特許 6192086 多波長測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6192086

(24)【登録日】2017年8月18日

(45)【発行日】2017年9月6日

(54)【発明の名称】多波長測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/35 20140101AFI20170828BHJP

   H01S 5/00 20060101ALI20170828BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/35

   H01S5/00

【請求項の数】6

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2012-72316(P2012-72316)

(22)【出願日】2012年3月27日

(65)【公開番号】特開2013-205113(P2013-205113A)

(43)【公開日】2013年10月7日

【審査請求日】2015年2月6日

【審判番号】不服2016-9664(P2016-9664/J1)

【審判請求日】2016年6月29日

(73)【特許権者】

【識別番号】301022471

【氏名又は名称】国立研究開発法人情報通信研究機構

(74)【代理人】

【識別番号】110001092

【氏名又は名称】特許業務法人サクラ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山本 直克

(72)【発明者】

【氏名】赤羽 浩一

(72)【発明者】

【氏名】川西 哲也

(72)【発明者】

【氏名】寶迫 巌

【合議体】

【審判長】 三崎 仁

【審判官】 信田 昌男

【審判官】 ▲高▼見 重雄

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６０−２９６４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−８１４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平６−２８３８１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１９１０７５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

G01N 21/35

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

１つの光共振器と，
前記１つの光共振器内に配置され，量子ドットをそれぞれ備え，互いに異なる複数の波長の光をそれぞれ発する，複数の構造体を積層してなり，前記複数の波長を含む光を前記一つの光共振器の外部に出射する発光部材と，
前記一つの光共振器の外部に出射された光から前記複数の波長の光のいずれかを選択する光学部材と，
複数の測定成分を含む測定対象を透過した，前記選択された波長の光を受光する受光素子と，
を具備し、複数の成分を測定する多波長測定装置。

【請求項2】

前記発光部材が，
第１の層と，この第１の層上に配置される第１の量子ドットと，この第１の量子ドットを覆う第２の層と，を有し，第１の波長の光を発する第１の構造体と，
第３の層と，この第３の層上に配置される第２の量子ドットと，この第２の量子ドットを覆う第４の層と，を有し，前記第１の構造体に積層して配置され，かつ前記第１の波長と異なる第２の波長の光を発する第２の構造体と，
第５の層と，この第５の層上に配置される第３の量子ドットと，この第３の量子ドットを覆う第６の層と，を有し，前記第２の構造体に積層して配置され，かつ前記第１，第２の波長と異なる第３の波長の光を発する第３の構造体と，
を有する，
ことを特徴とする請求項１記載の多波長測定装置。

【請求項3】

前記測定対象が第１〜第３の測定成分を含み，
前記光学部材を制御して，前記第１〜第３の波長の光を選択させ，前記選択された第１〜第３の波長の光それぞれでの受光素子の受光量を記憶する制御部と，
前記記憶された前記受光素子の受光量および前記第１〜第３の測定成分の前記第１〜第３の波長での吸光率に基づいて，前記測定対象の複数の測定成分の組成比を算出する算出部と，
を具備することを特徴とする請求項２記載の多波長測定装置。

【請求項4】

前記第１〜第３の量子ドットの組成またはサイズの少なくとも一方が互いに異なる，ことを特徴とする請求項３記載の多波長測定装置。

【請求項5】

前記第１，第３，および第５の層の厚さ，構成材料の格子定数の少なくともいずれかが異なる，ことを特徴とする請求項３記載の多波長測定装置。

【請求項6】

前記第２，第４，および第６の層の組成が異なる，
ことを特徴とする請求項３記載の多波長測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は，多波長での光学測定を行う多波長測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

多波長での光学測定が種々の用途に利用されている。例えば，材料に対する光の透過量を複数波長で測定して，その材料中に含まれる成分の量を算出することがある。このため，例えば，ブロードな波長帯域を有する光源から発せられた光を分光器等で分光して，分光測定がなされる（例えば，特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１０−０７２００７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ここで，測定に用いる波長は，測定材料中の成分（物質）に応じた複数の波長で足りることが多い。即ち，物質はある特定の波長で，光吸収を示す場合が多い（物質が，波長λ1，λ2・・・のように波長軸上で特徴ある光吸収スペクトルを有する）。光吸収スペクトルがブロードな場合でも，これは同様であり，測定材料中の成分（物質）に応じた複数の波長で足りることが多い。
この場合，光源から発せられる光に，測定に用いられない波長の光が含まれ，エネルギー損失の原因となる。

