JP2013041948A - フォトニック結晶面発光レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】傾斜ビームの出射角が30°以上になるように設計しても、設計通りに出射方向を傾けることができると共に、低閾値で安定してレーザ発振することのできるフォトニック結晶面発光レーザを提供する。
【解決手段】活性層１５と、板状のスラブ１４２に該スラブ１４２と屈折率の異なる異屈折率領域１４１が、両対角線が互いに平行であって、一方の対角線についてのみ長さが異なる第１の菱形状格子と第２の菱形状格子の各格子点上に形成されたフォトニック結晶層１４と、を有し、前記第１の菱形状格子の前記一方の対角線の長さ及び他方の対角線の長さをそれぞれa_x1, a_y、前記第２の菱形状格子の前記一方の対角線の長さ及び他方の対角線の長さをそれぞれa_x2（a_x2≠a_x1）, a_y、前記フォトニック結晶層に垂直な方向における該フォトニック結晶層の等価屈折率をnとしたとき、a_x1, a_x2, a_y, nが以下の不等式
を満たすことを特徴とする
【選択図】図１

Description

本発明は、フォトニック結晶面発光レーザに関し、より詳しくは、出射面に垂直な方向からレーザビームを傾斜させて出射するフォトニック結晶面発光レーザに関する。

半導体レーザは小型、安価、低消費電力、長寿命等の多くの利点を有し、光記録用光源、通信用光源、レーザディスプレイ、レーザプリンタ、レーザポインタ等の幅広い分野で使用されている。レーザディスプレイやレーザプリンタでは走査方式が一般的であるが、現在用いられている半導体レーザのレーザビームの走査は、多角形形状反射鏡やMEMS（Micro-Electro Mechanical System）マイクロミラー、音響光学素子を用いたものなど、外部に設けた付加的な要素によりレーザビームの出射方向を制御することによって実現されている。しかしながら、このように半導体レーザに走査のための機構を付加すると、小型化や動作速度、耐久性の向上が困難になるという問題がある。

このような観点に基づき、本発明者は特許文献１において、出射方向が可変であるフォトニック結晶面発光レーザを提供している。特許文献１で使用するフォトニック結晶面発光レーザは、周期の異なる2つのフォトニック結晶層を複合させたものである。このフォトニック結晶面発光レーザでは、2つのフォトニック結晶層の各々で形成される光の定在波の周波数差により空間的なうなりが生じることを利用して、出射面に対して斜め方向にレーザビーム（以下、「傾斜ビーム」と呼ぶ）を出射させる。この周波数差が大きくなるほど、出射されるレーザビームの出射角（傾斜角）は大きくなる。

特許文献１の出射方向可変フォトニック結晶面発光レーザは、この周波数差に起因する出射角の変化を利用したものである。この出射方向可変フォトニック結晶面発光レーザでは、一方のフォトニック結晶層の異屈折率領域の周期が固定され、もう一方のフォトニック結晶層の異屈折率領域の周期が層内の位置に応じて異なっている。このような構造を取ることにより、レーザ発振させる位置によって出射角の異なる傾斜ビームを出射させることが可能となる。

このように半導体レーザ自体に出射方向の制御機能を付加することにより、小型化や動作速度、耐久性の向上が可能になる。これによって、携帯機器内蔵レーザディスプレイや、チップ間光インターコネクションなど新しい応用分野の創出が期待される。

特開2009-076900号公報

特許文献１では、2つのフォトニック結晶の格子配列に、正方格子と長方格子又は周期の異なる2つの長方格子を用いることを記載している。しかしながら、その後の研究によってこれらの格子配列の組み合わせでは、30°以上に設計すると、意図しないモードの光が出射することが判明した。また、30°以下の出射角で設計した場合でもレーザ発振の閾値が高く、高い電圧の印加が必要であった。

本発明が解決しようとする課題は、傾斜ビームの出射角が30°以上になるように設計しても、設計通りに出射方向を傾けることができると共に、低閾値で安定してレーザ発振することのできるフォトニック結晶面発光レーザを提供することである。

