JP2002026452A - 面発光型光源及びその製造方法、レーザ加工機用光源 - Google Patents

面発光型光源及びその製造方法、レーザ加工機用光源

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lens
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surface emitting
laser
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Kazuo Hasegawa
和男 長谷川
Hiroshi Ito
伊藤  博
Morihiro Matsuda
守弘 松田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 面発光型レーザアレイ基板と光学系の複雑な
調整をすることなく、所望のレーザ光を得る。 【解決手段】 VCSELアレイ基板10には、複数の
VCSEL11が配列されている。レンズアレイ基板2
0は、VCSELアレイ基板10の発光面側に一体に形
成され、各VCSEL11から出射されるレーザ光を平
行化するためのマイクロレンズ23を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、面発光型光源及び
その製造方法、レーザ加工機用光源に係り、特に、複雑
な調整をすることなくレーザアレイから出射されたレー
ザ光を補正する面発光型光源及びその製造方法、レーザ
加工機用光源に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来、
例えば図9に示すように、シリンドリカルレンズ102
付きのレーザバー101を積み上げてレーザスタックが
構成された半導体レーザアレイが提案されている。この
半導体レーザアレイは、図10に示すように、レーザス
タックからの出射光をビーム形成ユニット103を用い
て平行光にし、さらに集光用のフォーカスレンズ104
で一点に集光するものである。
【0003】しかし、図9及び図10に示す半導体レー
ザアレイは、レーザバー101にシリンドリカルレンズ
102を取り付け、さらにビーム形成ユニット103及
びフォーカスレンズ104を位置合わせする必要がある
ため、光学系の調整が非常に複雑になっていた。また、
シリンドリカルレンズ102の1つ1つを個別に調整す
る必要があり、大量生産には不向きであった。さらに、
レーザバー101の端面からレーザ光が出射されるの
で、微細加工技術を用いたとしても出射端面にレンズを
形成することはできなかった。
【0004】本発明は、上述した問題点を解消するため
に提案されたものであり、面発光型レーザアレイ基板と
光学系の複雑な調整をすることなく、所望のレーザ光を
得ることができる面発光型光源及びその製造方法、レー
ザ加工機用光源を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明は、
複数の面発光型レーザが配列された面発光型レーザアレ
イ基板と、前記面発光型レーザアレイ基板に一体に形成
され、前記面発光型レーザに対応する位置にレンズが形
成されたレンズアレイ基板と、を備えたものである。
【0006】面発光型レーザアレイ基板及びレンズアレ
イ基板は、フォトプロセスにより精密に製造される。レ
ンズアレイ基板は、面発光型レーザアレイ基板上に形成
され、さらに各面発光型レーザアレイの配列に対応して
レンズが形成されている。したがって、光学調整をする
ことなく、面発光型レーザアレイ基板とレンズアレイ基
板とを精密に位置合わせして、そのずれも防止すること
ができる。
【0007】また、前記レンズアレイ基板は、請求項2
記載のように、誘電体で構成されるのが好ましい。請求
項3記載のように、前記レンズアレイ基板からのレーザ
光を集光する集光レンズを更に備えてもよい。
【0008】請求項4記載の発明は、面発光型レーザア
レイ基板に、面発光型レーザを形成する位置を示すフォ
トマスクを形成するフォトマスク形成工程と、前記フォ
トマスクのパターンに基づいて、前記面発光型レーザア
レイ基板に面発光型レーザを形成する面発光レーザ形成
工程と、前記面発光型レーザアレイ基板にレンズアレイ
基板を形成するレンズアレイ基板形成工程と、前記フォ
トマスクのパターンの位置情報に基づいて前記レンズア
レイ基板にレンズ配置パターンを形成するレンズ配置パ
ターン形成工程と、前記レンズ配置パターンに基づいて
前記レンズアレイ基板にレンズを形成するレンズ形成工
程と、を備えたものである。
【0009】面発光型レーザアレイ基板に、フォトマス
クを形成し、このフォトマスクのパターンに従って複数
の面発光型レーザが形成される。レンズは、このフォト
マスクの位置情報に基づいて形成されたパターンに従っ
て、レンズアレイ基板に形成される。したがって、レン
ズは面発光型レーザに完全に対応して形成されるので、
面発光型レーザアレイ基板とレンズアレイ基板とを精密
に位置合わせすることができる。
【0010】前記レンズ形成工程は、請求項5記載のよ
うに、反応性イオンエッチングにより、レンズアレイ基
板にレンズを形成してもよい。
