JPH08136216A - Optical position displacement sensor - Google Patents

Optical position displacement sensor

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JPH08136216A
JPH08136216A JP22527395A JP22527395A JPH08136216A JP H08136216 A JPH08136216 A JP H08136216A JP 22527395 A JP22527395 A JP 22527395A JP 22527395 A JP22527395 A JP 22527395A JP H08136216 A JPH08136216 A JP H08136216A
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JP
Japan
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resonator
reflectance
light
external
mirror
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP22527395A
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Japanese (ja)
Inventor
Iwao Komazaki
岩男 駒崎
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH08136216A publication Critical patent/JPH08136216A/en
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Abstract

PURPOSE: To detect the change in optical output corresponding to the displacement of a position without including higher harmonic components by making the mode interval of an inner resonator wider than the mode interval of an outer resonator and setting the realtionship of a specified expression under the specified conditions. CONSTITUTION: This sensor is constituted of a unimodal coherent surface-light- emission light source, whose beam expansion is five degrees or less, an outer resonance mirror 3 and a photodetector. The photodetector detects the interference caused by the phase difference of the returned light corresponding to the minute displacement quantity of the mirror 3 as the change in optical output. When the distance of the mirror 3 is Lo, the effective reflectivity is Re, the wavelenght of the surface light emission light source is λ, the length of an inner resonator Li, the effective refractive index is (n) and the reflectivity of the emitting surface is R2 (>0.9 and Re<R2 ), the mode interval of the inner resonator is at least 10-times broader than the mode interval of the outer resonator, and the relationship of the expression (in the expression, (q) is an integer of 20 or less) holds true.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、外部反射ミラーの
移動量を複合共振器レーザの出力変動で検出する光位置
変位センサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical position displacement sensor for detecting the amount of movement of an external reflection mirror by the output fluctuation of a compound resonator laser.

【0002】[0002]

【従来の技術】図8(a)は従来の複合共振器レーザの
構成を示す図であり、外部反射器31及び端面発光の半
導体レーザ32及びモニター光検出器(PD)33とを
具備し、モニター光検出器(PD)33は複合共振器レ
ーザの出力変動に基づいて外部反射器31の位置変化を
検出する。その時の光出力は、図8(b)に示すように
移動量ΔLに対して光出力信号が波長λ毎に山又は、谷
が出現するが、しだいにその変化が減衰収束してしま
う。
2. Description of the Related Art FIG. 8A is a diagram showing the structure of a conventional compound resonator laser, which comprises an external reflector 31, an edge emitting semiconductor laser 32 and a monitor photodetector (PD) 33. The monitor photodetector (PD) 33 detects the position change of the external reflector 31 based on the output fluctuation of the composite resonator laser. In the optical output at that time, as shown in FIG. 8B, a peak or a valley appears in the optical output signal for each wavelength λ with respect to the movement amount ΔL, but the change gradually attenuates and converges.

【0003】すなわち、外部反射器31より戻った光
が、半導体レーザ32の活性層内の光電界に結合する時
の係数をCn (nは反射回数)、実効電界反射率をre
とすれば、
That is, the coefficient when the light returned from the external reflector 31 is coupled to the optical electric field in the active layer of the semiconductor laser 32 is C n (n is the number of reflections), and the effective electric field reflectance is r e.
given that,

【数2】 [Equation 2]

【0004】ここで、Li は半導体レーザ32の共振器
長、λはレーザの発振波長、θR は1周時の位相シフト
量、rm は外部ミラーの反射率、r2 は半導体レーザ3
2の出射側反射率、L0 は外部共振器長である。結合係
数Cn は、 Fa (Li )=a2 /(λL0 ) …(2) Fb (Li )=b2 /(λL0 ) …(3) からのフレネル回折より導出される。
Here, Li is the resonator length of the semiconductor laser 32, λ is the oscillation wavelength of the laser, θ R is the amount of phase shift during one revolution, r m is the reflectance of the external mirror, and r 2 is the semiconductor laser 3
The output-side reflectance of 2 and L0 are the external cavity lengths. The coupling coefficient C n is derived from Fresnel diffraction from F a (Li) = a 2 / (λL0) (2) F b (Li) = b 2 / (λL0) (3).

【0005】ここで、a,bは半導体レーザ32の近視
野スポットサイズであり、ストライプレーザの活性層の
厚さ、幅に対応している。例えば、モード制御された半
導体レーザ32で、a、b〜1μm、λ〜1μmとすれ
ば、
Here, a and b are near-field spot sizes of the semiconductor laser 32 and correspond to the thickness and width of the active layer of the stripe laser. For example, in the mode-controlled semiconductor laser 32, if a, b is 1 μm, and λ is 1 μm,

【数3】 (Equation 3)

【0006】となり、ビームは外部共振器長L0 の増加
につれて著しく広がり、反射をくり返す毎に結合係数C
n は零に近づく。ここで、実効反射率re を考えると、
式(1)の右辺の第2項が零に近づき、実効反射率re
は外部共振器長L0 の増大につれて、半導体レーザ32
の出射側反射率r2 に収束する。
The beam remarkably spreads as the external cavity length L0 increases, and the coupling coefficient C increases every time reflection is repeated.
n approaches zero. Here, considering the effective reflectance r e ,
The second term on the right side of the equation (1) approaches zero, and the effective reflectance r e
Is the semiconductor laser 32 as the external cavity length L0 increases.
To the output side reflectance r 2 .

【0007】通常の端面発光半導体レーザでは、共振器
長Li が300μm以上で、ビーム広がりは、垂直方向
30度、水平方向10度で、端面でのスポット径はそれ
ぞれ、垂直2μm、水平方向6μm程度である。ビーム
は外部ミラーに対して垂直方向に広がり、戻ってくる光
の位相及び波面はガウス分布から大きく異なる。この半
導体レーザを光源とする位置変位センサにおいて、変位
量を光出力信号として検出できるのは、L0 ≦3λ程度
で、数μmとなる。
In an ordinary edge emitting semiconductor laser, the cavity length Li is 300 μm or more, the beam divergence is 30 ° in the vertical direction and 10 ° in the horizontal direction, and the spot diameters on the end face are 2 μm in the vertical direction and 6 μm in the horizontal direction, respectively. Is. The beam spreads in the direction perpendicular to the external mirror, and the phase and wavefront of the returning light differ greatly from the Gaussian distribution. In the position displacement sensor using the semiconductor laser as a light source, the amount of displacement can be detected as an optical output signal when L0 ≤ 3λ and it is several μm.

【0008】つまり、外部共振器長L0 の増加に伴って
ビームが周囲に広く拡がり、反射率が低下すると共に位
相及び波面がレーザに戻る時点で分布をもつ様になって
おり、信号より位置変位量を検出する際の精度はλ/4
以下となる。
That is, as the external cavity length L0 increases, the beam spreads widely to the surroundings, the reflectance decreases, and the phase and the wavefront have a distribution at the time of returning to the laser, and the position displacement is caused by the signal. Accuracy in detecting quantity is λ / 4
It becomes the following.

