专利名称：表面发光半导体激光器阵列及使用其的光传输系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及表面发光半导体激光器阵列，其可应用于光互连、光存储器、光交换、光信息处理、激光束打印机和复印机等的光源，本发明还涉及使用该阵列的光传输系统。
背景技术：
垂直腔表面发射激光器二极管(下文称为VCSEL)是这样一种光学器件，其具有以垂直于半导体基板的方向形成的谐振腔，并且在此垂直方向上发射光。多个VCSEL作为能够以高度集成的方式排列成一维或者二维阵列的平行排列的光源而受到关注。
在VCSEL中，载流子和光被限制在垂直腔中，以高效发射激光。有几种在基板的水平方向上实现限制结构的方式，这些方式的示例典型地为气柱(air post)型、选择性氧化型、质子投射(proton projection)型以及质子反射(proton reflection)型。气柱型在基板上具有细柱，并且该柱自身用作电流通路。在选择性氧化型中，在基板上形成柱结构，并且将称为控制层的AlAs层的一部分进行氧化，从而可以形成受限的电流通路。在质子型中，通过质子注入来限定一绝缘区域，从而形成受限的电流通路。在各种VCSEL中，选择性氧化型VCSEL具有低阈值电流和优良的光-电流特性。因此，正非常积极地缩短其实用化进程。
日本特开2004-23087号公报公开了一种VCSEL，其中接触层、上多层膜反射镜以及电流限制部的侧表面与台体(mesa)顶部上设置的金属接触层对齐。该布局改进了具有发光孔的金属接触层与电流限制部的对齐精度，并且即使激光振荡为基横模(fundamental lateral mode)，也将实现改进的光输出。
空间传输的光源需要相对大的功率。从而，使用了多光点(multi-spot)型VCSEL，其中在基板上形成有用作平行排列光源的多个发光单元(多个光点)。通过来自驱动电路的同一驱动信号来驱动所述多个光点，并且合成从所述多个光点发射的激光。
日本特开平10-65266号公报公开了一种VCSEL，其中上半导体多层反射镜和下半导体多层反射镜中的至少一个被制造为在半导体基板平面的方向上长于另外一个反射镜，使得发射光束具有方向性的强度图案。该申请描述了一种激光器件，如图20所例示，其中按一维或者二维排列这些VCSEL，使得具有矩形或椭圆形状的发光图案的短轴沿方向n排列。这使得可以实现均匀发光。
日本特开平10-52941号公报公开了一种光源，如图21所例示，其中将光源排列为使得发光孔(近场图形尺寸)从主扫描方向Y的中心到阵列的相对端部逐渐变小。从中央处的光源发射的光束在位于感光部件的平面上的焦点处形成图像。相对地，从端部处的光源发射的光束在不到感光部件的焦点处形成图像，并且这些光束逐渐变粗。随后，这些光束形成与在感光部件的平面上的中央处可得到的光点尺寸一样大的光点尺寸。
然而，上述多光点型VCSEL具有以下缺点。图22示意性示出了传统多光点型VCSEL的两个相邻发光部。参照该图，在n型半导体基板910上，设置有按序层叠的n型下反射镜911、有源层912、p型电流狭窄(current funneling)部913以及p型上反射镜。在该叠层上形成有p侧电极层915。在基板上形成有圆柱状柱(台体)916，并且该圆柱状柱916包括上反射镜914、电流狭窄部913、有源层912以及下反射镜911。选择性氧化区域913a形成在各柱916中的电流狭窄部913的外周部分中。其余未氧化部分是圆形的并且为导电区域的孔913b。p侧电极层915具有圆形发光孔917，这些圆形发光孔917分别在轴向上与孔913b的中心C1和C2对齐。在半导体基板910的背面设置有多个柱(发光部)916共用的n侧电极918。
当驱动VCSEL时，按照孔913b的直径以及电极层915中的发光孔917的直径，从基板910沿垂直方向发射相对于中心轴C1和C2具有发散角θ的激光。此时，柱916的发光孔917中的近场图形(NFP)920具有对称的单峰，并且组合激光束的近场剖面分布921具有功率下降的部分922。这是因为，由于制造限制使得难于对柱916进行比给定间隔更小的靠近排列。功率减小的部分922在传输光的光学系统中是不利的。
当激光入射到光隙、透镜以及受光元件时，激光的发散角优选地是稳定且狭窄的。单光点VCSEL可以容易地满足以上要求。相反，多光点型激光器阵列如上所述由于制造限制而难于将光点间隔减小到低于给定距离。激光的发光点在空间上散布，并且组合激光束的发散角很难变得像单点的发散角那样窄。特别是，来自位于阵列端部的柱(发光部)的激光束经过诸如透镜的光学部件后会变暗。这使得难于减小来自阵列端部的激光束的发散角。