上記課題を解決するために成された第一発明は、
活性層と、
板状のスラブに該スラブと屈折率の異なる異屈折率領域が、両対角線が互いに平行であって、一方の対角線についてのみ長さが異なる第１の菱形状格子と第２の菱形状格子の各格子点上に形成されたフォトニック結晶層と、
を有し、前記第１の菱形状格子の前記一方の対角線の長さ及び他方の対角線の長さをそれぞれa_x1, a_y、前記第２の菱形状格子の前記一方の対角線の長さ及び他方の対角線の長さをそれぞれa_x2（a_x2≠a_x1）, a_y、前記フォトニック結晶層に垂直な方向における該フォトニック結晶層の等価屈折率をnとしたとき、a_x1, a_x2, a_y, nが以下の不等式
を満たすことを特徴とする。

また、上記課題を解決するために成された第二発明は、
活性層と、
板状のスラブに該スラブと屈折率の異なる異屈折率領域が第１の菱形状格子の格子点上に形成された第１フォトニック結晶層と、
板状のスラブに異屈折率領域が、第１の菱形状格子と両対角線が平行であって、一方の対角線のみ長さが異なる第２の菱形状格子の格子点上に形成された第２フォトニック結晶層と、
を有し、前記第１の菱形状格子の前記一方の対角線の長さ及び他方の対角線の長さをそれぞれa_x1, a_y、前記第２の菱形状格子の前記一方の対角線の長さ及び他方の対角線の長さをそれぞれa_x2（a_x2≠a_x1）, a_y、前記第１フォトニック結晶層及び前記第２フォトニック結晶層に垂直な方向における該第１フォトニック結晶層及び該第２フォトニック結晶層の等価屈折率をnとしたとき、a_x1, a_x2, a_y, nが以下の不等式
を満たすことを特徴とする。

なお、ここで言う菱形状格子とは、通常の菱形格子を拡張した概念を示すものである。まず、通常の菱形格子について説明する。菱形格子は菱形の単位格子を有し、2つの基本並進ベクトル（primitive translation vector）の長さが等しく、該2つの基本並進ベクトルの為す角ψが0°<ψ<180°内の任意の角度を有する格子である。菱形格子の単位格子の2つの対角線は直交し、それらの長さは全ての単位格子においてそれぞれ同じである。
一方、本発明における菱形状格子は、上述した通常の菱形格子に加えて、単位格子の両対角線のうちのいずれか一方の長さが該一方の方向の位置に応じて異なるものを含む。なお、菱形格子以外の菱形状格子における単位格子は、菱形が歪んだ形状を有し、その形状が位置により異なるため、厳密には結晶学上の「単位格子」とは言えないが、本願では便宜上「単位格子」と呼ぶ。

三角格子（又は六方格子）及び正方格子は菱形（状）格子の特別な場合に該当する。すなわち、菱形格子の2つの基本並進ベクトルの為す角ψが60°, 120°の場合には三角格子（又は六方格子）であり、ψ=90°の場合には正方格子である。一方、長方格子は菱形状格子に含まれない。従って、本発明に係るフォトニック結晶面発光レーザは、特許文献１に記載の正方格子と長方格子又は2つの長方格子を組み合わせたフォトニック結晶面発光レーザとは異なる構造を有する。また、特許文献１には2つの三角格子を用いることも記載されているが、この文献には三角格子において具体的にどのように2つの周期を変えるかという点は記載されていない。三角格子はその定義によれば格子の三角形の形状が正三角形であるものを指すため、本発明では一方の格子配列が三角格子であっても、もう一方の格子配列は三角格子でない。従って、本発明に係るフォトニック結晶面発光レーザは、2つの三角格子を用いる特許文献１に記載のフォトニック結晶面発光レーザとは異なる構造を有する。

本発明者が特許文献１に記載のフォトニック結晶面発光レーザを詳細に検討した結果、このフォトニック結晶面発光レーザでは2次の結合強度κ（フィードバック強度）によりレーザ発振することが明らかになった。一般に、高次になればなるほど結合強度が小さくなり、それに伴ってレーザ発振の閾値が高くなったり、意図しないモードの光が生じたりするようになる。この観点のもとで、より大きい結合強度が得られる格子配列の組み合わせを検討した結果、本発明に係るフォトニック結晶面発光レーザでは、1次の結合強度によりレーザ発振することを見出した。そして、実際に本発明に係るフォトニック結晶面発光レーザを作製した結果、この構造では45°まで設計通りに出射方向を傾けることができることが実験により示された。また、特許文献１のフォトニック結晶面発光レーザに比べて低い閾値で発振すること、意図しないモードの出射を防ぐことができること、も示された。