【0005】

上記に鑑み，本発明は，多波長での効率的な光学測定を可能とする多波長光学測定装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様に係る多波長測定装置は，光共振器と，前記光共振器内に配置され，量子ドットまたは量子井戸をそれぞれ備え，互いに異なる複数の波長の光を発する，複数の構造体を積層してなる発光部材と，前記複数の波長の光のいずれかを選択する光学部材と，複数の成分を含む測定対象を透過した，前記選択された波長の光を受光する受光素子と，を具備することを特徴とする。

【0007】

「量子ドットまたは量子井戸をそれぞれ備え，互いに異なる複数の波長の光を発する，複数の構造体を積層してなる発光部材」からの複数の波長の光のいずれかを選択して，測定対象を光学的に測定する。この結果，多波長での効率的な光学測定が可能となる。

【0008】

前記発光部材が，第１の層と，この第１の層上に配置される第１の量子ドットまたは第１の量子井戸と，この第１の量子ドットまたは第１の量子井戸を覆う第２の層と，を有し，第１の波長の光を発する第１の構造体と，第３の層と，この第３の層上に配置される第２の量子ドットまたは第２の量子井戸と，この第２の量子ドットまたは第２の量子井戸を覆う第４の層と，を有し，前記第１の構造体に積層して配置され，かつ前記第１の波長と異なる第２の波長の光を発する第２の構造体と，第５の層と，この第５の層上に配置される第３の量子ドットまたは第３の量子井戸と，この第３の量子ドットまたは第３の量子井戸を覆う第６の層と，を有し，前記第２の構造体に積層して配置され，かつ前記第１，第２の波長と異なる第３の波長の光を発する第３の構造体と，を有しても良い。
第１〜第３の構造体それぞれでの第１〜第３の量子ドットまたは量子井戸からの第１〜第３の波長の光を用いて，効率的な光学測定が可能となる。

【0009】

前記測定対象が第１〜第３の成分を含み，前記光学部材を制御して，前記第１〜第３の波長の光を選択させ，前記選択された第１〜第３の波長の光それぞれでの受光素子の受光量を記憶する制御部と，前記記憶された前記受光素子の受光量および前記第１〜第３の成分の前記第１〜第３の波長での吸光率に基づいて，前記測定対象の複数の成分の組成比を算出する算出部と，を具備しても良い。
第１〜第３の波長の光での測定結果に基づいて，第１〜第３の成分の組成比を算出できる。

【0010】

ここで，構造体それぞれから放出される光の波長を異ならせるには種々の手法があり得る。例えば，次の（１）〜（４）およびこれらの組み合わせによって，構造体それぞれから放出される光の波長を異ならせることができる。

【0011】

（１）前記第１〜第３の量子ドットの組成またはサイズ（厚さ等）の少なくとも一方が異なる。
（２）前記第１，第３，第５の層の厚さが異なる。
（３）前記第１，第３，第５の層の構成材料の格子定数が異なる。
（４）前記第２，第４，第６の層の組成が異なる。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば，多波長での効率的な光学測定を可能とする多波長光学測定装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施形態に係る多波長測定装置１０を表す模式図である。

【図2】試料Ｓ（測定対象）の吸光度スペクトルと光源２０からの発光スペクトルの関係を表す図である。

【図3】積層された構造体を表す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下，図面を参照して，本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る多波長測定装置１０を表す模式図である。多波長測定装置１０は，試料Ｓの分光特性を測定するものであり，光源２０，光ファイバ３１〜３１ｅ，光カプラ３２，レンズ３３ａ，３３ｂ，セル３４，光学素子３５ａ，３５ｂ，光検出器３６ａ，３６ｂ，制御・計算部３７を有する。

【0015】

光源２０は，試料Ｓの分光測定に適した複数の波長の光を選択して発する。
図２は，試料Ｓ（測定対象）の吸光度スペクトルと光源２０からの発光スペクトルの関係を表す図である。

【0016】

ここでは，試料Ｓが，３つの物質ｆ，ｇ，ｈを混合した混合物であるとする（複数の成分を含む測定対象）。図２（ｂ）に，これら３つの物質ｆ，ｇ，ｈの光吸収（吸光度）スペクトルｆ（λ），ｇ（λ），ｈ（λ）の概略を示す。

