JP5743520B2 - 面発光レーザ及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は面発光レーザに関する。

垂直共振器型の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）が電子写真方式の画像形成装置の露光光学系の光源として利用されている。
面発光レーザを画像形成装置の光源として利用する際、面発光レーザは単一の横モードで発振することが望ましい。

特許文献１には、面発光レーザの出射面に表面レリーフ構造と呼ばれる段差構造を設けることにより、単一の横モードで発振させる技術が開示されている。
すなわち、この段差構造は、発光領域の中央部の反射率が周辺部の反射率よりも高くなるように構成されている。基本横モードは高次横モードよりも光強度が中央部に分布しており、かつ、表面段差構造により中央部の反射率が高くなっているため、基本横モードの光を選択的に発振させることができ、単一横モードの面発光レーザが得られる。

特開２００１−２８４７２２号公報

ところで、面発光レーザにおいては、活性層の発光領域を規定するために、酸化狭窄構造を設けることがある。この酸化狭窄構造はメサ構造の側面から中心部に向けて半導体層を酸化することによって形成される。この酸化狭窄構造の酸化された絶縁体部分（周辺部分）は半導体部分（中央部）よりも屈折率が低くなっているため、屈折率導波構造を形成している。この結果、酸化狭窄構造は共振モードのプロファイルを規定している。

一般的に、面発光レーザの共振器の基本横モードは強度分布が対称な関数である。また、基本横モードと近視野像（ＮＦＰ：Ｎｅａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ）はおおむね一致する。そのため、ＮＦＰは強度分布が対称な関数であり、ＮＦＰの位相分布（波面）は一定となり、共振方向に垂直な平面となる。

また、遠視野像（ＦＦＰ：Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ）は、上記ＮＦＰのフーリエ変換により与えられるため、ＮＦＰの位相分布が一定であれば、ＦＦＰの位相分布も一定となる。なお、ＮＦＰとは、光出射面直後の平面における電場（振幅および位相）のことをいう。また、ＦＦＰとは、光源を中心とした半径∞の球面における電場（振幅および位相）のことをいう。

特許文献１に記載の段差構造を備えた面発光レーザにおいては、段差構造の中央部と周辺部とでは異なる光路長となる。そのため、段差構造によってＮＦＰの波面は変調を受けるため、ＦＦＰの位相分布は一定ではなくなる。これにより、ＦＦＰの波面は光源を中心とする参照球面からずれてしまい、波面収差を有することになるという問題がある。

特に、画像形成装置の光源として面発光レーザを用いる場合、画像形成装置の露光光学系では、入射瞳内における波面は参照球面と一致していることが望ましい。もし一致していなければ、合焦時やデフォーカス時に、結像位置が像面における光源との共役点からずれることになる。

そこで、本発明は、横モード制御のため反射率分布を与える段差構造を設けた面発光レーザにおいて、ＦＦＰの波面収差を抑制することを目的とする。

本発明に係る面発光レーザは、基板の上に、下部ミラー、活性層、上部ミラー、を含む積層構造体を有し、波長λで発振する面発光レーザであって、前記上部ミラーの上部に設けられ、光出射領域内の中央部に位置する第１の領域と、該光出射領域内であって、該第１の領域より外側に位置する第２の領域との間に段差を有する第１の表面段差構造を備え、第１の表面段差構造は環境媒質の屈折率ｎ_０よりも大きい屈折率ｎ_１の第１の材料からなる第１の構造体を含み、第１の構造体の第１の領域における実厚さをｄ_１１、第２の領域における実厚さをｄ_１２とすると、｜ｎ_１（ｄ_１１−ｄ_１２）｜＝λ／４×（２Ｍ−１）であり（Ｍは整数）、前記第１の表面段差構造の上部に位置している前記基板に平行な面と、前記上部ミラーの上部境界面、との間の光路長に関して、前記第１の領域における前記光路長Ｌ_１と、前記第２の領域における前記光路長Ｌ_２が、｜Ｌ_２−Ｌ_１−Ｎλ｜を最小にする整数Ｎに対し、｜Ｌ_２−Ｌ_１−Ｎλ｜＜（λ／４）×（１−ｎ_０／ｎ_１）を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、横モード制御のため反射率分布を与える段差構造を設けた面発光レーザにおいて、ＦＦＰの波面収差を抑制することができる。

実施例１で説明する面発光レーザの模式図（凹型）。 実施例１で説明する表面段差構造の模式図（凸型）。 実施例１で説明する計算例の結果を示す図。 実施例２で説明する面発光レーザの模式図。 実施例２で説明する面発光レーザの模式図。 実施例２で説明する面発光レーザの模式図。 実施例２で説明する面発光レーザの模式図。 実施例３で説明する面発光レーザの模式図。 実施例３で説明する面発光レーザの製造方法を示す図。 実施例３で説明する面発光レーザの製造方法を示す図。 画像形成装置の露光用光源として利用することを示す図。

