JPH03182724A - 光偏向素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は半導体レーザに関し、特に光学ビーム・スキャ
ンニングを必要とするデータ処理装置、データ記憶装置
、プリンタ等に使用される光学デバイスに関する。

Ｂ、従来技術及びその課題 変調されたレーザ・ビームをポリゴン・ミラーの回転に
よって偏向し、パターンやアルファベラトラ描く光学ビ
ーム・スキャンニングはレーザ・ビーム・プリンタに不
可欠な要素である。しかし、スキャンニング速度は個々
の光学部品のメカニカル動作速度によって制限されるた
め、そのスピードには限界があった。筐た、これらの光
学機器を駆動するシステムもかなシ大きなものとならざ
るを得なかった。これらの欠点は光学ビーム・スキャン
ニングをメカニカル駆動で実行する限ｂ、避け得ないも
のである。プリンタ機能を有する光学データ処理ンステ
ムにおいて、高速でかつコンパクトな設計のビーム・ス
キャナが長い間待ち望まれていた。現在ｌで高速の光ビ
ーム・スキャンニングは電子光学効果を用いた変調素子
や音響光学効果を用いた変調素子等によって実現されて
いる。

しかし、これらは高電圧パルスあるいは高周波領域に卦
けるチャーピングした電圧を必要とする。

これら従来の光偏向素子に関する技術を開示した文献に
は以下のものがある。

（１）　　Ｓ、　Ｍｕｋａｉ　　ｅｔ、　ａｌ、　Ｅｘ
ｔｅｎｄｅｄ　Ａｂｓｔｒａｃｔｓ（Ｔｈｅ　　４８ｔ
ｈ　　Ａｕｔｕｍｎ　Ｍｅｅｔｉｎｇ、　１９８７）Ｔ
ｈｅ　　Ｊａｐａｎ　　５ｏｃｉｅｔｙ　　ｏｆ　　Ａ
ｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ、Ｎｏ３．１９ｐ　　ＺＬ
−３，６３９）（２）　　Ｓ、　Ｍｕｋａｉ　　ｅｔ、
　ａｌ、　Ｅｘｔｅｎｄｅｄ　Ａｂｓｔｒａｃｔｓ（Ｔ
ｈｅ　　３５ｔｈ　　Ｓｐｒｉｎｇ　Ｍｅｅｔｉｎｇ、
１９８８）Ｔｈｅ　Ｊａｐａｎ　５ｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ
　ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ　　ａｎｄ　　Ｒｅ１
ａｔｅｄ　　５ｏｃｉｅｔｉｅｓ。

Ｎｏ、　３．２９ａ−ＺＰ−７，８６５Ｃ５本発明の概
要及び解決しようとする課題本発明は同一チップ上に半
導体レーザ及び高速ビーム偏向素子を集積し、これらを
ダイオード・レーザ制御回路と同レベルの制御回路によ
って構成することによって上記従来技術の欠点を解決し
たものである。

光ビーム・スキャナを有する集積半導体レーザに関する
技術はいくつか報告されている。これらのスキャナは電
流注入（バンド・フィリング効果）によって屈折率を制
御することに基づくものである。レーザ・ビームはオシ
レータ部の出力端に対応するウィンドウ部を通過する。

ウィンドウ部における電極を通した注入電流の空間分布
は当部分の屈折率に非対称な分布を与える。これによっ
て出力が偏向されることとなる。しかしながら、この方
法ではウィンドウ部が理想的なレンズとは成り得す出力
ビームのゆがみは許容できるものとはならない。注入電
流の大きさと偏向角度とは極めて複雑な関係にあシ、こ
れらの制御メカニズムは現実的な使用に供されるレベル
には至っていない。

本発明は良好なビーム像を形威し、高速応答が可能でか
つ制御信号に対する偏向角度のりニアリテイの優れた光
ビーム偏向素子を提供するものである。第１図に本発明
の概念を示す構成図を示す。

ダイオード・レーザは従来の単一モード・レーザと同様
横モード閉じ込め構造を有する。出力ビーム５はレーザ
部に隣接して設けられた偏向部へカップリングする。

スラブ型導波路構造を有する偏向部はホログラフィック
・コリメータ３及び回折格子（グレーティング）４から
構成される。レーザ出力５はレーザ部の導波路部分会よ
びレーザに隣接する導波路部分の屈折率で決定される角
度でスラブ型導波路中を広がっていく。このビームはホ
ログラフィック（回折格子）・レンズによってコリメー
トされ回折格子に平行光線として入射する。

