TWI822147B - 面射型雷射、雷射裝置、檢測裝置、移動體及面射型雷射驅動方法 - Google Patents

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Abstract

一種面射型雷射包括：主動層；多個反射器，該些反射器之間具有主動層；多量子阱結構，包含多個半導體層；第一電極對，連接到第一供電裝置，以將電流注入主動層中；以及第二電極對，連接到第二供電裝置，以向多量子阱結構施加電場。該面射型雷射具有：電流注入時段；在電流注入時段之後的電流減少時段；電場施加時段，向多量子阱結構施加電場；以及在電場施加時段之後的電場減少時段。至少一部分的電流注入時段包含在至少一部分的電場施加時段中。該面射型雷射在電場施加時段期間不振盪雷射光束，而在電場減少時段期間振盪雷射光束。

Description

面射型雷射、雷射裝置、檢測裝置、移動體及面射型雷射驅動方法
本發明涉及一種面射型雷射、一種雷射裝置、一種檢測裝置、一種移動體、以及一種面射型雷射驅動方法。
雷射對人眼的安全標準依照人眼安全等級來分類，並在IEC 60825-1 Ed. 3（對應於日本工業標準（ Japanese Industrial Standard, JIS）C 6802）中判定。要在各種環境中使用測距裝置，最好不需要安全措施或警告但能滿足第1類標準。平均功率的上限確定為第1類標準的其中一個。在脈衝光的情況下，將脈衝光的輸出峰值、脈衝寬度和工作比轉換為平均功率，並將平均功率與標準值進行比較。由於允許的輸出峰值隨著光脈衝的脈衝寬度減少而增加，因此，具有高輸出峰值和短脈衝寬度的雷射光束源對於提高精度和增加時差測距（time of flight, TOF）感測器的距離兩者同時滿足人眼安全。
將脈衝寬度減少到1奈秒或1奈秒以下的方法包含增益開關、Q開關和鎖模。增益開關是利用鬆弛振盪現象提供100皮秒或100皮秒以下的脈衝寬度的方法。只要控制脈衝電流就可以提供如此脈衝寬度，因此引導開關的配置比Q開關或鎖模的配置更簡單。
然而，由於增益開關使用鬆弛振盪現象，因此在主導脈衝之後可能會輸出多個脈衝串。在另一種情況下，在鬆弛振盪消退後可能輸出寬脈衝寬度的尾光（尾跡）。應用上不希望有這些現象。例如，當單光子雪崩二極體（single photon avalanche diode, SPAD）用來執行蓋格模式的檢測時，最高的輸出峰值是感測的目標，而目標脈衝以外的多個脈衝會導致雜訊。此外，尾光是不必要的能量，其不利於人眼安全。 [引用列表] [專利文獻]
[專利文獻 1]： US-8934514-B。 [非專利文獻 1]： H. Yamamoto、M. Asada和Y. Suematsu，「量子阱結構中的電場感應折射係數變化」，電子學快報（Electron. Lett.）第21冊的第579頁至第580頁（1985）。 [非專利文獻 2] ：H. Nagai、M. Yamanishi、Y. Kan和I. Suemune，「砷化鎵/砷化鎵鋁量子阱結構中折射係數和吸收係數的場感應調變」，電子學快報（Elect. Lett.）第22冊的第888頁至第889頁（1986）。 [非專利文獻 3] ：H. Nagai、M. Yamanishi、Y. Kan、I. Suemune、Y. Ide和R. Lang，「室溫下砷化鎵/砷化鋁量子阱結構中電調制反射的感應激發發散」，固態裝置和材料第18屆會議的長篇摘要的第591頁至第594頁（1986）。 [非專利文獻 4] ： J. S. Weiner、D. A. B. Miller和D. S. Chemla，「由於量子阱中的量子受限於史塔克效應而造成的二次光電效應」，應用物理學快報（Appl. Phys. Lett.）第50冊第13集的第842頁至第844頁（1987）。
[發明所欲解決之問題]
在能夠產生減少尾跡的短脈衝光的面射型雷射的方面上尚有研究的空間。
本發明的目的是提供一種面射型雷射、一種雷射裝置、一種檢測裝置、一種移動體、以及一種面射型雷射驅動方法，能夠得到減少尾跡的短脈衝光。 [解決問題之技術方案]
根據所揭露技術的一態樣，一種面射型雷射包括：一主動層；多個反射器，彼此相面對，該些反射器之間具有主動層；一多量子阱結構，包含多個半導體層，位於從主動層和多個反射器發射的雷射光束的光路中；一第一電極對，連接到一第一供電裝置，並配置以將電流注入主動層中。一第二電極對，連接到一第二供電裝置，並配置以在垂直於多量子阱結構的阱面的方向上向多量子阱結構施加電場。該面射型雷射具有：一電流注入時段，其中第一供電裝置將電流注入主動層中；在電流注入時段之後的一電流減少時段，其中注入主動層中的電流低於在電流注入時段期間所注入的電流；一電場施加時段，其中第二供電裝置向多量子阱結構施加電場；以及在電場施加時段之後的一電場減少時段，其中施加至多量子阱結構的電場大於在電場施加時段期間所施加的電場。至少一部分的電流注入時段包含在至少一部分的電場施加時段中。該面射型雷射在電場施加時段期間不振盪雷射光束，而在該電場減少時段期間振盪雷射光束。
根據所揭露技術的另一態樣，一種雷射裝置包括：該面射型雷射；一第一供電裝置，連接到第一電極對；以及一第二供電裝置，連接到第二電極對。
根據所揭露技術的再另一態樣，一種檢測裝置包括：上述的雷射裝置；以及一檢測器，配置以檢測從面射型雷射發出並由目標反射的光。
根據所揭露技術的又另一態樣，一種移動體包括上述的檢測裝置。
此外，提供一種由面射型雷射執行的面射雷射驅動方法，該面射型雷射包括：一主動層；多個反射器，彼此面對，該些反射器之間具有主動層；一多量子阱結構，包含多個半導體層，位於從主動層和多個反射器發射的雷射光束的光路中；一第一電極對，連接到一第一供電裝置，並配置以將電流注入主動層中；以及一第二電極對，連接到一第二供電裝置，並配置以在垂直於多量子阱結構的阱面的方向上向多量子阱結構施加電場，該方法包括：在一電場施加時段期間不振盪雷射光束；以及在一電場減少時段期間振盪雷射光束。電場施加時段是第二供電裝置向多量子阱結構施加電場的時段，電場減少時段是在電場施加時段之後的時段，其中，施加至多量子阱結構的電場大於在電場施加時段期間所施加的電場，以及至少一部分的一電流注入時段包含在至少一部分的該電場施加時段中。電流注入時段是第一供電裝置將電流注入主動層中的時段，以及電流減少時段是在電流注入時段之後的時段，其中，注入主動層中的電流低於在電流注入時段期間所注入的電流。 [對照先前技術之功效]
利用所揭露的技術，可以得到減少尾跡的短脈衝光。
本文中使用的術語僅用於描述特定實施例，並不意圖在限制本發明。如本文所使用的，除非上下文另外明確指出，單數形式「一」和「該」也意指包含複數形式。
在描述附圖中顯示的實施例時，為了清楚描述而採用特定的術語。然而，此說明書的揭露並不侷限於所選擇的特定術語，而應該理解的是每個特定元件包含具有類似功能、以類似方式操作並且實施類似結果的所有技術均等物。
下文將參考附圖詳細描述本發明的實施例。在說明書和附圖中，具有基本上相同功能配置的部件由相同的參考符號表示，並可以省略多餘描述。
首先，下文將參考控制示例詳細描述本發明的要點。在說明書和附圖中，具有基本上相同功能配置的部件由相同的參考符號表示，並可以省略多餘描述。 [第一參考示例]
