JP3625796B2 - マイクロレンズ一体型表面光レーザ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ光が出射する側にマイクロレンズが一体に形成されたマイクロレンズ一体型表面光レーザに係り、より詳細には、平行光が出射可能になったマイクロレンズ一体型表面光レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、表面光レーザは、半導体物質層の積層方向に光を出射するため、他の光学素子との光学的結合が容易であり、設置し易いだけではなく、二次元配列を有するように製造可能なので、光通信及び光信号を用いたインターフェース技術などの光伝送システムや記録／再生用光ヘッドにおいて光源として広く応用可能である。
【０００３】
図１を参照すれば、従来の表面光レーザは、基板１０と、前記基板１０上に順次積層形成された下部反射基層１１と、活性層１２と、高抵抗部１３及び上部反射基層１４と、前記上部反射基層１４上のレーザ光が出射するウィンドウ１８を除いた領域に形成された上部電極１６と、前記基板１０の下面に形成された下部電極１７とを含む。
【０００４】
前記下部反射基層１１及び上部反射基層１４は、屈折率が相異なる化合物半導体を交互に積層して形成されたブラッグ反射器（ＤＢＲ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）であって、相異なる型の不純物でドーピングされている。すなわち、前記基板１０はｎ型不純物でドーピングされており、前記下部反射基層１１は前記基板１０と同じ型であるｎ型不純物、前記上部反射基層１４はｐ型不純物でドーピングされている。
【０００５】
前記高抵抗部１３は上、下部電極１６、１７を通じて印加された電流が前記活性層１２の中央部に向かって流れるように電流の流れをガイドする。
【０００６】
前記活性層１２は前記上、下部電極１６、１７を通じて印加された電流により、前記上、下部反射基層１４、１１から供給された正孔と電子との結合により光が発生される領域である。
【０００７】
前記活性層１２で発生された光は前記上、下部反射基層１４、１１で繰り返し反射されつつその共振条件に合う波長の光だけが生き残り、この生き残った光は前記ウィンドウ１９を通じて出射される。
【０００８】
前記のように、従来の表面光レーザにおいて、前記ウィンドウ１８を通じて出射するレーザ光は所定の放射角を有する。
【０００９】
したがって、前記のような表面光レーザを、例えば光ケーブルを採用した光伝送システムの光源として用いる時、表面光レーザから出力されたレーザ光を光ケーブルにより効率よく光カップリングさせるために、表面光レーザと光ケーブルの入力端との間に表面光レーザから出力される発散レーザ光を集束レーザ光に変える集束レンズを備える必要がある。
【００１０】
また、他の例として、前記のような従来の表面光レーザを、光ディスクなどの記録媒体の情報を非接触式で記録再生する光記録再生装置用光ヘッドの光源として用いるためには、光ヘッドは従来の表面光レーザから出射した発散レーザ光を平行レーザ光に変えるためのコリメーティングレンズを採用する必要がある。
【００１１】
すなわち、前記のような従来の表面光レーザはウィンドウを通じて発散レーザ光を出力させるため、光学システムを構成するためには表面光レーザの出力側に別途の集束レンズまたはコリメーティングレンズを採用しなければならない。
【００１２】
したがって、光学システムの構成時に部品点数が多くなるだけではなく、前記表面光レーザから出射したレーザ光の中心軸及びレンズを光軸整列させる過程を必要とするため、光軸整列の構造が複雑になるという短所がある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、光学システムの構成時に別途の集束レンズまたはコリメーティングレンズが不要になるように平行レーザ光が出力可能になったマイクロレンズ一体型表面光レーザを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明によるマイクロレンズ一体型表面光レーザは、基板と、前記基板上に相対的に高反射率を有するように積層形成された下部反射基層と、前記下部反射基層上に形成されて電子と正孔との再結合により光を生成する活性層と、前記活性層上に前記下部反射基層よりも低反射率を有するように積層形成された上部反射基層と、前記上部反射基層上にレーザ光を透過させる物質よりなり、レーザ光が出射されるウィンドウ領域にマイクロレンズが形成されたレンズ層と、前記上部反射基層の上方のウィンドウ領域を除いた領域に形成された上部電極と、前記基板の下面に形成された下部電極とを含み、光発生領域から前記マイクロレンズの光軸上の頂点までの距離をｆ、前記マイクロレンズの曲率半径をＲ、前記光発生領域からマイクロレンズまで光が経由する媒質の有効屈折率をｎ１、前記マイクロレンズを経由して出射した光が進行する媒質の屈折率をｎ２としたとき、ｆ＝Ｒ×ｎ１／（ｎ２−ｎ１）を満足するように形成されたことを特徴とする。
【００１５】
また、前記目的を達成するために、本発明によるマイクロレンズ一体型表面光レーザは、基板と、前記基板上に相対的に高反射率を有するように積層形成された下部反射基層と、前記下部反射基層上に形成されて電子と正孔との再結合により光を生成する活性層と、前記活性層上に前記下部反射基層よりも低反射率を有するように積層形成された上部反射基層と、前記上部反射基層上にレーザ光を透過させる物質よりなり、レーザ光が出射するウィンドウ領域にマイクロレンズが形成されたレンズ層と、前記上部反射基層の上方のウィンドウ領域を除いた領域に形成された上部電極と、前記基板の下面に形成された下部電極とを含み、前記ウィンドウ領域はフラウンフォーファー回折条件を満足しつつ前記活性層で発生されて前記ウィンドウ領域に向かって進行する光のビームサイズよりも小さい最大幅を有し、前記ウィンドウ領域におけるフラウンフォーファー回折が前記マイクロレンズの集束効果により相殺されるようになったことを特徴とする。
【００１６】
ここで、望ましくは、前記ウィンドウ領域の最大幅をＤ、前記マイクロレンズの焦点長さをｆ、出射するレーザ光波長をλとしたとき、前記最大幅Ｄと焦点長さｆとの関係が
【数３】
を満足する。
【００１７】
さらに、前記目的を達成するために、本発明によるマイクロレンズ一体型表面光レーザは、レーザ光を透過させる物質よりなり、レーザ光が出射するウィンドウ領域にマイクロレンズが形成された基板と、前記基板上に相対的に低反射率を有するように形成された下部反射基層と、前記下部反射基層上に形成されて電子と正孔との再結合により光を生成する活性層と、前記活性層上に前記下部反射基層よりも高い反射率を有するように形成された上部反射基層と、前記上部反射基層上に形成された上部電極と、前記基板の下面のレーザ光が出射するウィンドウ領域を除いた領域に形成された下部電極とを含み、光発生領域から前記マイクロレンズの光軸上の頂点までの距離をｆ、前記マイクロレンズの曲率半径をＲ、前記光発生領域からマイクロレンズまで光が経由する媒質の有効屈折率をｎ１、マイクロレンズを経由して出射したレーザ光が進行する媒質の屈折率をｎ２としたとき、ｆ＝Ｒ×ｎ１／（ｎ２−ｎ１）を満足するように形成されたことを特徴とする。
【００１８】
前記目的を達成するために、本発明によるマイクロレンズ一体型表面光レーザは、レーザ光を透過させる物質よりなり、レーザ光が出射するウィンドウ領域にマイクロレンズが形成された基板と、前記基板上に相対的に低い反射率を有するように形成された下部反射基層と、前記下部反射基層上に形成されて電子と正孔との再結合により光を生成する活性層と、前記活性層上に前記下部反射基層よりも高反射率を有するように形成された上部反射基層と、前記上部反射基層上に形成された上部電極と、前記基板の下面のレーザ光が出射するウィンドウ領域を除いた領域に形成された下部電極とを含み、前記ウィンドウ領域はフラウンフォーファー回折条件を満足しつつ前記活性層で発生されて前記ウィンドウ領域に進行する光のビームサイズよりも小さい最大幅を有し、前記ウィンドウ領域におけるフラウンフォーファー回折が前記マイクロレンズの集束効果により相殺されるようになったことを特徴とする。
【００１９】
ここで、望ましくは、前記ウィンドウ領域の最大幅をＤ、前記マイクロレンズの焦点長さをｆ、出射するレーザ光波長をλとしたとき、
【数４】
を満足する。
【００２０】
以下、添付した図面に基づき、本発明をより詳細に説明する。
【００２１】
