端子間電圧変化を用いた自己結合型センサの精度向上に関する研究

端 子 間電 圧変 化 を用 い た 自己結 合型 セ ン サ の精 度向 上 に 関す る研 究

Study on accuracy improvement of self-coupling sensor using terminal voltage change

吉 松  剛 勹 五 島  敬 史 郎 ９ ， 津 田  紀 生 ９ ， 山 田  諄 ９ Takeshi Yoshimatsu, Keishiro Goshima, Norio Tsuda, Jun Yamada

１ _{は じ め に}

Abstract Using semiconductor laser, ａ development of compact sensor which can be measured distance, shape, displacement and speed has been done. Self-coupling sensor is ａ compact and ｉｎｅχpensive sensor using interference between output light and the scattered light from the target. Ａ measurement method which can detect self-coupling effect from change in terminal voltage of semiconductor laser without photodiode is proposed. The sensor can be more compact by detecting self-coupling effect with this method. The optimum condition of self-coupling sensor using terminal voltage

change is studied. 半 導 体 レ ー ザ(以 下 、ＬＤ)を 用 い た 、 距 離 、 形 状 、 移 動 速 度 な ど が 測 定 で き る 小 型 で 安 価 な セ ン サ の 開 発 を 目 的 と し た 応 用 研 究 が され てい る。 レ ー ザ 光 を 用 い た 距 離 測 定 に は 、 三 角 測 量 法 に よ る 距 離 測 定 や 、 マ イ ケ ル ソ ン 干 渉 計 を 用 い て ＬＤ の 周波 数 変 調 に よ り生 じ る ビ ー ト を 測 定 し 距 離 を 測 定す る 方 法 な ど が 実用 化 され て い る 。 し か し 、 三 角 測 量 法 は 測 定 対 象 と な る 距 離 が 制 限 さ れ 、 マ イ ケ ル ソ ン 干 渉 計 は 光 学 系 が 複 雑 に な る 欠 点 か お る｡ ま た 、 1m 程 度 の 距 離 に お い て 小 型 で 精 度 の よい 距 離 計 が な い 。 ＬＤ は タ ー ゲ ッ ト か ら の 散 乱 光 の 一 部 が 活 性 層 に 入 る と レ ー ザ 光 出 力 が 揺 ら ぐ 。 こ こ で 、 タ ー ゲ ッ ト ま で の 距 離 が レ ー ザ 発 振波 長 の1/2 の 整 数 倍 と 等 し い と い う 条 件 を 満 た す と き 、 最 七光 出力 を 強 め よ うと す る。 こ の 現 象 は 戻 り 光 ノ イ ズ と 呼 ば れ る が 、 本研 究 で は こ れ を 自 己 結 合 効 果 と し て 利 用 す る 。 自 己 結 合 型 距 離 セ ン サ は 、 タ ー ゲ ッ ト か ら の 散 乱 光 と の干 渉 を 利 用 す る た め 、 徂 面 に 対 す る測 定 が 可 能 で あ る 。 自 己 結 合 効 果 は 距 離 計 測(1)(2)の ほ か に 、 微 小 振動 計 測(3)(4)(气 速 度 計 測(6)(7)な ど 様 々 な 物 理 量 計 測 へ の 応 用 が 検 討 さ れ､ 研 究 の 報 告 が さ れ て い る 。 自 己 結 合 効 果 を 応 用 し た 研 究 で は 、 フ ァブ リ ・ ペ ロ ー ↑ ↑ † 愛 知 工 業 大 学  大 学 院  工 学 研 究 科（ 豊 田 市 ） 愛 知 工 業 大 学  工 学 部  電 気 学 科 （ 豊 田 市 ） (以 下 、FP)型 ＬＤ で レ ー ザ 光 を 照 射 し 、ＬＤ の 後 方 に 搭 載 さ れ た フ ォ ト ダ イ オ ー ド(以 下 、ＰＤ)か ら 得 ら れ る 光 電 流 よ り 、 自 己 結 合 信 号 を 検 出 し て き た。 し か し 、FP 型LD は 共 振 器 長 が長 い た め モ ー ド ホ ップ が 発 生 し や す く 、 自 己 結合 信 号 が多 数 発 生 し 、 測 定 精 度 を 大 きく 下 げ て し ま う欠 点 か お る。 そ こ で 、 垂 直 共 振 器 面 発 光 レ ー ザ(以 下 、 ＶＣＳＥＬ)を 用 い た 自 己 結 合 効 果 の 研 究 が 行 わ れ た(6)。 FP 型 ＬＤ の 共 振器 長 が 数 百 μ ｍ で あ る の に 対 し､ ＶＣＳＥＬ の 共 振器 長 け 数 百 八 程 度 と短 い た め 、 モ ー ド ホ ッ プ の発 生 を 抑 え 、 単 一 モ ー ド で 発 振 で き る。 し か し 、ＶＣＳＥＬ は ＬＤ 内 に お け る 光 損 失 を 抑 え 、 低 い 閾 値 電 流 で 駆 動 で き る よ う 、反 射 率99 ％以 上 の多 層 膜 反 射 鏡 を使 用 し て い る た め 、ＶＣＳＥＬ の全 反 射 側 に ＰＤ を 搭 載 し て も 、信 号 を 観 測 で き な い 。 自 己 結 合 効 果 が 発 生 す る と ＶＣＳＥＬ の 発 振 波 長 が 変 化 す る 事(8)や 、 端 子 間 電 圧 が 変 化 す る 事(9)が 報 告 さ れ て い る 。 こ の 端 子 間 電 圧 の 変 化 分 を 自 己 結 合 信 号 と し て 測 定 す れ ば 距 離 測 定 が で き る。 こ れ に よ り 、ＰＤ を 搭 載 し て い ない ＶＣＳＥＬ で も 自 己 結 合 効 果 を 利 用 し た 距 離 測 定 が で き る 。 ま た 、ＰＤ を 使 用 し な い の で 、 よ り 川ヽ型 で 安 価 な 距 離 セ ン サ と し て 利 用 で き る。 将 来 的 に は セ ン サ を ２ 次 元 ア レ イ 状 に 、 より 密 に 配 置 す る こ と で 、 高 精 度 な 変 位 、 速 度 、 形 状 測 定 セ ン サ と し て用 い る こ と が で き る。 ＬＤ は 注 入 電 流 を 変 調 す る こ と で 発 振 波 長 を 変 調 で き る｡ ま た､ 注 入 電 流 と 発 振波 長 は 同 じ 縦 モ ー ド に お い て 、 ほ ぼ 比 例 関 係 に あ る 。 こ の 性 質 を利 用 し て ＶＣＳＥＬ の 注 入 電 流 を 一 定 割 合 で 変 化 さ せ る と 、 先 述 し た 条 件 を 一 定