下文描述第一參考示例。第一示例涉及一種面射型雷射。圖1是顯示根據第一示例的面射型雷射100的剖面圖。
例如，根據第一示例的面射型雷射100是使用氧化侷限的垂直腔面射型雷射（vertical cavity surface emitting laser, VCSEL）。面射型雷射100包括：n型砷化鎵基板110；n型分佈式布拉格反射器（distributed Bragg reflector, DBR）120；主動層130；p型DBR140；氧化侷限層150；上電極160；以及下電極170。
在第一示例中，光沿垂直於n型砷化鎵基板110的一表面的方向發射。在下文中，垂直於n型砷化鎵基板110的該表面的方向可稱為垂直方向，而平行於n型砷化鎵基板110的該表面的方向可稱為橫向方向或面內方向。
n型DBR120覆蓋在n型砷化鎵基板110上方。例如，n型DBR120是半導體多層膜反射鏡，包含複數個彼此堆疊的n型半導體膜。主動層130覆蓋在n型DBR120上方。例如，主動層130包含：複數個量子阱層；以及複數個阻障層。主動層130包含在諧振器之中。p型DBR140覆蓋在主動層130上方。例如，p型DBR140是由多層的複數個p型半導體薄膜組成的半導體多層反射器。
在平面圖中，上電極160與p型DBR140的一上表面接觸。下電極170與n型砷化鎵基板110的一下表面接觸。成對的上電極160和下電極170是電極對的示例。然而，該些電極的位置並不限於此，並且只要電極能將電流注入主動層中，可以是任何位置。例如，可以採用腔內結構，其中電極直接設置在諧振器的隔離層中，而不是經由DBR。
例如，p型DBR140包含氧化侷限層150。氧化侷限層150包含鋁。氧化侷限層150在垂直於發光的方向（以下稱為光發射方向）的平面中包含：氧化區151；以及非氧化區152。氧化區151具有環形平面形狀並圍繞非氧化區152。非氧化區152包含：p型砷化鋁層155；以及兩個p型砷化鎵 0.15鋁 0.85層156，該兩個p型砷化鎵 0.15鋁 0.85層156在垂直方向上夾著p型砷化鋁層155。氧化區151由氧化鋁（AlOx）製成。氧化區151的折射係數比非氧化區152的折射係數低。例如，氧化區151的折射係數為1.65，p型砷化鋁層155的折射係數為2.96，而p型砷化鎵 0.15鋁 0.85層156的折射係數為3.04。在平面圖中，在氧化區151的內邊緣內部的高台180的一部分是高折射係數區的示例，而在氧化區151的內邊緣外部的高台180的一部分是低折射係數區的示例。在一示例中，可以設置p型砷化鎵 1-x鋁 x層（0.70≤x≤0.90），而不是p型砷化鎵 0.15鋁 0.85層156。在本實施例中，p型DBR140、主動層130和n型DBR120構成高台180。然而，在本實施例中，在由氧化侷限形成的電流侷限區中，至少氧化侷限層150和位於氧化侷限層150上方的半導體層形成為高台形狀。當至少主動層形成為包含在高台中時，可以防止主動層中產生的光洩露在橫向方向上。
下文將詳細描述氧化侷限層150。圖2是顯示根據第一示例的氧化侷限層及其附近的剖面圖。
如圖2所示，在平面圖中，氧化區151具有環形的外區153和環形的內區154。外區153從高台180的側表面暴露出。外區153是厚度改變的區域，以使表面的接觸面位於剖面圖中的氧化區151的外區。內區154是厚度改變的區域，以使表面的接觸面位於剖面圖中的氧化區151的內區。內區154位於外區153內部。在外區153的邊界處，內區154的厚度與外區153的厚度相匹配，並且朝高台180的中心減少。內區154具有錐形形狀，其在剖面圖中從內邊緣到外區153的邊界逐漸變厚。非氧化區152位於外區153內部。非氧化區152的部分在垂直方向上夾在內區154中。非氧化區152的另一部分位於平面圖中內區154的內邊緣內部。例如，非氧化區152的厚度為35奈米或35奈米以下。外區153的厚度可以大於非氧化區152的厚度。本發明的實施例中，非氧化區152的厚度是相對於氧化區151（內區154的內邊緣）的內邊緣位於高台180中心側上的部分的厚度 。例如，從高台180的側表面到氧化區151的內邊緣的距離在約8微米到約11微米的範圍內。
例如，氧化區151由p型砷化鋁層和p型砷化鎵 0.15鋁 0.85層的氧化侷限形成。例如，氧化區151可以藉由在高溫水蒸氣環境下氧化p型砷化鋁層和p型砷化鎵 0.15鋁 0.85層來形成。即使當氧化相同p型砷化鋁層和相同p型砷化鎵 0.15鋁 0.85層時，從p型砷化鋁層和p型砷化鎵 0.15鋁 0.85層得到的氧化侷限層的結構也會取決氧化條件而改變。因此，即使當該些層透過氧化成為氧化侷限層150時，例如p型砷化鋁層和p型砷化鎵 0.15鋁 0.85層的結構與氧化前相同，在一些情況下，取決於氧化的條件，會無法獲得包含氧化區151和非氧化區152的氧化侷限層150。
第一示例的功效將與第二示例進行比較來描述。圖3是根據第二示例的氧化侷限層及其附近的剖面圖。
在第二示例中，氧化侷限層150包含：氧化區951；以及非氧化區952，而不是氧化區151和非氧化區152。氧化區951具有環形平面形狀並圍繞非氧化區952。非氧化區952包含：p型砷化鋁層955；以及兩個p型砷化鎵 0.15鋁 0.85層956，該兩個p型砷化鎵 0.15鋁 0.85層156在垂直方向上夾著p型砷化鋁層955。在平面圖中，氧化區951具有環形的外區953和環形的內區954。外區953從高台180的側表面暴露出。外區953的厚度在平面方向上是固定的。內區954位於外區953內部。在外區953的邊界處，內區954的厚度與外區953的厚度相匹配，並且朝高台180的中心減少。內區954具有錐形形狀，其在剖面圖中從內邊緣到外區953的邊界逐漸變厚。非氧化區952位於外區953內部。非氧化區952的部分在垂直方向上夾在內區954中。非氧化區952的另一部分位於平面圖中的內區954的內邊緣內部。例如，從高台180的側表面到氧化區951的內邊緣的距離在約8微米到約11微米的範圍內。氧化區951和非氧化區952的厚度與氧化侷限層150的厚度相等。
首先描述根據第一示例和第二示例的實際測量結果。圖4是用於實際測量的電路的等效電路圖。
在此電路中，用於監測電流的電阻12串聯到與第一示例或第二示例相對應的面射型雷射11。電壓表13與電阻12並聯。從面射型雷射11輸出的光被寬帶高速光電二極體接收並轉換為電壓訊號。用示波器觀察電壓訊號。
圖5A至圖5C是顯示第二示例的實際測量結果的圖表。圖5A顯示當脈衝電流的寬度約為2奈秒時的實際測量結果。圖5B顯示當脈衝電流的寬度約為9奈秒時的實際測量結果。圖5C顯示當脈衝電流的寬度約為17奈秒時的實際測量結果。在圖5A至圖5C的實際測量中，偏壓電流的幅度和脈衝電流的振幅是相同的。圖5A至圖5C分別顯示流過電阻12的電流和由高速光電二極體測量的光輸出。流過電阻12的電流可以用電壓表13計算。
