(57)【要約】【課題】ＶＣＳＥＬの故障をいち早く検知することができる面発光型半導体レーザ装置及びその故障検知方法を提供する。【解決手段】実施の形態に係る面発光型半導体レーザ装置は、ＶＣＳＥＬ（面発光レーザダイオード）と、ＶＣＳＥＬの周囲に配置された複数のフォトダイオードとを備える。このような構成によれば、レーザ光ｈｖの横漏れを８個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ８の各々により受光することができるため、その各々の受光レベルのばらつきに基づいてＶＣＳＥＬの故障を検知することが可能である。【選択図】図２
2018022739.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
面発光型レーザダイオードと、
前記面発光型レーザダイオードの周囲に配置された複数のフォトダイオードと
を備えることを特徴とする面発光型半導体レーザ装置。
【請求項２】
さらに、前記複数のフォトダイオードの各々の受光レベルのばらつきに基づいて前記面発光型レーザダイオードの故障を検知する故障検知回路を備えることを特徴とする請求項１に記載の面発光型半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記故障検知回路は、前記受光レベルの初期値からの変化量のばらつきに基づいて故障を検知することを特徴とする請求項２に記載の面発光型半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記故障検知回路は、特定のフォトダイオードの受光レベルが他の特定のフォトダイオードの受光レベルに比べて所定割合以上低下したときに故障と判定することを特徴とする請求項２に記載の面発光型半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記故障検知回路は、８個のフォトダイオードのうちの１個のフォトダイオードの受光レベルが残りの７個のフォトダイオードの受光レベルに比べて所定割合以上低下したときに故障と判定することを特徴とする請求項２に記載の面発光型半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記故障検知回路は、８個のフォトダイオードのうちの２個のフォトダイオードの受光レベルが残りの６個のフォトダイオードの受光レベルに比べて所定割合以上低下したときに故障と判定することを特徴とする請求項２に記載の面発光型半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記故障検知回路は、前記複数のフォトダイオードのうち対角位置に配置されたフォトダイオード同士の受光レベルを比較することを特徴とする請求項２に記載の面発光型半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記故障検知回路は、前記複数のフォトダイオードのうち隣り合うフォトダイオード同士の受光レベルを比較することを特徴とする請求項２に記載の面発光型半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記故障検知回路は、前記面発光型レーザダイオードの故障を検知した場合、故障検知信号を送出することを特徴とする請求項２に記載の面発光型半導体レーザ装置。
【請求項１０】
さらに、前記面発光型レーザダイオードのパワーを一定値に保つフィードバック機構を備えることを特徴とする請求項１に記載の面発光型半導体レーザ装置。
【請求項１１】
前記面発光型レーザダイオードと前記複数のフォトダイオードとは一括に結晶成長して製造されたものであることを特徴とする請求項１に記載の面発光型半導体レーザ装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の面発光型半導体レーザ装置が１つのＰＣＢ基板上に複数配置されていることを特徴とする面発光型半導体レーザ装置。
【請求項１３】
面発光型レーザダイオードと、前記面発光型レーザダイオードの周囲に配置された複数のフォトダイオードとを備える面発光型半導体レーザ装置の故障検知方法であって、
前記複数のフォトダイオードの各々の受光レベルのばらつきに基づいて故障検知回路が前記面発光型レーザダイオードの故障を検知することを特徴とする故障検知方法。
【請求項１４】
前記故障検知回路は、前記受光レベルの初期値からの変化量のばらつきに基づいて故障を検知することを特徴とする請求項１３に記載の故障検知方法。
【請求項１５】
前記故障検知回路は、特定のフォトダイオードの受光レベルが他の特定のフォトダイオードの受光レベルに比べて所定割合以上低下したときに故障と判定することを特徴とする請求項１３に記載の故障検知方法。
【請求項１６】
前記故障検知回路は、８個のフォトダイオードのうちの１個のフォトダイオードの受光レベルが残りの７個のフォトダイオードの受光レベルに比べて所定割合以上低下したときに故障と判定することを特徴とする請求項１３に記載の故障検知方法。
【請求項１７】
前記故障検知回路は、８個のフォトダイオードのうちの２個のフォトダイオードの受光レベルが残りの６個のフォトダイオードの受光レベルに比べて所定割合以上低下したときに故障と判定することを特徴とする請求項１３に記載の故障検知方法。
【請求項１８】
前記故障検知回路は、前記複数のフォトダイオードのうち対角位置に配置されたフォトダイオード同士の受光レベルを比較することを特徴とする請求項１３に記載の故障検知方法。
【請求項１９】
前記故障検知回路は、前記複数のフォトダイオードのうち隣り合うフォトダイオード同士の受光レベルを比較することを特徴とする請求項１３に記載の故障検知方法。
【請求項２０】
