JP2023028421A - 光源装置及び測距装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】レーザ光の光量を落とすことなくレーザ光の発振タイミングの検出精度を向上しうる光源装置を提供する。【解決手段】開示の光源装置は、第１の反射鏡と、第２の反射鏡と、第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間に設けられた活性層を含む共振器スペーサ部と、を有し、レーザ光である第１の光と、自然放出光である第２の光と、を射出する発光素子と、第２の光の光量を検出する受光素子と、受光素子が検出した第２の光の光量の低下に基づき第１の光が発振したタイミングを検知する判定部、とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、光源装置及び測距装置に関する。
ＴｏＦ（Time of Flight：飛行時間）方式のＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging：光検出と測距）用光源として、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER：垂直共振器型面発光レーザ素子）が注目されている。ＶＣＳＥＬは、温度に対する波長依存性が少ない利点がある。
上記のシステムにおいて高精度の測距を行うために光源に求められる１つの要件として、高強度の短パルス光を発振できることが挙げられる。特許文献１及び特許文献２には、高強度の短パルス光を発振しうる光源として、活性層にキャリアをため込み一気にレーザ光を放出するＶＣＳＥＬが開示されている。
特表２０２０－５２４９１０号公報 米国特許出願公開第２０１４／０１６９３９７号明細書
しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載のＶＣＳＥＬでは、動作環境や物性値の変化によってレーザ発振のタイミングが変動し、測距精度が低下することがあった。生成されたレーザ光の一部を利用してレーザ発振のタイミングを知ることは可能であるが、測距対象物に照射するレーザ光の光量が減少するため最大測距可能距離が短くなる懸念があった。
本発明の目的は、レーザ光の光量を落とすことなくレーザ光の発振タイミングの検出精度を向上しうる光源装置を提供することにある。
本明細書の一開示によれば、第１の反射鏡と、第２の反射鏡と、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間に設けられた活性層を含む共振器スペーサ部と、を有し、レーザ光である第１の光と、自然放出光である第２の光と、を射出する発光素子と、前記第２の光の光量を検出する受光素子と、前記受光素子が検出した前記第２の光の光量の低下に基づき、前記第１の光が発振したタイミングを検知する判定部とを有する光源装置が提供される。
本発明によれば、レーザ光の光量を落とすことなくレーザ光の発振タイミングの測定精度を向上しうる光源装置を実現することができる。また、このような光源装置を用いることで、測距精度の高い高性能の測距装置を実現することができる。
本発明の第１実施形態による光源装置の構成例を示す概略図である。 比較例による発光素子の光出力波形を示すグラフである。 本発明の第１実施形態による発光素子の光出力波形を示すグラフである。 本発明の第１実施形態による発光素子の活性層に蓄積されるキャリアの密度及び光強度の時間変化を示すグラフである。 キャリア密度微分値の時間変化を示すグラフである。 光強度及びキャリア密度二階微分値の時間変化を示すグラフである。 本発明の第２実施形態による光源装置の構成例を示す概略図である。 本発明の第２実施形態による光源装置の発光素子と受光素子との位置関係を示す上面図である。 受光素子の出力及び暗電流と、発光素子と受光素子との間の距離との関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態の変形例による光源装置の構成例を示す上面図（その１）である。 本発明の第２実施形態の変形例による光源装置の構成例を示す上面図（その２）である。 本発明の第３実施形態による光源装置の構成例を示す概略図である。 本発明の第３実施形態による光源装置の構成例を示す上面図である。 本発明の第４実施形態による光源装置の構成例を示す概略図である。 受光素子の出力と、発光素子と受光素子との間の距離との関係を示すグラフである。 発光素子の利得スペクトル及び自然放出光スペクトルを示すグラフ（その１）である。 発光素子の利得スペクトル及び自然放出光スペクトルを示すグラフ（その２）である。 本発明の第５実施形態による光源装置の構成例を示す概略図である。 比較例による発光素子の活性層に蓄積されるキャリアの密度及び光強度の時間変化を示すグラフである。 本発明の第６実施形態による光源装置の構成例を示す概略図である。 本発明の第７実施形態による光源装置の構成例を示す概略図（その１）である。 本発明の第７実施形態による光源装置の構成例を示す概略図（その２）である。 本発明の第８実施形態による測距装置の概略構成を示すブロック図である。 比較例の半導体発光素子における環境温度の変化や経時的な物理パラメータの変化による光波形の変化を示すグラフである。 本発明の半導体発光素子における環境温度の変化や経時的な物理パラメータの変化による光波形の変化を示すグラフである。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による光源装置について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態による光源装置の構成例を示す概略図である。
本実施形態による光源装置１００は、図１に示すように、発光部１１０と、発光タイミングモニター部１２０と、判定部１３０と、を有する。図１には発光部１１０と発光タイミングモニター部１２０と判定部１３０とが別々の部品であるように記載しているが、これらのうちのいずれか２つ又は総てが１つの部品として構成されていてもよい。
発光部１１０は、半導体発光素子、具体的には、分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）を有する垂直共振器型面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）を含んで構成され得る。図１には、発光部１１０を構成する発光素子１１２の概略断面図を示している。
発光素子１１２は、半導体基板１０と、下部ＤＢＲ層１２と、共振器部１４と、上部ＤＢＲ層２４と、電極７２，７４と、を有する。共振器部１４は、第１導電型（例えばｎ型）の半導体層１６と、ノンドープスペーサ部１８と、第２導電型（例えばｐ型）の半導体層２２と、を有する。下部ＤＢＲ層１２、半導体層１６、ノンドープスペーサ部１８、半導体層２２、及び上部ＤＢＲ層２４は、この順番で半導体基板１０の一方の面の側（図１において上側）に積層されている。ノンドープスペーサ部１８の中には、活性層２０が設けられている。上部ＤＢＲ層２４の中には、酸化狭窄層２６が設けられている。下部ＤＢＲ層１２と上部ＤＢＲ層２４との間に位置する層（共振器部１４）が、共振器スペーサ部である。
ノンドープスペーサ部１８、半導体層２２及び上部ＤＢＲ層２４は、メサ状に加工されている。ノンドープスペーサ部１８、半導体層２２及び上部ＤＢＲ層２４をメサ状に加工することにより露出した半導体層１６の上には、半導体層１６に対してオーミックコンタクトを形成する電極７２が設けられている。上部ＤＢＲ層２４の上には、上部ＤＢＲ層２４に対してオーミックコンタクトを形成する電極７４が設けられている。メサの側壁などには、半導体面の変質などを防ぐ目的で保護膜（図示せず）が設けられ得る。
半導体基板１０は、例えば、ＧａＡｓ基板により構成され得る。下部ＤＢＲ層１２は、例えば、光学膜厚が１／４λｃであるＡｌ０．１ＧａＡｓ層とＡｌ０．９ＧａＡｓ層との積層体を１ペアとして、これを３５ペア積層することにより構成され得る。ここで、λｃは下部ＤＢＲ層１２の高反射帯域の中心波長であり、本実施形態では９４０ｎｍである。
共振器部１４は、通常のＶＣＳＥＬにも存在するｐ－ｉ－ｎ接合からなり、ｉ層内に活性層を含んだ共振器部と類似の構成である。すなわち、共振器部１４は、第１導電型の半導体層１６、ノンドープスペーサ部１８及び第２導電型の半導体層２２からなるｐ－ｉ－ｎ接合により構成されている。共振器部１４の光学厚さは、例えば２λｃであり得る。
ノンドープスペーサ部１８に配された活性層２０は、例えば、厚さ８ｎｍのＩｎＧａＡｓ井戸層を厚さ１０ｎｍのＡｌＧａＡｓ障壁層で挟んだ量子井戸を４層含む多重量子井戸により構成され得る。ＡｌＧａＡｓ障壁層は、通常のＶＣＳＥＬの量子井戸層で用いられる障壁層と比較してバンドギャップを小さくしており、それにより障壁層にもキャリアの蓄積をするように設計されている。半導体層１６はｎ型ＧａＡｓ層により、半導体層２２はｐ型ＧａＡｓ層により、ノンドープスペーサ部１８のその他の部分はノンドープＧａＡｓ層により、それぞれ構成され得る。
活性層２０は、一般的なＶＣＳＥＬの設計で用いられる定在波の腹の位置ではなく、定在波の腹の位置からずらした位置に配置されていることが望ましい。例えば、活性層２０は、定在波因子（standing wave factor）が０．２（ξ＝０．２）となる位置に配置され得る。このように構成することで、活性層２０の中にキャリアをため込み一気に放出することが可能となり、短パルス光のレーザ光を放出することができる。
上部ＤＢＲ層２４は、例えば、光学膜厚が１／４λｃであるｐ型のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層とＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層との積層体を１ペアとして、これを２０ペア積層することにより構成され得る。上部ＤＢＲ層２４の中には、厚さ３０ｎｍのＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層の一部が酸化されてなる酸化狭窄層２６が設けられている。酸化狭窄層２６は、例えば、製造時にＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層をメサの側面から水蒸気によって酸化することにより形成することができる。酸化狭窄層２６は、メサの中心部分の非酸化部と、メサの側壁近傍の酸化部と、を有する。これにより、発光素子１１２に注入された電流は非酸化部のみを流れるため、発光素子１１２は平面視においてメサの中心部分と重なる部分のみがレーザ発振する。
