阅读说明：本技术 半导体光放大器、光输出装置以及距离测量装置 (Semiconductor optical amplifier, optical output device, and distance measuring device ) 是由 早川纯一朗 村上朱实 于 2019-06-11 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种半导体光放大器、光输出装置以及距离测量装置。在使用分布式布拉格反射镜波导的半导体光放大器中,与不具有反射部的情况相比,增大预先规定的方向的光输出。半导体光放大器包含：光源部,所述光源部形成在基板上；以及光放大部,所述光放大部包括从光源部沿着基板的基板面朝向预先规定的方向延伸而形成的导电区域以及形成在导电区域的周围的非导电区域,所述光放大部对从光源部向预先规定的方向传播的传播光进行放大,并将放大后的传播光向与基板面交叉的射出方向射出,导电区域具有在从与所述基板面垂直的方向观察时将传播光向与预先规定的方向交叉的方向反射的反射部。(The invention provides a semiconductor optical amplifier, an optical output device and a distance measuring device. In a semiconductor optical amplifier using a distributed Bragg reflector waveguide, the optical output in a predetermined direction is increased as compared with the case where no reflection section is provided. The semiconductor optical amplifier includes: a light source section formed on a substrate; and a light amplification unit including a conductive region formed to extend from the light source unit in a predetermined direction along a substrate surface of the substrate, and a non-conductive region formed around the conductive region, the light amplification unit amplifying propagating light propagating from the light source unit in the predetermined direction and emitting the amplified propagating light in an emission direction intersecting the substrate surface, the conductive region including a reflection unit reflecting the propagating light in a direction intersecting the predetermined direction when viewed from a direction perpendicular to the substrate surface.)

半导体光放大器、光输出装置以及距离测量装置

技术领域

本发明涉及半导体光放大器、光输出装置以及距离测量装置，尤其涉及使用了利用分布式布拉格反射镜的波导的半导体光放大器、使用该半导体光放大器的光输出装置以及距离测量装置。

背景技术

在专利文献1中，关于使用了分布式布拉格反射镜波导的半导体光放大器，公开有发光元件阵列，所述发光元件阵列具有多个半导体层叠结构体，所述半导体层叠结构体具有：发光部，所述发光部形成在基板上；以及光放大部，所述光放大部从发光部沿基板的基板面延伸，所述光放大部的延伸方向上的长度比发光部的延伸方向上的长度长，所述光放大部对从发光部向延伸方向传播的光进行放大，并且从沿延伸方向形成的光射出部射出被放大后的光，多个半导体层叠结构体被配置成各自的光放大部的延伸方向相互大致平行。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2018-032793号公报

发明内容

发明所要解决的课题

本发明的目的在于提供一种半导体光放大器，所述半导体光放大器使用分布式布拉格反射镜波导，与不具有将从光源部向预先规定的方向传播的传播光向与预先规定的方向交叉的方向反射的反射部的情况相比，增大预先规定的方向的光输出。

用于解决课题的手段

第1方式所涉及的半导体光放大器包含：光源部，所述光源部形成于基板上；以及光放大部，所述光放大部包括从所述光源部沿着所述基板的基板面朝向预先规定的方向延伸而形成的导电区域以及形成于所述导电区域的周围的非导电区域，所述光放大部对从所述光源部向所述预先规定的方向传播的传播光进行放大，并将放大后的所述传播光向与所述基板面交叉的射出方向射出，所述导电区域具有反射部，在从与所述基板面垂直的方向观察时，所述反射部将所述传播光向与所述预先规定的方向交叉的方向反射。

第2方式所涉及的半导体光放大器在第1方式所涉及的半导体光放大器中，所述射出方向是向所述传播光的传播方向倾斜的方向。

第3方式所涉及的半导体光放大器在第1方式或第2方式所涉及的半导体光放大器中，所述反射部是如下的所述导电区域的端面，在从与所述基板面垂直的方向观察时，所述导电区域的端面相对于所述预先规定的方向以预先规定的角度倾斜。

