JP6812692B2 - レーザ部品、レーザ光発生装置及び光干渉断層計 - Google Patents
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Description
このような光干渉断層計では、波長により観察可能な生体の深さが決まり、波長の可変幅によって分解能が決まる。さらに、波長可変速度で観察時間が決まる。
そこで本発明は、広帯域で、可変幅が狭く、波長が高速に可変できるレーザ部品などを提供することを目的とする。
請求項2に記載の発明は、複数の前記レーザ素子は、配列の方向に沿って、出射波長が長くなるように、又は、出射波長が短くなるように配列されていることを特徴とする請求項1に記載のレーザ部品である。
請求項3に記載の発明は、前記駆動部は、複数の前記レーザ素子が配列された方向と当該方向と逆方向とで、当該レーザ素子をオン状態に移行可能な状態に切り替えることを特徴とする請求項1又は2に記載のレーザ部品である。
請求項4に記載の発明は、前記レーザ素子は、レベル“m(mは1以上の整数)”のオン状態とレベル“0”にみなされるオン状態とレベル“0”のオフ状態とを有し、前記駆動部は、複数の前記レーザ素子が複数の組に分けられ、ある組に含まれるレーザ素子がレベル“m”のオン状態である間に、他の組に含まれるレーザ素子がレベル“0”のオン状態とするように組毎にオン状態に移行可能な状態を順に転送する複数の転送路を備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のレーザ部品である。
請求項5に記載の発明は、前記駆動部は、複数の前記レーザ素子のそれぞれと、トンネル接合層又は金属的な導電性を有するIII−V族化合物層を介して積層され、オン状態になることによって、当該レーザ素子をオン状態に移行させる複数の設定サイリスタを備えることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のレーザ部品である。
請求項6に記載の発明は、互いに異なる出射波長を含むように配列された複数のレーザ素子と、当該レーザ素子を配列に沿ってオン状態に移行可能な状態に切り替えつつ、オン状態に移行可能な状態の当該レーザ素子をオン状態とするように駆動する駆動部と、を備えるレーザ部品と、前記レーザ部品における前記駆動部に、オン状態に移行可能な状態を複数の前記レーザ素子の配列に沿って転送させる転送信号と、オン状態に移行可能な状態の当該レーザ素子をオン状態にする点灯信号とを供給する制御部と、を備え、前記レーザ部品における前記駆動部は、複数の前記レーザ素子のそれぞれに対応して設けられた複数の転送素子を含み、複数の前記転送素子においてオン状態が順に転送され、オン状態の当該転送素子に対応する前記レーザ素子がオン状態に移行可能な状態に設定されることを特徴とするレーザ光発生装置である。
請求項7に記載の発明は、互いに異なる出射波長を含むように配列された複数のレーザ素子と、当該レーザ素子を配列に沿ってオン状態に移行可能な状態に切り替えつつ、オン状態に移行可能な状態の当該レーザ素子をオン状態に駆動する駆動部と、を備えるレーザ部品と、当該レーザ部品における当該駆動部に、オン状態に移行可能な状態を複数の当該レーザ素子の配列に沿って転送させる転送信号と、オン状態に移行可能な状態の当該レーザ素子をオン状態にする点灯信号とを供給する制御部と、を備えるレーザ光発生手段と、光の分割と合成とを行う光分割合成手段と、前記光分割合成手段で分割された一方の光を反射する参照光反射手段と、反射された二つの光の合成により生じる干渉光を検出する光検出手段と、を備え、前記レーザ光発生手段における前記駆動部は、複数の前記レーザ素子のそれぞれに対応して設けられた複数の転送素子を含み、複数の前記転送素子においてオン状態が順に転送され、オン状態の当該転送素子に対応する前記レーザ素子がオン状態に移行可能な状態に設定されることを特徴とする光干渉断層計である。
請求項2の発明によれば、出射波長が長くなる又は短くなるように配列されていない場合に比べ、波長に対する走査(掃引)が容易になる。
請求項3の発明によれば、配列された方向と逆方向とに切り替えて設定されない場合に比べ、出射させるレーザ素子の選択が速くできる。
請求項4の発明によれば、レベル“0”にみなされるオン状態を有しない場合に比べ、出射させるレーザ素子を高速に切り替えできる。
請求項5の発明によれば、トンネル接合層又は金属的な導電性を有するIII−V族化合物層を介して積層しない場合に比べ、駆動電圧が低減できる。
請求項6の発明によれば、広帯域で、可変幅が狭く、高速に出射波長が可変できるレーザ光発生装置が提供できる。
請求項7の発明によれば、広帯域で、可変幅が狭く、波長が高速に可変できる光干渉断層計が提供できる。
なお、以下では、アルミニウムをAlとするなど、元素記号を用いて表記する。
(光干渉断層計)
図1は、第1の実施の形態に係る光干渉断層計の一例を説明する図である。
光干渉断層計は、波長可変レーザ装置1、光ビームスプリッタ2、参照光ミラー3、光検出器4を備える。そして、光干渉断層計は、生体5に向かってレーザ光を照射し、生体5の深さ方向の信号強度を得る。光ビームスプリッタ2は、光分割合成手段の一例であり、参照光ミラー3は、参照光反射手段の一例であり、光検出器4は、光検出手段の一例である。
そのとき、波長可変レーザ装置1、光ビームスプリッタ2、生体5は、直線上に並ぶように配置され、参照光ミラー3、光検出器4は、光ビームスプリッタ2を挟んで、波長可変レーザ装置1、光ビームスプリッタ2、生体5が並んだ直線と直交する直線上に配置されている。
そして、光ビームスプリッタ2から生体5までの距離LSと、光ビームスプリッタ2から参照光ミラー3までの距離LRとは、ほぼ等しく設定されている。
波長可変レーザ装置1は、複数の周波数(波長)の光を出射する。ここでは、周波数f1、f2の光を出射するとする。波長可変レーザ装置1が出射した光は、光ビームスプリッタ2により二つの光(光aと光b)に分割される。光aは、光ビームスプリッタ2を通過してそのまま直進して生体5に向けて進む。そして、光aは、波長で決まる生体5内への浸透深さの位置で反射し、光ビームスプリッタ2に向かって戻る。ここでは、生体5において、周波数f1の光は深さd1に、周波数f2の光は深さd2に到達するとする。
その後、光aは、光ビームスプリッタ2で45°方向に反射し、光検出器4に向かう。
そして、反射して戻ってきた光aと光bとの合成による干渉光が、光検出器4に入射する。光検出器4が検出した干渉光を、フーリエ変換することで、生体の深さ方向の信号が得られる。
ここでは、生体5において、周波数f1の光は深さd1の、周波数f2の光は深さd2の信号を得る。
図2は、第1の実施の形態に係る波長可変レーザ装置1を説明する図である。
波長可変レーザ装置1は、レーザ光発生部10と、合波部20と、光出力部30とを備える。レーザ光発生装置及びレーザ光発生手段の一例としてのレーザ光発生部10は、それぞれが異なる波長のレーザ光を出射する複数のレーザ素子(第1の実施の形態においては、一例として、レーザダイオードである。)を備える。
レーザ光発生部10は、レーザダイオードLDがアレイ状に配置されたレーザ部品Cとレーザ部品Cを駆動する信号発生回路110とを備える。
図3は、第1の実施の形態に係るレーザ部品Cの等価回路図及びレーザ部品Cを駆動する信号などを供給する信号発生回路110を説明する図である。
制御部の一例である信号発生回路110は、レーザ部品Cに、転送信号φ1、φ2を送信する転送信号発生部120を備える。
また、信号発生回路110は、レーザ部品Cに、点灯信号φIを送信する点灯信号発生部140を備える。
さらに、信号発生回路110は、レーザ部品Cに電位の基準となる基準電位Vsubを供給する基準電位供給部160、レーザ部品Cを駆動するための電源電位Vgkを供給する電源電位供給部170を備える。
レーザ部品Cは、レーザダイオードLD1〜LD128(区別しない場合は、レーザダイオードLDと表記する。)で構成される発光素子(レーザ素子)アレイにより発光部102を備える。ここでは、レーザダイオードLD1〜LD128は、それぞれ異なる波長(出射波長、発振波長)λ1〜λ128の光を出射する。そして、波長λ1〜λ128のそれぞれの間隔はΔλで一定であるとする。なお、Δλは、一定でなくともよい。
なお、レーザダイオードLD1〜LD128のそれぞれの出射波長がすべて異なっていなくてもよい。少なくとも2つの異なる出射波長が含まれていればよい。
また、レーザダイオードLD1〜LD128の出射波長が、短くなる方向又は長くなる方向に配列されている場合であっても、レーザダイオードLD毎に出射波長が異なってもよく、2個、3個など複数個毎に出射波長が異なってもよい。ここでは、レーザダイオードLDの配列に沿って、出射波長が長くなる、又は、出射波長が短くなるとは、1個の場合ばかりでなく、複数個毎に出射波長が異なる場合を含む。
なお、後述する図4(b)に示すように、基板80上に列状に配列された設定サイリスタS上にレーザダイオードLDが積層されている。
なお、ここでは転送素子の一例として転送サイリスタTを用いて説明するが、順にオン状態になる素子であれば他の回路素子であってもよく、例えば、シフトレジスタや複数のトランジスタを組み合わせた回路素子を用いてもよい。
また、レーザ部品Cは、転送サイリスタT1〜T128をそれぞれ番号順に2つをペアにして、それぞれのペアの間に結合ダイオードD1〜D127(区別しない場合は、結合ダイオードDと表記する。)を備える。
さらに、レーザ部品Cは、電源線抵抗Rg1〜Rg128(区別しない場合は、電源線抵抗Rgと表記する。)を備える。
ここでは、設定サイリスタS1〜S128、転送サイリスタT1〜T128、電源線抵抗Rg1〜Rg128、結合ダイオードD1〜D127、スタートダイオードSD、電流制限抵抗R1、R2により駆動部101が構成される。
そして、図3において上から、駆動部101、発光部102の順に並べられている。
レーザダイオードLDなどの数は、上記に限らず、予め定められた個数とすればよい。そして、転送サイリスタTの数は、レーザダイオードLDの数より多くてもよい。
なお、後述するように、レーザダイオードLD、サイリスタ(設定サイリスタS、転送サイリスタT)、結合ダイオードD及びスタートダイオードSDは、電極として構成されたアノード端子、ゲート端子、カソード端子を必ずしも備えない場合がある。よって、以下では、端子を略して( )内で表記する場合がある。
転送サイリスタT、設定サイリスタSのそれぞれのアノードは、レーザ部品Cの基板80に接続される(アノードコモン)。
