(57)【要約】【課題】面発光レーザ素子における「負のドループ特性」を抑制する。【解決手段】活性層１０５を含む共振器構造体と、該共振器構造体を挟んで設けられた半導体ＤＢＲ（下部半導体ＤＢＲ１０３、上部半導体ＤＢＲ１０７）と、Ａｌを含む被選択酸化層の選択酸化によって上部半導体ＤＢＲ１０７の内部に形成され、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酸化狭窄構造体とを有している。そして、被選択酸化層の厚さは２８ｎｍであり、閾値電流が最小となる温度は約１７℃である。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、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、（Ｐ１−Ｐ２）／Ｐ２＝−０．０５である。【選択図】図１
2009283888.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に対して垂直方向に光を射出す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分布ブラッグ反射鏡と；を備え、
前記被選択酸化層の厚さは少なくとも２５ｎｍであり、
発振の閾値電流と温度との関係において、発振の閾値電流が最小となるときの温度が２５℃以下であることを特徴とする面発光レーザ素子。
【請求項２】
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、（Ｐ１−Ｐ２）／Ｐ２≧−０．１、の関係が満足されることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
【請求項３】
前記電流通過領域の幅ｄ［μｍ］、及び該電流通過領域を取り囲む酸化物の厚さｔ［ｎｍ］を用いて、−２．５４ｄ２−０．１４ｔ２−０．９９８ｄ・ｔ＋５３．４ｄ＋１２．９ｔ−２１６≧０．９、の関係が満足されることを特徴とする請求項１又は２に記載の面発光レーザ素子。
【請求項４】
前記共振器構造体における電流注入部の温度のみを室温から６０℃に変化させたとき、前記狭窄構造体での基本横モードの横方向の光閉じ込め係数の変化率が１０％以下であることを特徴とする請求項２又は３に記載の面発光レーザ素子。
【請求項５】
前記共振器構造体と前記半導体分布ブラッグ反射鏡を含む複数の半導体層の一部は、光の射出方向に延びる円柱状あるいは四角柱状のメサ形状を有し、
レーザ発振方向に直交する断面での前記円柱の直径あるいは前記四角柱の一辺の長さは、少なくとも２２μｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子。
【請求項６】
前記半導体分布ブラッグ反射鏡における前記共振器構造体に隣接する領域の不純物のドーピング濃度は、前記半導体分布ブラッグ反射鏡における他の領域の不純物のドーピング濃度よりも、相対的に低濃度であ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素子。
【請求項７】
前記半導体分布ブラッグ反射鏡は、低屈折率層と高屈折率層からなるペアを複数ペア有し、
前記被選択酸化層は、前記半導体分布ブラッグ反射鏡中で、前記共振器構造体から３ペア目あるいは４ペア目に設けられてい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素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子が集積された面発光レーザアレイ。
【請求項９】
光によって被走査面を走査する光走査装置であって、
請求項１〜７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。
【請求項１０】
光によって被走査面を走査する光走査装置であって、
請求項８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。
【請求項１１】
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つの請求項９又は１０に記載の光走査装置と；を備える画像形成装置。
【請求項１２】
前記画像情報は、多色のカラー画像情報であることを特徴とする請求項１１に記載の画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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射出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。
【背景技術】
【０００２】
近年、基板に垂直な方向にレーザ発振を生じる面発光レーザ素子（面発光型半導体レーザ素子）が、精力的に研究されている。面発光レーザ素子は、端面発光レーザ素子に比べて発振の閾値電流が低く、円形の高品質な出射ビーム形状を得ることが可能である。また、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、並列光インターコネクション用光源、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ている。
【０００３】
面発光レーザ素子は、電流流入効率を高めるために狭窄構造体を有している。この狭窄構造体としては、Ａｌ（アルミニウム）の選択酸化による狭窄構造体（以下では、便宜上「酸化狭窄構造体」ともいう。例えば、非特許文献１及び非特許文献２参照）が良く用いられている。
【０００４】
また、非特許文献３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。
【０００５】
また、特許文献１には、共振器の長さで定まる発振波長と活性層の組成で定まる利得ピーク波長との差分（ディチューニング量）が所定温度で所定量あり、所定温度よりも高い温度範囲内で発振波長と利得ピーク波長が一致する面発光レーザ素子が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２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。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３１９６４３号公報
【特許文献２】特開平１１−４８５２０号公報
【非特許文献１】Ｋ．Ｄ．Ｃｈｏｑｕｅｔｔｅ、Ｋ．Ｌ．Ｌｅａｒ、Ｒ．Ｐ．Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ，Ｊｒ．、Ｋ．Ｍ．Ｇｅｉｂ、「Ｃａｖｉｔｙ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ｏｆ  ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌｙ  ｏｘｉｄｉｚｅｄ  ｖｅｒｔｉｃａｌ−ｃａｖｉｔｙ  ｌａｓｅｒｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖｏｌ．６６、Ｎｏ．２５、ｐｐ．３４１３−３４１５、１９９５
【非特許文献２】Ｋ．Ｄ．Ｃｈｏｑｕｅｔｔｅ、Ｒ．Ｐ．Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ，Ｊｒ．、Ｋ．Ｌ．Ｌｅａｒ、Ｋ．Ｍ．Ｇｅｉｂ、「Ｌｏｗ  ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ  ｖｏｌｔａｇｅ  ｖｅｒｔｉｃａｌ−ｃａｖｉｔｙ  ｌａｓｅｒｓ  ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  ｂｙ  ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ｏｘｉｄａｔｉｏｎ」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｎｏ．２４、Ｖｏｌ．３０、ｐｐ．２０４３−２０４４、１９９４
【非特許文献３】Ｈ．Ｎａｋａｙａｍａ、Ｔ．Ｎａｋａｍｕｒａ、Ｍ．Ｆｕｎａｄａ、Ｙ．Ｏｈａｓｈｉ、Ｍ．Ｋａｔｏ、「７８０ｎｍ  ＶＣＳＥＬｓ  ｆｏｒ  Ｈｏｍｅ  Ｎｅｔｗｏｒｋｓ  ａｎｄ  Ｐｒｉｎｔｅｒｓ」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、５４ｔｈ、Ｖｏｌ．２、Ｊｕｎｅ、２００４、ｐｐ．１３７１−１３７５
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
図３６は、酸化狭窄構造体を有する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３６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。
【００１２】
ところで、発明者らが詳細な検討を行ったところ、図３６における光波形の立ち上がり近傍を拡大した図３７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。
【００１３】
