JP2016188816A - 光デバイス及び光デバイスの測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被検出光の検出精度をより向上させることの可能な光デバイスを提供する。【解決手段】光検出部１１は、入射される被検出光に応じた信号とバイアス信号とに応じた検出信号を出力し、バイアス部１２は、第１周波数のバイアス信号を光検出部１１に出力する。第１出力部１３が検出信号から第１周波数の成分を抽出することにより、光検出部１１の内部抵抗に応じた信号、すなわち光検出部１１の温度情報を取得することができ、同時に第２出力部１４が検出信号から第１周波数を除く周波数成分を抽出することにより、入射される被検出光に応じた信号、すなわち、被検出光の光強度等に応じた情報を取得することができる。第１出力部１３で抽出した信号に基づき取得した温度情報に基づき、第２出力部１４で抽出した信号に基づき取得した被検出光の光強度等に応じた情報を温度補正することによって、被検出光の検出精度を向上させることができる。【選択図】 図１

Description

本発明は光デバイス及び光デバイスの測定方法に関する。

微小のエネルギーを持つ長波長の赤外線を検出する赤外線センサとしては、一般に熱型センサである焦電センサ、サーモパイルセンサ、及びボロメータセンサが知られている。また他のセンサとしては、フォトダイオードやフォトコンダクター等の量子型（光起電力型）赤外線センサが期待されている。具体例として、ＩｎＳｂやＩｎＡｌＳｂやＩｎＡｓＳｂ等のナローバンドギャップの半導体材料を光吸収層に用いたフォトダイオード構造の量子型赤外線センサが挙げられる。
これらの材料を用いた赤外線センサの具体的な用途の例としては、人感センサや非接触式温度計や非分散型赤外線吸収方式（ＮＤＩＲ：Ｎｏｎ−ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｉｎｆｒａｒｅｄ）のガスセンサ等が挙げられる。これらいずれの用途においても、被検出光による出力信号が微弱であるため、高感度な赤外線センサが要求される。

またＩｎＳｂ、ＩｎＡｌＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ等の半導体材料を用いた赤外線センサはバンドギャップが小さいため、一般的な環境温度（例えば２５℃付近）で動作させた場合、周囲の温度変動によって赤外線センサの感度が大きく変動する。それに伴い、同程度の検出光が入射されているときでも、赤外線センサの出力信号は変動してしまう。したがって高感度であることと同時に、温度特性に優れた赤外線センサが要求される。
しかしながら、ナローギャップ半導体からなるフォトダイオード等のセンサの感度は小さく、さらに温度変化による影響を受けやすいため、微弱の光信号を測定する場合、高精度な出力は得られ難い。そのため、多くの用途では赤外線センサが検出した被検出光による出力信号を温度補正する必要がある。

温度補正を行う最も簡易的な方法としては、センサ付近に温度計（例えばサーミスタ）を設け、その周囲の温度を測定しながら、後段で出力信号の温度補正の演算を行うという方法がある。
もう一つの手段としては、センサの内部抵抗が持つ温度情報を利用するという方法がある。この場合、最も簡易的な手段としては、センサと、初段の増幅アンプの入力端との間に、リレーやスイッチ等の切り替え回路を設け、センサの出力信号からセンサの内部抵抗を測定するときには、センサを抵抗測定回路に接続し、センサの出力信号から光信号を測定するときには、センサの出力を初段の増幅アンプに接続するという方法も開示されている（例えば、特許文献１参照）。

ＷＯ２００７／１２５８７３

従来技術では、切り替え回路及び抵抗測定回路を利用した抵抗測定手段は部品の数が増えるだけではなく、センサの内部抵抗を測定している間は、光信号の測定はできないため、センサの出力の信号体雑音比（以下、Ｓ／Ｎ比：Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏともいう。）が低下するという問題がある。
また、サーミスタ等の温度計を用いて温度情報を取得する場合、センサの周囲の温度の測定はできるが、その温度はセンサの芯（例えばフォトダイオードのＰＮ接合部分）の温度とは異なる場合があり、また、センサの芯の温度変化のタイミングとサーミスタの温度変化のタイミングは一般的に異なるため、高精度且つ高速での光信号の温度補正は困難である。
本発明は、上記問題点に着目してなされたものであり、被検出光の検出精度をより向上させることの可能な光デバイス及び光デバイスの測定方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様による光デバイスは、入射される被検出光に応じた信号とバイアス信号とに応じた検出信号を出力する光検出部と、第１周波数の電流信号又は電圧信号を前記バイアス信号として前記光検出部に出力するバイアス部と、前記検出信号が入力され、当該検出信号から前記第１周波数の成分を抽出する第１出力部と、前記検出信号が入力され、当該検出信号から前記第１周波数を除く周波数成分を抽出する第２出力部と、を備えることを特徴としている。

また、本発明の他の態様による光デバイスの測定方法は、被検出光が入射される光検出部を備えた光デバイスの測定方法であって、第１周波数の電流信号又は電圧信号をバイアス信号として前記光検出部に供給し、当該光検出部から出力される検出信号から、前記第１周波数の成分と前記第１周波数を除く周波数成分とを個別に抽出し、抽出した前記第１周波数の成分から前記光検出部の温度を推定し、前記第１周波数を除く周波数成分を前記入射される被検出光に応じた信号として、推定した前記温度に基づき補正することを特徴としている。

本発明の一態様によれば、サーミスタ等の温度計を用いることなく、光検出部に入射される被検出光に応じた信号を測定することができると同時に、光検出部の温度に応じた抵抗情報を測定することができる。これら測定結果を用いて被検出光に応じた信号を温度補正することによって、被検出光の検出精度をより向上させることができる。

