JPH04101485A - ビーム広がり角可変半導体レーザ装置およびそれを用いた情報処理装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ビーム広がり角可変半導体レーザ゛装置およ
びそれを用いた情報処理装置に関し、特に光デイスク装
置やレーザプリンタ等の光情報処理装置に使用するに好
適な、光スポットのサイズおよびレーザビームの広がり
角の制御を可能とした半導体レーザ装置（以下、「レー
ザ装置」または「レーザ」ともいう）およびこれを用い
た情報処理装置に関する。

〔従来の技術〕

例えば、レーザプリンタでは、従来、円形の光スポット
を用いて印刷物の濃淡を表現していた。

第２図＜ａ）に、その濃淡表現方法説明図を示す。

この図では、光は左から右に動き、黒く示す部分が光の
当たった部分である。このように、濃度の高い部分はド
ツトの密度を高く、濃度の低い部分はドツトの密度を低
くする方法を採っていた。この方法によって、より細か
な中間調を表現するには、小さい光スポットを用いて、
光の走査線数と変調回数を多くしなければならない。

しかしながら、現在では、回転多面鏡等の機械的な方法
によって光を走査している関係上、走査速度は容易には
向上させることかできず、走査線数の増加は、印字速度
の低下を招いてしまう。また、変調回数の増加は、それ
を制御するための計算時間の増加につながり、これも印
字速度の低下を招いてしまう。

上述の問題を解消するものとして、例えば、特開昭６２
−２７５２１４号公報に開示された方法がある。

この方法は、第２図（ｂ）に示すような、塗りつぶす面
積の広い部分は光の走査方向に垂直の細長い光スポット
を用いる方法である。この方法による場合には、ＩＹｊ
述の方法に比べて、光の走査回数と変調回数を減らすこ
とができる。

また、光デイスク装置においては、円形のスポットのみ
を用いて記録・再生を行っており、光スポットの大きさ
を変化または変形させる方式はとられていない。

〔発明が解決しようとする課題１ 前述の、光スポラ）・の大きさ（形状）を変化させるツ
ノ法においては、当然のことなから、光スポットの大き
さ（形状）を変化させるための手段が必要になる。その
方法としては、第３図（ａ）に示すような、レーザ′の
外部に焦点を変化させる素子を置く方法（前記特開昭６
２−２７５２１４号公報参照）、第３図（ｂ）に示すよ
うなレーザ自身でスポット径変化を行う方法（Ｓ、Ｍｕ
ｋａｉ　ｅ＋、　ａｌ、、　Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　
Ｌｅｔｔ。

ｖｏｌ、４５（１９８９）参照）の二つがある。なお、
後者の方法は、半導体への電流注入による屈折率変化を
利用したレンズを、半導体レーザに接合した形になって
いるものである。

前者のレーザ′の外部に焦点を変化させる素子を置く方
法の場合には、レーザ光を焦点可変素子に入れるため調
整が必要であるが、後者の場合はそれを行わなくても良
い。また、前者に比べて、後者はシステムを小型にでき
る利点がある。

