JP2012119635A - Photonic crystal surface emission laser array - Google Patents
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Description
本発明は、フォトニック結晶を用いた面発光レーザアレイに関する。 The present invention relates to a surface emitting laser array using a photonic crystal.
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開示されている。これは分布帰還型(DFB)レーザの一種であり、基板の面内方向に共振モードを有する。 In recent years, many examples of applying photonic crystals to semiconductor lasers have been reported. Patent Document 1 discloses a surface emitting laser light source in which an active layer containing a light emitting material is provided and a two-dimensional photonic crystal is formed in the vicinity of the active layer. This is a kind of distributed feedback (DFB) laser and has a resonance mode in the in-plane direction of the substrate.
図11に示すように、フォトニック結晶面発光レーザは、基板1000上に半導体層1110が形成されており、この半導体層1110には、活性層1120と2次元フォトニック結晶1130が設けられている。この2次元フォトニック結晶1130は、半導体層1110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1120で生成される光のうち特定の波長のものが符号1140で示すように基板の面内方向に共振し、定在波を形成してレーザ発振する。また、1次回折によって、符号1150で示すように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。
As shown in FIG. 11, in the photonic crystal surface emitting laser, a
ところで、フォトニック結晶面発光レーザを、例えば電子写真の露光用光源として用いることを考えると、このレーザを2次元方向に配列してアレイ化することが、高速化等の観点から望ましい。 By the way, considering that the photonic crystal surface emitting laser is used as an exposure light source for electrophotography, for example, it is desirable from the viewpoint of speeding up to arrange the lasers in a two-dimensional direction.
しかしながら、フォトニック結晶面発光レーザを複数配置すると、一方のレーザ素子から基板面内に出射されたレーザ光が、他方のレーザ素子の内部に到達してその動作に影響を及ぼすことがある。例えば、素子の過熱、活性部の光励起、フォトニック結晶の共振モードとの干渉である。 However, when a plurality of photonic crystal surface emitting lasers are arranged, laser light emitted from one laser element into the substrate surface may reach the inside of the other laser element and affect its operation. For example, overheating of the element, photoexcitation of the active part, interference with the resonance mode of the photonic crystal.
そのため、フォトニック結晶面発光レーザアレイを実用化するには、上記のような隣接するレーザ間のクロストークを低減する必要がある。 Therefore, in order to put the photonic crystal surface emitting laser array into practical use, it is necessary to reduce the crosstalk between adjacent lasers as described above.
そこで、本発明は、近接した位置に配置された一方のフォトニック結晶面発光レーザから他方のフォトニック結晶面発光レーザの内部に到達するレーザ光を低減するフォトニック結晶面発光レーザアレイを提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides a photonic crystal surface emitting laser array that reduces the laser light reaching the inside of the other photonic crystal surface emitting laser from one photonic crystal surface emitting laser disposed at a close position. For the purpose.
本発明に係るフォトニック結晶面発光レーザアレイは、活性層と、基板の面内方向に共振モードを有するフォトニック結晶とを有するフォトニック結晶面発光レーザが複数配列されたフォトニック結晶面発光レーザアレイであって、前記フォトニック結晶面発光レーザにおける前記フォトニック結晶は、正方格子または六方格子のフォトニック結晶であり、前記フォトニック結晶面発光レーザと、該フォトニック結晶面発光レーザと最も近接する他のフォトニック結晶レーザとを結ぶ直線と、前記フォトニック結晶の格子ベクトルに平行な直線で分割される角の二等分線とのなす角度のうち、最も小さい角度θについて、前記正方格子のフォトニック結晶は式(1)を満たし、前記六方格子のフォトニック結晶は式(2)を満たすことを特徴とするフォトニック結晶面発光レーザアレイ。
0°≦θ≦22.5° 式(1)
0°≦θ≦15° 式(2)
The photonic crystal surface emitting laser array according to the present invention is a photonic crystal surface emitting laser in which a plurality of photonic crystal surface emitting lasers having an active layer and a photonic crystal having a resonance mode in the in-plane direction of the substrate are arranged. The photonic crystal in the photonic crystal surface emitting laser is a photonic crystal having a tetragonal lattice or a hexagonal lattice, and is closest to the photonic crystal surface emitting laser and the photonic crystal surface emitting laser. Among the angles formed by the straight line connecting the other photonic crystal laser and the bisector of the angle divided by the straight line parallel to the lattice vector of the photonic crystal, the square lattice The photonic crystal satisfies the formula (1), and the hexagonal lattice photonic crystal satisfies the formula (2). Photonic crystal surface-emitting laser array.
