JP2003188460A - 光学スキャニングのためのvcselアレイおよびマイクロレンズの集積化構造 - Google Patents
光学スキャニングのためのvcselアレイおよびマイクロレンズの集積化構造Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 VCSELアレイ上に屈折性マイクロレンズ
を集積化する。 【解決手段】 極めてコンパクトで、可動パーツを含ま
ないレーザスキャナであって、垂直共振器型面発光レー
ザ(VCSEL)310を含む。マイクロレンズ330が、
フリップチップ接合によってVCSEL310の発光表面に
直接取り付けられる。VCSELアレイ305は、一次元ま
たは二次元であってもよい。このレーザアレイは、自由
空間光学通信を含む様々な用途において使用できる。
を集積化する。 【解決手段】 極めてコンパクトで、可動パーツを含ま
ないレーザスキャナであって、垂直共振器型面発光レー
ザ(VCSEL)310を含む。マイクロレンズ330が、
フリップチップ接合によってVCSEL310の発光表面に
直接取り付けられる。VCSELアレイ305は、一次元ま
たは二次元であってもよい。このレーザアレイは、自由
空間光学通信を含む様々な用途において使用できる。
Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は一般的に、小型光学
スキャナの分野に関する。 【0002】 【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】光学ス
キャニングおよび他の光学システムを用いる光学通信シ
ステムでは、しばしばレーザ光源が使用される。近年、
垂直共振器型面発光レーザ、すなわちVCSELという特殊
な種類のレーザが、光学システムのレーザ光源として使
用されるようになった。一般的に光学スキャニング、特
にVCSELスキャニングを用いる数々の用途の一つに、テ
レコミュニケーションやケーブルおよび衛生テレビをも
含む自由空間光学通信がある。 【0003】光学ビームスキャニングシステムによって
は、機械的に駆動されるスキャニング素子を使用するも
のもあるが、それらは複雑な駆動システムを要し、作動
の際に比較的大きなパワーを必要とする。他のスキャニ
ングシステムでは、電界の変化に応じて作動する変形可
能なマイクロミラーを用いる。また他のスキャニングシ
ステムでは、音響光学的な光ビーム偏向を実施する。さ
らに他のスキャニングシステムでは、電気光学的または
磁気光学的ビーム偏光器を使用する。これらのシステム
の多くは、無線周波数のフェーズドアレイレーダシステ
ムと相似した作動をする光学フェーズドアレイを用い
る。しかし上記の各光学スキャニングシステムは、ビー
ム切り換え速度および偏向角度において限界がある。 【0004】小型レーザビームスキャナもまた、イメー
ジ形成および自由空間光学通信システムを含む様々な光
学スキャニングの用途で使用されている。マイクロレン
ズを含むVCSELアレイのモノリシック集積として知られ
ている、従来技術の小型レーザスキャニングアレイの一
つを、図1に示す。このモノリシック集積VCSELは、VCS
ELアレイと、VCSELのGaAs基板内に形成された組み
込み式マイクロレンズとを有する。図1に示すデバイス
の一つの問題点は、VCSELの基板材料がレーザ波長に対
して透過性でなくてはならないことである。 【0005】小型半導体レーザアレイの別の一例が、米
国特許第6,121,983号(特許文献1)で開示さ
れている(この出願の全体を、本願に引用し援用す
る)。この特許文献1は、垂直共振器型面発光レーザ
(VCSEL)アレイのレーザ面の線形アレイを開示してい
る。このレーザアレイの光出力は、ミラーアレイを用い
てスキャンされる。各VCSELエレメントにマイクロレン
ズが設けられ、VCSELエレメントが発するレーザビーム
の発散を低減するようになっている。各マイクロレンズ
は、対応するVCSELエレメントとの間にスペーサによっ
て間隔が設けられて配置され、レンズの焦点が対応する
VCSELエレメントの位置に一致するようになっている。
スキャニングは、ミラーアレイを用いて実施する。図2
に、レーザ光ビームの発散を低減するようマイクロレン
ズエレメントが取り付けられたVCSELエレメントを示
す。 【0006】従来技術のVCSELアレイの他の一例が、米
国特許第6,246,708号(特許文献2)で開示さ
れている(この出願の全体を、本願に引用し援用す
る)。この特許文献2は、レーザ構造体のアドレス指定
を可能にする、トランジスタ素子の形態のマトリックス
アドレス指定回路を含む電子部品を集積化したVCSELア
レイを開示している。 【0007】上述の従来技術のデバイスに関する問題点