発光素子１１２を駆動することにより、上部ＤＢＲ層２４の上面のうち電極７４が設けられていない第１部分８２からは主にレーザ光８４が射出され、活性層２０の端部である第２部分８６からは主に自然放出光８８が射出される。レーザ光８４は、半導体基板１０の法線と平行な方向（図１においてＺ方向）の成分を含み得る。また、自然放出光８８は、半導体基板１０の表面に平行な方向（図１においてＸ方向又はＹ方向）の成分を含み得る。別の言い方をすると、発光素子１１２は、レーザ光８４を第１の方向に射出し、自然放出光８８を第１の方向と交差する第２の方向に射出する。
発光タイミングモニター部１２０は、光の入射に応じて電気信号を生成する受光部１２４を有する。発光タイミングモニター部１２０は、発光素子１１２の第２部分８６から放出された自然放出光８８が受光部１２４に入射するように、発光部１１０に隣接して配置される。
判定部１３０は、発光タイミングモニター部１２０に接続されており、発光タイミングモニター部１２０の受光部１２４への自然放出光８８の入射に応じて発光素子１１２におけるレーザ発振の開始のタイミングを検出する機能を備える。
本実施形態の発光素子１１２は、閾値キャリア密度（レーザ発振をするために必要な利得を発生させるキャリア密度）を超えて活性層にキャリアをため込む機構を有しており、活性層２０にキャリアをため込み一気に放出する動作をするＶＣＳＥＬである。このようなＶＣＳＥＬにおいて、一般的なＶＣＳＥＬにおける発光タイミングの検知と同様に自然放出光の立ち上がりを検知しようとすると、以下のような課題が生じることが本発明者等により初めて明らかとなった。
図２及び図３は、発光素子の光出力波形を計算により求めた結果を示すグラフである。図２は比較例による発光素子の光出力波形であり、図３は本実施形態の発光素子１１２の光出力波形である。
定在波の腹の位置に活性層を配置した一般的なＶＣＳＥＬの場合、例えば図２に示すように、電流の注入開始から７０ｐｓ程度で発振が始まり、光出力が立ち上がる。そして、光出力は緩和振動に伴う光波形のピークに到達し、その後、定常値に収束する。
一方、本実施形態の発光素子１１２は、最大ピーク値を有し、かつ、最大ピーク値の後に所定の光強度である安定値へと収束するプロファイルを有する光を射出する。すなわち、本実施形態の発光素子１１２では、例えば図３に示すように、電流の注入開始から６００ｐｓ程度経過した後に発振が始まる。
図４は、活性層２０に蓄積されているキャリアの密度及び光強度の時間変化を計算により求めた結果を示すグラフである。発光素子１１２に注入する電流は、図３と同様の波形を有し、時間軸の４Ｅ－１０秒の時点から注入が開始されるものとする。発光素子１１２の閾値キャリア密度（発振開始後に収束するキャリア密度）は、２．７Ｅ＋２４ｍ－３（図４に一点鎖線で表す）であるものとする。なお、図４における光強度はレーザ光８４の光強度であり、図４におけるキャリア密度は自然放出光８８の光強度に相関する。すなわち、キャリア密度が高いほど、自然放出光８８の光強度は高くなる。
図４に示すように、活性層２０のキャリア密度は、電流注入の開始とともに上昇し始める。本実施形態の発光素子１１２における閾値キャリア密度は２．７Ｅ＋２４ｍ－３であるが、レーザ発振が始まる前の状態では、キャリアは一時的に閾値キャリア密度を超えて蓄積し続ける。その後、レーザ発振が始まると、誘導放出によってキャリアが急激に消費され、安定値に収束する。
このように、本実施形態の発光素子１１２では、閾値キャリア密度を超えてより多くのキャリアを活性層２０に蓄積する。そして、レーザ発振の開始後に活性層２０に蓄積されたキャリアを誘導放出によってフォトンに変換する。これにより、図３に示すような尖頭値が高く半値幅の狭い光パルスを出力することができる。この光パルスは、ＶＣＳＥＬを駆動する電流パルスよりも短いパルスとなる。
ここで、自然放出光の光強度の増減及びレーザ光の強度の増減の時間変化に着目すると、図４に示すように、自然放出光の光強度（キャリア密度）がピーク値を過ぎ、急激に低下している間に、レーザ光の光強度（光出力）がピーク値に達していることが判る。具体的には、自然放出光の光強度のピーク時刻とレーザ光の光強度のピーク時刻との間には１００ｐｓ程度のずれが生じている。このため、本実施形態の発光素子１１２のような短パルスＶＣＳＥＬでは、自然放出光８８の立ち上がりを検出し、その検出時間をそのままレーザ光８４の発振タイミングとして適用することは難しい。
上述のように、発光素子１１２から放出されるレーザ光８４と自然放出光８８とは強度ピークが現れるタイミングが異なるため、発光タイミングモニター部１２０の受光部１２４はレーザ光８４を受光しないように構成されていることが好ましい。これには、例えば、発光タイミングモニター部１２０のレーザ光８４が出射される側（図１において上側）に遮光膜を配置する方法を適用し得る。或いは、発光素子１１２と発光タイミングモニター部１２０との間に、自然放出光８８は透過するがレーザ光８４は透過しない波長フィルタ、すなわちレーザ光８４の波長域に対してバンドストップフィルタ、あるいはロングパスフィルタの機能を有する波長フィルタを配置する方法を適用し得る。
発光タイミングモニター部１２０に入射した自然放出光８８は、受光部１２４における光電変換によって電気信号に変換され、受光部出力として時間情報とともに判定部１３０へと出力される。
判定部１３０は、発光タイミングモニター部１２０から受信した受光部出力及び時間情報から、自然放出光８８の光量の時間的な変化を検出し、発光素子１１２からレーザ光８４が出力されたか否かを判定する。つまり、判定部１３０は、発光素子１１２におけるレーザ発振のタイミングを検出する。
ここで、自然放出光８８の強度のサンプリング間隔は、光源装置１００が搭載される装置に求められる特性等に応じて適宜設定され得る。例えば、本実施形態の光源装置１００が測距装置に適用される場合にあっては、その測距装置に求められる測距精度に応じて適宜設定され得る。例えば、距離分解能１ｃｍの測距精度が求められる場合、光が１ｃｍの距離を往復するのに要する時間はおよそ６７ｐｓｅｃであり、自然放出光８８のサンプリング間隔はその１／１０程度以下であることが好ましい。なお、自然放出光８８のサンプリングは、タイミング発生器等を利用することで、所望の測距精度に応じた一定時間毎に行うことができる。
次に、レーザ光８４の発振タイミングを検知する方法について、図５及び図６を用いて説明する。なお、ここではレーザ光８４の発振タイミングを検知する方法のいくつかを説明するが、レーザ光８４の発振タイミングを検知する方法はこれらに限定されるものではない。
レーザ光８４の発振タイミングを検知する第１の方法としては、キャリア密度の微分値を用いる方法が挙げられる。図５は、図４に示したキャリア密度値を時間微分し、時間軸の一部を拡大したグラフである。図５における縦軸の値は、実際には、発光タイミングモニター部１２０における光出力値の微分値に相当する。
第１の方法は、キャリア密度の微分値に対して所定の閾値を設定し、キャリア密度の微分値が閾値以下になった時刻をレーザ光８４の発振タイミングとして設定する方法である。例えば図５において、キャリア密度微分値の閾値を－１（図５中に一点鎖線で表す）に設定したものとすると、レーザ光８４の発振タイミングは１．０５Ｅ－９ｓｅｃとなる。なお、実際のレーザ光の発振タイミングと上記のように算出されたタイミングとのずれが測距精度に対して大きい場合には、閾値をより適切な値に調整すればよい。
図５のグラフにおいてキャリア密度の微分値に対して所定の閾値を設定する代わりに、キャリア密度微分値が最大値となる時刻とキャリア密度微分値が最小値となる時刻との間の中間の時刻を、レーザ光８４のピーク時刻と推定することもできる。
レーザ光８４の発振タイミングを検知する第２の方法としては、キャリア密度の二階微分値を用いる方法が挙げられる。図６は、図５に示したキャリア密度微分値を更に時間微分、つまり図４に示したキャリア密度値を二階微分したグラフである。図６には、図４に示したレーザ光強度の時間変化を併せて示している。
図６に示すように、キャリア密度の二階微分値がピーク値を示す時刻と、レーザ光強度がピーク値を示す時刻とは、ほぼ一致している。したがって、自然放出光８８について光強度の二階微分値がピーク値を示す時刻を検知することで、レーザ光８４の強度がほぼピーク値となる時刻を検知することができる。
レーザ光８４の発振タイミングを検知する方法としては、上述のような自然放出光８８の光量の低下に基づいて検知する方法のほか、ルックアップテーブルを用いる方法が挙げられる。この場合、自然放出光８８のピーク時刻に対するレーザ光８４のピーク時刻の遅延時間を温度依存等の環境情報をも含めて予め測定しておき、これらの関係を表すルックアップテーブルを用意しておく。動作時の環境情報をもとにルックアップテーブルを参照することで、当該環境情報に応じたレーザ光８４のピーク時刻を適切に予測することができる。
このようにして算出したレーザ光の発振タイミングの時刻と、対象物に照射されたレーザ光の戻り光を発光タイミングモニター部１２０が検出した時刻との差分から、対象物までの距離を精度よく測定すること可能となる。
自然放出光８８のピーク時刻を決定する方法としては、例えば、ドライバ電流を印加した後の一定期間のうち受光部出力が最大となった時刻を選択する方法、自然放出光８８の強度の微分値がプラスからマイナスになった時刻を選択する方法等が挙げられる。
なお、本実施形態は、レーザ光の発振タイミングを検知することを主たる目的としているが、上記構成を用いて光源装置１００の故障を検知することも可能である。例えば、自然放出光８８の光量が低下しない（変化しない）ことが検知された場合、レーザ光８４をモニターしなくてもレーザ光が発振していないことが判るため、発光タイミングモニター部１２０の出力を光源装置１００の故障検知に利用することができる。
このように、本実施形態によれば、自然放出光を用いてレーザ光の発振タイミングを検知するので、レーザ光の光量を落とすことなくレーザ光の発振タイミングの測定精度を向上することができる。また、本実施形態の光源装置をＬｉＤＡＲ（ＬｉｇｈｔＩｍａｇｉｎｇ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）システムに搭載することで、測距精度の良いＬｉＤＡＲシステムを実現することができる。