そして、これらのアノードは、基板80の裏面に設けられたVsub端子である裏面電極91(後述の図4(b)参照)を介して、信号発生回路110の基準電位供給部160から基準電位Vsubが供給される。
なお、この接続はp型の基板80を用いた際の構成であり、n型の基板を用いる場合は極性が逆となり、不純物を添加していないイントリンシック(i)型の基板を用いる場合には、基板80の駆動部101及び発光部102が設けられる側に、基準電位Vsubを供給する端子が設けられる。
一方、転送サイリスタTの配列に沿って、偶数番号の転送サイリスタT2、T4、…のカソードは、転送信号線72−2に接続されている。そして、転送信号線72−2は、電流制限抵抗R2を介してφ2端子に接続されている。このφ2端子には、信号発生回路110の転送信号発生部120から転送信号φ2が送信される。
図4(a)では、レーザダイオードLD1〜LD4、設定サイリスタS1〜S4、転送サイリスタT1〜T4を中心とした部分を示している。基板80の裏面に設けられたVsub端子(裏面電極91)は、基板80の外に引き出して示している。
そして、図4(a)、(b)の図中には、主要な素子や端子を名前により表記している。
p型の基板80(基板80)上に、p型のアノード層81(pアノード層81)、n型のゲート層82(nゲート層82)、p型のゲート層83(pゲート層83)及びn型のカソード層84(nカソード層84)が順に設けられている。なお、以下では、( )内の表記を用いる。他の場合も同様とする。
そして、nカソード層84上に、トンネル接合(トンネルダイオード)層85が設けられている。
さらに、トンネル接合層85上に、p型のアノード層86(pアノード層86)、発光層87、n型のカソード層88(nカソード層88)が設けられている。
ここでは、pアノード層81、nゲート層82、pゲート層83、nカソード層84の表記は、設定サイリスタS及び転送サイリスタTを構成する場合の機能(働き)に対応させている。すなわち、pアノード層81はアノード、nゲート層82及びpゲート層83はゲート、nカソード層84はカソードとして働く。結合ダイオードD、電源線抵抗Rgを構成する場合には、後述するように異なる機能(働き)を有する。
そして、pアノード層86、nカソード層88の表記も同様であって、レーザダイオードLDを構成する場合の機能(働き)に対応させている。すなわち、pアノード層86はアノード、nカソード層88はカソードとして働く。なお、pアノード層86及びnカソード層88は、レーザダイオードLDのクラッド層として機能する。よって、pアノード層86及びnカソード層88は、pアノード(クラッド)層86及びnカソード(クラッド)層88と表記することがある。
そして、レーザダイオードLDは、基板80の表面に沿った方向に光を出射する(図4(a)の白抜き矢印)。そして、レーザダイオードLD1、LD2、LD3、…は、それぞれが異なる波長λ1、λ2、λ3、…の光を出射する。
なお、光が出射する側は、pアノード層86に含まれる電流狭窄層86bの電流阻止部βを除くように劈開された面となっている。
また、複数のアイランドは、層の一部を備えていないものを含む。例えば、アイランド302は、pアノード層81、nゲート層82、pゲート層83、nカソード層84を備えるが、nカソード層84は、一部のみを備える。
アイランド301には、設定サイリスタS1及びレーザダイオードLD1が設けられている。アイランド302には、転送サイリスタT1、結合ダイオードD1が設けられている。アイランド303には、電源線抵抗Rg1が設けられている。アイランド304には、スタートダイオードSDが設けられている。アイランド305には電流制限抵抗R1が、アイランド306には電流制限抵抗R2が設けられている。
そして、レーザ部品Cには、アイランド301、302、303と同様なアイランドが、並列して複数形成されている。これらのアイランドには、設定サイリスタS2、S3、S4、…、レーザダイオードLD2、LD3、LD4、…、転送サイリスタT2、T3、T4、…、結合ダイオードD2、D3、D4、…等が、アイランド301、302、303と同様に設けられている。
図4(a)に示すように、アイランド301には、設定サイリスタS1及びレーザダイオードLD1が設けられている。
設定サイリスタS1は、pアノード層81、nゲート層82、pゲート層83、nカソード層84から構成されている。そして、nカソード層88、発光層87、pアノード層86、トンネル接合層85、nカソード層84を除去して露出させたpゲート層83上に設けられたp型のオーミック電極331(pオーミック電極331)をゲートGs1の端子(ゲート端子Gs1と表記することがある。)とする。
なお、pアノード層86には、電流狭窄層86b(後述する図5(a)参照)が含まれている。電流狭窄層86bは、レーザダイオードLDに流れる電流を、レーザダイオードLDの中央部に制限するために設けられている。すなわち、レーザダイオードLDの周辺部は、メサエッチングに起因して欠陥が多い。このため、非発光再結合が起こりやすい。そこで、レーザダイオードLDの中央部が電流の流れやすい電流通過部αとなり、周辺部が電流の流れにくい電流阻止部βとなるように、電流狭窄層86bが設けられている。図6(a)のレーザダイオードLD1に示すように、破線の内側が電流通過部α、破線の外側が電流阻止部βである。
なお、電流狭窄層86bについては、後述する。
転送サイリスタT1は、pアノード層81、nゲート層82、pゲート層83、nカソード層84から構成される。つまり、nカソード層88、発光層87、pアノード層86、トンネル接合層85を除去して露出させたnカソード層84(領域313)上に設けられたnオーミック電極323をカソード端子とする。なお、トンネル接合層85のn++層85aを除去せず、トンネル接合層85のn++層85a上にnオーミック電極323を設けてもよい。さらに、nカソード層84を除去して露出させたpゲート層83上に設けられたpオーミック電極332をゲートGt1の端子(ゲート端子Gt1と表記することがある。)とする。
同じく、アイランド302に設けられた結合ダイオードD1は、pゲート層83、nカソード層84から構成される。つまり、nカソード層88、発光層87、pアノード層86、トンネル接合層85を除去して露出させたnカソード層84(領域314)上に設けられたnオーミック電極324をカソード端子とする。なお、トンネル接合層85のn++層85aを除去せず、トンネル接合層85のn++層85a上にnオーミック電極324を設けてもよい。さらに、nカソード層84を除去して露出させたpゲート層83上に設けられたpオーミック電極332をアノード端子とする。ここでは、結合ダイオードD1のアノード端子は、ゲートGt1(ゲート端子Gt1)と同じである。
アイランド305に設けられた電流制限抵抗R1、アイランド306に設けられた電流制限抵抗R2は、アイランド303に設けられた電源線抵抗Rg1と同様に設けられ、それぞれが2個のpオーミック電極(符号なし)間のpゲート層83を抵抗とする。
点灯信号線75は、幹部75aと複数の枝部75bとを備える。幹部75aはレーザダイオードLDの列方向に延びるように設けられている。枝部75bは幹部75aから枝分かれして、アイランド301に設けられたレーザダイオードLD1のカソード端子であるnオーミック電極321と接続されている。他のレーザダイオードLDのカソード端子も同様である。
点灯信号線75は、レーザダイオードLD1側に設けられたφI端子に接続されている。
一方、転送信号線72−2は、符号を付さないアイランドに設けられた偶数番号の転送サイリスタTのカソード端子であるnオーミック電極(符号なし)に接続されている。転送信号線72−2は、アイランド306に設けられた電流制限抵抗R2を介してφ2端子に接続されている。
アイランド302に設けられたnオーミック電極324(結合ダイオードD1のカソード端子)は、隣接する転送サイリスタT2のゲート端子Gt2であるp型オーミック電極(符号なし)に接続配線79で接続されている。
ここでは説明を省略するが、他のレーザダイオードLD、設定サイリスタS、転送サイリスタT、結合ダイオードD等についても同様である。
なお、上記の接続及び構成は、p型の基板80を用いた際のものであり、n型の基板を用いる場合は、極性が逆となる。また、i型の基板を用いる場合は、基板の駆動部101及び発光部102が設けられる側に、基準電位Vsubを供給する電源ライン200aと接続される端子が設けられる。そして、接続及び構成は、p型の基板を用いる場合、n型の基板を用いる場合のどちらかと同様になる。
図5は、設定サイリスタSとレーザダイオードLDとが積層されたアイランド301を詳細に説明する図である。図5(a)は、拡大断面図、図5(b)は、図5(a)のVB−VB線での断面図、図5(c)は、図5(a)のVC−VC線での断面図である。なお、保護層90を省略している。以下同様である。また、図5(a)は、図4に示したアイランド301の断面図であるが、図4(a)の−y方向から見た断面図である。この状態ではpオーミック電極331が見えなくなるため、pオーミック電極331の部分は、図4(a)の−x方向から見た図とした。以下同様である。そして、図5(b)及び(c)は、y方向の断面図である。
前述したように、設定サイリスタS上にトンネル接合層85を介してレーザダイオードLDが積層されている。すなわち、設定サイリスタSとレーザダイオードLDとは電気的に直列接続されている。
トンネル接合層85は、n型の不純物(ドーパント)を高濃度に添加(ドープ)したn++層85aと、p型の不純物を高濃度に添加したp++層85bとで構成されている。
レーザダイオードLDは、pアノード層86、発光層87、nカソード層88で構成されている。
そして、pアノード層86は、積層された下側pアノード層86aと電流狭窄層86bと上側pアノード層86cで構成されている。電流狭窄層86bは、電流通過部αと電流阻止部βとで構成されている。図4(a)で示したように、電流通過部αは、レーザダイオードLDの中央部に、電流阻止部βは、レーザダイオードLDの周辺部に設けられている。
さらに、nカソード層88は、下部nカソード層88aと上部回折格子層(回折格子層)88bとから構成されている。上部回折格子層88bは、予め定められた間隔で回折格子(縞状の凹凸)に加工された部分で下部nカソード層88aと連続している。すなわち、一旦積層されたnカソード層88の表面を縞状に加工し、回折格子に加工した部分を上部回折格子層88b、加工されていない部分を下部nカソード層88aとしている。上部回折格子層88bに設けられた回折格子の間隔によりレーザダイオードLDが出射する(発振する)波長が設定される。
なお、回折格子層を設ける位置としては、上記の位置に限定されない。例えば、発光層87の一部を回折格子層としてもよいし、pアノード層86内の下側pアノード層86aまたは上側pアノード層86cの一部を回折格子層としてもよい。