日本特开平10-65266号公报中描述的发射近场图形具有与上述类似的缺点。日本特开平10-52941号公报中描述的近场图形是对称的，即使发光孔具有不同尺寸。组合激光场具有在中心处具有输出减小部分的近场图形或光束剖面分布，并且不能消除上述缺点。
发明内容
考虑到以上情况提出本发明，本发明提供了一种表面发光半导体激光器阵列及使用该阵列的光传输系统。
根据本发明的一个方面，提供了一种表面发光半导体激光器阵列，其包括排列成一维或二维阵列的多个发光部和第二反射镜上方的发光孔，各发光部在基板上包括第一反射镜与第二反射镜之间的活性区域和电流狭窄部，激光束是同时从所述多个发光部发射的，所述多个发光部中的至少一个具有与其它发光部的近场图形不同的近场图形。
根据本发明的另一方面，提供了一种表面发光半导体激光器阵列，其包括排列成一维或二维阵列的多个发光部和第二反射镜上方的发光孔，各发光部在基板上包括第一反射镜与第二反射镜之间的活性区域和电流狭窄部，激光束是同时从所述多个发光部发射的，所述多个发光部中的至少一个具有如下发光孔，该发光孔的中心偏离电流狭窄部中的氧化生成孔。
根据本发明的又一方面，提供了一种模块，其包括半导体芯片，该半导体芯片上安装有表面发光半导体激光器阵列，所述表面发光半导体激光器阵列包括排列成一维或二维阵列的多个发光部和第二反射镜上方的发光孔，各发光部在基板上包括第一反射镜与第二反射镜之间的活性区域和电流狭窄部，激光束是同时从所述多个发光部发射的，所述多个发光部中的至少一个具有与其它发光部的近场图形不同的近场图形。
根据本发明的又一方面，提供了一种模块，其包括半导体芯片，该半导体芯片上安装有表面发光半导体激光器阵列，所述表面发光半导体激光器阵列包括排列成一维或二维阵列的多个发光部和第二反射镜上方的发光孔，各发光部在基板上包括第一反射镜与第二反射镜之间的活性区域和电流狭窄部，激光束是同时从所述多个发光部发射的，所述多个发光部中的至少一个具有如下发光孔，该发光孔的中心偏离电流狭窄部中的氧化生成孔。
根据本发明的再一方面，提供了一种表面发射半导体激光装置，其包括具有半导体芯片的模块和驱动电路，所述半导体芯片上安装有表面发光半导体激光器阵列，所述驱动电路将驱动信号提供给所述表面发光半导体激光器阵列，所述表面发光半导体激光器阵列包括排列成一维或二维阵列的多个发光部和第二反射镜上方的发光孔，各发光部在基板上包括第一反射镜与第二反射镜之间的活性区域和电流狭窄部，激光束是同时从所述多个发光部发射的，所述多个发光部中的至少一个具有与其它发光部的近场图形不同的近场图形。
根据本发明的另一方面，提供了一种表面发射半导体激光装置，其包括具有半导体芯片的模块和驱动电路，所述半导体芯片上安装有表面发光半导体激光器阵列，所述驱动电路将驱动信号提供给所述表面发光半导体激光器阵列，所述表面发光半导体激光器阵列包括排列成一维或二维阵列的多个发光部和第二反射镜上方的发光孔，各发光部在基板上包括第一反射镜与第二反射镜之间的活性区域和电流狭窄部，激光束是同时从所述多个发光部发射的，所述多个发光部中的至少一个具有如下发光孔，该发光孔的中心偏离电流狭窄部中的氧化生成孔。
根据本发明的另一方面，提供了一种光传输装置，其包括具有半导体芯片的模块和传输单元，所述半导体芯片上安装有表面发光半导体激光器阵列，所述传输单元传送从所述表面发光半导体激光器阵列发射的激光，所述表面发光半导体激光器阵列包括排列成一维或二维阵列的多个发光部和第二反射镜上方的发光孔，各发光部在基板上包括第一反射镜与第二反射镜之间的活性区域和电流狭窄部，激光束是同时从所述多个发光部发射的，所述多个发光部中的至少一个具有与其它发光部的近场图形不同的近场图形。
根据本发明的又一方面，提供了一种光传输装置，其包括具有半导体芯片的模块和传输单元，所述半导体芯片上安装有表面发光半导体激光器阵列，所述传输单元传送从所述表面发光半导体激光器阵列发射的激光，所述表面发光半导体激光器阵列包括排列成一维或二维阵列的多个发光部和第二反射镜上方的发光孔，各发光部在基板上包括第一反射镜与第二反射镜之间的活性区域和电流狭窄部，激光束是同时从所述多个发光部发射的，所述多个发光部中的至少一个具有如下发光孔，该发光孔的中心偏离电流狭窄部中的氧化生成孔。
根据本发明的再一方面，提供了一种光传输系统，其包括具有半导体芯片的模块和传输单元，所述半导体芯片上安装有表面发光半导体激光器阵列，所述传输单元传送从所述表面发光半导体激光器阵列发射的激光，所述表面发光半导体激光器阵列包括排列成一维或二维阵列的多个发光部和第二反射镜上方的发光孔，各发光部在基板上包括第一反射镜与第二反射镜之间的活性区域和电流狭窄部，激光束是同时从所述多个发光部发射的，所述多个发光部中的至少一个具有与其它发光部的近场图形不同的近场图形。
