JP2008147623A - フォトニック結晶を用いた構造体、及び面発光レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】 比屈折率差が小さい系においても、Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅを起こさせる構造体を提供する。
【解決手段】 高屈折率である第１の部材１０１０に複数の孔が周期的に配列されているフォトニック結晶層１０００と、低屈折率である第２の部材１０２０とを有する構造体であって、第１の部材１０１０の上には第３の部材１０１５が形成されている。この第３の部材１０１５の屈折率は、１．０よりも大きく、また第１の部材１０００が有する屈折率よりも低い。そして、フォトニック結晶層１０００に設けられている孔の深さは、第１の部材１０１０の厚さの２０％以上８０％以下である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、フォトニック結晶を用いた構造体、及びそれを用いた面発光レーザに関する。

非特許文献１には、図８に示した形状のフォトニック結晶を用いて、Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅに関する検討がなされている。

ここで、８０００はサファイア基板であり、８０５０はフォトニック結晶層（ＧａＮ８０１０に、孔８０２０が周期的に形成されている。）であり、８０３０は、核形成層（ＡｌＮ）である。

Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅとは、屈折率周期構造を面内方向に有するフォトニック結晶の面内方向に導波している導波モードの光が、放射モードに結合することにより、フォトニック結晶の外に放射されることをいう。

このＧｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅを利用することにより、フォトニック結晶は、ミラーとして利用することができる。すなわち、フォトニック結晶の面内に対して垂直方向に入射した光がライトラインより上に位置するモードと結合することで、フォトニック結晶中を導波するモードに変換される。その後、この光が放射モードに結合することで再度フォトニック結晶外に放射される。そして、導波モードに結合せず直接反射する光と、一旦導波モードに結合して再度外部に放射される光との干渉により、特異な反射現象、例えば効率１００％の反射が起こる。

一般的には、導波モードとは、フォトニック結晶層から光が漏れないという条件を満たすモードのことをいい、放射モードとは、フォトニック結晶層から光が漏れるモードのことをいう。

また、ライトラインとは、導波層（この場合はフォトニック結晶層）に隣接する媒質中を伝播する光の分散関係を示すものである。このライトラインは、ｗ＝ｃｋ／ｎ（ｗ：角周波数、ｃ：光速、ｎ：屈折率、ｋ：波数）で定まる直線で示すことができる。一般的に、ライトラインよりも高周波数の領域は、光がフォトニック結晶から漏れやすい領域となっている。

このように、Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅを利用するミラーは、フォトニックバンドギャップを利用したミラーとは動作原理が異なるものである。

従って、図８で示されるフォトニック結晶層に垂直に入射する入射光の波長を、Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅによって反射率が著しく増大する波長域に合わせると、入射した光は高い反射率で反射されることとなる。

そして、同文献では、フォトニック結晶層８０５０（ＧａＮの屈折率は２．３７である。）に隣接するサファイア基板８０００（屈折率１．８）の屈折率が変化する場合に、Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅがどのように変化するかをシミュレーションにより考察している。
ＯＰＴＩＣＳ ＥＸＰＲＥＳＳ，ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．１７，６５６４（２００５）

図９は、横軸を周波数、縦軸を透過率として、フォトニック結晶層の屈折率を固定して、基板側の屈折率（図中のｎに対応）を変化させた場合に生じる、Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅのスペクトル変化を示したものである。

この図９により、フォトニック結晶層（屈折率ｎ_ｐｈｃ）と、それに隣接するクラッド層として機能する基板（屈折率ｎ_ｃｌａｄ）との比屈折率差△ｎ（＝（ｎ_ｐｈｃ−ｎ_ｃｌａｄ）／ｎ_ｐｈｃ）が小さくなるにつれ、Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅが生じ難くなることが分かる。

具体的には、ｎ_ｐｈｃ＝２．３７、ｎ_ｃｌａｄ＝１．８の場合（図９中のｎはｎ_ｃｌａｄに対応する。）、両者の比屈折率差は、約０．２４（約２４％）である。この場合、図９からも分かるように、Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅが生じ得る。

しかしながら、ｎ_ｐｈｃ＝２．３７、ｎ_ｃｌａｄ＝２．１３５の場合、すなわち、両者の比屈折率差が約０．１０（約１０％）以下になると、Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅが生じ難くなることが分かる。