そして、図5(c)に示すように、上部回折格子層88b上に設けられたnオーミック電極321の下の発光層87の領域(発光領域)から光が出射する。
第1の実施の形態のレーザ部品Cには、DFBレーザ又はDBRレーザを用いるのがよい。なお、図5(a)、(b)、(c)に示すレーザダイオードLDは、DFBレーザである。
レーザダイオードLD1、LD2、LD3、…の順に、上部回折格子層88bの回折格子の間隔を広げていくことにより、出射波長λ1、λ2、λ3、…が順に長くなる。
図8は、設定サイリスタSとレーザダイオードLDとの積層構造をさらに説明する図である。図8(a)は、設定サイリスタSとレーザダイオードLDとの積層構造における模式的なエネルギーバンド図、図8(b)は、トンネル接合層85の逆バイアス状態におけるエネルギーバンド図、図8(c)は、トンネル接合層85の電流電圧特性を示す。
図8(a)のエネルギーバンド図に示すように、図5(a)のnオーミック電極321と裏面電極91との間に、レーザダイオードLD及び設定サイリスタSが順バイアスになるように電圧を印加すると、トンネル接合層85のn++層85aとp++層85bとの間が逆バイアスになる。
一方、図8(b)に示すように、トンネル接合層85(トンネル接合)は、逆バイアス(−V)されると、p++層85b側の価電子帯(バレンスバンド)の電位Evが、n++層85a側の伝導帯(コンダクションバンド)の電位Ecより上になる。そして、p++層85bの価電子帯(バレンスバンド)から、n++層85a側の伝導帯(コンダクションバンド)に電子がトンネルする。そして、逆バイアス電圧(−V)が増加するほど、電子がトンネルしやすくなる。すなわち、図8(c)に示すように、トンネル接合層85(トンネル接合)は、逆バイアスにおいて、電流が流れやすい。
ここでは、設定サイリスタSは、接続された転送サイリスタTがターンオンしてオン状態になると、オン状態への移行が可能な状態になる。そして、点灯信号φIが後述する「Lo」になると、設定サイリスタSがターンオンしてオン状態になるとともに、レーザダイオードLDを点灯させる(点灯を設定する)。よって、本明細書では、「設定サイリスタ」と表記する。
次に、サイリスタ(転送サイリスタT、設定サイリスタS)の基本的な動作を説明する。サイリスタは、前述したように、アノード端子(アノード)、カソード端子(カソード)、ゲート端子(ゲート)の3端子を有する半導体素子であって、例えば、GaAs、GaAlAs、AlAsなどによるp型の半導体層(pアノード層81、pゲート層83)、n型の半導体層(nゲート層82、nカソード層84)を基板80上に積層して構成されている。つまり、サイリスタは、pnpn構造を成している。ここでは、p型の半導体層とn型の半導体層とで構成されるpn接合の順方向電位(拡散電位)Vdを一例として1.5Vとして説明する。
サイリスタのアノードは、裏面電極91に供給される基準電位Vsub(「H」(0V))である。
オン状態になると、サイリスタのゲートは、アノードの電位に近い電位になる。ここでは、アノードを基準電位Vsub(「H」(0V))に設定しているので、ゲートは、0V(「H」)になるとする。また、オン状態のサイリスタのカソードは、アノードの電位からpn接合の順方向電位Vd(1.5V)を引いた電位に近い電位となる。ここでは、アノードを基準電位Vsub(「H」(0V))に設定しているので、オン状態のサイリスタのカソードは、−1.5Vに近い電位(絶対値が1.5Vより大きい負の電位)となる。なお、カソードの電位は、オン状態のサイリスタに電流を供給する電源との関係で設定される。
一方、オン状態のサイリスタのカソードに、オン状態を維持するために必要な電位より低い電位(絶対値が大きい負の電位)が継続的に印加され、オン状態を維持しうる電流(維持電流)が供給されると、サイリスタはオン状態を維持する。
なお、出射波長や光量によってレーザダイオードLDに印加する電圧を変えることとなるが、その際は点灯信号φIの電圧(「Lo」)を調整すればよい。
次に、レーザ光発生部10の動作について説明する。
<タイミングチャート>
図9は、レーザ光発生部10の動作を説明するタイミングチャートである。
図9では、レーザ部品CのレーザダイオードLD1〜LD5の5個のレーザダイオードLDの点灯(発光)を制御(点灯制御と表記する。)する部分のタイミングチャートを示している。なお、図9では、レーザ部品CのレーザダイオードLD1、LD2、LD3、…を順に点灯させている。
レーザダイオードLD1は、期間U(1)において、レーザダイオードLD2は、期間U(2)において、レーザダイオードLD3は、期間U(3)において、レーザダイオードLD4は、期間U(4)において点灯する(点灯制御される)。以下、同様にして番号が5以上のレーザダイオードLDが点灯制御される。
ここでは、期間U(1)、U(2)、U(3)、…は同じ長さの期間とし、それぞれを区別しないときは期間Uと呼ぶ。
以下では、「H」(0V)及び「L」(−3.3V)を、「H」及び「L」と省略する場合がある。
転送信号φ2は、期間U(1)の開始時刻bにおいて「H」(0V)であって、時刻eで「H」(0V)から「L」(−3.3V)に移行する。そして、期間U(2)の終了時刻iにおいて「L」から「H」に移行する。
転送信号φ1と転送信号φ2とを比較すると、転送信号φ2は、転送信号φ1を時間軸上で期間U後ろにずらしたものに当たる。一方、転送信号φ2は、期間U(1)において、破線で示す波形及び期間U(2)での波形が、期間U(3)以降において繰り返す。転送信号φ2の期間U(1)の波形が期間U(3)以降と異なるのは、期間U(1)はレーザ光発生部10が動作を開始する期間であるためである。
ここでは、レーザ部品CのレーザダイオードLD1に対する点灯制御の期間U(1)において、点灯信号φIを説明する。点灯信号φIは、期間U(1)の開始時刻bにおいて「H」(0V)であって、時刻cで「H」(0V)から「Lo」(−5V)に移行する。そして、時刻dで「Lo」から「H」に移行し、時刻eにおいて「H」を維持する。
(時刻a)
時刻aにおいて、信号発生回路110の基準電位供給部160は、基準電位Vsubを「H」(0V)に設定する。電源電位供給部170は、電源電位Vgkを「L」(−3.3V)に設定する。すると、レーザ部品CのVsub端子は「H」になる。同様に、レーザ光発生部10のVgk端子は「L」になる。これにより、レーザ部品Cの裏面電極91が「H」になり、レーザ部品Cの電源線71が「L」になる(図3参照)。
図9に示す時刻bにおいて、転送信号φ1が、「H」(0V)から「L」(−3.3V)に移行する。これによりレーザ部品Cは、動作を開始する。
転送信号φ1が「H」から「L」に移行すると、φ1端子及び電流制限抵抗R1を介して、転送信号線72−1の電位が、「H」(0V)から「L」(−3.3V)に移行する。すると、しきい電圧が−3Vである転送サイリスタT1がターンオンする。しかし、転送信号線72−1にカソード端子が接続された、番号が3以上の奇数番号の転送サイリスタTは、しきい電圧が−4.8Vであるのでターンオンできない。一方、偶数番号の転送サイリスタTは、転送信号φ2が「H」(0V)であって、転送信号線72−2が「H」(0V)であるのでターンオンできない。
転送サイリスタT1がターンオンすることで、転送信号線72−1の電位は、アノードの電位(「H」(0V))からpn接合の順方向電位Vd(1.5V)を引いた−1.5Vに近い電位になる。
これにより、設定サイリスタS1のしきい電圧が−1.5V、転送サイリスタT2、設定サイリスタS2のしきい電圧が−3V、転送サイリスタT3、設定サイリスタS3のしきい電圧が−4.5V、番号が4以上の転送サイリスタT、設定サイリスタSのしきい電圧が−4.8Vになる。
しかし、転送信号線72−1は、オン状態の転送サイリスタT1により−1.5Vになっているので、オフ状態の奇数番号の転送サイリスタTはターンオンしない。転送信号線72−2は、「H」(0V)であるので、偶数番号の転送サイリスタTはターンオンしない。点灯信号線75は「H」(0V)であるので、いずれのレーザダイオードLDも点灯しない。
時刻cにおいて、点灯信号φIが「H」(0V)から「Lo」(−5V)に移行する。
点灯信号φIが「H」から「Lo」に移行すると、電流制限抵抗RI及びφI端子を介して、点灯信号線75が「H」(0V)から「Lo」(−5V)に移行する。すると、レーザダイオードLDに印加される電圧1.7Vを足した−3.3Vが設定サイリスタS1に印加され、しきい電圧が−1.5Vである設定サイリスタS1がターンオンして、レーザダイオードLD1が点灯(発光)する。これにより、点灯信号線75の電位が−3.2Vに近い電位(絶対値が3.2Vより大きい負の電位)になる。なお、設定サイリスタS2はしきい電圧が−3Vであるが、設定サイリスタS2に印加される電圧は、レーザダイオードLDに印加される電圧1.7Vを−3.2Vに足した−1.5Vになるので、設定サイリスタS2はターンオンしない。
時刻cの直後において、転送サイリスタT1、設定サイリスタS1がオン状態にあって、レーザダイオードLD1が点灯(発光)している。
時刻dにおいて、点灯信号φIが「Lo」(−5V)から「H」(0V)に移行する。
点灯信号φIが「Lo」から「H」に移行すると、電流制限抵抗RI及びφI端子を介して、点灯信号線75の電位が−3.2Vから「H」(0V)に移行する。すると、レーザダイオードLD1のカソードと設定サイリスタS1のアノードとがともに「H」になるので設定サイリスタS1がターンオフするとともに、レーザダイオードLD1が消灯する(非点灯になる)。レーザダイオードLD1の点灯期間は、点灯信号φI1が「H」から「Lo」に移行した時刻cから、点灯信号φI1が「Lo」から「H」に移行する時刻dまでの、点灯信号φI1が「Lo」(−5V)である期間となる。
時刻dの直後において、転送サイリスタT1がオン状態にある。
時刻eにおいて、転送信号φ2が「H」(0V)から「L」(−3.3V)に移行する。ここで、レーザダイオードLD1を点灯制御する期間U(1)が終了し、レーザダイオードLD2を点灯制御する期間U(2)が開始する。
転送信号φ2が「H」から「L」に移行すると、φ2端子を介して転送信号線72−2の電位が「H」から「L」に移行する。前述したように、転送サイリスタT2は、しきい電圧が−3Vになっているので、ターンオンする。これにより、ゲート端子Gt2(ゲート端子Gs2)の電位が「H」(0V)、ゲートGt3(ゲートGs3)の電位が−1.5V、ゲートGt4(ゲートGs4)の電位が−3Vになる。そして、番号が5以上のゲートGt(ゲートGs)の電位が−3.3Vになる。
