JP5669364B2 - Surface emitting laser element, surface emitting laser array, optical scanning device, and image forming apparatus - Google Patents
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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出力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, and more particularly, a surface emitting laser element that outputs 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.
面発光レーザ素子はその構造上、低閾値電流化及び低消費電力化が容易であるという特徴を備えている。近年、それまでに研究されていたイオン注入型の面発光レーザ素子に比べて、より低閾値電流化が可能で、高速応答性に優れた酸化狭窄型の面発光レーザ素子が精力的に研究されている(例えば、非特許文献1参照)。 The surface-emitting laser element has a feature that a low threshold current and low power consumption are easy due to its structure. In recent years, compared with ion-implanted surface-emitting laser elements that have been studied so far, an oxide constriction-type surface-emitting laser element capable of lowering the threshold current and excellent in high-speed response has been energetically studied. (For example, refer nonpatent literature 1).
酸化狭窄型の面発光レーザ素子は、酸化物による横モードの光閉じ込めが良好で、発振モード特性が安定であるという利点を備えているが、酸化物による光閉じ込めが大きすぎるために、単一基本横モード発振を得ることが難しい。なお、以下では、酸化狭窄型の面発光レーザ素子を、便宜上、単に「面発光レーザ素子」という。 An oxide confinement type surface emitting laser element has the advantage that the transverse mode optical confinement by the oxide is good and the oscillation mode characteristic is stable. It is difficult to obtain basic transverse mode oscillation. Hereinafter, the oxidized constriction type surface emitting laser element is simply referred to as a “surface emitting laser element” for convenience.
従来、単一基本横モード制御を行う方法として、電流注入領域(電流通過領域)である非酸化領域の面積を小さくし、高次横モードが閉じ込められて発振しないように、言い換えると高次横モードがカットオフされるようにする方法が広く採用されていた。 Conventionally, as a method of performing single basic transverse mode control, the area of the non-oxidized region, which is a current injection region (current passing region), is reduced so that the higher order transverse mode is confined and does not oscillate, in other words, higher order transverse mode A method of making the mode cut off has been widely adopted.
また、単一基本横モード制御を行う別の方法として、酸化物による横モードの光閉じ込めの強さを小さくする方法が提案された。横モードの光閉じ込めの強さが小さいと高次モード発振が抑制される。この場合には、非酸化領域の面積を小さくする必要はないので、熱的特性及び電気的特性はいずれも向上する方向に向かう。そこで、飽和出力が向上し、変調速度も向上することとなる。酸化物による光閉じ込めの強さを低減するため、従来、酸化物の位置を活性層から遠ざけるか、または、酸化物の厚さを薄くしていた。 In addition, as another method for performing the single fundamental transverse mode control, a method for reducing the intensity of light confinement in the transverse mode by the oxide has been proposed. When the light confinement strength in the transverse mode is small, higher-order mode oscillation is suppressed. In this case, since it is not necessary to reduce the area of the non-oxidized region, both the thermal characteristics and the electrical characteristics are improved. Therefore, the saturation output is improved and the modulation speed is also improved. In order to reduce the strength of light confinement by an oxide, conventionally, the position of the oxide has been moved away from the active layer, or the thickness of the oxide has been reduced.
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、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始めている。例えば、非特許文献2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。また、特許文献1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。一般的には、単一基本横モードで高出力動作が可能な面発光レーザ素子を用いることにより、より高速な光書き込みが実現可能である。 Since the surface emitting laser element can extract the laser output in the direction perpendicular to the substrate, it can be easily integrated two-dimensionally at a high density, and its application to a high-speed and high-definition electrophotographic system or the like has begun to be studied. . For example, Non-Patent Document 2 discloses a printer using a 780 nm band VCSEL array (surface emitting laser array). Patent Document 1 discloses a multi-spot image forming apparatus having a multi-spot light source. In general, higher-speed optical writing can be realized by using a surface emitting laser element capable of high output operation in a single basic transverse mode.
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. 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49は、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49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. 49 shows an optical waveform when the surface emitting laser element is driven under a pulse condition of a pulse width of 500 μs and a duty of 50% (pulse period 1 ms). As shown in FIG. 49, when viewed on a relatively long time scale, the light output once shows a peak immediately after rising, and then the light output decreases and becomes stable. This change in light output is due to self-heating of the surface emitting laser element, and is generally called “droop characteristic”.
ところで、発明者らが詳細な検討を行ったところ、図49における光波形の立ち上がり近傍を拡大した図50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 conducted a detailed examination, as shown in FIG. 50 in which the vicinity of the rising edge of the optical waveform in FIG. 49 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50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、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. 50, the light output does not rise even after 10 ns elapses, and substantially rises after about 200 ns elapses, but then gradually increases during the time up to about 1 μs. Such a phenomenon (characteristic) has been newly found by the 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.
面発光レーザ素子で高品質な画質を得るには、立ち上がり時の光応答波形を適切に制御する必要があり、上記「負のドループ特性」を有する面発光レーザ素子では高品質な画像を得るのが難しいことが明らかになった。 In order to obtain a high-quality image with a surface-emitting laser element, it is necessary to appropriately control the optical response waveform at the time of start-up. With a surface-emitting laser element having the above “negative droop characteristics”, a high-quality image can be obtained. It became clear that it was difficult.
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あり、以下の構成を有するものである。 The present invention has been made on the basis of the novel findings obtained by the inventors described above, and has the following configuration.
本発明は、第1の観点からすると、基板に対して垂直方向に光を出力するAlGaAs系の材料から成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、アルミニウム及びヒ素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多層膜反射鏡と;を備え、前記半導体多層膜反射鏡は、前記共振器構造体に対して前記基板側に、横方向に関する光閉じ込めを低減させる光閉じ込め低減部を有し、前記半導体多層膜反射鏡は、低屈折率層と高屈折率層をペアとする複数のペアを有し、前記光閉じ込め低減部は、前記ペアを少なくとも1ペアを有し、該少なくとも1ペアにおける低屈折率層及び高屈折率層の少なくともいずれかの光学厚さは、発振波長λ、1以上の整数nを用いて、(2n+1)λ/4であり、前記被選択酸化層の厚さを少なくとも28nm、前記電流通過領域の直径を4.0μm以上、発振の閾値電流が最小となるときの温度を25℃以下とすることにより、負のドループ特性を抑制し、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、0≧(P1−P2)/P2≧−0.1、の関係が満足される面発光レーザ素子である。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a surface emitting laser element made of an AlGaAs-based material that outputs light in a direction perpendicular to a substrate, the resonator structure including an active layer; An oxide including at least an oxide formed by oxidizing a part of the selective oxidation layer containing aluminum and arsenic surrounds the current passing region, and the injection current and the transverse mode of the oscillation light are simultaneously displayed. A semiconductor multilayer reflector including therein a confinement structure that can be confined; and the semiconductor multilayer reflector reduces light confinement in a lateral direction on the substrate side with respect to the resonator structure. The semiconductor multi-layer film reflecting mirror has a plurality of pairs in which a low refractive index layer and a high refractive index layer are paired, and the light confinement reducing unit has at least one pair of the pair. The The optical thickness of at least one of the low refractive index layer and the high refractive index layer in the at least one pair is (2n + 1) λ / 4 using an oscillation wavelength λ, an integer n of 1 or more, Negative droop characteristics are suppressed by setting the thickness of the selective oxidation layer to at least 28 nm , the diameter of the current passing region to 4.0 μm or more, and the temperature at which the oscillation threshold current is minimized to 25 ° C. or less. When a square wave current pulse having a pulse period of 1 ms and a pulse width of 500 μs is supplied, the optical output P1 at 10 ns after supply and the optical output P2 at 1 μs after supply are used, and 0 ≧ (P1−P2) / The surface emitting laser element satisfies the relationship of P2 ≧ −0.1.
これによれば、「負のドループ特性」を抑制するとともに、単一基本横モード発振において高出力動作が可能となる。 This suppresses the “negative droop characteristic” and enables high output operation in single fundamental transverse mode oscillation.
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、「負のドループ特性」を抑制するとともに、単一基本横モード発振において高出力動作が可能となる。 According to this, since the surface emitting laser elements of the present invention are integrated, it is possible to suppress the “negative droop characteristic” and to perform high output operation in single fundamental transverse mode oscillation.
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.
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.
上記各光走査装置によれば、本発明の面発光レーザ素子あるいは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。 Since each of the above optical scanning devices has the surface emitting laser element of the present invention or the surface emitting laser array of the present invention, as a result, it becomes 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.
以下、本発明の一実施形態を図1〜図41に基づいて説明する。図1には、本発明の一実施形態に係るレーザプリンタ1000の概略構成が示されている。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a schematic configuration of a laser printer 1000 according to an embodiment of the present invention.
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 laser printer 1000 includes an optical scanning device 1010, a photosensitive drum 1030, a charging charger 1031, a developing roller 1032, a transfer charger 1033, a charge eliminating unit 1034, a cleaning unit 1035, a toner cartridge 1036, a paper feeding roller 1037, a paper feeding tray 1038, A registration roller pair 1039, a fixing roller 1041, a paper discharge roller 1042, a paper discharge tray 1043, a communication control device 1050, a printer control device 1060 that comprehensively controls the above-described units, and the like are provided. These are housed in predetermined positions in the printer housing 1044.
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 communication control device 1050 controls bidirectional communication with a host device (for example, a personal computer) via a network or the like.
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1における矢印方向に回転するようになっている。 The photosensitive drum 1030 is a cylindrical member, and a photosensitive layer is formed on the surface thereof. That is, the surface of the photoconductor drum 1030 is a scanned surface. The photosensitive drum 1030 rotates in the direction of the arrow in FIG.
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 charger 1031, the developing roller 1032, the transfer charger 1033, the charge removal unit 1034, and the cleaning unit 1035 are each disposed in the vicinity of the surface of the photosensitive drum 1030. Then, along the rotation direction of the photosensitive drum 1030, the charging charger 1031 → the developing roller 1032 → the transfer charger 1033 → the discharging unit 1034 → the cleaning unit 1035 are arranged in this order.
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 charger 1031 uniformly charges the surface of the photosensitive drum 1030.
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 optical scanning device 1010 irradiates the surface of the photosensitive drum 1030 charged by the charging charger 1031 with a light beam modulated based on image information from the host device. As a result, a latent image corresponding to the image information is formed on the surface of the photosensitive drum 1030. The latent image formed here moves in the direction of the developing roller 1032 as the photosensitive drum 1030 rotates. The configuration of the optical scanning device 1010 will be described later.
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 toner cartridge 1036 stores toner, and the toner is supplied to the developing roller 1032.
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 roller 1032 causes the toner supplied from the toner cartridge 1036 to adhere to the latent image formed on the surface of the photosensitive drum 1030 to visualize the image information. Here, the latent image to which the toner is attached (hereinafter also referred to as “toner image” for the sake of convenience) moves in the direction of the transfer charger 1033 as the photosensitive drum 1030 rotates.
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。 Recording paper 1040 is stored in the paper feed tray 1038. A paper feed roller 1037 is disposed in the vicinity of the paper feed tray 1038, and the paper feed roller 1037 takes out the recording paper 1040 one by one from the paper feed tray 1038 and conveys it to the registration roller pair 1039. The registration roller pair 1039 temporarily holds the recording paper 1040 taken out by the paper supply roller 1037, and in the gap between the photosensitive drum 1030 and the transfer charger 1033 according to the rotation of the photosensitive drum 1030. Send it out.
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 transfer charger 1033 in order to electrically attract the toner on the surface of the photosensitive drum 1030 to the recording paper 1040. With this voltage, the toner image on the surface of the photosensitive drum 1030 is transferred to the recording paper 1040. The recording sheet 1040 transferred here is sent to the fixing roller 1041.
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 roller 1041, heat and pressure are applied to the recording paper 1040, whereby the toner is fixed on the recording paper 1040. The recording paper 1040 fixed here is sent to the paper discharge tray 1043 via the paper discharge roller 1042 and is sequentially stacked on the paper discharge tray 1043.
