KR100293608B1 - 광센싱장치 - Google Patents

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KR100293608B1 KR1019950048512A KR19950048512A KR100293608B1 KR 100293608 B1 KR100293608 B1 KR 100293608B1 KR 1019950048512 A KR1019950048512 A KR 1019950048512A KR 19950048512 A KR19950048512 A KR 19950048512A KR 100293608 B1 KR100293608 B1 KR 100293608B1
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가네코다케오
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야스카와 히데아키
세이코 엡슨 가부시키가이샤
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Abstract

광 센싱 장치는 반도체 레이저로 이루어지는 광원과, 이 광원으로부터의 사출광의 광축상에 배치된 렌즈면 및 회결격자면을 포함하는 송광 광학계와, 상기 사출광의 피검출체에 의한 반사광을 검출하는 수광 검출 시스템을 포함한다. 상기 사출광은 상기 회절 격자면에 의해서 적어도 직교하는 2방향으로 회절된다.

Description

광 센싱 장치
제1도는 본 발명의 광 센싱 장치의 구성예를 개략적으로 도시한 도면.
제2도는 제1도에 도시한 광 센싱 장치의 블록도.
제3도는 제1도에 도시하는 광 센싱 장치의 송광부 구성을 도시하는 부분 단면도.
제4도는 제3도에 도시하는 송광부에서의 반도체 레이저 마운트 상태를 도시하는 사시도.
제5a도 및 제5b도는 제1도에 도시하는 회절 격자의 단면도 및 평면도.
제6a도 및 제6b도는 송광 광학계의 도시도이며, 제6a도는 X-Z면에서의 광학 소자의 배치 및 빔 형상의 도시도이고, 제6b도는 Y-Z면에서의 광학 소자의 배치 및 빔 패턴을 도시하는 도면.
제7도는 본 발명에 사용할 수 있는 회절 격자의 다른 예를 도시하는 평면도.
제8도는 본 발명에 사용할 수 있는 회절 격자의 다른 예를 도시하는 평면도.
제9a도 및 제9b도는 본 발명에 사용할 수 있는 다른 회절 격자를 도시하며, 제9a도는 평면도이며, 제9b도는 제9a도의 A-A'선상에서 취한 단면도.
제10도는 본 발명에 적용할 수 있는 회절격자의 다른예를 도시하는 도면.
제11도는 제10도에 도시하는 회절격자의 회절격자면을 나타내는 도면.
제12도는 본 발명에 이용되는 반도체 레이저의 일예를 모식적으로 나타내는 사시도.
제13도는 제12도에 도시하는 반도체 레이저의 활성층을 나타내는 부분 확대도.
제14도는 제12도에 도시하는 반도체 레이저 및 비교용 반도체 레이저에 대해 구한 I-L 특성을 도시하는 도면.
제15도는 제12도에 도시하는 반도체 레이저 및 비교용 반도체 레이저에 대해 구한 광출력의 온도 의존성을 나타내는 도면.
제16도는 제12도에 도시하는 반도체 레이저에 대해 구한, 전류 주입영역의 폭과 광출력과의 관계를 도시하는 도면.
제17도는 비교용 반도체 레이저에 대해 구한 전류 주입 영역의 폭과 광출력과의 관계를 도시하는 도면.
제18도는 제12도에 도시하는 반도체 레이저 및 비교용 반도체 레이저에 대해 구한 I-L 특성곡선이며, I-L 특성과 공진기 길이와의 관계를 도시하는 도면.
제19도는 제12도에 도시하는 반도체 레이저에 대해 구한 에이징시간과 누적고장율과의 관계를 나타내는 도면.
제20도는 제12도에 도시하는 반도체 레이저에 대해 구한 (1/온도)와 평균 고정시간과의 관계를 도시하는 도면.
제21도는 본 발명에 이용할 수 있는 다른 반도체 레이저를 모식적으로 도시하는 단면도.
제22도는 제21도에 도시하는 반도체 레이저 및 비교용 반도체 레이저에 대해 구한 I-L 특성곡선도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
12 : 렌즈 14 : 회절격자
[발명의 배경]
[발명의 분야]
본 발명은 측정 대상물에 광을 조사하고 그 반사광에서 측정 대상물의 정보를 얻는 광 센싱 자치에 관한 것이다.
[관련 기술]
광 센싱의 한 예로서 특개평 6-118161호 공보에 개시된 기술이 있다. 이 광 센싱 장치는 측정 대상물까지의 거리를 측정하기 위한 장치이며 회절 격자를 사용하여 측정 대상물에 조사하는 광의 패턴을 소정의 형상으로 제어할 수 있다.
그러나, 이 광 센싱 장치에서 사용되고 있는 회절 격자는 일차원적이며 회절광이 한 방향(예를 들면 X방향)으로만 발생하도록 구성되어 있다. 따라서, 예를 들면 회절광이 발생하지 않는 다른 방향(예를 들면 Y방향)에 있어서, 광원으로부터 전방의 근거리 영역에 필요로되는 조사폭이 W1, 또 원거리 영역에 있어서 필요로 되는 조사폭이 W2로 하는 경우, 근거리 영역 또는 원거리 영역 에서의 조사폭중 어느 한쪽에 광의 조사폭을 설정하면, 다른쪽 영역의 광 조사폭 혹은 광의 강도를 충분히 확보할 수 없는 경우가 있다.
그런데, 찻간 거리 계측등의 거리 계측 분야에 있어서 반도체 레이저를 광원으로 사용하는 시험이 이루어지고 있다.
반도체 레이저를 사용한 거리 계측은 목표물을 향해 고출력의 펄스광을 출사하고 그 반사광을 수광할 때 까지의 거리에서 목표물 까지의 거리를 계산함으로써 행하여진다.
이와 같은 고출력 반도체 레이저에서 구해지는 특성으로는, (가) 예를 들면 최고 출력이 50W 이상의 고출력 발진이 가능할 것, (나) 원시야상이 단봉일 것. (다) 발진 지연이 없을 것. (라) 태양 광의 영향을 받기 어려운 파장 영역에서 발광할 것 등을 열거할 수 있다. 이 중에서도 반도체 레이저의 출력과 그 발진 파장과는 거리 계측 장치의 성능에 큰 영향을 미친다. 즉, 반도체 레이저의 출력은 광의 도달 거리에 관여하며, 광 출력이 클수록 레이저광은 멀리까지 도달하기 때문에 계측 가능 범위가 커진다. 또, 레이저의 발진 파장에 관해서는 파장이 길면 유리하다. 예를들면, 거리 계측 장치를 찻간 거리 계측 장치에 응용한 경우에는, 태양광은 거리 계측 장치에 의해 노이즈(잡음)가 된다. 이와 같은 노이즈를 회피하기 위해서는 통상 레이저광과 동일 파장의 광만을 통과시키는 밴드 패스 필터를 수광 센서의 앞에 배치하고 태양광을 가능한 한 커트하도록 배려되어 있지마 레이저광과동일 파장의 태양광이 수광 센서에 입사하는 것을 막을 수는 없다. 태양광의 에너지 밀도 분포는 적외 영역에서는 장파장이 될 정도로 낮아 진다. 따라서, 레이저의 발진 파장이 장파장측에 있을수록 태양광의 영향을 받기 어렵게되며, 태양광에 의한 노이즈를 작게 할 수 있다.
그런데, 종래의 반도체 레이저는, 그 최고 출력이 20W 정도이고 그 이상의 출력을 얻으려 하면 출력이 열적으로 포화하여 효율이 저하하기도 하고 또 주입 전류 밀도의 증대에 의한 출력의 저하나 단면 파괴의 발생등의 물제를 일으켰다. 그리고, 반도체 레이저를 거리 측정 장치의 광원으로 사용하는 경우에는 레이저의 최고 출력이 20W 정도이면 측정 가능 거리는 100m가 안되며, 피 측정물이 그 이상의 거리에 있을 때는 정확도 높은 측정이 곤란했다.
[요약]
본 발명의 목적은 근거리 및 원거리에서 필요로되는 영역을 낭비없이 충분한 광 강도로 조사하며 피검출체의 측정을 높은 정확도로 행할 수 있는 광 센싱 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 광 센싱 장치는 반도체 레이저로 이루어지는 광원과, 이 광원으로부터의 사출광의 광축상에 배치된 렌즈면 및 회절 격자면을 포함하는 송광광학계와, 상기 사출광의 피검출체에 의한 반사광을 검출하는 수광 검출 시스템을 포함하며, 사기 사출광은 상기 회절 격자면에 의해적어도 직교하는 두 방향으로 회절된다.