ところで、フォトニック結晶におけるＧｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅを利用したミラーをレーザ等に適用することを考えると、フォトニック結晶層と隣接するクラッド層との屈折率差が非常に小さい条件で構成せざるを得ない場合がある。

例えば、フォトニック結晶層と、そのフォトニック結晶層と隣接する材料との間で屈折率差を確保したい場合、屈折率が低い空気をフォトニック結晶に隣接することも考えられる。しかし、このようないわゆるエアーギャップ構造は半導体の積層プロセスでは作製するのが困難である。そのため、光デバイスへの適用を考えると、空気よりも屈折率が大きい半導体材料がフォトニック結晶層に隣接している場合であってもＧｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅを生じさせるような構成が望まれる。

波長６７０ｎｍの面発光レーザにおける多層膜ミラーの代わりとして、フォトニック結晶層を用いる場合、例えば次のような構成を採ることがある。すなわち、フォトニック結晶層をＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ（屈折率３．４４６）で構成し、それに隣接するクラッド層をＡｌ_０．９３Ｇａ_０．０７Ａｓ（屈折率３．１３０）で構成することが想定される。

かかる場合の比屈折率差△ｎ（＝（ｎ_ｐｈｃ−ｎ_ｃｌａｄ）／ｎ_ｐｈｃ）は、約９．２％である。つまり、前記非特許文献１に記載の構成をそのまま適用したのでは、Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅが生じ難く、フォトニック結晶を多層膜ミラーの代わりとして使用することは難しいと考えられる。

そこで、本発明は、例えばフォトニック結晶層を構成するＧａＮ８０１０と、それに隣接するサファイア基板８０００のように、両者で比屈折率差が十分にとれない構成であっても、Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅを発揮し得る構造体、及びそれを用いた面発光レーザを提供することを目的とする。

本発明に係るフォトニック結晶層を有する構造体は、第１の屈折率（ｎ_１）を有する第１の部材に複数の孔が周期的に配列されているフォトニック結晶層と、前記第１の屈折率よりも低い第２の屈折率（ｎ_２）を有し、前記フォトニック結晶層に隣接している第２の部材と、１．０よりも大きく、前記第１の屈折率よりも低い第３の屈折率（ｎ_３）を有し、前記第１の部材の上に形成されている第３の部材とを備え、前記第１の屈折率と第２の屈折率との比屈折率差（＝（ｎ_１−ｎ_２）／ｎ_１）が０．１０以下であり、かつ、前記フォトニック結晶層に設けられている前記孔の深さは、該第１の部材の厚さの２０％以上８０％以下であることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザは、上記の構造体を含み構成される第１の反射ミラーと、前記第１の反射ミラーと対向して配置されている第２の反射ミラーと、前記第１の反射ミラーと前記第２の反射ミラーとの間に配置されている活性層とを有することを特徴とする。

本発明によれば、例えばフォトニック結晶層を構成するＧａＮ８０１０とそれに隣接するサファイア基板８０００のように、両者で比屈折率差が十分にとれない場合であっても、Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅを発揮し得る構造体、及びそれを用いた面発光レーザを提供することができる。

（第１の実施形態：ミラーとして用いる構造体）
本実施形態に係る構造体について、図１、及び図２を用いて説明する。なお、図２は、図１におけるａ−ａ’面での断面図である。

図１において、１０００は、第１の屈折率（ｎ_１）を有する第１の部材（図２の１０１０）に、周期的に配列した複数の孔を設けて構成されるフォトニック結晶層である。

そして、１０２０は、該フォトニック結晶層１０００に隣接し、該第１の屈折率（ｎ_１）よりも低い第２の屈折率（ｎ_２）を有する第２の部材としての低屈折率層である。この層は、クラッド層と呼ばれる場合もある。

本実施形態に係る構造体は、図１に記載した、フォトニック結晶層１０００の面内に対して垂直方向に入射する光を反射するように設計される。すなわち、入射光の波長に対して、Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅを生じるように設計される。この場合、フォトニック結晶層１０００の面内に対して垂直方向に入射した光は、フォトニック結晶層内を導波するモードと結合し、その後、放射モードと結合することにより外部に放射され、結果としてミラーとして機能する。