周 期 で 満 た し 、 自 己 結 合 信 号 が 発 生 す る 。 こ の と き 、 自 己 結 合 信 号 １つ 分 の 時 間 で 光 が 往 復 す る 長 さ が 距 離 分 解 能 とな る。 変 調電 流 の 振 幅 値 を 大 き く す る と 、 条 件 を 満 た す 回数 が 多 く な る 為､ 距 離 分解 能 が 良 く な る 。し か し 、 注 入 電 流 に 対 す る 発 振 波 長 変 化 の線 形 性 が悪 く な る の で 、 誤 差 が 大 き く な る。 振 幅値 を 小 さく す る と 注 入 電 流 に 対 す る 発 振 波 長 変 化 の 線 形 性 は 良 く な る が 、 条 件 を 満 た す 回 数 が 少 な く な る た め 分解 能 が 悪 く な り 、 誤 差 が 大 き く な る 。 こ れ は 、 最 適 な 電 流 振 幅 値 で ＬＤ を 駆 動 す る こ と が 精 度 の 良 い 測 定 に 必 要 で あ る こ と を 示 す 。 ま た 、 自 己 結 合 信 号 を 検 出す る 受 信 回 路 の 周波 数 特 性 に 最 適 な 変 調 周 波 数 に す る こ と も 必 要 で あ る 。 本論 文 で は 自 己 結 合 型 セ ン サ の 精 度 向 上 を 目 的 と し て 、 最 適 な 電 流 振 幅値 と 変 調 周 波 数 を 求 め る 研 究 を 行 っ た の で 、 そ の 結 果 を 報 告 す る。 ２ 。 測 定 原 理 自 己 結 合 効 果 に よ っ てVCSEL の 端 子 間 電圧 が 変 化 す る 原 理 に つ い て説 明 す る。 Fig.lにVCSEL 複合 共 振 器 モ デ ル を 示 す 。 図 中 の 振 動 波 形 は 入 射 波 と 反 射 波 が 干 渉 し て 発 生 し た 定 在 波 で あ る。 散 乱 光 の 一 部 が 戻 り 光 と し て VCSEL の活 性 層 に 入 る と 、共 振 器 内 の レ ー ザ 光 と 結 合 し 、 光 出力 強 度 が 揺 ら ぐ｡ こ の と き､VCSEL の 発 振 波 長 を λ 、 VCSEL の 出 力 ミ ラ ー か ら タ ー ゲ ッ ト ま で の 距 離 を Ｌ と し て 、