本発明に係るフォトニック結晶面発光レーザにおいて、
前記第１の菱形状格子及び／又は前記第２の菱形状格子における前記一方の対角線の長さが、該一方の対角線が延びる方向の位置によって異なり、
前記活性層の一部にのみ電流を注入し、該方向に関する該電流の注入位置を変更することが可能である電流注入手段を備える、
ようにしてもよい。これにより、活性層の一部分にのみ電流が注入され、その部分に対向するフォトニック結晶層の一部分においてレーザ発振が生じる。傾斜ビームは、そのレーザ発振部分における第１の菱形状格子及び第２の菱形状格子の対角線の長さに応じた出射角で出射する。そのため、このフォトニック結晶面発光レーザでは、電流の注入位置により異なる出射角で傾斜ビームが出射する。以下、このようなフォトニック結晶面発光レーザを「出射方向可変フォトニック結晶面発光レーザ」と呼ぶ。

本発明に係るフォトニック結晶面発光レーザでは、1次の結合強度を用いてレーザ発振させる。そのため、2次の結合強度を用いていた特許文献１のフォトニック結晶面発光レーザに比べて、レーザ閾値が低くなり、その結果、安定して最大45°の出射角でもってレーザビーム（傾斜ビーム）を出射することができる。

本発明に係るフォトニック結晶面発光レーザの第１実施例を示す斜視図。 第１実施例のフォトニック結晶面発光レーザにおけるフォトニック結晶層の２次元格子配列を示す模式図。 比較例（特許文献１に記載）のフォトニック結晶面発光レーザにおけるフォトニック結晶層の２次元格子配列の一例を示す模式図。 第１実施例のフォトニック結晶面発光レーザの２次元格子配列に対する逆格子空間と逆格子ベクトルを示す図(a)、及び特許文献１のフォトニック結晶面発光レーザの２次元格子配列に対する逆格子空間と逆格子ベクトルを示す図(b)。 第１実施例のフォトニック結晶面発光レーザの結合状態を示すモデル(a)、及び特許文献１のフォトニック結晶面発光レーザの結合状態を示すモデル(b)。 第１実施例のフォトニック結晶面発光レーザにおける格子定数差と出射面の垂線に対する出射角の関係を示す実験データ(a)、及び比較例における格子定数差と出射面の垂線に対する出射角の関係を示す実験データ(b)。 第１実施例のフォトニック結晶面発光レーザの作製方法を示す縦断面図。 第１実施例のフォトニック結晶面発光レーザの作製方法において使用するレジストにパターンが描画された状態を示す上面図。 本発明に係るフォトニック結晶面発光レーザの第２実施例を示す縦断面図。 第２実施例のフォトニック結晶面発光レーザの作製方法を示す縦断面図。 第２実施例のフォトニック結晶面発光レーザの作製方法において使用するレジストに描画された状態を示す上面図。 本発明に係るフォトニック結晶面発光レーザの第３実施例である出射方向可変フォトニック結晶面発光レーザの縦断面図(a)及びフォトニック結晶層における周期を示す上面図(b)。 第３実施例において用いることができる第１菱形格子及び第２菱形格子の他の例を示す上面図。 第３実施例において用いることができる第１菱形格子及び第２菱形格子の他の例を示す上面図。 本発明に係るフォトニック結晶面発光レーザの第４実施例である出射方向可変フォトニック結晶面発光レーザの縦断面図(a)、フォトニック結晶層の第１菱形格子における周期の変化を示す上面図(b)、及びフォトニック結晶層の第２菱形格子における周期の変化を示す上面図(c)。 本発明に係るフォトニック結晶面発光レーザの第５実施例である出射方向可変フォトニック結晶面発光レーザの縦断面図(a)、並びにフォトニック結晶層における周期を示す上面図(b)及び(c)。 第５実施例の出射方向可変フォトニック結晶面発光レーザの動作を説明するための縦断面図。 本発明に係るフォトニック結晶面発光レーザの第６実施例である出射方向可変フォトニック結晶面発光レーザの縦断面図。

以下、本発明に係るフォトニック結晶面発光レーザの実施例を説明する。なお、本発明は以下に述べる実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で変更可能なものである。

