。半導体レーザ１３０は、時分割で駆動されており、このときモニタ信号は図８に示すモニタ信号分離回路１１と同様の回路によって半導体レーザ１３０の各波長の光に同期した信号のみが検出される。ここで、計測精度を上げるためには複数の波長で同時に光っているほうが、同じ時刻での複数の信号を得られるために望ましく、半導体レーザ１３０の各波長の光を異なる周波数で強度変調し、モニタ信号を分離する回路１１としてロックインアンプを用いて各波長の光強度を安定化する方法を使ってもよい。さらに精度を上げるために、時分割および、異なる周波数での強度変調との両方の駆動タイミングを掛け合わせたもので、複数の波長の光を駆動してもよい。いずれにしても発光素子の駆動タイミングにあわせて、モニタＰＤ９に入った信号を分離するように図８に示すモニタ光出力分離回路１１と同様の回路を作ればよい。
【００５７】
本実施例の光源は生体から数ｍｍの距離に近接して使用され、使用温度がほぼ４０℃に保たれていたため、波長変動が小さく、素子ごとに±５ｎｍ以内の変動であった。光の放出面の反射率が６８％のため、戻り光耐性があり、光出力変動が０．０８％以内であった。このことから安定して雑音の少ない生体からの信号を得ることができた。
【実施例８】
【００５８】
本発明の第８の実施例を、図１１を用いて説明する。ここでは半導体レーザ１３０は光を放出する端面付近に過飽和領域を設けることによりパルセーション動作を発生させることにより戻り光耐性を高くしている。光出力を安定化させるのは例えば図２の構成と同様に、各半導体レーザを異なる周波数で駆動して、モニタＰＤの信号をロックインアンプで分離するとよい。
【００５９】
本実施例の光源は生体から数ｍｍの距離に近接して使用され、使用温度がほぼ４０℃に保たれていたため、波長変動が小さく、素子ごとに±５ｎｍ以内の変動であった。パルセーション動作ため戻り光が結合しにくく、光出力変動が０．０８％以内であった。このことから安定して雑音の少ない生体からの信号を得ることができた。
【実施例９】
【００６０】
第９の実施例について、半導体レーザの断面構造図（図１２）を使って説明する。所定のｎ型ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２０２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層２０４、歪量子井戸活性層２０５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層２０６、第１ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０７、第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０８、ｐ型ＧａＩｎＰキャップ層２０９、ｐ型ＧａＡｓキャップ層２１０が、順次、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）で積層される。第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０８、ｐ型ＧａＩｎＰキャップ層２０９、ｐ型ＧａＡｓキャップ層２１０は、所定のエッチングによってストライプ形状に形成され、ストライプの側壁は絶縁膜２１１で保護される。また、ｐ型ＧａＡｓキャップ層２１０上にはｐ電極２１２、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１にはｎ電極２１３が設けられる。
【００６１】
第９の実施例では、上記歪量子井戸活性層２０５はＩｎ０．５Ｇａ０．５Ａｓ０．１６Ｐ０．８４量子井戸（圧縮歪０．７％）および（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層からなる。この場合、量子井戸幅を７〜１２ｎｍの間で調整することによって波長７０５ｎｍで発振する半導体レーザ装置が得られる。
【００６２】
これを第１の実施例の半導体レーザ１に適用することで生体光計測に適した光源を供給することができる。
【実施例１０】
【００６３】
第１０の実施例について、半導体レーザの断面構造図（図１２）を使って説明する。本実施例では、上記歪量子井戸活性層２０５はＩｎ０．５Ｇａ０．５Ａｓ０．３２Ｐ０．６８量子井戸（圧縮歪１．２％）および（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層からなる。この場合、量子井戸幅を７〜１２ｎｍの間で調整することによって波長７５５ｎｍで発振する半導体レーザ装置が得られる。
これを第１の実施例の半導体レーザ２に適用することで生体光計測に適した光源を供給することができる。
