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JP2017011174A - Surface emitting laser array, laser device, ignition device, and internal combustion engine - Google Patents

Surface emitting laser array, laser device, ignition device, and internal combustion engine Download PDF

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JP2017011174A
JP2017011174A JP2015126809A JP2015126809A JP2017011174A JP 2017011174 A JP2017011174 A JP 2017011174A JP 2015126809 A JP2015126809 A JP 2015126809A JP 2015126809 A JP2015126809 A JP 2015126809A JP 2017011174 A JP2017011174 A JP 2017011174A
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laser
laser array
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JP2015126809A
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Japanese (ja)
Inventor
雅之 沼田
Masayuki Numata
雅之 沼田
軸谷 直人
Naoto Jikutani
直人 軸谷
花岡 克成
Katsunari Hanaoka
克成 花岡
一磨 泉谷
Kazuma Izumitani
一磨 泉谷
安達 一彦
Kazuhiko Adachi
一彦 安達
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Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a surface light emitting laser array that can suppress an increase in temperature of a light emitting part.SOLUTION: A surface light emitting laser array 201 comprises: a surface light emitting laser array chip 230; sub mount 232; heat dissipation member 234; Peltier element 235; first metal layer 236; and second metal layer 237. The first metal layer 236 is formed on a surface of the sub mount 232 on which the surface light emitting laser array chip 230 is held and has a larger thermal conductivity than that of the sub mount 232. The surface light emitting laser array chip 230 is joined to the first metal layer 236 with a joint material 231.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、面発光レーザアレイ、レーザ装置、点火装置、及び内燃機関に係り、更に詳しくは、複数の発光部を有する面発光レーザアレイ、該面発光レーザアレイを有するレーザ装置及び点火装置、並びに前記点火装置を備える内燃機関に関する。   The present invention relates to a surface emitting laser array, a laser device, an ignition device, and an internal combustion engine. More specifically, the present invention relates to a surface emitting laser array having a plurality of light emitting units, a laser device and an ignition device having the surface emitting laser array, and The present invention relates to an internal combustion engine including the ignition device.

垂直共振器型の面発光レーザ(Vertical Cavity Surface Emitting Laser:VCSEL)は、基板に垂直な方向に光を射出するものであり、基板に平行な方向に光を射出する端面発光型の半導体レーザよりも低価格、低消費電力、小型、2次元デバイスに好適、かつ、高性能であることから、注目されている。   A vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) emits light in a direction perpendicular to a substrate, and is an edge emitting semiconductor laser that emits light in a direction parallel to the substrate. Are also attracting attention because of their low price, low power consumption, small size, suitable for two-dimensional devices, and high performance.

複数の面発光レーザが集積された面発光レーザアレイは、高い出力でレーザ光を射出することができ、様々な用途が検討されている。   A surface-emitting laser array in which a plurality of surface-emitting lasers are integrated can emit laser light with high output, and various uses are being studied.

例えば、特許文献1には、面発光レーザ素子(VCSEL)が2次元に配列されたアレイ素子を有する半導体レーザ光源と、その半導体レーザ光源が放射した半導体レーザ光で励起されて燃料点火用のパルスレーザ光を放射する固体レーザ媒質とを備える車載用点火装置が開示されている。   For example, Patent Document 1 discloses a semiconductor laser light source having an array element in which surface emitting laser elements (VCSEL) are two-dimensionally arranged, and a pulse for fuel ignition excited by the semiconductor laser light emitted from the semiconductor laser light source. An in-vehicle ignition device including a solid-state laser medium that emits laser light is disclosed.

しかしながら、特許文献1に開示されている半導体レーザ光源のアレイ素子では、面発光レーザ素子の温度が上昇するという不都合があった。   However, the semiconductor laser light source array element disclosed in Patent Document 1 has the disadvantage that the temperature of the surface emitting laser element rises.

本発明は、複数の発光部を有するアレイチップと、前記アレイチップが保持される保持部材とを備え、前記保持部材は、絶縁部材と、該絶縁部材における前記アレイチップが保持される側の面に形成され、前記絶縁部材よりも熱伝導率が大きい第1の金属層とを有する面発光レーザアレイである。   The present invention includes an array chip having a plurality of light emitting units and a holding member that holds the array chip, and the holding member includes an insulating member and a surface of the insulating member on the side where the array chip is held. And a first metal layer having a thermal conductivity higher than that of the insulating member.

本発明の面発光レーザアレイによれば、発光部の温度上昇を抑制することができる。   According to the surface emitting laser array of the present invention, the temperature rise of the light emitting part can be suppressed.

本発明の一実施形態に係るエンジン300の概略を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the outline of the engine 300 which concerns on one Embodiment of this invention. 点火装置301を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the ignition device. レーザ共振器206を説明するための図である。6 is a diagram for explaining a laser resonator 206. FIG. 面発光レーザアレイ201の構成を説明するための図である。4 is a diagram for explaining a configuration of a surface emitting laser array 201. FIG. 面発光レーザアレイチップ230を説明するための図である。5 is a diagram for explaining a surface emitting laser array chip 230. FIG. 面発光レーザアレイチップ230における1つの発光部を説明するための図である。5 is a diagram for explaining one light emitting unit in the surface emitting laser array chip 230. FIG. 図7(A)及び図7(B)は、それぞれ面発光レーザアレイ201の基板を説明するための図である。FIGS. 7A and 7B are diagrams for explaining the substrate of the surface emitting laser array 201, respectively. サブマウント232に形成された第1の金属層236を説明するための図である。FIG. 6 is a view for explaining a first metal layer 236 formed on a submount 232. 接合材231の蒸着を説明するための図である。It is a figure for demonstrating vapor deposition of the joining material. 絶縁溝を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an insulation groove | channel. 図10のA−A断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 図12(A)及び図12(B)は、それぞれ下部金属層236aの厚さと面発光レーザアレイ201から射出される光のスペクトルとの関係を説明するための図である。FIGS. 12A and 12B are diagrams for explaining the relationship between the thickness of the lower metal layer 236a and the spectrum of light emitted from the surface emitting laser array 201, respectively. サブマウント232の−Z側の面に第2の金属層237が形成されない場合を説明するための図である。FIG. 11 is a diagram for explaining a case where a second metal layer 237 is not formed on the −Z side surface of the submount 232. 図14(A)及び図14(B)は、それぞれレーザアニール装置の概略構成を説明するための図である。FIG. 14A and FIG. 14B are diagrams for explaining a schematic configuration of a laser annealing apparatus, respectively. レーザ加工機の概略構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating schematic structure of a laser beam machine.

「概要」
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図1には、一実施形態に係る内燃機関としてのエンジン300の主要部が模式図的に示されている。
"Overview"
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 schematically shows a main part of an engine 300 as an internal combustion engine according to an embodiment.

このエンジン300は、点火装置301、燃料噴出機構302、排気機構303、燃焼室304、及びピストン305などを備えている。   The engine 300 includes an ignition device 301, a fuel ejection mechanism 302, an exhaust mechanism 303, a combustion chamber 304, a piston 305, and the like.

エンジン300の動作について簡単に説明する。
(1)燃料噴出機構302が、燃料と空気の可燃性混合気を燃焼室304内に噴出させる(吸気)。
(2)ピストン305が上昇し、可燃性混合気を圧縮する(圧縮)。
(3)点火装置301が、燃焼室304内にレーザ光を射出する。これにより、燃料に点火される(着火)。
(4)燃焼ガスが発生し、ピストン305が降下する(燃焼)。
(5)排気機構303が、燃焼ガスを燃焼室304外へ排気する(排気)。
The operation of engine 300 will be briefly described.
(1) The fuel ejection mechanism 302 ejects a combustible mixture of fuel and air into the combustion chamber 304 (intake).
(2) The piston 305 rises and compresses the combustible air-fuel mixture (compression).
(3) The ignition device 301 emits laser light into the combustion chamber 304. Thereby, the fuel is ignited (ignition).
(4) Combustion gas is generated and the piston 305 descends (combustion).
(5) The exhaust mechanism 303 exhausts the combustion gas to the outside of the combustion chamber 304 (exhaust).

このように、吸気、圧縮、着火、燃焼、排気からなる一連の過程が繰り返される。そして、燃焼室304内の気体の体積変化に対応してピストン305が運動し、運動エネルギーを生じさせる。燃料には例えば天然ガスやガソリン等が用いられる。   Thus, a series of processes consisting of intake, compression, ignition, combustion, and exhaust are repeated. Then, the piston 305 moves in response to a change in the volume of the gas in the combustion chamber 304 to generate kinetic energy. For example, natural gas or gasoline is used as the fuel.

