JP2004341533A

JP2004341533A - ヘテロダインインターフェロメトリ用の２つの直交偏光の能動的制御

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Publication number: JP2004341533A
Application number: JP2004145840A
Authority: JP
Inventors: Joanne Y Law; ジョアン・ワイ・ロウ; Eric S Johnstone; エリック・エス・ジョンストーン; Elizabeth A Nevis; エリザベス・エイ・ネヴィス
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2003-05-15
Filing date: 2004-05-17
Publication date: 2004-12-02
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Abstract

【課題】1本のファイバで2つの光ビームの偏光を維持する偏光制御システムの提供。
【解決手段】偏光制御システム(10)は、異なる偏光状態と光周波数を有する２つの光ビーム(E1,E2)を生成する光源を含む。偏光状態変調器(14)は、2つの光ビームの偏光状態を変化させる。3つの検出器経路(34,48,58)により、2つの光ビームから、第1のビート信号(B1)、第2のビート信号(B2)、及び第3のビート信号(B3)が生成される。振幅検出器(42)を用いて、ビート周波数における第1のビート信号の振幅(B1')を求める。位相比較器(56)により、第2及び第3のビート信号間の位相差(ΔΨ)が求められる。次いで、本システムは、振幅と位相差を用いて、所望の偏光状態を有する第1及び第2の光ビームを生成するために偏光状態変調器を如何にして調節するかを求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、コヒーレントな光源の偏光の能動的な制御に関する。

図９は、半導体の製造において使用されるステージ３５２の変位を検出する従来のシステム３５０を示す。光源３５４は、直交偏光状態及び光周波数を有する２つの光ビームを生成する。ビームスプリッタ３５６は、一方のビームを偏波保存（ＰＭ）ファイバ３５８に、他方のビームをＰＭファイバ３６０に供給する。ファイバ３５８及び３６０は、測定を行うサイトまでこれら２つのビームを搬送する。ファイバ３５８及び３６０を使用することにより、光源３５４（例えば、レーザー）を測定サイトから十分に離して配置することが可能になり、この結果、光源３５４からの温度勾配によって空気の屈折率が変化することにより、インターフェロメトリ測定にスプリアスドップラーシフトが発生することはない。光ファイバがインターフェロメトリ測定に対して偏光を過剰に変化させるので、２つのビームを搬送するために単一のＰＭファイバは使用されない。

測定サイトにおいては、これら２つのビームが共通の経路に沿って伝わるように、偏光子３６１、アライメント光学部品３６２、アライメント光学部品３６４、及びコンバイナ３６６を使用して２つのビームを再結合する。アライメント光学部品には、ビームを変換して傾けるために、コリメータ、平らな透過ウィンドウ、偏光光学部品、ビームスプリッタ、並びに全反射器及び部分反射器が含まれる。インターフェロメトリ測定システム３６８は、ビームの１つをステージ３５２において反射させた後に、２つのビームの位相差を検出し、ステージ３５２の変位を求める。

このシステム３５０は、以下の欠点を有する。第１に、２つのビームが同一経路に沿って再び伝わるように、光学部品３６２、光学部品３６４、及びコンバイナ３６６のアライメントをとることが困難である。第２に、すべての機器が重複している２つのファイバ経路を利用することは、コストがかかる。従って、１本のファイバで２つの光ビームの偏光を維持する偏光制御システムが必要とされている。

本発明の一実施形態において、偏光制御システムには、直交偏光状態を有し光周波数の異なる２つの光ビームを生成する光源が含まれる。偏光状態変調器は、これら２つの光ビームの偏光状態を変化させる。３つの検出器経路により、２つの光ビームから、第１のビート信号、第２のビート信号、及び第３のビート信号が生成される。振幅検出器を用いて、ビート周波数における第１のビート信号の振幅を求める。位相比較器により、第２及び第３のビート信号間の位相差が求められる。次いで、本システムは、振幅と位相差を用いて、所望の偏光状態を有する第１及び第２の光ビームを生成するために偏光状態変調器を如何にして調節するかを判定する。

本発明によれば、１本のファイバで２つの光ビームの偏光を維持する偏光制御システムが提供される。

本発明の実施形態を詳細に説明する前に、いくつかの主な用語を以下に定義する。リターダ（又は、波長板）は、光波を２つの直交偏光成分に分解し、それらの間に位相シフト（これをリターダンスと定義する）を生じさせる光学装置である。結果として生じる光波は、一般に異なる偏光形態からなる。本明細書におけるリターダのすべての角度方位は、水平軸（ｘ軸）に対するスロー（slow：遅い）軸の向きを意味する。可変リターダは、そのリターダンスを外部手段、例えば電圧の印加によって変化させることができるリターダである。

偏光状態変調器（Polarization State Modulator：ＰＳＭ）は、入力偏光状態を出力偏光状態に変換する装置である。ＰＳＭに印加される１つ又は複数の外部入力、例えば電圧により、出力偏光状態を制御する。出力偏光状態は、一般に入力偏光状態とは異なる。例えば、ＰＳＭは、複数の可変リターダからなることができる。

図１は、本発明の一実施形態における偏光制御システム１０を示す。このシステム１０は、遠隔動作構成で実現されており、この場合、偏光状態変調器は、変位を測定するためにインターフェロメトリシステムに供給するファイバから上流に配置される。

光源１２は、（１）偏光状態Ｐ１及び周波数ω１を有する光ビームＥ１と、（２）偏光状態Ｐ２及び周波数ω２を有する光ビームＥ２とを生成する。一実施形態において、光源１２は、ヘリウムネオン（ＨｅＮｅ）レーザーと、所望の偏光及び周波数の生成に必要な電気光学コンポーネントとを含む。例えば、光源１２は、アジレントテクノロジー社が製造する５５１７Ｄレーザーである。電圧制御偏光状態変調器（ＰＳＭ）１４は、光ビームＥ１及びＥ２を受光し、これらのビームをファイバ１６に射出する前に、これらのビームの偏光状態をＰ１’及びＰ２’にそれぞれ調節する。電圧制御ＰＳＭ１４は、任意の入力偏光状態を任意の所望の出力偏光状態に変化させるように動作可能である。一実施形態において、電圧制御ＰＳＭ１４は、０°に配向された（oriented）電圧制御可変リターダ１８と、４５°に配向された電圧制御可変リターダ２０と、０°に配向された電圧制御可変リターダ２２とを含む。リターダ１８、２０、及び２２は、電圧Ｖ１、Ｖ２、及びＶ３によって制御され、リターダンスΓ１、Γ２、及びΓ３をそれぞれ生成する。