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による光源装置について、図７を用いて説明する。第１実施形態による光源装置と同様の構成には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図７は、本実施形態による光源装置の構成例を示す概略図である。
本実施形態による光源装置は、基本的な構成は第１実施形態による光源装置と同様である。本実施形態による光源装置１００が第１実施形態による光源装置と異なる点は、図７に示すように、発光素子１１２と、発光タイミングモニター部１２０を構成する受光素子１２２とが、同一の半導体基板の上に形成されていることである。
発光素子１１２は、第１導電型（例えばｎ型）の半導体基板１０ｎと、第１導電型（例えばｎ型）の下部ＤＢＲ層１２ｎと、共振器部１４と、第２導電型（例えばｐ型）の上部ＤＢＲ層２４と、電極７２，７４と、を有する。共振器部１４は、第１導電型（例えばｎ型）の半導体層１６と、ノンドープスペーサ部１８と、第２導電型（例えばｐ型）の半導体層２２と、を有する。下部ＤＢＲ層１２ｎ、半導体層１６、ノンドープスペーサ部１８、半導体層２２、及び上部ＤＢＲ層２４は、この順番で半導体基板１０ｎの一方の面の側に積層されている。ノンドープスペーサ部１８の中には、活性層２０が設けられている。上部ＤＢＲ層２４の中には、酸化狭窄層２６が設けられている。
受光素子１２２は、発光素子１１２と同様の半導体積層構造によって構成された半導体受光素子であり得る。すなわち、受光素子１２２は、第１導電型（例えばｎ型）の半導体基板１０ｎと、第１導電型（例えばｎ型）の下部ＤＢＲ層１２ｎと、共振器部１４と、上部ＤＢＲ層２４と、電極７２，７６と、を有する。共振器部１４は、第１導電型（例えばｎ型）の半導体層１６と、ノンドープスペーサ部１８と、第２導電型（例えばｐ型）の半導体層２２と、を有する。下部ＤＢＲ層１２ｎ、半導体層１６、ノンドープスペーサ部１８、半導体層２２、及び上部ＤＢＲ層２４は、この順番で半導体基板１０ｎの一方の面の側に積層されている。ノンドープスペーサ部１８の中には、活性層２０が設けられている。上部ＤＢＲ層２４の中には、酸化狭窄層２６が設けられている。受光素子１２２の活性層２０が、発光タイミングモニター部１２０の受光部１２４となる。
半導体層１６、ノンドープスペーサ部１８、半導体層２２及び上部ＤＢＲ層２４は、メサ状に加工されており、発光素子１１２と受光素子１２２との間で分離されている。なお、図７の例では上部ＤＢＲ層２４から半導体層１６までをメサ状に加工しているが、発光素子１１２と受光素子１２２とを分離する深さは、必ずしもこの例に限定されるものではない。すなわち、発光素子１１２は、その中心部分でレーザ発振するように構成されていればよく、発光素子１１２と受光素子１２２とは、少なくとも酸化狭窄層２６の半導体基板１０ｎの側までの領域が分離されていればよい。
半導体基板１０ｎの、下部ＤＢＲ層１２ｎが設けられた面とは反対の面の側には、半導体基板１０ｎに対してオーミックコンタクトを形成する電極７２が設けられている。発光素子１１２の上部ＤＢＲ層２４の上には、上部ＤＢＲ層２４に対してオーミックコンタクトを形成する電極７４が設けられている。受光素子１２２の上部ＤＢＲ層２４の上には、上部ＤＢＲ層２４に対してオーミックコンタクトを形成する電極７６が設けられている。メサの側壁などには、半導体面の変質などを防ぐ目的で保護膜（図示せず）が設けられ得る。
電極７２は、発光素子１１２及び受光素子１２２に共通の電極である。電極７６は、レーザ光８４が受光部１２４（受光素子１２２の活性層２０）に入射するのを防止するための遮光膜としての機能を備え得る。レーザ光８４は、半導体基板１０ｎに対して鉛直方向（図７において上側）に放出されるが、その先にある光学系や実装部品（図示せず）等の影響により、反射光や迷光等が受光部１２４に入射する場合がある。このような反射光や迷光の入射を防ぐため、電極７６は、受光部１２４の上部の全体を覆うように配置することが好ましい。
半導体基板１０ｎは、例えば、ｎ型のＧａＡｓ基板により構成され得る。下部ＤＢＲ層１２ｎは、例えば、光学膜厚が１／４λｃであるｎ型のＡｌ０．１ＧａＡｓ層とＡｌ０．９ＧａＡｓ層との積層体を１ペアとして、これを３５ペア積層することにより構成され得る。ここで、λｃは下部ＤＢＲ層１２の高反射帯域の中心波長であり、本実施形態では９４０ｎｍである。上部ＤＢＲ層２４は、例えば、光学膜厚が１／４λｃであるｐ型のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層とＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層との積層体を１ペアとして、これを２０ペア積層することにより構成され得る。共振器部１４は、第１実施形態の発光素子１１２と同様の構成であり得る。
発光素子１１２は、電極７２と電極７４との間に供給される順バイアス電圧によって駆動される。発光素子１１２に注入された電流は酸化狭窄層２６が設けられていないメサの中心部分の非酸化部のみを流れるため、発光素子１１２は平面視においてメサの中心部分と重なる部分のみがレーザ発振する。受光素子１２２は、電極７２と電極７６との間に供給される逆バイアス電圧によって駆動され、活性層２０（受光部１２４）に入射した自然放出光８８の光量を検出する。判定部１３０は、受光素子１２２（発光タイミングモニター部１２０）から受信した時間毎の光量情報に基づき、レーザ光８４の発振タイミングを検出する。
次に、発光素子１１２と受光素子１２２との間の位置関係について、図７乃至図９を用いて説明する。
図８は、本実施形態の光源装置における発光素子及び受光素子の位置関係を示す上面図である。図７における発光素子及び受光素子の断面は、図８のＡ－Ａ′線断面に相当する。なお、図７及び図８に示す座標系において、Ｘ－Ｙ平面は半導体基板１０ｎの表面に平行な面であり、Ｚ方向は半導体基板１０ｎの法線方向と平行な方向である。
電極７４には、パッド電極７４Ｐが接続されている。パッド電極７４Ｐは、電極７４に電圧を供給するための配線が接続される電極である。電極７４とパッド電極７４Ｐとは、例えば図８に示すように、連続する１つの電極パターンにより構成され得る。図８において破線で示した部分が、図７における電極７４の外周部に相当する。
同様に、電極７６には、パッド電極７６Ｐが接続されている。パッド電極７６Ｐは、電極７６に電圧を供給するための配線が接続される電極である。電極７６とパッド電極７６Ｐとは、例えば図８に示すように、連続する１つの電極パターンにより構成され得る。図８において破線で示した部分が、図７における電極７６に相当する。
ここで、発光素子１１２と受光素子１２２とは、図８に示す座標系において、Ｘ方向に並んで配されているものとする。そして、発光素子１１２の端面から受光素子１２２の活性層２０の端面までの距離がＬ１であるものとする。また、図８に示す座標系において、電極７６のＸ方向に沿った一辺の長さがＬ２であり、電極７６のＹ方向に沿った電極７６の長さがＬ３であるものとする。
図９は、受光素子１２２の出力及び電極７２，７６間に流れる暗電流の距離Ｌ１依存性を示すグラフである。図９中、実線が受光素子１２２の出力であり、点線が受光素子１２２の電極７２，７６間に流れる暗電流を示している。ここでは、長さＬ２及び長さＬ３がともに１００μｍである場合を想定している。
図９に示すように、受光素子１２２の電極７２，７６間に流れる暗電流は、発光素子１１２の端面から受光素子１２２の活性層２０の端面までの距離Ｌ１によらず一定である。すなわち、受光素子１２２の構成が決まれば、電極７２，７６間に流れる暗電流は、距離Ｌ１によらずに一定となる。
一方、受光素子１２２の出力は、距離Ｌ１が短くなるほど大きくなる傾向にあり、図９の例では、距離Ｌ１が約３０μｍを下回ると急激に増加している。そして、距離Ｌ１が１１μｍよりも短くなると、受光素子１２２の出力は暗電流を上回る。つまり、距離Ｌ１を１１μｍよりも短くすることにより、発光素子１１２から放出される自然放出光８８を受光素子１２２により検出することが可能となる。自然放出光８８の光量の増減を精度よく検出するためには、距離Ｌ１を８μｍ以下に設定することが好ましい。距離Ｌ１を８μｍ以下に設定することで、Ｓ／Ｎ比は２以上となる。
受光素子１２２における出力と距離Ｌ１との関係や暗電流の値は、受光素子１２２の面積（長さＬ２，Ｌ３）に応じて変化する。受光素子１２２の面積を大きくすれば暗電流も増大するが、検出光量、つまり検出電流値も増大する。この場合、Ｓ／Ｎ比は変わらないが、検出電流値が大きいため判定部１３０での信号処理においてノイズに強くなり、回路設計がより容易になる、回路設計の必要精度が緩和される、等の利点が得られる。このような観点から、受光素子１２２の面積を大きくし、検出電流値を大きくすることが好ましい。
本実施形態のように発光素子１１２と受光素子１２２とを同一の半導体基板の上に形成する場合、発光素子１１２と受光素子１２２との間の距離Ｌ１は、フォトリソグラフィ工程のプロセス作製精度に応じた精度で正確に制御することができる。
本実施形態では発光部１１０が有する発光素子１１２が１つの場合を例示したが、発光部１１０が有する発光素子１１２の数は１つに限定されるものではなく、発光部１１０が複数の発光素子１１２を有していてもよい。
図１０は、発光部１１０が、平面視において一直線に並ぶ３つの発光素子１１２を有する場合を示している。複数の発光素子１１２が一直線に並んで配されている場合、受光素子１２２は、図１０に示すように、受光面であるその端部を発光素子１１２が並ぶ方向に対して平行になるように配置することが好ましい。同時に駆動する複数の発光素子１１２に対して発光タイミングモニター部１２０をこのように配置することで、Ｓ／Ｎ比は変わらないが、検出電流値を大きくすることができる。なお、発光部１１０が有する発光素子１１２の数は、３つに限定されるものではない。
