JP6825843B2 - Surface emitting semiconductor laser device and its failure detection method - Google Patents
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Description
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。 The present embodiment relates to a surface emitting semiconductor laser device and a failure detection method thereof.
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に放射する面発光型レーザダイオードの一種で、GaAs、InGaAs、AlGaAs等の半導体薄膜を縦方向に積層して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、車載用の機器に搭載され、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。 Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) is a type of surface emitting laser diode that emits light in the direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate, and is a type of surface emitting laser diode that emits semiconductor thin films such as GaAs, InGaAs, and AlGaAs in the vertical direction. A pn junction is provided on the top and bottom of the cavity, and reflection mirrors are formed on the top and bottom to form a resonator, and the resonator multiplex reflects the light up and down to generate phase-matched light. For example, a VCSEL is mounted on an in-vehicle device and is used in an inter-vehicle distance measuring system for measuring an inter-vehicle distance with a vehicle in front.
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。 In recent years, standards for safety functions (for example, functions such as fail-safe, anomaly detection, and safe stop) for all parts mounted on automobiles are being reviewed. In particular, many in-vehicle devices are electrically / electronically controlled, and not only high performance and high functionality but also ensuring safety is an important need.
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。VCSELを車間距離測定システムなどに利用する場合、システム的な重大事故を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。 ISO 26262, an international standard that systematically summarizes development methods and management methods for safe in-vehicle devices, has been established. When the VCSEL is used in an inter-vehicle distance measurement system or the like, it is desired to detect the failure (deterioration) of the VCSEL as soon as possible in order to avoid a serious systematic accident in advance.
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。 The present embodiment provides a surface emitting semiconductor laser device capable of quickly detecting a failure of a VCSEL and a method for detecting the failure thereof.
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、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とを備える面発光型半導体レーザ装置が提供される。
According to one aspect of the present embodiment, the surface emitting laser diode, the plurality of photodiodes arranged around the surface emitting laser diode, and the variation in the light receiving level of each of the plurality of photodiodes are used. The present invention provides a surface emitting semiconductor laser device including a failure detecting circuit for detecting a failure of the surface emitting laser diode .
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。 According to another aspect of the present embodiment, there is a failure detection method for a surface emitting semiconductor laser device including a surface emitting laser diode and a plurality of photodiodes arranged around the surface emitting laser diode. Therefore, a failure detection method is provided in which a failure detection circuit detects a failure of the surface emitting laser diode based on a variation in the light receiving level of each of the plurality of photodiodes.
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。 According to the present embodiment, it is possible to provide a surface emitting semiconductor laser device capable of quickly detecting a failure of a VCSEL and a method for detecting the failure thereof.
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。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings below, the same or similar parts are designated by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the plane dimension, the ratio of the thickness of each layer, etc. are different from the actual ones. Therefore, the specific thickness and dimensions should be determined in consideration of the following explanation. In addition, it goes without saying that the drawings include parts having different dimensional relationships and ratios from each other.
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、構成部品の材質、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。 Further, the embodiments shown below exemplify devices and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the embodiments of the present invention include materials, shapes, structures, and components of components. The arrangement etc. is not specified as the following. The embodiments of the present invention can be modified in various ways within the scope of the claims.
[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、レーザ発光素子と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。
[Basic technology]
FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a surface emitting semiconductor laser device according to a basic technique. Electrically, the laser emitting element and the light receiving element are formed above and below the common terminal arranged near the center, but optically, the semiconductor reflection that constitutes the resonator of the surface emitting laser unit. The feature is that a light receiving portion is formed in the mirror.
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。
On the
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、レーザ光の出射方向は、図1の矢印に示されるように、上側である。
An annular p-
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。
In terms of an electric circuit, an n-type multilayer film
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。
Next, a configuration example of each layer is shown. First, as the
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。
The n-type multilayer film
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。
The n-type clad
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。
The
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。
The
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。
The p-type clad
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。
The p-
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。
The p-type current block layer 9 is composed of, for example, an Al 0.98 Ga 0.02 As layer having a thickness of 200 to 500 Å. Further, carbon (C) is used as the p-type dopant, and the carrier concentration of the carbon doping is formed to be 1 × 10 18 to 3 × 10 19 cm -3 . Further, the p-type current block layer 9 is composed of a
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。
The p-type multilayer film
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のコンタクト抵抗を下げることができる。
The p-
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。
It is composed of an n-type clad
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。
As an example, the mesa diameter of the mesa region can be about 30 μm, and the diameter of the
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。
The DBR layer will be described. Taking the n-side multilayer film
[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。
[Embodiment]
Hereinafter, the surface emitting semiconductor laser device according to the embodiment will be described. In the following, the differences from the surface emitting semiconductor laser device according to the basic technology will be described.