スカラー回折理論によれば、面発光レーザの共振モード分布に上部ミラーおよび表面段差構造の複素透過係数分布をかけたものを近似的なＮＦＰとみなし、そこからＦＦＰを求めることができる。そして、ビーム中心領域においては、この近似を用いたＮＦＰをフーリエ変換することにより求めた計算値のＦＦＰと、実験値のＦＦＰとはよく整合する。

画像形成装置の露光光学系では、絞りを用いて、ビーム強度の高いビーム中心領域を切り出して使用する。そのため、画像形成装置の露光光学系で用いる面発光レーザにおいては、上記の近似を用いてもよい。

光路長差がＬの整数倍からなる表面段差構造は、上記近似の範囲で上記の複素透過係数分布において偏角が２πＬ／λである係数比を与えることになる。したがって、表面段差構造の光路長差をＮλ（Ｎ：整数）とするか、あるいはこの値に近づけることで、表面段差構造がＮＦＰに与える複素透過係数分布の位相を一定とすることができ、ＦＦＰの波面収差を抑制することができる。

図１は本発明の実施例１の面発光レーザ２００の断面模式図である。
面発光レーザ２００は、基板２１０上に、下部ミラー２１２、活性層２１４、上部２１６が積層されている積層構造体を有する。

基板２１０は、例えばｎ型にドープされたＧａＡｓである。
下部ミラー２１２は、例えば光学厚さλ／４ずつ７０ペア積層されたｎ型のＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる多層膜反射鏡である。
活性層２１４は、例えばＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰからなる多重量子井戸構造であり、電流注入によりレーザ発振波長λ＝６８０ｎｍにおいて光学利得を持つ。

上部ミラー２１６は、例えば光学厚さλ／４ずつ３５ペア積層されたｐ型のＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓである。
活性層２１４および上部ミラー２１６をエッチングすることにより、例えば直径３０μｍの円筒状のメサ構造が形成されている。
上部ミラー２１６の一部には、例えば３０ｎｍのＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓからなる層があり、メサ構造の側壁から一部が酸化されて酸化領域を形成している。酸化領域は絶縁体となり、非酸化領域と比べて屈折率が低下している。
この酸化領域と未酸化領域により活性層２１４に流れる電流の空間分布を制限する電流狭窄構造２１８が形成されている。なお、未酸化領域は、例えば直径５μｍの円形状である。

上部ミラー２１６の上には、光学厚さが面内で異なる表面段差構造２７０が形成されている。ここで、上部２１６と表面段差構造２７０との境界を上側境界面２４２とする。

表面段差構造２７０（第１の表面段差構造）は第１の構造体２８０からなる。
第１の構造体２８０は屈折率ｎ_１の第１の材料からなる。例えば、第１の材料はｐ型のＡｌＧａＡｓでありｎ_１＝３．３である。また、環境媒質２４０は屈折率ｎ_０（＜ｎ_１）の媒質であり、ｎ_０＝１の空気である。
基板２１０の下には、例えばＡｕＧｅ／Ａｕからなる下部電極２２０が形成されている。また、第１の構造体２８０上には、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる上部電極２２２が形成されている。

第１の構造体２８０は、光出射領域内の中央部に位置する第１の領域２６０において実厚さがｄ_１１であり、第１の領域２６０より外側に位置する第２の領域２６２において実厚さがｄ_１２である。

第１の領域２６０とは、電流狭窄構造２１８の未酸化領域と中心をほぼ同じくする円形領域である。例えば、面発光レーザの上部から見たときに、第１の領域は前記未酸化領域の内側にある直径４μｍの円形領域である。

第２の領域２６２とは、第１の領域２６０を取り囲む領域である。

本実施例では、第１の構造体２８０の断面は凹型となっており、ｄ_１１＜ｄ_１２である。

第１の構造体２８０の光学厚さは、第１の領域においてλ／４の偶数倍、第２の領域においてλ／４の奇数倍となっている。すなわち、｜ｎ_１（ｄ_１１−ｄ_１２）｜＝λ／４×（２Ｍ−１）という条件を満たしている（Ｍは整数）。

例えば、ｄ_１１＝（λ／ｎ_１）×（１／２）、ｄ_１２＝（λ／ｎ_１）×（７／４）であるときに、｜ｎ_１（ｄ_１１−ｄ_１２）｜＝｜１／２−７／４｜＝５／４となる。この場合、Ｍ＝３であり、上記条件を満たす。

この結果、波長λの光における活性層２１４側からみた上部ミラー２１６および表面段差構造２７０による反射率を領域ごとに変化させることができる。例えば、第１の領域２６０の反射率を第２の領域２６２の反射率よりも高くすることができる。これにより、面発光レーザ２００では高次の横モードの発振が抑制され、基本横モードのみが発振する単一横モード発振を実現できる。