厶＝ln( ｎ:整数) ‥‥ ‥‥(1)

の 共 振 条 件 を 満 た す と 、レ ー ザ の光 出 力 は 最 大 ま で 増 加 す る 。 VCSEL の共 振 器 内 で の 増 幅 作用 に よ り 、実 際 の戻 り 光 以 上 の 光 出力 の 変 動 が 生 じ る た め 、 極 め て 僅 かな 戻 り 光 暈 で あ っ て も こ の 現象 は 生 じ る。 こ れ を 自 己 結 合 効 果 と 呼 び 、 利 用 す る。 ＶＣＳＥＬ は 印 加 電 圧 を 変 調 す る と 注 入 電 流 が 変 調 さ れ る た め 、 外 部 変 調 器 を 用 い る こ とな く ＶＣＳＥＬ の 発 振波 長 を 変 調 で き る。 ま た 、印 加 電 圧 と 発 振 波 長 は 同 じ 縦モ Laser resonator

Fig. 1 Comple χ Γesonator model.

Target − ド に お い て 、 ほ ぼ 比 例 関 係 に あ る。 よっ て 、 あ る 距 離 Ｌ に お い て､ ＶＣＳＥＬ の 印 加 電 圧 を一 定 の 割 合 で 変 化 させ た 場 合､ 一 定 周 期 で 共 振 条 件 を満 た し 光 出 力 が 増 減 す る 。 Fig.2は ＶＣＳＥＬ に 三 角 波 変 調 を かけ た と き の 端 子 間 電 圧 波 形 で あ る。 VCSEL に 三 角 波 変 調 か け た 場 合 、VCSEL の 端 子 間 電 圧 波 形 は 図 中 の 点 線 の よ うに な る。 自 己 結 合 効 果 が 発 生 す る と ＶＣＳＥＬ の端 子 間 電 圧 は 僅 か に変 動 し 、 一 定周 期 の 階 段 状 に な る｡そ れ が 図 中 の 実 線 部 分 と な る 。 こ の波 形 を モ ー ド ホ ッ プ パ ル ス(以 下 、 ＭＨＰ)と呼 ぶ。 印 加 電 圧 の 変 化 に 対 す る 発 振 波 長 の 変 化 が 比 例 的 で あ る と し た 場 合 、 共 振 条件 を 満 たす 隣 り 合 っ た 端 子 間 電 圧 の発 振 波 長 の 差 Ａ え は式(2)と な る。 ∠1λ 二 λｎ − λｎ＋1 ｄλ -dV 一 一 ｄλ -dV _2 ￡ 一 _ｎ2一 一 一 ∠1λ -∠11/ 1 -∠11/ 2 Ｌ (3)

㈲

(5) Vm wave. ｎ(ｎ＋1) こ こ で 、ｎ は 定 在 波 の 数 で あ る。Ｌ は 剥 こ比 べ て 十 分 大 き い こ と か ら 、ｎは １よ り十 分 大 きい の で 式(2)を ∠1λ ＝ 二こ二‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ｎ2 と 近 似 で き る｡ＶＣＳＥＬ は 印 加 電 圧 を 変 調 す る と 注 入 電 流 が 変 調 さ れ る 。 ま た 、 印 加 電 圧 と発 振 波 長 は 同 じ 縦 モ ー ド にお い て 、 ほ ぼ 比 例 関係 に あ る。 よ っ て 、 変 調 効 率 は と す る こ と が で き る 。 式(3)を 式(4)に 代 入 し て と な る。 共 振 回 数 Ｎ は 、ＭＨＰ 周 波 数 をF 、印 加 電 圧 振 幅 値 を ん 、 変 調 周 期 をtｍと す る と → →

Ｆ 仙 石 ＝ ら 一 叩 Ⅳ (6) が 得 ら れ る｡ 従 っ て､ 式(5)か ら ＡＦ を 式(6)に 代 入 す る と 、 共 振 回数 Ｎ は N 一 一 瓧 竺K 2￡dV ｍ   式(6)を Ｆ に つ い て ま と め る と Ｆ 一 一 Ｆ ｍ ２ 一 一 ∠１Ｆ ￡ｍ こ こ で 変 調 周 波 数 鳬 は 鳬 ＝ 上 よ り (7) (8) 電 圧 振 値 ん に 対 す る 電 流 振 幅 値 ん お よ び 電 流 に 対 す る 変 調 効 率d λ/dl を 用 い る と 、ｎ ＝ 苧よ り 、ＭＨＰ 周 波 数 Ｆ は 以 下 の よ う にな る。

4/m 臨 今回‥‥‥ ‥(10)

