特開 2024-58613 面発光レーザ、レーザ装置、検出装置、移動体及び面発光レーザの駆動方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024058613

(43)【公開日】2024-04-25

(54)【発明の名称】面発光レーザ、レーザ装置、検出装置、移動体及び面発光レーザの駆動方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/183 20060101AFI20240418BHJP

   H01S 5/042 20060101ALI20240418BHJP

   H01S 5/065 20060101ALI20240418BHJP

   G01S 7/481 20060101ALI20240418BHJP

【ＦＩ】

H01S5/183

H01S5/042

H01S5/042 610

H01S5/065

G01S7/481 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023172921

(22)【出願日】2023-10-04

(31)【優先権主張番号】P 2022165853

(32)【優先日】2022-10-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】000006747

【氏名又は名称】株式会社リコー

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】軸谷 直人

(72)【発明者】

【氏名】原坂 和宏

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 亮一郎

(72)【発明者】

【氏名】米田 豊

(72)【発明者】

【氏名】上野 尚文

【テーマコード（参考）】

5F173

5J084

【Ｆターム（参考）】

5F173AC03

5F173AC13

5F173AC35

5F173AC42

5F173AC52

5F173AF96

5F173AH03

5F173AP67

5F173AR37

5J084AA05

5J084AC02

5J084AC06

5J084AC07

5J084AD01

5J084BA04

5J084BA36

5J084BA40

5J084CA03

5J084CA10

5J084DA01

5J084DA08

5J084DA09

5J084EA29

(57)【要約】

【課題】裾引きを低減した短パルス光を得ることができる面発光レーザ、レーザ装置、検出装置及び面発光レーザの駆動方法を提供する。
【解決手段】面発光レーザは、活性層と、前記活性層を挟んで対向する複数の反射鏡と、電源装置に接続され、前記活性層に電流を注入することが可能な電極対と、を有し、前記電源装置により電流が注入される期間を電流注入期間、前記電流注入期間の後であって前記活性層に注入される電流値が前記電流注入期間における電流値よりも低下する期間を電流減少期間として、前記電流注入期間に注入される電流値が第１の電流値である場合、前記電流注入期間に少なくとも１回レーザ発振し、前記電流注入期間に注入される前記電流値が、前記第１の電流値を上回る第２の電流値である場合、前記電流減少期間に少なくとも１回レーザ発振する。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

活性層と、
前記活性層を挟んで対向する複数の反射鏡と、
電源装置に接続され、前記活性層に電流を注入することが可能な電極対と、
を有し、
前記電源装置により電流が注入される期間を電流注入期間、前記電流注入期間の後であって前記活性層に注入される電流値が前記電流注入期間における電流値よりも低下する期間を電流減少期間として、
前記電流注入期間に注入される電流値が第１の電流値である場合、前記電流注入期間に少なくとも１回レーザ発振し、
前記電流注入期間に注入される前記電流値が、前記第１の電流値を上回る第２の電流値である場合、前記電流減少期間に少なくとも１回レーザ発振する、
面発光レーザ。

【請求項2】

前記電流注入期間に注入される前記電流値が前記第１の電流値である場合、前記電流注入期間に複数回レーザ発振する、請求項１に記載の面発光レーザ。

【請求項3】

前記電流注入期間に注入される前記電流値が前記第２の電流値である場合、前記電流注入期間に少なくとも１回レーザ発振して第１の光を出力するとともに、前記電流減少期間に１回レーザ発振して前記第１の光よりも強度の大きい第２の光を出力する、請求項１に記載の面発光レーザ。

【請求項4】

出力ピーク値の１／ｅ^２となる時間幅を光パルス幅として、前記電流注入期間における少なくとも１回の前記レーザ発振によって、１１０ｐｓ以下の光パルス幅を有する単一のパルス光を出射する、請求項１又は２に記載の面発光レーザ。

【請求項5】

光の射出方向に垂直な面内に、相対的に屈折率の高い高屈折領域と、該高屈折領域よりも屈折率が低く、該高屈折領域を取り囲む低屈折領域と、を有し、
前記低屈折領域は、酸化狭窄により形成されており、
前記高屈折領域の厚さは、３５ｎｍ以下であり、
前記低屈折領域と前記高屈折領域との境界の先端部から３μｍの位置における前記低屈折領域の厚さは、前記高屈折領域の厚さの２倍以下である、請求項１又は２に記載の面発光レーザ。

【請求項6】

前記低屈折領域と前記高屈折領域の境界の先端部で囲まれる領域の、光の射出方向に垂直な面内における面積が１２０μｍ^２以下である、請求項５に記載の面発光レーザ。

【請求項7】

請求項１又は２に記載の面発光レーザと、
前記電極対に接続され、前記面発光レーザに電流を注入する電源装置と、
を備えるレーザ装置。

【請求項8】

請求項７に記載のレーザ装置と、
前記面発光レーザから発せられ対象物で反射された光を検出する検出部と、
を備え、
前記検出部からの信号に基づき前記対象物との距離を算出する、
検出装置。

【請求項9】

請求項８に記載の検出装置を備える移動体。

【請求項10】

活性層と、
前記活性層を挟んで対向する複数の反射鏡と、
電源装置に接続され、前記活性層に電流を注入することが可能な電極対と、
を有する面発光レーザの駆動方法であって、
前記電極対からの前記電流を注入することで、前記面発光レーザをレーザ発振させるレーザ発振工程を有し、
前記電源装置により前記電流が注入される期間を電流注入期間、前記電流注入期間の後であって前記活性層に注入される電流値が前記電流注入期間における電流値よりも低下する期間を電流減少期間として、
前記レーザ発振工程は、
前記電流注入期間に注入される電流値が第１の電流値である場合、前記電流注入期間に少なくとも１回レーザ発振させる工程と、
前記電流注入期間に注入される前記電流値が、前記第１の電流値を上回る第２の電流値である場合、前記電流減少期間に少なくとも１回レーザ発振させる工程と、
を含む面発光レーザの駆動方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、面発光レーザ、レーザ装置、検出装置、移動体及び面発光レーザの駆動方法に関する。

【背景技術】

【0002】

人間の目に対するレーザの安全基準はアイセーフのクラスにより分類され、ＩＥＣ．６０８２５－１Ｅｄ．３（準ずる国内規格ＪＩＳ Ｃ ６８０２）により規定されている。距離測定装置を様々な環境で使用するためには、安全対策や警告が不要となるクラス１の基準を満たすことが望ましい。クラス１の基準の一つとして平均パワーの上限が規定されている。パルス光の場合は、ピーク出力、パルス幅、デューティ比から平均パワーに換算して規格値と比較する。パルス光のパルス幅が短いほど許容されるピーク出力が高くなるため、高ピーク出力でパルス幅が短いレーザ光源は、アイセーフを満たしつつ、ＴＯＦ（Time Of Flight）センサにおいて高精度化と長距離化の両立のために有用である。

【0003】

１ｎｓ以下の短パルス化を実現する手段として、ゲインスイッチング、Ｑスイッチング、モードロックなどがある。ゲインスイッチングは、緩和振動現象を利用して１００ｐｓ以下のパルス幅を実現する手段である。パルス電流の制御だけで実現できるため、Ｑスイッチングやモードロックに比べて構成が簡易である。

【0004】

しかし、ゲインスイッチングでは、緩和振動現象を利用するため先頭のパルス以後に複数のパルス列が出力されやすい。あるいは緩和振動がおさまった後に広いパルス幅のテール光（裾引き）が出力されやすい。これらの現象は応用する上で望ましくない。例えば、単一光子アバランシェダイオード（Single Photon Avalanche Diode：ＳＰＡＤ）を用いてガイガーモードで検出する場合、最も高いピーク出力だけがセンシング対象となり、対象とするパルス以外にパルスが複数あるとノイズとなり、またテール光は不要なエネルギーであるためアイセーフの観点で不利になる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

裾引きを低減した短パルス光を発生することのできる面発光レーザには検討の余地がある。

【0006】

本発明は、裾引きを低減した短パルス光を得ることができる面発光レーザ、レーザ装置、検出装置、移動体及び面発光レーザの駆動方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

開示の技術の一態様によれば、面発光レーザは、活性層と、前記活性層を挟んで対向する複数の反射鏡と、電源装置に接続され、前記活性層に電流を注入することが可能な電極対と、を有し、前記電源装置により電流が注入される期間を電流注入期間、前記電流注入期間の後であって前記活性層に注入される電流値が前記電流注入期間における電流値よりも低下する期間を電流減少期間として、前記電流注入期間に注入される電流値が第１の電流値である場合、前記電流注入期間に少なくとも１回レーザ発振し、前記電流注入期間に注入される前記電流値が、前記第１の電流値を上回る第２の電流値である場合、前記電流減少期間に少なくとも１回レーザ発振する。

【発明の効果】

【0008】

開示の技術によれば、裾引きを低減した短パルス光を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１実施形態に係る面発光レーザを示す断面図である。