図２は、本発明の第１実施形態によるマイクロレンズ一体型表面光レーザを概略的に示した図である。
【００２２】
これを参照すれば、本発明の第１実施形態によるマイクロレンズ一体型表面光レーザは、基板１００と、基板１００の下面に形成された下部電極１７０と、基板１００上に順次積層形成された下部反射基層１１０、活性層１２０及び上部反射基層１４０と、上部反射基層１４０上に形成されたレンズ層１５０と、レーザ光を出射させるためのウィンドウ１８０を除いた領域に形成された上部電極１６０とを含んでなる。
【００２３】
前記基板１００は、例えばｎ型不純物でドーピングされたＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓまたはＧａＰなどの半導体物質よりなる。
【００２４】
前記下部反射基層１１０及び上部反射基層１４０は屈折率が相異なる半導体化合物を交互に積層して形成される。例えば、前記上、下部反射基層１４０、１１０は屈折率が相異なるＡｌＧａＡｓ層を繰り返し積層して形成される。
【００２５】
この時、図２に示されたように、発生されたレーザ光がほとんど上部反射基層１４０を通じて出射する構造である場合、上部反射基層１４０は相対的に低反射率を有し、下部反射基層１１０は上部反射基層１４０よりも高反射率を有するように形成される。この反射率は半導体化合物の積層数により変わるので、前記上部反射基層１４０が下部反射基層１１０よりも小さい積層数を有するように形成すれば、上部反射基層１４０の反射率を下部反射基層１１０よりも小さくできる。ここで、前記基板１００がｎ型である場合、下部反射基層１１０は前記基板１００と同じ型であるｎ型不純物、上部反射基層１４０はｐ型不純物で各々ドーピングされる。
【００２６】
前記上部反射基層１４０及び下部反射基層１１０は上、下部電極１６０、１７０を通じて印加された電流により電子及び正孔の流れを誘導し、活性層１２０で発生された光を反射させてその共振条件に合う光だけを前記上部反射基層１４０を通じて出射させる。
【００２７】
前記活性層１２０は前記上、下部反射基層１４０、１１０から与えられた正孔及び電子の再結合によるエネルギー遷移により光を生成する領域であって、単一または多重量子−ウェル構造、超格子構造などを有する。ここで、前記活性層１２０は所望の表面光レーザの出射波長により、例えばＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ及び／またはＡｌＧａＡｓＰなどよりなる。
【００２８】
一方、前記上部反射基層１４０の一部の領域には、その中央部に上部電極１６０を通じて印加された電流が流れ得る開口１３０ａを備えて電流の流れをガイドする高抵抗部１３０がさらに形成されている。ここで、前記高抵抗部１３０は下部反射基層１４０の一部の領域に形成される場合もある。
【００２９】
前記高抵抗部１３０は、上部反射基層１４０の中間に予備酸化層（図示せず）を積層し、この予備酸化層を酸化雰囲気に露出させてその外側部から酸化した酸化絶縁膜、すなわち、高抵抗領域を形成する選択的な酸化法により形成されるか、あるいは陽性子などのイオンを注入して形成される。この時、望ましくは、前記高抵抗部１３０は、開口１３０ａの大きさの調節がより容易な酸化により形成されて、より良好な光学的な案内特性を有する。
【００３０】
この実施形態において、望ましくは、前記開口１３０ａはできる限り小さく形成されて、上部電極１６０を通じて印加された電流をできる限り狭い範囲内で活性層１２０を経由させて、前記活性層１２０のより狭い領域（理想的には点）で光が発生されるようになっている。
【００３１】
このように、この第１実施形態による表面光レーザが活性層１２０のできる限り狭い領域内で光が発生されるように設けられれば、その光発生領域は理想的には点になりえ、前記光発生領域からレンズ層１５０に向かって進行する光は前記光発生領域を原点とする発散光に近くなる。
【００３２】
前記レンズ層１５０は所定の厚さ、例えば数μｍとなっており、上部反射基層１４０上に積層形成できる。前記レンズ層１５０は、望ましくは、上部反射基層１４０を透過して出射するレーザ光を吸収せずに透過させるように表面光レーザから発振された波長よりも相対的にバンドギャップが大きい物質よりなる。また、レンズ層１５０が上部反射基層１４０上に直接的に形成された構造である場合、望ましくは、前記レンズ層１５０は上部反射基層１４０をなす物質と格子整合される物質とよりなる。
【００３３】
例えば、表面光レーザが約５００ｎｍないし９００ｎｍの間にある波長帯域のレーザ光を出射するようになった場合、前記レンズ層１５０はインジウムガリウムフォスファイド（ＩｎＧａＰ）から形成される。もちろん、要求される出射レーザ光波長、例えば８５０ｎｍ、７８０ｎｍ、６６０ｎｍに従いインジウム及びガリウムの組成比は変わる。
【００３４】
他の例として、表面光レーザが約９８０ｎｍ波長帯域のレーザ光を出射するようになった場合、前記レンズ層１５０はガリウムアルセナイド（ＧａＡｓ）から形成される。
【００３５】
このほかにも、表面光レーザの出射レーザ光波長により、前記レンズ層１５０はインジウムフォスファイド（ＩｎＰ）、ガリウムアルセナイド（ＧａＡｓ）、インジウムアルセナイド（ＩｎＡｓ）、ガリウムフォスファイド（ＧａＰ）、インジウムガリウムフォスファイド（ＩｎＧａＰ）、インジウムガリウムアルセナイド（ＩｎＧａＡｓ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体やシリコンから選ばれた少なくとも一種以上の物質から形成できる。
【００３６】
前記レンズ層１５０のレーザ光が出射されるウィンドウ１８０領域側にはマイクロレンズ１５５が形成されている。このため、出射されるレーザ光は前記レンズ層１５０を経由しつつそのマイクロレンズ１５５により集束されて出射される。
前記マイクロレンズ１５５は、拡散制御エッチングにより形成される。すなわち、レンズ層１５０上に開口を有するエッチングマスク（図示せず）を形成し、これをレンズ層物質に対して拡散制御エッチングを起こす臭素（Ｂｒ２）などのエッチング剤が適宜な濃度にて含まれた化学エッチング液に所定時間浸漬すれば、化学エッチング液に含まれたエッチング剤、例えば臭素の拡散による空間的なエッチング速度の違いによりレンズ層１５０の開口に露出された部分がエッチングされて凸状のマイクロレンズ１５５が形成される。
【００３７】
拡散制御エッチングにより本発明によるマイクロレンズ１５５を製造する方法は、本出願人が日本国特許出願平成１２年第４０８５５号（出願日２０００．２．１８）の”マイクロレンズ及びその製造方法並びにマイクロレンズ一体型表面光レーザ及びその製造方法”に開示した通りであるため、ここではその製造方法についての詳細な説明は省略する。
【００３８】
前記上部電極１６０は前記レンズ層１５０の上、または上部反射基層１４０とレンズ層１５０との間に形成される。図２は、前記上部電極１６０がレンズ層１５０上に形成された場合を例示したものである。前記下部電極１７０は前記基板１００の下面に形成される。
【００３９】
一方、本発明の第１実施形態による表面光レーザは高抵抗部１３０により限定された開口１３０ａよりも大きい最大幅を有するウィンドウ１８０を有する。このウィンドウ１８０は、図２に示されたように、上部電極１６０及びマイクロレンズ１５５により限定される。
【００４０】
本発明の第１実施形態による表面光レーザは、望ましくは、前記光発生領域からマイクロレンズ１５５の光軸上の頂点までの距離が大体前記マイクロレンズ１５５の焦点長さになるように設けられる。
【００４１】
すなわち、光発生領域からマイクロレンズ１５５の光軸上の頂点までの距離をｆ、マイクロレンズ１５５の曲率半径をＲ、光発生領域からレンズ層１５０に至る光経路上の媒質（すなわち、上部反射基層１４０及びレンズ層１５０）の有効屈折率をｎ１、マイクロレンズ１５５を経由してレーザ光が進行する領域、例えば空気領域の屈折率をｎ２とした時、本発明の第１実施形態による表面光レーザは下記式１を満足するように形成される。
ｆ＝Ｒ×ｎ１／（ｎ２−ｎ１） （１）
【００４２】
したがって、前記マイクロレンズ１５５は前記光発生領域に一焦点を有する略平凸レンズとなって、本発明の第１実施形態による表面光レーザからは略平行したレーザ光が出射される。
【００４３】
