JP5816183B2 - 導波路構造を有する自己混合干渉デバイス - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザー光源及び該半導体レーザー光源により放出されるレーザー放射線の強度変化を検出するように備えられた光検出器に基づく自己混合干渉デバイスに関する。

自己混合干渉(SMI)に基づくレーザーセンサは、広範な用途を網羅する、速度、振動、及び距離の測定を可能にする。自己混合干渉デバイスは、標的対象物から散乱されてレーザーキャビティに再入射するレーザー光が、共鳴放射線と干渉することで、そのデバイスの出力特性に影響を及ぼすという効果を利用する。レーザーが適切な領域で動作するとき、後方で結合する光の応答は線形となり、その結果生じる出力変化は、前記デバイスに対する前記標的対象物の運動又は距離についての追跡可能な情報を含む。出力におけるこれらの変化の周波数が測定される。このため、レーザー出力信号は一般的には、フォトダイオード又はフォトトランジスタによって収集される。標的対象物とレーザーキャビティとの間の距離は、前記レーザーキャビティに再入射するときの後方散乱光の位相、つまりは破壊的干渉が存在するのか建設的干渉が存在するのかを決定する。対象物が移動するとき、距離すなわち位相は、対象物の速度に比例する割合で変化する。従って建設的又は破壊的干渉は、この速度に比例する周波数で起こる。この所謂ドップラー周波数は速度の大きさについての情報しか与えず、速度の方向についての情報を与えないので、その方向を決定するためには、変調法が用いられなければならない。レーザー光源として半導体レーザー−具体的にはVCSEL（垂直キャビティ面発光レーザー）−を用いるとき、レーザーは、明確な電流形状−たとえば周期的なノコギリ歯又は三角形の電流−で動作させることで、出力周波数は、光共振器長が同時に変化するので、これらの電流変化にほぼ瞬時に追随することができる。このような共振器長の変化は温度により誘起され、レーザー電流による熱散逸から生じる。その結果生じた共鳴光と後方散乱光との間での周波数の差異は、適切な電子機器によって評価され、かつ、標的対象物の位置及びその運動方向についての情報に変換することができる。

特許文献1は、対象物の運動−好適用途では入力デバイス上での指の運動−を測定する方法及びデバイスについて開示している。Twin-Eyeレーザーセンサとしても知られているそのようなデバイスによって、特にPCのマウスのような入力デバイスで用いられるための、その対象物の疑似3次元変位を測定することができる。

そのような既知のセンサの全体の高さは自由に減少させることができない。その理由は、正しい領域内においてドップラー周波数を実現するためには、ある往復長さが必要となるからである。このため現時点では、レーザー光源出力面−典型的にはVCSEL−から測定された対象物の表面までの最小距離は約5mmで、前記センサの底部から前記表面までの全体高さは6mmとなる。この高さは、PC用マウスで用いるのには制約とならないが、たとえば携帯電話やMP3プレーヤーのような入力デバイスで用いる上では制約となる。たとえば遠隔制御又はノートPCのトラックボールについても、センサ高さは、前記ボールのサイズと等しいことが好ましい。レーザー光源の出力口と測定される対象物との間の距離が大きいため、信号強度は大きく減少する。そのため、光を集光して信号強度を復活させるための集光素子が必要となる。2次元を測定するため、2つのレーザー光源が、互いに間隔を開けた状態で用いられ、かつ、ビームを偏向させて、レーザー光を集光させる光学素子が必要となる。センサの精度についての許容限界を満たすため、この光学素子は、VCSELに対して高精度で設置されなければならない。

国際公開第02/37410パンフレット

本発明の目的は、特に入力デバイスに用いられるための自己混合干渉デバイスであって、上述した既知の自己混合干渉デバイスよりも高さが低くて低コストを実現することの可能な自己混合干渉デバイスを供することである。