【図2】第１実施形態における酸化狭窄層及びその近傍を示す断面図である。

【図3】参考例における酸化狭窄層及びその近傍を示す断面図である。

【図4】実測に用いた回路を示す等価回路図である。

【図5】参考例についての実測結果を示す図である。

【図6】第１実施形態についての実測結果を示す図である。

【図7】構造による電界強度及び透過屈折率の分布の相違を示す図である。

【図8】時間変化に伴う電界強度及び透過屈折率の分布の変化を示す図である。

【図9】参考例におけるキャリア密度及びしきい値キャリア密度についてのシミュレーション結果を示す図である。

【図10】参考例における光出力についてのシミュレーション結果を示す図である。

【図11】第１実施形態についてのシミュレーションで用いた関数の例を示す図である。

【図12】第１実施形態における光出力についてのシミュレーション結果を示す図である。

【図13】第１実施形態におけるキャリア密度、しきい値キャリア密度、光子密度及び横方向の光閉じ込め係数のシミュレーション結果を示す図である。

【図14】図１３中の一部を拡大して示す図である。

【図15】パルス光の実測結果及びシミュレーション結果の例を示す図である。

【図16】シミュレーションに用いた第１モデルを示す図である。

【図17】基本モードの電界強度分布の断面プロファイルを示す図である。

【図18】光閉じ込め係数と酸化狭窄層の厚さ及び非酸化領域の直径との関係の計算結果を示す図である。

【図19】第１モデルについての酸化狭窄層の厚さと光閉じ込め係数との関係の計算結果を示す図である。

【図20】シミュレーションに用いた第２モデルを示す図である。

【図21】シミュレーションに用いた第３モデルを示す図である。

【図22】第２モデル及び第３モデルについての屈折率の低下量と光閉じ込め係数との関係の計算結果を示す図である。

【図23】シミュレーションに用いた第４モデルを示す図である。

【図24】第４モデルについての境界から外側に３μｍ離れた位置における酸化領域の厚さと光閉じ込め係数との関係の計算結果を示す図である。

【図25】電流狭窄面積とピーク光出力との関係を示す図である。

【図26】パルス電流値が大きい場合のパルス光発振特性を説明するための図。

【図27】パルス電流値が小さい場合のパルス光発振特性を説明するための図。

【図28】第２実施形態に係る面発光レーザを示す断面図である。

【図29】第３実施形態に係るレーザ装置を示す図である。

【図30】デューティ比とパルス光のピーク出力との関係を示す図である。

【図31】第４実施形態に係る距離測定装置を示す図である。

【図32】第５実施形態に係る移動体を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

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。

【0011】

（第１実施形態）
まず、第１実施形態について説明する。第１実施形態は面発光レーザに関する。図１は、第１実施形態に係る面発光レーザを示す断面図である。

【0012】

第１実施形態に係る面発光レーザ１００は、例えば酸化狭窄を採用した垂直共振器型面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：ＶＣＳＥＬ）である。面発光レーザ１００は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１０と、ｎ型分布ブラッグ反射鏡（distributed Bragg reflector：ＤＢＲ）１２０と、活性層１３０と、ｐ型ＤＢＲ１４０と、酸化狭窄層１５０と、上部電極１６０と、下部電極１７０とを有する。

【0013】

本実施形態においては、ｎ型ＧａＡｓ基板１１０の表面に垂直な方向に光が射出される。以下、ｎ型ＧａＡｓ基板１１０の表面に垂直な方向を縦方向、ｎ型ＧａＡｓ基板１１０の表面に平行な方向を横方向又は面内方向ということがある。

【0014】

ｎ型ＤＢＲ１２０はｎ型ＧａＡｓ基板１１０上にある。ｎ型ＤＢＲ１２０は、例えば複数のｎ型半導体膜を積層して構成された半導体多層膜反射鏡である。活性層１３０はｎ型ＤＢＲ１２０上にある。活性層１３０は、例えば、複数の量子井戸層及び障壁層を含む。活性層１３０は共振器に含まれる。ｐ型ＤＢＲ１４０は活性層１３０上にある。ｐ型ＤＢＲ１４０は、例えば複数のｐ型半導体膜を積層して構成された半導体多層膜反射鏡である。共振器中において、活性層１３０は、発振光の定在波の腹と節の中間よりも腹側となる位置に設けられている。活性層１３０を定在波の腹となる位置に設けた場合、発光効率が最も高くなる。

【0015】

上部電極１６０はｐ型ＤＢＲ１４０の上面に接触する。下部電極１７０はｎ型ＧａＡｓ基板１１０の下面に接触する。上部電極１６０と下部電極１７０との対は、電極対の一例である。ただし、電極の位置はこれには限定されず、活性層に電流を注入できる位置にあればよい。例えば、ＤＢＲを介してではなく共振器のスペーサ層に直接電極を配置するイントラキャビティ構造であってもよい。

【0016】

ｐ型ＤＢＲ１４０は、例えば酸化狭窄層１５０を含む。酸化狭窄層１５０はＡｌを含有する。酸化狭窄層１５０は、光の射出方向に垂直な面内に、酸化領域１５１と、非酸化領域１５２とを含む。酸化領域１５１は、環状の平面形状を有し、非酸化領域１５２を取り囲む。非酸化領域１５２は、ｐ型ＡｌＡｓ層１５５と、縦方向でｐ型ＡｌＡｓ層１５５を間に挟む２つのｐ型Ａｌ_０．８５Ｇａ_０．１５Ａｓ層１５６とから構成される。酸化領域１５１はＡｌＯ_ｘから構成される。酸化領域１５１の屈折率は非酸化領域１５２の屈折率よりも低い。例えば、酸化領域１５１の屈折率は１．６５であり、ｐ型ＡｌＡｓ層１５５の屈折率は２．９６であり、ｐ型Ａｌ_０．８５Ｇａ_０．１５Ａｓ層１５６の屈折率は３．０４である。平面視で、メサ１８０の酸化領域１５１の内縁の内側の部分は高屈折領域の一例であり、メサ１８０の酸化領域１５１の内縁の外側の部分は低屈折領域の一例である。なお、ｐ型Ａｌ_０．８５Ｇａ_０．１５Ａｓ層１５６に代えて、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ層（０．７０≦ｘ≦０．９０）が設けられてもよい。本実施形態では、ｐ型ＤＢＲ１４０、活性層１３０及びｎ型ＤＢＲ１２０がメサ１８０を構成している。ただし、酸化狭窄により電流狭窄領域を形成する本実施形態においては、少なくとも酸化狭窄層１５０および酸化狭窄層１５０より上に位置する半導体層がメサ形状に形成されていればよい。また、少なくとも活性層がメサに含まれるよう形成することで、活性層で発生した光が横方向へ漏れることを防ぐことができる。

【0017】

ここで、酸化狭窄層１５０について詳細に説明する。図２は、第１実施形態における酸化狭窄層及びその近傍を示す断面図である。

【0018】

図２に示すように、酸化領域１５１は、平面視で、環状の外側領域１５３と、環状の内側領域１５４とを有する。外側領域１５３はメサ１８０の側面に露出する。外側領域１５３は、断面視で表面の接触面が酸化領域１５１の外側に位置するように厚さが変化する領域であり、内側領域１５４は、断面視で表面の接触面が酸化領域１５１の内側に位置するように厚さが変化する領域である。内側領域１５４は外側領域１５３の内側にある。内側領域１５４の厚さは、外側領域１５３との境界において外側領域１５３の厚さと一致し、メサ１８０の中心に近づくほど薄くなっている。内側領域１５４は、断面視で、内縁から外側領域１５３との境界にかけて徐々に厚くなるテーパ形状を有する。非酸化領域１５２は外側領域１５３の内側にある。非酸化領域１５２の一部は縦方向で内側領域１５４を挟む。非酸化領域１５２の他の一部は平面視で内側領域１５４の内縁の内側にある。例えば、非酸化領域１５２の厚さは３５ｎｍ以下である。外側領域１５３の厚さは非酸化領域１５２の厚さより大きくてもよい。なお、本開示において、非酸化領域１５２の厚さとは、酸化領域１５１の内縁（内側領域１５４の内縁）よりもメサ１８０の中心側の部分の厚さである。例えば、メサ１８０の側面から酸化領域１５１の内縁までの距離は、約８μｍ～１１μｍの範囲である。

【0019】

酸化領域１５１は、例えばｐ型ＡｌＡｓ層及びｐ型Ａｌ_０．８５Ｇａ_０．１５Ａｓ層の酸化狭窄により形成されている。例えば、高温水蒸気環境下でのｐ型ＡｌＡｓ層及びｐ型Ａｌ_０．８５Ｇａ_０．１５Ａｓ層の酸化処理により酸化領域１５１を形成できる。なお、同一のｐ型ＡｌＡｓ層及びｐ型Ａｌ_０．８５Ｇａ_０．１５Ａｓ層を酸化したとしても、酸化の条件により、ｐ型ＡｌＡｓ層及びｐ型Ａｌ_０．８５Ｇａ_０．１５Ａｓ層から得られる酸化狭窄層の構造は相違し得る。従って、酸化により酸化狭窄層１５０となる層、例えばｐ型ＡｌＡｓ層及びｐ型Ａｌ_０．８５Ｇａ_０．１５Ａｓ層の酸化前の構造が同一であっても、酸化の条件によっては、酸化領域１５１及び非酸化領域１５２を備えた酸化狭窄層１５０が得られないことがある。

