(57)【要約】  本発明では、少なくとも1つのメサを備える垂直共振器面発光レーザ（100）について記載しており、少なくとも1つのメサは活性領域（120）を含み、活性領域（120）はm≧2となるm個の活性層構造（121、125）を含み、活性層構造（121、125）を、当該活性層構造（121、125）間に配置されるトンネル接合部（123）によって互いに電気接続させており、少なくとも1つのメサは光共振器をさらに含み、光共振器は、第1の分布ブラッグ反射器（130）と第2の分布ブラッグ反射器（136）とを含み、第1および第2の分布ブラッグ反射器（130、136）間に活性領域（120）を配置しており、垂直共振器面発光レーザ（100）は、第1の電気接点（101）と第2の電気接点（105）とをさらに備え、第1および第2の電気接点（101、105）を、活性領域（120）に電流を供給するように構成しており、垂直共振器面発光レーザ（100）は電気制御接点（103）をさらに備え、少なくとも1個からm-1個までの活性層構造（121、125）において、電気制御接点（103）と第1の電気接点（101）または第2の電気接点（105）との間の電流を使用することにより、垂直共振器面発光レーザ（100）の利得スイッチング方式のレーザ発光を制御するように、電気制御接点（103）を構成している。本発明は、そのようなVCSEL（100）を備える飛行時間センサモジュール（200）にさらに関する。本発明は、VCSEL（100）の利得スイッチングを制御する方法にさらに関する。ひいては、本発明は関連するコンピュータプログラム製品に関する。【選択図】  図8
2020524910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも1つのメサを備える垂直共振器面発光レーザ（100）であって、前記少なくとも1つのメサは活性領域（120）を含み、前記活性領域（120）はm≧2となるm個の活性層構造（121、125）を含み、前記活性層構造（121、125）を、前記活性層構造（121、125）間に配置されるトンネル接合部（123）によって互いに電気接続させており、前記少なくとも1つのメサは光共振器をさらに含み、前記光共振器は、第1の分布ブラッグ反射器（130）と第2の分布ブラッグ反射器（136）とを含み、前記第1および第2の分布ブラッグ反射器（130、136）間に前記活性領域（120）を配置しており、前記垂直共振器面発光レーザ（100）は、第1の電気接点（101）と第2の電気接点（105）とをさらに備え、前記第1および第2の電気接点（101、105）を、前記活性領域（120）に電流を供給するように構成しており、前記垂直共振器面発光レーザ（100）は電気制御接点（103）をさらに備え、少なくとも1個からm-1個までの活性層構造（121、125）において、前記電気制御接点（103）と前記第1の電気接点（101）または前記第2の電気接点（105）との間の電流を使用することにより、前記垂直共振器面発光レーザ（100）の利得スイッチング方式のレーザ発光を制御するように、前記電気制御接点（103）を構成しており、前記垂直共振器面発光レーザ（100）は、前記活性領域（120）と前記第1または第2の電極（101、103）との間に配置される電流開口部（115）を備え、前記電流開口部（115）から最も離間した活性層構造（121、125）の電流密度が、前記電流開口部（115）に隣接する前記活性層構造（121、125）の電流密度と比較して低下するように、前記電流開口部（115）と前記電流開口部（115）から最も離間した前記活性層構造（121、125）との間の距離を、前記半導体材料の前記垂直共振器面発光レーザ（100）が出射するレーザ光の波長の少なくとも3倍としている、
垂直共振器面発光レーザ（100）。
【請求項２】
前記電気制御接点（103）と前記第1の電気接点（101）または前記第2の電気接点（105）との間の電流を使用して、利得スイッチング方式のレーザ発光の発光開始時間を制御するように、前記電気制御接点（103）を構成している、請求項1に記載の垂直共振器面発光レーザ（100）。
【請求項３】
前記垂直共振器面発光レーザ（100）の光ルミネセンス波長を、少なくとも前記光共振器の共鳴波長としている、請求項1または2のいずれか一項に記載の垂直共振器面発光レーザ（100）。
【請求項４】
前記電流開口部（115）から最も離間した前記活性層構造（121、125）の光ルミネセンス波長を、前記活性領域（120）に含まれる他の任意の活性層構造（121、125）における光ルミネセンス波長よりも短縮している、請求項1から3のいずれか一項に記載の垂直共振器面発光レーザ（100）。
【請求項５】
前記第1の電気接点（101）と前記電気制御接点（103）との間に第1の電流を供給でき、前記第2の電気接点（105）と前記電気制御接点（103）との間に第2の電流を供給できるように、前記電気制御接点（103）を構成しており、前記第1の電流は前記第2の電流から独立している、請求項1から4のいずれか一項に記載の垂直共振器面発光レーザ（100）。
【請求項６】
1個からm-1個までの前記活性層構造（125）と残りの前記活性層構造（121）との間に、前記電気制御接点（103）を配置している、請求項5に記載の垂直共振器面発光レーザ（100）。
【請求項７】
前記垂直共振器面発光レーザ（100）は少なくとも2つのメサを備え、前記利得スイッチング方式のレーザ発光をもたらすように、少なくとも第1のメサを構成しており、また前記少なくとも第1のメサによる利得スイッチング方式のレーザ発光を制御するように、少なくとも第2のメサを構成している、請求項1から6のいずれか一項に記載の垂直共振器面発光レーザ（100）。
【請求項８】
前記少なくとも2つのメサは、少なくとも1個からm-1個までの共通の活性層構造（125）を含んでおり、前記少なくとも1個からm-1個までの共通の活性層構造（125）を介して横方向のポンピングを行うことで、前記少なくとも第1のメサによる利得スイッチング方式のレーザ発光を制御するように、前記少なくとも第2のメサを構成している、請求項7に記載の垂直共振器面発光レーザ（100）。
【請求項９】
レーザ発光が抑制されるように、前記少なくとも第2のメサを構成している、請求項7または8に記載の垂直共振器面発光レーザ（100）。
【請求項１０】
前記電気制御接点（103）と前記第1の電気接点（101）または前記第2の電気接点（105）との間の電流を使用して、前記少なくとも1個からm-1個までの共通の活性層構造（121、125）を介した横方向のポンピングを制御するように、前記電気制御接点（103）を構成している、請求項9に記載の垂直共振器面発光レーザ（100）。
