KR100440654B1

KR100440654B1 - 광학장치및공유초점현미경

Info

Publication number: KR100440654B1
Application number: KR1019970002126A
Authority: KR
Inventors: 무수부 고이시; 고우이치 시라가와; 마나부 야스가와; 히로토시 테라다
Original assignee: 하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
Priority date: 1996-02-28
Filing date: 1997-01-25
Publication date: 2004-10-28
Also published as: US5808746A; KR970063848A; EP0793222A2; TW336275B; DE69728708D1; EP0793222A3; JPH09237914A; EP0793222B1; DE69728708T2; JP3761240B2

Abstract

반도체 광 증폭 장치는 구동 회로로부터 입력된 구동 신호에 대응하는 광량을 가진 출사광을 무(無)반사 처리된 출사단(出射端)으로부터 출사한다. 이 출사광은 광학 시스템에 의해, 측정될 피측정체

Description

광학 장치 및 공유초점 현미경

발명의 배경

발명의 분야

본 발명은 피측정체

로부터의 복귀광(復歸光)에 의해 유도된 광 출사 장치로부터의 출사광(出射光)의 광학적인 세기 변화에 기초하여, 피측정체의 광학 특성을 검출하는 광 검출 장치에 관한 것이다.

관련 배경 기술

레이저 공진기로부터 출사된 광을 어떤 물질에 조사해서, 광의 일부가 그 물질에 의해 반사되어 레이저 공진기에 피드백 방식으로 입사되는 경우에 있어서, 상대적인 피드백 양이 매우 적을 때라도, 출력광 세기 및 발진 파장과 같은 레이저 특성들에 있어서 큰 변화가 생긴다. 레이저 공진기의 외부로부터 돌아오는 광에 의해 유발되는 이 특성들의 변동은 특히 반도체 레이저들에서 많이 발생하고, 그로 인해 각종 응용예들에 잡음 증가 등과 같은 형태로 큰 장애를 야기한다. 따라서, 반도체 레이저가 광통신 및 광학 측정에 사용될 때, 복귀광이 반도체 레이저로 피드백되는 것을 방지하도록 광학 아이솔레이터(isolator)가 사용된다.

한편, "레이저 피드백 광학 검출 기술"이라 하는 기술이 있으며, 이 기술은 소정의 피측정체가 반도체 레이저의 출사광으로 조사되도록 전술한 현상이 역이용되고 이 물질에서 되돌아오는 반사광 또는 산란광 또는 회절광이 반도체 레이저로 피드백될 때 생기는 출사광의 세기 변화에 기초하여 물질의 광학 특성이 검출되고 측정되도록 하는 것이다. 다음으로, 이 레이저 피드백 광 검출 기술의 동작 원리를 설명하겠다.

렌즈 등으로 만들어진 광학 시스템 방식으로, 일정 전류 정류 전원에 의해 일정 전류가 공급되는 반도체 레이저의 한쪽 출사단(전면)으로부터 출사되는 광에 의해, 측정될 피측정체가 조사(照射)될 때, 피측정체 등에 의해 반사되고 산란된 광의 일부가 렌즈를 통과하여 반도체 레이저의 출사단에 피드백 방식으로 입사된다. 여기서, 피드백 방식으로 반도체 레이저에 입사하는 광은 "복귀광(return light)"이라 한다.

이 복귀광으로 인해, 반도체 레이저로부터의 출사광의 광학적인 세기가 변한다. 일반적으로, 반도체 레이저로 주입되는 전류를 일정하게 할 때, 반도체 레이저로부터의 출사광의 세기는 복귀광이 늘어날수록 증가한다.

반도체 레이저의 다른 단(후면)에 예를 들면, 광다이오드(photodiode)가 광검출 장치로서 놓여질 수 있다. 이 광다이오드에는 일정 전압 조절 전원에서 소정의 전압이 인가된다.

따라서, 광학적인 세기가 돌아오는 복귀광에 의해 변화된 반도체 레이저로부터의 출사광은 광다이오드에 입사되어 광학적인 세기에 대응하는 광전기적 전류가 발생한다. 그리고 이 광전기적 전류는 광다이오드에 접속된 전류 검출기에 의해 검출된다.

그러므로, 광다이오드의 출력 신호로부터, 반도체 레이저에서 출사된 광학적인 세기 변화를 검출하여 복귀광의 양을 측정하고, 피측정체의 광학 특성을 측정할 수 있다.

그러므로, 피측정체 등에 의해 반사되고 산란된 광의 세기가 직접 검출되는 기술과 비교하면 레이저 피드백 광학 검출 기술은 광학 구조면에서는 특히 매우 단순한데, 이는 광원으로써 사용되는 반도체 레이저로 돌아가는 복귀광을 줄이는 광학 아이솔레이터, 측정될 피측정체에 의해 반사되거나 산란된 광을 광 검출기에 입사시키도록 유도하는 광 분리 수단, 잡음이 광 검출기로 들어가지 않도록 하는 핀 홀 판(pinhole plate) 등이 필요하지 않기 때문이다.

따라서, 이 기술은 전망 있다고 고려되어 왔고, 광 시스템의 구조가 아주 간단하고 크기가 작아야 되는 광 디스크에 대한 픽업 기술로서 연구되어 왔다(Hisayoshi Yanai, 편저,., Hikari Tshusin handobukku (Optical Communications handbook), (Tokyo: Asakura Shoten, 1984), pp. 610-611 및 Y. Mitsuhashi 등, Optics Communications, 1976 년 4 월, Vol.17, No.1, pp.95-97을참조).

또한, 상기 사용과 다르기는 하지만 옥스포드 대학의 연구 그룹이 최근 레이저 피드백 광학 검출 기술을 공유초점 주사 현미경에 적용하면 좋은 결과가 얻어진다는 것을 보고하였다(R. Juskaitis 등, Optics Communications, 109(1994) pp.167-177 및 R. Juskaitis 등, Optics Letters, 1993년 7월, Vol.18, No. 14, pp.1135-1137). 여기서, 레이저 피드백 광학 검출 기술의 고유 특성이 이용되므로 원칙적으로 광 출사점과 광 수신점이 서로 동일하고 이로써 현미경이 수렴 광학 시스템에 사용될 때 공유초점 시스템이 매우 간단한 방식으로 만들어질 수 있는 이점이 있다.

발명의 요약

일반적으로, 반도체 레이저는 단면 반사율이 약 0.3이고 공진기 길이는 약 수백 마이크로미터인데 레이저 광원의 다른 형태보다 길이가 상당히 짧다. 따라서, 레이저 피드백 기술은 적은 복귀광에 의해서도 영향을 받고 잡음도 증가되기 쉽다.

복귀광에 의한 잡음 증가는 (1) 복귀광에 의해 영향받은 만큼 생기는 출사광의 스펙트럼 변화로 인한 반도체 레이저의 특정 주파수 상 순수 양자 잡음의 증가 및 (2) 복귀광에 의해 영향받은 만큼 불안정해진 레이저 발진으로 인한 수백 메가헤르츠 이하 저주파수 전 영역에서의 잡음 증가를 포함한다. 전자의 잡음은 주로 광통신 등에서 해결되어야 할 문제이고, 후자의 잡음은 광의 양이 많이 변화하는 복귀광을 검출하기 위해 해결해야 하는 문제가 된다. 이런 형태의 후자의 잡음은레이저 피드백 광학 검출 기술에서 문제가 되는 것이다.

예를 들면, 레이저 피드백 광학 검출 기술이 광 디스크, 초점 공유 레이저 주사 현미경 등에 대한 픽업 기술에 적용되는 경우에 있어서, 단일 모드 발진 상태에서 이 기술이 사용될 때 광학 경로 길이 변화로 인해 간섭 잡음이 생기고, 이 기술이 다중 모드 발진 상태에서 사용될 때 모드 전환 잡음이 생긴다. 이러한 잡음은 이 기술을 실제로 사용하는데 있어서 커다란 장애가 된다.

따라서, 단일 모드의 안정화 및 모드 전환 잡음이 적은 다중 모드의 실현과 같은 잡음 방지 대책은 복귀광에 의해 영향받은 만큼 불안정해진 레이저 발진으로 인해 발생된 잡음을 감소시키는 방법으로서 여러 가지 형태에서 연구되어 왔다. 반도체 레이저의 동작 조건에 의존하기는 하지만, 이 방법들을 써서 얻어진 잡음 수준은 평균 광 세기의 약 1 내지 10 퍼센트이다. 즉, 약 100 내지 0.01 퍼센트의 넓은 범위를 가진 복귀광이 측정되어야 할 때는 레이저 피드백 광학 검출 기술을 사용할 수 있을 정도로 잡음이 충분하게 감소되지 않는다.

또한, 레이저 피드백 광학 검출 기술이 사용될 때 잡음을 감소시키는 방법으로서 반도체 레이저가 소정의 주파수로 변조되는 방법이 사용될 수 있고, 복귀광이 광다이오드와 같은 광 검출에서 수신되어 S/N 비를 개선하도록 록인 증폭기(lock-in amplifier)와 같은 동기 검출기 수단에 의해 검출된다. 하지만, 록인 증폭기의 주파수가 최대 약 100 KHz이므로, 고속 응답을 기대할 수 없다. 또한, 장치가 복잡하고 비싸기 때문에 광학 디스크 등에 대한 픽업 기술에 실제로 사용될 수 없다.

