JP4925239B2

JP4925239B2 - 放射光軸ずれ角測定装置

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Publication number: JP4925239B2
Application number: JP2004249329A
Authority: JP
Inventors: 一彦安達
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2004-08-27
Filing date: 2004-08-27
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2024-08-27
Also published as: JP2006066745A

Description

本発明は、パッケージ中心軸に沿って光ビームが放射されるように実装された半導体レーザ及び発光ダイオードなどの半導体発光素子の光軸ずれ角を簡便に、かつ正確に測定する放射光軸ずれ角測定方法及び装置に関するものである。

従来では、放射光軸ずれ角を測定するために、半導体レーザ素子とファイバの間に、集光レンズを介在させた光結合形態などが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
発光ダイオードや半導体レーザ素子などの半導体発光素子、特に半導体レーザ素子は、光記録装置や光通信分野で広く利用されている。光通信などでは、半導体レーザ素子から放射された光を如何に効率よく光ファイバに結合させるかが、重要な課題となっている。
そのために、そのようなシステムでは、半導体レーザ素子から放射される光の広がり及び放射光軸ずれ角などのビーム品質を正確に測定することが重要となる。
光ビーム品質の測定法としては、半導体レーザ素子の発光点を中心とした円弧上での光強度の分布を測定する放射光軸ずれ角測定法（ＦＦＰ測定法とも呼ばれる）が広く用いられている。
この方法は半導体レーザ素子の基準面を測定装置の取り付け面に固定した状態で発光させ、放射される光の遠方での放射光強度を調べるものである。半導体レーザチップのｐｎ接合面に水平な面の光分布と、それに直交する垂直な面の光分布が測定される。測定データからは、光強度がピーク値の５０％になる２点間の角度を半値幅（半値全角）が求められる。
さらに、水平及び垂直方向の光強度のピーク値に相当する角度は、半導体レーザ素子の光軸と測定装置の取り付け方向軸との差であり、放射光軸ずれ角と呼ばれる重要な評価項目である。

図１０は放射光強度分布の測定結果を示す模式図である。とくに、放射光軸ずれ角は半導体レーザチップの実装精度に依存してばらつくので、本測定を行い、品質を管理する必要がある。
図１１は従来装置の一例を示す概略図である。一般に放射光軸ずれ角測定は、図１１に示すような装置を用いて、半導体レーザ（ダイオード）素子１１の発光点１３を中心として、受光素子１４を回転させながら放射される光を受光して測定される。図中、符号１５は揺動アーム、１６は回転軸、１７は回転駆動部そして１２はレーザダイオード駆動電源である。
しかし、この方法では、装置の取り付け方向軸と受光素子の駆動原点が一致していない場合があるので、測定の前にはそれらを一致させる校正作業が必要となる。
そのために、予め放射光軸ずれ角が既知の半導体レーザ素子を用いて測定を行って測定装置を校正方法が行われる。しかし、光軸ずれ角の既知の半導体レーザ素子を入手することが難しいこと、煩雑な校正作業が必要なために測定時間が長くなるなどの欠点があった。

上記従来技術の欠点を解決し、未知の半導体レーザ素子を使った装置の校正方法が特許文献１に開示されている。図１２は特許文献１による測定装置の測定原理を示す概略図である。図１３は受光素子が校正用半導体レーザ素子に対して水平方向下方にある状態を示す概略図である。
この開示によれば、測定装置の仮の取り付け方向軸Ｓを設定し、その設定した仮の取り付け方向軸Ｓに基づいて未知の放射光軸ずれ角Δθ０の受光素子１８を円弧上で回転させて校正用半導体レーザ素子１９の第１の光軸ずれ角Δθ１を測定する。
次に、校正用半導体レーザ素子１９を、装置取り付け方向軸Ｓを中心として本来の位置から１８０°回転させた状態で受光素子１８を円弧上で回転して第２の光軸ずれ角Δθ２を測定する（図１３）。
第１及び第２の光軸ずれ角の平均値から装置の真の取り付け方向軸Ｓo（Ｐ）を決定することができる。このさい、測定装置の仮の取り付け方向軸Ｓと真の取り付け方向軸との角度θｍは
Δθｍ＝（Δθ１＋Δθ２）／２
で与えられる。したがって、装置の仮の取り付け方向軸ＳからΔθｍだけずらした位置を真の装置取り付け方向軸として設定して装置の校正が完了する。
このように、平均値を求める段階で半導体レーザ素子の真の光軸ずれ角Δθが打ち消されるので、真の放射光軸ずれ角が既知である必要がない。しかし、上記従来技術にしても、測定の前には、このような校正手順が必要であるため、測定時間が長くなる欠点があった。
また、上記従来例では、半導体発光素子１９の発光点２０が、受光素子１８の回転中心にあることが前提になっている。しかし、半導体レーザ素子１９では、半導体レーザチップの実装公差やパッケージの加工公差があるので、実際の半導体レーザ素子１９の発光点２０は中心から±１００μｍ程度の範囲に分布している。
特開平９−２１４０５７号公報

