JP2009283888A - Surface emitting laser element, surface emitting laser array, optical scanning device, and image forming apparatus - Google Patents
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Abstract
【課題】面発光レーザ素子における「負のドループ特性」を抑制する。
【解決手段】活性層105を含む共振器構造体と、該共振器構造体を挟んで設けられた半導体DBR(下部半導体DBR103、上部半導体DBR107)と、Alを含む被選択酸化層の選択酸化によって上部半導体DBR107の内部に形成され、注入電流と発振光の横モードを同時に閉じこめることができる酸化狭窄構造体とを有している。そして、被選択酸化層の厚さは28nmであり、閾値電流が最小となる温度は約17℃である。また、パルス周期が1ms、パルス幅が500μsの方形波電流パルスを供給したとき、供給後10nsでの光出力P1、及び供給後1μsでの光出力P2を用いて、(P1−P2)/P2=−0.05である。
【選択図】図1
The present invention suppresses "negative droop characteristics" in a surface emitting laser element.
By selective oxidation of a resonator structure including an active layer 105, a semiconductor DBR (lower semiconductor DBR103, upper semiconductor DBR107) provided between the resonator structure, and a selective oxidation layer containing Al. It has an oxidation confinement structure formed inside the upper semiconductor DBR 107 and capable of simultaneously confining the injected current and the transverse mode of the oscillation light. The thickness of the selective oxidation layer is 28 nm, and the temperature at which the threshold current is minimized is about 17 ° C. When a square wave current pulse having a pulse period of 1 ms and a pulse width of 500 μs is supplied, the light output P1 at 10 ns after supply and the light output P2 at 1 μs after supply are used, and (P1-P2) / P2 = −0.05.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、面発光レーザ素子、面発光レーザアレイ、光走査装置、及び画像形成装置に係り、更に詳しくは、基板に対して垂直方向に光を射出する面発光レーザ素子、該面発光レーザ素子が集積された面発光レーザアレイ、前記面発光レーザ素子あるいは前記面発光レーザアレイを有する光走査装置、該光走査装置を備える画像形成装置に関する。 The present invention relates to a surface emitting laser element, a surface emitting laser array, an optical scanning device, and an image forming apparatus. More specifically, the present invention relates to a surface emitting laser element that emits light in a direction perpendicular to a substrate, and the surface emitting laser element. The present invention relates to a surface-emitting laser array in which the surface-emitting laser is integrated, an optical scanning device having the surface-emitting laser element or the surface-emitting laser array, and an image forming apparatus including the optical scanning device.
近年、基板に垂直な方向にレーザ発振を生じる面発光レーザ素子(面発光型半導体レーザ素子)が、精力的に研究されている。面発光レーザ素子は、端面発光レーザ素子に比べて発振の閾値電流が低く、円形の高品質な出射ビーム形状を得ることが可能である。また、面発光レーザ素子は基板に垂直な方向にレーザ出力が取り出せることから、高密度で2次元的に集積することが容易であり、並列光インターコネクション用光源、高速で高精細の電子写真システム等への応用が検討されている。 In recent years, surface emitting laser elements (surface emitting semiconductor laser elements) that generate laser oscillation in a direction perpendicular to the substrate have been intensively studied. The surface-emitting laser element has a lower oscillation threshold current than the edge-emitting laser element, and can obtain a circular high-quality outgoing beam shape. In addition, since the surface emitting laser element can extract the laser output in a direction perpendicular to the substrate, it can be easily integrated in a two-dimensional manner with high density, a light source for parallel optical interconnection, and a high-speed, high-definition electrophotographic system. The application to etc. is examined.
面発光レーザ素子は、電流流入効率を高めるために狭窄構造体を有している。この狭窄構造体としては、Al(アルミニウム)の選択酸化による狭窄構造体(以下では、便宜上「酸化狭窄構造体」ともいう。例えば、非特許文献1及び非特許文献2参照)が良く用いられている。
The surface emitting laser element has a constricted structure in order to increase current inflow efficiency. As this constriction structure, a constriction structure by selective oxidation of Al (aluminum) (hereinafter also referred to as “oxidized constriction structure” for convenience. For example, see Non-Patent
また、非特許文献3には、780nm帯のVCSELアレイ(面発光レーザアレイ)を用いたプリンタが開示されている。 Non-Patent Document 3 discloses a printer using a 780 nm band VCSEL array (surface emitting laser array).
また、特許文献1には、共振器の長さで定まる発振波長と活性層の組成で定まる利得ピーク波長との差分(ディチューニング量)が所定温度で所定量あり、所定温度よりも高い温度範囲内で発振波長と利得ピーク波長が一致する面発光レーザ素子が開示されている。
また、特許文献2には、マルチスポット光源を有するマルチスポット画像形成装置が開示されている。
電子写真などでは、光源に駆動電流を供給したときの、光源の光出力の応答波形(光出力の時間変化、以下では、「光波形」ともいう)における立ち上がりの挙動は、画像品質に極めて大きな影響を与える。例えば、光波形における立ち上がり時間は勿論のこと、立ち上がりの初期において光出力が一定光量に達した後に、光量が僅かに変動しても画像の品質を低下させるおそれがある。 In electrophotography and the like, the rising behavior in the response waveform of the light output of the light source when the drive current is supplied to the light source (time change of the light output, hereinafter also referred to as “light waveform”) is extremely large in image quality. Influence. For example, not only the rise time in the optical waveform, but also the light quality may deteriorate slightly even after the light output reaches a certain light quantity at the beginning of the rise.
これは、光波形の立ち上がり時及び立下り時に形成されるのが、いずれも画像の輪郭部分であり、特に立ち上がり時、及び略立ち上がったとみなせる状態から暫くの間で光量が変化すると画像の輪郭が不明瞭となり、視覚的に鮮明さを欠く画質となるからである。 This is the contour of the image that is formed at the rise and fall of the optical waveform, and the contour of the image changes when the amount of light changes, particularly during the rise and after it has been considered to have risen substantially. This is because the image quality becomes unclear and the image quality lacks visual clarity.
例えば、A4用紙幅(縦)約300mmの1ラインを走査するのに要する時間が300μsであれば、1μsの時間に約1mm幅が走査される。画像濃度の変動に対して、人の目の視覚感度が最も高くなる幅は1〜2mmであると言われている。そこで、約1mm幅において画像濃度が変動すると、その濃度変化は人の目で検出されるに十分なものとなって、輪郭が不鮮明な印象を与えることになる。 For example, if the time required to scan one line of A4 paper width (vertical) of about 300 mm is 300 μs, the width of about 1 mm is scanned in a time of 1 μs. It is said that the range in which the visual sensitivity of the human eye is highest with respect to fluctuations in image density is 1 to 2 mm. Therefore, if the image density fluctuates in a width of about 1 mm, the density change is sufficient to be detected by the human eye, giving an impression that the outline is unclear.
図36は、酸化狭窄構造体を有する面発光レーザ素子を、パルス幅500μs、デューティ50%(パルス周期1ms)のパルス条件で駆動したときの光波形を示したものである。図36に示されるように、比較的長い時間スケールで見ると、光出力は立ち上がり直後に一度ピークを示した後、光出力が低下し安定になっている。この光出力の変化は、面発光レーザ素子の自己発熱によるものであり、一般的に「ドループ特性」と呼ばれている。
FIG. 36 shows an optical waveform when a surface emitting laser element having an oxidized constricting structure is driven under a pulse condition of a pulse width of 500 μs and a duty of 50% (
ところで、発明者らが詳細な検討を行ったところ、図36における光波形の立ち上がり近傍を拡大した図37に示されるように、短い時間スケールで見てみると、「ドループ特性」とは異なる光出力の変化が生じているという新しい知見を得た。 By the way, when the inventors have made a detailed examination, as shown in FIG. 37 in which the vicinity of the rising edge of the optical waveform in FIG. 36 is enlarged, when viewed on a short time scale, the light different from the “droop characteristic”. I got a new finding that there was a change in output.
図37では、光出力は、10ns経過しても立ち上がった状態とならず、約200ns経過すると略立ち上がった状態となっているが、その後1μs程度までの時間の間に次第に増加している。このような現象(特性)は、今回発明者らによって新たに見出されたものである。本明細書では、このような特性を「負のドループ特性」と呼ぶこととする。なお、従来の端面発光レーザ素子では、このような「負のドループ特性」は、見られることはない。 In FIG. 37, the optical output does not rise even after 10 ns, and rises substantially after about 200 ns. However, the light output gradually increases during the period up to about 1 μs. Such a phenomenon (characteristic) has been newly found by the present inventors. In this specification, such characteristics are referred to as “negative droop characteristics”. It should be noted that such a “negative droop characteristic” is not observed in the conventional edge-emitting laser element.
発明者らは、「負のドループ特性」に注目して、その原因を詳しく検討したところ、この現象は、酸化狭窄構造体における横モードの光閉じ込め強さと密接に関連していることがわかった。 The inventors focused on the “negative droop characteristic” and examined the cause in detail, and found that this phenomenon is closely related to the optical confinement strength of the transverse mode in the oxidized constriction structure. .
本発明は、上述した発明者等の得た新規知見に基づいてなされたもので、第1の観点からすると、基板に対して垂直方向に光を射出する面発光レーザ素子であって、活性層を含む共振器構造体と;前記共振器構造体を挟んで設けられ、アルミニウムを含む被選択酸化層の一部が酸化されて生成された酸化物を少なくとも含む酸化物が電流通過領域を取り囲み、注入電流と発振光の横モードを同時に閉じこめることができる狭窄構造体をその中に含む半導体分布ブラッグ反射鏡と;を備え、前記被選択酸化層の厚さは少なくとも25nmであり、発振の閾値電流と温度との関係において、発振の閾値電流が最小となるときの温度が25℃以下であることを特徴とする面発光レーザ素子である。 The present invention has been made on the basis of the novel findings obtained by the inventors described above. From the first viewpoint, the present invention is a surface emitting laser element that emits light in a direction perpendicular to a substrate, and includes an active layer An oxide including at least an oxide provided by sandwiching a part of the selective oxidation layer including aluminum and surrounding the current passing region; A semiconductor distributed Bragg reflector including therein a constriction structure capable of simultaneously confining an injection current and a transverse mode of oscillation light, and the thickness of the selectively oxidized layer is at least 25 nm, and the threshold current of oscillation The surface emitting laser element is characterized in that the temperature at which the oscillation threshold current is minimized is 25 ° C. or less in relation to the temperature.
これによれば、パルス周期に関係なく、「負のドループ特性」を抑制することが可能である。 According to this, it is possible to suppress the “negative droop characteristic” regardless of the pulse period.
本発明は、第2の観点からすると、本発明の面発光レーザ素子が集積された面発光レーザアレイである。 From a second viewpoint, the present invention is a surface emitting laser array in which the surface emitting laser elements of the present invention are integrated.
これによれば、本発明の面発光レーザ素子が集積されているため、パルス周期に関係なく、「負のドループ特性」を抑制することが可能である。 According to this, since the surface emitting laser element of the present invention is integrated, it is possible to suppress the “negative droop characteristic” regardless of the pulse period.
本発明は、第3の観点からすると、光によって被走査面を走査する光走査装置であって、本発明の面発光レーザ素子を有する光源と;前記光源からの光を偏向する偏向器と;前記偏向器で偏向された光を前記被走査面上に集光する走査光学系と;を備える光走査装置である。 From a third aspect, the present invention is an optical scanning device that scans a surface to be scanned with light, the light source having the surface-emitting laser element of the present invention; a deflector that deflects the light from the light source; A scanning optical system that condenses the light deflected by the deflector onto the surface to be scanned.
これによれば、本発明の面発光レーザ素子を有しているため、結果として、高精度の光走査を行うことが可能となる。 According to this, since the surface-emitting laser element of the present invention is included, as a result, it becomes possible to perform highly accurate optical scanning.
本発明は、第4の観点からすると、光によって被走査面を走査する光走査装置であって、本発明の面発光レーザアレイを有する光源と;前記光源からの光を偏向する偏向器と;前記偏向器で偏向された光を前記被走査面上に集光する走査光学系と;を備える光走査装置である。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an optical scanning device that scans a surface to be scanned with light, a light source having the surface emitting laser array of the present invention; a deflector that deflects light from the light source; A scanning optical system that condenses the light deflected by the deflector onto the surface to be scanned.
これによれば、本発明の面発光レーザアレイを有しているため、結果として、高精度の光走査を行うことが可能となる。 According to this, since the surface emitting laser array according to the present invention is provided, as a result, it is possible to perform highly accurate optical scanning.
本発明は、第5の観点からすると、少なくとも1つの像担持体と;前記少なくとも1つの像担持体に対して画像情報が含まれる光を走査する少なくとも1つの本発明の光走査装置と;を備える画像形成装置。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided at least one image carrier; and at least one optical scanning device according to the invention that scans light including image information on the at least one image carrier. An image forming apparatus.
これによれば、少なくとも1つの本発明の光走査装置を備えているため、高品質の画像を形成することが可能となる。 According to this, since at least one optical scanning device of the present invention is provided, a high-quality image can be formed.
「第1の実施形態」
図1は、本発明の第1の実施形態に係る面発光レーザ素子100の概略構成を示す断面図である。なお、本明細書では、レーザ発振方向をZ軸方向とし、Z軸方向に垂直な面内における互いに直交する2つの方向をX軸方向及びY軸方向として説明する。
“First Embodiment”
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a surface emitting
面発光レーザ素子100は、設計上の発振波長が780nm帯の面発光レーザ素子であり、基板101上に、バッファ層102、下部半導体DBR103、下部スペーサ層104、活性層105、上部スペーサ層106、上部半導体DBR107、コンタクト層109などの複数の半導体層が、順次積層されている。なお、以下では、これら複数の半導体層が積層されているものを、便宜上「第1の積層体」ともいう。
The surface-emitting
基板101は、n−GaAs単結晶基板である。
The
バッファ層102は、n−GaAsからなる層である。
The
下部半導体DBR103は、n−Al0.9Ga0.1Asからなる低屈折率層とn−Al0.3Ga0.7Asからなる高屈折率層のペアを40.5ペア有している。そして、低屈折率層と高屈折率層との間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた厚さ20nmの組成傾斜層が設けられている。なお、各屈折率層はいずれも、隣接する組成傾斜層の1/2を含んで、発振波長をλとするとλ/4の光学厚さとなるように設定されている。ところで、光学厚さとその層の実際の厚さについては以下の関係がある。光学厚さがλ/4のとき、その層の実際の厚さdは、d=λ/4N(但し、Nはその層の媒質の屈折率)である。
The
下部スペーサ層104は、ノンドープAl0.6Ga0.4Asからなる層である。
The
活性層105は、Al0.15Ga0.85As/Al0.6Ga0.4Asの多重量子井戸活性層である。
The
上部スペーサ層106は、ノンドープAl0.6Ga0.4Asからなる層である。
The
下部スペーサ層104と活性層105と上部スペーサ層106とからなる部分は、共振器構造体とも呼ばれており、その厚さが1波長の光学厚さとなるように設定されている。なお、活性層105は、高い誘導放出確率が得られるように、電界の定在波分布における腹に対応する位置である共振器構造体の中央に設けられている。この共振器構造体は、下部半導体DBR103と上部半導体DBR107とに挟まれている。
A portion composed of the
上部半導体DBR107は、p−Al0.9Ga0.1Asからなる低屈折率層とp−Al0.3Ga0.7Asからなる高屈折率層のペアを24ペア有している。そして、低屈折率層と高屈折率層との間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた厚さ20nmの組成傾斜層が設けられている。なお、各屈折率層はいずれも、隣接する組成傾斜層の1/2を含んで、発振波長をλとするとλ/4の光学厚さとなるように設定されている。
The
コンタクト層109は、p−GaAsからなる層である。
The
次に、面発光レーザ素子100の製造方法について簡単に説明する。
Next, a method for manufacturing the surface emitting
(1−1)上記第1の積層体を有機金属気相成長法(MOCVD法)あるいは分子線エピタキシャル成長法(MBE法)による結晶成長によって作成する。このとき、上部半導体DBR107における低屈折率層の1つに、p−AlAsからなる被選択酸化層を厚さ28nmで挿入する。
(1-1) The first stacked body is formed by crystal growth by metal organic vapor phase epitaxy (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE). At this time, a selective oxidation layer made of p-AlAs is inserted into one of the low refractive index layers in the
ここでは、III族の原料には、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMI)を用い、V族の原料にはアルシン(AsH3)ガスを用いている。また、p型ドーパントの原料には四臭化炭素(CBr4)を用い、n型ドーパントの原料にはセレン化水素(H2Se)を用いている。 Here, trimethylaluminum (TMA), trimethylgallium (TMG), and trimethylindium (TMI) are used as Group III materials, and arsine (AsH 3 ) gas is used as Group V materials. Further, carbon tetrabromide (CBr 4 ) is used as a p-type dopant material, and hydrogen selenide (H 2 Se) is used as an n-type dopant material.
