特許 7473271 小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置、チップおよびＬＩＤＡＲシステム用光源

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-15

(45)【発行日】2024-04-23

(54)【発明の名称】小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置、チップおよびＬＩＤＡＲシステム用光源

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/183 20060101AFI20240416BHJP

   H01S 5/42 20060101ALI20240416BHJP

   H01S 5/026 20060101ALI20240416BHJP

   G01S 7/481 20060101ALI20240416BHJP

【ＦＩ】

H01S5/183

H01S5/42

H01S5/026 610

G01S7/481 A

【請求項の数】 29

(21)【出願番号】P 2023510465

(86)(22)【出願日】2022-03-28

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-11-09

(86)【国際出願番号】 CN2022083263

(87)【国際公開番号】W WO2023050740

(87)【国際公開日】2023-04-06

【審査請求日】2023-02-13

(31)【優先権主張番号】63/249,998

(32)【優先日】2021-09-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】202111335318.1

(32)【優先日】2021-11-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(73)【特許権者】

【識別番号】519028014

【氏名又は名称】常州縦慧芯光半導体科技有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＶＥＲＴＩＬＩＴＥ ＣＯ．，ＬＴＤ．

【住所又は居所原語表記】ＮＯ．７ ＦｅｎｇＸｉａｎｇ Ｒｏａｄ， ＷｕＪｉｎ Ｈｉｇｈ－ｔｅｃｈ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｚｏｎｅ， Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ， Ｊｉａｎｇｓｕ， Ｃｈｉｎａ

(74)【代理人】

【識別番号】110000729

【氏名又は名称】弁理士法人ユニアス国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】張 成

(72)【発明者】

【氏名】梁 棟

【審査官】右田 昌士

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０２１／００５７８８８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０２１／００５７８８３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０２１／０２８１０４９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１１０４２９４７３（ＣＮ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／０４０３３７６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０２２５５２４０（ＣＮ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０２６５１５３６（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ５／００ － ５／５０

Ｇ０１Ｓ ７／４８１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

下部ブラッグ反射層（２０）と、
前記下部ブラッグ反射層（２０）の一方側に位置する活性層（４０）と、
前記活性層（４０）の下部ブラッグ反射層（２０）から離れる一方側に位置する上部ブラッグ反射層（６０）と、を含む、小さい広がり角を有する垂直共振器面発光型（ＶＣＳＥＬ）レーザー装置であって、
前記活性層（４０）の内部または外部に、発光領域を定義するための開口を有する電流狭窄層（５０）が設けられ、
前記下部ブラッグ反射層（２０）と前記活性層（４０）との間、および前記上部ブラッグ反射層（６０）と前記活性層（４０）との間の少なくとも一方に、キャビティ延長層（３０）が設けられ、
前記キャビティ延長層（３０）の内部には、前記キャビティ延長層（３０）の内部のライトフィールド強度を向上させるための共振キャビティ（７０）が少なくとも１つ含まれ、
前記小さい広がり角とは、２０度よりも小さい広がり角であり、
前記キャビティ延長層（３０）には、アルミニウム・ガリウム・ヒ素材料層およびガリウム砒素材料層の２種の屈折率が異なる材料層から積層して形成されるか、或いは高アルミニウム成分のアルミニウム・ガリウム・ヒ素材料層および低アルミニウム成分のアルミニウム・ガリウム・ヒ素材料層の２種の屈折率が異なる材料層から積層して形成された中部ブラッグ反射層（３１）が含まれ、各々の材料層の光学的厚さが１／４発振波長であり、又は、前記キャビティ延長層（３０）には、２種の屈折率が異なる誘電体材料層から積層して形成された中部ブラッグ反射層（３１）が含まれ、各々の材料層の光学的厚さが１／４発振波長であり、
前記共振キャビティ（７０）のうちの少なくとも１つの共振キャビティ（７０）は、前記キャビティ延長層（３０）の内部でライトフィールド強度が最も強くなる、
小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置。

【請求項2】

前記キャビティ延長層（３０）の内部に含まれる共振キャビティ（７０）の数は、１つであり、
前記共振キャビティ（７０）から前記活性層（４０）に向かう方向において、前記共振キャビティ（７０）から前記活性層（４０）までのライトフィールド強度のピーク値が徐々に減少する、
請求項１に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置。

【請求項3】

前記キャビティ延長層（３０）の内部に含まれる共振キャビティ（７０）の数が複数であり、複数の共振キャビティ（７０）のうちの少なくとも１つの共振キャビティ（７０）の内部のライトフィールドの最大ピーク値が活性層（４０）のライトフィールドの最大ピーク値よりも大きい、
請求項１に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置。

【請求項4】

各々の共振キャビティ（７０）の光学的厚さが１／２発振波長の整数倍である、
請求項１に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置。

【請求項5】

前記電流狭窄層（５０）には、酸化層が含まれ、
前記酸化層は、エピタキシャル成長する高Ａｌ成分のＡｌＧａＡｓであり、前記酸化層における外側被酸化領域に絶縁したアルミナ膜層が形成され、前記酸化層における未酸化領域に電流注入が効果的である発光領域が形成されている、
請求項１に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置。

【請求項6】

前記電流狭窄層（５０）の数が少なくとも１つであり、
前記電流狭窄層（５０）と最も近い定在波ライトフィールドの節との光路距離が１／１０発振波長よりも小さく、前記電流狭窄層（５０）が前記活性層（４０）の外側に位置する場合、前記活性層（４０）に垂直な方向に沿って前記活性層（４０）の一方側から２つの波長範囲内に位置し、
前記活性層（４０）には、少なくとも１つの量子井戸が含まれ、各々の前記量子井戸と最も近い定在波ライトフィールドの腹との光路距離が１／５発振波長よりも小さく、
前記活性層（４０）には、１つ以上の量子井戸が含まれる場合、１組の量子井戸全体の中心位置と最も近い定在波ライトフィールドの腹との光路距離が１／１０発振波長よりも小さい、
請求項１に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置。

【請求項7】

前記電流狭窄層（５０）が定在波ライトフィールドの腹に位置し、前記量子井戸が定在波ライトフィールドの節に位置する、
請求項６に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置。

【請求項8】

前記活性層（４０）に垂直な方向において、前記電流狭窄層（５０）から前記活性層（４０）までの距離が、各々の共振キャビティ（７０）から前記活性層（４０）までの距離よりも小さい、
請求項１に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置。

【請求項9】

前記活性層（４０）に垂直な方向において、各々の共振キャビティ（７０）の前記活性層（４０）からの長さが、前記キャビティ延長層（３０）の厚さの１／２よりも大きい、
請求項８に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置。