なお、エンジン300は、該エンジン300の外部に設けられ、該エンジン300と電気的に接続されているエンジン制御装置の指示に基づいて、上記動作を行う。   Engine 300 performs the above operation based on an instruction of an engine control device that is provided outside engine 300 and is electrically connected to engine 300.

点火装置301は、一例として図2に示されるように、レーザ装置200、射出光学系210、及び保護部材212などを有している。   As shown in FIG. 2 as an example, the ignition device 301 includes a laser device 200, an emission optical system 210, a protection member 212, and the like.

射出光学系210は、レーザ装置200から射出される光を集光する。これにより、集光点で高いエネルギー密度を得ることができる。   The emission optical system 210 condenses the light emitted from the laser device 200. Thereby, a high energy density can be obtained at the condensing point.

保護部材212は、燃焼室304に臨んで設けられた透明の窓である。ここでは、一例として、保護部材212の材料としてサファイアガラスが用いられている。   The protection member 212 is a transparent window provided facing the combustion chamber 304. Here, as an example, sapphire glass is used as the material of the protection member 212.

レーザ装置200は、面発光レーザアレイ201、第1集光光学系203、光ファイバ204、第2集光光学系205、及びレーザ共振器206を備えている。なお、本明細書では、XYZ3次元直交座標系を用い、面発光レーザアレイ201からの光の射出方向を+Z方向として説明する。   The laser device 200 includes a surface emitting laser array 201, a first condensing optical system 203, an optical fiber 204, a second condensing optical system 205, and a laser resonator 206. In the present specification, description will be made using the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system and assuming that the light emission direction from the surface emitting laser array 201 is the + Z direction.

面発光レーザアレイ201は、励起用光源であり、複数の発光部を有している。各発光部は、垂直共振器型の面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)である。面発光レーザアレイ201から射出される光の波長は808nmである。   The surface emitting laser array 201 is an excitation light source and has a plurality of light emitting units. Each of the light emitting units is a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser). The wavelength of light emitted from the surface emitting laser array 201 is 808 nm.

面発光レーザアレイは、射出される光の、温度による波長ずれが非常に少ないため、励起波長のずれによって特性が大きく変化するQスイッチレーザを励起するのに有利な光源である。そこで、面発光レーザアレイを励起用光源に用いると、環境の温度制御を簡易なものにできるという利点がある。   The surface-emitting laser array is a light source that is advantageous for exciting a Q-switched laser whose characteristics change greatly due to a shift in excitation wavelength because the wavelength shift of emitted light due to temperature is very small. Therefore, when a surface emitting laser array is used as an excitation light source, there is an advantage that environmental temperature control can be simplified.

第1集光光学系203は、面発光レーザアレイ201から射出される光を集光する。   The first condensing optical system 203 condenses the light emitted from the surface emitting laser array 201.

光ファイバ204は、第1集光光学系203によって光が集光される位置にコアの−Z側端面の中心が位置するように配置されている。ここでは、光ファイバ204として、コア径が1.5mm、NAが0.39の光ファイバ(Thorlabs社製、型番:FT1500UMT)が用いられている。   The optical fiber 204 is arranged so that the center of the end face on the −Z side of the core is located at a position where the light is collected by the first condensing optical system 203. Here, an optical fiber (manufactured by Thorlabs, model number: FT1500UMT) having a core diameter of 1.5 mm and an NA of 0.39 is used as the optical fiber 204.

光ファイバ204を設けることによって、面発光レーザアレイ201をレーザ共振器206から離れた位置に置くことができる。これにより配置設計の自由度を増大させることができる。また、レーザ装置200を点火装置に用いる際に、熱源から面発光レーザアレイ201を遠ざけることができるため、エンジン300を冷却する方法の幅を広げることが可能である。   By providing the optical fiber 204, the surface emitting laser array 201 can be placed at a position away from the laser resonator 206. Thereby, the freedom degree of arrangement design can be increased. Further, when the laser device 200 is used as an ignition device, the surface emitting laser array 201 can be moved away from the heat source, so that the range of methods for cooling the engine 300 can be increased.

光ファイバ204に入射した光はコア内を伝播し、コアの+Z側端面から射出される。   The light incident on the optical fiber 204 propagates through the core and is emitted from the + Z side end face of the core.

第2集光光学系205は、光ファイバ204から射出された光の光路上に配置され、該光を集光する。第2集光光学系205で集光された光は、レーザ共振器206に入射する。   The second condensing optical system 205 is disposed on the optical path of the light emitted from the optical fiber 204 and condenses the light. The light condensed by the second condensing optical system 205 enters the laser resonator 206.

レーザ共振器206は、Qスイッチレーザであり、一例として図3に示されるように、レーザ媒質206a、及び可飽和吸収体206bを有している。   The laser resonator 206 is a Q-switched laser and includes a laser medium 206a and a saturable absorber 206b as shown in FIG. 3 as an example.

レーザ媒質206aは、3mm×3mm×8mmの直方体形状のNd:YAG結晶であり、Ndが1.1%ドープされている。可飽和吸収体206bは、3mm×3mm×2mmの直方体形状のCr:YAG結晶であり、初期透過率が30%のものである。   The laser medium 206a is a rectangular parallelepiped Nd: YAG crystal of 3 mm × 3 mm × 8 mm, and Nd is doped by 1.1%. The saturable absorber 206b is a cuboidal Cr: YAG crystal of 3 mm × 3 mm × 2 mm, and has an initial transmittance of 30%.

なお、ここでは、Nd:YAG結晶とCr:YAG結晶は接合されており、いわゆるコンポジット結晶となっている。また、Nd:YAG結晶及びCr:YAG結晶は、いずれもセラミックスである。   Here, the Nd: YAG crystal and the Cr: YAG crystal are joined to form a so-called composite crystal. Both the Nd: YAG crystal and the Cr: YAG crystal are ceramics.

第2集光光学系205からの光は、レーザ媒質206aに入射される。すなわち、第2集光光学系205からの光によってレーザ媒質206aが励起される。なお、面発光レーザアレイ201から射出される光の波長は、YAG結晶において最も吸収効率の高い波長である。そして、可飽和吸収体206bは、Qスイッチの動作を行う。   The light from the second condensing optical system 205 is incident on the laser medium 206a. That is, the laser medium 206a is excited by the light from the second condensing optical system 205. The wavelength of the light emitted from the surface emitting laser array 201 is the wavelength with the highest absorption efficiency in the YAG crystal. The saturable absorber 206b operates as a Q switch.

レーザ媒質206aの入射側(−Z側)の面、及び可飽和吸収体206bの射出側(+Z側)の面は光学研磨処理がなされ、ミラーの役割を果たしている。なお、以下では、便宜上、レーザ媒質206aの入射側の面を「第1の面」ともいい、可飽和吸収体206bの射出側の面を「第2の面」ともいう(図3参照)。   The surface on the incident side (−Z side) of the laser medium 206a and the surface on the exit side (+ Z side) of the saturable absorber 206b are subjected to an optical polishing process and serve as a mirror. Hereinafter, for convenience, the incident-side surface of the laser medium 206a is also referred to as a “first surface”, and the exit-side surface of the saturable absorber 206b is also referred to as a “second surface” (see FIG. 3).

そして、第1の面及び第2の面には、面発光レーザアレイ201から射出される光の波長、及びレーザ共振器206から射出される光の波長に応じた誘電体膜がコーティングされている。   The first surface and the second surface are coated with a dielectric film corresponding to the wavelength of light emitted from the surface emitting laser array 201 and the wavelength of light emitted from the laser resonator 206. .

具体的には、第1の面には、波長が808nmの光に対して99.5%の高い透過率を示し、波長が1064nmの光に対して99.5%の高い反射率を示すコーティングがなされている。また、第2の面には、波長が1064nmの光に対して50%の反射率を示すコーティングがなされている。   Specifically, the first surface has a high transmittance of 99.5% for light with a wavelength of 808 nm and a high reflectance of 99.5% for light with a wavelength of 1064 nm. Has been made. In addition, the second surface is coated with a reflectivity of 50% for light having a wavelength of 1064 nm.

これにより、レーザ共振器206内で光が共振し増幅される。ここでは、レーザ共振器206の共振器長は10(=8+2)mmである。   As a result, the light resonates and is amplified in the laser resonator 206. Here, the resonator length of the laser resonator 206 is 10 (= 8 + 2) mm.

図2に戻り、駆動装置220は、エンジン制御装置222の指示に基づいて、面発光レーザアレイ201を駆動する。すなわち、駆動装置220は、エンジン300の動作における着火のタイミングで点火装置301から光が射出されるように、面発光レーザアレイ201を駆動する。なお、面発光レーザアレイ201における複数の発光部は、同時に点灯及び消灯される。   Returning to FIG. 2, the driving device 220 drives the surface emitting laser array 201 based on an instruction from the engine control device 222. That is, drive device 220 drives surface emitting laser array 201 so that light is emitted from ignition device 301 at the timing of ignition in the operation of engine 300. The plurality of light emitting units in the surface emitting laser array 201 are turned on and off simultaneously.