除電ユニット1034は、感光体ドラム1030の表面を除電する。 The neutralization unit 1034 neutralizes the surface of the photosensitive drum 1030.
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 cleaning unit 1035 removes the toner remaining on the surface of the photosensitive drum 1030 (residual toner). The surface of the photosensitive drum 1030 from which the residual toner has been removed returns to the position facing the charging charger 1031 again.
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 optical scanning device 1010 will be described.
この光走査装置1010は、一例として図2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. 2 as an example, the optical scanning device 1010 includes a deflector-side scanning lens 11a, an image plane-side scanning lens 11b, a polygon mirror 13, a light source 14, a coupling lens 15, an aperture plate 16, an anamorphic. A lens 17, a reflection mirror 18, a scanning control device (not shown), and the like are provided. These are assembled at predetermined positions in the housing 30.
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”.
カップリングレンズ15は、光源14から出力された光束を略平行光とする。 The coupling lens 15 converts the light beam output from the light source 14 into substantially parallel light.
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 aperture plate 16 has an aperture and defines the beam diameter of the light beam through the coupling lens 15.
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 aperture plate 16 in the sub-scanning corresponding direction in the vicinity of the deflection reflection surface of the polygon mirror 13 via the reflection mirror 18.
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 light source 14 and the polygon mirror 13 is also called a pre-deflector optical system. In the present embodiment, the pre-deflector optical system includes a coupling lens 15, an aperture plate 16, an anamorphic lens 17, and a reflection mirror 18.
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 reflection mirror 18 while rotating at a constant speed around an axis parallel to the sub-scanning corresponding direction.
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-side scanning lens 11 a is disposed on the optical path of the light beam deflected by the polygon mirror 13.
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 side scanning lens 11b is disposed on the optical path of the light beam via the deflector side scanning lens 11a. Then, the light beam that has passed through the image plane side scanning lens 11b is irradiated onto the surface of the photosensitive drum 1030, and a light spot is formed. This light spot moves in the longitudinal direction of the photosensitive drum 1030 as the polygon mirror 13 rotates. That is, the photoconductor drum 1030 is scanned. The moving direction of the light spot at this time is the “main scanning direction”. The rotation direction of the photosensitive drum 1030 is the “sub-scanning direction”.
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つの折り返し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 photosensitive drum 1030 is also called a scanning optical system. In the present embodiment, the scanning optical system includes a deflector side scanning lens 11a and an image plane side scanning lens 11b. Note that at least one folding mirror is disposed on at least one of the optical path between the deflector side scanning lens 11a and the image plane side scanning lens 11b and the optical path between the image plane side scanning lens 11b and the photosensitive drum 1030. May be.
光源14は、一例として図3に示されるように、面発光レーザ素子100を有している。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。 As an example, the light source 14 includes a surface emitting laser element 100 as illustrated in FIG. 3. In this specification, the laser oscillation direction is defined as the Z-axis direction, and two directions orthogonal to each other in a plane perpendicular to the Z-axis direction are described as the X-axis direction and the Y-axis direction.
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、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などを有している。 The surface emitting laser element 100 is a surface emitting laser element having a design oscillation wavelength of 780 nm band, and 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, and an upper semiconductor. A DBR 107, a contact layer 109, and the like are included.
基板101は、表面が鏡面研磨面であり、図4(A)に示されるように、鏡面研磨面の法線方向が、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4(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。 The surface of the substrate 101 is a mirror-polished surface, and as shown in FIG. 4A, the normal direction of the mirror-polished surface is crystal orientation [1 1 1] with respect to the crystal orientation [1 0 0] direction. ] An n-GaAs single crystal substrate inclined by 15 degrees (θ = 15 degrees) in the A direction. That is, the substrate 101 is a so-called inclined substrate. Here, as shown in FIG. 4B, the crystal orientation [0 1 -1] direction is the + X direction and the crystal orientation [0 -1 1] direction is the -X direction.
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。 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、一例として図5に示されるように、第1の下部半導体DBR1031と、第2の下部半導体DBR1032と、第3の下部半導体DBR1033とを有している。 As shown in FIG. 5 as an example, the lower semiconductor DBR 103 includes a first lower semiconductor DBR 1031, a second lower semiconductor DBR 1032, and a third lower semiconductor DBR 1033.
第1の下部半導体DBR1031は、バッファ層102の+Z側に積層され、n−AlAsからなる低屈折率層103aと、n−Al0.3Ga0.7Asからなる高屈折率層103bのペアを36.5ペア有している。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組成傾斜層(図示省略)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、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 first lower semiconductor DBR 1031 is stacked on the + Z side of the buffer layer 102, and is a pair of a low refractive index layer 103a made of n-AlAs and a high refractive index layer 103b made of n-Al 0.3 Ga 0.7 As. 36.5 pairs. Between each refractive index layer, in order to reduce electrical resistance, a composition gradient layer (not shown) in which the composition is gradually changed from one composition to the other composition is provided. 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. By the way, 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).
第2の下部半導体DBR1032は、第1の下部半導体DBR1031の+Z側に積層され、低屈折率層103aと高屈折率層103bのペアを3ペア有している。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組成傾斜層(図示省略)が設けられている。そして、低屈折率層103aは、隣接する組成傾斜層の1/2を含んで、3λ/4の光学厚さとなるように設定され、高屈折率層103bは、隣接する組成傾斜層の1/2を含んで、λ/4の光学厚さとなるように設定されている。この第2の下部半導体DBR1032が、「光閉じ込め低減領域」となる。 The second lower semiconductor DBR 1032 is stacked on the + Z side of the first lower semiconductor DBR 1031 and has three pairs of the low refractive index layer 103a and the high refractive index layer 103b. Between each refractive index layer, in order to reduce electrical resistance, a composition gradient layer (not shown) in which the composition is gradually changed from one composition to the other composition is provided. The low refractive index layer 103a is set to have an optical thickness of 3λ / 4 including 1/2 of the adjacent composition gradient layer, and the high refractive index layer 103b is 1 / of the adjacent composition gradient layer. 2 so that the optical thickness is λ / 4. The second lower semiconductor DBR 1032 becomes an “optical confinement reduction region”.
第3の下部半導体DBR1033は、第2の下部半導体DBR1032の+Z側に積層され、低屈折率層103aと高屈折率層103bのペアを1ペア有している。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組成傾斜層(図示省略)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の光学厚さとなるように設定されている。 The third lower semiconductor DBR 1033 is stacked on the + Z side of the second lower semiconductor DBR 1032 and has one pair of a low refractive index layer 103a and a high refractive index layer 103b. Between each refractive index layer, in order to reduce electrical resistance, a composition gradient layer (not shown) in which the composition is gradually changed from one composition to the other composition is provided. Each refractive index layer is set to have an optical thickness of λ / 4 including 1/2 of the adjacent composition gradient layer.
このように、本実施形態では、下部半導体DBR103は、低屈折率層103aと高屈折率層103bのペアを合計で40.5ペア有している。 Thus, in the present embodiment, the lower semiconductor DBR 103 has 40.5 pairs in total of the low refractive index layer 103a and the high refractive index layer 103b.
下部スペーサ層104は、第3の下部半導体DBR1033の+Z側に積層され、ノンドープの(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5Pからなる層である。 The lower spacer layer 104 is laminated on the + Z side of the third lower semiconductor DBR 1033 and is a layer made of non-doped (Al 0.1 Ga 0.9 ) 0.5 In 0.5 P.
活性層105は、下部スペーサ層104の+Z側に積層され、一例として図6に示されるように、GaInAsPからなる量子井戸層105aとGaInPからなる障壁層105bとを有する3重量子井戸活性層である。量子井戸層105a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、障壁層105b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105aの歪み補償構造を形成している。 The active layer 105 is laminated on the + Z side of the lower spacer layer 104, and as an example, as shown in FIG. 6, is a triplet well active layer having a quantum well layer 105a made of GaInAsP and a barrier layer 105b made of GaInP. is there. The quantum well layer 105a 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. In addition, the barrier layer 105b increases the band gap by introducing tensile strain, realizes high carrier confinement, and forms the strain compensation structure of the quantum well layer 105a.
ここでは、基板101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 substrate 101, anisotropy is introduced into the gain in the active layer, and the polarization direction can be aligned in a specific direction (polarization control).
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(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5Pからなる層である。 The upper spacer layer 106 is laminated on the active layer 105 on the + Z side, and is a layer made of non-doped (Al 0.1 Ga 0.9 ) 0.5 In 0.5 P.
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。活性層105のPL波長は、共振器構造体の共振波長780nmに対し、8nmだけ短波長となる772nmに設定されており、17℃において閾値電流が最小になる。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 lower spacer layer 104, the active layer 105, and the upper spacer layer 106 is also called a resonator structure, and the thickness thereof is set to be an optical thickness of one wavelength. The PL wavelength of the active layer 105 is set to 772 nm, which is 8 nm shorter than the resonance wavelength of 780 nm of the resonator structure, and the threshold current is minimized at 17 ° C. 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. This resonator structure is sandwiched between the lower semiconductor DBR 103 and the upper semiconductor DBR 107.
上部半導体DBR107は、第1の上部半導体DBR1071及び第2の上部半導体DBR1072を有している。 The upper semiconductor DBR 107 includes a first upper semiconductor DBR 1071 and a second upper semiconductor DBR 1072.
第1の上部半導体DBR1071は、上部スペーサ層106の+Z側に積層され、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を1ペア有している。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の光学厚さとなるように設定されている。 The first upper semiconductor DBR 1071 is stacked on the + Z side of the upper spacer layer 106, and includes a low refractive index layer made of p- (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P and p- (Al One pair of high refractive index layers made of 0.1 Ga 0.9 ) 0.5 In 0.5 P is provided. Between each refractive index layer, in order to reduce electrical resistance, a composition gradient layer is provided in which the composition is gradually changed from one composition to the other composition. Each refractive index layer is set to have an optical thickness of λ / 4 including 1/2 of the adjacent composition gradient layer.
この第1の上部半導体DBR1071は、AlGaAs層よりも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 upper semiconductor DBR 1071 has a larger band gap energy than the AlGaAs layer and functions as a block layer for electrons injected into the active region.
また、基板101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DBR1071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。 In addition, since an inclined substrate is used for the substrate 101, generation of hill-like defects (hillocks) of the AlGaInP material can be suppressed, crystallinity can be improved, and generation of natural superlattices can be suppressed, and a band gap can be suppressed. Energy reduction can be prevented. Therefore, the first upper semiconductor DBR 1071 can keep a large band gap energy and functions well as an electron blocking layer.
第2の上部半導体DBR1072は、第1の上部半導体DBR1071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23ペア有している。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の光学厚さとなるように設定されている。 The second upper semiconductor DBR 1072 is stacked on the + Z side of the first upper semiconductor DBR 1071, and has a low refractive index layer made of p-Al 0.9 Ga 0.1 As and p-Al 0.3 Ga 0.7 As. 23 pairs of high refractive index layers made of Between each refractive index layer, in order to reduce electrical resistance, a composition gradient layer is provided in which the composition is gradually changed from one composition to the other composition. Each refractive index layer is set to have an optical thickness of λ / 4 including 1/2 of the adjacent composition gradient layer.
第2の上部半導体DBR1072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が厚さ30nmで挿入されている。この被選択酸化層の挿入位置は、上部スペーサ層106から3ペア目の低屈折率層中であって、電界の定在波分布における節に対応する位置である。 In one of the low refractive index layers in the second upper semiconductor DBR 1072, a selective oxidation layer made of p-AlAs is inserted with a thickness of 30 nm. The insertion position of the selective oxidation layer is in the third pair of low refractive index layers from the upper spacer layer 106 and corresponds to the node in the standing wave distribution of the electric field.
コンタクト層109は、第2の上部半導体DBR1072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 second upper semiconductor DBR 1072 and is a layer made of p-GaAs.
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。 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.
また、以下で示される屈折率層の光学厚さは、隣接する組成傾斜層の1/2を含んでいるものとする。 Moreover, the optical thickness of the refractive index layer shown below shall include 1/2 of an adjacent composition gradient layer.