このような場合、どの程度測定結果に誤差が含まれるかを、受光素子１８が半導体レーザ素子１９の発光点２０から半径５０ｍｍの円周上を回転する放射光軸ずれ角測定装置の場合について考察する。
半導体レーザ素子１９の発光点２０が、装置取り付け方向軸Ｓに垂直方向に１００μｍずれている場合、その測定結果にはｔａｎ^−１（０．１／５０）＝０．１１°の測定誤差を含んでしまう。一般的な半導体レーザでは、光軸ずれ角は±１°以下であるから、約１０％の誤差を含んでしまう。
半導体レーザ素子１９と光ファイバやマイクロレンズを結合する用途においては、半導体レーザ素子１９の光軸ずれ角はより厳しく管理されており、その精度は±０．１°以下を要求されている。したがって、従来の測定方法では、厳しい光軸ずれ角の要求を満足させるだけの測定精度を確保することができなかった。
従来の放射光軸ずれ角測定装置では、測定装置の光軸を校正するために、校正用半導体レーザ素子を使った装置校正工程があり、測定時間が長くなる不具合があった。
さらには、従来装置では、受光素子の回転中心と半導体レーザ素子内での発光点位置ずれによる誤差、さらに測定装置取り付け時の位置ズレにより発生する測定誤差が測定結果に含まれてしまい、正確な半導体レーザ素子の光軸ずれ角を測定することができなかった。
そこで、本発明の目的は、上述した実情を考慮して、半導体発光素子の光軸ずれ角を正確に測定できる放射光軸ずれ角測定装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、半導体発光素子の放射光の光軸を測定する放射光軸ずれ角測定装置において、前記半導体発光素子を装置の光軸を中心として回転させるステージと；前記半導体発光素子を前記ステージの所定の位置に固定し、前記半導体発光素子の発光点を中心として、半径の異なる２つの位置に前記半導体発光素子とを結ぶ線が重ならないように離れて配置された２個の受光素子をそれらの位置関係を保って相対的に回転させる受光素子回転機構と；を備える放射光軸ずれ角測定装置を特徴とする。

本発明によれば、半導体発光素子を放射光軸ずれ角測定装置の光軸を中心として、０°及び１８０°で、放射光強度を測定することで、放射光軸ずれ角測定装置の光軸ずれ角を打ち消すことができる。その結果、校正用半導体発光素子無しで、高精度な測定を行うことができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施形態としての放射光軸ずれ角測定装置を示す概略斜視図である。半導体レーザ素子１は取り付け治具２の基準面に固定され、装置取り付け方向軸を中心に回転する回転ステージ３に取り付けられる。
半導体レーザ素子１の放射光を受光する受光素子４は、半導体レーザ素子１の発光点を中心として半径ｒで回転するアーム５に固定されている。受光素子４には幅１００のスリットを取り付けたフォトダイオードが使用される。また、回転半径ｒとしては５０ｍｍで設定されている。
受光素子４の条件では、空間分解能はｔａｎ−１（０．１／５０）＝０．１°となる。また、角度分解能は受光素子４の回転機構の分解能で決まり、高精度な測定を行うために、分解能０．００１°の微動ステージで受光素子４を回転させる機構となっている。