ここで、前記第１の屈折率（ｎ_１）と第２の屈折率（ｎ_２）との比屈折率差△ｎ（＝（ｎ_１−ｎ_２）／ｎ_１）は０．１０以下である。

既述のように、△ｎが０．１０以下である場合は、前記非特許文献１に示されるようにＧｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅが生じ難い。

しかし、本実施形態では、屈折率が１．０よりも大きい第３の屈折率（ｎ_３）を有する第３の部材が、前記第１の部材の上に形成されている。

図２（ａ）に示すように、第１の部材１０１０の上に第３の部材が形成されている例としては、フォトニック結晶層に形成されている孔に第３の部材１０１５が充填されている形態がある。

フォトニック結晶層の孔に何も充填されていない場合には、この部分の屈折率は、空気の屈折率である１．０である。しかし、屈折率が１．０よりも大きい第３の部材が充填されることにより、フォトニック結晶層１０００の実効屈折率（ｎ_ｅｆｆ）をあげることができる。つまり、フォトニック結晶層１０００と低屈折率層１０２０との屈折率差を大きくできる。

また、フォトニック結晶層１０００の実効屈折率を上げるために、図２（ｂ）のように構成することもできる。すなわち、孔１０１６に充填するのではなく、前記第３の部材１０１７をフォトニック結晶層１０００の上に形成するのである。なお、このことは第３の部材１０１７が第１の部材１０１０の上に形成されているとも表現することができる。このような構成においても、フォトニック結晶層１０００の実効屈折率を上げることができるのは、入射した光は、第１の部材１０１０内に完全に閉じ込められて伝播するのではなく、その両側にもエバネッセント波が染み出した状態で伝播するためである。

また、第３の部材が有する屈折率（第３の屈折率）は、第１の部材が有する屈折率（第１の屈折率）よりも小さい。第３の屈折率が第１の屈折率よりも高いと、フォトニック結晶層に光を閉じ込めることができず、Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅが生じにくくなるからである。

更に、図２（ｃ）のように、孔にも第３の部材１０１５を充填し、更にフォトニック結晶層１０００の上に、屈折率が１．０よりも大きい他の第３の部材１０１７を設けることも、より実効的な屈折率を向上させることができる点において好ましい形態である。なお、かかる場合、第３の部材１０１５と、他の第３の部材１０１７とを構成する材料は屈折率が１．０よりも大きければよく、必ずしも同一の材料である必要は無い。

前記フォトニック結晶層１０００は、面内方向に屈折率が周期的に異なることを特徴とする。本発明者らの知見によれば、第１の部材１０１０（スラブ）の厚さｔに対して、孔の深さが２０％未満では、その波長にも依存するが、面内方向の周期性に基づく影響を受け難くなる。

例えば、図３は、図２（ｃ）に示した構成で生じるＧｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅのシミュレーション結果であり、図２（ｃ）における孔の深さ依存性をスラブ厚ｔの０％から３０％の範囲で計算したものである。それぞれ（ａ）０％、（ｂ）１０％、（ｃ）２０％、（ｄ）３０％の深さに対応する。なお、第１の部材１０１０を屈折率は３．４４６、第２の部材である低屈折率層１０２０の屈折率は３．１３０、孔の周期は２５０ｎｍとする四角格子である。孔の断面形状は、半径１００ｎｍの円であるものとしている。第３の部材１０１５と他の第３の部材１０１７とは同一の材料により構成されているとし、屈折率は２．０であるとした。

同図から分かるように、孔の深さが、スラブ厚の２０％未満になると、透過スペクトル中のディップが小さくなり高反射率が得られなくなってしまうことが分かる。

また、第１の部材１０１０（スラブ）の厚さｔに対して、孔の深さｄが、スラブ厚ｔの８０％を超えてしまうと、以下のような場合に不都合となる。

スラブ（第１の部材１０１０）と、クラッド（低屈折率層１０２０）を構成する第２の部材との屈折率差が極めて小さい場合、孔の深さが深くなることに起因して、孔の体積が大きくなってしまう。これにより、一層両者の実効的な屈折率差は小さくなってしまう。つまり、孔の深さはある程度以上に深くすることはできない。