0 ° ≦ θ ≦ 22.5 ° Formula (1)
0 ° ≦ θ ≦ 15 ° Formula (2)
本発明によれば、近接した位置に配置されたフォトニック結晶面発光レーザからフォトニック結晶の内部に到達するレーザ光を低減するフォトニック結晶面発光レーザアレイを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the photonic crystal surface emitting laser array which reduces the laser beam which reaches | attains the inside of a photonic crystal from the photonic crystal surface emitting laser arrange | positioned in the close position can be provided.
(実施形態1)
図1(A)(B)は、本発明の実施形態1の構成を示す平面図である。図1(B)はフォトニック結晶レーザアレイを示すものである。このレーザアレイは、図1(A)に示した正方格子のフォトニック結晶を用いたフォトニック結晶レーザ10を複数配列することにより構成されている。このフォトニック結晶レーザ10は、図11を用いて説明したように、活性層と、基板の面内方向に共振モードを有するフォトニック結晶とを有するフォトニック結晶面発光レーザである。
(Embodiment 1)
1A and 1B are plan views showing the configuration of the first embodiment of the present invention. FIG. 1B shows a photonic crystal laser array. This laser array is configured by arranging a plurality of
図1において、x方向およびy方向は、正方格子のフォトニック結晶における格子ベクトルの方向を指している。図1(B)においてフォトニック結晶レーザ10のフォトニック結晶は近接するフォトニック結晶に対し、それぞれ45°の角度で傾いている。
In FIG. 1, the x direction and the y direction indicate the directions of lattice vectors in a square lattice photonic crystal. In FIG. 1B, the photonic crystal of the
図1(C)(D)は、図1(B)に示した形態の効果を説明するための図である。図1(C)に示すように、正方格子を斜めに傾けた状態でフォトニック結晶レーザ10を配置し、矢印で示した方向から正方格子フォトニック結晶の共振周波数と同周波数のビームを照射する。図1(D)に図1(C)のシミュレーション結果を示す。この結果により、フォトニック結晶に照射されたビームは、フォトニック結晶の境界で反射され、内部に到達しないことが分かる。
FIGS. 1C and 1D are diagrams for explaining the effect of the embodiment shown in FIG. As shown in FIG. 1C, the
図1(B)に示したフォトニック結晶レーザアレイにおいて、すべてのレーザは同様の配置関係であるため、図1(D)のシミュレーション結果は、すべての素子に妥当する。 In the photonic crystal laser array shown in FIG. 1B, since all the lasers have the same arrangement relationship, the simulation result in FIG. 1D is valid for all elements.
したがって、図1(B)に示した構成において、近接レーザからのレーザ光は、どの素子においてもフォトニック結晶の界面で反射され、フォトニック結晶の内部に到達するレーザ光を減少することが可能である。 Therefore, in the configuration shown in FIG. 1B, the laser light from the proximity laser is reflected at the interface of the photonic crystal in any element, and the laser light reaching the inside of the photonic crystal can be reduced. It is.
図2(A)に比較例のフォトニック結晶レーザアレイを示す。このレーザアレイは、図1(A)で示したフォトニック結晶レーザ10と同じレーザを配置することにより構成されている。
FIG. 2A shows a photonic crystal laser array of a comparative example. This laser array is configured by arranging the same laser as the
本比較例においては、図2(B)に示すように、正方格子のフォトニック結晶を斜めに傾けない状態でフォトニック結晶レーザ10を配置している。そして、図1と同様に、矢印で示した方向から、正方格子フォトニック結晶の共振周波数と同周波数のビームを照射する。
In this comparative example, as shown in FIG. 2B, the
図2(C)にそのシミュレーション結果を示す。この結果により、フォトニック結晶に照射されたビームは、フォトニック結晶の表面で反射をされること無く素子の内部にまで到達してしまうことが分かる。 FIG. 2C shows the simulation result. From this result, it can be seen that the beam irradiated to the photonic crystal reaches the inside of the element without being reflected on the surface of the photonic crystal.
以上の検討により、フォトニック結晶レーザを回転させることにより、近接レーザ間のクロストークを抑制したアレイを提供することができることが理解される。 From the above study, it is understood that an array in which crosstalk between adjacent lasers is suppressed can be provided by rotating a photonic crystal laser.
次に、図3と図4を用いて、このことをより一般化して説明する。 Next, this will be described in a more general manner with reference to FIGS.
