JPH02284489A - 半導体レーザー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、各秤機器における光源等として有用な半導体
レーザーに関する。

［従来の技術］ 光通信用の高密度光スイッチ、光コンビＪＬ−タ用のゲ
ートデイバイス、レーザービームプリンター用の光源、
光ティスプレィ川の光源等各種機器の光源等として、装
置のコンパクト化が容易てあり、波長安定性に優れた光
が得られる等の理由から、２Ｌ導体レーザーか利用され
つつある。

半導体レーサーの種々の用途への適用に際しては、その
用途に適合した各種の光学系が半導体レーサーと組み合
わされて用いられるのか一般的である。

例えば、光通信においては、光伝達手段としての光ファ
イバーに半導体レーサーからのレーザビームを入射させ
る場合、通常レーザービームが拡散性を有するく一般に
ファーフィールドでの拡散角度は１０°〜４５°である
）ので、結像レンズな丁導体レーザーと光ファイバーの
間にこれらの九輔合せを行なってセットする必要がある
。

なお、斗導体レーサーと光ファイバーとを１１’ｓ近距
離で配置すれば、１−述のような結像レンズの必要はな
くなる。しかしながら、このような配置ては、光ファイ
バーへ入射するビームの光用か落ちるため、高出力の半
導体レーサーが必要になる。

そこで、装置のコスト等を考慮した場合、結像レンズを
用いて゛１′−導体レーサーと光ファイバーとを接続す
る方式が一般的である。

また、レーサープリンターにおいてもは、半導体レーサ
ーからのビームは、結像レンズ、ドラム状感光体への走
査のための回転多面鏡を含む光学系を介してビームスポ
ットとして感光体に走査される。

なお、レーサープリンターにおいては、よりコンバク］
・で、より関連記録か行える装置への要求か益々高まり
つつあり、そのような要求に対応するための手段として
、高出力レーサーを用い、高回転数で回’Ｉｆ１．％面
鏡を回転させるて感光体への像形成（書き込み）の時間
を短縮する方法、あるいは複数のレーザービームを同時
走査して、感光体への像形成の時間を短縮する方法等の
適用が検討されている。

なお、前者の方法は、゛１′導体レーサーの高力、回転
多面鏡の回転の高速化には限界かある。

これに対して、後者の方法は、レーザービーム数に比例
して書き込み速度を高めることかてきるという利点を有
している。

［発明か解決しようとする課題］ 光通信におけるシンクルビームによるシリアル通イΔで
は、多量の画像情報を高速て通信するためには、膨大な
光フアイバー回線が必要になり、設備の面からも限界が
ある。

この問題は、複数のビームを利用したパラレル通信によ
って解決することができる。

パラレル通信に有用な半導体レーザーとして、複数のビ
ームを射出司能な面発光型の半導体レザーを挙げること
かできる。

しかしなから、面発光パリの丁導体レーサーとレンズな
どの光学系とのカップリンクにおいて、複雑な光軸調整
が必要であり、そのような装置は量産性に欠けるという
欠点を有している。

方、レーザービームプリンターでは、一定の走査角度で
の走査方式を用いる場合には、より幅の広い記録紙への
記録を行うためにはビームの焦点距離をより長く取る必
要があり、この点が幅広の記録紙への記録が行えるプリ
ンターの小型化の障害となフている。

そこで、少ない走査角においても焦点距離を長く取るこ
となく、幅広の感光体への書き込みか可能な半導体レー
ザーに対する要望が高まっている。

更に、レーザービームプリンターにおける問題点として
、高度な加工精度が要求され高価である回転多面鏡、結
像レンズ、ｆｅレンス等が不可欠である、回転多面鏡用
セーターによる騒音がある、回転ジッターによる副走査
方向画像ラインの揺らぎか生じやすい、回転多面鏡用モ
ーターの軸受は部分の耐久性か必ずしも十分てないなと
、ビーム走査系に例随する種々の問題が指摘されている
。

そこて、ビーム走台系を省略てきる構成を実現場−るた
めの種々の検討がなされているが、従来技ｊ４ｊにおい
ては満足のいく結果がｍられていないのか現状である。

また、感光体への書き込み時間のバ１縮化に任用な複数
のビームを同時に用いて書き込みを行う方式は、それに
用いる半導体レーザーシステムとして好適なものがみあ
たらず、実用化に至っていないのか実情である。