この場合、孔の深さｄがスラブ厚ｔの８０％を超えると、図４からも分かるように、Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅが起こらなくなる。なお、図４は、図３と同様に、孔の深さがスラブ厚ｔの７０％から１００％の範囲でのシミュレーション結果を示したものである。それぞれ（ａ）７０％、（ｂ）８０％、（ｃ）９０％、（ｄ）１００％の深さに対応する。

以上の点より、該第１の部材１０１０の厚さ方向における該孔の深さｄは、該第１の部材の厚さｔの２０％以上８０％以下であるのがよいことが分かる。

（第１の部材、第２の部材）
第１の部材が有する第１の屈折率ｎ_１としては、例えば１．２から４．０の範囲である。具体的な材料としては、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＧａＡｓ、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ、ＧａＮ、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ、ＩｎＰなどである。

第２の部材が有する第２の屈折率ｎ_２としては、例えば１．０から３．８の範囲である。具体的な材料としては、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ、ＡｌＡｓ、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ、ＡｌＮなどである。

比屈折率差△ｎが０．１以下となる構成としては、例えば第１の部材をＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓにより作製し、第２の部材をＡｌ_０．９３Ｇａ_０．０７Ａｓで作製する。

フォトニック結晶層に設けられる孔の形状は円、四角などである。また、格子の形としては、四角格子や三角格子などがある。

第１の部材の厚さｔは、光の導波モードや、作製条件等を考慮して決定される。例えば、１０ｎｍから１０μｍの範囲である。

第３の部材としては、屈折率が１．０より大きく、かつ、第１の部材が有する第１の屈折率よりも低い材料（第３の屈折率を有する材料）を適用できる。使用する光の波長域で透明であれば特に制限は無いが、具体的な材料としてはポリスチレン、ポリエチレン、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、フッ素樹脂、ＳｉＮ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ２、ＩＴＯ、ＧａＯなどである。勿論、第２の屈折率と第３の屈折率が等しい場合も本発明に含まれる。なお、第２の屈折率よりも、第３の屈折率を大きくすることもできる。

非特許文献１におけるＧｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅにおける波長の半値幅を推定すると、図９においては、どれも２ｎｍ以下である。しかし、Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅを利用したミラーをデバイスに適用したときのプロセスマージンを考慮すると、半値幅はより広い方が好ましく、具体的には、５ｎｍ以上あることが好ましい。

図６は、スラブの厚さと孔の深さとが等しい場合に、前述の半値幅を広げるために孔の半径ｒを徐々に大きくしていった場合の、当該半値幅の変化を示すグラフである。この計算は以下のパラメータを用いて行なったものである。
ａ＝５００ｎｍ
ｔ＝７５０ｎｍ
ｒ＝（ａ）０．０８ａ、（ｂ）０．１０ａ、（ｃ）０．１２ａ、（ｄ）０．１４ａ
ｎ_１＝３．４４６（例えば、材料Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓである。）ｎ_２＝３．２００（例えば、材料Ａｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓである。）
ここで、ａはフォトニック結晶層の格子定数（四角格子の周期に該当する。）、ｔは前記第１の部材（スラブ）の厚さ、ｒはフォトニック結晶層に設けられている孔の半径、ｎ_１は第１の部材の屈折率、ｎ_２は第２の部材（クラッド層）の屈折率である。なお、この計算において、第１の部材の上には第３の部材は設けられていない。

スラブとそれに隣接するクラッド層間の比屈折率差△ｎは、約０．０７（約７％）である。孔の半径ｒを大きくすることで、半値幅を１ｎｍ程度にまで拡大することはできるが（図６（ｃ））、それ以上に大きくしようとすると、Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ自体が生じなくなってしまうことが分かる（図６（ｄ））。

これは、孔の半径を大きくすることにより、孔が有する体積が増加し、実効的な屈折率が低下してしまうことによるものである。

図７（ａ）は、ａ、ｔ、ｎ_１、ｎ_２についての条件は図６の場合と同一にして、既述の実施形態１に包含される構成の一例として、図２（ａ）を採用したときのシミュレーション結果である。

