CN102545039A - 面发射激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及面发射激光器。所述面发射激光器包括台阶状结构，所述台阶状结构包含具有不同厚度的部分。在台阶状结构的所述部分中的每一个中，从在台阶状结构之上限定的并且与基板平行地延伸的平面到上部反射镜与台阶状结构之间的界面的光路长度被设为特定的值。

Description

面发射激光器
技术领域
本发明涉及面发射激光器。
背景技术
垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface emitting laser，VCSEL)被用作包含于电子照相图像形成设备中的曝光光学系统的光源。
用作图像形成设备的光源的面发射激光器被希望以单横向模式(single transverse mode)振荡。
日本专利公开No.2001-284722公开了一种通过在面发射激光器的输出表面上设置起伏(relief)结构(即，台阶状(stepped)结构)而使得面发射激光器以单横向模式振荡的技术。
即，配置台阶状结构使得其在发射区域的中心部分中延伸的部分的反射率比其在发射区域的外部延伸的部分的反射率高。与高次横向模式(higher-order transverse mode)中的光强的分布相比，在基本横向模式(fundamental transverse mode)中，光强的分布集中在中心部分。此外，台阶状结构的存在增大中心部分中的反射率。因此，可选择性地导致基本横向模式的光振荡。因此，提供单横向模式面发射激光器。
这种面发射激光器可包括限定活性层的发射区域的氧化禁闭(oxidized confinement)结构。通过从包含半导体层的台面(mesa)结构的侧壁向着该结构的中心使该半导体层氧化，获得氧化禁闭结构。氧化禁闭结构在其氧化的并因此绝缘的区域(外部区域)中比在其半导体区域(中心区域)中具有更低的折射率，由此形成折射率引导结构。因此，氧化禁闭结构确定共振模式的轮廓(profile)。
一般地，面发射激光器的腔的基本横向模式形成表示对称强度分布的函数曲线。基本横向模式的强度分布基本上与近场(near field)中的光强分布相符。近场中的光强分布，即近场图案(NFP)是表示对称强度分布的函数曲线。近场中的光的相位分布(波前)是均匀的(even)，从而形成与共振方向垂直的平面。
通过近场中的光分布(电场复幅度)的傅立叶变换而获得远场中的光分布(电场复幅度(complex amplitude))。如果在近场中光强分布是对称的并且相位分布是均匀的，那么远场中的相位分布是均匀的。近场图案(NFP)指的是近场(紧接在光输出面之后的平面)中的电场强度分布。远场图案(FFP)指的是以光源为中心的半径为∞的球面中的电场强度分布。
在由日本专利公开No.2001-284722公开的包括台阶状结构的面发射激光器中，台阶状结构在中心部分和外部具有不同的光路长度。因此，近场波前被台阶状结构调制，从而使得远场相位分布不均匀。因此，远场波前从以光源为中心的基准球面偏移，从而导致波前像差。
特别地，当使用面发射激光器作为图像形成设备的光源时，希望包含于图像形成设备中的曝光光学系统的入射光瞳中的波前与基准球面相符。如果入射光瞳中的波前与基准球面不相符，那么在聚焦或散焦(defocus)时，成像位置从像平面中的关于光源的共轭点偏移。
发明内容
本发明提供包括台阶状结构的面发射激光器，所述面发射激光器被配置为产生反射率分布并由此控制横向模式，使得远场中的波前像差减少。
根据本发明的一个方面，一种面发射激光器，所述面发射激光器被配置为以波长λ振荡，包括：基板；多层结构，设置在基板上，并且包含下部反射镜(rear mirror)、活性层和上部反射镜(front mirror)；以及第一台阶状结构，设置在上部反射镜上，并且包含在发射区域的中心部分中限定的第一区域中延伸的部分和在发射区域内的第一区域的外侧限定的第二区域中延伸的部分，这些部分具有不同的厚度。第一台阶状结构包含第一结构，所述第一结构由具有比环境介质的折射率n0大的折射率n1的第一材料制成。使第一区域和第二区域中的第一结构的实际厚度分别为d11和d12，则以下的关系成立：
|n1(d11-d12)|＝λ/4×(2M-1)，
这里，M是整数。关于从在第一台阶状结构之上限定并且与基板平行地延伸的平面到上部反射镜与第一台阶状结构之间的界面的光路长度，第一区域中的光路长度L1和第二区域中的光路长度L2关于使|L2-L1-Nλ|最小化的整数N满足以下的表达式：
|L2-L1-Nλ|＜(λ/4)×(1-n0/n1)。
根据本发明的以上方面，包括台阶状结构的面发射激光器产生反射率分布并由此控制横向模式，由此减少远场中的波前像差。
参照附图阅读示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清晰。