時刻eの直後において、転送サイリスタT1、T2がオン状態にある。
時刻fにおいて、転送信号φ1が「L」(−3.3V)から「H」(0V)に移行する。
転送信号φ1が「L」から「H」に移行すると、φ1端子を介して転送信号線72−1の電位が「L」から「H」に移行する。すると、オン状態の転送サイリスタT1は、アノードとカソードとがともに「H」になって、ターンオフする。すると、ゲートGt1(ゲートGs1)の電位は、電源線抵抗Rg1を介して、電源線71の電源電位Vgk(「L」(−3.3V))に向かって変化する。これにより、結合ダイオードD1が電流の流れない方向に電位が加えられた状態(逆バイアス)になる。よって、ゲートGt2(ゲートGs2)が「H」(0V)である影響は、ゲートGt1(ゲートGs1)には及ばなくなる。すなわち、逆バイアスの結合ダイオードDで接続されたゲートGtを有する転送サイリスタTは、しきい電圧が−4.8Vになって、「L」(−3.3V)の転送信号φ1又は転送信号φ2ではターンオンしなくなる。
時刻fの直後において、転送サイリスタT2がオン状態にある。
時刻gにおいて、点灯信号φIが「H」(0V)から「Lo」(−5V)に移行すると、時刻cでの設定サイリスタS1及びレーザダイオードLD1と同様に、設定サイリスタS1がターンオンして、レーザダイオードLD2が点灯(発光)する。
そして、時刻hにおいて、点灯信号φIが「Lo」(−5V)から「H」(0V)に移行すると、時刻dでの設定サイリスタS1及びレーザダイオードLD1と同様に、設定サイリスタS2がターンオフして、レーザダイオードLD2が消灯する。
さらに、時刻iにおいて、転送信号φ1が「H」(0V)から「L」(−3.3V)に移行すると、時刻bでの転送サイリスタT1又は時刻eでの転送サイリスタT2と同様に、しきい電圧が−3Vの転送サイリスタT3がターンオンする。時刻iで、レーザダイオードLD2を点灯制御する期間U(2)が終了し、レーザダイオードLD3を点灯制御する期間U(3)が開始する。
以降は、これまで説明したことの繰り返しとなる。
そして、オン状態の転送サイリスタTのゲートGtにゲートGsが接続された設定サイリスタSは、しきい電圧が−1.5Vであるので、点灯信号φIが「H」(0V)から「Lo」(−5V)に移行するとターンオンし、設定サイリスタSに直列接続されたレーザダイオードLDが点灯(発光)する。
すなわち、転送信号φ1、φ2により、レーザダイオードLDを順に指定し、点灯信号φIにより、異なる出射波長λのレーザダイオードLDを順に点灯させている。このようにすることで、出力される光は、例えば短い波長から長い波長へと波長が走査(掃引)される。
また、転送信号φ1、φ2が出力させたい波長のレーザダイオードLDを選択した後に、そのレーザダイオードLDから連続して光を出射したいときは、転送信号φ1、φ2及び点灯信号φIをそのまま維持すればよい。
レーザ部品Cの製造方法について説明する。ここでは、図5(a)に示した設定サイリスタSとレーザダイオードLDとが積層されたアイランド301の断面図で説明する。
なお、図10(a)〜(f)では、複数の工程をまとめて示す場合がある。
以下順に説明する。
ここでは、基板80は、p型のGaAsを例として説明するが、n型のGaAs、不純物を添加していないイントリンシック(i)のGaAsでもよい。また、InP、GaN、InAs、その他III−V族、II−VI族材料からなる半導体基板、Si、Ge等のIV族材料からなる半導体基板、又は、サファイア等の基板などでもよい。基板を変更した場合、基板上にモノリシックに積層される材料は、基板の格子定数に略整合(歪構造、歪緩和層、メタモルフィック成長を含む)する材料を用いる。一例として、InAs基板上には、InAs、InAsSb、GaInAsSbなどを使用し、InP基板上にはInP、InGaAsPなどを使用し、GaN基板上又はサファイア基板上には、GaN、AlGaN、InGaNを使用し、Si基板上にはSi、SiGe、GaPなどを使用する。ただし、結晶成長後に他の支持基板に貼りつける場合は、支持基板に対して半導体材料が略格子整合している必要はない。また、半導体材料にとどまらず、半導体材料と同様にp型、n型の導電性を有する有機材料を用いた発光部品にも適用してもよい。
nゲート層82は、例えば不純物濃度1×1017/cm3のn型のAl0.9GaAsである。Al組成は、0〜1の範囲で変更してもよい。なお、GaInPなどでもよい。
pゲート層83は、例えば不純物濃度1×1017/cm3のp型のAl0.9GaAsである。Al組成は、0〜1の範囲で変更してもよい。なお、GaInPなどでもよい。
nカソード層84は、例えば不純物濃度1×1018/cm3のn型のAl0.9GaAsである。Al組成は、0〜1の範囲で変更してもよい。なお、GaInPなどでもよい。
下側pアノード層86a、上側pアノード層86cは、例えば、不純物濃度1×1018/cm3のp型のAl0.9GaAsである。Al組成は、0〜1の範囲で変更してもよい。なお、GaInPなどでもよい。
電流狭窄層86bは、例えばAlAs又はAlの不純物濃度が高いp型のAlGaAsである。Alが酸化されてAl2O3が形成されることにより、電気抵抗が高くなって、電流経路を狭窄するものであればよい。
また、発光層87は井戸(ウエル)層、障壁(バリア)層、及び、これらの上下に設けられたスペーサ層の組み合わせで構成してもよい。例えば、共振器構造で構成してもよい。
nオーミック電極321は、例えばnカソード層88などn型の半導体層とオーミックコンタクトが取りやすいGeを含むAu(AuGe)などである。
そして、nオーミック電極321は、例えばリフトオフ法などにより形成される。
このエッチングは、硫酸系のエッチング液(重量比において硫酸:過酸化水素水:水=1:10:300)などを用いたウェットエッチングで行ってもよく、例えば塩化ホウ素などを用いた異方性ドライエッチング(RIE)で行ってもよい。
電流狭窄層86bの側面からの酸化は、例えば、300〜400℃での水蒸気酸化により、AlAs、AlGaAsなどである電流狭窄層86bのAlを酸化させる。このとき、酸化は、露出した側面から進行し、レーザダイオードLDの周囲にAlの酸化物であるAl2O3による電流阻止部βが形成される。
なお、電流阻止部βは、AlAsの酸化の代わりに、水素(H2)を打ち込みによって行ってもよい。すなわち、pアノード層86を下側pアノード層86aと上側pアノード層86cとに分けずに連続して堆積し、電流阻止部βとする部分に水素(H2)イオンを打ち込めばよい。これにより、Al0.9GaAsなどが絶縁性となって、電流阻止部βとなる。
このエッチングは、硫酸系のエッチング液(重量比において硫酸:過酸化水素水:水=1:10:300)を用いたウェットエッチングで行ってもよく、例えば塩化ホウ素を用いた異方性ドライエッチングで行ってもよい。
なお、図10(c)に示したトンネル接合層85出しエッチング工程において、トンネル接合層85を露出させる代わりにpゲート層83を露出させると、図10(d)における電流阻止部β形成工程において、pゲート層83に含まれるAlが酸化されるおそれがある。pゲート層83に含まれるAlが酸化されると、表面が荒れたり、後述するpオーミック電極331の接着性が悪くなったりする。そこで、トンネル接合層85を露出させた状態で、電流阻止部β形成工程を行っている。
pオーミック電極331は、例えばpゲート層83などp型の半導体層とオーミックコンタクトが取りやすいZnを含むAu(AuZn)などである。
そして、pオーミック電極331は、例えばリフトオフ法などにより形成される。この際、他のpオーミック電極が同時に形成されてもよい。
裏面電極91は、pオーミック電極331と同様に、例えばAuZnである。
上記では、設定サイリスタSとレーザダイオードLDとが積層されたアイランド301の一部において、レーザ部品Cの製造方法を説明した。
転送サイリスタT、結合ダイオードD、電源線抵抗Rg1、電流制限抵抗R1〜R6が含まれるアイランド302〜306など他のアイランドは、上記の工程に、nカソード層84の表面を露出させる工程と、露出させたnカソード層84上にnオーミック電極322、323などを形成する工程とを付加することで形成される。また、配線を形成する工程では、電源線71、転送信号線72−1、72−2、点灯信号線75などの形成が含まれる。
また、pアノード層86に電流狭窄層86bを設ける代わりに、pアノード層81に設けてもよい。
なお、トンネル接合層85を設けないと、レーザダイオードLDと設定サイリスタSとの間の接合が逆バイアスになる。このため、レーザダイオードLDと設定サイリスタSとに電流を流すためには、逆バイアスの接合が降伏する電圧を印加することになる。すなわち、駆動電圧が高くなってしまう。
すなわち、レーザダイオードLDと設定サイリスタSとをトンネル接合層85を介して積層することで、トンネル接合層85を介さない場合に比べ、駆動電圧が低く抑えられる。
図11は、金属的導電性III−V族化合物層を構成する材料を説明する図である。図11(a)は、InNの組成比xに対するInNAsのバンドギャップ、図11(b)は、InNの組成比xに対するInNSbのバンドギャップ、図11(c)は、VI族元素及びIII−V族化合物の格子定数をバンドギャップに対して示す図である。
図11(a)は、組成比x(x=0〜1)のInNと組成比(1−x)のInAsとの化合物であるInNAsに対するバンドギャップエネルギ(eV)を示す。
図11(b)は、組成比x(x=0〜1)のInNと組成比(1−x)のInSbとの化合物であるInNSbに対するバンドギャップエネルギ(eV)を示す。
図11(a)に示すように、InNAsは、例えばInNの組成比xが約0.1〜約0.8の範囲において、バンドギャップエネルギが負になる。
図11(b)に示すように、InNSbは、例えばInNの組成比xが約0.2〜約0.75の範囲において、バンドギャップエネルギが負になる。
すなわち、InNAs及びInNSbは、上記の範囲において、金属的な導電特性(導電性)を示すことになる。
なお、上記の範囲外のバンドギャップエネルギが小さい領域では、熱エネルギによって電子がエネルギを有するため、わずかなバンドギャップを遷移することが可能であり、バンドギャップエネルギが負の場合や金属と同様に電位に勾配がある場合には電流が流れやすい特性を有している。
そして、InNAs及びInNSbに、Al、Ga、Ag、Pなどが含まれても、組成次第でバンドギャップエネルギを0近傍もしくは負に維持することができ、電位に勾配があれば電流が流れる。
これに対して、同様にIII−V族化合物であるInNの格子定数は、閃亜鉛鉱構造において約5.0Å、InAsの格子定数は、約6.06Åである。よって、InNとInAsとの化合物であるInNAsの格子定数は、GaAsなどの5.6Å〜5.9Åに近い値になりうる。
