(57)【要約】本発明は測定プロセスおよびデータ伝送リンクにおけるレーザー／電気光学混合器（ＥＯＭ）の信号特性および伝送特性を改善する方法および装置に関する。レーザー光のコヒーレンス特性の抑圧というコンセプトは、できるだけ大きなコヒーレンスまたはコヒーレンス長を達成しようとしてきたこれまでの多くの技術分野にとって斬新である。本発明では、レーザー／ＥＯＭのビーム路でのコヒーレンスと強度変化とを光学的手法を用いて抑圧する。例えばレーザー源からの出力放射におけるコヒーレンスを電流パルス変調またはレーザーダイオード（ＶＣＳＥＬ）内部の複数のモードの励起によって抑圧する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームのコヒーレンスを電気光学混合器（６）を有する光受信ユニット（２）への入射前に低減する
ことを特徴とする電気光学的測定過程における障害信号の低減方法。
【請求項２】
光ビームとしてレーザービームを使用する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
コヒーレンス低減のために散乱ユニット（３）を使用する、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
散乱ユニット（３）として光ファイバを使用する、請求項３記載の方法。
【請求項５】
散乱ユニット（３）として電気光学混合器（６）上に被着された粗面層（８）を使用する、請求項３記載の方法。
【請求項６】
散乱ユニット（３）として拡散プレートを使用する、請求項３記載の方法。
【請求項７】
電流パルス変調を行うか、または例えばレーザーダイオードの内部でレーザービームの複数のモードを励起する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
少なくとも１つの光源（１）および１つの光受信ユニット（２）を備えており、
光受信ユニット（２）、例えば電気光学混合器（６）への入射前に、コヒーレンス低減ユニットを介してレーザービームのコヒーレンス抑圧が行われる
ことを特徴とする電気光学混合装置。
【請求項９】
コヒーレンス低減ユニットは散乱ユニット（３）である、請求項８記載の装置。
【請求項１０】
散乱ユニット（３）は光ファイバである、請求項９記載の装置。
【請求項１１】
散乱ユニット（３）は拡散プレートである、請求項９記載の装置。
【請求項１２】
散乱ユニット（３）として光受信ユニット（２）、例えば電気光学混合器（６）上に粗面層（８）が被着されている、請求項９記載の装置。
【請求項１３】
粗面層（８）は散乱粒子および／または粗い表面を有する、請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
ケーシング（７）が例えば電気光学混合器（６）および散乱ユニット（３”）を有しており、これらが光受信ユニット（２）を形成している、請求項９から１３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１５】
コヒーレンス低減ユニットは光波変調ユニットである、請求項８記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気光学混合装置の駆動中の測定品質を改善する方法および装置に関する。
【０００２】
従来技術の多くの適用分野では、例えば相互に分離された２つの半導体に対して均等に照明を行うべき装置において、光感応性層または標準フォトディテクタ上に均一な強度分布を調製すると有利である。ここでレーザービームを使用すると確かに高精度の測定プロセスは達成できるのだが、例えば“スペックル”パターンが発生して、測定すべき系に関する情報またはデータ伝送情報が失われてしまうという欠点も生じる。こうした障害成分を排除するために、例えばレーザービームのコヒーレンスを低減し、光感応性層に均一な強度分布を得られるようにする手法が用いられる。
【０００３】
光ビームのコヒーレンスを送信側で抑圧する従来技術は引用文献［１］にまとめられている。コヒーレンス抑圧に使用される散乱は送信側光学系において行われる。例えば相応の光ファイバを変形させた高い分散度を有する光ファイバを用いる手段は引用文献［２］に記載されており、また“光学回折素子”を用いる手段は引用文献［３］に記載されている。ほかにもコヒーレンス抑圧を直接にレーザーダイオードで行う幾つかの手段が存在する。レーザーダイオードの強度変調を形成するために、たいていの場合レーザーダイオードを通って流れる電流は変調される。ここで変調電圧に意図的な措置を施してレーザーダイオードをコヒーレンス無しまたは低いコヒーレンスで発光させることができる。その第１の手段はVery large Capacity Surface Emitting Laser diodes：ＶＣＳＥＬである。このダイオードを比較的高い電力で駆動すると、ダイオードはマルチモード動作へ移行し、コヒーレンスを失う。もっとも、従来のＶＣＳＥＬの適用分野ではこうした性質は欠点であると見なされていた。
【０００４】