よ っ て 、ＭＨＰ 周 波 数 は 距 離 に対 し て 比 例 的 に 変 化 す る 。 こ れ を 利 用 し て 距 離 測 定を 行 うこ と が で き る。こ の と き 、 ＭＨＰ の １ つ 分 の 時 間 で光 が 往 復 す る 長 さ が 距 離 分 解 能 と な る。 最 大 測 定 可 能 距 離 は 使 用 す る ＶＣＳＥＬ の コ ヒ ー レ ン ト 長 に よ っ て 制 限 さ れ る。 3. VCSEL の 発 振 波 長 特 性 本研 究 で 使 用 し た ＶＣＳＥＬ はULM850 で あ る。 円 偏 光 で 、 単 一 モ ー ド 発 振 し てい る。 先 述 し た よ う に 、 注 入 電 流 の 振 幅 値 は 自 己 結 合 型 セ ン サ の測 定 精 度 に 影 響 す る。 そ の た め 、 使 用 す る ＶＣＳＥＬ の 発 振 波 長 特 性 を も と に 注 入 電 流 値 を 設 計 し な け れ ば な ら ない 。 Fig.3は 周 囲 温 度 25゜Ｃ に お け るULM850 の波 長 特 性 で あ る 。 850nm 帯 で 最 高 分 解 能3pm の ＡＤＶＡＮＴＥＳＴ 社 製 光 ス ペ ク ト ラ ム ア ナ ラ イ ザ で あ るQ8347 を 使 用 し て 測 定 し た 。 Fig.3よ り 、 ULM850 は サ イ ド モ ー ド が ピ ー ク波 長 に 対 し て 約1/8 以 下 の 大 き さ と なっ て お り 、 単 色 性 が 良 い こ と が わ か る。 Fig.4は 注 入 電 流 に 対 す る 発 振 波 長 の 変 化 を 示 す。 Fig.4 よ り 、 発 振 波 長 は 注 入 電 流 に 対 し て ほ ぼ 比 例 的 に 変 化 し て い る こ と が わ か る 。 注入 電 流 の 振 幅 値 が 大 き い と 定 在 波 の数 が 増 え 、 共 振 条 件 を 満 た す 回 数 が 多 く な る た め 、 分 解 能 は 良 く な る。 し か し 、 注 入 電 流 に 対 す る 波 長 変 化 の 線 形 性 が 悪 く な る た め 、 誤 差 が 大 き く な る。 注 入 電 流 の 振 幅 値 を 小 さ く す れ ば 注 入 電 流 に 対 す る波 長 変 化 の 線 形 性 は 良 く な る が 、 共 振 条 件 を 満 た す 回 数 が 少 な く な る た め 分 解 能 が悪 く な り 、 誤 差 が 大 き く な る。 つ ま り 、 電 流 振 幅 値 の 大 き さ に よ っ て は 誤 差 が 大 き く な る の で 、 精 度 の よ い 測 定 を す る た め に は 最 適な 電 流 振 幅 値 で 駆 動 さ せ な け れ ば な ら な い 。 ま た 、ＬＤ の 周 囲温 度 が 変 化 し て も 注入 電 流 に 対 す る 発 振波 長 の 傾 き の 変 化 が 小 さ く な け れ ば な ら な い 。 ULM850 で は 、 中 心 電 流 を 約5.35mA と し て 三 角 波 変 調 す れ ば 、周 囲 温 度 が 変 化 し て も ＭＨＰ 周 波 数 の 変 化 を 抑 え る こ と が で き る｡5.35mA を 基 準 と し た と き の 変 調 効 率 は0.418nm/mA で あ る 。 精 度 の 良 い 測 定 に 適 し た 注 入 電 流 振 幅 値 を 決 定 す る た め には 、 い く つ か の 電 流 振 幅 値 で 実 際 に 距 離 測 定 を 行 う。 振 幅 値 を 徐 々 に 大 きく す る と 誤 差 が 小 さく な っ てい き 、 あ る 程 度 の 大 き く す る と 誤 差 が 増 加 す る よ うな Ｖ 字 の 曲 線 を 描 く の で 、 最 も 平 均 誤 差 の 低 か っ た も の を 最 適 な 電 流値 と す る 。 ８  ６  ４  ２  ０  ８  ６  ４ １  １  １  １  Ｉ ︷ 冫 ’ ま ︸ 己 ち ○ 一 巴 豆 ○ ２   ０ 854.0 858 857 ￢_E 三856 ″ ｀Ｊ ″冫 ８ ’ 一 笳 Ｃ む 一 む 冫 ぷ μ 854 854.5  855.0  855.5  856.0  856.5  857.0 Wavelength[ ｎｍ]

Fig.3 Wavelength characteristic of ULM850.

