JPH10209574A

JPH10209574A - マルチビーム光源装置及びその製造方法

Info

Publication number: JPH10209574A
Application number: JP9010342A
Authority: JP
Inventors: Seiya Omori; 誠也大森
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1997-01-23
Filing date: 1997-01-23
Publication date: 1998-08-07

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザービームから出射される複数のレーザ
ービームの広がり角度／出射軸を変更することで、同時
点灯した場合のレーザービーム重なりを減少し、光量検
知精度低下を防ぐ。【解決手段】マルチビーム半導体レーザー１２の後面
側の活性層幅ｂ２は、前面側の活性層幅ｂ１より非対称
に拡げられており、受光部１４へ向かうレーザービーム
の広がり角度が小さく、出射軸が互いに離間する方向へ
傾斜している。このため、受光部１４でのレーザービー
ムの重なりを減少或いは分離させることができるので、
同時点灯時のレーザービームの光量検知精度を向上させ
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、デジタル複写機、
プリンタ或いはＦａｘ等の画像形成装置の光源に用いら
れるマルチビーム光源装置及びその製造方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、マルチビーム半導体レーザーを光
源として用いた画像形成装置において、複数のビームを
個別に光量制御する方法として、感光面側へ発光エリア
の前面から出射する前面光を検出する方法（特開平７−
９６９８号、特開昭６３−１４４６５３号参照）と、感
光面と反対側へ発光エリア（活性層）の後面から出射す
る後面光を検出する方法（特開平２−４２６３９号参
照）がある。

【０００３】前面光を検出する方法では、レーザーパッ
ケージ内部に分離レンズを用いたり、外部へ出射したレ
ーザービームを光学部品で分離する必要があるため、部
品点数が増加しコストアップの要因となっていた。ま
た、レーザービームを引き回す設計が必要なため、画像
形成装置が複雑化、大型化していた。さらに、レーザー
パッケージの内部や表面に光学部品を搭載するには、非
常に高精度のレンズ搭載技術が必要なため、レーザー作
成工程が煩雑になり、マルチビーム半導体レーザーが高
価なものとなっていた。

【０００４】一方、後面光を検出する方法では、多数の
受光素子を持った受光部で直接レーザービームを検出す
ることで、画像形成装置に余分な光学部品を必要としな
いという利点が有る（特開昭５７−７８１９１号参
照）。

【０００５】しかし、マルチビーム半導体レーザーから
平行に出射されるレーザービームの間隔が１００μｍ以
下になると、受光部でレーザービームがオーバーラップ
するため、光量の分離閾値が５０％以上に増加し、個別
の光量検知精度が低下する。対応策として、受光部をで
きるだけ、マルチビーム半導体レーザーへ近接させる方
法が採用されている。これを、図６に示すマルチビーム
半導体レーザー５０と受光部５２の関係を示した概念図
で説明する。

【０００６】ここで、受光部５２を従来よく用いられる
フォトダイオードを例に採ると、受光部５２とマルチビ
ーム半導体レーザー５０との距離Ｃは１ｍｍ程度必要と
なる。それは、外部リード部と受光部５２とをワイヤー
で接合する際、ワイヤーの高さ（５００μｍ）分と、大
きさが数１００μｍΦ程度のキャピラリ分の隙間がない
と接合できないからである。この距離Ｃを１ｍｍ程度に
すると、発光点間隔Ｄが約１００μｍ以上ないと受光部
５２で２つのレーザービームを分離することができな
い。

【０００７】このため、図８に示すように、特別なレー
ザーヒートシンク５４を用いて、外部リード部５６と受
光部としてのエリアセンサ５８を電気的に接合してい
る。また、エリアセンサ５８をマルチビーム半導体レー
ザー５０へ近接させる方法もある。