(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。
(Outline of surface emitting semiconductor laser device)
FIG. 2 shows a cross-sectional structure of the surface emitting semiconductor laser device according to the embodiment. As shown in FIG. 2, this surface-emitting semiconductor laser device includes a VCSEL (surface emitting laser diode) and a plurality of photodiodes arranged around the VCSEL.
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。 Further, a failure detection circuit for detecting a failure of the VCSEL based on the variation in the light receiving level of each of the plurality of photodiodes may be provided.
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。 Further, the failure detection circuit may detect a failure based on the variation in the amount of change from the initial value of the light receiving level.
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。 Further, the failure detection circuit may determine that the failure occurs when the light receiving level of the specific photodiode is lower than the light receiving level of the other specific photodiode by a predetermined ratio or more.
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。 Further, even if the failure detection circuit determines that the failure occurs when the light receiving level of one of the eight photodiodes is lower than the light receiving level of the remaining seven photodiodes by a predetermined ratio or more. Good.
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。 Further, even if the failure detection circuit determines that the failure occurs when the light receiving level of two of the eight photodiodes is lower than the light receiving level of the remaining six photodiodes by a predetermined ratio or more. Good.
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。 Further, the failure detection circuit may compare the light receiving levels of the photodiodes arranged diagonally among the plurality of photodiodes.
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。 Further, the failure detection circuit may compare the light receiving levels of adjacent photodiodes among a plurality of photodiodes.
また、故障検知回路は、VCSELの故障を検知した場合、故障検知信号を送出してもよい。 Further, the failure detection circuit may send a failure detection signal when detecting a failure of the VCSEL.
さらに、VCSELのパワーを一定値に保つフィードバック機構を備えてもよい。 Further, a feedback mechanism for keeping the power of the VCSEL constant may be provided.
また、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ってもよい。 Further, the VCSEL and the plurality of photodiodes may be manufactured by collectively growing crystals.
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。 Further, a plurality of such VCSELs may be arranged on one PCB substrate.
(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。
(Details of surface emitting semiconductor laser device)
FIG. 3 is a bird's-eye view of the surface emitting semiconductor laser device according to the embodiment. As shown in FIG. 3, the VCSEL and the plurality of photodiodes are manufactured by collectively growing crystals. Specifically, an n-type multilayer film
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。
It is composed of an n-type clad
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。
FIG. 4 is a plan view of the surface emitting semiconductor laser device according to the embodiment, and FIG. 5 is a sectional view taken along line II shown in FIG. As shown in FIGS. 4 and 5, the surrounding
(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。
(Change in light receiving level)
FIG. 6 is a graph showing changes in the light receiving level of each of the eight photodiodes PD1 to PD8 included in the surface emitting semiconductor laser device according to the embodiment. The vertical axis represents the current value flowing through each of the eight photodiodes PD1 to PD8, and the horizontal axis represents time. As shown in FIG. 6, the initial values of the current values flowing through each of the eight photodiodes PD1 to PD8 are almost the same. After that, the case where the current value flowing through the two photodiodes PD1 and PD5 is reduced by a predetermined ratio or more (for example, 20% or more) as compared with the other photodiodes is illustrated. In such a case, the individual controller (fault detection circuit) described later determines that the VCSEL has failed.
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。 FIG. 7 is a graph showing changes in the light receiving level of each of the eight photodiodes PD1 to PD8 included in the surface emitting semiconductor laser apparatus according to the embodiment, and FIG. 7A is a graph showing the change in the light receiving level of each of the eight photodiodes PD1 to PD8. b) shows a case where a feedback mechanism is provided. The feedback mechanism is a mechanism that monitors the power of the VCSEL and keeps the power of the VCSEL at a constant value. As shown in FIG. 7A, when the feedback mechanism is not provided, a constant current flows through the VCSEL, so that only the current values flowing through the two failed photodiodes PD1 and PD5 decrease. On the other hand, as shown in FIG. 7B, when the feedback mechanism is provided, the current value flowing through the VCSEL is increased by the amount of the decrease in the current value flowing through the two photodiodes PD1 and PD5. As a result, the current value flowing through the remaining photodiodes PD1, PD3, PD4, PD6, PD7, and PD8 that have not failed increases by Δ, and the total amount of light is maintained at a constant value.
(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。
(Failure pattern)
FIG. 8 is a plan view schematically showing the opening AP of the VCSEL when the surface emitting semiconductor laser device according to the embodiment fails. As a result of experiments by the present inventors, it was found that a bright region and a dark region tend to appear symmetrically in the opening AP as shown in FIG. Specifically, the four regions DS1, DS2, DS3, and DS4 around the diamond-shaped region PH in the central portion of the opening AP are darker.