【0017】

ここで，物質ｆ，ｇ，ｈは，例えば，高分子物質である。例えば，図２（ｂ）に示すように，高分子物質による光吸収（吸光度）スペクトルはブロードであり，吸光度スペクトルｆ（λ），ｇ（λ），ｈ（λ）間で重なりがある。離れた波長間隔（例えば，図２のλ１〜λ３）の光を用いる吸光度測定により，吸光度スペクトルｆ（λ），ｇ（λ），ｈ（λ）に重なりのあるような複数成分ｆ，ｇ，ｈの混合サンプルの成分量の分析が可能である。例えば，生体の多成分分析（アルブミンやグルコース等）が可能となる。一例として，１．２６ミクロン近傍に光吸収が存在するグルコースを測定対象物質と決めた場合，１．２６ミクロン近傍を含む複数の波長の光を準備すれば良い。

【0018】

このとき，例えば，図２に示す波長λ１，λ２，λ３の光を選択的に用いることで，物質ｆ，ｇ，ｈの定量化（混合比の算出）が可能となる。波長λ１，λ２，λ３は，例えば，９８０ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲であり，吸光度スペクトルｆ（λ），ｇ（λ），ｈ（λ）の値が互いに異なる領域に設定できる。特に，波長λ１，λ２，λ３は，吸光度スペクトルｆ（λ），ｇ（λ），ｈ（λ）の値の相違が大きい領域に設定するのが好ましい。図２に示すように，光吸収（吸光度）スペクトルｆ（λ），ｇ（λ），ｈ（λ）がブロードな場合，波長λ１，λ２，λ３にはある程度の任意性が認められる。

【0019】

ここで，波長λ１，λ２，λ３以外の光はこの物質ｆ，ｇ，ｈの混合比の測定には必要が無い。即ち，光源２０が波長λ１，λ２，λ３以外の光を発生すると（ブロードな光発生），エネルギーの損失となる。

【0020】

そこで，図２（ａ）に示すように，光源２０が，測定対象物質ｆ，ｇ，ｈの光吸収スペクトルに合わせた波長λ１，λ２，λ３のピークＰ１〜Ｐ３の光を選択して発光するようにする。この結果，光源２０での高効率な測定が可能となる。ここでは，波長λ１のピークＰ１の光が発せられ，波長λ２のピークＰ２の光および波長λ３のピークＰ３の光は，発せられない。なお，光源２０の詳細は後述する。

【0021】

光ファイバ３１，３１ａ〜３１ｅは，光源２０からの光を導く導光路である。
光カプラ３２は，光源２０および光ファイバ３１からの光を光ファイバ３１ａ，３１ｂの２つに分岐する分岐器である。光カプラ３２は，光ファイバ３１からの光を１：１に分岐することが好ましい。

【0022】

レンズ３３ａは，光ファイバ３１ｃからの光を平行光に変換して，セル３４内を通過させる。レンズ３３ｂは，セル３４内を通過した光を収束光に変換して，光ファイバ３１ｃに導入させる。

【0023】

セル３４は，光透過性（例えば，９８０ｎｍ〜２０００ｎｍの波長範囲の一部または全部の光を通過させる）の容器であり，試料Ｓを保持する。試料Ｓは，例えば，物質ｆ，ｇ，ｈを混合した混合物であり，気体，液体，固体のいずれでも差し支えない。

【0024】

光学素子３５ａ，３５ｂは，略同一の光学特性を有し，選択された波長λ１，λ２，λ３以外の光を除外する光フィルタ（光バンドパスフィルタ，エタロンフィルタ，ホログラフィックフィルタ，干渉フィルタ等）である。即ち，光学素子３５ａ，３５ｂは，「複数の波長の光のいずれかを選択する光学部材」に対応する。波長λ１，λ２，λ３の選択は，光学素子３５ａ，３５ｂの交換によって行える。即ち，光学素子３５ａ，３５ｂ（例えば，波長λ１の光を透過し，波長λ２，λ３の光を遮断する）を異なる透過特性の光学素子３５ａ，３５ｂ（例えば，波長λ２の光を透過し，波長λ１，λ３の光を遮断する）と交換する。また，波長選択特性が可変な光学素子３５ａ，３５ｂを用いても良い。例えば，光路に対してエタロンフィルタを傾けることで，透過域の波長を変化できる。

