表面发射激光器、表面发射激光器阵列和图像形成装置的制造方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请日为2011年10月5日、申请号为201180049069.8、发明名称为"表 面发射激光器、表面发射激光器阵列和图像形成装置"的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明设及表面发射激光器，并且设及分别包括表面发射激光器的表面发射激光 器阵列和图像形成装置。
【背景技术】
[0003] 示例性电子照相图像形成装置包括光学扫描装置。在光学扫描装置中，从光源发 射的光通过光偏转器（例如，多棱镜）被引向被其表面被扫描的感光部件，由此形成潜像。
[0004] P化1公开了包括表面发射激光器（垂直空腔表面发射激光器，简称为VCSEL)的 阵列作为光源的图像形成装置。容易设置VCSEL的二维阵列。
[0005] 在W上的图像形成装置中，从表面发射激光器的阵列发射的激光束通过准直透镜 准直化成大致平行光线，并然后被引向旋转多棱镜即光偏转器的偏转表面。被多棱镜偏转 的光束穿过成像光学系统（f0透镜系统），并且在扫描表面上W斑点的形式聚焦。扫描表 面通过聚焦光束W恒定的速度被扫描。
[0006] 在W上的图像形成装置中，沿与偏转方向（主扫描方向）正交的副扫描方向（包 含于副扫描截面内）从准直透镜射出的准直光束通过圆柱透镜聚焦于偏转表面上或附近。 随后，射束通过成像光学系统重新聚焦于扫描表面上。目P，图像形成装置使用倾斜校正光学 系统。
[0007] 图21是表面发射激光器1400的示意性截面图。
[000引在表面发射激光器1400中，包含后反射镜（mirror) 112、活性层114和前反射镜 116的多个半导体层被设置在半导体基板110上，由此，形成垂直空腔。活性层114和前反 射镜116被部分蚀刻，由此形成台面结构。
[0009] 电流约束结构118被设置在前反射镜116中。电流约束结构118调节流过活性层 114的电流并且定义活性层114的发光区域。通过例如从台面结构的侧壁氧化由AlGaAs等 制成的半导体层来形成电流约束结构118。
[0010] 通过氧化该种半导体层形成的电流约束结构118在其绝缘体部分中具有比在其 半导体部分中低的折射率。目P，电流约束结构118在其中屯、部分中的折射率比在其周边部 分中的折射率高。该种结构被称为波导结构。因此，电流约束结构118定义包含基本模式 130的空腔的共振模式的轮廓。
[0011] 当电流被供给到设置在基板110的后表面的后电极120与设置在前反射镜116的 前表面上的前电极122之间的活性层114时，由前反射镜116和后反射镜112的组合形成 的空腔导致表面发射激光器1400振荡。由电介质材料等制成的保护膜124被设置在前反 射镜116的输出表面即前表面上。
[0012] 在包括光学扫描系统的一般图像形成装置中，在扫描表面上形成由单峰图案代表 的潜像。因此，被利用的表面发射激光器的振荡模式（横向模式）一般处于基本模式（最 低次模式）中。
[0013] 如图21所示，基本模式130在空腔内具有单峰强度分布。一般地，基本模式130 的电场振幅的轮廓可近似为高斯（Gaussian)函数。目P，从在作为单一横向模式的基本模式 中振荡的表面发射激光器发射的射束通常是Gaussian射束。
[0014] 该里，输出表面紧下方的面中的电场的复合振幅（振幅和相位）被称为近场复合 振幅。电场的振幅、强度和相位分别被称为近场振幅、近场强度和近场相位。近场强度的分 布被称为近场图案（NFP)。
[0015] 并且，由半径-定义并且中屯、为光源的球面中的电场的复合振幅（振幅和相位） 被称为远场复合振幅。电场的所述振幅、强度和相位分别被称为远场振幅、远场强度和远场 相位。远场强度的分布被称为远场图案（FFP)。
[0016] 图22A是代表表面发射激光器1400的基本模式130的示例性近场复合振幅（振 幅和相位）的一组示图。图22B是代表表面发射激光器1400的基本模式130的示例性远 场复合振幅（振幅和相位）的一组示图。
[0017] 代表图21所示的表面发射激光器1400的基本模式130的近场复合振幅的轮廓 132具有与空腔中的基本模式130的轮廓基本上相同的Gaussian形状。根据弗朗霍夫 (化aunhofer)衍射理论，近场复合振幅和远场复合振幅相互为傅立叶变换。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。如图22A和图 22B所示，近场复合振幅和远场复合振幅的相位在该种情况下恒定为0。
[001引 引文列表
[0019] 专利文献
[0020] ?化1日本专利公开No. 2007-93770
【发明内容】
[0021] 技术问题
[0022] 关于图21所示的表面发射激光器1400的基本模式130,NFP处的射束半径和FFP 的传播角度具有逆相关关系。目P，当射束半径和NFP变大时，FFP的传播角度变小；当NFP 处的射束半径变小时，FFP的传播角度变大。
[0023] Gaussian射束的半径指的是射束的强度为中屯、峰值的1/e2的半径。FFP的传播 角度指的是远场强度分布的半最大值处的全宽度。
[0024] 具体而言，关于Gaussian射束，近轴区域中的NFP处的射束半径W和FFP的传播 角度Y(该里，为FFP的半最大值处的全宽度）之间的关系表达如下：