이 광 센싱 장치에 의하면, 광원으로부터의 사출광(빔)은 상기 회절 격자면에 의해 적어도 두 방향(X 방향, Y 방향)에 있어서 복수의 빔으로 변환되고, 또 상기 렌즈면에 의해 빔의 형상을 소정 형상으로 변환할 수 있다. 따라서, 상기 회절 격자면과 렌즈면을 조합시킴으로써 단일의 광원으로부터 소정의 투사광패턴을 지닌 빔을 얻을 수 있다. 그리고 본 발명의 광 센싱 장치에 있어서는 적어도 직교하는 두 방향에 있어서 빔을 회절하는 것에 의해 투사광 패턴이 이차원적으로 제어되며, 또 근거리 영역에 있어서는 0차 회절광 및 ±1차 회절광에 의한 넓은 투사각을 지닌 조사 영역이 얻어지고, 원거리 영역에 있어서는 주로 0차 회절광에 의한 조사 영역에 얻어진다. 본 발명의 광 센싱 장치는 단일의 광원을 사용하고 있기 때문에 투광 장치의 간소화, 소형화가 용이하다.
본 발명의 광 센싱 장치는 근거리 영역과 원거리 영역에 있어서 광의 조사 범위가 다른 용도, 예를 들면 차량용 장해물 검지 장치, 선박용 레이더 등에 적절하게 사용된다.
상기 회절 격자면은 적어도 직교하는 두 방향에 대해서 광을 회절하는 기능을 갖는 한, 그 구성은 특히 한정되는 것은 아니지만, 광의 로스를 작게하는 것을 고려하면, 단일의 기판에 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이하에 바람직한 회절 격자면을 지닌 회절 격자를 예시한다.
(a) 회절 격자면은, 격자 기판의 양면에 형성된 제 1 회절 격자면과 제 2 회절 격자면으로부터 이루어지며, 각 회절 격자면은 각각 한방향의 직선상 요철군으로부터 이루어지는 격자 패턴을 갖고, 사기 제 1 회절 격자면의 요철군 방향과 상기 제 2 회절 격자면의 요철군 방향이 직교하는 회절 격자.
(b) 회절 격자면은, 격자 기판의 한쪽 면에 형성된 회절 격자면으로부터 이루어지며, 이 회절 격자면은 직교하는 직선상의 요철군으로 이루어지는 격자 패턴을 지닌 회절 격자.
(c) 회절 격자면은, 격자 기판의 한쪽면에 형성된 회절 격자면으로 이루어지며, 이 회절 격자면은 중심을 공통으로 하는 곡선상 예를 들면 원형, 타원형의 요철군으로 이루어지는 격자 패턴을 지닌 회절 격자.
(d) 렌즈면 및 회절 격자면은 단일의 기판에 형성되며, 상기 기판의 한쪽면에 굴절형 렌즈면이 형성되고, 다른쪽면에 중심을 공통으로 하는 원형 또는 타원형의 요철군으로 이루어지는 회절형 렌즈면에 형성된 회절 격자.
(e) 회절 격자면은, 상기 회절 격자면을 구성하는 요철군의 단면 형상이 톱날상인 회절 격자.
또, 본 발명의 광원으로서 사용되는 반도체 레이저는, 제 1 도전형의 화합물 반도체로부터 이루어지는 기판, 이 기판의한 쪽면 상에 적층된 반도체층, 상기 반도체층상에 형성되며, 적어도 하나의 줄무늬(stripe) 형상의 전류 주입영역을 지닌 전류 협착층, 및 상기 기판 및 상기 반도체층의 단부면에 형성된 한쌍의 단부면 반사막을 포함하고, 상기 반도체층은, 상기 기판층에 위치하는 제 1 도전형의 제 1 클래드(clad)층, 사기 제 1 클래드층상에 형성된 제 1 도전형의 제 1 광 도파로층, 상기 제 1 광도파로층상에 형성된 양자 우물 구조를 지닌 활성층, 상기 활성층상에 형성된 제 2 도전형의 제 2 광 도파로층, 상기 제 2 광도파로층상에 형성된 제 2 도전형의 제 2 클래드층 및, 상기 제 2 클래드층상에 형성된 콘택트층을 포함하며,
상기 활성층은, 1mm × 1mm의 단위 영역에서 요철이 기준면에 대해 ±0.1 μ m이하의 범위에 있는 평탄성을 갖고, 상기 전류 협착층의 전류 주입 영역 폭은 100 내지 250μ m이며, 또 공진기 길이는 500 내지 1,000μ m인 것이 바람직하다.
이 반도체 레이저에 있어서는 상기 반도체층은 Al Ga As계 화합물 반도체로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 활성층의 평탄성에 있어서, 상기 기준면은, 상기 활성층상에 상정되는 평면이며, 상기 기판 및 상기 활성층 이하의 반도체층(활성층 및 활성층 보다 하위에 있는 반도체층으로 이루어지는 반도체층)의 합계 두께 평균값에 상당하는 높이의 면을 말하며, 상기 요철은 예를 들면 탐침식의 평탄성 측정기, 혹은 미분간섭식 평면 요철 측정법으로 측정 가능한 요철 내지 막두께의 불균일을 의미한다.
상기 기준면은, 예를 들면 이하의 방법으로 특정할 수 있다. 다시말하면 상기 기판상의 에피택셜(epitaxial) 성장을 활성층의 성장후에 정지시킨다. 그 후 노출한 활성층의 표면을, 예를 들면 탐침식의 평탄성 측정기에 의해 측정하고, 기판 및 활성층 이하의 반도체층(활성층 및 활성층보다 하위에 있는 반도체층으로 이루어지는 반도체층)의 적층체 두께 분포를 구한다.
이 두께 분포와 함께 단위 영역에서의 상기 적층체 두께의 평균 값을 구함으로써 기준면을 설정할 수 있다.
특히 발진 영역의 폭이 넓은 고출력 반도체 레이저에 있어서는, 활성층의 약간의 요철을 반영하여 불규칙적인 스포트 형상의 발진을 발생하기 쉽게 되므로 활성층의 평탄성을 확보하는 것은 중요하다.
이 반도체 레이저에 따르면 고출력, 예를 들면 최고 출력이 50W이상인 예를 들면 850nm 이상인 장파장광을 출사할 수 있고, 또 약 100 내지 250μ m와 넓은 발진 영역에 있어서 균일한 광강도 분포를 갖는 레이저광을 출사할 수 있다.
상기 반도체 레이저에 있어서, 상기 활성층은 우물층(well layer)과 배리어층(barrier layer)으로 구성되며 우물층은 Alx Ga1-x As에서의 x가 0. 배리어층은 Alx Ga1-x As에서의 x가 0.15 내지 0.25이며, 또 상기 클래드층은 Alx Ga1-x As에서의 x가 0.28이상인 것이 바람직하다. 이 반도체 레이저에 따르면 활성층 및 클래드층의 Al 조성을 특정함으로써, 활성층으로서 양자 우물 구조를 가짐에도 불구하고 발진 파장의 단파장측으로의 시프트를 억제하며, 850nm 이상의 장파장광을 발진할 수 있다.
상기 반도체 레이저에 있어서는 상기 한쌍의 단면 반사막은 반사율이 0.1 내지 5%인 제 1 반사막과, 반사율이 98.5%이상인 제 2 반사막의 조합으로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 단면 반사막은, 굴절율이 다른 2종의 도전체 박막을 번갈아 적층하여 구성된 유도체막으로 이루어지는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 제 1 반사막은 굴절율이 큰 유전체 박막이 상기 반도체층측에 위치하는 상태로 적층되며, 상기 제 2 반사막은 굴절율이 작은 유전체 박막이 상기 바도체층측에 위치하는 상태로 형성된다.
이 반도체 레이저에 따르면, 반사막의 반사율을 상기 범위로 제어함으로써 높은 외부 미분 양자효율을 얻을 수 있고, 고출력이 얻어짐과 동시에 발진임계치 전류의 상승을 억제할 수 있다. 또 반사막을 구성하는 유전체 박막의 적층 순서를 상기와 같이 규정함으로써 제 1 반사막에 있어서는 낮은 반사율을, 제 2 반사막에 있어서는 높은 반사율을 얻을 수 있다.
상기 반도체 레이저는, 상기 제 1 클래드층과 상기 제 1 광도파로층의 사이 및 상기 제 2 클래드층과 상기 제 2 광도파로층 사이의 적어도 한쪽에 형성된 블록층을 포함하는 것이 바람직하다.