を克服するマイクロレーザスキャナが、必要とされてい
る。 【0008】本発明は、VCSELアレイ上に屈折性マイク
ロレンズを集積化して形成されたマイクロレーザビーム
スキャナを提供する。 【0009】本発明はまた別個に、VCSELアレイ上に屈
折性マイクロレンズを集積化する方法を提供する。 【0010】本発明はさらに別個に、VCSELエレメント
の線形アレイ上に集積化される屈折性マイクロレンズ
と、その屈折性マイクロレンズの集積化方法とを提供す
る。 【0011】本発明はまた別個に、VCSELエレメントの
二次元アレイ上に集積化される屈折性マイクロレンズ
と、その屈折性マイクロレンズの集積化方法とを提供す
る。 【0012】本発明はさらに別個に、VCSELエレメント
の円形アレイ上に集積化される屈折性マイクロレンズ
と、その屈折性マイクロレンズの集積化方法とを提供す
る。 【0013】 【特許文献1】米国特許第6121983号明細書 【特許文献2】米国特許第6246708号明細書 【0014】 【課題を解決するための手段】数々の例示的実施形態に
おいて、マイクロレンズとVCSELアレイとの集積化は、V
CSEL基板上にマイクロレンズチップをフリップチップ接
合することにより達成される。本発明のシステムおよび
方法の数々の例示的実施形態において、マイクロレンズ
は、VCSELアレイ内の別々のピクセルの光学出力を異な
る方向へ方向付けるために用いられる。このようなシス
テムは、自由空間通信のみならず、たとえば電子写真式
露光システムや光学レーダなどの他の光学ビームスキャ
ニングの用途においても利用できる。 【0015】本発明によるマイクロレーザスキャナは、
いずれのレーザ波長においても、いずれの光学材料を用
いても作動するよう設計される。ここで提案するマイク
ロレーザスキャナは、可動パーツを含まない。 【0016】本発明の上記および他の特徴ならびに利点
は、本発明によるシステムおよび方法の数々の例示的実
施形態に関する以下の詳細な説明中に記述されている
か、もしくは以下の説明から明白である。 【0017】 【発明の実施の形態】添付の図面を参照しつつ、本発明
の数々の例示的実施形態を詳細に説明する。 【0018】以下の詳細な説明および添付の図面を参照
することにより、本発明をより完全に認識でき、本発明
に付随する多くの利点を容易に認識および理解できる。
異なる図面において、類似の要素には類似の符号を付
す。本発明の様々な特徴ならびに利点が、図面と共に以
下の説明を熟読することによってさらに明白になる。 【0019】図1は、従来技術のモノリシック集積垂直
共振器型面発光レーザ(VCSEL)デバイス100の断面
図を示す。VCSELデバイス100は、一次元アレイ10
5状に配置された複数のピクセルまたはエレメント11
0を有する。VCSELピクセルまたはエレメント110
は、半導体レーザ構造体107の一部として形成されて
いる。ヒ化ガリウム(GaAs)層120が、VCSELピ
クセルまたはエレメント110の発光表面を覆って形成
される。マイクロレンズ130は、VCSELピクセルまた
はエレメント110に隣接するGaAs層の表面とは反
対側のGaAs層120の表面122上に形成される。
VCSELエレメント110が発するレーザ光の波長が85
0nm未満の場合、そのレーザ光に対してGaAs基板
が高い吸収性を示すため、VCSELデバイス100の作動
帯域は制限されている。 【0020】図2は、マイクロレンズ230を有する第
二の従来のVCSELデバイス200を示す。図2に示すと
おり、VCSELデバイス200は基板220を含み、その
基板220上にVCSELピクセルまたはエレメント210
のアレイ205が形成されている。スペーサ層240
が、VCSELピクセルまたはエレメント210の上あるい
は上方に形成される。スペーサ層240の上あるいは上
方に、複数のマイクロレンズ230が形成される。各マ
イクロレンズ230は、VCSELピクセルまたはエレメン
ト210の一つに関連づけられている。各マイクロレン
ズ230は、対応するVCSELエレメント210が発する
レーザビームの発散を低減する。各マイクロレンズエレ
メント230は、対応するVCSELエレメント210との
間にスペーサ層240によって間隔が設けられて配置さ
れ、それにより各VCSELエレメント210が対応するマ
イクロレンズ230の焦点に位置している。 【0021】図3は、本発明による集積デバイス300
の例示的実施形態を示す。図3に示すとおり、集積デバ
イス300は基板層302を含む。半導体構造体307
が、基板層302の上あるいは上方に形成されている。
半導体構造体307は、二つ以上のVCSELエレメント3
10のアレイ305を含む。基板またはプレート350
