JP2023109490A - 面発光レーザ、レーザ装置、検出装置及び移動体 - Google Patents

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Abstract

【課題】高いパルス出力及び短いパルス幅を両立することができる面発光レーザ、レーザ装置、検出装置及び移動体を提供する。【解決手段】面発光レーザは、複数の活性層と、前記複数の活性層の間のトンネル接合とを含む共振器と、前記共振器を挟んで対向する複数の反射鏡と、第１の電源装置に接続され、前記活性層に電流を注入することが可能な第１の電極対と、を有し、前記電源装置により電流が注入される期間を電流注入期間、前記電流注入期間の後であって前記共振器に注入される電流値が前記電流注入期間における電流値よりも低下する期間を電流減少期間として、前記電流注入期間にレーザ発振せず、前記電流減少期間にレーザ発振する。【選択図】図１８

Description

本発明は、面発光レーザ、レーザ装置、検出装置及び移動体に関する。
多くのアプリケーションにおいて、レーザのパルス出力は大きいことが望ましく、出力を向上させるための構造としてマルチジャンクション構造が提案されている（非特許文献５）。
一方、高いパルス出力とともに短いパルス幅が求められる用途が拡大している。その一例としてＴＯＦ（Time Of Flight）センサがある。ＴＯＦセンサでは、アイセーフ基準を満たしつつ、高精度化と長距離化を実現するために、高いパルス出力と短いパルス幅を有するレーザ光源が有用である。これは、アイセーフ基準の１つである平均パワーが、ピーク出力、パルス幅及びデューティ比から換算される値であり、光パルスのパルス幅が短いほど許容されるピーク出力が高くなるためである。
１ｎｓ以下の短パルス化を実現する手段として、ゲインスイッチング、Ｑスイッチング、モードロックなどがある。ゲインスイッチングは、緩和振動現象を利用して１００ｐｓ以下のパルス幅を実現する手段である。パルス電流の制御だけで実現できるため、Ｑスイッチングやモードロックに比べて構成が簡易である。
本発明者らは、従来のマルチジャンクション構造を有する面発光レーザにゲインスイッチングを適用しようとしても、複数の井戸層からの発振特性のばらつきが生じるため、高いパルス出力及び短いパルス幅の両立が難しいという課題を見出した。
本発明は、高いパルス出力及び短いパルス幅を両立することができる面発光レーザ、レーザ装置、検出装置及び移動体を提供することを目的とする。
開示の技術の一態様によれば、面発光レーザは、複数の活性層と、前記複数の活性層の間のトンネル接合とを含む共振器と、前記共振器を挟んで対向する複数の反射鏡と、第１の電源装置に接続され、前記活性層に電流を注入することが可能な第１の電極対と、を有し、前記電源装置により電流が注入される期間を電流注入期間、前記電流注入期間の後であって前記共振器に注入される電流値が前記電流注入期間における電流値よりも低下する期間を電流減少期間として、前記電流注入期間にレーザ発振せず、前記電流減少期間にレーザ発振する。
開示の技術によれば、高いパルス出力及び短いパルス幅を両立することができる。
トンネル接合を示すバンド図である。 複数の活性層の接続に用いられたトンネル接合を示すバンド図である。 第１参考例に係る面発光レーザを示す断面図である。 第１参考例における酸化狭窄層及びその近傍を示す断面図である。 第２参考例における酸化狭窄層及びその近傍を示す断面図である。 実測に用いた回路を示す等価回路図である。 第２参考例についての実測結果を示す図である。 第１参考例についての実測結果を示す図である。 構造による電界強度及び透過屈折率の分布の相違を示す図である。 時間変化に伴う電界強度及び透過屈折率の分布の変化を示す図である。 第２参考例におけるキャリア密度及びしきい値キャリア密度についてのシミュレーション結果を示す図である。 第２参考例における光出力についてのシミュレーション結果を示す図である。 第１参考例についてのシミュレーションで用いた関数の例を示す図である。 第１参考例における光出力についてのシミュレーション結果を示す図である。 第１参考例におけるキャリア密度、しきい値キャリア密度、光子密度及び横方向の光閉じ込め係数のシミュレーション結果を示す図である。 図１５中の一部を拡大して示す図である。 光パルスの実測結果及びシミュレーション結果の例を示す図である。 第１実施形態に係る面発光レーザを示す断面図である。 電流狭窄面積とピーク光出力との関係を示す図である。 第２実施形態に係る面発光レーザを示す断面図及びその上面図である。 第３実施形態に係る面発光レーザを示す断面図である。 第４実施形態に係る面発光レーザを示す上面図である。 第４実施形態に係る面発光レーザを示す断面図である。 第５実施形態に係る面発光レーザを示す断面図である。 第６実施形態に係る面発光レーザを示す断面図である。 第７実施形態に係る面発光レーザを示す断面図である。 第８実施形態に係る面発光レーザを示す断面図である。 第９実施形態に係るレーザ装置を示す図である。 デューティ比と光パルスのピーク出力との関係を示す図である。 第１０実施形態に係る距離測定装置を示す図である。 第１１実施形態に係る移動体を示す図である。
まず、マルチジャンクション構造について説明する。マルチジャンクション構造には、トンネル接合を介して複数の活性層が設けられている。トンネル接合は高濃度にドーピングしたｐｎ接合からなる。このｐｎ接合に逆バイアスを加え、図１に示すように、ｎ型半導体側の伝導帯エネルギーがｐ型半導体の価電子帯エネルギーよりも低くなると、ｐ型半導体層の価電子帯から空乏層を介して、ｎ型半導体層の伝導体へ電子をトンネリングさせることが可能になる。この際に、ｐ型半導体では、電子のトンネリングにより、ホールが生成される。このため、このトンネル接合を介してｎ型半導体側に電子を、ｐ型半導体側にホールを供給することができる。
また、図２に示すように、複数の活性層の接続にトンネル接合を用いると、井戸層へのキャリアの注入効率を低下させることなく、井戸層の数を増やすことが可能になり、高効率、且つ高出力動作が可能になる。トンネル接合を用いずに単に井戸層の数を増やすだけでは、特にホールのように有効質量の大きなキャリアは、注入側から離れた井戸層に対して十分に注入を行いにくい。そのため、注入側に近い井戸層と注入側から離れた井戸層との間で均一なキャリア密度を実現することは困難であり、出力向上を実現することができない。一方、トンネル接合を使うと、電子及びホールを生成して注入に使えるため、井戸層の数を増やした場合においても、均一なキャリア注入が可能になる。
更に、電流の連続性から、電源から供給された電子と同数の電子がトンネル接合において生成されることになるので、１個の電子がトンネル接合を介した各活性層において複数回、発光再結合を行う。このため、所謂スロープ効率が井戸層の数に比例して向上する。この結果、高出力を得ることができる。
しかしながら、本発明者らの検討により、マルチジャンクション構造を有する面発光レーザにおいて、短いパルス幅のレーザ光を得ようとする場合、以下に説明する課題があることが見出された。
ゲインスイッチ動作は、駆動電流パルスの印加直後に生じる活性層内の電子系と共振器内の光子系との相互作用による緩和振動現象を利用して短パルスを出力させるものであり、パルスの定常出力に達するまでの過渡現象である。このため、ゲインスイッチ動作は基本的に不安定であり、発振特性は、様々な構造及び特性等の要因のばらつきの影響を受けやすい。すなわち、マルチジャンクション構造で高出力な短パルスを得るには、夫々の活性層が同じ発振特性を示し時間的に同期して得られることが望まれるが、同じ発振特性を得ることが難しい。
具体的に活性層の発振特性を決める主要な要因は、利得定数、透明化キャリア密度、活性層体積、注入効率等であるが、共振器内に設けられる複数の活性層に対して、同一の発振特性を得ることが難しい。
例えば、活性層体積は注入電流広がりによって決まるため、酸化狭窄構造からの距離が異なると注入電流広がりが変わり、活性層体積も相違する。活性層体積の相違により、素子に駆動電流パルスを印加した際のキャリア密度が相違するため、活性層利得に差が生じることになる。井戸層の厚さのばらつき及び歪量子井戸の歪量のばらつきについても、同様の発振特性のばらつきが生じる。
また、面発光レーザに含まれるトンネル接合は薄膜により構成されるため、不純物の濃度プロファイルのばらつきにより、トンネル接合の抵抗等の電気的特性がばらつき、活性層へのキャリア注入レートのばらつきが生じることがある。従って、不純物の濃度プロファイルにばらつきがある場合、複数の井戸層の間において、ある時間のキャリア数及びキャリア密度に差が生じることがある。このような状況において、最初に発振閾値利得に達した井戸層が発振を開始すると、共振器内の光子数が急激に増加し、他の井戸層もこれにより発振を開始することになる。このとき、キャリア密度の差は誘導放出レートの差となりパルス幅の大きさに影響し、キャリア数の差はパルス出力の差となり出力の大きさに影響する。この中でも、特に電流パルス印加時の注入電流ばらつきは、各活性層に蓄積されているキャリア数のばらつきに影響を及ぼし、発振時のパルス出力のばらつきとなって現れるため、出力特性への影響が非常に大きい。また、端面発光レーザよりも電流注入領域が小さい面発光レーザ素子では、このトンネル接合の電気的特性のばらつきが顕在化しやすい。以上のように、従来のゲインスイッチ型の面発光レーザでは、効率良く高出力化することが難しい。