カップリング効率を決定する誘電率の周期的変調量Ｊε
はｙｚ面を導波路面とすると以下のように表される。

Ｊε（ｚ、　ｙ、　ｇ）＝ΣＪｔ４Ｃｚ）ｅｘｐｃ−ｊ
ｑＫ＠ｒ）　（１）ここで に＝Ｋ　　ｇ　　＋Ｋ　　ｅ ｙｚｖ （２） ｒ＝７６、十ｚｇｚ （３） である。

ここでＫは回折格子（グレーティング）周期Ａ（ＩＫに
に＝２πＩＡ）　　によって決定されるグレーティング
・ベクトルであｆ：）　、ｇ　ｙ　、ｇ　ｚ　　はそれ
ぞれＶ方向、「方向の単位ベクトル、ｑは回折の次数を
示す。回折格子の溝の方向は以下に示すブラッグ条件に
よって決定される。

βｄｓ　ｉｎθｄ＝β５ｓ　ａｎｄ＜十ｑＫｓｉｎφ　
　　（４）β１ｃｏｓθ６にβ１ｃｏｓθ６−４−ｑＫ
ｃｏｓφ　　　（５）ここでβｉおよびβｄ　は各々入
射及び回折モードにおけるモード伝搬定数である。

θｉおよびθｄ　は各々回折格子における入射角及び偏
向角である。

φはグレーティング・ベクトルと２・軸のなす角である
。

モード伝搬定数βｄの異なる値によって、異なる偏向角
θｄが生ずる。偏向角は屈折率の関数であるが注入電流
によって制御することができる。

屈折率変化の応答時間はサブ・ナノ秒のオーダである。

Ｄ、実施例 実施例１ 第１図に本発明の第１実施例の断面図を示す。

図示のように、レーザ・ビーム５が回折格子４により偏
向され、偏向ビーム６が集光面７に向かっている。第４
図は第１図のＡ　−Ａ’断面図を示したものである。変
調ドープされた多重量子井戸（ＭＱＷ）１９．２６の詳
細構造は第２図に示す。多重量子井戸（ＭＱＷ）１９．
２６の両サイドにはクラッド層１８．２０．２５．２７
が形成されており、全体としてスラブ光導波路を構成し
ている。

第４　（ａ）％　　（ｂ）図に示された構造は分子線エ
ピタキシ（ＭＢＥ）成長法によって形成される。基板と
してｎ　−ＧａＡｓ（１００）基板１７．２４が使用さ
れる。基板１７，２４の下部は電極１６．２３である。

第４（ａ）図においては２次元電子ガス（２ＤＥＣ）に
対する空乏層領域がｎクラッド層１８と９２２７１層２
０とから構成されているｐ−ｎ接合部の逆方向バイアス
によって形成される。

ｐ　−Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　　キャップ層２１は電極２２と
の良好なｐ型オーミック・コンタクトを形成する。ショ
ットキー接合２８によって多重量子井戸（ＭＱＷ）中の
２次元電子ガス（２ＤＥＣ）の空乏領域が形成できる。

第４（ｂ）図においてはショットキー接合がドープされ
ていないクラッド層２７に形成しである。

第２図は分子線エピタキシ（ＭＢＥ）成長法によって形
成されたモジュレーション・ドーピング超格子のバンド
構造を伝導帯８及び価電子帯９によって示す概念図であ
る。ドナー不純物（Ｓｉ）１３はバリア層（ＡＩＧａＡ
ｓ）１１にのみドープされる。ＧａＡｓ多重量子井戸（
ＭＱＷ）層１０の２次元電子１２はバリア層のドナーか
ら供給される。

量子井戸の幅は９０Ａ１バリア幅は１００Ａである。

導波路型回折格子にかける屈折率変化は以下に説明する
方法で得られる。第３図に変調ドープ量子井戸構造にお
ける吸収スペクトルを示す。点線１４は無バイアスにお
けるＭＱＷの吸収スペクトルである。

ショットキー電極あるいはｐ−ｎ接合を使用して十分な
マイナス・バイアスを付与することによってＭＱＷ層は
完全に空乏化される。これはすなわち、２次元電子１２
がＭＱＷから排除されることを意味する。この状態にお
ける変調ドープＭＱＷの吸収スペクトルを実線１４　（
ａ）で示す。低エネルギ側でのビーク１５が励起子吸収
に該当するものである。一方、ショットキー電極におけ
るバイアス電圧がプラス（あるいはｐ−ｎ接合において
バイアス電圧がＯ）の場合は、ＭＱＷ中に２次元電子が
存在することができ、第３図点線１４（ｂ）で示すよう
な吸収スペクトルを呈すること・どなる。