附图说明
图1是在本发明的第一实施例中描述的包括凹的台阶状结构的面发射激光器的示意图。
图2是在第一实施例中描述的凸的台阶状结构的示意图。
图3A和图3B是示出在第一实施例中描述的示例性计算的结果的曲线图。
图4是在本发明的第二实施例中描述的面发射激光器的示意图。
图5是在第二实施例中描述的另一面发射激光器的示意图。
图6是在第二实施例中描述的又一面发射激光器的示意图。
图7是在第二实施例中描述的再一面发射激光器的示意图。
图8是在本发明的第三实施例中描述的面发射激光器的示意图。
图9A～9D示出制造在第三实施例中描述的面发射激光器的方法。
图10A～10E示出制造在第三实施例中描述的面发射激光器的另一方法。
图11A和11B示出在实施例中的任一个中描述的面发射激光器对于图像形成设备的曝光光源的示例性应用。
具体实施方式
根据标量衍射理论(scalar diffraction theory)，被乘以复透射系数分布的面发射激光器的共振模式分布被视为可从中获得远场中的电场复幅度的近场中的近似电场复幅度，所述复透射系数分布是由包含于面发射激光器中的上部反射镜和台阶状结构的组合产生的。在射束的中心区域中，由上面的近似而计算出的远场图案(FFP)和基于实验的FFP彼此较好地相符。
在图像形成设备的曝光光学系统中，借助于光阑来选择性地使用射束的中心区域，在该中心区域中，射束的强度高。因此，在针对图像形成设备的曝光光学系统的面发射激光器中，可以利用上面的近似。
在其不同的部分之间的光路长度的差异为L的整数倍的台阶状结构中，在上面的近似的范围内，将幅角(argument)为2πL/λ的系数比赋予复透射系数分布。由此，通过将台阶状结构中的光路长度的差值设为Nλ(这里，N为整数)或接近它的值，由台阶状结构提供给近场光分布的复透射系数分布的相位变得恒定，由此减少远场波前像差。
第一实施例
图1是根据本发明的第一实施例的面发射激光器200的示意性断面图。
面发射激光器200包含基板210和设置在基板210上的多层结构。多层结构包含下部反射镜212、活性层214和上部反射镜216。
基板210由例如n掺杂的GaAs制成。
下部反射镜212为包含例如各自具有λ/4的光学厚度的70对的n型Al0.5Ga0.5As膜和n型Al0.9Ga0.1As膜的多层镜。活性层214为由例如GaInP膜和AlGaInP膜制成的多量子阱结构。当向活性层214供给电流时，活性层214在680nm的波长λ以激光振荡的形式产生光学增益。
上部反射镜216包含例如各自具有λ/4的光学厚度的35对的p型Al0.5Ga0.5As膜和p型Al0.9Ga0.1As膜。活性层214和上部反射镜216被蚀刻成例如具有30μm的直径的圆筒状台面结构。
上部反射镜216包含例如30nm的Al0.98Ga0.02As层。该层的一部分从台面结构的侧壁被氧化，由此形成氧化区域。氧化区域用作绝缘体并且具有比非氧化区域低的折射率。
组合的氧化区域和非氧化区域形成限制流过活性层214的电流的空间分布的电流禁闭结构218。非氧化区域具有例如直径为5μm的圆形。
上部反射镜216在其上面承载在不同的平面区域中具有不同的光学厚度的台阶状结构270。这里，上部反射镜216和台阶状结构270之间的界面由附图标记242表示。
台阶状结构270(第一台阶状结构)包含第一结构280。
第一结构280由具有折射率n1的第一材料制成。例如，第一材料为p型AlGaAs并且具有3.3的折射率n1。环境介质240是空气并且折射率n0为1(比n1小)。
由例如AuGe膜和Au膜制成的下部电极220位于基板210下面。由Ti膜、Pt膜和Au膜制成的上部电极222例如在第一结构280上面。
第一结构280在发射区域的中心部分中限定的第一区域260中具有实际厚度d11，并且在第一区域260的外侧限定的第二区域262中具有实际厚度d12。
第一区域260是中心与电流禁闭结构218的非氧化区域的中心基本上一致的圆形区域。例如，当从上面观察面发射激光器200时，第一区域260在非氧化区域的内侧形成直径为4μm的圆形区域。
第二区域262是包围第一区域260的区域。
在第一实施例中，第一结构280具有这样的凹的断面形状：该凹的断面形状具有比d12小的d11。
第一结构280在第一区域260中具有为λ/4的偶数倍的光学厚度，并在第二区域262中具有为λ/4的奇数倍的光学厚度。即，第一结构280满足条件|n1(d11-d12)|＝λ/4×(2M-1)(这里，M是整数)。
例如，当d11＝(λ/n1)×(1/2)并且d12＝(λ/n1)×(7/4)时，|n1(d11-d12)|＝|(1/2-7/4)λ|＝5λ/4。在这种情况下，M为3，满足以上条件。