上記目的は、請求項1に記載の自己混合干渉デバイスによって達成される。当該デバイスの有利な実施例は従属請求項の主題であるか、又は以降の実施例に開示されている。

当該自己混合干渉デバイスは、集積された光導波路構造を備える基板、該基板の表面上に配置されて、前記表面へ向けてレーザー放射線を放出する半導体レーザー光源−具体的にはVCSEL−、及び、該半導体レーザー光源の強度変化を検出するように備えられた光検出器を有する。前記導波路構造は、前記レーザー光源と光学的に接続し、前記レーザー光源により放出されるレーザー放射線を、前記基板の表面の射出光結合領域へ導光し、かつ、前記基板の外部の標的対象物から散乱されるレーザー放射線の一部を、前記前記半導体レーザー光源へ再入射するように導光するように設計される。当該デバイスの有利な実施例では、2つの集積された光導波路構造、2つの半導体レーザー光源、及び2つの光検出器は、上述のTwin-Eyeレーザーセンサのように、2つの独立した軸における前記標的対象物の運動が同時に測定されるように配置される。このため、前記2つのレーザー光源のレーザー放射線は、互いに直交する方向で結合して射出されなければならない。

集積された光導波路構造を用いて、前記レーザー光源から放出されて前記レーザー光源へ戻されるように反射される光を運ぶことによって、当該デバイスの全体の高さについての上述した制約は克服される。前記光にとって必要とされる前記レーザー光源の放出面と前記標的対象物との間での距離は、前記レーザー光源と前記射出結合光領域との間での前記導波路構造の長さによって与えられる。前記導波路構造が、前記基板の面内に−前記基板の表面に対して平行に−広がるので、前記導波路構造は、当該デバイス全体の高さに影響しない。従って、前記レーザー光源と前記射出結合光構造との間での前記導波路構造の長さは、使用された信号処理手順にとって最適なドップラー周波数を実現するように調節することができる。前記レーザー光源と前記射出結合光構造との間での前記導波路構造の光学長は、たとえば0.2〜100mmの範囲で、好適には2〜20mmの範囲であって良い。入力デバイスでの用途にとっては、前記導波路構造は、前記基板表面上の任意の所望の位置に検知領域、つまり入射及び射出結合光構造を設けるような形状をとって良い。さらに集光素子を不要として、同時に前記集光素子の高精度の位置設定をも不要にすることによって、当該デバイスは低コストでの製造が可能となる。

一のダイ−具体的にはGaAsダイ−中に2つの能動VCSELメサを供することによって、各独立したVCSELについて別個の導波路チャネルを用いることによって、2つの独立した方向を測定することができる。モノリシック構造により集積された2つのレーザーによって、最小のダイ面積が必要とされ、かつ、前記レーザーは、1回のピック・アンド・プレース作業によって設置することができる。モノリシック構造となるように集積された場合の2つのVCSELに必要とされる全体のダイの高さは、1つのVCSELの全体の高さと同程度である。別個のダイ上の2つのVCSELよりもダイの面積が減少し、かつ、組立におけるピック・アンド・プレース作業の回数が少なくなる結果、製造コストは顕著に減少する。上述したように前記導波路チャネルは、直交する方向について射出結合光構造を有することで、たとえば適切な屈折又は偏向光学素子によって前記直交する方向での射出光結合を実現する。前記対象物の2D運動は、1つのVCSELダイしか有していないデバイスによって検知されて良い。

本発明によるデバイスの有利な実施例では、前記導波路構造は、前記基板表面に対して平行に広がるシリコンが埋め込まれた導波路構造である。前記シリコンが埋め込まれた導波路構造のシリコンチャネルは、大きな屈折率コントラストを有する材料によって取り囲まれる。

前記導波路構造は、標準的なCMOSとの相性の良いシリコン技術で作られて良い。その結果低コストとなる。現在のTwin-Eye設計と比較して、レンズ及び2つの別個のVCSELが不要となることで、光学マウス用の他のセンサと競合できるレベルにまでコストを大幅に減少させることができる。

