(57)【要約】【課題】稼動部がなく高速に測定可能であり、さらに分解能が高く、レンズを用いない、光軸中心の校正が容易な半導体レーザの放射角測定系を提供する。【解決手段】一次元センサ１０２受光部の長手方向の長さをＬ、一次元センサ１０２受光部の最小画素１０３の大きさをＳ、半導体レーザ素子１０１の発光点と前記一次元センサ１０２受光部との垂直距離をＤとするとき、４５０×Ｓ≦Ｄ≦０．５×Ｌ　かつ　Ｌ≧９００×Ｓなる関係が成立する構成を備えた半導体レーザの放射角測定装置である。【選択図】　図１
2004128027.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザから出射された光を受光して電気信号に変換する一次元センサを備え、
前記一次元センサ受光部の長手方向の長さをＬ、前記一次元センサ受光部の画素の大きさをＳ、前記半導体レーザの発光点と前記一次元センサ受光部との垂直距離をＤとするとき、
４５０×Ｓ≦Ｄ≦０．５×Ｌ　かつ　Ｌ≧９００×Ｓ
なる関係が成立することを特徴とする半導体レーザの放射角測定装置。
【請求項２】
互いに離間し、かつ直交して配置された第一の一次元センサおよび第二の一次元センサと、
前記第一および第二の一次元センサの受光面に対して平行な面に半導体レーザが載置された移動機構とを備え、
前記第一の一次元センサ受光部の長手方向の長さをＬ１、前記第一の一次元センサ受光部の画素の大きさをＳ１、前記半導体レーザの発光点と前記第一の一次元センサ受光部との垂直距離をＤ１とするとき、
４５０×Ｓ１≦Ｄ１≦０．５×Ｌ１　かつ　Ｌ１≧９００×Ｓ１
なる関係が成立し、かつ
前記第二の一次元センサ受光部の長手方向の長さをＬ２、前記第二の一次元センサ受光部の画素の大きさをＳ２、前記半導体レーザの発光点と前記第二の一次元センサ受光部との垂直距離をＤ２とするとき、
４５０×Ｓ２≦Ｄ２≦０．５×Ｌ２　かつ　Ｌ２≧９００×Ｓ２
なる関係が成立することを特徴とする半導体レーザの放射角測定装置。
【請求項３】
互いに離間し、かつ直交して配置された第一の一次元センサおよび第二の一次元センサと、
半導体レーザから出射された光を分割して前記第一の一次元センサと前記第二の一次元センサとにそれぞれ導くビームスプリッタとを備え、
前記第一の一次元センサ受光部の長手方向の長さをＬ１、前記第一の一次元センサ受光部の画素の大きさをＳ１、前記半導体レーザの発光点と前記第一の一次元センサ受光部との垂直距離をＤ１とするとき、
４５０×Ｓ１≦Ｄ１≦０．５×Ｌ１　かつ　Ｌ１≧９００×Ｓ１
なる関係が成立し、かつ
前記第二の一次元センサ受光部の長手方向の長さをＬ２、前記第二の一次元センサ受光部の画素の大きさをＳ２、前記半導体レーザの発光点と前記第二の一次元センサ受光部との垂直距離をＤ２とするとき、
４５０×Ｓ２≦Ｄ２≦０．５×Ｌ２　かつ　Ｌ２≧９００×Ｓ２
なる関係が成立することを特徴とする半導体レーザの放射角測定装置。
【請求項４】
前記半導体レーザから出射された光が前記一次元センサに入射されるまでの光路上に、集光手段を有しないことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体レーザの放射角測定装置。
【請求項５】
前記半導体レーザはパッケージに納められており、前記パッケージは前記半導体レーザから出射された光を透過する部材を含み、前記半導体レーザから出射された光は該部材を通して前記パッケージ外部に出射されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の半導体レーザの放射角測定装置。
【請求項６】
前記一次元センサと前記半導体レーザの発光点との垂線方向に垂直な方向に沿って前記一次元センサを移動させる機構を備えたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の半導体レーザの放射角測定装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の放射角測定装置を用いた半導体レーザの放射角測定方法であって、
第一の測定時間Ｔ１で前記半導体レーザの第一の光強度分布を測定するステップと、
