JPH03278009A - 光導波路デバイス及びそれを利用した微小変位検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、例えば光デイスク用光学ヘッド、顕微鏡等の
フォーカス誤差信号検出装置、並びにそれらに有用な微
小変位検出装置等に応用される光導波路デバイスに関す
るものである。

［従来の技術］ 従来のフォーカス誤差、すなわち合焦位置からの微小変
位を検出する装置の概略構成を第４図に示す。この装置
では、被検知物４５の微小変位を検出するためにバルク
光学素子を用いており、所定の光源４２からの検出光（
スポット光）４３を被検知物４５表面で反射させ、反射
光４７をセンサーアレイ４９に入射させる構成になって
いる。

センサーアレイ４９は、微小な光検出器５０がライン状
に多数並んでなるものてあり、被検知物４５が合焦状態
を示す基準位置での反射光（例えば、点線で示した位置
での反射光）が入射する光検出器５０゛での検知状態を
基準とする。そして、被検知物４５に微小変位が生じた
場合には、その反射スポット光が入射する光検出器での
検知状態と基準の検知状態との相対位置関係が検出され
、ここから被検知物４５が合焦状態を示す基準位置から
どの程度変位しているか（フォーカス誤差）が演算手段
５１により求められる。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のような従来の装置では、フォーカス誤差検出手段
としてバルク光学素子を用いるため、装置全体が大きく
なり構成が複雑化する問題があった。

また、検出光学素子として光検出器を多数並設したセン
サーアレイを用いているため、その数に応じた大きさが
必要であり、さらに反射光の入射位置の変位から被検知
物の変位量を計算する演算回路が複雑化する問題がある
。

また、光源からのスポット光を正確にセンサーアレイに
入射させるために、精密な光学系を必要とし、さらに被
検知光学系の合焦位置との位置合せ等が難しいので、装
置全体の製作に手数がかかる欠点もある。

そこで、本発明では従来のバルク光学系に代る検出手段
として利用できる光導波路デバイスを提供し、さらにこ
れを利用して、極めて小型で、かつ演算回路の簡単な微
小変位検出装置やフォーカス誤差信号検出装置を実現す
ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記目的達成のために本発明では、一端が光の出入射面
を構成し、他端が二本のシングルモード導波路へと分岐
しているダブルモード導波路からなる光導波路デバイス
において、前記ダブルモード導波路の長さが完全結合長
であることを特徴とする光導波路デバイスを提供する。

さらに、一端が光の出入射面を構成し、他端が三本のシ
ングルモード導波路へと分岐しているダブルモード導波
路からなる光導波路デバイスでもよい。この場合には、
前記出入射面がダブルモート導波路長手方向に対して傾
斜していることが好ましい。

そして、これらの光導波路デバイスを利用し、前記シン
グルモード導波路二本（三本の場合には外側の二本）の
それぞれの端部に配置された光検出器、及び該光検出器
の出力の差動を取る差動増幅器と組合せることによって
微小変位検出装置が得られる。

ここで、前記シングルモード導波路三本のうち外側三本
のそれぞれの端部に配置された二個の光検出器を有する
ものにあっては、前記シングルモード導波路三本のうち
残りの一木の端部に光源を付加した微小変位検出装置と
することが好ましい。

また、これらの微小変位検出装置をフォーカス誤・差検
出装置に応用することができる。

［作　用］ 本発明に係る光導波路デバイスは、ダブルモード導波路
の長さが完全結合長であることから、ダブルモード導波
路の出入射面の中央に入射した検出光は、分岐位置にお
いて二本のシングルモード導波路に夫々等しい強度のシ
ングルモード先に分割されて導かれる。

そして、出入射面への入射位置が変化すると、その変位
量に応じて各々のシングルモード導波路へ導かれる光の
強度が変化するため、この導波路デバイスを微小変位検
出装置に応用する場合には、検出系の一部としてこの導
波路デバイスを用いればよい。

即ち、基準位置（合焦位置や検知開始位置等）での検出
光が導波路デバイスの出入射面の中央に入射し、さらに
、被検知物の微小な変位に応じて前記入射位置に変化が
生ずるような光学系等とこの導波路デバイスとを組合せ
れば、被検知物の微小変位に対応して各々のシングルモ
ード導波路へ導波される光の強度に変化が生ずる。そし
て、各シングルモード導波路に導かれる光の強度を光検
出器等で検出し、被検知物の微小変位に応じた個々の検
出値の差を比較することにより、フォーカス誤差等の微
小変位量が検出てきる。

ここで、三本のシングルモード導波路を有する光導波路
デバイスの場合には、外側の二本の導波路が検出用の導
波路となり、残りの一部を光源からの光を導く導波路と
することができる。このため、微小変位検出系をさらに
コンパクト化することができる。

