JP7215266B2 - Surface emitting laser element, light source device and detection device - Google Patents
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本発明は、面発光レーザ素子、光源装置及び検出装置に関する。 The present invention relates to a surface emitting laser element, a light source device and a detection device.
垂直共振器型の面発光レーザ(vertical cavity surface emitting laser:VCSEL)は、基板に対して垂直な方向にレーザ光を発振する半導体レーザである。面発光レーザは、基板に対して平行な方向に光を照射する端面発光型の半導体レーザと比較して、低閾値電流発振、単一縦モード発振、2次元アレイ化が可能であるなどの優れた特性を有している。 A vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) is a semiconductor laser that emits laser light in a direction perpendicular to a substrate. Compared to edge-emitting semiconductor lasers that emit light parallel to the substrate, surface-emitting lasers have advantages such as low threshold current oscillation, single longitudinal mode oscillation, and the ability to form a two-dimensional array. characteristics.
面発光レーザの応用分野としては、プリンタにおける光書き込み系の光源や、固体レーザの励起光源、3次元センサーや測距センサーの光源などが挙げられる。これらの応用分野においては、面発光レーザ素子から出射される光は、横モードが単一で高出力であることが望まれる。このためには、高次横モードの発振を抑制することが重要であり、これまで様々な試みがなされている。例えば、高次横モードの発振を制御しつつ、偏光方向の安定性の向上を目的とした面発光レーザ素子が開示されている(特許文献1)。 Application fields of surface-emitting lasers include light sources for optical writing systems in printers, excitation light sources for solid-state lasers, and light sources for three-dimensional sensors and range finding sensors. In these application fields, it is desired that the light emitted from the surface emitting laser element has a single transverse mode and a high output. For this purpose, it is important to suppress the oscillation of the high-order transverse mode, and various attempts have been made so far. For example, a surface-emitting laser device has been disclosed for the purpose of improving the stability of the polarization direction while controlling the oscillation of higher-order transverse modes (Patent Document 1).
特許文献1に記載の面発光レーザ素子によれば、所期の目的を達成できるものの、高次横モードを抑制するための構造には検討の余地がある。
According to the surface-emitting laser device described in
本発明は、高次横モードを抑制しながら高出力を得ることができる面発光レーザ素子、光源装置及び検出装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a surface emitting laser device, a light source device, and a detection device capable of obtaining high output while suppressing high-order transverse modes.
開示の技術の一態様によれば、面発光レーザ素子は、出射面から発振波長がλの光を発するレーザ構造体と、前記出射面の出射領域に設けられ、前記出射領域の中央部の第1の反射率よりも、前記中央部の周辺の周辺部の第2の反射率を低くする膜と、を有し、前記第2の反射率は前記第1の反射率の0.984倍以上0.998倍以下であり、前記膜の前記周辺部における光学的厚さは、λ/4の奇数倍からずらして設定され、λ/4±αλであり、αは0.05以上0.18以下である。 According to one aspect of the disclosed technology, a surface-emitting laser element includes a laser structure that emits light having an oscillation wavelength of λ from an emission surface, and a laser structure provided in an emission region of the emission surface, and a second laser structure in the center of the emission region. and a film that makes a second reflectance of the peripheral portion around the central portion lower than the reflectance of 1, and the second reflectance is 0.984 times or more the first reflectance. 0.998 times or less, the optical thickness of the film in the peripheral portion is set to be shifted from an odd multiple of λ/4, and is λ/4±αλ, and α is 0.05 or more and 0.18 It is below .
開示の技術によれば、高次横モードを抑制しながら高出力を得ることができる。 According to the disclosed technique, high output can be obtained while suppressing high-order transverse modes.
以下、本開示の実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。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。以下の説明では、レーザ発振方向をZ軸方向とし、Z軸方向に垂直な面内における互いに直交する2つの方向をX軸方向及びY軸方向とする。また、プラスのZ軸方向を上方とする。但し、面発光レーザ素子等は天地逆の状態で用いることができ、任意の角度で配置することもできる。 Embodiments of the present disclosure will be described below with reference to the accompanying drawings. In the present specification and drawings, constituent elements having substantially the same functional configuration may be denoted by the same reference numerals, thereby omitting redundant description. In the following description, the laser oscillation direction is defined as the Z-axis direction, and two mutually orthogonal directions within a plane perpendicular to the Z-axis direction are defined as the X-axis direction and the Y-axis direction. Also, the positive Z-axis direction is defined as upward. However, the surface emitting laser element or the like can be used upside down, and can be arranged at any angle.