【0020】

ここで、参考例と比較しながら、第１実施形態の作用効果について説明する。図３は、参考例における酸化狭窄層及びその近傍を示す断面図である。

【0021】

参考例では、酸化狭窄層１５０が、酸化領域１５１及び非酸化領域１５２に代えて、酸化領域９５１及び非酸化領域９５２を有する。酸化領域９５１は、環状の平面形状を有し、非酸化領域９５２を取り囲む。非酸化領域９５２は、ｐ型ＡｌＡｓ層９５５と、縦方向でｐ型ＡｌＡｓ層９５５を間に挟む２つのｐ型Ａｌ_０．８５Ｇａ_０．１５Ａｓ層９５６とから構成される。酸化領域９５１はＡｌＯ_ｘから構成される。酸化領域９５１は、平面視で、環状の外側領域９５３と、環状の内側領域９５４とを有する。外側領域９５３はメサ１８０の側面に露出する。外側領域９５３の厚さは面内方向で一定である。内側領域９５４は外側領域９５３の内側にある。内側領域９５４の厚さは、外側領域９５３との境界において外側領域９５３の厚さと一致し、メサ１８０の中心に近づくほど薄くなっている。内側領域９５４は、断面視で、内縁から外側領域９５３との境界にかけて徐々に厚くなるテーパ形状を有する。非酸化領域９５２は外側領域９５３の内側にある。非酸化領域９５２の一部は縦方向で内側領域９５４を挟む。非酸化領域９５２の他の一部は平面視で内側領域９５４の内縁の内側にある。例えば、メサ１８０の側面から酸化領域９５１の内縁までの距離は、約８μｍ～１１μｍの範囲である。酸化領域９５１及び非酸化領域９５２の厚さは酸化狭窄層１５０の厚さと等しい。

【0022】

まず、第１実施形態及び参考例についての実測結果について説明する。図４は、実測に用いた回路を示す等価回路図である。

【0023】

この回路では、第１実施形態又は参考例に対応する面発光レーザ１１に直列に電流モニタ用の抵抗１２が接続されている。また、抵抗１２に並列に電圧計１３が接続されている。また、面発光レーザ１１から出力された光は広帯域の高速フォトダイオードで受光して電圧信号に変換し、その電圧信号をオシロスコープで観測した。

【0024】

図５は、参考例についての実測結果を示す図である。図５（ａ）は、パルス電流の幅が約２ｎｓの場合の実測結果を示し、図５（ｂ）は、パルス電流の幅が約９ｎｓの場合の実測結果を示し、図５（ｃ）は、パルス電流の幅が約１７ｎｓの場合の実測結果を示す。図５（ａ）～（ｃ）の実測において、バイアス電流の大きさ及びパルス電流の振幅は共通である。図５には、参考例の面発光レーザと接続する抵抗１２を流れる電流及び高速フォトダイオードで測定した光出力を示す。抵抗１２を流れる電流は、電圧計１３を用いて算出できる。

【0025】

図５に示すように、参考例では、パルス電流の幅の大きさに関係なく、パルス電流が注入された直後にパルス光が出力され、その後はパルス電流の注入が停止するまでは平衡状態になり、一定のテール光が出力されている。先頭のパルス光は緩和振動によるものであり、典型的なゲインスイッチング駆動である。パルス幅を変えても、パルス光が発生するタイミングは変わらない。緩和振動により生じるパルス光は、レーザ共振器内のキャリア密度がしきい値キャリア密度を超えた直後に生じるためである。テール光の出力を抑制するために、パルス光が出力された直後に電流注入を停止することが考えられる。しかし、緩和振動によるパルス光の時間幅は１００ｐｓ以下であるため、電流の大きさが１０Ａ以上と大きい場合には、パルス光が出力された直後に１００ｐｓ以下の時間で電流の注入を停止することは難しい。

【0026】

図６は、第１実施形態についての実測結果を示す図である。図６（ａ）は、面発光レーザ１００に注入されるパルス電流値が、１０ｍＡの場合の実測結果を示す。このときのパルス電流のパルス幅は、１５ｎｓである。また、図６（ｂ）は、面発光レーザ１００に注入されるパルス電流値が、１５ｍＡの場合の実測結果を示す。このときのパルス電流のパルス幅も、１５ｎｓである。また、バイアス電流の大きさ及びパルス電流の幅は、双方とも同じである。また、双方の酸化狭窄層１５０における非酸化領域１５２の面積は、４０μｍ^２である。図６（ｃ）は、面発光レーザ１００に注入されるパルス電流値が、１５ｍＡの場合の実測結果を示す。このときのパルス電流のパルス幅は、２．５ｎｓである。また、面発光レーザ１００の酸化狭窄層１５０における非酸化領域１５２の面積は、８０μｍ^２である。図６には、第１実施形態に係る面発光レーザ１００（１１）と接続する抵抗１２を流れる電流及び高速フォトダイオードで測定した光出力を示す。抵抗１２を流れる電流は、電圧計１３を用いて算出できる。

【0027】

図６（ａ）に示すように、面発光レーザ１００に注入されるパルス電流値が相対的に小さい場合、パルス電流の注入期間に亘る単一のパルス光は生じていない一方、複数の短パルス光６１，６２，６３・・・が出力された。これに対して、図６（ｂ）に示されるように、面発光レーザ１００に注入されるパルス電流値が相対的に大きい場合、パルス電流の注入が減少した直後に単一の短パルス光７１'が出力された。また、図６（ｃ）においても、パルス電流の注入が減少した直後に単一の短パルス光７１''が出力された。なお、図６（ａ）では、パルス電流の注入が減少した直後に、短パルス光６１，６２，６３・・・よりも強度の小さい短パルス光７１も見られた。図６（ｂ）では、パルス電流の注入期間中にも光出力（短パルス光６１'）が見られたが、パルス電流の注入が減少した直後の短パルス光７１'の強度は、短パルス光６１'の強度よりも大きかった。図６（ｃ）においては電流注入期間中には光が出力されなかった。ここで、図６（ａ）、図６（ｂ）及び図６（ｃ）のいずれの場合においても、パルス光が出力された後のテール光はほぼ見られない。また、図６（ａ）に示される各短パルス光６１，６２，６３・・・の光パルス幅は、それぞれ約５０ｐｓであった。パルス光の数は電流パルス幅を変えることにより制御できる。また、図６（ｂ）に示される短パルス光６１'の光パルス幅も、約５０ｐｓであった。このように、面発光レーザ１００に注入するパルス電流値によって、１００ｐｓを下回る短パルス光の発振特性を変化させることができる。

【0028】

ゲインスイッチングによる光出力であれば、図６（ａ）に示されるような、周期的に発振される複数の短パルス光は生じない。また、図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示されるように、パルス電流の注入が減少したことをきっかけとしてパルス光が出力されることもない。従って、第１実施形態における面発光レーザ１００からの光出力は、緩和振動現象を利用した通常のゲインスイッチングではないといえる。

【0029】

ここで、面発光レーザ１００にパルス電流が注入される期間を「電流注入期間」と言う場合がある。また、電流注入期間の後、面発光レーザ１００に注入される電流値が、電流注入期間よりも低下する期間を「電流減少期間」と言う場合がある。

【0030】

図６（ａ）の場合のように、第１実施形態に係る面発光レーザ１００の電流注入期間に少なくとも１回パルス光を出力させるための電流値を「第１の電流値」と言う場合がある。このとき、電流減少期間には、パルス光が出力されない場合と、電流注入期間のパルス光よりも強度の小さいパルス光が出力される場合とがある。第１の電流値の範囲として、例えば、１５ｍＡ未満の電流値が挙げられる。

【0031】

これに対して、図６（ｂ）の場合のように、第１実施形態に係る面発光レーザ１００に、第１の電流値を上回る電流値のパルス電流を注入することで、電流減少期間に少なくとも１回のパルス光を出力させる電流値を「第２の電流値」と言う場合がある。このとき、電流注入期間には、パルス光が出力されない場合と、電流減少期間のパルス光よりも強度の小さいパルス光が出力される場合とがある。なお、電流注入期間に注入される電流値が、第２の電流値である場合に、電流注入期間に出力されるパルス光は、「第１の光」の一例である。また、電流減少期間に出力されるパルス光は、「第２の光」の一例である。