また、III−V族化合物であるInSbの格子定数は、約6.48Åである。よって、InNの格子定数は約5.0Åであるので、InSbとInNとの化合物であるInNSbの格子定数を、GaAsなど5.6Å〜5.9Åに近い値になりうる。
また、レーザ部品Cには、それぞれ信号発生回路110が設けられているので、レーザ部品Cを並列に動作させられる。並列に動作させることで、レーザ光発生部10が高速化される。
第1の実施の形態に係るレーザ光発生部10におけるレーザ部品Cは、転送サイリスタTを用いてレーザダイオードLDを順に選択した。第2の実施の形態に係るレーザ光発生部10におけるレーザ部品Cでは、設定サイリスタSを転送サイリスタとして用いる。他の構成は、第1の実施の形態と同様であるので、異なる部分を説明する。
第1の実施の形態に係るレーザ部品Cでは、図3において説明したように、設定サイリスタSのゲートGsは、転送サイリスタTのゲートGtと接続されている。よって、設定サイリスタSを転送サイリスタTに置き換えて、転送サイリスタTの動作をさせられる。
信号発生回路110は、点灯信号発生部140を備えない。
レーザ部品Cは、図3における転送サイリスタTを削除し、設定サイリスタSを転送サイリスタTとしている。他の構成は、図3に示した第1の実施の形態に係るレーザ部品Cと同様である。
このとき、第1の実施の形態に係るレーザ光発生部10の信号発生回路110の転送信号発生部120が送信する転送信号φ1、φ2における「L」を「Lo」にすればよい。なお、「Lo」は、第1の実施の形態におけるレーザ光発生部10の設定サイリスタSをターンオンさせるとともにレーザダイオードLDを点灯させる電圧である。しかし、例えば、図9の時刻eから時刻fまでの期間において、転送サイリスタT1、T2が同時にオン状態にある状態において、レーザダイオードLD1、LD2が同時に点灯してしまう。
そこで、「Lo」とする前に、設定サイリスタSをターンオンさせるが、レーザダイオードLDは光量が小さい状態で点灯させる「Lo′」の期間を設けるとよい。
まず、図9における点灯信号φIを設けない。この代わりに、転送信号φ1、φ2を変更している。信号発生回路110の転送信号発生部120は、転送信号φ1を、時刻bにおいて、「H」(0V)から「Lo′」に移行させる。このとき、レーザダイオードLDは、光量が小さい状態で点灯する。その後、時刻cにおいて、「Lo′」から「Lo」(5V)に移行させる。これにより、レーザダイオードLD1は、予め定められた光量で点灯する。
そして、転送信号φ1を、時刻dにおいて、「Lo」(5V)から「Lo′」に移行させ、時刻fにおいて、「Lo′」から「H」(0V)に移行させる。
転送信号φ2は、転送信号φ1を期間U後にずらしたものである。
このようにすることで、転送サイリスタTは、図3の転送サイリスタT及び設定サイリスタSの動作を兼ねる。
そして、転送サイリスタTが設定サイリスタSを兼ねること、点灯信号線75を設けないことにより、レーザ部品Cが小型化される。
レーザダイオードLDでは、電圧が印加された際に、発振遅れが生じたり、発振が開始しても緩和振動が生じたりして、光強度の変動(ばらつき)が発生する。なお、ここでの光強度は、放射強度(又は光度)をいう。
図15は、レーザダイオードLDの光強度Pの時間変化を示す図である。縦軸は、光強度P、横軸は、時間tである。
時間tにおける“On”のタイミングで、レーザダイオードLDに電圧印加され、“Off”のタイミングで、レーザダイオードLDへの電圧印加が停止されたとする。このとき、理想的な応答波形Riは、“On”のタイミングから“Off”のタイミングまで、予め定められた光強度Pが維持されることである。
例えば、発振遅れ時間tdと緩和振動持続時間trとを合わせた時間は、約5nsecである。このため、単に、発光するレーザ素子LDを順にオフ状態からオン状態にする場合には、約200Mbps以上の速度で、レーザダイオードLDを切り替えられない。なお、高速に動かす場合としては、1Gbps以上が求められる。
なお、レベルは、“0/1”の2値の代わりに、レベル“m:mは1以上の整数”とレベル“0”との多値であってもよい。以下では、レベル“1”は、レベル“m”を含むとして、レベル“0”とレベル“1”とで説明する。なお、レベルを、論理値と表記してもよい。
図16(a)に示すように、レーザダイオードLDは、電流Iがしきい値電流Ithを超えると、発振を開始する。そこで、しきい値電流Ith以上で光強度Pがレベル“0”とみなされる電流I(“0”)と、光強度Pがレベル“1”に対応する電流I(“1”)とを供給するとする。なお、電流I(“0”)とする際にレーザダイオードLDに印加する電圧をV(“0”)、電流I(“1”)とする際にレーザダイオードLDに印加する電圧をV(“1”)とする。例えば、V(“0”)を1.5Vとし、V(“1”)を1.7Vとする。
V(“0”)が印加されたレーザダイオードLDにV(“1”)の電圧を印加することで、直ちに、レベル“1”のオン状態になる。そして、レベル“1”の期間(図16(b)の期間τ)には、発振遅れや緩和振動の影響を受けない。なお、期間τの前のレベル“0”のオン状態である期間σにおいて、発振遅れや緩和振動を吸収している。
図17は、レーザ部品Cの等価回路図及びレーザ部品Cを駆動する信号などを供給する信号発生回路110を説明する図である。なお、レーザ部品C及び信号発生回路110は、図3に示した第1の実施の形態に係るレーザ光発生部10に比べ、複雑になっている。
まず、信号発生回路110を説明する。信号発生回路110は、転送サイリスタTを順にオン状態に設定する信号を発生する転送信号発生部120a、120b、レーザダイオードLDを点灯させる信号を発生する点灯信号発生部140、基準電位Vsubを供給する基準電位供給部160、駆動のための電源電位Vgk1、Vgk2を供給する電源電位供給部170a、170bを備える。
転送信号発生部120aは、転送信号φ1、φ2、スタート信号φs1を、転送信号発生部120bは、転送信号φ3、φ4、スタート信号φs2を発生する。なお、図17では、図示を容易にするために、転送信号発生部120aと転送信号発生部120bとを分けて示している。これらを区別しない場合は、転送信号発生部120と表記することがある。また、転送信号φ1〜φ4をそれぞれ区別しない場合は転送信号φと表記することがある。
電源電位供給部170aは、電源電位Vgk1を、電源電位供給部170bは、電源電位Vgk2を供給する。なお、図17では、図示を容易にするために、電源電位供給部170aと電源電位供給部170bとを分けて示している。これらを区別しない場合は、電源電位供給部170と表記することがある。なお、電源電位Vgk1、Vgk2を区別しない場合は、Vgkと表記することがある。
奇数番号の結合ダイオードD1、D3、D5、…は、奇数番号の転送サイリスタT1、T3、T5、…をそれぞれ番号順に2つをペアにして、それぞれのペアの間に設けられている。偶数番号の結合ダイオードD2、D4、D6、…は、偶数番号の転送サイリスタT2、T4、T6、…をそれぞれ番号順に2つをペアにして、それぞれのペアの間に設けられている。結合ダイオードDの数は、例えば、レーザダイオードLDの数が128個であると、126個である。
転送サイリスタT、設定サイリスタSのそれぞれのアノードは、レーザ部品Cの基板80に接続される(アノードコモン)。
そして、これらのアノードは、基板80の裏面に設けられたVsub端子である裏面電極91(第1の実施の形態における図4(b)参照)を介して、基準電位供給部160から基準電位Vsubが供給される。
なお、この接続はp型の基板80を用いた際の構成であり、n型の基板を用いる場合には極性が逆となり、不純物を添加していないイントリンシック(i)型(半絶縁性又は絶縁性)の基板を用いる場合は、駆動部101及び発光部102が設けられる側に、基準電位Vsubと接続される端子が設けられる。
設定サイリスタSのゲートGsは、同じ番号の転送サイリスタTのゲートGtに接続される。
また、奇数番号の転送サイリスタT1、T3、T5、T7、…の内、3+4×(n−1)の番号の転送サイリスタT(図17では転送サイリスタT3、T7、…)のカソードは、転送信号線72−2に接続される。そして、転送信号線72−2は、電流制限抵抗R2を介してφ2端子に接続されている。このφ2端子には、転送信号発生部120aから転送信号φ2が送信される。
そして、1+4×(n−1)の番号の転送サイリスタT(図17では転送サイリスタT1、T5、…)のゲートGtは、同じ番号の結合ダイオードDのアノードに接続される。
この結合ダイオードDのカソードは、3+4×(n−1)の番号の転送サイリスタT(図17では転送サイリスタT3、T7、…)のゲートGtに接続される。
なお、ゲートGt1のアノードは、電流制限抵抗R5を介してφs1端子に接続される。このφs1端子には、転送信号発生部120aからスタート信号φs1が送信される。
また、偶数番号の転送サイリスタT2、T4、T6、T8、…の内、4+4×(n−1)の番号の転送サイリスタT(図17では転送サイリスタT4、T8、…)のカソードは、転送信号線72−4に接続される。そして、転送信号線72−4は、電流制限抵抗R4を介してφ4端子に接続されている。このφ4端子には、転送信号発生部120bから転送信号φ4が送信される。
そして、2+4×(n−1)の番号の転送サイリスタT(図17では転送サイリスタT2、T6、…)のゲートGtは、同じ番号の結合ダイオードDのアノードに接続される。
この結合ダイオードDのカソードは、4+4×(n−1)の番号の転送サイリスタT(図17では転送サイリスタT4、T8、…)のゲートGtに接続される。
なお、ゲートGt2のアノードは、電流制限抵抗R6を介してφs2端子に接続される。このφs2端子には、転送信号発生部120bからスタート信号φs2が送信される。
また、偶数番号の転送サイリスタT2、T4、T6、T8、…のゲートGt2、Gt4、Gt6、Gt8、…は、同じ番号の電源線抵抗Rgを介して、電源線71−2に接続される。電源線71−2は、Vgk2端子に接続される。このVgk2端子には、電源電位供給部170bから電源電位Vgk2が供給される。
偶数番号のレーザダイオードLD2、LD4、LD6、LD8、…のカソードは、点灯信号線75−2を介して、φI2端子に接続される。このφI2端子には、レーザ部品Cの外側に設けられた電流制限抵抗RI2を介して、点灯信号発生部140から点灯信号φI2が送信される。
なお、点灯信号線75−1、75−2を区別しない場合は、点灯信号線75と表記する。
