(57)【要約】【課題】様々な有利な特性を付与することができる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。【解決手段】１つの面発光レーザ素子または電気的に直列接続された複数の面発光レーザ素子を含む直列接続素子を複数備え、前記複数の直列接続素子は電気的に並列接続しており、かつ前記複数の直列接続素子の少なくとも一つの電気抵抗が、他の前記直列接続素子の電気抵抗とは異なる。好ましくは、前記複数の直列接続素子の少なくとも一つに含まれる面発光レーザ素子の数が、他の前記直列接続素子に含まれる面発光レーザ素子の数とは異なる。【選択図】図１
2012028412.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの面発光レーザ素子または電気的に直列接続された複数の面発光レーザ素子を含む直列接続素子を複数備え、前記複数の直列接続素子は電気的に並列接続しており、かつ前記複数の直列接続素子の少なくとも一つの電気抵抗が、他の前記直列接続素子の電気抵抗とは異な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】
前記複数の直列接続素子の少なくとも一つに含まれる面発光レーザ素子の数が、他の前記直列接続素子に含まれる面発光レーザ素子の数とは異な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】
前記複数の直列接続素子の少なくとも一つに含まれる面発光レーザ素子の少なくとも一つの電気抵抗が、当該少なくとも一つの直列接続素子の他の面発光レーザ素子の電気抵抗とは異なることを特徴とする請求項１または２に記載の２次元面発光レーザアレイ素子。
【請求項４】
前記複数の直列接続素子の少なくとも一つは、電気的に直列接続されたダミー抵抗を含む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】
前記複数の直列接続素子は、互いに平行に配列しており、かつ当該複数の直列接続素子が配置される領域の中央から周辺に向かって電気抵抗が低くなるように配列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】
前記複数の直列接続素子の少なくとも一つが、他の前記直列接続素子を囲むように配列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７】
前記面発光レーザ素子の少なくとも一つは、
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、
を備え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】
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７に記載の２次元面発光レーザアレイ素子。
【請求項９】
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８に記載の２次元面発光レーザアレイ素子。
【請求項１０】
前記直列接続素子において、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請求項７〜９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１１】
請求項１〜１０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１２】
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１〜１０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１３】
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１〜１０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る。
【０００８】
これに対して、本出願人は、先に出願した国際特許出願番号ＰＣＴ／ＪＰ２０１０／０５０６４９にて、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の構成を提案している。
【０００９】
ここで、２次元面発光レーザアレイ素子については、寿命をより長くしたり、レーザ光出力のビーム形状を所望の形状にしたりするなど、様々な有利な特性をさらに付与したいという要求がある。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、様々な有利な特性を付与することができる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】
【００１１】
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、１つの面発光レーザ素子または電気的に直列接続された複数の面発光レーザ素子を含む直列接続素子を複数備え、前記複数の直列接続素子は電気的に並列接続しており、かつ前記複数の直列接続素子の少なくとも一つの電気抵抗が、他の前記直列接続素子の電気抵抗とは異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、前記複数の直列接続素子の少なくとも一つに含まれる面発光レーザ素子の数が、他の前記直列接続素子に含まれる面発光レーザ素子の数とは異な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、前記複数の直列接続素子の少なくとも一つに含まれる面発光レーザ素子の少なくとも一つの電気抵抗が、当該少なくとも一つの直列接続素子の他の面発光レーザ素子の電気抵抗とは異な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、前記複数の直列接続素子の少なくとも一つは、電気的に直列接続されたダミー抵抗を含むことを特徴とする。
【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、前記複数の直列接続素子は、互いに平行に配列しており、かつ当該複数の直列接続素子が配置される領域の中央から周辺に向かって電気抵抗が低くなるように配列していることを特徴とする。