이 블록층을 포함하는 반도체 레이저에 있어서는, 상기 제1 클래드층 및 제 2 클래드층은 Alx Ga1-x As에서의 x가 0.20 내지 0.40인 것이 바람직하다.
상기 블록층은 8 내지 20nm의 막 두께를 지니며, Alx Ga1-x As의 x가 0.30 내지 0.60인 것이 바람직하다.
이 반도체 레이저에 따르면, 클래드층과 광도파로층 사이에 얇은 막두께의 블록층을 삽입함으로써 클래드층의 Al조성을 높이지 않고 발광 효율 및 온도 특성을 개선할 수 있다. 클래드층의 Al 조성을 작게하면 광의 계수를 작게할 수 있으므로 반도체 레이저는 방사각이 좁은 빔을 발진할 수 있고, 또 단면 파괴를 발생하기 어렵게 된다.
[발명의 적합한 실시예의 설명]
제 1 도는, 본 발명의 실시예에 따른 광센싱 장치의 일예를 개략적으로 도시하는 도면이다. 이 광 센싱 장치는, 광원으로써의 반도체 레이저(100), 송광 광학계(10), 수광 광학계(20) 및 광검출기(42)를 포함해 구성되어 있다. 상기 송광 광학계(10)는, 렌즈(12) 및 회절 격자(14)로 구성되고, 수광 광학계(20)는 렌즈(22)로 구성되어 있다.
이 장치에 있어서, 반도체 레이저(100)로부터 출사된 광은 렌즈(12) 및 회절격자(14)를 통과하고, 주로 0차 회절광 (1000)으로 이루어진 원거리 조사 영역과, 주로 0차 회절광(1000) 및 ± 1차 회절광(2000)으로 이루어진 근거리조사 영역을 형성 한다. 이들 영역에 측정 대상물(피검출체) (1F)혹은 측정 대상물(1N)이 존재하는 경우에는, 이들 대상물(1F. 1N)에 의해 반사된 반사광은 수광광학계(20)를 거쳐 검출기(42)에 도달한다.
제 2 도는, 제 1 도에 도시한 광센싱 장치의 블록도의 일예를 도시한다.
이 광센싱장치는, 레이저 구동 펄스를 반복 출력하는 펄스 발생기(30)를 포함하며, 펄스 발생기(30)로부터 출력되는 펄스는 반도체 레이저 구동 회로(32) 및 신호 처리 회로(46)에 입력된다.
상기 반도체 레이저 구동 회로(32)는, 구동 펄스가 입력될 때마다 반도체 레이저(100)를 구동하고, 반도체 레이저(100)로부터 측정광이 출력된다. 그리고, 반도체 레이저(100)으로부터 출력된 레이저빔은, 송광광학계(10)를 거쳐 전방공중을 향해 측정용빔으로써 출력된다.
이 측정용 레이저빔은 소정의 측정대상물에 닿으며, 그로부터의 산란 또는 반사광은, 수광 광학 시스템에 의해 측정된다.
구체적으로는, 반사광은, 수광광학계(20)를 거쳐 광검출기(42)로 검출되며, 상기 신호로 변환되어 증폭기(44)를 거쳐 신호 처리 회로(46)로 입력된다. 신호처리회로(46)는 레이저빔의 송광으로부터 수광까지의 시간계측, 반사광의 분광적 계측을 행하고, 그 계측 결과를 거리 연산회로(48)를 향해 출력한다. 또한, 상기 수광 광학계(20) 및 광검출기(42)등은 일반적인 거리측정 레이더에 사용되고 있는 것을 이용할 수 있다.
제 3 도는, 송광 광학계(10)로서 렌즈(12) 및 회절격자(14)가 장착된 송광부(50)를 나타내는 부분 단면도이다.
이 소광부(50)의 홀더(60)는, 통체를 분할한 제 1 홀더부 (60a)와 제 2 홀더부(60b)를 축방향으로 접합한 구조를 갖고 있다. 상기 제 1 홀더부(60a)는 축방향외방으로 돌출된 통형상부를 갖고, 이 통형상부 선단에는 레이저 패키지(70)의 부착부(72)를 장착하기 위한 스텝형상의 제 1 지지부(62)가 형성되어 있다.
또한, 제 1 홀더부(60a)의 중앙부에는 렌즈(12)를 장착하기 위한 스텝형상의 제 2 지지부(64)가 형성되어 있다. 또한, 상기 제 2 홀더부(60b)에는 축방향 외측으로 돌출한다. 통형상부가 형성되고, 이 통상부 내부에는 회절격자(14)를 장착하기 위한 스텝상의 제 3 지지부(66)가 형성되어 있다.
상기 레이저 패키지(70), 렌즈(12) 및 회절격자(14)는, 각각 상기 제 1 지지부(62), 제 2 지지부(64) 및 제 3 지지부(66)에, 예를 들면 광경화형 접착제로 접착되어 있다. 지지수단으로써는, 그외에 나사고정, 혹은 홀더의 일부에 압력을 가해 소성변형시킨 코오킹을 이용할 수도 있다.
상기 렌즈(12)에 의해, 타원형 렌즈빔의 형상이 원거리 영역에서 필요로되는 검지영역의 형상, 예를들면 직사각형 형상으로 형성된다.
상기 렌즈(12)를 구성하는 면으로서, 원통면, 트로이덜면, 비구면등의 렌즈면을 갖는 것을 이용할 수 있다. 또는, 렌즈를 복수매 조합함으로써, 예를 들면 평오목 원통렌즈와 비구면 렌즈를 조합함으로써, 레이저빔의 형성을 행할 수도 있다. 상기 렌즈 (12)로써는, 예를 들면 사출형성으로 형성된, 아크릴수지, 폴리 카보네이트, 비정질 폴리오레핀등의 플러스칩렌즈, 혹은 프레스 형성된 유리렌즈를 이용할 수 있다.
또한, 상기 렌즈(12) 양면에는 MgF와 유전체 다층막으로 이루어진 반사방지막을 설치하는 것이 바람직하다. 본 실시예 에서는, 반사방지막의 반사율은 약 0.5%로 설정되어 있다.
제 4 도는, 레이저 패키지(70)내에서의 반도체 레이저(100)의 마운트상태를 나타내는 개략사시도이다. 이 예에 있어서는, 동 등의 금속제 열 싱크(heat sink)(도시하지 않음)와 반도체 레이저 (100) 사이에 질화 알루미늄(AIN), 규소등으로 이루어진 지지체 (73)가 설치되고, 특히 질화 알루미늄의 지지체가 바람직하다.
질화알루미늄은 열전도율이 높고, 또한 열팽창계수가 반도체 레이저(100)를 구성하는 Al계 화합물에 근사하기 때문에, 금/석 (Au/Sn)의 합금등을 이용해 레이저칩을 250 내지 350℃의 온도로 융착할 때, 레이저 활성층에 잔류 응력을 남기지 않는다는 작용이 있다. 또한, 열전도율이 높으므로 활성층의 발생양을 충분히 피하는 효과가 있고, 레이저 장수명화에 효과가 있다.
이 지지체(73)의 두께는, 예를 들면 150 내지 190μ m 정도가 바람직하다. 이것은, 레이저칩과 동등의 금속(열싱크)과 AIN (지지체)의 열팽창계수로부터 레이저의 활성층에 남는 잔류응력을 계산하면, 지지체두께에 의해 당기는 응력과 압축응력이 발생하는 경우가 있고, 상기의 두께로 할 때에 잔류 응력이 극소가 되기 때문이다.
제 5A 도 및 제 5B 도는, 상기 회절격자(14)의 일예를 도시하고, 제 5A 도는 그 단면도, 제 5B 도는 그 평면도를 도시한다.
제 5A 도 및 제 5B 도에 도시하는 회절격자(14)는, 유리, 합성수지등 투명재료를 기판으로한 위상형의 회절격자이다. 이 회절격자(14)는, 회절기판(14C)의 양면에 회절격자면(14a, 14b)이 형성되어 있다. 제 1 회절 격자면(14a)에는 한방향(Y축방향)으로 평행한 격자 구멍이 형성되고, 직선상의 요철군으로 이루어진 격자 패턴이 형성되어 있다. 제 2 회절 격자면(14b)에는, 격자공 방향이 상기 제 1 회 절격자면과 직교하는 방향(X축방향)으로 형성된, 직선상의 요철군으로 이루어진 격자 패턴이 형성되어 있다. 회절격자(14)의 양면에는 반사방지막이 형성되어 있다.
