JP2006066538A - Surface-emitting laser light source and method for manufacturing the same - Google Patents

Surface-emitting laser light source and method for manufacturing the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a surface-emitting laser light source, with which a laser light can be obtained under optional outgoing conditions, and to provide the surface-emitting laser light source. <P>SOLUTION: The surface-emitting laser light source 2 is comprised of a surface-emitting laser element 3 having a columnar mesa shape and a microlens 4, which are made integral with each other and are formed on a substrate 10. The surface-emitting laser element 3 is a vertical resonator type surface-emitting laser (VCSEL), and a resonator is formed between the lower mirror 5 and the upper mirror 8. The microlens 4 comprises a first lens 4a and a second lens 4b, and it is formed as to have a distributed refractive index structure where the refractive index changes under a specified distribution from the central part on the side of an outgoing surface 3a toward a lens surface 4c on the outside. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、面発光レーザ光源の製造方法、面発光レーザ光源に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a surface emitting laser light source and a surface emitting laser light source.

基板表面に対し垂直にレーザ光を出射する構造である垂直共振器型の面発光レーザ素子は、基板上において他素子と高密度で集積することが可能である。また面発光レーザ素子の出射角度は、通常(シングルモード時)6〜7度と、端面発光レーザ素子(約30度)に比べて狭い。そのため、光集積回路の光源として、将来的に利用されることが予想される。また、面発光レーザ素子のレーザ光の出射条件等に関し、種々の検討が行われている(例えば、特許文献1〜3参照)。
特開2001−284725号公報 特開2002−26452号公報 特開2001−242303号公報
A vertical cavity surface emitting laser element having a structure that emits laser light perpendicular to the substrate surface can be integrated with other elements at high density on the substrate. The emission angle of the surface emitting laser element is usually 6 to 7 degrees (during single mode), which is narrower than that of the edge emitting laser element (about 30 degrees). Therefore, it is expected to be used in the future as a light source of an optical integrated circuit. Various studies have been made on the laser light emission conditions of the surface emitting laser element (see, for example, Patent Documents 1 to 3).
JP 2001-284725 A JP 2002-26452 A JP 2001-242303 A

面発光レーザ素子は、上記したように、端面発光レーザ素子に比べて出射角度の狭いレーザ光が得られる。しかしながら、面発光レーザ素子などの素子が高集積化された状態での光インターコネクションに応用する場合、面発光レーザ素子からの光の出射角度をさらに小さくすることが必要となる。これに対して、上記文献では、面発光レーザ素子とマイクロレンズとの組み合わせについて検討されている。   As described above, the surface emitting laser element can obtain laser light having a narrower emission angle than the edge emitting laser element. However, in the case of application to optical interconnection in a state where elements such as surface emitting laser elements are highly integrated, it is necessary to further reduce the light emission angle from the surface emitting laser elements. On the other hand, in the above document, a combination of a surface emitting laser element and a microlens is studied.

特許文献1では、レーザ出射部上部にノズルで樹脂を出して、その樹脂を凸レンズ形状となるように固めて、マイクロレンズを形成している。しかし、レーザ出射部分の径は数μmであるため、ノズルで樹脂を出す位置の位置合わせが難しく、また、径が数μmとなるようなマイクロレンズを形成するのも困難である。さらに、面発光レーザ光源を高密度で集積化するため、アレイで形成することを考慮すると、1つ1つノズルで樹脂を出して形成するこの方法では、大量生産に不向きである。また、特許文献2では、誘電体からなるマイクロレンズを面発光レーザ光源に適用している。しかし、具体的なレンズ構造、レンズの製造方法について充分に検討されていない。   In Patent Document 1, a resin is ejected by a nozzle above the laser emitting portion, and the resin is solidified so as to have a convex lens shape, thereby forming a microlens. However, since the diameter of the laser emission part is several μm, it is difficult to align the position where the resin is ejected by the nozzle, and it is also difficult to form a microlens having a diameter of several μm. Further, considering that the surface emitting laser light sources are integrated with high density, this method in which resin is formed by nozzles one by one is not suitable for mass production. In Patent Document 2, a microlens made of a dielectric is applied to a surface emitting laser light source. However, specific lens structures and lens manufacturing methods have not been fully studied.

一方、特許文献3では、石英ガラスを熱で溶かしてマイクロレンズを形成している。しかし、石英ガラスの溶ける温度は1000℃以上であるため、半導体基板に熱的な損傷を与えることとなり、面発光レーザ光源には適用できない。   On the other hand, in Patent Document 3, quartz glass is melted by heat to form a microlens. However, since the melting temperature of quartz glass is 1000 ° C. or higher, the semiconductor substrate is thermally damaged and cannot be applied to a surface emitting laser light source.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、所望の出射条件でレーザ光を得ることができる面発光レーザ光源の製造方法及び面発光レーザ光源を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a surface emitting laser light source manufacturing method and a surface emitting laser light source capable of obtaining laser light under desired emission conditions.

このような目的を解決するために、本発明による面発光レーザ光源の製造方法は、基板上に形成された垂直共振器型の面発光レーザ素子の出射面上に第1の誘電体材料を積層する第1の誘電体積層工程と、出射面上に積層された第1の誘電体材料を元レンズに形成する第1のレンズ形成工程と、元レンズ上に、第2の誘電体材料を積層する第2の誘電体積層工程と、面発光レーザ素子よりレーザ光を出射し、その出射パターンに基づいて、元レンズ上に積層された第2の誘電体材料の外面形状を調整して、面発光レーザ素子に対応するマイクロレンズを形成する第2のレンズ形成工程とを備えることを特徴とする。   In order to solve such an object, a method of manufacturing a surface emitting laser light source according to the present invention includes laminating a first dielectric material on an emission surface of a vertical cavity surface emitting laser element formed on a substrate. A first dielectric laminating step, a first lens forming step of forming a first dielectric material laminated on the emission surface on the original lens, and a second dielectric material laminated on the original lens A second dielectric laminating step, a laser beam is emitted from the surface emitting laser element, and an outer surface shape of the second dielectric material laminated on the original lens is adjusted based on the emission pattern to obtain a surface And a second lens forming step of forming a microlens corresponding to the light emitting laser element.

この製造方法によれば、面発光レーザ素子の出射面上にマイクロレンズが形成される。そのため、面発光レーザ光源から出射されるレーザ光の出射角度を小さくすることができ、さらには必要に応じて、コリメート光を得ることも可能となる。また、マイクロレンズは、まず元レンズを形成してから、その上に第2の誘電体材料が積層され形成されるという2段階の形成工程を経る。このような方法では、最終的に得られるマイクロレンズの外面形状、及びレンズ内での分布屈折率構造等を様々に制御することができる。さらに、一度レーザ光を出射して出射パターンを確認してから、マイクロレンズの形状が調整される。したがって、所望の出射条件を得るために、高精度でマイクロレンズの形状を制御することができる。加えて、アライメントのための複雑な調整を必要としないため、容易にレンズを形成することができる。   According to this manufacturing method, the microlens is formed on the emission surface of the surface emitting laser element. Therefore, the emission angle of the laser light emitted from the surface emitting laser light source can be reduced, and further, collimated light can be obtained as necessary. In addition, the microlens is subjected to a two-stage formation process in which an original lens is first formed and then a second dielectric material is laminated thereon. In such a method, the outer surface shape of the finally obtained microlens, the distributed refractive index structure in the lens, and the like can be variously controlled. Furthermore, after the laser beam is emitted once and the emission pattern is confirmed, the shape of the microlens is adjusted. Therefore, in order to obtain a desired emission condition, the shape of the microlens can be controlled with high accuracy. In addition, since a complicated adjustment for alignment is not required, the lens can be easily formed.

また、第2の誘電体積層工程において、元レンズの屈折率との間に段階的に屈折率の差を設けて、第2の誘電体材料を積層することが好ましい。このような構成では、第1、第2の誘電体材料の界面において、その屈折率差に応じた反射量で、面発光レーザ素子内部への反射光を得ることができる。したがって、屈折率差を調整することによって、マイクロレンズでの面発光レーザ素子内部への反射量を所望の値にし、モード制御することができる。   In the second dielectric layer stacking step, it is preferable to stack the second dielectric material by providing a stepwise difference in refractive index from the refractive index of the original lens. In such a configuration, reflected light to the inside of the surface emitting laser element can be obtained with an amount of reflection corresponding to the difference in refractive index at the interface between the first and second dielectric materials. Therefore, by adjusting the refractive index difference, the amount of reflection of the microlens into the surface emitting laser element can be set to a desired value, and the mode can be controlled.

また、第2の誘電体積層工程において、元レンズ側から外側に向けて屈折率が変化するように、第2の誘電体材料を積層することが好ましい。これにより、所望の出射条件に合わせた分布屈折率構造を有するマイクロレンズを得ることができる。   In the second dielectric layer stacking step, it is preferable to stack the second dielectric material so that the refractive index changes from the original lens side toward the outside. Thereby, it is possible to obtain a microlens having a distributed refractive index structure adapted to a desired emission condition.

