JP7239920B2 - 半導体光増幅素子、半導体光増幅器、光出力装置、および距離計測装置 - Google Patents

半導体光増幅素子、半導体光増幅器、光出力装置、および距離計測装置 Download PDF

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Description

本発明は、半導体光増幅素子、半導体光増幅器、光出力装置、および距離計測装置に関する。
特許文献１には、分布ブラッグ反射鏡導波路を用いた半導体光増幅器に関連して、基板上に形成された発光部と、発光部から基板の基板面に沿って延伸され、発光部より延伸方向の長さが長く、発光部から延伸方向に伝播する光を増幅するとともに延伸方向に沿って形成された光出射部から増幅された光を出射する光増幅部と、を有する半導体積層構造体を複数備え、複数の半導体積層構造体は、それぞれの光増幅部の延伸方向がお互いに略平行となるように配置された発光素子アレイが開示されている。
特開２０１８－０３２７９３号公報
本発明は、分布ブラッグ反射鏡導波路を用いた半導体光増幅素子において、垂直発振モードを抑制する構成を有しない場合と比較して、スローライトモードの出力光が増大する半導体光増幅素子、半導体光増幅器、光出力装置、および距離計測装置を提供することを目的とする。
第１態様に係る半導体光増幅素子は、基板上に形成された光源部と、前記光源部から前記基板の基板面に沿い予め定めた方向に延伸して形成された導電領域、および前記導電領域の周囲に形成された非導電領域を備え、前記光源部から前記予め定めた方向にスローライト伝播する伝播光を増幅し、増幅した前記伝播光を前記基板面と交差する出射方向に出射する光増幅部と、を含み、前記伝播光の最大光出力が、垂直発振モードの最大光出力よりも大きく、かつ波長スペクトルの中心波長が、前記垂直発振モードの光の波長よりも短波長側に設定さている。
第２態様に係る半導体光増幅器は、第１態様に係る半導体光増幅素子と、スローライトモードの光出力が垂直発振モードの光出力よりも大きくなる駆動電流で、前記半導体光増幅素子を駆動する駆動部と、を含むものである。
第３態様に係る半導体光増幅器は、第２態様に係る半導体光増幅器において、前記半導体光増幅素子の駆動時に、スローライトモードの光出力が垂直発振モードの光出力よりも大きくなるように、前記半導体光増幅素子の温度を制御する温度制御部をさらに含むものである。
第４態様に係る半導体光増幅器は、第３態様に係る半導体光増幅器において、前記温度制御部は、垂直発振モードで発振しないように前記光増幅部の温度を制御するものである。
第５態様に係る半導体光増幅器は、基板上に形成された光源部と、前記光源部から前記基板の基板面に沿い予め定めた方向に延伸して形成された導電領域、および前記導電領域の周囲に形成された非導電領域を備え、前記光源部から前記予め定めた方向にスローライト伝播する伝播光を増幅し、増幅した前記伝播光を前記基板面と交差する出射方向に出射する光増幅部と、スローライトモードの光出力が垂直発振モードの光出力よりも大きくなる駆動電流で、前記光増幅部を駆動する駆動部と、を含み、波長スペクトルの中心波長が、前記垂直発振モードの光の波長よりも短波長側に設定されている。
第６態様に係る半導体光増幅器は、基板上に形成された光源部と、前記光源部から前記基板の基板面に沿い予め定めた方向に延伸して形成された導電領域、および前記導電領域の周囲に形成された非導電領域を備え、前記光源部から前記予め定めた方向にスローライト伝播する伝播光を増幅し、増幅した前記伝播光を前記基板面と交差する出射方向に出射する光増幅部と、前記光増幅部の駆動時に、スローライトモードの光出力が垂直発振モードの光出力よりも大きくなるように、前記光増幅部の温度を制御する温度制御部と、を含み、波長スペクトルの中心波長が、前記垂直発振モードの光の波長よりも短波長側に設定されている。
第７態様に係る光出力装置は、第２態様から第６態様のいずれかの態様に係る半導体光増幅器と、前記半導体光増幅器から出射された光を集光する集光部と、を含むものである。
第８態様に係る距離計測装置は、第２態様から第６態様のいずれかの態様に係る半導体光増幅器と、前記半導体光増幅器から出射され、被測定対象物で反射した反射光を受光する受光部と、前記受光部が受光した反射光に基づき、前記被測定対象物までの距離を計測する計測部と、を含むものである。
