JPH07202256A - Optical integrated sensor - Google Patents
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- JPH07202256A JPH07202256A JP33752693A JP33752693A JPH07202256A JP H07202256 A JPH07202256 A JP H07202256A JP 33752693 A JP33752693 A JP 33752693A JP 33752693 A JP33752693 A JP 33752693A JP H07202256 A JPH07202256 A JP H07202256A
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Landscapes
- Photo Coupler, Interrupter, Optical-To-Optical Conversion Devices (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Optical Transform (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は光センサに関し、特に、
レーザ光源と、このレーザ光源の出射光の対象物からの
反射光を検出するセンサとが基板に一体に形成された光
集積型センサに関する。FIELD OF THE INVENTION This invention relates to optical sensors, and in particular
The present invention relates to an integrated optical sensor in which a laser light source and a sensor that detects reflected light from a target of light emitted from the laser light source are integrally formed on a substrate.
【0002】[0002]
【従来の技術】可干渉光を利用して対象の位置を光学的
に検出するための従来の位置検出用光センサ、若しくは
マイクロエンコーダとしては、図7に示すように、特開
平第3−291523号に開示されたものがある。2. Description of the Related Art As a conventional position detecting optical sensor or a micro encoder for optically detecting the position of an object using coherent light, as shown in FIG. There is one disclosed in the issue.
【0003】マイクロエンコーダ20は、基板21上に
一体的に形成された半導体レーザダイオード22、光検
出器としての第1のフォトダイオード23、監視用の第
2と第3のフォトダイオード24,25及び五つのマイ
クロレンズ26a乃至26eとを備える。The microencoder 20 includes a semiconductor laser diode 22 integrally formed on a substrate 21, a first photodiode 23 as a photodetector, second and third photodiodes 24 and 25 for monitoring, and It includes five microlenses 26a to 26e.
【0004】半導体レーザダイオード22は、その励振
方向の途中に一対の対称な全反射面22a,22bを有
し、これら全反射面の光軸上に位置する一対の対称な出
力端面22c,22dの光軸が所定の位置で交差するよ
うに配置されている。The semiconductor laser diode 22 has a pair of symmetrical total reflection surfaces 22a and 22b in the middle of its excitation direction, and a pair of symmetrical output end surfaces 22c and 22d located on the optical axis of these total reflection surfaces. The optical axes are arranged so as to intersect at a predetermined position.
【0005】第1フォトダイオード23は、半導体レー
ザダイオード22の両出力端面22c,22dの間にお
いて、これら両端面から出射された二つの光ビームが垂
直方向Zの適正な位置にあるスケール30により回折さ
れて交差する位置に配置されている。In the first photodiode 23, between the output end faces 22c and 22d of the semiconductor laser diode 22, the two light beams emitted from these end faces are diffracted by the scale 30 located at the proper position in the vertical direction Z. It is located at the intersecting position.
【0006】一対の監視用フォトダイオード24,25
は、半導体レーザダイオード22の両端面22c,22
dの外側において、その両端面から出射された二つの光
ビームが水平方向Xの適正な位置にあるスケール30に
より反射されてなる光成分をそれぞれ受光する位置に配
置されている。A pair of monitoring photodiodes 24, 25
Are both end faces 22c, 22 of the semiconductor laser diode 22.
On the outside of d, the two light beams emitted from both end surfaces are arranged at positions where they respectively receive the light components reflected by the scale 30 at the appropriate positions in the horizontal direction X.
【0007】五つのマイクロレンズ26a乃至26e
は、半導体レーザダイオード22の両端面22c,22
d、第1乃至第3のフォトダイオード23,24,25
の受光面の近傍の計5個所にそれぞれ配置されている。Five microlenses 26a to 26e
Are both end faces 22c, 22 of the semiconductor laser diode 22.
d, first to third photodiodes 23, 24, 25
Are arranged at a total of five places in the vicinity of the light receiving surface.
【0008】スケール30は、マイクロエンコーダ20
の基板21に対して垂直に水平方向Xに沿って延在す
る。このスケール30は、基板31と、この基板の一面
31a上に水平方向Xに沿ってピッチdで等間隔に形成
された多数の回折格子32とからなる。基板31の回折
格子32が形成された面31aには、回折格子32をも
覆うように金属等による反射膜(図示せず)が形成され
ている。The scale 30 is a micro encoder 20.
Extending in the horizontal direction X perpendicularly to the substrate 21. The scale 30 includes a substrate 31 and a large number of diffraction gratings 32 formed on one surface 31a of the substrate along the horizontal direction X at equal pitches. A reflection film (not shown) made of metal or the like is formed on the surface 31 a of the substrate 31 on which the diffraction grating 32 is formed so as to cover the diffraction grating 32.
【0009】半導体レーザダイオード22の両端面22
c,22dから出射した光ビーム41,42は、マイク
ロレンズ26a,26bにより集束された後、一旦に交
差してスケール30に入射する。スケール30に入射し
た光ビーム41,42は、回折格子32により回折さ
れ、回折光43,44となる。Both end faces 22 of the semiconductor laser diode 22
The light beams 41 and 42 emitted from c and 22d are converged by the microlenses 26a and 26b, then intersect once and enter the scale 30. The light beams 41 and 42 incident on the scale 30 are diffracted by the diffraction grating 32 to become diffracted lights 43 and 44.
【0010】回折光43,44は、マイクロレンズ26
cを通過した後、互いに干渉して干渉光となる。これら
干渉光は、第1のフォトダイオード23により受光さ
れ、その光強度が検出される。The diffracted lights 43 and 44 are transmitted to the microlens 26.
After passing through c, they interfere with each other to become interference light. The interference light is received by the first photodiode 23, and its light intensity is detected.
【0011】第1のフォトダイオード23は、干渉光の
光強度に応じた電流を発生するが、その光強度は、光ビ
ーム41,42と回折格子32との間、即ちエンコーダ
20とスケール30との間における水平方向Xの相対移
動量xに比例して変化する。The first photodiode 23 generates a current according to the light intensity of the interference light, and the light intensity is between the light beams 41 and 42 and the diffraction grating 32, that is, the encoder 20 and the scale 30. Changes in proportion to the relative movement amount x in the horizontal direction X between.
【0012】図8は、相対移動量xとフォトダイオード
23の出力電流値との関係を示す。図8から明らかなよ
うに、回折格子32の1ピッチ分の移動量dに対し、電
流値は二つ正弦波で表される変化を示す。FIG. 8 shows the relationship between the relative movement amount x and the output current value of the photodiode 23. As is apparent from FIG. 8, the current value shows a change represented by two sine waves with respect to the movement amount d of one pitch of the diffraction grating 32.
【0013】したがって、正弦波信号の山と谷のピーク
数を計数すれば、回折格子32のピッチの1/4の精度
で移動量を測定できる。更に、電流値を一つの正弦波に
対してN個に分割すれば、分解能Vは、回折の回数をn
とすると、 V=d/(2・N・n) …(1) である。Therefore, if the number of peaks and troughs of the sine wave signal is counted, the movement amount can be measured with an accuracy of ¼ of the pitch of the diffraction grating 32. Further, if the current value is divided into N pieces for one sine wave, the resolution V is n times the number of diffractions.
Then, V = d / (2 · N · n) (1)
【0014】例えば、n=1の場合、N=40、d=
1.6μmとすると、分解能Vは0.02μmであり、
高精度の位置検出が可能となる。一方、スケールに対す
る入射角θ0 と回折角θ1 の間には、次の関係がある。For example, when n = 1, N = 40 and d =
If it is 1.6 μm, the resolution V is 0.02 μm,
Highly accurate position detection becomes possible. On the other hand, there is the following relationship between the incident angle θ 0 and the diffraction angle θ 1 with respect to the scale.
【0015】 sinθ0 +sinθ1 =λ/d …(2) 但し、λは半導体レーザダイオードから出射された光ビ
ームの波長である。第2と第3のフォトダイオード2
4,25は各々光ビーム42,41の反射光成分を検出
し、その強度に応じた電流を発生する。この光強度は、
エンコーダ20とスケール30との垂直方向Zにおける
間隔に応じて変化するが、光強度が最大のときに半導体
レーザダイオード22から出射した光ビームの回折光が
フォトダイオード23に適正に入射するように予め設定
されている。更に、その光強度が最大となるように、エ
ンコーダ20またはスケール30の位置がポジショナ等
により制御されている。Sin θ 0 + sin θ 1 = λ / d (2) where λ is the wavelength of the light beam emitted from the semiconductor laser diode. Second and third photodiode 2
Reference numerals 4 and 25 detect reflected light components of the light beams 42 and 41, respectively, and generate currents corresponding to their intensities. This light intensity is
Although it changes according to the distance between the encoder 20 and the scale 30 in the vertical direction Z, the diffracted light of the light beam emitted from the semiconductor laser diode 22 is properly incident on the photodiode 23 in advance when the light intensity is maximum. It is set. Further, the position of the encoder 20 or the scale 30 is controlled by a positioner or the like so that the light intensity becomes maximum.
