(57)【要約】      （修正有）【課題】ビーム並行度が良好で集光性の高いレーザビームが一体化された発光素子を提供する。【解決手段】凸面からレーザ光を出射させ、レーザ光の光軸が通過する第1レンズ１１４を備えた水平共振器面発光構造を備えたレーザ素子と、前記第1レンズ１１４を通過したレーザ光が通過する第２レンズ１１９とを備え、前記第２レンズ１１９を設けた面に対向する面と該第１のレンズ１１４を設けた面がレーザ光に対し透明な第１接着部材１２０により接着されていることを特徴とする光モジュール。【選択図】図６
2010147359.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凸面からレーザ光を出射させ、レーザ光の光軸が通過する第1レンズを備えた水平共振器面発光構造を備えたレーザ素子と、
前記第1レンズを通過したレーザ光が通過する第２レンズとを備え、
前記第２レンズを設けた面に対向する面と該第１のレンズを設けた面がレーザ光に対し透明な第１接着部材により接着されていることを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
請求項１において、
第１レンズと第２レンズの一方は回折レンズであることを特徴とする光モジュール。
【請求項３】
請求項１において、
前記接着部材が接着後も柔軟性を保つゲル状の部材であることを特徴とする光モジュール。
【請求項４】
請求項１において、
前記第２レンズを設けた面に対向する面と該第１のレンズを設けた面が、前記接着部材より弾性力の高いスペーサで構成されていることを特徴とする光モジュール。
【請求項５】
請求項４において、
前記スペーサがメッキ法で形成した金属層、又は、ポーラスな樹脂であることを特徴とする光モジュール。
【請求項６】
請求項１において、
前記第１接着剤とは異なる第２接着剤で、前記レーザ素子と前記第２レンズが固定されていることを特徴とする光モジュール。
【請求項７】
請求項６において、
前記の第２の接着部材は、紫外線硬化樹脂又は加硫処理により硬化したシリコーンであることを特徴とする光モジュール。
【請求項８】
請求項１において、
前記水平共振器面発光構造を複数備えた光モジュール。
【請求項９】
請求項８において、
各水平共振器発光構造の第２レンズによって、前記複数の水平共振器面発光構造から出射する光が集光するようになっていることを特徴とする光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
レンズが集積された半導体レーザ素子を備えた光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
レンズが集積されたレンズ集積複合光学素子について、特許文献１から特許文献３に記載された従来技術があった。
【０００３】
特許文献１に記載された構造を図１７に示す。複数の面発光型レーザが配列された面発光型レーザアレイ基板と、面発光型レーザアレイ基板に一体に形成され、面発光型レーザに対応する位置にレンズが形成されたレンズアレイ基板と、を備えている。この面発光型レーザアレイ基板及びレンズアレイ基板は、フォトプロセスにより精密に製造される。レンズアレイ基板は、面発光型レーザアレイ基板上に直接形成され、さらに各面発光型レーザアレイの配列に対応してレンズが配置されている。したがって、光学調整をすることなく、面発光型レーザアレイ基板とレンズアレイ基板とを精密に位置合わせして、そのずれも防止することができるとされている。 
特許文献２に記載された構造を図１８に示す。複数の面発光型素子を平面上に配列させた構成をもつ第一の集合体及び複数の光学素子を平面上に配列させた構成をもつ第二の集合体を接合している。この方式では第一の集合体と第二の集合体との間で位置調整を行ってから両者を接合した後、第一の集合体と第二の集合体とが接合された結合物を個々の部品に切断することで複数の複合光学装置に分離することにより再現性良く所望の特性を有した複合光学素子が実現できるとされている。
【０００４】
特許文献３に記載された構造を図１９に示す。一体化された発光素子を保持するための構造を含む複数の光学部品が一体形成された複数のウェハが接合され、これを接合した後に分離するとともに発光素子保持構造に発光素子を取り付けることにより複合光学素子をえる技術も開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開2002-26452号公報
【特許文献２】特開2004-311861号公報