前記基板又は導波路構造は、前記表面の第1位置へ入射するレーザー放射線を前記導波路構造へ結合する第1結合構造、及び、前記表面の第2位置へ入射するレーザー放射線を前記導波路構造へ結合する第2結合構造を有することが好ましい。前記第2結合構造は、前記表面に対する法線と0°ではない角度をなして前記レーザー放射線を結合するように設計されることが好ましい。これは、一般的には前記基板表面に対して平行な前記対象物の運動方向で前記レーザー光の射出結合光成分を実現するためである。前記射出結合光構造はたとえば、追加の偏向素子又は屈折素子を備える凸ミラーを有して良い。

本発明によるデバイスの概略的設定例を図示している。 本発明によるデバイスのより詳細な概略図を図示している。 本発明によるデバイスの別な例の上面図を図示している。 偏向用の屈折光学素子の例を図示している。

図1は、本発明による自己混合干渉デバイスの実施例を概略的に図示している。単一モードのSiが埋め込まれた導波路3が、基板1内に埋め込まれている。この基板1上には、基板1の方向にレーザー放射線を放出する、集積されたフォトダイオードを備えたVCSEL2が載置されている。単一モードのSiが埋め込まれた導波路3及びVCSEL2の配置は、VCSEL2によって放出されるレーザー光が導波路3内で結合されるようなものである。図1では特に示されていないが射出結合光領域では、レーザー光は、導波路3を飛び出して、この射出光結合面付近を移動する対象物4によって戻されるように散乱される。

レーザー光は一般的には、移動する対象物から拡散するように散乱される。レンズが移動する対象物から離れている従来技術に係るセンサでは、レンズによって捕らえられる空間角度内に散乱されて戻されるレーザー光しか自己混合信号に寄与できないので、信号強度は顕著に減少してしまう。本発明のデバイスでは、導波路構造が供されるため、移動する対象物は、射出結合光構造に近づく。この結果、空間角は、拡散する散乱光を捕らえるほどに大きくなるので、信号強度が改善される。

VCSEL2及び集積されたフォトダイオードは、基板上の金属パッド7を介して、ワイヤ接続によってASIC5（ASIC：用途特定集積回路）と接続する。ASIC5は、対象物4の運動を決定するため、VCSEL2を制御し、かつフォトダイオードの信号を評価するように設計されている。基板1及びASIC5は、PCB又はサブマウント6上に載置されている。

図2は、本発明によるデバイスのより詳細な断面図を図示している。集積されたフォトダイオード(VIP)2を備えるVCSELは、たとえば所謂はんだバンプを用いることによって、基板1上の入射及び射出光結合構造付近に載置されている。はんだバンプは、VCSEL上の結合パッド13を基板上の結合パッド7に機械的にも電気的にも接続する。入射光結合構造は、この例では、基板1内の凹ミラー10によって形成される。このミラー10を介して、VCSELから放出されるレーザー放射線9は、シリコンが埋め込まれた導波路3内で結合される。射出光結合構造はまた、基板1内に形成された凹ミラー11により形成され、かつ、図2から分かるように偏向光学素子14をさらに有する。この偏向光学素子14は、ミラー11により反射される光を偏向させることで、基板1の表面とは垂直でない射出結合光方向を実現する。図4は、係る偏向光学素子の2つの例を図示している。

よってVCSEL2から放出される光は、運動の検出が測定される必要のある地点へ、低損失で進行する。このため入射及び射出光結合構造は、移動する対象物4−この例では指−上に光を投影することを可能にし、かつ、後方散乱光がVCSEL2へ戻るように進行することを可能にする。これは自己混合干渉に寄与する。入射光結合構造10と射出光結合構造11での導波路3の損失が十分小さい場合には、自己混合干渉信号の強度は、対象物4とVCSEL2との間での距離がゼロの場合での強度に近い強度となる。

