JPH0933814A - 光導波路型光情報検出デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】伝搬損失が小さく、しかも、小型な光情報検出
デバイスを提供する。 【構成】基板１上に形成されたチャネル導波路２と、光
ファイバー１０１とを有する。チャネル導波路２は、ダ
ブルモードである。光ファイバー１０１は、ダブルモー
ド部５と、ダブルモード部５を伝搬した光を２方向に分
岐させるための分岐部６と、分岐部６が分岐した光を伝
搬する２本のシングルモード部７、８とを備えている。
チャネル導波路２は、光ファイバー１０１のダブルモー
ド部５と接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光によって被検面
上の傾斜や反射率分布等の情報を検出する光情報検出デ
バイスに関する。特に情報の検出のために、光導波路内
でのモード干渉現象を利用する光情報検出デバイスに関
する。

【０００２】

【従来の技術】光源からの光を被検物体に照射し、被検
物体からの反射戻り光をダブルモード導波路に入射さ
せ、そのダブルモード内を励振する０次モード光および
１次モード光の位相、強度から、被検物体の表面形状や
反射率分布を測定するモード干渉型の光情報検出装置が
開発され、新しい原理に基づく測定手段として近年注目
を集めている。その動作原理、並びに顕微鏡への応用に
ついては、H.Ooki and J.Iwasaki, Opt.Comm.85(1991),
177および特開平4-296810号公報に詳細に述べられてい
る。

【０００３】図２にこの特開平４−２９６８１０で述べ
られているモード干渉型の顕微鏡の概略構成図を示す。

【０００４】レーザーダイオード４３から出射した光
は、ハーフミラー４４、ＸＹ走査装置４５、レンズ４６
を通り、被検面４７上に結像する。被検面４７からの反
射戻り光は、再びレンズ４６、ＸＹ走査装置４５、ハー
フミラー４４を通り、基板４８上に設けられたダブルモ
ードチャネル導波路４９に結合する。

【０００５】ダブルモードチャネル導波路４９に結合し
た光は、被検面４７上に結像したスポット内での被検面
４７の傾斜および反射率の分布に対応した位相および強
度で、０次モード光と１次モード光をダブルモードチャ
ネル導波路４９内に励振させる。これらダブルモードチ
ャネル導波路４９内を励振する０次モード光と１次モー
ド光はモード干渉をおこし、導波路分岐領域５０で２つ
のチャネル導波路５１，５２に分配される。

【０００６】２つのチャネル導波路５１，５２の出射端
には、光検出器５３，５４が設けられており、この光検
出器５３，５４の出力は、減算回路５５に入力される。
減算回路５５は、導波路分岐領域５０での２つのチャネ
ル導波路５１，５２への分配比を求める。減算回路５５
の出力は、ＸＹ走査装置４５からの位置情報に対応した
モニタ装置５６上の位置に、濃淡として表示される。

【０００７】このとき、モード干渉領域の長さをＬ、０
次モードと１次モードの間の完全結合長をＬcとすると
き、 Ｌ＝ｍＬc （ｍ＝１，２，…） とすることにより、減算回路５５から、被検面４７上の
反射率の分布等の反射光に振幅分布を与える情報を微分
信号として取り出すことができる。

【０００８】また、 Ｌ＝Ｌc（１／２＋ｍ） （ｍ＝０，１，２，…） とすることにより、減算回路５５から、被検面４７上の
傾斜や段差等の反射光に位相分布を与える情報を微分信
号として取り出すことができる。

【０００９】前述の特開平４−２９６８１０では、ニオ
ブ酸リチウム基板上に金属Ｔｉを熱拡散することによっ
て形成した導波路を用いて、上述のモード干渉現象を利
用した顕微鏡を実現している。ニオブ酸リチウム基板
は、電気光学効果を有しており、ダブルモードチャネル
導波路４９近傍に電極５７，５８を配置し、電界を導波
路に印加することによってＬｃを変化させることができ
る。これにより、電極５７，５８に印加する電圧を適当
に選ぶことによって被検面４７上の位相分布、振幅分
布、あるいは、両者が合わさった情報を知ることができ
る。

【００１０】一方R.Juskaitis and T.Wilson,Appl.Opt.
31,7(1992)898においては、上述のモード干渉を利用し
た情報検出装置として、使用波長でダブルモード動作を
する光ファイバーを用いたものが開示されている。この
装置は、ダブルモードの光ファイバーのＬcを変化させ
るために、光ファイバーを円柱状の圧電素子に多数回巻
き付けている。そして、圧電素子に加える電圧を変化さ
せることにより、円柱の直径を変化させ、これによって
光ファィバーを軸方向に引っ張り、光ファイバーの長さ
を変えてＬcを変化させている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】一般に、基板上に形成
したチャネル導波路は、取り扱いが容易で小型化が可能
であるが、光ファイバーと比較した場合、光伝搬に伴う
損失が大きい。特に、前述の特開平4-296810号記載のモ
ード干渉型顕微鏡に用いられているような、基板上に形
成された光導波路では、導波路分岐領域や曲がり領域が
あるため、これらの領域で更に伝搬損失が生じる。した
がって、光の検出効率が悪くなるという問題がある。