【０００８】しかし、レーザーヒートシンク５４は、図
７に示すような従来タイプのレーザーヒートシンク６０
と比較して構造が複雑になり、コストアップになる。ま
た、エリアセンサ５８は、エリアセンサ５８の最小画素
サイズ（６×８μｍ）の数倍の受光部ビーム径までし
か、マルチビーム半導体レーザー５０へ近接させること
ができないため、エリアセンサ５８の画素の大きさに応
じた制限条件があり、距離Ｃの下限が決まってしまう。

【０００９】さらに、受光部としてＣＣＤ等のエリアセ
ンサ／ラインセンサを用いると、ＣＣＤセンサ感度とレ
ーザー光量は一致しないため、ＣＣＤ受光するまでにレ
ーザー光量レベルを１０の５乗から７乗程度減少させる
必要がある。従って、受光部表面に光量減衰処理をした
特殊なものを用いなければならなく、従来使用されてき
た受光素子であるフォトダイオード５２より高価なリニ
アセンサ／エリアセンサを、更に高額にする欠点を持っ
ている。

【００１０】このような問題点に対応する為、フォトダ
イオードの様な安価な単一の受光部を用いて、レーザー
ビームに順次点灯させ、個別に光量制御を行う方法も実
施されている（特公昭６３−４２４３２）。

【００１１】しかし、この方法でも、レーザービームを
複数同時点灯した場合、隣接発光ビームからの熱伝達に
よるクロストークや電気的な漏洩の影響による、発光ビ
ームの光量変動をキャンセルする事ができない。しか
も、この現像はレーザービームの発光点間隔Ｄが近づけ
ば近づくほど顕著になる傾向を持っている。

【００１２】従って、順次点灯して光量制御し、複数の
レーザービームを同時に点灯し画像形成する場合、複数
のレーザービーム間の感光体面上の電位レベルが変動
し、最終的にはプリント画像の濃度変動を発生する不具
合が避けられなかった。具体的には、複数のレーザービ
ームを連続点灯し主走査方向に対し斜め線を形成する
際、斜め線の段差部分に顕著な濃度低下ラインが発生す
る。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記事実を考
慮して、光学部品や複雑なレーザーパッケージ構造を用
いず、レーザービームから出射される複数のレーザービ
ームの広がり角度や出射軸を変更することで、同時点灯
した場合のレーザービーム重なりを減少し、光量検知精
度低下を防ぎ、複数レーザービームの同時点灯時の熱伝
導によるクロストークや電気的漏洩により発生する濃度
変動をキャンセルすることを課題とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明では、マルチビー
ム半導体レーザーの発光エリアの前面側からレーザービ
ームが感光体へ出射され、発光エリアの後面側からレー
ザービームが受光部へ出射されるようになっている。

【００１５】この後面側の発光エリアの幅は、前面側の
発光エリアの幅より拡げられており、受光部へ向かうレ
ーザービームの広がり角度が小さくなっている。このた
め、受光部でのレーザービームの重なりを減少或いは分
離させることができるので、同時点灯時のレーザービー
ムの光量検知精度を向上させることができる。また、複
数レーザービームの同時点灯時の熱伝導によるクロスト
ークや電気的漏洩により発生する濃度変動をキャンセル
することができる。

【００１６】また、前面側の発光エリアから出射される
レーザービームの出射軸に対して、後面側の発光エリア
の幅を非対称に拡げることで、後面側から出射されるレ
ーザービームの出射角度を互いに離間する方向へ傾ける
ことができる。このため、さらに、受光部でのレーザー
ビームの重なりを減少或いは分離させることができる。

【００１７】また、本発明のマルチビーム半導体レーザ
ーは、発光エリアを規定するマスクパターンを変えるだ
けでよいので、安価に製造できる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１には、本形態に係る光源装置
１０が用いられた画像形成装置の概略構成が示されてい
る。

【００１９】光源装置１０は、レーザーパッケージ内部
にマルチビーム半導体レーザー１２と受光部１４を備え
ている。画像信号に応じて、マルチビーム半導体レーザ
ー１２から前面光として出射された２つのレーザービー
ムは、ポリゴンミラー１６の偏向面１６Ａで反射偏向さ
れ、結像光学系１８を介して感光体２０の上を光走査す
るようになっている。

