面発光レーザ、画像形成装置
【課題】 モード制御のための反射率制御を行うために設けられた段差構造を備えた面発光レーザにおいて、遠視野光強度分布の拡がり角を改善した面発光レーザを提供する。
【解決手段】 反射率差を付与する第１の段差構造と、遠視野光強度分布を変化させる第２の段差構造とを備える。第１の段差構造の段差を形成する領域と、第２の段差構造の段差を形成する領域とは所定の関係を有する。
【解決手段】 反射率差を付与する第１の段差構造と、遠視野光強度分布を変化させる第２の段差構造とを備える。第１の段差構造の段差を形成する領域と、第２の段差構造の段差を形成する領域とは所定の関係を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光レーザ、および該面発光レーザを用いた画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直共振器型の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖａｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）が電子写真方式の画像形成装置において、その走査光学装置の光源として利用されている。この種の走査光学装置では、光源からの出射光を絞りにより整形し、光偏向器（例えばポリゴンミラー）によって被走査面である感光体に照射し潜像を形成する。
【０００３】
面発光レーザを画像形成装置の光源として利用する際、感光体における潜像の単峰性および安定性の観点から、面発光レーザは基本横モードのみで発振することが望ましい。特許文献１には、面発光レーザの光出射面に段差構造を設けることにより、単一の横モードで発振させる技術が開示されている。この段差構造は、発光領域の中央部の反射率が周辺部の反射率よりも高くなるように構成されている。基本横モードは高次の横モードよりも光強度が中央部に分布しているため、この段差構造を設けることにより、基本横モードの光を選択的に発振させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２８４７２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の段差構造は、発光領域の中央部と周辺部とで反射率が異なることを特徴としている。このような段差構造を設けると、反射率のみならず、発光領域の中央部と周辺部とで光の透過率が異なり、また光路長差も異なる。
【０００６】
中央部の反射率が周辺部の反射率よりも高い段差構造において、周辺部から透過するレーザ光の強度は、段差構造がないときに比べて高くなり、また、周辺部を透過した光の位相と、中央部を透過した光の位相は異なることになる。この結果、近視野光強度分布は輪帯状に近づくことになる。
【０００７】
図９は、このような近視野光強度分布に対応する遠視野光強度分布を示した図である。段差構造が設けられていないときの遠視野光強度分布９２０と比較して、段差構造が設けられているときの遠視野光強度分布９１０は、広がり角中央（例：−５°から＋５°）における遠視野光強度分布の半値幅が細くなる。このような面発光レーザを画像形成装置の光源として用いる場合は、画像形成装置の走査光学系への取り付け角度（光源の出射面法線と光学系の光軸との軸合わせ）に要求される精度が厳しくなるため好ましくない。
【０００８】
そこで、本発明は、横モード制御のための反射率制御を行うために設けられた段差構造を備えた面発光レーザにおいて、遠視野光強度分布の拡がり角を改善した面発光レーザ、および該面発光レーザを用いた画像形成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
基板の上に、下部ミラー、活性層、上部ミラー、を含む積層構造体を有し、波長λで発振する面発光レーザであって、前記上部ミラーの上部の光出射領域内に設けられ、該光出射領域の中央部に配されている第１の領域と、該第１の領域よりも外側に設けられた第２の領域との間に段差を有する第１の段差構造と、前記上部ミラーの上部の前記光出射領域内に設けられ、前記第１の領域よりも外側に設けられた第３の領域と、該第３の領域よりも外側に設けられた第４の領域との間に段差を有する第２の段差構造と、を備え、前記第２の段差構造の段差は、前記第２の領域内に存在し、前記基板に対して垂直に入射する波長λの光について、前記上部ミラーと、前記第１の段差構造と、前記第２の段差構造からなる構造体の反射率は、前記第２の領域の反射率よりも、前記１の領域の反射率が高く、前記第３の領域の透過光と前記第４の領域の透過光の位相差は、前記第１の領域の透過光と前記第２の領域の透過光の位相差よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、横モード制御のための反射率制御を行うために設けられた段差構造を備えた面発光レーザにおいて、遠視野光強度分布の拡がり角を改善した面発光レーザ、および該面発光レーザを用いた画像形成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１に係る面発光レーザの断面模式図。
【図２】実施例１に係る面発光レーザが有する第１の段差構造の断面模式図。
【図３】実施例１に係る面発光レーザが有する第２の段差構造の断面模式図。
【図４】実施例２に係る面発光レーザの断面模式図。
【図５】実施例２に係る面発光レーザが有する第１の段差構造の断面模式図。
【図６】実施例２に係る面発光レーザが有する第２の段差構造の断面模式図。
【図７】実施例１に係る面発光レーザの遠視野光強度分布。
【図８】実施例３に係る画像形成装置の模式図。
【図９】段差構造を有する面発光レーザと段差構造を有しない面発光レーザの遠視野光強度分布。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態に係る面発光レーザにおいては、反射率差を付与する段差構造（第１の段差構造）に加えて、この第１の段差構造の低反射率領域に遠視野光強度分布を変化させるための段差構造（第２の段差構造）を設ける。
【００１３】
第１の段差構造は、その段差の境界により光出射領域を第１の領域と第２の領域に分けられている。例えば、第１の領域は光出射領域の中央部にあり、第２の領域は第１の領域の外側である周辺部に配されている。横モード制御のために、第１の領域の反射率は、第２の領域の反射率よりも高い。
【００１４】
（第１の段差構造）
第１の段差構造を構成する第１の材料は、発振波長λの光を少なくとも一部透過させる材料で構成されている。
第１の段差構造の光学厚さは、例えば第１の領域においてλ／２であり、第２の領域においてλ／４である。第１の領域の光学厚さと第２の領域の光学厚さの差がλ／４の奇数倍であるとき、２つの領域の反射率差は大きくなる。反射率の制御性の観点からは、光学厚さの差は小さい方が高精度に作製できるため、光学厚さの差はλ／４であることが好ましい。
【００１５】
（第２の段差構造）
第２の段差構造は、上部ミラーおよび第１の段差構造の上部、または、上部ミラーと第１の段差構造の間に配置される。
第２の段差構造を構成する第２の材料は、発振波長λの光を少なくとも一部透過させる材料で構成されている。なぜなら、遠視野光強度分布の拡がり角を改善するためには、第２の段差構造の持つ光路長差によって付与された位相の異なる透過光を遠視野にて干渉させる必要があるからである。
【００１６】
また、第２の材料は、第１の段差構造を構成する第１の材料とは、発振波長λにおける屈折率が異なるように構成する。これは、第１の段差構造の機能と、第２の段差構造の機能を分離するためである。例えば、第１の材料を半導体で構成した場合、第２の材料は誘電体で構成する。
【００１７】
上記のように、第１の段差構造を設けることにより反射率を制御することができるが、遠視野光強度分布の半値幅が細くなってしまう。そこで、補償のため、第１の段差構造よりも透過光に対して位相差を付与するように、第２の段差構造を構成する。なお、これを「領域」という用語を用いると、「第１の領域の透過光と第３の領域の透過光との位相差よりも、第３の領域の透過光と第４の領域の透過光との位相差が大きい」と表現することが可能である。また、スカラー回折近似のもとで、第２の段差構造が近視野で与える位相差（ラジアン）は、段差の光学厚さから実厚さを引いたものをλで除した値とほぼ等しい。そこで、第２の段差構造の段差の「光路長差」から「実厚さ（屈折率を考慮しない厚さ）の差」を引いた値の絶対値を、第１の段差構造の段差の「光路長差」から「実厚さの差」を引いた値の絶対値よりも大きくなるように構成する。これにより、近視野において、第２の段差構造は、第１の段差構造よりも透過光に対して位相差を付与することができるため、大きな波面の歪みを与えることができ、遠視野光強度分布を大きく変形させることができる。なお、このことを「領域」という用語を用いると、「第１の領域と第３の領域との間の光路長差から実厚さの差を引いた値の絶対値よりも、第３の領域と第４の領域との間の光路長差から実厚さの差を引いた値の絶対値が大きい」と表現することが可能である。
【００１８】
