(57)【要約】【課題】高次横モードを抑制しながら高出力を得ることができる面発光レーザ素子、光源装置及び検出装置を提供する。【解決手段】面発光レーザ素子は、出射面から発振波長がλの光を発するレーザ構造体と、前記出射面の出射領域に設けられ、前記出射領域の中央部の第１の反射率よりも、前記中央部の周辺の周辺部の第２の反射率を低くする膜と、を有し、前記膜の前記周辺部における光学的厚さは、λ／４の奇数倍からずらして設定されている。【選択図】図１Ｂ
2020155561.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出射面から発振波長がλの光を発するレーザ構造体と、
前記出射面の出射領域に設けられ、前記出射領域の中央部の第１の反射率よりも、前記中央部の周辺の周辺部の第２の反射率を低くする膜と、
を有し、
前記膜の前記周辺部における光学的厚さは、λ／４の奇数倍からずらして設定されていることを特徴とする面発光レーザ素子。
【請求項２】
前記第２の反射率は前記第１の反射率の０．９８４倍以上０．９９８倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
【請求項３】
前記第２の反射率は９８％以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の面発光レーザ素子。
【請求項４】
前記膜の前記周辺部における光学的厚さはλ／４±αλであり、
αは０．０５以上０．１８以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
【請求項５】
前記レーザ構造体は、非酸化の領域と前記非酸化の領域の周囲の酸化領域とを備えた酸化狭窄構造体を有し、
前記中央部の面積は、前記非酸化の領域の面積の８５％以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
【請求項６】
前記膜は、前記周辺部に設けられた第１の膜を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
【請求項７】
前記膜は、前記中央部及び前記周辺部に設けられた第２の膜を有することを特徴とする請求項６に記載の面発光レーザ素子。
【請求項８】
前記第１の膜は前記中央部にも設けられており、
前記膜は、前記中央部に設けられた第３の膜を有することを特徴とする請求項６に記載の面発光レーザ素子。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子と、
前記面発光レーザ素子から出射された出射光が入射する光学系と、
を有することを特徴とする光源装置。
【請求項１０】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子と、
前記面発光レーザ素子から出射された出射光が対象部で反射され、当該反射された反射光が入射する検出系と、
を有することを特徴とする検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光レーザ素子、光源装置及び検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直共振器型の面発光レーザ（vertical cavity surface emitting laser：ＶＣＳＥＬ）は、基板に対して垂直な方向にレーザ光を発振する半導体レーザである。面発光レーザは、基板に対して平行な方向に光を照射する端面発光型の半導体レーザと比較して、低閾値電流発振、単一縦モード発振、２次元アレイ化が可能であるなどの優れた特性を有している。
【０００３】
面発光レーザの応用分野としては、プリンタにおける光書き込み系の光源や、固体レーザの励起光源、３次元センサーや測距センサーの光源などが挙げられる。これらの応用分野においては、面発光レーザ素子から出射される光は、横モードが単一で高出力であることが望まれる。このためには、高次横モードの発振を抑制することが重要であり、これまで様々な試みがなされている。例えば、高次横モードの発振を制御しつつ、偏光方向の安定性の向上を目的とした面発光レーザ素子が開示されている（特許文献１）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の面発光レーザ素子によれば、所期の目的を達成できるものの、高次横モードを抑制するための構造には検討の余地がある。