【００２０】また、感光体２０の上を光走査する前に、
ポリゴンミラー１８で反射偏向されたビームの一部が、
ミラー２２で反射されてＳＯＳセンサー２４に導光さ
れ、走査開始位置が検出される。

【００２１】このとき、複数のレーザービームで光走査
することによって、複数の走査線を同時に記録表示でき
るため、画像処理の高速化を図ることができる。

【００２２】次に、図２のレーザー発光状態を示す模式
図を用いてマルチビーム半導体レーザー１２を説明す
る。

【００２３】このマルチビーム半導体レーザー１２は、
横方向の屈折率光閉じ込め型ストライプ構造をもつもの
で、平行に配置された２つの活性層２６の前面からは、
感光面側へ前面光が、活性層２６の後面からは、基材２
８の上に分割して配置され光量を検知する２つの受光部
１４へ後面光が出射される。

【００２４】ここで、理解を容易にするために、図６に
示す従来タイプのマルチビーム半導体レーザー５０と比
較しながら説明する。

【００２５】従来タイプのマルチビーム半導体レーザー
５０は、前面光の水平方向広がり角度θｆ１（１／
ｅ²）と後面光の水平方向広がり角度θｂ１（１／
ｅ²）は同一になる。それは通常、マルチビーム半導体
レーザー５０内部の光増幅エリアを規定する為の活性層
幅ｂ１のストライプパターンが出射前後方向に平行かつ
前面と後面で共に一様の幅に形成されるからである。

【００２６】これにより、屈折率の異なるストライプが
一様に形成されているため、レーザー反射面で反射増幅
される光経路を最も安定化させる構造になり、発振波長
を１本に絞り込み、安定発光させる働きを持つ。この時
の活性層幅ｂ（通常２μｍ程度）と出射前後の水平方向
広がり角度θｂの関係は一般に（数式１）に示される関
係にある。（数式１） θｂ＝ｔａｎ^-1（λ／π／ｂ） θｂ：レーザー後面出射光水平方向広がり角度（１／ｅ
²）、λ：波長ｂ：活性層幅（半導体レーザ「基礎と応用」培風館ｐ１
１８抜粋、編集）正確には（数式１）の活性層幅ｂはマルチビーム半導体
レーザー端面近傍外側出射のビーム半値になるが、マル
チビーム半導体レーザー端面近傍外側出射のビーム半値
幅と活性層幅ｂはほぼ同一になるため、活性層幅ｂで
（数式１）の関係を代用する事ができる。従って、ビー
ム広がり角度θｂは活性層幅ｂに反比例する関係にな
る。

【００２７】また、非点収差ａとはレーザービームを外
から観測した場合、波面の曲率半径からビーム焦点を観
測すると、レーザー内部に焦点がある様に見える現象
で、レーザー端部からの焦点距離に対応している。一般
にどの種類の半導体レーザーでも、非点収差は存在す
る。それは、垂直方向と水平方向の２種類になる。垂直
方向はヘテロ構造の厚さ約０．１μｍの強い屈折率導波
を採用している。また、水平方向は、ストライプ幅（活
性層幅）約２μｍ程度になり、（数式１）に従い、垂直
方向の方が水平方向広がり角度より広く、非点収差は逆
の関係になる。

【００２８】このようなレーザービームを個別に分離受
光するには、マルチビーム半導体レーザー５０と受光部
５２との距離Ｃと発光点間隔Ｄとが、以下に示す（数式
２）の関係を満たす必要がある。（数式２）Ｄ／（Ｃ＋ａ）＝２ｔａｎ（θｂ÷２）Ｄ：発光点間隔、Ｃ：レーザー端面と受光部との距離、
ａ：非点収差しかしながら、従来技術の欄で説明したように、従来の
レーザーパッケージ構造ではレーザー端面から受光部ま
での距離Ｃを１．０ｍｍ以下にすることは製造上困難で
あり、また、（数式２）より距離Ｃを１．０ｍｍとして
も、発光点間隔Ｄは０．１２２ｍｍ以上必要になる。