일반적으로, 이와 같은 직선상의 격자홈을 갖는 단순격자 형의 회절격자면을 투과한 빛은, 회절되지 않고 그대로 직진하는 0차 회절광과, 회절각(θ n)으로 진행하는 n차 회절광(n은 정수) 으로 나뉘어진다. 본 실시의 양태에서는, 이 0차 회절광을 메인빔으로, 회절한 ± 1차 회절광을 서브빔으로해 이용하는 것이다.
2차 이상의 고차 회절광은 강도가 작아, 측정에 거의 기여하지 않는다.
엄밀하게는 회절격자에 들어가는 광선은 수직입사만으로 한정되지 않지만, 설명을 단순하게 하기 위해 수직입사로써 생각하면, ±1차 회절광의 회절각(θ), 광원광의 파장(λ), 회절격자의 피치(p)사이에는
sinθ = λ/p
의 관계가 있다. 또한, 0차 회절광과 1차 회절광의 회절광량비는 격자홈 깊이(d)에 의존하고 있고, 회절격자의 요철이 1 대 1의 비율(듀티 비 2분의 1)인 경우 0차 회절광 및 ± 1차 회절광의 강도(η0, η1)는
η0=COS2(πd △n/k) η1=(2/π)2sin2(πd △n/λ)이 된다. 단, △n=n-1이고, n은 회절격자재료의 굴절율이다.
이 식으로부터 광원의 파장(λ)과 격자재료의 굴절율(n)은 일정하다고 생각하면, 0차 회절광과 ± 1차 회절광의 강도비율은 회절격자의 구멍깊이(d)를 조정하면 자유롭게 선택할 수 있음을 알수 있다. 또한, 빔의 조사각은 격자피치(p)를 바꾸거나 광원, 회절격자, 투사렌즈의 위치 관계를 바꿈으로써 선택적으로 설정할 수 있다.
(빔 패턴)
다음으로, 반도체 레이저(100)로부터 출사된 광의 빔 패턴에 대해 설명한다. 제 6A도는, 수평방향을 X축, 수직방향을 Y축, 빔의 진행 방향을 Z축으로 한때의, X-Z면에서 빔 패턴을 나타내고, 제 6B도는 Y-Z면에서 빔 패턴을 나타낸다.
본 실시예의 광 센싱장치에 있어서, 레이저 패키지(70) (제 4 도 참조)는, 반도체 레이저(100)와 지지체(73)와의 접합면이 Y축 방향으로 일치하는 상태로 고정되어 있다. 또한, 상기 회절 격자(14)는, 그 각 회절격자면(14a, 14b)의 격자홈이 Y축 방향 및 X축 방향으로 각각 일치하도록 설치되어 있다.
이상의 구성의 광 센싱 장치에 있어서는, 반도체 레이저 (100)의 출사구로부터 출사된 광은 렌즈(12)에 의해 평행에 가까운 빔으로 변환된 후, 회절격자(14)를 통과해 X방향 및 Y방향으로 각각 세 빔으로 나뉘어진다.
즉, 제 6A도에 도시하는 것과 같이, 반도체 레이저(100)로부터 출사된 광은, 회절격자(14)의 제 1 회절격자면(14a)에 의해, X-Z 평면에서, 광축(Z)과 거의 평행하게 진행하는 0차 회절광(1000), +1차의 회절광(2000A) 및 -1차 회절광(2000B)의 3개의 빔으로 분할된다. 또한 제 6B도에 도시한 것과 같이, Y-Z 평면에 있어서, 광은 광축(Z)과 거의 평행하게 진행하는 0차 회절광(1000), +1차회절광(2000C) 및 -1차 회절광(2000D)의 3개의 빔으로 분할된다. 이 광학계에 의하면, 회절격자(14)에 들어가는 광은 근사적으로 회절격자면에 대해 수직이 되므로, 레이저광의 투사각은 회절격자에 의한 회절각을 조정해 제어할 수 있다.
따라서, 이 광학계에 있어서는, 광의 투사각은 회절격자에 의한 +1차 회절광의 회절각만을 고려하면 되므로, 광학계의 제어가 단순하게 되는 잇점이 있다.
다음으로, 이와 같은 광학계에서 빛의 투사각 및 회절 효율에 대해 설명한다. 빛의 투사각은 회절격자의 피치(p)에 의존하며, 이들 값은 광 센싱 장치의 용도등에 의해 적정범위가 설정된다. 즉, 거리특정 레이더 용도에 의해, 목표물까지의 거리를 고려해 사출광의 강도와 확산영역이 설정된다. 예를 들면, 본 실시예의 광 센싱 장치를 주행차량의 소정방향 장애물을 검지 하는 차량용 장애물 검지 장치에 응용한 경우에는, 주행차량에 가까운 영역에서는 측정 가능범위를 넓히기 위해 넓은 투사각을 필요로 하며, 주행 방향에 대해서는 될 수 있는 한 먼쪽까지, 예를 들면 150m 앞까지 투사되는 것이 바람직하다.
구체적으로는, 제 6A도 및 제 6B도에 도시한 것과 같이, 주행차량으로부터 근거리 영역, 예를 들면 40m 앞의 검지 영역을 예로들면, X축 방향(수평 방향)에서는 적어도 폭(W1) (예를 들면 4m 정도)의 검지 영역을, Y축 방향(수직 방향)에서는 적어도 폭(H1) (예를 들면, 1.5m 정도)의 검지 영역을 필요로 한다.
또한, 주행차량으로부터 원거리 영역, 예를 들면 15m앞의 검지 영역을 예로들면, X축 방향에서는 적어도 폭(W2) (예를 들면 4m 정도)의 검지 영역을, Y축 방향에서는 적어도 폭(H2) (예를 들면 1.5m 정도)의 검지 영역을 필요로한다.
근거리 영역에 있어서 가능한 한 넓은 검지 영역을 얻기 위해서는, 0차회절광(1000)과 ±1차 회절광(2000A, 2000B)이 일부 오버랩한 상태로, 될 수 있는 한 X축 방향으로 넓어지고, 그리고, 0차 회절광(1000)과 ±1차 회절광(2000C, 2000D)이 일부 오버랩한 상태로, 될 수 있는 한 Y축 방향으로 확대되는 것이 바람직하다. 또한, 원거리 영역에 있어서는, 0차 회절광만이 이용되기 때문에, 이 0차 회절광을 유효하게 이용하기 위해서는, 빛의 조사영역과, 필요로되는 검지영역이 거의 일치하고 있는 것이 바람직하다.
이와 같은 조건을 고려해 회절격자의 격자 피치(P)를 구한바, X축 방향으로 15 내지 40μ m, Y축 방향으로 50 내지 90μ m 의 범위가 바람직한 것으로 알려졌다. 회절격자의 격자 피치(P)가 작아지면, 1차 회절광은 Z축으로부터 멀어지는 방향으로 회절되게 된다.
또한, 회절효율로서는, 상기 차량용 장해물 검지장치에 응용하는 경우의 조건을 고려하여, 1차 회절효율이 0.4 내지 4%인 것이 바람직하다.
본 실시예의 광 센싱 장치에 의하면, 회절격자(14)를 사용하므로써 레이저 광을 X 방향 및 Y 방향의 세 비임으로 분할하고, 레이저 광을 충분한 광밀도를 갖는 소정 형상의 측정광으로 변환할 수 있다. 따라서, 이 광 센싱장치를 예를 들면 차량용 장해물 검지장치등에 적용한 경우에는, 단일의 광원이므로 사각이 적은 적정한 조사영역을 얻을 수 있다.
다음에, 본 발명에 사용될 수 있는 회절격자의 변형예를 도시한다.
(a) 제 7 도에 도시하는 회절격자(16)는, 기판의 한쪽면에 회절격자면이 형성되고, 이 회절격자면은 복수의 선형 돌출부(16a)가 직교한 상태에서 형성된 격자 패턴을 갖는다.
사선으로 표시한 부분(16b)은, 단면 형상이 거의 사각형상인 오목부로 구성되고 있다. 그리고 종방향의 돌출부(16a)는 제 6 도에서의 Y방향 및, 횡방향 돌출부(16a)는 제 6 도의 X 방향에 상당하는 상태로 배치된다.