【0009】さらに、通常の半導体レーザでは、内部共
振器長Li が300μmであるのに対して、外部共振器
長L0 は数波長であり、モード間隔を比較してみると、
内部共振器モード間隔Δfd (=C/(2nLi ))に
対して、外部共振器モード間隔Δfex=C/(2L0 )
で、前者が著しく狭い。光ディスク光源での戻り光雑音
で問題となる10-4以上の戻り光に対しては、内部共振
器モード間でのモード飛びが生じたり、マルチモード化
して、モード分配雑音が増大し、光信号に波長飛びやマ
ルチモード化による高調波歪が重畳され、アナログ信号
処理を行なう変位センサとしては、不適当である。ピー
ク値のみを検出する光ディスク信号には利用できるが、
アナログ信号を多量に分割して精度を向上させるセンサ
としては、波長の数分の一と考えられる。
Further, in the ordinary semiconductor laser, the internal cavity length Li is 300 μm, whereas the external cavity length L0 is several wavelengths.
For the internal resonator mode interval Δf d (= C / (2nLi)), the external resonator mode interval Δf ex = C / (2L0)
And the former is extremely narrow. For return light of 10 -4 or more, which is a problem with the return light noise in the optical disk light source, mode skipping occurs between the internal resonator modes or multimode occurs, and the mode distribution noise increases, and the optical signal It is unsuitable as a displacement sensor that performs analog signal processing, because harmonic distortion due to wavelength jumps and multimode is superimposed on. It can be used for optical disc signals that detect only peak values,
As a sensor for dividing an analog signal into a large number to improve accuracy, it is considered to be a fraction of the wavelength.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】式(1)では、多重反
射による実効反射率re を記述しているが、変位センサ
として利用する場合には、多重反射による位相遅れが重
畳されると精度が低下するため、一度の反射で半導体レ
ーザ本体に結合する場合のみを考えると、高次反射では
結合効率Cn が著しく小さくなる必要がある。つまり、
L0 は少なくとも波長λに対して充分大きくすることが
必要である。
In the equation (1), the effective reflectance r e due to multiple reflection is described. However, when it is used as a displacement sensor, the accuracy is improved when the phase delay due to multiple reflection is superimposed. Therefore, considering only the case of coupling to the semiconductor laser body by a single reflection, the coupling efficiency C n needs to be significantly reduced in the high-order reflection. That is,
L0 needs to be sufficiently large for at least the wavelength λ.

【0011】本発明の光位置変位センサはこのような課
題に着目してなされたものであり、その目的とするとこ
ろは、外部共振器長L0 を波長λに対して十分大きくと
り、戻り光量を数パーセントにしても、位置変位ΔLに
対応した光出力の変化を高調波成分を含まず、nmオー
ダの精度で検出できる光位置変位センサを提供すること
にある。
The optical position displacement sensor of the present invention has been made by paying attention to such a problem, and an object thereof is to set the external resonator length L0 to be sufficiently large with respect to the wavelength λ so that the amount of returned light is large. An object of the present invention is to provide an optical position displacement sensor that can detect a change in the optical output corresponding to the positional displacement ΔL even if it is several percent, without including harmonic components, with an accuracy of the order of nm.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、ビーム広がりが5度以下の単峰性コヒ
ーレント面発光光源と、外部共振器ミラー及び受光素子
より構成され、外部共振器ミラーの微少変位量に対応す
る戻り光の位相差による干渉を光出力変化として受光素
子で検出する光位置変位センサにおいて、外部共振器ミ
ラーの距離L0、 その実効光反射率Re 、前記面発光
光源の波長λ、内部共振器長Li 、その実効屈折率n、
出射面反射率R2 (>0.9かつ、Re <R2 )のと
き、内部共振器モード間隔は、外部共振器モード間隔に
比べ少なくとも10倍以上広く、かつ、
In order to achieve the above object, the present invention comprises a single-peaked coherent surface-emitting light source with a beam spread of 5 degrees or less, an external resonator mirror and a light-receiving element. In an optical position displacement sensor in which interference due to a phase difference of return light corresponding to a slight displacement amount of a resonator mirror is detected by a light receiving element as a change in optical output, a distance L0 of an external resonator mirror, its effective light reflectance R e , The wavelength λ of the surface emitting light source, the internal cavity length Li, the effective refractive index n thereof,
When the emission surface reflectance R 2 (> 0.9 and Re <R 2 ), the internal resonator mode interval is at least 10 times wider than the external resonator mode interval, and

【数4】 [Equation 4]

【0013】の関係が成立する。The relationship is established.

【0014】すなわち、本発明は、光位置変位センサに
おいて、外部共振器ミラーの距離L0 、その実効光反射
率Re 、前記面発光光源の波長λ、内部共振器長Li 、
その実効屈折率n、出射面反射率R2 (>0.9かつ、
e <R2 )のとき、内部共振器モード間隔は、外部共
振器モード間隔に比べ少なくとも10倍以上広く、か
つ、
That is, according to the present invention, in the optical position displacement sensor, the distance L 0 of the external resonator mirror, its effective light reflectance R e , the wavelength λ of the surface emitting light source, the internal resonator length Li,
The effective refractive index n, the emission surface reflectance R 2 (> 0.9, and
When Re <R 2 ), the internal resonator mode interval is at least 10 times wider than the external resonator mode interval, and

【数5】 (Equation 5)

【0015】の関係が成立するようにする。The relationship is established.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】まず、本実施形態の第1の構成を
説明する。本実施形態の光位置変位センサは、ビーム広
がりが5度以下の単峰性コヒーレント面発光光源と、外
部共振器ミラーと、受光素子より構成され、受光素子は
外部共振器ミラーの微少変位量に対応する戻り光の位相
差による干渉を光出力変化として検出する。そして、外
部共振器ミラーの距離L0 、その実効光反射率Re 、前
記面発光光源の波長λ、内部共振器長Li 、その実効屈
折率n、出射面反射率R2 (>0.9かつ、Re
2)のとき、内部共振器モード間隔は、外部共振器モ
ード間隔に比べ少なくとも10倍以上広く、かつ、
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION First, a first configuration of this embodiment will be described. The optical position displacement sensor according to the present embodiment includes a unimodal coherent surface emitting light source having a beam divergence of 5 degrees or less, an external resonator mirror, and a light receiving element, and the light receiving element is a small displacement amount of the external resonator mirror. The interference due to the phase difference of the corresponding return light is detected as a change in the optical output. The distance L0 of the external cavity mirror, its effective light reflectance R e , the wavelength λ of the surface emitting light source, the internal cavity length Li, its effective refractive index n, and the emission surface reflectance R 2 (> 0.9 and , R e <
R 2 ), the internal cavity mode spacing is at least 10 times wider than the external cavity mode spacing, and

【数6】 (Equation 6)

【0017】の関係が成立するようにする。The relation of is established.

【0018】ここで、上記した面発光光源は、垂直短共
振器面発光半導体レーザの他に、10μm以下の短共振
器端面発光半導体レーザを垂直に組立したものも含まれ
る。
Here, the surface emitting light source includes not only the vertical short cavity surface emitting semiconductor laser but also a vertical cavity edge emitting semiconductor laser of 10 μm or less vertically assembled.

【0019】なお、戻り光量の半導体レーザの発振スペ
クトルの影響については、1980年に覧具博義,小林
功郎による米国電気電子技術者学会のジャーナル・オブ
・カンタム・エレクトロニクス誌 巻16,347ペー
ジに掲載された「電流注入型半導体レーザ特性に与える
外部戻り光効果」の複合共振器モデルで説明されている
(Roy,Lang,and Kohroh Kobayashi,“「External Optic
al Feedback Effectson Semiconductor Laser Proporti
es 」J.Quantum Electron,vol 16 No.3,pp347-355,(198
0) 。
Regarding the influence of the oscillation spectrum of the semiconductor laser on the amount of returned light, it was published in 1980 by Hiroyoshi Sangu and Isao Kobayashi in the Journal of Quantum Electronics, Vol. 16, pp. 347. "External return light effect on current injection type semiconductor laser characteristics" is explained in the complex cavity model (Roy, Lang, and Kohroh Kobayashi, “External Optic
al Feedback Effectson Semiconductor Laser Proporti
es '' J. Quantum Electron, vol 16 No.3, pp347-355, (198
0).