(第1の実施形態)
先ず、第1の実施形態について説明する。第1の実施形態は、面発光レーザ素子に関する。図1Aは、第1の実施形態に係る面発光レーザ素子を示す上面図である。図1Bは、第1の実施形態に係る面発光レーザ素子を示す断面図である。図1Bは、図1A中のI-I線に沿った断面図に相当する。
(First embodiment)
First, the first embodiment will be described. The first embodiment relates to a surface emitting laser device. FIG. 1A is a top view showing the surface emitting laser device according to the first embodiment. FIG. FIG. 1B is a cross-sectional view showing the surface emitting laser device according to the first embodiment. FIG. 1B corresponds to a cross-sectional view taken along line II in FIG. 1A.
図1A及び図1Bに示すように、第1の実施形態に係る面発光レーザ素子100は、発振波長が940nm帯の面発光レーザであり、基板101と、下部半導体多層膜反射鏡103と、下部スペーサ層104と、活性層105と、上部スペーサ層106と、上部半導体多層膜反射鏡107と、コンタクト層109と、p側電極113と、n側電極114と、調整膜115とを有している。基板101と、下部半導体多層膜反射鏡103と、下部スペーサ層104と、活性層105と、上部スペーサ層106と、上部半導体多層膜反射鏡107と、コンタクト層109と、p側電極113と、n側電極114と、がレーザ構造体120に含まれる。
As shown in FIGS. 1A and 1B, a surface-
基板101は、一例として、表面の鏡面研磨面(主面)の法線方向が、結晶方位[100]方向に対して、結晶方位[111]A方向に向かって15度(θ=15度)傾斜したn-GaAs単結晶半導体基板である。すなわち、基板101は、いわゆる傾斜基板である。なお、基板は上記のものに限定されない。
For the
下部半導体多層膜反射鏡103は、基板101の+Z側(上側)にバッファ層(図示せず)を介して積層され、n-Al0.9Ga0.1Asからなる低屈折率層103aとn-Al0.2Ga0.8Asからなる高屈折率層103bとのペアを30ペア程度有している。各屈折率層の間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた厚さが20nmの組成傾斜層(図示せず)が設けられている。各屈折率層はいずれも、隣接する組成傾斜層の1/2を含んで、発振波長をλとするλ/4の光学的厚さとなるように設定されている。なお、光学的厚さがλ/4のとき、その層の実際の厚さDは、D=λ/4n(但し、nはその層の媒質の屈折率)である。
The lower
下部スペーサ層104は、下部半導体多層膜反射鏡103の+Z側(上側)に積層され、ノンドープのAlGaInPからなる層である。下部スペーサ層104の材料はノンドープのAlGaInPに限定されず、例えばノンドープのAlGaAsでもよい。
The
活性層105は、下部スペーサ層104の+Z側(上側)に積層され、3層の量子井戸層と4層の障壁層とを有する3重量子井戸構造の活性層である。各量子井戸層はInGaAsからなり、各障壁層はAlGaAsからなる。
The
上部スペーサ層106は、活性層105の+Z側(上側)に積層され、ノンドープのAlGaInPからなる層である。上部スペーサ層106の材料は、下部スペーサ層104と同様にノンドープのAlGaInPに限定されず、例えばノンドープのAlGaAsでもよい。
The
下部スペーサ層104と活性層105と上部スペーサ層106とからなる部分は、共振器構造体ともよばれており、その厚さが1波長分の光学的厚さとなるように設定されている。なお、活性層105は高い誘導放出確率が得られるように、電界の定在波分布における腹に対応する位置である共振器構造体の中央に設けられている。
A portion composed of the
上部半導体多層膜反射鏡107は、上部スペーサ層106の+Z側(上側)に積層され、p-Al0.9Ga0.1Asからなる低屈折率層107aとp-Al0.2Ga0.8Asからなる高屈折率層107bとのペアを20ペア程度有している。各屈折率層の間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた組成傾斜層(図示せず)が設けられている。各屈折率層はいずれも、隣接する組成傾斜層の1/2を含んで、光学長がλ/4(λ:発振波長)になるように設定されている。
The upper semiconductor