図３７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、今回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。
【００１４】
発明者らは、「負のドループ特性」に注目して、その原因を詳しく検討したところ、この現象は、酸化狭窄構造体における横モードの光閉じ込め強さと密接に関連していることがわかった。
【００１５】
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、第１の観点からすると、基板に対して垂直方向に光を射出す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分布ブラッグ反射鏡と；を備え、前記被選択酸化層の厚さは少なくとも２５ｎｍであり、発振の閾値電流と温度との関係において、発振の閾値電流が最小となるときの温度が２５℃以下であることを特徴とする面発光レーザ素子である。
【００１６】
これによれば、パルス周期に関係なく、「負のドループ特性」を抑制することが可能である。
【００１７】
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。
【００１８】
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、パルス周期に関係なく、「負のドループ特性」を抑制することが可能である。
【００１９】
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。
【００２０】
これによれば、本発明の面発光レーザ素子を有しているため、結果として、高精度の光走査を行うことが可能となる。
【００２１】
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。
【００２２】
これによれば、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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
「第１の実施形態」
図１は、本発明の第１の実施形態に係る面発光レーザ素子１００の概略構成を示す断面図である。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。
【００２６】
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上に、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などの複数の半導体層が、順次積層されている。なお、以下では、これら複数の半導体層が積層されているものを、便宜上「第１の積層体」ともいう。
【００２７】
基板１０１は、ｎ−ＧａＡｓ単結晶基板である。
【００２８】
バッファ層１０２は、ｎ−ＧａＡｓからなる層である。
【００２９】
下部半導体ＤＢＲ１０３は、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓからなる低屈折率層とｎ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる高屈折率層のペアを４０．５ペア有している。そして、低屈折率層と高屈折率層との間には、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厚さ２０ｎｍの組成傾斜層が設けられている。なお、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、光学厚さとその層の実際の厚さについては以下の関係がある。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。
【００３０】
下部スペーサ層１０４は、ノンドープＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓからなる層である。
【００３１】
活性層１０５は、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ／Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓの多重量子井戸活性層である。
【００３２】
上部スペーサ層１０６は、ノンドープＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓからなる層である。
【００３３】
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。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。
【００３４】
上部半導体ＤＢＲ１０７は、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２４ペア有している。そして、低屈折率層と高屈折率層との間には、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厚さ２０ｎｍの組成傾斜層が設けられている。なお、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。
【００３５】
コンタクト層１０９は、ｐ−ＧａＡｓからなる層である。
【００３６】
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。
【００３７】
（１−１）上記第１の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。このとき、上部半導体ＤＢＲ１０７における低屈折率層の１つに、ｐ−ＡｌＡｓからなる被選択酸化層を厚さ２８ｎｍで挿入する。
【００３８】
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。
【００３９】
（１−２）第１の積層体の表面に一辺が２０μｍの正方形状のレジストパターンを形成する。
【００４０】
（１−３）Ｃｌ２ガスを用いるＥＣＲエッチング法で、正方形状の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。
【００４１】
（１−４）フォトマスクを除去する。
【００４２】
（１−５）第１の積層体を水蒸気中で熱処理し、メサにおける被選択酸化層の一部を選択的に酸化させる。そして、メサの中央部に、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。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、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、電流通過領域の一辺を４．５μｍとしている。
【００４３】
（１−６）気相化学堆積法（ＣＶＤ法）を用いて、ＳｉＮからなる保護層１１１を形成する。
【００４４】
（１−７）ポリイミド１１２で平坦化する。
【００４５】
（１−８）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。
【００４６】
（１−９）メサ上部の光出射部となる領域に一辺８μｍ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。
【００４７】
（１−１０）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。
【００４８】
（１−１１）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。
【００４９】
（１−１２）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。
【００５０】
（１−１３）チップ毎に切断する。
【００５１】
このようにして製造された面発光レーザ素子１００に、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での光出力をＰ１、供給後１μｓでの光出力をＰ２とすると、（Ｐ１−Ｐ２）／Ｐ２＝−０．０５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、本第１の実施形態に係る面発光レーザ素子１００では、ドループ率は、−５％である。
【００５２】
面発光レーザ素子において、被選択酸化層の厚さとドループ率との関係が、図２に示されている。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。なお、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。
【００５３】
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３は、パルス周期１ｍｓ、デューティ５０％のときの光波形であり、図４は、パルス周期１００ｎｓ、デューティ５０％のときの光波形である。
【００５４】
図３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１００％（１．５ｍＷ）に達していない。一方、図４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」は見られない。