図２は放射光軸ずれ角測定装置の動作原理を説明する概略図である。図３は受光素子が装置取り付け方向軸の下方にある状態を示す概略図である。まず、放射光軸ずれ角測定装置には、図に示すような装置の取り付け方向軸Ｓと受光素子４の回転原点（０°）とのずれ角Δθｍがあると仮定する。
その状態を仮の装置取り付け方向軸Ｓとして、先ず第１回目の測定を行い、最大光強度となる角度Δθ１を演算して求める。このとき、算出されたΔθ１は、半導体レーザ素子の真の放射光軸ずれ角Δθと測定装置の取り付け方向軸Ｓと受光素子４の原点ずれ角Δθｍが含まれており、次式で表せる。
Δθ１＝Δθ−Δθｍ・・・（１）
次に、半導体レーザ素子１を、装置取り付け方向軸Ｓを中心として本来の位置から１８０°回転させて、第２回目の測定を行い、そのときの最大光強度となる角度Δθ２を演算して求める。このとき、算出されたΔθ２は、次式で表せる。
Δθ２＝−Δθ−Δθｍ・・・（２）
装置の取り付け方向軸Ｓと受光素子４の回転原点とのずれ角Δθｍは、２つの測定結果の平均であるから
Δθ＝（Δθ１＋Δθ２）／２・・・（３）
と表せる。つまり、仮定した装置取り付け方向軸Ｓに対して受光素子４をΔθｍずらした位置に真の取り付け方向軸Ｓｏがある。
式１、２から半導体レーザ素子１の真の放射光軸ずれ角は
Δθ＝（Δθ１−Δθ２）／２・・・（４）
と表せる。
このように、本放射光軸ずれ角測定装置では装置取り付け方向軸Ｓと受光素子４の回転原点のずれ角Δθｍを打ち消すことができ、校正用半導体レーザ素子を用いることなしに、真の放射光軸ずれ角を測定することができる。
測定例を示すと、半導体レーザ素子１の１回目の測定結果Δθ１＝０．５２°、２回目の測定結果Δθ２＝−０．１３°であったとすれば、半導体レーザ素子１の真の放射光軸ずれ角Δθは＋０．３２５°と算出できる。また、装置取り付け方向軸Ｓに対する受光素子４の回転原点のずれ角Δθｍは、２つの測定結果の平均から０．１９５°と計算される。

次に、本放射光軸ずれ角測定装置の測定手順を述べる。取り付け治具に測定したい半導体レーザ素子を取り付ける。このとき、本来の測定方向で半導体レーザ素子を取り付ける。
半導体レーザ素子１を発光させる。受光素子４を所定の角度範囲で回転させながら、放射光を受光し、受光量を記録する。測定データから、受光量が最大となる角度（Δθ１）を演算する。
半導体レーザ素子１を、装置取り付け方向軸Ｓを中心として１８０°回転させる。受光素子４を所定の角度範囲で回転させながら、放射光を受光し、受光量を記録する。測定データから受光量が最大となる角度（Δθ２）を演算する。
半導体レーザ素子１の真の光軸ずれ角Δθoを（Δθ１−Δθ２）／２から演算して求める。上記一連の動作を行うことで、装置の校正なしで真の放射光軸ずれ角を測定できる。
以上、第１の実施の形態に係る放射光軸ずれ角測定装置における一方向の放射光軸ずれ角の測定手順を説明したが、他の方向の測定を行うには、半導体レーザ素子を９０°回転させて、同様の測定を行えばよいことは明らかである。また、他の方向を測定するための第２の受光素子を付加しても同様な効果を得られることは明らかである。
ここで、第１の実施の形態としての放射光軸ずれ角測定装置と、特許文献１との差異について説明しておくと、特許文献１は未知の光軸ずれ角の半導体レーザを使って装置の校正を行うようにしている。その校正方法としては、未知の半導体レーザを光軸の周りに０°と１８０°回転させた位置で光軸角測定を行った結果から測定装置の誤差を算出することができる原理に基づいている。特許文献１には、その詳細な測定手順が開示されていないが、被測定物の半導体レーザを測定する前に、別の半導体レーザを用いて装置の校正を行うものであると考えられる。これに対して、第１の実施の形態にかかる装置は、装置誤差を校正する原理は同じであるが、被測定物の半導体レーザ＝校正用半導体レーザとしたことで、装置自身の誤差、さらには被測定物の半導体レーザの取り付け誤差までもキャンセルすることができる測定装置を提供するようにしている。
即ち、特許文献１は、誤差を含む測定装置の校正方法に関するものである野に対して、本願発明は誤差を含む装置においても校正を不要とする光軸測定装置に関するものであり、特許文献１とは異なるものである。