特に、フォーカス誤差を検出する場合には、被測定対象
となる光学系の焦点位置と光学的に共役な位置に前記出
入射面の中心を配置することで、極めて容易に誤差が検
出できる。この場合、ダブルモード導波路の端面若しく
は長手方向軸を、前記光学系の光軸に対し傾けて併設す
ることにより、前記端面からの射出光の出射角と被検知
物上で反射した測定光の前記端面への入射角とが互いに
異なるため、微小変位が生じた場合に入射位置が異なる
ものとなる。

以下、実施例を用いて本発明をさらに詳しく説明する。

［実施例］ 第１図に本発明の第１実施例に係る光導波路デバイスの
概略構成を示す。

この第１実施例では、１本のダブルモード導波路１５と
３木のシングルモードチャネル導波路１２．１３．１４
とが基板ｌｌ上に形成されており、３木のシングルモー
ド導波路１２，１３゜１４は、点Ｐにて１本のダブルモ
ード導波路１５から分岐されている。このうちシングル
モード導波路１２とダブルモード導波路１５とは、互い
の中心線が一致するような相対位置関係にある。

ダブルモード導波路１５の端面０（中心Ｑ）は、基板１
１の一方の基板端面に形成されており、ダブルモード導
波路１５の長手方向中心線は、端面Ｏの法線に対し角度
θだけ傾いている。

また、導波路１２．１３．１４は適当な点で曲がってお
り、基板１１の前記と異なる他方の基板端面にそれぞれ
導波路端面０１　、　２　、並びに０３が形成されてい
る。

ここで、基板材質としては特に電気光学効果をもったも
のでなくてよく、また、導波路１３．１４は特ににシン
グルモードである必要はない。

この第１実施例に係る光導波路デバイスは、ＬｉＮｂ０
．からなる基板表面の導波路形成位置にＴｉＭ覆を形成
し、１０００℃以上の高温で基板内部に拡散させること
により作成されているが、他の素材、方法等を用いても
良い。

次に、第１実施例に係る光導波路デバイスを応用した顕
微鏡光学系のフォーカス誤差検出装置を第３図を用いて
説明する。

第３図に示す誤差検出装置では、レーザ駆動回路３１に
よって駆動されるレーザダイオード３２から出射した検
出光が、光導波路デバイス３３に入射し、該デバイス３
３内で導波された後、第３図に示す光束Ａのような光軸
Ｏに対し非対称な光束を出射する。光束Ａは、顕微鏡光
学系の対物レンズ３４に入射した後、試料３５表面で反
射し、光束Ｂとなって再び対物レンズ３４を通過してデ
バイス３３に達する。光導波路デバイス３３に戻った光
は、デバイス３３内で導波・分波されて一対の光検出器
３６に入射して光電変換される。

ここで充電変換された検出信号は光検出器３６からの出
力信号となって差動アンプ３７を経てフォーカスエラー
検出回路３８で処理され、顕微鏡光学系における被検知
物３５のフォーカス誤差が検出される。

さらに、この実施例では、上記の検出誤差に応じた制御
信号により、ステージ駆動回路３９、ステージ駆動手段
４０を介してステージが駆動され、顕微鏡光学系の合焦
が行なわれる。

なお、第３図には顕微鏡観察用の光源、光学系は一切図
示していない。

次に、第１実施例に係る光導波路デバイスでのフォーカ
ス誤差検出の機能等を説明する。

このデバイスにおいて、導波路１２の端面０゜から光を
入射させると、点Ｐにおける合流の後、ダブルモード導
波路１５へ導波される。

この際に、導波路１２がシングルモード導波路であり、
かつ導波路１２と導波路１５の中心線が一致することか
ら、ダブルモード導波路１５では偶数モード（０次モー
ド）シか励振されない。

ところで、ダブルモード導波路１５の傾きにより、端面
０から出射する発散光束の中心は、基板端面法線に対し
次式で与えられるθ°だけ傾く。

ｓｉｎθ’−ｎｓｉｎθ・（１） （ここで、ｎは導波路の屈折率である。）これにより、
第３図に示すように基板１１端面を光学系の光軸に直角
に配した場合に、光軸に対し非対称な光束を出射するこ
とが可能となる。

さらに、基板１１端面（の点Ｑ）と光学系の焦点位置と
は互いに共役な位誼に配設されているため、被検知物３
５が合焦位置に在る場合には、点Ｑから射出された非対
称光束Ａの反射光Ｂは点Ｑに入射する。

また、試料面３５が合焦位置からずれる（デフォーカス
する）と、出射された非対称光束Ａは、よく知られたフ
ーコー法（又はナイフェツジ法）の原理によって、反射
光Ｂの端面０に於ける入射位置が点Ｑに対して横ズレを
起こす。