【請求項１１】
前記第1の電気接点（101）と前記第2の電気接点（105）との間の電流を使用して、前記利得スイッチング方式のレーザ発光の発光停止時間を制御するように、前記第1の電気接点（101）および前記第2の電気接点（105）を構成している、請求項7から10のいずれか一項に記載の垂直共振器面発光レーザ（100）。
【請求項１２】
請求項1から11のいずれか一項に記載の少なくとも1つの垂直共振器面発光レーザ（100）を備える飛行時間センサモジュール（200）であって、前記飛行時間センサモジュール（200）は、前記電気制御接点（103）と前記第1の電気接点（101）または前記第2の電気接点（105）との間に電流を供給するように構成された電気駆動装置（130）をさらに備える、飛行時間センサモジュール（200）。
【請求項１３】
積層配置でm≧2となるm個の活性層構造（121、125）を備える垂直共振器面発光レーザ（100）の利得スイッチングを制御する方法であって、前記活性層構造（121、125）を、前記活性層構造（121、125）間に配置されるトンネル接合部（123）によって互いに電気接続させており、前記光共振器は、第1の分布ブラッグ反射器（130）と第2の分布ブラッグ反射器（136）とを含み、前記第1および第2の分布ブラッグ反射器（130、136）間に前記活性領域（120）を配置しており、前記垂直共振器面発光レーザ（100）は、第1の電気接点（101）と、第2の電気接点（105）と、電気制御接点（103）とをさらに備え、前記垂直共振器面発光レーザ（100）は、前記活性領域（120）と前記第1または第2の電極（101、103）との間に配置される電流開口部（115）を備え、前記電流開口部（115）から最も離間した活性層構造（121、125）の電流密度が、前記電流開口部（115）に隣接する前記活性層構造（121、125）の電流密度と比較して低下するように、前記電流開口部（115）と前記電流開口部（115）から最も離間した前記活性層構造（121、125）との間の距離を、前記半導体材料の前記垂直共振器面発光レーザ（100）が出射するレーザ光の波長の少なくとも3倍としており、前記方法は、
前記電気制御接点（103）および前記第1の電気接点（101）または前記第2の電気接点（105）を使用して、レーザ発光に関与する少なくとも1個からm-1個までの活性層構造（121、125）に第1の電流を供給するステップと、
前記第1および第2の電気接点（101、105）を使用して、活性領域（120）に、さらにはレーザ発光に関与する残りの前記活性層構造（121、125）に第2の電流を供給するステップとを含み、前記第1の電流は前記第2の電流から独立している、
方法。
【請求項１４】
請求項12に記載の飛行時間センサモジュール（200）に含まれる少なくとも1つのメモリ装置、または前記飛行時間センサモジュール（200）を備える装置における少なくとも1つのメモリ装置上に保存できるコード手段を備えるコンピュータプログラム製品であって、請求項13に記載の本方法を、前記飛行時間センサモジュール（200）に含まれる少なくとも1つの処理装置によって、または前記飛行時間センサモジュール（200）を備える前記装置における少なくとも1つの処理装置によって実行できるように、前記コード手段を構成している、
コンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、利得スイッチング動作を改良した垂直共振器面発光レーザ（VCSEL）、およびそのようなVCSELを備える飛行時間センサモジュールに関する。本発明は、VCSELの利得スイッチングを制御する方法にさらに関する。そしてひいては、本発明は関連するコンピュータプログラム製品に関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許出願公開第2014/0169397号明細書には、両端部で反射器によって終端され、これらの間で定常波を発光させているキャビティを含む利得スイッチング方式で動作するように構成された、垂直共振器面発光レーザ（VCSEL）が開示されている。このキャビティは少なくとも1つの量子井戸を含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第2014/0169397号明細書
【発明の概要】
【０００４】
本発明の目的は、利得スイッチング動作を改良した垂直共振器面発光レーザ（VCSEL）を提供することである。
【０００５】
本発明は独立請求項によって定義される。従属請求項は、有利な実施形態を定義したものである。
【０００６】
第1の態様によれば、VCSELを提供する。本VCSELは少なくとも1つのメサを備え、この少なくとも1つのメサは活性領域を含む。この活性領域は、m≧2となるm個の活性層構造（121、125）を含む。これらの活性層構造を、活性層構造間に配置されるトンネル接合部によって互いに電気接続させている。少なくとも1つのメサは光共振器をさらに含む。この光共振器は、第1の分布ブラッグ反射器と第2の分布ブラッグ反射器とを含む。第1および第2の分布ブラッグ反射器間に活性領域を配置している。本VCSELは、第1の電気接点と第2の電気接点とをさらに備える。これらの第1および第2の電気接点を、活性領域に電流を供給するように構成している。この電流を、第1および第2の分布ブラッグ反射器を介して供給してもよい。あるいは、1または複数のキャビティ内接点を使用して、活性領域に電流を直接供給してもよい。本VCSELは電気制御接点をさらに備える。少なくとも1個からm-1個までの活性層構造において、電気制御接点と第1の電気接点または第2の電気接点との間の電流を使用することにより、本VCSELの利得スイッチング方式のレーザ発光を制御するように、この電気制御接点を構成している。電気制御接点を介して電流を印加することにより、たとえば下部活性層構造の反転分布が飽和に達する点まで増大する可能性があり、その際レージングが起こり得る。たとえば、活性層構造のうちの1つを流れる電流を変調することにより、あるいはたとえば、複数のメサを備える場合に、共通の活性層構造内の光搬送波を変調することにより、利得スイッチング方式のレーザ発光を制御してもよい。
【０００７】
メサは、半導体基板上の半導体層構造における一種の「島」であり、とりわけ半導体層構造の導電層のエッチングを通じて半導体層構造の一部を貫通エッチングすることにより、このメサを隣接する構造から、とりわけ他のメサから隔離している。
【０００８】