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。 In such a case, it is desirable to determine that the VCSEL has failed earlier than to increase the current value by the feedback mechanism. Of course, there are various failure patterns. In order to avoid serious systematic accidents in advance, it is desirable to detect various failure patterns as soon as possible.
(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。
(PD placement example)
FIG. 9 is a plan view schematically showing an arrangement example of photodiodes in the surface emitting semiconductor laser device according to the embodiment. As shown in FIG. 9, eight photodiodes PD1 to PD8 may be arranged around the VCSEL at regular intervals. Here, the photodiodes PD1 and PD5, the photodiodes PD2 and PD6, the photodiodes PD3 and PD7, and the photodiodes PD4 and PD8 are arranged diagonally with the VCSEL in between, respectively. With such an arrangement, it is possible to accurately detect the diamond-shaped failure pattern as shown in FIG.
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。 The method for detecting the failure pattern is not limited to this. That is, FIG. 9 illustrates a case where a failure is detected by focusing on two photodiodes arranged diagonally across the VCSEL, but for example, focusing on only one photodiode. You may detect the failure. Of course, the number and arrangement of the photodiodes are not limited to those shown in FIG. 9, and can be changed as appropriate.
(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。
(Operation example)
FIG. 10 is a flowchart showing an operation example of the surface emitting semiconductor laser device according to the embodiment. Here, too, the case where eight photodiodes PD1 to PD8 are arranged around the VCSEL at regular intervals will be described.
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。 First, the individual controller, after storing the initial values of the eight respective light receiving level of the photodiode PD1~PD8 the memory (S1), eight variation of each of the light receiving level of the photodiode PD1~PD8 Δ 1 calculating a ~Δ 8 (S2). Variation Δ 1 ~Δ 8 is the difference between the received light level of the initial value and the current stored in the memory.
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。 Then, the individual controller determines whether the variation of the amount of change Δ 1 ~Δ 8 exceeds a predetermined reference value (S4). There are various determination methods, and the determination method is not particularly limited. For example, a failure may be determined when the light receiving level of two photodiodes out of the eight photodiodes PD1 to PD8 is lower than the light receiving level of the remaining six photodiodes by a predetermined ratio or more. It is desirable that the two photodiodes are arranged diagonally with the VCSEL in between. Specifically, there are four sets of photodiodes PD1 and PD5, photodiodes PD2 and PD6, photodiodes PD3 and PD7, and photodiodes PD4 and PD8.
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)。 Here, the individual controller, if the variation in the change amount Δ 1 ~Δ 8 is determined to exceed the predetermined reference value (S4: YES), sends a failure detection signal to the microcomputer (not shown) (S4 → S5) .. On the other hand, if the variation in the change amount Δ 1 ~Δ 8 is determined not to exceed a predetermined reference value (S4: NO), to continue the failure detection processing (S4 → S2).
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)。 The same applies to the case where a feedback mechanism is provided. That is, when the power of the VCSEL falls below a certain value (S3: NO), the value of the current flowing through the VCSEL is increased to keep the power of the VCSEL at a constant value (S3 → S6 → S2). Even when such feedback control is performed, the light receiving level varies between the failed photodiode and the non-failed photodiode (see FIG. 7B). Therefore, as described above, it is possible to deliver a failure detection signal based on a variation in the receiving level of the variation Δ 1 ~Δ 8 (S3 → S4 → S5).
(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。
(Circuit configuration)
FIG. 11 is a circuit configuration diagram of the surface emitting semiconductor laser device according to the embodiment. Here, too, the case where eight photodiodes PD1 to PD8 are arranged around the VCSEL at regular intervals will be described. In the following description, each route of the eight photodiodes PD1 to PD8 will be referred to as ch (channel).
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。
First, to convert the current of the eight photodiodes PD1~PD8 the voltage at the I /
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。
Specifically, the
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。
Alternatively, the
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。 Of course, the combination of m and n is not limited to a specific combination (1,5). When eight photodiodes PD1 to PD8 are arranged around the VCSEL at regular intervals, at least one set of (1,5) (2,6) (3,7) (4,8) is used. All you need is.
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。 Further, the combination of m and n is not limited to the two diagonal combinations (1,5) (2,6) (3,7) (4,8), and any combination can be adopted. .. This makes it possible to determine the necessity of replacement, such as whether or not the failure is progressing.
(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。
(Specific example of circuit configuration: basic circuit)
FIG. 13 is a specific example of the circuit configuration shown in FIG. Hereinafter, the parts different from those in FIGS. 11 and 12 will be mainly described, and detailed description of the same parts will be omitted.