（参考例）
次に、本開示に関連する参考例について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。
まず、第１参考例について説明する。第１参考例は面発光レーザに関する。図３は、第１参考例に係る面発光レーザを示す断面図である。
第１参考例に係る面発光レーザ１００は、例えば酸化狭窄を採用した垂直共振器型面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：ＶＣＳＥＬ）である。面発光レーザ１００は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１０と、ｎ型分布ブラッグ反射鏡（distributed Bragg reflector：ＤＢＲ）１２０と、活性層１３０と、ｐ型ＤＢＲ１４０と、酸化狭窄層１５０と、上部電極１６０と、下部電極１７０とを有する。
第１参考例においては、ｎ型ＧａＡｓ基板１１０の表面に垂直な方向に光が射出される。以下、ｎ型ＧａＡｓ基板１１０の表面に垂直な方向を縦方向、ｎ型ＧａＡｓ基板１１０の表面に平行な方向を横方向又は面内方向ということがある。
ｎ型ＤＢＲ１２０はｎ型ＧａＡｓ基板１１０上にある。ｎ型ＤＢＲ１２０は、例えば複数のｎ型半導体膜を積層して構成された半導体多層膜反射鏡である。例えば、ｎ型ＤＢＲ１２０はＡｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓ膜及びＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ膜を複数含む。活性層１３０はｎ型ＤＢＲ１２０上にある。活性層１３０は、例えば、複数の量子井戸層及び障壁層を含む。活性層１３０は共振器に含まれる。ｐ型ＤＢＲ１４０は活性層１３０上にある。ｐ型ＤＢＲ１４０は、例えば複数のｐ型半導体膜を積層して構成された半導体多層膜反射鏡である。例えば、ｐ型ＤＢＲ１４０はＡｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓ膜及びＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ膜のペアを複数含む。共振器は、ｎ型ＤＢＲ１２０と活性層１３０との間のスペーサ層（図示せず）と、活性層１３０とｐ型ＤＢＲ１４０との間のスペーサ層（図示せず）とを更に含む。
上部電極１６０は、平面視で環状に形成されｐ型ＤＢＲ１４０の上面に接触する。下部電極１７０はｎ型ＧａＡｓ基板１１０の下面に接触する。上部電極１６０と下部電極１７０との対は、電極対の一例である。ただし、電極の位置はこれには限定されず、活性層に電流を注入できる位置にあればよい。例えば、ＤＢＲを介してではなく共振器のスペーサ層に直接電極を配置するイントラキャビティ構造であってもよい。
ｐ型ＤＢＲ１４０は、例えば酸化狭窄層１５０を含む。酸化狭窄層１５０はＡｌを含有する。酸化狭窄層１５０は、光の射出方向に垂直な面内に、酸化領域１５１と、非酸化領域１５２とを含む。酸化領域１５１は、環状の平面形状を有し、非酸化領域１５２を取り囲む。非酸化領域１５２は、ｐ型ＡｌＡｓ層１５５と、縦方向でｐ型ＡｌＡｓ層１５５を間に挟む２つのｐ型Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ層１５６とから構成される。酸化領域１５１はＡｌＯｘから構成される。酸化領域１５１の屈折率は非酸化領域１５２の屈折率よりも低い。例えば、酸化領域１５１の屈折率は１．６５であり、ｐ型ＡｌＡｓ層１５５の屈折率は２．９６であり、ｐ型Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ層１５６の屈折率は３．０４である。平面視で、メサ１８０の酸化領域１５１の内縁の内側の部分は高屈折領域の一例であり、メサ１８０の酸化領域１５１の内縁の外側の部分は低屈折領域の一例である。なお、ｐ型Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ層１５６に代えて、ｐ型ＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ層（０．７０≦ｘ≦０．９０）が設けられてもよい。本実施形態では、ｐ型ＤＢＲ１４０、活性層１３０及びｎ型ＤＢＲ１２０がメサ１８０を構成している。ただし、酸化狭窄により電流狭窄領域を形成する第１参考例においては、少なくとも酸化狭窄層１５０及び酸化狭窄層１５０より上に位置する半導体層がメサ形状に形成されていればよい。また、少なくとも活性層がメサに含まれるよう形成することで、活性層で発生した光が横方向へ漏れることを防ぐことができる。
ここで、酸化狭窄層１５０について詳細に説明する。図４は、第１参考例における酸化狭窄層及びその近傍を示す断面図である。
図４に示すように、酸化領域１５１は、平面視で、環状の外側領域１５３と、環状の内側領域１５４とを有する。外側領域１５３はメサ１８０の側面に露出する。外側領域１５３は、断面視で表面の接触面が酸化領域１５１の外側に位置するように厚さが変化する領域であり、内側領域１５４は、断面視で表面の接触面が酸化領域１５１の内側に位置するように厚さが変化する領域である。内側領域１５４は外側領域１５３の内側にある。内側領域１５４の厚さは、外側領域１５３との境界において外側領域１５３の厚さと一致し、メサ１８０の中心に近づくほど薄くなっている。内側領域１５４は、断面視で、内縁から外側領域１５３との境界にかけて徐々に厚くなるテーパ形状を有する。非酸化領域１５２は外側領域１５３の内側にある。非酸化領域１５２の一部は縦方向で内側領域１５４を挟む。非酸化領域１５２の他の一部は平面視で内側領域１５４の内縁の内側にある。例えば、非酸化領域１５２の厚さは３５ｎｍ以下である。外側領域１５３の厚さは非酸化領域１５２の厚さより大きくてもよい。なお、本開示において、非酸化領域１５２の厚さとは、酸化領域１５１の内縁（内側領域１５４の内縁）よりもメサ１８０の中心側の部分の厚さである。例えば、メサ１８０の側面から酸化領域１５１の内縁までの距離は、約８μｍ～１１μｍの範囲である。
酸化領域１５１は、例えばｐ型ＡｌＡｓ層及びｐ型Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ層の酸化狭窄により形成されている。例えば、高温水蒸気環境下でのｐ型ＡｌＡｓ層及びｐ型Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ層の酸化処理により酸化領域１５１を形成できる。なお、同一のｐ型ＡｌＡｓ層及びｐ型Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ層を酸化したとしても、酸化の条件により、ｐ型ＡｌＡｓ層及びｐ型Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ層から得られる酸化狭窄層の構造は相違し得る。従って、酸化により酸化狭窄層１５０となる層、例えばｐ型ＡｌＡｓ層及びｐ型Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ層の酸化前の構造が同一であっても、酸化の条件によっては、酸化領域１５１及び非酸化領域１５２を備えた酸化狭窄層１５０が得られないことがある。
ここで、第２参考例と比較しながら、第１参考例の作用効果について説明する。図５は、第２参考例における酸化狭窄層及びその近傍を示す断面図である。
第２参考例では、酸化狭窄層１５０が、酸化領域１５１及び非酸化領域１５２に代えて、酸化領域２５１及び非酸化領域２５２を有する。酸化領域２５１は、環状の平面形状を有し、非酸化領域２５２を取り囲む。非酸化領域２５２は、ｐ型ＡｌＡｓ層２５５と、縦方向でｐ型ＡｌＡｓ層２５５を間に挟む２つのｐ型Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ層２５６とから構成される。酸化領域２５１は、平面視で、環状の外側領域２５３と、環状の内側領域２５４とを有する。外側領域２５３はメサ１８０の側面に露出する。外側領域２５３の厚さは面内方向で一定である。内側領域２５４は外側領域２５３の内側にある。内側領域２５４の厚さは、外側領域２５３との境界において外側領域２５３の厚さと一致し、メサ１８０の中心に近づくほど薄くなっている。内側領域２５４は、断面視で、内縁から外側領域２５３との境界にかけて徐々に厚くなるテーパ形状を有する。非酸化領域２５２は外側領域２５３の内側にある。非酸化領域２５２の一部は縦方向で内側領域２５４を挟む。非酸化領域２５２の他の一部は平面視で内側領域２５４の内縁の内側にある。例えば、メサ１８０の側面から酸化領域２５１の内縁までの距離は、約８μｍ～１１μｍの範囲である。酸化領域２５１及び非酸化領域２５２の厚さは酸化狭窄層１５０の厚さと等しい。
まず、第１参考例及び第２参考例についての実測結果について説明する。図６は、実測に用いた回路を示す等価回路図である。
この回路では、第１参考例又は第２参考例に対応する面発光レーザ１１に直列に電流モニタ用の抵抗１２が接続されている。また、抵抗１２に並列に電圧計１３が接続されている。また、面発光レーザ１１から出力された光は広帯域の高速フォトダイオードで受光して電圧信号に変換し、その電圧信号をオシロスコープで観測した。