(b) 제 8도에 도시하는 회절격자(18)는, 격자기판의 한쪽면에 회절격자면이 형성되고, 그 패턴은 중심을 공통으로 하는 동심형의 타원으로 구성되어 있다. 즉 평면 형상이 타원형인 돌출부(18a)가 동심형상으로 이격되어 형성되고, 인접하는 돌출부(18a)와의 사이에, 사선으로 도시하는 오목부(18b)가 형성되어있다. 이러한 회절 격자는 일반적으로 크리에이팅 렌즈로 불리는 회절격자이고, 렌즈 작용을 갖는다.
그리고, 이 타입의 회절격자에 있어서는, 수평방향 및 수직 방향에 대하여 경사 방향의 광이 넓은 각도를 제어할 수 있으며, 비임의 성형이 가능해진다.
이 회절격자(18)에 있어서는 X방향과 Y방향의 회절각을 달리하기 위해 타원 패턴에 의해 구성했으나, X방향 및 Y방향의 회절각이 같은 경우에는 동심원상의 패턴으로 된다. 또한 이 타입의 회절격자에 있어서는, 격자 패턴은 타원 및 원에 한하지 않고, 비임 선형 기능을 갖는 다른 곡선군에 의해 격자 패턴을 형성해도 좋다.
(c) 제 9A 도 및 제 9B 도에서 도시하는 회절격자(19)는, 회절기판의 한쪽면에 격자면이 형성되고, 상기 회절격자(18)와 같은 평면형상이 중심을 공통으로 하는 타원 패턴에 의해서 구성되어 있다. 상기 회절격자(14, 16, 18)에 있어서는 격자 홈의 단면형상을 둥근형으로 구성하고 있다.
이러한 격자 홈을 갖는 회절격자에 있어서는 +1차 회절광 및 -1차 회절광의 양자를 이용할 수 있게 이루어진다. 그러나 회절 격자면이 타원패턴과 같이 발산성의 +1차 회절광과 수렴형의 -1차 회절광을 발생하는 격자 패턴의 경우에는, 근거리에서의 조사범위를 확대하는 경우에는 발산성의 +1차 회절광만을 이용하는 것이 광의 로스(loss)를 적게하는 이상으로 바람직하다.
+1차 회절효율을 -1차 회절 효율보다 크게 하기에는 제 9B도에서 도시하는 바와 같이 회절격자면을 구성하는 볼록부(19a)의 단면형상을 삼각형으로 하는 것이 즉 회절격자면의 단면 형상을 톱니 형상으로 구성함이 바람직하다. 이러한 회절 격자로서는 예를들면 마이크로 플레넬 렌즈가 있다.
(d) 제 10 도 및 제 11 도에서 도시하는 회절격자(17)는, 한쪽면에 회절격자면(17a)이 형성되고, 다른쪽면에 렌즈면(17b)이 형성되어 있다. 또한 제 10 도에 있어서 제 1 도와 실질적으로 같은 부분에는 같은 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다. 회절 격자면(17a)은 상기 회절 격자(19)와 같이 평면형상이 중심을 공통으로하는 타원 패턴을 가지며 또한 회절격자면의 단면형상이 톱니 형상으로 구정되어 있다. 이렇게 회절격자면을 렌즈 표면에 형성 하였다. 이른바 하이브리드 렌즈는 렌즈면과 회절격자면이 하나의 기판으로 형성되어 있는 것이므로 광(빛)의 로스를 저감하고 부품 갯수를 적게할 수가 있다.
이상으로 상술한 바와 같이 회절격자의 형상은 본 발명의 요구하는 기능을 갖는한에 있어서는 특히 한정되어 있지 않다.
또한 회절격자는 반드시 하나가 아니라도 된다. 복수의 회절격자를 편성하여도 된다. 예를 들면 직선형상의 격자홈을 갖는 단순 격자를 상호의 홈방향이 직교를 이루도록 2개 배설할 수도 있다.
회절격자를 작성하는 대표적인 프로세스로서는 먼저 IC등의 미세 가공에 이용되는 포토리소그래피 기술에 의해서 포토레지스트를 코팅한 유리 기판에 마스크를 밀착시켜 UV 조사를 행하고 불필요한 부분의 레지스트를 에칭하는 방법이 있다. 톱니 형상화된 회절격자는 농담을 가한 마스크를 이용한
포토리소그래피에 의한 방법. EB에 의한 다중 직접노광에 의한 방법. 기계가공에 의한 방법등에 의해서 얻어진다.
(반도체 레이저)
다음에 본 발명의 센싱 장치의 광원으로서 양호하게 이용되는 반도체 레이저의 구성예에 대하여 진술한다.
제 12 도는 본 실시예에 적용한 전극 스트라이프형의 반도체 레이저의 일예를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
제 12 도에서 도시하는 반도체 레이저(100)는, n형 GaAs 기판(101)상에 복수의 AlGaAs계 화합물 반도체층이 적층된 반도체층(SL)을 갖는다. 이 반도체층(SL)은 n형 버퍼층(102), n형 제 1 클래드 층(103), n형 제 1 광 도파로층(104), 활성층(105), p형 제 2 광 도파로층(106), p형 제 2 클래드층 (107), p형 콘택트층(108)으로 구성되어 있다. 이들 각 반도체층의 조성, 막 및 종류를 표 1에서 나타낸다. 또, 표 1에서 각란의( )로 나타내는 수치는 후술하는 실험예에 이용한 반도체 레이저의 샘플의 구성을 나타낸다.
상기 콘택트 층(108)상에서는 스트라이프형상의 개구부, 즉 전류주입 영역(112)을 구성하기 위한 개구부를 갖는 전류 협착층(109)이 형성되어 있다. 이 전류 협착층(109)의 표면 및 개구부에서 노출하는 반도체층상에서는 p측 전극(110)이 형성되고 상기 기판(101)의 하면에는 n측 전극(111)이 형성되어 있다.
또한 주 빔측의 단면에는 AR 막(Anti-Reflective Film)으로 이루어지는 제 1 반사막(12)이 설치되고 모니터 빔측에는 HR 막(Highly Reflective Film)으로 이루어지는 제 2 반사막(121)이 형성되어 있다.
상기 활성층(105)은 제 13 도에서 도시하는 바와 같이 복수의 우물층을 갖는 다중 양자 우물 구조를 가지고 있다.
이 다중양자 우물 구조는 예를 들면 4층의 우물층(105a)과 3층의 배리어층(105b)이 교대로 적층되어 있다.
그런데 반도체층으로서 AlGaAs계 화합물 반도체를 이용한 경우에는 반도체 레이저의 발진파장은 통상 870nm부근이다.
그러나, 활성층으로서 양자 우물 구조를 채용하면 발진 파장은 단파장측으로 시프트하므로 AlGaAs계 화합물 반도체를 이용한 양자 우물 반도체 레이저에서는 통상 그 발진 파장이 830nm 보다 단파장측이다.
본 발명에서 이용되는 반도체 레이저에 있어서는 850nm 이상의 장파장에서 양호하게 발진하기 위해서는 반도체층, 특히 클래드층의 조성 및 활성층의 평탄성을 규정함이 중요하다.
먼저, 클래드층의 조성과 반도체 레이저의 특성과의 관계에 대해서 진술한다. 본 실시예의 샘플에 대하여 전류-광 출력 특성(I-L 특성)을 구하는 바, 제 14 도에 도시하는 결과를 얻을 수 있다. 또, 비교하기 위해서 클래드층의 A1 조성을 변형한 샘플을 작성하고 마찬가지로 I-L 특성을 구하였다. 이 비교용 샘플에 있어서는 제 1 클래드층의 A1 조성(Alx Ga1-x As에 있어서 x)은 0.22 이고, 제 2 클래드층의 A1조성은 0.22이며, 그 외의 구성에 대해서는 본 상태의 샘플과 같다.
제 14 도에서 양자의 실험 결과를 비교하면, 저전류 주입시에는 양자의 I-L 특성의 사이에는 큰 차가 보이지않는다. 그러나 주입 전류량이 약 20A를 초과하면, 비교용 샘플의 레이저는 광 출력이 현저하게 저하함을 알수 있다.
양자의 반도체 레이저의 차이는 그 온도 특성을 비교하면 보다 명확하게 된다. 온도 특성의 그래프를 제 15 도에서 도시 한다. 이 그래프는 동일한 전류를 주입했을 때의 광 출력을 20 내지 90℃의 온도 범위에 걸쳐 플롯한 것이며, 광 출력의 온도 의존성을 나타내고 있다. 이 실험에서는, 주입 전류는 30A이다.