また、第2の誘電体積層工程において、元レンズ側から外側に向けて屈折率が連続的に変化するように、第2の誘電体材料を積層することが好ましい。このように屈折率を変化させることにより、面発光レーザ光源から出射される各角度の光を所望の方向に徐々に屈折させ、光路長差を減少させることができる。これにより、面発光レーザ光源から出射される光の収差を軽減することができる。   In the second dielectric layer stacking step, it is preferable to stack the second dielectric material so that the refractive index continuously changes from the original lens side toward the outside. By changing the refractive index in this way, light at each angle emitted from the surface emitting laser light source can be gradually refracted in a desired direction, and the optical path length difference can be reduced. Thereby, the aberration of the light emitted from the surface emitting laser light source can be reduced.

また、第2の誘電体積層工程において、元レンズ側から外側に向けて屈折率が段階的に変化するように、第2の誘電体材料を積層することが好ましい。屈折率が段階的に変化する界面において、その界面の前後の屈折率差に応じた反射量で面発光レーザ素子内部への反射光を得ることができる。このような界面の数及び界面での屈折率差を調整することによって、マイクロレンズでの面発光レーザ素子内部への反射量を所望の値にし、モード制御することが可能となる。   In the second dielectric layer stacking step, it is preferable to stack the second dielectric material so that the refractive index changes stepwise from the original lens side toward the outside. At the interface where the refractive index changes stepwise, it is possible to obtain reflected light into the surface emitting laser element with a reflection amount corresponding to the difference in refractive index before and after the interface. By adjusting the number of interfaces and the refractive index difference at the interfaces, the amount of reflection of the microlenses into the surface-emitting laser element can be set to a desired value, and the mode can be controlled.

また、第2の誘電体積層工程において、第2の誘電体材料を、プラズマCVD法により積層することが好ましい。プラズマCVD法において、特にSiNの成膜では、350℃近辺においては屈折率が2.5であるが、成膜温度を下げるとH(水素)が混入し屈折率が低下する。そのため、積層時の温度を変えて成膜し、厚さ方向に屈折率分布を変化させることが可能である。また、SiOでは、Ge、P、B等をドーピングするなどして屈折率を変化させることも可能である。それ以外の材料においても、各成膜条件を変化させることで積層される誘電体の屈折率を変化させてマイクロレンズを形成することができる。 In the second dielectric layer stacking step, the second dielectric material is preferably stacked by a plasma CVD method. In the plasma CVD method, particularly in the case of SiN film formation, the refractive index is 2.5 around 350 ° C., but when the film formation temperature is lowered, H (hydrogen) is mixed and the refractive index is lowered. Therefore, it is possible to change the refractive index distribution in the thickness direction by changing the temperature at the time of lamination. In addition, in SiO 2 , the refractive index can be changed by doping Ge, P, B or the like. Even in other materials, the microlens can be formed by changing the refractive index of the laminated dielectric by changing each film forming condition.

また、第2のレンズ形成工程において、反応性イオンエッチング法又はスパッタリング法によりマイクロレンズの外面形状を調整することが好ましい。これにより、マイクロレンズのレンズ面の曲面を調整することができる。   In the second lens forming step, it is preferable to adjust the outer surface shape of the microlens by a reactive ion etching method or a sputtering method. Thereby, the curved surface of the lens surface of the microlens can be adjusted.

本発明による面発光レーザ光源は、基板上に形成された垂直共振器型の面発光レーザ素子と、面発光レーザ素子の出射面上に形成されたマイクロレンズとを備え、マイクロレンズは、誘電体からなり、出射面側の中心部から外側のレンズ面に向けて所定の分布で屈折率が変化する分布屈折率構造に形成されていることを特徴とする。   A surface-emitting laser light source according to the present invention includes a vertical cavity surface-emitting laser element formed on a substrate and a microlens formed on an emission surface of the surface-emitting laser element. And is formed in a distributed refractive index structure in which the refractive index changes with a predetermined distribution from the central portion on the exit surface side toward the outer lens surface.

この面発光レーザ光源によれば、マイクロレンズは面発光レーザ素子の出射面上に形成される。そのため、面発光レーザ光源から出射されるレーザ光の出射角度を小さくすることができ、さらには必要に応じて、コリメート光を得ることも可能となる。また、マイクロレンズは、その屈折率を変化させる分布屈折率構造をしているため、面発光レーザ光源から出射されるレーザ光の出射条件を様々に制御することができる。また、マイクロレンズは面発光レーザ素子の出射面上に形成されているため、マイクロレンズの位置合わせをするのに、アライメントのための複雑な調整を必要としない。なお、面発光レーザ素子の出射面は基板と反対側の面であっても、あるいは基板側の面であってもよい。   According to this surface emitting laser light source, the microlens is formed on the emission surface of the surface emitting laser element. Therefore, the emission angle of the laser light emitted from the surface emitting laser light source can be reduced, and further, collimated light can be obtained as necessary. Further, since the microlens has a distributed refractive index structure that changes its refractive index, it is possible to variously control the emission conditions of the laser light emitted from the surface emitting laser light source. Further, since the microlens is formed on the emission surface of the surface emitting laser element, complicated adjustment for alignment is not required to align the microlens. The exit surface of the surface emitting laser element may be the surface opposite to the substrate or the surface on the substrate side.

具体的な分布屈折率構造としては、マイクロレンズは、中心部を含む内側の第1レンズ部とレンズ面を含む外側の第2レンズ部とを備え、第1レンズ部と第2レンズ部との間で段階的に屈折率が変化することが好ましい。第1レンズ部と第2レンズ部との界面、及び第2レンズ部の表面においては、屈折率差に応じた反射量で、面発光レーザ素子内部への反射光を得ることができる。したがって、マイクロレンズでの面発光レーザ素子内部への反射量が所望の値となるように屈折率差を調整して、モード制御することができる。   As a specific distributed refractive index structure, the microlens includes an inner first lens portion including a central portion and an outer second lens portion including a lens surface, and includes a first lens portion and a second lens portion. It is preferable that the refractive index changes step by step. At the interface between the first lens unit and the second lens unit and the surface of the second lens unit, reflected light to the inside of the surface emitting laser element can be obtained with a reflection amount corresponding to the refractive index difference. Therefore, the mode can be controlled by adjusting the refractive index difference so that the reflection amount of the microlens into the surface emitting laser element becomes a desired value.

また、マイクロレンズは、中心部を含む内側の第1レンズ部とレンズ面を含む外側の第2レンズ部とを備え、第2レンズ部は、第1レンズ部側からレンズ面側に向けて屈折率が変化することが好ましい。これにより、第1レンズ部との組み合わせで、所望の出射条件に制御することができる。   The microlens includes an inner first lens portion including a center portion and an outer second lens portion including a lens surface, and the second lens portion is refracted from the first lens portion side toward the lens surface side. It is preferred that the rate changes. Thereby, it is possible to control to a desired emission condition in combination with the first lens unit.

この場合、第2レンズ部における第1レンズ部側からレンズ面側に向けての屈折率の変化が連続的であることが好ましい。このように屈折率を変化させることにより、面発光レーザ光源から出射される各角度の光を所望の方向に徐々に屈折させ、光路長差を減少させることができる。これにより、面発光レーザ光源から出射される光の収差を軽減することができる。   In this case, it is preferable that the change in the refractive index from the first lens unit side to the lens surface side in the second lens unit is continuous. By changing the refractive index in this way, light at each angle emitted from the surface emitting laser light source can be gradually refracted in a desired direction, and the optical path length difference can be reduced. Thereby, the aberration of the light emitted from the surface emitting laser light source can be reduced.

さらに、第2レンズ部における第1レンズ部側からレンズ面側に向けての屈折率の変化が段階的であることが好ましい。このような構成では、第2レンズ部内の屈折率が段階的に変化する界面において、その界面の前後の屈折率差に応じた反射量で面発光レーザ素子内部への反射光を得ることができる。このような界面の数及び界面での屈折率差を調整することによって、マイクロレンズでの面発光レーザ素子内部への反射量を所望の値にし、モード制御することが可能となる。   Furthermore, it is preferable that the change of the refractive index from the first lens unit side to the lens surface side in the second lens unit is stepwise. In such a configuration, at the interface where the refractive index in the second lens portion changes stepwise, reflected light to the inside of the surface emitting laser element can be obtained with a reflection amount according to the refractive index difference before and after the interface. . By adjusting the number of interfaces and the refractive index difference at the interfaces, the amount of reflection of the microlenses into the surface-emitting laser element can be set to a desired value, and the mode can be controlled.