本発明の第一実施形態における光デバイスの一例を示す構成図である。 本発明の第二実施形態における光デバイスの一例を示す構成図である。 本発明の第三実施形態における光デバイスの一例を示す構成図である。 本発明の第四実施形態における光デバイスの一例を示す構成図である。 本発明の第五実施形態における光デバイスの一例を示す構成図である。 実施例１における光デバイスの一例を示す構成図である。 ロックインアンプの一例を示す構成図である。 実施例１における、時間の経過に伴う、光電流Ｉｐと内部抵抗Ｒ０の測定結果の一例を示す特性図である。 実施例１における、時間の経過に伴う、温度補正後の光電流Ｉｐ１の一例を示す特性図である。 比較例１における光デバイスの一例を示す構成図である。 比較例１における、時間の経過に伴う、温度補正後の光電流Ｉｐ１の一例を示す特性図である。 比較例２における光デバイスの一例を示す構成図である。 比較例２における、時間の経過に伴う、温度補正後の光電流Ｉｐ１の一例を示す特性図である。

本発明者は鋭意検討した結果、入射される被検出光に応じた信号とバイアス信号とに応じた検出信号を出力する光検出部と、第１周波数の電流信号又は電圧信号を前記バイアス信号として光検出部に出力するバイアス部と、検出信号が入力され、この検出信号から第１周波数の成分を抽出する第１出力部と、検出信号が入力され、この検出信号から第１周波数を除く周波数成分を抽出する第２出力部と、を光デバイスに設けることで、被検出光の検出精度をより向上させることができることを見出した。

なお、以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の具体的な構成について記載されている。しかしながら、このような特定の具体的な構成に限定されることなく他の実施態様が実施できることは明らかであろう。また、以下の実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、実施形態で説明されている特徴的な構成の組み合わせの全てを含むものである。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
まず、本発明の第１実施形態を説明する。
図１は、第１実施形態に係る光デバイス１の構成例を示す概念図である。
図１に示すように、光デバイス１は、光検出部１１と、バイアス部１２と、第１出力部１３と、第２出力部１４と、を備える。

光検出部１１には、外部からの被検出光が入射されると共に、バイアス部１２から電流又は電圧からなる変調信号がバイアス信号Ｓｂｉａｓとして供給され、光検出部１１では、入射される被検出光に応じた信号とバイアス信号Ｓｂｉａｓに応じた信号との和を、検出信号Ｓ１として第１出力部１３及び第２出力部１４に出力する。
光検出部１１は、フォトダイオードのような量子型光検出素子を適用することができる。量子型光検出素子が被検出光に応じた信号を出力することで、ボロメータのような熱型検出素子と比して、光の検出を高速に行うことが可能となる。

本発明の一実施形態では、光検出部１１としての量子型光検出素子は、その受光部がインジウムＩｎ及びアンチモンＳｂの少なくともいずれか一方を含むナローバンドギャップ化合物半導体から形成される。
量子型光検出素子の受光部がＩｎ及びＳｂの少なくともいずれか一方を含むナローバンドギャップ化合物半導体から形成されることで、赤外線を含む波長帯での光検出部１１の感度を高め、Ｓ／Ｎ比の高い光デバイス１を実現することができる。

本発明の一実施形態における光検出部１１としての量子型光検出素子は、ＰＮ接合又はＰＩＮ接合を備えたフォトダイオードである。光検出部１１としてフォトダイオードを用いた場合、検出可能な波長帯は主にＰＮ接合又はＰＩＮ接合に使われる材料のバンドギャップで決まる。例えば、被検出光が長波長の赤外線の場合、ＰＮ接合又はＰＩＮ接合に使われる材料として、Ｉｎ又はＳｂの少なくとも一方を含むナローバンドギャップ半導体が挙げられる。
例えば、受光部に、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｌＳｂ、ＩｎＡｓＳｂのいずれかを含むフォトダイオードの場合、数μｍ以上１２μｍ以下の波長の光を検出することができる。このような材料からできたフォトダイオードは、ＣＯ_２、ＣＯ、ＮＯ、等の環境汚染ガスが吸収する波長を受光することができるため、これらのガスの濃度測定に好適である。

また、光デバイス１を、人体から輻射を受ける高精度のセンサとして用いる場合、本発明の一実施形態では、フォトダイオードの受光部として、ＩｎＳｂ又はＩｎＡｓＳｂを用いる。
これらの半導体材料を用いたフォトダイオードは室温で低い抵抗を持ちながら、そのバンドギャップによって室温でもキャリアが励起されるため、感度が小さいだけではなく感度が温度環境の影響を受けやすい場合が多く、高精度の測定を実現するには温度補正が必要な場合が多い。また、このような材料の場合、温度によって内部抵抗が大きく変動し、例えば、ＩｎＳｂの場合には１℃あたり内部抵抗が３％程度変動するため、電流出力の方が望ましい場合がある。光検出部１１として、半導体材料を用いたフォトダイオードを用いた場合、微弱な電圧を印加することによって内部抵抗に応じた電流を得ることができる。上記のような材料を用いたフォトダイオードは無バイアス（ゼロ電圧）付近では、室温ではほぼ線形の電流−電圧特性を示す。この線形な領域内にバイアス信号Ｓｂｉａｓとしての変調電圧の値を設定することで、被検出光に対しての感度や発熱を抑制することができるため、好適である。

バイアス部１２は、電流又は電圧からなる第１周波数ｆ１の変調信号をバイアス信号Ｓｂｉａｓとして光検出部１１に供給する。本発明の一実施形態では、バイアス部１２は電圧電源又は電流電源である。
なお、本発明の一実施形態では、被検出光の周波数帯域とバイアス信号Ｓｂｉａｓの周波数（帯域）ｆ１とは異なる。

第１出力部１３には、光検出部１１からの検出信号Ｓ１が入力される。この検出信号Ｓ１は、光検出部１１に入射された被検出光に応じた信号と、バイアス部１２から供給されるバイアス信号Ｓｂｉａｓに応じた信号との和からなる信号である。第１出力部１３は、入力された検出信号Ｓ１の中から第１周波数ｆ１の成分を抽出する。バイアス信号Ｓｂｉａｓは、第１周波数ｆ１の変調信号である。したがって、第１出力部１３は、第１周波数ｆ１の成分の信号を抽出することにより、バイアス信号Ｓｂｉａｓに相当する信号を抽出することになる。よって、光検出部１１に供給したバイアス信号Ｓｂｉａｓと光検出部１１の検出信号Ｓ１とから、光検出部１１の抵抗情報を得ることができる。