このフォーカス誤差の検出について、被検知物がデフォ
ーカスした場合の状態を模式的に示す第２図を用いて説
明する。

被測定光学系において被検知物が合焦状態にあるとき、
即ちピントが合っている状態では、試料面３５とダブル
モード導波路端面０′とが対物レンズに対し共役に配置
されているため、戻り光（試料面で反射した光束Ｂ）の
強度分布形状は、分布線１６のようにダブルモード導波
路１５°の中心Ｑ°に対し対称となる。しかし、ピント
がずれてデフォーカスした場合には、戻り光の強度分布
形状が分布線１７、又は１８のように横ズレを生じる。

ここで、強度分布形状の横ズレとは、戻り光の導波路端
面に対する入射位置の変動により、導波路端面における
強度分布形状の重心位置にズレを生じるものである。

上記の戻り光により、合焦状態ではダブルモード導波路
１５′には偶モード（０次モード）しか励振されないが
、非合焦時には偶・奇両モートが励振されることになる
。

ここで、本実施例では、ダブルモード導波路１５°の長
さ、即ち点Ｑ°から点Ｐ°まての長さをいわゆる完全結
合長としているため、合焦時には導波路１３°、１４゛
へ導波される光量は夫々等しく分岐されるが、非合焦時
には導波路１３゜１４°へ導波される光量に差異が生じ
る。

なお、ＰＱ間を完全結合長とするために、例えば基板１
１°の導波路１５゛近傍にＡ１電極等を設け、電気的効
果を利用して光路長を調整したものでもよい。

この場合、導波路１３°、１４°から検出される各々の
光量の差は、前記の横ズレ量と相対関係があるため、例
えば第２図に示したように、各々の導波路端面ｏ　２＋
Ｏ、から出射した光量を検出することにより、被測定光
学系のピントズレ量に応じた信号が得られる。

なお、第２図での線１９並びに点線２０．２１は、それ
ぞれ戻り光の強度分布が分布線１６゜１７．１８であっ
た場合における、ダブルモート導波路１５°内での光パ
ワーの移行を模式的に示したものである。この光パワー
の移行は、ダブルモート導波路１５°内での偶モードと
奇モードとの干渉により生ずるものである。

なお、第１実施例では導波路が曲がりを含んだ例を示し
たが、導波路の基板に対する曲がりを無くし、この代り
に端面Ｑを導波路１５長手方向に対し斜めにカットして
もよい。また、導波路を基板端面に対して直角に設けた
ものであっても、基板自体を対物レンズ光軸に対し傾け
て取り付ければ導波路の曲がり等は必要ない。

なお、先に合焦時にはダブルモード導波路１５゛には偶
モードしか励振されないと述べたが、これは厳密には正
しくない。これは、戻り光の強度分布形状が中心対称に
なっても位相分布が対称にならないからである。

即ち、前記（１）式で与えられる角度θ°を用いると、
合焦時に於ける戻り光と奇数モードの結合効率ηは、お
よそ次式 ％式％ ５ｉｎ（ｋαＸ）は、戻り光の位相傾斜である。

ここで、 ｋ＝２π／λ（λ：波長）　、　ａ＝ｓｉｎ（２θ°）
、なお、Ｘ軸は導波路の出射端面Ｏ°上にとり、原点は
導波路の中央Ｑ°　とする（第２図参照）。

よって、上式で求められる結合効率ηで生じる奇数モー
ドによりオフセットが生じる。このオフセットは電気的
に検出系で処理してもよいが、オフセットそのものを低
減するには、例えば第３図に示した被測定光学系に於け
る試料面〜導波路端面間の倍率を上げればよい。

この倍率をｍ、対物レンズの試料面側開口数をＮＡ、試
料面のデフォーカス量をδとすると、導波路端面での戻
り光の横ズレ量Ｓは Ｓｃｃｍ−δ・ＮＡ　　　・（３） なる比例関係にある。

よって、倍率ｍを大ぎくすれば横ズーレＪｉＳを大きく
できため、フォーカス誤差の検出感度を向上させること
かでとる。

さらに、導波路側の開口数ＮＡ’は ＮＡ’　＝ＮＡ／ｍ　　　・（４） であるから、倍率ｍを大きくすれば開口数ＮＡ’が小さ
くなり、これは導波路の傾斜θ°を小さくとれることを
意味し、このとき結合効率ηは小さくなる。こうしてオ
フセットを基準値以下にするための適正倍率ｍを定める
ことができる。

以上のように、本発明の第１実施例に係る光導波路デバ
イスは、微小誤差検出装置における検出系に応用するこ
とができる。そして、従来のバルク光学素子を用いた検
出光学系に比較して、格段に小型化を図ることが可能で
ある。

