JP2010245178A

JP2010245178A - 面発光レーザ

Info

Publication number: JP2010245178A
Application number: JP2009090208A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Nagatomo; 靖浩長友; Takeshi Uchida; 武志内田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2009-04-02
Filing date: 2009-04-02
Publication date: 2010-10-28
Anticipated expiration: 2029-04-02
Also published as: JP5183555B2; US20110216796A1; US8265114B2; WO2010113774A1

Abstract

【課題】クロストークと戻り光の両方を同時に低減し、２次元アレイ状の配列に適した面発光レーザを提供する。
【解決手段】基板上に、該基板に平行な面内方向に共振モードを有する２次元フォトニック結晶と、光導波層と、該光導波層と該基板との間に光閉じ込めのためのクラッド層と、が積層された積層構造を有する面発光レーザであって、
前記積層構造は、前記基板に平行な方向に、
レーザ発振波長において前記面内方向へ光が伝搬される伝搬モードとして、少なくとも１つの導波モードを有する第１の領域と、
前記レーザ発振波長において基板側に光が放射される基板放射モードを有する第２の領域と、を含み構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、面発光レーザに関し、特に２次元アレイ状の配列に適した面発光レーザに関する。

近年、フォトニック結晶を半導体レーザに適用した例が多く報告されている。特許文献１には、発光材料を含む活性層を設け、その活性層の近傍に２次元フォトニック結晶を形成した面発光レーザ光源が記載されている。
これは分布帰還型（ＤＦＢ）レーザの一種である。この２次元フォトニック結晶には、半導体層に円柱状の空孔が周期的に設けられ、屈折率の分布が２次元的な周期性を持っている。
この周期性により、活性層で生成される光が共振し、定在波を形成してレーザ発振する。また、１次回折により面垂直方向に光が取り出され、面発光レーザとして動作する。

前記２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、光の共振方向が面内方向であるため、光の一部は２次元フォトニック結晶から面内方向に漏れる。
そのため、レーザ素子をアレイ配置すると隣接するレーザ間にクロストークを生じてしまうこととなる。
特許文献２には、このようなクロストークの発生を抑えるための構造が開示されている。

特開２０００−３３２３５１号公報特開２００３−２７３４６０号公報

上記した特許文献２では、光の進行方向（ポインティングベクトルの方向）と異なる方向にレーザ素子を配列する。それにより、隣接するレーザ間のクロストークを小さくできる。
しかしながら、この構成では、ある方向へのクロストークは小さくできても、それと直行する方向へのクロストークは小さくできない。
そのため、２次元的に多数のレーザ素子を配置するような配列には適さない。

一方、例えば図６に示すようにレーザ素子間に反射構造１００００を設けると、クロストークは低減できるが戻り光１００２０が発生してしまう。
一般に、戻り光はＤＦＢレーザの共振モードに影響を与え、レーザ特性を不安定にしてしまう。
クロストークと戻り光の両方を同時に低減できる、２次元配列に適した構造は未だ提案されていない。

本発明は、上記課題に鑑み、クロストークと戻り光の両方を同時に低減し、２次元アレイ状の配列に適した面発光レーザを提供することを目的とする。

本発明は、以下のように構成した面発光レーザを提供するものである。
本発明の面発光レーザは、基板上に、該基板に平行な面内方向に共振モードを有する２次
元フォトニック結晶と、光導波層と、該光導波層と該基板との間に光閉じ込めのためのクラッド層と、が積層された積層構造を有する面発光レーザであって、
前記積層構造は、前記基板に平行な方向に、
レーザ発振波長において前記面内方向へ光が伝搬される伝搬モードとして、少なくとも１つの導波モードを有する第１の領域と、
前記レーザ発振波長において前記基板側に光が放射される基板放射モードを有する第２の領域と、
を含み構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、クロストークと戻り光の両方を同時に低減し、２次元アレイ状の配列に適した面発光レーザを提供することができる。