上記実施形態において、面発光レーザアレイ201をレーザ共振器206から離れた位置に置く必要がない場合は、光ファイバ204が設けられなくても良い。   In the above embodiment, when it is not necessary to place the surface emitting laser array 201 at a position away from the laser resonator 206, the optical fiber 204 may not be provided.

また、前記第1集光光学系203、前記第2集光光学系205、及び前記射出光学系210は、いずれも単一のレンズからなっていても良いし、複数のレンズからなっていても良い。   Further, each of the first condensing optical system 203, the second condensing optical system 205, and the exit optical system 210 may be composed of a single lens or a plurality of lenses. good.

また、ここでは、内燃機関として燃焼ガスによってピストンを運動させるエンジン(ピストンエンジン)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、ロータリーエンジンや、ガスタービンエンジンや、ジェットエンジンであっても良い。要するに、燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成するものであれば良い。   Here, the case of an engine (piston engine) in which a piston is moved by combustion gas as an internal combustion engine has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, a rotary engine, a gas turbine engine, or a jet engine may be used. In short, what is necessary is just to burn the fuel and generate the combustion gas.

また、排熱を利用して、動力や温熱や冷熱を取り出し、総合的にエネルギー効率を高めるシステムであるコジェネレーションに、点火装置301を用いても良い。   In addition, the ignition device 301 may be used for cogeneration, which is a system that uses exhaust heat to extract power, heat, and cold to improve energy efficiency comprehensively.

また、ここでは、点火装置301が内燃機関に用いられ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。   Although the case where the ignition device 301 is used in an internal combustion engine has been described here, the present invention is not limited to this.

また、ここでは、レーザ装置200が点火装置に用いられ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。例えば、レーザ加工機、レーザピーニング装置、テラヘルツ発生装置などに用いることができる。   Although the case where the laser device 200 is used in an ignition device has been described here, the present invention is not limited to this. For example, it can be used for a laser processing machine, a laser peening apparatus, a terahertz generator, and the like.

「詳細」
次に、面発光レーザアレイ201の詳細について説明する。ここでは、一例として図4に示されるように、面発光レーザアレイ201は、面発光レーザアレイチップ230、サブマウント232、放熱部材234、ペルチェ素子235、第1の金属層236、第2の金属層237などを有している。サブマウント232と第1の金属層236と第2の金属層237とからなる複合部材は、面発光レーザアレイチップ230を保持する保持部材である。
"Details"
Next, details of the surface emitting laser array 201 will be described. Here, as shown in FIG. 4 as an example, the surface emitting laser array 201 includes a surface emitting laser array chip 230, a submount 232, a heat dissipation member 234, a Peltier element 235, a first metal layer 236, and a second metal. A layer 237 and the like. A composite member composed of the submount 232, the first metal layer 236, and the second metal layer 237 is a holding member that holds the surface emitting laser array chip 230.

面発光レーザアレイチップ230は、一例として図5に示されるように、2次元配列された複数の発光部を有している。各発光部が面発光レーザ(VCSEL)である。そして、1つの発光部のYZ断面が図6に示されている。ここでは、面発光レーザアレイチップ230は、発光部数が10000個級の大規模レーザアレイである。   As an example, the surface emitting laser array chip 230 includes a plurality of light emitting units arranged two-dimensionally as shown in FIG. Each light emitting unit is a surface emitting laser (VCSEL). And the YZ cross section of one light emission part is shown by FIG. Here, the surface emitting laser array chip 230 is a large-scale laser array having 10,000 light emitting units.

各発光部は、基板101、バッファ層102、下部半導体DBR103、下部スペーサ層104、活性層105、上部スペーサ層106、上部半導体DBR107、コンタクト層109、保護膜111、上部電極113、下部電極114などを有している。   Each light emitting unit includes a substrate 101, a buffer layer 102, a lower semiconductor DBR 103, a lower spacer layer 104, an active layer 105, an upper spacer layer 106, an upper semiconductor DBR 107, a contact layer 109, a protective film 111, an upper electrode 113, a lower electrode 114, and the like. have.

基板101は、図7(A)に示されるように、基板表面の法線方向が、結晶方位[1 0 0]方向に対して、結晶方位[1 1 1]A方向に向かって15度(θ=15度)傾斜したn−GaAs単結晶基板である。すなわち、基板101は、いわゆる傾斜基板である。ここでは、図7(B)に示されるように、結晶方位[0 −1 1]方向が+X方向、結晶方位[0 1 −1]方向が−X方向となるように配置されている。そこで、傾斜基板の傾斜軸は、X軸方向に平行である。なお、−Y方向を「傾斜方向」ともいう。   7A, the normal direction of the substrate surface is 15 degrees toward the crystal orientation [1 1 1] A direction with respect to the crystal orientation [1 0 0] direction (as shown in FIG. 7A). (θ = 15 °) An n-GaAs single crystal substrate inclined. That is, the substrate 101 is a so-called inclined substrate. Here, as shown in FIG. 7B, the crystal orientation [0 −1 1] direction is the + X direction, and the crystal orientation [0 1 −1] direction is the −X direction. Therefore, the tilt axis of the tilted substrate is parallel to the X-axis direction. The −Y direction is also referred to as “inclination direction”.

図6に戻り、バッファ層102は、基板101の+Z側の面上に積層され、n−GaAsからなる層である。   Returning to FIG. 6, the buffer layer 102 is laminated on the + Z side surface of the substrate 101 and is a layer made of n-GaAs.

下部半導体DBR103は、バッファ層102の+Z側の面上に積層され、n−AlAsからなる低屈折率層と、n−Al0.3Ga0.7Asからなる高屈折率層のペアを37.5ペア有している。 The lower semiconductor DBR 103 is stacked on the + Z side surface of the buffer layer 102, and includes 37 pairs of a low refractive index layer made of n-AlAs and a high refractive index layer made of n-Al 0.3 Ga 0.7 As. .5 pairs.

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。   Between each refractive index layer, in order to reduce an electrical resistance, a composition gradient layer having a thickness of 20 nm in which the composition is gradually changed from one composition to the other composition is provided.

そして、基板101上から約34.5ペアまでは、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の光学的厚さとなるように設定され、下部スペーサ層104に近い3ペアでは、隣接する組成傾斜層の1/2を含んで、高屈折率層の光学的厚さがλ/4、低屈折率層の光学的厚さが3λ/4となるように設定されている。   From the substrate 101 up to about 34.5 pairs, each refractive index layer includes 1/2 of the adjacent composition gradient layer, and the optical thickness is λ / 4 when the oscillation wavelength is λ. In the three pairs close to the lower spacer layer 104, the optical thickness of the high refractive index layer is λ / 4 and the optical thickness of the low refractive index layer includes 1/2 of the adjacent composition gradient layer. Is set to 3λ / 4.

なお、光学的厚さが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。   When the optical thickness is λ / 4, the actual thickness D of the layer is D = λ / 4n (where n is the refractive index of the medium of the layer).

下部スペーサ層104は、下部半導体DBR103の+Z側に積層され、ノンドープのAlGaInPからなる層である。   The lower spacer layer 104 is stacked on the + Z side of the lower semiconductor DBR 103 and is a layer made of non-doped AlGaInP.

活性層105は、下部スペーサ層104の+Z側に積層され、GaAsからなる量子井戸層と、Al0.3Ga0.7Asからなる障壁層とが交互に積層された3重量子井戸(TQW:Triple Quantum Well)構造の活性層である。 The active layer 105 is stacked on the + Z side of the lower spacer layer 104, and a triple quantum well (TQW) in which quantum well layers made of GaAs and barrier layers made of Al 0.3 Ga 0.7 As are alternately stacked. : Triple Quantum Well) active layer.

上部スペーサ層106は、活性層105の+Z側に積層され、ノンドープのAlGaInPからなる層である。   The upper spacer layer 106 is stacked on the + Z side of the active layer 105 and is a layer made of non-doped AlGaInP.

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、隣接する組成傾斜層の1/2を含んで、その厚さが1波長の光学的厚さとなるように設定されている。なお、活性層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。   The portion composed of the lower spacer layer 104, the active layer 105, and the upper spacer layer 106 is also referred to as a resonator structure, and includes a half of the adjacent composition gradient layer, and has an optical thickness of one wavelength. It is set so as to be an appropriate thickness. The active layer 105 is provided at the center of the resonator structure at a position corresponding to the antinode in the standing wave distribution of the electric field so that a high stimulated emission probability can be obtained.

