JP6052666B2 - Laser printer - Google Patents
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Description
本発明は、レーザプリンタに関する。 The present invention relates to a laser printer.
一般的なレーザプリンタでは、半導体レーザ素子から出射されるレーザビームが、ポリゴンミラー等の機械的な構成によって偏向走査され、感光ドラムに照射される。このようなレーザプリンタにおいては、レーザビームを偏向走査する速度(ポリゴンミラーの回転速度など)又はレーザビームをオンオフさせる変調速度などにより、プリント速度が決まる。 In a general laser printer, a laser beam emitted from a semiconductor laser element is deflected and scanned by a mechanical configuration such as a polygon mirror and irradiated onto a photosensitive drum. In such a laser printer, the printing speed is determined by the speed at which the laser beam is deflected and scanned (such as the rotational speed of the polygon mirror) or the modulation speed at which the laser beam is turned on / off.
レーザプリンタとして、レーザ光源がマルチエミッタ型の半導体レーザ素子とされたものが知られている(例えば特許文献1参照)。マルチエミッタ型の半導体レーザ素子では、1チップ内にm個の発光素子が含まれている。したがって、1チップ内に一つの発光素子のみを含むシングルエミッタ型の半導体レーザ素子が用いられる場合に比して、マルチエミッタ型の半導体レーザ素子が用いられる場合、プリント速度が、理論上、m倍となる。 As a laser printer, one in which a laser light source is a multi-emitter semiconductor laser element is known (see, for example, Patent Document 1). In the multi-emitter semiconductor laser element, m light emitting elements are included in one chip. Therefore, when a multi-emitter type semiconductor laser device is used, the printing speed is theoretically m times higher than when a single-emitter type semiconductor laser device including only one light emitting device is used in one chip. It becomes.
しかしながら、マルチエミッタ型の半導体レーザ素子に含まれるm個の発光素子それぞれでレーザビームをオンオフさせるパルス動作が高速で繰り返された場合には、各発光素子間において電気的及び熱的なクロストークが生じ、各発光素子において、レーザビームのオンオフ制御が適切に行われない虞がある。このため、マルチエミッタ型半導体レーザ素子における各発光素子のレーザビームをオンオフさせるパルス動作は、各発光素子をシングルエミッタ型半導体レーザ素子の発光素子としてそれぞれ用いる場合と比較して、遅くする必要がある。よって、マルチエミッタ型半導体レーザ素子の利点を十分に活かしきれておらず、マルチエミッタ型半導体レーザ素子を採用した場合にもプリント速度の高速化が十分に図られているとは言い難い状況であった。 However, when the pulse operation for turning on / off the laser beam is repeated at high speed in each of the m light emitting elements included in the multi-emitter type semiconductor laser element, electrical and thermal crosstalk occurs between the light emitting elements. As a result, there is a possibility that the on / off control of the laser beam is not appropriately performed in each light emitting element. Therefore, the pulse operation for turning on and off the laser beam of each light emitting element in the multi-emitter type semiconductor laser element needs to be delayed as compared with the case where each light emitting element is used as the light emitting element of the single emitter type semiconductor laser element. . Therefore, the advantages of the multi-emitter semiconductor laser device cannot be fully utilized, and it is difficult to say that the printing speed is sufficiently increased even when the multi-emitter semiconductor laser device is adopted. It was.
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、プリント速度の高速化を図ることが可能なレーザプリンタを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a laser printer capable of increasing the printing speed.
本発明に係るレーザプリンタは、感光体にレーザビームを照射して感光体に潜像を作像する露光手段と、レーザビームの照射位置に対して感光体を相対的に移動させる移動手段と、を有するレーザプリンタであって、露光手段は、下部クラッド層と、上部クラッド層と、下部クラッド層と上部クラッド層との間に介在する活性層と、活性層と上部及び下部クラッド層の少なくともいずれか一方との間に介在するフォトニック結晶層と、活性層の複数の領域に駆動電流を供給するための複数の駆動電極と、を備え、駆動電流の供給により複数の領域からレーザビームを発生させる、端面発光型の半導体レーザ素子を含み、複数の領域は、半導体レーザ素子の光出射端面に平行で且つ活性層が延びる第一方向に並んで位置し、複数の領域で発生したレーザビームの光出射端面からの出射方向が、それぞれ異なっており、半導体レーザ素子と感光体とは、複数の領域から出射されたレーザビームが、感光体における第一方向に平行な方向に沿う異なる位置にそれぞれ照射されるように、配置されており、移動手段は、複数の領域から出射されたレーザビームの照射位置に対して感光体を第一方向に直交する方向に相対的に移動させる、ことを特徴とする。 The laser printer according to the present invention includes an exposure unit that irradiates a photoconductor with a laser beam to form a latent image on the photoconductor, a moving unit that moves the photoconductor relative to the irradiation position of the laser beam, The exposure means includes at least one of a lower clad layer, an upper clad layer, an active layer interposed between the lower clad layer and the upper clad layer, and an active layer and upper and lower clad layers. A photonic crystal layer interposed between them and a plurality of drive electrodes for supplying a drive current to a plurality of regions of the active layer, and generating a laser beam from the plurality of regions by supplying the drive current The plurality of regions are arranged in parallel to the light emitting end surface of the semiconductor laser device and aligned in the first direction in which the active layer extends, and are generated in the plurality of regions. The emission directions of the laser beam from the light emission end face are different from each other, and the laser beam emitted from the plurality of regions differs between the semiconductor laser element and the photoconductor along a direction parallel to the first direction of the photoconductor. The moving means is arranged so as to irradiate each of the positions, and the moving means moves the photosensitive member relative to the irradiation position of the laser beam emitted from the plurality of regions in a direction orthogonal to the first direction. It is characterized by that.
本発明に係るレーザプリンタでは、半導体レーザ素子から出射された出射方向の異なる複数のレーザビームが、感光体における第一方向に平行な方向に沿う異なる位置それぞれに、一括照射される。レーザビームが一括照射されるため、半導体レーザ素子において、パルス動作を高速で繰り返すことなく、プリント速度を向上させることができる。 In the laser printer according to the present invention, a plurality of laser beams having different emission directions emitted from the semiconductor laser elements are collectively irradiated to different positions along a direction parallel to the first direction on the photosensitive member. Since the laser beam is collectively irradiated, the printing speed can be improved in the semiconductor laser element without repeating the pulse operation at a high speed.
複数の領域のうち任意の一つの領域で発生したレーザビームの出射方向よりも、任意の一つの領域と第一方向で隣り合う領域で発生したレーザビームの出射方向が、より第一方向に傾斜していてもよい。この場合、各レーザビームと感光体における照射位置との対応が明確にされ、プリントを確実に且つより適切に行うことができる。 The emission direction of the laser beam generated in the region adjacent to the arbitrary one region in the first direction is more inclined in the first direction than the emission direction of the laser beam generated in any one region of the plurality of regions. You may do it. In this case, the correspondence between each laser beam and the irradiation position on the photosensitive member is clarified, and printing can be performed reliably and more appropriately.
移動手段は、露光手段によって感光体にレーザビームが照射される度に、感光体を第一方向に直交する方向に移動させてもよい。また、感光体は感光ドラムであり、移動手段は、第一方向と平行な方向を回転軸とする回転方向に感光ドラムを回転させてもよい。 The moving unit may move the photoconductor in a direction orthogonal to the first direction every time the photoconductor is irradiated with the laser beam by the exposure unit. The photosensitive member may be a photosensitive drum, and the moving unit may rotate the photosensitive drum in a rotation direction with a direction parallel to the first direction as a rotation axis.
半導体レーザ素子は、フォトニック結晶層の活性層の複数の領域に対応する領域それぞれが、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる2つの周期構造を有しており、2つの周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分は、フォトニック結晶層の活性層の複数の領域に対応する領域毎に異なってもよい。 In the semiconductor laser element, regions corresponding to a plurality of regions of the active layer of the photonic crystal layer have two periodic structures in which arrangement periods of different refractive index portions having different refractive indexes from the surroundings are different from each other. The difference of the reciprocal number of each arrangement period in one periodic structure may differ for every area | region corresponding to the several area | region of the active layer of a photonic crystal layer.
それぞれの駆動電極に対応するフォトニック結晶層内の領域では、異屈折率部の配列周期の逆数の差(出射方向決定因子)が異なる。この差の値は、レーザビームの出射方向を決定する。したがって、双方の領域において、この差(出射方向決定因子)の値が異なるため、レーザビームの出射方向は、各駆動電極に対応する領域で異なることとなる。したがって、各駆動電極への駆動電流の供給を切り替えることにより、異なる方向にレーザビームを出力することができるようになる。 In the region in the photonic crystal layer corresponding to each drive electrode, the difference in the reciprocal of the arrangement period of the different refractive index portions (exit direction determining factor) is different. The difference value determines the laser beam emission direction. Therefore, since the value of this difference (exiting direction determining factor) is different in both regions, the emitting direction of the laser beam is different in the region corresponding to each drive electrode. Therefore, the laser beam can be output in different directions by switching the supply of the drive current to each drive electrode.
半導体レーザ素子は、フォトニック結晶層の活性層の複数の領域に対応する領域それぞれが、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる2つの周期構造を有しており、2つの周期構造におけるそれぞれの配列周期の逆数の差分に応じて、半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、複数の駆動電極の長手方向に対して所定の角度を成す2つ以上のレーザビームが半導体レーザ素子内部で生成され、これらのレーザビームの中で光出射端面に対して屈折角90度未満となるように設定され、光出射端面に向かう別の少なくとも1つが光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たすように設定されていてもよい。 In the semiconductor laser element, regions corresponding to a plurality of regions of the active layer of the photonic crystal layer have two periodic structures in which arrangement periods of different refractive index portions having different refractive indexes from the surroundings are different from each other. Two or more laser beams forming a predetermined angle with respect to the longitudinal direction of the plurality of drive electrodes when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element in accordance with the difference of the reciprocal of each arrangement period in one periodic structure These laser beams are generated inside the laser element and are set to have a refraction angle of less than 90 degrees with respect to the light emitting end face in these laser beams. At least one of the laser beams toward the light emitting end face is totally reflected on the light emitting end face. The critical angle condition may be set.
レーザ素子内部における一方のレーザビームの出射端面への入射角を全反射臨界角以上とすることで、当該レーザビームが外部に出力されないようにすることができる。他方のレーザビームの屈折角は、90度未満であるため、当該レーザビームは光出射端面を介して外部に出力することができる。すなわち、1方向のみにレーザビームを出射することができ、半導体レーザ素子の実用的な用途を広げることができる。 By making the incident angle of the one laser beam inside the laser element to the emission end face be equal to or greater than the total reflection critical angle, the laser beam can be prevented from being output to the outside. Since the refraction angle of the other laser beam is less than 90 degrees, the laser beam can be output to the outside through the light emitting end face. That is, the laser beam can be emitted only in one direction, and the practical application of the semiconductor laser element can be expanded.
半導体レーザ素子は、複数のレーザビームを生成し、生成した複数のレーザビームを同一の方向に出力する発振部と、発振部から同一の方向に出力された複数のレーザビームをそれぞれ異なる方向に偏向して光出射端面から出射させる偏向部と、を有して構成され、発振部は、下部クラッド層と、上部クラッド層と、活性層と、フォトニック結晶層としての第一フォトニック結晶層と、複数の駆動電極と、を含み、偏向部は、第二フォトニック結晶層を含み、第一フォトニック結晶層は、複数の領域に対応する領域にわたり、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が同じとされた周期構造を有し、第二フォトニック結晶層は、複数の領域に対応する領域毎に、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が異なる周期構造を有していてもよい。 The semiconductor laser element generates a plurality of laser beams, outputs the generated plurality of laser beams in the same direction, and deflects the plurality of laser beams output in the same direction from the oscillation unit in different directions. And an oscillating unit comprising a lower cladding layer, an upper cladding layer, an active layer, and a first photonic crystal layer as a photonic crystal layer. A plurality of drive electrodes, the deflection unit includes a second photonic crystal layer, and the first photonic crystal layer has a different refractive index portion having a refractive index different from that of the surrounding region over a region corresponding to the plurality of regions. The second photonic crystal layer has a periodic structure in which the arrangement periods of the different refractive index portions having different refractive indexes from the surroundings are different for each region corresponding to the plurality of regions. Have Good.
本発明では、第一フォトニック結晶層が、複数の領域に対応する領域にわたり、上記異屈折率部の配列周期が同じとされた周期構造を有しているので、発振部からは、複数の駆動電極毎に同一の方向にレーザビームが出力される。第二フォトニック結晶層が、複数の領域に対応する領域毎に、上記異屈折率部の配列周期が異なる周期構造を有しているので、偏向部からは、発振部から同一の方向に出力された各レーザビームがそれぞれ異なる方向に偏向されて、光出射端面から出射される。 In the present invention, the first photonic crystal layer has a periodic structure in which the arrangement period of the different refractive index portions is the same over a region corresponding to a plurality of regions. A laser beam is output in the same direction for each drive electrode. Since the second photonic crystal layer has a periodic structure in which the arrangement period of the different refractive index portions is different for each region corresponding to a plurality of regions, the deflection unit outputs the same direction from the oscillation unit. Each laser beam is deflected in different directions and emitted from the light emitting end face.
本発明では、半導体レーザ素子において、発振部と偏向部とが分かれていると共に、第一フォトニック結晶層が、複数の領域に対応する領域にわたり、上記異屈折率部の配列周期が同じとされた周期構造を有している。このため、発振閾値がレーザビーム毎で一定であり、安定した動作を実現することができる。 In the present invention, in the semiconductor laser element, the oscillation unit and the deflection unit are separated, and the first photonic crystal layer extends over a region corresponding to a plurality of regions, and the arrangement period of the different refractive index portions is the same. Have a periodic structure. For this reason, the oscillation threshold is constant for each laser beam, and stable operation can be realized.