図４は本発明の第２の実施形態としての放射光軸ずれ角測定装置を示す概略斜視図である。第２の実施の形態では、半導体レーザ素子１と受光素子４を相対的に回転させる回転機構として、受光素子４は固定として、半導体レーザ素子１側を回転ステージ７に固定し、発光点６を中心として回転させた構成となっている。
本構成によれば、長いアームに固定した受光素子４が回転しないため放射光軸ずれ角測定装置が小型化できる利点がある。
図５は本発明の第３の実施形態に係る放射光軸ずれ角測定装置として半径ｒ１による測定の様子を示す概略斜視図である。図６は本発明の第３の実施形態に係る放射光軸ずれ角測定装置として半径ｒ２による測定の様子を示す概略斜視図である。
第３の実施の形態では、より高精度な放射光軸ずれ角測定が可能な放射光軸ずれ角測定装置を提案する。本実施の形態では、従来の測定装置では無理だった半導体レーザ素子１の発光点６の位置ずれによる誤差を補正できる特徴がある。
簡単にその構成を説明すれば、半導体レーザ素子１は取り付け治具２に固定され、その取り付け治具２は回転ステージ３に固定されている。受光素子４は半導体レーザ素子１の発光点６から半径ｒ１及びｒ２の所定の距離に設定できる移動ステージ５に固定されている。上記のごとく、図５は半径ｒ１での測定の様子、図６は半径ｒ２での測定の様子を示している。

図７は本発明の放射光軸ずれ角測定法の原理を説明する概略図である。図７を使用して本発明の放射光軸ずれ角測定法の原理を説明する。まず、半導体レーザ素子１を放射光軸ずれ角測定装置に取り付ける。
このとき、半導体レーザ素子１の発光点６は、半導体レーザ素子１のパッケージ中心からの位置ずれと、放射光軸ずれ角測定装置に取り付けたさいの位置ずれにより、トータルｄだけ受光素子４の回転中心８からの位置がずれていると仮定する。
半導体レーザ素子１からの放射光を第１の半径ｒ１で、光軸に対して０°及び１８０°の２回測定を行い、仮の放射光軸ずれ角Δθを演算する。次に、受光素子４を半径ｒ２に移動させ放射光強度分布を測定し、そのときの最大放射光強度の角度Δθ３を算出する。
以上の測定で求められたΔθ、Δθ３、ｒ１及びｒ２と発光点６の位置ずれｄには次の関係がある。

（ｒ１ｒ２＞＞ｄ）・・・（５）
したがって、位置ずれまで考慮した真の光軸ずれ角Δθ０は

・・・（６）
と表すことができる。また、Δθを補正しても同様に真の放射光軸ずれ角を求めることができる。
また、放射光軸ずれ角測定装置において、ｒ２＝２×ｒ１とすれば上式は簡単になり

・・・（７）
と表すことができる。
以上述べたように、第３の実施形態に係る放射光軸ずれ角測定装置では、発光点６からの距離の異なる半径で放射光強度を測定することにより、放射光軸ずれ角測定装置の受光素子４の回転中心からの発光点ずれを補正し、正確な測定を行うことを可能とした。
測定例を示せば、先ず半径ｒ１＝５０ｍｍで０°及び１８０°の測定を行い、仮の放射光軸ずれ角Δθが０．３１５°、半径ｒ２＝１００ｍｍでの測定結果Δθ３が０．２６６°であった。この場合、発光点６のずれｄは式５から８５．５μｍと求まり、したがって真の放射光軸ずれ角Δθ０は式６から０．２１１°と求まる。