具体的には、孔の半径ｒは２００ｎｍ、孔の深さｄは３７５ｎｍとした（即ち、フォトニック結晶層の厚さｔの５０％である。）。そして、孔に充填される材料の屈折率ｎ_３は、１．７（例えば、材料はチオウレタン系樹脂である。）とした。この図より、本実施形態で説明した構造体を用いれば、スペクトルの半値幅を５ｎｍ程度、あるいはそれ以上にすることができる。

図７（ｂ）、（ｃ）には、それぞれ、図２（ｂ）、（ｃ）の構成の場合を、図７（ａ）と同様の条件で行ったものを示した。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）どの構成でもそのスペクトルに大きな違いはなく、比屈折率差△ｎが約７％であっても、半値幅を広く保ちつつもＧｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ現象を生じさせることができることが分かる。

また、上述したシミュレーションは、文献Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ，Ｖｏｌ．６８，１５５１０１（２００３）に記載の転送行列法を用いて行っている。

（実施形態２：ＶＣＳＥＬ型面発光レーザ）
本実施形態に係る垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）に関して説明する。図５は、ＶＣＳＥＬの構成に関して、その断面図を模式的に示したものである。

５０５０は基板、５０００は下部反射ミラー（例えば、多層膜ミラーからなる。）、１０２１は下部クラッド層、５９００は活性層、５０２０は上部クラッド層である。１０１０は、フォトニック結晶層１０００を構成する第１の部材であり、１０１５は、孔へ充填される前記第３の部材としての充填材である。

フォトニック結晶層１０００に関しては、実施形態１で説明した技術事項が適用される。なお、本実施形態における上部クラッド層５０２０は、第１の実施形態における第２の部材１０２０に対応する。つまり、クラッド層５０２０は、活性層５９００に対する上部クラッド層としての役割と、フォトニック結晶層１０００に対する低屈折率層としての役割を兼ねている。

ＶＣＳＥＬ型の面発光レーザにおいては、活性層５９００において発生する光を上下のミラーで共振させ、増幅することによりレーザ発振が実現される。そして、活性層における発光波長は、活性層の材料や層構成により決まるので、上部反射ミラーとして作用するフォトニック結晶層における、Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ が、当該発光波長に対応するように設計する必要がある。

このように、上記実施形態１において説明したフォトニック結晶層１０００を、図５のように、下部反射ミラー５０００に対向して配置される上部反射ミラーとして用いることで、面発光レーザを実現できる。

下部反射ミラーは、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ／Ａｌ_ｘ’Ｇａ_１−ｘ’Ａｓ、ＧａＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＰ_１−ｙ／Ｉｎ_ｘ’Ｇａ_１−ｘ’Ａｓ_ｙ’Ｐ_１−ｙ’などの多層膜ミラーを用いる。勿論、実施形態１に示すようなフォトニック結晶を適用することもできる。

（活性層、クラッド層、基板など）
活性層５９００は、例えばＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＮ／ＩｎＧａＮなどの材料を用いた多重量子井戸構造である。

クラッド層１０２１は、例えば、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＮなどである。

基板５０５０は、例えば、ＧａＡｓ、ＧａＮなどである。

本実施形態に係るＶＣＳＥＬにおいては、光励起方式、あるいは電流注入方式により駆動することができる。同図においては、電極等は省略している。

なお、フォトニック結晶層を含み構成されるミラーを第１の反射ミラーといい、この第１の反射ミラーと対向して配置されているミラーを第２の反射ミラーということもある。この第１の反射ミラーは、上記のように上部反射ミラーとして用いてもよいし、また下部反射ミラーとして用いてもよい。

（実施形態３：ＤＦＢ型面発光レーザ）
本実施形態に係るＤＦＢ型レーザ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄ−Ｂａｃｋ Ｌａｓｅｒ）に関する面発光レーザに関して説明する。図１４は、ＤＦＢレーザの構成に関して、その断面図を模式的に示したものである。

５０５０は基板、６０００はクラッド層、１０１０は第１の部材、１０１５は第３の部材、１０００はフォトニック結晶層（光共振層ということもある。）、５９００は活性層、５０２０は上部クラッド層である。ここで、クラッド層６０００は、フォトニック結晶層１０００に対する低屈折率層（第２の部材）としての役割を兼ねている。