【００１２】一方、上述の光ファイバーを用いた情報検
出装置は、伝搬損失は小さいが、所望の結合長を得るた
めに円筒形のピエゾ素子を使用しなければならず、その
場合装置の構成が複雑になり、小型化が困難であるとい
う問題があった。

【００１３】本発明は、伝搬損失が小さく、しかも、小
型な光情報検出デバイスを提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、基板上に形成されたチャネル導波
路と、光ファイバーとを有し、前記チャネル導波路は、
ダブルモードであり、前記光ファイバーは、ダブルモー
ド部と、前記ダブルモード部を伝搬した光を２方向に分
岐させるための分岐部と、前記分岐部が分岐した光を伝
搬する２本のシングルモード部とを備え、前記チャネル
導波路は、前記光ファイバーのダブルモード部と接続さ
れていることを特徴とする光導波路型情報検出デバイス
が提供される。

【００１５】このような構成では、チャネル導波路の入
射端から入射した光は、チャネル導波路および光ファイ
バーのダブルモード部の全域に渡ってモード干渉する。
干渉光は、光ファイバーの分岐部で分岐され、シングル
モード部を伝搬して、光量を検出するための検出器に導
かれ、モード干渉光の強度分布の対称性が検出される。
これにより、入射光の振幅分布や位相分布が検出でき
る。

【００１６】この構成では、分岐部が、損失の小さい光
ファイバーに形成されている。また、分岐後の光を伝搬
するために曲がりが生じるシングルモード導波路も光フ
ァイバーで形成されている。従って、伝搬損失を減らす
ことが可能である。

【００１７】また、ダブルモード導波路の一部は、チャ
ネル導波路であるため、電気光学効果を有する基板を用
いて、電圧を印加する構成にすることにより、０次モー
ドと１次モードの完全結合長を変化させることも可能で
ある。これにより、ピエゾ素子を用いてダブルモード光
ファイバーの完全結合長を変化させる従来の構成より
も、簡単な構成になり、小型な装置を実現することがで
きる。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について、図
面を参照して説明する。

【００１９】本発明による光導波路型光情報検出デバイ
スの構造を図１に示す。被検面の傾斜や反射率分布等の
情報検出を行う際には、図１の構成以外に被検面に光を
照射するための光源が必要である。この構成について
は、図３を用いて後述する。

【００２０】図１に示した光情報検出デバイスでは、電
気光学効果を有する基板１にダブルモードチャネル導波
路２が形成されている。ダブルモードチャネル導波路２
は、直線状に形成されており、基板１上には、導波路を
分岐する領域および分岐後のチャネル導波路は形成され
ていない。基板１は、ニオブ酸リチウム結晶である。ダ
ブルモードチャネル導波路２は、基板１にチタンを熱拡
散させることにより形成されている。

【００２１】また、この基板１上には、酸化珪素のバッ
ファ層を介して、アルミによる電極３，４が形成されて
いる。この電極３，４に電圧を印加することによって、
ダブルモードチャネル導波路２の０次モードと１次モー
ドの間の完全結合長を変化させることができる。

【００２２】ダブルモードチャネル導波路２の出射端に
は、光ファイバー１０１のダブルモード光ファイバー５
の一端が、結合効率が最大になるように接続されてい
る。光ファイバー１０１は、このダブルモード光ファバ
ー５と、ダブルモード光ファイバー５を伝搬してきた光
を２分岐する分岐領域６と、分岐領域６により２分岐さ
れた光をそれぞれ伝搬するための２本のシングルモード
光ファイバー７，８とからなる。この２本の光ファイバ
ー７，８の出射端には光検出器９，１０が結合されてい
る。

【００２３】ダブルモードチャネル導波路２とダブルモ
ード光ファイバー５とは、０次モードと１次モードにつ
いての、透過屈折率およびモード形状が近くなるように
設計する。

【００２４】光ファイバー１０１は、２本のシングルモ
ードファイバーの一端から途中までを融着させることに
より作製することができる。融着した部分をダブルモー
ド光ファイバー５とし、融着した部分から融着していな
い部分への境の部分を分岐領域６とし、融着していない
部分をシングルモードファイバー７、８として用いる。
このとき、融着させた部分が、ダブルモードで光を伝搬
するように、コアとコアの間隔を設定する。市販のファ
イバー型方向性結合器の融着部分を途中で切断したもの
を用いることも可能である。また、ダブルモード光ファ
イバーと、分岐部材と、２本のシングルモードファイバ
ーとを、それぞれ別部材で用意し、これらを接続するこ
とで、光ファバー１０１を作製することも可能である。

