JP2008311625A - 面発光レーザ素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】発光効率をより一層向上させることができ、設計の自由度を大きくすることが可能となる面発光レーザ素子を提供する。
【解決手段】活性層１０３と、該活性層に隣接して配置されるフォトニック結晶層と、該フォトニック結晶層上に設けられた電極１０８と、電極によって規定された複数の出射領域と、を有する面発光レーザ素子であって、
前記フォトニック結晶層が、
前記電極の直下部分に設けられ、且つ面内方向に光を共振させる屈折率周期構造による第１のフォトニック結晶領域１０４と、
前記出射領域の直下に設けられ、且つ面垂直方向に光を放射させる屈折率周期構造による第２のフォトニック結晶領域１０５と、を含み構成されている。
【選択図】 図１
【解決手段】活性層１０３と、該活性層に隣接して配置されるフォトニック結晶層と、該フォトニック結晶層上に設けられた電極１０８と、電極によって規定された複数の出射領域と、を有する面発光レーザ素子であって、
前記フォトニック結晶層が、
前記電極の直下部分に設けられ、且つ面内方向に光を共振させる屈折率周期構造による第１のフォトニック結晶領域１０４と、
前記出射領域の直下に設けられ、且つ面垂直方向に光を放射させる屈折率周期構造による第２のフォトニック結晶領域１０５と、を含み構成されている。
【選択図】 図１
Description
本発明は、面発光レーザ素子に関するものである。
近年、面発光レーザ素子が盛んに研究されている。面発光レーザは、集積化アレイ化が容易であり、また外部光学系との結合効率が優れているなどの利点を有している。
そのため、通信、電子写真、センシングなどの分野に応用が期待されている。特に、赤外線短距離通信などの通信分野においては、すでに実用化されている。
そのため、通信、電子写真、センシングなどの分野に応用が期待されている。特に、赤外線短距離通信などの通信分野においては、すでに実用化されている。
面発光レーザにはいくつかの種類が存在するが、その中の一つとして、基板に平行な方向に光を共振させ、発振したレーザ光を、基板に垂直方向に回折させて取り出すことで面発光機能を持たせるレーザ素子がある。
このような回折型面発光レーザとして、特許文献１には、２次元フォトニック結晶の２次回折効果を用いた発明が開示されている。
この発明においては、半導体レーザの活性層近傍にフォトニック結晶を導入し、活性層内部で発光した光をフォトニック結晶の２次回折効果により面内方向で発振させる。
そして、発振したレーザ光を、同一フォトニック結晶の１次回折により、面垂直方向に取り出すように構成されている。
特開２０００―３３２３５１号公報
このような回折型面発光レーザとして、特許文献１には、２次元フォトニック結晶の２次回折効果を用いた発明が開示されている。
この発明においては、半導体レーザの活性層近傍にフォトニック結晶を導入し、活性層内部で発光した光をフォトニック結晶の２次回折効果により面内方向で発振させる。
そして、発振したレーザ光を、同一フォトニック結晶の１次回折により、面垂直方向に取り出すように構成されている。
最近においては、より一層、性能の高い面発光レーザの開発が強く望まれており、上記した従来例における特許文献１のような回折型面発光レーザ素子においても、レーザの設計自由度、発光効率などの点で、更なる性能向上の余地がある。
本発明は、上記課題に鑑み、発光効率をより一層向上させることができ、設計の自由度を大きくすることが可能となる面発光レーザ素子を提供することを目的とするものである。
本発明は、以下のような構成の面発光レーザ素子を提供するものである。
本発明の面発光レーザ素子は、活性層と、該活性層に隣接して配置されるフォトニック結晶層と、該フォトニック結晶層上に設けられた電極と、光を放出する出射領域と、を有する面発光レーザ素子であって、
前記フォトニック結晶層は２次元の屈折率周期構造を有し、かつ、
前記電極の下に設けられ、面内方向に光を共振させる屈折率周期構造による第１のフォトニック結晶領域と、
前記出射領域の下に設けられ、面垂直方向に光を放射させる屈折率周期構造による第２のフォトニック結晶領域と、
を含み構成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザ素子は、前記第２のフォトニック結晶領域がフォトニックバンドのΓ点におけるモードを有するフォトニック結晶により構成されており、
前記第１のフォトニック結晶領域は該フォトニックバンドのΓ点以外のフォトニックバンド端で、光すいよりも下に存在するモードを有するフォトニック結晶により構成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザ素子は、前記第１のフォトニック結晶領域と、前記第２のフォトニック結晶領域が同一のフォトニック結晶層に設けられていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザ素子は、前記第１のフォトニック結晶領域と、前記第２のフォトニック結晶領域は異なるフォトニック結晶層に設けられており、
前記第１のフォトニック結晶領域と、前記第２のフォトニック結晶領域は前記面垂直方向に分離して形成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザ素子は、前記出射領域が２以上設けられていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザ素子は、前記フォトニック結晶が、媒質に円柱状の空孔を４角格子状に設けた構造を有し、
前記第１のフォトニック結晶領域の格子定数が第２のフォトニック結晶領域の格子定数の√２分の１であり、互いの結晶方位が４５°回転していることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザ素子は、前記フォトニック結晶が、媒質に円柱状の空孔を３角格子状に設けた構造を有し、
前記第１のフォトニック結晶領域の格子定数が第２のフォトニック結晶領域の格子定数の√３分の１であり、互いの結晶方位が３０°回転していることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザ素子は、前記フォトニック結晶が、媒質に円柱状の空孔を４角格子、または４角格子状に設けた構造を有し、
前記第１のフォトニック結晶領域の格子定数が第２のフォトニック結晶領域の格子定数の２分の１であり、結晶方位が互いに等しいことを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザ素子は、前記第１または第２のフォトニック結晶領域の境界に、反射率制御構造が構成されていることを特徴とする。
本発明の面発光レーザ素子は、活性層と、該活性層に隣接して配置されるフォトニック結晶層と、該フォトニック結晶層上に設けられた電極と、光を放出する出射領域と、を有する面発光レーザ素子であって、
前記フォトニック結晶層は２次元の屈折率周期構造を有し、かつ、
前記電極の下に設けられ、面内方向に光を共振させる屈折率周期構造による第１のフォトニック結晶領域と、
前記出射領域の下に設けられ、面垂直方向に光を放射させる屈折率周期構造による第２のフォトニック結晶領域と、
を含み構成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザ素子は、前記第２のフォトニック結晶領域がフォトニックバンドのΓ点におけるモードを有するフォトニック結晶により構成されており、
前記第１のフォトニック結晶領域は該フォトニックバンドのΓ点以外のフォトニックバンド端で、光すいよりも下に存在するモードを有するフォトニック結晶により構成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザ素子は、前記第１のフォトニック結晶領域と、前記第２のフォトニック結晶領域が同一のフォトニック結晶層に設けられていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザ素子は、前記第１のフォトニック結晶領域と、前記第２のフォトニック結晶領域は異なるフォトニック結晶層に設けられており、
前記第１のフォトニック結晶領域と、前記第２のフォトニック結晶領域は前記面垂直方向に分離して形成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザ素子は、前記出射領域が２以上設けられていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザ素子は、前記フォトニック結晶が、媒質に円柱状の空孔を４角格子状に設けた構造を有し、
前記第１のフォトニック結晶領域の格子定数が第２のフォトニック結晶領域の格子定数の√２分の１であり、互いの結晶方位が４５°回転していることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザ素子は、前記フォトニック結晶が、媒質に円柱状の空孔を３角格子状に設けた構造を有し、
前記第１のフォトニック結晶領域の格子定数が第２のフォトニック結晶領域の格子定数の√３分の１であり、互いの結晶方位が３０°回転していることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザ素子は、前記フォトニック結晶が、媒質に円柱状の空孔を４角格子、または４角格子状に設けた構造を有し、
前記第１のフォトニック結晶領域の格子定数が第２のフォトニック結晶領域の格子定数の２分の１であり、結晶方位が互いに等しいことを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザ素子は、前記第１または第２のフォトニック結晶領域の境界に、反射率制御構造が構成されていることを特徴とする。
本発明によれば、発光効率をより一層向上させることができ、設計の自由度を大きくすることが可能となる面発光レーザ素子を実現することができる。
つぎに、本発明の実施の形態における面発光レーザ素子について説明する。
図１に、本実施の形態のレーザ素子を説明する概念図を示すが、本発明はこれらの構成に限定されるものではない。
図１において、１０１は基板、１０２は下部クラッド層、１０６は上部クラッド層、１０３は活性層である。また、１０９はフォトニック結晶層、１０４は第１の周期構造による領域、１０５は第２の周期構造による領域、１０７は下電極、１０８は上電極である。
図１に、本実施の形態のレーザ素子を説明する概念図を示すが、本発明はこれらの構成に限定されるものではない。
図１において、１０１は基板、１０２は下部クラッド層、１０６は上部クラッド層、１０３は活性層である。また、１０９はフォトニック結晶層、１０４は第１の周期構造による領域、１０５は第２の周期構造による領域、１０７は下電極、１０８は上電極である。
