JP4713769B2

JP4713769B2 - 半導体レーザの高周波重畳動作検査装置

Info

Publication number: JP4713769B2
Application number: JP2001165716A
Authority: JP
Inventors: 豊三木
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2001-05-31
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2021-05-31
Also published as: JP2002359424A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザの高周波重畳動作検査装置に係り、特に、シングルモード半導体レーザへの注入電流に高周波を重畳することにより、発光スペクトルをマルチモード化した半導体レーザの高周波重畳動作の有無を検査する際に用いるのに好適な、半導体レーザの高周波重畳動作検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光を用いて測定対象物の寸法や変位を測定する装置に、特開２０００−８８５２８に記載されているように、レーザ光の平行走査範囲内に配置した測定対象物によって生じる影の長さを測定することにより測定対象物の外径を測定するレーザ走査型外径測定器や、特公平４−４９０４８に記載されているように、測定対象面に投影したレーザ光の反射光の位置の、測定対象面の変位による変化を、ＰＳＤ等の位置検出素子を用いて測定する、三角測量方式の光学式変位計や、特開平７−４３１４８に記載されているように、オートフォーカス機構を利用して、合焦位置の変化から測定対象面の変位を測定する、合焦方式の光学式変位計がある。
【０００３】
このようなレーザ光を利用した寸法測定装置において、従来は、発振スペクトルが拡散しているマルチモードの半導体レーザが用いられていたが、近年、製品の集約化により、使用可能な半導体レーザの種類が減っており、発振スペクトルが集中したシングルモードの半導体レーザが主流になり、マルチモードの半導体レーザは入手が困難になっている。
【０００４】
しかしながら、シングルモードの半導体レーザを用いた光学システムでは、次の現象が問題となる場合がある。
【０００５】
（１）周囲温度の変化によって発振モードが変化し、発光スペクトルが変化するモードホッピングに伴う、光波長の重心の急変による光路の急変。
【０００６】
（２）不要な光の干渉。
【０００７】
（３）戻り光誘起雑音。
【０００８】
これらを解決する有効な手法として、出願人は特願２０００−３９３２２３で、半導体レーザへの注入電流に例えば数百ＭＨｚ以上の高周波を重畳することにより、発光スペクトルをマルチモード化すること（高周波重畳法と称する）を提案している。
【０００９】
しかしながら、電子回路の動作不良や、線路異常等により、半導体レーザが高周波重畳動作をせず、マルチモードになっていない可能性があるので、半導体レーザの高周波重畳動作の有無を検査する必要がある。
【００１０】
そのための手法としては、次の方法が考えられる。
【００１１】
（１）光スペクトラムアナライザを用いて、発光スペクトルのマルチモード化を捉える方法。
【００１２】
（２）２光束の干渉強度を観測して、干渉性の低下を捉える方法。
【００１３】
（３）スペクトラムアナライザを用いて、戻り光誘起雑音の減少を捉える方法。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの方法は、いずれも、検査システム全体での専有スペースが大きい。又、光ファイバ入力型を除き、光学素子の光軸調整に、長時間と熟練を要するだけでなく、耐環境性が悪い。更に、（１）、（２）の方法では、光スペクトラムアナライザや干渉計等の高価な測定器を必要とする等の問題点を有していた。
【００１５】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、操作や調整を簡単化すると共に、検査時間を短縮することを課題とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体レーザの高周波重畳動作検査装置であって、半導体レーザの偏光状態を動的に変化可能な光学素子と、該光学素子からの出射光が入射される複屈折光ファイバと、該複屈折光ファイバからの出射光が入射される、透過軸が前記複屈折光ファイバの主軸に対して４５°回転された偏光子とを備え、前記複屈折光ファイバで生じる直交偏波モード間の光路差が、高周波重畳動作時の半導体レーザ光のコヒーレンス長より長く、且つ、高周波重畳動作をしていない時の半導体レーザ光のコヒーレンス長より短くなるように設定して、前記光学素子により半導体レーザ光の偏光状態を変化させた時の前記偏光子の光出力の変化から、高周波重畳動作の有無を検査することにより、前記課題を解決したものである。