【０００５】
本発明は、高次横モードを抑制しながら高出力を得ることができる面発光レーザ素子、光源装置及び検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
開示の技術の一態様によれば、面発光レーザ素子は、出射面から発振波長がλの光を発するレーザ構造体と、前記出射面の出射領域に設けられ、前記出射領域の中央部の第１の反射率よりも、前記中央部の周辺の周辺部の第２の反射率を低くする膜と、を有し、前記膜の前記周辺部における光学的厚さは、λ／４の奇数倍からずらして設定されている。
【発明の効果】
【０００７】
開示の技術によれば、高次横モードを抑制しながら高出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】第１の実施形態に係る面発光レーザ素子を示す上面図である。
【図１Ｂ】第１の実施形態に係る面発光レーザ素子を示す断面図である。
【図２Ａ】第１の実施形態に係る面発光レーザ素子１００の製造方法を示す断面図（その１）である。
【図２Ｂ】第１の実施形態に係る面発光レーザ素子１００の製造方法を示す断面図（その２）である。
【図２Ｃ】第１の実施形態に係る面発光レーザ素子１００の製造方法を示す断面図（その３）である。
【図２Ｄ】第１の実施形態に係る面発光レーザ素子１００の製造方法を示す断面図（その４）である。
【図２Ｅ】第１の実施形態に係る面発光レーザ素子１００の製造方法を示す断面図（その５）である。
【図３Ａ】エッチングマスクの一例を示す上面図である。
【図３Ｂ】レジストパターンの一例を示す上面図である。
【図４】上部半導体多層膜反射鏡の反射率と出射領域内の反射率との関係を示すグラフである。
【図５】第１の参考例及び第２の参考例の注入電流（Ｉ）−光出力（Ｌ）特性を示すグラフである。
【図６】第１の実施形態、第１の参考例及び第２の参考例の注入電流（Ｉ）−光出力（Ｌ）特性を示すグラフである。
【図７Ａ】第２の実施形態に係る面発光レーザ素子を示す上面図である。
【図７Ｂ】第２の実施形態に係る面発光レーザ素子を示す断面図である。
【図８Ａ】第１の実施形態の第１の変形例を示す上面図である。
【図８Ｂ】第１の実施形態の第２の変形例を示す上面図である。
【図９Ａ】第３の実施形態に係る面発光レーザ素子を示す上面図である。
【図９Ｂ】第３の実施形態に係る面発光レーザ素子を示す断面図である。
【図１０】検出装置の一例としての測距装置の概要を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本開示の実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。以下の説明では、レーザ発振方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向に垂直な面内における互いに直交する２つの方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とする。また、プラスのＺ軸方向を上方とする。但し、面発光レーザ素子等は天地逆の状態で用いることができ、任意の角度で配置することもできる。
【００１０】
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。第１の実施形態は、面発光レーザ素子に関する。図１Ａは、第１の実施形態に係る面発光レーザ素子を示す上面図である。図１Ｂは、第１の実施形態に係る面発光レーザ素子を示す断面図である。図１Ｂは、図１Ａ中のＩ−Ｉ線に沿った断面図に相当する。
【００１１】
図１Ａ及び図１Ｂに示すように、第１の実施形態に係る面発光レーザ素子１００は、発振波長が９４０ｎｍ帯の面発光レーザであり、基板１０１と、下部半導体多層膜反射鏡１０３と、下部スペーサ層１０４と、活性層１０５と、上部スペーサ層１０６と、上部半導体多層膜反射鏡１０７と、コンタクト層１０９と、ｐ側電極１１３と、ｎ側電極１１４と、調整膜１１５とを有している。基板１０１と、下部半導体多層膜反射鏡１０３と、下部スペーサ層１０４と、活性層１０５と、上部スペーサ層１０６と、上部半導体多層膜反射鏡１０７と、コンタクト層１０９と、ｐ側電極１１３と、ｎ側電極１１４と、がレーザ構造体１２０に含まれる。
【００１２】
