JP4220219B2

JP4220219B2 - 変位光量変換装置

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Publication number: JP4220219B2
Application number: JP2002313738A
Authority: JP
Inventors: 徹新造
Original assignee: Kenwood KK
Current assignee: Kenwood KK
Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2022-10-29
Also published as: JP2004150848A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は機械的振動を光信号に変換する変位光量変換装置に係わり、特に発光部から放射される光の可干渉性が高い変位光量変換装置の受光部構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の変位光量変換装置を外部からの圧力に応じて振動する振動板を測定媒体とした例について図５および図６により説明する。図５に示す発光部１から放射された発散光は、発光部１および受光部２に対向して配置された平面振動板７によって反射され、発散反射光のー部が受光部２に入射する。平面振動板７が振動すると、受光面内での反射光束径が変化し、受光部２に入射する光量が変化するため、平面振動板７の振動量の変化を検出することができる。
【０００３】
図５に示す変位光量変換装置では、発散反射光の一部しか受光部２に入射しないため、平面振動板７の振動量の変化に対する光量の変化が著しく乏しく実用的な感度を得るためには平面振動板７と発光部１および受光部２間の距離、さらに発光部１と受光部２間の距離を可能な限り近づける必要があり、高度な調整精度を必要とし、また、環境変化による品質の維持が困難であるという問題点があった。
【０００４】
また、同様な理由から発光部１の発光パワーを上げる必要があり、消費電力の増加を招くという欠点があった。上記欠点を解決するため、図６に示す変位光量変換装置が本出願人により特開２００２−２４３４１０に提案されている。図６において発光部１から放射された発散光は、発光部１および受光部２に対向して凹面形状の曲率半径の距離に配置された凹面形状振動板３によって反射および収束され、受光部２に集光するように入射する。
【０００５】
凹面形状振動板３が振動すると、受光面内での反射光の入射位置が変化し、受光部２に入射する光量が変化するため、凹面形状振動板３の振動量の変化を検出することができる。図６に示す変位光量変換装置では、反射光が集光して受光部２に入射するため、凹面形状振動板３の振動量の変化に対する光量の変化が大きくなり、実用的な感度を得ることが可能となる。
【０００６】
これにより、凹面形状振動板３と発光部１および受光部２間の距離、発光部１と受光部２間の距離を可能な限り近づける必要がなくなり、調整精度を高くする必要がなく、また、環境変化による品質の維持を容易にする利点を有し、更に発光部１の発光パワーを上げる必要がないため、消費電力の増加を抑えることができる。
【０００７】
図６に示す変位光量変換装置において、発光部１に発光ダイオードを用いた場合、放射角度が強度の半値全角で１００度程度と広く、装置の小型化および光量損失の低減を考慮すると、図７に示されるように集光レンズ８を発光部１の前面に設置して放射角度を狭める必要がある。また、前記集光レンズで収束できないほど大きな放射角度を持つ放射光も存在するため、発光部１と受光部２が同一パッケージ６に組み込まれている場合、迷光として受光部２に入射するという欠点があることが明らかである。
【０００８】
上記欠点を克服するためには、発光部１に放射角度が半値全角で最大４０度程度と狭い半導体レーザを用いることが好ましく、さらには、通常の端面発光レーザと比較して放射角度が半値全角で最大２０度程度と小さく、消費電力が一桁少ない垂直共振器型面発光レーザを用いることがより望ましい。
【０００９】