ＤＦＢ型の面発光レーザにおいては、活性層５９００で発生する光がフォトニック結晶層１０００に入射する。この入射した光が導波モードの光となり、フォトニック結晶層１０００の面内方向において共振をして増幅される。そして、その後、放射モードに結合されることにより、フォトニック結晶層の外に放射される。これにより、上部クラッド層５０２０からコヒーレントな光が面発光される。

すなわち、本実施形態では、実施形態２で説明した下部反射ミラー５０００が必ずしも必要ではない点が異なる。

クラッド層６０００としては、実施形態１で説明した第２の部材を用いることができる。また、基板５０５０、活性層５９００なども実施形態１で説明した材料を用いることができる。

また、本実施形態において、活性層５９００を配置する位置は、光共振層としてのフォトニック結晶層１０００に光を入射させることのできる位置であればよいが、利得を多く得るという目的から、フォトニック結晶層と近接した位置に設けることが好ましい。例えば、活性層５９００はフォトニック結晶層１０００の上に形成することもできる。また、活性層５９００はフォトニック結晶層１０００の内部に配置することもできる。

なお、上記では、クラッド層６０００を低屈折率層とすることを説明したが、基板５０５０を低屈折率層とする構成であってもよい。すなわち、基板５０５０の上にフォトニック結晶層１０００が形成されたレーザも本発明は包含する。

（実施例１：ミラー）
実施例１では、本発明を適用して構成した２次元フォトニック結晶ミラーについて説明する。図１０（ｄ）に、本実施例におけるミラーの構成を示す。

図１０（ｄ）において、１０００はＧａＮからなる層に円柱孔を正方格子状に設けて構成されたフォトニック結晶層である。層の厚さは１００ｎｍ、円柱孔の間隔は２００ｎｍ、円柱孔の半径は６０ｎｍ、円柱孔の深さは４０ｎｍ（スラブ厚さの４０％）である。円柱孔は屈折率１．７のチオウレタン系樹脂で充填されており、フォトニック結晶層の上部も同一の樹脂で構成された第３の部材１０１７により覆われている。１０２０はＡｌ_０．４Ｇａ_０．６Ｎからなる基板である。

図１１（ｄ）に、図１０（ｄ）の構成の透過スペクトル計算結果を示す。ＧａＮの屈折率は２．５４、Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ｎの屈折率は２．３２だとした。両者の比屈折率差は約８．７％である。また、計算の都合上、部材１０１７と基板１０２０の厚さは無限だとした。

図１１（ｄ）において、波長４６５ｎｍ付近に透過率が急激に落ち込む（つまり、反射率が急激に増大する）波長域が存在することが確認される。したがって、この構成は高反射率のミラーとして動作させることができる。

また、本実施例との比較のために、図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、それぞれ図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の構成について透過スペクトルを計算した結果を示す。図１０（ａ）は孔を１００ｎｍ（スラブ厚さの１００％）の深さまで設けた構成、図１０（ｂ）は図１０（ａ）に屈折率１．７の樹脂を充填した構成、図１０（ｃ）は円柱孔を４０ｎｍ（スラブ厚さの４０％）の深さまで設けた構成である。図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）においては、透過率が１０％以下（つまり反射率が９０％以上）といった高反射率の波長域は存在しない。

つまり、この構成においては、円柱孔の深さを浅くする手法と、円柱孔に樹脂を充填するという手法を単独で行なうだけでは不十分であり、２つの手法を採用することではじめてミラーとして動作させることができる。

（実施例２：ＶＣＳＥＬ）
実施例２では、本発明を適用して構成した面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）について説明する。図１２に、本実施例における面発光レーザの構成を示す。

図１２において、１０００はＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓからなる層に円柱孔を正方格子状に設けて構成されたフォトニック結晶層である。層の厚さは３０８ｎｍ、円柱孔の間隔は２０５ｎｍ、円柱孔の半径は８２ｎｍ、円柱孔の深さは１５４ｎｍ（スラブ厚さの５０％）である。円柱孔には、屈折率１．７のアクリル系樹脂１０１５が充填されており、同一材料からなる部材１０１７がフォトニック結晶層１０００の上部を満たしている。