【００１７】
又、同じく半導体レーザの高周波重畳動作検査装置であって、半導体レーザの偏光状態を動的に変化可能な光学素子と、該光学素子からの出射光が入射されるファイバ型デポラライザと、該デポラライザからの出射光が入射される偏光子とを備え、前記デポラライザで生じる直交偏波モード間の光路差が、高周波重畳動作時の半導体レーザ光のコヒーレンス長より長く、且つ、高周波重畳動作をしていない時の半導体レーザ光のコヒーレンス長より短くなるように設定して、前記光学素子により半導体レーザ光の偏光状態を変化させた時の前記偏光子の光出力の変化から、高周波重畳動作の有無を検査することにより、同じく前記課題を解決したものである。
【００１８】
又、同じく半導体レーザの高周波重畳動作検査装置であって、半導体レーザ光が入射されるファイバ型デポラライザと、該デポラライザの高周波を重畳していない状態の出力光を直線偏光状態にするための可変型遅相子と、該遅相子からの出射光が入射される、回転可能な偏光子とを備え、前記デポラライザで生じる直交偏波モード間の光路差が、高周波重畳動作時の半導体レーザ光のコヒーレンス長より長く、且つ、高周波重畳動作をしていない時の半導体レーザ光のコヒーレンス長より短くなるように設定して、前記偏光子により半導体レーザ光の偏光状態を変化させた時の該偏光子の光出力の変化から、高周波重畳動作の有無を検査することにより、同じく前記課題を解決したものである。
【００１９】
前記光学素子は、可変型遅相子や偏光回転子とすることができる。
【００２０】
又、前記光学素子又は複屈折光ファイバ又はデポラライザの入側に結合レンズを設けて、半導体レーザ光の入射効率を高めたものである。
【００２１】
又、前記半導体レーザ光の入射位置を調整するためのマイクロステージを設けて、光軸調整を容易としたものである。
【００２２】
又、前記偏光子の出側に受光器及び受光アンプを設けて、光パワーメータ等の特別な測定器を不要とし、汎用の電圧測定器を用いて、光出力レベルを観測できるようにしたものである。
【００２３】
又、前記受光アンプの出側に、アナログ／デジタル変換部及び表示部を設けて、独立したスタンドアロン型の検査装置としたものである。
【００２４】
複屈折光ファイバを伝搬する光は、直交偏波モードに分かれる。この直交偏波モード間で生じる光路差は、複屈折光ファイバの長さに比例して大きくなる。従って、ある長さの複屈折光ファイバは、ある値より小さいコヒーレンス長を持つ光に対して、コヒーレンス長より大きな光路差を直交偏波モード間に生じさせることになる。そこで、コヒーレンス長がある値よりも小さい光に対しては、入射時の偏光状態がどのようであっても、光出力（光量）はほぼ同じであり、一方、コヒーレンス長がある値よりも大きい光に対しては、入射時の偏光状態によって、光出力に大きな違いが出る光学系を考える。
【００２５】
ここで、半導体レーザが発する光には、（１）偏光度が高い、（２）高周波重畳によりコヒーレンス長が短くなる、という性質がある。
【００２６】
従って、複屈折光ファイバ（ファイバ型デポラライザに使われている物も含む）で生じる直交偏波モード間の光路差が、高周波重畳動作時の半導体レーザ光のコヒーレンス長より長く、且つ、高周波重畳動作をしていないときの半導体レーザのコヒーレンス長より短いような光学系を用いれば、半導体レーザの高周波重畳動作の検査が可能となる。
【００２７】
本発明は、このような知見に基づくものである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２９】
本発明に係る検査装置１０の第１実施形態は、図１に示す如く、半導体レーザ光の偏光状態を動的に変化可能な光学素子１２と、該光学素子１２からの出射光が入射される複屈折光ファイバ１４と、該複屈折光ファイバ１４からの出射光が入射される、透過軸が前記複屈折光ファイバ１４の主軸に対して４５°回転された偏光子１６とを備え、前記複屈折光ファイバ１４で生じる直交偏波モード間の光路差が、高周波重畳動作時の半導体レーザ光のコヒーレンス長より長く、且つ、高周波重畳動作をしていない時の半導体レーザ光のコヒーレンス長より短くなるように設定されている。
【００３０】
図において、１８は、前記偏光子１６の光出力の光量を測定するための光パワーメータである。
【００３１】
前記光学素子１２としては、例えば回転機構等を設けて波長板等の厚みや有無を動的に切替可能とした可変型遅相子や偏光回転子の他、シングルモード光ファイバ（ねじる、つまむ、曲げる等して応力を加えると、内部光の偏光状態を変化させることができる）等を用いることができる。