本発明の実施形態における面発光レーザを説明する模式図である。本発明の実施形態における光強度分布を示すグラフである。本発明の実施形態における光伝搬の様子を説明する図である。本発明の実施例１における面発光レーザを説明する模式図である。本発明の実施例における面発光レーザを説明する図であり、図５（ａ）から図５（ｅ）は実施例２から実施例６の面発光レーザを説明する模式図である。レーザ素子間に反射構造を設けた場合の戻り光を説明する模式図である。

以下に、本発明の実施形態について説明する。
図１を用いて、本発明の構成を適用した、基板上に、該基板に平行な面内方向に共振モードを有する２次元フォトニック結晶と、光導波層と、クラッド層と、が積層された積層構造を有する面発光レーザについて説明する。
なお、本明細書では、レーザ素子の基板側を下側、基板と反対側を上側と定義する。
図１に示されるように、本実施形態における光導波層１０００は活性層１０２０を含み構成され、一般的には光強度分布のピークが活性層に重なるように設計される。
光導波層１０００では、活性層１０２０の少なくとも一方の側に２次元フォトニック結晶を設ける。
該２次元フォトニック結晶は、板状の母材に、それとは屈折率が異なる領域を周期的に配置することにより形成する。
活性層と該２次元フォトニック結晶は接していても良いし、両者の間にスペーサ層を挟んでもよい。
フォトニック結晶の格子形状は四角格子や三角格子、蜂の巣格子などを用いることができる。
フォトニック結晶の格子定数は、レーザ発振させたい波長や材料の屈折率を考慮して決定される。各格子点の形状は円形、三角形、四角形、六角形などである。

本実施形態ではクラッド層１０３０の厚さが一定ではなく、相対的に厚い部分と薄い部分の２種類の厚さで構成されている。
ここで、クラッド層が相対的に厚い部分を第１の領域、薄い部分を第２の領域と呼ぶことにする。２次元フォトニック結晶１０１０は第１の領域上に設けられており、その周りを第２の領域が取り囲む構成になっている。
このようにクラッド層の厚さを変調して構成する理由を以下に説明する。
２次元フォトニック結晶１０１０の領域ではレーザ発振を起こすために光を光導波層に閉じ込める必要があり、光が基板側に漏れ出さないようにクラッド層を十分厚くしなければならない。

一方、２次元フォトニック結晶１０１０以外の領域では、クロストークを低減するために、面内方向に漏れた光が隣接するフォトニック結晶に到達しないようにする必要がある。
また、戻り光による影響を避けるために、面内方向に漏れた光が反射されて各レーザ素子に戻らないようにすることも必要である。
それを両立するためには、クラッド層の厚さを薄くして光を基板側に逃がしてやる事が望ましい。
光を光導波層に閉じ込める、または基板側に逃がすために必要なクラッド層厚さは、光の波長、導波層の厚さ、導波層とクラッド層の屈折率を考慮した計算により決定される。

図２に、図１と同様の構造における光強度分布の、クラッド層厚さ依存性を計算した結果を示す。
クラッド層厚さ以外の構造は全て同じである。計算には転送行列法を用いた。
図２（ａ）はクラッド層厚１００ｎｍ、図２（ｂ）はクラッド層厚５００ｎｍ、図２（ｃ）はクラッド層厚１０００ｎｍの場合の計算結果である。図２（ａ）ではクラッド層の厚さが薄すぎるため、光が基板側に大きく漏れ出している。
なお、グラフ中の基板側で光強度が振動している成分が、基板側に漏れ出した光に対応する。
図２（ｂ）では一見すると光は基板側に漏れ出していないように見えるが、グラフを拡大するとわずかに漏れ出していることが確認される。
図２（ｃ）ではクラッド層が十分厚いため、光は基板側にはほとんど漏れ出していない。ここで、図２（ｃ）のように、基板に平行な面内方向へ光が伝搬される伝搬モードとして、光が光導波層に強く閉じ込められたまま導波し、基板側に放射しないモードを導波モードと定義する。
また、図２（ａ）や図２（ｂ）のように、基板側に光が放射されるモードを基板放射モードと定義する。
図２（ａ）と図２（ｂ）はどちらも基板放射モードであるが、基板側への光の漏れ出す量が異なる。
これは、光を基板側に完全に逃がすために必要な伝搬長に関係してくる。