ここに記載しているVCSELにより、利得スイッチング動作を改良することができる。この利得スイッチング方式のVCSELを、携帯電話用三次元センサなどの飛行時間型LIDAR用途、産業用途、または自動車用途に向けた適切な候補としてもよい。駆動電流のオンオフを通じてダイオード利得を素早くスイッチングすることにより、nsパルスを生成することができる。やや高度なドライバエレクトロニクスを使用することで、ps範囲のパルス持続時間を有する利得スイッチングパルスでさえも実現することができる。ここに記載している利得スイッチング方式に使用する従来のVCSELにおける主な欠点の1つとして、到達可能なパルス電力に限界があること（半導体利得材料に典型的な）が挙げられる。
【０００９】
上記の多段バイポーラカスケード設計を施したVCSELを、VCSELの利得スイッチング動作を強化するように、また、とりわけより高いパルス電力に到達するように構成している。1または複数のトンネルダイオード（接合部）で区切られた2つ以上の活性領域を使用すると、レーザ発光の遅延および急な開始、および連続波動作で得られるレーザ光と駆動電流との特性曲線のヒステリシスを特徴とする双安定動作が生じる可能性がある。パルス動作では、この動作により、多段バイポーラカスケード設計を施していない従来のVCSELと比較してパルス電力が増加し、レーザパルスがさらに短縮される可能性がある。別のアプローチでは、1または複数のメサを多段バイポーラカスケード設計で使用してもよい。一方のメサを使用してレーザ光パルスを生成しながら、他方の1または複数のメサを介して、第1のメサの利得スイッチングを制御することができる。このようにして、飛行時間型用途に有益となる、低ジッタの短く強力な利得スイッチングパルスを生成することができる。
【００１０】
電気制御接点と第1の電気接点または第2の電気接点との間の電流を使用して、利得スイッチング方式のレーザ発光の発光開始時間を制御するように、この電気制御接点を構成してもよい。このような制御接点によってもたらされる電流振幅または電流パルスのスロープを使用して、活性層構造を別個に、かつ電気的にポンピングしてもよい。異なる活性層構造を別個にポンピングすることにより、本VCSELのレージングが開始される時点に関する制御が向上することになる。
【００１１】
本VCSELは、活性領域と第1または第2の電極との間に配置される電流開口部を備えていてもよい。この電流開口部と電流開口部から最も離間した活性層構造との間の距離を、半導体材料のVCSELが出射するレーザ光の波長の少なくとも3倍とすることができる。電流開口部と電流開口部から最も離間した活性層構造との間の距離が長くなると、活性層構造の不均一なポンピングが増大することにより、連続波（cw）動作で双安定動作が強力になることに役立つ。こうした不均一なポンピングは、電流開口部と電流開口部から最も離間した活性層構造との間の距離を拡大することにより、電流開口部から最も離間した活性層構造の電流密度が低下することで増大する。こうした半導体材料による波長は、本VCSELの材料によるレーザ光の光学波長である。
【００１２】
本VCSELの光ルミネセンス波長を、少なくとも光共振器の共鳴波長とすることができる。この光ルミネセンス波長は、光ルミネセンス発光スペクトルのピークを指す。強力な光源で材料（この場合は、活性層構造または本VCSELの構造の半導体材料）を励起し、かつ出射光のスペクトルを記録することで、このスペクトルを測定している。下部活性層構造の光ルミネセンス波長が短いというのは、下部活性層構造における透過電流密度が高いことを意味している。このように、透過電流密度をはるかに超えて上部活性層構造がポンピングされるが、下部活性層構造は依然として光吸収を呈しているため、キャビティ内でのレーザ作用が阻止される。このように、上部活性層構造の反転分布が増大し、これにより、下部活性層構造がひとたび透過電流密度に到達すると放出される利得スイッチングパルスの強度が上昇することになる。光共振器の共鳴波長に対する本VCSELの光ルミネセンス波長により、光子密度、ひいてはピーク強度が上昇するため、本VCSELのレーザ発光を制御する実現性がさらに高まる。この活性層構造の光ルミネセンス波長を、活性層構造の材料組成によって調整することができる。
【００１３】
電流開口部から最も離間した活性層構造の光ルミネセンス波長を、活性領域に含まれる他の任意の活性層構造における光ルミネセンス波長よりも短縮することにより、上記の効果を高めてもよい。
【００１４】
第1の電気接点と電気制御接点との間に第1の電流を供給でき、第2の電気接点と電気制御接点との間に第2の電流を供給できるように、電気制御接点を構成してもよい。第1の電流は第2の電流から独立している。これらの活性層構造を互いに積み重ねていてもよく、また、トンネル接合部（トンネルダイオード）をこれらの活性層構造間に配置していてもよい。第1の電気接点と電気制御接点との間に配置される活性層構造に第1の電流を供給できるように、第1の電極と第2の電極との間に制御接点を配置してもよい。加えて、この電気制御接点と第2の電気接点との間に配置される活性層構造に対して、第2の電流を供給することができる。あるいは、第1の電気接点および第2の電気接点を使用して、第1の電流または第2の電流と併せて活性領域に第3の電流を供給してもよい。本質的に独立した第1および第2の電流または電流パルス、第1および第3の電流または電流パルス、あるいは第2および第3の電流または電流パルスを互いに対応するパルスのタイミングと併せて使用することで、本VCSELのレーザ発光特性に対する明確な制御が可能になる。第1、第2または第3の電流の電流振幅と、電流振幅のスロープとを制御することにより、とりわけ本VCSELが出射するレーザ光（レーザパルス）の出射時間および持続時間を極めて正確に制御することができる。
【００１５】
第1の電気接点と第2の電気接点との間に配置される電気制御接点を、たとえば少なくとも1個からm-1個までの活性層構造に定電流を供給するように構成していてもよく、この定電流は、これらの少なくとも1個からm-1個までの活性層構造のレーザ閾値を下回っている。この定電流は、たとえば、規定の時間にわたって供給される矩形電流パルスを特徴とするものであってもよい。レーザ閾値をわずかに下回る電流により、1個からm-1個までの活性層構造が、残りの活性層構造において発光時に生じるあらゆる変化を感知しやすくなる。このため、残りの活性層構造に供給される電流に小さな変化が生じることによって、レーザ発光を極めて高感度で制御することが可能になる。したがって、レーザ発光の発光開始時間を正確に制御することができる。さらに、こうした定電流（電流パルス）により、電流経路をオフにし、その結果1個からm-1個までの活性層構造における光吸収を増大させることで、レーザ発光の発光終了時間を高感度で制御することができる。