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変換後のデジタル信号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。
As shown in FIG. 13, the amplified
(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。
(Specific example of circuit configuration: Compare with the average value of 8)
FIG. 14 is a specific example of the circuit configuration shown in FIG. Hereinafter, the parts different from those in FIGS. 11 to 13 will be mainly described, and detailed description of the same parts will be omitted.
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。
As shown in FIG. 14, the characteristics of the eight photodiodes PD1 to PD8 may be compared to determine whether or not there is a channel that deviates from the expected value. Specifically, the IV-converted value of each channel and the average value Ave of all channels are compared by the comparison circuits 71 to 78. By normalizing Σ (Δ remaining channels) to 1, the same function can be realized without using the
(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。
(Specific example of circuit configuration: Compare with diagonal position, etc.)
FIG. 15 is a specific example of the circuit configuration shown in FIG. Hereinafter, the parts different from those in FIGS. 11 to 14 will be mainly described, and detailed description of the same parts will be omitted.
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。
As shown in FIG. 15, the characteristics of the two photodiodes may be compared by the
(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。
(Specific example of circuit configuration: Correct 8 initial values)
FIG. 16 is a specific example of the circuit configuration shown in FIG. Hereinafter, the parts different from those in FIGS. 11 to 15 will be mainly described, and detailed description of the same parts will be omitted.
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。
As described above, in order to monitor the degree of decrease in the light receiving level of the eight photodiodes PD1 to PD8, it is necessary to store the eight initial values. Therefore, as shown in FIG. 16, after the voltage is amplified by the
(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。
(Specific example of circuit configuration: Correct 8 initial values)
FIG. 18 is a specific example of the circuit configuration shown in FIG. Hereinafter, the parts different from those in FIGS. 11 to 17 will be mainly described, and detailed description of the same parts will be omitted.
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。
As shown in FIG. 18, a
(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。
(Feedback mechanism)
FIG. 19 is a plan view showing a power monitor photodiode PDm included in the surface emitting semiconductor laser device according to the embodiment. As shown in FIG. 19, apart from the eight photodiodes PD1 to PD8, a power monitor photodiode PDm for monitoring the power of the VCSEL may be provided. The VCSEL laser light hv1 to hv8 is received by each of the eight photodiodes PD1 to PD8, and the VCSEL laser light hvp is received by the power monitor photodiode PDm. This makes it possible to realize a feedback mechanism based on the current value flowing through the power monitor photodiode PDm.
(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。
(Inter-vehicle distance measurement system)
FIG. 20 is a functional block diagram showing an inter-vehicle distance measurement system to which the surface emitting semiconductor laser device according to the embodiment is applied. As shown in FIG. 20, this inter-vehicle distance measurement system includes a
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。
It is assumed that the
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。 In such an inter-vehicle distance measurement system, not only high performance and high functionality but also ensuring safety is an important need. ISO 26262, an international standard that systematically summarizes development methods and management methods for safe in-vehicle devices, has been established.
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。
Therefore, when the
(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。
(Sensor module)
FIG. 21 is a plan view of a sensor module to which the surface emitting semiconductor laser device according to the embodiment is applied. As shown in FIG. 21, the
(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。
(Multi-chip)
FIG. 22 is a plan view when a plurality of surface emitting semiconductor laser devices according to the embodiment are arranged on one
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。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide a surface emitting semiconductor laser device capable of quickly detecting a failure of a VCSEL and a method for detecting the failure thereof.
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。 In the present embodiment, VCSEL is exemplified as the surface emitting laser diode, but it is also possible to adopt a surface emitting laser diode other than VCSEL.
[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。
[Other embodiments]
As mentioned above, although described by embodiment, the discourses and drawings that form part of this disclosure should not be understood to limit the invention. This disclosure will reveal to those skilled in the art various alternative embodiments, examples and operational techniques.
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。 As described above, it goes without saying that the present invention includes various embodiments not described here. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the matters specifying the invention relating to the reasonable claims from the above description.
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。 This embodiment can be applied to electronic devices in various fields such as automobiles, aircraft, ships, railways, rockets, medical devices, industrial machines, and robots.
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
1 ...
62 ...
120 ...
PD1 to PD8 ... Photodiode PDm ... Power monitor / photodiode hv ... Laser light
Claims (21)
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、
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。 Surface emitting laser diode and
A plurality of photodiodes arranged around the surface emitting laser diode ,
A surface-emitting semiconductor laser device including a failure detection circuit that detects a failure of the surface-emitting laser diode based on a variation in the light receiving level of each of the plurality of photodiodes .
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。 A failure detection method, characterized in that a failure detection circuit detects a failure of the surface emitting laser diode based on a variation in the light receiving level of each of the plurality of photodiodes.
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