【0016】上述のエンコーダ20では、半導体レーザ
ダイオードの両端面から出射した光ビームをそのまま二
つの可干渉光として有効利用できるので、エンコーダ2
0を極めて小型に構成できる。In the encoder 20 described above, the light beams emitted from both end faces of the semiconductor laser diode can be effectively used as they are as two coherent light beams.
0 can be made extremely small.
【0017】[0017]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来のエンコーダ20には、その操作の観点では、半導
体レーザダイオードの発振波長が変動するので、それに
対応して入射角度を変更しなければならないという問題
がある。However, in the conventional encoder 20 described above, the oscillation wavelength of the semiconductor laser diode fluctuates from the viewpoint of its operation, and therefore the incident angle must be changed accordingly. There's a problem.
【0018】次に、従来のエンコーダ20の制作上の困
難性について検討する。エンコーダ20の半導体レーザ
ダイオード22は、左右対称のU字形状をなし、両端面
22c,22dから出射されたビームの位相、波長を整
合させている。しかしながら、全反射ミラー22a,2
2bを形成するためには、中心ずれや角度ずれを高精度
に制御する必要がある。また、レーザ20の端面22
c,22dを形成するためには、導波路方向に対して正
確に垂直にミラーを形成する必要がある。更に、レーザ
端面近傍22c,22dに配置されたマイクロレンズ2
6a,26bの光軸合わせのためには、高精度のエッチ
ング技術が要求される。Next, the difficulty in manufacturing the conventional encoder 20 will be examined. The semiconductor laser diode 22 of the encoder 20 has a left-right symmetrical U-shape, and the phases and wavelengths of the beams emitted from both end faces 22c and 22d are matched. However, the total reflection mirrors 22a, 2
In order to form 2b, it is necessary to control center deviation and angular deviation with high accuracy. In addition, the end face 22 of the laser 20
In order to form c and 22d, it is necessary to form a mirror exactly perpendicular to the waveguide direction. Further, the microlenses 2 arranged near the laser end faces 22c and 22d.
A high-precision etching technique is required for aligning the optical axes of 6a and 26b.
【0019】一方、上述の従来のエンコーダ20の検出
精度の観点では、スケール31の傾きに対するフォトダ
イオード23の出力変動が大きいので、スケール31の
傾きが水平方向Xから±1°以内でなければ信号と雑音
とを区別できず、誤検出の恐れがあり、正確な位置検出
が困難になる。本発明の目的は、上述した従来の光集積
型光センサの問題点に鑑み、高精度な位置検出を容易に
実現する光集積型光センサを提供することである。On the other hand, from the viewpoint of the detection accuracy of the conventional encoder 20 described above, since the output fluctuation of the photodiode 23 with respect to the inclination of the scale 31 is large, the signal of the scale 31 must be within ± 1 ° from the horizontal direction X. Cannot be distinguished from noise, and there is a risk of erroneous detection, making accurate position detection difficult. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an optical integrated optical sensor that easily realizes highly accurate position detection in view of the problems of the conventional optical integrated optical sensor described above.
【0020】[0020]
【課題を達成するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、レーザ光源と、このレーザ光源の出射光の
対象物からの反射光を検出するセンサとが基板に一体に
形成された光集積型センサにおいて、単一結晶からな
り、その第1の結晶面に沿って形成された第1の表面
と、その第2の結晶面に沿って形成された第2の表面と
を有し、それら二つの表面の法線が互いに交差するよう
に配置された半導体基板と、この第1と第2の表面の一
方の面上に気相成長法により形成された面発光レーザ若
しくはレーザダイオードと、他方の表面上に気相成長法
により形成された受光素子とを備えた光集積型センサを
提供する。According to the present invention, in order to achieve the above object, a laser light source and a sensor for detecting reflected light of an emitted light of the laser light source from an object are integrally formed on a substrate. In the integrated optical sensor, the first surface is made of a single crystal, and has a first surface formed along a first crystal surface thereof and a second surface formed along a second crystal surface thereof. A semiconductor substrate arranged such that the normals of these two surfaces intersect with each other, and a surface emitting laser or laser diode formed on one of the first and second surfaces by vapor phase epitaxy. And an optical integrated sensor having a light receiving element formed on the other surface by a vapor phase growth method.
【0021】[0021]
【作用】点光源に近い通常の半導体レーザダイオードで
は、光出力の上昇や戻り光によって「レーザ発振モード
が跳ぶ」現象、所謂「モードホッピング」が生じる。ま
た、射出スポットが2μm×4μm程度であるため、レ
ーザ端面から射出された光ビームは、拡がってしまい、
レンズでビーム径を絞る必要がある。In a normal semiconductor laser diode close to a point light source, the phenomenon of "laser oscillation mode jumping", so-called "mode hopping" occurs due to an increase in optical output and returning light. Moreover, since the emission spot is about 2 μm × 4 μm, the light beam emitted from the laser end face spreads,
It is necessary to reduce the beam diameter with a lens.
【0022】これに対して、分布反射器付面発光レーザ
光源では、分布反射器が波長フィルターの役割を果た
し、波長変動を通常の半導体レーザダイオードに比較し
て二桁程度低く抑えられる。戻り光に対しては、端面の
反射率が少なくとも90%以上の高反射率であるため、
戻り光による共振器内の波長のゆらぎが抑制される。On the other hand, in the surface emitting laser light source with a distributed reflector, the distributed reflector plays the role of a wavelength filter, and the wavelength fluctuation can be suppressed to about two orders of magnitude lower than that of an ordinary semiconductor laser diode. Since the end face has a high reflectance of at least 90% with respect to the return light,
The fluctuation of the wavelength in the resonator due to the returning light is suppressed.
【0023】[0023]
【実施例】図1を参照すると、本発明の位置検出用光セ
ンサは、モノシリック光集積回路チップ50aをなして
いる。チップ50aの近傍には、後述のメサ頂部面10
0に対して実質的に平行なスケール10が配置され、こ
のスケール10には、その延在方向に沿って等間隔に複
数の回折格子10aが配列されている。スケール10と
チップ50aとの何れか一方は、位置を検出すべき対象
物に取り付けられている。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Referring to FIG. 1, the position detecting optical sensor of the present invention constitutes a monolithic optical integrated circuit chip 50a. In the vicinity of the tip 50a, the mesa top surface 10 described later is formed.
A scale 10 that is substantially parallel to 0 is arranged, and a plurality of diffraction gratings 10a are arranged on this scale 10 at equal intervals along the extending direction. One of the scale 10 and the chip 50a is attached to the object whose position is to be detected.
【0024】光集積回路チップ50aのGaAs系化合
物半導体基板(ウェハ)1の表面上には、基板1の表面
の延在方向に対して実質的に垂直なメサ型(台地型)領
域200がエッチングにより形成されている。このメサ
型領域200の側面は、図1の紙面の法線方向から見
て、メサ頂部面100と、このメサ頂部面の両端からそ
れぞれ延出され、且つメサ頂部面100に対して傾斜し
た第1と第2のメサ傾斜面(結晶面)111a,111
bとにより規定されている。これら第1と第2のメサ傾
斜面111a,111bは、それらの法線方向が互いに
交差するように配置されている。具体的には、傾斜面1
11a,111bは、頂部面100に対してそれぞれ5
4.7°の傾きをなしている。On the surface of the GaAs compound semiconductor substrate (wafer) 1 of the optical integrated circuit chip 50a, a mesa type (plateau type) region 200 which is substantially perpendicular to the extending direction of the surface of the substrate 1 is etched. It is formed by. The side surfaces of the mesa region 200 extend from the mesa top surface 100 and both ends of the mesa top surface 100 as viewed from the direction normal to the paper surface of FIG. 1, and are inclined with respect to the mesa top surface 100. 1st and 2nd mesa inclined surface (crystal surface) 111a, 111
and b. The first and second mesa inclined surfaces 111a and 111b are arranged so that their normal directions intersect with each other. Specifically, the inclined surface 1
11a and 111b are 5 with respect to the top surface 100, respectively.