【００１６】
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、前記複数の直列接続素子の少なくとも一つが、他の前記直列接続素子を囲むように配列していることを特徴とする。
【００１７】
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少なくとも一つは、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、を備えることを特徴とする。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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】
【００２３】
本発明によれば、様々な有利な特性を付与することができる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実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、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を構成する面発光レーザ素子の一例の模式的な断面図である。
【図３】図３は、素子温度および電流と相対寿命との関係を示す図である。
【図４】図４は、比較例の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５】図５は、実施の形態１および比較例の２次元面発光レーザアレイ素子の寿命の分布を示す図である。
【図６】図６は、実施の形態２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７】図７は、実施の形態３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８】図８は、実施の形態４に係る面発光レーザ装置の概略構成およびこの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】
【００２５】
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。
【００２６】
（実施の形態１）
はじめに、本発明の実施の形態１に係る２次元面発光レーザアレイ素子について説明する。本実施の形態１に係る２次元面発光レーザアレイ素子は、寿命が長く、信頼性が高くなるように構成したものである。
【００２７】
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、互いに平行に配列した直列接続素子１００１１〜１００１５と、共通ｎ側電極１００２と、共通ｐ側電極１００３とを有する。各直列接続素子１００１１〜１００１５は、複数の面発光レーザ素子１００を含んでいる。各直列接続素子１００１１〜１００１５に含まれる面発光レーザ素子１００の数は、それぞれ、９個、１０個、１１個、１０個、９個である。
【００２８】
図２は、図１に示す２次元面発光レーザアレイ素子１０００を構成する面発光レーザ素子１００の一例の模式的な断面図である。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、３層のＩｎＧａＡｓ層と４層の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の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、直列接続素子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または隣接する面発光レーザ素子１００のｐ側円環電極１１３に接続している。また、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または共通ｐ側電極１００３に接続している。このように、直列接続素子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、外部に設けた電流供給回路（不図示）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、下部ＤＢＲミラー１０２と上部ＤＢＲミラー１１５との間に形成される共振器の中を往復すること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において、並列接続された各直列接続素子１００１１〜１００１５には同じ電圧が印加される。また、各直列接続素子１００１１〜１００１５に含まれる直列接続した面発光レーザ素子１００の数（以下、適宜、素子数と呼ぶ）は、それぞれ、９個、１０個、１１個、１０個、９個である。また、各面発光レーザ素子１００の電気抵抗は略同一である。したがって、各直列接続素子１００１１〜１００１５の電気抵抗は、素子数が多いものほど高くなっている。その結果、素子数が多い直列接続素子１００１３については、一個当たりの面発光レーザ素子１００に流れる電流は最も少なくなる。このように、この２次元面発光レーザアレイ素子１０００においては、直列接続素子１００１１〜１００１５は、これらが配置される領域の中央から周辺に向かって電気抵抗が低くなるように配列している。
【００３８】
この２次元面発光レーザアレイ素子１０００は、各面発光レーザ素子１００の発熱によって、動作時にはアレイ素子の中央ほど温度が高くなり、周辺に向かって温度が低くなるような温度分布が形成される。これに対して、上述したように、直列接続素子１００１１〜１００１５は、これらが配置される領域の中央から周辺に向かって電気抵抗が低くなるように配列している。この２次元面発光レーザアレイ素子１０００は、このような配置によって、２次元面発光レーザアレイ素子１０００に含まれる面発光レーザ素子１００の寿命を均一化している。
【００３９】
以下、具体的に説明する。まず、面発光レーザ素子の寿命をＬＴとすると、ＬＴは以下の式（１）により表すことができる。
【００４０】
ＬＴ∝Ｉ＾（−α）×ｅｘｐ（Ｅａ／ｋＴ）  ・・・  （１）