図１１は、発光部１１０が、平面視において受光素子１２２を囲むように配された４つの発光素子１１２を有する場合を示している。同時に駆動する複数の発光素子１１２に対して発光タイミングモニター部１２０をこのように配置することで、発光タイミングモニター部１２０に入射する光量、つまり信号量が増えるため、Ｓ／Ｎ比を増加することができる。ここで、発光素子１１２のメサ上からの取り出し電極（電極７４に接続される部分）は、図１１に示すように、できるだけ受光素子１２２側を避けて配置することが好ましい。このようにすることで、発光素子１１２からの自然放出光成分を遮る割合を下げることが可能となり、発光タイミングモニター部１２０での検出光量を増加することができる。なお、発光部１１０が有する発光素子１１２の数は、４つに限定されるものではない。
なお、本実施形態では、発光素子１１２と受光素子１２２とを同一の半導体積層構造により形成したが、発光素子１１２と受光素子１２２とは必ずしも同一の半導体積層構造である必要はない。例えば、発光素子１１２を構成する半導体積層構造の上に、受光素子１２２を構成する半導体積層構造を形成するようにしてもよい。この場合、発光素子１１２の部分は、受光素子１２２用に追加した半導体層を取り除く。このような構成とすることで、発光素子１１２の素子設計に限定されずに、受光素子１２２の素子設計を行うことができる。
このように、本実施形態によれば、自然放出光を用いてレーザ光の発振タイミングを検知するので、レーザ光の光量を落とすことなくレーザ光の発振タイミングの測定精度を向上することができる。また、本実施形態の光源装置をＬｉＤＡＲシステムに搭載することで、測距精度の良いＬｉＤＡＲシステムを実現することができる。
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による光源装置について、図１２及び図１３を用いて説明する。第１及び第２実施形態による光源装置と同様の構成には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図１２は、本実施形態による光源装置の構成例を示す概略図である。図１３は、本実施形態による光源装置の構成例を示す上面図である。
本実施形態による光源装置１００は、基本的な構成は第１実施形態による光源装置１００と同様である。本実施形態による光源装置１００が第１実施形態による光源装置１００と異なる点は、図１２に示すように、発光素子１１２と受光素子１２２とが同一の半導体基板１０ｎの上に形成されていることである。ただし、本実施形態による光源装置１００は、半導体基板１０ｎとは別の半導体基板の上に形成した受光素子１２２を半導体基板１０ｎの上に接合している点で、第２実施形態による光源装置１００とは異なっている。
すなわち、本実施形態の受光素子１２２は、第３導電型の半導体基板３０と、第３導電型（例えばｎ型）の半導体層３２と、受光層３４と、第３導電型と異なる第４導電型（例えばｐ型）の半導体層３６と、電極７６，７８と、を有する。半導体層３２、受光層３４、半導体層３６及び電極７８は、この順番で半導体基板３０の一方の面の側に積層されている。これにより、半導体層３２、受光層３４及び半導体層３６よりなるｐ－ｉ－ｎ構造のフォトダイオードが構成されている。半導体基板３０の他方の面の側には、電極７６が設けられている。このように構成された受光素子１２２は、発光素子１１２が設けられた半導体基板１０ｎの上に接合されている。
本実施形態の受光素子１２２は、例えば以下のようにして製造され得る。
まず、半導体基板３０の上に、半導体層３２と、受光層３４と、半導体層３６と、をエピタキシャル成長する。次いで、半導体層３６の上に、電極７８ａを形成する。また、半導体基板３０の裏面の側に、電極７６を形成する。
次いで、このように形成したタイミングモニター部用基板を裏返し、受光素子１２２に必要な所定の面積となるようにダイシングし、個片化した受光素子１２２をピックアップする。
一方、発光素子１１２が設けられた基板の上の、受光素子１２２を設置する部分には、電極７８ｂを予め形成しておく。図１３は、受光素子１２２を設置する前の、発光素子１１２が設けられた基板の上面図である。電極７８ｂ内に示す点線の領域が、受光素子１２２を設置する部分である。
次いで、ピックアップした受光素子１２２を、電極７８ａの側を下にして電極７８ｂの上に接合する。受光素子１２２と発光素子１１２を形成した基板との接合は、例えば、電極７８ａを構成する金と電極７８ｂを構成する金との間の金属間接合により行うことができる。受光素子１２２と発光素子１１２を形成した基板との接合は、必ずしも金属間接合により行う必要はなく、接着剤等を用いて固定するようにしてもよい。
このように光源装置１００を構成することで、受光素子１２２の受光層３４は、発光素子１１２のエピタキシャル構造によらず、材料、膜厚、面積等を独立して設計することが可能となる。また、受光層３４の高さは各層の厚さと接合の精度に応じて設定できるため、発光素子１１２の活性層２０の位置に応じて受光層３４を適切な位置に制御することが可能となる。
受光層３４は、活性層２０から放出された自然放出光８８を効率的に検出する観点から、活性層２０が設けられた高さを含む高さに配置されていることが好ましい。受光層３４は、可能な限り膜厚が厚いことが好ましく、その膜厚の中心の高さが活性層２０の高さに位置していることが理想的である。ただし、共振器部１４等をエッチングする際の制限や、受光素子１２２を基板上に設置する際の制限により、受光層３４の膜厚中心が必ずしも活性層２０の高さに位置していなくてもよい。なお、ここで言う高さとは、半導体基板１０ｎの表面からの距離である。
この場合、例えば、膜厚５μｍ、面積３０μｍ×３０μｍのシリコン層よりなる受光層３４を有する受光素子１２２を、発光素子１１２の端部から１０μｍの距離に配置した場合、１００以上のＳ／Ｎ比で自然放出光８８を検出することができる。
受光層３４の膜厚中心の高さと活性層２０の高さとが一致しない場合には、高さに対して変化する自然放出光８８の成分について考慮する必要がある。具体的には、受光層３４の体積に応じて自然放出光８８の受光感度が決まり、また、受光層３４の面積に応じて暗電流が決まる。また、発光素子１１２との距離に加えて、さらに高さに応じて変化する自然放出光８８の成分のＦＦＰ（Far Field Pattern：遠視野像）の影響も加味して、発光素子１１２から放出される自然放出光８８の成分のうちどの程度受光できるかの割合が決まる。これらを総合的に考慮し、発光タイミングモニター部１２０の出力が暗電流値以上となるように、素子構成や素子間の距離を設定する。
なお、図１２の構成例では、発光素子１１２の共振器部１４と同程度の高さに受光素子１２２の電極７８を形成したが、半導体層３６と半導体基板１０ｎとの間に良好な電気的コンタクトが得られる場合は、電極７８を設けなくてもよい。この場合は、電極７２を、発光素子１１２及び受光素子１２２のための共通電極として用いることができる。
本実施形態では発光部１１０が有する発光素子１１２が１つの場合を例示したが、第２実施形態の場合と同様、発光部１１０が複数の発光素子１１２を有していてもよい。
このように、本実施形態によれば、自然放出光を用いてレーザ光の発振タイミングを検知するので、レーザ光の光量を落とすことなくレーザ光の発振タイミングの測定精度を向上することができる。また、本実施形態の光源装置をＬｉＤＡＲシステムに搭載することで、測距精度の良いＬｉＤＡＲシステムを実現することができる。
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による光源装置について、図１４を用いて説明する。第１乃至第３実施形態による光源装置と同様の構成には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図１４は、本実施形態による光源装置の構成例を示す概略図である。
本実施形態による光源装置１００は、図１４に示すように、発光部１１０を構成する発光素子１１２と発光タイミングモニター部１２０を構成する受光素子１２２とが、別々の部品で構成されている。受光素子１２２は、第３実施形態と同様のｐ－ｉ－ｎ構造のフォトダイオードにより構成され得る。発光素子１１２は、基板４０に実装されている。受光素子１２２は、受光部１２４の面が発光素子１１２の第２部分８６に対向するようにステム等の支持部材４２によって支持され、基板４０に実装されている。
ここで、発光素子１１２から放出される自然放出光８８の光量と、第２部分８６と受光部１２４との距離との関係について、図１５を用いて説明する。図１５は、受光素子１２２の出力と、第２部分８６と受光部１２４との間の距離との関係を測定した結果を示すグラフである。図１５において、縦軸は受光素子１２２の出力（ＰＤ出力）を示し、横軸は第２部分８６と受光部１２４との間の距離を示している。測定に用いた発光素子１１２への電流注入量は、閾値電流以下の１ｍＡとした。また、測定には受光面積が大きい受光素子１２２を用いたが、図１５には受光面積をφ０．１ｍｍに換算したときの電流値を示している。
図１５に示すように、発光素子１１２と受光素子１２２との距離が大きくなると、受光素子１２２の出力は大幅に低下する。受光素子１２２の出力が暗電流値を下回ると、自然放出光８８の増減検出ができなくなる。例えば、受光面積がφ０．１ｍｍの受光素子１２２において暗電流が１００ｐＡであった場合、図１５の例では、発光素子１１２と受光素子１２２とを６ｍｍ程度まで離間すると、受光素子１２２の出力と暗電流の大きさとがほぼ等しくなる。すなわち、Ｓ／Ｎ比が１未満となるため、自然放出光８８の増減検出が難しくなる。一方、発光素子１１２と受光素子１２２との距離をおよそ２ｍｍまで近づけると、受光素子１２２の出力は暗電流のおよそ１０倍程度まで増加することができる。
発光素子１１２の第２部分８６と受光素子１２２の受光部１２４との距離をＬ［ｍ］とすると、距離Ｌは、以下の式（１）の関係を満たすことが好ましい。なお、式（１）において、Ｐ［Ｗ］は第２部分８６から放出される自然放出光８８の総量、Ｓ［ｍ２］は受光素子１２２の受光部１２４の受光面積、Ｑ［Ａ／Ｗ］は受光素子１２２の受光感度、Ｄａ［Ａ］は受光素子１２２の暗電流値である。
Ｐ×（Ｓ／４πＬ２）×Ｑ ＞ Ｄａ …（１）
これまで、受光部１２４には発光素子１１２からの自然放出光８８が入射されると説明してきたが、実際には、レーザ光８４の一部が光学系（図示せず）からの反射等によって受光部１２４に入射する可能性がある。このような場合、例えば図１４に示すように、受光部１２４への自然放出光８８の入射面側に波長フィルタ１２６を配置する構成としてもよい。