前記故障検知回路は、前記面発光型レーザダイオードの故障を検知した場合、故障検知信号を送出することを特徴とする請求項１３に記載の故障検知方法。
【請求項２１】
さらに、前記面発光型レーザダイオードのパワーを一定値に保つフィードバック機構を備えることを特徴とする請求項１３に記載の故障検知方法。
【請求項２２】
前記面発光型レーザダイオードと前記複数のフォトダイオードとは一括に結晶成長して製造されたものであることを特徴とする請求項１３に記載の故障検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本実施の形態は、面発光型半導体レーザ装置及びその故障検知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直共振器型面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser；VCSEL）は、半導体基板面に対して垂直方向に放射する面発光型レーザダイオードの一種で、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ等の半導体薄膜を縦方向に積層してｐｎ接合を設け、上下に反射ミラーを形成して共振器とし、共振器で光を上下に多重反射させて位相の合った光を発生させるものである。例えば、ＶＣＳＥＬは、車載用の機器に搭載され、前方車両との車間距離を測定する車間距離測定システムなどに利用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−４５８４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、自動車に搭載されるあらゆる部品のための安全機能（例えば、フェールセーフ、異常検出、安全停止などの機能）の規格が見直されつつある。特に、車載用の機器の多くは、電気的／電子的に制御されており、高性能化・高機能化だけでなく、安全性の確保も重要なニーズとなっている。
【０００５】
安全な車載用機器の開発手法や管理方式等を体系的にまとめた国際基準規格ＩＳＯ２６２６２が策定されている。ＶＣＳＥＬを車間距離測定システムなどに利用する場合、システム的な重大事故を事前に回避するために、ＶＣＳＥＬの故障（劣化）をいち早く検知することが望まれる。
【０００６】
本実施の形態は、ＶＣＳＥＬの故障をいち早く検知することができる面発光型半導体レーザ装置及びその故障検知方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本実施の形態の一態様によれば、面発光型レーザダイオードと、前記面発光型レーザダイオードの周囲に配置された複数のフォトダイオードとを備える面発光型半導体レーザ装置が提供される。
【０００８】
本実施の形態の他の態様によれば、面発光型レーザダイオードと、前記面発光型レーザダイオードの周囲に配置された複数のフォトダイオードとを備える面発光型半導体レーザ装置の故障検知方法であって、前記複数のフォトダイオードの各々の受光レベルのばらつきに基づいて故障検知回路が前記面発光型レーザダイオードの故障を検知する故障検知方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本実施の形態によれば、ＶＣＳＥＬの故障をいち早く検知することができる面発光型半導体レーザ装置及びその故障検知方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】基本技術に係る面発光型半導体レーザ装置の断面図である。
【図２】実施の形態に係る面発光型半導体レーザ装置の断面図である。
【図３】実施の形態に係る面発光型半導体レーザ装置の鳥瞰図である。
【図４】実施の形態に係る面発光型半導体レーザ装置の平面図である。
【図５】図４に示されるＩ−Ｉ線断面図である。
【図６】実施の形態に係る面発光型半導体レーザ装置が備える８個のフォトダイオードの各々の受光レベルの変化を示すグラフである。
【図７】実施の形態に係る面発光型半導体レーザ装置が備える８個のフォトダイオードの各々の受光レベルの変化を示すグラフであり、（ａ）フィードバック機構を備えない場合、（ｂ）フィードバック機構を備える場合。
【図８】実施の形態に係る面発光型半導体レーザ装置が故障した場合のＶＣＳＥＬの開口部を模式的に示す平面図である。
【図９】実施の形態に係る面発光型半導体レーザ装置におけるフォトダイオードの配置例を模式的に示す平面図である。
【図１０】実施の形態に係る面発光型半導体レーザ装置の動作例を示すフローチャートである。
【図１１】実施の形態に係る面発光型半導体レーザ装置の回路構成図である。
【図１２】実施の形態に係る面発光型半導体レーザ装置が備える特定のフォトダイオードの受光レベルの変化量が他の特定のフォトダイオードの受光レベルの変化量とかけ離れている様子を示すグラフであり、（ａ）１つのｃｈと残りのｃｈとを比較する場合、（ｂ）２つのｃｈと残りのｃｈとを比較する場合。
【図１３】図１１に示される回路構成の具体例（基本回路）である。
【図１４】図１１に示される回路構成の具体例（８個の平均値と比較）である。
【図１５】図１１に示される回路構成の具体例（対角位置などと比較）である。
【図１６】図１１に示される回路構成の具体例（８個の初期値を補正）である。
【図１７】図１６の要部の回路構成図である。
【図１８】図１１に示される回路構成の具体例（８個の初期値を補正）である。
【図１９】実施の形態に係る面発光型半導体レーザ装置が備えるパワーモニタ・フォトダイオードを示す平面図である。
【図２０】実施の形態に係る面発光型半導体レーザ装置を適用した車間距離測定システムを示す機能ブロック図である。