본 발명의 목적은 복귀광으로 인한 잡음을 줄이는 것으로서, 고속 응답이 가능하면서 고 S/N 비와 넓은 동적 범위를 가진 광 검출 장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 광 검출 장치는 (1) 제1 구동 신호를 출력하는 제1 구동 회로, (2) 제1 구동 회로로부터 입력된 제1 구동 신호에 대응하는 양의 제1 광빔을 무반사 처리된 제1 출사단에서 출사하고, 제1 광빔이 조사되는 피측정체로부터의 복귀광으로서 피드백 방식으로 제1 출사단에 입사하는 제2 광빔을 기초로 하여 제1 광빔을 광학적으로 증폭하는 반도체 광 증폭 장치, (3) 반도체 광 증폭 장치로부터 입사하는 제1 광빔이 피측정체를 비추고 피측정체로부터 피드백 방식으로 반도체 광 증폭 장치에 입사하는 제2 광빔을 만드는 광학 시스템, (4) 제1 광빔의 광량에 비례하는 광량을 가지고 반도체 광 증폭 장치로부터 출사되는 제3 광빔을 검출하고 제3 광빔의 광량에 대응하는 광 수신 신호를 출력하는 광 수신 장치를 포함한다.

그러한 광 검출 장치는 다음과 같이 동작한다. 제1 구동 신호 출력이 제1 구동 회로로부터 입력되는 반도체 광 증폭 장치는 무반사 처리된 출사단에서 이 구동 신호에 대응하는 광량을 가진 출사광을 출력한다. 광학 시스템을 거쳐서, 이 출사 광은 피측정체를 조사한다. 조사된 후 피측정체에 의해 발생된 반사광 또는 산란광 또는 회절광은 복귀광으로서 반도체 광 증폭기의 출사단에 입사하도록 광학 시스템으로 다시 들어간다. 따라서, 이 복귀광을 수신한 후에 반도체 광 증폭 장치는 광학 증폭을 수행하여 출사광의 광량을 증가시킨다. 출사광의 광량 변화는 광 수신장치에 의해 검출되고 광 수신 신호로서 출력된다. 그러므로, 구동 신호와 반도체 광 증폭 장치의 출사광의 광량 사이의 관계가 복귀광의 광량에 따라서 변할 때 피측정체의 광학 특성이 측정될 수 있다.

바람직하게는, 본 발명의 광 검출 장치에서 광학 시스템은 제1 및 제2 광빔에 포함된 소정의 편광 성분을 선택적으로 송신하고, 피드백 방식으로 입사하는 제 2 광빔에 따라 반도체 광 증폭 장치에 의해 영향받는 광학 증폭의 발진 모드를 선택적으로 설정하는 편광 선택 시스템을 구비한다. 바람직하게는 이 경우에 편광 선택 시스템은 복굴절 결정으로 만들어진 편광 필터를 포함한다. 이러한 광 검출 장치에서 출사광의 횡단 모드 중의 하나가 편광 선택 시스템에 의해 선택되므로 반도체 광 증폭 장치에 고유한 비점수차(astigmatic difference) 문제는 극복된다. 그러므로, 피측정체의 깊이 방향에 대해 측정시 위치적 해상도가 좋다.

또한, 바람직하게는, 본 발명의 광 검출 장치에서 반도체 광 증폭 장치는 이득 도파관(gain waveguide)형 스트라이프(stripe) 구조 또는 캐리어 밀도가 장치의 중심부에 위치하고 있는 좁은 스트라이프 구조를 가진 광 출사 장치이다. 바람직하게는, 이 경우에는 반도체 광 증폭 장치는 초발광성 다이오드이다. 바람직하게는, 반도체 광 증폭 장치는 광학 도파관이 공진기의 방향에 대하여 기울어지도록 설정되는 경사진 광학 도파관 구조를 가진다. 바람직하게는, 반도체 광 증폭 장치는 제 1 출사단으로부터 떨어진 광학 도파관을 형성하는 컷오프(cut-off) 광학 도파관 구조를 가진다.

또한 본 발명의 광 검출 장치에서는 바람직하게는, 제1 구동 회로가 일정한 주입 전류를 제1 구동 신호로서 반도체 광 증폭 장치에 공급한다. 바람직하게는, 이 경우에 광 검출 장치는 광 수신 장치로부터의 입력된 광 수신 신호를 증폭하는증폭기 및, 증폭기에 의해 증폭된 광 수신 신호에 기초하여 피측정체의 저장 정보 또는 구조 정보에 관한 데이터를 생성하는 신호 처리 회로를 더 포함한다. 이러한 광 검출 장치에서 피측정체의 광학 특성은 광 수신 장치에서 출력된 광 수신 신호를 기초로 하여 측정된다.

또한, 바람직하게는, 본 발명의 광 검출 장치에서는 반도체 증폭 장치에서 출사된제1 광빔의 광량을 일정하게 유지하도록 제1 구동 회로는, 광수신 장치에서 입력된 광수신 신호를 기초로 하여, 제1 구동 신호로서 반도체 광 증폭 장치에 공급되는 주입 전류를 조절한다. 바람직하게는, 이 경우에 광 검출 장치는 제1 구동회로에서 입력된 제1 구동 신호를 증폭하는 증폭기 및, 증폭기에 의해 증폭된 제1 구동 신호에 기초하여 피측정체의 저장 정보 또는 구조 정보에 관한 데이터를 생성하는 신호 처리 회로를 더 포함한다. 이러한 광 검출 장치에서 피측정체의 광학 특성은 광 수신 장치에서 출력된 구동 신호를 기초로 하여 측정된다.

또한, 바람직하게는, 본 발명의 광 검출 장치에서 광 수신 장치는 제3 광빔으로서 반도체 광 증폭 장치의 제1 출사단과 대향되는 제2 출사단에서 출사된 광빔을 검출한다. 또한 본 발명의 광 검출 장치에서 광 수신 장치는 제3 광빔으로서 반도체 광 증폭 장치로부터 출사된 제1 광빔의 일부를 검출한다. 바람직하게는, 이 경우 광학 시스템은 반도체 광 증폭 장치에서 출사된 제1 광빔의 일부를 광 수신장치로 유도하도록 반도체 장치와 피측정체 사이의 광학 경로에 배치된 반 거울(half mirror)을 포함한다.

또한 바람직하게는, 본 발명의 광 검출 장치는 광 수신 장치로부터의 광 수신 신호 입력 또는 제1 구동 회로에서 입력된 제1 구동 신호를 증폭하는 증폭기 및, 증폭기에 의해 증폭된 광 수신 신호 또는 제1 구동 신호에 기초하여 피측정체의 저장 정보 또는 구조 정보에 관한 데이터를 생성하는 신호 처리 회로를 더 포함한다. 바람직하게는, 이 경우 광 검출 장치는 제2 구동 신호를 출력하는 제2 구동회로 및, 제2 구동 회로로부터 입력된 제2 구동 신호에 기초하여 광학 시스템에 포함된 대물 렌즈의 초점 위치를 조절하는 액추에이터 및, 제1 구동 회로와 제2 구동회로 각각의 동작을 제어하고, 피측정체의 위치 정보를 신호 처리 회로로 출력하는 제어기를 더 포함한다.

더 바람직하게는, 대물 렌즈의 변위를 측정하고 그것의 검출 신호를 제2 구동 회로로 출력하는 변위 센서를 광 검출 장치가 더 포함하고, 제2 구동 회로는 대물 렌즈에 관한 변위 에러를 보상하도록 변위 센서로부터의 검출 신호 입력에 기초하여 제 2 구동 신호를 조절한다. 또한 더 바람직하게는, 광 검출 장치는 제3 구동신호를 출력하는 제3 구동 회로 및, 제3 구동 회로로부터 입력된 제3 구동 신호에 기초하여 피측정체의 위치를 조절하는 단(stage)을 더 포함하고 제어기는 제3 구동회로의 동작을 더 제어한다.

상세한 설명 및 본 발명을 한정하는 것이 아니라 단지 예시를 위해 첨부된 도면에서 본 발명의 자세한 부분까지 이해될 수 있을 것이다.

본 발명이 응용될 수 있는 그 이상의 영역은 상세한 설명에서 명백해질 것이다. 그러나, 상세한 설명 및 특정 예는 단지 예시를 위한 것으로서 본 발명의 양호한 실시예를 도시하는 것이고, 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련가라면 본 발명의 영역 및 정신을 벗어남 없이도 상세한 설명으로부터 여러 가지 변화 및 변형을 할 수 있음을 알아야 한다.

도1은 본 발명에 따른 광 검출 장치의 제1 실시예의 형태를 도시하는 블록도.

도2a는 공진기의 방향에 직각인 도1의 광 검출 장치의 초발광성 다이오드(SLD)의 형태를 도시하는, 횡단면도.

도2b는 도2a의 SLD에서 공진기의 방향과 광학 도파관의 방향 사이의 관계를 도시하는 투시도.

도3은 도2a 및 2b의 SLD의 광 출사 스펙트럼으로서 파장과 상대적 출력 세기사이의 관계를 도시하는 그래프.

도4a는 공진기 방향에 평행하게, 광 출사면에서의 반사를 줄이도록 출사단에 반사방지막이 코팅되는 형태를 도시하는, 도2a 및 2b의 SLD의 횡단면도.