【００６４】
なお、上記ＧａＡｓ基板２０１は面方位が（１００）面から＜０１１＞方向へ傾いたオフ基板でも良く、また、上記歪量子井戸活性層２０５は、障壁層に引張り歪を加えた歪補償構造でも良い。また、上記ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層の歪量は、実験を行ない特性や信頼性を評価することで決定できる。理論計算および実験の結果、波長に関わらず、０．４％≦ε≦１．４％が望ましいことが明らかになった。特に、波長が７００ｎｍ以上７２０ｎｍ以下の場合は、０．４％≦ε≦１．２％が望ましく、さらに０．４％≦ε≦０．９％が最適範囲である。また、波長が７２５ｎｍ以上７６０ｎｍ以下の場合は、０．６％≦ε≦１．４％の歪の範囲が望ましいことが明らかになった。
【００６５】
なお、本実施例およびその変形で実現できるのは下記の半導体レーザ装置である。
１．格子定数ａを有するＧａＡｓ基板上に設けられ、面内の格子定数ａｗを有するＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層および障壁層からなる発光層を有し、前記発光層は、前記量子井戸層がε（％）＝（ａｗ−ａ）／ａ×１００で定義される歪εが０．４％≦ε≦１．４％で、その組成が０．１０≦ｙ≦０．４５であり、発光する波長が７００ｎｍ以上７６０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ装置。
２．格子定数ａを有するＧａＡｓ基板上に設けられ、面内の格子定数ａｗを有するＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層および障壁層からなる発光層を有し、前記発光層は、前記量子井戸層がε（％）＝（ａｗ−ａ）／ａ×１００で定義される歪εが０．４％≦ε≦１．２％で、その組成が０．１０≦ｙ≦０．２５であり、発光する波長が７００ｎｍ以上７３０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ装置。
３．格子定数ａを有するＧａＡｓ基板上に設けられ、面内の格子定数ａｗを有するＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層および障壁層からなる発光層を有し、前記発光層は、前記量子井戸層がε（％）＝（ａｗ−ａ）／ａ×１００で定義される歪εが０．４％≦ε≦０．９％で、その組成が０．１０≦ｙ≦０．２であり、発光する波長が７００ｎｍ以上７２０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ装置。
４．格子定数ａを有するＧａＡｓ基板上に設けられ、面内の格子定数ａｗを有するＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層および障壁層からなる発光層を有し、前記発光層は、前記量子井戸層がε（％）＝（ａｗ−ａ）／ａ×１００で定義される歪εが０．６％≦ε≦１．４％で、その組成が０．２０≦ｙ≦０．３５であり、発光する波長が７００ｎｍ以上７６０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ装置。
５．格子定数ａを有するＧａＡｓ基板上に設けられ、面内の格子定数ａｗを有するＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層および障壁層からなる発光層を有し、前記発光層は、前記量子井戸層がε（％）＝（ａｗ−ａ）／ａ×１００で定義される歪εが０．１％≦ε≦０．４５％で、その組成が０．４≦ｙ≦１．４であり、発光する波長が７００ｎｍ以上７６０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ装置。
６．格子定数ａを有するＧａＡｓ基板上に設けられ、面内の格子定数ａｗを有するＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層および障壁層からなる発光層を有し、前記発光層は、前記量子井戸層がε（％）＝（ａｗ−ａ）／ａ×１００で定義される歪εが０．４％≦ε≦１．２％で、その組成が０．１０≦ｙ≦０．２５であり、発光する波長が７００ｎｍ以上７３０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ装置。
７．所定のＧａＡｓ基板（格子定数ａ）上に設けられた、Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層（面内の格子定数ａｗ）および障壁層からなる発光層において、ε（％）＝（ａｗ−ａ）／ａ×１００で定義される歪εが０．４％≦ε≦０．９％、量子井戸層の組成が０．１０≦ｙ≦０．２０、波長が７００ｎｍ以上７２０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体発光装置を搭載したことを特徴とする半導体レーザ装置。