[002引Y(rad) = (21og^ 1/2 入 /nW= 0. 37X入/w
[0026] 该里，A表示激光的波长。
[0027] 一般地，表面发射激光器具有其发光方向的长度比边缘发射激光器的长度短的活 性区域。为了实现足够的光学输出，表面发射激光器的发光区域的直径被设为大的值。因 此，在表面发射激光器中，NFP处的射束半径趋于大，而FFP的传播角度趋于小。
[002引在典型的电子照相装置中，当激光光源的FFP的传播角度比定义光学扫描系统的 入射光瞳的角度小时，激光束的强度在入射光瞳的中屯、和边缘之间明显不同。因此，在感光 部件上形成潜像的射束的斑点尺寸变得比激光束的强度在整个入射光瞳上均匀的情况时 大，从而导致图像分辨率降低的问题。
[0029] 存在另一问题。当激光光源的FFP的传播角度小时，附着于光学系统上的激光光 源的任何位置偏移导致光源的光轴的位置偏离光学系统的光轴。该明显偏移入射光瞳内的 强度分布，从而导致偏屯、的强度分布。
[0030] 现在将参照图23A~23D详细描述该问题。
[0031] 图23A~23D示意性示出远场振幅的轮廓。在图23A~23D中的每一个中，与入 射光瞳对应的角度范围被框170包围。
[0032] 图23A和图23B分别示出FFP的传播角度大的情况。图23C和图23D分别示出 FFP的传播角度小的情况。图23A和图23C分别示出光源的光轴与光学系统的光轴一致的 情况。图23B和图23D分别示出光源的光轴偏离光学系统的光轴的情况。
[003引比较图23B和图23D所示的情况，在图23D所示的FFP的传播角度小的情况下，与 图23B所示的FFP的传播角度大的情况相比，伴随光轴的位置偏移出现的穿过孔径的射束 的能量的变化量和光瞳内的轮廓偏屯、率较大。
[0034] 如上所述，在表面发射激光器中，当发光区域的直径被设为大的值W提供足够的 光学输出时，NFP的射束半径变大并且FFP的传播角度变小。因此，难W完全将表面发射激 光器用作电子照相装置的光源。
[0035] 因此，本发明提供表面发射激光器（所述表面发射激光器提供足够的光学输出并 适于用作电子照相装置的光源）和分别包括表面发射激光器的表面发射激光器阵列和图 像形成装置。
[0036] 问题的解决方案
[0037] 根据本发明的第一方面，被配置为W波长A振荡的表面发射激光器包括；基板； 被设置在基板上并且层叠包含后反射镜、活性层和前反射镜的层的多层结构；和第一阶梯 结构（steppedstructure),所述第一阶梯结构被设置在前反射镜的前表面上并包括在发 光区域的中屯、部分中所定义的第一区域中延伸的部分和在定义于发光区域内的第一区域 外侧的第二区域中延伸的部分，该些部分具有不同的高度。关于从被定义于表面发射激光 器的外侧并垂直于多层结构的层叠方向延伸的面到前反射镜的前表面的光路长度，第一区 域中的该光路长度与第二区域中的该光路长度之间的差值L满足下式：
[003引（1/4+脚入<I LI<(3/4+脚入
[0039] 该里，N是整数。
[0040] 根据本发明的第二方面，表面发射激光器阵列包括：沿第一方向W规则的间隔设 置的根据第一方面的多个表面发射激光器。第一阶梯结构的在第一区域中延伸的部分具有 其短轴或长轴沿第一方向延伸的楠圆形状。
[0041] 根据本发明的第=方面，一种图像形成装置包括；表面发射激光器；和被配置为 聚焦来自表面发射激光器的光并用光执行扫描的光学系统。表面发射激光器被配置为W波 长A振荡并包括；基板；被设置在基板上并且层叠包含后反射镜、活性层和前反射镜的层 的多层结构；和第一阶梯结构，所述第一阶梯结构被设置在前反射镜的前表面上并包括在 发光区域的中屯、部分中所定义的第一区域中延伸的部分和在定义于发光区域内的第一区 域外侧的第二区域中延伸的部分，该些部分具有不同的高度。关于从被定义于表面发射激 光器的外侧并垂直于多层结构的层叠方向延伸的面到前反射镜的前表面的光路长度，第一 区域中的该光路长度与第二区域中的该光路长度之间的差值L满足下式：
[0042] (1/4+脚入 <ILI< (3/4+脚入
[0043] 该里，N是整数。第一阶梯结构在第一区域中延伸的部分的半径a满足下式：
[0044] a<0. 75A?化〇.
[0045]该里，化0.表示光学系统的入射侧F数。
[0046] 本发明的有利效果
[0047] 根据本发明的W上的方面，可提供表面发射激光器（所述表面发射激光器提供足 够的光学输出并适于用作电子照相装置的光源）和分别包括表面发射激光器的表面发射 激光器阵列和图像形成装置。
【附图说明】
[0048] 图1是根据本发明的第一实施例的表面发射激光器的示意性截面图。
[0049]图2是示出对应于传播角度的Q, ?W与对应于远场振幅的A，,。,。之间的 关系的示图。
[0化0] 图3是示出对应于传播角度的与对应于远场强度的之间的关 系的不图。
[0051] 图 4 是I(\a,n(〇Vl(2),,a,〇(〇)与a/w的关系图。
[0052] 图5是示出对应于传播角度的与对应于远场振幅的之间的 关系的另一示图。
[0化3] 图6是示出对应于传播角度的Qy?W与对应于远场强度的I，，。，。（Qy)之间的关 系的另一不图。
[0054] 图 7 是I?，,。,。（0)/1^，,。,。(0)与a/w的另一关系图。
[0055] 图8示出FFP的计算结果。
[0化6] 图9是根据第一实施例的变更例的