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 laser element 100 will be briefly described.
(1)上記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。 (1) The laminate is formed by crystal growth by metal organic vapor phase epitaxy (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE).
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.
(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) A square resist pattern having a side of 25 μm is formed on the surface of the laminate.
(3)Cl2ガスを用いるECRエッチング法で、上記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。 (3) A quadrangular columnar mesa is formed by ECR etching using Cl2 gas, using the resist pattern as a photomask. Here, the bottom surface of the etching is positioned in the lower semiconductor DBR 103.
(4)フォトマスクを除去する。 (4) The photomask is removed.
(5)積層体を水蒸気中で熱処理する。ここでは、被選択酸化層中のAlがメサの外周部から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(図3参照)。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、いわゆ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、種々の予備実験の結果から、電流通過領域の一辺が略4μmとなるように、熱処理の条件(保持温度、保持時間等)を適切に選択している。具体的には、保持温度は360℃、保持時間は30分とした。 (5) The laminated body is heat-treated in water vapor. Here, Al in the selective oxidation layer 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 (see FIG. 3). As a result, a so-called oxidized constriction structure is formed in which the drive current path of the light emitting part is limited to only the central part of the mesa. The non-oxidized region 108b is a current passage region (current injection region). Here, from the results of various preliminary experiments, the heat treatment conditions (holding temperature, holding time, etc.) are appropriately selected so that one side of the current passage region is approximately 4 μm. Specifically, the holding temperature was 360 ° C. and the holding time was 30 minutes.
(6)気相化学堆積法(CVD法)を用いて、SiNあるいはSiO2からなる保護層111を形成する。 (6) The protective layer 111 made of SiN or SiO 2 is formed using a vapor phase chemical deposition method (CVD method).
(7)ポリイミド112で平坦化する。 (7) Flatten with polyimide 112.
(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。 (8) Open the window of the P-side electrode contact on the top of the 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 polyimide 112 and the protective layer 111 are etched and opened with BHF.
(9)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。 (9) A square resist pattern having a side of 10 μm is formed in a region to be a light emitting portion on the top 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.
(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。 (10) Lift off the electrode material of the light emitting portion to form the p-side electrode 113.
(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。 (11) After polishing the back side of the substrate 101 to a predetermined thickness (for example, about 100 μm), the n-side electrode 114 is formed. Here, the n-side electrode 114 is a multilayer film made of AuGe / Ni / Au.
(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。 (12) Ohmic conduction is established between the p-side electrode 113 and the n-side electrode 114 by annealing. Thereby, the mesa becomes a light emitting part.
(13)チップ毎に切断する。 (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、目標の光出力を1.4mWとし、パルス周期が1ms、パルス幅が500μs(デューティ50%)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=−0.06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、本実施形態に係る面発光レーザ素子100では、ドループ率は、−6%である。ところで、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。 When a square wave current pulse having a target light output of 1.4 mW, a pulse period of 1 ms, and a pulse width of 500 μs (duty 50%) is supplied to the surface emitting laser element 100 manufactured in this manner, Assuming that the optical output at 10 ns is P1, and the optical output at 1 μs after supply is P2, (P1−P2) /P2=−0.06. Hereinafter, the value (unit:%) of (P1−P2) / P2 × 100 is also referred to as “droop rate”. Therefore, in the surface emitting laser element 100 according to the present embodiment, the droop rate is −6%. By the way, when a surface emitting laser element having a droop rate smaller than −10% is used, an image output from a laser printer is frequently blurred at least partially when observed with the naked eye.
また、面発光レーザ素子100は、2mW以上の単一基本横モード出力を得ることができた。 Further, the surface emitting laser element 100 was able to obtain a single fundamental transverse mode output of 2 mW or more.
さらに、面発光レーザ素子100は、閾値電流特性、外部微分量子効率(スロープ効率)は、従来の面発光レーザ素子とほとんど同じであった。 Furthermore, the surface emitting laser element 100 has almost the same threshold current characteristics and external differential quantum efficiency (slope efficiency) as the conventional surface emitting laser element.
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7は、パルス周期1ms、デューティ50%のときの光波形であり、図8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. 7 shows an optical waveform when the pulse period is 1 ms and the duty is 50%, and FIG. 8 shows an optical waveform when the pulse period is 100 ns and the duty is 50%.
図7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、光出力が目標値(1.5mW)に達していない。一方、図8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」は現れていない。 Looking at the optical waveform of FIG. 7, after rising, the optical output gradually increases, and a “negative droop characteristic” appears. Further, even after 60 ns, the light output does not reach the target value (1.5 mW). On the other hand, in the optical waveform of FIG. 8, the output after the rise is stable, and the “negative droop characteristic” does not appear.
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、すなわち、同じ発熱量であっても、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。 In this way, when a square wave current pulse is supplied to a conventional surface emitting laser element, even if it has the same duty, that is, the same calorific value, a “negative droop characteristic” when the pulse period is long. It was found that the “negative droop characteristic” was not observed in the short case.
パルス周期が異なると、面発光レーザ素子の内部温度の状況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。 If the pulse period is different, the state of 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.
酸化狭窄構造体における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9参照)。 Since the refractive index of the oxide layer in the oxide confinement structure is about 1.6, which is smaller than the refractive index of the peripheral semiconductor layer (about 3), so-called built-in effective laterally inside the surface emitting laser element. There is a refractive index difference Δneff (see FIG. 9).
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、△neffの大きさによって決まり、△neffが大きい程、横方向の広がりは小さい(図10(A)及び図10(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. 10A and 10B).
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、特にメサ中央部の活性層付近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、メサ中央部の温度が局所的に上昇すると、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 a current (driving current) is injected into this surface emitting laser element, the current concentrates in the center of the mesa. 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 at the center of the mesa rises locally, the refractive index of the center increases with respect to the peripheral region, and lateral light confinement becomes stronger.
図10(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、メサ中央部の温度が局所的に上昇すると、図11(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が強くなる。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、閾値電流が低くなる。 As shown in FIG. 10A, when the built-in effective refractive index difference Δneff is small and the temperature at the center of the mesa rises locally, the effective refractive index difference as shown in FIG. The change in 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 transverse mode increases, and the optical confinement in the lateral direction becomes stronger. As a result, the light intensity in the gain region increases, the stimulated emission rate increases, and the threshold current 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12参照)。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13参照)。図12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、パルス状に駆動電流が供給されて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。駆動電流の値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13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 Shifting to the low current side improves the light emission efficiency (see FIG. 12). In this case, the optical output at the same drive current value increases with time, and a “negative droop characteristic” is observed (see FIG. 13). FIG. 12 shows an IL characteristic that is predicted at time t = t0 seconds before the internal temperature rises, and is predicted at time t = t1 seconds when the drive current is supplied in pulses and the internal temperature sufficiently rises. IL characteristics are shown. As the temperature rises, the light emission efficiency is improved and the threshold current is reduced. Therefore, the IL characteristic at t1 seconds is shifted to the low current side with respect to t0 seconds. Since the value Iop of the driving current is constant, the light output becomes larger in the case of t1 seconds. The optical waveform in this case is shown in FIG.
一方、図10(B)に示されるように、作り付けの有効屈折率差Δneffが大きい場合には、メサ中央部の温度が局所的に上昇しても、図11(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. 10B, when the built-in effective refractive index difference Δneff is large, even if the temperature at the center 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。なお、ここでは、「面発光レーザ素子の中心を通るXY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領域中における電界の積分強度」の割合から光閉じ込め係数を求めることができる。この光閉じ込め係数の値が大きいほど、電界強度分布が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閉じ込めがなされており、利得領域の局所的な温度変化に対して横モード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). Here, the optical confinement factor can be obtained from the ratio of “the integrated strength of the electric field in the same radius region as the current passage region” to “the integrated strength of the electric field in the XY section passing through the center of the surface emitting laser element”. 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 optical confinement coefficient at room temperature, the more confined by the oxide confinement structure, which means that the transverse mode distribution is more stable against local temperature changes in the gain region. ing.
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、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 in the 780 nm band 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、定在波分布に関して活性層から数えて3番目の節に対応する位置としている。 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 standing wave distribution is counted from the active layer. The position corresponds to the third section.
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14に示した値を用いた。なお、以下では、便宜上、酸化狭窄構造体の酸化層を、単に「酸化層」ともいい、電流通過領域の直径を「酸化狭窄径」ともいう。 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. Moreover, the value shown in FIG. 14 was used for the refractive index of each material. Hereinafter, for convenience, the oxide layer of the oxidized constriction structure is also simply referred to as an “oxide layer”, and the diameter of the current passage region is also referred to as an “oxidized constriction diameter”.
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)式を用いて光閉じ込め係数Γlを算出した。ここで、aは電流通過領域の半径に相当する。 Based on the fundamental transverse mode distribution calculated as described above, the optical confinement coefficient Γl was calculated using the following equation (3). 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15に示されている。これによると、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. 15 shows the result of calculating the optical confinement factor of the fundamental transverse mode at room temperature in the above-described surface emitting laser element of the 780 nm band with respect to the thicknesses of various selective oxidation layers and oxidation confinement diameters. According to this, 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 thickness of the selective oxidation layer increases and the oxidized constriction diameter increases.
図16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15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以上では飽和傾向を示すことが分かる。 FIG. 16 shows the calculation result of FIG. 15 with the optical confinement factor as the vertical axis and the thickness of the selectively oxidized 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. Then, it turns out that it shows 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17に示されている。図17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。図15と図17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わかる。 FIG. 17 shows the results of actually producing a plurality of surface emitting laser elements having different thicknesses of selective oxidation layers and oxidation constriction diameters and evaluating their droop characteristics. In FIG. 17, a droop rate of −10% or more is represented as “◯”, and a droop rate smaller than −10% is represented as “x”. 15 and 17, it can be seen that a droop rate of −10% or more is obtained in an element structure in which the optical confinement coefficient of the fundamental transverse mode at room temperature is 0.9 or more.
図18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. 18 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19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. 19 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、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。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。 As described above, various surface emitting laser elements having different optical confinement factors were manufactured and examined in detail. When the optical confinement factor was about 0.9, the droop rate was about -5%. . Increasing the optical confinement factor further increased the droop rate with the increase. 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. .
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.
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。但し、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。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。 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. However, when these two influences are compared, the influence degree of the thickness of the selective oxidation layer is much larger. Therefore, the intensity of lateral light confinement at room temperature is mainly determined by the thickness of the selectively oxidized layer.
また、一般的に良く用いられる酸化狭窄径は、4.0μm以上であり、図15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。 In addition, the oxidation confinement diameter that is generally used is 4.0 μm or more. As shown in FIG. 15, when the thickness of the selective oxidation layer is 25 nm or more, the optical confinement coefficient is 0.9 or more. Can be secured.
四角柱状のメサを有し、酸化狭窄径が4μm以上である面発光レーザ素子において、被選択酸化層108の厚さとドループ率との関係が、図20に示されている。図20におけるドループ率は、パルス周期1ms、デューティ50%の方形波電流パルスで駆動したときの光波形から求めた。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。 FIG. 20 shows the relationship between the thickness of the selective oxidation layer 108 and the droop rate in a surface emitting laser element having a square columnar mesa and an oxidation confinement diameter of 4 μm or more. The droop rate in FIG. 20 was obtained from an optical waveform when driven by a square wave current pulse with a pulse period of 1 ms and a duty of 50%. 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.
また、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。 In addition, since the optical confinement factor of the fundamental transverse mode is determined mainly depending on the oxidation confinement diameter and the thickness of the selective oxidation layer, how can the combination of the oxidation confinement diameter and the thickness of the selective oxidation layer be determined? It is important to choose.
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15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15の具体的な値を代入することにより、概ね1%の誤差で図15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. 15 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. 15, the optical confinement factor of the fundamental transverse mode of FIG. 15 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)
「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。 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 oxidized confinement diameter (d) at which the optical confinement factor is 0.9 or more. And the combination (range) of the thickness (t) of the selectively oxidized 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.
