KR20130063034A - 면 발광 레이저, 면 발광 레이저 어레이, 및 화상 형성 장치 - Google Patents

면 발광 레이저, 면 발광 레이저 어레이, 및 화상 형성 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 충분한 광학 출력을 제공하고, 전자 사진 장치용의 광원으로서 적합한 면 발광 레이저, 및 상기 면 발광 레이저를 각각 포함하는 면 발광 레이저 어레이와 화상 형성 장치를 제공한다. 면 발광 레이저는 전방 미러의 전방면 상에 제1 단차 구조체를 포함한다. 제1 단차 구조체에서는, 제1 영역에 있어서의 광로 길이와 제2 영역에 있어서의 광로 길이 사이의 차 L은 다음 식 (1/4+N)λ < |L| < (3/4+N)λ(여기서, N은 정수)을 충족시킨다.

Description

면 발광 레이저, 면 발광 레이저 어레이, 및 화상 형성 장치{SURFACE EMITTING LASER, SURFACE-EMITTING-LASER ARRAY, AND IMAGE FORMING APPARATUS}
본 발명은 면 발광 레이저, 및 이것을 각각 포함하는 면 발광 레이저 어레이와 화상 형성 장치에 관한 것이다.
예시적인 전자 사진 방식의 화상 형성 장치는 광학 주사 장치를 포함한다. 광학 주사 장치에 있어서는, 광원으로부터 출사된 광은 광 편향기(예를 들어, 다면경)에 의해 감광체에 유도되어 그 표면이 주사됨으로써, 잠상이 형성된다.
또한, 특허문헌 1은 광원으로서 면 발광 레이저의 어레이(수직 공진기 면 발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser), VCSEL로 약기함)를 포함하는 화상 형성 장치를 개시한다. 이는 VCSEL의 2차원 어레이를 제공하기 쉽게 만든다.
상기 화상 형성 장치에 있어서, 면 발광 레이저로부터 출사된 레이저 빔은 콜리메이터 렌즈에 의해 대략 평행 광속으로 변환된 다음, 회전 다면경, 즉 광 편향기의 편향면에 유도된다. 다면경에 의해 편향된 빔은 결상 광학계(fθ 렌즈계)를 통과하여, 주사면 상에 스폿 형태로 집광된다. 주사면은 집광된 빔을 이용하여 등속도로 주사된다.
상기 화상 형성 장치에 있어서는, 편향 방향(주주사 방향)과 직교하는 부주사 방향(부 주사 단면 내에 포함)에 있어서 콜리메이터 렌즈로부터 출사하는 평행 빔(collimated beam)은 원통형 렌즈에 의해 편향면 상에 또는 그 근방에 집광된다. 그 후, 빔은 결상 광학계에 의해 주사면 상에 재집광된다. 즉, 화상 형성 장치는 경사 보정 광학계를 이용한다.
도 21은 면 발광 레이저(1400)의 개략적 단면도이다.
면 발광 레이저(1400)에 있어서, 후방 미러(112), 활성층(114) 및 전방 미러(116)를 포함하는 복수의 반도체층이 반도체 기판(110) 상에 제공되고, 이에 의해 수직 공진기가 형성된다. 활성층(114) 및 전방 미러(116)는 부분적으로 에칭되어, 메사 구조체를 형성한다.
전방 미러(116)에는 전류 협착 구조체(current confinement structure: 118)가 제공된다. 전류 협착 구조체(118)는 활성층(114)을 통해 흐르는 전류를 조절하고, 활성층(114)의 발광 영역을 정의한다. 예를 들어, 전류 협착 구조체(118)는 AlGaAs 등으로 제조된 반도체층을 메사 구조체의 측면으로부터 산화시킴으로써 형성된다.
반도체층을 산화시킴으로써 형성된 전류 협착 구조체(118)는 반도체 부분에서보다도 절연체 부분에서 더 낮은 굴절률을 갖는다. 즉, 전류 협착 구조체(118)는 주변부에서보다도 중앙부에서 더 높은 굴절률을 갖는다. 이러한 구조는 도파관 구조라고 한다. 따라서, 전류 협착 구조체(118)는 기본 모드(130)를 포함하는 공진기의 공진 모드의 프로파일을 정의한다.
기판(110)의 하측면에 제공된 후방 전극(120)과 전방 미러(116)의 전방면에 제공된 전방 전극(122) 사이의 활성층(114)에 전류가 주입되면, 전방 미러(116)와 후방 미러(112)의 조합에 의해 형성된 공진기는 면 발광 레이저(1400)가 발진하게 한다. 유전체 등으로 제조된 보호막(124)은 출사면, 즉 전방 미러(116)의 전방면에 제공된다.
광학 주사계를 포함하는 일반적인 화상 형성 장치에 있어서, 싱글-피크 패턴으로 표현된 잠상이 주사면에 형성된다. 따라서, 면 발광 레이저의 발진 모드(횡 모드)로서는, 기본 모드(최하위 모드)가 이용되는 것이 일반적이다.
도 21에 나타낸 바와 같이, 기본 모드(130)는 공진기 내에 싱글-피크 패턴의 강도 분포를 갖는다. 일반적으로, 기본 모드(130)의 전계 진폭의 프로파일은 가우스 함수에 근사할 수 있다. 즉, 단일 횡 모드인 기본 모드로 발진하는 면 발광 레이저로부터 출사된 빔은 보통 가우스 빔이다.
여기에서, 출사면 직후의 평면에 있어서의 전계의 복소 진폭(진폭 및 위상)은 근시야 복소 진폭(near field complex amplitude)이라고 한다. 전계의 진폭, 강도 및 위상은 각각 근시야 진폭, 근시야 강도 및 근시야 위상이라고 한다. 근시야 강도의 분포는 근시야 패턴(Near Field Pattern)(NFP)이라고 한다.
또한, 반경 ∞에 의해 정의되고 광원을 중심으로 한 구형 평면에서 전계의 복소 진폭(진폭과 위상)은 원시야 복소 진폭이라고 한다. 전계의 진폭, 강도 및 위상은 각각 원시야 진폭, 원시야 강도 및 원시야 위상이라고 한다. 원시야 강도의 분포는 원시야 패턴(far field pattern)(FFP)이라고 한다.
도 22a는 면 발광 레이저(1400)의 기본 모드(130)의 예시적인 근시야 복소 진폭(진폭과 위상)을 나타내는 한 세트의 그래프이다. 도 22b는 면 발광 레이저(1400)의 기본 모드(130)의 예시적인 원시야 복소 진폭(진폭과 위상)을 나타내는 한 세트의 그래프이다.
도 21에 나타내는 면 발광 레이저(1400)의 기본 모드(130)의 근시야 복소 진폭을 나타내는 프로파일(132)은 공진기 내의 기본 모드(130)의 프로파일과 거의 동일한 가우스 형상이다. 프라운호퍼 회절 이론에 따르면, 근시야 복소 진폭과 원시야 복소 진폭은 서로 푸리에 변환의 관계에 있다. 따라서, 기본 모드의 NFP가 거의 가우스 함수이면, 기본 모드의 FFP도 거의 가우스 함수 형상으로 된다. 도 22a 및 도 22b에 도시된 바와 같이, 근시야 복소 진폭과 원시야 복소 진폭의 위상은 이 경우 일정하게 0이 된다.
일본 특허 공개 제2007-93770호 공보
도 21에 도시된 면 발광 레이저(1400)의 기본 모드(130)와 관련하여, NFP에서의 빔 반경과, FFP의 확산 각도는 서로 역 상관 관계에 있다. 즉, NFP에서의 빔 반경을 크게 하면, FFP의 확산 각도가 작아지고, NFP의 빔 반경을 작게 하면, FFP의 확산 각도가 커진다.
가우스 빔의 반경은 빔의 강도가 중심 피크 값의 1/e2이 되는 반경을 나타내는 것이다. FFP의 확산 각도는 원시야 강도의 분포의 반값 전폭(full width at half maximum)이라고 한다.
구체적으로는, 가우스 빔에 있어서, NFP의 빔 반경 w와 FFP의 확산 각도 Y(여기에서는, FFP 강도의 반값 전폭) 간의 관계는, 근축 영역(paraxial area)에서는 다음과 같이 표시된다:
Y(rad) = (2loge2)1/2λ/πw = 0.37 × λ/w (여기에서, λ는 레이저의 파장을 나타낸다.)
일반적으로, 면 발광 레이저는 광 출사 방향의 길이가 단부면 발광 레이저보다도 짧은 활성 영역을 갖는다. 충분한 광 출력을 얻기 위해서는, 면 발광 레이저의 발광 영역의 직경을 보다 큰 값으로 설정한다. 따라서, 면 발광 레이저에 있어서, NFP의 빔 반경이 커지고, 반면에 FFP의 확산 각도는 작아지는 경향이 있다.
전형적인 전자 사진 장치에 있어서는, 레이저 광원의 FFP의 확산 각도가 광학 주사계의 입사 동공(entrance pupil)을 형성하는 각보다 작을 때, 레이저 빔의 강도가 입사 동공의 중심과 단부 사이에서 상당히 다르다. 그 결과, 입사 동공의 전체에 걸쳐 레이저 빔의 강도가 균일한 경우에서보다 감광체 상에 잠상을 형성하는 빔의 스폿 사이즈가 커지게 되어, 화상의 해상도가 낮아져 버리는 문제가 야기된다.
또 다른 문제도 있다. 레이저 광원의 FFP의 확산 각도가 작을 때, 광학계에 부착된 레이저 광원의 소정의 위치 시프트는 광학계의 광축으로부터 광원의 광축의 위치 시프트에 이르게 된다. 이는 입사 동공 내의 강도 분포를 크게 시프트시켜, 편심 강도 분포를 야기한다.
이러한 문제는 도 23a 내지 도 23d를 참조하여, 상세히 설명된다.
도 23a 내지 도 23d는 개략적인 원시야 진폭의 프로파일을 도시한다. 도 23a 내지 도 23d의 각각에 있어서, 입사 동공에 대응하는 각도 범위는 프레임(170)에 의해 포위된다.
도 23a 및 도 23b는 FFP의 확산 각도가 큰 경우를 각각 나타낸다. 도 23c 및 도 23d는 FFP의 확산 각도가 작은 경우를 각각 나타낸다. 도 23a 및 도 23c는 광원의 광축과 광학계의 광축이 일치하는 경우를 각각 나타낸다. 도 23b 및 도 23d는 광원의 광축이 광학계의 광축으로부터 시프트되는 경우를 각각 나타낸다.
도 23b 및 도 23d에 도시된 경우들을 비교하면, 광축의 위치 시프트로 발생하는 동공 내의 조리개와 프로파일 편심을 통해 진행하는 빔의 파워(power)의 변동량은, FFP의 확산 각도가 큰 도 23b에 도시된 경우보다 FFP의 확산 각도가 작은 도 23d에 도시된 경우에 더 크다.
이상과 같이, 면 발광 레이저에 있어서, 충분한 광 출력을 제공하기 위해서 발광 영역의 직경을 큰 값으로 설정하면, NFP에서의 빔 직경이 커지고, FFP의 확산 각도가 작아진다. 그 결과, 전자 사진 장치용의 광원으로서 면 발광 레이저를 완전하게 사용하기가 어렵다.