基板１０１は、一例として、表面の鏡面研磨面（主面）の法線方向が、結晶方位［１００］方向に対して、結晶方位［１１１］Ａ方向に向かって１５度（θ＝１５度）傾斜したｎ−ＧａＡｓ単結晶半導体基板である。すなわち、基板１０１は、いわゆる傾斜基板である。なお、基板は上記のものに限定されない。
【００１３】
下部半導体多層膜反射鏡１０３は、基板１０１の＋Ｚ側（上側）にバッファ層（図示せず）を介して積層され、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓからなる低屈折率層１０３ａとｎ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる高屈折率層１０３ｂとのペアを３０ペア程度有している。各屈折率層の間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた厚さが２０ｎｍの組成傾斜層（図示せず）が設けられている。各屈折率層はいずれも、隣接する組成傾斜層の１／２を含んで、発振波長をλとするλ／４の光学的厚さとなるように設定されている。なお、光学的厚さがλ／４のとき、その層の実際の厚さＤは、Ｄ＝λ／４ｎ（但し、ｎはその層の媒質の屈折率）である。
【００１４】
下部スペーサ層１０４は、下部半導体多層膜反射鏡１０３の＋Ｚ側（上側）に積層され、ノンドープのＡｌＧａＩｎＰからなる層である。下部スペーサ層１０４の材料はノンドープのＡｌＧａＩｎＰに限定されず、例えばノンドープのＡｌＧａＡｓでもよい。
【００１５】
活性層１０５は、下部スペーサ層１０４の＋Ｚ側（上側）に積層され、３層の量子井戸層と４層の障壁層とを有する３重量子井戸構造の活性層である。各量子井戸層はＩｎＧａＡｓからなり、各障壁層はＡｌＧａＡｓからなる。
【００１６】
上部スペーサ層１０６は、活性層１０５の＋Ｚ側（上側）に積層され、ノンドープのＡｌＧａＩｎＰからなる層である。上部スペーサ層１０６の材料は、下部スペーサ層１０４と同様にノンドープのＡｌＧａＩｎＰに限定されず、例えばノンドープのＡｌＧａＡｓでもよい。
【００１７】
下部スペーサ層１０４と活性層１０５と上部スペーサ層１０６とからなる部分は、共振器構造体ともよばれており、その厚さが１波長分の光学的厚さとなるように設定されている。なお、活性層１０５は高い誘導放出確率が得られるように、電界の定在波分布における腹に対応する位置である共振器構造体の中央に設けられている。
【００１８】
上部半導体多層膜反射鏡１０７は、上部スペーサ層１０６の＋Ｚ側（上側）に積層され、ｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓからなる低屈折率層１０７ａとｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる高屈折率層１０７ｂとのペアを２０ペア程度有している。各屈折率層の間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた組成傾斜層（図示せず）が設けられている。各屈折率層はいずれも、隣接する組成傾斜層の１／２を含んで、光学長がλ／４（λ：発振波長）になるように設定されている。
【００１９】
上部半導体多層膜反射鏡１０７における低屈折率層１０７ａの１つには、ｐ−ＡｌＡｓからなる被選択酸化層１０８が厚さ約３０ｎｍで挿入されている。この被選択酸化層１０８の挿入位置は、電界の定在波分布において、活性層１０５から２番目となる節に対応する位置である。被選択酸化層１０８は、非酸化の領域１０８ｂとその周囲の酸化領域１０８ａとを備える。
【００２０】
コンタクト層１０９は、上部半導体多層膜反射鏡１０７の＋Ｚ側（上側）に積層され、ｐ−ＧａＡｓからなる層である。
【００２１】
調整膜１１５は、コンタクト層１０９の＋Ｚ側（上側）であって、レーザ構造体１２０の出射面１２０Ａの出射領域１１２に設けられている。調整膜１１５は、出射領域１１２の中央部１１２Ｃの周辺の周辺部１１２Ｐに円環状に設けられた誘電体膜１１１を含み、周辺部１１２Ｐの反射率が中央部Ｃの反射率よりも低くなっている。誘電体膜１１１の光学的厚さはλ／４の奇数倍からずらして設定されており、例えば、λ／４±０．１λである。出射領域１１２において、中央部１１２Ｃの反射率（Ｒｈｉｇｈ）と、誘電体膜１１１が設けられた部分である周辺部１１２Ｐの反射率（Ｒｌｏｗ）との比（Ｒｌｏｗ／Ｒｈｉｇｈ）は０．９８４以上０．９９８以下の範囲内にある。つまり、周辺部１１２Ｐの反射率（Ｒｌｏｗ）は中央部１１２Ｃの反射率（Ｒｈｉｇｈ）の０．９８４倍以上０．９９８倍以下である。例えば、出射領域１１２の中央部１１２Ｃの面積は、非酸化の領域１０８ｂの面積の８５％以下である。中央部１１２Ｃの反射率（Ｒｈｉｇｈ）は第１の反射率の一例であり、周辺部１１２Ｐの反射率（Ｒｌｏｗ）は第２の反射率の一例であり、調整膜１１５は、第１の反射率よりも第２の反射率を低くする膜の一例である。誘電体膜１１１は第１の膜の一例である。調整膜１１５はモードフィルタと称されることもある。
