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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-01-24
(45)【発行日】2024-02-01
(54)【発明の名称】光プローブ、プローブカード、測定システムおよび測定方法
(51)【国際特許分類】
H01L 21/66 20060101AFI20240125BHJP
G01R 1/07 20060101ALI20240125BHJP
H01S 5/02 20060101ALI20240125BHJP
G01R 31/26 20200101ALI20240125BHJP
G02B 6/02 20060101ALI20240125BHJP
【ＦＩ】
H01L21/66 C
H01L21/66 B
G01R1/07
H01S5/02
G01R31/26 F
G02B6/02 421
【請求項の数】
14
(21)【出願番号】P 2020003701
(22)【出願日】2020-01-14
(65)【公開番号】P2021110677
(43)【公開日】2021-08-02
【審査請求日】2022-12-19
(73)【特許権者】
【識別番号】000153018
【氏名又は名称】株式会社日本マイクロニクス
(74)【代理人】
【識別番号】100083806
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和
(74)【代理人】
【識別番号】100095500
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 正和
(74)【代理人】
【識別番号】100070024
【弁理士】
【氏名又は名称】松永 宣行
(72)【発明者】
【氏名】奥田 通孝
(72)【発明者】
【氏名】齊藤 祐貴
(72)【発明者】
【氏名】福士 樹希也
【審査官】安田 雅彦
(56)【参考文献】
【文献】特開昭６２－２８３６８４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６３－２２４３８５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－２４０６４８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－１６１８６０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ２１／６６
Ｈ０１Ｓ ５／０２
Ｇ０１Ｍ １／００
Ｇ０１Ｒ １／０７
Ｇ０１Ｒ ３１／２６ －３１／２６５
Ｇ０１Ｒ ３１／３０２－３１／３０４
Ｇ０１Ｒ ３１／３０８－３１／３１１
Ｇ０２Ｂ ６／０２ － ６／０８
Ｇ０２Ｂ ６／４２ － ６／４３
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
コア部および前記コア部の外周に配置されたクラッド部により構成された、光半導体素子からの光信号が入射する入射面が曲率半径Ｒの曲面であり、前記光信号の放射角γ、前記クラッド部に透過せずに前記コア部を伝搬する前記光信号の前記入射面における有効入射半径Ｓｅ、前記光信号の前記入射面の入射点における前記コア部の屈折率ｎ（ｒ）、および前記入射点における屈折角βを用いて、前記曲率半径Ｒおよび前記入射点における中心半角ωが、
Ｒ＝Ｓｅ／ｓｉｎ（ω）
ω＝±ｓｉｎ-1（｛Ｋ２2／（Ｋ１2＋Ｋ２2）｝1/2）
ただし、
Ｋ１＝ｎ（ｒ）×ｃｏｓ（β）－ｃｏｓ（γ／２）
Ｋ２＝ｎ（ｒ）×ｓｉｎ（β）－ｓｉｎ（γ／２）
の関係を満たすことを特徴とする光プローブ。
【請求項2】
前記有効入射半径Ｓｅと前記光プローブのコア半径Ｃｒが等しくなり、前記光半導体素子と前記入射面との間が取り得る最大の作動距離である場合の前記光信号の放射半角αを用いて、前記曲率半径Ｒが、Ｒ≧Ｃｒ/ｓｉｎ（ω）
ただし、
Ｋ１＝ｎ（ｒ）×ｃｏｓ（β）－ｃｏｓ（α）
Ｋ２＝ｎ（ｒ）×ｓｉｎ（β）－ｓｉｎ（α）
α＝ｓｉｎ-1｛ｎ（ｒ）×ｓｉｎ（β＋ω）｝－ω
の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光プローブ。
【請求項3】
最大作動距離ＷＤｍがＣｒ／ｔａｎ（α）であり、作動距離ＷＤが、ＷＤ≦ＷＤｍの関係を満たすことを特徴とする請求項２に記載の光プローブ。
【請求項4】
前記入射面に接続する第１領域と、前記第１領域よりも前記コア部の径が小さい第２領域とを連結した構成であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光プローブ。
【請求項5】
前記入射面から中心軸に沿って一定の長さに渡って、前記コア部の屈折率を増大する添加物が拡散されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光プローブ。
【請求項6】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光プローブと、前記光プローブを保持する光プローブヘッドと
を備えることを特徴とするプローブカード。
【請求項7】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光プローブと、前記光プローブを保持する光プローブヘッドと、
前記光プローブヘッドの位置を制御する光プローブ駆動装置と、
前記光半導体素子に電気信号を送信する電気プローブを保持する電気プローブヘッドと、
前記電気プローブヘッドの位置を制御する電気プローブ駆動装置と
を備え、１の前記光半導体素子について前記光プローブと前記電気プローブを含む１のプローブユニットを構成することを特徴とする測定システム。
【請求項8】
前記光プローブをアレイ状に配置した光プローブアレイが構成され、前記光プローブヘッドが前記光プローブアレイを保持する
ことを特徴とする請求項７に記載の測定システム。
【請求項9】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光プローブを用いる測定方法であって、前記光半導体素子と前記入射面との間の作動距離が一定の状態で前記光プローブに対して相対的に前記光半導体素子を移動させ、移動距離に対する前記光信号の入射強度の関係を示す入射強度パターンを取得し、
前記入射強度パターンを用いて前記光信号の放射角を算出する
ことを特徴とする測定方法。
【請求項10】
前記入射強度がピーク値の１／ｅ2となる移動距離Ｄｅと作動距離ＷＤを用いて、前記入射強度がピーク値の1／ｅ２となる１／ｅ２放射角γｅを、γｅ＝２×ｔａｎ-1（Ｄｅ／（４×ＷＤ））
の式を用いて算出することを特徴とする請求項９に記載の測定方法。
【請求項11】
前記入射強度がピーク値の１／２となる移動距離Ｄｈと作動距離ＷＤを用いて、前記入射強度がピーク値の１／２となる１／２放射角γｈを、γｈ＝２×ｔａｎ-1（Ｄｈ／（４×ＷＤ））
の式を用いて算出することを特徴とする請求項９又は１０に記載の測定方法。
【請求項12】
前記光プローブの前記コア部に前記光信号の少なくとも一部が入射する入射移動範囲Ｄｗ、前記入射強度パターンの平坦部である入射安定範囲Ｄｐを用いて、前記有効入射半径Ｓｅおよび前記光信号の入射半径Ｓｒが、Ｓｅ＝１／４×（Ｄｗ＋Ｄｐ）
Ｓｒ＝１／４×（Ｄｗ－Ｄｐ）
の関係を満たし、
前記入射強度がピーク値の１／ｅ2となる移動距離Ｄｅおよび前記入射強度がピーク値の１／２となる移動距離Ｄｈを用いて、前記入射強度がピーク値の1／ｅ２となる１／ｅ２放射角γｅおよび前記入射強度がピーク値の１／２となる１／２放射角γｈを、
γｅ＝２×Ｄｅ／Ｄｈ×ｔａｎ―１（Ｓｒ／ＷＤ）