上部半導体DBR107は、上部スペーサ層106の+Z側に積層され、p−Al0.9Ga0.1Asからなる低屈折率層とp−Al0.3Ga0.7Asからなる高屈折率層のペアを24ペア有している。 The upper semiconductor DBR 107 is laminated on the + Z side of the upper spacer layer 106, and has a low refractive index layer made of p-Al 0.9 Ga 0.1 As and a high refractive index made of p-Al 0.3 Ga 0.7 As. It has 24 pairs of layers.

各屈折率層の間には組成傾斜層が設けられている。そして、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、λ/4の光学的厚さとなるように設定されている。   A composition gradient layer is provided between the refractive index layers. Each refractive index layer is set to have an optical thickness of λ / 4 including 1/2 of the adjacent composition gradient layer.

上部半導体DBR107における低屈折率層の1つには、p−AlAsからなる被選択酸化層108が厚さ30nmで挿入されている。この被選択酸化層108の挿入位置は、上部スペーサ層106から光学的にλ/4の距離だけ離れた位置であり、低屈折率層中である。   In one of the low refractive index layers in the upper semiconductor DBR 107, a selectively oxidized layer 108 made of p-AlAs is inserted with a thickness of 30 nm. The insertion position of the selectively oxidized layer 108 is a position optically separated from the upper spacer layer 106 by a distance of λ / 4, and is in the low refractive index layer.

コンタクト層109は、上部半導体DBR107の+z側に積層され、p−GaAsからなる層である。   The contact layer 109 is stacked on the + z side of the upper semiconductor DBR 107 and is a layer made of p-GaAs.

保護膜111は、SiO又はSiNからなる膜である。 The protective film 111 is a film made of SiO 2 or SiN.

上部電極113は、電極パッドと電気的に接続されている。   The upper electrode 113 is electrically connected to the electrode pad.

ここで、面発光レーザアレイチップ230の作成方法について説明する。   Here, a method for producing the surface emitting laser array chip 230 will be described.

(1)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、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、被選択酸化層108、コンタクト層109を形成する。なお、このように基板101上に複数の半導体層が積層されたものを、以下では、便宜上「積層体」ともいう。 (1) A buffer layer 102, a lower semiconductor DBR 103, a lower spacer layer 104, an active layer 105, and an upper portion are formed on a substrate 101 by crystal growth by metal organic vapor phase epitaxy (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE). A spacer layer 106, an upper semiconductor DBR 107, a selective oxidation layer 108, and a contact layer 109 are formed. Note that a structure in which a plurality of semiconductor layers are stacked on the substrate 101 is also referred to as a “stacked body” for convenience in the following.

III族の原料には、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMI)を用い、V族の原料には、フォスフィン(PH)、アルシン(AsH)を用いている。また、p型ドーパントの原料には四臭化炭素(CBr)、ジメチルジンク(DMZn)を用い、n型ドーパントの原料にはセレン化水素(HSe)を用いている。 Trimethylaluminum (TMA), trimethylgallium (TMG), and trimethylindium (TMI) are used as Group III materials, and phosphine (PH 3 ) and arsine (AsH 3 ) are used as Group V materials. Further, carbon tetrabromide (CBr 4 ) and dimethyl zinc (DMZn) are used as the raw material for the p-type dopant, and hydrogen selenide (H 2 Se) is used as the raw material for the n-type dopant.

(2)積層体の表面にメサ形状に対応するレジストパターンを形成する。具体的には、コンタクト層109上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、メサ形状に対応したレジストパターンを形成する。ここでは、メサの断面が一辺20μm〜25μmの正方形となるようにした。なお、コンタクト層109上に塗布されるレジストはポジレジストを用い、コンタクト露光により露光を行う。 (2) A resist pattern corresponding to the mesa shape is formed on the surface of the laminate. Specifically, a photoresist is applied on the contact layer 109, and exposure and development are performed by an exposure apparatus to form a resist pattern corresponding to the mesa shape. Here, the cross section of the mesa is a square with sides of 20 μm to 25 μm. Note that a positive resist is used as a resist applied on the contact layer 109, and exposure is performed by contact exposure.

(3)反応性イオンエッチング(RIE)などのドライエッチングによって、四角柱状のメサを形成する。ここでは、エッチングの底部は下部スペーサ層104中に位置するようにした。なお、ドライエッチングの条件を調整することにより、メサの側面の傾斜角を調整することができる。ここでは、基板101の表面に対し、メサの側面の傾斜角が70°〜80°となるように、ドライエッチングの条件を調整している。この場合は、配線部材の断線を抑制することができる。 (3) A square columnar mesa is formed by dry etching such as reactive ion etching (RIE). Here, the bottom of the etching is positioned in the lower spacer layer 104. Note that the inclination angle of the side surface of the mesa can be adjusted by adjusting the dry etching conditions. Here, the dry etching conditions are adjusted so that the inclination angle of the side surface of the mesa is 70 ° to 80 ° with respect to the surface of the substrate 101. In this case, disconnection of the wiring member can be suppressed.

(4)レジストパターンを除去する。 (4) The resist pattern is removed.

(5)積層体を水蒸気中で熱処理する。ここでは、メサの外周部から被選択酸化層108中のAlが選択的に酸化される。そして、メサの中央部に、Alの酸化層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、酸化狭窄構造体が作成される。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108bは、一辺の長さが約5μmの略正方形状であった。 (5) The laminated body is heat-treated in water vapor. Here, Al in the selective oxidation layer 108 is selectively oxidized from the outer periphery of the mesa. Then, an unoxidized region 108b surrounded by the Al oxide layer 108a is left in the center of the mesa. As a result, an oxidized constriction structure that restricts the drive current path of the light-emitting portion to only the central portion of the mesa is created. The non-oxidized region 108b is a current passage region (current injection region). Here, the current passing region 108b has a substantially square shape with a side length of about 5 μm.

(6)プラズマCVD法を用いて、SiNからなる保護膜111を形成する。保護膜111の膜厚は150nm〜200nmであれば良い。 (6) A protective film 111 made of SiN is formed using a plasma CVD method. The thickness of the protective film 111 may be 150 nm to 200 nm.

(7)メサ上面にコンタクトホールを形成するためのレジストパターンを作成する。 (7) Create a resist pattern for forming contact holes on the top surface of the mesa.

(8)BHF(バッファード・フッ酸)を用いたウエットエッチングにより、レジストパターンの開口部における保護膜111を除去する。 (8) The protective film 111 at the opening of the resist pattern is removed by wet etching using BHF (buffered hydrofluoric acid).

(9)レジストパターンを除去する。 (9) The resist pattern is removed.

(10)射出領域をマスクするためのレジストパターンを作成する。 (10) A resist pattern for masking the injection region is created.

(11)上部電極113の材料を蒸着する。ここでは、Cr/AuZn/Auからなる金属膜をEB(電子ビーム)蒸着により順次積層する。 (11) The material of the upper electrode 113 is deposited. Here, a metal film made of Cr / AuZn / Au is sequentially laminated by EB (electron beam) evaporation.

(12)リフトオフにより、レジストパターンの形成されている領域上の金属膜を除去する。これにより、上部電極113が形成される。 (12) The metal film on the region where the resist pattern is formed is removed by lift-off. Thereby, the upper electrode 113 is formed.

(13)基板101の厚さが200μmとなるまで、基板101の裏側を研磨した後、Cr/AuGe/Auからなる金属膜をEB(電子ビーム)蒸着により順次積層し、下部電極114を形成する。Auは厚さが1μmとなるように設定されている。なお、基板101は、全てが除去されても良い。 (13) After the back side of the substrate 101 is polished until the thickness of the substrate 101 becomes 200 μm, a metal film made of Cr / AuGe / Au is sequentially laminated by EB (electron beam) vapor deposition to form the lower electrode 114. . Au is set to have a thickness of 1 μm. Note that all of the substrate 101 may be removed.

(14)400℃で5分間アニールし、上部電極113と下部電極114のオーミック導通をとる。これにより、メサは発光部となる。 (14) Annealing is performed at 400 ° C. for 5 minutes to establish ohmic conduction between the upper electrode 113 and the lower electrode 114. Thereby, the mesa becomes a light emitting part.

(15)チップ毎に分割する。 (15) Divide each chip.

図4に戻り、サブマウント232は、絶縁材料からなっている。ここでは、サブマウント232として厚さが0.3mmの窒化アルミニウム(AlN)が用いられている。   Returning to FIG. 4, the submount 232 is made of an insulating material. Here, aluminum nitride (AlN) having a thickness of 0.3 mm is used as the submount 232.