【0020】これによれば、複合共振器レーザの発振閾
値条件は、次式となる。
According to this, the oscillation threshold condition of the compound resonator laser is expressed by the following equation.

【0021】[0021]

【数7】 (Equation 7)

【0022】ここで、gは単位長さ当りの線形利得、α
0 は単位長さ当りの吸収係数、Liは半導体レーザ内部
共振器長、r2 は半導体レーザ端面の反射率、r3 は外
部反射器の反射率である。
Where g is the linear gain per unit length, α
0 is the absorption coefficient per unit length, Li is the internal cavity length of the semiconductor laser, r 2 is the reflectance of the semiconductor laser end face, and r 3 is the reflectance of the external reflector.

【0023】[0023]

【数8】 (Equation 8)

【0024】この式より、パラメータZにより位相と閾
値利得が変化することが明らかである。
From this equation, it is clear that the phase and the threshold gain change depending on the parameter Z.

【0025】さらに、レーザミラーと外部共振器によっ
て定義されるファブリーペロ共振器の有効反射率reff
を次のように定義する。
Furthermore, the effective reflectivity r eff of the Fabry-Perot resonator defined by the laser mirror and the external resonator.
Is defined as follows.

【0026】[0026]

【数9】 [Equation 9]

【0027】つまり、戻り光により必要とされる付加利
得G0 はGmin =loge 1 とGmax =loge 2
の間を、反射された電界の位相に依存して変化してい
る。また、r3 <r2 でのパラメータZの位相φは、±
φmax の間を変化する。
That is, the additional gain G 0 required by the returning light is G min = log e x 1 and G max = log e x 2.
Between the two changes depending on the phase of the reflected electric field. Further, the phase φ of the parameter Z when r 3 <r 2 is ±
Vary between φ max .

【0028】[0028]

【数10】 [Equation 10]

【0029】電界でなく、光のパワーの反射率Re につ
いて、スペクトル広がりΔfを記述すると、
When the spectral spread Δf is described for the reflectance R e of the power of light, not the electric field,

【数11】 [Equation 11]

【0030】複素戻り光量パラメータZの位相φの変化
に対して、角周波数ωのシフトが生じるため、この最大
スペクトル広がりΔfが、外部共振器モード間隔Δfex
よりも小さいならば、外部共振器モードと内部共振器モ
ード間でのパワーの結合によるマルチモード化を抑える
ことができる。
Since the angular frequency ω shifts with respect to the change of the phase φ of the complex return light quantity parameter Z, this maximum spectral spread Δf is the external resonator mode interval Δf ex.
If it is smaller than the above, it is possible to suppress multimode generation due to power coupling between the external resonator mode and the internal resonator mode.

【0031】つまり、That is,

【数12】 (Equation 12)

【0032】一方、内部共振器モード間隔を外部共振器
モード間隔に比べ、少なくとも10倍以上広くしなけれ
ば、戻り光量を数%にした場合、活性層のピーク利得が
シフトしたり分布反射器の波長選択性が急峻ではないこ
ともあり、内部共振器モード間のモード跳びが生じる危
険が有る。
On the other hand, if the internal cavity mode spacing is not wider than the external cavity mode spacing by at least 10 times or more, the peak gain of the active layer shifts or the distributed reflector's gain increases when the amount of returned light is set to several percent. Since the wavelength selectivity is not steep, there is a risk of mode jump between the internal cavity modes.

【0033】[0033]

【数13】 (Equation 13)

【0034】ここで、共振器長nLi は、結晶成長上の
エピ結晶の質及び電流の均一注入を考慮し、nLi <1
0μmと考えられ、qの値は20以下の整数とする。し
たがって、 L0 >10nLi =5qλ (q≦20,整数) 以下に本実施形態の第2の構成を説明する。第2の構成
では、第1の構成の光位置変位センサにおいて、位置変
位量測定時の光源の温度上昇量をΔT、
Here, the cavity length nLi is nLi <1 in consideration of the quality of epicrystals on crystal growth and uniform injection of current.
It is considered to be 0 μm, and the value of q is an integer of 20 or less. Therefore, L0> 10nLi = 5qλ (q ≦ 20, integer) The second configuration of this embodiment will be described below. In the second configuration, in the optical position displacement sensor of the first configuration, the temperature rise amount of the light source when measuring the position displacement amount is ΔT,

【数14】 [Equation 14]

【0035】の関係が成り立つようにする。The relationship of is established.

【0036】ここで、Here,

【数15】 (Equation 15)

【0037】なお、面発光レーザの発振波長シフト量
は、戻り光による内部共振器内のレーザ利得の変化によ
るものの他に、活性層内の温度上昇に伴なう長波長側へ
のシフトが考えられる。面発光レーザでは、活性層をは
さむクラッド層の外側に分布反射器2が付けられてい
て、内部共振器(上下のクラッド層間が共振器となる)
の波長シフトに対して、反射ミラー2の波長選択性が活
性層内のバンドギャップの変化に対して抑制する方向に
働き、温度上昇による波長シフト量を通常の半導体レー
ザに比べ、1/5程度に抑えている。しかし、温度上昇
ΔTに伴なう長波長側へのシフト量ΔλT が外部共振器
モードとの結合を助長する。
The oscillation wavelength shift amount of the surface emitting laser may be due to the change in the laser gain in the internal cavity due to the return light, or to the shift to the longer wavelength side due to the temperature rise in the active layer. To be In the surface emitting laser, the distributed reflector 2 is attached to the outside of the clad layer sandwiching the active layer, and the internal resonator (the upper and lower clad layers become the resonator).
The wavelength selectivity of the reflection mirror 2 works against the change of the bandgap in the active layer with respect to the above wavelength shift, and the wavelength shift amount due to the temperature rise is about 1/5 of that of a normal semiconductor laser. I keep it to. However, the shift amount Δλ T toward the long wavelength side accompanying the temperature increase ΔT promotes coupling with the external resonator mode.

【0038】そこで、第1の構成で述べた条件の他に温
度上昇によるシフト量を加えて、設計する必要がある。
これを式で記述すれば、次式となる。
Therefore, in addition to the conditions described in the first structure, it is necessary to add a shift amount due to temperature rise for designing.
If this is described by an equation, it becomes the following equation.

【0039】[0039]

【数16】 [Equation 16]

【0040】以下に本実施形態の第3の構成を説明す
る。第3の構成では、第1の構成の光変位センサにおい
て、nLi =λで、出射面反射率R2 >0.95でか
つ、
The third configuration of this embodiment will be described below. In the third configuration, in the optical displacement sensor of the first configuration, nLi = λ, emission surface reflectance R 2 > 0.95, and

【数17】 [Equation 17]

【0041】の関係が成立するようにする。The relationship of is established.

【0042】面発光半導体レーザを低電流、高効率で動
作させるためには、低しきい値化をする必要がある。1
990年、電子情報通信学会、量子エレクトロニクス研
究会技術報告OQE90−62に掲載された、王貫缶正
らの「極微共振器面発光レーザの極限しきい値に関する
考察」で示された面発光レーザの低しきい値化の方法を
次に述べる。
In order to operate the surface emitting semiconductor laser with low current and high efficiency, it is necessary to reduce the threshold value. 1
In 990, the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, Quantum Electronics Research Group, Technical Report OQE90-62, the surface emitting laser low The thresholding method will be described below.

