JP5999303B2 - 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、面発光レーザアレイ及び画像形成装置に係り、更に詳しくは、複数の発光部を有する面発光レーザアレイ、該面発光レーザアレイを有する画像形成装置に関する。
複数の発光部を有する面発光レーザアレイは、各発光部から射出される複数の光束の偏光方向が揃っていることが重要である。
面発光レーザアレイから射出された複数の光束の偏光方向が揃っていないと、光学系を通過した該複数の光束において光強度に差が生じる。例えば、このような面発光レーザアレイをレーザプリンタの書き込み用光源として用いると、出力画像における色ムラを発生させる。
面発光レーザにおいて、射出される光束の偏光方向を所望の方向とするための方法が種々考案された(例えば、特許文献1〜特許文献3参照)。
特許文献1には、活性層及びミラー層が半導体基板の基準となる結晶軸を含む面に対して所定角度傾斜した半導体基板の傾斜面上に形成され、活性層の上部に形成されたミラー層を介して活性層へ電流を注入するための電極と、電極へ電流を導くための配線とが傾斜面上に形成され、配線のうち電極に直接接続される配線が長尺状で、かつ該長手方向が傾斜面の傾斜方向に略一致するように形成されている面発光レーザ素子、及び該面発光レーザ素子を複数個、2次元状に配列し、各面発光レーザ素子にマトリクス配線を施した面発光レーザ素子アレイが開示されている。
また、特許文献2には、基板水平面内に対して垂直であり、かつ、メサ構造のおおよそ中心を原点とする2つの直交する直交面(X面、Y面)が、メサ構造の側面と交わる交線をそれぞれLx1線、Lx2線、Ly1線、Ly2線とし、Lx1線、Lx2線、Ly1線、Ly2線が基板水平面とのなす角度をそれぞれ、Ax1、Ax2、Ay1、Ay2としたとき、少なくともAx1、Ax2、Ay1、Ay2のいずれか一つが異なる値である垂直共振器型の面発光半導体レーザ装置が開示されている。
また、特許文献3には、基板上に、第1多層膜反射鏡、1または複数の発光領域を有する活性層および第2多層膜反射鏡がこの順に積層された発光部を備え、第1多層膜反射鏡および第2多層膜反射鏡の少なくとも一方は、発光領域と対応する領域の周辺に、発光領域を中心にして回転する方向に不均一に分布する酸化部を有し、発光部は、酸化部を取り囲む溝部を有し、溝部は、酸化部の分布に対応して不均一な深さを有する面発光型半導体レーザが開示されている。
しかしながら、集積度を低下させることなく、射出される複数の光束の偏光方向のばらつきを小さくするのは困難であった。
発明者等は、複数の発光部を有する面発光レーザアレイにおいて、射出される光束の偏光方向が揃うように複数の発光部を形成したとしても、配線部材を形成するといくつかの発光部から射出される光束の偏光方向が変化することを見出した。
そして、発明者等は、種々の実験を行い、配線部材の形成の仕方によって、上記偏光方向の変化の程度(大きさ、方向)が異なることを見出した。
本発明は、上述した発明者等の得た新規知見に基づいてなされたものであり、以下の構成を有する。
本発明は、共通の基板上に、下部反射鏡、活性層を含む共振器構造体、及び上部反射鏡が積層されている複数の発光部と、前記複数の発光部に個別に対応して設けられた複数の電極と、前記複数の発光部と前記複数の電極とを個別に電気的に接続する複数の配線部材とを有する面発光レーザアレイにおいて、前記複数の発光部における偏光方向のばらつきが所定の範囲内となるように、少なくとも2つの発光部では、前記基板に直交する方向からみたとき、前記発光部の中心と、該発光部に接続されている前記配線部材の中心線を延長した線との距離が、互いに異なっていることを特徴とする面発光レーザアレイである。
本発明の面発光レーザアレイによれば、集積度を低下させることなく、射出される複数の光束の偏光方向のばらつきを小さくすることができる。
本発明の一実施形態に係るカラープリンタの概略構成を説明するための図である。 図1における光走査装置を説明するための図(その1)である。 図1における光走査装置を説明するための図(その2)である。 図1における光走査装置を説明するための図(その3)である。 図1における光走査装置を説明するための図(その4)である。 面発光レーザアレイにおける複数の発光部の配列を説明するための図である。 各発光部の構成を説明するための図である。 図8(A)及び図8(B)は、それぞれ面発光レーザアレイの基板を説明するための図である。 面発光レーザアレイの設計データ取得処理を説明するためのフローチャート(その1)である。 面発光レーザアレイの設計データ取得処理を説明するためのフローチャート(その2)である。 射出領域の中心と、配線部材の中心線との距離D(i)を説明するための図である。 面発光レーザアレイの設計データ取得処理を説明するための図(その1)である。 面発光レーザアレイの設計データ取得処理を説明するための図(その2)である。 面発光レーザアレイの設計データ取得処理を説明するための図(その3)である。 面発光レーザアレイの設計データ取得処理を説明するための図(その4)である。 面発光レーザアレイの設計データ取得処理を説明するための図(その5)である。 面発光レーザアレイの設計データ取得処理を説明するための図(その6)である。 面発光レーザアレイの設計データ取得処理を説明するための図(その7)である。 複数の発光部における偏光角と平均値との差を説明するための図である。 配線部材の接続位置の修正を説明するための図である。 面発光レーザアレイ100における複数の発光部と配線部材を説明するための図である。 