上部半導体多層膜反射鏡107における低屈折率層107aの1つには、p-AlAsからなる被選択酸化層108が厚さ約30nmで挿入されている。この被選択酸化層108の挿入位置は、電界の定在波分布において、活性層105から2番目となる節に対応する位置である。被選択酸化層108は、非酸化の領域108bとその周囲の酸化領域108aとを備える。
In one of the low
コンタクト層109は、上部半導体多層膜反射鏡107の+Z側(上側)に積層され、p-GaAsからなる層である。
The
調整膜115は、コンタクト層109の+Z側(上側)であって、レーザ構造体120の出射面120Aの出射領域112に設けられている。調整膜115は、出射領域112の中央部112Cの周辺の周辺部112Pに円環状に設けられた誘電体膜111を含み、周辺部112Pの反射率が中央部Cの反射率よりも低くなっている。誘電体膜111の光学的厚さはλ/4の奇数倍からずらして設定されており、例えば、λ/4±0.1λである。出射領域112において、中央部112Cの反射率(Rhigh)と、誘電体膜111が設けられた部分である周辺部112Pの反射率(Rlow)との比(Rlow/Rhigh)は0.984以上0.998以下の範囲内にある。つまり、周辺部112Pの反射率(Rlow)は中央部112Cの反射率(Rhigh)の0.984倍以上0.998倍以下である。例えば、出射領域112の中央部112Cの面積は、非酸化の領域108bの面積の85%以下である。中央部112Cの反射率(Rhigh)は第1の反射率の一例であり、周辺部112Pの反射率(Rlow)は第2の反射率の一例であり、調整膜115は、第1の反射率よりも第2の反射率を低くする膜の一例である。誘電体膜111は第1の膜の一例である。調整膜115はモードフィルタと称されることもある。
The
次に、面発光レーザ素子100の製造方法について簡単に説明する。なお、上記のように、基板101上に複数の半導体層が積層されたものを、以下では、便宜上「積層体」ともいう。図2A~図2Eは、第1の実施形態に係る面発光レーザ素子100の製造方法を示す断面図である。
Next, a method for manufacturing the surface emitting
上記積層体を有機金属気相成長(metal organic chemical vapor deposition:MOCVD)法又は分子線エピタキシャル成長(molecular beam epitaxy:MBE)法による結晶成長によって形成する(図2A参照)。 The laminate is formed by crystal growth by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE) (see FIG. 2A).
ここでは、MOCVD法の場合には、III族の原料には、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMI)を用い、V族の原料にはフォスフィン(PH3)、アルシン(AsH3)を用いている。p型ドーパントの原料には四臭化窒素(CBr4)、ジメチルジンク(DMZn)を用い、n型ドーパントの原料にはセレン化水素(H2Se)を用いている。 Here, in the case of the MOCVD method, trimethylaluminum (TMA), trimethylgallium (TMG), and trimethylindium (TMI) are used as group III raw materials, and phosphine (PH 3 ) and arsine are used as group V raw materials. (AsH 3 ) is used. Nitrogen tetrabromide (CBr 4 ) and dimethyl zinc (DMZn) are used as raw materials for the p-type dopant, and hydrogen selenide (H 2 Se) is used as the raw material for the n-type dopant.
積層体の表面に正方形状のレジストパターンを形成する。 A square resist pattern is formed on the surface of the laminate.
Cl2ガスを用いるECRエッチング法で、上記レジストパターンをフォトマスクとして略四角柱状のメサ構造体を形成する。ここでは、エッチングの底面は下部スペーサ層104中に位置するようにする。
By the ECR etching method using Cl 2 gas, the resist pattern is used as a photomask to form a substantially quadrangular prism mesa structure. Here, the bottom of the etch is positioned in the
ここで、フォトマスクを除去する(図2B参照)。 The photomask is now removed (see FIG. 2B).