【００５５】
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、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。
【００５６】
パルス周期が異なると、面発光レーザ素子の内部温度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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
【数１】
2009283888.tif 000003
【００６０】
【数２】
2009283888.tif 000004
【００６１】
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。
【００６２】
一例として、発振波長が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。
【００６３】
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。
【００６４】
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、電界強度分布に関して活性層から数えて３番目の節の位置としている。
【００６５】
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５に示した値を用いた。
【００６６】
そして、酸化狭窄構造体における酸化層の厚さを３０ｎｍ、電流通過領域の直径（以下では、「酸化狭窄径」ともいう）を４μｍとしたときの、活性層における基本横モード分布の計算結果が図６に示されている。図６における横軸ｘは半径方向（横方向）の中心からの位置を表しており、ｘ＝０がメサの中心部に対応している。なお、以下では、便宜上、酸化狭窄構造体における酸化層を、単に「酸化層」ともいう。
【００６７】
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７参照）。
【００６８】
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、Δｎｅｆｆの大きさによって決まり、Δｎｅｆｆが大きい程、横方向の広がりは小さい（図８（Ａ）及び図８（Ｂ）参照）。
【００６９】
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、特に活性層付近のメサ中央部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、メサの中央部分の温度が局所的に上昇すると、該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。
【００７０】
図８（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、メサの中央部分の温度が局所的に上昇すると、図９（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係数Γｌが増大する。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、発振の閾値電流（以下では、便宜上単に「閾値電流」ともいう）が低くなる。
【００７１】
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１０参照）。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１１参照）。図１０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、パルスが印加され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。パルスの駆動電流値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１１に示されている。
【００７２】
一方、図８（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、メサの中央部分の温度が局所的に上昇しても、図９（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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。この光閉じ込め係数の値が大きいほど、電界強度分布は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光閉じ込めがなされており、利得領域における局所的な温度変化（屈折率変化）等の擾乱に対して、電界強度分布が安定であることを意味している。
【００７５】
ここでは、光閉じ込め係数を、「面発光レーザ素子の中心を通る直径方向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の領域中における電界の積分強度の割合」とし、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）式を用いて算出した。ここで、ａは電流通過領域の半径に相当する。
【００７６】
【数３】
2009283888.tif 000005
【００７７】
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１２に示されている。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。
【００７８】
図１３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１２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以上からは飽和傾向を示すことが分かる。
【００７９】
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１４に示されている。図１４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。
【００８０】
図１２と図１４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分かる。また、一般的に良く用いられる酸化狭窄径は、４．０μｍ〜５．０μｍの範囲内であり、図１２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。
【００８１】
図１５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。
【００８２】
また、図１６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。
【００８３】
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。
【００８４】
以上のように、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。
【００８５】
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１２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１２の具体的な値を代入することにより、概ね１％の誤差で図１２の基本横モードの光閉じ込め係数を得ることができる。
【００８６】
Γ（ｄ，ｔ）＝（−２．５４ｄ２−０．１４ｔ２−０．９９８ｄ・ｔ＋５３．４ｄ＋１２．９ｔ−２１６）  ……（４）
【００８７】
上記の様に、「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。
【００８８】
−２．５４ｄ２−０．１４ｔ２−０．９９８ｄ・ｔ＋５３．４ｄ＋１２．９ｔ−２１６≧０．９  ……（５）
【００８９】
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。
【００９０】
ところで、△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、本願の発明者らにより今回初めて明らかになった。
【００９１】
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。なお、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。
【００９２】
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。そして、「負のドループ特性」を抑制するために必要な被選択酸化層の厚さは２５ｎｍ以上であると言える。
【００９３】