図７は、第２参考例についての実測結果を示す図である。図７（ａ）は、パルス幅が約２ｎｓの場合の実測結果を示し、図７（ｂ）は、パルス幅が約９ｎｓの場合の実測結果を示し、図７（ｃ）は、パルス幅が約１７ｎｓの場合の実測結果を示す。図７（ａ）～（ｃ）の実測において、バイアス電流の大きさ及びパルス電流の振幅は共通である。図７には、抵抗１２を流れる電流及び高速フォトダイオードで測定した光出力を示す。抵抗１２を流れる電流は、電圧計１３を用いて算出できる。
図７に示すように、第２参考例では、パルス幅の大きさに関係なく、パルス電流が注入された直後に光パルスが出力され、その後はパルス電流の注入が停止するまでは平衡状態になり、一定のテール光が出力されている。先頭の光パルスは緩和振動によるものであり、典型的なゲインスイッチング駆動である。パルス幅を変えても、光パルスが発生するタイミングは変わらない。緩和振動により生じる光パルスは、レーザ共振器内のキャリア密度がしきい値キャリア密度を超えた直後に生じるためである。テール光の出力を抑制するために、光パルスが出力された直後に電流注入を停止することが考えられる。しかし、緩和振動による光パルスの時間幅は１００ｐｓ以下であるため、電流の大きさが１０Ａ以上と大きい場合には、光パルスが出力された直後に１００ｐｓ以下の時間で電流の注入を停止することは難しい。
図８は、第１参考例についての実測結果を示す図である。図８（ａ）は、パルス幅が約０．８ｎｓの場合の実測結果を示し、図８（ｂ）は、パルス幅が１．３ｎｓの場合の実測結果を示し、図８（ｃ）は、パルス幅が２．５ｎｓの場合の実測結果を示す。図８（ａ）～（ｃ）の実測において、バイアス電流の大きさ及びパルス電流の振幅は共通である。図８には、抵抗１２を流れる電流及び高速フォトダイオードで測定した光出力を示す。抵抗１２を流れる電流は、電圧計１３を用いて算出できる。
図８に示すように、第１参考例では、パルス電流が注入されている状態では光出力が生じておらず、パルス電流の注入が減少した直後に光パルスが出力されている。また、光パルスが出力された後のテール光はほぼ見られない。ゲインスイッチングによる光出力であれば、パルス電流の幅を変えたとしても、光パルスが生じるタイミングは変わらない。これに対し、第１参考例では、パルス電流の注入が減少したことをきっかけとして光パルスが出力されている。従って、第１参考例における光出力は、緩和振動現象を利用した通常のゲインスイッチングではないといえる。
このように、第１参考例と第２参考例とでは、光出力の機構及び態様が明確に相違している。この相違は、下記のように説明される。
面発光レーザでは、レーザ光は共振器中を酸化狭窄層と垂直方向に伝搬する。このため、酸化狭窄層が厚いほど、屈折率差に依存する等価的な導波路長が長くなり、横方向の光閉じ込め作用が大きくなる。酸化狭窄層を含むＤＢＲを等価的な導波路構造と見なした場合、図９（ａ）のように等価屈折率差が大きいときには、レーザ光の電界強度分布は中央付近に集められる。これに対し、図９（ｂ）のように等価屈折率差が小さいときには、レーザ光の電界強度分布は周辺の酸化領域にまで広がる。第１参考例と第２参考例とを比較すると、第１参考例では、酸化狭窄層１５０が内側領域１５４を含むため、第１参考例において、等価屈折率差が小さくなる。従って、第２参考例では、図９（ａ）に示すように、レーザ光の電界強度分布が中央付近に集められるのに対し、第１参考例では、図９（ｂ）に示すように、レーザ光の電界強度分布が酸化領域１５１にまで広がる。
ここで、横方向の光閉じ込め係数を「面発光レーザ素子の中心を通る横方向断面における電界の積分強度」に対する「電流通過領域と同じ半径領域中における電界の積分強度」の割合とし、式（１）で定義する。ここで、ａは電流通過領域の半径に相当し、Φは基板に垂直な方向を回転軸とした回転方向を表す。
Figure 2023109490000002
次に、パルス電流の注入が停止された際に起きる現象のモデルについて説明する。パルス電流が注入されている状態では、酸化狭窄層により電流経路はメサの中央付近に集中し、キャリア密度が高い状態となっている。このとき、キャリア密度の高い非酸化領域では、キャリアプラズマ効果により屈折率が小さくなる作用が生じる。キャリアプラズマ効果は、自由キャリア密度に比例して屈折率が低下する現象である。例えば文献「Kobayashi, Soichi, et al. "Direct frequency modulation in AlGaAs semiconductor lasers." IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 30.4 (1982): 428-441」によると、屈折率の変化量は式（２）で示される。ここで、Ｎはキャリア密度である。
Figure 2023109490000003
図１０に、パルス電流が注入されている期間（図１０（ａ））と、パルス電流の注入が停止されて減少する期間（図１０（ｂ））とでの等価屈折率及び電界強度分布を模式的に示す。パルス電流が注入されている期間では、酸化狭窄層により生じる等価屈折率差（ｎ１－ｎ０）を打ち消す方向にキャリアプラズマ効果が作用して、等価屈折率差は（ｎ２－ｎ０）となっている。この状態でパルス電流の注入が減少すると、キャリアプラズマ効果の作用がなくなり、等価屈折率差は（ｎ１－ｎ０）に戻る。これにより、メサの周辺部まで広がっていた光子がメサの中央部に集められ、非酸化領域での光子密度が上昇する。つまり、横方向光閉じ込めが強い状態に変化する。パルス電流の注入が停止すると、共振器内に蓄積されたキャリアはキャリア寿命時間をかけて減少する。しかし、キャリア密度が完全に減衰する前に横方向光閉じ込めが強くなると誘導放出が始まり、蓄積されていたキャリアが一気に消費されて光パルスが出力される。パルス電流が注入されている期間は電流注入期間の一例であり、パルス電流の注入が停止されて減少する期間は電流減少期間の一例である。
以上のモデルをシミュレーションにより検証した結果を以下に示す。キャリア密度と光子密度のレート方程式を式（３），（４）に示す。
Figure 2023109490000004
Figure 2023109490000005
ここで、式（３），（４）中の各文字が示す内容は下記の通りである。
Ｎ： キャリア密度［１／ｃｍ３］
Ｓ： 光子密度［１／ｃｍ３］
ｉ（ｔ）： 注入電流［Ａ］
ｅ： 電荷素量［Ｃ］
Ｖ： 共振器体積［ｃｍ３］
τｎ（Ｎ）： キャリア寿命時間［ｓ］
ｖｇ： 群速度［ｃｍ／ｓ］
ｇ（Ｎ，Ｓ）： 利得［１／ｃｍ］
Γａ： 光閉じ込め係数
τｐ： 光子寿命時間［ｓ］
β： 自然放出結合係数
ｇ０： 利得係数［１／ｃｍ］
ε： 利得抑圧係数
Ｎｔｒ： 透明キャリア密度［１／ｃｍ３］
ηｉ： 電流注入効率
αｍ： 共振器ミラー損失［１／ｃｍ］
ｈ： プランク定数［Ｊｓ］
ν： 光の周波数［１／ｓ］
利得ｇ（Ｎ，Ｓ）は式（５）で表される。
Figure 2023109490000006
光閉じ込め係数Γａは、式（６）に示すように、横方向の光閉じ込め係数Γｒと縦方向の光閉じ込め係数Γｚとの積で定義される。
Figure 2023109490000007
しきい値キャリア密度Ｎｔｈは式（７）で表される。
Figure 2023109490000008
しきい値電流Ｉｔｈとしきい値キャリア密度Ｎｔｈとの間には、式（８）の関係がある。
Figure 2023109490000009
共振器から出力される光出力Ｐと光子密度Ｓとの間には、式（９）の関係がある。
Figure 2023109490000010
ここで、第２参考例についてのシミュレーションの結果について説明する。第２参考例については、横方向の光閉じ込め係数Γｒは１とし、図７に示す電流モニタ波形を入力してシミュレーションを実施した。キャリア密度Ｎ及びしきい値キャリア密度Ｎｔｈについてのシミュレーション結果を図１１に示し、光出力についてのシミュレーション結果を図１２に示す。
図１１及び図１２に示すように、パルス電流が注入された約５ｎｓの時点で、その直後にキャリア密度Ｎがしきい値キャリア密度Ｎｔｈを超え、緩和振動による光パルスが出力されている。その後は平衡状態となり一定のテール光が出力されている。このように、シミュレーションにおいて、図７に示す実測結果に近い結果が得られている。
次に、第１参考例についてのシミュレーションの結果について説明する。第１参考例については、横方向の光閉じ込め係数Γｒを１未満で、横方向の光閉じ込め係数Γｒをキャリア密度Ｎの増加に従って減少する関数とし、図８に示す電流モニタ波形を入力してシミュレーションを実施した。横方向の光閉じ込め係数Γｒを上記の関数としたのは、キャリアプラズマ効果による屈折率変化の影響を取り入れるためである。図１３は、関数の例を示す図である。光出力のシミュレーション結果を図１４に示す。
図１４に示すように、パルス電流の注入を停止したタイミングで光パルス出力が得られている。このように、シミュレーションにおいて、図８に示す実測結果に近い結果が得られている。
この結果を詳しく解析するために、パルス幅が２．５ｎｓの条件におけるキャリア密度Ｎ、しきい値キャリア密度Ｎｔｈ、光子密度Ｓ及び横方向の光閉じ込め係数Γｒのシミュレーション結果を図１５に示す。図１５（ａ）にキャリア密度Ｎ、しきい値キャリア密度Ｎｔｈ及び光子密度Ｓのシミュレーション結果を示し、図１５（ｂ）に横方向の光閉じ込め係数Γｒのシミュレーション結果を示す。
