WO2022123705A1 - 光センサ - Google Patents

光センサ Download PDF

Info

Publication number
WO2022123705A1
WO2022123705A1 PCT/JP2020/045916 JP2020045916W WO2022123705A1 WO 2022123705 A1 WO2022123705 A1 WO 2022123705A1 JP 2020045916 W JP2020045916 W JP 2020045916W WO 2022123705 A1 WO2022123705 A1 WO 2022123705A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical sensor
optical
light source
substrate
light
Prior art date
Application number
PCT/JP2020/045916
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
侑祐 齋藤
悠太 上田
Original Assignee
日本電信電話株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日本電信電話株式会社 filed Critical 日本電信電話株式会社
Priority to PCT/JP2020/045916 priority Critical patent/WO2022123705A1/ja
Publication of WO2022123705A1 publication Critical patent/WO2022123705A1/ja

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers

Definitions

  • the present invention relates to an optical sensor.
  • Optical sensing has been used as a non-destructive inspection method for objects under test.
  • various fields of application such as LiDAR (light Detection and ranging) for driving support of automobiles and OCT (Optical Coherence Tomography) for biometric measurement.
  • Some optical sensors have only a light receiving unit for detecting light or its change, and some have a built-in light source to irradiate an object with light and detect the reflected light. In the latter type of optical sensing with a built-in light source, the light source is an important device that influences the configuration of the entire system, and it is necessary to select it appropriately according to the application.
  • VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser
  • SLDs Super Luminescent Diodes
  • VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser
  • One of the major characteristics of VCSEL is that it is a surface-emitting type, so that the process of inspecting optical characteristics can be performed at the wafer level.
  • an end face input / output type optical device such as a laser in which a resonator is configured parallel to the substrate surface
  • the inspection process cannot be performed unless the substrate is cut to expose the cleavage surface of the end surface of the substrate.
  • Ordinary LDs and SLDs which are not surface-emitting type like VCSELs, generally have a higher manufacturing cost than VCSELs.
  • the reason for the high cost is that, as described above, inspection cannot be performed unless the substrate is cleaved, and wafer level inspection cannot be performed, and AR (Anti-Reflection) coating on the cleaved end surface is required.
  • the narrow range of wavelengths used by the VCSEL and the high cost of the LD have been problems.
  • One embodiment of the present invention is an optical sensor integrated on a substrate, connected to an optical coupler having two inputs and two outputs, and a first input of the optical coupler, on a substrate surface.
  • An optical sensor including a light source connected to the second input of the optical coupler.
  • the present invention it is possible to reduce the cost of the manufacturing process and to provide a compact optical sensor suitable for operation at a long wavelength at a low cost.
  • a low coherence light source such as a laser or SLD configured parallel to the substrate surface and a mirror that reflects light in a direction perpendicular to the substrate surface are integrated on the same substrate.
  • the inspection process of the optical characteristics of the optical sensor can be performed at the wafer level, and the manufacturing cost can be reduced as compared with the optical sensor including the end face input / output type light source.
  • the optical sensor of the present disclosure further monolithically integrates a reference delay line and a photoreceiver to form an interferometer detection circuit (Michelson interferometer).
  • FIG. 1 is a diagram showing an outline of the configuration of the optical sensor of the present disclosure, and is a view of the upper surface (x-z surface) of the substrate 10 in which the elements of the optical sensor 100 are configured.
  • a light source 1, a light receiver 2, a top-top exit mirror 3, and a reference delay line 4 are integrated on the substrate 10.
  • the light source 1 is connected to the optical waveguide 21, the light receiver 2 is connected to the optical waveguide 22, the upper surface emitting mirror 3 is connected to the optical waveguide 23, and the reference delay line 4 is connected to the optical waveguide 24, and further to the optical coupler 5 via each optical waveguide.
  • the optical sensor 10 in which different reciprocating optical paths are formed by the optical coupler 5 constitutes a Michelson interferometer.
  • the light emitted from the light source 1 is branched into the optical waveguide 23 and the optical waveguide 24 in the optical coupler 5.
  • the reflected light emitted from the upper surface emitting mirror 3 and reflected from the object to be measured returns to the optical coupler 5.
  • the reflected light reflected and returned by the mirror at the end of the reference delay line 4 returns to the optical coupler 5.
  • the two reflected lights interfere with each other at the coupler 5, and the interference light is detected by the receiver 2.
  • Michelson includes a first path reciprocating between the first output of the optical coupler and the object under test that reflects the emitted light from the top exit mirror, and a second path reciprocating the reference delay line. Configure an interferometer.
  • FIG. 2 is a diagram showing a cross-sectional configuration of the light source perpendicular to the substrate surface.
  • the schematic structure of the cross-sectional view (yz plane) of the substrate passing through the line II-II of FIG. 1 is shown, and it is shown extremely enlarged in the substrate thickness direction (y-axis).
  • the light source 1 includes an active region 11 and electrodes 12 and 13 on the upper and lower surfaces of the substrate 10 corresponding to the active region.