一方、波長λの光における活性層２１４側からみた上部ミラー２１６および表面段差構造２７０の透過係数の振幅は、第１の領域２６０の透過係数の振幅よりも、第２の領域２６２の透過係数の振幅の方が高くなっている。その比は例えば３倍である。

また、表面段差構造２７０の光学厚さが面内で異なることから、上記透過係数には第１の領域２６０と第２の領域２６２とで位相差がある。
表面段差構造２７０の上部に位置している基板２１０に平行な面を第１の平面２４４とする。

第１の領域２６０、第２の領域２６２における上部境界面２４２と第１の平面２４４との光学距離をそれぞれＬ_１、Ｌ_２とすると、光路長の差はＬ_２−Ｌ_１で与えられる。Ｌ_２−Ｌ_１＝（ｄ_１２−ｄ_１１）×（ｎ_１−ｎ_０）＝（ｄ_１２ ×ｎ_１−ｄ_１１ ×ｎ_１）×（１−ｎ_０／ｎ_１）である。
上記数値を代入すると、Ｌ_２−Ｌ_１＝（７λ／４−λ／２）×（１−１／３．３）＝０．８７１λであり、Ｎは１となる。

また、この光路長差により出射光に与えられる位相差の大きさは｜Ｌ_２−Ｌ_１−Ｎλ｜・２π／λで与えられる。Ｎは上記の値を最小にする整数である。
Ｎ＝１の場合、｜Ｌ_２−Ｌ_１−Ｎλ｜・２π／λ＝０．２５８πとなる。

本実施例と同じ反射率分布で第１の構造体の実厚さの差を最小とする構成、すなわちｄ_１１＝（λ／ｎ_１）×（１／２）、ｄ_１２＝（λ／ｎ_１）×（３／４）とした場合を比較例とする。
比較例ではＬ_２−Ｌ_１＝（λ／４）×（１−ｎ_０／ｎ_１）＝０．１７４λである。
ここで｜Ｌ_２−Ｌ_１−Ｎλ｜を最小にする整数Ｎは、０となる。
Ｎ＝０の場合、｜Ｌ_２−Ｌ_１−Ｎλ｜・２π／λ＝０．３４８πとなる。

すなわち、本実施例は比較例に比べて、表面段差構造による位相差を抑えられており、ＦＦＰの位相分布を一定に近づけることができる。

以上のように、本実施例は、光路長Ｌ_１と光路長Ｌ_２について、｜Ｌ_２−Ｌ_１−Ｎλ｜を最小にする整数Ｎに対し、以下の式を満たす。
｜Ｌ_２−Ｌ_１−Ｎλ｜＜（λ／４）×（１−ｎ_０／ｎ_１）
また、｜Ｌ_２−Ｌ_１−Ｎλ｜＝０を満たすことがより好ましい。

以上のように、本発明の実施例は、｜Ｌ_２−Ｌ_１−Ｎλ｜・２π／λの値を小さくすることを目的としているため、Ｌ_２−Ｌ_１は所望の反射率分布が得られる値の中で必ずしも最小値とはならない。

なお、｜Ｎ｜の値は、小さければ小さいほど、表面段差構造の膜厚を薄くすることができるため、｜Ｎ｜＝２よりも｜Ｎ｜＝１の方が好ましい。また、より好ましくは、Ｎ＝０である。
なお、上記実施例ではｄ_１１＜ｄ_１２である凹型の表面段差構造を説明したが、ｄ_１１＞ｄ_１２である凸型の表面段差構造としてもよい。

図２に、凸型の表面段差構造の断面図を示す。図２において、上部ミラーの上部境界面２４２より下側は省略している。
例えば、ｄ_１１＝（λ／ｎ_１）×（３／２）、ｄ_１２＝（λ／ｎ_１）×（１／４）であり、上部ミラーおよび表面段差構造による反射率は第１の領域に比べて第２の領域で低くなっている。

この場合、Ｌ_２−Ｌ_１＝−０．８７１λであり、Ｎ＝−１となり、｜Ｌ_２−Ｌ_１−Ｎλ｜・２π／λ＝０．２５８πとなる。したがって、比較例に比べて表面段差構造による位相差を抑えられている。

本発明における面発光レーザのＦＦＰの計算例を図３に示す。
図３（Ａ）はＦＦＰ強度分布を角度０°の値で規格化して表示したものである。
図３（Ｂ）はＦＦＰの位相を２πで除した値の分布について、それぞれ角度０°の値を０として表示したものである。
面発光レーザの基本横モードは、有効屈折率近似を用いて、コア直径５μｍ、円形のコア屈折率３．３、コア・クラッド間の比屈折率差が０．３％のＬＰ０１モードで与えられるとする。