特に、上記の第１実施例では光導波路デバイスが光源か
らの測定光を供給する光学系を兼用しているため、誤差
検出用光学系の全体を簡素化できる利点がある。

なお、第４図に示すように光源と検出系とが別位置に配
置されている場合でも、従来のセンサーアレイ等を用い
る検出光学系に代え、第１実施例に係る光導波路デバイ
ス、若しくはダブルモート導波路から二本のシングルモ
ード導波路が分岐した光導波路デバイス等を用いて、微
小変位検出装置等を作成する事も可能である。

加えて、ダブルモート導波路の幅は一般に数ミクロン程
度であり、この導波路で導波される光の周波数等からも
明らかなように、誤差検出の感度が従来に比較して格段
に向上する。

さらに、本実施例では、光導波路デバイスの外部に光源
、光検出器等を設けているが、本実施例の光導波路デバ
イスに光源と検出器等を接合して検出系が一体となった
ハイブリッド光ＩＣとするか、又は例えばＧａ　Ａｓな
との基板上に光源、検出器、導波路等をすべて集積化す
ることも可能であり、これによって小型化は一段と顕著
になる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明に係る光導波路デバイスを用
いると、超小型の微小変位検出装置を構成でき、これを
オートフォーカス装置等に容易に応用できる。

また、請求項第２若しくは第３項に記載された光導波路
デバイスでは、投光部と受光部が光導波路端面の同一の
位置にくるため、光源と検出器の位置を独立に調整する
必要がない。このため、装置の製作及びメインテナンス
等が容易となる利点がある。

また、ダブルモート導波路の幅が一般に狭いことから、
微小変位の検出において極めて高い検出感度が得られる
ため、微小変位の測定等についての精密測定及び制御が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る光導波路デバイスを
示す概略平面図、第２図は上記のデバイス内における光
の導波の状態を示す説明図、第３図は第１実施例を応用
した顕微鏡光学系のフォーカス誤差検出装置の概略構成
を示す説明図、第４図は従来の微小変位検出装置の一例
を示す概略構成図・ ［主要部分の符号の説明］ １１・・・基板、１２・・・シングルモード導波路（供
給側）、１３．１４・・・シングルモード導波路（検出
側）、１５・・・ダブルモート導波路、Ｏ・・・導波路
端面、Ｐ・・・分岐点、Ｑ・・・タプルモード導波路端
面中心、 １６．１７．１８・・・戻り光強度分布形状を示す線、
１９，２０．２１・・・光エネルギの移行状態を示す概
略説明線、 Ａ・・・出射光束、Ｂ・・・反射光束、０・・・光軸、
３１・・・レーザ駆動回路、３２・・・レーザダイオー
ド、３３・・・光導波路デバイス、３４・・・対物レン
ズ、３５・・・試料（被検知物）、３６・・・光検出器
、３７・・・差動アンプ、３８・・・フォーカスエラー
検出回路、３９・・・ステージ駆動回路、４０・・・ス
テージ駆動手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）一端が光の出入射面を構成し、他端が二本のシン
   グルモード導波路へと分岐しているダブルモード導波路
   からなる光導波路デバイスにおいて、 前記ダブルモード導波路の長さが完全結合長であること
   を特徴とする光導波路デバイス。（２）一端が光の出入
   射面を構成し、他端が三本のシングルモード導波路へと
   分岐しているダブルモード導波路からなる光導波路デバ
   イスにおいて、 前記ダブルモード導波路の長さが完全結合長であること
   を特徴とする光導波路デバイス。（３）前記出入射面が
   ダブルモード導波路長手方向に対して傾斜していること
   を特徴とする請求項第（２）項記載の光導波路デバイス
   。 （４）請求項第（１）項に記載の光導波路デバイス、前
   期シングルモード導波路二本のそれぞれの端部に配置さ
   れた光検出器、及び該光検出器の出力の差動を取る差動
   増幅器からなることを特徴とする微小変位検出装置。 （５）請求項第（２）又は（３）項に記載した光導波路
   デバイス、前期シングルモード導波路三本のうち外側二
   本のそれぞれの端部に配置された二個の光検出器、及び
   前記二個の光検出器の出力の差動を取る差動増幅器から
   なることを特徴とする微小変位検出装置。 （６）請求項第（５）項記載の微小変位検出装置におい
   て、 前記シングルモード導波路三本のうち残りの一本の端部
   に光源を付加したことを特徴とする微小変位検出装置。 （７）請求項第（３）項に記載の光導波路デバイス、前
   期シングルモード導波路三本のうち外側二本のそれぞれ
   の端部に配置された二個の光検出器、残り一本の端部に
   配置された光源、及び前記二個の光検出器の出力の差動
   を取る差動増幅器からなることを特徴とするフォーカス
   誤差検出装置。