横方向の光閉じ込め係数Γｒがキャリア密度Ｎの関数であるため、パルス電流が注入されている３ｎｓ～５．５ｎｓの範囲では横方向の光閉じ込め係数Γｒが低下している。この範囲では、横方向の光閉じ込め係数Γｒの低下にともなってしきい値キャリア密度Ｎｔｈが上昇し、Ｎ＜Ｎｔｈとなるため誘導放出が起こりにくく、光子密度Ｓは増えない。５．５ｎｓの時点でパルス電流の注入が減少し始めると、横方向の光閉じ込め係数Γｒは再び上昇し、その過程において光子密度Ｓがパルス状に生じている。図１５において５ｎｓ～６ｎｓの範囲で時間軸を拡大したグラフを図１６に示す。
約５．５ｎｓの時点でパルス電流の注入が減少し始めると、キャリア密度Ｎは低下し始める。それと同時に横方向の光閉じ込め係数Γｒも上昇し、しきい値キャリア密度Ｎｔｈが低下する。キャリア密度Ｎが低下するよりもしきい値キャリア密度Ｎｔｈの低下する方が早いため、キャリア密度Ｎが低下する過程でＮ＞Ｎｔｈとなる時間が生じる。この時間には、まず自然放出により光子密度Ｓが上昇し、ある程度まで光子密度Ｓが増加すると誘導放出が支配的となり、光子密度Ｓが急増する。同時にキャリア密度Ｎが急減し、再びＮ＜Ｎｔｈとなると光子密度は急減する。
このように、パルス電流の注入が停止したことをきっかけとして光パルスが出力される現象がシミュレーションにより再現できた。
光パルスの立ち上がり時間は、しきい値キャリア密度Ｎｔｈがキャリア寿命時間よりも早く減少すると短くなる。つまり、式（６）より横方向光閉じ込め係数Γｒの増加が速いほど立ち上がり時間が短くなる。光パルスの減衰時間は、光子寿命時間に依存する。光パルスの実測結果及びシミュレーション結果の例を図１７に示す。図１７（ａ）は実測結果を示し、図１７（ｂ）はシミュレーション結果を示す。
パルス幅をピーク値の１／ｅ２以上となる時間幅と定義すると、実測結果では８６ｐｓ、シミュレーション結果では８１ｐｓである。ここでｅは自然対数である。このモデルによれば、光パルスの幅は注入するパルス電流よりも短く、注入するパルス電流の時間幅に制限されることなく短くすることができる。
（第１実施形態）
次に、第１実施形態について説明する。第１実施形態は表面射出型の面発光レーザに関する。第１実施形態は、主として共振器及びメサの構成の点で第１参考例と相違し、マルチジャンクション構造を備える。図１８は、第１実施形態に係る面発光レーザを示す断面図である。
第１実施形態に係る面発光レーザ３００は、例えば酸化狭窄を採用したＶＣＳＥＬである。面発光レーザ３００は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１０と、ｎ型ＤＢＲ１２０と、共振器３０と、ｐ型ＤＢＲ１４０と、酸化狭窄層１５０と、上部電極１６０と、下部電極１７０とを有する。
第１実施形態においては、ｎ型ＧａＡｓ基板１１０の表面に垂直な方向に光が射出される。以下、ｎ型ＧａＡｓ基板１１０の表面に垂直な方向を縦方向、ｎ型ＧａＡｓ基板１１０の表面に平行な方向を横方向又は面内方向ということがある。
共振器３０はｎ型ＤＢＲ１２０の上にある。ｐ型ＤＢＲ１４０は共振器３０の上にある。共振器３０は、スペーサ層３１と、活性層３２と、トンネル接合３３と、活性層３４と、トンネル接合３５と、活性層３６と、スペーサ層３７とを有する。スペーサ層３１はｎ型ＤＢＲ１２０の上にある。活性層３２はスペーサ層３１の上にある。トンネル接合３３は活性層３２の上にある。活性層３４はトンネル接合３３の上にある。トンネル接合３５は活性層３４の上にある。活性層３６はトンネル接合３５の上にある。スペーサ層３７は活性層３６の上にある。スペーサ層３７の上にｐ型ＤＢＲ１４０がある。
スペーサ層３１及び３７は、例えばＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層である。活性層３２、３４及び３６は、例えば、複数の量子井戸層及び障壁層を含む多重量子井戸構造を有し、例えば、量子井戸層はＩｎＧａＡｓであり、障壁層はＡｌＧａＡｓ層である。例えば、活性層３２、３４及び３６の発光波長は９４０ｎｍである。すなわち、面発光レーザ３００は、９４０ｎｍ帯の面発光レーザである。
トンネル接合３３は、ｎ型層３３ｎと、ｐ型層３３ｐとを有し、トンネル接合３５は、ｎ型層３５ｎと、ｐ型層３５ｐとを有する。ｎ型層３３ｎは活性層３２の上にあり、ｐ型層３３ｐはｎ型層３３ｎの上にある。ｎ型層３５ｎは活性層３４の上にあり、ｐ型層３５ｐはｎ型層３５ｎの上にある。例えば、ｎ型層３３ｎ及び３５ｎは、厚さが５ｎｍ～２０ｎｍのｎ＋＋ＡｌＧａＡｓ層であり、ｐ型層３３ｐ及び３５ｐは、厚さが５ｎｍ～２０ｎｍのｐ＋＋ＡｌＧａＡｓ層である。例えば、ｎ型層３３ｎ及び３５ｎのｎ型不純物の濃度は５×１０１８ｃｍ－３であり、ｐ型層３３ｐ及び３５ｐのｐ型不純物の濃度は５×１０１９ｃｍ－３である。
共振器３０中において、活性層３２、３４及び３６は、発光効率を低下させないように、発振光の定在波の腹となる位置に設けられている。また、共振器３０中において、トンネル接合３３及び３５は、光吸収を避けるために、定在波の節となる位置に設けられている。活性層３２、３４及び３６の位置は定在波の腹となる位置には限定されないが、活性層３２、３４及び３６は発振光の定在波の腹と節との中間よりも腹側となる位置に設けられることが好ましい。
また、本実施形態では、ｐ型ＤＢＲ１４０及び共振器３０がメサ３８０を構成している。ただし、酸化狭窄により電流狭窄領域を形成する本実施形態においては、少なくとも酸化狭窄層１５０及び酸化狭窄層１５０より上に位置する半導体層がメサ形状に形成されていればよい。また、少なくとも活性層がメサに含まれるよう形成することで、活性層で発生した光が横方向へ漏れることを防ぐことができる。
他の構成は第１参考例と同様である。
第１実施形態においては、光パルス出力が生じた後に継続的な光パルス列が生じにくい。光パルスが生じるときにはパルス電流の注入が減少しており、緩和振動が生じにくいためである。
また、光パルス出力が生じた後にテール光が生じにくい。光パルスが生じた後にはパルス電流の注入が減少しており、キャリア密度が増加しにくいためである。
また、パルス電流の注入を停止した直後に光パルスが出力されるため、光パルスが出力されるタイミングを任意に制御することができる。
また、第１実施形態により生じる光パルスの幅は、注入したパルス電流幅よりも短い。大電流化した場合でもパルス電流幅を短くする必要がないため、寄生インダクタンスの影響を受けにくい。
第１実施形態によれば、複数の量子井戸層からの発振特性のばらつきを抑制し、高いパルス出力及び短いパルス幅を両立することができる。例えば、通常のマルチジャンクション構造を有する面発光レーザに利得スイッチ発振を単純に適用する場合、パルス電流の入力の立ち上がりにおける緩和振動を利用することとなる。このため、それぞれの井戸のキャリア数は、各井戸への注入電流のばらつきによって、異なった値となりやすい。注入電流のばらつきは、例えば、酸化狭窄層からの距離の違いによる電流密度の相違、又は、トンネル接合の電気特性（ＣＲ特性）のばらつきに起因する。従って、電流パルスが入力された後の立ち上がり時におけるキャリア数の値及び時間変化は井戸毎に異なる。このため、発振特性がばらつき、ピーク出力の低下及びパルス幅の広がりが生じる。これに対し、第１実施形態では、短パルス発振は立ち上がり時ではなく、各井戸に十分なキャリアが供給され、安定な状態になった後に生じる。このため、過渡的なキャリア数ばらつきによる影響を受けにくく、複数の量子井戸層からの発振特性のばらつきが抑制される。
第１実施形態に係る面発光レーザ３００を並列に複数配置して面発光レーザアレイを形成し、同時に光パルスを出力させることで、より大きな光ピーク出力を得ることができる。面発光レーザアレイに注入する電流は１個の面発光レーザ３００に注入する電流よりも大きくなるが、面発光レーザ３００により出力される光パルスの幅が注入するパルス電流の幅よりも狭いため、小さい光パルス幅を出力させることができる。
第１実施形態に係る面発光レーザ３００から出力される光のパルス幅は限定されないが、例えば１ｎｓ以下であり、好ましくは５００ｐｓ以下であり、より好ましくは１００ｐｓ以下である。
なお、第１実施形態において、内側領域１５４の内縁から外側に３μｍ離れた位置、すなわち非酸化領域１５２と酸化領域１５１との境界の先端部から３μｍの位置における酸化領域１５１の厚さは、非酸化領域１５２の厚さの２倍以下であることが好ましい。例えば、非酸化領域１５２の厚さが３１ｎｍの場合、内側領域１５４の内縁から外側に３μｍ離れた位置における厚さは６２ｎｍ以下であることが好ましく、５４ｎｍであってもよい。メサ２８０の側面から酸化領域１５１の内縁までの距離（酸化距離）が８μｍ～１１μｍの範囲である場合、３μｍという距離は酸化距離の２８％～３８％に相当する。上記の第２参考例の実測を行った際に酸化領域２５１の内縁から外側に３μｍ離れた位置で酸化領域２５１の厚さと、非酸化領域２５２の厚さとを測定したところ、前者は７９ｎｍ、後者は３１ｎｍであり、前者は後者の２．５５倍であった。本発明者らが様々な酸化狭窄構造の素子を比較評価した結果、比率が２以下の場合に横方向の光閉じ込め係数Γｒが小さくなり、高出力で裾引きのない短パルス光を得やすいことが判明した。
平面視での非酸化領域１５２の面積（電流狭窄面積）は１２０μｍ２以下であることが望ましい。本発明者らが様々な非酸化領域１５２の素子を比較評価した結果、非酸化領域１５２が１２０μｍ２超の場合には、パルス電流の注入を停止した直後に光パルスが出力される現象が生じにくいことがあることが判明した。また、非酸化領域１５２が小さい方がピーク出力の高い光パルスが得られやすいことも判明した。図１９は、非酸化領域の面積が５０μｍ２～１２０μｍ２の範囲のサンプルに対するピーク光出力の測定結果を示す図である。