【特許文献３】特表2001-519601号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のレンズ一体型半導体発光素子においては発光デバイスと光学部品の間の位置整合性とマイクロレンズの集光性能に限界があり、光通信用の光ファイバとの結合においては１ｄＢ以下（２０％以下）の低結合損失を得ることは困難であった。
【０００７】
しかし、レーザ光を信号のキャリアとして用いる従来の光通信においては光源の光強度が十分であれば１ｄＢ程度の結合損失は大きな問題とはならず、前記の従来技術を用いても十分なシステム性能を得ることが可能であった。
【０００８】
近年の通信容量の大幅な増加やファイバ増幅器などの光エネルギーそのものを利用する応用の拡大に伴い光ファイバとの結合損失の向上が求められている。また、このようなレンズ集積型光源を光ディスク、レーザ露光装置、レーザプリンタなどの応用システムに適用するれば装置の性能向上と低コスト化低消費電力化に有効であるが、従来の技術で得られる複合光学素子ではこれらの装置で要求される高精度の集光性能を満足することは困難であった。
【０００９】
特許文献１においてはマイクロレンズを発光素子と同一のウエハ上に形成する場合においては、ウエハ表裏に形成した素子間の位置あわせ精度は１μｍ程度が限界であり、レンズによりコリメートされたレーザ光の光軸が１５分から３０分のばらつきが発生する。また、このような半導体結晶上に形成するマイクロレンズは半導体の微細加工精度の問題からレンズとしての性能はバルクのレンズに比べて劣り、波面に換算してλ／２以上の収差が発生した。
【００１０】
一方、特許文献２及び特許文献３に記載された発光素子とレンズを別の基板上に貼り付けて張り合わせる場合では、約４μｍの位置ずれ誤差は不可避的に発生し、放射角度にして１〜２度程度の角度ずれが発生していた。 
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するための本発明のレンズ集積複合光学素子は、第１の基板上に設けた基板面に垂直な方向にレーザ光を放射する構造と、該構造を設けた面に対向する面上に設け、該レーザ光を放射する構造と略同一の光軸を有する第１のレンズ構造を有し、レーザ光に対し透明な部材よりなる該第１の基板とは別の第２の基板上に設けた該第１のレンズと略同一の光軸を有する第２のレンズを有し、第２のレンズを設けた面に対向する面と該第１のレンズを設けた面がレーザ光に対し透明な接着部材により接着した。
【００１２】
第１のレンズの焦点距離ｆと第１の基板の厚さaにより、第２のレンズから見た第１のレンズの合わせ誤差によるずれxは1/(1-a/f)倍に拡大される。一方で第二レンズから見た第１レンズと発光点までの距離も1/(1-a/f)となるため、第１レンズの位置尤度も1/(1-a/f)倍となる。このため、1/(1-a/f)が一体形成レンズの位置精度に対する接合レンズの位置精度の比を超える範囲においてこのような構成をとることによりコリメート光の広がり精度を向上することが可能である。
【００１３】
また、この構造において第１のレンズと第２のレンズの少なくとも一方は光の回折を利用してレンズ機能を発現する回折レンズとすることにより、凸レンズの製造上不可避の収差を補正するように回折レンズを設計することが可能であった。
【００１４】
このような張り合わせ構造のビーム品質を向上するために第１と第２の基板を接着する接着部材は接着後も柔軟性を保つゲル状の部材とすることも有効であった。
【００１５】
しかし、以上のような構成によりレンズ位置合わせの精度を向上した場合、焦点深度が浅くなる、すなわち良好な平行ビームが得られる発光点とレンズの光伝播方向に対する精度が厳しくなるという問題が発生した。このような位置あわせは個別の発光素子と光学部品を組み立てる工程であれば調整可能であるが、ウエハ一体で形成する複合光学素子ではウエハの厚さとうねりを厳密に制御する以外解決の方法はなかった。このような厚みとうねりの制御は、張り合わせる２つの基板が異なる物質で形成されている場合には熱膨張係数の差、表面硬度の差などにより一層困難なものとなった。本発明者は、第１と第２の基板の間に両基板間にかかる圧力により弾性変形することにより基板間隔を微調整できる部材を配することによりこのような課題を解決した。このような基板間隔を調整する部材はメッキにより形成した上下方向に屈曲することによりバネ機能を有した金属または内部に５０％以上の空孔を有するスポンジのようなポーラス状の樹脂とした。
【００１６】
