JP5717485B2 - 面発光レーザ、面発光レーザアレイ及び画像形成装置 - Google Patents

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Description

本発明は、面発光レーザ、および、該面発光レーザを用いた画像形成装置に関する。
面発光レーザは、基板表面に対して垂直方向に光を取り出すことができ、二次元のアレイ化も容易である。この二次元アレイから出射される複数のビームを用いた並列処理により、高密度化および高速化が可能になり、光通信など様々な産業上の応用が期待される。例えば、電子写真プリンタの露光光源として面発光レーザアレイを用いれば、複数のビームによる印字工程の高密度・高速化が可能となる。
面発光レーザの特性向上のために、レーザ光の出射面かつ光出射領域内に段差構造を設けた例が知られている。例えば、単一横モード発振を課題として、面発光レーザの表面に段差構造を設けて、上部ミラーの周辺部の反射率よりも、中央部の反射率を高くした例が特許文献１の図１に開示されている。
また、特許文献１には、段差構造をエッチング法やリフトオフ法により形成することも開示されている。
特開２００１−２８４７２２号公報
面発光レーザの出射面かつ光出射領域内に段差構造が設けられると、レーザの近視野における電場複素振幅分布に変調が加わるため、遠視野における電場複素振幅分布も変調される。この結果、遠視野における光強度分布（ＦＦＰ：Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ）にも変調が加わる。
一方、例えばエッチング法やリフトオフ法により作製された段差構造の側面部（保護膜が形成されていない場合には、段差構造と空気の境界。エッジ部分ともいう。）は必ずしも垂直ではなく角度がついており、段差構造はテーパー状の構造となる。この角度は作製方法によるがその制御性は、例えば膜厚の制御性に比べて悪い。このため、段差構造の形状の変化により、ＦＦＰが設計値に対し変動してしまうという課題がある。
そこで、本願発明は、作製プロセスにおいて段差構造の形状が変動したとしても、この変動がＦＦＰに与える影響を抑制することができる面発光レーザ、および、該面発光レーザを用いた画像形成装置を提供することを目的とする。
本願発明に係る面発光レーザは、基板の上に、下部ミラーと活性層と上部ミラーとを有する面発光レーザであって、前記上部ミラーの上部の光出射領域内に設けられた段差構造を有し、前記段差構造は、前記光出射領域に、第１の領域と、前記第１の領域とは異なる第２の領域と、前記第１の領域と前記第２の領域との間に形成された第３の領域と、を有し、前記第１の領域における光学厚さと前記第２の領域における光学厚さが異なる構造であり、前記上部ミラーの上部であって、前記第３の領域に遮光部材が配され、前記第１の領域と前記第２の領域のそれぞれの領域の一部に前記遮光部材が配されていないことを特徴とする。
本願発明によれば、作製プロセスにおいて段差構造の形状が変動したとしても、この変動がＦＦＰに与える影響を抑制することができる面発光レーザ、および、該面発光レーザを用いた画像形成装置を提供することができる。
実施形態１の説明で用いた図である。 実施形態１の説明で用いた図である。 実施形態２の説明で用いた図である。 その他の実施形態の説明で用いた図である。 その他の実施形態の説明で用いた図である。 実施形態３の説明で用いた図である。
（実施形態１）
段差構造により、ＦＦＰが変動してしまうのは、この段差構造のエッジ部分の傾斜角度が変動しやすく、その傾斜したエッジのある領域を透過した光がＦＦＰに影響を与えるからである。そのため、この段差構造のエッジのある領域からレーザ光が透過しないようにすれば、段差構造の形状の変動がＦＦＰに与える影響を抑制することができる。そこで、本願発明では、段差構造の傾斜角度が変化しうるエッジのある領域に遮光部材を設ける。
以下、図を用いて、説明を行う。
図１は、本発明の実施例の面発光レーザ１００を表す断面模式図である。
面発光レーザ１００は、半導体の基板１１０上に、下部ミラー１１２、活性層１１４、上部ミラー１１６が積層された積層構造体からなる。
上部ミラー１１６と活性層１１４は一部がエッチングされ、円筒状のメサ構造が形成されている。
上部ミラー１１６中には、周囲の半導体よりも屈折率が低い絶縁領域によって円形領域に電流を制限する電流狭窄構造１１８が設けられている。例えば、この絶縁領域はメサ構造の側壁から水蒸気を導入して半導体層を酸化することによって作製される。