図3は、正方格子フォトニック結晶に対して、さまざまな角度から入射するビームがどのように振る舞うかを示している。図中、X軸、Y軸はフォトニック結晶の格子ベクトルに平行な直線を示し、破線30はこれらの直線により分割される角の二等分線を示している。
FIG. 3 shows how a beam incident from various angles behaves for a square lattice photonic crystal. In the figure, the X axis and the Y axis indicate straight lines parallel to the lattice vector of the photonic crystal, and the
また、白抜きの矢印は入射ビームのポインティングベクトルを示している。そして、実線の矢印は透過し易い方向に向かうポインティングベクトルの成分(透過ビーム)を示し、破線の矢印は反射し易い方向に向かうポインティングベクトルの成分(反射ビーム)を示している。 A white arrow indicates a pointing vector of the incident beam. A solid line arrow indicates a pointing vector component (transmitted beam) in a direction in which it is easily transmitted, and a broken line arrow indicates a pointing vector component (reflected beam) in a direction in which it is easily reflected.
図3におけるθ=45°に相当するのは、図2(B)に示した比較例である。すなわち、格子ベクトルに平行な方向から入射する例である。 The comparative example shown in FIG. 2B corresponds to θ = 45 ° in FIG. That is, it is an example in which the light enters from a direction parallel to the lattice vector.
ここで、角度θとは、入射光の光軸と、フォトニック結晶の格子ベクトルに平行な直線(X軸、Y軸)で分割された角の二等分線(破線30)とのなす角度のうち、最も小さい角(最小角)である。また、入射光の光軸とは、光が入射する第1のフォトニック結晶面発光レーザと、その第1のフォトニック結晶面発光レーザに最も近接する第2のフォトニック結晶面発光レーザとを結ぶ直線である。 Here, the angle θ is an angle formed between the optical axis of incident light and a bisector (broken line 30) of an angle divided by a straight line (X axis, Y axis) parallel to the lattice vector of the photonic crystal. Is the smallest angle (minimum angle). The optical axis of incident light refers to the first photonic crystal surface emitting laser on which light is incident and the second photonic crystal surface emitting laser closest to the first photonic crystal surface emitting laser. It is a straight line that connects.
格子ベクトルに平行な直線は、全方向を4つに等分割し、等分割された角度は各々360°/4である。また、格子ベクトルとは、フォトニック結晶の格子点を結んだ並進ベクトルのうち、最も近接する格子点を結ぶベクトルである。 A straight line parallel to the lattice vector is equally divided into four in all directions, and the equally divided angles are each 360 ° / 4. The lattice vector is a vector that connects the closest lattice points among the translation vectors that connect the lattice points of the photonic crystal.
図3を参照すると、θ=45°のとき、外部からの入射ビーム(白抜き)は、そのほとんどが透過ビーム(実線)の成分となる。 Referring to FIG. 3, when θ = 45 °, most of the incident beam (outlined) from the outside is a component of the transmitted beam (solid line).
一方、θ=0°のとき、入射ビーム(白抜き)は、そのほとんどが反射ビーム(破線)の成分となる。 On the other hand, when θ = 0 °, most of the incident beam (outlined) is a component of the reflected beam (broken line).
また、θ=22.5°のとき、入射ビーム(白抜き)は、透過ビーム(実線)の成分だけでなく、反射ビーム(破線)の成分となる。 When θ = 22.5 °, the incident beam (outlined) is not only a component of the transmitted beam (solid line) but also a component of the reflected beam (broken line).
このように、正方格子のフォトニック結晶はその構造の対称性から、ビームの入射方向と逆方向に強く反射させる方向(反射方向)と、外部からの入射ビームをほとんど反射させない方向(非反射方向)とを見出すことができる。 Thus, due to the symmetry of the structure, the photonic crystal with a square lattice reflects strongly in the direction opposite to the incident direction of the beam (reflecting direction) and the direction that hardly reflects the incident beam from the outside (non-reflecting direction). ) Can be found.
正方格子フォトニック結晶では、そのような反射方向と非反射方向とは4方向ずつ存在する。外部からの入射ビームが非反射方向と平行な場合、入射ビームはほとんど反射されずフォトニック結晶の内部に侵入する。 In a square lattice photonic crystal, there are four such reflection directions and non-reflection directions. When the incident beam from the outside is parallel to the non-reflecting direction, the incident beam is hardly reflected and enters the photonic crystal.
