JP2011181786A - Surface emitting laser element, surface emitting laser array, optical scanner, and image forming apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、面発光レーザ素子、面発光レーザアレイ、光走査装置及び画像形成装置に係り、更に詳しくは、基板に垂直な方向にレーザ光を射出する面発光レーザ素子、面発光レーザアレイ、前記面発光レーザ素子又は面発光レーザアレイを有する光走査装置、及び該光走査装置を備える画像形成装置に関する。 The present invention relates to a surface emitting laser element, a surface emitting laser array, an optical scanning apparatus, and an image forming apparatus. More specifically, the present invention relates to a surface emitting laser element that emits laser light in a direction perpendicular to a substrate, a surface emitting laser array, The present invention relates to an optical scanning device having a surface emitting laser element or a surface emitting laser array, and an image forming apparatus including the optical scanning device.
垂直共振器型の面発光レーザ素子(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)は、基板に垂直な方向に光を射出するものであり、基板に平行な方向に光を射出する端面発光型の半導体レーザ素子よりも低価格、低消費電力、小型、2次元デバイスに好適、かつ、高性能であることから、近年、注目されている。 A vertical cavity surface emitting laser (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) emits light in a direction perpendicular to a substrate, and is an edge emitting semiconductor laser device that emits light in a direction parallel to the substrate. In recent years, it has been attracting attention because of its low price, low power consumption, small size, suitable for two-dimensional devices, and high performance.
面発光レーザ素子の応用分野としては、プリンタにおける光書き込み系の光源(発振波長:780nm帯)、光ディスク装置における書き込み用光源(発振波長:780nm帯、850nm帯)、光ファイバを用いるLAN(Local Area Network)などの光伝送システムの光源(発振波長:780nm帯、850nm帯、1.3μm帯、1.5μm帯)が挙げられる。さらには、ボード間、ボード内、集積回路(LSI:Large Scale Integrated circuit)のチップ間、及び集積回路のチップ内の光伝送用の光源としても期待されている。 As an application field of the surface emitting laser element, an optical writing light source (oscillation wavelength: 780 nm band) in a printer, a writing light source (oscillation wavelength: 780 nm band, 850 nm band) in an optical disk apparatus, and a LAN (Local Area) using an optical fiber are used. And a light source (oscillation wavelength: 780 nm band, 850 nm band, 1.3 μm band, 1.5 μm band) of an optical transmission system such as Network). Furthermore, it is also expected as a light source for light transmission between boards, within a board, between chips of an integrated circuit (LSI: Large Scale Integrated circuit), and within a chip of an integrated circuit.
これらの応用分野においては、面発光レーザ素子から射出される光(以下では、「射出光」ともいう)は、横モードが単一で高出力であることが望まれている。特に、基本横モード発振で高出力である用途が多い。このためには、高次横モードの発振を抑制することが必要であり、様々な試みがなされている。 In these application fields, it is desired that light emitted from the surface emitting laser element (hereinafter also referred to as “emitted light”) has a single transverse mode and high output. In particular, there are many applications in which the fundamental transverse mode oscillation is high and the output is high. For this purpose, it is necessary to suppress high-order transverse mode oscillation, and various attempts have been made.
例えば、特許文献1には、下部多層膜反射鏡、活性層領域、及び下部多層膜反射鏡と共に共振器を構成する上部多層膜反射鏡が順次積層された半導体基板と、該上部多層膜反射鏡の上層に設けられ、且つ活性層領域で発生したレーザ光の出射領域を形成する開口部が穿設された上部電極と、上部電極と下部多層膜反射鏡との間に設けられ、電流流路の周縁部を絶縁化して形成された電流狭窄部と、を備え、上部電極に対応する領域の共振器の反射率に基づいて、レーザ光の高次横モードにおける共振器の光学損失とレーザ光の基本横モードにおける共振器の光学損失との差が大きくなるように、上部電極の開口部径及び電流狭窄部の開口部径を定めた面発光型半導体レーザが開示されている。この面発光型半導体レーザは、少なくとも射出領域中心から離れた領域で光強度が強い高次横モードにロスを与えて、射出領域中心部で光強度が強く中心から離れた領域で弱い基本横モードを選択的に発振させるものである。具体的には電流狭窄部より電極開口径が0.5μm大きい。
For example,
また、レーザ光が射出される射出面上に、射出領域を取り囲んで設けられた上部電極を有し、更に射出領域内で中心部と周辺部との反射率が異なるように設計された透明な誘電体膜によるモード選択用のフィルタを設けたものが提案されている(例えば、特許文献2〜4参照)。具体的には、射出領域内で中心部の反射率が周辺部より高く、基本横モード動作をしやすくさせて基本モード出力を高くしたものや、周辺部の反射率が中心部より高く、高次横モード動作をしやすくさせたものがある。 In addition, it has an upper electrode provided around the emission area on the emission surface from which the laser beam is emitted, and is transparent so that the reflectance is different between the central part and the peripheral part in the emission area. A filter provided with a mode selection filter using a dielectric film has been proposed (see, for example, Patent Documents 2 to 4). Specifically, in the emission area, the central part has a higher reflectance than the peripheral part, and the basic transverse mode operation is facilitated to increase the fundamental mode output, or the peripheral part has a higher reflectance than the central part. Some have made the next horizontal mode easier to operate.
また、射出光の偏光方向を制御する点についても様々な試みがなされている(例えば、特許文献5及び特許文献6参照)。 Various attempts have been made to control the polarization direction of the emitted light (see, for example, Patent Document 5 and Patent Document 6).
さらに、高次横モードの発振制御と偏光方向の制御とを両立させることが検討された(例えば、特許文献7及び特許文献8参照)。 Furthermore, it has been studied to achieve both higher-order transverse mode oscillation control and polarization direction control (see, for example, Patent Document 7 and Patent Document 8).
しかしながら、特許文献1に開示されている面発光型半導体レーザでは、上部電極の開口部径及び電流狭窄部の開口部径に関するそれぞれの最適な寸法範囲がいずれも狭いため、量産が難しく実用的ではなかった。特に、アレイ素子では、複数の発光部の発光特性を均一にするのが困難であった。更に、射出領域の周辺部が金属部材によって遮光されているため、弱いとはいえ光強度のある基本横モードに対する損失が大きく、高出力化に不利であった。
However, in the surface-emitting type semiconductor laser disclosed in
一方、特許文献2〜特許文献4に開示されている面発光型半導体レーザでは、フィルタが透明なので、射出領域の周辺部における基本横モードに対する損失は小さい。しかしながら、該面発光型半導体レーザでは、高い出力を安定して得ることが困難であった。 On the other hand, in the surface emitting semiconductor lasers disclosed in Patent Documents 2 to 4, since the filter is transparent, the loss with respect to the fundamental transverse mode in the peripheral part of the emission region is small. However, it has been difficult to stably obtain a high output with the surface emitting semiconductor laser.
また、特許文献5に開示されているレーザ装置及び特許文献6に開示されている面発光半導体レーザでは、高次横モードの発振制御と偏光方向の制御とを両立させるのは困難であるという不都合があった。 Further, in the laser device disclosed in Patent Document 5 and the surface emitting semiconductor laser disclosed in Patent Document 6, it is difficult to achieve both higher-order transverse mode oscillation control and polarization direction control. was there.
また、特許文献7に開示されている面発光型半導体レーザでは、電気抵抗の増加、及び電流密度の増加により、寿命が低下するおそれがあった。 Further, in the surface emitting semiconductor laser disclosed in Patent Document 7, there is a risk that the lifetime is reduced due to an increase in electric resistance and an increase in current density.
さらに、特許文献8に開示されている面発光型半導体レーザ素子では、製造の際に複数回の結晶成長が必要であり、量産が困難であるという不都合があった。 Furthermore, the surface-emitting type semiconductor laser device disclosed in Patent Document 8 has a disadvantage in that mass production is difficult because crystal growth is required a plurality of times during manufacture.
本発明は、かかる事情の下になされたもので、その第1の目的は、高次横モードの発振を制御しつつ、偏光方向が安定している面発光レーザ素子及び面発光レーザアレイを提供することにある。 The present invention has been made under such circumstances, and a first object thereof is to provide a surface-emitting laser element and a surface-emitting laser array in which the polarization direction is stable while controlling oscillation of a high-order transverse mode. There is to do.
また、本発明の第2の目的は、安定した光走査を行うことができる光走査装置を提供することにある。 A second object of the present invention is to provide an optical scanning device capable of performing stable optical scanning.
また、本発明の第3の目的は、高品質の画像を形成することができる画像形成装置を提供することにある。 A third object of the present invention is to provide an image forming apparatus capable of forming a high quality image.