が、はんだバンプ340を介して半導体構造体307に
取り付けられている。このタイプの接合構造は、フリッ
プチップ接合として知られている。数々の例示的実施形
態において基板またはプレート350は、たとえば水
晶、または適切な屈折率および寸法安定性を有するいず
れの材料で形成されてもよい。 【0022】プレート350の上あるいは上方にマイク
ロレンズ330が形成され、マイクロレンズ330はVC
SELエレメント310のアレイ305に対して、幾何学
的に上方に位置する。別々のVCSELエレメントからの出
力は、マイクロレンズ330を通過した後、異なる方向
へ屈折する。したがって、異なるVCSELエレメント31
0を順次オンおよびオフにすることによって、スキャニ
ングが達成される。 【0023】VCSELピクセルまたはエレメント310と
マイクロレンズ330との精緻な整列は、半導体構造体
307と、マイクロレンズ330を担持するプレート3
50との間に位置するはんだバンプ340をリフローイ
ングすることによって達成される。はんだ湿潤金属パッ
ド(図示せず)が、半導体構造体307の表面およびVC
SELピクセル/エレメント310と対向する基板350
の表面の両方に設けられる。VCSELデバイス300は、
米国特許第6,208,681号に記載の技術を用いて
製造できる(この出願の全体を、本願に引用し援用す
る)。 【0024】米国特許第6,208,681号によれ
ば、VCSELピクセルまたはエレメント310の中心間の
ピッチまたは間隔が約7μm未満のアレイ305状に、
VCSELピクセルまたはエレメント310を製造可能であ
る。数々の例示的実施形態において、VCSELアレイピッ
チが約6μmである場合、マイクロレンズの適切な焦点
距離は500μmになる。一般的に、VCSELピクセルま
たはエレメント310のアレイ305の中心は、マイク
ロレンズ330の焦点に位置する。このような構成を有
する本発明による集積VCSELのこの例示的実施形態にお
いて、2個の隣接するVCSELピクセルまたはエレメント
310を順次オンにすることによって得られるスキャン
角は、0.68度である。したがって、10個のVCSEL
ピクセルまたはエレメント310を有するアレイ305
において、各ピクセルを順次オンにした場合、6度のス
キャン角が得られる。 【0025】図4は、5個のVCSELピクセルまたはエレ
メント310を有する一次元アレイ305を示す平面図
である。図4に示すVCSELピクセルまたはエレメント3
10の数は単に例証的であり、用途によって可変であ
る。 【0026】図5および図6は、本発明の集積VCSELの
他の例示的実施形態を示す。図4に示すようなVCSELピ
クセルまたはエレメント310の一次元アレイ305を
設ける代わりに、図5および図6はVCSELピクセルまた
はエレメント310の二次元アレイ305を表す。 【0027】図6は、マイクロレンズ330の軸焦点(a
xial focus)を中心とする円形パターン状に配置した、V
CSELピクセルまたはエレメント310の二次元アレイ3
05を示す。この構成により、円錐形のビームスキャン
パターンが得られる。 【0028】図7は、本発明と共に使用できる、垂直共
振器型面発光レーザ構造体および集積電子部品構造体を
示す。この構造は、米国特許第6,246,708号に
さらに詳しく記述されている(この出願の全体を、本願
に引用し援用する)。本発明による集積VCSELには、図
7に示すように集積スキャニング電子部品を組み込んで
もよいし、あるいは米国特許第6,246,708号に
開示するように、外部のアドレス指定およびスキャニン
グ回路を用いてもよい。 【0029】図7は、垂直共振器型面発光レーザ(VCSE
L)ピクセル310を示す。VCSELピクセルエレメント3
10は、基板354と、下部ミラー構造体358と、活
性層362の上下に位置するスペーサ層364および3
60と、上部ミラー構造体368とを含む。レーザビー
ムBは、上部ミラー構造体368を通過して放射され
る。VCSELピクセルエレメント310の上方には、保護
層311が設けられる。図7はさらに、第一および第二
のトランジスタ構造体308および309を示す。各ト
ランジスタ構造体308および309は、それぞれゲー
ト電極312および314と、絶縁層316および31
8とを有する。ゲート電極の上方には、チャネル材料3
20および322がそれぞれ設けられる。チャネル材料
320,322の上方に、保護材料324および326
がそれぞれ設けられる。 【0030】第一のトランジスタ308にはソース32
8およびドレイン329が設けられ、第二のトランジス
タ309にはソース328’およびドレイン329’が
設けられる。ドレイン329は、導電領域315を通じ
てゲート314と電気的接続する。同様に、ドレイン3