本実施の形態においては、活性層と、該活性層に隣接して配置されるフォトニック結晶層と、該フォトニック結晶層上に設けられた電極と、光を放出する出射領域と、を有する面発光レーザ素子を構成するに際し、
フォトニック結晶層として、２次元の屈折率周期構造（２次元フォトニック結晶）を用いる。
フォトニック結晶は、材料に光の波長オーダーで屈折率周期をもたせた構造物であり、設計パラメータを制御することで、結晶中を伝搬する光を制御できる。
フォトニック結晶は屈折率周期が設けられている方向により、１次元、２次元、３次元に分けることができる。
本実施の形態ではこの中でも２次元のフォトニック結晶を用いる。
フォトニック結晶層として、２次元の屈折率周期構造（２次元フォトニック結晶）を用いる。
フォトニック結晶は、材料に光の波長オーダーで屈折率周期をもたせた構造物であり、設計パラメータを制御することで、結晶中を伝搬する光を制御できる。
フォトニック結晶は屈折率周期が設けられている方向により、１次元、２次元、３次元に分けることができる。
本実施の形態ではこの中でも２次元のフォトニック結晶を用いる。
２次元フォトニック結晶の例には、例えば良く知られているものとして、図２にあるような、薄い平板状の媒質２０１に、周期的に空孔２０２を設けたものがある。これは、エアーホール型のスラブ型フォトニック結晶と呼ばれている。
この２次元フォトニック結晶を半導体レーザの活性層付近に設けることで、フォトニック結晶を面内方向の共振ミラーとして、および、発振光を面に対して垂直方向に回折させる回折格子として用いることができる。
この２次元フォトニック結晶を半導体レーザの活性層付近に設けることで、フォトニック結晶を面内方向の共振ミラーとして、および、発振光を面に対して垂直方向に回折させる回折格子として用いることができる。
具体的には、本実施の形態における面発光レーザ素子は、以下のように面発光する。
レーザ素子の活性層から発した光は、主に活性層に閉じ込められながら、近傍のフォトニック結晶層にも一部が閉じ込められる。
フォトニック結晶層の光は、屈折率の周期構造により面内方向に回折・共振し、活性層の利得により発振する。この際、屈折率の周期に対して、共振条件の最もよいモードおよび波長の光のみが、レーザ発振する。
発振したレーザ光は、フォトニック結晶により面垂直方向に回折を受け、面発光する。
前述した特許文献１には、このような原理で駆動する面発光レーザ素子について記述されている。
本実施の形態においては、活性層付近に設けられているフォトニック結晶層が、機能的に２つ以上の領域に分かれていることを特徴とする。
すなわち、面内方向に光を共振させる領域（第１のフォトニック結晶領域）と、面垂直方向に光を放射させる領域（第２のフォトニック結晶領域）とに分離されていることを特徴とするものである。
レーザ素子の活性層から発した光は、主に活性層に閉じ込められながら、近傍のフォトニック結晶層にも一部が閉じ込められる。
フォトニック結晶層の光は、屈折率の周期構造により面内方向に回折・共振し、活性層の利得により発振する。この際、屈折率の周期に対して、共振条件の最もよいモードおよび波長の光のみが、レーザ発振する。
発振したレーザ光は、フォトニック結晶により面垂直方向に回折を受け、面発光する。
前述した特許文献１には、このような原理で駆動する面発光レーザ素子について記述されている。
本実施の形態においては、活性層付近に設けられているフォトニック結晶層が、機能的に２つ以上の領域に分かれていることを特徴とする。
すなわち、面内方向に光を共振させる領域（第１のフォトニック結晶領域）と、面垂直方向に光を放射させる領域（第２のフォトニック結晶領域）とに分離されていることを特徴とするものである。
以下、本実施の形態におけるフォトニック結晶層の機能について説明する。
本実施形態では、例示的に屈折率３．４５の媒質に、円柱状の空孔を四角格子状に設けた場合について説明する。
円柱の高さは１００〜２００ｎｍオーダーで小さく、円柱部以外（つまり２次元フォトニック結晶の高屈折率媒質部と、隣接クラッドを含んだ領域）は、屈折率３．４５の媒質でできている。クラッド層は厚く１〜２μｍである。
図３は、図１の位置にＰｈＣを導入した場合の、有効屈折率近似を用いて計算したフォトニックバンドを示す図である。
フォトニックバンド図とは、結晶中を伝搬する格子の運動量空間における周波数分散の様子を示したものである。
図３において、Γ点における共振モードは、面内方向の共振に加え、面垂直方向にも１次回折するため、フォトニック結晶面内で共振、発振したレーザ光が面垂直方向へ取り出される。通常はこのモードをレーザ発振に用いる。
しかし、Γ点以外で対称性の高い他の点（Ｘ点、Ｍ点）のうち、フォトニックバンド中の光すい（図３の点線）より下に存在するモード（図３の丸で囲まれた領域：３０１と３０２）においては、共振は面内方向に起こるのみであり、垂直方向に光は取り出されない。
面垂直方向の回折は、レーザ光を面発光させる際には重要であるが、発振のための面内共振においては損失となるため、レーザ発振時には面内のみで共振させたほうが効率がよい。
本実施形態では、例示的に屈折率３．４５の媒質に、円柱状の空孔を四角格子状に設けた場合について説明する。
円柱の高さは１００〜２００ｎｍオーダーで小さく、円柱部以外（つまり２次元フォトニック結晶の高屈折率媒質部と、隣接クラッドを含んだ領域）は、屈折率３．４５の媒質でできている。クラッド層は厚く１〜２μｍである。
図３は、図１の位置にＰｈＣを導入した場合の、有効屈折率近似を用いて計算したフォトニックバンドを示す図である。
フォトニックバンド図とは、結晶中を伝搬する格子の運動量空間における周波数分散の様子を示したものである。
図３において、Γ点における共振モードは、面内方向の共振に加え、面垂直方向にも１次回折するため、フォトニック結晶面内で共振、発振したレーザ光が面垂直方向へ取り出される。通常はこのモードをレーザ発振に用いる。
しかし、Γ点以外で対称性の高い他の点（Ｘ点、Ｍ点）のうち、フォトニックバンド中の光すい（図３の点線）より下に存在するモード（図３の丸で囲まれた領域：３０１と３０２）においては、共振は面内方向に起こるのみであり、垂直方向に光は取り出されない。
面垂直方向の回折は、レーザ光を面発光させる際には重要であるが、発振のための面内共振においては損失となるため、レーザ発振時には面内のみで共振させたほうが効率がよい。
以上のような理由から、本実施形態においては、面内方向に光を共振させる領域（第１のフォトニック結晶領域）と、面垂直方向に光を放射させる領域（第２のフォトニック結晶領域）とにフォトニック結晶が機能分離されている。
そして、第１のフォトニック結晶領域は電極の下に設け、第２のフォトニック結晶領域は出射領域の直下に設けられている。
図１でみると、面内共振専用の領域である第１のフォトニック結晶領域１０４（以下、「領域１０４」ともいう。）に相当する。また、面垂直方向回折を重視した領域である第２のフォトニック結晶領域１０５（以下、「領域１０５」ともいう。）に相当する。
従って、第１の周期構造による領域１０４は上述のΓ点以外のフォトニックバンド端で、光すいよりも下に位置するモードに当たるフォトニック結晶、第２の周期構造による領域１０５にはΓ点におけるモードのフォトニック結晶を設ける。
このような構成を採ることで、より高効率にレーザ発振させることができる。
また、面内共振および面垂直方向回折の２つの条件を、それぞれ別々のフォトニック結晶に振り分けることにより、それぞれの条件のみに最適化したパラメータでレーザ素子、フォトニック結晶を設計することが可能になり、設計の自由度が大きくなる。
そして、第１のフォトニック結晶領域は電極の下に設け、第２のフォトニック結晶領域は出射領域の直下に設けられている。
図１でみると、面内共振専用の領域である第１のフォトニック結晶領域１０４（以下、「領域１０４」ともいう。）に相当する。また、面垂直方向回折を重視した領域である第２のフォトニック結晶領域１０５（以下、「領域１０５」ともいう。）に相当する。
従って、第１の周期構造による領域１０４は上述のΓ点以外のフォトニックバンド端で、光すいよりも下に位置するモードに当たるフォトニック結晶、第２の周期構造による領域１０５にはΓ点におけるモードのフォトニック結晶を設ける。
このような構成を採ることで、より高効率にレーザ発振させることができる。
また、面内共振および面垂直方向回折の２つの条件を、それぞれ別々のフォトニック結晶に振り分けることにより、それぞれの条件のみに最適化したパラメータでレーザ素子、フォトニック結晶を設計することが可能になり、設計の自由度が大きくなる。
これらバンド図中におけるモードの選択は、フォトニック結晶の格子定数、空孔半径などのパラメータを適切に設計することにより、行うことができる。
また、共振光の運動量ベクトルの方向を合わせる必要があるため、フォトニック結晶の周期構造の方向は適宜調整する必要がある。
またこのとき、フォトニック結晶の境界部での結合効率は１００％にはならず、一部の光が界面で反射される。
但し、このような場合、境界面から領域１０４へと反射する伝搬光の成分の位相が、領域１０４内で共振している光の位相と合致することが好ましい。
また、共振光の運動量ベクトルの方向を合わせる必要があるため、フォトニック結晶の周期構造の方向は適宜調整する必要がある。
またこのとき、フォトニック結晶の境界部での結合効率は１００％にはならず、一部の光が界面で反射される。
但し、このような場合、境界面から領域１０４へと反射する伝搬光の成分の位相が、領域１０４内で共振している光の位相と合致することが好ましい。
さらに、領域１０４と領域１０５の境界において、反射率制御構造を構成することにより、境界での反射率を制御することが可能である。
この場合にも、境界面から領域１０４へと反射する伝搬光の位相は、領域１０４での共振光と合致することが好ましい。
このとき、設けることのできる反射率制御構造としては、以下のような形態を採り得る。例えば、２つの領域の境界面における平面内に、直線または曲線状の一層の溝を掘り、そこに屈折率の異なる媒質を充填し、その幅、屈折率差で反射率を調整する形態を採ることができる。
または、それらの溝を複数、光の１／４波長ごとに設けることで、反射率を調整する方法などがある。
この場合にも、境界面から領域１０４へと反射する伝搬光の位相は、領域１０４での共振光と合致することが好ましい。
このとき、設けることのできる反射率制御構造としては、以下のような形態を採り得る。例えば、２つの領域の境界面における平面内に、直線または曲線状の一層の溝を掘り、そこに屈折率の異なる媒質を充填し、その幅、屈折率差で反射率を調整する形態を採ることができる。
または、それらの溝を複数、光の１／４波長ごとに設けることで、反射率を調整する方法などがある。