サブマウント232の+Z側の面には、下地として厚さが1μmのニッケル(Ni)が蒸着されており、その上(+Z側)に第1の金属層236がメッキにより成膜されている。また、サブマウント232の−Z側の面には、下地として厚さが1μmのニッケル(Ni)が蒸着されており、その上(−Z側)に第2の金属層237がメッキにより成膜されている。第1の金属層236及び第2の金属層237は、サブマウント232よりも熱伝導率が大きい材料からなっている。   On the surface on the + Z side of the submount 232, nickel (Ni) having a thickness of 1 μm is deposited as a base, and a first metal layer 236 is formed thereon by plating (+ Z side). Further, nickel (Ni) having a thickness of 1 μm is deposited as a base on the −Z side surface of the submount 232, and a second metal layer 237 is formed thereon by plating (−Z side). Has been. The first metal layer 236 and the second metal layer 237 are made of a material having a higher thermal conductivity than the submount 232.

第1の金属層236は、一例として図8に示されるように、下部金属層236aと、該下部金属層236aを覆う上部金属層236bとからなっている。上部金属層236bは、下部金属層236aの酸化を防止する。   As shown in FIG. 8 as an example, the first metal layer 236 includes a lower metal layer 236a and an upper metal layer 236b that covers the lower metal layer 236a. The upper metal layer 236b prevents the lower metal layer 236a from being oxidized.

ここでは、下部金属層236aとして厚さが30μmの銅(Cu)薄膜が用いられ、上部金属層236bとして厚さが1μmの金(Au)薄膜が用いられている。   Here, a copper (Cu) thin film with a thickness of 30 μm is used as the lower metal layer 236a, and a gold (Au) thin film with a thickness of 1 μm is used as the upper metal layer 236b.

第2の金属層237は、一例として図8に示されるように、下部金属層237aと、該下部金属層237aを覆う上部金属層237bとからなっている。上部金属層237bは、下部金属層237aの酸化を防止する。   As shown in FIG. 8 as an example, the second metal layer 237 includes a lower metal layer 237a and an upper metal layer 237b that covers the lower metal layer 237a. The upper metal layer 237b prevents the lower metal layer 237a from being oxidized.

ここでは、下部金属層237aとして厚さが30μmの銅(Cu)薄膜が用いられ、上部金属層237bとして厚さが1μmの金(Au)薄膜が用いられている。すなわち、第2の金属層237は、第1の金属層236と同じ金属層である。   Here, a copper (Cu) thin film with a thickness of 30 μm is used as the lower metal layer 237a, and a gold (Au) thin film with a thickness of 1 μm is used as the upper metal layer 237b. That is, the second metal layer 237 is the same metal layer as the first metal layer 236.

面発光レーザアレイチップ230は、接合材231によって第1の金属層236の上部金属層236bと接合されている。接合材231としては、70wt%の金(Au)を含む金錫(AuSn)合金が用いられている。   The surface emitting laser array chip 230 is bonded to the upper metal layer 236b of the first metal layer 236 by a bonding material 231. As the bonding material 231, a gold tin (AuSn) alloy containing 70 wt% of gold (Au) is used.

接合材231は、第1の金属層236の上部金属層236b上に厚さ3μm蒸着され(図9参照)、その上に面発光レーザアレイチップ230が載置される。そして、面発光レーザアレイチップ230に荷重を印加しつつヒータで300℃に加熱した後、室温まで冷却することにより、面発光レーザアレイチップ230と第1の金属層236の上部金属層236bとが接合される。すなわち、面発光レーザアレイチップ230が保持部材に保持される。   The bonding material 231 is deposited to a thickness of 3 μm on the upper metal layer 236b of the first metal layer 236 (see FIG. 9), and the surface emitting laser array chip 230 is placed thereon. Then, the surface emitting laser array chip 230 is heated to 300 ° C. with a heater while applying a load, and then cooled to room temperature, whereby the surface emitting laser array chip 230 and the upper metal layer 236b of the first metal layer 236 are formed. Be joined. That is, the surface emitting laser array chip 230 is held by the holding member.

窒化アルミニウム(AlN)の熱伝導率は170(W/mK)であり、銅(Cu)の熱伝導率は400(W/mK)であり、金(Au)の熱伝導率は318(W/mK)であり、ニッケル(Ni)の熱伝導率は91(W/mK)である。   The thermal conductivity of aluminum nitride (AlN) is 170 (W / mK), the thermal conductivity of copper (Cu) is 400 (W / mK), and the thermal conductivity of gold (Au) is 318 (W / mK). mK), and the thermal conductivity of nickel (Ni) is 91 (W / mK).

ところで、第1の金属層236には、一例として図10及び図11に示されるように、絶縁溝が形成されている。図11は図10のA−A断面図である。この場合、絶縁溝の+X側の第1の金属層236を下部電極114と電気的に接続させることができる。また、各発光部の上部電極113と絶縁溝の−X側の第1の金属層236とを配線部材で電気的に接続させることができる。   By the way, as shown in FIGS. 10 and 11 as an example, an insulating groove is formed in the first metal layer 236. 11 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. In this case, the first metal layer 236 on the + X side of the insulating groove can be electrically connected to the lower electrode 114. Further, the upper electrode 113 of each light emitting portion and the first metal layer 236 on the −X side of the insulating groove can be electrically connected by a wiring member.

放熱部材234は、第2の金属層237よりも熱膨張係数が小さく、サブマウント232よりも熱膨張係数が大きい材料からなっている。ここでは、放熱部材234として、厚さが2mmの銅タングステン(CuW)板が用いられている。   The heat dissipation member 234 is made of a material having a smaller thermal expansion coefficient than the second metal layer 237 and a larger thermal expansion coefficient than the submount 232. Here, a copper tungsten (CuW) plate having a thickness of 2 mm is used as the heat dissipation member 234.

放熱部材234は、接合材233によって第2の金属層237の上部金属層237bと接合されている。接合材233としては、ペースト状のはんだが用いられている。   The heat dissipation member 234 is bonded to the upper metal layer 237b of the second metal layer 237 by the bonding material 233. As the bonding material 233, paste solder is used.

銅(Cu)の熱膨張係数は16.6×10−6〜17×10−6/Kであり、銅タングステン(CuW)の熱膨張係数は6×10−6〜9×10−6/Kであり、GaAsの熱膨張係数は5.7×10−6〜6.8×10−6/Kである。また、窒化アルミニウム(AlN)の熱膨張係数は4.5×10−6〜4.7×10−6/Kである。但し、材料の熱膨張係数は製造方法等で多少異なる。 The thermal expansion coefficient of copper (Cu) is 16.6 × 10 −6 to 17 × 10 −6 / K, and the thermal expansion coefficient of copper tungsten (CuW) is 6 × 10 −6 to 9 × 10 −6 / K. The thermal expansion coefficient of GaAs is 5.7 × 10 −6 to 6.8 × 10 −6 / K. Moreover, the thermal expansion coefficient of aluminum nitride (AlN) is 4.5 × 10 −6 to 4.7 × 10 −6 / K. However, the thermal expansion coefficient of the material differs somewhat depending on the manufacturing method.

さらに、放熱部材234には、ペルチェ素子235が取り付けられている。   Further, a Peltier element 235 is attached to the heat radiating member 234.

ところで、面発光レーザアレイチップを高い出力で駆動させると、面発光レーザアレイチップで多くの熱が発生する。面発光レーザは、温度が高くなると出力が飽和するため、発生した熱を速やかに放熱する必要があり、熱伝導率の大きいサブマウントに実装することが必要である。   By the way, when the surface emitting laser array chip is driven at a high output, a lot of heat is generated in the surface emitting laser array chip. Since the output of a surface emitting laser saturates as the temperature rises, it is necessary to quickly dissipate the generated heat, and it is necessary to mount it on a submount having a high thermal conductivity.

特許文献1のように面発光レーザアレイチップを炭化ケイ素(SiC)製のサブマウントに接合し、さらに該サブマウントを銅(Cu)製のヒートシンクに接合する方法が考案されているが、この方法では、複数の発光部のうち特に配列の中央部に位置する発光部の温度が高くなり、該発光部から射出される光の波長がシフトするおそれがあった。   As disclosed in Patent Document 1, a method of joining a surface emitting laser array chip to a silicon carbide (SiC) submount and further joining the submount to a copper (Cu) heat sink has been devised. In this case, among the plurality of light emitting units, the temperature of the light emitting unit located at the center of the array is particularly high, and the wavelength of light emitted from the light emitting unit may shift.

面発光レーザアレイにおいて、発光部から射出される光の波長がシフトすると、レーザ媒質の励起が不十分となったり、不安定となるおそれがある。   In the surface emitting laser array, if the wavelength of the light emitted from the light emitting section is shifted, the laser medium may be insufficiently excited or unstable.