本発明は、第1の観点からすると、活性層を含む共振器構造体と、該共振器構造体を挟んで設けられた半導体多層膜反射鏡と、光が射出される射出面上に、射出領域を取り囲んで設けられ、少なくとも一部がコンタクト層に接している電極とを備える面発光レーザ素子において、前記射出領域内に設けられ、周辺部の反射率と中心部の反射率を異ならせる透明な誘電体膜を更に備え、前記中心部の反射率が異なる部分は、前記射出面内の互いに直交する2方向に関して長さが異なり、前記電極における前記コンタクト層に接している電流注入領域は、形状異方性を有することを特徴とする面発光レーザ素子である。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a resonator structure including an active layer, a semiconductor multilayer reflector provided across the resonator structure, and an emission surface on which light is emitted. A surface-emitting laser element that includes an electrode that surrounds the region and at least a part of which is in contact with the contact layer, and is provided in the emission region, and is transparent so that the reflectance of the peripheral portion differs from the reflectance of the central portion A portion having a different reflectance at the central portion is different in length in two directions perpendicular to each other in the emission surface, and a current injection region in contact with the contact layer in the electrode is: A surface-emitting laser element having shape anisotropy.
これによれば、高次横モードの発振を制御しつつ、偏光方向を安定させることができる。 According to this, the polarization direction can be stabilized while controlling the oscillation of the high-order transverse mode.
本発明は、第2の観点からすると、本発明の面発光レーザ素子が集積された面発光レーザアレイである。 From a second viewpoint, the present invention is a surface emitting laser array in which the surface emitting laser elements of the present invention are integrated.
これによれば、高次横モードの発振を制御しつつ、偏光方向を安定させることができる。 According to this, the polarization direction can be stabilized while controlling the oscillation of the high-order transverse mode.
本発明は、第3の観点からすると、光によって被走査面を走査する光走査装置であって、本発明の面発光レーザ素子を有する光源と;前記光源からの光を偏向する偏向器と;前記偏向器で偏向された光を前記被走査面上に集光する走査光学系と;を備える光走査装置である。 From a third aspect, the present invention is an optical scanning device that scans a surface to be scanned with light, the light source having the surface-emitting laser element of the present invention; a deflector that deflects the light from the light source; A scanning optical system that condenses the light deflected by the deflector onto the surface to be scanned.
これによれば、光源が本発明の面発光レーザ素子を有しているため、安定した光走査を行うことができる。 According to this, since the light source has the surface emitting laser element of the present invention, stable optical scanning can be performed.
本発明は、第4の観点からすると、光によって被走査面を走査する光走査装置であって、本発明の面発光レーザアレイを有する光源と;前記光源からの光を偏向する偏向器と;前記偏向器で偏向された光を前記被走査面上に集光する走査光学系と;を備える光走査装置である。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an optical scanning device that scans a surface to be scanned with light, a light source having the surface emitting laser array of the present invention; a deflector that deflects light from the light source; A scanning optical system that condenses the light deflected by the deflector onto the surface to be scanned.
これによれば、光源が本発明の面発光レーザアレイを有しているため、安定した光走査を行うことができる。 According to this, since the light source has the surface emitting laser array of the present invention, stable optical scanning can be performed.
本発明は、第5の観点からすると、少なくとも1つの像担持体と;前記少なくとも1つの像担持体に対して画像情報に応じて変調された光を走査する少なくとも1つの本発明の光走査装置と;を備える画像形成装置である。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided at least one image carrier; and at least one optical scanning device according to the invention for scanning the at least one image carrier with light modulated in accordance with image information. And an image forming apparatus.
これによれば、本発明の光走査装置を備えているため、結果として、高品質の画像を形成することができる。 According to this, since the optical scanning device of the present invention is provided, as a result, a high-quality image can be formed.
以下、本発明の一実施形態を図1〜図23を用いて説明する。図1には、一実施形態に係るレーザプリンタ1000の概略構成が示されている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a schematic configuration of a
このレーザプリンタ1000は、光走査装置1010、感光体ドラム1030、帯電チャージャ1031、現像ローラ1032、転写チャージャ1033、除電ユニット1034、クリーニングユニット1035、トナーカートリッジ1036、給紙コロ1037、給紙トレイ1038、レジストローラ対1039、定着ローラ1041、排紙ローラ1042、排紙トレイ1043、通信制御装置1050、及び上記各部を統括的に制御するプリンタ制御装置1060などを備えている。なお、これらは、プリンタ筐体1044の中の所定位置に収容されている。
The
通信制御装置1050は、ネットワークなどを介した上位装置(例えばパソコン)との双方向の通信を制御する。
The
感光体ドラム1030は、円柱状の部材であり、その表面には感光層が形成されている。すなわち、感光体ドラム1030の表面が被走査面である。そして、感光体ドラム1030は、図1における矢印方向に回転するようになっている。
The
帯電チャージャ1031、現像ローラ1032、転写チャージャ1033、除電ユニット1034及びクリーニングユニット1035は、それぞれ感光体ドラム1030の表面近傍に配置されている。そして、感光体ドラム1030の回転方向に沿って、帯電チャージャ1031→現像ローラ1032→転写チャージャ1033→除電ユニット1034→クリーニングユニット1035の順に配置されている。
The charging
帯電チャージャ1031は、感光体ドラム1030の表面を均一に帯電させる。
The charging
光走査装置1010は、帯電チャージャ1031で帯電された感光体ドラム1030の表面を、上位装置からの画像情報に基づいて変調された光束により走査し、感光体ドラム1030の表面に画像情報に対応した潜像を形成する。ここで形成された潜像は、感光体ドラム1030の回転に伴って現像ローラ1032の方向に移動する。なお、この光走査装置1010の構成については後述する。
The
トナーカートリッジ1036にはトナーが格納されており、該トナーは現像ローラ1032に供給される。
The
現像ローラ1032は、感光体ドラム1030の表面に形成された潜像にトナーカートリッジ1036から供給されたトナーを付着させて画像情報を顕像化させる。ここでトナーが付着した潜像(以下では、便宜上「トナー像」ともいう)は、感光体ドラム1030の回転に伴って転写チャージャ1033の方向に移動する。
The developing
給紙トレイ1038には記録紙1040が格納されている。この給紙トレイ1038の近傍には給紙コロ1037が配置されており、該給紙コロ1037は、記録紙1040を給紙トレイ1038から1枚づつ取り出し、レジストローラ対1039に搬送する。該レジストローラ対1039は、給紙コロ1037によって取り出された記録紙1040を一旦保持するとともに、該記録紙1040を感光体ドラム1030の回転に合わせて感光体ドラム1030と転写チャージャ1033との間隙に向けて送り出す。
転写チャージャ1033には、感光体ドラム1030の表面のトナーを電気的に記録紙1040に引きつけるために、トナーとは逆極性の電圧が印加されている。この電圧により、感光体ドラム1030の表面のトナー像が記録紙1040に転写される。ここで転写された記録紙1040は、定着ローラ1041に送られる。
A voltage having a polarity opposite to that of the toner is applied to the
定着ローラ1041では、熱と圧力とが記録紙1040に加えられ、これによってトナーが記録紙1040上に定着される。ここで定着された記録紙1040は、排紙ローラ1042を介して排紙トレイ1043に送られ、排紙トレイ1043上に順次スタックされる。
In the fixing
除電ユニット1034は、感光体ドラム1030の表面を除電する。
The
クリーニングユニット1035は、感光体ドラム1030の表面に残ったトナー(残留トナー)を除去する。残留トナーが除去された感光体ドラム1030の表面は、再度帯電チャージャ1031に対向する位置に戻る。
The
次に、前記光走査装置1010の構成について説明する。
Next, the configuration of the
この光走査装置1010は、一例として図2に示されるように、偏向器側走査レンズ11a、像面側走査レンズ11b、ポリゴンミラー13、光源14、カップリングレンズ15、開口板16、シリンドリカルレンズ17、反射ミラー18、及び走査制御装置(図示省略)などを備えている。そして、これらは、光学ハウジング30の所定位置に組み付けられている。
As shown in FIG. 2 as an example, the
なお、以下では、便宜上、主走査方向に対応する方向を「主走査対応方向」と略述し、副走査方向に対応する方向を「副走査対応方向」と略述する。 In the following, for convenience, the direction corresponding to the main scanning direction is abbreviated as “main scanning corresponding direction”, and the direction corresponding to the sub scanning direction is abbreviated as “sub scanning corresponding direction”.