【図２１】実施の形態に係る面発光型半導体レーザ装置を適用したセンサモジュールの平面図である。
【図２２】実施の形態に係る面発光型半導体レーザ装置を１つのＰＣＢ基板上に複数配置した場合の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１２】
又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１３】
[基本技術]
図１は、基本技術に係る面発光型半導体レーザ装置の断面構造を示す。電気的には中央付近に配置する共通端子の上下に、レーザ発光素子と受光素子が形成された形を取るが、光学的には、面発光型レーザ部の共振器を構成している半導体反射ミラー内に受光部を形成していることが特徴である。
【００１４】
基板１上に、ｎ型多層膜反射層４、ｎ型クラッド層５、活性層６、ｐ型クラッド層７、ｐ型スペーサ層８、ｐ型電流ブロック層９、ｐ型多層膜反射層１０、ｐ型コンタクト層１１が積層されている。また、ｎ型多層膜反射層４の一部から、ｎ型クラッド層５、活性層６、ｐ型クラッド層７、ｐ型スペーサ層８、ｐ型電流ブロック層９、ｐ型多層膜反射層１０、ｐ型コンタクト層１１までは、円筒状にメサエッチングされたメサ領域を形成している。
【００１５】
円筒状のメサ領域の最上部に形成されたｐ型コンタクト層１１上には、中央部に開口部を有する環状のｐ電極１４が形成されている。また、基板１の裏面には、裏面電極１５が形成されている。ｐ型電流ブロック層９は、酸化された環状の高抵抗領域９ａと、酸化されていない中央部の低抵抗領域９ｂとで構成される。なお、レーザ光の出射方向は、図１の矢印に示されるように、上側である。
【００１６】
電気回路的には、ｎ型多層膜反射層４〜ｐ型コンタクト層１１までで、レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）を構成している。光学的には、活性層６を半導体反射ミラーで挟んだ共振器により構成される。上部半導体反射ミラーはｐ型多層膜反射層１０で、下部半導体反射ミラーはｎ型多層膜反射層４で構成されている。
【００１７】
次に、各層の構成例を示す。まず、基板１として、例えばＮ型ＧａＡｓ基板（導電性基板）が用いられる。Ｎ型ＧａＡｓ基板は、一例として、厚さ１０００Å、Ｃ（炭素）ドープのキャリア濃度１×１０１８〜３×１０１９ｃｍ−３に形成される。
【００１８】
ｎ型多層膜反射層４は、ｎ型ＤＢＲ層(ｎ型ブラッグ反射層)で構成されており、例えば、厚さ６００ÅのＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層（低Ａｌ組成層）と厚さ７００ÅのＡｌ０．９２Ｇａ０．１６Ａｓ層（高Ａｌ組成層）で構成される。また、ｉ型多層膜反射層３に接する側から、Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層とＡｌ０．９２Ｇａ０．１６Ａｓ層を交互に２０周期積層されている。このときの、ｎ型不純物としてはＳｉ（ケイ素）が用いられ、Ｓｉドープのキャリア濃度は、２×１０１７〜５×１０１８ｃｍ−３に形成される。
【００１９】
ｎ型クラッド層５は、厚さ９００Å〜１５００ÅのＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ層で構成されており、ｎ型不純物としてはＳｉ（ケイ素）が用いられ、Ｓｉドープのキャリア濃度は、２×１０１６〜５×１０１８ｃｍ−３に形成される。
【００２０】
活性層６は、量子井戸構造（Quantum Well）を有する活性層であり、井戸層（ウェル層）を、井戸層よりもバンドギャップの大きな障壁層（バリア層）でサンドイッチ状に挟んだ構造となっている。この量子井戸構造は、１つではなく、多重化しても良く、この場合は、ＭＱＷ（Multi Quantum Well）、すなわち多重量子井戸構造となる。
【００２１】
活性層６は、例えば、アンドープのＧａＡｓ井戸層とアンドープのＡｌＧａＡｓ障壁層（バリア層）を交互に積層した多重量子井戸構造により構成されている。最初に、厚さ１５０ÅのアンドープＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ障壁層を形成する。次に、この障壁層上に、厚さ８０ÅのアンドープＧａＡｓ井戸層と厚さ１００ÅのアンドープＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ障壁層を交互に繰り返し２〜６周期形成する。この上に、厚さ８０ÅのアンドープＧａＡｓ井戸層を積層し、さらに、この井戸層上に厚さ１５０ÅのアンドープＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ障壁層を積層する。すなわち、多重量子井戸構造の両側は、中間の障壁層と厚さが異なるアンドープＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ層による障壁層で形成される。
【００２２】
ｐ型クラッド層７は、例えば、厚さ９００Å〜１５００ÅのＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ層で構成される。また、ｐ型ドーパントとして炭素（Ｃ）が用いられ、炭素ドープのキャリア濃度は、１×１０１８〜３×１０１９ｃｍ−３に形成される。
【００２３】
ｐ型スペーサ層８は、例えば、厚さ７００ÅのＡｌ０．９２Ｇａ０．１６Ａｓ層で構成される。また、ｐ型ドーパントとして炭素（Ｃ）が用いられ、炭素ドープのキャリア濃度は、１×１０１８〜３×１０１９ｃｍ−３に形成される。
【００２４】