제 15 도에서, 20℃일때의 광 출력을 100으로 했을 때 90℃에 있어서 광 출력을 △T로 하면, 본 실시예의 샘플에서는 △T는 80인데 대해, 비교용 샘플에서의 △T는 20이다. 따라서 본 실시예의 반도체 레이저는 비교용 레이저에 비해서 광 출력에 대한 동작 온도의 의존성이 꽤 작음을 알 수 있다.
비교용 레이저는 클래드층의 A1 조성이 0.22로 작기 때문에 주입 전류치가 클 때, 혹은 접합부의 온도가 높을 때, 주입 캐리어가 활성 영역으로부터 오버플로하여 효율이 저하할 것으로 예상된다. 비교용 레이저에 있어서 계산에 의해 활성층의 에너지 갭 클래드층의 에너지 갭과의 차이를 구하면, 불과 0.23eV임을 알았다. 본 발명자들의 연구에 의하면 활성층의 에너지 갭과 클래드층의 에너지 갭과의 차이가 0.35eV보다 큰 경우에 발광효율 및 온도 특성도 양호한 결과를 얻을 수 있음을 알고 있다. 이것으로부터 본 실시예의 양자 우물 반도체 레이저에 있어서 클래드층의 A1조성은 0.28보다 큰 것이 바람직하다.
또 상기 활성층(105)은, 1mm×1mm의 단위 영역에서 기준면에 대해 ±0.1μ m, 바람직하게는 ± 0.07μ m을 초과하는 요철을 갖지 않고 평탄성을 가질 필요가 있다. 본 실시예의 상기 샘플에 대하여 활성층의 기준면에 대한 요철(이하, 이것을 "평탄도"라고도 한다)을 탐침식의 평탄성 측정기 Dektak 3030 (Sloan Technolohy 사제)에 의해서 구한바, ± 0.05μ m이내였다. 또한 활성층의 기준면은 전술한 방법에 의해서 특정하였다.
상기 전류협착층(109)의 전류 주입 영역의 폭(제 12 도에 있어서 W로 도시)은 100 내지 250μ m, 바람직하게는 150 내지 200μ m이다.
이 전류 주입 영역의 폭이 100μ m보다 작으면 주입 전류의 밀도가 크게되어 고출력을 얻기 어렵게 되고, 한편, 250μ m을 초과하면 레이저 출사단면에서의 광 광도 분포가 불균일하게 되어 방사빔이 단일 봉우리형상으로 되지 않는다.
제 16 도 및 제 17 도는 이것을 증명하기 위한 실험 결과를 나타낸다. 제 16 도 및 제 17 도에 있어서 횡축은 전류 주입 영역의 폭(W)을 나타내며, 종축은 광출력을 나타내고 있다. 제 16 도는 전류 주입 영역의 폭(W)이 200μ m일 때의 광 강도 분포를 나타내고, 제 17 도는 전류 주입 영역의 폭(W)이 본 발명의 범위를 넘는 300μ m 일때의 광강도 분포를 나타내고 있다. 제 16 도에서 주입전류 영역의 폭이 200μ m이면 스트라이프의 전폭에 걸쳐 거의 균일한 광 출력을 얻고, 단일 봉우리 패턴의 양호한 수평 횡모드의 발진이 얻어짐을 알았다. 이에 대하여 제 17 도에서 전류 주입 영역의 폭이 300μ m에서는 균일한 광 강도 분포를 얻을 수 없음을 알았다.
본 실시예의 반도체 레이저(100)는 그 공진 기장(제 1 도에 있어서 L로 도시한다)은 500 내지 1,000μ m, 바람직하게는 600 내지 900μ m 이다. 공진기 길이(L)이 500μ m보다 작으면, 주입 전류 밀도가 크게 되어 광 출력이 저하하고, 한편 1,000μ m을 초과하면 발진개시 때의 전류치가 크게되어 소정의 광 출력을 얻기 위한 구동 전류가 커지며 구동 회로의 작성이 곤란하게 된다.
제 18 도는 이것을 확인하기 위한 I-L 특성을 나타내며 횡축에 주입 전류치, 종축에 광 출력을 도시한다. 이 실험에 있어서는 3종의 공진기 길이(L)에 대하여 조사하였다. 제 18 도에 있어서 부호 a로 나타내는 라인은 L이 700μ m, 부호 b로 나타내는 라인은 L이 600μ m 및 부호 c로 나타내는 라인은 L이 450μ m 일 때의 I-L 특성 곡선이다.
제 18 도에서 공진기 길이가 700μ m일때는 I-L 특성에 있어 양호한 직선관계가 얻어지고, 전류 주입치가 크게 되어도 높은 광 출력을 얻을 수 있음을 알았다. 공진기 길이가 600μ m 일 때에는 높은 전류 주입 영역에 있어서는 약간의 광출력 저하를 보이고 실용상은 거의 만족할 수 있는 것임을 알았다. 또 공진기 길이가 450μ m으로 본 발명의 범위 이외의 경우에는 높은 전류 주입 영역에 있어서 광 출력의 저하가 크고 실용으로는 적당하지 않음이 판명되었다.
상기 제 1 반사막(120)은 그 반사율이 0.1 내지 5% 인 것이 바람직하다. 이 제 1 반사막(120)의 반사율이 0.1 보다 작은 경우에는 발진 경계값에 달하지 못하고, 한편 5%를 넘을 경우에는 외부 미분 양자 효율이 내려가 고출력을 얻을 수 없다. 또, 상기 제 2 반사막(121)은, 그 반사율이 98.5% 이상인 것이 바람직하다.
제 2 반사막(121)의 반사율이 98.5%보다 작은 경우에는 발진 경계값 전류가 증가하여 고출력을 얻을 수 없다.
상기 제 1 반사막(120)의 반사율을 낮게 하기 위해서는 λ/4n(λ :발진파장. n : 유전체의 굴절율)의 막두께를 갖는 유전체막을 단층 코팅하든가 혹은 다른 굴절율의 유전체 박막(얇은막)을 2종 편성한 층을 2쌍 코팅한다. 후자의 경우에는 2종의 층내에 굴절율이 큰 유전체 박막이 내측 즉 반도체층의 단면측에 위치하고 굴절율이 작은 유전체박막이 외측에 위치하는 상태에서 적층될 필요가 있다. 표 2에서 제 1 반사막(120)의 구성, 즉 그 유정체 재료, 막두께, 층수 또는 대수, 반사율을 나타낸다. 표 2에서도 명확하듯이 다른 굴절율의 유전체박막의 편성을 2쌍 적층하여 형성된 반사막의 많은 단층 유전체막으로 이루어진 반사막에 비교하여 반사율이 매우 작게 이루어진다.
상기 제 2 반사막(121)은 다른 굴절율의 유전체박막을 λ/4n의 막두께로 교대로 적층하여 구성된다. 이 경우에는 상기 제 1 반사막(120)과는 반대로 굴절율의 작은 유전체 박막을 굴절율이 큰 유전체박막보다 반도체 층측에 형성해야 한다.
표 3에서 제 2 반사막(121)을 구성하는 유전체의 재료, 막두께, 쌍의 갯수 및 반사율에 대해 나타낸다. 표 3에 의하면 거의 반사막은 99% 이상이라는 높은 반사율을 가짐을 판명하였다.
제 19 도는 본 실시예에 대한 반도체 레이저의 에이징 테스트의 결과를 나타낸다. 제 19 도에 있어서 횡축은 에이징 시간, 및 종축은 누적 고장율을 나타낸다. 여기에서 에이징 시간 이란, 반도체 레이저를 통전구동한 연속시간을 나타내며, 누적 고장율 이란 같은 샘플군 중에서 몇 개 고장났는가를 나타 내는 비율이다.
에이징 테스트는 동일 웨이퍼에서 같이 제작한 본 실시의 상태의 구조를 갖는 반도체 레이저를 2개의 샘플군으로 나누고 샘플군 1은 패키지 온도(환경 온도)를 80℃, 샘플군 2는 패키지 온도를 50℃로 유지하고, 반도체 레이저를 구동하여 레이저 광의 출력변화를 측정함에 따라 행하여졌다. 구동 조건은 샘플군 1 및 2도 펄스 구동(100ns, 1KHz), 40A의 정전류 구동에서 행하였다.
또, 고장판정은 반도체 레이저의 일반적인 고장의 판정이다.
광 출력이 초기 광출력(에이징 개시때의 광 출력)의 90% 이하로 되었을 때로 하고 에이징 개시로부터 고장까지의 시간을 고장 시간으로 하였다.