  • the active region 11 is made of a material having a light gain at the measurement wavelength, and the light gain is generated by supplying a current via the electrodes 12 and 13.
  • the light source 1 constitutes a general semiconductor laser by forming the active region 11 parallel to the substrate surface, that is, having a resonator structure horizontal along the optical waveguide.
  • the optical sensor of the present disclosure is an optical sensor integrated on a substrate, which is connected to an optical coupler having two inputs and two outputs and a first input of the optical coupler and is parallel to the substrate surface.
  • a light source having an active region configured therein, a top emitting mirror connected to the first output of the optical coupler, and a reference delay line connected to the second output of the optical coupler and provided with a phase adjuster. It can be carried out as if it is provided with a light receiver connected to the second input of the optical coupler.
  • compound semiconductors containing III-V group elements such as In, P, Ga, As, and Al are suitable, and specifically, InP or GaAs can be used.
  • the material of the superior technique is excellent in that the light source 1 and the upper surface emitting mirror 3 can be monolithically integrated, and the light loss and the chip size are minimized.
  • a bulk structure or a multiple quantum well structure of a multidimensional mixed crystal semiconductor such as InGaAsP having various stoichiometric ratios is suitable.
  • These structures of a multi-element mixed crystal semiconductor are formed by a combination of a crystal growth method such as MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) and MBE (Molecular Beam Epitaxy) and a manufacturing method such as various etching methods.
  • a crystal growth method such as MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) and MBE (Molecular Beam Epitaxy)
  • a manufacturing method such as various etching methods.
  • the light generated by the light source 1 reaches the optical coupler 5 via the optical waveguide 21, is branched, and is incident on the optical waveguide 23 and the optical waveguide 24.
  • a multi-element mixed crystal semiconductor capable of epitaxially growing on the substrate 10 is suitable as in the active region 11.
  • various generally known optical couplers such as a multimode interference (MMI) coupler and a directional coupler can be used, and they are formed by various etching methods.
  • MMI multimode interference
  • FIG. 3 is a diagram showing a cross-sectional configuration perpendicular to the substrate surface in the upper surface emitting mirror.
  • the schematic structure of the cross-sectional view (yz plane) of the substrate passing through the line III-III of FIG. 1 is shown, and it is shown extremely enlarged in the substrate thickness direction (y-axis).
  • One of the lights branched by the optical coupler 5 is emitted from the end surface of the optical waveguide 23 into space, and is reflected by the upper surface exit mirror 3 in the direction (y-axis) perpendicular to the substrate 10.
  • the light reflected by the upper surface emitting mirror 3 is reflected by the object 9 arranged to face the substrate surface, passes through the upper surface emitting mirror 3 and the optical waveguide 23, and returns to the optical coupler 5.
  • the top surface emitting mirror 3 has an inclined surface formed by various selective growth methods, etching methods, or a combination thereof, and a metal material such as Au is formed on the inclined surface by a method such as thin film deposition.
  • FIG. 4 is a diagram showing a cross-sectional configuration perpendicular to the substrate surface in the reference delay line.
  • the schematic structure of the cross-sectional view (yz plane) of the substrate passing through the VV line of FIG. 1 is shown, and is enlarged in the substrate thickness direction (y-axis).
  • the other light branched by the optical coupler 5 passes through the optical waveguide 24, is reflected by the mirror 31 provided on the reference delay line 4, and returns to the optical coupler 5.
  • the mirror 31 is provided at the end of the reference delay line 4.
  • the mirror 31 can be formed by vapor deposition of a metal material such as Au.
  • the reference delay line 4 includes the phase adjuster 7.
  • the phase adjuster 7 a structure utilizing the thermo-optical effect is shown.
  • a heater 41 is provided above the reference delay line 4.
  • This heater is composed of a metal thin film and generates heat by passing an electric current through the heater 41.
  • the Joule heat generated from the heater 41 changes the refractive index of the reference delay line 4 at the bottom of the heater, and controls the phase of the light returning to the optical coupler 4.
  • the metal thin film of the heater can be formed by various methods such as thin film deposition.
  • the reflected light returned from the optical waveguide 23 and the optical waveguide 24 interferes with each other in the optical coupler 5, and the interference light incident on the optical waveguide 22 from the optical coupler 5 is detected by the receiver 2.
  • the light receiver 2 may have an active region 11 equivalent to that of the light source 1.
  • the interference light detected by the light receiver 2 reflects the optical path length difference between the reciprocating optical path including the optical waveguide 23 and the reciprocating optical path including the optical waveguide 24.
  • the intensity I (t) of the interference light is expressed by the following equation, ignoring the term having a high frequency.
  • E 1 (t) and E 2 (t) are expressed by the following equations.
  • E represents the electric field
  • A represents the amplitude of the electric field
  • f 0 represents the frequency of the electric field
  • t represents the time
  • ⁇ represents the phase
  • i represents the imaginary unit.
  • the subscript 1 of each parameter corresponds to the light reciprocating in the optical path (first path) between the object to be measured and the first output of the optical coupler.