そして、電流制限抵抗RI1、RI2は、レーザ部品Cの内部に設けられもよい。電流制限抵抗RI1、RI2は、電流制限抵抗RIと表記することがある。
<タイミングチャート>
図18は、第3の実施の形態に係るレーザ光発生部10の動作を説明するタイミングチャートである。
図18のタイミングチャートは、レーザ部品Cの8個のレーザダイオードLD1〜LD8の順に点灯(点灯制御と表記する。)する部分を示す。
そして、例えば、レーザダイオードLD2が点灯制御される期間U(2)の後半の時刻eから時刻kの間は、レーザダイオードLD3が点灯制御される期間U(3)の前半と重なっている。つまり、奇数番号のレーザダイオードLDの組の点灯制御の期間Uと、偶数番号のレーザダイオードLDの組の点灯制御の期間Uとは、期間Uの1/2ずれている。
スタート信号φs1は、時刻aにおいて「H」、時刻gで「H」から「L」に移行し、その後「L」を維持する。
スタート信号φs2は、時刻aにおいて「L」で時刻bで「L」から「H」に移行する。そして、時刻lで「H」から「L」に移行し、その後「L」を維持する。
転送信号φ2は、時刻aにおいて「H」、時刻fで「H」から「L」に移行する。そして、時刻qで「L」から「H」に移行し、時刻sで「H」から「L」に移行する。以後同様に繰り返す。すなわち、時刻aから開始する期間U(1)と時刻pで終了する期間U(3)とを繰り返し単位とする。
転送信号φ2は、転送信号φ1の繰り返し波形を期間Uずらした波形である。
期間U(3)で説明すると、点灯信号φI1は、時刻fで「H」である。そして、時刻hで「H」から「L(“0”)」に移行する。そして、時刻nで「L(“0”)」から「L(“1”)」に移行し、時刻oで「L(“1”)」から「H」に移行する。そして、時刻pで「H」を維持する。これを期間U毎に繰り返す。なお、時刻hから時刻nまでの期間がレベル“0”のオン状態である期間σ、時刻nから時刻oまでの期間がレベル“1”のオン状態である期間τである。
点灯信号φI2は、点灯信号φI1を期間Uの1/2ずらした波形である。
なお、後述するように、「H」(0V)の期間の代わりに、正(+)の電位とした期間「H(+)」としてもよい。
まず、奇数番号のレーザダイオードLDの組の点灯制御を説明する。
(時刻a)
時刻aにおいて、スタート信号φs1が「H」であると、転送サイリスタT1のゲートGt1が「H」(0V)になる。前述したように、サイリスタのしきい電圧は、ゲートの電位からpn接合の順方向電位Vd(1.5V)を引いた値であるので、転送サイリスタT1のしきい電圧は、−1.5Vになる。
なお、転送サイリスタT3のゲートGt3は、結合ダイオードD1を介して、−1.5Vになる。よって、転送サイリスタT3のしきい電圧は、−3.0Vになる。また、転送サイリスタT5のゲートGt5は、結合ダイオードD3を介して、−3Vになる。よって、転送サイリスタT5のしきい電圧は、−4.5Vになる。また、番号が7以上の転送サイリスタTは、ゲートGtが電源線抵抗Rgを介して、電源電位Vgk1の「L(−3.3V)」であるので、しきい電圧が−4.8Vである。
このとき、点灯信号φI1は、レベル“0”のオン状態でレーザダイオードLD1を点灯させる「L(“0”)」(−4.8V)である。よって、レーザダイオードLD1は、レベル“0”のオン状態となる。このレベル“0”のオン状態の期間において、レーザダイオードLD1に発振遅れ及び緩和振動を生じさせて安定な状態にする。
時刻b、cは、奇数番号のレーザダイオードLDには関係しない。
時刻dにおいて、点灯信号φI1が、レベル“1”のオン状態でレーザダイオードLD1を点灯させる「L(“1”)」(−5.0V)となると、レーザダイオードLD1は、レベル“1”のオン状態になる。このとき、レーザダイオードLD1は、レベル“0”のオン状態の期間において、発振遅れが解消され且つ緩和振動が減衰しているので、光強度Pの変動や光エネルギのばらつきが抑制される。
時刻eにおいて、点灯信号φI1を「L(“1”)」から「H」(0V)にすると、レーザダイオードLD1のカソードと設定サイリスタS1のアノード(基板80)とがともに「H」(0V)になるため、設定サイリスタS1がターンオフするとともに、レーザダイオードLD1がオフ状態となって消灯する。
このとき、点灯信号φI1を「H」(0V)より+側の電位(図18の点灯信号φI1において破線で示す「H(+)」。)に設定してもよい。+側の電位にすることで、設定サイリスタSのnゲート層82、pゲート層83から電荷(キャリア)が引き抜かれ、より高速にレーザダイオードLD1が消灯する。
時刻fにおいて、転送信号φ2を「H」(0V)から「L」(−3.3V)にすると、しきい電圧が−3.0Vである転送サイリスタT3がターンオンする。そして、ゲートGt2を0Vにする。これにより、設定サイリスタS3のゲートGs3が0Vになる。すると、設定サイリスタS3は、しきい電圧が−1.5Vになり、オン状態へ移行可能な状態に設定される。
また、転送サイリスタT5のゲートGt5が、結合ダイオードD3を介して、−1.5Vになるので、転送サイリスタT5のしきい電圧が−3Vになる。
このとき、点灯信号φI1は、「H」であるので、設定サイリスタS3はターンオンせず、レーザダイオードLD3は点灯しない。
ここでは、転送サイリスタT1、T3が共にオン状態になる。
時刻gにおいて、スタート信号φs1を「H」から「L」にするとともに、転送信号φ1を「L」から「H」にする。
すると、転送サイリスタT1は、カソードとアノードとがともに「H」になり、ターンオフする。また、ゲートGt1が「L」(−3.3V)になって、転送サイリスタT1のしきい電圧が−4.8Vになる。
すなわち、転送サイリスタT1がオフ状態になることから、転送サイリスタT1から転送サイリスタT3へオン状態が転送される(伝播する)。
時刻hにおいて、点灯信号φI1が「H」から「L(“0”)」になると、設定サイリスタS3がターンオンするとともに、レーザダイオードLD3がレベル“0”のオン状態になる。
時刻i〜mは、奇数番号のレーザダイオードLDには関係しない。
時刻nにおいて、点灯信号φI1が「L(“0”)」から「L(“1”)」になると、レーザダイオードLD3がレベル“1”のオン(点灯)状態になる。
時刻oにおいて、点灯信号φI1を「L(“1”)」から「H」(0V)にすると、時刻eと同様に、レーザダイオードLD3のカソードと設定サイリスタS3のアノード(基板80)とがともに「H」(0V)になるため、設定サイリスタS3がターンオフするとともに、レーザダイオードLD3がオフ状態となって消灯する。
時刻pにおいて、転送信号φ1が「H」から「L」になると、しきい電圧が−3Vである転送サイリスタT5がターンオンする。そして、ゲートGt5及びゲートGs5が0Vになって、設定サイリスタS5がオン状態へ移行可能な状態になる。
時刻qにおいて、転送信号φ2を「L」から「H」にする。すると、転送サイリスタT3は、カソードとアノードとがともに「H」になり、ターンオフする。また、ゲートGt3が「L」(−3.3V)になって、転送サイリスタT3のしきい電圧が−4.8Vになる。
すなわち、転送サイリスタT3がオフ状態になることから、オン状態が転送サイリスタT3から転送サイリスタT5へ転送される(伝播する)。
(時刻a)
時刻aにおいて、スタート信号φs2が「L」、転送信号φ3が「H」、転送信号φ4が「H」である。すると、図17から分かるように、転送サイリスタT2のゲートGt2が「L」(−3.3V)であるので、転送サイリスタT2のしきい電圧が−4.8Vである。同様に、設定サイリスタS2のゲートGt2も「L」(−3.3V)であって、設定サイリスタS2のしきい電圧が−4.8Vである。
転送信号φ3が「H」であるために、転送サイリスタT3の転送信号φ3が供給されるカソードとアノード(基板80)がともに「H」(0V)であるので、転送サイリスタT3はオフ状態である。
また、点灯信号φI2が「H」(0V)であるので、設定サイリスタS3及びレーザダイオードLD3はオフ状態である。
なお、着目するレーザダイオードLDに関係しない他のサイリスタ(転送サイリスタT、設定サイリスタS)、他のレーザダイオードLDについては、奇数番号のレーザダイオードLDで説明したのと同様であるので、説明を省略する。
スタート信号φs2が「L」から「H」になると、転送サイリスタT2のゲートGt2及び設定サイリスタS2のゲートGs2がともに、「H」(0V)となって、転送サイリスタT2及び設定サイリスタS2のしきい電圧が−1.5Vになる。
そして、転送サイリスタT2のカソードに供給される転送信号φ3が「H」から「L」(−3.3V)になるので、転送サイリスタT2がターンオンする。
なお、点灯信号φI2が「H」に維持されているので、設定サイリスタS2はターンオンせず、レーザダイオードLD2もオフ状態である。
時刻cにおいて、点灯信号φI2が「H」から「L(“0”)」になると、設定サイリスタS2がターンオンして、レーザダイオードLD2がレベル“0”のオン状態になる。
時刻d〜hは、偶数番号のレーザダイオードLDの点灯制御には関係しない。
時刻iにおいて、点灯信号φI2が「L(“0”)」から「L(“1”)」になると、レーザダイオードLD2がレベル“1”のオン(点灯)状態になる。
時刻jにおいて、点灯信号φI2が「L(“1”)」から「H」になると、レーザダイオードLD2のカソードと設定サイリスタS2のアノード(基板80)とがともに「H」(0)になるので、設定サイリスタS2がターンオフするとともに、レーザダイオードLD2がオフ(消灯)状態になる。
そして、オン状態の転送サイリスタTのゲートGtにゲートGsが接続された設定サイリスタSは、しきい電圧が−1.5Vであるので、点灯信号φI(点灯信号φI1、φI2)が「H」(0V)から「L(“0”)」に移行するとターンオンし、レベル“0”のオン状態になる。そして、点灯信号φI(点灯信号φI1、φI2)が「L(“0”)」から「L(“1”)」に移行するとレーザダイオードLDは、レベル“1”のオン(点灯)状態になる。
ここでは、転送路を奇数番号のレーザダイオードLDの組と偶数番号のレーザダイオードLDの組との二つ(二段)設けたが、より高速に応答させるために転送路を三つ(三段)以上としてもよい。
なお、第3の実施の形態に係るレーザ部品Cでは、スタート信号φs1、φs2を用いたが、第1の実施の形態に係るレーザ部品Cと同様に、スタートダイオードSDを用いる構成としてもよい。
第3の実施の形態に係るレーザ部品Cでは、番号の順にレーザダイオードLDが切り替えられて点灯制御される。これに対して、第4の実施の形態では、点灯制御の途中において、次に点灯制御するレーザダイオードLDの順番を番号順又は逆番号順に切り替えられる。