【0025】

但し，光学素子３５ａ，３５ｂを省略することも可能である。これは，後述の光学素子２３でも波長λ１，λ２，λ３の選択が可能だからである。即ち，光学素子３５（３５ａ，３５ｂ）と光学素子２３のいずれか１方のみおよび双方を用いて，波長λ１，λ２，λ３を選択できる。光学素子３５（３５ａ，３５ｂ）と光学素子２３の双方を用いる場合，光学素子３５は光検出器３６ａ，３６ｂへのバックグランド光の混入の防止に寄与する。

【0026】

光検出器３６ａ，３６ｂは，セル３４を通過した光および通過しない光を受光し，受光した光の強度に対応する信号Ｓａ，Ｓｂを出力する。光検出器３６ａは，測定対象を透過した光を受光する受光素子に対応する。

【0027】

制御・計算部３７は，光検出器３６ａ，３６ｂからの信号に基づき，演算等を行う。
制御・計算部３７は，「光学部材を制御して，前記第１〜第３の波長の光を選択させ，前記選択された第１〜第３の波長の光それぞれでの受光素子の受光量を記憶する制御部」に対応する。即ち，制御・計算部３７は，光学素子２３，３５（３５ａ，３５ｂ）を制御して（光学素子２３，３５の光学特性の制御または光学特性の異なる光学素子２３，３５への交換），試料Ｓを通過する光の波長を選択する。また，制御・計算部３７は，そのときの光検出器３６ａ，３６ｂからの信号Ｓａ，Ｓｂを記憶するメモリを有する。

【0028】

制御・計算部３７は，「記憶された前記受光素子の受光量および前記第１〜第３の成分の前記第１〜第３の波長での吸光率に基づいて，前記測定対象の複数の成分の組成比を算出する算出部」として機能する。このために，制御・計算部３７は，複数の成分の吸光率ｆ（λ１）〜ｆ（λ３），ｇ（λ１）〜ｇ（λ３），ｈ（λ１）〜ｈ（λ３）（あるいは，後述の行列Ｍ，または逆行列Ｍ^−１），および算出に必要なパラメータ（例えば，後述の光路長ｄ）を記憶する。

【0029】

（光源２０の詳細）
以下，光源２０の詳細を説明する。
光源２０は，ミラー（反射器）２１，発光部材２２，光学素子２３，電源２４を有する。
ミラー（反射器）２１は，発光部材２２の反対側の端面２２ａと共に，光共振器を構成する。

【0030】

本実施形態の光共振器は，ミラー２１，端面２２ａにより挟まれたミラー対向型（リニア型）の光共振器である。ミラー２１，端面２２ａ間の経路を光が往復する。但し，リニア型の光共振器に換えて，リング型の光共振器を用いても良い。

【0031】

本実施形態の光共振器では，ミラー２１，端面２２ａ間の空間内を光（空間光）が伝搬する（空間光学部品を用いた光共振器）。これに対して，導波路（半導体，誘電体で構成された光導波路や光ファイバ等）を用いて，光（導波光）を伝搬させても良い（光導波光学部品を用いた光共振器）。

【0032】

ミラー２１として，分布Bragg反射鏡，分布帰還型反射鏡，フォトニック結晶反射鏡を利用できる。分布Bragg反射鏡は，屈折率の異なる層を４分の1波長の長さで交互に積層した反射鏡である。分布帰還型反射鏡は，回折格子等を用いて，反射箇所を分布させた反射鏡である。フォトニック結晶反射鏡は，フォトニック結晶を用いた反射鏡である。フォトニック結晶は，屈折率の異なる材料が周期的に並んだ構造体であり，この構造の周期が波長の１/２の光を反射する。これらは，空間光，導波光のどちらでも利用可能である。

【0033】

発光部材２２は，端面２２ａおよび発光部２５を有する。
端面２２ａは，ミラー２１と対応し，光共振器を構成するミラーとして機能する。端面２２ａは，反射性と共に，透過性（半透過性）を有し，光共振器で共振された光の一部を出力光として出射する。

【0034】

発光部２５は，複数の波長の光を発光する。即ち，発光部２５は，「光共振器内に配置され，互いに異なる複数の波長の光を発する発光部材」に対応する。

【0035】

発光部２５として，量子ドット構造を用いることができる。図３は，発光部材２２の一例としての量子ドット構造４０の一例を表す。量子ドット構造４０は，量子ドット部分構造４１ａ〜４１ｃ，中間層４２ａ，４２ｂを有する。