(1−2)第1の積層体の表面に一辺が20μmの正方形状のレジストパターンを形成する。 (1-2) A square resist pattern having a side of 20 μm is formed on the surface of the first laminate.
(1−3)Cl2ガスを用いるECRエッチング法で、正方形状のレジストパターンをフォトマスクとして四角柱状のメサを形成する。ここでは、エッチングの底面は下部半導体DBR103中に位置するようにした。
(1-3) A square columnar mesa is formed by using an ECR etching method using Cl 2 gas and a square resist pattern as a photomask. Here, the bottom surface of the etching is positioned in the
(1−4)フォトマスクを除去する。 (1-4) The photomask is removed.
(1−5)第1の積層体を水蒸気中で熱処理し、メサにおける被選択酸化層の一部を選択的に酸化させる。そして、メサの中央部に、酸化層108aによって囲まれた酸化されていない領域108bを残留させる。これにより、発光部の駆動電流の経路をメサの中央部だけに制限する、酸化狭窄構造体が形成される。上記酸化されていない領域108bが電流通過領域(電流注入領域)である。ここでは、電流通過領域の一辺を4.5μmとしている。
(1-5) The first stacked body is heat-treated in water vapor to selectively oxidize a part of the selectively oxidized layer in the mesa. Then, an
(1−6)気相化学堆積法(CVD法)を用いて、SiNからなる保護層111を形成する。
(1-6) The
(1−7)ポリイミド112で平坦化する。
(1-7) Flatten with
(1−8)メサ上部にP側電極コンタクトの窓開けを行う。ここでは、フォトレジストによるマスクを施した後、メサ上部の開口部を露光してその部分のフォトレジストを除去した後、BHFにてポリイミド112及び保護層111をエッチングして開口する。
(1-8) Open P-side electrode contact window on top of mesa. Here, after masking with a photoresist, the opening at the top of the mesa is exposed to remove the photoresist at that portion, and then the
(1−9)メサ上部の光出射部となる領域に一辺8μmの正方形状のレジストパターンを形成し、p側の電極材料の蒸着を行なう。p側の電極材料としてはCr/AuZn/Auからなる多層膜、もしくはTi/Pt/Auからなる多層膜が用いられる。 (1-9) A resist pattern having a square shape with a side of 8 μm is formed in a region to be a light emitting portion on the upper part of the mesa, and a p-side electrode material is deposited. As the electrode material on the p side, a multilayer film made of Cr / AuZn / Au or a multilayer film made of Ti / Pt / Au is used.
(1−10)光出射部の電極材料をリフトオフし、p側の電極113を形成する。
(1-10) The electrode material of the light emitting part is lifted off, and the p-
(1−11)基板101の裏側を所定の厚さ(例えば100μm程度)まで研磨した後、n側の電極114を形成する。ここでは、n側の電極114はAuGe/Ni/Auからなる多層膜である。
(1-11) After polishing the back side of the
(1−12)アニールによって、p側の電極113とn側の電極114のオーミック導通をとる。これにより、メサは発光部となる。
(1-12) Ohmic conduction is established between the p-
(1−13)チップ毎に切断する。 (1-13) Cut for each chip.
このようにして製造された面発光レーザ素子100に、パルス周期が1ms、パルス幅が500μsの方形波電流パルスを供給したとき、供給後10nsでの光出力をP1、供給後1μsでの光出力をP2とすると、(P1−P2)/P2=−0.05であった。なお、以下では、(P1−P2)/P2×100の値(単位は%)を「ドループ率」ともいう。そこで、本第1の実施形態に係る面発光レーザ素子100では、ドループ率は、−5%である。
When a square wave current pulse having a pulse period of 1 ms and a pulse width of 500 μs is supplied to the surface emitting
面発光レーザ素子において、被選択酸化層の厚さとドループ率との関係が、図2に示されている。これによると、被選択酸化層の厚さが薄くなると、ドループ率は指数関数的に小さくなり、「負のドループ特性」が顕著に現れる。また、素子毎のドループ率のばらつきも顕著となってくる。そして、ドループ率を−10%以上とするには、被選択酸化層の厚さを25nm以上にする必要がある。なお、ドループ率が−10%よりも小さい面発光レーザ素子を用いると、レーザプリンタから出力される画像は、肉眼で観察したときに、高い頻度で、少なくとも一部において輪郭が不鮮明となる。 FIG. 2 shows the relationship between the thickness of the selective oxidation layer and the droop rate in the surface emitting laser element. According to this, when the thickness of the selective oxidation layer decreases, the droop rate decreases exponentially, and the “negative droop characteristic” appears remarkably. In addition, variation in the droop rate for each element becomes remarkable. And in order to make droop rate -10% or more, it is necessary to make the thickness of a selective oxidation layer into 25 nm or more. When a surface emitting laser element having a droop rate smaller than −10% is used, the image output from the laser printer becomes unclear at least partially when observed with the naked eye.
ところで、発明者らは、酸化狭窄構造体を有する従来の面発光レーザ素子を、種々の方形波電流パルスで駆動したときの光波形を詳細に検討した。図3は、パルス周期1ms、デューティ50%のときの光波形であり、図4は、パルス周期100ns、デューティ50%のときの光波形である。 By the way, the inventors examined in detail the optical waveforms when a conventional surface emitting laser element having an oxidized constriction structure is driven by various square wave current pulses. FIG. 3 shows an optical waveform when the pulse period is 1 ms and the duty is 50%, and FIG. 4 shows an optical waveform when the pulse period is 100 ns and the duty is 50%.
図3の光波形を見ると、立ち上がった後、光出力が次第に増加し、「負のドループ特性」が現れている。また、60ns後においても、光出力が100%(1.5mW)に達していない。一方、図4の光波形では、立ち上がり後の出力は安定し、「負のドループ特性」は見られない。 Looking at the optical waveform of FIG. 3, after rising, the optical output gradually increases, and a “negative droop characteristic” appears. Further, even after 60 ns, the light output does not reach 100% (1.5 mW). On the other hand, in the optical waveform of FIG. 4, the output after the rise is stable, and the “negative droop characteristic” is not seen.
このように、従来の面発光レーザ素子に方形波電流パルスを供給したときに、同じデューティであっても、パルス周期が長い場合に「負のドループ特性」が見られ、短い場合には「負のドループ特性」は見られないことがわかった。 As described above, when a square wave current pulse is supplied to a conventional surface emitting laser element, even when the duty is the same, a “negative droop characteristic” is observed when the pulse period is long, and when the pulse period is short, It was found that the “droop characteristics of” was not observed.
パルス周期が異なると、面発光レーザ素子の内部温度が異なると考えられる。つまり、パルス周期が長い場合には、発熱している時間及び冷却される時間がいずれも長いため、面発光レーザ素子の内部温度は大きく変動する。一方、パルス周期が短い場合には、連続した冷却時間を十分に取れないため、面発光レーザ素子の内部温度の変動は小さく、平均的に高めの温度で安定することになる。つまり、「負のドループ特性」が見られる駆動条件では、面発光レーザ素子の内部温度が大きく変動しており、「負のドループ特性」は面発光レーザ素子の内部温度に起因した現象であると考えることができる。 When the pulse period is different, the internal temperature of the surface emitting laser element is considered to be different. That is, when the pulse period is long, the time during which heat is generated and the time during which the pulse is cooled are both long, so that the internal temperature of the surface emitting laser element varies greatly. On the other hand, when the pulse period is short, the continuous cooling time cannot be taken sufficiently, so that the fluctuation of the internal temperature of the surface emitting laser element is small and stable on average at a higher temperature. In other words, under the driving conditions where “negative droop characteristics” can be seen, the internal temperature of the surface emitting laser element varies greatly, and “negative droop characteristics” is a phenomenon caused by the internal temperature of the surface emitting laser element. Can think.
面発光レーザ素子の内部温度が変化すると、発振モードの横方向に関する電界強度分布(以下、便宜上「横モード分布」ともいう)が変化する。 When the internal temperature of the surface emitting laser element changes, the electric field strength distribution in the lateral direction of the oscillation mode (hereinafter also referred to as “lateral mode distribution” for convenience) changes.
面発光レーザ素子の横モード分布は、次のヘルムホルツ方程式(式(1)、式(2))から電界強度分布を計算することによって見積もることができる。 The transverse mode distribution of the surface emitting laser element can be estimated by calculating the electric field intensity distribution from the following Helmholtz equations (Equations (1) and (2)).
但し、上記(1)式及び(2)式は解析的に解くことが難しいため、通常は、計算機を用いた有限要素法による数値解析が行われる。有限要素法のソルバーとして利用できるものは種々あり、市販のVCSELシミュレータ(例えば、LASER MOD)を用いることができる。 However, since the equations (1) and (2) are difficult to solve analytically, numerical analysis by a finite element method using a computer is usually performed. There are various types of finite element solvers that can be used, and commercially available VCSEL simulators (for example, LASER MOD) can be used.
一例として、発振波長が780nm帯の面発光レーザ素子における基本横モード分布を算出する。 As an example, a fundamental transverse mode distribution in a surface emitting laser element having an oscillation wavelength band of 780 nm is calculated.
計算に用いた面発光レーザ素子では、活性層を厚さ8nm/8nmのAl0.12Ga0.88As/Al0.3Ga0.7Asの3重量子井戸構造とし、各スペーサ層をAl0.6Ga0.4Asとしている。また、下部半導体DBRはAl0.3Ga0.7As(高屈折率層)/AlAs(低屈折率層)の40.5ペアからなり、上部半導体DBRはAl0.3Ga0.7As(高屈折率層)/Al0.9Ga0.1As(低屈折率層)の24ペアからなっている。 In the surface emitting laser element used for the calculation, the active layer has an Al 0.12 Ga 0.88 As / Al 0.3 Ga 0.7 As triple quantum well structure with a thickness of 8 nm / 8 nm, and each spacer layer has Al 0.6 Ga 0.4 As. The lower semiconductor DBR is composed of 40.5 pairs of Al 0.3 Ga 0.7 As (high refractive index layer) / AlAs (low refractive index layer), and the upper semiconductor DBR is Al 0.3 Ga 0.7 As. It consists of 24 pairs of (high refractive index layer) / Al 0.9 Ga 0.1 As (low refractive index layer).
そして、この面発光レーザ素子は、直径25μmの円柱メサ形状を有し、メサエッチングは、下部半導体DBRと下部スペーサ層の界面まで行われているとし、エッチングが行われた領域は大気が占めるものとした。すなわち、単純なエッチドメサ構造とした。下部半導体DBRにおけるメサエッチングされていない部分の直径は35μmであり、これが計算で考慮されている最大の横幅である。また、被選択酸化層の材料はAlAsとし、被選択酸化層の位置は、上部半導体DBRにおける光学厚さ3λ/4の低屈折率層中であって、電界強度分布に関して活性層から数えて3番目の節の位置としている。 This surface emitting laser element has a cylindrical mesa shape with a diameter of 25 μm, and mesa etching is performed up to the interface between the lower semiconductor DBR and the lower spacer layer, and the etched region is occupied by the atmosphere. It was. That is, a simple etched mesa structure was used. The diameter of the portion of the lower semiconductor DBR that is not mesa-etched is 35 μm, which is the maximum lateral width considered in the calculation. The material of the selectively oxidized layer is AlAs, and the position of the selectively oxidized layer is in the low refractive index layer having an optical thickness of 3λ / 4 in the upper semiconductor DBR, and the electric field intensity distribution is 3 from the active layer. The position of the second clause.
なお、計算では活性層の利得、及び半導体材料による吸収は考慮せず、構造で決まる固有モード分布のみを求めている。そして、面発光レーザ素子の温度は300Kで均一であるとしている。また、各材料の屈折率は、図5に示した値を用いた。 Note that the calculation does not consider the gain of the active layer and the absorption by the semiconductor material, and only the eigenmode distribution determined by the structure is obtained. The surface emitting laser element has a uniform temperature of 300K. Further, the values shown in FIG. 5 were used for the refractive indexes of the respective materials.
そして、酸化狭窄構造体における酸化層の厚さを30nm、電流通過領域の直径(以下では、「酸化狭窄径」ともいう)を4μmとしたときの、活性層における基本横モード分布の計算結果が図6に示されている。図6における横軸xは半径方向(横方向)の中心からの位置を表しており、x=0がメサの中心部に対応している。なお、以下では、便宜上、酸化狭窄構造体における酸化層を、単に「酸化層」ともいう。 The calculation result of the fundamental transverse mode distribution in the active layer when the thickness of the oxide layer in the oxide confinement structure is 30 nm and the diameter of the current passage region (hereinafter also referred to as “oxidation confinement diameter”) is 4 μm is as follows. It is shown in FIG. The horizontal axis x in FIG. 6 represents the position from the center in the radial direction (lateral direction), and x = 0 corresponds to the center of the mesa. Hereinafter, for convenience, the oxide layer in the oxidized constriction structure is also simply referred to as “oxide layer”.
酸化層の屈折率は約1.6であり、周辺の半導体層の屈折率(約3)よりも小さいため、面発光レーザ素子の内部には、横方向にいわゆる作り付けの有効屈折率差Δneffが存在する(図7参照)。 Since the refractive index of the oxide layer is about 1.6 and is smaller than the refractive index of the surrounding semiconductor layer (about 3), a so-called built-in effective refractive index difference Δneff is laterally formed inside the surface emitting laser element. Exists (see FIG. 7).
この有効屈折率差Δneffによって、基本横モード等の発振モードは横方向に閉じ込められる。このとき、発振モードの横方向の広がりは、Δneffの大きさによって決まり、Δneffが大きい程、横方向の広がりは小さい(図8(A)及び図8(B)参照)。 Oscillation modes such as the fundamental transverse mode are confined in the lateral direction by this effective refractive index difference Δneff. At this time, the lateral spread of the oscillation mode is determined by the magnitude of Δneff. The larger the Δneff is, the smaller the lateral spread is (see FIGS. 8A and 8B).
この面発光レーザ素子に電流(駆動電流)を注入すると、電流がメサ中央部分に集中し、ジュール熱や、活性層領域における非発光再結合等によって、特に活性層付近のメサ中央部の温度が周辺領域に対して局所的に上昇する。半導体材料は、温度が上昇するとバンドギャップエネルギーが減少し、屈折率が大きくなる性質を有している。このため、メサの中央部分の温度が局所的に上昇すると、該中央部分の屈折率が周辺領域に対して大きくなり、横方向の光閉じ込めが強くなる。 When current (driving current) is injected into this surface emitting laser element, the current concentrates in the mesa center, and the temperature at the center of the mesa, particularly near the active layer, is caused by Joule heat or non-radiative recombination in the active layer region. It rises locally with respect to the surrounding area. The semiconductor material has the property that when the temperature rises, the band gap energy decreases and the refractive index increases. For this reason, when the temperature of the central portion of the mesa rises locally, the refractive index of the central portion increases with respect to the peripheral region, and lateral light confinement becomes strong.
図8(A)に示されるように、作り付けの有効屈折率差Δneffが小さい場合に、メサの中央部分の温度が局所的に上昇すると、図9(A)に示されるように、有効屈折率差Δneffの変化が大きくなり、横モード分布が大きく変化する。この場合には、電流注入が行われている利得領域と横モードとの重なりが増し、横方向の光閉じ込め係数Γlが増大する。この結果、利得領域での光強度が増加し、誘導放出レートが増大し、発振の閾値電流(以下では、便宜上単に「閾値電流」ともいう)が低くなる。 As shown in FIG. 8A, when the built-in effective refractive index difference Δneff is small and the temperature of the central portion of the mesa rises locally, as shown in FIG. The change in the difference Δneff increases and the transverse mode distribution changes greatly. In this case, the overlap between the gain region in which current injection is performed and the lateral mode increases, and the optical confinement factor Γl in the lateral direction increases. As a result, the light intensity in the gain region increases, the stimulated emission rate increases, and the oscillation threshold current (hereinafter, also simply referred to as “threshold current” for convenience) decreases.