第二フォトニック結晶層は、複数の領域に対応する領域毎で、発振部からのレーザビームの出力方向と同じ方向に透過する光を弱め合う干渉を生じさせると共に、光出射端面からのレーザビームの出射方向に回折する光を強め合う干渉を生じさせてもよい。この場合、偏向部は、確実に、発振部から同一方向に出力された各レーザビームを異なる方向に偏向して光出射端面から出射させることができる。 The second photonic crystal layer causes interference that weakens light transmitted in the same direction as the output direction of the laser beam from the oscillating unit for each region corresponding to the plurality of regions, and the laser beam from the light emitting end surface. Interference that reinforces the light diffracted in the emission direction of the light may be generated. In this case, the deflecting unit can surely deflect each laser beam output in the same direction from the oscillating unit in a different direction and emit it from the light emitting end face.
本発明によれば、プリント速度の高速化を図ることが可能なレーザプリンタを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a laser printer capable of increasing the printing speed.
以下、実施の形態に係るレーザプリンタについて説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。 Hereinafter, the laser printer according to the embodiment will be described. In addition, the same code | symbol shall be used for the same element and the overlapping description is abbreviate | omitted.
まず、図1を参照して、本実施形態に係るレーザプリンタ100の構成について説明する。図1は、実施形態に係るレーザプリンタの概略図である。
First, the configuration of the
図1に示すように、レーザプリンタ100は、半導体レーザ素子10と、制御回路部101と、感光ドラム102と、ビーム整形レンズ部103と、電源104と、を備えている。レーザプリンタ100は、感光ドラム102にレーザビームを照射して感光ドラム102に潜像を作像する露光部と、レーザビームの照射位置に対して感光ドラム102を相対的に移動させる移動部と、を有する。
As shown in FIG. 1, the
レーザプリンタ100は、露光動作(半導体レーザ素子10が感光ドラム102にレーザビームを照射)、現像動作(レーザビームを照射した部分にトナーを付着させる)、転写動作(感光ドラム102上のトナーを印刷用紙に転写)を行うように構成されている。レーザプリンタ100における現像動作及び転写動作は公知のレーザプリンタと同様である。よって、これらの動作については説明を省略することとし、以下では、露光動作に係る構成についての説明を行う。
The
半導体レーザ素子10は、感光ドラム102にレーザビームを照射して感光ドラム102に潜像を作像する。半導体レーザ素子10は、出射方向が異なる複数のレーザビームを出射する。半導体レーザ素子10によるレーザビームの出射は、制御回路部101のレーザ素子電流供給回路部112からの信号に基づいて行われる。
The
以下、図2〜図21を用いて、半導体レーザ素子10の構成について詳細に説明する。
Hereinafter, the configuration of the
図2は、半導体レーザ素子の縦断面図であり、図3は、半導体レーザ素子の平面図である。半導体レーザ素子10は、半導体基板1上に順次形成された下部クラッド層2、下部光ガイド層3A、活性層3B、上部光ガイド層3C、フォトニック結晶層4、上部クラッド層5、コンタクト層6を備えている。半導体基板1の裏面側には、電極E1が全面に設けられており、コンタクト層6上には、複数の駆動電極E2が設けられている。同図では、簡略的に5本の駆動電極E2が示されているが、実際には更に多くの駆動電極E2がコンタクト層6上に設けられる。
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the semiconductor laser element, and FIG. 3 is a plan view of the semiconductor laser element. The
なお、駆動電極E2の形成領域以外のコンタクト層6上の表面は、絶縁膜SHによって覆われている。絶縁膜SHは、例えば、SiNやSiO2から形成することができる。
The surface on the
これらの化合物半導体層の材料/厚みは以下の通りである。なお、導電型の記載のないものは不純物濃度が1015/cm3以下の真性半導体である。なお、不純物が添加されている場合の濃度は、1017〜1020/cm3である。また、下記は本実施の形態の一例であって、活性層3Bおよびフォトニック結晶層4を含む構成であれば、材料系、膜厚、層の構成には自由度を持つ。上部光ガイド層3Cは、上層及び下層の2つの層からなる。
・コンタクト層6:P型のGaAs/50〜500nm
・上部クラッド層5:P型のAlGaAs(Al0.4Ga0.6As)/1.0〜3.0μm
・フォトニック結晶層4:
基本層4A:GaAs/50〜400nm
埋め込み層(異屈折率部)4B:AlGaAs(Al0.4Ga0.6As)/50〜400nm
・上部光ガイド層3C:
上層:GaAs/10〜200nm
下層:p型または真性のAlGaAs/10〜100nm
・活性層3B(多重量子井戸構造):
AlGaAs/InGaAs MQW/10〜100nm
・下部光ガイド層3A:AlGaAs/0〜300nm
・下部クラッド層2:N型のAlGaAs/1.0〜3.0μm
・半導体基板1:N型のGaAs/80〜350μm
The materials / thicknesses of these compound semiconductor layers are as follows. Note that an intrinsic semiconductor having an impurity concentration of 10 15 / cm 3 or less has no conductivity type. In addition, the density | concentration when an impurity is added is 10 < 17 > -10 < 20 > / cm < 3 >. Further, the following is an example of the present embodiment. If the configuration includes the
Contact layer 6: P-type GaAs / 50 to 500 nm
Upper clad layer 5: P-type AlGaAs (Al 0.4 Ga 0.6 As) /1.0 to 3.0 μm
Photonic crystal layer 4:
Buried layer (different refractive index portion) 4B: AlGaAs (Al 0.4 Ga 0.6 As) / 50 to 400 nm
Upper
Upper layer: GaAs / 10-200 nm
Lower layer: p-type or intrinsic AlGaAs / 10 to 100 nm
AlGaAs / InGaAs MQW / 10-100nm
Lower
Lower clad layer 2: N-type AlGaAs / 1.0 to 3.0 μm
・ Semiconductor substrate 1: N-type GaAs / 80 to 350 μm
電極E1の材料としては例えばAuGe/Au、電極E2の材料としては例えばCr/AuやTi/Auを用いることができる。 For example, AuGe / Au can be used as the material of the electrode E1, and Cr / Au or Ti / Au can be used as the material of the electrode E2.
なお、光ガイド層は省略することも可能である。 The light guide layer can be omitted.
この場合の製法において、MOCVD法によるAlGaAsの成長温度は500℃〜850℃であって、実験では550〜700℃を採用し、成長時におけるAl原料としてTMA(トリメチルアルミニム)、ガリウム原料としてTMG(トリメチルガリウム)およびTEG(トリエチルガリウム)、As原料としてはAsH3(アルシン)、N型不純物用の原料としてSi2H6(ジシラン)、P型不純物用の原料としてDEZn(ジエチル亜鉛)を用いることができる。 In the manufacturing method in this case, the growth temperature of AlGaAs by the MOCVD method is 500 ° C. to 850 ° C., and 550 to 700 ° C. is adopted in the experiment. (Trimethylgallium) and TEG (triethylgallium), AsH 3 ( arsine) as the As source, Si 2 H 6 (disilane) as the source for the N-type impurity, and DEZn (diethylzinc) as the source for the P-type impurity be able to.
複数の領域Rは、半導体レーザ素子10の光出射端面LESに平行で且つ、活性層3Bが延びる方向(以下、第一方向D1と記載する場合がある)に並んで位置している。そして、上下の電極E1,E2間に電流を流すと、いずれかの電極E2の直下の複数の領域Rに電流が流れ、この領域Rが発光して、レーザビームLBが基板の側方端面(光出射端面LES)から所定の出射角度で出射される(図3参照)。光出射端面LESから出射される各レーザビームLBは、それぞれで出射方向(出射角度)が異なっている。レーザビームLBの出射方向は、任意の一つの領域で発生したレーザビームよりも、任意の一つの領域と第一方向D1で隣り合う領域で発生したレーザビームのほうが、より第一方向D1に傾斜している。
The plurality of regions R are parallel to the light emitting end surface LES of the
半導体レーザ素子10と感光ドラム102とは、光出射端面LESから出射されたレーザビームLBが、感光ドラム102における第一方向D1に平行な方向に沿う異なる位置にそれぞれ照射されるように配置されている。第一方向D1に平行な方向とはすなわち、感光ドラムの軸方向(行方向)である(図1参照)。半導体レーザ素子10は、感光ドラム102における1行すべての照射位置に対して、同時にレーザビームを一括照射できるように設定されている。半導体レーザ素子10から出射されるレーザビームによる感光ドラム102への一括照射に関しては、後述する制御回路部101の説明において詳細を説明する。
The
駆動電極E2のいずれに駆動電流を供給するかにより、いずれのレーザビームLBが出射されるか(いずれの領域RでレーザビームLBが発生するか)が決定される。なお、駆動電極E2のいずれに駆動電流を供給するかは、制御回路部101のレーザ素子電流供給回路部112からの信号に基づいて決定される。
Which laser beam LB is emitted (in which region R the laser beam LB is generated) is determined depending on which of the drive electrodes E2 is supplied with the drive current. Note that which of the drive electrodes E2 is supplied with the drive current is determined based on a signal from the laser element current
半導体レーザ素子10の平面形状は長方形であり、XYZ三次元直交座標系を設定した場合には、厚み方向をZ軸、幅方向をX軸とし、光出射端面LESに垂直な方向をY軸とする。X軸の方向は、上述した第一方向D1と平行な方向である。XY平面内において、各駆動電極E2の延びている長手方向は、Y軸に平行な直線に対して角度φを成している。すなわち、駆動電極E2の長手方向は、半導体レーザ素子10の厚み方向から見た場合、この半導体レーザ素子10の光出射端面LESの法線(Y軸)に対して、傾斜している。駆動電極E2は、光出射端面LESの位置から逆側の端面に向けて延びているが、半導体レーザ素子10を完全に横断することなく、途中で途切れている。
The planar shape of the
図4は、半導体レーザ素子内部のレーザビームの進行状態を説明するための素子内部の平面図である。 FIG. 4 is a plan view of the inside of the device for explaining the progress of the laser beam inside the semiconductor laser device.
レーザビームは、活性層3B内において発生するが、活性層3Bから染み出した光は、隣接するフォトニック結晶層4の影響を受ける。フォトニック結晶層4内には、周期的屈折率分布構造が形成されている。このフォトニック結晶層により回折を受けた結果、活性層3Bの内部では、波数ベクトルk1〜k4で示されるレーザビームが発生している。波数ベクトルは、向きが波面の法線方向(つまり波の伝播方向)で、大きさが波数となるベクトルのことである。波数ベクトルk1、k2のレーザビームは、光出射端面LESに向かっており、波数ベクトルk4、k3のレーザビームは、これらとは逆の方向に向かっている。
The laser beam is generated in the
波数ベクトルk1、k2のレーザビームは、XY平面内において、Y軸に平行な直線と角度φを成すB方向に対して、それぞれ±δθの角度を成して進行する。なお、B方向は、駆動電極E2の延びている方向である。A方向は、XY平面内において、B方向に垂直な方向である。なお、XYZ直交座標系をZ軸回りにφだけ回転させた座標系をxyz直交座標系とする。この場合、A方向はx軸正方向に一致し、B方向はy軸負方向に一致する。波数ベクトルk1、k2のレーザビームは、光出射端面LESに対して入射して外部に出射しようとするが、それぞれの入射角をθ1、θ2とする。波数ベクトルk1のレーザビームの屈折角はθ3とする。θ3は、90度よりも小さい。すなわち、波数ベクトルk2のレーザビームの入射角θ2は、全反射臨界角以上であり、光出射端面LESにおいて、全反射が生じ、外部には出力されない。一方、波数ベクトルk1のレーザビームの入射角θ1は、全反射臨界角未満であり、光出射端面LESを透過して、外部に出力される。なお、θ4は、光出射端面LESにおいて全反射したレーザビームの進行方向と、Y軸負方向の成す角度であり、90度以上である。 The laser beams of the wave number vectors k1 and k2 travel at an angle of ± δθ with respect to the B direction that forms an angle φ with a straight line parallel to the Y axis in the XY plane. The B direction is the direction in which the drive electrode E2 extends. The A direction is a direction perpendicular to the B direction in the XY plane. A coordinate system obtained by rotating the XYZ orthogonal coordinate system by φ around the Z axis is defined as an xyz orthogonal coordinate system. In this case, the A direction coincides with the positive x-axis direction, and the B direction coincides with the negative y-axis direction. The laser beams of the wave number vectors k1 and k2 enter the light emission end face LES and attempt to exit to the outside. The incident angles are θ1 and θ2, respectively. The refraction angle of the laser beam having the wave vector k1 is θ3. θ3 is smaller than 90 degrees. That is, the incident angle θ2 of the laser beam having the wave number vector k2 is equal to or greater than the total reflection critical angle, and total reflection occurs at the light emitting end face LES and is not output to the outside. On the other hand, the incident angle θ1 of the laser beam with the wave vector k1 is less than the total reflection critical angle, and is transmitted to the outside through the light emitting end face LES. Θ4 is an angle formed by the traveling direction of the laser beam totally reflected on the light emitting end face LES and the negative Y-axis direction, and is 90 degrees or more.