第4方式所涉及的半导体光放大器在第3方式所涉及的半导体光放大器中，所述预先规定的角度是5度以上且85度以下。

第5方式所涉及的半导体光放大器在第3方式或第4方式所涉及的半导体光放大器中，所述预先规定的角度是45度以外的角度。

第6方式所涉及的半导体光放大器在第1方式至第5方式中的任一方式所涉及的半导体光放大器中，所述半导体光放大器还包含：形成于所述基板上的第1导电型第1半导体多层膜反射镜；所述第1半导体多层膜反射镜上的有源区；以及所述有源区上的第2导电型第2半导体多层膜反射镜，所述导电区域被构成为包含所述有源区，所述非导电区域是形成在所述第1半导体多层膜反射镜以及所述第2半导体多层膜反射镜中的至少一方的一部分的氧化区域或离子注入区域。

第7方式所涉及的光输出装置包含：第1方式至第6方式中任一方式所述的半导体光放大器；以及聚光部，所述聚光部对从所述半导体光放大器射出的光进行聚光。

第8方式所涉及的距离测量装置包含：第1方式至第6方式中任一方式所涉及的半导体光放大器；受光部，所述受光部接收从所述半导体光放大器射出并由被测量对象物反射的反射光；以及测量部，所述测量部根据所述受光部所接收的反射光而测量到所述被测量对象物为止的距离。

发明效果

根据第1方式、第7方式以及第8方式得到以下效果：提供一种半导体光放大器，所述半导体光放大器使用分布式布拉格反射镜波导，与不具有将从光源部向预先规定的方向传播的传播光向与预先规定的方向交叉的方向反射的反射部的情况相比，增大预先规定的方向的光输出。

根据第2方式得到以下效果：与射出方向向与光的传播方向相反的方向倾斜的情况相比，向远离光源的方向射出光。

根据第3方式得到以下效果：提供一种半导体光放大器，与反射部在从与基板面垂直的方向观察时未向预先规定的方向倾斜的情况相比，增大预先规定的方向的光输出。

根据第4方式得到以下效果：与预先规定的角度小于5度或超过85度的情况相比，更加增大预先规定的方向的光输出。

根据第5方式得到以下效果：与预先规定的角度是45度的情况相比，进一步增大预先规定的方向的光输出。

根据第6方式得到以下效果：在包含形成在基板上的第1半导体多层膜反射镜、有源区以及第2半导体多层膜反射镜的半导体光放大器中，增大预先规定的方向的光输出。

附图说明

图1示出了第1实施方式所涉及的半导体光放大器的结构的一例，图1的(a)是平面图，图1的(b)是剖视图。

图2的(a)是示出比较例所涉及的半导体光放大器的反射部中的反射的平面图，图2的(b)是示出第1实施方式所涉及的半导体光放大器的反射部中的反射的平面图，图2的(c)是示出反射部的倾斜角度是45度时的反射的平面图。

图3的(a)是示出比较例所涉及的半导体光放大器的光输出特性的图表，图3的(b)是示出第1实施方式所涉及的半导体光放大器的光输出特性的图表，图3的(c)是示出反射部的倾斜角度是45度时的光输出特性的图表。

图4的(a)、图4的(b)是示出第1实施方式所涉及的半导体光放大器的反射部的变形例的图。

图5示出了第2实施方式所涉及的光加工装置和距离测量装置，图5的(a)是示出光加工装置的一例的框图，图5的(b)是示出距离测量装置的一例的框图。

图6示出了比较例所涉及的半导体光放大器的结构，图6的(a)是平面图，图6的(b)是剖视图。

符号说明

10 半导体光放大器

18 P电极

30 基板

32 下部DBR

34 有源区

36 上部DBR

40 N电极

50 光放大部

52 光耦合部

54、54A、54B、54C、54D 反射部

56 氧化前沿

58 导电区域

60 非导电区域

64 端部

66 倾斜部

70 光加工装置

71 半导体光放大器

72 透镜

90 距离测量装置

91 半导体光放大器

92 测距传感器

93 测量部

100 半导体光放大器

Lf 正向输出

Lr 反向输出

Po 光输出

Pt 投射光

Pr 接收光

θ 倾斜角度

具体实施方式

以下，参照附图对用于实施本发明的方式进行详细说明。

[第1实施方式]