図4は、角度θとビーム強度(非反射成分41、反射成分42)との関係を示したものである。θ=45°では、入射ビームの全てが非反射成分となるが、θが小さくなると非反射成分が減少し、逆に反射成分が増加する。0°≦θ≦22.5°のとき反射成分42は非反射成分41と等しいか、あるいは上回ることになる。図3では、この条件を満たすθの範囲は二重線の弧で示されている。
FIG. 4 shows the relationship between the angle θ and the beam intensity (
一般的には、二次元アレイを構成するレーザから基板平行方向に出射されて伝搬する光は、アレイを構成する材料の吸収またはビームの広がりなどによって、その伝搬距離が長くなると強度が下がる。すなわち、クロストークは、最近接素子間で最も大きくなる。したがって、正方格子フォトニック結晶を有するレーザを二次元アレイ化するためには、最近接素子を0°≦θ≦22.5°が満たされる範囲で互いに回転させればよい。 In general, the intensity of light propagating by being emitted in the direction parallel to the substrate from the laser constituting the two-dimensional array decreases as the propagation distance increases due to absorption of the material constituting the array or the spread of the beam. That is, crosstalk is greatest between the nearest elements. Therefore, in order to form a two-dimensional array of lasers having a square lattice photonic crystal, the closest elements may be rotated with respect to each other within a range where 0 ° ≦ θ ≦ 22.5 ° is satisfied.
なお、正方格子フォトニック結晶から基板垂直方向に出射されるレーザ光の偏光方向は、光の進行方向に対して回転しており、本実施形態のようにレーザの回転を施しても、偏光方向が影響を受けることはない。よって、本発明は、本発明は複写機やプリンタで要求される、レーザアレイの均一性を乱すことはない。 Note that the polarization direction of the laser light emitted from the square lattice photonic crystal in the direction perpendicular to the substrate is rotated with respect to the traveling direction of the light, and even if the laser is rotated as in this embodiment, the polarization direction Will not be affected. Therefore, the present invention does not disturb the uniformity of the laser array, which is required by the copying machine or printer.
(実施形態2)
図1では、複数の正方格子フォトニック結晶を正方格子状に配置する例について説明したが、本実施形態では、複数の正方格子フォトニック結晶を三角格子状に配置する例について説明する。
(Embodiment 2)
In FIG. 1, an example in which a plurality of square lattice photonic crystals are arranged in a square lattice shape has been described, but in this embodiment, an example in which a plurality of square lattice photonic crystals are arranged in a triangular lattice shape will be described.
図5(A)には、頂角を60°としてアレイ配置された正方格子フォトニック結晶10が図示されている。また、図5(B)には、頂角を90°としてアレイ配置された例が図示されている。
FIG. 5A shows square lattice
ここで、図5(A)の例は、θ=15°であり、図5(B)の例は、θ=0°およびθ=22.5°である。したがって、0°≦θ≦22.5°の条件を満たすため、反射成分は非反射成分を上回ることになる。 Here, in the example of FIG. 5A, θ = 15 °, and in the example of FIG. 5B, θ = 0 ° and θ = 22.5 °. Therefore, since the condition of 0 ° ≦ θ ≦ 22.5 ° is satisfied, the reflection component exceeds the non-reflection component.
(実施形態3)
図6(A)は、六方格子フォトニック結晶80が四角格子状にアレイ配置された例である。また、図6(B)は、六方格子フォトニック結晶80の単素子を示したものである。ここで、六方格子フォトニック結晶80はX1方向、X2方向、X3方向という格子ベクトル方向に平行な直線を有する。
(Embodiment 3)
FIG. 6A shows an example in which hexagonal lattice
図7(A)に示すように、X1方向にビームを入射する。図7(B)に図7(A)のシミュレーション結果を示す。この結果により、ほとんどの入射ビームが透過ビームとなることが分かる。なお、図7(A)(B)ではX1方向からビームを入射させたが、X2方向やX3方向からビームを入射させた場合であっても同じ結果となる。 As shown in FIG. 7A, the beam is incident in the X1 direction. FIG. 7B shows the simulation result of FIG. This result shows that most of the incident beam is a transmitted beam. 7A and 7B, the beam is incident from the X1 direction, but the same result is obtained even when the beam is incident from the X2 direction or the X3 direction.
一方、図7(C)は、六方格子フォトニック結晶80をθ=0°で配置した例である。この場合、図7(D)に示すように、入射ビームは反射ビームになる。
On the other hand, FIG. 7C shows an example in which hexagonal lattice
図8を参照すると、θ=30°のとき、外部からの入射ビーム(白抜き)は、そのほとんどが透過ビーム(実線)の成分となる。 Referring to FIG. 8, when θ = 30 °, most of the incident beam (outlined) from the outside is a component of the transmitted beam (solid line).
一方、θ=0°のとき、入射ビーム(白抜き)は、そのほとんどが反射ビーム(破線)の成分となる。 On the other hand, when θ = 0 °, most of the incident beam (outlined) is a component of the reflected beam (broken line).