第２出力部１４には、光検出部１１からの検出信号Ｓ１が入力される。第２出力部１４は、入力された検出信号Ｓ１の中から第１周波数ｆ１を除く他の周波数成分又はその一部の周波数成分を抽出する。バイアス信号Ｓｂｉａｓは第１周波数ｆ１の変調信号であるため、検出信号Ｓ１のうち、第１周波数ｆ１を除く周波数成分の信号は、すなわち被検出光に応じた信号である。つまり、第２出力部１４は、第１周波数ｆ１を除く周波数成分の信号を抽出することにより、被検出光に応じた信号を抽出する。

第１出力部１３及び第２出力部１４において、検出信号Ｓ１から所定の周波数成分を抽出する手段としては、入力された検出信号Ｓ１のうち所定の周波数成分のみを通過させるようなバンドパスフィルタＢＰＦ（Ｂａｎｄ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）や、所定の周波数よりも高い成分のみを通過させるようなハイパスフィルタＨＰＦ（Ｈｉｇｈ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）や、所定の周波数よりも低い成分のみを通過させるようなローパスフィルタＬＰＦ（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）等を用いることができる。また、第１出力部１３にバイアス部１２からのバイアス信号Ｓｂｉａｓを参照信号として入力し、この参照信号に基づき、第１出力部１３に入力された検出信号Ｓ１の中から所定の周波数成分を抽出するようにしてもよい。この場合、所定の周波数成分を抽出する手段としては、何らかの復調手段を用いてもよい。例えば、バイアス部１２からバイアス信号Ｓｂｉａｓと同じ周波数を持つ参照信号としてバイアス信号Ｓｂｉａｓを入力し、このバイアス信号Ｓｂｉａｓと同じ周波数と同期を持つ信号成分を選択するロックイン（Ｌｏｃｋｉｎ）アンプを、復調手段として用いてもよい。

第２出力部１４が、検出信号Ｓ１の中から第１周波数ｆ１を除く周波数成分の信号、すなわち、被検出光に応じた信号を抽出する具体的な方法としては、一例として、被検出光の周波数（帯域）よりも低い成分のみを選択するローパスフィルタＬＰＦ等が利用できる。例えば、被検出光に応じた信号が０［Ｈｚ］（ＤＣ）からある周波数ｆの成分まで含むような信号の場合、第２出力部１４はｆという遮断周波数を持ったローパスフィルタＬＰＦを用いることができる。また、この場合バイアス信号Ｓｂｉａｓの周波数はｆより高い周波数ｆＨに設定する必要がある。第１出力部１３は、検出信号Ｓ１の中から周波数ｆＨ成分のみを抽出し、その振幅に応じた信号を出力することができる。このような抽出手段としてはｆＨを中心伝達周波数としたバンドパスフィルタＢＰＦが挙げられる。このバンドパスフィルタＢＰＦの出力の振幅値は、例えば、光検出部１１内にあるセンサ部、すなわち量子型光検出素子の抵抗Ｒ０に反比例しても良い。また、第１出力部１３はこの量子型光検出素子の抵抗Ｒ０に応じた信号を出力しても良い。

このような構成を有する光デバイス１では、光検出部１１の検出信号Ｓ１のうち、バイアス部１２から印加されるバイアス信号Ｓｂｉａｓに応じた信号成分は、光検出部１１の抵抗によって変動する。バイアス信号Ｓｂｉａｓの具体的な例として、一定の周波数及び一定の振幅を持つ交流（例えば正弦波）の電圧電源が挙げられる。この場合、バイアス信号Ｓｂｉａｓの振幅に応じた電流信号を含む検出信号Ｓ１が光検出部１１から出力される。

後述のように、例えばインジウム若しくはアンチモンを含むナローギャップ半導体から成る量子型光検出素子から形成される光検出部１１は、微小のバイアスの場合、理想的には抵抗とみなすことができるので、光検出部１１は、バイアス部１２から印加された電圧信号からなるバイアス信号Ｓｂｉａｓを自身の抵抗で割った値の電流を出力する。ここでは第１出力部１３で、バイアス信号Ｓｂｉａｓの周波数に基づいて、光検出部１１の検出信号Ｓ１から所定の周波数成分を抽出することで、バイアス部１２から印加された電圧の値すなわちバイアス信号Ｓｂｉａｓに応じた電流値を得ることができ、これらの値から光検出部１１の抵抗値を測定することが可能となる。また得られた抵抗値に基づいて、光検出部１１の温度を推定することが可能である。推定された温度情報は、光検出部１１の光電流の温度補正を行うときに用いることができる。

本発明の一実施形態における第１出力部１３は、光検出部１１の検出信号Ｓ１のうち、バイアス部１２からのバイアス信号Ｓｂｉａｓの周波数を有する周波数成分の信号を抽出し出力する。すなわち、バイアス信号Ｓｂｉａｓに応じた信号であり、且つ光検出部１１の内部抵抗Ｒ０に応じた信号を抽出し、Ｒ０情報信号として出力する。したがって、第１出力部１３の後段の回路（図示せず）においては、第１出力部１３から出力される光検出部１１の内部抵抗Ｒ０に応じたＲ０情報信号に基づき、光検出部１１の温度を推定することが可能となる。例えば光検出部１１が量子型光検出素子を含む場合には、Ｒ０情報信号は、量子型光検出素子の内部抵抗に応じた信号であるため、量子型光検出素子の温度を推定することができる。

また、本発明の一実施形態における第２出力部１４は、光検出部１１の検出信号Ｓ１のうち、バイアス信号Ｓｂｉａｓの周波数を除く周波数成分の信号、すなわち、光検出部１１に入射された被検出光に応じた光電流に基づく信号を抽出し、Ｉｐ情報信号として出力する。
第２出力部１４によって抽出されたＩｐ情報信号は、光検出部１１に入射された被検出光の強度を表す信号であるから、このＩｐ情報信号を用いることによって、人感検知やガス濃度の演算を行うことができる。
また、本発明の一実施形態では、第２出力部１４は、光検出部１１としての量子型光検出素子の抵抗に応じた信号であるＲ０情報信号に基づいて量子型光検出素子の温度情報を推定し、該温度情報に基づいて量子型光検出素子に入射された被検出光による光電流に応じた信号であるＩｐ情報信号を補正してもよい。