前記測定時間Ｔ１より長い第二の測定時間Ｔ２で前記半導体レーザの第二の光強度分布を測定するステップと、
前記第二の光強度分布の情報において、前記一次元センサの飽和レベルを超えた情報は、前記一次元センサにおける当該位置での前記第一の光強度分布の情報に前記測定時間Ｔ２に対するＴ１の比を乗じた情報に置換するステップと、
前記一次元センサの飽和レベルを超えた情報が置換された前記第二の光強度分布の情報から前記半導体レーザの放射角および光軸の傾きを同時に算出するステップとを備えた半導体レーザの放射角測定方法。
【請求項８】
請求項６に記載の放射角測定装置を用いた半導体レーザの放射角測定方法であって、
前記半導体レーザの第一の光強度分布を測定するステップと、
前記画素の大きさの半分の距離だけ一次元センサを移動するステップと、
前記半導体レーザの第二の光強度分布を測定するステップと、
前記第一の光強度分布の位置情報と前記第二の光強度分布の位置情報とを交互に配置し、これらの情報から第三の光強度分布を算出するステップと、
前記第三の光強度分布の情報から前記半導体レーザの放射角および光軸の傾きを同時に算出するステップとを備えた半導体レーザの放射角測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報処理、光計測および光通信等の分野に利用される半導体レーザの特性評価装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ素子（以下ＬＤという。）は、コンパクトディスク（ＣＤ）などの光ディスク記録装置や、レーザプリンタなどの信号光源として使用されている。半導体レーザの出射光は拡散光であるため、一般にレンズなどの光学系で集光されて使用される。この放射角および光軸中心の傾き角は、レンズや光学系の設計の基本となるため、再現性、安定性が求められ、レーザの重要な基本特性のひとつとなっている。さらに光学系の設計精度の向上により、測定精度も０．１°以下の分解能が要求されるようになってきている。
【０００３】
放射角の測定方法としては、レーザ光の受光面をセンサがスキャンする方式（例えば特許文献１参照）、ＣＣＤを用いて受光面の光強度分布を一括して測定する方法（例えば特許文献２参照）、分割受光素子、またはＣＣＤを用いてビームの横方向の広がりを検査する方法（例えば特許文献３参照）等が報告されている。
【０００４】
従来のスキャン方式の放射角測定装置の構成図を図７に示す。ＬＤ７０１からの出射光は上方向に広がっている。受光素子７０３を先端に固定したアームが、軸を中心におよそ６０°（±３０°）の角度を移動し、ＬＤ７０１からの光強度を測定する。このアームが移動する角度θに対する光強度をプロットすると、ＬＤ７０１の光強度プロファイルになる。角度の原点（０°）は、発光点を含む基準面から垂直な角度とする。
【０００５】
この測定結果の一例を図８に示す。ＬＤの出射光はガウス分布で近似できる強度プロファイルを持っており、ピーク値に対して強度が半分になるときの放射角度の半値全幅（以下放射角という。）、原点に対して光軸がずれている角度（以下、光軸傾き角という。）で特徴付けられる。ＬＤの放射角には、垂直方向と水平方向があるので、このようなスキャン装置を２台用いて測定する。また、受光素子の受光面が小さいほど、受光する光強度は小さくなるが、角度分解能は向上させることができる。そのため、受光素子の手前にスリットを設けて、分解能を高めることが行われる。ただし、このように稼動部がある測定系では、受光素子を移動するための時間が必要なため、測定時間が長くなる欠点がある。
【０００６】
ＣＣＤを用いた放射角測定装置の構成を図９に示す。ＣＣＤ９０２の大きさは、数百万画素数のものでも１／２インチ（約１．８ｃｍ）から１／３インチ程度と小さい。そのため、ＬＤ９０１からの出射光はレンズ９１１等の集光手段で集光してからＣＣＤ９０２に照射される。このＣＣＤ９０２からの出力信号は、コンピュータによりｘ−ｙ平面上の強度分布に変換され、ｘ方向とｙ方向の放射角がそれぞれ求められる。
【０００７】