ｐ型電流ブロック層９は、例えば、厚さ２００〜５００ÅのＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層で構成される。また、ｐ型ドーパントとして炭素（Ｃ）が用いられ、炭素ドープのキャリア濃度は、１×１０１８〜３×１０１９ｃｍ−３に形成される。また、酸化工程により、ｐ型電流ブロック層９は、酸化工程により酸化された高抵抗領域９ａと、酸化されない低抵抗領域９ｂとで構成される。ここで、ｐ型電流ブロック層９（高抵抗領域９ａ・低抵抗領域９ｂ）は、電流狭窄層を構成し、注入キャリアは、主としてｐ型高抵抗領域９ａで挟まれた低抵抗領域９ｂを導通することから、面発光型半導体レーザ装置を流れる電流は、主として、低抵抗領域９ｂに狭窄される。低抵抗領域９ｂに対応する活性層６の領域が発光領域となる。
【００２５】
ｐ型多層膜反射層１０は、例えば、ｐ型ＤＢＲ層（p型ブラッグ反射層）で構成される。具体的には、例えば、厚さ６００ÅのＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層（低Ａｌ組成層）と厚さ７００ÅのＡｌ０．９２Ｇａ０．１６Ａｓ層（高Ａｌ組成層）で構成される。また、電流ブロック層９に接する側から、Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層とＡｌ０．９２Ｇａ０．１６Ａｓ層が交互に１９周期積層されている。このときの、ｐ型不純物としては、Ｃ（炭素）が用いられ、炭素ドープのキャリア濃度は、１×１０１８〜３×１０１９ｃｍ−３に形成される。
【００２６】
ｐ型コンタクト層１１は、例えば、厚さ５００ÅのＧａＡｓ層で構成される。また、ｐ型ドーパントとして炭素（Ｃ）が用いられ、炭素ドープのキャリア濃度は、１×１０１９〜７×１０１９ｃｍ−３に形成される。ｐ型コンタクト層１１をアルミニウムを含まないｐ型ＧａＡｓにより構成することにより、ｐ電極１４のコンタクト抵抗を下げることができる。
【００２７】
ｎ型多層膜反射層４とｐ型多層膜反射層１０間に挟まれたｎ型クラッド層５・活性層６・ｐ型クラッド層７・ｐ型スペーサ層８・ｐ型電流ブロック層９からなる積層構造は、ＶＣＳＥＬの共振器領域を構成している。
【００２８】
なお、一例として、メサ領域のメサ径は約３０μｍに、ｐ型電流ブロック層９の低抵抗領域９ｂの径は約１０μｍに作製することができる。
【００２９】
上記ＤＢＲ層について、説明しておく。ｎ側多層膜反射層４を例にとると、第１反射膜（低Ａｌ組成膜）と第２反射膜（高Ａｌ組成膜）とで構成される複数の界面からの反射光同士の干渉現象を利用するもので、異なる界面から反射されてくる光の位相を３６０度ずらせるようにして、互いに強め合うようにし、反射光の強度をきわめて高くするものである。このように動作させるためには、第１反射膜の屈折率をｎ１、第２反射膜の屈折率をｎ２とし、レーザ共振器内の発振させたいレーザ光の波長をλとすると、第１反射膜の膜厚は、λ／ｎ１で決定され、第２反射膜の膜厚は、λ／ｎ２で決定される。
【００３０】
[実施の形態]
以下、実施の形態に係る面発光型半導体レーザ装置について説明する。なお、以下では、基本技術に係る面発光型半導体レーザ装置と異なる点について説明する。
【００３１】
（面発光型半導体レーザ装置の概要）
図２は、実施の形態に係る面発光型半導体レーザ装置の断面構造を示す。この面発光型半導体レーザ装置は、図２に示すように、ＶＣＳＥＬ（面発光レーザダイオード）と、ＶＣＳＥＬの周囲に配置された複数のフォトダイオードとを備える。
【００３２】
さらに、複数のフォトダイオードの各々の受光レベルのばらつきに基づいてＶＣＳＥＬの故障を検知する故障検知回路を備えてもよい。
【００３３】
また、故障検知回路は、受光レベルの初期値からの変化量のばらつきに基づいて故障を検知してもよい。
【００３４】
また、故障検知回路は、特定のフォトダイオードの受光レベルが他の特定のフォトダイオードの受光レベルに比べて所定割合以上低下したときに故障と判定してもよい。
【００３５】
また、故障検知回路は、８個のフォトダイオードのうちの１個のフォトダイオードの受光レベルが残りの７個のフォトダイオードの受光レベルに比べて所定割合以上低下したときに故障と判定してもよい。
【００３６】
また、故障検知回路は、８個のフォトダイオードのうちの２個のフォトダイオードの受光レベルが残りの６個のフォトダイオードの受光レベルに比べて所定割合以上低下したときに故障と判定してもよい。
【００３７】
また、故障検知回路は、複数のフォトダイオードのうち対角位置に配置されたフォトダイオード同士の受光レベルを比較してもよい。
【００３８】
また、故障検知回路は、複数のフォトダイオードのうち隣り合うフォトダイオード同士の受光レベルを比較してもよい。
【００３９】
また、故障検知回路は、ＶＣＳＥＬの故障を検知した場合、故障検知信号を送出してもよい。
【００４０】
さらに、ＶＣＳＥＬのパワーを一定値に保つフィードバック機構を備えてもよい。
【００４１】
また、ＶＣＳＥＬと複数のフォトダイオードとは一括に結晶成長して製造されたものであってもよい。
【００４２】
また、このようなＶＣＳＥＬが１つのＰＣＢ基板上に複数配置されてもよい。
【００４３】
（面発光型半導体レーザ装置の詳細）
図３は、実施の形態に係る面発光型半導体レーザ装置の鳥瞰図である。図３に示すように、ＶＣＳＥＬと複数のフォトダイオードとは一括に結晶成長して製造されたものである。具体的には、基板１上にｎ型多層膜反射層４，共振器領域１２，ｐ型多層膜反射層１０，ｐ電極１４が形成され、そのｎ型多層膜反射層４〜ｐ電極１４の中央の円形部分と周囲の環状部分とが分割されている。基本技術において説明した通り、ＶＣＳＥＬの開口部ＡＰからレーザ光ｈｖが照射されるようになっている。
【００４４】