도4b는 공진기 방향에 평행하게, 광 출사면에서의 반사를 줄이는 경사진 광학 도파관 구조를 도시하는, 도2a 및 2b의 SLD의 횡단면도.

도4c는 공진기 방향에 평행하게, 광 출사면에서의 반사를 줄이는 절단 광학 도파관 구조를 도시하는, 도2a 및 2b의 SLD의 횡단면도.

도5는 실험 결과로서, 피드백 방식으로 도2a 및 2b의 SLD에 입사하는 복귀광의 세기와 SLD로부터 출사된 출사광의 세기의 관계를 도시하는 그래프.

도6은 본 발명에 따른 광 검출 장치의 제2 실시예의 형태를 도시하는 블록도.

도7은 도6의 광 검출 장치에 의해 피측정체의 두께 측정 결과로서, 액추에이터의 변위와 증폭기 전압 출력 신호 세기 사이의 관계를 도시하는 그래프.

도8은 도6의 광 검출 장치에 의해 피측정체의 단층 화상 측정 결과로서 표시장치에 표시된 단층 화상의 예를 도시하는 그래프.

도9는 도6의 광 검출 장치에서 광학 시스템으로부터 편광 필터가 제거된 경우에 피측정체의 두께 측정 결과로서, 액추에이터 변위와 증폭기 전압 출력 신호 세기 사이의 관계를 도시하는 그래프.

도10은 도6의 광 검출 장치에서 광학 시스템에 편광 필터가 배치된 경우에 피측정체의 두께 측정 결과로서, 액추에이터 변위와 증폭기 전압 출력 신호 세기 사이의 관계를 도시하는 그래프.

도11은 도6의 광 검출 장치의 증폭기와 일반적 초점 공유 광학 시스템의 제곱 법칙 특성에 기초한 이론적 대물 렌즈의 신호 세기 파형의 최대 반의 진폭(the full width at half maximum of the signal intensity waveform)에서 전체 폭을 대물렌즈의 개구수에 대한 변화에 관하여 서로 비교하여 도시하는 그래프.

도12a는 편광 필터를 대신하는 편광 선택 시스템으로서 도6의 광 검출 장치의 광학 시스템에 배치된 슬릿의 형태를 도시하는 평면도.

도12b는 편광 필터를 대신하는 편광 선택 시스템으로서 도6의 광 검출 장치의 광학 시스템에 배치된 날(knife)의 가장자리를 도시하는 평면도.

도13은 도1의 광 검출 장치에 관한 변형실시예의 형태를 도시하는 블록도.

도14는 도6의 광 검출 장치에 관한 변형실시예의 형태를 도시하는 블록도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100: 초발광성 다이오드(SLD) 110: SLD 구동 회로

120: 피측정체 130: 광학 시스템

140: 광 수신 장치 150: 증폭기

160: 신호 처리 회로 170: 표시 장치

바람직한 실시예들의 설명

본 발명에 따른 광 검출 장치에 관한 여러 실시예의 구성 및 동작이 도1 내지 14를 참고하여 상세히 설명될 것이다. 여기서, 도면 설명시 서로 동일한 구성요소는 중복하여 설명을 반복하지 않고 서로 동일한 표시를 하여 지칭한다. 또한 도면의 크기 비는 설명된 것과 항상 일치하는 것은 아니다.

제1 실시예

우선, 본 발명에 따른 광 검출 장치에 관한 제1 실시예를 설명하겠다. 도1은 이 실시예의 형태를 도시하는 블록도이다. 이 실시예는 예를 들면, 광학 디스크를 읽어내는데 사용되는 광학 픽업 장치에 적절히 이용되는 광 검출 장치를 도시하는 블록도이다.

도1에 도시된 대로, 이 광 검출 장치는 (1) 출사광이 출사되고 반사방지 처리된 출사단(101)을 구비한 초발광성 다이오드(superluminescent diode)(100)(이후 "SLD"로 지칭됨) 및, (2) SLD(100)를 구동하도록 SLD(100)로 구동 신호를 공급하는 SLD 구동 회로(110) 및, (3) SLD(100)의 한쪽 출사단(101)에서 출사된 순방향 출사 광(A)을 수렴하여 피측정체(120)를 조사하는 동시에 피드백 방식으로 SLD(100)의 출사단(101)에 입사하도록 피측정체(120)에서 나오는 반사광, 산란광, 회절광을 수렴하는 광학 시스템(130)을 포함한다.

이 광 검출 장치는 (4) SLD(100)의 다른 쪽 출사단(102)에서 출사된 역방향 출사광(C)을 수신하는 광 수신 장치(140) 및, (5) 광 수신 장치(140)로부터 출력된 전류 신호를 전압 신호로 변환하고 이 전압 신호를 증폭하는 증폭기(150) 및, (6)증폭기(150)로부터 출력된 전압 신호를 기초로 하여 소정의 신호 처리를 달성하는 신호 처리 회로(160) 및, (7) 신호 처리 회로(160)에서 처리된 신호 처리 결과를 표시하는 표시 장치(170)를 더 포함한다.

여기서, SLD(100)는 외부에서 출사단(101)에 입사한 광에 의해 유발되는 광 증폭 기능을 가진 이득 도파관형의 반도체 광 증폭기이다. 또한 광학 시스템(130)은 시준 렌즈(131), 대물 렌즈(132)로 구성되어 이 두 렌즈 사이의 광선 다발을 무한히 교정한다.

이 광 검출 장치에서 구동 신호 즉, SLD 구동 회로(110)에서 출력된 일정한 주입 전류에 따라꼭 SLD(100)의 출사단(101)에서 출사된 순방향 출사광(A)은, 시준렌즈(131)에서 평행한 광선 다발로 바뀌어 피측정체(120)의 소정의 위치를 조사하도록 대물 렌즈(132)에 의해 수렴된다. 예를 들면, 광학 디스크인 피측정체(120)에서, 순방향 출사광(A)이 조사되는 위치에 있는 피트(Pit)에 따라, 출사광(A)이 반사되거나 산란되거나 회절된다. 피측정체(120)에서 반사되거나 산란되거나 회절된 광은 대물 렌즈(132)에 의해 수렴되고 시준 렌즈(131)를 거쳐 복귀광(B)으로서 SLD(100)의 출사단(101)에 입사된다.

SLD(100)에 복귀광(B)이 입사될 때 SLD(100)의 출사단에서 출사된 순방향 출사광(A)의 세기는 SLD(100)의 광학 증폭 기능에 따라 변화한다. 또한, 출사단(101)과 대향되는 SLD(100)의 출사단(102)에서 출력된 역방향 출사광(C)의 광량은 순방향 출사광(A)의 광량에 비례한다. 역방향 출사광(C)은 광 수신 장치(140)에서 수신되어 그것의 세기에 대응하는 전류 신호로 변환된다. 증폭기(150)에서 광 수신 장치(140)에서 출력된 전류 신호는 전압 신호로 변환되어 증폭된다. 이 전압 신호는 신호 처리 회로(140)에서 소정의 신호 처리를 받아 그 결과가 표시 장치(170)에 표시된다.

예를 들면, 피측정체(120)가 오디오 정보를 저장하고 있는 광학 디스크인 경우에 광 수신 장치(140)에서 출력된 전류 신호는 광학 디스크에 저장된 디지털 데이터 시퀀스에 해당하고, 바람직하게는, 신호 처리 회로(160)는 이 경우 디지털 데이터 시퀀스를 기초로 하여 스피커인 표시 장치(170)를 구동하는 전기 신호를 발생시킨다.

피측정체(120)가 화상 정보를 저장하고 있는 광학 디스크인 경우에는 반면에 광 수신 장치(140)에서 출력된 전류 신호가 광학 디스크에 저장된 디지털 데이터 시퀀스에 해당하고, 바람직하게는, 신호 처리 회로(160)는 이 디지털 데이터 시퀀스를 기초로 하여 이 경우 CRT(Cathode-Ray-Tube)표시 장치(170)에 표시될 화상 신호를 발생시킨다.

반도체 광 증폭 장치의 예인 SLD를 설명하겠다. 도2a는 SLD의 공진기 방향과 직각인(횡단 방향) 단면 형태를 도시하는 단면도이고, 도2b는 공진기의 방향과 광학 도파관의 방향 사이의 관계를 도시하는 SLD의 투시도이다.

도2a에 도시된 바와 같이 SLD는 제1 전극(300), 제1 전극(300)위에 형성된캡 층(cap layer)(310), 캡 층(310) 위에 형성된 제1 클래드 층(first clad layer)(320), 제1 클래드 층(320) 위에 형성된 액티브 층(active layer)(330), 액티브 층(330) 위에 줄무늬 융기같이 형성된 제2 클래드 층(340), 제2 클래드 층(340)의 줄무늬 융기의 측면과 바닥면에 형성된 전류 블록 층(current block layer)(350), 제2 클래드 층(340)의 줄무늬 융기의 상면과 전류 블록 층(350)에 형성된 버퍼 층(buffer layer)(360), 버퍼 층(360)에 배치된 기층(substrate)(370), 기층(370)위에 형성된 제2 전극(380)을 포함한다.

