JPH07202256A

JPH07202256A - 光集積型センサ

Info

Publication number: JPH07202256A
Application number: JP33752693A
Authority: JP
Inventors: Iwao Komazaki; 岩男駒崎
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-12-28
Filing date: 1993-12-28
Publication date: 1995-08-04

Abstract

(57)【要約】【目的】微小位置検出のための光集積型光センサを提供
する。【構成】モノシリック光集積回路チップ５０ａをなす光
センサは、そのウェハ１の表面上に形成されたメサ型領
域２００を有する。このメサ型領域の側面は、メサ頂部
面１００と、この頂部面に対して傾斜した第１と第２の
メサ傾斜面１１１ａ，１１１ｂとにより規定されてい
る。メサ型領域の第１と第２の傾斜面は、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。頂部面１
００，第１と第２の傾斜面１１１ａ，１１１ｂには、気
相成長法によりそれぞれ受光素子ＰＤ、第１と第２のレ
ーザ光源ＬＤ１，ＬＤ２が形成されている。レーザ光源
ＬＤ１，ＬＤ２から射出されたレーザビームがスケール
１０の回折格子で回折されて干渉し、受光素子ＰＤによ
り受光される結果、スケール１０の位置が検出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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 Ｇａ_0.9 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。

【００２９】活性層４は、１０ｎｍＧａＡｓ量子井戸と
５ｎｍのＡｌ_0.3 Ｇａ_0.7 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Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓクラッド層３とｐ
形Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓクラッド層５との間に挟まれて
いる。

【００３０】ｐ形Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓ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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓクラッ
ド層１０２とｐ形Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 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。

【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
Ｉｎ_0.2 Ｇａ_0.8 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。

【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。。

【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。

【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Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓクラ
ッド層１０４表面から少なくともｎ形Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7
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。。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【図２】図１に対応して第２実施例を示す模式図であ
る。

【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。

【図４】図１に対応して第３実施例を示す模式図であ
る。

【図５】図１に対応して第４実施例を示す模式図であ
る。

【図６】図１に対応して第５実施例を示す模式図であ
る。

【図７】従来の光エンコーダを示す構成図である。

【図８】図７の装置の出力信号の一例を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

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。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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。