ｎ型多層膜反射層４とｐ型多層膜反射層１０間に挟まれたｎ型クラッド層５・活性層６・ｐ型クラッド層７・ｐ型スペーサ層８・ｐ型電流ブロック層９からなる積層構造は、レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）の共振器領域１２を構成している。また、ｎ型多層膜反射層４Ｄとｐ型多層膜反射層１０Ｄ間に挟まれたｎ型クラッド層５・活性層６・ｐ型クラッド層７・ｐ型スペーサ層８・ｐ型電流ブロック層９からなる積層構造は、ダイオード受光領域１２Ｄを構成している。
【００４５】
図４は、実施の形態に係る面発光型半導体レーザ装置の平面図であり、図５は、図４に示されるＩ−Ｉ線断面図である。図４及び図５に示すように、周囲の環状部分４Ｄ，１２Ｄ，１０Ｄ，１４Ｄを８個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ８に分割してもよい。ここでは、フォトダイオードＰＤ１とＰＤ５、フォトダイオードＰＤ２とＰＤ６、フォトダイオードＰＤ３とＰＤ７、フォトダイオードＰＤ４とＰＤ８がそれぞれＶＣＳＥＬを挟んで対角位置に配置されている。ｐ電極１４Ｄは、フォトダイオードＰＤ１とＰＤ５の上に設けた場合を例示している。このような構成によれば、レーザ光ｈｖの横漏れを８個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ８の各々により受光することができるため、その各々の受光レベルのばらつきに基づいてＶＣＳＥＬの故障を検知することが可能である。
【００４６】
（受光レベルの変化）
図６は、実施の形態に係る面発光型半導体レーザ装置が備える８個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ８の各々の受光レベルの変化を示すグラフである。縦軸は８個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ８の各々に流れる電流値を示し、横軸は時間を示す。図６に示すように、８個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ８の各々に流れる電流値の初期値はほぼ同じである。その後、２個のフォトダイオードＰＤ１及びＰＤ５に流れる電流値がその他のものに比べて所定割合以上（例えば２割以上）低下した場合を例示している。このような場合、後述する個別コントローラ（故障検知回路）は、ＶＣＳＥＬが故障したと判定するようになっている。
【００４７】
図７は、実施の形態に係る面発光型半導体レーザ装置が備える８個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ８の各々の受光レベルの変化を示すグラフであり、（ａ）はフィードバック機構を備えない場合、（ｂ）はフィードバック機構を備える場合を示す。フィードバック機構は、ＶＣＳＥＬのパワーをモニタし、ＶＣＳＥＬのパワーを一定値に保つ機構である。図７（ａ）に示すように、フィードバック機構を備えない場合、ＶＣＳＥＬには定電流が流れるため、故障している２個のフォトダイオードＰＤ１及びＰＤ５に流れる電流値だけが低下する。一方、図７（ｂ）に示すように、フィードバック機構を備える場合、２個のフォトダイオードＰＤ１及びＰＤ５に流れる電流値が低下した分だけ、ＶＣＳＥＬに流す電流値を上げる。これにより、故障していない残りのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ３，ＰＤ４，ＰＤ６，ＰＤ７，ＰＤ８に流れる電流値がΔだけ上昇し、トータルの光量は一定値を保つようになっている。
【００４８】
（故障パターン）
図８は、実施の形態に係る面発光型半導体レーザ装置が故障した場合のＶＣＳＥＬの開口部ＡＰを模式的に示す平面図である。本発明者らが実験したところ、図８に示すように、開口部ＡＰにおいて明るい領域と暗い領域が対称性よく表れる傾向があることが分かった。具体的には、開口部ＡＰの中央部分の菱形領域ＰＨに比べ、その周囲の４箇所の領域ＤＳ１，ＤＳ２，ＤＳ３，ＤＳ４が暗くなっている。
【００４９】
このような場合、フィードバック機構により電流値を上げるよりも、いち早くＶＣＳＥＬが故障したものと判定することが望ましい。もちろん、故障パターンは様々ある。システム的な重大事故を事前に回避するためには、様々な故障パターンをいち早く検知することが望まれる。
【００５０】
（ＰＤ配置例）
図９は、実施の形態に係る面発光型半導体レーザ装置におけるフォトダイオードの配置例を模式的に示す平面図である。図９に示すように、８個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ８をＶＣＳＥＬの周囲に一定間隔で配置してもよい。ここでは、フォトダイオードＰＤ１とＰＤ５、フォトダイオードＰＤ２とＰＤ６、フォトダイオードＰＤ３とＰＤ７、フォトダイオードＰＤ４とＰＤ８は、それぞれ、ＶＣＳＥＬを挟んで対角位置に配置されている。このような配置によれば、図８に示したような菱形の故障パターンを精度よく検知することが可能である。
【００５１】
なお、故障パターンを検知する方法はこれに限定されるものではない。すなわち、図９では、ＶＣＳＥＬを挟んで対角位置に配置されている２個のフォトダイオードに着目して故障を検知する場合を例示しているが、例えば、１個のフォトダイオードだけに着目して故障を検知してもよい。もちろん、フォトダイオードの数や配置も、図９に示されるものに限定されるものではなく、適宜変更することが可能である。
【００５２】
（動作例）
図１０は、実施の形態に係る面発光型半導体レーザ装置の動作例を示すフローチャートである。ここでも、８個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ８をＶＣＳＥＬの周囲に一定間隔で配置している場合を想定して説明する。