なお、第２の段差構造の段差の境界内外での透過光の位相差が、π／２よりも大きくなるように設定すれば、両者の干渉が大きくなり、遠視野光強度分布を大きく変形できる。
【００１９】
また、遠視野光強度分布の半値幅をより広げるためには、第２の段差構造の段差の境界内外での透過光の位相差をπに近づけることが好ましい。すなわち、第２の段差構造の第３の領域の透過光と第４の領域の透過光の位相差をπに近づけることが好ましい。そこで、第３の領域の透過光と第４の領域の透過光の位相差は、第１の領域の透過光と第３の領域の位相差よりもπに近くなるように構成してもよい。
【実施例１】
【００２０】
図１は本発明にかかる面発光レーザ１００の断面模式図である。
【００２１】
面発光レーザ１００は、基板１１０上に、下部ミラー１２０、活性層１３０、上部ミラー１４０が積層された積層構造体を有する。
【００２２】
上部ミラー１４０と活性層１３０は一部がエッチングされ、例えば直径３０μｍの円筒状のメサ構造が形成されている。
【００２３】
例えば、基板１１０は、ｎ型にドープされた厚さ６００μｍのＧａＡｓ基板である。
【００２４】
また、下部ミラー１２０は、ｎ型にドープされたＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ／ＡｌＡｓからなり、それぞれの材料を光学厚さλ／４ずつ交互に６０ペア積層した多層膜反射鏡である。
【００２５】
また、活性層１３０は、共振波長がλとなるように厚さが調整されている。例えば、合計光学厚さが２λの多重量子井戸構造およびクラッド層からなる。多重量子井戸は共振器の腹に置かれＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰで構成する。また、クラッド層はＡｌＧａＩｎＰで構成する。
【００２６】
また、上部ミラー１４０は、ｐ型にドープされたＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓからなり、それぞれの材料を光学厚さλ／４ずつ交互に３４ペア積層した多層膜反射鏡である。上部ミラー１４０の活性層に近い側のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓの一部はＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓで構成されており、メサ構造の側面から酸化され、酸化領域１４２となっている。酸化領域１４２は、電流狭窄構造を形成し、例えば直径５μｍの円形電流狭窄構造を形成する。
【００２７】
上部ミラー１４０上の光出射領域内に、半導体からなる第１の段差構造１６０が形成されている。第１の段差構造１６０は、発光領域の中央部に位置する第１の領域１７１と周辺部に位置する第２の領域１７２との間に段差を持つ構造である。第１の領域１７１と第２の領域１７２の境界は例えば直径４μｍの円で構成されている。
【００２８】
また、第１の段差構造１６０上に、誘電体からなる第２の段差構造１６２が形成されている。第２の段差構造１６２は、第３の領域１７３と第４の領域１７４との間に段差を持つ構造である。
【００２９】
第３の領域１７３と第４の領域１７４との境界は、第２の領域内に存在し、例えば直径４．５μｍの円である。例えば、酸化領域１４２、第１の段差構造１６０、第２の段差構造１６２の中心は同軸上にある。
【００３０】
第１の段差構造１６０を構成する第１の材料は、第２の段差構造１６２を構成する第２の材料よりも屈折率が高い。例えば、第１の材料の屈折率は２．５から４．０の間であり、第２の材料の屈折率は１．０から２．５の間である。
【００３１】
また、メサ構造の側壁および底面には保護膜として誘電体膜を成膜してもよい。この誘電体膜は第２の段差構造の材料と同じであっても良い。
【００３２】
上部ミラー１４０または第１の段差構造１６０に接するように、上部電極１５２が設けられている。上部電極１５２は例えばＴｉ／Ａｕ（厚さ５０ｎｍ／１０００ｎｍ）である。
【００３３】
上部電極１５２は、第２の段差構造の第３の領域と第４の領域の境界よりも広い開口を持つ。上部電極１５２は発光領域上にないことが出力低下を抑えるために好ましい。
【００３４】
基板１１０に接するように下部電極１５０が設けられている。下部電極１５０は例えばＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ（厚さ１５０ｎｍ／３０ｎｍ／２００ｎｍ）である。
【００３５】
上部電極および下部電極に電圧が引加され活性層１３０にキャリアが注入され発光し、面発光レーザ１００は発振にいたる。
【００３６】
（第１の段差構造）
図２に第１の段差構造１６０の形状例を示す。図２（ａ）から（ｄ）のいずれの場合も、上部ミラー、第１の段差構造、第２の段差構造を含む構造体全体において、垂直に入射する波長λの光について、中央部の反射率は周辺部の反射率よりも高くなるように構成される。
【００３７】
第１の段差構造１６０は、凸型であっても凹型であってもよい。
【００３８】
図２（ａ）は凸型の段差構造であり、例えばＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層２０２の光学厚さは、第１の領域１７１（中央部）ではλ／２、第２の領域１７２（周辺部）ではλ／４である。
【００３９】
図２（ｂ）は凹型の段差構造でありであり、例えばＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層２０４の光学厚さは、第１の領域１７１（中央部）ではλ／２、第２の領域１７２（周辺部）では３λ／４である。
【００４０】
また、第１の段差構造１６０は、図２（ｃ）および（ｄ）に示すように複数の材料から形成されていても良い。
【００４１】
図２（ｃ）では、第２の領域１７２がλ／４厚のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層２０６で構成されているが、第１の領域１７１はＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層２０６とλ／４厚のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層２０８で構成されている。
【００４２】
図２（ｄ）では、第１の領域１７１がλ／４厚のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層２１０とλ／４厚のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層２１２で構成されている。一方、第２の領域１７２は、これらの層の上部にλ／４厚のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層２１４がさらに形成されることにより構成されている。
【００４３】
このように第１の段差構造を複数の材料で構成すれば、単一の材料の場合よりも第１の領域と第２の領域との間の反射率差を大きくすることができる。
【００４４】
（第２の段差構造）
図１において、第２の段差構造１６２は、第３の領域１７３と第４の領域１７４とで光学厚さが異なる段差構造であり、第３の領域１７３は第４の領域１７４の内側に位置している。また、第３の領域１７３と第４の領域１７４との境界は、第２の領域１７２に位置する。第１の段差構造は反射率制御のために設けられており、高反射率領域である第１の領域１７１からは光がさほど出射されない。そのため、透過光に対して所望の位相差を与える第２の段差構造の段差（第３の領域１７３と第４の領域１７４との境界）は、低反射率領域である第２の領域１７２内に設ける必要がある。
【００４５】
第１の領域１７１における第２の段差構造１６２の光学厚さは、例えば第３の領域１７３と同じ光学厚さとする。
【００４６】
図３は、第２の段差構造１６２の光学厚さを表す模式図である。第２の段差構造１６２は、遠視野光強度分布を変化させるための段差構造であり、第３の領域１７３と第４の領域１７４とで所望の位相差を付与するための構造である。図１に示すように、第２の段差構造１６２は第１の段差構造１６０の上部に形成されるため、第２の段差構造１６２は、第１の段差構造１６０の第１の領域１７１と第２の領域１７２の段差を継承する。この結果、第２の段差構造１６２においても、第１の領域１７１と第２の領域１７２との間で、底面および上面がずれうる。
【００４７】
図３（ａ）に示すように、第２の段差構造１６２は、誘電体３０２の光学厚さを第４の領域１７４よりも第３の領域１７３の方を大きくした構造にすることができる。また、逆に、図３（ｂ）に示すように、第２の段差構造１６２は、誘電体３０４の光学厚さを第４の領域１７４よりも第３の領域１７３の方を小さくした構造としても良い。
【００４８】
第３の領域１７３と第４の領域１７４における第２の段差構造１６２の光学厚さは、例えばλ／２またはその整数倍である。この場合、第２の段差構造１６２による反射率の変化を抑えることができる。つまり、反射率差を付与するのは第１の段差構造だけとし、第２の段差構造は遠視野光強度分布を変化させるために用いられる構成とすることにより、設計を簡略化することができる。