５０２０はｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、５９００はＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ多重量子井戸活性層、１０２１はｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層である。また、５０００はｎ型Ａｌ_０．９３Ｇａ_０．０７Ａｓ／Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ−ＤＢＲからなる下部ミラー層、５０５０はＧａＡｓ基板である。１２００はリング型の上部電極、１２１０は下部電極である。

図１３に、図１２中のフォトニック結晶層の透過スペクトル計算結果を示す。波長６６９ｎｍ付近で高い反射率を有したミラーとして動作することが確認される。

下部ミラー層５０００も同様に波長６６９ｎｍ付近で高い反射率を持つように設計されている。また、フォトニック結晶層１０００と下部ミラー層５０００との間隔で決まる共振器長は、共振器中で形成される定在波の腹が活性層５９００に重なるような長さに設計されている。これらは、面発光レーザを設計する際に一般に使われる手法をそのまま適用することができる。

以上の構成により、活性層５９００で発生する光を上下のミラーで共振させ、増幅することによりレーザ発振が実現される。

本発明に係るフォトニック結晶層を説明するための斜視図である。 本発明に係るフォトニック結晶層を説明するための断面図である。 透過スペクトルの孔深さ依存性を示すグラフである。 透過スペクトルの孔深さ依存性を示すグラフである。 実施形態２に係るＶＣＳＥＬを説明するための模式図である。 透過スペクトルの孔径依存性を示すグラフである。 本発明のフォトニック結晶ミラーの透過スペクトルを示すグラフである。 非特許文献１に記載のフォトニック結晶である。 非特許文献１に記載の透過スペクトルである。 実施例１に記載のフォトニック結晶ミラーを説明する概略図である。 実施例１に記載のフォトニック結晶ミラーの透過スペクトルを示すグラフである。 実施例２に記載の面発光レーザを説明する概略図である。 実施例２に記載の面発光レーザを構成するフォトニック結晶ミラーの透過スペクトルを示すグラフである。 実施形態３に係るＤＦＢ型レーザを説明するための模式図である。

符号の説明

１０００ フォトニック結晶層
１０１０ 第１の部材
１０１５ 第３の部材
１０１６ 孔
１０１７ 第３の部材
１０２０ 第２の部材
５０００ 下部反射ミラー
５０２０ 上部クラッド層
５０５０ 基板
５９００ 活性層
６０００ クラッド層
８０００ サファイア基板
８０３０ 核形成層
８０５０ フォトニック結晶層

Claims (9)

1. フォトニック結晶層を有する構造体であって、
   第１の屈折率（ｎ_１）を有する第１の部材に複数の孔が周期的に配列されているフォトニック結晶層と、
   前記第１の屈折率よりも低い第２の屈折率（ｎ_２）を有し、前記フォトニック結晶層に隣接している第２の部材と、
   １．０よりも大きく、前記第１の屈折率よりも低い第３の屈折率（ｎ_３）を有し、前記第１の部材の上に形成されている第３の部材とを備え、
   前記第１の屈折率と第２の屈折率との比屈折率差（＝（ｎ_１−ｎ_２）／ｎ_１）が０．１０以下であり、かつ、
   前記フォトニック結晶層に設けられている前記孔の深さは、該第１の部材の厚さの２０％以上８０％以下であることを特徴とする構造体。
2. 前記第３の部材が、前記フォトニック結晶層に形成されている前記孔に充填されていることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
3. 前記第３の部材が、前記フォトニック結晶層の上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
4. 前記フォトニック結晶層の面内方向に導波した光が、該フォトニック結晶層の外に取り出されることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
5. 面発光レーザであって、
   請求項１に記載の構造体を含み構成される第１の反射ミラーと、
   前記第１の反射ミラーと対向して配置されている第２の反射ミラーと、
   前記第１の反射ミラーと前記第２の反射ミラーとの間に配置されている活性層とを有することを特徴とする面発光レーザ。
6. 前記第２の反射ミラーは請求項１に記載の構造体を含み構成されていることを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザ。
7. 面発光レーザであって、
   請求項１に記載の構造体を含み構成される光共振層と、
   前記光共振層に光を入射させることのできる位置に配置されている活性層とを有することを特徴とする面発光レーザ。
8. 前記活性層は、前記光共振層の上に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の面発光レーザ。
9. 前記活性層は、前記光共振層の内部に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の面発光レーザ。

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