図３に、ビーム伝搬法を用いて計算した光伝搬の様子を示す。
３０００は光導波層、３０３０はクラッド層、３０４０は基板、３０５０は空気である。図３（ａ）〜（ｄ）は、厚さ１０００ｎｍのクラッド層３０３０の一部（長さ２０μｍ）だけ薄くした構造に光を入射した場合の光伝搬の様子を示している。図の右側から導波層にガウシアン状の強度分布を持った光が入射したとして計算を行なった。
図３（ａ）は薄くした部分のクラッド層厚が１００ｎｍ、図３（ｂ）は３００ｎｍ、図３（ｃ）は５００ｎｍ、図３（ｄ）は１０００ｎｍ（つまり薄くしていない）の場合の計算結果である。
図３（ｄ）のようにクラッド層の厚さに変調が無い場合は、光は活性層を含む導波層に閉じ込められており、基板側には漏れ出さない。しかし、クラッド層の一部を薄くすると光がカップリングして基板側に漏れ出すようになる。
クラッド層が薄くなるほどカップリングしやすくなり、基板側に漏れる光量が増えることが確認できる（図３（ａ）〜（ｃ））。

本発明の効果を得るためには、光を基板側に逃がすことが重要であり、クラッド層の構造は図１に示したような凸凹構造に限らない。
例えば、クラッド層の厚さは一定でも、クラッド層を構成する材料が異なる場合は上記した凸凹構造と同様の効果が期待できる。
すなわち、クラッド層の屈折率が十分小さければ光は導波層に閉じ込められ、クラッド層
の屈折率が大きければ光は基板側に漏れ出す。
このようなことから、レーザ発振領域（第１の領域）の下に位置するクラッド層の屈折率を相対的に小さくして、それ以外の領域（第２の領域）のクラッド層屈折率を相対的に大きくすればよい。
あるいは、クラッド層の厚さや屈折率は均一で、光導波層に変調を加えた構造であってもよい。
例えば、光導波層の厚さが薄くなるほど光はクラッド層側に大きく染み出すので、クラッド層の構造が同じであっても基板側に放射される光量が増大する。
この場合、光導波層の相対的に厚い部分がレーザ発振領域（第１の領域）として動作する。

活性層１０２０には、一般的な半導体レーザに使用されているものと同様のものを用いることができる。
例えばＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＮ／ＩｎＧａＮなどの材料を用いた多重量子井戸構造である。
基板１０４０は、例えばＧａＡｓ、ＧａＮ、Ｓｉ、ＳｉＣ、サファイアなどである。
光を基板側に逃がすためには、光導波層を構成する材料と同等か、それより高屈折率の材料で基板が構成されている事が望ましい。
各２次元フォトニック結晶の大きさや、それらを配列するピッチは、レーザ素子の用途に応じて適宜決めることができる。
例えば、各２次元フォトニック結晶の大きさは５μｍ角〜５００μｍ角であり、それらを配列するピッチは１０μｍ〜１ｍｍの範囲である。
本実施形態に係る面発光レーザにおいては、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。なお、図１において電極は省略している。
前記第１の領域上に、レーザ発光部であるレーザ光出射部が形成され、該出射部からレーザ光が基板に対して垂直方向に出射される。

以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
図４を用いて、本実施例における面発光レーザの構成例について説明する。
図４において、１０１０は母材であるｐ型ＧａＮに円柱形状の空孔１００５を正方格子状に設けて構成された２次元フォトニック結晶である。
２次元フォトニック結晶の格子定数は１６０ｎｍ、孔直径は７０ｎｍ、孔深さは２００ｎｍである。
４０５０および４０６０は電極、４０２０はＩｎ_０．０９Ｇａ_０．９１Ｎ／Ｉｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ多重量子井戸からなる活性層、４０３０はＡｌ_０．０９Ｇａ_０．９１Ｎからなるｎ型クラッド層、４０４０はＧａＮ基板である。
本実施例のレーザ構造は波長４００ｎｍ付近でレーザ発振するように設計されている。