【００２９】すなわち、従来のマルチビーム半導体レー
ザー５０では、複数のレーザービームを個別に受光部５
２で受光することは、物理的に不可能である。

【００３０】そこで、本形態のマルチビーム半導体レー
ザー１２では、（数式１）の関係に着目し、図２に示す
ように、後面光の活性層幅ｂ２を広くすることにより、
後面光の水平方向の広がり角度θｂ２を絞っている。な
お、活性層幅ｂ２には制限範囲があり、実験では、５μ
ｍ程度にすると光量変動の少ない横モード発振波長のマ
ルチビーム半導体レーザーを実現できる。

【００３１】ここで、一例として、活性層幅ｂ２を５μ
ｍにした時の水平方向広がり角度θｂ２と発光点間隔Ｄ
とを算出してみる。θｂ２は（数式１）より３°程度に
なり、発光点間隔Ｄは（数式２）より５０μｍ程度にな
り、距離Ｃを１ｍｍとしても、受光部１４で分離受光す
る事ができる。

【００３２】また、後面側の活性層幅ｂ２を広げるだけ
ではなく、前面光の出射軸Ｌ１に対して非対称に広げる
ようにストライプのパターンを斜めにすることにより、
後面光の出射軸Ｌ２の傾きが前面光の出射軸Ｌ１に対し
てθｓ傾く。これは、ストライプパターンと平行な出射
軸Ｌ１にでる波面と斜め方向に導波される波面の合成波
として、ストライプパターン出射軸に角度θｓ傾斜して
レーザービームが出力されるからである。これにより、
発光点間隔Ｄをさらに近接させても、受光部１４で重な
りのない状態でレーザービームを分離受光することがで
きる。

【００３３】このように、本形態の光源装置１０で用い
られるマルチビーム半導体レーザー１２はストライプ活
性層幅構造パターンを変更するだけでよいので、煩雑な
光学装置を用いないため、製造コストの削減を図ること
ができる。また、後面出射ビーム間の重なりが減少し、
あるいは完全に分離されるので、分離した受光部１４で
レーザービーム毎に精度の高い光量検知が可能になる。
さらに、レーザービームを複数同時点灯しても、隣接発
光ビームからの熱伝導や電気的漏洩による光量変動をキ
ャンセルする事ができ、画像の濃度変動を抑えることが
できる。また、マルチビーム半導体レーザー１２と受光
部１４の距離Ｃを近接させる必要がないので、従来型の
レーザーパッケージ構造（図７参照）で、１００μｍ以
下の近接した発光点間隔Ｄのマルチビーム半導体レーザ
ーまで対応する事ができる。

【００３４】なお、上述した例では、一部斜めストライ
プ構造パターンを用いているが、図３に示すマルチビー
ム半導体レーザー１３のように、一部方形状ストライプ
構造パターンを用いても、同様の効果が得られる。

【００３５】次に、本発明のマルチビーム半導体レーザ
ーの製造方法を説明する。本発明のマルチビーム半導体
レーザーの製造方法では、通常のマルチビーム半導体レ
ーザーの製造プロセスに追加する工程は発生しない。変
更する部分は平行に並んだ２μｍほどの活性層幅の発光
領域を規定する遮光マスクパターンを、図６に示すよう
な、マスクパターンに変更する事である。但し、この
際、活性層幅ｂ２には、横マルチモードの同時発生の光
量変動抑制のため、５μｍ以下にする必要がある。