高周波数で強度変調可能なレーザーダイオードの使用は特に電気光学変調器ＥＯＭを含む装置、特に引用文献［４］［５］［６］に記載されている金属‐半導体‐金属構造体ＭＳＭまたは引用文献［７］に記載されているフォトニックミキシングデバイスＰＭＤなどの電気光学混合器を含む装置において有利である。なぜならこれらの装置はディジタル通信システムに用いられればデータレートを格段に高めることができるし、引用文献［５］［８］に記載されているように距離測定装置に用いられれば高い帯域幅に基づいて精度を著しく高めることができるからである。
【０００５】
ただし残念ながらＰＭＤまたはＭＳＭなどの電気光学混合器を使用する測定プロセスはその原因を知ることのできない系統誤差を有している。電気光学混合器を使用する通信システムはディジタルであるのでビットエラーを有する。電気光学混合器を使用するアナログの距離測定プロセスまたは速度測定プロセスにも測定誤差が付き物である。
【０００６】
目下のところ、障害成分を有する出力信号を電気光学混合器の動作中に除去することのできるコンセプトは知られていない。
【０００７】
以下に説明する本発明は、新しい電気光学混合器は所定の状況で出力信号に障害部分を有するという知識を基礎としている。ここでの障害部分は一般に半導体の物理特性と場所ごとに異なる照明強度との相互作用に依存している。厳密に言えば、電気光学混合器における照明強度の位置依存性の変動はＡＣ障害成分となり、この障害成分が種々の測定プロセスに重大な影響を及ぼすのである。
【０００８】
こうした効果の原因として、所定の層をベースとして積層された電気光学混合器の半導体において障害電流が増幅され、電荷担体の注入が生じることが挙げられる。電気光学混合器が僅かに異なる強度分布で照明されると、局所的な照明状況に依存する障害信号成分が発生し、これが例えば距離測定の誤差の原因となる。変化する照明状況は例えば距離測定システムにおいて測定ユニットと目標物とのあいだの距離が変化することによって生じる。なぜならこのような場合に避けられない三角法の効果によって電気光学混合器に入射する光の焦点が僅かに変動するからである。そのほか、電気光学混合器での照明強度の変動は、光ファイバ系での機械的負荷および熱膨張によっても発生しうる。またほかに大量生産での許容差による変動の問題もある。
【０００９】
従来技術においては例えばフォトディテクタを使用するプロセスの障害成分を低減する手法は提案されているにもかかわらず、これまで電気光学混合器に由来する障害信号を補正する装置または手法は知られていない。これは電気光学混合器における障害信号の作用とその原因とがこれまで認識されてこなかったためと思われる。
【００１０】
電気光学混合器を用いた光学的な測定プロセスにおいて観察される誤差が図１に示されている。
【００１１】
重大な測定誤差は電気光学混合器を使用する際に光の変動または強度の変動に基づいて生じるという知識から、本発明は、電気光学的測定システム、特にレーザービームおよび電気光学混合器を使用した測定システムにおいて改善された信号および伝送特性を達成できる方法および／または装置を提供することを課題とする。
【００１２】
この課題は本発明の独立請求項に記載の特徴から得られる。本発明の有利な実施形態はそれぞれの従属請求項から得られる。
【００１３】
本発明によれば、測定プロセスで使用される光ビームのコヒーレンスが電気光学混合器への入射前に抑圧される。付加的にコヒーレンスに基づかない強度の変動の抑圧も保証される。
【００１４】
本発明は、電気光学混合器を用いるこれまでの多くの技術分野においてできるだけ大きいコヒーレンスまたはコヒーレンス長を志向していた従来技術とは異なり、コヒーレンス抑圧を行うことを特徴としている。
【００１５】
電気光学的測定過程での障害信号を低減する方法では、コヒーレンス低減ユニットを介して光ビームのコヒーレンスを光受信ユニットへの入射前に低減する。
【００１６】
光受信ユニットとは少なくとも１つの電気光学混合器を有するユニットであると理解されたい。この光受信ユニットは散乱素子、“光学回折素子”ＤＯＥ、レンズまたはアパーチャなどの受信光学系により構成されている。電気光学混合器は一般に混成型の半導体素子から成る。換言すれば半導体ベースで製造された電気光学混合器を使用可能である。特にフォトエレクトロニックミキシングデバイスＰＭＤ、金属‐半導体‐金属構造体ＭＳＭおよび／またはＭＳＭ‐ＰＭＤのコンビネーションなどを使用すると有利である。
【００１７】
コヒーレンス低減ユニットには散乱ユニットおよび光波変調ユニットまたは光波モード変換ユニットが属している。
【００１８】
本発明は光波または光ビームとしてレーザービームを使用する。
【００１９】
本発明は使用可能な複数の散乱ユニットを含む。例えば有利には光ビームの光路において光送信ユニットの内部またはそのすぐ外側で使用される光ファイバが挙げられる。ここでの光ファイバは直接にレーザー源に接続することができる。散乱ユニットの別の例としては、光受信ユニットの内部またはそのすぐ外側で使用される粗面層または拡散プレートも挙げられる。基本的に散乱ユニットはできるだけ光受信ユニットに密接して取り付けると有利である。なぜならこれにより光出力の損失が低減されるからである。
【００２０】