８．所定のＧａＡｓ基板（格子定数ａ）上に設けられた、Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層（面内の格子定数ａｗ）および障壁層からなる発光層において、ε（％）＝（ａｗ−ａ）／ａ×１００で定義される歪εが０．６％≦ε≦１．４％、量子井戸層の組成が０．２０≦ｙ≦０．３５、波長が７２５ｎｍ以上７６０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体発光装置を搭載したことを特徴とする半導体レーザ装置。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、複数の波長の光を用いた高精度生体計測およびその光源として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の一実施形態を示す、半導体レーザ集積光源を示す図。
【図２】本発明の一実施形態を示す、半導体レーザ集積光源とその光出力制御系統を示す図。
【図３】還元型ヘモグロビンと酸化型ヘモグロビンの吸収係数の波長依存性を示す図。
【図４】本発明に用いた半導体レーザの結晶成長構造を示す図。
【図５】本発明の一実施形態を示す、半導体レーザ集積光源を用いた生体計測装置を示す図。
【図６】本発明の一実施形態を示す、半導体レーザ集積光源を示す図。
【図７】本発明の一実施形態を示す、半導体レーザ集積光源の断面図。
【図８】本発明の一実施形態を示す、半導体レーザ集積光源とその光出力制御系統を示す図。
【図９】本発明の一実施形態を示す、光源モジュールを用いた生体光計測装置を示す図。
【図１０】本発明の一実施形態を示す、光源モジュールを用いた生体光計測装置のプローブ断面図。
【図１１】本発明の一実施形態を示す、半導体レーザ集積光源の断面図。
【図１２】本発明の一実施形態を示す、半導体レーザの断面図。
【符号の説明】
【００６８】
１,２,３：半導体レーザ素子、４：サブマウント、５,６,７,８：電極配線用パッド、９：半導体レーザ光出力光出力モニタ素子、１０：ヒートシンク、１１：モニタ信号分離回路、１２,１３,１４：発光素子駆動電源、１５：光源、１６：光源ドライバ、１７：制御・表示用パソコン、１８：送信機、１９：パルス発生器、２０：ＣＤＭＡエンコード回路、２１バンドルファイバ、２２生体、２３：受光素子モジュール、２４：プローブ、２５：アナログ増幅器、２６：ＣＤＭＡデコード回路、２７：受信機、２８：光源、２９：光源モジュール、３０：光出力安定化回路、３１：ケース、３２給電コネクタ、３３：アバランシェフォトダイオード、３４：制御回路、１０１：ｎ型ＧａＡｓ基板、１０２：ｎ型クラッド層、１０３：活性層、１０４：ｐ型クラッド層、１０５：ｐ型コンタクト層、１２０,１２１：垂直共振器面発光型レーザ、１２２：垂直共振器面発光型レーザ、１２３：サブマウント、１２４：半導体レーザ光出力光出力モニタ素子、１２５：ヒートシンク、１２６：キャップ、１３０：半導体レーザ素子、１３１：レンズ、２０１：ｎ型ＧａＡｓ基板、２０２：ｎ型ＧａＡｓバッファ層、２０３：ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、２０４：ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層、２０５：歪量子井戸活性層、２０６：ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層、２０７：第１ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、２０８：第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、２０９：ｐ型ＧａＩｎＰキャップ層、２１０：ｐ型ＧａＡｓキャップ層、２１１：絶縁膜、２１２：ｐ電極、２１３：ｎ電極。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体の表面に複数の光信号を出射する光源装置と、前記生体の内部を前記複数の光信号が通過して該生体の表面から放出される複数の光信号を検出する受光素子と、前記受光素子で検出された複数の光信号を受信し、該複数の光信号を波長ごとに分離する信号分離回路と、を備え、
