(57)【要約】【課題】  所望の出射条件でレーザ光を得ることができる面発光レーザ光源の製造方法及び面発光レーザ光源を提供する。【解決手段】  面発光レーザ光源２は、円柱状のメサ型形状を有する面発光レーザ素子３とマイクロレンズ４とが一体に、基板１０上に形成されて構成されている。面発光レーザ素子３は、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であり、下部ミラー５と上部ミラー８との間で共振器が構成される。また、マイクロレンズ４は、第１レンズ部４ａと第２レンズ部４ｂとで構成され、出射面３ａ側の中心部から外側のレンズ面４ｃに向かって所定の分布で屈折率が変化する分布屈折率構造に形成されている。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された垂直共振器型の面発光レーザ素子の出射面上に第１の誘電体材料を積層する第１の誘電体積層工程と、
前記出射面上に積層された前記第１の誘電体材料を元レンズに形成する第１のレンズ形成工程と、
前記元レンズ上に、第２の誘電体材料を積層する第２の誘電体積層工程と、
前記面発光レーザ素子よりレーザ光を出射し、その出射パターンに基づいて、前記元レンズ上に積層された前記第２の誘電体材料の外面形状を調整して、前記面発光レーザ素子に対応するマイクロレンズを形成する第２のレンズ形成工程と、
を備えることを特徴とする面発光レーザ光源の製造方法。
【請求項２】
前記第２の誘電体積層工程において、前記元レンズの屈折率との間に段階的に屈折率の差を設けて、前記第２の誘電体材料を積層することを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ光源の製造方法。
【請求項３】
前記第２の誘電体積層工程において、前記元レンズ側から外側に向けて屈折率が変化するように、前記第２の誘電体材料を積層することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の面発光レーザ光源の製造方法。
【請求項４】
前記第２の誘電体積層工程において、前記元レンズ側から外側に向けて前記屈折率が連続的に変化するように、前記第２の誘電体材料を積層することを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザ光源の製造方法。
【請求項５】
前記第２の誘電体積層工程において、前記元レンズ側から外側に向けて前記屈折率が段階的に変化するように、前記第２の誘電体材料を積層することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の面発光レーザ光源の製造方法。
【請求項６】
前記第２の誘電体積層工程において、前記第２の誘電体材料を、プラズマＣＶＤ法により積層することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の面発光レーザ光源の製造方法。
【請求項７】
前記第２のレンズ形成工程において、反応性イオンエッチング法又はスパッタリング法により前記マイクロレンズの外面形状を調整することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の面発光レーザ光源の製造方法。
【請求項８】
基板上に形成された垂直共振器型の面発光レーザ素子と、
前記面発光レーザ素子の出射面上に形成されたマイクロレンズと、を備え、
前記マイクロレンズは、誘電体からなり前記出射面側の中心部から外側のレンズ面に向けて所定の分布で屈折率が変化する分布屈折率構造に形成されていることを特徴とする面発光レーザ光源。
【請求項９】
前記マイクロレンズは、前記中心部を含む内側の第１レンズ部と前記レンズ面を含む外側の第２レンズ部とを備え、前記第１レンズ部と前記第２レンズ部との間で段階的に屈折率が変化することを特徴とする請求項８に記載の面発光レーザ光源。
【請求項１０】
前記マイクロレンズは、前記中心部を含む内側の第１レンズ部と前記レンズ面を含む外側の第２レンズ部とを備え、前記第２レンズ部は、前記第１レンズ部側から前記レンズ面側に向けて屈折率が変化することを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の面発光レーザ光源。
【請求項１１】
前記第２レンズ部における前記第１レンズ部側から前記レンズ面側に向けての前記屈折率の変化が連続的であることを特徴とする請求項１０に記載の面発光レーザ光源。
【請求項１２】
前記第２レンズ部における前記第１レンズ部側から前記レンズ面側に向けての前記屈折率の変化が段階的であることを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の面発光レーザ光源。
【請求項１３】
前記面発光レーザ素子、及び対応する前記マイクロレンズを、前記基板上に１次元又は２次元アレイ状に複数形成してなる請求項８〜１２のいずれか一項に記載の面発光レーザ光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光レーザ光源の製造方法、面発光レーザ光源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