なお、被選択酸化層の選択酸化の工程では、酸化は基板面に対して平行方向のみではなく、垂直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、メサ外周部における厚さが厚く、酸化先端部が薄くなっている。但し、酸化先端部からメサ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。発振光は主にこのような酸化先端部の有効屈折率差の影響を受けるので、実際的に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、酸化先端部の酸化層の厚さを所望の値にすることができる。
【００９４】
図１７は、室温（２７℃）における光閉じ込め係数が約０．７８８となる構造（酸化狭窄径４μｍ、被選択酸化層の厚さ２０ｎｍ）の面発光レーザ素子において、自己発熱により横モード分布がどう変化するかを示したものである。ここで、室温状態では面発光レーザ素子の全領域で２７℃であるとして計算を行っている。また、動作状態では活性層の電流注入領域の温度が顕著に上昇するものと考えられるので、共振領域（１対の半導体ＤＢＲに挟まれたスペーサ層と活性層からなる領域（図１８参照））において、酸化層によって規定される電流注入部の屈折率のみを６０℃における値として計算を行った。共振領域の電流注入部のみの温度を６０℃とした場合の結果は、２７℃の場合に対して基本横モードの分布は狭くなり大きな変化が見られている。共振領域の電流注入部のみを６０℃とした場合の基本横モードの光閉じ込め係数は約０．９８７であり、２７℃の場合に対して基本横モードの光閉じ込め係数の変化率は２５％である。このように、自己発熱に対して基本横モード分布が安定でないと、「負のドループ特性」が見られることになるので好ましくない。
【００９５】
図１９は、室温における基本横モードの光閉じ込め係数が約０．９７３となる構造（酸化狭窄径４μｍ、被選択酸化層の厚さ３０ｎｍ）の面発光レーザ素子において、自己発熱により基本横モード分布がどう変化するかを示したものである。２つの状態での変化は僅かである。共振領域の電流注入部のみを６０℃とした場合の横モードの光閉じ込め係数は約０．９９４であり、２７℃の場合に対して基本横モードの光閉じ込め係数の変化率は２．２％である。
【００９６】
図２０は、互いに素子構造が異なる種々の面発光レーザ素子に対して、室温における基本横モードの光閉じ込め係数（Γｌ）と、共振領域の電流注入部の温度のみを局所的に６０℃とした場合の基本横モードの光閉じ込め係数（Γｌ’）の比を計算した結果である。実際に、種々の面発光レーザ素子を作製し、測定を行ったところ、Γｌ’／Γｌの値が１．１以下（変化率１０％以下）のものではドループ係数が−５％以上であり、良好な光波形を得ることができた。
【００９７】
逆にΓｌ’／Γｌの値が１．１を超えるものでは、明確に「負のドループ特性」が見られ、Γｌ’／Γｌの値が大きくなるにつれてドループ率が小さくなる結果となった。
【００９８】
これらから、室温における基本横モードの光閉じ込め係数に対する、共振領域の電流注入部の温度のみを局所的に６０℃とした場合の基本横モードの光閉じ込め係数の変化率を１０％以内に設定することで、更に「負のドループ特性」を抑制することができる。
【００９９】
本第１の実施形態に係る面発光レーザ素子１００では、室温（２７℃）での基本横モードの光閉じ込め係数は約０．９７４であった。また、共振器構造体における電流注入部の温度のみを局所的に６０℃にしたときの光閉じ込め係数は約０．９９６であった。すなわち、光閉じ込め係数の変化率は２．２％であった。
【０１００】
また、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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
Δλ０＝λｒ０−λｇ０  ……（６）
【０１０４】
図２１（Ａ）には、Δλ０＞０の場合が示され、図２１（Ｂ）には、Δλ０＜０の場合が示されている。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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（Ａ）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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
△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。
【０１１０】
Δλ０＜０の場合（図２１（Ｂ）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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
△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２２に示されている。図２２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２２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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
Δλ０＝λｒ０−λｇ０＝λｒ０−（λＰＬ＋１０）＝λｒ０−λＰＬ−１０  ……（７）
【０１２１】
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。
【０１２２】
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２３に示されている。この図２３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分かる。
【０１２３】
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、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とドループ率を求めた。図２４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。
【０１２４】
図２４において、先ず、被選択酸化層の厚さが同じ面発光レーザ素子に注目する。いずれの厚さにおいても、閾値電流が最小となる温度が２５℃以下の面発光レーザ素子では、ドループ率の絶対値が小さく（０に近く）、また略一定となっている。一方、閾値電流が最小となる温度が２５℃以上の面発光レーザ素子では、閾値電流が最小となる温度が高くなるにつれて、ドループ率が小さくなっている。
【０１２５】
閾値電流が最小となる温度が室温より高温側にある面発光レーザ素子とは、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から、既に説明したように「負のドループ特性」が顕著に現れている。さらに、閾値電流が最小となる温度が高い面発光レーザ素子ほど、電流注入初期での効率が悪いので通電後の効率向上の度合いが大きく、「負のドループ特性」が顕著に現れている。
【０１２６】
次に、図２４において、被選択酸化層の厚さの違いに注目する。閾値電流が最小となる温度が２５℃以下の面発光レーザ素子では、被選択酸化層の厚さが厚いほどドループ率が０に近く、「負のドループ特性」が抑制されている。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。
【０１２７】
図２４に示されている各面発光レーザ素子は、いずれも被選択酸化層の厚さが２５ｎｍ以上であるため、閾値電流が最小となる温度が２５℃以下の面発光レーザ素子では、ドループ率は−１０％以上となり、「負のドループ特性」が効果的に抑制されている。
【０１２８】
このように、ディチューニング量及び光閉じ込め係数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、室温のときよりも、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。
【０１２９】
本第１の実施形態に係る面発光レーザ素子１００では、活性層のＰＬ波長を７７２ｎｍに設定し、室温でのディチューニング量△λ０を−２ｎｍとし、約１７℃のときに閾値電流が最小になるようにしている。
【０１３０】
実際に閾値電流が最小となる温度を２５℃以下に設定した上で、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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
以上説明したように、本第１の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と、該共振器構造体を挟んで設けられた、半導体ＤＢＲ（下部半導体ＤＢＲ１０３、上部半導体ＤＢＲ１０７）とを有している。そして、上部半導体ＤＢＲ１０７は、Ａｌ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酸化狭窄構造体をその中に含んでいる。また、被選択酸化層の厚さは２８ｎｍであり、閾値電流が最小となる温度が約１７℃である。これにより、パルス周期に関係なく、「負のドループ特性」を抑制することが可能となる。
【０１３３】