【0043】面発光半導体レーザの閾値電流密度J
thは、しきい値条件より、
Threshold current density J of surface emitting semiconductor laser
th is the threshold condition,

【数18】 (Equation 18)

【0044】で表わされる。ここで、gthはしきい値利
得、
Is represented by Where g th is the threshold gain,

【数19】 [Formula 19]

【0045】は、平均面発光レーザミラー反射率、Li
とdはそれぞれ内部共振器長と活性層厚である。αac
αexは、それぞれ、活性層とクラッド層の吸収損失を示
す。ξは活性領域の光閉じ込め係数であり、次式で表現
される。
Is the average surface emitting laser mirror reflectance, Li
And d are the internal cavity length and the active layer thickness, respectively. α ac and α ex represent the absorption loss of the active layer and the cladding layer, respectively. ξ is the optical confinement coefficient of the active region and is expressed by the following equation.

【0046】[0046]

【数20】 (Equation 20)

【0047】d/Li ・Γ(d)とξ(D)は、それぞ
れ活性層の縦方向と横方向の閉じ込め係数である。ま
た、しきい値利得gthとしきい値キャリア密度Nth
は、 gth=A0 th−αin …(28) の近似が実験的に成立する。A0 はパラメータであり、
αinは導波路損失である。さらに、量子井戸活性層の場
合には、 Jth=edBeff th 2 …(29) ここで、eは電子の電荷、Beff はパラメータである。
D / Li · Γ (d) and ξ (D) are the vertical and horizontal confinement coefficients of the active layer, respectively. Further, the threshold gain g th and the threshold carrier density N th are experimentally approximated by g th = A 0 N th −α in (28). A 0 is a parameter,
α in is the waveguide loss. Further, in the case of a quantum well active layer, J th = edB eff N th 2 (29) Here, e is an electron charge and B eff is a parameter.

【0048】これらの式より、しきい値電流密度J
thは、次式のように近似できる。
From these equations, the threshold current density J
th can be approximated by the following equation.

【0049】[0049]

【数21】 [Equation 21]

【0050】ここで、Beff =1×10-10 cm3
S,A0 =2×10-16 cm2 ,αin=400cm-1
ξ(D)〜1とした時の反射率R0 をパラメータとし、
活性層厚dとしきい値電流密度Jthの関係を図6に示
す。
Here, B eff = 1 × 10 -10 cm 3 /
S, A 0 = 2 × 10 -16 cm 2 , α in = 400 cm -1 ,
The reflectance R 0 when ξ (D) to 1 is used as a parameter,
FIG. 6 shows the relationship between the active layer thickness d and the threshold current density J th .

【0051】しきい値電流密度Jthを低減させるには、
活性層をバルク結晶に比べ、多重量子井戸活性層にした
方が、その利得の急峻性、波長安定性より有利である。
また活性層への電流注入の均一性から、その多重度は活
性層厚全体として、da ≦0.1μmとなる。図6よ
り、出射端面の反射率R2 >0.95が条件となる。
To reduce the threshold current density J th ,
The multiple quantum well active layer is more advantageous than the bulk crystal in the active layer in terms of steep gain and wavelength stability.
Also, due to the uniformity of current injection into the active layer, the multiplicity is d a ≦ 0.1 μm for the entire active layer thickness. From FIG. 6, the condition is that the reflectance R 2 of the exit facet is> 0.95.

【0052】[0052]

【数22】 [Equation 22]

【0053】となる。さて、垂直共振器面発光半導体レ
ーザでは、活性層の位置は定在波の腹の位置になること
が低閾値電流動作に必要な条件となる。つまり、活性層
でキャリアの再結合により光が発生するため、定在波の
腹位置に利得を増大させる活性層が有ることがレーザ発
振をスムーズにする条件となる。活性層がレーザ発振光
に対して光吸収媒質でも有るため、活性層内での定在波
の腹の数を極力抑える。そこで、活性層が定在波の腹の
位置でかつ共振器両端面で振幅が大きくなる条件が最適
であり、nLi =λとなる。
It becomes Now, in the vertical cavity surface emitting semiconductor laser, the condition required for low threshold current operation is that the position of the active layer is the position of the antinode of the standing wave. That is, since light is generated by recombination of carriers in the active layer, the presence of the active layer that increases the gain at the antinode position of the standing wave is a condition for smoothing laser oscillation. Since the active layer also serves as a light absorbing medium for laser oscillation light, the number of antinodes of standing waves in the active layer is suppressed as much as possible. Therefore, the optimum condition is that the active layer is at the antinode position of the standing wave and the amplitude is large on both end faces of the resonator, and nLi = λ.

【0054】内部共振器長Li =λ/nの最低定在波数
にすることにより、
By setting the minimum standing wave number of the internal resonator length Li = λ / n,

【数23】 (Equation 23)

【0055】で、活性層及び分布反射器のスペクトル広
がりは、波長λの10分の1以下であるため、内部共振
器モード間のモードホッピングは存在しない。
Since the spectral spread of the active layer and the distributed reflector is 1/10 or less of the wavelength λ, there is no mode hopping between the internal cavity modes.

【0056】以下に本実施形態の第4の構成を説明す
る。第4の構成は、第3の構成の光位置変位センサにお
いて、出射面反射率R2 を0.98≦R2 <1で、外部
ミラー反射率Rex≦0.4とする。
The fourth configuration of this embodiment will be described below. In the fourth configuration, in the optical position displacement sensor of the third configuration, the emission surface reflectance R 2 is 0.98 ≦ R 2 <1, and the external mirror reflectance R ex ≦ 0.4.

【0057】図6より、モニター側はR1 〜0.99と
し、R0 の値を0.98≦R0 <1とすれば、しきい値
電流密度は、da が数百nmで極小値をもち、内部共振
器長がnLi =λで、n〜3.4程度よりLi 〜λ/n
=λ/3.4=0.25〜0.30μmとなり、例え
ば、クラッド層を対称に0.1μmの厚さにして、活性
層をはさめば、第3の構成の条件を満足する上に、しき
い値電流密度Jthが極小値に近いため、位置変位検出時
の温度上昇ΔTを極力、例えば数℃以下に抑えることが
できる。
[0057] From FIG. 6, the monitor side and R 1 to 0.99, if a value of R 0 and 0.98 ≦ R 0 <1, the threshold current density is minimum d a is several hundred nm Value, and the internal cavity length is nLi = .lambda., And from n.about.3.4, Li.about..lambda. / N
= Λ / 3.4 = 0.25 to 0.30 μm, for example, if the cladding layer is symmetrically formed to have a thickness of 0.1 μm and the active layer is sandwiched, the condition of the third configuration is satisfied. Since the threshold current density J th is close to the minimum value, the temperature rise ΔT at the time of detecting the position displacement can be suppressed to the maximum, for example, several degrees Celsius or less.

【0058】式(11)より、Li =λ/nと極小とな
ると、式(7)の戻り光量パラメータZの絶対値を小さ
くするには、G0 を小さくすれば良い。そこで、
When Li = λ / n is a minimum value from the equation (11), G 0 may be reduced to reduce the absolute value of the return light amount parameter Z in the equation (7). Therefore,

【数24】 [Equation 24]

【0059】は、R2 を固定すると、Re の増加関数と
なる。また、φmax もR2 を固定するとRe の単調増加
関数となる。そこで、G0 のピーク値について、その最
大値の10%程度となるRexを求めると、図7に示す様
にRex≦0.4となる。
When R 2 is fixed, becomes an increasing function of R e . Further, φ max also becomes a monotonically increasing function of R e when R 2 is fixed. Therefore, when R ex which is about 10% of the maximum value of the peak value of G 0 is obtained, R ex ≦ 0.4 as shown in FIG. 7.

【0060】以下に図面を参照して本実施例をさらに説
明する。
This embodiment will be further described below with reference to the drawings.

