特開 2025-27994 グルコース監視のためのＰＣＳＥＬ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025027994

(43)【公開日】2025-02-28

(54)【発明の名称】グルコース監視のためのＰＣＳＥＬ

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/42 20060101AFI20250220BHJP

   H01S 5/183 20060101ALI20250220BHJP

   H01S 5/11 20210101ALI20250220BHJP

【ＦＩ】

H01S5/42

H01S5/183

H01S5/11

【審査請求】有

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2024123052

(22)【出願日】2024-07-30

(31)【優先権主張番号】63/519,805

(32)【優先日】2023-08-15

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】18/739,612

(32)【優先日】2024-06-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】519146787

【氏名又は名称】ツー－シックス デラウェア インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＩＩ－ＶＩ Ｄｅｌａｗａｒｅ，Ｉｎｃ．

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100106208

【弁理士】

【氏名又は名称】宮前 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100196508

【弁理士】

【氏名又は名称】松尾 淳一

(72)【発明者】

【氏名】ジュリー・エング

(72)【発明者】

【氏名】クリス・ココット

(72)【発明者】

【氏名】アンナ・タタルチャック

(72)【発明者】

【氏名】ヨン－カイ・チェン

【テーマコード（参考）】

5F173

【Ｆターム（参考）】

5F173AC03

5F173AC13

5F173AC52

5F173AD06

5F173AD30

5F173AG20

5F173AH28

5F173AR07

(57)【要約】

【課題】本開示は、１つまたは複数のフォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）を有するグルコースモニタを記述する。
【解決手段】ＰＣＳＥＬは、複数のフォトニックス結晶部を含む。各フォトニックス結晶部は、異なる波長の光を発するように動作可能である。各フォトニックス結晶部による水平発光はエッジ格子部によって制約され得る。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の波長の、垂直方向の光を結合解除（ｏｕｔ－ｃｏｕｐｌｅ）するように動作可能な第１のフォトニックス結晶部と、
前記第１の波長とは異なる第２の波長の、前記垂直方向の光を結合解除するように動作可能な第２のフォトニックス結晶部と
を含むレーザ装置。

【請求項2】

請求項１に記載のレーザ装置であって、前記第１のフォトニックス結晶部および前記第２のフォトニックス結晶部は同じ製作層に配置される、レーザ装置。

【請求項3】

請求項１に記載のレーザ装置であって、
前記第１のフォトニックス結晶部および前記第２のフォトニックス結晶部の下に動作可能に結合される第１のエピタキシ層と、
前記第１のフォトニックス結晶部および前記第２のフォトニックス結晶部の下に動作可能に結合される第２のエピタキシ層と
を含むレーザ装置。

【請求項4】

請求項１に記載のレーザ装置であって、グルコースモニタが前記レーザ装置を含む、レーザ装置。

【請求項5】

請求項１に記載のレーザ装置であって、前記レーザ装置はボトム発光レーザである、レーザ装置。

【請求項6】

請求項１に記載のレーザ装置であって、前記レーザ装置はトップ発光レーザである、レーザ装置。

【請求項7】

請求項１に記載のレーザ装置であって、前記第１の波長および前記第２の波長は２．０～２．４μｍである、レーザ装置。

【請求項8】

請求項１に記載のレーザ装置であって、
前記第１のフォトニックス結晶部に隣接する１つまたは複数のエッジ格子部は、前記第１の波長の水平モードを制約するように動作可能であり、
前記第２のフォトニックス結晶部に隣接する１つまたは複数のエッジ格子部は、前記第２の波長の水平モードを制約するように動作可能である、
レーザ装置。

【請求項9】

請求項１に記載のレーザ装置であって、
発光面上に配置された１つまたは複数の光学要素
を含むレーザ装置。

【請求項10】

請求項１に記載のレーザ装置であって、前記第１の波長および前記第２の波長は温度に従って決定される、レーザ装置。

【請求項11】

レーザ装置を製作する方法であって、
第１の波長の、垂直方向の光を結合解除するように動作可能な第１のフォトニックス結晶部を製作するステップと、
前記第１の波長とは異なる第２の波長の、前記垂直方向の光を結合解除するように動作可能な第２のフォトニックス結晶部を製作するステップと
を含む方法。