【0036】

量子ドット部分構造４１ａ〜４１ｃは，「量子ドットまたは量子井戸をそれぞれ備え，互いに異なる複数の波長の光を発する，複数の構造体（第１〜第３の構造体）」に対応する。なお，後述のように，量子ドットに替えて，量子井戸を利用しても良い。

【0037】

量子ドット部分構造４１ａは，量子ドット４３ａ，キャップ層４４ａ，サブナノ層間分離層４５ａ，バックグラウンド層（下地層）４６ａを有する。量子ドット部分構造４１ｂは，量子ドット４３ｂ，キャップ層４４ｂ，サブナノ層間分離層４５ｂ，バックグラウンド層（下地層）４６ｂを有する。量子ドット部分構造４１ｃは，量子ドット４３ｃ，キャップ層４４ｃ，サブナノ層間分離層４５ｃ，バックグラウンド層（下地層）４６ｃを有する。

【0038】

量子ドット４３ａ〜４３ｃ，キャップ層４４ａ〜４４ｃ，サブナノ層間分離層４５ａ〜４５ｃ，バックグラウンド層（下地層）４６ａ〜４６ｃ，中間層４２ａ，４２ｂは，ＩＩＩ族元素（例えば，Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌ）とＶ族元素（例えば，Ａｓ，Ｓｂ，Ｎ，Ｐ）の混晶半導体で，構成できる。ＩＩＩ族元素，Ｖ族元素の組み合わせは適宜に選択できる。

【0039】

量子ドット部分構造４１ａ〜４１ｃが，中間層４２ａ，４２ｂにより結合，積層される。
量子ドット４３ａ〜４３ｃに起因して，量子ドット部分構造４１ａ〜４１ｃそれぞれから，光が発生する。量子ドット部分構造４１ａ〜４１ｃそれぞれでの発光波長を異ならせ，複数波長の光出力を確保できる。

【0040】

例えば，量子ドット部分構造４１ａ〜４１ｃそれぞれでの発光をピークＰ１〜Ｐ３（波長λ１，λ２，λ３）とし（図２（ａ）参照），発光部材２２での波長λ１，λ２，λ３での発光を可能とする。後述のように，ピークＰ１〜Ｐ３の波長を適宜に異ならせることができる。

【0041】

量子ドット４３ａ〜４３ｃは，その中に電子を閉じ込め，電子の状態密度が離散化される。量子ドット４３ａ〜４３ｃは，所定の層に配置され，３次元いずれの方向からも大きさを制限された形状を有する。図３には，判りやすさのために，一の層に一の量子ドット４３ａ〜４３ｃを配置した状態を表している。実際には，一の層に複数（多数）の量子ドットが配置される。

【0042】

キャップ層４４ａ〜４４ｃはそれぞれ，量子ドット４３ａ〜４３ｃを覆う。
サブナノ層間分離層４５ａ〜４５ｃ上に，量子ドット４３ａ〜４３ｃが配置される。

【0043】

量子ドット部分構造４１ａ〜４１ｃ（量子ドット４３ａ〜４３ｃ，キャップ層４４ａ〜４４ｃ，サブナノ層間分離層４５ａ〜４５ｃ，バックグラウンド層（下地層）４６ａ〜４６ｃ）の構造，組成は，発光特性と密接な関係を有する。特に，量子ドット４３ａ〜４３ｃおよびこれらを囲むキャップ層４４ａ〜４４ｃ，サブナノ層間分離層４５ａ〜４５ｃの構成材料やサイズは，発光特性（発光波長）への影響が大きい。

【0044】

量子ドット部分構造４１ａ〜４１ｃでの発光波長を異ならせるために，次のように，それぞれの構造，組成が調節される。

【0045】

（１）量子ドット４３ａ〜４３ｃの組成を異ならせる。量子ドット４３ａ〜４３ｃのエネルギーバンドギャップを低エネルギー化する組成を選択することで，量子ドット部分構造４１ａ〜４１ｃでの発光波長を長波長化できる。