【0032】

このように、第１実施形態と参考例とでは、光出力の機構及び態様が明確に相違している。この相違は、下記のように説明される。

【0033】

面発光レーザでは、レーザ光は共振器中を酸化狭窄層と垂直方向に伝搬する。このため、酸化狭窄層が厚いほど、屈折率差に依存する等価的な導波路長が長くなり、横方向の光閉じ込め作用が大きくなる。酸化狭窄層を含むＤＢＲを等価的な導波路構造と見なした場合、図７（ａ）のように等価屈折率差が大きいときには、レーザ光の電界強度分布は中央付近に集められる。これに対し、図７（ｂ）のように等価屈折率差が小さいときには、レーザ光の電界強度分布は周辺の酸化領域にまで広がる。第１実施形態と参考例とを比較すると、第１実施形態では、酸化狭窄層１５０が内側領域１５４を含むため、第１実施形態において、等価屈折率差が小さくなる。従って、参考例では、図７（ａ）に示すように、レーザ光の電界強度分布が中央付近に集められるのに対し、第１実施形態では、図７（ｂ）に示すように、レーザ光の電界強度分布が酸化領域１５１にまで広がる。

【0034】

ここで、横方向の光閉じ込め係数を「面発光レーザ素子の中心を通る横方向断面における電界の積分強度」に対する「電流通過領域と同じ半径領域中における電界の積分強度」の割合とし、式（１）で定義する。ここで、ａは電流通過領域の半径に相当し、Φは基板に垂直な方向を回転軸とした回転方向を表す。

【0035】

【数1】

【0036】

次に、パルス電流の注入が停止された際に起きる現象のモデルについて説明する。パルス電流が注入されている状態では、酸化狭窄層により電流経路はメサの中央付近に集中し、キャリア密度が高い状態となっている。このとき、キャリア密度の高い非酸化領域では、キャリアプラズマ効果により屈折率が小さくなる作用が生じる。キャリアプラズマ効果は、自由キャリア密度に比例して屈折率が低下する現象である。例えば文献「Kobayashi, Soichi, et al. "Direct frequency modulation in AlGaAs semiconductor lasers." IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 30.4 (1982): 428-441」によると、屈折率の変化量は式（２）で示される。ここで、Ｎはキャリア密度である。

【0037】

【数2】

【0038】

図８に、パルス電流が注入されている期間（図８（ａ））と、パルス電流の注入が停止された後の期間（図８（ｂ））とでの等価屈折率及び電界強度分布を模式的に示す。パルス電流が注入されている期間では、酸化狭窄層により生じる等価屈折率差（ｎ１－ｎ０）を打ち消す方向にキャリアプラズマ効果が作用して、等価屈折率差は（ｎ２－ｎ０）となっている。この状態でパルス電流の注入が減少すると、キャリアプラズマ効果の作用がなくなり、等価屈折率差は（ｎ１－ｎ０）に戻る。これにより、メサの周辺部まで広がっていた光子がメサの中央部に集められ、非酸化領域での光子密度が上昇する。つまり、横方向光閉じ込めが強い状態に変化する。パルス電流の注入が停止すると、共振器内に蓄積されたキャリアはキャリア寿命時間をかけて減少する。しかし、キャリア密度が完全に減衰する前に横方向光閉じ込めが強くなると誘導放出が始まり、蓄積されていたキャリアが一気に消費されてパルス光が出力される。パルス電流が注入されている期間は電流注入期間の一例であり、パルス電流の注入が停止されて減少する期間は電流減少期間の一例である。

【0039】

以上のモデルをシミュレーションにより検証した結果を以下に示す。キャリア密度と光子密度のレート方程式を式（３），（４）に示す。

【0040】

【数3】

【0041】

【数4】

【0042】

ここで、式（３），（４）中の各文字が示す内容は下記の通りである。
Ｎ： キャリア密度［１／ｃｍ^３］
Ｓ： 光子密度［１／ｃｍ^３］
ｉ（ｔ）： 注入電流［Ａ］
ｅ： 電荷素量［Ｃ］
Ｖ： 共振器体積［ｃｍ^３］
τ_ｎ（Ｎ）： キャリア寿命時間［ｓ］
ｖ_ｇ： 群速度［ｃｍ／ｓ］
ｇ（Ｎ，Ｓ）： 利得［１／ｃｍ］
Γ_ａ： 光閉じ込め係数
τ_ｐ： 光子寿命時間［ｓ］
β： 自然放出結合係数
ｇ_０： 利得係数［１／ｃｍ］
ε： 利得抑圧係数
Ｎ_ｔｒ： 透明キャリア密度［１／ｃｍ^３］
η_ｉ： 電流注入効率
α_ｍ： 共振器ミラー損失［１／ｃｍ］
ｈ： プランク定数［Ｊｓ］
ν： 光の周波数［１／ｓ］

【0043】

利得ｇ（Ｎ，Ｓ）は式（５）で表される。

【0044】

【数5】

【0045】

光閉じ込め係数Γ_ａは、式（６）に示すように、横方向の光閉じ込め係数Γ_ｒと縦方向の光閉じ込め係数Γ_ｚとの積で定義される。

【0046】

【数6】

【0047】

しきい値キャリア密度Ｎ_ｔｈは式（７）で表される。

【0048】

【数7】

【0049】

しきい値電流Ｉ_ｔｈとしきい値キャリア密度Ｎ_ｔｈとの間には、式（８）の関係がある。

【0050】

【数8】

【0051】

共振器から出力される光出力Ｐと光子密度Ｓとの間には、式（９）の関係がある。

【0052】

【数9】

【0053】

ここで、参考例についてのシミュレーションの結果について説明する。参考例については、横方向の光閉じ込め係数Γ_ｒは１とし、図５に示す電流モニタ波形を入力してシミュレーションを実施した。キャリア密度Ｎ及びしきい値キャリア密度Ｎ_ｔｈについてのシミュレーション結果を図９に示し、光出力についてのシミュレーション結果を図１０に示す。

【0054】

図９及び図１０に示すように、パルス電流が注入された約５ｎｓの時点で、その直後にキャリア密度Ｎがしきい値キャリア密度Ｎ_ｔｈを超え、緩和振動によるパルス光が出力されている。その後は平衡状態となり一定のテール光が出力されている。このように、シミュレーションにおいて、図５に示す実測結果に近い結果が得られている。

【0055】

次に、第１実施形態についてのシミュレーションの結果について説明する。第１実施形態については、横方向の光閉じ込め係数Γ_ｒを１未満で、横方向の光閉じ込め係数Γ_ｒをキャリア密度Ｎの増加に従って減少する関数とし、図６に示す電流モニタ波形を入力してシミュレーションを実施した。横方向の光閉じ込め係数Γ_ｒを上記の関数としたのは、キャリアプラズマ効果による屈折率変化の影響を取り入れるためである。図１１は、関数の例を示す図である。光出力のシミュレーション結果を図１２に示す。

【0056】

図１２に示すように、パルス電流の注入を停止したタイミングでパルス光が出力されている。このように、シミュレーションにおいて、図６に示す実測結果に近い結果が得られている。

【0057】

この結果を詳しく解析するために、パルス幅が２．５ｎｓの条件におけるキャリア密度Ｎ、しきい値キャリア密度Ｎ_ｔｈ、光子密度Ｓ及び横方向の光閉じ込め係数Γ_ｒのシミュレーション結果を図１３に示す。図１３（ａ）にキャリア密度Ｎ、しきい値キャリア密度Ｎ_ｔｈ及び光子密度Ｓのシミュレーション結果を示し、図１３（ｂ）に横方向の光閉じ込め係数Γ_ｒのシミュレーション結果を示す。

【0058】

横方向の光閉じ込め係数Γ_ｒがキャリア密度Ｎの関数であるため、パルス電流が注入されている３ｎｓ～５．５ｎｓの範囲では横方向の光閉じ込め係数Γ_ｒが低下している。この範囲では、横方向の光閉じ込め係数Γ_ｒの低下にともなってしきい値キャリア密度Ｎ_ｔｈが上昇し、Ｎ＜Ｎ_ｔｈとなるため誘導放出が起こりにくく、光子密度Ｓは増えない。５．５ｎｓの時点でパルス電流の注入が減少し始めると、横方向の光閉じ込め係数Γ_ｒは再び上昇し、その過程において光子密度Ｓがパルス状に生じている。図１３において５ｎｓ～６ｎｓの範囲で時間軸を拡大したグラフを図１４に示す。

【0059】

約５．５ｎｓの時点でパルス電流の注入が減少し始めると、キャリア密度Ｎは低下し始める。それと同時に横方向の光閉じ込め係数Γ_ｒも上昇し、しきい値キャリア密度Ｎ_ｔｈが低下する。キャリア密度Ｎが低下するよりもしきい値キャリア密度Ｎ_ｔｈの低下する方が早いため、キャリア密度Ｎが低下する過程でＮ＞Ｎ_ｔｈとなる時間が生じる。この時間には、まず自然放出により光子密度Ｓが上昇し、ある程度光子密度Ｓが増加すると誘導放出が支配的となり、光子密度Ｓが急増する。同時にキャリア密度Ｎが急減し、再びＮ＜Ｎ_ｔｈとなると光子密度は急減する。