【請求項12】

請求項１１に記載の方法であって、前記第１のフォトニックス結晶部および前記第２のフォトニックス結晶部は同じ製作層に配置される、方法。

【請求項13】

請求項１１に記載の方法であって、
前記第１のフォトニックス結晶部および前記第２のフォトニックス結晶部を製作する前に第１のエピタキシ層を動作可能に製作するステップと、
前記第１のフォトニックス結晶部および前記第２のフォトニックス結晶部の上に第２のエピタキシ層を製作するステップと
を含む方法。

【請求項14】

請求項１１に記載の方法であって、グルコースモニタが前記レーザ装置を含む、方法。

【請求項15】

請求項１１に記載の方法であって、前記レーザ装置はボトム発光レーザである、方法。

【請求項16】

請求項１１に記載の方法であって、前記レーザ装置はトップ発光レーザである、方法。

【請求項17】

請求項１１に記載の方法であって、前記第１の波長および前記第２の波長は２．０～２．４μｍである、方法。

【請求項18】

請求項１１に記載の方法であって、
前記第１のフォトニックス結晶部に隣接し、前記第１の波長の水平モードを制約するように動作可能である１つまたは複数のエッジ格子部を製作するステップと、
前記第２のフォトニックス結晶部に隣接し、前記第２の波長の水平モードを制約するように動作可能である１つまたは複数のエッジ格子部を製作するステップと
を含む方法。

【請求項19】

請求項１１に記載の方法であって、
発光面上に１つまたは複数の光学要素を配置するステップ
を含む方法。

【請求項20】

請求項１１に記載の方法であって、前記第１の波長および前記第２の波長は温度に従って決定される、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
[0001]本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２０２３年８月１５日出願の「ＰＣＳＥＬ ＦＯＲ ＧＬＵＣＯＳＥ ＭＯＮＩＲＯＴＩＮＧ（グルコース監視のためのＰＣＳＥＬ）」という名称の米国仮特許出願第６３／５１９，８０５号の利益および優先権を主張するものである。

【背景技術】

【0002】

[0002]グルコース監視のための従来のシステムおよび方法の制約および欠点は、かかる手法を、図面を参照して本開示の残りの部分に記載の本方法およびシステムのいくつかの態様と比較することにより、当業者に明らかになるであろう。

【発明の概要】

【0003】

[0003]本明細書に開示されるシステムおよび方法は、実質的には図の少なくとも１つで示されかつ／またはこの図に関連して記述されるように、特許請求の範囲により完全に記載されるように、グルコースを監視するためにフォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）を使用する。

【図面の簡単な説明】

【0004】

【図1】[0004]本開示の様々な実装例による、ＰＣＳＥＬを有する第１のトップエミッタ構造（ｔｏｐ ｅｍｉｔｔｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）例を示す図である。

【図2】[0005]本開示の様々な実装例による、ＰＣＳＥＬを有するボトムエミッタ構造（ｂｏｔｔｏｍ ｅｍｉｔｔｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）例を示す図である。

【図3】[0006]本開示の様々な実装例による、ＰＣＳＥＬを有する第２のトップエミッタ構造例を示す図である。

【図4】[0007]本開示の様々な実装例による、ＰＣＳＥＬを有する第３のトップエミッタ構造例を示す図である。

【図5】[0008]本開示の様々な実装例による、異なる波長範囲を有する２つのモノリシックアレイを同じ基板上に共集積化する構造例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0005】