図３（Ａ）および（Ｂ）の（ａ）は、表面段差構造がないときのＦＦＰの強度分布および位相分布である。また、図３（Ａ）および（Ｂ）の（ｂ）から（ｄ）は、表面段差構造があるときのＦＦＰの強度分布および位相分布である。

ここで、表面段差構造は、発光中央に位置する直径４μｍの円形の第１の領域と、それを取り囲む第２の領域において、透過係数の振幅比が１：３であるとしている。また、透過係数の位相差は、（ｂ）がπ／３、（ｃ）がπ／６、（ｄ）が０である。なお、ＦＦＰの計算においてはスカラー回折理論による近似を用いている。

図３（Ｂ）により、（ｂ）では角度によって位相が大きく異なっていたのが、（ｃ）や（ｄ）では、位相分布の変化を抑制することが可能となっている。すなわち、透過係数の位相差を０に近づけていくにつれて、ＦＦＰの角度０近傍での位相分布の変化を抑制でき、ＦＦＰの波面収差を抑制することができる。

図４に実施例２にかかる面発光レーザの断面模式図を示す。

実施例２の面発光レーザは、上部ミラー２１６の上に表面段差構造２７２が形成されている点で実施例１と同じである。

実施例２の面発光レーザにおける表面段差構造２７２は、第１の構造体２８０と、第２の構造体２８２からなることが特徴である。

表面段差構造に複数の構造体を用いることで、反射率分布を持つ上部ミラーおよび表面段差構造の透過係数の位相差をより抑えることができる。

第１の構造体２８０は屈折率ｎ_１の第１の材料からなり、第２の構造体２８２は屈折率ｎ_２（＜ｎ_１）の第２の材料からなる。
上部電極２２２は、例えば第１の構造体２８０の上部に配されている。
第１の材料は例えばＡｌＧａＡｓであり、ｎ_１＝３．３である。
第２の材料は例えばＳｉＯ_２であり、ｎ_２＝１．５である。
図４に示すように、第１の領域２６０および第２の領域２６２における第１の構造体２８０の実厚さをそれぞれｄ_１１、ｄ_１２とする。

また、図４に示すように、第１の領域２６０および第２の領域２６２における第２の構造体２８２の実厚さをそれぞれｄ_２１、ｄ_２２とする。
ここでは、図４に示すように、ｄ_１１＜ｄ_１２、および、ｄ_２１＜ｄ_２２であるとする。
第１の構造体２８０の光学厚さは第１の領域においてλ／４の偶数倍、第２の領域においてλ／４の奇数倍となっている。
例えば、ｄ_１１＝（λ／ｎ_１）×（１／２）、ｄ_１２＝（λ／ｎ_１）×（３／４）である。

これにより、第１の構造体２８０と第２の構造体２８２の界面の位置が第１の領域と第２の領域とで異なり、上部ミラーおよび表面段差構造による反射率を第１の領域に比べて第２の領域で低くすることができる。

次に、表面段差構造による透過係数の位相差が０（２πの整数倍）に近づくように、第２の構造体２８２の実厚さを設定する。
好ましくは、表面段差構造による透過係数の位相差が０（２πの整数倍）となるように第２の構造体２８２の実厚さを設定する。
実施例１と同様に、第１の領域２６０、第２の領域２６２における上部境界面２４２と第１の平面２４４との光学距離をそれぞれＬ_１、Ｌ_２とする。
表面段差構造による位相差の大きさは｜Ｌ_２−Ｌ_１−Ｎλ｜・２π／λで与えられる。ここでＮは上記の値を最小にする整数である。
Ｌ_２−Ｌ_１
＝（ｄ_１２−ｄ_１１）（ｎ_１−ｎ_０）＋（ｄ_２２−ｄ_２１）（ｎ_２−ｎ_０）
＝（ｄ_１２ ×ｎ_１−ｄ_１１ ×ｎ_１）（１−ｎ_０／ｎ_１）＋（ｄ_２２ ×ｎ_２−ｄ_２１ ×ｎ_２）（１−ｎ_０／ｎ_２）である。
なお、第２の構造体２８２の光学厚さがλ／４の偶数倍であれば、第２の構造体２８２によって上部ミラー２１６および表面段差構造２７２による反射率は変化しない。

例えば、ｄ_２１＝（λ／ｎ_２）×（１／２）、ｄ_２２＝（λ／ｎ_２）×３とすると、Ｌ_２−Ｌ_１＝１．０１λとなる。この場合、Ｎ＝１となり、｜Ｌ_２−Ｌ_１−Ｎλ｜＝０．０１λとなり、位相差｜Ｌ_２−Ｌ_１−Ｎλ｜・２π／λ＝０．０２πとすることができる。

また、高反射率領域である第１の領域においては、第２の構造体の光学厚さがλ／４の偶数倍からずれても反射率はあまり変化しない。例えば、ｄ_２１＝（λ／ｎ_２）×０．５２、ｄ_２２＝（λ／ｎ_２）×３とすると、Ｌ_２−Ｌ_１＝λとなる。この場合、Ｎ＝１となり、位相差｜Ｌ_２−Ｌ_１−Ｎλ｜・２π／λ＝０とすることができる。