【0061】図1(a)は上記した第1の構成に対応す
る構成図である。同図において、クラッド層ではさまれ
た活性層7よりなる内部共振器(長さLi )の外側に分
布反射ミラー2が設けられている。また、面発光半導体
レーザ1の出射側前方には、可動部に付けられた外部共
振器ミラー3が設けられている。さらに、面発光半導体
レーザ1のモニター側には、無反射(AR)コート膜4
を介して、光検出器6が設けられている。レーザ発振角
周波数ωで出射されたレーザ光が外部ミラー3で反射さ
れ、再び、面発光半導体レーザ1に戻る時間τが位相遅
れωτとなる。
FIG. 1A is a configuration diagram corresponding to the above-mentioned first configuration. In the figure, a distributed Bragg reflector 2 is provided outside an internal resonator (length Li) formed of an active layer 7 sandwiched between clad layers. An external resonator mirror 3 attached to the movable portion is provided in front of the emitting side of the surface emitting semiconductor laser 1. Further, on the monitor side of the surface emitting semiconductor laser 1, an antireflection (AR) coating film 4 is formed.
The photodetector 6 is provided via the. The laser light emitted at the laser oscillation angular frequency ω is reflected by the external mirror 3 and returns to the surface-emitting semiconductor laser 1 again, the time τ becomes the phase delay ωτ.

【0062】この戻り光と出射する光との位相差より干
渉が生じる。この干渉による光出力の変化は、面発光半
導体レーザ1のモニター側のARコート膜4を通った光
を光検出器6で検出することにより位相差がわかる。つ
まり、出力信号は、図1(b)に示すように、移動距離
ΔLがλの周期で、山又は谷が出現する正弦波信号であ
る。この光検出器6の表面にも無反射(AR)コート膜
5が付けられ、光検出器表面からの反射による複合共振
器をモニター側では形成しない工夫をしている。
The phase difference between the return light and the emitted light causes interference. The change in the optical output due to this interference can be understood by detecting the light that has passed through the AR coat film 4 on the monitor side of the surface emitting semiconductor laser 1 by the photodetector 6. That is, as shown in FIG. 1B, the output signal is a sine wave signal in which a moving distance ΔL has a period of λ and peaks or troughs appear. An antireflection (AR) coating film 5 is also attached to the surface of the photodetector 6 so that a composite resonator due to reflection from the photodetector surface is not formed on the monitor side.

【0063】次に、レーザ発振波長λを0.98μm、
内部共振器長nLi =3λとし、面発光半導体レーザの
ビームは平行ビームに近いが、その広がりを考慮し、結
合パラメータρ=0.85とする。つまり、外部有効反
射率Re =ρ2 exで記述されると仮定した場合の例を
図2に示す。
Next, the laser oscillation wavelength λ is 0.98 μm,
The internal cavity length is nLi = 3λ, and the beam of the surface-emitting semiconductor laser is close to a parallel beam, but considering its spread, the coupling parameter ρ is set to 0.85. That is, an example of a case where it is assumed to be described by externally effective reflectivity R e = ρ 2 R ex in FIG.

【0064】面発光半導体レーザ1のモニター側の反射
率R1 は、しきい値電流低減のみを考えるならば、図6
のように1に近づけるべきである。しかしながらモニタ
ー側で面発光半導体レーザ1の出力変化を検出するため
に、その検出感度及び出力が1mW程度であることを考
慮し、反射率R1 は、0.98前後の値が実用値と考え
られる。
The reflectance R 1 on the monitor side of the surface emitting semiconductor laser 1 is as shown in FIG.
Should approach 1 as in. However, in order to detect the output change of the surface emitting semiconductor laser 1 on the monitor side, considering that the detection sensitivity and the output are about 1 mW, the reflectance R 1 is considered to be a practical value of about 0.98. To be

【0065】また出射端面反射率R2 についても、面発
光半導体レーザ1は共振器長Li が通常の端面発光に比
べ2桁短いため利得を得るのに帰還の回数を増大させる
必要があり、分布反射器の反射率は、0.98前後の値
で設計するのが実用上好ましい。
Regarding the emitting facet reflectivity R 2 , the surface emitting semiconductor laser 1 has a cavity length Li which is two orders of magnitude shorter than that of normal facet emitting, so that it is necessary to increase the number of feedbacks to obtain a gain. It is practically preferable to design the reflectance of the reflector to be a value of about 0.98.

【0066】そこで、移動距離ΔLを広範囲(〜1m
m)で測定する場合には、図2よりL0 が短い場合は、
外部共振器間隔がC/2L0 で大きくなるため問題はな
く、L0 〜1mmでの単一軸モード発振の範囲を考える
べきである。R2 =0.98とすれば、Rex≦0.2と
なる。短共振器レーザでは、式(11)の右辺第2項及
び第3項について、loge (1/r2 2 )とloge
x(=G0 )とを比較し、Li が数μmであるため|G
0 |≧10-3であれば、利得gが戻り光の影響で式(1
0)、式(11)のφ1 及びgが変わり、光出力の変化
が生じる。Rex=0.2の場合のG0 を計算すれば、G
max は、12×10-3であり、Gmin は−5.6×10
-3となり、戻り光によって利得gは大きく変化すること
がわかる。
Therefore, the moving distance ΔL can be set in a wide range (up to 1 m).
m), when L0 is shorter than that in Fig. 2,
There is no problem because the external resonator spacing becomes large at C / 2L0, and the range of single axis mode oscillation at L0 to 1 mm should be considered. If R 2 = 0.98, then R ex ≦ 0.2. In the short-cavity laser, log e (1 / r 2 2 ) and log e for the second term and the third term on the right side of the equation (11).
x (= G 0 ), and since Li is several μm, | G
If 0 | ≧ 10 −3 , the gain g is given by the formula (1
0), φ 1 and g in the equation (11) are changed, and the optical output is changed. Calculating G 0 when R ex = 0.2 gives G
max is 12 × 10 −3 and G min is −5.6 × 10.
It becomes -3 , and it can be seen that the return light greatly changes the gain g.

【0067】一方、Rex>0.2とすると、角周波数シ
フトの最大値Δωmax でφmax の値は、それほど大きく
ならない。しかし、内部共振器のモード間隔の角周波数
ωDが、面発光半導体レーザ1では、通常の端面発光レ
ーザに比べ、その共振器長Li の比で2桁近く大きく、
結果として、Δωmax は2桁大きくなり、外部共振器モ
ードとパワー結合し、多モード化される。
On the other hand, when R ex > 0.2, the maximum value Δω max of the angular frequency shift and the value of φ max do not become so large. However, in the surface emitting semiconductor laser 1, the angular frequency ω D of the mode interval of the internal cavity is larger than the ordinary edge emitting laser by nearly two orders of magnitude in terms of the cavity length Li.
As a result, Δω max becomes two orders of magnitude larger, and the power is coupled to the external resonator mode, and the mode becomes multimode.

【0068】したがって、ΔL〜1mmで、R2 =0.
98の条件では、Rex≦0.2に設計することにより、
図1(b)に示すような正弦波状の信号が得られ、細分
割できる高精度センサとなる。
Therefore, at ΔL˜1 mm, R 2 = 0.
Under the condition of 98, by designing R ex ≦ 0.2,
A sinusoidal signal as shown in FIG. 1B is obtained, and the sensor becomes a high-precision sensor that can be subdivided.