このような構造で、最終的な位置決めの後は各部材が完全に固定されるように第１と第２の基板の間隔を固定する第２の接着部材を配した。この第２の接着部材は具体的には紫外線硬化樹脂あるいは加硫処理したシリコーンである。また、このような発光素子とレンズの組み合わせを同一チップ上に複数形成し、発光素子から出射したレーザ光が空間状の１点に集光することにより高エネルギー密度のレーザ光を得ることも可能であった。これらの発光素子は面発光レーザまたは４５°ミラーを集積した基板面に水平な方向に共振器を有する半導体レーザとすることが好適であった。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ビーム並行度が良好で集光性の高いレーザビームが一体化された発光素子により実現可能であり、レーザ光を扱う光学系の簡素化、低コスト化が可能となった。また、レーザ光を空間上の一点に集光する構成により高密度のレーザ光を単一の素子により得ることが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る半導体光素子を幾つかの図面に示した実施例による発明の実施の形態を参照して更に詳細に説明する。
【実施例１】
【００１９】
半導体光素子を波長１３００ｎｍのＡｌＧａＩｎＡｓ系面発光型半導体レーザとして構成した第１の実施例を素子の作製手順に従い述べる。
【００２０】
まず、有機金属気相成長法によりｎ−ＩｎＰ基板１０１上に図１のような単結晶多層膜を作製する。単結晶多層膜はｎ−ＩｎＰ バッファ層１０２、及びＩｎＰに格子整合する厚さ４分の１波長の光学長を有するn型ブラッグ反射器１０３を最初に形成する。n型ブラッグ反射器１０３は、ｎ−ＩｎＧａＡｓとｎ−ＩｎＡｌＡｓの積層膜からなり、反射率が９９.８％である。続いて、ＩｎＰ に格子整合したｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓ下側ＳＣＨ（ＳｅｐａｒａｔｅＣｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔＨｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層１０４、ＩｎＧａＡｌＡｓ歪障壁層（バンドギャップ１．３２ｅＶ、障壁層厚８ｎｍ）及びＩｎＧａＡｌＡｓ歪量子井戸層（バンドギャップ０．８７ｅＶ、井戸層厚６ｎｍ）によって構成される歪量子井戸活性層１０５、ＩｎＰに格子整合したｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓ上側ＳＣＨ層１０６、ｐ型ブラッグ反射器１０７、ｐ−ＩｎＧａＡｓキャップ層１０８の各層を順次形成する。ｐ型ブラッグ反射器１０７は、ｐ−ＩｎＧａＡｓとｐ−ＩｎＡｌＡｓの積層膜からなり、反射率が９９.２％である。
【００２１】
次に、このウエハを図２に示すような面発光レーザ構造に加工する。この構造は、まず、絶縁膜などをマスクにし、ホトエッチング工程によりポスト状の突起部１０９を形成する。このときのエッチングは方法を問わないので，ホトエッチングの他に、湿式法、ＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）、ＲＩＢＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＢｅａｍＥｔｃｈｉｎｇ）、イオンミリング等が可能である。エッチングは歪量子井戸活性層１０５に達しないようにｐ型ブラッグ反射器１０７の途中で止まるようにする。
【００２２】
以上の構造に表面保護のための酸化シリコン膜１１０を形成した上で前記ポスト状の突起部１０９の上面のみこ酸化シリコン膜を除去した後、キャップ層１０８の上面にｐ側オーミック電極１１１を形成し、さらに基板１０１を厚さ約１００μｍまで研磨した上で裏面にｎ側オーミック電極１１２を形成する。このときポスト状の突起部１０９と対向する基板１０１の裏面の位置に予め酸化物によりマスクをし、リフトオフによりｎ側オーミック電極１１２を除去することにより開口部１１３を形成する。
【００２３】
次に、この開口部に電子線または紫外線によるリソグラフ技術を用いて図３のような断面形状を有し、ポスト状構造に対し中心軸が整合した同心円状または楕円状の回折レンズ１１４を形成する。このような断面形状の回折レンズは電子線露光強度の変調または透過率を変調したホトマスクを用いた縮小投影露光により再現性よく形成することが可能であった。回折レンズとポスト状構造の光軸は両面位置あわせ機能を持つ露光装置により精度約１μｍで位置合わせすることが可能であった。回折レンズの表面には酸化シリコン及び酸化チタンの薄膜からなる反射防止膜を形成し、後述のシリコーンゲル塗布状態で反射による損失が１％以下となるように形成されている。
【００２４】