本発明に係るフォトニック結晶面発光レーザの第１実施例を、図１〜図６を用いて説明する。図１は本実施例のフォトニック結晶面発光レーザの斜視図である。このフォトニック結晶面発光レーザ１０は、裏面電極１１と、下部基板１２と、第１クラッド層１３と、フォトニック結晶層１４と、活性層１５と、第２クラッド層１６と、上部基板１７と、窓状電極１８と、をこの順に積層したものである。本実施例のフォトニック結晶面発光レーザ１０では、レーザビームは、窓状電極１８の中央部に設けられた空洞（窓）１８１を通って、上部基板１７の窓状電極１８側の表面に対する垂線から出射角θだけ傾斜した方向に出射される。

本実施例では、下部基板１２にはp型半導体のガリウムヒ素（GaAs）を、第１クラッド層１３にはp型半導体のアルミニウム・ガリウム砒素（AlGaAs）を、第２クラッド層１６にはn型AlGaAsを、上部基板１７にはn型GaAsを、それぞれ用いた。活性層１５には、インジウム・ガリウム砒素／ガリウムヒ素（InGaAs/GaAs）から成る多重量子井戸（Multiple-Quantum Well; MQW）を有するものを用いた。裏面電極１１及び窓状電極１８の材料には金を用いた。なお、これら各層の材料は上記のものには限定されず、従来のフォトニック結晶面発光レーザで用いられている各層の材料をそのまま用いることができる。また、上記各層の間には、スペーサ層などの他の層が介挿されていてもよい。

フォトニック結晶層１４は、板状のスラブ１４２内に空孔（異屈折率領域）１４１を、後述の格子点上に周期的に配置したものである。本実施例では、スラブ１４２の材料にはp型GaAsを用いる。空孔１４１の形状は、本実施例では正三角形であるが、円形などの他の形状を用いてもよい。なお、スラブ１４２の材料は上記のものには限られず、従来のフォトニック結晶面発光レーザで用いられているものを用いることができる。また、異屈折率領域には、空孔１４１の代わりに、スラブ１４２とは屈折率が異なる部材（異屈折率部材）を用いてもよい。空孔は容易に加工することができるという点において優れているのに対して、異屈折率部材は加工時の加熱などにより母材層が変形するおそれがある場合に有利である。

図２を用いて、フォトニック結晶層１４において空孔１４１が配置される格子点について説明する。本実施例では、第１菱形格子１９Ａ（図２(a)）と第２菱形格子１９Ｂ（図２(b)）を重ね合わせた格子（図２(c)）を用いる。これら第１菱形格子１９Ａ及び第２菱形格子１９Ｂは、上述の菱形状格子のうち、通常の菱形格子に該当する（なお、菱形格子以外の菱形状格子については第５及び第６実施例で説明する）。第１菱形格子１９Ａは格子点１９１Ａから成り、菱形の第１単位格子１９２Ａを有する。以下では、菱形格子における単位格子の対角線を単に「対角線」と呼ぶ。また、一方の対角線が延びる方向をx方向、他方の対角線が延びる方向をy方向とする。ここで、第１単位格子１９２Ａは菱形であることから、これら対角線は当然直交する。これら対角線の長さは、x方向ではa_x1、y方向ではa_yである。それに対して第２菱形格子１９Ｂは格子点１９１Ｂから成り、対角線の向きが第１菱形格子１９Ａと等しい菱形の第２単位格子１９２Ｂを有する。第２菱形格子１９Ｂにおける対角線の長さは、x方向では第１菱形格子１９Ａよりも長いa_x2であり、y方向では第１菱形格子１９Ａと同じa_yである。これらa_x1、a_x2及びa_yの値は、後述の式(1)を満たす。

なお、菱形格子の形状は、本願では説明の都合上、上述のように対角線の長さで特定したが、単位格子の菱形の1辺の長さa及び隣接する2辺の角度ψを用いて特定するのが一般的である。そのような一般的な特定方法によれば、第１菱形格子１９Ａでは長さa₁=(1/2)×(a_x1 ²+a_y ²)^0.5、角度ψ₁=2arctan(a_x1/a_y)であり、第２菱形格子１９Ｂでは長さa₂=(1/2)×(a_x2 ²+a_y ²)^0.5、角度ψ₂=2arctan(a_x2/a_y)である。また、菱形格子では、単位格子の菱形の対角線により囲まれる最小の長方形を、菱形のものとは異なる単位格子と規定することもできる（図２(a)及び(b)に一点鎖線で示した長方形）。この長方形の単位格子には、4つの角と中心に格子点が配置される。このような単位格子を有する格子を面心長方格子と呼ぶ。ただし、菱形格子と面心長方格子は、単位格子の取り方が異なるだけであり、物としては同じである。なお、特許文献１に記載の「長方格子」は中心に格子点がないため、「面心長方格子」ではない。以下、「面心長方格子」ではない長方格子を「単純長方格子」と呼ぶ。