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態は表面射出型の面発光レーザに関する。図２０は、第２実施形態に係る面発光レーザを示す断面図である。
第２実施形態に係る面発光レーザ４００は、例えば埋め込みトンネル接合（Buried tunnel junction：ＢＴＪ）による電流狭窄構造を備えたＶＣＳＥＬである。面発光レーザ４００は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１０と、ｎ型ＤＢＲ１２０と、共振器３０と、ｐ型ＤＢＲ４４１と、ＢＴＪ領域４５０と、ｐ型ＤＢＲ４４２と、上部電極１６０と、下部電極１７０とを有する。
ｐ型ＤＢＲ４４１は共振器３０の上にある。ｐ型ＤＢＲ４４１は、例えば複数のｐ型半導体膜を積層して構成された半導体多層膜反射鏡である。ＢＴＪ領域４５０はｐ型ＤＢＲ４４１の一部の上にある。ＢＴＪ領域４５０は、ｐ型層４５１と、ｎ型層４５２とを含む。ｐ型ＤＢＲ４４２はｐ型ＤＢＲ４４１の上にあり、ＢＴＪ領域４５０を覆う。ｐ型ＤＢＲ４４２は、例えば複数のｐ型半導体膜を積層して構成された半導体多層膜反射鏡である。ｐ型ＤＢＲ４４２、ｐ型ＤＢＲ４４１及び共振器３０がメサ４８０を構成している。ＢＴＪ領域４５０は、面内でメサ４８０の中央にある。
ｐ型層４５１がｐ型ＤＢＲ４４１の上にあり、ｎ型層４５２がｐ型層４５１の上にある。ｐ型層４５１はｐ型ＤＢＲ４４１を構成するｐ型半導体膜よりも高濃度でｐ型不純物を含有する。ｎ型層４５２はｐ型ＤＢＲ４４２を構成するｎ型半導体膜よりも高濃度でｎ型不純物を含有する。例えば、ｐ型層４５１の厚さは５ｎｍ～２０ｎｍであり、ｎ型層４５２の厚さは５ｎｍ～２０ｎｍである。平面視で、メサ４８０のＢＴＪ領域４５０の輪郭の内側の部分は高屈折領域の一例であり、メサ４８０のＢＴＪ領域４５０の輪郭の外側の部分は低屈折領域の一例である。
上部電極１６０はｐ型ＤＢＲ４４２の上面に接触する。下部電極１７０はｎ型ＧａＡｓ基板１１０の下面に接触する。上部電極１６０と下部電極１７０との対は、電極対の一例である。
第２実施形態では、ｐ型ＤＢＲ４４１とｐ型ＤＢＲ４４２との間には、逆バイアスとなるため電流は流れない。ｐ型層４５１とｎ型層４５２との間には埋め込みトンネル接合による電流が流れる。このため、上部電極１６０と下部電極１７０との間の電流経路は、ＢＴＪ領域４５０があるメサ４８０の中央に狭窄される。また、ＢＴＪ領域４５０が段差となってｐ型ＤＢＲ４４２に覆われるため、メサ４８０内の面内での屈折率は、中央で高く、その周囲で低くなる。従って、面発光レーザ４００には、横方向の光閉じ込め作用が生じる。
従って、第２実施形態によっても、第１実施形態と同様のパルス電流を注入することにより、光パルスを出力させることができる。
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。
上述のように、短パルス出力を向上させるためには、活性層に蓄積されるキャリアの数を多くすることが好ましい。また、電流注入が停止した後、できるだけ短時間でＮ＞Ｎｔｈとなる状態を作り出すことが重要である。
つまり、電流注入を停止すると、キャリアの拡散や自然放出や非発光再結合により、電流狭窄構から活性層付近の中央部におけるキャリア密度が低下し、プラズマ効果によって広がっていた横モード分布が、素子中央部に分布を持つようになる。それによってＮ＞Ｎｔｈとなる状態が作り出され短パルス発振が生じているが、この間に再結合によって失われるキャリアを少なくすることが、パルス出力を向上させる上で重要である。
上記の例では、出力を得るための電流注入が、プラズマ効果による屈折率変化を生じて発振を抑制する手段となっているために、短パルス発振が生じるまでにある程度の蓄積キャリアの消滅が要求される。もし、注入電流量、蓄積キャリア量に関係なくプラズマ効果以外の別の手段で屈折率を変化させることができれば、蓄積キャリアを有効に短パルスの出力に変換して取り出すことが可能であり、より高効率、高出力な短パルス動作が可能である。
この屈折率を外部から変調する手段として、多重量子井戸構造の電界効果が有効である。多重量子井戸構造においては井戸面に垂直な方向に電界を印加することにより、屈折率の変化、すなわち屈折率の減少を得ることができる。
量子井戸構造の電界による屈折率変化については、例えば非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４等で報告がある。非特許文献１では厚さ３０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ及びＩｎＰからなる量子井戸構造において（Δｎ／ｎ）／Ｅ＝３×１０－８［ｃｍ／Ｖ］の値が得られることが理論的に報告されている。これは例えば１００［ｋＶ／ｃｍ］の電界印加時（量子井戸３０ｎｍに対して０．３Ｖのバイアス）に、Δｎ／ｎ＝３×１０－３、つまりΔｎ≒－９×１０－３程度の値となる。
非特許文献２、３では実際に厚さ１０ｎｍのＧａＡｓ及び厚さ３０ｎｍのＡｌＡｓからなる多重量子井戸構造において、測定を行い、室温において（Δｎ／ｎ）／Ｅ＝４×１０－７［ｃｍ／Ｖ］という値を観測している。これは１００［ｋＶ／ｃｍ］の電界印加時において、Δｎ≒－４×１０－２となり、非特許文献１における理論値よりも大きな値が観測されている。非特許文献３には、電界印加に伴う量子閉じ込めシュタルク効果によるバンド間遷移エネルギーのレッドシフトと屈折率変化が示されている。また、非特許文献４では、Δｎ≒－３×１０－２という値が実験結果として報告されている。
以上のように、多重量子井戸構造の電界効果を利用することにより、１００［ｋＶ／ｃｍ］という現実的な印加電界によってΔｎ≒－１×１０－２オーダーのプラズマ効果と同等以上の屈折率変化を得ることが可能である。これを利用することにより、短パルス動作の制御性、出力をより向上させることが可能になる。
従って、この多重量子井戸構造を共振器の近くに配置し電界を印加することにより、多重量子構造中の量子井戸の屈折率が減少し、図１０に示すように、酸化狭窄によって得られる有効屈折率差Δｎ０を打ち消す方向に作用する。このように、プラズマ効果以外にも有効屈折率差Δｎを変化させる手段を新たに設けることが可能となる。更に、多重量子井戸構造に印加する電界によって有効屈折率差Δｎを制御することで、レーザ発振である短パルス発振のタイミングを制御することが可能になる。
第３実施形態では、多重量子井戸構造の電界効果を利用する。第３実施形態は表面射出型の面発光レーザに関する。図２１は、第３実施形態に係る面発光レーザを示す断面図である。
第３実施形態に係る面発光レーザ５００は、第１実施形態と同様に、例えば酸化狭窄を採用したＶＣＳＥＬである。面発光レーザ５００は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１０と、ｎ型ＤＢＲ１２０と、共振器３０と、第１ｐ型ＤＢＲ５４１と、第２ｐ型ＤＢＲ５４２と、酸化狭窄層１５０と、多重量子井戸構造５９０と、第１上部電極５６１と、第２上部電極５６２と、下部電極１７０とを有する。面発光レーザ５００は、更に、第１コンタクト層５９１と、第２コンタクト層５９２と、第３コンタクト層５９３とを有する。
第１ｐ型ＤＢＲ５４１は共振器３０の上にある。第１ｐ型ＤＢＲ５４１は酸化狭窄層１５０を含む。第１コンタクト層５９１は第１ｐ型ＤＢＲ５４１の上にある。多重量子井戸構造５９０は第１コンタクト層５９１の上にある。第２ｐ型ＤＢＲ５４２は多重量子井戸構造５９０の上にある。第２コンタクト層５９２は第２ｐ型ＤＢＲ５４２の上にある。第３コンタクト層５９３はｎ型ＧａＡｓ基板１１０と下部電極１７０との間にある。ｎ型ＤＢＲ１２０、共振器３０、第１ｐ型ＤＢＲ５４１及び第１コンタクト層５９１が円柱状のメサポスト５８０を構成する。第１ｐ型ＤＢＲ５４１は第１の上部反射鏡の一例であり、第２ｐ型ＤＢＲ５４２は第２の上部反射鏡の一例である。
例えば、ｎ型ＤＢＲ１２０は４０ペアのｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ膜及びＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ膜を含む。例えば、第１ｐ型ＤＢＲ５４１は４ペアのｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ膜及びＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ膜を含む。例えば、第２ｐ型ＤＢＲ５４２は１６ペアのｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ膜及びＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ膜を含む。多重量子井戸構造５９０は複数の半導体層からなり、例えば２０ペアのＩｎＧａＡｓ膜及びＡｌＧａＡｓ膜を含む。第１コンタクト層５９１及び第２コンタクト層５９２は、例えばｐ型ＧａＡｓ層である。第３コンタクト層５９３は、例えばｎ型ＧａＡｓ層である。
第１実施形態及び第２実施形態が、第２コンタクト層５９２及び第３コンタクト層５９３を有していてもよい。