根据本发明的再一方面，提供了一种光传输系统，其包括具有半导体芯片的模块和传输单元，所述半导体芯片上安装有表面发光半导体激光器阵列，所述传输单元传送从所述表面发光半导体激光器阵列发射的激光，所述表面发光半导体激光器阵列包括排列成一维或二维阵列的多个发光部和第二反射镜上方的发光孔，各发光部在基板上包括第一反射镜与第二反射镜之间的活性区域和电流狭窄部，激光束是同时从所述多个发光部发射的，所述多个发光部中的至少一个具有如下发光孔，该发光孔的中心偏离电流狭窄部中的氧化生成孔。
基于以下附图详细说明本发明的优选实施例，其中图1A是其中以直线形式排列多个发光部的VCSEL阵列的平面图；图1B是其中以行列形式排列多个发光部的VCSEL阵列的平面图；图2是用于多光点型VCSEL阵列的驱动电路的电路图；图3示出了根据本发明第一实施例的多光点型VCSEL阵列；图4示出了根据本发明第二实施例的多光点型VCSEL阵列；图5A是根据本发明第三实施例的多光点型VCSEL阵列的剖视图；图5B是第三实施例的变型例的剖视图；图6A是根据本发明第四实施例的多光点型VCSEL阵列的平面图；图6B是根据第四实施例的VCSEL阵列的剖视图；图7示出了FFP变化率的实验结果，该FFP变化率为接触金属中的发光孔与氧化生成孔的直径比的函数；图8示出了当接触金属的中心相对于氧化生成孔偏移时所观察到的FFP(发散角)变化率的实验结果；图9是封装模块的剖视图，该封装模块中并入了其上安装有多光点型VCSEL阵列的半导体芯片；图10是另一封装模块的示意性剖视图；图11是应用了任一实施例的VCSEL阵列的狭缝聚光透镜(slit-condensing lens)系统的示意性剖视图；图12示出了应用了任一实施例的VCSEL阵列的分束器-光敏二极管入射系统；图13是应用了图8中所示的封装的光传输装置的剖视图；图14示出了应用了图9中所示的封装的自由空间光传输系统；
图15是光传输系统的框图；图16示出了光传输装置的外观；图17A是切除了上部的光传输装置的平面图；图17B是切除了侧部的光传输装置的侧视图；图18示出了应用了图15中示出的光传输系统的视频传输系统；图19示出了从背面观察的视频传输系统；图20示出了传统多光点型VCSEL的发光图案；图21示出了传统多光点型VCSEL的发光孔；以及图22示出了传统多光点型VCSEL的缺陷。
具体实施例方式
下面参照
根据本发明实施例的多光点型VCSEL。
图1A和1B示意性地示出了根据本发明实施例的VCSEL的平面图。更具体地，图1A示出了其中将发光部1-1、1-2、……、1-n(n为等于或大于2的整数)排列形成一维阵列的VCSEL阵列10。图1B示出了m行n列的二维VCSEL阵列12，这里m和n为等于或大于2的整数。这些发光部形成在半导体基板上，如下文将说明的，并且由一驱动电路同时驱动。对从阵列的发光部同时发射的激光束进行组合，从而可以获得高功率的激光束。
图2示出了驱动多光点型VCSEL阵列的电路的电路图。如图2所示，激光二极管驱动器(LDD)20从微计算机等接收驱动控制信号，并且接收驱动信号，该驱动信号被提供给由该驱动信号驱动并发射激光束的发光部1-1、1-2、……、1-n。然后，将这些激光束合成为单个激光束，将该激光束例如施加到光纤。
图3示出了根据本实施例的VCSEL阵列的发光部的剖视图。在图3中只示例性地示出了两个发光部。参照图3，在n型半导体基板30上层叠有n型下反射镜31、活性区域32、p型电流狭窄部33，以及p型上反射镜34。在该叠层上设置有p侧电极层35。在p侧电极层35中形成有发光孔36。在基板30的背面形成有n侧电极层37。p型电流狭窄部33用作对电流进行限制的电流限制区域。
优选地，在基板30上的圆柱状柱或台体中形成有两个发光部S1和S2。通过刻蚀为从上反射镜34延伸到下反射镜31的一部分来形成各柱。在各柱的外周形成通过选择性氧化限定的氧化区域33a，以反映柱的形状。未被氧化的剩余区域限定了孔33b，该孔33b是圆形的导电区域。
本VCSEL具有独特的结构，其中形成在柱的p侧电极层35中的发光孔36的轴心E1和E2从氧化生成孔33b的轴心C1和C2偏离距离d。换言之，发光部S1的发光孔36沿方向A上偏向发光部S2，而发光部S2的发光孔36则沿方向B偏向发光部S1。优选地，发光孔36的周缘P与孔33b的周缘重合。优选地，偏移距离d大约等于孔33b的最大直径的20％。当这些柱具有圆柱形状时，这些柱的轴心基本上与孔33b的中心重合。
