[发明专利]表面发射激光器及阵列、光学扫描装置、成像设备、光学传输模块和系统

说明书

本申请是2008年11月13日提交的申请人：株式会社理光；发明名称：表面发射激光器、表面发射激光器阵列、光学扫描装置、成像设备、光学传输模块和光学传输系统；申请号：200880101129.4（国际申请号PCT/JP2008/071058）的发明专利申请的分案申请。 

技术领域

本发明涉及表面发射激光器、表面发射激光器阵列、光学扫描装置、成像设备、光学传输模块和光学传输系统。更准确地说，本发明涉及在垂直于其衬底方向发光的表面发射激光器、具有多个表面发射激光器的表面发射激光器阵列以及每个都具有表面发射激光器阵列的光学扫描装置、成像设备、光学传输模块和光学传输系统。 

背景技术

垂直腔表面发射激光器(在此及后可称为“VCSEL”)是在垂直于其衬底的方向发光的半导体激光器。当与边缘发射半导体激光器相比时，VCSEL具有一些优点，包括(1)较低的成本、(2)较低的能耗、(3)较小的尺寸和(4)更易于进行二维集成。近来，由于上述优点，VCSEL引起越来越多的关注。 

表面发射激光器具有电流限制结构以提高电流流入效率。为了形成电流限制结构，选择性的氧化工艺通常关于AlAs(Al：铝，As：砷)层执行。在下面，为了方便起见，电流限制结构可称为“氧化物限制结构”(例如，参见专利文献1)。氧化物限制结构可通过形成具有规定尺寸和具有选择性氧化层暴露在其上的侧表面的台面结构而形成。然后，形成的台面结构在水-水蒸气气氛下进行处理以使得选择性氧化层中的铝(Al)从台面结构的表面侧被选择性地氧化。通过这样做，未氧化的区域保持在台面结构处且在台面结构的中心附近。未氧化的区域(为了解释的目的，在此及后称作“限制区域”)成为通过区域(或者“电流注入区域”)，用于表面发射激光器的驱动电流通过该区域。 

氧化物限制结构中的铝氧化层(Al_xO_y)(在此及后称为“氧化层”)的折射率为大约1.6，这比半导体层的低。由于该特征，折射率差异在表面发射激光器的共振器结构的横向方向产生，光线被限制在台面结构的中心，从而提高表面发射激光器的发射效率。结果，可以获得优良的特征，例如较低的阈电流和更高的效率。 

为了进一步提高表面发射激光器的发射效率，通过氧化层，有效地减少氧化层的光散射损耗。为此，氧化层可以定位在光的电场的驻波分布的节点(例如，如在非专利文献1中所述的)。 

再者，在表面发射激光器的许多应用中，对具有更高功率和单峰形状的光束具有强烈的需求。但是，不幸地，在具有氧化物限制结构的表面发射激光器中，由于氧化层引起的横向方向的大的折射率差异，甚至更高阶的横向模(lateral mode)也会被限制和振荡。为了降低更高阶的横向模的光限制，减小横向方向的折射率差异和减小限制区域的面积(尺寸)是有效的。 

通过定位氧化层在光的电场的驻波分布的节点位置上，可以减小氧化层对电性分布的影响以及减少折射率差异。再者，通过减小限制区域的面积(尺寸)，具有更宽模分布的更高阶的横向模可以从限制区域漏出；因此，对于更高阶的横向模会降低限制效果。尽管取决于波长范围，为了实现单基谐模(fundamental mode)振荡，可以考虑使得限制区域的一边或者直径降低到振荡波长的三倍或者四倍。例如，当振荡波长为0.85μm时，限制区域的一边或者直径为3.5μm或者更小，并且当振荡波长为1.3μm时，限制区域的一边或者直径为5μm或者更小。借助于此，阈电流值同时变得更小。 

但是，当限制区域的尺寸如上所述地减小时，只有当载体的注入水平相对低时，单基谐模才可以受控。再者，当载体的注入水平相对高时，更高阶的横向模可以通过产生的热引起的热透效应或者通过空间孔燃烧而振荡。尤其是，如上所述，当限制区域的尺寸减小时，振荡区域的尺寸相应地变得更小，其使得难以获得高的功率并使得表面发射激光器的电阻更大。 

为了克服这些问题并满足增大输出功率的要求，已经提出数种可以用于表面发射激光器并且不依赖于氧化层的模控制机制。 

例如，专利文献2公开了一种表面发射半导体激光器，其中开口的直径以及电流限制部分的直径被确定为以使得振荡器在激光的高阶横向模中的光学损耗与振荡器在激光的基谐横向模中的光学损耗之间的差异关于p侧 电极基于所述区域的振荡器的折射率而变得更大。