따라서, 본 발명은 충분한 광 출력을 제공하고 전자 사진 장치용의 광원으로서 적합한 면 발광 레이저, 및 상기 면 발광 레이저를 각각 포함하는 면 발광 레이저 어레이와 화상 형성 장치를 제공한다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 파장 λ에서 발진하는 면 발광 레이저는, 기판; 상기 기판 상에 제공되며, 후방 미러, 활성층 및 전방 미러를 포함하는 층이 적층된 다층 구조체; 및 상기 전방 미러의 전방면에 제공되고, 발광 영역의 중앙부 내에 형성된 제1 영역 내에서 연장되는 부분과, 상기 발광 영역 내의 상기 제1 영역의 외측에 형성된 제2 영역 내에서 연장되는 부분을 포함하는 제1 단차 구조체를 포함하고, 상기 연장 부분들은 서로 다른 높이를 갖는다. 상기 면 발광 레이저의 외측에 형성되고 상기 다층 구조체의 적층 방향에 대하여 수직으로 연장되는 평면으로부터 상기 전방 미러의 전방면까지의 광로 길이에 관해서, 상기 제1 영역에 있어서의 상기 광로 길이와 상기 제2 영역에 있어서의 상기 광로 길이 간의 차 L은 다음 식을 충족시킨다.
(1/4+N)λ < |L| < (3/4+N)λ (N은 정수)
본 발명의 제2 양태에 따르면, 면 발광 레이저 어레이는 제1 방향으로 일정 간격으로 제공되는 본 발명의 제1 양태에 따른 복수의 면 발광 레이저를 포함한다. 제1 영역 내에서 연장되는 제1 단차 구조체의 부분은 단축 또는 장축이 제 1 방향으로 연장되는 타원형 형상을 갖고 있다.
본 발명의 제3 양태에 따르면, 화상 형성 장치는 면 발광 레이저, 및 상기 면 발광 레이저로부터의 광을 집광해서 이 광으로 주사를 행하는 광학계를 포함한다. 면 발광 레이저는, 파장 λ에서 발진하며, 기판; 상기 기판 상에 제공되며, 후방 미러, 활성층 및 전방 미러를 포함하는 층이 적층된 다층 구조체; 및 상기 전방 미러의 전방면에 제공되고, 발광 영역의 중앙부 내에 형성된 제1 영역 내에서 연장되는 부분과, 상기 발광 영역 내의 상기 제1 영역의 외측에 형성된 제2 영역 내에서 연장되는 부분을 포함하는 제1 단차 구조체를 포함하고, 상기 연장 부분들은 서로 다른 높이를 갖는다. 상기 면 발광 레이저의 외측에 형성되고 상기 다층 구조체의 적층 방향에 대하여 수직으로 연장되는 평면으로부터 상기 전방 미러의 전방면까지의 광로 길이에 관해서, 상기 제1 영역에 있어서의 상기 광로 길이와 상기 제2 영역에 있어서의 상기 광로 길이 간의 차 L은 다음 식을 충족시킨다:
(1/4+N)λ < |L| < (3/4+N)λ (N은 정수)
제1 영역 내에서 연장되는 제1 단차 구조체의 부분의 반경 a는 다음 식을 충족시킨다.
a < 0.75λ·Fno.
여기서, Fno.는 상기 광학계의 입사측 F-번호를 나타낸다.
본 발명의 상기 양태에 따르면, 충분한 광 출력을 제공하고 전자 사진 장치용의 광원으로서 적합한 면 발광 레이저, 및 상기 면 발광 레이저를 각각 포함하는 화상 형성 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 면 발광 레이저의 개략적 단면도.
도 2는 확산 각도에 상당하는 Ωx·w와, 원시야 진폭에 상당하는 Aw ,a,π(Ωx)/i 간의 관계를 나타낸 그래프.
도 3은 확산 각도에 상당하는 Ωx·w와, 원시야 강도에 상당하는 Iw ,a,π(Ωx) 간의 관계를 나타낸 그래프.
도 4는 a/w 대 I(2) w,a,π(0)/I(2) w,a,0(0)의 관계를 나타낸 그래프.
도 5는 확산 각도에 상당하는 Ωx·w와, 원시야 진폭에 상당하는 Aw ,a,π(Ωx)/i 간의 관계를 나타낸 다른 그래프.
도 6은 확산 각도에 상당하는 Ωx·w와, 원시야 강도에 상당하는 Iw ,a,π(Ωx) 간의 관계를 나타낸 다른 그래프.
도 7은 a/w 대 I(2) w,a,π(0)/I(2) w,a,0(0)의 관계를 나타낸 다른 그래프.
도 8은 FFP 강도 분포의 계산 결과를 도시한 도면.
도 9는 제1 실시 형태의 변형에 따른 면 발광 레이저의 개략적 단면도.
도 10은 FFP 강도 분포의 계산 결과를 도시한 도면.
도 11은 중앙 부분에서 광로 길이가 짧은 단차 구조체를 포함하는 면 발광 레이저를 도시한 도면.
도 12는 기판 측 상에 단차 구조체가 제공되는 면 발광 레이저를 도시한 도면.
도 13은 2개 이상의 재료로 제조된 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 단차 구조체를 포함하는 면 발광 레이저를 도시한 도면.
도 14a는 다른 제2 횡 모드 제어 기구를 포함하는 면 발광 레이저를 도시한 도면.
도 14b는 다른 제2 횡 모드 제어 기구를 포함하는 면 발광 레이저를 도시한 도면.
도 15는 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 단차 구조체를 포함하는 면 발광 레이저를 도시한 도면.
도 16a는 본 발명의 제4 실시 형태에 따른 단차 구조체를 포함하는 면 발광 레이저를 도시한 도면.
도 16b는 본 발명의 제4 실시 형태에 따른 단차 구조체를 포함하는 면 발광 레이저를 도시한 도면.
도 16c는 본 발명의 제4 실시 형태에 따른 단차 구조체를 포함하는 면 발광 레이저를 도시한 도면.
도 17a는 본 발명의 제4 실시 형태의 변형에 따른 단차 구조체를 포함하는 면 발광 레이저를 도시한 도면.
도 17b는 본 발명의 제4 실시 형태의 변형에 따른 단차 구조체를 포함하는 면 발광 레이저를 도시한 도면.
도 17c는 본 발명의 제4 실시 형태의 변형에 따른 단차 구조체를 포함하는 면 발광 레이저를 도시한 도면.
도 18a는 제1 내지 제4 실시 형태에 따른 소정의 단차 구조체를 갖는 면 발광 레이저 어레이를 포함하는 화상 형성 장치를 도시한 도면.
도 18b는 제1 내지 제4 실시 형태에 따른 소정의 단차 구조체를 갖는 면 발광 레이저 어레이를 포함하는 화상 형성 장치를 도시한 도면.
도 19a는 화상 형성 장치를 도시한 도면.
도 19b는 화상 형성 장치를 도시한 도면.
도 20은 빔 반경 w와 FFP의 반값 전폭 간의 관계를 나타낸 그래프.
도 21은 공지된 면 발광 레이저의 개략적 단면도.
도 22a는 공지된 면 발광 레이저의 기본 모드의 근시야 복소 진폭을 나타내는 한 세트의 그래프.
도 22b는 공지된 면 발광 레이저의 기본 모드의 원시야 복소 진폭을 나타내는 한 세트의 그래프.
도 23a는 공지된 면 발광 레이저 내에서의 FFP의 확산 각도과 축 위치에 관한 영향을 도시한 도면.
도 23b는 공지된 면 발광 레이저 내에서의 FFP의 확산 각도과 축 위치에 관한 영향을 도시한 도면.
도 23c는 공지된 면 발광 레이저 내에서의 FFP의 확산 각도과 축 위치에 관한 영향을 도시한 도면.
도 23d는 공지된 면 발광 레이저 내에서의 FFP의 확산 각도과 축 위치에 관한 영향을 도시한 도면.
도 23a 내지 도 23d를 참조하여 설명한 상기 문제는 레이저로부터 출사된 빔의 FFP이 확산 각도가 작은 가우스 형태일 때 현저해진다. 이는, 그러한 경우에 입사 동공을 통해 진행하는 빔의 강도 변화는 광학계의 광축으로부터 광원의 광축의 소정의 위치 시프트로 인해 커지는 경향이 있기 때문이다. 그러한 문제를 방지하기 위해서, FFP, 즉 FFP와 동일한 공진 모드를 나타내는 가우스 함수보다도 평탄하고 폭이 넓은 강도 프로파일을 갖는 FFP를 실현하는 레이저를 제공한다.
따라서, 하기 본 발명의 각 실시 형태에 따른 면 발광 레이저는, 근시야 위상이 일정하지 않도록, 그리고 레이저의 중앙부 내의 투과 광과 중앙부의 주변부 내의 투과 광 간의 위상차의 절대값은 (1/4+N)2π로부터 (3/4+N)2π (여기서, N은 정수)까지의 범위 내에 있도록 구성된다.
구체적으로, 면 발광 레이저는 파장 λ에서 발진하며, 출력 표면 및 발광 영역 내에 복수의 평탄한 부분을 포함한다. 복수의 평탄한 부분은 서로 다른 높이를 갖고, 조합하여 단차 구조체를 형성한다. 따라서, 발광 영역 내의 중앙측 영역과 외측 영역에서의 광로 길이 간의 광로 길이 차 L이 각각 제조된다. 광로 길이 차 L는, (1/4+N)λ < |L| <(3/4+N)λ (여기에서, N은 정수)의 조건을 충족시킨다.
광로 길이 차 L은 면 발광 레이저의 외부에 형성된 기준 평면으로부터 후방면, 즉 중앙측 영역과 외측 영역에서의 각 광로 간의 단차 구조체의 하부까지의 광로 길이의 차다.
따라서, 스칼라 근사에 기초하여, 중앙측 영역과 외측 영역에서 각각의 투과 광에 의해 생성된 전계 사이에서 (1/4+N)2π < θ < (3/4+N)2π의 조건을 충족시키는 위상차 θ가 만들어진다.
근시야 위상 내에 이러한 위상차를 생성함으로써, 근시야 복소 진폭의 저공간 주파수 성분이 저감되고, 반면에 근시야 복소 진폭의 고공간 주파수 성분이 증가한다. 따라서, 원시야 강도가 중앙 영역에서는 저하되고, 외측 영역에서는 증가한다.
따라서, 원시야 강도의 반값 전폭이 넓어지고, 0° 근방의 원시야 강도의 프로파일은 가우스 프로파일보다도 평탄하게 된다.
이하, 구체 예를 들어서 상기 효과에 대해서 설명한다.
(1차원 프로파일)
우선, 1차원 프로파일의 관점에서 그 효과가 설명된다. 예를 들어, 발광 영역이 가늘고 긴 형태인 경우에, 가늘어지는 경향이 있는 FFP를 길이 방향으로 넓히기 위해서 단차 구조체가 이용된다.
공진 모드의 예시적인 전계 분포로서, x = 0에 대하여 대칭인 모드 분포Ex(x) = gw(x)가 고려된다. 여기에서, 공진 모드 분포가 스폿 폭 w의 가우스 분포, 즉 gw(x) = exp(-x2/w2)이라고 한다.
단차 구조체는, 예를 들어 폭 2a를 갖고, 공진 모드의 축 위로 중심을 갖는다. 단차 구조체에 의해 생성된 광로 길이 차 L에 기초한 위상차는 θ로 표시되고, 스칼라 회절 근사에 따라, θ = -2πL/λ에 근사된다.
여기에서, 모드의 시간 의존 항이 복소 진폭에 있어서 exp(iωt)이 되도록 위상을 정의하는데, 여기서 ω은 각 주파수를 표시하고, t는 시간을 표시한다. 상기 공진 모드 분포 및 상기 단차 구조체에 기초한 근시야 복소 진폭은 Ψw,a,θ(x)로 표시한다. 스칼라 회절 근사에 따르면, 근시야 복소 진폭 Ψw,a,θ(x)은 단차 구조체의 광로 길이 차 L에 기초하여 위상 분포 Sa ,θ(x)에 의해 승산된 공진 모드 분포 gw(x)로 표시된다.