カップリングレンズ15は、光源14から出力された光束を略平行光とする。
The
開口板16は、開口部を有し、カップリングレンズ15を介した光束のビーム径を規定する。
The
シリンドリカルレンズ17は、開口板16の開口部を通過した光束を、反射ミラー18を介してポリゴンミラー13の偏向反射面近傍に副走査対応方向に関して結像する。
The
光源14とポリゴンミラー13との間の光路上に配置される光学系は、偏向器前光学系とも呼ばれている。本実施形態では、偏向器前光学系は、カップリングレンズ15と開口板16とシリンドリカルレンズ17と反射ミラー18とから構成されている。
The optical system arranged on the optical path between the
ポリゴンミラー13は、一例として内接円の半径が18mmの6面鏡を有し、各鏡がそれぞれ偏向反射面となる。このポリゴンミラー13は、副走査対応方向に平行な軸の周りを等速回転しながら、反射ミラー18からの光束を偏向する。
As an example, the
偏向器側走査レンズ11aは、ポリゴンミラー13で偏向された光束の光路上に配置されている。
The deflector-
像面側走査レンズ11bは、偏向器側走査レンズ11aを介した光束の光路上に配置されている。そして、この像面側走査レンズ11bを介した光束が、感光体ドラム1030の表面に照射され、光スポットが形成される。この光スポットは、ポリゴンミラー13の回転に伴って感光体ドラム1030の長手方向に移動する。すなわち、感光体ドラム1030上を走査する。このときの光スポットの移動方向が「主走査方向」である。また、感光体ドラム1030の回転方向が「副走査方向」である。
The image plane
ポリゴンミラー13と感光体ドラム1030との間の光路上に配置される光学系は、走査光学系とも呼ばれている。本実施形態では、走査光学系は、偏向器側走査レンズ11aと像面側走査レンズ11bとから構成されている。なお、偏向器側走査レンズ11aと像面側走査レンズ11bの間の光路上、及び像面側走査レンズ11bと感光体ドラム1030の間の光路上の少なくとも一方に、少なくとも1つの折り返しミラーが配置されても良い。
The optical system arranged on the optical path between the
光源14は、一例として図3〜図5に示されるように、面発光レーザ素子100を有している。本明細書では、レーザ発振方向をZ軸方向とし、Z軸方向に垂直な面内における互いに直交する2つの方向をX軸方向及びY軸方向として説明する。なお、図4は、図3のA−A断面図であり、図5は、図3のB−B断面図である。
As an example, the
面発光レーザ素子100は、発振波長が780nm帯の面発光レーザであり、基板101、下部半導体DBR103、下部スペーサ層104、活性層105、上部スペーサ層106、上部半導体DBR107、コンタクト層109、p側電極113、n側電極114、及びモードフィルタ115などを有している。
The surface emitting
基板101は、一例として図6(A)に示されるように、表面の鏡面研磨面(主面)の法線方向が、結晶方位[1 0 0]方向に対して、結晶方位[1 1 1]A方向に向かって15度(θ=15度)傾斜したn−GaAs単結晶半導体基板である。すなわち、基板101は、いわゆる傾斜基板である。ここでは、一例として図6(B)に示されるように、結晶方位[0 −1 1]方向が+X方向、結晶方位[0 1 −1]方向が−X方向となるように配置されている。
As an example, as shown in FIG. 6A, the
下部半導体DBR103は、基板101の+Z側に不図示のバッファ層を介して積層され、n−AlAsからなる低屈折率層と、n−Al0.3Ga0.7Asからなる高屈折率層のペアを40.5ペア有している。各屈折率層の間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた厚さ20nmの組成傾斜層(図4及び図5では図示省略、図7参照)が設けられている。そして、各屈折率層はいずれも、隣接する組成傾斜層の1/2を含んで、発振波長をλとするとλ/4の光学的厚さとなるように設定されている。なお、光学的厚さがλ/4のとき、その層の実際の厚さDは、D=λ/4n(但し、nはその層の媒質の屈折率)である。
The
下部スペーサ層104は、下部半導体DBR103の+Z側に積層され、ノンドープの(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5Pからなる層である。
The
活性層105は、下部スペーサ層104の+Z側に積層され、3層の量子井戸層と4層の障壁層とを有する3重量子井戸構造の活性層である。各量子井戸層は、0.7%の圧縮歪みを誘起する組成であるGaInAsPからなり、バンドギャップ波長が約780nmである。また、各障壁層は、0.6%の引張歪みを誘起する組成であるGaInPからなる。
The
上部スペーサ層106は、活性層105の+Z側に積層され、ノンドープの(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5Pからなる層である。
The
下部スペーサ層104と活性層105と上部スペーサ層106とからなる部分は、共振器構造体とも呼ばれており、その厚さが1波長の光学的厚さとなるように設定されている。なお、活性層105は、高い誘導放出確率が得られるように、電界の定在波分布における腹に対応する位置である共振器構造体の中央に設けられている。
A portion composed of the
上部半導体DBR107は、上部スペーサ層106の+Z側に積層され、p−Al0.9Ga0.1Asからなる低屈折率層とp−Al0.3Ga0.7Asからなる高屈折率層のペアを24ペア有している。各屈折率層の間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた組成傾斜層(図4及び図5では図示省略、図7参照)が設けられている。そして、各屈折率層はいずれも、隣接する組成傾斜層の1/2を含んで、λ/4の光学的厚さとなるように設定されている。
The
上部半導体DBR107における低屈折率層の1つには、p−AlAsからなる被選択酸化層108が厚さ30nmで挿入されている。この被選択酸化層108の挿入位置は、電界の定在波分布において、活性層105から3番目となる節に対応する位置である。
In one of the low refractive index layers in the
コンタクト層109は、上部半導体DBR107の+Z側に積層され、p−GaAsからなる層である。
The
モードフィルタ115は、コンタクト層109の+Z側であって、射出領域内でその中心部から外れた部分に設けられ、該部分の反射率を中心部の反射率よりも低くする透明な誘電体膜からなる。
The
次に、面発光レーザ素子100の製造方法について簡単に説明する。なお、上記のように、基板101上に複数の半導体層が積層されたものを、以下では、便宜上「積層体」ともいう。
Next, a method for manufacturing the surface emitting
(1)上記積層体を有機金属気相成長法(MOCVD法)あるいは分子線エピタキシャル成長法(MBE法)による結晶成長によって作成する(図8(A)参照)。 (1) The laminate is formed by crystal growth by metal organic vapor phase epitaxy (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE) (see FIG. 8A).
ここでは、MOCVD法の場合には、III族の原料には、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMI)を用い、V族の原料には、フォスフィン(PH3)、アルシン(AsH3)を用いている。また、p型ドーパントの原料には四臭化炭素(CBr4)、ジメチルジンク(DMZn)を用い、n型ドーパントの原料にはセレン化水素(H2Se)を用いている。 Here, in the case of the MOCVD method, trimethylaluminum (TMA), trimethylgallium (TMG), and trimethylindium (TMI) are used as the Group III material, and phosphine (PH 3 ), Arsine (AsH 3 ) is used. Further, carbon tetrabromide (CBr 4 ) and dimethyl zinc (DMZn) are used as the raw material for the p-type dopant, and hydrogen selenide (H 2 Se) is used as the raw material for the n-type dopant.
(2)積層体の表面に一辺がL1(ここでは、25μm)の正方形状のレジストパターンを形成する。 (2) A square resist pattern having one side L1 (here, 25 μm) is formed on the surface of the laminate.
(3)Cl2ガスを用いるECRエッチング法で、上記レジストパターンをフォトマスクとして略四角柱状のメサ構造体(以下では、便宜上「メサ」と略述する)を形成する。ここでは、エッチングの底面は下部スペーサ層104中に位置するようにした。
(3) A substantially square columnar mesa structure (hereinafter abbreviated as “mesa” for convenience) is formed by ECR etching using Cl 2 gas, using the resist pattern as a photomask. Here, the bottom surface of the etching is located in the
(4)フォトマスクを除去する(図8(B)参照)。 (4) The photomask is removed (see FIG. 8B).