また、従来の光デイスク装置においては、前述の如く、
円形の光スポットを用いて記録・再生を行っている。第
４図（ａ）に記録時のレーザパワーの時間的変化の例を
、同（ｌ〕）にディスク」二での温度分布を示す。第４
図（ａ）における低いレーザ′パワーＰ１が消去に相当
し、そのとき、同（ｂ）に示すディスク」二の温度がＴ
１以上に上昇した領域Ｗか消去領域となる。これと逆に
、高いレーザパワーＰ、は記録に相当し、そのとき、同
（ｂ）に示すディスク上の温度がＴ２以上に上昇した領
域Ｗ７が記録領域となる。ここで、消し残りのない重ね
書きを行うには、Ｗ、　＞Ｗ、で、その差か大きい方が
良いか、従来は、この差はあまり大きくとれないという
問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的と
するところは、従来の技術における上に述べたような問
題を解消し、スポット径の変化およびレーザビームの広
がり角の制御が可能な、ビーム族がり角可変半導体レー
ザ装置およびそれを用いた情報処理装置を提供すること
にある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の」二連の目的は、ｎ電極、ｎ基板、ｎクラッド
層、活性層、ｎクラッド層、ｎ基板、ｎ電極を有する半
導体レーザ装置において、前記ｎクラッド層の反射鏡以
外の面にｎ形半導体装置し、前記ｎクラッド層とｎ形半
導体との接合面に、逆バイアス電圧をかけることにより
空乏層の広がりを制御する手段を設けたことを特徴とす
るビーム族がり角可変半導体レーザ装置、ｎ電極、ｎ基
板、ｎクラッド層、活性層、ｎクラッド層、ｎ基板、ｎ
電極を有する半導体レーザ′装置において、前記ｎクラ
ッド層の反射鏡以外の面にｐ形半導体を配置し、前記ｎ
クラッド層とｎ形半導体との接合面に、逆バイアス電圧
をかけることにより空乏層の広がりを制御する手段を設
けたことを特徴とするビーム族がり角可変半導体レーザ
装置、および、これらのビーム族がり角可変半導体レー
ザ装置を光源とする光情報処理装置によって達成される
。

〔作用〕

レーザプリンタにおいて、光スポット径を変化させるこ
とができるレーザを使用すれば、前述の如く、光走査レ
ートと変調レーＩ・を増加させることなく、高品質の印
字を行うことができる。

光デイスク装置においても、光スポット径を変化させる
ことができるレーザ゛を使用し、消去時は楕円形の光ス
ポット、記録時は円形の光スポットを用いるようにすれ
ば、前述のＷ、とＷ２の差が大きく取れ、確実な重ね書
きか可能になる。

本発明に係る半導体レーザ装置においては、以下に述べ
るような原理によって、発光スポットを変化させること
ができるものである。

第１図に、本発明に係る半導体レーザ装置の発光部の拡
大図を示す。なお、第１図においては、ｎ形半導体がｎ
形半導体に挟まれている形になっているが、逆でも良い
。電極１００はレーザを発振させるための電極で、図中
に矢印で示すように電流が流れている。なお、電極２０
０と電極３００は、光スポット径を変化させるための電
極である。

上述の電極２００と電極３００には、電極１００より高
い電位を与えておく。これにより、ｎ形半導体とｎ形半
導体の接合面は逆バイアスとなり、空乏層８０が生ずる
。第１図（ａ）に示す、逆バイアス電圧が小さい場合は
、空乏層８０は小さい。これに対して、第１図（ｂ）に
示す、逆バイアス電圧が大きい場合は、空乏層８０は大
きくなる。前者のように空乏層８０が小さい場合には、
電流の流れる幅は広くなり、発光スポットは大きくなる
。また、後者のように空乏層８０が大きい場合には、電
流の流れる幅は狭くなり、発光スポットは小さくなる。

光は回折によって広がっていくので、光スポットが大き
いときはビーム族がり角は小さく、光スポットが小さい
ときはビーム族がり角は大きい。

なお、第３図（ｂ）に示した、レーザ゛自身でスポット
径変化を行う方法（Ｓ、Ｍｕｋａｊ、　ｅｔ　ａｌ、、
Ａｐｐｌ。

Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔ、ｔ、ｖｏｌ、４５（１９８９）参
照）では半導体への電流注入による屈折率変化を利用し
たレンズを、半導体レーザに接合させる技術が必要であ
るが、本発明に係るレーザ装置ではその必要がなく、容
易に製作できるという利点がある。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。なお、作用の項で述べた本発明に係るレーザ装置の詳
細な説明は後で行うこととし、ここては、まず、光源と
して本発明に係るレーザ装置を用いたレーザプリンタの
構成および動作にっいて説明する。