【0046】

（２）量子ドット４３ａ〜４３ｃの膜厚を異ならせる。量子ドット４３ａ〜４３ｃの膜厚を厚くすることで，量子ドット部分構造４１ａ〜４１ｃでの発光波長を長波長化できる。

【0047】

（３）キャップ層４４ａ〜４４ｃの格子定数を異ならせる。キャップ層４４ａ〜４４ｃの格子定数を量子ドット４３ａ〜４３ｃに近づけることで，量子ドット部分構造４１ａ〜４１ｃでの発光波長を長波長化できる。

【0048】

（４）キャップ層４４ａ〜４４ｃの膜厚を異ならせる。キャップ層４４ａ〜４４ｃの膜厚を大きくすることで，量子ドット部分構造４１ａ〜４１ｃでの発光波長を長波長化できる。

【0049】

（５）サブナノ層間分離層４５ａ〜４５ｃの組成を異ならせる。サブナノ層間分離層４５ａ〜４５ｃの組成元素数を減らすことで例えば，３元素ＩｎＧａＡｓでは無く，二元素ＧａＡｓとする），量子ドット部分構造４１ａ〜４１ｃでの発光波長を長波長化できる。

【0050】

このように，量子ドット等の発光材料・光ゲイン材料を選択的に作製し，波長λ1〜λ３のみで発光するような光源２０を作成できる。本実施形態では，このような測定対象となる物質ｆ，ｇ，ｈ固有のブロードな光スペクトルに合わせて，波長λ1〜λ３の複数の狭い発光ピークＰ１〜Ｐ３を発光させる。測定する被対象物質の光スペクトル形状に合わせて，低消費電力でかつ高強度の光を発生できる。

【0051】

量子ドット構造は，例えば，次のようにして，作成できる。
（１）バックグラウンド層（下地層）４６ｃの形成
ＧａＡｓ基板上にＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy（分子線エピタキシ））法により，バックグラウンド層４６ｃ（例えば，ＩｎＧａＡｓの層）をエピタキシャル成長させる。

【0052】

（２）サブナノ層間分離層４５ｃの形成
バックグラウンド層４６ｃ上にＭＢＥ法により，サブナノ層間分離層４５ｃ（例えば，ＧａＡｓの層）をエピタキシャル成長させる。

【0053】

（３）量子ドット４３ｃの形成
サブナノ層間分離層４５ｃ上にＭＢＥ法により，量子ドット４３ｃ（例えば，ＩｎＡｓの層）をエピタキシャル成長させる。サブナノ層間分離層４５ｃの構成材料と量子ドット４３ｃの構成材料との格子の不整合（格子定数の不一致）により，島状（アイランド）構造の量子ドット４３ｃが形成される（自己組織化による形成）。サブナノ層間分離層４５ｃと量子ドット４３ｃの格子が不整合となるように，量子ドット４３ｃの形成時において，例えば，ＩｎとＡｓの比率が制御される。

【0054】

（４）キャップ層４４ｃの形成
量子ドット４３ｃ上にＭＢＥ法により，キャップ層４４ｃ（例えば，ＩｎＧａＡｓの層）をエピタキシャル成長させる。この結果，量子ドット４３ｃがキャップ層４４ｃに覆われる（埋め込み）。

【0055】

（５）中間層４２ｂ〜キャップ層４４ａの形成
その後，中間層４２ｂ，バックグラウンド層４６ｂ，サブナノ層間分離層４５ｂ，量子ドット４３ｂ，キャップ層４４ｂ，中間層４２ａ，バックグラウンド層４６ａ，サブナノ層間分離層４５ａ，量子ドット４３ａ，キャップ層４４ａをＭＢＥ法により順に形成した。このようにして，量子ドット構造が形成される。
キャップ層４４ａの上およびバックグラウンド層４６ｃの下に，電流注入用の電極が形成される。

【0056】

なお，以上の作成工程では，ＭＢＥ法が用いられているが，ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition法：有機金属気相成長法）を用いることも可能である。

【0057】

光学素子２３は，「複数の波長の光のいずれかを選択する光学部材」に対応し，選択された波長λ１，λ２，λ３以外の光を除外する光フィルタ（光バンドパスフィルタ，エタロンフィルタ，ホログラフィックフィルタ，干渉フィルタ等）である。波長λ１，λ２，λ３の選択は，光学素子２３の交換によって行える。即ち，光学素子２３（例えば，波長λ１の光を透過し，波長λ２，λ３の光を遮断する）を異なる透過特性の光学素子２３（例えば，波長λ２の光を透過し，波長λ１，λ３の光を遮断する）と交換する。また，波長選択特性が可変な光学素子２３を用いても良い。例えば，光路に対してエタロンフィルタを傾けることで，透過域の波長を変化できる。