【００１６】
本VCSELは少なくとも2つのメサを備えていてもよい。利得スイッチング方式のレーザ発光をもたらすように、少なくとも第1のメサを構成している。この少なくとも第1のメサによる利得スイッチング方式のレーザ発光を制御するように、少なくとも第2のメサを構成している。2個、3個、4個またはそれ以上のメサを使用して、電気制御接点と第2の電気接点との間に電流を供給することで、本VCSELの利得スイッチング方式のレーザ発光を制御することができる。
【００１７】
これらの少なくとも2つのメサは、少なくとも1個からm-1個までの共通の活性層構造を含んでいてもよい。これらの共通の活性層構造は、メサのエッチストップの下に配置して、メサの共通基部を形成している。エッチストップの上に配置されるメサの半導体層は互いから離間している。少なくとも1個からm-1個までの共通の活性層構造を介して横方向の（ほとんどの場合光の）ポンピングを行うことで、少なくとも第1のメサによる利得スイッチング方式のレーザ発光を制御するように、少なくとも第2のメサを構成している。
【００１８】
電気制御接点と第2の電気接点との間の電流を使用して、少なくとも1個からm-1個までの共通の活性層構造を介した横方向の（光の）ポンピングを制御するように、電気制御接点を構成していてもよい。電気制御接点と第2の電気接点との間の第2の電流を使用して、たとえば別個に、かつとりわけ局所的にこれらの共通の活性層構造をポンピングしてもよい。この場合、第2の電気接点はすべてのメサに共通となる電気接点である。第2の電流によって共通の活性層構造の当該領域に発光が起こり、その際、これらの共通の活性層構造を第2の電流によって電気的にポンピングしている。自発的または誘導型発光はこれらの共通の活性層構造に沿って誘導され、第1の電流によって電気的にポンピングされる共通の活性層構造の当該領域において、ほとんどの場合光ポンピングを生じさせている。横方向光ポンピングの強度は、第2の電流によって制御することができる。
【００１９】
少なくとも1つのメサと同じ方向に向かうレーザ発光が抑制されるように、少なくとも第2のメサを構成している。第1のメサの横方向光ポンピングに使用される第2、第3、第4またはそれ以上のメサによるレーザ発光の抑制を、それぞれのメサの表面にわたって電気制御接点を設けることによって実行してもよい。代替的にまたは付加的に、この電気制御接点に隣接して配置される（第1の）DBRを（この第1のDBRの上に電気制御接点を配置してもよい）、レーザ発光が抑制または回避されるように構成してもよい。
【００２０】
第1の電気接点と第2の電気接点との間の電流を使用して、利得スイッチング方式のレーザ発光の発光停止時間を制御するように、第1の電気接点および第2の電気接点を構成している。第2、第3、第4またはそれ以上のメサによる横方向（光）ポンピング（とりわけ周辺のメサをレージングしない）が、第1のメサによる利得スイッチング方式のレーザ発光を生じるのに十分ではなくなるように、第1の電気接点と第2の電気接点との間の電流を、たとえば低減してもよい。第1および第2の電気接点間の電流を低減することにより、第1の活性領域の利得が閾値を下回ることになる。
【００２１】
飛行時間センサモジュールは、上記の任意の実施形態による少なくとも1つのVCSELを備えていてもよい。この飛行時間センサモジュールは、第1の電気接点と第2の電気接点との間、および電気制御接点と第1の電気接点または第2の電気接点との間に電流を供給するように構成された電気駆動装置をさらに備える。本VCSELは、優れたタイミングで、なおかつ発光時間（レーザパルスのパルス長）を短縮して利得スイッチング方式のレーザ発光を起こすことができる。このため、飛行時間センサモジュールの精度が向上する可能性がある。
【００２２】
第2の態様によれば、積層配置でm≧2となるm個の活性層構造を備える垂直共振器面発光レーザの利得スイッチングを制御する方法を提供する。本方法は、
レーザ発光に関与する少なくとも1個からm-1個までの活性層構造に第1の電流を供給するステップと、
レーザ発光に関与する残りの活性層構造に第2の電流を供給するステップとを含み、第1の電流は第2の電流から独立している。
【００２３】
本方法は、上記の実施形態で説明したように、より高電力の利得スイッチングパルスを実現し、そのような利得スイッチングパルスのタイミングおよび持続時間の制御を改良するように電流を制御する別のステップを含んでいてもよい。
【００２４】
積層配置でm≧2となるm個の活性層構造を備える垂直共振器面発光レーザの利得スイッチングを制御する本方法は、この積層配置が光共振器を備えることを特徴としていてもよい。これらの活性層構造を、活性層構造間に配置されるトンネル接合部によって互いに電気接続させている。この光共振器は、第1の分布ブラッグ反射器と第2の分布ブラッグ反射器とを含む。第1および第2の分布ブラッグ反射器間に活性領域を配置している。垂直共振器面発光レーザは、第1の電気接点と、第2の電気接点と、電気制御接点とをさらに備える。垂直共振器面発光レーザは、活性領域と第1または第2の電極との間に配置される電流開口部を備える。電流開口部から最も離間した活性層構造の電流密度が、この電流開口部に隣接する活性層構造の電流密度と比較して低下するように、電流開口部と電流開口部から最も離間した活性層構造との間の距離を、半導体材料の垂直共振器面発光レーザが出射するレーザ光の波長の少なくとも3倍としている。本方法は、
電気制御接点および第1の電気接点または第2の電気接点を使用して、レーザ発光に関与する少なくとも1個からm-1個までの活性層構造に第1の電流を供給するステップと、
第1および第2の電気接点を使用して、活性領域に、さらにはレーザ発光に関与する残りの活性層構造に第2の電流を供給するステップとを含み、第1の電流は第2の電流から独立している。
【００２５】
別の態様によれば、コンピュータプログラム製品を提示する。このコンピュータプログラム製品は、上記の飛行時間センサモジュールに含まれる少なくとも1つのメモリ装置、または飛行時間センサモジュールを備える装置における少なくとも1つのメモリ装置上に保存できるコード手段を備える。上記および下記の任意の実施形態による本方法を、飛行時間センサモジュールに含まれる少なくとも1つの処理装置によって、または飛行時間センサモジュールを備える装置における少なくとも1つの処理装置によって実行できるように、このコード手段を構成している。