無バイアス時の２次元電子の典型的濃度は各層に１１　
　　−２ 訃いて２×１０　　ｃｍ　　　である。これによってＭ
ＱＷ層中の励起子がブリーチされる。

ＭＱＷ層の屈折率変化はクラマース・クロニツヒの関係
（Ｋｒａｍｅｒｓ−Ｋｒｏｎｉｇ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　
）によって吸収スペクトルの変化に対応づけられる。

従って、励起子吸収ビーク１５の近傍にかいては屈折率
の大きな変化が期待される。

９０Ａ幅の変調ドープＭＱＷの屈折率変化レンジは±１
度である。第６図は第１図の装置を使用した際の屈折率
とビーム角度の相関を示した図である。導波路厚１μｍ
、回折格子に対する入射角４５°、出力ビーム角をＴＥ
ｏモードに訃いて−７６，０３度とした場合の計測結果
である。

ＭＢｇ成長法によってｎ−ＧａＡｓ　基板（第５図、２
９）上にモノリフツク集積レーザ偏向器を形成する。ま
ず、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層３０ｆ：１μｍ成長し
、第２図に示すような変調ドープＭＱＷ３１を０．１μ
ｍ形成し、さらに、　ｐ−ＡＩＧａＡａ層３２を０．２
μｍ成長する。

次に、グレーティング・レンズ３６、及び偏向回折格子
３４を層３２上に電子ビーム・リングラフィ、及び化学
エツチングあるいはドライ・エツテング工程によって形
成する。次に、ウェハをＭＢＥ成長チャンバ内に移動し
、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層３５を［１，１μｍ形成
し、さらにｐ−ＧａＡｓキャップ層２１を形成する。

第５図に示すレーザ・ダイオード領域２及び回折格子４
＠域に対するイオン３６注入を行ない、イオン打込領域
ろ７．３８を形成し高速アニールを行うことでレーザ・
ダイオード領域２にｐｎ順方向バイアスを与えたり、ま
たはビーム偏向領域４にｐｎ逆バイアスを与えることが
可能となる。

レーザ・ダイオードにおける横車−モード発振を行わせ
るために第５（ｅ）、（ｆ）図に示すごとく拡散用マス
ク３９．４０を用いて拡散鎖酸４１に２ｎ拡散を行った
。ＭＱＷ構造のＺｎ拡散部分はＭＱＷ構造が無秩序化し
ＡｌＧａＡｓの混晶になり、屈折率およびエネルギ・バ
ンド・ギャップが変化する。

Ｚｎ拡赦領域４１に挾まれたＭＱＷチャネル・ラインの
みがレーザ・ダイオード４２の光導波路となる。ウェハ
上にはＳｉＯ２及びＳｉＮ保護膜４５を形成し、レーザ
・ダイオード用電極４４と偏向器用電極４６が通常のｐ
−電極形成手段によって形成される。

さらに、メカニカルおよび化学エツチングによってウェ
ハを１２０μｍ程度の薄板としてｎ側電極４５を形成す
る。骨間、スクライビング、ボンディング等の通常の半
導体レーザ・プロセスによりレーザ・ダイオードが得ら
れる。

２５ｍＡのレーザしきい値電流を有するレーザは７９０
ｎｍで発振し、その時の出力パワーは５０ｍＷとなる。

レーザ出力ビームはグレーティング・レンズ３によって
コリメートされ、回折格子によって４５°の角度で偏向
される。外部に設けたシリンドリカル・レンズを介して
、デバイスのサイド端から偏向ビームを測定した。この
焦点面はスラブ型導波路面に対して垂直であった。

ビーム偏向動作はショットキー電極デバイスの外部電気
バイアスを１から１．４Ｖの範囲で変化させることで得
られた。このビーム偏向特性を第６図に示す。屈折率の
変化と反射ビーム角度の関係は理想的なりニアリティを
有することが分かる。