It has an inclination of 4.7 °.
【0025】各々のメサ傾斜面111a,111b上に
は、光源としての分布反射器付面発光レーザダイオード
LD1,LD2がそれぞれ形成されている。これら二つ
のレーザダイオードLD1,LD2は、対向する二つの
傾斜面111a,111b上に互いに対称に位置してい
る。このような配置によれば、各々のレーザダイオード
LD1,LD2から出射してスケール10の回折格子で
回折された1次回折光ビームが干渉し、頂部面100に
入射する。従って、この頂部面100の入射位置に後述
のように受光素子を設ければ、スケール10の移動に応
じた回折光強度の変化が検出できる。この変化は正弦波
状であり、スケール10に配列された回折格子の1ピッ
チについて2周期の正弦波が検出できる。Surface emitting laser diodes LD1 and LD2 as a light source are formed on the mesa inclined surfaces 111a and 111b, respectively, as light sources. These two laser diodes LD1 and LD2 are symmetrically positioned on the two inclined surfaces 111a and 111b facing each other. With this arrangement, the first-order diffracted light beams emitted from the laser diodes LD1 and LD2 and diffracted by the diffraction grating of the scale 10 interfere with each other and enter the top surface 100. Therefore, if a light receiving element is provided at the incident position on the top surface 100 as described later, a change in the diffracted light intensity according to the movement of the scale 10 can be detected. This change has a sine wave shape, and two cycles of sine waves can be detected for one pitch of the diffraction grating arranged on the scale 10.
【0026】以下の説明では、第1のメサ傾斜面111
a上の面発光レーザダイオードLD1の上部及び下部反
射器をそれぞれ符号2a,7a、第2のメサ傾斜面11
1b上の面発光レーザダイオードLD2の上部及び下部
反射器をそれぞれ符号2b,7bで示す。In the following description, the first mesa sloped surface 111
The upper and lower reflectors of the surface emitting laser diode LD1 on a are denoted by reference numerals 2a and 7a, respectively, and the second mesa inclined surface 11 is provided.
The upper and lower reflectors of the surface emitting laser diode LD2 on 1b are designated by reference numerals 2b and 7b, respectively.
【0027】分布反射器付面発光レーザダイオードLD
1,LD2は、次のように形成されている。メサ面10
0,111a,111bに対し、気相成長法で面方位を
保って、例えばMOVPE法によりエピ成長を施す。メ
サ頂部面100上とメサ傾斜面111a,111b面上
との成長速度を予め確認しておくことにより、傾斜面1
11a,111bの縁、及びメサ頂部面100とメサ傾
斜面111a,111b面との境界を除いて、多層エピ
層を安定に形成することが可能である。この多層エピ層
を選択ドライエッチングすることにより、面発光レーザ
ダイオードLD1,LD2が形成される。Surface-emitting laser diode LD with distributed reflector
1, LD2 are formed as follows. Mesa surface 10
For 0, 111a, 111b, the plane orientation is maintained by the vapor phase growth method, and the epi growth is performed by, for example, the MOVPE method. By confirming the growth rate on the mesa top surface 100 and the mesa inclined surfaces 111a and 111b in advance, the inclined surface 1
It is possible to stably form the multi-layer epi layer except for the edges of 11a and 111b and the boundary between the mesa top surface 100 and the mesa inclined surfaces 111a and 111b. The surface emitting laser diodes LD1 and LD2 are formed by performing selective dry etching on the multilayer epi layer.
【0028】この場合、レーザダイオードLD1,LD
2のレーザビームの射出角は、基板1の表面に対して、
54.7°傾斜している。発面光レーザダイオードLD
1,LD2の下部分布反射器2a,2bは、n形Al
0.1 Ga0.9 As層とn形AlAs層とがそれぞれ層厚
61.6nm、73.0nmで30周期形成されてい
る。発面光レーザダイオードLD1,LD2の発振波長
を0.87μmとすると、下部分布反射器2a,2bの
反射率は、99.9%である。In this case, the laser diodes LD1 and LD
The emission angle of the laser beam of 2 is relative to the surface of the substrate 1.
It is inclined 54.7 °. Surface emitting laser diode LD
1, the lower distributed reflectors 2a and 2b of LD2 are n-type Al
A 0.1 Ga 0.9 As layer and an n-type AlAs layer are formed in 30 periods with a layer thickness of 61.6 nm and 73.0 nm, respectively. When the oscillation wavelengths of the surface emitting laser diodes LD1 and LD2 are 0.87 μm, the reflectance of the lower distributed reflectors 2a and 2b is 99.9%.
【0029】活性層4は、10nmGaAs量子井戸と
5nmのAl0.3 Ga0.7 As量子井戸障壁層からなる
三重量子井戸構造である。活性層4は、何れも層厚0.
11μmのn形Al0.45Ga0.55Asクラッド層3とp
形Al0.45Ga0.55Asクラッド層5との間に挟まれて
いる。The active layer 4 has a triple quantum well structure composed of a 10 nm GaAs quantum well and a 5 nm Al 0.3 Ga 0.7 As quantum well barrier layer. The active layer 4 has a layer thickness of 0.
11 μm n-type Al 0.45 Ga 0.55 As cladding layer 3 and p
It is sandwiched between the Al 0.45 Ga 0.55 As clad layer 5.
【0030】p形Al0.45Ga0.55Asクラッド層5上
には、層厚0.39μmのp形InGaPキャップ層6
を介して、上部分布反射器7a,7bが18周期形成さ
れている。上部分布反射器7a,7bの構造は下部分布
反射器2a,2bと同様である。但し、その反射率は、
95.6%である。A p-type InGaP cap layer 6 having a layer thickness of 0.39 μm is formed on the p-type Al 0.45 Ga 0.55 As clad layer 5.
The upper distributed reflectors 7a and 7b are formed in 18 cycles via the. The structure of the upper distributed reflectors 7a and 7b is similar to that of the lower distributed reflectors 2a and 2b. However, the reflectance is
It is 95.6%.
【0031】p側電極9は、上部分布反射器7a,7b
の外周のp形InGapキャップ層上に形成され、n側
電極8は、n形クラッド層5の外周及び下部分布反射器
2a,2b上に形成されている。The p-side electrode 9 is composed of upper distributed reflectors 7a and 7b.
Is formed on the outer periphery of the p-type InGap cap layer, and the n-side electrode 8 is formed on the outer periphery of the n-type cladding layer 5 and on the lower distributed reflectors 2a and 2b.
【0032】面発光レーザダイオードの射出窓の径は、
15μmφとし、メサ径は、20μmφとする。半導体
基板1の表面からメサ型領域10の上縁までの突出距
離、即ちメサ溝の深さは20μmとし、メサ底の幅(メ
サ形斜面101aの解放端とメサ形斜面101bの解放
端との間の幅)は、100μmとする。The diameter of the emission window of the surface emitting laser diode is
The diameter of the mesa is 15 μm and the diameter of the mesa is 20 μm. The protrusion distance from the surface of the semiconductor substrate 1 to the upper edge of the mesa region 10, that is, the depth of the mesa groove is set to 20 μm, and the width of the mesa bottom (the open end of the mesa slope 101a and the open end of the mesa slope 101b) is set. The width) is 100 μm.
【0033】このような位置検出用光センサにおけるレ
ーザ発振の原理は以下の通りである。p側電極9より注
入されたキャリアは、Ga+ イオン注入領域12におけ
るp形ドーピング領域では、アニーリングにより抵抗が
復帰する。しかし、n形クラッド層3は、その抵抗がp
形クラッド層5よりも二乃至五桁上昇した状態の高抵抗
領域である。それ故、キャリアは、p形クラッド層5内
は自由に移動できるが、n形クラッド層3内では、中心
部分及び分布反射器近傍のみしか移動できない。従って
キャリアは、上部反射器7b直下のメサ中央部分の活性
層4に集中する。キャリアの再結合で発光した光は、そ
の径方向では、Ga+ イオン注入により量子井戸構造が
無秩序化され、その屈折率が低下している。そのため、
キャリアの再結合で発光した光は、その拡がりが小さ
く、中央部分に収束される。The principle of laser oscillation in such a position detecting optical sensor is as follows. The carrier injected from the p-side electrode 9 has its resistance restored by annealing in the p-type doping region in the Ga + ion implantation region 12. However, the resistance of the n-type cladding layer 3 is p
It is a high resistance region in a state of being raised by two to five orders of magnitude above the shaped clad layer 5. Therefore, the carriers can move freely in the p-type cladding layer 5, but can move only in the central portion and in the vicinity of the distributed reflector in the n-type cladding layer 3. Therefore, the carriers concentrate on the active layer 4 in the central portion of the mesa directly below the upper reflector 7b. In the radial direction of the light emitted by the recombination of carriers, the quantum well structure is disordered by Ga + ion implantation, and the refractive index thereof is lowered. for that reason,
The light emitted by recombination of carriers has a small spread and is converged in the central portion.