△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、以上のように、本願の発明者らにより今回初めて明らかになった。 It has not been known so far that Δneff affects the droop characteristics, and as described above, this has been revealed for the first time by the inventors of the present application.
なお、Alを選択酸化する工程(上記工程(5))では、酸化は基板面に対して平行方向(ここでは、XY面内方向)のみではなく、垂直方向(ここでは、Z軸方向)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(酸化開始部)における厚さが厚く、酸化終了部が薄くなっている。但し、酸化終了部からメサの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。発振光は主に酸化終了部における有効屈折率差の影響を受けるので、上記工程(1)において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、酸化層における酸化終了部の厚さを所望の値にすることができる。 In the step of selectively oxidizing Al (the above step (5)), the oxidation is performed not only in the direction parallel to the substrate surface (here, in the XY plane direction) but also in the vertical direction (here, the Z-axis direction). However, it progresses slightly. 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 (oxidation start portion) is thick, and the oxidation end portion is thin. . However, in the region from the oxidation end portion to the outer peripheral direction of the mesa with a thickness of 2 to 3 μm, the thickness of the oxide layer substantially matches the thickness of the selective oxidation layer. Since the oscillation light is mainly affected by the effective refractive index difference at the oxidation end portion, the thickness of the selective oxidation layer is controlled to a desired value (25 nm or more) in the step (1), thereby oxidizing the oxidation layer. The thickness of the end portion can be set to a desired value.
ところで、光閉じ込め係数の他に、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。 Incidentally, in addition to the optical confinement factor, the detuning amount also changes when the internal temperature of the surface emitting laser element 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 subscript 0 means a value when CW (Continuous Wave Oscillation) driving is performed with a threshold current at room temperature. Hereinafter, when there is no subscript 0, in other cases, for example, a value when operating at a threshold current or more is meant.
Δλ0=λr0−λg0 ……(6) Δλ 0 = λr 0 −λg 0 (6)
図21には、Δλ0>0の場合が示され、図22には、Δλ0<0の場合が示されている。 FIG. 21 shows the case of Δλ 0 > 0, and FIG. 22 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. 21), 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22参照)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. 22), as the internal temperature (the temperature of the active layer) increases, the absolute value of Δλ only increases, so the threshold temperature is increased by increasing the element temperature from room temperature. When measured, the threshold current only increases with increasing device temperature.
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23に示されている。図23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23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. 23. The vertical axis in FIG. 23 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. 23 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 adopted, 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 manufactured, 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. In general, the oscillation wavelength of the edge emitting laser element is about 10 nm longer than the PL wavelength λPL. 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 = λr 0 −λg 0 = λr 0 − (λPL + 10) = λr 0 −λPL− 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24に示されている。この図24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わかる。 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. 24, 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、光パルスの出力を変えて各面発光レーザ素子を駆動し、閾値電流が最小となる温度とドループ率を求めた。図25及び図26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, 34 nm) are manufactured, and each surface-emitting laser element is driven by changing the output of the light pulse, so that the threshold current is minimized. The temperature and droop rate were calculated. 25 and 26 show the relationship between the droop rate and the temperature at which the threshold current is minimized for each thickness of the selective oxidation layer.
ここで、図25は、光出力が1.4mWとなる電流パルスで面発光レーザ素子を駆動した場合のドループ率を示したものである。また、図26は、図25に示したのと同じ面発光レーザ素子を、光出力が0.3mWとなる電流パルスで駆動を行った場合のドループ率を示したものである。 Here, FIG. 25 shows the droop rate when the surface emitting laser element is driven by a current pulse with an optical output of 1.4 mW. FIG. 26 shows the droop rate when the same surface emitting laser element as shown in FIG. 25 is driven by a current pulse with an optical output of 0.3 mW.
先ず、図25と図26を比べると、光出力によってドループ率が異なっていることがわかる。光出力が小さい(0.3mW)ほうがドループ率が小さく、「負のドループ特性」が顕著に現れている。 First, comparing FIG. 25 with FIG. 26, it can be seen that the droop rate differs depending on the light output. The smaller the optical output (0.3 mW), the smaller the droop rate, and the “negative droop characteristic” appears remarkably.
光出力が大きい場合は、注入電流量が大きく素子の発熱量も増えており、通電の初期から熱による出力飽和の影響が顕著に現れていると考えられる。つまり、通常のドループ特性が、比較的早い時間スケールで現れているものと考えられる。「負のドループ特性」とは、通電の初期から1μSまでの時間スケールにおいて、光パルスの出力が次第に増加する現象であるから、通電の初期において熱による出力飽和の影響が現れ始めたことによって、「負のドループ特性」が改善されたものと考えられる。 When the optical output is large, the amount of injected current is large and the amount of heat generated by the element is also increased, and it is considered that the influence of output saturation due to heat appears remarkably from the beginning of energization. That is, it is considered that normal droop characteristics appear on a relatively fast time scale. The “negative droop characteristic” is a phenomenon in which the output of the light pulse gradually increases on the time scale from the initial stage of energization to 1 μS. It is thought that “negative droop characteristics” have been improved.
以上のように、同じ素子であっても、素子の光出力を変えることにより、ドループ率は異なった値をとり、光出力が低いほど「負のドループ特性」が顕著に現れる。 As described above, even in the same element, the droop rate takes different values by changing the light output of the element, and the “negative droop characteristic” appears more noticeably as the light output is lower.
ところで、プリンタシステムで画像の濃淡を表現するために、光パルスの強度を変調する方法が取られている。従って、高精細な画像を実現するには、低出力から高出力までの広い出力範囲において、「負のドループ特性」が抑制されていることが大変重要になる。そして、上述のように低出力になるほど「負のドループ特性」が顕著に現れるので、低出力時における「負のドループ特性」を抑制することが非常に重要である。これは、発明者らが、素子の駆動条件を変えて、詳細にドループ特性について検討を行ったことにより、新たに見出された課題である。 By the way, a method of modulating the intensity of an optical pulse is taken in order to express the density of an image in a printer system. Therefore, in order to realize a high-definition image, it is very important that the “negative droop characteristic” is suppressed in a wide output range from low output to high output. As described above, the “negative droop characteristic” becomes more noticeable as the output becomes lower. Therefore, it is very important to suppress the “negative droop characteristic” at the time of low output. This is a problem that has been newly found by the inventors having studied the droop characteristics in detail by changing the driving conditions of the element.
次に、図25と図26において、閾値電流が最小となる温度が25℃以下の素子について、ドループ率と被選択酸化層の厚さの関係について考える。被選択酸化層の厚さが30nmと31nmの結果は、ばらつきの範囲で重なっているが、34nmの結果と比べると被選択酸化層の厚さが厚いほどドループ率が大きく(0に近く)、「負のドループ特性」が抑制されていることがわかる。なお、図25及び図26における破線Aは、閾値電流が最小となる温度が25℃以下で被選択酸化層の厚さが34nmのときのドループ率の平均を示し、破線Bは、閾値電流が最小となる温度が25℃以下で被選択酸化層の厚さが30nm及び31nmのときのドループ率の平均を示している。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. 25 and FIG. 26, the relationship between the droop rate and the thickness of the selective oxidation layer is considered for an element having a temperature at which the threshold current is minimized at 25 ° C. or less. The results of the thickness of the selective oxidation layer of 30 nm and 31 nm overlap in the range of variation, but the droop rate is larger (close to 0) as the thickness of the selective oxidation layer is thicker than the result of 34 nm. It can be seen that the “negative droop characteristic” is suppressed. The broken line A in FIGS. 25 and 26 indicates the average droop rate when the temperature at which the threshold current is minimum is 25 ° C. or less and the thickness of the selective oxidation layer is 34 nm, and the broken line B indicates the threshold current. The average droop rate when the minimum temperature is 25 ° C. or less and the thickness of the selectively oxidized layer is 30 nm and 31 nm is shown. 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.
前述のように「負のドループ特性」が画像の品質に影響を及ぼし始めるドループ率の目安は−10%である。これよりもドループ率が小さくなると、高い頻度で画像の一部が不鮮明になる不具合がある。図25に示されるように、光出力が1.4mWの場合では、多少のばらつきはあるものの、被選択酸化層の厚さが34nmの素子における平均のドループ率は−3%程度であり、被選択酸化層の厚さが30nm及び31nmの素子における平均のドループ率は−5%程度であるので、これらの変化率からすると被選択酸化層の厚さが25nm以上であれば、−10%以上のドループ率を得ることができる。 As described above, the standard of the droop rate at which the “negative droop characteristic” starts to affect the image quality is −10%. If the droop rate is smaller than this, there is a problem that a part of the image becomes unclear at a high frequency. As shown in FIG. 25, when the optical output is 1.4 mW, although there is some variation, the average droop rate in the element having the thickness of the selective oxidation layer of 34 nm is about −3%. Since the average droop rate in the elements having the selective oxide layer thickness of 30 nm and 31 nm is about −5%, from these change rates, if the thickness of the selective oxidation layer is 25 nm or more, −10% or more The droop rate can be obtained.
また、図26に示されるように、光出力が0.3mWの場合では、多少のばらつきはあるものの、被選択酸化層の厚さが34nmの素子における平均のドループ率は−5%程度であり、被選択酸化層の厚さが30nm及び31nmの素子における平均のドループ率は−7%程度であるので、これらの変化率からすると被選択酸化層の厚さが25nm以上であれば、概ね−10%以上のドループ率を得ることができる。 In addition, as shown in FIG. 26, when the optical output is 0.3 mW, although there is some variation, the average droop rate in the element having the thickness of the selective oxidation layer of 34 nm is about −5%. Since the average droop rate in the elements having the thickness of the selective oxidation layer of 30 nm and 31 nm is about −7%, from these change rates, if the thickness of the selective oxidation layer is 25 nm or more, the − A droop rate of 10% or more can be obtained.
このように、被選択酸化層の厚さが25nm以上で、発振の閾値電流が最小となる温度が25℃以下の素子においては、低出力から高出力までの広い出力範囲において、概ね−10%以上のドループ率を有する素子を得ることが可能である。 As described above, in an element in which the thickness of the selective oxidation layer is 25 nm or more and the temperature at which the oscillation threshold current is minimum is 25 ° C. or less, in the wide output range from low output to high output, it is approximately −10%. It is possible to obtain an element having the above droop rate.
発振の閾値電流が最小となる温度が室温(25℃)より高温側にある面発光レーザ素子は、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ため、既に説明したように「負のドループ特性」が現れる。そして、図26に示されるように、光出力が0.3mWとなるパルス電流で駆動した場合においてその傾向が顕著である。 A surface-emitting laser element in which the temperature at which the oscillation threshold current is minimum is higher than room temperature (25 ° C.) is an element whose oscillation efficiency is improved when the temperature of the active layer is increased by current injection. As shown, the “negative droop characteristic” appears. As shown in FIG. 26, the tendency is remarkable in the case of driving with a pulse current with an optical output of 0.3 mW.
光閉じ込め係数及び閾値電流が最小となる温度(ディチューニング量)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。そして、被選択酸化層の厚さをある程度厚く設定した素子であっても、閾値電流が最小となる温度が高温に設定されるほど、「負のドループ特性」が発生し易くなることは基本的に不可避である。 In common with the temperature (detuning amount) at which the optical confinement factor and the threshold current are minimized, in order to suppress “negative droop characteristics”, when the temperature of the active layer rises, That is, it is important to set the surface emitting laser element so that the efficiency (light emitting efficiency) is not improved. Even in an element in which the thickness of the selective oxidation layer is set to be somewhat thick, it is fundamental that “negative droop characteristics” are more likely to occur as the temperature at which the threshold current is minimized is set higher. Inevitable.
