表面發(fā)射激光器、表面發(fā)射激光器陣列和圖像形成裝置的制造方法
【專利說明】
[0001] 本申請是申請日為2011年10月5日、申請?zhí)枮?01180049069.8、發(fā)明名稱為"表 面發(fā)射激光器、表面發(fā)射激光器陣列和圖像形成裝置"的發(fā)明專利申請的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明設(shè)及表面發(fā)射激光器，并且設(shè)及分別包括表面發(fā)射激光器的表面發(fā)射激光 器陣列和圖像形成裝置。
【背景技術(shù)】
[0003] 示例性電子照相圖像形成裝置包括光學(xué)掃描裝置。在光學(xué)掃描裝置中，從光源發(fā) 射的光通過光偏轉(zhuǎn)器（例如，多棱鏡）被引向被其表面被掃描的感光部件，由此形成潛像。
[0004] P化1公開了包括表面發(fā)射激光器（垂直空腔表面發(fā)射激光器，簡稱為VCSEL)的 陣列作為光源的圖像形成裝置。容易設(shè)置VCSEL的二維陣列。
[0005] 在W上的圖像形成裝置中，從表面發(fā)射激光器的陣列發(fā)射的激光束通過準(zhǔn)直透鏡 準(zhǔn)直化成大致平行光線，并然后被引向旋轉(zhuǎn)多棱鏡即光偏轉(zhuǎn)器的偏轉(zhuǎn)表面。被多棱鏡偏轉(zhuǎn) 的光束穿過成像光學(xué)系統(tǒng)（f0透鏡系統(tǒng)），并且在掃描表面上W斑點的形式聚焦。掃描表 面通過聚焦光束W恒定的速度被掃描。
[0006] 在W上的圖像形成裝置中，沿與偏轉(zhuǎn)方向（主掃描方向）正交的副掃描方向（包 含于副掃描截面內(nèi)）從準(zhǔn)直透鏡射出的準(zhǔn)直光束通過圓柱透鏡聚焦于偏轉(zhuǎn)表面上或附近。 隨后，射束通過成像光學(xué)系統(tǒng)重新聚焦于掃描表面上。目P，圖像形成裝置使用傾斜校正光學(xué) 系統(tǒng)。
[0007] 圖21是表面發(fā)射激光器1400的示意性截面圖。
[000引在表面發(fā)射激光器1400中，包含后反射鏡（mirror) 112、活性層114和前反射鏡 116的多個半導(dǎo)體層被設(shè)置在半導(dǎo)體基板110上，由此，形成垂直空腔?；钚詫?14和前反 射鏡116被部分蝕刻，由此形成臺面結(jié)構(gòu)。
[0009] 電流約束結(jié)構(gòu)118被設(shè)置在前反射鏡116中。電流約束結(jié)構(gòu)118調(diào)節(jié)流過活性層 114的電流并且定義活性層114的發(fā)光區(qū)域。通過例如從臺面結(jié)構(gòu)的側(cè)壁氧化由AlGaAs等 制成的半導(dǎo)體層來形成電流約束結(jié)構(gòu)118。
[0010] 通過氧化該種半導(dǎo)體層形成的電流約束結(jié)構(gòu)118在其絕緣體部分中具有比在其 半導(dǎo)體部分中低的折射率。目P，電流約束結(jié)構(gòu)118在其中屯、部分中的折射率比在其周邊部 分中的折射率高。該種結(jié)構(gòu)被稱為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。因此，電流約束結(jié)構(gòu)118定義包含基本模式 130的空腔的共振模式的輪廓。
[0011] 當(dāng)電流被供給到設(shè)置在基板110的后表面的后電極120與設(shè)置在前反射鏡116的 前表面上的前電極122之間的活性層114時，由前反射鏡116和后反射鏡112的組合形成 的空腔導(dǎo)致表面發(fā)射激光器1400振蕩。由電介質(zhì)材料等制成的保護膜124被設(shè)置在前反 射鏡116的輸出表面即前表面上。
[0012] 在包括光學(xué)掃描系統(tǒng)的一般圖像形成裝置中，在掃描表面上形成由單峰圖案代表 的潛像。因此，被利用的表面發(fā)射激光器的振蕩模式（橫向模式）一般處于基本模式（最 低次模式）中。
[0013] 如圖21所示，基本模式130在空腔內(nèi)具有單峰強度分布。一般地，基本模式130 的電場振幅的輪廓可近似為高斯（Gaussian)函數(shù)。目P，從在作為單一橫向模式的基本模式 中振蕩的表面發(fā)射激光器發(fā)射的射束通常是Gaussian射束。
[0014] 該里，輸出表面緊下方的面中的電場的復(fù)合振幅（振幅和相位）被稱為近場復(fù)合 振幅。電場的振幅、強度和相位分別被稱為近場振幅、近場強度和近場相位。近場強度的分 布被稱為近場圖案（NFP)。