因此，关于从活性层214以波长λ发射的光，上部反射镜216与台阶状结构270的组合在不同的区域中提供不同的反射率。例如，可使得第一区域260中的反射率比第二区域262中的反射率高。因此，面发射激光器200实现这样的单横向模式振荡：在所述单横向模式振荡中，抑制高次横向模式的振荡，并且仅出现基本横向模式的振荡。
上部反射镜216与台阶状结构270的组合关于来自活性层214的波长为λ的光的透射系数的幅度在第二区域262中比在第一区域260中高，例如，为其三倍。
由于台阶状结构270在不同的平面区域中具有不同的光学厚度，因此在第一区域260中的透射系数和第二区域262中的透射系数之间存在相位差。
这里，与基板210平行的平面244被限定于台阶状结构270之上。
使第一区域260和第二区域262中的从界面242到平面244的光路长度分别为L1和L2，光路长度L1和L2之间的差值由L2-L1＝(d12-d11)×(n1-n0)＝(d12×n1-d11×n1)×(1-n0/n1)给出。
代入上面的值，则L2-L1＝(7λ/4-λ/2)×(1-1/3.3)＝0.871λ，并且N(在下面描述)为1。
从以上的光路长度L1和L2之间的差值得到的光的相位差由|L2-L1-Nλ|·2π/λ给出，这里，N是使上述值最小化的整数。
在上述情况下，当N＝1时，|L2-L1-Nλ|·2π/λ＝0.258π。
采取这样的配置为比较实施例：该配置是通过以与上述的根据第一实施例的配置中的反射率分布相同的反射率分布使第一结构280的实际厚度d11和d12之间的差值最小化而获得的。特别地，在比较实施例中，d11＝(λ/n1)×(1/2)并且d12＝(λ/n1)×(3/4)。
在比较实施例中，L2-L1＝(λ/4)×(1-n0/n1)＝0.174λ。在这种情况下，使|L2-L1-Nλ|最小化的整数N为0。当N＝0时，|L2-L1-Nλ|·2π/λ＝0.348π。
即，由台阶状结构270产生的相位差在第一实施例中比在比较实施例中小。因此，使得FFP中的相位分布更接近均匀。
在第一实施例中，关于光路长度L1和L2，使|L2-L1-Nλ|最小化的整数N满足以下条件：
|L2-L1-Nλ|＜(λ/4)×(1-n0/n1)，或者，优选地，|L2-L1-Nλ|＝0。
如上所述，本发明的第一实施例要降低由|L2-L1-Nλ|·2π/λ给出的值。因此，在产生希望的反射率分布的值中，L2-L1未必是最小值。
随着值|N|变小，台阶状结构270的厚度减小得更多。因此，|N|＝1优选于|N|＝2，并且，N＝0是更优选的。
虽然以上的第一实施例的描述涉及d11＜d12的凹的台阶状结构，但是，作为替代方案，可以使用d11＞d12的凸的台阶状结构。
图2是凸的台阶状结构270的断面图，其中，关于界面242的下侧的诸如上部反射镜216的多个部分没有被示出。
在这种情况下，例如，d11＝(λ/n1)×(3/2)并且d12＝(λ/n1)×(1/4)。此外，由上部反射镜216和台阶状结构270的组合提供的反射率在第二区域262中比在第一区域260中低。
在这种情况下，L2-L1＝-0.871λ并且N＝-1。由此，|L2-L1-Nλ|·2π/λ＝0.258π。即，由台阶状结构270产生的相位差比在比较实施例中小。
图3A和图3B示出表示根据本发明的第一实施例的面发射激光器200的远场光分布的示例性计算。
图3A示出在0°处被归一化的远场强度分布。
图3B示出除以2π的远场相位的分布，其中0°处的值被限定为0。
假定面发射激光器200的基本横向模式是通过有效折射率近似获得的具有直径为5μm且折射率为3.3的圆形芯部(core)并且芯部-覆层(cladding)的相对折射率差值为0.3％的LP01模式。
图3A和图3B中的曲线(a)分别表示在不设置台阶状结构的情况下在远场中的强度分布和相位分布。图3A和图3B中的曲线(b)～(d)表示在设置不同的台阶状结构270的相应情况下在远场中的强度分布和相位分布。
在发射区域的中心中限定的第一区域260是直径为4μm的圆形区域，并且，第二区域262包围第一区域260。各台阶状结构270被设计为使得第一区域260中的透射系数幅度与第二区域262中的透射系数幅度的比为1∶3。此外，两个区域260和262中的透射系数之间的相位差在情况(b)为π/3、在情况(c)为π/6并且在情况(d)为0。远场光分布的计算中的每一个基于根据标量衍射理论的近似。
参照图3B，虽然相位在情况(b)时随着角度大大改变，但是，相位变化在情况(c)和(d)时被抑制。即，随着两个透射系数之间的相位差变得更接近于零，远场中的在零度近旁的角度处的相位变化被更多地抑制，由此，远场中的波前像差被抑制。
第二实施例
图4是根据本发明的第二实施例的面发射激光器的示意性断面图。
在上部反射镜216在其上面承载台阶状结构272的方面，根据第二实施例的面发射激光器与根据第一实施例的面发射激光器200类似。
包含于根据第二实施例的面发射激光器中的台阶状结构272包含第一结构280和第二结构282。