第4の実施の形態に係るレーザ部品Cは、以下に説明する部分を除くと、第3の実施の形態と同様である。よって、異なる部分を説明し、同様な部分は同じ符号を付して説明を省略する。
図19では、レーザダイオードLD1〜LD9、設定サイリスタS1〜S9、転送サイリスタT1〜T9の部分を示している。これ以降は繰り返しである。
レーザ光発生部10における信号発生回路110は、転送信号発生部120、点灯信号発生部140、基準電位供給部160、電源電位供給部170を備える。
転送信号発生部120は、転送信号φ1、φ2、φ3、φ4、φ5、φ6、φ7、φ8、φ9(区別しない場合は転送信号φと表記する。)、スタート信号φs1、φs2、φs3(区別しない場合はスタート信号φsと表記する。)を発生する。
点灯信号発生部140は、点灯信号φI1、φI2、φI3(区別しない場合は点灯信号φIと表記する。)を供給する。
電源電位供給部170は、電源電位Vgk1、Vgk2、VgK3(区別しない場合は電源電位Vgkと表記する。)を供給する。
第2組の転送サイリスタTのゲートGtは、電源線抵抗Rgを介して電源線71−2に接続されている。電源線71−2は、電源電位供給部170から電源電位Vgk2が供給される。
第3組の転送サイリスタTのゲートGtは、電源線抵抗Rgを介して電源線71−3に接続されている。電源線71−3は、電源電位供給部170から電源電位Vgk3が供給される。
第1組のレーザダイオードLDのカソード(図2のnオーミック電極321に相当)は、点灯信号線75−1に接続されている。点灯信号線75−1は、点灯信号発生部140から点灯信号φI1が送信される。
第2組のレーザダイオードLDのカソードは、点灯信号線75−2に接続されている。点灯信号線75−2は、点灯信号発生部140から点灯信号φI2が送信される。
第3組のレーザダイオードLDのカソードは、点灯信号線75−3に接続されている。点灯信号線75−3は、点灯信号発生部140から点灯信号φI3が送信される。
また、第2組の転送サイリスタTのカソードは、転送サイリスタT2、T5、T8、…の番号順に循環するように転送信号線72−4、72−5、72−6に接続されている。そして、転送信号線72−4、72−5、72−6には、転送信号φ4、φ5、φ6が送信される。なお、転送サイリスタT2のゲートGt2に接続された結合ダイオードD2のアノード及び結合ダイオードD′2のカソードは、スタート信号φs2が送信されるように接続されている。
同様に、第3組の転送サイリスタTのカソードは、転送サイリスタT3、T6、T9、…の番号順に循環するように転送信号線72−7、72−8、72−9に接続されている。そして、転送信号線72−7、72−8、72−9には、転送信号φ7、φ8、φ9が送信される。なお、転送サイリスタT3のゲートGt3に接続された結合ダイオードD3のアノード及び結合ダイオードD′3のカソードは、スタート信号φs3が送信されるように接続されている。
また、電流制限抵抗R、RIと表記する。
図20は、第4の実施の形態に係るレーザ光発生部10の動作を説明するタイミングチャートである。
図20のタイミングチャートは、レーザ部品Cの9個のレーザダイオードLD1〜LD9を点灯制御する部分を示す。
転送信号φ2は、時刻aで「H」、時刻eで「H」から「L」に移行し、時刻lで「L」から「H」に移行する。
転送信号φ3は、時刻aで「H」、時刻kで「H」から「L」に移行し、時刻pで「L」から「H」に移行する。
転送信号φ1〜φ3は、時刻aから時刻qまでを繰り返す。
一方、スタート信号φs1は、時刻aで「H」、時刻fにおいて、転送信号φ1が「L」から「H」に移行する際に「H」から「L」に移行し、その後、「L」を維持する。
また、第3組の転送信号φ7、φ8、φ9は、第2組の転送信号φ4、φ5、φ6を時間軸上で後ろに期間Uずらしたものである。
すなわち、点灯信号φI1は、そのレーザダイオードLDがレベル“1”のオン(点灯)状態になる期間U(「L(“1”)」の期間τ)の前(時刻hから時刻iまでの期間に相当する期間σ1)において、レベル“0”のオン状態となり、期間Uの後(時刻cから時刻gまでの期間に相当する期間σ2)において、レベル“0”のオン状態となる。そして、期間σ2と期間σ1との間において、「H」になる期間を有している。
そして、点灯信号φI1は、3×期間Uの周期で繰り返す。
(時刻a)
時刻aにおいて、スタート信号φs1が「H」(0V)であるので、転送サイリスタT1のしきい電圧は、−1.5Vである。このとき、転送信号φ1が「L」(−3.3V)であるので、転送サイリスタT1がターンオンする。また、設定サイリスタS1もしきい電圧が−1.5Vである。そして、点灯信号φI1が「L(“1”)」であるので、レーザダイオードLD1は、レベル“1”のオン(点灯)状態となる。
このとき、順方向の結合ダイオードD1で接続された転送サイリスタT4は、しきい電圧が−3.0Vになっている。
同様に、転送サイリスタT2もターンオンする。
なお、転送サイリスタT3は、スタート信号φs3が「H」であるので、しきい電圧が−1.5Vである。しかし、転送サイリスタT3は、転送信号φ7が「H」であるので、オフ状態である。
時刻bにおいて、点灯信号φI2が「H」から「L(“0”)」に移行すると、レーザダイオードLD2は、レベル“0”のオン状態になる。
時刻cにおいて、転送信号φ7が「H」から「L」になるので、転送サイリスタT3がターンオンする。
このとき、点灯信号φI1が「L(“1”)」から「L(“0”)」に移行すると、レーザダイオードLD1は、レベル“0”のオン状態になる。
また、点灯信号φI2が「L(“0”)」から「L(“1”)」に移行すると、レーザダイオードLD1は、レベル“1”のオン(点灯)状態になる。
時刻dにおいて、点灯信号φI3が「H」から「L(“0”)」に移行すると、レーザダイオードLD3は、レベル“0”のオン状態になる。
時刻eにおいて、転送信号φ2が「H」から「L」(−3.3V)になる。すると、しきい電圧が−3.0Vであった転送サイリスタT4がターンオンする。そして、結合ダイオードD4を介して、転送サイリスタT7のしきい電圧が−3.0Vになる。
また、点灯信号φI2が「L(“1”)」から「L(“0”)」になって、レーザダイオードLD2が、オフ状態からレベル“0”のオン状態になる。
さらに、点灯信号φI3が「L(“0”)」から「L(“1”)」になると、レーザダイオードLD3は、レベル“0”のオン状態からレベル“1”のオン(点灯)状態になる。
時刻fにおいて、転送信号φ1が「L」から「H」になると、転送サイリスタT1のカソードが「H」になるので、転送サイリスタT1がターンオフする。このとき、スタート信号φs1が「H」から「L」になる。
ここで、転送サイリスタT1のゲートGt1は、結合ダイオードD′1により、転送サイリスタT4のゲートGt4と接続されている。結合ダイオードD1は逆方向となるが、結合ダイオードD′1が順方向になって、ゲートGt1は、−1.5Vとなる。よって、転送サイリスタT1は、しきい電圧が−3.0Vとなる。すなわち、転送サイリスタT4がオン状態となると、並列に接続された逆方向きの結合ダイオードD1、D′1とにより、転送サイリスタT1、T7のしきい電圧が−3.0Vになる。
なお、設定サイリスタS1のゲートGs1も−1.5Vとなるが、点灯信号φI1が「L(“0”)」であるので、オン状態を継続する。
時刻gにおいて、点灯信号φI1が「L(“0”)」から「H」になると、レーザダイオードLD1がレベル“0”のオン状態からオフ状態になる。これにより、設定サイリスタS1もオン状態からオフ状態になる。そして、設定サイリスタS1はしきい電圧が−3.0Vになる。
時刻hにおいて、点灯信号φI1が「H」から「L(“0”)」になると、しきい電圧が−1.5Vの設定サイリスタS4がターンオンして、レーザダイオードLD4がオフ状態からレベル“0”のオン状態になる。
時刻iにおいて、転送信号φ5が「H」から「L」になると、転送サイリスタT5がターンオンする。
また、点灯信号φI1が「L(“0”)」から「L(“1”)」になると、レーザダイオードLD4がレベル“0”のオン状態からレベル“1”のオン(点灯)状態になる。
すなわち、「H」から「L」への移行を転送信号φ1、φ2、φ3の順で循環させて行うことで、第1組の転送サイリスタT(転送サイリスタT1、T4、T7、…)において番号順にオン状態が転送される(伝播する)。他の組でも同様である。
そして、オン状態になった転送サイリスタTに対応する設定サイリスタSのしきい電圧が絶対値において小さくなった状態での点灯信号φIの電位(「L(“0”)」又は「L(“1”)」)によって、レーザダイオードLDがレベル“0”のオン状態又はレベル“1”のオン(点灯)状態になる。
なお、オフ状態を維持する場合は、点灯信号φIの電位を「H」に維持すればよい。
そして、例えば、転送信号φ7は、時刻kにおいて、転送信号φ4は、時刻mにおいて、転送信号φ1は時刻nにおいてのように、転送信号φ7、φ4、φ1、φ9、φ6、φ3、φ8、φ5、φ2の順に「H」から「L」にするタイミングが循環するように転送信号φを調整することで、番号の逆順に転送サイリスタTのオン状態を伝播させるとともに、レーザダイオードLDにおいて番号の逆順にオン状態(点灯状態)が伝播させられる。
上記では、レベル“1”のオン(点灯)状態を番号の順に伝播させる途中から、番号の逆順に伝播させたが、配列された方向(番号の順)と逆方向(番号の逆順)とを交互に繰り返すように制御してもよい。
すなわち、波長λを短い側から長い側に走査(掃引)した後、逆に長い側から短い側に走査(掃引)しうる。さらに、波長λを短い側から長い側に走査(掃引)する途中、又は、波長λを長い側から短い側に走査(掃引)する途中において、逆方向に走査(掃引)しうる。また、走査(掃引)の途中において、特定の波長λのレーザダイオードLDに固定するようにしてもよい。
なお、第4の実施の形態に係るレーザ部品Cでは、スタート信号φs1、φs2、φs3を用いたが、第1の実施の形態に係るレーザ部品Cと同様に、スタートダイオードSDを用いる構成としてもよい。
第1の実施の形態から第4の実施の形態に係るレーザ光発生部10のレーザ部品Cにおける発光素子の一例であるレーザダイオードLDは、クラッド層として働くpアノード層86とnカソード層88とで発光層87が挟まれていた。
しかし、発光素子は、レーザダイオードLDの代わりに、発光層87が二つの分布ブラッグ反射層(DBR:Distributed Bragg Reflector)(以下では、DBR層と表記する。)で挟まれ、発光層87に垂直な方向に出射する垂直共振器面発光レーザVCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)であってもよい。この垂直共振器面発光レーザVCSELは、2つのDBR層の反射率が例えば99%以上の場合に発振する。出射波長は、2つのDBR層に挟まれた発光層87の厚さによって決められる。