여기서, SLD에 대한 재료 구성의 양호한 예는 하기에서 설명한다. 액티브 층(330)은 소정의 p형 분순물(dopant)을 포함하는 p-GaAs로 만들어진다. 제1 클래드 층(320)은 소정의 p형 분순물을 포함하는 p-Ga_1-xAl_xAs로 만들어진다. 제2 클래드 층(340)은 소정의 n형 분순물을 포함하는 p-Ga_1-xAl_YAs로 만들어진다. 기층(370), 버퍼 층(360), 캡 층(310)은 GaAs로 만들어진다.

그러므로, 액티브 층(330)의 상부와 하부가 각 제1 클래드 층(320)과 제2 클래드 층(340)에 접하고 있는 이중 헤테로(double hetero) 구조로서, 각각의 금지 대역폭(forbidden band width)은 액티브 층(330)의 금지 대역 폭보다 넓다. SLD의 굴절율은 제1 및 제2 클래드(320 및 340)에서 보다 액티브층(330)에서 훨씬 높다.

또한, 제2 클래드 층(340)의 줄무늬 융기의 양면이 전류 블록 층(350) 아래에 묻히는 이득 도파관 스트라이프 구조가 형성되어 있다. 즉, SLD의 캐리어 밀도 분포는 줄무늬 융기 주변에서 보다 줄무늬 융기(장치의 중심부)에서 훨씬 높도록되어 있다.

도2b에 도시된 바와 같이 SLD의 공진기 길이는 예를 들면, 250 마이크로미터이고, 그것의 한쪽 단(전면)은 출사단(101)을 형성하도록 무반사막(390)으로 코팅되어 있고, 다른 출사단(후면)은 출사단(102)을 형성하도록 반사막(400)으로 코팅되어 있다. 또한, 굵은 점선으로 표시된 광학 도파관 방향은 이 도면에서 예를 들면, 길고 짧은 선이 교대로 그어진 선이 표시하는 공진기 방향에 대해 3°가량 기울어져 있어서 소위 경사진 광학 도파관 구조를 형성한다. 여기서, 반사막(400)은 SLD의 출사광에 대하여 약 50%의 반사율을 가진다.

그러므로, SLD는 기본적으로 반도체 레이저형과 거의 같은 구조의 광출사 장치이다. 그러나, SLD는 출사단(101)에서 광의 반사를 제거하도록 출사단(101)에 무 반사막(390)을 입힌 점에서 반도체 레이저와 다르고, 이로서 출사단(101)으로부터 광학 도파관으로 피드백되는 반사광이 없는 형태를 구현하여 공진을 일으키는 레이저 발진을 억제한다.

또한, 일반적으로 이득 도파관형 스트라이프 구조 또는 좁은 스트라이프 구조를 가진 SLD는 발진 상태에 도달하기 전에 공진기 손실이 크고 Q 값(주파수×(공진기에 축적된 에너지)/(단위 시간당 소모되는 에너지))이 낮다. 따라서, 임계 전류 밀도가 높아질수록 유도된 출사광(초발광성)은 더 강해지고, 이것은 다중 모드 발진을 유발하도록 자연적인 출사광의 영향을 증가시키는 것이다.

도3은 이러한 SLD의 출사 스펙트럼을 도시하는 그래프이다. 여기서, 수평축은 SLD의 출사광의 파장이고 수직축은 최대 출력이 1로 표준화된 상대적인 광학 세기이다. 이 그래프에서 도시된 바와 같이 깨끗한 발진 모드없는 자연적인 동시 출사광에 의한 연속적인 스펙트럼의 출력이 얻어진다. 일반적으로, 발진 스펙트럼의 반 폭은 850 나노미터 SLD의 발진 중심 파장에 대하여 약 20 나노미터이다. 또한 응집 길이(coherence length)는 약 35 마이크로미터이다. 그러므로 SLD는 반도체 레이저와 분명히 다른 특성을 가진다.

여기서, 도4a 내지 4c는 각각 SLD의 광 출사면의 반사를 줄이는 방법을 도시한다. 이 도면을 참고하면 SLD의 광 출사면에서의 반사를 줄이기 위한 형태는 다음과 같이 설명될 것이다.

도4a에 도시된 SLD에서, 반도체 레이저와 같이 광학 도파관(410)의 방향은 공진기의 방향과 일치한다. 후면의 광 출사단(102)이 약 50% 반사율을 가진 반사막으로 코팅되고 전면의 광 출사단(101)은 정확히 조절된 무반사막(390)으로 코팅되어 광 출사면의 반사가 줄어들 수 있다.

도4b에 도시된 SLD에서, 도2b를 참고하여 상기된 바와 같이 전면의 광 출사단(101)과 후면의 광 출사단(102)은 도4a의 경우에는 무반사막(390)과 반사막(400)으로 각각 코팅된 동시에, 광 출사단(101)에서 광학 도파관(411)으로 피드백되는 반사광을 방지하도록 광학 도파관(411)이 공진기 방향에 대해 3°내지 10°가량 기울어진 경사진 광학 도파관 구조가 채용되고, 이로써 광 출사면에서의 반사율이 감소될 수 있다.

도4c에 도시된 SLD에서, 도2b를 참고하여 상기된 바와 같이 전면의 광 출사단(101)과 후면의 광 출사단(102)은 도4a의 경우에는 무반사막(390)과 반사막(400)으로 각각 코팅된 동시에, 광 출사단(101)에 도달하지 않도록 광학 도파관(412)이 중간에서 절단되는 컷오프 도파관 구조가 채용되고, 이로써 광 출사단(101)에서 광학 도파관(411)으로 피드백되는 반사광이 방지되고 광 출사면에서의 반사율이 감소될 수 있다.

이하, SLD(100)에 입사한 복귀광의 세기와 SLD(100)에서 출사된 출사광의 세기 사이의 관계를 설명하겠다. 도5는 실험 결과를 복귀광의 세기와 출사광의 세기 변화 사이의 관계에 관한 도시하는 그래프이다. 이 그래프에서 수평축은 출사광의 세기에 대한 복귀광의 세기 비를 표시하고, 수직축은 증폭기(150)에서 나오는 전압 신호 출력의 변화량, 즉, SLD(100)에서 나오는 출사광의 세기 변화량을 표시한다.

이 그래프에서 볼 수 있듯이 SLD(100)의 광 출사단에 입사하는 복귀광의 광 량이 높을수록 광 증폭 기능으로 인해 출사광의 광량이 증가한다. 따라서, SLD(100)가 레이저 피드백 광학 검출 기술에 사용될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 복귀광의 광량이 상대적으로 적은 범위에서 복귀광의 광량에 대하여 출사광의 광량 변화 선형도가 좋다.

또한 출사광의 광량에 대하여 약 0.05% 비인 복귀광의 아주 적은 양도 높은 감지도로써 검출될 수 있다. 복귀광을 검출하는 SLD(100)의 감지도는 반도체 레이저의 감지도보다 약 100배 높다. 이는 SLD(100)에서 나오는 출사광에 자연적으로 출사된 광 성분이 많기 때문에 이것이 다중 모드 발진에 영향을 미치기 때문에 복귀광에 의해 발생한 잡음이 SLD(100)가 레이저 피드백 광학 검출 기술에 사용되는 경우에 매우 적어지는 사실에 기인한다. 여기서, 광학 피드백 이득(= (출사광의 변화량)/(복귀광의 변화량))은 반도체 레이저의 경우와 비슷하다.

상기 설명과 같이 도1에 도시된 레이저 피드백 광학 검출 기술을 이용하는 광 검출 장치에 SLD를 사용하면 SLD의 형태가 좀 다르더라도 적은 잡음과 높은 감지도를 얻을 수 있다.

제2 실시예

이하, 본 발명의 광 검출 장치에 관한 제2 실시예를 설명하겠다. 도6은 이 실시예의 형태를 도시하는 블록도이다. 이 실시예는 예를 들면, 초점 공유 현미경에 적절하게 이용되는 광 검출 장치이다.

도6에 도시된 바와 같이, 이 광 검출 장치는 (1) 반사하지 않도록 처리된 출사단(101)을 구비한 초발광성 다이오드(100) 및, (2) SLD(100)를 구동하도록 구동 신호를 SLD(100)로 공급하는 SLD 구동 회로 및, (3) 피드백 방식으로 SLD(100)의 한쪽 출사단(101)에 입사하도록 피측정체(220)로부터의 반사광, 산란광, 또는 회절 광을 수렴하는 동시에, 한쪽 출사단(101)에서 출사된 순방향 출사광(A)을 수렴하고 피측정체(220)를 조사하는 광학 시스템(230)을 포함한다.

이 광 검출 장치는 (4) SLD(100)의 다른 쪽 출사단(102)에서 출사된 역방향 출사광(C)을 수신하는 광 수신 장치(140) 및, (5) 광 수신 장치(140)에서 출력된 전류 신호를 전압 신호로 변환하고 이 전압 신호를 증폭하는 증폭기(150) 및, (6) 증폭기(150)에서 출력된 전압 신호를 기초로 하여 소정의 신호 처리를 하는 신호처리 회로 및, (7) 신호 처리 회로(270)에서의 신호 처리 결과를 표시하는 표시 장치(270)를 더 포함한다.