例えば、第１出力部１３の後段に、光検出部１１の温度情報を推定する回路を有する場合には、この回路で推定した光検出部１１の温度情報を第２出力部１４に入力し、これに基づきＩｐ情報信号を補正してもよく、また、第１出力部１３からのＲ０情報信号を直接第２出力部１４に入力し、第２出力部１４において、光検出部１１の温度情報を推定し、これに基づき、Ｉｐ情報信号を補正してもよい。或いは、第１出力部１３からのＲ０情報信号と第２出力部１４からのＩｐ情報信号とを入力する温度補正回路を設け、この温度補正回路において、Ｒ０情報信号から温度情報を推定し、推定した温度情報に基づいてＩｐ情報信号を補正し、補正したＩp情報信号を、環境の温度の影響を受けない被検出光の強度に応じた信号として出力するようにしてもよい。

第２出力部１４で抽出されたＩｐ情報信号を、温度補正することで、特に長波長用途の場合に、光信号が微弱且つ、環境の温度の影響が受けやすいナローギャップ半導体からなるフォトダイオード等の量子型センサの場合でも、光検出の精度を高めることができる。
このように、本発明の第一実施形態に示す光デバイス１では、光検出部１１の抵抗値を測定しながら、被検出光に応じたＩｐ情報信号が同時に出力される。したがって、光検出部１１の抵抗を表すＲ０情報信号に基づき温度を推定しながら、被検出光による出力信号であるＩｐ情報信号を補正することによって、高速且つ高精度に、被検出光の測定を行うことができる。

このような光デバイス１の応用例としては、微弱の長波長の赤外線の光の検出装置が挙げられる。具体的には、人体からの輻射を検出するセンサや、赤外線を用いたガスセンサ、例えばＮＤＩＲ方式のガスセンサ等が挙げられる。一般的なＮＤＩＲ方式のガスセンサは環境汚染ガスの濃度の測定に使われるが、場合によってはｐｐｍ又はｐｐｂの精度で濃度を検出する必要がある。またこのような応用例では被検出ガスの吸収波長帯は数μｍ以上数１０μｍ以下となる。この波長帯の光に使われる光源（例えばＬＥＤ）のエネルギーは小さく、さらに使われるセンサの感度（例えば、フォトダイオード）が小さいだけでなく、システムの温度が変動すると出力光の強度も変動し、センサの感度が大きく変動する。一方、ｐｐｍ及びｐｐｂの精度での濃度の測定には、光の僅かな変動を高精度に検出する必要があるが、システムの僅かな温度変動によって、検出濃度に大きな誤差が含まれてしまう。

つまり、高精度のガス濃度の測定を実現するためには、高精度の温度測定も必要となるが、本実施形態における光デバイス１によれば、高精度に温度測定を行いつつ光検出による出力信号を得ることができる。よって、測定した温度に基づき被検出光による出力信号を補正することにより、高精度なガス濃度の測定用の光デバイスとして、特に効果的である。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。
図２は、本発明の第２実施形態における光デバイス１の一例を示す構成図である。
なお、第１実施形態における光デバイス１と同一部には同一符号を付与しその詳細な説明は省略する。
図２に示すように、第２実施形態における光デバイス１は、光検出部１１とバイアス部１２と第１出力部１３と第２出力部１４とを備えると共に、さらに、光源部１５を備える。
図２に示すように、バイアス部１２は、第１周波数（ｆ１）の電流又は電圧信号からなる変調信号をバイアス信号Ｓｂｉａｓとして光検出部１１に供給する。

光源部１５は、第１周波数ｆ１とは異なる第２周波数ｆ２の光を光検出部１１に出力する。
光検出部１１は、入射した被検出光に応じた信号と、バイアス部１２から供給されたバイアス信号Ｓｂｉａｓに応じた信号との和を検出信号Ｓ１として出力する。
第１出力部１３には光検出部１１からの検出信号Ｓ１が入力され、第１出力部１３では、Ｒ０情報信号として、検出信号Ｓ１の中から周波数ｆ１の成分を抽出する。第１出力部１３で抽出されたＲ０情報信号は、光検出部１１が出力するバイアス信号Ｓｂｉａｓに応じた信号を表すものである。よって、バイアス信号Ｓｂｉａｓと検出信号Ｓ１とから、Ｒ０情報信号を取得することにより、光検出部１１の抵抗情報を得ることができる。

第２出力部１４には光検出部１１から検出信号Ｓ１が入力される。第２出力部１４では、検出信号Ｓ１の中から周波数ｆ２の成分を抽出する。第２出力部１４によって抽出された周波数ｆ２の成分の信号は、光検出部１１に入射される被検出光の強度を表すものであり、この信号を用いて物体検知やガス濃度等の推定を行うことができる。
光源部１５が光検出部１１に出力する光を所望の周波数に変調することで、例えば一定の周波数を持ったパルス光信号等、第２出力部１４が復調しやすいような信号を検出信号Ｓ１として出力することができる。そのため、被検出光の検出精度を高めることができ、結果的に、第２出力部１４の出力信号であるＩｐ情報信号に基づく、物体検知や、ガス濃度等の測定精度を向上させることができる。

次に、本発明の第３実施形態を説明する。
この第３実施形態は、図１に示す第１実施形態における光デバイスにおいて、光検出部１１として、量子型光検出素子を用いたものである。
図３は、第３実施形態における光デバイス１の一例を示す構成図である。第１実施形態における光検出部１１と同一部には同一符号を付与し、その詳細な説明は省略する。
この第３実施形態における光デバイス１では、バイアス部１２から出力されるバイアス信号Ｓｂｉａｓは電圧信号からなる。また、第３実施形態における光デバイス１では、バイアス信号Ｓｂｉａｓは、後述のオペアンプ１１ｂの被反転入力端子に接続される。