図22(A)及び図22(B)は、それぞれ配線部材の接続形態1を説明するための図である。 図23(A)及び図23(B)は、それぞれ配線部材の接続形態2を説明するための図である。 図24(A)及び図24(B)は、それぞれ配線部材の接続形態3を説明するための図である。 図25(A)及び図25(B)は、それぞれ発光部における領域I〜領域IVを説明するための図である。 図26(A)及び図26(B)は、それぞれ配線部材の接続位置と偏光方向との関係を説明するための図(その1)である。 図27(A)及び図27(B)は、それぞれ配線部材の接続位置と偏光方向との関係を説明するための図(その2)である。 D(i)の値と偏光方向の回転角の関係を説明するための図である。 図29(A)及び図29(B)は、それぞれ金属部材の接続位置を説明するための図(その1)である。 図30(A)及び図30(B)は、それぞれ金属部材の接続位置を説明するための図(その2)である。 発光部の周辺領域を説明するための図である。 図32(A)及び図32(B)は、それぞれ周辺領域への金属部材の設置を説明するための図(その1)である。 図33(A)及び図33(B)は、それぞれ周辺領域への金属部材の設置を説明するための図(その2)である。 図34(A)及び図34(B)は、それぞれメサが円柱状の場合を説明するための図である。 図35(A)及び図35(B)は、それぞれ射出領域の辺の中点と、配線部材の中心線との辺上での距離T(i)を説明するための図である。
以下、本発明の一実施形態を図1〜図24(B)に基づいて説明する。図1には、一実施形態に係るカラープリンタ2000の概略構成が示されている。
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、光走査装置2010、4つの感光体ドラム(2030a、2030b、2030c、2030d)、4つのクリーニングユニット(2031a、2031b、2031c、2031d)、4つの帯電装置(2032a、2032b、2032c、2032d)、4つの現像ローラ(2033a、2033b、2033c、2033d)、4つのトナーカートリッジ(2034a、2034b、2034c、2034d)、転写ベルト2040、転写ローラ2042、定着装置2050、給紙コロ2054、レジストローラ対2056、排紙ローラ2058、給紙トレイ2060、排紙トレイ2070、通信制御装置2080、及び上記各部を統括的に制御するプリンタ制御装置2090などを備えている。
なお、ここでは、XYZ3次元直交座標系において、各感光体ドラムの長手方向(回転軸方向)に沿った方向をX軸方向、4つの感光体ドラムの配列方向に沿った方向をZ軸方向として説明する。
通信制御装置2080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。
プリンタ制御装置2090は、CPU、該CPUにて解読可能なコードで記述されたプログラム及び該プログラムを実行する際に用いられる各種データが格納されているROM、作業用のメモリであるRAM、アナログデータをデジタルデータに変換するAD変換回路などを有している。そして、プリンタ制御装置2090は、通信制御装置2080を介して受信した上位装置からの多色の画像情報(ブラック画像情報、シアン画像情報、マゼンタ画像情報、イエロー画像情報)を光走査装置2010に通知する。
感光体ドラム2030a、帯電装置2032a、現像ローラ2033a、トナーカートリッジ2034a、及びクリーニングユニット2031aは、組として使用され、ブラックの画像を形成する画像形成ステーション(以下では、便宜上「Kステーション」ともいう)を構成する。
感光体ドラム2030b、帯電装置2032b、現像ローラ2033b、トナーカートリッジ2034b、及びクリーニングユニット2031bは、組として使用され、シアンの画像を形成する画像形成ステーション(以下では、便宜上「Cステーション」ともいう)を構成する。
感光体ドラム2030c、帯電装置2032c、現像ローラ2033c、トナーカートリッジ2034c、及びクリーニングユニット2031cは、組として使用され、マゼンタの画像を形成する画像形成ステーション(以下では、便宜上「Mステーション」ともいう)を構成する。
感光体ドラム2030d、帯電装置2032d、現像ローラ2033d、トナーカートリッジ2034d、及びクリーニングユニット2031dは、組として使用され、イエローの画像を形成する画像形成ステーション(以下では、便宜上「Yステーション」ともいう)を構成する。
各感光体ドラムはいずれも、その表面に感光層が形成されている。すなわち、各感光体ドラムの表面がそれぞれ被走査面である。なお、各感光体ドラムは、不図示の回転機構により、図1における面内で矢印方向に回転する。
各帯電装置は、対応する感光体ドラムの表面をそれぞれ均一に帯電させる。
光走査装置2010は、プリンタ制御装置2090からの多色の画像情報に基づいて色毎に変調された光束で、対応する帯電された感光体ドラムの表面を走査する。これにより、各感光体ドラムの表面では、光が照射された部分だけ電荷が消失し、画像情報に対応した潜像が各感光体ドラムの表面にそれぞれ形成される。ここで形成された潜像は、感光体ドラムの回転に伴って対応する現像装置の方向に移動する。なお、光走査装置の構成については後述する。
各現像ローラは、回転に伴って、対応するトナーカートリッジからのトナーが、その表面に薄く均一に塗布される。そして、各現像ローラの表面のトナーは、対応する感光体ドラムの表面に接すると、該表面における光が照射された部分にだけ移行し、そこに付着する。すなわち、各現像ローラは、対応する感光体ドラムの表面に形成された潜像にトナーを付着させて顕像化させる。ここでトナーが付着した像(トナー画像)は、感光体ドラムの回転に伴って転写ベルト2040の方向に移動する。
イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの各トナー画像は、所定のタイミングで転写ベルト2040上に順次転写され、重ね合わされてカラー画像が形成される。
給紙トレイ2060には記録紙が格納されている。この給紙トレイ2060の近傍には給紙コロ2054が配置されており、該給紙コロ2054は、記録紙を給紙トレイ2060から1枚ずつ取り出し、レジストローラ対2056に搬送する。該レジストローラ対2056は、所定のタイミングで記録紙を転写ベルト2040と転写ローラ2042との間隙に向けて送り出す。これにより、転写ベルト2040上のカラー画像が記録紙に転写される。カラー画像が転写された記録紙は、定着装置2050に送られる。
定着装置2050では、熱と圧力とが記録紙に加えられ、これによってトナーが記録紙上に定着される。トナーが定着された記録紙は、排紙ローラ2058を介して排紙トレイ2070に送られ、排紙トレイ2070上に順次積み重ねられる。
各クリーニングユニットは、対応する感光体ドラム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の表面は、再度対応する帯電装置に対向する位置に戻る。
次に、前記光走査装置2010の構成について説明する。
光走査装置2010は、一例として図2〜図5に示されるように、4つの光源(2200a、2200b、2200c、2200d)、4つのカップリングレンズ(2201a、2201b、2201c、2201d)、4つの開口板(2202a、2202b、2202c、2202d)、4つのシリンドリカルレンズ(2204a、2204b、2204c、2204d)、光偏向器2104、4つの走査レンズ(2105a、2105b、2105c、2105d)、6枚の折り返しミラー(2106a、2106b、2106c、2106d、2108b、2108c)、及び不図示の走査制御装置などを備えている。
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。
光源2200aとカップリングレンズ2201aと開口板2202aとシリンドリカルレンズ2204aと走査レンズ2105aと折り返しミラー2106aは、感光体ドラム2030aに潜像を形成するための光学部材である。
光源2200bとカップリングレンズ2201bと開口板2202bとシリンドリカルレンズ2204bと走査レンズ2105bと折り返しミラー2106bと折り返しミラー2108bは、感光体ドラム2030bに潜像を形成するための光学部材である。
光源2200cとカップリングレンズ2201cと開口板2202cとシリンドリカルレンズ2204cと走査レンズ2105cと折り返しミラー2106cと折り返しミラー2108cは、感光体ドラム2030cに潜像を形成するための光学部材である。
光源2200dとカップリングレンズ2201dと開口板2202dとシリンドリカルレンズ2204dと走査レンズ2105dと折り返しミラー2106dは、感光体ドラム2030dに潜像を形成するための光学部材である。
各カップリングレンズは、対応する光源から射出された光束の光路上に配置され、該光束を略平行光束とする。
各開口板は、開口部を有し、対応するカップリングレンズを介した光束を整形する。
各シリンドリカルレンズは、対応する開口板の開口部を通過した光束を、光偏向器2104の偏向反射面近傍にY軸方向に関して結像する。
光偏向器2104は、2段構造のポリゴンミラーを有している。各ポリゴンミラーは、4面の偏向反射面を有している。そして、1段目(下段)のポリゴンミラーではシリンドリカルレンズ2204aからの光束及びシリンドリカルレンズ2204dからの光束がそれぞれ偏向され、2段目(上段)のポリゴンミラーではシリンドリカルレンズ2204bからの光束及びシリンドリカルレンズ2204cからの光束がそれぞれ偏向されるように配置されている。なお、1段目のポリゴンミラー及び2段目のポリゴンミラーは、互いに位相が略45°ずれて回転し、書き込み走査は1段目と2段目とで交互に行われる。
光偏向器2104で偏向されたシリンドリカルレンズ2204aからの光束は、走査レンズ2105a、及び折り返しミラー2106aを介して、感光体ドラム2030aに照射され、光スポットが形成される。この光スポットは、光偏向器2104の回転に伴って感光体ドラム2030aの長手方向に移動する。
また、光偏向器2104で偏向されたシリンドリカルレンズ2204bからの光束は、走査レンズ2105b、及び2枚の折り返しミラー(2106b、2108b)を介して、感光体ドラム2030bに照射され、光スポットが形成される。この光スポットは、光偏向器2104の回転に伴って感光体ドラム2030bの長手方向に移動する。
また、光偏向器2104で偏向されたシリンドリカルレンズ2204cからの光束は、走査レンズ2105c、及び2枚の折り返しミラー(2106c、2108c)を介して、感光体ドラム2030cに照射され、光スポットが形成される。この光スポットは、光偏向器2104の回転に伴って感光体ドラム2030cの長手方向に移動する。
また、光偏向器2104で偏向されたシリンドリカルレンズ2204dからの光束は、走査レンズ2105d、及び折り返しミラー2106dを介して、感光体ドラム2030dに照射され、光スポットが形成される。この光スポットは、光偏向器2104の回転に伴って感光体ドラム2030dの長手方向に移動する。
