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技術 面発光型半導体レーザ装置及びその故障検知方法

出願人 ローム株式会社
発明者 大西大大田明宏
出願日 2016年8月2日 (5年2ヶ月経過) 出願番号 2016-151849
公開日 2018年2月8日 (3年8ヶ月経過) 公開番号 2018-022739
状態 特許登録済
技術分野 半導体レーザ
主要キーワード 故障検知回路 故障検知信号 故障パターン 故障検知処理 菱形領域 安全停止 フィードバックコントローラ 国際基準
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図面 (20)

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。

概要

背景

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放射する面発光型レーザダイオード一種で、GaAs、InGaAs、AlGaAs等の半導体薄膜縦方向に積層して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。

概要

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。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。

目的

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

効果

実績

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牽制数
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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。

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放射する面発光型レーザダイオード一種で、GaAs、InGaAs、AlGaAs等の半導体薄膜縦方向に積層して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

0003

特開2013−45845号公報

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

安全な車載用機器開発手法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、システム的重大事故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

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。
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。
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。
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4に示されるI−I線断面図である。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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11に示される回路構成の具体例(基本回路)である。
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11に示される回路構成の具体例(8個の初期値補正)である。
図16の要部の回路構成図である。
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。
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。
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。
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。
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。

実施例

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、故障検知信号送出してもよい。

0040

さらに、VCSELのパワー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

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。

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。

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

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