参照图1至图4，对本实施方式所涉及的半导体光放大器10进行说明。图1的(a)是半导体光放大器10的平面图，图1的(b)是沿图1的(a)所示的A-A’线的剖视图。如图1所示，半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier：SOA)10具有光放大部50、反射部54以及光耦合部52。

光放大部50具有对与光耦合部52耦合的光(种子光)进行放大并射出的功能。光耦合部52是光源部的一例。本实施方式所涉及的光放大部50的一例是使用GaAs系列的分布式布拉格反射镜波导(以下，“DBR(Distributed Bragg Reflector)波导”)的面射出型光放大部。即，光放大部50包含形成在基板30的背面的N电极40、形成在基板30上的下部DBR32、有源区34、上部DBR36、非导电区域60、导电区域58以及P电极18。

在本实施方式中，将基板30设为n型GaAs基板，N电极40设置在基板30的背面。另一方面，本实施方式所涉及的下部DBR32是n型，上部DBR36是p型。在驱动半导体光放大器10时，将驱动用电源的正极施加于P电极18，将负极施加于N电极40，使驱动电流从P电极18向N电极40流动。但是，基板30、下部DBR32、上部DBR36的极性并不限于此，也可以使它们的极性相反，也就是将基板30设为p型GaAs基板，将下部DBR32设为p型，将上部DBR36设为n型。

下部DBR32与以下说明的上部DBR36成对，构成了半导体光放大器10中的有助于发光的谐振器。下部DBR32是将如下的两个半导体层交替重复层叠而构成的多层膜反射镜，在将半导体光放大器10的振荡波长设为λ并且将介质(半导体层)的折射率设为n的情况下，该两个半导体层的膜厚分别为0.25λ/n，并且两者的折射率相互不同。作为具体的一例，下部DBR32通过将由Al_0.90Ga_0.1As构成的n型低折射率层和由Al_0.2Ga_0.8As构成的n型高折射率层交替重复层叠而构成。

本实施方式所涉及的有源区34例如也可以包含下部间隔层、量子阱有源区以及上部间隔层(省略图示)。本实施方式所涉及的量子阱有源区例如也可以包括四层由Al_0.3Ga_0.7As构成的阻挡层和设置在阻挡层之间的三层由GaAs构成的量子阱层。另外，下部间隔层、上部间隔层通过分别配置在量子阱有源区与下部DBR32之间以及量子阱有源区与上部DBR36之间，具有调节谐振器的长度的功能，并且还具有作为用于限制载流子的覆层(clad)的功能。

设置在有源区34上的非导电区域60以及导电区域58是P型氧化物限制层，即电流限制层。即，非导电区域60与氧化区域对应，导电区域58与非氧化区域对应。在本实施方式中，使构成上部DBR36的多层膜中的一层氧化而形成非导电区域60(氧化区域)，除该一层非导电区域60以外的区域成为未被氧化的导电区域58(非氧化区域)。从P电极18朝向N电极40流动的电流通过导电区域58而变窄。另外，在本实施方式中，例示将非导电区域60(氧化区域)形成在上部DBR36的一层的方式而进行说明，但是并不限于此，可以设成形成在上部DBR36的多个层的方式，也可以设成形成在下部DBR32的方式。

在本实施方式所涉及的半导体光放大器10中，导电区域58与非导电区域60的界面(以下称作“氧化前沿”56)沿着从光耦合部52导入并在DBR波导中传播的传播光的传播方向(从图1纸面左侧向右侧的方向)延伸，在与光耦合部52相反的一侧的氧化前沿56的端面形成有反射该传播光的反射部54。本实施方式所涉及的反射部54由如下的氧化前沿56的端面构成，如图1的(a)所示，该氧化前沿56的端面在俯视时(从与基板30垂直的方向观察时)向与传播光的行进方向交叉的方向倾斜。非导电区域60通过在半导体光放大器10的制造工序中从周围对至少到上部DBR的下部为止形成为台面形状的半导体光放大器进行氧化处理而形成。因而，在半导体光放大器10的外形设置有与反射部54的外形相符的部分，即沿反射部54的倾斜部66。在后面对反射部54的作用等详细内容进行叙述。另外，在本实施方式中，例示通过氧化而形成非导电区域60的方式而进行说明，但是并不限于此，也可以设成例如通过离子注入等而形成的方式。