【0011】請求項6記載の発明は、請求項1から請求
項3のいずれか1記載の面発光型光源を備えたレーザ加
工機用光源である。したがって、光学調整をすることな
く、面発光型レーザアレイ基板とレンズアレイ基板とを
精密に位置合わせして、そのずれも防止することができ
る。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら詳細に説明する。
【0013】(第1の実施の形態)図1に示すように、
本発明の実施の形態に係る面発光型光源は、垂直共振器
面発光レーザ(以下、「VCSEL」という。)11が
形成されたVCSELアレイ基板10と、VCSELア
レイ基板10の発光面側に一体に形成され、レーザ光を
平行化するための凸型のマイクロレンズ23が形成され
たレンズアレイ基板20とを備えている。
【0014】VCSELアレイ基板10は、図2に示す
ように、板状に形成され、その主面に直交する方向にレ
ーザ光を出射する複数のVCSEL11を備えている。
このVCSEL11は、主面と直交する方向に形成され
た図示しない共振器からレーザ光を出射するものであ
り、図示しない円筒状の活性領域と、薄膜活性層を挟む
図示しない反射鏡とから構成されている。
【0015】VCSEL11は、最初にVCSELアレ
イ基板10にフォトマスクが被膜され、そのフォトマス
クのパターンニングに従って形成される。このときのパ
ターンニングの位置情報は、後述するマイクロレンズ2
3の形成において用いられる。
【0016】レンズアレイ基板20は、VCSELアレ
イ基板10に一体になるように、また、各マイクロレン
ズ23がVCSEL11に対応するように、以下のよう
に製造される。
【0017】最初に、VCSELアレイ基板10に対し
て、例えば化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Dep
osition)法を用いることにより、ハロゲン化物、水素
化物、硫化物などの材料を高温で気相状態にして化学反
応させる。そして図3に示すように、VCSELアレイ
基板10上に、SiO2などの誘電体からなるレンズア
レイ基板20を成膜させる。
【0018】レンズアレイ基板20を構成する誘電体の
種類としては、SiO2以外に、Al23、TiO2、S
iNなどや、パイレックス(商標)やBK7などの光学
ガラスでもよい。また、レンズアレイ基板20を直接V
CSELアレイ基板10に接合してもよい。レンズアレ
イ基板20の成膜方法としては、CVD法以外に、スパ
ッタ法、蒸着法など種々の方法がある。
【0019】つぎに、フォトプロセス工程により、レン
ズアレイ基板20にマイクロレンズ23のパターンニン
グを行って、マイクロレンズ23の形成位置にレジスト
を縞状に転写する。マイクロレンズ23のパターンニン
グの位置に関する情報は、上述のようにVCSELアレ
イ基板10にVCSEL11を形成した際のフォトマス
クから得ることができる。
【0020】そして、マイクロレンズ23のパターンニ
ングが施されたレンズアレイ基板20に対して、例えば
反応イオンエッチング(RIE加工)により、図4に示
すように、そのパターンニングに従ってマイクロレンズ
23を形成する。なお、RIE加工以外に、例えばイオ
ン拡散法を用いて後述する拡散レンズ24を形成した
り、RIE加工によって後述する回折格子25を形成し
てもよい。
【0021】以上のように、本実施の形態によれば、フ
ォトプロセスによる微細加工技術を用いることによっ
て、VCSELアレイ基板10上にレンズアレイ基板2
0を一体に形成する。すなわち、レンズアレイ基板20
上に、VCSEL11の形成で用いたフォトマスクの位
置情報に基づいてフォトプロセスによるパターンニング
を行い、そのパターンニングに従ってマイクロレンズ2
3を製造する。これにより、VCSELアレイ基板10
からのレーザ光の光軸上に高精度に位置合わせされたマ
イクロレンズ23を形成することができ、VCSELア
レイ基板10に対応したレンズアレイ基板20を製造す
ることができる。また、光学部品の組み付け等の機械的
な光学調整と異なり、光源とレンズが一体化されている
ので、これらの位置ずれが生じるのを防止することがで
きる。
【0022】(その他の実施の形態)つぎに、本発明の
他の実施の形態について説明する。なお、上述した部位
と同一の部位には同一の符号を付し、また、説明が重複
する箇所についてはその記載を省略する。
【0023】レーザ光を平行化するためのマイクロレン
ズ23に代えて、図5に示すように、屈折率分布を有す
る拡散レンズ24を形成してもよい。このとき、VCS
ELアレイ基板10に対して、拡散レンズ24の形成位
置に硝酸タリウム等の溶融塩中でイオン交換することに
より、この屈折率分布型の拡散レンズ24を作製するこ
とができる。なお、この方法で拡散レンズ24を作製し
た後、図示しないアレイ基板と接合してもよい。
【0024】また、マイクロレンズ23の代わりに、図
6に示すように、レンズアレイ基板20上に回折格子2
5を形成してもよい。また、図7に示すように、VCS
ELアレイ基板10の発光面の反対側の面に、レンズ2
6を形成してもよい。具体的には、図6及び図7に示す