なお、フォトニック結晶層4は、複数のフォトニック結晶領域4Rが集合して形成されている。
Note that the
図5は、単一の周期構造を有するフォトニック結晶領域4Rの平面図である。
FIG. 5 is a plan view of the
フォトニック結晶は、屈折率が周期的に変化するナノ構造体であり、周期に応じて特定の波長の光を特定の方向へ強め合わせる、すなわち回折させることが出来る。この回折を光の閉じ込めに用い、共振器として利用することで、レーザを実現することが出来る。本実施形態のフォトニック結晶層4は、基本層4Aと、基本層4A内に周期的に埋め込まれた埋め込み層(異屈折率部)4Bからなる。
A photonic crystal is a nanostructure whose refractive index changes periodically, and can strengthen or diffract light of a specific wavelength in a specific direction according to the period. By using this diffraction for light confinement and as a resonator, a laser can be realized. The
本実施形態では、閃亜鉛構造の第1化合物半導体(GaAs)からなる基本層4A内に複数の穴Hを周期的に形成し、穴H内に、閃亜鉛構造であって第2化合物半導体(AlGaAs)からなる埋め込み層4Bを成長させてなるフォトニック結晶層4を備えている。もちろん、フォトニック結晶を構成するため、第1化合物半導体と、第2化合物半導体の屈折率は異なる。なお、本実施形態では、第2化合物半導体の方が、第1化合物半導体よりも屈折率が低いが、逆に第1化合物半導体の方が、第2化合物半導体よりも屈折率が低くてもよい。
In this embodiment, a plurality of holes H are periodically formed in the
埋め込み層である異屈折率部4Bは、A方向及びB方向に沿って整列し、2次元周期構造を構成している。ここでは、A方向の異屈折率部4B間のピッチをa1、B方向の異屈折率部4B間のピッチをb1とする。なお、a1=b1であってもよい。AB平面内における各異屈折率部4Bの平面形状として、同図には長方形が示されているが、異屈折率部4Bの平面形状はこれに限定されるものではない。
The different
図6は、図5とは異なる単一の周期構造を有するフォトニック結晶領域4Rの平面図である。
FIG. 6 is a plan view of a
埋め込み層である異屈折率部4Bは、A方向及びB方向に沿って整列し、2次元周期構造を構成している。ここでは、A方向の異屈折率部4B間のピッチをa2、A方向の異屈折率部4B間のピッチをb2とする。なお、a2>a1の関係を満たしている。AB平面内における各異屈折率部4Bの平面形状として、同図にも長方形が示されているが、異屈折率部4Bの平面形状はこれに限定されるものではない。
The different
図7は、複数の周期構造を有するフォトニック結晶領域4Rの平面図である。
FIG. 7 is a plan view of the
すなわち、このフォトニック結晶領域4Rは、図5に示した周期構造と、図6に示した周期構造とを単一のフォトニック結晶領域4Rが含んでおり、周期a1と周期a2を有している。また、同図には、B方向の周期は共にb2(=b1)とすることとしたものが示されている。
That is, the
かかる構造の場合、周期a1の逆数(1/a1)と、a2の逆数(1/a2)との差分に応じて、図4におけるδθが決定される。すなわち、周期a1とa2を決定することで、波数ベクトルk1,k2で示されるレーザビームの進行方向を決定することができる。なお、δθ=sin−1(δk/k)、δk=|π{(1/a1)−(1/a2)}|、k=2π/λである。λは半導体レーザ素子10中のレーザ光の波長、kは半導体レーザ素子10中のレーザ光の波数である。
In the case of such a structure, δθ in FIG. 4 is determined in accordance with the difference between the reciprocal of the period a1 (1 / a1) and the reciprocal of a2 (1 / a2). That is, by determining the periods a1 and a2, it is possible to determine the traveling direction of the laser beam indicated by the wave number vectors k1 and k2. Note that δθ = sin −1 (δk / k), δk = | π {(1 / a1) − (1 / a2)} |, and k = 2π / λ. λ is the wavelength of the laser light in the
本実施形態の場合、上記パラメータθ1、θ2、半導体レーザ素子10中の光の等価屈折率ndevの満たすべき不等式は、次の通りである。
In the case of this embodiment, the inequalities to be satisfied by the parameters θ1 and θ2 and the equivalent refractive index n dev of the light in the
0≦θ1<sin−1(1/ndev) 0 ≦ θ1 <sin −1 (1 / n dev )
θ2≧sin−1(1/ndev) θ2 ≧ sin −1 (1 / n dev )
また、本発明の通りフォトニック結晶全体がφ傾いていることを考慮すると、各パラメータの満たすべき方程式は次の通りとなる。
δθ=φ−sin−1(sinθ3/ndev)
δk=(2π/λ0)sin{φ−sin−1(sinθ3/ndev)}
b1=b2=b0/√(1−sin2δθ)
a1=1/{(δk/2π)+(1/b1)}
a2=1/{(1/b2)−(δk/2π)}
In consideration of the fact that the entire photonic crystal is tilted as in the present invention, equations to be satisfied by the respective parameters are as follows.
δθ = φ−sin −1 (sin θ3 / n dev )
δk = (2π / λ 0 ) sin {φ−sin −1 (sin θ3 / n dev )}
b1 = b2 = b 0 / √ (1-sin 2 δθ)
a1 = 1 / {(δk / 2π) + (1 / b1)}
a2 = 1 / {(1 / b2)-(δk / 2π)}
なお、b0はB方向(格子点の整列方向(異屈折率部の配列方向))に対する基準周期であり、例えば290nm程度である。 B 0 is a reference period with respect to the B direction (the alignment direction of the lattice points (the arrangement direction of the different refractive index portions)), and is, for example, about 290 nm.
すなわち、φは光出射端面LESに垂直な方向に対する異屈折率部の配列方向(B方向)の傾き、θ3はレーザビームの出射角、ndevは半導体レーザ素子10中の光の等価屈折率とし、第1及び第2駆動電極に駆動電流を供給した場合において、第1及び第2駆動電極直下の活性層の第1及び第2領域でそれぞれ発生するレーザビームの共振波長が同一となるように、第1、第2、第3及び第4周期構造(後述)において、基本並進ベクトルに沿った方向のうち一つに関して、その周期b1、b2が、√{1−sin2(φ−sin−1(sinθ3/ndev))}に反比例する。周期の設定を変えることで、出射角θ3を変化させることができる。
That is, φ is the inclination of the arrangement direction (B direction) of the different refractive index portions with respect to the direction perpendicular to the light emitting end face LES, θ3 is the emission angle of the laser beam, and n dev is the equivalent refractive index of the light in the
波数ベクトルk2のレーザビームの全反射条件を満たす場合の全反射臨界角θcは、θc=sin−1(1/ndev)で与えられ、本例の場合は、φ=18.5°、θ2>θc=17.6°である。 The total reflection critical angle θc when the total reflection condition of the laser beam of the wave vector k2 is satisfied is given by θc = sin −1 (1 / n dev ). In this example, φ = 18.5 °, θ2 > Θc = 17.6 °.
図8は、複数の周期構造を有するフォトニック結晶層領域4Rを、複数有するフォトニック結晶領域群4Gの平面図である。フォトニック結晶層領域4Rは、A方向に沿って整列して配置されている。
FIG. 8 is a plan view of a photonic
一番左のフォトニック結晶層領域4Rを領域Δ1、2番目のフォトニック結晶層領域4Rを領域Δ2、2番目のフォトニック結晶層領域4Rを領域Δ3、4番目のフォトニック結晶層領域4Rを領域Δ4、5番目のフォトニック結晶層領域4Rを領域Δ5とする。便宜上、Δ1〜Δ5は、上記周期の逆数のパラメータも示すこととする。
The leftmost photonic
領域Δ1内では、A方向に図7に示した周期a1と周期a2を満たして異屈折率部4Bが配列され、B方向に周期b2で異屈折率部4Bが配列されている。
In the region Δ1, the different
同様に、領域Δ2内では、A方向に周期a1と周期a3を満たして異屈折率部4Bが配列され、B方向に周期b2で異屈折率部4Bが配列されている。
Similarly, in the region Δ2, the different
領域Δ3内では、A方向に周期a1と周期a4を満たして異屈折率部4Bが配列され、B方向に周期b2で異屈折率部4Bが配列されている。
In the region Δ3, the different
領域Δ4内では、A方向に周期a1と周期a5を満たして異屈折率部4Bが配列され、B方向に周期b2で異屈折率部4Bが配列されている。
In the region Δ4, the different
領域Δ5内では、A方向に周期a1と周期a6を満たして異屈折率部4Bが配列され、B方向に周期b2で異屈折率部4Bが配列されている。但し、a1<a2<a3<a4<a5<a6の関係を満たしている。
In the region Δ5, the different
一般式を用いて説明すると、領域ΔN(Nは自然数)が、A方向にそってNの値が小さい順番に左から右に配列されており、領域ΔN内では、A方向に周期a1と、周期a(N+1)を満たして異屈折率部4Bが配列され、B方向に周期b2で異屈折率部4Bが配列され、aN<a(N+1)を満たしている。
If it demonstrates using a general formula, area | region (DELTA) N (N is a natural number) is arranged from left to right in order with small value of N along A direction, and within area | region (DELTA) N, period a1 in A direction, The different
これにより、周期の逆数の差に応じて、異なる方向にレーザビームを出射することができる。 As a result, the laser beam can be emitted in different directions according to the difference in the reciprocal of the period.
図9は、フォトニック結晶領域群4Gを有するフォトニック結晶層の平面図である。
FIG. 9 is a plan view of a photonic crystal layer having the photonic
フォトニック結晶層4内において、各領域Δ1〜Δ5は、順番にA方向に沿って配置されている。各領域Δ1〜Δ5の長手方向はB方向(駆動電極E2の長手方向)に一致している。各駆動電極E2に、選択的に駆動電流を供給する(電極E1と特定の電極E2の間に駆動電圧を印加する)と、光出射端面LESから、それぞれ異なる方向にレーザビームが出射する(図3参照)。
In the
図10は、基準方向(B方向)からの偏向角δθ(各フォトニック結晶領域内の周期の逆数の差に依存)に対するレーザビームの入射角及び出射角を示すグラフである。 FIG. 10 is a graph showing the incident angle and the outgoing angle of the laser beam with respect to the deflection angle δθ from the reference direction (B direction) (depending on the difference in the reciprocal of the period in each photonic crystal region).
周期の逆数の差が大きくなり、角度δθが大きくなると、入射角θ1及びθ2の差が大きくなり、k1ベクトルで示されるレーザビームの屈折角(出射角)が90°から0°まで減少する。φ=18.5°であり、δθは、0°から18.5°まで変化させた。半導体レーザ素子10中の光の等価屈折率ndevは3.3とした。角度δθを調整することで、目的とするレーザビームの出射角は広い範囲で調整することができる。一方、k2ベクトルで示されるレーザビームではδθの値に拘らず、θ2は常に全反射臨界角を超えているため、常に全反射を生じ、外部には出力されない。
When the difference in the reciprocal of the period increases and the angle δθ increases, the difference between the incident angles θ1 and θ2 increases, and the refraction angle (emission angle) of the laser beam indicated by the k1 vector decreases from 90 ° to 0 °. φ = 18.5 °, and δθ was changed from 0 ° to 18.5 °. The equivalent refractive index n dev of light in the
図11は、様々な形状の異屈折率部(構造体)4Bの平面図である。 FIG. 11 is a plan view of various refractive index portions (structures) 4B having various shapes.
上記では、異屈折率部4BのAB平面(XY平面)内における形状として長方形(A)のものを示したが、これは正方形(B)、楕円形又は円形(C)とすることもでき、二等辺や正三角形(D)とすることもできる。また、三角形の向きとして、底辺がA方向に平行なもの(D)の他、底辺がB方向に平行なもの(E)、(D)に示す三角形を180度回転させたもの(F)とすることもできる。なお、いずれの図形も回転や寸法比率の変更を行うことができる。なお、これらの図形の配列周期は、各図形の重心間の距離を用いることができる。
In the above, a rectangular (A) shape is shown as the shape in the AB plane (XY plane) of the different
なお、2つの周期構造を重畳させるにあたり、周期が異なることにより孔の個数に差異が生じるため、2つの周期構造による回折強度に差が生じる。これを低減するため、周期a1の構造に対してはA方向の形状長さをa1/b1倍し、周期a2の構造に対してはA方向の形状長さをa2/b2(=b1)倍することが効果的である。 Note that, when the two periodic structures are overlapped, a difference in the number of holes due to a difference in the period causes a difference in diffraction intensity between the two periodic structures. In order to reduce this, the shape length in the A direction is multiplied by a1 / b1 for the structure of the period a1, and the shape length in the A direction is multiplied by a2 / b2 (= b1) for the structure of the period a2. It is effective to do.
図12は、半導体レーザ素子の縦断面図である。 FIG. 12 is a longitudinal sectional view of the semiconductor laser element.