また、発光部１をパッケージ６に実装する場合において、端面発光レーザはチップの劈開面において発光するため、図８に示されるようにチップをパッケージ６に垂直に実装するためのステム９を必要としたり、図９に示すように光軸をパッケージ６に垂直に折り曲げる４５度ミラ−１０等が必要となり、部品点数および実装工程が増えるという欠点があった。これに対して垂直共振器型面発光レーザは、チップ上面において発光するため、チップをパッケージに対して平行に実装するこどが可能であり、部品点数の削減および実装工程の短縮を容易に達成しやすいという利点がある。
【００１０】
しかし、上記のように利点がある反面、垂直共振器型面発光レーザを発光部１に用いた場合で且つ図６に示すような変位光量変換装置は、垂直共振器型面発光レーザの構造により、図８および図９に示される端面発光レーザのように後方劈開面からの出射光を利用して、半導体レーザの温度変動による発光パワーの変動をモニタ用フォトダイオード１１で検出し、発光パワーを一定に制御する手法は採用できない構造である。
【００１１】
従って、上記垂直共振器型面発光レーザの構造上の特徴から発生する発光パワーを一定に制御しにくい問題に対応するために、図１０に示されるように受光部２表面の受光領域４に受光領域を分割し、光電変換に寄与しない分割帯５を有する受光部を用いることが有効な手段であり、これにより凹面形状振動板３の振動量の変化に対する入射光量の変化と温度変動による発光パワーの変動を同時に検出することが可能となる。また、この手法においては分割された各受光領域の出力信号を演算することにより、凹面形状振動板３の振動量の変化に対する光量の変化を増幅し、感度を上げることができるという利点がある。
【００１２】
しかし、図１０に示す従来例の変位光量変換装置において、発光部１に垂直共振器型面発光レーザを用い、受光部２に使用波長の受光領域感度が０．３５Ａ／Ｗで、分割帯幅が１０μｍの受光部を用いた場合、本願発明者による実験において以下のような欠点が存在することが判明した。
【００１３】
図１１は、半径１．５ｍｍの凹面鏡を凹面形状振動板３の代替に用いて、前記凹面鏡を取り付けたピエゾ振動子に１ｋＨｚの正弦波駆動信号を与え、１μｍの振幅で振動させたときの受光部からの信号出力波形であるが、本来の出力信号上に鋸歯状のノイズが発生していることが確認できる。また、図１２は上記信号出力時の周波数特性を示しているが、１ｋＨｚの倍数となる周波数においてノイズが発生していることが確認できる。上記問題は、測定媒体の変位を光量の変化として検出する変位光量変換装置において、振幅と周波数を正確に測定できないため大きな障害となる。
【００１４】
上記ノイズの原因究明作業において、発光部１に発振スペクトルが多数の波長モードで構成されている端面発光レーザを用いた場合には上記ノイズが発生しないことが確認された。また、実験に使用した垂直共振器型面発光レーザの発振スペクトルが単一の波長モードで構成されていることを確認し、上記ノイズの原因は受光部２からの反射光が発光部１に帰還することにより、発光部１の出力が不安定となる現象（以下戻り光誘起雑音と称する）の発生であると判断した。
【００１５】
以下、戻り光誘起雑音の発生について説明する。図１３は戻り光誘起雑音の発生原理をモデル化したものである。半導体レーザ１２は距離Ｌだけ離れたその両端に鏡面を有する共振器構造からなり、半導体レーザ１２の出射面からｌの距離に外部鏡面１３がある場合を考えると、半導体レーザ１２の出射面側の鏡面との間にも共振器構造を持つことになる。
【００１６】
図１４（ａ）は半導体レーザ１２の共振器構造によるモードを示したものである。（以下内部共振器モードと称する）内部共振器モードの波長間隔Δλａは共振器長をＬ、実効屈折率をｎ、発振波長をλとすると、Δλａ＝λ²／２ｎＬで規定される。
【００１７】
内部共振器モードにおいて、単一の波長モードでレーザ発振するための利得が得られるものをシングルモード、多数の波長モードで利得が得られるものをマルチモードと規定される。光の可干渉距離ｌ_cは波長幅をΔλ、中心波長をλ₀とすると、ｌ_c＝λ₀ ²／Δλで規定されており、波長幅が狭く単色光に近い光は可干渉性が高いとされる。従って、シングルモードで発振する半導体レーザからの放射光が可干渉性の高い光であることは周知の事実である。
【００１８】
図１４（ｂ）は半導体レーザ１２の出射面側の鏡面と外部鏡面１３からなる共振器構造によるモードを示したものである。（以下外部共振器モードと称する）外部共振器モードの波長間隔Δλｂは、共振器長をｌ発振波長をλとすると、Δλｂ＝λ²／２ｌで規定される。−般に、内部共振器長Ｌと外部共振器長ｌはＬ＜ｌの関係にあるため、Δλａ＞Δλｂとなる。また、このときの発振スペクトルは利得ピーク付近において内部共振器モードと外部共振器モードがー致する波長でレーザ発振が得られる。