[0009]何百万もの人々が糖尿病を患い、グルコース値監視を１日につき複数回必要とする。しかしながら、現在利用できる監視システムは侵襲的である。監視システムは今日、レーザを使用することができるが、これらのシステムは十分ではない。例えば、２．０～２．４μｍのレーザ光源を有する知られている既存の解決法は、小型のウェアラブルグルコースセンサ応用例に適用できないバルクレーザ（エキシマレーザなど）を含む。別の既存の解決法は、分布帰還型レーザ（ＤＦＢ）レーザを含む。ＤＦＢレーザを有するグルコース値監視応用例では、波長ごとのエピスタックは異なっており、ＤＦＢレーザは同じプラットフォーム上に集積化されなければならない。この集積化は、高収率で使用することができる波長の数を制限し、これによりかかる解決法は高価にもなる。さらに、既存の解決法は、波長（例えば、約１ｎｍ）ごとの比較的幅広いスペクトルバンド幅（ＳＢＷ）、および低いビーム質（例えば、Ｍ^２＞１．１）を有する。同調可能レーザは２．０～２．４μｍ範囲の発光にも適合するが、レーザの精密な波長同調は非常に困難である。

【0006】

[0010]本開示は、グルコースを監視するための非侵襲的なシステムおよび方法を記述する。下記のように、本開示の様々な実装例によれば、２．０～２．４μｍのフォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）が、非侵襲的グルコース監視および他の医療用光学検知応用例に使用され得る。ＰＣＳＥＬは、そのような光学検知応用例に優れたビーム純度および優れたビーム質を提供する。さらに、ＰＣＳＥＬは、吸収ベースのグルコース検知応用例に要求され得る波長の範囲に対するモノリシック集積化を可能にする。

【0007】

[0011]ＰＣＳＥＬの発光波長は、フォトニック結晶格子設計を通じて定義され、エッチングツール能力によって制限され得る。波長精度は、既存の解決法よりも有意に良い。ＰＣＳＥＬは、有意に低いＳＢＷ（例えば、＜０．１ｎｍ）および優れたビーム質（例えば、Ｍ^２＜１．１）を有する。ＰＣＳＥＬは、多数の波長に対するモノリシック集積化を可能にする。したがって、単一エピ設計は、複数の波長に使用され得る。

【0008】

[0012]本開示は、２．０～２．４μｍの波長でグルコース監視するためにモノリシックＰＣＳＥＬアレイを使用することを記述するが、他の波長範囲が、活性領域用の異なる材料セットを使用することによってサポートされてもよい。例えば、２．０～２．４μｍの波長の場合、ＩｎＧａＡｓおよびＧａＳｂの利得がこの波長範囲をサポートするので、高歪ＩｎＧａＡｓおよびＧａＳｂ材料が活性領域に使用され得る。

【0009】

[0013]ＰＣＳＥＬ発光方向は、用途要件に応じて、トップ（図１、図３、図４、および図５）かボトム（図２）のどちらかとすることができる。
[0014]図１は、本開示の様々な実装例による、ＰＣＳＥＬを有する第１のトップエミッタ構造例を示す。

【0010】

[0015]フォトニック結晶（ＰＣ）格子Ｌ１、Ｌ２．．．Ｌｎは、それぞれ波長λ１、λ２．．．λｎを出力するように設計される。大きい光学的開口（例えば、ＯＡ＞３０μｍ）の場合、水平モードは格子によって制約され得る。エピスタック（ＰＣの上および／または下）はｐｎ接合を含むことができる。

【0011】

[0016]図２は、本開示の様々な実装例による、ＰＣＳＥＬを有するボトムエミッタ構造例を示す。
[0017]図１と同様に、ＰＣ格子Ｌ１、Ｌ２．．．Ｌｎは、それぞれ波長λ１、λ２．．．λｎを出力するように設計される。大きい光学的開口（例えば、ＯＡ＞３０μｍ）の場合、水平モードは格子によって制約され得る。ＰＣの上のエピスタックは、１００％反射する上部分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を備えることができる。ＰＣの下にエピスタックは、完全には反射しない下部ＤＢＲを備えることができる。