したがって、前記のように構成された本発明の第１実施形態による表面光レーザにおいては、上、下部電極１６０、１７０を通じて順方向バイアス電流が印加されれば、印加された電流が前記高抵抗部１３０によりガイドされて活性層１２０の中央部の狭い地点を通じて流れ、上、下部反射基層１４０、１１０で発生された電子及び正孔が前記地点で再結合して光として発生される。この発生された光のうち上、下部反射基層１４０、１１０の間を行き来しつつその共振条件に合う特定の波長の光（結果的に、出射されるレーザ光）だけが生き残って増幅され、上部反射基層１４０を透過する。この透過するレーザ光は発散光であって、レンズ層１５０を透過しつつマイクロレンズ１５５により集束されて平行レーザ光となる。
【００４４】
この時、表面光レーザの特性から、その出射する平行レーザ光のビームサイズは約数〜数十μｍ、例えば１５μｍである。
【００４５】
したがって、光ファイバを用いた光通信システムに本発明による表面光レーザを採用すれば、その表面光レーザと光ファイバとの間に十分な光カップリングが得られるので、光源と光ファイバとの間の光カップリングのための別途のボールレンズ（図示せず）などが不要である。
【００４６】
すなわち、単一モード光ファイバである場合、コア直径は最小１０μｍであり、多重モード光ファイバである場合、コア直径は数十μｍ、例えば最小６２．５μｍであり、本発明の表面光レーザはビームサイズが約１５μｍである平行レーザ光を出射するので、別途の光カップリングレンズ無しにも本発明による表面光レーザから出射された平行レーザ光を光ファイバにより効率よくカップリングできる。
【００４７】
また、平行光を必要とする光ヘッドなどの光学システムに本発明による表面光レーザを採用すれば、従来の表面光レーザを用いる場合とは異なって、コリメータレンズが不要になるという利点がある。
【００４８】
さらに、本発明による表面光レーザを自由空間を通じて光信号を送受信するようになった光信号を用いたインターフェースに採用する場合、別途の集束レンズが不要であり、光送受信部間の距離配置の自由度が大きいので光学的な構造が簡単であり、整列が容易であるだけではなく、表面光レーザ及び／または光検出素子をコンパックにアレイで配置できる。
【００４９】
以下では、前式（１）を満足するように設けられた本発明の第１実施形態による表面光レーザから平行したレーザ光が出射できる原理を図３及び図４を参照して説明する。
【００５０】
図３及び図４は、本発明の第１実施形態による表面光レーザの構造を幾何光学的な側面から示したものである。
【００５１】
図３を参照すれば、活性層１２０の光発生領域、すなわち、第１焦点Ｏからマイクロレンズ１５５の光軸上の頂点までの距離をＳ１、マイクロレンズ１５５の頂点からそのマイクロレンズ１５５の第２焦点までの距離をＳ２、光発生領域からレンズ層１５０まで光が経由する媒質、すなわち、上部反射基層１４０及びレンズ層１５０に対する有効屈折率をｎ１、マイクロレンズ１５５を経由して出射した光が進行する領域、例えば空気領域の屈折率をｎ２とした時、図３の構造に対するレンズ幾何学の式は下記式（２）の通りである。ここで、ｎ２は空気領域の屈折率であって、約１．０である。
ｎ１／Ｓ１＋ｎ２／Ｓ２＝（ｎ２−ｎ１）／Ｒ （２）
【００５２】
この時、活性層１２０で発生された発散光が前記マイクロレンズ１５５により集束されて図４に示されたように、平行光として出力されるためには、前記Ｓ２は図４に示されたように無限大になる必要がある。
【００５３】
したがって、前式（２）において、Ｓ２を無限大にしておき、Ｓ１をｆに置換すれば、Ｓ２が無限大になるための第１焦点長さｆは前式（１）のようになる。
【００５４】
したがって、前式（１）を満足するように形成された本発明の第１実施形態による表面光レーザは略平行したレーザ光を出力できる。
【００５５】
図５は、本発明の第２実施形態によるマイクロレンズ一体型表面光レーザを概略的に示した図であって、この実施形態による表面光レーザは、前述した本発明の実施形態による表面光レーザと同一の原理により平行レーザ光を出射させるように設けられており、下部出射タイプである点で違う。ここで、図２と同一の参照符号は実質的に同一の機能をする同一の部材であるため、ここではその説明を省略する。
【００５６】
図５を参照すれば、本発明の第２実施形態によるマイクロレンズ一体型表面光レーザは、基板２００と、前記基板２００上に順次積層形成された下部反射基層２１０、活性層１２０及び上部反射基層２４０と、前記上部反射基層２４０上に形成された上部電極２５０と、前記基板２００の下面のレーザ光が出射されるウィンドウ２８０領域を除いた領域に形成された下部電極２７０とを含んでなり、前記基板２００側にレーザ光が出射するように、下部反射基層２１０が上部反射基層２４０よりも小さい反射率を有するように設けられている。
【００５７】
前記下部反射基層２１０が上部反射基層２４０よりも小さい積層数を有すると、この下部反射基層２１０の反射率が上部反射基層２４０のそれよりも相対的に小さくなる。したがって、ほとんどのレーザ光は下部反射基層２１０を通じて出射する。ここで、前記上、下部反射基層２４０、２１０は積層数を除いた物質構成及び積層構造などは実質的に図２を参照して説明した本発明の第１実施形態と同一なため、ここではその詳細な説明を省略する。
【００５８】
前記基板２００は、望ましくは、下部反射基層２１０側から入射する光を透過させるように本発明の第１実施形態で説明されたレンズ層（図２の１５０）と同様に、発生されたレーザ光波長よりもバンドギャップが大きくて前記レーザ光をほとんど吸収しない物質よりなる。例えば、表面光レーザが９８０ｎｍ波長帯域のレーザ光を出射させるようになった場合、前記基板２００はＧａＡｓよりなる。
【００５９】
前記基板２００のレーザ光が出射するウィンドウ２８０領域にはマイクロレンズ２０５が形成されているが、このマイクロレンズ２０５は本発明の第１実施形態でのように、拡散制御エッチングにより形成される。
【００６０】
この時、本発明の第２実施形態による表面光レーザは、前記マイクロレンズ２０５の曲率半径をＲ’、活性層１２０の光発生領域からマイクロレンズ２０５までの光経路上の媒質（すなわち、下部反射基層２１０及び基板２００）の有効屈折率をｎ１’、マイクロレンズ２０５を経由して出射された光が進行する領域の屈折率をｎ２、光発生領域からマイクロレンズ２０５の光軸上の頂点までの距離をｆ’とした時、本発明の第１実施形態による表面光レーザと同様に、ｆ’＝Ｒ’×ｎ１’／（ｎ２−ｎ１’）を満足するように形成される。
【００６１】
したがって、前記のように、本発明の第２実施形態によるマイクロレンズ一体型表面光レーザにおいては、上、下部電極２６０、２７０を通じて順方向バイアスが印加されれば、レーザ発振過程を経て特定の波長のレーザ光が下部反射基層２１０及び基板２００を透過し、この透過光はマイクロレンズ２０５で集束されて略平行したレーザ光として出射する。
【００６２】
以上でのように、本発明の第１及び第２実施形態によるマイクロレンズ一体型表面光レーザは、マイクロレンズ１５５／２０５の第１焦点が活性層１２０の光発生領域に位置されるように設けられて、狭い範囲の光発生領域（理想的には点）で発生されてマイクロレンズ１５５／２０５に入射する光を集束させて平行光を出射させる。
【００６３】
図６は、本発明の第３実施形態によるマイクロレンズ一体型表面光レーザを概略的に示した図である。ここで、図２と同一の参照符号は実質的に同一または類似した機能をする部材であるため、その詳細な説明を省略する。
【００６４】
この実施形態によるマイクロレンズ一体型表面光レーザは、フラウンフォーファー回折条件を満足する直径Ｄを有するウィンドウ３８０を備えて、前記ウィンドウ３８０におけるフラウンフォーファー回折がマイクロレンズ３５５の焦点効果により相殺されて平行レーザ光を出射させるように設けられている。
【００６５】
この時、望ましくは、前記ウィンドウ３８０の直径Ｄ及びマイクロレンズ３５５の焦点長さｆの関係が下記式（３）を満足する。ここで、λは、本発明による表面光レーザから出射されるレーザ光波長である。
【数５】
【００６６】
また、前記ウィンドウ３８０は、望ましくは、その直径Ｄが高抵抗部３３０の開口３３０ａの直径とほぼ等しいか、あるいは小さくなっている。この時、望ましくは、この実施形態において、高抵抗部３３０の開口３３０ａは本発明の第１及び第２実施形態における開口１３０ａよりも相対的に大きい直径を有する。
【００６７】
これにより、活性層１２０の本発明の第１及び第２実施形態でよりも広い領域で光が発生され、この発生されてウィンドウ３８０に向かって進行する光は本発明の第１及び第２実施形態でよりも平行光に近いため、フラウンフォーファー回折条件をこの実施形態にそのまま適用できる。