ここで、Ｉは面発光レーザ素子に流れる電流であり、αは係数（たとえば３）であり、Ｅａは活性化エネルギーであり、ｋはボルツマン定数であり、Ｔは面発光レーザ素子の温度（素子温度）を絶対温度で表したものである。また、「＾」はべき乗を表す記号であり、「ｅｘｐ」は自然対数のべき乗を表す記号である。
【００４１】
図３は、式（１）に基づく素子温度および電流と相対寿命との関係を示す図である。図３に示す相対寿命とは、図２の構造の面発光レーザ素子に１０ｍＡの電流を流した場合、素子温度５０℃にての寿命を１とした場合の相対値である。図３において、相対寿命は、電流依存項（Ｉ＾（−α））と温度依存項（ｅｘｐ（Ｅａ／ｋＴ））とを分けて示している。図３に示すように、温度が高いほど、また電流が大きいほど、相対寿命は短くなる。
【００４２】
この２次元面発光レーザアレイ素子１０００は、素子温度が高くなる直列接続素子１００１３では、一個当たりの面発光レーザ素子１００に流れる電流を小さくすることによって、寿命が短くなるのを抑制している。さらに、素子温度が低くなっていく周辺に向かって、一個当たりの面発光レーザ素子１００に流れる電流が多くなっていくように、直列接続素子１００１４、１００１５の順に、または直列接続素子１００１２、１００１１の順に配置している。その結果、この２次元面発光レーザアレイ素子１０００においては、アレイ素子内の温度分布に依存する面発光レーザ素子１００の寿命の分布が緩和され、各面発光レーザ素子１００の寿命がより均一になる。
【００４３】
ここで、各直列接続素子に含まれる面発光レーザ素子の数が等しい２次元面発光レーザアレイ素子と、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との面発光レーザ素子の寿命の分布について比較する。
【００４４】
図４は、比較例の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。この２次元面発光レーザアレイ素子４０００は、２次元面発光レーザアレイ素子１０００において、全ての直列接続素子１００１１〜１００１５を、１０個の面発光レーザ素子１００を含む直列接続素子１００１２としたものである。
【００４５】
図５は、実施の形態１および比較例の２次元面発光レーザアレイ素子の寿命の分布を示す図である。なお、アレイの列番号とは、図１、４において左側の直列接続素子から順次番号を付けたものである。また、いずれの２次元面発光レーザアレイ素子に対しても、並列接続された各直列接続素子に２０Ｖの電圧を印加する条件としている。なお、温度分布に関しては、計算を簡単にするため、２次元面発光レーザアレイ素子１０００の横方向にのみ温度勾配が存在し、個々の直列接続素子１００１１〜１００１５のそれぞれの内部では素子温度が一定であると仮定した。素子温度は中央部の直列接続素子１００１３で５０℃となり、周辺部の直列接続素子１００１１および１００１５で３０℃となるような温度分布が発生する条件としている。また、寿命については、直列接続素子に含まれる面発光レーザ素子の数が１０であって、素子温度が３０℃である場合を１として規格化している。
【００４６】
図５に示すように、比較例の２次元面発光レーザアレイ素子４０００では、各面発光レーザ素子１００に同じ電流が流れる構成のため、素子温度の分布に依存した面発光レーザ素子１００の寿命の分布が発生している。これに対して、実施の形態１の２次元面発光レーザアレイ素子１０００では、素子温度の分布に依存した面発光レーザ素子１００の寿命の分布を解消するように、一個当たりの面発光レーザ素子１００に流れる電流を変えているので、寿命がより均一になっている。
【００４７】
以上説明したように、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は、特にアレイ素子としての寿命の制限律則となる、素子温度が高温になる（アレイ素子の中央部分の）面発光レーザ素子１００の寿命が長くなるため、アレイ素子内における面発光レーザ素子１００の寿命が均一になる。その結果、アレイ素子としての寿命が長くなり、信頼性が高いものとなる。
【００４８】
なお、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。
【００４９】
すなわち、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。なお、図１において、直列接続素子１００１１〜１００１５のうち隣接する直列接続素子に関して、直列接続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してもよい。これによって、直列接続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。
【００５０】
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、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。
【００５１】
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。
【００５２】
なお、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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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ず、たとえば所望のレーザ発振波長を実現するように適宜選択することができる。
【００５６】
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２に係る２次元面発光レーザアレイ素子について説明する。上述した実施の形態１に係る２次元面発光レーザアレイ素子は、寿命が長く、信頼性が高くなるように構成しているが、本実施の形態２に係る２次元面発光レーザアレイ素子は、レーザ光出力が、中央の光強度密度が周辺の光強度密度よりも高いビーム形状となるように構成したものである。
【００５７】