基板表面に対し垂直にレーザ光を出射する構造である垂直共振器型の面発光レーザ素子は、基板上において他素子と高密度で集積することが可能である。また面発光レーザ素子の出射角度は、通常（シングルモード時）６〜７度と、端面発光レーザ素子（約３０度）に比べて狭い。そのため、光集積回路の光源として、将来的に利用されることが予想される。また、面発光レーザ素子のレーザ光の出射条件等に関し、種々の検討が行われている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【特許文献１】特開２００１−２８４７２５号公報
【特許文献２】特開２００２−２６４５２号公報
【特許文献３】特開２００１−２４２３０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
面発光レーザ素子は、上記したように、端面発光レーザ素子に比べて出射角度の狭いレーザ光が得られる。しかしながら、面発光レーザ素子などの素子が高集積化された状態での光インターコネクションに応用する場合、面発光レーザ素子からの光の出射角度をさらに小さくすることが必要となる。これに対して、上記文献では、面発光レーザ素子とマイクロレンズとの組み合わせについて検討されている。
【０００４】
特許文献１では、レーザ出射部上部にノズルで樹脂を出して、その樹脂を凸レンズ形状となるように固めて、マイクロレンズを形成している。しかし、レーザ出射部分の径は数μｍであるため、ノズルで樹脂を出す位置の位置合わせが難しく、また、径が数μｍとなるようなマイクロレンズを形成するのも困難である。さらに、面発光レーザ光源を高密度で集積化するため、アレイで形成することを考慮すると、１つ１つノズルで樹脂を出して形成するこの方法では、大量生産に不向きである。また、特許文献２では、誘電体からなるマイクロレンズを面発光レーザ光源に適用している。しかし、具体的なレンズ構造、レンズの製造方法について充分に検討されていない。
【０００５】
一方、特許文献３では、石英ガラスを熱で溶かしてマイクロレンズを形成している。しかし、石英ガラスの溶ける温度は１０００℃以上であるため、半導体基板に熱的な損傷を与えることとなり、面発光レーザ光源には適用できない。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、所望の出射条件でレーザ光を得ることができる面発光レーザ光源の製造方法及び面発光レーザ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】
【０００７】
このような目的を解決するために、本発明による面発光レーザ光源の製造方法は、基板上に形成された垂直共振器型の面発光レーザ素子の出射面上に第１の誘電体材料を積層する第１の誘電体積層工程と、出射面上に積層された第１の誘電体材料を元レンズに形成する第１のレンズ形成工程と、元レンズ上に、第２の誘電体材料を積層する第２の誘電体積層工程と、面発光レーザ素子よりレーザ光を出射し、その出射パターンに基づいて、元レンズ上に積層された第２の誘電体材料の外面形状を調整して、面発光レーザ素子に対応するマイクロレンズを形成する第２のレンズ形成工程とを備えることを特徴とする。
【０００８】
この製造方法によれば、面発光レーザ素子の出射面上にマイクロレンズが形成される。そのため、面発光レーザ光源から出射されるレーザ光の出射角度を小さくすることができ、さらには必要に応じて、コリメート光を得ることも可能となる。また、マイクロレンズは、まず元レンズを形成してから、その上に第２の誘電体材料が積層され形成されるという２段階の形成工程を経る。このような方法では、最終的に得られるマイクロレンズの外面形状、及びレンズ内での分布屈折率構造等を様々に制御することができる。さらに、一度レーザ光を出射して出射パターンを確認してから、マイクロレンズの形状が調整される。したがって、所望の出射条件を得るために、高精度でマイクロレンズの形状を制御することができる。加えて、アライメントのための複雑な調整を必要としないため、容易にレンズを形成することができる。
【０００９】
また、第２の誘電体積層工程において、元レンズの屈折率との間に段階的に屈折率の差を設けて、第２の誘電体材料を積層することが好ましい。このような構成では、第１、第２の誘電体材料の界面において、その屈折率差に応じた反射量で、面発光レーザ素子内部への反射光を得ることができる。したがって、屈折率差を調整することによって、マイクロレンズでの面発光レーザ素子内部への反射量を所望の値にし、モード制御することができる。
【００１０】
また、第２の誘電体積層工程において、元レンズ側から外側に向けて屈折率が変化するように、第２の誘電体材料を積層することが好ましい。これにより、所望の出射条件に合わせた分布屈折率構造を有するマイクロレンズを得ることができる。
【００１１】