第１態様、第２態様、および第５態様から第８態様によれば、分布ブラッグ反射鏡導波路を用いた半導体光増幅素子において、垂直発振モードを抑制する構成を有しない場合と比較して、スローライトモードの出力光が増大する半導体光増幅素子、半導体光増幅器、光出力装置、および距離計測装置を提供することができる、という効果を奏する。
第３態様によれば、スローライトモードの光出力が垂直発振モードの光出力よりも大きくなる駆動電流で半導体光増幅素子を駆動するだけの場合と比較して、垂直発振モードの光出力をより確実に抑制することができる、という効果を奏する。
第４態様によれば、スローライトモードの光出力が垂直発振モードの光出力よりも大きくなるように半導体光増幅素子の温度を制御する場合と比較して、スローライトモードの光出力をより増大させることができる、という効果を奏する。
第１の実施の形態に係る半導体光増幅素子の構成の一例を示す、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。 第１の実施の形態に係る半導体光増幅素子の垂直発振モードを説明する断面図である。 実施の形態に係る半導体光増幅素子の上部ＤＢＲの反射率の違いによるスローライトモードの電流－出力パワー特性と、垂直発振モードの電流－出力パワー特性の違いを示すグラフである。 垂直発振モードと利得の波長スペクトルとの関係を説明する図である。 第２の実施の形態に係る半導体光増幅器を示す回路図である。 第３の実施の形態に係る半導体光増幅素子の構成の一例を示す、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。 第４の実施の形態に係る、（ａ）は光加工装置の一例を示すブロック図、（ｂ）は距離計測装置の一例を示すブロック図である。
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
図１から図４を参照して本実施の形態に係る半導体光増幅素子１０について説明する。
図１（ａ）は半導体光増幅素子１０の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＡ－Ａ’線に沿った断面図である。図１（ａ）に示すように、半導体光増幅素子（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＳＯＡ）１０は、光増幅部５０、および光結合部５２を備えている。
光増幅部５０は、光結合部５２に結合された光（種光）を増幅し、出射する機能を有する。光結合部５２は、本発明に係る「光源部」の一例である。本実施の形態に係る光増幅部５０は、一例としてＧａＡｓ系の分布ブラッグ反射鏡導波路（以下、「ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）導波路」）を用いた面出射型の光増幅部とされている。すなわち、図１（ｂ）に示すように、光増幅部５０は、Ｎ電極４０、基板３０上に形成された下部ＤＢＲ３２、活性領域３４、上部ＤＢＲ３６、非導電領域６０、導電領域５８、およびＰ電極１８を含んで構成されている。
本実施の形態では、基板３０をｎ型のＧａＡｓ基板とし、Ｎ電極４０は基板３０の裏面に設けられている。一方、本実施の形態に係る下部ＤＢＲ３２はｎ型であり、上部ＤＢＲ３６はｐ型である。半導体光増幅素子１０を駆動する際には、駆動用電源の正極をＰ電極１８に印加し、負極をＮ電極４０に印加し、Ｐ電極１８からＮ電極４０に駆動電流を流す。しかしながら、基板３０、下部ＤＢＲ３２、上部ＤＢＲ３６の極性はこれに限られず、これらの極性を逆に、すなわち、基板３０をｐ型のＧａＡｓ基板とし、下部ＤＢＲ３２をｐ型、上部ＤＢＲ３６をｎ型としてもよい。
下部ＤＢＲ３２は、以下で説明する上部ＤＢＲ３６と対になって、半導体光増幅素子１０における発光に寄与する共振器を構成している。下部ＤＢＲ３２は、半導体光増幅素子１０の発振波長をλ、媒質（半導体層）の屈折率をｎとした場合に、膜厚がそれぞれ０．２５λ／ｎとされかつ屈折率の互いに異なる２つの半導体層を交互に繰り返し積層して構成される多層膜反射鏡である。具体的な一例として、下部ＤＢＲ３２は、Ａｌ０．９０Ｇａ０．１Ａｓによるｎ型の低屈折率層と、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓによるｎ型の高屈折率層と、を交互に繰り返し積層することにより構成されている。