γｈ＝２×ｔａｎ―１（Ｓｒ／ＷＤ）
の関係式を用いて算出することを特徴とする請求項９に記載の測定方法。
【請求項13】
基準とする前記光半導体素子について前記光プローブを用いて前記放射角γを計測器により計測し、前記計測器による計測値からみなし作動距離ｃＷＤを算出し、
前記みなし作動距離と前記移動距離を用いて、前記光信号の前記放射角を算出する
ことを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の測定方法。
【請求項14】
前記光信号の光軸の延伸方向に垂直なＸＹ平面において、Ｘ方向とＹ方向についてそれぞれ前記光半導体素子を移動させ、前記Ｘ方向について取得した前記入射強度パターンを用いて前記Ｘ方向の前記放射角を算出し、
前記Ｙ方向について取得した前記入射強度パターンを用いて前記Ｙ方向の前記放射角を算出する
ことを特徴とする請求項９乃至１３のいずれか１項に記載の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光半導体素子の特性測定に使用される光プローブ、測定システムおよび測定方法に関する。
【背景技術】
【0002】
シリコンフォトニクス技術を用いて、電気信号と光信号を入出力信号とする光半導体素子がウェハに形成される。ウェハに形成された状態で光半導体素子の特性を測定するために、電気信号を伝搬させる電気プローブと光信号を伝搬させる光プローブとを有する測定システムを用いて、光半導体素子とテスタなどの測定装置を接続する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開昭６２－３１１３６号公報
【文献】特開昭６０－６４４４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
光プローブを用いた測定方法において、光半導体素子からの光信号が入射する光プローブの入射面と光半導体素子との位置偏差や、光プローブの中心軸と光半導体素子からの光信号の光軸との角度のずれが生じることがある。この位置偏差や角度のずれに起因して、光プローブに入射する光信号のパワーが変動し、測定された光信号の出力の安定性が損なわれる。このような変動要因等により、光プローブを用いた測定において測定精度が低下する問題があった。
【0005】
上記問題点に鑑み、本発明は、ウェハ状態において光半導体素子の短時間且つ高精度の測定が可能な光プローブ、プローブカード、測定システムおよび測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一態様によれば、光信号が入射する入射面が曲率半径の曲面である光プローブが提供される。光信号の放射角γ、クラッド部に透過せずにコア部を伝搬する光信号の入射面における有効入射半径Ｓｅ、光信号の入射面の入射点におけるコア部の屈折率ｎ（ｒ）、および入射点における屈折角βを用いて、入射面の曲率半径Ｒおよび入射点における中心半角はωが、Ｒ＝Ｓｅ／ｓｉｎ（ω）、ω＝±ｓｉｎ-1（｛Ｋ２2／（Ｋ１2＋Ｋ２2）｝1/2）の関係を満たす。ただし、Ｋ１＝ｎ（ｒ）×ｃｏｓ（β）－ｃｏｓ（γ／２）、Ｋ２＝ｎ（ｒ）×ｓｉｎ（β）－ｓｉｎ（γ／２）である。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、ウェハ状態において光半導体素子の短時間且つ高精度で安定した測定が可能な光プローブ、プローブカード、測定システムおよび測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】第１の実施形態に係る光プローブの構成を示す模式図である。
【図2】最大作動距離における光プローブの構成を示す模式図である。
【図3】光プローブの中心軸と光信号の光軸の偏差の例を示す模式的な平面図である。
【図4】チルト角の例を示す模式図である。
【図5】入射端が平面な平面光プローブの構成を示す模式図である。
【図6】平面光プローブを用いて測定した入射強度パターンの例を示すグラフである。
【図7】光プローブの入射面の曲率半径と入射面における開口数の関係を示すグラフである。
【図8】入射面の曲率半径と入射角比率の関係を示すグラフである。
【図9】光信号の放射半角とクラッド入射角の関係を示すグラフである。
【図10】入射強度パターンの例を示すグラフである。
【図11】光プローブの中心軸に対して光信号の光軸の位置を変化させた場合の入射強度パターンのイメージ図である。
【図12】作動距離を変化させたときの入射強度パターンの変化を示すグラフである。
【図13】入射面の曲率半径と有効入射半径との関係を示すグラフである。
【図14】入射面の曲率半径と入射安定距離の関係を示すグラフである。
【図15】入射面の曲率半径と最大作動距離の関係を示すグラフである。
【図16】光プローブに入射した光信号の損失特性を示すグラフである。
【図17】第１の実施形態に係る光プローブを用いた測定システムの構成例を示す模式図である。
【図18】第１の実施形態に係る光プローブを用いた測定方法の例を示すフローチャートである。
【図19】第２の実施形態に係る光プローブの構成を示す模式図である。
【図20】第３の実施形態に係る光プローブの構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。また、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【0010】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る光プローブ１０は、図１に示すように、光半導体素子２０から出力される光信号Ｌを受光する。光プローブ１０は、コア部１１１およびコア部１１１の外周に配置されたクラッド部１１２により構成される屈折率分布型の光導波路を有する。コア部１１１の屈折率は、クラッド部１１２の屈折率よりも大きい。図１は、光信号Ｌが入射する入射面１００を含む光プローブ１０の一方の端部を示す。入射面１００は、一定の曲率半径Ｒの凸球面である。
本発明の第１の実施形態に係る光プローブ１０は、図１に示すように、光半導体素子２０から出力される光信号Ｌを受光する。光プローブ１０は、コア部１１１およびコア部１１１の外周に配置されたクラッド部１１２により構成される屈折率分布型の光導波路を有する。コア部１１１の屈折率は、クラッド部１１２の屈折率よりも大きい。図１は、光信号Ｌが入射する入射面１００を含む光プローブ１０の一方の端部を示す。入射面１００は、一定の曲率半径Ｒの凸球面である。
【0011】
図１において、コア半径Ｃｒはコア部１１１の半径である。また、プローブ半径Ｄｒはクラッド部１１２を含めた光プローブ１０の半径である。光プローブ１０には、光ファイバや、光ファイバとレンズを組み合わせた構成などを採用可能である。例えば、グレーデッドインデックス型（ＧＩ型）光ファイバを利用して光プローブ１０を製造できる。
【0012】
図１では、光プローブ１０のコア部１１１の中心軸Ｃ１０および光信号Ｌの光軸Ｃ２０の延伸方向をＺ方向としている。また、Ｚ方向に垂直な平面をＸＹ平面として、図１の紙面の左右方向をＸ方向、紙面に垂直な方向をＹ方向としている。
【0013】
光半導体素子２０は、例えば垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）などである。光半導体素子２０と光プローブ１０とは光学的に接続され、光半導体素子２０から出力された光信号Ｌが光プローブ１０に入射する。
【0014】