또한, 이 광 검출 장치는 (8) 피측정체(220)의 위치를 조절하거나 이동시키는 XYZ 단(280) 및, (9) 광학 축 방향으로 이동하거나 대물 렌즈(232)를 이동시키는 액추에이터(282) 및, (10) XYZ 단(280)을 구동하거나 제어하는 단 구동 회로(286) 및, (11) 액추에이터(282)를 구동하고 제어하는 액추에이터 구동 회로(284) 및, (12) SLD 구동 회로(110), 단 구동 회로(286), 액추에이터 구동 회로(284)의 동작을 제어하고 피측정체(220)의 위치 정보를 신호 처리 회로(260)로 전송하는 제어기(290)를 포함한다.

여기서, SLD(100)는 외부에서 출사단(101)에 입사하는 광에 의해 생기는 증폭 기능이 있는 이득 도파관형의 반도체 광 증폭기이다. 또한 광학 시스템(230)은 시준 렌즈(231), 대물 렌즈(232), 편광 필터(233)로 이루어져 있고, 광선 다발로부터 특정 편광 성분을 끌어내면서 두 렌즈 사이의 광선 다발을 무한히 교정한다.

이 광 검출 장치에서, SLD 구동 회로(110)에서 출력된 구동 신호, 즉, 일정 주입 전류에 따라서 SLD(100)의 출사단(101)에서 출사된 순방향 출사광(A)은 시준 렌즈(231)에 의해서 평행한 광선 다발로 바뀐다. 그리고 나서, 소정의 편광 성분만이 편광 필터(233)를 통해 송신되고 피측정체(220)의 소정의 위치를 조사하도록 대물 렌즈에 의해 수렴된다. 피측정체(220)에서 반사되거나, 산란되거나, 회절된 광은 대물 렌즈(232)에 의해 수렴되고 편광 필터(233) 및 시준 렌즈(231)를 거쳐 복귀광(B)으로서 SLD(100)의 출사단에 입사되도록 한다.

복귀광(B)이 SLD(100)에 입사될 때, SLD(100)의 출사단(101)에서 출사된 순방향 광(A)의 세기는 SLD(100)의 광 증폭 기능에 따라 변화한다. 또한,출사단(101)의 반대쪽 출사단(102)에서 출력된 역방향 출사광(C)의 광량을 순방향 출사 광(A)의 세기에 비례한다. 역방향 출사광(C)은 광 수신 장치(140)에 의해 수신되고 그 세기에 대응하는 전류로 변환된다. 광 수신 장치(140)에서 출력된 전류 신호는 증폭기(150)에서 전압 신호로 변환되고 증폭되어 출력된다.

여기서, 광학 시스템(230)에서 SLD(100)의 광 출사단(101)에서 출사된 순방향 출사광(A)은 피측정체(220)의 소정의 위치(대물 렌즈(232)의 초점 위치)에 수렴되어 조사되고 이 소정의 위치에서 발생한 반사광, 산란광, 회절광만이 SLD(100)의 출사단(101)에 피드백 방식으로 입사한다. 즉, 초점 공유 현미경이 구현되어 대물 렌즈(232)와 피측정체(220)의 서로에 대한 상대적인 위치에 대한 정보 및 증폭기(150)에서 출력된 전압 신호에 기초하여, 수렴된 순방향 출사광(A)이 조사된 위치의 피측정체(220)의 광학 특성이 얻어진다.

따라서, 광학 시스템(230)과 피측정체(220) 중에서 적어도 하나가 이동되거나 주사될 때, 피측정체(220)의 광학 특성의 분포가 얻어진다. 그러므로, 이 목적을 위한 주사 수단으로서 Z 방향으로 대물 렌즈(232)를 이동시키는 액추에이터(282)와 X, Y, Z 방향으로 피측정체(220)를 이동시키거나 주사하기 위한 XYZ 단(280)이 제공된다.

제어기는 대물 렌즈(232)의 위치 정보를 신호 처리 회로(260)로 송신하는 동시에 액추에이터(282)를 거쳐 대물 렌즈(232)를 진동시키도록 액추에이터 구동 회로(284)에 명령한다. 액추에이터(282)는 예를 들면, 압전기를 사용한다. 제어기에서 송신된 대물 렌즈(232)의 위치 정보와 증폭기에서 송신된 전압 신호에 기초하여신호 처리 회로(260)는 피측정체(220)의 두께 방향에서 광학 특성 분포를 결정한다.

표시 장치(270)는, 화상으로서 표시하여 피측정체(220)의 두께 방향에서 광학 특성 분포를 결정한다. 여기서, 컴퓨터(275)가 신호 처리 회로(260)에서 입력된 피측정체(220)의 두께 방향의 분포 데이터에 기초하여 여러 가지 동작 처리를 수행하는 동안에 예를 들면, 피측정체(220)의 3차원 화상 데이터를 형성하기 위해 필요한 처리를 할 수 있다.

또한 대물 렌즈(232)의 변위를 측정하는 변위 센서(240)가 제공되는 경우에 액추에이터 구동 회로(284)에서 액추에이터(282)에 공급되는 구동 신호의 파형에 대한 대물 렌즈(232)의 변위에 관한 에러 신호로서, 대물 렌즈(232)의 위치를 측정하는 검출 신호가 액추에이터 구동 회로(284)로 피드백되어, 대물 렌즈(232)의 변위 에러는 보상될 수 있다. 바람직하게는, 변위 센서(240)는 예를 들면, 레이저 간섭계(laser interferometer)이다.

제어기(290)는 XYZ 단(280)을 경유하여 피측정체(220)의 위치를 조절하도록 단 구동 회로(286)에 명령한다. XYZ 단은 액추에이터(282)에 의해 달성된 Z 방향 주사에 따라서 측정되어야 할 피측정체(220)의 측정 범위를 정의하도록 Z 방향에서 피측정체의 위치를 대략 조절한다. 또한 XYZ 단(280)은 X 또는 Y 방향에서 광학 특성 분포를 결정하도록 피측정체(220)를 주사하는 동시에 피측정체(220)의 측정 범위를 정의하도록 X 및 Y 방향 중의 하나에서 피측정체(220)를 이동시킨다.

또한, 대물 렌즈(232)와 피측정체(220) 사이의 상대적 위치 관계가피측정체(220)가 2차원적으로 주사되도록 순차적으로 설정되는 경우에 피측정체(220)의 광학 특성의 2차원 분포(단층 촬영 화상)를 얻을 수 있다. 여기서, SLD(100)의 출사단(101)과 피측정체(220) 사이의 광학 거리가 SLD(100)에서 출사된 출사광(a)의 응집 길이보다 충분히 길어야 한다. 이 형태의 목적은 SLD(100)에 입사한 복귀광(B)에 의해 생긴 간섭의 영향을 제거하는 것이다.

이하, 이 실시예에 따른 광 검출 장치가 투명체(피측정체(220))의 두께를 구조적 정보로서 측정하기 위해 사용되는 예에 대해 설명하겠다. 도7은 이 실시예에 따라 광 검출 장치 수단에 의해 피측정체의 두께 측정 결과를 도시하는 그래프이다. 이 그래프에서 수평축은 액추에이터(282)의 변위, 즉, 광학 시스템(230)의 광학 측 방향에서의 대물 렌즈(232)의 변위를 표시하고, 수직축은 증폭기(150)에서 출력된 전압 신호의 세기를 표시한다.

이 그래프에서 볼 수 있는 바와 같이, 증폭기(150)로부터의 출력 신호의 세기는 액추에이터(282)의 변위에 대해서 2 개의 피크가 있다. 두 피크 중의 하나는 순방향 출사광(A)이 피측정체(220)의 표면에서 반사되어 반사광이 복귀광(B)으로서 피드백 방식으로 SLD(100)로 입사하는 경우에 해당하고, 다른 피크는 순방향 출사 광(A)이 피측정체(220)의 후 표면에서 반사되어 반사광이 복귀광(B)으로서 피드백 방식으로 SLD(100)에 입사하는 경우에 해당한다. 따라서, 2개의 피크 사이의 거리, 즉, 액추에이터(282)의 변위 차이로부터 피측정체(220)의 두께를 결정할 수 있다.

이하, 이 실시예에 따른 광 검출 장치 수단에 의해 피측정체의 단층 화상 측정이 설명되겠다. 예를 들면, 피측정체(220)가 XYZ 단을 거쳐 단 구동 회로에 의해X 방향에서 주사되는 동안 피측정체(220)의 단층 화상을 얻기 위하여 대물 렌즈(232)는 액추에이터(282)를 거쳐 액추에이터 구동 회로(284)에 의해 광학 시스템(230)의 광학 축 방향(Z 방향)에서 이동된다.

따라서, 피측정체(220)에 대물 렌즈(232)의 초점 위치는 X 및 Z 방향에서 2차원적으로 주사된다. 피측정체(220)의 단층 화상은 대물 렌즈(232)의 Z 방향에서의 변위, X 방향에서의 XYZ 단(280)의 변위, 증폭기(150)에서 출력된 전압 신호에 기초하여 신호 처리 회로(260)에 의해 결정되어 표시 장치(270)에 표시된다.

도8은 피측정체의 단층 화상이 이 실시예에 따른 광 검출 장치를 사용하여 측정된 후에 표시 장치(270)에 표시된 단층 화상의 예를 도시하는 도면이다. 도8에서, 오른쪽 영역은 단층 화상을 나타내고, 측방향은 X 방향에서 XYZ 단(280)의 변위에 해당하고, 수직축은 Z 방향에서의 대물 렌즈(232)의 변위에 해당한다. 또한 각 위치에서 SLD(100)의 역방향 출사광(C)의 세기 즉, 증폭기(150)에서 출력된 전압 신호의 세기에 따라서 여러 가지 밀도의 화상이 표시되어 있다. 즉, 피측정체(220)가 X 및 Y 방향에서 2차원적으로 주사될 때 얻어지는 단층 화상이 도시되어 있다.