本実施の形態に係る活性領域３４は、例えば、下部スペーサ層、量子井戸活性領域、および上部スペーサ層を含んで構成されてもよい（図示省略）。本実施の形態に係る量子井戸活性領域は、例えば、４層のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる障壁層と、その間に設けられた３層のＧａＡｓからなる量子井戸層と、で構成されてもよい。なお、下部スペーサ層、上部スペーサ層は、各々量子井戸活性領域と下部ＤＢＲ３２との間、量子井戸活性領域と上部ＤＢＲ３６との間に配置されることにより、共振器の長さを調整する機能とともに、キャリアを閉じ込めるためのクラッド層としての機能も有している。
活性領域３４上に設けられた非導電領域６０および導電領域５８はＰ型の酸化狭窄層、つまり電流狭窄層である。すなわち、非導電領域６０が酸化領域、導電領域５８が非酸化領域に対応している。本実施の形態では、上部ＤＢＲ３６を構成する多層膜のうちの１層を酸化させて非導電領域６０（酸化領域）が形成され、該１層の非導電領域６０以外の領域が酸化されていない導電領域５８（非酸化領域）となっている。Ｐ電極１８からＮ電極４０に向かって流れる電流は、導電領域５８によって絞られる。なお、本実施の形態では非導電領域６０（酸化領域）を上部ＤＢＲ３６の１層に形成する形態を例示して説明するが、これに限られず上部ＤＢＲ３６の複数層に形成する形態としてもよいし、下部ＤＢＲ３２に形成する形態としてもよい。
上部ＤＢＲ３６は、膜厚がそれぞれ０．２５λ／ｎとされかつ屈折率の互いに異なる２つの半導体層を交互に繰り返し積層して構成される多層膜反射鏡である。具体的な一例として、上部ＤＢＲ３６は、Ａｌ０．９０Ｇａ０．１Ａｓによるｐ型の低屈折率層と、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓによるｐ型の高屈折率層と、を交互に繰り返し積層することにより構成されている。
本実施の形態に係る光結合部５２は、半導体光増幅素子１０への入力光（以下、「種光Ｌｉ」）を生成する光源を結合する部位である。本実施の形態では、図示を省略する外部光源から光ファイバを介して入力光を伝播させ、該光ファイバの出力端を半導体光増幅素子１０の光源部として機能する光結合部５２に結合させて入力光をＤＢＲ導波路に導入している。外部光源としては例えば面型発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ））を用いる。
ここで、本実施の形態に係るＤＢＲ導波路についてより詳細に説明する。本実施の形態に係る半導体光増幅素子１０では、導電領域５８と非導電領域６０との界面（以下、「酸化フロント」５６）が、光結合部５２から導入されＤＢＲ導波路を伝播する伝播光の伝播方向（図１紙面左から右に向けての方向）に延伸されている。従って、光結合部５２から導入された種光Ｌｉは紙面左側から右側に向かう伝播方向に伝播する。この際、伝播光は、図１（ｂ）に示すように主として下部ＤＢＲ３２、活性領域３４、導電領域５８、上部ＤＢＲ３６を、所定の分布をもって伝播する。従って、「ＤＢＲ導波路」は、これらの部分を含んで構成されている。
つまり、ＤＢＲ導波路を用いた半導体光増幅素子１０は、半導体基板上に設けられた一対のＤＢＲと、一対のＤＢＲの間にある活性領域および共振器スペーサ層から構成されている。ＤＢＲに挟まれた領域は光導波路として機能し、このＤＢＲ導波路内へ入力された光は垂直に多重反射しながらスローライト伝播する。このとき、ＤＢＲの両側に設けられたＰ電極１８、Ｎ電極４０により活性領域３４へ電流（以下、「駆動電流」）を注入すると、種光Ｌｉが増幅され、基板面に対して交差する方向であってかつ伝播光のＤＢＲ導波路の伝播方向前方に傾いた方向（斜め前方方向）へ増幅ビームが出力される（以下、「スローライトモード光Ｌｓ」）。
すなわち、Ｐ電極１８、Ｎ電極４０が設けられた半導体光増幅素子１０の領域（Ｐ電極１８とＮ電極４０とで挟まれた領域）は光導波路と光増幅部としての機能を併せ持ち、増幅された光は基板３０の面に対して交差する方向に出射する。つまり、ＤＢＲ導波路を用いた半導体光増幅素子は面出射型の半導体光増幅素子を構成している。一方、この増幅部への光入力は、エッチングによりＤＢＲの一部を除去することにより反射率が低減された光入射部（光結合部５２）を作成し、種光Ｌｉを斜め入射させて結合して行う。この際、伝播光は種光Ｌｉのモード（縦モードおよび横モード）を保存しつつＤＢＲ導波路を伝播し、種光Ｌｉのモードを保存しつつスローライトモード光Ｌｓとして出力される。
ここで、半導体光増幅素子１０において、スローライトモード光Ｌｓ以外に、垂直発振モードの光（以下、「垂直発振モード光Ｌｖ」）が発生する場合がある。垂直発振モード光Ｌｖは、図２に示すように、下部ＤＢＲ３２と上部ＤＢＲ３６との間の垂直方向の共振によって発生する光であり、いわゆるＶＣＳＥＬ素子の本来の発振モードにより発生する光である。図２に示すように、垂直発振モード光Ｌｖは、基板３０面に対して垂直方向に出射される。