しかしながらこの例では、光放射特性を測定することは可能だが、光軸傾き角を同時に測定することは行われていない。
【０００８】
また、分割受光素子、またはＣＣＤを用いてビームの横方向の広がりを検査する方法は、ＬＤの横モードが注入電流に依存して変化することを、３分割受光素子で簡便に検査するためのものである。つまり、３分割された中央の受光素子の出力信号に比較して、左右にある受光素子の出力信号の変化量が大きいと、横モードが変化していると判断するものである。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−８５７８３号公報（第２−３頁　図７）
【特許文献２】
特開平６−９４５１５号公報（第３頁　図１）
【特許文献３】
特開２００１−５０８５９号公報（第８頁　図１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら特許文献２に示されたような構成で、原点からの光軸の傾きを測定するには、レンズ等の光学素子がＬＤの発光点から垂直な方向に一直線上にあり、かつ各光学素子が光軸を曲げないようにしないといけない。図９に、ＬＤとレンズの軸がずれた場合の光軸のずれを破線で示す。ＬＤ９０１を固定する位置がずれ、レンズ９１１との相対位置が変わった場合にも、同様のずれは発生する。このずれにより、正確な光軸傾き角を求めることが困難である。
【００１１】
また、特許文献３に示された構成によれば、分割受光素子の出力信号の差や比の励起強度依存性を求めており、光の広がり角の絶対値を求める方法は示されていない。また特定の受光素子が光軸に一致していることが前提であることより、光軸ずれを同時に測定することはできない。
【００１２】
さらに、ＬＤパッケージの構成によっては、ＬＤからの出射光がパッケージの出射窓でケラレ、反射光による干渉やプロファイルの欠けが生じる。この場合の波形の一例を、図１０（ａ）、（ｂ）に示す。これらの波形を３分割受光素子で観測するのは困難であるし、ＣＣＤで測定する場合も画素数の多いものが必要であるが、ＣＣＤ自体が高価となる。
【００１３】
また、ＣＣＤ等を用いた放射角測定系では、光学系にレンズ等の複数の光学部品を用いているため、光軸傾きの校正のためにそれらの光軸を全て調整・管理するという困難さが生じる。
【００１４】
本発明は、稼動部がなく高速に測定可能であり、さらに分解能が高く、レンズを用いない、光軸中心の校正が容易な測定系を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明における半導体レーザの放射角測定装置は、一次元センサ受光部の長手方向の長さをＬ、前記一次元センサ受光部の最小画素の大きさをＳ、前記半導体レーザの発光点と前記一次元センサ受光部との垂直距離をＤとするとき、
４５０×Ｓ≦Ｄ≦０．５×Ｌ　かつ　Ｌ≧９００×Ｓ
なる関係が成立する構成を備えており、極めて短時間に、複雑な光軸調整することなく放射角と光軸傾きとを同時に測定するものである。
【００１６】
また、本発明における半導体レーザの放射角測定方法は、レーザ光の強度分布を異なる時間幅で複数回測定し、各測定結果を合成して光強度分布を求めるものである。
【００１７】
また、本発明における半導体レーザの別の放射角測定方法では、一次元センサをセンサの長辺方向に半画素移動させ、光強度分布を測定して測定系の分解能を向上するものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態における半導体レーザの放射角測定装置の構成を図１に示す。
【００１９】
封止用ガラス板１０７を有したパッケージ１０６に納められたＬＤ１０１からの出射光は、シリコンサブマウント１０４上の反射ミラー１０５により反射され、封止用ガラス板１０７を通過して外部に出射される。出射された光は、パッケージ１０６の上部に配置された、長手方向の長さＬの受光部に大きさＳの画素１０３を一次元に配列したセンサ１０２に入射する。センサ１０２の長手方向とＬＤ１０１の設置面とがほぼ平行となるように配置されている。このセンサでは画素はＣＣＤを用いており、入射した光の光量に比例して容量が変化し、容量に比例した電気信号が出力される。