第５図は、本発明に係るレーザ装置を光源として用いる
レーザビームプリンタの構成図である。

図において、１は本発明に係る半導体レーザ′、２はコ
リメータレンズ、３は回転多面鏡、４は走査レンズ、５
は感光ドラム面、６はレーザスポットを示している。

第５図に示す例では、ビーム族がり角可変半導体レーザ
″１から出射された光は、コリメータレンズ２を通って
平行光束になる。平行光束を回転多面鏡３で走査し、走
査レンズ４に入れることにより、走査面である感光ドラ
ム面５上で、副走査方向に任意の径のレーザスポット６
を得ることかできる。このとき、制御装置２０からは、
印刷内容に従ってドツト密度、印刷内容等の指令がドラ
イバ回路１０に送られる。ドライバ回路１０は、制御装
置２０の指令に応じて、レーザの変調、光スポット径の
変化を行う。光スポット径は、第２図に示す如く、印刷
の濃い部分はスポット径を大きく、薄い部分はスポット
径を小さくする。

第６図は、本発明に係るレーザを光源として用いるレー
ザビームプリンタの他の構成例を示す図である。第６図
に示す実施例では、第５図に示した構成に加えて、回転
多面鏡３の回転数を制御するドライバ回路３０を設けて
いる。主走査方向にはビーム強度の変調パルス幅を調整
し、露光面積を変えることによってドツト密度の変更が
可能である。副走査方向には、光スポット径の変更と走
査線間隔の変更を行う。光スポット径の変更は、前述の
如く、ドライバ回路１０からの電圧制御によって行い、
走査線間隔の変更は、回転多面鏡３の回転数を変更する
ことによって行う。

この動作は、制御装置２０からの指令に従い、ドライバ
回路３０が、ドツト密度が上がれば、回転多面鏡３の回
転数をそれに応じて上げ、逆にドツト密度が下がれば、
回転多面鏡３の回転数をその分下げることにより行う。

このような制御により、ドツト密度を変更することがで
き、レーザの変調とスポット径制御とを合せて行えば、
図形・文字の拡大または縮小印刷が可能となり、高精細
な中間調表現等、より多彩な印刷が可能となる。

次に、本発明の他の実施例として、本発明に係るレーザ
装置を複数個用い、印字密度の切換えに応じて、複数の
レーザ光の副走査方向の間隔を切換えて平行走査するよ
うにしたレーザプリンタについて、構成と動作を説明す
る。

第７図に全体構成を示す。直線偏光光を発する二つの光
源］ａおよび１ｂを用い、かつ、それぞれの偏光方向を
略直交配置（ｐ、　ｓ）する。これらの光源１ａおよび
ｌｂから出射したレーザビームは、レンズ２ａ、２ｂ；
光路変更素子７ａ、７ｂを経由して、偏光ビームスプリ
ッタ３４に達する。

レーザビームは、偏光ビームスプリッタ３４を通過後、
はぼ同一方向に進み、回転多面鏡３と走査レンズ４を通
って、走査面上で走査線５ａおよび５ｂとして走査され
る。また、走査線５ａおよび５ｂの間隔を一定に保つた
め、ビームの一部をビーム位置検出器３２ａおよび３２
ｂに入射する。この検出器３２ａおよび３２ｂからの信
号を、差動増幅器３３ａおよび３３ｂを通し、ビーム間
隔が一定になるよう制御する。

ここで、ドツト密度を変更する場合を考える。

主走査方向には、ドツト信号に対するビーム強度の変調
パルス幅の調整により、露光面積を変え切ことによって
、ドツト密度の変更が可能である。

副走査方向のドツト密度の変更は、回転多面鏡３の回転
数を変えることに加えて、二つのビームスポット６ａお
よび６ｂの間の間隔ｄを変える必要がある。これには、
前述のビーム位置検出器３２ｂの分割の境界を、走査線
間隔に対応させて変更すれば良い。このように、複数ビ
ームを用いた場合にも、走査線間隔を変えることにより
、ドツト密度変換を行うことができる。