发光孔36的偏移导致从活性区域32发射的激光被发光孔36的周缘P向内反射，从而可以在与周缘P相对的周缘Q中促进光发射。由此，从发光部S1发射的激光具有非对称近场图形，其中相对于柱的轴心C1或者氧化生成孔的中心，激光在边缘P侧以受限制的θ1角前进，而在边缘Q侧上以经扩展的θ2角前进。换言之，发散角θ2限定了朝相邻发光部S2倾斜的近场图形。从发光部S2发射的激光具有非对称近场图形，其中P边缘侧的发散角θ1受到限制，而Q边缘侧的发散角θ2受到扩展。
由此，从发光部S1和S2发射的光束的交叠区域可以增大，并且发光部S1和S2的中央处的组合光具有增加的强度。在图3中示出了组合激光束的光束剖面分布38，其中可以抑制中心处的输出减小。组合激光的光束剖面分布半径R(在强度等于峰值强度的1/e2处的半径)小于图2所示的传统光束剖面分布的半径。从而，可以缩小从该阵列发射的激光的发散角或束斑。
上述实施例具有设置在p侧电极层中的发光孔，并且通过该p侧电极层的背面反射激光。本发明并不限于以上结构，而是可以具有一反光层，振荡激光由该反光层进行反射从而向柱传播。发光部S1的偏移距离d等于发光部S2的偏移距离。然而，发光部S1和S2的偏移距离d也可以互不相同。
下面将说明本发明的第二实施例。在第一实施例中，发光孔具有与通过选择性氧化限定的孔类似的形状(在平面图上，这些孔为圆形)。与之相对，如图4中所示，第二实施例采用具有矩形形状的发光孔40。除了发光孔40的形状以外，第二实施例具有与第一实施例相同的结构。与第一实施例类似，第二实施例具有偏移得相互接近的非对称近场图形，并且组合光束的所得光束剖面分布38使得中心处的凹退(功率下降)得到抑制，并且使图案半径R缩小。
下面将说明本发明的第三实施例。图5A是根据本发明第三实施例的VCSEL阵列的剖视图。更具体地，图5A示出了形成在半导体基板上的发光部S1、S2以及S3。位于该排列的中央处的发光部S2的发光孔的中心与通过选择性氧化限定的柱的轴心C2或者孔的中心相重合。与之相对，发光部S1的发光孔的中心在方向A上从氧化生成孔的中心C1偏向发光部S2，而发光部S3的发光孔的中心在方向B上从氧化生成孔的中心C3偏向发光部S2。
下面将进一步说明该结构。多光点型VCSEL阵列50具有n型GaAs基板110，该n型GaAs基板110上按序层叠有n型缓冲层111、n型下DBR(分布式布拉格反射器)层112、活性区域113以及p型上DBR层114。有源区域113具有无掺杂的下间隔体层、无掺杂的量子阱有源层以及无掺杂的上间隔体层。层叠在半导体基板110上的半导体被各向异性地刻蚀到给定深度，以在基板110上形成柱102、104以及106。柱102、104以及106具有圆柱形状以及大体相同的外部尺寸。
各柱102、104以及106中的上DBR层114的最下层是p型AlAs层115。上DBR层114的最上层可以具有p型接触层。AlAs层115具有氧化区域116和由氧化区域116包围的圆形氧化生成孔(导电区域)117，该氧化区域116是通过从柱102、104以及106的侧面起对各柱进行选择性氧化而限定的。各柱102、104以及106中的AlAs层115用作限制光和载流子的电流狭窄部。柱102、104以及106的氧化生成孔117具有相等的直径，并且可以例如大约为12μm。这些氧化生成孔的直径是在与基板的主表面平行的平面上测量的。
在柱102、104以及106的顶部上形成具有圆形发光孔118的经构图的接触金属119。柱102、104以及106的上表面和侧表面覆盖有层间绝缘膜120，在该层间绝缘膜120中形成有用于露出接触金属119的接触孔。p侧电极层121被构图为进入层间绝缘膜120中的接触孔。n侧电极122形成在基板110的背面。
在发光部S1的柱102中，接触金属119的发光孔118在方向A上从氧化生成孔117的轴心C1偏向发光部S2。在发光部S3的柱106中，接触金属119的发光孔118在方向B上从氧化生成孔117的轴心C3偏向发光部S2。在位于中央的发光部S2的柱104中，发光孔118的中心与氧化生成孔117的轴心C2重合。
根据第三实施例，将来自位于相对侧的发光部S1和S3的激光的近场图形导向中心处的发光部S2，从而可以使组合激光的发散角变窄。同时，可以防止光束剖面分布中的局部功率减小。
第三实施例采用了通过对AlAs层的选择性氧化而限定的电流狭窄部。本发明不限于上述实施例，而是可以通过质子注入形成扩散区域130来形成导电孔131，如图5B所示。在这种情况下，可能需要发光部S1、S2以及S3的柱或台体。