また、領域１０４の境界のうち、領域１０５と接している以外の部位（例えばメサ加工した時の外壁との境界）に光の漏れを防止する機構がないため、領域１０４のさらに外側の部分に反射機構、もしくは反射防止機構を設けることが好ましい。
フォトニック結晶部位に光学厚さλ／２以外の（λ／２は反射なので）溝を設けることにより反射機構を構成することができる。
また、反射用のフォトニック結晶、グレーティング構造で領域１０４の周囲を囲むことにより反射機構を構成することができる。
また、光学厚λ／２となるように溝を設けることにより、反射防止機構を構成することができる。
フォトニック結晶部位に光学厚さλ／２以外の（λ／２は反射なので）溝を設けることにより反射機構を構成することができる。
また、反射用のフォトニック結晶、グレーティング構造で領域１０４の周囲を囲むことにより反射機構を構成することができる。
また、光学厚λ／２となるように溝を設けることにより、反射防止機構を構成することができる。
本実施の形態における屈折率周期構造（フォトニック結晶）は、２次元のものを使用しており、光が２次元的に多方向に導波する。
そのため、上記のような構成を採ったとき、領域１０５に対して２以上の多方向から発振光が均等に供給される。
それに対して、１次元周期構造では２方向から光が供給されるのみである。従って、２次元の方が１次元より光の取り出し効率は上がる。
さらに、領域１０５が領域１０４の端の方にあり、一方向、あるいは２方向からの光の供給路がたたれているようなとき、２次元の周期構造を用いることにより、他の残りの供給路を用いることができる。
したがって、１次元よりも発振光が有効に領域１０５に供給される構成をとることができる。
また、本質的に１次元周期構造においては、活性層より周期構造の方向以外に放射される自然発光は、すべて発振に寄与しない損失となる。
２次元周期構造においては多方向にフィードバックが起こることで、損失が軽減されるため、１次元周期構造よりも効率が向上する。
そのため、上記のような構成を採ったとき、領域１０５に対して２以上の多方向から発振光が均等に供給される。
それに対して、１次元周期構造では２方向から光が供給されるのみである。従って、２次元の方が１次元より光の取り出し効率は上がる。
さらに、領域１０５が領域１０４の端の方にあり、一方向、あるいは２方向からの光の供給路がたたれているようなとき、２次元の周期構造を用いることにより、他の残りの供給路を用いることができる。
したがって、１次元よりも発振光が有効に領域１０５に供給される構成をとることができる。
また、本質的に１次元周期構造においては、活性層より周期構造の方向以外に放射される自然発光は、すべて発振に寄与しない損失となる。
２次元周期構造においては多方向にフィードバックが起こることで、損失が軽減されるため、１次元周期構造よりも効率が向上する。
さらに、図１において領域１０５の下方の活性層については、光の吸収層として働くため、活性領域を取り除いておくことがレーザ素子の効率上好ましい形態である。
また、図１では活性層に対して上側に、領域１０４と領域１０５が設けられているフォトニック結晶層が形成されているが、活性層に対して下側に設けることもできる。
さらに、このフォトニック結晶層を、活性層の上側と下側の両方に２つ以上設けることも可能である。
また、領域１０４、領域１０５のフォトニック結晶をそれぞれ同一平面でない層に設けることも可能である。例えば、領域１０４を活性層の下側、領域１０５を活性層の上側に配置する構成などが考えられる。この構成に関しては、実施例２にて後述する。
また、光回折部である領域１０５を、互いに独立して２つ以上設けるように構成することができる。
それぞれの開口部から放射される光は、領域１０５の内部で位相整合しており、どの開口からも同位相で放射するため、モニタリング用の光として用いること等が可能となる。この構成に関しては、実施例３にて後述する。
また、図１では活性層に対して上側に、領域１０４と領域１０５が設けられているフォトニック結晶層が形成されているが、活性層に対して下側に設けることもできる。
さらに、このフォトニック結晶層を、活性層の上側と下側の両方に２つ以上設けることも可能である。
また、領域１０４、領域１０５のフォトニック結晶をそれぞれ同一平面でない層に設けることも可能である。例えば、領域１０４を活性層の下側、領域１０５を活性層の上側に配置する構成などが考えられる。この構成に関しては、実施例２にて後述する。
また、光回折部である領域１０５を、互いに独立して２つ以上設けるように構成することができる。
それぞれの開口部から放射される光は、領域１０５の内部で位相整合しており、どの開口からも同位相で放射するため、モニタリング用の光として用いること等が可能となる。この構成に関しては、実施例３にて後述する。
以上においては、フォトニック結晶が高屈折率の媒質に低屈折率の媒質（空孔）を設けた構成例のみを説明したが、低屈折率媒質中に高屈折率媒質が周期的に導入されたものであってもよい。
高屈折率媒質に導入する低屈折率媒質は、例えば、平面内に、４角格子を組んでいるもの、３角格子を組んでいるもの、同心円上に広がっているもの、等の構成を採ることができる。
あるいは、準結晶構造をとっているもの、ある一定以内の距離をおいて全くランダムに導入されているもの、等さまざまな構成を採ることができる。
また、低誘電率媒質の形状は、円柱形、４角柱形、３角柱形、楕円柱形などの形状を取ることができる。
また、以上の構成は、高屈折率媒質、低屈折率媒質の２つの媒質を用いた場合を考えたが、更に両者と異なる第３、第４の媒質を導入した場合にも、拡張して考えることができる。
あるいは、準結晶構造をとっているもの、ある一定以内の距離をおいて全くランダムに導入されているもの、等さまざまな構成を採ることができる。
また、低誘電率媒質の形状は、円柱形、４角柱形、３角柱形、楕円柱形などの形状を取ることができる。
また、以上の構成は、高屈折率媒質、低屈折率媒質の２つの媒質を用いた場合を考えたが、更に両者と異なる第３、第４の媒質を導入した場合にも、拡張して考えることができる。
さらに、フォトニック結晶領域を構成する材料について説明する。
フォトニック結晶は、半導体、誘電体、金属などの材料で構成することが可能である。
また、導電性を有する透明導電媒質などを用いることもできる。フォトニック結晶は、これらの材料のうち、任意の異なる２種類以上の材料を周期的に配置することで構成することができる。
但し、電流注入により素子を駆動する場合には、組み合わせる材料のうち、少なくとも１つは導電性を有する半導体、金属、透明導電媒質であることが好ましい。
フォトニック結晶領域の位置については、可能な限り活性層に近い構成（隣接した構成）が好ましい。すなわち、活性層から放出される光と結合できる位置にフォトニック結晶を備える必要がある。
また、活性層自体がフォトニック結晶を兼ねている場合は構成上最も好ましい。
フォトニック結晶は、半導体、誘電体、金属などの材料で構成することが可能である。
また、導電性を有する透明導電媒質などを用いることもできる。フォトニック結晶は、これらの材料のうち、任意の異なる２種類以上の材料を周期的に配置することで構成することができる。
但し、電流注入により素子を駆動する場合には、組み合わせる材料のうち、少なくとも１つは導電性を有する半導体、金属、透明導電媒質であることが好ましい。
フォトニック結晶領域の位置については、可能な限り活性層に近い構成（隣接した構成）が好ましい。すなわち、活性層から放出される光と結合できる位置にフォトニック結晶を備える必要がある。
また、活性層自体がフォトニック結晶を兼ねている場合は構成上最も好ましい。
半導体で用いることができる材料としては、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体およびそれらの任意の混晶などがある。
また、これら以外に、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＯなどのＩＩ−ＶＩ族半導体およびそれら任意の混晶などがある。また、各種有機半導体なども使用可能である。
誘電体ではＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎｂ2Ｏ5、ＣｅＯ2、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2など多くの材料が可能である。
金属ではＡｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｃｏなどあらゆる固体金属結晶が可能である。
また、透明導電媒質としては、透明導電性酸化物であるＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ ）、ＳｎＯ2、Ｉｎ2Ｏ3、ＺｎＯなどがある。フォトニック結晶ミラーの構成材料としては、発振波長に対して透明、もしくは吸収の少ない媒質であることが好ましい。
従って、発振波長に対して透明な半導体、または誘電体が好ましい。
また、これら以外に、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＯなどのＩＩ−ＶＩ族半導体およびそれら任意の混晶などがある。また、各種有機半導体なども使用可能である。
誘電体ではＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎｂ2Ｏ5、ＣｅＯ2、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2など多くの材料が可能である。
金属ではＡｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｃｏなどあらゆる固体金属結晶が可能である。
また、透明導電媒質としては、透明導電性酸化物であるＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ ）、ＳｎＯ2、Ｉｎ2Ｏ3、ＺｎＯなどがある。フォトニック結晶ミラーの構成材料としては、発振波長に対して透明、もしくは吸収の少ない媒質であることが好ましい。
従って、発振波長に対して透明な半導体、または誘電体が好ましい。
本実施の形態における電極の構成、および活性層へのキャリア注入方法について説明する。
本実施形態においては、アノード、カソード１対の電極を有し、該電極からの電流注入により、活性層へのキャリア注入を行う。
電極は、光の発光方向（この方向を今後上方と表現することにする）では、領域１０４をすべて覆っている。
そして、領域１０５の上方では、電極は設けられず開口となっている。光の発振方向と逆方向（今後下方と表現する）では、開口は設けられない。
このような構成をとることにより、発振専用の領域１０４に効率的にキャリアを供給することができると同時に、回折用の領域１０５からの放射光を遮らずに放射させることができる。
