JP2022028468A - 測定システムおよび測定方法 - Google Patents
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Abstract
Description
Sr=WDr×tan(γ/2) ・・・(1)
図1で、出射光Lの入射端面100での入射範囲を、直径が2Srの範囲として示している。
Se=R×sin(ω)
sin(α+ω)=nr×sin(β+ω)
A=nr×cos(β)-cos(α)
B=nr×sin(β)-sin(α)
A×sin(ω)+B×cos(ω)=0
(A2+B2)×sin2(ω)=B2
sin2(ω)=B2/(A2+B2)
ω=±sin-1(B2/(A2+B2))1/2
上記の関係式で、ωは、出射光Lの入射端面100の外縁での中心半角である。βはコア部11内での出射光Lの屈折角であり、コア部11を伝搬した出射光Lはコア境界にπ/2-βの角度で入射する。nrは、出射光Lが入射した位置におけるコア部11の屈折率である。
β=sin-1(sin(α0)/nr) ・・・(2)
式(2)で、α0は、光プローブ10に使用する光ファイバの端面が平面である場合の開口数をNA0として、α0=sin-1(NA0)で表される。屈折率nrと中心軸C10でのコア部11の屈折率ncとは、以下の式(3)の関係である:
nr=nc×(1-(C1/2×r)2/2) ・・・(3)
式(3)で、C1/2はコア部11の屈折率分布定数であり、rは中心軸C10から出射光Lが入射する位置までの半径方向の距離である。
WDm=Se/tan(α) ・・・(4)
光半導体素子20の出射光Lの放射角γが、α≧γ/2の関係を満たす場合に、入射範囲半径Srと有効入射半径Seの関係は、Se≧Srである。この場合の作動距離WDrは、R≦Cdの条件では、以下の式(5)で示される:
WDr=Se/tan(γ/2) ・・・(5)
一方、R>Cdの条件では、作動距離WDrは、以下の式(6)で示される:
WDr=Sr/tan(γ/2) ・・・(6)
したがって、作動距離WDについてWDr>WDmの関係である。
Dxp=2×(Se-Sr) ・・・(7)
また、入射強度パターンにおける入射強度Pが0より大きい移動距離Dx(以下、「第2移動距離Dx0」という。)は、式(8)で示される:
Dx0=2×(Se+Sr) ・・・(8)
したがって、第1移動距離Dxpおよび第2移動距離Dx0を測定すれば、以下の式(9)および式(10)を用いて有効入射半径Seと入射範囲半径Srを算出できる:
Se=(Dxp+Dx0)/4 ・・・(9)
Sr=(Dx0-Dxp)/4 ・・・(10)
なお、入射強度Pとして、入射強度パターンの±(Se-Sr)の範囲での入射強度Pの平均値を使用することが好ましい。入射強度Pの平均値を使用することにより、測定値の微小な強度変動をキャンセルし、入射強度Pを安定した測定値として使用できる。以下において、入射強度パターンの所定の範囲における入射強度Pの平均値を「平均強度Pa」と称する。
γ=2×tan-1(Sr/WD) ・・・(11)
実際に測定される入射強度パターンの形状は、台形形状に対し、ずれたパターン形状になる。しかし、実測値を元に近似直線を設定することで、第1移動距離Dxpおよび第2移動距離Dx0を設定することができる。
Ed=Pa/(π×Se)2 ・・・(12)
入射端面100での入射範囲の面積Swは、以下の式(13)を用いて得られる:
Sw=(a+2WD×tan(γ/2))×(b+2WD×tan(γ/2)) ・・・(13)
光半導体素子20の入射強度真値P0は、式(14)で表される:
P0=K×Ed×Sw ・・・(14)
式(14)でKは補正係数である。例えば、光パワーメータにより直接測定した入射強度真値P0と光プローブ10を用いて測定した入射強度P1により、補正係数Kは式(15)のように設定される:
K=P0 /P1 (K>1) ・・・(15)
測定に使用するすべての光プローブ10の補正係数Kは、光半導体素子20の測定の前に設定してもよい。光プローブ10に使用する光ファイバは、測定対象の光半導体素子20のサイズに合わせて、例えばコア径Cd=100μm~1000μm程度の光ファイバから選択してもよい。また、光プローブ10のコア部11は、屈折率分布型とステップインデックス型のいずれでもよい。
Dm=a+2Se+2WD×tan(γ/2) ・・・(16)
式(16)で、長さaは既知であるため、有効入射半径Seの値がわかると、設定した作動距離WDについて、放射角γは式(17)を用いて算出される:
γ=2×tan-1[{Dm-(a+2Se)}/2WD] ・・・(17)
上記のように、光プローブ10又は光半導体素子20をX軸方向やY軸方向に移動させて入射強度パターンを取得することにより、入射強度Pを安定的に測定できる。すなわち、入射強度パターンの入射強度Pのピーク値の安定領域での値、又はその平均値を取得することにより、光半導体素子20の出射光Lの入射強度真値P0に近い入射強度Pを安定的に測定することができる。
図11に示した変形例に係る測定システム1aは、図9に示した測定システム1に追加して、光プローブ10から一定の距離だけ離れた位置に光電変換素子60を配置した構成である。測定システム1aでは、光電変換素子60は、光電変換素子60に最近接の光プローブ10から、距離mPdだけ離間して配置されている。距離mPdは、例えば、隣接する光半導体素子20からの出射光Lによる迷光やクロストークによる影響を回避できる距離に設定する。