【００６８】
ここで、前式（３）は前記ウィンドウ３８０及びマイクロレンズ３５５が同一の平面に位置された場合を仮定したものであって、ウィンドウ３８０及びマイクロレンズ３５５が同一の平面に位置されなければ、その二つの間の距離だけ前記ｆ値を補正すれば良い。
【００６９】
以下では、本発明の第３実施形態によるマイクロレンズ一体型表面光レーザから平行したレーザ光が出射される原理を説明する。
【００７０】
図７を参照すれば、直径がＤであるウィンドウ３８０を通過する光はウィンドウ３８０が小さければ小さいほど回折がたくさん起こる。ウィンドウ３８０が十分に小さく、円形のウィンドウ３８０から観測面Ｓまでの距離ｄが十分に大きければ、フレネル数Ｎｆが下記式４を満足して、フラウンフォーファー回折条件を満足することになる。ここで、本発明において、前記観測面Ｓは前記マイクロレンズ３５５の一焦点となる。
【００７１】
【数６】
【００７２】
この実施形態による表面光レーザは、フラウンフォーファー回折条件、すなわち、Ｎｆ＜＜１を満足する直径Ｄのウィンドウ３８０を備えるので、そのウィンドウ３８０を通過するレーザ光により形成されたフラウンフォーファー回折パターンはエアリ（Ａｉｒｙ）パターンとなる。このように、同心円状の回折パターンは、観測面からみた時、中心に位置された０次回折光の強度が最も大きく、その０次回折光の半径Ｒｓは、下記式（５）の通りである。
【００７３】
【数７】
【００７４】
この実施形態による表面光レーザは、図８に示されたように、マイクロレンズ３５５がウィンドウ３８０の前方、後方または同一の平面に位置された構造である。ここで、図８は、原理への理解を助け、かつ図示の便宜のためにウィンドウ３８０の前方にマイクロレンズ３５５が位置することと図示した。
【００７５】
マイクロレンズ３５５及びウィンドウ３８０が同一の平面に位置されたことを考慮する時、ウィンドウ３８０から前記マイクロレンズ３５５の焦点長さｆだけ離れた一焦点に位置された観測面Ｓにおいてビーム半径は、強度が最も大きい０次回折光だけを考慮する時、下記式（６）の通りである。
【数８】
【００７６】
観測面Ｓにおける光が平行光になるためには、観測面における０次回折光の直径２Ｒｓとウィンドウ３８０の直径Ｄとが同じでなければならないため、このような条件Ｒｓ＝Ｄ／２を前式（６）に代入すれば、ウィンドウ３８０の直径Ｄとマイクロレンズ３５５の焦点長さｆとの関係式は前式（３）のようになる。
【００７７】
したがって、この実施形態のように、ウィンドウ３８０をフラウンフォーファー回折条件を満足する大きさに形成すれば、ウィンドウ３８０におけるフラウンフォーファー回折が前記マイクロレンズ３５５の焦点効果により相殺されて平行光が出射できる。特に、ウィンドウ３８０及びマイクロレンズ３５５が前式（３）を満足するように形成されれば、この実施形態による表面光レーザにおいては、出射する平行光を極大化できる。
【００７８】
ここで、この実施形態による表面光レーザがウィンドウ３８０とマイクロレンズ３５５とが同一の平面に位置されていない構造となった場合にも、ウィンドウ３８０の直径Ｄ及びマイクロレンズ３５５の焦点長さｆを設計する上では、前式３をそのまま適用できる。この場合、この実施形態による表面光レーザから出射されるレーザ光のうち平行レーザ光成分が占める割合は前述の場合よりはやや減るかもしれないが、減少の度合いが許容誤差範囲内であれば、平行光を必要とする光学システムに適用できるからである。また、前述したように、ウィンドウ３８０及びマイクロレンズ３５５が同一の平面に位置されていない場合、前式（３）のｆはマイクロレンズ３５５の焦点長さ値にウィンドウ３８０とマイクロレンズ３５５との距離だけ加えたり、あるいは引いた値になり得る。
【００７９】
前述したように、本発明の第３実施形態による表面光レーザが、例えば波長８５０ｎｍであるレーザ光を出射し、焦点長さ１ｍｍであるマイクロレンズを備える場合、ウィンドウの直径を４５．５４μｍとすれば、そこから平行レーザ光が出射する。
【００８０】
以上では、ウィンドウ３５５が直径Ｄを有して、円形であると説明及び図示したが、前記ウィンドウ３５５の形状は変更可能である。前記ウィンドウ３５５の形態が円形以外のものである場合、前記Ｄはそのウィンドウの最大幅を表わす。
【００８１】
ここで、図６は、図２に対応する上部出射タイプの表面光レーザを例示したものであって、図５でのような下部出射タイプにも本発明の第３実施形態の原理がそのまま適用可能なのは言うまでもなく、ここでは、それについての詳細な説明及び図示を省略する。
【００８２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によるマイクロレンズ一体型表面光レーザは、略平行したレーザ光を出力する。
【００８３】
したがって、本発明による表面光レーザを光ファイバを用いた光通信や光信号を用いたインターフェース分野などの光伝送システム、記録再生装置用光ヘッドなどの光学システムに採用する時、集束レンズまたはコリメーティングレンズが不要になるので、光軸整列構造が簡単であり、その結果、光学システムの構築コストを大きく節減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の表面光レーザの一例を概略的に示した図である。
【図２】本発明の第１実施形態によるマイクロレンズ一体型表面光レーザを概略的に示した図である。
【図３】本発明の第１実施形態による表面光レーザが数式（１）を満足するように形成されれば、そこから略平行したレーザ光が出射される原理を説明するために、本発明の第１実施形態による表面光レーザを幾何光学的な側面から示した図である。
【図４】本発明の第１実施形態による表面光レーザが数式（１）を満足するように形成されれば、そこから略平行したレーザ光が出射される原理を説明するために、本発明の第１実施形態による表面光レーザを幾何光学的な側面から示した図である。
【図５】本発明の第２実施形態によるマイクロレンズ一体型表面光レーザを概略的に示した図である。
【図６】本発明の第３実施形態によるマイクロレンズ一体型表面光レーザを概略的に示した図である。
【図７】本発明の第３実施形態にマイクロレンズ一体型表面光レーザから略平行したレーザ光が出射される原理を説明するための図である。
【図８】本発明の第３実施形態にマイクロレンズ一体型表面光レーザから略平行したレーザ光が出射される原理を説明するための図である。
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ光が出射する側にマイクロレンズが一体に形成されたマイクロレンズ一体型表面光レーザに係り、より詳細には、平行光が出射可能になったマイクロレンズ一体型表面光レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、表面光レーザは、半導体物質層の積層方向に光を出射するため、他の光学素子との光学的結合が容易であり、設置し易いだけではなく、二次元配列を有するように製造可能なので、光通信及び光信号を用いたインターフェース技術などの光伝送システムや記録／再生用光ヘッドにおいて光源として広く応用可能である。
【０００３】
図１を参照すれば、従来の表面光レーザは、基板１０と、前記基板１０上に順次積層形成された下部反射基層１１と、活性層１２と、高抵抗部１３及び上部反射基層１４と、前記上部反射基層１４上のレーザ光が出射するウィンドウ１８を除いた領域に形成された上部電極１６と、前記基板１０の下面に形成された下部電極１７とを含む。
【０００４】
前記下部反射基層１１及び上部反射基層１４は、屈折率が相異なる化合物半導体を交互に積層して形成されたブラッグ反射器（ＤＢＲ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）であって、相異なる型の不純物でドーピングされている。すなわち、前記基板１０はｎ型不純物でドーピングされており、前記下部反射基層１１は前記基板１０と同じ型であるｎ型不純物、前記上部反射基層１４はｐ型不純物でドーピングされている。
【０００５】
前記高抵抗部１３は上、下部電極１６、１７を通じて印加された電流が前記活性層１２の中央部に向かって流れるように電流の流れをガイドする。
【０００６】
前記活性層１２は前記上、下部電極１６、１７を通じて印加された電流により、前記上、下部反射基層１４、１１から供給された正孔と電子との結合により光が発生される領域である。
【０００７】