(5)積層体を水蒸気中で熱処理する。これにより、被選択酸化層108中のAl(アルミニウム)がメサの外周部から選択的に酸化され、メサの中央部に、Alの酸化層108aによって囲まれた酸化されていない領域108bが残留する(図9(A)参照)。すなわち、発光部の駆動電流の経路をメサの中央部だけに制限する、いわゆる酸化狭窄構造体が形成される。上記酸化されていない領域108bが電流通過領域である。このようにして、例えば幅4μm〜6μm程度の略正方形状の電流通過領域が形成される。
(5) The laminated body is heat-treated in water vapor. As a result, Al (aluminum) in the selectively oxidized
(6)気相化学堆積法(CVD法)を用いて、SiNからなる保護層111を形成する(図9(B)参照)。ここでは、保護層111の光学的厚さがλ/4となるようにした。具体的には、SiNの屈折率nが1.86、発振波長λが780nmであるため、実際の膜厚(=λ/4n)は約105nmに設定した。
(6) A
(7)レーザ光の射出面となるメサ上部にp側電極コンタクトの窓開けを行うためのエッチングマスク(マスクMという)を作製する。ここでは、一例として図10及び該図10におけるメサのみを取り出して拡大した図11に示されるように、メサの周囲、メサの側面、メサ上面の周囲、及びメサ上面の中心部を挟んで所望の偏光方向P(ここでは、X軸方向)に平行な方向に関して対向している2つの小領域(第1の小領域と第2の小領域)がエッチングされないようにマスクMを作成する。図11におけるL2は20μm、L3は13μm、L4は5μm、L5は2μmである。 (7) An etching mask (referred to as a mask M) for opening a window for the p-side electrode contact is formed on the upper part of the mesa serving as a laser light emission surface. Here, as shown in FIG. 10 and FIG. 11 in which only the mesa in FIG. 10 is taken out and enlarged as an example, it is desirable to sandwich the periphery of the mesa, the side surface of the mesa, the periphery of the top surface of the mesa, and the central portion of the top surface of the mesa. A mask M is formed so that two small regions (first small region and second small region) facing each other in the direction parallel to the polarization direction P (here, the X-axis direction) are not etched. In FIG. 11, L2 is 20 μm, L3 is 13 μm, L4 is 5 μm, and L5 is 2 μm.
(8)BHFにて保護層111をエッチングし、p側電極コンタクトの窓開けを行う。
(8) The
(9)マスクMを除去する(図12(A)及び図12(B)参照)。そして、第1の小領域に残存している保護層111がモードフィルタ115Aとなり、第2の小領域に残存している保護層111がモードフィルタ115Bとなる。すなわち、モードフィルタ115は、モードフィルタ115Aとモードフィルタ115Bから構成されている。そして、モードフィルタ115Aとモードフィルタ115Bによって挟まれる領域は、形状異方性を有している。
(9) The mask M is removed (see FIGS. 12A and 12B). The
(10)メサ上部の光射出部となる領域に、レジストパターンMを形成し、p側の電極材料の蒸着を行なう。ここでは、該レジストパターンMは、図13に示されるように、2つのモードフィルタが覆われる直径L3の円形状のパターンと、X軸方向の長さL5、Y軸方向の長さL2の長方形のパターンとが重なった形状のレジストパターンである。 (10) A resist pattern M is formed in a region serving as a light emitting portion on the top of the mesa, and a p-side electrode material is deposited. Here, as shown in FIG. 13, the resist pattern M includes a circular pattern having a diameter L3 covering two mode filters, and a rectangle having a length L5 in the X-axis direction and a length L2 in the Y-axis direction. This resist pattern has a shape overlapping with the pattern.
p側の電極材料としてはCr/AuZn/Auからなる多層膜、もしくはTi/Pt/Auからなる多層膜が用いられる。 As the electrode material on the p side, a multilayer film made of Cr / AuZn / Au or a multilayer film made of Ti / Pt / Au is used.
(11)射出領域に蒸着された電極材料をリフトオフし、p側電極113を形成する(図14(A)参照)。このp側電極113で囲まれた領域が射出領域である。なお、図14(A)におけるメサのみを取り出して拡大した図が図14(B)に示されている。
(11) The electrode material deposited in the injection region is lifted off to form the p-side electrode 113 (see FIG. 14A). A region surrounded by the p-
本実施形態では、射出領域内の2つの小領域(第1の小領域、第2の小領域)に、光学的厚さがλ/4のSiNからなる透明な誘電体膜としてモードフィルタ115Aとモードフィルタ115Bが存在している。これにより、2つの小領域(第1の小領域、第2の小領域)の反射率は、射出領域の中心部の反射率よりも低くなる。すなわち、本実施形態では、射出領域内に低反射率領域(周辺部)と高反射率領域(中心部)とが存在することとなる。
In this embodiment, the
そして、高反射率領域は、射出面(ここでは、XY面)内において、X軸方向の長さとY軸方向に長さとが異なっている。すなわち、高反射率領域は、形状異方性を有している。 The high reflectance region has a different length in the X-axis direction and in the Y-axis direction on the exit surface (here, the XY plane). That is, the high reflectance region has shape anisotropy.
また、p側電極113とコンタクト層109とが接している領域(以下では、「電流注入領域」ともいう)は、図15に示されるように、2つの領域からなり、該2つの領域は、射出領域の中心を挟んでX軸方向に対向している。そして、電流注入領域は、射出面(ここでは、XY面)内において、Y軸方向の長さL11とX軸方向に長さ(L12+L13)とが異なっている。すなわち、電流注入領域は、形状異方性を有している。
Further, a region where the p-
(12)基板101の裏側を所定の厚さ(例えば100μm程度)まで研磨した後、n側電極114を形成する(図16参照)。ここでは、n側電極114はAuGe/Ni/Auからなる多層膜である。
(12) After polishing the back side of the
(13)アニールによって、p側電極113とn側電極114のオーミック導通をとる。これにより、メサは発光部となる。
(13) Ohmic conduction is established between the p-
(14)チップ毎に切断する。 (14) Cut for each chip.
そして、種々の後工程を経て、面発光レーザ素子100となる。
Then, the surface emitting
このようにして製造された面発光レーザ素子100について、基本横モードに対する高次横モードの抑圧比SMSR(Side Mode Suppression Ratio)が20dBとなる光出力(基本横モード出力)と電流通過領域の面積との関係を求めた。その結果が、モードフィルタがない比較例とともに図17に示されている。なお、SMSRは、複写機などでは、20dB程度以上であることが望ましいとされている。
With respect to the surface emitting
比較例では、電流通過領域の面積を大きくしていくと、基本横モード出力が著しく低下している。これは、射出領域の周辺部に光出力のピークを持つ高次横モードが発振しやすくなるためである。 In the comparative example, as the area of the current passage region is increased, the fundamental transverse mode output is significantly reduced. This is because a high-order transverse mode having a light output peak at the periphery of the emission region is likely to oscillate.
一方、面発光レーザ素子100では、基本モード出力は比較例よりも大きく、特に電流通過領域の面積が30μm2でも2.5mW以上の基本横モード出力が得られている。
On the other hand, in the surface emitting
ところで、電流通過領域の面積が小さいと、動作時の電流密度が高く、素子抵抗も高く、熱特性が悪くなる。また寿命が短いなど多くの不都合がある。また、複写機などでは基本横モード出力は1mW以上あることが好ましい。 By the way, if the area of the current passing region is small, the current density during operation is high, the element resistance is high, and the thermal characteristics are deteriorated. There are also many inconveniences such as short life. In a copying machine or the like, the basic transverse mode output is preferably 1 mW or more.
図17から明らかなように、比較例では、基本横モード出力が1mW以上という条件を満たす電流通過領域の面積範囲が狭い。この場合には、電流通過領域の面積を再現性良く、及び均一性良く作ることは極めて困難であり、製造時の歩留りが悪い。 As is apparent from FIG. 17, in the comparative example, the area range of the current passing region that satisfies the condition that the fundamental transverse mode output is 1 mW or more is narrow. In this case, it is extremely difficult to make the area of the current passage region with good reproducibility and uniformity, and the yield during manufacturing is poor.
これに対し、面発光レーザ素子100では、上記条件を満たす電流通過領域の面積範囲が広い。そこで、高い基本横モード出力を維持しつつ、電流通過領域の面積を大きくすることが可能となる。その結果、素子抵抗が低く、熱特性に優れ、寿命が長く、製造時の歩留りの高い面発光レーザ素子を得ることができる。
On the other hand, in the surface emitting
一般に、基本横モードの光出力は射出領域の中心付近で最も大きく、周辺になるにつれて低下する傾向がある。これに対して、高次横モードはモードにもよるが少なくとも射出領域の周辺部で大きくなる。通常、基本横モードの次に発振し始め、基本横モードの出力に最も影響を与える一次の横モードでは、周辺が最も強く中心に近づくにつれて弱くなる傾向がある。面発光レーザ素子100では、射出領域の周辺部の反射率を、中心部の反射率よりも低くしているため、基本横モードに対する反射率を低下させずに高次横モードの反射率を低下させることとなり、高次横モードの発振を抑制することができる。
In general, the light output of the fundamental transverse mode is the largest near the center of the emission region, and tends to decrease as it goes to the periphery. On the other hand, the higher-order transverse mode becomes larger at least in the periphery of the emission region, although it depends on the mode. Usually, in the primary transverse mode that starts to oscillate next to the fundamental transverse mode and has the greatest influence on the output of the fundamental transverse mode, the periphery tends to become strongest as it approaches the center. In the surface emitting
図18及び図19には、モードフィルタが設けられていない従来の標準的なデバイス構造の面発光レーザ素子(面発光レーザ素子Aという)が示されている。 18 and 19 show a surface emitting laser element (referred to as surface emitting laser element A) having a conventional standard device structure in which a mode filter is not provided.