本実施形態においては、アノード、カソード１対の電極を有し、該電極からの電流注入により、活性層へのキャリア注入を行う。
電極は、光の発光方向（この方向を今後上方と表現することにする）では、領域１０４をすべて覆っている。
そして、領域１０５の上方では、電極は設けられず開口となっている。光の発振方向と逆方向（今後下方と表現する）では、開口は設けられない。
このような構成をとることにより、発振専用の領域１０４に効率的にキャリアを供給することができると同時に、回折用の領域１０５からの放射光を遮らずに放射させることができる。
電極を構成する材料としては、従来の半導体レーザプロセスなどで用いられている材料をはじめとし、あらゆる金属材料を用いることが可能である。
例えば、ＧａＡｓのｎ電極には、Ａｕ−Ｇｅ−Ｎｉ、Ａｕ−Ｇｅ−Ｐｔ、ｐ電極にはＡｇ−Ｚｎ、Ａｕ−Ｚｎなどの材料が用いられる。
また、金属以外にも、ＩＴＯ、ＳｎＯ2、ＩｎＯ2などの、導電性を有する透明酸化物材料などを電極に用いることも可能である。
例えば、ＧａＡｓのｎ電極には、Ａｕ−Ｇｅ−Ｎｉ、Ａｕ−Ｇｅ−Ｐｔ、ｐ電極にはＡｇ−Ｚｎ、Ａｕ−Ｚｎなどの材料が用いられる。
また、金属以外にも、ＩＴＯ、ＳｎＯ2、ＩｎＯ2などの、導電性を有する透明酸化物材料などを電極に用いることも可能である。
次に、本実施形態における面発光レーザ素子の活性層およびクラッド層について説明する。
活性層については、半導体レーザで用いられているような、ダブルへテロ構造、多重量子井戸構造、ひずみ量子井戸構造、量子ドット構造などを適用することができる。
この場合、活性層に用いる半導体材料は上に述べたものと同様である。
また、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ、Ｎｄ：ＹＡＧ（Ｙｉｔｔｒｉｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）などの固体レーザ用利得媒質なども用いることができる。
また、活性層とクラッド層の間に、電流閉じ込めのためのＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層を導入することも可能である。
クラッド層は活性層を挟んで上下に導入される。本実施の形態においては、上部クラッド層がフォトニック結晶層と隣接しているが、フォトニック結晶がクラッド層内に設けられる場合もある。
材料は、半導体、誘電体、透明導電体などを用いることができる。電流注入で素子を駆動させる場合には、クラッド層は半導体、透明導電体などで構成されていることが好ましい。
この場合には、上下クラッド層は片方がｎ型、もう片方がｐ型にドーピングされている必要があり、活性層に注入されるキャリアを供給する。半導体、誘電体、透明導電体の具体的材料は、上で述べたものと同様である。
活性層については、半導体レーザで用いられているような、ダブルへテロ構造、多重量子井戸構造、ひずみ量子井戸構造、量子ドット構造などを適用することができる。
この場合、活性層に用いる半導体材料は上に述べたものと同様である。
また、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ、Ｎｄ：ＹＡＧ（Ｙｉｔｔｒｉｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）などの固体レーザ用利得媒質なども用いることができる。
また、活性層とクラッド層の間に、電流閉じ込めのためのＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層を導入することも可能である。
クラッド層は活性層を挟んで上下に導入される。本実施の形態においては、上部クラッド層がフォトニック結晶層と隣接しているが、フォトニック結晶がクラッド層内に設けられる場合もある。
材料は、半導体、誘電体、透明導電体などを用いることができる。電流注入で素子を駆動させる場合には、クラッド層は半導体、透明導電体などで構成されていることが好ましい。
この場合には、上下クラッド層は片方がｎ型、もう片方がｐ型にドーピングされている必要があり、活性層に注入されるキャリアを供給する。半導体、誘電体、透明導電体の具体的材料は、上で述べたものと同様である。
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、本発明を適用した面発光レーザ素子について説明する。
図４に、本実施例の面発光レーザの構成を説明する図を示す。
図４は本実施例における面発光レーザの構成を説明する基板に平行な方向からみたときの断面図である。
図４において、４０１は基板、４０２は下部クラッド層、４０３は下部ＳＣＨ層、４０４は活性層、４０５は上部ＳＣＨ層である。
４０６は第１のフォトニック結晶領域、４０７は第２のフォトニック結晶領域である。
４０８は上部クラッド層、４０９は電極コンタクト層、４１０はｎ電極、４１１はｐ電極である。
［実施例１］
実施例１においては、本発明を適用した面発光レーザ素子について説明する。
図４に、本実施例の面発光レーザの構成を説明する図を示す。
図４は本実施例における面発光レーザの構成を説明する基板に平行な方向からみたときの断面図である。
図４において、４０１は基板、４０２は下部クラッド層、４０３は下部ＳＣＨ層、４０４は活性層、４０５は上部ＳＣＨ層である。
４０６は第１のフォトニック結晶領域、４０７は第２のフォトニック結晶領域である。
４０８は上部クラッド層、４０９は電極コンタクト層、４１０はｎ電極、４１１はｐ電極である。
本実施例において、基板はＧａＡｓ基板であり、厚さ５２５μｍとされている。
下部、上部クラッド層はそれぞれｎ型、ｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5ＩｎＰで厚さはそれぞれ２．０μｍ、１．０μｍとされている。
下部、上部ＳＣＨ層はそれぞれｎ型、ｐ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5ＩｎＰで厚さ５０ｎｍとされている。
活性層はノンドープの（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5ＩｎＰ／Ｉｎ0.56Ｇａ0.44Ｐの多重量子井戸構造となっており、井戸数は３層、それぞれの層厚は６ｎｍである。上部クラッド層キャップ層の材料はＧａＡｓであり、厚さは１０ｎｍである。
電極は、ｎ電極がＡｕ−Ｚｎ、ｐ電極がＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉである。
フォトニック結晶層（第１のフォトニック結晶領域４０６と第２のフォトニック結晶領域４０７が設けられている層）は、厚さ１５０ｎｍでｐ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5ＩｎＰで構成されている。
下部、上部クラッド層はそれぞれｎ型、ｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5ＩｎＰで厚さはそれぞれ２．０μｍ、１．０μｍとされている。
下部、上部ＳＣＨ層はそれぞれｎ型、ｐ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5ＩｎＰで厚さ５０ｎｍとされている。
活性層はノンドープの（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5ＩｎＰ／Ｉｎ0.56Ｇａ0.44Ｐの多重量子井戸構造となっており、井戸数は３層、それぞれの層厚は６ｎｍである。上部クラッド層キャップ層の材料はＧａＡｓであり、厚さは１０ｎｍである。
電極は、ｎ電極がＡｕ−Ｚｎ、ｐ電極がＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉである。
フォトニック結晶層（第１のフォトニック結晶領域４０６と第２のフォトニック結晶領域４０７が設けられている層）は、厚さ１５０ｎｍでｐ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5ＩｎＰで構成されている。
本実施例のデバイスでは、フォトニック結晶の配置の仕方が重要となる。以下に、これらについて説明する。
図５に、本実施例のフォトニック結晶層を説明する図を示す。
図５（ａ）は面発光レーザにおけるフォトニック結晶層の全体を表す、基板に垂直な方向からみたときの断面図である。
図５（ａ）において、５０１は第１のフォトニック結晶領域、５０２は第２のフォトニック結晶領域、５０３は図５（ｂ）に示す領域を表す囲みである。
図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す５０３の領域の拡大図である。
５０４は第１のフォトニック結晶領域空孔、５０５は第２のフォトニック結晶領域空孔である。
図５に、本実施例のフォトニック結晶層を説明する図を示す。
図５（ａ）は面発光レーザにおけるフォトニック結晶層の全体を表す、基板に垂直な方向からみたときの断面図である。
図５（ａ）において、５０１は第１のフォトニック結晶領域、５０２は第２のフォトニック結晶領域、５０３は図５（ｂ）に示す領域を表す囲みである。
図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す５０３の領域の拡大図である。
５０４は第１のフォトニック結晶領域空孔、５０５は第２のフォトニック結晶領域空孔である。
本実施例においては、第１のフォトニック結晶領域５０１に第２のフォトニック結晶領域５０２が囲まれた構成をしている。
このとき、第１のフォトニック結晶が発振用のフォトニック結晶、第２のフォトニック結晶がレーザ光回折用のフォトニック結晶である。
これら２種類のフォトニック結晶がどのような原理で機能するかについては、上記の発明の実施の形態で述べたとおりである。
本実施例では、第１及び第２のフォトニック結晶領域とも、媒質に円柱形の空孔を４角格子状に設けたフォトニック結晶により構成されている。
空孔周期および半径は、第１のフォトニック結晶領域ではそれぞれ１３５ｎｍ、３０ｎｍ、第２のフォトニック結晶領域ではそれぞれ２００ｎｍ、２０ｎｍである。
このとき、第１のフォトニック結晶が発振用のフォトニック結晶、第２のフォトニック結晶がレーザ光回折用のフォトニック結晶である。
これら２種類のフォトニック結晶がどのような原理で機能するかについては、上記の発明の実施の形態で述べたとおりである。
本実施例では、第１及び第２のフォトニック結晶領域とも、媒質に円柱形の空孔を４角格子状に設けたフォトニック結晶により構成されている。
空孔周期および半径は、第１のフォトニック結晶領域ではそれぞれ１３５ｎｍ、３０ｎｍ、第２のフォトニック結晶領域ではそれぞれ２００ｎｍ、２０ｎｍである。
これらのフォトニック結晶パラメータは、以下のような観点から導いている。