通过包含多个结构的台阶状结构272，可以比其它情况更多地抑制具有反射率分布的台阶状结构272和上部反射镜216的组合所提供的两个透射系数之间的相位差。
第一结构280由具有折射率n1的第一材料制成。第二结构282由具有比n1小的折射率n2的第二材料制成。
上部电极222例如在第一结构280之上。
第一材料为例如AlGaAs，并具有3.3的折射率n1。
第二材料为例如SiO2，并具有1.5的折射率n2。
如图4所示，第一结构280在第一区域260中具有实际厚度d11，并在第二区域262中具有实际厚度d12。
此外，如图4所示，第二结构282在第一区域260中具有实际厚度d21，并在第二区域262中具有实际厚度d22。
在这种情况下，如图4所示，d11＜d12并且d21＜d22。第一结构280在第一区域260中具有为λ/4的偶数倍的光学厚度，并在第二区域262中具有为λ/4的奇数倍的光学厚度。
例如，d11＝(λ/n1)×(1/2)并且d12＝(λ/n1)×(3/4)。
由此，第一结构280和第二结构282之间的界面在第一区域260和第二区域262中分别被限定于不同的位置处，并且，由上部反射镜216和台阶状结构272的组合提供的反射率在第二区域262中比在第一区域260中低。
然后，设定第二结构282的实际厚度，使得由台阶状结构272提供的两个透射系数之间的相位差变得接近于零(2π的整数倍)。
优选地，第二结构282的实际厚度被设定为使得由台阶状结构272提供的两个透射系数之间的相位差变为零(2π的整数倍)。
如第一实施例那样，使第一区域260和第二区域262中的从界面242到平面244的光路长度分别为L1和L2。
由台阶状结构272产生的相位差由|L2-L1-Nλ|·2π/λ给出，这里，N是使上述值最小化的整数。
L2-L1的值由下式给出：
L2-L1＝(d12-d11)(n1-n0)+(d22-d21)(n2-n0)＝(d12×n1-d11×n1)(1-n0/n1)+(d22×n2-d21×n2)(1-n0/n2)。
如果第二结构282的光学厚度为λ/4的偶数倍，那么第二结构282不影响由上部反射镜216和台阶状结构272的组合提供的反射率。
例如，当d21＝(λ/n2)×(1/2)并且d22＝(λ/n2)×3时，L2-L1＝1.01λ。在这种情况下，N＝1。由此，|L2-L1-Nλ|＝0.01λ。因此，相位差|L2-L1-Nλ|·2π/λ＝0.02π。
即使第二结构282的光学厚度不为λ/4的偶数倍，第一区域260中的高的反射率也变化很小。例如，当d21＝(λ/n2)×0.52并且d22＝(λ/n2)×3时，L2-L1＝λ。在这种情况下，N＝1。由此，相位差|L2-L1-Nλ|·2π/λ＝0。
以上的第二实施例的描述涉及包含具有由d11＜d12和d21＜d22给出的实际厚度的凹的第一结构280和凹的第二结构282的台阶状结构272。作为替代方案，如图5所示，台阶状结构272可包含具有由d11＞d12和d21＞d22给出的实际厚度的凸的第一结构280和凸的第二结构282。
例如，在n0＝1、n1＝3.3并且n2＝1.5的情况下，假定：
d11＝(λ/n1)×(1/2)，
d12＝(λ/n1)×(1/4)，
d21＝(λ/n2)×3，并且，
d22＝(λ/n2)×(1/2)。
则L2-L1＝-1.01λ。在这种情况下，N＝-1，并且，由台阶状结构272产生的相位差为0.02π。作为替代方案，假定：
d21＝(λ/n2)×2.98，并且，
d22＝(λ/n2)×(1/2)。
则L2-L1＝-λ。在这种情况下，N＝-1，并且，由台阶状结构272产生的相位差为0。
作为替代方案，如图6所示，可以使用d11＜d12并且d21＞d22的配置。即，台阶状结构272可包含凹的第一结构280和凸的第二结构282。
例如，在n0＝1、n1＝3.3并且n2＝1.5的情况下，假定：
d11＝(λ/n1)×(1/2)，
d12＝(λ/n1)×(3/4)，
d21＝(λ/n2)，并且，
d22＝(λ/n2)×(1/2)。
从而，L2-L1＝0.01λ。在这种情况下，N＝0，并且，由台阶状结构272产生的相位差为0.02π。作为替代方案，假定：
d21＝(λ/n2)×1.02，并且，
d22＝(λ/n2)×(1/2)。
则L2-L1＝0。在这种情况下，N＝0，并且，由台阶状结构272产生的相位差为0。作为替代方案，如图7所示，可以使用d11＞d12并且d21＜d22的配置。即，台阶状结构272可包含凸的第一结构280和凹的第二结构282。
例如，在n0＝1、n1＝3.3并且n2＝1.5的情况下，假定：
d11＝(λ/n1)×(1/2)，
d12＝(λ/n1)×(1/4)，
d21＝(λ/n2)×(1/2)，并且，
d22＝(λ/n2)。
则L2-L1＝0.01λ。在这种情况下，N＝0，并且，由台阶状结构272产生的相位差为0.02π。作为替代方案，假定