実施例２ 第７図に上述の実施例とは異なる実施例を示す。

差異はレーザ・ダイオードの波長とビーム出力エツジ（
第７図、４７）の形状である。レーザ波長は７２０ｎｍ
、しきい値電流は３０ｍＡである。

ビーム出力エツジはノリンドリカル形状とし、その端面
をなす円弧の中心をレーザ・ビームが回折格子によって
偏向されるポイントとした。この形状はＣ１２ガスを使
用したりアクティブ・イオン・エツチング法によって形
成した。

この構成ではＩＧＨｚのビーム偏向速度が±０゜８°の
範囲において得られた。

実施例ろ 上記実施例に訃いて示されたレーザ・ビーム偏向装置は
レーザ・ビーム・プリンタとして使用でさる。偏向の方
向はドキュメントの１ラインをカバーする垂直方向に選
んだ。水平方向に対する偏向は回転ポリゴン・ミラーに
よって達成される。

これら両者のコンビネー／ヨンによって従来の偏向器に
比較してはるかに高速度なオペレーションが可能となる
。

Ｅ０発明の効果 本発明によればギガ・ヘルツを超える偏向速度を有する
ノン・メカニカル光ビーム偏向器が達成できる。この偏
向デバイスはレーザ・ビーム・プリンタばかりでなく、
光データ処理において重要な役割を果たす光ルーティン
グ・デバイスとしても有効である。

ビーム形状及び偏向角度のりニアリテイは従来の装置と
比較して非常に優れたものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光偏向素子の使用例を示す断面図、第
２図は本発明に使用される超格子構造にかいて変調ドー
ピングを行った量子井戸のバンド図、第３図は変調ドー
ピングを行った量子井戸の吸収スペクトル図、第４（ａ
）図、及び第４（ｂ）図は第１図Ａ−Ａ“断面の異なる
態様の詳細を示す部分断面図、第５（ａ）図は本発明の
光偏向素子を有する半導体素子の平面図、第５（ｂ）図
はその側面図、第５（Ｃ）図はその側面断面図、第５（
ｄ）図は該偏向素子における拡散プロセスを施した後の
断面図、第５（ｅ）図はその上面図、第５（ｆ）図は第
５（ｅ）図のＣ−Ｃ“断面の断面図、第５（ｇ）図は電
極形成後の偏向素子の断面図、第５（ｈ）図はその平面
図、第６図は本発明の光偏向素子の屈折率とビーム偏向
角度との相関を示す図、第７図は本発明の第２実施例を
示す断面図である。 １・・・・レーザ・ダイオード構成部、２・・・・レー
ザ・ダイオード、３・・・・グレーティング・レンズ、
４・・・・回折格子、１８・・・・クラッド層、１９・
・・・多重量子井戸層、２０・・・・クラッド層、２１
・・・・キャップ層、２２・・・・電極、２３・・・・
電極、２４・・・・基板、２５・・・・クラッド層、２
６・・・・多重量子井戸層、２７・・・・クラッド層、
２８・・・・ショットキ電極、２９・・・・基板、３０
・・・・クラッド層、３１・・・・多重量子井戸層、３
２・・・・ｐ−ＡｌＧａＡｓ層、３５・・・・クラッド
層、４２・・・・レーザ・ダイオード、４４・・・・電
極、４６・・・・電極、４７・・・・出力端 第１図 第２頃 電子エネル牛”（ｅＶ　１ ｊｌＳ図 （ａ） 第４図 ３ （ａ） （ｂ） （ｄ） （ｅ） 〔°ト （ｆ） （９） ６ （ｈ） 第５図 偏光角 （Δｅ０） 第６図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）超格子構造体又は、超格子構造体を含む導波路構
   造中に形成された平面導波路型薄膜回折格子、該平面導
   波路型回折格子に対する電圧印加手段、及び該平面導波
   路型回折格子に対するレーザ光入射手段とを有すること
   を特徴とする光偏向素子。
2. （２）半導体基板表面上に光導波路層を有し、同一基板
   上に超格子構造体からなる平面導波路型薄膜回折格子が
   形成された半導体素子と、該超格子構造体に対する電圧
   制御手段を備え、該電圧制御手段による電圧変化によつ
   て前記光導波路層から前記超格子構造体に入射するレー
   ザ光の出射方向を制御することを特徴とする光偏向素子
   。
3. （３）超格子構造体によつて構成された平面導波路型薄
   膜回折格子に対するレーザ光の入射角は約４５°である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項に記
   載の光偏向素子。
4. （４）前記超格子構造体は変調ドーピングされた構造で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第３項
   のいずれかに記載の光偏向素子。