【００２５】ダブルモード光ファイバー５の端面と、ダ
ブルモードチャネル導波路２の端面とを接続するため
に、ダブルモード光ファイバー５を支持するためのＶ溝
が形成された部材を基板１の端面に取り付け、これによ
って、ダブルモード光ファイバー５を支持する構成にす
ることができる。ファイバー５の端面と導波路２の端面
とは、単に突き合わせる構成でも良いし、光学材料の接
着剤で接着しても良い。

【００２６】図１の光情報検出デバイスの動作について
説明する。

【００２７】検出すべき光を、ダブルモードチャネル導
波路２の端面から入射させる。このとき、検出すべき光
の振幅や位相に非対称性がある場合には、その非対称性
に対応して、ダブルモードチャネル導波路２に０次モー
ドと１次モードとが励振される。両モードは、モード干
渉しながらダブルモードチャネル導波路２を伝搬し、ダ
ブルモードチャネル導波路２を伝搬した光は、ここでダ
ブルモード光ファイバー５内を励振する。この時、ダブ
ルモードチャネル導波路２とダブルモード光ファイバー
５との間で、０次モードと１次モードについての等価屈
折率およびモード形状を近づけてあるため、ダブルモー
ドチャネル導波路２からダブルモード光ファイバー５へ
の光の移行が、効率よく行える。

【００２８】ダブルモード光ファイバー５を励振した光
は、分岐領域６に達した際の非対称性に応じて、分岐領
域６で２本のシングルモード光ファイバー７、８に分配
され、２本の光ファイバー７、８の出射端に設けられた
光検出器９、１０で光量がそれぞれ検出される。光検出
器９、１０の出力信号を電気的に比較することにより、
ダブルモードチャネル導波路２に入射した光の位相分布
や振幅分布を検出することができる。

【００２９】このとき、電極３、４に印加する電圧によ
り、位相分布のみ、振幅分布のみ、または、位相分布と
振幅分布とが任意の割合で混じった情報を検出すること
ができる。ダブルモードチャネル導波路２の長さをＬ
1、電圧印加時の完全結合長をＬc1とし、光ファイバー
１０１のうちでダブルモードで光が伝搬する長さをＬ
2、完全結合長をＬc2とすると、振幅分布のみを検出す
る場合には、 Ｌ1／Ｌc1＋Ｌ2／Ｌc2＝ｍ （ｍ＝１，２，
・・・） 位相分布のみを検出する場合には、 Ｌ1／Ｌc1＋Ｌ2／Ｌc2＝ｎ＋１／２ （ｎ＝０，１，
２，・・・） を満たすように、電圧を印加して完全結合長Ｌc1を変化
させる。また、振幅分布および位相分布が混じった情報
を検出するときには、上式の間の任意のＬc1になるよう
に、電圧を印加する。

【００３０】この様に、図１の形態では、モード干渉の
ためのダブルモード導波路の一部を、電気光学効果を有
する基板１上にダブルモードチャネル導波路２として設
け、しかも、モード干渉による干渉光の対称性を検出す
るための構成である分岐領域６およびシングルモード光
ファイバー７、８を、光ファイバー１０１に配置するこ
とを特徴とする。

【００３１】光ファイバーは、チャネル導波路と比較し
て、伝搬損失が小さく、分岐や湾曲による損失も小さい
ため、図１のように、分岐領域および分岐後の光を検出
器に導く導波路として光ファイバーを用いることによ
り、伝搬損失を減らすことが可能である。したがって、
図１の形態の光情報検出デバイスは、従来のチャネル導
波路のみで構成される光情報検出デバイスよりも伝搬損
失が小さく、検出効率が高い。

【００３２】また、ダブルモード導波路の一部は、チャ
ネル導波路２であるため、電気光学効果を有する基板１
上に形成された電極２，３を介して行えるため、完全結
合長を変化させることができ、検出したい情報を効率よ
く検出することができる。したがって、従来のピエゾ素
子を用いてダブルモード光ファィバーの完全結合長を変
化させる構成と比較して、本形態の光情報検出デバイス
は、構成が簡単であり、小型の装置となる。

【００３３】次に、被検面の傾斜や反射率分布等を検出
するためのモード干渉レーザ走査顕微鏡について、図３
を用いて説明する。図３の装置は、図１の光情報検出デ
バイスを用いている。