d21＝(λ/n2)×0.48，并且
d22＝(λ/n2)。
则L2-L1＝0。在这种情况下，N＝0，并且，由台阶状结构272产生的相位差为0。
在图6和图7所示的(d11-d12)×(d21-d22)＜0的配置中，N＝0。因此，与(d11-d12)×(d21-d22)＞0的情况相比，台阶状结构272的厚度减小更多。这提供诸如提高制造精度和减少台阶状结构272中的在第一区域260和第二区域262之间的边界处的散射的益处。
注意，除非背离本发明的范围，否则，d11、d12、d21和d22不一定都是正值，并且，它们中的一个或两个可以为零。
第三实施例
图8是根据本发明的第三实施例的面发射激光器的示意性断面图。
如第二实施例那样，根据第三实施例的面发射激光器的台阶状结构272包含第一结构280和第二结构282。
根据第三实施例的面发射激光器与根据第二实施例的面发射激光器的不同在于，第一结构280由具有折射率n1的第一材料制成，但第二结构282由具有比n1大的折射率n2的第二材料制成。
第一材料为例如SiO2，并具有1.5的折射率n1。
第二材料为例如SiN，并具有2.0的折射率n2。
上部电极222例如在上部反射镜216之上。
由于n1＜n2并且n2＞n0，因此，如果d11被设为λ/4的奇数倍并且d21被设为λ/4的奇数倍，那么第一区域260中的由上部反射镜216和台阶状结构272的组合所提供的反射率增大。
而且，如果d12被设为λ/4的偶数倍并且d22被设为λ/4的奇数倍，那么第二区域262中的由上部反射镜216和台阶状结构272的组合所提供的反射率减小。
在台阶状结构272中，d11可比d12小或大，并且，d21可比d22小或大。为方便起见，假定d12＝0并且以d11＝d21＝d22＝λ/4的配置为比较实施例，则L2-L1＝-0.083λ。在这种情况下，N＝0，并且，由台阶状结构272产生的相位差为0.166π。
同时，如果例如在第三实施例中d11＝0.75、d21＝1.75并且d22＝0.25，那么L2-L1＝-λ。在这种情况下，N＝-1，并且，由台阶状结构272提供的相位差为0。
作为替代方案，如果d11＝0.75、d21＝0.25并且d22＝0.75，那么L2-L1＝0。在这种情况下，N＝0，并且，由台阶状结构272提供的相位差为0。
制造方法
现在将描述制造根据以上实施例中的任一个的面发射激光器的示例性方法。
基板210为例如n型GaAs基板。
通过例如金属有机化学气相沉积(MOCVD)而在基板210上形成下部反射镜212、活性层214和上部反射镜216。
下部反射镜212为包含各自具有λ/4的光学厚度的70对的n型Al0.5Ga0.5As膜和n型Al0.9Ga0.1As膜的多层镜子。活性层214为由GaInP膜和AlGaInP膜制成的多量子阱结构。当向活性层214供给电流时，活性层214在680nm的波长λ产生激光振荡形式的光学增益。
上部反射镜216包含各自具有λ/4的光学厚度的35对的p型Al0.5Ga0.5As膜和p型Al0.9Ga0.1As膜。
上部反射镜216的一部分形成由Al0.98Ga0.02As制成并具有30nm的实际厚度的可氧化层。
如果在台阶状结构272中使用由半导体制成的第一结构280，那么可以在上部反射镜216之后形成第一结构280。
随后，活性层214和上部反射镜216被蚀刻(例如，干蚀刻)成具有例如30μm的直径的圆筒台面结构。
如果已形成第一结构280，那么第一结构280也被蚀刻。
然后从台面结构的侧壁氧化可氧化层。在加热到450℃的水蒸汽气氛中执行例如30分钟的氧化。这样，可氧化层形成为包含氧化区域和非氧化区域的电流禁闭结构218。
非氧化区域具有直径为5μm、中心与台面结构的中心一致的圆形形状。
随后，用绝缘膜等覆盖台面结构的侧壁。
在基板210的背面形成由AuGe膜和Au膜制成的下部电极220。并且，在上部反射镜216或第一结构280上形成由Ti膜、Pt膜和Au膜制成的上部电极222。
在上面的制造面发射激光器的过程中，在形成上部反射镜216或第一结构280之后的任意步骤中形成台阶状结构272。
例如，在形成电流禁闭结构218之后形成台阶状结构272。
可通过蚀刻等形成台阶状结构272。
现在，将参照图9A～9D描述形成图4或图5所示的(d11-d12)×(d21-d22)＞0的台阶状结构272特别是图5所示的台阶状结构272的方法。
参照图9A，在上部反射镜216上形成第一层300，并且在第一层300上形成第二层302。
第一层300为例如由AlGaAs制成的半导体层。作为替代方案，第一层300可以为例如由SiO2制成的电介质层。
第二层302为例如由SiN制成的电介质层。
通过MOCVD、等离子化学气相沉积(CVD)或溅射等形成第一层300和第二层302。
在第二层302上设置抗蚀剂320，并且，第二区域262中的抗蚀剂320的一部分以光刻的方法被去除，由此形成图案。
