JPH0653615A

JPH0653615A - 光センシング装置および光センシング装置用半導体レーザ

Info

Publication number: JPH0653615A
Application number: JP4206701A
Authority: JP
Inventors: Hiroo Nomura; 浩朗野村; Hideaki Iwano; 英明岩野
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1992-08-03
Filing date: 1992-08-03
Publication date: 1994-02-25

Abstract

(57)【要約】【目的】目に対する安全性が高く、かつ、センシング
能力が高い小型光センシング装置を実現する。【構成】光センシング装置の光源を波長１．４ミクロ
ン以上の半導体レーザとする。さらには、活性層に量子
井戸構造を取り入れたＩｎＧａＡｓＰ系の半導体レーザ
を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光をある目標物に照射
し、その反射または散乱光からその目標物に関する情報
を得る光センシング装置とその光源用半導体レーザに関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の光センシング装置として
は、目標との距離を測る光波測距儀が知られている。ま
た、大気中の浮遊物質などの計測を行う気象・宇宙など
の環境計測分野では、レーザレーダとして知られてい
る。これらについてはレーザハンドブック（レーザ学会
編、オーム社）第２７章に詳しい説明があるので、これ
らを参考にされたい。しかし、このような光センシング
装置は大型で用途が測量や気象用に限られていたので、
まだ我々の日常生活からは縁遠いものであった。しか
し、最近の環境問題の深刻化により気象観測網の整備や
人工衛星搭載用として、段々知られるようになってき
た。また、そのような目的のためには小型・携帯可能な
ものが強く望まれている。さらには、最近同じような原
理に基づく光センシング装置として自動車の車間距離セ
ンサが、事故の未然防止を目的に実用化の段階に入って
きた。

【０００３】このような応用の発展の中で、特開昭５６
−７６０７４は車載用の障害物検知装置として、波長
１．３８μｍの発光素子を用いる事を特徴に出願がなさ
れている。その根拠は、測定光のノイズ源として地上ま
で到達する太陽光があり、これが測定系に混入するのを
避けるために、明細書６ページ５行に記載のように太陽
光エネルギー密度が低い波長を選択・使用するものであ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これは同時に
特開昭５６−７６０７４の６頁１２行に述べられている
通り大気中透過率が悪く、伝播効率の悪い波長になって
いる。従って、送信光をパルスにする場合や、なるべく
弱い出力で検知能力を上げるためにはこの波長は不利で
あり、到達距離の小さなセンサにしか用いる事ができな
い。

【０００５】また、上記センシング装置では光源にレー
ザを用いるため、携帯性が増せば増すほど人体に対する
安全性を確保しなければならない。特に、これを地上に
平行に投光するような車載用装置では、人体に対する安
全性は充分過ぎるまで考慮しなければならない。上記従
来例では、このような配慮は全くなされていない。さら
には、このようなセンシング装置を広く普及させるため
には、装置自体の小型化を図り携帯性を増したり、自動
車搭載用としてデザイン上も問題のない充分な大きさを
実現する必要がある。

【０００６】本発明はこのような安全性の向上と、装置
の小型化を目的としてなされたものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による光センシン
グ装置は、前方に光を放出し、その前方のある物体から
の反射または散乱光を受光素子によって捕獲する事によ
って、前記物体と受光素子間の距離の算出、あるいは、
反射または散乱物体の計測をする光センシング装置であ
って、光源の波長が１．４μｍ以上である半導体レーザ
を用いたことを特徴とする。また、上記光源が１．４μ
ｍから１．７μｍのＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザであ
ることを他の特徴としている。さらには、この光源が発
振領域幅２００μｍ以上である量子井戸型半導体レーザ
であることを特徴としている。

【０００８】

【実施例】図１は本発明による光センシング装置の概略
構成である。まず、レーザドライバ２によって駆動され
た半導体レーザ３は、所定の発光を繰り返す。次に、光
源から出た光は、送信光学系４を通して前方空中に放出
される。このレーザは測定対象物（図示せず）に当た
り、ここからの散乱または反射光は、受信光学系５で捕
獲される。光検出器６では、これを電気信号に変換し、
受け取った情報信号を信号処理回路７へと渡す。信号処
理回路７では、レーザの発信から受信までの時間の計
測、あるいは、被測定物の分光的計測の結果を出す。デ
ータ処理部８は信号処理回路７からの生データに、統計
的処理あるいは計測時間と生データとの相関をとり、分
布の計測結果などに変換し、観測者の扱い易い形でまと
め排出する。１のシステム制御は、その名の通り全体の
流れの管理・統括・命令の発信を行う。