前記活性層１２で発生された光は前記上、下部反射基層１４、１１で繰り返し反射されつつその共振条件に合う波長の光だけが生き残り、この生き残った光は前記ウィンドウ１９を通じて出射される。
【０００８】
前記のように、従来の表面光レーザにおいて、前記ウィンドウ１８を通じて出射するレーザ光は所定の放射角を有する。
【０００９】
したがって、前記のような表面光レーザを、例えば光ケーブルを採用した光伝送システムの光源として用いる時、表面光レーザから出力されたレーザ光を光ケーブルにより効率よく光カップリングさせるために、表面光レーザと光ケーブルの入力端との間に表面光レーザから出力される発散レーザ光を集束レーザ光に変える集束レンズを備える必要がある。
【００１０】
また、他の例として、前記のような従来の表面光レーザを、光ディスクなどの記録媒体の情報を非接触式で記録再生する光記録再生装置用光ヘッドの光源として用いるためには、光ヘッドは従来の表面光レーザから出射した発散レーザ光を平行レーザ光に変えるためのコリメーティングレンズを採用する必要がある。
【００１１】
すなわち、前記のような従来の表面光レーザはウィンドウを通じて発散レーザ光を出力させるため、光学システムを構成するためには表面光レーザの出力側に別途の集束レンズまたはコリメーティングレンズを採用しなければならない。
【００１２】
したがって、光学システムの構成時に部品点数が多くなるだけではなく、前記表面光レーザから出射したレーザ光の中心軸及びレンズを光軸整列させる過程を必要とするため、光軸整列の構造が複雑になるという短所がある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、光学システムの構成時に別途の集束レンズまたはコリメーティングレンズが不要になるように平行レーザ光が出力可能になったマイクロレンズ一体型表面光レーザを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明によるマイクロレンズ一体型表面光レーザは、基板と、前記基板上に相対的に高反射率を有するように積層形成された下部反射基層と、前記下部反射基層上に形成されて電子と正孔との再結合により光を生成する活性層と、前記活性層上に前記下部反射基層よりも低反射率を有するように積層形成された上部反射基層と、前記上部反射基層上にレーザ光を透過させる物質よりなり、レーザ光が出射されるウィンドウ領域にマイクロレンズが形成されたレンズ層と、前記上部反射基層の上方のウィンドウ領域を除いた領域に形成された上部電極と、前記基板の下面に形成された下部電極とを含み、光発生領域から前記マイクロレンズの光軸上の頂点までの距離をｆ、前記マイクロレンズの曲率半径をＲ、前記光発生領域からマイクロレンズまで光が経由する媒質の有効屈折率をｎ１、前記マイクロレンズを経由して出射した光が進行する媒質の屈折率をｎ２としたとき、ｆ＝Ｒ×ｎ１／（ｎ２−ｎ１）を満足するように形成されたことを特徴とする。
【００１５】
また、前記目的を達成するために、本発明によるマイクロレンズ一体型表面光レーザは、基板と、前記基板上に相対的に高反射率を有するように積層形成された下部反射基層と、前記下部反射基層上に形成されて電子と正孔との再結合により光を生成する活性層と、前記活性層上に前記下部反射基層よりも低反射率を有するように積層形成された上部反射基層と、前記上部反射基層上にレーザ光を透過させる物質よりなり、レーザ光が出射するウィンドウ領域にマイクロレンズが形成されたレンズ層と、前記上部反射基層の上方のウィンドウ領域を除いた領域に形成された上部電極と、前記基板の下面に形成された下部電極とを含み、前記ウィンドウ領域はフラウンフォーファー回折条件を満足しつつ前記活性層で発生されて前記ウィンドウ領域に向かって進行する光のビームサイズよりも小さい最大幅を有し、前記ウィンドウ領域におけるフラウンフォーファー回折が前記マイクロレンズの集束効果により相殺されるようになったことを特徴とする。
【００１６】
ここで、望ましくは、前記ウィンドウ領域の最大幅をＤ、前記マイクロレンズの焦点長さをｆ、出射するレーザ光波長をλとしたとき、前記最大幅Ｄと焦点長さｆとの関係が
【数３】
【００１７】
さらに、前記目的を達成するために、本発明によるマイクロレンズ一体型表面光レーザは、レーザ光を透過させる物質よりなり、レーザ光が出射するウィンドウ領域にマイクロレンズが形成された基板と、前記基板上に相対的に低反射率を有するように形成された下部反射基層と、前記下部反射基層上に形成されて電子と正孔との再結合により光を生成する活性層と、前記活性層上に前記下部反射基層よりも高い反射率を有するように形成された上部反射基層と、前記上部反射基層上に形成された上部電極と、前記基板の下面のレーザ光が出射するウィンドウ領域を除いた領域に形成された下部電極とを含み、光発生領域から前記マイクロレンズの光軸上の頂点までの距離をｆ、前記マイクロレンズの曲率半径をＲ、前記光発生領域からマイクロレンズまで光が経由する媒質の有効屈折率をｎ１、マイクロレンズを経由して出射したレーザ光が進行する媒質の屈折率をｎ２としたとき、ｆ＝Ｒ×ｎ１／（ｎ２−ｎ１）を満足するように形成されたことを特徴とする。
【００１８】
前記目的を達成するために、本発明によるマイクロレンズ一体型表面光レーザは、レーザ光を透過させる物質よりなり、レーザ光が出射するウィンドウ領域にマイクロレンズが形成された基板と、前記基板上に相対的に低い反射率を有するように形成された下部反射基層と、前記下部反射基層上に形成されて電子と正孔との再結合により光を生成する活性層と、前記活性層上に前記下部反射基層よりも高反射率を有するように形成された上部反射基層と、前記上部反射基層上に形成された上部電極と、前記基板の下面のレーザ光が出射するウィンドウ領域を除いた領域に形成された下部電極とを含み、前記ウィンドウ領域はフラウンフォーファー回折条件を満足しつつ前記活性層で発生されて前記ウィンドウ領域に進行する光のビームサイズよりも小さい最大幅を有し、前記ウィンドウ領域におけるフラウンフォーファー回折が前記マイクロレンズの集束効果により相殺されるようになったことを特徴とする。
【００１９】
ここで、望ましくは、前記ウィンドウ領域の最大幅をＤ、前記マイクロレンズの焦点長さをｆ、出射するレーザ光波長をλとしたとき、
【数４】
【００２０】
以下、添付した図面に基づき、本発明をより詳細に説明する。
【００２１】
図２は、本発明の第１実施形態によるマイクロレンズ一体型表面光レーザを概略的に示した図である。
【００２２】
これを参照すれば、本発明の第１実施形態によるマイクロレンズ一体型表面光レーザは、基板１００と、基板１００の下面に形成された下部電極１７０と、基板１００上に順次積層形成された下部反射基層１１０、活性層１２０及び上部反射基層１４０と、上部反射基層１４０上に形成されたレンズ層１５０と、レーザ光を出射させるためのウィンドウ１８０を除いた領域に形成された上部電極１６０とを含んでなる。
【００２３】
前記基板１００は、例えばｎ型不純物でドーピングされたＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓまたはＧａＰなどの半導体物質よりなる。
【００２４】
前記下部反射基層１１０及び上部反射基層１４０は屈折率が相異なる半導体化合物を交互に積層して形成される。例えば、前記上、下部反射基層１４０、１１０は屈折率が相異なるＡｌＧａＡｓ層を繰り返し積層して形成される。
【００２５】
この時、図２に示されたように、発生されたレーザ光がほとんど上部反射基層１４０を通じて出射する構造である場合、上部反射基層１４０は相対的に低反射率を有し、下部反射基層１１０は上部反射基層１４０よりも高反射率を有するように形成される。この反射率は半導体化合物の積層数により変わるので、前記上部反射基層１４０が下部反射基層１１０よりも小さい積層数を有するように形成すれば、上部反射基層１４０の反射率を下部反射基層１１０よりも小さくできる。ここで、前記基板１００がｎ型である場合、下部反射基層１１０は前記基板１００と同じ型であるｎ型不純物、上部反射基層１４０はｐ型不純物で各々ドーピングされる。
【００２６】
前記上部反射基層１４０及び下部反射基層１１０は上、下部電極１６０、１７０を通じて印加された電流により電子及び正孔の流れを誘導し、活性層１２０で発生された光を反射させてその共振条件に合う光だけを前記上部反射基層１４０を通じて出射させる。
【００２７】