比較のために、図３に、特許文献１に記載の２次元フォトニック結晶レーザにおいて空孔が配置される格子点を示す。この比較例は、各々の単位格子のy方向の辺の長さが等しい正方格子と単純長方格子を重ねた例（図３(a)）と、各々の単位格子のy方向の辺の長さが等しく、x方向の辺の長さが異なる2つの単純長方格子を重ねた例（図３(b)）である。特許文献１に記載のように、本実施例と特許文献１のフォトニック結晶面発光レーザでは、x方向の格子定数差（a_x1-a_x2）に起因する光の定在波の周波数差によるうなりを利用して傾斜ビームを出射する。

次に、本実施例のフォトニック結晶面発光レーザが比較例よりも優れている点を、図４及び図５を参照して説明する。なお、図３(a)の正方格子と単純長方格子の組み合わせは、図３(b)の2つの単純長方格子の組み合わせの特殊なケースに過ぎないので、以下の比較例に関する議論は、2つの単純長方格子の組み合わせに対してのみ行う。

図４(a)及び(b)は、本実施例（図２(c)）と比較例（図３(a)及び(b)）の実格子に対応する逆格子空間であり、本実施例の2つの菱形格子あるいは比較例の2つの単純長方格子の各逆格子点を、原点を中心に重ねて描いたものである。各々の逆格子空間における逆格子ベクトルは、2つの格子のΓ-X₂方向の逆格子ベクトルG_yが等しいため、基本の逆格子ベクトルとしてG_x1, G_x2, G_yの3つを用いることができる。すべての逆格子ベクトルは、これら3つの基本逆格子ベクトルの整数倍の足し合わせで表される。図４(b)中のG_x1', G_x2'も、上記の基本逆格子ベクトルを用いてG_x1'=G_x1-G_y, G_x2'=G_x2-G_yと表されるため、逆格子ベクトルである。

次に、図４(a)及び(b)の逆格子空間において、レーザ発振の根本の原理である基本波の結合モデル（図５(a)及び(b)）について述べる。これらの逆格子空間において基本波はそれぞれ4つ存在する。これらの基本波は、逆格子ベクトルGによって互いに結ばれる関係にあり、4つの基本波が互いに結合することで、レーザ発振に至る。そのときの基本波同士の結合強度（フィードバック強度）はκ(G)で表される。この結合強度κ(G)は、レーザ発振には必須のパラメータである。ここで、Γ-X₁方向はG_x1とG_x2（又はG_x2’）を1回ずつ介する結合であるため、図５(a)と図５(b)は同程度の結合強度となる。一方、Γ-X₂方向の結合強度をみると、図５(a)では1次の結合強度κ(G_y)、図５(b)では2次の結合強度κ(2G_y)となる。一般的に、2次より1次の方がκの値は大きくなるため、図５(a)のように基本波が形成される本実施例の方が優れているといえる。例えば同一条件で計算した場合、比較例ではκ(2G_y) = 790cm^-1、本実施例ではκ(G_y) =1640cm^-1 となる（条件は、a_x1=1.25a_y, a_x2=1/1.25a_y 、格子孔は充填率12%の真円）。結合強度が大きくなることは、閾値が低下することにつながり、意図したモードが安定に発振することを意味する。

なお、本実施例と特許文献１のフォトニック結晶面発光レーザにおいて傾斜ビームが形成されるのは、上記のように、x方向の格子定数差（a_x1-a_x2）に起因する光の定在波の周波数差によるうなりが生じるためである。より具体的には、x方向の波数ずれΔk=|G_x1-G_x2|/2の成分を面内に持つビームが斜め方向に出射されることになる。ここで、傾斜ビームの傾斜が大きいとフォトニック結晶層１４の内部でビームが全反射してしまい、フォトニック結晶層１４の外部にビームが出ないことがある。これを防ぐには、以下の式を満たすように菱形格子のパラメータa_x1, a_x2, a_yを与えれば良い。
なお、nはフォトニック結晶層１４に垂直な方向における該フォトニック結晶層１４の等価屈折率である。