下面将说明本发明的第四实施例。第四实施例采用利用反光膜形成的发光部中的发光孔。图6A是在多光点型VCSEL阵列中使用的发光部的平面图，图6B是其剖视图。在图6A和图6B中，与第三实施例中所采用的部分(图5A和图5B)相同的部分被赋予相同标号。在第四实施例中，在上DBR层114(其可包括作为上DBR层114的最上层的p型接触层)上形成有单层或多层反射膜层140。在反射膜层140上设置有用于露出上DBR层114的接触孔141。p侧电极层121通过接触孔141电连接到上DBR层114。
发光孔142形成在反射膜140的中央。发光孔142的位置可以根据该阵列的发光部的位置而偏移。图6A和图6B示出了发光孔142的中心与柱的轴心(即氧化生成孔131的中心)重合时的情况。反射膜140用来调整发光孔142的位置，以将在柱中发射的激光反射到柱的内部。通过这种方式，可以调整发光孔的近场图形。
图7示出了表示FFP(远场图案)变化率的实验结果，该FFP变化率为第三实施例中的接触金属中的发光孔与氧化生成孔的直径比的函数。横轴表示ΦA/ΦB，其中ΦA是接触金属中的发光孔的直径，ΦB是氧化生成孔的直径，纵轴表示FFP变化率。FFP是峰值强度的1/e2处的半径的变化率。当FFP变化率为1时，没有FFP或发散角的变化。随着比率ΦA/ΦB的增加，FFP更为缓慢地变化并接近1。即，随着接触金属的直径与氧化生成孔的直径相比变大，FFP变化更为缓慢。根据以上情况，优选地，减小ΦA/ΦB，并使近场图形偏向中心。
图8示出了当接触金属的中心相对于氧化生成孔偏移时所观察到的FFP(发散角)变化率的实验结果。横轴表示接触金属的中心的偏移距离与氧化生成孔的半径(ΦB/2)的比，而纵轴表示FFP变化率。实验结果表明偏移距离d与氧化生成孔的半径的比变大并接近于1.3，FFP变化率变得接近于1。由此，优选地，偏移距离d与氧化生成孔的半径的比等于或小于1.1。即，偏移距离d优选地等于或小于约20％。
下面将说明制造根据本发明第三实施例的VCSEL阵列的方法。通过MOCVD(金属有机化学汽相淀积)以1×1018cm-3的载流子浓度将n型GaAs缓冲层111在n型GaAs基板110上层叠到约0.2μm的厚度。接下来，在缓冲层111上形成下n型DBR层112，在该n型DBR层112中将Al0.9Ga0.1As层和Al0.3Ga0.7As层交替层叠40.5个周期。各Al0.9Ga0.1As层和Al0.3Ga0.7As层的厚度为λ/4nr，其中λ是振荡频率，nr是介质的折射率。下n型DBR层112的载流子浓度为1×1018cm-3。在下n型DBR层112上形成活性区域113。有源区域113包括无掺杂的下Al0.5Ga0.5As间隔体层、无掺杂的量子阱有源层以及无掺杂的上Al0.5Ga0.5As层。
在有源区域113上形成上DBR层114，使得Al0.9Ga0.1As层和Al0.3Ga0.7As层交替层叠30个周期。各Al0.9Ga0.1As层和Al0.3Ga0.7As层的厚度等于介质中的波长的1/4。上n型DBR层114的载流子浓度为1×1018cm-3。上p型DBR层113的最下层包括低电阻p型AlAs层115。以1×1019cm-3的载流子浓度将p型接触层淀积为上DBR层114的最上层，厚度达大约10nm。
通过利用给定掩模进行反应离子刻蚀，对叠层进行刻蚀至下n型DBR层112的一部分，来限定柱102、104以及106。这产生了具有相同外直径的圆形或矩形柱102、104以及106。可以按大约50μm的间隔设置柱102、104以及106。
通过氧化处理来限定柱102、104以及106中的电流狭窄部。在氧化处理过程中，将具有高Al成分的AlSaAs和具有高Al成分的AlAs变为铝氧化物(AlxOy)。然而，AlAs比AlGaAs氧化得快很多。由此，只有AlAs的氧化有选择地从柱侧壁朝着柱中心进行。最终，形成了反映台的外形的氧化区域116。在各柱中被氧化区域116包围的氧化生成孔(导电区域)可以具有大致相等的直径。各柱中的氧化区域117的导电性降低，由此该氧化区域117成为电流限制部。电流限制部的光学折射率(～1.6)是周围半导体层的一半，并且该电流限制部用作光限制区域。从而，将载流子和光限制在氧化生成孔117内。
各柱的底部、侧部以及一部分顶部覆盖有层间绝缘膜120，该层间绝缘膜120可由SiN或SiON制成。p侧电极层121可以由Au制成。基板背面的n侧电极122可以为Au/Ge。
图9是其中并入了具有多光点型VCSEL阵列的半导体芯片的模块的剖视图。参照图9，封装300具有包括多光点型VCSEL阵列的芯片310，通过导电粘合剂(electrically conductive submount)320将该芯片置于并固定到盘状金属管座330。将引线340和342插入在管座330中形成的孔(未示出)中。通过接合导线等将引线340电连接到形成在芯片310的背面上的n侧电极，将引线342电连接到形成在芯片310的主表面上的p侧电极。