積層体を水蒸気中で熱処理する。これにより、被選択酸化層108中のAl(アルミニウム)がメサ構造体の外周部から選択的に酸化され、メサ構造体の中央部にAlの酸化領域108aによって囲まれた非酸化の領域108bが残留する(図2C参照)。すなわち、発光部の駆動電流の経路をメサ構造体の中央部だけに制限する、いわゆる酸化狭窄構造体が形成される。上記酸化されていない領域108bが電流通過領域である。このようにして、例えば幅が5μm~7μm程度の略正方形状の電流通過領域が形成される。被選択酸化層108の酸化の程度は、例えば、出射領域112の中央部112Cの面積が、非酸化の領域108bの面積の85%以下となる程度とする。
The laminate is heat treated in water vapor. As a result, Al (aluminum) in the selectively oxidized
気相化学堆積(chemical vapor deposition:CVD)法を用いて、SiNからなる誘電体膜111を形成する(図2D参照)。ここでは、出射領域112の周辺部112Pの反射率が、中央部112Cの反射率よりも約1%小さくなるように、誘電体膜111の光学的厚さが約(λ/4)-0.1λ(=0.15λ)になるようにする。具体的には、SiNの屈折率nが約1.86、発振波長λが940nmであるため、誘電体膜111の実際の厚さは約75nmとする。
A
レーザ光の出射面120Aとなるメサ構造体の上側(+Z側)にp型電極コンタクトの窓開けを行うためのエッチングマスク(マスクCという)を作製する。ここでは、一例として図3Aに示すように、メサ構造体の周囲と、メサ構造体の側面と、メサ構造体の上面の周囲とを覆う被覆部C1と、出射領域112の周辺部112Pを覆う被覆部C2とを有するマスクCを作製する。
An etching mask (referred to as mask C) for opening a p-type electrode contact window is fabricated on the upper side (+Z side) of the mesa structure that will be the laser
バッファードフッ酸(BHF)にて誘電体膜111をエッチングし、p側電極コンタクトの窓開けを行う。
The
マスクCを除去する。出射領域112の周辺部112Pに残存している誘電体膜111が調整膜115に含まれる(図2E参照)。
Mask C is removed. The
メサ構造体の上部の出射領域112となる領域に、レジストパターンMを形成し、p側の電極材料の蒸着を行う。ここでは、一例として図3Bに示すように、レジストパターンMは、メサ構造体の周囲と、メサ構造体の側面と、メサ構造体の上面の周囲とを覆う被覆部M1と、調整膜115を覆う円形状の被覆部M2とを有する。
A resist pattern M is formed in a region that will become the
p側の電極材料としてはCr/AuZn/Auからなる多層膜、又はTi/Pt/Auからなる多層膜が用いられる。出射領域112に蒸着された電極材料をリフトオフし、p側電極113を形成する。このp側電極113で囲まれた領域が出射領域112になる。
A multi-layered film of Cr/AuZn/Au or a multi-layered film of Ti/Pt/Au is used as the p-side electrode material. The electrode material deposited on the
基板101の裏側を所定の厚さ(例えば、200μm程度)まで研磨した後、n側電極114を形成する。ここでは、n側電極114はAuGe/Ni/Auからなる多層膜である。
After polishing the back side of the
アニールによって、p側電極113及びn側電極114のオーミック導通をとる。これによりメサ構造体は発光部となる。
Annealing establishes ohmic conduction between the p-
その後、チップ毎に切断する。 After that, each chip is cut.
そして、種々の後工程を経て、面発光レーザ素子100となる。
Then, through various post-processes, the surface-emitting
次に、面発光レーザ素子100の効果について参考例に言及しながら説明する。
Next, the effect of the surface emitting
第1の参考例では、調整膜115が、上記の光学的厚さを有する誘電体膜111に代えて、光学的厚さがλ/4の奇数倍の誘電体膜を含むとする。第2の参考例では、調整膜115が設けられていないとする。図4は、上部半導体多層膜反射鏡の反射率と出射領域内の反射率との関係を示すグラフである。図5は、第1の参考例及び第2の参考例の注入電流(I)-光出力(L)特性を示すグラフである。
In the first reference example, instead of the
第1の参考例において、上部半導体多層膜反射鏡107の層数の減少により上部半導体多層膜反射鏡107の反射率を低くして、光取り出し効率を上げようとすると、中央部112Cの反射率及び周辺部112Pの反射率が低下する。このときの反射率の低下量は、図4に示すように、中央部112Cよりも周辺部112Pの方が大きくなる。中央部112Cと周辺部112Pとの間で反射率の差が大きくなると、調整膜115によって高次横モードが抑制されるだけではなく、基本横モードの発振にも影響が及ぶ。この結果、図5に示すように、第1の参考例では、第2の参考例と比較して、発振閾値電流が増大したり、出力値が低下したりする。つまり、第1の参考例によれば、第2の参考例と比較して、高次横モードが抑制される一方で、出力特性が低下してしまう。このように、光学的厚さがλ/4の奇数倍の誘電体膜が設けられた第1の参考例では、高次横モード発振を抑制しつつ、光の取り出し効率を上げた高出力な面発光レーザ素子を実現することはできない。