また、第２の誘電体積層工程において、元レンズ側から外側に向けて屈折率が連続的に変化するように、第２の誘電体材料を積層することが好ましい。このように屈折率を変化させることにより、面発光レーザ光源から出射される各角度の光を所望の方向に徐々に屈折させ、光路長差を減少させることができる。これにより、面発光レーザ光源から出射される光の収差を軽減することができる。
【００１２】
また、第２の誘電体積層工程において、元レンズ側から外側に向けて屈折率が段階的に変化するように、第２の誘電体材料を積層することが好ましい。屈折率が段階的に変化する界面において、その界面の前後の屈折率差に応じた反射量で面発光レーザ素子内部への反射光を得ることができる。このような界面の数及び界面での屈折率差を調整することによって、マイクロレンズでの面発光レーザ素子内部への反射量を所望の値にし、モード制御することが可能となる。
【００１３】
また、第２の誘電体積層工程において、第２の誘電体材料を、プラズマＣＶＤ法により積層することが好ましい。プラズマＣＶＤ法において、特にＳｉＮの成膜では、３５０℃近辺においては屈折率が２．５であるが、成膜温度を下げるとＨ（水素）が混入し屈折率が低下する。そのため、積層時の温度を変えて成膜し、厚さ方向に屈折率分布を変化させることが可能である。また、ＳｉＯ２では、Ｇｅ、Ｐ、Ｂ等をドーピングするなどして屈折率を変化させることも可能である。それ以外の材料においても、各成膜条件を変化させることで積層される誘電体の屈折率を変化させてマイクロレンズを形成することができる。
【００１４】
また、第２のレンズ形成工程において、反応性イオンエッチング法又はスパッタリング法によりマイクロレンズの外面形状を調整することが好ましい。これにより、マイクロレンズのレンズ面の曲面を調整することができる。
【００１５】
本発明による面発光レーザ光源は、基板上に形成された垂直共振器型の面発光レーザ素子と、面発光レーザ素子の出射面上に形成されたマイクロレンズとを備え、マイクロレンズは、誘電体からなり、出射面側の中心部から外側のレンズ面に向けて所定の分布で屈折率が変化する分布屈折率構造に形成されていることを特徴とする。
【００１６】
この面発光レーザ光源によれば、マイクロレンズは面発光レーザ素子の出射面上に形成される。そのため、面発光レーザ光源から出射されるレーザ光の出射角度を小さくすることができ、さらには必要に応じて、コリメート光を得ることも可能となる。また、マイクロレンズは、その屈折率を変化させる分布屈折率構造をしているため、面発光レーザ光源から出射されるレーザ光の出射条件を様々に制御することができる。また、マイクロレンズは面発光レーザ素子の出射面上に形成されているため、マイクロレンズの位置合わせをするのに、アライメントのための複雑な調整を必要としない。なお、面発光レーザ素子の出射面は基板と反対側の面であっても、あるいは基板側の面であってもよい。
【００１７】
具体的な分布屈折率構造としては、マイクロレンズは、中心部を含む内側の第１レンズ部とレンズ面を含む外側の第２レンズ部とを備え、第１レンズ部と第２レンズ部との間で段階的に屈折率が変化することが好ましい。第１レンズ部と第２レンズ部との界面、及び第２レンズ部の表面においては、屈折率差に応じた反射量で、面発光レーザ素子内部への反射光を得ることができる。したがって、マイクロレンズでの面発光レーザ素子内部への反射量が所望の値となるように屈折率差を調整して、モード制御することができる。
【００１８】
また、マイクロレンズは、中心部を含む内側の第１レンズ部とレンズ面を含む外側の第２レンズ部とを備え、第２レンズ部は、第１レンズ部側からレンズ面側に向けて屈折率が変化することが好ましい。これにより、第１レンズ部との組み合わせで、所望の出射条件に制御することができる。
【００１９】
この場合、第２レンズ部における第１レンズ部側からレンズ面側に向けての屈折率の変化が連続的であることが好ましい。このように屈折率を変化させることにより、面発光レーザ光源から出射される各角度の光を所望の方向に徐々に屈折させ、光路長差を減少させることができる。これにより、面発光レーザ光源から出射される光の収差を軽減することができる。
【００２０】
さらに、第２レンズ部における第１レンズ部側からレンズ面側に向けての屈折率の変化が段階的であることが好ましい。このような構成では、第２レンズ部内の屈折率が段階的に変化する界面において、その界面の前後の屈折率差に応じた反射量で面発光レーザ素子内部への反射光を得ることができる。このような界面の数及び界面での屈折率差を調整することによって、マイクロレンズでの面発光レーザ素子内部への反射量を所望の値にし、モード制御することが可能となる。
【００２１】