제 19 도에서 샘플군 1과 샘플군 2의 누적 고장율의 경향은 거의 같으며 양자의 샘플은 같은 열화 모드에서 열화하고, 온도 에너지의 차가 고장 시간을 지배하고 있음을 알수 있다.
여기에서 평균 고장시간(MTTF : 샘플군의 반수가 고장한 시간, 즉, 누적 고장율이 50%인 시간)을 구하면, 패키지 온도가 80℃인 경우는 2900시간, 50℃인 경우는 7300시간이었다. 일반적으로 온도 에너지의 영향은 온도의역수(1/온도)에 의존하므로 상기의 결과를 이용하여 온도의 역수와 평균 고장 시간과의 관계를 구하는 바, 제 20 도에서 도시하는 결과를 얻을 수 있었다. 제 20 도에 있어서 횡축은 (1/온도)를 나타내며 종축은 평균 고장시간을 나타낸다. 제 20 도에서, 사용 온도(30℃)에 있어 평균 고장 시간을 구하면 약 15000시간이 됨을 알수 있었다.
통상의 반도체 레이저(저출력의 레이저)사용에서는 평균 고장 시간(사용온도 3℃)으로서는 10000시간 이상 보증됨이 요구되고 있다. 따라서 본 실시예에 있어 넓은 스트라이프 폭 및 긴 공진 기장을 갖는 고출력 반도체 레이저에 있어서도 평단한 활성층을 형성함에 따라 통상의 반도체 레이저와 손색없는 평균 고장 시간을 갖음을 판명하였다.
다음으로 본 실시예의 반도체 레이저 제조 방법의 1예에 대하여 설명한다.
먼저, n형 GaAs 기판(101)상에서 n형 버퍼층(102), n형 제 1 클래드층(103). n형 제 1 광도파로층(104), 활성층(105), p형 제 2 광 도파로층(106), p형 제 2 클래드층(107), p형 콘택트층(108)으로 이루어지는 AlGaAs계 반도체 층(SL) (제 12 도 참조)을 순차로 유기 금속 화학 기상성장법(MOCVD)에 의해서 에피택셜 성장시킨다. 이 성막 조건으로서는 예를 들면 성장 온도는 680 내지 800℃. 성장 압력은 50 내지 200 Torr로 하고, Ⅲ족 원료로서는 트리메틸 알루미늄(TMA1)등의 유기 금속을 이용하고, V족 원료로서는 알루민(AsH3)등의 수소화물을 이용하고, n형 도포제 (dopant)로서는 H2Se, p형 도포제로서는 에틸 아연(EDZn)을 이용한다.
상기 AlGaAs계 반도체층을 구성하는 각층은, A1조성, 막두께, 도포제의 조건을 표 1에서 도시하는 조건으로 설정된다.
이때 n형 기판(101)으로서는 1mm×1mm의 단위 영역내에서 ±0.05μ m를 초과하는 요철을 갖지 않는, 평탄성이 좋은 기판을 이용하고 있다. 상기 요철은 기판의 기준면, 즉 상기 기판(101)상에서 상정되는 평면으로서 해당 기판의 단위영역에 있어서 평균두께에 상당하는 높이를 갖는 평면에 대한 요철을 의미한다. 또, 반도체층을 형성하기 전에 상기 기판을 H2SO4 : H2O2 : H20 = 5 : 1 : 1의 에칭액(etchant)내에 있어 충분한 교반을 행하면서 에칭하므로써 상기 기판의 평탄성을 저하시키지 않고 청정한 표면을 얻음이 바람직하다. 또, 반도체층은 MOCVD에 있어서 가스유량을 최적화함에 의해 1mm×1mm의 단위 영역내에서의 요철을 ±0.02μ m 이하로 억제할 수 있다. 따라서, 기판 및 활성층보다 하위의 반도체층(활성 층을 포함하지 않는다)의 전체의 평탄도를 ±0.07μ m이하로 할수 있다. 본 발명자들의 연구에 의하면, 활성층보다 하위의 반도체 층(활성층을 포함하지 않는다)의 평탄도를 ±0.05μ m 이하로 억제함에 따라서 상기 활성층(105)의 평탄도가 ±0.1μ m 이상으로 되는 것을 확인하고 있다.
AlGaAs계 반도체층(SL)의 성장후, 상기 콘택트 층(108)상에서 화학적 기상성장법(CVD)에 의해 절연막을 증착한다. 본 실시예에서는 절연막으로서 SiO2를 이용하였다.
이 절연막을 일반적으로 이용되는 포토 리소 그래피 및 에칭 기술에 의하여 패터닝하고 중앙부에 스트라이프형상의 전류 주입 영역(112)을 가지는 전류 협착층(109)을 형성한다.
그후, 상기 기판(101)의 다른쪽면 및 전류 협착층(109)과 전류 주입 영역(112)의 표면에 n측 오옴 전극(111) 및 p측 오옴 전극(110)을 증착한다. 그후 질소 분위기내에서 예를 들면 350 내지 450℃에서 30초 내지 120초의 얼로잉을 행한다.
이어서 제 1 반사막(120) 및 제 2 반사막(121)을 구성하는 유전체막을 전자빔 증착에 의해 형성한다. 즉, 먼저 벽개 (쪼개져서 갈라짐) 하여 바(bar) 상태로 된 레이저 웨이퍼를 겹쳐 쌓고 벽개 단부면에만 유전체막이 형성할 수 있도록 한다.
이것을 증착용 챔버에 설치하고 진공도를 5×10-6Torr 이하로 되도록 진공 배기하여, 상기 바 상태의 웨이퍼를 100℃ 내지 250℃ 온도로 가열한다. 증착 속도가 0.1 내지 1nm/초로 되도록 전자선 전류를 조정하여 각 유전체층을 형성한다.
이렇게 하여 얻어진 반도체 레이저(100)는 단일 와이드 스트라이프 구조를 갖는 이득 도파형의 반도체 레이저이다. 본 실시예의 반도체 레이저(100)는, 평탄성이 양호한 다중 양자 우물 구조를 갖는 활성층을 갖고, 클래드 층의 A1 조성을 특정 범위로 설정하며, 공진기 길이가 500 내지 1,000μ m로 크고, 전류 쥬입 영역의 폭이 100 내지 250μ m으로 넓은 등의 구성상의 특징을 갖고, 약 100 내지 250μ m의 넓은 발진 영역을 확보하면서 최고 출력이 약 50(W)라는 고 출력에서, 파장이 860nm의 단봉패턴의 발진이 가능하다.
제 21 도는 본 발명에서 적용되는 다른 반도체 레이저를 나타내는 단면도이다.
이 반도체 레이저(600)는, 상기 반도체 레이저(100)와 다음의 두가지에서 상위하고 있다. 그 하나는, 제 2광 도파로 층(606)과 제 2 클래드 층(607)과의 사이에서 캐리어 오버 플로를 억제하기 위한 블록층(613)을 삽입한 것이고, 다른 하나는 클래드층(603, 607)의 A1 조성을 0.20 내지 0.40으로 낮게 한 것이다. 그외의 구성 즉 GaAs 기판(601), 버퍼층(602), 제 1광 도파로층(604), 활성층(605), 제 2광 도파로층(606), 콘택트 층(608), 전류 협착층(609), 전극(610, 611) 및 단면 반사막(도면에서 도시하지 않음)에 대해서는 기본적으로는 상기 반도체 레이저(100)와 같은 것이므로, 그 상세한 기재는 생략한다. 표 4에서 반도체 레이저(600)의 반도체 층을 구성하는 각층의 A1조성, 막 두께 및, 도포제에 대해 기재한다.
반도체 레이저(600)에 있어서는 블록층(613)을 형성함에 의해서 클래드층(603, 607)의 A1 조성을 늘리지 않고 주입 캐리어 오버플로를 억제할 수 있다. 즉, 상기 반도체 레이저 (100)에 있어서는 클래드층(103, 107)의 A1 조성을 비교적 큰 특정 범위로 함에 따라 주입 캐리어의 오버플로를 억제하고 있다. 그러나 반면에 클래드층의 A1 조성을 크게하면 광파의 봉쇄 계수가 크게 되어버리는 결과, 2개의 양호하지 못한 점이 생긴다. 그 하나는 반도체층의 접합 방향에 수직인 방향의 원시야상이 커지고, 이 결과 원시야상의 타원율이 커지게 되어 발광소자로서 사용하는 경우 광학계의 설계가 어렵게 되는 것, 또 하나의 점은 단면부근의 발광영역의 광밀도가 높게되므로 단면 파괴를 발생하기 쉽게 되는 것이다. 반도체 레이저(600)에서는 이러한 클래드층의 A1조성비를 크게하는 것에 기인하는 양호하지 않은 점을 해결하면서 상기 반도체 레이저(100)와 같은 양호한 광발진이 가능하다.