図20及び図21には、面発光レーザ素子Aよりも電極の開口径を狭くした面発光レーザ素子(面発光レーザ素子Bという)が示されている(特許文献1参照)。この面発光レーザ素子Bでは、面発光レーザ素子Aに比べて、高次横モードの発振が抑制される。更に、面発光レーザ素子Bでは、面発光レーザ素子Aに比べて、p側電極113とコンタクト層109との接触面積が広く、素子抵抗が低い。しかしながら、射出面の周辺領域を金属(p側電極)で完全に遮光しているので出力は小さくなってしまう。
20 and 21 show a surface-emitting laser element (referred to as a surface-emitting laser element B) in which the aperture diameter of the electrode is narrower than that of the surface-emitting laser element A (see Patent Document 1). In the surface emitting laser element B, higher-order transverse mode oscillation is suppressed as compared with the surface emitting laser element A. Further, in the surface emitting laser element B, compared with the surface emitting laser element A, the contact area between the p-
図22及び図23には、誘電体膜による円環状のモードフィルタが設けられている従来の面発光レーザ素子(面発光レーザ素子Cという)が示されている(特許文献2〜4参照)。この面発光レーザ素子Cでは、モードフィルタが透明な誘電体膜であるため、面発光レーザ素子Bに比べて、基本横モード出力は高くなる。 22 and 23 show a conventional surface emitting laser element (referred to as surface emitting laser element C) provided with an annular mode filter made of a dielectric film (see Patent Documents 2 to 4). In this surface emitting laser element C, the mode filter is a transparent dielectric film, so that the fundamental transverse mode output is higher than that of the surface emitting laser element B.
次に、偏光抑圧比PMSR(Polarization Mode Suppression Ratio)について調べた。なお、偏光抑圧比PMSRとは、所望の偏光方向における光強度とそれに直交する方向における光強度との比であり、複写機などでは10dB以上あれば良いが、好ましくは20dB以上あると良い。 Next, the polarization suppression ratio PMSR (Polarization Mode Suppression Ratio) was examined. The polarization suppression ratio PMSR is the ratio of the light intensity in the desired polarization direction to the light intensity in the direction orthogonal thereto, and may be 10 dB or more in a copying machine or the like, but preferably 20 dB or more.
傾斜基板を用いると偏光方向が安定し偏光抑圧比PMSRが高くなる。面発光レーザ素子100と同様な構造でモードフィルタがない面発光レーザ素子(面発光レーザ素子Dという)では、主としては傾斜基板の効果であるが、活性層などでの歪の効果も加わって、結果として傾斜軸方向(ここでは、X軸方向、図6(A)参照)に偏光しやすくなる。この場合の偏光抑圧比PMSRは、20〜30dBであった。
When an inclined substrate is used, the polarization direction is stabilized and the polarization suppression ratio PMSR is increased. In a surface-emitting laser element (referred to as surface-emitting laser element D) having a structure similar to that of the surface-emitting
一方、上記面発光レーザ素子Cでは、面発光レーザ素子Dの場合と偏光方向が90度異なり、基板の傾斜軸に直交する方向(ここでは、Y軸方向)に偏光している。そして、面発光レーザ素子Cでは、偏光抑圧比PMSRは10〜20dBであった。 On the other hand, the surface emitting laser element C has a polarization direction different from that of the surface emitting laser element D by 90 degrees, and is polarized in a direction perpendicular to the tilt axis of the substrate (here, the Y axis direction). In the surface emitting laser element C, the polarization suppression ratio PMSR was 10 to 20 dB.
これに対して、面発光レーザ素子100では、面発光レーザ素子Dと同様に基板の傾斜軸方向に偏光し、偏光抑圧比PMSRは20〜30dBであった。すなわち、面発光レーザ素子100は、面発光レーザ素子Cに対して、偏光抑圧比PMSRが改善されている。
On the other hand, the surface emitting
なお、面発光レーザ素子100では、面発光レーザ素子Cに対して、モードフィルタの一部が欠損しているため、基本モード出力は面発光レーザ素子Cよりも若干低下したもののほとんど同程度であった。
In the surface-emitting
このように、面発光レーザ素子100は、基本横モード出力が高く、素子抵抗が低いことに加えて、偏光抑圧比PMSRが高い。
Thus, the surface emitting
ところで、面発光レーザ素子100が面発光レーザ素子Cよりも偏光安定性に優れている要因として、面発光レーザ素子100では、互いに直交する2方向(ここでは、X軸方向とY軸方向)における光閉じ込め作用に異方性が生じていることが考えられる。
By the way, as a factor that the surface emitting
面発光レーザ素子100では、偏光方向が基板の傾斜軸方向(ここでは、X軸方向)と一致する光を、射出領域内における相対的に反射率の高い中心部に閉じ込めようとする作用が働く。そこで、偏光方向が基板の傾斜軸方向と一致する光の発振しきい値が、偏光方向が基板の傾斜軸に直交する方向と一致する光よりも低下する。その結果、偏光抑圧比PMSRが、面発光レーザ素子Cに対して、向上したと考えられる。
In the surface emitting
このように、モードフィルタを複数に分割し、中心部の相対的に反射率の高い領域に形状異方性をもたせることにより、横方向の閉じ込め作用に異方性を生じさせることが可能となる。その結果、閉じ込め作用の強い方向の偏光成分は閉じ込め作用の弱い方向の偏光成分に比べて発振しやすくなり、偏光方向を閉じ込め作用の強い方向に制御することができる。 In this way, by dividing the mode filter into a plurality of parts and giving shape anisotropy to the relatively highly reflective region in the center, anisotropy can be generated in the lateral confinement action. . As a result, the polarization component having a strong confinement effect oscillates more easily than the polarization component having a weak confinement effect, and the polarization direction can be controlled to a direction having a strong confinement effect.
また、p側電極におけるコンタクト層と接している電流注入領域は、形状異方性を有しているため、電流の流れにも異方性が生じ、偏光方向を更に安定にすることができた。 In addition, since the current injection region in contact with the contact layer in the p-side electrode has shape anisotropy, anisotropy occurred in the current flow, and the polarization direction could be further stabilized. .
以上説明したように、本実施形態に係る面発光レーザ素子100によると、基板101上に、下部半導体DBR103、下部スペーサ層104、活性層105、上部スペーサ層106、上部半導体DBR107、コンタクト層109が積層されている。そして、レーザ光が射出される射出面上に、射出領域を取り囲んで設けられたp側電極113を有している。また、射出領域内には、該射出領域の中心部を取り囲んで設けられた光学的に透明な誘電体膜であるモードフィルタ115がλ/4の光学的厚さで形成されている。
As described above, according to the surface emitting
そして、射出領域の中心部の反射率が相対的に高い部分は、射出面内の互いに直交する2方向(ここでは、X軸方向とY軸方向)に関して、長さが異なっている。さらに、p側電極113におけるコンタクト層109に接している電流注入領域は、形状異方性を有している。
And the part where the reflectance of the center part of an injection | emission area | region is comparatively high differs in length regarding two directions (here X-axis direction and Y-axis direction) mutually orthogonal | vertical within an emission surface. Further, the current injection region in contact with the
そこで、高次横モードの発振を制御しつつ、偏光方向を安定させることができる。 Therefore, the polarization direction can be stabilized while controlling the oscillation of the high-order transverse mode.
本実施形態に係る光走査装置1010によると、光源14が面発光レーザ素子100を有しているため、安定した光走査を行うことができる。
According to the
本実施形態に係るレーザプリンタ1000によると、光走査装置1010を備えているため、高品質の画像を形成することが可能となる。
Since the
なお、上記実施形態では、傾斜基板による偏光制御作用が、偏光方向を傾斜軸方向(X軸方向)に安定させようとする作用の場合について説明したが、偏光方向を傾斜軸に直交する方向(Y軸方向)に安定させようとする作用であっても良い。この場合には、所望の偏光方向を傾斜軸に直交する方向とし、図24に示されるように、相対的に反射率の高い領域の形状が、傾斜軸方向を長手方向とするように、モードフィルタを分割すると良い。このとき、p側電極におけるコンタクト層と接している部分も、Y軸方向に対向するように2分割すると良い(図25参照)。傾斜基板による偏光制御作用は、活性層の歪を含む歪状態を変えることで制御できる。 In the above-described embodiment, the polarization control action by the tilted substrate has been described as the action of trying to stabilize the polarization direction in the tilt axis direction (X-axis direction). However, the polarization direction is orthogonal to the tilt axis ( The action may be to stabilize in the Y-axis direction. In this case, a mode in which the desired polarization direction is a direction orthogonal to the tilt axis and the shape of the region having a relatively high reflectivity is the longitudinal direction is the tilt axis direction as shown in FIG. Divide the filter. At this time, the portion of the p-side electrode that is in contact with the contact layer is preferably divided into two parts so as to face each other in the Y-axis direction (see FIG. 25). The polarization control action by the inclined substrate can be controlled by changing the strain state including the strain of the active layer.