  • the subscript 2 corresponds to the light reciprocating in the optical path (second path) between the second output of the optical coupler and the end of the reference delay line 4.
  • the optical sensor of this embodiment can be applied to the measurement of minute displacement for industrial use such as electronic / optical device manufacturing where precision is required, for example.
  • the interference light intensity I (t) in the light receiver 2 changes periodically by the cos function. Therefore, the optical sensor of the present embodiment has sensitivity by, for example, adjusting the heater in the initial state in which the optical sensor is set on the object to be measured and setting it in the linear portion (phase difference is near 0) of the change in the interference light intensity.
  • the displacement of the object can be detected well.
  • a wafer-level optical characteristic inspection and AR are performed by combining a light source (laser) equipped with a horizontal resonator in which a resonator is configured in parallel with a substrate suitable for lengthening the wavelength and a top-emission mirror. Coating becomes possible, and the cost of manufacturing an optical sensor can be reduced.
  • a light source provided with a horizontal resonator a semiconductor laser such as a DFB laser or a DBR laser can be used.
  • the optical sensor of the present disclosure utilizes a light source equipped with a horizontal resonator, inputs and outputs light to and from the object 9 using a top-emission mirror, and easily interferes with the Michelson interferometer together with the optical coupler 5. You can configure the total. Such a configuration cannot be easily realized by VCSEL, which is a surface emitting device. By combining a light source (laser) equipped with a horizontal resonator and a top-mounted mirror, the wavelength of the optical sensor can be lengthened and the cost can be reduced.
  • a laser having a horizontal resonator is used as a light source.
  • the configuration of the light source in the optical sensor is not limited to the laser, and a light source with low coherence can also be used.
  • the optical sensor of the second embodiment of the present disclosure has substantially the same configuration as that shown in FIG. 1, and a low coherence light source is configured by not having the active region 11 as a resonator structure in the light source 1.
  • the low coherence light source comprises an active region 11 that does not include a resonator structure and functions as an optical gain region, and a passive optical waveguide 21 that is extended from the active region 11 and includes a current injection region. Therefore, the only difference from the light source 1 of the optical sensor 100 of the first embodiment shown in FIG. 1 is that the light source does not have a resonator structure.
  • the optical sensor of this embodiment uses low coherence light for measurement, the spectrum width of the output light is wider than that of the laser light source.
  • the optical path length of the optical path (first path) between the object 9 to be measured and the optical coupler 5 and the optical path (second path) between the end of the reference delay line 4 and the optical coupler 5 are the same, that is, Only when the optical path difference is 0, the interference light detected by the light receiver 2 intensifies each other. Therefore, the phase adjuster 7 is used to adjust the phase of the reference delay line 4 so that the detected values of the interference light in the light receiver 2 are intensified.
  • the optical path length can be determined from the phase adjustment amount in the phase adjuster 7, and the distance from the upper surface emitting mirror 3 to the object to be measured 9 can be measured.
  • the detection value of the interference light by the light receiver 2 repeatedly increases and decreases periodically, but in the optical sensor of the present embodiment, the phase corresponding to the distance between the optical sensor and the object to be measured. A peak is shown in a single phase adjustment amount of the regulator 7. Therefore, the optical sensor of the present embodiment is suitable for an application in which an accurate distance to an object is detected when the distance to the object is known in advance. As an example, it is suitable for distance measurement applications in which an object to be measured can be placed at substantially the same position for each measurement.
  • the mirror 31 at the end of the reference delay line 4 reflects the second branch light from the optical coupler 5 to generate interference light.
  • FIG. 5 is a diagram showing a cross-sectional configuration of a reference delay line of the optical sensor of the third embodiment. Similar to FIG. 4, a schematic configuration of a cross-sectional view (yz plane) of the substrate passing through the VV line of FIG. 1 is shown, and is enlarged in the substrate thickness direction (y-axis).
  • the optical sensor of the third embodiment also has substantially the same configuration as the optical sensor 100 shown in FIG. 1, and only the configuration of the reference delay line 4 is different.
  • the upper surface emitting mirror 42 that reflects in the direction perpendicular to the substrate surface is integrated instead of the mirror 31 at the end in the first embodiment of FIG.
  • the optical sensor of this embodiment can be used, for example, in a semiconductor manufacturing apparatus for detecting the inclination of a semiconductor wafer or the like. Even in the optical sensor of this embodiment, the optical characteristics at the wafer level are obtained by combining a low coheat intensity light source having an optical waveguide configured parallel to the substrate, which is suitable for operation at a long wavelength, and two top-emission mirrors. Inspection is possible. It is possible to reduce the cost of the manufacturing process of the optical sensor.
  • the present invention can be used for industrial optical sensors.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)

