[發明專利]表面發射激光器及陣列、其制造方法和光學裝置

有效

• 申請號: 200910165015.2
• 申請日: 2009-07-28
• 公開（公告）號: CN101640376A
• 公開（公告）日: 2010-02-03
• 發明（設計）人: 井久田光弘;稻生耕久;山口貴子
• 申請（專利權）人: 佳能株式會社
• 主分類號: H01S5/18
• 分類號: H01S5/18;H01S5/183;H01S5/065;H01S5/068;H01S5/42;G03G15/00
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所
• 代理人: 羅銀燕

技術領域

本發明涉及表面發射激光器制造方法、表面發射激光器陣列制造方法、表面發射激光器、表面發射激光器陣列和包含表面發射激光器陣列的光學裝置。

背景技術

作為表面發射激光器之一的垂直腔表面發射激光器(以下稱為“VCSEL”)使得能夠沿與基板表面垂直的方向提取光，并因此可僅通過改變用于元件形成的掩模圖案來容易地形成二維陣列。使用從該二維陣列發射的多個射束的并行處理使得能夠增大密度和速度，因此期望在例如光通信的各種產業中應用這種二維陣列。例如，使用表面發射激光器陣列作為用于電子照相打印機的曝光光源使得能夠通過多個射束增大打印密度和速度。

這種電子照相打印需要在感光鼓上形成穩定和微小的激光斑點(spot)，因此，作為激光器特性，需要單橫模和/或單縱模下的穩定工作。

近年來，對于表面發射激光器，已開發了使用選擇性氧化技術形成電流限制(confining)結構以僅向必要的區域注入電流的方法。

在該方法中，為了更高的性能，在多層反射鏡中設置具有高的Al比例(例如，98％的Al比例)的AlGaAs層，并且在高溫水蒸氣氣氛中對其進行選擇性氧化，以形成電流限制結構，使得僅向必要的區域注入電流。

圖2示出截面圖，所述截面圖示出根據相關技術例子的表面發射激光器，其中，使用上述的選擇性氧化技術形成電流限制結構。

在圖2中的表面發射激光器200中，在基板2104上形成垂直腔結構。

在垂直腔結構中，在被注入電流時發光的活性層(active?layer)2110以及被設置為調整腔長度的下部間隔件層2108和上部間隔件層2112被插入下部鏡子(mirror)2106和上部鏡子2114之間。

這里，鏡子中的每一個被配置為多層反射鏡。在垂直腔結構中，上部鏡子2114的至少一部分被蝕刻以形成臺面(mesa)結構。

在上部鏡子2114中的高Al比例層2115中，通過從臺面結構的側壁執行的選擇性氧化形成電流限制結構2116。

并且，通過絕緣膜2124使臺面結構的表面部分地電鈍化。

在與基板2104的后表面接觸的下部電極2102和與臺面結構的上部接觸的上部電極2126之間提供預定的電勢差。因此，活性層2110在被注入電流時發光，所述光通過腔經受激光振蕩，然后，從上部電極2126的開口中的光出射(exit)區域2140發射激光。

但是，從單橫模的觀點看，該選擇性氧化是不希望的。

換句話說，由于存在氧化層，因此出現過大的折射率差，從而導致產生高階橫模分量。

因此，作為針對它的對策，采用這樣的方法：例如，通過借助于電流限制結構將發光區域減小到約3μm的直徑，以防止高階橫模分量被限制，從而提供單橫模激光發射(lasing)。

但是，在這種約束發光區域的方法中，由于發光區域的尺寸減小，因此每個元件的輸出被顯著地降低。

鑒于如上所述的這種情況，在常規上，研究了使得能夠在保持具有一定的大小的發光區域的同時實現單橫模激光發射的方法，而不是上述的通過使發光區域變窄的僅借助于電流限制結構提供單橫模的方法。

換句話說，研究了這樣的方法，所述方法有意在基本橫模和高階橫模之間引入損失差，以使得能夠在保持具有一定的大小的發光區域的同時實現單橫模激光發射。

作為這種方法的一個例子，日本專利申請公開No.2001-284722、H.J.Unold等(Electronics?Letters，Vol.35，No.16(1999))和J.A.Vukusic等(IEEE?JOURNAL?OF?QUANTUM?ELECTRONICS，Vol.37，No.1，(2001)108)公開了被稱為“表面浮雕(relief)”的方法。

在該方法中，對表面發射激光器元件的光出射表面(圖2中的光出射區域2140)設置用于控制反射率的階梯(stepped)結構，以相對于基本橫模分量的損失增大高階橫模分量的損失。

以下，在本說明書中，如上所述的設置在反射鏡的光出射表面的光出射區域中用于反射率控制的階梯結構被稱為“表面浮雕結構”。

下面，使用圖3A～3D描述根據上述的現有技術例子的表面浮雕結構。一般地，對于VCSEL鏡子，使用包含交替地層疊的多對具有不同折射率的兩層的多層反射鏡，每個層具有激光發射波長的四分之一(以下，除非另外指明，否則其可被簡寫成“1/4波長”)的光學厚度。通常，該多層反射鏡被高折射率層終止，并因此也通過利用由與空氣的低折射率終端界面進行的反射而具有不小于99％的高反射率。