ここで、波長フィルタ１２６を使用して自然放出光８８とレーザ光８４とを分離する際の波長フィルタ１２６の透過波長帯域の設定について説明する。
図１６は、基底準位間の遷移波長が９４０ｎｍであるＩｎＧａＡｓ層を井戸層とした量子井戸における利得スペクトルと自然放出光スペクトルとを計算により求めた結果を示すグラフである。図１６には、利得スペクトルを点線で表し、自然放出光スペクトルを実線で表している。
図１６に示すように、利得スペクトルのピーク波長はおよそ９４０ｎｍである。そのため、図１６の状態で最適化設計する場合には、面発光レーザの共振波長λｃは利得が最も高く、効率よくレーザ光が取り出せる波長９４０ｎｍ付近に設定する。一方、自然放出光は波長９４０ｎｍよりも短波長側に拡がりが大きいスペクトル形状を有している。そのため、レーザ光を遮光し、自然放出光のみを多く透過するための光学フィルタとしては、特定の波長λｃｏよりも短波長側の光を透過し、波長λｃｏよりも長波長側の光を反射又は吸収する、いわゆるショートパスフィルタを用いることが好ましい。
レーザ光のスペクトル幅は一般的には５ｎｍ以下には収まるため、波長λｃｏは以下の式（２）の関係を満たしていればよい。
λｃｏ ＜ λｃ－５ ［ｎｍ］ …（２）
ただし、実際には、面発光レーザの共振波長λｃには±１０ｎｍ程度の製造ばらつきが生じることがある。また、ショートパスフィルタの製造ばらつきや、波長λｃｏ付近において透過光の強度が０付近まで減少するために必要な波長幅（１０ｎｍ程度）をも考慮する必要がある。このような観点から、波長λｃｏは以下の式（３）の関係を満たしているとより好ましい。
λｃｏ ≦ λｃ－３０ ［ｎｍ］ …（３）
式（３）に従うと、共振波長λｃが９４０ｎｍの場合、波長λｃｏは９１０ｎｍとなる。図１６において自然放出光のスペクトルは波長９１０ｎｍより短波長側にも広がっているため、波長λｃｏが９１０ｎｍである光学フィルタを用いることで、自然放出光のみを検出し、それによって発振タイミングを検知することが可能であることが理解できる。
ところで、面発光レーザにおいては、温度上昇時にレーザ発振波長と利得ピーク波長とが近づくように、室温における利得ピーク波長を短波長側にシフトして設計する場合も多い。この室温における利得ピーク波長のシフト量は、２０ｎｍ程度に設定するのが一般的である。そのような場合には、活性層２０の利得スペクトルのピーク波長を、面発光レーザの共振波長λｃに対して２０ｎｍ程度、短波長側に設計する。
図１７は、利得ピーク波長を２０ｎｍ、短波長側へシフトした場合の利得スペクトルと自然放出光スペクトルとを計算により求めた結果を示すグラフである。
この場合、室温においては、共振波長λｃは９４０ｎｍ付近であるので、上述の場合と同様、波長λｃｏは、λｃ－５ｎｍ未満が好ましく、λｃ－３０ｎｍ以下が更に好ましい。室温の状態においては、自然放出光のうちの特定の波長、例えば波長λｃｏである９１０ｎｍよりも短波長側の成分が多いことが判る。そのため、室温時においては、より多くの自然放出光を発振タイミングの検知に使用することができる。また、高温時には利得スペクトルと自然放出光スペクトルとの関係は図１６の状態に近づくため、高温時においても自然放出光のみを透過し、それによる発振タイミングの検知が可能である。
なお、波長フィルタ１２６によって受光部１２４に入射する自然放出光８８の光量が低下する場合には、式（１）のパラメータのうち、自然放出光の総量Ｐを、波長フィルタ１２６によって減少する分を差し引いた総量Ｐ’として距離Ｌを算出すればよい。
本実施形態では発光部１１０が有する発光素子１１２が１つの場合を例示したが、第２実施形態の場合と同様、発光部１１０が複数の発光素子１１２を有していてもよい。
このように、本実施形態によれば、自然放出光を用いてレーザ光の発振タイミングを検知するので、レーザ光の光量を落とすことなくレーザ光の発振タイミングの測定精度を向上することができる。また、本実施形態の光源装置をＬｉＤＡＲシステムに搭載することで、測距精度の良いＬｉＤＡＲシステムを実現することができる。
［第５実施形態］
本発明の第５実施形態による光源装置について、図１８を用いて説明する。第１乃至第４実施形態による光源装置と同様の構成には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図１８は、本実施形態による光源装置の構成例を示す概略図である。
本実施形態による光源装置１００は、発光素子１１２の構成が、第２実施形態による光源装置１００とは異なっている。すなわち、本実施形態の発光素子１１２は、図１８に示すように、下部ＤＢＲ層１２と半導体層１６との間に、可飽和吸収層５２を有するノンドープスペーサ部５０を更に有している。また、ノンドープスペーサ部１８の中に、３層の活性層２０を有している。下部ＤＢＲ層１２と上部ＤＢＲ層２４との間に位置する層（ノンドープスペーサ部５０及び共振器部１４）が、共振器スペーサ部である。また、電極７２は、半導体層１６の上に設けられており、半導体層１６にオーミックコンタクトしている。その他の点は、第２実施形態による光源装置１００と同様である。
共振器部１４は、第１導電型（例えばｎ型）の半導体層１６、ノンドープスペーサ部１８及び第２導電型（例えばｐ型）の半導体層２２からなるｐ－ｉ－ｎ接合により構成されている。ノンドープスペーサ部１８に配された３層の活性層２０の各々は、例えば、厚さ８ｎｍのＩｎＧａＡｓ井戸層を厚さ１０ｎｍのＡｌＧａＡｓ障壁層で挟んだ量子井戸を４層含む多重量子井戸により構成され得る。この場合、共振器部１４の中には計１２層の量子井戸が含まれる。半導体層１６はｎ型ＧａＡｓ層により、半導体層２２はｐ型ＧａＡｓ層により、ノンドープスペーサ部１８のその他の部分はノンドープＡｌＧａＡｓ層により、それぞれ構成され得る。
共振器部１４は、通常のＶＣＳＥＬにも存在するｐ－ｉ－ｎ接合からなり、ｉ層内に活性層を含んだ共振器部と類似の構成である。ただし、共振器部１４が有する量子井戸の層数は、通常のＶＣＳＥＬが有する量子井戸の層数（３層程度）と比較して多い。共振器部１４における有効共振器長は１０μｍとなっている。
本実施形態では、これら３層の活性層２０を、一般的なＶＣＳＥＬの設計で用いられる定在波の腹の位置ではなく、定在波の腹と節の間の位置に配置する。これにより、駆動電流を注入した際の光の応答特性の最適化を図ることができる。また、定在波に対する光閉じ込め係数について、通常のＶＣＳＥＬでは１．５～２．０の範囲が一般的であるところ、本実施形態では０．３５程度と意図的に低く設定している。また、ＡｌＧａＡｓ障壁層は、通常のＶＣＳＥＬの量子井戸における障壁層と比較してバンドギャップを小さくしており、それによって障壁層にもキャリアが蓄積されるように設計がなされている。これにより、キャリアが蓄積されるＩｎＧａＡｓ井戸層の層数は１２層であるが、ＡｌＧａＡｓ障壁層にもキャリアが蓄積されることで、通常の量子井戸に換算しておよそ２０層分のキャリアを蓄積すること可能となる。障壁層であるＡｌＧａＡｓのＡｌ組成は、０～３０％であることが好ましい。
ノンドープスペーサ部５０は、一般的なＶＣＳＥＬには存在しない構成である。可飽和吸収層５２は、例えば、厚さ８ｎｍのＩｎＧａＡｓ井戸層を厚さ１０ｎｍのＡｌＧａＡｓ障壁層で挟んだ量子井戸を３層含む多重量子井戸により構成され得る。ノンドープスペーサ部５０のその他の部分は、ノンドープＧａＡｓ層により構成され得る。
次に、本実施形態の発光素子１１２の動作について、図２乃至図４を用いて説明する。
図２及び図３は、発光素子の光出力波形を計算により求めた結果を示すグラフである。図２は比較例による発光素子の光出力波形であり、図３は本実施形態による発光素子１１２の光出力波形である。比較例による発光素子は、可飽和吸収層を備えておらず、量子井戸が３層、共振器長が１λに設計されている一般的な構成のＶＣＳＥＬである。
一般的な半導体発光素子の構成の場合、図２に示すように、電流の注入開始から７０ｐｓ程度で発振が始まり、光出力が立ち上がる。そして、光出力は緩和振動に伴う光波形のピークに到達し、その後、定常値に収束する。
一方、本実施形態による発光素子１１２は、最大ピーク値を有し、かつ、最大ピーク値の後に所定の光強度である安定値へ収束するプロファイルを有する光を射出する。すなわち、本実施形態による発光素子１１２では、例えば図３に示すように、電流の注入開始から６００ｐｓ程度経過した後に発振が始まる。この発振開始の遅れは、活性層２０の実効的な体積を大きくしていることや、電流の注入開始から一定時間は可飽和吸収層５２での光の吸収により発振が阻害されることによる。可飽和吸収層５２に光が吸収されると、吸収された光はキャリアとして可飽和吸収層５２内に蓄積される。光の吸収に伴ってキャリアが増加していき、可飽和吸収層５２内におけるキャリア密度が透明キャリア密度に達すると、可飽和吸収層５２は光を吸収しなくなる。その結果、レーザ発振を阻害する効果がなくなり、半導体発光素子はレーザ発振を始める。
可飽和吸収層５２によって一定時間、レーザ発振を阻害している目的は、閾値キャリア密度を超えるキャリアを活性層２０に蓄積するためである。ここで、閾値キャリア密度とは、レーザ発振をするために必要な利得を発生させるキャリア密度である。
図４は、活性層２０に蓄積されているキャリアの密度及び光強度の時間変化を示すグラフである。発光素子１１２に注入する電流は、図３と同様の波形を有し、時間軸の４Ｅ－１０秒の時点から注入が開始されるものとする。
図４に示すように、活性層２０のキャリア密度は、電流注入の開始とともに上昇し始める。本実施形態の発光素子１１２における閾値キャリア密度（発振開始後に収束するキャリア密度）は２．７Ｅ＋１８ｃｍ－３であるが、レーザ発振が始まる前の状態では、キャリアは一時的に閾値キャリア密度を超えて蓄積し続ける。その後、レーザ発振が始まると、誘導放出によってキャリアが急激に消費され、安定値に収束する。
このように、本実施形態の発光素子１１２では、閾値キャリア密度を超えてより多くのキャリアを活性層２０に蓄積する。そして、レーザ発振の開始後に活性層２０に蓄積されたキャリアを誘導放出によってフォトンに変換する。これにより、図３に示すような尖頭値が高く半値幅の短い光パルスを出力することができる。
活性層２０に閾値キャリア密度以上のキャリアを蓄積することができるのは、可飽和吸収層５２を用いてレーザ発振を一定時間、抑制しているためである。このような高いキャリア密度を実現することで、発振後には尖頭値が高くパルス幅の短い光パルスを発光素子の内部で発生することができる。この光パルスは、発光素子１１２を駆動する電流パルスよりも短いパルスとなる。本例では、レーザ光のピーク光量は定常時のレーザ光の光量の３倍以上となる。