このように、作り付けの有効屈折率差Δneffが小さく、室温での横方向の光閉じ込めが不十分な面発光レーザ素子では、内部温度が上昇すると、これに応じてI−L曲線は全体的に低電流側にシフトし、発光効率が向上する(図10参照)。この場合には、同じ駆動電流値における光出力は時間とともに増大し、「負のドループ特性」が見られる(図11参照)。図10には、内部温度が上昇する前の時刻t=t0秒に予測されるI−L特性と、パルスが印加され内部温度が十分上昇した時刻t=t1秒に予測されるI−L特性が示されている。温度上昇に伴い発光効率が向上して閾値電流が低減するので、t1秒におけるI−L特性は、t0秒に対して低電流側にシフトしたものになる。パルスの駆動電流値Iopは一定であるから、t1秒の場合の方が光出力は大きくなる。この場合の光波形が図11に示されている。 As described above, in the surface emitting laser element in which the built-in effective refractive index difference Δneff is small and the lateral light confinement at room temperature is insufficient, when the internal temperature rises, the IL curve is The light emission efficiency is improved by shifting to the low current side (see FIG. 10). In this case, the optical output at the same drive current value increases with time, and a “negative droop characteristic” is observed (see FIG. 11). FIG. 10 shows an IL characteristic that is predicted at time t = t 0 seconds before the internal temperature rises, and an I- characteristic that is predicted at time t = t 1 seconds when the pulse is applied and the internal temperature sufficiently rises. The L characteristic is shown. As the temperature rises, the light emission efficiency is improved and the threshold current is reduced. Therefore, the IL characteristic at t 1 second is shifted to the low current side with respect to t 0 second. Since the drive current value I op of the pulse is constant, the light output becomes larger in the case of t 1 second. The optical waveform in this case is shown in FIG.
一方、図8(B)に示されるように、作り付けの有効屈折率差Δneffが大きい場合に、メサの中央部分の温度が局所的に上昇しても、図9(B)に示されるように、有効屈折率差Δneffの変化は小さく、横モード分布はあまり変化しない。 On the other hand, as shown in FIG. 8B, when the built-in effective refractive index difference Δneff is large, even if the temperature of the central portion of the mesa rises locally, as shown in FIG. The change in the effective refractive index difference Δneff is small and the transverse mode distribution does not change much.
このように、作り付けの有効屈折率差Δneffが大きく、室温での横方向の光閉じ込めが十分大きな面発光レーザ素子では、内部温度が上昇しても、横モード分布は安定しており、発光効率の変化は殆ど起こらない。この場合には、同じ駆動電流値における光出力は時間が経過してもほぼ一定であり、「負のドループ特性」は見られない。 As described above, in a surface emitting laser element having a large built-in effective refractive index difference Δneff and sufficiently large lateral light confinement at room temperature, the lateral mode distribution is stable even when the internal temperature rises, and the luminous efficiency is increased. Almost no change occurs. In this case, the optical output at the same drive current value is almost constant over time, and “negative droop characteristics” are not observed.
横方向の光閉じ込めの強さを表す指標として、横方向の光閉じ込め係数(以下では、便宜上、単に「光閉じ込め係数」という)がある。この光閉じ込め係数の値が大きいほど、電界強度分布は利得領域に集中した鋭い分布になっている。言い換えると、室温での光閉じ込め係数の値が大きいほど、酸化狭窄構造体により十分に光閉じ込めがなされており、利得領域における局所的な温度変化(屈折率変化)等の擾乱に対して、電界強度分布が安定であることを意味している。 As an index representing the strength of light confinement in the lateral direction, there is a light confinement factor in the lateral direction (hereinafter simply referred to as “light confinement factor” for convenience). The larger the value of the optical confinement factor, the sharper the electric field intensity distribution is concentrated in the gain region. In other words, the larger the value of the light confinement coefficient at room temperature, the more the light is confined by the oxidized confinement structure, and the electric field against disturbance such as local temperature change (refractive index change) in the gain region. It means that the intensity distribution is stable.
ここでは、光閉じ込め係数を、「面発光レーザ素子の中心を通る直径方向断面における電界の積分強度に対する、電流通過領域と同じ半径の領域中における電界の積分強度の割合」とし、上記のようにして算出された基本横モード分布に基づいて、次の(3)式を用いて算出した。ここで、aは電流通過領域の半径に相当する。 Here, the optical confinement factor is defined as “the ratio of the integrated intensity of the electric field in the region having the same radius as the current passing region to the integrated intensity of the electric field in the diametrical cross section passing through the center of the surface emitting laser element” as described above. Based on the basic transverse mode distribution calculated as described above, the following equation (3) was used. Here, a corresponds to the radius of the current passage region.
上記780nm帯の面発光レーザ素子における室温での基本横モードの光閉じ込め係数を、種々の被選択酸化層の厚さ及び酸化狭窄径について計算した結果が、図12に示されている。光閉じ込め係数は、被選択酸化層の厚さ及び酸化狭窄径に依存し、被選択酸化層の厚さが厚いほど、酸化狭窄径が大きいほど、高い値をとる。 FIG. 12 shows the results of calculation of the fundamental transverse mode optical confinement factor at room temperature in the surface-emitting laser element of the 780 nm band with respect to the thicknesses of various selective oxidation layers and oxidation confinement diameters. The optical confinement coefficient depends on the thickness of the selective oxidation layer and the oxidized constriction diameter, and takes a higher value as the selective oxidation layer is thicker and the oxidized constriction diameter is larger.
図13は、光閉じ込め係数を縦軸、被選択酸化層の厚さを横軸にして図12の計算結果を図示したものである。被選択酸化層の厚さの増加に対する光閉じ込め係数の変化を見ると、酸化狭窄径が異なっていても、被選択酸化層の厚さが25nm以下の領域でその変化が急であり、25nm以上からは飽和傾向を示すことが分かる。 FIG. 13 shows the calculation result of FIG. 12 with the optical confinement factor as the vertical axis and the thickness of the selective oxidation layer as the horizontal axis. Looking at the change in the optical confinement factor with respect to the increase in the thickness of the selective oxidation layer, even if the oxidation confinement diameter is different, the change is abrupt in the region where the thickness of the selective oxidation layer is 25 nm or less, and 25 nm or more. It can be seen that there is a saturation tendency.
実際に、被選択酸化層の厚さ及び酸化狭窄径がそれぞれ異なる複数の面発光レーザ素子を作製し、それらのドループ特性の評価を行った結果が図14に示されている。図14では、ドループ率が−10%以上となったものを「○」、−10%よりも小さくなったものを「×」として表している。 FIG. 14 shows the result of actually manufacturing a plurality of surface emitting laser elements having different thicknesses of selective oxidation layers and different oxidation constriction diameters and evaluating their droop characteristics. In FIG. 14, a droop rate of −10% or more is represented by “◯”, and a droop rate smaller than −10% is represented by “x”.
図12と図14から、室温における基本横モードの光閉じ込め係数が0.9以上となる素子構造では、−10%以上のドループ率が得られていることが分かる。また、一般的に良く用いられる酸化狭窄径は、4.0μm〜5.0μmの範囲内であり、図12に示されるように、被選択酸化層の厚さが25nm以上であれば、0.9以上の光閉じ込め係数を確保することができる。 From FIG. 12 and FIG. 14, it is understood that a droop rate of −10% or more is obtained in the element structure in which the optical confinement coefficient of the fundamental transverse mode at room temperature is 0.9 or more. Further, the oxidation confinement diameter that is generally used is in the range of 4.0 μm to 5.0 μm, and as shown in FIG. An optical confinement factor of 9 or more can be ensured.
図15には、室温における基本横モードの光閉じ込め係数が約0.983となる面発光レーザ素子の光波形が示されている。このときのドループ率は約−4.3%であった。 FIG. 15 shows an optical waveform of the surface emitting laser element in which the fundamental transverse mode optical confinement coefficient at room temperature is about 0.983. The droop rate at this time was about −4.3%.
また、図16には、室温における基本横モードの光閉じ込め係数が約0.846となる面発光レーザ素子の光波形が示されている。このときのドループ率は約−62.8%であった。 FIG. 16 shows an optical waveform of the surface emitting laser element in which the fundamental transverse mode optical confinement coefficient at room temperature is about 0.846. The droop rate at this time was about -62.8%.
このように、室温における基本横モードの光閉じ込め係数を0.9以上とすることで、「負のドループ特性」を抑制することができる。 Thus, by setting the optical confinement coefficient of the fundamental transverse mode at room temperature to 0.9 or more, the “negative droop characteristic” can be suppressed.
以上のように、基本横モードの光閉じ込め係数は、主として酸化狭窄径と被選択酸化層の厚さの2つに依存して決まるので、酸化狭窄径と被選択酸化層の厚さの組み合わせをどのように選ぶかは重要である。 As described above, since the optical confinement factor of the fundamental transverse mode is determined mainly depending on two of the oxidized constriction diameter and the thickness of the selective oxidation layer, the combination of the oxidation constriction diameter and the thickness of the selective oxidation layer is determined. How you choose is important.
発明者らが様々なフィッティング方式を試行したところ、図12の計算結果は、酸化狭窄径(d[μm]とする)と、被選択酸化層の厚さ(t[nm]とする)を変数として、これらの2次形式で概ねフィッティングすることが可能であった。次の(4)式は、基本横モードの光閉じ込め係数(Γとする)を、酸化狭窄径dと被選択酸化層の厚さtの2次形式でフィッティングした結果であり、d、tに図12の具体的な値を代入することにより、概ね1%の誤差で図12の基本横モードの光閉じ込め係数を得ることができる。 When the inventors tried various fitting methods, the calculation result of FIG. 12 shows that the oxidized constriction diameter (d [μm]) and the thickness of the selective oxidation layer (t [nm]) are variables. As a result, it was possible to perform fitting in these secondary forms. The following equation (4) is the result of fitting the optical confinement factor (Γ) of the fundamental transverse mode in a quadratic form of the oxidized constriction diameter d and the thickness t of the selective oxidation layer. By substituting the specific values of FIG. 12, the optical confinement factor of the fundamental transverse mode of FIG. 12 can be obtained with an error of approximately 1%.
Γ(d,t)=(−2.54d2−0.14t2−0.998d・t+53.4d+12.9t−216) ……(4) Γ (d, t) = (− 2.54d 2 −0.14t 2 −0.998d · t + 53.4d + 12.9t−216) (4)
上記の様に、「負のドループ特性」を効果的に抑制するためには、光閉じ込め係数を0.9以上に設定する必要があるが、ここで光閉じ込め係数が0.9以上となる酸化狭窄径(d)と、被選択酸化層の厚さ(t)の組み合わせ(範囲)は、上記(4)式より求めることができる。つまり、この範囲とは、Γ(d,t)≧0.9なる不等式を満たすdとtの組み合わせであり、より具体的には次の(5)式のように表される。 As described above, in order to effectively suppress the “negative droop characteristic”, it is necessary to set the optical confinement factor to 0.9 or more. Here, the oxidation in which the optical confinement factor is 0.9 or more is required. The combination (range) of the constriction diameter (d) and the thickness (t) of the selective oxidation layer can be obtained from the above equation (4). That is, this range is a combination of d and t that satisfies the inequality of Γ (d, t) ≧ 0.9, and more specifically is expressed as the following equation (5).
−2.54d2−0.14t2−0.998d・t+53.4d+12.9t−216≧0.9 ……(5) −2.54d 2 −0.14t 2 −0.998d · t + 53.4d + 12.9t−216 ≧ 0.9 (5)
そこで、上記(5)式が成立するように酸化狭窄径(d)と、被選択酸化層の厚さ(t)を選ぶことにより、基本横モードの光閉じ込め係数は0.9以上となり、「負のドループ特性」が抑制された素子を得ることができる。 Therefore, by selecting the oxidized constriction diameter (d) and the thickness (t) of the selective oxidation layer so that the above equation (5) is satisfied, the optical confinement coefficient in the fundamental transverse mode becomes 0.9 or more. An element in which the “negative droop characteristic” is suppressed can be obtained.
ところで、△neffがドループ特性に影響を与えることはこれまで知られておらず、本願の発明者らにより今回初めて明らかになった。 By the way, it has not been known so far that Δneff affects the droop characteristic, and has been revealed for the first time by the inventors of the present application.
一般に、室温での有効屈折率差△neffは、被選択酸化層の厚さが厚いほど、また被選択酸化層の位置が活性層に近いほど、大きくなる。なお、これら2つの影響度を比較すると、被選択酸化層の厚さの影響度の方がはるかに大きい。 In general, the effective refractive index difference Δneff at room temperature increases as the thickness of the selective oxidation layer is thicker and the position of the selective oxidation layer is closer to the active layer. When these two influences are compared, the influence degree of the thickness of the selective oxidation layer is much larger.
従って、室温での横方向の光閉じ込めの強さは、主に被選択酸化層の厚さによって決まる。そして、「負のドループ特性」を抑制するために必要な被選択酸化層の厚さは25nm以上であると言える。 Therefore, the intensity of lateral light confinement at room temperature is mainly determined by the thickness of the selectively oxidized layer. And it can be said that the thickness of the selective oxidation layer necessary for suppressing the “negative droop characteristic” is 25 nm or more.
なお、被選択酸化層の選択酸化の工程では、酸化は基板面に対して平行方向のみではなく、垂直方向へも僅かながら進行する。従って、選択酸化が終わったメサの断面を電子顕微鏡で観察すると、酸化層の厚さは一様ではなく、メサ外周部における厚さが厚く、酸化先端部が薄くなっている。但し、酸化先端部からメサ外周方向に向かって2〜3μmまでの領域では、酸化層の厚さは被選択酸化層の厚さとほぼ一致している。発振光は主にこのような酸化先端部の有効屈折率差の影響を受けるので、実際的に被選択酸化層の厚さを所望の値(25nm以上)に制御することにより、酸化先端部の酸化層の厚さを所望の値にすることができる。 In the selective oxidation process of the selective oxidation layer, the oxidation proceeds slightly in the vertical direction as well as in the direction parallel to the substrate surface. Therefore, when the cross section of the mesa after selective oxidation is observed with an electron microscope, the thickness of the oxide layer is not uniform, the thickness at the outer periphery of the mesa is thick, and the oxidation tip is thin. However, in the region from the oxidation tip to the outer peripheral direction of the mesa to 2 to 3 μm, the thickness of the oxide layer is substantially the same as the thickness of the selective oxidation layer. Since the oscillation light is mainly affected by the effective refractive index difference of the oxidation front end portion, by actually controlling the thickness of the selective oxidation layer to a desired value (25 nm or more), The thickness of the oxide layer can be set to a desired value.