第３実施形態における光検出部１１は、量子型光検出素子としてのフォトダイオード１１ａと、オペアンプ１１ｂと、抵抗器１１ｃとを備える。フォトダイオード１１ａのアノードがオペアンプ１１ｂの反転入力端子に接続され、フォトダイオード１１ａのカソードはグランド電位ＧＮＤに接続される。抵抗器１１ｃは、オペアンプ１１ｂの出力端子と反転入力端子との間に接続される。また、オペアンプ１１ｂの被反転入力端子には、バイアス部１２としての電圧電源の一端が接続され、他端はグランド電位ＧＮＤに接続される。そして、オペアンプ１１ｂの出力端子が第１出力部１３及び第２出力部１４に接続される。

第３実施形態における光デバイス１では、被検出光はフォトダイオード１１ａに入射され、フォトダイオード１１ａにおいて検出光により生成された光電流は、フォトダイオード１１ａ内の電流―電圧変換回路によって電圧に変換されて、オペアンプ１１ｂを介して、第１出力部１３及び第２出力部１４に出力される。
図３に示す光検出部１１は、フォトダイオード１１ａからの短絡電流を電圧に変換するトランスインピーダンス（Ｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅ）アンプと呼ばれる増幅回路を構成している。

このため、フォトダイオード１１ａからの短絡電流と同様の振幅と周波数の電圧信号が、抵抗器１１ｃを介してオペアンプ１１ｂからフォトダイオード１１ａに印加される。
この場合、フォトダイオード１１ａの内部抵抗Ｒ０に応じた電流がトランスインピーダンスアンプによって電圧信号に変換され、オペアンプ１１ｂから出力される。これによってフォトダイオード１１ａからの出力を電圧値として読み取ることが可能となる。

また図３で示したトランスインピーダンスアンプ構成以外にも、オペアンプ１１ｂの代わりにフォトダイオード１１ａの解放電圧を増幅する高インピーダンスのアンプを利用しても良い。この場合、フォトダイオード１１ａに印加されるバイアス信号Ｓｂｉａｓは、フォトダイオード１１ａと並列に接続された電流電源であってもよい。
以上の構成とすることによって、フォトダイオード１１ａでの被検出光に応じた信号（Ｉｐ情報信号）と、バイアス信号Ｓｂｉａｓとの和に応じた電圧信号からなる検出信号Ｓ１が光検出部１１から出力されるため、第１出力部１３及び第２出力部１４では、検出光に応じた検出信号Ｓ１を電圧信号として処理することができる。

次に、本発明の第４実施形態を説明する。
この第４実施形態は、図１に示す第１実施形態における光デバイスにおいて、第２出力部１４が温度補正部１４ａを備えたものである。
図４は、第４実施形態における光デバイス１の一例を示す構成図である。第１実施形態における光検出部１１と同一部には同一符号を付与し、その詳細な説明は省略する。
この第４実施形態における光デバイス１では、第２出力部１４の温度補正部１４ａは、光検出部１１の抵抗に応じた信号（Ｒ０情報信号）に基づいて光検出部１１の温度情報を推定し、推定した温度情報に基づいて光検出部１１に入射された被検出光による光電流に応じた信号（Ｉｐ情報信号）を補正する。

以下に温度補正部１４ａでの補正方法の一例を示す。
（温度補正方法の一例）
Ｉｐ情報信号及び温度Ｔと相関を持つＲ０情報信号は共に温度依存性を持つため、Ｉｐ情報信号は一般的に次式（１）で表すことができる。
Ｉｐ＝Ｒｉ×Φ
＝｛Ａ_ｎ（Ｒ０）^ｎ＋Ａ_ｎ−１（Ｒ０）^ｎ−１＋…＋Ａ_１（Ｒ０）＋Ａ_０｝ ……（１）
ただし、（１）式中のＲｉは一定の温度Ｔでの光検出部１１の感度、Φは光検出部１１に入射される光信号の強度、Ａ_ｎ〜Ａ_０は定数である。

（１）式において、温度Ｔ及びＲ０情報信号の影響を受けないＩｐ情報信号であるＩｐ１は次式（２）で表すことができる。
Ｉｐ１
＝Ｉｐ／｛Ａ_ｎ（Ｒ０）^ｎ＋Ａ_ｎ−１（Ｒ０）^ｎ−１＋…＋Ａ_１（Ｒ０）＋Ａ_０｝
……（２）

ここで、｛Ａ_ｎ（Ｒ０）^ｎ＋Ａ_ｎ−１（Ｒ０）^ｎ−１＋…Ａ_１（Ｒ０）＋Ａ_０｝に於ける、係数Ａ_ｎ〜Ａ_０は、光検出部１１の温度をある範囲の中で変動させながら、Ｒ０情報信号とＩｐ情報信号とを測定することで求めることが可能である。
したがって、温度Ｔにおける感度Ｒｉと、同じ温度における光信号の強度Φに対するＩｐ情報信号とが予め分かっていれば、任意の温度に於けるＲ０とＩｐを同時に測定し、式（２）を利用して、予め決められた温度ＴでのＩｐ情報信号に換算（補正）した、光信号の強度Φの被検出光に応じたＩｐ情報信号であるＩｐ１を求めることができる。言い換えれば、式（１）から、被検出光の強度Φは任意の温度に於けるＩｐ及び抵抗Ｒ０から求めることができる。
このように予め決められた温度Ｔ以外の温度でも、その時のＲ０とＩｐを測定し温度補正を行うことで、温度ＴでのＩｐ及び被検出光の強度Φ（式（１）よりΦ＝Ｉｐ１／Ｒｉ）を求めることができ、周囲の温度変化が大きいような環境下でも光検出の精度を高めることができる。

次に、本発明の第５実施形態を説明する。
この第５実施形態は、図３に示す第３実施形態における光デバイスにおいて、第２出力部１４が温度補正部１４ａを備えたものである。
図５は、第５実施形態における光デバイス１の一例を示す構成図である。第３実施形態における光検出部１１と同一部には同一符号を付与し、その詳細な説明は省略する。
この第５実施形態における光デバイス１では、第２出力部１４の温度補正部１４ａは、量子型検出素子としてのフォトダイオード１１ａの抵抗に応じた信号（Ｒ０情報信号）に基づいてフォトダイオード１１ａの温度情報を推定し、推定した温度情報に基づいて、フォトダイオード１１ａに入射された被検出光による光電流に応じた信号（Ｉｐ情報信号）を補正する。