矩形中空盖350固定到配备有芯片310的管座330。球状透镜360固定到盖350，以插入形成在盖350中央处的开口中。球状透镜360的光轴被设置得与芯片310的中心基本重合。当在引线340与342之间施加正向电压时，从芯片310的台发射激光。对芯片310与球状透镜360之间的距离进行调整，从而将球状透镜360包括在从芯片310呈放射角θ的激光束中。在盖350中可以包括用于监测VCSEL的发射状况的受光元件。
图10示出了其中封装有半导体芯片的另一模块。封装302具有平板玻璃362，该平板玻璃362代替了球状透镜360并被固定得覆盖所述盖350中央处的开口。平板玻璃362的中心被设置为基本上与其中以行列形式排列有多个发光部的芯片上的阵列的中心相重合。当在引线340与342之间施加正向电压时，从芯片310上的发光部发射激光。对芯片310与平板玻璃362之间的距离进行调整，以使得平板玻璃362的孔直径等于或大于激光束的发散角θ。该封装可被合适地应用于自由空间光传输系统，下面将对其进行说明。
图11示出了应用了图9或图10所示的封装的狭缝聚光透镜系统。以发散角θ从包括VCSEL阵列的封装300的上表面发射组合激光。发散角θ处的激光穿过使光点尺寸变窄的狭缝380，并进入聚光透镜390。由此，可以实现光束尺寸减小的高功率光传输。
图12示出了应用了图9或图10中所示的封装的分束器-光敏二极管光学入射系统。以发散角θ从封装300的上表面发射的激光入射到分束器390或半反镜(half mirror)，并且激光的一部分入射到光敏二极管392。图12所示的系统可以应用于用于监控VCSEL的激光量的光学系统。
图13是应用了图9中所示的封装或模块的光传输装置的剖面图。光传输装置400包括外壳410、套管420、套圈430以及光纤440。外壳410固定到管座330。套管420与外壳410的端面形成为一体。套圈430保持在套管420的开口422中。光纤440由套圈430保持。
外壳410的一端部固定到形成在管座330的周向上的凸缘332。套圈430准确地置于套管420的开口422，并且光纤440的光轴与球状透镜360的光轴对齐。光纤440的芯线保持在套圈430的通孔432中。
从芯片310的表面发射的激光被球状透镜360聚光，并且经聚光的光入射到光纤440的芯线以进行传输。球状透镜360可以由双面凸透镜、平凸透镜或其它透镜所替代。光传输装置400可以包括对施加在引线340与342之间的电信号进行处理的驱动电路。光传输装置400可以具有接收经由光纤440传送的光信号的功能。
图14示出了将图9所示的封装应用于自由空间光传输系统的结构。自由空间光传输系统500包括封装300、聚光透镜510、漫射板520以及反射镜530。自由空间光传输系统500采用聚光透镜510，来代替在封装300中使用的球状透镜360。聚光透镜510所会聚的光经由反射镜530的开口532而被漫射板520反射，并朝着反射镜520传播。反射镜520沿给定方向反射入射光以进行光传输。使用根据本发明的多光点型VCSEL阵列实现了具有高功率、单峰值激光束的光传输。
图15示出了应用了该VCSEL阵列的光传输系统。光传输系统600包括光源610、光学系统620、受光单元630以及控制单元640。光源610包括其上形成有多光点型VCSEL阵列的芯片310。光学系统620对从光源610发射的激光束进行聚光。受光单元630接收从光学系统620输出的激光束。控制单元640控制对光源610的驱动。控制单元640将用于驱动VCSEL阵列的驱动脉冲信号提供给光源610。光纤及用于自由空间光传输的反射镜将从光源610发射的光经由光学系统620导向受光单元630。受光单元630通过光电探测器等检测所接收的光。受光单元630可以响应于控制信号650对控制单元640的操作(例如，光传输的起始定时)进行控制。根据本发明的多光点型VCSEL阵列实现了在整个区域上没有明显的输出减小的光束剖面分布。这使得受光单元630可以恰当地检测出该范围的任何位置处的激光。
下面对为该光传输系统使用的光传输装置进行说明。图16示出了该光传输装置的外形，图17A和图17B示出了其内部结构。光传输装置700包括箱体710、光信号发送/接收连接器接合单元720、发光/受光元件730、电信号电缆接合单元740、功率输入单元750、指示正在进行操作的LED760、指示错误的LED 770、DVI连接器780，以及发送电路板/接收电路板790。