随后，参照图9B，以得到的抗蚀剂320用作掩模，蚀刻第二层302和第一层300。
通过例如诸如磷酸(phosphoric acid)或缓冲氢氟酸(bufferedhydrofluoric acid)的湿蚀刻剂执行蚀刻。
随后，参照图9C，通过有机溶剂等去除抗蚀剂320。
随后，参照图9D，通过等离子CVD或溅射等在第一层300和第二层302上形成第三层304。
第三层304由具有与第二层302的折射率接近或相同的折射率的材料制成。
因此，设置由第一层300制成的第一结构280以及由第二层302和第三层304制成的第二结构282。
如果第一区域260中的抗蚀剂320的一部分在上面的过程中被去除，那么提供图4所示的台阶状结构272。
现在将参照图10A～10E描述形成图6或图7所示的(d11-d12)×(d21-d22)＜0的台阶状结构272特别是图7所示的台阶状结构272的方法。
参照图10A，在上部反射镜216上形成第一层300。第一层300是半导体或电介质，并且通过MOCVD、等离子CVD或溅射等形成。
在第一层300上设置抗蚀剂320，并且，以光刻的方法去除抗蚀剂320在第二区域262中的部分，由此形成图案。在该步骤中，可以形成抗蚀剂图案，使得其岛状体(island)各自具有面积从顶部向底部减小的倒锥形的断面图。
随后，参照图10B，以得到的抗蚀剂320用作掩模，蚀刻第一层300。通过例如诸如磷酸或缓冲氢氟酸的湿蚀刻剂执行蚀刻。
随后，参照图10C，通过溅射等在第一层300和抗蚀剂320上形成第二层302。
随后，参照图10D，通过有机溶剂等去除抗蚀剂320。在该步骤中，在抗蚀剂320上形成的第二层302也被去除。
随后，参照图10E，通过等离子CVD或溅射等在第一层300和第二层302上形成第三层304。
第三层304由折射率与第二层302的折射率相近或相同的材料制成。
因此，提供由第一层300制成的第一结构280以及由第二层302和第三层304制成的第二结构282。
如果抗蚀剂320在第一区域260中的部分在上面的过程中被去除，那么提供图6所示的台阶状结构272。
第四实施例
现在，作为根据第一到第三实施例中的任一个的面发射激光器的示例性应用，将描述电子照相图像形成设备。所述图像形成设备包括面发射激光器的阵列的形式的光源以及扫描设备。
图11A和图11B示出包括其中设置了多个根据以上的实施例中的任一个的面发射激光器的面发射激光器阵列光源514的图像形成设备等。
图11A是图像形成设备的平面图。图11B是图像形成设备的侧视图。
从作为记录光源的面发射激光器阵列光源514发射的激光束透射通过准直透镜(collimator lens)520并且向被马达512驱动以旋转的旋转多棱镜510行进。
主扫描孔径光阑530在光轴上被设置在准直透镜520和旋转多棱镜510之间。副扫描孔径光阑532被设置在面发射激光器阵列光源514和圆柱透镜521之间。
面发射激光器阵列光源514导致线性偏光(polarization)。线性偏光的方向例如与主扫描方向平行。
入射到旋转多棱镜510上的激光束被正在旋转的旋转多棱镜510反射，由此以连续改变的角度偏转。偏转的射束透射通过补偿射束的畸变等的f-θ透镜522。射束随后以落到感光部件500上的方式被反射镜516反射。
感光部件500事先通过带电器件502带电并且通过扫描地移动的激光束被曝光，由此在其上面形成静电潜像。在感光部件500上形成的静电潜像通过显影器件504显影成可见图像。可见图像通过转印带电器件506被转印到转印纸上。转印有可见图像的转印纸被传输到定影器件508，在该定影器件508中，在转印纸上执行定影。随后，具有定影的图像的纸被排出到设备的外面。
面发射激光器阵列光源514也适用于任何其它的光学或医疗装备。
其它的实施例
本发明不限于以上的实施例，并且，可以对其进行各种变化和修改。例如，如果用于第一结构280的第一材料和环境介质240或第二材料之间的折射率的差值大，那么第一结构280可由具有相互接近的相应折射率的多种材料制成。此外，如果用于第二结构282的第二材料和环境介质240或第一材料之间的折射率的差值大，那么第二结构282可由具有相互接近的相应折射率的多种材料制成。
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的变更方式以及等同的结构和功能。

Claims (6)

1.一种被配置为以波长λ进行振荡的面发射激光器，包括：
基板；
多层结构，设置在基板上，并且包含下部反射镜、活性层和上部反射镜；以及
第一台阶状结构，被设置在上部反射镜上，并且包含在发射区域的中心部分中限定的第一区域中延伸的部分和在发射区域内的第一区域的外侧限定的第二区域中延伸的部分，这些部分具有不同的厚度，
其中，第一台阶状结构包含第一结构，所述第一结构由具有比环境介质的折射率n0大的折射率n1的第一材料制成，