ファイバ１６は、光ビームＥ１及びＥ２を下流の測定サイトに搬送する。一実施形態において、ファイバ１６は、偏波保存（ＰＭ）ファイバである。温度の変動、ファイバの機械的な変形、及び機械的な振動に起因して、ファイバ１６が光ビームＥ１及びＥ２の偏光状態をＰ１”及びＰ２”にそれぞれ変化させることが実験から明らかになっている。それにも関わらず、ファイバ１６が光ビームＥ１及びＥ２の偏光状態間の直交関係にもたらす変化は、無視し得る。

測定サイトにおいて、ビームスプリッタ２４は、光ビームＥ１及びＥ２を２つの経路に分割する。出力経路２６は、光ビームＥ１及びＥ２を測距インターフェロメトリ（以降、「ＤＭＩ（Distance-Measuring Interferometry）」と呼ぶ）システムに搬送する。モニタ経路２８は、光ビームＥ１及びＥ２の偏光状態を監視して維持する後述のコンポーネントに光ビームＥ１及びＥ２を搬送する。これらのコンポーネントの一部又は全部は、測定サイトに配置されても、又は測定サイトから離れて配置されてもよい。例えば、光出射コンポーネント３８、５２、及び６２は、集束レンズと共に、測定サイトから離れた検出器コンポーネントに接続されたマルチモードファイバにそれぞれ結合され得る。

ビームスプリッタ３０は、経路２８から光ビームＥ１及びＥ２を受光し、それらを２つの経路に分割する。経路３２は、光ビームＥ１及びＥ２を第１の検出器経路３４に搬送し、経路３６は、光ビームＥ１及びＥ２を他の検出器経路に搬送する。第１の検出器経路３４は、光ビームＥ１及びＥ２の選択された偏光状態Ｐ３の成分が光検出器４０に到達できることを可能にする偏光子３８を含む。この光を集束させるために、偏光子３８と光検出器４０との間に集束レンズが挿入され得る。光検出器４０は、受光した光の強度に応答して、（ω１−ω２）のビートトーン周波数のビート信号Ｂ１を振幅検出装置４２に伝送する。ビート信号Ｂ１は、検出された光のパワーを表す。このビート信号Ｂ１を増幅するために、光検出器４０と振幅検出装置４２との間に増幅器が挿入され得る。第１の検出器経路３４は、必要に応じて、偏光子３８の前に、１つ又は複数の波長板３７を含むことができる。波長板３７及び偏光子３８は、光ビームＥ１及びＥ２の出力偏光状態の所望の向きに従って選択される。

ビームスプリッタ４４は、経路３６から光ビームＥ１及びＥ２を受光し、それらを２つの経路に分割する。経路４６は、光ビームＥ１及びＥ２を第２の検出器経路４８に搬送し、経路５０は、光ビームＥ１及びＥ２を別の検出器経路に搬送する。第２の検出器経路４８は、光ビームＥ１及びＥ２の選択された偏光状態Ｐ４の成分が光検出器５４に到達することを可能にする偏光子５２を含む。偏光子５２と光検出器５４との間に、集束レンズが挿入され得る。光検出器５４は、受光した光の強度に応答して、ビート信号Ｂ２を位相検出器５６に伝送する。光検出器５４と位相検出器５６との間には、増幅器が挿入され得る。第２の検出器経路４８は、必要に応じて、偏光子５２の前に、１つまたは複数の波長板５１を含む。波長板５１及び偏光子５２は、光ビームＥ１及びＥ２の出力偏光状態の所望の向きに応じて、大きなビート信号Ｂ２を生成するように選択される。

経路５０は、光ビームＥ１及びＥ２を第３の検出器経路５８に搬送する。第３の検出器経路５８は、光ビームＥ１及びＥ２の選択された偏光状態Ｐ５の成分が光検出器６４に到達することを可能にする偏光子６２を含む。偏光子６２と光検出器６４との間には、集束レンズが挿入され得る。光検出器６４は、受光した光の強度に応答して、ビート信号Ｂ３を位相検出器５６に伝送する。光検出器６４と位相検出器５６との間には、増幅器が挿入され得る。第３の検出器経路５８は、必要に応じて、偏光子６２の前に、１つ又は複数の波長板６０を含む。波長板６０及び偏光子６２は、第１の検出器経路３４の振幅検出装置４２によって検出される最小振幅に対応するＥ１及びＥ２の２つの可能な解のそれぞれについて、ビート信号Ｂ２と異なる位相関係を有するビート信号Ｂ３を生成するように選択される。一実施形態において、この位相関係は、９０°位相がずれている（即ち、ビート信号Ｂ２とＢ３は直角位相の状態にある）。

位相検出器５６は、ビート信号Ｂ２とＢ３との間における位相差ΔΨを求める。振幅検出装置４２は、ビートトーン周波数（即ち、ω１−ω２）におけるビート信号Ｂ１の振幅Ｂ１’を求める。コントローラ４３は、振幅Ｂ１’と位相差ΔΨを使用して制御電圧を生成し、ファイバ１６から出射される際に光ビームＥ１及びＥ２の所望の偏光状態を実現するために、これらの制御電圧がＰＳＭ１４に印加される。増幅器がコントローラ４３とＰＳＭ１４との間に挿入されて、制御信号を増幅することができる。コントローラ４３は、アナログ又はデジタルのコンポーネントを使用して実施され得る。