２次元フォトニック結晶の大きさは３０μｍ角、２次元フォトニック結晶を配置するピッチは５０μｍである。
図４に示された２次元フォトニック結晶は３つしか図示していないが、実際は８×８の２次元アレイ状に配置されている。
フォトニック結晶１０１０の下にあたる領域（第１の領域）のクラッド層と、それ以外の領域（第２の領域）のクラッド層は厚さが異なる。
第１の領域ではクラッド層厚さ１μｍ、第２の領域ではクラッド層厚さ３００μｍである。
その断面形状は、図４に示されているように、矩形の凹凸形状に形成されている。
本実施例の面発光レーザでは、このような矩形の凹凸形状による第１の領域と第２の領域
を複数備え、該第１の領域が該第２の領域を介して２次元アレイ状に配列されている。
そして、２次元フォトニック結晶が、このように２次元アレイ状に配列されている第１の領域上に分離して形成されている。

本発明者らの検討によれば、上述した構成の場合、クラッド層厚さ１μｍであればクラッド層は十分な厚さを持つので基板側に光は漏れ出さないが、クラッド層厚さ３００μｍではクラッド層が薄すぎて光が基板側にカップリングし、基板放射モードとなる。
その結果、第１の領域の各フォトニック結晶レーザ素子のレーザ発振特性には影響を与えず、第２の領域では隣接するフォトニック結晶レーザ素子に向かう光を基板側に逃がす事でクロストークを低減することが可能になる。
なお、本実施例ではアレイピッチに比べて素子厚さが十分薄く、またｐ型ＧａＮの電気伝導率が小さいので、各レーザ素子を電気的に絶縁するための絶縁領域は特に設けていない。
しかし、必要に応じて、例えばプロトン等のイオンを注入することで電気伝導率を下げて絶縁領域を形成してもよい。

［実施例２］
図５（ａ）を用いて、本実施例における面発光レーザアレイを説明する。
本実施例と実施例１との違いは、２次元フォトニック結晶が分離されずにつながっている点だけであり、それ以外の構成は実施例１と同じである。
すなわち、前記第１の領域上に形成された２次元フォトニック結晶が、実施例１では分離されて２次元アレイ状に配列されているのに対して、本実施例では第１の領域および第２の領域上に分離されずにつながって形成されている。
クラッド層の薄くなっている領域（第２の領域）では光が基板側に放射されるのでレーザ発振は起こらない。
そのため、電気的に絶縁されていれば、フォトニック結晶がつながっていても実施例１と同様に各レーザ素子を個別駆動させることができる。
実施例１に対する本実施例のメリットは、クラッド層の凸凹とフォトニック結晶の位置合わせが不要になるため、製造が容易になることである。

［実施例３］
図５（ｂ）を用いて、本実施例におけるクラッド層の断面形状を台形に形成した面発光レーザアレイを説明する。
実施例１の構造との違いは、基板凸部４０７０の断面形状が台形になっている点である。実施例１のようなクラッド層の断面形状が矩形の凹凸形状ものに比べ実効的な屈折率がなだらかに変化するので、第１の領域と第２の領域の界面での光の反射をより低減することができる。
その結果、戻り光の影響をより低減することが可能になる。

［実施例４］
図５（ｃ）を用いて、本実施例における面発光レーザアレイを説明する。
本実施例では図５（ｃ）の４０７０で示される第２の領域中に、ＧａＮより高屈折率の光吸収材料であるＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎが設けられて形成されている。
それ以外の構成は実施例１と同様である。
吸収材料で光を吸収することで、クロストークや戻り光の影響を、より低減することが可能になる。