如圖5A至圖5C所示，在第二示例中，無論脈衝電流的寬度的幅度，在脈衝電流注入後會立即輸出光脈衝，然後建立平衡狀態，直到停止注入脈衝電流，接著輸出固定的尾光。主導光脈衝是由鬆弛振盪造成的，其通常由增益開關驅動。即使當改變脈衝寬度時，產生光脈衝的時間也不會改變。這是因為由鬆弛振盪產生的光脈衝是在雷射諧振器中的載子密度超過臨界載子密度後立即產生的。為了減少尾光的輸出，可以在光脈衝輸出後立即停止電流注入。然而，由於由鬆弛振盪造成的光脈衝的時間寬度為100皮秒或100皮秒以下，當電流的幅度大到10安培或10安培以上時，難以在光脈衝輸出後立即在100皮秒或100皮秒以下的時段內停止電流的注入。
圖6A至圖6C是顯示第一示例的實際測量結果的圖表。圖6A顯示當脈衝電流的寬度約為0.8奈秒時的實際測量結果。圖6B顯示當脈衝電流的寬度約為1.3奈秒時的實際測量結果。圖6C顯示當脈衝電流的寬度約為2.5奈秒時的實際測量結果。在圖6A至圖6C的實際測量中，偏壓電流的幅度和脈衝電流的振幅是相同的。圖6A至圖6C分別顯示流過電阻12的電流和由高速光電二極體測量的光輸出。流過電阻12的電流可以用電壓表13計算。
如圖6A至圖6C所示，在第一示例中，在注入脈衝電流的狀態下不會產生光輸出，在注入脈衝電流減少後會立即輸出光脈衝。此外，幾乎觀察不到光脈衝輸出後的尾光。在透過增益開關之光輸出的情況下，即使當改變脈衝電流的寬度時，產生光脈衝的時間也不會改變。相反地，根據第一示例，當脈衝電流的注入量減少時會輸出光脈衝。因此，根據第一示例的光輸出不是基於利用鬆弛振盪現象的正常增益開關。
如上文所述，第一示例和第二示例在光學輸出的機構和方式上明顯不同。下文將描述其差異。
在面射型雷射中，雷射光束在諧振器中在垂直於氧化侷限層的方向上傳播。因此，隨著氧化侷限層的增厚，根據折射係數差的等效波導長度會增加，且橫向方向上的光侷限效應也會增加。當包含氧化侷限層的DBR視為等效波導結構時，在等效折射係數差大時，如圖7A所示，雷射光束的電場強度分佈集中在中心周圍。相反地，當等效折射係數差小時，如圖7B所示，雷射光束的電場強度分佈擴展到周圍的氧化區。當第一示例與第二示例進行比較時，由於氧化侷限層150包含第一實施例中的內區154，所以在第一示例中等效折射係數差會減少。因此，在第二示例中，雷射光束的電場強度分佈集中在中心周圍，如圖7A所示。相反地，在第一示例中，雷射光束的電場強度分佈擴展到氧化區151，如圖7B所示。
在這種情況下，橫向方向上的光侷限係數定義為「與電流通過區域具有相同半徑的區域中電場的積分強度」與「通過面射型雷射元件中心的橫向剖面中電場的積分強度」的比例，並用方程式（1）表示。在這種情況下，a對應於電流通過區域的半徑，Φ表示在垂直於基板的方向上圍繞旋轉軸的旋轉方向。
[方程式1] （1）
下文將描述當停止注入脈衝電流時發生的現象的模型。在注入脈衝電流的狀態下，電流路徑由氧化侷限層集中在高台的中心周圍，並且載子密度高。此時，在載子密度高的非氧化區中，透過載子電漿效應產生降低折射係數的效應。載子電漿效應是折射係數與自由載子密度成比例地降低的現象。例如，參考Kobayashi，Soichi等人的「砷化鎵鋁半導體雷射中的直接頻率調制」，IEEE微波理論和技術學報，第30卷，第4期，1982年，第428-441頁，折射係數的變化量由方程式（2）表示。在這種情況下，N是載子密度。
[方程式2] （2）
圖8A示意性顯示在注入脈衝電流的時段內等效折射係數和電場強度的分佈。圖8B示意性顯示在脈衝電流注入停止且脈衝電流減少的時段內等效折射係數和電場強度的分佈。載子電漿效應作用在抵消等效折射係數差（n1-n0）的方向上，該等效折射係數差在注入脈衝電流時段中由氧化侷限層產生，因此等效折射係數差為（n2-n0）。當注入的脈衝電流在這種狀態下減少時，載子電漿效應不再起作用，並且等效折射係數差會回到（n1-n0）。因此，已經擴散到高台的周圍部分的光子就集中在高台的中心部分上，且非氧化區的光子密度會增加。亦即，該狀態變為橫向光侷限為強的狀態。當脈衝電流的注入停止後，在諧振器中積累的載子隨著載子壽命而減少。然而，當橫向光侷限在載子密度完全衰減之前增加時，開始誘導發射，累積的載子立即消耗並輸出光脈衝。注入脈衝電流的時段是電流注入時段的示例，而停止注入脈衝電流且減少脈衝電流的時段是電流減少時段的示例。
上述模型透過模擬驗證的結果如下所述。載子密度和光子密度的速率方程式用方程式（3）和方程式（4）表示。
[方程式3] （3）
[方程式4] （4）
由方程式（3）和方程式（4）中的每個文字指示的內容如下： N表示載子密度[1/立方公分]， S表示光子密度[1/立方公分]， i（t）表示注入電流[安培]， e表示基本電荷[庫倫]， V表示諧振器體積[立方公分]， τ n（N）表示載子壽命[秒]， v g表示群速度[公分/秒]， g（N,S）表示增益[1/公分]， Γ a表示光侷限係數， τ p表示光子壽命[秒]， β表示自發發射耦合係數， g 0表示增益係數[1/公分]， ε表示增益抑制係數， N tr表示透明載子密度[1/立方公分]， η i表示電流注入效率， α m表示諧振器鏡射損耗[1/公分]， h表示普朗克常數[Js]，以及 ν表示光的頻率[1/秒]。
增益g（N,S）由方程式（5）表示。
[方程式5] （5）
如方程式（6）所示，光侷限係數Γ a由橫向方向的光侷限係數Γ r和垂直方向的光侷限係數Γ z的乘積定義。
[方程式6] （6）
臨界載子密度N th由方程式（7）表示。
[方程式7] （7）
臨界電流I th和臨界載子密度N th具有由方程式（8）表示的關係。
[方程式8] （8）
諧振器輸出的光輸出P與光子密度S的關係由方程式（9）表示。
[方程式9] （9）
下文根據第二示例說明模擬結果。對於第二示例，使用圖5A至圖5C中所示的電流監測波形的輸入來執行模擬，同時橫向方向上的光侷限係數Γ r為1。圖9顯示載子密度N和臨界載子密度N th的模擬結果。圖10顯示光輸出的模擬結果。
如圖9和圖10所示，在注入脈衝電流約5奈秒的時間點，載子密度N之後立即超過臨界載子密度N th，並輸出由鬆弛振盪造成的光脈衝。然後，建立平衡狀態並輸出固定尾光。如上文所述，在模擬中，得到接近圖5A至圖5C中所示之實際測量結果的結果。
下文根據第一示例說明模擬結果。對於第一示例，使用圖6A至圖6C所示之電流監測波形的輸入來執行模擬，同時橫向方向上的光侷限係數Γ r小於1，並且橫向方向上的光侷限係數Γ r是隨著載子密度N的增加而減少的函數。橫向方向上的光侷限係數Γ r是上述函數的原因是受到載子電漿效應造成的折射係數變化的影響。圖11是顯示函數的示例的圖表。圖12是顯示光輸出的模擬結果的圖表。
如圖12所示，光脈衝輸出是在停止注入脈衝電流的時候得到的。如上文所述，在模擬中，得到接近圖6A至圖6C中所示之實際測量結果的結果。
為了詳細分析結果，圖13A和圖13B顯示在脈衝寬度為2.5奈秒的條件下，載子密度N、臨界載子密度N th、光子密度S和橫向方向上的光侷限係數Γ r的模擬結果。圖13A顯示載子密度N、臨界載子密度N th和光子密度S的模擬結果。圖13B顯示橫向方向上的光侷限係數Γ r的模擬結果。