次に、ウエハの裏面に銅の電解メッキを用いて間隔調整のためのメッキバネ１１５を形成した。この構造はまず図４に示すようなリッジ状のホトレジスト（厚さ１５μｍ）１１６を形成し、ホトレジスト１１６の表面を含むウエハ全体に金電極を蒸着した上で再度レジスト工程を用いてこのリッジ状ホトレジストに直交する方向に延在する銅メッキ膜（厚さ５μｍ）１１７を形成した後、メッキ領域以外の金とホトレジストを除去することにより形成した図５のような形状のもので、銅メッキ膜１１７下の空隙部分によりその上の銅メッキ膜１１７が外部からの力に応じて変形することによりメッキバネ１１５としての機能を発現する。メッキバネ１１５の材料としては弾性の強い銅を用いることが好適であるが、対腐食性を重視する場合には金を、熱処理による可塑性を重視する場合にはスズを主成分とする合金を用いることも可能であり、それぞれ所望の間隔調整機能を実現することが可能であった。このような発光素子は、図１から５には単一の素子のみ示しているが、実際の作製工程においては直径２インチから３インチのＩｎＰ基板上に一定の間隔を持って２次元アレイ状に配置されている。
【００２５】
次に、この２次元アレイと対応する位置にマイクロレンズ１１８を有するマイクロレンズアレイ１１９をシリコーンゲル１２０を用いて接着し、図６のような光複合光学素子を形成した。前記工程で作製したＩｎＰ基板１０１の裏面にシリコーンゲル原液を塗布したうえでマイクロレンスアレイ１１９を張り合わせる。このとき、マイクロレンズアレイ１１９とＩｎＰ基板１０１の距離はメッキバネ１１５の高さにより概ね決定され約２０μｍとなる。シリコーンゲル１２０はマイクロレンズアレイ１１９の基板である石英ガラスにあわせ屈折率１．４５に調整したものを用いる。これにより、屈折率の境界面はＩｎＰ基板表面のみとなり、光の多重反射による迷光を防止することが可能であった。
この状態のウエハを９０℃で約１時間ベーキングすることによりシリコーンゲル１２０を硬化させた状態でマイクロレンズ１１８形成部分以外のガラス及びシリコーンゲルをＩｎＰ基板１０１に到達するまで除去した上で紫外線硬化樹脂１２１をこの部分に充填し、９０℃でで約１時間ベークすることにより仮硬化させる。以上のように形成したレンズ集積発光素子とマイクロレンズを張り合わせた構造をダイシングにより分離して個別の発光素子を得た。
【００２６】
通常、このような半導体又は光学素子を形成したウエハの張り合わせは光学接着剤やポリイミドなどの樹脂を用いて行われる。しかし、これらの接着剤は硬化した後の硬度が高く柔軟性が全く残らない上、半導体及び石英のウエハに比べ熱膨張係数が１０倍近く大きいため応力発生の原因ともなっていた。特に本発明の場合、接着面であるＩｎＰ基板の裏面にも光学素子が形成されているため、ウエハの張り合わせる面の間には１０μｍ以上の間隔が必要であり、通常の接着方法では問題が発生した。一方、本実施例のシリコーンゲル１２０を接着媒質として用いればシリコーンゲル１２０が硬化後も一定の柔軟性を保つため熱膨張などによる応力はシリコーンゲル１２０で吸収され複合光学素子の特性に悪影響を及ぼすことを回避できる。
【００２７】
このようにして作製した素子ではビーム放射方向誤差は約３分以下に抑えることが可能であったが、基板のうねりやＩｎＰ基板、カラス基板の厚さの誤差があるため、コリメート光の平行度は３０分程度のばらつきが残っており、ビームの集光性が問題となる応用では外部光学系による再調整が必要なレベルにとどまっていた。このようなビーム集光性の誤差はレーザを点灯させた状態でメッキバネ１１５に上下方向の力を加え圧縮し、最適の位置になったところで紫外線を照射して紫外線硬化樹脂１２１を完全に硬化させることによりレンズを完全に固定することにより再現性よく作製可能であった。接着剤がシリコーンゲルであるため複合光学素子分割後も柔軟性を失っていないためこのような微調整が容易に実施可能となった。
【００２８】
試作した半導体レーザは、閾値電流約１０ｍＡで室温連続発振し、発振波長は約１．３μｍであり、最大光出力３０ｍＷまで安定に横単一モードで発振した。放射されたレーザ光の方位誤差、ビーム広がり角のばらつきはともに３分以下であった。
【実施例２】
【００２９】
半導体光素子を波長１３００ｎｍのＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体レーザとして構成した第２の実施例を素子の作製手順に従い述べる。まず、有機金属気相成長法によりｎ−ＩｎＰ基板１０１上に図７のような単結晶多層膜を作製する。単結晶多層膜はｎ−ＩｎＰバッファ層２０１、及びＩｎＰに格子整合する厚さ４分の１波長の光学長を有するブラッグ反射器２０２を最初に形成する。ブラッグ反射器２０２は、ｎ−ＩｎＧａＡｓとｎ−ＩｎＡｌＡｓの積層膜からなり、反射率が７０％である。続いて、ｎ−ＩｎＰ下側クラッド層２０３、ＩｎＧａＡｌＡｓ歪障壁層（バンドギャップ１３２ｅＶ、障壁層厚８ｎｍ）及びＩｎＧａＡｌＡｓ歪量子井戸層（バンドギャップ０８７ｅＶ、井戸層厚６ｎｍ）によって構成される歪量子井戸活性層２０４、ｐ−ＩｎＰ上側クラッド層２０５、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０６の各層をＭＯＶＰＥ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法による結晶成長により順次形成する。