しかし、更に高画質の印刷を行うには、走査間隔の調整
と同時に、副走査方向のレーザスポット径を変化させる
必要がある。そこで、光源１ａおよび１ｂとして、スポ
ット径可変のレーザを用いる。ドツト密度を低くする（
ドツトを大きくする）場合には、走査線間隔ｄの広がり
に対して副走査方向のスポット径を拡大する。スポット
径の変更は、走査制御系２０ａからの指令により、ビー
ム径変調系］Ｏａおよび］Ｏｂによって、電圧制御で行
われる。

」１記実施例によれば、複数ビームによる走査を行う場
合においても、走査ビームの間隔を所定の値に変更でき
るとともに、各走査ビームのスポット径を変更する手段
を設けたので、ドツト密度の変換を行い、高画質の印刷
を行うことができる。

なお、上記実施例は、二本のビームを使用する場合を例
として説明したか、更に多数本のビームの平行走査につ
いても、同様に適用できることは言うまでもない。

次に、本発明の他の実施例として、本発明に係るレーザ
装置を光源とする光デイスク装置における記録動作を説
明する。

第８図は、本発明に係るレーザ装置を用いた光デイスク
装置の全体構成図である。図において、記号１および２
は、それぞれ、本発明に係るレーザ゛装置およびコリメ
ータレンズを示している。

スポット径可変レーザパワーｌからの光は、コリメータ
レンズ２を通って、平行光になる。この平行光は、ビー
ムスプリッタ３４．ガルバノミラ−２５で反射され、絞
り込みレンズ２３によって光デイスク２６上に集光され
る。光ディスク２６がらの反射光は、ビームスプリッタ
３４を通過し、ビームス値リッタ３５により、オートフ
ォーカス・トラッキング信号検出系３６と、再生信号検
出系３７とに分けられる。オートフォーカス制御系３８
は、オーＩ・フォーカス信号により、ディスク上に光を
収束させるべく絞り込みレンズ２３を制御する。トラッ
キング制御系３９は、トラッキング信号により、光スポ
ットがトラックから外れないようにガルバノミラ−２５
を制御する。再生信号検出系３７では、光デイスク２６
上に記録された情報を、光の強弱により検出する。

強度変調系］Ｏｄは、情報の記録再生に、レーザ制御系
２０からの指令により、第４図（ａ）に示したように、
レーザ装置１の発光強度を変調する。また、ビーム変調
系１０ｃは、同じくレーザ制御系２０からの指令により
、記録時に、低いレーザパワーのときはビーム径を半径
方向に長く、高いレーザパワーのときは円形とするよう
に、ビーム径を変調する。この結果、記録時の高いレー
ザパワーのときはディスク２６上でのスポット径は小さ
な円形で、消去時の低いレーザパワーのときはディスク
２６の半径方向に長い楕円となる。このスポット径の変
化は電気的に行われ、レーザの変調速度に十分対応でき
る。これにより、記録温度の分布の差（Ｗ、−Ｗ、）が
大きくなり、消し残りの少ない重ね書きが実現できる。

次に、本発明に係る発光スポット径可変のレーザ装置の
実例例を説明する。

第９図に、第一の実施例を示す。本実施例に示すレーザ
′装置は、ｐクラッド層５３の両側をｎ形半導体層５１
で挾んだ形になっているが、これは、逆でも良い。電極
はその上にストライプ状につけである。中央の電極１０
０はレーザを発振させるための電極、両側の電極２００
および３００はレーザの発光スポットの大きさを変化さ
せるための電極である。電流は、中央の電極ｌＯＯから
下の電極５７へ流れ、活性層５４の中央部が発光する。

一方、ｎ形半導体層５１とｐクラッド層５３のｐｎ接合
には、前述の空乏層ができる。可変電圧源１の電位を変
化させることにより、ｐｎ接合にががる逆バイアス電圧
が変化し、空乏層の広がりを変化させることができる。