例えば、複数のビームを同時出射できる゛ｒ、埠体レー
ザーシステムとして、レーサー出射装置の複数を組合せ
て用いるものが検討されているか、各レーザー出射装置
から出射されるレーザービームの方向および環境変化に
応した出力をバラツキなく一定に保持させることが難し
く、実用的てない 以上述べたように、半導体レーザーを種々の器機に利用
する際には、その用途に応じた種々の機能が要求され、
従来の半導体レーサーには、これらの要求に十分対応て
きるものかみあたらないのか現状であった。

本発明の目的は、このような半導体レーザーの各方面へ
の適用時に要求される機能を満足てきる構成を有する半
導体レーサーを提供することにある。

［課題を解決するだめの組設］ 木発明の半導体レーザーは、結晶成長方向とレーザービ
ーム射出部向とか同一である半導体レーザー部に、該半
導体レーザ部から射出されたレーザービームの光学的制
御を行なう光学素子部を一体化したことを特徴とする。

木発明において半導体レーサ一部と一体化される光学素
子部は、半導体レーサーの用途に応して適選択されるも
のであり、光学素子部として、例えば結像レンズ、回折
格子、反射鏡、プリズム、ＳＨＧ素子または先導波路型
偏光器等として機能するものか゛ｒ−導体レーし一部と
一体化される。

半導体レーサ一部と光学素子部の形成方法を適宜選択し
て組合せれば、こわらの光軸合せを、こわらの一体形成
段階で原子レベルの寸法精度で行なうことがてきる。

その結果、本発明の構成によれば、従来必要であった半
導体レーザーと別途設けた結像レンズなとの光学素子と
の煩雑な光軸調整が不要となり、量産性に優れた光学素
子イ・］き半導体レーザーを提供できる。

また、半導体レーサ一部と光学素子部とが一体化されて
いるので、環境変化に応じてこれらの位置関係が変化す
ることかなく、安定性に優れている。

更に、光学素子部か半導体レーサ一部の保護層として作
用し、半導体レーサ一部が直接空気と接触して酸化され
て変質したりすることが防由される。

半導体レーサ一部を面発光型とし、その複数を並列に配
置して一体化して、例えばレーザービームプリンター感
光体への一行分のレーサービーノ、照射を一括して行な
える構成とすれは、回転多面鏡等を含む走査系を省略し
、走査系にイ（１随する問題点を回避できる構成のレー
ザービームプリンターを提供できる。

さらに、異なるレーザービーム射出特Ｐ１−をイｊする
複数の半導体レーザー部をそれぞれが独立駆動できるよ
うに一体化することによって、異なる特性のレーザービ
ームを所望に応じて射出できる半導体レーザーを提供す
ることかてきる。

［実施例］ 以丁、木発明の実施例を図面に基いて説明する。

実施例１ 第１図は、本発明の半導体レーザーの一実施例半導体レ
ーサ一部の中心軸に沿ったレーザービームの射出方向に
おける断面か示されている斜視図である。

この半導体レーサーは、面発光型半導体レーザー部のレ
ーザービーム射出部（反射鏡２ａ側）の上方に光学素子
一部を形成する結像レンズとして機能する屈折率分布型
マイクロレンズ６を一体化した構成を有する。

面発光型半導体レーザー部は、活性層１、該活性層を挟
持する反射鏡面２ａ、２ｂとから構成される共振器３、
十電極４が接続された基板４ａ、電極層４ｂ、ヘテロ多
層構造８を有して構成されている。

十電極と一電極との間に電圧か印加されることによって
共振器３で増幅されたレーザービーム、か放出される。

共振器３から放出されたレーサービーｌ＼は、屈折率分
布型マイクロレンズ６を介して射出され、マイクロレン
ズ６により規定された焦点距離において集光されたビー
ムとなる。

面発光型半導体レーザー部は、公知の材料を用いた基板
５上への結晶成長を利用した方法によって形成でき、マ
イクロレンズ６を一体化する上で、レーザーの射出方向
と結晶成長方向とか同となるように作製される以外は、
その構造は所望に応して選択できる。