補正方法は、上記第４実施形態で用いた温度補正方法を用いることができる。
このように、光電流に応じた信号（Ｉｐ情報信号）の温度補正を行うことで、特にナローギャップ半導体からなるフォトダイオード等のセンサのように、感度が小さく、温度環境の影響を受けやすいセンサにより、微弱な光信号を測定する場合であっても、光検出の精度を高めることができる。

以下、本発明の一実施形態における光デバイスの実施例を説明する。本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、変更可能であることは言うまでもない。
＜実施例１＞
図６は、実施例１における光デバイス１の一例を示す構成図である。
図６に示すように、光検出部１１としてフォトダイオード１１ａを用い、オペアンプ１１ｂ及び抵抗器１１ｃを設けることにより、トランスインピーダンス（Ｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅ）アンプと呼ばれる増幅回路を構成した。また、光源部１５として、黒体炉を用いた。

フォトダイオード１１ａには、ＩｎＳｂ系のＰＩＮフォトダイオードを用いた。フォトダイオード１１ａの具体的な構成は、０．７ｍｍ角のガリウム砒素ＧａＡｓ基板上に４００個のＰＩＮのフォトダイオードを形成し、互いに直列に接続した。被検出光の入射面は、基板のフォトダイオードが形成された面とは逆側の面とした。室温での感度を高めるために、フォトダイオード１１ａのＰ層とＩ層との間に電子の拡散を抑制するバリア層を挿入した。この場合、無バイアス付近の抵抗は室温では約１５０ｋΩとなる。
ここで多数のフォトダイオードを直列に接続することによって、高いＳ／Ｎ比を実現することができる。被検出光の周波数は９０Ｈｚである。また、バイアス部１２から出力されるバイアス信号Ｓｂｉａｓの周波数を３９０Ｈｚ、振幅を５ｍＶに設定した。

第１出力部１３は、光検出部１１からの検出信号Ｓ１のうち、参照信号として、バイアス信号Ｓｂｉａｓの周波数と同じ３９０Ｈｚの信号成分を抽出するロックインアンプ（図６ではロックインアンプ１）を用いた。これにより、第１出力部１３からは光検出部１１のフォトダイオード１１ａの内部抵抗に応じた出力信号、すなわちＲ０情報信号が得られる。第２出力部１４は、光検出部１１からの検出信号Ｓ１のうち、参照信号として、被検出光の周波数と同じ９０Ｈｚの信号成分を抽出するロックインアンプ（図６ではロックインアンプ２）を用いた。これにより、第２出力部１４からはフォトダイオード１１ａに入射された被検出光に応じた信号成分が得られる。

このように、実施例１における光デバイス１は、被検出光（例えば黒体炉からの輻射）に応じた検出信号とフォトダイオード１１ａの環境温度に応じた検出信号とを同時に出力することができる。したがって、光源部１５からの輻射、又は他の外乱熱源によるセンサの加熱があったとしても、その温度変化によって、フォトダイオード１１ａのゼロバイアス付近の抵抗Ｒ０も変動するため、その抵抗Ｒ０情報を利用して被検出光による検出信号を補正することによって、被検出光による検出信号に含まれる温度特性による検出誤差を容易に補正することができる。

＜ロックインアンプの動作原理＞
ここで、ロックインアンプの動作原理を説明する。
図７に、ロックインアンプの基本回路を示す。
図７に示すように、ロックインアンプは、入力信号を後段での処理に適した大きさまで増幅するプリアンプ１０１と、プリアンプ１０１で増幅された入力信号Ｖｉｎと、リファレンス信号Ｖｒｅｆとをもとに同期検波を行うことにより周波数変換するミキサー１０２と、ミキサー１０２から出力される周波数変換された出力信号Ｖｐｓｄから所定周波数成分のみを抽出し、ロックインアンプの出力として出力するローパスフィルタＬＰＦ１０３と、参照信号としてのリファレンス信号を入力し、参照信号（リファレンス信号）と同じ周波数且つ一定の振幅を持つ信号を出力するトリガー生成回路１０４と、トリガー生成回路１０４から出力された信号と入力信号Ｖｉｎとの位相差が零となるように位相調整を行い位相調整後の参照信号Ｖｒｅｆをミキサー１０２に出力する位相調整回路１０５と、を備える。

ここで、ロックインアンプへの入力信号が、次式（３）で示すような余弦波であるとする。
Ｖｉｎ＝Ａｃｏｓ（２πｆｔ） ……（３）
ただし、（３）式中のＡは振幅、ｔは時間、ｆは周波数である。
参照信号としてのリファレンス信号は入力信号と同じ周波数を持つため、次式（４）で表すことができる。
Ｖｒｅｆ＝Ｂｃｏｓ（２πｆｔ＋θ） ……（４）
ただし、（４）式中のＢは振幅を示す。またθは入力信号Ｖｉｎとリファレンス信号Ｖｒｅｆとの位相差を示し、位相差θは、ロックインアンプ内部に備える位相調整回路１０５で調整される。

ミキサー１０２には、プリアンプ１０１で増幅された入力信号Ｖｉｎと位相調整回路１０５で位相調整が行われた後のリファレンス信号Ｖｒｅｆとが入力される。ミキサー１０２の出力信号Ｖｐｓｄは次式（５）で表すことができる。
Ｖｐｓｄ＝Ｖｉｎ×Ｖｒｅｆ
＝（１／２）×ＡＢｃｏｓ（θ）＋（１／２）ＡＢｃｏｓ（４πｆｔ＋θ）……（５）
ここで、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１０３を、ｆ成分を除く成分を除去するようにし、また、振幅Ｂを一定にすれば、ロックインアンプの出力信号は、振幅Ａ及びｃｏｓ（θ）に比例したＤＣ信号となる。
つまり、ｆ成分を除く周波数の信号は除去され、ｆ成分の信号のみが抽出され、出力される。また、ローパスフィルタ１０３の遮断周波数が小さい程、高いＳ／Ｎ比を得ることができる。