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＝−０．０５であり、「負のドループ特性」を更に抑制することが可能となる。
【０１３４】
また、面発光レーザ素子１００では、室温における酸化狭窄構造体での基本横モードの横方向の光閉じ込め係数が約０．９７４であり、「負のドループ特性」を更に改善することができる。
【０１３５】
また、面発光レーザ素子１００では、共振器構造体における電流注入部の温度のみを室温から６０℃に変化させたとき、光閉じ込め係数の変化率が２．２％であり、「負のドループ特性」を更に改善することができる。
【０１３６】
また、面発光レーザ素子１００では、室温での発振閾値電流におけるゲインピーク波長が、共振器構造体の共振波長よりも２ｎｍ長いため、「負のドループ特性」を更に改善することができる。
【０１３７】
「第２の実施形態」
図２５には、本発明の第２の実施形態に係る面発光レーザ素子１００Ａの概略構成を示す断面図が示されている。
【０１３８】
面発光レーザ素子１００Ａ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２０１上に、バッファ層２０２、下部半導体ＤＢＲ２０３、下部スペーサ層２０４、活性層２０５、上部スペーサ層２０６、上部半導体ＤＢＲ２０７、コンタクト層２０９などの複数の半導体層が、順次積層されている。なお、以下では、これら複数の半導体層が積層されているものを、便宜上「第２の積層体」ともいう。
【０１３９】
基板２０１は、ｎ−ＧａＡｓ単結晶基板であり、主面の法線方向が［１００］方向に対して［１１１］Ａ方向に１５°傾斜した、いわゆる傾斜基板である。
【０１４０】
バッファ層２０２は、ｎ−ＧａＡｓからなる層である。
【０１４１】
下部半導体ＤＢＲ２０３は、ｎ−ＡｌＡｓからなる低屈折率層とｎ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる高屈折率層のペアを４０．５ペア有している。そして、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厚さ２０ｎｍの組成傾斜層が設けられている。なお、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。
【０１４２】
下部スペーサ層２０４は、ノンドープ（Ａｌ０．１Ｇａ０．９）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる層である。
【０１４３】
活性層２０５は、ＧａＩｎＡｓＰからなる量子井戸層とＧａＩｎＰからなるバリア層を有している。
【０１４４】
ところで、量子井戸層は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、バリア層は、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、量子井戸層の歪み補償構造を形成している。また、量子井戸層の組成は、端面ＬＤ構造でのＣＷ発振閾電流における発振波長が面発光レーザ素子の共振波長と等しくなるように設定されている。つまり、ＰＬ波長は端面ＬＤ発振波長との差（約１０ｎｍ）を考慮して、７７０ｎｍになるように調整されている。
【０１４５】
ここでは、基板２０１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。
【０１４６】
上部スペーサ層２０６は、ノンドープ（Ａｌ０．１Ｇａ０．９）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる層である。
【０１４７】
下部スペーサ層２０４と活性層２０５と上部スペーサ層２０６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。なお、活性層２０５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ＤＢＲ２０３と上部半導体ＤＢＲ２０７とに挟まれている。
【０１４８】
上部半導体ＤＢＲ２０７は、第１の上部半導体ＤＢＲ２０７ａ及び第２の上部半導体ＤＢＲ２０７ｂを有している。
【０１４９】
第１の上部半導体ＤＢＲ２０７ａは、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（「第１のペア」ともいう）を１ペア有している。この第１の上部半導体ＤＢＲ２０７ａは、ＡｌＧａＡｓ層より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。
【０１５０】
ここでは、基板２０１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ＤＢＲ２０７ａ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。
【０１５１】
第２の上部半導体ＤＢＲ２０７ｂは、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（「第２のペア」ともいう）を２３ペア有している。
【０１５２】
上部半導体ＤＢＲにおけ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厚さ２０ｎｍの組成傾斜層が設けられている。なお、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。
【０１５３】
コンタクト層２０９は、ｐ−ＧａＡｓからなる層である。
【０１５４】
次に、面発光レーザ素子１００Ａの製造方法について簡単に説明する。
【０１５５】
（２−１）上記第２の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。このとき、第２の上部半導体ＤＢＲ２０７ｂの途中であって、活性層２０５から３番目となる定在波の節の位置（共振器構造体から３ペア目）にｐ−ＡｌＡｓからなる被選択酸化層を厚さ３０ｎｍで挿入する。
【０１５６】
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。
【０１５７】
また、下部半導体ＤＢＲ２０３における共振器構造体に近い複数の層（図２６の符号Ａの領域）では、ｎ型ドーパントのドーピング濃度を、他の領域に対して相対的に低濃度となるように調整している。
【０１５８】
具体的には、下部半導体ＤＢＲ２０３では、下部スペーサ層２０４に接した領域から４ペアを低ドーピング濃度領域とし、残りの３７．５ペアに対して相対的に低ドーピング濃度となるようにしている。具体的なドーピング濃度は、低ドーピング濃度領域については、組成一定層（各屈折率層）及び定在波分布の腹に対応する部位のドーピング濃度を３〜７．５×１０１７［ｃｍ−３］の範囲内に、定在波分布の節に対応する部位のドーピング濃度を３×１０１７〜１×１０１８［ｃｍ−３］の範囲内に調整している。そして、残りの３７．５ペアについては、組成一定層（各屈折率層）及び定在波分布の腹に対応する部位のドーピング濃度を１〜３×１０１８［ｃｍ−３］の範囲内に、定在波分布の節に対応する部位のドーピング濃度を１〜５×１０１８［ｃｍ−３］の範囲内に調整している。
【０１５９】
また、第１の上部半導体ＤＢＲ２０７ａ及び第２の上部半導体ＤＢＲ２０７ｂにおける共振器構造体に近い層（図２６の符号Ｂの領域）では、ｐ型ドーパントのドーピング濃度を、他の領域に対して相対的に低濃度となるように調整している。
【０１６０】
具体的には、上部半導体ＤＢＲでは、上部スペーサ層２０６に接した領域から４ペアを低ドーピング濃度領域とし、残りの２０ペアに対して相対的に低ドーピング濃度となるようにしている。具体的なドーピング濃度は、低ドーピング濃度領域については、組成一定層（各屈折率層）及び定在波分布の腹に対応する部位で約２〜１．３×１０１８［ｃｍ−３］の範囲内に、定在波分布の節に対応する部位で２×１０１７〜４×１０１８［ｃｍ−３］の範囲内である。そして、残りの２０ペアについては、組成一定層（各屈折率層）及び定在波分布の腹に対応する部位のドーピング濃度を１×１０１８〜１．５×１０１８［ｃｍ−３］の範囲内に、定在波分布の節に対応する部位のドーピング濃度を４×１０１８［ｃｍ−３］以上としている。
【０１６１】
（２−２）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。
【０１６２】
（２−３）Ｃｌ２ガスを用いるＥＣＲエッチング法で、正方形状の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スペーサ層２０４中に位置するようにした。
【０１６３】
（２−４）フォトマスクを除去する。
【０１６４】
（２−５）第２の積層体を水蒸気中で熱処理し、メサにおける被選択酸化層の一部を選択的に酸化させる。そして、メサの中央部に、酸化層２０８ａによって囲まれた酸化されていない領域２０８ｂを残留させる。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、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２０８ｂが電流通過領域（電流注入領域）である。ここでは、電流通過領域の一辺を４μｍとしている。
【０１６５】
（２−６）気相化学堆積法（ＣＶＤ法）を用いて、ＳｉＯ２からなる保護層２１１を形成する。
【０１６６】