各感光体ドラムにおける光スポットの移動方向が、「主走査方向」であり、感光体ドラムの回転方向が、「副走査方向」である。
光偏向器2104と各感光体ドラム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。
各光源は、一例として図6に示されるように、40個の発光部(v1〜v40)が2次元配列されている面発光レーザアレイ100を有している。ここでは、レーザ発振方向をz軸方向とし、z軸方向に直交する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軸方向とする。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。なお、図6では、40個の発光部に個別に対応して設けられた40個の電極パッド、及び各発光部と対応する電極パッドとを個別に電気的に接続する配線部材については、図示を省略している。
40個の発光部は、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発光部間隔が等間隔d1となるように配置されている。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。ところで、発光部の数は40個に限定されるものではない。
図7は、1つの発光部をxz面に平行に切断したときの断面図である。
各発光部は、発振波長が780nm帯の面発光レーザであり、基板101、バッファ層102、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、上部電極113、下部電極114、配線部材115、及び誘電体層116などを有している。
基板101は、表面が鏡面研磨面であり、図8(A)に示されるように、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、図8(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。
図7に戻り、バッファ層102は、基板101の+z側の面上に積層され、n−GaAsからなる層である。
下部半導体DBR103は、バッファ層102の+z側に積層され、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。そして、各屈折率層はいずれも、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は、λ/4n(但し、nはその層の媒質の屈折率)である。
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(Al0.1Ga0.90.5In0.5Pからなる層である。
活性層105は、下部スペーサ層104の+z側に積層され、GaInAsP/GaInPの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、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。
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(Al0.1Ga0.90.5In0.5Pからなる層である。
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。
上部半導体DBR107は、第1の上部半導体DBR、及び第2の上部半導体DBRを有している。
第1の上部半導体DBRは、上部スペーサ層106の+z側に積層され、p−(Al0.7Ga0.30.5In0.5Pからなる低屈折率層とp−(Al0.1Ga0.90.5In0.5Pからなる高屈折率層のペアを1ペア有している。
第2の上部半導体DBRは、第1の上部半導体DBR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23ペア有している。
上部半導体DBR107の各屈折率層はいずれも、λ/4の光学的厚さとなるように設定されている。
第2の上部半導体DBR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が厚さ30nmで挿入されている。
この被選択酸化層の挿入位置は、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。
コンタクト層109は、第2の上部半導体DBRの+z側に積層され、p−GaAsからなる。
次に、面発光レーザアレイ100における配線部材の配線位置に関する設計データを取得する処理(「設計データ取得処理」と略述する)について図9及び図10を用いて説明する。図9及び図10のフローチャートは、面発光レーザアレイ100の製造システムにおける制御装置によって実行される一連の処理アルゴリズムに対応している。この制御装置は、マイクロコントローラ、メモリ(ROM、RAM)、入力装置、及び表示装置などを備えている。
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。また、一例として図11に示されるように、発光部vi(i=1〜40)において、射出領域の中心と、該発光部から延びている配線部材の中心線を延長した線との距離をD(i)とする。
最初のステップS401では、D(1)〜D(40)に初期値0をセットする。
次のステップS403では、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12参照)。