【０００９】本構成において、通常レーザは１００ｎｓ
以下のパルスとして発信され、そのレーザ光の強力な出
力と指向性によって遠方の物体、状態、その距離、方
向、大きさ、形状、速度、密度、組成などの諸情報を遠
隔的に測定するものである。また、本発明ではこの半導
体レーザ３の波長を、１．４μｍ以上とする事が大きな
特徴であり、それはレーザ光に対する安全確保と、光の
大気透過率の良い条件を両立させた為である。

【００１０】図２は、ＪＩＳＣ６８０２−１９９１の
付図１３「クラス１の可視および近赤外レーザ製品のＡ
ＥＬ（被ばく放出限界）」を転載したものであるが、可
視光に対しより波長の長い近赤外光の方が安全な事が分
かる。例えば、可視の４００ｎｍから７００ｎｍのｎｓ
オーダーの放出持続時間の所では、放出エネルギで２×
１０^-7Ｊが上限であるが、波長１４００ｎｍから１０⁵
ｎｍでは８×１０^-5Ｊとなり、４００倍まで許される。
同様に、これを現在最も入手がたやすく、かつ、出力が
出ている８３０ｎｍのレーザで求めると、放出エネルギ
の上限は３．６×１０^-7であるので、これを波長１４０
０ｎｍ以上に変更すると２００倍以上の出力増大が出来
る。即ち、半導体レーザの波長を１４００ｎｍ以上にす
ると、人体に対し絶対安全といわれているクラス１レー
ザ装置に於いても、検知能力の大幅向上が図れる。

【００１１】図３は光の波長と眼球透過率及び眼底吸収
率を図示したもので、可視光および近赤外光は眼球をよ
く透過し、波長１．４μｍ以上では眼内に光が殆ど入ら
ず、角膜表層にエネルギが吸収される事が分かる。ま
た、眼球を透過し網膜に焦点を結ぶ可視光は、単位面積
当たり光強度で角膜上の１万倍にもなると云われてい
る。この様な事が、上記レーザの波長に対する安全性の
大きな差の現れる理由である。

【００１２】一方、図４は距離１．６ｋｍで波長に対す
る大気の透過率をみたもので（レーザハンドブック図
２７．２を転載）、波長１．４μｍから１．８μｍで透
過が良くなっており、そのピークは８０％までに達して
いる事が分かる。また、先に揚げた特開昭５６−７６０
７４の図３（ロ）の伝播距離３００ｍに対する大気中の
光の透過率も、同様に波長１．４μｍから１．８μｍで
透過率が良くなっている。従って、半導体レーザの波長
をこの１．４〜１．８μｍの間に設定すれば、目に対す
る安全性が高く、かつ、到達距離の長いリモートセンシ
ング装置を実現できる事が容易に分かる。また、到達距
離が有限で使える物については、光の発光ピークをこの
距離に合わせ出力を抑えて使えば、より一層の安全が確
保できる事は云うまでもない。なお、大気の透過率の悪
いところでは水や炭酸ガスによる吸収が起こっている。
次に、本発明のこの目的を実現するための光源について
述べる。

【００１３】図５は波長１μｍ帯のＩｎＧａＡｓＰレー
ザの利得導波型ストライプ構造の例である。基本的には
最も実用化が進んでいるＡｌＧａＡｓレーザの場合と同
じであるので、そちらの解説書も参考にされたい。基本
構造はＩｎＰ基板５１の上に、ＩｎＧａＡｓＰの活性層
５３をｐ型、ｎ型のＩｎＰクラッド層５５、５２でサン
ドイッチしたものを積み上げ、これにオーミック電極を
とり易くする為のｐ−ＩｎＧａＡｓＰのキャップ層５６
を重ねる。オーミック電極としては、ｐ側５８にはＡｕ
−Ｚｎ、ｎ側５９にはＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉがよく用いられ
る。また、電極を帯状にする為の絶縁には、ＳｉＯ₂ ５
７を用いる。１．４μｍ以上の波長のＩｎＧａＡｓＰレ
ーザでは、第３層ＩｎＰクラッド層を液層成長する際、
活性層がメルトバックされて界面が凸凹になるので、こ
れを避けるためにＩｎＧａＡｓＰのアンチメルトバック
５４が付けられるか、低温で高い過冷却度のもとに第３
層ｐ−ＩｎＰが成長される。また、液層成長以外の気層
成長法（ＭＯ−ＣＶＤなど）やＭＢＥで作る場合には、
メルトバック現象は無いのでＡＭ層は不要である。活性
層厚は０．１μｍから０．２μｍ程度、ストライプ幅は
１０μｍ前後でよい。波長については、Ｉｎ_1-xＧａ_xＡ
ｓ_yＰ_1-y活性層の組成比ｘ、ｙを変える事により、１．
１１μｍから１．６７μｍが得られる。レーザの製造と
センシング装置の実用の２点から、本発明に最適な波長
は１．５５μｍ近辺である。