Abstract

基板上に構成要素が集積化された光センサを開示する。光センサは、基板面に平行に構成されたレーザまたはＳＬＤ等の低コヒーレンス光源と、光を基板面に対して垂直な方向に反射させるミラーとを、１つの基板上に集積している。基板上にミラーを集積化することで、光センサの光学特性の検査工程がウェハレベルで行えるようになり、端面入出力型の光源を利用した光センサと比べて製造コストを削減できる。本開示の光センサは、さらに基板上に参照遅延線および受光器をモノリシックに集積して干渉計検波回路を構成する。基板面に平行な、水平共振器を持つ半導体レーザは、光センサのより長波長帯での動作を実現し、製造コストを下げることで、光センサの応用範囲を拡大する。光源として、共振器構造を持たない低コヒーレンス光源も利用できる。

Description

光センサ
　本発明は、光センサに関する。
　光によるセンシングは、被測定物を非破壊で検査する方法として用いられてきた。近年では、自動車の運転支援等へのＬｉＤＡＲ(light Detection and ranging)や、生体計測用のＯＣＴ (Optical Coherence Tomography)他、応用分野は多岐に渡る。光センサには、光またはその変化を検出する受光部のみを有するものと、光源を内蔵し対象物に光を照射してその反射光を検出するものがある。光源を内蔵する後者の方式の光センシングでは、光源がシステム全体の構成を左右する重要なデバイスであり、用途に応じて適切に選定する必要がある。
　光センサにおいて、量産性と省電力性、可搬性等が重視される用途では、主に半導体レーザや、ＳＬＤ(SuperLuminescent Diode)等の化合物半導体を材料とする発光デバイスが光源として用いられてきた。中でも、垂直共振器型面発光レーザ (ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser)は、低コストで実装性が高く、光学式マウスや顔認証システム等の様々なセンシングに用いられている。ＶＣＳＥＬを特徴付ける１つの大きな特色は、面発光型であるため、光学特性の検査工程までをウェハレベルで行えることにある。
特開２００６－２３４０９号　明細書
　従来技術で広く用いられていたＶＣＳＥＬの光源を含む光センサでは、長波長化がデバイス構造上難しいという欠点があり、応用範囲をより拡大しようとする際の課題となっていた。ＶＣＳＥＬにおける実用動作波長は、最長でも１μｍ程度に止まる。光センサの光源と利用される、基板面に平行に共振器が構成されるレーザなどは、材料および構造上の工夫により最長で１０μｍ程度までの長波長での動作が可能である。
　しかしながら基板面に平行に共振器が構成されるレーザ等の端面入出力型の光デバイスでは、基板をカットして、基板の端面の劈開面を露出しなければ検査工程が行えない。ＶＣＳＥＬのような面発光型ではない、通常のＬＤやＳＬＤは、一般的にＶＣＳＥＬより製造コストが高い。高コストの理由は、上述のように基板を劈開しなければ検査ができずウェハレベルの検査ができないことや、劈開端面のＡＲ（Anti-Reflection）コーティングが必要なことにある。光センサの応用範囲を広げる点で、ＶＣＳＥＬの利用波長範囲の狭さや、ＬＤの高コストが課題となっていた。
　本発明はこのような課題に鑑みなされたもので、製造工程を低コスト化し、長波長での動作に適した光センサを提供することを目的とする。
　本発明の１つの実施態様は、基板上に集積化された光センサであって、２つの入力および２つの出力を有する光カプラと、前記光カプラの第１の入力に接続され、基板面に平行に活性領域が構成された光源と、前記光カプラの第１の出力に接続された上面出射ミラーと、前記光カプラの第２の出力に接続され、位相調整器を備えた参照遅延線と、前記光カプラの第２の入力に接続された受光器とを備えた光センサである。
　本発明によれば、製造工程を低コスト化し、長波長での動作に適したコンパクトな光センサを安価に提供できる。
本開示の光センサの構成の概要を示す図である。 本開示の光センサの光源における基板面に垂直な断面構成を示す図である。 上面出射ミラーにおける基板面に垂直な断面構成を示す図である。 参照遅延線における基板面に垂直な断面構成を示す図である。 第３の実施形態の光センサの参照遅延線の断面構成を示す図である。