【００２０】
２次元のＣＣＤとは異なり、画素が一次元に配列されているため、一方向への画素数を多く取ることができ、高い分解能を実現できる特徴を有する。
【００２１】
次に、ＬＤ１０１と一次元センサ１０２および一次元センサ中の画素１０３との関係を、図１を用いて説明する。なお、本実施形態では、レーザ光の光軸は一次元センサ１０２の受光面に対して垂直であるとしている。
【００２２】
ＬＤ１０１と一次元センサ１０２との垂直距離をＤ、レーザ光の光軸が一次元センサ１０２と交わる点から、一次元センサ１０２上の光強度がレーザ光の光軸に対応する点の半値になる点までの距離をＸ、ＬＤ１０１からの出射光の放射角をθとすると、これらの関係は、
ｔａｎθ＝Ｘ／Ｄ・・・（式１）
で表される。一次元センサ１０２で放射角を測定できる条件は、受光部の長さをＬとすると、
Ｌ≧２Ｘ＝２ｔａｎθ×Ｄ・・・（式２）
である。一方、角度分解能を０．１°以下にして測定するためには、
Ｓ≦０．１Ｘ／θ＝０．１×ｔａｎθ×Ｄ／θ・・・（式３）
である必要がある。よって、（式２）と（式３）とから、Ｄの範囲は次のように定められる。
【００２３】
１０θ×（１／ｔａｎθ）×Ｓ≦Ｄ≦Ｌ／２ｔａｎθ・・・（式４）
ＬＤ１０１からの出射光の放射角は、通常の場合、±３０°の範囲で収まるため、前記したようにこの範囲で測定することが多い。しかし、ＬＤがパッケージに納められた場合等では、この範囲を超えて拡がった光がパッケージ内で散乱され、レーザへの戻り光となってノイズとなることがある。そのため、さらに広い範囲での測定が必要となる。また、前記したようにＬＤからの出射光がパッケージの出射窓によりケラレるため、検出される光はノイズ成分の多いものであり、分解能が低下する恐れもある。これらのことを考慮すると±４５°の範囲まで測定可能な構成でなければならないから、（式４）でθ＝４５°として
４５０×Ｓ≦Ｄ≦０．５×Ｌ・・・（式５）
なる関係が成立する必要がある。また、分解能の規定から
Ｌ≧９００×Ｓ・・・（式６）
なる関係も同時に成立する必要がある。
【００２４】
本実施形態によれば、ＬＤと一次元センサとの距離、一次元センサの受光部の長さ、および画素の大きさを上記のように規定することにより、ＬＤがパッケージに納められている場合のように測定光自体に外乱の影響が大きい場合でも放射角を十分測定でき、かつ高い分解能を確保することができる。また、放射角と同時に光軸の傾き角も一回の測定で行うことが可能となる。
【００２５】
また、本実施形態では、約１００００個のＣＣＤを一次元に配列し、受光部の長さは約５０ｍｍあるセンサを使用しており、一次元センサとＬＤとの垂直距離Ｄは２５ｍｍ以下としている。本実施形態によれば、一次元センサが十分に長いため、ＬＤからの出射光をレンズで集光することなく検出することが出来る。これにより測定系の精密な光軸を行わずに済む。
【００２６】
一般には、レーザ光の光軸と、発光点から一次元センサに垂直に延ばした仮想の直線とは一致しない。その場合、一次元センサ１０２により一括して測定された光強度分布から、光強度のピーク値とその一次元センサ上の座標ｘ０、および光強度が半値となる座標ｘ１、ｘ２を求め、距離Ｄを予め求めておくと、光軸の傾きが小さい範囲では、次の式で放射角θと光軸傾き角Δθを算出することができる。
【００２７】
θ＝ｔａｎ−１｛（ｘ１＋ｘ２）／２Ｄ｝・・・（式７）
Δθ＝ｔａｎ−１（Δθ／Ｄ）・・・（式８）
本実施形態によれば、従来の形態と比べてアーム等の稼動部がないため、非常に短時間に放射角の測定が可能となった。一例として、従来のスキャン式では垂直と水平の放射角測定に、各々１５秒かかっていたのが、本方式では１秒以下で測定が終了可能となった。
【００２８】
また、一次元センサを２台用いて、ＬＤの垂直放射角と水平放射角を測定することが出来る。その場合、ＬＤを搭載しているレールを移動して、垂直と水平を同時並行して測定することで、測定時間の短縮を図ることができる。
【００２９】
図２は本発明の第１の実施形態における半導体レーザの放射角測定装置の別の構成である。図２に示すようにレール２０８上にＬＤ２０１を載置して、互いに離間し、かつ直交して配置された第一の一次元センサ２０２および第二の一次元センサ２０２ａとで水平放射角と垂直放射角をそれぞれ分けて測定する。