比較として、一般的なＶＣＳＥＬの動作原理について、図１９を用いて説明する。
一般的なＶＣＳＥＬの場合においても、本実施形態の発光素子１１２の場合と同様、電流注入が開始されるとともに活性層のキャリア密度が閾値キャリア密度（図１９中、一点鎖線で示す）まで上昇する。レーザ発振が始まる前の状態では、キャリア密度は一時的に閾値キャリア密度を超えて蓄積し続ける。そして、発振が始まり誘導放出によりキャリアが急激に消費され、安定値に収束する。
図１９に示す一般的なＶＣＳＥＬの特性と図４に示す本実施形態の発光素子１１２の特性とを比較すると、一般的なＶＣＳＥＬでは、閾値キャリア密度を超えてキャリアが蓄積される期間及び誘導放出によりキャリアが急激に消費される期間の長さが非常に短い。また、自然放出光の強度ピークとレーザ光の発振タイミングとがほぼ同じである。また、レーザ光のピーク光量は定常時のレーザ光の光量の２倍程度である。
なお、図４及び図１９に示した時間はあくまで一例であり、発光素子の構成が変わればこれらの時間や期間の長さも異なってくる。例えば、井戸層の数や体積が増えることにより、同じ電流注入条件であればキャリアの蓄積時間は長くなる。
次に、本実施形態による発光素子１１２の製造方法の一例を以下に示す。
まず、半導体基板１０の上に、有機金属気相成長法や分子線エピタキシー法により、下部ＤＢＲ層１２、ノンドープスペーサ部５０、共振器部１４及び上部ＤＢＲ層２４を構成する各半導体層を成長する。
次いで、フォトリソグラフィ及びエッチング技術を用い、上部ＤＢＲ層２４、半導体層２２及びノンドープスペーサ部１８をパターニングする。これにより、例えば直径が３０μｍ程度の柱状のメサを形成する。
次いで、４５０℃程度の水蒸気雰囲気中で熱酸化を行い、上部ＤＢＲ層２４内のＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層をメサの側壁部分から酸化し、酸化狭窄層２６を形成する。この際、酸化時間を制御することにより、Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層内に、メサの中心部分の非酸化部と、メサの側壁近傍の酸化部（酸化狭窄層２６）と、を形成する。Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層の非酸化部分は、直径が１０μｍ程度となるように制御する。
次いで、フォトリソグラフィ及び真空蒸着法を用い、メサの上面上にｐ側電極となる電極７４を形成し、エッチングすることにより露出した半導体層１６の上面上にｎ側電極となる電極７２を形成する。電極７４は円環状のパターンを有しており、中央の開口部が光取り出し用の円形窓となる。
次いで、フォトリソグラフィ及びプラズマＣＶＤ法を用い、電極７２，７４が設けられたメサの上面及び側面と半導体層１６の上面を覆うように保護膜（図示せず）を形成する。
次いで、良好な電気特性を得るために、窒素雰囲気中で熱処理を行い、電極材料と半導体材料との界面を合金化し、本実施形態の発光素子１１２を完成する。
発光素子１１２と受光素子１２２とは、第２実施形態と同様、ドライエッチングやウェットエッチング等により分離される。半導体層１６より上側の層は、チップ表面の面内の一部分が加工途中で除去されており、残り部分がメサ状になっている。なお、図１８の例では上部ＤＢＲ層２４からノンドープスペーサ部１８までをメサ状に加工しているが、発光素子１１２と受光素子１２２とを分離する深さは、必ずしもこの例に限定されるものではない。すなわち、発光素子１１２は、その中心部分でレーザ発振するように構成されていればよく、発光素子１１２と受光素子１２２とは、少なくとも酸化狭窄層２６の半導体基板１０ｎの側までの領域が分離されていればよい。
電極７２は、発光素子１１２及び受光素子１２２に共通の電極である。発光素子１１２は、電極７２と電極７４との間に供給される順バイアス電圧によって駆動される。発光素子１１２に注入された電流は酸化狭窄層２６が設けられていないメサの中心部分の非酸化部のみを流れるため、発光素子１１２は平面視においてメサの中心部分と重なる部分のみがレーザ発振する。受光素子１２２は、電極７２と電極７６との間に供給される逆バイアス電圧によって駆動され、活性層２０（受光部１２４）に入射した自然放出光８８の光量を検出する。判定部１３０は、受光素子１２２（発光タイミングモニター部１２０）から受信した時間毎の光量情報に基づき、レーザ光８４の発振タイミングを検出する。
本実施形態では発光部１１０が有する発光素子１１２が１つの場合を例示したが、第２実施形態の場合と同様、発光部１１０が複数の発光素子１１２を有していてもよい。
また、本実施形態では、発光タイミングモニター部１２０を第２実施形態の受光素子１２２により構成する例を示したが、発光タイミングモニター部１２０を構成する受光素子１２２はこれに限定されるものではない。発光タイミングモニター部１２０を構成する受光素子１２２は、他の実施形態に記載の受光素子１２２であってもよい。
このように、本実施形態によれば、自然放出光を用いてレーザ光の発振タイミングを検知するので、レーザ光の光量を落とすことなくレーザ光の発振タイミングの測定精度を向上することができる。また、本実施形態の光源装置をＬｉＤＡＲシステムに搭載することで、測距精度の良いＬｉＤＡＲシステムを実現することができる。
［第６実施形態］
本発明の第６実施形態による光源装置について、図２０を用いて説明する。第１乃至第５実施形態による光源装置と同様の構成には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図２０は、本実施形態による光源装置の構成例を示す概略図である。
本実施形態による光源装置１００は、発光素子１１２の構成が、これまでの実施形態の光源装置１００とは異なっている。すなわち、本実施形態の発光素子１１２は、図２０に示すように、第１導電型（例えばｎ型）の半導体基板１０ｎと、第１導電型の下部ＤＢＲ層１２ｎと、活性領域６０と、ノンドープスペーサ部１８と、半導体層２２と、上部ＤＢＲ層２４と、を有している。また、本実施形態の発光素子１１２は、電極７２，７４，８０を更に有している。下部ＤＢＲ層１２ｎ、活性領域６０、ノンドープスペーサ部１８、半導体層２２及び上部ＤＢＲ層２４は、この順番で半導体基板１０ｎの一方の面の側に積層されている。
活性領域６０は、下部ＤＢＲ層１２ｎの側から順に、可飽和吸収層６２と、第２導電型（例えばｐ型）の接合層６４と、トンネル接合部６６と、第１導電型の接合層６８と、を有している。トンネル接合部６６は、接合層６４に接する第２導電型の高ドープ半導体層（例えばｐ＋＋半導体層）と、この第２導電型の高ドープ半導体層及び接合層６８に接する第１導電型の高ドープ半導体層（例えばｎ＋＋半導体層）とを有する。これら高ドープ半導体層の接合部がトンネル接合部を構成している。
トンネル接合部６６では、電荷キャリアが価電子帯から伝導帯へと移動して効果的に再循環されるため、一方からの電子と他方からの正孔とで、可飽和吸収層６２と同様に、ノンドープスペーサ部１８の活性層構造もポンピングされることになる。本実施形態では、可飽和吸収層６２とノンドープスペーサ部１８の活性層構造とを流れる電流を別々に制御できるように、可飽和吸収層６２とトンネル接合部６６との間に電極８０を更に設けている。
すなわち、本実施形態の発光素子１１２は、電極７２，７４，８０を有する３電極構成のＶＣＳＥＬである。このような３電極構成とすることで、レーザ光の発振タイミングをより制御しやすくなる。ただし、それでも温度等の環境変化によってドライバの駆動タイミングとレーザ光の発振タイミングとがずれるため、レーザ光の発振タイミングを測定する機構を有する本実施形態の構成は有効である。
本実施形態では発光部１１０が有する発光素子１１２が１つの場合を例示したが、第２実施形態の場合と同様、発光部１１０が複数の発光素子１１２を有していてもよい。
また、本実施形態では、発光タイミングモニター部１２０を第４実施形態の受光素子１２２により構成する例を示したが、発光タイミングモニター部１２０を構成する受光素子１２２はこれに限定されるものではない。発光タイミングモニター部１２０を構成する受光素子１２２は、他の実施形態に記載の受光素子１２２であってもよい。
このように、本実施形態によれば、自然放出光を用いてレーザ光の発振タイミングを検知するので、レーザ光の光量を落とすことなくレーザ光の発振タイミングの測定精度を向上することができる。また、本実施形態の光源装置をＬｉＤＡＲシステムに搭載することで、測距精度の良いＬｉＤＡＲシステムを実現することができる。
［第７実施形態］
本発明の第７実施形態による光源装置について、図２１及び図２２を用いて説明する。第１乃至第６実施形態による光源装置と同様の構成には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図２１及び図２２は、本実施形態による光源装置の構成例を示す概略図である。
第１乃至第６実施形態では、発光素子１１２の第２部分８６から放出される自然放出光８８を受光素子１２２により検出したが、発光素子１１２の第１部分８２から放出される自然放出光８８を受光素子１２２により検出することも可能である。本実施形態では、発光素子１１２の第１部分８２から放出される自然放出光８８を受光素子１２２により検出する場合の光源装置１００の構成例を説明する。
本実施形態に適用可能な発光素子１１２及び受光素子１２２は特に限定されるものではないが、ここでは一例として第２実施形態の発光素子１１２と第４実施形態の受光素子１２２とを組み合わせた構成の光源装置１００を想定するものとする。なお、図２１及び図２２において、判定部１３０の記載は省略している。
発光素子１１２の第１部分８２からは、主にレーザ光８４が放出されるが、その中には自然放出光８８の成分も一部含まれる。したがって、レーザ光８４に含まれる自然放出光８８を検出し、検出した自然放出光８８に基づいてレーザ発振のタイミングを検知することも可能である。
図２１の構成例は、発光素子１１２の第１部分８２から放出された光を、波長フィルタ９２を用いてレーザ光８４と自然放出光８８とに分離し、分離した自然放出光８８をレンズ９４により集光して受光素子１２２に入射するようにした光源装置の例である。波長フィルタ９２は、レーザ光８４を透過し、自然放出光８８を反射する光学特性を有するものであり、特定の波長λｃｏより短波長側の光を反射し、波長λｃｏより長波長側の光を透過する、いわゆるロングパスフィルタを用いることが好ましい。