【００５３】
まず、個別コントローラは、８個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ８の各々の受光レベルの初期値をメモリに記憶した後（Ｓ１）、８個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ８の各々の受光レベルの変化量Δ１〜Δ８を演算する（Ｓ２）。変化量Δ１〜Δ８は、メモリに記憶されている初期値と現時点での受光レベルとの差分である。
【００５４】
次いで、個別コントローラは、変化量Δ１〜Δ８のばらつきが所定の基準値を超えているかどうか判定する（Ｓ４）。この判定方法は様々あり、特に限定されるものではない。例えば、８個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ８のうちの２個のフォトダイオードの受光レベルが残りの６個のフォトダイオードの受光レベルに比べて所定割合以上低下したときに故障と判定してもよい。２個のフォトダイオードは、ＶＣＳＥＬを挟んで対角位置に配置されているもの同士とするのが望ましい。具体的には、フォトダイオードＰＤ１とＰＤ５、フォトダイオードＰＤ２とＰＤ６、フォトダイオードＰＤ３とＰＤ７、フォトダイオードＰＤ４とＰＤ８の４組である。
【００５５】
ここで、個別コントローラは、変化量Δ１〜Δ８のばらつきが所定の基準値を超えていると判定した場合（Ｓ４：ＹＥＳ）、図示しないマイコンに故障検知信号を送出する（Ｓ４→Ｓ５）。一方、変化量Δ１〜Δ８のばらつきが所定の基準値を超えていないと判定した場合（Ｓ４：ＮＯ）、故障検知処理を継続する（Ｓ４→Ｓ２）。
【００５６】
フィードバック機構を備える場合についても同様である。すなわち、ＶＣＳＥＬのパワーが一定値を下回った場合（Ｓ３：ＮＯ）、ＶＣＳＥＬに流す電流値を上げ、ＶＣＳＥＬのパワーを一定値に保つようになっている（Ｓ３→Ｓ６→Ｓ２）。このようなフィードバック制御を実施した場合でも、故障しているフォトダイオードと故障していないフォトダイオードとでは受光レベルにばらつきが生じる（図７（ｂ）参照）。そのため、上記と同様、受光レベルの変化量Δ１〜Δ８のばらつきに基づいて故障検知信号を送出することが可能である（Ｓ３→Ｓ４→Ｓ５）。
【００５７】
（回路構成）
図１１は、実施の形態に係る面発光型半導体レーザ装置の回路構成図である。ここでも、８個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ８をＶＣＳＥＬの周囲に一定間隔で配置している場合を想定して説明する。以下の説明では、８個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ８の各々のルートをｃｈ（チャンネル）と記載する。
【００５８】
まず、８個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ８の電流をＩ／Ｖ変換回路２１〜２８で電圧に変換し、その電圧を増幅回路３１〜３８で増幅し、その増幅信号Ｓ１〜Ｓ８を信号処理する。具体的には、初期値からの変化量Δ１〜Δ８を演算回路４１〜４８で演算し、その変化量Δ１〜Δ８のばらつきを比較判定部５１で判定する。
【００５９】
具体的には、比較判定部５１は、Δｍ／Σ（Δ残りのｃｈ）が所定の基準値ａを超えているかどうか判定してもよい。ｍは、各ｃｈを識別するための番号である。例えば、ΔｍがΔ１である場合、Σ（Δ残りのｃｈ）は、Δ２＋Δ３＋Δ４＋Δ５＋Δ６＋Δ７＋Δ８である。Δｍ／Σ（Δ残りのｃｈ）が所定の基準値ａを超えている場合は、図１２（ａ）に示すように、特定のフォトダイオードＰＤｍの受光レベルの変化量Δｍが他の特定のフォトダイオードＰＤｏの受光レベルの変化量Δｏとかけ離れている。そこで、このような場合は、比較判定部５１から故障検知信号が送出されるようになっている。
【００６０】
あるいは、比較判定部５１は、（Δｍ＋Δｎ）／Σ（Δ残りのｃｈ）が所定の基準値ｂを超えているかどうか判定してもよい。ｍ，ｎは、各ｃｈを識別するための番号である。例えば、ΔｍがΔ１であり、ΔｎがΔ５である場合、Σ（Δ残りのｃｈ）は、Δ２＋Δ３＋Δ４＋Δ６＋Δ７＋Δ８である。（Δｍ＋Δｎ）／Σ（Δ残りのｃｈ）が所定の基準値ｂを超えている場合は、図１２（ｂ）に示すように、特定のフォトダイオードＰＤｍ，ＰＤｎの受光レベルの変化量Δｍ，Δｎが他の特定のフォトダイオードＰＤｏの受光レベルの変化量Δｏとかけ離れている。そこで、このような場合は、比較判定部５１から故障検知信号が送出されるようになっている。
【００６１】
もちろん、ｍとｎの組み合わせは特定の組み合わせ（１，５）に限定されるものではない。８個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ８をＶＣＳＥＬの周囲に一定間隔で配置している場合は、（１，５）（２，６）（３，７）（４，８）のうちの少なくとも１組であればよい。
【００６２】
また、ｍとｎの組み合わせは対角の２つの組み合わせ（１，５）（２，６）（３，７）（４，８）に限定されるものではなく、あらゆる組み合わせを採用することができる。これにより、故障の進行性の有り無し等、交換の必要性を判定することも可能になる。
【００６３】
（回路構成の具体例：基本回路）
図１３は、図１１に示される回路構成の具体例である。以下、図１１，図１２と異なる部分を中心に説明することとし、同様の部分については詳しい説明を省略する。
【００６４】