【００４９】
第３の領域１７３の光学厚さは、第２の段差構造１６２および環境媒質において、第３の領域１７３と第４の領域１７４との光路長差を大きくし、所望の透過光位相差が得られるようにする。透過光位相差はπ／２を超えるように取ることが好ましい。段差構造がテーパー状となる場合は、さらに位相差が大きくなるように構成する。例えば、透過光位相差が、πまたは３π／２を超えるように構成する。
【００５０】
図３（ａ）に示す第２の段差構造１６２は、例えば屈折率１．５のＳｉＯ２からなり、第４の領域１７４の光学厚さは０．５λ、第３の領域１７３（第１の領域１７１）の光学厚さは１．５λから２．０λの間、例えば２．０λである。
【００５１】
図３（ｂ）に示す第２の段差構造１６２は、例えば屈折率１．５のＳｉＯ２からなり、第４の領域１７４の光学厚さは、例えば１．５λまたは２．０λであり、第３の領域１７３（第１の領域１７１）の光学厚さは、例えば０．５λである。
【００５２】
（計算例）
図７に実施例１の面発光レーザ１００の遠視野光強度について計算した結果の例を示す。図７のグラフの横軸はレーザ光の広がり角、縦軸は遠視野の光強度であり、光軸方向の強度で規格化している。
【００５３】
グラフ中の３つの曲線は、（ａ）第１の段差構造と第２の段差構造がともに無い場合、（ｂ）第１の段差構造のみある場合、（ｃ）第１の段差構造および第２の段差構造のある場合、を表す。これらの図を比較することにより、第１の段差構造により細くなった遠視野光強度分布を、第２の段差構造によって広げ、また中心付近において光強度分布を平坦にできることがわかる。
【００５４】
ここで、λ＝６８０ｎｍで発振する面発光レーザ１００には、酸化領域１４２により直径５．２μｍの円形の電流狭窄領域が形成されている。第１の段差構造１６０は屈折率３．４の半導体で形成されており、その光学厚さは第１の領域１７１でλ／２、第２の領域１７２でλ／４である。第１の段差構造は、第１の領域１７１と第２の領域１７２の間で１６倍の透過率比を与えている。
【００５５】
第１の領域１７１は電流狭窄領域と中心が同軸である直径３．７μｍの円形である。
【００５６】
第２の段差構造１６２は屈折率１．５の誘電体で形成されており、その光学厚さは第３の領域１７３で２λ、第４の領域１７４でλ／２である。第２の段差構造１６２は反射率分布を与えないものである。第３の領域１７３は電流狭窄領域と中心が同軸である直径４．８μｍの円形である。
【００５７】
（作製方法）
基板１１０上にＭＯＣＶＤ法などを用いて、下部ミラー１２０、活性層１３０、上部ミラー１４０を成長させる。また、第１の段差構造１６０となる半導体層を形成する。ドライエッチング法などを用いて、第１の段差構造となる半導体層、上部ミラーおよび活性層をメサ状にエッチングする。第１の領域１７１または第２の領域１７２となる領域を所望の厚さだけエッチングし、第１の段差構造１６０を形成する。なお、メサと第１の段差構造１６０の形成において、同時にエッチングするセルフアラインメントプロセスを用いても良い。メサの上部および側壁に誘電体をプラズマＣＶＤ法などを用いて成膜する。第１の領域１７１および第３の領域１７３または第４の領域１７４となる領域を所望の厚さだけエッチングし、また必要であればメサの上部に誘電体膜をさらに成膜し、第２の段差構造１６２を形成する。第２の段差構造１６２の形成においてリフトオフ法を用いても良い。上部電極１５２と半導体層とがコンタクトできるようにメサ上面の一部の誘電体層をエッチングし、上部電極をリフトオフ法などを用い、電子ビーム蒸着法または抵抗加熱蒸着法などで形成する。また、基板１１０の下面に下部電極１５０を同様に形成する。
【実施例２】
【００５８】
実施例２の面発光レーザ４００は、上部ミラー１４０上の第１段差構造と第２の段差構造の積層順が実施例１の面発光レーザ１００と異なる。また、実施例２の第２の段差構造は半導体で構成されているのに対して、実施例１の第２の段差構造は誘電体で構成されている点が異なる。
【００５９】
図４に、面発光レーザ４００の断面模式図を示す。面発光レーザ４００の上部ミラー１４０の上には、半導体からなる第２の段差構造４６２が設けられており、その上部に誘電体からなる第１の段差構造４６０が設けられている。
【００６０】
第１の段差構造４６０を構成する第１の材料は、第２の段差構造４６２を構成する第２の材料よりも屈折率が低い。例えば、第１の材料の屈折率は１．０から２．５の間であり、第２の材料の屈折率は２．５から４．０の間である。
【００６１】
第１の段差構造４６０は、実施例１の第１の段差構造１６０と同様に、第１の領域４７１の反射率を第２の領域４７２よりも高くするものである。
【００６２】
第２の段差構造４６２は、実施例１の第２の段差構造１６２と同様に、第３の領域４７３と第４の領域４７４の間で大きな透過光位相差を付与し、遠視野光強度分布を変形させるものである。
【００６３】
（第１の段差構造）
図５は、実施例２に係る面発光レーザ４００の第１の段差構造４６０を表す断面模式図である。上記図３と同様に、図５はあくまで模式図である。このため、第２の段差構造４６２の上に第１の段差構造４６０を形成する場合、第１の段差構造４６０の形状は、第２の段差構造４６２の段差を継承する。この結果、第１の段差構造４６０においても、第３の領域４７３と第４の領域４７４との間で、底面および上面がずれうる。
【００６４】
第１の段差構造４６０の形状としては、例えば図５（ａ）（ｃ）（ｅ）に示すように凸型としても良いし、または、図５（ｂ）（ｄ）（ｆ）に示すように凹型としても良い。
【００６５】
図５（ａ）において、第１の段差構造４６０を構成する部材５０２の光学厚さは、第１の領域４７１でλ／２、第２の領域４７２でλ／４である。
【００６６】
図５（ｂ）において第１の段差構造４６０を構成する部材５０４の光学厚さは、第１の領域４７１でλ／２、第２の領域４７２で３λ／４である。
【００６７】
図５（ｃ）において、第１の段差構造４６０は異なる材料の部材５０６、５０８から構成されている。光学厚さλ／４の部材５０６の上部に、第１の領域４７１にのみ光学厚さλ／４の部材５０８が形成されている。第１の領域の反射率を第２の領域の反射率より高めるという観点において、部材５０６の屈折率よりも部材５０８の屈折率が高いことが好ましい。
【００６８】
図５（ｄ）において、第１の段差構造４６０は異なる材料の部材５１０、５１２、５１４から構成されている。部材５１０と５１４は同じでも良い。光学厚さλ／４の部材５１０の上部に、光学厚さλ／４の部材５１２が構成されており、さらにその上部に第２の領域４７２にのみ光学厚さλ／４の部材５１４が形成されている。第１の領域の反射率を第２の領域の反射率より高めるという観点において、部材５１０および部材５１４の屈折率よりも、部材５１２の屈折率が高いことが好ましい。
【００６９】
図５（ｅ）において、第１の段差構造４６０は異なる材料の部材５１６、５１８から構成されている。光学厚さλ／４の部材５１６が第１の領域のみに構成されており、それを覆って光学厚さλ／４の部材５１８が第１の領域４７１および第２の領域４７２に形成されている。第１の領域の反射率を第２の領域の反射率より高めるという観点において、部材５１６の屈折率よりも、部材５１８の屈折率が高いことが好ましい。
【００７０】
図５（ｆ）において、第１の段差構造４６０は異なる材料の部材５２０、５２２、５２４から構成されている。部材５２０と５２４は同じでも良い。光学厚さλ／４の部材５２０が第２の領域４７２のみに構成されており、それを覆って光学厚さλ／４の部材５２２および部材５２４が、第１の領域４７１および第２の領域４７２に形成されている。第１の領域の反射率を第２の領域の反射率より高めるという観点において、部材５２２の屈折率よりも、部材５２０および５２４の屈折率が高いことが好ましい。
【００７１】
第１の段差構造は誘電体材料、例えば屈折率が約１．５の酸化シリコン、屈折率が約２．０の窒化シリコンなどで構成される。
【００７２】
（第２の段差構造）
図６は、実施例２に係る面発光レーザ４００の第２の段差構造４６２を表す断面模式図である。第２の段差構造４６２は第３の領域４７３と第４の領域４７４とで光学厚さが異なる。第２の段差構造４６２の形状としては、図６（ａ）に示すように凸型としても良いし、図６（ｂ）に示すように凹型としても良い。
【００７３】
第２の段差構造４６２と、その上部にある第１の段差構造４６１との界面による反射により、上部ミラー全体の反射率分布に影響を与えないことが好ましい。そのため、第２の段差構造４６２の光学厚さはλ／２の整数倍で構成されていることが好ましい。
【００７４】
図６（ａ）に示す第２の段差構造４６２としての部材６０２の光学厚さは、例えば第３の領域４７３で２λ、第４の領域４７４でλ／２である。また、図６（ｂ）に示す第２の段差構造４６２としての部材６０４の光学厚さは、例えば第３の領域４７３でλ／２、第４の領域４７４で２λである。
【００７５】
第２の段差構造４６２は、単一材料でも良いし、複数の材料からなっていても良い。第２の段差構造は半導体材料、例えばＡｌＧａＡｓなどで構成される。これらをエッチングで形成するために、エッチングを止める界面に例えばＧａＡｓやＡｌＧａＩｎＰなどのエッチングストップ層を挿入することもできる。