【0034】接合面に対して垂直方向に伝播した光は、
下部分布反射器2aの反射率が変化せず99.9%であ
るので、下部分布反射器2aにより殆どが反射される。
ここで下部分布反射器2bの反射率が変化しないのは、
下部分布反射器2bにおけるスペクトル拡がりが、半値
全幅で、室温の多重量子井戸構造のホトルミネッセスの
40meV程度と考えられるためである。The light propagating in the direction perpendicular to the joint surface is
Since the reflectance of the lower distributed reflector 2a does not change and is 99.9%, most of it is reflected by the lower distributed reflector 2a.
Here, the reflectance of the lower distributed reflector 2b does not change because
This is because the spectrum spread in the lower distributed reflector 2b is considered to be about 40 meV, which is the full width at half maximum and the photoluminescence of a multi-quantum well structure at room temperature.
【0035】垂直方向に伝播した光は、その定在波の腹
に活性層4が位置するため、波長選択された光のみ増幅
される。この増幅された光は、上部分布反射器7bの反
射率が96±1%の範囲の高反射率であるため、上部分
布反射器7bにより殆どが反射され、再び活性層4で増
幅される。The light propagating in the vertical direction is amplified only by the wavelength-selected light because the active layer 4 is located at the antinode of the standing wave. Since the amplified light has a high reflectance in the range of 96 ± 1% in the upper distributed reflector 7b, most of the amplified light is reflected by the upper distributed reflector 7b and amplified again in the active layer 4.
【0036】この上部及び下部分布反射器内で、限られ
た波長の光のみが光帰還を繰り返し、その伝播中の損失
係数と利得係数が一致したときにレーザ発振が生じる。
面発光レーザダイオードは、通常の劈開面より射出され
るレーザダイオードとは異なり、共振器長が数μmであ
るため、存在する定在波モード数が少なく、モードホッ
ピングは通常の温度動作では生じない。また、端面保護
膜も不用である。In the upper and lower distributed reflectors, only light of a limited wavelength repeats optical feedback, and laser oscillation occurs when the loss coefficient and the gain coefficient during the propagation match.
Unlike a laser diode emitted from a normal cleavage plane, a surface emitting laser diode has a cavity length of several μm, so that the number of standing wave modes existing is small and mode hopping does not occur in normal temperature operation. . Further, the end face protective film is unnecessary.
【0037】本実施例では、面発光レーザダイオードL
D1,LD2が、第1と第2のメサ傾斜面111a,1
11bに気相成長により左右対称で形成されているため
に、レーザダイオードLD1,LD2のレーザビームの
射出角度θ1 は54.7°度で一定となる。In this embodiment, the surface emitting laser diode L
D1 and LD2 are the first and second mesa inclined surfaces 111a and 1a.
Since 11b is formed symmetrically by vapor phase growth, the laser beam emission angle θ 1 of the laser diodes LD1 and LD2 is constant at 54.7 °.
【0038】スケール10に配列された回折格子のピッ
チは、基板1の表面に対して一次回折光が垂直に回折さ
れるように定められている。例えば、レーザダイオード
LD1,LD2から射出された光ビームの発振波長λを
例えば0.87μmとすると、1次回折角θ1 =0°で
あるから、 sinθ0 +sinθ1 =λ/d =sinθ0 =0.87(μm)/d ……(3) が得られる。ここで、レーザダイオードLD1,LD2
の射出レーザビームのスケール10に対する入射角θ0
は54.7°度であるから、(3)式より、 d=λ/sinθ0 =0.87(μm)/0.816 =1.066(μm) が得られる。この場合、回折光ビームは、頂部面100
に対して垂直に回折される。The pitch of the diffraction grating arranged on the scale 10 is set so that the first-order diffracted light is diffracted perpendicularly to the surface of the substrate 1. For example, assuming that the oscillation wavelength λ of the light beams emitted from the laser diodes LD1 and LD2 is 0.87 μm, the first-order diffraction angle θ 1 = 0 °, so sin θ 0 + sin θ 1 = λ / d = sin θ 0 = 0 .87 (μm) / d (3) is obtained. Here, the laser diodes LD1 and LD2
Incident angle θ 0 of the emitted laser beam with respect to the scale 10
Is 54.7 °, d = λ / sin θ 0 = 0.87 (μm) /0.816 = 1.066 (μm) is obtained from the equation (3). In this case, the diffracted light beam has a top surface 100
Is diffracted perpendicular to.
【0039】両側の面発光レーザダイオードLD1,L
D2からの射出ビームが互いにスケール10の手前で交
差され、スケール10の回折格子表面で回折されてなる
1次回折光ビームが、メサ頂部面100に形成された受
光素子PDに入射する。この受光素子PDの構造及びそ
の形成方法は、レーザダイオードLD1,LD2から上
部分布反射器7bを除去したものと同様である。Surface emitting laser diodes LD1 and L on both sides
The beams emitted from D2 cross each other in front of the scale 10 and the first-order diffracted light beam diffracted by the surface of the diffraction grating of the scale 10 is incident on the light receiving element PD formed on the mesa top surface 100. The structure of the light receiving element PD and its forming method are the same as those of the laser diodes LD1 and LD2 from which the upper distributed reflector 7b is removed.
【0040】この際、スケール10が移動していれば、
回折光ビームの強度は、スケール10の1ピッチdに対
応して、正弦波状の変化をする。本実施例では、スケー
ル10に対して図示の左右からレーザビームが入射され
るので、同相の1次回折光ビームが互いに逆方向へ移動
し、干渉し合うため、スケール10の回折格子の1ピッ
チに対して2周期の正弦波状の受光信号が観測でき、移
動距離の精度が向上する。At this time, if the scale 10 is moving,
The intensity of the diffracted light beam changes sinusoidally in accordance with one pitch d of the scale 10. In the present embodiment, since the laser beams are incident on the scale 10 from the left and right sides in the drawing, the in-phase first-order diffracted light beams move in opposite directions and interfere with each other, so that the diffraction grating of the scale 10 has one pitch. On the other hand, a 2-cycle sinusoidal light receiving signal can be observed, and the accuracy of the moving distance is improved.
【0041】また、入射ビームの入射角が結晶面で決定
されるため、回折格子のピッチを回折条件に一致させる
ことにより、メサ頂部面100面に対して垂直に1次回
折光を戻すことができる。このように回折光を垂直に受
光面に戻すことが可能であると、スケール10とチップ
50との距離を比較的に広く(50μm〜300μm)
設定することができる。面発光レーザダイオードLD
1,LD2の射出窓の面積は、基本モード発振内で広く
確保できるため、遠視野パターンで半値幅が2〜3度の
拡がりに抑制でき、スケール10とチップ50aとの距
離が比較的に広いので、マイクロレンズによってビーム
を収束させる必要は無い。Since the incident angle of the incident beam is determined by the crystal plane, the first-order diffracted light can be returned perpendicularly to the surface of the mesa top surface 100 by matching the pitch of the diffraction grating with the diffraction condition. . If the diffracted light can be returned vertically to the light receiving surface in this manner, the distance between the scale 10 and the chip 50 is relatively wide (50 μm to 300 μm).
Can be set. Surface emitting laser diode LD
Since the area of the exit window of LD 1 and LD 2 can be ensured to be wide within the fundamental mode oscillation, the half-width can be suppressed to a spread of 2 to 3 degrees in the far field pattern, and the distance between the scale 10 and the chip 50a is relatively wide. Therefore, it is not necessary to focus the beam by the microlens.