由於橫向方向上的光侷限係數Γ r與載子密度N具有函數關係，因此橫向方向上的光侷限係數Γ r在3奈秒至5.5奈秒的範圍內（脈衝電流注入其中）減少。在此範圍內，臨界載子密度N th隨著橫向方向上的光侷限係數Γ r的減少而增加，並且N＜N th成立。因此誘導發射不太可能發生，並且光子密度S不會增加。當脈衝電流的注入開始在約5.5奈秒的時間點減少時，橫向方向上的光侷限係數Γ r再次增加，在此過程中，光子密度S以脈衝形式出現。圖14A和圖14B是圖13A和圖13B中5奈秒至6奈秒範圍內的時間軸擴大的圖表。
當脈衝電流的注入開始在約5.5奈秒的時間點減少時，載子密度N開始減少。同時，橫向方向上的光侷限係數Γ r增加，且臨界載子密度N th減少。由於臨界載子密度N th的降低比載子密度N的降低快，因此在載子密度N降低的過程中會有N＞N th成立的時段。在此時段期間，光子密度S首先由於自發發射而增加，且當光子密度S增加一定程度時，誘導發射成為主導並且光子密度S迅速增加。同時，載子密度N迅速降低，且當N＜N th再次成立時，光子密度迅速降低。
如上文所述，可以透過模擬重現當脈衝電流的注入停止作為誘因時輸出光脈衝的現象。
光脈衝的上升時間隨著臨界載子密度N th的降低速度快於載子壽命而減少。亦即，基於方程式（6），上升時間隨著橫向光侷限係數Γ r的增加而減少。光脈衝的衰減時間取決於光子壽命。圖15A和圖15B是顯示光脈衝的實際測量結果和模擬結果的示例的圖表。圖15A顯示實際的測量結果。圖15B顯示模擬結果。
當脈衝寬度界定為峰值的1/e 2或1/e 2以上的時間寬度時，得到的光脈衝寬度在圖15A中的實際測量結果中為86皮秒，在圖15B中的模擬結果中為81皮秒。在這種情況下，e是自然對數。使用此模型，光脈衝的寬度比要注入的脈衝電流短，並可以在不受要注入的脈衝電流的時間寬度限制的情況下減少光脈衝的寬度。
在第一示例中，不太可能在產生光脈衝輸出後產生連續的光脈衝列。這是因為當產生光脈衝時，脈衝電流的注入會減少，並且不太可能產生鬆弛振盪。
此外，在產生光脈衝輸出後不太可能產生尾光。這是因為在產生光脈衝之後，脈衝電流的注入會減少，並且載子密度不太可能增加。
此外，由於光脈衝是在脈衝電流注入停止後立即輸出的，因此可以將光脈衝輸出的時間控制在想要的時間。
此外，根據第一示例產生的光脈衝的寬度小於注入的脈衝電流的寬度。即使當電流增加時，脈衝電流寬度也不會減少，且因此脈衝電流寬度不太可能受到寄生電感的影響。
根據第一示例的複數個面射型雷射100可以並聯佈置以形成面射型雷射陣列，並可以同時輸出光脈衝，從而獲得更大的光峰值輸出。注入面射型雷射陣列的電流大於注入一個面射型雷射100的電流；然而，由於從面射型雷射100輸出的光脈衝的寬度小於注入的脈衝電流的寬度，因此可以輸出寬度較小的光脈衝。
根據第一示例從面射型雷射100輸出的光的脈衝寬度不受限制；然而，例如脈衝寬度為1奈秒或1奈秒以下，較佳為500皮秒或500皮秒以下，且更佳為100皮秒或100皮秒以下。
在第一示例中，在距離內區154的內邊緣向外分隔3微米的位置，亦即在距離非氧化區152與氧化區151之間的邊界的尖端部分向外分隔3微米的位置，氧化區151的厚度最好是非氧化區152厚度的兩倍或兩倍以下。例如，當非氧化區152的厚度為31奈米時，從內區154的內邊緣向外分隔3微米的位置的厚度最好是62奈米或62奈米以下，並可以是54奈米。當從高台180的側表面到氧化區151的內邊緣的距離（氧化距離）在8微米到11微米的範圍內時，3微米的距離對應於28%到38%的氧化距離。當在上述參考示例的實際測量中，在與氧化區951的內邊緣向外分開3微米的位置測量氧化區951的厚度和非氧化區152的厚度時，氧化區951的厚度為79奈米，且非氧化區152的厚度為31奈米。氧化區951的厚度為非氧化區152厚度的2.55倍。根據對具有氧化侷限結構的各種元件的比較評估的結果，發明人發現當比值為2或2以下時，橫向方向上的光侷限係數Γ r降低，並且可能得到高輸出且無尾跡的短脈衝光。
非氧化區152在平面圖中的面積（電流侷限區）最好是120平方微米或120平方微米以下。根據對非氧化區152的各種要素的比較評估的結果，發明人發現，當非氧化區152的面積超過120平方微米時，不太可能發生停止注入脈衝電流後立即輸出光脈衝的現象。此外，發明人發現，由於非氧化區152較小，可能會得到具有高輸出峰值的光脈衝。圖16是顯示示例的光輸出峰值的測量結果的圖表，其中非氧化區的面積在50平方微米至120平方微米的範圍內。
從上文第一示例中描述的原理可以看出，較佳增加在主動層中積累的載子數量以增加所獲得的短脈衝輸出。此外，N＞N th應在電流注入停止後盡可能短的時間內成立。
當電流注入停止時，由於載子的擴散、自發發射和非輻射復合，載子密度在電流侷限結構中主動層附近的中心部分會降低，並且橫向模式分佈的擴散會由於電漿效應而成為在裝置中心部分中的分佈。因此，N＞N th成立並且發生短脈衝振盪。在短脈衝振盪期間，應降低載子損耗以增加脈衝輸出功率。
在上述示例中，用於獲得輸出的電流注入以減少由於電漿效應導致的折射係數變化造成的光振盪，累積的載子部分消失直到短脈衝振盪發生。如果可以藉由電漿效應以外的方式改變折射係數，而不考慮要注入的電流注入量和累積的載子的數量，那麼累積的載子可以有效地轉化為要被提取的短脈衝輸出，並可以進行效率更高、輸出更大的短脈衝操作。
作為外部調變折射係數的手段，多量子阱結構的電場效應是有效的。在多量子阱結構中，藉由在垂直於阱面的方向上施加電場可以獲得折射係數的變化，亦即折射係數的降低。
例如，在非專利文件1、非專利文件2、非專利文件3和非專利文件4中報告量子阱結構中由於電場引起的折射係數變化。非專利文件1中依理論報告了在由具有30奈米厚度的磷砷化鎵銦和磷化銦組成的量子阱結構中得到（Δn/n）/E=3×10 − 8公分/伏特的值。例如，當施加100千伏特/公分的電場（相對於30奈米的量子阱的偏壓為0.3伏特）時，Δn/n為3×10 − 3（Δn/n =3×10 − 3），亦即Δn近似等於−9 × 10 − 3（Δn≈−9×10 − 3）。
在非專利文獻2和非專利文獻3中，在由厚度為10奈米的砷化鎵和厚度為30奈米的砷化鋁組成的多量子阱結構中，（Δn/n）/E實際上在室溫下觀察到為4×10 − 7公分/伏特。這表示當施加100千伏/公分的電場時，Δn約等於−4×10 − 2（Δn≈−4×10 − 2），並且觀察到大於非專利文獻1中的理論值的值。非專利文獻3表明由於施加電場造成的量子侷限史塔克效應，帶間躍遷能量的紅移和折射係數的變化。非專利文獻4中，報告了Δn的值約等於−3×10 − 2（Δn≈−3×10 − 2）的實驗結果。
如上所述，在實際施加的100千伏/公分電場中，多量子阱結構的電場效應能夠使折射係數變化等於或大於約等於−1×10 − 2階的Δn的電漿效應的折射係數變化。這樣可以進一步增進短脈衝操作和脈衝輸出功率的控制。
當電場施加到排列在諧振器附近的這種多量子阱結構上時，多量子阱部分的折射係數會降低，並作用為消除由圖8A和圖8B中所示之氧化物結構所獲得的有效折射係數差Δn0。換句話說，除了電漿效應之外，還有另一種手段可以用於改變有效折射係數差Δn。此外，藉由使用施加在多量子阱上的電場控制有效折射係數差Δn，可以控制作為雷射振盪之短脈衝的振盪時間。 [第一實施例]