光プローブ１０と光半導体素子２０は、Ｚ方向に沿って作動距離ＷＤだけ離間して配置されている。作動距離ＷＤは、光半導体素子２０から出力された光信号Ｌを光プローブ１０が受光できる範囲に設定される。すなわち、光信号Ｌの入射面１００での入射範囲がコア部１１１の外縁より内側となるように作動距離ＷＤが設定される。ここで、光信号Ｌの入射範囲は、光信号Ｌがピーク値の１／ｅ2以上の強度で進行する方向の範囲とする。
【0015】
図１に示すように、放射角γの光信号Ｌが、光半導体素子２０から出力される。光信号Ｌは、入射面１００での光信号Ｌの入射範囲の端部である入射点Ｑにおいて、曲率半径方向と屈折角βをなしてコア部１１１を進行する。入射点Ｑにおける入射面１００の中心半角ωとする。
【0016】
図１において、放射角γの光信号Ｌの入射面１００での入射範囲の直径を入射直径Ｓｄ、入射範囲の半径を入射半径Ｓｒとして示した。入射直径Ｓｄは、光信号Ｌの放射角γを用いて以下の式（１）で表される：
Ｓｄ＝２×ＷＤ×ｔａｎ（γ／２） ・・・（１）
Ｓｄ＝２×ＷＤ×ｔａｎ（γ／２） ・・・（１）
【0017】
図２に、光プローブ１０の入射面１００と光半導体素子２０との間で取り得る最大の作動距離ＷＤ（以下、「最大作動距離ＷＤｍ」という。）である状態を示す。図２に示すように、最大作動距離ＷＤｍの場合の放射半角をαとする。最大作動距離ＷＤｍで中心軸Ｃ１０と光軸Ｃ２０が一致する場合に、中心半角ωが最大である。以下において、最大の中心半角ωを「最大中心半角ωｍ」という。
【0018】
光信号Ｌを測定する場合、光プローブ１０と光半導体素子２０のＸＹ平面における位置偏差を考慮する必要がある。図３に、位置偏差によって、光プローブ１０の中心軸Ｃ１０と光信号Ｌの光軸Ｃ２０がＸ方向に沿ってずれている状態を示した。
【0019】
図３に、クラッド部１１２に透過せずにコア部１１１を伝搬する光信号Ｌの、入射面１００における入射領域を有効入射半径Ｓｅで示した。また、光信号Ｌの入射半径Ｓｒを図３に示した。有効入射半径Ｓｅで規定される範囲内に入射半径Ｓｒの範囲が含まれれば、光プローブ１０と光半導体素子２０との間に位置偏差があっても、光プローブ１０での光信号Ｌの伝送損失が抑制される。図３では、光信号Ｌの伝送損失が生じない中心軸Ｃ１０と光軸Ｃ２０との位置の距離を「入射安定距離Ｄｓ」として示した。
【0020】
また、図４に示すように、光プローブ１０の中心軸Ｃ１０と光信号Ｌの光軸Ｃ２０が平行でなく、中心軸Ｃ１０と光軸Ｃ２０がチルト角ζで交差する場合にも、光プローブ１０において光信号Ｌの入射変動が生じる。詳細を後述するように、光プローブ１０によれば、チルト角ζが生じた場合にも入射変動を抑制できる。
【0021】
以下に、光信号Ｌの放射角の測定について説明する。作動距離ＷＤを一定にして、入射面１００に対して相対的に光半導体素子２０をＸ方向やＹ方向に移動させることにより、移動距離に対する入射強度の関係を示す特性（以下、「入射強度パターン」という。）が得られる。最初に、図５に示す入射面１００が平面である光プローブ（以下、「平面光プローブ」という。）を用いた、入射強度パターンの測定について説明する。
【0022】
図５に示した平面光プローブに、コア径Ｃｄが２×Ｃｒ、開口数ＮＡがｓｉｎ（αｆ）の光ファイバを用いる。入射面１００に光信号Ｌが入射する入射直径Ｓｄは、２×Ｓｒである。また、平面光プローブの開口数ＮＡから、放射角γと入射許容半角αｆは、γ＜２αｆの関係である（αｆ＝ｓｉｎ-1（ＮＡ））。
【0023】
放射角γの光信号Ｌが平面光プローブの入射面１００に入射した場合、コア部１１１の内部を進行した光信号Ｌは、コア部１１１とクラッド部１１２の境界面にπ/２－βの入射角で入射する。屈折角βは、中心軸Ｃ１０から半径方向の距離ｒにおけるコア部１１１の屈折率ｎ（ｒ）を用いて式（２）で定義される：
β＝ｓｉｎ-1（ｓｉｎ（γ／２）／ｎ（ｒ）） ・・・（２）
屈折率ｎ（ｒ）は以下の式（３）で表される：
ｎ（ｒ）＝ｎ（ｃ）×（１－（Ａ1/2×ｒ）2／２） ・・・（３）
ここで、ｎ（ｃ）は中心軸Ｃ１０でのコア部１１１の屈折率、Ａ1/2はコア部１１１の屈折率分布定数である。
β＝ｓｉｎ-1（ｓｉｎ（γ／２）／ｎ（ｒ）） ・・・（２）
屈折率ｎ（ｒ）は以下の式（３）で表される：
ｎ（ｒ）＝ｎ（ｃ）×（１－（Ａ1/2×ｒ）2／２） ・・・（３）
ここで、ｎ（ｃ）は中心軸Ｃ１０でのコア部１１１の屈折率、Ａ1/2はコア部１１１の屈折率分布定数である。
【0024】
また、コア半径Ｃｒの位置でのコア部１１１の境界屈折率ｎ（ｒｃ）、境界屈折角β（ｒｃ）は、式（４）、式（５）でそれぞれ表される：
ｎ（ｒｃ）＝ｎ（ｃ）×（１－（Ａ1/2×Ｃｒ）2/２） ・・・（４）
β（ｒｃ）＝ｓｉｎ-1｛ｓｉｎ（γ／２）/ｎ（ｒｃ）｝ ・・・（５）
屈折角βが境界屈折角β（ｒｃ）以上の場合、光信号Ｌが、コア部１１１内を反射伝搬せずにクラッド部１１２に透過、放射する。このため、コア部１１１を伝搬する光信号Ｌが減衰する。
ｎ（ｒｃ）＝ｎ（ｃ）×（１－（Ａ1/2×Ｃｒ）2/２） ・・・（４）
β（ｒｃ）＝ｓｉｎ-1｛ｓｉｎ（γ／２）/ｎ（ｒｃ）｝ ・・・（５）
屈折角βが境界屈折角β（ｒｃ）以上の場合、光信号Ｌが、コア部１１１内を反射伝搬せずにクラッド部１１２に透過、放射する。このため、コア部１１１を伝搬する光信号Ｌが減衰する。
【0025】
次に、光信号Ｌの放射角の測定について説明する。作動距離ＷＤが一定の状態でＸＹ平面において入射面１００に対して相対的に光半導体素子２０を移動させることにより、光信号Ｌについて移動距離に対する入射強度の関係を示す入射強度パターンが得られる。
【0026】
図６は、作動距離ＷＤが２０、５０、１００、１５０、２００μｍのそれぞれについて、平面光プローブの入射面１００に対して光半導体素子２０を移動させたときの光信号Ｌの入射強度Ｐの入射強度パターンを示す。作動距離ＷＤが大きくなるにつれて、入射面１００における中心軸Ｃ１０から光信号Ｌの外縁までの距離（以下において、「移動距離Ｄ」という。）も大きくなる。なお、図６は、コア半径Ｃｒが４４．５μｍ、開口数ＮＡが０．２９の平面光ファイバの入射面１００に、放射角γが１７．６°の光信号Ｌを入射させたものである。
【0027】
図６に示すように、入射強度Ｐの入射強度パターンは、作動距離ＷＤが小さな場合は台形状である。作動距離ＷＤが大きくなるにつれて、入射強度Ｐのピーク値が低下し、入射強度パターンの形状はガウシアン形状に近づく。図６に示した入射強度パターンから、作動距離ＷＤが１００μｍ以上の場合に、移動距離Ｄに対して入射強度Ｐのピーク値の減衰が大きくなる傾向にある。
【0028】
入射強度パターンから、入射直径Ｓｄ（Ｓｄ＝２×Ｓｒ）とコア径Ｃｄ（Ｃｄ＝２×Ｃｒ）がほぼ等しくなる作動距離ＷＤを設定する。図６に示した入射強度パターンから、入射強度Ｐのピーク値が低下せず、入射強度パターンの形状がほぼガウシアン形状になるのは、ＷＤ＝１５０μｍの場合であり、これが平面光プローブのコア部１１１の外縁と光信号Ｌの外縁がほぼ一致する条件である。その場合に入射強度Ｐがピーク値の１／ｅ2となるＸＹ平面の１／ｅ2移動距離Ｄｅは、図６から、Ｄｅ＝４×Ｓｒ＝１１２μｍである。したがって、入射強度Ｐがピーク値の１／ｅ２となる１／ｅ２放射角γｅについて式（６）が成立する：
ｔａｎ（γｅ／２）＝Ｄｅ／（４×ＷＤ）＝０．１８７ ・・・（６）
式（６）から、γｅ＝２×ｔａｎ-1（Ｄｅ／（４×ＷＤ））＝２１．２°である。
ｔａｎ（γｅ／２）＝Ｄｅ／（４×ＷＤ）＝０．１８７ ・・・（６）
式（６）から、γｅ＝２×ｔａｎ-1（Ｄｅ／（４×ＷＤ））＝２１．２°である。
【0029】
また、入射強度Ｐがピーク値の１／２となる１／２移動距離Ｄｈは７７．５μｍである。したがって、入射強度Ｐがピーク値の１／２となる１／２放射角γｈについて式（７）が成立する：
ｔａｎ（γｈ／２）＝Ｄｈ／（４×ＷＤ）＝０．１２９ ・・・（７）
式（７）から、γｈ＝２×ｔａｎ-1（Ｄｈ／（４×ＷＤ））＝１４，７°である。