【００１４】図６は波長１μｍ帯の屈折率導波型ストラ
イプレーザの代表的なものの構造である。屈折率導波型
では、局在する利得領域の中に屈折率分布を持った導波
路が作られ、これが導波領域となって水平横モードを決
定する。導波路幅Ｗは２μｍ前後であり、電流注入スト
ライプ幅Ｓとの関係から、Ｓ＞Ｗのリブ導波型とＳ＝Ｗ
のＢＨ（埋め込み）型に大きく２分できる。図は前者の
タイプで示した。一般に、屈折率導波型ストライプ構造
では水平横モードが安定しており、縦モードも単一化し
易い。また、光学損傷が発生しにくく、高光出力密度で
の動作が可能であることも特徴である。

【００１５】上記ＩｎＧａＡｓＰ系レーザは、主に光通
信用でポピュラーであり、ＣＷ出力で数１０ｍＷ、パル
スで数１００ｍＷクラスのレーザが得られている。

【００１６】図７は、活性層を多重量子井戸構造とした
新しいタイプのレーザである。構造は前述の利得導波型
と共通する所が多い。即ち、ｎ−ＩｎＰ基板７１上にｎ
型ＩｎＰのクラッド層７２を成長させ、この上に量子井
戸構造の活性層７３Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-yを積み上
げ、さらに、ｐ−ＩｎＰのクラッド層７４で挟みサンド
イッチ構造とする。この時、量子井戸その他の形成には
ＭＯＣＶＤまたはＭＢＥ法を用い、組成のｘは０．７６
または０．６５に固定する。また、ｙ組成についてはｙ
の上限をを０．４から０．９に取り、ｙの底を０．１に
なるように振る。さらには、この時の井戸幅は１００オ
ングストローム以下、バリア幅は７０オングストローム
程度に設定する。こうして活性層を形成した後は、オー
ミックコンタクトを得るためのキャップ層７５ｐ−Ｉｎ
ＧａＡｓＰを成長させ、不要部分をＳｉＯ₂ ７６で絶縁
の後、ｐ電極７７のストライプ幅を２００μｍ以上のブ
ロードにする。共振器長は４００〜５００μｍである。
このようにすると、発振波長で１．４μｍから１．６μ
ｍ、レーザ発振領域の大面積化で出力数１０Ｗ、パルス
幅１００ｎｓ以下のジャイアントパルス半導体レーザが
得られる。これは出力で従来タイプの一桁から二桁のア
ップであるから、光を飛ばし行って帰ってきた光の計測
を行うリモートセンシングの能力向上には効果絶大であ
る。また、前述した通り目に対しても影響の無い波長域
となっているので安全性も極めて高い。さて、上記量
子井戸構造のレーザにはいくつかの特徴がある。第１
は、低いしきい値電流が可能なことである。この事は装
置の低パワー化、バッテリ駆動化にとって好都合とな
る。第２の特徴は、量子井戸の幅を変えるだけで発振波
長を変えることが出来ることである。この事は波長を操
作するパラメータが、材料組成の変化の他に井戸の幅を
変えるという手段も取れるので、自由度が非常に高くな
る。第３の特徴は、しきい値電流の温度依存性がダブル
へテロレーザと較べると小さいということである。これ
は実用上非常に好都合で、温度依存性の少ない装置を実
現できる。第４の特徴は、ダブルへテロレーザよりも高
速変調特性が優れていることである。これも光をパルス
化して送信する光センシング装置にとっては大事なファ
クターとなる。このように量子井戸型レーザを使用可能
とする事で、実用機にとっては幾多の好結果をもたら
す。

【００１７】以上述べたＩｎＧａＡｓＰ系以外で、波長
１．４μｍ以上の半導体レーザを実現する可能性を持っ
たものは、２μｍ付近と３〜４μｍ範囲ではＩｎＧａＡ
ｓＳｂ系、１〜６μｍ帯ではＩｎＡｓＰＳｂ系、４〜８
μｍ帯ではＰｂＳＳｅ系、６〜２８μｍ帯ではＰｂＳｎ
Ｔｅ系とＰｂＳｎＳｅ系がある。しかし、一般に発振波
長が長くなるとバンド間エネルギの小さい合金を用いる
ので、熱エネルギで電子や正孔が励起され易くｐｎ接合
が形成がされなくなる。また、これらの電荷寿命は温度
が高いほど短くなるので、それを防ぐための冷却器が必
要になってくる。従って、本発明のもう一つの目的であ
る装置の小型化には、相反するものとなりかねない。注
意が必要である。