逆バイアス電圧が小さいときは空乏層の広がりも小さく
、中央の電極＋００からの電流は幅広く流れる。すると
、活性層５４は横に広く発光する。逆バイアス電圧が大
きいときは空乏層の広がりも大きく、中央の電極１００
からの電流は狭く流れる。このとき、活性層５４の発光
部分は、横に狭くなる。発光部分が広い場合には光の広
がりは小さく、発光部分が狭い場合には光の広がりは太
きい。

ｐクラッド層５３と活性層５４は薄いため、ｐ形半導体
層５２がないと、大きな逆バイアス電圧をかけた場合に
、この部分が降伏現象を起こして、ｐクラッド層５３と
活性層５４を通って電流が流れてしまう。また、ウェハ
を再成長する前に、−度エッチングされた面を大気にさ
らすと、その面は欠陥を含む可能性を有することになり
、これも降伏現象の原因となる。これを防止する方法と
して、ｎ形半導体層５Ｉの下にｐ形半導体層５２をつけ
る。

この他の、上記降伏現象の防止方法としては、ｐ形半導
体層５２の代りに絶縁層を設ける方法があり、絶縁層と
しては、酸化膜、窒化膜、空気等が考えられる。空気を
絶縁層とするには、例えば、ＧａＡｓ系の場合、ｎ形半
導体層５１の代りにｎ　−ＧａＡ　］　Ａ　ｓを、ｐ形
半導体層５２の代りにｐ−ＧａＡｓを、また、ｎクラッ
ド層５３の代りにｐ−ＧａＡ、ＩＡｓを成長し、後で選
択的に　ｐ−ＧａＡＳのみをエツチングする方法等が考
えられる。

第９図に示した実施例においては、共振器全体にわたっ
て埋め込みを行い、電流の流れる幅を変化させているが
、出射端のみにその構造を持たせるたけでも効果がある
。第１０図に、共振器の一部のみを埋め込んだ構成例を
示す。層の構成は、第９図に示したものと同じである。

この構造では、中央の電極が広く取れるため、外部との
接続がやり易いという利点がある。

上述の実施例に示した構造は、クラッド層で電流の流れ
る幅を変化させる方法である。これと同じ原理で、活性
層で電流の流れる幅を変化させる構造を、第１１図に示
す。ここでは、第１図に示したものより深くエツチング
して、ｎクラッド層５５まで削っている。これに、第９
図または第１０図と同様に、電極をつけ、外側の電極の
電圧を変化させることにより、空乏層の広がりを変化さ
せる。

横方向に閉じ込めるものが無い場合、電流は広がってし
まうので、第１１図の構造の方が、第１図のものに比べ
て効果的に光スポット径を変化させることが可能である
。ここでも、埋め込み層がら下へ電流が流れないように
、ｐ形半導体層５２を設けている。なお、前に述べたよ
うに、ｐ形半導体層５２の代りに何等かの絶縁層を設け
ても良い。

上記実施例によれば、単純な構造により、半導体レーザ
自身で光スポット径および広がり角を、変化させること
ができる。

なお、上記実施例ならびに応用例は、いずれも−例を示
したものであり、本発明はこれらに限定されるものでは
ないことは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上、詳細に説明した如く、本発明によれば、スポット
径の変化およびレーザビームの広がり角の制御を行うに
好適で、かつ、製作が容易な半導体レーザ装置を実現で
きるという顕著な効果を奏するものである。

また、本発明に係る半導体レーザをレーザプリンタに適
用した場合には、中間調表現の高精細化が可能となり、
レーザの変調とスポット径制御とを合せて行えば、図形
の拡大または縮小が容易に可能となるという効果が得ら
れる。