上部DBR36是将两个半导体层交替重复层叠而构成的多层膜反射镜，两个半导体层的膜厚分别是0.25λ/n，并且两个半导体层的折射率相互不同。作为具体的一例，上部DBR36通过将由Al_0.90Ga_0.1As构成的p型低折射率层和由Al_0.2Ga_0.8As构成的p型高折射率层交替重复层叠而构成。

本实施方式所涉及的光耦合部52是对生成输入到半导体光放大器10的输入光(种子光)的光源进行耦合的部位。在本实施方式中，从省略图示的外部光源经由光纤传播输入光，使该光纤的输出端与作为半导体光放大器10的光源部发挥功能的光耦合部52耦合，将输入光导入到DBR波导。作为外部光源，例如使用表面发射激光器(VCSEL：Vertical CavitySuface Emitting Laser，垂直腔面发射激光器))。另外，在本实施方式中，例示从外部导入种子光的光源的方式而进行说明，但是并不限于此，也可以设成在半导体光放大器10的配置有光耦合部52的区域，与半导体光放大器10一体地形成作为光源部发挥功能的例如VCSEL等发光元件的方式。另外，在本实施方式中，输入种子光，并向半导体光放大器10注入电流，从而对种子光进行放大并输出，但是也可以向比有源区34所具有的增益的波长谱的峰波长靠长波长侧的位置输入种子光。通过这样，提高模式可控性。优选将种子光设定为增益的峰强度的十分之一以下的强度的波长。

在此，对本实施方式所涉及的DBR波导进行更详细的说明。从光耦合部52导入的激励光沿着从纸面左侧朝向右侧的传播方向传播。此时，如图1的(b)所示，传播光以规定的分布而主要在下部DBR32、有源区34、导电区域58、上部DBR36中传播。因而，“DBR波导”包含这些部分。而且，在本实施方式中，在作为DBR波导的一部分的导电区域58的端部(氧化前沿56)形成有反射部54，传播光由反射部54反射。即，由于非导电区域60对导电区域58进行氧化而形成，因此非导电区域60的折射率比导电区域的折射率下降。因此，DBR波导的包含导电区域58的区域的等效折射率比DBR波导的包含非导电区域60的等效折射率高，传播光由作为导电区域58与非导电区域60的界面(氧化前沿56)的反射部54反射。

然而，使用了DBR波导的半导体光放大器由设置在半导体基板上的一对DBR、位于一对DBR之间的有源区以及谐振器间隔层构成。被DBR夹持的区域作为光波导发挥功能，输入到该DBR波导内的光向倾斜方向多次反射的同时进行慢光传播。此时，若通过设置在DBR的两侧的P电极18、N电极40向有源区34注入电流，则输入光被放大，朝向斜前方方向输出放大光束(以下称作“正向输出Lf”)，所述斜前方方向是与基板面交叉的方向并且向传播光的DBR波导的传播方向前方倾斜的方向。另一方面，将由输入侧与相反侧的边界部反射并朝向斜后方方向输出的输出光称作“反向输出Lr”，所述斜后方方向是与基板面交叉的方向并且向传播光的DBR波导的传播方向后方倾斜的方向。

即，半导体光放大器10的设置有P电极18、N电极40的区域(被P电极18和N电极40夹持的区域)兼具光波导和光放大部的功能，被放大的光向与基板30的面交叉的方向射出。即，使用DBR波导的半导体光放大器构成了面射出型半导体光放大器。另一方面，通过以下方法向该放大部输入光：利用蚀刻而去除DBR的一部分，制作反射率降低的光入射部(光耦合部52)，使外部光倾斜地入射并耦合，或者将光源(发光部)作为半导体光放大器的一部分而横向集成，使向光放大部发散的光传播。