本構成例では、レンズ９４を用いて集光するため、同じ信号強度を得るための受光素子１２２の受光面積を小さくすることが可能となる。暗電流の値はほぼ受光面積に比例するため、受光面積を小さくすることにより、Ｓ／Ｎ比を上げることができる。また一般的に、受光面積を小さくすることで高速な応答が可能となるため、応答性の観点からも受光面積を小さくすることは好ましい。
図２２の構成例は、図２１の構成例に対し、レンズ９４と受光素子１２２との間に光ファイバ９６を更に追加したものである。レンズ９４を通過した光を、光ファイバ９６を用いて受光素子１２２まで導くように構成することで、発光素子１１２及び受光素子１２２の配置の自由度を大幅に向上することができる。
なお、本実施形態では発光部１１０が有する発光素子１１２が１つの場合を例示したが、第２実施形態の場合と同様、発光部１１０が複数の発光素子１１２を有していてもよい。この場合、波長フィルタ９２やレンズ９４は、複数の発光素子１１２の各々に対して設けてもよいし、複数の発光素子１１２に対して設けてもよい。
このように、本実施形態によれば、自然放出光を用いてレーザ光の発振タイミングを検知するので、レーザ光の光量を落とすことなくレーザ光の発振タイミングの測定精度を向上することができる。また、本実施形態の光源装置をＬｉＤＡＲシステムに搭載することで、測距精度の良いＬｉＤＡＲシステムを実現することができる。
［第８実施形態］
本発明の第８実施形態による測距装置について、図２３を用いて説明する。第１乃至第７実施形態による光源装置と同様の構成には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図２３は、本実施形態による測距装置の概略構成を示すブロック図である。
本実施形態による測距装置２００は、第１乃至第７実施形態のいずれかに記載の光源装置１００を光源部に適用した測距装置（ＬｉＤＡＲ装置）である。
本実施形態による測距装置２００は、制御部２１０と、面発光レーザアレイドライバ２１２と、面発光レーザアレイ２１４と、発光側光学系２１８と、受光側光学系２２０と、イメージセンサ２２２と、距離データ処理部２２４とにより構成され得る。面発光レーザアレイ２１４は、発光タイミングモニター部２１６を有する。
面発光レーザアレイ２１４は、第１乃至第７実施形態のいずれかに記載の発光部１１０がパッケージに実装されたものであり、２次元アレイ状に配列された複数の発光素子１１２を有する。面発光レーザアレイ２１４は、発光タイミングモニター部２１６を更に有する。発光タイミングモニター部２１６は、第１乃至第７実施形態における発光タイミングモニター部１２０に対応している。発光タイミングモニター部２１６で生成される電気信号は、距離データ処理部２２４に供給される。面発光レーザアレイドライバ２１２は、制御部２１０からの駆動信号を受け、面発光レーザアレイ２１４を発振するための駆動電流を生成し、面発光レーザアレイ２１４に出力する駆動部である。なお、面発光レーザアレイ２１４と面発光レーザアレイドライバ２１２とは、１つの装置であってもよい。
発光側光学系２１８は、面発光レーザアレイ２１４により生成されたレーザ光を測距対象範囲に向けて出射する光学系である。受光側光学系２２０は、測定対象物１０００により反射されたレーザ光をイメージセンサ２２２に導く光学系である。なお、図２３で発光側光学系２１８及び受光側光学系２２０を１枚の凸レンズ形状の部材により表しているが、これらは１枚の凸レンズ形状の部材により構成されてもよいし、複数のレンズを組み合わせたレンズ群から構成されてもよい。
イメージセンサ２２２は、光電変換部を含む複数の画素が２次元アレイ状に配列された光電変換装置であり、入射した光に応じた電気信号を出力する受光装置である。イメージセンサ２２２は、例えばＣＭＯＳイメージセンサやＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）光センサを２次元アレイ状に配列したイメージセンサなどの撮像装置であり得る。なお、第７実施形態のように発光素子１１２の第１部分８２から放出された光から自然放出光８８を分離するように構成した場合、イメージセンサ２２２が発光タイミングモニター部２１６の機能を備えていてもよい。
距離データ処理部２２４は、発光タイミングモニター部２１６及びイメージセンサ２２２から受信した電気信号に基づき、測距対象範囲に存在する測定対象物１０００までの距離に関する情報を生成し、出力する距離情報取得部としての機能を備える。距離データ処理部２２４は、第１乃至第７実施形態における判定部１３０の機能を備え得る。なお、距離データ処理部２２４は、イメージセンサ２２２と電気的に接続されていればよく、イメージセンサ２２２と同じパッケージ内に配置されていてもよいし、イメージセンサ２２２とは別のパッケージ内に配置されていてもよい。
制御部２１０は、マイクロコンピュータや論理回路を含む情報処理装置などにより構成され、各部の動作制御や各種の演算処理などの測距装置２００における動作を司る中心的な処理装置としての機能を備える。
次に、本実施形態による測距装置の動作について、図２３を用いて説明する。
まず、制御部２１０は、面発光レーザアレイドライバ２１２に駆動信号を出力する。面発光レーザアレイドライバ２１２は、制御部２１０からの駆動信号を受け、面発光レーザアレイ２１４に所定の電流値の電流を注入する。これにより、面発光レーザアレイ２１４が発振し、面発光レーザアレイ２１４からレーザ光が出力される。このとき、面発光レーザアレイ２１４から出射される光のパルス幅は、前述のように、注入された電流のパルス幅よりも狭い。
面発光レーザアレイ２１４により生成されたレーザ光は、発光側光学系２１８により、測距対象範囲に向けて出射される。この際、面発光レーザアレイ２１４から放出された自然放出光８８は、発光タイミングモニター部２１６に入射する。発光タイミングモニター部２１６は、自然放出光８８の入射に応じた電気信号を生成し、距離データ処理部２２４に出力する。距離データ処理部２２４は、発光タイミングモニター部２１６から受信した電気信号に基づき、面発光レーザアレイ２１４におけるレーザ発振のタイミングを検知する。
測距対象範囲にある測定対象物１０００に照射されたレーザ光のうち、測定対象物１０００によって反射されて受光側光学系２２０に入射したレーザ光は、受光側光学系２２０によってイメージセンサ２２２に導かれる。イメージセンサ２２２の各画素は、レーザ光の入射したタイミングに応じた電気信号パルスを生成する。イメージセンサ２２２により生成された電気信号パルスは、距離データ処理部２２４に入力される。
距離データ処理部２２４は、検知したレーザ発振タイミングとイメージセンサ２２２から出力される電気信号パルスの受信タイミングとに基づき、光伝搬方向に沿った測定対象物１０００までの距離に関する情報を生成する。イメージセンサ２２２の各画素から出力される電気信号パルスに基づく距離情報をそれぞれ算出することにより、測定対象物１０００の３次元情報を取得することができる。
測距装置２００をこのように構成することで、仮に面発光レーザアレイ２１４における発光タイミングが環境温度などの要因でずれたとしても、測距精度に影響を及ぼすことなく高い測距精度を維持することができる。
次に、本実施形態において測距装置をこのように構成している理由について、図２４及び図２５を用いて説明する。
ＬｉＤＡＲシステムでは、レーザ光を出射してから測定対象物で反射されて戻ってくるまでの時間差に基づいて、測定対象物までの距離を算出する。したがって、測距精度を向上するためには、発光素子１１２において発光パルスが生成されたタイミングをより高い精度で知る必要がある。例えば、受光側の時間検知精度が５０ｐｓ程度である場合、発光側のパルス発生のタイミングの情報の精度は５０ｐｓよりも小さいことが好ましい。
一般的なＶＣＳＥＬ及びそれを用いたＬｉＤＡＲシステムでは、ＶＣＳＥＬドライバでパルス電流を発生し、ＶＣＳＥＬを駆動する。ＶＣＳＥＬはパルス電流波形に応じて発光するため、ＶＣＳＥＬの発光タイミングとＶＣＳＥＬドライバで発生するパルス電流の立ち上がりのタイミングとの差は小さく、またその時間差は環境温度などの変動によって大きな変化は生じない。これは、ＶＣＳＥＬの設計が注入された電流値に応じて発光するように設計されているためである。そのため、ドライバにおける電流パルスの発生タイミングからＶＣＳＥＬの発光タイミングまでの時間を精度良く推測することができる。
一方、上述の方法で電流パルスの発生タイミングと光パルスの発生タイミングとの時間差を推定した場合、第１乃至第７実施形態の発光素子１１２を用いたＬｉＤＡＲシステムでは測距精度が低下する場合があることを、本発明者等は初めて見出した。
第１乃至第７実施形態の発光素子１１２では、活性層２０内にキャリアを蓄積し、レーザ発振の開始後に蓄積したキャリアを光に変換して光パルスを発生させる。すなわち、活性層２０内にキャリアが蓄積されるまでの所定の時間、発光素子１１２に注入した電流は活性層２０内にキャリアを蓄積するのに利用される。そして、活性層２０内にキャリアが蓄積されるまでの所定の時間、発光素子１１２のレーザ発振が遅れることになる。
第１乃至第７実施形態の半導体発光素子におけるレーザ発振のタイミングは、半導体発光素子の構造及び各部を構成する材料の物理パラメータによって決定する。そのため、面発光レーザアレイドライバ２１２で生成する電流波形が同一であっても、環境温度の変化や経時的な物理パラメータの変化により駆動開始からレーザ発振開始までの時間差が変わってくる。そしてその時間差は、典型的な受光側の時間検知精度である５０ｐｓ程度を超える場合がある。
図２４及び図２５は、環境温度の変化や経時的な物理パラメータの変化による光波形の変化を計算により求めた結果を示すグラフである。図２４が一般的なＶＣＳＥＬの場合の計算結果であり、図２５が第１乃至第７実施形態の発光素子の場合の計算結果である。
図２４及び図２５には、室温のときの透明キャリア密度を想定した場合と、室温よりも５０℃高いときの透明キャリア密度を想定した場合とにおいて、発振開始直後の光波形を拡大して示している。いずれの図でも、先に発振が開始している方の特性が室温のときの透明キャリア密度を想定した場合であり、後に発振が開始している方の特性が室温よりも５０℃高いときの透明キャリア密度を想定した場合である。