29は導電領域313を通じて、レーザ構造体の電極3
70と電気的接続する。 【0031】図8は、図7に示すデバイスを表す平面図
であり、集積VCSELおよび関連電子部品310の一つの
実施形態を示す。三次元アレイにおいては、図示するVC
SEL310の上方および下方に複数のVCSEL310が存在
することもある。電圧源(図示せず)からの電圧を駆動
ライン380に印加し、VCSEL310を駆動する。図8
はさらに、トランジスタ308のゲート314と駆動ラ
イン380を接続させるキャパシタ382を示す。キャ
パシタ382は、駆動ライン380の一部の下方に位置
する、トランジスタ309のゲート接点材料の延伸部を
含む。 【0032】アレイの作動の詳細は、本願に引用する米
国特許第6,246,708号に記載されている。本明
細書で開示するフリップチップマイクロレンズアレイピ
クセル310は、図7および図8に示す回路を用いてオ
ンおよびオフにすることができる。 【0033】VCSELピクセルまたはエレメント310の
アレイ305は、マイクロレンズ330の軸を中心に配
置されなくてもよいと理解されるべきであり、少なくと
も一つのVCSELピクセルまたはエレメント310のビー
ム偏向が実施されるのであれば、いずれの方向および量
にてずれていてもよい。 【0034】本発明で使用されるマイクロレンズ330
は、アレイ305のVCSELレーザ310が生成し得る一
つまたは複数の広波長帯域の光ビーム、ならびにそれら
のレーザが光学的に励起され得るのであればそのいずれ
かの励起光をも透過する、いずれかの適切な基板350
上に製造できる。適切な基板材料としては、他にもある
が、ガラスおよび水晶が挙げられる。 【0035】本発明によるマイクロレンズチップ330
の製造方法の例示的実施形態の一つでは、水晶から成る
基板350を半導体構造体307にフリップチップ接合
させた。その後、一つ以上の厚いSiO2の誘電性フィ
ルム(図示せず)を、基板350の上または上方に蒸着
させた。次に、フォトレジストパターンをリフローイン
グすることにより、基板350の上または上方に形成さ
れたSiO2層の上または内部に、マイクロレンズ33
0を形成した。続いて、一対一(one-to-one)プラズマエ
ッチングによって、マイクロレンズ330を基板350
に転写した。 【0036】別の例示的実施形態では、屈折性マイクロ
レンズ330を市販で入手し、基板350の上または上
方に直接付着させることもできる。数々の例示的実施形
態においてマイクロレンズ330は、屈折率1.455
を有する水晶、屈折率3.5を有するシリコン、または
窒化物によって形成される。窒化物の屈折率は使用する
窒化物の種類によって異なるが、本発明によるマイクロ
レンズ330の数々の例示的実施形態においては、窒化
物マイクロレンズ330の屈折率の妥当な想定値は約
2.03である。本発明の数々の例示的実施形態では、
マイクロレンズ330の直径は約130ミクロン(μ
m)、マイクロレンズ330の比較的薄い縁部と比較的
厚い中心部との厚さの差異は約5ミクロン(μm)、そ
してマイクロレンズ330の焦点距離は、マイクロレン
ズ330の曲率半径をマイクロレンズ330の屈折率−
1で除算して得られる数値に等しく、すなわち焦点距離
=((曲率半径)/(屈折率−1))である。
スキャナの分野に関する。 【0002】 【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】光学ス
キャニングおよび他の光学システムを用いる光学通信シ
ステムでは、しばしばレーザ光源が使用される。近年、
垂直共振器型面発光レーザ、すなわちVCSELという特殊
な種類のレーザが、光学システムのレーザ光源として使
用されるようになった。一般的に光学スキャニング、特
にVCSELスキャニングを用いる数々の用途の一つに、テ
レコミュニケーションやケーブルおよび衛生テレビをも
含む自由空間光学通信がある。 【0003】光学ビームスキャニングシステムによって
は、機械的に駆動されるスキャニング素子を使用するも
のもあるが、それらは複雑な駆動システムを要し、作動
の際に比較的大きなパワーを必要とする。他のスキャニ
ングシステムでは、電界の変化に応じて作動する変形可
能なマイクロミラーを用いる。また他のスキャニングシ
ステムでは、音響光学的な光ビーム偏向を実施する。さ
らに他のスキャニングシステムでは、電気光学的または
磁気光学的ビーム偏光器を使用する。これらのシステム
の多くは、無線周波数のフェーズドアレイレーダシステ
ムと相似した作動をする光学フェーズドアレイを用い
る。しかし上記の各光学スキャニングシステムは、ビー
ム切り換え速度および偏向角度において限界がある。 【0004】小型レーザビームスキャナもまた、イメー