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(PH)、アルシン(AsH)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(CBr)、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(HSe)を用いている。
次のステップS405では、積層体の表面における発光部となる複数の領域に、それぞれ四角形状のレジストパターンを形成する。ここでは、一例として、一辺の長さが25μmの正方形状とした。この正方形の一の辺は、基板101の傾斜軸に平行である。
続いて、Cl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。
そして、該フォトマスクを除去する(図13参照)。
次のステップS407では、積層体を水蒸気中で熱処理する。これにより、被選択酸化層中のp−AlAs層がメサの外周部から選択的に酸化され、AlAs層からなる絶縁領域108aが形成される。そして、メサの中央部に、この絶縁領域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14参照)。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。ここでは、一例として、一辺の長さが4μm〜6μmの正方形状の電流通過領域が形成された。この正方形の一の辺は、基板101の傾斜軸に平行である。
次のステップS409では、気相化学堆積法(CVD法)を用いて、全面にSiNからなる保護層111を形成する(図15参照)。ここでは、保護層111の光学的厚さをλ/4nに設定した。この場合は、λ=780nm、n=1.86であるため、保護層111の実際の膜厚は約105nmである。
次のステップS411では、レジストパターニング、BHF(バッファードふっ酸)エッチングによりレーザ光の射出面となるメサ上部に、上部電極113のコンタクト領域の保護層111、上部電極113の開口部となる領域内で高反射率領域となる部分の保護層111を除去し、窓開けを行う(図16参照)。ここで、上部電極113の開口部となる領域内に残っている保護層111が、前記誘電体層116である。
次のステップS413では、レジストパターニング、電極蒸着、リフトオフにより上部電極113、電極パッド、配線部材115を形成する(図17参照)。なお、レジストパターニングでは、発光部v1〜v40において、D(1)〜D(40)に応じて配線部材115の形成位置が決定される。
上部電極113、電極パッド、配線部材115の材料としては、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。
次のステップS415では、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、基板101の裏面全域に下部電極114を形成する(図18参照)。ここでは、下部電極114は、AuGe/Ni/Auからなる多層膜である。
次のステップS417では、アニールによって、上部電極113と下部電極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。そして、チップ毎に切断する。
次のステップS419では、偏光角測定装置を介して、発光部v1〜v40について、それぞれ偏光角p(1)〜p(40)を測定する。
次のステップS421では、偏光角p(1)〜p(40)の平均値Pを算出する。
次のステップS501では、変数iに初期値1をセットする。
次のステップS503では、p(i)とPとの差の絶対値が予め設定されている値M以下であるか否かを判断する。p(i)とPとの差の絶対値がM以下であれば、ここでの判断は肯定され、ステップS505に移行する。なお、Mの値は、作業者が入力装置を介して、設定、変更することができる。ここでは、一例として、M=2とする。
このステップS505では、フラグf(i)に「良」であることを示す0をセットする。
次のステップS509では、変数iの値が発光部の数である40以上であるか否かを判断する。変数iの値が40未満であれば、ここでの判断は否定され、ステップS511に移行する。
このステップS511では、変数iの値に1を加算し、上記ステップS503に戻る。
以降、ステップS509での判断が肯定されるまで、ステップS503〜ステップS511の処理を繰り返す。
なお、上記ステップS503において、p(i)とPとの差の絶対値がMを超えていれば、ステップS503での判断は否定され、ステップS507に移行する。
このステップS507では、フラグf(i)に「不良」であることを示す1をセットする。そして、上記ステップS509に移行する。
変数iの値が40以上になると、ステップS509での判断は肯定され、ステップS521に移行する。
このステップS521では、f(1)〜f(40)の値が全て0であるか否かを判断する。f(1)〜f(40)の少なくとも1つの値が1であれば、ここでの判断は否定され、ステップS523に移行する。
このステップS523では、f(i)が1である全てのiについて、メモリに予め格納されている配線部材位置修正テーブルを参照し、p(i)とPとの差に応じたD(i)の修正量を求める。
次のステップS525では、D(i)の値を上記修正量に変更する。そして、上記ステップS403に戻る。
一方、上記ステップS521において、f(1)〜f(40)の値が全て0であれば、ステップS521での判断は肯定され、ステップS527に移行する。
このステップS527では、D(1)〜D(40)の値をメモリに保存し、設計データ取得処理を終了する。