また、面発光レーザ光源は、面発光レーザ素子、及び対応するマイクロレンズを、基板上に1次元又は2次元アレイ状に複数形成しても良い。上記の面発光レーザ光源においては、レーザ光の出射角度が抑えられるため、高密度にアレイ化することが可能となる。   In the surface emitting laser light source, a plurality of surface emitting laser elements and corresponding microlenses may be formed on a substrate in a one-dimensional or two-dimensional array. In the surface emitting laser light source described above, since the emission angle of the laser light can be suppressed, it is possible to form an array with high density.

本発明によれば、所望の出射条件でレーザ光を得ることができる面発光レーザ光源の製造方法及び面発光レーザ光源を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method and surface emitting laser light source of a surface emitting laser light source which can obtain a laser beam on desired emission conditions can be provided.

以下、図面とともに、本発明による面発光レーザ光源の製造方法及び面発光レーザ光源の第1実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。   Hereinafter, a manufacturing method of a surface emitting laser light source and a first embodiment of a surface emitting laser light source according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. The dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.

図1は、本実施形態に係る面発光レーザ光源である面発光レーザアレイ1の斜視図である。面発光レーザアレイ1は、複数の面発光レーザ光源2が基板10の同一面上に一定の間隔で2次元アレイ状に配列されてなる。   FIG. 1 is a perspective view of a surface emitting laser array 1 which is a surface emitting laser light source according to the present embodiment. The surface-emitting laser array 1 includes a plurality of surface-emitting laser light sources 2 arranged in a two-dimensional array at regular intervals on the same surface of the substrate 10.

図2は、本実施形態に係る面発光レーザ光源2の斜視図、図3は面発光レーザ光源2の垂直断面図である。   FIG. 2 is a perspective view of the surface emitting laser light source 2 according to the present embodiment, and FIG. 3 is a vertical sectional view of the surface emitting laser light source 2.

面発光レーザ光源2は、図2に示すように、円柱状のメサ型形状を有する面発光レーザ素子3とマイクロレンズ4とが一体に、基板10上に形成されて構成されている。面発光レーザ素子3は、垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL)であり、下部ミラー5、活性層6、酸化膜電流狭窄層7、及び上部ミラー8が積層されて形成され、下部ミラー5と上部ミラー8との間で共振器が構成される。そのため、図2の矢印で示す通り、これらの層の積層方向と平行な方向に、レーザ光が出射される。   As shown in FIG. 2, the surface emitting laser light source 2 is configured by integrally forming a surface emitting laser element 3 having a cylindrical mesa shape and a microlens 4 on a substrate 10. The surface emitting laser element 3 is a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) and is formed by laminating a lower mirror 5, an active layer 6, an oxide current confinement layer 7, and an upper mirror 8. A resonator is formed with the upper mirror 8. Therefore, as indicated by the arrows in FIG. 2, laser light is emitted in a direction parallel to the stacking direction of these layers.

マイクロレンズ4は、凸レンズ形状であり、面発光レーザ素子3の基板10とは反対側の面である出射面3a上に、面発光レーザ素子3と一体に形成される。また、マイクロレンズ4は、出射面3a側の中心部から外側のレンズ面4cに向かって所定の分布で屈折率が変化する分布屈折率構造に形成されている。   The microlens 4 has a convex lens shape, and is integrally formed with the surface emitting laser element 3 on the emission surface 3 a which is the surface opposite to the substrate 10 of the surface emitting laser element 3. In addition, the microlens 4 is formed in a distributed refractive index structure in which the refractive index changes with a predetermined distribution from the central portion on the exit surface 3a side toward the outer lens surface 4c.

具体的には、マイクロレンズ4は、誘電体であるSiNからなり、図3に示すように、出射面3a側の面上にあって光軸と交わる点である中心点(中心部)Cを含む内側の第1レンズ部4aと、マイクロレンズ4の外面であるレンズ面4cを含む外側の第2レンズ部4bとで構成される。第1レンズ部4a内では、屈折率は一定値で一様に分布している。また、第2レンズ部4bでは、屈折率は第1レンズ部4a側からレンズ面4c側に向けて、放射状に連続的に小さくなるように分布している。   Specifically, the microlens 4 is made of SiN, which is a dielectric, and has a center point (center portion) C that is a point on the surface on the emission surface 3a side and intersecting the optical axis, as shown in FIG. The inner first lens portion 4a includes the outer lens portion 4b including the lens surface 4c which is the outer surface of the microlens 4. In the first lens unit 4a, the refractive index is uniformly distributed with a constant value. In the second lens portion 4b, the refractive index is distributed so as to continuously decrease radially from the first lens portion 4a side toward the lens surface 4c side.

次に、面発光レーザアレイ1及び面発光レーザ光源2の効果について説明する。面発光レーザ素子3から出射されるレーザ光は、マイクロレンズ4によって屈折させられ、その出射角度が小さくなる。そのため、必要に応じて出射角度を絞ったレーザ光、あるいはコリメートされたレーザ光を得ることができる。したがって、面発光レーザアレイ1あるいは面発光レーザ光源2を光インターコネクションに応用した場合、その高集積化や、チャネル間でのクロストークの抑制等が可能となる。また、マイクロレンズ4においては、その屈折率が中心点Cからレンズ面4cに向けて分布する分布屈折率構造をしている。このような構成では、屈折率の具体的な分布構造を変えることによって、レーザ光の出射条件を様々に制御することができる。また、マイクロレンズ4は面発光レーザ素子3の出射面3a上に形成されている。そのため、アライメントのための複雑な調整をすることなく、マイクロレンズ4の位置合わせをすることが可能である。   Next, effects of the surface emitting laser array 1 and the surface emitting laser light source 2 will be described. The laser light emitted from the surface emitting laser element 3 is refracted by the microlens 4 and the emission angle becomes small. Therefore, laser light with a narrowed emission angle or collimated laser light can be obtained as necessary. Therefore, when the surface-emitting laser array 1 or the surface-emitting laser light source 2 is applied to optical interconnection, it is possible to increase its integration and to suppress crosstalk between channels. The microlens 4 has a distributed refractive index structure in which the refractive index is distributed from the center point C toward the lens surface 4c. In such a configuration, the laser light emission conditions can be variously controlled by changing the specific distribution structure of the refractive index. The microlens 4 is formed on the emission surface 3 a of the surface emitting laser element 3. Therefore, it is possible to align the microlens 4 without complicated adjustment for alignment.

マイクロレンズ4の分布屈折率構造としては、様々な構造をとることが可能である。例えば、第2レンズ部4bにおいて、屈折率が第1レンズ部4a側からレンズ面4c側に向けて変化する構造をとることによって、第1レンズ部4aとの組み合わせで、所望の出射条件に制御することが可能である。   The distributed refractive index structure of the microlens 4 can take various structures. For example, the second lens unit 4b has a structure in which the refractive index changes from the first lens unit 4a side to the lens surface 4c side, thereby controlling to a desired emission condition in combination with the first lens unit 4a. Is possible.

具体的には、本実施形態におけるマイクロレンズ4の分布屈折率構造は、第1レンズ部4aにおいて、屈折率が一定値で一様に分布し、第2レンズ部4bにおいて、屈折率が第1レンズ部4a側からレンズ面4c側に向けて連続的に小さくなるように変化する構造である。そのため、図3の光路図に示すように、各角度の出射レーザ光は、垂直方向(上方向)に徐々に屈折し、これらの光の間における光路長差は減少される。その結果、面発光レーザ光源2から出射されたレーザ光を集光した際の収差が軽減される。これにより、フェムト秒パルス波を用いた高速光並列処理回路などのデバイスに応用した場合に、収差からくる分散が低減され、フェムト秒パルス光コンピュータなど高速処理に必要な光学系の実現も可能となる。   Specifically, in the distributed refractive index structure of the microlens 4 in the present embodiment, the refractive index is uniformly distributed at a constant value in the first lens portion 4a, and the refractive index is the first in the second lens portion 4b. It is a structure that changes so as to continuously decrease from the lens portion 4a side toward the lens surface 4c side. Therefore, as shown in the optical path diagram of FIG. 3, the emitted laser light at each angle is gradually refracted in the vertical direction (upward direction), and the optical path length difference between these lights is reduced. As a result, aberrations when the laser light emitted from the surface emitting laser light source 2 is condensed are reduced. As a result, when applied to devices such as high-speed optical parallel processing circuits using femtosecond pulse waves, the dispersion caused by aberrations is reduced, and it is possible to realize optical systems necessary for high-speed processing such as femtosecond pulse optical computers. Become.