【0069】次に第2の構成についてさらに説明する。
第1の構成において、出射面反射率R2 =0.98で、
面発光レーザの温度上昇に伴なう波長シフト係数
Next, the second structure will be further described.
In the first configuration, the output surface reflectance R 2 = 0.98,
Wavelength shift coefficient with temperature rise of surface emitting laser

【数25】 (Equation 25)

【0070】を0.6オングストローム/℃に対し、Δ
T=0℃、5℃、10℃、20℃について、単一軸モー
ド発振が可能な外部共振器長L0 の一例を図3に示す。
素子の温度上昇量が20℃となると、外部ミラーの反射
率Rexを変えるよりも、むしろ温度上昇に伴なう長波長
側へのシフト量の方が外部共振器モードとのパワー結合
を支配することになる。この場合の変位測定範囲ΔL
は、100μm前後である。
Is 0.6 angstrom / ° C., Δ
FIG. 3 shows an example of the external resonator length L0 capable of single-axis mode oscillation at T = 0 ° C., 5 ° C., 10 ° C., and 20 ° C.
When the temperature rise of the element reaches 20 ° C., the amount of shift to the long wavelength side due to the temperature rise rather than changing the reflectance R ex of the external mirror dominates the power coupling with the external resonator mode. Will be done. Displacement measurement range ΔL in this case
Is around 100 μm.

【0071】したがって、面発光半導体レーザ1の動作
電流値を低減させ、センサ光源の熱の発生を極力抑制す
ることが重要である。例えば、活性層の利得スペクトル
分布のピーク値に対して、分布反射器の反射率の波長特
性のピーク値を予め、長波長側へシフトさせた設計をす
れば、活性層内の発熱に伴なう長波長側へのシフトを分
布反射器の温度係数が著しく小さくなるので、スペクト
ルのシフト量をΔλT≦1〜2nm(20〜30℃の範
囲で)にする方法も考えられる。
Therefore, it is important to reduce the operating current value of the surface emitting semiconductor laser 1 and suppress the heat generation of the sensor light source as much as possible. For example, when the peak value of the wavelength characteristic of the reflectance of the distributed reflector is shifted in advance to the long wavelength side with respect to the peak value of the gain spectrum distribution of the active layer, it is possible to prevent heat generation in the active layer. Since the temperature coefficient of the distributed reflector is remarkably reduced in the shift to the long wavelength side, a method of setting the spectral shift amount to Δλ T ≦ 1 to 2 nm (in the range of 20 to 30 ° C.) is also conceivable.

【0072】変位測定範囲ΔLを1mmまで広範囲にす
るにはΔTを±1℃で、Rex≦0.15の低反射にする
方法しかない。温度上昇に対しては、外部共振器長L0
の使用範囲が著しく狭くなる。例えば比較的長いパルス
(例えば、2μs、デューティ比100)でかつ、素子
温度の上昇が±1℃に抑えられる方式で位置変位を検出
する方法もあるが、連続的な位置変位と細分割化による
精度は低下する。
The only way to extend the displacement measuring range ΔL to 1 mm is to make ΔT at ± 1 ° C. and to have a low reflection of R ex ≦ 0.15. External resonator length L0 against temperature rise
The use range of is significantly narrowed. For example, there is a method of detecting a positional displacement by a method in which a relatively long pulse (for example, 2 μs, a duty ratio of 100) and a rise in element temperature is suppressed to ± 1 ° C., but continuous positional displacement and subdivision Accuracy is reduced.

【0073】次に第3の構成についてさらに説明する。
多重量子井戸活性層の位置を定在波の腹の位置とし、内
部共振器長Li は1波長実効屈折率n=3.34、戻り
光が無い場合のレーザの発振波長λを0.98μmで
は、Li =λ/n〜0.293μmとする。そこで、活
性層厚da は、
Next, the third structure will be further described.
When the position of the multi-quantum well active layer is the position of the antinode of the standing wave, the internal cavity length Li is one wavelength effective refractive index n = 3.34, and the oscillation wavelength λ of the laser when there is no returning light is 0.98 μm. , Li = λ / n to 0.293 μm. Therefore, the active layer thickness d a,

【数26】 (Equation 26)

【0074】上記の係数1/3は、活性層とクラッド層
との屈折率差が小さく、電界分布が両側に広がった時の
閉じ込め係数である。しかし、実際には、これよりも活
性層厚da は薄くなり、量子井戸効果を強めている。な
お、λ/2nは、活性領域内での定在波の周期である。
The above coefficient 1/3 is a confinement coefficient when the difference in refractive index between the active layer and the cladding layer is small and the electric field distribution spreads to both sides. However, in reality, the active layer thickness d a is thinner than this, and the quantum well effect is strengthened. It should be noted that λ / 2n is the period of the standing wave in the active region.

【0075】この活性層厚da <0.05μmの条件及
び単一量子井戸幅da >0.008μmの範囲で、図6
に示すように面発光半導体レーザ1のしきい値電流密度
thは極小値をもつ。
Under the condition of the active layer thickness d a <0.05 μm and the range of single quantum well width d a > 0.008 μm, FIG.
As shown in, the threshold current density J th of the surface emitting semiconductor laser 1 has a minimum value.

【0076】出射面の反射率R2 を0.95、0.9
8、0.99、0.995の場合の本実施例の光位置変
位センサで単一軸モードが保たれる外部共振器長L0 の
関係の一例を図4に示す。
The reflectance R 2 of the emission surface is 0.95, 0.9
FIG. 4 shows an example of the relationship of the external resonator length L0 in which the single-axis mode is maintained in the optical position displacement sensor of this embodiment in the case of 8, 0.99, and 0.995.

【0077】内部共振器長Li を短くすると、外部共振
器長L0 の範囲が狭くなる。これは、式(11)の右辺
第3項のG0 /Li の項が増大し、戻り光に対する利得
の変化量Δgが大きくなると共に、Δωmax で、内部共
振器モード角周波数ωD も増大し、スペクトルのシフト
量も式(20)より大きくなるためである。
When the internal resonator length Li is shortened, the range of the external resonator length L0 is narrowed. This means that the term G 0 / Li in the third term on the right side of the equation (11) increases, the gain variation Δg with respect to the return light increases, and Δω max also increases the internal resonator mode angular frequency ω D. However, the shift amount of the spectrum is also larger than that of the equation (20).

【0078】出射面反射率R2 が0.995のときの出
力パワー値は非常に小さい値であるがこの場合には、外
部ミラーの反射率Rexを変えることにより、300μm
より1mmまで広範囲に対応できる。
The output power value when the output surface reflectance R 2 is 0.995 is a very small value, but in this case, the reflectance R ex of the external mirror is changed to 300 μm.
It can handle a wide range up to 1 mm.

【0079】しかしながら、出力側及びモニター側の反
射率を著しく高くすると、戻り光による位相干渉で生じ
た光出力の変化を検出する受光素子の感度が要求され、
場合によってはアバランシェホトダイオードのような増
倍効果を利用した検出器が要求される。
However, if the reflectance on the output side and the monitor side is significantly increased, the sensitivity of the light receiving element for detecting the change in the optical output caused by the phase interference due to the returning light is required,
In some cases, a detector using a multiplication effect such as an avalanche photodiode is required.

【0080】実用上では、出射面反射率R2 =0.98
を考えると、図5に示すように素子の温度上昇に対し
て、測定許容範囲が著しく狭くなることが無い。例え
ば、素子の温度上昇をΔT=20℃としても、Rex
0.5では、2割程度狭くなるに過ぎない。一方、高反
射率ミラーRex>0.9では温度上昇がΔT=20℃で
あっても、10μm程度L0 が短かくなる程度で変らな
い。
In practical use, the reflectance of the emitting surface R 2 = 0.98
Considering the above, as shown in FIG. 5, the allowable measurement range does not become extremely narrow with respect to the temperature rise of the element. For example, even if the temperature rise of the element is ΔT = 20 ° C., R ex
At 0.5, it is only about 20% narrower. On the other hand, in the case of the high reflectance mirror R ex > 0.9, even if the temperature rise is ΔT = 20 ° C., it does not change even if the L 0 becomes short by about 10 μm.