電流狭窄構造１１８は、半導体領域と、この半導体領域よりも屈折率が低い絶縁領域とから構成されているため、共振モード１３０を規定するとともに、発光領域も規定する。
上部ミラー１１６上および基板１２０裏面には、活性層１１４に電流を注入するための上部電極１２２、下部電極１２０が設けられている。
上部ミラー１１６上に、図１に示すように凸型の段差構造１５０が設けられており、この段差構造１５０は、第１の領域１６０と第２の領域１６２とで光学厚さが異なる。また、段差構造１５０は、発光する領域である光出射領域内に設けられている。図１に示した第２の領域１６２は、第１の領域１６０よりも、光出射領域の中心に対して、遠ざかる位置に配されている。また、第３の領域１６５は、第１の領域１６０と第２の領域１６２との間の領域である。
上記のように段差構造１５０を構成することにより、反射率の制御や、ＦＦＰの制御を行うことができる。
なお、図１では凸型の段差構造を例として挙げたが、段差構造１５０は凹型であってもよい。
図２に、面発光レーザ１００の第１の領域１６０、第２の領域１６２、第３の領域１６５を上方から見た模式図を示す。
第１の領域１６０、第２の領域１６２、第３の領域１６５のそれぞれ少なくとも一部の領域から、それぞれレーザ光が出射され、これらのレーザ光が干渉してＦＦＰを形成する。
上部ミラー１１６の上部境界面１４２から、基準面１４４までの光路長は、第１の領域１６０と第２の領域１６２で異なっている。すなわち、上記のように、段差構造１５０は、第１の領域１６０と第２の領域１６２とで光学厚さが異なるため、第１の領域１６０と第２の領域１６２とで、上部境界面１４２と基準面１４４との光路長も異なっている。なお、ここで基準面１４４とは、面発光レーザの外部に設けられた仮想的な面であり、積層構造体の積層方向に対して垂直な面である。また、図１で面発光レーザ１００の置かれている環境の媒質１４０は空気である。
この第１の領域１６０における光路長と、第２の領域１６２における光路長との差Ｌを、例えば（Ｎ＋１／４）λ＜Ｌ＜（Ｎ＋３／４）λ （Ｎは整数）の関係を満たすことで、段差構造１５０がないときに比べてＦＦＰを大きく変形させることができる。具体的には、ＦＦＰの広がり角を広げたり、矩形プロファイルに近づけたりすることができる。Ｌは例えばλ／２である。
第１の領域１６０と第２の領域１６２との間に形成されている、第３の領域１６５において、段差構造１５０のエッジは傾斜している。
第３の領域１６５であって、段差構造１５０の上部には、遮光部材１５５が設けられている。遮光部材１５５により、段差構造１５０の傾斜したエッジが存在する領域から出てくる光が、ＦＦＰに影響を与える影響を防ぐことができる。すなわち、遮光部材１５５を設ければ、段差構造のテーパー形状が変動した場合のＦＦＰ強度の変動、および、ＦＦＰ位相の変動を抑制できる。
段差構造１５０のテーパー形状の作製誤差によるＦＦＰへの影響を極力抑えるためには、遮光部材１５５は、段差構造のエッジ部分も含めた第３の領域１６５のすべてに設けられていることが好ましい。但し、第３の領域１６５の一部に遮光部材１５５が設けられる形態もＦＦＰの変動を抑制できるため、このような構成も本願発明に包含される。
遮光部材１５５は、実質的にレーザ光が透過しないような材料であれば良く、吸収部材であっても良いし、反射部材であっても良い。なお、遮光部材１５５を金属膜として、上部電極１２２としての役割を担わせてもよい。
遮光部材１５５による光の散乱を抑えるため、遮光部材１５５の厚さは、段差構造１５０の段差の厚さよりも薄いことが好ましい。
段差構造１５０と遮光部材１５５の屈折率差が２０％以下であれば、段差構造１５０と遮光部材１５５の間の反射率が１％以下となるため好ましい。例えば、λ＝６８０ｎｍの面発光レーザ１００において、段差構造１５０をＳｉＯ２、遮光部材１５５をＡｌで形成すれば良い。
（作製方法）
面発光レーザ１００の作製方法の一例を述べる。
半導体の基板１１０としてＧａＡｓ基板１１０上に、ｎ型半導体からなる下部ミラー１１２、活性層１１４、ｐ型半導体からなる上部ミラー１１６、からなる垂直共振器構造（λ＝６８０ｎｍ）をＭＯＣＶＤ法にて形成する。
下部ミラー１１２および上部ミラー１１６は、低屈折率層であるＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓと高屈折率層であるＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓをλ／４厚ずつ交互に積んだ多層膜反射鏡である。例えば、下部ミラー１１２を７０ペアとし、上部ミラー１１６は３５ペアとする。