図17は、室温(27℃)における光閉じ込め係数が約0.788となる構造(酸化狭窄径4μm、被選択酸化層の厚さ20nm)の面発光レーザ素子において、自己発熱により横モード分布がどう変化するかを示したものである。ここで、室温状態では面発光レーザ素子の全領域で27℃であるとして計算を行っている。また、動作状態では活性層の電流注入領域の温度が顕著に上昇するものと考えられるので、共振領域(1対の半導体DBRに挟まれたスペーサ層と活性層からなる領域(図18参照))において、酸化層によって規定される電流注入部の屈折率のみを60℃における値として計算を行った。共振領域の電流注入部のみの温度を60℃とした場合の結果は、27℃の場合に対して基本横モードの分布は狭くなり大きな変化が見られている。共振領域の電流注入部のみを60℃とした場合の基本横モードの光閉じ込め係数は約0.987であり、27℃の場合に対して基本横モードの光閉じ込め係数の変化率は25%である。このように、自己発熱に対して基本横モード分布が安定でないと、「負のドループ特性」が見られることになるので好ましくない。
FIG. 17 shows a lateral mode distribution due to self-heating in a surface emitting laser element having a structure (oxidized
図19は、室温における基本横モードの光閉じ込め係数が約0.973となる構造(酸化狭窄径4μm、被選択酸化層の厚さ30nm)の面発光レーザ素子において、自己発熱により基本横モード分布がどう変化するかを示したものである。2つの状態での変化は僅かである。共振領域の電流注入部のみを60℃とした場合の横モードの光閉じ込め係数は約0.994であり、27℃の場合に対して基本横モードの光閉じ込め係数の変化率は2.2%である。
FIG. 19 shows a fundamental transverse mode distribution due to self-heating in a surface emitting laser device having a structure (
図20は、互いに素子構造が異なる種々の面発光レーザ素子に対して、室温における基本横モードの光閉じ込め係数(Γl)と、共振領域の電流注入部の温度のみを局所的に60℃とした場合の基本横モードの光閉じ込め係数(Γl’)の比を計算した結果である。実際に、種々の面発光レーザ素子を作製し、測定を行ったところ、Γl’/Γlの値が1.1以下(変化率10%以下)のものではドループ係数が−5%以上であり、良好な光波形を得ることができた。 FIG. 20 shows that for various surface emitting laser elements having different element structures, only the optical confinement factor (Γl) of the fundamental transverse mode at room temperature and the temperature of the current injection portion in the resonance region are locally set to 60 ° C. It is the result of calculating the ratio of the optical confinement coefficient (Γl ′) of the fundamental transverse mode in the case. Actually, various surface-emitting laser elements were manufactured and measured, and when the value of Γl ′ / Γl was 1.1 or less (change rate of 10% or less), the droop coefficient was −5% or more, A good optical waveform could be obtained.
逆にΓl’/Γlの値が1.1を超えるものでは、明確に「負のドループ特性」が見られ、Γl’/Γlの値が大きくなるにつれてドループ率が小さくなる結果となった。 On the contrary, when the value of Γl ′ / Γl exceeds 1.1, the “negative droop characteristic” is clearly seen, and the droop rate decreases as the value of Γl ′ / Γl increases.
これらから、室温における基本横モードの光閉じ込め係数に対する、共振領域の電流注入部の温度のみを局所的に60℃とした場合の基本横モードの光閉じ込め係数の変化率を10%以内に設定することで、更に「負のドループ特性」を抑制することができる。 From these, the rate of change of the optical confinement coefficient in the fundamental transverse mode is set to within 10% when only the temperature of the current injection portion in the resonance region is locally 60 ° C. with respect to the optical confinement coefficient in the fundamental transverse mode at room temperature. Thus, the “negative droop characteristic” can be further suppressed.
本第1の実施形態に係る面発光レーザ素子100では、室温(27℃)での基本横モードの光閉じ込め係数は約0.974であった。また、共振器構造体における電流注入部の温度のみを局所的に60℃にしたときの光閉じ込め係数は約0.996であった。すなわち、光閉じ込め係数の変化率は2.2%であった。
In the surface emitting
また、面発光レーザ素子の内部温度が変化すると、ディチューニング量も変化する。そこで、次に、ディチューニング量と「負のドループ特性」との関係について説明する。 Further, when the internal temperature of the surface emitting laser element changes, the detuning amount also changes. Therefore, the relationship between the detuning amount and the “negative droop characteristic” will be described next.
端面発光型レーザ素子では、共振縦モードが密に存在しているため、レーザ発振はゲインピーク波長λgにおいて生じる。一方、面発光レーザ素子では、通常、共振波長が1波長であり、半導体DBRの反射帯域中には単一縦モードしか存在し得ない。また、レーザ発振は共振波長λrにおいて生じるので、面発光レーザ素子の発光特性は、共振波長λrと活性層のゲインピーク波長λgの関係に依存する。 In the edge-emitting laser element, since the resonance longitudinal mode is densely present, laser oscillation occurs at the gain peak wavelength λg. On the other hand, in the surface emitting laser element, the resonance wavelength is usually one wavelength, and only a single longitudinal mode can exist in the reflection band of the semiconductor DBR. Further, since laser oscillation occurs at the resonance wavelength λr, the emission characteristics of the surface emitting laser element depend on the relationship between the resonance wavelength λr and the gain peak wavelength λg of the active layer.
ここでは、ディチューニング量Δλ0を次の(6)式で定義する。λr0は共振波長であり、λg0はゲインピーク波長である。なお、添え字0は、室温において閾値電流でCW(Continuous Wave Oscillation)駆動させた場合の値を意味している。以下、添え字0がない場合は、これ以外の場合、例えば閾値電流以上で動作させた場合の値などを意味する。
Here, the detuning amount Δλ 0 is defined by the following equation (6). λr 0 is a resonance wavelength, and λg 0 is a gain peak wavelength. The
Δλ0=λr0−λg0 ……(6) Δλ 0 = λr 0 −λg 0 (6)
図21(A)には、Δλ0>0の場合が示され、図21(B)には、Δλ0<0の場合が示されている。 FIG. 21A shows the case of Δλ 0 > 0, and FIG. 21B shows the case of Δλ 0 <0.
発振波長は、ゲインピーク波長ではなく、共振波長により決まるため、面発光レーザ素子のレーザ特性は、Δλ0の正負、及びその値に大きく依存する。例えば、室温における閾値電流はΔλ0の絶対値が大きいほど高くなる傾向がある。 Since the oscillation wavelength is determined not by the gain peak wavelength but by the resonance wavelength, the laser characteristics of the surface emitting laser element greatly depend on the positive / negative of Δλ 0 and its value. For example, the threshold current at room temperature tends to increase as the absolute value of Δλ 0 increases.
共振波長及びゲインピーク波長は、温度上昇に伴って、いずれも長波長側に変化する。この際、共振波長の変化は共振器構造体を構成する材料の屈折率変化によって生じ、ゲインピーク波長の変化は活性層材料のバンドギャップエネルギーの変化によって起こる。但し、バンドギャップエネルギーの変化の割合は、屈折率変化の割合よりも約一桁大きい。そこで、温度変化時の発光特性は、主にゲインピーク波長の変化量に依存して決まる。なお、共振波長の温度変化率は約0.05nm/Kであり、実質的に、温度に対する変化は無視することができる。 Both the resonance wavelength and the gain peak wavelength change to the longer wavelength side as the temperature rises. At this time, the change in the resonance wavelength is caused by the change in the refractive index of the material constituting the resonator structure, and the change in the gain peak wavelength is caused by the change in the band gap energy of the active layer material. However, the rate of change in the band gap energy is about an order of magnitude greater than the rate of change in the refractive index. Therefore, the light emission characteristics at the time of temperature change are determined mainly depending on the amount of change in the gain peak wavelength. Note that the temperature change rate of the resonance wavelength is about 0.05 nm / K, and the change with respect to the temperature can be substantially ignored.
面発光レーザ素子において、注入電流の変化等によって内部温度(活性層の温度)が上昇すると、ゲインピーク波長は長波長側へシフトする。そこで、Δλ0>0の場合(図21(A)参照)には、Δλの絶対値(離調度)は一度減少し、その後増加する。 In the surface emitting laser element, when the internal temperature (temperature of the active layer) rises due to a change in injection current or the like, the gain peak wavelength shifts to the long wavelength side. Therefore, when Δλ 0 > 0 (see FIG. 21A), the absolute value of Δλ (degree of detuning) decreases once and then increases.
一般に、面発光レーザ素子では、ゲインピーク波長と共振波長が一致した状態が最も発振効率(発光効率)が高くなる。 In general, in a surface emitting laser element, the oscillation efficiency (light emission efficiency) is highest when the gain peak wavelength and the resonance wavelength coincide with each other.
△λ0>0の場合に、素子温度(環境温度)を室温から上昇させて閾値電流を計測すると、閾値電流は素子温度の上昇とともに減少し始めることになる。そして、閾値電流は、ゲインピーク波長と共振波長が一致したときに最小値となり、さらに温度を高くすると上昇し始める。すなわち、室温よりも高温側に閾値電流が最小となる温度が存在することになる。 When Δλ 0 > 0 and the element temperature (environment temperature) is increased from room temperature and the threshold current is measured, the threshold current starts to decrease as the element temperature increases. The threshold current becomes the minimum value when the gain peak wavelength matches the resonance wavelength, and starts to increase when the temperature is further increased. That is, a temperature at which the threshold current is minimum exists on the higher temperature side than room temperature.
Δλ0<0の場合(図21(B)参照)には、内部温度(活性層の温度)が上昇すると、Δλの絶対値は単に増加するのみであるから、素子温度を室温から上昇させて閾値電流を計測すると、閾値電流は素子温度の上昇とともに増加するのみとなる。 In the case of Δλ 0 <0 (see FIG. 21B), the absolute value of Δλ only increases as the internal temperature (the temperature of the active layer) increases, so the device temperature is increased from room temperature. When the threshold current is measured, the threshold current only increases as the element temperature increases.
この場合、素子温度を室温から低下させると、ゲインピーク波長△λgは短波長側にシフトする。そこで、素子温度を室温から低下させて閾値電流を計測すると、閾値電流は減少し始め、ゲインピーク波長と共振波長が一致したときに最小となる。そして、更に温度を下げると閾値電流は増加し始めることになる。すなわち、Δλ0<0の場合には、閾値電流が最小となる温度は室温より低温側に存在している。 In this case, when the element temperature is lowered from room temperature, the gain peak wavelength Δλg is shifted to the short wavelength side. Therefore, when the threshold temperature is measured by lowering the element temperature from room temperature, the threshold current starts to decrease and becomes minimum when the gain peak wavelength and the resonance wavelength coincide. When the temperature is further lowered, the threshold current starts to increase. That is, when Δλ 0 <0, the temperature at which the threshold current is minimum exists on the lower temperature side than room temperature.
△λ0が互いに異なる(△λ0<0、△λ0≒0、△λ0>0)3つの素子の発振閾値電流を、素子温度(環境温度)を変えて計測した結果が一例として図22に示されている。図22における縦軸は、各温度における発振閾値電流(Ith)を25℃(室温)における発振閾値電流(Ith(25℃))で規格化した値である。図22から、△λ0<0の場合には室温よりも低温側で、△λ0≒0の場合には室温付近で、△λ0>0の場合には室温より高い温度で閾値電流が最小となっていることが実際に確認できる。 Δλ 0 is different from each other (Δλ 0 <0, Δλ 0 ≈0, Δλ 0 > 0). The result of measuring the oscillation threshold current of three elements while changing the element temperature (environment temperature) is shown as an example. 22. The vertical axis in FIG. 22 is a value obtained by normalizing the oscillation threshold current (Ith) at each temperature with the oscillation threshold current (Ith (25 ° C.)) at 25 ° C. (room temperature). FIG. 22 shows that the threshold current is lower than room temperature when Δλ 0 <0, near the room temperature when Δλ 0 ≈0, and higher than room temperature when Δλ 0 > 0. It can actually be confirmed that it is minimum.
従来の面発光レーザ素子では、高温、高出力動作状態での発光特性の劣化を防ぐため、通常は高温での閾値電流が低くなるように、△λ0>0と設定されている。 In conventional surface-emitting laser elements, Δλ 0 > 0 is usually set so that the threshold current at high temperatures is low in order to prevent degradation of light emission characteristics at high temperature and high power operation.
しかしながら、Δλ0>0に設定された従来の面発光レーザ素子を方形波電流パルスで駆動した場合に、内部温度の上昇に伴いI−L特性は低電流側にシフトし、閾値電流が低下するので、同じ駆動電流値における光出力は時間とともに増大する。つまり、「負のドループ特性」が発生することになる。一方、Δλ0<0の場合には、内部温度の上昇に伴いI−L特性は高電流側にシフトするので、光出力の上昇は起こらない。つまり、「負のドループ特性」は発生しない。このように、「負のドループ特性」を抑制するには、酸化層の厚さ以外に、△λ0<0に設定し、室温以上の温度で閾値電流が最小とならないようにする必要がある。 However, when a conventional surface emitting laser element set to Δλ 0 > 0 is driven by a square wave current pulse, the IL characteristic shifts to the low current side as the internal temperature increases, and the threshold current decreases. Therefore, the light output at the same drive current value increases with time. That is, a “negative droop characteristic” occurs. On the other hand, when Δλ 0 <0, the IL characteristic shifts to the high current side as the internal temperature rises, so that the light output does not rise. That is, the “negative droop characteristic” does not occur. Thus, in order to suppress the “negative droop characteristic”, it is necessary to set Δλ 0 <0 in addition to the thickness of the oxide layer so that the threshold current does not become minimum at a temperature of room temperature or higher. .
λ0を所望の値に設定するにはゲインピーク波長λg0を知る必要がある。端面発光レーザ素子では、発振波長がゲインピーク波長に一致するので、発振波長からゲインピーク波長を知ることができる。ところが、面発光レーザ素子では、共振波長は構造によって決まるので端面発光レーザ素子のようにゲインピーク波長を見積もることが難しい。 In order to set λ 0 to a desired value, it is necessary to know the gain peak wavelength λg 0 . In the edge-emitting laser element, the oscillation wavelength coincides with the gain peak wavelength, so that the gain peak wavelength can be known from the oscillation wavelength. However, in the surface emitting laser element, the resonance wavelength is determined by the structure, so that it is difficult to estimate the gain peak wavelength as in the edge emitting laser element.
このため、(1)同じ活性層を有する端面発光レーザ素子を作製して、室温における発振波長からゲインピーク波長を見積もる方法か、あるいは(2)同じ活性層を有するダブルへテロ構造を作製し、フォトルミネッセンス波長(PL波長)からゲインピーク波長を見積もる方法か、のいずれかがとられる。 Therefore, (1) an edge-emitting laser device having the same active layer is manufactured and a gain peak wavelength is estimated from an oscillation wavelength at room temperature, or (2) a double heterostructure having the same active layer is manufactured, Either a method of estimating the gain peak wavelength from the photoluminescence wavelength (PL wavelength) is taken.
上記(1)の方法をとる場合には、一例として、同じ活性層構造を持つストライプ幅40μm、共振器長500μmの酸化膜ストライプ型の端面発光レーザ素子を作製し、該端面発光レーザ素子の室温でのCW発振の閾値電流における波長をゲインピーク波長λg0として用いる。 When the method (1) is employed, as an example, an oxide film stripe type edge emitting laser element having the same active layer structure and a stripe width of 40 μm and a resonator length of 500 μm is fabricated, and the room temperature of the edge emitting laser element is obtained. The wavelength at the threshold current of CW oscillation at 1 is used as the gain peak wavelength λg 0 .
また、上記(2)の方法をとる場合には、レーザ発振時の波長は、PL波長に対して長波長側にシフト(波長シフト)しているので、この分の調整が必要になる。上記波長シフトは、光励起、電流励起等の励起過程の違いや、電流励起の場合に電流によって発生する発熱の影響のためである。一般的に、端面発光レーザ素子での発振波長は、PL波長λPLに対して10nm程度、長波長となる。そこで、この場合の波長シフト量を10nmとする。 Further, when the method (2) is adopted, the wavelength at the time of laser oscillation is shifted to the long wavelength side (wavelength shift) with respect to the PL wavelength, so adjustment for this is necessary. The wavelength shift is due to differences in excitation processes such as photoexcitation and current excitation, and the influence of heat generated by current in the case of current excitation. Generally, an oscillation wavelength in the edge emitting laser element, 10 nm approximately with respect to the PL wavelength lambda PL, a long wavelength. Therefore, the wavelength shift amount in this case is 10 nm.
従って、PL波長を基準に考えると、上記(6)式は、次の(7)式となる。 Therefore, considering the PL wavelength as a reference, the above equation (6) becomes the following equation (7).
Δλ0=λr0−λg0=λr0−(λPL+10)=λr0−λPL−10 ……(7) Δλ 0 = λ r0 −λ g0 = λ r0 − (λ PL +10) = λ r0 −λ PL −10 (7)
上記波長シフト量10nmは、一般的な値であるが、使用している材料系に応じて変更しても良い。 The wavelength shift amount of 10 nm is a general value, but may be changed according to the material system used.
Δλ0がそれぞれ異なる複数の面発光レーザ素子を作製し、各面発光レーザ素子における閾値電流が最小となる温度を求めた。その結果が図23に示されている。この図23から、実際に△λ0が0のときに、室温において閾値電流が最小となっていることが分かる。 A plurality of surface-emitting laser elements having different Δλ 0 were manufactured, and the temperature at which the threshold current in each surface-emitting laser element was minimum was determined. The result is shown in FIG. From FIG. 23, it can be seen that when Δλ 0 is actually 0, the threshold current is minimum at room temperature.