下文將參考附圖詳細描述本發明的實施例。第一實施例涉及一種面射型雷射。圖17是根據第一實施例的面射型雷射500的剖面圖，其基於上述原理製造，並且波長在940奈米波段。
例如，如第一示例的面射型雷射500是使用氧化侷限的垂直腔面射型雷射（vertical cavity surface emitting laser, VCSEL）。面射型雷射500包含：n型砷化鎵基板510；n型DBR520；主動層530；第一p型DBR541；氧化侷限層550；接觸層563；接觸層565；第一上電極561；以及下電極570。n型DBR520（下反射器）置於主動層530下方。面射型雷射500進一步包含：諧振器隔離層511和512；多量子阱結構590；第二p型DBR542；以及第二上電極562。在圖17中，圓柱形高台柱580包含：n型DBR520；諧振器隔離層512；主動層530；諧振器隔離層511；氧化侷限層550；第一p型DBR541；以及接觸層563。多量子阱結構590覆蓋在主動層530上方。第一供電裝置581和第二供電裝置582各自向面射型雷射500供應電流和電場。在本發明的本文中，如果第一層表示為「覆蓋（「overlaid」）或疊加（「overlying」）」在第二層上，則第一層可以與第二層的一部分或全部直接接觸，或者在第一層與第二層之間可能存在一個或多個中間層，其中第二層比第一層更接近基板。
n型DBR520作為下反射器覆蓋在n型砷化鎵基板510上方。n型DBR520由40對n型砷化鎵 0.9鋁 0.1和砷化鎵 0.1鋁 0.9組成。諧振器隔離層511覆蓋在n型DBR520上方。諧振器隔離層511由砷化鎵 0.8鋁 0.2製成。主動層530覆蓋在諧振器隔離層511上方。主動層530為多量子阱活性層，具有作為阱層的砷化鎵銦以及作為阻障層的砷化鎵鋁。諧振器隔離層512覆蓋在主動層530上方。諧振器隔離層512由砷化鎵 0.8鋁 0.2製成。作為第一上反射器（或上反射器）的第一p型DBR541覆蓋在諧振器隔離層512上方。第一p型DBR541由4對p型砷化鎵 0.9鋁 0.1和砷化鎵 0.1鋁 0.9組成。接觸層563覆蓋在第一p型DBR541上方。接觸層563由p型砷化鎵製成。
面射型雷射500進一步包括：用於折射係數調變之未摻雜的多量子阱結構590；第二p型DBR542；以及接觸層564。多量子阱結構590覆蓋在接觸層563上方。多量子阱結構590包含多個半導體層，例如包含20對砷化鎵銦和砷化鎵鋁。作為第二上反射器的第二p型DBR542覆蓋在多量子阱結構590上方。第二p型DBR542由16對p型砷化鎵 0.9鋁 0.1和砷化鎵 0.1鋁 0.9組成。接觸層564覆蓋在第二p型DBR542上方。接觸層564由p型砷化鎵製成。接觸層565其上疊加n型砷化鎵基板510的後表面。接觸層565由p型砷化鎵製成。
在用於折射係數調變的多量子阱結構590中，能帶之間的能量設定為近似等於施加有電場的振盪波長的光子能量。當施加電場時，由於量子侷限史塔克效應，有效能帶間隙能量會降低。隨著這種能帶間隙能量的減少，吸收邊緣波長的紅移允許吸收具有較長波長的光。當施加電場時的有效能帶間隙能量大於光子能量時，可以降低吸收損耗。當有效能帶間隙能量小於光子能量時，振盪可以進一步透過吸收損耗來降低。
藉由在形成圓柱形高台柱580之前在第一p型DBR541中形成厚度20奈米的p型砷化鋁選擇性氧化層，然後在加熱的水蒸氣中氧化p型砷化鋁選擇性氧化層，來形成第一p型DBR541中的氧化侷限層550。圓柱形高台柱580包含：n型DBR520；諧振器隔離層511和512；主動層530；第一p型DBR541；以及接觸層563。第一p型DBR541（第一上反射器）是柱形。「柱形」的形狀包括稜形，諸如正方形、長方形和六邊形。多量子阱結構590、第二p型DBR542和接觸層564各自具有圓柱形形狀。高台柱的形狀不限於圓形並可以是任何形狀，如正方形、長方形或六角形。
下電極570其上疊加置於n型砷化鎵基板510下方的接觸層565的後表面。環形的第一上電極561覆蓋疊加在第一p型DBR541上方的接觸層563。環形的第二上電極562覆蓋疊加在第二p型DBR542上方的接觸層564。第一供電裝置581經由包含第一上電極561和下電極570的第一電極對將電流注入主動層中。第二供電裝置582經由包含第一上電極561和第二上電極562的第二電極對將電場施加至多量子阱結構590以用於折射係數調變。此持續時間稱為電場施加時段。應注意的是，儘管第二p型DBR542可以是未摻雜的，但藉由未摻雜第二供電裝置582，來降低從第二供電裝置582施加至多量子阱結構590的電壓。此持續時間稱為電場減少時段。
下文，將詳細描述面射型雷射500的工作原理。首先，第二供電裝置582事先向多量子阱結構590施加電場。當施加電場時，裝置中心部分的有效折射係數相對於在不施加電場期間從氧化侷限層550獲得的有效係數差Δn0下降。因此，有效折射係數差Δn比有效折射率係數差Δn0小。
接下來，第一供電裝置581開始將電流注入主動層530中。換句話說，至少一部分的電流注入時段包含在至少一部分的電場施加時段中。此時，由於電漿效應，有效折射係數差Δn進一步下降。上述兩種作用減少裝置中心部分的橫向模式分佈，並抑制振盪，且導致載子在振盪減少的主動層530中累積。
當組合使用多量子阱結構的電場效應時，從氧化侷限層550獲得的有效折射係數差Δn0設定為略大。然後，如圖13A所示，由於電場效應造成的折射係數變化以及多量子阱結構590中載子的電漿效應組合，以成立臨界載子密度N th與載子密度N之間的關係。換句話說，透過電漿效應和電場效應來減少振盪。
接下來，當第二供電裝置582停止將電場施加至多量子阱結構590以用於折射係數調變時，多量子阱結構590的帶間躍遷能量會增加。換句話說，紅移因量子侷限的史塔克效應被消除，以造成振盪波長的透明度，同時增加有效折射係數差Δn。隨著有效折射係數差Δn的增加，裝置中心部分的橫向模式分佈增加，以降低振盪臨界值並立即造成短脈衝振盪。此時，如果第一供電裝置581也停止將電流注入主動層530中，同時停止第二供電裝置582，則可以獲得更大的折射係數變化。
當振盪只由電漿效應降低時，在停止將電流注入主動層530中之後，將已透過電漿效應降低的有效折射係數差Δn恢復以允許如下所述的振盪。換句話說，在主動層530中累積的載子透過從電流注入路徑的擴散或透過在主動區域中的復合處理還原來恢復。然而，在那段時間內沒有貢獻振盪的載子會部分地失去。
然而，在第一實施例中，由於折射係數變化由從第二供電裝置582施加至多量子阱結構590的電場的控制立即造成，因此可以顯著減少不會有助於振盪的載子量。這使輸出峰值，特別是在振盪開始時，可以大大提高。應注意的是，由於氧化侷限層550造成的有效折射率差Δn0可以藉由改變氧化侷限層550的厚度來改變，並可以藉由加厚氧化侷限層550來增加。
設定從氧化侷限層550獲得的有效折射率差Δn0，以便在停止向多量子阱結構590施加電場時開始振盪。換句話說，振盪不在電場施加時段期間進行，而是在電場減少時段期間進行。具有這種配置的第一實施例結合了電漿效應和電場效應。這種配置比單獨使用電漿效應更能顯著減少振盪。因此，第一實施例能夠在主動層中累積更多的載子和短脈衝振盪之更高的輸出峰值功率。