また、上記実施形態では、2分割されたモードフィルタが、射出領域の中心を通りY軸に平行な軸に対して対称に設けられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。射出領域の中心を通りY軸に平行な軸の一側と他側にそれぞれモードフィルタがあれば良い。 Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the mode filter divided | segmented into 2 was provided symmetrically with respect to the axis | shaft parallel to a Y-axis passing through the center of an injection | emission area | region, it is not limited to this. It is only necessary to have mode filters on one side and the other side of the axis passing through the center of the emission region and parallel to the Y axis.
また、上記実施形態では、各モードフィルタの形状がドーナツを2つに割ったような形状の場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、各モードフィルタの形状が、長方形状、半円形状、及び楕円形状など任意の形状であっても良い(図26参照)。 Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the shape of each mode filter was a shape which divided a donut into two, it is not limited to this. For example, the shape of each mode filter may be an arbitrary shape such as a rectangular shape, a semicircular shape, and an elliptical shape (see FIG. 26).
また、上記実施形態では、2つのモードフィルタが設けられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図27に示されるように、長楕円形状で、互いに直交する2つの方向で幅が異なっている1つのモードフィルタが設けられても良い。また、図28に示されるように、円環状の一部が欠損した形状の1つのモードフィルタが設けられても良い。 Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where two mode filters were provided, it is not limited to this. For example, as shown in FIG. 27, one mode filter having an elliptical shape and having different widths in two directions orthogonal to each other may be provided. Further, as shown in FIG. 28, one mode filter having a shape in which a part of the annular shape is missing may be provided.
要するに、中心部の相対的に反射率が高い領域が、所望の偏光方向とそれと垂直方向とで形状異方性を有していれば良い。 In short, it is only necessary that the region having a relatively high reflectance in the central portion has shape anisotropy in a desired polarization direction and a direction perpendicular thereto.
また、上記実施形態では、2つのモードフィルタが同じ材質の場合について説明したが、これに限定されるものではない。 Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the two mode filters were the same material, it is not limited to this.
また、上記実施形態では、基板の主面の法線方向が、結晶方位[1 0 0]方向に対して、結晶方位[1 1 1]A方向に向かって15度傾斜している場合について説明したが、これに限定されるものではない。基板の主面の法線方向が、結晶方位<1 0 0>の一の方向に対して、結晶方位<1 1 1>の一の方向に向かって傾斜していれば良い。 In the above embodiment, the case where the normal direction of the main surface of the substrate is inclined 15 degrees toward the crystal orientation [1 1 1] A direction with respect to the crystal orientation [1 0 0] direction is described. However, the present invention is not limited to this. The normal direction of the main surface of the substrate may be inclined toward one direction of crystal orientation <1 1 1> with respect to one direction of crystal orientation <1 0 0>.
なお、上記実施形態では、保護層及びモードフィルタがSiNの場合について説明したが、これに限らず、例えば、SiNx、SiOx、TiOx及びSiONのいずれかであっても良い。それぞれの材料の屈折率に合わせて膜厚を設計することで同様の効果を得ることができる。 In the above-described embodiment, the case where the protective layer and the mode filter are SiN has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, any of SiNx, SiOx, TiOx, and SiON may be used. The same effect can be obtained by designing the film thickness according to the refractive index of each material.
また、上記実施形態では、モードフィルタの光学的厚さがλ/4の場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、モードフィルタの光学的厚さが3λ/4であっても良い。要するに、モードフィルタの光学的厚さがλ/4の奇数倍であれば、面発光レーザ素子100と同様な効果を得ることができる。
Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the optical thickness of the mode filter was (lambda) / 4, it is not limited to this. For example, the optical thickness of the mode filter may be 3λ / 4. In short, if the optical thickness of the mode filter is an odd multiple of λ / 4, an effect similar to that of the surface emitting
また、上記実施形態において、前記面発光レーザ素子100に代えて、図29及び図30に示される面発光レーザ素子100_1を用いても良い。なお、図30は、図29のA−A断面図である。この面発光レーザ素子100_1は、中心部の相対的に反射率が高い領域のY軸方向の長さが、面発光レーザ素子100よりも短い。そして、Z軸方向からみたとき、p側電極の形状は等方性を有している。しかしながら、図31に示されるように、p側電極におけるコンタクト層に接している電流注入領域は、形状異方性を保っており、面発光レーザ素子100と同様の偏光方向制御性を有している。また、射出領域の形状異方性がなくなった分、光の発散角の異方性が小さい。
Moreover, in the said embodiment, it may replace with the said surface emitting
また、上記実施形態において、前記面発光レーザ素子100に代えて、一例として図32及び図33に示されるように、面発光レーザ素子100の射出領域全面に、更に光学的厚さが2λ/4のSiNからなる誘電体膜116が積層された面発光レーザ素子100_2を用いても良い。この誘電体膜116の実際の膜厚(=2λ/4n)は、SiNの屈折率nが1.86、発振波長λが780nmであるため、約210nmに設定される。
Further, in the above embodiment, instead of the surface emitting
このとき、射出領域の中心部は、光学的厚さが2λ/4のSiNからなる誘電体膜116で被覆される。また、モードフィルタは、光学的厚さがλ/4のSiNからなる誘電体膜111と光学的厚さが2λ/4のSiNからなる誘電体膜116とから構成される。すなわち、モードフィルタは、光学的厚さが3λ/4のSiNからなる誘電体膜から構成されることとなる。また、射出領域の周辺部でモードフィルタを除く領域、つまり、p側電極が欠けた部分(2ヶ所)も、光学的厚さが2λ/4の保護層(誘電体膜)で被覆されている。
At this time, the central portion of the emission region is covered with a
この場合は、射出領域全部が誘電体膜116に被覆されていることとなるため、射出領域の酸化や汚染を抑制することができる。なお、射出領域の中心部は、誘電体膜116に覆われているが、その光学的厚さをλ/2の偶数倍としているため、反射率を低下させることがなく、誘電体膜116がない場合と同等の光学特性が得られた。
In this case, since the entire emission region is covered with the
すなわち、反射率を低下させたい部分の光学的厚さがλ/4の奇数倍、それ以外の部分の光学的厚さがλ/4の偶数倍であれば、面発光レーザ素子100と同様の効果が得られる。
That is, if the optical thickness of the portion where the reflectance is to be lowered is an odd multiple of λ / 4 and the optical thickness of the other portion is an even multiple of λ / 4, the same as the surface emitting
また、上記実施形態において、前記面発光レーザ素子100に代えて、一例として図34〜図36に示されるように、素子の中心部に2層の透明な誘電体層からなる高反射率領域が設けられ、中心部から外れた領域に1層の誘電体層からなる低反射率領域が設けられた面発光レーザ素子100_3を用いても良い。それぞれの誘電体層の厚さは、光学的厚さがλ/4の奇数倍に設定されている。また、メサ上面の周辺部も、2層の透明な誘電体層で被覆されている。
Further, in the above embodiment, instead of the surface emitting
ここでは、中心部は、コンタクト層109上に、下層から順にSiO2、SiNの2種の誘電体が積層されている。この場合、下層の誘電体層117の屈折率が上層の誘電体層111の屈折率よりも小さくなるように設定する必要がある。成膜条件にも依るが、ここでは、下層の誘電体層117であるSiO2の屈折率は約1.5であり、上層の誘電体層111であるSiNの屈折率は約1.86である。
Here, at the center portion, two kinds of dielectrics of SiO 2 and SiN are laminated on the
一方、素子の中心周辺部から外れた領域には、SiNのみが積層されている。 On the other hand, only SiN is laminated in a region deviated from the center periphery of the element.
このように誘電体層の厚さを設定すると、中心部は通常の多層膜反射鏡と同じ構成となり、反射率が高くなる。また、中心部から外れた領域では、半導体多層膜反射鏡上に光学的厚さがλ/4の1層の誘電体層が設けられる構成となる。そして、SiNの屈折率は半導体層の屈折率に対して小さいので、この領域の反射率は低くなる。 When the thickness of the dielectric layer is set in this way, the central portion has the same configuration as that of a normal multilayer film reflecting mirror, and the reflectance is increased. In a region off the center, a single dielectric layer having an optical thickness of λ / 4 is provided on the semiconductor multilayer mirror. And since the refractive index of SiN is small with respect to the refractive index of a semiconductor layer, the reflectance of this area | region becomes low.