＜温度補正の実証＞
実施例１では、図６に示す光デバイス１を用いて温度補正の実証を行った。
まず、フォトダイオード１１ａの温度Ｔが２５℃の場合における一定の光信号について、光検出部１１としてのフォトダイオード１１ａによる出力電流の測定を行った。ここでは、光源部１５として温度２２７℃の黒体炉を用い、アパーチャー径φは２２．２ｍｍ、黒体炉からフォトダイオード１１ａまでの距離は１００ｍｍとし、光を周波数９０Ｈｚでチョッピングした場合の光信号を出力させた。この光信号をフォトダイオード１１ａにより測定したところ、フォトダイオード１１ａの出力信号（Ｉｐ情報信号）は実効値で、５．８ｎＡｒｍｓであった。この実効値５．８ｎＡｒｍｓは、オペアンプ１１ｂの出力を抵抗器１１ｃの抵抗値Ｒ１との比を算出することで求めた。
また、バイアス部１２として、周波数３９０Ｈｚ、振幅５ｍＶｒｍｓの正弦波電圧電源を用いた。

次に、フォトダイオード１１ａの温度を２５℃以上５０℃以下の範囲で変動させながら、Ｒ０情報信号とＩｐ情報信号とを測定した。これにより、Ｒ０情報信号とＩｐ情報信号との間に、次式（６）に示すような相関を得た。
Ｉｐ
＝−５．５５×１０^−３９Ｒ０^６＋３．１９×１０^−３３Ｒ０^５
−７．４６×１０^−２８Ｒ０^４＋９．１３×１０^−２３Ｒ０^３
−６．２４×１０^−１８Ｒ０^２＋２．３２×１０^１３Ｒ０
＋１．９８×１０^−９［Ａｒｍｓ］ ……（６）

フォトダイオード１１ａの環境温度が変化した場合、温度が２５℃の場合での電流を得るには、前記（２）式に基づき、次式（７）から求めることができる。
Ｉｐ１
＝５．８×１０^−９／（−５．５５×１０^−３９Ｒ０^６＋３．１９×１０^−３３Ｒ０^５
−７．４６×１０^−２８Ｒ０^４＋９．１３×１０^−２３Ｒ０^３
−６．２４×１０^−１８Ｒ０^２ ＋２．３２×１０^１３Ｒ０
＋１．９８×１０^−９）[Ａｒｍｓ] ……（７）
また式（１）よりΦ＝Ｉｐ１／Ｒｉの関係から、任意の温度に於ける被検出光の強度を求めることができる。
なお、ロックインアンプの出力の演算処理及びその温度補正は、コンピューターによって演算処理を行った。

＜温度補正の効果＞
温度補正の効果を実証するために、フォトダイオード１１ａの温度が７０℃付近まで加熱されるように、熱風をフォトダイオード１１ａに与えた。そのときのＩｐ情報信号とＲ０情報信号と時間との関係を図８に示す。図８において、横軸は経過時間、縦軸は、光電流Ｉｐ（Ｉｐ情報信号）及び内部抵抗Ｒ０（Ｒ０情報信号）である。

ここで、式（７）を利用して、フォトダイオード１１ａの温度が２５℃の場合のＩｐ情報信号と等しくなるように温度補正した電流を求めた。
その結果を図９に示す。横軸は経過時間を表し、縦軸は温度補正後の光電流Ｉｐ１（Ｉｐ情報信号）を表す。図９から分かるように、熱風等の外乱によってフォトダイオード１１ａの温度が変化するような環境においても、温度変化の影響は大幅にキャンセルされており、安定した光電流の値が得られていることが分かる。

＜比較例１＞
比較例１として図１０に示すように、光検出部１１としてフォトダイオード１１ａを用い、フォトダイオード１１ａの出力電流を第２出力部１４としてのロックインアンプ２に入力すると共に、フォトダイオード１１ａのそばにサーミスタ（白金抵抗体）２１を設け、サーミスタ２１の抵抗を抵抗測定装置２２により測定し、測定した抵抗値を温度情報とした。それ以外の条件は、実施例１と同様にした。

そして、実施例１の実証実験と同様に、フォトダイオード１１ａ及びサーミスタ２１に熱風を与えながら、抵抗測定装置２２により測定した温度情報としての抵抗値に基づき、フォトダイオード１１ａから出力されるＩｐ情報信号の温度補正を行った。その結果を図１１に示す。図１１において、横軸は経過時間を表し、縦軸は、温度補正後の光電流Ｉｐ１（Ｉｐ情報信号）を表す。

外部から加えられた熱風の影響によってフォトダイオード１１ａの温度が急激に変化（経過時間１００ｓ付近）している時に、図１１に示すように約２８％の出力変動が生じている。これはサーミスタ２１の温度追従性が悪いため、温度補正の際に使用するフォトダイオード１１ａの温度情報が正確な温度からはずれたものとなったためであり、温度補正の精度が不十分であることが原因と考えられる。

＜比較例２＞
比較例２として図１２に示すような回路を用いて実験を行った。
すなわち、図１２に示すように、光検出部１１としてフォトダイオード１１ａを用い、フォトダイオード１１ａの両端を、スイッチＳＷを介して第２出力部１４としてのロックインアンプ２と、抵抗測定装置２２とのいずれか一方に切り換えて接続するようにした。
スイッチＳＷを用いて、フォトダイオード１１ａの両端を抵抗測定装置２２に接続する期間をＴＲとし、Ｉｐ情報信号測定用のロックインアンプ２からなる第２出力部１４に接続する期間をＴＩとし、フォトダイオード１１ａの両端の接続先を交互に切り換えながら、フォトダイオード１１ａによるＩｐ情報信号の測定と、フォトダイオード１１ａの抵抗値に基づくＲ０の測定とを行った。今回の測定では、ＴＲを４５０ｍｓ、ＴＩを１５０ｍｓとした。

そして、実施例１における実証実験と同様に、熱風を与えながら、抵抗測定装置２２により測定したＲ０に基づきフォトダイオード１１ａから出力されるＩｐ情報信号の温度補正を行った。その結果を図１３に示す。
図１３において、横軸は経過時間、縦軸は、温度補正後の光電流Ｉｐ１（Ｉｐ情報信号）を表す。