具体的には、コントローラ４３は、ビートトーン振幅Ｂ１’が２つの局所極小値の１つに到達するまでＰＳＭ１４を調節する。ビートトーン関数は、Ｅ１及びＥ２の２つの可能な向きに対応する２つの退化解を有しているので、Ｅ１及びＥ２のすべての直交偏光状態を本システムに適用した場合には、トーン振幅Ｂ１’が２つの局所極小値を有することがわかる。位相差ΔΨは、Ｅ１及びＥ２の２つの向きに対応する２つの極小値において異なる値を有するので、コントローラ４３は、位相差ΔΨを使用してＥ１及びＥ２の偏光状態を一意的に求める。位相差ΔΨの値とＥ１及びＥ２の向きとの間における正確な対応関係は、ジョーンズ法（Jones calculus）を使用し、従来技術によって導出され得る。

図２は、一実施形態において、システム１０を使用して所望の偏光の向きにロックするための方法１００を示す。ステップ１０４において、コントローラ４３は、グローバルサーチを実行して、正しい偏光の向きを有する局所極小値を生成するリターダンスΓ１、Γ２、及びΓ３の初期解を得る。このΓ１、Γ２、及びΓ３の初期解の値を初期のリターダンス値として使用する。このステップ１０４の一実施形態については、図３に関連して後述する。

ステップ１０６〜ステップ１１４において、コントローラ４３は、リターダ１８のリターダンスΓ１を調節して、リターダンスΓ１によって達成され得るビートトーン振幅Ｂ１’の極小値を見つける。具体的には、ステップ１０６において、コントローラ４３は、リターダ１８を選択する。ステップ１０８において、コントローラ４３は、電圧Ｖ１を調節することにより、リターダンスΓ１を増分する。ステップ１１０において、コントローラ４３は、ビートトーン振幅Ｂ１’が減少したかどうかを判定する。減少している場合には、ステップ１１０からステップ１０８に進む。減少していない場合には、ステップ１１０からステップ１１２に進む。

ステップ１１２において、コントローラ４３は、電圧Ｖ１を調節することにより、リターダンスΓ１を減分する。ステップ１１４において、コントローラ４３は、ビートトーン振幅Ｂ１’が減少したかどうかを判定する。減少している場合には、ステップ１１４からステップ１１２に進む。減少していない場合には、ステップ１１４からステップ１１６に進む。

ステップ１１６〜ステップ１２４において、コントローラ４３は、リターダ２０のリターダンスΓ２を調節して、リターダンスΓ２によって達成され得るビートトーン振幅Ｂ１’の極小値を見つける。ビートトーン振幅Ｂ１’の極小値が得られると、ステップ１２４からステップ１２６に進む。ステップ１２６〜ステップ１３４において、コントローラ４３は、リターダ２２のリターダンスΓ３を調節して、リターダンスΓ３によって達成され得るビートトーン振幅Ｂ１’の極小値を見つける。ビートトーン振幅Ｂ１’の極小値が得られると、ステップ１３４からステップ１３６に進む。

ステップ１３６において、コントローラ４３は、現在の反復に関するビートトーン振幅Ｂ１’の値を記録する。ステップ１３８において、コントローラ４３は、ビート信号Ｂ２とＢ３との間の位相差ΔΨを求める。ステップ１４０において、コントローラ４３は、位相差ΔΨの値がＥ１及びＥ２の所望の出力偏光状態に対応しているかどうかを判定する。Ｅ１及びＥ２の偏光状態に大きな突然の変化を引き起こす大きな突然の変化がファイバ１６の状態に存在すると、位相差ΔΨが所望の出力偏光状態に対応しないことがあり、これにより、制御ループが一時的にロックを失い、ひいては本システムがその後にその同一の初期解にロックされない場合がある。このような場合には、ステップ１４０からステップ１０４に進み、リターダンスΓ１、Γ２、及びΓ３の別の初期解をサーチするために方法１００を繰り返す。一方、位相差ΔΨがＥ１及びＥ２の所望の出力偏光状態に対応している場合には、ステップ１４０からステップ１４２に進む。

ステップ１４２において、コントローラ４３は、現在のビートトーン振幅Ｂ１’が、以前の反復によって記録されたビートトーン振幅Ｂ１’と同じであるかどうかを判定する。そして、同じである場合には、ステップ１４２からステップ１３６に進み、ビートトーン振幅Ｂ１’の値が変化するまで、方法１００はループする。一方、現在のビートトーン振幅Ｂ１’が以前の反復によって記録されたビートトーン振幅Ｂ１’と同じでない場合には、ステップ１４２からステップ１０６に進み、別の最小ビートトーン振幅Ｂ１’をサーチするために方法１００が繰り返される。

図３は、Ｅ１及びＥ２の偏光状態の所望の向きを生じさせるリターダンスΓ１、Γ２、及びΓ３の初期解を得るために、コントローラ４３がＥ１及びＥ２の偏光状態の一部又はすべてをサーチするステップ１０４の一実施形態を示す。ステップ１７４において、コントローラ４３は、リターダンスΓ１、Γ２、及びΓ３を０に初期化する。ここでは、ゼロのリターダンスの極小値を仮定しているが、このサーチは、リターダによって達成可能な、又はサーチされることを所望するリターダンスΓ１、Γ２、及びΓ３の任意の極小値から開始してもよい。ステップ１７６において、コントローラ４３は、リターダンスΓ１、Γ２、及びΓ３の現在の値によって生成されたビート信号Ｂ２とＢ３との間の位相差ΔΨを記録する。ステップ１７８において、コントローラ４３は、リターダンスΓ３がその最大値より大きいかどうかを判定する。この最大値は、リターダが達成できる、又はサーチされることを所望する最大のリターダンスとすることができる。そして、リターダンスΓ３がその最大値より大きい場合には、ステップ１７８からステップ１８２に進む。一方、リターダンスΓ３がその最大値より大きくない場合には、ステップ１７８からステップ１８０に進む。ステップ１８０において、コントローラ４３は、電圧Ｖ３を調節することにより、リターダンスΓ３を増分する。ステップ１８０からステップ１７６に進み、リターダンスΓ３がその最大値より大きくなるまで、上記のステップがループする。