また、面発光レーザ素子100_3では、中心部の反射率が高くなることにより、中心部と周辺部との反射率差を面発光レーザ素子100よりも大きくすることができる。
Further, in the surface emitting laser element 100_3, the reflectance at the central portion is increased, so that the difference in reflectance between the central portion and the peripheral portion can be made larger than that in the surface emitting
この場合も、高次横モードの抑制効果が高く、基本横モード出力を高くすることができる。なお、中心部の反射率が高くなると、発振しやすくなるが光取り出し効率は低減する。そこで、例えば中心部の反射率が面発光レーザ素子100と同じになるように、半導体DBRのペア数を低減しても良い。
Also in this case, the effect of suppressing the high-order transverse mode is high, and the basic transverse mode output can be increased. Note that when the reflectance at the center portion is increased, oscillation tends to occur but the light extraction efficiency is reduced. Therefore, for example, the number of pairs of semiconductor DBRs may be reduced so that the reflectance of the central portion is the same as that of the surface emitting
すなわち、反射率を低下させたい部分の誘電体膜の光学的厚さがλ/4の奇数倍、それ以外の部分は屈折率の異なる2種類の誘電体材料を用い、それぞれの光学的厚さがλ/4の奇数倍であれば、同様の高次横モードの抑制効果が得られる。 That is, the optical thickness of the dielectric film at the portion where the reflectance is to be lowered is an odd multiple of λ / 4, and the other portions are made of two kinds of dielectric materials having different refractive indexes, and the optical thicknesses of the respective dielectric thicknesses. If λ / 4 is an odd multiple of λ / 4, the same high-order transverse mode suppression effect can be obtained.
ところで、Z軸方向から見たときに、電流通過領域の中心とモードフィルタの重心位置とがずれるとレーザ光の放射角が非対称になるが、面発光レーザ素子100_3では、SiO2を成膜した後、メサ形状を確定させるエッチング用マスク形成時に同時にモードフィルタパターンを形成しているため、両者の位置合わせが自動的に行われる。そこで、電流通過領域の中心とモードフィルタの重心位置とを容易に略一致させることが可能であり、放射角を対称にすることができる。 By the way, when viewed from the Z-axis direction, the emission angle of the laser beam becomes asymmetric when the center of the current passing region and the center of gravity of the mode filter are shifted. However, in the surface emitting laser element 100_3, SiO 2 is formed. After that, since the mode filter pattern is formed at the same time when the etching mask for determining the mesa shape is formed, both are automatically aligned. Therefore, the center of the current passage region and the center of gravity of the mode filter can be easily made substantially coincident, and the radiation angle can be made symmetric.
この場合に、図37及び図38に示されるように、射出領域が楕円形状であっても良い。この場合も、射出面全部が誘電体膜で被覆されていることとなるため、射出面の酸化や汚染を抑制することができる。 In this case, as shown in FIGS. 37 and 38, the emission region may be elliptical. Also in this case, since the entire emission surface is covered with the dielectric film, oxidation and contamination of the emission surface can be suppressed.
なお、中心部の反射率が高い領域における2層の誘電体膜は、SiO2とSiNに限定されるものではなく、例えば、SiNx、SiOx、TiOx及びSiONのいずれかであっても良い。それぞれの材料の屈折率に合わせて膜厚を設計することで同様の効果を得ることができる。 Note that the two-layer dielectric film in the region having a high reflectance at the center is not limited to SiO 2 and SiN, and may be, for example, any one of SiNx, SiOx, TiOx, and SiON. The same effect can be obtained by designing the film thickness according to the refractive index of each material.
また、上記実施形態において、前記面発光レーザ素子100に代えて、一例として図39及び図40に示される面発光レーザ素子100_4を用いても良い。この面発光レーザ素子100_4は、中心部の相対的に反射率が高い領域のY軸方向の長さが、面発光レーザ素子100_3よりも短い。そして、Z軸方向からみたとき、p側電極の形状は等方性を有している。しかしながら、図41に示されるように、p側電極におけるコンタクト層に接している電流注入領域は、形状異方性を保っており、面発光レーザ素子100_3と同様の偏光方向制御性を有している。また、射出領域の形状異方性がなくなった分、光の発散角の異方性が小さい。
Moreover, in the said embodiment, it may replace with the said surface emitting
また、上記実施形態において、光源14は、前記面発光レーザ素子100に代えて、一例として図42に示される面発光レーザアレイ100Mを有しても良い。
In the above embodiment, the
この面発光レーザアレイ100Mは、複数(ここでは21個)の発光部が同一基板上に配置されている。ここでは、図42におけるX軸方向は主走査対応方向であり、Y軸方向は副走査対応方向である。複数の発光部は、すべての発光部をY軸方向に伸びる仮想線上に正射影したときに、隣接する発光部間隔が等間隔d2となるように配置されている。すなわち、21個の発光部は、2次元的に配列されている。なお、本明細書では、「発光部間隔」とは2つの発光部の中心間距離をいう。また、発光部の数は21個に限定されるものではない。
In the surface emitting
各発光部は、図42のA−A断面図である図43に示されるように、前述した面発光レーザ素子100と同様な構造を有している。そして、この面発光レーザアレイ100Mは、前述した面発光レーザ素子100と同様な方法で製造することができる。そこで、各発光部間で均一な偏光方向を持ち、高いシングルモード出力で複数のレーザ光を得ることができる。従って、円形で且つ光密度の高い微小な光スポットを21個同時に感光体ドラム1030上に形成することが可能である。
Each light emitting section has the same structure as the surface emitting
また、面発光レーザアレイ100Mでは、各発光部を副走査対応方向に延びる仮想線上に正射影したときの発光部間隔が等間隔d2であるので、点灯のタイミングを調整することで感光体ドラム1030上では副走査方向に等間隔で発光部が並んでいる場合と同様な構成と捉えることができる。
Further, in the surface emitting
そして、例えば、上記間隔d2を2.65μm、光走査装置1010の光学系の倍率を2倍とすれば、4800dpi(ドット/インチ)の高密度書込みができる。もちろん、主走査対応方向の発光部数を増加したり、副走査対応方向のピッチd1を狭くして間隔d2を更に小さくするアレイ配置としたり、光学系の倍率を下げる等を行えばより高密度化でき、より高品質の印刷が可能となる。なお、主走査方向の書き込み間隔は、発光部の点灯のタイミングで容易に制御できる。
For example, if the distance d2 is 2.65 μm and the magnification of the optical system of the
また、この場合には、レーザプリンタ1000では書きこみドット密度が上昇しても印刷速度を落とすことなく印刷することができる。また、同じ書きこみドット密度の場合には印刷速度を更に速くすることができる。また、本発明の面発光レーザ素子はシングルモード出力が高いので、高速なプリント速度と、高精細な画質を得ることができる。
In this case, the
また、この場合には、各発光部からの光束の偏光方向が安定して揃っているため、レーザプリンタ1000では、高品質の画像を安定して形成することができる。
In this case, since the polarization directions of the light beams from the respective light emitting units are stably aligned, the
また、上記実施形態において、前記面発光レーザ素子100に代えて、面発光レーザ素子100と同様の発光部が1次元配列された面発光レーザアレイを用いても良い。
In the above embodiment, a surface emitting laser array in which light emitting units similar to the surface emitting
また、上記実施形態では、発光部の発振波長が780nm帯の場合について説明したが、これに限定されるものではない。感光体の特性に応じて、発光部の発振波長を変更しても良い。 Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the oscillation wavelength of a light emission part was a 780 nm band, it is not limited to this. The oscillation wavelength of the light emitting unit may be changed according to the characteristics of the photoreceptor.
また、上記各面発光レーザ素子は、画像形成装置以外の用途にも用いることができる。その場合には、発振波長は、その用途に応じて、650nm帯、850nm帯、980nm帯、1.3μm帯、1.5μm帯等の波長帯であっても良い。この場合に、活性層を構成する半導体材料は、発振波長に応じた混晶半導体材料を用いることができる。例えば、650nm帯ではAlGaInP系混晶半導体材料、980nm帯ではInGaAs系混晶半導体材料、1.3μm帯及び1.5μm帯ではGaInNAs(Sb)系混晶半導体材料を用いることができる。 Moreover, each said surface emitting laser element can be used also for uses other than an image forming apparatus. In that case, the oscillation wavelength may be a wavelength band such as a 650 nm band, an 850 nm band, a 980 nm band, a 1.3 μm band, and a 1.5 μm band depending on the application. In this case, a mixed crystal semiconductor material corresponding to the oscillation wavelength can be used as the semiconductor material constituting the active layer. For example, an AlGaInP mixed crystal semiconductor material can be used in the 650 nm band, an InGaAs mixed crystal semiconductor material can be used in the 980 nm band, and a GaInNAs (Sb) mixed crystal semiconductor material can be used in the 1.3 μm band and the 1.5 μm band.