マイクロレンズ4の分布屈折率構造は上記の例に限らず、例えば、第1レンズ部4aと第2レンズ部4bとの間で段階的に屈折率が変化するような構成であっても良い。このように、屈折率を段階的に変化させると、図4に示したように、第1レンズ部4aと第2レンズ部4bとの界面で、光の一部が反射し、面発光レーザ素子3内部に戻される。その反射率は屈折率差によるので、所望の反射量となるよう屈折率差を調整して、モード制御を行うことが可能である。また、この場合、第2レンズ部4bでの屈折率については、上記のように連続的に変化する構成であっても良く、あるいは一定であっても良い。また、第1レンズ部4a内で、屈折率が中心点Cから第2レンズ部4bとの界面に向けて連続的に変化するような分布としても良い。あるいは、第1レンズ部4a内で、屈折率が段階的に変化するような分布としても良い。さらには、こうした分布を組み合わせることもできる。これにより、所望の出射条件を満たす出射レーザ光が得られる。   The distributed refractive index structure of the microlens 4 is not limited to the above example. For example, a configuration in which the refractive index changes stepwise between the first lens unit 4a and the second lens unit 4b may be employed. Thus, when the refractive index is changed stepwise, a part of the light is reflected at the interface between the first lens portion 4a and the second lens portion 4b as shown in FIG. 3 is returned to the inside. Since the reflectance depends on the difference in refractive index, it is possible to control the mode by adjusting the difference in refractive index so as to obtain a desired amount of reflection. In this case, the refractive index in the second lens portion 4b may be continuously changed as described above, or may be constant. Further, the distribution may be such that the refractive index continuously changes from the center point C toward the interface with the second lens portion 4b in the first lens portion 4a. Or it is good also as distribution which a refractive index changes in steps within the 1st lens part 4a. Furthermore, these distributions can be combined. As a result, an outgoing laser beam that satisfies a desired emission condition can be obtained.

また、面発光レーザ光源2は、上述したように、出射角度が抑えられ、また収差も軽減されるため、高密度に面発光レーザ光源2を配置した面発光レーザアレイ1が可能となる。さらに、高密度な配置を有する大規模高出力アレイが実現されると、高密度集光が可能となる。なお、面発光レーザアレイ1において、面発光レーザ光源2の配置は上記した2次元アレイに限定されず、1次元または2次元アレイ状に形成されていれば良い。さらに、面発光レーザアレイ1が備える面発光レーザ光源2の数はいくつでもよく、1つのみ備える場合はアレイではなく単体の面発光レーザ光源となる。   Further, as described above, since the surface emitting laser light source 2 has a reduced emission angle and reduced aberrations, the surface emitting laser array 1 in which the surface emitting laser light sources 2 are arranged at high density is possible. Furthermore, when a large-scale high-power array having a high-density arrangement is realized, high-density light collection is possible. In the surface emitting laser array 1, the arrangement of the surface emitting laser light sources 2 is not limited to the two-dimensional array described above, and may be one-dimensional or two-dimensional array. Further, the surface-emitting laser array 1 may have any number of surface-emitting laser light sources 2, and when only one is provided, it becomes a single surface-emitting laser light source instead of an array.

また、面発光レーザ素子3はメサ型に限らず、埋込型、平面型でも良い。また、マイクロレンズを形成する誘電体材料はSiNに限られない。   The surface emitting laser element 3 is not limited to the mesa type, but may be a buried type or a planar type. The dielectric material forming the microlens is not limited to SiN.

次に、図5、図6を参照して、本実施形態に係る面発光レーザ光源2の製造方法について説明する。   Next, with reference to FIGS. 5 and 6, a method for manufacturing the surface emitting laser light source 2 according to the present embodiment will be described.

ここで、本実施形態における面発光レーザ光源2の製造方法では、積層した誘電体によってマイクロレンズを形成している。特に、マイクロレンズの形成において、プラズマCVD法、反応性イオンエッチング法、プラズマエッチング法、スパッタリング法のそれぞれの特徴を生かすよう組み合わせるのが好ましい。これにより、面発光レーザ素子3に搭載されたマイクロレンズのレンズ曲面を自在に調整することが可能である。プラズマCVD法は、積層に関して方向性がないため、積層物は均一な厚さで積層される。また、プラズマエッチング法は、エッチングに関して方向性がないため、エッチングされる物の表面に対して均一な厚さでエッチングされる。また、スパッタリング法は、積層に関して垂直性があるため、曲面の曲率が維持されたままその上に積層物が積層される。また、反応性イオンエッチング法は、エッチングに関して垂直性があるので、曲率が維持されたまま曲面がエッチングされる。   Here, in the manufacturing method of the surface emitting laser light source 2 in the present embodiment, the microlens is formed by the laminated dielectric. In particular, in forming the microlens, it is preferable to combine the respective characteristics of the plasma CVD method, the reactive ion etching method, the plasma etching method, and the sputtering method. Thereby, it is possible to freely adjust the lens curved surface of the microlens mounted on the surface emitting laser element 3. In the plasma CVD method, since there is no directionality with respect to lamination, the laminate is laminated with a uniform thickness. In addition, since the plasma etching method has no directionality with respect to etching, it is etched with a uniform thickness with respect to the surface of the object to be etched. In addition, since the sputtering method is perpendicular to the stacking, the stack is stacked on the curved surface while maintaining the curvature of the curved surface. In addition, since the reactive ion etching method is perpendicular to etching, the curved surface is etched while maintaining the curvature.

また、プラズマCVD法でSiNを積層する場合、積層に際して温度を変化させることによって積層物の屈折率が変わる。このことを利用して、積層物を、屈折率が段階的又は連続的に変化する分布屈折率構造とすることが可能である。これにより、出射レーザ光のモード制御、出射パターン(出射角度)制御だけでなく、収差軽減も可能となる。   When SiN is laminated by plasma CVD, the refractive index of the laminate changes by changing the temperature during lamination. By taking advantage of this, it is possible to make the laminate a distributed refractive index structure in which the refractive index changes stepwise or continuously. Thereby, not only mode control of the emitted laser beam and emission pattern (emission angle) control but also aberration reduction can be achieved.

本実施形態に係る面発光レーザ光源2の製造方法は、第1の誘電体積層工程、第1のレンズ形成工程、第2の誘電体積層工程、及び第2のレンズ形成工程を含んでいる。ここでは、積層する誘電体の例としてSiNを用いる。   The manufacturing method of the surface emitting laser light source 2 according to the present embodiment includes a first dielectric layer stacking step, a first lens forming step, a second dielectric layer stacking step, and a second lens forming step. Here, SiN is used as an example of a dielectric to be stacked.

図5(a)は、第1の誘電体積層工程を示す工程断面図である。   FIG. 5A is a process sectional view showing a first dielectric layer stacking process.

図5(a)に示すように、まず、基板10上に形成された面発光レーザ素子3の出射面3a上に、例えばプラズマCVD法によって、第1の誘電体材料であるSiNを積層して、第1のSiN膜11を形成する。第1のSiN膜11の屈折率は、第1の誘電体材料SiNを積層する温度によって異なり、例えば350℃で積層すると、第1のSiN膜11の屈折率は2.5となる。   As shown in FIG. 5A, first, SiN which is the first dielectric material is laminated on the emission surface 3a of the surface emitting laser element 3 formed on the substrate 10 by, for example, plasma CVD. Then, the first SiN film 11 is formed. The refractive index of the first SiN film 11 differs depending on the temperature at which the first dielectric material SiN is laminated. For example, when the first SiN film 11 is laminated at 350 ° C., the refractive index of the first SiN film 11 is 2.5.

図5(b)〜図5(f)は、第1のレンズ形成工程を説明する図である。   FIG. 5B to FIG. 5F are diagrams for explaining the first lens forming step.

図5(b)に示すように、まず、第1の誘電体積層工程で積層された第1のSiN膜11の上にレジスト材料(例えばS1818、Shipley製)を塗布し、レジスト膜12を形成する。レジスト材料の塗布は、例えば、スピンコート(回転速度7000rpm、処理時間40秒)による。   As shown in FIG. 5B, first, a resist material (for example, S1818, manufactured by Shipley) is applied on the first SiN film 11 laminated in the first dielectric laminating step to form a resist film 12. To do. The resist material is applied, for example, by spin coating (rotation speed: 7000 rpm, processing time: 40 seconds).

次に、図5(c)に示すように、露光と現像を行うことにより、レジスト膜12をマスクのパターンに応じた形状にする。マスクのパターンは、面発光レーザ素子3の出射面3a上にレジスト膜12が残るように形成される。   Next, as shown in FIG. 5C, the resist film 12 is shaped according to the mask pattern by performing exposure and development. The mask pattern is formed so that the resist film 12 remains on the emission surface 3 a of the surface emitting laser element 3.

続いて、図5(d)に示すように、ポストベークを施すことにより、残留したレジスト膜12を球面状に形成する。ポストベークは、例えば200℃の温度で、1分間行う。   Subsequently, as shown in FIG. 5D, the remaining resist film 12 is formed into a spherical shape by post-baking. Post bake is performed for 1 minute, for example at the temperature of 200 degreeC.