中でも、ＭＯＣＶＤ　（有機金属化学気相成長）法は、
Ｚ方向において原子レベルての寸法精度で各層の形成に
おける制御か１丁能であるのて、発信波長、ビーム広が
り角度および電気的化学的特性などの性能および寿命等
において安定した半導体レーサーの製造が可能であるの
で好適である。

屈折率分布型マイクロレンズ６は、面発光型半導体レー
サ一部に一体化可能な構造および所望とする光学特性を
有するものてあれば、その材質、構造などに特に制限は
ない。

屈折率分布型マイクロレンズ６の形成には、例えば電界
注入法、プラズマＣＶＤ法により５ｉｎ２とＳｉ、、Ｎ
、、の混合物を蒸着堆積させる方法、イオン交換拡散法
、ＣＶＤ法、ＶＡＤ法、分子スタッフィング法、拡散重
合法、光共重合法、結晶引き上げ法、光化学反応法など
が利用てきる。

第１図に示した構成とすることにより、Ｚ方向において
原子−レベルでの寸法精度で、各層の形成における制御
か可能てあり、更にＸ及びｙ方向におりる位置合せも半
導体マスクを利用しての層形成を行えば、ザブミクロン
オーターて行うことがてきるのて、面発光１ｔ、ｌｊ半
導体レし−一部とマイクロレンズ６の光軸合せもまた、
これらの形成段階において原子−レペルての寸法粒度で
、光軸スレを牛しさせることなく行うことがてきる。

第１図に示した構成において、ファーフィールドでのビ
ーム発散角度θは、発振波長を人、括Ｈ層の半径をｄと
すると、 θ＝２λ／πｄ となる。

ここて発振波長λをｆｌ　、　７８μｍ、活性層の半径
を１０μｍとすると、実際のファーフィールドてのビー
ム発散角度θは、およそ１０〜４５度の範囲てハラツク
のて、活＋Ｊ１−層半径ｄを人きく選択することて、発
散角度θ自体をより小さくして、レンズとの結合効率を
飛躍的に白土させることかできる。

その結果、レーザーパワーな低く押えることか可能にな
り、レーサーの寿命を長く保つことかてきる。更に、発
散角度Ｏが小さいと、マイクロレンズ６の屈折率か低く
てもすむので、屈折十分ＩＩＪ型マイクロレンズ６とし
て屈折率分布におりる屈折率差の少ないもの、すなわち
一体化の際に製造の容易な屈折率分布型マイクロレンズ
を用いることができる。

また、面発光型レーサーは、それ自身構造的にファーフ
ィールドてのビーム発散角度θのバラツキが少ないのて
、特にビーム形状が重視される高精細レーザービームプ
リンターへ好適に適用できる。

また、ファーフィールドでのビーム発散角度θを小さく
することにより、結像スポットを小さく絞り込むことが
できるようになり、第１図の構成の半導体レーサーは、
レーサープリンターのみならず、光磁気ディスク、レー
サーディスクのピックアップ部の光源としても好適に利
用できる。

また、第２図に模式的に示すように、ファーフィールド
での小さい発散角度０１を有する半導体レーサ一部を用
いれば、大きい発散角度θ２を有する半導体レーサーよ
りも焦点距離の長いマイクロレンズを光学素ｒ部として
用いることが可能となる。

電子写真による画像形成プロセスを用いたレザービーム
ピリンター、ＬＥＤプリンターては、感光体ドラムの周
辺は、画像形成ユニット（露光、帯電、現像、転写、ク
リ一二ンク″：９のために必要なユニット）か密集して
いる。

従来のＬＥＤプリンターては、ＬＥＤ素子のビーム発散
角度θが、大きいため焦点ｉ／（ｉ　ｌ１ｌｌｔの十分
長いコリメトリーレンズか利用てきなか）だ。

そのため、ＬＥＤアレイヘツ］・を、感光体トラムの近
傍に配置しなければならなかった。

これに対して、本発明の構成においては、ビーム発散角
度Ｏを小さくして、焦点距離の１−分に長いマイクロレ
ンズを光学素子部として利用できるのて、感光体ドラム
から離れた位置に半導体レーザを配置できるので、感光
体ドラム周辺のスペースの有効利用が計れる。