屈折率変調用の多重量子井戸構造５９０はバンド間のエネルギーが、電界が印加された状態で発振波長のフォトンエネルギーに対して同程度を目安に設定されている。電界が印加されることにより、量子閉じ込めシュタルク効果により実効的なバンドギャップエネルギーが小さくなる。そのため、吸収端の波長がレッドシフトすることで、より長波の光を吸収するようになる。この電界印加時の実行バンドギャップエネルギーがフォトンエネルギーより大きい場合は、吸収損失が低減でき、小さい場合には、吸収損失により発振をより抑制することができる。また、第１ｐ型ＤＢＲ５４１の中に設けられる酸化狭窄層１５０は、第１ｐ型ＤＢＲ５４１中に厚さ２０ｎｍのｐ型ＡｌＡｓ選択酸化層を形成し、円柱状のメサポスト５８０を形成した後、ｐ型ＡｌＡｓ選択酸化層を加熱水蒸気中で酸化し形成される。なお、多重量子井戸構造５９０、第２ｐ型ＤＢＲ５４２及び第２コンタクト層５９２の形状は、例えば円柱状である。メサポスト５８０の平面形状は円形には限定されず、正方形、長方形又は六角形等、任意の形状であってよい。
第１上部電極５６１の平面形状は環状であり、第１上部電極５６１は第１コンタクト層５９１の表面にある。第２上部電極５６２の平面形状は環状であり、第２上部電極５６２は第２コンタクト層５９２の表面にある。下部電極１７０は、第３コンタクト層５９３の裏面にある。
第１上部電極５６１及び下部電極１７０を有する第１の電極対に第１の電源装置５８１が接続される。第１の電源装置５８１は共振器３０中の活性層３２、３４及び３６に電流を注入する。第２上部電極５６２及び下部電極１７０を有する第２の電極対に第２の電源装置５８２が接続される。第２の電源装置５８２は屈折率変調用の多重量子井戸構造５９０に電界を印加する。第２の上部反射鏡がアンドープであってもよいが、第２の上部反射鏡として第２ｐ型ＤＢＲ５４２が用いられることで、第２の上部反射鏡の電気抵抗が低減され、第２の電源装置５８２から多重量子井戸構造５９０への印加電圧を低減することができる。
次に、面発光レーザ５００の動作について具体的に説明する。先ず、第２の電源装置５８２が多重量子井戸構造５９０に電界を印加する。素子中央部、すなわち面発光レーザ５００の中央部の有効屈折率は、電界が印加されることにより、電界が印加されていないときの酸化狭窄層１５０によって得られる有効屈折率差Δｎ０に対して減少する。すなわち、多重量子井戸構造５９０に電界が印加されることにより、有効屈折率差Δｎが有効屈折率差Δｎ０より小さくなる。
次に、第１の電源装置５８１が共振器３０中の活性層３２、３４及び３６への電流注入を開始する。この際、プラズマ効果により、更に有効屈折率差Δｎが小さくなる。以上の２つの作用により、素子中央部の横モード分布が小さくなり、発振が抑制され、活性層３２、３４及び３６にキャリアが蓄積される。
多重量子井戸構造５９０の電界効果を組み合わせて用いる場合では、酸化狭窄層１５０による有効屈折率差Δｎ０はやや大きめに設定する。そして、多重量子井戸構造５９０の電界効果とキャリアのプラズマ効果による屈折率変化を合わせて、図１５（ａ）に示すようなしきい値キャリア密度Ｎｔｈとキャリア密度Ｎの関係になるようにする。つまり、プラズマ効果及び電界効果の両方によって発振抑制が行われている状態に設定する。
次に、第２の電源装置５８２が、屈折率変調用の多重量子井戸構造５９０への電界の印加を停止する。この結果、多重量子井戸構造５９０のバンド間遷移エネルギーが大きくなる。すなわち、量子閉じ込めシュタルク効果によるレッドシフトが無くなり、発振波長に対して透明になるとともに有効屈折率差Δｎが増加する。有効屈折率差Δｎが増加したことにより、素子中央部の横モード分布が大きくなる。この結果、発振閾値が低減し、直ちに短パルス発振が生じる。この際に、第１の電源装置５８１が共振器３０中の活性層３２、３４及び３６への電流注入も同時に停止すると、より大きな屈折率変化を得ることができる。
プラズマ効果のみによって発振を抑制していた場合には、活性層３２、３４及び３６への電流注入の停止後、プラズマ効果により減少していた有効屈折率差Δｎは以下のように発振可能な状態に回復する。すなわち、活性層３２、３４及び３６に蓄積されていたキャリアが電流注入経路から拡散、或いは活性領域における再結合過程により減少することによって回復する。しかし、その間の発振に寄与しないキャリアが損失となる。
これに対して、第３実施形態では、屈折率変化は多重量子井戸構造５９０への第２の電源装置５８２からの印加電界の制御によって直ちに生じるため、発振に寄与しないキャリアを大幅に低減することが可能である。従って、特に発振開始時のピーク出力を大幅に向上させることができる。なお、酸化狭窄層１５０による有効屈折率差Δｎ０は、酸化狭窄層１５０の厚さ等を変えることで変化させることが可能であり、酸化狭窄層１５０を厚くすることにより大きくすることができる。
また、多重量子井戸構造５９０への電界印加が停止すると発振が開始するように酸化狭窄層１５０による有効屈折率差Δｎ０が設定されている。このため、第３実施形態によれば、プラズマ効果と電界効果を合わせることができる。従って、プラズマ効果単独の場合に比べて、より強く発振を抑制することができる。そのため、活性層に蓄積されるキャリア数を増加させることができ、短パルス発振時のピーク出力を向上させることができる。
このように、電界効果による屈折率変化量が大きい程、大きな発振の抑制効果が得られ蓄積されるキャリア数を増大させることが可能である。また、この発振抑制効果を維持しつつ、酸化狭窄層１５０による有効屈折率差Δｎ０を大きく設定して、電界印加を停止した場合の発振閾値の変化量を大きくすることが可能になる。そのため、短パルスの発振開始までに消滅する無効キャリア数を低減することができ、いずれも高出力化に対して効果を得ることができる。
なお、多重量子井戸構造５９０は、電界効果による屈折率変化が得られる場所であればレーザ光の経路のいずれに配置しても効果を得ることができる。加えて、さらに多重量子井戸構造５９０を活性層３２、３４及び３６に近づけること、又は量子井戸の数を増やすことにより多重量子井戸構造５９０への電界効果による屈折率変化量を大きくすることができる。
第３実施形態においては、多重量子井戸構造５９０への電界印加を停止すると直ちに光パルスが出力されるため、光パルスが出力されるタイミングを任意に設定することができる。
また、蓄積されるキャリア数を増大させることができるとともに、発振に寄与しない無効キャリアを低減することができるため、高出力を得ることができる。
第３実施形態においては、光パルス出力が生じた後に継続的な光パルス列が生じにくい。その理由は、電界印加を停止するとともに電流印加を停止する場合、光パルスが生じるときにはパルス電流の注入が減少しており、緩和振動が生じにくいためである。
また、光パルス出力が生じた後にテール光が生じにくい。その理由は、電界印加を停止するとともに電流印加を停止する場合、光パルスが生じた後にはパルス電流の注入が減少しており、キャリア密度が増加しにくいためである。
また、第３実施形態により生じる光パルスの幅は、注入したパルス電流幅よりも短い。大電流化した場合でもパルス電流幅を短くする必要がないため、寄生インダクタンスの影響を受けにくい。
第１実施形態と同様に、第３実施形態に係る面発光レーザ５００を並列に複数配置して面発光レーザアレイを形成し、同時に光パルスを出力させることで、より大きな光ピーク出力を得ることができる。面発光レーザアレイに注入する電流は１個の面発光レーザ５００に注入する電流よりも大きくなるが、面発光レーザ５００により出力される光のパルスの幅が注入するパルス電流の幅よりも狭いため、小さい光パルス幅を出力させることができる。
第１実施形態と同様に、第３実施形態に係る面発光レーザ５００から出力される光のパルス幅は限定されないが、例えば１ｎｓ以下であり、好ましくは５００ｐｓ以下であり、より好ましくは１００ｐｓ以下である。
なお、第１実施形態と同様に、第３実施形態においても、内側領域１５４の内縁から外側に３μｍ離れた位置、すなわち非酸化領域１５２と酸化領域１５１との境界の先端部から３μｍの位置における酸化領域１５１の厚さは、非酸化領域１５２の厚さの２倍以下であることが好ましい。
また、第１実施形態と同様に、第３実施形態においても、平面視での非酸化領域１５２の面積（電流狭窄面積）は１２０μｍ２以下であることが望ましい。
（第４実施形態）
次に、第４実施形態について説明する。第４実施形態は表面射出型の面発光レーザに関する。第４実施形態は、主として第２の上部電極の構成の点で第３実施形態と相違する。図２２Ａは、第４実施形態に係る面発光レーザを示す上面図である。図２２Ｂは、第４実施形態に係る面発光レーザを示す断面図である。図２２Ｂは図２２Ａ中のXXIIB-XXIIB線に沿った断面図に相当する。
第４実施形態に係る面発光レーザ６００は、第２上部電極５６２に代えて第２上部電極６６２を有する。第２上部電極６６２は透明電極である。第２上部電極６６２の平面形状は略円形であり、図２２Ａに示すように、平面視で円柱状の第１ｐ型ＤＢＲ５４１の中央部にある。第２上部電極６６２は、図２２Ｂに示すように、中央部から引き出され、レーザ光の透過を妨げない外側の部分で第２の電源装置５８２が第２上部電極６６２に接続される。
他の構成は第３実施形態と同様である。
第２上部電極６６２が透明電極であるため、第２上部電極６６２はレーザ光の透過を妨げない。また、第４実施形態では、平面視で多重量子井戸構造５９０の中央部に集中して電界を印加できる。このため、面発光レーザ６００は、選択的に素子の中央部の有効屈折率を低減することができる。
従って、素子中央部の横モード分布の強度を低下させ、素子周辺部分へ分布を広げることが可能になり、効果的に有効屈折率差Δｎを低下させることができる。