一般的なＶＣＳＥＬでは、図２４に示すように、室温のときの透明キャリア密度を想定した場合の光パルスのピーク時と、室温よりも５０℃高いときの透明キャリア密度を想定した場合の光パルスのピーク時との間の時間差は、１３ｐｓである。
一方、上記実施形態の発光素子１１２では、図２５に示すように、室温のときの透明キャリア密度を想定した場合の光パルスのピーク時と、室温よりも５０℃高いときの透明キャリア密度を想定した場合の光パルスのピーク時との間の時間差は、７０ｐｓである。発光素子１１２への電流の注入開始のタイミングから光出力が最大ピーク値に達するタイミングまでの時間差は、環境温度の変化などにより、例えば、５０ｐｓ以上、１ｎｓ以下の範囲で変化しうる。
このように、上記実施形態の発光素子１１２では、物性値の変化が発振タイミングの変化により大きく影響する。そして、その発振タイミングの変化量は、典型的な受光側の時間検知精度である５０ｐｓ程度を超えてしまう場合がある。
このような観点から、本実施形態の測距装置２００においては、面発光レーザアレイ２１４での発光タイミングを発光タイミングモニター部２１６によって検知する。そして、発光タイミングモニター部２１６により検知した発光タイミングを利用して距離情報の算出を行う。したがって、仮に面発光レーザアレイ２１４における発光タイミングが環境温度などの要因でずれたとしても、測距装置２００の測距精度には影響を及ぼすことなく、高い測距精度を維持することができる。
本実施形態の測距装置２００は、例えば自動車の分野において、他の車両と衝突しないように制御を行うための制御装置や、他の車両に追従して自動運転する制御を行うための制御装置などに適用可能である。また、本実施形態の測距装置２００は、自動車のみならず、船舶、航空機或いは産業用ロボットなどの他の移動体（移動装置）や、移動体検出システムなどにも適用可能である。本実施形態の測距装置２００は、距離情報を含め、３次元的に認識した物体の情報を利用する機器に広く適用することができる。これら移動体は、本実施形態の測距装置と、当該測距装置が取得した距離に関する情報に基づいて移動体を制御する制御手段と、を含んで構成され得る。
また、本実施形態の測距装置２００により取得可能な奥行きを含めた３次元情報は、画像撮影装置、画像処理装置、表示装置などで利用することも可能である。例えば、本実施形態の測距装置２００により取得した３次元情報を用い、現実世界の画像の上に仮想物体を違和感なく表示することが可能である。また、画像情報とともに３次元情報を保存しておくことで、撮影後に撮影映像のボケ味等を修正することも可能である。
このように、本実施形態によれば、第１乃至第７実施形態の光源装置を備えた高性能の測距装置を実現することができる。
［変形実施形態］
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。
また、上記第１乃至第７実施形態では、半導体基板１０としてＧａＡｓ基板を用いた場合に結晶成長が可能な半導体材料としてＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓを例示したが、半導体基板１０はＧａＡｓ基板に限定されるものではない。例えば、半導体基板１０としてＩｎＰ基板を用いることもできる。半導体基板１０としてＧａＡｓ基板を用いた場合に結晶成長が可能な半導体材料としては、例えば、ＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ等が上げられる。
また、上記第１乃至第７実施形態による半導体発光素子におけるＤＢＲ層は、必ずしも半導体材料によって構成されている必要はなく、半導体材料以外の材料によって構成されていてもよい。この場合も、第１及び第２実施形態と同様の機能を奏するように構成することで本実施形態と同様の効果を奏することができる。
なお、上記実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
１００…光源装置
１１０…発光部
１１２…発光素子
１２０…発光タイミングモニター部
１２２…受光素子
１２４…受光部
１３０…判定部
２００…測距装置

Claims (19)

  1. 第１の反射鏡と、第２の反射鏡と、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間に設けられた活性層を含む共振器スペーサ部と、を有し、レーザ光である第１の光と、自然放出光である第２の光と、を射出する発光素子と、
    前記第２の光の光量を検出する受光素子と、
    前記受光素子が検出した前記第２の光の光量の低下に基づき、前記第１の光が発振したタイミングを検知する判定部と
    を有することを特徴とする光源装置。
  2. 前記第１の光は前記発光素子の第１部分から射出され、
    前記第２の光は前記発光素子の前記第１部分とは異なる第２部分から射出される
    ことを特徴とする請求項１記載の光源装置。
  3. 前記発光素子は、前記第１の光を第１の方向に射出し、前記第２の光を前記第１の方向と交差する第２の方向に射出する
    ことを特徴とする請求項１又は２記載の光源装置。
  4. 前記発光素子から放出された第３の光を前記第１の光と前記第２の光とに分離する波長フィルタを更に有する
    ことを特徴とする請求項１記載の光源装置。
  5. 前記波長フィルタは、波長λｃｏよりも長波長側の光を透過し、前記波長λｃｏよりも短波長側の光を反射するロングパスフィルタであり、前記波長λｃｏは、前記第１の光の共振波長をλｃとして、以下の関係を有する
    λｃｏ ＜ λｃ－５［ｎｍ］
    ことを特徴とする請求項４記載の光源装置。
  6. 前記波長フィルタは、波長λｃｏよりも長波長側の光を透過し、前記波長λｃｏよりも短波長側の光を反射するロングパスフィルタであり、前記波長λｃｏは、前記第１の光の共振波長をλｃとして、以下の関係を有する
    λｃｏ ≦ λｃ－３０［ｎｍ］
    ことを特徴とする請求項４記載の光源装置。
  7. 前記発光素子は、最大ピーク値を有し、かつ、前記最大ピーク値の後に所定の光強度である安定値へ収束するプロファイルを有する前記第１の光を射出するように構成されており、
    前記最大ピーク値は、前記安定値の３倍以上である
    ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光源装置。
  8. 前記判定部は、前記第２の光の光量の時間に対する微分値が所定の閾値以下になったことに応じて前記第１の光が発振したと判定する
    ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光源装置。
  9. 前記判定部は、前記第２の光の光量の時間に対する二階微分値がピークとなるタイミングで前記第１の光が発振したと判定する
    ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光源装置。
  10. 前記判定部は、前記第２の光のピーク時刻に対する前記第１の光のピーク時刻の遅延時間と環境情報との関係を表すルックアップテーブルに基づき、前記第１の光が発振するタイミングを予測する
    ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光源装置。
  11. 前記発光素子と前記受光素子との間に、前記第１の光が前記受光素子に入射するのを防止する遮光膜を更に有する
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光源装置。
  12. 前記発光素子と前記受光素子との間に、前記第１の光が前記受光素子に入射するのを防止する遮光膜を更に有する
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光源装置。
  13. 前記発光素子と前記受光素子との間に、前記第１の光の波長域を透過しない波長フィルタを更に有する
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光源装置。
  14. 前記発光素子は、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間に可飽和吸収層を更に有する
    ことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光源装置。
  15. 前記発光素子は、垂直共振器型面発光レーザ素子である
    ことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光源装置。
  16. 前記受光素子は、前記活性層と同じ構成の受光部を有する
    ことを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の光源装置。
  17. 前記発光素子の前記第２の光の発光部と前記受光素子の受光部との間の距離をＬ、前記発光素子から放出される前記第２の光の総量をＰ、前記受光部の面積をＳ、前記受光部の感度をＱ、前記発光素子の暗電流をＤａとして、以下の関係を有する
    Ｐ×（Ｓ／４πＬ２）×Ｑ ＞ Ｄａ
    ことを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の光源装置。
  18. 請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光源装置と、
    前記光源装置から射出され、測定対象物で反射した光を受ける受光装置と、
    前記光源装置から前記第１の光が射出されるタイミングと前記受光装置が受光するタイミングとの時間差に基づいて前記測定対象物までの距離に関する情報を取得する距離情報取得部と
    を有することを特徴とする測距装置。
  19. 移動体であって、
    請求項１８記載の測距装置と、
    前記測距装置が取得した前記距離に関する情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段と
    を有することを特徴とする移動体。
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