In the first reference example, if the reflectance of the upper semiconductor
一方、第1の実施形態では、調整膜115に含まれる誘電体膜111の光学的厚さがλ/4の奇数倍からずらして設定されており、反射率(Rhigh)と反射率(Rlow)との比(Rlow/Rhigh)が0.984~0.998の範囲内にある。第1の実施形態によれば、以下の原理により、上部半導体多層膜反射鏡107の反射率が低い場合でも、基本横モードへの影響を抑制しながら、高次横モードを抑制することができる。従って、上部半導体多層膜反射鏡107の反射率を低くし、光取り出し効率を上げても、良好な出力特性を確保しながら、発散角を狭くすることができる。以下、上記の効果が得られる原理について説明する。
On the other hand, in the first embodiment, the optical thickness of the
(1)面発光レーザを高出力化するためには、光の取り出し効率を上げることが考えられる。 (1) In order to increase the output of the surface emitting laser, it is conceivable to increase the light extraction efficiency.
(2)光の取り出し効率を上げるためには、上部半導体多層膜反射鏡107の層数の減少により上部半導体多層膜反射鏡107の反射率を低くすることが考えられる。
(2) In order to increase the light extraction efficiency, it is conceivable to lower the reflectance of the upper semiconductor
(3)上部半導体多層膜反射鏡107の反射率を低くすると、中央部112C及び周辺部112Pの両方において反射率が低下する。
(3) When the reflectance of the upper semiconductor
(4)第1の参考例のように、周辺部112Pに光学的厚さがλ/4の奇数倍となる誘電体膜を設けると、上部半導体多層膜反射鏡107の層数の減少に伴う反射率の低下が、中央部112Cよりも周辺部112Pにて顕著になる(図4参照)。
(4) As in the first reference example, if the
(5)反射率の比(Rlow/Rhigh)が0.984未満であると、周辺部112Pにわずかに広がった基本横モードの抑制作用が働くため、結果として基本横モードの特性を低下することが判明している。つまり、発振閾値電流の増大が増大したり、出力値が低下したりすることが判明している。また、反射率の比(Rlow/Rhigh)が0.998超であると、高次横モード抑制構造としての効果が小さくなり、発散角が狭くなりにくくなることが判明している。
(5) If the reflectance ratio (R low /R high ) is less than 0.984, the effect of suppressing the fundamental transverse mode that spreads slightly to the
(6)一方、第1の実施形態では、適切な光学的厚さを有する誘電体膜111を含む調整膜115が設けられている。このため、上部半導体多層膜反射鏡107の層数を減らして中央部112Cの反射率を低くすることで、基本横モードの特性の低下を抑制しながら周辺部112Pにおいて高次横モードを抑制することができる。
(6) On the other hand, in the first embodiment, the
ここで、具体例として、レーザ構造体の発振波長λが940nm帯の場合の特性について以下で説明する。上部半導体多層膜反射鏡107の反射率を99.61%から99.15%に低くすると、光出力を約30%高くすることができるが、周辺部112Pの誘電体の光学的厚さをλ/4の奇数倍に固定すると、周辺部112Pの反射率は、98.67%から97.09%に低くなる。このとき、反射率の比(Rlow/Rhigh)は0.979であり、0.984~0.998の範囲から外れてしまう。この場合、中央部112Cの面積にもよるが、図5に示すように、調整膜115が基本横モードの発振に影響を及ぼし、発振閾値電流が増大したり、出力値が低下したりする。一方、周辺部112Pの誘電体の光学的厚さを(λ/4)-0.1λ(=0.15λ)とすると、反射率の比(Rlow/Rhigh)は0.993とすることができ、0.984~0.998の範囲内に設計することができる。この場合には、図6に示すように、調整膜115を設けても、発振閾値電流の増大も出力特性の低下も生じない。また、調整膜115の作用により発散角を狭くすることができる。図6は、第1の実施形態、第1の参考例及び第2の参考例の注入電流(I)-光出力(L)特性を示すグラフである。
Here, as a specific example, characteristics when the oscillation wavelength λ of the laser structure is in the 940 nm band will be described below. If the reflectance of the upper