上記実施例においては、ｄ_１１＜ｄ_１２、および、ｄ_２１＜ｄ_２２である第１の構造体２８０および第２の構造体２８２が凹型である表面段差構造について説明した。しかし、図５に示すように、ｄ_１１＞ｄ_１２、および、ｄ_２１＞ｄ_２２である第１の構造体２８０および第２の構造体２８２が凸型である表面段差構造としてもよい。
例えば、ｎ_０＝１、ｎ_１＝３．３、ｎ_２＝１．５であるとき、
ｄ_１１＝（λ／ｎ_１）×（１／２）、
ｄ_１２＝（λ／ｎ_１）×（１／４）、
ｄ_２１＝（λ／ｎ_２）×３、
ｄ_２２＝（λ／ｎ_２）×（１／２）とすれば、
Ｌ_２−Ｌ_１＝−１．０１λとなり、Ｎ＝−１として、表面段差構造による位相差の大きさを０．０２πとすることができる。また、
ｄ_２１＝（λ／ｎ_２）×２．９８、
ｄ_２２＝（λ／ｎ_２）×（１／２）とすれば、
Ｌ_２−Ｌ_１＝−λとなり、Ｎ＝−１として、表面段差構造による位相差の大きさを０とすることができる。

また、図６に示すように、ｄ_１１＜ｄ_１２、および、ｄ_２１＞ｄ_２２とすることもできる。すなわち、第１の構造体２８０が凹型であり、第２の構造体２８２が凸型である表面段差構造を設けてもよい。
例えば、ｎ_０＝１、ｎ_１＝３．３、ｎ_２＝１．５であるとき、
ｄ_１１＝（λ／ｎ_１）×（１／２）、
ｄ_１２＝（λ／ｎ_１）×（３／４）、
ｄ_２１＝（λ／ｎ_２）、
ｄ_２２＝（λ／ｎ_２）×（１／２）とすれば、
Ｌ_２−Ｌ_１＝０．０１λとなり、Ｎ＝０として、表面段差構造による位相差の大きさを０．０２πとすることができる。また、
ｄ_２１＝（λ／ｎ_２）×１．０２、
ｄ_２２＝（λ／ｎ_２）×（１／２）とすれば、
Ｌ_２−Ｌ_１＝０となり、Ｎ＝０として、表面段差構造による位相差の大きさを０とすることができる。また、図７に示すように、ｄ_１１＞ｄ_１２、および、ｄ_２１＜ｄ_２２とすることもできる。すなわち、第１の構造体２８０が凸型であり、第２の構造体２８２が凹型である表面段差構造を設けてもよい。

例えば、ｎ_０＝１、ｎ_１＝３．３、ｎ_２＝１．５であるとき、
ｄ_１１＝（λ／ｎ_１）×（１／２）、
ｄ_１２＝（λ／ｎ_１）×（１／４）、
ｄ_２１＝（λ／ｎ_２）×（１／２）、
ｄ_２２＝（λ／ｎ_２）とすれば、
Ｌ_２−Ｌ_１＝−０．０１λとなり、Ｎ＝０として、表面段差構造による位相差の大きさを０．０２πとすることができる。また、
ｄ_２１＝（λ／ｎ_２）×０．４８、
ｄ_２２＝（λ／ｎ_２）とすれば、
Ｌ_２−Ｌ_１＝０となり、Ｎ＝０として、表面段差構造による位相差の大きさを０とすることができる。

図６、図７に示す構造、すなわち（ｄ_１１−ｄ_１２）×（ｄ_２１−ｄ_２２）＜０の場合は、Ｎ＝０とできるため、（ｄ_１１−ｄ_１２）×（ｄ_２１−ｄ_２２）＞０の場合よりも表面段差構造の厚さを抑えることが可能である。これにより、作成精度の向上や、段差構造の第１領域および第２の領域の境界部での光散乱の抑制という利点が得られる。
なお、ｄ_１１、ｄ_１２、ｄ_２１、ｄ_２２はすべて正の値である必要はなく、本発明の主旨の範囲で一つまたは二つが０であっても良い。

図８に実施例３にかかる面発光レーザの断面模式図を示す。
実施例３の面発光レーザにおける表面段差構造２７２は、実施例２と同様、第１の構造体２８０と第２の構造体２８２からなることが特徴である。
実施例３の面発光レーザにおいては、実施例２と異なり、第１の構造体２８０は屈折率ｎ_１の第１の材料からなり、第２の構造体２８２は屈折率ｎ_２（＞ｎ_１）の第２の材料からなる。
第１の材料は例えばＳｉＯ_２であり、ｎ_１＝１．５である。
第２の材料は例えばＳｉＮであり、ｎ _２ ＝２．０である。
上部電極２２２は、例えば上部ミラー２１６の上部に配されている。
ｎ_１＜ｎ_２、かつ、ｎ_２＞ｎ_０であるから、ｄ_１１をλ／４の奇数倍、ｄ_２１をλ／４の奇数倍とすることで、第１の領域２６０における上部ミラー２１６および表面段差構造２７２による反射率を高めることができる。