粗面層は付加的に光感応性層、特に電気光学混合器の上に被着される。本発明の別の実施例では、粗面層は散乱粒子および／または粗い表面を有する。散乱粒子はここでは散乱ユニット内に含まれていてもよいし、また粉末などを光感応性層の表面に塗布したものであってもよい。
【００２１】
拡散プレートは光ビームの光路またはレーザー光路において付加的に光受信ユニットの内部またはそのすぐ外側で使用される。
【００２２】
本発明の電気光学混合器は少なくとも１つの光源と、１つの光受信ユニットと、光ビームのコヒーレンスを低減するコヒーレンス低減ユニットとを有している。コヒーレンス低減ユニットは光ビームのコヒーレンスを電気光学混合器への入射前に抑圧する。
【００２３】
上述の電気光学混合器は、その光受信ユニットが前述の散乱ユニットと光感応性層、特に電気光学混合器とを備えたケーシングを有するように拡張される。
【００２４】
本発明は、電流パルス変調またはレーザーダイオードＶＣＳＥＬ内部での複数のモード励起によってコヒーレンス抑圧を行うこともできる。これらの手段は単独で、または上述の装置や手法と組み合わせて適用することができる。このために測定プロセスまたはデータ伝送法での光ビームの電磁特性を制御できる相応の変調装置が調製される。
【００２５】
本発明を図示の実施例に即して詳細に説明する。
【００２６】
図２には本発明の実施例により距離測定において測定誤差が低減される様子がグラフで示されている。図３には本発明の概略図が示されている。図４にはＥＯＭを有する受信側でのコヒーレンスの低減手段が示されている。図５には受信側でコヒーレンスの低減を行う装置の第１の実施例が示されている。図６には受信側でコヒーレンスの低減を行う装置の第２の実施例が示されている。
【００２７】
図２には本発明のコンセプトにしたがった装置を使用して得られる効果が示されている。電気光学混合器への入射前にコヒーレンスを低減しない引用文献［９］に記載されているような装置と比べて、距離測定において、系統誤差のあるときの標準偏差は２／３ほども小さくなっている。
【００２８】
図３には上述の低減を行う装置の概略図が示されている。光源１、例えばレーザーは、測定すべき対象物４にビームＬａを放射する。このビームは対象物４から光受信ユニット２へ反射され、および／または部分的に散乱される。光受信ユニット２へ入射する前に、このビームはコヒーレンス低減ユニット３によってさらに散乱される。
【００２９】
ここでコヒーレンス低減ユニット３を散乱ユニットとして構成することもできるし、光波を変調したり光ビームのモードを変更したりする変調ユニットとして構成することもできる。２種類のユニットを組み合わせてもよい。このとき有利には変調ユニットは対象物４の前方、送信機側で使用される。
【００３０】
図４にはコヒーレンス低減ユニットとして拡散プレート３’が入射光Ｌｂの光路のうち光受信ユニット２とレンズ５とのあいだに配置されることが示されている。
【００３１】
図５には特に低コストで損失の小さい本発明の実施例が示されている。ここでは散乱素子３”、例えば拡散プレートは、電気光学混合器６および支持体７を含むケーシングの一部である。
【００３２】
散乱を目指しているのではあるが、チップ上に電気光学混合器を平行に配置する場合には、個々の素子を個別に照明しなければならない。“横断照明”はそれぞれの電気光学混合器に記録される画像のシャープネスを著しく低減させてしまうからである。この場合には図６に示した実施例が有利である。ここではケーシングとして透明な素子を成形し、その表面８を粗面化する。これは直接に電気光学混合器上に被着することができる。また光感応性チップ６上に散乱を生じるコーティングを被着することもできる。このコーティングは粗い表面を有するものでもよいし、また内部に散乱粒子を含むものであってもよい。このような手段によりピクセルの個々の照明が保証され、シャープな境界が得られる。またコーティングの形成は電気光学混合器の製造プロセスに低コストで統合することができる。
【００３３】
電気光学混合器を広い開放角で使用する（ヴォリュームイルミネーションを行う）際に、特に有利には散乱素子を光送信器またはレーザー源に組み込む。こうすることによりレーザー源におけるアイセーフティの限界値の遵守が容易になるからである（レーザー源の拡大）。
【００３４】
基本的にレーザーの波長、ひいてはそこから生じる干渉パターンは駆動電流およびレーザーの温度に依存して定まる。このことも変調電流と著しく高い周波数成分とを重畳することによって利用することができる。こうしてレーザー波長の小さな変動が固有信号の変調周期の内部で制御される。これにより干渉パターンが時間的に変化し、変調周期内で発生する障害信号は消されてしまう。なぜなら障害信号は干渉パターンの時間的変動よりも格段に緩慢であるからである。
【００３５】
本発明で使用されるレーザービームのコヒーレンスを低減する別の手段として、レーザー内部で複数のモードを励起することが挙げられる。これはレーザー光の種々の反射光成分を重畳することによって実現することができる。また温度変調によって複数のモードの励起を行ったり、電圧をかけたレーザーチップを実装したり（これによってレーザーチップに局所的に異なる波長を形成する）、複数のレーザーダイオードをアレイとして使用したりして実現してもよい。最後の手段は例えばできるだけ均一な照明の達成を目的とした周知の装置として引用文献［１０］に記載されている。