【0012】

[0018]図３は、本開示の様々な実装例による、ＰＣＳＥＬを有する第２のトップエミッタ構造例を示す。
[0019]図１および図２と同様に、ＰＣ格子Ｌ１、Ｌ２．．．Ｌｎは、それぞれ波長λ１、λ２．．．λｎを出力するように設計される。図３の水平モードは、エッジ格子（Ｌｅ）によって制約される。エッジ格子は、ＯＡ＜３０μｍを可能にする。エッジ格子は、図２のボトム発光構成の小さい開口にも使用され得る。

【0013】

[0020]図４は、本開示の様々な実装例による、ＰＣＳＥＬを有する第３のトップエミッタ構造例を示す。
[0021]図１～図３と同様に、ＰＣ格子Ｌ１、Ｌ２．．．Ｌｎは、それぞれ波長λ１、λ２．．．λｎを出力するように設計される。光学要素（ＯＥ１、ＯＥ２、・・・、ＯＥｎ）が図４に追加される。光学要素は、ビーム成形目的で発光面上に配置され（例えば、エッチングされ、堆積させられ）得るレンズおよび／または拡散器を備えることができる。

【0014】

[0022]ＰＣＳＥＬ内での水平モードは、光学的開口が大きい（＞３０μｍ）場合はフォトニック結晶によって、または、小さい開口（＜３０μｍ）の場合は二次（外側）フォトニック結晶によって制約される。「外側」フォトニックス結晶のフォトニックバンドギャップはさらに小さく、したがって、これは反射器として機能を果たす。

【0015】

[0023]活性領域内のＧａＳｂの場合、ｐｎ接合実装のエピスタックは、ＧａＡｓ基板およびクラッド層からなる。フォトニック結晶層は、ＧａＡｓまたはＧａＳｂを含むことができる。

【0016】

[0024]垂直ミラースタックは、所要の波長範囲をカバーするＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓのミラーを備えることができる。格子不整合のために、追加の格子整合層またはウェハボンディングがＧａＳｂ活性領域に要求され得る。

【0017】

[0025]活性領域内に歪ＩｎＧａＡｓを有する解決法の場合、フォトニック結晶およびこの結晶の上のエピ層を形成するために再成長が使用され得る。活性領域内のＩｎＧａＡｓ用のエピスタックは、ＩｎＰ基板およびクラッド層と反射器とＧａＩｎＡｓＰフォトニック結晶とを備えることができる。

【0018】

[0026]ＧａＳｂ解決法の場合もＩｎＧａＡｓ解決法の場合も、少なくとも２つのスタック構成が可能である。１つの可能な構成は、活性領域の一方の側のｐを含み、他方の側のｎを含む。別の構成は、活性領域の両側にｎを含み、その間のトンネル接合（ＴＪ）を含む。

【0019】

[0027]ＰＣＳＥＬアレイは、ある範囲の波長用にモノリシックに製造され得る。各モノリシックアレイ内の波長範囲は、均一性要件に依存することができる。波長全体にわたる出力均一性は、活性領域材料の利得ピークに依存する。波長範囲は、２．０～２．４μｍの範囲をカバーしてもよくカバーしなくてもよい。波長範囲が２．０～２．４μｍの範囲をカバーしない場合、複数のモノリシックアレイが全範囲に使用され得る。

【0020】

[0028]アレイ内の各装置の波長は異なり、リソグラフィ（フォトニック結晶設計）によって制御され得る。このような場合、格子定数は装置ごとに異なる。
[0029]垂直ミラースタックが、均一性要件に依存してすべての波長または波長のサブセットの間で共有され得る。全応答は、利得曲線応答とミラー設計とを組み合わせたものであり、この特徴は、「平坦な」応答、したがってより良い均一性を設計するために使用され得る。