図６は、実施の形態２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６に示すように、この２次元面発光レーザアレイ素子２０００は、中心に位置する１個の面発光レーザ素子１００からなる直列接続素子２００１１の周囲を、５個の面発光レーザ素子１００からなる直列接続素子２００１２、および１１個の面発光レーザ素子１００からなる直列接続素子２００１３が順次取り囲むように配列している構成を有する。すなわち、外周に配置された直列接続素子ほど、これに含まれる面発光レーザ素子１００の数が多くなっている。なお、直列接続素子２００１２、２００１３をそれぞれ構成する面発光レーザ素子１００は、引き出し電極１１８によって直列接続している。そして、直列接続素子２００１１〜２００１３は、引き出し電極２００２ａによって共通ｎ側電極２００２に接続し、引き出し電極２００３ａによって共通ｎ側電極２００３に接続している。
【００５８】
この２次元面発光レーザアレイ素子２０００は、中心に位置する直列接続素子２００１１に含まれる面発光レーザ素子１００に流れる電流が大きく、直列接続素子２００１１と並列接続する直列接続素子２００１２、２００１３に含まれる１個当たりの面発光レーザ素子１００に流れる電流の大きさは、直列接続素子２００１２、２００１３の順に、すなわち外周に向かって小さくなる。その結果、この２次元面発光レーザアレイ素子２０００のレーザ光出力は、中央の光強度密度が高く、周辺に向かって光強度密度が低くなるようないわゆる単峰型のビーム形状となる。このようなビーム形状のレーザ光出力は、光ファイバに結合効率良く結合できるので好ましい。
【００５９】
（実施の形態３）
つぎに、本発明の実施の形態３に係る２次元面発光レーザアレイ素子について説明する。図７は、実施の形態３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７に示すように、この２次元面発光レーザアレイ素子３０００は、中心に位置する１個の面発光レーザ素子１００からなる直列接続素子３００１１の周囲を、４個の面発光レーザ素子１００からなる直列接続素子３００１２、および１０個の面発光レーザ素子１００からなる直列接続素子３００１３が順次取り囲むように配列している構成を有する。すなわち、外周に配置された直列接続素子ほど、これに含まれる面発光レーザ素子１００の数が多くなっている。なお、直列接続素子３００１２、３００１３をそれぞれ構成する面発光レーザ素子１００は、引き出し電極１１８によって直列接続している。そして、直列接続素子３００１１〜３００１３は、引き出し電極３００２ａ、３００３ａによって共通ｎ側電極３００２、３００３のそれぞれに接続し、引き出し電極３００４ａ、３００５ａによって共通ｎ側電極３００４ａ、３００５ａのそれぞれに接続している。
【００６０】
この２次元面発光レーザアレイ素子３０００は、実施の形態２に係る２次元面発光レーザアレイ素子２０００と同様に、レーザ光出力が、中央の光強度密度が高く、周辺に向かって光強度密度が低くなるようないわゆる単峰型のビーム形状となる。したがって、光ファイバに結合効率良く結合できるビーム形状のレーザ光出力を実現することができる。
【００６１】
なお、上記実施の形態２、３では、２次元面発光レーザアレイ素子２０００、３０００は、レーザ光出力がいわゆる単峰型のビーム形状となるように構成している。しかしながら、本発明はこれに限らず、レーザ光出力が、光強度密度がビーム径内で均一であるビーム形状となるように構成しても良い。
【００６２】
（実施の形態４）
つぎに、本実施の形態４に係る面発光レーザ装置について説明する。図８は、本実施の形態２に係る面発光レーザ装置１０の概略構成およびこの構成の一部を拡大して示した模式図である。図８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９個の図１に示した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。
【００６３】
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。
【００６４】
この面発光レーザ装置１０は、上記構成によって、上述したように信頼性が高い各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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
なお、上記実施の形態では、直列接続素子に含まれる面発光レーザ素子の数を変えることによって、各直列接続素子の電気抵抗を変えて、各面発光レーザ素子に流れる電流を変えるようにしている。しかし、本発明はこれに限定されない。たとえば直列接続素子に含まれる少なくとも一つの面発光レーザ素子の素子抵抗を変えることによって、直列接続素子の電気抵抗を変えるようにしてもよい。たとえば図２に示す面発光レーザ素子１００の場合は、電流狭窄層１０７が有する電流注入部１０７ｂの直径を変えることによって、その素子抵抗を変えることができる。また、直列接続したダミー抵抗を含ませることによって、直列接続素子の電気抵抗を変えるようにしてもよい。
【００６９】
また、上記実施の形態の各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれるものである。たとえば、実施の形態４において、２次元面発光レーザアレイ素子１０００の代わりに実施の形態２に係る２次元面発光レーザアレイ素子２０００を用いてもよい。
【符号の説明】
【００７０】
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、２００２ａ、２００３ａ、３００２ａ〜３００５ａ  引き出し電極
１２２  被酸化層
１０００〜３０００  ２次元面発光レーザアレイ素子
１００１１〜１００１５、２００１１〜２００１３、３００１１〜３００１３  直列接続素子
１００２、２００２、３００２、３００３  共通ｎ側電極
１００３、２００３、３００４、３００５  共通ｐ側電極
Ｆ  光ファイバ
Ｍ１  メサポスト
【図１】
2012028412.tif 000003
【図２】
2012028412.tif 000004
【図３】
2012028412.tif 000005
【図４】
2012028412.tif 000006
【図５】
2012028412.tif 000007
【図６】
2012028412.tif 000008
【図７】
2012028412.tif 000009
【図８】
2012028412.tif 000010