【請求項10】

前記キャビティ延長層（３０）には、中部ブラッグ反射層（３１）が含まれ、
前記下部ブラッグ反射層（２０）には、高低屈折率に応じて交互に設けられた、光学的厚さが１／４発振波長のリフレクタが複数含まれ、
前記上部ブラッグ反射層（６０）には、高低屈折率に応じて交互に設けられた、光学的厚さが１／４発振波長のリフレクタが複数含まれ、
前記中部ブラッグ反射層（３１）には、高低屈折率に応じて交互に設けられた、光学的厚さが１／４発振波長のリフレクタが複数含まれる、
請求項１に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置。

【請求項11】

前記中部ブラッグ反射層（３１）は、半波長周期毎の高低屈折率コントラストが、下部ブラッグ反射層（２０）の対応する半波長周期毎の高低屈折率コントラスト、および上部ブラッグ反射層（６０）の対応する半波長周期毎の高低屈折率コントラストのうちの少なくとも一方よりも低い、
請求項１０に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置。

【請求項12】

前記キャビティ延長層（３０）には、１つの共振キャビティ（７０）および２組の中部ブラッグ反射層（３１）が含まれ、
２組の中部ブラッグ反射層（３１）のうちの１組が共振キャビティ（７０）と下部ブラッグ反射層（２０）との間に位置し、２組の中部ブラッグ反射層（３１）のうちの他の１組が共振キャビティ（７０）と活性層（４０）との間に位置する、
請求項１０に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置。

【請求項13】

共振キャビティ（７０）と下部ブラッグ反射層（２０）との間に位置する中部ブラッグ反射層（３１）の反射率が、共振キャビティ（７０）と活性層（４０）との間に位置する中部ブラッグ反射層（３１）の反射率よりも小さい、
請求項１２に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置。

【請求項14】

２組の中部ブラッグ反射層（３１）には、同じ高低屈折率で交互に分布する材料が用いられ、共振キャビティ（７０）と下部ブラッグ反射層（２０）との間に位置する中部ブラッグ反射層（３１）の周期数が共振キャビティ（７０）と活性層（４０）との間に位置する中部ブラッグ反射層（３１）の周期数よりも少ない、
請求項１３に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置。

【請求項15】

前記共振キャビティ（７０）の屈折率が、中部ブラッグ反射層（３１）における共振キャビティ（７０）に接触する箇所の屈折率と異なる、
請求項１０に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置。

【請求項16】

レーザーの光出射面は、前記下部ブラッグ反射層（２０）の前記活性層（４０）から離れる一方側に位置し、前記上部ブラッグ反射層（６０）の反射率が下部ブラッグ反射層（２０）の反射率よりも大きく、
或いは、レーザーの光出射面は、上部ブラッグ反射層（６０）の前記活性層（４０）から離れる一方側に位置し、前記下部ブラッグ反射層（２０）の反射率が上部ブラッグ反射層（６０）の反射率よりも大きい、
請求項１０に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置。

【請求項17】

前記光出射面の一方側に集積され、ファーフィールドの広がり角を低下させるためのマイクロレンズをさらに含む、
請求項１６に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置。

【請求項18】

前記中部ブラッグ反射層（３１）の厚さと、前記中部ブラッグ反射層（３１）の半波長周期毎の高低屈折率コントラストとが負の相関となる、
請求項１０に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置。

【請求項19】

各々の共振キャビティ（７０）には、材料が異なるサブ層が複数含まれる、
請求項１に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置。

【請求項20】

前記活性層（４０）には、少なくとも２つのサブ活性層が含まれ、
各々の前記サブ活性層は、少なくとも１つの前記量子井戸を含み、隣り合う２つのサブ活性層同士がトンネル結合（８０）で連結され、前記トンネル結合（８０）と最も近い定在波ライトフィールドの節との光路距離が１／１０発振波長よりも小さい、
請求項６に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置。

【請求項21】

各々の前記サブ活性層の少なくとも一方側に、前記キャビティ延長層（３０）、およびキャビティ延長層（３０）内に設けられた共振キャビティ（７０）を有する、
請求項２０に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置。

【請求項22】

各々のサブ活性層に、最も多く１つの電流狭窄層（５０）が存在し、前記トンネル結合（８０）が定在波ライトフィールドの節に位置する、
請求項２０に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置。

【請求項23】

前記上部ブラッグ反射層（６０）、下部ブラッグ反射層（２０）およびキャビティ延長層（３０）の少なくとも一方の材料が、誘電体材料である、
請求項１に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置。

【請求項24】

前記上部ブラッグ反射層（６０）、下部ブラッグ反射層（２０）およびキャビティ延長層（３０）の少なくとも一方の材料が、半導体材料である、
請求項１に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置。

【請求項25】

前記下部ブラッグ反射層（２０）がＮ型半導体層であり、前記上部ブラッグ反射層（６０）がＰ型半導体層であり、
或いは、前記下部ブラッグ反射層（２０）がＰ型半導体層であり、前記上部ブラッグ反射層（６０）がＮ型半導体層である、
請求項２４に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置。

【請求項26】

前記下部ブラッグ反射層（２０）の活性層（４０）から離れる一方側に位置する基板（１０）をさらに含み、
前記基板（１０）の材料は、ＧａＡｓまたはＳｉを含む、
請求項１に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置。

【請求項27】

前記上部ブラッグ反射層（６０）の活性層（４０）から離れる一方側に位置する透明頂板（１０’）をさらに含み、
前記透明頂板（１０’）の材料は、サファイア、石英、ガラスまたは透明重合体を含む、
請求項１に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置。

【請求項28】

複数の請求項１～２７のいずれか一項に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置を含む小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置チップであって、
複数の前記小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置は、平面アレイ配列として構成され、
前記平面アレイ配列は、規則的な配列、またはランダムな配列、またはアドレッシングのための複数のサブアレイである、
小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置チップ。

【請求項29】

少なくとも１つの請求項１～２７のいずれか一項に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置、または少なくとも１つの請求項２８に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置チップを含む、
レーザーレーダＬＩＤＡＲシステム用光源。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、２０２１年０９月２９日に提出された仮特許出願シリアル番号６３／２４９，９９８の米国仮出願の優先権を主張し、２０２１年１１月１１日に中国特許局へ提出された出願番号２０２１１１３３５３１８．１の中国特許出願の優先権を主張し、上記出願のすべての内容は、援用により本願に組み込まれる。
相互援用および優先権説明

【0002】

本願は、２０２１年０９月２９日に提出された仮特許出願シリアル番号６３／２４９，９９８の米国仮出願「Ｓｍａｌｌ ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ ａｎｇｌｅ ＶＣＳＥＬ ｗｉｔｈ ａ ｍｉｄｄｌｅ ＤＢＲ ｃａｖｉｔｙ」の優先権を主張し、上記米国仮出願のすべての内容は、援用により本明細書に組み込まれる。