【0058】

但し，光学素子２３を省略することも可能である。これは，光学素子３５（３５ａ，３５ｂ）でも波長λ１，λ２，λ３の選択が可能だからである。即ち，光学素子２３と光学素子３５（３５ａ，３５ｂ）のいずれか１方のみおよび双方を用いて，波長λ１，λ２，λ３を選択できる。

【0059】

電源２４は，発光部２５に発光のための電流（電力）を供給する。

【0060】

（多波長測定装置１０の動作）
以下，多波長測定装置１０の動作手順の一例を示す。
（１）測定
光源２０からの波長λ1, λ2, λ3の光を切り替える。例えば，光学素子２３，３５を切り替えて，光源２０から波長λ1の光を発する。この光は，光カプラ３２によって，光ファイバ３１ａ，３１ｂに分岐される。光ファイバ３１ａからの光は試料Ｓを通過し，光ファイバ３１ｂからの光は試料Ｓを通過しない。前者は測定用の光で，後者は基準用の光である。これらの光はそれぞれ，光学素子３５ａ，３５ｂを通過し，光検出器３６ａ，３６ｂで受光される。

【0061】

既述のように光検出器３６ａ，３６ｂからの信号Ｓａ，Ｓｂは，光検出器３６ａ，３６ｂで受光された光の強度を表す。信号Ｓａ，Ｓｂは，次の式（１）で表される。
Ｓａ＝Ｋ＊Ｉ１＝Ｋ＊Ｉ０＊Ｔ（λ１）
＝Ｋ＊Ｉ０＊（ｅ^{−Ａ （λ１）＊ｄ}）
Ｓｂ＝Ｋ＊Ｉ０ … 式（１）

【0062】

Ｉ１： 光検出器３６ａに入射する（試料Ｓを通過する）光の光量
Ｉ０： 光検出器３６ｂに入射する（試料Ｓを通過しない）光の光量
Ｋ： 光検出器３６ａ，３６ｂに入射する光の光量と，信号Ｓａ，Ｓｂの強度の関係を表す比例定数（光検出器３６ａ，３６ｂの感度に対応）
Ｔ（λ１）： 波長λ１での試料Ｓの透過率
Ａ（λ１）： 波長λ１での試料Ｓの吸光度
ｄ： 試料Ｓを通過する光の光路長（距離）

【0063】

信号Ｓａ，Ｓｂの比Ｒは，次の式（２）に示すように，波長λ１での試料Ｓの透過率Ｔ（λ１）に対応する。
Ｒ＝Ｓａ／Ｓｂ＝Ｔ（λ１）＝ｅ^{−Ａ （λ１）＊ｄ} … 式（２）

【0064】

以上から，次の式（３）のように吸光度Ａ（λ１）を表すことができる。
Ａ（λ１）＝−Ｌｏｇ（Ｔ（λ１））／ｄ
＝Ｌｏｇ（Ｓｂ／Ｓａ）／ｄ … 式（３）

【0065】

以上のように，光検出器３６ａ，３６ｂからの信号Ｓａ，Ｓｂ，および光路長ｄを用いて，吸光度Ａ（λ１）を算出できる。

【0066】

吸光度Ａ（λ１）と同様に，波長λ２，λ３での試料Ｓの吸光度Ａ（λ２），Ａ（λ３）を算出できる。

【0067】

以上では，光カプラ３２での分岐比を１：１と仮定している。このため，信号Ｓａ，Ｓｂの比Ｒと透過率Ｔ（λ）が等しくなっている。分岐比が１：１で無い場合には，何らかの較正が必要となる。

【0068】

また，光源２０からの出射光の強度が時間的に安定していれば，必ずしも光検出器３６ｂは必要では無い。吸光度Ａ（λ）が事実上無視できる材料を試料Ｓとして用いたときの，光検出器３６ａからの信号Ｓａ０を式（３）での信号Ｓｂに替えて用いることで，吸光度Ａ（λ）を算出できる。光検出器３６ｂは光源２０からの光の強度をモニタするためのものである。