図26に示されるように、閾値電流が最小となる温度が25℃以上の素子を、光出力が0.3mWとなる電流パルスで駆動すると、「負のドループ特性」が顕著に現れ始める。しかしながら、閾値電流が最小となる温度が35℃以下で、被選択酸化層の厚さが30nm以上の素子であれば、平均値で見ると−10%以上のドループ率が得られている。 As shown in FIG. 26, when an element having a minimum threshold current temperature of 25 ° C. or more is driven with a current pulse with an optical output of 0.3 mW, “negative droop characteristics” begin to appear prominently. However, if the temperature at which the threshold current is minimum is 35 ° C. or less and the thickness of the selective oxidation layer is 30 nm or more, a droop rate of −10% or more is obtained in terms of the average value.
また、図25に示されるように、光出力が1.4mWとなる電流パルスで駆動すると、図25に示した閾値電流が最小となる温度の範囲内において、いずれの被選択酸化層の厚さ(30nm、31nm、34nm)においても、−10%以上のドループ率が得られている。 Further, as shown in FIG. 25, when driven by a current pulse with an optical output of 1.4 mW, the thickness of any selectively oxidized layer within the temperature range where the threshold current shown in FIG. 25 is minimized. Even at (30 nm, 31 nm, 34 nm), a droop rate of −10% or more is obtained.
つまり、これらを合わせて考えると、被選択酸化層の厚さが30nm以上であれば、閾値電流が最小となる温度が35℃以下の素子は、広い出力範囲で−10%以上のドループ率を得ることが可能である。そして、これらの面発光レーザ素子をプリンタの書き込み光源に用いることにより、濃度むらのない高精細な画像を得ることができる。なお、図24を参照すると、閾値電流が最小になる温度が35℃の素子の、室温におけるディチューニング量は約4nmである。 In other words, when these are considered together, if the thickness of the selective oxidation layer is 30 nm or more, an element having a minimum threshold current of 35 ° C. or less has a droop rate of −10% or more in a wide output range. It is possible to obtain. By using these surface emitting laser elements as a writing light source of a printer, a high-definition image without density unevenness can be obtained. Referring to FIG. 24, the detuning amount at room temperature of the element whose temperature at which the threshold current is minimized is 35 ° C. is about 4 nm.
ところで、面発光レーザ素子を書き込み光源に用いるには、単一基本横モード出力が大きいことが有利である。単一基本横モード出力を大きくするには、光閉じ込めを弱くすることが有効である。これは、「負のドループ特性」の抑制とは相反することである。 By the way, in order to use the surface emitting laser element as a writing light source, it is advantageous that the single fundamental transverse mode output is large. In order to increase the single fundamental transverse mode output, it is effective to weaken the optical confinement. This is contrary to the suppression of the “negative droop characteristic”.
そこで、発明者らは、「負のドループ特性」の抑制効果を保ちつつ、単一基本横モード出力を向上させるべく、面発光レーザ素子における共振器構造体の構造と光閉じ込めの強さと関係について詳細な検討を行った。この結果、上記の2つの特性を同時に改善するには下部半導体DBR(基板側n型多層膜反射鏡)の中に以下に説明する光閉じ込め低減領域を設けることが有効であることを見出した。 Therefore, the inventors have investigated the relationship between the structure of the resonator structure and the optical confinement strength in the surface emitting laser element in order to improve the single fundamental transverse mode output while maintaining the effect of suppressing the “negative droop characteristic”. Detailed examination was conducted. As a result, it has been found that it is effective to provide a light confinement reduction region described below in the lower semiconductor DBR (substrate-side n-type multilayer mirror) in order to improve the above two characteristics simultaneously.
光閉じ込め低減領域の作用効果について説明する。 The effect of the optical confinement reduction region will be described.
光閉じ込め低減領域のない従来の面発光レーザ素子及び光閉じ込め低減領域を有する面発光レーザ素子の室温(300K)における基本横モードの光閉じ込め係数をそれぞれ算出した。その結果が図27に示されている。ここでの計算に用いられた各面発光レーザ素子は、発振波長が780nm帯であり、その基本構造は、n−AlAs(低屈折率層)/n−Al0.3Ga0.7As(高屈率層)をペアとした40.5ペアの下部半導体DBR(基板側n型多層膜反射鏡)と、p−Al0.9Ga0.1As/p−Al0.3Ga0.7Asをペアとした24ペアの上部半導体DBR(出射側p型多層膜反射鏡)とAl0.6Ga0.4Asのスペーサ層を有している。活性層はAl0.12Ga0.88As/Al0.3Ga0.7Asの3重量子井戸構造とし、スペーサ層の中央に設けている。被選択酸化層は上部半導体DBR中において活性層から3番目の定在波の節に対応する位置に設けている。また、酸化層の厚さは28nm、酸化狭窄径は4μmである。 The fundamental transverse mode optical confinement coefficient at room temperature (300 K) of a conventional surface emitting laser element without an optical confinement reduction region and a surface emitting laser device having an optical confinement reduction region was calculated. The result is shown in FIG. Each surface emitting laser element used for the calculation here has an oscillation wavelength of 780 nm band, and its basic structure is n-AlAs (low refractive index layer) / n-Al 0.3 Ga 0.7 As ( 40.5 pairs of lower semiconductor DBRs (substrate-side n-type multilayer mirrors) paired with a high refractive index layer) and p-Al 0.9 Ga 0.1 As / p-Al 0.3 Ga 0. It has 24 pairs of upper semiconductor DBRs (outgoing side p-type multilayer mirrors) in which 7 As is paired and a spacer layer of Al 0.6 Ga 0.4 As. The active layer has a triplet well structure of Al 0.12 Ga 0.88 As / Al 0.3 Ga 0.7 As and is provided at the center of the spacer layer. The selective oxidation layer is provided in the upper semiconductor DBR at a position corresponding to the third standing wave node from the active layer. The oxide layer has a thickness of 28 nm and an oxidized constriction diameter of 4 μm.
従来の面発光レーザ素子の形状は、図28に示されるように、下部半導体DBRまでを直径25μmの円形に加工したメサポスト構造としている。また、光閉じ込め低減領域を有する面発光レーザ素子は、図29に示されるように、下部半導体DBRに接した領域に光閉じ込め低減領域が設けられている。 As shown in FIG. 28, the conventional surface-emitting laser element has a mesa post structure in which the lower semiconductor DBR is processed into a circle having a diameter of 25 μm. Further, in the surface emitting laser element having the light confinement reduction region, as shown in FIG. 29, the light confinement reduction region is provided in a region in contact with the lower semiconductor DBR.
従来の面発光レーザ素子における下部半導体DBRの構造が図30に示されている。各屈折率層はいずれもλ/4の光学厚さである。光閉じ込め低減領域を有する面発光レーザ素子における下部半導体DBRの構造が図31に示されている。光閉じ込め低減領域は、光学厚さが3λ/4の高屈折率層とλ/4の低屈折率層のペアを3ペア有している。なお、このように、光学厚さが3λ/4の高屈折率層とλ/4の低屈折率層のペアからなる光閉じ込め低減領域を、以下では、便宜上「光閉じ込め低減領域A」ともいう。 The structure of the lower semiconductor DBR in the conventional surface emitting laser element is shown in FIG. Each refractive index layer has an optical thickness of λ / 4. The structure of the lower semiconductor DBR in the surface emitting laser element having the optical confinement reduction region is shown in FIG. The optical confinement reduction region has three pairs of a high refractive index layer having an optical thickness of 3λ / 4 and a low refractive index layer having a wavelength of λ / 4. In addition, the light confinement reduction region composed of a pair of a high refractive index layer having an optical thickness of 3λ / 4 and a low refractive index layer having a wavelength of λ / 4 is hereinafter also referred to as “light confinement reduction region A” for convenience. .
また、従来の面発光レーザ素子及び光閉じ込め低減領域Aを有する面発光レーザ素子における下部半導体DBRのペア数は同じである。さらに、光閉じ込め低減領域Aに含まれる高屈折率層は、その光学厚さがλ/4の奇数倍であり、多重反射の位相条件を満足するので、半導体材料の自由キャリア等の吸収を考慮しなければ、垂直方向(Z軸方向)に関しては、従来の面発光レーザ素子における下部半導体DBRと同等の反射率を有している。 The number of pairs of the lower semiconductor DBRs in the conventional surface emitting laser element and the surface emitting laser element having the light confinement reduction region A is the same. Further, the high refractive index layer included in the light confinement reduction region A has an optical thickness that is an odd multiple of λ / 4 and satisfies the multiple reflection phase condition, so that absorption of free carriers and the like of the semiconductor material is considered. Otherwise, the vertical direction (Z-axis direction) has a reflectance equivalent to that of the lower semiconductor DBR in the conventional surface emitting laser element.
なお、図27には、光閉じ込め低減領域Aが1〜3ペアの場合についての結果がそれぞれ示されている。ここで、ペア数が0は、従来の面発光レーザ素子を示している。 FIG. 27 shows the results for the case where the optical confinement reduction region A is 1 to 3 pairs. Here, the number of pairs of 0 indicates a conventional surface emitting laser element.
図27によると、光閉じ込め低減領域Aを設けることにより、従来の面発光レーザ素子に対して、基本横モードの光閉じ込め係数が低減している。また、光閉じ込め低減領域Aのペア数が増加するにつれて、光閉じ込め係数が小さくなっている。 According to FIG. 27, by providing the optical confinement reduction region A, the optical confinement factor of the fundamental transverse mode is reduced as compared with the conventional surface emitting laser element. Further, as the number of pairs in the light confinement reduction region A increases, the light confinement factor decreases.
図32は、別の光閉じ込め低減領域を示したものである。この光閉じ込め低減領域は、光学厚さがλ/4の高屈折率層(Al0.3Ga0.7As)と、3λ/4の低屈折率層(AlAs)をペアとしており、低屈折率層が、従来の面発光レーザ素子よりも厚く形成されている。なお、このように、光学厚さがλ/4の高屈折率層と3λ/4の低屈折率層のペアからなる光閉じ込め低減領域を、以下では、便宜上「光閉じ込め低減領域B」ともいう。 FIG. 32 shows another light confinement reduction region. This optical confinement reduction region has a pair of a high refractive index layer (Al 0.3 Ga 0.7 As) having an optical thickness of λ / 4 and a low refractive index layer (AlAs) having a wavelength of 3λ / 4. The rate layer is formed thicker than the conventional surface emitting laser element. In addition, the light confinement reduction region composed of a pair of a high refractive index layer having an optical thickness of λ / 4 and a low refractive index layer having a wavelength of 3λ / 4 is also referred to as “light confinement reduction region B” for convenience hereinafter. .
この光閉じ込め低減領域Bを有する面発光レーザ素子の室温(300K)における基本横モードの光閉じ込め係数が図33に示されている。 FIG. 33 shows the optical confinement factor of the fundamental transverse mode at room temperature (300 K) of the surface emitting laser element having the light confinement reduction region B.
図33によると、光閉じ込め低減領域Bを設けることにより、光閉じ込め低減領域Aと同様に、従来の面発光レーザ素子に対して、基本横モードの光閉じ込め係数が低減している。また、光閉じ込め低減領域Bのペア数が増加するにつれて、光閉じ込め係数が小さくなっている。なお、同じペア数で比較すると、光閉じ込め低減領域Bのほうが、光閉じ込め低減領域Aよりも大きな低減効果を有していることが分かる。ところで、AlAsは半導体多層膜反射鏡の材料であるAlGaAs混晶の中で最も熱伝導率が良い。このAlAsからなる層を厚く設けると横方向への熱拡散が良好になり、活性層における温度上昇を低減する効果がある。これによって、素子中央部の温度上昇が緩和されて、有効屈折率差の変化が小さくなるので、負のドループ特性を抑制できる効果も併せて得ることができる。 According to FIG. 33, by providing the light confinement reduction region B, the light confinement factor in the fundamental transverse mode is reduced as compared with the conventional surface emitting laser element, similarly to the light confinement reduction region A. Further, as the number of pairs in the optical confinement reduction region B increases, the optical confinement factor decreases. Note that, when compared with the same number of pairs, it can be seen that the light confinement reduction region B has a greater reduction effect than the light confinement reduction region A. By the way, AlAs has the highest thermal conductivity among AlGaAs mixed crystals which are materials for semiconductor multilayer mirrors. When the layer made of AlAs is provided thick, thermal diffusion in the lateral direction is improved, and there is an effect of reducing the temperature rise in the active layer. As a result, the temperature rise in the central portion of the element is alleviated and the change in the effective refractive index difference is reduced, so that the effect of suppressing negative droop characteristics can also be obtained.