【0003】

本願の実施例は、レーザー装置の技術分野に関し、たとえば、小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置、チップおよびＬＩＤＡＲシステム用光源に関する。

【背景技術】

【0004】

面発光レーザー装置（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）は、発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ、ＬＥＤ）または他の非干渉性光源よりも、広がり角が小さいビームを生成することができるため、三次元センサー、レーザーレーダ、光通信および照明などの適用に広く用いられ、各種の適用に対して、小型、コンパクト、ハイパワーのレーザー光源を提供することができる。

【0005】

従来のＶＣＳＥＬにおける広がり角は、通常、約２０～３０度である。このような広がり角は、一部の従来の適用を満たすことはできるが、新たな適用シーンに対して依然として相対的に大きく、三次元センサーおよびレーザーレーダの探知距離、解像度および信号対雑音比を制限する可能性がある。ＶＣＳＥＬにおけるビーム広がり角をさらに圧縮することは、実際の適用において非常に差し迫ったニーズがある。

【発明の概要】

【0006】

本願の実施例は、小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置、チップおよびＬＩＤＡＲシステム用光源を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

第１態様として、本願の実施例は、
下部ブラッグ反射層と、
前記下部ブラッグ反射層の一方側に位置する活性層と、
前記活性層の下部ブラッグ反射層から離れる一方側に位置する上部ブラッグ反射層と、を含む小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置であって、
前記活性層の内部または外部に、発光領域を定義するための開口を有する電流狭窄層が設けられ、
前記下部ブラッグ反射層と前記活性層との間、および前記上部ブラッグ反射層と前記活性層との間の少なくとも一方に、キャビティ延長層が設けられ、
前記キャビティ延長層の内部には、少なくとも１つの共振キャビティが含まれ、前記共振キャビティの少なくとも１つが前記キャビティ延長層の内部のライトフィールド強度を向上させるために用いられる、小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置を提供する。

【0008】

第２態様として、本願の実施例は、複数の第１態様のいずれかに記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置を含む小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置チップであって、複数の前記小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置により平面アレイ配列が構成され、前記平面アレイ配列は、規則的な配列、またはランダムな配列、またはアドレッシングのための複数のサブアレイである、小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置チップを提供する。

【0009】

第３態様として、本願の実施例は、少なくとも１つの第１態様のいずれかに記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置、または少なくとも１つの第２態様に記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置チップを含む、ＬＩＤＡＲシステム用光源を提供する。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】関連技術に係るＶＣＳＥＬレーザー装置の構造模式図である。

【図2】本願の実施例に係る小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置の構造模式図である。

【図3】本願の実施例に係る他の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置の構造模式図である。

【図4】本願の実施例に係る他の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置の構造模式図である。

【図5】本願の実施例に係る他の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置の構造模式図である。

【図6】本願の実施例に係る他の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置の構造模式図である。

【図7】本願の実施例に係る他の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置の構造模式図である。

【図8】本願の実施例に係るライトフィールド強度分布図および屈折率分布図である。

【図9】本願の実施例に係る他のライトフィールド強度分布図および屈折率分布図である。

【図10】本願の実施例に係る他の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置の構造模式図である。

【図11】本願の実施例に係るライトフィールド強度分布図および屈折率分布図である。

【図12】本願の実施例に係る他のライトフィールド強度分布図および屈折率分布図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面及び実施例を結び付けて本願について更に詳細に説明する。ここで記載される具体的な実施例は、本願を説明するためのものに過ぎず、本願を限定するものではないことを理解すべきである。なお、説明を容易にするために、図面に示しているのは本発明に関連する一部だけであり、すべての構造ではない。

【0012】

背景技術のように、従来のＶＣＳＥＬにおける広がり角は、通常、約２０～３０度である。このような広がり角は、一部の従来の適用を満たすことができるが、新たな適用シーンに対して依然として相対的に大きく、三次元センサーおよびレーザーレーダの探知距離、解像度および信号対雑音比を制限する可能性がある。関連技術において、ＶＣＳＥＬにおけるビーム広がり角を圧縮するために、慣用手段は、キャビティ長を向上させる方法により、ＶＣＳＥＬの発光孔内外の有効屈折率の差分を低下させ、さらに高次モードの発生を抑制する。高次モードにおけるビームがより大きな広がり角を有するため、高次モードにおけるビームが抑制された後、残りの低次モードにおけるビームは、より小さな広がり角を実現することができる。図１は、関連技術に係るＶＣＳＥＬレーザー装置の構造模式図である。図１に示すように、基板１の同一側に、下部ブラッグ反射層３、活性層４および上部ブラッグ反射層６が設けられている。そのうち、上部ブラッグ反射層６には、上部ブラッグ反射層６におけるアルミニウム含有成分が高い材料、たとえばＡｌＧａＡｓを酸化することにより形成された電流狭窄層５が含まれる。すなわち、ＡｌＧａＡｓを酸化されてアルミナを形成する。これにより、電流狭窄層５が所在する層における開口箇所のＡｌＧａＡｓと開口箇所以外のアルミナとの屈折率は、異なる。開口箇所がレーザー装置の発光孔であるので、ＶＣＳＥＬの発光孔内外の有効屈折率が差分を発生する。

【0013】

有効屈折率は、下記数式から決定される。

【数1】

ただし、ｎ_ｅｆｆは、有効屈折率であり、ｎ（ｚ）は、ｚ軸方向における屈折率であり、Ｅ^２（ｚ）は、ｚ軸方向におけるライトフィールド強度である。

【0014】

ＶＣＳＥＬの発光孔内外の有効屈折率の差分は、下記数式から決定される。

【数2】

ただし、Δｎ_ｅｆｆは、発光孔内外の有効屈折率の差分であり、ｎ_{１_ｅｆｆ}は、発光孔の所在領域における有効屈折率であり、ｎ_{２_ｅｆｆ}は、発光孔外の有効屈折率であり、ｎ_１は、アルミニウム含有成分が高い材料（たとえばＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ）の屈折率であり、ｎ_２は、アルミナの屈折率である。Γ_ｏｘは、酸化層の光閉じ込め係数であり、下記数式から決定される。

【数3】

ただし、ｌは、ｚ軸方向における電流狭窄層５の厚さであり、ｐは、ｚ軸方向におけるライトフィールド全体の厚さであり、ｎ_２（ｚ）は、ｚ軸方向におけるアルミナの屈折率であり、一定の値、たとえばｎ_２（ｚ）は、ｎ_２であると考えられてもよい。