図2に示したものとの相違点は、クラッド層2と光ガイド層3A(活性層3B)との間に、第2のフォトニック結晶層4’を備えている点のみである。なお、第2のフォトニック結晶層4’は、第1のフォトニック結晶層4と同じ材料からなる基本層4A’と異屈折率部4B’とを備えている。
The only difference from that shown in FIG. 2 is that a second photonic crystal layer 4 'is provided between the
図2に示したフォトニック結晶層4を第1のフォトニック結晶層とすると、このフォトニック結晶層4は、図5に示した単一の周期構造を有する屈折率分布構造を有しており、第2のフォトニック結晶層4’は、図6に示した周期a2の単一の周期構造のほか、各領域内の周期がa3〜a4となるものを、A方向に並べた屈折率分布構造を有している。すなわち、半導体レーザ素子10の厚み方向から、これらのフォトニック結晶層4,4’の重なりを見ると、図8に示したものと同様に、領域Δ1〜領域Δ5が、A方向に沿って整列していることになる。かかる構造の場合においても、各パラメータを上記のように設定することにより、図2に示した構造と同様の作用効果を得ることができる。
When the
なお、かかる構造を製造する場合、クラッド層2の形成後に、第1のフォトニック結晶層4と同様の製造方法を行い(但し、異屈折率部4Bが形成された時点で成長を停止する)、しかる後、この上に、光ガイド層3A以降の各層を、上述の製造方法と同様に製造すればよい。
In the case of manufacturing such a structure, after the formation of the
また、2つの屈折率周期構造を含む第1のフォトニック結晶層4と同一の構造の第2のフォトニック結晶層4’を、第1のフォトニック結晶層4に代えて用いた構造であっても、同様の効果を奏する。
Further, the second
以上、説明したように、上述の半導体レーザ素子10は、端面発光型の半導体レーザ素子10であって、基板1上に形成された下部クラッド層2と、上部クラッド層5と、下部クラッド層2と上部クラッド層5との間に介在する活性層3B(光ガイド層を含んでもよい)と、活性層3Bと上部及び下部クラッド層の少なくともいずれか一方との間に介在するフォトニック結晶層4,4’と、活性層3Bの第1領域R(1つの駆動電極E2の直下領域)に駆動電流を供給するための第1駆動電極E2と、を備え、第1駆動電極E2の長手方向は、半導体レーザ素子10の厚み方向から見た場合、この半導体レーザ素子10の光出射端面LESの法線(Y軸)に対して、傾斜しており、フォトニック結晶層4,4’の第1領域Rに対応する領域Δ1は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる第1及び第2の周期構造を有しており、第1及び第2の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期(a1、a2)の逆数の差分に応じて、半導体レーザ素子10の厚み方向から見た場合、第1駆動電極E2の長手方向(B方向)に対して所定の角度(δθ)を成す2つのレーザビームが半導体レーザ素子10内部で生成され、これらのレーザビームの一方のみは、全反射条件を満たすように設定され、他方の屈折角θ3は90度未満となるように設定されることを特徴とする。
As described above, the
すなわち、端面発光型のレーザ素子において、第1駆動電極E2への駆動電流の供給による発光に関して、レーザ素子内部における一方のレーザビームの光出射端面LESへの入射角θを全反射臨界角以上とすることで、当該レーザビームが外部に出力されないようにすることができる。他方のレーザビームの屈折角θ3は、90度未満であるため、当該レーザビームは光出射端面LESを介して外部に出力することができる。 That is, in the edge-emitting laser element, with respect to light emission by supplying a drive current to the first drive electrode E2, the incident angle θ of one laser beam inside the laser element to the light emission end face LES is set to be equal to or greater than the total reflection critical angle. By doing so, the laser beam can be prevented from being output to the outside. Since the refraction angle θ3 of the other laser beam is less than 90 degrees, the laser beam can be output to the outside through the light emitting end face LES.
また、本発明の態様に係る半導体レーザ素子10は、活性層3Bの第2領域R(2番目の駆動電極E2の直下の領域)に駆動電流を供給するための第2駆動電極E2を更に備え、第2駆動電極E2の長手方向(B方向)は、半導体レーザ素子10の厚み方向から見た場合、この半導体レーザ素子10の光出射端面LESの法線(Y軸)に対して、傾斜しており、フォトニック結晶層の前記第2領域に対応する領域Δ2は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに第3及び第4の周期構造を有しており、前記第3及び第4の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期(a1,a3)の逆数の差分に応じて、半導体レーザ素子10の厚み方向から見た場合、第2駆動電極E2の長手方向に対して所定の角度δθを成す2つのレーザビームが半導体レーザ素子10内部で生成され、これらのレーザビームの一方のみは、光出射端面LESにおいて全反射するように設定され、他方の屈折角θ3は90度未満となるように設定され、第1及び第2の周期構造におけるそれぞれの配列周期(a1,a2)の逆数の差分は、第3及び第4の周期構造におけるそれぞれの配列周期(a1,a3)の逆数の差分とは異なる。
The
端面発光型のレーザ素子において、第2駆動電極E2への駆動電流の供給による発光に関して、レーザ素子内部における一方のレーザビームの光出射端面LESへの入射角を全反射臨界角以上とすることで、当該レーザビームが外部に出力されないようにすることができる。他方のレーザビームの屈折角は、90度未満であるため、当該レーザビームは光出射端面LESを介して外部に出力することができる。 In the edge-emitting laser element, regarding the light emission by supplying the drive current to the second drive electrode E2, the incident angle of the one laser beam inside the laser element to the light emitting end face LES is set to be equal to or greater than the total reflection critical angle. The laser beam can be prevented from being output to the outside. Since the refraction angle of the other laser beam is less than 90 degrees, the laser beam can be output to the outside through the light emitting end face LES.
なお、左から3番目以降の駆動電極E2に関しても同様の作用効果がある。 It should be noted that the same effect is obtained with respect to the third and subsequent drive electrodes E2 from the left.
ここで、それぞれの駆動電極に対応するフォトニック結晶層4,4’内の領域では、異屈折率部4Bの配列周期の逆数の差(出射方向決定因子)が異なる。この差の値は、レーザビームの出射方向を決定する。したがって、双方の領域において、この差(出射方向決定因子)の値が異なるため、レーザビームの出射方向は、第1駆動電極E2に対応する領域Δ1と、第2駆動電極E2に対応する領域Δ2では異なることとなる。それぞれの領域で発生する一対のレーザビームのうち、一方は全反射臨界角以上で光出射端面LESに入射するため、外部には出射されない。したがって、各駆動電極への駆動電流の供給を切り替えることにより、異なる方向に1方向のレーザビームのみを出力することができるようになる。
Here, in the regions within the
なお、本実施例では周期の異なるフォトニック結晶としてA方向とB方向の周期が(b1,b1)の正方格子をベースとし、第1周期構造として周期が(a1,b1)の長方格子、第2周期構造として周期が(a2,b1)の長方格子の場合について説明したが、もちろん三角格子をベースとしてA方向の周期を互いに異ならせた構造を用いても良い。 In this embodiment, a photonic crystal having a different period is based on a square lattice having a period (b1, b1) in the A direction and the B direction, and a rectangular lattice having a period (a1, b1) as the first periodic structure. Although the case of a rectangular lattice with a period of (a2, b1) has been described as the second periodic structure, it is of course possible to use a structure in which the periods in the A direction are different from each other based on a triangular lattice.
図13は、図4に示した平面図の天地を反転させ、出射されるビームの屈折角θ3を若干変更して示した素子内部の平面図である。図4においても同様である。 FIG. 13 is a plan view of the inside of the element shown by inverting the top and bottom of the plan view shown in FIG. 4 and slightly changing the refraction angle θ3 of the emitted beam. The same applies to FIG.
xyz直交座標系は、XYZ直交座標系をZ軸の周りに角度+φだけ回転させた座標系であり、+x方向は+A方向に一致し、+y方向は−B方向に一致する。フォトニック結晶の孔のパターンの配列は、光出射端面LESに対して角度φだけ傾斜している。図示のように、波数ベクトルk2の反射方向(波数ベクトルk2’のレーザビーム進行方向)と光出射端面LESの成す角度をθ2’、波数ベクトルk1のレーザビームの反射方向(波数ベクトルk1’のレーザビーム進行方向)と光出射端面LESとの成す角度をθ3’とする。 The xyz orthogonal coordinate system is a coordinate system obtained by rotating the XYZ orthogonal coordinate system around the Z axis by an angle + φ, and the + x direction coincides with the + A direction and the + y direction coincides with the −B direction. The arrangement of photonic crystal hole patterns is inclined by an angle φ with respect to the light emitting end face LES. As shown in the figure, the angle formed by the reflection direction of the wave vector k2 (the laser beam traveling direction of the wave vector k2 ′) and the light emitting end face LES is θ2 ′, and the reflection direction of the laser beam of the wave vector k1 (the laser of the wave vector k1 ′). The angle formed between the beam traveling direction) and the light exit end face LES is defined as θ3 ′.
上述の実施形態では、素子から出射されるレーザビーム数が1本となるように、波数ベクトルk2のレーザビームに関しては、光出射端面LESにおいて全反射されるように、設定した。しかしながら、このレーザビームのパワーを、素子内部において再利用することができれば、電気エネルギーからレーザビームへのエネルギー変換効率が高くなるものと考えられる。そこで、反射したレーザビームY2’を内部で再利用できる条件について、検討する。なお、波数ベクトルk1、k2、k3、k4、k1’、k2’に対応するレーザビーム(主要光波とする)を、それぞれY1、Y2、Y3、Y4、Y1’、Y2’とし、これらは光波のベクトルも示しているものとする。また、X軸と主要光波Y4との成す角度をθt、X軸と主要光波Y3との成す角度をθrとする。 In the embodiment described above, the laser beam having the wave number vector k2 is set so as to be totally reflected at the light emitting end face LES so that the number of laser beams emitted from the element is one. However, if the power of the laser beam can be reused inside the device, the energy conversion efficiency from electric energy to the laser beam is considered to increase. Therefore, the conditions under which the reflected laser beam Y2 'can be reused are examined. The laser beams (main light waves) corresponding to the wave number vectors k1, k2, k3, k4, k1 ′, and k2 ′ are Y1, Y2, Y3, Y4, Y1 ′, and Y2 ′, respectively. Also assume that the vector is shown. In addition, an angle formed between the X axis and the main light wave Y4 is θt, and an angle formed between the X axis and the main light wave Y3 is θr.
各パラメータθt、θr、θ2’、θ3’は、以下の関係式を満たしている。なお、β0、β1、β2はそれぞれ、B方向における基本逆格子ベクトル、第1周期構造のA方向における基本逆格子ベクトル、第2周期構造のA方向における基本逆格子ベクトルを意味するものとし、β0=2π/b1(=b2)、β1=2π/a1、β2=2π/a2、Δβ=β2−β1、α=β0/Δβとする。 Each parameter θt, θr, θ2 ′, θ3 ′ satisfies the following relational expression. Β 0 , β 1 , and β 2 mean a basic reciprocal lattice vector in the B direction, a basic reciprocal lattice vector in the A direction of the first periodic structure, and a basic reciprocal lattice vector in the A direction of the second periodic structure, respectively. [Beta] 0 = 2 [pi] / b1 (= b2), [beta] 1 = 2 [ pi] / a1, [beta] 2 = 2 [ pi] / a2, [Delta] [beta] = [beta] 2- [ beta] 1 , and [alpha] = [beta] 0 / [Delta] [beta].
角度θrについて説明すると、図14に示すように、xy座標系において、原点OからP点(βx,βy)に向かうベクトルが、x軸と成す角度θβ=tan−1(βy/βx)で与えられる。ここで、θtはθβにおいて、βx=(1/2)×Δβ、βy=β0として、角度φを加えた場合であるから、(式1)で与えられる。残りのパラメータも同様に計算され、(式2)〜(式4)で与えられる。
θt=tan−1(2α)+φ …(式1)
θr=180°−tan−1(2α)+φ …(式2)
θ2’=tan−1(2α)−φ …(式3)
θ3’=180°−tan−1(2α)−φ …(式4)
The angle θr will be described. As shown in FIG. 14, in the xy coordinate system, a vector from the origin O to the point P (βx, βy) is given by an angle θβ = tan −1 (βy / βx) formed with the x axis. It is done. Here, [theta] t in θβ, βx = (1/2) × Δβ, as [beta] y = beta 0, since it is the case of adding the angle phi, is given by (Equation 1). The remaining parameters are calculated in the same manner and are given by (Equation 2) to (Equation 4).
θt = tan −1 (2α) + φ (Expression 1)
θr = 180 ° −tan −1 (2α) + φ (Expression 2)
θ2 ′ = tan −1 (2α) −φ (Expression 3)
θ3 ′ = 180 ° −tan −1 (2α) −φ (Expression 4)
何らの付加的な構造が存在しない場合、全反射した主要光波Y2’が、レーザ光共振に寄与するためには、主要光波Y2’の角度θ2’と角度θtが一致する必要がある(θ2’=θt)。この場合、φ=0となる。また、反射した主要光波Y1’の角度θ3’と角度θrが一致する必要がある(θ3’=θr)。この場合、φ=0となる。一方、2つの主要光波Y1,Y2のうち、一方を全反射させるためには、φ≠0である必要がある。したがって、出力されるビーム数を1本となるように全反射を行った場合には、光出射端面LESにて反射した主要光波をレーザ光共振に有効に寄与させることはできない。
In the absence of any additional structure, in order for the totally reflected main light wave Y2 ′ to contribute to laser light resonance, the angle θ2 ′ of the main light wave Y2 ′ needs to match the angle θt (θ2 ′). = Θt). In this case, φ = 0. Further, the angle θ3 ′ and the angle θr of the reflected main light wave Y1 ′ need to coincide with each other (θ3 ′ = θr). In this case, φ = 0. On the other hand, in order to totally reflect one of the two main light waves Y1 and Y2, it is necessary that
したがって、反射光を利用可能な付加的な構造について検討する。 Therefore, an additional structure that can use reflected light is examined.
図15は、xy座標系における主要光波の向きを示すグラフである。xy座標系におけるx軸は、X軸に対して角度φだけ回転している。 FIG. 15 is a graph showing the directions of main light waves in the xy coordinate system. The x axis in the xy coordinate system is rotated by an angle φ with respect to the X axis.
反射光としての主要光波Y2’を、共振に供する主要光波Y4に一致させるためには、光波Y2’の向きを角度2φだけ回転させればよい。xy座標系における主要光波Y4を示すベクトルの先端P4の座標は(Δβ/2,β0)であり、主要光波Y2’を示すベクトルの先端P2’の座標は、これを−2φだけ回転した座標である。 In order to make the main light wave Y2 ′ as reflected light coincide with the main light wave Y4 subjected to resonance, the direction of the light wave Y2 ′ may be rotated by an angle 2φ. The coordinates of the tip P4 of the vector indicating the main light wave Y4 in the xy coordinate system are (Δβ / 2, β 0 ), and the coordinates of the tip P2 ′ of the vector indicating the main light wave Y2 ′ are coordinates obtained by rotating this by −2φ. It is.
一方、XY座標系においては、xy座標系のベクトルY4(先端P4)の座標(Δβ/2,β0)は、これを+φだけ回転した座標(XA,YA)に変換され、ベクトルY2’の座標は、xy座標系のベクトルY4の座標を−φだけ回転した座標(XB,YB)に変換される。
(XA,YA)=(Δβcosφ/2−β0sinφ,Δβsinφ/2+β0cosφ
) …(式5)
(XB,YB)=(Δβcosφ/2+β0sinφ,−Δβsinφ/2+β0cos
φ) …(式6)
On the other hand, in the XY coordinate system, the coordinates (Δβ / 2, β 0 ) of the vector Y4 (tip P4) in the xy coordinate system are converted into coordinates (XA, YA) rotated by + φ, and the vector Y2 ′ The coordinates are converted into coordinates (XB, YB) obtained by rotating the coordinates of the vector Y4 in the xy coordinate system by −φ.