図５及び図６では、受光素子４が移動する構成を示したが、受光素子４が固定で半導体レーザ素子１を載せた治具を移動させても同様な効果が得られることは明らかである。
半導体発光素子１の発光点６がその光軸方向に垂直な方向にずれた場合の影響及びキャンセル法を述べたが、参考までに、発光点６の光軸方向のずれによる測定誤差を見積ってみる。
例えば、発光点６から受光素子４までの距離が５０ｍｍの放射光軸ずれ角測定装置において、真の光軸ずれ角が０．５°の半導体レーザ素子１の場合、発光点６が光軸方向に１００μｍ位置ずれがあったとしても、発光点６の位置ずれｄに換算するとd=１００μｍ×ｔａｎ０．５°＝０．９μｍと極めて小さい。
この位置ずれの放射光軸ずれ角への影響は０．００１°程度と予測できる。したがって、放射光軸ずれ角測定装置の機械加工精度で十分無視できるように装置を作り込むことは可能である。
以上、本放射光軸ずれ角測定装置における一方向の放射光軸ずれ角の測定原理を説明したが、他の方向の放射光軸ずれ角測定を行うには、半導体発光素子１を９０°回転させて、同様の測定を行えばよいことは明らかである。

図８は第４の実施形態に係る放射光軸ずれ角測定装置の概略斜視図である。第４の実施の形態に係る放射光軸ずれ角測定装置は、上記第３の実施形態に示した放射光軸ずれ角測定装置の改良型で、１つのアーム５上の半径が異なる位置に２つの受光素子４ａ、４ｂを配置した構成となっている。
この第４の実施の形態によれば、半径の異なる位置での２つの受光素子４ａ、４ｂによる受光を１回の走査で測定することができるので、測定時間を短縮することが可能になる利点がある。
図９は本発明の第５の実施形態に係る放射光軸ずれ角測定装置の概略図である。図９は１個の受光素子（図示せず）で、半導体レーザ素子１の水平及び垂直方向の放射光軸ずれを測定するさいの取り付け治具２に固定された半導体レーザ素子１の回転方向と測定される放射光軸ずれ角を示している。
本発明の放射光軸ずれ測定装置によれば、半導体レーザ素子１をこの放射光軸ずれ測定装置の光軸を軸に、９０°ずつ回転しながら放射光軸ずれを測定すれば、1個の受光素子でありながら、半導体レーザ素子１の水平及び垂直方向の放射光軸ずれ角を測定することができる。
以下に測定方法を説明する。まず、０°において、水平方向の放射光軸ずれ角Δθ１を測定する。次に、９０°回転して、今度は垂直方向の放射光軸ずれ角Δθ１を測定する。次に９０°回転して基準から１８０°の位置で、水平方向の放射光軸ずれ角Δθ２を測定する。次に９０°回転して基準から２７０°の位置で、垂直方向の放射光軸ずれ角Δθ２を測定する。
以上の結果から、これまで説明した方法により水平方向及び垂直方向の放射光軸ずれ角を算出する。お互いに直交する２つの受光素子による測定装置よりも、単純な装置構成なので低コスト化が可能である。