また、θ=15°のとき、入射ビーム(白抜き)は、透過ビーム(実線)の成分だけでなく、反射ビーム(破線)の成分となる。 When θ = 15 °, the incident beam (outlined) is not only the component of the transmitted beam (solid line) but also the component of the reflected beam (broken line).
このように、六方格子のフォトニック結晶はその構造の対称性から、ビームの入射方向と逆方向に強く反射させる方向(反射方向)と、外部からの入射ビームをほとんど反射しない方向(非反射方向)とを見出すことができる。 In this way, the hexagonal lattice photonic crystal, due to the symmetry of its structure, strongly reflects the direction opposite to the incident direction of the beam (reflective direction), and hardly reflects the incident beam from the outside (non-reflective direction). ) Can be found.
六方格子フォトニック結晶では、そのような反射方向と非反射方向とは6方向ずつ存在する。外部からの入射ビームが非反射方向と平行な場合、入射ビームはほとんど反射されずフォトニック結晶の内部に侵入する。 In a hexagonal lattice photonic crystal, there are six such reflection directions and non-reflection directions. When the incident beam from the outside is parallel to the non-reflecting direction, the incident beam is hardly reflected and enters the photonic crystal.
図9は、角度θとビーム強度(非反射成分41、反射成分42)との関係を示したものである。θ=30°では、入射ビームの全てが非反射成分となるが、θが小さくなると非反射成分が減少し、逆に反射成分が増加する。0°≦θ≦15°のとき反射成分は非反射成分と等しいか、あるいは上回ることになる。図8では、この条件を満たすθの範囲は二重線の弧で示されている。
FIG. 9 shows the relationship between the angle θ and the beam intensity (
(その他の実施形態)
図10(A)は、複数の正方格子フォトニック結晶10を三角格子状に配置してアレイ化した例である。また図10(B)は、複数の正方格子フォトニック結晶10を四角格子状に配置してアレイ化した例である。このように、より多くのフォトニック結晶面発光レーザを配置することによりアレイを構成してもよい。
(Other embodiments)
FIG. 10A shows an example in which a plurality of square lattice
また、上記実施形態で説明したフォトニック結晶面発光レーザアレイを電子写真用の露光用光源やその他の用途の光源として用いることもできる。 The photonic crystal surface emitting laser array described in the above embodiment can also be used as an exposure light source for electrophotography and a light source for other uses.
なお、正方格子や六方格子などの格子は、実質的に格子形状となっていれば良く、作製誤差などによって格子形状が変形していてもよい。 Note that a lattice such as a tetragonal lattice or a hexagonal lattice has only to have a substantially lattice shape, and the lattice shape may be deformed due to a manufacturing error or the like.
10 フォトニック結晶レーザ(正方格子フォトニック結晶)
41 非反射成分
42 反射成分
80 フォトニック結晶レーザ(六方格子フォトニック結晶)
10 Photonic crystal laser (square lattice photonic crystal)
41 Non-reflective component 42
Claims (3)
前記フォトニック結晶面発光レーザにおける前記フォトニック結晶は、正方格子または六方格子のフォトニック結晶であり、
前記フォトニック結晶面発光レーザと、該フォトニック結晶面発光レーザと最も近接する他のフォトニック結晶レーザとを結ぶ直線と、前記フォトニック結晶の格子ベクトルに平行な直線で分割される角の二等分線とのなす角度のうち、最も小さい角度θについて、前記正方格子のフォトニック結晶は式(1)を満たし、前記六方格子のフォトニック結晶は式(2)を満たすことを特徴とするフォトニック結晶面発光レーザアレイ。
0°≦θ≦22.5° 式(1)
0°≦θ≦15° 式(2) A photonic crystal surface emitting laser array in which a plurality of photonic crystal surface emitting lasers having an active layer and a photonic crystal having a resonance mode in the in-plane direction of the substrate are arranged,
The photonic crystal in the photonic crystal surface emitting laser is a photonic crystal having a square lattice or a hexagonal lattice,
Two lines divided by a straight line connecting the photonic crystal surface emitting laser and another photonic crystal laser closest to the photonic crystal surface emitting laser and a straight line parallel to the lattice vector of the photonic crystal. The square lattice photonic crystal satisfies the formula (1) and the hexagonal lattice photonic crystal satisfies the formula (2) with respect to the smallest angle θ among the angles formed with the equipartition lines. Photonic crystal surface emitting laser array.
0 ° ≦ θ ≦ 22.5 ° Formula (1)
0 ° ≦ θ ≦ 15 ° Formula (2)
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