図34は、さらに別の光閉じ込め低減領域を示したものである。この光閉じ込め低減領域Cは、光学厚さが3λ/4の高屈折率層(Al0.3Ga0.7As)と、3λ/4の低屈折率層(AlAs)をペアとしており、低屈折率層及び高屈折率層の両方が、従来の面発光レーザ素子よりも厚く形成されている。なお、このように、光学厚さが3λ/4の高屈折率層と3λ/4の低屈折率層のペアからなる光閉じ込め低減領域を、以下では、便宜上「光閉じ込め低減領域C」ともいう。 FIG. 34 shows still another light confinement reduction region. This optical confinement reduction region C is a pair of a high refractive index layer (Al 0.3 Ga 0.7 As) with an optical thickness of 3λ / 4 and a low refractive index layer (AlAs) with a 3λ / 4. Both the refractive index layer and the high refractive index layer are formed thicker than the conventional surface emitting laser element. As described above, the light confinement reduction region composed of a pair of a high refractive index layer having an optical thickness of 3λ / 4 and a low refractive index layer having a 3λ / 4 is also referred to as “light confinement reduction region C” for convenience. .
この光閉じ込め低減領域Cを有する面発光レーザ素子の室温(300K)における基本横モードの光閉じ込め係数が図35に示されている。 FIG. 35 shows the optical confinement factor of the fundamental transverse mode at room temperature (300 K) of the surface emitting laser element having the optical confinement reduction region C.
図35によると、光閉じ込め低減領域Cを設けることにより、光閉じ込め低減領域Aと同様に、従来の面発光レーザ素子に対して、基本横モードの光閉じ込め係数が低減している。また、光閉じ込め低減領域Cのペア数が増加するにつれて、光閉じ込め係数が小さくなっている。なお、同じペア数で比較すると、光閉じ込め低減領域Cのほうが、光閉じ込め低減領域A及び光閉じ込め低減領域Bよりも大きな低減効果を有していることが分かる。 According to FIG. 35, by providing the optical confinement reduction region C, the fundamental lateral mode optical confinement factor is reduced as compared with the conventional surface emitting laser element, as in the optical confinement reduction region A. Further, as the number of pairs in the light confinement reduction region C increases, the light confinement factor decreases. Note that, when compared with the same number of pairs, it can be seen that the light confinement reduction region C has a greater reduction effect than the light confinement reduction region A and the light confinement reduction region B.
このように、発明者らは、光閉じ込め低減領域の高屈折率層及び低屈折率層を厚くするほど、そしてペア数を多くするほど、より効果的に基本横モードの光閉じ込め係数を低減する効果が得られることを見出した。 As described above, the inventors more effectively reduce the optical confinement coefficient of the fundamental transverse mode as the thickness of the high refractive index layer and the low refractive index layer in the light confinement reduction region is increased and the number of pairs is increased. It was found that an effect can be obtained.
そして、更に注目すべきは、この光閉じ込め低減効果は、後述するように「負のドループ特性」を劣化させないで単一基本横モード出力を向上させる効果を有しているという点である。一般的に考えると、光閉じ込め係数の低減は単一基本横モード出力の向上においては有利であるが、横モードの安定性が悪くなり「負のドループ特性」が発生しやすくなることが予想される。 Further, it should be noted that this light confinement reduction effect has the effect of improving the single fundamental transverse mode output without degrading the “negative droop characteristic” as will be described later. Generally speaking, the reduction of the optical confinement factor is advantageous in improving the output of the single fundamental transverse mode, but it is expected that the stability of the transverse mode will deteriorate and the “negative droop characteristic” will likely occur. The
図36には、発振波長が780nm帯の面発光レーザ素子の単一基本横モード出力とドループ率との関係を実験的に調べた結果が示されている。図36における黒丸は従来の面発光レーザ素子、白丸は光閉じ込め低減領域Bを有する面発光レーザ素子の結果である。電流通過領域の面積は全て16μm2である。また、図36における「28」は被選択酸化層の厚さが28nmの場合を示し、「30」は被選択酸化層の厚さが30nm場合を示している。 FIG. 36 shows the results of an experimental investigation of the relationship between the single fundamental transverse mode output and the droop rate of a surface emitting laser element having an oscillation wavelength band of 780 nm. The black circles in FIG. 36 are the results of the conventional surface emitting laser element, and the white circles are the results of the surface emitting laser element having the light confinement reduction region B. All areas of the current passing region are 16 μm 2 . In FIG. 36, “28” indicates the case where the thickness of the selective oxidation layer is 28 nm, and “30” indicates the case where the thickness of the selective oxidation layer is 30 nm.
「負のドループ特性」及び単一基本横モード出力は、いずれも光閉じ込め係数と関係があり、これらの特性は、図36に示されるように、互いに相反する関係となる。例えば、光閉じ込め係数が大きいほど、横モードの安定性は向上するので「負のドループ特性」は抑制される。また、光閉じ込め係数が増大すると高次横モードの閉じ込めも向上し発振し易くなるので単一基本横モード出力が低下する。仮に、単に光閉じ込め係数のみで、ドループ率及び単一基本横モード出力が決定されるのであれば、光閉じ込め低減領域の有無に関係なく、1つの直線で相関が表されるはずである。 The “negative droop characteristic” and the single fundamental transverse mode output are both related to the optical confinement factor, and these characteristics are mutually contradictory as shown in FIG. For example, as the optical confinement factor is larger, the stability of the transverse mode is improved, so the “negative droop characteristic” is suppressed. In addition, when the optical confinement factor is increased, confinement in the higher-order transverse mode is improved and oscillation is facilitated, so that the single fundamental transverse mode output is lowered. If the droop rate and the single fundamental transverse mode output are determined merely by the optical confinement factor, the correlation should be expressed by one straight line regardless of the presence or absence of the optical confinement reduction region.
しかしながら、図36に示されるように、光閉じ込め低減領域を設けた場合、及び光閉じ込め低減領域を設けない場合では、互いに異なる直線で表される相関を示している。更に、同じドループ率の素子構造であっても、光閉じ込め低減領域を設けた場合は、光閉じ込め低減領域を設けない場合よりも、高い単一基本横モード出力が得られている。つまり、このことは、光閉じ込め低減領域が、ドループ率に影響を及ぼさないで、単一基本横モード出力を向上させる効果を有していることを示すものである。 However, as shown in FIG. 36, when the light confinement reduction region is provided and when the light confinement reduction region is not provided, the correlation represented by mutually different straight lines is shown. Furthermore, even with element structures having the same droop rate, when the light confinement reduction region is provided, a higher single fundamental transverse mode output is obtained than when the light confinement reduction region is not provided. That is, this indicates that the optical confinement reduction region has an effect of improving the single fundamental transverse mode output without affecting the droop rate.
このように、発明者らは、光閉じ込め低減領域を設け、閾値電流が最小となる温度が25℃以下になるようにディチューニング量を設定し、被選択酸化層の厚さを25nm以上とすることにより、「負のドループ特性」を効果的に抑制し、更にドループ特性を良好に維持したまま単一基本横モード出力を向上させることが可能であることを新たに見出した。 In this way, the inventors provide a light confinement reduction region, set the detuning amount so that the temperature at which the threshold current becomes minimum is 25 ° C. or less, and set the thickness of the selective oxidation layer to 25 nm or more. Thus, it has been newly found that it is possible to effectively suppress the “negative droop characteristic” and improve the single fundamental transverse mode output while maintaining the droop characteristic well.
面発光レーザ素子100は、光閉じ込め低減領域と共振器構造体との間に、第3の下部半導体DBR1033が設けられている。この役割について以下に説明する。 In the surface emitting laser element 100, a third lower semiconductor DBR 1033 is provided between the optical confinement reduction region and the resonator structure. This role will be described below.
一般に、半導体材料では自由キャリアによる光吸収が存在する。この光吸収は光の電界強度及び自由キャリア濃度に比例して増加する。自由キャリア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は格子振動のエネルギーに変換される。これは、発振の閾値電流を増加させ、外部微分量子効率(スロープ効率)を低下させる原因となる。 In general, light absorption by free carriers exists in a semiconductor material. This light absorption increases in proportion to the electric field strength of light and the free carrier concentration. The energy of the light absorbed by the free carriers becomes the kinetic energy of the carriers and is finally converted into the energy of lattice vibration. This increases the oscillation threshold current and decreases the external differential quantum efficiency (slope efficiency).
また、半導体DBRは、各屈折率層の界面からの反射光が同位相となるとともに、入射光に対して逆位相となるように重ね合わされることによって、大きな反射作用(高反射率)を得ている。この際、反射は界面のみで起こるので、各屈折率層中における電界強度(振幅)の減衰はなく一定である。レーザ発振状態では、半導体DBR内の電界分布は定在波を生じており、λ/4の光学厚さ毎に節と腹が交互に現れる。いずれもλ/4の光学厚さの低屈折率層と高屈折率層とからなる通常の半導体DBRでは、低屈折率層と高屈折率層の界面が定在波の節及び腹に対応する位置となる。また、共振器構造体に近い部位では、発振光の定在波の強度が大きく、この領域における自由キャリアによる光吸収が顕著である。 In addition, the semiconductor DBR has a large reflection effect (high reflectivity) by being superimposed so that the reflected light from the interface of each refractive index layer has the same phase and the opposite phase to the incident light. ing. At this time, since reflection occurs only at the interface, the electric field strength (amplitude) in each refractive index layer is not attenuated and is constant. In the laser oscillation state, the electric field distribution in the semiconductor DBR generates a standing wave, and nodes and antinodes appear alternately for each optical thickness of λ / 4. In either case, in an ordinary semiconductor DBR composed of a low refractive index layer and a high refractive index layer having an optical thickness of λ / 4, the interface between the low refractive index layer and the high refractive index layer corresponds to the nodes and antinodes of the standing wave. Position. Further, in the region close to the resonator structure, the intensity of the standing wave of the oscillation light is large, and light absorption by free carriers in this region is remarkable.
ここで、図37に示されるように、光閉じ込め低減領域と共振器構造体との間に、光学厚さがいずれもλ/4の低屈折率層と高屈折率層のペアを設けたときの吸収損失の低減効果について計算した。なお、以下では、便宜上、光閉じ込め低減領域と共振器構造体との間に設けられる光学厚さがいずれもλ/4の低屈折率層と高屈折率層のペアを「吸収損失低減層」ともいう。 Here, when a pair of a low refractive index layer and a high refractive index layer having an optical thickness of λ / 4 is provided between the optical confinement reduction region and the resonator structure as shown in FIG. The reduction effect of absorption loss was calculated. Hereinafter, for convenience, a pair of a low refractive index layer and a high refractive index layer each having an optical thickness of λ / 4 provided between the light confinement reduction region and the resonator structure is referred to as an “absorption loss reduction layer”. Also called.
その結果、従来の半導体DBR(図30参照)における吸収損失を100%としたときに、図38に示されるように1ペアの吸収損失低減層を設けた場合には、全く設けなかった場合(図32参照)に対して、吸収損失を23%低減することができた。また、3ペアの吸収損失低減層を設けた場合には、全く設けなかった場合に対して、吸収損失を54%低減することができた。ここで、計算ではn型キャリア濃度を3〜5×1018cm−3の範囲内で、また光閉じ込め低減領域に含まれるペア数を1〜5ペアの範囲内で変化させたが、上記比率は殆ど変わらなかった。 As a result, when the absorption loss in the conventional semiconductor DBR (see FIG. 30) is 100%, when a pair of absorption loss reduction layers is provided as shown in FIG. Compared to FIG. 32), the absorption loss could be reduced by 23%. Further, when three pairs of absorption loss reduction layers were provided, the absorption loss could be reduced by 54% compared to the case where no layer was provided. Here, in the calculation, the n-type carrier concentration was changed within the range of 3 to 5 × 10 18 cm −3 and the number of pairs included in the optical confinement reduction region was changed within the range of 1 to 5 pairs. It didn't change.