前記活性層１２０は前記上、下部反射基層１４０、１１０から与えられた正孔及び電子の再結合によるエネルギー遷移により光を生成する領域であって、単一または多重量子−ウェル構造、超格子構造などを有する。ここで、前記活性層１２０は所望の表面光レーザの出射波長により、例えばＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ及び／またはＡｌＧａＡｓＰなどよりなる。
【００２８】
一方、前記上部反射基層１４０の一部の領域には、その中央部に上部電極１６０を通じて印加された電流が流れ得る開口１３０ａを備えて電流の流れをガイドする高抵抗部１３０がさらに形成されている。ここで、前記高抵抗部１３０は下部反射基層１４０の一部の領域に形成される場合もある。
【００２９】
前記高抵抗部１３０は、上部反射基層１４０の中間に予備酸化層（図示せず）を積層し、この予備酸化層を酸化雰囲気に露出させてその外側部から酸化した酸化絶縁膜、すなわち、高抵抗領域を形成する選択的な酸化法により形成されるか、あるいは陽性子などのイオンを注入して形成される。この時、望ましくは、前記高抵抗部１３０は、開口１３０ａの大きさの調節がより容易な酸化により形成されて、より良好な光学的な案内特性を有する。
【００３０】
この実施形態において、望ましくは、前記開口１３０ａはできる限り小さく形成されて、上部電極１６０を通じて印加された電流をできる限り狭い範囲内で活性層１２０を経由させて、前記活性層１２０のより狭い領域（理想的には点）で光が発生されるようになっている。
【００３１】
このように、この第１実施形態による表面光レーザが活性層１２０のできる限り狭い領域内で光が発生されるように設けられれば、その光発生領域は理想的には点になりえ、前記光発生領域からレンズ層１５０に向かって進行する光は前記光発生領域を原点とする発散光に近くなる。
【００３２】
前記レンズ層１５０は所定の厚さ、例えば数μｍとなっており、上部反射基層１４０上に積層形成できる。前記レンズ層１５０は、望ましくは、上部反射基層１４０を透過して出射するレーザ光を吸収せずに透過させるように表面光レーザから発振された波長よりも相対的にバンドギャップが大きい物質よりなる。また、レンズ層１５０が上部反射基層１４０上に直接的に形成された構造である場合、望ましくは、前記レンズ層１５０は上部反射基層１４０をなす物質と格子整合される物質とよりなる。
【００３３】
例えば、表面光レーザが約５００ｎｍないし９００ｎｍの間にある波長帯域のレーザ光を出射するようになった場合、前記レンズ層１５０はインジウムガリウムフォスファイド（ＩｎＧａＰ）から形成される。もちろん、要求される出射レーザ光波長、例えば８５０ｎｍ、７８０ｎｍ、６６０ｎｍに従いインジウム及びガリウムの組成比は変わる。
【００３４】
他の例として、表面光レーザが約９８０ｎｍ波長帯域のレーザ光を出射するようになった場合、前記レンズ層１５０はガリウムアルセナイド（ＧａＡｓ）から形成される。
【００３５】
このほかにも、表面光レーザの出射レーザ光波長により、前記レンズ層１５０はインジウムフォスファイド（ＩｎＰ）、ガリウムアルセナイド（ＧａＡｓ）、インジウムアルセナイド（ＩｎＡｓ）、ガリウムフォスファイド（ＧａＰ）、インジウムガリウムフォスファイド（ＩｎＧａＰ）、インジウムガリウムアルセナイド（ＩｎＧａＡｓ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体やシリコンから選ばれた少なくとも一種以上の物質から形成できる。
【００３６】
前記レンズ層１５０のレーザ光が出射されるウィンドウ１８０領域側にはマイクロレンズ１５５が形成されている。このため、出射されるレーザ光は前記レンズ層１５０を経由しつつそのマイクロレンズ１５５により集束されて出射される。
前記マイクロレンズ１５５は、拡散制御エッチングにより形成される。すなわち、レンズ層１５０上に開口を有するエッチングマスク（図示せず）を形成し、これをレンズ層物質に対して拡散制御エッチングを起こす臭素（Ｂｒ２）などのエッチング剤が適宜な濃度にて含まれた化学エッチング液に所定時間浸漬すれば、化学エッチング液に含まれたエッチング剤、例えば臭素の拡散による空間的なエッチング速度の違いによりレンズ層１５０の開口に露出された部分がエッチングされて凸状のマイクロレンズ１５５が形成される。
【００３７】
拡散制御エッチングにより本発明によるマイクロレンズ１５５を製造する方法は、本出願人が日本国特許出願平成１２年第４０８５５号（出願日２０００．２．１８）の”マイクロレンズ及びその製造方法並びにマイクロレンズ一体型表面光レーザ及びその製造方法”に開示した通りであるため、ここではその製造方法についての詳細な説明は省略する。
【００３８】
前記上部電極１６０は前記レンズ層１５０の上、または上部反射基層１４０とレンズ層１５０との間に形成される。図２は、前記上部電極１６０がレンズ層１５０上に形成された場合を例示したものである。前記下部電極１７０は前記基板１００の下面に形成される。
【００３９】
一方、本発明の第１実施形態による表面光レーザは高抵抗部１３０により限定された開口１３０ａよりも大きい最大幅を有するウィンドウ１８０を有する。このウィンドウ１８０は、図２に示されたように、上部電極１６０及びマイクロレンズ１５５により限定される。
【００４０】
本発明の第１実施形態による表面光レーザは、望ましくは、前記光発生領域からマイクロレンズ１５５の光軸上の頂点までの距離が大体前記マイクロレンズ１５５の焦点長さになるように設けられる。
【００４１】
すなわち、光発生領域からマイクロレンズ１５５の光軸上の頂点までの距離をｆ、マイクロレンズ１５５の曲率半径をＲ、光発生領域からレンズ層１５０に至る光経路上の媒質（すなわち、上部反射基層１４０及びレンズ層１５０）の有効屈折率をｎ１、マイクロレンズ１５５を経由してレーザ光が進行する領域、例えば空気領域の屈折率をｎ２とした時、本発明の第１実施形態による表面光レーザは下記式１を満足するように形成される。
ｆ＝Ｒ×ｎ１／（ｎ２−ｎ１） （１）
【００４２】
したがって、前記マイクロレンズ１５５は前記光発生領域に一焦点を有する略平凸レンズとなって、本発明の第１実施形態による表面光レーザからは略平行したレーザ光が出射される。
【００４３】
したがって、前記のように構成された本発明の第１実施形態による表面光レーザにおいては、上、下部電極１６０、１７０を通じて順方向バイアス電流が印加されれば、印加された電流が前記高抵抗部１３０によりガイドされて活性層１２０の中央部の狭い地点を通じて流れ、上、下部反射基層１４０、１１０で発生された電子及び正孔が前記地点で再結合して光として発生される。この発生された光のうち上、下部反射基層１４０、１１０の間を行き来しつつその共振条件に合う特定の波長の光（結果的に、出射されるレーザ光）だけが生き残って増幅され、上部反射基層１４０を透過する。この透過するレーザ光は発散光であって、レンズ層１５０を透過しつつマイクロレンズ１５５により集束されて平行レーザ光となる。
【００４４】
この時、表面光レーザの特性から、その出射する平行レーザ光のビームサイズは約数〜数十μｍ、例えば１５μｍである。
【００４５】
したがって、光ファイバを用いた光通信システムに本発明による表面光レーザを採用すれば、その表面光レーザと光ファイバとの間に十分な光カップリングが得られるので、光源と光ファイバとの間の光カップリングのための別途のボールレンズ（図示せず）などが不要である。
【００４６】
すなわち、単一モード光ファイバである場合、コア直径は最小１０μｍであり、多重モード光ファイバである場合、コア直径は数十μｍ、例えば最小６２．５μｍであり、本発明の表面光レーザはビームサイズが約１５μｍである平行レーザ光を出射するので、別途の光カップリングレンズ無しにも本発明による表面光レーザから出射された平行レーザ光を光ファイバにより効率よくカップリングできる。
【００４７】
また、平行光を必要とする光ヘッドなどの光学システムに本発明による表面光レーザを採用すれば、従来の表面光レーザを用いる場合とは異なって、コリメータレンズが不要になるという利点がある。
【００４８】
さらに、本発明による表面光レーザを自由空間を通じて光信号を送受信するようになった光信号を用いたインターフェースに採用する場合、別途の集束レンズが不要であり、光送受信部間の距離配置の自由度が大きいので光学的な構造が簡単であり、整列が容易であるだけではなく、表面光レーザ及び／または光検出素子をコンパックにアレイで配置できる。
【００４９】
以下では、前式（１）を満足するように設けられた本発明の第１実施形態による表面光レーザから平行したレーザ光が出射できる原理を図３及び図４を参照して説明する。
【００５０】