次に、被選択酸化層の厚さがそれぞれ異なる(30、31、34nm)複数の面発光レーザ素子を作製し、各面発光レーザ素子における閾値電流が最小となる温度とドループ率を求めた。図24には、被選択酸化層の厚さ毎に、ドループ率と閾値電流が最小になる温度との関係が示されている。 Next, a plurality of surface emitting laser elements having different thicknesses of the selective oxidation layers (30, 31, and 34 nm) were manufactured, and the temperature and the droop rate at which the threshold current in each surface emitting laser element was minimized were determined. FIG. 24 shows the relationship between the droop rate and the temperature at which the threshold current is minimized for each thickness of the selective oxidation layer.
図24において、先ず、被選択酸化層の厚さが同じ面発光レーザ素子に注目する。いずれの厚さにおいても、閾値電流が最小となる温度が25℃以下の面発光レーザ素子では、ドループ率の絶対値が小さく(0に近く)、また略一定となっている。一方、閾値電流が最小となる温度が25℃以上の面発光レーザ素子では、閾値電流が最小となる温度が高くなるにつれて、ドループ率が小さくなっている。 In FIG. 24, attention is first focused on surface emitting laser elements having the same selective oxidation layer thickness. In any thickness, in a surface emitting laser element having a temperature at which the threshold current is minimized at 25 ° C. or less, the absolute value of the droop rate is small (close to 0) and is substantially constant. On the other hand, in a surface emitting laser element having a minimum threshold current temperature of 25 ° C. or higher, the droop rate decreases as the temperature at which the threshold current is minimum increases.
閾値電流が最小となる温度が室温より高温側にある面発光レーザ素子とは、電流注入により活性層の温度が上昇した際に発振効率が向上する素子であるから、既に説明したように「負のドループ特性」が顕著に現れている。さらに、閾値電流が最小となる温度が高い面発光レーザ素子ほど、電流注入初期での効率が悪いので通電後の効率向上の度合いが大きく、「負のドループ特性」が顕著に現れている。 A surface-emitting laser element whose temperature at which the threshold current is minimum is higher than room temperature is an element whose oscillation efficiency is improved when the temperature of the active layer is increased by current injection. The droop characteristic of “ Furthermore, the higher the temperature at which the threshold current is minimum, the higher the surface emitting laser element, the lower the efficiency at the initial stage of current injection.
次に、図24において、被選択酸化層の厚さの違いに注目する。閾値電流が最小となる温度が25℃以下の面発光レーザ素子では、被選択酸化層の厚さが厚いほどドループ率が0に近く、「負のドループ特性」が抑制されている。これは前述したように、被選択酸化層の厚さが厚いほど、酸化層による光閉じ込め係数が大きく、温度変化に対して基本横モードが安定するからである。 Next, in FIG. 24, attention is paid to the difference in thickness of the selective oxidation layer. In a surface emitting laser element having a temperature at which the threshold current is minimized at 25 ° C. or lower, the droop rate becomes closer to 0 as the thickness of the selective oxidation layer increases, and “negative droop characteristics” are suppressed. This is because, as described above, the thicker the selective oxidation layer is, the larger the optical confinement coefficient by the oxide layer is, and the fundamental transverse mode is more stable with respect to temperature changes.
図24に示されている各面発光レーザ素子は、いずれも被選択酸化層の厚さが25nm以上であるため、閾値電流が最小となる温度が25℃以下の面発光レーザ素子では、ドループ率は−10%以上となり、「負のドループ特性」が効果的に抑制されている。 Each of the surface emitting laser elements shown in FIG. 24 has a selective oxidation layer having a thickness of 25 nm or more. Therefore, in the surface emitting laser element having a minimum threshold current temperature of 25 ° C. or less, the droop rate Becomes -10% or more, and the "negative droop characteristic" is effectively suppressed.
このように、ディチューニング量及び光閉じ込め係数に共通して言えるのは、「負のドループ特性」を抑制するためには、活性層の温度が上昇したときに、室温のときよりも、面発光レーザ素子の効率(発光効率)が向上しないように設定することが重要であるということである。 Thus, in common with the detuning amount and the optical confinement factor, in order to suppress the “negative droop characteristic”, the surface emission is higher when the temperature of the active layer is higher than when it is at room temperature. It is important to set so that the efficiency (light emission efficiency) of the laser element is not improved.
本第1の実施形態に係る面発光レーザ素子100では、活性層のPL波長を772nmに設定し、室温でのディチューニング量△λ0を−2nmとし、約17℃のときに閾値電流が最小になるようにしている。
In the surface emitting
実際に閾値電流が最小となる温度を25℃以下に設定した上で、光閉じ込め係数が互いに異なる種々の面発光レーザ素子を作製し、詳細な検討を行ったところ、光閉じ込め係数が約0.9のときに、ドループ率は−5%程度であった。光閉じ込め係数をこれより増加させると、その増加に伴って、ドループ率は大きくなる結果となった。 Various surface-emitting laser elements having different optical confinement factors from each other were manufactured after setting the temperature at which the threshold current is actually minimized to 25 ° C. or less, and the optical confinement factor was about 0.degree. At 9, the droop rate was about -5%. Increasing the optical confinement factor further increased the droop rate with the increase.
逆に、光閉じ込め係数が0.9より小さい面発光レーザ素子では、光閉じ込め係数が小さくなるほどドループ率が小さくなる傾向が見られ、ドループ率が−70%以下の面発光レーザ素子も見られた。 On the other hand, in the surface emitting laser element having an optical confinement factor smaller than 0.9, the droop rate tends to decrease as the optical confinement factor decreases, and a surface emitting laser element having a droop rate of −70% or less was also observed. .
以上説明したように、本第1の実施形態に係る面発光レーザ素子100によると、活性層105を含む共振器構造体と、該共振器構造体を挟んで設けられた、半導体DBR(下部半導体DBR103、上部半導体DBR107)とを有している。そして、上部半導体DBR107は、Alを含む被選択酸化層の一部が酸化されて生成された酸化物を少なくとも含む酸化層108aが電流通過領域108bを取り囲み、注入電流と発振光の横モードを同時に閉じこめることができる酸化狭窄構造体をその中に含んでいる。また、被選択酸化層の厚さは28nmであり、閾値電流が最小となる温度が約17℃である。これにより、パルス周期に関係なく、「負のドループ特性」を抑制することが可能となる。
As described above, according to the surface-emitting
また、パルス周期が1ms、パルス幅が500μsの方形波電流パルスを供給したとき、(P1−P2)/P2=−0.05であり、「負のドループ特性」を更に抑制することが可能となる。 Further, when a square wave current pulse having a pulse period of 1 ms and a pulse width of 500 μs is supplied, (P1−P2) /P2=−0.05, and it is possible to further suppress the “negative droop characteristic”. Become.
また、面発光レーザ素子100では、室温における酸化狭窄構造体での基本横モードの横方向の光閉じ込め係数が約0.974であり、「負のドループ特性」を更に改善することができる。
Further, in the surface emitting
また、面発光レーザ素子100では、共振器構造体における電流注入部の温度のみを室温から60℃に変化させたとき、光閉じ込め係数の変化率が2.2%であり、「負のドループ特性」を更に改善することができる。
Further, in the surface emitting
また、面発光レーザ素子100では、室温での発振閾値電流におけるゲインピーク波長が、共振器構造体の共振波長よりも2nm長いため、「負のドループ特性」を更に改善することができる。
Further, in the surface emitting
「第2の実施形態」
図25には、本発明の第2の実施形態に係る面発光レーザ素子100Aの概略構成を示す断面図が示されている。
“Second Embodiment”
FIG. 25 is a sectional view showing a schematic configuration of the surface emitting
面発光レーザ素子100Aは、設計上の発振波長が780nm帯の面発光レーザ素子であり、基板201上に、バッファ層202、下部半導体DBR203、下部スペーサ層204、活性層205、上部スペーサ層206、上部半導体DBR207、コンタクト層209などの複数の半導体層が、順次積層されている。なお、以下では、これら複数の半導体層が積層されているものを、便宜上「第2の積層体」ともいう。
The surface-emitting
基板201は、n−GaAs単結晶基板であり、主面の法線方向が[100]方向に対して[111]A方向に15°傾斜した、いわゆる傾斜基板である。
The
バッファ層202は、n−GaAsからなる層である。
The
下部半導体DBR203は、n−AlAsからなる低屈折率層とn−Al0.3Ga0.7Asからなる高屈折率層のペアを40.5ペア有している。そして、各屈折率層の間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた厚さ20nmの組成傾斜層が設けられている。なお、各屈折率層はいずれも、隣接する組成傾斜層の1/2を含んで、発振波長をλとするとλ/4の光学厚さとなるように設定されている。
The
下部スペーサ層204は、ノンドープ(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5Pからなる層である。 The lower spacer layer 204 is a layer made of non-doped (Al 0.1 Ga 0.9 ) 0.5 In 0.5 P.
活性層205は、GaInAsPからなる量子井戸層とGaInPからなるバリア層を有している。
The
ところで、量子井戸層は780nm帯の発振波長を得るために、GaInP混晶にAsを導入したものであり圧縮歪みを有する。また、バリア層は、引張歪みを導入することによってバンドギャップを大きくし、高いキャリア閉じ込めを実現するとともに、量子井戸層の歪み補償構造を形成している。また、量子井戸層の組成は、端面LD構造でのCW発振閾電流における発振波長が面発光レーザ素子の共振波長と等しくなるように設定されている。つまり、PL波長は端面LD発振波長との差(約10nm)を考慮して、770nmになるように調整されている。 By the way, the quantum well layer is obtained by introducing As into a GaInP mixed crystal in order to obtain an oscillation wavelength in the 780 nm band, and has a compressive strain. The barrier layer increases the band gap by introducing tensile strain, realizes high carrier confinement, and forms a strain compensation structure for the quantum well layer. The composition of the quantum well layer is set such that the oscillation wavelength at the CW oscillation threshold current in the end face LD structure is equal to the resonance wavelength of the surface emitting laser element. That is, the PL wavelength is adjusted to be 770 nm in consideration of the difference (about 10 nm) from the end face LD oscillation wavelength.
ここでは、基板201に傾斜基板が用いられているため、活性層での利得に異方性が導入され、偏光方向を特定の方向に揃えること(偏光制御)が可能になっている。
Here, since an inclined substrate is used as the
上部スペーサ層206は、ノンドープ(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5Pからなる層である。
The
下部スペーサ層204と活性層205と上部スペーサ層206とからなる部分は、共振器構造体とも呼ばれており、その厚さが1波長の光学厚さとなるように設定されている。なお、活性層205は、高い誘導放出確率が得られるように、電界の定在波分布における腹に対応する位置である共振器構造体の中央に設けられている。この共振器構造体は、下部半導体DBR203と上部半導体DBR207とに挟まれている。
A portion composed of the lower spacer layer 204, the
上部半導体DBR207は、第1の上部半導体DBR207a及び第2の上部半導体DBR207bを有している。
The
第1の上部半導体DBR207aは、p−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなる低屈折率層とp−(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5Pからなる高屈折率層のペア(「第1のペア」ともいう)を1ペア有している。この第1の上部半導体DBR207aは、AlGaAs層よりバンドギャップエネルギーが大きく、活性領域へ注入された電子のブロック層として機能する。
The first
ここでは、基板201に傾斜基板が用いられているため、AlGaInP材料の丘状欠陥(ヒロック)の発生を抑制し、結晶性を向上させることができるとともに、自然超格子の発生を抑制し、バンドギャップエネルギーの減少を防止することができる。従って、第1の上部半導体DBR207aは、バンドギャップエネルギーを大きく保つことができ、電子のブロック層として良好に機能する。
Here, since an inclined substrate is used for the
第2の上部半導体DBR207bは、p−Al0.9Ga0.1Asからなる低屈折率層とp−Al0.3Ga0.7Asからなる高屈折率層のペア(「第2のペア」ともいう)を23ペア有している。
The second
上部半導体DBRにおける各屈折率層の間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた厚さ20nmの組成傾斜層が設けられている。なお、各屈折率層はいずれも、隣接する組成傾斜層の1/2を含んで、発振波長をλとするとλ/4の光学厚さとなるように設定されている。 Between each refractive index layer in the upper semiconductor DBR, there is provided a composition gradient layer having a thickness of 20 nm in which the composition is gradually changed from one composition to the other composition in order to reduce electric resistance. Each refractive index layer includes 1/2 of the adjacent composition gradient layer, and is set to have an optical thickness of λ / 4 when the oscillation wavelength is λ.
コンタクト層209は、p−GaAsからなる層である。
The
次に、面発光レーザ素子100Aの製造方法について簡単に説明する。
Next, a method for manufacturing the surface emitting
(2−1)上記第2の積層体を有機金属気相成長法(MOCVD法)あるいは分子線エピタキシャル成長法(MBE法)による結晶成長によって作成する。このとき、第2の上部半導体DBR207bの途中であって、活性層205から3番目となる定在波の節の位置(共振器構造体から3ペア目)にp−AlAsからなる被選択酸化層を厚さ30nmで挿入する。
(2-1) The second laminate is formed by crystal growth by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxial growth (MBE). At this time, a selective oxidation layer made of p-AlAs in the middle of the second
ここでは、III族の原料には、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMI)を用い、V族の原料にはアルシン(AsH3)ガスを用いている。また、p型ドーパントの原料には四臭化炭素(CBr4)を用い、n型ドーパントの原料にはセレン化水素(H2Se)を用いている。そして、AlGaInAsP系材料のV族P原料には、ホスフィン(PH3)ガスを用い、AlGaInPのp型ドーパント原料には、ジメチルジンク(DMZn)を用いている。 Here, trimethylaluminum (TMA), trimethylgallium (TMG), and trimethylindium (TMI) are used as Group III materials, and arsine (AsH 3 ) gas is used as Group V materials. Further, carbon tetrabromide (CBr 4 ) is used as a p-type dopant material, and hydrogen selenide (H 2 Se) is used as an n-type dopant material. A phosphine (PH 3 ) gas is used as the Group V P raw material for the AlGaInAsP-based material, and dimethyl zinc (DMZn) is used as the p-type dopant raw material for AlGaInP.
また、下部半導体DBR203における共振器構造体に近い複数の層(図26の符号Aの領域)では、n型ドーパントのドーピング濃度を、他の領域に対して相対的に低濃度となるように調整している。
In addition, in a plurality of layers (region A in FIG. 26) close to the resonator structure in the
具体的には、下部半導体DBR203では、下部スペーサ層204に接した領域から4ペアを低ドーピング濃度領域とし、残りの37.5ペアに対して相対的に低ドーピング濃度となるようにしている。具体的なドーピング濃度は、低ドーピング濃度領域については、組成一定層(各屈折率層)及び定在波分布の腹に対応する部位のドーピング濃度を3〜7.5×1017[cm−3]の範囲内に、定在波分布の節に対応する部位のドーピング濃度を3×1017〜1×1018[cm−3]の範囲内に調整している。そして、残りの37.5ペアについては、組成一定層(各屈折率層)及び定在波分布の腹に対応する部位のドーピング濃度を1〜3×1018[cm−3]の範囲内に、定在波分布の節に対応する部位のドーピング濃度を1〜5×1018[cm−3]の範囲内に調整している。
Specifically, in the
また、第1の上部半導体DBR207a及び第2の上部半導体DBR207bにおける共振器構造体に近い層(図26の符号Bの領域)では、p型ドーパントのドーピング濃度を、他の領域に対して相対的に低濃度となるように調整している。
In the layer close to the resonator structure in the first
具体的には、上部半導体DBRでは、上部スペーサ層206に接した領域から4ペアを低ドーピング濃度領域とし、残りの20ペアに対して相対的に低ドーピング濃度となるようにしている。具体的なドーピング濃度は、低ドーピング濃度領域については、組成一定層(各屈折率層)及び定在波分布の腹に対応する部位で約2〜1.3×1018[cm−3]の範囲内に、定在波分布の節に対応する部位で2×1017〜4×1018[cm−3]の範囲内である。そして、残りの20ペアについては、組成一定層(各屈折率層)及び定在波分布の腹に対応する部位のドーピング濃度を1×1018〜1.5×1018[cm−3]の範囲内に、定在波分布の節に対応する部位のドーピング濃度を4×1018[cm−3]以上としている。
Specifically, in the upper semiconductor DBR, four pairs from the region in contact with the
(2−2)積層体の表面に一辺が25μmの正方形状のレジストパターンを形成する。 (2-2) A square resist pattern having a side of 25 μm is formed on the surface of the laminate.