【００７６】
実施例２に係る面発光レーザ４００は、実施例１に係る面発光レーザ１００よりも第２の段差構造の実厚さが抑えられ、面発光レーザの作製精度を上げられることが挙げられる。すなわち、第２の段差構造は透過光に大きな位相差を付与することを目的とするため、光路長差から実厚さの差を引いた値の絶対値を大きくとる必要がある。したがって、第２の段差構造が屈折率の高い材料で構成されていることが実厚さを抑えられる点で好ましい。すなわち、この点において、第２の段差構造が半導体で構成されている実施例２に係る面発光レーザは、第２の段差構造が誘電体で構成されている実施例１に係る面発光レーザより優れている。
【００７７】
また、半導体による段差構造は、酸化領域の中心との水平方向の一致が取りやすいというメリットがある。メサエッチング形成の際にセルフアラインメントプロセスを用いて半導体の段差構造を形成できるからである。したがって、段差と酸化領域の中心位置ずれが遠視野に大きな影響を与える第２の段差構造の材料としては、半導体が好ましい。
【００７８】
一方、誘電体による段差構造は、既にある段差上に制御された厚さの膜を成膜できるため、図５の（ｅ）や（ｆ）のように反射率差を大きく取れる構造を形成可能である。すなわち、第２の段差構造の上に形成された第１の段差構造の材料として誘電体を用いることができる。
【００７９】
なお、第１の段差構造や第２の段差構造の材料・構造は、上記実施例１および２に限るものではなく、本発明の範囲内でさまざまな変更が可能である。
【実施例３】
【００８０】
図８を用いて、上記で説明した面発光レーザを複数配置した面発光レーザアレイ光源を用いた画像形成装置について説明する。
【００８１】
図８（ａ）は画像形成装置の平面図であり、図８（ｂ）は同装置の側面図である。
【００８２】
記録用光源として用いる面発光レーザアレイ光源８１４から出力されたレーザ光は、副走査絞り８３２、コリメータレンズ８２０、シリンドリカルレンズ８２１、主走査絞り８３０を介し、モータ８１２により回転駆動された回転多面鏡８１０に向けて照射される。
【００８３】
回転多面鏡８１０に照射されたレーザ光は、回転多面鏡８１０の回転に伴い、連続的に出射角度を変える偏向ビームとして反射される。この反射光は、ｆ−θレンズ８２２により歪曲収差の補正等を受け、反射鏡８１６を経て感光体８００に照射される。
【００８４】
感光体８００は、帯電器８０２により予め帯電されており、レーザ光の走査により順次露光され、静電潜像が形成される。また、感光体８００に形成された静電潜像は、現像器８０４により現像され、現像された可視像は転写帯電器８０６により、転写紙に転写される。可視像が転写された転写紙は、定着器８０８に搬送され、定着を行った後に機外に排出される。
【００８５】
なお、本明細書中の面発光レーザや面発光レーザアレイは、ディスプレイなどの他の光学機器や、医用機器の光源として用いてもよい。
【符号の説明】
【００８６】
１４０ 上部ミラー
１６０、４６０ 第１の段差構造
１６２、４６２ 第２の段差構造
１７１、４７１ 第１の領域
１７２、４７２ 第２の領域
１７３、４７３ 第３の領域
１７４、４７４ 第４の領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光レーザ、および該面発光レーザを用いた画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直共振器型の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖａｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）が電子写真方式の画像形成装置において、その走査光学装置の光源として利用されている。この種の走査光学装置では、光源からの出射光を絞りにより整形し、光偏向器（例えばポリゴンミラー）によって被走査面である感光体に照射し潜像を形成する。
【０００３】
面発光レーザを画像形成装置の光源として利用する際、感光体における潜像の単峰性および安定性の観点から、面発光レーザは基本横モードのみで発振することが望ましい。特許文献１には、面発光レーザの光出射面に段差構造を設けることにより、単一の横モードで発振させる技術が開示されている。この段差構造は、発光領域の中央部の反射率が周辺部の反射率よりも高くなるように構成されている。基本横モードは高次の横モードよりも光強度が中央部に分布しているため、この段差構造を設けることにより、基本横モードの光を選択的に発振させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２８４７２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の段差構造は、発光領域の中央部と周辺部とで反射率が異なることを特徴としている。このような段差構造を設けると、反射率のみならず、発光領域の中央部と周辺部とで光の透過率が異なり、また光路長差も異なる。
【０００６】
中央部の反射率が周辺部の反射率よりも高い段差構造において、周辺部から透過するレーザ光の強度は、段差構造がないときに比べて高くなり、また、周辺部を透過した光の位相と、中央部を透過した光の位相は異なることになる。この結果、近視野光強度分布は輪帯状に近づくことになる。
【０００７】
図９は、このような近視野光強度分布に対応する遠視野光強度分布を示した図である。段差構造が設けられていないときの遠視野光強度分布９２０と比較して、段差構造が設けられているときの遠視野光強度分布９１０は、広がり角中央（例：−５°から＋５°）における遠視野光強度分布の半値幅が細くなる。このような面発光レーザを画像形成装置の光源として用いる場合は、画像形成装置の走査光学系への取り付け角度（光源の出射面法線と光学系の光軸との軸合わせ）に要求される精度が厳しくなるため好ましくない。
【０００８】
そこで、本発明は、横モード制御のための反射率制御を行うために設けられた段差構造を備えた面発光レーザにおいて、遠視野光強度分布の拡がり角を改善した面発光レーザ、および該面発光レーザを用いた画像形成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
基板の上に、下部ミラー、活性層、上部ミラー、を含む積層構造体を有し、波長λで発振する面発光レーザであって、前記上部ミラーの上部の光出射領域内に設けられ、該光出射領域の中央部に配されている第１の領域と、該第１の領域よりも外側に設けられた第２の領域との間に段差を有する第１の段差構造と、前記上部ミラーの上部の前記光出射領域内に設けられ、前記第１の領域よりも外側に設けられた第３の領域と、該第３の領域よりも外側に設けられた第４の領域との間に段差を有する第２の段差構造と、を備え、前記第２の段差構造の段差は、前記第２の領域内に存在し、前記基板に対して垂直に入射する波長λの光について、前記上部ミラーと、前記第１の段差構造と、前記第２の段差構造からなる構造体の反射率は、前記第２の領域の反射率よりも、前記１の領域の反射率が高く、前記第３の領域の透過光と前記第４の領域の透過光の位相差は、前記第１の領域の透過光と前記第２の領域の透過光の位相差よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、横モード制御のための反射率制御を行うために設けられた段差構造を備えた面発光レーザにおいて、遠視野光強度分布の拡がり角を改善した面発光レーザ、および該面発光レーザを用いた画像形成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１に係る面発光レーザの断面模式図。
【図２】実施例１に係る面発光レーザが有する第１の段差構造の断面模式図。
【図３】実施例１に係る面発光レーザが有する第２の段差構造の断面模式図。
【図４】実施例２に係る面発光レーザの断面模式図。
【図５】実施例２に係る面発光レーザが有する第１の段差構造の断面模式図。
【図６】実施例２に係る面発光レーザが有する第２の段差構造の断面模式図。
【図７】実施例１に係る面発光レーザの遠視野光強度分布。
【図８】実施例３に係る画像形成装置の模式図。
【図９】段差構造を有する面発光レーザと段差構造を有しない面発光レーザの遠視野光強度分布。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態に係る面発光レーザにおいては、反射率差を付与する段差構造（第１の段差構造）に加えて、この第１の段差構造の低反射率領域に遠視野光強度分布を変化させるための段差構造（第２の段差構造）を設ける。
【００１３】
第１の段差構造は、その段差の境界により光出射領域を第１の領域と第２の領域に分けられている。例えば、第１の領域は光出射領域の中央部にあり、第２の領域は第１の領域の外側である周辺部に配されている。横モード制御のために、第１の領域の反射率は、第２の領域の反射率よりも高い。
【００１４】
（第１の段差構造）
第１の段差構造を構成する第１の材料は、発振波長λの光を少なくとも一部透過させる材料で構成されている。