前記光源装置は、サブマウント上に搭載され可視から赤外の波長範囲で互いに異なる波長を有する複数の半導体発光素子と、前記複数の半導体発光素子に接続され光信号出力を制御する駆動用回路と、前記複数の半導体発光素子から放射される各々の光信号出力を検知する一つの光出力モニタ素子とが一つに収納されたパッケージを具備してなり、
前記一つの光出力モニタ素子で検出された複数の光信号を波長ごとに分離するモニタ信号分離回路を備え、
前記モニタ信号分離回路により分離されたそれぞれの波長を有する光信号を、該それぞれの波長を発する前記半導体発光素子に接続された前記駆動用回路の各々に帰還させることにより、前記複数の半導体発光素子の光信号出力の制御を行うことを特徴とする生体光計測装置。
【請求項２】
前記複数の半導体発光素子から発する光信号は、前記生体を組成する複数の生体物質に対する前記複数の半導体発光素子から発する光信号の波長ごとの吸収係数の差が、所定値より大きくなるように選定された２種類の波長と、前記２種類の波長の中間の波長を少なくとも１種類含むことを特徴とする請求項１に記載の生体光計測装置。
【請求項３】
前記複数の光信号の波長の中で最も短い波長が、７０５±５ｎｍであることを特徴とする請求項１記載の生体光計測装置。
【請求項４】
前記複数の光信号が、７５５±５ｎｍを含む波長を有することを特徴とする請求項１記載の生体光計測装置。
【請求項５】
前記光源装置および前記受光素子が、前記生体の体温を検知できる程度の距離に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の生体光計測装置。
【請求項６】
前記半導体発光素子から放射される光を拡げる手段を有することを特徴とする請求項５に記載の生体光計測装置。
【請求項７】
使用環境における前記半導体発光素子の波長変動が、前記半導体発光素子ごとに±５ｎｍ以内であることを特徴とする請求項５に記載の生体光計測装置。
【請求項８】
前記半導体発光素子の光放出端面における、該光放出端面から放射される光の波長の反射率が、５０％以上であることを特徴とする請求項５に記載の生体光計測装置。
【請求項９】
前記半導体発光素子が、セルフパルセーション動作をすることを特徴とする請求項５に記載の生体光計測装置。
【請求項１０】
前記半導体発光素子の少なくとも一つが、格子定数ａを有するＧａＡｓ基板上に設けられ、面内の格子定数ａｗを有するＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層および障壁層からなる発光層を有し、
前記発光層は、前記量子井戸層がε（％）＝（ａｗ−ａ）／ａ×１００で定義される歪εが０．４％≦ε≦１．４％で、その組成が０．１０≦ｙ≦０．４５であり、発光する波長が７００ｎｍ以上７６０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の生体光計測装置。
【請求項１１】
前記半導体発光素子の少なくとも一つが、格子定数ａを有するＧａＡｓ基板上に設けられ、面内の格子定数ａｗを有するＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層および障壁層からなる発光層を有し、
前記発光層は、前記量子井戸層がε（％）＝（ａｗ−ａ）／ａ×１００で定義される歪εが０．４％≦ε≦１．２％で、その組成が０．１０≦ｙ≦０．２５であり、発光する波長が７００ｎｍ以上７３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の生体光計測装置。
【請求項１２】
前記半導体発光素子の少なくとも一つが、格子定数ａを有するＧａＡｓ基板上に設けられ、面内の格子定数ａｗを有するＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層および障壁層からなる発光層を有し、
前記発光層は、前記量子井戸層がε（％）＝（ａｗ−ａ）／ａ×１００で定義される歪εが０．４％≦ε≦０．９％で、その組成が０．１０≦ｙ≦０．２であり、発光する波長が７００ｎｍ以上７２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の生体光計測装置。
【請求項１３】
前記半導体発光素子の少なくとも一つが、格子定数ａを有するＧａＡｓ基板上に設けられ、面内の格子定数ａｗを有するＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層および障壁層からなる発光層を有し、
前記発光層は、前記量子井戸層がε（％）＝（ａｗ−ａ）／ａ×１００で定義される歪εが０．６％≦ε≦１．４％で、その組成が０．２０≦ｙ≦０．３５であり、発光する波長が７２５ｎｍ以上７６０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の生体光計測装置。