如上述，在如半导体光放大器10这样的使用DBR波导的半导体光放大器中，输出除了包含正向输出Lf之外、还包含射出方向与正向输出Lf不同的反向输出Lr的输出光。在此，半导体光放大器10的光输出的方向为两个是很不方便的，希望整合成至少某一方，但是在该情况下优选整合成正向输出Lf。这是因为，在反向输出Lr的情况下，例如接收反向输出Lr的光学系统和与光耦合部52耦合的光学系统容易引起配置上的干扰。另一方面，在正向输出Lf的情况下，由于向远离光源的方向射出光，因此例如不易产生光学系统的干扰。

但是，若与光耦合部52耦合并输入的光或从集成的发光部输入的光在被DBR对夹持的区域中传播，通过输入侧与相反侧的边界部(反射部54)中的反射而产生回光，则半导体光放大器的动作不稳定，存在在正向上无法得到稳定的放大光输出之类的课题。

参照图6对上述课题进行更详细的说明。图6是与图1所示的半导体光放大器10同样地具有光放大部50以及光耦合部52的比较例所涉及的半导体光放大器100。图6的(b)是沿图6的(a)所示的B-B’线的剖视图。另外，在以下说明中，对与半导体光放大器10相同的结构标注相同的符号，省略详细的说明。

如图6的(a)所示，半导体光放大器100具有以氧化前沿56为边界的导电区域58以及非导电区域60。而且，导电区域58的与光耦合部52相反的一侧的端部64是与传播光的传播方向垂直的方向。即，端部64相对于传播光的传播方向未倾斜。

在具有以上结构的半导体光放大器100中，从光耦合部52入射的输入光向端部64的方向传播的同时被放大，并且朝向传播方向并且向前方倾斜的方向作为正向输出Lf输出。另一方面，由端部64反射的传播光向光耦合部52的方向作为回光返回，并且朝向传播方向并且向后方倾斜的方向输出反向输出Lr。在半导体光放大器100的情况下，如图6的(b)所示，反向输出Lr在DBR波导整体范围内输出。因此，在比较例所涉及的半导体光放大器100中，由于传播光和回光共存，并且光能量被分配至反向输出Lr，因此正向输出Lf减少。这是上述课题的产生机理。

针对上述课题，在本实施方式中，将半导体光放大器中的使DBR波导的传播光向与传播方向交叉的方向反射的反射部设置在DBR波导的端部。由此，回光在传播中途衰减，抑制了传播光与回光的干扰，因此能够提供面射出型半导体光放大器，与不具有这样的反射部的情况相比，增大预先规定的方向的光输出(正向输出Lf)。

再次参照图1的(a)，由于半导体光放大器10的反射部54向与传播光的传播方向交叉的方向倾斜，因此即使传播光的大部分由反射部54反射，也不向光耦合部52的方向返回，如图1的(b)所示那样在中途衰减并消失。其结果是，传播光成为主导，因此分配至反向输出Lr的光能量减少，转向正向输出Lf的光能量增加，即正向输出Lf增加。

接着，参照图2以及图3，对体现半导体光放大器10的上述效果的作用进行更详细的说明。图2是示出导电区域的端部的倾斜角度θ不同时的传播光(行波)与回光(反射波)的差异的图。在本实施方式中，用如图2所示那样从与传播方向垂直的方向测量的角度定义端部的倾斜角度θ。即，图2的(a)示出了倾斜角度θ为θ＝0度时的反射部54A，图2的(b)示出了倾斜角度θ为θ＝15度时的本实施方式所涉及的反射部54，图2的(c)示出了倾斜角度θ为θ＝45度时的反射部54B。在此，图2的(a)所示的反射部54A相当于图6所示的半导体光放大器100的端部64。另外，图2所示的传播光、回光的光路只示出了主要成分的光路。