ここで、面発光レーザアレイ201における第1の金属層236の下部金属層236aの厚さを種々異ならせ、面発光レーザアレイ201から射出される光のスペクトルと下部金属層236aの厚さとの関係を調べた。なお、ここでは、発光部数が約15000個で、発光部間隔が約50μmの面発光レーザアレイチップを用いた。   Here, the thickness of the lower metal layer 236a of the first metal layer 236 in the surface emitting laser array 201 is varied, and the relationship between the spectrum of light emitted from the surface emitting laser array 201 and the thickness of the lower metal layer 236a. I investigated. Here, a surface emitting laser array chip having about 15000 light emitting portions and a light emitting portion interval of about 50 μm was used.

図12(A)には、下部金属層236aの厚さが25μmのときの面発光レーザアレイ201から射出される光のスペクトルが示されている。図12(B)には、下部金属層236aの厚さが70μmのときの面発光レーザアレイ201から射出される光のスペクトルが示されている。なお、図12(A)及び図12(B)は、200A(アンペア)、QCW駆動(500μs、20Hz)、室温(17℃)での結果である。   FIG. 12A shows a spectrum of light emitted from the surface emitting laser array 201 when the thickness of the lower metal layer 236a is 25 μm. FIG. 12B shows a spectrum of light emitted from the surface emitting laser array 201 when the thickness of the lower metal layer 236a is 70 μm. FIGS. 12A and 12B show the results at 200 A (ampere), QCW drive (500 μs, 20 Hz), and room temperature (17 ° C.).

ところで、レーザ光の利用においては単一波長であることが必要とされることが多い。特に固体レーザの励起用光源として用いる場合には、励起光のピーク波長が固体レーザ(レーザ媒質)の吸収ピーク波長と一致し、スペクトル幅の狭い光(半値全幅で2nm以下)であることが望ましい。発明者らの実験によると、下部金属層236aの厚さが25μmの場合の半値全幅は約1.8nmであり、下部金属層236aの厚さが70μmの場合の半値全幅は約1.2nmであった。   By the way, in the use of laser light, a single wavelength is often required. In particular, when used as an excitation light source for a solid-state laser, it is desirable that the peak wavelength of the excitation light coincides with the absorption peak wavelength of the solid-state laser (laser medium) and that the spectrum width be narrow (full width at half maximum is 2 nm or less). . According to the experiments by the inventors, the full width at half maximum when the thickness of the lower metal layer 236a is 25 μm is about 1.8 nm, and the full width at half maximum when the thickness of the lower metal layer 236a is 70 μm is about 1.2 nm. there were.

すなわち、本実施形態の面発光レーザアレイ201は、スペクトル幅の狭い光を射出することができる。なお、第1の金属層236がない場合は、半値全幅が2nmを超えていた。このことは、第1の金属層236によって、面発光レーザアレイチップ230からサブマウント232への熱の移動が促進され、面発光レーザアレイチップ230における発光部の温度上昇が抑制されていることを示している。   That is, the surface emitting laser array 201 of the present embodiment can emit light having a narrow spectral width. In the case where there was no first metal layer 236, the full width at half maximum exceeded 2 nm. This is because heat transfer from the surface emitting laser array chip 230 to the submount 232 is promoted by the first metal layer 236, and the temperature rise of the light emitting portion in the surface emitting laser array chip 230 is suppressed. Show.

このように、本実施形態の面発光レーザアレイ201では、発光部の温度上昇を抑制することができる。その結果、高いパワーでレーザ媒質206aを安定して励起することができる。   Thus, in the surface emitting laser array 201 of this embodiment, the temperature rise of a light emission part can be suppressed. As a result, the laser medium 206a can be stably excited with high power.

また、面発光レーザアレイ201では、面発光レーザアレイチップ230の点灯と消灯が繰り返し行われる。そして、この繰り返しによって、面発光レーザアレイチップ230は、加熱と冷却が繰り返される。すなわち、面発光レーザアレイ201には温度変化が生じることとなる。   In the surface emitting laser array 201, the surface emitting laser array chip 230 is repeatedly turned on and off. By repeating this, the surface emitting laser array chip 230 is repeatedly heated and cooled. That is, a temperature change occurs in the surface emitting laser array 201.

本実施形態では、面発光レーザアレイチップ230とサブマウント232との間に第1の金属層236が設けられている。この場合は、第1の金属層236が、面発光レーザアレイチップ230及びサブマウント232よりも高い延性を有しているため、面発光レーザアレイチップ230とサブマウント232の熱膨張係数の差が大きくても、第1の金属層236が変形することにより、温度変化に起因して面発光レーザアレイチップ230とサブマウント232との間に発生する熱応力を緩和することができる。その結果、面発光レーザアレイチップ230とサブマウント232の接合品質を向上させることができる。   In the present embodiment, a first metal layer 236 is provided between the surface emitting laser array chip 230 and the submount 232. In this case, since the first metal layer 236 has higher ductility than the surface emitting laser array chip 230 and the submount 232, the difference in thermal expansion coefficient between the surface emitting laser array chip 230 and the submount 232 is different. Even if it is large, the first metal layer 236 is deformed, so that the thermal stress generated between the surface emitting laser array chip 230 and the submount 232 due to the temperature change can be relaxed. As a result, the bonding quality between the surface emitting laser array chip 230 and the submount 232 can be improved.

また、仮に、放熱部材234の熱膨張係数が大きいと、温度変動によってサブマウント232と放熱部材234との接合部に大きな熱応力が生じ、接合品質が劣化することがわかった。例えば、このような構成では、−55℃〜150℃の温度サイクル試験において、サブマウント232と放熱部材234との接合部に空隙が成長することが確認された。   Further, it was found that if the thermal expansion coefficient of the heat radiating member 234 is large, a large thermal stress is generated at the joint portion between the submount 232 and the heat radiating member 234 due to temperature fluctuation, and the joint quality is deteriorated. For example, in such a configuration, it was confirmed that a gap grows at a joint portion between the submount 232 and the heat dissipation member 234 in a temperature cycle test at −55 ° C. to 150 ° C.

本実施形態では、面発光レーザアレイチップ230の線膨張係数をαLD、給電線の線膨張係数をαp、サブマウント232の線膨張係数をαs、放熱部材234の線膨張係数をαhとすると、それらの間には、αs<αLD<αp≠αh、αs<αh<αp、の関係がある。この場合は、サブマウント232と放熱部材234の接合部にかかる熱応力を緩和することができる。   In this embodiment, when the linear expansion coefficient of the surface emitting laser array chip 230 is αLD, the linear expansion coefficient of the feeder line is αp, the linear expansion coefficient of the submount 232 is αs, and the linear expansion coefficient of the heat dissipation member 234 is αh, There is a relationship of αs <αLD <αp ≠ αh and αs <αh <αp. In this case, thermal stress applied to the joint between the submount 232 and the heat dissipation member 234 can be relaxed.

以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る面発光レーザアレイ201では、面発光レーザアレイチップ230によって、本発明の面発光レーザアレイにおけるアレイチップが構成され、サブマウント232によって絶縁部材が構成されている。また、サブマウント232と第1の金属層236と第2の金属層237とによって、保持部材が構成されている。   As is clear from the above description, in the surface emitting laser array 201 according to this embodiment, the surface emitting laser array chip 230 constitutes an array chip in the surface emitting laser array of the present invention, and the submount 232 has an insulating member. It is configured. The submount 232, the first metal layer 236, and the second metal layer 237 constitute a holding member.

以上説明したように、本実施形態に係る面発光レーザアレイ201は、面発光レーザアレイチップ230、サブマウント232、放熱部材234、ペルチェ素子235、第1の金属層236、第2の金属層237などを有している。   As described above, the surface emitting laser array 201 according to this embodiment includes the surface emitting laser array chip 230, the submount 232, the heat radiating member 234, the Peltier element 235, the first metal layer 236, and the second metal layer 237. Etc.

第1の金属層236は、サブマウント232における面発光レーザアレイチップ230が保持される側の面に形成され、サブマウント232よりも熱伝導率が大きい。そして、面発光レーザアレイチップ230は、接合材221によって第1の金属層236と接合されている。   The first metal layer 236 is formed on the surface of the submount 232 on the side where the surface emitting laser array chip 230 is held, and has a higher thermal conductivity than the submount 232. The surface emitting laser array chip 230 is bonded to the first metal layer 236 by the bonding material 221.