活性層１１４は、多重量子井戸構造およびクラッド層からなる。多重量子井戸は発振波長λを６８０ｎｍとすると、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰで構成する。また、クラッド層はＡｌＧａＩｎＰで構成する。
エッチングにより、直径３０μｍの円筒状のメサ構造を形成した後、上部ミラー１１６内の活性層１１４に近い領域に設けられたＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層を水蒸気中で酸化することで絶縁化をすると共に、屈折率を低下させ、直径５．２μｍの円形状の電流狭窄構造１１８を形成する。
上部ミラー１１６の表面に、段差構造１５０が設けられている。段差構造１５０は半導体または誘電体である。例えば、段差構造１５０はプラズマＣＶＤ法やスパッタ法などにより成膜された屈折率１．５のＳｉＯ２からなる。第１の領域１６０は直径３．６μｍの円の内側、第２の領域１６２は直径５．０μｍの円の外側である。第１の領域１６０、第２の領域１６２の中心は、電流狭窄構造１１８の中心である光源の光軸１３６と略同じである。
段差構造１５０の作製方法は以下の通りである。
まず、光学厚さ１．５λのＳｉＯ２を成膜し、第２の領域１６２に相当する部分をエッチングする。エッチングはウエットエッチングやドライエッチングである。これにより、第３の領域１６５に傾斜したエッジを持つテーパー形状の構造が形成される。
次に全体に０．５λのＳｉＯ２を成膜する。これにより、第１の領域１６０に光学厚さ２λ、第２の領域１６２に光学厚さ０．５λの段差構造１５０が形成される。この成膜プロセスでもテーパー形状は保持され、第３の領域１６５には傾斜したエッジが存在する。
また段差構造１５０の別の作製方法として、光学厚さ０．５λのＳｉＯ２を成膜し、第１の領域１６０以外の領域にレジストを形成し、１．５λのＳｉＯ２を成膜してリフトオフによりレジストを取り除くことで、第１の領域１６０に光学厚さ２λ、第２の領域１６２に光学厚さ０．５λの段差構造１５０が形成される。
上記の段差構造１５０の第３の領域１６５の上に、例えばリフトオフ法などを利用して、遮光部材１５５が形成される。図１では段差構造のエッジ部分にも遮光部材１５５が形成されている。例えば遮光部材１５５は１００ｎｍ厚の金属膜であり、例えばＡｕである。
上部ミラー１１６上にＴｉ／Ａｕからなるｐ型の上部電極１２２、および基板１１０の裏面にＡｕＧｅ／Ａｕからなるｎ型の下部電極１２０を設ける。
また、段差構造１５０が半導体の場合、段差構造は第２の領域１６２において積層された半導体をエッチングすることにより形成できる。
そして、遮光部材１５５の金属膜を段差構造１５０の半導体に対してオーミック接触が得られる材料とすることにより、遮光部材１５５の金属膜を上部電極１２２とすることもできる。
なお、遮光部材１５５を形成した後に、それを利用して段差構造１５０を形成することも可能である。例えば、遮光部材１５５の上から第１の領域１６０を覆うようにフォトレジストなどを形成し、第２の領域１６２をエッチングすることで、段差構造１５０を形成することもできる。
（実施形態２）
図３は、本発明の実施例の面発光レーザ１０２を表す断面模式図である。
実施形態２は、実施形態１とは異なり、遮光部材１５５の上部に段差構造１５０が形成されているのが特徴である。この場合においても、遮光部材１５５は第３の領域に設けられている。
上部ミラー１１６上に、内側直径３．７μｍ、外側直径５．１μｍのリング状の金属からなる遮光部材１５５が形成されている。厚さは例えば１００ｎｍである。その上部に、実施例１と同様のＳｉＯ２からなる段差構造１５０が形成されている。遮光部材１５５を上部ミラー１１６上の水平面上に形成でき、段差構造１５０により遮光部材１５５が露出しない点が、実施例１に比べて良い点である。
（実施形態３）
図６を用いて、上記で説明した面発光レーザを複数配置した面発光レーザアレイ光源を用いた画像形成装置について説明する。
図６（ａ）は画像形成装置の平面図であり、図６（ｂ）は同装置の側面図である。
記録用光源として用いる面発光レーザアレイ光源５１４から出力されたレーザ光は、コリメータレンズ５２０を介し、モータ５１２により回転駆動された回転多面鏡５１０に向けて照射される。
回転多面鏡５１０に照射されたレーザ光は、回転多面鏡５１０の回転に伴い、連続的に出射角度を変える偏向ビームとして反射される。この反射光は、ｆ−θレンズ５２２により歪曲収差の補正等を受け、反射鏡５１６を経て感光体５００に照射される。