ところで、図19には、発光部v1〜v40について、p(i)とPとの差の具体例が示されている。この場合は、発光部v8で、p(8)とPとの差の絶対値が2を超えている。発光部v8では、+x側及び−x側に他の発光部に接続される配線部材が引き回されているため、対応する配線部材の接続位置をx軸方向に関して調整する。具体的には、発光部v8について、D(8)を5μmに修正して(図20参照)再度、面発光レーザアレイを製造すると、p(i)とPとの差は、約0.2°になった。
上記設計データ取得処理で取得されたD(1)〜D(40)の値は、面発光レーザアレイ100を量産する際に用いられる。
量産された複数の面発光レーザアレイ100を検査したところ、いずれの面発光レーザアレイ100においても、射出される複数の光束の偏光方向を−2°〜+2°の範囲内とすることができた。
図21には、量産された面発光レーザアレイ100の40個の発光部とそれらの配線部材が示されている。なお、図21では、電極パッドの図示は省略されている。
また、種々の配線形状でのD(i)が図22(A)〜図24(B)に示されている。
以上説明したように、本実施形態に係る面発光レーザアレイ100によると、各発光部は、基板101、バッファ層102、下部半導体DBR103、共振器構造体、上部半導体DBR107、上部電極113、下部電極114、配線部材115、及び誘電体層116などを有している。
面発光レーザアレイ100を量産する前に設計データ取得処理を行い、複数の発光部について、射出される光束の偏光角が、該アレイでの偏光角の平均値との差の絶対値が予め設定されている値以下となるように、射出領域の中心と、配線部材の中心線を延長した線との距離D(i)を調整し、適切なD(1)〜D(40)の値を取得する。そして、面発光レーザアレイ100を量産する際に、設計データ取得処理で得られたD(1)〜D(40)の値を用いて配線部材を形成する。
発明者等は、種々の実験等を行い、発光部における配線部材の接続位置を変更すると、該発光部から射出される光の偏光方向も変化し、このとき、偏光方向が変化する方向は、配線部材の接続位置を変更した方向と関係があることを見出した。
ここで、図25(A)に示されるように、基板に平行な面内で、発光部の中心を通り、偏光方向に平行な直線SL1と該直線に直交する直線SL2によって該発光部を4つの領域(領域I、領域II、領域III、領域IV)に分割する。ここでは、偏光方向に平行な直線SL1はx軸方向に平行な直線であり、偏光方向に直交する直線SL2はy軸方向に平行な直線である。なお、各領域は、メサ上面だけでなく、メサ傾斜面を含む(図25(B)参照)。
図26(A)及び図26(B)には、配線部材の引き出し方向が偏光方向に平行であり、配線部材の接続位置を−x方向に変更した場合が示されている。この場合は、領域IIIにおける配線部材の面積が増加しており、偏光方向は時計回りに回転している。
図27(A)及び図27(B)には、配線部材の引き出し方向が偏光方向に直交し、配線部材の接続位置を+y方向に変更した場合が示されている。この場合は、領域IIにおける配線部材の面積が増加しており、偏光方向は反時計回りに回転している。
これらのことから、配線部材を引き出す方向が、偏光方向に平行な方向であっても、偏光方向に直交する方向であっても、配線部材の面積が増加した領域の方向に偏光方向が回転する傾向があることがわかる。この傾向から、D(i)の調整方向を決めることができる。
ここで、本実施形態と同じ構成の面発光レーザアレイにおいて、8つの発光部(v4、v7、v17、v18、v23、v24、v32、v40)について、D(i)の値を実験的に変化させた。ここでは、偏光方向が時計回りに回転する方向をD(i)の正の方向とし、D(i)の値が−5(μm)、−3(μm)、0(μm)、3(μm)、5(μm)となるようにした。
図28には、各発光部について、D(i)と偏光方向の回転角との関係が示されている。なお、図28の縦軸ΔPolは、D(i)=0のときの偏光方向を基準とし、D(i)=0のときの偏光方向に対する偏光方向の回転角を示している。
6つの発光部(v7、v17、v18、v23、v24、v40)では、配線部材は偏光方向に平行な方向に引き出されており、2つの発光部(v4、v32)では、配線部材は偏光方向に直交する方向に引き出されている。
図28から、D(i)の値と偏光方向の回転角との間に線形に近い相関があり、D(i)を1μm変化させると、偏光方向が約0.3度(deg.)変化することがわかる。また、配線部材が偏光方向に平行な方向に引き出されていても、配線部材が偏光方向に直交する方向に引き出されていても、D(i)の変化量に対する偏光方向の回転角はほぼ同じであることがわかる。
この相関関係に基づいて、D(i)の調整量をある程度決めることができる。
ところで、p(i)とPとの差が大きい発光部に関しては、D(i)の値が最大となるように配線部材の接続位置を変更したとしても、p(i)とPとの差を所望の値以下に抑えることができない場合がある。その場合は、D(i)の値を調整した上で更に、図29(A)〜図30(B)に示されるように、配線部材の面積が最も大きい領域、又は、配線部材の面積が最も大きい領域の対角位置にある領域に、金属部材120を接続すると良い。
図29(A)〜図30(B)では、配線部材の面積が最も大きい領域は領域IIIであるため、金属部材120は領域IIIもしくは領域Iに接続される。このとき、図30(A)に示されるように、2つの領域に跨って金属部材120を接続しても良いが、金属部材120の面積が最も多く含まれる領域は、配線部材の面積が最も大きい領域、又は配線部材の面積が最も大きい領域の対角位置にある領域である必要がある。また、図30(B)に示されるように、金属部材120は領域の2辺に接続されても良い。