【００１９】
いま、半導体レーザ１２からの出射光が外部共振器により半導体レーザ１２に帰還することを考えると、帰還レーザ光（以下戻り光）の位相はレーザの発振角周波数をω、外部共振器による往復時間をτとすると出射光に対して−ωτ遅れて入射することになるが、レーザの発振角周波数ωは内部共振器の電子密度により実効屈折率ｎと共に変化するため、半導体レーザ１２からの出射光と戻り光の位相差は変動することになる。このとき、利得ピークに対する内部共振器モードの変動により半導体レーザ１２の出射光量が不安定に変動する。
【００２０】
また、外部鏡面１３の位置が時間的に変動した場合、外部共振器による往復時間τが変化するため、半導体レーザ１２からの出射光と戻り光の位相差は外部鏡面１３の位置に応じて変動することになる。このとき、利得ピークに対する外部共振器モードの変動により半導体レーザ１２の出射光量が周期的に変動する。
【００２１】
上記内部共振器モードおよび外部共振モードの変動時において、半導体レーザ１２からの出射光がマルチモードの場合は、内部共振器モードが多数の波長で発振し、そのときの出射光量は各波長の総和であるため、モードの変動による出射光量に対する影響は小さく、レーザ出力は安定を維持することができる。しかし、出射光がシングルモードの場合、内部共振器モードは単一の波長で発振しているため、モードの変動による出射光量に対する影響は大きく、レーザ出力は不安定に変動することになる。
【００２２】
したがって、複合共振器構造を持つシステムにおいて可干渉性の高い半導体レーザを用いた場合、レーザ共振器内部への戻り光は、内部共振器の電子密度により変動する内部共振器モードと外部鏡面１３の位置に応じて変動する外部共振器モードを発生し、それぞれのモード変動が競合することにより半導体レーザ１２の出力が不安定となるため、戻り光誘起雑音が発生する。
【００２３】
従来、戻り光誘起雑音を解決する手段として、可干渉性の低いマルチモードの半導体レーザが多く用いられており、上記問題点を克服するために、本願発明者は図１０に示す変位光量変換装置において、発光部１にマルチモード発振をする垂直共振器型面発光レーザを用いた実験を行なったが、上述の問題点を克服するに至らなかった。
【００２４】
上記理由として、端面発光レーザに対する垂直共振器型面発光レーザの構造上の違いが考えられる。垂直共振器型面発光レーザの共振器長は発振波長程度であり、内部共振器モードの波長間隔Δλａは数十ｎｍ以上にもなり、レーザ発振に必要な利得を得るのは困難である。したがって、基本的に垂直共振器型面発光レーザの内部共振器モードはシングルモードとなる。ただし、共振器長に垂直な方向においては、要求される仕様を満たすのに必要な開口径を有しているため、発光パワーを上げると中心部でのキャリアが不足して、開口径の周辺部においてレーザ発振が生じるという特徴を持つ。これが垂直共振器型面発光レーザにおけるマルチモードであり、各々の内部共振器モードはシングルモードとして機能するために、内部共振器モードど外部共振器モードの競合による変動を吸収して出力を安定化することができないと推定できる。
【００２５】
以上が戻り光誘起雑音の発生についての説明である。この戻り光誘起雑音を解決する他の手段として、従来光アイソレータの挿入、高周波重畳、自励発振レーザ等が用いられているが、光アイソレータは高価で小型化が困難である等の欠点があり、高周波重畳および自励発振レーザはレーザ発振の過渡特性を利用して内部共振器モードをマルチモード化するものであり、内部共振器モードの波長間隔が小さい端面発光レーザには有効であるが、内部共振器モードの波長間隔が大きく、マルチモードでの発振に必要な利得を得るのが困難な垂直共振器型面発光レーザでは効果を得ることは困難である。また、高周波重畳のように消費電力の増加をもたらす方法は、消費電力の小さい垂直共振器型面発光レーザのメリットを失う欠点となる。
【００２６】
【特許文献１】
特開２００２−２４３４１０（第３頁、図２）
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は，上記した点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、発光部から放射される光の可干渉性が高い場合において、戻り光誘起雑音を発生させないか、発生を抑制する変位光量変換装置を提供することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