또한 도8의 왼쪽 면은 단층 화상에서 선 (A-A' ) 사이의 증폭기(150) 전압 신호의 세기 파형을 도시하고 있다. 여기서, 단층 화상에서 선 (A-A' )의 위치를 지정할 수 있을 때 사용자는 단층 화상의 어느 선에서의 신호 세기 파형은 물론 단층 화상의 어느 위치에서나 신호 세기를 얻을 수 있고, 이로서 정량 분석이 가능해진다.

표시 장치(270)의 표시는 상기 도면으로 제한되지 않는다. 예를 들면, XYZ 단(280)이 X 방향에서 주시될 때 얻어진 단층 화상이 오른쪽으로 움직이면서 화면의 오른쪽 영역에 표시될 수 있고, Z 방향의 맨 나중 신호 세기는 화면의 왼쪽 영역에 표시될 수 있다. 이 방식으로, 측정 면적이 표시 장치(270)의 표시 화면을 벗어날 때라도 피측정체(220)는 계속해서 측정될 수 있고 결과는 표시될 수 있다.

이하, 편광 필터(233)의 동작 및 효과가 상세히 설명되겠다. 상기와 같이 이 실시예에 따른 광 검출 장치는 초점 공유 현미경과 동일하다. 이러한 초점 공유 광학 시스템에서, 대물 렌즈(232)의 개구수에 의존한다 해도 피측정체(220)의 초점 깊이는 상당히 작다. 따라서, 피측정체(220)의 깊이 측정에 있어서 위치 해상도가 좋다.

여기서, SLD(100)가 이득 도파관형 스트라이프 구조이므로 그 출사광이 수직 횡단 모드 광 성분(액티브 층에 직각인 방향으로 편향된 광) 및 수평 횡단 모드 광 성분(액티브 층에 평행한 방향으로 편향된 광)을 포함하고, 수직 횡단 모드 광 성분 및 수평 횡단 모드 광 성분 사이에 큰 비점수차가 존재한다는 사실은 공지되어 있다. 즉, 수직 횡단 모드 광 성분의 중앙 위치는 SLD(100)의 출사단(101)의 끝면 위치에 있고, 수평 횡단 모드 광 성분의 광빔 중앙 위치는 SLD(100)의 출사단(101)의 끝면에서 소정의 거리(비점수차) 만큼 안쪽 위치에 놓여 있다.

이 비점수차로 인해, 광원으로서 SLD(100)가 있는 초점 공유 광학 시스템은 수직 횡단 모드 광 성분과 수평 횡단 모드 광 성분에 대해 서로 초점 위치가 다르다. 결국, 피측정체의 깊이 방향에서의 위치적 해상도가 저하된다.

예를 들면, 도6에 도시된 이 실시예에 따른 광 검출 장치는 편광 필터(233)가 없을 때, 대물 렌즈(232)는 대물 렌즈(232)의 초점 위치가 피측정체(220)의 표면 근처로 바뀌도록 광학 시스템(230)의 광학 축 방향으로 액추에이터(282)에 의해 이동되어 증폭기(150)에서 출력된 전압 신호의 세기 변화가 측정되고 도9에 도시된 것과 같은 결과가 얻어진다. 이 차트에서 수평축은 대물 렌즈(232)의 변위를 표시하고, 수직축은 증폭기(150)에서 출력된 전압 신호의 세기 변화량을 표시한다.

이 차트에 도시된 바와 같이, 신호 세기에서 2개의 피크를 볼 수 있다. 주 피크는 피측정체(220)의 표면에 대물 렌즈(232)의 초점이 위치하는 수평 횡단 모드 광 성분에 관한 경우에 해당한다. 부 피크는 피측정체(220)의 표면에 대물 렌즈(232)의 초점이 위치하는 수직 횡단 모드 광 성분에 관한 경우에 해당한다.

이러한 상황의 도면에서, 비점수차로 인한 깊이 방향에서의 위치 해상도 저하 문제를 해결하도록 편광 필터(233)가 제공된다. 즉, SLD(100)에서 출사된 출사 광(A)의 기본 횡단 모드의 수평 횡단 모드 광 성분만이 편광 필터(233)를 통과하여 피측정체(220)를 조사하도록 송신되고, 피측정체(220)에서의 복귀광(B)은 기본 횡단 모드 광 성분만이 편광 필터(233)를 통과하여 SLD(100)의 출사단(101)으로 들어오도록 송신된다. 여기서, 편광 필터는 바람직하게는, 예를 들면, 복굴절 결정으로 만들어진 니콜 프리즘(Nicol prism)이다.

도6에 도시된 본 발명에 따른 광 검출 장치에서, 수평 횡단 모드 광 성분이 편광 필터(233)를 통과하도록 광학 축이 조절된 편광필터를 사용할 때, 대물 렌즈(232)는 액추에이터(282)에 의해 광학 시스템의 광학 축 방향으로 이동하여 대물 렌즈(232)의 초점 위치가 피측정체(220)의 표면 근처로 이동하며, 증폭기(150)에서 출력된 전압 신호 세기 변화를 측정하면 도10에 도시된 것과 같은 결과가 얻어진다. 또한 이 차트에서, 수평축은 대물 렌즈(232)의 변위를 표시하고, 수직축은 증폭기(150)에서 출력된 전압 신호 세기 변화량을 표시한다.

도10에 표시된 것처럼 신호 세기에 있어서, 피측정체(220)의 표면에 대물 렌즈(232)의 초점이 위치하고 있을 때 수평 횡단 모드 광 성분과 연관된 경우에 대응하는 단지 하나의 피크를 볼 수 있다. 또한, 편광 필터(233)가 광 검출 장치에 사용되는 경우의 도9에 도시된 신호 세기 파형과 비교하면, 도10의 파형은 피크 세기가 높은 반면 최대 반에서 전체 폭(FWHM)이 좁다. 이러한 현상은 이득 도파관 형 스트라이프 구조를 가진 SLD(100)에서 발진이 편광 필터(233)에서 편광되어 선택된 복귀광(B)이 기본 횡단 모드로 수렴한다는 사실에 근거한다.

또한, 도11에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 광 검출 장치(이 차트에서 원으로 표시된)에 편광 필터(233)가 사용되는 경우에 최대 반에서 전체 폭은 파장 λ인 광에 대해 개구수 NA인 대물 렌즈에서 해상도 λ/NA 대 개구수 NA의 λ/NA²(차트에서 다이아몬드로 표시된)보다 더 작고 또한, 초점 공유 광학 시스템에서 보인 제곱 법칙 특성에 기초한 최대 반에서 이론적인 전체 폭(차트에서 사각형으로 표시된)보다 작다. 즉, 이 실시예에 따른 광 검출 장치에서 공유초점 현미경의 위치 해상도보다 높은 위치 해상도가 얻어진다. 이는 SLD(100)이 피드백 방식으로 동작할 때 보이는 이득 특성의 공간적 비선형성에 기인하는 것으로 생각되고 있다.

상기 설명과 같이 이 실시예에 따른 광 검출 장치에서, SLD(100)에 고유한 비점수차에 의해 유발된 신호 파형 왜곡이 제거될 뿐만 아니라 SLD(100)의 발진 모드도 최대 반에서 아주 좁은 폭을 얻도록 기본적인 횡단 모드로 수렴될 수 있고, 피측정체(220)의 깊이 방향 측정에 있어 위치 해상도가 좋다.

또한, 피측정체(220)에 출사광(A)이 조사될 때 발생되는 반사광 및 산란광의 규칙적으로 반사된 광 성분은 출사광(A)의 편광 상태와 동일한 편광 상태이므로 편광 필터(233)를 통과하여 SLD(100)의 출사단(101)으로 들어간다. 이와 대조적으로 산란광 성분의 편광 방향은 무질서해서 출사광(A)의 편광 방향에 직각인 편광 성분은 편광 필터(233)에서 차단된다. 따라서, 산란이 많은 피측정체(220)의 내부 구조를 측정해야 할 때는 산란의 영향이 줄어들 수 있고, 그 경계 표면이 아주 정확하게 측정될 수 있다.

횡단 모드를 선택하는데 사용되는 편광 필터(233)의 예는 일반적으로 프리즘을 이용한 필터, 편광막을 이용하는 필터, 금속 격자를 이용하는 필터를 포함한다. 어느 것이나 사용할 수 있지만 이 편광 필터는 광학 경로에 삽입될 때 광이 필터를 지나면서 손실되므로 항상 최적으로 사용될 수 없다.

따라서, 수평 모드를 선택하는 수단으로서 도 12a 또는 12b에 도시된 것과 같은 슬릿 또는 날을 사용하는 편광 선택 시스템이 바람직하게 이용된다. 도 12a 및 12b에서 끊어진 곡선으로 표시된 타원은 편광 선택 시스템에 도달한 SLD(100)에서 출사된 순방향 출사광(A)의 광빔 형태를 나타낸다.