즉, Ψw,a,θ(x) = gw(x)·Sa ,θ(x)로 기술될 수 있다.
상기 근시야 복소 진폭에 의해 결정된 원시야 복소 진폭은 프라운호퍼 회절 근사(Fraunhofer diffraction approximation)에 따른 근시야 복소 진폭의 푸리에 변환이며, F[Ψw,a,θ(x)]은 Aw ,a,θ(Ωx)에 비례한다.
여기에서, F[Ψw,a,θ(x)]는 다음과 같이 형성된다:
F[Ψw,a,θ(x)] = ∫Ψw,a,θ(x)exp(-ixΩx)dx
여기에서, Ωx는 공간 각 주파수를 나타낸다. 확산 각도를 φx로 하는 경우, Ωx = 2πφx/λ이다. Iw ,a,θ(Ωx)로 표시된 원시야 강도는 |Aw ,a,θ(Ωx)|2에 비례한다.
항 Sa ,θ(x)은 단차 구조체에 의해 변조되는 위상 분포를 나타내고, 다음과 같이 표시된다:
Sa ,θ(x) = exp(iθ/2) (여기에서, |x| <a)
Sa ,θ(x) = exp(-iθ/2) (여기에서, |x|≥a)
즉, 공진 모드의 위상 분포는 x = ±a로 표시된 경계에 대해서 형성된 영역 간에 서로 다르다. 단차 구조체의 다른 부분 간의 경계 위치가 단차 구조체의 형상에 따라 유효 위상 분포에서의 경계 위치와는 약간 다르더라도, 여기에서 2개의 위치는 동일한 것으로 가정된다.
이제, 위상차 π의 단차 구조체에 기초한 원시야 강도가 고려된다. 도 2는 확산 각도에 상당하는 Ωx와 원시야 진폭에 상당하는 Aw ,a,π(Ωx) 간의 관계, 즉 a/w의 값이 다른, Ωx ·w와 Aw ,a,π(Ωx)/i 간의 관계를 나타내는 그래프이다. Aw ,a,π(Ωx)/i = F[Ψw,a,π(x)/i]이라는 점에 유의해야 한다.
도 3은 확산 각도에 상당하는 Ωx와 원시야 강도에 상당하는 Iw ,a,π(Ωx) 간의 관계, 즉 a/w의 값이 다른, Ωx ·w와 Iw ,a,π(Ωx) 간의 관계를 나타내는 그래프이다. Iw,a,π(Ωx) = |Aw ,a,π(Ωx)|2이라는 점에 유의해야 한다. 도 2 및 도 3의 각각에서, 횡축은 Ωx에 w를 승산함으로써 규격화된다.
도 2를 참조하면, 단차 구조체의 반경이 매우 큰 경우(a/w → +∞)와 매우 작은 경우(a/w → 0) 등의 2가지 경우에 있어서, Aw ,a,π(Ωx)/i는 각각 Gw(Ωx) 및 -Gw(Ωx)이 된다.
여기에서, Gw(Ωx)은 F[gw(x)]이다. gw(x)가 exp(-x2/w2)의 경우에는, Gw(Ωx)는 exp(-Ωx 2w2/4)이다.
따라서, 2가지 각각의 경우에 있어서, 도 3에 도시된 원시야 강도 분포 Iw ,a,π(Ωx)는 가우스 함수 형상으로 되고, 즉 단차 구조체가 제공되지 않는 경우의 원시야 강도 분포다.
"a"가 유한한 값일 때, Aw ,a,π(Ωx)/i의 분포는 Gw(Ωx)의 분포보다 폭이 넓다. a/w가 Aw ,a,π(0)/i > 0에 대응하는 범위 내에 있으면, Iw ,a,π(Ωx)의 분포는 단차 구조체가 제공되지 않는 경우에는 원시야 강도 분포 Iw ,a,0(Ωx)보다도 폭이 넓다.
a/w가 거의 1보다 큰 경우, Ωx = 0 근방에서의 Iw ,a,π(Ωx)의 곡선은 위로 볼록한 형태의 싱글-피크를 갖는다.
a/w가 거의 1보다 작고 Aw ,a,π(0)/i > 0에 대응하는 범위 내에 있으면, Ωx = 0 근방에서의 Iw ,a,π(Ωx)는 아래로 볼록한 형태의 곡선을 형성한다.
θ = 0 및 θ = π을 이용하여, 단차 구조체에 의해 생성된 광로 길이 차 L에 의해 기초하여 위상 분포 Sa ,θ(x)은 다음과 같이 변형된다: Sa ,θ(x) = cos(θ/2)Sa,0(x) + sin(θ/2)Sa,π(x).
푸리에 변환의 선형성에 따르면, 다음과 같다: Aw ,a,θ(Ωx) = cos(θ/2)Aw,a,0(Ωx) + sin(θ/2)Aw,a,π(Ωx).
gw(x)의 대칭성(우함수 및 실수 함수로서의 특성)에 따르면, Aw ,a,0(Ωx)은 실수 함수이며, Aw ,a,π(Ωx)은 순 허수 함수이다.
따라서, 다음과 같다: Iw ,a,θ(Ωx) = cos2(θ/2)Iw,a,0(Ωx) + sin2(θ/2)Iw,a,π(Ωx).
즉, 상기 경우에 있어서, 위상차 θ을 부여하는 단차 구조체에 의해 결정된 원시야 강도는, 단차 구조체가 없는 경우의 원시야 강도 Iw ,a, 0(Ωx)와, 가장 큰 변조를 근시야 복소 진폭에 제공하는 위상차 π를 부여하는 단차 구조체에 의해 결정된 원시야 강도 Iw ,a,π(Ωx)를 특정 비율로 조합한 것이다.
a/w가 Iw ,a,π(Ωx)의 분포가 Iw ,a,0(Ωx)의 분포보다 폭이 넓게 되는 값인 경우, Iw,a,θ(Ωx)의 분포는 Iw ,a,0(Ωx)의 분포보다도 폭이 넓게 된다.
상기 식에서 Iw ,a, 0(Ωx)와 Iw ,a,π(Ωx)의 계수를 비교하면, cos2(θ/2) < sin2(θ/2)의 조건은, (1/4+N)2π < θ < (3/4+N)2π일 때 유지된다. 이 경우, Iw,a,θ(Ωx)이 Iw ,a,π(Ωx)의 영향을 크게 받기 때문에, 원시야 강도 분포, 즉 FFP를 크게 넓힐 수 있다.
화상 형성의 안정성에 있어서는, FFP는 확산 각도가 큰 것이 바람직하고, 중심부 주변에서 평탄한 것이 특히 바람직하다. 특히, FFP는 중심부 주변에서 거의 완전하게 평탄하고, 가우스 빔에 비교해서 더 평탄한 것이 바람직하다.
도 3에 도시된 바와 같이, Iw ,a, 0(Ωx)는 Ωx = 0 근방에서 위로 볼록한 형상인 곡선을 형성하는 반면, Iw ,a,π(Ωx)는 a/w의 값의 변화에 따라, Ωx = 0 근방에서의 형상이 위로 볼록한 형상으로부터 아래로 볼록한 형상으로 변하는 곡선을 형성한다.
이것이 의미하는 것은, θ의 특정 범위에서, 중심부 주변의 Iw ,a,θ(Ωx)의 곡선을 거의 완전하게 평탄하게 만드는 "a"의 값이 존재한다는 것이다.
Ωx = 0일 때 Iw ,a,θ(Ωx)의 2차 미분 계수를 I(2) w,a,θ(0)로 하면, I(2) w,a,θ(0) = 0일 때, Iw ,a,θ(Ωx)의 곡선은 Ωx = 0에서 거의 완전하게 평탄하게 된다.
여기에서, 다음과 같이 된다: I(2) w,a,θ(0) = cos2(θ/2)I(2) w,a,0(0) + sin2(θ/2)I(2) w,a,π(0).
따라서, I(2) w,a,θ(0) = 0은 다음과 같이 변형된다:
-1/tan2(θ/2) = I(2) w,a,π(0)/I(2) w,a,0(0) … 식 (A)
도 4는 a/w에 대한 I(2) w,a,π(0)/I(2) w,a,0(0)을 나타내는 그래프이다. 그래프에 따르면, I(2) w,a,π(0)/I(2) w,a,0(0)은 -0.23보다 클 필요가 있고, 다음과 같이 표시된다:
I(2) w,a,π(0)/I(2) w,a,0(0) > -0.23 … 식 (B)
식 (A)과 식 (B)에 의해, 1/tan2(θ/2) < 0.23의 조건을 충족시키는 θ, 즉 0.36×2π < θ < 0.64×2π에 있어서, Iw ,a,θ(Ωx)의 곡선을 Ωx = 0에서 거의 완전히 평탄하게 만들 수 있다.
광로 길이의 관점에서, 상기 조건은 (0.36+N)λ < |L| < (0.64+N)λ로 표시된다.
전자 사진 장치용의 광원은 입사 동공 내에 일정한 원시야 위상을 갖는 것이 바람직하다. 동공 내에 소정의 위상 분포가 있을 경우, 광학계의 수차에 따라, 광원과 광학계 간의 광축의 위치 시프트에 의해, 감광체에 있어서의 스폿 위치가 소정의 위치로부터 어긋나게 할 수 있다. 원시야 위상이 입사 동공 내에서 실제 파면과 기준 파면 간의 차이에 상당한다는 점에 유의해야 한다.
원시야 위상은 Aw ,a,θ(Ωx)의 편각으로서 생각할 수 있다.
여기에서, Aw ,a,θ(Ωx)의 실수부와 허수부는 각각 cos(θ/2)Aw,a, 0(Ωx)와 sin(θ/2)Aw,a,π(Ωx)/i이다.
또한, |Aw ,a,π(Ωx)/Aw ,a,0(Ωx)|은 Ωx에 대하여 일정하지 않다. 따라서, θ≠Mπ(여기서, M은 정수)이면, Aw ,a,θ(Ωx)의 편각은 Ωx에 대하여 일정하지 않다. 따라서, 원시야 복소 진폭은 위상 분포를 갖는다. 반면, θ = Mπ(여기서, M은 정수)이면, Aw ,a,0(Ωx) 또는 Aw ,a,π(Ωx)의 편각이 일정한 영역에서 FFP의 위상은 일정하다.
상기 관점으로부터, 본 발명의 소정의 실시 형태에 따른 단차 구조체에 의한 위상차 θ가 (N+1/2)2π인 것이 특히 바람직하다. 광로 길이의 관점에서 생각하면, |L| = (1/2+N)λ을 충족하는 것이 특히 바람직하다.
위상 차 θ가 (N+1/2)2π가 아닌 면 발광 레이저도, 광학 수차 및 허용 가능한 편차, 및 광원을 광학계에 설치할 때 광원의 광축 방향이 조정되는 방법에 따라, 전자 사진 장치용 광원으로서 충분히 사용가능하다.
또한, 단차 구조체(제1 단차 구조체)의 위치 시프트에 의한 특성의 변화를 억제하기 위해, 다른 높이를 갖는 부분 간의 경계는 수직 표면을 형성하는 것이 바람직하다. 경계가 에칭 등의 편의의 문제로 경사진 표면을 형성하는 경우, |L|은 원시야 위상이 일정하게 되도록 (1/2+N)λ보다 약간 클 수 있다.