更に、本発明に係る半導体レーザを光デイスク装置にお
ける記録に適用した場合には、トラッキングに余裕を生
じ、消し残りの少ない重ね書きか可能になるという効果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る半導体レーザの動作原理を説明す
る図、第２図はレーザプリンタにおける印刷物の濃淡表
現方法を示す図、第３図は光スポット径を変化させるた
めの光学系の説明図、第４図は光デイスク装置における
記録動作の説明図、第５図〜第７図はそれぞれ本発明に
よるビーム広がり角可変レーザを用いたレーザプリンタ
の構成例を示す図、第８図は本発明によるビーム広がり
角可変レーザを用いた光デイスク装置の構成例を示す図
、第９図、第１Ｏ図はそれぞれ本発明に係るビーム広が
り角可変レーザの詳細な構成図、第１１図はその動作を
説明する図である。 １００：Ｉ）電極、２００，３００　：電極、５ｏａｐ
キャップ層、５１：ｎ形半導体層、５２：ｎ形半導体層
、５３：ｎクラッド層、５４：活性層、５５：ｎクラッ
ド層、５６：ｎ基板、５７：ｎ電極、８０：空乏層、■
＝半導体レーザ、２：コリメータレンズ、３：回転多面
鏡、４・走査レンズ、５：感光ドラム面、６：レーザス
ポット。 （ａ） （ｂ） 濃 濃 第 図 淡 濃 淡 濃 （ａ） 第 図 （ａ） 第 図 ディスク上での位置 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ｐ電極、ｐ基板、ｐクラッド層、活性層、ｎクラッ
   ド層、ｎ基板およびｎ電極を有する半導体レーザ装置に
   おいて、前記ｐクラッド層の反射鏡以外の面にｎ形半導
   体を配置し、前記ｐクラッド層とｎ形半導体との接合面
   に、逆バイアス電圧をかけることにより空乏層の広がり
   を制御する手段を設けたことを特徴とするビーム広がり
   角可変半導体レーザ装置。 ２、ｎ電極、ｎ基板、ｎクラッド層、活性層、ｐクラッ
   ド層、ｐ基板およびｐ電極を有する半導体レーザ装置に
   おいて、前記ｎクラッド層の反射鏡以外の面にｐ形半導
   体を配置し、前記ｎクラッド層とｐ形半導体との接合面
   に、逆バイアス電圧をかけることにより空乏層の広がり
   を制御する手段を設けたことを特徴とするビーム広がり
   角可変半導体レーザ装置。 ３、前記ｐクラッド層とｎ形半導体との接合面に設けら
   れる空乏層の広がりを制御する手段を、前記半導体レー
   ザ装置の出射端のみに設けたことを特徴とする請求項１
   記載のビーム広がり角可変半導体レーザ装置。 ４、前記ｎクラッド層とｐ形半導体との接合面に設けら
   れる空乏層の広がりを制御する手段を、前記半導体レー
   ザ装置の出射端のみに設けたことを特徴とする請求項２
   記載のビーム広がり角可変半導体レーザ装置。 ５、前記ｐクラッド層とｎ形半導体との接合面に設けら
   れる空乏層の広がりを制御する手段を、前記活性層の幅
   を制限する如く設けたことを特徴とする請求項１記載の
   ビーム広がり角可変半導体レーザ装置。 ６、前記ｎクラッド層とｐ形半導体との接合面に設けら
   れる空乏層の広がりを制御する手段を、前記活性層の幅
   を制限する如く設けたことを特徴とする請求項２記載の
   ビーム広がり角可変半導体レーザ装置。 ７、レーザ光源と、該レーザ光源からの光を記録媒体上
   に結像および走査する手段を有する光情報処理装置にお
   いて、前記レーザ光源として、光スポット径可変の半導
   体レーザ装置を用いたことを特徴とする光情報処理装置
   。 ８、レーザ光源と、該レーザ光源からの光を記録媒体上
   に結像および走査する手段、および、前記記録媒体から
   の透過光または反射光から情報を読み取る手段を有する
   光情報処理装置において、前記レーザ光源として、光ス
   ポット径可変の半導体レーザ装置を用いたことを特徴と
   する光情報処理装置。 ９、前記レーザ光源として、請求項１〜６のいずれかに
   記載のビーム広がり角可変半導体レーザ装置を用いるこ
   とを特徴とする請求項７または８記載の光情報処理装置
   。