其中，使第一结构的在第一区域和第二区域中的实际厚度分别为d11和d12，则以下的关系成立：
|n1(d11-d12)|＝λ/4×(2M-1)，
这里，M是整数，以及
其中，关于从在第一台阶状结构之上限定的并且与基板平行地延伸的平面到上部反射镜与第一台阶状结构之间的界面的光路长度，第一区域中的光路长度L1和第二区域中的光路长度L2对于使|L2-L1-Nλ|最小化的整数N满足以下表达式：
|L2-L1-Nλ|＜(λ/4)×(1-n0/n1)。
2.根据权利要求1的面发射激光器，其中，|L2-L1-Nλ|＝0。
3.根据权利要求1的面发射激光器，
其中，第一台阶状结构还包含第二结构，所述第二结构由具有比折射率n0大并且与折射率n1不同的折射率n2的第二材料制成，
其中，第二结构被设置在第一结构上，以及
其中，第二结构在第一区域中具有实际厚度d21并在第二区域中具有实际厚度d22，实际厚度d21和d22彼此不同。
4.根据权利要求3的面发射激光器，其中，(d11-d12)×(d21-d22)＞0并且|N|＝1。
5.根据权利要求3的面发射激光器，其中，(d11-d12)×(d21-d22)＜0并且N＝0。
6.一种图像形成设备，包括：
面发射激光器阵列，包含多个根据权利要求1的面发射激光器；
感光部件，被配置为通过从所述面发射激光器阵列接收光而形成静电潜像；
带电器件，被配置为使所述感光部件带电；以及
显影器件，被配置为将静电潜像显影。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6015220B2 (ja) * 2012-08-07 2016-10-26 富士ゼロックス株式会社 面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置
CN104078844A (zh) * 2013-03-29 2014-10-01 新科实业有限公司 具有窄激光发射角度的多模垂直腔面发射激光器

Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02100391A (ja) * 1988-10-07 1990-04-12 Mitsubishi Electric Corp 半導体レーザ
US5388120A (en) * 1993-09-21 1995-02-07 Motorola, Inc. VCSEL with unstable resonator
JP2001284722A (ja) * 2000-03-29 2001-10-12 Seiko Epson Corp 面発光型半導体レーザおよびその製造方法
JP2003115634A (ja) * 2001-08-02 2003-04-18 Furukawa Electric Co Ltd:The 面発光レーザ素子
JP2003347671A (ja) * 2002-05-28 2003-12-05 Ricoh Co Ltd 面発光半導体レーザおよび光伝送モジュールおよび光交換装置および光伝送システム
US6727520B2 (en) * 2000-12-29 2004-04-27 Honeywell International Inc. Spatially modulated reflector for an optoelectronic device
CN1964145A (zh) * 2003-05-19 2007-05-16 索尼株式会社 表面发光半导体激光元件
JP2007201398A (ja) * 2005-07-04 2007-08-09 Sony Corp 面発光型半導体レーザ
US20080069168A1 (en) * 2006-09-15 2008-03-20 Young-Hyun Kim Vertical cavity surface emitting laser and fabricating method thereof
US20100027578A1 (en) * 2008-07-31 2010-02-04 Canon Kabushiki Kaisha Surface emitting laser, manufacturing method of surface emitting laser, surface emitting laser array, manufacturing method of surface emitting laser array, and optical apparatus including surface emitting laser array
JP2010040600A (ja) * 2008-07-31 2010-02-18 Canon Inc 面発光レーザの製造方法及び面発光レーザアレイの製造方法、面発光レーザ及び面発光レーザアレイ、面発光レーザアレイを備えている光学機器