【0042】更に、レーザダイオードLD1,LD2
は、その射出ビームがスケール10の手前で交差するよ
うに配置されているため、一方のレーザダイオードの射
出ビームが直接に他方のレーザダイオードで反射するこ
とはない。Further, the laser diodes LD1 and LD2
Are disposed so that their emission beams intersect in front of the scale 10, so that the emission beams of one laser diode are not directly reflected by the other laser diode.
【0043】図2は本発明の第2実施例を示す。この実
施例の目的は、スケール10と光集積回路チップ50b
との間の距離yを制御することにより、メサ底部の受光
素子の信号出力を大きくすることである。第1実施例と
同様な構成要素については同様な参照符号を付して示
す。FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention. The purpose of this embodiment is to scale 10 and optical integrated circuit chip 50b.
The signal output of the light receiving element at the bottom of the mesa is increased by controlling the distance y between and. The same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals.
【0044】X方向の左右の面発光レーザダイオードL
D1,LD2から射出されたビームは、スケール10の
直前で交差させる必要がある。そこで、第2実施例の光
集積回路チップ50bにおいては、面発光レーザダイオ
ードLD1,LD2の左右にそれぞれ一対の受光素子P
D1,PD2,PD3,PD4が形成されている。これ
ら受光素子PD1,PD2,PD3,PD4の構造は、
面発光レーザ素子LD1,LD2から上部分布反射器7
bを除去したものと同様である。Left and right surface emitting laser diodes L in the X direction
The beams emitted from D1 and LD2 need to cross each other just before the scale 10. Therefore, in the optical integrated circuit chip 50b of the second embodiment, a pair of light receiving elements P is provided on the left and right of the surface emitting laser diodes LD1 and LD2, respectively.
D1, PD2, PD3 and PD4 are formed. The structure of these light receiving elements PD1, PD2, PD3, PD4 is
Surface emitting laser elements LD1 and LD2 to upper distributed reflector 7
It is the same as that in which b is removed.
【0045】面発光レーザダイオードLD1(LD2)
とその左右の受光素子PD1,PD2(PD3,PD
4)とは、Ga+ イオン注入領域12により電気的に分
離されている。Ga+ イオンを注入(ドーズ量4×10
14cm-2)すると、p側のエピ層のアニーリング後の抵
抗率は、イオン注入前のものに戻る。これは、n側領域
は、p側領域よりも2乃至5桁高い抵抗率を有する高抵
抗領域になると共に、量子井戸構造が無秩序化されるた
めである。Surface emitting laser diode LD1 (LD2)
And the left and right light receiving elements PD1 and PD2 (PD3, PD
4) is electrically isolated from the Ga + ion implantation region 12. Ga + ion implantation (dose amount 4 × 10
At 14 cm −2 ), the resistivity of the p-side epilayer after annealing returns to that before ion implantation. This is because the n-side region becomes a high-resistance region having a resistivity that is 2 to 5 orders of magnitude higher than that of the p-side region, and the quantum well structure is disordered.
【0046】スケール10とチップ50bとの間の距離
yの値を増加させると、受光素子PD1(PD3)によ
り反射レーザビーム(B)が受光された状態から、面発
光レーザダイオードLD1(LD2)の射出レーザビー
ム(A)が相手側の面発光レーザダイオードLD2(L
D1)の反射ビーム(B)へ入射することにより、干渉
が生じるので出力変動が生じる。その結果、受光素子P
D2,PD4により反射ビーム(B)の信号が得られ
る。面発光レーザダイオードLD1(LD2)の射出窓
端と上部受光素子PD2(PD4)の受光窓の下部との
距離を10μmとし、左右からのビームの交差位置から
の移動量を小さくすることにより、1次回折干渉ビーム
信号の信号対雑音比が大きくとれる。従って、面発光レ
ーザダイオードLD1,LD2の光ビーム出力が小さく
て済むので、レーザビーム発生に伴うダイオードLD
1,LD2の発熱による波長のシフト量を極力抑制でき
る。When the value of the distance y between the scale 10 and the chip 50b is increased, the surface emitting laser diode LD1 (LD2) is changed from the state where the reflected laser beam (B) is received by the light receiving element PD1 (PD3). The emitted laser beam (A) is the surface emitting laser diode LD2 (L
Incident on the reflected beam (B) of D1) causes interference, which causes output fluctuation. As a result, the light receiving element P
A signal of the reflected beam (B) is obtained by D2 and PD4. The distance between the exit window end of the surface emitting laser diode LD1 (LD2) and the lower part of the light receiving window of the upper light receiving element PD2 (PD4) is set to 10 μm, and the amount of movement of the beams from the left and right from the crossing position is reduced to 1 A large signal-to-noise ratio of the second-order diffraction interference beam signal can be obtained. Therefore, since the light beam output of the surface emitting laser diodes LD1 and LD2 can be small, the diode LD accompanying the laser beam generation
1, the amount of wavelength shift due to heat generation of the LD 2 can be suppressed as much as possible.
【0047】受光素子PD1乃至PD4の表面は、p−
InGaP層5で保護されているので、酸化に対して強
く、オーミックもAlGaAs系材料に比べ、とり易
い。一方、光集積回路チップ50bに対して移動するス
ケール10の面が傾いている場合は、受光素子PD1乃
至PD4の信号は、その信号対雑音比が著しく劣化す
る。例えば、従来例のエンコーダ20(図7参照)で
は、回折格子の傾きが±1度以内に制御されていなけれ
ば、信号を検出できない。The surfaces of the light receiving elements PD1 to PD4 are p-
Since it is protected by the InGaP layer 5, it is strong against oxidation, and ohmic resistance is easier than that of AlGaAs material. On the other hand, when the surface of the scale 10 that moves with respect to the optical integrated circuit chip 50b is inclined, the signals of the light receiving elements PD1 to PD4 have a significantly deteriorated signal-to-noise ratio. For example, the encoder 20 of the conventional example (see FIG. 7) cannot detect a signal unless the tilt of the diffraction grating is controlled within ± 1 degree.
【0048】しかしながら、図3に示すように、回折格
子のピッチ及びアスペクト比を1.5以上に最適化する
と、入射光ビームに対する回折光ビームの強さが80%
以上となる。従って、回折光ビームによりスケール10
の傾きを検出した方が有効となる。However, as shown in FIG. 3, when the pitch and aspect ratio of the diffraction grating are optimized to 1.5 or more, the intensity of the diffracted light beam with respect to the incident light beam is 80%.
That is all. Therefore, the scale 10
It is more effective to detect the inclination of.
【0049】例えば、距離yを100μm、受光素子P
D1,PD2,PD3の受光面中心間の距離を5μm、
受光面を3μm×3μm、ビームの拡がりを±1度とす
ると、スケール10が1度傾斜すると回折光ビームの中
心は、2度傾斜することになる。従って、回折光ビーム
の中心は、図3の上下方向(Z方向)において、受光素
子PD2の受光面の片側の端に移動し、この受光面の中
央にはビームが到達しなくなる。その結果、受光素子P
D2の出力が低下し、受光素子PD1またはPD3の出
力が増加する。スケール10がどちらへ移動したかは、
受光素子PD1とPD3との出力を比較すれば容易に検
出できるので、スケール10の傾斜を容易に制御でき
る。For example, the distance y is 100 μm, the light receiving element P is
The distance between the centers of the light receiving surfaces of D1, PD2 and PD3 is 5 μm,
Assuming that the light receiving surface is 3 μm × 3 μm and the beam spread is ± 1 degree, the center of the diffracted light beam is inclined by 2 degrees when the scale 10 is inclined by 1 degree. Therefore, the center of the diffracted light beam moves to one end of the light receiving surface of the light receiving element PD2 in the vertical direction (Z direction) of FIG. 3, and the beam does not reach the center of this light receiving surface. As a result, the light receiving element P
The output of D2 decreases and the output of the light receiving element PD1 or PD3 increases. To which the scale 10 has moved,
The output of the light receiving elements PD1 and PD3 can be easily detected by comparing the outputs, so that the inclination of the scale 10 can be easily controlled.