以下では、異なる部分である、垂直共振器面発光レーザVCSELと設定サイリスタSとが積層されたアイランド301を説明する。
第4の実施の形態に係るレーザ部品Cは、pアノード層86及びnカソード層88がDBR層として構成されている。pアノード層86は、電流狭窄層86bを含んでいる。すなわち、pアノード層86は、下側pアノード層86a、電流狭窄層86b、上側pアノード層86cの順で積層され、下側pアノード層86a、上側pアノード層86cがDBR層として構成されている。
そして、レーザ光は、基板80に直交する方向に出射する。よって、nオーミック電極321は、中央部が開口になっている。
なお、下側p層86a、上側p層86c、nカソード層88を、下側pアノード(DBR)層86a、上側pアノード(DBR)層86c、nカソード(DBR)層88と表記することがある。なお、図21においては、pDBR、nDBRと表記する。
なお、電流狭窄層86bの膜厚(光路長)は、採用する構造によって決定される。取り出し効率やプロセス再現性を重要視する場合は、DBR層を構成する低屈折率層及び高屈折率層の膜厚(光路長)の整数倍に設定されるのがよく、例えば中心波長の0.75(3/4)に設定されている。なお、奇数倍の場合は、電流狭窄層86bは、高屈折率層と高屈折率層とで挟まれるとよい。また、偶数倍の場合は、電流狭窄層86bは、高屈折率層と低屈折率層とで挟まれるとよい。すなわち、電流狭窄層86bは、DBR層による屈折率の周期の乱れを抑制するように設けられるとよい。逆に、酸化された部分の影響(屈折率や歪)を低減したい場合は、電流狭窄層86bの膜厚は、数十nmが好ましく、DBR層内に立つ定在波の節の部分に挿入されるのが好ましい。
例えば、基板80の表面に凹凸(ステップ)を設けたパタン基板を用い、ステップの深さや幅により、半導体層の成長速度が変わる。よって、発光層87の厚さが変わり、レーザ素子アレイを構成する複数の垂直共振器面発光レーザVCSELにおいて、出射波長が異なるようにする。
そして、図10(a)の半導体積層体形成工程において、pアノード層86の下側pアノード層86a及び上側pアノード層86c、nカソード層88をDBR層として形成する。なお、pアノード層86の下側pアノード層86a又は上側pアノード層86cや、nカソード層88の一部など、半導体層の一部をDBR層としてもよい。
このようにすることで、第4の実施の形態に係るレーザ部品Cが製造されうる。
なお、トンネル接合層85の代わりに、金属的な導電性を有するIII−V族化合物層を用いてもよい。
垂直共振器面発光レーザVCSELは、第1の実施の形態から第4の実施の形態に適用しうる。
第1の実施の形態から第6の実施の形態に係るレーザ部品Cでは、レーザダイオードLDは、基板80上に設けられた設定サイリスタS上に設けられていた。
第6の実施の形態では、基板80上にレーザダイオードLDが設けられ、その上に設定サイリスタSが設けられている。
他の構成は、第1の実施の形態と同じであるので、異なる部分である設定サイリスタSとレーザダイオードLDとが積層されたアイランド301を説明する。
基板80上に、pアノード層86、発光層87、nカソード層88、トンネル接合層85、pアノード層81、nゲート層82、pゲート層83、nカソード層84の順で積層されている。pアノード層86及びnカソード層88は、クラッド層である。そこで、pアノード層86、nカソード層88をpアノード(クラッド)層86、nカソード(クラッド)層88と表記することがある。
そして、pアノード層86は、下側pアノード層86a、電流狭窄層86b、上側pアノード層86cを備える。
さらに、nカソード層88は、第1の実施の形態におけるnカソード層88と同様に、下部nカソード層88aと上部回折格子層88bとから構成されている。上部回折格子層88bは、予め定められた間隔で回折格子(縞状の凹凸)に加工された部分で下部nカソード層88aと連続している。
なお、トンネル接合層85の代わりに、金属的な導電性を有するIII−V族化合物層を用いてもよい。
基板80上にレーザダイオードLD又は垂直共振器面発光レーザVCSELが設けられ、その上に設定サイリスタSが設けられた構成は、第1の実施の形態から第4の実施の形態に適用しうる。
pアノード層81は、例えば不純物濃度1×1018/cm3のp型のAl0.9GaNである。Al組成は、0〜1の範囲で変更してもよい。
nゲート層82は、例えば不純物濃度1×1017/cm3のn型のAl0.9GaNである。Al組成は、0〜1の範囲で変更してもよい。
pゲート層83は、例えば不純物濃度1×1017/cm3のp型のAl0.9GaNである。Al組成は、0〜1の範囲で変更してもよい。
nカソード層84は、例えば不純物濃度1×1018/cm3のn型のAl0.9GaNである。Al組成は、0〜1の範囲で変更してもよい。
下側pアノード(クラッド)層86a、上側pアノード(クラッド)層86cは、例えば、不純物濃度1×1018/cm3のp型のAl0.9GaNである。Al組成は、0〜1の範囲で変更してもよい。
GaN基板上では酸化狭窄層を電流狭窄層として使用することが困難であるため、電流通過部αにトンネル接合層又は金属的導電性III−V族化合物層を設けた構造や、リッジ型構造、埋め込み型としたnカソード(クラッド)層88の構造が望ましい。もしくはイオン注入を電流狭窄方法として使用することも有効である。
pアノード層81は、例えば不純物濃度1×1018/cm3のp型のInGaAsPである。Ga組成、Al組成は、0〜1の範囲で変更してもよい。
nゲート層82は、例えば不純物濃度1×1017/cm3のn型のInGaAsPである。Ga組成、Al組成は、0〜1の範囲で変更してもよい。
pゲート層83は、例えば不純物濃度1×1017/cm3のp型のInGaAsPである。Ga組成、Al組成は、0〜1の範囲で変更してもよい。
nカソード層84は、例えば不純物濃度1×1018/cm3のn型のInGaAsPである。Ga組成、Al組成は、0〜1の範囲で変更してもよい。
下側pアノード(クラッド)層86a、上側pアノード(クラッド)層86cは、例えば不純物濃度1×1018/cm3のp型のInGaAsPである。Ga組成、Al組成は、0〜1の範囲で変更してもよい。
InP基板上では酸化狭窄層を電流狭窄層として使用することが困難であるため、電流通過部αにトンネル接合層又は金属的導電性III−V族化合物層を設けた構造や、リッジ型構造、埋め込み型としたnカソード(クラッド)層88の構造が望ましい。もしくはイオン注入を電流狭窄方法として使用することも有効である。
また、本発明の構成は有機材料からなるp型・n型・i型層に適用することも可能である。
Claims (7)
- 互いに異なる出射波長を含むように配列された複数のレーザ素子と、
前記レーザ素子を配列に沿ってオン状態に移行可能な状態に切り替えつつ、オン状態に移行可能な状態の当該レーザ素子をオン状態とするように駆動する駆動部と、を備え、
前記駆動部は、
複数の前記レーザ素子のそれぞれに対応して設けられた複数の転送素子を含み、
複数の前記転送素子においてオン状態が順に転送され、オン状態の当該転送素子に対応する前記レーザ素子がオン状態に移行可能な状態に設定されることを特徴とする
レーザ部品。 - 複数の前記レーザ素子は、配列の方向に沿って、出射波長が長くなるように、又は、出射波長が短くなるように配列されていることを特徴とする請求項1に記載のレーザ部品。
- 前記駆動部は、複数の前記レーザ素子が配列された方向と当該方向と逆方向とで、当該レーザ素子をオン状態に移行可能な状態に切り替えることを特徴とする請求項1又は2に記載のレーザ部品。
- 前記レーザ素子は、レベル“m(mは1以上の整数)”のオン状態とレベル“0”にみなされるオン状態とレベル“0”のオフ状態とを有し、
前記駆動部は、複数の前記レーザ素子が複数の組に分けられ、ある組に含まれるレーザ素子がレベル“m”のオン状態である間に、他の組に含まれるレーザ素子がレベル“0”のオン状態とするように組毎にオン状態に移行可能な状態を順に転送する複数の転送路を備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のレーザ部品。 - 前記駆動部は、
複数の前記レーザ素子のそれぞれと、トンネル接合層又は金属的な導電性を有するIII−V族化合物層を介して積層され、オン状態になることによって、当該レーザ素子をオン状態に移行させる複数の設定サイリスタを備えることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のレーザ部品。 - 互いに異なる出射波長を含むように配列された複数のレーザ素子と、当該レーザ素子を配列に沿ってオン状態に移行可能な状態に切り替えつつ、オン状態に移行可能な状態の当該レーザ素子をオン状態とするように駆動する駆動部と、を備えるレーザ部品と、
前記レーザ部品における前記駆動部に、オン状態に移行可能な状態を複数の前記レーザ素子の配列に沿って転送させる転送信号と、オン状態に移行可能な状態の当該レーザ素子をオン状態にする点灯信号とを供給する制御部と、を備え、
前記レーザ部品における前記駆動部は、
複数の前記レーザ素子のそれぞれに対応して設けられた複数の転送素子を含み、
複数の前記転送素子においてオン状態が順に転送され、オン状態の当該転送素子に対応する前記レーザ素子がオン状態に移行可能な状態に設定されることを特徴とする
レーザ光発生装置。 - 互いに異なる出射波長を含むように配列された複数のレーザ素子と、当該レーザ素子を配列に沿ってオン状態に移行可能な状態に切り替えつつ、オン状態に移行可能な状態の当該レーザ素子をオン状態に駆動する駆動部と、を備えるレーザ部品と、当該レーザ部品における当該駆動部に、オン状態に移行可能な状態を複数の当該レーザ素子の配列に沿って転送させる転送信号と、オン状態に移行可能な状態の当該レーザ素子をオン状態にする点灯信号とを供給する制御部と、を備えるレーザ光発生手段と、
光の分割と合成とを行う光分割合成手段と、
前記光分割合成手段で分割された一方の光を反射する参照光反射手段と、
反射された二つの光の合成により生じる干渉光を検出する光検出手段と、を備え、
前記レーザ光発生手段における前記駆動部は、
複数の前記レーザ素子のそれぞれに対応して設けられた複数の転送素子を含み、
複数の前記転送素子においてオン状態が順に転送され、オン状態の当該転送素子に対応する前記レーザ素子がオン状態に移行可能な状態に設定されることを特徴とする
光干渉断層計。
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