如图2的(a)所示，在倾斜角度θ为0度的情况下，由反射部54A反射的传播光作为回光沿着与入射光路相同的光路向光耦合部52的方向返回。如图2的(c)所示，在倾斜角度θ为45度的情况下，由反射部54B反射的传播光暂时向与传播光的方向垂直的方向反射，但是再次由反射部54B反射，作为回光而沿着与入射光路相同的光路向光耦合部52的方向返回。与此相对，在倾斜角度θ为15度的情况下，在由反射部54反射之后，在与氧化前沿56之间被反射。在该反射的过程中，由于如图1的(b)所示回光在中途消失，因此反向输出Lr减少。由此，在本实施方式所涉及的半导体光放大器10中，能够将输出光集中于正向输出Lf。

图3示出了反射部为图2的各图所示的结构的半导体光放大器的光输出，图3(a)示出了倾斜角度θ为0度时的正向输出Lf以及反向输出Lr，图3的(b)示出了倾斜角度θ为15度时的正向输出Lf以及反向输出Lr，图3的(c)示出了倾斜角度θ为45度时的正向输出Lf以及反向输出Lr。正向输出Lf以及反向输出Lr通过在各自的光输出的方向上配置的两个受光部件而测量。

如图3的(a)所示可知，在倾斜角度θ为0度的情况下，光输出的大部分是反向输出Lr，只输出少量的正向输出Lf。如图3的(c)所示，在倾斜角度θ为45度的情况下，光输出的大部分也是反向输出Lr，只输出少量的正向输出Lf。与此相对，在倾斜角度为15度的情况下，大部分为正向输出Lf，几乎不产生反向输出Lr。另外，本实施方式所涉及的倾斜角度θ并无特别限制，但是优选为5度以上且85度以下。并且，倾斜角度θ优选为45度以外的角度。

在此，参照图4对构成导电区域58的端部的反射部54的形状进行说明。在图1的(a)中，例示作为反射部54是与传播方向交叉的方向的氧化前沿56的一个平面的方式而进行了说明，但是并不限于此。例如，如图4的(a)所示，也可以设成在导电区域58的端部的一部分具有相对于传播方向倾斜的反射面的反射部54C。或者，如图4的(b)所示，也可以设成在导电区域58的端部具有相对于传播方向朝向相互相反的方向倾斜的两个倾斜面的反射部54D。反射部54C或54D也得到与反射部54相同的效果。

[第2实施方式]

接着，参照图5对本实施方式所涉及的光输出装置以及距离测量装置进行说明。图5的(a)示出了作为本发明所涉及的光输出装置的一例的光加工装置70的框图，图5的(b)示出了距离测量装置90的框图。

如图5的(a)所示，光加工装置70包括半导体光放大器71以及聚光用透镜72。半导体光放大器71例如是上述实施方式所涉及的半导体光放大器10。如图5的(a)所示，从半导体光放大器71射出的光通过透镜72聚光，作为输出光Po照射到加工对象物OB1，进行加工对象物OB1中的加工处理。

另一方面，如图5的(b)所示，距离测量装置90包括半导体光放大器91、测距传感器92以及测量部93。半导体光放大器91例如是上述实施方式所涉及的半导体光放大器10。并且，测距传感器92由例如光电二极管等受光元件构成，测量部93以CPU、ASIC等半导体元件为中心构成。

在距离测量装置90中，从半导体光放大器91射出的投射光Pt照射到被测量物OB2(例如人或物)，由被测量物OB2反射的反射光作为接收光Pr输入到测距传感器92。输入到测距传感器92的接收光Pr变换成电信号，在测量部93中根据该电信号执行预先规定的运算处理，例如测量距离测量装置90与被测量物OB2之间的距离。

出于例示和说明的目的而已经提供了本发明的示例性实施方式的前述说明。该说明并非旨在穷举或将本发明限于所公开的精确形式。显然，许多修改和变化对于本领域技术人员来说是显而易见的。选择和描述的实施方式是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域其他技术人员能够理解本发明的各种实施方式和适合于预期的特定用途的各种修改。本发明的范围旨在由随附权利要求及其等同物限定。