以上説明してきたとおり、本発明の放射光軸ずれ角測定装置によれば、従来のような既知の校正用半導体レーザ素子が不要であるため、測定精度を高精度化できる効果及び測定時間を短縮できる効果がある。
さらに、本発明の他の放射光軸ずれ角測定装置によれば、従来不可能であった測定装置の受光素子回転中心からの発光点ずれを補正することができ、より高精度な測定が可能になる効果がある。
本発明によれば、第２の半径で受光素子を相対的に回転させて放射光強度分布を測定し、その最大強度となる第３の角度Δθ３を算出することで、半導体発光（レーザ）素子１の発光点６の位置ずれに起因する測定誤差を補正することが可能になる。その結果、本放射光軸ずれ角測定装置ではより高精度な測定ができる。
本発明によれば放射光軸ずれ角測定装置では、半導体発光素子１の発光点６を中心に受光素子４を相対的に回転させる機構として、半導体発光素子１を固定し、受光素子４を回転させている。受光素子４を回転させることで、相対的に半導体発光素子１の周りの光強度分布を測定することが可能になる。
本発明による放射光軸ずれ角測定装置では、半導体発光素子１の発光点６を中心に受光素子４を相対的に回転させる機構として、受光素子４を固定とし、半導体発光素子１の発光点６を中心として回転させている。半導体発光素子を回転させることで、相対的に半導体発光素子の周りの光強度分布を測定することが可能になる。
本発明による放射光軸ずれ角測定装置では、半導体発光素子１と受光素子４の間隔は、半導体発光素子１を移動させて設定する。この半導体発光素子１を移動可能な構成とすることで、半導体発光素子１からの放射光強度分布を、異なる半径で測定することが可能になる。

本発明による放射光軸ずれ角測定装置では、半導体発光素子１と受光素子４の間隔は、受光素子４を移動させて設定する。受光素子４を移動可能な構成とすることで、半導体発光素子１からの放射光強度分布を、異なる半径で測定することが可能になる。
本発明による放射光軸ずれ角測定装置では、受光素子４を所定距離離れて２個備えている。所定の距離離れて受光素子４を２個配置することで、同時に半径の異なる位置での放射光強度分布を測定することが可能になる。その結果、測定時間を短縮することができる。
本発明による放射光軸ずれ角測定装置では、回転中心が等しく、それぞれ直交するように回転する２つの受光素子４ａ、４ｂを備えているので、半導体発光素子１の水平方向及び垂直方向の光軸ずれ角を連続して測定することができる。
本発明による放射光軸ずれ角測定装置では、半導体発光素子１は装置光軸を軸に、基準位置から９０°ずつ回転しながら、例えば４回放射光軸ずれを測定し、各測定結果から水平及び垂直方向の放射光軸ずれを算出するようにしている。
本発明では、受光素子４が１個でありながら、基準位置を半導体発光（レーザ）素子１水平方向とすると、０°、９０°、１８０°、２７０°で放射光軸ずれ角を測定し、各測定結果から水平方向及び垂直方向の放射光軸ずれ角を算出できる。

本発明の第１の実施形態に係る放射光軸ずれ角測定装置を示す概略斜視図である。放射光軸ずれ角測定装置の動作原理を説明する概略図である。受光素子が装置取り付け方向軸の下方にある状態を示す概略図である。第２の実施形態に係る放射光軸ずれ角測定装置の概略斜視図である。第３の実施形態に係る放射光軸ずれ角測定装置の半径ｒ１による測定の様子を示した概略斜視図である。第３の実施形態に係る放射光軸ずれ角測定装置の半径ｒ２による測定の様子を示示した概略斜視図である。本発明の放射光軸ずれ角測定法の原理を説明する概略図である。第４の実施形態に係る放射光軸ずれ角測定装置の概略斜視図である。第５の実施形態に係る放射光軸ずれ角測定装置の概略図である。放射光強度分布の測定結果を示す模式図である。従来の測定装置の一例を示す概略図である。従来の測定装置の測定原理を示す概略図である。受光素子が校正用半導体レーザ素子に対して水平方向下方にある状態を示す概略図である。

符号の説明

１半導体発光（レーザ）素子、２取り付け治具、３回転ステージ、４受光素子、５アーム（移動ステージ）、６発光点、７回転ステージ

Claims

半導体発光素子の放射光の光軸を測定する放射光軸ずれ角測定装置において、
前記半導体発光素子を装置の光軸を中心として回転させるステージと；
前記半導体発光素子を前記ステージの所定の位置に固定し、前記半導体発光素子の発光点を中心として、半径の異なる２つの位置に前記半導体発光素子とを結ぶ線が重ならないように離れて配置された２個の受光素子をそれらの位置関係を保って相対的に回転させる受光素子回転機構と；を備えることを特徴とする放射光軸ずれ角測定装置。