すなわち、設計上のスペースの余裕がてき、画像形成ユ
ニットの密集化や再配置か可能であり、またより大型の
画像形成ユニットを設置場−ることも可能であり、プリ
ンター〇ランニングコストを下げることが可能となる。

しかも、現像ユニットから放出される現像材（トナー）
による半導体レーザーの汚染を回避することもてきる。

実施例２ 第１図に示した構成の半導体レーサーは、共振器３かビ
ーム射出方向に対して重直な断面が円形で、円形スポッ
トを形成できるものてあったか、活性層のビーム射出方
向に対して垂直な断面を楕円形とすることによって楕円
形のスポットを形成する半導体レーザーとすることがて
きる。

楕円形スポットを形成する半導体レーサーを通常用いら
れている走査光学系と組合わせてレザービームプリンタ
ーの光源として用いる場合、楕円形スポットの長径方向
を副走査方向（紙の送り方向）にし、短径を主走査方向
（レーサースポットの操作方向）に配置することにより
、円形スポットを用いた場合に副走査方向における駆動
系の紙送りムラが原因となって生じる白抜は画像の発生
を効果的に防止することができる。

実施例３ 共振器３−１〜３−５の配置として第３図（ａ）及び（
ｂ）に模式的に示す（光学素子部等のその他の部分は省
略されている）ように、個々に駆動可能な半導体レーザ
ー部の複数を一体化し、各半導体レーサ一部からのレー
ザービームスポットの形状や大きさを異ならせておくこ
とによって、所望に応じて、レーザースポットの径やＩ
Ｆｇ状を選択できる半導体レーザーを得ることかできる
。

なお、第３図（ａ）は、全ての共振器かＯＮされている
、すなわち全ての共振器からレーザビームか射出されて
いる状態を示しており、第３図（ｂ）は中心に位置する
共振器のみがＯＮされている状態を示している。

このような構成の半導体レーサーを用い、コリメータレ
ンズをカップリンクする構成の光源を、レーザービーム
プリンターの光源として利用することによって、１台の
プリンターて様々な解像度に対応したプリント操作か可
能となる。

実施例４ 第４図に示すように、渾導体レーサ一部と光学素子部と
からなる単位の複数を紙送り方向に対応する感光体の送
り方向に対して垂直に並列一体化して、それぞれ独立駆
動できる構成とすることによって、レーザービームプリ
ンターにおける感光体への一行分の照射を、−括して行
なえる半導体レーザーを得ることかてきる。

このような構成の半導体レーザーをコリメータレンズが
カップリンクされる光源として用いれは、レーザービー
ムプリンターにおける回転多面鏡を含む走査系を省略す
ることがてきる。

実施例５ 第１図に示した構成において、屈折率分布型マイクロレ
ンズの設けられている位置に、ＳＨＧ素子を形成するこ
とによって、発振波長の短いレーザービームを出射させ
ることがてきる。

なお従来においては、ＳＨＧ素子と半導体レーザー射は
、個別に形成され、複雑かつ結密な光軸調整を行なって
接続されていたか、本発明の構成のようにこれらを一体
化することによフて、そのような光軸調整が不必要とな
る。

更に、ＳＨＧ素子を形成するところと、形成しないとこ
ろを半導体レーザートに設のることによって、波長帯域
を複数持たせることが可能となり、例えば光通信用の素
子にそのような構成の半導体レーザーを用いれば、受光
センサーの分光感度を波長帯域にあわせて選択すること
によってデーターの２チヤンネルの多重転送が複雑な光
学調整を必要とせずに可能となる。

具体的には、例えば第５図に示すように、゛１′、導体
レーザー１０から射出されたビームをＳＨＧ素子１１に
入射し異なる波長の１次光と２次光に分離する。２次光
をミラー１２ａ、１２ｂて折り返し、受光センサー１３
に導く。このような構成によって、２チヤンネルの多重
通信システムが実現できる。