(2−3)Cl2ガスを用いるECRエッチング法で、正方形状のレジストパターンをフォトマスクとして四角柱状のメサを形成する。ここでは、エッチングの底面は下部スペーサ層204中に位置するようにした。 (2-3) A square columnar mesa is formed by using an ECR etching method using Cl 2 gas and a square resist pattern as a photomask. Here, the bottom surface of the etching is located in the lower spacer layer 204.
(2−4)フォトマスクを除去する。 (2-4) The photomask is removed.
(2−5)第2の積層体を水蒸気中で熱処理し、メサにおける被選択酸化層の一部を選択的に酸化させる。そして、メサの中央部に、酸化層208aによって囲まれた酸化されていない領域208bを残留させる。これにより、発光部の駆動電流の経路をメサの中央部だけに制限する、酸化狭窄構造体が形成される。上記酸化されていない領域208bが電流通過領域(電流注入領域)である。ここでは、電流通過領域の一辺を4μmとしている。
(2-5) The second laminate is heat-treated in water vapor to selectively oxidize a part of the selectively oxidized layer in the mesa. Then, an
(2−6)気相化学堆積法(CVD法)を用いて、SiO2からなる保護層211を形成する。
(2-6) The
(2−7)メサ上部にP側電極コンタクトの窓開けを行う。ここでは、フォトレジストによるマスクを施した後、メサ上部の開口部を露光してその部分のフォトレジストを除去した後、BHFにて保護層211をエッチングして開口する。
(2-7) Open P-side electrode contact window on top of mesa. Here, after masking with a photoresist, the opening at the top of the mesa is exposed to remove the photoresist at that portion, and then the
(2−8)メサ上部の光出射部となる領域に一辺10μmの正方形状のレジストパターンを形成し、p側の電極材料の蒸着を行なう。p側の電極材料としてはCr/AuZn/Auからなる多層膜、もしくはTi/Pt/Auからなる多層膜が用いられる。 (2-8) A square resist pattern having a side of 10 μm is formed in a region to be a light emitting portion on the upper part of the mesa, and a p-side electrode material is deposited. As the electrode material on the p side, a multilayer film made of Cr / AuZn / Au or a multilayer film made of Ti / Pt / Au is used.
(2−9)光出射部の電極材料をリフトオフし、p側の電極213を形成する。
(2-9) The electrode material of the light emitting part is lifted off to form the p-
(2−10)基板201の裏側を所定の厚さ(例えば100μm程度)まで研磨した後、n側の電極214を形成する。ここでは、n側の電極214はAuGe/Ni/Auからなる多層膜である。
(2-10) After polishing the back side of the
(2−11)アニールによって、p側の電極213とn側の電極214のオーミック導通をとる。これにより、メサは発光部となる。
(2-11) Ohmic conduction is established between the p-
(2−12)チップ毎に切断する。 (2-12) Cut for each chip.
このようにして製造された面発光レーザ素子100Aに、パルス周期が1ms、パルス幅が500μsの方形波電流パルスを供給したとき、ドループ率は−1%であった。
When a square wave current pulse having a pulse period of 1 ms and a pulse width of 500 μs was supplied to the surface emitting
また、面発光レーザ素子100Aでは、室温における基本横モードの光閉じ込め係数は、0.978であった。
Further, in the surface emitting
前述したように、酸化狭窄構造を有する面発光レーザ素子における「負のドループ特性」を抑制するには、素子内部の局所的な温度変化によって生じる屈折率変化に対して、横モードの光閉じ込めが強固になるように酸化層による光閉じ込め係数を大きく設定することが効果的である。しかしながら、光閉じ込め係数を大きくすると、基本横モードのみならず、高次横モードに対しても光閉じ込めが良好になり、高次モード発振が起こりやすくなる。従って、「負のドループ特性」の抑制とシングルモード出力の向上はトレードオフの関係にある。 As described above, in order to suppress the “negative droop characteristic” in the surface emitting laser element having the oxidized constriction structure, the optical confinement in the transverse mode is performed against the refractive index change caused by the local temperature change inside the element. It is effective to set a large optical confinement factor by the oxide layer so as to be strong. However, when the optical confinement factor is increased, the optical confinement is good not only for the fundamental transverse mode but also for the higher order transverse mode, and higher order mode oscillation is likely to occur. Therefore, suppression of “negative droop characteristics” and improvement of single mode output are in a trade-off relationship.
発振波長が780nm帯の面発光レーザ素子構造において、基本(0次)横モードの光閉じ込め係数とメサの直径との関係が図27に示され、高次横モードの1つである1次横モードの光閉じ込め係数とメサの直径との関係が図28に示されている。なお、図27及び図28では、厚さ30nmの被選択酸化層を、半導体DBRにおける共振器構造体から3ペア目であって、定在波分布の節の位置に設けている。また、酸化狭窄径は4μmとし、面発光レーザ素子構造の温度は全てを室温としている。 FIG. 27 shows the relationship between the optical confinement factor of the fundamental (0th order) transverse mode and the diameter of the mesa in the surface emitting laser element structure having an oscillation wavelength band of 780 nm. The primary transverse mode is one of the higher order transverse modes. The relationship between the mode optical confinement factor and the mesa diameter is shown in FIG. 27 and 28, the selective oxidation layer having a thickness of 30 nm is provided in the third pair from the resonator structure in the semiconductor DBR, and at the position of the node of the standing wave distribution. The oxidized constriction diameter is 4 μm, and the surface emitting laser element structure is entirely at room temperature.
先ず、図27を参照すると、被選択酸化層の厚さを30nmとしたことにより、メサの直径が15〜30μmの範囲において、基本横モードの光閉じ込め係数は0.9以上であり、「負のドループ特性」を効果的に抑制することが可能である。また、図28を参照すると、メサの直径の増加に応じて光閉じ込め係数は低下する傾向にあることが分かる。1次横モードは基本横モードと直交関係にあるので、メサの大きさを大きくすることにより、基本横モードとの空間的重なり(つまり電流注入領域との空間的重なり)を低減することができる。図29はこの様子を示すものであり、メサの直径が18μmと25μmの場合について、それぞれの1次横モードの電界強度分布が示されている。図29に示されるように、メサの直径を大きくすることにより電界強度分布は周辺部にシフトする。 First, referring to FIG. 27, by setting the thickness of the selectively oxidized layer to 30 nm, the optical confinement coefficient in the fundamental transverse mode is 0.9 or more in the range of the mesa diameter of 15 to 30 μm. It is possible to effectively suppress the “droop characteristics”. In addition, referring to FIG. 28, it can be seen that the optical confinement factor tends to decrease as the mesa diameter increases. Since the primary transverse mode is orthogonal to the fundamental transverse mode, the spatial overlap with the fundamental transverse mode (that is, the spatial overlap with the current injection region) can be reduced by increasing the size of the mesa. . FIG. 29 shows this state, and shows the electric field strength distribution of each primary transverse mode when the mesa diameter is 18 μm and 25 μm. As shown in FIG. 29, the electric field strength distribution is shifted to the periphery by increasing the diameter of the mesa.
1次横モードの光閉じ込め係数は、1次横モードの発振のしやすさを表す指標であり、この値が小さいほど1次横モードは発振し難くなる。そこで、メサの直径を大きくすることにより、1次横モードの発振が抑制され、シングルモード出力が高くなる。 The optical confinement factor of the primary transverse mode is an index indicating the ease of oscillation of the primary transverse mode, and the smaller the value, the more difficult the primary transverse mode oscillates. Therefore, by increasing the diameter of the mesa, the oscillation of the primary transverse mode is suppressed and the single mode output is increased.
また、図28に示されるように、1次横モードの光閉じ込め係数は、メサの直径が大きくなるにつれて低下するが、メサ直径が22μm以上では飽和傾向を示している。すなわち、この22μmというメサの直径の大きさは、1次横モードの振舞いが大きく変わる重要な意味を持つ大きさである。従って、円柱形メサの場合には直径を22μm以上、四角柱形メサの場合には四角形(断面)の1辺の長さを22μm以上にすることにより、1次横モードの発振を効果的に抑制することが可能である。また、このときの基本横モードの光閉じ込め係数は、0.9以上の値を維持している(図27参照)ので、「負のドループ特性」を抑制しつつ、シングルモード出力を向上させることが可能である。 As shown in FIG. 28, the optical confinement factor of the first-order transverse mode decreases as the mesa diameter increases, but shows a saturation tendency when the mesa diameter is 22 μm or more. In other words, the size of the mesa diameter of 22 μm is an important value that greatly changes the behavior of the first-order transverse mode. Accordingly, in the case of a cylindrical mesa, the diameter is 22 μm or more, and in the case of a quadrangular prism-shaped mesa, the length of one side of a quadrangle (cross section) is set to 22 μm or more, thereby effectively oscillating the primary transverse mode. It is possible to suppress. In addition, since the optical confinement coefficient of the fundamental transverse mode at this time maintains a value of 0.9 or more (see FIG. 27), it is possible to improve the single mode output while suppressing the “negative droop characteristic”. Is possible.
また、前述したように、「負のドループ特性」はメサ中央部の局所的な温度変化が原因で発生する。そこで、「負のドループ特性」を抑制する第1の方法は、室温での光閉じ込め係数を大きくして、メサ中央部の局所的な温度変化による横モード分布の安定性を向上させることであり、第2の方法は、メサ中央部の局所的な温度上昇を抑制することである。 Further, as described above, the “negative droop characteristic” occurs due to a local temperature change in the center of the mesa. Therefore, the first method of suppressing the “negative droop characteristic” is to increase the optical confinement coefficient at room temperature to improve the stability of the transverse mode distribution due to local temperature change in the center of the mesa. The second method is to suppress a local temperature rise in the central part of the mesa.
この第2の方法は、具体的には面発光レーザ素子の電力変換効率を向上し、面発光レーザ素子内部での発熱を低減することである。ところで、半導体材料では、自由キャリアに起因した吸収過程(以下、「自由キャリア吸収」ともいう)が存在し、電力変換効率を低下させる一つの要因となっている。自由キャリア吸収によって吸収された光のエネルギーは、キャリアの運動エネルギーとなり最終的に格子振動のエネルギーに変換されるので、自由キャリア吸収自体がメサ中央部付近の温度を上昇させることとなる。自由キャリア吸収は、光の電界強度及びキャリア濃度に依存し、キャリア濃度が高い程、また電界強度が大きいほど顕著となる。 Specifically, the second method is to improve the power conversion efficiency of the surface emitting laser element and reduce the heat generation inside the surface emitting laser element. By the way, in a semiconductor material, there exists an absorption process (hereinafter also referred to as “free carrier absorption”) due to free carriers, which is one factor that decreases power conversion efficiency. The light energy absorbed by free carrier absorption becomes carrier kinetic energy and is finally converted into lattice vibration energy, so that free carrier absorption itself increases the temperature in the vicinity of the center of the mesa. Free carrier absorption depends on the electric field strength and carrier concentration of light, and becomes more significant as the carrier concentration is higher and the electric field strength is higher.
面発光レーザ素子における発振光の電界強度は、活性層近傍で大きく、活性層から離れるに従って次第に減衰する。そこで、自由キャリア吸収が電界強度の大きいところで生じると、電力変換効率が大きく低下し、発熱が大きくなる。 The electric field intensity of the oscillation light in the surface emitting laser element is large in the vicinity of the active layer and gradually attenuates as the distance from the active layer increases. Therefore, when free carrier absorption occurs at a high electric field strength, the power conversion efficiency is greatly reduced and heat generation is increased.
さらに、自由キャリア吸収が大きいと、吸収される光のエネルギー(光出力の低下分)を補償するために活性層への注入電流を大きくする必要があり、この結果、発熱量が増加し、面発光レーザ素子の内部温度を更に上昇させる。 Furthermore, if free carrier absorption is large, it is necessary to increase the injection current into the active layer in order to compensate for the energy of the absorbed light (decrease in light output). The internal temperature of the light emitting laser element is further raised.
そこで、半導体DBRの共振器構造体に隣接した電界強度の大きな領域におけるドーピング濃度が、他の領域に対して相対的に低濃度となる構成とすると、自由キャリア吸収を低減させ、面発光レーザ素子の電力変換効率を向上させることができる。この結果、面発光レーザ素子内部の局所的な温度上昇を低減することができるので、基本横モード分布の変化やディチューニング量の変化等の「負のドループ特性」の発生原因をより小さく抑えることが可能となる。 Therefore, when the doping concentration in the region having a large electric field strength adjacent to the resonator structure of the semiconductor DBR is relatively low with respect to other regions, free carrier absorption is reduced, and the surface emitting laser element is reduced. It is possible to improve the power conversion efficiency. As a result, local temperature rise inside the surface emitting laser element can be reduced, so that the cause of “negative droop characteristics” such as changes in the fundamental transverse mode distribution and detuning amount can be reduced. Is possible.
酸化狭窄構造体を有する面発光レーザ素子では、活性層の電流注入領域を酸化層により比較的小さな領域に限定しているため、酸化狭窄構造体における電流通過領域が高抵抗化しやすい。また、電流通過領域は必然的に発光領域と空間的重なりを持つことになるので、電流注入により電流通過領域が発熱しメサの中央部の発光領域の温度を上昇させるおそれがある。この温度上昇はこれまで説明したように「負のドループ特性」の発生原因となる。 In the surface emitting laser element having the oxidized constricting structure, the current injection region of the active layer is limited to a relatively small region by the oxide layer, and thus the current passing region in the oxidized constricting structure is likely to have a high resistance. In addition, since the current passing region necessarily has a spatial overlap with the light emitting region, there is a possibility that the current passing region generates heat due to current injection, and the temperature of the light emitting region at the center of the mesa increases. As described above, this temperature rise causes “negative droop characteristics”.
発明者らは、基本横モードの光閉じ込め係数、素子内部での発熱、酸化層の応力の影響等を考慮し、「負のドループ特性」が少なく、また長期信頼性に優れた素子構造を詳細に検討した。その結果、被選択酸化層の位置を共振器構造体から3ペア目又は4ペア目の半導体DBR中(定在波分布における活性層から3番目又は4番目の節に対応する位置)にすることに効果があることを見出した。 The inventors have taken into consideration the optical confinement factor of the fundamental transverse mode, the heat generation inside the device, the influence of the stress of the oxide layer, etc., and the details of the device structure with less negative droop characteristics and excellent long-term reliability It was examined. As a result, the position of the selectively oxidized layer is set in the third or fourth pair of semiconductor DBRs from the resonator structure (the position corresponding to the third or fourth node from the active layer in the standing wave distribution). It was found to be effective.
酸化狭窄構造体における酸化層は、電流狭窄と光閉じ込めを同時に行う機能を有しているので、低閾値電流化という目的からは活性層に近い方が有利である。また、同じ厚さ及び同じ酸化狭窄径の酸化層であれば、活性層に近い方が基本横モードの光閉じ込め係数を大きくできるので、「負のドループ特性」の抑制に効果がある。 Since the oxide layer in the oxide confinement structure has a function of simultaneously performing current confinement and optical confinement, it is advantageous to be closer to the active layer for the purpose of reducing the threshold current. In addition, if the oxide layer has the same thickness and the same oxidized constriction diameter, the optical confinement factor of the fundamental transverse mode can be increased closer to the active layer, which is effective in suppressing “negative droop characteristics”.
ところが、被選択酸化層の位置を共振器構造体から1ペア目、及び2ペア目にした素子では、長期信頼性の点において難があることが分かった。通常、被選択酸化層は、選択酸化工程において体積が収縮する。また、酸化狭窄構造体は抵抗が大きく、通電した際に発熱源となる。そこで、被選択酸化層を共振器構造体から1ペア目、又は2ペア目に設けた構造では、被選択酸化層の収縮による応力及び酸化狭窄構造体からの熱が、活性層に影響するおそれがある。この場合には、活性層における転位の発生、増殖が顕著になり、面発光レーザ素子の寿命は短かった。 However, it has been found that an element in which the position of the selective oxidation layer is the first pair and the second pair from the resonator structure has difficulty in terms of long-term reliability. Normally, the volume of the selective oxidation layer shrinks in the selective oxidation process. Further, the oxidized constriction structure has a large resistance, and becomes a heat source when energized. Therefore, in the structure in which the selective oxidation layer is provided in the first pair or the second pair from the resonator structure, the stress due to the contraction of the selective oxidation layer and the heat from the oxidation constriction structure may affect the active layer. There is. In this case, the occurrence and proliferation of dislocations in the active layer became significant, and the lifetime of the surface emitting laser element was short.