【0060】

このように、パルス電流の注入が停止したことをきっかけとしてパルス光が出力される現象がシミュレーションにより再現できた。

【0061】

なお、図６（ｂ）と図６（ｃ）の差異である、電流注入開始時における光出力の有無は、面発光レーザ１００の発光素子の特性や、注入する電流パルスの特性に影響を受けている可能性が考えられる。発光素子の特性とは、例えば発振抑制の強さであり、電流パルスの特性とは、例えば電流パルスの形状である。スパイク状のオーバーシュートのない理想的な方形波に近いほど、電流注入開始時の発振が抑えられると考えられる。

【0062】

パルス光の立ち上がり時間は、しきい値キャリア密度Ｎ_ｔｈがキャリア寿命時間よりも早く減少すると短くなる。つまり、式（６）より横方向光閉じ込め係数Γ_ｒの増加が速いほど立ち上がり時間が短くなる。パルス光の減衰時間は、光子寿命時間に依存する。パルス光の実測結果及びシミュレーション結果の例を図１５に示す。図１５（ａ）は実測結果を示し、図１５（ｂ）はシミュレーション結果を示す。

【0063】

本明細書では、光パルス幅を、パルス光の出力ピーク値の１／ｅ^２となる時間幅と定義する。得られた光パルス幅は、図１５（ａ）の実測結果では８６ｐｓ、図１５（ｂ）のシミュレーション結果では８１ｐｓである。ここでｅは自然対数の底（ネイピア数）である。このモデルによれば、光パルス幅は注入するパルス電流よりも短く、注入するパルス電流の時間幅に制限されることなく短くすることができる。

【0064】

図６（ａ）～（ｃ）の実測結果において、いずれの場合も光パルス幅（ピーク値の１／ｅ^２となる時間幅）が８０～１１０ｐｓのパルス光が得られた。図６（ａ）の場合には、８０～１１０ｐｓの光パルス幅のパルス光に加えて、１１０～２００ｐｓ程度の光パルス幅の光パルスも含まれていた。一方、参考例（図５（ａ）～（ｃ））の実測結果では、パルス光の後に一定のテール光が出力されるため、電流注入を停止するまでピーク値の１／ｅ^２以下とならない。つまり、光パルス幅（ピーク値の１／ｅ^２となる時間幅）がパルス電流の幅に依存するため、ピコ秒オーダーの光パルス幅を得ることは難しい。

【0065】

本実施形態においては、電流減少期間においてパルス光の出力が生じた後に継続的な光パルス列が生じにくい。パルス光が生じるときにはパルス電流の注入が減少しており、緩和振動が生じにくいためである。

【0066】

また、パルス光が出力された後にテール光が生じにくい。パルス光が出力された後にはパルス電流の注入が減少しており、キャリア密度が増加しにくいためである。

【0067】

また、電流注入期間に注入される電流値が第２の電流値の場合、パルス電流の注入を停止した直後にパルス光が出力されるため、パルス光の出力タイミングを任意に制御することができる。

【0068】

また、第１実施形態により生じる光パルスの幅は、注入したパルス電流幅よりも短い。大電流化した場合でもパルス電流幅を短くする必要がないため、寄生インダクタンスの影響を受けにくい。

【0069】

第１実施形態に係る面発光レーザ１００を並列に複数配置して面発光レーザアレイを形成し、同時にパルス光を出力させることで、より大きな光ピーク出力を得ることができる。面発光レーザアレイに注入する電流は１個の面発光レーザ１００に注入する電流よりも大きくなるが、面発光レーザ１００により出力される光パルスの幅が注入するパルス電流の幅よりも狭いため、小さい光パルス幅を出力させることができる。

【0070】

第１実施形態に係る面発光レーザ１００から出力される光のパルス幅は限定されないが、例えば１ｎｓ以下であり、好ましくは５００ｐｓ以下であり、より好ましくは１００ｐｓ以下である。

【0071】

なお、第１実施形態において、内側領域１５４の内縁から外側に３μｍ離れた位置、すなわち非酸化領域１５２と酸化領域１５１との境界の先端部から３μｍの位置における酸化領域１５１の厚さは、非酸化領域１５２の厚さの２倍以下であることが好ましい。例えば、非酸化領域１５２の厚さが３１ｎｍの場合、内側領域１５４の内縁から外側に３μｍ離れた位置における厚さは６２ｎｍ以下であることが好ましく、５４ｎｍであってもよい。メサ１８０の側面から酸化領域１５１の内縁までの距離（酸化距離）が８μｍ～１１μｍの範囲である場合、３μｍという距離は酸化距離の２８％～３８％に相当する。上記の参考例の実測を行った際に酸化領域９５１の内縁から外側に３μｍ離れた位置で酸化領域９５１の厚さと、非酸化領域９５２の厚さとを測定したところ、前者は７９ｎｍ、後者は３１ｎｍであり、前者は後者の２．５５倍であった。発明者らが様々な酸化狭窄構造の素子を比較評価した結果、比率が２以下の場合に横方向の光閉じ込め係数Γ_ｒが小さくなり、高出力で裾引きのない短パルス光を得やすいことが判明した。

【0072】

ここで、第１実施形態及び参考例の実測値を用いて光学モードシミュレーションを行った結果について説明する。光学モードシミュレーションでは、回転対称な積層構造モデルにおいて各領域の屈折率を設定することで、固有モードの電界強度分布を計算することができる。今回の光学モードシミュレーションでは、通電による発熱の影響を含まないコールドキャビティ条件で計算した。

【0073】

図１６は、シミュレーションに用いた第１モデルを示す図である。第１モデルは、ｎ型ＤＢＲ２０と、活性層領域３０と、ｐ型ＤＢＲ４０とを有する。活性層領域３０はｎ型ＤＢＲ２０の上にあり、ｐ型ＤＢＲ４０は活性層領域３０の上にある。

【0074】

活性層領域３０は、下部スペーサ層３１と、量子井戸層３２と、上部スペーサ層３３とを有する。下部スペーサ層３１はｎ型ＤＢＲ２０の上にあり、量子井戸層３２は下部スペーサ層３１の上にあり、上部スペーサ層３３は量子井戸層３２の上にある。

【0075】

ｐ型ＤＢＲ４０は、複数の低屈折率層４１と、複数の高屈折率層４２と、酸化狭窄層５０とを有する。最も下方の低屈折率層４１（４１Ａ）は上部スペーサ層３３の上にある。この低屈折率層４１Ａの上に酸化狭窄層５０がある。酸化狭窄層５０は、光の射出方向に垂直な面内に、酸化領域５１と、非酸化領域５２とを含む。酸化領域５１は、環状の平面形状を有し、非酸化領域５２を取り囲む。非酸化領域５２はＡｌＡｓから構成される。酸化狭窄層５０の上に下側から２番目の低屈折率層４１（４１Ｂ）がある。この低屈折率層４１Ｂの上に、高屈折率層４２と他の低屈折率層４１とが交互に積層されている。このモデルでは、酸化領域５１の厚さは一定であり、テーパ形状を有しない。

【0076】

活性層領域３０の光学厚さは発振波長λであり、低屈折率層４１Ａ、酸化狭窄層５０及び低屈折率層４１Ｂの厚さの和は３λ／４であり、高屈折率層４２Ａの厚さはλ／４である。

【0077】

まず、光閉じ込め係数と酸化狭窄層５０の厚さとの関係について説明する。図１７は、非酸化領域の直径が５μｍの構造における基本モードの電界強度分布の断面プロファイルを示す図である。図１７（ａ）は酸化狭窄層５０の厚さが２０ｎｍの場合の断面プロファイルを示し、図１７（ｂ）は酸化狭窄層５０の厚さが４０ｎｍの場合の断面プロファイルを示す。光閉じ込め係数は、全領域の電界強度の和に対する酸化狭窄層５０内に占める電界強度の比率として見積もることができる。酸化狭窄層５０の厚さが２０ｎｍの構造では、酸化狭窄層５０の厚さが４０ｎｍの構造に比べて電界強度分布が横方向に広がり、非酸化領域５２の外側に存在する割合が大きいため、光閉じ込め係数は小さい。

【0078】

次に、光閉じ込め係数と酸化狭窄層５０の厚さ及び非酸化領域５２の直径との関係について説明する。図１８は、光閉じ込め係数と酸化狭窄層の厚さ及び非酸化領域の直径との関係の計算結果を示す図である。図１８中の横軸は非酸化領域５２の直径を示し、縦軸は光閉じ込め係数を示す。図１８には、酸化狭窄層５０の厚さが２０ｎｍから６０ｎｍの範囲で、非酸化領域５２の直径が３μｍから９μｍの範囲で計算した光閉じ込め係数の結果を示している。酸化狭窄層５０の厚さが４０ｎｍ以上で、非酸化領域５２の直径が５μｍ以上の範囲では、光閉じ込め係数が約０．９以上に飽和する傾向が見られる。この傾向は、光閉じ込め係数が飽和値よりも小さくなる範囲では、図１７（ａ）に示すように電界強度分布の横方向への広がりが大きくなり、電界強度が酸化領域外に占める割合が大きいことと対応する。