式(1)は次のように導出される。フォトニック結晶層１４と空気の間には、スネルの法則より、
sinθ=n×sinθ_in (2)
が成り立つ。ここでθは空気側の屈折角、θ_inはフォトニック結晶層１４側の屈折角である。

フォトニック結晶層１４の内部で形成された傾斜ビームが外部に放射される条件は|sinθ|≦1であるので、式(2)より
n×sinθ_in ≦1 (3)
が成り立つ。ここで、フォトニック結晶層１４の内部における傾斜ビームの波数をk、その面内方向の波数をΔkとすると、
であるので、式(3)より、
で表される。一方、k及びΔkは以下の式
で表されるため、式(6)及び式(7)を式(5)に代入することにより、式(1)が得られる。

次に、図１及び図２に示した構造のフォトニック結晶面発光レーザ１０を作製し、その性能を検証した結果を示す。図６(a)は、出射角θの設計値が20°になるように格子定数をa_y=590nm、a_x1=303nm、a_x2=384nmと定めて作製したフォトニック結晶面発光レーザ１０から出射される傾斜ビームを測定した結果を示したものである。これらの格子定数は、出射角θの設計値、出射されるレーザの波長λ及びフォトニック結晶層の等価屈折率nを用いて、以下の式(8)〜(10)により求められる。
作製されたフォトニック結晶面発光レーザ１０から出射された傾斜ビームの出射角の測定値は19.6°であり、設計値に近い値が得られた。

また、比較例として、正方格子と単純長方格子を重ね合わせた格子の格子点に空孔を配置したフォトニック結晶面発光レーザを作製し、出射される傾斜ビームを測定した（図６(a)）。この比較例では、正方格子の格子定数をa_x1=a_y=295nm、単純長方格子の格子定数をa_x2=372nm、a_y=295nmとした。これらの格子定数は出射角θの設計値が20°になるように定めたものであり、出射角θの実測値は19.9°であった。

これら本実施例及び比較例において閾値を測定したところ、比較例では約110mAであったのに対して、本実施例では比較例よりも低い約70mAという値が得られた。これは、本実施例における結合強度が比較例よりも強くなっていることに起因すると考えられる。

また、本実施例（図６(c)）及び比較例（図６(d)）において、出射角θの設計値の異なる複数のフォトニック結晶面発光レーザを作製し、得られた傾斜ビームを測定した。その結果、比較例では、出射角θの設計値が比較的小さい範囲においては実測値が設計値とよく一致しているのに対して、設計値が30°以上の範囲においては実測値が設計値よりも小さくなり、両者が一致していない。これは、設計値に対応する発振モードの閾値が高いため実際には発振せず、それとは別の不所望のモードが発振していることによると考えられる。また、設計値が30°以下であっても、設計値通りの傾斜角を有する傾斜ビームだけではなく、不所望の発振モードに起因する傾斜ビームが出射されてしまう。さらに、出射角の実測値が0°に近い不所望のモードの発振も見られる。それに対して本実施例では、0°〜45°までの全範囲に亘って、設計値通りの出射角を有する傾斜ビームが実際に得られることが確認された。これは、本実施例では、所望のモードでの発振の閾値が比較例よりも小さくなったことによってその発振が生じやすくなったことによると考えられる。

次に、図７及び図８を用いて、フォトニック結晶面発光レーザ１０の製造方法を説明する。まず、上部基板１７の上に、第２クラッド層１６、活性層１５及びスラブ１４２をこの順に、MO-CVD法等により積層する（図７(a)）。なお、スラブ１４２には未だ空孔１４１は形成されていない。次にスラブ１４２の上にレジスト２１を塗布し、第１菱形格子と第２菱形格子を重ねた格子（図８(c)）の格子点上に正三角形の孔２２が配置されたレジストパターン（図８）を描画する。そして、CVD法などを用いて、孔２２を通してスラブ１４２をエッチングすることにより、スラブ１４２に空孔１４１を形成する（図７(b)）。これにより、フォトニック結晶層１４が作製される。

別途、第２基板１２１上に第１クラッド層１３及びスラブ１４２と同じ材料から成る融着層１４３をこの順に積層する。そして、フォトニック結晶層１４と融着層１４３を重ねて加熱することにより、両者を融着させる（図７(c)）。次に、第２基板１２１を鏡面研磨することにより所定の厚さまで減厚する。減厚後の第２基板１２１は下部基板１２となる。更に、下部基板１２の表面に裏面電極１１を、上部基板１７の表面に窓状電極１８を、それぞれ蒸着法などの方法を用いて形成することにより、フォトニック結晶面発光レーザ１０が得られる（図７(d)）。