【0015】

ＶＣＳＥＬビーム広がり角を圧縮するために、中部ブラッグ反射層２を増設してキャビティ長を向上させることにより、ｐの値が大きくなり、Γ_ｏｘの値が小さくなり、発光孔内外の有効屈折率の差分が低減し、さらに、高次モードの発生を抑制することができる。高次モードにおけるビームがより大きな広がり角を有するため、高次モードにおけるビームが抑制された後、残りの低次モードにおけるビームは、より小さな広がり角を実現することができる。しかしながら、キャビティ長を向上させる方法は、新たな問題を引き起こす恐れがある。キャビティ長が向上された後、レーザーの縦モードのピッチが低減し、ＶＣＳＥＬの発光スペクトルにおいて複数の縦モード、すなわち複数のスペクトルピークが現れる。これらの複数のスペクトルピークのうち、設計された発振波長以外、他の意図しないスペクトルピークが設計された発振波長の一方側または両側に現れる。これらの意図しないスペクトルピークは、通常、縦モードと呼ばれる。縦モードの出現は、一部の潜在的な問題を引き起こす。たとえば、光源の温度ドリフト係数が向上し、温度安定性が低下する。また、たとえば、三次元センサーおよびレーザーレーダの受信端がこれらの縦モードによる効率の低下およびクロストークなどを識別することができない。

【0016】

これに鑑み、本願の実施例は、小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置を提供する。図２は、本願の実施例に係る小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置の構造模式図である。図３は、本願の実施例に係る他の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置の構造模式図である。図４は、本願の実施例に係る他の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置の構造模式図である。図５は、本願の実施例に係る他の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置の構造模式図である。図６は、本願の実施例に係る他の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置の構造模式図である。図２～図６に示すように、小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置は、
下部ブラッグ反射層２０と、
下部ブラッグ反射層２０の一方側に位置する活性層４０と、
活性層４０の下部ブラッグ反射層２０から離れる一方側に位置する上部ブラッグ反射層６０と、を含み、活性層４０の内部または近傍に、発光領域を定義するための開口を有する電流狭窄層５０が設けられ、
そのうち、下部ブラッグ反射層２０と活性層４０との間の、および上部ブラッグ反射層６０と活性層４０との間の少なくとも一方に、キャビティ延長層３０が設けられ、
キャビティ延長層３０の内部には、キャビティ延長層３０の内部のライトフィールド強度を向上させるための共振キャビティ７０が少なくとも１つ含まれる。

【0017】

たとえば、下部ブラッグ反射層２０には、複数の光学的厚さが１／４発振波長のリフレクタが含まれ、複数のリフレクタが高低屈折率に応じて交互に設けられてもよい。上部ブラッグ反射層６０には、複数の光学的厚さが１／４発振波長のリフレクタが含まれ、複数のリフレクタが高低屈折率に応じて交互に設けられてもよい。そのうち、上部ブラッグ反射層６０および下部ブラッグ反射層２０の材料は、誘電体材料であり、電気絶縁性を有し、たとえば、窒化ケイ素、酸化ケイ素、アルミナまたは酸化チタンなどを含んでもよい。上部ブラッグ反射層６０および下部ブラッグ反射層２０の材料は、半導体材料、たとえばＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓであってもよい。図３、図５または図６に示すように、小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置には、基板１０がさらに含まれてもよい。基板１０は、下部ブラッグ反射層２０の活性層４０から離れる一方側に位置する。当該基板１０は、レーザー装置を形成することに適するいずれかの材料である。基板の材料は、ＧａＡｓまたはＳｉなどの材料であってもよい。図４に示すように、当該小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置には、透明頂板１０’がさらに含まれてもよい。透明頂板１０’は、上部ブラッグ反射層６０の活性層４０から離れる一方側に位置する。透明頂板１０’の材料は、サファイア、石英、ガラスまたは透明重合体を含んでもよい。

【0018】

活性層４０に近づく一方側における層の辺縁に、電流狭窄層５０が含まれる。或いは、活性層４０の内部に電流狭窄層５０が設けられている。一定の温度条件下で、ハイアルミニウム（Ｈｉｇｈ ａｌｕｍｉｎｕｍ）をウエット酸化することにより、電流狭窄層５０が所在する半導体層（たとえば、材料がアルミニウムガリウムヒ素材料である）の側壁を酸化して酸化層を形成することで、電流狭窄層５０を形成することができる。電流狭窄層５０には、レーザー装置の発光領域を定義するための開口を有する。酸化されたアルミナの抵抗が高く、電流狭窄層５０の開口箇所が依然としてハイアルミニウムのアルミニウムガリウムヒ素材料であるので、電流を流した後、電流が電流狭窄層５０における開口を介して活性層４０へ流れる。活性層４０には、少なくとも１つの量子井戸が含まれている。それは、積層された量子井戸複合構造を含んでもよく、ＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓおよびＧａＡｓＰ、或いはＩｎＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓ材料から積層配列されるように構成され、電気エネルギーを光エネルギーに変換して、レーザーを生成するために用いられる。たとえば、量子井戸組には、２～５個の量子井戸があり、量子井戸間に障壁が存在し、量子井戸組の外側にも障壁が存在する。そのうち、各々の量子井戸の活性層４０に垂直な方向における中心と最も近い定在波ライトフィールドの腹（ａｎｔｉｎｏｄｅ）との光路距離は、１／５発振波長よりも小さい。量子井戸が１以上である場合、１組の量子井戸全体の中心位置と、最も近い定在波ライトフィールドの腹との光路距離は、１／１０発振波長よりも小さい。たとえば、量子井戸の中心位置と電界のピーク値とが整列している。その為、量子井戸は、レーザー利得増幅を発生するために用いられるので、量子井戸の中心位置と、ライトフィールドが最も強い位置とが整列することにより、より大きな増幅効果を達成することができる。

【0019】

そのうち、下部ブラッグ反射層２０と活性層４０との間、および上部ブラッグ反射層６０と活性層４０との間の少なくとも一方に、キャビティ延長層３０が設けられている。図２～図４には、下部ブラッグ反射層２０と活性層４０との間に活性層４０に平行なキャビティ延長層３０が設けられていることが例示されている。図５には、上部ブラッグ反射層６０と活性層４０との間に活性層４０に平行なキャビティ延長層３０が設けられていることが例示されている。図６には、下部ブラッグ反射層２０と活性層４０との間、および上部ブラッグ反射層６０と活性層４０との間に、いずれも活性層４０に平行なキャビティ延長層３０が設けられていることが例示されている。キャビティ延長層３０の内部に、所在するキャビティ延長層３０の内部のライトフィールド強度を向上させるための共振キャビティ７０が含まれる。キャビティ延長層３０において共振キャビティ７０が設けられることにより、キャビティ延長層３０の内部のライトフィールド強度を向上させる。そのうち、キャビティ延長層３０の材料は、誘電体材料であってもよいし、半導体材料であってもよい。