ステップ１８２において、コントローラ４３は、Γ３を０に再初期化する。ステップ１８４において、コントローラ４３は、電圧Ｖ２を調節することにより、リターダンスΓ２を増分する。ステップ１８６において、コントローラ４３は、リターダンスΓ２がその最大値より大きいかどうかを判定する。そして、大きい場合には、ステップ１８６からステップ１８８に進む。一方、リターダンスΓ２がその最大値より大きくない場合には、ステップ１８６からステップ１７６に進み、リターダンスΓ３及びΓ２の両方がそれらの最大値より大きくなるまで、上記のステップがループする。

ステップ１８８において、コントローラ４３は、Γ２を０に再初期化する。ステップ１９０において、コントローラ４３は、電圧Ｖ１を調節することによって、リターダンスΓ１を増分する。ステップ１９２において、コントローラ４３は、リターダンスΓ１がその最大値より大きいかどうかを判定する。そして、大きい場合には、ステップ１９２からステップ１９４に進む。一方、リターダンスΓ１がその最大値より大きくない場合には、ステップ１９２からステップ１７６に進み、リターダンスΓ３、Γ２、及びΓ１がそれらの最大値より大きくなるまで、上記のステップがループする。ステップ１９４において、コントローラ４３は、方法１００の初期解として、Ｅ１及びＥ２の所望の出力偏光状態に対応した所望の位相差ΔΨ_０を生じさせるリターダンスΓ３、Γ２、及びΓ１の値を選択する。

図４は、図１におけるシステム１０の一実施例（以降、これをシステム１０Ａと呼ぶ）を示しており、これは、本発明の一実施形態において、特定の向きの偏光状態に適用することができる。システム１０Ａにおいて、光源１２は垂直直線偏光（ＶＬＰ）Ｅ１と水平直線偏光（ＨＬＰ）Ｅ２を生成する。このシステム１０Ａでは、ファイバ１６の出力においてＥ１及びＥ２の偏光状態を維持することが望ましい。従って、偏光子３８は、９０°に配向され、偏光子５２は、４５°に配向され、波長板６０は、４５°に配向された４分の１波長板となるように選択され、偏光子６２は、９０°に配向される。

図５は、システム１０Ａ（図４）においてＥ１及びＥ２の偏光状態を調節するために使用されるＰＳＭ１４Ａの一実施形態を示す。ＰＳＭ１４Ａは、ニオブ酸リチウム結晶（ＬｉＮｂＯ_３）などの電気光学結晶から作成された回転可能な可変リターダであり、光はｚ方向に伝播し、ｘ及びｙ方向に電圧が印加される。ＬｉＮｂＯ_３の偏光軸及びリターダンスは、電圧Ｖ_ｘ及びＶ_ｙを変化させることよって制御され、この結果、Ｖ_ｘ及びＶ_ｙの両方を範囲［−Ｖ_π，Ｖ_π］にわたって操作する場合に、任意の入力偏向状態を任意の出力偏向状態に変換することができる。この場合、半波長電圧Ｖ_π＝λｄ／（２ｎ_０ ^３ｒ_２２Ｌ）であり、λは、光ビームの波長であり、ｄは、ＬｉＮｂＯ_３の幅及び高さであり、ｎ_０は、ＬｉＮｂＯ_３の通常の屈折率であり、ｒ_２２は、ＬｉＮｂＯ_３の電気光学係数である。

一実施形態において、システム１０Ａは、方法１００（図２及び図３）と類似した方法を使用して、Ｅ１及びＥ２の所望の偏光状態を維持することができる。コントローラ４３は、まず、グローバルサーチを実行して、所望の位相差ΔΨ_０を生じさせる電圧Ｖ_ｘ及びＶ_ｙの初期値を見つける。次いで、コントローラ４３は、最小限のサーチを連続的に実行し、所望の位相差ΔΨ_０に対応する極小値にロックする。

前述のシステムにおいて、ＰＭファイバを使用する場合、Ｅ１及びＥ２は一般に小さい偏光の変化を受ける（例えば、偏光子による２０％未満のパワーの変化）。従って、所望の出力偏光状態を見つけてロックするために、可能な入力偏光状態をすべて生成できるＰＳＭが必要とされない場合がある。実際には、適切な設計によれば、サーチされる必要のある偏光状態の範囲を低減することができ、これにより、いくつかの可変リターダ、及び場合によっては、直交の検出を取り除くことが可能になる。例えば、サーチされる必要があるのは、ポアンカレ球（すべての偏光状態を表す数学的構造）の半分をカバーする偏光状態だけである。

図６Ａは、図１のシステム１０の一実施例（以降、システム１０Ｂと呼ぶ）を示し、これは、本発明の一実施形態において、偏光状態の小さな変化に適用することができる。システム１０Ｂにおいて、光源１２はＶＬＰＥ１及びＨＬＰＥ２を生成する。このシステム１０Ｂでは、ファイバ１６の出力においてＥ１及びＥ２の偏光状態を維持することが望ましい。

リターダ２５２及びＰＳＭ１４Ｂを使用して、Ｅ１及びＥ２の可能な偏光状態のサブセットを生成する。リターダ２５２は、２２．５°に配向された２分の１波長板である。ＰＳＭ１４Ｂは、（１）０°に配向され、０〜λ／２の範囲の可変リターダンスを有する可変リターダ２５４と、（２）４５°に配向され、０〜λ／２の範囲の可変リターダンスを有する可変リターダ２５６とを含む。リターダ２５２とＰＳＭ１４Ｂは、ポアンカレ球の約半分のサーチを可能にしており、この結果、他の解が設計によって排除されているので、システム１０Ｂは、ビートトーン振幅Ｂ１’の２つの極小値のうち１つのみにロックすることになる。更に、リターダ２５２とＰＳＭ１４Ｂは、対象となる領域（例えば、ポアンカレ球の半分）内で途切れることなしに、偏光状態を連続的に走査することを可能にしており、もしそうでなければ、エンドレスな（即ち、リセットの無い）偏光制御を行うために１つ又は複数の追加の可変リターダが必要とされる。