また、ｄ_１２をλ／４の偶数倍、ｄ_２２をλ／４の奇数倍とすることで、第２の領域２６２における上部ミラーおよび表面段差構造による反射率を下げることができる。
ｄ_１１＜ｄ_１２でも良いし、ｄ_１１＞ｄ_１２でも良い。
また、ｄ_２１＜ｄ_２２でも良いし、ｄ_２１＞ｄ_２２でも良い。
簡単のため、ｄ_１２＝０とし、参照構造をｄ_１１＝ｄ_２１＝ｄ_２２＝λ／４とすると、Ｌ_２−Ｌ_１＝−０．０８３λとなり、Ｎ＝０として、表面段差構造による位相差の大きさは０．１６６πとなる。
これに対し、本実施例において、例えばｄ_１１＝０．７５、ｄ_２１＝１．７５、ｄ_２２＝０．２５とすることで、Ｌ_２−Ｌ_１＝−λとなり、Ｎ＝−１として、表面段差構造による位相差の大きさを０とすることができる。

また、ｄ_１１＝０．７５、ｄ_２１＝０．２５、ｄ_２２＝０．７５とすることで、Ｌ_２−Ｌ_１＝０となり、Ｎ＝０として、表面段差構造による位相差の大きさを０とすることができる。

（製造方法）
本実施例の面発光レーザの製造方法の一例を示す。
基板２１０は例えばｎ型のＧａＡｓ基板である。
基板２１０上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、下部ミラー２１２、活性層２１４、上部ミラー２１６を成膜する。

下部ミラー２１２は光学厚さλ／４ずつ７０ペア積層されたｎ型のＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる多層膜反射鏡である。
活性層２１４はＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰからなる多重量子井戸構造であり、電流注入によりレーザ発振波長λ＝６８０ｎｍにおいて光学利得を持つ。
上部ミラー２１６は光学厚さλ／４ずつ３５ペア積層されたｐ型のＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓである。
上部ミラー２１６の一部に実厚さ３０ｎｍのＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓからなる酸化可能層が含まれる。

また、表面段差構造の第１の構造体２８０として半導体を用いる場合、上部ミラー２１６に引き続き成膜しても良い。

次に、例えばドライエッチングにて、活性層２１４および上部ミラー２１６をエッチングし、例えば直径３０μｍの円筒状のメサ構造を形成する。
第１の構造体２８０が成膜されている場合は第１の構造体２８０もエッチングする。

メサ構造の側壁から、前記酸化可能層を酸化する。酸化は例えば水蒸気雰囲気にて４５０℃に加熱し３０分間行う。これにより、酸化可能層に、酸化領域と未酸化領域とからなる電流狭窄構造２１８を形成する。
未酸化領域はメサ構造と中心を同じくする、直径５μｍの円形状である。

この後、メサ側壁を絶縁膜などで保護する。

基板２１０下にＡｕＧｅ／Ａｕからなる下部電極２２０を形成する。また、上部ミラー２７０または第１の構造体２８０上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる上部電極２２２を形成する。

上記面発光レーザの作製工程において、上部ミラー２１６または第１の構造体２８０の成膜工程以後のどこかで、表面段差構造２７２を形成する。

例えば電流狭窄構造２１８の形成工程後に表面段差構造２７２を形成する。
表面段差構造２７２はエッチングなどにより形成することができる。

図４や図５に示す構造のように、（ｄ_１１−ｄ_１２）×（ｄ_２１−ｄ_２２）＞０である表面段差構造の形成方法について、図４の構造を図９を用いて説明する。

図９（ａ）に示すように、上部ミラー２１６上に、第１の層３００を形成し、その上に第２の層３０２を形成する。
第１の層３００は、例えば半導体層であり、ＡｌＧａＡｓである。あるいは、第１の層３００は、例えば誘電体層であり、ＳｉＯ_２である。
第２の層３０２は、例えば誘電体層であり、ＳｉＮである。
第１の層３００、第２の層３０２は例えばＭＯＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法やスパッタ法により形成する。

第２の層３０２上にレジスト３２０を塗布し、フォトリソグラフィにより第２の領域２６２のレジスト３２０を除去しパターンを形成する。
次に、図９（ｂ）に示すように、レジスト３２０をマスクとして、第２の層３０２および第１の層３００をエッチングする。
エッチングは例えばリン酸やバッファードフッ酸によるウエットエッチングにより行う。