ジ形成および自由空間光学通信システムを含む様々な光
学スキャニングの用途で使用されている。マイクロレン
ズを含むVCSELアレイのモノリシック集積として知られ
ている、従来技術の小型レーザスキャニングアレイの一
つを、図1に示す。このモノリシック集積VCSELは、VCS
ELアレイと、VCSELのGaAs基板内に形成された組み
込み式マイクロレンズとを有する。図1に示すデバイス
の一つの問題点は、VCSELの基板材料がレーザ波長に対
して透過性でなくてはならないことである。 【0005】小型半導体レーザアレイの別の一例が、米
国特許第6,121,983号(特許文献1)で開示さ
れている(この出願の全体を、本願に引用し援用す
る)。この特許文献1は、垂直共振器型面発光レーザ
(VCSEL)アレイのレーザ面の線形アレイを開示してい
る。このレーザアレイの光出力は、ミラーアレイを用い
てスキャンされる。各VCSELエレメントにマイクロレン
ズが設けられ、VCSELエレメントが発するレーザビーム
の発散を低減するようになっている。各マイクロレンズ
は、対応するVCSELエレメントとの間にスペーサによっ
て間隔が設けられて配置され、レンズの焦点が対応する
VCSELエレメントの位置に一致するようになっている。
スキャニングは、ミラーアレイを用いて実施する。図2
に、レーザ光ビームの発散を低減するようマイクロレン
ズエレメントが取り付けられたVCSELエレメントを示
す。 【0006】従来技術のVCSELアレイの他の一例が、米
国特許第6,246,708号(特許文献2)で開示さ
れている(この出願の全体を、本願に引用し援用す
る)。この特許文献2は、レーザ構造体のアドレス指定
を可能にする、トランジスタ素子の形態のマトリックス
アドレス指定回路を含む電子部品を集積化したVCSELア
レイを開示している。 【0007】上述の従来技術のデバイスに関する問題点
を克服するマイクロレーザスキャナが、必要とされてい
る。 【0008】本発明は、VCSELアレイ上に屈折性マイク
ロレンズを集積化して形成されたマイクロレーザビーム
スキャナを提供する。 【0009】本発明はまた別個に、VCSELアレイ上に屈
折性マイクロレンズを集積化する方法を提供する。 【0010】本発明はさらに別個に、VCSELエレメント
の線形アレイ上に集積化される屈折性マイクロレンズ
と、その屈折性マイクロレンズの集積化方法とを提供す
る。 【0011】本発明はまた別個に、VCSELエレメントの
二次元アレイ上に集積化される屈折性マイクロレンズ
と、その屈折性マイクロレンズの集積化方法とを提供す
る。 【0012】本発明はさらに別個に、VCSELエレメント
の円形アレイ上に集積化される屈折性マイクロレンズ
と、その屈折性マイクロレンズの集積化方法とを提供す
る。 【0013】 【特許文献1】米国特許第6121983号明細書 【特許文献2】米国特許第6246708号明細書 【0014】 【課題を解決するための手段】数々の例示的実施形態に
おいて、マイクロレンズとVCSELアレイとの集積化は、V
CSEL基板上にマイクロレンズチップをフリップチップ接
合することにより達成される。本発明のシステムおよび
方法の数々の例示的実施形態において、マイクロレンズ
は、VCSELアレイ内の別々のピクセルの光学出力を異な
る方向へ方向付けるために用いられる。このようなシス
テムは、自由空間通信のみならず、たとえば電子写真式
露光システムや光学レーダなどの他の光学ビームスキャ
ニングの用途においても利用できる。 【0015】本発明によるマイクロレーザスキャナは、
いずれのレーザ波長においても、いずれの光学材料を用
いても作動するよう設計される。ここで提案するマイク
ロレーザスキャナは、可動パーツを含まない。 【0016】本発明の上記および他の特徴ならびに利点
は、本発明によるシステムおよび方法の数々の例示的実
施形態に関する以下の詳細な説明中に記述されている
か、もしくは以下の説明から明白である。 【0017】 【発明の実施の形態】添付の図面を参照しつつ、本発明
の数々の例示的実施形態を詳細に説明する。 【0018】以下の詳細な説明および添付の図面を参照
することにより、本発明をより完全に認識でき、本発明
に付随する多くの利点を容易に認識および理解できる。
異なる図面において、類似の要素には類似の符号を付
す。本発明の様々な特徴ならびに利点が、図面と共に以
下の説明を熟読することによってさらに明白になる。 【0019】図1は、従来技術のモノリシック集積垂直
共振器型面発光レーザ(VCSEL)デバイス100の断面
図を示す。VCSELデバイス100は、一次元アレイ10
5状に配置された複数のピクセルまたはエレメント11
0を有する。VCSELピクセルまたはエレメント110
は、半導体レーザ構造体107の一部として形成されて