(XA, YA) = (Δβcosφ / 2-
... (Formula 5)
(XB, YB) = (Δβcosφ / 2 + β 0 sinφ, −Δβsinφ / 2 + β 0 cos
φ) (Formula 6)
ベクトルΔYに等しい逆格子ベクトルが存在すれば、主要光波Y2’が主要光波Y4に結合する。すなわち、ベクトルY2’に、ベクトルΔYを加えれば、ベクトルY4となる。ベクトルΔYは以下のように表され、このベクトルΔYに等しい逆格子ベクトルを有する新たな周期構造を付加的に採用すれば、全反射した光波Y2’を共振に寄与させることができる。
ΔY=(XA−XB,YA−YB)=(−2β0sinφ,Δβsinφ)
If there is a reciprocal lattice vector equal to the vector ΔY, the main light wave Y2 ′ is coupled to the main light wave Y4. That is, the vector Y4 is obtained by adding the vector ΔY to the vector Y2 ′. The vector ΔY is expressed as follows. If a new periodic structure having a reciprocal lattice vector equal to the vector ΔY is additionally employed, the totally reflected light wave Y2 ′ can be contributed to resonance.
ΔY = (XA−XB, YA−YB) = (− 2β 0 sinφ, Δβsinφ)
なお、この新たな周期構造は、異屈折率部がストライプ状に配置されていることが好ましい。ストライプ状の周期構造は、光結合係数の異方性が高く、共振状態のY1,Y2が受ける影響を小さくすることができる。 In this new periodic structure, it is preferable that the different refractive index portions are arranged in a stripe shape. The stripe-shaped periodic structure has a high anisotropy of the optical coupling coefficient and can reduce the influence of the resonance state Y1 and Y2.
図16は、活性層3B内の主要光波について説明する素子内部の平面図である。
FIG. 16 is a plan view of the inside of the device for explaining main light waves in the
XY平面と光出射端面LESとの交線はX軸に一致している。上述のベクトルΔYが存在する場合には、座標P2’に先端がある光波Y2’の波数ベクトルは座標P4に先端がある光波Y4の波数ベクトルに変換される。ベクトルΔYに垂直な直線をLとする。新たな周期構造は、活性層3B内において、光波が直線Lに垂直な方向に進行するように設定すればよい。活性層3B内の光波の進行方向を制御するため、これに光学的に結合している回折格子層のパターンを制御する。上述の図12においては、上下のフォトニック結晶層(回折格子層)4,4’を備えることとした。このような構造の場合において、上述の全反射を達成するフォトニック結晶層を上部の回折格子層4内に作製し、反射光を共振に利用するための上記新たな周期構造を回折格子層4’内に作製することができる(もちろん、これらの周期構造はどちらか一方、或いは両方の層に重畳して作製してもよい)。
The line of intersection between the XY plane and the light emitting end face LES coincides with the X axis. When the above-described vector ΔY exists, the wave vector of the light wave Y2 'having the tip at the coordinate P2' is converted into the wave vector of the light wave Y4 having the tip at the coordinate P4. Let L be a straight line perpendicular to the vector ΔY. The new periodic structure may be set so that the light wave travels in a direction perpendicular to the straight line L in the
図17(A)は、上記ベクトルΔYを与える周期構造を有する回折格子層4’の平面図であり、図17(B)は、そのXZ平面内の断面図である。
FIG. 17A is a plan view of a
回折格子層4’は、XY平面内において、直線Lに沿ってストライプ状に延びた基本層4A’と異屈折率部4B’とを備えており、これらの屈折率は異なっている。異屈折率部4B’は、周期的に基本層4A’内に埋め込まれている。これにより、回折格子層4’内に、ストライプ状の周期的屈折率分布構造が形成され、ΔYの方向に光波は進行させる回折格子層として機能する。直線Lに垂直な方向に沿った基本層4A’の幅がこの周期構造の周期Λに対して占める割合を変化させることにより、本ストライプ状周期的屈折率分布構造による回折の強度を変化させることが出来る。逆格子空間におけるΔYの逆格子ベクトルの長さL2、周期Λ、直線LとX軸との成す角度θは、以下のように与えられる。
The diffraction grating layer 4 'includes a
L2={(2β0sinφ)2+(Δβsinφ)2}1/2 …(式7)
Λ=2π/L2
=1/{(2sinφ/ay)2+((1/aII−1/aI)sinφ)2}1/2 …(式8)
θ=θt−φ
=tan−1(2α)
=tan−1{(2/ay)/(1/aII−1/aI)} …(式9)
L2 = {(2β 0 sin φ) 2 + (Δβ sin φ) 2 } 1/2 (Expression 7)
Λ = 2π / L2
= 1 / {( 2 sin φ / a y ) 2 + ((1 / a II −1 / a I ) sin φ) 2 } 1/2 (Expression 8)
θ = θt−φ
= Tan -1 (2α)
= Tan −1 {(2 / a y ) / (1 / a II −1 / a I )} (Equation 9)
なお、β0=2π/ay、β1=2π/aI、β2=2π/aIIであり、ayはB方向の周期、aIは第1周期構造のA方向の周期、aIIは第2周期構造のA方向の周期を示している。 Β 0 = 2π / a y , β 1 = 2π / a I , β 2 = 2π / a II , a y is the period in the B direction, a I is the period in the A direction of the first periodic structure, a II shows the period in the A direction of the second periodic structure.
図18は、レーザビーム出射角(屈折角)θ3と、ストライプの角度θ、周期Λの関係を示すグラフであり、図19は、このグラフに用いられるデータを示す図表である。θ(°)のデータの縦軸はグラフの左側に示し、Λ(nm)のデータの縦軸はグラフの右側に示す。 FIG. 18 is a graph showing the relationship between the laser beam emission angle (refraction angle) θ3, the stripe angle θ, and the period Λ, and FIG. 19 is a chart showing data used in this graph. The vertical axis of the θ (°) data is shown on the left side of the graph, and the vertical axis of the Λ (nm) data is shown on the right side of the graph.
レーザビームの出射角θ3が大きくなるにつれて、ストライプの角度θは増加し、周期Λは小さくなることが分かる。同グラフでは、角度θ3を0°から70°まで増加させた場合に、角度θは84.27°から89.54°まで増加し、周期Λは486.08nmから463.43nmまで減少しているが、現実的に実施可能な数値範囲内に収まっている。 It can be seen that as the laser beam emission angle θ3 increases, the stripe angle θ increases and the period Λ decreases. In the graph, when the angle θ3 is increased from 0 ° to 70 °, the angle θ increases from 84.27 ° to 89.54 °, and the period Λ decreases from 486.08 nm to 463.43 nm. However, it is within the practically feasible numerical range.
なお、図12において、全反射用の周期パターンを双方のフォトニック結晶層4,4’内に作製している場合には、これらとは別に、上記ΔYを与える新たな周期構造の回折格子層4”(構造は図17の場合の回折格子層4’と同一)を、上部クラッド層5と回折格子層4との間に作製することができる(図20(A))。或いは、上記ΔYを与える新たな周期構造の回折格子層4”(構造は図17の場合の回折格子層4’と同一)を下部クラッド層2と回折格子層4’との間に形成すればよい(図20(B))。このように、上記例では、全反射臨界角条件を満たすことで、光出射端面LESによって反射されたレーザビームを、活性層内部で共振するレーザビームに結合させ、共振に寄与させる回折格子構造(図17、図20の回折格子層)を更に備えている。この場合、エネルギー利用効率が高くなる。
In FIG. 12, when a periodic pattern for total reflection is formed in both
図21は、様々な周期構造を有するフォトニック結晶層4の平面図である。いずれのフォトニック結晶層4においても、基本層4A内に周期的に異屈折率部4Bが埋め込まれている。図21(A)には正方格子、図21(B)には長方格子、図21(C)には三角格子、図21(D)には面心長方格子が示されている。上述のように、フォトニック結晶層4においては、周期の異なる2つの周期構造を1つのフォトニック結晶層4内に重畳して含むか、或いは、2つのフォトニック結晶層4,4’内にそれぞれ含ませて平面視において重畳させる構成を採用する。これらの図では、重畳前の各周期構造の例を示しており、2種類の周期構造を、それぞれの基本並進ベクトル(矢印で示す)の向きが一致するように重ねて配置する。
FIG. 21 is a plan view of the
詳細には、図21(A)のフォトニック結晶層4では、正方格子の格子点位置に、異屈折率部4Bが配置されている。正方格子は、正方形を隙間無く並べてできる形状であり、1つの格子を構成する正方形の一方の辺の長さaは、他方の辺の長さbに等しい。換言すれば、異屈折率部4Bの横方向の配列周期aは、縦方向の配列周期bに等しい。ここで、図中矢印は格子の基本並進ベクトルを表している。これら基本並進ベクトルの整数倍の線形和だけパターンを平行移動させても、元のパターンと重なる。すなわち、この格子系ではこの基本並進ベクトルで規定される並進対称性を有している。
Specifically, in the
図21(B)のフォトニック結晶層4では、長方格子の格子点位置に、異屈折率部4Bが配置されている。縦横の長さの異なる長方格子は、長方形を隙間無く並べてできる形状であり、1つの格子を構成する長方形の一方の辺の長さaは、他方の辺の長さbとは異なる。換言すれば、異屈折率部4Bの横方向の配列周期aは、縦方向の配列周期bとは異なる。ここで、図中矢印は格子の基本並進ベクトルを表している。これら基本並進ベクトルの整数倍の線形和だけパターンを平行移動させても、元のパターンと重なる。すなわち、この格子系ではこの基本並進ベクトルで規定される並進対称性を有している。
In the
図21(C)のフォトニック結晶層4では、三角格子の格子点位置に、異屈折率部4Bが配置されている。三角格子は、三角形を隙間無く並べてできる形状であり、1つの格子を構成する三角形の底辺の長さをa、高さをbとする。三角形が正三角形である場合には、底辺の長さaは換言すれば、異屈折率部4Bの横方向の配列周期aは、縦方向の配列周期bはaの√2倍となる。ここで、図中矢印は格子の基本並進ベクトルを表している。これら基本並進ベクトルの整数倍の線形和だけパターンを平行移動させても、元のパターンと重なる。すなわち、この格子系ではこの基本並進ベクトルで規定される並進対称性を有している。
In the
図21(D)のフォトニック結晶層4では、面心長方格子の格子点位置に、異屈折率部4Bが配置されている。面心長方格子は、長方格子の各格子内の中央位置に付加的に格子点を備える格子であり、長方格子自体は長方形を隙間無く並べてできている。ここで、図中矢印は格子の基本並進ベクトルを表している。これら基本並進ベクトルの整数倍の線形和だけパターンを平行移動させても、元のパターンと重なる。すなわち、この格子系ではこの基本並進ベクトルで規定される並進対称性を有している。
In the
なお、上述のように、A軸はX軸に対して傾斜しており、これらは平行ではない。換言すれば、図2〜図21において説明したフォトニック結晶層4は、いずれにおいても、半導体レーザ素子10の厚み方向から見た場合、フォトニック結晶層4における異屈折率部4Bは、その格子構造の格子点位置に配置されており、格子構造の基本並進ベクトル(A軸、B軸)の方向は、光出射端面LES(図4参照)に平行な方向(X軸)とは異なっている。この場合、傾きを一定以上にすることで一方のレーザビームが全反射臨界角条件を満たすことができる。
As described above, the A axis is inclined with respect to the X axis, and these are not parallel. In other words, in any of the
また、フォトニック結晶層の格子構造は、その厚み方向から見た場合、正方格子と長方格子、長方格子と長方格子、三角格子と面心長方格子、面心長方格子と面心長方格子など、正方格子、長方格子、三角格子、又は、面心長方格子の組み合わせにより構成していることができる。つまり、上記に示した1つの格子に対して、ある一方向に関してピッチが異なる格子を組み合わせて構成することが出来る。 The lattice structure of the photonic crystal layer, when viewed from the thickness direction, is a square lattice and a rectangular lattice, a rectangular lattice and a rectangular lattice, a triangular lattice and a face-centered rectangular lattice, a face-centered rectangular lattice and a surface. It can be constituted by a combination of a square lattice, a rectangular lattice, a triangular lattice, or a face-centered rectangular lattice, such as a centered rectangular lattice. That is, it is possible to configure a single grating as described above by combining gratings having different pitches in one direction.
上述の正方格子(図21(A))と、長方格子(図21(B))を重畳させる場合、フォトニック結晶層4(或いは4,4’)には正方格子及び長方格子の結晶構造が含まれていることとなり、正孔格子の一方の軸方向の周期をa1、この一方の軸に直交する軸方向の周期をb1、長方格子の一方の軸方向の周期をa2、この一方の軸に直交する軸方向の周期をb2とした場合、a1=b1、a1≠a2、b1=b2を満たすことができる。この場合、フォトニック結晶層面内には互いに直交しない斜め光波による定在波状態が形成され、この斜め光波が互いに成す角度がa1とa2の差分に応じて変化するという効果がある。 When the above-described square lattice (FIG. 21A) and the square lattice (FIG. 21B) are overlapped, the photonic crystal layer 4 (or 4, 4 ′) has a tetragonal lattice and a rectangular lattice of crystals. A period of one axial direction of the hole lattice is a1, a period of the axial direction perpendicular to the one axis is b1, a period of one axial direction of the rectangular lattice is a2, When the period in the axial direction orthogonal to one of the axes is b2, a1 = b1, a1 ≠ a2, and b1 = b2 can be satisfied. In this case, a standing wave state is formed in the photonic crystal layer surface by oblique light waves that are not orthogonal to each other, and the angle formed by the oblique light waves changes according to the difference between a1 and a2.