また、面発光レーザ光源は、面発光レーザ素子、及び対応するマイクロレンズを、基板上に１次元又は２次元アレイ状に複数形成しても良い。上記の面発光レーザ光源においては、レーザ光の出射角度が抑えられるため、高密度にアレイ化することが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、所望の出射条件でレーザ光を得ることができる面発光レーザ光源の製造方法及び面発光レーザ光源を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面とともに、本発明による面発光レーザ光源の製造方法及び面発光レーザ光源の第１実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２４】
図１は、本実施形態に係る面発光レーザ光源である面発光レーザアレイ１の斜視図である。面発光レーザアレイ１は、複数の面発光レーザ光源２が基板１０の同一面上に一定の間隔で２次元アレイ状に配列されてなる。
【００２５】
図２は、本実施形態に係る面発光レーザ光源２の斜視図、図３は面発光レーザ光源２の垂直断面図である。
【００２６】
面発光レーザ光源２は、図２に示すように、円柱状のメサ型形状を有する面発光レーザ素子３とマイクロレンズ４とが一体に、基板１０上に形成されて構成されている。面発光レーザ素子３は、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であり、下部ミラー５、活性層６、酸化膜電流狭窄層７、及び上部ミラー８が積層されて形成され、下部ミラー５と上部ミラー８との間で共振器が構成される。そのため、図２の矢印で示す通り、これらの層の積層方向と平行な方向に、レーザ光が出射される。
【００２７】
マイクロレンズ４は、凸レンズ形状であり、面発光レーザ素子３の基板１０とは反対側の面である出射面３ａ上に、面発光レーザ素子３と一体に形成される。また、マイクロレンズ４は、出射面３ａ側の中心部から外側のレンズ面４ｃに向かって所定の分布で屈折率が変化する分布屈折率構造に形成されている。
【００２８】
具体的には、マイクロレンズ４は、誘電体であるＳｉＮからなり、図３に示すように、出射面３ａ側の面上にあって光軸と交わる点である中心点（中心部）Ｃを含む内側の第１レンズ部４ａと、マイクロレンズ４の外面であるレンズ面４ｃを含む外側の第２レンズ部４ｂとで構成される。第１レンズ部４ａ内では、屈折率は一定値で一様に分布している。また、第２レンズ部４ｂでは、屈折率は第１レンズ部４ａ側からレンズ面４ｃ側に向けて、放射状に連続的に小さくなるように分布している。
【００２９】
次に、面発光レーザアレイ１及び面発光レーザ光源２の効果について説明する。面発光レーザ素子３から出射されるレーザ光は、マイクロレンズ４によって屈折させられ、その出射角度が小さくなる。そのため、必要に応じて出射角度を絞ったレーザ光、あるいはコリメートされたレーザ光を得ることができる。したがって、面発光レーザアレイ１あるいは面発光レーザ光源２を光インターコネクションに応用した場合、その高集積化や、チャネル間でのクロストークの抑制等が可能となる。また、マイクロレンズ４においては、その屈折率が中心点Ｃからレンズ面４ｃに向けて分布する分布屈折率構造をしている。このような構成では、屈折率の具体的な分布構造を変えることによって、レーザ光の出射条件を様々に制御することができる。また、マイクロレンズ４は面発光レーザ素子３の出射面３ａ上に形成されている。そのため、アライメントのための複雑な調整をすることなく、マイクロレンズ４の位置合わせをすることが可能である。
【００３０】
マイクロレンズ４の分布屈折率構造としては、様々な構造をとることが可能である。例えば、第２レンズ部４ｂにおいて、屈折率が第１レンズ部４ａ側からレンズ面４ｃ側に向けて変化する構造をとることによって、第１レンズ部４ａとの組み合わせで、所望の出射条件に制御することが可能である。
【００３１】
具体的には、本実施形態におけるマイクロレンズ４の分布屈折率構造は、第１レンズ部４ａにおいて、屈折率が一定値で一様に分布し、第２レンズ部４ｂにおいて、屈折率が第１レンズ部４ａ側からレンズ面４ｃ側に向けて連続的に小さくなるように変化する構造である。そのため、図３の光路図に示すように、各角度の出射レーザ光は、垂直方向（上方向）に徐々に屈折し、これらの光の間における光路長差は減少される。その結果、面発光レーザ光源２から出射されたレーザ光を集光した際の収差が軽減される。これにより、フェムト秒パルス波を用いた高速光並列処理回路などのデバイスに応用した場合に、収差からくる分散が低減され、フェムト秒パルス光コンピュータなど高速処理に必要な光学系の実現も可能となる。
【００３２】
マイクロレンズ４の分布屈折率構造は上記の例に限らず、例えば、第１レンズ部４ａと第２レンズ部４ｂとの間で段階的に屈折率が変化するような構成であっても良い。このように、屈折率を段階的に変化させると、図４に示したように、第１レンズ部４ａと第２レンズ部４ｂとの界面で、光の一部が反射し、面発光レーザ素子３内部に戻される。その反射率は屈折率差によるので、所望の反射量となるよう屈折率差を調整して、モード制御を行うことが可能である。また、この場合、第２レンズ部４ｂでの屈折率については、上記のように連続的に変化する構成であっても良く、あるいは一定であっても良い。また、第１レンズ部４ａ内で、屈折率が中心点Ｃから第２レンズ部４ｂとの界面に向けて連続的に変化するような分布としても良い。あるいは、第１レンズ部４ａ内で、屈折率が段階的に変化するような分布としても良い。さらには、こうした分布を組み合わせることもできる。これにより、所望の出射条件を満たす出射レーザ光が得られる。