【００３０】
この構成によれば、１つのＬＤに対して２回の測定を行うため、測定時間は増加するが、ＬＤを回転させることなく、直交した方向の放射角を測定することができるので、回転誤差を含まない精度の高い測定が可能となる。さらに、複数のＬＤをレール上に載置して、レールを移動させることにより、連続して測定が行え、全体的な測定時間の増加を抑制することが可能である。
【００３１】
また、図３に示すように、ビームスプリッタ３０９により、ＬＤ３０１からの出射光を元の出射光の進行方向とこれと直交する方向とにそれぞれ分割して、分割された光を、互いに離間し、かつ直交して配置された第一の一次元センサ３０２および第二の一次元センサ３０２ａを用いて同時に測定することもできる。
【００３２】
この構成によれば、各々の一次元センサに入射する光量は減少するものの、直交した方向の放射角を同時に測定できるため、測定時間を増やすことなく精度の高い測定が行える。
【００３３】
なお、図２、図３で示したＬＤはパッケージに納められていてもよい。
【００３４】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態における一次元センサでの測定時間と電気信号強度との関係を示した図である。
【００３５】
本実施形態における一次元センサおよびその画素、ＬＤと一次元センサとの関係は第１の実施形態の場合と同じである。
【００３６】
一次元センサのダイナミックレンジは一般に小さく、本実施形態のように３２階調程度までである。また、入射光が一定のレベルを超えると、出力信号が飽和する。そのため、およそ３％の量子化誤差が生じ、詳細な放射角を測定することが不可能であった。なお、この入射信号光に対する出力信号が線形でなくなる限界レベルを、飽和レベルＶｓａｔとする。
【００３７】
このダイナミックレンジを拡大する方法として、本実施形態では２段階取り込み法で信号を検出している。まず第１回目に、強い光に対しても飽和しないよう、短い時間Ｔ１での取り込みを行う。次に２回目には、微小な光に対しても感度を得られるように、より長い時間Ｔ２でデータを取り込む。そして画素ごとに、出力信号Ｖ２と飽和レベルＶｓａｔを比較する。
【００３８】
本実施形態では、Ｔ２をＴ１の２倍の時間と設定しており、画素の出力信号Ｖ２のうち、飽和した信号（Ｖ２＞Ｖｓａｔ）はＶ１に置換し、飽和していない信号（Ｖ２≦Ｖｓａｔ）は０．５×Ｖ２として、データを合成する（図５）。このような処理を行うことで、一次元センサのダイナミックレンジを実質的に向上させて放射角の測定を行うことができ、測定精度が劣化しない。
【００３９】
特に、ＬＤがパッケージに納められている場合、一次元センサおよびその最小画素、ＬＤと一次元センサとの関係を第１の実施形態のように規定した上で本実施形態による方法で放射角測定を測定するとノイズの影響を抑制でき、有効である。
【００４０】
なお、本実施形態では２段階データ取り込みを行ったが、さらに３段階以上で測定しデータを合成することで、より高いダイナミックレンジを実現することが可能である。
【００４１】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態における半導体レーザの放射角測定装置の構成を図６に示す。
【００４２】
封止用ガラス板６０７を有したパッケージ６０６に納められたＬＤ６０１からの出射光は、シリコンサブマウント６０４上の反射ミラー６０５により反射され、封止用ガラス板６０７を通過して外部に出射される。出射された光は、パッケージ６０６の上部に配置された、長手方向の長さＬの受光部に大きさＳの画素６０３を一次元に配列したセンサ６０２に入射する。ここで、一次元センサは、第１の実施形態に示したものと同じであり、一次元センサおよびその画素、ＬＤと一次元センサとの関係も第１の実施形態と同様である。
【００４３】
一旦、出射光強度を測定した後、一次元センサ６０２に設けられた微動装置６１０を動作させて、一次元センサ６０２の１画素の大きさの半分だけ、センサを長手方向に動かす。この状態で再度、出射光強度を測定する。