ところで、半導体光増幅素子１０で目的とする光はスローライトモード光Ｌｓであるが、本発明者らは、この垂直発振モード光Ｌｖが発生すると、垂直発振モード光Ｌｖの強度に応じてスローライトモード光Ｌｓの出力パワーが低下することを見出した。すなわち、垂直発振モード光Ｌｖが、スローライトモード光Ｌｓの高出力化の阻害要因となっていることを突き止めた。これは、垂直発振モード光Ｌｖが優位になると、スローライトモード光Ｌｓの光パワーがその分だけ減少するからと考えられる。垂直発振モード光Ｌｖは、半導体光増幅素子１０の構造で決まるモード、すなわち種光Ｌｉのモードとは無関係なモードで発振し、出力される。従って、本実施の形態に係る半導体光増幅素子１０では、垂直発振モード光Ｌｖの発生を極力抑制するようにしている。
まず、本実施の形態に係る垂直発振モード光Ｌｖの発生を抑制する手段の基本的な考え方について説明する。上述したように、垂直発振モードを抑制するとスローライトモードが優位になるので、垂直発振モードを発生しにくくすることによって、その分の出力パワーをスローライトモード光Ｌｓに振り分ける。垂直発振モードを発生しにくくする方法の一例として以下が挙げられる。
（方法１）垂直発振モードの発振閾値利得Ｇｔｈを大きくする。
「発振閾値利得Ｇｔｈ」とは、半導体光増幅素子１０において、垂直発振モードが発生するために必要な利得の最小値である。発振閾値利得Ｇｔｈを大きくするためには、例えば上部ＤＢＲの反射率（以下、「反射率Ｒ」）を下げる。反射率Ｒを下げると垂直共振に振り向けられる光パワーが減少するので、その分発振閾値利得Ｇｔｈが上昇する。反射率Ｒを下げるには、例えば上部ＤＢＲ３６の材料構成、膜厚、ペア数等を変えることによって行う。
（方法２）利得の波長スペクトル（以下、「波長スペクトルＧＣ」）を短波長側にシフトさせる。
「波長スペクトルＧＣ」とは、半導体光増幅素子１０の利得の波長依存性をいう。ここで、本実施の形態では、一例として波長スペクトルＧＣの中心波長λｃを、垂直発振モード光Ｌｖの波長λｖよりも短波長としている。従って、波長スペクトルＧＣを短波長側にシフトさせることは、波長スペクトルＧＣの中心波長λｃと垂直発振モード光Ｌｖの波長λｖとの差分（以下、「波長オフセットΔλ」）を大きくすることと等価である。そのためには、例えば、共振器内の材料と膜厚により垂直発振モード光Ｌｖの波長λｖを設定し、活性領域の材料と膜厚により波長スペクトルＧＣを設定する。
（方法３）半導体光増幅素子１０の駆動電流によって制御する。
スローライトモード光ＬｓのＩ－Ｌ（電流－出力パワー）特性と垂直発振モード光ＬｖのＩ－Ｌ特性との交点の電流（以下、「限界電流ｉｔ」）以下の駆動電流で半導体光増幅素子１０を駆動する。
（方法４）温度制御回路によって半導体光増幅素子１０の温度を制御する。
温度制御に用いる具体的な部材としては、例えばペルチェ素子に代表されるＴＥＣ（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｏｌｅｒ）等の温度制御素子を用いる。
（方法１）および（方法２）はどちらかというと半導体光増幅素子１０の設計段階における方法であり、（方法３）および（方法４）はどちらかというと半導体光増幅素子１０と駆動回路が一体化された装置（以下、「半導体光増幅器」）の使用段階における方法である。本実施の形態では（方法１）から（方法３）について説明し、後述する第２の実施の形態で（方法４）について説明する。
以下、図３および図４を参照して、上記（方法１）から（方法３）についてより詳細に説明する。
図３を参照して、まず（方法１）について説明する。図３は、上部ＤＢＲ３６の反射率Ｒを変えた場合のスローライトモード光Ｌｓの電流－出力パワー特性（図３で「ＳＬＭ」と表記された曲線）と、垂直発振モード光Ｌｖの電流－出力パワー特性（図３で「ＶＲＭ」と表記された曲線）を示している。すなわち、図３（ａ）はＲ＝９９．６％、図３（ｂ）はＲ＝９８．９％、図３（ｃ）はＲ＝９８．４％とした場合の各ＳＬＭおよびＶＲＭを示している。なお、図３においては下部ＤＢＲ３２の反射率は（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のいずれもほぼ１００％としている。なお、スローライトモード光Ｌｓの出力光と垂直発振モード光Ｌｖの出力光とは、出射角の違いに基づく光学系の違いによって分離される。または、波長が異なるので、光学フィルタで分離される。