次に、図９（ｃ）に示すように、例えば有機溶剤にてレジスト３２０を除去する。
次に、図９（ｄ）に示すように、第１の層３００および第２の層３０２の上部に、第３の層３０４を例えばプラズマＣＶＤ法やスパッタ法により成膜する。
第３の層３０４は、第２の層３０２と屈折率が近い、または屈折率が同じ材料である。

このようにして、第１の層３００からなる第１の構造体２８０、および、第２の層３０２と第３の層３０４からなる第２の構造体２８２が形成される。
同様の手順で、レジスト３２０の除去位置を第１の領域２６０とすることで、図４に示す表面段差構造を形成することも可能である。

次に、図６や図７に示す構造のように、（ｄ_１１−ｄ_１２）×（ｄ_２１−ｄ_２２）＜０である表面段差構造の形成方法について、図７の構造を図１０を用いて説明する。

図１０（ａ）に示すように、上部ミラー２１６上に、第１の層３００を形成する。第１の層３００は半導体または誘電体である。第１の層は例えばＭＯＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法やスパッタ法により形成する。

第１の層３００上にレジスト３２０を塗布し、フォトリソグラフィにより第２の領域２６２のレジスト３２０を除去しパターンを形成する。このとき、残るレジスト形状はレジスト上部よりも下部のほうが断面積が狭い逆テーパー状となっていることが好ましい。

次に、図１０（ｂ）に示すように、レジスト３２０をマスクとして、第１の層３００をエッチングする。エッチングは例えばリン酸やバッファードフッ酸によるウエットエッチングにより行う。
次に、図１０（ｃ）に示すように、第１の層３００およびレジスト３２０の上部に、第２の層３０２を例えばスパッタ法により成膜する。
次に、図１０（ｄ）に示すように、例えば有機溶剤にてレジスト３２０を除去する。このとき、レジスト３２０上に形成されていた第２の層３０２も同時に除去される。
次に、図１０（ｅ）に示すように、第１の層３００および第２の層３０２の上部に、第３の層３０４を例えばプラズマＣＶＤ法やスパッタ法により成膜する。
第３の層３０４は、第２の層３０２と屈折率が近い、または屈折率が同じ材料である。

このようにして、第１の層３００からなる第１の構造体２８０、および、第２の層３０２と第３の層３０４からなる第２の構造体２８２が形成される。
同様の手順で、レジスト３２０の除去位置を第１の領域２６０とすることで、図６に示す表面段差構造を形成することも可能である。

実施例１乃至３で説明した面発光レーザを複数配して構成された面発光レーザアレイ光源と走査装置を用いた応用例として、電子写真方式の画像形成装置について説明する。

図１１（ａ）は画像形成装置の平面図であり、図１１（ｂ）は同装置の側面図である。図１１において、５００は感光ドラム、５０２は帯電器、５０４は現像器、５０６は転写帯電器、５０８は定着器、５１０は回転多面鏡、５１２はモータである。また、５１４は面発光レーザアレイ光源、５１６は反射鏡、５２０はコリメータレンズ、５２１はシリンドリカルレンズ、及び５２２はｆ−θレンズである。モータ５１２は回転多面鏡５１０を回転駆動するものである。

コリメータレンズ５２０と回転多面鏡５１０の間の光軸上には主走査開口絞り５３０が置かれている。レーザアレイ光源５１４とシリンドリカルレンズ５２１の間に副走査開口絞り５３２が置かれている。

面発光レーザアレイ光源５１４は直線偏光であり、その方向は例えば主走査方向に平行であるとする。

図１１において、本実施形態における回転多面鏡５１０は、例えば６つの反射面を備えている。面発光レーザアレイ５１４は、記録用光源となるものであり、ドライバにより画像信号に応じて点灯または消灯するように構成されている。こうして光変調されたレーザ光は、面発光レーザアレイ５１４からの光を集光するコリメータレンズ５２０を介し回転多面鏡５１０に向けて照射される。

回転多面鏡５１０は矢印方向に回転していて、面発光レーザアレイ５１４から出力されたレーザ光は、回転多面鏡５１０の回転に伴い、その反射面で連続的に出射角度を変える偏向ビームとして反射される。この反射光は、ｆ−θレンズ５２２により歪曲収差の補正等を受け、反射鏡５１６を経て感光ドラム５００に照射され、感光ドラム５００上で主走査方向に走査される。このとき、回転多面鏡５１０の１面を介したビーム光の反射により、感光ドラム５００の主走査方向に面発光レーザアレイ５１４に対応した複数のライン分の画像が形成される。

感光ドラム５００は、予め帯電器５０２により帯電されており、レーザ光の走査により順次露光され、静電潜像が形成される。また、感光ドラム５００は矢印方向に回転していて、形成された静電潜像は、現像器５０４により現像され、現像された可視像は転写帯電器５０６により、転写紙に転写される。可視像が転写された転写紙は、定着器５０８に搬送され、定着を行った後に機外に排出される。