いる。ヒ化ガリウム(GaAs)層120が、VCSELピ
クセルまたはエレメント110の発光表面を覆って形成
される。マイクロレンズ130は、VCSELピクセルまた
はエレメント110に隣接するGaAs層の表面とは反
対側のGaAs層120の表面122上に形成される。
VCSELエレメント110が発するレーザ光の波長が85
0nm未満の場合、そのレーザ光に対してGaAs基板
が高い吸収性を示すため、VCSELデバイス100の作動
帯域は制限されている。 【0020】図2は、マイクロレンズ230を有する第
二の従来のVCSELデバイス200を示す。図2に示すと
おり、VCSELデバイス200は基板220を含み、その
基板220上にVCSELピクセルまたはエレメント210
のアレイ205が形成されている。スペーサ層240
が、VCSELピクセルまたはエレメント210の上あるい
は上方に形成される。スペーサ層240の上あるいは上
方に、複数のマイクロレンズ230が形成される。各マ
イクロレンズ230は、VCSELピクセルまたはエレメン
ト210の一つに関連づけられている。各マイクロレン
ズ230は、対応するVCSELエレメント210が発する
レーザビームの発散を低減する。各マイクロレンズエレ
メント230は、対応するVCSELエレメント210との
間にスペーサ層240によって間隔が設けられて配置さ
れ、それにより各VCSELエレメント210が対応するマ
イクロレンズ230の焦点に位置している。 【0021】図3は、本発明による集積デバイス300
の例示的実施形態を示す。図3に示すとおり、集積デバ
イス300は基板層302を含む。半導体構造体307
が、基板層302の上あるいは上方に形成されている。
半導体構造体307は、二つ以上のVCSELエレメント3
10のアレイ305を含む。基板またはプレート350
が、はんだバンプ340を介して半導体構造体307に
取り付けられている。このタイプの接合構造は、フリッ
プチップ接合として知られている。数々の例示的実施形
態において基板またはプレート350は、たとえば水
晶、または適切な屈折率および寸法安定性を有するいず
れの材料で形成されてもよい。 【0022】プレート350の上あるいは上方にマイク
ロレンズ330が形成され、マイクロレンズ330はVC
SELエレメント310のアレイ305に対して、幾何学
的に上方に位置する。別々のVCSELエレメントからの出
力は、マイクロレンズ330を通過した後、異なる方向
へ屈折する。したがって、異なるVCSELエレメント31
0を順次オンおよびオフにすることによって、スキャニ
ングが達成される。 【0023】VCSELピクセルまたはエレメント310と
マイクロレンズ330との精緻な整列は、半導体構造体
307と、マイクロレンズ330を担持するプレート3
50との間に位置するはんだバンプ340をリフローイ
ングすることによって達成される。はんだ湿潤金属パッ
ド(図示せず)が、半導体構造体307の表面およびVC
SELピクセル/エレメント310と対向する基板350
の表面の両方に設けられる。VCSELデバイス300は、
米国特許第6,208,681号に記載の技術を用いて
製造できる(この出願の全体を、本願に引用し援用す
る)。 【0024】米国特許第6,208,681号によれ
ば、VCSELピクセルまたはエレメント310の中心間の
ピッチまたは間隔が約7μm未満のアレイ305状に、
VCSELピクセルまたはエレメント310を製造可能であ
る。数々の例示的実施形態において、VCSELアレイピッ
チが約6μmである場合、マイクロレンズの適切な焦点
距離は500μmになる。一般的に、VCSELピクセルま
たはエレメント310のアレイ305の中心は、マイク
ロレンズ330の焦点に位置する。このような構成を有
する本発明による集積VCSELのこの例示的実施形態にお
いて、2個の隣接するVCSELピクセルまたはエレメント
310を順次オンにすることによって得られるスキャン
角は、0.68度である。したがって、10個のVCSEL
ピクセルまたはエレメント310を有するアレイ305
において、各ピクセルを順次オンにした場合、6度のス
キャン角が得られる。 【0025】図4は、5個のVCSELピクセルまたはエレ
メント310を有する一次元アレイ305を示す平面図
である。図4に示すVCSELピクセルまたはエレメント3
10の数は単に例証的であり、用途によって可変であ
る。 【0026】図5および図6は、本発明の集積VCSELの
他の例示的実施形態を示す。図4に示すようなVCSELピ
クセルまたはエレメント310の一次元アレイ305を
設ける代わりに、図5および図6はVCSELピクセルまた
はエレメント310の二次元アレイ305を表す。 【0027】図6は、マイクロレンズ330の軸焦点(a