【0079】

ここまで、酸化狭窄層５０の厚さ及び非酸化領域５２の直径と光閉じ込め係数との関係についての計算結果を示した。次に、酸化領域５１の先端近傍の屈折率を意図的に低下させた場合の電界強度分布を計算した結果を示す。

【0080】

屈折率を低下させる領域６０は、非酸化領域５２（ＡｌＡｓ層）の上方では、ｐ型ＤＢＲ４０の最も下側の１ペア分に相当する厚さ約２００ｎｍの領域とし、非酸化領域５２（ＡｌＡｓ層）の下方では、上部スペーサ層３３、量子井戸層３２及び下部スペーサ層３１を含む厚さ約３００ｎｍの領域とした。下方の領域を上方の領域よりも大きくしたのは、下方は活性層領域３０に近い方向であり、キャリア密度の高い領域が大きいと想定したためである。屈折率を変化させる半径方向の領域は、非酸化領域５２と同じ範囲とした。

【0081】

図１９は、第１モデルについての酸化狭窄層の厚さと光閉じ込め係数との関係の計算結果を示す図である。酸化狭窄層５０の厚さは３０ｎｍから６０ｎｍの範囲の４水準とし、屈折率ｎを低下させた量（屈折率ｎの低下量）は０から約０．０２の範囲とした。図１９中の横軸は屈折率ｎの低下量を示し、縦軸は光閉じ込め係数を示す。屈折率ｎを低下させた量が大きいほど、領域６０内の屈折率が低い。酸化狭窄層５０の厚さが６０ｎｍの場合には屈折率を大きく低下させても光閉じ込め係数はほとんど低下しないが、酸化狭窄層５０の厚さが小さくなるほど、屈折率ｎの低下量が小さくても光閉じ込め係数が低下しやすいことが分かる。

【0082】

次に、第１実施形態又は参考例により近いモデルでシミュレーションした結果について説明する。図２０は、シミュレーションに用いた第２モデルを示す図であり、図２１は、シミュレーションに用いた第３モデルを示す図である。第２モデルは、第１実施形態により近いモデルであり、第３モデルは、参考例により近いモデルである。第２モデル及び第３モデルについて、第１モデルと同様に、酸化領域の先端近傍の屈折率を意図的に低下させた場合の電界強度分布を計算した。

【0083】

図２２は、第２モデル及び第３モデルについての屈折率の低下量と光閉じ込め係数との関係の計算結果を示す図である。屈折率ｎの低下量は０から約０．０１の範囲とした。図２２中の下側の横軸は屈折率ｎの低下量を示し、縦軸は光閉じ込め係数を示す。図２２に示すように、第１実施形態を模した第２モデル（図２０）では、屈折率を約０．０１まで低下させた場合に、低下前に０．７であった光閉じ込め係数が０．１まで低下している。一方、参考例を模した第３モデル（図２１）では、屈折率を約０．０１まで低下させた場合に、低下前に０．９であった光閉じ込め係数が０．７までしか低下しない。従って、第２モデルでは屈折率の低下に対する光閉じ込め係数の変化量が大きいため、光閉じ込め係数の急激な変化によるパルス光出力を実現できるといえる。

【0084】

図２２の上側の横軸に示すように、キャリアプラズマ効果を見積もる式（２）から換算すると、屈折率ｎの低下量が０．００６であることは、キャリア密度Ｎが１．５×１０^１８［１／ｃｍ^３］であることに相当し、屈折率ｎの低下量が０．０１０であることは、キャリア密度Ｎが２．５×１０^１８［１／ｃｍ^３］であることに相当する。なお、図１１には、キャリア密度Ｎが５．０×１０^１８［１／ｃｍ^３］から１．５×１０^１９［１／ｃｍ^３］の範囲で光閉じ込め係数が低下する関数を示している。図１１と図２２との間でキャリア密度Ｎの範囲が相違するが、これは、図１１では量子井戸層内のキャリア密度を対象としているのに対して、図２２では屈折率を変化させる対象を量子井戸層の上下を含む広い領域としているためであると考えられる。量子井戸層の上下の広い領域のキャリア密度は、横方向の拡散などにより広がることが想定される。屈折率を低下させた領域のキャリア密度が量子井戸層内のキャリア密度よりも約１桁小さいと仮定すると、図１１に示すキャリア密度の範囲と、図２２に示すキャリア密度の範囲とを同等と見なすことができる。

【0085】

次に、第１実施形態に関し、非酸化領域５２と酸化領域５１との境界から３μｍの位置における酸化領域の厚さと光閉じ込め係数との関係をシミュレーションした結果を示す。図２３は、シミュレーションに用いた第４モデルを示す図である。第４モデルでは、酸化領域５１が、第１領域５１Ａと、第２領域５１Ｂと、第３領域５１Ｃとを有する。第１領域５１Ａ、第２領域５１Ｂ及び第３領域５１Ｃの平面形状は環状である。第１領域５１Ａは非酸化領域５２の外側にあり、第２領域５１Ｂは第１領域５１Ａの外側にあり、第３領域５１Ｃは第２領域５１Ｂの外側にある。また、非酸化領域５２は、ＡｌＡｓ層５５と、縦方向でＡｌＡｓ層５５を間に挟む２つのＡｌＧａＡｓ層５６とを有する。

【0086】

ＡｌＡｓ層５５の厚さは３０ｎｍである。第１領域５１Ａの厚さは３０μｍであり、第３領域５１Ｃの厚さはＴ［μｍ］であり、第２領域５１Ｂの厚さはＴ／２［μｍ］である。また、第１領域５１Ａ及び第２領域５１Ｂの径方向の幅はいずれも１．５μｍである。非酸化領域５２と酸化領域５１との境界、すなわち非酸化領域５２と第１領域５１Ａとの境界５９から外側に３μｍの位置における酸化領域５１の厚さは第３領域Ｃの厚さである。

【0087】

図２４は、第４モデルについての境界から外側に３μｍ離れた位置における酸化領域の厚さと光閉じ込め係数との関係の計算結果を示す図である。図２４には、屈折率が低下しない場合の計算結果と、屈折率が０．００６低下した場合の計算結果とを示す。図２４中の横軸は境界５９から外側に３μｍの位置における酸化領域５１の厚さを示し、縦軸は光閉じ込め係数を示す。

【0088】

図２４に示すように、境界５９から外側に３μｍ離れた位置における酸化領域５１の厚さが６０ｎｍ以下であると、６０ｎｍ超である場合に比べて、光閉じ込め係数の低下量が大きいことが分かる。つまり、境界５９から外側に３μｍ離れた位置における酸化領域５１の厚さがＡｌＡｓ層５５の厚さの２倍以下であると、２倍超である場合に比べて、光閉じ込め係数の低下量が大きいことが分かる。従って、境界５９から外側に３μｍ離れた位置における酸化領域５１の厚さがＡｌＡｓ層５５の２倍以下となる領域では屈折率の変化量に対する光閉じ込め係数の変化が大きいため、第１実施形態による光閉じ込め係数の急激な変化によるパルス光出力を実現できるといえる。なお、第１実施形態に倣って作製した試料の内側領域１５４の内縁から外側に３μｍ離れた位置における酸化領域１５１の厚さの実測値は５４ｎｍであった。また、参考例に倣って作製した試料の酸化領域９５１の内縁から外側に３μｍ離れた位置における酸化領域９５１の厚さの実測値は７９ｎｍであった。

【0089】

平面視での非酸化領域１５２の面積（電流狭窄面積）は１２０μｍ^２以下であることが望ましい。発明者らが様々な非酸化領域１５２の素子を比較評価した結果、非酸化領域１５２が１２０μｍ^２超の場合には、パルス電流の注入を停止した直後にパルス光が出力される現象が生じにくいことがあることが判明した。また、非酸化領域１５２が小さい方がピーク出力の高いパルス光が得られやすいことも判明した。図２５は、非酸化領域の面積が５０μｍ^２～１２０μｍ^２の範囲のサンプルに対するピーク光出力の測定結果を示す図である。

【0090】

また、第１実施形態に係る面発光レーザ１００では、注入されるパルス電流値の違いにより、次のようにパルス光の発振特性を変化させることができる。すなわち、注入されるパルス電流値が、第１の電流値の範囲内であるか、第１の電流値を上回る第２の電流値であるかによって、パルス光の発振特性を変化させることができる。