(2차원 프로파일)
발광 영역이 원형이고 원형의 단차 구조체가 제공되는 다른 경우에 대해서 서술한다. 공진 모드의 예시적인 전계 분포로서, x,y=0에 대하여 대칭인 모드 분포 Ex(x,y) = gw(x,y)을 고려한다. 여기에서, 공진 모드 분포는 스폿 폭 w의 가우스 분포, 즉 gw(x,y) = exp(-ρ2/w2)이라고 한다. 여기서, ρ = (x2 + y2)1/2이다.
단차 구조체는, 예를 들어 반경 a를 갖고, 공진 모드의 축 위로 중심을 갖는다. 단차 구조체에 의해 부여된 광로 길이 차 L에 기초하고 스칼라 회절 근사에 기초한 위상차는 θ로 표시된다.
1차원 프로파일의 경우와 마찬가지로 계산한 결과를 후술한다.
도 5는 a/w의 값이 다른 Ωx·w와 Aw ,a,π(Ωx)/i 간의 관계를 나타내는 그래프이다. Aw ,a,π(Ωx)/i = F[Ψw,a,π(x)/i]이라는 점에 유의해야 한다.
도 6은 a/w의 값이 다른 Ωx·w와 Iw ,a,π(Ωx) 간의 관계를 나타내는 그래프이다. Iw ,a,π(Ωx)=|Aw ,a,π(Ωx)|2이고, Ωx = 0 및 Ωy = 0일 때 Iw ,a,θ(Ωx)의 2차 미분 계수가 I(2) w,a,θ(0)이라는 점에 유의해야 한다.
도 7은 a/w에 대한 I(2) w,a,π(0)/I(2) w,a,0(0)을 나타내는 그래프이다. 도 7은 I(2) w,a,π(0)/I(2) w,a,0(0) > -0.13임을 도시한다.
따라서, 1/tan2(θ/2) < 0.13을 충족하는 θ, 즉 0.39×2π < θ < 0.61×2π에 있어서, Iw ,a,θ(Ωx)의 곡선은 Ωx=0 및 Ωy=0일 때 거의 완전히 평탄하게 된다.
광로 길이의 관점에서, 상기 조건은 (0.39+N)λ < |L| < (0.61+N)λ로 표시된다.
이 경우에서도, 원시야 위상이 일정하게 되도록, 단차 구조체에 의한 위상차 θ가 (N+1/2)2π인 것이 특히 바람직하다.
단차 구조체의 에지에서의 산란 등 때문에, 실제의 근시야 복소 진폭은 스칼라 회절 근사에 의해 얻어진 근시야 복소 진폭 외에, 고공간 주파수 성분을 함유하는 진동을 포함할 수 있다는 점에 유의해야 한다.
그러나, 그러한 고공간 주파수 성분은 원시야에서는 외측으로 확산되는 성분(즉, 광학계에 입사하지 않는 성분)에 반영되지 않는다. 따라서, 원시야 복소 진폭에 있어서는 그러한 고공간 주파수 성분의 영향을 무시할 수 있다.
상기 효과를 발휘하는 본 발명에 따른 단차 구조체의 형상은 상기 원형의 기둥 형상에 한하는 것은 아니고, 대안적으로 타원이나 직사각형의 기둥 형상일 수 있다는 점에 유의해야 한다.
예를 들어, 타원 기둥 형상의 경우, 타원의 장축 방향에 비해 타원의 단축 방향으로 더 크게 원시야 복소 진폭이 변한다. 즉, 원시야 강도 분포의 폭이 단축 방향으로 더 증가할 수 있다. 따라서, 화상 형성 장치의 광학계의 동공이 비대칭 형상인 경우, 보다 효율적인 광원은 원시야 강도 분포가 더 넓어지길 원하는 방향으로 타원의 단축을 연장함으로써 제공될 수 있다.
[제1 실시 형태]
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 면 발광 레이저(100)의 개략적 단면도이다.
제1 실시 형태에 따른 면 발광 레이저(100)는 반도체 기판(110), 및 이 기판(110) 상에 순차적으로 제공된 후방 미러(112), 활성층(114) 및 전방 미러(116)를 포함한다.
면 발광 레이저(100)의 기본 모드(130)는, 예를 들어 680㎚의 발진 파장 λ을 갖는다. 반도체 기판(110)은, 예를 들어 n형 GaAs 기판이다. 면 발광 레이저(100)의 편광 제어의 편리성을 위해, GaAs 기판의 연마면에 대한 법선 방향은 결정 방위 [100]의 결정 방향에 대하여 결정 방위 [0-1-1]의 결정 방향으로 연장되는 방식으로 10° 경사진다.
후방 미러(112)는, 예를 들어 λ/4의 광학 두께를 각각 갖고 있으며, 교대로 적층되는 70쌍의 n형 Al0 .5Ga0 .5As 및 AlAs 막을 포함하는 반도체 다층 미러이다.
활성층(114)은 GaInP 및 AlGaInP 막으로 제조된 다중-양자-웰 구조(multiple-quantum-well structure)이다.
전방 미러(116)는, 예를 들어 λ/4의 광학 두께를 각각 갖고 있으며, 교대로 적층되는 35쌍의 p형 Al0 .5Ga0 .5As 및 Al0 .9Ga0 .1As 막을 포함하는 반도체 다층 미러이다.
전방 미러(116) 및 활성층(114)은 원통형의 메사 구조체의 형태로 제공된다.
전방 전극(122)은 전방 미러(116)의 전방면 상에, 즉 상부에 제공된다. 후방 전극(120)은 기판(110)의 후방면 상에, 즉 하부에 제공된다.
전방 전극(122) 및 후방 전극(120)은 각각, 예를 들어 Ti/Pt/Au 및 AuGe/Au의 다층 구조체이다. 전방 전극(122)은 조리개를 갖고 있고, 그로부터 레이저 빔이 출사된다.
전방 미러(116)와 활성층(114) 사이, 또는 전방 미러(116)의 내부에는 Al0.98Ga0.02As의 층이 제공된다. 이 Al0 .98Ga0 .02As의 층을 메사 구조체의 측벽으로부터 산화시킴으로써, 원형의 전류 협착 구조체(118)가 형성된다. 따라서, 전류 협착 구조체(118)의 일부가 산화된다. 전류 협착 구조체(118) 중 다른 부분, 즉 산화되지 않은 부분은, 예를 들어 2.8㎛의 반경 G1을 갖는다.
산화된 부분은 산화되지 않은 부분에 비해서 굴절률이 많이 저하되므로, 굴절률 분포를 만든다. 굴절률 분포는 면 발광 레이저(100)의 횡 모드를 결정한다.
공진기 내의 기본 모드(130)의 프로파일은 산화에 의해 형성된 전류 협착 구조체(118)의 위치 및 두께에 따라 변화하지만, 프로파일은 가우스 함수에 근사될 수 있다.
발광 영역 내의 기본 모드(130)의 중심(광원의 광축(136))은 전류 협착 구조체(118)의 중심과 거의 일치한다.
기본 모드(130)는, 예를 들어 2.3㎛의 스폿 반경 w0(전계 강도가 중심 피크 값의 1/e2이 되는 반경)을 갖는 가우스 프로파일을 갖는다. 전방 미러(116)의 전방면(142) 상에는, 단일 재료(제1 재료)로 제조된 원형의 단차 구조체(150)가 형성된다.
단차 구조체(150)의 중심은 전류 협착 구조체(118)의 중심과 거의 일치한다. 단차 구조체(150)는, 예를 들어 3.0㎛의 반경 R1을 갖는다.
제1 재료는, 예를 들어 SiO이며, 그 굴절률 n1은, 예를 들어 1.5이다.
면 발광 레이저(100)가 설치되어 있는 환경 매질(140)은, 예를 들어 공기이며, 그 굴절률 n0은 1이다.
단차 구조체(150)는 볼록한 형상을 하고 있고, 발광 영역의 중앙에 형성된 제1 영역(160)의 실제 두께는 P1이며, 발광 영역 내의 제1 영역(160) 외측에 형성된 제2 영역(162)의 실제 두께는 P2이다. 이 단차 구조체(150)의 존재에 의해, 제1 영역(160)의 광로와 제2 영역(162)의 광로 간의 면 발광 레이저(100)의 출력 표면으로부터의 빔의 광로 길이 차가 존재한다. L로 표시된 광로 길이 차는 L = |L1-L2|로 표시된다.
여기에서, L1은 제1 영역(160)에 있어서의 전방 미러(116)의 전방면(142)으로부터 평면(144)까지의 광로 길이를 나타내고, L2는 제2 영역(162)에 있어서의 전방면(142)으로부터 평면(144)까지의 광로 길이를 나타낸다. 평면(144)은 면 발광 레이저(100)의 외측에 형성되고, 면 발광 레이저(100) 내에 포함된 층이 적층되는 적층 방향에 대하여 수직인 기준 평면이다.
도 1에 도시된 구성에서, 환경 매질(140)은 제1 영역(160) 및 제2 영역(162)에 공통적이다. 따라서, 광로 길이 차 L은 이하의 식으로부터 산출된다:
L = |L1-L2| = n1×(P1-P2) - n0×(P1-P2)
단차 구조체(150)는 제1 영역(160)에 있어서의 투과 광의 전계 진폭과, 제2 영역(162)에 있어서의 투과 광의 전계 진폭 간의 (1/4+N)2π < θ < (3/4+N)2π (여기에서, N은 정수)의 위상차 θ을 부여한다.
따라서, 광로 길이의 관점에서 보면, 광로 길이 차 L이 이하의 식을 충족시키도록, P1 및 P2을 조정한다:
(1/4+N)λ < L < (3/4+N)λ (여기에서, N은 정수)
정수 N을 작게 설정할수록, 단차 구조체(150)의 에지 부분에서의 더 많은 산란 손실을 억제할 수 있다. 예를 들어, N은 0으로 설정될 수 있다.
P1 = 2λ/n1 및 P2 = 0.5λ/n1로 가정하면, L = |L1-L2| = n1×(P1-P2) - n0×(P1-P2) = 0.5λ이 된다.
상기와 같이 표시된 광로 길이 차 L은, 제1 영역(160)에서의 투과 광의 전계 진폭과, 제2 영역(162)에서의 투과 광의 전계 진폭 간의 위상차 θ = L/λ×2π [rad]를 근시야 복소 진폭에 제공한다. 특히, 상기 수치 예에서는, θ는 π이고, (1/4+N)2π < θ < (3/4+N)2π의 위상차가 제공된다.
도 8은 단차 구조체(150)가 제공되지 않은 경우와 단차 구조체(150)가 제공되는 경우에, 원시야 강도 분포, 즉 FFP의 계산 결과를 나타낸다. 양자의 경우에서의 원시야 위상은 일정하다. 양자를 비교하면, 단차 구조체(150)의 존재는 원시야 강도 분포를 넓게 만드는데, 그 반값 전폭은 단차 구조체(150)가 제공되지 않은 경우에 있어서의 원시야 강도 분포의 약 1.9배이다.
또한, 단차 구조체(150)의 존재는 광축(136)의 근방(0°정도)에 있어서의 원시야 강도 프로파일을 거의 평탄하게 만든다.
( 변형예 )
도 9는 단차 구조체(150)의 변형예를 도시한다. 변형예에서, 단차 구조체(150)가 있는 경우에, 도 8에 도시된 FFP는 더 넓어진다.