【0069】

（２）解析
吸光度Ａ（λ）は，測定対象物質ｆ，ｇ，ｈの混合比ｍ，ｎ，ｐ，単位量当たりの吸光度ｆ（λ），ｇ（λ），ｈ（λ）と次のような関係を有する。
Ａ（λ）＝ｍ＊ｆ（λ）＋ｎ＊ｇ（λ）＋ｐ＊ｈ（λ）
ここで，λ＝λ１，λ２，λ３としたとき，次の関係が成立する。
Ａ（λ１）＝ｍ＊ｆ（λ１）＋ｎ＊ｇ（λ１）＋ｐ＊ｈ（λ１）
Ａ（λ２）＝ｍ＊ｆ（λ２）＋ｎ＊ｇ（λ２）＋ｐ＊ｈ（λ２）
Ａ（λ３）＝ｍ＊ｆ（λ３）＋ｎ＊ｇ（λ３）＋ｐ＊ｈ（λ３）

【0070】

この関係を行列式で表すと，次の式（１）で表せる

【数1】

【0071】

次の式（２）に示すように，混合比ｍ，ｎ，ｐは，行列Ｍの逆行列Ｍ^−１，試料Ｓの吸光度Ａ（λ２），Ａ（λ３）から算出できる。

【数2】

【0072】

以上のように本実施形態の係る多波長測定装置１０では，特定の波長λ１〜λ３のピークＰ１〜Ｐ３の光のみが発光，選択される。この結果，多波長測定装置１０（特に，光源２０）の消費エネルギーを低減できる。測定対象物質には必要無い波長の光を光源２０が発光しないことから，光源２０の消費エネルギーが削減される。例えば，多波長測定装置１０をバッテリー駆動としたときに，長時間の動作が可能となる。

【0073】

（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

【0074】

（１）以上の実施形態では，波長λ１，λ２，λ３での試料Ｓの吸光度Ａ（λ１），Ａ（λ２），Ａ（λ３）を測定することで，物質ｆ，ｇ，ｈの混合比ｍ，ｎ，ｐを算出できる。言い換えれば，３種類の物質に対応して３つの波長での吸光度Ａを測定することで，これら３種類の物質の混合比を算出している。

【0075】

これは，一般化可能である。即ち，Ｎ種類の物質に対応してＮ個の波長での吸光度Ａを測定することで，これらＮ種類の物質の混合比を算出できる。この場合，光源２０は，Ｎ個の波長の光を選択して発光可能である必要があり，量子ドット部分構造の個数もＮ個以上であることが好ましい。Ｎは，１以上の整数を用いることができる。物質が１種類（Ｎ＝１）の場合，その物質の濃度を算出可能である。

【0076】

また，物質の種類の数と，光源２０で発光可能な波長の数は必ずしも一致しなくても良い。例えば，物質の種類の数より波長の数が多いことが許容される。この場合，発光可能な波長の一部を使うことができる。また，物質の種類の数より多くの波長の数を用いて測定することで，混合比のより正確な算出が可能となる（一種の統計的処理）。

【0077】

（２）以上の実施形態では，光源２０に量子ドットを用いている。これに対して，量子ドットに替えて，量子井戸を用いることも可能である。即ち，「量子ドットまたは量子井戸」を備えた構造体を積層して，発光部材（ひいては，光源２０）を構成できる。

【0078】

（３）以上の実施形態では，光学素子２３，３５（３５ａ，３５ｂ）の双方を用いて波長を選択している。これに対して，光学素子２３，３５の一方のみを用いることも可能である。即ち，共振器の内外いずれに配置した光学素子（光フィルタ）でも，波長の選択が可能である。

【符号の説明】

【0079】

１０…多波長測定装置，２０…光源，２１…ミラー，２２…発光部材，２２ａ…端面，２３…光学素子，２４…電源，２５…発光部，３１−３１ｅ…光ファイバ，３３ａ，３３ｂ…レンズ，３４…セル，３５ａ，３５ｂ…光学素子，３６ａ，３６ｂ…光検出器，３７…制御・計算部，４０…量子ドット構造，４１ａ−４１ｃ…量子ドット部分構造，４２ａ，４２ｂ…中間層，４３ａ−４３ｃ…量子ドット，４４ａ−４４ｃ…キャップ層，４５ａ−４５ｃ…サブナノ層間分離層，４６ａ−４６ｃ…バックグラウンド層

【図1】

【図2】

【図3】