【００３２】
前記偏光子１６の光出力には、複屈折光ファイバ１４に入る前の入射波の偏光状態依存性が無く、光路の損失を無視すれば、光量は常に入射光の１／２になる。
【００３３】
本実施形態において、前記光学素子１２を回転したり、応力を加えて、半導体レーザ光の偏光状態を動的に変化させた時、半導体レーザが高周波重畳動作をしていれば、偏光子１６の光出力はほとんど変化しないが、高周波重畳動作をしていなければ、偏光子１６の光出力は大きく変化する。従って、光パワーメータ１８等の光量測定を偏光子１６の出側に設けて、定性的に変化の割合が小、大のどちらの状態にあるかを判定することによって、高周波重畳動作の有無を容易に検査できる。この際、定量的に精度の高いデータを取得する必要は、必ずしも無い。
【００３４】
次に、本発明の第２実施形態を詳細に説明する。
【００３５】
本実施形態は、図２に示す如く、第１実施形態と同様の半導体レーザ光の偏光状態を動的に変化可変な光学素子１２と、該光学素子１２からの出射光が入射されるファイバ型デポラライザ（偏光解消子）２４と、該デポラライザ２４からの出射光が入射される偏光子１６とを備え、前記デポラライザ２４で生じる直交偏波モード間の光路差が、高周波重畳動作時の半導体レーザ光のコヒーレンス長より長く、且つ、高周波重畳動作をしていない時の半導体レーザ光のコヒーレンス長より短くなるように設定されている。
【００３６】
前記デポラライザ２２は、図３に詳細に示す如く、例えば長さが１：２の２本の複屈折光ファイバ１４Ａ、１４Ｂの主軸を互いに４５°傾けて接続することにより構成されている。なお、第１実施形態は、第２実施形態の出側の複屈折光ファイバ１４Ｂの代りに、偏光子１６を配置したものと考えることもできる。
【００３７】
第２実施形態におけるデポラライザ２４の主軸と偏光子１６の透過軸の角度の関係は任意である。
【００３８】
本実施形態において、光学素子１２により半導体レーザ光の偏光状態を動的に変化させた時、半導体レーザが高周波重畳動作をしていれば、偏光子１６の光出力はほとんど変化しないが、高周波重畳動作をしていなければ、偏光子１６の光出力は大きく変化する。従って、光パワーメータ１８等の光量測定系を偏光子１６の出側に設けることによって、高周波重畳動作の有無を容易に検査できる。
【００３９】
次に、本発明の第３実施形態を詳細に説明する。
【００４０】
本実施形態は、図４に示す如く、半導体レーザ光が入射されるファイバ型デポラライザ２４と、該デポラライザ２４の出力光を直線偏光状態にするための可変型遅相子２６と、該遅相子２６からの出射光が入射される、回転可能な偏光子２８とを備え、前記デポラライザ２４で生じる直交偏波モード間の光路差が、高周波重畳動作時の半導体レーザ光のコヒーレンス長より長く、且つ、高周波重畳動作をしていない時の半導体レーザ光のコヒーレンス長より短くなるように設定されている。
【００４１】
高周波を重畳していない状態において、半導体レーザが発する光は偏光度が高く、デポラライザ２４を通ることにより、光出力が円偏光となる場合が有り得る。この円偏光状態では、偏光子２８を回転させても、その光出力はほとんど変化しない。即ち、高周波重畳動作をしていないにも拘らず、光出力が変化しないため、本発明による検査の判定ができない状態となる場合がある。これを防ぐため、本実施形態では、可変型遅相子２４を調整することにより、高周波を重畳していない状態の光出力を確実に直線偏光状態にしておく。可変型遅相子２４としては、波長板等を用いて、波長の異なる光源を検査する時に、調整することができる。
【００４２】
これにより、偏光子２８の透過軸を回転させた時、半導体レーザが高周波重畳動作をしていれば、偏光子２８の出力はほとんど変化しないが、高周波重畳動作をしていなければ、偏光子２８の光出力は大きく変化する。したがって、光パワーメータ１６等の光量測定系を偏光子２８の出側に設けることによって、高周波重畳動作の有無を簡単に検査できる。
【００４３】
ここで、偏光子１６、２８へ入力する光は、図３に示した２つの複屈折光ファイバ１４Ａ、１４Ｂを含む第２、第３実施形態のデポラライザ２４を用いたものでは、図３にＣで示す如く、互いにコヒーレンス長以上の光路差を持った４光波に分かれているのに対して、図３に示した最初の複屈折光ファイバ１４Ａのみを含む第１実施形態では、図３にＢで示す如く、互いにコヒーレンス長以上の光路差を持った２光波に分かれている。
【００４４】