ｔａｎ（γｈ／２）＝Ｄｈ／（４×ＷＤ）＝０．１２９ ・・・（７）
式（７）から、γｈ＝２×ｔａｎ-1（Ｄｈ／（４×ＷＤ））＝１４，７°である。
【0030】
上記のように、入射面１００と光半導体素子２０との中心軸Ｃ１０に垂直なＸＹ平面における相対的な移動距離と光信号Ｌの入射強度との関係から、光信号Ｌの放射角を算出することができる。
【0031】
一方、ファーフィールドパターン（Far Field Pattern：ＦＦＰ）測定器などの計測器を用いた放射角の計測値（以下、単に「計測値」という）は、γｅ＝２１．２°、γｈ＝１７．６°である。光半導体素子２０がＶＣＳＥＬの場合、入射強度Ｐの入射強度パターンはほぼ台形状に近く、ガウシアン形状にならない。そのため、入射強度Ｐのピーク値の１/２放射角γｈは小さめに計測される。
【0032】
次に、入射面１００が曲率半径Ｒの曲面である光プローブ１０による放射角の測定について説明する。ここで、光プローブ１０の入射面１００での開口数ＮＡがｓｉｎ（α）とする。光プローブ１０の入射面１００で、スネルの法則から以下の式（８）の関係が成立する：
ｓｉｎ（α＋ωｍ）＝ｎ（ｒ）×ｓｉｎ（β＋ωｍ） ・・・（８）
式（８）から、以下の式（９）が得られる：
α＝ｓｉｎ-1（ｎ（ｒ）×ｓｉｎ（β＋ωｍ）｝－ωｍ ・・・（９）
コア径Ｃｄの端部では、ωｍ＝Ｃｒ/Ｒである。
ｓｉｎ（α＋ωｍ）＝ｎ（ｒ）×ｓｉｎ（β＋ωｍ） ・・・（８）
式（８）から、以下の式（９）が得られる：
α＝ｓｉｎ-1（ｎ（ｒ）×ｓｉｎ（β＋ωｍ）｝－ωｍ ・・・（９）
コア径Ｃｄの端部では、ωｍ＝Ｃｒ/Ｒである。
【0033】
したがって、入射面１００の曲率半径Ｒと光信号Ｌの放射半角αの関係を得ることができる。放射半角αは入射面１００に入射する光信号Ｌの許容入射半角でもあり、放射角γが２×αを超えると、光信号Ｌがコア部１１１とクラッド部１１２の境界からクラッド部１１２に透過、放射により減衰し、伝送損失が発生する。
【0034】
図７に、ＮＡ＝０．２９、コア径Ｃｄ＝８９μｍの光ファイバと、ＮＡ＝０．２７５、コア径Ｃｄ＝６２．５μｍの光ファイバを用いた場合の、曲率半径Ｒである入射面１００における開口数（以下、「入射開口数ＲＮＡ」という。）の関係を示した。
【0035】
図７に示すように、曲率半径Ｒが小さいほど、光プローブ１０の入射開口数ＲＮＡが大きくなる。例えば、ＮＡ＝０．２９の光ファイバを用いて曲率半径Ｒが１４５μｍの光プローブ１０を構成した場合、ＲＮＡ＝０．５、γ＝６０°が、光信号Ｌの入射境界条件になる。「入射境界条件」は、クラッド部１１２に透過せずに光信号Ｌがコア部１１１を伝搬する条件である。一方、ＮＡ＝０．２７５の光ファイバを用いて曲率半径Ｒが１４５μｍの光プローブ１０を構成した場合、ＲＮＡ＝０．４、γ＝４８°が入射境界条件になる。
【0036】
光信号Ｌの放射角γについてα≧γ／２の関係であれば、光プローブ１０のコア部１１１に光信号Ｌが入射した後、クラッド部１１２に透過せずに光信号Ｌがコア部１１１内を殆ど減衰なしに伝搬する。このように、入射面１００を曲面にすることにより、入射面１００が平面である光プローブと比較して、伝送損失を抑制でき、入射する光信号Ｌの放射角γが大きなものでも入射できる。したがって、特に光信号Ｌの放射角γが大きな場合に、入射面１００を曲面にすることは有効である。つまり、光信号Ｌの放射角γが大きな場合に、曲率半径Ｒの設定により光プローブ１０の入射境界条件が調整できる。
【0037】
光プローブ１０がＸ方向に沿って紙面の左方向に入射安定距離Ｄｓだけ移動した場合、光プローブ１０の入射面１００において式（１０）が成立する：
ｓｉｎ（γ／２＋ω）＝ｎ（ｒ）×ｓｉｎ（β＋ω） ・・・（１０）
ここで、光プローブ１０に使用する光導波路（例えば光ファイバ）の開口数ＮＡについてのβ＝ｓｉｎ-1（ＮＡ／ｎ（ｒ））の関係式より、式（１１）が得られる：
ω＝±ｓｉｎ-1（｛Ｋ２2／（Ｋ１2＋Ｋ２2）｝1/2） ・・・（１１）
式（１１）で、係数Ｋ１および係数Ｋ２は以下の値である：
Ｋ１＝ｎ（ｒ）×ｃｏｓ（β）－ｃｏｓ（γ／２）
Ｋ２＝ｎ（ｒ）×ｓｉｎ（β）－ｓｉｎ（γ／２）
ｓｉｎ（γ／２＋ω）＝ｎ（ｒ）×ｓｉｎ（β＋ω） ・・・（１０）
ここで、光プローブ１０に使用する光導波路（例えば光ファイバ）の開口数ＮＡについてのβ＝ｓｉｎ-1（ＮＡ／ｎ（ｒ））の関係式より、式（１１）が得られる：
ω＝±ｓｉｎ-1（｛Ｋ２2／（Ｋ１2＋Ｋ２2）｝1/2） ・・・（１１）
式（１１）で、係数Ｋ１および係数Ｋ２は以下の値である：
Ｋ１＝ｎ（ｒ）×ｃｏｓ（β）－ｃｏｓ（γ／２）
Ｋ２＝ｎ（ｒ）×ｓｉｎ（β）－ｓｉｎ（γ／２）
【0038】
また、有効入射半径Ｓｅと光プローブ１０のコア半径Ｃｒが一致する場合に、作動距離ＷＤが最大作動距離ＷＤｍである場合の光信号Ｌの光プローブ１０への入射が許容される放射半角αを用いて、曲率半径Ｒは式（１２）の関係を満たし、中心半角ωは式（１３）で表される：
Ｒ≧Ｃｒ/ｓｉｎ（ω） ・・・（１２）
ω＝±ｓｉｎ-1（｛Ｋ２2／（Ｋ１2＋Ｋ２2）｝1/2） ・・・（１３）
ここで、ＷＤｍ＝Ｃｒ/ｔａｎ（α）である。式（１３）で、係数Ｋ１および係数Ｋ２は以下の値である：
Ｋ１＝ｎ（ｒ）×ｃｏｓ（β）－ｃｏｓ（α）
Ｋ２＝ｎ（ｒ）×ｓｉｎ（β）－ｓｉｎ（α）
ここで、α＝ｓｉｎ―１｛ｎ（ｒ）×ｓｉｎ（β＋ω）｝－ωである。測定する光半導体素子の光信号Ｌの放射角γが既知の場合、２α≧γとなるように、α、ωを設定し、入射面１００の曲率半径Ｒが設定できる。
Ｒ≧Ｃｒ/ｓｉｎ（ω） ・・・（１２）
ω＝±ｓｉｎ-1（｛Ｋ２2／（Ｋ１2＋Ｋ２2）｝1/2） ・・・（１３）
ここで、ＷＤｍ＝Ｃｒ/ｔａｎ（α）である。式（１３）で、係数Ｋ１および係数Ｋ２は以下の値である：
Ｋ１＝ｎ（ｒ）×ｃｏｓ（β）－ｃｏｓ（α）
Ｋ２＝ｎ（ｒ）×ｓｉｎ（β）－ｓｉｎ（α）
ここで、α＝ｓｉｎ―１｛ｎ（ｒ）×ｓｉｎ（β＋ω）｝－ωである。測定する光半導体素子の光信号Ｌの放射角γが既知の場合、２α≧γとなるように、α、ωを設定し、入射面１００の曲率半径Ｒが設定できる。
【0039】
光プローブ１０が入射安定距離Ｄｓだけ移動した場合に、以下の式（１４）～式（１６）が成り立つ：
Ｓｅ＝Ｒ×ｓｉｎ（ω） ・・・（１４）
Ｄｓ＝Ｓｅ－Ｓｒ ・・・（１５）
Ｓｒ＝ＷＤ×ｔａｎ（γ/２） ・・・（１６）
ここで、Ｃｒ≧Ｓｅ＞Ｓｒ≧０、Ｒ≧Ｄｒである。有効入射半径Ｓｅは、曲率半径Ｒが大きい程大きく、入射半径Ｓｒは、作動距離ＷＤが小さい程小さくなる。入射安定距離Ｄｓを広く設定、すなわち有効入射半径Ｓｅを大きく入射半径Ｓｒを小さく設定することにより、光信号Ｌについて安定した特性を測定するための、光プローブ１０の中心軸Ｃ１０と光信号Ｌの光軸Ｃ２０の位置偏差の許容値を大きくできる。式（１４）から、曲率半径Ｒについて、以下の式（１７）が得られる：
Ｒ＝Ｓｅ／ｓｉｎ（ω） ・・・（１７）
Ｓｅ＝Ｒ×ｓｉｎ（ω） ・・・（１４）
Ｄｓ＝Ｓｅ－Ｓｒ ・・・（１５）
Ｓｒ＝ＷＤ×ｔａｎ（γ/２） ・・・（１６）
ここで、Ｃｒ≧Ｓｅ＞Ｓｒ≧０、Ｒ≧Ｄｒである。有効入射半径Ｓｅは、曲率半径Ｒが大きい程大きく、入射半径Ｓｒは、作動距離ＷＤが小さい程小さくなる。入射安定距離Ｄｓを広く設定、すなわち有効入射半径Ｓｅを大きく入射半径Ｓｒを小さく設定することにより、光信号Ｌについて安定した特性を測定するための、光プローブ１０の中心軸Ｃ１０と光信号Ｌの光軸Ｃ２０の位置偏差の許容値を大きくできる。式（１４）から、曲率半径Ｒについて、以下の式（１７）が得られる：
Ｒ＝Ｓｅ／ｓｉｎ（ω） ・・・（１７）
【0040】