システム１０Ｂには、１つの検出器経路、即ちビート信号Ｂ１を生じさせる第１の検出器経路３４のみが含まれる。コントローラ４３は、ビート信号Ｂ１のみを使用して、ＰＳＭ１４Ｂにより生成され得る入力偏光状態内の唯一の極小値にロックする。リターダプレート２５２及びＰＳＭ１４Ｂにより生成され得る入力偏光状態内においては、１つの極小値のみがアクセス可能であるため、初期解のグローバルサーチは不要である。

図６Ｂは、リターダとＰＳＭが異なっていることを除いて、システム１０Ｂに類似した本発明の一実施形態におけるシステム１０Ｃを示す。システム１０Ｃには、−４５°に配向された４分の１波長板２６２とＰＳＭ１４Ａ（図５）が含まれる。前述のように、ＰＳＭ１４Ａは、電圧Ｖ_ｘ及びＶ_ｙによって制御される回転可能な可変リターダであり、この場合、電圧Ｖ_ｘは、範囲［０，Ｖ_π］にわたって操作され、電圧Ｖ_ｙは、範囲［−Ｖ_π，Ｖ_π］にわたって操作される。リターダ２６２及びＰＳＭ１４Ａは、偏光状態において、途切れることなしにポアンカレ球の約半分を連続的にサーチすることを可能にしており、もしそうでなければ、エンドレスな偏光制御を行うために、１つ又は複数の追加の回転可能な可変リターダが必要とされる。

ヘテロダインインターフェロメトリに望ましい偏光状態は、一般にＶＬＰＥ１及びＨＬＰＥ２に対応するが、Ｅ１及びＥ２をＶＬＰ及びＨＬＰ以外の偏光状態にロックし、Ｅ１及びＥ２が干渉計に入射する前にＶＬＰ及びＨＬＰ状態を取得するシステムを設計することも可能である。図６Ｃは、本発明の一実施形態におけるこのようなシステム１０Ｄを示す。システム１０Ｄは、後述する変更点を除いて、システム１０Ｂ及び１０Ｃに類似している。入力偏光状態は、ＶＬＰＥ１及びＨＬＰＥ２である。システム１０Ｄにおいては、リターダ２５２（図６Ａ）及びリターダ２６２（図６Ｂ）は使用されない。ＰＳＭ１４Ｄは、（１）４５°に配向され、０〜λ／２のリターダンス範囲にわたって動作する可変リターダ２５４Ｄと、（２）０°に配向され、λ／２〜３λ／２のリターダンス範囲にわたって動作する可変リターダ２５６Ｄとを含む。検出器経路３４内には、最小ビート振幅が左円偏光（ＬＣＰ）状態のＥ１と右円偏光（ＲＣＰ）状態のＥ２に対応するように、偏光子３８の前に、４５°に配向された４分の１波長板６００が含まれる。干渉計に入射する前に、ＬＣＰＥ１及びＲＣＰＥ２をＶＬＰＥ１及びＨＬＰＥ２に変換するために、経路２６内には、４５°に配向された第２の４分の１波長板６０２が含まれる。

図６Ｄは、本発明の一実施形態におけるシステム１０Ｂとシステム１０Ｄの要素を組み合わせたシステム１０Ｅを示す。システム１０Ｅにおいて、光源１２は、用途に応じた偏光状態を有するＥ１及びＥ２を生成する。システム１０Ｂと同様に、リターダ２５２Ｅ及びＰＳＭ１４Ｅを使用して、Ｅ１及びＥ２の可能な偏光状態のサブセットを生成する。リターダ２５２Ｅのリターダンスと向きは、Ｅ１及びＥ２の入力偏光状態と所望の出力偏光状態に依存する。システム１０Ｄと同様に、検出器経路３４内には、最小ビート振幅がＥ１及びＥ２の所望の偏光状態に対応するように、偏光子３８の前に、リターダ６００Ｅが含まれる。干渉計に入射する前に、Ｅ１及びＥ２を所望の偏光状態に変換するために、経路２６内には、リターダ６０２Ｅが含まれる。やはり、リターダ６０２Ｅのリターダンスと向きは、Ｅ１及びＥ２の所望の偏光状態に依存する。

上述した偏光制御システムの様々な実施形態はすべて、遠隔動作構成で示されており、この場合、ＰＳＭがファイバ及び測定サイトの上流に配置される。図７は、非遠隔偏光制御システム３００の一実施形態を示し、この場合、ＰＳＭ３１４は、測定サイトにおいて、ファイバ３１６から下流に配置される。図面から明らかなように、光源３１２は、直交偏光状態を有し周波数が異なる２つの光ビームをファイバ３１６内に出射する。次いで、これら２つの光ビームがファイバ３１６によってＰＳＭ３１４に搬送される。ＰＳＭ３１４は、出力経路及びモニタ経路に送出する前に、これら２つの光ビームの偏光状態を調節する。ＰＳＭ３１４は、図１、図４、図５、図６Ａ、及び図６Ｂにおいて上述したように実施され得る。出力経路は、変位を測定するためにインターフェロメトリシステムにつながる。モニタ経路は、２つの光ビームの所望の出力偏光状態を維持するためにＰＳＭ３１４へのフィードバック制御をもたらす検出及び制御ブロック３３４につながる。ブロック３３４は、図１、図４、図６Ａ、及び図６Ｂにおいて説明されたように実施され得る。