これにより、配線部材の接続位置を調整しただけでは偏光方向のずれを低減できない場合であっても、所望の偏光方向とすることができる。
なお、金属部材120を接続することによって電極の容量が増加し、レーザの立上がり・立下りといった動的な応答が悪化する場合には、金属部材120を接続せずに、発光部の周辺領域に設けても良い。ここでの発光部の周辺領域とは、この発光部以外の発光部から引き出されている配線部材のうち、この発光部に最も近い位置に引かれている配線とこの発光部の中心との最小距離をLとしたとき、この発光部の中心を中心とした一辺が2Lの正方形の内部領域を指す(図31参照)。そして、発光部の中心を通り、偏光方向に平行な直線と該直線に直交する直線によって該周辺領域を4つの周辺領域(周辺領域I、周辺領域II、周辺領域III、周辺領域IV)に分割する。
金属部材120が周辺領域に設けられている例が、図32(A)〜図33(B)に示されている。図32(A)〜図33(B)では、配線部材の面積が最も大きい領域が領域IIIであるため、金属部材120は周辺領域IIIもしくは周辺領域Iに接続される。
このとき、図33(A)に示されるように、2つの周辺領域に跨って金属部材120が設けられても良いが、金属部材120の面積が最も多く含まれる周辺領域は、配線部材の面積が最も大きい領域の周辺領域、又は配線部材の面積が最も大きい領域の対角位置にある領域の周辺領域である必要がある。また、図33(B)に示されるように、金属部材120の一部が周辺領域の外側にあっても良い。
このように、発光部に最も近い位置に引かれている配線部材よりも発光部の近くに金属部材120を設けることで、配線部材の引き回し方による応力よりも金属部材120による応力の影響を大きくすることができる。これにより、容量の増加を防ぎつつ応力を調整し、p(i)とPの差を所望の値とすることができる。
ところで、特開2005−209717号公報には、電気的に絶縁された状態の放熱部が形成された面発光レーザが開示されている。しかし、この面発光レーザでは、発光部を全方位から覆うように放熱部が形成されているため、偏光方向に対する影響はない。
ところで、配線部材に起因して発光部に作用する力を調整する方法として、発光部から配線部材を引き出す方向を変えることが考えられる。しかしながら、周囲を他の発光部や配線部材で囲まれている発光部では、配線部材を引き出す方向を変えることは困難である。特に、発光部数が多い面発光レーザアレイや,発光部間の距離が短く集積化された面発光レーザアレイでは,大部分の発光部において、配線部材を引き出す方向を変更するのは困難である。
本実施形態では、発光部と配線部材との接続部だけを変更するので、面発光レーザアレイ内の配線パターンや発光部の間隔などに対して制限を与えることがない。従って、実施形態では、発光部間隔が狭くて、高集積化された面発光レーザアレイにおいても、偏光角のばらつきを低減することができる。
この場合、量産された面発光レーザアレイ100は、集積度を低下させることなく、射出される複数の光束の偏光方向を所定の範囲内とすることができる。
このとき、複数の発光部における少なくとも2つの発光部では、z軸方向からみたとき、発光部の中心と、接続されている配線部材の中心線を延長した線との距離が、互いに異なっている。
そして、光走査装置2010は、面発光レーザアレイ100を光源に含んでいるため、被走査面の光走査を精度良く行うことができる。
また、カラープリンタ2000は、光走査装置2010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。
ところで、面発光レーザアレイ100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d1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。
そして、例えば、上記間隔d2を2.65μm、光走査装置2010の光学系の倍率を2倍とすれば、4800dpi(ドット/インチ)の高密度書き込みができる。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d2(図6参照)を狭くして間隔d1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。
また、この場合には、カラープリンタ2000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。
なお、上記実施形態では、D(1)〜D(40)の初期値が0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、類似した面発光レーザアレイを製造したときの値を初期値としても良い。
また、上記実施形態において、p(i)とPとの差に応じて得られたD(i)の修正量を、作業者が調整する工程を設けても良い。
また、上記実施形態では、メサの横断面の外形形状が略正方形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、メサの横断面の外形形状が略円形であっても良い(図34(A)及び図34(B)参照)。また、メサの横断面の外形形状が長方形であっても良い。この場合は、該長方形の一の辺が、基板101の傾斜軸に平行であることが好ましい。
また、上記実施形態では、z軸方向からみたとき、電流通過領域の外形形状が略正方形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、電流通過領域の外形形状が長方形であっても良い。この場合は、該長方形の一の辺が、基板101の傾斜軸に平行であることが好ましい。