表1及び表2に、上部半導体多層膜反射鏡107の反射率(中央部112Cの反射率)に対して誘電体膜111の光学的厚さをλ/4からずらす量αλと、反射率の比(Rlow/Rhigh)との関係を示す。表1及び表2中では、0.984~0.998の範囲内の反射率の比(Rlow/Rhigh)を下線付きにして示す。表1及び表2より、λ/4からのずらし量が大きいほど、反射率の比(Rlow/Rhigh)が大きいことがわかる。また、上部半導体多層膜反射鏡107の反射率が高いとき(99.346以上のとき)には、ずらし量αλが0でも、反射率の比(Rlow/Rhigh)が0.984~0.998の範囲内にある。一方、上部半導体多層膜反射鏡107の反射率が低いとき(99.346未満のとき)には、ずらし量αλが0では、反射率の比(Rlow/Rhigh)が0.984~0.998の範囲から外れている。このため、|αλ|は0超とする。
Tables 1 and 2 show the shift amount αλ of the optical thickness of the
このように、λ/4からのずらし量αλを|αλ|>0とすることで、反射率の比(Rlow/Rhigh)を増加させることができ、出力特性を向上させることができるという事項は本発明者らにより初めて見出されたものである。特に、表1及び表2より、αが0.05以上0.18以下であり、調整膜115の周辺部112Pにおける光学的厚さがλ/4±αλであることが好ましい。
By setting the shift amount αλ from λ/4 to |αλ|>0 in this way, the reflectance ratio (R low /R high ) can be increased, and the output characteristics can be improved. The matter was discovered by the present inventors for the first time. In particular, according to Tables 1 and 2, it is preferable that α is 0.05 or more and 0.18 or less, and that the optical thickness of the
更に、本実施形態によれば、上部半導体多層膜反射鏡107の反射率が小さい場合でも、反射率の比(Rlow/Rhigh)の値を増加させて出力特性を向上させることができる。周辺部112Pの反射率(Rlow)は98%以上であることが好ましい。周辺部112Pの反射率(Rlow)が98%未満では、出射領域112に十分な反射率が得られない場合があるからである。
Furthermore, according to this embodiment, even if the reflectance of the upper semiconductor
なお、誘電体膜111の材料はSiNに限定されない。例えば、発振波長λに対し透明性のある材料として、例えばSiNx、SiOx、TiOx又はSiONのいずれかが用いられてもよい。それぞれの材料の屈折率に合わせて誘電体膜111の厚さを調整することで同様の効果を得ることができる。また、調整膜115の材料は、発振波長λに対し透明性を有していれば、誘電体に限定されない。例えば、調整膜115の材料として半導体を用いることができる。
Note that the material of the
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。第2の実施形態は、調整膜115の構成の点で第1の実施形態と相違する。図7Aは、第2の実施形態に係る面発光レーザ素子を示す上面図である。図7Bは、第2の実施形態に係る面発光レーザ素子を示す断面図である。図7Bは、図7A中のI-I線に沿った断面図に相当する。
(Second embodiment)
Next, a second embodiment will be described. The second embodiment differs from the first embodiment in the configuration of the
図7A及び図7Bに示すように、第2の実施形態に係る面発光レーザ素子200は、出射領域112内に、誘電体膜111に加えて、出射領域112の全体に形成された誘電体膜116を有する。誘電体膜116は、例えば、光学的厚さが2λ/4のSiN膜である。誘電体膜116の実際の厚さは約252nmであり、SiNの屈折率nが1.86、発振波長が940nmであるため、2λ/4nと実質的に等しい。調整膜115は、出射領域112内の誘電体膜111及び誘電体膜116を含む。誘電体膜116は第2の膜の一例である。
As shown in FIGS. 7A and 7B, the surface-emitting
出射領域112の中央部112Cには、光学的厚さが2λ/4の誘電体膜116が設けられている。また、出射領域112の周辺部112Pには、誘電体膜111及び誘電体膜116が設けられている。誘電体膜111の光学的厚さが(λ/4)-0.1λ(=0.15λ)、誘電体膜116の光学的厚さが2λ/4であるため、周辺部112Pには、光学的厚さが(3λ/4)-0.1λ(=0.65λ)のSiNからなる誘電体膜が設けられていることとなる。また、出射領域の周辺部で高次横モード抑制構造を除く領域、つまりp側電極が欠けた部分も、光学的厚さが2λ/4の保護膜(誘電体膜)で被覆されている。
A
誘電体膜111はメサ構造体の上面に設けられており、メサ構造体の周囲と、メサ構造体の側面とは誘電体膜116により覆われている。他の構成は第1の実施形態と同様である。
The
第2の実施形態によっても第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。 Effects similar to those of the first embodiment can also be obtained by the second embodiment.