xial focus)を中心とする円形パターン状に配置した、V
CSELピクセルまたはエレメント310の二次元アレイ3
05を示す。この構成により、円錐形のビームスキャン
パターンが得られる。 【0028】図7は、本発明と共に使用できる、垂直共
振器型面発光レーザ構造体および集積電子部品構造体を
示す。この構造は、米国特許第6,246,708号に
さらに詳しく記述されている(この出願の全体を、本願
に引用し援用する)。本発明による集積VCSELには、図
7に示すように集積スキャニング電子部品を組み込んで
もよいし、あるいは米国特許第6,246,708号に
開示するように、外部のアドレス指定およびスキャニン
グ回路を用いてもよい。 【0029】図7は、垂直共振器型面発光レーザ(VCSE
L)ピクセル310を示す。VCSELピクセルエレメント3
10は、基板354と、下部ミラー構造体358と、活
性層362の上下に位置するスペーサ層364および3
60と、上部ミラー構造体368とを含む。レーザビー
ムBは、上部ミラー構造体368を通過して放射され
る。VCSELピクセルエレメント310の上方には、保護
層311が設けられる。図7はさらに、第一および第二
のトランジスタ構造体308および309を示す。各ト
ランジスタ構造体308および309は、それぞれゲー
ト電極312および314と、絶縁層316および31
8とを有する。ゲート電極の上方には、チャネル材料3
20および322がそれぞれ設けられる。チャネル材料
320,322の上方に、保護材料324および326
がそれぞれ設けられる。 【0030】第一のトランジスタ308にはソース32
8およびドレイン329が設けられ、第二のトランジス
タ309にはソース328’およびドレイン329’が
設けられる。ドレイン329は、導電領域315を通じ
てゲート314と電気的接続する。同様に、ドレイン3
29は導電領域313を通じて、レーザ構造体の電極3
70と電気的接続する。 【0031】図8は、図7に示すデバイスを表す平面図
であり、集積VCSELおよび関連電子部品310の一つの
実施形態を示す。三次元アレイにおいては、図示するVC
SEL310の上方および下方に複数のVCSEL310が存在
することもある。電圧源(図示せず)からの電圧を駆動
ライン380に印加し、VCSEL310を駆動する。図8
はさらに、トランジスタ308のゲート314と駆動ラ
イン380を接続させるキャパシタ382を示す。キャ
パシタ382は、駆動ライン380の一部の下方に位置
する、トランジスタ309のゲート接点材料の延伸部を
含む。 【0032】アレイの作動の詳細は、本願に引用する米
国特許第6,246,708号に記載されている。本明
細書で開示するフリップチップマイクロレンズアレイピ
クセル310は、図7および図8に示す回路を用いてオ
ンおよびオフにすることができる。 【0033】VCSELピクセルまたはエレメント310の
アレイ305は、マイクロレンズ330の軸を中心に配
置されなくてもよいと理解されるべきであり、少なくと
も一つのVCSELピクセルまたはエレメント310のビー
ム偏向が実施されるのであれば、いずれの方向および量
にてずれていてもよい。 【0034】本発明で使用されるマイクロレンズ330
は、アレイ305のVCSELレーザ310が生成し得る一
つまたは複数の広波長帯域の光ビーム、ならびにそれら
のレーザが光学的に励起され得るのであればそのいずれ
かの励起光をも透過する、いずれかの適切な基板350
上に製造できる。適切な基板材料としては、他にもある
が、ガラスおよび水晶が挙げられる。 【0035】本発明によるマイクロレンズチップ330
の製造方法の例示的実施形態の一つでは、水晶から成る
基板350を半導体構造体307にフリップチップ接合
させた。その後、一つ以上の厚いSiO2の誘電性フィ
ルム(図示せず)を、基板350の上または上方に蒸着
させた。次に、フォトレジストパターンをリフローイン
グすることにより、基板350の上または上方に形成さ
れたSiO2層の上または内部に、マイクロレンズ33
0を形成した。続いて、一対一(one-to-one)プラズマエ
ッチングによって、マイクロレンズ330を基板350
に転写した。 【0036】別の例示的実施形態では、屈折性マイクロ
レンズ330を市販で入手し、基板350の上または上
方に直接付着させることもできる。数々の例示的実施形
態においてマイクロレンズ330は、屈折率1.455
を有する水晶、屈折率3.5を有するシリコン、または
窒化物によって形成される。窒化物の屈折率は使用する
窒化物の種類によって異なるが、本発明によるマイクロ
レンズ330の数々の例示的実施形態においては、窒化
物マイクロレンズ330の屈折率の妥当な想定値は約