【００４４】
本実施形態の場合、１画素の大きさを５μｍとしているので、センサは２．５μｍだけ移動させることとなる。
【００４５】
次に、１回目の測定データと２回目の測定データとを１画素毎に交互に並べて、データを合成する。このような画素ずらしにより、実効的なセンサの画素数を倍に、すなわち角度分解能を半分にすることができる。第１の実施形態に示した１構成によれば、角度分解能は０．０１°程度であったから、本実施形態によれば０．００５°まで角度分解能を向上させることが可能となる。
【００４６】
なお、本実施形態では、微動装置として、電圧印加によりサブミクロン単位で移動する圧電素子を用いたが、電気で駆動するモーターを用いても構わない。
【００４７】
また、第１ないし第３の実施形態において、上部に封止用ガラス板を設けたパッケージを示したが、パッケージ全体がプラスチックのような光透過性材料であっても構わない。
【００４８】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザの放射角測定装置によれば、一次元センサおよびその最小画素、ＬＤと一次元センサとの関係を規定することにより、レンズを介さずに広い範囲の放射光を測定することができ、光軸調整個所が少なく、かつ稼動部がないことで短時間に測定ができる効果がある。
【００４９】
また、本発明の半導体レーザの放射角測定方法によれば、短い時間で測定したデータからは強い光の強度分布を、長い時間で測定したデータからは弱い光の強度分布を取り出し、両者を合成することで実質的にダイナミックレンジの広いセンサを用いるのと同じ効果を得ることができる。
【００５０】
また、一次元センサを１画素の長さの半分だけずらして光強度分布を２回測定し、両者を交互に組み合わせることで、測定系の角度分解能を実質的に倍にする効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における半導体レーザの放射角測定装置の構成図
【図２】本発明の第１の実施形態における半導体レーザの放射角測定装置の別の構成図
【図３】本発明の第１の実施形態における半導体レーザの放射角測定装置のさらなる別の構成図
【図４】本発明の第２の実施形態における測定時間と電気信号強度との関係を示す図
【図５】本発明の第２の実施形態における電気信号強度の変換・合成フロー図
【図６】本発明の第３の実施形態における半導体レーザの放射角測定装置の構成図
【図７】従来の技術におけるスキャン方式の半導体レーザの放射角測定装置の構成図
【図８】従来の技術における半導体レーザの放射角測定結果を示す図
【図９】従来の技術における２次元ＣＣＤを用いた半導体レーザの放射角測定装置の構成図
【図１０】半導体レーザがパッケージに納められた場合の放射角測定結果であり、
（ａ）パッケージ内部の反射光による干渉ノイズが発生した場合の結果を示す図
（ｂ）パッケージ内部の反射光によるデータ欠けが発生した場合の結果を示す図
【符号の説明】
１０１、２０１、３０１、６０１、７０１、９０１　半導体レーザ素子
１０２、６０２、７０２、９０２　一次元センサ
１０３　一次元センサの画素（ＣＣＤ）
１０４、６０４　シリコンサブマウント
１０５、６０５　反射ミラー
１０６、６０６　パッケージ
１０７、６０７　封止用ガラス板
２０２、３０２　第一の一次元センサ
２０２ａ、３０２ａ　第二の一次元センサ
２０８、７０８　レール
３０９　ビームスプリッタ
６１０　一次元センサ微動装置
９１１　集光レンズ
【図１】
2004128027.tif 000003
【図２】
2004128027.tif 000004
【図３】
2004128027.tif 000005
【図４】
2004128027.tif 000006
【図５】
2004128027.tif 000007
【図６】
2004128027.tif 000008
【図７】
2004128027.tif 000009
【図８】
2004128027.tif 000010
【図９】
2004128027.tif 000011
【図１０】
2004128027.tif 000012