【0020】

上記数式から分かるように、係数Γ_ｏｘの値を低減させることにより、ＶＣＳＥＬの発光孔内外の有効屈折率の差分を低下させることができる。係数Γ_ｏｘの値の低減は、分子の低減、および分母の向上の少なくとも１種の形態により実現することができる。電流狭窄層５０の厚さが小さいので、分母におけるキャビティ長ｐの向上により縦モードを引き起こす。本願の実施例は、分母における電界強度Ｅ^２を向上させる、すなわちキャビティ延長層３０におけるライトフィールド強度を向上させることにより、ＶＣＳＥＬの発光孔内外の有効屈折率の差分の低下を実現し、さらに高次モードの発生を抑制し、広がり角を低下させる。それと同時に、キャビティ延長層３０の内部のライトフィールド強度を向上させることにより、関連技術に対して、キャビティ長の向上幅を低減させることができる。さらに、ＶＣＳＥＬの発光スペクトルに複数の縦モードが現れるという問題を改善することができることで、広がり角を極めて大きく低下させながら、単一縦モード発振を実現し、多波長の出力を回避することができる。光源の温度ドリフト係数が向上し、温度安定性が低下し、三次元センサーおよびレーザーレーダの受信端が多波長による効率の降下およびクロストークを識別できないなどの問題を回避することができる。

【0021】

要するに、本願の実施例に係る小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置は、キャビティ延長層に共振キャビティが設けられることにより、キャビティ延長層の内部のライトフィールド強度を向上させ、ＶＣＳＥＬの発光孔内外の有効屈折率の差分を低下させ、さらに高次モードの発生を抑制し、広がり角を低下させることができる。それと同時に、キャビティ延長層の内部のライトフィールド強度を向上させることにより、レーザー装置の有効キャビティ長を効果的に低減させることができることで、隣り合う縦モード間の波長差分を向上させ、単一縦モード発振を実現し、多波長の出力を回避することができる。そのため、広がり角を極めて大きく低下させながら、単一縦モード発振を実現し、多波長の出力を回避することができる。

【0022】

たとえば、小さい広がり角とは、広がり角が２０度よりも小さいことを示す。

【0023】

一実施例において、下部ブラッグ反射層２０および上部ブラッグ反射層６０が半導体材料である場合、下部ブラッグ反射層２０は、Ｎ型半導体層であり、上部ブラッグ反射層６０は、Ｐ型半導体層であり、或いは、下部ブラッグ反射層２０は、Ｐ型半導体層であってもよく、上部ブラッグ反射層６０は、Ｎ型半導体層であってもよい。活性層４０に近づく一方側における層の辺縁に電流狭窄層５０が設けられたレーザー装置は、上部ブラッグ反射層６０が活性層４０に直接接触すると（図２を参照）、電流狭窄層５０が上部ブラッグ反射層６０の内部に位置し、活性層４０と上部ブラッグ反射層６０とがキャビティ延長層３０を介して隔てられると、電流狭窄層５０が活性層４０の内部に位置する（図５～図６を参照）。図２～図４には、いずれも、電流狭窄層５０が活性層４０の外側に位置することが例示されている。より良く発光領域を限定するために、電流狭窄層５０は、活性層４０に垂直な方向に沿って活性層４０の一方側から２つの波長範囲内に位置する。

【0024】

電流狭窄層５０は、さらに、活性層４０の内部に位置してもよい。そのうち、電流狭窄層５０は、活性層に垂直な方向における中心と最も近い定在波ライトフィールドの節（ｎｏｄｅ）との光路距離が１／１０発振波長よりも小さく、発光領域に対する限定効果を確保しながら、電流狭窄層５０の所在位置におけるライトフィールド強度が小さいことを確保することができ、電流狭窄層５０の光閉じ込め係数をさらに低下させることで、ファーフィールドの広がり角の低減を実現することができる。なお、電流狭窄層５０の数は、少なくとも１つである。異なる電流狭窄層５０の開口のサイズは、同一または異なってもよい。開口が最も小さい電流狭窄層５０により限定された発光領域がレーザー装置の発光領域とされる。

【0025】

図５～６、および図７には、いずれも、電流狭窄層５０が活性層４０の内部に位置することが例示されている。よりよく発光領域を限定するために、電流狭窄層５０の活性層４０に垂直な方向における中心と最も近い定在波ライトフィールドの節との光路距離は、１／１０発振波長よりも小さい。

【0026】

一実施例において、図７は、本願の実施例に係る他の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置の構造模式図である。図７に示すように、活性層４０には、少なくとも２組のサブ活性層が含まれ（図７には、それぞれ４１、４２、４３の３組が例示され）、且つ各組のサブ活性層同士がトンネル結合８０で連結されている。トンネル結合８０と最も近い定在波ライトフィールドの節との光路距離は、１／１０発振波長よりも小さい。一実施例において、トンネル結合８０は、定在波ライトフィールド強度が０の位置に位置する。トンネル結合には、非常に多くの不純物がある。これらの不純物は、光吸収損失を引き起こし、発光効率を低下させるため、トンネル結合をライトフィールドが最も小さい箇所に置くことにより、光損失を最小化させることができる。

【0027】

各々のサブ活性層には、量子井戸（４１２／４２２／４３２）が設けられている。そして、サブ活性層において、量子井戸の両側にそれぞれＮ型半導体層（４１３／４２３／４３３）およびＰ型半導体層（４１１／４２１／４３１）が設けられている。発光領域を定義するための電流狭窄層５０が活性層４０に穿設されたレーザー装置は、電流狭窄層５０がＰ型半導体層（４１１／４２１／４３１）に位置する。基板１０の活性層４０から離れる一方側に第１電極層９０が設けられ、上部ブラッグ反射層６０の活性層４０から離れる一方側に第２電極層１００が設けられている。第１電極層９０および第２電極層１００によい、外部からの電気信号を受信して電圧差を生成することで、活性層４０に電流を提供することを実現することができる。電流狭窄層５０の中心が定在波ライトフィールド強度が０の箇所に設けられることにより、係数Γ_ｏｘの値を低減させ、さらに、ＶＣＳＥＬの発光孔内外の有効屈折率の差分を低下させ、広がり角を低下させることができる。複数のサブ活性層の構造において、電流狭窄層５０が１つのみ設けられてもよい。当該電流狭窄層５０は、上部ブラッグ反射層６０に最も近づくサブ活性層（４１）に位置する。一実施例において、電流狭窄層５０が１つのみ設けられることにより、発光領域を定義することを満たしながら、素子における電流狭窄層７０の有効屈折率を低減させることができる。なお、各々のサブ活性層には、複数の量子井戸が含まれてもよい。

【0028】

一実施例において、キャビティ延長層３０の内部に含まれる共振キャビティ７０の数が１つである。共振キャビティ７０から活性層４０に向かう方向において、共振キャビティ７０から活性層４０までのライトフィールド強度ピーク値が徐々に減少する。