その後、図5(e)に示すように、プラズマエッチング法により、レジスト膜12及び第1のSiN膜11をエッチングして、球面状、即ち凸レンズ状の元レンズ13を形成する。プラズマエッチング法に使用する気体は、例えばテトラフルオロカーボン(CF)及び酸素(O )とする。この方法では、元レンズ13の表面に均一な厚さでエッチングされるため、エッチングの時間で、元レンズ13の大きさ及び曲率を調整することができる。すなわち、エッチングの時間を長くすれば、元レンズ13は小さくなり、その曲率は大きくなる。一方、エッチングの時間を短くすれば、元レンズ13は大きくなり、その曲率は小さくなる。 Thereafter, as shown in FIG. 5E, the resist film 12 and the first SiN film 11 are etched by a plasma etching method to form the original lens 13 having a spherical shape, that is, a convex lens shape. The gas used for the plasma etching method is, for example, tetrafluorocarbon (CF 4 ) and oxygen (O 2 ). In this method, since the surface of the original lens 13 is etched with a uniform thickness, the size and curvature of the original lens 13 can be adjusted by the etching time. That is, if the etching time is lengthened, the original lens 13 becomes smaller and its curvature becomes larger. On the other hand, if the etching time is shortened, the original lens 13 becomes larger and its curvature becomes smaller.

その後、必要に応じて、基板10上に形成された元レンズ13の高さが一定となるような調整を行う。図5(f)は、元レンズ13を高くするよう調整した様子を示す。元レンズ13の高さを低くする場合には、反応性イオンエッチング法を適用することができる。反応性イオンエッチング法では、元レンズ13の曲率が維持されたままエッチングされる。一方、元レンズ13の高さを高くする場合には、スパッタリング法が適用される。スパッタリング法では、元レンズ13の曲率を維持したまま積層される。   Thereafter, if necessary, adjustment is performed so that the height of the original lens 13 formed on the substrate 10 is constant. FIG. 5F shows a state in which the original lens 13 is adjusted to be high. When the height of the original lens 13 is lowered, a reactive ion etching method can be applied. In the reactive ion etching method, etching is performed while maintaining the curvature of the original lens 13. On the other hand, when the height of the original lens 13 is increased, a sputtering method is applied. In the sputtering method, the original lens 13 is laminated while maintaining the curvature.

以上によって、球面状の元レンズ13が形成される。   Thus, the spherical original lens 13 is formed.

図6(a)は、第2の誘電体積層工程を示す工程断面図である。   FIG. 6A is a process sectional view showing a second dielectric laminating process.

図6(a)に示すように、元レンズ13上に、プラズマCVD法によって、第2の誘電体材料であるSiNを積層し、第2のSiN膜14を形成する。第2のSiN膜14の屈折率は、積層する際の温度(成膜温度)に依存する。例えば、第2の誘電体材料を、第1の誘電体材料を積層した温度350℃から連続的に変化させ、250℃まで下げることにより、第2のSiN膜14の屈折率は、元レンズ13の屈折率2.5から、第2のSiN膜14表面14aにおける屈折率約2.0へと連続的に変化する。また、第1の誘電体材料を積層した際の温度とは段階的に異なる温度で第2の誘電体材料を積層していってもよい。あるいは、第2の誘電体積層工程における積層時の温度変化は、連続的ではなく段階的であってもよい。あるいは、積層時の温度を一定にしても良い。   As shown in FIG. 6A, SiN as the second dielectric material is stacked on the original lens 13 by plasma CVD to form a second SiN film 14. The refractive index of the second SiN film 14 depends on the temperature (deposition temperature) at the time of stacking. For example, the second dielectric material is continuously changed from the temperature of 350 ° C. at which the first dielectric material is laminated and lowered to 250 ° C., so that the refractive index of the second SiN film 14 is changed to the original lens 13. From the refractive index of 2.5, the refractive index of the second SiN film 14 surface 14a continuously changes to 2.0. Further, the second dielectric material may be laminated at a temperature stepwise different from the temperature at which the first dielectric material is laminated. Or the temperature change at the time of lamination | stacking in a 2nd dielectric material lamination process may be stepwise instead of continuous. Or you may make the temperature at the time of lamination | stacking constant.

図6(b)は、第2のレンズ形成工程である。   FIG. 6B shows a second lens forming process.

面発光レーザ素子3からレーザ光を出射し、その出射パターンを確認してから、所望の出射条件(例えば、コリメート光、あるいはシングルモード最大化など)を満たすよう、マイクロレンズ15の外面形状を調整する。外面形状の調整には、反応性イオンエッチング法やスパッタリング法が用いられる。マイクロレンズ15は、図6(b)に示すように、元レンズ13と第2のSiN膜14とで構成される。また、マイクロレンズ15は第1レンズ部と第2レンズ部を備えており、元レンズ13が、マイクロレンズ15の中心点Cを含む内側の第1レンズ(図3の4a)、第2のSiN膜14が、レンズ面を含む外側の第2レンズ部(図3の4b)となる。   After the laser light is emitted from the surface emitting laser element 3 and the emission pattern is confirmed, the outer surface shape of the microlens 15 is adjusted so as to satisfy a desired emission condition (for example, collimated light or single mode maximization). To do. For the adjustment of the outer surface shape, a reactive ion etching method or a sputtering method is used. As shown in FIG. 6B, the microlens 15 is composed of an original lens 13 and a second SiN film 14. The microlens 15 includes a first lens portion and a second lens portion, and the original lens 13 is an inner first lens (4a in FIG. 3) including the center point C of the microlens 15, and a second SiN. The film 14 becomes the outer second lens portion (4b in FIG. 3) including the lens surface.

図6(c)は、マイクロレンズ15の形成に不要な部分を除去する工程を示す図である。具体的には、基板10にレジスト材料を塗布して、パターニングした後、エッチングを施し、マイクロレンズ15の形成に必要のない部分を除去している。この工程は、必要に応じて取り入れられ、省略することもできる。   FIG. 6C is a diagram illustrating a process of removing a portion unnecessary for forming the microlens 15. Specifically, a resist material is applied to the substrate 10 and patterned, and then etching is performed to remove a portion that is not necessary for forming the microlens 15. This step is incorporated as necessary and can be omitted.

次に、本実施形態による面発光レーザアレイ及び面発光レーザ光源の製造方法の効果を説明する。この製造方法によれば、面発光レーザ素子3の出射面3a上にマイクロレンズ15が形成されるため、製造された面発光レーザ光源2から出射されるレーザ光の出射角度を小さくすることができる。そのため、必要に応じて出射角度を絞ったレーザ光、あるいはコリメートされたレーザ光を得ることができる。また、これにより、面発光レーザアレイ1あるいは面発光レーザ光源2を、光インターコネクションに応用した場合、クロストークを抑制することが可能になる。   Next, effects of the method for manufacturing the surface emitting laser array and the surface emitting laser light source according to the present embodiment will be described. According to this manufacturing method, since the microlens 15 is formed on the emission surface 3a of the surface emitting laser element 3, the emission angle of the laser beam emitted from the manufactured surface emitting laser light source 2 can be reduced. . Therefore, laser light with a narrowed emission angle or collimated laser light can be obtained as necessary. This also makes it possible to suppress crosstalk when the surface emitting laser array 1 or the surface emitting laser light source 2 is applied to optical interconnection.

また、マイクロレンズ15は、まず元レンズ13が形成され、その上に第2の誘電体材料が積層されて形成されるという2段階の形成工程を経る。このため、最終的に得られるマイクロレンズの外面形状及びレンズ内での分布屈折率構造等を様々に制御することが可能である。   The microlens 15 undergoes a two-stage formation process in which the original lens 13 is first formed and the second dielectric material is laminated thereon. Therefore, it is possible to variously control the outer surface shape of the microlens finally obtained, the distributed refractive index structure in the lens, and the like.

また、一度レーザ光を出射して出射パターンを確認してから、マイクロレンズ15の外面形状を調整する。そのため、所望の出射条件に応じたレーザ光を得るのに、高精度でレンズ形状を制御することが可能である。例えば、マイクロレンズ15の外面形状を調整して、コリメートされた光を得ることができる。あるいは、凹面鏡として機能するマイクロレンズ15上面の形状を調整して、面発光レーザ素子3内部に戻ってくる光を制御し、シングルモード出力を最大化することもできる。特に、イオンエッチング法又はスパッタリング法を用いて調整することにより、マイクロレンズ15の上面(レンズ面)の曲面を所望の出射条件に合わせて調整することが可能である。   Further, after the laser beam is once emitted and the emission pattern is confirmed, the outer surface shape of the microlens 15 is adjusted. Therefore, it is possible to control the lens shape with high accuracy in order to obtain a laser beam according to a desired emission condition. For example, the collimated light can be obtained by adjusting the outer surface shape of the microlens 15. Alternatively, the shape of the upper surface of the microlens 15 functioning as a concave mirror can be adjusted to control the light returning to the inside of the surface emitting laser element 3 to maximize the single mode output. In particular, it is possible to adjust the curved surface of the upper surface (lens surface) of the microlens 15 according to a desired emission condition by adjusting using an ion etching method or a sputtering method.