図３から明らかなように、上部ＤＢＲ３６の反射率Ｒを下げるに従って、垂直発振モードよりもスローライトモードが優位になっていく。つまり、図３（ａ）では特性ＳＬＭよりも特性ＶＲＭの方が圧倒的に優位であるが、図３（ｃ）では特性ＳＬＭが支配的となっている。従って、上部ＤＢＲ３６の反射率Ｒを下げることによって垂直発振モード光Ｌｖを抑制し、スローライトモード光Ｌｓを増加させることが可能となる。しかも、上部ＤＢＲ３６の反射率Ｒを下げると波長スペクトルＧＣが短波長側にシフトする。これは、バンドフィリング効果による。このことは波長オフセットΔλを拡大させることになるので、この点からも上部ＤＢＲ３６の反射率Ｒを下げることはスローライトモード光Ｌｓの増大の観点から好ましい。ただし、上部ＤＢＲ３６の反射率Ｒを減少させすぎるとスローライトモード光Ｌｓの出射光の、基板３０面を基準とする出射角が小さくなり（寝てしまい）、使用しにくくなる。従って、上部ＤＢＲ３６の反射率Ｒの低減には限界があるので、反射率Ｒに下限値を設けてもよい。反射率Ｒの下限値は、例えばスローライトモード光Ｌｓの出力パワーの増大分と出射角との関係を、予め実験あるいはシミュレーション等によって確認し、設定してもよい。
図３（ｃ）から、半導体光増幅素子１０の特性の一例として、垂直発振モード光Ｌｖの出力パワーのピーク値（最大光出力）よりもスローライトモード光Ｌｓのピーク値（最大光出力）の方を高く設定しておけば、本実施の形態で目的とする半導体光増幅素子１０が得られることがわかる。さらに、例えば上部ＤＢＲ３６の反射率ＲをＲ＝９８％程度とすることにより図３（ｃ）のような特性が達成されることがわかる。
続けて図３を参照し、（方法３）について説明する。図３（ａ）から図３（ｃ）には、各々の特性ＳＬＭと特性ＶＲＭとの交点から求めた限界電流ｉｔ１、ｉｔ２、ｉｔ３が表示されている。限界電流ｉｔの定義から、図３（ａ）から図３（ｃ）のいずれにおいても、半導体光増幅素子１０の駆動電流を限界電流ｉｔ以下とすることによって、スローライトモード光Ｌｓが優位となる。従って、たとえば半導体光増幅素子１０の特性が所与であっても（半導体光増幅素子１０の特性が図３（ａ）から（ｃ）のいずれであっても）駆動電流によって垂直発振モード光Ｌｖを抑制し、スローライトモード光Ｌｓを増大させることができる。
次に図４を参照して、上記（方法２）について説明する。図４は、半導体光増幅素子１０の波長スペクトルＧＣの利得強度と、垂直発振モード光Ｌｖの利得強度の波長依存性を示した図である。上述したように、本実施の形態では、波長スペクトルＧＣの中心波長λｃは、垂直発振モード光Ｌｖの波長λｖよりも短波長側に設定されている。上述したように、垂直発振モード光Ｌｖには半導体光増幅素子１０の設計で決まる発振閾値利得Ｇｔｈが存在する。そして、例えば中心波長λｃの波長スペクトルＧＣが長波長側にシフトして中心波長λｃ’の波長スペクトルＧＣ’となり、波長スペクトルＧＣ’が発振閾値利得Ｇｔｈを上回ると、半導体光増幅素子１０は垂直発振モードで発振する。換言すれば、波長スペクトルＧＣが発振閾値利得Ｇｔｈ以下となるように設定することによって、スローライトモード光Ｌｓが優位とされる。
上述したように、上部ＤＢＲ３６の反射率Ｒを下げると、発振閾値利得Ｇｔｈが上昇し、波長スペクトルＧＣが短波長側にシフトする、つまり、波長オフセットΔλが大きくなる。従って、反射率Ｒを下げることによってスローライトモード光Ｌｓが増大する。例えば、スローライトモード光Ｌｓの最大光出力が、垂直発振モード光Ｌｖの最大光出力よりも大きくなるように、活性領域が有する利得の波長スペクトルＧＣの中心波長λｃと垂直発振モード光Ｌｖの波長λｖとの間の波長差（すなわち、波長オフセットΔλ）を設定することによって、本実施の形態に係る半導体光増幅素子１０が実現される。
一方、半導体光増幅素子１０の温度が上昇すると（例えば、半導体光増幅素子１０に電源を接続していない状態から電源を接続した状態にした場合）、波長スペクトルＧＣが長波長側にシフトすることが知られている。従って、半導体光増幅素子１０の温度が高くなると垂直発振モード光Ｌｖが発生しやすくなり、その分スローライトモード光Ｌｓが減少する。しかも、スローライトモード光Ｌｓの波長の温度係数は、垂直発振モード光Ｌｖの波長の温度係数より１桁大きいことが知られている。従って、駆動電流を上昇させると温度が上昇し、波長オフセットΔλが減少し、垂直発振モードで発振しやすくなる。そこで、例えば広範囲の温度で使用する場合には温度制御が重要になる。換言すると、温度制御が必要か否かは半導体光増幅器を使用する温度範囲に依存する。