面発光レーザ素子100は、1ペアの吸収損失低減層を設けることによって、自由キャリアによる光吸収を低減している。つまり、光閉じ込め低減領域では、低屈折率層の厚さを厚くしているため、厚さ自体が増加することと、厚さの増加により定在波の腹が余計に含まれることにより、自由キャリアによる光吸収が増加する。この場合に、1ペアの吸収損失低減層を設けることによって、光閉じ込め低減領域における電界強度を低減させ、吸収損失を低減させることができる。 The surface emitting laser element 100 reduces light absorption by free carriers by providing a pair of absorption loss reduction layers. In other words, in the light confinement reduction region, since the thickness of the low refractive index layer is increased, the thickness itself increases and the increase in the thickness includes extra antinodes of standing waves. Light absorption by carriers increases. In this case, by providing a pair of absorption loss reduction layers, the electric field strength in the optical confinement reduction region can be reduced and the absorption loss can be reduced.
図39には、高屈折率層をAl0.3Ga0.7As、低屈折率層をAlAsとして、光閉じ込め低減領域A(typeA)、光閉じ込め低減領域B(typeB)、光閉じ込め低減領域C(typeC)に対して、1ペアの吸収損失低減層がある場合と全くない場合の基本横モードの光閉じ込め係数が示されている。なお、各光閉じ込め低減領域のペア数は3ペアである。 In FIG. 39, the high refractive index layer is Al 0.3 Ga 0.7 As, the low refractive index layer is AlAs, the light confinement reduction region A (type A), the light confinement reduction region B (type B), and the light confinement reduction region. For C (typeC), the optical confinement factor of the fundamental transverse mode with and without a pair of absorption loss reduction layers is shown. Note that the number of pairs in each optical confinement reduction region is three.
また、図39には、各構造における光閉じ込め係数の低減率を示している。光閉じ込め係数の低減率とは、従来の半導体DBR(図30参照)における基本横モードの光閉じ込め係数を100%とした場合に、それぞれの構造の光閉じ込め係数が何%に低減されているかを表したものである。 FIG. 39 shows the reduction rate of the optical confinement factor in each structure. The reduction rate of the optical confinement factor is the percentage of reduction of the optical confinement factor of each structure when the fundamental transverse mode optical confinement factor in the conventional semiconductor DBR (see FIG. 30) is 100%. It is a representation.
図39から、1ペアの吸収損失低減層を設けたことによる光閉じ込め係数の変化は僅かであることがわかる。 From FIG. 39, it can be seen that the change in the optical confinement coefficient due to the provision of one pair of absorption loss reduction layers is slight.
また、光閉じ込め低減領域が全く設けられていない面発光レーザ素子VCSEL1(図30参照)、光閉じ込め低減領域Bは設けられているが吸収損失低減層は設けられていない面発光レーザ素子VCSEL2(図32参照)、及び光閉じ込め低減領域Bと1ペアの吸収損失低減層とが設けられている面発光レーザ素子VCSEL3(図38参照)を実際に作製し比較評価を行った。なお、各面発光レーザ素子は、いずれも発振波長が780nm帯であり、電流通過領域の面積は全て16μm2である。また、各面発光レーザ素子の下部半導体DBRにおける高屈折率層と低屈折率層のペア数は同じである。 Also, a surface emitting laser element VCSEL1 (see FIG. 30) in which no optical confinement reduction region is provided, and a surface emitting laser element VCSEL2 (in FIG. 30) in which an optical confinement reduction region B is provided but no absorption loss reduction layer is provided. 32), and a surface emitting laser element VCSEL3 (see FIG. 38) provided with the optical confinement reduction region B and a pair of absorption loss reduction layers was actually fabricated and subjected to comparative evaluation. Each surface emitting laser element has an oscillation wavelength in the 780 nm band, and the area of the current passing region is all 16 μm 2 . The number of pairs of the high refractive index layer and the low refractive index layer in the lower semiconductor DBR of each surface emitting laser element is the same.
図40に示されるように、面発光レーザ素子VCSEL2及び面発光レーザ素子VCSEL3では、面発光レーザ素子VCSEL1に対して略同等の明確な単一基本横モード出力の向上が確認された。なお、図40における「30」は、被選択酸化層の厚さが30nmの場合であり、「28」は、被選択酸化層の厚さが28nmの場合である。 As shown in FIG. 40, in the surface-emitting laser element VCSEL2 and the surface-emitting laser element VCSEL3, it was confirmed that the clear single basic transverse mode output was substantially equivalent to that of the surface-emitting laser element VCSEL1. In FIG. 40, “30” is the case where the thickness of the selective oxidation layer is 30 nm, and “28” is the case where the thickness of the selective oxidation layer is 28 nm.
また、図40を見ると、同じドループ率では、面発光レーザ素子VCSEL2及び面発光レーザ素子VCSEL3は、面発光レーザ素子VCSEL1に比べ、0.3〜0.5mW程度の単一基本横モード出力の向上が確認できる。 40, the surface emitting laser element VCSEL2 and the surface emitting laser element VCSEL3 have a single fundamental transverse mode output of about 0.3 to 0.5 mW as compared with the surface emitting laser element VCSEL1 at the same droop rate. The improvement can be confirmed.
図41には、単一基本横モード出力(計算値)と基本モードの光閉じ込め係数(計算値)との関係が示されている。図41におけるシンボルの意味は図40と同じである。また、図41における「30」及び「28」の意味も図40と同じである。 FIG. 41 shows the relationship between the single fundamental transverse mode output (calculated value) and the fundamental mode optical confinement factor (calculated value). The meanings of symbols in FIG. 41 are the same as those in FIG. Also, the meanings of “30” and “28” in FIG. 41 are the same as those in FIG.
図41を見ると、面発光レーザ素子VCSEL3は、面発光レーザ素子VCSEL1に比べて、明確な光閉じ込め係数の低減と、これに対応した単一基本横モード出力の向上を確認することができる。 41, it can be confirmed that the surface emitting laser element VCSEL3 has a clear reduction in the optical confinement factor and a corresponding improvement in the single fundamental transverse mode output as compared with the surface emitting laser element VCSEL1.
また、面発光レーザ素子VCSEL3は、面発光レーザ素子VCSEL2よりも、低い閾値電流、及び高い外部微分量子効率(スロープ効率)を得ることができた。これは、吸収損失が低減されたためである。 Further, the surface emitting laser element VCSEL3 was able to obtain a lower threshold current and a higher external differential quantum efficiency (slope efficiency) than the surface emitting laser element VCSEL2. This is because absorption loss has been reduced.
以上説明したように、本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、該共振器構造体を挟んで設けられた下部半導体DBR103と上部半導体DBR107を備えている。上部半導体DBR107は、アルミニウムを含む厚さ30nmの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狭窄構造体をその中に含んでいる。 As described above, the surface emitting laser element 100 according to the present embodiment includes the resonator structure including the active layer 105, the lower semiconductor DBR 103 and the upper semiconductor DBR 107 provided with the resonator structure interposed therebetween. Yes. In the upper semiconductor DBR 107, an oxide layer 108a containing at least an oxide generated by oxidizing a part of a 30 nm thick selective oxidation layer containing aluminum surrounds the current passing region 108b, and a lateral mode of injection current and oscillation light It contains a constriction structure that can be confined simultaneously.
また、下部半導体DBR103は、共振器構造体に対して基板101側に設けられ、横方向に関する光閉じ込めを低減させる光閉じ込め低減領域としての第2の下部半導体DBR1032を有している。これにより、「負のドループ特性」を抑制するとともに、単一基本横モード発振において高出力動作が可能となる。 The lower semiconductor DBR 103 includes a second lower semiconductor DBR 1032 that is provided on the substrate 101 side with respect to the resonator structure and serves as an optical confinement reduction region that reduces optical confinement in the lateral direction. This suppresses the “negative droop characteristic” and enables high output operation in single fundamental transverse mode oscillation.
また、活性層のPL波長を共振器の共振波長780nmに対して772nmに設定し、室温でのディチューニング量△λ0を−2nmとし、17℃のときに閾値電流が最小になるようにしている。これにより、更に「負のドループ特性」を抑制することができる。 Further, the PL wavelength of the active layer is set to 772 nm with respect to the resonance wavelength of 780 nm of the resonator, the detuning amount Δλ 0 at room temperature is set to −2 nm, and the threshold current is minimized at 17 ° C. Yes. Thereby, the “negative droop characteristic” can be further suppressed.
また、第2の下部半導体DBR1032は、低屈折率層103aの光学厚さが3λ/4となるように設定されているため、各屈折率層の界面を定在波の腹あるいは節に対応する位置とすることができる。なお、第2の下部半導体DBR1032における低屈折率層103aの光学厚さは、1以上の整数nを用いて、(2n+1)λ/4であれば良い。この場合にも、各屈折率層の界面を定在波の腹あるいは節に対応する位置とすることができる。 Further, since the second lower semiconductor DBR 1032 is set so that the optical thickness of the low refractive index layer 103a is 3λ / 4, the interface of each refractive index layer corresponds to the antinodes or nodes of the standing wave. It can be a position. Note that the optical thickness of the low refractive index layer 103a in the second lower semiconductor DBR 1032 may be (2n + 1) λ / 4 using an integer n of 1 or more. Also in this case, the interface of each refractive index layer can be set at a position corresponding to the antinode or node of the standing wave.
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=−0.06であるため、更に「負のドループ特性」を抑制することができる。 Further, when a square wave current pulse having a pulse period of 1 ms and a pulse width of 500 μs is supplied, since (P1−P2) /P2=−0.06, the “negative droop characteristic” can be further suppressed. .
また、第2の下部半導体DBR1032と共振器構造体との間に第3の下部半導体DBR1033を設けているため、吸収損失を低減させることができる。 In addition, since the third lower semiconductor DBR 1033 is provided between the second lower semiconductor DBR 1032 and the resonator structure, absorption loss can be reduced.
本実施形態に係る光走査装置1010によると、光源14が面発光レーザ素子100を有しているため、高精度の光走査を行うことが可能となる。 According to the optical scanning device 1010 according to the present embodiment, since the light source 14 includes the surface emitting laser element 100, high-precision optical scanning can be performed.
また、本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、高品質の画像を形成することが可能となる。 Further, according to the laser printer 1000 according to the present embodiment, since the optical scanning device 1010 is provided, a high quality image can be formed.
なお、上記実施形態では、第3の下部半導体DBR1033が、低屈折率層103aと高屈折率層103bのペアを1ペア有して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。 In the above embodiment, the case where the third lower semiconductor DBR 1033 has one pair of the low refractive index layer 103a and the high refractive index layer 103b has been described, but the present invention is not limited to this.
なお、上記実施形態において、吸収損失を考慮する必要がない場合には、図42に示されるように、第2の下部半導体DBR1032が共振器構造体に隣接しても良い。 In the above embodiment, when it is not necessary to consider the absorption loss, the second lower semiconductor DBR 1032 may be adjacent to the resonator structure as shown in FIG.
また、上記実施形態では、第2の下部半導体DBR1032が、低屈折率層103aと高屈折率層103bのペアを3ペア有して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。 In the above embodiment, the case where the second lower semiconductor DBR 1032 has three pairs of the low refractive index layer 103a and the high refractive index layer 103b has been described, but the present invention is not limited to this.
また、上記実施形態において、前記第2の下部半導体DBR1032に代えて、図43に示される第4の下部半導体DBR1034を用いても良い。この第4の下部半導体DBR1034は、低屈折率層103aと高屈折率層103bのペアを3ペア有し、上記光閉じ込め低減領域Bと同様に、低屈折率層103aはλ/4の光学厚さとなるように設定され、高屈折率層103bは3λ/4の光学厚さとなるように設定されている。 In the above embodiment, the fourth lower semiconductor DBR 1034 shown in FIG. 43 may be used in place of the second lower semiconductor DBR 1032. The fourth lower semiconductor DBR 1034 has three pairs of a low refractive index layer 103a and a high refractive index layer 103b. Like the light confinement reduction region B, the low refractive index layer 103a has an optical thickness of λ / 4. The high refractive index layer 103b is set to have an optical thickness of 3λ / 4.