【００３６】変更マスクパターンにより、活性層幅を規
定するプロセス方法により２種類ある。

【００３７】一つは、Ｓｉ等の不純物拡散を用いて活性
層幅を規定するプロセス方法で、ｎ−ＧａＡｓ基板上に
連続成長形成するｎ−ＡｌＧａＡｓコンファイメント層
／ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層／ＡｌＧａＡｓ活性層
（多重量子井戸型構造を含む）／ｐ−ＡｌＧａＡｓクラ
ッド層／ｐＡｌＧａＡｓコンファイメント層を形成し、
Ｃａｐ層／ＳｉＮ層を形成した後に、本形態に見られる
活性層幅を規定する変更マスクパターンを採用しＳｉＮ
パターンを形成する。この際、ＳｉＮ層はその上層に形
成するアモルファスＳｉ層のＳｉ不純物拡散の障壁とな
るので、ネガパターンの遮光マスクを用いる必要があ
る。その後、遮光マスクとフォトリソエッチングにより
ＳｉＮ不純物拡散障壁パターンを形成し、アモルファス
Ｓｉを形成し、８００℃程度のＡｓ雰囲気で熱処理する
事により、図６のような活性層パターンが形成される。

【００３８】もう一つは、ｎ−ＧａＡｓ基板上に連続成
長形成するｎ−ＡｌＧａＡｓコンペンセント層／ｎ−Ａ
ｌＧａＡｓクラッド層／ＡｌＧａＡｓ活性層（多重量子
井戸型構造を含む）／ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層／ｐ
ＡｌＧａＡｓコンペンセント層が終了した段階で、ポジ
パターンの遮光マスクを使用し、ｐＡｌＧａＡｓコンペ
ンセント層をケミカルエッチングする事で、図６のよう
な活性層パターンのメサ型のリッジ部分が形成される。
その後、リッジ埋め込み層を形成する。

【００３９】以上の２つの方法で形成された各々のマル
チビーム半導体レーザーは、以後同一の処理が行われ
る。それは、ｐ電極層形成、ｐ電極分離パターン形成／
活性層分断工程を経て、ポリッシング／ｎ電極形成／基
板分割／反射膜形成を経て、チップ分割をし、本発明の
マルチビーム半導体レーザーのチップが形成される。

【００４０】そして、ヒートシンク上にマルチビーム半
導体レーザーを搭載し、ワイヤーで電気的に接続する。
最後にレーザーパッケージを組立てれば、光源装置１０
が完成する。

【００４１】次に、受光部の製造方法を説明する。分割
された受光部１４は、通常のフォトダイオードを形成す
る方法に１つ工程を追加する事で実現できる。先ず初め
に、通常のＳｉ基板にｎ層、ｉ層、ｐ層を積層形成す
る、その後、新たにフォトリソ工程とケミカルエッチン
グにより所望の分割数に見合う数だけ、溝をほり、掘っ
た表面を絶縁するため酸化処理を行う。溝の深さはＳｉ
層に到達する深さとする。その後所定のパターン通りに
ｐ／ｎ層上に電極を着膜し、フォトリソエッチングによ
り、外付電極パターンを形成する。最後に表面の反射防
止層を形成し、分割された受光部１４が完成する。

【００４２】次に、本光源を用いた光量制御方法を説明
する。この光量制御方法は、基本的にシングルビームの
光量制御と同じだが、複数のレーザービーム毎にそれぞ
れ１対１に対応する制御部を持っている点で異なる。以
下、図４のブロック図を参照して簡単に説明する。

【００４３】マルチビーム半導体レーザー１２から個別
に分離された後面光はそれぞれ分割した受光部１４で個
別に電流に変換され、それぞれ個別のサンプルホールド
回路に電圧として変換される。

【００４４】一旦、サンプルホールドに蓄えられた電圧
は、所望の電圧と比較し、所定の電圧範囲なら、それぞ
れの発光エリアに所望の駆動電流を流し、レーザービー
ムを発光させ感光体に照射する。また、それぞれのサン
プルホールド電圧が所定の電圧範囲にはいっていなけれ
ば、一旦レーザー駆動電流を増加させ、再び個別の分割
された受光部１４でそれぞれの光量を検知し、所定の電
圧範囲になるまで繰り返すフィードバックループを形成
する。