【００２２】
次に、面発光レーザ素子１００の製造方法について簡単に説明する。なお、上記のように、基板１０１上に複数の半導体層が積層されたものを、以下では、便宜上「積層体」ともいう。図２Ａ〜図２Ｅは、第１の実施形態に係る面発光レーザ素子１００の製造方法を示す断面図である。
【００２３】
上記積層体を有機金属気相成長（metal organic chemical vapor deposition：ＭＯＣＶＤ）法又は分子線エピタキシャル成長（molecular beam epitaxy：ＭＢＥ）法による結晶成長によって形成する（図２Ａ参照）。
【００２４】
ここでは、ＭＯＣＶＤ法の場合には、ＩＩＩ族の原料には、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用い、Ｖ族の原料にはフォスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）を用いている。ｐ型ドーパントの原料には四臭化窒素（ＣＢｒ４）、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）を用い、ｎ型ドーパントの原料にはセレン化水素（Ｈ２Ｓｅ）を用いている。
【００２５】
積層体の表面に正方形状のレジストパターンを形成する。
【００２６】
Ｃｌ２ガスを用いるＥＣＲエッチング法で、上記レジストパターンをフォトマスクとして略四角柱状のメサ構造体を形成する。ここでは、エッチングの底面は下部スペーサ層１０４中に位置するようにする。
【００２７】
ここで、フォトマスクを除去する（図２Ｂ参照）。
【００２８】
積層体を水蒸気中で熱処理する。これにより、被選択酸化層１０８中のＡｌ（アルミニウム）がメサ構造体の外周部から選択的に酸化され、メサ構造体の中央部にＡｌの酸化領域１０８ａによって囲まれた非酸化の領域１０８ｂが残留する（図２Ｃ参照）。すなわち、発光部の駆動電流の経路をメサ構造体の中央部だけに制限する、いわゆる酸化狭窄構造体が形成される。上記酸化されていない領域１０８ｂが電流通過領域である。このようにして、例えば幅が５μｍ〜７μｍ程度の略正方形状の電流通過領域が形成される。被選択酸化層１０８の酸化の程度は、例えば、出射領域１１２の中央部１１２Ｃの面積が、非酸化の領域１０８ｂの面積の８５％以下となる程度とする。
【００２９】
気相化学堆積（chemical vapor deposition：ＣＶＤ）法を用いて、ＳｉＮからなる誘電体膜１１１を形成する（図２Ｄ参照）。ここでは、出射領域１１２の周辺部１１２Ｐの反射率が、中央部１１２Ｃの反射率よりも約１％小さくなるように、誘電体膜１１１の光学的厚さが約（λ／４）−０．１λ（＝０．１５λ）になるようにする。具体的には、ＳｉＮの屈折率ｎが約１．８６、発振波長λが９４０ｎｍであるため、誘電体膜１１１の実際の厚さは約７５ｎｍとする。
【００３０】
レーザ光の出射面１２０Ａとなるメサ構造体の上側（＋Ｚ側）にｐ型電極コンタクトの窓開けを行うためのエッチングマスク（マスクＣという）を作製する。ここでは、一例として図３Ａに示すように、メサ構造体の周囲と、メサ構造体の側面と、メサ構造体の上面の周囲とを覆う被覆部Ｃ１と、出射領域１１２の周辺部１１２Ｐを覆う被覆部Ｃ２とを有するマスクＣを作製する。
【００３１】
バッファードフッ酸（ＢＨＦ）にて誘電体膜１１１をエッチングし、ｐ側電極コンタクトの窓開けを行う。
【００３２】
マスクＣを除去する。出射領域１１２の周辺部１１２Ｐに残存している誘電体膜１１１が調整膜１１５に含まれる（図２Ｅ参照）。
【００３３】
メサ構造体の上部の出射領域１１２となる領域に、レジストパターンＭを形成し、ｐ側の電極材料の蒸着を行う。ここでは、一例として図３Ｂに示すように、レジストパターンＭは、メサ構造体の周囲と、メサ構造体の側面と、メサ構造体の上面の周囲とを覆う被覆部Ｍ１と、調整膜１１５を覆う円形状の被覆部Ｍ２とを有する。