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。要するに、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る基板であれば良い。
また、上記実施形態において、発光部における射出領域の中心と、該発光部から延びている配線部材の中心線を延長した線との距離D(i)を調整するのに代えて、一例として図35(A)及び図35(B)に示されるように、発光部における射出領域の配線部材が接続されている辺の中点と、該配線部材の中心線を延長した線との辺上での距離T(i)を調整しても良い。この場合でも、前述したようにして、前記金属部材120を接続あるいは設置しても良い。
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。
また、上記面発光レーザアレイは、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。
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。
また、上記実施形態では、画像形成装置としてカラープリンタ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く、単色のプリンタであっても良い。
また、上記実施形態では、トナー画像を記録紙に転写する画像形成装置について説明したが、これに限定されるものではなく、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。
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。
100…面発光レーザアレイ、101…基板、103…下部半導体DBR(下部反射鏡)、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(上部反射鏡)、113…上部電極、115…配線部材、116…誘電体層、120…金属部材、2000…カラープリンタ(画像形成装置)、2010…光走査装置、2030a〜2030d…感光体ドラム(像担持体)、2104…光偏向器、2105a〜2105d…走査レンズ(走査光学系の一部)、2200a〜2200d…光源。
特許第3791193号公報 特開2006−013366号公報 特開2008−016824号公報

Claims (9)

  1. 共通の基板上に、下部反射鏡、活性層を含む共振器構造体、及び上部反射鏡が積層されている複数の発光部と、前記複数の発光部に個別に対応して設けられた複数の電極と、前記複数の発光部と前記複数の電極とを個別に電気的に接続する複数の配線部材とを有する面発光レーザアレイにおいて、
    前記複数の発光部における偏光方向のばらつきが所定の範囲内となるように、少なくとも2つの発光部では、前記基板に直交する方向からみたとき、前記発光部の中心と、該発光部に接続されている前記配線部材の中心線を延長した線との距離が、互いに異なっていることを特徴とする面発光レーザアレイ。
  2. 前記複数の発光部の少なくとも1つは、該発光部の中心と該発光部に接続されている配線部材の中心線を延長した線との距離が0ではなく、
    前記基板に平行な面内で、該発光部の中心を通り、前記偏光方向に平行な直線と該直線に直交する直線によって該発光部を4つの領域に分割したとき、配線部材が接続されている面積が最も大きい領域、又は該領域と対角位置にある領域あるいはその周辺に、配線部材と同じ材料からなる金属部材が設けら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アレイ。
  3. 前記活性層は、内部歪みを有し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アレイ。
  4. 前記基板は、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る基板であることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の面発光レーザアレイ。
  5. 前記複数の発光部は、前記基板に直交する方向を高さ方向とするメサ構造を有し、
    該メサ構造の前記基板に平行な断面の形状は四角形であり、
    該四角形は、前記基板の傾斜軸に平行な辺を有することを特徴とする請求項に記載の面発光レーザアレイ。
  6. 前記上部反射鏡は、アルミニウムを含む被選択酸化層の一部が酸化されて生成された酸化物を少なくとも含む酸化物が電流通過領域を取り囲む狭窄構造体を有し、
    前記基板に直交する方向からみたとき、前記電流通過領域の形状は四角形であり、
    該四角形は、前記基板の傾斜軸方向に平行な辺を有することを特徴とする請求項に記載の面発光レーザアレイ。
  7. 前記四角形は、長方形であることを特徴とする請求項5又は6に記載の面発光レーザアレイ。
  8. 少なくとも1つの像担持体と、
    請求項1〜のいずれか一項に記載の面発光レーザアレイを有する光源を含み、前記少なくとも1つの像担持体を、画像情報に応じて変調された光によって走査する光走査装置と、を備える画像形成装置。
  9. 前記画像情報は、多色の画像情報であることを特徴とする請求項に記載の画像形成装置。

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