図８は、ディザリングを使用して所望のビートトーン振幅Ｂ１’にロックする図１のシステム１０の一実施例（以降、システム１０Ｆと呼ぶ）を示す。ディザリングの技術によれば、検出された信号の導関数（符号を含む）の検出を支援するために、それぞれの制御信号に小さな変調項が生成される。また、この技術によれば、機械的な振動や温度の変動などの他の要因に起因して、振幅検出装置４２によって検出される振幅の変化が、フィルタリングによって除去される。システム１０Ｆは、信号生成器４０２、４０４、及び４０６、並びに加算器４０８、４１０、及び４１２が追加されていることを除いて、システム１０と類似する。信号生成器４０２、４０４、及び４０６は、小さな直交変調信号ｓ１、ｓ２、ｓ３（これらは、周波数ｆ１、ｆ２、及びｆ３の正弦波とすることができる）を生成する。コントローラ４３は、信号ｓ１、ｓ２、ｓ３を検出し、相関技術を用いて３つの信号４１４、４１６、及び４１８を生成し、これら３つの信号は対応する制御ディザリング信号ｓ１、ｓ２、及びｓ３に加算され、可変リターダ１８、２０、及び２２に対する制御信号Ｖ１、Ｖ２、及びＶ３がそれぞれ生成される。

開示された実施形態の要素の様々な他の適合及び組み合わせも、本発明の範囲内にある。また、所望の出力偏光状態は、光源から出射する入力偏光状態と同じである必要はないことに留意されたい。例えば、図６Ａのシステム１０Ｂの一実施形態は、レーザーからの左円偏光Ｅ１及び右円偏光Ｅ２に対応する入力偏光状態を受光し、ＶＬＰＥ１及びＨＬＰＥ２に対応する所望の出力偏光状態を生成するために使用され得る。このような実施形態において、リターダ２５２は、９０°に配向された４分の１波長板である。同様に、図６Ｂのシステム１０Ｃの一実施形態は、レーザーからの左円偏光Ｅ１及び右円偏光Ｅ２に対応する入力偏光状態を受光し、ＶＬＰＥ１及びＨＬＰＥ２に対応する所望の出力偏光状態を生成するために使用され得る。このような実施形態において、リターダ２６２は不要である。

ＰＳＭの様々な実施形態について上述したが、更なるＰＳＭの実施形態も使用可能である。ＰＳＭの一実施形態には、複屈折特性が機械的な応力の印加によって変化する２つまたはそれより多いファイバスクイーザが含まれる。コントローラ４３からの制御信号に応答して、機械的応力がファイバスクイーザに印加される。ＰＳＭの別の実施形態には、リターダンス及び／又は偏光軸がコントローラ４３からの制御信号に応答して変化する２つまたはそれより多い液晶セルが含まれる。ＰＳＭの更に別の実施形態には、固定したリターダンスを有する２つまたはそれより多い機械的に回転可能な波長板が含まれる。これらの波長板は、コントローラ４３からの制御信号に応答して回転する。ＰＳＭの更に別の実施形態には、直線的な複屈折が機械的な応力の印加によって誘発される２つまたはそれより多い光弾性変調器が含まれる。コントローラ４３からの制御信号に応答して、機械的な応力がこれらの光弾性変調器に印加される。添付の特許請求の範囲には、多数の実施形態が包含される。

本発明の一実施形態において、２つの直交偏光された光ビームの任意の偏光状態を維持するための偏光制御システムを示す図である。本発明の一実施形態において、図１の偏光制御システムを動作させるための方法のフローチャートである。本発明の一実施形態において、図１の偏光制御システムを動作させるための方法のフローチャートである。本発明の一実施形態において、２つの直交直線偏光された光ビームの偏光状態を維持するための偏光制御システムを示す図である。図４の偏光制御システムの偏光状態変調器を示す図である。本発明の一実施形態において、２つの直交直線偏光された光ビームの偏光状態を維持するための偏光制御システムを示す図である。本発明の一実施形態において、２つの直交直線偏光された光ビームの偏光状態を維持するための偏光制御システムを示す図である。本発明の一実施形態において、２つの直交直線偏光された光ビームの偏光状態を維持するための偏光制御システムを示す図である。本発明の一実施形態において、２つの直交直線偏光された光ビームの偏光状態を維持するための偏光制御システムを示す図である。本発明の一実施形態における偏光制御システムの非遠隔構成を示す図である。本発明の一実施形態において、２つの直交光ビームの任意の偏光状態を維持するためにディザリングを使用する偏光制御システムを示す図である。半導体の製造において使用されるステージの変位を検出する従来のシステムを示す図である。

符号の説明

10、10A、10B、10C、10D、10E、10F、300 偏光制御システム
12、312 光源
14、14A、14B、14D、14E、314 偏光状態変調器（ＰＳＭ）
24、40、44 ビームスプリッタ
26 出力経路
28、32、36、46、50 モニタ経路
34、48、58 検出器経路
37、51、60、252、254、256、262、252E、600、600E、602、602E リターダ
38、38E、52、62 偏光子
40、54、64 光検出器
43 コントローラ
56 位相検出器
402、404、406 信号生成器
408、410、412 加算器