このように、第４実施形態においても、第３実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第４実施形態によれば、第２上部電極６６２が平面視で素子中央部に設けられているため、屈折率変化量を大きくすることができる。従って、より高出力のレーザ光を得ることができる。
なお、第２ｐ型ＤＢＲ５４２に代えてアンドープの第２の上部反射鏡を用い、第２コンタクト層５９２を除いた構成としてもよい。この場合、横方向への電界の広がりを更に抑えることができ、更に選択性が向上できる。例えば、第２の上部反射鏡をＳｉＮ又はＳｉＯ２等の誘電体を用いて構成してもよい。
（第５実施形態）
次に、第５実施形態について説明する。第５実施形態は裏面射出型の面発光レーザに関する。第５実施形態は、主として下部電極及び第２の上部電極の構成の点で第３実施形態と相違する。図２３は、第５実施形態に係る面発光レーザを示す断面図である。
第５実施形態に係る面発光レーザ７００では、第１ｐ型ＤＢＲ５４１と第２ｐ型ＤＢＲ５４２からなる上部多層膜反射鏡のペア数が合計で４０ペアであり、ｎ型ＤＢＲ１２０からなる下部多層膜反射鏡のペア数が２０ペアである。
面発光レーザ７００は、下部電極１７０に代えて下部電極７７０を有する。下部電極７７０には、開口７７１が形成されている。開口７７１は、平面視で非酸化領域１５２と重なるように形成されている。
面発光レーザ７００は、第２上部電極５６２に代えて第２上部電極７６２を有する。第２上部電極７６２は、平面視で円柱状の第１ｐ型ＤＢＲ５４１の中央部にある。
他の構成は第３実施形態と同様である。
第５実施形態では、光出力がｎ型ＧａＡｓ基板１１０側すなわち裏面側へ射出される。下部電極７７０に開口７７１が形成されているため、光出力は下部電極７７０に妨げられることなく取り出される。
また、第２上部電極７６２が平面視で円柱状の第１ｐ型ＤＢＲ５４１の中央部にあるため、平面視で多重量子井戸構造５９０の中央部に集中して電界を印加できる。このため、第４実施形態と同様に、選択的に素子の中央部の有効屈折率を低減することができる。
従って、素子中央部の横モード分布の強度を低下させ、素子周辺部分へ分布を広げることが可能になり、効果的に有効屈折率差Δｎを低下させることができる。
このように、第５実施形態によっても、第３実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、第２ｐ型ＤＢＲ５４２に代えてアンドープの第２の上部反射鏡を用い、第２コンタクト層５９２を除いた構成としてもよい。この場合、横方向への電界の広がりを更に抑えることができ、更に選択性が向上できる。例えば、第２の上部反射鏡をＳｉＮ又はＳｉＯ２等の誘電体を用いて構成してもよい。
（第６実施形態）
次に、第６実施形態について説明する。第６実施形態は裏面射出型の面発光レーザに関する。第６実施形態は、主として電流狭窄構造の構成の点で第５実施形態と相違する。図２４は、第６実施形態に係る面発光レーザを示す断面図である。
第６実施形態に係る面発光レーザ８００は、例えばＢＴＪによる電流狭窄構造を備えたＶＣＳＥＬである。面発光レーザ８００は、酸化狭窄層１５０に代えてＢＴＪ領域８５０を有する。
ＢＴＪ領域８５０は、以下のようにして構成される。第１ｐ型ＤＢＲ８４１の形成の途中に、第１ｐ型ＤＢＲ８４１よりも高濃度のｐ型不純物をドーピングしたｐ＋＋ＧａＡｓ層及びｎ型ＤＢＲ１２０よりも高濃度のｎ型不純物をドーピングしたｎ＋＋ＧａＡｓ層を成長する。その後、一度成長を中止して、湿式の選択エッチングにより、素子中央部以外の上記の２層の除去を行うことによって形成される。ＢＴＪ領域８５０を形成したのち、その上に第１ｐ型ＤＢＲ８４１の残りを再成長する。
他の構成は第５実施形態と同様である。
下部電極７７０及び第１上部電極５６１からなる第１の電極対に順バイアスを加えると、ＢＴＪ領域８５０中のｐ＋＋ＧａＡｓ層及びｎ＋＋ＧａＡｓ層には逆バイアスが印加される。この結果、ｐ＋＋ＧａＡｓ層からｎ＋＋ＧａＡｓ層へ電子がバンド間トンネルすることによってｐ＋＋ＧａＡｓ層に正孔が生じ、共振器３０中の活性層３２、３４及び３６へ注入される。
ＢＴＪ領域８５０では、横方向にＡｌＧａＡｓ材料のＡｌ組成の違いによる小さな屈折率差が生じており、この屈折率差に基づいて弱い横方向光閉じ込めが形成されている。その大きさは、キャリアのプラズマ効果や、多重量子井戸の電界効果等によって生じる屈折率変化で、有効屈折率差Δｎを変化させることができる程度のものであり、短パルス発振を行うことができる。
このように、第６実施形態によっても、第５実施形態と同様の効果を得ることができる。
（第７実施形態）
次に、第７実施形態について説明する。第７実施形態は表面射出型の面発光レーザに関する。第７実施形態は、主として第２の上部反射鏡の構成の点で第３実施形態と相違する。図２５は、第７実施形態に係る面発光レーザを示す断面図である。
第７実施形態に係る面発光レーザ９００は、第２ｐ型ＤＢＲ５４２に代えて第２ｐ型ＤＢＲ９４２を有する。第２コンタクト層５９２が多重量子井戸構造５９０の上にあり、第２ｐ型ＤＢＲ９４２は第２コンタクト層５９２の上にある。第２ｐ型ＤＢＲ９４２、平面視で第２上部電極５６２の内側にある。
他の構造は第３実施形態と同様である。
第７実施形態では、第２ｐ型ＤＢＲ９４２を介することなく多重量子井戸構造５９０に電界を印加することができる。従って、第７実施形態によれば多重量子井戸構造５９０の電界を第３実施形態よりも強化することができる。そのため、第７実施形態では、電界効果による屈折率変化量をより大きくすることができる。
従って、第７実施形態によれば、より高出力のレーザ光を得ることができる。
なお、第２ｐ型ＤＢＲ９４２に代えてアンドープの第２の上部反射鏡を用い、第２コンタクト層５９２を除いた構成としてもよい。この場合、横方向への電界の広がりを更に抑えることができ、更に選択性が向上できる。例えば、第２の上部反射鏡をＳｉＮ又はＳｉＯ２等の誘電体を用いて構成してもよい。
（第８実施形態）
次に、第８実施形態について説明する。第８実施形態は表面射出型の面発光レーザに関する。第８実施形態は、主として第１の上部反射鏡及びスペーサ層の構成の点で第３実施形態と相違する。図２６は、第８実施形態に係る面発光レーザを示す断面図である。
第８実施形態に係る面発光レーザ１０００は、スペーサ層３７及び第１ｐ型ＤＢＲ５４１に代えてスペーサ層１０３７を有する。スペーサ層１０３７はスペーサ層３７よりも厚く、スペーサ層１０３７は酸化狭窄層１５０を含む。
他の構成は第３実施形態と同様である。
第８実施形態によっても、第３実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、第３乃至第８実施形態では、電界効果を得るための多重量子井戸構造５９０が活性層３２、３４及び３６と第２ｐ型ＤＢＲ５４２又は９４２との間に設けられているが、本開示はこれに限定されない。多重量子井戸構造５９０は、電界効果による屈折率変化が得られる場所にあれば、レーザ光の経路のいずれに配置しても効果を得ることができる。
（第９実施形態）
次に、第９実施形態について説明する。第９実施形態はレーザ装置に関する。図２７は、第９実施形態に係るレーザ装置を示す図である。
第９実施形態に係るレーザ装置１３００は、第３実施形態に係る面発光レーザ５００と、電源装置１３０１とを有する。電源装置１３０１は、第１の電源装置５８１と、第２の電源装置５８２とを有する。第１の電源装置５８１は、第１上部電極５６１及び下部電極１７０に接続されている。第２の電源装置５８２は、第１上部電極５６１及び第２上部電極５６２に接続されている。第１の電源装置５８１は、面発光レーザ５００に電流を注入し、第２の電源装置５８２は面発光レーザ５００に電界を供給する。
第１の電源装置５８１からの電流の注入のデューティ比は０．５％以下であることが好ましい。すなわち、電流注入期間と電流減少期間とが複数回繰り返され、電流減少期間に対する電流注入期間の比率は０．５％以下であることが好ましい。デューティ比は、単位時間のうちで電流パルスが注入されている時間の比率である。パルス電流幅をｔ［ｓ］、パルス電流の繰り返し周波数をｆ［Ｈｚ］とすると、デューティ比はｆ×ｔ（％）に対応する。図２８は、パルス電流幅が２．５ｎｓの場合のデューティ比と光パルスのピーク出力との関係を示す図である。
図２８に示すように、デューティ比が０．５％を超える場合に、光ピーク出力が低下する傾向がある。この理由としては、以下のモデルが考えられる。まず、デューティ比を大きくしていくと注入したパルス電流による電流狭窄領域（非酸化領域１５２）での発熱量が増大する。これにより、電流狭窄領域の周辺部に対して、電流が集中する中心部の温度が上昇し、温度差が生じる。その結果、熱レンズ効果により電流狭窄領域の中心部の屈折率が上昇し、横方向の光閉じ込め係数が大きくなる。熱レンズ効果により横方向の光閉じ込め係数が大きくなると、パルス電流の増減により発生するキャリアプラズマ効果に起因した屈折率変化の影響が小さくなる。屈折率変化の影響が小さくなると、パルス電流の注入を停止した直後に光パルスが出力される現象が生じにくくなる。これに対し、デューティ比が０．５％以下であれば、熱レンズ効果による屈折率変化の影響が十分小さくなり、狭窄構造に由来の屈折率変化が支配的となるため、ピーク出力はほぼ一定で変わらないと考えられる。
なお、第３実施形態に係る面発光レーザ５００に代えて、第４乃至第８実施形態のいずれかに係る面発光レーザが用いられてもよい。