【００３０】
次に、絶縁膜などをマスクにし、ホトエッチング工程により図８に示すようなリッジ２０７を形成する。このときのエッチングは方法を問わないので，ホトエッチングの他に、湿式法、ＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）、ＲＩＢＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＢｅａｍＥｔｃｈｉｎｇ）、イオンミリング等が可能である。エッチングは歪量子井戸活性層１４に達しないようにｐ−ＩｎＰクラッド層２０５の途中で止まるようにする。
次に、絶縁膜をマスクに共振器を４５°の角度で下側クラッド層２０３までエッチングし
て４５°反射面を形成してから、該反射面に非晶質硅素膜と二酸化硅素膜の周期膜からなる高反射率膜２０９を形成し、反射面を４５°傾斜反射鏡２０８とする。その後、コンタクト層２０６の上面にｐ側オーミック電極２１０を、基板８の裏面にｎ側オーミック電極２１１を形成する。４５°反射面２０８と対向する基板１０１の裏面の位置に予め酸化物によりマスクをし、リフトオフによりｎ側オーミック電極２１１を除去することにより開口部１１３を形成する。
【００３１】
次に、この開口部に電子線または紫外線によるリソグラフ技術を用いて図９のような断面形状を有し、反射面を４５°傾斜反射鏡２０８に対し中心軸が整合した同心円状または楕円状の回折レンズ１１４を形成する。このような断面形状の回折レンズは電子線露光強度の変調または透過率を変調したホトマスクを用いた縮小投影露光により再現性よく形成することが可能であった。回折レンズを楕円状に形成することにより半導体レーザの非点収差を除去する、あるいは半導体レーザからの楕円状の放射ビームを真円ビームに変換することが可能であった。回折レンズと反射面を４５°傾斜反射鏡２０８の光軸は両面位置あわせ機能を持つ露光装置により精度約１μｍで一合わせすることが可能であった。回折レンズの表面には酸化シリコン及び酸化チタンの薄膜からなる反射防止膜を形成し、後述のシリコーンゲル塗布状態で反射による損失が１％以下となるように形成されている。
次に、ウエハの裏面に銅の電解メッキを用いて間隔調整のためのメッキバネ１１５を形成した。この構造は実施例１で説明した図４及び図５と同様の手順により作製されたものである。
【００３２】
次に、この４５°反射面２０８および回折レンズ１１３と対応する位置にマイクロレンズ１１８を有するマイクロレンズアレイ１１９をシリコーンゲル１２０を用いて接着する。前記工程で作製したＩｎＰ基板１０１の裏面にシリコーンゲル原液を塗布したうえでマイクロレンスアレイ１１９を張り合わせる。このとき、マイクロレンズアレイ１１９とＩｎＰ基板１０１の距離はメッキバネ１１５の高さにより概ね決定され約２０μｍとなる。シリコーンゲル１２０はマイクロレンズアレイ１１９の基板である石英ガラスにあわせ屈折率１．４５に調整したものを用いる。これにより、屈折率の境界面はＩｎＰ基板表面のみとなり、光の多重反射による迷光を防止することが可能であった。
【００３３】
この状態のウエハを９０℃で約１時間ベーキングすることによりシリコーンゲル１２０を硬化させた状態でマイクロレンズ１１８形成部分以外のガラス及びシリコーンゲルをＩｎＰ基板１０１に到達するまで除去した上で紫外線硬化樹脂１２１をこの部分に充填し、９０℃でで約１時間ベークすることにより仮硬化させる。以上のように形成したレンズ集積発光素子とマイクロレンズを張り合わせた構造をへき開により分離して個別の発光素子を得た。レーザ共振器の第２の反射面となるへき開面には酸化シリコン及び酸化チタンの薄膜からなる反射率９９％の高反射膜２１２を設けた。
【００３４】
このようにして作製した素子ではビーム放射方向誤差は約３分以下に抑えることが可能であったが、基板のうねりやＩｎＰ基板、カラス基板の厚さの誤差があるため、コリメート光の平行度は３０分程度のばらつきが残っており、ビームの集光性が問題となる応用では外部光学系による再調整が必要なレベルにとどまっていた。このようなビーム集光性の誤差はレーザを点灯させた状態でメッキバネ１１５に上下方向の力を加え圧縮し、最適の位置になったところで紫外線を照射して紫外線硬化樹脂１２１を完全に硬化させることによりレンズを完全に固定することにより再現性よく作製可能であった。
【００３５】
作製した半導体レーザはへき開面と１３５°ミラーを介して光共振器にレーザを反射するブラッグ反射器により形成される光帰還構造によりレーザ発振が可能で、閾値電流約１０ｍＡで室温連続発振し、発振波長は約１．３μｍであり、最大光出力３０ｍＷまで安定に横単一モードで発振した。放射されたレーザ光の方位誤差、ビーム広がり角のばらつきはともに３分以下であった。
【実施例３】
【００３６】
本発明第３の実施例としてＩｎＰ基板とカラス基板の接合部にメッキバネに変わり発泡性の樹脂を用いた例を示す。本実施例においては、ＩｎＰ基板１０１上の発光素子の作製は実施例２と同様に行った。次にこの基板の裏面に厚さ約１０μｍの発泡性シリコーン３０１を塗布し、発泡硬化させた後ホトリソグラフ技術を用いて発光素子及びレンズ部分を避けた一部のみに発泡性シリコーン３０１が残るように加工して図１０の構造とした。発泡作用により硬化後の発泡性シリコーン３０１の厚さは約２０μｍとなっており、２枚のウエハの間の間隔調整が可能なスポンジ状態の柔軟性を残している。
【００３７】
次に、この４５°反射面２０８および回折レンズ１１３と対応する位置にマイクロレンズ１１８を有するマイクロレンズアレイ１１９をシリコーンゲル１２０を用いて接着する。前記工程で作製したＩｎＰ基板１０１の裏面にシリコーンゲル原液を塗布したうえでマイクロレンスアレイ１１９を張り合わせる。このとき、マイクロレンズアレイ１１９とＩｎＰ基板１０１の距離はメッキバネ１１５の高さにより概ね決定され約２０μｍとなる。シリコーンゲル１２０はマイクロレンズアレイ１１９の基板である石英ガラスにあわせ屈折率１．４５に調整したものを用いる。これにより、屈折率の境界面はＩｎＰ基板表面のみとなり、光の多重反射による迷光を防止することが可能であった。
【００３８】
この状態のウエハを９０℃で約１時間ベーキングすることによりシリコーンゲル１２０を硬化させた状態でマイクロレンズ１１８形成部分以外のガラス及びシリコーンゲルをＩｎＰ基板１０１に到達するまで除去した上で加硫剤を添加したシリコーン３０２をこの部分に充填し、９０℃でで約１時間ベークすることにより仮硬化させる。以上のように形成したレンズ集積発光素子とマイクロレンズを張り合わせた構造をへき開により分離して図１１のような個別の発光素子を得た。レーザ共振器の第２の反射面となるへき開面には酸化シリコン及び酸化チタンの薄膜からなる反射率９９％の高反射膜２１２を設けた。
【００３９】
このようにして作製した素子ではビーム放射方向誤差は約３分以下に抑えることが可能であったが、基板のうねりやＩｎＰ基板、カラス基板の厚さの誤差があるため、コリメート光の平行度は３０分程度のばらつきが残っており、ビームの集光性が問題となる応用では外部光学系による再調整が必要なレベルにとどまっていた。このようなビーム集光性の誤差はレーザを点灯させた状態で発泡性シリコーン３０１に上下方向の力を加え圧縮し、最適の位置になったところで約１６０度で熱処理を行い加硫剤添加シリコーン３０２を完全に硬化させることによりレンズを固定することにより再現性よく作製可能であった。
試作した半導体レーザは、閾値電流約１０ｍＡで室温連続発振し、発振波長は約１．３μ
ｍであり、最大光出力３０ｍＷまで安定に横単一モードで発振した。放射されたレーザ光の方位誤差、ビーム広がり角のばらつきはともに３分以下であった。
【実施例４】
【００４０】
半導体光素子を波長４０５ｎｍのＡｌＧａＩｎＮ系半導体レーザとして構成した第４の実施例を素子の作製手順に従い述べる。ます図１０に示すように、ｎ型ＧａＮ基板４０１（面方位は（１−１００）面）上に有機金属気相成長法を用いてｎ型ＧａＮバッファ層４０２（０．２μｍ）、厚さ４分の１波長の光学長を有するｎ−ＧａＡｌＮとｎ−ＧａＮの積層膜からなるブラッグ反射器４０３を形成する。ブラッグ反射器４０３の反射率は７０％である。ｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎクラッド層４０４（Ｓｉドープ、ｎ＝１×１０１８ｃｍ−３、１．２μｍ）、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸活性層４０５、ｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子層４０６（Ｍｇドープ、ｐ＝７×１０１７ｃｍ−３、０．５μｍ）、およびｐ型ＧａＮキャップ層４０７（Ｓｉドープ、ｐ＝１×１０１９ｃｍ−３、０．１μｍ）を順次結晶成長した。
【００４１】
次に、絶縁膜をマスクに共振器を４５°の角度でｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎクラッド層４０４までメサエッチングして反射面を形成してから、該反射面に非晶質硅素膜と二酸化硅素膜の周期膜からなる高反射率膜４０８を形成し、反射面を４５°傾斜反射鏡２０８とする。その後、キャップ層４０７の上面にｐ側オーミック電極４０９を、基板４０１の裏面にｎ側オーミック電極４１０を形成する。反射鏡２０８と対向する基板４０１の裏面の位置に予め酸化物によりマスクをし、リフトオフによりｎ側オーミック電極４１０を除去することにより開口部１１３を形成して図１１のような構造を形成した。。次にこの開口部に電子線または紫外線によるリソグラフ技術を用いて図１２のような断面形状を有し、反射面を４５°傾斜反射鏡２０８に中心軸が整合した同心円状または楕円状の回折レンズ１１４を形成する。このような断面形状の回折レンズは電子線露光強度の変調または透過率を変調したホトマスクを用いた縮小投影露光により再現性よく形成することが可能であった。回折レンズと反射面を４５°傾斜反射鏡２０８の光軸は両面位置あわせ機能を持つ露光装置により精度約１μｍで一合わせすることが可能であった。回折レンズの表面には酸化シリコン及び酸化チタンの薄膜からなる反射防止膜を形成し、後述のシリコーンゲル塗布状態で反射による損失が１％以下となるように形成されている。
【００４２】
次に、ウエハの裏面に銅の電解メッキを用いて間隔調整のためのメッキバネ１１５を形成した。この構造は実施例１で説明した図４及び図５と同様の手順により作製されたものである。
【００４３】
次に、この４５°反射面２０８および回折レンズ１１３と対応する位置にマイクロレンズ１１８を有するマイクロレンズアレイ１１９をシリコーンゲル１２０を用いて接着する。前記工程で作製したＩｎＰ基板１０１の裏面にシリコーンゲル原液を塗布したうえでマイクロレンスアレイ１１９を張り合わせる。このとき、マイクロレンズアレイ１１９とＩｎＰ基板１０１の距離はメッキバネ１１５の高さにより概ね決定され約３０μｍとなる。シリコーンゲル１２０はマイクロレンズアレイ１１９の基板である石英ガラスにあわせ屈折率１．４５に調整したものを用いる。これにより、屈折率の境界面はＩｎＰ基板表面のみとなり、光の多重反射による迷光を防止することが可能であった。
【００４４】
この状態のウエハを９０℃で約１時間ベーキングすることによりシリコーンゲル１２０を硬化させた状態でマイクロレンズ１１８形成部分以外のガラス及びシリコーンゲルをＩｎＰ基板１０１に到達するまで除去した上で紫外線硬化樹脂１２１をこの部分に充填し、９０℃でで約１時間ベークすることにより仮硬化させる。以上のように形成したレンズ集積発光素子とマイクロレンズを張り合わせた構造をへき開により分離して個別の発光素子を得た。レーザ共振器の第２の反射面となるへき開面には酸化シリコン及び酸化チタンの薄膜からなる反射率９９％の高反射膜４１１を設けた。
【００４５】
このようにして作製した素子ではビーム放射方向誤差は約３分以下に抑えることが可能であったが、基板のうねりやＩｎＰ基板、カラス基板の厚さの誤差があるため、コリメート光の平行度は３０分程度のばらつきが残っており、ビームの集光性が問題となる応用では外部光学系による再調整が必要なレベルにとどまっていた。このようなビーム集光性の誤差はレーザを点灯させた状態でメッキバネ１１５に上下方向の力を加え圧縮し、最適の位置になったところで紫外線を照射して紫外線硬化樹脂１２１を完全に硬化させることによりレンズを完全に固定することにより再現性よく作製可能であった。
【００４６】
試作した半導体レーザは、閾値電流約１０ｍＡで室温連続発振し、発振波長は約４０５ｎｍであり、最大光出力３０ｍＷまで安定に横単一モードで発振した。放射されたレーザ光の方位誤差、ビーム広がり角のばらつきはともに３分以下であった。
【実施例５】
【００４７】
本発明のレンズ集積複合光学素子は、均一性の良好なレーザビームを得ることが可能なため、単一チップ上に複数の半導体レーザを形成し、これらの素子から出射したレーザ光を単一の焦点に絞り込むことにより高光密度の集光を実現することも可能であった。本発明の半導体レーザウエハの構造は実施例３と同様のものであるが、本実施例においては４５°傾斜反射鏡２０８と同時に１３５°傾斜反射鏡５０１を形成し、この１３５°傾斜反射鏡５０１と４５°傾斜反射鏡２０８で屈曲した光がそれそれ基板側に設けたブラッグ反射器４０３と１３５°傾斜反射鏡５０１上のウエハ表面に設けた酸化シリコンと酸化チタンの多層膜よりなる反射膜５０２で反射されてレーザ共振器を構成する図１５のような構造とした。
【００４８】
実施例１〜４においては半導体レーザに集積したレンズによりコリメート光を得ることを目的としたが、本実施例においては単一チップ上に設けた複数の発光素子とレンズの組み合わせにより１点に強力なレーザ光を集光することにより光ファイバレーザの励起を行った。すなわち、本実施例のレーザ複合光学素子は単一のレーザチップ内に複数のレーザ共振器を有しており、これらの発光素子及び第１レンズの光軸５０３と第２レンズの光軸５０４は夫々の位置に対応して図１６のようにずれて設定されていて２次元アレイから出射されるレーザ光５０５が空間上の１点に集光される構成となっている。この焦点に希土類ドープ光ファイバ５０５の一端面を配置して１０素子から出射される２Ｗのレーザ光を単一の光ファイバに入射させる。本実施例により波長４４０ｎｍのレーザ光が２ワット光ファイバに入射し、これを励起光源とした６３０ｎｍ及び５２５ｎｍのレーザ光を光ファイバ内に励起させることが可能であった。本構成により、４４０ｎｍ、５２５ｎｍ，６３０ｎｍ夫々５００ｍＷの白色レーザ光が得られた。、
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】第１の実施例のウエハ構造。
【図２】第１の実施例の発光素子構造。
【図３】第１の実施例の裏面加工後構造。
【図４】第１の実施例のメッキバネ製造方法。
【図５】第１の実施例のメッキバネ構造。
【図６】第１の実施例の発光複合光学素子構造。
【図７】第２の実施例のウエハ構造。
【図８】第２の実施例の発光素子構造。
【図９】第２の実施例の発光複合光学素子構造。
【図１０】第３の実施例のウエハ構造。
【図１１】第３の実施例の発光素子構造。
【図１２】第４の実施例のウエハ構造。
【図１３】第４の実施例の発光素子構造。
【図１４】第４の実施例の発光複合光学素子構造。
【図１５】第５の実施例の発光素子の構造。
【図１６】第５の実施例の発光複合光学素子の構造。
【図１７】従来のレンズ集積半導体レーザ。
【図１８】従来のレンズ張り合わせ型半導体レーザ。
【図１９】従来のウエハレベル集積型光学素子。
【符号の説明】
【００５０】
１０１…ｎ−ＩｎＰ基板
１０２…ｎ−ＩｎＰ バッファ層
１０３…n型ブラッグ反射器
１０４…ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓ下側ＳＣＨ層
１０５…歪量子井戸活性層
１０６…ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓ上側ＳＣＨ層
１０７…ｐ型ブラッグ反射器
１０８…ｐ−ＩｎＧａＡｓキャップ層
１０９…ポスト状の突起部
１１０…酸化シリコン膜
１１１…ｐ側オーミック電極
１１２…ｎ側オーミック電極
１１３…開口部
１１４…回折レンズ
１１５…メッキバネ
１１６…ホトレジスト
１１７…銅メッキ膜
１１８…マイクロレンズ
１１９…マイクロレンズアレイ
１２０…シリコーンゲル
１２１…紫外線硬化樹脂
２０１…ｎ−ＩｎＰバッファ層
２０２…ブラッグ反射器
２０３…ｎ−ＩｎＰ下側クラッド層
２０４…歪量子井戸活性層
２０５…ｐ−ＩｎＰ上側クラッド層
２０６…ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
２０７…リッジ
２０８…４５°反射面
２０９…高反射率膜
２１０…ｐ側オーミック電極
２１１…ｎ側オーミック電極
２１２…高反射膜
３０１…発泡性シリコーン
３０２…加硫剤添加したシリコーン
４０１…ｎ型ＧａＮ基板
４０２…ｎ型ＧａＮバッファ層
４０３…ブラッグ反射器
４０４…ｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎクラッド層
４０５…ＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸活性層
４０６…ｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子層
４０７…ｐ型ＧａＮキャップ層
４０８…高反射率膜
４０９…ｐ側オーミック電極
４１０…ｎ側オーミック電極
４１１…高反射膜
５０１…１３５°傾斜反射鏡
５０２…反射膜
５０３…発光素子及び第１レンズの光軸
５０４…第２レンズの光軸
５０５…レーザ光
５０６…希土類ドープ光ファイバ
１１…ＶＣＳＥＬアレイ基板
１２…ＶＣＳＥＬ
１３…レンズアレイ基板
１４…マイクロレンズ
１５…面発光素子
１６…光学素子
１７…第１の集合体
１８…第２の集合体
１９…穴
２０…切欠
２１…切断位置
２２…第１のウエハ
２３…第２のウエハ
２４…隔離ガラス
２５…レンズ
２６…回折部品
２７…金属パッド
２８…金属
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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