Claims

ヘテロダインインターフェロメトリ用の偏光制御システム（１０；１０Ａ；１０Ｂ；１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ、３００）であって、
第１の偏光状態と第１の周波数を有する第１の光ビーム（Ｅ１）と、第２の偏光状態と第２の周波数を有する第２の光ビーム（Ｅ２）とを生成する光源（１２；３１２）と、
前記光源から前記第１及び第２の光ビームを受光する偏光状態変調器（ＰＳＭ）（１４；１４Ａ；１４Ｂ；１４Ｄ；１４Ｅ；３１４）であって、偏光制御の少なくとも２つの度合いを有し、前記第１及び第２の偏光状態を変化させる、偏光状態変調器と、
前記ＰＳＭから前記第１及び第２の光ビームを受光し、前記第１及び第２の光ビームに応答して、第１のビート信号（Ｂ_１）を生成する第１の検出器経路（３４）と、
前記第１のビート信号を受信して、ビート振幅信号（Ｂ_１’）を生成する振幅検出器（４２）と、及び
前記ビート振幅信号を受信するコントローラ（４３）であって、前記ビート振幅信号に応答して、前記偏光制御の少なくとも２つの度合いを制御するための複数の制御信号（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３；Ｖ_ｘ、Ｖ_ｙ；Ｖ１、Ｖ２；４１４、４１６、４１８）を生成するコントローラ（４３）とを含む、偏光制御システム。
前記ＰＳＭが、
少なくとも１つの液晶セルであって、前記液晶セルの（１）リターダンス及び（２）偏光軸の少なくとも１つが前記複数の制御信号に応答して変化する、少なくとも１つの液晶セルと、
前記複数の制御信号に応答して印加された機械的な応力に応答して、複屈折特性が変化する少なくとも１つのファイバスクイーザと、
少なくとも１つの電気光学結晶（１４Ａ）であって、前記電気光学結晶の（１）リターダンス及び（２）偏光軸の少なくとも１つが前記複数の制御信号に応答して変化する、少なくとも１つの電気光学結晶と、
固定したリターダンスを有し、偏光軸が前記複数の制御信号に応答して回転する少なくとも１つの機械的に回転可能な波長板と、及び
前記複数の制御信号に応答して印加された機械的な応力によって直線的な複屈折特性が誘発される少なくとも１つの光弾性変調器とからなるグループから選択される、請求項１記載の偏光制御システム。
前記光源と前記ＰＳＭとの間に少なくとも１つのリターダ（２５２；２６２；２５２Ｅ）を更に含み、前記リターダが、前記第１及び第２の偏光状態を変化させる、請求項１記載の偏光制御システム（１０Ｂ；１０Ｃ；１０Ｅ）。
前記第１及び第２の光ビームが、（１）実質的に垂直直線偏光された光及び実質的に水平直線偏光された光と、（２）実質的に左円偏光された光及び実質的に右円偏光された光とからなるグループから選択され、
前記リターダ（２５２；２６２）が、（１）実質的に２２．５°に配向された２分の１波長板と、（２）実質的に−４５°に配向された４分の１波長板とからなるグループから選択され、
前記ＰＳＭが、
（１）（ａ）実質的に０°に配向され、約０〜λ／２の可変リターダンスを有する第１の可変リターダ（２５４）と、（ｂ）実質的に４５°に配向され、約０〜λ／２の可変リターダンスを有する第２の可変リターダ（２５６）とを含む可変リターダと、
（２）ｘ軸において第１の電圧及びｙ軸において第２の電圧を受け取り、光がｚ軸に沿って伝播する電気光学結晶を含む回転可能な可変リターダ（１４Ａ）とからなるグループから選択される、請求項３記載の偏光制御システム（１０Ｂ；１０Ｃ）。
前記第１の検出器経路が、
前記第１及び第２の光ビームを受光する偏光子（３８；３８Ｅ）と、及び
前記偏光子から前記第１及び第２の光ビームを受光し、前記第１及び第２の光ビームに応答して前記第１のビート信号を生成する光検出器（４０）とを含む、請求項１記載の偏光制御システム。
前記偏光子の前に、少なくとも１つのリターダ（３７；６００；６００Ｅ）を更に含み、前記少なくとも１つのリターダが、前記第１及び第２の偏光状態を変化させる、請求項５記載の偏光制御システム（１０；１０Ｄ；１０Ｅ）。
前記ＰＳＭからの前記第１及び第２の光ビームを出力経路（２６）とモニタ経路（２８）に分割するビームスプリッタ（２４）であって、前記第１の検出器経路が、前記モニタ経路から前記第１及び第２の光ビームを受光する、ビームスプリッタ（２４）と、及び
前記出力経路内の前記ビームスプリッタの後に位置し、前記第１及び第２の偏光状態を変化させる少なくとも１つのリターダ（６０２；６０２Ｅ）とを更に含む、請求項５記載の偏光制御システム。
前記ＰＳＭからの前記第１及び第２の光ビームを出力経路（２６）と第１のモニタ経路（２８）に分割する第１のビームスプリッタ（２４）と、
前記第１のモニタ経路からの前記第１及び第２の光ビームを受光して、前記第１及び第２の光ビームを第２のモニタ経路（３２）と第３のモニタ経路（３６）に分割する第２のビームスプリッタ（４０）であって、前記第１の検出器経路が、前記第２のモニタ経路から前記第１及び第２の光ビームを受光する、第２のビームスプリッタ（４０）と、
前記第３のモニタ経路から前記第１及び第２の光ビームを受光して、前記第１及び第２の光ビームを第４のモニタ経路（４６）と第５のモニタ経路（５０）に分割する第３のビームスプリッタ（４４）と、
前記第４のモニタ経路から前記第１及び第２の光ビームを受光し、前記第１及び第２の光ビームに応答して第２のビート信号（Ｂ_２）を生成する第２の検出器経路（４８）と、
前記第５のモニタ経路から前記第１及び第２の光ビームを受光し、前記第１及び第２の光ビームに応答して第３のビート信号（Ｂ_３）を生成する第３の検出器経路（５８）と、
前記第２及び第３のビート信号を受信し、前記第２及び第３のビート信号に応答して位相信号（ΔΨ）を生成する位相検出器（５６）とを更に含み、
前記コントローラが、前記位相信号を受信し、位相信号に応答して前記複数の制御信号を更に生成し、
前記第１の検出器経路が、
前記第１及び第２の光ビームを受光して、第３の光ビームを放射する第１の偏光子（３８）と、
前記第１の偏光子から前記第３の光ビームを受光し、前記第３の光ビームに応答して前記第１のビート信号を生成する第１の光検出器（４０）とを含み、
前記第２の検出器経路が、
前記第１及び第２の光ビームを受光して、第４の光ビームを放射する第２の偏光子（５２）と、