도12a에 도시된 슬릿(500)의 세로 방향이 SLD(100)의 액티브 층(330)과 평행한 방향과 일치할 때, 수직 횡단 모드 광 성분은 거의 차단되고, 수평 횡단 모드 광 성분은 효율적으로 송신될 수 있다. 또한, 도 12b에 도시된 날(510)의 날 방향이 SLD(100)의 액티브 층(330)과 평행한 방향과 일치할 때, 수직 횡단 모드 광 성분의 거의 반이 차단되고, 수평 횡단 모드 광 성분은 효율적으로 송신될 수 있다.

특히, 날(510)은 깊이 방향에서 위치 해상도를 최적화하면서 제거되어야 하는 횡단 모드 광 성분의 영향을 최소화하도록 그 위치를 세밀하게 조절하는데 가장 양호하다. 또한 SLD(100)에서의 출사광의 세기 분포가 광학 시스템(230)의 광학 축을 중심으로 대칭이므로, 제거되어야 할 횡단 모드 광 성분의 반만이 제거될 때에도 목적 피측정체를 충분하게 달성할 수 있다.

더 바람직하게는, 편광 필터, 슬릿, 날과 같은 편광 선택 시스템은 광학 시스템의 광학 축을 중심으로 회전한다. 회전하도록 되어 있으면 편광 필터의 광학 축, 슬릿 방향, 날 방향 등은 기본 모드의 편광 방향과 일치하도록 조절될 수 있다.

상기 편광 필터와 같은 편광 선택 시스템에 의해 편광되어 선택된 기본 모드로서 수평 횡단 모드가 채용되었지만, 수직 횡단 모드도 물론 사용될 수 있다. 회전 하는 편광 선택 시스템이 사용될 때, 필요에 따라 수평 및 수직 횡단 모드 광 성분이 선택될 수 있다. 또한, 도6에 도시된 바와 같이 편광 선택 시스템은 시준 렌즈(231)와 대물 렌즈(232) 사이의 위치에 한정되지 않고 SLD(100)와 피측정체(220) 사이의 광학 경로의 어느 위치에나 삽입될 수 있다.

위의 실시예에 한정되지 않고 본 발명은 여러 가지 방식으로 변형 실시될 수있다. 예를 들면, 도6에 도시된 대물 렌즈(232)를 이동시키는 액추에이터(282)는 압전 장치를 사용하는 것에 한정되지 않고, 작은 튜닝 포크(tunig fork) 또는 음성 코일이 대물 렌즈를 이동시키는데 사용할 수 있다. 압전 장치를 사용하는 액추에이터는 상대적으로 무거운 대물 렌즈를 이동하는데 양호하고, 작은 튜닝 포크 또는 음성 코일을 사용하는 액추에이터는 상대적으로 가벼운 대물 렌즈를 이동시키는데 양호하다.

또한 도13에 도시된 바와 같이 광 수신 장치(140)의 출력은 증폭되어 SLD(100)을 제어하여 SLD(100)에서 출사되는 광(순방향 출사광(A) 또는 역방향 출사광(C))의 양이 항상 일정하게 되도록 SLD 구동 회로로 피드백될 수 있고, SLD 구동 회로(110)에서 SLD(100)로 공급되는 구동 신호 즉, 주입 전류의 변화량이 검출되고, 증폭기(150)에 의해 증폭되어, A/D 변환될 수 있다.

이 경우에 피측정체의 반사율에 의존하지 않고서 SLD로부터 출사광의 광량은 일정하게 된다. 따라서, 측정할 때 넓은 동적 범위가 얻어질 뿐만 아니라, 개루프 동작시 피측정체의 반사율이 클 때에도 SLD에서 출사되는 광의 광량을 너무 많이 증가시키지 않으면서도 안정된 측정을 할 수 있다.

또한, 도14에 도시된 바와 같이 광 수신 장치(140)는 역방향 출사광 대신에 SLD로부터의 순방향 출사광의 일부(A' )를 수신할 수 있다. 이 경우 순방향 출사광의 일부(A' )는 SLD(100)와 피측정체(220) 사이의 광학 경로에 배치된 반 거울(234)에 의해 분기되어, 핀홀(236)이 배치된 수렴점에 집광 렌즈에 의해 수렴되고, 핀홀(236)을 통해 송신된 광은 광 수신 장치(140)에 의해 검출된다. 초점 공유 광학 시스템은 이러한 형태로서 만들어질 수도 있다.

상기 상세한 설명과 같이 본 발명에 따라, 구동 신호를 SLD 구동 회로로부터 수신하는 반도체 광 증폭 장치(SLD)는 반사하지 않도록 처리된 출사단에서 구동 신호에 대응하는 광량의 출사광을 출력한다. 광학 시스템을 거쳐 피측정체에 출사광이 조사되고, 조사된 후 피측정체에서 발생한 반사광, 산란광, 회절광 광학 시스템으로 다시 돌아가 복귀광으로서 반도체 광 증폭 장치의 출사단에 입사된다.

광 증폭 장치는 복귀광이 증폭기에 입사할 때 광 증폭을 수행하여 출사광의 광량이 증가된다. 이러한 출사광의 광량 변화는 광 수신 신호로서 광 수신 장치에서 출력된다. 그러므로, 반도체 광 증폭기에서 구동 신호와 출사광 광량 사이의 관계는 복귀광의 광량에 따라 변하고, 피측정체의 광학 특성이 측정된다.

그러므로 구성된 광 검출 장치는 레이저 피드백 광학 검출 기술의 기본 구성인 초점 공유 광학 시스템을 구현하여 레이저 피드백 광학 검출 기술을 사용하는 매우 간단한 형태를 가진다. 따라서, 피측정체에 광이 조사되는 것이 광학적으로 조절되므로, 광의 수렴성이 자동적으로 조절된다. 또한, 피측정체의 깊이 방향에서 측정할 때 해상도가 상당히 좋다.

또한, 레이저 피드백 광학 검출 기술은 반도체 광 증폭 장치(SLD)에 의해 구현되므로, 반도체 레이저를 사용하는 레이저 피드백 광학 검출 기술과 비교했을 때 이득 특성 상의 공간적 비선형성으로 인해 초점 공유 광학 시스템에 고유한 제곱 법칙 특성에 기초한 이론적 해상도보다 높은 해상도를 얻는다. 또한, 복귀광에 의해 유발되는 종래의 잡음 문제도 해결될 수 있다.

따라서, 복귀광의 광량에 대한 출사광의 광량 변화는 선형성이 좋고, 출사광에 대해 약 0.05% 비인 작은 양의 복귀광이라도 괜찮은 감지도로서 검출될 수 있으며, 높은 S/N과 넓은 동적 범위를 얻는다.

또한, 출사광과 복귀광 각각의 소정의 편광 성분을 통과시키는 편광 필터와 같은 편광 선택 시스템이 반도체 광 증폭 장치(SLD)로부터의 출사광의 횡단 모드 중의 하나를 선택하도록 광학 시스템에 제공될 때, 반도체 광 증폭 장치에 원래 있는 비점수차 문제는 해결되고, 초점 공유 광학 시스템에 원래 있는 제곱 법칙 특성에 기초한 이론적 해상도보다 높은 해상도로서 측정할 수 있다.

또한, 록인(lock-in) 증폭기와 같은 검출 수단을 사용할 필요가 없으므로, 장치를 작고 값싸게 만들면서도 고속 응답이 달성될 수 있고, 이로써 이 장치는 초점 공유 현미경은 물론 광학 디스크에 대한 픽업 기술로써도 잘 응용될 수 있다.

기술된 발명으로부터 본 발명을 여러 가지로 변형하는 것이 가능하다. 이러한 변형 실시예는 본 발명의 정신과 영역을 벗어나는 것으로 생각되지 않을 것이며, 이러한 모든 변형 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련가에게 가능하므로 하기 특허청구의범위의 영역에 포함되는 것으로 생각된다.

l996년 2월 28일에 출원된 일본 특허출원 제 96-4l8O2 호는 참고문헌으로 본 명세서에 포함된다.