また、2つの長方格子(図21(B))を重畳させる場合、フォトニック結晶層4(或いは4,4’)には第1及び第2の長方格子の結晶構造が含まれており、第1の長方格子の一方の軸方向の周期をa1、この一方の軸に直交する軸方向の周期をb1、第2の長方格子の一方の軸方向の周期をa2、この一方の軸に直交する軸方向の周期をb2とした場合、a1≠a2、b1=b2を満たすことができる。この場合、フォトニック結晶層面内には互いに直交しない斜め光波による定在波状態が形成され、この斜め光波が互いに成す角度がa1とa2の差分に応じて変化するという効果がある。 When two rectangular lattices (FIG. 21B) are overlapped, the photonic crystal layer 4 (or 4, 4 ′) includes the crystal structures of the first and second rectangular lattices. , The period of one axial direction of the first rectangular lattice is a1, the period of the axial direction orthogonal to the one axis is b1, the period of one axial direction of the second rectangular lattice is a2, When the period in the axial direction orthogonal to the axis is b2, a1 ≠ a2 and b1 = b2 can be satisfied. In this case, a standing wave state is formed in the photonic crystal layer surface by oblique light waves that are not orthogonal to each other, and the angle formed by the oblique light waves changes according to the difference between a1 and a2.
また、2つの面心長方格子(図21(D))を重畳させる場合、フォトニック結晶層4(或いは4,4’)には、第1及び第2の面心長方格子の結晶構造が含まれており、第1の面心長方格子の一方の軸方向の周期をa1、この一方の軸に直交する軸方向の周期をb1、第2の面心長方格子の一方の軸方向の周期をa2、この一方の軸に直交する軸方向の周期をb2とした場合、a1≠a2、b1=b2を満たすことができる。この場合、フォトニック結晶層面内には互いに直交しない斜め光波による定在波状態が形成され、この斜め光波が互いに成す角度がa1とa2の差分に応じて変化するという効果がある。 When two face-centered rectangular lattices (FIG. 21D) are superimposed, the photonic crystal layer 4 (or 4, 4 ′) has a crystal structure of the first and second face-centered rectangular lattices. The period of one axial direction of the first face-centered rectangular lattice is a1, the period of the axial direction orthogonal to the one axis is b1, and one axis of the second face-centered rectangular lattice is If the period in the direction is a2 and the period in the axial direction orthogonal to the one axis is b2, a1 ≠ a2 and b1 = b2 can be satisfied. In this case, a standing wave state is formed in the photonic crystal layer surface by oblique light waves that are not orthogonal to each other, and the angle formed by the oblique light waves changes according to the difference between a1 and a2.
一方の面心長方格子は、三角格子とすることができる。三角格子は面心長方格子のうち格子を形成する基本並進ベクトルの成す角が60度となる特別な場合である。 One face-centered rectangular lattice can be a triangular lattice. The triangular lattice is a special case in which the angle formed by the basic translation vectors forming the lattice of the face-centered rectangular lattice is 60 degrees.
また、図2に示したように、半導体レーザ素子10は、活性層3Bの駆動電極直下の領域(第1領域、第2領域・・・)Rを備えている。活性層3Bの第1領域Rに対応するフォトニック結晶層の異屈折率部4Bと、活性層3Bの第2領域Rに対応するフォトニック結晶層の異屈折率部4Bとは、第1領域R及び第2領域Rそれぞれから出力されるレーザビームの屈折角が異なり、強度が一致するよう、半導体レーザ素子10の厚み方向から見た場合の個々の形状が異なるように設定することができる。換言すれば、複数あるフォトニック結晶の回折強度を同一とするよう、孔(異屈折率部)の大きさを変化させる。強度が同じであるため、レーザプリンタやレーダ等の電子機器等への適用が容易である。
As shown in FIG. 2, the
例えば、孔(異屈折率部)は、周期が異なる方の基本並進ベクトルに沿った方向にそった長さを変化させる。具体的には、第1領域R内では、第1周期構造及び第2周期構造における異屈折率部4Bの配列周期が異なる方向(例えばB軸)に沿った異屈折率部4Bの寸法が、当該異なる方向に沿った位置に応じて異なり、第2領域R内では、第3及び第4周期構造における異屈折率部4Bの配列周期が異なる方向(例えばB軸)に沿った異屈折率部4Bの寸法が、当該異なる方向に沿った位置に応じて異なる。これにより、第1周期構造及び第2周期構造における回折強度、或いは第3周期構造及び第4周期構造における回折強度をそれぞれ揃えることが可能となり、発振を安定化させることができる。
For example, the hole (different refractive index portion) changes the length along the direction along the basic translation vector having a different period. Specifically, in the first region R, the dimension of the different
また、第1領域Rにおける第1周期構造における基本並進ベクトルに沿った周期は、第2領域Rにおける第3周期構造に近づくにしたがって連続的に変化させることもできる。この場合、周期の異なるフォトニック結晶同士の界面において反射が生じることを防止できるという効果がある。 In addition, the period along the basic translation vector in the first periodic structure in the first region R can be continuously changed as the third periodic structure in the second region R is approached. In this case, there is an effect that reflection can be prevented from occurring at the interface between the photonic crystals having different periods.
つぎに、図22を用いて制御回路部の信号処理について説明する。制御回路部101は、外部信号により入力されたプリント情報を信号処理することによって、半導体レーザ素子10によるレーザビームの出射、及び、感光ドラム102の移動(回転)を制御する。制御回路部101は、信号処理部111と、レーザ素子電流供給回路部112と、感光ドラム駆動回路部113と、を備える。
Next, signal processing of the control circuit unit will be described with reference to FIG. The
信号処理部111は、外部信号がプリント情報に係る信号であった場合に、レーザ素子電流供給回路部112及び感光ドラム駆動回路部113に当該プリント情報に係る信号を入力する。プリント情報に係る外部信号とは、例えば、レーザプリンタ100に接続された端末を使用するユーザから入力された、印刷指示の信号等をいう。
When the external signal is a signal related to print information, the
信号処理部111は、外部信号に基づき、レーザ素子電流供給回路部112に対して、半導体レーザ素子10における一括照射単位ごとのプリント情報に係る信号(すなわち、感光ドラム102における1行単位ごとのプリント情報に係る信号)を入力する。信号処理部111は、半導体レーザ素子10による感光ドラムへの1行分のレーザビーム照射が完了したことを受け、感光ドラム駆動回路部113に対して、感光ドラム102を移動させる旨の信号を入力する。
Based on the external signal, the
レーザ素子電流供給回路部112は、信号処理部111からの、半導体レーザ素子10における一括照射単位ごとのプリント情報に係る信号(すなわち、感光ドラム102における1行単位ごとのプリント情報に係る信号)を受け、感光ドラム102の各行における照射位置に対応した駆動電極E2に駆動電流を供給する。
The laser element current
図23は、感光ドラムにおけるレーザビームの照射状態を説明するための図である。図24は、半導体レーザ素子の平面図である。図23の感光ドラム102に描かれたマス、及び、各マスの行番号301、列番号302は、説明のために記載したものであり、実際には感光ドラム102に描かれていない。各マス中の円は、半導体レーザ素子10によって、レーザビームが照射された箇所を示している。図23に示すように、各行ごとに17個(17列)の異なる位置がある。図24の駆動電極E201〜E217は、感光ドラム102の1〜17列に係る照射位置にそれぞれ対応した駆動電極E2である。
FIG. 23 is a diagram for explaining the irradiation state of the laser beam on the photosensitive drum. FIG. 24 is a plan view of the semiconductor laser device. The squares drawn on the
例として、図23中の1行目のレーザビームの照射イメージを説明する。図23中の1行目の信号を処理する際は、信号処理部111よりレーザ素子電流供給回路部112に対して、感光ドラム102における1〜3,5〜7,9,11,12,14,16,17列目に対してのみ半導体レーザ素子を照射する旨の信号が入力される。レーザ素子電流供給回路部112は、当該信号に基づいて、1〜3,5〜7,9,11,12,14,16,17列目に対応する半導体レーザ素子10の駆動電極である、駆動電極E201〜E203,E205〜E207,E209,E211,E212,E214,E216,E217に駆動電流を供給する。当該駆動電流の供給により、半導体レーザ素子10から、感光ドラム102の1〜3,5〜7,9,11,12,14,16,17列目に係る照射位置にレーザビームが照射される。
As an example, a laser beam irradiation image in the first row in FIG. 23 will be described. When processing the signal in the first row in FIG. 23, the
図22に戻り、感光ドラム駆動回路部113は、信号処理部111からの、感光ドラム102を移動させる旨の信号を受け、レーザビームの照射位置に対して感光ドラム102を1行分回転させる(第一方向に直交する方向に相対的に移動させる)。より具体的には、感光ドラム駆動回路部113は、感光ドラム102の駆動機構(図示せず)に対して、感光ドラム102を1行分回転させる旨の信号を入力し、該駆動機構が感光ドラム102を1行分回転させる。感光ドラム駆動回路部113が感光ドラム102を1行分回転させる信号を入力するタイミングは、半導体レーザ素子10によって感光ドラム102にレーザビームが照射されたタイミングである。
Returning to FIG. 22, the photosensitive drum
上述した、信号処理部111、レーザ素子電流供給回路部112、半導体レーザ素子10、感光ドラム駆動回路部113による処理は、外部信号が信号処理部111に入力される間、繰り返して行われる。
The processing by the
図1に戻り、感光ドラム102は、レーザビームが照射されることによって発生した電荷によりトナーを吸着し、印刷媒体にトナーを転写する円筒形の感光体である。感光ドラム102は第一方向D1と平行な方向を回転軸l1とし、図中の矢印の方向(回転方向)に向かって回転する。上述したとおり、感光ドラム102は、感光ドラム駆動回路部113によって1行ずつ回転させられる。
Returning to FIG. 1, the
ビーム整形レンズ部103は、レーザビームを整形するビーム整形光学系としての機能を有し、コリメート用レンズ、集光用レンズ、走査レンズ等を有する。コリメート用レンズはレーザビームを平行光にするレンズである。集光用レンズは、例えばシリンダレンズ等の集光に用いるレンズである。走査レンズは感光ドラムに集光されるレーザビームの集光精度を高め、感光ドラム上へのビームスポットを小さくするレンズである。各レンズは、屈折面を利用した屈折率分布レンズを用いてもよいし、反射面を利用した回折レンズを用いてもよい。
The beam
電源104は、制御回路部101と接続されており、電源104がONされることで、制御回路部101による外部信号の処理が行われる。
The
以上、説明したように、レーザプリンタ100では、半導体レーザ素子10から出射された出射方向の異なる複数のレーザビームが、感光ドラム102における第一方向D1に平行な方向(行方向)に沿う異なる位置それぞれに、一括照射される。
As described above, in the
従来のレーザプリンタに用いられていた半導体レーザ素子は、一方向のみにレーザビームを出射するため、素子構造、ビーム制御光学系の設計によりレーザビーム数(エミッタ数)を増やすことに制限があった。また、プリント速度を高速化するためにはパルス速度を高速化する必要がった。しかし、高速なパルス動作は素子のエミッタ間での電気的・熱的なクロストークを引き起こし、オンオフ信号が不明確となる虞があるため、パルス速度の高速化には限界があり、その結果、プリント速度は十分に高速化が図られていなかった。この点、複数のレーザビームが一括照射されるレーザプリンタ100では、パルス速度を高速にすることなく、プリント速度を向上させることができる。
Semiconductor laser elements used in conventional laser printers emit laser beams only in one direction, so there is a limit to increasing the number of laser beams (number of emitters) by designing the element structure and beam control optical system. . In order to increase the printing speed, it is necessary to increase the pulse speed. However, high-speed pulse operation causes electrical and thermal crosstalk between the emitters of the element, and the on / off signal may become unclear, so there is a limit to increasing the pulse speed, and as a result, The printing speed has not been sufficiently increased. In this regard, in the
図25に示すように、従来のレーザプリンタ200では、半導体レーザ素子20から出射されたレーザビームは、コリメートレンズ201により平行光とされ、さらにシリンダレンズ202によって集光された後に、等速回転を行うポリゴンミラー203によって正確に反射され、走査レンズ204によって感光ドラム205に集光されていた。ポリゴンミラー203があることにより、ポリゴンミラー203の回転速度によっても、プリント速度は制限を受けていた。この点、レーザプリンタ100はポリゴンミラー等の機械的な駆動系が必要とならないため、上述したプリント速度の制限は問題とならない。
As shown in FIG. 25, in the
レーザビームの出射方向は、第一方向D1で隣り合う領域で発生するレーザビームがより第一方向D1に傾斜していることで、各レーザビームと感光ドラム102における照射位置との対応が明確にされ、プリントを確実に且つより適切に行うことができる。
The laser beam emission direction is such that the laser beam generated in the adjacent region in the first direction D1 is more inclined in the first direction D1, so that the correspondence between each laser beam and the irradiation position on the
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments. The present invention is modified without departing from the scope described in the claims or applied to others. It may be.