この場合、面発光レーザアレイチップ230からサブマウント232への熱の移動が促進され、その結果、面発光レーザアレイチップ230における発光部の温度上昇が抑制され、発光部から射出される光の波長シフトを抑制することができる。そこで、レーザ媒質206aを高いパワーで安定して励起することができる。また、この場合、複数の発光部間の温度差を従来よりも小さくすることができる。   In this case, the heat transfer from the surface emitting laser array chip 230 to the submount 232 is promoted, and as a result, the temperature rise of the light emitting part in the surface emitting laser array chip 230 is suppressed, and the wavelength of light emitted from the light emitting part Shift can be suppressed. Therefore, the laser medium 206a can be stably excited with high power. Further, in this case, the temperature difference between the plurality of light emitting units can be made smaller than before.

また、第1の金属層236は銅を含んでいるため第1の金属層236の電気抵抗値を小さくすることができる。そこで、面発光レーザアレイチップ230に100アンペア級の大電流を流すことが可能となる。   In addition, since the first metal layer 236 contains copper, the electric resistance value of the first metal layer 236 can be reduced. Therefore, a large current of 100 ampere can be passed through the surface emitting laser array chip 230.

また、面発光レーザアレイ201では、サブマウント232の+Z側の面に第1の金属層236が形成され、−Z側の面に第2の金属層237が形成されている。この場合は、サブマウント232の反りを抑制することができる。そして、面発光レーザアレイチップ230を接合する際、接合材221の厚みが均一になり、熱抵抗値をチップ面内で均一にすることができる。   In the surface emitting laser array 201, the first metal layer 236 is formed on the + Z side surface of the submount 232, and the second metal layer 237 is formed on the −Z side surface. In this case, warpage of the submount 232 can be suppressed. When the surface emitting laser array chip 230 is bonded, the thickness of the bonding material 221 becomes uniform, and the thermal resistance value can be made uniform in the chip surface.

また、面発光レーザアレイ201では、サブマウント232の−Z側の面に第2の金属層237が形成されているため、サブマウント232に放熱部材234を接合させる際の接合材223としてはんだを使用することができる。さらに、サブマウント232の反りを抑制することができるため、はんだの膜厚を均一にすることができる。これにより、熱抵抗値をチップ面内で均一にすることができる。   Further, in the surface emitting laser array 201, the second metal layer 237 is formed on the −Z side surface of the submount 232, so that solder is used as the bonding material 223 when the heat dissipation member 234 is bonded to the submount 232. Can be used. Furthermore, since the warp of the submount 232 can be suppressed, the film thickness of the solder can be made uniform. Thereby, the thermal resistance value can be made uniform in the chip surface.

そして、レーザ装置200は、面発光レーザアレイ201を有しているため、安定して高出力のレーザ光を射出することができる。   Since the laser device 200 includes the surface emitting laser array 201, the laser device 200 can stably emit high-power laser light.

さらに、点火装置301は、レーザ装置200を備えているため、安定した点火を行うことができる。   Furthermore, since the ignition device 301 includes the laser device 200, stable ignition can be performed.

また、エンジン300は、点火装置301を備えているため、結果として、安定性を向上させることができる。   Moreover, since the engine 300 includes the ignition device 301, the stability can be improved as a result.

なお、上記実施形態において、ペルチェ素子235に代えて、水冷装置を用いても良い。   In the above embodiment, a water cooling device may be used instead of the Peltier element 235.

また、上記実施形態において、面発光レーザアレイチップ230での発熱量が少ない場合は、ペルチェ素子235がなくても良い。   In the above embodiment, when the amount of heat generated by the surface emitting laser array chip 230 is small, the Peltier element 235 may be omitted.

また、上記実施形態では、サブマウント232の材料として窒化アルミニウム(AlN)が用いられ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。   Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where aluminum nitride (AlN) was used as a material of the submount 232, it is not limited to this.

また、上記実施形態では、第1の金属層236が銅薄膜と金薄膜とからな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。   Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the 1st metal layer 236 consists of a copper thin film and a gold thin film, it is not limited to this.

また、上記実施形態では、第1の金属層236が2つの金属層からな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。例えば、第1の金属層236が1つの金属層からなっていても良い。   Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the 1st metal layer 236 consists of two metal layers, it is not limited to this. For example, the first metal layer 236 may be composed of one metal layer.

また、各接合材についても、上記実施形態は一例であり、これに限定されるものではない。   Moreover, the above embodiment is also an example for each bonding material, and the present invention is not limited to this.

また、上記実施形態において、サブマウント232の反りを考慮する必要がない場合は、第2の金属層237がなくても良い(図13参照)。   Further, in the above embodiment, when it is not necessary to consider the warpage of the submount 232, the second metal layer 237 may be omitted (see FIG. 13).

また、上記実施形態では、放熱部材234の材料として銅タングステン(CuW)を用いる場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、サブマウント232と放熱部材234との接合部に生じる熱応力があまり大きくない場合は、放熱部材234として、銅(Cu)を用いても良い。   Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where copper tungsten (CuW) was used as a material of the thermal radiation member 234, it is not limited to this. For example, when the thermal stress generated at the joint between the submount 232 and the heat dissipation member 234 is not very large, copper (Cu) may be used as the heat dissipation member 234.

また、上記実施形態において、第1の金属層236の厚さと第2の金属層237の厚さとが異なっていても良い。   In the above embodiment, the thickness of the first metal layer 236 and the thickness of the second metal layer 237 may be different.

また、上記実施形態において、第1の金属層236の材料と第2の金属層237の材料とが異なっていても良い。   In the above embodiment, the material of the first metal layer 236 and the material of the second metal layer 237 may be different.

また、上記実施形態では、面発光レーザアレイ201が励起用光源としてレーザ装置200に用いられ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。面発光レーザアレイ201が励起用ではない光源としてレーザ装置に用いられても良い。   Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the surface emitting laser array 201 was used for the laser apparatus 200 as a light source for excitation, it is not limited to this. The surface emitting laser array 201 may be used in a laser device as a light source that is not for excitation.

《レーザアニール装置》
一例として図14(A)及び図14(B)にレーザ装置としてのレーザアニール装置1000の概略構成が示されている。このレーザアニール装置1000は、光源1010、光学系1020、テーブル装置1030、及び不図示の制御装置などを備えている。
<Laser annealing equipment>
As an example, FIGS. 14A and 14B show a schematic configuration of a laser annealing apparatus 1000 as a laser apparatus. The laser annealing apparatus 1000 includes a light source 1010, an optical system 1020, a table device 1030, a control device (not shown), and the like.

光源1010は、上記実施形態で説明した面発光レーザアレイ201を有している。光学系1020は、光源1010から射出された光を対象物Pの表面に導光する。テーブル装置1030は、対象物Pが載置されるテーブルを有している。該テーブルは、少なくともY軸方向に沿って移動することができる。   The light source 1010 has the surface emitting laser array 201 described in the above embodiment. The optical system 1020 guides the light emitted from the light source 1010 to the surface of the object P. The table device 1030 has a table on which the object P is placed. The table can move at least along the Y-axis direction.

例えば、対象物Pがアモルファスシリコン(a−Si)の場合、光源1010からの光が照射されると、アモルファスシリコン(a−Si)は、温度が上昇し、その後、徐々に冷却されることによって結晶化し、ポリシリコン(p−Si)になる。   For example, when the object P is amorphous silicon (a-Si), when light from the light source 1010 is irradiated, the temperature of the amorphous silicon (a-Si) rises and then gradually cools. Crystallizes to become polysilicon (p-Si).

この場合、レーザアニール装置1000は、光源1010が面発光レーザアレイ201を有しているため、処理効率を向上させることができる。   In this case, the laser annealing apparatus 1000 can improve the processing efficiency because the light source 1010 has the surface emitting laser array 201.

《レーザ加工機》
一例として図15にレーザ装置としてのレーザ加工機3000の概略構成が示されている。このレーザ加工機3000は、光源3010、光学系3100、対象物Pが載置されるテーブル3150、テーブル駆動装置3160、操作パネル3180及び制御装置3200などを備えている。
<Laser processing machine>
As an example, FIG. 15 shows a schematic configuration of a laser processing machine 3000 as a laser apparatus. The laser processing machine 3000 includes a light source 3010, an optical system 3100, a table 3150 on which an object P is placed, a table driving device 3160, an operation panel 3180, a control device 3200, and the like.

光源3010は、面発光レーザアレイ201を有し、制御装置3200の指示に基づいて光を射出する。光学系3100は、光源3010から射出された光を対象物Pの表面近傍で集光させる。テーブル駆動装置3160は、制御装置3200の指示に基づいて、テーブル3150をX軸方向、Y軸方向、及びZ軸方向に移動させる。   The light source 3010 has a surface emitting laser array 201 and emits light based on an instruction from the control device 3200. The optical system 3100 collects the light emitted from the light source 3010 in the vicinity of the surface of the object P. The table driving device 3160 moves the table 3150 in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction based on instructions from the control device 3200.