【００３４】図３の顕微鏡の構成について説明する。

【００３５】図１の光情報検出デバイスは、ダブルモー
ドチャネル導波路２の端面が被検面３０の方を向くよう
に配置される。この端面と被検面３０の間の光路上に
は、ハーフミラー２７、ＸＹ走査装置２８、集光レンズ
２９が順に配置される。また、ハーフミラー２７によっ
て分岐された光路上には、光源のレーザーダイオード２
６が配置される。このとき、光源とダブルモードチャネ
ル導波路２の端面とは、共役になるように正確に両者の
相対位置を合わせる。なぜならば、本形態の光情報検出
デバイスは、ダブルモードチャネル導波路２の端面に入
射する光の位相や振幅の非対称性を検出するため、入射
スポット光がダブルモード導波路の中央からズレて入射
した場合、そのズレが疑似信号となるからである。

【００３６】光情報検出デバイスの検出器９、１０は、
減算回路３９に接続される。減算回路３９は、制御装置
が内蔵されたモニタ装置４０に接続される。モニタ装置
４０には、ＸＹ走査装置２８も接続される。

【００３７】図３の顕微鏡の動作について説明する。

【００３８】レーザーダイオード２６から出射された光
は、ハーフミラー２７で偏向され、ＸＹ走査装置２８で
被検物体３０上の微小な面積を走査するようにわずかに
方向を変えられ、さらにレンズ２９で集光され、被検面
３０上に結像する。

【００３９】被検面３０からの反射戻り光は、再びレン
ズ２９、ＸＹ走査装置２８を通り、ハーフミラー２７を
透過し、光情報検出デバイスのダブルモードチャネル導
波路２に結合する。ダブルモードチャネル導波路２に結
合した光は、被検面３０上に結像したスポット内での被
検面３０の傾斜および反射率の分布に対応した、位相お
よび強度で０次モード光と１次モード光をダブルモード
チャネル導波路２内に励振する。励振された光は、すで
に図１を用いて説明したように、モード干渉し、被検面
３０の傾斜や反射率の分布の対称性に対応した光量が、
検出器９、１０で検出される。

【００４０】検出器９、１０からの出力は、減算回路３
９に入力され、その出力がＸＹ走査装置２８からの位置
情報に対応したモニタ装置４０上の位置に、濃淡で表示
される。図１を用いてすでに説明したように、電極３、
４に印加する電圧を変化させることによって、ダブルモ
ードチャネル導波路２の完全結合長を変えることができ
る。これにより、被検面３０上の傾斜、反射率分布、お
よび、両者が任意の割合で混合した情報のうちのいずれ
かの情報の微分画像を選択してモニタ装置４０に表示さ
せることができる。

【００４１】図３の顕微鏡は、図１の光情報検出デバイ
スを用いているため、光の伝搬損失が小さく、高感度に
被検面の情報を検出することができ、しかも、小型な装
置にすることができる。

【００４２】

【発明の効果】以上のように本発明によって、低損失で
小型な光導波路型光情報検出デバイスを得ることができ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光情報検出デバイスの構成を示す説明
図。

【図２】従来の光情報検出デバイスを用いたモード干渉
レーザー走査顕微鏡の構成を示す説明図。

【図３】図１の光情報検出デバイスを用いたモード干渉
レーザー走査顕微鏡の構成を示す説明図。

【符号の説明】

１，４８…基板、２，４９…ダブルモードチャネル導波
路、３，４，５７，５８…電極、５…ダブルモード光フ
ァイバー、９，１０，５３，５４…光検出器、６，５０
…分岐領域、２６、４３…光源、３０，４７…被検面。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に形成されたチャネル導波路と、光
   ファイバーとを有し、 前記チャネル導波路は、ダブルモードであり、 前記光ファイバーは、ダブルモード部と、前記ダブルモ
   ード部を伝搬した光を２方向に分岐させるための分岐部
   と、前記分岐部が分岐した光を伝搬する２本のシングル
   モード部とを備え、 前記チャネル導波路は、前記光ファイバーのダブルモー
   ド部と接続されていることを特徴とする光導波路型情報
   検出デバイス。
2. 【請求項２】請求項１において、前記基板は、電気光学
   効果を有する材料からなり、前記基板上には、前記チャ
   ネル導波路に電圧を印加するための電極が配置されてい
   ることを特徴とする光導波路型情報検出デバイス。
3. 【請求項３】請求項１において、前記光ファイバーは、
   ２本のシングルモードファイバーの一部を融着すること
   により、融着した部分を前記ダブルモード部、融着して
   いない部分を前記シングルモード部、融着した部分と融
   着していない部分との境の部分を前記分岐部としたもの
   であることを特徴とする光導波路型情報検出デバイス。