　本開示の光センサは、基板面に平行に構成されたレーザまたはＳＬＤ等の低コヒーレンス光源と、光を基板面に対して垂直な方向に反射させるミラーとを、同一の基板上に集積している。基板上にミラーを集積化することで、光センサの光学特性の検査工程がウェハレベルで行えるようになり、端面入出力型の光源を含む光センサと比べて製造コストを削減できる。本開示の光センサは、さらに参照遅延線および受光器をモノリシックに集積して干渉計検波回路（マイケルソン干渉計）も構成する。
　基板面に平行な、水平共振器を持つ半導体レーザがＶＣＳＥＬより長波長での動作により適していることを生かし、その製造コストを下げることで、光センサの応用範囲の拡大を実現できる。光源として、水平共振器を持つレーザに代えて、水平共振器を持たない低コヒーレンス光源も適用できる。以下、図面を参照しながら本開示の光センサの基本的な構成およびその変形例を説明する。
[第１の実施形態]
　図１は、本開示の光センサの構成の概要を示す図であり、光センサ１００の要素が構成される基板１０の上面（ｘ－ｚ面）を見た図である。基板１０上に、光源１、 受光器２、上面出射ミラー３、 参照遅延線４が集積されている。光源１は光導波路２１に、受光器２は光導波路２２に、上面出射ミラー３は光導波路２３に、参照遅延線４は光導波路２４に接続され、各光導波路を介してさらに光カプラ５に光学的に接続されている。光カプラ５によって異なる往復光路が形成される光センサ１０は、マイケルソン干渉計を構成する。
　具体的には、光源１から発せられた光は、光カプラ５において光導波路２３および光導波路２４に分岐される。上面出射ミラー３を出射して被測定物から反射されて戻ってきた反射光が光カプラ５に戻る。同様に、参照遅延線４の端部のミラーで反射されて戻ってきた反射光が光カプラ５に戻る。２つの反射光がカプラ５で干渉し、その干渉光を受光器２で検出する。したがって、光カプラの第１の出力と、上面出射ミラーからの出射光を反射する被測定物との間を往復する第１の経路、および参照遅延線を往復する第２の経路を含むマイケルソン干渉計を構成する。以下、本開示の光センサ１００の詳細な動作および作製法を説明する。
　図２は、光源における基板面に垂直な断面構成を示す図である。図１のII―II線を通る基板の断面図（ｙ－ｚ面）の概略構成を示し、基板厚さ方向（ｙ軸）に極端に拡大して示している。光源１は、活性領域１１と、活性領域に対応する基板１０の上下面の電極１２、１３とを備えている。活性領域１１は、測定波長において光利得を持つ材料で構成されており、電極１２、１３を経由して電流を供給することで光利得が生じる。光源１は、活性領域１１を基板面に平行、すなわち光導波路に沿って水平な共振器構造とすることで、一般的な半導体レーザを構成する。
　したがって本開示の光センサは、基板上に集積化された光センサであって、２つの入力および２つの出力を有する光カプラと、前記光カプラの第１の入力に接続され、基板面に平行に活性領域が構成された光源と、前記光カプラの第１の出力に接続された上面出射ミラーと、前記光カプラの第２の出力に接続され、位相調整器を備えた参照遅延線と、前記光カプラの第２の入力に接続された受光器とを備えたものとして実施できる。
　基板１０および活性領域１１の材料には、Ｉｎ、Ｐ、Ｇａ、Ａｓ、Ａｌ等のIII-Ｖ族元素を含む化合物半導体が適し、具体的にはＩｎＰやＧａＡｓとすることができる。上術の材料は、光源１および上面出射ミラー３をモノリシックに集積することを可能とし、光損失やチップ寸法を最小化する点で優れている。活性領域１１の材料としては、種々の化学量論比を持つIｎＧａＡｓＰ等の多元混晶半導体のバルク構造または多重量子井戸構造等が適する。多元混晶半導体によるこれらの構造は、ＭＯＣＶＤ (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) や、ＭＢＥ (Molecular Beam Epitaxy) 等の結晶成長法および各種エッチング法等の製造法の組み合わせにより形成される。