感光体５００は、帯電器５０２により予め帯電されており、レーザ光の走査により順次露光され、静電潜像が形成される。また、感光体５００に形成された静電潜像は、現像器５０４により現像され、現像された可視像は転写帯電器５０６により、転写紙に転写される。可視像が転写された転写紙は、定着器５０８に搬送され、定着を行った後に機外に排出される。
（その他の実施形態）
第１の領域１６０と第２の領域１６２の配置として、図２のように第１の領域１６０を第２の領域１６２が囲んだ例を示したが、本発明はそれに限るものではない。例えば、図４のように第１の領域１６０と第２の領域１６２を半円形状とした例において、第３の領域１６５に遮光部材１５５を配することができる。すなわち、第２の領域１６２は、第１の領域１６０よりも、光出射領域の中心に対して遠ざかる位置に配されていなくてもよい。
また、遮光部材１５５は第３の領域１６５のすべてに配さず、例えば図５のように一部に配しても良い。
また、面発光レーザの材料や形状などは、本発明の範囲内でさまざまなものを取ることができる。
１１２ 下部ミラー
１１４ 活性層
１１６ 上部ミラー
１５０ 段差構造
１５５ 遮光部材

Claims (12)

  1. 基板の上に、下部ミラーと活性層と上部ミラーとを有する面発光レーザであって、
    前記上部ミラーの上部の光出射領域内に設けられた段差構造を有し、
    前記段差構造は、前記光出射領域に、第１の領域と、前記第１の領域とは異なる第２の領域と、前記第１の領域と前記第２の領域との間に形成された第３の領域と、を有し、前記第１の領域における光学厚さと前記第２の領域における光学厚さが異なる構造であり、
    前記上部ミラーの上部であって、前記第３の領域に遮光部材が配され、前記第１の領域と前記第２の領域のそれぞれの領域の一部に前記遮光部材が配されていないことを特徴とする面発光レーザ。
  2. 前記第２の領域は、前記第１の領域よりも、前記光出射領域の中心に対して遠い位置に配されていることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
  3. 前記遮光部材が前記第３の領域のすべてに配されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の面発光レーザ。
  4. 前記遮光部材が前記第３の領域の一部に配されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の面発光レーザ。
  5. 前記遮光部材の厚さは、前記段差構造の段差の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
  6. 前記遮光部材は、前記段差構造の上部に配されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
  7. 前記遮光部材は、前記上部ミラーと前記段差構造との間に配されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
  8. 前記面発光レーザの発振波長をλとし、前記第１の領域における前記段差構造の光学厚さと、前記第２の領域における前記段差構造の光学厚さとの差Ｌが、以下の関係を満たすことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
    （Ｎ＋１／４）λ＜Ｌ＜（Ｎ＋３／４）λ （Ｎは整数）
  9. 前記遮光部材は、金属であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
  10. 前記遮光部材と前記段差構造を形成する材料との屈折率差が、前記段差構造を形成する材料の屈折率の２０％以下であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
  11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の面発光レーザを複数有することを特徴とする面発光レーザアレイ。
  12. 請求項１１に記載の面発光レーザアレイと、前記面発光レーザアレイからの光により静電潜像を形成する感光体と、前記感光体を帯電する帯電器と、前記静電潜像を現像する現像器と、を有することを特徴とする画像形成装置。
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