5 ℃ ’1ダＣ ‘25 ℃ ‘3 ダＣ 853 3    4    5    6    7 Injection current[ｍＡ]

４ 。 距 離 測 定 シ ス テ ム お よ び 方 法 本 研 究 で 製 作 し た 距 離 測 定 シ ス テ ム をFig.5 に 示 す 。 セ ン サ 部 は シ グマ 光 機 社 製 の 直 径20.0 mm 、 焦 点 距 離 21.2 mm の 集 光 レ ン ズ とULM850 、 こ れ らを 収 め る シ リ ン ダ ー か ら な る。 レ ー ザ光 は シ リ ン ダ ー の長 さ を 調 節 す る こ と で 、 平 行 ビ ー ム だけ で な く タ ー ゲ ッ トヘ レ ー ザ 光 を 集 光 で き る よ う に し てい る。 こ の 調 整 は 測 定 内 容 に 応 じ て 行 う。 タ ー ゲ ッ ト に は 反 射 シ ー ト を 使 用 し た 。 ＶＣＳＥＬ 駆 動 回 路 は フ ァ ン クシ ョ ン ジ ェ ネ レ ー タ(図 中 、 FG) で 三 角 波 電 圧 を 印 加 す る と 、5.35mA を 基 準 値 と し た 三 角 波 電 流 を 出力 す る 。 ま た 、 受 信 回 路 に よ っ て 端 子 間 電 圧 の 変 化 分 を 取 り 出 し 、 そ の 信 号 周 波 数 を ＭＨＰ 周 波 数 と し て 距 離 測 定 を 行 う。ＭＨＰ 周 波 数 は オ シ ロ ス コ ープ のFFT 解 析 に よっ て 測 定 す る 。端 子 間 電 圧 の 変 化 分 は約 0.1 mV 程 度 と 小 さい 。 ま た 、ＶＣＳＥＬ の 端 子 間 電 圧 は 変 調 波 信 号 成 分 、 直 流 成 分 、ＭＨＰ 信 号成 分 か ら な る の で 、 機 器 ノ イ ズ と と も に ＭＨＰ 信 号 以 外 の 信 号 成 分 を 除 去 し て 、ＭＨＰ 信 号 の み を 大 き く 増 幅 し なけ れ ば な ら な い 。よ っ て 受 信 回 路 は 、 増 幅 作用 を 有 し た バ イ パ ス フ ィ ル タお よび コ ー パ ス フ ィ ル タ に よ っ て 構 成 し て い る。 バ イ パ ス フ ィ ル タ お よび コ ー パ ス フ ィ ル タ の カ ッ ト オ フ 周 波 数 は 、 そ れ ぞ れ200 kHz と6.５ MHz と し て い る 。

Measurement circuit  Sensor unit

☆

FG

VCSEL driver

FFT

Receiver

５ 。 測 定 結 果

Fig.5 Measurement system.