図１３に示すように、増幅信号Ｓ１〜Ｓ８をＭＵＸ６１で時分割し、その時分割信号Ｓ１，Ｓ２，・・・，Ｓ８を１つのＡＤ変換回路６２でＡＤ変換し、そのＡＤ変換後のデジタル信号Ｄ１，Ｄ２，・・・，Ｄ８をロジック回路６３で信号処理するようにしてもよい。ロジック回路６３では、初期値を用いて受光レベルの変化量ΔＤ１，ΔＤ２，・・・，ΔＤ８を演算し、その変化量ΔＤ１，ΔＤ２，・・・，ΔＤ８のばらつきに基づいて故障検知信号を送出するようになっている。このような構成によれば、デジタル信号を処理するため、複雑な演算を行う場合に効果的である。
【００６５】
（回路構成の具体例：８個の平均値と比較）
図１４は、図１１に示される回路構成の具体例である。以下、図１１〜図１３と異なる部分を中心に説明することとし、同様の部分については詳しい説明を省略する。
【００６６】
図１４に示すように、８個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ８の特性を比較し、期待値はずれのｃｈがないか判定するようにしてもよい。具体的には、各ｃｈをＩＶ変換した値と全ｃｈの平均値Ａｖｅとを比較回路７１〜７８で比較するようになっている。Σ（Δ残りのｃｈ）を１に正規化することで、ＡＤ変換回路６２を使うことなく同様の機能を実現することができる。そのため、ＣＭＯＳロジックがないプロセスで実現したい場合などＡＤ変換回路６２を使うことがふさわしくない場合に有用である。
【００６７】
（回路構成の具体例：対角位置などと比較）
図１５は、図１１に示される回路構成の具体例である。以下、図１１〜図１４と異なる部分を中心に説明することとし、同様の部分については詳しい説明を省略する。
【００６８】
図１５に示すように、２個のフォトダイオード同士の特性を比較回路７０で比較するようにしてもよい。例えば、対角位置に配置されたフォトダイオード同士ＰＤ１とＰＤ５、ＰＤ２とＰＤ６、ＰＤ３とＰＤ７、ＰＤ４とＰＤ８の特性を比較回路７０で比較するようにしてもよい。あるいは、隣り合うフォトダイオード同士ＰＤ１とＰＤ２、ＰＤ２とＰＤ３、・・・、ＰＤ７とＰＤ８、ＰＤ８とＰＤ１の特性を比較回路７０で比較するようにしてもよい。このような構成によれば、図８に示したような菱形の故障パターンを簡単な回路構成で検知することが可能である。
【００６９】
（回路構成の具体例：８個の初期値を補正）
図１６は、図１１に示される回路構成の具体例である。以下、図１１〜図１５と異なる部分を中心に説明することとし、同様の部分については詳しい説明を省略する。
【００７０】
既に説明した通り、８個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ８の受光レベルの低下度合いをモニタするためには、８個の初期値を記憶する必要がある。そこで、図１６に示すように、増幅回路３０で電圧を増幅した後、フューズを使ったリペア処理を実施し、ｃｈごとにオフセットＶｏｆｓを補正するようにしてもよい。例えば、図１７に示すように、抵抗ラダーＲ１〜Ｒ３に対応するフューズＦｕｓｅ１〜３を備え、抵抗ラダーＲ１〜Ｒ３の上下にフューズ無しの抵抗ＲＨ及びＲＬを接続してもよい。このような回路構成によれば、数１に示すように、フューズＦｕｓｅ１〜３をショートさせることで抵抗分圧（Ｒｌ／（Ｒｈ＋Ｒｌ））をトリミングし、入力電圧ＩＮを分圧した分圧電圧ＲＥＳを調整することができる。これにより、８個の初期値のばらつきを出荷検査の段階などにリペアして同じ値にすることが可能である。
【００７１】
【数１】
2018022739.tif 000003
【００７２】
（回路構成の具体例：８個の初期値を補正）
図１８は、図１１に示される回路構成の具体例である。以下、図１１〜図１７と異なる部分を中心に説明することとし、同様の部分については詳しい説明を省略する。
【００７３】
図１８に示すように、初期値を記憶する不揮発性メモリ９３を備えるようにしてもよい。例えば、ＡＤ変換回路６２でＡＤ変換されたデジタル信号の初期値がロジック回路９２に入力される。ロジック回路９２は、各ｃｈのオフセット分を不揮発性メモリ９３に記憶させるようになっている。これにより、８個の初期値のばらつきを出荷検査の段階などにリペアして同じ値にすることが可能である。また、図１６のような比較回路７０が不要であるという効果もある。
【００７４】
（フィードバック機構）
図１９は、実施の形態に係る面発光型半導体レーザ装置が備えるパワーモニタ・フォトダイオードＰＤｍを示す平面図である。図１９に示すように、８個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ８とは別に、ＶＣＳＥＬのパワーをモニタするためのパワーモニタ・フォトダイオードＰＤｍを備えてもよい。８個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ８の各々にＶＣＳＥＬのレーザ光ｈｖ１〜ｈｖ８が受光され、パワーモニタ・フォトダイオードＰＤｍにＶＣＳＥＬのレーザ光ｈｖｐが受光されるようになっている。これにより、パワーモニタ・フォトダイオードＰＤｍに流れる電流値に基づいてフィードバック機構を実現することが可能である。
【００７５】
（車間距離測定システム）
図２０は、実施の形態に係る面発光型半導体レーザ装置を適用した車間距離測定システムを示す機能ブロック図である。この車間距離測定システムは、図２０に示すように、ＶＣＳＥＬのチップ１Ａと、個別コントローラ１１０と、フィードバックコントローラ１２０と、マイコン１３０と、ＥＣＵ（Engine Control Unit）１４０と、パワーモニタ・フォトダイオードＰＤｍとを備える。
【００７６】