例えば、レーザプリンタ100の半導体レーザ素子は、フォトニック結晶層4として、第一フォトニック結晶層41と、第二フォトニック結晶層43と、を含んでいる半導体レーザ素子10Aを用いてもよい。
For example, the semiconductor laser element of the
レーザプリンタ100は、半導体レーザ素子10の代わりに、後述する半導体レーザ素子10Aを備えていてもよい。以下、図26〜図32を用いて、半導体レーザ素子10Aの詳細について説明する。
The
まず、本実施形態に係る半導体レーザ素子10Aの構成について説明する。図26は、半導体レーザ素子の概略斜視図である。図27は、半導体レーザ素子のXXVII−XXVII線に沿った断面構成を示す図である。図28は、半導体レーザ素子のXXVIII−XXVIII線に沿った断面構成を示す図である。図29は、半導体レーザ素子の平面図である。
First, the configuration of the
半導体レーザ素子10Aは、端面発光型の半導体レーザ素子である。半導体レーザ素子10Aは、半導体基板1上に順次形成された、下部クラッド層2、下部光ガイド層3A、活性層3B、上部光ガイド層3C、フォトニック結晶層4、上部クラッド層5、及びコンタクト層6を備えている。半導体基板1の裏面側には、電極E1が全面に設けられており、コンタクト層6上には、複数の駆動電極E2が設けられている。
The
コンタクト層6上の表面は、その一部が絶縁膜SHによって覆われている。絶縁膜SHは、例えば、SiNやSiO2から形成することができる。絶縁膜SH上には、複数の電極パッドEPが配置されている。
A part of the surface on the
半導体レーザ素子10Aの平面形状は長方形であり、XYZ三次元直交座標系を設定した場合には、厚み方向をZ軸、幅方向をX軸とし、光出射端面LESに垂直な方向をY軸とする。XY平面内において、各駆動電極E2の延びている長手方向は、Y軸に平行な直線に平行である。
The planar shape of the
コンタクト層6の上面(絶縁膜SHが形成される面)は、半導体レーザ素子10Aの厚み方向から見て、Y軸方向において、光出射端面LES側から、第一領域6a、第二領域6b、及び第三領域6cに分けられる。第二領域6bは、Y軸方向において、第一領域6aと第三領域6cとの間に位置している。各領域6a6b,6cは、X軸方向に、それぞれ伸びている。絶縁膜SHは、コンタクト層6の第三領域6c上に配置されている。
The upper surface of the contact layer 6 (the surface on which the insulating film SH is formed) is viewed from the light emitting end surface LES side in the Y-axis direction when viewed from the thickness direction of the
複数の駆動電極E2は、半導体レーザ素子10Aの厚み方向から見た場合、第二領域6bにおいて、X軸方向に併置されている。各駆動電極E2は、矩形状を呈し、詳細には、各駆動電極E2は、Y軸方向を長辺とする長方形状を呈している。すなわち、複数の駆動電極E2は、駆動電極E2の短辺方向に併置されている。駆動電極E2の長手方向は、半導体レーザ素子10Aの厚み方向から見た場合、この半導体レーザ素子10Aの光出射端面LESの法線(Y軸)に対して平行である。
The plurality of drive electrodes E2 are juxtaposed in the X-axis direction in the
上下の電極E1,E2間に電流を流すと、いずれかの電極E2の直下の領域Rを電流が流れ、この領域Rが発光する。複数の駆動電極E2は、活性層3Bにおける、光出射端面LESに平行で且つ活性層3Bが延びる方向、すなわちX軸方向に並んで位置する複数の領域Rに駆動電流を供給する。
When a current is passed between the upper and lower electrodes E1, E2, a current flows through a region R immediately below one of the electrodes E2, and the region R emits light. The plurality of drive electrodes E2 supply a drive current to a plurality of regions R located in parallel with the light emitting end face LES and extending in the
各電極パッドEPは、図28及び図29に示されているように、対応する駆動電極E2に、絶縁膜SH上に配置された配線W1を通して電気的に接続されている。駆動電極E2の数と電極パッドEPの数とは同じである。本実施形態では、複数の電極パッドEPは、複数列でX軸方向に沿って配置されている。複数の電極パッドEPは、第三領域6cの上方に位置している。
As shown in FIGS. 28 and 29, each electrode pad EP is electrically connected to the corresponding drive electrode E2 through a wiring W1 disposed on the insulating film SH. The number of drive electrodes E2 and the number of electrode pads EP are the same. In the present embodiment, the plurality of electrode pads EP are arranged in a plurality of rows along the X-axis direction. The plurality of electrode pads EP are located above the
半導体レーザ素子10Aにおいては、フォトニック結晶層4は、第一フォトニック結晶層41と、第二フォトニック結晶層43と、を含んでいる。すなわち、第一フォトニック結晶層41と第二フォトニック結晶層43とは、基本層4Aと、基本層4A内に周期的に埋め込まれた複数の埋め込み層(異屈折率部)4Bと、をそれぞれ有している。第一フォトニック結晶層41と第二フォトニック結晶層43とは、同一層に位置しており、第二フォトニック結晶層43は、第一フォトニック結晶層41よりも光出射端面LES側に位置している。
In the
フォトニック結晶は、屈折率が周期的に変化するナノ構造体であり、周期に応じて特定の波長の光を特定の方向へ強め合わせる、すなわち回折させることができる。たとえば、この回折を光の閉じ込めに用い、共振器として利用することにより、レーザが実現される。 A photonic crystal is a nanostructure whose refractive index changes periodically and can strengthen or diffract light of a specific wavelength in a specific direction according to the period. For example, a laser can be realized by using this diffraction for light confinement and using it as a resonator.
本実施形態では、閃亜鉛構造の第1化合物半導体(GaAs)からなる基本層4A内に複数の穴Hを周期的に形成し、穴H内に、閃亜鉛構造であって第2化合物半導体(AlGaAs)からなる埋め込み層4Bを成長させてなるフォトニック結晶層4を備えている。フォトニック結晶を構成するため、第1化合物半導体と、第2化合物半導体の屈折率は異なる。本実施形態では、第2化合物半導体の方が、第1化合物半導体よりも屈折率が低いが、逆に第1化合物半導体の方が、第2化合物半導体よりも屈折率が低くてもよい。
In this embodiment, a plurality of holes H are periodically formed in the
埋め込み層4BのXY平面内における形状は、図11の(A)〜(F)に示されるように、長方形、正方形、楕円形又は円形、若しくは、二等辺三角形又は正三角形であってもよい。三角形として、底辺がX方向に平行な三角形((D)に図示)、底辺がY方向に平行な三角形((E)に図示)、又は、(D)に示される三角形を180度回転させた三角形((F)に図示)を採用することもできる。いずれの図形も回転や寸法比率の変更を行うことができる。これらの図形の配列周期は、各図形の重心間の距離を用いることができる。本実施形態では、埋め込み層(異屈折率部)4Bの形状として、(C)に示された円形(真円形)が採用されている。
The shape of the burying
図30は、第一フォトニック結晶層の平面図である。 FIG. 30 is a plan view of the first photonic crystal layer.
第一フォトニック結晶層41は、複数の駆動電極E2の下方に位置する。第一フォトニック結晶層41では、その厚み方向から見たときに、埋め込み層4Bが、正方格子を構成する格子点(Γ点)にそれぞれ配置されている。すなわち、埋め込み層4Bは、X軸方向及びY軸方向に整列し、2次元周期構造を構成している。これにより、第一フォトニック結晶層41は、複数の領域Rに対応する領域にわたって、埋め込み層4Bの配列周期が同じとされた周期構造を有することとなる。埋め込み層4Bの整列方向での周期P1は、
λ0/n1
に設定されている。λ0は、レーザ光の、真空中での波長である。n1は、第一フォトニック結晶層41における光の等価屈折率である。
The first
λ 0 / n 1
Is set to λ 0 is the wavelength of the laser light in vacuum. n 1 is an equivalent refractive index of light in the first
レーザビームは、活性層3B内において発生するが、活性層3Bから染み出した光は、隣接する第一フォトニック結晶層41の影響を受ける。第一フォトニック結晶層41内には、図30に示されるような周期的屈折率分布構造が形成されている。第一フォトニック結晶層41により回折を受けた結果、図30内に矢印で示す方向にレーザビームが発生する。第一フォトニック結晶層41が、複数の領域Rに対応する領域にわたって、埋め込み層4Bの配列周期が同じとされた周期構造を有しているので、各領域Rからは、同一の方向にレーザビームが出力される。本実施形態では、Y軸方向、すなわち光出射端面LESに向かうレーザビームが利用される。
The laser beam is generated in the
第一フォトニック結晶層41における、埋め込み層4Bの配置は、図30に示された配置に限られることなく、図31の(A)〜(C)に示された配置であってもよい。
The arrangement of the buried
図31の(A)では、埋め込み層4Bは、正方格子のM点にそれぞれ配置されている。埋め込み層4Bは、X軸方向及びY軸方向に45度傾き且つ互いに直交する2方向において整列している。埋め込み層4Bの整列方向での周期P2は、
2−1/2×λ0/n1
に設定されている。この場合も、主要光波の進行方向は、図中の矢印で示されるように、X軸方向及びY軸方向に沿う方向となる。
In FIG. 31A, the buried
2−1 / 2 × λ 0 / n 1
Is set to Also in this case, the traveling direction of the main light wave is a direction along the X-axis direction and the Y-axis direction, as indicated by arrows in the drawing.
図31の(B)では、埋め込み層4Bは、三角格子のΓ点にそれぞれ配置されている。埋め込み層4Bの周期P3は、
λ0/n1
に設定されている。この場合、主要光波の進行方向は、図中の矢印で示される60°間隔の方向となる。図31の(C)では、埋め込み層4Bは、三角格子のJ点にそれぞれ配置されている。埋め込み層4Bの周期P4は、
2×3−1/2×λ0/n1
に設定されている。この場合、主要光波の進行方向は、図中の矢印で示される60°間隔の方向となる。
In FIG. 31B, the buried
λ 0 / n 1
Is set to In this case, the traveling direction of the main light wave is the direction of 60 ° intervals indicated by arrows in the figure. In FIG. 31C, the buried
2 × 3 −1/2 × λ 0 / n 1
Is set to In this case, the traveling direction of the main light wave is the direction of 60 ° intervals indicated by arrows in the figure.
半導体レーザ素子10Aでは、下部クラッド層2、下部光ガイド層3A、活性層3B、上部光ガイド層3C、第一フォトニック結晶層41、上部クラッド層5、及び複数の駆動電極E2が、発振部を構成する。発振部は、複数のレーザビームを生成し、生成した複数のレーザビームを同一の方向に出力する。
In the
図32は、第二フォトニック結晶層の平面図である。 FIG. 32 is a plan view of the second photonic crystal layer.
第二フォトニック結晶層43においても、埋め込み層4Bは、2次元周期構造を構成している。第二フォトニック結晶層43における複数の埋め込み層4Bは、所定の格子構造の格子点位置に配置されている。この所定の格子構造では、二つの基本並進ベクトルがなす角φは、当該所定の格子構造の一方の基本並進ベクトルに直交する方向とレーザビームの出射方向とがなす角をθとして、
φ=tan−1{sinθ/(2cos2(θ/2))}
を満たしている。
Also in the second
φ = tan −1 {sin θ / ( 2 cos 2 (θ / 2))}
Meet.