一 一 一

阿

洽

浴

臨

よ

５ ・ １  電 流 振 幅 値 に 対 す る 平 均 誤 差 の 変 化 電 流 振 幅値 の 大 き さを 変 化 させ 、 各 振 幅値 に 対 す る 平 均 誤 差 の 変 化 を 検 証 し た。レ ー ザ 光 は 平行 ビ ー ム に し て 、 距 離 ５ｃｍ か ら80cm ま で 測 定 し た｡電 流 振 幅 値 は0.6mApp か ら4.2mApp ま で 変 化 させ た 。 変 調 周 波 数 は1.5kHz で あ る 。 Fig. 6は 電 流 振 幅値 を1.8mApp に し て 測 定 し た 結 果 であ る。 ５回 測 定 を 行 い 、 各 距 離 にお い て 平 均 値 を 計 算 し 、 平 均 値 と 理 論 値 を 用 い て 距 離 に 対 す る 平 均 誤 差 を 求 め た｡ＭＨＰ 周 波 数 理 論 直 線 は 変 調 周 波 数 石 を1.5kHz 、 三 角 波 電 流 振 幅値 鳬 を1,8mApp 、 中 心 波 長ｊ を855nm 、 変 調 効率 dZ/dl を0.418nm/mA と し て 、 式(10)の 理論 式 を 用 い て 計 算 し た も の であ る。 こ の こ とは 他 の 測 定 にお い て も 同 様 に 行 っ て い る。 Fig.6よ り 、端 子 間 電 圧 の変 化 を 利 用 し て 検 出 し た ＭＨＰ 周 波 数 は 距 離 に 対 し て 比 例 的 に 変 化 し て い る こ と が 確 認 で き る。 こ の こ と か ら 、 端 子 間 電 圧 の 変 化 を 利 用 し た 距 離 測 定は 可 能 であ る と わ か る。 レ ー ザ 光 を 平 行 ビ ー ム に し て 変 調 周 波 数 を1.5kHz 、振 幅 値 を1.8mApp と し た 測 定 の 平 均 誤 差 は0.29% と な っ た 。 Fig.7は 各 振 幅 値 に 対 す る 平 均 誤 差 の 大 き さ を 表 し た グ ラフ で あ る 。 こ の グ ラフ か ら 、l.SmApp で 駆 動 さ せ る と 精 度 の よ い 測 定 が で き る と わ か る。 ５ ・ ２  平 行 ビ ー ム と 集 光 と の 比 較 Fig.8は 変 調 周 波 数 を1.5kHz 、 振 幅 値 を1.8mApp と し て 、測 定 距 離 ご と に タ ー ゲ ッ ト ヘ レ ー ザ 光 を 集 光 し た 測 定 の 結 果 で あ る。 タ ー ゲ ッ ト へ 光 を 集 光 し た 場 合 、15cm 未 満 の 距 離 で は 集 光 で き な か っ た の で､ 測 定 距 離 は15cm か ら80cm と し た 。 Fig.6とFig.8 の距 離 に 対 す る 誤 差 と 比 較 す る と 、Fig8 の 誤差 は 月ヽさく 抑 え ら れ て い る こ と が 確 認 で き る 。 平 均 誤 差 は0.15% と な っ た。 よ っ て 、 測 定 距 離 ご とに タ ー ゲ ッ ト へ 光 を 集 光 し た 方 が 、 測 定 精 度 は 良 い と 言 え る 。 測 ６ ５ ４   ３   ２ ［ ｊ ‘冫 ］か 弓 呑 名 苹 一 冫 ０ ４   ２ １   １ 10 ８   ６ ７ 一 ﹄ Ｃ ﹄ ﹄ 以 ４  ２ ０ 10 ８ ６ ４ ２ ０ ●Ist ＿e 2nd 乙・3rd §×4th i ｘ 5th Average ―Theory ・Error ０ 10 20 _{30 40 50 60 70 80 90} Distance[ｃｍ]

Fig.6 Measurement result with collimated beam.

● ● ０ 0.6  1.2 雫 .8 ● 2.4 ● ３ 3.6 ● 4.2  4.8

Current amplilｕde[mApp]

120

Distancc[cm]

Fig.10 Measurement limit distance

外 部 反 射 面 の 散 乱 光 の 一 部 が戻 り 光 と し て ＬＤ の 活 性 層 内 に 入 る と 、 共 振 器 内 の レ ー ザ光 と 干 渉 し て 光 出力 が 揺 らぐ 。 こ の 現 象 を 自 己 結 合 効 果 と し て 利 用 し た 距 離 測 定 セ ン サ の 研 究 を 行 っ た。 ＬＤ の 自 己 結 合 効果 を 応 用 し た 研 究 で は こ れ ま でFP 型 ＬＤ を 使 用 し て き た が 、FP 型 ＬＤ で は 共 振器 長 が 長 く モ ー ド ホ ッ プ が発 生 し や す い の で､ ＶＣＳＥＬ を用 い た 自 己 結 合 効果 の 研 究 を 行 っ た｡ ＶＣＳＥＬ は 半 導 体 基板 側 に 多 層 膜 反 射 鏡 を 使 用 し て い る の で 、ＶＣＳＥＬ の 後 方 に ＰＤ を 搭 載 し て も ＭＨＰ を 検 出 で き な い。 そ こ で 、 自 己 結 合 効 果 に よ る光 出 力 の変 動 に 伴 っ た ＬＤ の 端 子 間電 圧 の 僅 か な 変 化 を利 用 し た 。 こ の 方 法 で あ れ ば ＰＤ を 必 要 と し な い の で 、 よ り 密 な セ ン サ の 配 置 が 可 能 と な る 。 自 己 結 合 効果 を 利 用 し た 距 離 セ ン サ は ＶＣＳＥＬ に 三角 波 電 流 を 注 入 し て い る 。 三 角 波 電 流 の 振 幅値 を 大 き く す る と 共 振 条 件 を満 た す 回数 が 多 く な る の で 、 分 解 能 が 良 く な る。 し か し 、 注 入 電 流 に 対 す る 波 長 変 化 の 線 形 性 が 悪 く な る の で 、 誤 差 は 大 き く な る。 ま た 、 振 幅 値 を 小 さ ６ ５ ４   ３ 了 ︷ 芝 一ｕ ｇ 呑 ぶ §2 ０ ０ 10 ８ ア ｔ 巳 ﹄ 山 ２ ０ ■ 1st ・2nd ・3rd x 4th ｘ 5th Average ―Theory ･ Error 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Distance[cm]

Fig.8 Measurement result with focused beam.