また、第2の実施形態では、出射領域112の全体が誘電体膜116に被覆されているため、出射領域112の酸化や汚染を抑制することができる。中央部112Cが誘電体膜116に覆われているが、誘電体膜116の光学的厚さがλ/4の偶数倍であるため、反射率の低下を防止することができ、誘電体膜116がない場合と同等の光学特性が得られる。
Further, in the second embodiment, since the
なお、誘電体膜111の平面形状は円環状に限定されない。図8Aに示すように、第1の実施形態において、円環を2分割した2つの誘電体膜111Aが設けられていてもよい。また、図8Bに示すように、第1の実施形態において、円環を4分割した4つの誘電体膜111Bが設けられていてもよい。図8Aは、第1の実施形態の第1の変形例を示す上面図である。図8Bは、第1の実施形態の第2の変形例を示す上面図である。第2の実施形態において、円環を2分割した2つの誘電体膜111Aが設けられていてもよく、円環を4分割した4つの誘電体膜111Bが設けられていてもよい。
Note that the planar shape of the
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態について説明する。第3の実施形態は、調整膜115の構成の点で第1の実施形態と相違する。図9Aは、第3の実施形態に係る面発光レーザ素子を示す上面図である。図9Bは、第3の実施形態に係る面発光レーザ素子を示す断面図である。図9Bは、図9A中のI-I線に沿った断面図に相当する。
(Third Embodiment)
Next, a third embodiment will be described. The third embodiment differs from the first embodiment in the configuration of the
図9A及び図9Bに示すように、第3の実施形態に係る面発光レーザ素子300は、中央部112Cに誘電体膜117を有し、中央部112C及び周辺部112Pに誘電体膜111を有する。誘電体膜117は、厚さ方向で誘電体膜111とコンタクト層109との間に設けられている。中央部112Cにおける誘電体膜111及び誘電体膜117の光学的厚さの和はλ/4の奇数倍である。誘電体膜117の屈折率は誘電体膜111の屈折率よりも低い。例えば、誘電体膜117はSiO2膜であり、誘電体膜117の屈折率は約1.5である。調整膜115は、出射領域112内の誘電体膜111及び誘電体膜117を含む。誘電体膜117は第3の膜の一例である。他の構成は第1の実施形態と同様である。
As shown in FIGS. 9A and 9B, a surface emitting
第3の実施形態では、中央部112Cでは、誘電体膜111及び誘電体膜117の積層体が多層膜反射鏡の一部として機能する。また、周辺部112Pでは、誘電体膜111が設けられているだけであるため、周辺部112Pの反射率が中央部112Cの反射率よりも低くなる。
In the third embodiment, in the
第3の実施形態によっても第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。 Effects similar to those of the first embodiment can also be obtained by the third embodiment.