（その他の実施形態）
本発明は上記形態に制限されるものではなく、様々な変更及び変形が可能である。例えば、第１の構造体を構成する第１の材料は、環境媒質や第２の材料との屈折率との差が大きければ、お互いに屈折率の近い複数の材料で構成されていてもよい。例えば、第２の構造体を構成する第２の材料は、環境媒質や第１の材料との屈折率との差が大きければ、お互いに屈折率の近い複数の材料で構成されていてもよい。

２００ 面発光レーザ
２１０ 基板
２１２ 下部ミラー
２１４ 活性層
２１６ 上部ミラー
２１８ 電流狭窄構造
２２０ 下部電極
２２２ 上部電極
２４０ 環境媒質
２４２ 上部境界面
２４４ 第１の平面
２６０ 第１の領域
２６２ 第２の領域
２７０ 表面段差構造
２８０ 第１の構造体
２８２ 第２の構造体
３００ 第１の層
３０２ 第２の層
３０４ 第３の層
３２０ レジスト

Claims (11)

1. 基板の上に、下部ミラーと、活性層と、上部ミラーと、を含む積層構造体を有し、波長λで発振する面発光レーザであって、
   前記上部ミラーの上部に設けられ、光出射領域内の中央部に位置する第１の領域と、該光出射領域内であって、該第１の領域より外側に位置する第２の領域との間に段差を有する表面段差構造を備え、
   前記表面段差構造は環境媒質の屈折率ｎ_０よりも大きい屈折率ｎ_１の第１の材料からなる第１の構造体を含み、
   前記第１の構造体の前記第１の領域における実厚さをｄ_１１、前記第１の構造体の前記第２の領域における実厚さをｄ_１２とすると、｜ｎ_１（ｄ_１１−ｄ_１２）｜＝λ／４×（２Ｍ−１）であり（Ｍは整数）、
   前記表面段差構造の上部に位置している前記基板に平行な面と、前記上部ミラーの上部境界面、との間の光路長に関して、
   前記第１の領域における前記光路長Ｌ_１と、前記第２の領域における前記光路長Ｌ_２が、｜Ｌ_２−Ｌ_１−Ｎλ｜を最小にする整数Ｎに対し、以下の式を満たすことを特徴とする面発光レーザ。
   ｜Ｌ_２−Ｌ_１−Ｎλ｜＜（λ／４）×（１−ｎ_０／ｎ_１）
2. ｜Ｌ_２−Ｌ_１−Ｎλ｜＝０であることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
3. 前記第１の構造体の前記第１の領域における光学厚さはλ／４の偶数倍であり、
   前記第１の構造体の前記第２の領域における光学厚さはλ／４の奇数倍であることを特徴とする請求項１又は２に記載の面発光レーザ。
4. 前記表面段差構造は、前記ｎ_０よりも大きく、前記ｎ_１とは異なる屈折率ｎ_２の第２の材料からなる第２の構造体を含み、
   前記第２の構造体は前記第１の構造体の上に配されており、
   前記第２の構造体の前記第１の領域における実厚さｄ_２１と、前記第２の領域における実厚さｄ_２２とは異なる厚さであることを特徴とする請求項１又は２に記載の面発光レーザ。
5. （ｄ_１１−ｄ_１２）×（ｄ_２１−ｄ_２２）＞０、かつ、｜Ｎ｜＝１であることを特徴とする請求項４に記載の面発光レーザ。
6. （ｄ_１１−ｄ_１２）×（ｄ_２１−ｄ_２２）＜０、かつ、Ｎ＝０であることを特徴とする請求項４に記載の面発光レーザ。
7. ｎ _２ ＜ｎ _１ であることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
8. 前記第１の構造体の前記第１の領域における光学厚さはλ／４の偶数倍であり、
   前記第１の構造体の前記第２の領域における光学厚さはλ／４の奇数倍であり、
   前記第２の構造体の前記第１の領域における光学厚さと前記第２の構造体の前記第２の領域における光学厚さは、ともにλ／４の偶数倍であることを特徴とする請求項７に記載の面発光レーザ。
9. ｎ _２ ＞ｎ _１ であることを特徴とする請求項６に記載の面発光レーザ。
10. 前記第１の構造体の前記第１の領域における光学厚さはλ／４の奇数倍であり、
    前記第１の構造体の前記第２の領域における光学厚さはλ／４の偶数倍であり、
    前記第２の構造体の前記第１の領域における光学厚さと前記第２の構造体の前記第２の領域における光学厚さは、ともにλ／４の奇数倍であることを特徴とする請求項９に記載の面発光レーザ。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の面発光レーザと、
    前記面発光レーザから射出されるレーザ光により露光される感光ドラムと、を有する画像形成装置。

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