（第１０実施形態）
次に、第１０実施形態について説明する。第１０実施形態は距離測定装置に関する。図２９は、第１０実施形態に係る距離測定装置を示す図である。距離測定装置は検出装置の一例である。
第１０実施形態に係る距離測定装置１４００は、ＴＯＦ（Time of Flight）法の距離測定装置である。距離測定装置１４００は、発光素子１４１０と、受光素子１４２０と、駆動回路１４３０とを有する。発光素子１４１０は、発光ビーム（照射光１４１１）を測距の測距対象物１４５０へと向けて照射する。受光素子１４２０は、測距対象物１４５０からの反射光１４２１を受光する。駆動回路１４３０は、発光素子１４１０を駆動するとともに、発光ビームの発光タイミングと、受光素子１４２０による反射光１４２１の受光タイミングとの時間差を検出することにより、測距対象物１４５０までの往復の距離を算出する。
発光素子１４１０は、第１乃至第８実施形態のいずれかに係る面発光レーザを複数含んでもよい。パルスの繰り返し周波数は、例えば数ｋＨｚから数１０ＭＨｚの範囲である。
受光素子１４２０は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ）、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）又は単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）である。受光素子１４２０は、アレイ状に配列された受光素子を複数含んでもよい。受光素子１４２０は検出部の一例である。
ＴＯＦ法での測距では、測距対象物からの信号とノイズを分離することが重要である。より遠くにある測距対象物を測定する場合、及びより反射率の低い測距対象物を測定する場合には、より高感度の受光素子を用いて対象物からの信号を得ることが好ましい。しかしながら、より高感度の受光素子を用いると、背景光ノイズ又はショットノイズを誤検出する可能性が高くなる。信号とノイズとを分離するために、受光信号のしきい値を上げることも考えられるが、その分だけ発光ビームのピーク出力を高くしなければ、測距対象物からの信号光を受光しにくくなる。ただし、発光ビームの出力はレーザの安全基準による制限を受ける。
第１乃至第８実施形態に係る面発光レーザによれば、パルス幅が１００ｐｓ程度の光パルスを出力することができる。これは、従来の面発光レーザにより出力される光パルス幅の数ｎｓに比べて約１／１０である。第１０実施形態に係る距離測定装置１４００によれば、光パルスのパルス幅が短いほど安全基準で許容されるピーク出力が高くなるため、アイセーフを満たしつつ、高精度化と長距離化と両立することができる。
（第１１実施形態）
次に、第１１実施形態について説明する。第１１実施形態は移動体に関する。図３０は、第１１実施形態に係る移動体の一例としての自動車を示す図である。第１１実施形態に係る移動体の一例としての自動車１１００の前面上方（例えばフロントグラスの上部）には、第１０実施形態で説明した距離測定装置１４００が設けられている。距離測定装置１４００は、自動車１１００の周囲の物体１１０２までの距離を計測する。距離測定装置１４００の計測結果は、自動車１１００の有する制御部に入力され、制御部はこの計測結果に基づいて、移動体の動作の制御を行う。若しくは、制御部は、距離測定装置１４００の計測結果に基づいて、自動車１１００の運転者１１０１へ向けて自動車１１００内に設けられた表示部に警告表示を行ってもよい。
このように、第１１実施形態では、距離測定装置１４００を自動車１１００に設けることで、高精度に自動車１１００の周辺の物体１１０２の位置を認識することができる。なお、距離測定装置１４００の搭載位置は、自動車１１００の上部前方に限定されず、側面や後方に搭載されてもよい。また、この例では、距離測定装置１４００を自動車１１００に設けたが、距離測定装置１４００を航空機又は船舶に設けてもよい。また、ドローン及びロボット等の、運転者が存在しない、自律移動を行う移動体に設けてもよい。
以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
３０ 共振器
３１、３７ スペーサ層
３２、３４、３６ 活性層
３３、３５ トンネル接合
１２０ ｎ型ＤＢＲ
１４０、４４１、４４２ ｐ型ＤＢＲ
１５０ 酸化狭窄層
１５１ 酸化領域
１５２ 非酸化領域
１６０ 上部電極
１７０ 下部電極
１８０、２８０、３８０、４８０ メサ
３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、１０００ 面発光レーザ
４５０、８５０ ＢＴＪ領域
４５１ ｐ型層
４５２ ｎ型層
５４１ 第１ｐ型ＤＢＲ
５４２ 第２ｐ型ＤＢＲ
５８０ メサポスト
５８１ 第１の電源装置
５８２ 第２の電源装置
５９０ 多重量子井戸構造
１１００ 自動車（移動体）
１３００ レーザ装置
１４００ 距離測定装置
米国特許第８，９３４，５１４号明細書
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Claims (17)

  1. 複数の活性層と、前記複数の活性層の間のトンネル接合とを含む共振器と、
    前記共振器を挟んで対向する複数の反射鏡と、
    第１の電源装置に接続され、前記活性層に電流を注入することが可能な第１の電極対と、
    を有し、
    前記電源装置により電流が注入される期間を電流注入期間、前記電流注入期間の後であって前記共振器に注入される電流値が前記電流注入期間における電流値よりも低下する期間を電流減少期間として、
    前記電流注入期間にレーザ発振せず、前記電流減少期間にレーザ発振する、
    面発光レーザ。
  2. 光の射出方向に垂直な面内に、相対的に屈折率の高い高屈折領域と、該高屈折領域よりも屈折率が低く、該高屈折領域を取り囲む低屈折領域を有する、請求項１に記載の面発光レーザ。
  3. 前記低屈折領域は酸化狭窄により形成されており、
    前記高屈折領域の厚さは３５ｎｍ以下であり、
    前記低屈折領域と前記高屈折領域との境界の先端部から３μｍの位置における前記低屈折領域の厚さは、前記高屈折領域の厚さの２倍以下である、請求項２に記載の面発光レーザ。
  4. 前記低屈折領域と前記高屈折領域の境界の先端部で囲まれる領域の、光の射出方向に垂直な面内における面積が１２０μｍ２以下である、請求項２又は３に記載の面発光レーザ。
  5. 前記高屈折領域及び前記低屈折領域は、埋め込みトンネル接合により形成されている、
    請求項２に記載の面発光レーザ。
  6. 複数の半導体層からなり、前記活性層及び複数の反射鏡により発せられるレーザ光の経路に設けられた多重量子井戸構造と、
    第２の電源装置に接続され、前記多重量子井戸構造の井戸面に垂直な方向に電界を印加することが可能な第２の電極対と、
    をさらに有し、
    前記第２の電源装置により電界が印加される期間を電界印加期間、前記電界印加期間の後であって前記電界印加期間における電界の大きさよりも低下する期間を電界減少期間として、
    前記電界印加期間の少なくとも一部に前記電流注入期間の少なくとも一部が含まれ、
    前記電界印加期間にレーザ発振せず、前記電界減少期間にレーザ発振する、
    請求項１から５のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
  7. 前記複数の反射鏡は、前記活性層の下部に設けられた下部反射鏡と、前記活性層の上部に形成された第１の上部反射鏡とを備え、
    前記多重量子井戸構造は、前記活性層の上部に配置されている、請求項６に記載の面発光レーザ。
  8. 前記第１の上部反射鏡は柱状に形成され、
    前記第２の電極対のうち一方は、少なくともその一部が前記第１の上部反射鏡の中央部分に配置される、請求項７に記載の面発光レーザ。
  9. 請求項１から５のいずれか１項に記載の面発光レーザと、
    前記第１の電極対に接続され、前記面発光レーザに電流を注入する第１の電源装置と、
    を備えるレーザ装置。
  10. 請求項６から８のいずれか１項に記載の面発光レーザと、
    前記第１の電極対に接続された第１の電源装置と、
    前記第２の電極対に接続された第２の電源装置と、
    を備える、レーザ装置。
  11. 前記電流注入期間の開始よりも先に前記電界印加期間が開始する、請求項１０に記載のレーザ装置。
  12. 前記電界減少期間の開始と同時又は前記電界減少期間の開始よりも後に、前記電流減少期間が開始する、請求項１０又は１１に記載のレーザ装置。
  13. 前記電流注入期間よりも時間幅の短い光パルスを出力する、請求項９から１２のいずれか１項に記載のレーザ装置。
  14. 前記電流注入期間と前記電流減少期間とは複数回繰り返され、
    前記電流減少期間に対する前記電流注入期間の比率は０．５％以下である、請求項９から１３のいずれか１項に記載のレーザ装置。
  15. 請求項９から１４のいずれか１項に記載のレーザ装置と、
    前記面発光レーザから発せられ対象物で反射された光を検出する検出部と、
    を備える検出装置。
  16. 前記検出部からの信号に基づき前記対象物との距離を算出する、請求項１５に記載の検出装置。
  17. 請求項１５又は１６に記載の検出装置を備える移動体。
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