如上文所述，隨著由於電場效應造成的折射係數改變量的增加，可以得到更大的振盪減少效果，並可以增加累積的載子的數量。此外，從氧化侷限層550獲得的有效折射係數差Δn0隨著振盪還原效應的保持而增加，以使當電場施加停止時振盪臨界值的改變量增加。這樣可以減少在短脈衝振盪開始之前消失的無效載子數量，從而實現更高的輸出功率。
這種效果可以藉由將多量子阱結構590放置在雷射光路徑中的任何位置來得到，以獲得電場效應造成的折射係數變化。此外，多量子阱結構590可以更接近主動層530，或者可以藉由增加量子阱的數量來增加多量子阱結構的電場效應造成的折射係數變化量。
此外，由於光脈衝是在脈衝電流注入停止後立即輸出的，因此可以將光脈衝輸出的時間控制在想要的時間。
此外，由於可以增加累積載子的數量，並可以減少無助於振盪的無效載子，因此可以獲得更高的輸出功率。
在第一實施例中，不太可能在產生光脈衝輸出後產生連續的光脈衝列。這是因為當產生光脈衝時，脈衝電流的注入會減少，並且不太可能產生鬆弛振盪。
此外，在產生光脈衝輸出後不太可能產生尾光。這是因為在產生光脈衝之後，脈衝電流的注入會減少，並且載子密度不太可能增加。
此外，根據第一實施例產生的光脈衝的寬度小於注入的脈衝電流的寬度。即使當電流增加時，脈衝電流寬度也不會減少，且因此脈衝電流寬度不太可能受到寄生電感的影響。
類似於第一示例，根據第一實施例的多個面射型雷射500可以並聯佈置以形成面射型雷射陣列，並可以同時輸出光脈衝，從而獲得更大的光峰值輸出。注入面射型雷射陣列的電流大於注入一個面射型雷射500的電流；然而，由於從面射型雷射500輸出的光脈衝的寬度小於注入的脈衝電流的寬度，因此可以輸出寬度較小的光脈衝。
類似於第一示例，根據第一實施例從面射型雷射500輸出的光的脈衝寬度不受限制；然而，例如脈衝寬度為1奈秒或1奈秒以下，較佳為500皮秒或500皮秒以下，且更佳為100皮秒或100皮秒以下。
在第一實施例中，當氧化侷限層550具有與第一示例相同的配置時，在距離內區554的內邊緣向外分隔3微米的位置，亦即在距離非氧化區552與氧化區551之間的邊界的尖端部分向外分隔3微米的位置，氧化區551的厚度最好是非氧化區552厚度的兩倍或兩倍以下。
類似於第一示例，在第一實施例中，如參考第一示例的圖16所述，非氧化區552在平面圖中的面積（電流侷限區）最好是120平方微米或120平方微米以下。 [第二實施例]
下文將描述第二實施例。第二實施例涉及一種面射型雷射。圖18A和圖18B是根據第二實施例的面射型雷射600的剖面圖。
由於根據第二實施例的面射型雷射600與第一實施例的面射型雷射600皆相同，除了覆蓋在第二p型DBR542上方的第二上電極662以外，因此將省略第二上電極662以外的組件的描述。
由於面射型雷射600是頂面射型雷射，因此覆蓋在第二p型DBR542上方的第二上電極662是透明的，以不抑制雷射光束的傳輸。圖18B是面射型雷射600的俯視圖。圖18A是圖18B中沿A-A’線所截取的剖面。第二上電極662是圓形的，並且如圖18B所示，在平面圖中位於第一p型DBR541的圓柱形中心部分。如圖18A所示，第二上電極662從中心部分引出並連接到第二供電裝置582的外部，第二供電裝置582的外部不會抑制雷射光束的傳輸。透過圖18A和圖18B中的電極配置，可以將電場以集中的方式施加至平面圖中面射型雷射600的中心部分的多量子阱結構中以用於折射係數調變。這樣可以選擇性地降低裝置中心部分的有效折射係數。
這種中心部分中有效折射率差的減少進一步使得裝置中心部分橫向模式分佈的強度降低，從而實現有效折射係數差Δn的有效降低。此外，第二p型DBR542未被摻雜以及去除其上疊加第二p型DBR542的接觸層的配置可以防止或減少電場在橫向方向上擴散，並且進一步提高選擇性。或者，第二p型DBR542可以由諸如SiN或者SiO 2的介電材料製成。
如上文所述，第二實施例表現出與第一實施例相同的效果。此外，在裝置的中心部分設置第二上電極允許折射係數的改變量增加，因此實現更高的雷射輸出功率。 [第三實施例]
下文將描述第三實施例。第三實施例涉及一種面射型雷射。圖19是根據第三實施例的面射型雷射700的剖面圖。
面射型雷射700是背面射型雷射，振盪波長為940奈米（nm）波段。在圖19中的面射型雷射700中，由第一p型DBR541和第二p型DBR542組成的上多層薄膜反射器的對數總共為40，而由n型DBR520組成的下多層膜反射器的對數為20。面射型雷射700向基板（亦即背面）的方向發射雷射光束。
下電極770（其向外發射雷射光束的部分）具有允許提取光輸出的開口。第二p型DBR542在裝置中心部分設置有第二上電極762，允許電場選擇性地施加至多量子阱結構590，以用於裝置中心部分中的折射係數調變。裝置中心部分的電極能夠以與上述第二實施例相同的方式降低裝置中心部分的有效折射係數。
這種在中心部分中的有效折射率差的減少進一步使得裝置中心部分橫向模式分佈的強度降低，從而實現有效折射係數差Δn的有效降低。此外，第二p型DBR542未被摻雜以及去除其上疊加第二p型DBR542的接觸層的配置可以進一步防止或減少電場在橫向方向上擴散。這進一步促進操作的選擇性。或者，第二p型DBR542可以由諸如SiN或者SiO 2的介電材料製成。
如上文所述，第三實施例表現出與第二實施例相同的效果。 [第四實施例]
下文將描述第四實施例。第四實施例涉及一種面射型雷射。圖20是根據第四實施例的面射型雷射800的剖面圖。
例如，根據第四實施例的面射型雷射800是設置有包含埋入式穿隧接面（buried tunnel junction, BTJ）的電流侷限結構的VCSEL。面射型雷射800與第三實施例的面射型雷射700的不同之處在於：面射型雷射800在電流侷限結構中包含埋入式穿隧接面850而不是選擇性氧化結構。
埋入式穿隧接面850的配置如下。在第一p型DBR841形成過程中，生長了p ++砷化鎵層以及n ++砷化鎵層，其中p ++砷化鎵層摻雜p的濃度高於第一p型DBR841的濃度，n ++砷化鎵層摻雜p的濃度高於第一n型DBR520的濃度。在該些層的生長一旦停止後，除裝置中心部分外的兩層透過選擇性濕式蝕刻來除去，從而形成埋入式穿隧接面850。然後，第一p型DBR841進一步生長在所形成的埋入式穿隧接面850上。
當正向偏壓施加至下電極770和第一上電極561（其等為將電流注入主動層530中的電極）時，逆向偏壓會施加至p ++砷化鎵層和n ++砷化鎵層。因此，電子通過從p ++砷化鎵層到n ++砷化鎵層的能帶間隧道，以在p ++砷化鎵層中產生正電洞。隨著電洞的出現，電子注入至主動層530。
埋入式穿隧接面由於砷化鎵鋁材料的鋁成分在橫向方向上的差異，因此具有很小的折射係數差。基於這種折射係數差形成較弱的橫向光侷限。橫向光侷限具有依照由於載子的電漿效應和多量子阱的電場效應而導致的折射率變化改變有效折射係數差Δn的度數，並實現短脈衝的振盪。
如上文所述，第四實施例表現出與第三實施例相同的效果。 [第五實施例]
下文將描述第五實施例。第五實施例涉及一種面射型雷射。圖21是顯示根據第五實施例的面射型雷射900的剖面圖。