【0029】

たとえば、図２に示す構造を例として、キャビティ延長層３０は、下部ブラッグ反射層２０と活性層４０との間に位置し、キャビティ延長層３０の一方側が下部ブラッグ反射層２０に接触し、キャビティ延長層３０の他方側が活性層４０に接触する。図８は、本願の実施例に係るライトフィールド強度分布図および屈折率分布図であり、図９は、本願の実施例に係る他のライトフィールド強度分布図および屈折率分布図である。図８～図９に示すように、共振キャビティ７０から活性層４０に向かう方向において、共振キャビティ７０から活性層４０までのライトフィールド強度ピーク値が徐々に減少する。本願の実施例において、活性層４０により光が提供されるが、光の増幅が、共振キャビティ７０および共振キャビティ７０の両側に位置するキャビティ延長層３０により実現されると理解できる。キャビティ延長層３０には、アルミニウム・ガリウム・ヒ素材料層およびガリウム砒素材料層の２種の屈折率が異なる材料層から積層して形成されるか、或いは高アルミニウム成分のアルミニウム・ガリウム・ヒ素材料層および低アルミニウム成分のアルミニウム・ガリウム・ヒ素材料層の２種の屈折率が異なる材料層から積層して形成されたブラッグ反射層が含まれてもよい。２種の屈折率が異なる誘電体材料層から積層して形成されてもよい。共振キャビティ７０の光学的厚さが１／２発振波長の整数倍とされることにより、両側におけるブラッグ反射層の反射方向が反対することで、共振キャビティ７０の内部のライトフィールドが最も強くなるとともに、共振キャビティ７０から活性層４０に向かう方向において共振キャビティ７０から活性層４０までのライトフィールド強度が徐々に減少することを実現する。キャビティ延長層３０に共振キャビティ７０が設けられることにより、キャビティ延長層３０の内部のライトフィールド強度を向上させ、ＶＣＳＥＬの発光孔内外の有効屈折率の差分を低下させ、さらに高次モードの発生を抑制し、広がり角を低下させることができる。それと同時に、キャビティ延長層３０の内部のライトフィールド強度を向上させることにより、キャビティ長の向上幅を低減させ、ＶＣＳＥＬの発光スペクトルに複数の縦モードが現れるという問題を改善することができることで、広がり角を極めて大きく低下させながら、単一縦モード発振を実現し、多波長の出力を回避することができる。活性層４０の両側にいずれもキャビティ延長層３０が設けられたレーザー装置（図６に示すレーザー装置の構造）は、活性層４０の両側における共振キャビティ７０から、それぞれ活性層４０に向かう方向において、両側における共振キャビティ７０から活性層４０までのライトフィールド強度ピーク値が徐々に減少する。

【0030】

また、本願の実施例に係る小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置は、共振キャビティ７０の内部のライトフィールドが最も強く、共振キャビティ７０から活性層４０に向かう方向において、共振キャビティ７０から活性層４０までのライトフィールド強度が徐々に減少する。キャビティ延長層３０の活性層４０に近づく辺縁箇所のライトフィールド強度と、活性層４０のライトフィールド強度との差分が小さい。活性層４０のライトフィールド強度が関連技術における活性層４０のライトフィールド強度に対して小さいので、活性層４０に近づく一方側に位置する、または活性層４０の内部に位置する電流狭窄層５０の電界強度を低下させ、係数Γ_ｏｘの値をさらに低減させ、ＶＣＳＥＬの発光孔内外の有効屈折率の差分を低下させ、レーザーの広がり角を低下させることができる。

【0031】

一実施例において、活性層４０に垂直な方向において、電流狭窄層５０から活性層４０までの距離が共振キャビティ７０から活性層４０までの距離よりも小さい。

【0032】

たとえば、図２に示すように、電流狭窄層５０が活性層４０に位置しない構造は、電流狭窄層５０から活性層４０までの距離が共振キャビティ７０から活性層４０までの距離よりも小さい。図５に示すように、電流狭窄層５０が活性層４０の内部に位置する構造は、電流狭窄層５０から活性層４０までの距離が共振キャビティ７０から活性層４０までの距離よりも小さい。電流狭窄層５０が活性層４０の辺縁箇所に近づくように位置し、共振キャビティ７０がキャビティ延長層３０の中部に近づくように位置するか、或いはキャビティ延長層３０の活性層４０から離れる一方側に位置すると理解できる。電流狭窄層５０が活性層４０の辺縁箇所に近づくように位置することにより、電流狭窄層５０の開口のサイズと電流が活性層４０に進入する領域との差分を小さくすることができる。電流狭窄層５０が活性層４０の辺縁箇所に近づくように位置し、共振キャビティ７０がキャビティ延長層３０の中部に近づくように位置するか、或いはキャビティ延長層３０の活性層４０から離れる一方側に位置することにより、共振キャビティ７０と活性層４０とのライトフィールド強度の差分を向上させることができる。一実施例において、活性層４０に垂直な方向において、共振キャビティ７０から活性層４０までの長さがキャビティ延長層３０の厚さの１／２よりも大きい。そのため、酸化層のライトフィールド強度をさらに低減させ、係数Γ_ｏｘの値をさらに低減させ、ＶＣＳＥＬの発光孔内外の有効屈折率の差分を低下させ、レーザーの広がり角を低下させることができる。

【0033】

一実施例において、続いて図２～図６に示すように、キャビティ延長層３０は、中部ブラッグ反射層３１であり、
下部ブラッグ反射層２０には、高低屈折率に応じて交互に設けられた、光学的厚さが１／４発振波長のリフレクタが複数含まれ、
上部ブラッグ反射層６０には、高低屈折率に応じて交互に設けられた、光学的厚さが１／４発振波長のリフレクタが複数含まれ、
中部ブラッグ反射層３１には、高低屈折率に応じて交互に設けられた、光学的厚さが１／４発振波長のリフレクタが複数含まれる。

【0034】

たとえば、下部ブラッグ反射層２０には、アルミニウム・ガリウム・ヒ素材料層およびガリウム砒素材料層の２種の屈折率が異なる材料層から積層して形成されるか、或いは高アルミニウム成分のアルミニウム・ガリウム・ヒ素材料層および低アルミニウム成分のアルミニウム・ガリウム・ヒ素材料層の２種の屈折率が異なる材料層から積層して形成された下部ブラッグ反射層２０が含まれてもよく、各々の材料層の光学的厚さが１／４発振波長である。上部ブラッグ反射層６０には、アルミニウム・ガリウム・ヒ素材料層およびガリウム砒素材料層の２種の屈折率が異なる材料層から積層して形成されるか、或いは高アルミニウム成分のアルミニウム・ガリウム・ヒ素材料層および低アルミニウム成分のアルミニウム・ガリウム・ヒ素材料層の２種の屈折率が異なる材料層から積層して形成された上部ブラッグ反射層６０が含まれてもよく、各々の材料層の光学的厚さが１／４発振波長である。キャビティ延長層３０には、アルミニウム・ガリウム・ヒ素材料層およびガリウム砒素材料層の２種の屈折率が異なる材料層から積層して形成されるか、或いは高アルミニウム成分のアルミニウム・ガリウム・ヒ素材料層および低アルミニウム成分のアルミニウム・ガリウム・ヒ素材料層の２種の屈折率が異なる材料層から積層して形成された中部ブラッグ反射層３１が含まれてもよく、各々の材料層の光学的厚さが１／４発振波長である。