특히, 발광 영역의 중앙측에 형성된 제1 영역(160)에서의 투과 광의 전계 진폭과, 제1 영역(160)의 외측에 형성된 제2 영역(162)에서의 투과 광의 전계 진폭이 역 부호를 갖는 각각의 성분을 포함하도록, 그리고 제2 영역(162)에서의 투과 광의 전계 진폭과, 제2 영역(162)의 외측에 형성된 제3 영역(164)에서의 투과 광의 전계 진폭이 역 부호를 갖는 각각의 성분을 포함하도록, 단차 구조체(150)가 구성된다. 이것을 고려하여, 도 9에 도시된 광로 길이 L1, L2 및 L3을 설정한다.
특히, 제2 영역(162)에 있어서의 광로 길이 L2와, 제3 영역(164)에 있어서의 광로 길이 L3 간의 광로 길이 차 L´은 이하의 식을 충족시킨다:
(N+1/4)λ < |L´| < (N+3/4)λ (여기에서, N은 정수)
공진기 내의 파장 680㎚에서 빔의 기본 모드가 가우스 함수이고, 빔의 폭 w를 2.3㎛이라고 가정하고, 광원의 광축(136)으로부터, 제1 영역(160)과 제2 영역(162) 간의 경계까지의 거리 R1을 2.3㎛이라고 하고, 광원의 광축(136)으로부터, 제2 영역(162)과 제3 영역(164) 간의 경계까지의 거리 R2를 3.8㎛이라고 가정한다. 이 경우, 인접하는 영역의 각 쌍에서 투과 광 간의 위상차를 π로 하기 위해서, |L1-L2| = |L3-L2| = λ/2의 관계가 성립된다.
도 10은 단차 구조체(150)가 제공되는 경우와 단차 구조체(150)가 제공되지 않는 경우의 양자의 경우에, 원시야 강도 분포, 즉 FFP를 나타낸다. 양자의 경우의 원시야 위상 분포는 일정하다.
상기 수치 예에 따른 단차 구조체(150)가 제공되는 경우의 FFP의 반값 전폭은 단차 구조체(150)가 제공되지 않는 경우의 FFP 강도의 반값 전폭의 약 2.6배가 된다. 따라서, 도 1에 도시된 단차 구조체(150)의 경우에서보다 FFP를 더 넓힐 수 있다.
도 1 및 도 9에 도시된 단차 구조체(150) 각각은 외측보다도 중앙측에서의 광로 길이가 더 긴 볼록한 형상을 갖는다. 대안적으로, 단차 구조체(150)는 도 11에 나타낸 바와 같이, 외측보다도 중앙측에서의 광로 길이가 더 짧은 오목한 형상을 가질 수 있다.
이 경우, 원시야 위상 분포의 부호가 반전되지만, 강도 분포는 동일하게 유지된다.
유효 위상 분포에서의 경계의 위치로부터 단차 구조체(150)의 다른 부분 간의 경계의 위치의 편차가 볼록한 형상의 단차 구조체(150)와 오목한 형상의 단차 구조체(150) 사이에서 약간의 차이가 있지만, 여기에서 두 경우에서의 편차는 동일한 것으로 간주된다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 면 발광 레이저는 기판(110)측으로부터 빔을 출사하도록 구성될 수 있다. 이 경우에 있어서도, 빔이 출사하는 측을 전방측이라고 한다. 따라서, 활성층(114)에 대해서, 전방 미러(116)는, 설치된 방향으로 레이저의 상향 측 상에 제공된 미러가 아니라, 빔이 출사되는 측 상에 제공된 미러이다.
예를 들어, 기판(110)과 전방 미러(116)는 n형 반도체이며, 후방 미러(112)는 p형 반도체이다. 발광 영역 내의 기판(110) 및 전방 전극(122)의 부분이 제거된다. 그 밖의 부재도 상기한 바와 같이 적절하게 구성된다.
(반사율 분포)
전방 미러(116), 즉 활성층(114)에 대하여 전방측 상에 있는 미러의 반사율은 단차 구조체(150)의 형상에 따른 분포를 가질 수 있다.
예를 들어, 도 1의 단차 구조체(150)의 실제 두께 P1 및 P2는, |n1 ·P1-n1 ·P2|가 λ/2의 정수 배가 되도록 설정되면, 전방 미러(116)는 반사율 분포가 거의 발생하지 않는다.
단차 구조체(150)에 의한 전방 미러(116)에서의 반사율 분포의 발생이, 될 수 있는 한 억제되는 경우, 공진기 내의 공진 모드에의 단차 구조체(150)에 의한 영향이 감소한다.
반드시 반사율 분포를 완전하게 제거할 필요는 없다. 상황에 따라, 원하는 특성을 얻기 위해서, 소정의 반사율 분포가 주어질 수 있다. 예를 들어, 외측의 영역의 반사율을, 중앙측의 영역보다 낮추는 경우, 손실은 선택적으로 고차 모드로 제공된다.
외측의 영역의 투과율이 중앙측의 영역의 투과율보다도 높은 경우, 외측의 영역에서의 투과 광의 영향이 커진다. 그 경우, 외측 영역과 중앙측 영역에서의 투과율이 같은 경우에 FFP를 평탄하게 하는 단차 구조체의 반경보다도 큰 반경의 단차 구조체를 이용함으로써, FFP는 평탄하게 된다.
(제조 방법)
도 1을 참조하여 상기 제1 실시 형태에 따른 면 발광 레이저(100)의 제조 방법에 대해서 서술한다.
후방 미러(112), 활성층(114) 및 전방 미러(116)로서 각각 기능하는 반도체층은 반도체의 기판(110) 상에 성장된다. 결정 성장은 금속-유기 화학 증착법(MOCVD) 등에 의해 행해진다.
전방 미러(116) 내에 또는 후방 미러(112)와 활성층(114) 사이에는, 전방 미러(116) 및 후방 미러(112)로서 기능하는 층보다도 Al 성분을 더 함유하는 반도체층(전류 협착 구조체(118)로서 기능)이 제공된다. 상기 반도체층은 전류 협착 구조체(118)의 측벽이 외부에 노출되도록 메사 구조체 내에 형성된다.
메사 구조체는, 예를 들어 드라이 에칭 등의 포토리소그래피의 기술에 의해 형성된다. 메사 구조체는 원통형이며 그 직경은, 예를 들어 30㎛이다.
메사 구조체 내의 전류 협착 구조체(118)로서 기능하는 층은 측벽으로부터 고온수증기 분위기에서 산화함으로써, 전류 협착 구조체(118)가 얻어진다. 산화는, 예를 들어 450℃에서 행해진다. 전류 협착 구조체(118)의 반경은, 예를 들어 2.8㎛이다.
유전막은 메사 구조체 내에 포함된 전방 미러(116) 상에 성막되고, 상기 형상의 단차 구조체(150) 내에 형성된다. 유전막은 SiO, SiN 등으로 구성되며, 플라즈마 화학 증착법(CVD)나 스퍼터링에 의해 성막된다.
SiO 등의 막의 성막 시에 플라즈마 CVD 등의 성막 조건이 변경되는 경우, 단차 구조체(150)의 굴절률 n1은 조정될 수 있다. 예를 들어, n1이 1.5로 설정되면, 180°의 위상차가 생기는데, 여기서 n1·P1 및 n1·P2은 λ/2의 정수 배이다. 이 경우, P1은 2λ/n1이고, P2은 0.5λ/n1이다.
또한, SiO는 상기 조건을 충족시키는 약 1.5의 굴절률을 가지고 있으며, 높은 내구성 보호 필름으로 적절히 사용될 수 있다.
단차 구조체(150)는 에칭, 리프트 오프(lift-off) 등에 의해 형성된다.
예를 들어, (P1-P2)에 상당하는 두께의 제1 유전막은 메사 구조체 상에 성막된다. 결과적으로, 외측 영역의 제1 유전막의 부분은 에칭에 의해 제거된다. 그 다음, P2에 상당하는 두께의 제2 유전막은 제1 유전막의 결과물 상에 성막된다. 대안적으로, P2에 상당하는 두께의 제1 유전막은 메사 구조체 상에 성막된다. 결과적으로, 리프트 오프용의 레지스트 패턴은 외측 영역에 있어서의 메사 구조체의 부분 상에 형성된다. 또한, (P1-P2)에 상당하는 두께의 제2 유전막은 레지스트 패턴 상에 성막된다. 그 다음, 리프트 오프 레지스트 패턴은 제거된다.
상기와 같이 단차 구조체(150)를 형성한 후에, 메사 구조체 내에 포함된 전방 미러(116)의 전방면 상에 전방 전극(122)이 제공되고, 기판(110)의 후방면 상에는 후방 전극(120)이 제공된다. 후방 전극(120) 및 전방 전극(122)은 증착 등에 의해 형성된다.
단차 구조체(150)와 전류 협착 구조체(118)를 포함하는 면 발광 레이저(100)는 제2 횡 모드 제어 기구를 더 포함할 수 있다.
도 14a 및 도 14b는 제2 횡 모드 제어 기구로서 제2 전류 협착 구조체(119)를 각각 포함하는 예시적 구성을 나타내고 있다. 제2 전류 협착 구조체(119)는 도 14a에 나타낸 바와 같이 이온 주입에 의해 형성된 절연체일 수도 있고, 도 14b에 나타낸 바와 같이 추가의 산화 협착 구조일 수 있다.
2개의 제2 전류 협착 구조체(119) 중 어느 것이든, 전류 협착 구조체(118)의 전방측 상에 제공되어, 전류 협착 구조체(118)에서보다 더 좁은 영역 내에 전류를 협착시킨다. 제2 전류 협착 구조체(119)의 존재로 인해, 캐리어 분포를 제어할 수 있다.
[제2 실시 형태]
제1 실시 형태에서는, 단차 구조체(150)는 단일 재료로 제조된다. 본 발명의 제2 실시 형태에서는, 단차 구조체(150)는 복수의 재료로 제조된다.
제2 실시 형태에서의 한 가지 유리한 효과는, 그러한 단차 구조체(150)로 인해, 전방 미러(116)(단차 구조체(150)를 포함)의 반사 계수의 분포와 투과 계수의 분포가 좀 더 자유롭게 제어가능하다는 점이다.
도 13은 굴절률이 다른 제1 재료(180)와 제2 재료(182)로 제조된 단차 구조체(150)를 포함하는 면 발광 레이저를 도시한다.
예를 들어, 제1 재료(180)는 유전체이며, 굴절률이 약 1.5 내지 약 2.0이고, 제2 재료(182)는 반도체이며, 굴절률은 약 3.0 내지 약 3.5이다.
제1 실시 형태와 마찬가지로, FFP의 확산 각도를 크게 하고, FFP의 중앙부를 평탄하게 만들기 위해서, 제1 영역(160)에서의 투과 광과 제2 영역(162)에서의 투과 광 간의 위상차 θ는 이하의 식을 충족시킬 필요가 있다:
(1/4+N)2π < θ < (3/4+N)2π
도 13에 나타내는 제2 실시 형태에 있어서도, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 광로 길이 L1은, 전방 미러(116)의 전방면(142)으로부터 평면(144)까지 제1 영역(160)에 있어서의 광로 길이이고, 광로 길이 L2은, 전방면(142)으로부터 평면(144)까지 제2 영역(162)에 있어서의 광로 길이다. 평면(144)은 면 발광 레이저의 외측에 형성되고 면 발광 레이저 내에 포함된 층이 적층되는 적층 방향에 수직인 기준 평면이다. 광로 길이 차 L은, |L1-L2|로 표시된다. 따라서, 상기 투과 광 간의 위상차 θ은 -2πL/λ이다.
제1 영역(160)과 제2 영역(162) 간의 경계는 광원의 광축(136)으로부터 거리 R1에 있다.