定距 離ごとに ターゲットヘ レー ザ光 を集光 した場合 、平 行ビ ームと比 較す ると戻 り光量 が大きいの で、測定 精度 が良い と考え られる。 ５ ・ ３  変 調 周 波 数 に 対 す る 誤 差 の 変 化 変 調 周 波 数 を 変 化 さ せ て も 共 振 条 件 を 満 た す 回 数 は 変 化 し な い の で 、 距 離 分解 能 に 影 響 し な い 。 し か し 、設 計 し た受 信 回 路 の 周 波 数 特 性 に 適 し た 変 調 周 波 数 で 測 定 す る 必 要 が あ る の で 、 変 調 周 波 数 を 変 化 させ て 実 際 に 測 定 す る こ と は 精 度 の 良 い 測 定 を す る 上 で 必 要 で あ る 。 Fig.9は 距 離15cm か ら80cm ま で を 測 定 範 囲 と し た 、 変 調 周 波 数 を 変 化 さ せ た場 合 の 平均 誤 差 の 変 化 を 示 す 。 レ ー ザ 光 は 測 定 距 離 ご と に タ ー ゲ ッ ト へ 集 光 し 、 振 幅 値 は1.8mApp と し て い る 。 Fig.9よ り 、 変 調 周 波 数 を 変 化 さ せ た 場 合 も 振 幅 値 を 変 化 さ せ た場 合 と 同 様 に 誤 差 が 変 化 し た。 変 調 周 波 数 が 低 い と ＭＨＰ 周 波 数 が バ イ パ スフ ィ ル タ の カ ッ ト オ フ 周 波 数 に 近 く な り 、 変 調 周 波 数 が 高 く な る と ロ ー パ ス フ ィ ル タ の カ ット オ フ 周 波 数 に 近 く な る の で 、ＭＨＰ 周 波 数 に 誤 差 が 表 れ た も の と 考 え ら れ る 。 ￨｡2 − ￨｡0 .8  . ６ ０   ０ ７ 苔 ヒ 皿 0.4 ０ ０ ｀ ． ﹁ ｀   Ｏ ０   ０ ｜ ● 0.5 1.0 Mod ｕ]ated ● ● １．５ frequency[kH ｚ] ● 2.0

Fig.9 Error as function of modulated frequency･ 2.5 ５ ・ ４  測 定 最 長 距 離 ５・ ３ 節 ま で の 測 定 結果 か ら 、ULM850 を 用 い た 測 定 の 場 合､ レ ー ザ 光 は 測 定 距 離 ご と に タ ー ゲ ッ ト へ 集 光 し 、 電 流 振 幅 値 を1.8mApp､ 変 調 周 波 数 を1.5kHz と す れ ば 最 も 精 度 の 良 い 測 定 が で き る こ と が確 認 で き た｡こ こ で は 、 上 記 の 条 件 で 測 定 で き る 限 界 の 距 離 を 示 す 。 Fig. 10は 上 記 の 条 件 で 測 定 し た 結 果 を 示 す 。 測 定 限 界 距 離 は105cm で 、 平 均 誤 差 は0.15% と な っ た。 こ れ 以 上 長 い 距 離 で は ＭＨＰ 周 波 数 が ロ ー パ ス フ ィル タ の カ ッ ト オ フ 周 波 数 を 超 え て し ま い 、 測 定 で きな か っ た。 測 定 距 離lm で も 誤 差 の 大 き さ が0.1% 程 度 に 抑 え られ て い る の で 、こ の セ ン サ は 高 精 度 な セ ン サ と し て 利 用 で き る と わ か る。 ７ ６ ５   ４   ３   ２ 一 ぷ ︻ 冫 ︼_ｔ Ｃ Ｑ 弓 ぷ 叫 ︸︷ 芝 １ ０ 10 ８ ア]ａｏｘ1３ ２ ０ ₂₀ ６ 。 ま と め 40 60 j・r_. 80 ０ ■ 1st ・2nd ・ 3rd x 4th ｘ 5th Average ―Theory ・Error