【0035】

下部ブラッグ反射層２０は、２種の屈折率が異なる誘電体材料層から積層して形成されてもよく、各々の材料層の光学的厚さが１／４発振波長である。上部ブラッグ反射層６０は、２種の屈折率が異なる誘電体材料層から積層して形成されてもよく、各々の材料層の光学的厚さが１／４発振波長である。キャビティ延長層３０には、２種の屈折率が異なる誘電体材料層から積層して形成された中部ブラッグ反射層３１が含まれてもよく、各々の材料層の光学的厚さが１／４発振波長である。

【0036】

一実施例において、中部ブラッグ反射層３１の半波長周期毎の高低屈折率コントラストは、下部ブラッグ反射層２０および／または上部ブラッグ反射層６０における対応する半波長周期毎の高低屈折率コントラストよりも低い。

【0037】

たとえば、図８に示すように、中部ブラッグ反射層３１における半波長周期ごとの屈折率コントラストは、上部・下部リフレクタにおける対応する半波長周期ごとの屈折率コントラストよりも低い。中部ブラッグ反射層３１における半波長周期ごとの高屈折率と低屈折率との差または比は、下部（上部）リフレクタにおける半波長周期ごとの高屈折率と低屈折率との差または比よりも小さいと理解できる。中部ブラッグ反射層３１における半波長周期ごとの屈折率コントラストが低いので、コントラストが高すぎることに起因して、対数が少ないリフレクタを使用すれば、共振キャビティ７０の内部のライトフィールドを強くすることができるという問題を回避することができる。すなわち、中部ブラッグ反射層３１における半波長周期ごとの屈折率コントラストが低いことにより、中部ブラッグ反射層３１がより多くの対数のリフレクタを含むことができ、さらに、中部ブラッグ反射層３１の厚さが単一縦モード発振を実現できることを満たし、多波長の出力を回避することができると同時に、広がり角を極めて大きく低下させる要求を実現することができる。

【0038】

要するに、中部ブラッグ反射層３１の厚さと中部ブラッグ反射層３１の半波長周期毎の高低屈折率コントラストとが負の相関となる。中部ブラッグ反射層３１に含まれるリフレクタの対数と中部ブラッグ反射層３１の半波長周期毎の高低屈折率コントラストとは、関係がある。コントラストが高いと（たとえば、Ａｌ０．１ＧａＡｓ／Ａｌ０．９ＧａＡｓ）、設定された対数を少なくし、中部ブラッグ反射層３１の厚さを小さくすることができ、コントラストが高すぎることに起因して、少ない対数のリフレクタを使用すれば共振キャビティ７０の内部のライトフィールドを強くすることができるという問題を回避することができる。逆に、コントラストが低いと（たとえばＡｌ０．１ＧａＡｓ／Ａｌ０．１５ＧａＡｓ）、設定された対数を多くし、中部ブラッグ反射層３１の厚さを大きくすることができ、共振キャビティ７０の内部のライトフィールドを強くする要求を満たすことができる。キャビティ延長層３０の合計キャビティ長の厚さ範囲は、５～２０ｕｍとされてもよい。角度の低減に対して、キャビティ長が長く、キャビティ延長層３０の電界強度が大きいほど、効果がよくなる。一実施例において、キャビティ長が２０ｕｍよりも大きいように設定してもよい。なお、キャビティ延長層３０の厚さは、縦モードの発生を回避する要求を満たす必要がある。

【0039】

一実施例において、キャビティ延長層３０には、１つの共振キャビティ７０および２組の中部ブラッグ反射層が含まれる。２組の中部ブラッグ反射層３１のうちの１組は、共振キャビティ７０と下部ブラッグ反射層２０との間に位置し、２組の中部ブラッグ反射層３１のうちの他の１組が共振キャビティ７０と活性層４０との間に位置する。共振キャビティ７０がキャビティ延長層３０の内部に穿設されて、キャビティ延長層３０を２部に区画すると理解できる。その２部のうちの一部は、共振キャビティ７０と下部ブラッグ反射層２０との間に位置し、２部のうちの他の一部は、共振キャビティ７０と活性層４０との間に位置する。そのうち、共振キャビティ７０と下部ブラッグ反射層２０との間に位置する中部ブラッグ反射層３１の反射率は、共振キャビティ７０と活性層４０との間の中部ブラッグ反射層３１の反射率よりも小さい。２組の中部ブラッグ反射層３１には、同じ高低屈折率で交互に分布する材料が用いられれば、共振キャビティ７０と下部ブラッグ反射層２０との間に位置する中部ブラッグ反射層３１の周期数が共振キャビティ７０と活性層４０との間に位置する中部ブラッグ反射層の周期数よりも少ないことで、共振キャビティ７０と下部ブラッグ反射層２０との間に位置する中部ブラッグ反射層３１の反射率が共振キャビティ７０と活性層４０との間に位置する中部ブラッグ反射層の反射率よりも小さいと共に、活性層４０に垂直な方向において、共振キャビティ７０から活性層４０までの長さがキャビティ延長層３０の厚さの１／２よりも大きい。さらに、共振キャビティ７０と活性層４０とのライトフィールド強度の差分を向上させる。これにより、酸化層のライトフィールド強度をさらに低下させて、係数Γ_ｏｘの値を更に低減させ、ＶＣＳＥＬの発光孔内外の有効屈折率の差分を低下させ、レーザーの広がり角を低下させることができる。

【0040】

たとえば、中部ブラッグ反射層の周期的構造とは、屈折率が異なる２種の材料がｚ軸方向において周期的に配列して形成した周期的構造を指す。ブラッグ構造の周期毎に２つ、すなわち一対の層を有する。中部ブラッグ反射層の周期数とは、中部ブラッグ反射層の周期的構造の構造数を指す。