【請求項１４】
計測対象とすべき生体を組成する複数の生体物質のそれぞれが有する計測用の光の波長ごとの吸収係数の差が、所定値より大きくなるような２種類の波長と、前記２種類の波長の中間の波長の少なくとも１つとをそれぞれ発する複数のレーザ装置が一つのパッケージに搭載された半導体レーザ装置。
【請求項１５】
前記レーザ装置が有する複数の波長の中で最も短い波長が、７０５±５ｎｍである請求項１４記載の半導体レーザ装置。
【請求項１６】
前記複数の波長に、７５５±５ｎｍの波長を含む請求項１４記載の半導体レーザ装置。
【請求項１７】
前記レーザ装置から発するレーザ光を広げる手段を有する請求項１４に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１８】
前記レーザ装置を構成する素子ごとの使用環境に応じた波長変動が、±５ｎｍ以内である請求項１４に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１９】
前記レーザ装置を構成する素子の少なくとも一つが、格子定数ａを有するＧａＡｓ基板上に設けられ、面内の格子定数ａｗを有するＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層および障壁層からなる発光層を有し、
前記発光層は、前記量子井戸層がε（％）＝（ａｗ−ａ）／ａ×１００で定義される歪εが０．４％≦ε≦１．４％で、その組成が０．１０≦ｙ≦０．４５であり、発光する波長が７００ｎｍ以上７６０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１４に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１】
生体の表面に複数の光信号を出射する光源装置と、前記生体の内部を前記複数の光信号が通過して該生体の表面から放出される複数の光信号を検出する受光素子と、前記受光素子で検出された複数の光信号を受信し、該複数の光信号を波長ごとに分離する信号分離回路と、を備え、
前記光源装置は、サブマウント上に搭載され可視から赤外の波長範囲で互いに異なる波長を有する複数の半導体発光素子と、前記複数の半導体発光素子に接続され光信号出力を制御する駆動用回路と、前記複数の半導体発光素子から放射される各々の光信号出力を検知する一つの光出力モニタ素子とが一つに収納されたパッケージを具備してなり、
前記一つの光出力モニタ素子で検出された複数の光信号を波長ごとに分離するモニタ信号分離回路を備え、
前記モニタ信号分離回路により分離されたそれぞれの波長を有する光信号を、該それぞれの波長を発する前記半導体発光素子に接続された前記駆動用回路の各々に帰還させることにより、前記複数の半導体発光素子の光信号出力の制御を行うことを特徴とする生体光計測装置。
【請求項２】
前記複数の半導体発光素子から発する光信号は、前記生体を組成する複数の生体物質に対する前記複数の半導体発光素子から発する光信号の波長ごとの吸収係数の差が、所定値より大きくなるように選定された２種類の波長と、前記２種類の波長の中間の波長を少なくとも１種類含むことを特徴とする請求項１に記載の生体光計測装置。
【請求項３】
前記複数の光信号の波長の中で最も短い波長が、７０５±５ｎｍであることを特徴とする請求項１記載の生体光計測装置。
【請求項４】
前記複数の光信号が、７５５±５ｎｍを含む波長を有することを特徴とする請求項１記載の生体光計測装置。
【請求項５】
前記光源装置および前記受光素子が、前記生体の体温を検知できる程度の距離に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の生体光計測装置。
【請求項６】
前記半導体発光素子から放射される光を拡げる手段を有することを特徴とする請求項５に記載の生体光計測装置。
【請求項７】
使用環境における前記半導体発光素子の波長変動が、前記半導体発光素子ごとに±５ｎｍ以内であることを特徴とする請求項５に記載の生体光計測装置。
【請求項８】
前記半導体発光素子の光放出端面における、該光放出端面から放射される光の波長の反射率が、５０％以上であることを特徴とする請求項５に記載の生体光計測装置。
【請求項９】
前記半導体発光素子が、セルフパルセーション動作をすることを特徴とする請求項５に記載の生体光計測装置。
【請求項１０】
前記半導体発光素子の少なくとも一つが、格子定数ａを有するＧａＡｓ基板上に設けられ、面内の格子定数ａｗを有するＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層および障壁層からなる発光層を有し、