【0091】

キャリアプラズマ効果において考慮するキャリアとして、活性層１３０に蓄積されたキャリアと注入電流の経路に存在するキャリアの主に２種類がある。酸化狭窄型の面発光レーザ１００では、酸化狭窄層１５０により活性層１３０に注入される電流の狭窄が行われる。そのため、酸化狭窄層１５０を通過した後のキャリア密度分布において、素子中央のキャリア密度が周辺部分に対して高くなる。また、この際のキャリア分布は一様ではなく、注入されるパルス電流値が小さい場合には、酸化狭窄層１５０の酸化領域１５１の先端部を流れる電流値が多いのに対して、パルス電流値が大きくなるに従い、素子中央に位置する非酸化領域１５２を流れる電流値が増加していく。従って、パルス電流値が大きい場合、キャリアプラズマ効果によって非酸化領域１５２を含む素子中央の光子分布が低下すると考えらえる。すなわち、パルス電流値が比較的大きな場合は、横方向の光閉じ込め係数Γ_ｒの低下効果が大きく、素子中央の光子密度が十分に低下する。これにより、レーザ発振における、しきい値キャリア密度が高くなる結果、パルス電流の注入中はレーザ発振が抑制される。一方で、パルス電流の立下りに同期して少なくとも１つの短パルス光が得られる。より電流値が大きい第２の電流値の場合、第１の電流値の場合よりもレーザ発振の抑制効果が高く、十分にキャリアが溜まっているので、電流注入停止と共に高ピーク出力でレーザ発振する。

【0092】

これに対して、注入されるパルス電流値が小さい場合、素子中央に分布するキャリア密度が減少するので、パルス電流値が大きい場合に比べて、横方向の光閉じ込め係数Γ_ｒの低下効果が小さく、素子中央の光子密度の低下が少ない。すなわち、しきい値キャリア密度がそれほど増加しない。そのため、パルス電流の注入中に活性層１３０に蓄積されるキャリア密度は、やがてしきい値キャリア密度に達する。これにより、誘導放出が起こり、電流注入期間に短パルス光の発振が生じる。また、短パルス光の発振によって、活性層１３０に蓄積されたキャリアが消費されるとともに、短パルス光の出力に応じて共振器内の光子も消失するが、パルス電流の注入期間中であれば、キャリアプラズマ効果によって再びキャリアが蓄積し、パルス光の発振が繰り返される。これにより、電流注入期間に、複数の短パルス光が出力される。

【0093】

パルス光の発振特性の違いを、図２６及び図２７を参照しながら詳述する。まず、図２６は、パルス電流値が大きい場合の、活性層１３０内のキャリア密度Ｎ（実線）、しきい値キャリア密度Ｎ_ｔｈ（破線）、パルス電流の電流値Ｉ（一点鎖線）の時間変化を示す。これに対して、図２７は、パルス電流値が小さい場合の、活性層１３０内のキャリア密度Ｎ（実線）、しきい値キャリア密度Ｎ_ｔｈ（破線）、パルス電流の電流値Ｉ（一点鎖線）の時間変化を示す。

【0094】

図２６及び図２７に示すように、パルス電流値の大小に関わらず、第１実施形態に係る面発光レーザ１００へのパルス電流の注入後、活性層１３０内のキャリア密度Ｎが増加する。ここで、パルス電流値が大きい場合、図２６に示すように、活性層１３０へのキャリアのポンプレートが大きく、キャリア密度Ｎの増加率が、パルス電流値が小さい場合に比べて大きい。また、パルス電流値が大きい場合、素子中央に分布するキャリア密度Ｎが高いため、横方向の光閉じ込め係数Γ_ｒが小さくなる。そのため、しきい値キャリア密度Ｎ_ｔｈの増加作用が高まる。

【0095】

これに対して、パルス電流値が小さい場合、図２７に示されるように、素子中央に存在するキャリア密度Ｎが低く、横方向の光閉じ込め係数Γ_ｒの低下が妨げられる。従って、素子中央の光子密度の低下を招かず、しきい値キャリア密度Ｎ_ｔｈの増加も少ない。その結果、電流注入期間に、活性層１３０に蓄積されたキャリア密度Ｎがしきい値キャリア密度Ｎ_ｔｈを超える状態を取り得る。これにより、短パルス光が電流注入期間に出力される。また、図２７に示されるように、この現象が繰り返されて、複数の短パルス光が出力される。

【0096】

このように、第１実施形態に係る面発光レーザ１００は、注入されるパルス電流値が小さい場合、電流注入期間に複数のパルス光の列を発振させる一方、パルス電流値が大きい場合、電流減少期間において少なくとも１回パルス光を発振させることができる。ただし、電流減少期間において、複数のパルス光が発振されてもよい。

【0097】

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態は面発光レーザに関する。図２８は、第２実施形態に係る面発光レーザを示す断面図である。

【0098】

第２実施形態に係る面発光レーザ２００は、例えばBuried tunnel junction（ＢＴＪ）による電流狭窄構造を備えたＶＣＳＥＬである。面発光レーザ２００は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１０と、ｎ型ＤＢＲ１２０と、活性層１３０と、ｐ型ＤＢＲ２４１と、ＢＴＪ領域２５０と、ｐ型ＤＢＲ２４２と、上部電極１６０と、下部電極１７０とを有する。

【0099】

ｐ型ＤＢＲ２４１は活性層１３０上にある。ｐ型ＤＢＲ２４１は、例えば複数のｐ型半導体膜を積層して構成された半導体多層膜反射鏡である。ＢＴＪ領域２５０はｐ型ＤＢＲ２４１の一部の上にある。ＢＴＪ領域２５０は、ｐ型層２５１と、ｎ型層２５２とを含む。ｐ型ＤＢＲ２４２はｐ型ＤＢＲ２４１の上にあり、ＢＴＪ領域２５０を覆う。ｐ型ＤＢＲ２４２は、例えば複数のｐ型半導体膜を積層して構成された半導体多層膜反射鏡である。ｐ型ＤＢＲ２４２、ｐ型ＤＢＲ２４１、活性層１３０及びｎ型ＤＢＲ１２０はメサ２８０を含む。ＢＴＪ領域２５０は、面内でメサ２８０の中央にある。

【0100】

ｐ型層２５１がｐ型ＤＢＲ２４１の上にあり、ｎ型層２５２がｐ型層２５１の上にある。ｐ型層２５１はｐ型ＤＢＲ２４１を構成するｐ型半導体膜よりも高濃度でｐ型不純物を含有する。ｎ型層２５２はｐ型ＤＢＲ２４２を構成するｎ型半導体膜よりも高濃度でｎ型不純物を含有する。例えば、ｐ型層２５１の厚さは５ｎｍ～２０ｎｍであり、ｎ型層２５２の厚さは５ｎｍ～２０ｎｍである。平面視で、メサ２８０のＢＴＪ領域２５０の輪郭の内側の部分は高屈折領域の一例であり、メサ２８０のＢＴＪ領域２５０の輪郭の外側の部分は低屈折領域の一例である。

【0101】

上部電極１６０はｐ型ＤＢＲ２４２の上面に接触する。下部電極１７０はｎ型ＧａＡｓ基板１１０の下面に接触する。上部電極１６０と下部電極１７０との対は、電極対の一例である。

【0102】

第２実施形態では、ｐ型ＤＢＲ２４１とｐ型ＤＢＲ２４２との間には、逆バイアスとなるため電流は流れない。ｐ型層２５１とｎ型層２５２との間には埋め込みトンネル接合による電流が流れる。このため、上部電極１６０と下部電極１７０との間の電流経路は、ＢＴＪ領域２５０があるメサ２８０の中央に狭窄される。また、ＢＴＪ領域２５０が段差となってｐ型ＤＢＲ２４２に覆われるため、メサ２８０内の面内での屈折率は、中央で高く、その周囲で低くなる。従って、面発光レーザ２００には、横方向の光閉じ込め作用が生じる。

【0103】

従って、第２実施形態によっても、第１実施形態と同様のパルス電流を注入することにより、パルス光を出力させることができる。

【0104】

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態はレーザ装置に関する。図２９は、第３実施形態に係るレーザ装置を示す図である。

【0105】

第３実施形態に係るレーザ装置３００は、第１実施形態に係る面発光レーザ１００と、面発光レーザ１００の上部電極１６０及び下部電極１７０に接続された電源装置３０１とを有する。電源装置３０１は、面発光レーザ１００に電流を注入する。

【0106】

電源装置３０１からの電流の注入のデューティ比は０．５％以下であることが好ましい。すなわち、電流注入期間と電流減少期間とが複数回繰り返され、電流減少期間に対する電流注入期間の比率は０．５％以下であることが好ましい。デューティ比は、単位時間のうちで電流パルスが注入されている時間の比率である。パルス電流幅をｔ［ｓ］、パルス電流の繰り返し周波数をｆ［Ｈｚ］とすると、デューティ比はｆ×ｔ（％）に対応する。図３０は、パルス電流幅が２．５ｎｓの場合のデューティ比とパルス光のピーク出力との関係を示す図である。

【0107】

図３０に示すように、デューティ比が０．５％超の場合に、光ピーク出力が低下する傾向がある。この理由としては、以下のモデルが考えられる。まず、デューティ比を大きくしていくと注入したパルス電流による電流狭窄領域（非酸化領域１５２）での発熱量が増大する。これにより、電流狭窄領域の周辺部に対して、電流が集中する中心部の温度が上昇し、温度差が生じる。その結果、熱レンズ効果により電流狭窄領域の中心部の屈折率が上昇し、横方向の光閉じ込め係数が大きくなる。熱レンズ効果により横方向の光閉じ込め係数が大きくなると、パルス電流の増減により発生するキャリアプラズマ効果に起因した屈折率変化の影響が小さくなる。このため、パルス電流の注入を停止した直後にパルス光が出力される現象が生じにくくなる。これに対し、デューティ比が０．５％以下であれば、熱レンズ効果による屈折率変化の影響が十分小さくなり、狭窄構造に由来の屈折率変化が支配的となるため、ピーク出力はほぼ一定で変わらないと考えられる。