また、第3の実施形態では、出射領域112の全体が誘電体膜117に被覆されているため、出射領域112の酸化や汚染を抑制することができる。中央部112Cが誘電体膜111及び誘電体膜117に覆われているが、これらが多層膜反射鏡の一部として機能するため反射率を高めることもできる。
Further, in the third embodiment, since the
(第4の実施形態)
次に、第4の実施形態について説明する。第4の実施形態は、第1~第3の実施形態のいずれかに係る面発光レーザ素子を備えた光源装置および検出装置に関する。図10は、検出装置の一例としての測距装置10の概要を示したものである。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described. The fourth embodiment relates to a light source device and a detection device having the surface emitting laser device according to any one of the first to third embodiments. FIG. 10 shows an outline of a
測距装置10は、光源装置の一例としての光源装置11を含む。測距装置10は、光源装置11から検出対象物12に対してパルス光を投光(照射)し、検出対象物12からの反射光を受光素子13で受光して、反射光の受光までに要した時間に基づいて検出対象物12との距離を測定する、TOF(Time Of Flight)方式の距離検出装置である。
The
図10に示すように、光源装置11は、光源14と光学系15を有している。光源14は、第1~第3の実施形態のいずれかに係る面発光レーザ素子を備え、光源駆動回路16により電流が送られて発光が制御される。光源駆動回路16は、光源14を発光させたときに信号制御回路17に信号を送信する。光学系15は、光源14から出射した光の発散角や方向を調整する光学素子(例えばレンズやDOE、プリズム等)を有し、検出対象物12に光を照射する。
As shown in FIG. 10, the
光源装置11から投光されて検出対象物12で反射された反射光は、集光作用を持つ受光光学系18を通して受光素子13に導光される。受光素子13は光電変換素子を含み、受光素子13で受光した光が光電変換され、電気信号として信号制御回路17に送られる。信号制御回路17は、投光(光源駆動回路16からの発光信号入力)と受光(受光素子13からの受光信号入力)の時間差に基づいて、検出対象物12までの距離を計算する。従って、測距装置10では、受光光学系18および受光素子13が、光源装置11から発せられて検出対象物12で反射された光が入射する検出系として機能する。また、信号制御回路17が、受光素子13からの信号に基づき、検出対象物12の有無や、検出対象物12との相対速度等に関する情報を取得するよう構成してもよい。
Reflected light projected from the
本実施形態では、横モードが単一で高出力な光を出射する面発光レーザ素子を用いているため、より高精度な検出や測定を行うことが可能となる。 In this embodiment, since a surface emitting laser element that emits light with a single transverse mode and high output is used, it is possible to perform detection and measurement with higher accuracy.
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。 Although the preferred embodiments and the like have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and the like, and various modifications can be made to the above-described embodiments and the like without departing from the scope of the claims. Modifications and substitutions can be made.
10 測距装置
11 光源装置
13 受光素子
15 光学系
18 受光光学系
100、200、300 面発光レーザ素子
111、111A、111B、116、117 誘電体膜
112 出射領域
112C 中央部
112P 周辺部
115 調整膜
120 レーザ構造体
120A 出射面
REFERENCE SIGNS
Claims (8)
前記出射面の出射領域に設けられ、前記出射領域の中央部の第1の反射率よりも、前記中央部の周辺の周辺部の第2の反射率を低くする膜と、
を有し、
前記第2の反射率は前記第1の反射率の0.984倍以上0.998倍以下であり、
前記膜の前記周辺部における光学的厚さは、λ/4の奇数倍からずらして設定され、λ/4±αλであり、
αは0.05以上0.18以下であることを特徴とする面発光レーザ素子。 a laser structure that emits light having an oscillation wavelength of λ from an emission surface;
a film provided in the output region of the output surface, the film making a second reflectance lower in a peripheral portion around the central portion than in a first reflectance in the central portion of the output region;
has
the second reflectance is 0.984 times or more and 0.998 times or less of the first reflectance;
the optical thickness of the film at the periphery is set at an odd multiple of λ/4 and is λ/4±αλ;
A surface emitting laser device, wherein α is 0.05 or more and 0.18 or less .
前記中央部の面積は、前記非酸化の領域の面積の85%以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の面発光レーザ素子。 the laser structure having an oxidized constriction structure comprising an unoxidized region and an oxidized region surrounding the unoxidized region;
3. The surface emitting laser device according to claim 1, wherein the area of said central portion is 85% or less of the area of said non-oxidized region.
前記膜は、前記中央部に設けられた第3の膜を有することを特徴とする請求項4に記載の面発光レーザ素子。 The first film is also provided in the central portion,
5. The surface emitting laser element according to claim 4 , wherein said film has a third film provided in said central portion.
前記面発光レーザ素子から出射された出射光が入射する光学系と、
を有することを特徴とする光源装置。 a surface-emitting laser device according to any one of claims 1 to 6 ;
an optical system into which emitted light emitted from the surface emitting laser element is incident;
A light source device comprising:
前記面発光レーザ素子から出射された出射光が対象部で反射され、当該反射された反射光が入射する検出系と、
を有することを特徴とする検出装置。 a surface-emitting laser device according to any one of claims 1 to 6 ;
a detection system in which emitted light emitted from the surface emitting laser element is reflected by a target portion and the reflected light is incident;
A detection device comprising:
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