図８に、入射面１００を通過した光信号Ｌのコア部１１１とクラッド部１１２の境界面への入射角（以下、「クラッド入射角θ」という。）に関して、光プローブ１０および平面光プローブの入射角比率Ｉｒと、曲率半径Ｒとの関係を示す。ここで、平面光プローブのクラッド入射角θ１、曲率半径Ｒの光プローブ１０のクラッド入射角θ２として、入射角比率Ｉｒ＝θ２／θ１である。なお、平面光プローブでは、曲率半径Ｒが無限大であり、入射角比率Ｉｒは１である。
【0041】
図８に示すように、曲率半径Ｒが小さいほど、入射角比率Ｉｒは小さく、クラッド入射角θが小さい。このため、曲率半径Ｒが小さいほど、光プローブ１０の中心軸Ｃ１０に対する光信号Ｌの光軸Ｃ２０の角度変化があっても、光プローブ１０のコア部１１１における光信号Ｌの伝搬に対する変動が生じにくい。例えば光プローブ１０をアレイ状に配列した光プローブアレイではＸ方向又はＹ方向の微小なチルト角ζが生じ、クラッド入射角θが変動するが、光プローブ１０では入射面１００が曲面であることにより、クラッド入射角θが小さくなっている。このため、中心軸Ｃ１０に対する光軸Ｃ２０の角度がチルト角ζの発生により変動しても、クラッド入射角θは、光信号Ｌがクラッド部１１２に透過して減衰するクラッド入射臨界角θ（ｒｃ）以下に十分に納まり、クラッド部１１２放射による減衰が生じにくくなる。このため、チルト角ζに起因する光信号Ｌのコア部１１１内の伝搬での変動が抑制される。
【0042】
図９は、光信号Ｌの入射が許容される放射半角αに対するクラッド入射角θの関係を、入射面１００が平面である場合と、１００、１２５、１５０μｍの曲率半径Ｒの曲面である場合について比較した結果である。図９で、クラッド入射臨界角θ（ｒｃ）はクラッド入射角θの臨界角であり、クラッド入射角θがクラッド入射臨界角θ（ｒｃ）以上の場合は、光信号Ｌはクラッド部１１２に透過して減衰する。図９のグラフからも、入射面１００を曲面にすることにより、光信号Ｌの放射角γに対し、クラッド入射角θを小さくできることがわかる。また、曲率半径Ｒが小さい方がクラッド入射角θは小さくなる傾向になる。したがって、図９に示すように、入射面１００が曲面である場合に、クラッド入射角θは、臨界角であるクラッド入射角θ（ｒｃ）に対して十分に小さい。このため、入射面１００を曲面にすることにより、チルト角ζに起因して入射面１００で光信号Ｌの入射角に角度ずれが生じても、光信号Ｌの減衰を抑制できる。
【0043】
図１０は、光プローブ１０の入射面１００の曲率半径Ｒが７０、７４、８０μｍの場合と、入射面１００が平面の場合について、作動距離ＷＤが１００μｍであるときの入射強度パターンの実測値を比較したグラフである。図１０に示したグラフの横軸は移動距離Ｄである。図１０から、曲率半径Ｒが小さいほど入射強度Ｐが大きめになる。曲率半径Ｒにより入射光のクラッド入射角が小さくなり、クラッド部放射による減衰が生じにくくなるためである。それに対し、入射面１００が平面の場合は、入射面１００が球面である場合に比較して、入射強度パターンの強度が低めであり、入射強度パターンの両肩が丸まり、なだらかに減衰する。
【0044】
図１１は、一定の作動距離ＷＤで、光プローブ１０の中心軸Ｃ１０に対して光信号Ｌの光軸Ｃ２０の位置を距離ＤｘｙだけＸ方向又はＹ方向に変化させた場合の入射強度パターンのイメージ図である。距離Ｄｘｙの変化による入射強度パターンは、ほぼ台形状である。入射強度パターンの入射強度Ｐ＝１の平坦部は、＋方向と－方向の入射安定距離Ｄｓに相当する入射安定範囲である。この入射安定範囲で位置偏差が生じても入射強度Ｐは変化せず、安定した入射強度が得られる。光プローブ１０のコア部１１１に光信号Ｌの少なくとも一部が入射する入射移動範囲Ｄｗ、および入射安定範囲Ｄｐは、Ｄｗ＝２（Ｓｅ＋Ｓｒ）、Ｄｐ＝２（Ｓｅ－Ｓｒ）＝２Ｄｓで示される。
【0045】
入射面１００が平面の場合は、Ｓｅ＝Ｃｒである。したがって、伝送損失の生じないＸ方向の放射角γｘとＹ方向の放射角γｙは、以下の式（１８）、式（１９）によりそれぞれ算出される：
γｘ＝２×ｔａｎ-1（Ｓｒｘ／ＷＤ） ・・・（１８）
γｙ＝２×ｔａｎ-1（Ｓｒｙ／ＷＤ） ・・・（１９）
ここで、Ｃｒ≧Ｓｅ＞Ｓｒ≧０である。
γｘ＝２×ｔａｎ-1（Ｓｒｘ／ＷＤ） ・・・（１８）
γｙ＝２×ｔａｎ-1（Ｓｒｙ／ＷＤ） ・・・（１９）
ここで、Ｃｒ≧Ｓｅ＞Ｓｒ≧０である。
【0046】
図１２は、作動距離ＷＤを５０～２００μｍで変化させたときの入射強度パターンの変化を示す。ここでは、入射面１００の曲率半径Ｒが７０μｍの光プローブ１０を用いた。光半導体素子２０がＶＣＳＥＬの場合、ファーフィールドパターンが台形状の強度分布であり、強度がピーク強度の１/２である１/２放射角γｈが、おおよそ強度分布の平均値の放射角である。このため、有効入射半径Ｓｅ、入射半径Ｓｒも入射強度平均値のトレースを示しているとみなせる。図１１、Ｓｅ－Ｓｒ＝Ｄｐ／２、Ｓｅ＋Ｓｒ＝Ｄｗ／２から、Ｓｅ＝１／４×（Ｄｗ＋Ｄｐ）、Ｓｒ＝１／４×（Ｄｗ－Ｄｐ）である。図１２より、Ｄｐ＝４０（μｍ）、Ｄｗ＝８０（μｍ）である。上式よりＳｅ＝３０（μｍ）、Ｓｒ＝１０（μｍ）が求まる。ＷＤ＝１００μｍの場合、γｈ＝２×ｔａｎ―１（Ｓｒ/ＷＤ）＝２×ｔａｎ―１（１０/１００）＝１１．４°である。１/２放射角γｈと１／ｅ２放射角γeが強度分布から比例関係にあるとすると、入射強度パターンより、γｅ＝２×（Ｄｅ／Ｄｈ）ｔａｎ―１（γｈ）＝２×（６６／５６）ｔａｎ-１（１０／１００）＝１３．５°が得られる。
【0047】
しかしながら、本測定のようにＷＤ＝１００～２００（μｍ）の場合、測定値は、ファーフィールドパターンではなく、より絞られたニアフィールドパターンに近い値となるため、計測値で測定した値γe＝２１．２°、γｈ＝１７．６°からずれた値になる。したがって、ファーフィールドパターン値を得るには補正が必要である。
【0048】
このような入射強度パターンから得られる値と計測値から得られた値に差異がある場合、以下のような処理を行い、差異を削減することができる。
【0049】
計測値の放射角γを用いると、ｔａｎ（γｈ/２）＝Ｓｒ/ｃＷＤである。ここで、入射強度Ｐがピーク値の1／２となる条件がＳｒ＝１０μｍ、γｈ＝１７．６°であるので、ｔａｎ（１７．６°／２）＝Ｓｒ／ｃＷＤ＝１０／ｃＷＤ＝０．１５５であり、それより、ｃＷＤ＝６４．５μｍとなる。ここで、ｃＷＤ＝Ｓｒ／ｔａｎ（γ／２）は、放射角の計測値から得られる作動距離（以下、「みなし作動距離」という。）である。
【0050】
みなし作動距離ｃＷＤを用いて、１／ｅ２放射角γｅおよび１／２放射角γｈが以下のように求まる：
γe＝２×（Ｄｅ／Ｄｈ）×ｔａｎ-1（Ｓｒ／（ｃＷＤ））
γｈ＝２×ｔａｎ-1（Ｓｒ／（ｃＷＤ））
したがって、実際に測定した１／ｅ2移動距離Ｄｅ、１／２移動距離Ｄｈの値を用いて、Ｘ方向とＹ方向のそれぞれの放射角γｅ、γｈが求まる。例えば、基準ＶＣＳＥＬの放射角を基準にして、基準の放射角との差異から放射角を設定する。このようにして、計測値からより正確に放射角を設定することができる。
γe＝２×（Ｄｅ／Ｄｈ）×ｔａｎ-1（Ｓｒ／（ｃＷＤ））
γｈ＝２×ｔａｎ-1（Ｓｒ／（ｃＷＤ））
したがって、実際に測定した１／ｅ2移動距離Ｄｅ、１／２移動距離Ｄｈの値を用いて、Ｘ方向とＹ方向のそれぞれの放射角γｅ、γｈが求まる。例えば、基準ＶＣＳＥＬの放射角を基準にして、基準の放射角との差異から放射角を設定する。このようにして、計測値からより正確に放射角を設定することができる。
【0051】
図１３は、入射面１００の曲率半径Ｒと有効入射半径Ｓｅとの関係の理論値を示したグラフである。図１３において、光プローブ１０に用いた光ファイバの開口数ＮＡが０．２９の場合と開口数ＮＡが０．２７５の場合を示した。曲率半径Ｒと有効入射半径Ｓｅとの関係は、式（１７）から求めることができる。
【0052】