（２−７）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にて保護層２１１をエッチングして開口する。
【０１６７】
（２−８）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。
【０１６８】
（２−９）光出射部の電極材料をリフトオフし、ｐ側の電極２１３を形成する。
【０１６９】
（２−１０）基板２０１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２１４を形成する。ここでは、ｎ側の電極２１４はＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる多層膜である。
【０１７０】
（２−１１）アニールによって、ｐ側の電極２１３とｎ側の電極２１４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。
【０１７１】
（２−１２）チップ毎に切断する。
【０１７２】
このようにして製造された面発光レーザ素子１００Ａに、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、ドループ率は−１％であった。
【０１７３】
また、面発光レーザ素子１００Ａでは、室温における基本横モードの光閉じ込め係数は、０．９７８であった。
【０１７４】
前述したように、酸化狭窄構造を有する面発光レーザ素子における「負のドループ特性」を抑制するには、素子内部の局所的な温度変化によって生じる屈折率変化に対して、横モードの光閉じ込めが強固になるように酸化層による光閉じ込め係数を大きく設定することが効果的である。しかしながら、光閉じ込め係数を大きくすると、基本横モードのみならず、高次横モードに対しても光閉じ込めが良好になり、高次モード発振が起こりやすくなる。従って、「負のドループ特性」の抑制とシングルモード出力の向上はトレードオフの関係にある。
【０１７５】
発振波長が７８０ｎｍ帯の面発光レーザ素子構造において、基本（０次）横モードの光閉じ込め係数とメサの直径との関係が図２７に示され、高次横モードの１つである１次横モードの光閉じ込め係数とメサの直径との関係が図２８に示されている。なお、図２７及び図２８では、厚さ３０ｎｍの被選択酸化層を、半導体ＤＢＲにおける共振器構造体から３ペア目であって、定在波分布の節の位置に設けている。また、酸化狭窄径は４μｍとし、面発光レーザ素子構造の温度は全てを室温としている。
【０１７６】
先ず、図２７を参照すると、被選択酸化層の厚さを３０ｎｍとしたことにより、メサの直径が１５〜３０μｍの範囲において、基本横モードの光閉じ込め係数は０．９以上であり、「負のドループ特性」を効果的に抑制することが可能である。また、図２８を参照すると、メサの直径の増加に応じて光閉じ込め係数は低下する傾向にあることが分かる。１次横モードは基本横モードと直交関係にあるので、メサの大きさを大きくすることにより、基本横モードとの空間的重なり（つまり電流注入領域との空間的重なり）を低減することができる。図２９はこの様子を示すものであり、メサの直径が１８μｍと２５μｍの場合について、それぞれの１次横モードの電界強度分布が示されている。図２９に示されるように、メサの直径を大きくすることにより電界強度分布は周辺部にシフトする。
【０１７７】
１次横モードの光閉じ込め係数は、１次横モードの発振のしやすさを表す指標であり、この値が小さいほど１次横モードは発振し難くなる。そこで、メサの直径を大きくすることにより、１次横モードの発振が抑制され、シングルモード出力が高くなる。
【０１７８】
また、図２８に示されるように、１次横モードの光閉じ込め係数は、メサの直径が大きくなるにつれて低下するが、メサ直径が２２μｍ以上では飽和傾向を示している。すなわち、この２２μｍというメサの直径の大きさは、１次横モードの振舞いが大きく変わる重要な意味を持つ大きさである。従って、円柱形メサの場合には直径を２２μｍ以上、四角柱形メサの場合には四角形（断面）の１辺の長さを２２μｍ以上にすることにより、１次横モードの発振を効果的に抑制することが可能である。また、このときの基本横モードの光閉じ込め係数は、０．９以上の値を維持している（図２７参照）ので、「負のドループ特性」を抑制しつつ、シングルモード出力を向上させることが可能である。
【０１７９】
また、前述したように、「負のドループ特性」はメサ中央部の局所的な温度変化が原因で発生する。そこで、「負のドループ特性」を抑制する第１の方法は、室温での光閉じ込め係数を大きくして、メサ中央部の局所的な温度変化による横モード分布の安定性を向上させることであり、第２の方法は、メサ中央部の局所的な温度上昇を抑制することである。
【０１８０】
この第２の方法は、具体的には面発光レーザ素子の電力変換効率を向上し、面発光レーザ素子内部での発熱を低減することである。ところで、半導体材料では、自由キャリアに起因した吸収過程（以下、「自由キャリア吸収」ともいう）が存在し、電力変換効率を低下させる一つの要因となっている。自由キャリア吸収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格子振動のエネルギーに変換されるので、自由キャリア吸収自体がメサ中央部付近の温度を上昇させることとなる。自由キャリア吸収は、光の電界強度及びキャリア濃度に依存し、キャリア濃度が高い程、また電界強度が大きいほど顕著となる。
【０１８１】
面発光レーザ素子における発振光の電界強度は、活性層近傍で大きく、活性層から離れるに従って次第に減衰する。そこで、自由キャリア吸収が電界強度の大きいところで生じると、電力変換効率が大きく低下し、発熱が大きくなる。
【０１８２】
さらに、自由キャリア吸収が大きいと、吸収される光のエネルギー（光出力の低下分）を補償するために活性層への注入電流を大きくする必要があり、この結果、発熱量が増加し、面発光レーザ素子の内部温度を更に上昇させる。
【０１８３】
そこで、半導体ＤＢＲの共振器構造体に隣接した電界強度の大きな領域におけるドーピング濃度が、他の領域に対して相対的に低濃度となる構成とすると、自由キャリア吸収を低減させ、面発光レーザ素子の電力変換効率を向上させることができる。この結果、面発光レーザ素子内部の局所的な温度上昇を低減することができるので、基本横モード分布の変化やディチューニング量の変化等の「負のドループ特性」の発生原因をより小さく抑えることが可能となる。
【０１８４】
酸化狭窄構造体を有する面発光レーザ素子では、活性層の電流注入領域を酸化層により比較的小さな領域に限定しているため、酸化狭窄構造体における電流通過領域が高抵抗化しやすい。また、電流通過領域は必然的に発光領域と空間的重なりを持つことになるので、電流注入により電流通過領域が発熱しメサの中央部の発光領域の温度を上昇させるおそれがある。この温度上昇はこれまで説明したように「負のドループ特性」の発生原因となる。
【０１８５】
発明者らは、基本横モードの光閉じ込め係数、素子内部での発熱、酸化層の応力の影響等を考慮し、「負のドループ特性」が少なく、また長期信頼性に優れた素子構造を詳細に検討した。その結果、被選択酸化層の位置を共振器構造体から３ペア目又は４ペア目の半導体ＤＢＲ中（定在波分布における活性層から３番目又は４番目の節に対応する位置）にすることに効果があることを見出した。
【０１８６】
酸化狭窄構造体における酸化層は、電流狭窄と光閉じ込めを同時に行う機能を有しているので、低閾値電流化という目的からは活性層に近い方が有利である。また、同じ厚さ及び同じ酸化狭窄径の酸化層であれば、活性層に近い方が基本横モードの光閉じ込め係数を大きくできるので、「負のドループ特性」の抑制に効果がある。
【０１８７】
ところが、被選択酸化層の位置を共振器構造体から１ペア目、及び２ペア目にした素子では、長期信頼性の点において難があることが分かった。通常、被選択酸化層は、選択酸化工程において体積が収縮する。また、酸化狭窄構造体は抵抗が大きく、通電した際に発熱源となる。そこで、被選択酸化層を共振器構造体から１ペア目、又は２ペア目に設けた構造では、被選択酸化層の収縮による応力及び酸化狭窄構造体からの熱が、活性層に影響するおそれがある。この場合には、活性層における転位の発生、増殖が顕著になり、面発光レーザ素子の寿命は短かった。
【０１８８】
一方、被選択酸化層の位置を共振器構造体から３ペア目、又は４ペア目にすると、面発光レーザ素子の寿命は大幅に長くなり十分な信頼性を得ることができた。
【０１８９】
しかし、被選択酸化層の位置を共振器構造体から５ペア目以上にすると、閾値電流が大きくなり、投入電力が大きくなることにより、面発光レーザ素子内部の発熱量が増加し、「負のドループ特性」がやや大きくなる傾向が見られた。
【０１９０】
以上のように、被選択酸化層の位置を共振器構造体から３ペア目又は４ペア目にすることにより、「負のドループ特性」の低減と長期信頼性の向上とを同時に実現することが可能であることが分かった。
【０１９１】