　再び図１に戻ると、光源１で生じた光は光導波路２１を介して光カプラ５に到達し、分岐されて光導波路２３および光導波路２４に入射される。光カプラ５に接続された光導波路２１、２２、２３、２４も、活性領域１１と同じく、基板１０上にエピタキシャル成長可能な多元混晶半導体が適する。ただし損失の観点から、測定に使用する光の波長より吸収端波長が短くなるようにバンドギャップエネルギーを設定しておくのが望ましい。光カプラ５としては、マルチモード干渉(ＭＭＩ：Multimode Interference)カプラ、方向性結合器等、一般に知られている各種の光カプラが使用可能であり、種々のエッチング法で形成される。次に、試験光を光センサ外部に出力する上面出射ミラーについて説明する。
　図３は、上面出射ミラーにおける基板面に垂直な断面構成を示す図である。図１のIII―III線を通る基板の断面図（ｙ－ｚ面）の概略構成を示し、基板厚さ方向（ｙ軸）に極端に拡大して示している。光カプラ５で分岐された一方の光は光導波路２３の端面から空間へ出射し、上面出射ミラー３で基板１０に対して垂直な方向（ｙ軸）に反射される。上面出射ミラー３で反射された光は、基板面に対向して配置された被測定物９で反射され、上面出射ミラー３と光導波路２３を通って光カプラ５に戻る。上面出射ミラー３は、種々の選択成長法やエッチング法またはそれらの組み合わせにより傾斜面を形成し、その傾斜面にＡｕ等の金属材料を蒸着等の方法により形成される。
　図４は、参照遅延線における基板面に垂直な断面構成を示す図である。図１のＶ―Ｖ線を通る基板の断面図（ｙ－ｚ面）の概略構成を示し、基板厚さ方向（ｙ軸）に拡大して示している。光カプラ５で分岐されたもう一方の光は光導波路２４を経て、参照遅延線４に設けられたミラー３１で反射され、光カプラ５に戻る。ミラー３１は参照遅延線４の端部に設けられている。ミラー３１はＡｕ等の金属材料の蒸着等により形成可能である。また参照遅延線４は、位相調整器７を含む。ここでは、位相調整器７の一例として、熱光学効果を利用する構造を示す。参照遅延線４の上部にヒーター４１が設けられている。このヒーターは金属薄膜から構成され、ヒーター４１に電流を流すことで発熱する。ヒーター４１から発生するジュール熱によって、ヒーター下部の参照遅延線４の屈折率を変化させ、光カプラ４に戻る光の位相が制御される。ヒーターの金属薄膜は、蒸着等種々の方法により形成可能である。
　再び図１を参照すると、光導波路２３および光導波路２４から戻ってきた各反射光は、光カプラ５において干渉し、光カプラ５から光導波路２２に入射された干渉光は、受光器２で検出される。受光器２は、光源１と同等の活性領域１１を持っていて良い。受光器２で検出される干渉光は、光導波路２３を含む往復光路および光導波路２４を含む往復光路の光路長差を反映している。例えば、完全な単色光を測定に用いた場合には、干渉光の強度Ｉ（ｔ）は、周波数が高い項を無視すれば次式で表される。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
式（１）においてＥ１（ｔ）、Ｅ２（ｔ）は、次式で表される。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
ここで、Ｅは電界を、Ａは電界の振幅を、ｆ０は電界の周波数を、tは時刻を、φは位相を、iは虚数単位をそれぞれ表す。各パラメータの添字１は、被測定物と光カプラの第１の出力との間の光路（第１の経路）を往復する光に対応する。また添字２は、光カプラの第２の出力と参照遅延線４の端部の間の光路（第２の経路）を往復する光に対応する。式（１）によれば、時刻tによらず、往復の光路の位相差（φ１―φ２）が単色光の波長分変化すると、干渉光強度I（ｔ）が１周期分変化する。したがって、受光器２で検出される干渉光強度の時間変動を観測すれば、被測定物９の変位を測定することができる。
　本実施形態の光センサは、一例を挙げれば、電子・光デバイス製造など精密さが要求される工業向けの微小変位の計測に適用できる。上述のように受光器２における干渉光強度I（ｔ）はcos関数で周期的に変化する。このため本実施形態の光センサは、例えば測定対象物に光センサをセットした初期状態でヒーターを調整し、干渉光強度の変化の直線部分（位相差が０付近）に設定することで、感度良く対象物の変位を検出できる。
　本開示の光センサでは、長波長化に適した基板に平行に共振器が構成された水平共振器を備えた光源（レーザー）と上面出射ミラーを組み合わせることで、ウェハレベルの光学特性検査、ＡＲコーティングが可能となり、光センサの製造の低コスト化を実現できる。水平共振器を備えた光源としては、ＤＦＢレーザ、ＤＢＲレーザなどの半導体レーザを利用できる。