Claims

광학 장치에 있어서,

제1구동 신호를 출력하는 제1구동 회로(110)와;

상기 제1 구동 회로로부터 수신된 상기 제1 구동 신호(110)에 대응하는 광량(光量)을 갖는 제1 광빔(light beam)을 무(無)반사를 야기하도록 처리된 제1 출사단(101)으로부터 출사하고, 상기 제1 광빔으로 조사(照射)되는 측정될 피측정체
(120)로부터의 복귀광으로서 상기 제1 출사단에 피드백 방식으로 입사되는 제2 광빔에 기초하여 상기 제1 광빔을 광학적으로 증폭하는 반도체 광 증폭 장치(100)와;

상기 반도체 광 증폭 장치(100)로부터 입사된 상기 제1 광빔으로 상기 피측정체(120)에 조사하고, 상기 피측정체(120)로부터 입사되는 상기 제2 광빔을 피드백 방식으로 상기 반도체 광 증폭 장치(100)에 입사시키는 광학 시스템(130)과;

상기 제1 광빔의 광량에 비례하는 광량으로, 상기 반도체 광 증폭 장치(100)로부터 출사된 제3 광빔을 검출하고, 상기 제3 광빔의 광량에 대응하는 광 수신 신호를 출력하는 광 수신 장치(140)를 포함하고,

상기 제1 구동 회로는 상기 반도체 광 증폭 장치로부터 출사된 상기 제1 광빔의 광량을 일정하게 유지하도록, 상기 광 수신 장치로부터 입력된 광 수신 신호에 기초하여, 상기 제1 구동 신호로서 상기 반도체 광 증폭 장치에 공급되는 주입 전류를 조절하며,

상기 광학 장치는 또한,

상기 제1 구동 회로로부터 입력된 상기 제1 구동 신호를 증폭하기 위한 증폭기와;

상기 증폭기에 의해 증폭된 상기 제1 구동 신호에 기초하여, 상기 피측정체의 저장 정보 또는 구조 정보에 관한 데이터를 발생하기 위한 신호 처리 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 광학 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 광학 시스템은, 상기 제1 및 제2 광빔 각각에 포함된 소정의 편광 성분을 선택적으로 투과시키고, 피드백 방식으로 입사된 상기 제2 광빔으로 인해 상기 반도체 광 증폭 장치에 의해 달성되는 광 증폭의 발진 모드를 선택적으로 설정하는 편광 선택 시스템을 더 포함하는, 광학 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 편광 선택 시스템은 복굴절 결정(birefringent crystal)으로 된 편광 필터인, 광학 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 반도체 광 증폭 장치는 캐리어 밀도가 상기 반도체 광 증폭 장치의 중심부에 위치되어 있는 좁은 스트라이프 구조 또는 이득 도파관형 스트라이프구조(gain waveguide type stripe structure)를 갖는 광 출사 장치를 포함하는, 광 검출 장치.
제 4 항에 있어서,

상기 반도체 광 증폭 장치는 초발광성 다이오드(super-luminescence diode)인, 광학 장치.
제 4 항에 있어서,

상기 반도체 광 증폭 장치는 광학 도파관의 방향이 공진기의 방향에 대해 기울어지도록 설정되는 경사진 광학 도파관 구조를 갖는, 광학 장치.
제 4 항에 있어서,

상기 반도체 광 증폭 장치는 상기 제1 출사단으로부터 떨어져 있는 광학 도파관을 형성하는 컷오프(cut-off) 광학 도파관 구조를 갖는, 광학 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제1 구동 회로는 상기 반도체 광 증폭 장치에 상기 제1 구동 신호로서 실질적으로 일정한 주입 전류를 공급하는, 광학 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 광 수신 장치는 상기 반도체 광 증폭 장치의 상기 제1 출사단과 대향되는 제2 출사단으로부터 출사된 광빔을 상기 제3 광빔으로서 검출하는, 광학 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 광 수신 장치는 상기 반도체 광 증폭 장치로부터 출사된 상기 제1 광빔의 일부를 상기 제3 광빔으로서 검출하는, 광학 장치.
제 10 항에 있어서,

상기 광학 시스템은 상기 반도체 광 증폭 장치로부터 출사된 상기 제1 광빔의 일부를 상기 광 수신 장치에 유도하도록 상기 반도체 광 증폭 장치와 상기 피측정체 사이의 광학 경로에 배치되는 반 거울(half mirror)을 더 포함하는, 광학 장치.
공유초점 현미경에 있어서,

제1 구동 신호를 출력하는 제1 구동 회로와;

상기 제1 구동 회로로부터 입력된 상기 제1 구동 신호에 대응하는 광량을 갖는 제1 광빔을 무반사를 야기하도록 처리된 제1 출사단으로부터 출사하고, 상기 제 1 광빔으로 조사되는 측정될 피측정체로부터의 복귀광으로서 상기 제1 출사단에 피드백 방식으로 입사되는 제2 광빔에 기초하여 상기 제1 광빔을 광학적으로 증폭하는 반도체 광 증폭 장치와;

상기 제1 광빔과 제2 광빔의 광 경로 상에 배치되고, 상기 제1 광을 초점에 집중시키며, 상기 피측정체로부터 입사되는 상기 제2 광빔을 피드백 방식으로 상기 반도체 광 증폭 장치에 입사시키는 광학 시스템과:

상기 광 경로 상에 배치되고, 상기 제1 및 제2 광빔들 각각에 포함되는 소정 평면 내의 선형 편광 성분을 선택적으로 전송하며, 상기 반도체 광 증폭기와 상기 피측정체 사이의 상기 광 경로 상에서 공진하는 광이 상기 소정 평면에서 선형 편광되게 하는, 편광 선택 시스템과;

상기 제1 광빔의 광량에 비례하는 광량으로, 상기 반도체 광 증폭 장치로부터 출사된 제3 광빔을 검출하고, 상기 제3 광빔의 광량에 대응하는 광 수신 신호를 출력하는 광학 수신 장치를 포함하고,

상기 제1 구동 회로는 상기 반도체 광 증폭 장치로부터 출사된 상기 제1 광빔의 광량을 일정하게 유지하도록, 상기 광 수신 장치로부터 입력된 광 수신 신호에 기초하여, 상기 제1 구동 신호로서 상기 반도체 광 증폭 장치에 입력되는 주입 전류를 조절하고,

상기 광학 시스템과 상기 피측정체 중 적어도 하나는 상기 광학 시스템의 상기 초점이 상기 피측정체 내의 측정될 지점 상에 있도록 이동되며,

상기 제1 구동 신호에 기초하여 상기 피측정체의 구조 정보에 관한 데이터를 생성하기 위한 신호 처리 회로를 더 포함하는, 공유초점 현미경.
제 12항에 있어서,

상기 제1 구동 회로로부터 입력된 상기 제1 구동 신호를 증폭하기 위한 증폭기를 더 포함하고,

상기 증폭된 제1 구동 신호가 상기 신호 처리 회로에 입력되는, 공유초점 현미경.
제 12항에 있어서,

제2 구동 신호를 출력하는 제2 구동 회로와;

상기 제2 구동 회로로부터 입력된 상기 제2 구동 신호에 기초하여, 상기 광학 시스템에 포함된 대물 렌즈들의 초점 위치를 조절하는 액추에이터(actuator)와;

상기 제1 및 제2 구동 회로들의 각 동작들을 제어하고, 상기 신호 처리 회로에 상기 피측정체의 위치 정보를 출력하는 제어기를 더 포함하는, 공유초점 현미경.
제 14 항에 있어서,

상기 대물 렌즈들의 변위를 측정하고 그 검출 신호를 상기 제2 구동 회로에 출력하는 변위 센서(displacement sensor)를 더 포함하고,

상기 대물 렌즈들의 변위 에러 보상을 실행하도록, 상기 제2 구동 회로는 상기 변위 센서로부터 입력된 검출 신호에 기초하여, 상기 제2 구동 신호를 조절하는, 공유초점 현미경.
제 14항에 있어서,

제3 구동 신호를 출력하는 제3 구동 회로와;

상기 제3 구동 회로로부터 입력된 상기 제3 구동 신호에 기초하여, 상기 피측정체의 위치를 조절하는 단(stage)을 더 포함하고,

상기 제어기는 상기 제3 구동 회로의 동작을 더 제어하는, 공유초점 현미경.
공유초점 현미경에 있어서,

제1 구동 신호를 출력하는 제1 구동 회로와;

상기 제1 구동 회로로부터 입력된 상기 제1 구동 신호에 대응하는 광량을 갖는 제1 광빔을 무반사를 야기하도록 처리된 제1 출사단으로부터 출사하고, 상기 제 1 광빔으로 조사되는 측정될 피측정체(120)로부터의 복귀광으로서 상기 제1 출사단에 피드백 방식으로 입사되는 제2 광빔에 기초하여 상기 제1 광빔을 광학적으로 증폭하는 반도체 광 증폭 장치와;

상기 제1 광빔과 제2 광빔의 광 경로 상에 배치되고, 상기 제1 광을 초점에 집중시키며, 상기 피측정체로부터 입사되는 상기 제2 광빔을 피드백 방식으로 상기 반도체 광 증폭 장치(100)에 입사시키는 광학 시스템과;

상기 광 경로 상에 배치되고, 상기 제1 및 제2 광빔들 각각에 포함되는 소정 평면 내의 선형 편광 성분을 선택적으로 전송하며, 상기 반도체 광 증폭기와 상기 피측정체 사이의 상기 광 경로 상에서 공명하는 광이 상기 소정 평면에서 선형 편광되게 하는, 편광 선택 시스템과;

상기 제1 광빔의 광량에 비례하는 광량으로, 상기 반도체 광 증폭 장치로부터 출사된 제3 광빔을 검출하고, 상기 제3 광빔의 광량에 대응하는 광 수신 신호를 출력하는 광학 수신 장치를 포함하고,

상기 제1 구동 회로는 상기 반도체 광 증폭기 장치에 상기 제1 구동 신호로서 주입 전류를 인가하고,

상기 광학 시스템과 상기 피측정체 중 적어도 하나는 상기 광학 시스템의 상기 초점이 상기 피측정체 내의 측정될 지점 상에 있도록 이동되며,

상기 광 수신 신호에 기초하여 상기 피측정체의 구조 정보에 관한 데이터를 생성하기 위한 신호 처리 회로를 더 포함하는, 공유초점 현미경.
제 17항에 있어서, 상기 광 수신 장치로부터 입력된 상기 광 수신 신호를 증폭하기 위한 증폭기를 더 포함하고,

상기 증폭된 광 수신 신호는 상기 신호 처리 회로에 입력되는, 공유초점 현미경.