操作パネル3180は、作業者が各種設定を行うための複数のキー、及び各種情報を表示するための表示器を有している。制御装置3200は、操作パネル3180からの各種設定情報に基づいて、光源3010及びテーブル駆動装置3160を制御する。   The operation panel 3180 has a plurality of keys for the operator to make various settings and a display for displaying various information. The control device 3200 controls the light source 3010 and the table driving device 3160 based on various setting information from the operation panel 3180.

この場合、レーザ加工機3000は、光源3010が面発光レーザアレイ201を有しているため、加工(例えば、切断や溶接)の処理効率を向上させることができる。   In this case, since the light source 3010 has the surface emitting laser array 201, the laser processing machine 3000 can improve the processing efficiency of processing (for example, cutting and welding).

なお、レーザ加工機3000は、光源3010を複数有しても良い。   Note that the laser processing machine 3000 may include a plurality of light sources 3010.

また、面発光レーザアレイ201は、レーザアニール装置及びレーザ加工機以外のレーザ光を利用する装置にも好適である。例えば、面発光レーザアレイ201を表示装置の光源に用いても良い。   The surface-emitting laser array 201 is also suitable for an apparatus that uses laser light other than a laser annealing apparatus and a laser processing machine. For example, the surface emitting laser array 201 may be used as a light source of a display device.

101…基板、102…バッファ層、103…下部半導体DBR、104…下部スペーサ層、105…活性層、106…上部スペーサ層、107…上部半導体DBR、108…被選択酸化層、109…コンタクト層、111…保護膜、113…上部電極、114…下部電極、200…レーザ装置、201…面発光レーザアレイ、203…第1集光光学系、204…光ファイバ、205…第2集光光学系、206…レーザ共振器、206a…レーザ媒質、206b…可飽和吸収体、207…射出光学系(レーザ装置から射出された光を集光する光学系)、208…保護部材、220…駆動装置、222…エンジン制御装置、230…面発光レーザアレイチップ(アレイチップ)、231…接合材、232…サブマウント(絶縁部材)、233…接合材、234…放熱部材、235…ペルチェ素子、236…第1の金属層、236a…下部金属層、236b…上部金属層、237…第2の金属層、237a…下部金属層、237b…上部金属層、300…エンジン(内燃機関)、301…点火装置、302…燃料噴出機構、303…排気機構、304…燃焼室、305…ピストン、1000…レーザアニール装置(レーザ装置)、1010…光源、1020…光学系、1030…テーブル装置、3000…レーザ加工機(レーザ装置)、3010…光源、3100…光学系、3150…テーブル、3160…テーブル駆動装置、3180…操作パネル、3200…制御装置、P…対象物。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Substrate, 102 ... Buffer layer, 103 ... Lower semiconductor DBR, 104 ... Lower spacer layer, 105 ... Active layer, 106 ... Upper spacer layer, 107 ... Upper semiconductor DBR, 108 ... Selective oxidation layer, 109 ... Contact layer, DESCRIPTION OF SYMBOLS 111 ... Protective film, 113 ... Upper electrode, 114 ... Lower electrode, 200 ... Laser apparatus, 201 ... Surface emitting laser array, 203 ... 1st condensing optical system, 204 ... Optical fiber, 205 ... 2nd condensing optical system, 206 ... Laser resonator 206a ... Laser medium 206b ... Saturable absorber 207 ... Ejecting optical system (optical system for condensing light emitted from the laser device) 208 ... Protective member 220 ... Drive device 222 ... engine control device, 230 ... surface emitting laser array chip (array chip), 231 ... bonding material, 232 ... submount (insulating member), 233 ... Compound material, 234 ... heat dissipation member, 235 ... Peltier element, 236 ... first metal layer, 236a ... lower metal layer, 236b ... upper metal layer, 237 ... second metal layer, 237a ... lower metal layer, 237b ... upper part Metal layer, 300 ... engine (internal combustion engine), 301 ... ignition device, 302 ... fuel injection mechanism, 303 ... exhaust mechanism, 304 ... combustion chamber, 305 ... piston, 1000 ... laser annealing device (laser device), 1010 ... light source, DESCRIPTION OF SYMBOLS 1020 ... Optical system, 1030 ... Table apparatus, 3000 ... Laser processing machine (laser apparatus), 3010 ... Light source, 3100 ... Optical system, 3150 ... Table, 3160 ... Table drive apparatus, 3180 ... Operation panel, 3200 ... Control apparatus, P …Object.

特開2014−192166号公報JP 2014-192166 A

Claims (13)

複数の発光部を有するアレイチップと、
前記アレイチップが保持される保持部材とを備え、
前記保持部材は、絶縁部材と、該絶縁部材における前記アレイチップが保持される側の面に形成され、前記絶縁部材よりも熱伝導率が大きい第1の金属層とを有する面発光レーザアレイ。
An array chip having a plurality of light emitting portions;
A holding member for holding the array chip,
The holding member is a surface emitting laser array having an insulating member and a first metal layer formed on a surface of the insulating member on the side where the array chip is held and having a higher thermal conductivity than the insulating member.
前記絶縁部材は窒化アルミニウム(AlN)であることを特徴とする請求項1に記載の面発光レーザアレイ。   2. The surface emitting laser array according to claim 1, wherein the insulating member is aluminum nitride (AlN). 前記第1の金属層は、少なくとも銅を含む材料からなることを特徴とする請求項1又は2に記載の面発光レーザアレイ。   The surface emitting laser array according to claim 1, wherein the first metal layer is made of a material containing at least copper. 前記アレイチップは接合材によって前記保持部材に保持され、
前記接合材の材料は、金錫(AuSn)合金であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の面発光レーザアレイ。
The array chip is held on the holding member by a bonding material,
The surface emitting laser array according to any one of claims 1 to 3, wherein a material of the bonding material is a gold tin (AuSn) alloy.
前記保持部材は、前記絶縁部材における前記アレイチップが保持される側の面とは反対側の面に形成された第2の金属層を更に有す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アレイ。   The said holding member further has the 2nd metal layer formed in the surface on the opposite side to the surface by which the said array chip is hold | maintained in the said insulating member, The any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned. The surface emitting laser array according to one item. 前記保持部材に取り付けられる放熱部材を更に備え、
前記放熱部材の材料は、前記第2の金属層よりも熱膨張係数が小さく、かつ前記絶縁部材よりも熱膨張係数が大きい材料であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の面発光レーザアレイ。
A heat dissipating member attached to the holding member;
The material of the heat radiating member is a material having a thermal expansion coefficient smaller than that of the second metal layer and a thermal expansion coefficient larger than that of the insulating member. The surface emitting laser array according to 1.
前記保持部材に取り付けられる放熱部材を更に備え、
前記放熱部材の材料は、銅(Cu)又は銅タングステン(CuW)であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の面発光レーザアレイ。
A heat dissipating member attached to the holding member;
The surface emitting laser array according to any one of claims 1 to 5, wherein a material of the heat dissipation member is copper (Cu) or copper tungsten (CuW).
対象物にレーザ光を照射するレーザ装置であって、
請求項1〜7のいずれか一項に記載の面発光レーザアレイと、
前記面発光レーザアレイから射出されるレーザ光を前記対象物に導光する光学系と、を備えるレーザ装置。
A laser device for irradiating an object with laser light,
The surface emitting laser array according to any one of claims 1 to 7,
An optical system that guides laser light emitted from the surface-emitting laser array to the object.
請求項1〜7のいずれか一項に記載の面発光レーザアレイと、
前記面発光レーザアレイからのレーザ光が入射されるレーザ共振器とを備えるレーザ装置。
The surface emitting laser array according to any one of claims 1 to 7,
A laser device comprising: a laser resonator on which laser light from the surface emitting laser array is incident.
前記レーザ共振器は、Qスイッチレーザであることを特徴とする請求項9に記載のレーザ装置。   The laser device according to claim 9, wherein the laser resonator is a Q-switched laser. 前記レーザ共振器は、レーザ媒質及び可飽和吸収体を含むことを特徴とする請求項10に記載のレーザ装置。   The laser device according to claim 10, wherein the laser resonator includes a laser medium and a saturable absorber. 請求項9〜11のいずれか一項に記載のレーザ装置と、
前記レーザ装置から射出された光を集光する光学系と、を備える点火装置。
The laser apparatus according to any one of claims 9 to 11,
And an optical system that collects the light emitted from the laser device.
燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する内燃機関において、
前記燃料に点火するための請求項12に記載の点火装置を備えていることを特徴とする内燃機関。
In an internal combustion engine that generates combustion gas by burning fuel,
An internal combustion engine comprising the ignition device according to claim 12 for igniting the fuel.
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