本発明によるデバイスで用いることのできる典型的なVCSELは、典型的には数ミリワットの出力を有する波長1μm周辺の赤外放射線を放出する。レーザーキャビティは、分布型ブラッグ反射体(DBR)の2つの積層体で構成される。DBRの2つの積層体は、適切な基板上にエピタキシャル成長され、複数の量子井戸で作られた利得領域を含む共振器を閉じこめている。DBR層はまた、利得領域へ電流を供給する役割をも果たす。従ってDBR層のうちの一は通常n型ドープされ、DBR層のうちの他はp型ドープされたものである。一のDBRは、高反射性である（典型的には99.8%よりも高い反射率を有する）一方で、他のDBRは、レーザーキャビティへのかなりの程度の射出光結合、つまりはフィードバックを可能にする。この例ではVCSELチップ内でモノリシック構造となるように集積されている光検出器は、高反射性のDBRミラーを飛び出して漏れる少量の放射線を測定し、ひいてはレーザーの出力の変化を監視する。モノリシック構造となるような集積は、920nm未満の波長（850nmが用いられている）を用いることを可能にする。ここでVCSELのGaAs基板は透明ではない。

図3は、本発明によるデバイスの別な実施例の上面図を図示している。図中、2つの導波路構造を備えた2つのレーザー光源の配置は、射出光結合領域で放出されたレーザー光が直交する方向に導光されるようなものである。この実施例では、2つの能動VCSELメサ12が単一のダイ中に供される。2つの導波路チャネル3は、2つのVCSELによって放出されるレーザー放射線を、射出光結合構造11を備える近接した射出光結合領域へ導光する。射出光結合構造11は、直交する方向を有するように設計される。従ってこの実施例では、入力デバイスについての2D運動の検知を、単一のVCSELで実現することが可能である。

この例では射出光結合領域同士は近接している。ただし本発明によるデバイスでは、射出光結合領域同士は広く間隔が開いていても良い。これにより、複数のVCSELアパーチャを備える1つのVCSELダイから供給される複数のチャネルが、たとえば入力デバイス以外の用途でも、様々な位置での運動を測定することが可能となる。たとえば近接する射出光結合領域と結合する2つ以上のVCSELを有することで冗長性を導入することにより、センサの故障間の平均時間を改善することも可能となる。好適には単一のダイを共有する2つ以上のレーザー光源−具体的にはVCSEL−を供することによって、当該デバイスの様々な応用が可能となる。ここで前記2つ以上のレーザー光源は、基板の2D面の少なくとも一部にわたって分布する対応する導波路チャネル及び射出光結合構造に対応する。たとえば一の応用では、当該デバイスは対象物の位置を特定するのに用いられて良い。あるいは他の応用では、当該デバイスは、複数の対象物の運動を同時測定するのに用いられて良い。

VIP全体の地電位コンタクト内でのVCSELメサ12への電気的コンタクトは、シリコン基板上の金属パッド7に載置されたフリップチップを貫通することで実現される。既に図1で図示したように、ワイヤボンディングにより、これらはASICと接続することができる。この例ではVCSEL構造は、以下のように構築される。n型基板（PD-カソード）、一緒に逆バイアスフォトダイオード(PD)を構成する真性層とp型層（PD-アノード）；続いてPD-アノードと電気的に接続して全体的には地電位と接続するn型ミラー（VCSELカソード）、量子井戸を備えた共振器、及び最後に順バイアスであるp型ミラー（VCSELアノード）である。VCSELアノードと接続したVCSELカソードとPDアノードは、VCSELの前面の結合パッドによって接続される。前記VCSELカソードとPDアノードは、はんだバンプを介して、シリコン基板上の結合パッド7と接続する。PD-カソードはASICへ直接ワイヤボンディングされる。

Claims (11)