예를 들어, 제1 재료(180) 및 제2 재료(182)의 굴절률이 각각 1.5 및 3.0이라고 가정하면, 유전체인 제1 재료(180) 및 반도체인 제2 재료(182)가 제1 영역(160) 내에 제공되고, 광학 두께는 각각 1.0λ 및 0.5λ이며, 유전체인 제1 재료(180)가 제2 영역(162) 내에 제공되고, 광학 두께는 0.5λ이다. 이러한 구성에서, 단차 구조체(150)는 유전체만으로 제조된 제1 실시 형태에 따른 면 발광 레이저(100) 내에 포함된 단차 구조체(150)보다도 더 얇은 두께를 갖는다. 따라서, 전방 미러(116) 내에 반사율 분포가 없게 하고 서로 다른 영역의 투과 광 간의 180°의 위상차를 부여하는 단차 구조체가 제공된다. 결과적으로, 제1 실시 형태의 경우보다도 산란 손실이 더 억제된다.
예를 들어, 제2 재료(182)의 막, 즉 반도체막은 0.5λ의 광학 두께로 전방 미러(116) 상에 성막되고, 또한 그 위에는 제1 재료(180)의 막, 즉 유전막이 0.5λ의 광학 두께로 성막된다. 레지스트를 최종 본체에 도포한 후, 레지스트는 패터닝되고, 제2 영역(162) 내의 유전막(제1 재료(180))의 부분은 에칭된다. 그 후, 최종 유전막(제1 재료(180))을 마스크로서 사용하여, 제2 영역(162) 내의 반도체막(제2 재료(182))의 부분이 에칭된다. 그 다음, 레지스트는 제거되고, 최종 본체의 전체면 상에는 유전체 재료, 즉 제1 재료(180)의 다른 막이 0.5λ의 광학 두께로 성막된다. 따라서, 도 13에 나타낸 단차 구조체(150)가 형성된다.
제2 실시 형태에 따른 단차 구조체(150)는 에칭 및 리프트 오프를 포함하는 하나의 연속 프로세스를 통해, 또는 복수의 프로세스를 통해 형성될 수 있다.
예를 들어, 전류 협착 구조체(118)의 형성 전에 단차 구조체(150)의 부분을 형성하는 제2 재료(182)가 제공될 수 있고, 전류 협착 구조체(118)의 형성 후에 단차 구조체(150)의 다른 부분을 형성하는 제1 재료(180)가 후속하여 제공될 수 있다.
대안적으로, 단차 구조체(150)의 부분을 형성하는 제2 재료(182)는 자기 정렬에 의해 메사 구조체와 함께 패터닝될 수 있고, 메사 구조체 및 전류 협착 구조체(118)의 형성 후, 단차 구조체(150)의 다른 부분을 형성하는 제1 재료(180)가 제1 실시 형태에서와 마찬가지로 형성될 수 있다.
또한, 제2 실시 형태에 따른 구성은 도 1에 도시된 구성 이외에, 제1 실시 형태의 변형예에도 적용할 수 있다.
[제3 실시 형태]
본 발명의 제3 실시 형태는 개별적으로 상이한 반경에 의해 형성된 부분을 갖는 복수의 단차 구조체를 포함하는 면 발광 레이저에 관한 것이다.
예를 들어, 레이저는 주로 원시야 복소 진폭을 제어하는 단차 구조체(제1 단차 구조체)와, 주로 전방 미러(116)의 반사율 분포를 제어하는 단차 구조체(제2 단차 구조체)를 포함한다. 단차 구조체의 개별 부분의 직경은 필요에 따라 최적으로 변경가능하다. 여기에서, 전방 미러(116)의 반사율은 제2 실시 형태에서와 같이, 전방 미러(116)와 단차 구조체의 조합의 반사율이라고 한다.
도 15는 2개의 단차 구조체를 포함하는 면 발광 레이저의 단면도이다. 특히, 반사율을 제어하는 제2 단차 구조체(155)와, 원시야 복소 진폭을 제어하는 제1 단차 구조체(150)가 전방 미러(116) 상에 순차적으로 적층된다.
제2 단차 구조체(155)를 형성하는 제2 재료, 및 제1 단차 구조체(150)를 형성하는 제1 재료의 굴절률을 각각 n2 및 n1이라고 한다. 제2 재료는, 예를 들어 반도체이다. 제1 재료는, 예를 들어 유전체이다.
제2 단차 구조체(155)는, 발광 영역 내에서, 다른 높이를 갖는 중앙 부분(제4 영역(166) 내에서 연장) 및 외측 부분(제5 영역(168) 내에서 연장)을 포함한다. 따라서, 제2 단차 구조체(155)는 중앙 부분에서보다 외측 부분의 반사율이 더 작고, 횡 모드가 제어된다.
제2 단차 구조체(155)는, 예를 들어 λ/4의 홀수 배인 광학 두께로 제2 재료의 막의 외측 부분을 에칭함으로써 형성된다.
제1 단차 구조체(150)는 제1 실시 형태에 따른 단차 구조체(150)에서와 마찬가지로, 각각 중앙 부분(제1 영역(160) 내에서 연장)과 외측 부분(제2 영역(162) 내에서 연장)을 통한 투과 광 간의 큰 위상차를 부여한다.
제1 단차 구조체(150)를 형성하는 재료(제1 재료)의 굴절률 n1과, 제2 단차 구조체(155)를 형성하는 재료(제2 재료)의 굴절률 n2은 다르다. 예를 들어, 제1 재료는 SiO2로 구성된 유전체이며, 굴절률 n1은 1.5이고, 제2 재료는 Al0 .5Ga0 .5As로 구성된 반도체이며, 굴절률 n2은 3.3이다. 2개의 단차 구조체(150 및 155)의 파라메타는 최적화될 수 있고, 이에 의해 횡 모드 및 원시야 복소 진폭은 제어된다.
제1 단차 구조체(150)와 제2 단차 구조체(155)는 도 15에서 R1 및 R2로 표시된 다른 반경을 갖는다. 예를 들어, 반경 R1은 3.1㎛이고, 반경 R2은 2.3㎛이다.
제2 재료로 제조된 제2 단차 구조체(155)는 서로 다른 높이를 갖는 부분 간의 광로 길이 차 |Q1-Q2|가 λ/4의 홀수 배가 되도록 구성된다.
예를 들어, Q1 = 0.5λ/n2, 및 Q2 = 0.25λ/n2이다.
따라서, 활성층으로부터 각각 중앙 부분(제4 영역(166) 내에서 연장) 및 외측 부분(제5 영역(168) 내에서 연장)으로 파장 λ에서 입사하고 제2 재료와 제1 재료 간의 계면에서 반사된 광은 위상이 반전된다. 따라서, 전방 미러(116)의 반사율은 외측 부분(제5 영역(168) 내에서 연장)에서보다도 중앙 부분(제4 영역(166) 내에서 연장)에서 더 높게 된다.
제2 단차 구조체(155)의 반경 R2은, 기본 모드에서 큰 반사 손실의 발생이 방지되는 한편, 발진을 억제하는 반사 손실은 고차 모드에서 발생하도록 결정될 수 있다.
외측 부분의 반사율을 감소시키는 것은 외측 부분의 투과율을 상승시킨다.
예를 들어, 반사율이 99.5%로부터 95%로 감소되면, 투과율은 10배(투과 계수의 절대값의 비는 √10배 증가) 증가한다.
특히, 제2 단차 구조체(155)가 큰 반사율 분포를 갖는 경우에, 제5 영역(168)에 있어서의 제2 단차 구조체(155)의 부분을 통과하는 투과 광량이, 제4 영역(166)에 있어서의 제2 단차 구조체(155)의 부분을 통과하는 투과 광량보다 많아질 수 있다. 이 경우, 제5 영역(168)에 있어서의 제2 단차 구조체(155)의 부분을 통과하는 투과 광 내에 위상차를 부여하기 위한 방식으로 제1 단차 구조체(150)를 구성할 필요가 있다.
그렇게 하기 위해서, 반경 R2보다 큰 반경 R1에 의해 형성된 부분에서의 위상차의 분포를 부여함으로써, 위상차는 적어도 제5 영역(168) 내에서 부여된다. 따라서, 싱글-피크 또는 평탄한 원시야 강도 분포가 만들어진다.
즉, 도 15에 나타낸 바와 같이, 큰 위상차를 갖는 제1 영역(160)과, 제2 영역(162) 간의 경계 주변의 적어도 일부가 제5 영역(168)에 속하도록, 제1 단차 구조체(150)가 구성된다.
제1 영역(160)과 제5 영역(168) 양자에 속하는 영역에 있어서, 제2 단차 구조체(155)의 후방면(142)으로부터 제1 단차 구조체(150)의 전방측 상에 형성된 평면(144)까지의 광로 길이를 L1이라고 한다. 또한, 제2 영역(162)과 제5 영역(168) 양자에 속하는 영역에 있어서, 후방면(142)으로부터 평면(144)까지의 광로 길이를 L2이라고 한다. 그 다음, 광로 길이 L1과 광로 길이 L2 사이에 90°내지 270°의 위상차 θ가 부여되도록, 제1 단차 구조체(150)의 실제 두께 P1 및 P2가 결정된다.
제1 단차 구조체(150)의 반경 R1은, 기본 모드의 FFP의 확산 각도를 크게 해서 FFP의 중앙 부분이 평탄하게 되도록 설계될 수 있다. 여기에서, 면 발광 레이저가 설치되어 있는 환경 매질(140)의 굴절률을 n0이라고 한다(예를 들어, 환경 매질(140)이 공기이면, n0=1). 그 다음, L1-L2은 (n1-n0)×(P1-P2)로 표시된다.
"n1×P1" 및 "n1×P2"가 각각 λ/2의 정수 배인 광학 두께로서 정의되면, 제1 단차 구조체(150)는 반사율 분포를 부여하지 않는다. 이러한 조건은, 예를 들어 P1 = 2λ/n1 및 P2 = 0.5λ/n1일 때, 충족된다.
제5 영역(168)과 제2 영역(162) 양자 모두에 속하는 영역에서의 반사율은, 영역이 원시야 복소 진폭의 형상에 크게 영향을 끼치기 때문에, 낮지 않은 것이 바람직하다. 대조적으로, 제5 영역(168)과 제1 영역(160) 양자 모두에 속하는 영역에서의 반사율은 횡 모드 제어의 편의를 위해 상대적으로 낮은 것이 바람직하다. 즉, 상술한 바와 같이, 제2 영역(162)에 속하는 제5 영역(168)의 일부(제5 영역(168)의 외측 부분)는 제1 영역(160)에 속하는 제5 영역(168)의 일부(제5 영역(168)의 내측 부분)보다 높은 반사율을 갖는 것이 바람직하다.
"n1×P2"가 λ/2의 정수 배가 아니면, 제2 영역(162)에서의 전방 미러(116)의 부분의 반사율이 광로 길이에 따라 주기적으로 변조될 수 있다. 특히, "n1×P2"가 λ/4의 홀수 배로 설정되면, 제5 영역(168)과 제2 영역(162) 양자 모두에 속하는 영역에서의 반사율이 제5 영역(168)과 제1 영역(160) 양자 모두에 속하는 영역에서의 반사율보다 높게 된다.
[제4 실시 형태]
본 발명의 제4 실시 형태는 제2 실시 형태와 제3 실시 형태의 조합에 관한 것이다.
특히, 제4 실시 형태에 따른 면 발광 레이저는 개별적으로 다른 반경에 의해 형성된 부분을 포함하는 복수의 단차 구조체를 포함한다. 적어도 하나의 단차 구조체는 복수의 재료로 제조된다.