【００２６】
これらのメモリ装置または処理装置を、飛行時間センサモジュール（たとえば、電気駆動装置、コントローラなど）または飛行時間センサモジュールを備える装置に含めていてもよい。飛行時間センサモジュールを含む装置における第1のメモリ装置および／または第1の処理装置は、飛行時間センサモジュールに含まれる第2のメモリ装置および／または第2の処理装置と相互作用してもよい。
【００２７】
この1または複数のメモリ装置を、情報、とりわけデジタル情報を記憶するように構成した任意の物理的装置としてもよい。このメモリ装置を、ソリッドステートメモリまたは光メモリを含む群からとりわけ選択してもよい。
【００２８】
この1または複数の処理装置を、データ処理、とりわけデジタルデータの処理を実行するように構成された任意の物理的装置としてもよい。この処理装置を、プロセッサ、マイクロプロセッサ、または特定用途向け集積回路（ASIC）を含む群からとりわけ選択してもよい。
【００２９】
請求項1から11のいずれか一項に記載の垂直共振器面発光レーザおよび請求項13に記載の方法は、具体的には従属請求項で定義している類似かつ／または同一の実施形態を有することを理解されたい。
【００３０】
本発明の好ましい実施形態を、さらに従属請求項とそれぞれの独立請求項との任意の組み合わせとすることができることを理解されたい。
【００３１】
別の有利な実施形態を以下に定義する。
【００３２】
本発明のこれらの態様および他の態様は、以下に記載している実施形態を参照すれば明らかかつ明瞭になる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来技術によるVCSELの主要な概略図を示す。
【図２】従来技術によるVCSELの電流パルス形状および光子密度を示す。
【図３】従来技術によるVCSELの光子密度および電力変換効率を示す。
【図４】VCSELの第1の実施形態を示す。
【図５】第1の実施形態における光子密度および電力変換効率を示す。
【図６】第1の実施形態におけるキャリア密度および光子密度を示す。
【図７】第1の実施形態の双安定動作を示す。
【図８】VCSELの第2の実施形態を示す。
【図９】第2の実施形態における、切頭状のメサおよび切頭状でないメサを流れる電流の概略図を示す。
【図１０】第2の実施形態におけるキャリア密度および光子密度の例を示す。
【図１１】飛行時間センサモジュールの主要な概略図を示す。
【図１２】第1または第2の実施形態によるVCSELの利得スイッチングを制御する方法の主要な概略図を示す。
【００３４】
図では、全体を通して同一番号は同一対象物を指す。図中の対象物を、必ずしも縮尺どおりに図示してはいない。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
ここで、本発明のさまざまな実施形態を図面を用いて説明する。
【００３６】
図1は、従来技術によるVCSEL100の主要な概略図を示す。従来技術によるVCSELは、半導体基板110（GaAs）を備える。第2のDBR（n-DBR）136を、基板110の第1の表面上に配置している。第2の電気接点105（n接点）を、基板110において第1の表面の反対側である第2の表面上に配置している。第2のDBRは屈折率が交互に変化するいくつかの層を含み、通常99.99％を超える反射率を特徴とする。量子井戸を形成しているいくつかの副層からなる第1の活性層構造121を、第2のDBR136の上に堆積させている。レーザ閾値を超える電流が第1の活性層構造121を通過する場合に発光するように、第1の活性層構造121を構成している。第1のDBR（p-DBR）130を、第1の活性層構造121の上に配置している。第1のDBR130は、第2のDBR136と同様に、屈折率が交互に変化するいくつかの層を含み、第1のDBR130を通過するレーザ発光が第1の活性層構造121で生成される光に基づいて生じるように、たとえば99％となる低い反射率を特徴としている。第1のDBR130は、第1のDBR130の層のうちの1つで酸化処理される電流開口部115をさらに含む。この電流開口部115（または酸化開口）を第1の活性層構造121付近に配置することで、第1の活性層構造121において画定された領域に電流を閉じ込めるようにしている。第1のDBR130および第2のDBR136を介し、電流開口部115によって電流を閉じ込められる活性層構造121に対して第1および第2の電気接点101、105を使用して電流を供給できるように、第1のDBR130の上に第1の（この場合、リング形状の）電気接点101（p接点）を設けている。リング形状の第1の電気接点101に包囲された領域から、レーザ光が出射される。従来技術によるVCSELは、図1には示していないが、当業者には周知の追加の支持層を含む場合がある。また、従来技術によるVCSELは、基板110および第2のDBR136の一部の上方に延在しているエッチングされたメサを備える。
【００３７】
図2は、有効直径が10μmであり、幅が8nmであるIn0.2Ga0.8As量子井戸を備える、従来技術によるVCSELの電流パルス形状31および光子密度21を示す。電荷キャリアおよび光子のレート方程式を解くことで、利得スイッチングをモデル化することができる。図2では、下部にナノ秒単位で時間10を、左側に任意単位で電流30を、そして右側に光子密度20（光子数/cm3）のシミュレーションを示す。第1のシミュレーションでは、閾値電流の約2倍に相当する1.4mAの最大電流と、3nsのパルス持続時間を有する方形電流パルス31が印加された。方形電流パルス31は、この電流パルス31がその最大電流に達した後、約0.4ns（利得スイッチパルス）で約1．18×1015のピーク光子密度を有する狭いピークを示す光子密度21をもたらす。狭いピークの後に減衰振動が続き、狭いピークの後に約0.7nsで、約2.14×1014cm-3の安定した光子密度に達する。ここで効率を計算するために、光子密度21を光パワーへと変換し、次いで光パワーの積分を電流パルス31の総電力量で除算した。単純さを期すために、2Vのレーザ電圧を想定した。この結果を図3に提示しており、従来技術によるVCSELの光子密度21および電力変換効率41を示している。図3では、下部にナノ秒単位で時間10を、左側にパーセント単位で電力変換効率40を、そして右側に光子密度20（光子数/cm3）のシミュレーションを示す。この場合の利得スイッチングパルスは、基本的に安定しているかまたは一定の光子密度21を特徴とする主パルスよりも、1桁程度（より正確には、5.5倍）高くなる。同時に、利得スイッチングパルスの効率は、主パルスよりも1桁程度（より正確には、17.5倍）低くなる。原則として、図2に示す電流パルス31を、利得スイッチング動作のために約1nsに短縮することができ、それに応じて効率の比率が向上することになる。