【００４５】これは通常ＡｕｔｏＰｏｗｅｒＣｏｎ
ｔｏｒｏｌ（ＡＰＣ）動作と呼ばれ、サンプルホールド
と電圧比較部以外のレーザー駆動電流発生部分はＩＣ化
された専用ドライバを用いる。又、この光量制御のタイ
ミングは、画像エリアの外で実施している（例えば、１
枚目の紙プリントする前や２枚目の紙をプリントする
前、更に、画像１ラインを点灯する前後に画像ラインエ
リア外の、ビーム点灯以外の時間を利用する）。

【００４６】なお、図５のブロック図に示すように、１
つの個別信号比較手段４０をレーザービームの数に対応
させて増加しても構わない。この方法を取れば、所望値
１、２の様にライン間の基準電圧が変わるような、ライ
ン間同時点灯光量強度変調方式等の場合でも、同時点灯
及び単独点灯の各々について光量制御が可能となる。ま
た、本形態では、レーザービームが２つの場合で説明し
たが、２つ以上でも同様な光源装置を構成でき、別個に
光量制御することができることは無論である。

【００４７】

【発明の効果】本発明は上記構成としたので、マルチビ
ーム半導体レーザーから出射されるレーザービームの光
量を余分な光学部品を用いずに、また、レーザービーム
の発光点間隔が近接していても、個別に光量検知する事
が可能になる。このため、従来不可能であった同時点灯
時の隣接からの熱伝導や電気的漏洩による光量変動キャ
ンセルする事ができ、かつ安価でシンプルな構造にする
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本形態に係るマルチビーム光源装置が用いられ
た画像形成装置の概念図である。

【図２】本形態に係るマルチビーム光源装置の出射光模
式図である。

【図３】変形例に係るマルチビーム光源装置の出射光模
式図である。

【図４】本形態に係るマルチビーム光源装置の制御方法
を示したブロック図である。

【図５】本形態に係るマルチビーム光源装置の制御方法
の他の例を示したブロック図である。

【図６】従来のマルチビーム光源装置の出射光模式図で
ある。

【図７】通常のマルチビーム半導体レーザーのパッケー
ジ構造を示した構造図である。

【図８】エリアセンサを用いたマルチビーム半導体レー
ザーのパッケージ構造を示した構造図である。

【符号の説明】

１２マルチビーム半導体レーザー１４受光部２６活性層（発光エリア）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の発光エリアの前面側から感光体
へ、後面側から受光部へ、平行にレーザービームを出射
するマルチビーム半導体レーザーを備えたマルチビーム
光源装置において、後面側の発光エリアの幅を前面側の発光エリアの幅より
拡げたことを特徴とするマルチビーム光源装置。
【請求項２】複数の発光エリアの前面側から感光体
へ、後面側から受光部へ、平行にレーザービームを出射
するマルチビーム半導体レーザーを備えたマルチビーム
光源装置において、前面側の発光エリアから出射されるレーザービームの出
射軸に対して、後面側の発光エリアの幅を非対称に拡げ
たことを特徴とするマルチビーム光源装置。
【請求項３】請求項１に記載のマルチビーム光源装置
の製造方法において、マスキングによるエッチング或いはＳｉ不純物拡散を用
いて、後面側の発光エリアの幅を拡げるマスクパターン
に変更することを特徴とするマルチビーム光源装置の製
造方法。
【請求項４】請求項２に記載のマルチビーム光源装置
の製造方法において、マスキングによるエッチング或いはＳｉ不純物拡散を用
いて、前面側の発光エリアから出射されるレーザービー
ムの出射軸に対して、後面側の発光エリアの幅を非対称
に拡げるマスクパターンに変更することを特徴とするマ
ルチビーム光源装置の製造方法。