【0108】

なお、第１実施形態に係る面発光レーザ１００に代えて、第２実施形態に係る面発光レーザ２００が用いられてもよい。

【0109】

（第４実施形態）
次に、第４実施形態について説明する。第４実施形態は距離測定装置に関する。図３１は、第４実施形態に係る距離測定装置を示す図である。距離測定装置は検出装置の一例である。

【0110】

第４実施形態に係る距離測定装置４００は、ＴＯＦ（Time of Flight）法の距離測定装置である。距離測定装置４００は、発光素子４１０と、受光素子４２０と、駆動回路４３０とを有する。発光素子４１０は、発光ビーム（照射光４１１）を測距の測距対象物４５０へと向けて照射する。受光素子４２０は、測距対象物４５０からの反射光４２１を受光する。駆動回路４３０は、発光素子４１０を駆動するとともに、発光ビームの発光タイミングと、受光素子４２０による反射光４２１の受光タイミングとの時間差を検出することにより、測距対象物４５０までの往復の距離を測定する。

【0111】

発光素子４１０は、第１実施形態に係る面発光レーザ１００又は第２実施形態に係る面発光レーザ２００を含む。発光素子４１０は、アレイ状に配列された第１実施形態に係る面発光レーザ１００又は第２実施形態に係る面発光レーザ２００を複数含んでもよい。パルスの繰り返し周波数は、例えば数ｋＨｚから数１０ＭＨｚの範囲である。

【0112】

受光素子４２０は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ）、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）又は単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）である。受光素子４２０は、アレイ状に配列された受光素子を複数含んでもよい。受光素子４２０は検出部の一例である。

【0113】

ＴＯＦ法での測距では、測距対象物からの信号とノイズを分離することが重要である。より遠くにある測距対象物を測定する場合、及びより反射率の低い測距対象物を測定する場合には、より高感度の受光素子を用いて対象物からの信号を得ることが好ましい。しかしながら、より高感度の受光素子を用いると、背景光ノイズ又はショットノイズを誤検出する可能性が高くなる。信号とノイズとを分離するために、受光信号のしきい値を上げることも考えられるが、その分だけ発光ビームのピーク出力を高くしなければ、測距対象物からの信号光を受光しにくくなる。ただし、発光ビームの出力はレーザの安全基準による制限を受ける。

【0114】

第１実施形態に係る面発光レーザ１００又は第２実施形態に係る面発光レーザ２００によれば、パルス幅が１００ｐｓを下回るパルス光を出力することができる。これは、従来の面発光レーザにより出力される光パルス幅の数ｎｓに比べて約１／１０である。第４実施形態によれば、パルス光のパルス幅が短いほど安全基準で許容されるピーク出力が高くなるため、アイセーフを満たしつつ、高精度化と長距離化と両立することができる。

【0115】

（第５実施形態）
次に、第５実施形態について説明する。第５実施形態は移動体に関する。図３２は、第５実施形態に係る移動体の一例としての自動車を示す図である。第５実施形態に係る移動体の一例としての自動車５００の前面上方（例えばフロントグラスの上部）には、第４実施形態で説明した距離測定装置４００が設けられている。距離測定装置４００は、自動車５００の周囲の物体５０２までの距離を計測する。距離測定装置４００の計測結果は、自動車５００の有する制御部に入力され、制御部はこの計測結果に基づいて、移動体の動作の制御を行う。若しくは、制御部は、距離測定装置４００の計測結果に基づいて、自動車５００の運転者５０１へ向けて自動車５００内に設けられた表示部に警告表示を行ってもよい。

【0116】

このように、第５実施形態では、距離測定装置４００を自動車５００に設けることで、高精度に自動車５００の周辺の物体５０２の位置を認識することができる。なお、距離測定装置４００の搭載位置は、自動車５００の上部前方に限定されず、側面や後方に搭載されてもよい。また、この例では、距離測定装置４００を自動車５００に設けたが、距離測定装置４００を航空機又は船舶に設けてもよい。また、ドローン及びロボット等の、運転者が存在しない、自律移動を行う移動体に設けてもよい。

【0117】

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。

【0118】

本発明の態様は、例えば、以下のとおりである。
＜１＞ 活性層と、
前記活性層を挟んで対向する複数の反射鏡と、
電源装置に接続され、前記活性層に電流を注入することが可能な電極対と、
を有し、
前記電源装置により電流が注入される期間を電流注入期間、前記電流注入期間の後であって前記活性層に注入される電流値が前記電流注入期間における電流値よりも低下する期間を電流減少期間として、
前記電流注入期間に注入される電流値が第１の電流値である場合、前記電流注入期間に少なくとも１回レーザ発振し、
前記電流注入期間に注入される前記電流値が、前記第１の電流値を上回る第２の電流値である場合、前記電流減少期間に少なくとも１回レーザ発振する、
面発光レーザ。
＜２＞ 前記電流注入期間に注入される前記電流値が前記第１の電流値である場合、前記電流注入期間に複数回レーザ発振する、前記＜１＞に記載の面発光レーザ。
＜３＞ 前記電流注入期間に注入される前記電流値が前記第２の電流値である場合、前記電流注入期間に少なくとも１回レーザ発振して第１の光を出力するとともに、前記電流減少期間に１回レーザ発振して前記第１の光よりも強度の大きい第２の光を出力する、前記＜１＞に記載の面発光レーザ。
＜４＞ 出力ピーク値の１／ｅ^２となる時間幅を光パルス幅として、前記電流注入期間における少なくとも１回の前記レーザ発振によって、１１０ｐｓ以下の光パルス幅を有する単一のパルス光を出射する、前記＜１＞から前記＜３＞のいずれか１つに記載の面発光レーザ。
＜５＞ 光の射出方向に垂直な面内に、相対的に屈折率の高い高屈折領域と、該高屈折領域よりも屈折率が低く、該高屈折領域を取り囲む低屈折領域と、を有し、
前記低屈折領域は、酸化狭窄により形成されており、
前記高屈折領域の厚さは、３５ｎｍ以下であり、
前記低屈折領域と前記高屈折領域との境界の先端部から３μｍの位置における前記低屈折領域の厚さは、前記高屈折領域の厚さの２倍以下である、前記＜１＞から前記＜４＞のいずれか１つに記載の面発光レーザ。
＜６＞ 前記低屈折領域と前記高屈折領域の境界の先端部で囲まれる領域の、光の射出方向に垂直な面内における面積が１２０μｍ^２以下である、前記＜５＞に記載の面発光レーザ。
＜７＞ 前記＜１＞から前記＜６＞のいずれか１つに記載の面発光レーザと、
前記電極対に接続され、前記面発光レーザに電流を注入する電源装置と、
を備えるレーザ装置。
＜８＞ 前記＜７＞に記載のレーザ装置と、
前記面発光レーザから発せられ対象物で反射された光を検出する検出部と、
を備え、
前記検出部からの信号に基づき前記対象物との距離を算出する、
検出装置。
＜９＞ 前記＜８＞に記載の検出装置を備える移動体。
＜１０＞ 活性層と、
前記活性層を挟んで対向する複数の反射鏡と、
電源装置に接続され、前記活性層に電流を注入することが可能な電極対と、
を有する面発光レーザの駆動方法であって、
前記電極対からの前記電流を注入することで、前記面発光レーザをレーザ発振させるレーザ発振工程を有し、
前記電源装置により前記電流が注入される期間を電流注入期間、前記電流注入期間の後であって前記活性層に注入される電流値が前記電流注入期間における電流値よりも低下する期間を電流減少期間として、
前記レーザ発振工程は、
前記電流注入期間に注入される電流値が第１の電流値である場合、前記電流注入期間に少なくとも１回レーザ発振させる工程と、
前記電流注入期間に注入される前記電流値が、前記第１の電流値を上回る第２の電流値である場合、前記電流減少期間に少なくとも１回レーザ発振させる工程と、
を含む面発光レーザの駆動方法。

【符号の説明】

【0119】

１００、２００ 面発光レーザ
１２０ ｎ型ＤＢＲ
１３０ 活性層
１４０、２４１、２４２ ｐ型ＤＢＲ
１５０ 酸化狭窄層
１５１ 酸化領域
１５２ 非酸化領域
１６０ 上部電極
１７０ 下部電極
１８０、２８０ メサ
２５０ ＢＴＪ領域
２５１ ｐ型層
２５２ ｎ型層
３００ レーザ装置
４００ 距離測定装置
５００ 自動車（移動体）

【先行技術文献】

【特許文献】

【0120】

【特許文献1】米国特許第８，９３４，５１４号明細書

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】