一方、被選択酸化層の位置を共振器構造体から3ペア目、又は4ペア目にすると、面発光レーザ素子の寿命は大幅に長くなり十分な信頼性を得ることができた。 On the other hand, when the position of the selective oxidation layer is the third pair or the fourth pair from the resonator structure, the lifetime of the surface emitting laser element is significantly increased, and sufficient reliability can be obtained.
しかし、被選択酸化層の位置を共振器構造体から5ペア目以上にすると、閾値電流が大きくなり、投入電力が大きくなることにより、面発光レーザ素子内部の発熱量が増加し、「負のドループ特性」がやや大きくなる傾向が見られた。 However, when the position of the selective oxidation layer is set to the fifth pair or more from the resonator structure, the threshold current increases and the input power increases, so that the amount of heat generated inside the surface emitting laser element increases, There was a tendency for the “droop characteristics” to increase slightly.
以上のように、被選択酸化層の位置を共振器構造体から3ペア目又は4ペア目にすることにより、「負のドループ特性」の低減と長期信頼性の向上とを同時に実現することが可能であることが分かった。 As described above, by reducing the position of the selective oxidation layer to the third or fourth pair from the resonator structure, it is possible to simultaneously realize the reduction of “negative droop characteristics” and the improvement of long-term reliability. I found it possible.
以上説明したように、本第2の実施形態に係る面発光レーザ素子100Aによると、活性層205を含む共振器構造体と、該共振器構造体を挟んで設けられた、半導体DBR(下部半導体DBR203、上部半導体DBR207)とを有している。そして、上部半導体DBR207は、Alを含む被選択酸化層の一部が酸化されて生成された酸化物を少なくとも含む酸化層208aが電流通過領域208bを取り囲み、注入電流と発振光の横モードを同時に閉じこめることができる酸化狭窄構造体をその中に含んでいる。また、被選択酸化層の厚さは30nmであり、パルス周期が1ms、パルス幅が500μsの方形波電流パルスを供給したとき、(P1−P2)/P2=−0.01である。これにより、パルス周期に関係なく、「負のドループ特性」を抑制することが可能となる。
As described above, according to the surface emitting
また、面発光レーザ素子100Aでは、共振器構造体に隣接する半導体DBRの一部の領域を低ドーピング濃度としている。半導体DBR中の電界強度は活性層から4ペア目ほどで半減する。そこで、電界強度が大きな領域のドーピング濃度を低濃度に設定することによって、自由キャリア吸収を効果的に低減することができる。そして、吸収損失が低減されることにより、発振閾値電流が低減し、スロープ効率が向上するので、駆動電流を低減できる。つまり投入電力が少なくて済むので、発熱を低減することができる。従って、「負のドループ特性」を更に抑制することができる。
Further, in the surface emitting
なお、組成一定層(各屈折率層)と定在波分布の腹に対応する部位とで、ドーピング濃度が上記の範囲内で互いに異なっても良い。また、低ドーピング濃度領域において、ペア毎にドーピング濃度が上記の範囲内で互いに異なっても良い。例えば、低ドーピング濃度領域において、スペーサ層に近く電界強度の大きな部位が、より低濃度となるように設定すると、自由キャリア吸収を効果的に低減することができる。 It should be noted that the doping concentration may be different between the constant composition layer (each refractive index layer) and the portion corresponding to the antinode of the standing wave distribution within the above range. Further, in the low doping concentration region, the doping concentration may be different for each pair within the above range. For example, in a low doping concentration region, free carrier absorption can be effectively reduced by setting a region close to the spacer layer and having a large electric field strength to have a lower concentration.
また、面発光レーザ素子100Aでは、メサのレーザ発振方向に直交する断面形状における一辺の長さを25μmとしているため、シングルモード出力を2mWと高くすることができる。
Further, in the surface emitting
また、面発光レーザ素子100Aでは、被選択酸化層を共振器構造体から3ペア目の上部半導体DBR207中に設けている。これにより、実用的な閾値電流を保ちながら、電流狭窄に伴う高抵抗化によって発熱する部分を活性層205から遠ざけるとともに、熱抵抗を低減し、メサ中央部の局所的発熱を低減することができる。また、酸化層208aに内在する歪みの活性層205への影響を低減し、素子寿命を長くし、長期信頼性を向上させることができる。なお、被選択酸化層を共振器構造体から4ペア目の上部半導体DBR207中に設けても良い。
Further, in the surface emitting
「第3の実施形態」
図30には、本発明の第3の実施形態に係る面発光レーザアレイ500の概略構成が示されている。
“Third Embodiment”
FIG. 30 shows a schematic configuration of a surface emitting
この面発光レーザアレイ500は、複数(ここでは32個)の発光部が同一基板上に配置されている。ここでは、図30における紙面右方向を+M方向、紙面下方向を+S方向として説明する。
In the surface emitting
面発光レーザアレイ500は、図31に示されるように、M方向からS方向に向かって傾斜角α(0°<α<90°)をなす方向であるT方向に沿って8個の発光部が等間隔に配置された発光部列を4列有している。そして、これら4列の発光部列は、すべての発光部をS方向に伸びる仮想線上に正射影したときに等間隔cとなるように、S方向に等間隔dで配置されている。すなわち、32個の発光部は、2次元的に配列されている。なお、本明細書では、「発光部間隔」とは2つの発光部の中心間距離をいう。
As shown in FIG. 31, the surface-emitting
ここでは、間隔cは3μm、間隔dは24μm、M方向の発光部間隔X(図31参照)は30μmである。 Here, the interval c is 3 μm, the interval d is 24 μm, and the light emitting portion interval X in the M direction (see FIG. 31) is 30 μm.
各発光部は、図31のA−A断面図である図32に示されるように、前述した面発光レーザ素子100と同様な構造を有している。そして、この面発光レーザアレイ500は、前述した面発光レーザ素子100と同様な方法で製造することができる。
Each light emitting portion has the same structure as the surface emitting
このように、本第3の実施形態に係る面発光レーザアレイ500は、前記面発光レーザ素子100が集積された面発光レーザアレイであるため、前記面発光レーザ素子100と同様な効果を得ることができる。
Thus, since the surface emitting
なお、2つの発光部の間の溝は、各発光部の電気的及び空間的分離のために、5μm以上とすることが好ましい。あまり狭いと製造時のエッチングの制御が難しくなるからである。また、メサの大きさ(1辺の長さ)は10μm以上とすることが好ましい。あまり小さいと動作時に熱がこもり、特性が低下するおそれがあるからである。 In addition, it is preferable that the groove | channel between two light emission parts shall be 5 micrometers or more for the electrical and spatial separation of each light emission part. This is because if it is too narrow, it becomes difficult to control etching during production. Further, the mesa size (length of one side) is preferably 10 μm or more. This is because if it is too small, heat will be accumulated during operation and the characteristics may be deteriorated.
また、上記第3の実施形態では、面発光レーザアレイが32個の発光部を有する場合について説明したが、これに限定されるものではない。 In the third embodiment, the surface emitting laser array has 32 light emitting units. However, the present invention is not limited to this.
また、前記面発光レーザ素子100Aが集積された面発光レーザアレイであっても良い。
Further, a surface emitting laser array in which the surface emitting
また、上記第1〜第3の実施形態では、レーザ発振方向に直交する断面でのメサ形状が正方形の場合について説明したが、これらに限定されるものではなく、例えば円形、楕円形あるいは長方形など任意の形状とすることができる。 In the first to third embodiments, the case where the mesa shape in the cross section perpendicular to the laser oscillation direction is square has been described. However, the present invention is not limited to these, and for example, a circle, an ellipse, or a rectangle It can be of any shape.
また、上記第1〜第3の実施形態では、発光部の発振波長が780nm帯の場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、650nm帯、850nm帯、980nm帯、1.3μm帯、1.5μm帯等の波長帯であっても良い。 Moreover, although the said 1st-3rd embodiment demonstrated the case where the oscillation wavelength of a light emission part was a 780 nm band, it is not limited to this. For example, wavelength bands such as a 650 nm band, an 850 nm band, a 980 nm band, a 1.3 μm band, and a 1.5 μm band may be used.
「第4の実施形態」
図33には、本発明の第4の実施形態に係る画像形成装置としてのレーザプリンタ1000の概略構成が示されている。
“Fourth Embodiment”
FIG. 33 shows a schematic configuration of a
このレーザプリンタ1000は、光走査装置1010、感光体ドラム1030、帯電チャージャ1031、現像ローラ1032、転写チャージャ1033、除電ユニット1034、クリーニングユニット1035、トナーカートリッジ1036、給紙コロ1037、給紙トレイ1038、レジストローラ対1039、定着ローラ1041、排紙ローラ1042、排紙トレイ1043、通信制御装置1050、及び上記各部を統括的に制御するプリンタ制御装置1060などを備えている。なお、これらは、プリンタ筐体1044の中の所定位置に収容されている。
The
通信制御装置1050は、ネットワークなどを介した上位装置(例えばパソコン)との双方向の通信を制御する。
The
感光体ドラム1030は、円柱状の部材であり、その表面には感光層が形成されている。すなわち、感光体ドラム1030の表面が被走査面である。そして、感光体ドラム1030は、図33における矢印方向に回転するようになっている。
The
帯電チャージャ1031、現像ローラ1032、転写チャージャ1033、除電ユニット1034及びクリーニングユニット1035は、それぞれ感光体ドラム1030の表面近傍に配置されている。そして、感光体ドラム1030の回転方向に沿って、帯電チャージャ1031→現像ローラ1032→転写チャージャ1033→除電ユニット1034→クリーニングユニット1035の順に配置されている。
The charging
帯電チャージャ1031は、感光体ドラム1030の表面を均一に帯電させる。
The charging
光走査装置1010は、帯電チャージャ1031で帯電された感光体ドラム1030の表面に、上位装置からの画像情報に基づいて変調された光束を照射する。これにより、画像情報に対応した潜像が感光体ドラム1030の表面に形成される。ここで形成された潜像は、感光体ドラム1030の回転に伴って現像ローラ1032の方向に移動する。なお、この光走査装置1010の構成については後述する。
The
トナーカートリッジ1036にはトナーが格納されており、該トナーは現像ローラ1032に供給される。
The
現像ローラ1032は、感光体ドラム1030の表面に形成された潜像にトナーカートリッジ1036から供給されたトナーを付着させて画像情報を顕像化させる。ここでトナーが付着した潜像(以下では、便宜上「トナー像」ともいう)は、感光体ドラム1030の回転に伴って転写チャージャ1033の方向に移動する。
The developing
給紙トレイ1038には記録紙1040が格納されている。この給紙トレイ1038の近傍には給紙コロ1037が配置されており、該給紙コロ1037は、記録紙1040を給紙トレイ1038から1枚づつ取り出し、レジストローラ対1039に搬送する。該レジストローラ対1039は、給紙コロ1037によって取り出された記録紙1040を一旦保持するとともに、該記録紙1040を感光体ドラム1030の回転に合わせて感光体ドラム1030と転写チャージャ1033との間隙に向けて送り出す。
転写チャージャ1033には、感光体ドラム1030の表面上のトナーを電気的に記録紙1040に引きつけるために、トナーとは逆極性の電圧が印加されている。この電圧により、感光体ドラム1030の表面のトナー像が記録紙1040に転写される。ここで転写された記録紙1040は、定着ローラ1041に送られる。
A voltage having a polarity opposite to that of the toner is applied to the
定着ローラ1041では、熱と圧力とが記録紙1040に加えられ、これによってトナーが記録紙1040上に定着される。ここで定着された記録紙1040は、排紙ローラ1042を介して排紙トレイ1043に送られ、排紙トレイ1043上に順次スタックされる。
In the fixing
除電ユニット1034は、感光体ドラム1030の表面を除電する。
The
クリーニングユニット1035は、感光体ドラム1030の表面に残ったトナー(残留トナー)を除去する。残留トナーが除去された感光体ドラム1030の表面は、再度帯電チャージャ1031に対向する位置に戻る。
The
次に、前記光走査装置1010の構成について説明する。
Next, the configuration of the
この光走査装置1010は、一例として図34に示されるように、偏向器側走査レンズ11a、像面側走査レンズ11b、ポリゴンミラー13、光源14、カップリングレンズ15、開口板16、アナモルフィックレンズ17、反射ミラー18、及び走査制御装置(図示省略)などを備えている。そして、これらは、ハウジング30の中の所定位置に組み付けられている。
As shown in FIG. 34 as an example, the
なお、以下では、便宜上、主走査方向に対応する方向を「主走査対応方向」と略述し、副走査方向に対応する方向を「副走査対応方向」と略述する。 In the following, for convenience, the direction corresponding to the main scanning direction is abbreviated as “main scanning corresponding direction”, and the direction corresponding to the sub scanning direction is abbreviated as “sub scanning corresponding direction”.
光源14は、一例として上記面発光レーザアレイ500を備え、32本の光束を同時に射出することができる。ここでは、面発光レーザアレイ500は、前記M方向が主走査対応方向と一致し、前記S方向が副走査対応方向と一致するように配置されている。
The
カップリングレンズ15は、光源14から射出された光束を弱い発散光とする。
The
開口板16は、開口部を有し、カップリングレンズ15を介した光束のビーム径を規定する。
The
アナモルフィックレンズ17は、開口板16の開口部を通過した光束を、反射ミラー18を介してポリゴンミラー13の偏向反射面近傍に副走査対応方向に関して結像する。
The anamorphic lens 17 forms an image of the light beam that has passed through the opening of the
光源14とポリゴンミラー13との間の光路上に配置される光学系は、偏向器前光学系とも呼ばれている。本第4の実施形態では、偏向器前光学系は、カップリングレンズ15と開口板16とアナモルフィックレンズ17と反射ミラー18とから構成されている。
The optical system arranged on the optical path between the
ポリゴンミラー13は、一例として内接円の半径が18mmの6面鏡を有し、各鏡がそれぞれ偏向反射面となる。このポリゴンミラー13は、副走査対応方向に平行な軸の周りを等速回転しながら、反射ミラー18からの光束を偏向する。
As an example, the polygon mirror 13 has a hexahedral mirror having an inscribed circle radius of 18 mm, and each mirror serves as a deflecting reflection surface. The polygon mirror 13 deflects the light flux from the
偏向器側走査レンズ11aは、ポリゴンミラー13で偏向された光束の光路上に配置されている。
The deflector-
像面側走査レンズ11bは、偏向器側走査レンズ11aを介した光束の光路上に配置されている。そして、この像面側走査レンズ11bを介した光束が、感光体ドラム1030の表面に照射され、光スポットが形成される。この光スポットは、ポリゴンミラー13の回転に伴って感光体ドラム1030の長手方向に移動する。すなわち、感光体ドラム1030上を走査する。このときの光スポットの移動方向が「主走査方向」である。また、感光体ドラム1030の回転方向が「副走査方向」である。
The image plane
ポリゴンミラー13と感光体ドラム1030との間の光路上に配置される光学系は、走査光学系とも呼ばれている。本第4の実施形態では、走査光学系は、偏向器側走査レンズ11aと像面側走査レンズ11bとから構成されている。なお、偏向器側走査レンズ11aと像面側走査レンズ11bの間の光路上、及び像面側走査レンズ11bと感光体ドラム1030の間の光路上の少なくとも一方に、少なくとも1つの折り曲げミラーが配置されても良い。
The optical system arranged on the optical path between the polygon mirror 13 and the
面発光レーザアレイ500では、各発光部を副走査対応方向に延びる仮想線上に正射影したときの発光部間隔が等間隔cであるので、点灯のタイミングを調整することで感光体ドラム1030上では副走査方向に等間隔で発光部が並んでいる場合と同様な構成と捉えることができる。
In the surface emitting
そして、上記間隔cが3μmであるため、光走査装置1010の光学系の倍率を約1.8倍とすれば、4800dpi(ドット/インチ)の高密度書込みができる。もちろん、主走査対応方向の発光部数を増加したり、前記間隔dを狭くして間隔cを更に小さくするアレイ配置としたり、光学系の倍率を下げる等を行えばより高密度化でき、より高品質の印刷が可能となる。なお、主走査方向の書き込み間隔は、発光部の点灯タイミングで容易に制御できる。
Since the distance c is 3 μm, if the magnification of the optical system of the
また、この場合には、レーザプリンタ1000では書きこみドット密度が上昇しても印刷速度を落とすことなく印刷することができる。また、同じ書きこみドット密度の場合には印刷速度を更に速くすることができる。
In this case, the
以上説明したように、本第4の実施形態に係る光走査装置1010によると、光源14が上記面発光レーザアレイ500を備えているため、高精度の光走査を行うことが可能となる。
As described above, according to the
また、本第4の実施形態に係るレーザプリンタ1000によると、光走査装置1010を備えているため、結果として、高品質の画像を形成することが可能となる。
In addition, according to the
なお、上記第4の実施形態では、光源14が32個の発光部を有する場合について説明したが、これに限定されるものではない。
In the fourth embodiment, the
また、上記第4の実施形態では、光源14が面発光レーザアレイを有する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、前記面発光レーザ素子100あるいは前記面発光レーザ素子100Aと同等の面発光レーザ素子を有していても良い。
In the fourth embodiment, the
また、上記第4の実施形態において、前記面発光レーザアレイ500に代えて、該面発光レーザアレイ500における発光部と同様の発光部が1次元配列された面発光レーザアレイを用いても良い。
In the fourth embodiment, instead of the surface emitting
また、上記第4の実施形態において、前記面発光レーザアレイ500に代えて、前記面発光レーザ素子100Aが集積された面発光レーザアレイを用いても良い。
In the fourth embodiment, instead of the surface emitting
また、上記第4の実施形態では、画像形成装置としてレーザプリンタ1000の場合について説明したが、これに限定されるものではない。要するに、光走査装置1010を備えた画像形成装置であれば、結果として、高品質の画像を形成することが可能となる。
In the fourth embodiment, the case of the
例えば、レーザ光によって発色する媒体(例えば、用紙)に直接、レーザ光を照射する画像形成装置であっても良い。 For example, an image forming apparatus that directly irradiates laser light onto a medium (for example, paper) that develops color with laser light may be used.