実施例６ 第６図（ａ）及び（ｂ）に示したように、レーザー射出
部に、プリズムミラーや回折格子として機能する素子部
を設けることによって、レーサー出射方向を分岐するこ
とかてきる。

実施例７ 第１図に示した構成における屈折率分布型マイクロレン
ズの代りに、導波路型偏光器を設けることにより機械的
なビーム走査を行なう回転多面鏡を含む走査系を用いる
ことなく、レーザービームの走査かｉ’ｉＪ能となる。

半導体レーザー部のレーサー射出部への導波路型偏光器
の位置決めは、これらを一体形成する際に、それぞわの
形成方法を適宜選択して組合せることによって容易に行
なうことがてき、高精度に位置合せされた半導体レーサ
ーと導波路型偏光器からなるテバイスを得ることかでき
る。

また、このような構成の半導体レーサーを用いることに
よって、電気的なビーム走査か可能となり、回転多面鏡
を用いたレーザー走査光学系を用いる場合に比へ、装置
の小ＱＩＪ化か実現できる。

実施例８ 本発明の半導体レーサーに、必要に応じて第７図に示す
ようなレーザービームの射出部側にアライメント用の位
置決め部材７を一体成形することによって、各種装置内
での位置決めを容易とすることかできる。

この位置決め部祠７は、半導体レーザーがら射出される
レーザービームの方向に対して所定の位置関係で設けら
れるものであり、位置決め部層７の位置を決定すること
てレーザービーム用出力向の調節が可能となるものであ
る。

この位置決め部材７は、通常の半導体形成プロセス（エ
ッヂンク′）を用いることにより形成てきる。

特に、レーザービームプリンターでは、感光体ドラムと
光源である半導体レーサーとのイ１７置決めは重要てあ
り、また走査光学系を併用する場合はこわらの走査方向
における同期を取るための調整が必要である。

従って、位置決め部材７を設けることによって高精度の
位置決めか容易にできるようになり極めて効果的である
。

［発明の効果］ 本発明によれば、半導体レーサーにレーザービームの光
学的制御を行なう光学素子を良１ｙｆな旬高精度て一体
化したことにより、半導体レーザーの各種機器への適用
にＪ５いて従来のように半導体レーサーと光学素−ｒ−
やヒーノ＼走査系等の光学系との煩雑な位置合せの必要
がなくなり、また機器内で従来使用していた光学素子や
光学系の使用を省略てきる。

更に、一体止する光学素子の機能を、所望に応じて選択
することによって、光通信用の光スイッチ、光コンピュ
ーター用のゲートデイバイス、レーザービームプリンタ
ー用の光源、光デイスプレィ用の光源として好適な半導
体レーサーを得ることかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体レーザーの一例を示す本発明の
゛ｒ導体レーサーの一実施例半導体レーザー部の中心軸
に’４イ〒っだレーザービームの射出方向における断面
が示されている斜視図、第２図はビーム発散角度と焦点
距離の関係を示す図、第３図（ａ）及び（ｂ）、第４図
、第５図、第６図及び第７図はそわそわ本発明の゛Ｉ′
導体レーサーの他の構成例を示す図である５、 １．１−１．１−２・・・活性層 ３、：３−１〜３−５・・・共振器 ４ａ・・・電極 ４ｂ・・・電極層 ５・・・ノ１Ｌ板 ６．６−１〜６−６・・・屈ｔＪｒ十分イ１１型マイク
ロレンス ７・・・位置決め部材８・・・ペデロ多層構造９・・・
反射ミラーまたは回折格子 ０・・・半導体レーサ部 １・・・Ｓ　ＨＧ素子部 ２ａ、１２ｂ・・・反身］ミラー ３・・・受ソ６センザ 特許出願人　　キャノン株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）結晶成長方向とレーザービーム射出方向とが同一で
   ある半導体レーザー部に、該半導体レーザ部から射出さ
   れたレーザービームの光学的制御を行なう光学素子部を
   一体化したことを特徴とする半導体レーザー。 ２）レーザービーム射出方向と所定の位置関係にある位
   置決め用ガイドを有する請求項１に記載の半導体レーザ
   ー。 ３）半導体レーザー部と光学素子部とからなる単位の複
   数を有する請求項１または２に記載の半導体レーザー。