【００３４】
ｐ側の電極材料としてはＣｒ／ＡｕＺｎ／Ａｕからなる多層膜、又はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる多層膜が用いられる。出射領域１１２に蒸着された電極材料をリフトオフし、ｐ側電極１１３を形成する。このｐ側電極１１３で囲まれた領域が出射領域１１２になる。
【００３５】
基板１０１の裏側を所定の厚さ（例えば、２００μｍ程度）まで研磨した後、ｎ側電極１１４を形成する。ここでは、ｎ側電極１１４はＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる多層膜である。
【００３６】
アニールによって、ｐ側電極１１３及びｎ側電極１１４のオーミック導通をとる。これによりメサ構造体は発光部となる。
【００３７】
その後、チップ毎に切断する。
【００３８】
そして、種々の後工程を経て、面発光レーザ素子１００となる。
【００３９】
次に、面発光レーザ素子１００の効果について参考例に言及しながら説明する。
【００４０】
第１の参考例では、調整膜１１５が、上記の光学的厚さを有する誘電体膜１１１に代えて、光学的厚さがλ／４の奇数倍の誘電体膜を含むとする。第２の参考例では、調整膜１１５が設けられていないとする。図４は、上部半導体多層膜反射鏡の反射率と出射領域内の反射率との関係を示すグラフである。図５は、第１の参考例及び第２の参考例の注入電流（Ｉ）−光出力（Ｌ）特性を示すグラフである。
【００４１】
第１の参考例において、上部半導体多層膜反射鏡１０７の層数の減少により上部半導体多層膜反射鏡１０７の反射率を低くして、光取り出し効率を上げようとすると、中央部１１２Ｃの反射率及び周辺部１１２Ｐの反射率が低下する。このときの反射率の低下量は、図４に示すように、中央部１１２Ｃよりも周辺部１１２Ｐの方が大きくなる。中央部１１２Ｃと周辺部１１２Ｐとの間で反射率の差が大きくなると、調整膜１１５によって高次横モードが抑制されるだけではなく、基本横モードの発振にも影響が及ぶ。この結果、図５に示すように、第１の参考例では、第２の参考例と比較して、発振閾値電流が増大したり、出力値が低下したりする。つまり、第１の参考例によれば、第２の参考例と比較して、高次横モードが抑制される一方で、出力特性が低下してしまう。このように、光学的厚さがλ／４の奇数倍の誘電体膜が設けられた第１の参考例では、高次横モード発振を抑制しつつ、光の取り出し効率を上げた高出力な面発光レーザ素子を実現することはできない。
【００４２】
一方、第１の実施形態では、調整膜１１５に含まれる誘電体膜１１１の光学的厚さがλ／４の奇数倍からずらして設定されており、反射率（Ｒｈｉｇｈ）と反射率（Ｒｌｏｗ）との比（Ｒｌｏｗ／Ｒｈｉｇｈ）が０．９８４〜０．９９８の範囲内にある。第１の実施形態によれば、以下の原理により、上部半導体多層膜反射鏡１０７の反射率が低い場合でも、基本横モードへの影響を抑制しながら、高次横モードを抑制することができる。従って、上部半導体多層膜反射鏡１０７の反射率を低くし、光取り出し効率を上げても、良好な出力特性を確保しながら、発散角を狭くすることができる。以下、上記の効果が得られる原理について説明する。
【００４３】
（１）面発光レーザを高出力化するためには、光の取り出し効率を上げることが考えられる。
【００４４】
（２）光の取り出し効率を上げるためには、上部半導体多層膜反射鏡１０７の層数の減少により上部半導体多層膜反射鏡１０７の反射率を低くすることが考えられる。
【００４５】
（３）上部半導体多層膜反射鏡１０７の反射率を低くすると、中央部１１２Ｃ及び周辺部１１２Ｐの両方において反射率が低下する。
【００４６】
（４）第１の参考例のように、周辺部１１２Ｐに光学的厚さがλ／４の奇数倍となる誘電体膜を設けると、上部半導体多層膜反射鏡１０７の層数の減少に伴う反射率の低下が、中央部１１２Ｃよりも周辺部１１２Ｐにて顕著になる（図４参照）。
【００４７】
（５）反射率の比（Ｒｌｏｗ／Ｒｈｉｇｈ）が０．９８４未満であると、周辺部１１２Ｐにわずかに広がった基本横モードの抑制作用が働くため、結果として基本横モードの特性を低下することが判明している。つまり、発振閾値電流の増大が増大したり、出力値が低下したりすることが判明している。また、反射率の比（Ｒｌｏｗ／Ｒｈｉｇｈ）が０．９９８超であると、高次横モード抑制構造としての効果が小さくなり、発散角が狭くなりにくくなることが判明している。