【0050】図4は本発明の第3実施例を示す。第1実
施例と同様な構成要素については同様な参照符号を付し
て示す。この第3実施例は、モノシリック光集積回路チ
ップ50cの半導体基板1′が面発光レーザダイオード
の発振波長を吸収しない窓基板である場合を想定してい
る。この場合、図4に示すように、基板1′の裏面より
ビームを射出し、スケール10の直前で交差させ、その
回折光ビームの干渉パターンを再び基板のメサ頂部面1
00′の受光素子PDにより位置検出信号として受信す
る方式が考えられる。FIG. 4 shows a third embodiment of the present invention. The same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals. In the third embodiment, it is assumed that the semiconductor substrate 1'of the monolithic optical integrated circuit chip 50c is a window substrate that does not absorb the oscillation wavelength of the surface emitting laser diode. In this case, as shown in FIG. 4, a beam is emitted from the back surface of the substrate 1 ', intersects it just before the scale 10, and the interference pattern of the diffracted light beam is again measured on the top surface 1 of the mesa of the substrate.
A method of receiving the position detection signal by the light receiving element PD of 00 'can be considered.
【0051】図4において、GaAs系化合物半導体基
板1′上には、ウェットエッチングにより、順メサ型領
域が形成されている。ここでメサ高さを20μm、メサ
頂部の幅を200μm、メサ底部の幅を50μmとす
る。面発光レーザダイオードLD1,LD2及び受光素
子PD1′,PD2′,PD3′は、気相成長法、例え
ば、MOVPE法により一体に形成されている。つま
り、メサ頂部面100′及びメサ傾斜面111a′,1
11b′には、71.2nmのn形GaAsと84.8
nmのn形AlAsとの対が14周期形成された下部分
布反射器101が形成されている。この分布反射器10
1の反射率は90%である。メサ頂部面100′の分布
反射器101上には、n形Al0.3 Ga0.7 Asクラッ
ド層102とp形Al0.3 Ga0.7 Asクラッド層10
4とが、三重量子井戸構造活性層103を挟んで形成さ
れている。In FIG. 4, a forward mesa region is formed on the GaAs compound semiconductor substrate 1'by wet etching. Here, the mesa height is 20 μm, the width of the mesa top is 200 μm, and the width of the mesa bottom is 50 μm. The surface emitting laser diodes LD1 and LD2 and the light receiving elements PD1 ', PD2' and PD3 'are integrally formed by a vapor phase growth method, for example, a MOVPE method. That is, the mesa top surface 100 'and the mesa inclined surfaces 111a', 1
11b 'has 71.2 nm n-type GaAs and 84.8 nm.
A lower distributed reflector 101 is formed in which 14 pairs of nm with n-type AlAs are formed. This distributed reflector 10
The reflectance of 1 is 90%. An n-type Al 0.3 Ga 0.7 As clad layer 102 and a p-type Al 0.3 Ga 0.7 As clad layer 10 are formed on the distributed reflector 101 on the mesa top surface 100 ′.
4 are formed so as to sandwich the triple quantum well structure active layer 103.
【0052】ここでクラッド層104の厚さは、活性層
103を定在波の腹とする1周期分の厚さ(0.275
μm)とされている。活性層104の構造は、8nmの
In0.2 Ga0.8 As歪量子井戸と5nmのGaAs量
子井戸障壁層とからなる三重歪量子井戸構造とする。Here, the thickness of the cladding layer 104 is one cycle (0.275) where the active layer 103 is the antinode of the standing wave.
μm). The structure of the active layer 104 is a triple strain quantum well structure including an In 0.2 Ga 0.8 As strain quantum well of 8 nm and a GaAs quantum well barrier layer of 5 nm.
【0053】レーザダイオードLD1,LD2の上部分
布反射器106とp形クラッド層104との間には、酸
化防止及び電極とのオーミンク性を考慮して、p形In
GaP層105が1波長(0.3μm)分設けられてい
る。。Between the upper distributed reflector 106 of the laser diodes LD1 and LD2 and the p-type cladding layer 104, p-type In is formed in consideration of oxidation prevention and ohmic characteristics with the electrode.
The GaP layer 105 is provided for one wavelength (0.3 μm). .
【0054】上述の上部分布反射器106は、下部分布
反射器101と同組成、同厚で、21周期形成され、不
純物ドープは特に施されていない。この部分の反射率は
99%以上であり、面発光レーザダイオードLD1,L
D2を除き、受光素子として、利用する、受光素子PD
1′,PD2′,PD3′では、この上部分布反射器1
06は除去されている。The above-mentioned upper distributed reflector 106 has the same composition and the same thickness as the lower distributed reflector 101, is formed for 21 cycles, and is not particularly doped with impurities. The reflectance of this portion is 99% or more, and the surface emitting laser diodes LD1 and L
A light receiving element PD used as a light receiving element except D2
In 1 ', PD2', PD3 ', this upper distributed reflector 1
06 has been removed.
【0055】対をなすレーザダイオードLD1(LD
2)と受光素子PD1′(PD2′)とは、次のように
分離されている。即ち、p形Al0.3 Ga0.7 Asクラ
ッド層104表面から少なくともn形Al0.3 Ga0.7
Asクラッド層102に達するまで、Ga+ イオンを注
入し、このGa+ イオン注入されたn形領域を高抵抗に
することにより電気的に分離されている。。A pair of laser diodes LD1 (LD
2) and the light receiving element PD1 '(PD2') are separated as follows. That is, at least n-type Al a p-type Al 0.3 Ga 0.7 As cladding layer 104 surface 0.3 Ga 0.7
Until reaching the As cladding layer 102, implanting Ga + ions, it is electrically separated by the Ga + ion implanted n-type regions in a high resistance. .
【0056】図4の光センサ50cの動作原理は以下の
通りである。移動するスケール10に対して面発光レー
ザダイオードLD1,LD2から波長0.98μmの安
定なビームが入射される。The operating principle of the optical sensor 50c of FIG. 4 is as follows. A stable beam having a wavelength of 0.98 μm is incident on the moving scale 10 from the surface emitting laser diodes LD1 and LD2.
【0057】この際、二つのレーザダイオードLD1,
LD2は、傾斜面111a′,111b′の中央より射
出されている場合には、その焦点は、Z方向で見て、メ
サ頂部面100′から下方へ105μmの位置に存在す
る。ここでGaAs系化合物半導体基板1′の厚さを8
0μmとすると、レーザダイオードLD1,LD2は、
基板1′を通して、基板1′の裏面25μm下に焦点を
有することになる。この点では、二つのレーザダイオー
ドLD1,LD2の射出ビームが、互いに相手のレーザ
ダイオードLD1,LD2へ向かって反射する。従っ
て、二つのレーザダイオードLD1,LD2は、そのレ
ーザ出力に変動を生じるために位置検出には利用てきな
い。At this time, the two laser diodes LD1,
When the LD 2 is emitted from the center of the inclined surfaces 111 a ′ and 111 b ′, the focal point thereof is located 105 μm downward from the mesa top surface 100 ′ when viewed in the Z direction. Here, the thickness of the GaAs compound semiconductor substrate 1'is set to 8
Assuming 0 μm, the laser diodes LD1 and LD2 are
Through the substrate 1 ', the focal point will be 25 μm below the back surface of the substrate 1'. At this point, the emitted beams of the two laser diodes LD1 and LD2 are reflected toward each other's laser diodes LD1 and LD2. Therefore, the two laser diodes LD1 and LD2 cannot be used for position detection because of fluctuations in their laser outputs.
【0058】しかしながら、上述の焦点よりも下方で
は、二つのレーザダイオードLD1,LD2の互いの一
次回折光ビームCの干渉光ビームがメサ頂部面100′
の受光素子PD3′により位置検出信号として検出され
る。この場合、垂直入射のために信号対雑音比を大きく
とれ、高精度の位置センサを実現できる。However, below the above-mentioned focal point, the interference light beam of the first-order diffracted light beam C of the two laser diodes LD1 and LD2 is the mesa top surface 100 '.
Is detected as a position detection signal by the light receiving element PD3 '. In this case, since the vertical incidence allows a large signal-to-noise ratio, a highly accurate position sensor can be realized.
【0059】そこで、面発光レーザダイオードLD1
(LD2)に隣接する受光素子PD1′(PD2′)を
下方に設けることにより、スケール10からの反射光ビ
ームBを監視し、スケール10とチップ50cとの距離
yを制御することができる。Therefore, the surface emitting laser diode LD1
By providing the light receiving element PD1 '(PD2') adjacent to (LD2) below, the reflected light beam B from the scale 10 can be monitored and the distance y between the scale 10 and the chip 50c can be controlled.