【0081】逆に、出射面反射率R2 を0.95とする
と、面発光半導体レーザ1の動作電流も図6から2桁上
昇するため、実用上不可であるばかりでなく、単一軸モ
ード発振の点からも、数十波長の距離の変位しか測定で
きない。温度上昇による波長シフトを考えると、端面発
光の通常の半導体レーザのように数波長の距離しか検出
できない。
On the contrary, when the emission surface reflectance R 2 is 0.95, the operating current of the surface emitting semiconductor laser 1 also rises by two digits from FIG. 6, which is not only practically impossible but also the single axis mode oscillation. Also from the point of, it is possible to measure only displacement of a distance of several tens of wavelengths. Considering the wavelength shift due to temperature rise, only a distance of several wavelengths can be detected like a normal semiconductor laser emitting edge light.

【0082】以下に第4の構成についてさらに説明す
る。モニター側の光出力を共振器内部の1%で、内部の
光出力の変化を検出することが可能である、光受光素子
を用いた場合、出力側の反射ミラーの反射率R2 を0.
98≦R2 <1とする。この範囲での平均反射率は、
The fourth structure will be further described below. When the light output on the monitor side is 1% of the inside of the resonator and a change in the light output on the inside can be detected. When a light receiving element is used, the reflectance R 2 of the reflection mirror on the output side is 0.
98 ≦ R 2 <1. The average reflectance in this range is

【数27】 [Equation 27]

【0083】となり、図6に示す様に、活性層を多重量
子井戸構造で100オングストローム≦da ≦500オ
ングストロームとすれば、この領域で極小しきい値電流
密度Jth〜5kA/cm2 となる。ビームの広がりを平
行ビームに近く、単峰性のコヒーレント光にするには、
12μmφ前後の径となり、しきい値電流としては5.
6mAで、出力が変位センサであるから1mW程度であ
る。したがって、動作電流は10mAを越えることは無
く、この点でも素子の温度上昇を低く抑えられる。
As shown in FIG. 6, if the active layer has a multi-quantum well structure of 100 Å ≦ d a ≦ 500 Å, the minimum threshold current density J th is 5 kA / cm 2 in this region. . To make the divergence of the beam close to a parallel beam and making it a monomodal coherent light,
The diameter is about 12 μmφ and the threshold current is 5.
At 6 mA, the output is about 1 mW because it is a displacement sensor. Therefore, the operating current does not exceed 10 mA, and in this respect as well, the temperature rise of the element can be suppressed low.

【0084】発振波長λの100倍(〜100μm)の
範囲での変位センサを高精度に実現する場合、図4に示
すように外部共振器ミラーの反射率Rexを0.4以上に
すれば、R2 ≧0.98で、200μm〜400μmの
範囲で実用に供せられる。また、R2 =0.98で、仮
に素子の温度が20℃上昇しても、充分に100μmの
範囲で、高精度な正弦波状の変位信号が検出できる。
When a displacement sensor in the range of 100 times (˜100 μm) of the oscillation wavelength λ is realized with high accuracy, the reflectance R ex of the external resonator mirror is set to 0.4 or more as shown in FIG. , R 2 ≧ 0.98, practical use is possible in the range of 200 μm to 400 μm. Further, when R 2 = 0.98, even if the element temperature rises by 20 ° C., a highly accurate sinusoidal displacement signal can be detected within a range of 100 μm.

【0085】上記した具体的実施形態から以下のような
構成の技術的思想が導き出される。
The technical idea of the following configuration is derived from the above-described specific embodiment.

【0086】(1)ビーム広がりが5度以下の単峰性コ
ヒーレント面発光光源と、外部共振器ミラー及び受光素
子より構成され、外部共振器ミラーの微少変位量に対応
する戻り光の位相差による干渉を光出力変化として受光
素子で検出する光位置変位センサにおいて、外部共振器
ミラーの距離L0 、その実効光反射率Re 、前記面発光
光源の波長λ、内部共振器長Li 、その実効屈折率n、
出射面反射率R2 (>0.9かつ、Re <R2 )のと
き、内部共振器モード間隔は、外部共振器モード間隔に
比べ少なくとも10倍以上広く、かつ、
(1) It consists of a single-peaked coherent surface-emitting light source with a beam divergence of 5 degrees or less, an external resonator mirror and a light-receiving element, and it depends on the phase difference of the return light corresponding to the minute displacement of the external resonator mirror. In an optical position displacement sensor that detects interference as a change in optical output by a light receiving element, the distance L0 of the external resonator mirror, its effective light reflectance R e , the wavelength λ of the surface emitting light source, the internal resonator length Li, and its effective refraction. Rate n,
When the emission surface reflectance R 2 (> 0.9 and Re <R 2 ), the internal resonator mode interval is at least 10 times wider than the external resonator mode interval, and

【数28】 [Equation 28]

【0087】の関係が成立することを特徴とする光位置
変位センサ。
An optical position displacement sensor characterized in that the following relationship is established.

【0088】(2) 構成(1)の光位置変位センサに
おいて、変位量測定時の光源の温度上昇量をΔT、波長
シフト係数を
(2) In the optical position displacement sensor having the configuration (1), the temperature rise amount of the light source when measuring the displacement amount is ΔT, and the wavelength shift coefficient is

【数29】 [Equation 29]

【0089】の関係が成り立つことを特徴とする光位置
変位センサ。
An optical position displacement sensor characterized in that the following relationship is established.

【0090】(3) 構成(1)の光位置変位センサに
おいて、nLi =λで、出射反射率R2 >0.95でか
つ、
(3) In the optical position displacement sensor having the configuration (1), nLi = λ, the emission reflectance R 2 > 0.95, and

【数30】 [Equation 30]

【0091】の関係が成立することを特徴とする光位置
変位センサ。
An optical position displacement sensor characterized by satisfying the relationship of:

【0092】(4) 構成(3)の光位置変位センサに
おいて、出射面反射率を0.98≦R2 <1で外部ミラ
ー反射率Rex≦0.4とすることを特徴とする光位置変
位センサ。
(4) In the optical position displacement sensor having the configuration (3), the light position is characterized in that the emission surface reflectance is 0.98 ≦ R 2 <1 and the external mirror reflectance R ex ≦ 0.4. Displacement sensor.

【0093】上記した構成(1)乃至(4)の効果は以
下の通りである。
The effects of the above configurations (1) to (4) are as follows.

【0094】(1) 面発光光源の反射率R2 及び外部
反射器の実効反射率Re (<R2 )を上記した構成
(1)の条件を満たすように設計することにより、外部
共振器L0を発振波長λに対して充分大きくでき、外部
共振器モード間隔よりも、スペクトルの位相変化に伴な
うシフト量が小さいため、外部共振器モードと内部共振
器モードとの間のマルチモード化が戻り光量が数%とな
っても抑制される。本実施例の光位置変位センサには、
変位センサ信号に高調波歪が含まれず、信号を細分化で
き、λオーダの数十分の一以下迄の精度が可能であり、
nmオーダの高精度センサとなる。
(1) The external resonator is designed by designing the reflectance R 2 of the surface emitting light source and the effective reflectance R e (<R 2 ) of the external reflector so as to satisfy the condition of the above configuration (1). Since L0 can be made sufficiently large with respect to the oscillation wavelength λ and the shift amount accompanying the phase change of the spectrum is smaller than the external resonator mode interval, a multimode between the external resonator mode and the internal resonator mode can be realized. However, even if the amount of returned light becomes several percent, it is suppressed. The optical position displacement sensor of this embodiment includes
The displacement sensor signal does not include harmonic distortion, and the signal can be subdivided, and the accuracy can be up to several tenths or less of the λ order.
It becomes a high-precision sensor on the order of nm.