【００４８】
（６）一方、第１の実施形態では、適切な光学的厚さを有する誘電体膜１１１を含む調整膜１１５が設けられている。このため、上部半導体多層膜反射鏡１０７の層数を減らして中央部１１２Ｃの反射率を低くすることで、基本横モードの特性の低下を抑制しながら周辺部１１２Ｐにおいて高次横モードを抑制することができる。
【００４９】
ここで、具体例として、レーザ構造体の発振波長λが９４０ｎｍ帯の場合の特性について以下で説明する。上部半導体多層膜反射鏡１０７の反射率を９９．６１％から９９．１５％に低くすると、光出力を約３０％高くすることができるが、周辺部１１２Ｐの誘電体の光学的厚さをλ／４の奇数倍に固定すると、周辺部１１２Ｐの反射率は、９８．６７％から９７．０９％に低くなる。このとき、反射率の比（Ｒｌｏｗ／Ｒｈｉｇｈ）は０．９７９であり、０．９８４〜０．９９８の範囲から外れてしまう。この場合、中央部１１２Ｃの面積にもよるが、図５に示すように、調整膜１１５が基本横モードの発振に影響を及ぼし、発振閾値電流が増大したり、出力値が低下したりする。一方、周辺部１１２Ｐの誘電体の光学的厚さを（λ／４）−０．１λ（＝０．１５λ）とすると、反射率の比（Ｒｌｏｗ／Ｒｈｉｇｈ）は０．９９３とすることができ、０．９８４〜０．９９８の範囲内に設計することができる。この場合には、図６に示すように、調整膜１１５を設けても、発振閾値電流の増大も出力特性の低下も生じない。また、調整膜１１５の作用により発散角を狭くすることができる。図６は、第１の実施形態、第１の参考例及び第２の参考例の注入電流（Ｉ）−光出力（Ｌ）特性を示すグラフである。
【００５０】
表１及び表２に、上部半導体多層膜反射鏡１０７の反射率（中央部１１２Ｃの反射率）に対して誘電体膜１１１の光学的厚さをλ／４からずらす量αλと、反射率の比（Ｒｌｏｗ／Ｒｈｉｇｈ）との関係を示す。表１及び表２中では、０．９８４〜０．９９８の範囲内の反射率の比（Ｒｌｏｗ／Ｒｈｉｇｈ）を下線付きにして示す。表１及び表２より、λ／４からのずらし量が大きいほど、反射率の比（Ｒｌｏｗ／Ｒｈｉｇｈ）が大きいことがわかる。また、上部半導体多層膜反射鏡１０７の反射率が高いとき（９９．３４６以上のとき）には、ずらし量αλが０でも、反射率の比（Ｒｌｏｗ／Ｒｈｉｇｈ）が０．９８４〜０．９９８の範囲内にある。一方、上部半導体多層膜反射鏡１０７の反射率が低いとき（９９．３４６未満のとき）には、ずらし量αλが０では、反射率の比（Ｒｌｏｗ／Ｒｈｉｇｈ）が０．９８４〜０．９９８の範囲から外れている。このため、｜αλ｜は０超とする。
【００５１】
【表１】
2020155561.tif 000003
【００５２】
【表２】
2020155561.tif 000004
【００５３】
このように、λ／４からのずらし量αλを｜αλ｜＞０とすることで、反射率の比（Ｒｌｏｗ／Ｒｈｉｇｈ）を増加させることができ、出力特性を向上させることができるという事項は本発明者らにより初めて見出されたものである。特に、表１及び表２より、αが０．０５以上０．１８以下であり、調整膜１１５の周辺部１１２Ｐにおける光学的厚さがλ／４±αλであることが好ましい。
【００５４】
更に、本実施形態によれば、上部半導体多層膜反射鏡１０７の反射率が小さい場合でも、反射率の比（Ｒｌｏｗ／Ｒｈｉｇｈ）の値を増加させて出力特性を向上させることができる。周辺部１１２Ｐの反射率（Ｒｌｏｗ）は９８％以上であることが好ましい。周辺部１１２Ｐの反射率（Ｒｌｏｗ）が９８％未満では、出射領域１１２に十分な反射率が得られない場合があるからである。
【００５５】
なお、誘電体膜１１１の材料はＳｉＮに限定されない。例えば、発振波長λに対し透明性のある材料として、例えばＳｉＮｘ、ＳｉＯｘ、ＴｉＯｘ又はＳｉＯＮのいずれかが用いられてもよい。それぞれの材料の屈折率に合わせて誘電体膜１１１の厚さを調整することで同様の効果を得ることができる。また、調整膜１１５の材料は、発振波長λに対し透明性を有していれば、誘電体に限定されない。例えば、調整膜１１５の材料として半導体を用いることができる。
【００５６】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、調整膜１１５の構成の点で第１の実施形態と相違する。図７Ａは、第２の実施形態に係る面発光レーザ素子を示す上面図である。図７Ｂは、第２の実施形態に係る面発光レーザ素子を示す断面図である。図７Ｂは、図７Ａ中のＩ−Ｉ線に沿った断面図に相当する。