前記発光層は、前記量子井戸層がε（％）＝（ａｗ−ａ）／ａ×１００で定義される歪εが０．４％≦ε≦１．４％で、その組成が０．１０≦ｙ≦０．４５であり、発光する波長が７００ｎｍ以上７６０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の生体光計測装置。
【請求項１１】
前記半導体発光素子の少なくとも一つが、格子定数ａを有するＧａＡｓ基板上に設けられ、面内の格子定数ａｗを有するＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層および障壁層からなる発光層を有し、
前記発光層は、前記量子井戸層がε（％）＝（ａｗ−ａ）／ａ×１００で定義される歪εが０．４％≦ε≦１．２％で、その組成が０．１０≦ｙ≦０．２５であり、発光する波長が７００ｎｍ以上７３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の生体光計測装置。
【請求項１２】
前記半導体発光素子の少なくとも一つが、格子定数ａを有するＧａＡｓ基板上に設けられ、面内の格子定数ａｗを有するＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層および障壁層からなる発光層を有し、
前記発光層は、前記量子井戸層がε（％）＝（ａｗ−ａ）／ａ×１００で定義される歪εが０．４％≦ε≦０．９％で、その組成が０．１０≦ｙ≦０．２であり、発光する波長が７００ｎｍ以上７２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の生体光計測装置。
【請求項１３】
前記半導体発光素子の少なくとも一つが、格子定数ａを有するＧａＡｓ基板上に設けられ、面内の格子定数ａｗを有するＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層および障壁層からなる発光層を有し、
前記発光層は、前記量子井戸層がε（％）＝（ａｗ−ａ）／ａ×１００で定義される歪εが０．６％≦ε≦１．４％で、その組成が０．２０≦ｙ≦０．３５であり、発光する波長が７２５ｎｍ以上７６０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の生体光計測装置。
【請求項１４】
計測対象とすべき生体を組成する複数の生体物質のそれぞれが有する計測用の光の波長ごとの吸収係数の差が、所定値より大きくなるような２種類の波長と、前記２種類の波長の中間の波長の少なくとも１つとをそれぞれ発する複数のレーザ装置が一つのパッケージに搭載された半導体レーザ装置。
【請求項１５】
前記レーザ装置が有する複数の波長の中で最も短い波長が、７０５±５ｎｍである請求項１４記載の半導体レーザ装置。
【請求項１６】
前記複数の波長に、７５５±５ｎｍの波長を含む請求項１４記載の半導体レーザ装置。
【請求項１７】
前記レーザ装置から発するレーザ光を広げる手段を有する請求項１４に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１８】
前記レーザ装置を構成する素子ごとの使用環境に応じた波長変動が、±５ｎｍ以内である請求項１４に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１９】
前記レーザ装置を構成する素子の少なくとも一つが、格子定数ａを有するＧａＡｓ基板上に設けられ、面内の格子定数ａｗを有するＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸層および障壁層からなる発光層を有し、
前記発光層は、前記量子井戸層がε（％）＝（ａｗ−ａ）／ａ×１００で定義される歪εが０．４％≦ε≦１．４％で、その組成が０．１０≦ｙ≦０．４５であり、発光する波長が７００ｎｍ以上７６０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１４に記載の半導体レーザ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−２２９２３９（Ｐ２００８−２２９２３９Ａ）
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−７６８４４（Ｐ２００７−７６８４４）
【出願日】平成１９年３月２３日（２００７．３．２３）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２３日（２００７．３．２３）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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