【0095】(2) 内部共振器の波長のスペクトル変
化(広がり)を外部共振器長L0 の変化量に測定中の光
源の温度上昇に伴なう長波長側へのシフト量を考慮し
て、外部共振器モード間隔よりも狭くすることにより、
マルチモード化を抑制できる。つまり、本実施例により
変位センサ信号に高調波歪が含まれることを抑制でき、
信号の細分割ができ、nmオーダの高精度が供せられ
る。
(2) Taking into consideration the shift amount to the long wavelength side due to the temperature rise of the light source during measurement, the spectral variation (spreading) of the wavelength of the internal cavity is taken into consideration in the variation of the external cavity length L0. By making it narrower than the external resonator mode interval,
It is possible to suppress multi-mode. That is, according to the present embodiment, it is possible to suppress the harmonic distortion included in the displacement sensor signal,
The signal can be subdivided, and high accuracy on the order of nm can be provided.

【0096】(3) 低電流動作の面発光半導体レーザ
が実現でき、動作電流が数mAであり、変位検出中の光
源の温度上昇を低く抑えることができる。本実施例で
は、内部共振器モード間隔がλ/2で、モードホッピン
グは、分布反射器の波長特性が波長の数十分の一であり
存在しない(この条件では、レーザ発振しない)。外部
共振器モード間との結合は、構成(1)で述べた条件で
設計することにより、nmオーダの高精度の位置変位セ
ンサを提供できる。
(3) A surface emitting semiconductor laser of low current operation can be realized, the operating current is several mA, and the temperature rise of the light source during displacement detection can be suppressed low. In this embodiment, the internal cavity mode spacing is λ / 2, and mode hopping does not exist because the wavelength characteristic of the distributed reflector is several tenths of the wavelength (laser oscillation does not occur under this condition). By designing the coupling between the external resonator modes under the conditions described in the configuration (1), it is possible to provide a highly accurate position displacement sensor on the order of nm.

【0097】(4) しきい値電流密度Jth≦10kA
/cm2 で、ビーム広がりを数度の単峰性面発光レーザ
では発光径が10μm程度であり、しきい値電流は8m
A以下となり、光出力は1mW以下で充分であるため、
面発光レーザの動作電流は、10mA以下である。低電
流駆動であるため、変位量検出時の光源の温度上昇は、
数℃以下に抑えられると共に、移動量ΔL≧100λの
範囲で、正弦波状の細分割できる位置変位信号を検出で
き、nmオーダの精度が期待できる。
(4) Threshold current density J th ≦ 10 kA
/ In cm 2, and unimodal surface emitting laser few degrees beam spread is about emission diameter of 10 [mu] m, the threshold current 8m
Since it is less than A, and the optical output of 1 mW or less is sufficient,
The operating current of the surface emitting laser is 10 mA or less. Since it is driven with a low current, the temperature rise of the light source during displacement detection is
In addition to being suppressed to several degrees Celsius or less, it is possible to detect a sinusoidal subdivided position displacement signal in the range of the movement amount ΔL ≧ 100λ, and it can be expected that the accuracy is in the nm order.

【0098】[0098]

【発明の効果】本発明によれば、外部共振器長L0 を波
長λに対して十分大きくとり、戻り光量を数パーセント
にしても、位置変位ΔLに対応した光出力の変化を高調
波成分を含まずにnmオーダの精度で検出できるように
なる。
According to the present invention, even if the external cavity length L0 is set sufficiently large with respect to the wavelength λ and the amount of returned light is several percent, the change in the optical output corresponding to the positional displacement ΔL is converted into a harmonic component. It becomes possible to detect with accuracy of nm order without including it.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】(a)は本発明の光位置変位センサの構成概略
図であり、(b)はその出力信号図である。
1A is a schematic configuration diagram of an optical position displacement sensor of the present invention, and FIG. 1B is an output signal diagram thereof.

【図2】外部反射ミラー反射率Rexに対する単一軸モー
ド発振が可能な外部ミラーの距離L0 の関係を示す図で
ある。
FIG. 2 is a diagram showing a relationship between a reflectance L ex of an external reflection mirror and a distance L0 of an external mirror capable of single-axis mode oscillation.

【図3】センサ発光部温度の上昇を考慮した場合の外部
反射ミラー反射率Rexに対する単一軸モード発振が可能
な外部ミラーの距離L0 の関係を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a relationship of a distance L0 of an external mirror capable of single-axis mode oscillation with respect to an external reflection mirror reflectance R ex in consideration of a rise in temperature of a sensor light emitting portion.

【図4】外部反射ミラー反射率Rexに対する単一軸モー
ド発振が可能な外部ミラーの距離L0 の関係を示す図で
ある。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the reflectance L ex of the external reflection mirror and the distance L0 of the external mirror capable of single-axis mode oscillation.

【図5】センサ発光部温度の上昇を考慮した場合の外部
反射ミラー反射率Rexに対する単一軸モード発振が可能
な外部ミラーの距離L0 の関係を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the external reflection mirror reflectance R ex and the distance L 0 of the external mirror capable of single-axis mode oscillation when the rise in the temperature of the sensor light emitting part is taken into consideration.

【図6】面発光半導体レーザのしきい値電流密度と活性
層厚依存性の関係を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a threshold current density and an active layer thickness dependency of a surface emitting semiconductor laser.

【図7】戻り光パラメータZの振幅係数G0 と変位量の
位相φ0 /πとの関係を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the amplitude coefficient G 0 of the return light parameter Z and the phase φ 0 / π of the displacement amount.

【図8】(a)は従来の光位置変位センサの構成概略図
であり、(b)はその出力信号図である。
8A is a schematic configuration diagram of a conventional optical position displacement sensor, and FIG. 8B is an output signal diagram thereof.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…面発光半導体レーザ、2…分布反射ミラー、3…外
部反射ミラー、4,5…無反射コーティング膜、6…光
検出器、7…活性層、31…外部反射ミラー、32…通
常の端面発光ミラー、33…ホトダイオード。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Surface emitting semiconductor laser, 2 ... Distributed reflection mirror, 3 ... External reflection mirror, 4, 5 ... Non-reflective coating film, 6 ... Photodetector, 7 ... Active layer, 31 ... External reflection mirror, 32 ... Normal end surface Light emitting mirror, 33 ... Photodiode.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ビーム広がりが5度以下の単峰性コヒー
レント面発光光源と、外部共振器ミラー及び受光素子よ
り構成され、外部共振器ミラーの微少変位量に対応する
戻り光の位相差による干渉を光出力変化として受光素子
で検出する光位置変位センサにおいて、 外部共振器ミラーの距離L0 、その実効光反射率Re 、
前記面発光光源の波長λ、内部共振器長Li 、その実効
屈折率n、出射面反射率R2 (>0.9かつ、Re <R
2 )のとき、内部共振器モード間隔は、外部共振器モー
ド間隔に比べ少なくとも10倍以上広く、かつ、 【数1】 の関係が成立することを特徴とする光位置変位センサ。
1. Interference due to a phase difference of return light corresponding to a minute displacement amount of an external resonator mirror, which is composed of a unimodal coherent surface emitting light source with a beam spread of 5 degrees or less, an external resonator mirror and a light receiving element. In the optical position displacement sensor for detecting the light output change by the light receiving element, the distance L0 of the external resonator mirror, its effective light reflectance Re,
The wavelength λ of the surface emitting light source, the internal cavity length Li, the effective refractive index n thereof, the emission surface reflectance R 2 (> 0.9 and Re <R
2 ), the internal cavity mode spacing is at least 10 times wider than the external cavity mode spacing, and An optical position displacement sensor, characterized in that the relationship is established.
JP22527395A 1994-09-13 1995-09-01 Optical position displacement sensor Withdrawn JPH08136216A (en)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010526315A (en) * 2007-05-07 2010-07-29 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ Laser sensor for self-mixing interferometer with wide detection range
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