【００３８】
図4は、利得スイッチングを改良したVCSEL100の第1の実施形態を示す。基本的な構成は、図1に関連して述べたVCSELと同様である。第1の電気接点101と、電流開口部115が埋め込まれた第1のDBR130（nドープ半導体基板の場合はpドープDBR）と、第2のDBR136（nドープ半導体基板の場合はnドープDBR）と 、基板110と、第2の電気接点105とを、図1に関連して述べた際と同じ順序で配置している。この第1の実施形態では、第1のDBR130と第2のDBR136との間に活性領域120を埋め込んでいる。この活性領域120は、第2のDBR136の上に積み重なった、上記のようないくつかの副層からなる第2の活性層構造125を含む。第2の活性層構造125の上に、第2の接合層124を積層している。この場合、第2の接合層124はp型半導体材料を含む。トンネル接合部123を第2の接合層124の上に配置しており、このトンネル接合部123は、第1の面で接合層124と接触し、トンネル接合部123を形成している第2の面で高ドープn++層と接触している高ドープp++層を含む。高ドープn++層の上には、n型半導体材料を含む第1の接合層122を堆積させている。第1の接合層122上に堆積させた第1の活性層構造121によって、活性領域120を完成させている。トンネル接合部123では、電荷キャリアが価電子帯から伝導帯へと移動して効果的に再循環されるため、一方からの電子と他方からの正孔とで、第2の（下部）活性層構造125と同様に第1の（上部）活性層構造121もポンピングされることになる。本実施形態では、第1および第2の活性層構造121、125を流れる電流を別個に制御することができるように、第2の活性層構造125とトンネル接合部123との間に電気制御接点103を設けている。図4に示す本実施形態では、第2の接合層124に一種の段差を設けているように、メサを先細にしている。この段差の上に、電気制御接点103（第2のp接点）を設けている。この段差を、対応するエッチング処理によって第2の接合層124へと至るように設けることができる。トンネル接合部123の高ドープp++層を使用して、電気制御接点103を介して電流を印加し、かつ第1の（上部）活性層構造121を流れる電流を、レージング（Ion）の開始時を少し下回る程度に維持しながら、第2の（下部）活性層構造125の電流を変調することができる。このように、キャビティ内の光吸収が変調されて、以下により詳述しているように、それに応じてレージングがオンとオフとに切り替えられる。
【００３９】
図4に関連して述べた本実施形態はトンネル接合VCSEL100の一実施例であり、他の設計にはより多くのトンネル接合部および活性層構造121、125が含まれ得るか、またはこれにより、いくつかの電流開口部115を使用しての電流の閉じ込めを改良することができる。個別の設計によってスロープ効率の上昇が認められ、これは活性層構造121、125の数に対してほぼ線形となる。このようにして、100％を超える量子効率を実証することができる。活性層構造121、125の数が増加すると、レーザ閾値電流が低減する。同時に、活性層構造121、125が別途追加され、1または複数のトンネル接合部123において電圧降下が加わることにより、レーザ電圧が増大する。
【００４０】
図5は、利得スイッチングを改良したVCSEL100の第1の実施形態における、光子密度21および電力変換効率41を示す。追加の活性層構造125のキャリア密度を求める式を追加し、かつ追加の活性層構造125の電流を低減するリーク電流を付加することにより、図2および図3に関連して上述した計算を、複数の活性層構造121、125を設ける場合にまで拡大応用することができる。このようにして、バイポーラカスケード設計を施したVCSEL100（トンネル接合部123によって電気接続された、少なくとも2つの活性層構造121、125を含む）からのパルスを計算することができる。図5では、ここでも下部にナノ秒単位で時間10を、左側にパーセント単位で電力変換効率40を、そして右側に光子密度20（光子数/cm3）のシミュレーションを示す。トンネル接合部123により隔離された2つの活性層構造121、125を備える、10μmのVCSEL100をシミュレートしている。駆動電流は、高さ1.4mAで持続時間が3nsのパルスである。さらに、0.35mAのリーク電流を想定しており、このリーク電流により、第2の（下部）活性層構造125のキャリア密度が、第1の（上部）活性層構造121の電流の75％まで低下している。注目すべきは、利得スイッチングパルスの高さ（狭いピーク）が、活性領域を1つしか備えていないVCSELの場合と比較して約2倍に上昇していることである。
【００４１】
第1および第2の活性層構造におけるキャリア密度51、53を参照しておくと、有益である。図6の光子密度21と併せて示しているが、ここでも下部にナノ秒単位で時間10を、左側にキャリア密度[cm-3] 50を、そして右側に光子密度20（光子数/cm3）のシミュレーションを示す。リーク電流により、第2の（下部）活性層構造125における下部のキャリア密度53は、第1の（上部）活性層構造121における上部のキャリア密度51よりもゆっくりと上昇している。下部のキャリア密度53が左側に示す透過キャリア密度Ntrを下回っている限り、第1および第2のDBR130、136とその間にある層によって形成される光共振器（レーザキャビティ）に対して、第2の（下部）活性層構造125は付加損失をもたらすことになる。この付加損失によりレージングが阻止され、第1の（上部）活性層構造121における上部のキャリア密度51が、活性層構造121を1つしか備えていない場合よりも閾値キャリア密度をさらに超えて上昇することになる。第2の活性層構造125が透過電流密度に到達するとすぐに、この付加損失が消失し、強い利得スイッチングピークが放出される（下部のキャリア密度がNtrに到達する瞬間における、光子密度21の狭いピーク）。活性層構造121を1つしか備えていないVCSEL100と比較して、第1の活性層構造において上部のキャリア密度51が上昇することにより、より強力な利得スイッチングパルスが出射されるようになる。図4の第1の実施形態で示したように、電気制御接点103を使用して第2の活性層構造125を個別にポンピングすることにより、第2の活性層構造125を流れる電流を制御することができ、ひいては利得スイッチングパルスを正確に放出することができる。