即ち、図３にＡで示す最初の複屈折光ファイバ１４Ａに入射する前の光波は、１つの光波（真ん中の三角形）が、複屈折光ファイバ１４Ａ内に入ると、ｘ軸とｙ軸で示す直交偏波モード（それぞれの方向を向いている三角形）に分かれることを示す。図３にＢで示す中央の光波は、左側の複屈折光ファイバ１４Ａ内を伝搬する直交偏波モードの間の光路差が大きくなり、この光のコヒーレンス長ｌｃを超えたために、この光ファイバ１４Ａから出射した光が、互いに干渉し合うことがなく、偏光方向が直交している２つの光波に分かれていることを示している。図３にＣで示す右側の光波は、左側の複屈折光ファイバ１４Ａの主軸に対し、４５°だけ主軸を傾けた右側の複屈折光ファイバ１４Ｂ内で、上記２光波のそれぞれが、新たなｘ軸、ｙ軸の直交偏波モードに更に分かれ、互いに光路差がコヒーレンス長より大きくなったために、このファイバ１４Ｂから出射した光が、互いに干渉し合うことがない、４光波に分かれたことを示している。このとき、光量は全偏光方向に均一に配分される。
【００４５】
従って、第１実施形態の方が光波全体での光路差の範囲を狭くすることができ、次のような利点を有する。
【００４６】
即ち、シングルモード半導体レーザに高周波重畳法を適用し、マルチモード化した時の発光スペクトルは、大きなスペクトル変調度を持つことがある。このような光に対し、干渉性の低い状態を得るために必要な光路差の条件は、コヒーレンス長以上であるということだけではない。図５に示すようなビジビリティの第２コヒーレンスピーク、第３コヒーレンスピーク・・・第ｎコヒーレンスピークが大きい場合、光路差がコヒーレンス長以上であっても、各コヒーレンスピークの位置に相当する光路差になっていれば、高い干渉性を示す。このビジビリティの影響を避けるは、次の２つの方法がある。
【００４７】
（１）ビジビリティのコヒーレンスピークが十分小さくなっている光路差領域に、光路差を設計する（充分大きな光路差にする）。
【００４８】
（２）ビジビリティの各コヒーレンスピークを避けた光路差領域に、光路差を設計する（例えば、第１コヒーレンスピークと第２コヒーレンスピークの間の、干渉性の低い光路差領域に、光路差を設計する）。
【００４９】
ここで、前記のように、第１実施形態は、第２、第３実施形態よりも、光波全体での光路差の範囲を狭くすることができるので、上記（２）の設計が容易である。これが第１実施形態の利点である。
【００５０】
なお、前記実施形態においては、いずれも偏光子１６又は２８の出力が光パワーメータ１８等の、検査装置１０とは別体の光量測定系により測定されていたが、図６に示す変形例の如く、光出力を電圧に変換するために、偏光子１６又は２８の出側に受光器３０及び受光アンプ３２を設けて、光パワーメータ等の特別な測定器を用いることなく、オシロスコープ等の汎用の電圧測定器３４を用いて光出力レベルを観測できるように構成することもできる。
【００５１】
更に、図７に示す他の変形例の如く、前記受光器３０及び受光アンプ３２の出側に、更にアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換部３６及び表示部３８を追加して、独立したスタンドアロン型の検査装置とすることもできる。
【００５２】
更に、前記複屈折光ファイバ１４又はデポラライザ２４の前段側に結合レンズを追加して、半導体レーザ光を光ファイバへ入射する際の結合効率を高めることもできる。
【００５３】
具体的には、前記第１及び第２実施形態において、前記偏光状態を動的に変化可能な光学素子１２が、光ファイバの入出力ポートを有する場合には、図８に示す如く、該光学素子１２の直前に結合レンズ４０を設けることができる。
【００５４】
あるいは、前記偏光状態を動的に変化可能な光学素子１２が、光ファイバの入出力ポートを持たない場合には、図９に示す如く、該光学素子１２と複屈折光ファイバ１４又は１４Ａ（デポラライザ２４の場合）の入側に結合レンズ４０を設けることができる。
【００５５】
又、前記第３実施形態においては、図１０に示す如く、前記デポラライザ２４の入側に結合レンズ４０を設けることができる。
【００５６】
又、前記半導体レーザ光の検査装置に対する光軸調整を容易にするために、２軸のマイクロステージを追加することもできる。具体的には、図１１に示す如く、マイクロステージ５０のステージ部５４上に半導体レーザ８を乗せ、検査装置１０に対してレーザ光の位置決めを行う形態とすることができる。
【００５７】
前記マイクロステージ５０のステージ部５４は２軸分設けられ、その中央には光を通すための穴が形成されている。
【００５８】
図において、１１は検査装置の筐体、５２はマイクロステージ５０のベース部、５６は半導体レーザ８の把持部である。
【００５９】