図６（ａ）、図７（ａ）にそれぞれ、第１、第２のフォトニック結晶領域のフォトニックバンド図を示す。
それぞれのフォトニックバンドは、有効屈折率近似を用いた２次元平面波展開法により計算し、ともに４角格子、円柱状の空孔のフォトニック結晶について計算したバンドである。
両者はそれぞれ格子定数に対する空孔の半径が異なっている。縦軸はフォトニック結晶の格子定数で規格化された周波数である。
図６（ａ）、（ｂ）を用いて、第１のフォトニック結晶領域５０１について説明する。
図６（ａ）は該領域におけるフォトニックバンド図であり、６０１は用いるモードを表す囲み線である。
図６（ｂ）は、第１のフォトニック結晶領域５０１において、伝搬光が回折される様子を表した模式図であり、６０２はフォトニック結晶空孔である。
該フォトニック結晶領域では、図６（ａ）に示すように、フォトニックバンドのＭ点のモードを利用している。
ここでの面内における光の回折は、単位結晶格子の対角線の方向に起こり、例えば図６（ｂ）示した、図の左下方向からの入射光（白矢印）は、格子点の位置で黒い矢印３つの方向に回折されうる。
その他３方向からの入射光についても同様の関係で回折する。
複雑になるため、ここでは左下方向からの入射光に対する回折光のみを示している。
格子点で回折した光も、さらに３方向に回折され、該領域では、４角格子の対角線方向の多重回折が絶えず起こっている。
６０１で囲んだＭ点のモードでは、これらの光がそれぞれ定在波を形成し、フォトニック結晶内で共振効果をもつ。
図６（ａ）、図７（ａ）にそれぞれ、第１、第２のフォトニック結晶領域のフォトニックバンド図を示す。
それぞれのフォトニックバンドは、有効屈折率近似を用いた２次元平面波展開法により計算し、ともに４角格子、円柱状の空孔のフォトニック結晶について計算したバンドである。
両者はそれぞれ格子定数に対する空孔の半径が異なっている。縦軸はフォトニック結晶の格子定数で規格化された周波数である。
図６（ａ）、（ｂ）を用いて、第１のフォトニック結晶領域５０１について説明する。
図６（ａ）は該領域におけるフォトニックバンド図であり、６０１は用いるモードを表す囲み線である。
図６（ｂ）は、第１のフォトニック結晶領域５０１において、伝搬光が回折される様子を表した模式図であり、６０２はフォトニック結晶空孔である。
該フォトニック結晶領域では、図６（ａ）に示すように、フォトニックバンドのＭ点のモードを利用している。
ここでの面内における光の回折は、単位結晶格子の対角線の方向に起こり、例えば図６（ｂ）示した、図の左下方向からの入射光（白矢印）は、格子点の位置で黒い矢印３つの方向に回折されうる。
その他３方向からの入射光についても同様の関係で回折する。
複雑になるため、ここでは左下方向からの入射光に対する回折光のみを示している。
格子点で回折した光も、さらに３方向に回折され、該領域では、４角格子の対角線方向の多重回折が絶えず起こっている。
６０１で囲んだＭ点のモードでは、これらの光がそれぞれ定在波を形成し、フォトニック結晶内で共振効果をもつ。
図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を用いて、第２のフォトニック結晶領域５０２について説明する。
図７（ａ）は該領域におけるフォトニックバンド図であり、７０１は用いるモードを表す囲み線である。
図７（ｂ）、（ｃ）は、第２のフォトニック結晶領域５０２において、伝搬光が回折される様子を表した模式図であり、７０２、７０３はそれぞれフォトニック結晶空孔である。
該フォトニック結晶領域では、図７（ａ）に示すように、フォトニックバンドのΓ点におけるモードを利用している。
そして、ここでは図７（ｂ）のように、光はフォトニック結晶面とは垂直の方向にブラック条件を満たし回折される。
また、図７（ｃ）のように、面内方向にも結晶の単位格子方向に回折が起こる。面内方向では、格子点にて４方向に回折された光の各々が、第１のフォトニック結晶領域と同様、多重回折し定在波状態となっている。
ここでは、面垂直方向に回折される光のみを考慮すればよいが、垂直方向の回折光はレーザに対して損失となるため、空孔径をできるだけ小さくし、放射成分はなるべく少なくすることが閾値を下げるためには好ましい。
しかし、下げすぎると回折が起こらないため、適宜調整する必要がある。
図７（ａ）は該領域におけるフォトニックバンド図であり、７０１は用いるモードを表す囲み線である。
図７（ｂ）、（ｃ）は、第２のフォトニック結晶領域５０２において、伝搬光が回折される様子を表した模式図であり、７０２、７０３はそれぞれフォトニック結晶空孔である。
該フォトニック結晶領域では、図７（ａ）に示すように、フォトニックバンドのΓ点におけるモードを利用している。
そして、ここでは図７（ｂ）のように、光はフォトニック結晶面とは垂直の方向にブラック条件を満たし回折される。
また、図７（ｃ）のように、面内方向にも結晶の単位格子方向に回折が起こる。面内方向では、格子点にて４方向に回折された光の各々が、第１のフォトニック結晶領域と同様、多重回折し定在波状態となっている。
ここでは、面垂直方向に回折される光のみを考慮すればよいが、垂直方向の回折光はレーザに対して損失となるため、空孔径をできるだけ小さくし、放射成分はなるべく少なくすることが閾値を下げるためには好ましい。
しかし、下げすぎると回折が起こらないため、適宜調整する必要がある。
フォトニック結晶の格子定数は、第１及び第２のフォトニック結晶領域双方において、フォトニックバンドの規格化周波数より、所望の共振波長（６７０ｎｍ）を考慮して求める。
共振波長をそろえるためには、第１のフォトニック結晶領域５０１の格子定数は、第２のフォトニック結晶領域５０２のおよそ√２分の１になる。
また、第２のフォトニック結晶領域５０２においては、垂直方向への回折効率が適当になるように空孔半径を決定する。
回折効率は、空孔半径が小さいほど小さくなるので、空孔半径を徐々に小さくしていき、最適な点を見つければよい。本実施例では、空孔半径を格子定数の１０％に設定している。
共振波長をそろえるためには、第１のフォトニック結晶領域５０１の格子定数は、第２のフォトニック結晶領域５０２のおよそ√２分の１になる。
また、第２のフォトニック結晶領域５０２においては、垂直方向への回折効率が適当になるように空孔半径を決定する。
回折効率は、空孔半径が小さいほど小さくなるので、空孔半径を徐々に小さくしていき、最適な点を見つければよい。本実施例では、空孔半径を格子定数の１０％に設定している。
フォトニック結晶の境界領域では、領域５０１から領域５０２に光が伝搬する際、エネルギー保存測および運動量保存則を満足することが必要になる。
エネルギー保存則は、共振モードの周波数が領域５０１および領域５０２で一致するように、上記のように格子定数を調整することで満たすことができる。
運動量保存則は、共振モードの伝搬方向が領域５０１と領域５０２で一致するよう、結晶方位を調整することで満たすことができる。
ここでは、図６（ｂ）、図７（ｂ）のように伝搬光の方向が決まっているため、領域５０１と領域５０２で互いの結晶方位が４５°回転するように調整することで、上記条件を満たすことができる。
エネルギー保存則は、共振モードの周波数が領域５０１および領域５０２で一致するように、上記のように格子定数を調整することで満たすことができる。
運動量保存則は、共振モードの伝搬方向が領域５０１と領域５０２で一致するよう、結晶方位を調整することで満たすことができる。
ここでは、図６（ｂ）、図７（ｂ）のように伝搬光の方向が決まっているため、領域５０１と領域５０２で互いの結晶方位が４５°回転するように調整することで、上記条件を満たすことができる。
次に、図８を用いて本実施例におけるｐ電極の構造について説明する。
図８は、本実施例におけるレーザ素子を上方から見たときの図であり、８０１はｐ電極、８０２は開口部である。
電極は上記発明の実施の形態で述べたとおり、レーザ発振領域である第１のフォトニック結晶領域５０１の上方を覆っておりキャリアを供給する。
また、光回折用である第２のフォトニック結晶領域５０２の上方には電極は設けられず、開口となっている。
この開口部から、第２のフォトニック結晶領域で回折されたレーザ光が放射される。電極からの電流は、開口部側にも拡散するので、開口部の面積は第２のフォトニック結晶領域よりも大きく設けることが可能である。
図８は、本実施例におけるレーザ素子を上方から見たときの図であり、８０１はｐ電極、８０２は開口部である。
電極は上記発明の実施の形態で述べたとおり、レーザ発振領域である第１のフォトニック結晶領域５０１の上方を覆っておりキャリアを供給する。
また、光回折用である第２のフォトニック結晶領域５０２の上方には電極は設けられず、開口となっている。
この開口部から、第２のフォトニック結晶領域で回折されたレーザ光が放射される。電極からの電流は、開口部側にも拡散するので、開口部の面積は第２のフォトニック結晶領域よりも大きく設けることが可能である。
次に、本実施例のデバイスの作製方法について説明する。
本実施例におけるレーザ素子は、公知の半導体レーザ作製プロセスに加え、ＥＢリソグラフィー、ドライエッチング、ウエハ融着技術などを組み合わせて作製することができる。
本実施例のレーザ素子に通電すると、開口部より波長６７０ｎｍのレーザ光が放射される。
本実施例におけるレーザ素子は、公知の半導体レーザ作製プロセスに加え、ＥＢリソグラフィー、ドライエッチング、ウエハ融着技術などを組み合わせて作製することができる。
本実施例のレーザ素子に通電すると、開口部より波長６７０ｎｍのレーザ光が放射される。
本実施例では、第１のフォトニック結晶領域のパラメータを、フォトニックバンド図のＭ点におけるモードを利用するように構成したが、図９（ａ）に示すようにＸ点におけるモードを利用することも可能である。
このとき、光の共振方向は、図９（ｂ）に示した４方向であるが、それぞれの入射光は反対方向にのみ回折されるため、互いに結合しているモードは図９（ｂ）の縦方向、横方向の２方向のみである。
結晶方位に対する光の共振方向は、第２のフォトニック結晶と同様であるため、結晶方位は第１、第２のフォトニック結晶領域において互いに等しい。
また、フォトニック結晶の周期は、共振波長を合わせるため、第１のフォトニック結晶領域では第２のフォトニック結晶領域に対しておよそ２分の１となる。
前記第１または第２のフォトニック結晶領域の場合、独立した２つの発振モードが存在するため、発振はマルチモードになりやすい。
従って、空孔を楕円柱にするなどして、共振条件の対称性を下げ、どちらかのモードを発振させやすくしておくことが好ましい。
このとき、光の共振方向は、図９（ｂ）に示した４方向であるが、それぞれの入射光は反対方向にのみ回折されるため、互いに結合しているモードは図９（ｂ）の縦方向、横方向の２方向のみである。
結晶方位に対する光の共振方向は、第２のフォトニック結晶と同様であるため、結晶方位は第１、第２のフォトニック結晶領域において互いに等しい。