この発明の変位光量変換装置は、発光部と受光部とに測定媒体を対向させて配置し、前記発光部から発光され前記測定媒体で反射された光を前記受光部で受光させ、前記測定媒体の面垂直方向の変位が前記受光部の出力に変換される変位光量変換装置で、前記発光部から放射される光の可干渉性が高い変位光量変換装置において、前記受光部面から前記発光部へ反射する光量に着目し、受光部面から発光部へ反射する光量の低減に主眼を置くものである。
【００２９】
本出願の欠点に対する対策検証作業において、受光領域内で光電変換に寄与していない分割帯からの反射光が戻り光誘起雑音に影響していることが確認された。このことより、受光部面から発光部へ反射する光量の低減に於けるーつの手段として、分割帯の面積の減少が極めて有効であることを見出し、前記変位光量変換装置において、受光部表面における受光頗域に分割帯を有し、この分割帯幅が１０μｍ未満である構造を１つの特徴とした。
【００３０】
さらに、上記対策検証作業より、受光部面から発光部へ反射する光量の低減におけるもう１つの手法として、使用波長の受光領域感度を上げることにより光電変換される光子数を増加させ、受光領域内の光電変換への寄与を大きくすることが有効であることは明らかであり、前記変位光量変換装置において、受光部表面における使用波長の受光領域感度を０．３５Ａ／Ｗより大きくすることを特徴とした。
【００３１】
また、受光部面から発光部へ反射する光量の低減における本実施例の別の手法として、前記変位光量変換装置において、前記受光部表面に反射防止膜を施したことを特徴とした。
【００３２】
また、受光部面から発光部へ反射する光量の低減における本実施例の別の手法として、前記変位光量変換装置において、前記受光部表面における非受光領域および受光傾域の分割帯上を反射率の低い材質で遮蔽することを特徴とした。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例である変位光量変換装置を図面に基づいて説明する。図１に示す発光部１から放射された発散光は、発光部１および受光部２に対向し、凹面形状の曲率半径の距離に配置された凹面形状振動板３によって反射されて受光部２に集光するように入射する。凹面形状振動板３が振動すると、受光面内での反射光の入射位置が変化し、受光部２に入射する光量が変化するため、凹面形状振動板３の振動量の変化を検出することができる。
【００３４】
図１に示す変位光量変換装置において、発光部１に垂直共振器型面発光レーザを、受光部２には受光部表面の受光領域４に分割帯５を有する受光部を用い、さらに前記分割帯幅を１０μｍ未満とし、また、図２に示されるように使用波長における前記受光領域感度を０．３５Ａ／Ｗより大きくした受光部構造とする。
【００３５】
従来の変位光量変換装置において、発光部１から放射され、凹面形状振動板３によって反射され、受光部２に集光する入射光は、多くが受光表面の受光領域４にて光電変換されるが、その一部は散乱し、散乱光の一部は往路と同様に凹面形状振動板３によって反射され、発光部１に集光するように入射する。基本的に垂直共振器型面発光レーザの内部共振器モードはシングルモードであるため、凹面形状振動板３の位置が時間的に変動した場合、利得ピークに対する外部共振器モードの変動により垂直共振器型面発光レーザの出射光量が周期的に変動し、戻り光誘起雑音が発生していた。
【００３６】
上記したように本実施例では分割帯幅を１０μｍ未満にしたことにより、分割帯の面積が減少し、受光領域内で光電変換に寄与していない分割帯から発光部へ反射する光量が低減される。また、受光領域感度を０．３５Ａ／Ｗより大きくしたことにより、光電変換される光子数が増加し、受光領域内の光電変換への寄与を大きくし、受光部面から発光部へ反射する光量が低減される。従って、散乱光が減少し、発光部１に入射する戻り光が減少するため、外部共振器モードの変動による垂直共振器型面発光レーザの出射光量の変動量を低減し、戻り光誘起雑音の発生を抑圧できた。
【００３７】