［実施例５］
図５（ｄ）を用いて、本実施例における面発光レーザアレイを説明する。
本実施例では、第１の領域と第２の領域でクラッド層の厚さを変えるのではなく、クラッ
ド層を構成する材料を変えている。
第１の領域のクラッド層４０３０はＡｌ_０．０９Ｇａ_０．９１Ｎ、第２の領域のクラッド層４０８０はＡｌ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎで構成されている。
Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ系では、Ａｌ組成が大きいほど屈折率は小さくなるため、第２の領域のクラッド層の屈折率は第１の領域より大きくなっている。
その結果、クラッド層の厚さは同じであっても光導波層への光閉じ込めの強さが弱まり、光が基板側に染み出して基板放射モードとなる。

［実施例６］
図５（ｅ）を用いて、本実施例における面発光レーザアレイを説明する。
本実施例では、クラッド層の厚さや屈折率は均一である。その代わり、光導波層の厚さが変調されている。
具体的には、レーザ発振しない領域（第２の領域）の光導波層の厚さが、それ以外の領域（第１の領域）に比べて薄くなっている。光導波層が薄くなると、光はクラッド層に大きく染み出すことになる。
その結果、クラッド層の組成や厚さが均一であっても、基板側に染み出す光量が増え、基板放射モードとなる。その結果、前述した実施例の構造と同様に、レーザ素子間のクロストークを低減することが可能になる。

以上、本発明の各実施例について説明したが、本発明の面発光レーザアレイはこれらの実施例に限定されるものではない。
２次元フォトニック結晶の形状や材料や大きさ、活性層やクラッド層や電極を構成する材料は本発明の範囲内で適宜変更できる。
また、上記実施例では、レーザ発振波長として４００ｎｍのものを示したが、適切な材料・構造の選択により、任意の波長での発振も可能である。
なお、以上説明した本発明の面発光レーザアレイは、複写機、レーザプリンタなどの画像形成装置が有する感光ドラムへ描画を行なうためのアレイ光源としても利用することができる。

１０００：光導波層
１０１０：２次元フォトニック結晶
１０２０：活性層
１０３０：クラッド層
１０４０：基板
４０７０：凸部
４０８０：クラッド層

Claims

基板上に、該基板に平行な面内方向に共振モードを有する２次元フォトニック結晶と、光導波層と、該光導波層と該基板との間に光閉じ込めのためのクラッド層と、が積層された積層構造を有する面発光レーザであって、
前記積層構造は、前記基板に平行な方向に、
レーザ発振波長において前記面内方向へ光が伝搬される伝搬モードとして、少なくとも１つの導波モードを有する第１の領域と、
前記レーザ発振波長において前記基板側に光が放射される基板放射モードを有する第２の領域と、
を含み構成されていることを特徴とする面発光レーザ。
前記第１の領域は、少なくとも前記２次元フォトニック結晶を含み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。
前記第１の領域は、少なくとも前記２次元フォトニック結晶を含み構成され、
前記第２の領域には、前記２次元フォトニック結晶が含まれずに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。
前記第１の領域上に、レーザ光が出射されるレーザ光出射部が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。
前記第１の領域のクラッド層の厚さが、前記第２の領域のクラッド層厚さより厚いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
前記クラッド層における第１の領域および第２の領域は、断面形状が矩形あるいは台形の断面形状であることを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザ。
前記第２の領域中に、光吸収材料が設けられていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の面発光レーザ。
前記第１の領域におけるクラッド層が屈折率の小さい材料からなり、前記第２の領域におけるクラッド層が屈折率の大きい材料からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
前記第１の領域の光導波層の厚さが、前記第２の領域の光導波層さより厚いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
前記第１および第２の領域を複数備え、該第１の領域が該第２の領域を介して２次元アレイ状に配列されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
前記２次元フォトニック結晶が、前記２次元アレイ状に配列されている第１の領域上に分離して形成され、または前記第１の領域および第２の領域上に分離されずにつながって形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の面発光レーザ。