도 16a 및 도 16b는 각각 제1 단차 구조체 및 제2 단차 구조체를 도시한다. 도 16c는 면 발광 레이저의 전방 미러(116) 상에 하나를 다른 하나의 상부에 적층하는 도 16a 및 도 16b에 도시된 제1 및 제2 단차 구조체의 개략적 단면도이다.
도 16b에 도시된 제2 단차 구조체는 굴절률이 상이한 복수의 재료, 특히 제1 재료(180) 및 제2 재료(182)로 제조된다.
예를 들어, 제2 재료(182)는 반도체이며, 굴절률은 3이고, 제1 재료(180)는 유전체이며, 굴절률은 1.5이다.
제2 단차 구조체는, 예를 들어 반경 R2의 원통형이다.
도 16b에 나타낸 바와 같이, 제2 단차 구조체의 후방면으로부터, 제2 단차 구조체의 전방측 상에 형성된 평면(144)까지의 상이한 광로 길이는 각각 L6 및 L7로 표시된다.
제2 재료(182)와 제1 재료(180) 사이에는 큰 굴절률 차가 있다. 굴절률 차는 전방 미러(116)의 반사율에 큰 영향을 준다. 예를 들어, 제2 재료(182)의 광학 두께를 λ/4의 홀수 배로 설정하면, 반사율 분포가 전방 미러(116) 내에 부여된다.
제1 재료(180)의 두께는, 광로 길이 L6과 L7 간의 차가 λ/2이 되도록 설정된다.
여기서, 환경 매질(140)의 굴절률을 1로 하고, 제1 재료(180)의 광학 두께를 λ이라고 한다. 이 경우, L6-L7 = (3-1)/3·λ/4+(1.5-1)/1.5·λ = λ/2이 된다. 즉, 제2 단차 구조체는 근시야 복소 진폭이 위상차 π의 분포를 갖도록 구성된다.
도 16a의 제1 단차 구조체는 제3 재료(184)로 제조된다. 제3 재료(184)는, 예를 들어 유전체이며, 굴절률은 1.7이다. 제3 재료(184)는 제1 재료(180)와 동일한 재료일 수 있다.
제1 단차 구조체는, 예를 들어 반경 R2보다 큰 반경 R1의 원통형이다.
도 16a에 나타낸 바와 같이, 제1 단차 구조체의 후방면으로부터, 제1 단차 구조체의 전방측 상에 형성된 평면(144)까지의 상이한 광로 길이는 각각 L4 및 L5로 표시된다.
제3 재료(184)는 다른 높이를 갖는 부분에서의 광로 길이 L4과 L5 간의 차가 λ/2이 되도록 제공된다.
여기서, 환경 매질(140)의 굴절률을 1로 하고, 제3 재료(184) 내에서 높이의 차에 상당하는 광학 두께는 1.5λ로 한다. 이 경우, L4-L5 = (1.5-1)/1.5·1.5λ = λ/2이 된다. 즉, 제1 단차 구조체는 근시야 복소 진폭이 위상차 π의 분포를 갖도록 구성된다.
제1 및 제2 단차 구조체는 도 16c에 도시된 바와 같이 전방 미러(116) 상에 적층된다. 이 2개의 단차 구조체의 축은 서로 일치한다.
또한, 공진 모드는 광축(136)에 대하여 대칭이다. 제1 및 제2 단차 구조체의 축은 공진 모드의 대칭 축과 일치한다.
제1 단차 구조체는 제2 단차 구조체 상에 적층되기 때문에, 반경 R2에 의해 형성된 영역 내에 단차가 형성된다. 그럼에도 불구하고, 각각의 단차 구조체의 광학 두께 분포는 유지된다.
도 16c를 참조하면, 전방 미러(116)와 제2 단차 구조체 간의 계면으로부터, 제1 단차 구조체의 전방측 상에 형성된 평면(144)까지의 상이한 광학 두께는 각각 L1, L2 및 L3로 표시된다.
제2 단차 구조체의 존재로 인해, 반경 R2에 의해 형성된 영역 내에서보다 반경 R2에 의해 형성된 영역의 외측 위의 영역 내에서 반사율이 더 낮고 투과율이 더 높다. 투과율이 더 높은 제1 단차 구조체의 부분 내에 추가적인 큰 위상차가 부여된다. 따라서, FFP는 넓어진다.
또한, L1-L2 = λ/2이고, L2-L3 = λ/2이기 때문에, L1-L3 = λ이다.
공진 모드가 광축(136)에 대하여 대칭이고, 파면이 평탄한 경우에는, 단차 구조체가 대칭형이고 각 쌍의 인접 부분 간의 광학 두께의 차가 0.5λ의 정수 배이면, 단차 구조체는 스칼라 회절 근사에 기초한 영역 내에서 0 및 π인 위상차의 분포를 공진 모드에 부여한다. 이런 경우, 푸리에 변환의 대칭성에 따라, 상기 단차 구조체에 의해 변조된 근시야 복소 진폭에 의해 결정된 원시야 복소 진폭은 중앙 근방에 위상차 분포를 갖지 않는다. 따라서, 전자 사진 장치용의 광원으로서 특히 적합한 FFP를 갖는 면 발광 레이저가 제공된다.
제1 단차 구조체와 제2 단차 구조체의 상기 조합에서, 광로 길이의 분포는 볼록한 형상을 갖는다. 도 17a에 나타낸 바와 같이, 볼록형의 제2 단차 구조체와 오목형의 제1 단차 구조체의 조합, 도 17b에 나타낸 바와 같이, 오목형의 제2 단차 구조체와 오목형의 제1 단차 구조체의 조합, 및 도 17c에 나타낸 바와 같이, 오목형의 제2 단차 구조체와 볼록형의 제1 단차 구조체의 조합 등의 다른 조합도 가능하다.
[제5 실시 형태]
본 발명의 제5 실시 형태는 면 발광 레이저 어레이 광원과 주사 장치를 포함하는 화상 형성 장치에, 제1 실시 형태 내지 제4 실시 형태에 따른 소정의 면 발광 레이저의 적용에 관한 것이다. 면 발광 레이저 어레이 광원은 복수의 면 발광 레이저를 포함한다.
도 18a, 도 18b, 도 19a 및 도 19b는 면 발광 레이저 어레이 광원(514)을 포함하는 전자 사진 방식의 화상 형성 장치를 나타낸다.
도 18a 및 도 18b는 각각 화상 형성 장치의 평면도 및 측면도이다. 도 19a 및 도 19b는 각각 주주사 방향에 있어서의 광학 부재의 배치, 및 부주사 방향에 있어서의 광학 부재의 배치를 개략적으로 나타낸다.
도 18a 내지 도 19b에 도시된 요소는, 감광 드럼(500), 대전기(502), 현상기(504), 전사 대전기(506), 정착기(508), 회전 다면경(510), 모터(512), 면 발광 레이저 어레이 광원(514), 반사경(516), 콜리메이터 렌즈(520), 원통형 렌즈(521) 및 f-θ 렌즈(522)를 포함한다. 면 발광 레이저 어레이 광원(514)은 직선 편광을 야기한다. 직선 편광의 방향은, 예를 들어 주주사 방향에 평행하다.
도 18b에 도시된 모터(512)는 다면경(510)을 회전 구동시킨다.
제5 실시 형태에 있어서, 다면경(510)은, 예를 들어 6개의 반사면을 포함한다.
면 발광 레이저 어레이 광원(514)은 기록용 광원이며, 화상 신호에 따라 드라이버에 의해 점등 또는 소등되도록 구성된다. 이렇게 변조된 레이저 빔은 면 발광 레이저 어레이 광원(514)으로부터의 빔을 집광하는 콜리메이터 렌즈(520)를 통해 투과되어, 다면경(510)을 향해서 진행한다.
도 19a를 참조하면, 콜리메이터 렌즈(520)와 다면경(510) 사이의 광축 상에는 주 주사 조리개(530)가 제공된다. 면 발광 레이저 어레이 광원(514)로부터의 개별 광속이 다면경(510)의 반사면 각각에 균일하게 충돌하도록, 주 주사 조리개(530)는 다면경(510)에 될 수 있는 한 가깝게 놓인다.
도 19b를 참조하면, 부 주사 조리개(532)는 면 발광 레이저 어레이 광원(514)과 원통형 렌즈(521)의 사이에, 그리고 f-θ 렌즈(522)의 중심의 공액이 되는 위치에 제공된다. 상기 광학 부재 및 조리개에 의해 입사 동공이 결정된다.
다면경(510)은 도 18a에 도시된 화살표 방향으로 회전한다. 다면경(510)이 회전하는 동안, 면 발광 레이저 어레이 광원(514)으로부터 출사된 레이저 빔은, 다면경(510)의 연속적으로 제공된 반사면에 의해 지속적으로 변하는 각도로 편향된다. 편향된 빔은, 빔의 왜곡 등이 보정되는 f-θ 렌즈(522)를 통해 투과되고, 감광 드럼(500) 상에 조사되는 방식으로 반사경(516)에 의해 후속해서 반사된다. 따라서, 감광 드럼(500) 상에 조사되는 빔은 주주사 방향으로 주사된다. 이 경우, 다면경(510)의 각각의 반사면에 의해 반사된 빔은 감광 드럼(500) 상에, 주주사 방향으로 연장되고 면 발광 레이저 어레이 광원(514)의 배치에 대응하는 복수의 라인으로 구성된 화상을 형성한다.
감광 드럼(500)은 미리 대전기(502)에 의해 대전되고, 주사 방향으로 이동된 레이저 빔에 노광되어, 정전 잠상이 그 상에 형성된다. 감광 드럼(500)은 도 18b에 도시된 화살표 방향으로 회전한다. 감광 드럼(500) 상에 형성된 정전 잠상은 현상기(504)에 의해 가시 화상으로 현상된다. 가시 화상은 전사 대전기(506)에 의해 전사지에 전사된다. 가시 화상을 갖는 전사지는 정착기(508)에 반송되는데, 여기서 그 상에 정착이 행해진다. 그 후, 고정 화상을 갖는 전사지는 장치의 외측으로 배출된다.
면 발광 레이저 어레이 광원(514) 내에 포함된 개별 발광 레이저 각각은 출력 표면 상에, 도 1 및 다른 도면 중 소정의 도면에 나타낸 원통형의 단차 구조체(150)(반경 a를 포함)를 포함한다. 단차 구조체(150)가 방사 방향으로 이방성인 경우에는, 가장 작은 반경은 a로 형성된다.
단차 구조체(150)는 위상차 π를 부여한다. 특히, 단차 구조체(150)가 방사 방향으로 이방성인 경우에는, 비점 수차(astigmatism)를 억제하기 위해서 단차 구조체(150)에 의해 부여되는 위상차는 π인 것이 바람직하다.
도 20은 상기 경우에 공진 모드의 빔 반경 w와, FFP의 반값 전폭 간의 관계를 나타내는 그래프이다. 공진 모드는 제1 실시 형태에 나타낸 바와 같이, 가우스 함수가 되는 것으로 가정된다. 단차 구조체가 제공되지 않는 경우, 빔 반경 w와 FFP는 서로 역의 상관 관계가 있고, Y(rad) = (2log2)1/2λ/πw = 0.37×λ/w이다.
단차 구조체(150)가 제공되는 경우, w/a < 0.8에 의해 형성된 영역(FFP이 싱글-피크를 갖는 영역)에 있어서 FFP의 반값 전폭이 최소가 되는 지점이 있다. 이때, Y는 약 0.75λ/a이다.