【００３３】
また、面発光レーザ光源２は、上述したように、出射角度が抑えられ、また収差も軽減されるため、高密度に面発光レーザ光源２を配置した面発光レーザアレイ１が可能となる。さらに、高密度な配置を有する大規模高出力アレイが実現されると、高密度集光が可能となる。なお、面発光レーザアレイ１において、面発光レーザ光源２の配置は上記した２次元アレイに限定されず、１次元または２次元アレイ状に形成されていれば良い。さらに、面発光レーザアレイ１が備える面発光レーザ光源２の数はいくつでもよく、１つのみ備える場合はアレイではなく単体の面発光レーザ光源となる。
【００３４】
また、面発光レーザ素子３はメサ型に限らず、埋込型、平面型でも良い。また、マイクロレンズを形成する誘電体材料はＳｉＮに限られない。
【００３５】
次に、図５、図６を参照して、本実施形態に係る面発光レーザ光源２の製造方法について説明する。
【００３６】
ここで、本実施形態における面発光レーザ光源２の製造方法では、積層した誘電体によってマイクロレンズを形成している。特に、マイクロレンズの形成において、プラズマＣＶＤ法、反応性イオンエッチング法、プラズマエッチング法、スパッタリング法のそれぞれの特徴を生かすよう組み合わせるのが好ましい。これにより、面発光レーザ素子３に搭載されたマイクロレンズのレンズ曲面を自在に調整することが可能である。プラズマＣＶＤ法は、積層に関して方向性がないため、積層物は均一な厚さで積層される。また、プラズマエッチング法は、エッチングに関して方向性がないため、エッチングされる物の表面に対して均一な厚さでエッチングされる。また、スパッタリング法は、積層に関して垂直性があるため、曲面の曲率が維持されたままその上に積層物が積層される。また、反応性イオンエッチング法は、エッチングに関して垂直性があるので、曲率が維持されたまま曲面がエッチングされる。
【００３７】
また、プラズマＣＶＤ法でＳｉＮを積層する場合、積層に際して温度を変化させることによって積層物の屈折率が変わる。このことを利用して、積層物を、屈折率が段階的又は連続的に変化する分布屈折率構造とすることが可能である。これにより、出射レーザ光のモード制御、出射パターン（出射角度）制御だけでなく、収差軽減も可能となる。
【００３８】
本実施形態に係る面発光レーザ光源２の製造方法は、第１の誘電体積層工程、第１のレンズ形成工程、第２の誘電体積層工程、及び第２のレンズ形成工程を含んでいる。ここでは、積層する誘電体の例としてＳｉＮを用いる。
【００３９】
図５（ａ）は、第１の誘電体積層工程を示す工程断面図である。
【００４０】
図５（ａ）に示すように、まず、基板１０上に形成された面発光レーザ素子３の出射面３ａ上に、例えばプラズマＣＶＤ法によって、第１の誘電体材料であるＳｉＮを積層して、第１のＳｉＮ膜１１を形成する。第１のＳｉＮ膜１１の屈折率は、第１の誘電体材料ＳｉＮを積層する温度によって異なり、例えば３５０℃で積層すると、第１のＳｉＮ膜１１の屈折率は２．５となる。
【００４１】
図５（ｂ）〜図５（ｆ）は、第１のレンズ形成工程を説明する図である。
【００４２】
図５（ｂ）に示すように、まず、第１の誘電体積層工程で積層された第１のＳｉＮ膜１１の上にレジスト材料（例えばＳ１８１８、Ｓｈｉｐｌｅｙ製）を塗布し、レジスト膜１２を形成する。レジスト材料の塗布は、例えば、スピンコート（回転速度７０００ｒｐｍ、処理時間４０秒）による。
【００４３】
次に、図５（ｃ）に示すように、露光と現像を行うことにより、レジスト膜１２をマスクのパターンに応じた形状にする。マスクのパターンは、面発光レーザ素子３の出射面３ａ上にレジスト膜１２が残るように形成される。
【００４４】
続いて、図５（ｄ）に示すように、ポストベークを施すことにより、残留したレジスト膜１２を球面状に形成する。ポストベークは、例えば２００℃の温度で、１分間行う。
【００４５】
その後、図５（ｅ）に示すように、プラズマエッチング法により、レジスト膜１２及び第１のＳｉＮ膜１１をエッチングして、球面状、即ち凸レンズ状の元レンズ１３を形成する。プラズマエッチング法に使用する気体は、例えばテトラフルオロカーボン（ＣＦ４）及び酸素（Ｏ２ ）とする。この方法では、元レンズ１３の表面に均一な厚さでエッチングされるため、エッチングの時間で、元レンズ１３の大きさ及び曲率を調整することができる。すなわち、エッチングの時間を長くすれば、元レンズ１３は小さくなり、その曲率は大きくなる。一方、エッチングの時間を短くすれば、元レンズ１３は大きくなり、その曲率は小さくなる。
【００４６】
その後、必要に応じて、基板１０上に形成された元レンズ１３の高さが一定となるような調整を行う。図５（ｆ）は、元レンズ１３を高くするよう調整した様子を示す。元レンズ１３の高さを低くする場合には、反応性イオンエッチング法を適用することができる。反応性イオンエッチング法では、元レンズ１３の曲率が維持されたままエッチングされる。一方、元レンズ１３の高さを高くする場合には、スパッタリング法が適用される。スパッタリング法では、元レンズ１３の曲率を維持したまま積層される。