く す る と 注 入 電 流 に 対 す る 波 長 変 化 の 線 形 性 は 良 く な る が 、 分 解 能 が 悪 く な る の で 誤 差 が 大 き く な る。 こ のこ と か ら 、 精 度 の 良 い 測 定 を 行 うた め に は 、 最 適 な 電 流 振 幅 値 で ＶＣＳＥＬ を 駆 動 さ せ な け れ ば な ら な い 。 ま た 、 設 計 し た 受 信 回 路 の 周 波 数 杵 壯 に あ わせ て 変 調 周 波 数 を 決 定 す る 必 要 も あ る。 そ こ で 、 自 己 結合 型 セ ン サ の 精 度 向 上 を 目的 と し て 、 最 適 な 電 流 振 幅 値 と 変 調 周 波 数 を 求 め る 研 究 を 行 っ た 。 反 射 シ ー ト を タ ー ゲ ッ ト と し て 、 レ ー ザ 光 を 平 行 ビ ー ムに し 、 電 流 振 幅 値 を 大 き さ に 対 す る 平 均 誤 差 の 変 化 を 測 定 し た と こ ろ 、振 幅 値 が1.8mApp の と き に 平 均 誤 差 が 最 も小 さ く な っ た。 ま た 、 測 定 距 離 ご と に タ ー ゲ ッ ト ヘ レ ー ザ 光 を 集 光 し た 場 合 と 平 行 ビ ー ム で 測 定 し た 場 合 を 比 較 す る と 、 タ ー ゲ ッ ト に レ ー ザ光 を 集 光 し た 方 が 平 均 誤 差 は 川ヽさ く な っ た。 タ ー ゲ ッ ト に レ ー ザ 光 を 集 光 し た 方 が 平 行 ビ ー ム よ り 戻 り光 暈 が 大 き い た め で あ る と 考 え ら れ る。 ま た 、変 調 周 波 数 を 変 化 さ せ て 測 定 を 行 っ た と こ ろ 、最 も 平 均 誤 差 が 小 さ く な っ た 変 調 周 波 数 は1.5kHz で あ っ た。 こ れ ら の 結 果 を 踏 ま え て 測 定 限 界 距 離 を 測 定 し た 結 果 、 測 定 限 界 距 離は105cm と な り 、 距 離1m に対 す る 誤 差 を 約0.1% に 抑 え ら れ た 。以 上 の こ と か ら 、こ の セ ン サ は 高 精 度な 測 定 が で き る と確 認 で き た。 参 考 文 献 （1）坂 本 明 紀 ・ 津 田 紀 生 ・ 山 田 諄 ：［ 面 発 光 レ ー ザ を 用 い た 自 己 結 合 型 距 離 計 の 特 性 ］ 電 学 論 Ｃ,Ｗ 凵26 ， No. 12, pp.1454-1459 (2006) （2）中 尾 祐 介 ・ 津 田 紀 生 ・ 山 田 諄 ：「 半 導 体 レ ー ザ の 自 己 結 合 効 果 を 用 い た 自 己 補 正 型 距 離 計 」  電 学 論 Ｃ， Vol.121, No.12, pp.1819-1825 (2001)

(3) T. Gharbi, A. Courtevill and A. Chebbour : "Backscatter-modulated laser diode for low-frequency small-amplitude vibration measurement", Appl. Opt. 36, pp.8233-8237 (1997)

㈲G. Giuliani, S. Donati, and Ｌ. Monti : "Self-mixing laser diode vibrometer with wide dynamic range", Proc. SPIE Ｍ)L 4827, pp.353-362 (2002)

(5) 名 和 靖 彦 ・ 津 田 紀 生 ・ 山 田 諄:[ 自 己 結 合 効 果 を 用 い

た 微 小 振 動 の 自 動 測 定] ， 電 学 論C,Vol.l29, No.12, pp.2115-2120 (2009)

(6) P. J. Groot, G. M. Gallatin, and S. H. Macomber : "Ranging and velocimetry signal generation in ａ

backscatter-modulated laser diode", Appl. Opt. 21， Ｎ０.

21, pp.4475-4480 (1988)

(7) L. Krehut, J. Hast, E. Alarousu, and Ｒ. Myllyla : "Low

cost velocity sensor based on the self-miχing effect in ａ

laser diode", Opto-Electronics Rev. 11, No. 4, pp.313-319 (2003)

(8) J. Hashizume, S. Shinada, F. Koyama, K. Iga : “Reflection

Induced Voltage Change of Surface Emitting Laser for Optical Probing", Optical Review, Ｍ 〕1. 9, No. 5, pp. 186-188 (2002)

(9) C. Gorecki, S. Khalfallah, H. Kawakatsu, Y. Arakawa :

“New SNOM sensor using optical feedback in ａ

VCSEL-based compound-cavity", Sensors and Actuators, A-87, pp.113-123(2001)

謝 辞

本 研 究 はJSPS 科 研 費26420397 の助 成 を 受 け た も の で す。