第１の段差構造の光学厚さは、例えば第１の領域においてλ／２であり、第２の領域においてλ／４である。第１の領域の光学厚さと第２の領域の光学厚さの差がλ／４の奇数倍であるとき、２つの領域の反射率差は大きくなる。反射率の制御性の観点からは、光学厚さの差は小さい方が高精度に作製できるため、光学厚さの差はλ／４であることが好ましい。
【００１５】
（第２の段差構造）
第２の段差構造は、上部ミラーおよび第１の段差構造の上部、または、上部ミラーと第１の段差構造の間に配置される。
第２の段差構造を構成する第２の材料は、発振波長λの光を少なくとも一部透過させる材料で構成されている。なぜなら、遠視野光強度分布の拡がり角を改善するためには、第２の段差構造の持つ光路長差によって付与された位相の異なる透過光を遠視野にて干渉させる必要があるからである。
【００１６】
また、第２の材料は、第１の段差構造を構成する第１の材料とは、発振波長λにおける屈折率が異なるように構成する。これは、第１の段差構造の機能と、第２の段差構造の機能を分離するためである。例えば、第１の材料を半導体で構成した場合、第２の材料は誘電体で構成する。
【００１７】
上記のように、第１の段差構造を設けることにより反射率を制御することができるが、遠視野光強度分布の半値幅が細くなってしまう。そこで、補償のため、第１の段差構造よりも透過光に対して位相差を付与するように、第２の段差構造を構成する。なお、これを「領域」という用語を用いると、「第１の領域の透過光と第３の領域の透過光との位相差よりも、第３の領域の透過光と第４の領域の透過光との位相差が大きい」と表現することが可能である。また、スカラー回折近似のもとで、第２の段差構造が近視野で与える位相差（ラジアン）は、段差の光学厚さから実厚さを引いたものをλで除した値とほぼ等しい。そこで、第２の段差構造の段差の「光路長差」から「実厚さ（屈折率を考慮しない厚さ）の差」を引いた値の絶対値を、第１の段差構造の段差の「光路長差」から「実厚さの差」を引いた値の絶対値よりも大きくなるように構成する。これにより、近視野において、第２の段差構造は、第１の段差構造よりも透過光に対して位相差を付与することができるため、大きな波面の歪みを与えることができ、遠視野光強度分布を大きく変形させることができる。なお、このことを「領域」という用語を用いると、「第１の領域と第３の領域との間の光路長差から実厚さの差を引いた値の絶対値よりも、第３の領域と第４の領域との間の光路長差から実厚さの差を引いた値の絶対値が大きい」と表現することが可能である。
【００１８】
なお、第２の段差構造の段差の境界内外での透過光の位相差が、π／２よりも大きくなるように設定すれば、両者の干渉が大きくなり、遠視野光強度分布を大きく変形できる。
【００１９】
また、遠視野光強度分布の半値幅をより広げるためには、第２の段差構造の段差の境界内外での透過光の位相差をπに近づけることが好ましい。すなわち、第２の段差構造の第３の領域の透過光と第４の領域の透過光の位相差をπに近づけることが好ましい。そこで、第３の領域の透過光と第４の領域の透過光の位相差は、第１の領域の透過光と第３の領域の位相差よりもπに近くなるように構成してもよい。
【実施例１】
【００２０】
図１は本発明にかかる面発光レーザ１００の断面模式図である。
【００２１】
面発光レーザ１００は、基板１１０上に、下部ミラー１２０、活性層１３０、上部ミラー１４０が積層された積層構造体を有する。
【００２２】
上部ミラー１４０と活性層１３０は一部がエッチングされ、例えば直径３０μｍの円筒状のメサ構造が形成されている。
【００２３】
例えば、基板１１０は、ｎ型にドープされた厚さ６００μｍのＧａＡｓ基板である。
【００２４】
また、下部ミラー１２０は、ｎ型にドープされたＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ／ＡｌＡｓからなり、それぞれの材料を光学厚さλ／４ずつ交互に６０ペア積層した多層膜反射鏡である。
【００２５】
また、活性層１３０は、共振波長がλとなるように厚さが調整されている。例えば、合計光学厚さが２λの多重量子井戸構造およびクラッド層からなる。多重量子井戸は共振器の腹に置かれＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰで構成する。また、クラッド層はＡｌＧａＩｎＰで構成する。
【００２６】
また、上部ミラー１４０は、ｐ型にドープされたＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓからなり、それぞれの材料を光学厚さλ／４ずつ交互に３４ペア積層した多層膜反射鏡である。上部ミラー１４０の活性層に近い側のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓの一部はＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓで構成されており、メサ構造の側面から酸化され、酸化領域１４２となっている。酸化領域１４２は、電流狭窄構造を形成し、例えば直径５μｍの円形電流狭窄構造を形成する。
【００２７】
上部ミラー１４０上の光出射領域内に、半導体からなる第１の段差構造１６０が形成されている。第１の段差構造１６０は、発光領域の中央部に位置する第１の領域１７１と周辺部に位置する第２の領域１７２との間に段差を持つ構造である。第１の領域１７１と第２の領域１７２の境界は例えば直径４μｍの円で構成されている。
【００２８】
また、第１の段差構造１６０上に、誘電体からなる第２の段差構造１６２が形成されている。第２の段差構造１６２は、第３の領域１７３と第４の領域１７４との間に段差を持つ構造である。
【００２９】
第３の領域１７３と第４の領域１７４との境界は、第２の領域内に存在し、例えば直径４．５μｍの円である。例えば、酸化領域１４２、第１の段差構造１６０、第２の段差構造１６２の中心は同軸上にある。
【００３０】
第１の段差構造１６０を構成する第１の材料は、第２の段差構造１６２を構成する第２の材料よりも屈折率が高い。例えば、第１の材料の屈折率は２．５から４．０の間であり、第２の材料の屈折率は１．０から２．５の間である。
【００３１】
また、メサ構造の側壁および底面には保護膜として誘電体膜を成膜してもよい。この誘電体膜は第２の段差構造の材料と同じであっても良い。
【００３２】
上部ミラー１４０または第１の段差構造１６０に接するように、上部電極１５２が設けられている。上部電極１５２は例えばＴｉ／Ａｕ（厚さ５０ｎｍ／１０００ｎｍ）である。
【００３３】
上部電極１５２は、第２の段差構造の第３の領域と第４の領域の境界よりも広い開口を持つ。上部電極１５２は発光領域上にないことが出力低下を抑えるために好ましい。
【００３４】
基板１１０に接するように下部電極１５０が設けられている。下部電極１５０は例えばＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ（厚さ１５０ｎｍ／３０ｎｍ／２００ｎｍ）である。
【００３５】
上部電極および下部電極に電圧が引加され活性層１３０にキャリアが注入され発光し、面発光レーザ１００は発振にいたる。
【００３６】
（第１の段差構造）
図２に第１の段差構造１６０の形状例を示す。図２（ａ）から（ｄ）のいずれの場合も、上部ミラー、第１の段差構造、第２の段差構造を含む構造体全体において、垂直に入射する波長λの光について、中央部の反射率は周辺部の反射率よりも高くなるように構成される。
【００３７】
第１の段差構造１６０は、凸型であっても凹型であってもよい。
【００３８】
図２（ａ）は凸型の段差構造であり、例えばＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層２０２の光学厚さは、第１の領域１７１（中央部）ではλ／２、第２の領域１７２（周辺部）ではλ／４である。
【００３９】
図２（ｂ）は凹型の段差構造でありであり、例えばＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層２０４の光学厚さは、第１の領域１７１（中央部）ではλ／２、第２の領域１７２（周辺部）では３λ／４である。
【００４０】
また、第１の段差構造１６０は、図２（ｃ）および（ｄ）に示すように複数の材料から形成されていても良い。
【００４１】
図２（ｃ）では、第２の領域１７２がλ／４厚のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層２０６で構成されているが、第１の領域１７１はＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層２０６とλ／４厚のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層２０８で構成されている。
【００４２】
図２（ｄ）では、第１の領域１７１がλ／４厚のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層２１０とλ／４厚のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層２１２で構成されている。一方、第２の領域１７２は、これらの層の上部にλ／４厚のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層２１４がさらに形成されることにより構成されている。