図１３に示すように、比較例２における実験結果は、図１１に示す比較例１における実験結果に比較して、温度が変化した場合、温度補正後の光電流Ｉｐの変動は小さいが、図９に示す実施例１における実験結果に比較して、Ｓ／Ｎ比が約１/２となっていることが分かる。また外部から加えられた熱風の影響によってフォトダイオード１１ａの温度が急激に変化（経過時間１００ｓ付近）している時の温度補正後の光電流Ｉｐ１は図９に示す実験結果よりも変動が大きい。これはスイッチＳＷを切り替えてＩｐ情報信号と抵抗測定装置２２による抵抗Ｒ０の測定とを交互に行っているため、正確なフォトダイオード１１ａの温度を測定できていない期間が存在し、そのような温度を用いて温度補正を行った結果、温度補正の精度が悪化したためと考えられる。

（まとめ）
以上のように、本発明の一実施形態における光デバイス１は、被検出光に応じたＩｐ情報信号と、光検出部１１の抵抗に応じたＲ０情報信号とを同時に出力することができる。そのため、Ｓ／Ｎ比の高い、被検出光に応じた光電流に基づくＩｐ情報信号を得ることができる。また、被検出光に応じたＩｐ情報信号と同時に出力される、温度に応じて変化する光検出部１１の抵抗に応じたＲ０情報信号に基づいて、Ｉｐ情報信号を温度補正することによって、より高精度なＩｐ情報信号を得ることができ、すなわち、光デバイス１による被検出光の検出精度や被検光の強度測定を向上させることができる。
また、サーミスタ等の温度計を用いることなく、光検出部１１の温度に応じた抵抗情報を得ることができるため、部品数の増加を抑制し、光デバイス１の小型化や薄型化を図ることができる。

また、光検出部１１の近傍の温度ではなく、光検出部１１の芯の温度、つまり、光検出部１１としてフォトダイードを用いた場合には、フォトダイードのＰＮ接合部分の温度に応じた抵抗情報を得ることができる。サーミスタ等の温度計を用いた場合には、光検出部１１の芯の位置つまりフォトダイオードのＰＮ接合部分と、温度計の配置位置とに差があるためこれら間には温度にずれが生じ、また、ＰＮ接合部分の温度変化と、例えばサーミスタの温度変化との間にはずれが生じるため、ＰＮ接合部分の瞬時の温度を高精度に得ることは困難である。しかしながら、本発明の一態様では、光検出部１１の検出信号Ｓ１から抵抗情報を取得しているため、ＰＮ接合部分の温度変化を瞬時に高精度に反映した抵抗情報を得ることができる。したがって、この抵抗情報に基づいて温度を推測することによって、高精度に温度推測を行うことができる。

したがって、このようにして得た光検出部１１の温度に基づいて被検出光に応じた信号（Ｉｐ情報信号）を補正することによって、被検出光の検出精度をより向上させることができる。
なお、ここまで、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

また、本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらす全ての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、各請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、全ての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。

本発明の光デバイスは、微弱の赤外線に対し、高精度な測定を要求するＮＤＩＲ方式のガスセンサ等に応用することができる。

１ 光デバイス
１０ 半導体発光素子
１１ 光検出部
１１ａ フォトダイオード
１１ｂ オペアンプ
１１ｃ 抵抗器
１３ 第１出力部
１４ 第２出力部
１４ａ 温度補正部
１５ 光源部
２１ サーミスタ
２２ 抵抗測定装置

Claims (10)

1. 入射される被検出光に応じた信号とバイアス信号とに応じた検出信号を出力する光検出部と、
   第１周波数の電流信号又は電圧信号を前記バイアス信号として前記光検出部に出力するバイアス部と、
   前記検出信号が入力され、当該検出信号から前記第１周波数の成分を抽出する第１出力部と、
   前記検出信号が入力され、当該検出信号から前記第１周波数を除く周波数成分を抽出する第２出力部と、を備える光デバイス。
2. 前記第１出力部で抽出した前記第１周波数の成分に基づいて前記光検出部の温度を推定し、推定した温度に基づいて前記第２出力部で抽出した前記第１周波数を除く周波数成分を補正する温度補正部を備える請求項１記載の光デバイス。
3. 前記被検出光となる、前記第１周波数とは異なる第２周波数の光を出力する光源部をさらに備え、
   前記第２出力部は、前記検出信号から前記第２周波数の成分を抽出する請求項１又は請求項２に記載の光デバイス。
4. 前記光検出部は、量子型光検出素子を含む請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光デバイス。
5. 前記量子型光検出素子の受光部は、インジウム及びアンチモンのうちのいずれか一方を含むナローバンドギャップ化合物半導体から形成される請求項４に記載の光デバイス。
6. 前記光検出部は、オペアンプと抵抗器とをさらに備え、
   前記オペアンプの出力端子と反転入力端子との間に前記抵抗器が接続されると共に、前記オペアンプの反転入力端子とグランド電位との間に前記量子型光検出素子が接続され、前記バイアス部の出力が前記オペアンプの非反転入力端子に接続される請求項４又は請求項５に記載の光デバイス。
7. 前記第１出力部は、前記第１周波数の成分として前記量子型光検出素子の抵抗に応じた信号を抽出する請求項４から請求項６のいずれか一項に記載の光デバイス。
8. 前記被検出光となる、前記第１周波数とは異なる第２周波数の光を出力する光源部を備え、
   前記第２出力部は、前記第２周波数の成分として、前記量子型光検出素子に入射される被検出光により生じる光電流に応じた信号を抽出する請求項４から請求項７のいずれか一項に記載の光デバイス。
9. 前記量子型光検出素子はフォトダイオードである請求項４から請求項８のいずれか１項に記載の光デバイス。
10. 被検出光が入射される光検出部を備えた光デバイスの測定方法であって、
    第１周波数の電流信号又は電圧信号をバイアス信号として前記光検出部に供給し、
    当該光検出部から出力される検出信号から、前記第１周波数の成分と前記第１周波数を除く周波数成分とを個別に抽出し、
    抽出した前記第１周波数の成分から前記光検出部の温度を推定し、
    前記第１周波数を除く周波数成分を前記入射される被検出光に応じた信号として、推定した前記温度に基づき補正する光デバイスの測定方法。

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