【００４７】
以上によって、球面状の元レンズ１３が形成される。
【００４８】
図６（ａ）は、第２の誘電体積層工程を示す工程断面図である。
【００４９】
図６（ａ）に示すように、元レンズ１３上に、プラズマＣＶＤ法によって、第２の誘電体材料であるＳｉＮを積層し、第２のＳｉＮ膜１４を形成する。第２のＳｉＮ膜１４の屈折率は、積層する際の温度（成膜温度）に依存する。例えば、第２の誘電体材料を、第１の誘電体材料を積層した温度３５０℃から連続的に変化させ、２５０℃まで下げることにより、第２のＳｉＮ膜１４の屈折率は、元レンズ１３の屈折率２．５から、第２のＳｉＮ膜１４表面１４ａにおける屈折率約２．０へと連続的に変化する。また、第１の誘電体材料を積層した際の温度とは段階的に異なる温度で第２の誘電体材料を積層していってもよい。あるいは、第２の誘電体積層工程における積層時の温度変化は、連続的ではなく段階的であってもよい。あるいは、積層時の温度を一定にしても良い。
【００５０】
図６（ｂ）は、第２のレンズ形成工程である。
【００５１】
面発光レーザ素子３からレーザ光を出射し、その出射パターンを確認してから、所望の出射条件（例えば、コリメート光、あるいはシングルモード最大化など）を満たすよう、マイクロレンズ１５の外面形状を調整する。外面形状の調整には、反応性イオンエッチング法やスパッタリング法が用いられる。マイクロレンズ１５は、図６（ｂ）に示すように、元レンズ１３と第２のＳｉＮ膜１４とで構成される。また、マイクロレンズ１５は第１レンズ部と第２レンズ部を備えており、元レンズ１３が、マイクロレンズ１５の中心点Ｃを含む内側の第１レンズ（図３の４ａ）、第２のＳｉＮ膜１４が、レンズ面を含む外側の第２レンズ部（図３の４ｂ）となる。
【００５２】
図６（ｃ）は、マイクロレンズ１５の形成に不要な部分を除去する工程を示す図である。具体的には、基板１０にレジスト材料を塗布して、パターニングした後、エッチングを施し、マイクロレンズ１５の形成に必要のない部分を除去している。この工程は、必要に応じて取り入れられ、省略することもできる。
【００５３】
次に、本実施形態による面発光レーザアレイ及び面発光レーザ光源の製造方法の効果を説明する。この製造方法によれば、面発光レーザ素子３の出射面３ａ上にマイクロレンズ１５が形成されるため、製造された面発光レーザ光源２から出射されるレーザ光の出射角度を小さくすることができる。そのため、必要に応じて出射角度を絞ったレーザ光、あるいはコリメートされたレーザ光を得ることができる。また、これにより、面発光レーザアレイ１あるいは面発光レーザ光源２を、光インターコネクションに応用した場合、クロストークを抑制することが可能になる。
【００５４】
また、マイクロレンズ１５は、まず元レンズ１３が形成され、その上に第２の誘電体材料が積層されて形成されるという２段階の形成工程を経る。このため、最終的に得られるマイクロレンズの外面形状及びレンズ内での分布屈折率構造等を様々に制御することが可能である。
【００５５】
また、一度レーザ光を出射して出射パターンを確認してから、マイクロレンズ１５の外面形状を調整する。そのため、所望の出射条件に応じたレーザ光を得るのに、高精度でレンズ形状を制御することが可能である。例えば、マイクロレンズ１５の外面形状を調整して、コリメートされた光を得ることができる。あるいは、凹面鏡として機能するマイクロレンズ１５上面の形状を調整して、面発光レーザ素子３内部に戻ってくる光を制御し、シングルモード出力を最大化することもできる。特に、イオンエッチング法又はスパッタリング法を用いて調整することにより、マイクロレンズ１５の上面（レンズ面）の曲面を所望の出射条件に合わせて調整することが可能である。
【００５６】
さらに、第１のレンズ形成工程において使用するマスクを一度製作してしまえば、アライメントに手間取ることなく、大量に、一括してマイクロレンズ１５を形成することができる。このため、酸化膜電流狭窄構造を用いた面発光レーザ光源２において、μmオーダーで活性層直上にアライメントされた、数μm径のレンズの形状を制御することができ、シングルモード出力を得ることが可能となる。特に、面発光レーザアレイ１の製造においては、大量に一括してマイクロレンズ１５を形成することができるため、低コストで製造することが可能となる。
【００５７】
また、第２の誘電体積層工程において、元レンズ１３側から外側（レンズ面側）に向かって放射状に屈折率が変化するよう、第２の誘電体材料を積層させることができる。これにより、マイクロレンズ４は、所望の出射条件に合わせた分布屈折率構造を有することが可能となる。
【００５８】