有効入射半径Ｓｅとコア径Ｃｄを一致させることにより、位置偏差による伝送損失を抑制するために有効入射半径Ｓｅを最大限活用できる。有効入射半径Ｓｅとコア径Ｃｄを一致させるためには、図１３におけるＳｅ＝Ｃｒ＝４４．５μｍの条件から、ＮＡ＝０．２９、コア半径Ｃｒ＝４４．５μｍの光プローブ１０では、曲率半径Ｒを１５５μｍの近傍に設定すればよい。また、Ｓｅ＝Ｃｒ＝３１．３μｍの条件から、ＮＡ＝０．２７５、コア半径Ｃｒ＝３１．３μｍの光プローブ１０では、曲率半径Ｒを１２７μｍの近傍に設定すればよい。
【0053】
図１４は、ＮＡ＝０．２７５とＮＡ＝０．２９の光ファイバを光プローブ１０に用いたそれぞれの場合における、安定した入射強度が得られる入射安定距離Ｄｓと曲率半径Ｒの関係を示したグラフである。図１４に示した×印は、ＮＡ＝０．２９の場合の実測値をプロットしたものである。図１４に示すように、曲率半径Ｒが大きいほど、入射安定距離Ｄｓが大きい。また、光プローブ１０に使用する光ファイバのコア径Ｃｄ（＝２×Ｃｒ）が、大きいほど、入射安定距離Ｄｓは広がる。コア半径Ｃｒ＝４４．５μｍの場合は、入射安定距離Ｄｓはほぼ±３０μmまで設定できる。コア半径Ｃｒ=３１．３μｍの場合は、入射安定距離Ｄｓはほぼ±１５μｍまで設定できる。
【0054】
図１５は、入射面１００の曲率半径Ｒと最大作動距離ＷＤｍの関係を示したグラフである。コア半径Ｃｒ＝４４．５μｍ、曲率半径Ｒ＝１５５μｍの場合、最大作動距離ＷＤｍは約３００μｍ弱である。コア半径Ｃｒ＝３１．３μｍ、曲率半径Ｒ＝１２５μｍの場合で、最大作動距離ＷＤｍは約２００μｍ程度である。光プローブ１０の使用時は、ＷＤ≦ＷＤｍに設定する。
【0055】
図１６は、ＷＤ＝１００μｍの場合における、光プローブ１０に入射した光信号Ｌの損失特性を示したグラフである。図１６に示したグラフの横軸は、移動距離Ｄである。損失変動が０．１ｄＢ以内である移動距離Ｄを入射安定距離Ｄｓとすると、図１６から、Ｒ＝７５μｍの場合に入射安定距離Ｄｓは±１５μｍである。また、Ｒ＝９３μｍの場合に入射安定距離Ｄｓは±２０μｍである。Ｒ＝１１６μｍの場合に入射安定距離Ｄｓは±２０μｍ以上である。一方、入射面１００が平面である場合の入射安定距離Ｄｓは、±１７μｍである。以上から、入射面１００を曲面にすることにより、入射安定距離Ｄｓが変化し、曲率半径Ｒが大きいほど入射安定距離Ｄｓがより広がる。
【0056】
以上説明したように、第１の実施形態に係る光プローブ１０は、式（１７）に示した曲率半径Ｒ＝Ｓｅ／ｓｉｎ（ω）および式（１１）に示した中心半角ω＝±ｓｉｎ-1（｛Ｋ２2／（Ｋ１2＋Ｋ２2）｝1/2）の特性を有する。これにより、入射安定距離Ｄｓが広範囲になるように光プローブ１０の入射面１００の曲率半径Ｒが設定される。これにより、位置偏差やチルト角ζに対する入射変動が抑制され、光プローブ１０に安定して光信号Ｌを入射させることができる。その結果、光プローブ１０を用いた光半導体素子２０の測定によれば、光プローブ１０と光半導体素子２０のＸＹ平面における位置偏差やチルト角ζが生じても、光プローブ１０の入射面１００に入射する光信号Ｌの伝送損失を抑制できる。
【0057】
また、光信号Ｌの入射範囲がコア部１１１の内部となる適切な作動距離ＷＤで光プローブ１０と光半導体素子２０をＸＹ平面で相対的に移動させることにより、光信号Ｌを光プローブ１０の入射面１００に安定して入射させることができる。このため、光プローブ１０と光半導体素子２０とのＸ方向およびＹ方向での相対的な距離を変化させてそれぞれ得られる光信号Ｌの入射強度パターンから、光半導体素子２０のＸ方向の放射角γｘとＹ方向の放射角γｙを測定することができる。光信号Ｌの入射強度パターンは、光プローブ１０をＸ方向とＹ方向のそれぞれにおいて±方向に移動させることにより測定する。そして、上記に説明したように、入射強度パターンから１／ｅ２放射角γｅおよび１／２放射角γｈを求めることができる。なお、光信号Ｌの入射強度パターンを用いて放射角を求める方法は、光プローブ１０の入射面１００が平面であっても有効である。
【0058】
ところで、図１に示した光プローブ１０を複数配列して多芯の光プローブアレイを構成してもよい。例えば、ｎ本の光プローブ１０を一列に配列した構成の光プローブ群をｍ個配列して、ｎ×ｍ個の光プローブ１０をアレイ状に配置した光プローブアレイを構成する。複数の光半導体素子２０にそれぞれ対応させた光プローブ１０により構成した光プローブアレイを使用することにより、ウェハ２００にアレイ状に配置された複数個の光半導体素子２０を同時に測定することができる。これにより、ウェハ２００に形成された光半導体素子２０のトータルの測定時間を短縮することができる。
【0059】
上記の光プローブアレイを用いた測定システムの構成例を図１７に示す。図１７に示した測定システムは、光プローブ１０をアレイ状に配置した光プローブアレイを保持する光プローブヘッド１５と、複数本の電気プローブ３０を配列して構成した電気プローブアレイを保持する電気プローブヘッド３５を備える。電気プローブ３０として、例えば、カンチレバータイプ、垂直ニードルタイプ、垂直スプリングタイプなどが使用される。光プローブ１０と電気プローブ３０のそれぞれは、Ｘ方向に沿って等間隔に配置されている。図示を省略するが、Ｘ方向と同様にＹ方向に沿っても、光プローブ１０および電気プローブ３０は等間隔に配置されている。
【0060】
図１７に示す測定システムは、ウェハ２００に形成された複数の光半導体素子２０の特性測定に使用される。ステージ５０に搭載されたウェハ２００の主面には、光半導体素子２０がアレイ状に形成されている。例えば、一つの光半導体素子２０について光プローブ１０と電気プローブ３０が対で配置される。このように、１の光半導体素子２０について、光プローブ１０と電気プローブ３０を含む一つのプローブユニットが構成されている。プローブユニットは、ウェハ２００に形成された光半導体素子２０の配置に対応して配置されている。なお、図１７では、一つの測定ユニットを構成する光プローブ１０と電気プローブ３０の本数が１本ずつである場合を例示的に示した。しかし、測定ユニットに含まれる光プローブ１０と電気プローブ３０の本数は、光半導体素子２０の構成や測定内容に応じて任意に設定される。
【0061】
光プローブヘッド１５は、光プローブ駆動装置４１の制御によってＺ方向に移動する。これにより、光プローブ１０の入射面１００と光半導体素子２０とのＺ方向に沿った距離の微調整が可能である。また、電気プローブヘッド３５は、電気プローブ駆動装置４２の制御によってＺ方向に移動する。これにより、電気プローブ３０の先端と光半導体素子２０とのＺ方向に沿った距離の微調整が可能である。
【0062】
光プローブヘッド１５および電気プローブヘッド３５と光半導体素子２０とのＸ方向およびＹ方向の位置合わせは、ステージ駆動装置４３によってステージ５０を移動させることにより可能である。更に、ステージ駆動装置４３によってＺ方向を中心としてステージ５０を回転させることにより、Ｚ方向を中心とする回転方向（以下、「Ｚ回転方向」という。）について、光半導体素子２０に対して光プローブ１０と電気プローブ３０の位置を調整できる。
【0063】
なお、ステージ５０の位置を固定し、光プローブヘッド１５および電気プローブヘッド３５をＸ、Ｙ、Ｚの各方向に移動させてもよい。すなわち、光プローブ駆動装置４１および電気プローブ駆動装置４２によって、光プローブ１０および電気プローブ３０の光半導体素子２０に対する相対的な位置を調整してもよい。
【0064】