1. 集積された光導波路構造を備える基板、該基板の表面上に配置されて、前記表面へ向けてレーザー放射線を放出する半導体レーザー光源、及び、該半導体レーザー光源の強度変化を検出するように備えられた光検出器を有する自己混合干渉デバイスであって、
   前記集積された光導波路構造は、前記半導体レーザー光源と光学的に接続し、前記半導体レーザー光源により放出されるレーザー放射線を、前記基板の表面の射出光結合領域へ導光し、かつ、前記基板の外部の標的対象物から散乱されるレーザー放射線の一部を、前記半導体レーザー光源へ再入射するように導光するように設計され、
   前記光導波路構造が、前記表面の一の位置へ入射するレーザー放射線を前記光導波路構造へ結合する結合構造を前記基板内に有する、
   自己混合干渉デバイス。
2. 前記レーザー光源がVCSELである、請求項1に記載の自己混合干渉デバイス。
3. 前記光導波路構造は、シリコンが埋め込まれた光導波路構造である、請求項1又は2に記載の自己混合干渉デバイス。
4. 前記基板又は光導波路構造が、前記表面の他の位置へ入射するレーザー放射線を前記光導波路構造へ結合する他の結合構造をさらに有し、
   前記他の結合構造が、前記表面に対する法線と0°ではない角度をなして前記レーザー放射線を結合して射出するように設計される、
   請求項1又は2に記載の自己混合干渉デバイス。
5. 前記結合構造及び前記他の結合構造が、前記表面の外部に形成された凹型ミラー又は前記光導波路構造中に形成された偏向回折格子を有する、請求項4に記載の自己混合干渉デバイス。
6. 前記結合構造及び前記他の結合構造が前記表面の外部に形成された凹型ミラーを有し、かつ、
   前記他の結合構造は、前記表面に対する法線と0°ではない角度をなして結合して射出されるように前記レーザー放射線を偏向する光学素子をさらに有する、
   請求項5に記載の自己混合干渉デバイス。
7. 制御及び評価ユニットが、前記レーザー光源及び前記光検出器と電気的に接続し、かつ、
   前記制御及び評価ユニットは、前記レーザー放射線を放出するように前記レーザー光源を制御し、かつ、前記標的対象物の距離及び/又は運動を決定するように前記光検出器の信号を評価するように設計される、
   請求項1又は2に記載の自己混合干渉デバイス。
8. 前記レーザー光源と前記射出光結合領域との間での前記光導波路構造の光学長が、2乃至20mmの範囲で選ばれる、請求項1又は2に記載の自己混合干渉デバイス。
9. 1つ以上の他の集積された光導波路構造、前記基板の表面上に配置されて、前記表面へ向けて他のレーザー放射線を放出する1つ以上の他の半導体レーザー光源、及び、該他の半導体レーザー光源の強度変化を検出するように備えられた光検出器を有する請求項1又は2に記載の自己混合干渉デバイスであって、
   前記他の集積された光導波路構造は、前記他の半導体レーザー光源と光学的に接続し、前記基板内に設けられ、前記他の半導体レーザー光源により放出されるレーザー放射線を、前記基板の表面の射出光結合領域へ導光し、かつ、前記基板の外部の標的対象物から散乱されるレーザー放射線の一部を、前記他の半導体レーザー光源へ再入射するように導光するように設計される、
   自己混合干渉デバイス。
10. 前記集積された光導波路構造、前記他の集積された光導波路構造、及び対応する射出光結合構造が、前記基板の表面に対して平行な面に沿って、かつ互いに直交する成分を有するように、前記レーザー放射線及び前記他のレーザー放射線を結合して射出するように設計される、請求項10に記載の自己混合干渉デバイス。
11. 前記レーザー光源の2つ以上が、一の共通する半導体ダイ上の2つ以上のVCSELメサで構成される、請求項10に記載の自己混合干渉デバイス。

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