以上詳述したように、本実施の形態に係る半導体光増幅素子１０では、外部から導入した種光Ｌｉの特性を維持しつつ増幅して出射している。そのため、種光Ｌｉとして単一モードの光を導入すれば、半導体光増幅素子１０の光出力は単一モードにすることができるのでビーム品質が向上し、コリメート性も高くなる。また、種光Ｌｉの偏光が維持されるので偏光方向の制御も容易である。さらにＶＣＳＥＬ素子と比較して格段にパワー密度が高く、半導体光増幅素子１０は、特に高出力光パワーの用途に好適である。
［第２の実施の形態］
図５を参照して、上記（方法３）および（方法４）に関連し、本実施の形態に係る半導体光増幅器８０について説明する。図５は、半導体光増幅素子１０に半導体光増幅素子１０の駆動回路、および温度制御回路を付加した半導体光増幅器８０の回路図である。なお、本実施の形態では駆動回路および温度制御回路の双方を含む半導体光増幅器８０を例示して説明するが、半導体光増幅素子１０を使用する温度範囲等によっては温度制御回路は省略してもよい。
図５に示すように、半導体光増幅器８０は、ＳＯＡモジュール８５と、図示を省略する半導体光増幅素子１０の駆動回路および温度制御回路と、を含んで構成されている。ＳＯＡモジュール８５は、半導体光増幅素子１０、および一例としてペルチェ素子等によるＴＥＣ８２を備えている。ＳＯＡ８５は、さらに半導体光増幅素子１０の出力パワーをモニタする出力モニタ素子（図示省略）、ＳＯＡモジュール８５の温度をモニタする温度モニタ素子（図示省略）を含んでいる。ＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）制御信号が入力されるトランジスタ８３は駆動回路の出力段のトランジスタであり、ＡＴＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ）制御信号が入力されるトランジスタ８４は温度制御回路の出力段のトランジスタである。
半導体光増幅素子１０には、電源８６に接続されたトランジスタ８３から駆動電流ｉＳＯＡを供給され、主としてスローライトモード光Ｌｓを出射する。駆動電流ｉＳＯＡは出力モニタ素子で検出された出力パワーに基づいてＡＰＣ制御され、スローライトモード光Ｌｓの出力パワーが一定に維持される。ＴＥＣ８２は、電源８６に接続されたトランジスタ８４から温度制御電流ｉＴＥＣを供給され、ＳＯＡモジュール８５の温度を一定に維持する。温度制御電流ｉＴＥＣは温度モニタ素子によって検出された温度に基づいてＡＴＣ制御される。以上の動作によって、上記（方法４）が実現される。この場合の半導体光増幅素子１０の電流－光出力特性は特に限定されず、例えば図３（ａ）から図３（ｃ）のいずれの特性であってもよい。
一方、ＡＰＣ制御に代えて、あるいはＡＰＣ制御に加えて、駆動電流ｉＳＯＡを限界電流ｉｔ以下に制御する構成を付加することによって、上記（方法３）が実現される。この場合の半導体光増幅素子１０の電流－光出力特性は特に限定されず、例えば図３（ａ）から図３（ｃ）のいずれの特性であってもよい。なお、本実施の形態では半導体光増幅素子１０とＴＥＣ８２とを一体化したＳＯＡモジュール８５を例示して説明したが、これに限られず、半導体光増幅素子１０とＴＥＣ８２とを別々にディスクリート実装した形態としてもよい。
［第３の実施の形態］
図６を参照して、本実施の形態に係る半導体光増幅素子１０Ａについて説明する。図６（ａ）は半導体光増幅素子１０Ａの平面図を示し、図６（ｂ）は図６（ａ）のＢ－Ｂ’線に沿って切断した断面図を示している。上記実施の形態に係る半導体光増幅素子１０は、種光Ｌｉを外部から供給する形態であったが、半導体光増幅素子１０Ａは、種光Ｌｉを生成する光源部と半導体光増幅素子とを集積化した形態である。
図６（ａ）に示すように、半導体光増幅素子１０Ａは、光増幅部１４、および発光部１２を含んで構成されている。光増幅部１４には光増幅部１４のアノード側の電極である対となったＰ電極１８が配置され、発光部１２には発光部１２のアノード電極であるＰ電極１６が配置されている。スローライトモード光Ｌｓは、対となったＰ電極１８の間から出射される。また、光増幅部１４と発光部１２との間には、両者を電気的に分離する電流阻止領域２２が形成されている。
図６（ｂ）に示すように、半導体光増幅素子１０Ａは、基板３０上に形成された下部ＤＢＲ３２、下部ＤＢＲ３２上に形成された活性領域３４、活性領域３４上に形成された上部ＤＢＲ３６を備え、光出射面４４から主としてスローライトモード光Ｌｓを出射する。