在图18和图19中示出了配备有光传输装置700的视频传输系统。参照这些图，视频传输系统800配备有图16和图17所示的光传输装置，以将视频信号发生器810产生的视频信号传送到诸如液晶显示器的图像显示装置820。该视频传输系统800包括视频信号发生器810、图像显示装置820、DVI电缆830、发送模块840、接收模块850、用于视频信号传输的光学连接器、光纤870、在控制中使用的电缆连接器880、功率适配器890，以及DVI电缆900。
在以上视频传输系统中，通过电缆830和900，使用电信号在视频信号发生器810与发送模块840之间进行传送，并且在接收模块850与视频显示装置820之间进行传送。可以采用光传输来取代电缆。例如，可以用具有配备有电光转换器和光电转换器的连接器的信号传输缆线代替电缆830和900。可以使用光信号在光纤870或其它光纤上传输控制信号。
根据本发明的多光点型表面发射激光器件可以应用于各种领域，包括打印机和复印机的光源，以及光网络的光源。
本发明并不限于具体说明的实施例，可以在不脱离权利要求所要求的本发明的范围的情况下进行各种变型和修改。
本发明基于2005年4月8日提交的日本特开2005-112405号公报，在此通过引用并入其全部公开。
权利要求
1.一种表面发光半导体激光器阵列，包括排列成一维或二维阵列的多个发光部，各发光部在基板上包括第一反射镜与第二反射镜之间的活性区域和电流狭窄部，和第二反射镜上方的发光孔，激光束是同时从所述多个发光部发射的，所述多个发光部的激光束中的至少一个具有与其它发光部的激光束的近场图形不同的近场图形。
2.根据权利要求1所述的表面发光半导体激光器阵列，其中，所述多个发光部中的所述至少一个位于阵列的端部。
3.根据权利要求1所述的表面发光半导体激光器阵列，其中，所述多个发光部中的所述至少一个的近场图形相对于发光孔的中心轴不对称。
4.根据权利要求1所述的表面发光半导体激光器阵列，其中，从所述多个发光部中位于阵列的端部处的发光部发射的激光束的近场图形偏向阵列的中心。
5.根据权利要求1所述的表面发光半导体激光器阵列，其中，当把所述多个发光部排列成二维阵列时，所述多个发光部中位于阵列的外周处的发光部的光束具有偏向阵列的中心的近场图形。
6.一种表面发光半导体激光器阵列，包括排列成一维或二维阵列的多个发光部，各发光部在基板上包括第一反射镜与第二反射镜之间的活性区域和电流狭窄部，和第二反射镜上方的发光孔，激光束是同时从所述多个发光部发射的，所述多个发光部中的至少一个具有如下发光孔，该发光孔的中心偏离电流狭窄部中的氧化生成孔。
7.根据权利要求6所述的表面发光半导体激光器阵列，其中，所述多个发光部中的所述至少一个位于阵列的端部。
8.根据权利要求6所述的表面发光半导体激光器阵列，其中，所述多个发光部中位于阵列的端部处的发光部的中心从氧化生成孔的中心偏向阵列的中心。
9.根据权利要求1所述的表面发光半导体激光器阵列，其中所述多个发光部包括形成在基板上的柱；所述发光孔形成在各柱的顶部；并且在各柱中的电流狭窄部中形成有氧化生成孔。
10.根据权利要求6所述的表面发光半导体激光器阵列，其中所述多个发光部包括形成在基板上的柱；所述发光孔形成在各柱的顶部；并且在各柱中的电流狭窄部中形成有氧化生成孔。
11.根据权利要求9所述的表面发光半导体激光器阵列，其中，所述电流狭窄部包括AlAs层，并且所述氧化生成孔是通过从各柱的侧面选择性地氧化AlAs层而形成的。
12.根据权利要求10所述的表面发光半导体激光器阵列，其中，所述电流狭窄部包括AlAs层，并且所述氧化生成孔是通过从各柱的侧面选择性地氧化AlAs层而形成的。
13.根据权利要求1所述的表面发光半导体激光器阵列，其中，所述发光孔形成在电极层中，电流通过所述电极层注入所述多个发光部中的对应一个。
14.根据权利要求6所述的表面发光半导体激光器阵列，其中，所述发光孔形成在电极层中，电流通过所述电极层注入所述多个发光部中的对应一个。
15.根据权利要求1所述的表面发光半导体激光器阵列，其中，所述发光孔包括单层和多层反射膜中的一个。
16.根据权利要求6所述的表面发光半导体激光器阵列，其中，所述发光孔包括单层和多层反射膜中的一个。
17.根据权利要求1所述的表面发光半导体激光器阵列，其中，从所述多个发光部发射的激光束被组合成单个光信号。
18.根据权利要求6所述的表面发光半导体激光器阵列，其中，从所述多个发光部发射的激光束被组合成单个光信号。
19.一种模块，包括半导体芯片，其上安装有表面发光半导体激光器阵列，所述表面发光半导体激光器阵列包括排列成一维或二维阵列的多个发光部，各发光部在基板上包括第一反射镜与第二反射镜之间的活性区域和电流狭窄部，和第二反射镜上方的发光孔，激光束是同时从所述多个发光部发射的，所述多个发光部中的至少一个具有与其它发光部的近场图形不同的近场图形。