上記のように、図１７に示した測定システムによれば、光プローブ１０および電気プローブ３０と光半導体素子２０の位置合わせが可能である。なお、光プローブヘッド１５の位置と電気プローブヘッド３５の位置を独立して制御できるように、測定システムを構成してもよい。他に、光プローブヘッド１５および電気プローブヘッド３５を固定とし、ステージ５０をＸ、Ｙ、Ｚ方向、Ｚ回転方向に動かして、光プローブヘッド１５、電気プローブヘッド３５、および光半導体素子２０の位置を制御する方法も可能である。このように、光プローブ１０および電気プローブ３０と光半導体素子２０の位置合わせに、様々な調整方法を使用することができる。
【0065】
図１７に示した測定システムを介して電気信号と光信号が伝搬し、光半導体素子２０の測定が行われる。すなわち、図示を省略したテスタから出力された電気信号が、電気プローブヘッド３５に配置された接続端子（図示略）を介して、電気プローブ３０に送信される。例えば、光半導体素子２０が半導体基板に形成されたＶＣＳＥＬである場合は、電気プローブ３０によってＶＣＳＥＬの上面に配置された電気信号端子に電気信号を印加することにより、ＶＣＳＥＬが光信号Ｌを出力する。光信号Ｌは、光プローブ１０により受光される。
【0066】
光プローブ１０は、光電変換モジュール４５および電気接続端子４６を有する光電変換部４７に接続する。光半導体素子２０が出力した光信号Ｌは、光プローブ１０と光学的に接続する光電変換モジュール４５に伝搬する。光電変換モジュール４５は、光信号Ｌを電気信号に変換し、変換した電気信号を電気接続端子４６に出力する。電気接続端子４６は図示を省略するテスタと電気的に接続しており、光信号Ｌから光電変換された電気信号が電気接続端子４６からテスタに送信される。
【0067】
光電変換モジュール４５には、光信号Ｌをフォトディテクタなどにより電気信号に変換するタイプや、回折格子型デバイスにより光信号Ｌを分光し、その回折角方向により波長変動を検出するタイプが使用できる。測定用途により、光電変換モジュール４５のタイプを使い分けることができる。また、光電変換モジュール４５の手前から光信号Ｌを分岐して、複数の種類の測定を同時に行うこともできる。光電変換部４７を用いて光プローブ１０の出力を光プローブヘッド１５の近傍で光電変換することにより、測定システムの簡素化、測定時間の高速化、測定値の繰り返し再現性の向上が実現できる。このように、光プローブ１０および光プローブ１０を保持する光プローブヘッド１５を備えるプローブカードを用いて、光半導体素子２０の測定が可能である。
【0068】
【0069】
まず、ステップＳ１０において、光プローブ１０および電気プローブ３０と光半導体素子２０との位置合わせを行う。そして、Ｚ方向に沿って電気プローブ３０と光半導体素子２０の相対的な位置を変化させて、光半導体素子２０の電気信号端子に電気プローブ３０の先端を接続する。この状態で電気プローブ３０によって光半導体素子２０に電気信号を印加することにより、光半導体素子２０が光信号Ｌを出力する。
【0070】
そして、ステップＳ２０において、光信号Ｌの光強度を測定する。すなわち、光プローブヘッド１５をＺ方向に移動させて、所定の作動距離ＷＤになるように光プローブ１０を配置する。そして、光プローブ１０によって受光した光信号Ｌを光電変換モジュール４５により光電変換し、光信号Ｌの光出力をモニタする。このとき、光半導体素子２０からの光信号Ｌの出力が最大になるように、光プローブ１０の位置を制御する。そして、光信号Ｌの光出力が最大である位置で光プローブ１０を固定する。この状態で、光プローブ１０からの光信号Ｌを測定する。このようにして、光信号Ｌの光強度が得られる。
【0071】
次に、ステップＳ３０において、作動距離ＷＤを一定に保持して光プローブ１０と光半導体素子２０の相対的な位置を変化させ、入射強度パターンを取得する。そして、ステップＳ４０において、入射強度パターンから光信号Ｌの放射角γを測定する。
【0072】
例えばウェハ２００に形成されたすべての光半導体素子２０についての測定が終了するまで、上記の測定を繰り返す。なお、上記では、光信号Ｌの光強度と放射角の特性を測定する例を説明したが、光信号Ｌについて光強度や放射角以外の分光特性他、各温度特性等について測定してもよいことはもちろんである。また、これらの特性を測定する順番は任意である。
【0073】
入射面１００の曲率半径Ｒが式（１７）で設定された光プローブ１０を用いることにより、複数の光プローブ１０を配列した光プローブアレイを用いた測定においても、光信号Ｌを安定して光プローブ１０で受信することができる。つまり、光プローブアレイを用いて、光プローブ１０とウェハ２００に形成された光半導体素子２０の相対的な位置がＸＹ平面で個別に変化しても、それぞれの光半導体素子２０の光信号Ｌを入射面１００に安定して入射させることができる。このため、光プローブアレイを用いて、複数の光半導体素子２０のそれぞれの入射強度パターンを同時に測定できる。つまり、ウェハ２００に形成された光半導体素子２０について同時に、Ｘ方向の放射角γｘやＹ方向の放射角γｙを測定することができる。
【0074】
従来の放射角の測定方法では、ウェハ状態の光半導体素子２０について光信号Ｌの放射角の測定ができず、光半導体素子２０をチップ化してから、基板上に配線実装してからビームプロファイラやＦＦＰ測定器などを用いて放射角の測定を行っている。すなわち、チップ化した光半導体素子２０を基板に実装したりモジュール化したりして、光半導体素子２０について個別に光信号Ｌの放射角を測定する必要があった。このため、放射角の測定に手間と時間を要していた。また、光半導体素子２０を個別に測定するため、測定に手間を要し、すべての光半導体素子２０について測定を行うことが困難であった。また、一部の光半導体素子２０の抜き取り検査とした場合には、他の光半導体素子２０の良否判定ができないという問題がある。このため、従来の測定方法では歩留まりの改善を図ることができなかった。
【0075】
これに対し、図１７に示した測定システムによれば、光プローブ１０を用いて多芯の光プローブアレイを構成することにより、ウェハ状態の複数の光半導体素子２０について一括して光信号Ｌの放射角が測定できる。このため、測定時間が抑制できる。また、光半導体素子２０について全数の検査が可能であり、歩留まりを向上させることができる。
【0076】
以上説明したように、第１の実施形態に係る光プローブ１０によれば、入射面１００の曲率半径Ｒを調整することにより、入射安定距離Ｄｓ＝Ｓｅ－Ｓｒを広げることができる。このため、一定の作動距離ＷＤでＸＹ平面において光プローブ１０と光半導体素子２０の相対的な距離を変化させ、光信号Ｌの入射強度パターンをＸ方向とＹ方向についてそれぞれ取得できる。つまり、Ｘ方向について取得した入射強度パターンを用いてＸ方向の放射角γｘを算出し、Ｙ方向について取得した入射強度パターンを用いてＹ方向の放射角γｙを算出できる。そして、Ｘ方向とＹ方向のそれぞれについて１／ｅ２放射角γｅおよび１／２放射角γｈを求めることができる。これにより、例えばファーフィールドパターンが楕円形状の光信号Ｌについて放射角を測定できる。
【0077】
また、光プローブ１０では入射安定距離Ｄｓが広く、且つチルト角ζに起因する入射変動が抑制できる。このため、光プローブ１０を配列した光プローブアレイにより、ウェハ２００に形成された複数の光半導体素子２０を１回の位置合わせで測定した場合に、光プローブ１０と光半導体素子２０の位置ずれや角度ズレが生じても、入射変動が抑制できる。つまり、光プローブ１０のそれぞれについて、光半導体素子２０からの光信号Ｌを安定した状態で入射させることができる。
【0078】