根據第五實施例的面射型雷射900是藉由修改根據第一實施例的面射型雷射500的第二p型DBR和第二上電極而得到的。在面射型雷射900中，第二上電極962覆蓋在多量子阱結構590的上表面上方，而不是第二p型DBR942的上表面。透過這種結構，電場可以施加至多量子阱結構590，而不涉及第二p型DBR942。第五實施例的這種配置允許比第一實施例更強的電場施加至多量子阱結構590。因此，第五實施例能夠由於電場效應而使折射係數產生更大量的變化。
如上文所述，第五實施例表現出與第一實施例相同的效果。此外，折射係數的變化量越大，雷射輸出功率越高。 [第六實施例]
下文將描述第六實施例。第六實施例涉及一種面射型雷射。圖22是顯示根據第六實施例的面射型雷射1000的剖面圖。
根據第六實施例的面射型雷射1000與根據第一實施例的面射型雷射500的不同之處在於：諧振器隔離層1012較厚，而不是第一p型DBR541較厚。此外，在面射型雷射1000中包含氧化侷限層1050中的諧振器隔離層1012。這種配置還表現出與第一實施例相同的效果。
在第一實施例至第六實施例中，用於獲得電場效應的多量子阱結構位於主動層與第二p型DBR之間。但是，這不意圖作為任何限制。多量子阱結構可以位於雷射光路中的任何位置，以允許因電場效應而改變折射係數。這也表現出與第一實施例至第六實施例相同的效果。 [第七實施例]
下文將描述第七實施例。第七實施例涉及一種雷射裝置。圖23是根據第七實施例的雷射裝置300的示意圖。
根據第七實施例的雷射裝置300包括：根據第一實施例的面射型雷射500；以及供電裝置301。供電裝置301包含：第一供電裝置581；以及第二供電裝置582。第一供電裝置581連接至第一上電極561和下電極570。第二供電裝置582連接至第一上電極561和第二上電極562。第一供電裝置581將電流注入面射型雷射500中，並且第二供電裝置582向面射型雷射500施加電場。
從第一供電裝置581注入電流的工作比較佳為0.5%或0.5%以下。也就是說，期望的是將電流注入時段和電流減少時段重複複數次，並且電流注入時段與電流減少時段的比例為0.5%或0.5%以下。工作比是在單位時段內注入脈衝電流的時段比例。當t[秒]表示脈衝電流的寬度，且f[赫茲]表示脈衝電流的重複頻率時，工作比相當於f×t（%）。圖24是顯示當脈衝電流寬度為2.5奈秒時光脈衝的工作比與輸出峰值之間的關係的圖表。
如圖24所示，當工作比超過0.5%時，光峰值輸出趨於下降。可能的原因為以下模型。首先，當工作比增加時，注入的脈衝電流在電流侷限區（非氧化區152）產生的熱量會增加。因此，電流集中的中心部分的溫度相對於電流侷限區的周圍部分上升，並產生溫差。因此，電流侷限區的中心部分的折射係數會因熱透鏡效應而增加，並且橫向方向上的光侷限係數會增加。隨著由於熱透鏡效應在橫向方向上的光侷限係數增加，由脈衝電流的增加或減少產生的載子電漿效應所造成之折射係數變化的影響就減少。因此，不太可能發生停止注入脈衝電流後立即輸出光脈衝的現象。相反地，當工作比為0.5%或0.5%以上時，由於熱透鏡效應造成的折射係數變化的影響夠小，並且從侷限結構得到的折射係數變化占主導，因此輸出峰值基本上認為是固定的並且沒有改變。
在一示例中，可以使用根據第二實施例的面射型雷射600或根據第六實施例的面射型雷射1000，來代替第一示例的面射型雷射500。 [第八實施例]
下文將描述第五實施例。第八實施例涉及一種測距裝置。圖25是顯示根據第八實施例的測距裝置400。測距裝置400是檢測裝置的示例。
根據第八實施例的測距裝置400是基於時差測距（time of flight, TOF）方法的測距裝置。測距裝置400包括：發光元件410；光接收元件420：以及驅動電路430。發光元件410向測距目標450發射發光束（照射光411）。光接收元件420從測距目標450接收反射光421。驅動電路430驅動發光元件410，並透過光接收元件420檢測發光束的發射時間與反射光421的接收時間之間的時間差，以測量與測距目標450之間來回的距離。
發光元件410包含根據第一實施例的面射型雷射100或者根據第二實施例的面射型雷射500。例如，脈衝的重複頻率在幾千赫茲到幾十兆赫茲的範圍內。
例如，光接收元件420是光電二極體（photodiode, PD）、雪崩光電二極體（avalanche photodiode, APD）或單光子雪崩二極體（single photon avalanche diode, SPAD）。光接收元件420可以包含排列在陣列中的複數個光接收元件。光接收元件420是檢測器的示例。
在透過TOF方法的測量距離中，期望的是將來自測距目標的訊號與雜訊彼此分開。當測量距離較遠的測距目標或者測量反射率較低的測距目標時，希望使用具有較高靈敏度的光接收元件從目標獲得訊號。但是，當使用較高靈敏度的光接收元件時，背景光雜訊或散粒雜訊的錯誤檢測的可能性會增加。為了將訊號和雜訊彼此分開，可以增加光接收訊號的臨界值；然而，除非發光束的輸出峰值增加了光接收訊號的臨界值的增加量，否則很難接收來自測距目標的訊號光。然而，發光束的輸出受到雷射安全標準的限制。
根據第一實施例的面射型雷射500或者根據第六實施例的面射型雷射1000可以輸出脈衝寬度約100皮秒的光脈衝。這大約是先前技術的面射型雷射輸出的光脈衝寬度的奈秒值的1/10。根據第八實施例的測距裝置，由於安全標準允許的輸出峰值隨著光脈衝寬度的減少而增加，因此可以在滿足人眼安全的同時，增加精度和增加距離。 [第九實施例]
下文將描述第五實施例。第九實施例涉及一種移動體。圖26顯示根據第九實施例的汽車1100作為移動體的示例。第八實施例中描述的測距裝置400設置在汽車1100前表面的上部（例如擋風玻璃的上部），以作為根據第九實施例的移動體的示例。測距裝置400測量到汽車1100周圍與目標1102的距離。測距裝置400的測量結果輸入到包含在汽車1100中的控制器，並且控制器根據測量結果控制移動體的操作。或者，控制器可以基於測距裝置400的測量結果，在汽車1100中設置的顯示器向汽車1100的駕駛員1101提供警告指示。
如上文所述，在第九實施例中，由於測距裝置400設置在汽車1100中，因此可以高度精準地辨識目標1102在汽車1100周圍的位置。測距裝置400的安裝位置不限於汽車1100的上部和前部，並可以安裝在汽車1100的側表面或後部。在此實施例中，測距裝置400設置在汽車1100中；然而，測距裝置400可以設置在飛機或船中。在一示例中，測距裝置400可以設置在沒有駕駛、自主移動的移動體中，例如無人機或機器人。
儘管本發明已詳細描述理想實施例，本發明的內容不限於上述的實施例等等，並可以在不脫離申請專利範圍中所述的本發明的範疇和精神的情況下進行各種修改和替換。
本專利申請基於35 U.S.C. §119(A)主張於2021年7月30日向日本特許廳提交之日本專利申請第2021-126012的優先權，本發明引用上述全文並將其併入本發明中。