以上説明したように、本第２の実施形態に係る面発光レーザ素子１００Ａによると、活性層２０５を含む共振器構造体と、該共振器構造体を挟んで設けられた、半導体ＤＢＲ（下部半導体ＤＢＲ２０３、上部半導体ＤＢＲ２０７）とを有している。そして、上部半導体ＤＢＲ２０７は、Ａｌ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層２０８ａが電流通過領域２０８ｂ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酸化狭窄構造体をその中に含んでいる。また、被選択酸化層の厚さは３０ｎｍであり、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＝−０．０１である。これにより、パルス周期に関係なく、「負のドループ特性」を抑制することが可能となる。
【０１９２】
また、面発光レーザ素子１００Ａでは、共振器構造体に隣接する半導体ＤＢＲの一部の領域を低ドーピング濃度としている。半導体ＤＢＲ中の電界強度は活性層から４ペア目ほどで半減する。そこで、電界強度が大きな領域のドーピング濃度を低濃度に設定することによって、自由キャリア吸収を効果的に低減することができる。そして、吸収損失が低減されることにより、発振閾値電流が低減し、スロープ効率が向上するので、駆動電流を低減できる。つまり投入電力が少なくて済むので、発熱を低減することができる。従って、「負のドループ特性」を更に抑制することができる。
【０１９３】
なお、組成一定層（各屈折率層）と定在波分布の腹に対応する部位とで、ドーピング濃度が上記の範囲内で互いに異なっても良い。また、低ドーピング濃度領域において、ペア毎にドーピング濃度が上記の範囲内で互いに異なっても良い。例えば、低ドーピング濃度領域において、スペーサ層に近く電界強度の大きな部位が、より低濃度となるように設定すると、自由キャリア吸収を効果的に低減することができる。
【０１９４】
また、面発光レーザ素子１００Ａでは、メサのレーザ発振方向に直交する断面形状における一辺の長さを２５μｍとしているため、シングルモード出力を２ｍＷと高くすることができる。
【０１９５】
また、面発光レーザ素子１００Ａでは、被選択酸化層を共振器構造体から３ペア目の上部半導体ＤＢＲ２０７中に設けている。これにより、実用的な閾値電流を保ちながら、電流狭窄に伴う高抵抗化によって発熱する部分を活性層２０５から遠ざけるとともに、熱抵抗を低減し、メサ中央部の局所的発熱を低減することができる。また、酸化層２０８ａに内在する歪みの活性層２０５への影響を低減し、素子寿命を長くし、長期信頼性を向上させることができる。なお、被選択酸化層を共振器構造体から４ペア目の上部半導体ＤＢＲ２０７中に設けても良い。
【０１９６】
「第３の実施形態」
図３０には、本発明の第３の実施形態に係る面発光レーザアレイ５００の概略構成が示されている。
【０１９７】
この面発光レーザアレイ５００は、複数（ここでは３２個）の発光部が同一基板上に配置されている。ここでは、図３０における紙面右方向を＋Ｍ方向、紙面下方向を＋Ｓ方向として説明する。
【０１９８】
面発光レーザアレイ５００は、図３１に示されるように、Ｍ方向からＳ方向に向かって傾斜角α（０°＜α＜９０°）をなす方向であるＴ方向に沿って８個の発光部が等間隔に配置された発光部列を４列有している。そして、これら４列の発光部列は、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等間隔ｃとなるように、Ｓ方向に等間隔ｄで配置されている。すなわち、３２個の発光部は、２次元的に配列されている。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。
【０１９９】
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３１参照）は３０μｍである。
【０２００】
各発光部は、図３１のＡ−Ａ断面図である図３２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。
【０２０１】
このように、本第３の実施形態に係る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。
【０２０２】
なお、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。
【０２０３】
また、上記第３の実施形態では、面発光レーザアレイが３２個の発光部を有す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。
【０２０４】
また、前記面発光レーザ素子１００Ａが集積された面発光レーザアレイであっても良い。
【０２０５】
また、上記第１〜第３の実施形態では、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、これら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。
【０２０６】
また、上記第１〜第３の実施形態では、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。例えば、６５０ｎｍ帯、８５０ｎｍ帯、９８０ｎｍ帯、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯等の波長帯であっても良い。
【０２０７】
「第４の実施形態」
図３３には、本発明の第４の実施形態に係る画像形成装置としてのレーザプリンタ１０００の概略構成が示されている。
【０２０８】
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。
【０２０９】
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。
【０２１０】
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３３における矢印方向に回転するようになっている。
【０２１１】
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。
【０２１２】
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。
【０２１３】
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。
【０２１４】
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。
【０２１５】
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。
【０２１６】
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。
【０２１７】
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。
【０２１８】
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。
【０２１９】
除電ユニット１０３４は、感光体ドラム１０３０の表面を除電する。
【０２２０】
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。
【０２２１】
次に、前記光走査装置１０１０の構成について説明する。
【０２２２】
この光走査装置１０１０は、一例として図３４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。
【０２２３】
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。
【０２２４】
光源１４は、一例として上記面発光レーザアレイ５００を備え、３２本の光束を同時に射出することができる。ここでは、面発光レーザアレイ５００は、前記Ｍ方向が主走査対応方向と一致し、前記Ｓ方向が副走査対応方向と一致するように配置されている。
【０２２５】
カップリングレンズ１５は、光源１４から射出された光束を弱い発散光とする。
【０２２６】
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。
【０２２７】
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。
【０２２８】
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。本第４の実施形態では、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。
【０２２９】
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。
【０２３０】
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。
【０２３１】
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。
【０２３２】
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。本第４の実施形態では、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つの折り曲げミラーが配置されても良い。
【０２３３】
面発光レーザアレイ５００では、各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。
【０２３４】