第二フォトニック結晶層43における埋め込み層4Bの格子構造の一方の基本並進ベクトルに沿う方向での格子点の周期P5は、
λ0/(n2×sinθ)
を満たしている。第二フォトニック結晶層43における埋め込み層4Bの格子構造の一方の基本並進ベクトルに直交する方向での格子点の周期P6は、mを任意の自然数としたときに、
(2m-1)×λ0/(2n2)
を満たしている。n2は、第二フォトニック結晶層43における光の等価屈折率である。
The period P5 of the lattice point in the direction along one basic translation vector of the lattice structure of the buried
λ 0 / (n 2 × sin θ)
Meet. The period P6 of the lattice points in the direction orthogonal to one basic translation vector of the lattice structure of the buried
(2m-1) × λ 0 / (2n 2 )
Meet. n 2 is an equivalent refractive index of light in the second
二つの基本並進ベクトルがなす角φ(又は、X軸方向での埋め込み層4Bの間隔)は、X軸方向での位置に応じ、図32に示されるように、連続的に変化している。すなわち、第二フォトニック結晶層43は、複数の領域Rに対応する領域毎に、埋め込み層4Bの配列周期が異なる上述した周期構造を有している。第二フォトニック結晶層43は、上記周期構造により、上記発振部から同一の方向に出力された複数のレーザビームをそれぞれ異なる方向に偏向して光出射端面から出射させる偏向部を構成する。
The angle φ formed by the two basic translation vectors (or the interval between the buried layers 4B in the X-axis direction) changes continuously as shown in FIG. 32 according to the position in the X-axis direction. That is, the second
第二フォトニック結晶層43は、複数の領域Rに対応する領域毎で、上記発振部からのレーザビームの出力方向と同じ方向に透過する光を弱め合う干渉を生じさせると共に、光出射端面LESからのレーザビームの出射方向に回折する光を強め合う干渉を生じさせる。第二フォトニック結晶層43では、その厚み方向から見たときに、埋め込み層4Bは、Y軸方向、すなわち上記発振部からのレーザビームの出力方向と同じ方向に対しては、等間隔(同じ配列周期)で並んでいる。Y軸方向での埋め込み層4Bの周期は、mを任意の自然数としたときに、
(2m-1)×λ0/(2n2)
に設定されている。光出射端面LESに平行なX軸方向での埋め込み層4Bの周期は、
λ0/(n2×sinθ)
に設定されている。
The second
(2m-1) × λ 0 / (2n 2 )
Is set to The period of the buried
λ 0 / (n 2 × sin θ)
Is set to
以上のように、半導体レーザ素子10Aでは、第一フォトニック結晶層41が、複数の領域Rに対応する領域にわたり、埋め込み層4Bの配列周期が同じとされた周期構造を有しているので、発振部からは、複数の駆動電極E2毎に同一の方向にレーザビームが出力される。第二フォトニック結晶層43が、複数の領域Rに対応する領域毎に、埋め込み層4Bの配列周期が異なる周期構造を有しているので、偏向部からは、発振部から同一の方向に出力された各レーザビームがそれぞれ異なる方向に偏向されて、光出射端面LESから出射される。
As described above, in the
半導体レーザ素子10Aでは、発振部と偏向部とが分かれていると共に、第一フォトニック結晶層41が、複数の領域Rに対応する領域にわたり、埋め込み層4Bの配列周期が同じとされた周期構造を有している。このため、発振閾値がレーザビーム毎で一定であり、安定した動作を実現することができる。
In the
第二フォトニック結晶層43は、複数の領域Rに対応する領域毎で、発振部からのレーザビームの出力方向と同じ方向に透過する光を弱め合う干渉を生じさせると共に、光出射端面LESからのレーザビームの出射方向に回折する光を強め合う干渉を生じさせている。これにより、偏向部は、確実に、発振部から同一方向に出力された各レーザビームを異なる方向に偏向して光出射端面から出射させることができる。
The second
本実施形態に係るレーザプリンタ100は、図33に示すように、複数の半導体レーザ素子10を備えていてもよい。図33は、本実施形態の変形例に係るレーザプリンタを説明するための図である。レーザプリンタ100は、上述した実施形態に係るレーザプリンタ100と同様に、半導体レーザ素子10と、制御回路部101と、感光ドラム102と、ビーム整形レンズ部103と、電源104と、を備えている。複数の半導体レーザ素子10(本変形例では、3個の半導体レーザ素子10)は、第一方向D1に平行な方向にそって並置されている。各半導体レーザ素子10から出射されるレーザビームの感光ドラム102における照射領域は、半導体レーザ素子10毎で異なっている。各半導体レーザ素子10の光出射端面LESから出射されたレーザビームは、感光ドラム102における第一方向D1に平行な方向に沿う異なる位置にそれぞれ照射される。
The
本変形例のレーザプリンタ100では、半導体レーザ素子10を一つだけ備えて構成されるレーザプリンタ100と比較して、感光ドラム102へのレーザビーム照射範囲を大きくすることができる。よって、軸方向に長い感光ドラム102に対しても1行分の全照射位置に対するレーザビーム一括照射が可能となる。本変形例では、半導体レーザ素子10の代わりに、半導体レーザ素子10Aが備えられていてもよい。
In the
10,10A…半導体レーザ素子、1…半導体基板、2…下部クラッド層、3A…下部光ガイド層、3B…活性層、3C…上部光ガイド層、4…フォトニック結晶層、4B…埋め込み層、5…上部クラッド層、6…コンタクト層、41…第一フォトニック結晶層、43…第二フォトニック結晶層、100…レーザプリンタ、101…制御回路部、102…感光ドラム、103…ビーム整形レンズ部、104…電源、111…信号処理部、112…レーザ素子電流供給回路部、113…感光ドラム駆動回路部、D1…第一方向、E2…駆動電極、l1…回転軸、LES…光出射端面。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記露光手段は、下部クラッド層と、上部クラッド層と、前記下部クラッド層と前記上部クラッド層との間に介在する活性層と、前記活性層と前記上部及び下部クラッド層の少なくともいずれか一方との間に介在するフォトニック結晶層と、前記活性層の複数の領域に駆動電流を供給するための複数の駆動電極と、を備え、前記駆動電流の供給により前記複数の領域からレーザビームを発生させる、端面発光型の半導体レーザ素子を含み、
前記複数の領域は、前記半導体レーザ素子の光出射端面に平行で且つ活性層が延びる第一方向に並んで位置し、前記複数の領域で発生した前記レーザビームの前記光出射端面からの出射方向が、それぞれ異なっており、
前記半導体レーザ素子と前記感光体とは、前記光出射端面から出射された前記レーザビームが、前記感光体における前記第一方向に平行な方向に沿う異なる位置にそれぞれ照射されるように、配置されており、
前記移動手段は、前記光出射端面から出射された前記レーザビームの照射位置に対して前記感光体を前記第一方向に直交する方向に相対的に移動させ、
前記半導体レーザ素子は、複数のレーザビームを生成し、生成した複数のレーザビームを同一の方向に出力する発振部と、前記発振部から同一の方向に出力された複数のレーザビームをそれぞれ異なる方向に偏向して光出射端面から出射させる偏向部と、を有して構成され、
前記発振部は、前記下部クラッド層と、前記上部クラッド層と、前記活性層と、前記フォトニック結晶層としての第一フォトニック結晶層と、前記複数の駆動電極と、を含み、
前記偏向部は、第二フォトニック結晶層を含み、
前記第一フォトニック結晶層は、前記複数の領域に対応する領域にわたり、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が同じとされた周期構造を有し、
前記第二フォトニック結晶層は、前記複数の領域に対応する領域毎に、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が異なる周期構造を有している、
ことを特徴とするレーザプリンタ。 A laser printer comprising: an exposure unit that irradiates a photoconductor with a laser beam to form a latent image on the photoconductor; and a moving unit that moves the photoconductor relative to an irradiation position of the laser beam. And
The exposure means includes a lower cladding layer, an upper cladding layer, an active layer interposed between the lower cladding layer and the upper cladding layer, and at least one of the active layer and the upper and lower cladding layers. And a plurality of drive electrodes for supplying a drive current to a plurality of regions of the active layer, and generating a laser beam from the plurality of regions by supplying the drive current Including an edge-emitting semiconductor laser element,
The plurality of regions are parallel to the light emitting end surface of the semiconductor laser element and are arranged in a first direction in which the active layer extends, and an emission direction of the laser beam generated in the plurality of regions from the light emitting end surface Are different,
The semiconductor laser element and the photoconductor are arranged such that the laser beam emitted from the light emitting end face is irradiated to different positions along a direction parallel to the first direction on the photoconductor. And
The moving means moves the photosensitive member in a direction perpendicular to the first direction with respect to an irradiation position of the laser beam emitted from the light emitting end surface ,
The semiconductor laser element generates a plurality of laser beams, and outputs a plurality of generated laser beams in the same direction, and a plurality of laser beams output in the same direction from the oscillation unit in different directions. And a deflecting unit that deflects the light to exit from the light exit end face,
The oscillation unit includes the lower cladding layer, the upper cladding layer, the active layer, a first photonic crystal layer as the photonic crystal layer, and the plurality of drive electrodes,
The deflection unit includes a second photonic crystal layer,
The first photonic crystal layer has a periodic structure in which the arrangement period of different refractive index portions having different refractive indexes from the surroundings is the same over the region corresponding to the plurality of regions,
The second photonic crystal layer has a periodic structure in which the arrangement period of the different refractive index portions having different refractive indexes from the surroundings is different for each region corresponding to the plurality of regions.
A laser printer characterized by the above.
前記露光手段は、下部クラッド層と、上部クラッド層と、前記下部クラッド層と前記上部クラッド層との間に介在する活性層と、前記活性層と前記上部及び下部クラッド層の少なくともいずれか一方との間に介在するフォトニック結晶層と、前記活性層の複数の領域に駆動電流を供給するための複数の駆動電極と、を備え、前記駆動電流の供給により前記複数の領域からレーザビームを発生させる、端面発光型の半導体レーザ素子を含み、 The exposure means includes a lower cladding layer, an upper cladding layer, an active layer interposed between the lower cladding layer and the upper cladding layer, and at least one of the active layer and the upper and lower cladding layers. And a plurality of drive electrodes for supplying a drive current to a plurality of regions of the active layer, and generating a laser beam from the plurality of regions by supplying the drive current Including an edge-emitting semiconductor laser element,
前記複数の領域は、前記半導体レーザ素子の光出射端面に平行で且つ活性層が延びる第一方向に並んで位置し、前記複数の領域で発生した前記レーザビームの前記光出射端面からの出射方向が、それぞれ異なっており、 The plurality of regions are parallel to the light emitting end surface of the semiconductor laser element and are arranged in a first direction in which the active layer extends, and an emission direction of the laser beam generated in the plurality of regions from the light emitting end surface Are different,
前記半導体レーザ素子と前記感光体とは、前記光出射端面から出射された前記レーザビームが、前記感光体における前記第一方向に平行な方向に沿う異なる位置にそれぞれ照射されるように、配置されており、 The semiconductor laser element and the photoconductor are arranged such that the laser beam emitted from the light emitting end face is irradiated to different positions along a direction parallel to the first direction on the photoconductor. And
前記移動手段は、前記光出射端面から出射された前記レーザビームの照射位置に対して前記感光体を前記第一方向に直交する方向に相対的に移動させ、 The moving means moves the photosensitive member in a direction perpendicular to the first direction with respect to an irradiation position of the laser beam emitted from the light emitting end surface,
前記活性層は、前記複数の領域として、第一領域と第二領域とを含み、 The active layer includes a first region and a second region as the plurality of regions,
前記複数の駆動電極は、前記第一領域に駆動電流を供給するための第一駆動電極と、前記第二領域に駆動電流を供給するための第二駆動電極と、を含み、 The plurality of drive electrodes include a first drive electrode for supplying a drive current to the first region, and a second drive electrode for supplying a drive current to the second region,
前記第一駆動電極の長手方向は、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、前記光出射端面の法線に対して、傾斜しており、 The longitudinal direction of the first drive electrode is inclined with respect to the normal of the light emitting end face when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element,
前記フォトニック結晶層の前記第一領域に対応する領域は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる第一及び第二の周期構造を有しており、 The region corresponding to the first region of the photonic crystal layer has first and second periodic structures in which arrangement periods of different refractive index portions having different refractive indexes from the surroundings are different from each other,
前記第一及び第二の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分に応じて、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、前記第一駆動電極の前記長手方向に対して所定の角度を成す2つ以上のレーザビームが前記半導体レーザ素子内部で生成され、 A predetermined angle with respect to the longitudinal direction of the first drive electrode when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element according to the difference between the reciprocals of the arrangement periods of the first and second periodic structures. Wherein two or more laser beams are generated inside the semiconductor laser element,
これらのレーザビームの中で前記光出射端面に向かう1つが前記光出射端面に対して屈折角90度未満となるように設定され、前記光出射端面に向かう別の少なくとも1つが前記光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たすように設定されており、 Among these laser beams, one toward the light emitting end surface is set to have a refraction angle of less than 90 degrees with respect to the light emitting end surface, and at least one other toward the light emitting end surface is formed on the light emitting end surface. Is set to satisfy the total reflection critical angle condition,
前記第二駆動電極の長手方向は、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、前記光出射端面の法線に対して、傾斜しており、 The longitudinal direction of the second drive electrode is inclined with respect to the normal of the light emitting end face when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element,
前記フォトニック結晶層の前記第二領域に対応する領域は、周囲と屈折率が異なる異屈折率部の配列周期が互いに異なる第三及び第四の周期構造を有しており、 The region corresponding to the second region of the photonic crystal layer has third and fourth periodic structures in which arrangement periods of different refractive index portions having different refractive indexes from the surroundings are different from each other,
前記第三及び第四の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分に応じて、前記半導体レーザ素子の厚み方向から見た場合、前記第二駆動電極の前記長手方向に対して所定の角度を成す2つ以上のレーザビームが前記半導体レーザ素子内部で生成され、 A predetermined angle with respect to the longitudinal direction of the second drive electrode when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element according to the difference between the reciprocals of the arrangement periods in the third and fourth periodic structures. Wherein two or more laser beams are generated inside the semiconductor laser element,
これらのレーザビームの中で前記光出射端面に向かう1つが前記光出射端面に対して屈折各90度未満となるように設定され、前記光出射端面に向かう別の少なくとも1つが前記光出射端面に対して全反射臨界角条件を満たすように設定され、 Among these laser beams, one toward the light emitting end surface is set to be refracted less than 90 degrees with respect to the light emitting end surface, and at least one other toward the light emitting end surface is formed on the light emitting end surface. For the total reflection critical angle condition,
前記第一及び第二の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分は、前記第三及び第四の周期構造におけるそれぞれの前記配列周期の逆数の差分とは異なる、 The difference between the reciprocal numbers of the array periods in the first and second periodic structures is different from the difference between the reciprocal numbers of the array periods in the third and fourth periodic structures.
ことを特徴とするレーザプリンタ。A laser printer characterized by the above.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のレーザプリンタ。 The emission direction of the laser beam generated in the region adjacent to the arbitrary one region in the first direction is greater than the emission direction of the laser beam generated in any one region of the plurality of regions. , More inclined in the first direction,
The laser printer according to claim 1 or 2 , characterized in that
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のレーザプリンタ。 The moving means moves the photoconductor in a direction orthogonal to the first direction every time the laser beam is irradiated onto the photoconductor by the exposure means.
The laser printer according to any one of claims 1 to 3 .
前記移動手段は、前記第一方向と平行な方向を回転軸とする回転方向に前記感光ドラムを回転させる、
請求項1〜4のいずれか一項に記載のレーザプリンタ。 The photoreceptor is a photosensitive drum;
The moving means rotates the photosensitive drum in a rotation direction having a rotation axis in a direction parallel to the first direction;
The laser printer as described in any one of Claims 1-4 .
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のレーザプリンタ。 The semiconductor laser element has two periodic structures in which regions corresponding to the plurality of regions of the active layer of the photonic crystal layer have different arrangement periods of different refractive index portions having different refractive indexes from the surroundings. The difference between the reciprocal numbers of the arrangement periods in the two periodic structures is different for each region corresponding to the plurality of regions of the active layer of the photonic crystal layer.
The laser printer according to any one of claims 1 to 5 , wherein
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のレーザプリンタ。 The semiconductor laser element has two periodic structures in which regions corresponding to the plurality of regions of the active layer of the photonic crystal layer have different arrangement periods of different refractive index portions having different refractive indexes from the surroundings. And forming a predetermined angle with respect to the longitudinal direction of the plurality of drive electrodes when viewed from the thickness direction of the semiconductor laser element according to the difference between the reciprocals of the arrangement periods of the two periodic structures. Two or more laser beams are generated inside the semiconductor laser element, and one of the laser beams directed to the light emitting end face is set to have a refraction angle of less than 90 degrees with respect to the light emitting end face. Another at least one toward the light emitting end face is set to satisfy the total reflection critical angle condition with respect to the light emitting end face,
The laser printer according to any one of claims 1 to 6 , wherein:
ことを特徴とする請求項1に記載のレーザプリンタ。 The second photonic crystal layer causes, in each region corresponding to the plurality of regions, interference that weakens light transmitted in the same direction as the output direction of the laser beam from the oscillation unit, and the light emission Intensifying interference that diffracts the light diffracted in the laser beam exit direction from the end face,
The laser printer according to claim 1 .
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