さらに、第1のレンズ形成工程において使用するマスクを一度製作してしまえば、アライメントに手間取ることなく、大量に、一括してマイクロレンズ15を形成することができる。このため、酸化膜電流狭窄構造を用いた面発光レーザ光源2において、μmオーダーで活性層直上にアライメントされた、数μm径のレンズの形状を制御することができ、シングルモード出力を得ることが可能となる。特に、面発光レーザアレイ1の製造においては、大量に一括してマイクロレンズ15を形成することができるため、低コストで製造することが可能となる。   Furthermore, once the mask used in the first lens forming step is manufactured, the microlenses 15 can be formed in a large amount in a lump without taking time for alignment. Therefore, in the surface emitting laser light source 2 using the oxide film current confinement structure, the shape of a lens having a diameter of several μm aligned on the active layer in the order of μm can be controlled, and a single mode output can be obtained. It becomes possible. In particular, in the manufacture of the surface emitting laser array 1, since the microlenses 15 can be formed in a large amount at a time, it can be manufactured at low cost.

また、第2の誘電体積層工程において、元レンズ13側から外側(レンズ面側)に向かって放射状に屈折率が変化するよう、第2の誘電体材料を積層させることができる。これにより、マイクロレンズ4は、所望の出射条件に合わせた分布屈折率構造を有することが可能となる。   In the second dielectric laminating step, the second dielectric material can be laminated so that the refractive index changes radially from the original lens 13 side toward the outside (lens surface side). Thereby, the microlens 4 can have a distributed refractive index structure adapted to a desired emission condition.

例えば、第2の誘電体積層工程における屈折率の放射状の変化が連続的となるように、第2の誘電体材料を積層させることができる。これにより、面発光レーザ素子3から出射される各角度の光を所望の方向に徐々に屈折させることが可能となる。具体的には、屈折率が放射状にレンズ面に向かって小さくなるように積層することにより、元レンズ13から外側においては、面発光レーザ素子3から出射される各角度のレーザ光間の光路長差が減少させられる。その結果、面発光レーザ光源2から出射されるレーザ光を集光した際の収差が軽減され、これにより、高密度に面発光レーザ光源2を配置するアレイが可能となる。   For example, the second dielectric material can be laminated so that the radial change in refractive index in the second dielectric lamination step is continuous. This makes it possible to gradually refract the light at each angle emitted from the surface emitting laser element 3 in a desired direction. Specifically, by laminating so that the refractive index decreases radially toward the lens surface, the optical path length between the laser beams of each angle emitted from the surface-emitting laser element 3 on the outer side from the original lens 13. The difference is reduced. As a result, the aberration at the time of condensing the laser light emitted from the surface emitting laser light source 2 is reduced, so that an array in which the surface emitting laser light sources 2 are arranged at high density becomes possible.

あるいは、第2の誘電体積層工程における屈折率の放射状の変化が段階的となるように、第2の誘電体材料を積層させることもできる。このような構成では、第2のSiN膜14内の屈折率が段階的に変化する界面において、面発光レーザ素子内部への反射光を得ることができる。また、その反射量は、界面の前後での屈折率差に応じた量である。このような界面の数及び界面での屈折率差を調整することによって、マイクロレンズでの面発光レーザ素子内部への反射量を所望の値にし、モード制御することが可能となる。   Alternatively, the second dielectric material can be laminated so that the radial change of the refractive index in the second dielectric lamination step becomes stepwise. In such a configuration, reflected light to the inside of the surface emitting laser element can be obtained at the interface where the refractive index in the second SiN film 14 changes stepwise. The amount of reflection is an amount corresponding to the difference in refractive index before and after the interface. By adjusting the number of interfaces and the refractive index difference at the interfaces, the amount of reflection of the microlenses into the surface-emitting laser element can be set to a desired value, and the mode can be controlled.

特に、この第2の誘電体材料の積層を、プラズマCVD法で材料をSiNとすると、積層時の温度を変化させることによって、第2の誘電体材料を屈折率を変化させて積層させることができる。例えば、温度を連続的に変化させることによって、屈折率も連続的に変化して積層される。また、第1の誘電体材料を積層した際の温度とは段階的に異なる温度で第2の誘電体材料を積層することによって、元レンズ13と第2の誘電体材料との界面において、段階的な屈折率差が設けられる。この界面では、その屈折率差に応じた反射量で、面発光レーザ素子3内部へ光が反射して戻っていく。したがって、界面での屈折率差を調整することによって、マイクロレンズ15での面発光レーザ素子3内部への反射量を所望の値にすることができ、モード制御が可能となる。あるいは、第2の誘電体材料の積層において、温度を段階的に変化させることによって、第2の誘電体材料の屈折率を段階的に変化させることもできる。あるいは、積層時の温度を一定にすることにより、第2のSiN膜14内において、屈折率を一定の値で一様に分布させることもできる。   In particular, when the second dielectric material is laminated by plasma CVD, the second dielectric material can be laminated with the refractive index changed by changing the temperature at the time of lamination. it can. For example, when the temperature is continuously changed, the refractive index is continuously changed to be laminated. Further, by stacking the second dielectric material at a temperature stepwise different from the temperature at which the first dielectric material is stacked, a step is performed at the interface between the original lens 13 and the second dielectric material. A refractive index difference is provided. At this interface, light is reflected and returned to the inside of the surface emitting laser element 3 with a reflection amount corresponding to the difference in refractive index. Therefore, by adjusting the refractive index difference at the interface, the amount of reflection of the microlens 15 into the surface emitting laser element 3 can be set to a desired value, and mode control can be performed. Alternatively, in the lamination of the second dielectric material, the refractive index of the second dielectric material can be changed stepwise by changing the temperature stepwise. Alternatively, the refractive index can be uniformly distributed at a constant value in the second SiN film 14 by keeping the temperature at the time of lamination constant.

また、第2のレンズ形成工程において、反応性イオンエッチング法又はスパッタリング法によりマイクロレンズの外面形状を調整する。これにより、マイクロレンズのレンズ面の曲面が調整される。   In the second lens forming step, the outer surface shape of the microlens is adjusted by a reactive ion etching method or a sputtering method. Thereby, the curved surface of the lens surface of the microlens is adjusted.

なお、第1の誘電体積層工程において、成膜方法はプラズマCVD法に限られず、スパッタリング法、蒸着法などでも良い。   In the first dielectric laminating step, the film forming method is not limited to the plasma CVD method, and may be a sputtering method, a vapor deposition method, or the like.

ここで、本実施形態の製造方法によって製造されたマイクロレンズ15について、図7に原子間力顕微鏡(AFM)によって測定した断面形状を、図8に光学顕微鏡による写真を示す。AFMによる測定は、第1のレンズ形成工程を経て形成された元レンズの断面形状(図7のb)と、第2のレンズ形成工程を経た後のマイクロレンズの断面形状(図7のa)とについて行った。図7のグラフの横軸は、マイクロレンズ断面の底辺上の位置を表し、縦軸は、マイクロレンズの高さを表す。図7から、マイクロレンズの断面形状が、第2の誘電体積層工程、第2のレンズ形成工程を経て、変化している様子が窺える。   Here, regarding the microlens 15 manufactured by the manufacturing method of the present embodiment, FIG. 7 shows a cross-sectional shape measured by an atomic force microscope (AFM), and FIG. 8 shows a photograph by an optical microscope. The measurement by AFM includes the cross-sectional shape of the original lens formed through the first lens formation step (b in FIG. 7) and the cross-sectional shape of the microlens after the second lens formation step (a in FIG. 7). And went about. The horizontal axis of the graph in FIG. 7 represents the position on the bottom of the cross section of the microlens, and the vertical axis represents the height of the microlens. From FIG. 7, it can be seen that the cross-sectional shape of the microlens has changed through the second dielectric laminating step and the second lens forming step.

次に、本発明による面発光レーザ光源の第2実施形態について詳細に説明する。図9は本実施形態に係る面発光レーザ光源20の垂直断面図である。面発光レーザ光源20が第1実施形態に係る面発光レーザ光源2と構成上異なる点は、第1実施形態に係る面発光レーザ光源2の第2レンズ部4bでの屈折率変化が連続的であるのに対して、面発光レーザ光源20の第2レンズ部21bでの屈折率変化は段階的であることである。   Next, a second embodiment of the surface emitting laser light source according to the present invention will be described in detail. FIG. 9 is a vertical sectional view of the surface emitting laser light source 20 according to the present embodiment. The surface emitting laser light source 20 is structurally different from the surface emitting laser light source 2 according to the first embodiment because the refractive index change in the second lens portion 4b of the surface emitting laser light source 2 according to the first embodiment is continuous. On the other hand, the refractive index change in the second lens portion 21b of the surface emitting laser light source 20 is gradual.