前記第４の光ビームを受光し、前記第４の光ビームに応答して前記第２のビート信号を生成する第２の光検出器（５４）とを含み、
前記第３の検出器経路が、
前記第１及び第２の光ビームを受光して、第５の光ビームを放射する第３の偏光子（６２）と、
前記第５の光ビームを受光し、前記第５の光ビームに応答して前記第３のビート信号を生成する第３の光検出器（６４）とを含む、請求項１記載の偏光制御システム（１０：１０Ａ；１０Ｆ）。
前記第１、第２、及び第３の検出器経路の少なくとも１つが、それらの個々の偏光子の前に、少なくとも１つのリターダ（３７；５１；６０）を含む、請求項８記載の偏光制御システム。
前記光源と前記ＰＳＭとの間に少なくとも１つのリターダを更に含み、前記リターダが、前記第１及び第２の偏光状態を変化させる、請求項９記載の偏光制御システム。
前記ＰＳＭからの前記第１及び第２の光ビームを出力経路（２６）とモニタ経路（２８）に分割するビームスプリッタ（２４）であって、前記第１の検出器経路が、前記モニタ経路から前記第１及び第２の光ビームを受光する、ビームスプリッタ（２４）と、及び
前記出力経路内の前記ビームスプリッタの後に位置し、前記第１及び第２の偏光状態を変化させる少なくとも１つのリターダとを更に含む、請求項９記載の偏光制御システム。
第１の変調信号（ｓ１）を生成する第１の信号生成器（４０２）と、
前記第１の変調信号と前記コントローラからの第４の制御信号（４１４）を受信し、前記第１の変調信号及び前記第４の制御信号に応答して前記第１の制御信号を生成する第１の加算器（４０８）と、
第２の変調信号（ｓ２）を生成する第２の信号生成器（４０４）と、
前記第２の変調信号と前記コントローラからの第５の制御信号（４１６）を受信し、前記第２の変調信号及び前記第５の制御信号に応答して前記第２の制御信号を生成する第２の加算器（４１０）と、
第３の変調信号（ｓ３）を生成する第３の信号生成器（４０６）と、
前記第３の変調信号と前記コントローラからの第６の制御信号（４１８）を受信し、前記第３の変調信号及び前記第６の制御信号に応答して前記第３の制御信号を生成する第３の加算器（４１２）とを更に含み、
前記コントローラが、前記第１、第２、及び第３の変調信号を受信し、
前記コントローラが、前記第１、第２、及び第３の変調信号に応答して複数の制御信号を更に生成し、及び
前記第４、第５、第６の制御信号が、前記複数の制御信号を含む、請求項８記載の偏光制御システム（１０Ｆ）。
前記第１の光ビーム及び前記第２の光ビームが、垂直偏光された光ビーム、水平直線偏光された光ビーム、右円偏光された光ビーム、左円偏光された光ビーム、及び楕円偏光された光ビームからなるグループからそれぞれ選択される、請求項１記載の偏光制御システム。
ヘテロダインインターフェロメトリ光システムにおいて、ファイバからの光ビームの偏光状態を維持するための方法（１００）であって、
第１の光ビーム（Ｅ１）及び第２の光ビーム（Ｅ２）を生成するステップであって、前記第１のビームが、第１の偏光状態と第１の周波数を有し、前記第２の光ビームが、第２の偏光状態と第２の周波数を有する、ステップと、
偏光制御の少なくとも２つの度合いを調節して、前記第１及び第２の偏光状態を変化させるステップと、
前記第１及び第２の光ビームを第１の経路（３２）と第２の経路（３６）に分割するステップと、
前記第１の経路（２８）における前記第１及び第２の光ビームに応答して、第１のビート信号（Ｂ_１）を生成するステップと、
前記第１のビート信号に応答して、ビート振幅信号（Ｂ_１’）を生成するステップと、及び
前記ビート振幅信号に応答して、前記偏光制御の少なくとも２つの度合いを制御するための複数の制御信号（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３；Ｖ_ｘ、Ｖ_ｙ；Ｖ１、Ｖ２；４１４、４１６、４１８）を生成するステップとを含む、方法。
前記第２の経路（３６）からの前記第１及び第２の光ビームを第３の経路（４６）及び第４の経路（５０）に分割するステップと、
前記第３の経路からの前記第１及び第２の光ビームに応答して、第２のビート信号（Ｂ_２）を生成するステップと、
前記第４の経路からの前記第１及び第２の光ビームに応答して、第３のビート信号（Ｂ_３）を生成するステップと、
前記第２及び第３のビート信号に応答して、位相差信号（ΔΨ）を生成するステップとを更に含み、
前記複数の制御信号を生成するステップが、前記位相信号に更に応答する、請求項１４記載の方法。
前記第１のビート信号を生成するステップの前に、前記第１の経路からの前記第１及び第２の光ビームが偏光子（３８）を通過させられるステップと、
前記第２のビート信号を生成するステップの前に、前記第３の経路からの前記第１及び第２の光ビームが偏光子（５２）を通過させられるステップと、
前記第３のビート信号を生成するステップの前に、前記第４の経路からの前記第１及び第２の光ビームが、波長板（６０）、次いで偏光子（６２）を通過させられるステップとを更に含む、請求項１５記載の方法。
前記複数の制御信号を生成するステップが、前記制御信号の初期値を選択するステップを含み、その初期値を選択するステップが、
前記制御信号を変化させることによって生成される位相信号を記録して、複数のリターダンス（Γ１、Γ２、Γ３）を生成するステップと、及び
所望の位相差を生成する前記制御信号の値を選択するステップとを含む、請求項１４記載の方法。
前記複数の制御信号を生成するステップが、前記制御信号を変化させて前記ビート振幅信号の極小値を得るステップを更に含む、請求項１７記載の方法。
前記第１及び第２の光ビームが、（１）垂直直線偏光された光及び水平直線偏光された光と、（２）左円偏光された光及び右円偏光された光とからなるグループから選択される、請求項１８記載の方法。
前記制御信号を生成するステップが、
直交変調信号（ｓ１、ｓ２、ｓ３）を生成するステップと、
前記直交変調信号と前記複数の制御信号（４１４、４１６、４１８）を加算して、前記偏光制御の少なくとも２つの度合いを調節するための第２の複数の制御信号（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３）を生成するステップとを含み、
前記複数の制御信号を生成するステップが、前記直交変調信号に更に応答する、請求項１５記載の方法。