　本開示の光センサは、水平共振器を備えた光源を利用し、上面出射ミラーを使用して被測定物９との間で、光を入出力して、光カプラ５とともに簡単にマイケルソン干渉計を構成できる。このような構成は、面発光型のデバイスであるＶＣＳＥＬでは簡単に実現できない。水平共振器を備えた光源（レーザ）と上面出射ミラーを組み合わせることで、光センサの長波長化と低コスト化を実現する。
 [第２の実施形態]
　上述の実施形態の光センサでは、光源として水平共振器を持つレーザを利用した。光センサにおける光源の構成はレーザだけに限られず、低コヒーレンスの光源の利用も可能である。本開示の第２の実施形態の光センサは、図１に示したものと概ね同じ構成を有し、光源１において活性領域１１を共振器構造としないことで、低コヒーレンス光源を構成する。低コヒーレンス光源は、共振器構造を含まず光利得領域として機能する活性領域１１と、活性領域１１から延長され、電流注入領域を含むパッシブ光導波路２１とからなる。したがって、図１に示した第１の実施形態の光センサ１００の光源１との相違点は、光源において共振器構造を持たないだけである。
　本実施形態の光センサでは、低コヒーレンス光を測定に用いることになるため、レーザ光源と比べて出力光のスペクトル幅が広い。被測定物９と光カプラ５との間の光路（第１の経路）と、参照遅延線４の端部と光カプラ５との間の光路（第２の経路）の光路長が同一、すなわち光路差が０の時のみ、受光器２で検出される干渉光が強め合う。したがって、位相調整器７を用いて受光器２における干渉光の検出値が強め合う状態となるよう、参照遅延線４の位相を調整する。位相調整器７における位相調整量から光路長を決定し、上面出射ミラー３から被測定物９までの距離を計測することができる。
　第１の実施形態の光センサでは、受光器２による干渉光の検出値は周期的に増減を繰り返すが、本実施形態の光センサでは、光センサと被測定物との距離に対応する、位相調整器７の単一の位相調整量においてピークを示す。したがって本実施形態の光センサは、事前に概ね被対象物との距離が知られている場合、その正確な距離を検出するような応用に適している。一例を挙げれば、測定毎にほぼ同じ位置に被測定物を配置できるような距離計測の用途に好適である。
[第３の実施形態]
　上述の２つの実施形態では、参照遅延線４の端部のミラー３１によって光カプラ５からの第２の分岐光を反射して、干渉光を生成していた。しかしながら、参照遅延線４から第２の分岐光をさらに空間へ出射して、被測定物の別に点からの反射光を利用して、光カプラ５において干渉光を得ることもできる。
　図５は、第３の実施形態の光センサの参照遅延線の断面構成を示す図である。図４と同様に、図１のＶ―Ｖ線を通る基板の断面図（ｙ－ｚ面）の概略構成を示し、基板厚さ方向（ｙ軸）に拡大して示している。第３の実施形態の光センサも、全体は図１に示した光センサ１００と概ね同じ構成を有し、参照遅延線４の構成のみが異なっている。図４の第１の実施形態における端部のミラー３１に代えて、図５に示したように、基板面に対して垂直な方向に反射させる上面出射ミラー４２が集積されている。
　本実施形態の光センサでは、光カプラ５の２つの出力からの分岐光が、上面出射ミラー３、４２から空間へ出射して、それぞれ被測定物９の異なる場所で反射されることになる。被測定物９の異なる２か所で反射した光は、対応する上面出射ミラー３、４２を経由して、それぞれ元の光導波路２３、２４に戻る。第１の実施形態および第２の実施形態の各光センサと同様、本実施形態の光センサでも光カプラ５において干渉光が生じ、受光器２において検出される。この干渉光は、上面出射ミラー３から被測定物９の第１の反射点までの光路と、参照遅延線４における上面出射ミラー４２から被測定物９の第２の反射点までの光路との間の光路差を反映する。このため、被測定物９の傾きや、傾きの時間的変化を計測することができる。
　本実施形態の光センサは、一例を挙げれば、半導体製造装置中で、半導体ウェハの傾きなどを検知するような用途に利用できる。本実施形態の光センサでも、長波長での動作に適した、基板に平行に構成された光導波路を備えた低コヒーテンス光源と、２つの上面出射ミラーを組み合わせることで、ウェハレベルでの光学特性検査が可能となる。光センサの製造工程の低コスト化を実現できる。
　本発明は、工業用の光センサに利用できる。