本発明の適用対象は、レーザ走査型外径測定器や光学式変位計に限定されず、ＣＤ／ＤＶＤ等の光ピックアップや、光波長に依存する出力を有する他の計測システムにも同様に適用できることは明らかである。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、操作や調整が簡単化され、検査時間を短縮することができる。又、小型化、軽量化、携帯化が可能である。更に、低価格化、低消費電力化（受動部品だけの構成であれば、電力は零であり、電装部品を追加しても、低消費電力化は容易）が可能である。又、構成の簡素化及び製作の容易化が可能である。更に、耐環境性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す構成図
【図２】同じく第２実施形態を示す構成図
【図３】第２実施形態で用いられているデポラライザの構成及び光波の変化状態を示す線図
【図４】本発明の第３実施形態を示す構成図
【図５】第１実施形態が、第２、第３実施形態よりも優れていることを説明するためのビジビリティを示す線図
【図６】前記実施形態の変形例を示す構成図
【図７】同じく他の変形例を示す構成図
【図８】同じく結合レンズを用いた変形例を示す構成図
【図９】同じく結合レンズを用いた他の変形例を示す構成図
【図１０】同じく結合レンズを用いた更に他の変形例を示す構成図
【図１１】同じくマイクロステージを用いた変形例を示す断面図
【符号の説明】
８…半導体レーザ
１０…検査装置
１２…光学素子
１４、１４Ａ、１４Ｂ…複屈折光ファイバ
１６、２８…偏光子
１８…光パワーメータ
２４…ファイバ型デポラライザ
２６…可変型遅相子
３０…受光器
３２…受光アンプ
３４…電圧測定器
３６…Ａ／Ｄ変換部
３８…表示部
４０…結合レンズ
５０…マイクロステージ
５４…ステージ部

Claims

半導体レーザの偏光状態を動的に変化可能な光学素子と、
該光学素子からの出射光が入射される複屈折光ファイバと、
該複屈折光ファイバからの出射光が入射される、透過軸が前記複屈折光ファイバの主軸に対して４５°回転された偏光子とを備え、
前記複屈折光ファイバで生じる直交偏波モード間の光路差が、高周波重畳動作時の半導体レーザ光のコヒーレンス長より長く、且つ、高周波重畳動作をしていない時の半導体レーザ光のコヒーレンス長より短くなるように設定して、
前記光学素子により半導体レーザ光の偏光状態を変化させた時の前記偏光子の光出力の変化から、高周波重畳動作の有無を検査することを特徴とする半導体レーザの高周波重畳動作検査装置。
半導体レーザの偏光状態を動的に変化可能な光学素子と、
該光学素子からの出射光が入射されるファイバ型デポラライザと、
該デポラライザからの出射光が入射される偏光子とを備え、
前記デポラライザで生じる直交偏波モード間の光路差が、高周波重畳動作時の半導体レーザ光のコヒーレンス長より長く、且つ、高周波重畳動作をしていない時の半導体レーザ光のコヒーレンス長より短くなるように設定して、
前記光学素子により半導体レーザ光の偏光状態を変化させた時の前記偏光子の光出力の変化から、高周波重畳動作の有無を検査することを特徴とする半導体レーザの高周波重畳動作検査装置。
半導体レーザ光が入射されるファイバ型デポラライザと、
該デポラライザの高周波を重畳していない状態の出力光を直線偏光状態にするための可変型遅相子と、
該遅相子からの出射光が入射される、回転可能な偏光子とを備え、
前記デポラライザで生じる直交偏波モード間の光路差が、高周波重畳動作時の半導体レーザ光のコヒーレンス長より長く、且つ、高周波重畳動作をしていない時の半導体レーザ光のコヒーレンス長より短くなるように設定して、
前記偏光子により半導体レーザ光の偏光状態を変化させた時の該偏光子の光出力の変化から、高周波重畳動作の有無を検査することを特徴とする半導体レーザの高周波重畳動作検査装置。
前記光学素子が、可変型遅相子や偏光回転子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザの高周波重畳動作検査装置。
前記光学素子又は複屈折光ファイバ又はデポラライザの入側に結合レンズが設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体レーザの高周波重畳動作検査装置。
前記半導体レーザ光の入射位置を調整するためのマイクロステージが設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体レーザの高周波重畳動作検査装置。
前記偏光子の出側に受光器及び受光アンプが設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体レーザの高周波重畳動作検査装置。
前記受光アンプの出側にアナログ／デジタル変換部及び表示部が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザの高周波重畳動作検査装置。