【0060】隣接する受光素子と面発光レーザダイオー
ドとの間の距離を比較的に狭く(5μm)することによ
り、焦点距離からの距離が小さくされている。面発光レ
ーザダイオードLD2の上部反射器106の反射面の面
積は、100μm×100μmとし、射出側でのビーム
の基本モード発振を保たせている。一方、受光素子PD
3′は、スケール10からの距離が150μm前後とな
るため、拡い集光面積を確保するように、受光面の面積
がを比較的に拡く(100μm×100μm)されてい
る。By making the distance between the adjacent light receiving element and the surface emitting laser diode relatively narrow (5 μm), the distance from the focal length is made small. The area of the reflection surface of the upper reflector 106 of the surface emitting laser diode LD2 is 100 μm × 100 μm, and the fundamental mode oscillation of the beam on the emission side is maintained. On the other hand, the light receiving element PD
3'has a distance from the scale 10 of about 150 μm, so that the area of the light receiving surface is relatively widened (100 μm × 100 μm) so as to secure a wide light collecting area.
【0061】これは、面発光レーザダイオードLD1の
下部分布反射器101の反射率が90%であるので、こ
の領域を通過する光量は10%以下となるため、受光素
子の口径を大口径とすることが望ましいためである。Since the reflectance of the lower distributed reflector 101 of the surface emitting laser diode LD1 is 90%, the amount of light passing through this region is 10% or less, so that the diameter of the light receiving element is made large. This is because it is desirable.
【0062】これに対し、面発光レーザに隣接する受光
素子は、ピーク値のみ検出できれば、距離yの位置を制
御可能であるため、その受光径は、比較的に狭く(5μ
m)されている。On the other hand, the light receiving element adjacent to the surface emitting laser can control the position of the distance y if only the peak value can be detected, so that the light receiving diameter is relatively narrow (5 μm).
m) has been done.
【0063】図5は本発明の第4実施例を示す。第1実
施例と同様な構成要素については同様な参照符号を付し
て示す。この第4実施例の目的は、要求される移動量検
出精度が比較的に低い(数μm程度)場合に使用される
簡易型の位置検出用モノシリック光集積回路チップ50
dを提供することである。この実施例では、対象物の移
動量の検出に0次回折光ビーム(反射光ビーム)の強度
変化が利用される。この第4実施例においては、メサ型
領域200の第1と第2のメサ傾斜面(結晶面)111
a,111bにそれぞれ受光素子PD′と面発光レーザ
ダイオードLDが形成されている。FIG. 5 shows a fourth embodiment of the present invention. The same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals. The purpose of this fourth embodiment is a simple position detection monolithic optical integrated circuit chip 50 used when the required movement amount detection accuracy is relatively low (about several μm).
to provide d. In this embodiment, the change in intensity of the 0th-order diffracted light beam (reflected light beam) is used to detect the amount of movement of the object. In the fourth embodiment, the first and second mesa inclined planes (crystal planes) 111 of the mesa region 200 are formed.
A light receiving element PD 'and a surface emitting laser diode LD are formed on a and 111b, respectively.
【0064】第2のメサ傾斜面111b上の受光素子P
D′は、その受光面積が比較的に拡くされている。第4
実施例のスケール10′は、第1乃至第3実施例のスケ
ール10とは異なり、回折格子10a′のピッチ間隔d
が数μm以上の粗いものである。Light receiving element P on the second mesa inclined surface 111b
The light receiving area of D'is relatively widened. Fourth
The scale 10 'of the embodiment is different from the scales 10 of the first to third embodiments in that the pitch spacing d of the diffraction grating 10a' is different.
Is a rough one of several μm or more.
【0065】このスケール10′は、その凸部分の反射
率が高く、凹部分は、入射光ビームを乱反射させて受光
素子PD′に戻る反射光量を桁違いに小さくするように
設計されている。このようにスケール10′の凸部分の
反射率を高くし、凹部分を乱反射(低反射)させるよう
にすると、反射光ビームの強弱が得られる。従って、ス
ケール10′の移動量に応じて、反射光ビームの強弱の
山と谷が一対一で検出できる。この場合、スケール1
0′と面発光レーザダイオードLD及び受光素子PD′
との距離を反射光ビームのピーク値に合わせておけば、
ピーク値の数を計測することによりスケール10′の移
動量を検出できる。The scale 10 'is designed so that the convex portion has a high reflectance, and the concave portion diffuses the incident light beam and reduces the amount of reflected light returning to the light receiving element PD' by an order of magnitude. In this way, by increasing the reflectance of the convex portion of the scale 10 'and irregularly reflecting (lowly reflecting) the concave portion, the intensity of the reflected light beam can be obtained. Therefore, depending on the amount of movement of the scale 10 ', the peaks and troughs of the reflected light beam can be detected one-on-one. In this case, scale 1
0 ', the surface emitting laser diode LD and the light receiving element PD'
If the distance between and is set to the peak value of the reflected light beam,
The amount of movement of the scale 10 'can be detected by measuring the number of peak values.
【0066】第4実施例において、レーザダイオードL
Dの射出窓の径を比較的に大きく、例えば15μmとす
ると、面発光レーザビームの拡がりは、基本モードで±
1度以内になる。また、上下の分布反射器及び活性層に
量子井戸構造を用いているため、その発振波長の変動
は、通常の半導体レーザダイオードに比較して、2桁以
上安定している。In the fourth embodiment, the laser diode L
When the diameter of the exit window of D is relatively large, for example, 15 μm, the divergence of the surface emitting laser beam is ±
It will be less than once. Further, since the quantum well structure is used for the upper and lower distributed reflectors and the active layer, the fluctuation of the oscillation wavelength is stable by two digits or more as compared with the usual semiconductor laser diode.
【0067】このような簡易型光センサ50dによれ
ば、レーザダイオードLDの焦点位置にスケール10′
を制御することができる。更に、装置構成が簡単なの
で、安価な光センサが提供される。According to such a simplified optical sensor 50d, the scale 10 'is located at the focus position of the laser diode LD.
Can be controlled. Furthermore, since the device configuration is simple, an inexpensive optical sensor is provided.
【0068】ビームの拡がりが小さい平行光ビームで
は、スケール10′の凸部から凹部へ移行する点で、受
光素子PDの信号出力が急激に変化し、回折格子のピッ
チ間隔に応じた信号のピーク値が検出される。換言すれ
ば、位置検出精度はピッチ幅に依存する。In the case of a parallel light beam having a small beam divergence, the signal output of the light receiving element PD abruptly changes at the point of transition from the convex portion to the concave portion of the scale 10 ', and the peak of the signal corresponding to the pitch interval of the diffraction grating. The value is detected. In other words, the position detection accuracy depends on the pitch width.
【0069】図6は本発明の第5実施例を示す。この実
施例の目的は、図5の第4実施例の簡易型位置検出用光
センサ50dの精度を一層に高めた光センサ50eを提
供することである。第4実施例と同様な構成要素につい
ては同様な参照符号を付して示す。FIG. 6 shows a fifth embodiment of the present invention. The purpose of this embodiment is to provide an optical sensor 50e in which the accuracy of the simplified position detecting optical sensor 50d of the fourth embodiment of FIG. 5 is further enhanced. The same components as those in the fourth embodiment are designated by the same reference numerals.
【0070】図6において、面発光レーザダイオードL
Dとスケール10″とは、レーザダイオードLDの射出
ビームがスケール10″に入射した際のスポット径が、
スケール10″の回折格子10a″のピッチ幅の半分程
度になるように設計されている。In FIG. 6, a surface emitting laser diode L
D and the scale 10 ″ are the spot diameters when the emission beam of the laser diode LD is incident on the scale 10 ″.
It is designed to be about half the pitch width of the diffraction grating 10a ″ of the scale 10 ″.
【0071】一方、受光素子PD″は、受光径が二分割
された二分割素子PD1″とPD2″とからなり、スケ
ール10″に対する信号のピーク値が素子PD1″と素
子PD2″とで1/4ピッチ分遅れるように設計されて
いる。更に、受光素子PD″の中心はGa+ イオン注入
領域12の中央に位置し、分割素子PD1″とPD2″
と受光面は3μm離間されている。On the other hand, the light receiving element PD "is composed of two divided elements PD1" and PD2 "whose light receiving diameter is divided into two, and the peak value of the signal for the scale 10" is 1/2 for the element PD1 "and the element PD2". It is designed to be delayed by 4 pitches. Further, the center of the light receiving element PD ″ is located at the center of the Ga + ion implantation region 12, and the dividing elements PD1 ″ and PD2 ″ are located.
And the light receiving surface are separated by 3 μm.