【００４３】
このように第１の段差構造を複数の材料で構成すれば、単一の材料の場合よりも第１の領域と第２の領域との間の反射率差を大きくすることができる。
【００４４】
（第２の段差構造）
図１において、第２の段差構造１６２は、第３の領域１７３と第４の領域１７４とで光学厚さが異なる段差構造であり、第３の領域１７３は第４の領域１７４の内側に位置している。また、第３の領域１７３と第４の領域１７４との境界は、第２の領域１７２に位置する。第１の段差構造は反射率制御のために設けられており、高反射率領域である第１の領域１７１からは光がさほど出射されない。そのため、透過光に対して所望の位相差を与える第２の段差構造の段差（第３の領域１７３と第４の領域１７４との境界）は、低反射率領域である第２の領域１７２内に設ける必要がある。
【００４５】
第１の領域１７１における第２の段差構造１６２の光学厚さは、例えば第３の領域１７３と同じ光学厚さとする。
【００４６】
図３は、第２の段差構造１６２の光学厚さを表す模式図である。第２の段差構造１６２は、遠視野光強度分布を変化させるための段差構造であり、第３の領域１７３と第４の領域１７４とで所望の位相差を付与するための構造である。図１に示すように、第２の段差構造１６２は第１の段差構造１６０の上部に形成されるため、第２の段差構造１６２は、第１の段差構造１６０の第１の領域１７１と第２の領域１７２の段差を継承する。この結果、第２の段差構造１６２においても、第１の領域１７１と第２の領域１７２との間で、底面および上面がずれうる。
【００４７】
図３（ａ）に示すように、第２の段差構造１６２は、誘電体３０２の光学厚さを第４の領域１７４よりも第３の領域１７３の方を大きくした構造にすることができる。また、逆に、図３（ｂ）に示すように、第２の段差構造１６２は、誘電体３０４の光学厚さを第４の領域１７４よりも第３の領域１７３の方を小さくした構造としても良い。
【００４８】
第３の領域１７３と第４の領域１７４における第２の段差構造１６２の光学厚さは、例えばλ／２またはその整数倍である。この場合、第２の段差構造１６２による反射率の変化を抑えることができる。つまり、反射率差を付与するのは第１の段差構造だけとし、第２の段差構造は遠視野光強度分布を変化させるために用いられる構成とすることにより、設計を簡略化することができる。
【００４９】
第３の領域１７３の光学厚さは、第２の段差構造１６２および環境媒質において、第３の領域１７３と第４の領域１７４との光路長差を大きくし、所望の透過光位相差が得られるようにする。透過光位相差はπ／２を超えるように取ることが好ましい。段差構造がテーパー状となる場合は、さらに位相差が大きくなるように構成する。例えば、透過光位相差が、πまたは３π／２を超えるように構成する。
【００５０】
図３（ａ）に示す第２の段差構造１６２は、例えば屈折率１．５のＳｉＯ２からなり、第４の領域１７４の光学厚さは０．５λ、第３の領域１７３（第１の領域１７１）の光学厚さは１．５λから２．０λの間、例えば２．０λである。
【００５１】
図３（ｂ）に示す第２の段差構造１６２は、例えば屈折率１．５のＳｉＯ２からなり、第４の領域１７４の光学厚さは、例えば１．５λまたは２．０λであり、第３の領域１７３（第１の領域１７１）の光学厚さは、例えば０．５λである。
【００５２】
（計算例）
図７に実施例１の面発光レーザ１００の遠視野光強度について計算した結果の例を示す。図７のグラフの横軸はレーザ光の広がり角、縦軸は遠視野の光強度であり、光軸方向の強度で規格化している。
【００５３】
グラフ中の３つの曲線は、（ａ）第１の段差構造と第２の段差構造がともに無い場合、（ｂ）第１の段差構造のみある場合、（ｃ）第１の段差構造および第２の段差構造のある場合、を表す。これらの図を比較することにより、第１の段差構造により細くなった遠視野光強度分布を、第２の段差構造によって広げ、また中心付近において光強度分布を平坦にできることがわかる。
【００５４】
ここで、λ＝６８０ｎｍで発振する面発光レーザ１００には、酸化領域１４２により直径５．２μｍの円形の電流狭窄領域が形成されている。第１の段差構造１６０は屈折率３．４の半導体で形成されており、その光学厚さは第１の領域１７１でλ／２、第２の領域１７２でλ／４である。第１の段差構造は、第１の領域１７１と第２の領域１７２の間で１６倍の透過率比を与えている。
【００５５】
第１の領域１７１は電流狭窄領域と中心が同軸である直径３．７μｍの円形である。
【００５６】
第２の段差構造１６２は屈折率１．５の誘電体で形成されており、その光学厚さは第３の領域１７３で２λ、第４の領域１７４でλ／２である。第２の段差構造１６２は反射率分布を与えないものである。第３の領域１７３は電流狭窄領域と中心が同軸である直径４．８μｍの円形である。
【００５７】
（作製方法）
基板１１０上にＭＯＣＶＤ法などを用いて、下部ミラー１２０、活性層１３０、上部ミラー１４０を成長させる。また、第１の段差構造１６０となる半導体層を形成する。ドライエッチング法などを用いて、第１の段差構造となる半導体層、上部ミラーおよび活性層をメサ状にエッチングする。第１の領域１７１または第２の領域１７２となる領域を所望の厚さだけエッチングし、第１の段差構造１６０を形成する。なお、メサと第１の段差構造１６０の形成において、同時にエッチングするセルフアラインメントプロセスを用いても良い。メサの上部および側壁に誘電体をプラズマＣＶＤ法などを用いて成膜する。第１の領域１７１および第３の領域１７３または第４の領域１７４となる領域を所望の厚さだけエッチングし、また必要であればメサの上部に誘電体膜をさらに成膜し、第２の段差構造１６２を形成する。第２の段差構造１６２の形成においてリフトオフ法を用いても良い。上部電極１５２と半導体層とがコンタクトできるようにメサ上面の一部の誘電体層をエッチングし、上部電極をリフトオフ法などを用い、電子ビーム蒸着法または抵抗加熱蒸着法などで形成する。また、基板１１０の下面に下部電極１５０を同様に形成する。
【実施例２】
【００５８】
実施例２の面発光レーザ４００は、上部ミラー１４０上の第１段差構造と第２の段差構造の積層順が実施例１の面発光レーザ１００と異なる。また、実施例２の第２の段差構造は半導体で構成されているのに対して、実施例１の第２の段差構造は誘電体で構成されている点が異なる。
【００５９】
図４に、面発光レーザ４００の断面模式図を示す。面発光レーザ４００の上部ミラー１４０の上には、半導体からなる第２の段差構造４６２が設けられており、その上部に誘電体からなる第１の段差構造４６０が設けられている。
【００６０】
第１の段差構造４６０を構成する第１の材料は、第２の段差構造４６２を構成する第２の材料よりも屈折率が低い。例えば、第１の材料の屈折率は１．０から２．５の間であり、第２の材料の屈折率は２．５から４．０の間である。
【００６１】
第１の段差構造４６０は、実施例１の第１の段差構造１６０と同様に、第１の領域４７１の反射率を第２の領域４７２よりも高くするものである。
【００６２】
第２の段差構造４６２は、実施例１の第２の段差構造１６２と同様に、第３の領域４７３と第４の領域４７４の間で大きな透過光位相差を付与し、遠視野光強度分布を変形させるものである。
【００６３】
（第１の段差構造）
図５は、実施例２に係る面発光レーザ４００の第１の段差構造４６０を表す断面模式図である。上記図３と同様に、図５はあくまで模式図である。このため、第２の段差構造４６２の上に第１の段差構造４６０を形成する場合、第１の段差構造４６０の形状は、第２の段差構造４６２の段差を継承する。この結果、第１の段差構造４６０においても、第３の領域４７３と第４の領域４７４との間で、底面および上面がずれうる。
【００６４】
第１の段差構造４６０の形状としては、例えば図５（ａ）（ｃ）（ｅ）に示すように凸型としても良いし、または、図５（ｂ）（ｄ）（ｆ）に示すように凹型としても良い。
【００６５】
図５（ａ）において、第１の段差構造４６０を構成する部材５０２の光学厚さは、第１の領域４７１でλ／２、第２の領域４７２でλ／４である。
【００６６】
図５（ｂ）において第１の段差構造４６０を構成する部材５０４の光学厚さは、第１の領域４７１でλ／２、第２の領域４７２で３λ／４である。
【００６７】
図５（ｃ）において、第１の段差構造４６０は異なる材料の部材５０６、５０８から構成されている。光学厚さλ／４の部材５０６の上部に、第１の領域４７１にのみ光学厚さλ／４の部材５０８が形成されている。第１の領域の反射率を第２の領域の反射率より高めるという観点において、部材５０６の屈折率よりも部材５０８の屈折率が高いことが好ましい。
【００６８】
図５（ｄ）において、第１の段差構造４６０は異なる材料の部材５１０、５１２、５１４から構成されている。部材５１０と５１４は同じでも良い。光学厚さλ／４の部材５１０の上部に、光学厚さλ／４の部材５１２が構成されており、さらにその上部に第２の領域４７２にのみ光学厚さλ／４の部材５１４が形成されている。第１の領域の反射率を第２の領域の反射率より高めるという観点において、部材５１０および部材５１４の屈折率よりも、部材５１２の屈折率が高いことが好ましい。