ＶＣＳＥＬのチップ１Ａには、ＶＣＳＥＬだけでなく８個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ８も含まれるものとする。フィードバックコントローラ１２０は、パワーモニタ・フォトダイオードＰＤｍに流れる電流値に基づいてＶＣＳＥＬのパワーをモニタし、ＶＣＳＥＬのパワーを一定値に保つ。個別コントローラ１１０は、故障検知回路の一例であり、８個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ８の各々の受光レベルのばらつきに基づいてＶＣＳＥＬの故障を検知すると、故障検知信号をマイコン１３０に向けて送出する。マイコン１３０は、ＶＣＳＥＬのチップ１Ａ、個別コントローラ１１０、ＥＣＵ１４０と通信可能であり、各種の制御を行う。ＥＣＵ１４０は、ＶＣＳＥＬのレーザ光を用いて前方車両との車間距離を測定し、その測定結果などの信号をマイコン１３０に通知する。
【００７７】
このような車間距離測定システムにおいては、高性能化・高機能化だけでなく、安全性の確保も重要なニーズとなっている。安全な車載用機器の開発手法や管理方式等を体系的にまとめた国際基準規格ＩＳＯ２６２６２が策定されている。
【００７８】
そこで、マイコン１３０は、故障検知信号を受け取ると、ＥＣＵ１４０から受け取った測定結果などの信号を有効でないものと判定するのが望ましい。あるいは、故障検知信号を受け取ると、その旨を即座にＥＣＵ１４０に通知するようにしてもよい。このような構成によれば、ＶＣＳＥＬの故障をいち早く検知することができるため、システム的な重大事故を事前に回避することが可能である。
【００７９】
（センサモジュール）
図２１は、実施の形態に係る面発光型半導体レーザ装置を適用したセンサモジュールの平面図である。図２１に示すように、ＶＣＳＥＬのチップ１ＡがＰＣＢ基板１００の上に実装されている。ＶＣＳＥＬのチップ１Ａは、ガリウムヒ素基板などの共通基板の上にＶＣＳＥＬと８個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ８が形成されたものである。ＶＣＳＥＬのチップ１Ａのサイズは、例えば２００〜３００μｍ程度である。ＶＣＳＥＬのチップ１Ａの表面には、ＶＣＳＥＬと８個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ８に電流を流すため、電極パッドＢＰ１〜ＢＰ８，ＢＰｖｃが形成されている。この電極パッドＢＰ１〜ＢＰ８，ＢＰｍ，ＢＰｖｃをＰＣＢ基板１００上のボンディング端子Ｔ１〜Ｔ８，Ｔｍ，Ｔｖｃにそれぞれワイヤボンディングする。ワイヤボンディングに限らず、パターニングした電極で接続する方法でもかまわない。ＰＣＢ基板１００は、マイコン１３０やＥＣＵ１４０等と接続することが可能である。
【００８０】
（マルチチップ）
図２２は、実施の形態に係る面発光型半導体レーザ装置を１つのＰＣＢ基板１００上に複数配置した場合の平面図である。図２２に示すように、ＰＣＢ基板１００上には、複数のＶＣＳＥＬ１１，１２，１３，・・・をマトリクス状に配置してもよい。この場合は、各ＶＣＳＥＬ間の中央に、フォトダイオードＰＤ１１，ＰＤ１２，ＰＤ１３，・・・をマトリクス状に配置してもよい。このような構成によれば、複数のＶＣＳＥＬ１１，１２，１３，・・・の故障を個別に検知することができ、また、複数のＶＣＳＥＬ１１，１２，１３，・・・に流す電流値を個別に制御することができる。
【００８１】
以上説明したように、本実施の形態によれば、ＶＣＳＥＬの故障をいち早く検知することができる面発光型半導体レーザ装置及びその故障検知方法を提供することができる。
【００８２】
なお、本実施の形態では、面発光型レーザダイオードとしてＶＣＳＥＬを例示したが、ＶＣＳＥＬ以外の面発光型レーザダイオードを採用することも可能である。
【００８３】
[その他の実施の形態]
上記のように、実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【００８４】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本実施の形態は、例えば、自動車、航空機、船舶、鉄道、ロケット、医療機器、産業機械、ロボットなど様々な分野の電子機器類などに適用可能である。
【符号の説明】
【００８６】
１…基板
１Ａ…ＶＣＳＥＬのチップ
４，４Ｄ…ｎ型多層膜反射層
１２…共振器領域
１２Ｄ…ダイオード受光領域
１０，１０Ｄ…ｐ型多層膜反射層
１４，１４Ｄ…ｐ電極
２１〜２８…Ｉ／Ｖ変換回路
３０，３１〜３８…増幅回路
４１〜４８…演算回路
６１…ＭＵＸ
６２…ＡＤ変換回路
６３，９２…ロジック回路
７０，７１〜７８…比較回路
９３…不揮発性メモリ
１１０…個別コントローラ（故障検知回路）
１２０…フィードバックコントローラ
１３０…マイコン
１４０…ＥＣＵ
ＰＤ１〜ＰＤ８…フォトダイオード
ＰＤｍ…パワーモニタ・フォトダイオード
ｈｖ…レーザ光
【図１】
2018022739.tif 000004
【図２】
2018022739.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2018022739.tif 000013
【図１１】
2018022739.tif 000014
【図１２】
2018022739.tif 000015
【図１３】
2018022739.tif 000016
【図１４】
2018022739.tif 000017
【図１５】
2018022739.tif 000018
【図１６】
2018022739.tif 000019
【図１７】
2018022739.tif 000020
【図１８】
2018022739.tif 000021
【図１９】
2018022739.tif 000022
【図２０】
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【図２１】
2018022739.tif 000024
【図２２】
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