2.03である。本発明の数々の例示的実施形態では、
マイクロレンズ330の直径は約130ミクロン(μ
m)、マイクロレンズ330の比較的薄い縁部と比較的
厚い中心部との厚さの差異は約5ミクロン(μm)、そ
してマイクロレンズ330の焦点距離は、マイクロレン
ズ330の曲率半径をマイクロレンズ330の屈折率−
1で除算して得られる数値に等しく、すなわち焦点距離
=((曲率半径)/(屈折率−1))である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 レーザビームスキャニングのためのマイクロ
レンズを含む、従来技術のモノリシック集積VCSELアレ
イを示す図である。 【図2】 各VCSELエミッタに対してマイクロレンズが
設けられ、ミラースキャナを含む、従来技術のVCSELア
レイを示す図である。 【図3】 本発明によるマイクロレーザスキャナの例示
的実施形態の一つを示す断面図である。 【図4】 本発明によるマイクロレーザスキャナの一次
元アレイ状の実施形態を示す断面図である。 【図5】 本発明によるマイクロレーザスキャナの二次
元アレイ状の実施形態を示す断面図である。 【図6】 本発明によるマイクロレーザスキャナの円形
二次元アレイ状の実施形態を示す断面図である。 【図7】 本発明と共に使用できる、垂直共振器型面発
光レーザ構造および集積電子回路部品を示す断面図であ
る。 【図8】 図7に示すデバイスの平面図である。 【符号の説明】 305 アレイ、310 VCSELエレメント、330
マイクロレンズ、340 はんだバンプ、350 基
板。
レンズを含む、従来技術のモノリシック集積VCSELアレ
イを示す図である。 【図2】 各VCSELエミッタに対してマイクロレンズが
設けられ、ミラースキャナを含む、従来技術のVCSELア
レイを示す図である。 【図3】 本発明によるマイクロレーザスキャナの例示
的実施形態の一つを示す断面図である。 【図4】 本発明によるマイクロレーザスキャナの一次
元アレイ状の実施形態を示す断面図である。 【図5】 本発明によるマイクロレーザスキャナの二次
元アレイ状の実施形態を示す断面図である。 【図6】 本発明によるマイクロレーザスキャナの円形
二次元アレイ状の実施形態を示す断面図である。 【図7】 本発明と共に使用できる、垂直共振器型面発
光レーザ構造および集積電子回路部品を示す断面図であ
る。 【図8】 図7に示すデバイスの平面図である。 【符号の説明】 305 アレイ、310 VCSELエレメント、330
マイクロレンズ、340 はんだバンプ、350 基
板。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 マイケル エイ ローザ
アメリカ合衆国 カリフォルニア サン
ノゼ エラン ヴィレッジ レーン 350
アパートメント #209
Fターム(参考) 5F073 AB04 AB14 AB17 AB27 BA02
EA29 FA08 FA30 GA38
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項1】 発光表面を通じて光を発する複数の垂直
共振器型面発光レーザエレメントを有するアレイと、 はんだバンプを含むフリップチップ接合を介して前記発
光表面に接着されたマイクロレンズと、 マイクロレンズ内を透過する光を発するよう複数の垂直
共振器型面発光レーザエレメントを順次作動させる駆動
アクチュエータと、を有するマイクロレーザアレイ。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US09/683,053 | 2001-11-13 | ||
US09/683,053 US20030091084A1 (en) | 2001-11-13 | 2001-11-13 | Integration of VCSEL array and microlens for optical scanning |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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Family
ID=24742363
Family Applications (1)
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Country | Link |
---|---|
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EP (1) | EP1317038A3 (ja) |
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