上記のように本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
10…光プローブ
11…コア部
12…クラッド部
20…光半導体素子
21…発光部
22…発光体
30…電気プローブ
41…光プローブヘッド
42…光プローブ駆動装置
43…電気プローブヘッド
44…電気プローブ駆動装置
50…ステージ
51…ステージ駆動装置
60…光電変換素子
100…入射端面
200…ウェハ
Claims (15)
- 光半導体素子から出力される出射光を光プローブの入射端面で受光する測定方法であって、
前記光半導体素子と前記入射端面との間隔を所定の作動距離に設定し、
前記出射光の光軸と交差する平面に沿って前記光半導体素子と前記光プローブの相対的な位置を変化させて、複数の位置で前記出射光の入射強度をそれぞれ測定し、
前記相対的な位置の変化と前記入射強度との関係を示す入射強度パターンを取得する
ことを特徴とする測定方法。 - 前記入射強度のピーク値の変動が所定の範囲内に収まる平坦部が前記入射強度パターンに含まれるように前記作動距離を設定することを特徴とする請求項1に記載の測定方法。
- 前記平坦部に含まれる複数の前記入射強度の平均値を算出することを特徴とする請求項2に記載の測定方法。
- 前記出射光の光軸の近傍の位置における前記入射強度について前記平均値を算出することを特徴とする請求項3に記載の測定方法。
- 前記入射強度パターンから、前記出射光の放射角を算出することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の測定方法。
- 前記入射強度パターンから、前記入射端面における前記出射光の入射範囲と、前記光プローブのコア部のみ伝搬する前記出射光の有効入射範囲とを算出することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の測定方法。
- 前記入射端面が曲面の前記光プローブを用いて前記入射強度を測定することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の測定方法。
- 前記相対的な位置を変化させる移動方向の辺の長さがa、前記移動方向と交差する方向の長さがbである発光部を有する前記光半導体素子について、
前記光プローブのコア部のみ伝搬する前記出射光の有効入射範囲をSe、前記作動距離をWD、前記入射強度パターンにおいて前記入射強度が0より大きい移動距離をDmとして、
前記出射光の放射角γを、
γ=2×tan-1[{Dm-(a+2Se)}/2WD]
の式を用いて算出することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の測定方法。 - 前記入射強度パターンにおける前記入射強度のピーク値の平均強度をPaとして、
前記出射光の入射エネルギー密度Ed、前記入射端面での前記出射光の入射範囲の面積Swを、
Ed=Pa/(π×Se)2
Sw=(a+2WD×tan(γ/2))×(b+2WD×tan(γ/2))
の式を用いて算出することを特徴とする請求項8に記載の測定方法。 - 受光器により直接測定した前記出射光の入射強度真値を用いて前記入射強度を補正することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の測定方法。
- 光半導体素子から出力される出射光を測定する測定システムであって、
前記出射光を入射端面で受光する光プローブと、
前記光プローブを保持する光プローブヘッドと、
前記光プローブヘッドおよび前記光半導体素子の少なくともいずれかを移動させる駆動装置と
を備え、
前記駆動装置は、前記出射光の光軸と交差する平面に沿って前記光半導体素子と前記光プローブの相対的な位置を変化させ、
複数の位置で前記出射光の入射強度をそれぞれ測定し、前記相対的な位置の変化と前記入射強度との関係を示す入射強度パターンを取得する
ことを特徴とする測定システム。 - 前記光半導体素子に電気信号を送信する電気プローブを更に備え、
前記電気プローブにより前記光半導体素子を通電しながら、前記相対的な位置を変化させる
ことを特徴とする請求項11に記載の測定システム。 - 前記光プローブの前記入射端面が曲面であることを特徴とする請求項11又は12に記載の測定システム。
- 前記光プローブが、コア部および前記コア部の外周に配置されたクラッド部により構成され、
前記光プローブは、
作動距離WD、前記入射端面の曲率半径R、前記出射光の放射角γ、前記クラッド部に透過せずに前記コア部を伝搬する前記出射光の前記入射端面における有効入射半径Se、前記入射端面における前記出射光の入射範囲半径Sr、前記出射光が入射した位置における前記コア部の屈折率nr、前記入射端面が平面である場合の開口数NA0、前記コア部の前記出射光の屈折角β、前記出射光が入射した位置における中心半角ωが、
Se=R×sin(ω)
Sr=WD×tan(γ/2)
ω=±sin-1(B2/(A2+B2))1/2
β=sin-1(NA0/nr))
ただし、
A=nr×cos(β)-cos(γ/2)
B=nr×sin(β)-sin(γ/2)
の関係を満たすことを特徴とする請求項11乃至13のいずれか1項に記載の測定システム。 - 前記出射光を直接受光し、前記出射光を電気信号に光電変換する光電変換素子を更に備えることを特徴とする請求項11乃至14のいずれか1項に記載の測定システム。
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