블록층(618)은 막두께가 양호한 것은 8 내지 20nm, 보다 양호한 것은 10 내지 15nm, A1 조성비(x)가 양호한 것은 0.30 내지 0.60, 보다 양호한 것은 0.35 내지 0.5이다.
다음으로 반도체 레이저(600)를 이용한 특성시험의 결과에 대하여 기술한다. 실험에 이용하는 샘플로서는 표 4에 있어 각란의 ( )에서 나타내는 구성의 것을 이용하였다. 먼저, I-L 특성을 구하는바, 제 22 도에서 도시하는 결과를 얻을 수 있다.
제 22 도내의 부호 a는 블록층을 갖는 반도체 레이저 (600)의 I-L 특성이며 제 22 도 내의 부호 b는 블록층을 갖지 않고, 그 이외의 층은 상기 반도체 레이저(100)와 같은 구성을 갖는 비교용 반도체 레이저의 특성을 나타낸다. 제 22 도에서 명백하듯이 블록층이 있는 경우에는 고주입 전류시에 있어서도 직선성이 유지되고 블록층이 없는 경우에는 광출력이 포화해 버리는 것을 알수 있다.
또한, 상기 반도체 레이저 100으로 같이 그 온도 특성을 측정한바, 20℃일때의 광 출력을 (100)으로 했을 때 90℃에서의 광 출력을 △T로 하면, △T는 70이었다. 상기 반도체 레이저 (100)의 비교용 샘플의 결과(제 15 도 참조)에서 알수 있듯이 블록층이 없는 경우에는 △T는 20 이었던 것에서 블록층(613)을 삽입하므로써 온도 특성이 대폭으로 개선되었다. 또 이 샘플에 대해서 원시야상을 구한바, 블록층을 삽입하지 않은 경우와 마찬가지로 24deg였다. 이렇게 양호한 광 출사특성을 갖는 이유는 블록층(613)의 막 두께가 충분히 얇아서 광의 도파모드에는 영향을 주지 않고 주입 캐리어가 활성 영역에서 오버플로하는 것을 억제하고 있다.
상기 반도체 레이저(600)에서는 블록층(613)은 제 2광 도파로층(606)과 제 2 블록층(607)과 사이에 삽입된 예에 대하여 기재하였지만 이것에 한정하지 않고 블록층은 제 1 클래드층(603)과 제 1 광 도파로층(604) 사이에 삽입하여도되며 또는 제 1 클래드층(603)과 제 1 광 도파로층(604)과의 사이 및 제 2 클래드층(607)과 제 2 광 도파로층(606)과의 사이에 각각 삽입 하여도 된다.
본 발명에 적용되는 반도체 레이저는 상기 반도체 레이저 (100, 600)와 같은 전극 스트라이프형에 한정되지 않고 다른 스트라이프 구조의 반도체 레이저, 예를 들면 평면(planar)스트라이프형, 프로톤(proton) 스트라이프형의 반도체 레이저등이라도 괜찮다.
이상, 본 발명의 양호한 실시예에 대하여 기재하였지만 본 발명은 이 실시예에 한정되는 것이 아니라 발명의 요지 범위 내에서 여러 가지 변경 및 수정이 가능하다.

Claims (16)

  1. 반도체 레이저로 이루어지는 광원과,
    상기 광원으로부터 사출광의 광축상에 배치된 렌즈면 및 회절격자면을 포함하는 송광 광학계 및,
    상기 사출광의 피검출체에 의해 반사광을 검출하는 수광 검출 시스템을 포함하며;
    상기 사출광은 상기 회절 격자면에 의해서 적어도 직교하는 두 방향으로 회절되는 것을 특징으로 하는 광 센싱 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회절 격자면은 단일 회절격자로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광 센싱 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 회절 격자면은 격자기판의 양면에 형성된 제 1 회절격자면과 제 2 회절격자면으로 이루어지며, 각 회절 격자면은 각각 한방향의 직선상의 요철군으로 이루어지는 격자 패턴을 가지고, 상기 제 1 회절격자면의 요철군의 방향과 상기 제 2 회절 격자면의 요철군의 방향이 직교하는 것을 특징으로 하는 광 센싱 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 회절 격자면은 격자기판의 한쪽면에 형성된 회절 격자면으로 이루어지고, 상기 회절 격자면은 직교하는 직선형의 요철군으로 이루어지는 격자패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 광 센싱 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 회절 격자면은 격자기판의 한쪽면에 형성된 회절 격자면으로 이루어지고, 상기 회절 격자면은 중심을 공통으로 하는 곡선형의 요철군으로 이루어지는 격자 패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 광 센싱 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 격자 패턴은 중심을 공통으로 하는 원형상 또는 타원형상의 요철군으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 센싱 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈면 및 상기 회절격자면은 단일의 기판에 형성되며, 상기 기판의 한쪽면에 굴절형 렌즈면이 형성되고, 다른쪽면에 중심을 공통으로 하는 원형상 또는 타원형상의 요철군으로 이루어지는 회절형 렌즈면이 형성된 것을 특징으로 하는 광 센싱 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회절 격자면은 상기 회절 격자면을 구성하는 요철군의 단면형상이 톱니 형상인 것을 특징으로 하는 광 센싱 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 레이저는 제 1 도전형의 화합물 반도체로 이루어지는 기판, 상기 기판의 한쪽면상에 적층된 반도체층, 상기 반도체층상에 형성되어 하나 이상의 스트라이프 형상의 전류 주입 영역을 갖는 전류 협착층 및, 상기 기판과 반도체층의 단부면에 형성된 단부면 반사막을 포함하며;
    상기 반도체층은, 상기 기판측에 위치하는 제 1 도전형의 제 1 클래드층, 상기 제 1 클래드층상에 형성된 제 1 도전형의 제 1 광 도파로층(導波路層), 상기 제 1 광 도파층상에 형성된 양자우물 구조를 갖는 활성층, 상기 활성층상에 형성된 제 2 도전형의 제 2 광 도파로층, 상기 제 2 광 도파로층상에 형성된 제 2 도전형의 제 2 클래드층 및 상기 제 2 클래드층상에 형성된 콘택트층을 포함하고;
    상기 활성층은 1mm×1mm의 단위 영역에서 요철이 기준면에 대하여 ±0.1μ m 이하의 범위에 있는 평탄성을 가지며, 상기 전류 협착층의 전류 주입 영역의 폭은 100 내지 250μ m 이며, 공진기 길이는 500 내지 1,000μ m인 것을 특징으로 하는 광 센싱 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 반도체층은 AlGaAs계 화합물 반도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 센싱 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 단부면 반사막은 반사율이 0.1 내지 5%인 제 1 반사막과 반사율이 9.5% 이상인 제 2 반사막의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 센싱 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 단부면 반사막은 굴절율이 다른 2종의 유전체 박막을 교대로 적층하여 구성된 유전체막으로 이루어지며, 상기 제 1 반사막은 굴절율이 큰 유전체박막이 상기 반도체층에 위치하는 사태에서 적층되고, 상기 제 2 반사막은 굴절율이 작은 유전체 박막이 상기 반도체층측에 위치하는 상태에서 형성된 것을 특징으로 하는 광 센싱 장치.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성층은 우물층 및 배리어층을 포함하며, 상기 우물층은 AlxGa1-xAs에서의 x가 0이고, 상기 배리어 층은 AlxGa1-xAs 에서의 x가 0.15 내지 0.25이며, 상기 클래드층은 AlxGa1-xAs 에서의 x가 0.28 이상인 것을 특징으로 하는 광 센싱 장치.
  14. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 클래드층과 제 1 광 도파로층 사이 및, 상기 제 2 클래드층과 제 2 광 도파로층 사이 중 적어도 한쪽에 블록층이 형성된 것을 특징으로 하는 광 센싱 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 클래드층 및 제 2 클래드층은 AlxGa1-xAs에 있어서 x가 0.20 내지 0.40인 것을 특징으로 하는 광 센싱 장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 블록층은 8 내지 20nm의 막 두께를 갖고, AlxGa1-xAs에 에서의 x가 0.30 내지 0.60인 것을 특징으로 하는 광 센싱 장치.
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