例えば、第２の誘電体積層工程における屈折率の放射状の変化が連続的となるように、第２の誘電体材料を積層させることができる。これにより、面発光レーザ素子３から出射される各角度の光を所望の方向に徐々に屈折させることが可能となる。具体的には、屈折率が放射状にレンズ面に向かって小さくなるように積層することにより、元レンズ１３から外側においては、面発光レーザ素子３から出射される各角度のレーザ光間の光路長差が減少させられる。その結果、面発光レーザ光源２から出射されるレーザ光を集光した際の収差が軽減され、これにより、高密度に面発光レーザ光源２を配置するアレイが可能となる。
【００５９】
あるいは、第２の誘電体積層工程における屈折率の放射状の変化が段階的となるように、第２の誘電体材料を積層させることもできる。このような構成では、第２のＳｉＮ膜１４内の屈折率が段階的に変化する界面において、面発光レーザ素子内部への反射光を得ることができる。また、その反射量は、界面の前後での屈折率差に応じた量である。このような界面の数及び界面での屈折率差を調整することによって、マイクロレンズでの面発光レーザ素子内部への反射量を所望の値にし、モード制御することが可能となる。
【００６０】
特に、この第２の誘電体材料の積層を、プラズマＣＶＤ法で材料をＳｉＮとすると、積層時の温度を変化させることによって、第２の誘電体材料を屈折率を変化させて積層させることができる。例えば、温度を連続的に変化させることによって、屈折率も連続的に変化して積層される。また、第１の誘電体材料を積層した際の温度とは段階的に異なる温度で第２の誘電体材料を積層することによって、元レンズ１３と第２の誘電体材料との界面において、段階的な屈折率差が設けられる。この界面では、その屈折率差に応じた反射量で、面発光レーザ素子３内部へ光が反射して戻っていく。したがって、界面での屈折率差を調整することによって、マイクロレンズ１５での面発光レーザ素子３内部への反射量を所望の値にすることができ、モード制御が可能となる。あるいは、第２の誘電体材料の積層において、温度を段階的に変化させることによって、第２の誘電体材料の屈折率を段階的に変化させることもできる。あるいは、積層時の温度を一定にすることにより、第２のＳｉＮ膜１４内において、屈折率を一定の値で一様に分布させることもできる。
【００６１】
また、第２のレンズ形成工程において、反応性イオンエッチング法又はスパッタリング法によりマイクロレンズの外面形状を調整する。これにより、マイクロレンズのレンズ面の曲面が調整される。
【００６２】
なお、第１の誘電体積層工程において、成膜方法はプラズマＣＶＤ法に限られず、スパッタリング法、蒸着法などでも良い。
【００６３】
ここで、本実施形態の製造方法によって製造されたマイクロレンズ１５について、図７に原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって測定した断面形状を、図８に光学顕微鏡による写真を示す。ＡＦＭによる測定は、第１のレンズ形成工程を経て形成された元レンズの断面形状（図７のｂ）と、第２のレンズ形成工程を経た後のマイクロレンズの断面形状（図７のａ）とについて行った。図７のグラフの横軸は、マイクロレンズ断面の底辺上の位置を表し、縦軸は、マイクロレンズの高さを表す。図７から、マイクロレンズの断面形状が、第２の誘電体積層工程、第２のレンズ形成工程を経て、変化している様子が窺える。
【００６４】
次に、本発明による面発光レーザ光源の第２実施形態について詳細に説明する。図９は本実施形態に係る面発光レーザ光源２０の垂直断面図である。面発光レーザ光源２０が第１実施形態に係る面発光レーザ光源２と構成上異なる点は、第１実施形態に係る面発光レーザ光源２の第２レンズ部４ｂでの屈折率変化が連続的であるのに対して、面発光レーザ光源２０の第２レンズ部２１ｂでの屈折率変化は段階的であることである。
【００６５】
マイクロレンズ２１は、誘電体であるＳｉＮからなり、図９に示すように、中心点（中心部）Ｃを含む内側の第１レンズ部２１ａと、マイクロレンズ２１の外面であるレンズ面２１ｃを含む外側の第２レンズ部２１ｂとで構成される。第２レンズ部２１ｂは、図９に示すように、第１層２１ｄ、第２層２１ｅ、第３層２１ｆによって構成される。これらは、第１レンズ部２１ａ側からレンズ面２１ｃ側に向けて、第１層２１ｄ、第２層２１ｅ、第３層２１ｆの順で形成される。また、第１レンズ部２１ａ内及びこれら第１〜第３層２１ｄ、２１ｅ、２１ｆの各層内では、その屈折率値は一定値をとる。
【００６６】
これらの層は、それぞれ異なる屈折率値を有する。具体的には、第１レンズ部２１ａから第２レンズ部２１ｂの第３層２１ｆまで、屈折率は順に大→小→大→小と段階的に変化する。即ち、第１レンズ部２１ａの屈折率をｎ２１ａ、第２レンズ部２１ｂの第１〜第３層２１ｄ、２１ｅ、２１ｆの屈折率をそれぞれｎ２１ｄ、ｎ２１ｅ、ｎ２１ｆとすると、これらは、ｎ２１ａ＞ｎ２１ｄ、ｎ２１ｄ＜ｎ２１ｅ、ｎ２１ｅ＞ｎ２１ｆを満たす。
【００６７】