【００４２】
1つの設計案で考慮したのは、VCSEL100の電界に対して活性層構造121、125を隔離することである。定常波パターンの最大値を示す位置に活性層構造121、125を配置して、最大の利得を確保するのが望ましい。その一方で、定常波パターンの最小値を示す位置にトンネル接合部123と1または複数の電流開口部115とを配置して、光損失を低減するべきである。材料波長の2.5倍互いから離間した距離で配置される2つの活性層構造121、125と、その間のトンネル接合部123とを備える1つの設計案に対して、このような相違による効果を実証することができる。1つの設計案（A）では2つの電流開口部115を備え、そのうちの一方を第1の（上部）活性層構造121の上に設け、他方を活性層構造121、125の間に設けている。他の設計案（B）では、図4の概略図のように、1つの電流開口部115しか使用していない。設計案Aでは明確なレーザ閾値をもって通常の特性曲線を示すが、設計案Bでは双安定動作を呈することになり、これは上昇したレーザ電流でレーザ発光が急に開始されることを特徴とする。こうした効果は、発光波長が短いVCSEL100でとりわけ顕著である。図7は、設計案Bに従って図4に示す第1の実施形態の修正例による、双安定動作の一例を示す。x軸上に電流30（任意単位）をプロットし、y軸上に光パワー60をプロットしている 。双安定動作については、2つの活性層構造121、125の不均一なポンピングによって説明している。電流密度は電流開口部内で最も高くなり、活性層構造121、125が電流開口部115から離間するほど低下することになる。したがって、任意のレーザ電流においては、第1の（上部）活性層構造121を、電流開口部115からさらに離間した活性層構造よりも高い電流密度でポンピングすることになる。特定の電流範囲では、第1の（上部）活性層構造121は、透過電流密度を超えてポンピングして利得をもたらす一方で、図6に関連して述べたように、第2の（下部）活性層構造125はキャビティ内で高い損失を発生させる。所定の初期電流59（Ion）で、透過電流密度まで、または透過電流密度を超えて第2の（下部）活性層構造125をポンピングする一方で、閾値利得を十分超えて第1の（上部）活性層構造121をポンピングしている。その場合、第1の（上部）活性層構造121を十分にポンピングすることにより、閾値を超えたレーザ作用が起こる。別々の活性層構造121、125における電流密度50を、たとえば電流開口部115の設計および位置決めによってある程度制御することができる。電気制御接点103を使用して、独立した電流、ひいては電流密度をそれぞれの活性層構造121、125へと供給することができるため、別個に制御することで、さらに高度な制御を行うことが可能になる。
【００４３】
図8は、利得スイッチングを改良したVCSEL100の第2の実施形態を示す。この第2の実施形態では、2つのメサを使用している。左側に示す第1のメサは、図4に示す第1の実施形態によるVCSEL100の単一のメサとほぼ同一である。主な相違は、第1および第2の活性層構造121、123に対して独立した電流を供給する可能性がないように、第1の電気接点101と第2の電気接点105との間に配置される電気制御接点103を設けていないことである。右側にある第2のメサは本質的に同じ半導体層構造であることを特徴としているが、開口部を介してレージングを行う第1の電気接点101の代わりに、第1のDBR130の上面全体を覆う電気制御接点103をメサの上に設けている。このため、左側のメサは、第1および第2の電気接点101、105を使用して電流を供給することにより、レージングを行うことができる。右側のメサの上面を覆う電気制御接点103は、右側のメサのレージングを抑制している。第1および第2のメサは、第2の光学層構造125とトンネル接合部123との間で、規定の高さまで同じ積層を共有している。
【００４４】
VCSEL100の第2の実施形態における動作原理を、切頭状のメサおよび切頭状でないメサを流れる電流33、35の概略図を示す図9に関連して述べている。ここでも下部にナノ秒単位で時間10を、左側に任意単位で電流30を、そして右側に任意単位で光パワー60のシミュレーションを示す。
【００４５】
閾値電流（Ion）を下回る定電流33を約2.5nsの間、切頭状のメサに供給する。この状況では、切頭状のメサの第2の（下部）活性層構造125が、レージングを阻止するのに必要なだけの光吸収をもたらすことになる。次いで、切頭状でないメサを流れる電流35を使用して、切頭状のメサからのレーザ発光を制御する。一定のスロープを有する上昇電流35を2ns経過後に切頭状でないメサに供給しているが、ランプアップ後、約0.5nsで電流35が最大値（閾値電流の3倍を超える）に到達するように、このスロープを設定している。切頭状でないメサを流れる電流35を素早くランプアップすると、キャビティ内でレーザ作用が起こり、ほとんどの場合横方向の光ポンピング（図10に関連して行った説明を参照のこと）により、開放キャビティの下部活性領域が透過電流密度に到達するか、さらにこれを超えることになる。切頭状のメサからは強いレーザパルスが出射される。この切頭状のメサから出射される強いパルスのパルス持続時間は、両方のメサを流れる駆動電流33、35を図9に示す方法で同期している場合、短く保たれる。切頭状のメサを流れる電流33をオフにすると、切頭状でないメサでのレーザ作用が、透過電流密度を超えて下部活性領域をポンピングするのに十分である場合は、単一の極めて短いパルスが確実に出射されるようになる。本実施形態を1つの切頭状のメサおよび1つの切頭状でないメサに限定していないことは言うまでもなく、いくつかの切頭状でないメサで包囲した状態で1つの切頭状のメサを中央に配置するような、他の組み合わせも可能である。レージングメサおよび非レージングメサは、2個、3個、4個またはそれ以上の共通の活性層構造125と、対応するトンネル接合部123とを共有していてもよい。互いから隔離されているメサの部分は、2個、3個、4個またはそれ以上の活性層構造121を含んでいてもよい。2個、3個、4個またはそれ以上の電流開口部115を使用して、任意の電流でそれぞれの活性層構造121に規定の電流密度を供給してもよい。
【００４６】
図10は、図8に示す第2の実施形態におけるキャリア密度51、53および光子密度21の例を示す。図10では、ここでも下部にナノ秒単位で時間10を、左側にキャリア密度50[cm-3] を、そして右側に光子密度20（光子数/cm3）のシミュレーションを示す。第1の活性領域が閾値をはるかに超えてポンピングされるように、第2の（下部）活性層構造125におけるキャリア密度53はゆっくりと上昇している。