マイクロレンズ21は、誘電体であるSiNからなり、図9に示すように、中心点(中心部)Cを含む内側の第1レンズ部21aと、マイクロレンズ21の外面であるレンズ面21cを含む外側の第2レンズ部21bとで構成される。第2レンズ部21bは、図9に示すように、第1層21d、第2層21e、第3層21fによって構成される。これらは、第1レンズ部21a側からレンズ面21c側に向けて、第1層21d、第2層21e、第3層21fの順で形成される。また、第1レンズ部21a内及びこれら第1〜第3層21d、21e、21fの各層内では、その屈折率値は一定値をとる。   The microlens 21 is made of SiN which is a dielectric, and includes an inner first lens portion 21a including a center point (center portion) C and a lens surface 21c which is an outer surface of the microlens 21, as shown in FIG. It is comprised with the outer 2nd lens part 21b. As shown in FIG. 9, the second lens portion 21b includes a first layer 21d, a second layer 21e, and a third layer 21f. These are formed in order of the first layer 21d, the second layer 21e, and the third layer 21f from the first lens portion 21a side toward the lens surface 21c side. In addition, the refractive index value is constant in the first lens portion 21a and in each of the first to third layers 21d, 21e, and 21f.

これらの層は、それぞれ異なる屈折率値を有する。具体的には、第1レンズ部21aから第2レンズ部21bの第3層21fまで、屈折率は順に大→小→大→小と段階的に変化する。即ち、第1レンズ部21aの屈折率をn21a、第2レンズ部21bの第1〜第3層21d、21e、21fの屈折率をそれぞれn21d、n21e、n21fとすると、これらは、n21a>n21d、n21d<n21e、n21e>n21fを満たす。 These layers have different refractive index values. Specifically, the refractive index changes in order from large to small to large to small from the first lens unit 21a to the third layer 21f of the second lens unit 21b. That is, when the refractive index of the first lens portion 21a is n 21a and the refractive indexes of the first to third layers 21d, 21e, and 21f of the second lens portion 21b are n 21d , n 21e , and n 21f , respectively, n 21a > n 21d , n 21d <n 21e , and n 21e > n 21f are satisfied.

次に、面発光レーザ光源20の効果について説明する。面発光レーザ素子3から出射されるレーザ光は、マイクロレンズ21によって屈折させられ、その出射角度が小さくなる。そのため、必要に応じて出射角度を絞ったレーザ光、あるいはコリメートされたレーザ光を得ることができる。したがって、面発光レーザ光源20を光インターコネクションに応用した場合、その高集積化や、チャネル間でのクロストークの抑制等が可能となる。また、マイクロレンズ21においては、分布屈折率構造をしている。そのため、屈折率の具体的な分布構造を変えることによって、レーザ光の出射条件を様々に制御することができる。また、マイクロレンズ21は面発光レーザ素子3の出射面3a上に形成されている。そのため、アライメントのための複雑な調整をすることなく、マイクロレンズ21の位置合わせをすることが可能である。   Next, the effect of the surface emitting laser light source 20 will be described. The laser light emitted from the surface emitting laser element 3 is refracted by the microlens 21 and the emission angle becomes small. Therefore, laser light with a narrowed emission angle or collimated laser light can be obtained as necessary. Therefore, when the surface emitting laser light source 20 is applied to optical interconnection, it is possible to increase its integration, suppress crosstalk between channels, and the like. The microlens 21 has a distributed refractive index structure. Therefore, the laser light emission conditions can be controlled in various ways by changing the specific distribution structure of the refractive index. The microlens 21 is formed on the emission surface 3 a of the surface emitting laser element 3. Therefore, it is possible to align the microlens 21 without performing complicated adjustment for alignment.

本実施形態におけるマイクロレンズ21の分布屈折率構造は、まず第1レンズ部21aと第2レンズ部21bとの間で段階的に屈折率が変化する構成である。そのため、第1レンズ部21aと第2レンズ部21bとの界面で、光の一部が反射し、面発光レーザ素子3内部に戻される。   The distributed refractive index structure of the microlens 21 in the present embodiment is a configuration in which the refractive index changes stepwise between the first lens portion 21a and the second lens portion 21b. Therefore, a part of the light is reflected at the interface between the first lens portion 21 a and the second lens portion 21 b and returned to the inside of the surface emitting laser element 3.

さらには、第1レンズ部21aにおいて屈折率が一定値で一様に分布し、第2レンズ部21bにおいて屈折率が第1レンズ部21a側からレンズ面21c側に向けて段階的に変化している。そのため、図9に示したように、第1レンズ部21aと第2レンズ部21bとの界面の他、第2レンズ部21b内の層21d、21e、21f間における界面でも、光の一部が反射し面発光レーザ素子3内部に戻される。このように、面発光レーザ光源21は屈折率が段階的に変化する界面を多数持つため、高いシングルモード性を実現できる。また、各界面での反射率は界面の前後における屈折率差によるので、所望の反射量となるよう各層間の屈折率差を調整して、モード制御を行うことが可能である。   Furthermore, the refractive index is uniformly distributed at a constant value in the first lens portion 21a, and the refractive index in the second lens portion 21b changes stepwise from the first lens portion 21a side toward the lens surface 21c side. Yes. Therefore, as shown in FIG. 9, in addition to the interface between the first lens portion 21a and the second lens portion 21b, part of the light is also present at the interfaces between the layers 21d, 21e, and 21f in the second lens portion 21b. The light is reflected and returned to the inside of the surface emitting laser element 3. Thus, since the surface emitting laser light source 21 has many interfaces whose refractive index changes stepwise, a high single mode property can be realized. Further, since the reflectance at each interface depends on the difference in refractive index before and after the interface, it is possible to control the mode by adjusting the difference in refractive index between the respective layers so as to obtain a desired amount of reflection.

なお、第2レンズ部21b内での屈折率変化は本実施形態によるものに限らない。例えば、第1レンズ部21aから第2レンズ部21bの第3層21fまで、屈折率が順に小→大→小→大と段階的に変化する構成であっても良い。あるいは、大→大、または小→小と変化する構成が含まれていても良い。また、第2レンズ部21bを構成する層の数は3に限らない。さらに、各層内で屈折率が連続的に変化していても良い。   Note that the refractive index change in the second lens portion 21b is not limited to that according to the present embodiment. For example, the refractive index may be changed in order from small → large → small → large in order from the first lens unit 21a to the third layer 21f of the second lens unit 21b. Alternatively, a configuration that changes from large to large or small to small may be included. Further, the number of layers constituting the second lens portion 21b is not limited to three. Furthermore, the refractive index may continuously change in each layer.

また、この場合、第1レンズ部21a内で、屈折率が中心点Cから第2レンズ部21bとの界面に向けて連続的に変化するような分布としても良い。あるいは、第1レンズ部21a内で、屈折率が段階的に変化するような分布としても良い。さらには、上記した第1レンズ部21aの分布例と第2レンズ部21bの分布例とを組み合わせることもできる。これにより、所望の出射条件を満たす出射レーザ光が得られる。   In this case, the distribution may be such that the refractive index continuously changes from the center point C toward the interface with the second lens portion 21b in the first lens portion 21a. Or it is good also as distribution in which a refractive index changes in steps in the 1st lens part 21a. Furthermore, the above-described distribution example of the first lens portion 21a and the distribution example of the second lens portion 21b can be combined. As a result, an outgoing laser beam that satisfies a desired emission condition can be obtained.

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。例えば、上記実施形態では、面発光レーザ素子の出射面は基板と反対側の面であったが、基板側の面であってもよい。   As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to the said embodiment. For example, in the above embodiment, the emission surface of the surface emitting laser element is the surface opposite to the substrate, but may be a surface on the substrate side.

また、出射光角度を精密に制御(コリメート光など)するようなマイクロレンズ15を一括して形成するには、計算により、面発光レーザ素子3の構造に即した分布屈折率構造の細かな設計をしておき、それに合わせて、元レンズ13の曲率、第2の誘電体材料の屈折率分布、マイクロレンズ15外面形状を、出射角度を確認しながら、形成すれば得られる。   Further, in order to collectively form microlenses 15 that precisely control the angle of emitted light (such as collimated light), a fine design of a distributed refractive index structure that conforms to the structure of the surface emitting laser element 3 is calculated. In accordance with this, the curvature of the original lens 13, the refractive index distribution of the second dielectric material, and the outer surface shape of the microlens 15 can be obtained while confirming the emission angle.