また、基板３０の裏面にはＮ電極４０が形成されている。
発光部１２はさらに酸化狭窄層３８を備え、酸化狭窄層３８は非酸化領域３８ａおよび酸化領域３８ｂを含んでいる。発光部１２はＶＣＳＥＬ素子の構成になっており、注入された電流が非酸化領域３８ａで絞られる。発光部１２は、一般的なＶＣＳＥＬ同様、基板３０上に設けられた一対の分布ブラッグ反射器である下部ＤＢＲ３２および上部ＤＢＲ３６、一対の分布ブラッグ反射器の間に設けられた活性領域３４（例えば活性層、下部スペーサ層、および上部スペーサ層を含む）を備えて構成されている。そして、分布ブラッグ反射器の両側に設けられた電極であるＰ電極１６およびＮ電極４０により活性層へ電流を注入し、基板３０面に対して垂直に共振を生じさせる。
本実施の形態に係る半導体光増幅素子１０Ａでも、Ｐ電極１６とＮ電極４０との間に駆動電流を流すことによって、下部ＤＢＲ３２と上部ＤＢＲ３６との間に垂直発振モード光Ｌｖが発生する。発光部１２の上面はＰ電極１６で覆われているため、垂直発振モード光Ｌｖは電極１６で反射され、発光部１２の内部に留まる。すなわち、本実施の形態に係る電極１６は、発光部１２における垂直発振モード光Ｌｖが外部に放射されないように遮光する遮光部を兼用している。
図６（ｂ）に示すように、垂直発振モード光Ｌｖの一部は基板３０の基板面に沿った方向（基板３０に平行な方向、換言すれば、半導体光増幅素子１０Ａの各層の積層方向と直交する方向）に漏れ、染み出し光Ｌｍとなって光増幅部１４側に染み出す。染み出し光Ｌｍは発振方向と交差する方向に進行し、いわゆるスローライトの状態となっている。染み出し光Ｌｍは、光増幅部１４の下部ＤＢＲ３２と上部ＤＢＲ３６との間で反射を繰り返しつつ光増幅部１４内を半導体光増幅素子１０Ａの長手方向（延伸方向）に伝播する。伝播する光は増幅光Ｌａとして増幅され、増幅光Ｌａはスローライトモード光Ｌｓとして光出射面４４から出射される。
以上のように、本実施の形態に係る半導体光増幅素子１０Ａによれば、半導体光増幅素子と、種光Ｌｉを生成する発光部とが集積化されているので、種光Ｌｉと光増幅部との結合の損失がより少なく、また実装もより容易である。
［第４の実施の形態］
次に図７を参照して、本実施の形態に係る光出力装置、および距離計測装置について説明する。図７（ａ）は本発明に係る光出力装置の一例としての光加工装置７０のブロック図を示し、図７（ｂ）は距離計測装置９０のブロック図を示している。
図７（ａ）に示すように、光加工装置７０は、半導体光増幅器７１、および集光用のレンズ７２を備えている。半導体光増幅器７１は、例えば上記実施の形態に係る半導体光増幅器８０である。図７（ａ）に示すように、半導体光増幅器７１から出射された光はレンズ７２によって集光され、出力光Ｐｏとして加工対象物ＯＢ１に照射されて、加工対象物ＯＢ１における加工処理が行われる。上述したように、半導体光増幅器７１からの出力光Ｐｏは、パワー密度が高く、また偏光も制御されるので、光加工装置７０によれば良好な加工特性が実現される。
一方、図７（ｂ）に示すように、距離計測装置９０は、半導体光増幅器９１、測距センサ９２、および計測部９３を備えている。半導体光増幅器９１は、例えば上記実施の形態に係る半導体光増幅器８０である。また、測距センサ９２は、例えばフォトダイオード等の受光素子によって構成され、計測部９３は、ＣＰＵ、ＡＳＩＣ等の半導体素子を中心に構成されている。
距離計測装置９０においては、半導体光増幅器９１から出射された投光光Ｐｔが被測定物ＯＢ２（例えば、人や物）に照射され、被測定物ＯＢ２で反射された反射光が受光光Ｐｒとして測距センサ９２に入力される。測距センサ９２に入力された受光光Ｐｒは電気信号に変換され、該電気信号に基づき計測部９３において予め定められた演算処理が実行され、例えば距離計測装置９０と被測定物ＯＢ２との距離が計測される。
なお、上記各実施の形態では、スローライトモード光Ｌｓを増大させる方法を個別に説明したが、むろんこれらうちの少なくとも２つを組み合わせてスローライトモード光Ｌｓを増大させてもよい。例えば、（方法２）と（方法４）を組み合わせ、波長オフセットΔλをある値に設定し、さらに波長スペクトルＧＣの長波長側への移動を抑制するように温度制御を併用するような形態としてもよい。
また、上記各実施の形態では、垂直発振モード光Ｌｖの発生を抑制する形態を例示して説明したが、そもそも垂直発振モードがまったく発生しないように半導体光増幅素子を構成してもよい。垂直発振モードが発生しないようにするためには、例えば半導体光増幅素子の設計において、ＤＢＲのペア数を少なくし、反射率を下げることで発振閾値利得Ｇｔｈを上げ、利得強度を発振閾値利得Ｇｔｈ未満に設定することが挙げられる。