また、各反射鏡の材料及び構成を発振波長に応じて選択することにより、任意の発振波長に対応した発光部を形成することができる。例えば、AlGaInP混晶などのAlGaAs混晶以外のものを用いることができる。なお、低屈折率層及び高屈折率層は、発振波長に対して透明で、かつ可能な限り互いの屈折率差が大きく取れる組み合わせが好ましい。 Further, by selecting the material and configuration of each reflecting mirror according to the oscillation wavelength, a light emitting unit corresponding to an arbitrary oscillation wavelength can be formed. For example, other than AlGaAs mixed crystal such as AlGaInP mixed crystal can be used. The low refractive index layer and the high refractive index layer are preferably a combination that is transparent with respect to the oscillation wavelength and can take a difference in refractive index as much as possible.
なお、上記実施形態では、光走査装置1010がプリンタに用いられる場合について説明したが、プリンタ以外の画像形成装置、例えば、複写機、ファクシミリ、又は、これらが集約された複合機にも用いることができる。
In the above embodiment, the case where the
また、上記実施形態では、画像形成装置としてレーザプリンタ1000の場合について説明したが、これに限定されるものではない。
In the above embodiment, the
例えば、レーザ光によって発色する媒体(例えば、用紙)に直接、レーザ光を照射する画像形成装置であっても良い。 For example, an image forming apparatus that directly irradiates laser light onto a medium (for example, paper) that develops color with laser light may be used.
また、像担持体として銀塩フィルムを用いた画像形成装置であっても良い。この場合には、光走査により銀塩フィルム上に潜像が形成され、この潜像は通常の銀塩写真プロセスにおける現像処理と同等の処理で可視化することができる。そして、通常の銀塩写真プロセスにおける焼付け処理と同等の処理で印画紙に転写することができる。このような画像形成装置は光製版装置や、CTスキャン画像等を描画する光描画装置として実施できる。 Further, an image forming apparatus using a silver salt film as the image carrier may be used. In this case, a latent image is formed on the silver salt film by optical scanning, and this latent image can be visualized by a process equivalent to a developing process in a normal silver salt photographic process. Then, it can be transferred to photographic paper by a process equivalent to a printing process in a normal silver salt photographic process. Such an image forming apparatus can be implemented as an optical plate making apparatus or an optical drawing apparatus that draws a CT scan image or the like.
また、一例として図44に示されるように、複数の感光体ドラムを備えるカラープリンタ2000であっても良い。
As an example, as shown in FIG. 44, a
このカラープリンタ2000は、4色(ブラック、シアン、マゼンタ、イエロー)を重ね合わせてフルカラーの画像を形成するタンデム方式の多色カラープリンタであり、ブラック用の「感光体ドラムK1、帯電装置K2、現像装置K4、クリーニングユニットK5、及び転写装置K6」と、シアン用の「感光体ドラムC1、帯電装置C2、現像装置C4、クリーニングユニットC5、及び転写装置C6」と、マゼンタ用の「感光体ドラムM1、帯電装置M2、現像装置M4、クリーニングユニットM5、及び転写装置M6」と、イエロー用の「感光体ドラムY1、帯電装置Y2、現像装置Y4、クリーニングユニットY5、及び転写装置Y6」と、光走査装置2010と、転写ベルト2080と、定着ユニット2030などを備えている。
The
各感光体ドラムは、図44中の矢印の方向に回転し、各感光体ドラムの周囲には、回転方向に沿って、それぞれ帯電装置、現像装置、転写装置、クリーニングユニットが配置されている。各帯電装置は、対応する感光体ドラムの表面を均一に帯電する。帯電装置によって帯電された各感光体ドラム表面に光走査装置2010により光が照射され、各感光体ドラムに潜像が形成されるようになっている。そして、対応する現像装置により各感光体ドラム表面にトナー像が形成される。さらに、対応する転写装置により、転写ベルト2080上の記録紙に各色のトナー像が転写され、最終的に定着ユニット2030により記録紙に画像が定着される。
Each photoconductor drum rotates in the direction of the arrow in FIG. 44, and a charging device, a developing device, a transfer device, and a cleaning unit are arranged around each photoconductor drum along the rotation direction. Each charging device uniformly charges the surface of the corresponding photosensitive drum. The surface of each photoconductive drum charged by the charging device is irradiated with light by the
光走査装置2010は、前記面発光レーザ素子100、面発光レーザ素子100_1〜100_4のいずれかと同様な面発光レーザ素子、あるいは前記面発光レーザアレイ100Mと同様な面発光レーザアレイのいずれかを含む光源を、色毎に有している。そこで、上記光走査装置1010と同様の効果を得ることができる。また、カラープリンタ2000は、この光走査装置2010を備えているため、上記レーザプリンタ1000と同様の効果を得ることができる。
The
ところで、カラープリンタ2000では、各部品の製造誤差や位置誤差等によって色ずれが発生する場合がある。このような場合であっても、光走査装置2010の各光源が前記面発光レーザアレイ100Mと同様な面発光レーザアレイを有していると、点灯させる発光部を選択することで色ずれを低減することができる。
By the way, in the
以上説明したように、本発明の面発光レーザ素子及び面発光レーザアレイによれば、高次横モードの発振を制御しつつ、偏光方向を安定させるのに適している。また、本発明の光走査装置によれば、安定した光走査を行うのに適している。また、本発明の画像形成装置によれば、高品質の画像を形成するのに適している。 As described above, the surface-emitting laser element and the surface-emitting laser array according to the present invention are suitable for stabilizing the polarization direction while controlling the oscillation of the high-order transverse mode. Further, the optical scanning device of the present invention is suitable for performing stable optical scanning. The image forming apparatus of the present invention is suitable for forming a high quality image.
11a…偏向器側走査レンズ(走査光学系の一部)、11b…像面側走査レンズ(走査光学系の一部)、13…ポリゴンミラー(偏向器)、14…光源、100…面発光レーザ素子、100_1〜100_4…面発光レーザ素子、100M…面発光レーザアレイ、101…基板、103…下部半導体DBR(半導体多層膜反射鏡の一部)、104…下部スペーサ層(共振器構造体の一部)、105…活性層、106…上部スペーサ層(共振器構造体の一部)、107…上部半導体DBR(半導体多層膜反射鏡の一部)、109…コンタクト層、113…p側電極(電極)、115…モードフィルタ(誘電体膜)、1000…レーザプリンタ(画像形成装置)、1010…光走査装置、1030…感光体ドラム(像担持体)、2000…カラープリンタ(画像形成装置)、2010…光走査装置、K1,C1,M1,Y1…感光体ドラム(像担持体)。
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記射出領域内に設けられ、周辺部の反射率と中心部の反射率を異ならせる透明な誘電体膜を更に備え、
前記中心部の反射率が異なる部分は、前記射出面内の互いに直交する2方向に関して長さが異なり、
前記電極における前記コンタクト層に接している電流注入領域は、形状異方性を有することを特徴とする面発光レーザ素子。 A resonator structure including an active layer, a semiconductor multilayer film reflector provided across the resonator structure, and an emission surface on which light is emitted are provided so as to surround an emission region, at least a part of which is provided. In a surface emitting laser device comprising an electrode in contact with a contact layer,
A transparent dielectric film provided in the emission region, and having a different reflectance at the periphery and a reflectance at the center;
The portions having different reflectivities in the central portion have different lengths in two directions orthogonal to each other in the exit surface,
The surface emitting laser device according to claim 1, wherein a current injection region in contact with the contact layer in the electrode has shape anisotropy.
請求項1〜9のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子を有する光源と;
前記光源からの光を偏向する偏向器と;
前記偏向器で偏向された光を前記被走査面上に集光する走査光学系と;を備える光走査装置。 An optical scanning device that scans a surface to be scanned with light,
A light source comprising the surface-emitting laser element according to claim 1;
A deflector for deflecting light from the light source;
A scanning optical system for condensing the light deflected by the deflector onto the surface to be scanned.
請求項10に記載の面発光レーザアレイを有する光源と;
前記光源からの光を偏向する偏向器と;
前記偏向器で偏向された光を前記被走査面上に集光する走査光学系と;を備える光走査装置。 An optical scanning device that scans a surface to be scanned with light,
A light source comprising the surface emitting laser array according to claim 10;
A deflector for deflecting light from the light source;
A scanning optical system for condensing the light deflected by the deflector onto the surface to be scanned.
前記少なくとも1つの像担持体に対して画像情報に応じて変調された光を走査する少なくとも1つの請求項11又は12に記載の光走査装置と;を備える画像形成装置。 At least one image carrier;
An image forming apparatus comprising: at least one optical scanning device according to claim 11 or 12 that scans the at least one image carrier with light modulated according to image information.
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