【0072】図6のメサ型領域200は、例えば、深さ
を20μm、メサ底部の幅を100μmとする。傾斜面
111bの中央には、窓領域10μmφで基本モード発
振する面発光レーザダイオードLDが形成されている。
このレーザダイオードLDの焦点位置は、y=32.5
μmである。この焦点位置にスケール10″を設置し、
X方向に移動させ、分割素子PD1″とPD2″との信
号の和を検出することにより、位置検出精度が高くな
る。The mesa region 200 of FIG. 6 has a depth of 20 μm and a width of the mesa bottom of 100 μm, for example. In the center of the inclined surface 111b, a surface emitting laser diode LD that oscillates in the fundamental mode in a window region of 10 μmφ is formed.
The focus position of this laser diode LD is y = 32.5.
μm. Install a scale 10 "at this focal point,
By moving in the X direction and detecting the sum of the signals of the dividing elements PD1 ″ and PD2 ″, the position detection accuracy increases.
【0073】例えばレーザダイオードLDの射出ビーム
の拡がり角を±1度と仮定すれば、スケール10″面で
のビームスポットの広がりは、4.5μmとなる。スケ
ール10″の回折格子のピッチ間隔をこの4.5μmよ
りも狭くし、且つ1次回折光ビームが反射光ビームより
も大きくなる1.1μmよりも拡くすることにより、反
射光ビームを受光する分割素子PD1″とPD2″との
信号を1/4ピッチ分だけ遅らせることができる。For example, assuming that the divergence angle of the emission beam of the laser diode LD is ± 1 degree, the spread of the beam spot on the scale 10 ″ surface is 4.5 μm. The pitch spacing of the diffraction grating of the scale 10 ″ is By making it narrower than 4.5 μm and wider than 1.1 μm where the first-order diffracted light beam is larger than the reflected light beam, the signals of the splitting elements PD1 ″ and PD2 ″ that receive the reflected light beam are detected. It can be delayed by 1/4 pitch.
【0074】ここで、回折格子のピッチ間隔と入射光の
波長の関係においては、回折格子のピッチ間隔と波長が
同程度の長さのとき、検出される出射光は回折光が主で
あり、波長に対して回折格子のピッチ間隔が大きくなる
に従い、反射光の成分が大きくなり、ピッチ間隔が波長
に対して5倍以上となると、回折光はなくなり、反射光
が検出されることになる。従って、回折格子のピッチ間
隔は、入射光の波長に対して、少なくとも5倍以上とす
ることが好ましい。Here, regarding the relationship between the pitch interval of the diffraction grating and the wavelength of the incident light, when the pitch interval of the diffraction grating and the wavelength are approximately the same length, the emitted light detected is mainly the diffracted light, As the pitch interval of the diffraction grating increases with respect to the wavelength, the reflected light component increases, and when the pitch interval becomes 5 times or more the wavelength, the diffracted light disappears and the reflected light is detected. Therefore, it is preferable that the pitch interval of the diffraction grating is at least 5 times or more the wavelength of the incident light.
【0075】[0075]
【発明の効果】以上説明したように、本発明の光集積型
光センサによれば、半導体基板の一方の結晶面上に面発
光レーザ(面発光レーザダイオードを含む)が、他方の
結晶面上には受光素子が、高精度に配置されているの
で、面発光レーザの出射ビームの平行性と発振波長の安
定性とあいまって、高精度な位置検出が容易にできる。As described above, according to the optical integrated photosensor of the present invention, the surface emitting laser (including the surface emitting laser diode) is provided on one crystal face of the semiconductor substrate and the other crystal face is provided on the other crystal face. Since the light-receiving element is arranged with high precision in this, high-precision position detection can be easily performed in combination with the parallelism of the emitted beam of the surface-emitting laser and the stability of the oscillation wavelength.
【図1】本発明の第1実施例に係る位置検出用光センサ
を一部破断して示す模式図である。FIG. 1 is a schematic view showing a partially broken optical sensor for position detection according to a first embodiment of the present invention.
【図2】図1に対応して第2実施例を示す模式図であ
る。FIG. 2 is a schematic diagram showing a second embodiment corresponding to FIG.
【図3】図2の光センサをスケール側から見た側面図で
ある。FIG. 3 is a side view of the optical sensor of FIG. 2 viewed from the scale side.
【図4】図1に対応して第3実施例を示す模式図であ
る。FIG. 4 is a schematic diagram showing a third embodiment corresponding to FIG.
【図5】図1に対応して第4実施例を示す模式図であ
る。FIG. 5 is a schematic diagram showing a fourth embodiment corresponding to FIG.
【図6】図1に対応して第5実施例を示す模式図であ
る。FIG. 6 is a schematic view showing a fifth embodiment corresponding to FIG.
【図7】従来の光エンコーダを示す構成図である。FIG. 7 is a configuration diagram showing a conventional optical encoder.
【図8】図7の装置の出力信号の一例を示すグラフであ
る。8 is a graph showing an example of an output signal of the device of FIG.
1,1′…GaAs系化合物半導体基板(半導体基
板)、50a,50b,50c,50d…モノシリック
光集積回路チップ(光集積型光センサ)、111a,1
11a′…第1のメサ傾斜面(第1の結晶面)、111
b,111b′…第2のメサ傾斜面(第2の結晶面)、
LD1,LD2…面発光レーザダイオード(面発光レー
ザ)、PD,PD′,PD1,PD2,PD3,PD
4,PD1′,PD2′,PD3′,PD1″,PD
2″…受光素子。1, 1 '... GaAs compound semiconductor substrate (semiconductor substrate), 50a, 50b, 50c, 50d ... Monolithic optical integrated circuit chip (optical integrated optical sensor), 111a, 1
11a '... first mesa inclined surface (first crystal surface), 111
b, 111b '... second mesa inclined surface (second crystal surface),
LD1, LD2 ... Surface emitting laser diode (surface emitting laser), PD, PD ', PD1, PD2, PD3, PD
4, PD1 ', PD2', PD3 ', PD1 ", PD
2 ″ ... light receiving element.
Claims (1)
の対象物からの反射光を検出するセンサとが基板に一体
に形成された光集積型センサにおいて、 単一結晶からなり、その第1の結晶面に沿って形成され
た第1の表面と、その第2の結晶面に沿って形成された
第2の表面とを有し、それら二つの表面の法線が互いに
交差するように配置された半導体基板と、 この第1と第2の表面の一方の面上に気相成長法により
形成された面発光レーザ若しくはレーザダイオードと、 他方の表面上に気相成長法により形成された受光素子と
を備えた光集積型センサ。1. An integrated optical sensor in which a laser light source and a sensor for detecting reflected light from an object of light emitted from the laser light source are integrally formed on a substrate, and the integrated light sensor comprises a single crystal. Having a first surface formed along the crystal plane of and a second surface formed along the second crystal plane, and arranged so that the normals of these two surfaces intersect with each other. A semiconductor substrate, a surface emitting laser or laser diode formed on one of the first and second surfaces by a vapor phase growth method, and a light-receiving device formed on the other surface by a vapor phase growth method. An integrated optical sensor including an element.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP33752693A JPH07202256A (en) | 1993-12-28 | 1993-12-28 | Optical integrated sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP33752693A JPH07202256A (en) | 1993-12-28 | 1993-12-28 | Optical integrated sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH07202256A true JPH07202256A (en) | 1995-08-04 |
Family
ID=18309483
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP33752693A Withdrawn JPH07202256A (en) | 1993-12-28 | 1993-12-28 | Optical integrated sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH07202256A (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004247458A (en) * | 2003-02-13 | 2004-09-02 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Light emitting / receiving device and manufacturing method thereof |
JP2005283487A (en) * | 2004-03-30 | 2005-10-13 | Takashi Kawashima | Encoder |
JP2010266450A (en) * | 2003-10-28 | 2010-11-25 | Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte Ltd | Reflection type image encoding device |
JP2012505532A (en) * | 2008-10-11 | 2012-03-01 | バイエル・テクノロジー・サービシーズ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング | Optical sensor |
CN105783947A (en) * | 2014-10-17 | 2016-07-20 | 中国钢铁股份有限公司 | Reflective coding system and coding method thereof |
KR20160149189A (en) * | 2014-04-25 | 2016-12-27 | 하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤 | Optical sensor |
-
1993
- 1993-12-28 JP JP33752693A patent/JPH07202256A/en not_active Withdrawn
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