Claims (5)

  1. 　基板上に集積化された光センサであって、
    　２つの入力および２つの出力を有する光カプラと、
    　前記光カプラの第１の入力に接続され、基板面に平行に活性領域が構成された光源と、
    　前記光カプラの第１の出力に接続された上面出射ミラーと、
    　前記光カプラの第２の出力に接続され、位相調整器を備えた参照遅延線と、
    　前記光カプラの第２の入力に接続された受光器と
    を備えた光センサ。
  2. 　前記光カプラの第１の出力と、前記上面出射ミラーからの出射光を反射する被測定物との間を往復する第１の経路、および
    　前記参照遅延線を往復する第２の経路
    を含むマイケルソン干渉計を構成することと特徴とする請求項１に記載の光センサ。
  3. 　前記参照遅延線に、前記基板面に対して垂直な向きに光を反射させる第２の上面出射ミラーが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
  4. 　前記光源は、活性領域に共振器が構成された半導体レーザであることを特徴とする、請求項１乃至３いずれかに記載の光センサ。
  5. 　前記光源は、活性領域に共振器を含まない低コヒーレンス光源であることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の光センサ。
PCT/JP2020/045916 2020-12-09 2020-12-09 光センサ WO2022123705A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2020/045916 WO2022123705A1 (ja) 2020-12-09 2020-12-09 光センサ

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2020/045916 WO2022123705A1 (ja) 2020-12-09 2020-12-09 光センサ

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022123705A1 true WO2022123705A1 (ja) 2022-06-16

Family

ID=81973428

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2020/045916 WO2022123705A1 (ja) 2020-12-09 2020-12-09 光センサ

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2022123705A1 (ja)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63262504A (ja) * 1987-04-07 1988-10-28 コミサリヤ・ア・レネルジ・アトミク 集積光学で使用される変位変換器
JPH04337403A (ja) * 1991-05-14 1992-11-25 Olympus Optical Co Ltd 光集積型変位センサー
JPH05288509A (ja) * 1992-04-13 1993-11-02 Nikon Corp 干渉測長器
JPH0861912A (ja) * 1994-08-25 1996-03-08 Hitachi Ltd 干渉計および光走査型トンネル顕微鏡および光集積回路
JP2003121675A (ja) * 1995-09-29 2003-04-23 Georgia Tech Research Corp 集積光干渉センサ
JP2013508717A (ja) * 2009-10-23 2013-03-07 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 導波路構造を有する自己混合干渉デバイス

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63262504A (ja) * 1987-04-07 1988-10-28 コミサリヤ・ア・レネルジ・アトミク 集積光学で使用される変位変換器
JPH04337403A (ja) * 1991-05-14 1992-11-25 Olympus Optical Co Ltd 光集積型変位センサー
JPH05288509A (ja) * 1992-04-13 1993-11-02 Nikon Corp 干渉測長器
JPH0861912A (ja) * 1994-08-25 1996-03-08 Hitachi Ltd 干渉計および光走査型トンネル顕微鏡および光集積回路
JP2003121675A (ja) * 1995-09-29 2003-04-23 Georgia Tech Research Corp 集積光干渉センサ
JP2013508717A (ja) * 2009-10-23 2013-03-07 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 導波路構造を有する自己混合干渉デバイス

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6765948B2 (en) VCSEL assembly with edge-receiving optical devices
US6895147B2 (en) Laser power monitoring tap
EP1906137A1 (en) Method and device for generating a synthetic wavelength
Hofstetter et al. Quantum-well intermixing for fabrication of lasers and photonic integrated circuits
US10788368B1 (en) Thermal isolation structure
US5008889A (en) High-accuracy wavelength stabilization of angled-stripe super luminescent laser diode sources
US20190013645A1 (en) Wavelength Stabilized Diode Laser
Xie et al. Room Temperature CW Operation of Mid-IR Distributed Feedback Quantum Cascade Lasers for $\hbox {CO} _ {2},\hbox {N} _ {2} $ O, and NO Gas Sensing
WO2023273565A1 (zh) 一种频率可调谐的半导体激光器
JPS61288479A (ja) 半導体レ−ザ装置
De Sopra et al. Near-infrared vertical-cavity surface-emitting lasers with 3-MHz linewidth
Takahashi et al. Active heterodyne interferometric displacement measurement using optical feedback effects of laser diodes
WO2022123705A1 (ja) 光センサ
CN110431721B (zh) 激光器
US8831054B2 (en) Wavelength locking of a laser device
Hofstetter et al. Optical displacement measurement with GaAs/AlGaAs-based monolithically integrated Michelson interferometers
US9250130B2 (en) Quantum cascade laser with autonomously aligned external cavity and related methods
US6678293B2 (en) Wavelength sensitive device for wavelength stabilization
US20230327402A1 (en) Laser source, lidar system and method for controlling a laser source
US20210194212A1 (en) Vcsels including a sub-wavelength grating for wavelength locking
Zappe et al. High-spectral-purity VCSELs for spectroscopy and sensors
Beal et al. Enhanced spectrum superluminescent diodes fabricated by infrared laser rapid thermal annealing
Herper et al. VECSEL for 3D LiDAR applications
US20240072518A1 (en) Light emitting device with deteminable shape of output beam
US20230081609A1 (en) Fmcw lidar laser system and operating method for such a laser system

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20965088

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20965088

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP