(57)【要約】  基板と、前記基板上に形成され、高屈折率層と低屈折率層の周期構造から形成される下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、前記下部多層膜反射鏡と前記上部多層膜反射鏡との間に設けられた活性層と、前記活性層と前記下部多層膜反射鏡との間に位置し、前記上部多層膜反射鏡の外周側に延設した下側コンタクト層と、前記下側コンタクト層の延設した部分の表面に形成された下側電極と、前記活性層に電流を注入するための上側電極と、を有する複数の面発光レーザ素子を備え、前記複数の面発光レーザ素子は電気的に直列接続され、直列接続素子アレイを形成していること。これによって、簡易な構成で高いエネルギー変換効率を実現でき、かつ高集積化可能な２次元面発光レーザアレイ素子ならびにこれを用いた面発光レーザ装置および光源を提供する。
2010084890.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され、高屈折率層と低屈折率層の周期構造から形成される下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、
前記下部多層膜反射鏡と前記上部多層膜反射鏡との間に設けられた活性層と、
前記活性層と前記下部多層膜反射鏡との間に位置し、前記上部多層膜反射鏡の外周側に延設した下側コンタクト層と、
前記下側コンタクト層の延設した部分の表面に形成された下側電極と、
前記活性層に電流を注入するための上側電極と、
を有する複数の面発光レーザ素子を備え、
前記複数の面発光レーザ素子は電気的に直列接続され、直列接続素子アレイを形成していることを特徴とする２次元面発光レーザアレイ素子。
【請求項２】
前記面発光レーザ素子は、前記活性層と前記上部多層膜反射鏡との間に位置する上側コンタクト層と、前記上側コンタクト層上に設けられた前記上側電極とを備えることを特徴とする請求項１に記載の２次元面発光レーザアレイ素子。
【請求項３】
前記上部多層膜反射鏡の少なくとも一部は誘電体からなることを特徴とする請求項２に記載の２次元面発光レーザアレイ素子。
【請求項４】
複数の前記面発光レーザ素子が１次元的に配列されて直列接続された素子アレイを形成していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の２次元面発光レーザアレイ素子。
【請求項５】
前記面発光レーザ素子の前記上側電極と、隣接する前記面発光レーザ素子の前記下側電極とが引き出し電極で接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の２次元面発光レーザアレイ素子。
【請求項６】
複数の前記直列接続素子アレイを備え、前記複数の直列接続素子アレイは電気的に並列接続していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の２次元面発光レーザアレイ素子。
【請求項７】
複数の前記直列接続素子アレイは、隣接する当該直列接続素子アレイを構成する個々の面発光レーザ素子が、当該直列接続素子アレイの長手方向において互いに位置がずれて配置していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の２次元面発光レーザアレイ素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一つに記載の２次元面発光レーザアレイ素子と、
前記２次元面発光レーザアレイ素子を構成する各面発光レーザ素子が出力する各レーザ光をコリメート光とするマイクロレンズアレイと、
を備えたことを特徴とする面発光レーザ装置。
【請求項９】
複数の前記面発光レーザ素子の発光波長が等しい請求項１〜７のいずれか一つに記載の２次元面発光レーザアレイ素子からなることを特徴とする光源。
【請求項１０】
複数の前記面発光レーザ素子の少なくとも一部の発光波長が他の面発光レーザ素子の発光波長と異なる請求項１〜７のいずれか一つに記載の２次元面発光レーザアレイ素子からなることを特徴とする光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、２次元面発光レーザアレイ素子、ならびにこれを用いた面発光レーザ装置および光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光インターコネクション用の信号光源として、基板上に形成された複数の面発光レーザ素子を有する２次元面発光レーザアレイ素子が用いられている。この２次元面発光レーザアレイ素子は、個々の面発光レーザ素子が独立したレーザ光信号を出力するように構成されている。【０００３】
一方、この２次元面発光レーザアレイ素子をワットクラスの高出力レーザ光源として用いる技術が開示されている（非特許文献１参照）。この２次元面発光レーザアレイ素子は、上記の信号光源の場合とは異なり、複数の面発光レーザ素子からのレーザ光出力が集約され、１つの光源として機能するように構成されている。また、このような２次元面発光レーザアレイ素子は、端面発光型レーザ素子のような端面の光学的破壊（Catastrophic  Optical  Damage：ＣＯＤ）がないため、信頼性が非常に高い高出力レーザ光源として期待されている。また、素子に注入する電力に対するレーザ光出力の割合で規定されるパワー変換効率についても、非特許文献１に記載の２次元面発光レーザアレイ素子においては最大で５１％と報告され、端面発光型レーザ素子と競合できるほどに十分に高いとされている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Jean-Francois  Seurin,  et  al.,  ”High-power  high-efficiency  2D VCSEL  arrays”,  Proc.  SPIE,  Vol.  6908,  690808  (2008)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非特許文献１に記載の２次元面発光レーザアレイ素子は、素子におけるパワー変換効率は高いものの、これを駆動する電源装置を含めて考えた場合に、エネルギー変換効率を高くできないという問題がある。【０００６】
すなわち、非特許文献１に記載の２次元面発光レーザアレイ素子は、これを構成する面発光レーザ素子が電気的に並列接続されているため、たとえば２３１Ｗのレーザ出力を実現するために、素子に３Ｖ程度の電圧を印加して３２０Ａの電流を流して駆動している。ところが、このような低電圧、大電流を流すための電源装置は、一般的にエネルギー変換効率が低くなる。したがって、非特許文献１に記載の２次元面発光レーザアレイ素子は、電源装置を含めて考えた場合に、エネルギー変換効率を高くできないという問題がある。      【０００７】
また、非特許文献１に記載の２次元面発光レーザアレイ素子は、各素子を並列に接続するための配線パターンを設けるために、高集積化ができないという問題があった。【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で高いエネルギー変換効率を実現でき、かつ高集積化可能な２次元面発光レーザアレイ素子ならびにこれを用いた面発光レーザ装置および光源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る２次元面発光レーザアレイ素子は、基板と、前記基板上に形成され、高屈折率層と低屈折率層の周期構造から形成される下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、前記下部多層膜反射鏡と前記上部多層膜反射鏡との間に設けられた活性層と、前記活性層と前記下部多層膜反射鏡との間に位置し、前記上部多層膜反射鏡の外周側に延設した下側コンタクト層と、前記下側コンタクト層の延設した部分の表面に形成された下側電極と、前記活性層に電流を注入するための上側電極と、を有する複数の面発光レーザ素子を備え、前記複数の面発光レーザ素子は電気的に直列接続され、直列接続素子アレイを形成していることを特徴とする。【００１０】
また、本発明に係る２次元面発光レーザアレイ素子は、上記の発明において、前記面発光レーザ素子は、前記活性層と前記上部多層膜反射鏡との間に位置する上側コンタクト層と、前記上側コンタクト層上に設けられた前記上側電極とを備えることを特徴とする。【００１１】
また、本発明に係る２次元面発光レーザアレイ素子は、上記の発明において、前記上部多層膜反射鏡の少なくとも一部は誘電体からなることを特徴とする。【００１２】
また、本発明に係る２次元面発光レーザアレイ素子は、上記の発明において、複数の前記面発光レーザ素子が１次元的に配列されて直列接続された素子アレイを形成していることを特徴とする。【００１３】
また、本発明に係る２次元面発光レーザアレイ素子は、上記の発明において、前記面発光レーザ素子の前記上側電極と、隣接する前記面発光レーザ素子の前記下側電極とが引き出し電極で接続されていることを特徴とする。【００１４】
また、本発明に係る２次元面発光レーザアレイ素子は、上記の発明において、複数の前記直列接続素子アレイを備え、前記複数の直列接続素子アレイは電気的に並列接続していることを特徴とする。【００１５】
また、本発明に係る２次元面発光レーザアレイ素子は、上記の発明において、複数の前記直列接続素子アレイは、隣接する当該直列接続素子アレイを構成する個々の面発光レーザ素子が、当該直列接続素子アレイの長手方向において互いに位置がずれて配置していることを特徴とする。【００１６】
また、本発明に係る面発光レーザ装置は、上記の発明のいずれか一つに記載の２次元面発光レーザアレイ素子と、前記２次元面発光レーザアレイ素子を構成する各面発光レーザ素子が出力する各レーザ光をコリメート光とするマイクロレンズアレイと、を備えたことを特徴とする。【００１７】
また、本発明に係る光源は、複数の前記面発光レーザ素子の発光波長が等しい上記の発明のいずれか一つに記載の２次元面発光レーザアレイ素子からなることを特徴とする。【００１８】
また、本発明に係る光源は、複数の前記面発光レーザ素子の少なくとも一部の発光波長が他の面発光レーザ素子の発光波長と異なる上記の発明のいずれか一つに記載の２次元面発光レーザアレイ素子からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、簡易な構成で面発光レーザ素子が直列接続しているため、簡易な構成で高いエネルギー変換効率を実現でき、かつ高集積化可能な２次元面発光レーザアレイ素子ならびに面発光レーザ装置および光源を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本実施の形態１に係る２次元面発光レーザアレイ素子の模式的な平面図である。
【図２】図２は、図１に示す２次元面発光レーザアレイ素子のＡ−Ａ線断面において、１つの面発光レーザ素子を拡大して示した図である。
【図３】図３は、図１、２に示す２次元面発光レーザアレイ素子の製造方法の一例を説明する説明図である。
【図４】図４は、図１、２に示す２次元面発光レーザアレイ素子の製造方法の一例を説明する説明図である。
【図５】図５は、図１、２に示す２次元面発光レーザアレイ素子の製造方法の一例を説明する説明図である。
【図６】図６は、５０×１０面発光レーザアレイ素子の駆動電流と光出力との関係を示す図である。
【図７】図７は、実施の形態２に係る面発光レーザ装置の概略構成と、構成の一部を拡大して示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明に係る２次元面発光レーザアレイは、２次元面発光レーザアレイ素子を構成する各素子を直列接続し、直列接続素子アレイを形成し、かつ、２次元面発光レーザアレイを構成する各面発光レーザ素子が、いわゆるイントラキャビティ型面発光レーザ素子であることを特徴としている。
【００２２】
本発明によると、各面発光レーザ素子は素子抵抗が小さいので、それらを直列に接続することが可能となる。また、それらの面発光レーザ素子を直列に接続した面発光レーザアレイ素子とすることによって、エネルギー効率が大幅に改善される（たとえば、本発明による、面発光レーザ素子を５０個直列接続した１次元アレイ（直列接続素子アレイ）では、両端に１００Ｖ、１０ｍＡを供給する電源効率の高い電源装置を接続することで駆動することができる）。
さらに直列接続素子アレイ内の素子間で新たな配線を設ける必要がないので、従来の面発光レーザアレイ素子に比べて素子間隔を小さくできる。
【００２３】
すなわち、本発明の２次元面発光レーザアレイ素子を構成する面発光レーザ素子は、イントラキャビティ型（電流注入のための少なくとも一方のコンタクト層が光共振器ミラーの内側に含まれる）面発光レーザ素子である。したがって、基板裏面に電極をもつ従来の面発光レーザ素子を直列に接続するためには、基板裏面に通じる貫通孔を設ける必要があったが、本発明の構成を採用することによって、活性層に電流を注入するための電極を一方の表面のみに設けることができ、各面発光レーザ素子を従来の面発光レーザアレイ素子に比べて高密度に集積することができる。
【００２４】
さらに、本発明では、ダブルイントラキャビティ型（電流注入のための二つのコンタクト層が光共振器ミラーの内側に含まれる）面発光レーザ素子を採用することによって、シングルイントラキャビティ型面発光レーザ素子を集積する場合に比べてさらに集積度を上げることができる。その理由は以下の通りである。すなわち、ダブルイントラキャビティ型面発光レーザ素子では、一般的には二つのコンタクト層が共振器ミラーの内側に設けられ、一方で、シングルイントラキャビティ型面発光レーザ素子では一方のコンタクト層は共振器ミラー上に設けられる。そのために、コンタクト層上に設けられる上側電極と下側電極の高低差が、シングルイントラキャビティ型の場合と比較して、ダブルイントラキャビティ型面発光レーザ素子では著しく小さくなる。その結果として、ダブルイントラキャビティ型面発光レーザ素子で直列接続素子アレイを形成すると、その表面上の段差を被覆し電気接続の保障された電極を形成するために必要とされる表面積が小さくなり、高集積化が可能となるのである。例えば、面発光レーザ素子間の高低差は、シングルイントラキャビティ型（上側電極であるp側電極が半導体ミラー上に形成された構造）では、４〜５μｍなのに対し、ダブルイントラキャビティ型では、その１／１０程度(〜０．５μｍ)に抑えられる。
【００２５】
また、ダブルイントラキャビティ型とすることによって、各面発光レーザ素子の素子抵抗を、１００Ω以下に下げることもできるので、１０〜１００Ω、特に５０Ω以下の低素子抵抗素子を用いると、１００〜１０００といった多数の面発光レーザ素子の直列接続により２次元面発光レーザアレイ素子を構成することも可能になる。
さらに、面発光レーザ素子を直鎖状に直列接続した直列接続素子アレイ同士を、間に配線パターンを介在させることなく近接して配置することができるので、一層、単位面積当たりの集積度を上げることができる。
【００２６】
以下に、図面を参照して本発明に係る２次元面発光レーザアレイ素子、面発光レーザ装置および光源の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。なお、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付している。
【００２７】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１に係る２次元面発光レーザアレイ素子１０００の模式的な平面図である。図１に示すように、この２次元面発光レーザアレイ素子１０００は、ｎを２以上の整数として、直列接続アレイ素子１００１１〜１００１ｎと、共通ｎ側電極１００２と、共通ｐ側電極１００３とを有する。各直列接続アレイ素子１００１１〜１００１ｎは、それぞれｍを２以上の整数としてｍ個の面発光レーザ素子１００から構成されている。すなわち、この２次元面発光レーザアレイ素子１０００は、ｍ×ｎ個の面発光レーザ素子１００から構成されている。ｍ、ｎは特に限定されないが、たとえば、ｍは１０〜１００であり、ｎは１０〜１０００である。
【００２８】
図２は、図１に示す２次元面発光レーザアレイ素子１０００のＡ−Ａ線断面において、１つの面発光レーザ素子１００を拡大して示した図である。図２に示すように、この面発光レーザ素子１００は、基板１０１と、基板１０１上に形成された下部多層膜反射鏡である下部ＤＢＲミラー１０２と、バッファ層１０３と、ｎ型コンタクト層１０４と、多重量子井戸構造を有する活性層１０５と、下部傾斜組成層１０６と、外周に位置する電流狭窄部１０７ａと電流狭窄部１０７ａの中心に位置する円形の電流注入部１０７ｂとを有する電流狭窄層１０７と、上部傾斜組成層１０８と、ｐ型スペーサ層１０９と、ｐ＋型電流経路層１１０と、ｐ型スペーサ層１１１と、ｐ＋型コンタクト層１１２とが順次積層した構造を有する。そして、活性層１０５からｐ＋型コンタクト層１１２までが円柱状のメサポストＭ１を構成している。
【００２９】
基板１０１は、たとえばアンドープのＧａＡｓからなる。また、下部ＤＢＲミラー１０２は、たとえばＧａＡｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の３４ペアからなる。また、バッファ層１０３は、たとえばアンドープのＧａＡｓからなる。また、ｎ型コンタクト層１０４は、たとえばｎ型ＧａＡｓからなる。また、活性層１０５は、たとえば１１００ｎｍ帯のレーザ光用として、層数が３のＩｎＧａＡｓ層と層数が４のＧａＡｓ障壁層が交互に積層した構造を有しており、最下層のＧａＡｓ障壁層はｎ型クラッド層としても機能する。また、電流狭窄層１０７については、たとえば電流狭窄部１０７ａはＡｌ２Ｏ３からなり、電流注入部１０７ｂは、直径が６〜７μｍであり、ＡｌＡｓからなる。下部傾斜組成層１０６および上部傾斜組成層１０８は、たとえばＡｌＧａＡｓからなり、厚さ方向において電流狭窄層１０７に近づくにつれてそのＡｌ組成が段階的に増加するように構成されている。また、ｐ型スペーサ層１０９、１１１とｐ＋型電流経路層１１０、ｐ＋型コンタクト層１１２とは、たとえばそれぞれ炭素をドープしたｐ型、ｐ＋型のＧａＡｓからなる。なお、各ｐ型またはｎ型層のアクセプタまたはドナー濃度はたとえば１×１０１８ｃｍ−３程度であり、ｐ＋型層のアクセプタ濃度はたとえば１×１０１９ｃｍ−３以上である。
【００３０】
また、ｐ＋型コンタクト層１１２上に、Ｐｔ／Ｔｉからなり、中心に開口部１１３ａを有するとともに、メサポストＭ１の外周と一致する外周を有するｐ側円環電極１１３が形成されている。ｐ側円環電極１１３の外径は、たとえば３０μｍであり、開口部１１３ａの内径は、たとえば１１〜１４μｍである。
【００３１】
また、ｐ側円環電極１１３の開口部１１３ａ内には、たとえば誘電体である窒化珪素（ＳｉＮｘ）からなる円板状の位相調整層１１４が形成されている。この位相調整層１１４は、下部ＤＢＲミラー１０２と上部ＤＢＲミラー１１５との間に形成される光の定在波の節や腹の位置を適正に調整する機能を有する。
【００３２】
さらに、位相調整層１１４上からメサポストＭ１の外周にわたって誘電体からなる上部多層膜反射鏡である上部ＤＢＲミラー１１５が形成されている。上部ＤＢＲミラー１１５は、たとえばＳｉＮｘ／ＳｉＯ２の１０〜１２ペアからなるが、たとえばα−Ｓｉ／ＳｉＯ２またはα−Ｓｉ／Ａｌ２Ｏ３のペアを、その材料の屈折率に応じて９９％程度の適切な反射率がえられるようなペア数にしたものでもよい。また、ｎ型コンタクト層１０４は、メサポストＭ１の下部から上部ＤＢＲミラー１１５の外周側に延設しており、その表面にたとえばＡｕＧｅＮｉ／Ａｕからなる半円環状のｎ側電極１１６が形成されている。ｎ側電極１１６は、たとえば外径が８０μｍ、内径が４０μｍである。また、上部ＤＢＲミラー１１５が形成されていない領域には、表面保護のためにＳｉＮｘなどの誘電体からなるパッシベーション膜１１７が形成されている。
【００３３】
また、ｎ側電極１１６に対して、パッシベーション膜１１７に形成された開口部を介して接触するように、Ａｕからなる引き出し電極１１８が形成されている。一方、ｐ側円環電極１１３に対しても、パッシベーション膜１１７に形成された開口部を介して接触するように、Ａｕからなる引き出し電極１１８が形成されている。
【００３４】
ここで、図１に示すように、直列接続アレイ素子１００１１において、面発光レーザ素子１００のｎ側電極１１６に接続した引き出し電極１１８は、共通ｎ側電極１００２に接続しており、ｐ側円環電極１１３に接続した引き出し電極１１８は、隣接する面発光レーザ素子１００のｎ側電極１１６に接続している。このように、直列接続アレイ素子１００１１は、複数の面発光レーザ素子１００が電気的に直列接続した構成を有している。また、他の直列接続アレイ素子１００１２〜１００１ｎも、同様に複数の面発光レーザ素子１００が直列接続した構成を有している。
【００３５】
さらに、これらの直列接続アレイ素子１００１２〜１００１ｎは、共通ｎ側電極１００２と共通ｐ側電極１００３とによって電気的に並列接続している。また、共通ｎ側電極１００２と共通ｐ側電極１００３とは、外部に設けた不図示の電流供給回路に電気的に接続している。
【００３６】
そして、この２次元面発光レーザアレイ素子１０００は、電流供給回路から共通ｎ側電極１００２と共通ｐ側電極１００３とを介して各直列接続アレイ素子１００１２〜１００１ｎの面発光レーザ素子１００に電圧を印加し、電流を注入すると、電流は主に低抵抗のｐ＋型コンタクト層１１２とｐ＋型電流経路層１１０とを流れ、さらに電流経路が電流狭窄層１０７によって電流注入部１０７ｂ内に狭窄されて、高い電流密度で活性層１０５に供給される。その結果、活性層１０５はキャリア注入されて自然放出光を発光する。自然放出光のうち、レーザ発振波長である１１００ｎｍ帯の光は、下部ＤＢＲミラー１０２と上部ＤＢＲミラー１１５との間で定在波を形成し、活性層１０５によって増幅される。そして、注入電流がしきい値以上になると、定在波を形成する光がレーザ発振し、ｐ側円環電極１１３の開口部１１３ａからたとえば１１００ｎｍ帯のレーザ光が出力する。
【００３７】
ここで、この２次元面発光レーザアレイ素子１０００を構成する各面発光レーザ素子１００においては、下部ＤＢＲミラー１０２と活性層１０５との間に位置するｎ型コンタクト層１０４が、上部ＤＢＲミラー１１５の外周側に延設しており、ｎ側電極１１６はこの延設した部分の表面に形成されている。また、各面発光レーザ素子１００においては、ｐ＋型コンタクト層１１２が、上部ＤＢＲミラー１１５と活性層１０３との間に位置している。すなわち、各面発光レーザ素子１００は、いわゆるダブルイントラキャビティ型の構造を有している。このため、この２次元面発光レーザアレイ素子１０００は、隣接する面発光レーザ素子１００間の直列接続が簡易な構成で実現されており、これによって電源装置を含めて考えた場合に高いエネルギー変換効率を実現できるものとなっている。
【００３８】
すなわち、上述したように、従来の２次元面発光レーザアレイ素子は、これを構成する面発光レーザ素子が並列接続されているため、電源装置を含めて考えた場合に、エネルギー変換効率を高くできないという問題がある。
【００３９】
ところが、従来の２次元面発光レーザアレイ素子において隣接する面発光レーザ素子間を直列接続しようとすると、基板裏面のｎ側電極と基板表面のｐ側電極とを接続するために、基板にスルーホールを形成して配線したり、基板を面発光レーザ素子ごとにへき開して縦に並べたりする等、複雑な構成および煩雑な製造工程が必要となる。またこれらの複雑さおよび煩雑さは高いレーザ出力を実現するために面発光レーザ素子の数を増加させるにつれて益々増大する。
【００４０】
これに対して、この２次元面発光レーザアレイ素子１０００を構成する各面発光レーザ素子１００においては、ｐ側円環電極１１３とｎ側電極１１６のいずれもが基板１０１の表面側に位置しているので、隣接する面発光レーザ素子１００のｐ側円環電極１１３とｎ側電極１１６とを引き出し電極１１８で接続するだけで、容易に直列接続が実現できる。  この構成によれば、面発光レーザ素子１００間の電気的接続のために新たな配線パターンを必要とせず、基板１０１上の面発光レーザ素子１００の占有率を高くすることができ高密度の集積化ができる。また、図１に示すように、直列接続アレイ素子１００１１〜１００１ｎのうち隣接する直列接続アレイ素子に関して、直列接続アレイ素子を構成する面発光レーザ素子１００を、アレイの長手方向において互いに位置をずらして配置することによって、直列接続アレイ素子間の間隔を小さくすることができるので、さらに高密度化が図れる。
【００４１】
また、このように面発光レーザ素子１００を直列接続すれば、高電圧、小低電流での２次元面発光レーザアレイ素子１０００の駆動が可能となるため、エネルギー変換効率が高い電源装置を用いることができる。さらには、この２次元面発光レーザアレイ素子１０００は、流す電流が小さいため、細い配線を利用することができるので、素子および電源回路等を含めて小型化、軽量化を実現できる。
【００４２】
以上説明したように、この２次元面発光レーザアレイ素子１０００は、簡易な構成で高いエネルギー変換効率かつ高集積化を実現できるものとなる。
【００４３】
なお、この２次元面発光レーザアレイ素子１０００においては、直列接続アレイ素子１００１１〜１００１ｎが電気的に並列接続している。したがって、たとえば直列接続アレイ素子１００１１を構成する面発光レーザ素子１００の一つが劣化あるいは破損し、直列接続アレイ素子１００１１が断線したとしても、他の直列接続アレイ素子１００１２〜１００１ｎは動作し続ける。また、ある面発光レーザ素子の劣化、およびそれに伴う発熱の影響は、劣化した素子が属する直列接続アレイ素子内の範囲にとどまる。その結果、２次元面発光レーザアレイ素子１０００全体の光出力の急激な低下は防止される。
【００４４】
また、この２次元面発光レーザアレイ素子１０００を構成する面発光レーザ素子１００においては、上部ＤＢＲミラー１１５を誘電体で構成し、ｐ側円環電極１１３から上部ＤＢＲミラーを通さないで活性層１０５に電流を注入している。その結果、たとえば従来の２次元面発光レーザアレイ素子のように、ｐ型半導体からなる上部ＤＢＲミラーを通して電流を注入するものと比較して電気抵抗および熱抵抗が小さくなり、面発光レーザ素子１００自体のパワー変換効率が高いとともに、良好な温度特性を有するものとなる。
【００４５】
また、上部ＤＢＲミラー１１５の一部のみを誘電体膜で構成し、他の部分を半導体膜で構成してもよい。
【００４６】
ただし、本発明において、面発光レーザ素子の構成としては、ダブルイントラキャビティ型のものに限られず、上部ＤＢＲミラーを半導体で構成し、ｐ側円環電極を上部ＤＢＲミラーの上側に形成して、シングルイントラキャビティ型とした構成の面発光レーザ素子を用いてもよい。
【００４７】
また、この２次元面発光レーザアレイ素子１０００を構成する面発光レーザ素子１００においては、活性層１０５より下側にｎ型半導体層、上側にｐ型半導体層を形成しているが、下側をｐ型半導体層とし、上側をｎ型半導体層としてもよい。
【００４８】
また、この２次元面発光レーザアレイ素子１０００は、ＧａＡｓ系の半導体材料からなるものであるが、半導体材料は特に限定されない。
【００４９】
つぎに、本実施の形態１に係る２次元面発光レーザアレイ素子１０００の製造方法について説明する。図３〜５は、図１、２に示す２次元面発光レーザアレイ素子１０００の製造方法の一例を説明する説明図である。
【００５０】
はじめに、エピタキシャル成長法によって、図３に示すように、基板１０１上に下部ＤＢＲミラー１０２、バッファ層１０３、ｎ型コンタクト層１０４、活性層１０５、下部傾斜組成層１０６、ＡｌＡｓからなる被酸化層１２２、上部傾斜組成層１０８、ｐ型スペーサ層１０９、ｐ＋型電流経路層１１０、ｐ型スペーサ層１１１、ｐ＋型コンタクト層１１２を順次積層し、さらにＣＶＤ法によって、各面発光レーザ素子を形成すべきｐ＋型コンタクト層１１２の一部領域に、ＳｉＮｘからなる円板状の位相調整層１１４を形成する。なお、各層の厚さは、活性層１０５が光の定在波のほぼ腹の部分に位置し、ｐ＋型電流経路層１１０、被酸化層１２２、ｐ＋型コンタクト層１１２が光の定在波のほぼ節の部分に位置するように調整することが好ましい。つぎに、リフトオフ法を用いて、ｐ＋型コンタクト層１１２上に、ｐ側円環電極１１３を、開口部１１３ａ内に位相調整層１１４が配置されるように形成する。
【００５１】
つぎに、ｐ側円環電極１１３を金属マスクとして、酸エッチング液等を用いてｎ型コンタクト層１０４に到る深さまで半導体層をエッチングして円柱状のメサポストＭ１を形成し、さらに別のマスクを形成し、バッファ層１０３に到る深さまでｎ型コンタクト層１０４をエッチングする。その結果、図４に示すメサポストＭ１が形成された構造が得られる。なお、ｐ側円環電極１１３を金属マスクとしているので、ｐ側円環電極１１３の外周とメサポストＭ１の外周とが高精度に一致する。
【００５２】
つぎに、水蒸気雰囲気中において熱処理を行って、被酸化層１２２をメサポストＭ１の外周側から選択酸化する。このとき、被酸化層１２２においてＡｌＡｓ＋Ｈ２Ｏ→Ａｌ２Ｏ３＋ＡｓＨ３なる化学反応が起こり、被酸化層１２２の外周側からＡｌＡｓがＡｌ２Ｏ３となり、電流狭窄部１０７ａが形成される。上記化学反応は被酸化層１２２の外周側から均一に進行するので、中心にはＡｌＡｓからなる電流注入部１０７ｂが形成される。ここでは、熱処理時間等を調整して、電流注入部１０７ｂの直径が６〜７μｍになるようにする。このように電流注入部１０７ｂを形成するので、メサポストＭ１の中心と、電流注入部１０７ｂの中心と、さらにｐ側円環電極１１３の開口部１１３ａの中心とを高精度に一致させることができる。
【００５３】
つぎに、メサポストＭ１の外周側のｎ型コンタクト層１０４の表面に、半円環状のｎ側電極１１６を形成する。つぎに、全面にパッシベーション膜１１７を形成した後、ｎ側電極１１６およびｐ側円環電極１１３上においてパッシベーション膜１１７に開口部を形成する。これらの開口部を介して、隣接するｎ側電極１１６とｐ側円環電極１１３とを接続するように引き出し電極１１８を形成し、さらに共通ｎ側電極１００２、共通ｐ側電極１００３を形成する。
【００５４】
つぎに、ＣＶＤ法を用いて上部ＤＢＲミラー１１５を形成した後に、基板１０１の裏面を研磨し、基板１０１の厚さをたとえば１５０μｍに調整する。その後、素子分離を行い、図１に示す２次元面発光レーザアレイ素子１０００が完成する。
【００５５】
つぎに、この２次元面発光レーザアレイ素子１０００において、ｍを５０、ｎを１０とした場合、すなわち面発光レーザ素子１００を５０個直列に接続した直列接続アレイ素子１００１１〜１００１１０を並列接続にしたもの（以下、５０×１０面発光レーザアレイ素子と称する）の駆動電流に対する光出力をシミュレーション計算した。図６は、５０×１０面発光レーザアレイ素子の駆動電流と光出力との関係を示す図である。なお、駆動電圧は１００ｍＡで１００Ｖとしている。図６に示すように、駆動電流１００ｍＡにおいて約３．３Ｗ、駆動電流２００ｍＡにおいて約６．２Ｗの光出力がそれぞれ得られている。
【００５６】
（実施の形態２）
つぎに、本実施の形態２に係る面発光レーザ装置について説明する。図７は、本実施の形態２に係る面発光レーザ装置１０の概略構成と、構成の一部を拡大して示した模式図である。図７に示すように、この面発光レーザ装置１０は、基台１１と、基台１１上に順次載置したヒートシンク１２、基板１３と、基板１３上に載置した、図１に示した９個の２次元面発光レーザアレイ素子１０００と、２次元面発光レーザアレイ素子１０００の上方に順次配置したマイクロレンズアレイ１４、集光レンズ１５と、基台１１上に立設し、マイクロレンズアレイ１４、集光レンズ１５をそれぞれ支持する支持具１６、１７と、基台１３の裏面に配置した電極１８とを備える。また、集光レンズ１５の近傍には、光ファイバＦが配置されている。
【００５７】
基台１１、ヒートシンク１２、基板１３、支持具１６、１７は、たとえばそれぞれ金属や窒化アルミ等の材質からなる。また、各２次元面発光レーザアレイ素子１０００は、基板１３上で適宜配線されるとともに、電極１８に電気的に接続している。また、マイクロレンズアレイ１４は、非特許文献１に開示されたものと同様に、コリメートレンズが２次元アレイ状に配列するように表面が微細加工されている。これによって、このマイクロレンズアレイ１４は、各２次元面発光レーザアレイ素子１０００を構成する各面発光レーザ素子１００が出力する各レーザ光をコリメート光とするように構成されている。また、集光レンズ１５は、たとえば球面、非球面の凸レンズであり、マイクロレンズアレイ１４がコリメート光とした各レーザ光を集光するように構成されている。
【００５８】
この面発光レーザ装置１０は、上記構成によって、各２次元面発光レーザアレイ素子１０００が出力するレーザ光を、マイクロレンズアレイ１４がコリメート光とし、さらに集光レンズ１５が集光して出力する。出力したワットクラスの高強度のレーザ光は、光ファイバＦに結合して光ファイバＦを伝搬して所望の場所まで運ばれ、その後光増幅器の励起光、レーザ加工用レーザ光、熱プロセス用レーザ光等、各種の用途に使用される。
【００５９】
なお、この面発光レーザ装置１０が備える２次元面発光レーザアレイ素子１０００の数は要求されるレーザ光強度に応じて適宜選択できる。また、この面発光レーザ装置１０において、集光レンズ１５を削除し、マイクロレンズアレイ１４からのコリメート光をそのまま各種用途に使用してもよい。
【００６０】
また、この面発光レーザ装置１０のようにマイクロレンズアレイ１４を用いずに、複数の２次元面発光レーザアレイ素子１０００が形成された基板１３を各種の光源として用いることもできる。
【００６１】
この光源において、それぞれの２次元面発光レーザアレイ素子１０００を構成する各面発光レーザ素子の発光波長を等しくすれば、単一波長の光源として用いることができ、あるいは各面発光レーザ素子の少なくとも一部の発光波長を異ならせ、多色の光源として用いることもできる。この場合、隣接する面発光レーザ素子の発光波長を異ならせ、隣接する面発光レーザ素子から出射するレーザ光同士の干渉を防止することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
以上のように、本発明に係る２次元面発光レーザアレイ素子は、高出力の光源として好適なものである。
【符号の説明】
【００６３】
１０  面発光レーザ装置
１１  基台
１２  ヒートシンク
１３  基板
１４  マイクロレンズアレイ
１５  集光レンズ
１６、１７  支持具
１８  電極
１００  面発光レーザ素子
１０１  基板
１０２  下部ＤＢＲミラー
１０３  バッファ層
１０４  ｎ型コンタクト層
１０５  活性層
１０６  下部傾斜組成層
１０７  電流狭窄層
１０７ａ  電流狭窄部
１０７ｂ  電流注入部
１０８  上部傾斜組成層
１０９、１１１  ｐ型スペーサ層
１１０  ｐ＋型電流経路層
１１２  ｐ＋型コンタクト層
１１３  ｐ側円環電極
１１３ａ  開口部
１１４  位相調整層
１１５  上部ＤＢＲミラー
１１６  ｎ側電極
１１７  パッシベーション膜
１１８  引き出し電極
１２２  被酸化層
１０００  ２次元面発光レーザアレイ素子
１００１１〜１００１ｎ  直列接続アレイ素子
１００２  共通ｎ側電極
１００３  共通ｐ側電極
Ｆ  光ファイバ
Ｍ１  メサポスト
【図１】
2010084890.tif 000003
【図２】
2010084890.tif 000004
【図３】
2010084890.tif 000005
【図４】
2010084890.tif 000006
【図５】
2010084890.tif 000007
【図６】
2010084890.tif 000008
【図７】
2010084890.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成22年5月17日(2010.5.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され、高屈折率層と低屈折率層の周期構造から形成される下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、
前記下部多層膜反射鏡と前記上部多層膜反射鏡との間に設けられた活性層と、
前記活性層と前記下部多層膜反射鏡との間に位置し、前記上部多層膜反射鏡の外周側に延設した下側コンタクト層と、
前記下側コンタクト層の延設した部分の表面に形成された下側電極と、
前記活性層に電流を注入するための上側電極と、
を有する複数の面発光レーザ素子を備え、
前記複数の面発光レーザ素子は電気的に直列接続され、複数の直列接続素子アレイを形成し、前記複数の直列接続素子アレイは電気的に並列接続していることを特徴とする２次元面発光レーザアレイ素子。
【請求項２】
基板と、
前記基板上に形成され、高屈折率層と低屈折率層の周期構造から形成される下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、
前記下部多層膜反射鏡と前記上部多層膜反射鏡との間に設けられた活性層と、
前記活性層と前記下部多層膜反射鏡との間に位置し、前記上部多層膜反射鏡の外周側に延設した下側コンタクト層と、
前記下側コンタクト層の延設した部分の表面に形成された下側電極と、
前記活性層と前記上部多層膜反射鏡との間に位置する上側コンタクト層と、
前記上側コンタクト層上に設けられ、前記活性層に電流を注入するための上側電極と、
を有する複数の面発光レーザ素子を備え、
前記複数の面発光レーザ素子は電気的に直列接続され、直列接続素子アレイを形成していることを特徴とする２次元面発光レーザアレイ素子。
【請求項３】
複数の前記直列接続素子アレイを備え、前記複数の直列接続素子アレイは電気的に並列接続していることを特徴とする請求項２に記載の２次元面発光レーザアレイ素子。
【請求項４】
前記上部多層膜反射鏡の少なくとも一部は誘電体からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の２次元面発光レーザアレイ素子。
【請求項５】
複数の前記面発光レーザ素子が１次元的に配列されて直列接続された素子アレイを形成していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の２次元面発光レーザアレイ素子。
【請求項６】
前記面発光レーザ素子の前記上側電極と、隣接する前記面発光レーザ素子の前記下側電極とが引き出し電極で接続されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の２次元面発光レーザアレイ素子。
【請求項７】
複数の前記直列接続素子アレイは、隣接する当該直列接続素子アレイを構成する個々の面発光レーザ素子が、当該直列接続素子アレイの長手方向において互いに位置がずれて配置していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の２次元面発光レーザアレイ素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一つに記載の２次元面発光レーザアレイ素子と、
前記２次元面発光レーザアレイ素子を構成する各面発光レーザ素子が出力する各レーザ光をコリメート光とするマイクロレンズアレイと、
を備えたことを特徴とする面発光レーザ装置。
【請求項９】
複数の前記面発光レーザ素子の発光波長が等しい請求項１〜７のいずれか一つに記載の２次元面発光レーザアレイ素子からなることを特徴とする光源。
【請求項１０】
複数の前記面発光レーザ素子の少なくとも一部の発光波長が他の面発光レーザ素子の発光波長と異なる請求項１〜７のいずれか一つに記載の２次元面発光レーザアレイ素子からなることを特徴とする光源。
【国際調査報告】
2010084890.tif 000010
2010084890.tif 000011
2010084890.tif 000012
2010084890.tif 000013