11,100,500,600,700,800,900,1000:面射型雷射 12:電阻 13:電壓表 110,510:n型砷化鎵基板 120:n型DBR 130,530:主動層 140:p型DBR 150,550,1050:氧化侷限層 151,951:氧化區 152,952:非氧化區 153,953:外區 154,954:內區 155,955:p型砷化鋁層 156,956:p型砷化鎵 0.15鋁 0.85層 160:上電極 170,570,770:下電極 180:高台 300:雷射裝置 301:供電裝置 400:測距裝置 410:發光元件 411:照射光 420:光接收元件 421:反射光 430:驅動電路 450:測距目標 511,512,1012:諧振器隔離層 520:n型DBR 541,841:第一p型DBR 542,942:第二p型DBR 561:第一上電極 562,662,762,962:第二上電極 563,564,565:接觸層 580:圓柱形高台柱 581:第一供電裝置 582:第二供電裝置 590:多量子阱結構 850:埋入式穿隧接面 1100:汽車 1101:駕駛員 1102:目標
附圖旨在描述本發明的示例性實施例，不應解釋為限制其範疇。除非明確指出，附圖不應視為依比例繪製。另外，相同或相似的元件符號表示幾張視圖中都有相同或相似的組件，其中： 圖1是根據第一示例的面射型雷射100的剖面圖。 圖2是根據第一示例的氧化侷限層及其附近的剖面圖。 圖3是根據第二示例的氧化侷限層及其附近的剖面圖。 圖4是用於實際測量的電路的等效電路圖。 圖5A是顯示第二示例的實際測量結果的圖表。 圖5B是顯示第二示例的實際測量結果的圖表。 圖5C是顯示第二示例的實際測量結果的圖表。 圖6A是顯示第一示例的實際測量結果的圖表。 圖6B是顯示第一示例的實際測量結果的圖表。 圖6C是顯示第一示例的實際測量結果的圖表。 圖7A是顯示電場強度分佈和根據結構的等效折射係數差的圖表。 圖7B是顯示電場強度分佈和根據結構的等效折射係數差的圖表。 圖8A是顯示電場強度分佈和等效折射係數隨著時間改變的圖表。 圖8B是顯示電場強度分佈和等效折射係數隨著時間改變的圖表。 圖9是顯示根據第二示例的載子密度和臨界載子密度的模擬結果的圖表。 圖10是顯示根據第二示例的光輸出的模擬結果的圖表。 圖11是顯示根據第一示例使用在模擬中的函數的示例的圖表。 圖12是顯示根據第一示例的光輸出的模擬結果的圖表。 圖13A是顯示根據第一示例的載子密度、臨界載子密度和光子密度的模擬結果的圖表。 圖13B是顯示根據第一示例在橫向方向上的光侷限係數的模擬結果的圖表。 圖14A是圖13A的部分放大圖。 圖14B是圖13B的部分放大圖。 圖15A是顯示光脈衝的實際測量結果的第一示例的圖表。 圖15B是顯示光脈衝的模擬結果的第一示例的圖表。 圖16是顯示電流侷限面積與光輸出峰值之間的關係的圖表。 圖17是根據第一實施例的面射型雷射的剖面圖。 圖18A是根據第二實施例的面射型雷射的剖面圖。 圖18B是圖18A中之面射型雷射的俯視圖。 圖19是顯示根據第三實施例的面射型雷射的剖面圖。 圖20是顯示根據第四實施例的面射型雷射的剖面圖。 圖21是顯示根據第五實施例的面射型雷射的剖面圖。 圖22是顯示根據第六實施例的面射型雷射的剖面圖。 圖23是顯示根據第七實施例的雷射裝置的示意圖。 圖24是顯示工作比與光脈衝的輸出峰值之間的關係的圖表。 圖25是顯示根據第八實施例的測距裝置的示意圖。 圖26是根據第九實施例的移動體的示意圖。
100:面射型雷射
110:n型砷化鎵基板
120:n型DBR
130:主動層
140:p型DBR
150:氧化侷限層
151:氧化區
152:非氧化區
160:上電極
170:下電極
180:高台

Claims (12)

  1. 一種面射型雷射，包括：一主動層；多個反射器，彼此面對，該些反射器之間具有該主動層；一多量子阱結構，包含多個半導體層，位於從該主動層和該多個反射器發射的雷射光束的一光路中；一第一電極對，連接到一第一供電裝置，並配置以將電流注入該主動層中；以及一第二電極對，連接到一第二供電裝置，並配置以在垂直於該多量子阱結構的一阱面的方向上向該多量子阱結構施加電場，其中，該面射型雷射具有：一電流注入時段，其中該第一供電裝置將電流注入該主動層中；在該電流注入時段之後的一電流減少時段，其中注入該主動層中的電流低於在該電流注入時段期間所注入的電流；一電場施加時段，其中該第二供電裝置向該多量子阱結構施加電場；以及在該電場施加時段之後的一電場減少時段，其中施加至該多量子阱結構的該電場大於在該電場施加時段期間所施加的電場，其中，至少一部分的該電流注入時段包含在至少一部分的該電場施加時段中，以及其中，該面射型雷射在該電場施加時段期間不振盪雷射光束，而在該電場減少時段振盪雷射光束。
  2. 如請求項1所述之面射型雷射，其中，該多個反射器包含：一下反射器，置於該主動層下方；以及一第一上反射器，覆蓋在該主動層上方，其中，該多量子阱結構覆蓋在該主動層上方。
  3. 如請求項2所述之面射型雷射，其中，該第一上反射器為柱形，以及其中，該第二電極對中的一個電極至少部分地位於平面圖中該第一上反射器的中心部分。
  4. 如請求項1至3中任一項所述之面射型雷射，其中，該面射型雷射輸出具有時間軸比在該電流注入時段期間所發射的脈衝的時間軸短的脈衝。
  5. 一種雷射裝置，包括：如請求項1至4中任一項所述之面射型雷射，一第一供電裝置，連接到該第一電極對；以及一第二供電裝置，連接到該第二電極對。
  6. 如請求項5所述之雷射裝置，其中，該電場施加時段在該電流注入時段開始之前開始。
  7. 如請求項5或6所述之雷射裝置，其中，該電流減少時段與該電場減少時段同時開始，或者該電流減少時段在該電場減少時段開始之後開始。
  8. 如請求項5或6所述之雷射裝置，其中，該電流注入時段和該電流減少時段重複多次，以及其中，該電流注入時段和該電流減少時段的比例為0.5%或更低。
  9. 一種檢測裝置，包括：如請求項5至8中任一項所述之雷射裝置，以及一檢測器，配置以檢測從該面射型雷射發出並由一目標反射的光。
  10. 如請求項9所述之檢測裝置，其中，該檢測裝置基於來自該檢測器的訊號計算到該目標的距離。
  11. 一種移動體，包括如請求項10所述之檢測裝置。
  12. 一種由面射型雷射執行的面射雷射驅動方法，該面射型雷射器包括：一主動層；多個反射器，彼此面對，該些反射器之間具有該主動層；一多量子阱結構，包含多個半導體層，位於從該主動層和該多個反射器發射的雷射光束的一光路中：一第一電極對，連接到一第一供電裝置，並配置以向該主動層注入電流：以及一第二電極對，連接到一第二供電裝置，並配置以在垂 直於該多量子阱結構的一阱面的方向上向該多量子阱結構施加電場，該方法包括：在一電場施加時段期間不振盪雷射光束；以及在一電場減少時段振盪雷射光束，其中：該電場施加時段是該第二供電裝置向該多量子阱結構施加電場的時段，該電場減少時段是在該電場施加時段之後的時段，其中施加至該多量子阱結構的電場大於在該電場施加時段期間所施加的電場，以及一電流注入時段的至少一部分包含在該電場施加時段的至少一部分中，其中該電流注入時段是該第一供電裝置將電流注入該主動層中的時段，以及一電流減少時段是在該電流注入時段之後的時段，其中注入該主動層中的電流低於在該電流注入時段期間所注入的電流。
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