また、像担持体として銀塩フィルムを用いた画像形成装置であっても良い。この場合には、光走査により銀塩フィルム上に潜像が形成され、この潜像は通常の銀塩写真プロセスにおける現像処理と同等の処理で可視化することができる。そして、通常の銀塩写真プロセスにおける焼付け処理と同等の処理で印画紙に転写することができる。このような画像形成装置は光製版装置や、CTスキャン画像等を描画する光描画装置として実施できる。 Further, an image forming apparatus using a silver salt film as the image carrier may be used. In this case, a latent image is formed on the silver salt film by optical scanning, and this latent image can be visualized by a process equivalent to a developing process in a normal silver salt photographic process. Then, it can be transferred to photographic paper by a process equivalent to a printing process in a normal silver salt photographic process. Such an image forming apparatus can be implemented as an optical plate making apparatus or an optical drawing apparatus that draws a CT scan image or the like.
また、一例として図35に示されるように、複数の感光体ドラムを備えるカラープリンタ2000であっても良い。
As an example, as shown in FIG. 35, a
このカラープリンタ2000は、4色(ブラック、シアン、マゼンタ、イエロー)を重ね合わせてフルカラーの画像を形成するタンデム方式の多色カラープリンタであり、ブラック用の「感光体ドラムK1、帯電装置K2、現像装置K4、クリーニングユニットK5、及び転写装置K6」と、シアン用の「感光体ドラムC1、帯電装置C2、現像装置C4、クリーニングユニットC5、及び転写装置C6」と、マゼンタ用の「感光体ドラムM1、帯電装置M2、現像装置M4、クリーニングユニットM5、及び転写装置M6」と、イエロー用の「感光体ドラムY1、帯電装置Y2、現像装置Y4、クリーニングユニットY5、及び転写装置Y6」と、光走査装置2010と、転写ベルト2080と、定着ユニット2030などを備えている。
The
各感光体ドラムは、図35中の矢印の方向に回転し、各感光体ドラムの周囲には、回転方向に沿って、それぞれ帯電装置、現像装置、転写装置、クリーニングユニットが配置されている。各帯電装置は、対応する感光体ドラムの表面を均一に帯電する。帯電装置によって帯電された各感光体ドラム表面に光走査装置2010により光が照射され、各感光体ドラムに静電潜像が形成されるようになっている。そして、対応する現像装置により各感光体ドラム表面にトナー像が形成される。さらに、対応する転写装置により、転写ベルト2080上の記録紙に各色のトナー像が転写され、最終的に定着ユニット2030により記録紙に画像が定着される。
Each photoconductor drum rotates in the direction of the arrow in FIG. 35, and a charging device, a developing device, a transfer device, and a cleaning unit are arranged around each photoconductor drum along the rotation direction. Each charging device uniformly charges the surface of the corresponding photosensitive drum. The surface of each photoconductive drum charged by the charging device is irradiated with light by the
光走査装置2010は、前記光源14と同様な光源を、色毎に有している。そこで、上記光走査装置1010と同様の効果を得ることができる。また、カラープリンタ2000は、光走査装置2010を備えているため、上記レーザプリンタ1000と同様の効果を得ることができる。
The
ところで、カラープリンタ2000では、各部品の製造誤差や位置誤差等によって色ずれが発生する場合があるが、光走査装置2010は、2次元配列された複数の発光部を有しているため、点灯させる発光部を選択することで色ずれの補正精度を高めることができる。
By the way, in the
以上説明したように、本発明の面発光レーザ素子及び面発光レーザアレイによれば、「負のドループ特性」を抑制するのに適している。また、本発明の光走査装置によれば、高精度の光走査を行うのに適している。また、本発明の画像形成装置によれば、高品質の画像を形成するのに適している。 As described above, the surface-emitting laser element and the surface-emitting laser array of the present invention are suitable for suppressing “negative droop characteristics”. Moreover, the optical scanning device of the present invention is suitable for performing high-precision optical scanning. The image forming apparatus of the present invention is suitable for forming a high quality image.
11a…偏向器側走査レンズ(走査光学系の一部)、11b…像面側走査レンズ(走査光学系の一部)、13…ポリゴンミラー(偏向器)、14…光源、100…面発光レーザ素子、100A…面発光レーザ素子、103…下部半導体DBR(半導体分布ブラッグ反射鏡の一部)、104…下部スペーサ層(共振器構造体の一部)、105…活性層、106…上部スペーサ層(共振器構造体の一部)、107…上部半導体DBR(半導体分布ブラッグ反射鏡の一部)、108a…酸化層(狭窄構造体の一部)、108b…電流通過領域(狭窄構造体の一部)、203…下部半導体DBR(半導体分布ブラッグ反射鏡の一部)、204…下部スペーサ層(共振器構造体の一部)、205…活性層、206…上部スペーサ層(共振器構造体の一部)、207…上部半導体DBR(半導体分布ブラッグ反射鏡の一部)、208a…酸化層(狭窄構造体の一部)、208b…電流通過領域(狭窄構造体の一部)、500…面発光レーザアレイ、1000…レーザプリンタ(画像形成装置)、1010…光走査装置、1030…感光体ドラム(像担持体)、2000…カラープリンタ(画像形成装置)、2010…光走査装置、K1,C1,M1,Y1…感光体ドラム(像担持体)。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
活性層を含む共振器構造体と;
前記共振器構造体を挟んで設けられ、アルミニウムを含む被選択酸化層の一部が酸化されて生成された酸化物を少なくとも含む酸化物が電流通過領域を取り囲み、注入電流と発振光の横モードを同時に閉じこめることができる狭窄構造体をその中に含む半導体分布ブラッグ反射鏡と;を備え、
前記被選択酸化層の厚さは少なくとも25nmであり、
発振の閾値電流と温度との関係において、発振の閾値電流が最小となるときの温度が25℃以下であることを特徴とする面発光レーザ素子。 A surface emitting laser element that emits light in a direction perpendicular to a substrate,
A resonator structure including an active layer;
An oxide including at least an oxide generated by oxidizing a part of the selective oxidation layer containing aluminum, which is provided across the resonator structure, surrounds the current passing region, and a transverse mode of injected current and oscillation light. A semiconductor distributed Bragg reflector including therein a constricted structure capable of simultaneously confining
The selectively oxidized layer has a thickness of at least 25 nm;
A surface emitting laser element characterized in that the temperature at which the oscillation threshold current is minimized is 25 ° C. or less in the relationship between the oscillation threshold current and the temperature.
レーザ発振方向に直交する断面での前記円柱の直径あるいは前記四角柱の一辺の長さは、少なくとも22μmであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子。 A part of the plurality of semiconductor layers including the resonator structure and the semiconductor distributed Bragg reflector has a columnar or quadrangular columnar mesa shape extending in the light emission direction,
5. The surface-emitting laser element according to claim 1, wherein a diameter of the cylinder or a length of one side of the quadrangular column in a cross section perpendicular to the laser oscillation direction is at least 22 μm. .
前記被選択酸化層は、前記半導体分布ブラッグ反射鏡中で、前記共振器構造体から3ペア目あるいは4ペア目に設けられていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子。 The semiconductor distributed Bragg reflector has a plurality of pairs consisting of a low refractive index layer and a high refractive index layer,
The said selective oxidation layer is provided in the said semiconductor structure Bragg reflector in the 3rd pair or the 4th pair from the said resonator structure, The Claim 1 characterized by the above-mentioned. The surface emitting laser element described.
請求項1〜7のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子を有する光源と;
前記光源からの光を偏向する偏向器と;
前記偏向器で偏向された光を前記被走査面上に集光する走査光学系と;を備える光走査装置。 An optical scanning device that scans a surface to be scanned with light,
A light source comprising the surface emitting laser element according to claim 1;
A deflector for deflecting light from the light source;
A scanning optical system for condensing the light deflected by the deflector onto the surface to be scanned.
請求項8に記載の面発光レーザアレイを有する光源と;
前記光源からの光を偏向する偏向器と;
前記偏向器で偏向された光を前記被走査面上に集光する走査光学系と;を備える光走査装置。 An optical scanning device that scans a surface to be scanned with light,
A light source comprising the surface emitting laser array according to claim 8;
A deflector for deflecting light from the light source;
A scanning optical system for condensing the light deflected by the deflector onto the surface to be scanned.
前記少なくとも1つの像担持体に対して画像情報が含まれる光を走査する少なくとも1つの請求項9又は10に記載の光走査装置と;を備える画像形成装置。 At least one image carrier;
An image forming apparatus comprising: at least one optical scanning device according to claim 9 or 10 that scans light including image information on the at least one image carrier.
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|---|---|
| JP (1) | JP2009283888A (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010010645A (en) * | 2008-05-27 | 2010-01-14 | Ricoh Co Ltd | Surface light-emitting laser element, surface light-emitting laser array, optical scanning device, and image forming apparatus |
| JP2013201222A (en) * | 2012-03-23 | 2013-10-03 | Furukawa Electric Co Ltd:The | Surface-emitting laser element |
| US8594146B2 (en) | 2008-02-12 | 2013-11-26 | Ricoh Company, Ltd. | Surface emitting laser element, surface emitting laser array, optical scanning device, and image forming apparatus |
| JP2016518031A (en) * | 2013-05-08 | 2016-06-20 | カムリン・テクノロジーズ・(スウィッツァランド)・リミテッドCamlin Technologies (Switzerland) Limited | Light guiding for vertical external cavity surface emitting lasers |
| JP2023109490A (en) * | 2022-01-27 | 2023-08-08 | 株式会社リコー | VCSEL, LASER DEVICE, DETECTION DEVICE, AND MOVING OBJECT |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0529716A (en) * | 1990-11-29 | 1993-02-05 | Toshiba Corp | Optical semiconductor device |
| JPH1148520A (en) * | 1997-08-05 | 1999-02-23 | Fuji Xerox Co Ltd | Apparatus for forming multispot image |
| JP2000022204A (en) * | 1998-06-30 | 2000-01-21 | Toshiba Corp | Semiconductor light emitting device and method of manufacturing the same |
| JP2001332812A (en) * | 2000-05-24 | 2001-11-30 | Furukawa Electric Co Ltd:The | Surface emitting semiconductor laser device |
| JP2003198061A (en) * | 2001-12-27 | 2003-07-11 | Ricoh Co Ltd | Surface emitting laser element, surface emitting laser array, optical interconnection system, and optical communication system |
| JP2004031925A (en) * | 2002-05-07 | 2004-01-29 | Ricoh Co Ltd | N-type semiconductor distributed Bragg reflector, surface emitting semiconductor laser device, surface emitting laser array, surface emitting laser module, optical interconnection system, and optical communication system |
| JP2004128524A (en) * | 2004-01-29 | 2004-04-22 | Fuji Xerox Co Ltd | Manufacturing method for surface emitting semiconductor laser device |
| WO2007063806A1 (en) * | 2005-11-30 | 2007-06-07 | Ricoh Company, Ltd. | Surface light emitting laser element, surface light emitting laser array provided with it, electro-photographic system and optical communication system |
-
2008
- 2008-11-07 JP JP2008287101A patent/JP2009283888A/en active Pending
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0529716A (en) * | 1990-11-29 | 1993-02-05 | Toshiba Corp | Optical semiconductor device |
| JPH1148520A (en) * | 1997-08-05 | 1999-02-23 | Fuji Xerox Co Ltd | Apparatus for forming multispot image |
| JP2000022204A (en) * | 1998-06-30 | 2000-01-21 | Toshiba Corp | Semiconductor light emitting device and method of manufacturing the same |
| JP2001332812A (en) * | 2000-05-24 | 2001-11-30 | Furukawa Electric Co Ltd:The | Surface emitting semiconductor laser device |
| JP2003198061A (en) * | 2001-12-27 | 2003-07-11 | Ricoh Co Ltd | Surface emitting laser element, surface emitting laser array, optical interconnection system, and optical communication system |
| JP2004031925A (en) * | 2002-05-07 | 2004-01-29 | Ricoh Co Ltd | N-type semiconductor distributed Bragg reflector, surface emitting semiconductor laser device, surface emitting laser array, surface emitting laser module, optical interconnection system, and optical communication system |
| JP2004128524A (en) * | 2004-01-29 | 2004-04-22 | Fuji Xerox Co Ltd | Manufacturing method for surface emitting semiconductor laser device |
| WO2007063806A1 (en) * | 2005-11-30 | 2007-06-07 | Ricoh Company, Ltd. | Surface light emitting laser element, surface light emitting laser array provided with it, electro-photographic system and optical communication system |
| JP2007318064A (en) * | 2005-11-30 | 2007-12-06 | Ricoh Co Ltd | Surface emitting laser element, surface emitting laser array including the same, electrophotographic system including surface emitting laser element or surface emitting laser array, and optical communication system including surface emitting laser element or surface emitting laser array |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8594146B2 (en) | 2008-02-12 | 2013-11-26 | Ricoh Company, Ltd. | Surface emitting laser element, surface emitting laser array, optical scanning device, and image forming apparatus |
| JP2010010645A (en) * | 2008-05-27 | 2010-01-14 | Ricoh Co Ltd | Surface light-emitting laser element, surface light-emitting laser array, optical scanning device, and image forming apparatus |
| JP2013201222A (en) * | 2012-03-23 | 2013-10-03 | Furukawa Electric Co Ltd:The | Surface-emitting laser element |
| JP2016518031A (en) * | 2013-05-08 | 2016-06-20 | カムリン・テクノロジーズ・(スウィッツァランド)・リミテッドCamlin Technologies (Switzerland) Limited | Light guiding for vertical external cavity surface emitting lasers |
| JP2023109490A (en) * | 2022-01-27 | 2023-08-08 | 株式会社リコー | VCSEL, LASER DEVICE, DETECTION DEVICE, AND MOVING OBJECT |
| JP7790172B2 (en) | 2022-01-27 | 2025-12-23 | 株式会社リコー | Surface-emitting laser, laser device, detection device and moving body |
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