[0015] 并且，由半徑-定義并且中屯、為光源的球面中的電場的復(fù)合振幅（振幅和相位） 被稱為遠場復(fù)合振幅。電場的所述振幅、強度和相位分別被稱為遠場振幅、遠場強度和遠場 相位。遠場強度的分布被稱為遠場圖案（FFP)。
[0016] 圖22A是代表表面發(fā)射激光器1400的基本模式130的示例性近場復(fù)合振幅（振 幅和相位）的一組示圖。圖22B是代表表面發(fā)射激光器1400的基本模式130的示例性遠 場復(fù)合振幅（振幅和相位）的一組示圖。
[0017] 代表圖21所示的表面發(fā)射激光器1400的基本模式130的近場復(fù)合振幅的輪廓 132具有與空腔中的基本模式130的輪廓基本上相同的Gaussian形狀。根據(jù)弗朗霍夫 (化aunhofer)衍射理論，近場復(fù)合振幅和遠場復(fù)合振幅相互為傅立葉變換。因此，如果基本 模式的NFP基本上是Gaussian,那么基本模式的FFP也基本上是Gaussian。如圖22A和圖 22B所示，近場復(fù)合振幅和遠場復(fù)合振幅的相位在該種情況下恒定為0。
[001引 引文列表
[0019] 專利文獻
[0020] ?化1日本專利公開No. 2007-93770

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021] 技術(shù)問題
[0022] 關(guān)于圖21所示的表面發(fā)射激光器1400的基本模式130,NFP處的射束半徑和FFP 的傳播角度具有逆相關(guān)關(guān)系。目P，當(dāng)射束半徑和NFP變大時，F(xiàn)FP的傳播角度變??；當(dāng)NFP 處的射束半徑變小時，F(xiàn)FP的傳播角度變大。
[0023] Gaussian射束的半徑指的是射束的強度為中屯、峰值的1/e2的半徑。FFP的傳播 角度指的是遠場強度分布的半最大值處的全寬度。
[0024] 具體而言，關(guān)于Gaussian射束，近軸區(qū)域中的NFP處的射束半徑W和FFP的傳播 角度Y(該里，為FFP的半最大值處的全寬度）之間的關(guān)系表達如下：
[002引Y(rad) = (21og^ 1/2 入 /nW= 0. 37X入/w
[0026] 該里，A表示激光的波長。
[0027] 一般地，表面發(fā)射激光器具有其發(fā)光方向的長度比邊緣發(fā)射激光器的長度短的活 性區(qū)域。為了實現(xiàn)足夠的光學(xué)輸出，表面發(fā)射激光器的發(fā)光區(qū)域的直徑被設(shè)為大的值。因 此，在表面發(fā)射激光器中，NFP處的射束半徑趨于大，而FFP的傳播角度趨于小。
[002引在典型的電子照相裝置中，當(dāng)激光光源的FFP的傳播角度比定義光學(xué)掃描系統(tǒng)的 入射光瞳的角度小時，激光束的強度在入射光瞳的中屯、和邊緣之間明顯不同。因此，在感光 部件上形成潛像的射束的斑點尺寸變得比激光束的強度在整個入射光瞳上均勻的情況時 大，從而導(dǎo)致圖像分辨率降低的問題。
[0029] 存在另一問題。當(dāng)激光光源的FFP的傳播角度小時，附著于光學(xué)系統(tǒng)上的激光光 源的任何位置偏移導(dǎo)致光源的光軸的位置偏離光學(xué)系統(tǒng)的光軸。該明顯偏移入射光瞳內(nèi)的 強度分布，從而導(dǎo)致偏屯、的強度分布。
[0030] 現(xiàn)在將參照圖23A~23D詳細描述該問題。
[0031] 圖23A~23D示意性示出遠場振幅的輪廓。在圖23A~23D中的每一個中，與入 射光瞳對應(yīng)的角度范圍被框170包圍。
[0032] 圖23A和圖23B分別示出FFP的傳播角度大的情況。圖23C和圖23D分別示出 FFP的傳播角度小的情況。圖23A和圖23C分別示出光源的光軸與光學(xué)系統(tǒng)的光軸一致的 情況。圖23B和圖23D分別示出光源的光軸偏離光學(xué)系統(tǒng)的光軸的情況。
[003引比較圖23B和圖23D所示的情況，在圖23D所示的FFP的傳播角度小的情況下，與 圖23B所示的FFP的傳播角度大的情況相比，伴隨光軸的位置偏移出現(xiàn)的穿過孔徑的射束 的能量的變化量和光瞳內(nèi)的輪廓偏屯、率較大。
[0034] 如上所述，在表面發(fā)射激光器中，當(dāng)發(fā)光區(qū)域的直徑被設(shè)為大的值W提供足夠的 光學(xué)輸出時，NFP的射束半徑變大并且FFP的傳播角度變小。因此，難W完全將表面發(fā)射激 光器用作電子照相裝置的光源。