【００６９】
図５（ｅ）において、第１の段差構造４６０は異なる材料の部材５１６、５１８から構成されている。光学厚さλ／４の部材５１６が第１の領域のみに構成されており、それを覆って光学厚さλ／４の部材５１８が第１の領域４７１および第２の領域４７２に形成されている。第１の領域の反射率を第２の領域の反射率より高めるという観点において、部材５１６の屈折率よりも、部材５１８の屈折率が高いことが好ましい。
【００７０】
図５（ｆ）において、第１の段差構造４６０は異なる材料の部材５２０、５２２、５２４から構成されている。部材５２０と５２４は同じでも良い。光学厚さλ／４の部材５２０が第２の領域４７２のみに構成されており、それを覆って光学厚さλ／４の部材５２２および部材５２４が、第１の領域４７１および第２の領域４７２に形成されている。第１の領域の反射率を第２の領域の反射率より高めるという観点において、部材５２２の屈折率よりも、部材５２０および５２４の屈折率が高いことが好ましい。
【００７１】
第１の段差構造は誘電体材料、例えば屈折率が約１．５の酸化シリコン、屈折率が約２．０の窒化シリコンなどで構成される。
【００７２】
（第２の段差構造）
図６は、実施例２に係る面発光レーザ４００の第２の段差構造４６２を表す断面模式図である。第２の段差構造４６２は第３の領域４７３と第４の領域４７４とで光学厚さが異なる。第２の段差構造４６２の形状としては、図６（ａ）に示すように凸型としても良いし、図６（ｂ）に示すように凹型としても良い。
【００７３】
第２の段差構造４６２と、その上部にある第１の段差構造４６１との界面による反射により、上部ミラー全体の反射率分布に影響を与えないことが好ましい。そのため、第２の段差構造４６２の光学厚さはλ／２の整数倍で構成されていることが好ましい。
【００７４】
図６（ａ）に示す第２の段差構造４６２としての部材６０２の光学厚さは、例えば第３の領域４７３で２λ、第４の領域４７４でλ／２である。また、図６（ｂ）に示す第２の段差構造４６２としての部材６０４の光学厚さは、例えば第３の領域４７３でλ／２、第４の領域４７４で２λである。
【００７５】
第２の段差構造４６２は、単一材料でも良いし、複数の材料からなっていても良い。第２の段差構造は半導体材料、例えばＡｌＧａＡｓなどで構成される。これらをエッチングで形成するために、エッチングを止める界面に例えばＧａＡｓやＡｌＧａＩｎＰなどのエッチングストップ層を挿入することもできる。
【００７６】
実施例２に係る面発光レーザ４００は、実施例１に係る面発光レーザ１００よりも第２の段差構造の実厚さが抑えられ、面発光レーザの作製精度を上げられることが挙げられる。すなわち、第２の段差構造は透過光に大きな位相差を付与することを目的とするため、光路長差から実厚さの差を引いた値の絶対値を大きくとる必要がある。したがって、第２の段差構造が屈折率の高い材料で構成されていることが実厚さを抑えられる点で好ましい。すなわち、この点において、第２の段差構造が半導体で構成されている実施例２に係る面発光レーザは、第２の段差構造が誘電体で構成されている実施例１に係る面発光レーザより優れている。
【００７７】
また、半導体による段差構造は、酸化領域の中心との水平方向の一致が取りやすいというメリットがある。メサエッチング形成の際にセルフアラインメントプロセスを用いて半導体の段差構造を形成できるからである。したがって、段差と酸化領域の中心位置ずれが遠視野に大きな影響を与える第２の段差構造の材料としては、半導体が好ましい。
【００７８】
一方、誘電体による段差構造は、既にある段差上に制御された厚さの膜を成膜できるため、図５の（ｅ）や（ｆ）のように反射率差を大きく取れる構造を形成可能である。すなわち、第２の段差構造の上に形成された第１の段差構造の材料として誘電体を用いることができる。
【００７９】
なお、第１の段差構造や第２の段差構造の材料・構造は、上記実施例１および２に限るものではなく、本発明の範囲内でさまざまな変更が可能である。
【実施例３】
【００８０】
図８を用いて、上記で説明した面発光レーザを複数配置した面発光レーザアレイ光源を用いた画像形成装置について説明する。
【００８１】
図８（ａ）は画像形成装置の平面図であり、図８（ｂ）は同装置の側面図である。
【００８２】
記録用光源として用いる面発光レーザアレイ光源８１４から出力されたレーザ光は、副走査絞り８３２、コリメータレンズ８２０、シリンドリカルレンズ８２１、主走査絞り８３０を介し、モータ８１２により回転駆動された回転多面鏡８１０に向けて照射される。
【００８３】
回転多面鏡８１０に照射されたレーザ光は、回転多面鏡８１０の回転に伴い、連続的に出射角度を変える偏向ビームとして反射される。この反射光は、ｆ−θレンズ８２２により歪曲収差の補正等を受け、反射鏡８１６を経て感光体８００に照射される。
【００８４】
感光体８００は、帯電器８０２により予め帯電されており、レーザ光の走査により順次露光され、静電潜像が形成される。また、感光体８００に形成された静電潜像は、現像器８０４により現像され、現像された可視像は転写帯電器８０６により、転写紙に転写される。可視像が転写された転写紙は、定着器８０８に搬送され、定着を行った後に機外に排出される。
【００８５】
なお、本明細書中の面発光レーザや面発光レーザアレイは、ディスプレイなどの他の光学機器や、医用機器の光源として用いてもよい。
【符号の説明】
【００８６】
１４０ 上部ミラー
１６０、４６０ 第１の段差構造
１６２、４６２ 第２の段差構造
１７１、４７１ 第１の領域
１７２、４７２ 第２の領域
１７３、４７３ 第３の領域
１７４、４７４ 第４の領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に、下部ミラー、活性層、上部ミラー、を含む積層構造体を有し、波長λで発振する面発光レーザであって、
前記上部ミラーの上部の光出射領域内に設けられ、該光出射領域の中央部に配されている第１の領域と、該第１の領域よりも外側に設けられた第２の領域との間に段差を有する第１の段差構造と、
前記上部ミラーの上部の前記光出射領域内に設けられ、前記第１の領域よりも外側に設けられた第３の領域と、該第３の領域よりも外側に設けられた第４の領域との間に段差を有する第２の段差構造と、を備え、
前記第２の段差構造の段差は、前記第２の領域内に存在し、
前記基板に対して垂直に入射する波長λの光について、前記上部ミラーと、前記第１の段差構造と、前記第２の段差構造からなる構造体の反射率は、前記第２の領域の反射率よりも、前記１の領域の反射率が高く、
前記第３の領域の透過光と前記第４の領域の透過光の位相差は、前記第１の領域の透過光と前記第３の領域の透過光の位相差よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする面発光レーザ。
【請求項２】
前記第３の領域と前記第４の領域との間の光路長差から実厚さの差を引いた値の絶対値は、前記第１の領域と前記第３の領域との間の光路長差から実厚さの差を引いた値の絶対値よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
【請求項３】
前記第１の段差構造は、波長λの光の少なくとも一部が透過する第１の材料からなり、前記第２の段差構造は、波長λの光の少なくとも一部が透過する第２の材料からなることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
【請求項４】
前記第１の材料と第２の材料とは屈折率が異なることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザ。
【請求項５】
前記第１の材料は半導体であり、前記第２の材料は誘電体であることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザ。
【請求項６】
前記第１の材料は誘電体であり、前記第２の材料は半導体であることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザ。
【請求項７】
前記半導体は、ＡｌＧａＡｓであることを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザ。
【請求項８】
前記誘電体は、酸化シリコン、または、窒化シリコンからなることを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザ。
【請求項９】
前記第１の段差構造において、前記第１の領域の光学厚さと、前記第２の領域の光学厚さの差はλ／４の奇数倍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。
【請求項１０】
前記第１の段差構造において、前記第１の領域の光学厚さと、前記第２の領域の光学厚さの差はλ／４であることを特徴とする請求項９に記載の面発光レーザ。
【請求項１１】
前記第３の領域の透過光と前記第４の領域の透過光との位相差がπ／２よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