JP2010062267A (ja) * 2008-09-02 2010-03-18 Toshiba Corp 面発光装置及びその製造方法、並びに光伝送モジュール
CN101685941A (zh) * 2008-09-26 2010-03-31 佳能株式会社 面发光激光器及其制造方法
JP2010251342A (ja) * 2009-03-23 2010-11-04 Sony Corp 半導体レーザ

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006019470A (ja) * 2004-07-01 2006-01-19 Sony Corp 面発光半導体レーザおよび光モジュール
JP2006210429A (ja) * 2005-01-25 2006-08-10 Sony Corp 面発光型半導体レーザ

Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02100391A (ja) * 1988-10-07 1990-04-12 Mitsubishi Electric Corp 半導体レーザ
US5388120A (en) * 1993-09-21 1995-02-07 Motorola, Inc. VCSEL with unstable resonator
JP2001284722A (ja) * 2000-03-29 2001-10-12 Seiko Epson Corp 面発光型半導体レーザおよびその製造方法
US6727520B2 (en) * 2000-12-29 2004-04-27 Honeywell International Inc. Spatially modulated reflector for an optoelectronic device
JP2003115634A (ja) * 2001-08-02 2003-04-18 Furukawa Electric Co Ltd:The 面発光レーザ素子
JP2003347671A (ja) * 2002-05-28 2003-12-05 Ricoh Co Ltd 面発光半導体レーザおよび光伝送モジュールおよび光交換装置および光伝送システム
CN1964145A (zh) * 2003-05-19 2007-05-16 索尼株式会社 表面发光半导体激光元件
JP2007201398A (ja) * 2005-07-04 2007-08-09 Sony Corp 面発光型半導体レーザ
US20080069168A1 (en) * 2006-09-15 2008-03-20 Young-Hyun Kim Vertical cavity surface emitting laser and fabricating method thereof
US20100027578A1 (en) * 2008-07-31 2010-02-04 Canon Kabushiki Kaisha Surface emitting laser, manufacturing method of surface emitting laser, surface emitting laser array, manufacturing method of surface emitting laser array, and optical apparatus including surface emitting laser array
JP2010040600A (ja) * 2008-07-31 2010-02-18 Canon Inc 面発光レーザの製造方法及び面発光レーザアレイの製造方法、面発光レーザ及び面発光レーザアレイ、面発光レーザアレイを備えている光学機器
JP2010062267A (ja) * 2008-09-02 2010-03-18 Toshiba Corp 面発光装置及びその製造方法、並びに光伝送モジュール
CN101685941A (zh) * 2008-09-26 2010-03-31 佳能株式会社 面发光激光器及其制造方法
JP2010251342A (ja) * 2009-03-23 2010-11-04 Sony Corp 半導体レーザ

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Publication number Publication date
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US9046807B2 (en) 2015-06-02

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