図３は、図１に示す本実施例の変位光量変換装置において、発光部１に垂直共振器型面発光レーザを用い、受光部２に使用波長の受光領域感度が０．６Ａ／Ｗで、分割帯幅が５μｍの受光部を用い、半径１．５ｍｍの凹面鏡を凹面形状振動板３の代替に用いて、前記凹面鏡を取り付けたピエゾ振動子に１ｋＨｚの正弦波駆動信号を与え、１μｍの振幅で振動させたときの受光部からの信号出力波形を示すが、図１１に示した従来の変位光量変換装置における出力信号上の戻り光誘起雑音によるノイズは認められない。
【００３８】
また、図４は上記信号出力時の周波数特性を示しているが、図１２で示したような１ｋＨｚの倍数となる周波数において発生していたノイズがなく、戻り光誘起雑音の発生を抑圧できていることが確認できる。
【００３９】
このように、発光部から放射される光の可干渉性が高い変位光量変換装置において、受光部面から発光部へ反射する光量をより少なくする構造とすることにより、戻り光誘起雑音の発生を抑圧できる変位光量変換装置が得られた。
【００４０】
本実施例においては、発光部１に垂直共振器型面発光レーザを用いたが、内部共振器モードが単一の波長で発振する端面発光レーザを用いる必要がある場合においても、有効であることはもちろんである。
【００４１】
また、本実施例以外において、受光部表面に反射防止膜を施した場合、および受光部表面における非受光領域および受光領域の分割帯上を反射率の低い材質で遮蔽した場合においても受光部面から発光部へ反射する光量がより少なくなるため同様な効果が得られる。
【００４２】
【発明の効果】
この発明によれば、発光部から放射される光の可干渉性が高い変位光量変換装置において、戻り光誘起雑音の発生を抑圧でき、出力信号に雑音を含まない高感度の面垂直方向の変位を検出する光量変換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は本発明の実施例である変位光量変換装置の概略構成を示す断面図、図１（ｂ）は同変位光量変換装置の部分平面図である。
【図２】同変位光量変換装置の受光部の受光領域感度を示すグラフである。
【図３】同変位光量変換装置の特定状態における受光部からの信号出力波形図である。
【図４】同受光部からの信号出力時の周波数特性を示す図である。
【図５】従来の変位光量変換装置の例を示す概略断面図である。
【図６】従来の変位光量変換装置の他の例を示す概略断面図である。
【図７】従来の変位光量変換装置のさらに他の例を示す概略断面図である。
【図８】従来の変位光量変換装置のさらに他の例を示す概略断面図である。
【図９】従来の変位光量変換装置のさらに他の例を示す概略断面図である。
【図１０】図１０（ａ）は従来の変位光量変換装置のさらに他の例を示す概略断面図、図１０（ｂ）は同変位光量変換装置の部分平面図である。
【図１１】同変位光量変換装置の特定状態における受光部からの信号出力波形図である。
【図１２】同受光部からの信号出力時の周波数特性を示す図である。
【図１３】戻り光誘起雑音の発生原理を説明するための図である。
【図１４】図１４（ａ）は半導体レーザの共振器構造による共振波長を示す図、図１４（ｂ）は半導体レーザの出力面側の鏡面と外部鏡面からなる共振構造による共振波長を示す図である。
【符号の説明】
１発光部
２受光部
３凹面形状振動板
４受光領域
５分割帯
６パッケージ
７平面振動板
８集光レンズ
９ステム
１０４５度ミラー
１１モニタ用フォトダイオード
１２半導体レーザ
１３外部鏡面

Claims

発光部と受光部とに測定媒体を対向させて配置し、前記発光部から発光され前記測定媒体で反射された光を前記受光部で受光させ、前記測定媒体の面垂直方向の変位が前記受光部の出力に変換される変位光量変換装置であって、
前記測定媒体を前記発光部および受光部に対して凹面形状とし、
前記発光部から受光部に至る光路の前記測定媒体の反射面と前記発光部および受光部との間の距離を前記凹面形状の曲率半径とした前記発光部から放射される光の可干渉が高い変位光量変換装置において、
前記受光部表面における受光領域に幅が１０μｍ未満の分割帯を設け、前記受光部表面における使用波長の受光領域感度を０．３５Ａ／Ｗより大きくしたことを特徴とする変位光量変換装置。
前記発光部が垂直共振器型面発光レーザである請求項１の変位光量変換装置。
前記発光部が端面発光レーザである請求項１の変位光量変換装置。
前記受光部表面に反射防止膜を施した請求項１から３のいずれかに記載した変位光量変換装置。
前記受光部表面における非受光傾域および受光領域の分割帯上を反射率の低い材質で遮蔽した請求項１から３のいずれかに記載した変位光量変換装置。