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、発光部の点灯タイミングで容易に制御できる。
【０２３５】
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。
【０２３６】
以上説明したように、本第４の実施形態に係る光走査装置１０１０によると、光源１４が上記面発光レーザアレイ５００を備えているため、高精度の光走査を行うことが可能となる。
【０２３７】
また、本第４の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、結果として、高品質の画像を形成することが可能となる。
【０２３８】
なお、上記第４の実施形態では、光源１４が３２個の発光部を有す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。
【０２３９】
また、上記第４の実施形態では、光源１４が面発光レーザアレイを有す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く、前記面発光レーザ素子１００あるいは前記面発光レーザ素子１００Ａと同等の面発光レーザ素子を有していても良い。
【０２４０】
また、上記第４の実施形態において、前記面発光レーザアレイ５００に代えて、該面発光レーザアレイ５００における発光部と同様の発光部が１次元配列された面発光レーザアレイを用いても良い。
【０２４１】
また、上記第４の実施形態において、前記面発光レーザアレイ５００に代えて、前記面発光レーザ素子１００Ａが集積された面発光レーザアレイを用いても良い。
【０２４２】
また、上記第４の実施形態では、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。要するに、光走査装置１０１０を備えた画像形成装置であれば、結果として、高品質の画像を形成することが可能となる。
【０２４３】
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。
【０２４４】
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。
【０２４５】
また、一例として図３５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。
【０２４６】
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。
【０２４７】
各感光体ドラムは、図３５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、各感光体ドラムに静電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。
【０２４８】
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。
【０２４９】
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が、光走査装置２０１０は、２次元配列された複数の発光部を有しているため、点灯させる発光部を選択することで色ずれの補正精度を高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【０２５０】
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。
【図面の簡単な説明】
【０２５１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る面発光レーザ素子の概略構成を説明するための図である。
【図２】２５℃での面発光レーザ素子における被選択酸化層の厚さとドループ率との関係を説明するための図である。
【図３】従来の面発光レーザ素子を、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を説明するための図である。
【図４】従来の面発光レーザ素子を、パルス周期１００ｎｓ、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を説明するための図である。
【図５】計算に用いた各屈折率を説明するための図である。
【図６】計算で得られた基本横モード分布を説明するための図である。
【図７】作り付けの有効屈折率差Δｎｅｆｆを説明するための図である。
【図８】図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、それぞれ作り付けの有効屈折率差Δｎｅｆｆを説明するための図である。
【図９】図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、それぞれ内部温度が上昇したときの有効屈折率差Δｎｅｆｆを説明するための図である。
【図１０】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における、内部温度の上昇によるＩ−Ｌ曲線のシフトを説明するための図である。
【図１１】図１０のときの光波形を説明するための図である。
【図１２】光閉じ込め係数と被選択酸化層の厚さ及び酸化狭窄径の関係を説明するための図（その１）である。
【図１３】光閉じ込め係数と被選択酸化層の厚さ及び酸化狭窄径の関係を説明するための図（その２）である。
【図１４】光閉じ込め係数と被選択酸化層の厚さ及び酸化狭窄径の関係を説明するための図（その３）である。
【図１５】２５℃での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を説明するための図である。
【図１６】２５℃での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を説明するための図である。
【図１７】２７℃での光閉じ込め係数が約０．７８８となる面発光レーザ素子において、共振領域における電流注入部の温度のみが６０℃となったときの基本横モード分布の変化を説明するための図である。
【図１８】図１７における発熱領域を説明するための図である。
【図１９】２７℃での光閉じ込め係数が約０．９７３となる面発光レーザ素子において、共振領域における電流注入部の温度のみが６０℃となったときの基本横モード分布の変化を説明するための図である。
【図２０】共振領域における電流注入部のみが２７℃から６０℃に変化したときの、光閉じ込め係数の変化率と被選択酸化層の厚さとの関係を説明するための図である。
【図２１】図２１（Ａ）はΔλ０＞０を説明するための図であり、図２１（Ｂ）はΔλ０＜０を説明するための図である。
【図２２】発振閾値電流と測定温度との関係を説明するための図である。
【図２３】ディチューニング量と閾値電流が最小となる温度との関係を説明するための図である。
【図２４】ドループ率と閾値電流が最小となる温度との関係を説明するための図である。
【図２５】本発明の第２の実施形態に係る面発光レーザ素子の概略構成を説明するための図である。
【図２６】低ドーピング濃度領域を説明するための図である。
【図２７】基本（０次）横モードの光閉じ込め係数とメサ直径との関係を説明するための図である。
【図２８】１次横モードの光閉じ込め係数とメサ直径との関係を説明するための図である。
【図２９】メサ直径の違いによる１次横モードの電界強度分布の違いを説明するための図である。
【図３０】本発明の第３の実施形態に係る面発光レーザアレイを説明するための図である。
【図３１】図３０における発光部の２次元配列を説明するための図である。
【図３２】図３１のＡ−Ａ断面図である。
【図３３】本発明の第４の実施形態に係るレーザプリンタの概略構成を説明するための図である。
【図３４】図３３における光走査装置を示す概略図である。
【図３５】カラープリンタの概略構成を説明するための図である。
【図３６】従来の面発光レーザ素子の光波形を説明するための図である。
【図３７】図３６における立ち上がり近傍を拡大した図である。
【符号の説明】
【０２５２】
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、１００Ａ…面発光レーザ素子、１０３…下部半導体ＤＢＲ（半導体分布ブラッグ反射鏡の一部）、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（半導体分布ブラッグ反射鏡の一部）、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）、２０３…下部半導体ＤＢＲ（半導体分布ブラッグ反射鏡の一部）、２０４…下部スペーサ層（共振器構造体の一部）、２０５…活性層、２０６…上部スペーサ層（共振器構造体の一部）、２０７…上部半導体ＤＢＲ（半導体分布ブラッグ反射鏡の一部）、２０８ａ…酸化層（狭窄構造体の一部）、２０８ｂ…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）。
【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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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