図３及び図４は、本発明の第１実施形態による表面光レーザの構造を幾何光学的な側面から示したものである。
【００５１】
図３を参照すれば、活性層１２０の光発生領域、すなわち、第１焦点Ｏからマイクロレンズ１５５の光軸上の頂点までの距離をＳ１、マイクロレンズ１５５の頂点からそのマイクロレンズ１５５の第２焦点までの距離をＳ２、光発生領域からレンズ層１５０まで光が経由する媒質、すなわち、上部反射基層１４０及びレンズ層１５０に対する有効屈折率をｎ１、マイクロレンズ１５５を経由して出射した光が進行する領域、例えば空気領域の屈折率をｎ２とした時、図３の構造に対するレンズ幾何学の式は下記式（２）の通りである。ここで、ｎ２は空気領域の屈折率であって、約１．０である。
ｎ１／Ｓ１＋ｎ２／Ｓ２＝（ｎ２−ｎ１）／Ｒ （２）
【００５２】
この時、活性層１２０で発生された発散光が前記マイクロレンズ１５５により集束されて図４に示されたように、平行光として出力されるためには、前記Ｓ２は図４に示されたように無限大になる必要がある。
【００５３】
したがって、前式（２）において、Ｓ２を無限大にしておき、Ｓ１をｆに置換すれば、Ｓ２が無限大になるための第１焦点長さｆは前式（１）のようになる。
【００５４】
したがって、前式（１）を満足するように形成された本発明の第１実施形態による表面光レーザは略平行したレーザ光を出力できる。
【００５５】
図５は、本発明の第２実施形態によるマイクロレンズ一体型表面光レーザを概略的に示した図であって、この実施形態による表面光レーザは、前述した本発明の実施形態による表面光レーザと同一の原理により平行レーザ光を出射させるように設けられており、下部出射タイプである点で違う。ここで、図２と同一の参照符号は実質的に同一の機能をする同一の部材であるため、ここではその説明を省略する。
【００５６】
図５を参照すれば、本発明の第２実施形態によるマイクロレンズ一体型表面光レーザは、基板２００と、前記基板２００上に順次積層形成された下部反射基層２１０、活性層１２０及び上部反射基層２４０と、前記上部反射基層２４０上に形成された上部電極２５０と、前記基板２００の下面のレーザ光が出射されるウィンドウ２８０領域を除いた領域に形成された下部電極２７０とを含んでなり、前記基板２００側にレーザ光が出射するように、下部反射基層２１０が上部反射基層２４０よりも小さい反射率を有するように設けられている。
【００５７】
前記下部反射基層２１０が上部反射基層２４０よりも小さい積層数を有すると、この下部反射基層２１０の反射率が上部反射基層２４０のそれよりも相対的に小さくなる。したがって、ほとんどのレーザ光は下部反射基層２１０を通じて出射する。ここで、前記上、下部反射基層２４０、２１０は積層数を除いた物質構成及び積層構造などは実質的に図２を参照して説明した本発明の第１実施形態と同一なため、ここではその詳細な説明を省略する。
【００５８】
前記基板２００は、望ましくは、下部反射基層２１０側から入射する光を透過させるように本発明の第１実施形態で説明されたレンズ層（図２の１５０）と同様に、発生されたレーザ光波長よりもバンドギャップが大きくて前記レーザ光をほとんど吸収しない物質よりなる。例えば、表面光レーザが９８０ｎｍ波長帯域のレーザ光を出射させるようになった場合、前記基板２００はＧａＡｓよりなる。
【００５９】
前記基板２００のレーザ光が出射するウィンドウ２８０領域にはマイクロレンズ２０５が形成されているが、このマイクロレンズ２０５は本発明の第１実施形態でのように、拡散制御エッチングにより形成される。
【００６０】
この時、本発明の第２実施形態による表面光レーザは、前記マイクロレンズ２０５の曲率半径をＲ’、活性層１２０の光発生領域からマイクロレンズ２０５までの光経路上の媒質（すなわち、下部反射基層２１０及び基板２００）の有効屈折率をｎ１’、マイクロレンズ２０５を経由して出射された光が進行する領域の屈折率をｎ２、光発生領域からマイクロレンズ２０５の光軸上の頂点までの距離をｆ’とした時、本発明の第１実施形態による表面光レーザと同様に、ｆ’＝Ｒ’×ｎ１’／（ｎ２−ｎ１’）を満足するように形成される。
【００６１】
したがって、前記のように、本発明の第２実施形態によるマイクロレンズ一体型表面光レーザにおいては、上、下部電極２６０、２７０を通じて順方向バイアスが印加されれば、レーザ発振過程を経て特定の波長のレーザ光が下部反射基層２１０及び基板２００を透過し、この透過光はマイクロレンズ２０５で集束されて略平行したレーザ光として出射する。
【００６２】
以上でのように、本発明の第１及び第２実施形態によるマイクロレンズ一体型表面光レーザは、マイクロレンズ１５５／２０５の第１焦点が活性層１２０の光発生領域に位置されるように設けられて、狭い範囲の光発生領域（理想的には点）で発生されてマイクロレンズ１５５／２０５に入射する光を集束させて平行光を出射させる。
【００６３】
図６は、本発明の第３実施形態によるマイクロレンズ一体型表面光レーザを概略的に示した図である。ここで、図２と同一の参照符号は実質的に同一または類似した機能をする部材であるため、その詳細な説明を省略する。
【００６４】
この実施形態によるマイクロレンズ一体型表面光レーザは、フラウンフォーファー回折条件を満足する直径Ｄを有するウィンドウ３８０を備えて、前記ウィンドウ３８０におけるフラウンフォーファー回折がマイクロレンズ３５５の焦点効果により相殺されて平行レーザ光を出射させるように設けられている。
【００６５】
この時、望ましくは、前記ウィンドウ３８０の直径Ｄ及びマイクロレンズ３５５の焦点長さｆの関係が下記式（３）を満足する。ここで、λは、本発明による表面光レーザから出射されるレーザ光波長である。
【数５】
また、前記ウィンドウ３８０は、望ましくは、その直径Ｄが高抵抗部３３０の開口３３０ａの直径とほぼ等しいか、あるいは小さくなっている。この時、望ましくは、この実施形態において、高抵抗部３３０の開口３３０ａは本発明の第１及び第２実施形態における開口１３０ａよりも相対的に大きい直径を有する。
【００６７】
これにより、活性層１２０の本発明の第１及び第２実施形態でよりも広い領域で光が発生され、この発生されてウィンドウ３８０に向かって進行する光は本発明の第１及び第２実施形態でよりも平行光に近いため、フラウンフォーファー回折条件をこの実施形態にそのまま適用できる。
【００６８】
ここで、前式（３）は前記ウィンドウ３８０及びマイクロレンズ３５５が同一の平面に位置された場合を仮定したものであって、ウィンドウ３８０及びマイクロレンズ３５５が同一の平面に位置されなければ、その二つの間の距離だけ前記ｆ値を補正すれば良い。
【００６９】
以下では、本発明の第３実施形態によるマイクロレンズ一体型表面光レーザから平行したレーザ光が出射される原理を説明する。
【００７０】
図７を参照すれば、直径がＤであるウィンドウ３８０を通過する光はウィンドウ３８０が小さければ小さいほど回折がたくさん起こる。ウィンドウ３８０が十分に小さく、円形のウィンドウ３８０から観測面Ｓまでの距離ｄが十分に大きければ、フレネル数Ｎｆが下記式４を満足して、フラウンフォーファー回折条件を満足することになる。ここで、本発明において、前記観測面Ｓは前記マイクロレンズ３５５の一焦点となる。
【００７１】
【数６】
この実施形態による表面光レーザは、フラウンフォーファー回折条件、すなわち、Ｎｆ＜＜１を満足する直径Ｄのウィンドウ３８０を備えるので、そのウィンドウ３８０を通過するレーザ光により形成されたフラウンフォーファー回折パターンはエアリ（Ａｉｒｙ）パターンとなる。このように、同心円状の回折パターンは、観測面からみた時、中心に位置された０次回折光の強度が最も大きく、その０次回折光の半径Ｒｓは、下記式（５）の通りである。
【００７３】
【数７】
この実施形態による表面光レーザは、図８に示されたように、マイクロレンズ３５５がウィンドウ３８０の前方、後方または同一の平面に位置された構造である。ここで、図８は、原理への理解を助け、かつ図示の便宜のためにウィンドウ３８０の前方にマイクロレンズ３５５が位置することと図示した。
【００７５】
マイクロレンズ３５５及びウィンドウ３８０が同一の平面に位置されたことを考慮する時、ウィンドウ３８０から前記マイクロレンズ３５５の焦点長さｆだけ離れた一焦点に位置された観測面Ｓにおいてビーム半径は、強度が最も大きい０次回折光だけを考慮する時、下記式（６）の通りである。
【数８】