【0021】

[0030]図５は、本開示の様々な実装例による、異なる波長の範囲を有する２つのモノリシックアレイを同じ基板上に共集積化する構造例を示す。
[0031]複数のモノリシックアレイが、例えばピックを用いて同じプラットフォーム上に集積化され、プロセスを配置することができた。各モノリシックアレイは、個別に最適化されたＤＢＲスタックを有することができる。ＰＣＳＥＬの低いスペクトルバンド幅および高い中心波長設計精度により、達成可能な波長間隔は＜５ｎｍとすることができる。

【0022】

[0032]波長は、温度に関して間隔をあけられてもよい。各装置の中心波長は、同じ熱シフトを有し得る。屈折率は温度によって変わり得る。例えば、反射率は、セ氏１度につき０．０７ｎｍだけ変わり得る。相対波長間隔は、温度に関して保たれ得る。したがって、ＰＣＳＥＬを有するグルコース監視応用例は冷却を必要としない場合がある。波長間隔は、エッチング能力に依存し得る。

【0023】

[0033]監視システムは、集積光学系（すなわち、堆積レンズおよび／または拡散器）に適合することができる。アレイ内のレーザは、同時にまたは順次電源を入れられ得る。順次波長掃引をサポートするために、各レーザは、分離された金属コンタクトおよびドライバを有することができる。

【0024】

[0034]本明細書で使用される場合、「回路（ｃｉｒｃｕｉｔ）」および「回路網（ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）」という用語は、物理的電子構成要素（すなわち、ハードウェア）と、ハードウェアを構成し得る、ハードウェアによって実行され得る、かつまたはそうでなければハードウェアに関連し得る任意のソフトウェアおよび／またはファームウェア（「コード」）を指す。本明細書で使用される場合、特定のプロセッサおよびメモリは、コードの第１の１つまたは複数のラインを実行するときに第１の「回路」を備えることができ、コードの第２の１つまたは複数のラインを実行するときに第２の「回路」を備えることができる。本明細書で使用される場合、「および／または（ａｎｄ／ｏｒ）」は、「および／または」によって接合されるリスト内の項目のうちの任意の１つまたは複数を意味する。一例として、「ｘおよび／またはｙ」は、３つの要素の集合｛（ｘ），（ｙ），（ｘ，ｙ）｝の任意の要素を意味する。別の例として、「ｘ、ｙ、および／またはｚ」は、７つの要素の集合｛（ｘ），（ｙ），（ｚ），（ｘ，ｙ），（ｘ，ｚ），（ｙ，ｚ），（ｘ，ｙ，ｚ）｝の任意の要素を意味する。本明細書で使用される場合、「例示的」という用語は、非限定的な例、インスタンス、または例示としての役割を果たすことを意味する。本明細書で使用される場合、「例えば（ｅ．ｇ．）」および「例えば（ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ）」という用語は、１つまたは複数の非限定的な例、インスタンス、または例示のリストを引き起こす。本明細書で使用される場合、回路網は、回路網が必要なハードウェアおよびコード（必要なものがあれば）を備えるときはいつでも機能を果たして、その機能の実行が（例えば、ユーザが設定できるセッティング、工場トリムなどにより）無効にされるか使用可能にされないかにかかわらず、その機能を果たすように「動作可能」である。本明細書で使用される場合、「～に基づく（ｂａｓｅｄ ｏｎ）」という用語は、「～に少なくとも部分的に基づく」を意味する。例えば「ｙに基づくｘ」は、「ｘ」が「ｙ」に少なくとも部分的に基づく（例えば、ｚに基づくこともあり得る）ことを意味する。

【0025】

[0035]本方法および／またはシステムは、いくつかの実装形態を参照して説明されてきたが、本方法および／またはシステムの範囲から逸脱することなく、様々な変更がなされ得ることおよび同等物が置換され得ることが、当業者によって理解されるであろう。加えて、特定の状況または材料を本開示の教示に適合させるために、多くの修正が本開示の範囲から逸脱することなくなされ得る。したがって、本方法および／またはシステムは、開示される特定の実装形態に限定されず、本方法および／またはシステムは、添付の特許請求の範囲内にあるすべての実装形態を含むものとする。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【外国語明細書】