また、フォトニック結晶の周期は、共振波長を合わせるため、第１のフォトニック結晶領域では第２のフォトニック結晶領域に対しておよそ２分の１となる。
前記第１または第２のフォトニック結晶領域の場合、独立した２つの発振モードが存在するため、発振はマルチモードになりやすい。
従って、空孔を楕円柱にするなどして、共振条件の対称性を下げ、どちらかのモードを発振させやすくしておくことが好ましい。
本実施例では、素子を構成する材料に、ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体を用い、活性層にＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰの多重量子井戸構造を用いたが、その他の材料系で構成することも可能である。
その他の材料系としては、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮなど、上記発明の実施の形態で挙げたような半導体材料をすべて用いることが可能である。
また、透明導電媒質、誘電体、金属などでも、上記発明の実施の形態で挙げたような材料はすべて用いることができる。
また、フォトニック結晶も、本実施例では４角格子状のものを用いたが、３角格子状とすることも可能である。
３角格子状の時は、４角格子と同様に光の回折方向と共振波長を考えて結晶配置と格子定数を決定する。
具体的には以下の２つの場合がある。
その一つとして、第１のフォトニック結晶の格子定数が第２のフォトニック結晶の格子定数のおよそ２分の１であり、結晶方位が互いに等しい場合がある。
他の一つとして、第１のフォトニック結晶の格子定数が第２のフォトニック結晶の格子定数の約√３分の１、互いの結晶方位が３０°回転している場合がある。
またこれ以外にも、上記発明の実施の形態に記載したようなすべての結晶構造をとることができる。
また、本実施例では、空孔は丸穴の円柱型空孔を用いたが、多角形空孔など、上記発明の実施の形態に記載したような形態のフォトニック結晶はすべて用いることができる。
さらに、フォトニック結晶の対称性をくずすための副格子の導入なども行うことができる。
また、本実施例においてはフォトニック結晶は全てクラッド層に設けられているが、ＳＣＨ層に設けることも可能である。また、一部に活性層を含んだフォトニック結晶や、活性層自体をフォトニック結晶としたものを用いることも可能である。
その他の材料系としては、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮなど、上記発明の実施の形態で挙げたような半導体材料をすべて用いることが可能である。
また、透明導電媒質、誘電体、金属などでも、上記発明の実施の形態で挙げたような材料はすべて用いることができる。
また、フォトニック結晶も、本実施例では４角格子状のものを用いたが、３角格子状とすることも可能である。
３角格子状の時は、４角格子と同様に光の回折方向と共振波長を考えて結晶配置と格子定数を決定する。
具体的には以下の２つの場合がある。
その一つとして、第１のフォトニック結晶の格子定数が第２のフォトニック結晶の格子定数のおよそ２分の１であり、結晶方位が互いに等しい場合がある。
他の一つとして、第１のフォトニック結晶の格子定数が第２のフォトニック結晶の格子定数の約√３分の１、互いの結晶方位が３０°回転している場合がある。
またこれ以外にも、上記発明の実施の形態に記載したようなすべての結晶構造をとることができる。
また、本実施例では、空孔は丸穴の円柱型空孔を用いたが、多角形空孔など、上記発明の実施の形態に記載したような形態のフォトニック結晶はすべて用いることができる。
さらに、フォトニック結晶の対称性をくずすための副格子の導入なども行うことができる。
また、本実施例においてはフォトニック結晶は全てクラッド層に設けられているが、ＳＣＨ層に設けることも可能である。また、一部に活性層を含んだフォトニック結晶や、活性層自体をフォトニック結晶としたものを用いることも可能である。
［実施例２］
上記実施例１では、同一のフォトニック結晶層に第１と第２のフォトニック結晶領域を設けた構成例について説明した。
実施例２においては、これら２つの領域を異なるフォトニック結晶層に設け、上下に分離した形態の面発光レーザ素子について説明する。
図１０に、本実施例の面発光レーザの構成を説明するための図を示す。
図１０は本実施例における面発光レーザの構成を説明する基板に垂直な方向からみたときの断面図である。
図１０において、１００１は基板、１００２は下部クラッド層、１００３は第１のフォトニック結晶領域、１００４は下部ＳＣＨ層、１００５は活性層である。
１００６は上部ＳＣＨ層、１００７は第２のフォトニック結晶領域、１００８は上部クラッド層、１００９は上部クラッド層キャップ層、１０１０はｎ電極、１０１１はｐ電極である。
本実施例においては、第１、第２のフォトニック結晶領域および活性層を除いて、素子の構成、寸法、材料に関しては、すべて実施例１と同様である。実施例１と異なる部位に関してのみ、以下に説明する。
上記実施例１では、同一のフォトニック結晶層に第１と第２のフォトニック結晶領域を設けた構成例について説明した。
実施例２においては、これら２つの領域を異なるフォトニック結晶層に設け、上下に分離した形態の面発光レーザ素子について説明する。
図１０に、本実施例の面発光レーザの構成を説明するための図を示す。
図１０は本実施例における面発光レーザの構成を説明する基板に垂直な方向からみたときの断面図である。
図１０において、１００１は基板、１００２は下部クラッド層、１００３は第１のフォトニック結晶領域、１００４は下部ＳＣＨ層、１００５は活性層である。
１００６は上部ＳＣＨ層、１００７は第２のフォトニック結晶領域、１００８は上部クラッド層、１００９は上部クラッド層キャップ層、１０１０はｎ電極、１０１１はｐ電極である。
本実施例においては、第１、第２のフォトニック結晶領域および活性層を除いて、素子の構成、寸法、材料に関しては、すべて実施例１と同様である。実施例１と異なる部位に関してのみ、以下に説明する。
本実施例においては、第１と第２のフォトニック結晶領域がそれぞれ同一平面内より分離され、別々の層に設けられた構造を有している。
第１のフォトニック結晶領域１００３は、下部ＳＣＨ層１００４に隣接している。
また、第２のフォトニック結晶領域１００７は、実施例１に比べ、上部ＳＣＨ層１００６の１５０ｎｍ上方に設けられており、上部クラッド層１００８の内部に埋め込まれた構造になっている。
なお、格子定数、孔半径などのパラメータはすべて実施例１と同様である。
第１のフォトニック結晶領域１００３は、下部ＳＣＨ層１００４に隣接している。
また、第２のフォトニック結晶領域１００７は、実施例１に比べ、上部ＳＣＨ層１００６の１５０ｎｍ上方に設けられており、上部クラッド層１００８の内部に埋め込まれた構造になっている。
なお、格子定数、孔半径などのパラメータはすべて実施例１と同様である。
機能としても実施例１と同様、第１のフォトニック結晶領域１００３で発振したレーザ光が、第２のフォトニック結晶領域１００７で回折され、垂直方向に放射される。
その際、本実施例においては、第２のフォトニック結晶領域１００７の下部に、第１のフォトニック結晶領域１００３が存在しているため、光回折領域では、それぞれのモードが混じり合い、結合している。
実施例１と同様、領域１００３の第１のフォトニック結晶は面内方向の共振を大きくし、領域１００７の第２のフォトニック結晶は面垂直方向の回折が適当な値を取るよう設計してあるため、本実施例においてはそれらの特性が共存している。
従って、第２のフォトニック結晶のみでこの領域を構成した場合に比べても、面内方向のフィードバック効果が減少することはない。
また、第２のフォトニック結晶も面内方向の共振効果を有するため、両者の面内方向の共振成分が合わさり、第１のフォトニック結晶領域と同等以上の共振効果となる。
その際、本実施例においては、第２のフォトニック結晶領域１００７の下部に、第１のフォトニック結晶領域１００３が存在しているため、光回折領域では、それぞれのモードが混じり合い、結合している。
実施例１と同様、領域１００３の第１のフォトニック結晶は面内方向の共振を大きくし、領域１００７の第２のフォトニック結晶は面垂直方向の回折が適当な値を取るよう設計してあるため、本実施例においてはそれらの特性が共存している。
従って、第２のフォトニック結晶のみでこの領域を構成した場合に比べても、面内方向のフィードバック効果が減少することはない。
また、第２のフォトニック結晶も面内方向の共振効果を有するため、両者の面内方向の共振成分が合わさり、第１のフォトニック結晶領域と同等以上の共振効果となる。
本実施例の構成によれば、共振用フォトニック結晶領域（領域１００３）と、回折用フォトニック結晶領域（領域１００７）が別々の層に分かれているため、それぞれの層の活性層からの距離によって、発振の効率、回折の効率を制御できる。
なお、本実施例においては、光の共振は０次の導波モードを用いているが、２次の導波モードを用いることも可能である。
図１５は、図１０の中央部を拡大したものである。
１５０３は第１のフォトニック結晶領域、１５０４は下部ＳＣＨ層、１５０５は活性層、１５０６は上部ＳＣＨ層、１５０７は第２のフォトニック結晶領域である。
１５０８は２次の導波モードの電場強度分布を表し、第１と第２のフォトニック結晶領域と活性層１５０５にそれぞれ電場分布の極大を持っている。このようなモードを用いることで、活性層の電場分布を大きくとりながら、第１と第２のフォトニック結晶領域により大きな電場分布を持たせることができるため、０次の場合に比べて、フィードバック効果がより増強される。
このような２次モードは、活性層１５０５、下部ＳＣＨ層１５０４、上部ＳＣＨ層１５０６、第１のフォトニック結晶領域１５０３、第２のフォトニック結晶領域１５０７の厚さを調整することで、導波するようになる。
具体的には、上記全ての層の厚さの合計（＝導波路層の厚さ）が、各層の屈折率の値を考慮しながら一定の値以上になればよい。これは、各層における実際の屈折率を用いて、導波路における光伝搬の理論により求めることができる。
本実施例においては、フォトニック結晶が全てクラッド層に設けられているが、ＳＣＨ層に設けることも可能である。また、一部活性層を含む、さらには、活性層自体をフォトニック結晶として用いることも可能である。
一般に共振用のフォトニック結晶（領域１５０３）は、活性層に近い方が光の閉じ込め成分が大きくなり好ましい。
また、光回折用のフォトニック結晶（領域１５０７）については、活性層と光回折部の距離を制御することでも、光の回折効率を制御することができる。
なお、回折部での回折効率が適当な値をとるように、活性層と光回折用フォトニック結晶（領域１５０７）との間は、適当な距離をおくことが好ましい。