【請求項１２】
前記第３の領域の透過光と前記第４の領域の透過光の位相差が、π／２より大きく、３π／２より小さいことを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
【請求項１３】
前記第３の領域の透過光と前記第４の領域の透過光の位相差は、π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。
【請求項１４】
請求項１に記載の面発光レーザを複数配置した面発光レーザアレイと、該面発光レーザアレイからの光により静電潜像を形成する感光体と、該感光体を帯電する帯電器と、該静電潜像を現像する現像器と、を有することを特徴とする画像形成装置。
【請求項１５】
基板の上に、下部ミラー、活性層、上部ミラー、を含む積層構造体を有し、波長λで発振する面発光レーザであって、
前記上部ミラーの上部の光出射領域内に設けられ、該光出射領域の中央部に配されている第１の領域と、該第１の領域よりも外側に設けられた第２の領域との間に段差を有する第１の段差構造と、
前記上部ミラーの上部の前記光出射領域内に設けられ、前記第１の領域よりも外側に設けられた第３の領域と、該第３の領域よりも外側に設けられた第４の領域との間に段差を有する第２の段差構造と、を備え、
前記第２の段差構造の段差は、前記第２の領域内に存在し、
前記基板に対して垂直に入射する波長λの光について、前記上部ミラーと、前記第１の段差構造と、前記第２の段差構造からなる構造体の反射率は、前記第２の領域の反射率よりも、前記１の領域の反射率が高く、
前記第３の領域の透過光と前記第４の領域の透過光の位相差は、前記第１の領域の透過光と前記第３の領域の透過光の位相差よりも、πに近くなるように構成されていることを特徴とする面発光レーザ。
【請求項１６】
前記第１の段差構造において、前記第１の領域の光学厚さと、前記第２の領域の光学厚さの差はλ／４の奇数倍であることを特徴とする請求項１５に記載の面発光レーザ。
【請求項１７】
前記第３の領域の透過光と前記第４の領域の透過光の位相差は、π／２より大きく、３π／２より小さいことを特徴とする請求項１５に記載の面発光レーザ。
【請求項１８】
前記第３の領域の透過光と前記第４の領域の透過光の位相差は、πであることを特徴とする請求項１５に記載の面発光レーザ。
【請求項１９】
請求項１５に記載の面発光レーザを複数配置した面発光レーザアレイと、該面発光レーザアレイからの光により静電潜像を形成する感光体と、該感光体を帯電する帯電器と、該静電潜像を現像する現像器と、を有することを特徴とする画像形成装置。
【請求項１】
基板の上に、下部ミラー、活性層、上部ミラー、を含む積層構造体を有し、波長λで発振する面発光レーザであって、
前記上部ミラーの上部の光出射領域内に設けられ、該光出射領域の中央部に配されている第１の領域と、該第１の領域よりも外側に設けられた第２の領域との間に段差を有する第１の段差構造と、
前記上部ミラーの上部の前記光出射領域内に設けられ、前記第１の領域よりも外側に設けられた第３の領域と、該第３の領域よりも外側に設けられた第４の領域との間に段差を有する第２の段差構造と、を備え、
前記第２の段差構造の段差は、前記第２の領域内に存在し、
前記基板に対して垂直に入射する波長λの光について、前記上部ミラーと、前記第１の段差構造と、前記第２の段差構造からなる構造体の反射率は、前記第２の領域の反射率よりも、前記１の領域の反射率が高く、
前記第３の領域の透過光と前記第４の領域の透過光の位相差は、前記第１の領域の透過光と前記第３の領域の透過光の位相差よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする面発光レーザ。
【請求項２】
前記第３の領域と前記第４の領域との間の光路長差から実厚さの差を引いた値の絶対値は、前記第１の領域と前記第３の領域との間の光路長差から実厚さの差を引いた値の絶対値よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
【請求項３】
前記第１の段差構造は、波長λの光の少なくとも一部が透過する第１の材料からなり、前記第２の段差構造は、波長λの光の少なくとも一部が透過する第２の材料からなることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
【請求項４】
前記第１の材料と第２の材料とは屈折率が異なることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザ。
【請求項５】
前記第１の材料は半導体であり、前記第２の材料は誘電体であることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザ。
【請求項６】
前記第１の材料は誘電体であり、前記第２の材料は半導体であることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザ。
【請求項７】
前記半導体は、ＡｌＧａＡｓであることを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザ。
【請求項８】
前記誘電体は、酸化シリコン、または、窒化シリコンからなることを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザ。
【請求項９】
前記第１の段差構造において、前記第１の領域の光学厚さと、前記第２の領域の光学厚さの差はλ／４の奇数倍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。
【請求項１０】
前記第１の段差構造において、前記第１の領域の光学厚さと、前記第２の領域の光学厚さの差はλ／４であることを特徴とする請求項９に記載の面発光レーザ。
【請求項１１】
前記第３の領域の透過光と前記第４の領域の透過光との位相差がπ／２よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
【請求項１２】
前記第３の領域の透過光と前記第４の領域の透過光の位相差が、π／２より大きく、３π／２より小さいことを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
【請求項１３】
前記第３の領域の透過光と前記第４の領域の透過光の位相差は、π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。
【請求項１４】
請求項１に記載の面発光レーザを複数配置した面発光レーザアレイと、該面発光レーザアレイからの光により静電潜像を形成する感光体と、該感光体を帯電する帯電器と、該静電潜像を現像する現像器と、を有することを特徴とする画像形成装置。
【請求項１５】
基板の上に、下部ミラー、活性層、上部ミラー、を含む積層構造体を有し、波長λで発振する面発光レーザであって、
前記上部ミラーの上部の光出射領域内に設けられ、該光出射領域の中央部に配されている第１の領域と、該第１の領域よりも外側に設けられた第２の領域との間に段差を有する第１の段差構造と、
前記上部ミラーの上部の前記光出射領域内に設けられ、前記第１の領域よりも外側に設けられた第３の領域と、該第３の領域よりも外側に設けられた第４の領域との間に段差を有する第２の段差構造と、を備え、
前記第２の段差構造の段差は、前記第２の領域内に存在し、
前記基板に対して垂直に入射する波長λの光について、前記上部ミラーと、前記第１の段差構造と、前記第２の段差構造からなる構造体の反射率は、前記第２の領域の反射率よりも、前記１の領域の反射率が高く、
前記第３の領域の透過光と前記第４の領域の透過光の位相差は、前記第１の領域の透過光と前記第３の領域の透過光の位相差よりも、πに近くなるように構成されていることを特徴とする面発光レーザ。
【請求項１６】
前記第１の段差構造において、前記第１の領域の光学厚さと、前記第２の領域の光学厚さの差はλ／４の奇数倍であることを特徴とする請求項１５に記載の面発光レーザ。
【請求項１７】
前記第３の領域の透過光と前記第４の領域の透過光の位相差は、π／２より大きく、３π／２より小さいことを特徴とする請求項１５に記載の面発光レーザ。
【請求項１８】
前記第３の領域の透過光と前記第４の領域の透過光の位相差は、πであることを特徴とする請求項１５に記載の面発光レーザ。
【請求項１９】
請求項１５に記載の面発光レーザを複数配置した面発光レーザアレイと、該面発光レーザアレイからの光により静電潜像を形成する感光体と、該感光体を帯電する帯電器と、該静電潜像を現像する現像器と、を有することを特徴とする画像形成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−８４９０９（Ｐ２０１３−８４９０９Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１７２０１１（Ｐ２０１２−１７２０１１）
【出願日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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