20.一种模块，包括半导体芯片，其上安装有表面发光半导体激光器阵列，所述表面发光半导体激光器阵列包括排列成一维或二维阵列的多个发光部，各发光部在基板上包括第一反射镜与第二反射镜之间的活性区域和电流狭窄部，和第二反射镜上方的发光孔，激光束是同时从所述多个发光部发射的，所述多个发光部中的至少一个具有如下发光孔，该发光孔的中心偏离电流狭窄部中的氧化生成孔。
21.一种表面发射半导体激光装置，包括具有半导体芯片的模块，所述半导体芯片上安装有表面发光半导体激光器阵列；和驱动电路，其将驱动信号提供给所述表面发光半导体激光器阵列，所述表面发光半导体激光器阵列包括排列成一维或二维阵列的多个发光部，各发光部在基板上包括第一反射镜与第二反射镜之间的活性区域和电流狭窄部，和第二反射镜上方的发光孔，激光束是同时从所述多个发光部发射的，所述多个发光部中的至少一个具有与其它发光部的近场图形不同的近场图形。
22.一种表面发射半导体激光装置，包括具有半导体芯片的模块，所述半导体芯片上安装有表面发光半导体激光器阵列；和驱动电路，其将驱动信号提供给所述表面发光半导体激光器阵列，所述表面发光半导体激光器阵列包括排列成一维或二维阵列的多个发光部，各发光部在基板上包括第一反射镜与第二反射镜之间的活性区域和电流狭窄部，和第二反射镜上方的发光孔，激光束是同时从所述多个发光部发射的，所述多个发光部中的至少一个具有如下发光孔，该发光孔的中心偏离电流狭窄部中的氧化生成孔。
23.一种光传输装置，包括具有半导体芯片的模块，所述半导体芯片上安装有表面发光半导体激光器阵列；和传输单元，其传送从所述表面发光半导体激光器阵列发射的激光，所述表面发光半导体激光器阵列包括排列成一维或二维阵列的多个发光部，各发光部在基板上包括第一反射镜与第二反射镜之间的活性区域和电流狭窄部，和第二反射镜上方的发光孔，激光束是同时从所述多个发光部发射的，所述多个发光部中的至少一个具有与其它发光部的近场图形不同的近场图形。
24.一种光传输装置，包括具有半导体芯片的模块，所述半导体芯片上安装有表面发光半导体激光器阵列；和传输单元，其传送从所述表面发光半导体激光器阵列发射的激光，所述表面发光半导体激光器阵列包括排列成一维或二维阵列的多个发光部，各发光部在基板上包括第一反射镜与第二反射镜之间的活性区域和电流狭窄部，和第二反射镜上方的发光孔，激光束是同时从所述多个发光部发射的，所述多个发光部中的至少一个具有如下发光孔，该发光孔的中心偏离电流狭窄部中的氧化生成孔。
25.根据权利要求23所述的光传输装置，其中，所述传输单元利用自由空间光传输来传送激光。
26.根据权利要求24所述的光传输装置，其中，所述传输单元利用自由空间光传输来传送激光。
27.一种光传输系统，包括具有半导体芯片的模块，所述半导体芯片上安装有表面发光半导体激光器阵列；和传输单元，其传送从所述表面发光半导体激光器阵列发射的激光，所述表面发光半导体激光器阵列包括排列成一维或二维阵列的多个发光部，各发光部在基板上包括第一反射镜与第二反射镜之间的活性区域和电流狭窄部，和第二反射镜上方的发光孔，激光束是同时从所述多个发光部发射的，所述多个发光部中的至少一个具有与其它发光部的近场图形不同的近场图形。
28.一种光传输系统，包括具有半导体芯片的模块，所述半导体芯片上安装有表面发光半导体激光器阵列；和传输单元，其传送从所述表面发光半导体激光器阵列发射的激光，所述表面发光半导体激光器阵列包括排列成一维或二维阵列的多个发光部，各发光部在基板上包括第一反射镜与第二反射镜之间的活性区域和电流狭窄部，和第二反射镜上方的发光孔，激光束是同时从所述多个发光部发射的，所述多个发光部中的至少一个具有如下发光孔，该发光孔的中心偏离电流狭窄部中的氧化生成孔。
29.根据权利要求27所述的光传输系统，其中，所述传输单元利用自由空间光传输来传送激光。
30.根据权利要求28所述的光传输系统，其中，所述传输单元利用自由空间光传输来传送激光。
全文摘要
表面发光半导体激光器阵列及使用其的光传输系统。表面发光半导体激光器阵列包括排列成一维或二维阵列的多个发光部，各发光部在基板上包括第一反射镜与第二反射镜之间的活性区域和电流狭窄部，和第二反射镜上方的发光孔，激光束是同时从所述多个发光部发射的。所述多个发光部中的至少一个具有与其它发光部的近场图形不同的近场图形。
文档编号H01S5/18GK1845407SQ200510134658
公开日2006年10月11日 申请日期2005年12月13日 优先权日2005年4月8日
发明者大森诚也, 坂本朗, 宫本育昌, 吉川昌宏, 半田孝太郎 申请人:富士施乐株式会社