１０、１０Ａ 半導体光増幅素子
１２ 発光部
１４ 光増幅部
１６ Ｐ電極
１８ Ｐ電極
２２ 電流阻止領域
３０ 基板
３２ 下部ＤＢＲ
３４ 活性領域
３６ 上部ＤＢＲ
３８ 酸化狭窄層
３８ａ 非酸化領域
３８ｂ 酸化領域
４０ Ｎ電極
４４ 光出射面
５０ 光増幅部
５２ 光結合部
５６ 酸化フロント
５８ 導電領域
６０ 非導電領域
７０ 光加工装置
７１ 半導体光増幅器
７２ レンズ
８０ 半導体光増幅器
８２ ＴＥＣ
８３、８４ トランジスタ
８５ ＳＯＡモジュール
８６ 電源
９０ 距離計測装置
９１ 半導体光増幅器
９２ 測距センサ
９３ 計測部
ＧＣ 波長スペクトル
Ｇｔｈ 発振閾値利得
ｉｔ、ｉｔ１、ｉｔ２、ｉｔ３ 限界電流
ｉＳＯＡ 駆動電流
ｉＴＥＣ 温度制御電流
Ｌａ 増幅光
Ｌｉ 種光
Ｌｓ スローライトモード光
Ｌｖ 垂直発振モード光
Ｌｍ 染み出し光
ＯＢ１ 加工対象物
ＯＢ２ 被測定物
Ｐｏ 出力光
Ｐｔ 投光光
Ｐｒ 受光光
Ｒ 反射率
λｃ、λｃ’ 中心波長、λｖ 波長、Δλ 波長オフセット

Claims (8)

  1. 基板上に形成された光源部と、
    前記光源部から前記基板の基板面に沿い予め定めた方向に延伸して形成された導電領域、および前記導電領域の周囲に形成された非導電領域を備え、前記光源部から前記予め定めた方向にスローライト伝播する伝播光を増幅し、増幅した前記伝播光を前記基板面と交差する出射方向に出射する光増幅部と、を含み、
    前記伝播光の最大光出力が、垂直発振モードの最大光出力よりも大きく、かつ波長スペクトルの中心波長が、前記垂直発振モードの光の波長よりも短波長側に設定された
    半導体光増幅素子。
  2. 請求項１に記載の半導体光増幅素子と、
    スローライトモードの光出力が垂直発振モードの光出力よりも大きくなる駆動電流で、前記半導体光増幅素子を駆動する駆動部と、を含む
    半導体光増幅器。
  3. 前記半導体光増幅素子の駆動時に、スローライトモードの光出力が垂直発振モードの光出力よりも大きくなるように、前記半導体光増幅素子の温度を制御する温度制御部をさらに含む
    請求項２に記載の半導体光増幅器。
  4. 前記温度制御部は、垂直発振モードで発振しないように前記光増幅部の温度を制御する 請求項３に記載の半導体光増幅器。
  5. 基板上に形成された光源部と、
    前記光源部から前記基板の基板面に沿い予め定めた方向に延伸して形成された導電領域、および前記導電領域の周囲に形成された非導電領域を備え、前記光源部から前記予め定めた方向にスローライト伝播する伝播光を増幅し、増幅した前記伝播光を前記基板面と交差する出射方向に出射する光増幅部と、
    スローライトモードの光出力が垂直発振モードの光出力よりも大きくなる駆動電流で、前記光増幅部を駆動する駆動部と、を含み、
    波長スペクトルの中心波長が、前記垂直発振モードの光の波長よりも短波長側に設定された
    半導体光増幅器。
  6. 基板上に形成された光源部と、
    前記光源部から前記基板の基板面に沿い予め定めた方向に延伸して形成された導電領域、および前記導電領域の周囲に形成された非導電領域を備え、前記光源部から前記予め定めた方向にスローライト伝播する伝播光を増幅し、増幅した前記伝播光を前記基板面と交差する出射方向に出射する光増幅部と、
    前記光増幅部の駆動時に、スローライトモードの光出力が垂直発振モードの光出力よりも大きくなるように、前記光増幅部の温度を制御する温度制御部と、を含み、
    波長スペクトルの中心波長が、前記垂直発振モードの光の波長よりも短波長側に設定された
    半導体光増幅器。
  7. 請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の半導体光増幅器と、
    前記半導体光増幅器から出射された光を集光する集光部と、を含む
    光出力装置。
  8. 請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の半導体光増幅器と、
    前記半導体光増幅器から出射され、被測定対象物で反射した反射光を受光する受光部と、
    前記受光部が受光した反射光に基づき、前記被測定対象物までの距離を計測する計測部と、を含む
    距離計測装置。
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