【００４７】
さらに、ほとんどの場合、電気ポンピングの代わりに光ポンピングによって、透過電流密度を超えて第2の（下部）活性層構造125のキャリア密度を上昇させている。これは、パルス放出時に、第2の（下部）活性層構造125においてキャリア密度53が急上昇することから得られる。この時点で、第1の（上部）活性層構造121は、第2の（下部）活性層構造125の損失を克服するのに十分な利得を蓄積するので、レージングが起こる。次いで、高い光子密度21によって第2の（下部）活性層構造125が飽和する。同様の方法で、第2の切頭状でないメサからの光子を使用して、第1のメサにおける第2の（下部）活性層構造125を飽和させることができる。ここで放出されるパルスのピーク強度（光子密度21の狭いピーク）は、単一の活性領域を備えるVCSELの約3倍高くなる（図2および図3を参照のこと）。
【００４８】
図11は、飛行時間センサモジュール200の主要な概略図を示す。飛行時間センサモジュール200は、たとえば、上記の第2の実施形態によるVCSEL100を備える。飛行時間センサモジュール200は、極めて短い光パルスを検出するように構成された検出器221をさらに備える。そのような短いレーザパルスは、VCSEL100が出射するレーザ光201が物体300に衝突することによって発生し得る。出射レーザ光201の一部が物体300に反射し、その結果、反射されたレーザ光202を検出器221が受け取ることになる。この反射レーザ光202は、検出器221において対応する電気信号を発生させる。たとえば、図9に関連して述べた駆動方式に従ってVCSEL100を電気的に駆動するように、電気駆動装置230を構成している。コントローラ250を電気駆動装置230へと接続して、たとえばVCSEL100が出射するレーザパルスの発光開始時間および発光停止時間を制御している。コントローラ250を検出器221へとさらに接続して、検出器221によって検出された反射レーザ光202に起因する電気信号を受信している。飛行時間センサモジュール200は、出射レーザ光201の発光開始時間および発光停止時間、ならびに反射レーザ光202に起因する電気信号の受信時間を転送する任意のインターフェース235をさらに備える。ここで転送されるデータを使用して、レーザ光の飛行時間、ひいては飛行時間センサモジュール200と物体300との間の距離を計算することができる。飛行時間センサモジュール200は、この物体までの距離を特定するために、コントローラ250と電気接続される（または、コントローラ250を含み得る）評価装置（図示せず）を代替的に備えていてもよい。いくつかの距離測定値を使用して、物体300の速度または加速度さえも特定することができる。
【００４９】
図12は、第1または第2の実施形態によるVCSELの利得スイッチングを制御する方法の主要な概略図を示す。ステップ410で、レーザ発光に関与する少なくとも1個からm-1個までの活性層構造125に第1の電流を供給する。ステップ420で、レーザ発光に関与する活性層構造121、125のうちの残りの活性層構造121に第2の電流を供給する。
【００５０】
第1の電流は第2の電流から独立している。レーザ発光に関与する活性層構造121、125は、レーザ光を出射する光共振器内の光波と相互作用する活性層構造121、125である。
【００５１】
図面および上記の記載において本発明を詳細に例示かつ説明してきたが、そのような例示および説明を限定的ではなく、例示的または典型的であると見なすべきである。
【００５２】
本開示を読解することにより、他の修正例が当業者に明らかとなる。そのような修正例は当分野で既に公知であり、本明細書に既に記載している特徴の代わりに、またはこれらに加えて使用できる他の特徴を伴う場合がある。
【００５３】
当業者であれば、図面、開示内容および添付の特許請求の範囲を検討することから、開示している実施形態の変形例を理解かつ実施することができる。特許請求の範囲において、「comprising（備える）」という語は他の要素またはステップを除外するものではなく、また不定冠詞「a」または「an」は複数の要素またはステップを除外するものではない。特定の手段が互いに異なる従属請求項に記載されているという事実だけでは、これらの手段の組み合わせが有利に使用できないことを示すことにはならない。
【００５４】
特許請求の範囲のあらゆる参照符号についても、それらの範囲を限定するものとして解釈すべきではない。
【符号の説明】
【００５５】
10  時間[ns]
20  光子密度[cm-3]
21  光子密度のシミュレーション
30  電流[任意単位]
31  印加電流パルス
33  切頭状のメサへの印加電流
35  メサ付近への印加電流
40  電力変換効率[％]
41  電力変換効率のシミュレーション
50  キャリア密度[cm-3]
51  上部のキャリア密度
53  下部のキャリア密度
55  正常動作
57  双安定動作
59  初期電流Ion
60  光パワー[任意単位]
61  光パワーのシミュレーション
100  垂直共振器面発光レーザ（VCSEL）
101  第1の電気接点
102  発光抑制層
103  電気制御接点
105  第2の電気接点
110  基板
115  電流開口部
121  第1の活性層構造
122  第1の接合層
123  トンネル接合部
124  第2の接合層
125  第2の活性層構造
130  第1のDBR
136  第2のDBR
200  飛行時間センサモジュール
201  出射レーザ光
202  反射レーザ光
221  検出器
230  電気駆動装置
235  インターフェース
240  光学素子
250  コントローラ
300  物体
410  第1の電流を供給するステップ
420  第2の電流を供給するステップ
【図１】
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【図２】
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【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】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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