【００３６】
上述の手法にしたがって調製されたレーザービームは電気光学混合器での照明の変動の低減に寄与する。
【００３７】
本発明は例えば３Ｄ測定プロセス、ディジタル通信プロセス、光学的識別プロセスに使用することができる。
【００３８】
本明細書では次の刊行物が引用されている。
【００３９】
【表１】
2005527967.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】電気光学混合器で観察される光学測定誤差を示すグラフである。
【００４１】
【図２】距離測定における測定誤差が低減される様子を示すグラフである。
【００４２】
【図３】本発明の概略図である。
【００４３】
【図４】ＥＯＭを有する受信側でのコヒーレンスの低減手段を示す図である。
【００４４】
【図５】本発明の装置の第１の実施例である。
【００４５】
【図６】本発明の装置の第２の実施例である。
【図１】
2005527967.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005527967.tif 000008
【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年3月5日(2004.3.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザービームのコヒーレンスを電気光学混合器（６）を有する光受信ユニット（２）への入射前に低減する
ことを特徴とする電気光学的測定過程における障害信号の低減方法。
【請求項２】
コヒーレンス低減のために散乱ユニット（３）を使用する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
散乱ユニット（３）として光ファイバを使用する、請求項２記載の方法。
【請求項４】
散乱ユニット（３）として電気光学混合器（６）上に被着された粗面層（８）を使用する、請求項２記載の方法。
【請求項５】
散乱ユニット（３）として拡散プレートを使用する、請求項２記載の方法。
【請求項６】
電流パルス変調を行うか、または例えばレーザーダイオードの内部でレーザービームの複数のモードを励起する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
少なくとも１つの光源（１）および１つの光受信ユニット（２）を備えており、
光受信ユニット（２）、例えば電気光学混合器（６）への入射前に、コヒーレンス低減ユニットを介してレーザービームのコヒーレンス抑圧が行われる
ことを特徴とする電気光学混合装置。
【請求項８】
コヒーレンス低減ユニットは散乱ユニット（３）である、請求項７記載の装置。
【請求項９】
散乱ユニット（３）は光ファイバである、請求項８記載の装置。
【請求項１０】
散乱ユニット（３）は拡散プレートである、請求項８記載の装置。
【請求項１１】
散乱ユニット（３）として光受信ユニット（２）、例えば電気光学混合器（６）上に粗面層（８）が被着されている、請求項８記載の装置。
【請求項１２】
粗面層（８）は散乱粒子および／または粗い表面を有する、請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
ケーシング（７）が例えば電気光学混合器（６）および散乱ユニット（３”）を含んでおり、これらが光受信ユニット（２）を形成している、請求項８から１２までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１４】
コヒーレンス低減ユニットは光波変調ユニットである、請求項７記載の装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
高周波数で強度変調可能なレーザーダイオードの使用は特に電気光学変調器ＥＯＭを含む装置、特に引用文献［４］［５］［６］に記載されている金属‐半導体‐金属構造体ＭＳＭまたは引用文献［７］に記載されているフォトニックミキシングデバイスＰＭＤなどの電気光学混合器を含む装置において有利である。なぜならこれらの装置はディジタル通信システムに用いられればデータレートを格段に高めることができるし、引用文献［５］［８］に記載されている距離測定装置に用いられれば高い帯域幅に基づいて精度を著しく高めることができるからである。
引用文献［１１］からＰＭＤの照明したレーザービームのコヒーレンスを低減することが知られている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
【表１】
2005527967.tif 000010
【国際調査報告】
2005527967.tif 000011
2005527967.tif 000012
2005527967.tif 000013
2005527967.tif 000014
2005527967.tif 000015
2005527967.tif 000016
2005527967.tif 000017
2005527967.tif 000018