更に、ウェハ状態において光半導体素子２０の強度測定や放射角の測定ができるため、光半導体素子２０の測定プロセスが簡素化され、測定時間を大幅に短縮できる。このとき、光プローブアレイとは別の基板に電気プローブ３０をアレイ状に配置してもよいし、光プローブアレイと電気プローブアレイを一体化した構造であってもよい。ただし、光プローブアレイと電気プローブアレイが一体構造の場合は、光半導体素子２０の電気信号端子に接触した状態で、電気プローブ３０がＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に移動する。このため、電気信号端子と接触させた状態で動かしても電気プローブ３０と電気信号端子の接触状態が変わらず、電気信号を電気信号端子に安定して供給できるように、変形可能な歪弾性特性を有する形状、併せ材料や構成を電気プローブ３０に採用する。
【0079】
（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る光プローブ１０は、図１９に示すように、第１領域１０１と第２領域１０２を連結した構成を有する。第１領域１０１の一方の端面が入射面１００であり、第１領域１０１の他方の端面が第２領域１０２の端面と接合する。第１領域１０１と第２領域１０２の中心軸Ｃ１０は一致する。
第２の実施形態に係る光プローブ１０は、図１９に示すように、第１領域１０１と第２領域１０２を連結した構成を有する。第１領域１０１の一方の端面が入射面１００であり、第１領域１０１の他方の端面が第２領域１０２の端面と接合する。第１領域１０１と第２領域１０２の中心軸Ｃ１０は一致する。
【0080】
入射面１００が形成された第１領域１０１は、第１の実施形態で説明した光プローブ１０と同様の構造を有する。すなわち、第１領域１０１の入射面１００は、式（１７）および式（１１）の関係を満足するように曲率半径Ｒや中心半角ωが設定された曲面である。例えば、第１領域１０１にＧＩ型光ファイバを使用する。
【0081】
図１９に示した光プローブ１０は、例えば以下のように製造される。まず、第１領域１０１とする大口径のＧＩ型光ファイバと、第２領域１０２とする標準的な口径のＧＩ型光ファイバとの、端面同士を融着接続する。そして、大口径のＧＩ型光ファイバを、第１領域１０１の所定の長さにカットする。その後、大口径のＧＩ型光ファイバの端面を曲率半径Ｒになるように加工する。
【0082】
第１領域１０１の長さＴは、第１領域１０１と第２領域１０２の境界で光信号Ｌが焦点を結ぶように設定すればよい。ＧＩファイバを用いた場合、Ｔ＝２π×Ｐ／Ａ1/2とする。ここで、Ｐはピッチ長であり、１ピッチで１周期である。Ａ1/2は屈折率分布定数であり、中心軸Ｃ１０とクラッド部１１２の屈折率による比屈折率差Δ、コア半径Ｃｒにより定まる定数である。仮にＰ＝０．２７とした場合、Ｔ＝０．５４π／Ａ1/2である。したがって、第１領域１０１と第２領域１０２の境界の近傍を光信号Ｌの焦点位置とするには、ＷＤ＝０．４６π×ｎ（ｃ）／Ａ1/2とすると、光半導体素子２０から第１領域１０１と第２領域１０２の境界までの合計の距離が半周期の０．５Ｐになる。これにより、第１領域１０１と第２領域１０２の境界の近傍で光信号Ｌが焦点を結び、第１領域１０１に融着接続した第２領域１０２のコア内部に光信号Ｌが入射する。
【0083】
また、図１９に示したように、第１領域１０１のコア半径Ｃｒ１及びプローブ半径Ｄｒ１と、第２領域１０２のコア半径Ｃｒ２及びプローブ半径Ｄｒ２が異なっていてもよい。図１９に示した光プローブ１０は、第１領域１０１と第２領域１０２とでクラッド部１１２の厚さが同等で、且つ第２領域１０２の径が第１領域１０１の径よりも小さい。すなわち、第１領域１０１のコア半径Ｃｒが、第２領域１０２のコア半径Ｃｒ２よりも大きい。例えば、第１領域１０１に大口径のＧＩ型光ファイバを用い、第２領域１０２に標準的な口径のＧＩ型光ファイバを用いて光プローブ１０を構成してもよい。第２領域１０２に標準的な口径のＧＩ型光ファイバを使用する構成により、光プローブ１０の端部を標準的なコア径の光ファイバを用いた光回路用部品、カプラー、光スイッチなどに接続して、低損失な多入力光回路を実現できる。
【0084】
（第３の実施形態）
図２０に示した第３の実施形態に係る光プローブ１０は、入射面１００から中心軸Ｃ１０に沿って一定の長さＵに渡って、コア部１１１の屈折率を増大する添加物が拡散されている。図２０に示した光プローブ１０は、入射面１００から長さＵまでの第１領域１０１、第１領域１０１に連結した第２領域１０２を有する。例えば、コア径Ｃｄが通常の５０μｍ又は６２．５μｍの光ファイバを使用した第１領域１０１を１２００～１４００℃程度に加熱する。これにより、第２領域１０２に存在するコア部１１１内の屈折率を増大させる、例えばゲルマニウム（Ｇｅ）などの物質を第１領域１０１に拡散する。
図２０に示した第３の実施形態に係る光プローブ１０は、入射面１００から中心軸Ｃ１０に沿って一定の長さＵに渡って、コア部１１１の屈折率を増大する添加物が拡散されている。図２０に示した光プローブ１０は、入射面１００から長さＵまでの第１領域１０１、第１領域１０１に連結した第２領域１０２を有する。例えば、コア径Ｃｄが通常の５０μｍ又は６２．５μｍの光ファイバを使用した第１領域１０１を１２００～１４００℃程度に加熱する。これにより、第２領域１０２に存在するコア部１１１内の屈折率を増大させる、例えばゲルマニウム（Ｇｅ）などの物質を第１領域１０１に拡散する。
【0085】
屈折率を増大させる物質を第１領域１０１に添加することにより、光信号Ｌの半径方向の伝搬領域が増大する。その結果、入射面１００のコア径Ｃｄが８０μｍ～１００μｍ程度に拡大する。これにより、光信号Ｌの入射面１００における入射領域が拡大し、トレランス特性を向上させることができる。この場合、コア径Ｃｄを拡大することで、中心軸Ｃ１０でのコア部１１１の屈折率ｎ（ｃ）が減少する。このため、開口数ＮＡが小さくなり、入射面１００の曲率半径ＲによりＮＡの値を調整することができる。
【0086】
上記のように通常の光ファイバを用いて光プローブ１０を構成にすることにより、分岐回路、光スイッチングなどの光回路系の素子と光プローブ１０の接続が容易になる。したがって、光プローブ１０を光学測定系において扱いやすくできる。
【0087】
（その他の実施形態）
上記のように本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
上記のように本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【0088】
例えば、上記では屈折率分布型の光ファイバを用いた光プローブ１０について説明したが、ステップインデックス型の光ファイバを用いて光プローブ１０を構成してもよい。
また、等間隔に設置した光導波路構造のもので、入射面１００を曲率半径Ｒ形状に整形した構造、また、同形状機能を有するレンズを装着した構造でも等価に実現できる。
また、等間隔に設置した光導波路構造のもので、入射面１００を曲率半径Ｒ形状に整形した構造、また、同形状機能を有するレンズを装着した構造でも等価に実現できる。
【0089】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態などを含むことはもちろんである。
【符号の説明】
【0090】
１０…光プローブ
１５…光プローブヘッド
２０…光半導体素子
３０…電気プローブ
３５…電気プローブヘッド
４１…光プローブ駆動装置
４２…電気プローブ駆動装置
４３…ステージ駆動装置
５０…ステージ
１００…入射面
１１１…コア部
１１２…クラッド部
２００…ウェハ
１５…光プローブヘッド
２０…光半導体素子
３０…電気プローブ
３５…電気プローブヘッド
４１…光プローブ駆動装置
４２…電気プローブ駆動装置
４３…ステージ駆動装置
５０…ステージ
１００…入射面
１１１…コア部
１１２…クラッド部
２００…ウェハ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】