【００５７】
図７Ａ及び図７Ｂに示すように、第２の実施形態に係る面発光レーザ素子２００は、出射領域１１２内に、誘電体膜１１１に加えて、出射領域１１２の全体に形成された誘電体膜１１６を有する。誘電体膜１１６は、例えば、光学的厚さが２λ／４のＳｉＮ膜である。誘電体膜１１６の実際の厚さは約２５２ｎｍであり、ＳｉＮの屈折率ｎが１．８６、発振波長が９４０ｎｍであるため、２λ／４ｎと実質的に等しい。調整膜１１５は、出射領域１１２内の誘電体膜１１１及び誘電体膜１１６を含む。誘電体膜１１６は第２の膜の一例である。
【００５８】
出射領域１１２の中央部１１２Ｃには、光学的厚さが２λ／４の誘電体膜１１６が設けられている。また、出射領域１１２の周辺部１１２Ｐには、誘電体膜１１１及び誘電体膜１１６が設けられている。誘電体膜１１１の光学的厚さが（λ／４）−０．１λ（＝０．１５λ）、誘電体膜１１６の光学的厚さが２λ／４であるため、周辺部１１２Ｐには、光学的厚さが（３λ／４）−０．１λ（＝０．６５λ）のＳｉＮからなる誘電体膜が設けられていることとなる。また、出射領域の周辺部で高次横モード抑制構造を除く領域、つまりｐ側電極が欠けた部分も、光学的厚さが２λ／４の保護膜（誘電体膜）で被覆されている。
【００５９】
誘電体膜１１１はメサ構造体の上面に設けられており、メサ構造体の周囲と、メサ構造体の側面とは誘電体膜１１６により覆われている。他の構成は第１の実施形態と同様である。
【００６０】
第２の実施形態によっても第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６１】
また、第２の実施形態では、出射領域１１２の全体が誘電体膜１１６に被覆されているため、出射領域１１２の酸化や汚染を抑制することができる。中央部１１２Ｃが誘電体膜１１６に覆われているが、誘電体膜１１６の光学的厚さがλ／４の偶数倍であるため、反射率の低下を防止することができ、誘電体膜１１６がない場合と同等の光学特性が得られる。
【００６２】
なお、誘電体膜１１１の平面形状は円環状に限定されない。図８Ａに示すように、第１の実施形態において、円環を２分割した２つの誘電体膜１１１Ａが設けられていてもよい。また、図８Ｂに示すように、第１の実施形態において、円環を４分割した４つの誘電体膜１１１Ｂが設けられていてもよい。図８Ａは、第１の実施形態の第１の変形例を示す上面図である。図８Ｂは、第１の実施形態の第２の変形例を示す上面図である。第２の実施形態において、円環を２分割した２つの誘電体膜１１１Ａが設けられていてもよく、円環を４分割した４つの誘電体膜１１１Ｂが設けられていてもよい。
【００６３】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態は、調整膜１１５の構成の点で第１の実施形態と相違する。図９Ａは、第３の実施形態に係る面発光レーザ素子を示す上面図である。図９Ｂは、第３の実施形態に係る面発光レーザ素子を示す断面図である。図９Ｂは、図９Ａ中のＩ−Ｉ線に沿った断面図に相当する。
【００６４】
図９Ａ及び図９Ｂに示すように、第３の実施形態に係る面発光レーザ素子３００は、中央部１１２Ｃに誘電体膜１１７を有し、中央部１１２Ｃ及び周辺部１１２Ｐに誘電体膜１１１を有する。誘電体膜１１７は、厚さ方向で誘電体膜１１１とコンタクト層１０９との間に設けられている。中央部１１２Ｃにおける誘電体膜１１１及び誘電体膜１１７の光学的厚さの和はλ／４の奇数倍である。誘電体膜１１７の屈折率は誘電体膜１１１の屈折率よりも低い。例えば、誘電体膜１１７はＳｉＯ２膜であり、誘電体膜１１７の屈折率は約１．５である。調整膜１１５は、出射領域１１２内の誘電体膜１１１及び誘電体膜１１７を含む。誘電体膜１１７は第３の膜の一例である。他の構成は第１の実施形態と同様である。
【００６５】
第３の実施形態では、中央部１１２Ｃでは、誘電体膜１１１及び誘電体膜１１７の積層体が多層膜反射鏡の一部として機能する。また、周辺部１１２Ｐでは、誘電体膜１１１が設けられているだけであるため、周辺部１１２Ｐの反射率が中央部１１２Ｃの反射率よりも低くなる。
【００６６】
第３の実施形態によっても第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６７】