また、上記実施形態において、前記第2の下部半導体DBR1032に代えて、図44に示される第5の下部半導体DBR1035を用いても良い。この第5の下部半導体DBR1035は、低屈折率層103aと高屈折率層103bのペアを3ペア有し、上記光閉じ込め低減領域Cと同様に、低屈折率層103aは3λ/4の光学厚さとなるように設定され、高屈折率層103bは3λ/4の光学厚さとなるように設定されている。 In the above embodiment, the fifth lower semiconductor DBR 1035 shown in FIG. 44 may be used instead of the second lower semiconductor DBR 1032. The fifth lower semiconductor DBR 1035 has three pairs of a low refractive index layer 103a and a high refractive index layer 103b. Like the optical confinement reduction region C, the low refractive index layer 103a has an optical thickness of 3λ / 4. The high refractive index layer 103b is set to have an optical thickness of 3λ / 4.
また、上記実施形態において、前記面発光レーザ素子100に代えて、一例として図45に示されるように、面発光レーザアレイ500を用いても良い。 In the above embodiment, instead of the surface emitting laser element 100, a surface emitting laser array 500 may be used as shown in FIG. 45 as an example.
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2次元的に配列して同一基板上に形成されている。ここでは、図45におけるM方向は主走査対応方向であり、S方向は副走査対応方向である。なお、発光部の数は32個に限定されるものではない。 In the surface emitting laser array 500, a plurality of (herein, 32) light emitting portions are two-dimensionally arranged and formed on the same substrate. Here, the M direction in FIG. 45 is the main scanning corresponding direction, and the S direction is the sub scanning corresponding direction. Note that the number of light emitting units is not limited to 32.
ここでは、複数の発光部は、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、隣接する発光部間隔が等間隔cとなるように配列されている。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。 Here, the plurality of light emitting units are arranged such that the intervals between adjacent light emitting units are equal to c when all the light emitting units are orthogonally projected onto a virtual line extending in the S direction. In this specification, the “light emitting portion interval” refers to the distance between the centers of two light emitting portions.
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46参照)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 (see FIG. 46) in the M direction is 30 μm.
各発光部は、図46のA−A断面図である図47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 section has the same structure as the surface emitting laser element 100 described above, as shown in FIG. The surface emitting laser array 500 can be manufactured by a method similar to that of the surface emitting laser element 100 described above.
このように、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。特にアレイである場合の効果として、酸化層108aの厚さプロファイルや酸化距離の発光部間のばらつきが極めて小さいので、ドループ特性を含めた各種特性が均一であり、駆動制御しやすい。また発光部毎の寿命のばらつきも小さく、しかも長い。 Thus, since the surface emitting laser array 500 is a surface emitting laser array in which the surface emitting laser elements 100 are integrated, the same effect as the surface emitting laser element 100 can be obtained. In particular, as an effect in the case of an array, the variation in thickness profile of the oxide layer 108a and the oxidation distance between the light emitting portions is extremely small. In addition, the variation in the life of each light emitting unit is small and long.
この場合に、面発光レーザアレイ500では、すべての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 this case, in the surface-emitting laser array 500, since all the light emitting portions are orthogonally projected on the virtual line extending in the sub-scanning corresponding direction, the light emitting portion intervals are equal intervals c. On the body drum 1030, it can be understood that the configuration is the same as the case where the light emitting units are arranged at equal intervals in the sub-scanning direction.
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、発光部の点灯の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 optical scanning device 1010 is about 1.8, high-density writing of 4800 dpi (dot / inch) can be performed. Of course, it is possible to increase the density by increasing the number of light emitting portions in the main scanning direction, making the array arrangement in which the distance d is narrowed and the distance c is further reduced, or by reducing the magnification of the optical system. Quality printing is possible. Note that the writing interval in the main scanning direction can be easily controlled by the lighting timing of the light emitting unit.
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 laser printer 1000 can perform printing without decreasing the printing speed even if the writing dot density increases. Further, when the writing dot density is the same, the printing speed can be further increased.
ところで、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。 By the way, 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.
なお、上記実施形態では、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 above embodiment, the case where the mesa shape in the cross section orthogonal to the laser oscillation direction is square has been described, but the present invention is not limited to this, and may be any shape such as a circle, an ellipse, or a rectangle. Can do.
また、上記実施形態では、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。感光体の特性に応じて、発光部の発振波長を変更しても良い。 Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the oscillation wavelength of a light emission part was a 780 nm band, it is not limited to this. The oscillation wavelength of the light emitting unit may be changed according to the characteristics of the photoreceptor.
また、面発光レーザ素子100及び面発光レーザアレイ500は、画像形成装置以外の用途に用いることができる。その場合に、発振波長は、その用途に応じて、650nm帯、850nm帯、980nm帯、1.3μm帯、1.5μm帯等の波長帯であっても良い。 The surface emitting laser element 100 and the surface emitting laser array 500 can be used for applications other than the image forming apparatus. In that case, the oscillation wavelength may be a wavelength band such as a 650 nm band, an 850 nm band, a 980 nm band, a 1.3 μm band, or a 1.5 μm band depending on the application.
また、上記実施形態において、前記面発光レーザ素子100に代えて、前記面発光レーザ素子100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 above embodiment, a surface emitting laser array in which light emitting units similar to those of the surface emitting laser element 100 are arranged one-dimensionally may be used instead of the surface emitting laser element 100.
また、上記実施形態では、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。 In the above embodiment, the laser printer 1000 is described as the image forming apparatus. However, the present invention is not limited to this.
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48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. 48, a color printer 2000 including a plurality of photosensitive drums may be used.
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 color printer 2000 is a tandem multicolor printer that forms a full-color image by superimposing four colors (black, cyan, magenta, and yellow). The black “photosensitive drum K1, charging device K2, "Developing device K4, cleaning unit K5, and transfer device K6", cyan "photosensitive drum C1, charging device C2, developing device C4, cleaning unit C5, and transfer device C6", and magenta "photosensitive drum" M1, charging device M2, developing device M4, cleaning unit M5, and transfer device M6 ”,“ photosensitive drum Y1, charging device Y2, developing device Y4, cleaning unit Y5, and transfer device Y6 ”for yellow, and light A scanning device 2010, a transfer belt 2080, a fixing unit 2030, and the like are provided.
各感光体ドラムは、図48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. 48, 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 optical scanning device 2010, and a latent image is formed on each photoconductive drum. Then, a toner image is formed on the surface of each photosensitive drum by a corresponding developing device. Further, the toner image of each color is transferred onto the recording paper on the transfer belt 2080 by the corresponding transfer device, and finally the image is fixed on the recording paper by the fixing unit 2030.
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 optical scanning device 2010 has a light source similar to the light source 14 for each color. Therefore, the same effect as that of the optical scanning device 1010 can be obtained. In addition, since the color printer 2000 includes the optical scanning device 2010, the same effect as the laser printer 1000 can be obtained.
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。このような場合であっても、光走査装置2010の各光源が前記面発光レーザアレイ500と同様な面発光レーザアレイを有していると、点灯させる発光部を変更することで色ずれを低減することができる。 By the way, in the color printer 2000, color misregistration may occur due to manufacturing error or position error of each component. Even in such a case, if each light source of the optical scanning device 2010 has a surface-emitting laser array similar to the surface-emitting laser array 500, color misregistration is reduced by changing the light-emitting unit to be lit. can do.
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」を抑制するとともに、単一基本横モード発振において高出力動作を可能と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, according to the surface emitting laser element and the surface emitting laser array of the present invention, it is suitable for suppressing the “negative droop characteristic” and enabling high output operation in single fundamental transverse mode oscillation. ing. 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、101…基板、103…下部半導体DBR(半導体多層膜反射鏡の一部)、1032…第2の下部半導体DBR(光閉じ込め低減領域)、1034…第4の下部半導体DBR(光閉じ込め低減領域)、1035…第5の下部半導体DBR(光閉じ込め低減領域)、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(半導体多層膜反射鏡の一部)、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)、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 SYMBOLS 11a ... Deflector side scanning lens (a part of scanning optical system), 11b ... Image surface side scanning lens (a part of scanning optical system), 13 ... Polygon mirror (deflector), 14 ... Light source, 100 ... Surface emitting laser Element 101 ... Substrate 103 ... Lower semiconductor DBR (part of semiconductor multilayer reflector), 103 2 ... Second lower semiconductor DBR (light confinement reduction region), 103 4 ... Fourth lower semiconductor DBR (light confinement) Reduction region), 103 5 ... fifth lower semiconductor DBR (light confinement reduction region), 104 ... lower spacer layer (part of the resonator structure), 105 ... active layer, 106 ... upper spacer layer (resonator structure) , 107... Upper semiconductor DBR (part of semiconductor multilayer reflector), 108 a... Oxidized layer (part of constricted structure), 108 b... Current passing region (part of constricted structure), 500. Surface emitting array Array, 1000 ... Laser printer (image forming apparatus), 1010 ... Optical scanning apparatus, 1030 ... Photosensitive drum (image carrier), 2000 ... Color printer (image forming apparatus), 2010 ... Optical scanning apparatus, K1, C1, M1 , Y1... Photosensitive drum (image carrier).
Claims (8)
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、アルミニウム及びヒ素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多層膜反射鏡と;を備え、
前記半導体多層膜反射鏡は、前記共振器構造体に対して前記基板側に、横方向に関する光閉じ込めを低減させる光閉じ込め低減部を有し、
前記半導体多層膜反射鏡は、低屈折率層と高屈折率層をペアとする複数のペアを有し、
前記光閉じ込め低減部は、前記ペアを少なくとも1ペアを有し、該少なくとも1ペアにおける低屈折率層及び高屈折率層の少なくともいずれかの光学厚さは、発振波長λ、1以上の整数nを用いて、(2n+1)λ/4であり、
前記被選択酸化層の厚さを少なくとも28nm、前記電流通過領域の直径を4.0μm以上、発振の閾値電流が最小となるときの温度を25℃以下とすることにより、負のドループ特性を抑制し、
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、0≧(P1−P2)/P2≧−0.1、の関係が満足される面発光レーザ素子。 A surface emitting laser element made of an AlGaAs-based material that outputs light in a direction perpendicular to a substrate,
A resonator structure including an active layer;
An oxide including at least an oxide formed by oxidizing a part of the selective oxidation layer containing aluminum and arsenic is provided between the resonator structure and surrounds the current passing region, and the injected current and the oscillation light A semiconductor multilayer reflector including therein a constriction structure capable of simultaneously confining a transverse mode;
The semiconductor multilayer mirror has a light confinement reduction unit that reduces light confinement in the lateral direction on the substrate side with respect to the resonator structure.
The semiconductor multilayer film reflector has a plurality of pairs in which a low refractive index layer and a high refractive index layer are paired,
The optical confinement reduction unit has at least one pair of the pair, and an optical thickness of at least one of the low refractive index layer and the high refractive index layer in the at least one pair is an oscillation wavelength λ, an integer n of 1 or more (2n + 1) λ / 4, and
By setting the thickness of the selective oxidation layer to at least 28 nm , the diameter of the current passage region to 4.0 μm or more, and the temperature at which the oscillation threshold current is minimized to 25 ° C. or less , negative droop characteristics can be obtained. Suppress,
When a square wave current pulse having a pulse period of 1 ms and a pulse width of 500 μs is supplied,
A surface-emitting laser element satisfying a relationship of 0 ≧ (P1−P2) /P2≧−0.1 using the light output P1 at 10 ns after supply and the light output P2 at 1 μs after supply.
請求項1〜3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4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 4;
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5又は6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 5 or 6 that scans the at least one image carrier with light including image information.
The image forming apparatus according to claim 7, wherein the image information is multicolor color image information.
Priority Applications (10)
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---|---|---|---|
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