なお、本実施例においては、光の共振は０次の導波モードを用いているが、２次の導波モードを用いることも可能である。
図１５は、図１０の中央部を拡大したものである。
１５０３は第１のフォトニック結晶領域、１５０４は下部ＳＣＨ層、１５０５は活性層、１５０６は上部ＳＣＨ層、１５０７は第２のフォトニック結晶領域である。
１５０８は２次の導波モードの電場強度分布を表し、第１と第２のフォトニック結晶領域と活性層１５０５にそれぞれ電場分布の極大を持っている。このようなモードを用いることで、活性層の電場分布を大きくとりながら、第１と第２のフォトニック結晶領域により大きな電場分布を持たせることができるため、０次の場合に比べて、フィードバック効果がより増強される。
このような２次モードは、活性層１５０５、下部ＳＣＨ層１５０４、上部ＳＣＨ層１５０６、第１のフォトニック結晶領域１５０３、第２のフォトニック結晶領域１５０７の厚さを調整することで、導波するようになる。
具体的には、上記全ての層の厚さの合計（＝導波路層の厚さ）が、各層の屈折率の値を考慮しながら一定の値以上になればよい。これは、各層における実際の屈折率を用いて、導波路における光伝搬の理論により求めることができる。
本実施例においては、フォトニック結晶が全てクラッド層に設けられているが、ＳＣＨ層に設けることも可能である。また、一部活性層を含む、さらには、活性層自体をフォトニック結晶として用いることも可能である。
一般に共振用のフォトニック結晶（領域１５０３）は、活性層に近い方が光の閉じ込め成分が大きくなり好ましい。
また、光回折用のフォトニック結晶（領域１５０７）については、活性層と光回折部の距離を制御することでも、光の回折効率を制御することができる。
なお、回折部での回折効率が適当な値をとるように、活性層と光回折用フォトニック結晶（領域１５０７）との間は、適当な距離をおくことが好ましい。
また、前述したように、本実施例においては、第２のフォトニック結晶領域における面内方向の共振成分が強く、電流注入しない該領域における活性層は光吸収層として働くため損失が大きくなる。
従って、第２のフォトニック結晶領域直下の活性層は取り除き、屈折率の等しい同厚のＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ層などを再成長により設け損失を減らすことも可能である。
従って、第２のフォトニック結晶領域直下の活性層は取り除き、屈折率の等しい同厚のＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ層などを再成長により設け損失を減らすことも可能である。
本実施例における、レーザ素子の作製方法であるが、基本的には実施例１と同種の公知なプロセスを用いて作製することができる。
また、第１と第２のフォトニック結晶領域を別の層に分離することは、張り合わせプロセスや再成長プロセスにより実現することが可能である。
また、第１と第２のフォトニック結晶領域を別の層に分離することは、張り合わせプロセスや再成長プロセスにより実現することが可能である。
［実施例３］
実施例３においては、出射領域が２以上設けられている面発光レーザについて説明する。
図１１に、本実施例の面発光レーザの構成を説明する図を示す。
図１１は本実施例における面発光レーザの構成を説明する基板に垂直な方向からみたときの断面図である。
図１１において、１１０１は基板、１１０２は下部クラッド層、１１０３は下部ＳＣＨ層、１１０４は活性層、１１０５は上部ＳＣＨ層である。
１１０６は第１のフォトニック結晶領域、１１０７は第２のフォトニック結晶領域である。
１１０８は上部クラッド層、１１０９は上部クラッド層キャップ層、１１１０はｎ電極、１１１１はｐ電極である。
本実施例においては、出射領域を複数個設けた以外の素子を構成する材料および寸法は全て実施例１と同様である。
実施例３においては、出射領域が２以上設けられている面発光レーザについて説明する。
図１１に、本実施例の面発光レーザの構成を説明する図を示す。
図１１は本実施例における面発光レーザの構成を説明する基板に垂直な方向からみたときの断面図である。
図１１において、１１０１は基板、１１０２は下部クラッド層、１１０３は下部ＳＣＨ層、１１０４は活性層、１１０５は上部ＳＣＨ層である。
１１０６は第１のフォトニック結晶領域、１１０７は第２のフォトニック結晶領域である。
１１０８は上部クラッド層、１１０９は上部クラッド層キャップ層、１１１０はｎ電極、１１１１はｐ電極である。
本実施例においては、出射領域を複数個設けた以外の素子を構成する材料および寸法は全て実施例１と同様である。
本実施例のデバイスでは、フォトニック結晶の配置の仕方が重要となる。以下に、これらについて説明する。
図１２に、本実施例のフォトニック結晶層を説明する図を示す。
図１２（ａ）は面発光レーザにおけるフォトニック結晶層の全体を表すものであり、基板に垂直な方向からみたときの断面図である。
図１２（ａ）において、１２０１は第１のフォトニック結晶領域、１２０２は第２のフォトニック結晶領域である。
本実施例においては、第１のフォトニック結晶領域１２０１に、２箇所の第２のフォトニック結晶領域１２０２が囲まれた構成をしている。
図１２に、本実施例のフォトニック結晶層を説明する図を示す。
図１２（ａ）は面発光レーザにおけるフォトニック結晶層の全体を表すものであり、基板に垂直な方向からみたときの断面図である。
図１２（ａ）において、１２０１は第１のフォトニック結晶領域、１２０２は第２のフォトニック結晶領域である。
本実施例においては、第１のフォトニック結晶領域１２０１に、２箇所の第２のフォトニック結晶領域１２０２が囲まれた構成をしている。
次に、図１２（ｂ）を用いて本実施例におけるｐ電極の構造について説明する。
図１２（ｂ）は、本実施例におけるレーザ素子を上方から見たときの図であり、１２０３はｐ電極、１２０４は開口部である。
本実施例においても、実施例１と同様に光回折用である第２のフォトニック結晶領域１２０２の上方には電極は設けられず、開口となっている。本実施例では開口部は２箇所だが、さらに多くの個数設けることも可能である。
図１２（ｂ）は、本実施例におけるレーザ素子を上方から見たときの図であり、１２０３はｐ電極、１２０４は開口部である。
本実施例においても、実施例１と同様に光回折用である第２のフォトニック結晶領域１２０２の上方には電極は設けられず、開口となっている。本実施例では開口部は２箇所だが、さらに多くの個数設けることも可能である。
本実施例におけるレーザ素子は、実施例１と同様のプロセス技術で作製することが出来る。
本実施例のレーザ素子に通電すると、２つの開口部より同時にレーザ光が同位相で放射される。波長は実施例１と同様に６７０ｎｍである。
本実施例のような複数開口部からコヒーレントなレーザ光を放射する面発光レーザでは、それぞれの開口からの光をいくつかに分けて用いることができる。
例えば、ある開口からの光は光源用として用い、そして残りの開口からの光を出力同時モニタ用の光などとして用いることが可能である。
なお、複数の開口部を設ける場合、領域１２０２は、レーザ光の供給源である領域１２０１と隣接している必要がある。
このとき、放射スポットを円形に近い形にするためには、領域１２０２は領域１２０１に囲まれた閉領域を構成していることが好ましい。円形の放射スポットには、レンズなどの光学系を用いて光ファイバなどに結合しやすいなどのメリットがある。
本実施例のレーザ素子に通電すると、２つの開口部より同時にレーザ光が同位相で放射される。波長は実施例１と同様に６７０ｎｍである。
本実施例のような複数開口部からコヒーレントなレーザ光を放射する面発光レーザでは、それぞれの開口からの光をいくつかに分けて用いることができる。
例えば、ある開口からの光は光源用として用い、そして残りの開口からの光を出力同時モニタ用の光などとして用いることが可能である。
なお、複数の開口部を設ける場合、領域１２０２は、レーザ光の供給源である領域１２０１と隣接している必要がある。
このとき、放射スポットを円形に近い形にするためには、領域１２０２は領域１２０１に囲まれた閉領域を構成していることが好ましい。円形の放射スポットには、レンズなどの光学系を用いて光ファイバなどに結合しやすいなどのメリットがある。
［実施例４］
実施例４においては、反射調整層を設けた面発光レーザ素子について説明する。図１３に、本実施例の面発光レーザの構成を説明するための図を示す。
図１３は本実施例における面発光レーザの構成を説明する基板に垂直な方向からみたときの断面図である。
図１３において、１３０１は基板、１３０２は下部クラッド層、１３０３は下部ＳＣＨ層、１３０４は活性層、１３０５は上部ＳＣＨ層、１３０６は第１のフォトニック結晶領域である。
また、１３０７は第２のフォトニック結晶領域、１３０８はフォトニック結晶境界反射調整層、１３０９は上部クラッド層、１３１０は上部クラッド層キャップ層、１３１１はｎ電極、１３１２はｐ電極である。
本実施例においては、実施例１の素子構成に加え、第１、第２のフォトニック結晶領域の境界面に、新たにフォトニック結晶境界反射調整層１３０８が導入された構成となっている。
それ以外の素子の構成、寸法、材料に関しては、すべて実施例１と同様であるから、実施例１と異なる部分についてのみ以下に説明する。
実施例４においては、反射調整層を設けた面発光レーザ素子について説明する。図１３に、本実施例の面発光レーザの構成を説明するための図を示す。
図１３は本実施例における面発光レーザの構成を説明する基板に垂直な方向からみたときの断面図である。
図１３において、１３０１は基板、１３０２は下部クラッド層、１３０３は下部ＳＣＨ層、１３０４は活性層、１３０５は上部ＳＣＨ層、１３０６は第１のフォトニック結晶領域である。
また、１３０７は第２のフォトニック結晶領域、１３０８はフォトニック結晶境界反射調整層、１３０９は上部クラッド層、１３１０は上部クラッド層キャップ層、１３１１はｎ電極、１３１２はｐ電極である。
本実施例においては、実施例１の素子構成に加え、第１、第２のフォトニック結晶領域の境界面に、新たにフォトニック結晶境界反射調整層１３０８が導入された構成となっている。
それ以外の素子の構成、寸法、材料に関しては、すべて実施例１と同様であるから、実施例１と異なる部分についてのみ以下に説明する。
図１４に、本実施例におけるフォトニック結晶を説明する図を示す。
図１４（ａ）は、面発光レーザにおけるフォトニック結晶層の基板に垂直な方向からみたときの断面図である。
図１４（ａ）において、１４０１は第１のフォトニック結晶領域、１４０２は第２のフォトニック結晶領域、１４０３はフォトニック結晶境界反射調整層、１４０４は図１４（ｂ）に示す領域を表す囲みである。
図１４（ｂ）は、図１４（ａ）に示す１４０４の領域の拡大図である。
１４０５は第１のフォトニック結晶領域空孔、１４０６は第２のフォトニック結晶領域空孔、１４０７はフォトニック結晶境界反射調整層である。