また、第３の実施形態では、出射領域１１２の全体が誘電体膜１１７に被覆されているため、出射領域１１２の酸化や汚染を抑制することができる。中央部１１２Ｃが誘電体膜１１１及び誘電体膜１１７に覆われているが、これらが多層膜反射鏡の一部として機能するため反射率を高めることもできる。
【００６８】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。第４の実施形態は、第１〜第３の実施形態のいずれかに係る面発光レーザ素子を備えた光源装置および検出装置に関する。図１０は、検出装置の一例としての測距装置１０の概要を示したものである。
【００６９】
測距装置１０は、光源装置の一例としての光源装置１１を含む。測距装置１０は、光源装置１１から検出対象物１２に対してパルス光を投光（照射）し、検出対象物１２からの反射光を受光素子１３で受光して、反射光の受光までに要した時間に基づいて検出対象物１２との距離を測定する、ＴＯＦ（Time  Of  Flight）方式の距離検出装置である。
【００７０】
図１０に示すように、光源装置１１は、光源１４と光学系１５を有している。光源１４は、第１〜第３の実施形態のいずれかに係る面発光レーザ素子を備え、光源駆動回路１６により電流が送られて発光が制御される。光源駆動回路１６は、光源１４を発光させたときに信号制御回路１７に信号を送信する。光学系１５は、光源１４から出射した光の発散角や方向を調整する光学素子（例えばレンズやＤＯＥ、プリズム等）を有し、検出対象物１２に光を照射する。
【００７１】
光源装置１１から投光されて検出対象物１２で反射された反射光は、集光作用を持つ受光光学系１８を通して受光素子１３に導光される。受光素子１３は光電変換素子を含み、受光素子１３で受光した光が光電変換され、電気信号として信号制御回路１７に送られる。信号制御回路１７は、投光（光源駆動回路１６からの発光信号入力）と受光（受光素子１３からの受光信号入力）の時間差に基づいて、検出対象物１２までの距離を計算する。従って、測距装置１０では、受光光学系１８および受光素子１３が、光源装置１１から発せられて検出対象物１２で反射された光が入射する検出系として機能する。また、信号制御回路１７が、受光素子１３からの信号に基づき、検出対象物１２の有無や、検出対象物１２との相対速度等に関する情報を取得するよう構成してもよい。
【００７２】
本実施形態では、横モードが単一で高出力な光を出射する面発光レーザ素子を用いているため、より高精度な検出や測定を行うことが可能となる。
【００７３】
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。
【符号の説明】
【００７４】
１０  測距装置
１１  光源装置
１３  受光素子
１５  光学系
１８  受光光学系
１００、２００、３００  面発光レーザ素子
１１１、１１１Ａ、１１１Ｂ、１１６、１１７  誘電体膜
１１２  出射領域
１１２Ｃ  中央部
１１２Ｐ  周辺部
１１５  調整膜
１２０  レーザ構造体
１２０Ａ  出射面
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７５】
【特許文献１】特開２０１１−１８１７８６号公報
【図１Ａ】
2020155561.tif 000005
【図１Ｂ】
2020155561.tif 000006
【図２Ａ】
2020155561.tif 000007
【図２Ｂ】
2020155561.tif 000008
【図２Ｃ】
2020155561.tif 000009
【図２Ｄ】
2020155561.tif 000010
【図２Ｅ】
2020155561.tif 000011
【図３Ａ】
2020155561.tif 000012
【図３Ｂ】
2020155561.tif 000013
【図４】
2020155561.tif 000014
【図５】
2020155561.tif 000015
【図６】
2020155561.tif 000016
【図７Ａ】
2020155561.tif 000017
【図７Ｂ】
2020155561.tif 000018
【図８Ａ】
2020155561.tif 000019
【図８Ｂ】
2020155561.tif 000020
【図９Ａ】
2020155561.tif 000021
【図９Ｂ】
2020155561.tif 000022
【図１０】
2020155561.tif 000023