화상을 형성하는 스폿의 반경을 안정화하기 위해서는, 면 발광 레이저 어레이 광원(514)의 FFP는 광학 주사계의 입사측 각도 조리개(광축에 대해 광원으로부터 확산하고 입사 동공의 직경을 정의하는 각도)를 초과하는 반값 전폭을 갖는 것이 바람직하다. 면 발광 레이저 어레이 광원(514)의 FFP가 광학 주사계의 입사측 각도 조리개보다 작은 반값 전폭을 갖는 경우, 스폿 직경은 커지고 안정되지 않는다.
즉, 광학계의 입사측 F-번호 Fno.는 (0.75λ/a) > (1/Fno.)이 바람직하다. 따라서, 바람직하게는 a < 0.75λ·Fno.이다. 주 주사에 대한 F-번호와 부 주사에 대한 F-번호가 다른 경우는, 최소값을 Fno.로 한다. 단차 구조체의 반경이 이방성인 경우, 최소 반경을 a로 한다.
공진 모드의 폭이 지나치게 크지 않을 경우(단차 구조체(150)의 반경의 0.8배 이상), 상기 면 발광 레이저의 FFP은 입사 동공의 직경보다도 큰 반값 폭을 갖게 된다.
입사 동공의 사이즈에 상당하는 반경을 갖는 단차 구조체를 이용함으로써, FFP의 반값 폭이 확산된다. 결과적으로, 사이즈가 안정된 화상 형성 스폿이 제공된다.
단차 구조체는 주주사 방향과 부주사 방향을 포함하는 평면에 평행한 방향으로 이방성일 수 있다. 그 경우, FFP을 넓히기 위해서, 상기 평면 내에 포함되고 F-번호가 작은 방향(각도 조리개가 큰 방향)으로 단차 구조체의 반경을 작게 한다.
즉, 주주사 방향과 부주사 방향에서의 입사측 F-번호가 다른 경우, 주주사 방향과 부주사 방향으로의 단차 구조체의 직경은 다른 값으로 설정되는 것이 바람직하다. 따라서, 화상 형성 스폿의 안정성을 유지하면서, 조리개에 의한 비네팅(vignetting)의 양을 줄이고, 효율적으로 레이저 빔을 주사면 상에 집광시킨다.
따라서, 부주사 방향에서의 입사측 F-번호가 큰 화상 형성 장치에서, 면 발광 레이저 어레이의 레이저 요소 각각이 타원형 형상의 단차 구조체를 갖는 경우, 타원형 형상의 장축은 레이저 어레이의 레이저 요소가 일정한 간격으로 제공되는 방향(부주사 방향)으로 연장되는 것이 바람직하다.
부주사 방향의 입사측 F-번호가 작은 화상 형성 장치에 있어서, 타원형 형상의 단축이 부주사 방향으로 연장되는 것이 바람직하다.
즉, 복수의 레이저 요소가 제1 방향으로 일정한 간격으로 제공되는 면 발광 레이저 어레이에 있어서, 제1 영역에 있는 각각의 제1 단차 구조체의 부분은 타원형 형상을 갖는 것이 바람직한데, 타원형 형상의 단축 또는 장축은 제1 방향과 일치하고 있다.
수치 예로서, 면 발광 레이저 각각이 도 1에 도시된 제1 실시 형태에서와 대칭의 원통 형상을 갖는 경우에, 파장 λ는 680㎚이고, 단차 구조체의 반경 a는 3.8㎛이며, 단차 구조체 내의 높이 차에 상당하는 광로 길이 차는 0.5 λ이고, 입사측 F-번호는 10으로 한다. 단차 구조체가 제공되지 않은 경우, FFP 반값 전폭 Y는 w = 3.0㎛일 때 약 0.084 rad이다. 따라서, 빔 사이즈에 따라, 원시야 강도는 입사 동공 내의 동일 지점에서 피크 강도의 1/2보다 작아질 수 있다.
반면에, 상기 단차 구조체를 제공함으로써, FFP의 반값 전폭은 Y > 0.13로 넓어진다. 따라서, 입사 동공 내의 원시야 강도는 피크 강도의 반값 이상으로 유지된다. 따라서, 잠상 형성 시의 안정성이 향상되는 화상 형성 장치가 제공된다.
실시 형태의 상기 설명에서, 면 발광 레이저에 관한 아이템은 면 발광 레이저를 포함하는 화상 형성 장치에 대해서도 마찬가지로 타당하다.
본 발명은 예시적인 실시 형태를 참조하여 설명되었지만, 이는 공개된 예시적인 실시 형태에 국한되지는 않는다는 것으로 이해되어 진다. 다음의 청구 범위의 범위는 모든 그러한 변형 및 등가의 구조 및 기능이 가능할 수 있도록 넓게 해석되어 진다.
본 출원은 그 전체 내용이 본원에서 참조로서 포함된, 2010년 10월 16일자로 출원된 일본 특허 출원 제2010-233164호 및 2011년 9월 13일자로 출원된 일본 특허 출원 제2011-199434호를 우선권 주장한다.

Claims (18)

  1. 파장 λ에서 발진하도록 구성된 면 발광 레이저이며,
    기판과,
    상기 기판 상에 제공되며, 후방 미러, 활성층 및 전방 미러를 포함하는 층이 적층된 다층 구조체와,
    상기 전방 미러의 전방면 상에 제공되며, 발광 영역의 중앙부 내에 형성된 제1 영역 내에서 연장되는 부분과, 상기 발광 영역 내의 상기 제1 영역의 외측에 형성된 제2 영역 내에서 연장되는 부분- 상기 부분들은 상이한 높이를 가짐-을 포함하는 제1 단차 구조체를 포함하고,
    상기 면 발광 레이저의 외측에 형성되고 상기 다층 구조체의 적층 방향에 대하여 수직하여 연장되는 평면으로부터, 상기 전방 미러의 전방면까지의 광로 길이에 관해서, 상기 제1 영역에 있어서의 상기 광로 길이와, 상기 제2 영역에 있어서의 상기 광로 길이 사이의 차 L은 이하의 식을 충족시키는, 면 발광 레이저.
    (1/4+N)λ < |L| < (3/4+N)λ (여기서, N은 정수)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 차 L은 이하의 식을 충족시키는, 면 발광 레이저.
    (0.36+N)λ < |L| < (0.64+N)λ (여기서, N은 정수)
  3. 제1항에 있어서,
    상기 차 L은 이하의 식을 충족시키는, 면 발광 레이저.
    (0.39+N)λ < |L| < (0.61+N)λ (여기서, N은 정수)
  4. 제1항에 있어서,
    상기 차 L의 절대값은 (1/2+N)λ인, 면 발광 레이저.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 정수 N은 0인, 면 발광 레이저.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단차 구조체는, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 각각에 있어서 λ/2의 정수 배인 광학 두께를 갖는, 면 발광 레이저.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 단차 구조체는 SiO2로 제조되는, 면 발광 레이저.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단차 구조체는 상기 발광 영역 내의 상기 제2 영역의 외측에 형성된 제3 영역 내에서 연장되는 부분을 더 포함하고- 상기 제2 영역 및 상기 제3 영역 내에서 연장되는 부분들은 상이한 높이를 가짐-,
    상기 제2 영역에 있어서의 상기 광로 길이와, 상기 제3 영역에 있어서의 상기 광로 길이 사이의 차 L´는 이하의 식을 충족시키는, 면 발광 레이저.
    (N+1/4)λ < |L´| < (N+3/4)λ (여기서, N은 정수)
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단차 구조체는 반도체 및 유전체를 포함하는, 면 발광 레이저.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단차 구조체의 전방면 또는 후방면 상에 제공되며, 상기 발광 영역의 중앙부 내에 형성된 제4 영역 내에서 연장되는 부분과, 상기 발광 영역 내의 상기 제4 영역의 외측에 형성된 제5 영역 내에서 연장되는 부분- 상기 부분들은 상이한 높이를 가짐-을 포함하는 제2 단차 구조체를 더 포함하고,
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이의 경계 주변의 적어도 일부가 상기 제5 영역에 포함되는, 면 발광 레이저.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전방 미러, 상기 제1 단차 구조체 및 상기 제2 단차 구조체를 포함하는 구조가 상기 제5 영역에서보다 상기 제4 영역에서 더 높은 반사율을 갖는, 면 발광 레이저.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제4 영역 내에서 연장되는 상기 제2 단차 구조체의 부분의 광로 길이와, 상기 제5 영역 내에서 연장되는 상기 제2 단차 구조체의 부분의 광로 길이 사이의 차는 λ/4의 홀수 배인, 면 발광 레이저.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 영역 내에서 연장되는 상기 제1 단차 구조체의 부분의 광로 길이는 λ/4의 홀수 배인, 면 발광 레이저.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제2 단차 구조체는 굴절률이 상이한 복수의 재료로 제조되고,
    상기 재료 중 하나 이상의 재료로 제조된 상기 제2 단차 구조체의 부분에 있어서, 상기 제4 영역에 있어서의 상기 광로 길이와, 상기 제5 영역에 있어서의 상기 광로 길이 사이의 차는 λ/4의 홀수 배인, 면 발광 레이저.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 제1 단차 구조체에 있어서, 상기 제1 영역에 있어서의 상기 광로 길이와, 상기 제2 영역에 있어서의 상기 광로 길이 사이의 차는 λ/2의 정수 배인, 면 발광 레이저.
  16. 제1 방향으로 일정한 간격으로 제공되는, 제1항에 기재된 면 발광 레이저를 복수 개 포함하고,
    상기 제1 영역 내에서 연장되는 상기 제1 단차 구조체의 부분은 단축 또는 장축이 상기 제1 방향으로 연장되는 타원형 형상을 갖는, 면 발광 레이저 어레이.
  17. 면 발광 레이저와,
    상기 면 발광 레이저로부터의 광을 집광하고, 그 광을 이용하여 주사를 행하도록 구성된 광학계를 포함하고,
    상기 면 발광 레이저는, 파장 λ에서 발진하도록 구성되며,
    기판과,
    상기 기판 상에 제공되며, 후방 미러, 활성층 및 전방 미러를 포함하는 층이 적층된 다층 구조체와,
    상기 전방 미러의 전방면 상에 제공되며, 발광 영역의 중앙부 내에 형성된 제1 영역 내에서 연장되는 부분과, 상기 발광 영역 내의 상기 제1 영역의 외측에 형성된 제2 영역 내에서 연장되는 부분- 상기 부분들은 상이한 높이를 가짐-을 포함하는 제1 단차 구조체를 포함하고,
    상기 면 발광 레이저의 외측에 형성되고 상기 다층 구조체의 적층 방향에 대하여 수직하여 연장되는 평면으로부터, 상기 전방 미러의 전방면까지의 광로 길이에 관해서, 상기 제1 영역에 있어서의 상기 광로 길이와, 상기 제2 영역에 있어서의 상기 광로 길이 사이의 차 L은 이하의 식을 충족시키며,
    (1/4+N)λ < |L| < (3/4+N)λ (여기서, N은 정수)
    상기 제1 영역 내에서 연장되는 상기 제1 단차 구조체의 부분의 반경 a는 이하의 식을 충족시키는, 화상 형성 장치.
    a < 0.75λ·Fno. (여기서, Fno.는 상기 광학계의 입사측 F-번호)
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 단차 구조체는 상기 광학계에 의해 주사가 행해지는 방향에 대응하는 주주사 방향과, 상기 주주사 방향에 수직인 부주사 방향에 있어서의 반경이 상이하고,
    상기 광학계의 입사측 F-번호가 작은 방향 중 하나의 방향에 있어서의 반경이, 상기 광학계의 입사측 F-번호가 큰 다른 방향에 있어서의 반경보다 작은, 화상 형성 장치.
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