図１４（ａ）は、面発光レーザにおけるフォトニック結晶層の基板に垂直な方向からみたときの断面図である。
図１４（ａ）において、１４０１は第１のフォトニック結晶領域、１４０２は第２のフォトニック結晶領域、１４０３はフォトニック結晶境界反射調整層、１４０４は図１４（ｂ）に示す領域を表す囲みである。
図１４（ｂ）は、図１４（ａ）に示す１４０４の領域の拡大図である。
１４０５は第１のフォトニック結晶領域空孔、１４０６は第２のフォトニック結晶領域空孔、１４０７はフォトニック結晶境界反射調整層である。
本実施例では、第１、第２のフォトニック結晶領域に導入されたフォトニック結晶境界反射調整層は、円形で深さの大きい溝でできており、内部は空気または窒素などが充填されている。
その機能としては、第１のフォトニック結晶領域で発振したレーザ光が、第２のフォトニック結晶領域へ導波するとき、上記調整層の屈折率の違いにより、境界面で反射する光の割合が大きくなることである。
これにより、第２のフォトニック結晶領域へ導波する光の割合は減り、第１のフォトニック結晶領域内に光が長く閉じ込められるようになる。
光が共振する時間は長いほどレーザの効率はよくなるため、本実施例のような構成をとることにより、レーザ素子の更なる性能向上が可能になる。
但し、あまりにも反射率を上げすぎ光取り出しができなくなると、レーザ素子にとっては好ましくない。これを防ぐために、この溝に充填する媒質を調整することで、境界領域における反射率を調整することができる。
その機能としては、第１のフォトニック結晶領域で発振したレーザ光が、第２のフォトニック結晶領域へ導波するとき、上記調整層の屈折率の違いにより、境界面で反射する光の割合が大きくなることである。
これにより、第２のフォトニック結晶領域へ導波する光の割合は減り、第１のフォトニック結晶領域内に光が長く閉じ込められるようになる。
光が共振する時間は長いほどレーザの効率はよくなるため、本実施例のような構成をとることにより、レーザ素子の更なる性能向上が可能になる。
但し、あまりにも反射率を上げすぎ光取り出しができなくなると、レーザ素子にとっては好ましくない。これを防ぐために、この溝に充填する媒質を調整することで、境界領域における反射率を調整することができる。
本実施例においては、ただ反射率を高くすればよいというわけでなく、反射率を制御することが重要である。
これは、本発明のレーザ素子に対して、上記のような光反射層を設けた構成を用いることで、初めて実現可能となることである。
反射率が高いほどよい上記特許文献における例とは性質が異なっている。
また、前記調整層は、上記特許文献と同様に活性層を中心に伝搬しているすべての光成分に作用させるために、フォトニック結晶層から、上部ＳＣＨ層１３０５、活性層１３０４、下部ＳＣＨ層１３０３の３層を貫いた深い溝になっている。寸法は幅が１５０ｎｍ、深さが４００ｎｍである。
これは、本発明のレーザ素子に対して、上記のような光反射層を設けた構成を用いることで、初めて実現可能となることである。
反射率が高いほどよい上記特許文献における例とは性質が異なっている。
また、前記調整層は、上記特許文献と同様に活性層を中心に伝搬しているすべての光成分に作用させるために、フォトニック結晶層から、上部ＳＣＨ層１３０５、活性層１３０４、下部ＳＣＨ層１３０３の３層を貫いた深い溝になっている。寸法は幅が１５０ｎｍ、深さが４００ｎｍである。
本実施例における素子の作製方法に関して説明する。
本実施例においても、実施例１と同様の作製技術を用いて素子を作製できる。境界反射層を作製するための、ＥＢ描画、ドライエッチングプロセスを実施例１の作製工程に加えるだけでよい。
本実施例においては、フォトニック結晶境界反射層として、空気または窒素などの気体を充填した溝構造としたが、反射率を調整するため、充填する物質は気体以外の、誘電体、半導体、透明導電体などでもよい。
その際、フォトニック結晶を構成する媒質のうち、高屈折率の媒質と屈折率が異なる必要がある。
反射率は、両媒質間の屈折率差が大きい程大きくなるが、溝の幅によっても反射率を調整できるため、調整の範囲を広げるため両媒質の屈折率差が大きいことが好ましい。
また、動的に屈折率を制御できる液晶などを充填することで、反射率の動的制御も可能となる。
本実施例においても、実施例１と同様の作製技術を用いて素子を作製できる。境界反射層を作製するための、ＥＢ描画、ドライエッチングプロセスを実施例１の作製工程に加えるだけでよい。
本実施例においては、フォトニック結晶境界反射層として、空気または窒素などの気体を充填した溝構造としたが、反射率を調整するため、充填する物質は気体以外の、誘電体、半導体、透明導電体などでもよい。
その際、フォトニック結晶を構成する媒質のうち、高屈折率の媒質と屈折率が異なる必要がある。
反射率は、両媒質間の屈折率差が大きい程大きくなるが、溝の幅によっても反射率を調整できるため、調整の範囲を広げるため両媒質の屈折率差が大きいことが好ましい。
また、動的に屈折率を制御できる液晶などを充填することで、反射率の動的制御も可能となる。
１０１、４０１、１００１、１１０１、１３０１：基板
１０２、４０２、１００２、１１０２、１３０２：下部クラッド層
１０３、１３０４：活性層
１０４、１３０６、１５０３：第１のフォトニック結晶領域
１０５、１３０７、１５０７：第２のフォトニック結晶領域
１０６、４０８、１００８、１１０９、１３０９：上部クラッド層
１０７：下電極
１０８：上電極
１０９：フォトニック結晶層
２０１：媒質
２０２：空孔
４０３、１００４、１１０３、１３０３、１５０４：下部ＳＣＨ層
４０４、１００５、１１０４、１３０４、１５０５：活性層
４０５、１００６、１１０５、１３０５、１５０６：上部ＳＣＨ層
４０６、５０１、１００３、１１０６、１２０１、１４０１：第１のフォトニック結晶領域
４０７、５０２、１００７、１１０７、１２０２、１４０２：第２のフォトニック結晶領域
４０９、１００９、１１１０、１３１０：上部クラッド層キャップ層
４１０、１０１０、１１１１、１３１１：ｎ電極
４１１、８０１、１０１１、１１１２、１３１２：ｐ電極
５０４、１２０５、１４０５：第１のフォトニック結晶領域空孔
５０５、１２０６、１４０６：第２のフォトニック結晶領域空孔
６０１、７０１：用いるモードを表す囲み線
６０２、７０２、７０３：フォトニック結晶空孔
８０２：開口部
１１０８、１２０３、１２０７、１３０８、１４０３、１４０７：フォトニック結晶境界反射調整層
１０２、４０２、１００２、１１０２、１３０２：下部クラッド層
１０３、１３０４：活性層
１０４、１３０６、１５０３：第１のフォトニック結晶領域
１０５、１３０７、１５０７：第２のフォトニック結晶領域
１０６、４０８、１００８、１１０９、１３０９：上部クラッド層
１０７：下電極
１０８：上電極
１０９：フォトニック結晶層
２０１：媒質
２０２：空孔
４０３、１００４、１１０３、１３０３、１５０４：下部ＳＣＨ層
４０４、１００５、１１０４、１３０４、１５０５：活性層
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４０６、５０１、１００３、１１０６、１２０１、１４０１：第１のフォトニック結晶領域
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５０５、１２０６、１４０６：第２のフォトニック結晶領域空孔
６０１、７０１：用いるモードを表す囲み線
６０２、７０２、７０３：フォトニック結晶空孔
８０２：開口部
１１０８、１２０３、１２０７、１３０８、１４０３、１４０７：フォトニック結晶境界反射調整層
Claims (9)
- 活性層と、該活性層に隣接して配置されるフォトニック結晶層と、該フォトニック結晶層上に設けられた電極と、光を放出する出射領域と、を有する面発光レーザ素子であって、
前記フォトニック結晶層は２次元の屈折率周期構造を有し、かつ、
前記電極の下に設けられ、面内方向に光を共振させる屈折率周期構造による第１のフォトニック結晶領域と、
前記出射領域の下に設けられ、面垂直方向に光を放射させる屈折率周期構造による第２のフォトニック結晶領域と、
を含み構成されていることを特徴とする面発光レーザ素子。 - 前記第２のフォトニック結晶領域はフォトニックバンドのΓ点におけるモードを有するフォトニック結晶により構成されており、
前記第１のフォトニック結晶領域は該フォトニックバンドのΓ点以外のフォトニックバンド端で、光すいよりも下に存在するモードを有するフォトニック結晶により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。 - 前記第１のフォトニック結晶領域と、前記第２のフォトニック結晶領域が同一のフォトニック結晶層に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発光レーザ素子。
- 前記第１のフォトニック結晶領域と、前記第２のフォトニック結晶領域は異なるフォトニック結晶層に設けられており、
前記第１のフォトニック結晶領域と、前記第２のフォトニック結晶領域は前記面垂直方向に分離して形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発光レーザ素子。 - 前記出射領域が２以上設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
- 前記フォトニック結晶が、媒質に円柱状の空孔を４角格子状に設けた構造を有し、
前記第１のフォトニック結晶領域の格子定数が第２のフォトニック結晶領域の格子定数の√２分の１であり、互いの結晶方位が４５°回転していることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。 - 前記フォトニック結晶が、媒質に円柱状の空孔を３角格子状に設けた構造を有し、
前記第１のフォトニック結晶領域の格子定数が第２のフォトニック結晶領域の格子定数の√３分の１であり、互いの結晶方位が３０°回転していることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。 - 前記フォトニック結晶が、媒質に円柱状の空孔を４角格子、または４角格子状に設けた構造を有し、
前記第１のフォトニック結晶領域の格子定数が第２のフォトニック結晶領域の格子定数の２分の１であり、結晶方位が互いに等しいことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。 - 前記第１または第２のフォトニック結晶領域の境界に、反射率制御構造が構成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
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