【００１８】次に、発光素子と対になる受光素子につい
て簡単に述べる。図８はＩｎＧａＡｓをｉ層とする波長
１μｍ帯のＰＩＮフォトダイオードであり、受光感度は
１〜１．６５μｍ付近まで充分高いので１μｍ帯の全波
長域について受光素子として使える。光は裏面入射型
で、０．９２μｍ以上の波長に透明なＩｎＰ基板を通し
てＩｎＧａＡｓ層に導入される。ＩｎＧａＡｓ層が充分
厚ければ、光はＩｎＧａＡｓ表面までは届かないから、
そこでの表面再結合は量子効率に影響を与える事がな
い。ｉ層の厚みは２〜３μｍ、キャリア濃度は１０¹⁴〜
１０¹⁶ｃｍ^-3であり、応答速度はＣＲ時定数制限の周波
数特性となる。受光径１００μｍの場合、０．１ｎｓ前
後の立ち上がり、立ち下り時間が得られる。暗電流はＧ
ｅより２桁小さい。なお、Ｇｅを用いたＰＩＮフォトダ
イオードも１μｍ帯であるが、これは１．５μｍ以上で
急激に量子効率が落ちるので、本センシング装置にはあ
まり向かない。この他、ＧａＳｂ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、
ＩｎＧａＳｂなど多くの２元、３元、４元結晶のＰＩＮ
フォトダイオードがある。２μｍを越える長波長帯で
は、ＨｇＣｄＴｅが適当であろう。また、ＰＩＮフォト
ダイオードと構造を別とするもので、半導体中で発生し
た光電流を増倍できるアバランシェダイオードがあり、
これは高感度、高速応答を要するときに用いればよい。

【００１９】

【発明の効果】以上述べたとおり、本発明は光源に半導
体レーザを用い、かつ、その波長を１．４ミクロン以上
に設定したので、小型で目に対する安全性の高いリモー
トセンシング装置が提供できた。また、活性層に量子井
戸構造を取り入れたＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザで
は、波長；１．５ミクロン前後、持続時間；数１０ｎ
ｓ、尖頭値；数１０Ｗのパルスレーザが実現でき、小型
でもセンシング能力の高い装置が実現できた。その結
果、本発明を応用した測定装置として、安全性の高い各
種携帯型気象レーザレーダ、事故の未然予防に役立つ車
の車間距離センサ、障害物センサ、危険ガスの漏洩監視
を目的とするリモートガスセンサーなど多彩に応用展開
ができる。また、目に対する安全性が高いので、市街地
に於いても安全に使用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光センシング装置の概略構成図。

【図２】クラス１の可視及び近赤外レーザ製品のＡＥＬ
を表した規格図。

【図３】光の波長と眼球透過率及び眼底吸収率を示した
測定図。

【図４】波長に対する大気中の透過率を示した観測図。

【図５】ＩｎＧａＡｓＰ系レーザの利得導波型ストライ
プ構造の概略構成図。

【図６】ＩｎＧａＡｓＰ系レーザの屈折率導波型ストラ
イプ構造の構成図。

【図７】本発明によるＩｎＧａＡｓＰ系多重量子井戸型
レーザの概略構成図。

【図８】ＩｎＧａＡｓ系ＰＩＮフォトダイオードの構成
図。

【符号の説明】

１１システム制御１２レーザドライバ１３半導体レーザ１４送信光学系１５受信光学系１６光検出器１７信号処理回路１８データ処理部５１ｎ−ＩｎＰ基板５２ｎ−ＩｎＰ５３ＩｎＧａＡｓＰ活性層５４ＩｎＧａＡｓＰＡＭ層５５ｐ−ＩｎＰ５６ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ５７ＳｉＯ２５８ｐ−電極５９ｎ−電極７１ｎ−ＩｎＰ基板７２ｎ−ＩｎＰ７３ＩｎＧａＡｓＰ活性層７４ｐ−ＩｎＰ７５ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ７６ＳｉＯ２７７ｐ−電極７８ｎ−電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】前方に光を放出し、その前方のある物体
からの反射または散乱光を受光素子によって捕獲する事
によって、前記物体と受光素子間の距離の算出、あるい
は、反射または散乱物体の計測をする光センシング装置
において、光源の波長が１．４μｍ以上である半導体レ
ーザを用いたことを特徴とする光センシング装置。
【請求項２】上記光源が波長１．４μｍから１．７μ
ｍのＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザであることを特徴と
する請求項１に記載の光センシング装置。
【請求項３】発振領域幅２００μｍ以上で、かつ、活
性領域が量子井戸型構造をもつことを特徴とする請求項
２に記載の光センシング装置用半導体レーザ。