観測面Ｓにおける光が平行光になるためには、観測面における０次回折光の直径２Ｒｓとウィンドウ３８０の直径Ｄとが同じでなければならないため、このような条件Ｒｓ＝Ｄ／２を前式（６）に代入すれば、ウィンドウ３８０の直径Ｄとマイクロレンズ３５５の焦点長さｆとの関係式は前式（３）のようになる。
【００７７】
したがって、この実施形態のように、ウィンドウ３８０をフラウンフォーファー回折条件を満足する大きさに形成すれば、ウィンドウ３８０におけるフラウンフォーファー回折が前記マイクロレンズ３５５の焦点効果により相殺されて平行光が出射できる。特に、ウィンドウ３８０及びマイクロレンズ３５５が前式（３）を満足するように形成されれば、この実施形態による表面光レーザにおいては、出射する平行光を極大化できる。
【００７８】
ここで、この実施形態による表面光レーザがウィンドウ３８０とマイクロレンズ３５５とが同一の平面に位置されていない構造となった場合にも、ウィンドウ３８０の直径Ｄ及びマイクロレンズ３５５の焦点長さｆを設計する上では、前式３をそのまま適用できる。この場合、この実施形態による表面光レーザから出射されるレーザ光のうち平行レーザ光成分が占める割合は前述の場合よりはやや減るかもしれないが、減少の度合いが許容誤差範囲内であれば、平行光を必要とする光学システムに適用できるからである。また、前述したように、ウィンドウ３８０及びマイクロレンズ３５５が同一の平面に位置されていない場合、前式（３）のｆはマイクロレンズ３５５の焦点長さ値にウィンドウ３８０とマイクロレンズ３５５との距離だけ加えたり、あるいは引いた値になり得る。
【００７９】
前述したように、本発明の第３実施形態による表面光レーザが、例えば波長８５０ｎｍであるレーザ光を出射し、焦点長さ１ｍｍであるマイクロレンズを備える場合、ウィンドウの直径を４５．５４μｍとすれば、そこから平行レーザ光が出射する。
【００８０】
以上では、ウィンドウ３５５が直径Ｄを有して、円形であると説明及び図示したが、前記ウィンドウ３５５の形状は変更可能である。前記ウィンドウ３５５の形態が円形以外のものである場合、前記Ｄはそのウィンドウの最大幅を表わす。
【００８１】
ここで、図６は、図２に対応する上部出射タイプの表面光レーザを例示したものであって、図５でのような下部出射タイプにも本発明の第３実施形態の原理がそのまま適用可能なのは言うまでもなく、ここでは、それについての詳細な説明及び図示を省略する。
【００８２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によるマイクロレンズ一体型表面光レーザは、略平行したレーザ光を出力する。
【００８３】
したがって、本発明による表面光レーザを光ファイバを用いた光通信や光信号を用いたインターフェース分野などの光伝送システム、記録再生装置用光ヘッドなどの光学システムに採用する時、集束レンズまたはコリメーティングレンズが不要になるので、光軸整列構造が簡単であり、その結果、光学システムの構築コストを大きく節減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の表面光レーザの一例を概略的に示した図である。
【図２】本発明の第１実施形態によるマイクロレンズ一体型表面光レーザを概略的に示した図である。
【図３】本発明の第１実施形態による表面光レーザが数式（１）を満足するように形成されれば、そこから略平行したレーザ光が出射される原理を説明するために、本発明の第１実施形態による表面光レーザを幾何光学的な側面から示した図である。
【図４】本発明の第１実施形態による表面光レーザが数式（１）を満足するように形成されれば、そこから略平行したレーザ光が出射される原理を説明するために、本発明の第１実施形態による表面光レーザを幾何光学的な側面から示した図である。
【図５】本発明の第２実施形態によるマイクロレンズ一体型表面光レーザを概略的に示した図である。
【図６】本発明の第３実施形態によるマイクロレンズ一体型表面光レーザを概略的に示した図である。
【図７】本発明の第３実施形態にマイクロレンズ一体型表面光レーザから略平行したレーザ光が出射される原理を説明するための図である。
【図８】本発明の第３実施形態にマイクロレンズ一体型表面光レーザから略平行したレーザ光が出射される原理を説明するための図である。
Claims (8)
- 基板と、
前記基板上に相対的に高反射率を有するように積層形成された下部反射基層と、
前記下部反射基層上に形成されて電子と正孔との再結合により光を生成する活性層と、 前記活性層上に前記下部反射基層よりも低反射率を有するように積層形成された上部反射基層と、
前記上部反射基層上にレーザ光を透過させる物質よりなり、レーザ光が出射するウィンドウ領域にマイクロレンズが形成されたレンズ層と、
前記上部反射基層の上方のウィンドウ領域を除いた領域に形成された上部電極と、
前記基板の下面に形成された下部電極とを含み、
前記ウィンドウ領域はフラウンフォーファー回折条件を満足しつつ前記活性層で発生されて前記ウィンドウ領域に向かって進行する光のビームサイズよりも小さい最大幅を有し、観測面における前記フラウンフォーファー回折の０次回折光の直径と前記ウィンドウの直径とが同じとなるように構成され、
前記ウィンドウ領域の最大幅をＤ、前記マイクロレンズの焦点長さをｆ、出射されるレーザ光波長をλとしたとき、前記最大幅Ｄと焦点長さｆとの関係が
- 前記上部反射基層と下部反射基層との間に、前記活性層の近くに位置され、その中央部に電流が通過する開口が形成された高抵抗部をさらに備え、前記高抵抗部の開口は前記ウィンドウ領域の最大幅と実質的に等しいか、あるいはより大きい最大幅を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズ一体型表面光レーザ。
- 前記レンズ層は、前記レーザ光波長よりもバンドギャップが大きくてそのレーザ光を吸収しないように、インジウムフォスファイド、ガリウムアルセナイド、インジウムアルセナイド、ガリウムフォスファイド、インジウムガリウムフォスファイド、インジウムガリウムアルセナイド、アルミニウムガリウムアルセナイドを含むIII-V族化合物半導体やシリコンよりなる半導体群から選ばれたいずれか一種以上の物質よりなることを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズ一体型表面光レーザ。
- 前記マイクロレンズは、拡散制御エッチングにより形成されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズ一体型表面光レーザ。
- レーザ光を透過させる物質よりなり、レーザ光が出射するウィンドウ領域にマイクロレンズが形成された基板と、
前記基板上に相対的に低反射率を有するように形成された下部反射基層と、
前記下部反射基層上に形成されて電子と正孔との再結合により光を生成する活性層と、 前記活性層上に前記下部反射基層よりも高反射率を有するように形成された上部反射基層と、
前記上部反射基層上に形成された上部電極と、
前記基板の下面のレーザ光が出射するウィンドウ領域を除いた領域に形成された下部電極とを含み、
前記ウィンドウ領域は、フラウンフォーファー回折条件を満足しつつ前記活性層で発生されて前記ウィンドウ領域に進行する光のビームサイズよりも小さい最大幅を有し、観測面における前記フラウンフォーファー回折の０次回折光の直径と前記ウィンドウの直径とが同じとなるように構成され、
前記ウィンドウ領域の最大幅をＤ、前記マイクロレンズの焦点長さをｆ、出射するレーザ光波長をλとしたとき、
- 前記上部反射基層と下部反射基層との間に、前記活性層の近くに位置され、その中央部に電流が通過する開口が形成された高抵抗部をさらに備え、前記高抵抗部の開口は前記ウィンドウ領域の最大幅と実質的に等しいか、あるいは大きい最大幅を有することを特徴とする請求項５に記載のマイクロ一体型表面光レーザ。
- 前記基板は、前記レーザ光波長よりもバンドギャップが大きくてそのレーザ光を吸収しないように、インジウムフォスファイド、ガリウムアルセナイド、インジウムアルセナイド、ガリウムフォスファイド、インジウムガリウムフォスファイド、インジウムガリウムアルセナイド、アルミニウムガリウムアルセナイドを含むIII-V族化合物半導体やシリコンよりなる半導体群から選ばれたいずれか一種以上の物質よりなることを特徴とする請求項５に記載のマイクロレンズ一体型表面光レーザ。
- 前記マイクロレンズは、拡散制御エッチングにより形成されることを特徴とする請求項５に記載のマイクロレンズ一体型表面光レーザ。
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