[0035] 因此，本發(fā)明提供表面發(fā)射激光器（所述表面發(fā)射激光器提供足夠的光學(xué)輸出并 適于用作電子照相裝置的光源）和分別包括表面發(fā)射激光器的表面發(fā)射激光器陣列和圖 像形成裝置。
[0036] 問題的解決方案
[0037] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，被配置為W波長A振蕩的表面發(fā)射激光器包括；基板； 被設(shè)置在基板上并且層疊包含后反射鏡、活性層和前反射鏡的層的多層結(jié)構(gòu)；和第一階梯 結(jié)構(gòu)（steppedstructure),所述第一階梯結(jié)構(gòu)被設(shè)置在前反射鏡的前表面上并包括在發(fā) 光區(qū)域的中屯、部分中所定義的第一區(qū)域中延伸的部分和在定義于發(fā)光區(qū)域內(nèi)的第一區(qū)域 外側(cè)的第二區(qū)域中延伸的部分，該些部分具有不同的高度。關(guān)于從被定義于表面發(fā)射激光 器的外側(cè)并垂直于多層結(jié)構(gòu)的層疊方向延伸的面到前反射鏡的前表面的光路長度，第一區(qū) 域中的該光路長度與第二區(qū)域中的該光路長度之間的差值L滿足下式：
[003引（1/4+腳入<I LI<(3/4+腳入
[0039] 該里，N是整數(shù)。
[0040] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，表面發(fā)射激光器陣列包括：沿第一方向W規(guī)則的間隔設(shè) 置的根據(jù)第一方面的多個表面發(fā)射激光器。第一階梯結(jié)構(gòu)的在第一區(qū)域中延伸的部分具有 其短軸或長軸沿第一方向延伸的楠圓形狀。
[0041] 根據(jù)本發(fā)明的第=方面，一種圖像形成裝置包括；表面發(fā)射激光器；和被配置為 聚焦來自表面發(fā)射激光器的光并用光執(zhí)行掃描的光學(xué)系統(tǒng)。表面發(fā)射激光器被配置為W波 長A振蕩并包括；基板；被設(shè)置在基板上并且層疊包含后反射鏡、活性層和前反射鏡的層 的多層結(jié)構(gòu)；和第一階梯結(jié)構(gòu)，所述第一階梯結(jié)構(gòu)被設(shè)置在前反射鏡的前表面上并包括在 發(fā)光區(qū)域的中屯、部分中所定義的第一區(qū)域中延伸的部分和在定義于發(fā)光區(qū)域內(nèi)的第一區(qū) 域外側(cè)的第二區(qū)域中延伸的部分，該些部分具有不同的高度。關(guān)于從被定義于表面發(fā)射激 光器的外側(cè)并垂直于多層結(jié)構(gòu)的層疊方向延伸的面到前反射鏡的前表面的光路長度，第一 區(qū)域中的該光路長度與第二區(qū)域中的該光路長度之間的差值L滿足下式：
[0042] (1/4+腳入 <ILI< (3/4+腳入
[0043] 該里，N是整數(shù)。第一階梯結(jié)構(gòu)在第一區(qū)域中延伸的部分的半徑a滿足下式：
[0044] a<0. 75A?化〇.
[0045]該里，化0.表示光學(xué)系統(tǒng)的入射側(cè)F數(shù)。
[0046] 本發(fā)明的有利效果
[0047] 根據(jù)本發(fā)明的W上的方面，可提供表面發(fā)射激光器（所述表面發(fā)射激光器提供足 夠的光學(xué)輸出并適于用作電子照相裝置的光源）和分別包括表面發(fā)射激光器的表面發(fā)射 激光器陣列和圖像形成裝置。
【附圖說明】
[0048] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的表面發(fā)射激光器的示意性截面圖。
[0049]圖2是示出對應(yīng)于傳播角度的Q, ?W與對應(yīng)于遠場振幅的A，,。,。之間的 關(guān)系的示圖。
[0化0] 圖3是示出對應(yīng)于傳播角度的與對應(yīng)于遠場強度的之間的關(guān) 系的不圖。
[0051] 圖 4 是I(\a,n(〇Vl(2),,a,〇(〇)與a/w的關(guān)系圖。
[0052] 圖5是示出對應(yīng)于傳播角度的與對應(yīng)于遠場振幅的之間的 關(guān)系的另一示圖。
[0化3] 圖6是示出對應(yīng)于傳播角度的Qy?W與對應(yīng)于遠場強度的I，，。，。（Qy)之間的關(guān) 系的另一不圖。
[0054] 圖 7 是I?，,。,。（0)/1^，,。,。(0)與a/w的另一關(guān)系圖。
[0055] 圖8示出FFP的計算結(jié)果。
[0化6] 圖9是根據(jù)第一實施例的變更例的