VCSELアレイ基板10に対して、フォトプロセスに
より回折格子25及びレンズ26の形成位置にレジスト
を縞状に転写し、RIE加工を行う。
【0025】なお、応用例としては、平行化されたレー
ザ光を出射する第1の実施の形態に係る面発光型光源
を、例えばサーチライトのような高輝度光源として用い
てもよい。
【0026】さらに、例えば図8に示すように、レンズ
アレイ基板20から出射されたレーザ光を集光する集光
レンズ30を設け、この面発光型光源をレーザ加工機用
光源に用いてもよい。
【0027】なお、従来のレーザスタックは、レーザ光
を大出力にするためにスタック数を増加させる必要があ
った。さらに、スタック数は十数段が上限であり、レー
ザスタックの大出力化は困難であった。これに対して、
VCSELアレイ基板10は、その規模が大きくなるに
従って容易に大出力を行うことができる。したがって、
この面発光型光源をレーザ加工機用光源として用いれ
ば、容易に高出力のレーザ光を得ることもできる。
【0028】
【発明の効果】本発明に係る面発光型光源及びレーザ加
工機用光源によれば、レンズアレイ基板は、面発光型レ
ーザアレイ基板に一体に形成され、面発光型レーザに対
応する位置にレンズが形成されているので、レンズアレ
イ基板と面発光型レーザアレイ基板との位置調整を行う
ことなく、レンズによって高精度に調整されたレーザ光
を出射することができる。
【0029】本発明に係る面発光型光源の製造方法によ
れば、面発光型レーザを形成したときのフォトマスクの
パターンの位置情報に基づいて、レンズアレイ基板にレ
ンズを形成することにより、面発光型レーザから出射さ
れるレーザ光の光軸に合致するように、レンズアレイ基
板上にレンズを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る面発光型光源の構成
を示す断面図である。
【図2】VCSELアレイ基板を示す斜視図である。
【図3】VCSELアレイ基板に誘電体からなるレンズ
アレイ基板が成膜されたときの状態を説明する斜視図で
ある。
【図4】VCSELアレイ基板に成膜されたレンズアレ
イ基板にマイクロレンズが形成されたときの状態を説明
する斜視図である。
【図5】拡散レンズが形成されたレンズアレイ基板の構
成を示す断面図である。
【図6】回折格子が形成されたレンズアレイ基板の構成
を示す断面図である。
【図7】VCSELアレイ基板の発光面の反対側の面に
レンズが形成された構成を示す断面図である。
【図8】集光レンズを備えた面発光型光源の構成を示す
概略的な断面図である。
【図9】レーザバーにシリンドリカルレンズが取り付け
られたときの状態を説明する図である。
【図10】レーザスタックが積み上げられて構成された
半導体レーザアレイの構成を示す図である。
【符号の説明】
10 VCSELアレイ基板 11 VCSEL 20 レンズアレイ基板 23 マイクロレンズ 30 集光レンズ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松田 守弘 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 Fターム(参考) 5F073 AB04 AB17 AB26 EA29

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数の面発光型レーザが配列された面発
    光型レーザアレイ基板と、 前記面発光型レーザアレイ基板に一体に形成され、前記
    面発光型レーザに対応する位置にレンズが形成されたレ
    ンズアレイ基板と、 を備えた面発光型光源。
  2. 【請求項2】 前記レンズアレイ基板は、誘電体で構成
    された請求項1記載の面発光型光源。
  3. 【請求項3】 前記レンズアレイ基板からのレーザ光を
    集光する集光レンズを更に備えた請求項1または2記載
    の面発光型光源。
  4. 【請求項4】 面発光型レーザアレイ基板に、面発光型
    レーザを形成する位置を示すフォトマスクを形成するフ
    ォトマスク形成工程と、 前記フォトマスクのパターンに基づいて、前記面発光型
    レーザアレイ基板に面発光型レーザを形成する面発光レ
    ーザ形成工程と、 前記面発光型レーザアレイ基板にレンズアレイ基板を形
    成するレンズアレイ基板形成工程と、 前記フォトマスクのパターンの位置情報に基づいて前記
    レンズアレイ基板にレンズ配置パターンを形成するレン
    ズ配置パターン形成工程と、 前記レンズ配置パターンに基づいて前記レンズアレイ基
    板にレンズを形成するレンズ形成工程と、 を備えた面発光型光源の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記レンズ形成工程は、反応性イオンエ
    ッチングにより、レンズアレイ基板にレンズを形成する
    請求項4記載の面発光型光源の製造方法。
  6. 【請求項6】 請求項1から請求項3のいずれか1記載
    の面発光型光源を備えたレーザ加工機用光源。
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