次に、面発光レーザ光源２０の効果について説明する。面発光レーザ素子３から出射されるレーザ光は、マイクロレンズ２１によって屈折させられ、その出射角度が小さくなる。そのため、必要に応じて出射角度を絞ったレーザ光、あるいはコリメートされたレーザ光を得ることができる。したがって、面発光レーザ光源２０を光インターコネクションに応用した場合、その高集積化や、チャネル間でのクロストークの抑制等が可能となる。また、マイクロレンズ２１においては、分布屈折率構造をしている。そのため、屈折率の具体的な分布構造を変えることによって、レーザ光の出射条件を様々に制御することができる。また、マイクロレンズ２１は面発光レーザ素子３の出射面３ａ上に形成されている。そのため、アライメントのための複雑な調整をすることなく、マイクロレンズ２１の位置合わせをすることが可能である。
【００６８】
本実施形態におけるマイクロレンズ２１の分布屈折率構造は、まず第１レンズ部２１ａと第２レンズ部２１ｂとの間で段階的に屈折率が変化する構成である。そのため、第１レンズ部２１ａと第２レンズ部２１ｂとの界面で、光の一部が反射し、面発光レーザ素子３内部に戻される。
【００６９】
さらには、第１レンズ部２１ａにおいて屈折率が一定値で一様に分布し、第２レンズ部２１ｂにおいて屈折率が第１レンズ部２１ａ側からレンズ面２１ｃ側に向けて段階的に変化している。そのため、図９に示したように、第１レンズ部２１ａと第２レンズ部２１ｂとの界面の他、第２レンズ部２１ｂ内の層２１ｄ、２１ｅ、２１ｆ間における界面でも、光の一部が反射し面発光レーザ素子３内部に戻される。このように、面発光レーザ光源２１は屈折率が段階的に変化する界面を多数持つため、高いシングルモード性を実現できる。また、各界面での反射率は界面の前後における屈折率差によるので、所望の反射量となるよう各層間の屈折率差を調整して、モード制御を行うことが可能である。
【００７０】
なお、第２レンズ部２１ｂ内での屈折率変化は本実施形態によるものに限らない。例えば、第１レンズ部２１ａから第２レンズ部２１ｂの第３層２１ｆまで、屈折率が順に小→大→小→大と段階的に変化する構成であっても良い。あるいは、大→大、または小→小と変化する構成が含まれていても良い。また、第２レンズ部２１ｂを構成する層の数は３に限らない。さらに、各層内で屈折率が連続的に変化していても良い。
【００７１】
また、この場合、第１レンズ部２１ａ内で、屈折率が中心点Ｃから第２レンズ部２１ｂとの界面に向けて連続的に変化するような分布としても良い。あるいは、第１レンズ部２１ａ内で、屈折率が段階的に変化するような分布としても良い。さらには、上記した第１レンズ部２１ａの分布例と第２レンズ部２１ｂの分布例とを組み合わせることもできる。これにより、所望の出射条件を満たす出射レーザ光が得られる。
【００７２】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。例えば、上記実施形態では、面発光レーザ素子の出射面は基板と反対側の面であったが、基板側の面であってもよい。
【００７３】
また、出射光角度を精密に制御（コリメート光など）するようなマイクロレンズ１５を一括して形成するには、計算により、面発光レーザ素子３の構造に即した分布屈折率構造の細かな設計をしておき、それに合わせて、元レンズ１３の曲率、第２の誘電体材料の屈折率分布、マイクロレンズ１５外面形状を、出射角度を確認しながら、形成すれば得られる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、所望の出射条件でレーザ光を得ることができる面発光レーザ光源の製造方法及び面発光レーザ光源として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】第１実施形態の面発光レーザアレイの構成を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態の面発光レーザ光源の構成を示す斜視図である。
【図３】第１実施形態のマイクロレンズで出射光が屈折される様子を示す図である。
【図４】第１実施形態のマイクロレンズで出射光が反射し、面発光レーザ素子内部に戻る様子を示す図である。
【図５】第１の誘電体積層工程、第１のレンズ形成工程を示す工程断面図である。
【図６】第２の誘電体積層工程、第２のレンズ形成工程を示す工程断面図である。
【図７】マイクロレンズの断面形状を表すAFM測定結果である。
【図８】光学顕微鏡によるマイクロレンズの写真である。
【図９】第２実施形態の面発光レーザ光源の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７６】
１…面発光レーザアレイ、２、２０…面発光レーザ光源、３…面発光レーザ素子、３ａ…出射面、４、２１…マイクロレンズ、４ａ、２１ａ…第１レンズ部、４ｂ、２１ｂ…第２レンズ部、４ｃ、２１ｃ…レンズ面、５…下部ミラー、６…活性層、７…酸化膜電流狭窄層、８…上部ミラー、１０…基板、１１…第１のＳｉＮ膜、１２…レジスト膜、１３…元レンズ、１４…第２のＳｉＮ膜、１５…マイクロレンズ、２１ｄ…第１層、２１ｅ…第２層、２１ｆ…第３層、Ｃ…マイクロレンズの中心点
【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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