【0041】

一実施例において、共振キャビティ７０の屈折率は、中部ブラッグ反射層３１における共振キャビティ７０に接触する箇所の屈折率と異なる。

【0042】

たとえば、図８に示すように、共振キャビティ７０の屈折率は、いずれも中部ブラッグ反射層３１における共振キャビティ７０に接触する箇所の屈折率よりも高い。その際に、共振キャビティ７０の内部のライトフィールド強度の最大値は、共振キャビティ７０と中部ブラッグ反射層３１との境界面に位置する。依然として図２に示す構造を例とする。図９に示すように、共振キャビティ７０の屈折率は、いずれも中部ブラッグ反射層３１における共振キャビティ７０に接触する箇所の屈折率よりも低い。その際に、共振キャビティ７０の内部のライトフィールド強度の最大値は、共振キャビティ７０の中間位置に位置する。一実施例において、共振キャビティ７０には、材料が異なるサブ層が複数含まれる。材料は、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓおよびｌＧａＮなどを含んでもよい。

【0043】

一実施例において、レーザーの光出射面または主光出射面は、下部ブラッグ反射層２０の活性層４０から離れる一方側に位置し、上部ブラッグ反射層６０の反射率が下部ブラッグ反射層２０の反射率よりも大きく、
或いは、レーザーの光出射面または主光出射面は、上部ブラッグ反射層６０の活性層４０から離れる一方側に位置し、下部ブラッグ反射層２０の反射率が上部ブラッグ反射層６０の反射率よりも大きい。

【0044】

たとえば、レーザーの光出射面または主光出射面が下部ブラッグ反射層２０の活性層４０から離れる一方側に位置すると、上部ブラッグ反射層６０に含まれるリフレクタの合計反射率が下部ブラッグ反射層２０に含まれるリフレクタの合計反射率よりも大きい。これにより、上部ブラッグ反射層６０は、全反射を実現することができ、下部ブラッグ反射層２０は、光を透過することができる。レーザー装置の光出射方向は、活性層４０から下部ブラッグ反射層２０に向かう方向であり、すなわちレーザー装置は、バックライトである。レーザーの光出射面または主光出射面が上部ブラッグ反射層６０の活性層４０から離れる一方側に位置すると、下部ブラッグ反射層２０に含まれるリフレクタの合計反射率が上部ブラッグ反射層６０に含まれるリフレクタの合計反射率よりも大きい。これにより、下部ブラッグ反射層２０は、全反射を実現することができ、上部ブラッグ反射層６０は、光を透過することができ、レーザー装置の光出射方向は、活性層４０から上部ブラッグ反射層６０に向かう方向であり、すなわちレーザー装置は、トップライトである。上部ブラッグ反射層６０および下部ブラッグ反射層２０のうち、各対のリフレクタ（たとえば、各対のリフレクタは、上部リフレクタおよび下部リフレクタを含む）の屈折率コントラスト（たとえば、屈折率コントラストは、上部リフレクタの屈折率と下部リフレクタの屈折率との差の絶対値であってもよい）が同様であると、レーザーの光出射面が下部ブラッグ反射層２０の前記活性層４０から離れる一方側に位置する場合、上部ブラッグ反射層６０に含まれるリフレクタの対数が下部ブラッグ反射層２０に含まれるリフレクタの対数よりも大きいように配置されており、レーザーの光出射面が上部ブラッグ反射層６０の前記活性層４０から離れる一方側に位置する場合、下部ブラッグ反射層２０に含まれるリフレクタの対数が上部ブラッグ反射層６０に含まれるリフレクタの対数よりも大きいように配置されている。一実施例において、前記光出射面の一方側に集積されたマイクロレンズがさらに配置されてもよく、ファーフィールドの広がり角を更に低減させるために用いられる。

【0045】

たとえば、図１０は、本願の実施例に係る他の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置の構造模式図である。図１０に示すように、キャビティ延長層３０の内部に共振キャビティ７０が含まれる数は、複数である。少なくとも１つの共振キャビティ７０の内部のライトフィールドの最大ピーク値は、活性層のライトフィールドの最大ピーク値よりも大きい。

【0046】

一実施例において、キャビティ延長層３０の内部には、光学的厚さが半波整数倍のキャビティが複数設けられている。たとえば、図１０には、３つの光学的厚さが半波整数倍のキャビティが例示されている。複数の共振キャビティ７０を有するレーザー装置は、少なくとも１つの共振キャビティ７０の内部のライトフィールド強度が活性層のライトフィールド強度よりも大きい。図１１は、本願の実施例に係るライトフィールド強度分布図および屈折率分布図である。図１１に示すように、光学的厚さが半波整数倍である３つのキャビティが備えられ、そのうちの１つは、本当なライトフィールドが強い共振キャビティを形成する。図１２は、本願の実施例に係る他のライトフィールド強度分布図および屈折率分布図である。図１２に示すように、光学的厚さが半波整数倍である５つのキャビティが備えられ、そのうちの２つは、本当なライトフィールドが強い共振キャビティを形成する。一実施例において、キャビティ延長層３０の内部に単一の半波キャビティ（たとえば、図２～図７に示す構造）が設けられている。単一の半波キャビティが設けられる場合、キャビティの内部のライトフィールド強度と活性層のライトフィールド強度との差分が大きくなることで、広がり角の低減をさらに実現することができる。

【0047】

本願の実施例は、複数の上記実施例のいずれかに記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置を有する小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置チップであって、複数の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置は、アレイ配列或いはランダムな配列である、小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置チップをさらに提供する。それは、同様な技術効果を有するため、ここで繰り返し説明しない。

【0048】

一実施例において、複数の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置は、平面アレイ配列として構成されてもよい。

【0049】

一実施例において、平面アレイ配列は、アドレッシングのための複数のサブアレイであってもよい。アドレッシングとは、そのうちの１つまたは複数のサブアレイを独立して点灯させることができることを指す。

【0050】

たとえば、ＶＣＳＥＬレーザー装置は、６００個の発光点を有し、２０×３０の発光点アレイを形成してもよい。当該ＶＣＳＥＬレーザー装置は、さらに、２０×３０の発光点アレイを、異なるサブアレイ、たとえば２×３のサブアレイに区画することができ、各々のサブアレイに１０×１０の発光点がある。各々のサブアレイは、独立して制御されてもよい。

【0051】

本願の実施例は、少なくとも１つの上記実施例のいずれかに記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置、または少なくとも１つの上記実施例のいずれかに記載の小さい広がり角を有するＶＣＳＥＬレーザー装置チップを含むＬＩＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ：レーザーレーダ）システム用光源をさらに提供する。それは、同様な技術効果を有するため、ここで繰り返し説明しない。

【0052】

なお、上記説明は本願の好適な実施例及び使用された技術原理に過ぎない。当業者は、本願がここに記載された特定の実施例に限定されず、当業者として、本願の保護範囲を逸脱しない範囲で、各種の明らかな変更、再調整及び置換を行うことができるということを理解すべきである。従って、上記実施例により本願を詳細に説明したが、本願は上記実施例に限定されず、本願の構想を逸脱しない限り、他の均等な実施例をより多く含んでもよく、本願の保護範囲は添付された特許請求の範囲によって決定される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】