本発明は、所望の出射条件でレーザ光を得ることができる面発光レーザ光源の製造方法及び面発光レーザ光源として利用可能である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a surface emitting laser light source manufacturing method and a surface emitting laser light source capable of obtaining laser light under desired emission conditions.

第1実施形態の面発光レーザアレイの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the surface emitting laser array of 1st Embodiment. 第1実施形態の面発光レーザ光源の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the surface emitting laser light source of 1st Embodiment. 第1実施形態のマイクロレンズで出射光が屈折される様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that the emitted light is refracted by the microlens of 1st Embodiment. 第1実施形態のマイクロレンズで出射光が反射し、面発光レーザ素子内部に戻る様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that outgoing light reflects in the microlens of 1st Embodiment, and returns to the inside of a surface emitting laser element. 第1の誘電体積層工程、第1のレンズ形成工程を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows a 1st dielectric material lamination process and a 1st lens formation process. 第2の誘電体積層工程、第2のレンズ形成工程を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows a 2nd dielectric material lamination process and a 2nd lens formation process. マイクロレンズの断面形状を表すAFM測定結果である。It is an AFM measurement result showing the cross-sectional shape of a micro lens. 光学顕微鏡によるマイクロレンズの写真である。It is the photograph of the micro lens by an optical microscope. 第2実施形態の面発光レーザ光源の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the surface emitting laser light source of 2nd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1…面発光レーザアレイ、2、20…面発光レーザ光源、3…面発光レーザ素子、3a…出射面、4、21…マイクロレンズ、4a、21a…第1レンズ部、4b、21b…第2レンズ部、4c、21c…レンズ面、5…下部ミラー、6…活性層、7…酸化膜電流狭窄層、8…上部ミラー、10…基板、11…第1のSiN膜、12…レジスト膜、13…元レンズ、14…第2のSiN膜、15…マイクロレンズ、21d…第1層、21e…第2層、21f…第3層、C…マイクロレンズの中心点 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Surface emitting laser array, 2, 20 ... Surface emitting laser light source, 3 ... Surface emitting laser element, 3a ... Output surface, 4, 21 ... Micro lens, 4a, 21a ... 1st lens part, 4b, 21b ... 2nd Lens portion, 4c, 21c ... lens surface, 5 ... lower mirror, 6 ... active layer, 7 ... oxide current confinement layer, 8 ... upper mirror, 10 ... substrate, 11 ... first SiN film, 12 ... resist film, 13 ... Original lens, 14 ... Second SiN film, 15 ... Micro lens, 21d ... First layer, 21e ... Second layer, 21f ... Third layer, C ... Center point of micro lens

Claims (13)

基板上に形成された垂直共振器型の面発光レーザ素子の出射面上に第1の誘電体材料を積層する第1の誘電体積層工程と、
前記出射面上に積層された前記第1の誘電体材料を元レンズに形成する第1のレンズ形成工程と、
前記元レンズ上に、第2の誘電体材料を積層する第2の誘電体積層工程と、
前記面発光レーザ素子よりレーザ光を出射し、その出射パターンに基づいて、前記元レンズ上に積層された前記第2の誘電体材料の外面形状を調整して、前記面発光レーザ素子に対応するマイクロレンズを形成する第2のレンズ形成工程と、
を備えることを特徴とする面発光レーザ光源の製造方法。
A first dielectric laminating step of laminating a first dielectric material on an emission surface of a vertical cavity surface emitting laser element formed on a substrate;
A first lens forming step of forming, on an original lens, the first dielectric material laminated on the emission surface;
A second dielectric laminating step of laminating a second dielectric material on the original lens;
Laser light is emitted from the surface emitting laser element, and the outer surface shape of the second dielectric material laminated on the original lens is adjusted based on the emission pattern to correspond to the surface emitting laser element. A second lens forming step for forming a microlens;
A method of manufacturing a surface emitting laser light source, comprising:
前記第2の誘電体積層工程において、前記元レンズの屈折率との間に段階的に屈折率の差を設けて、前記第2の誘電体材料を積層することを特徴とする請求項1に記載の面発光レーザ光源の製造方法。   2. The second dielectric material stacking step, wherein the second dielectric material is stacked by providing a difference in refractive index stepwise from the refractive index of the original lens in the second dielectric layer stacking step. The manufacturing method of the surface emitting laser light source of description. 前記第2の誘電体積層工程において、前記元レンズ側から外側に向けて屈折率が変化するように、前記第2の誘電体材料を積層することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の面発光レーザ光源の製造方法。   The second dielectric material is laminated so that a refractive index changes from the original lens side toward the outside in the second dielectric layering step. The manufacturing method of the surface emitting laser light source of description. 前記第2の誘電体積層工程において、前記元レンズ側から外側に向けて前記屈折率が連続的に変化するように、前記第2の誘電体材料を積層することを特徴とする請求項3に記載の面発光レーザ光源の製造方法。   The second dielectric material is laminated so that the refractive index continuously changes from the original lens side toward the outside in the second dielectric layer stacking step. The manufacturing method of the surface emitting laser light source of description. 前記第2の誘電体積層工程において、前記元レンズ側から外側に向けて前記屈折率が段階的に変化するように、前記第2の誘電体材料を積層することを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の面発光レーザ光源の製造方法。   4. The second dielectric material stacking step, wherein the second dielectric material is stacked so that the refractive index changes stepwise from the original lens side toward the outside. The manufacturing method of the surface emitting laser light source of Claim 4. 前記第2の誘電体積層工程において、前記第2の誘電体材料を、プラズマCVD法により積層することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の面発光レーザ光源の製造方法。   6. The method of manufacturing a surface emitting laser light source according to claim 1, wherein in the second dielectric laminating step, the second dielectric material is laminated by a plasma CVD method. . 前記第2のレンズ形成工程において、反応性イオンエッチング法又はスパッタリング法により前記マイクロレンズの外面形状を調整することを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の面発光レーザ光源の製造方法。   The surface emitting laser light source according to any one of claims 1 to 6, wherein in the second lens forming step, an outer surface shape of the microlens is adjusted by a reactive ion etching method or a sputtering method. Production method. 基板上に形成された垂直共振器型の面発光レーザ素子と、
前記面発光レーザ素子の出射面上に形成されたマイクロレンズと、を備え、
前記マイクロレンズは、誘電体からなり前記出射面側の中心部から外側のレンズ面に向けて所定の分布で屈折率が変化する分布屈折率構造に形成されていることを特徴とする面発光レーザ光源。
A vertical cavity surface emitting laser element formed on a substrate;
A microlens formed on the emission surface of the surface emitting laser element,
The surface emitting laser is characterized in that the microlens is made of a dielectric and has a distributed refractive index structure in which a refractive index changes with a predetermined distribution from a central portion on the emission surface side toward an outer lens surface. light source.
前記マイクロレンズは、前記中心部を含む内側の第1レンズ部と前記レンズ面を含む外側の第2レンズ部とを備え、前記第1レンズ部と前記第2レンズ部との間で段階的に屈折率が変化することを特徴とする請求項8に記載の面発光レーザ光源。   The microlens includes an inner first lens portion including the central portion and an outer second lens portion including the lens surface, and is stepwise between the first lens portion and the second lens portion. The surface emitting laser light source according to claim 8, wherein the refractive index changes. 前記マイクロレンズは、前記中心部を含む内側の第1レンズ部と前記レンズ面を含む外側の第2レンズ部とを備え、前記第2レンズ部は、前記第1レンズ部側から前記レンズ面側に向けて屈折率が変化することを特徴とする請求項8又は請求項9に記載の面発光レーザ光源。   The microlens includes an inner first lens portion including the central portion and an outer second lens portion including the lens surface, and the second lens portion is located on the lens surface side from the first lens portion side. The surface emitting laser light source according to claim 8 or 9, wherein the refractive index changes toward the surface. 前記第2レンズ部における前記第1レンズ部側から前記レンズ面側に向けての前記屈折率の変化が連続的であることを特徴とする請求項10に記載の面発光レーザ光源。   11. The surface emitting laser light source according to claim 10, wherein the change in the refractive index from the first lens portion side toward the lens surface side in the second lens portion is continuous. 前記第2レンズ部における前記第1レンズ部側から前記レンズ面側に向けての前記屈折率の変化が段階的であることを特徴とする請求項10又は請求項11に記載の面発光レーザ光源。   12. The surface emitting laser light source according to claim 10, wherein a change in the refractive index from the first lens portion side toward the lens surface side in the second lens portion is stepwise. . 前記面発光レーザ素子、及び対応する前記マイクロレンズを、前記基板上に1次元又は2次元アレイ状に複数形成してなる請求項8〜12のいずれか一項に記載の面発光レーザ光源。
The surface emitting laser light source according to any one of claims 8 to 12, wherein a plurality of the surface emitting laser elements and the corresponding microlenses are formed on the substrate in a one-dimensional or two-dimensional array.
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