図９〜図１１を用いて第２実施例のフォトニック結晶面発光レーザ３０を説明する。
図９はフォトニック結晶面発光レーザ３０の縦断面図である、このフォトニック結晶面発光レーザ３０は、裏面電極３１と、下部基板３２と、第１クラッド層３３と、第１フォトニック結晶層３４と、活性層３５と、第２フォトニック結晶層３６と、第２クラッド層３７と、上部基板３８と、窓状電極３９と、をこの順に積層したものである。このように、本実施例では第１フォトニック結晶層３４と第２フォトニック結晶層３６の２層のフォトニック結晶層を有する点が第１実施例と異なる。なお、本実施例では第１フォトニック結晶層３４と第２フォトニック結晶層３６は両者の間に活性層３５を挟むように設けたが、第１フォトニック結晶層３４と第２フォトニック結晶層３６の双方を、活性層３５から見て同じ側に設けてもよい。

第１フォトニック結晶層３４は空孔３４１を上述の第１菱形格子１９Ａの格子点１９１Ａ上に配置したものであり、第２フォトニック結晶層３６は空孔３６１を上述の第２菱形格子１９Ｂの格子点１９１Ｂ上に配置したものである。これら2つのフォトニック結晶層の空孔をこれらの層に平行な平面に射影すると、空孔が配置された格子点は、第１実施例におけるフォトニック結晶層１４の格子点（図２(c)）と同様に配列される。

上記裏面電極３１、下部基板３２、第１クラッド層３３、活性層３５、第２クラッド層３７、上部基板３８及び窓状電極３９の材料にはそれぞれ、第１実施例における裏面電極１１、下部基板１２、第１クラッド層１３、活性層１５、第２クラッド層１６、上部基板１７及び窓状電極１８の材料と同じものを用いることができる。また、第１フォトニック結晶層３４におけるスラブ（第１スラブ３４２）及び第２フォトニック結晶層３６におけるスラブ（第２スラブ３６２）には、第１実施例におけるスラブ１４２と同じ材料を用いることができる。さらには、第１フォトニック結晶層３４における空孔３４１及び第２フォトニック結晶層３６における空孔３６１の代わりに、異屈折率部材を用いることができる点も第１実施例と同様である。

本実施例のフォトニック結晶面発光レーザ３０は、上述のようにフォトニック結晶層の構成が異なるものの、その動作は第１実施例のフォトニック結晶面発光レーザ１０と同様である。

図１０及び図１１を用いて、フォトニック結晶面発光レーザ３０の製造方法を説明する。図１０は本製造方法を示す縦断面図であり、図１１は本製造方法において使用するレジストに描画された状態を示す上面図である。

まず、製造用基板４１の上にエッチストップ層４２、第１スラブ３４２、活性層３５及び第２スラブ３６２をこの順に積層した第１積層体５０を作製する（図１０(a)）。製造用基板４１及びエッチストップ層４２の材料などの説明は後述する。次に、第２スラブ３６２の上に第１レジスト４３１を塗布し、第１レジスト４３１の四隅に十字マーク４７を描画（図１１(a)）した後、十字マーク２５１から積層体５０をエッチングすることにより、積層体５０を貫く位置合わせ用マーク４４を形成する（図１０(b)）。続いて第１レジスト４３１を除去したうえで新たに第２レジスト４３２を塗布し、その第２レジスト４３２に、第２菱形格子１９Ｂの格子点１９１Ｂに空孔３６１が配列された状態に対応する孔４８パターンを描画する（図１１(b)）。そして、孔４８から第２スラブ３６２をエッチングし、第２スラブ３６２に空孔３４１を形成することにより、第２フォトニック結晶層３６を作製する（図１０(c)）。その後、第２レジスト４３２を除去する。

別途、第２基板３８１上に第２クラッド層３７、及び第２スラブ３６２と同じ材料から成る第２融着層３６３をこの順に形成することにより、第２積層体５１を作製する。そして、第１積層体５０の第２フォトニック結晶層３６と第２積層体５１の第２融着層３６３を重ねて、両者を熱融着する（図１０(d)）。次に、研磨法及びウエットエッチング法により製造用基板４１を除去し、更にエッチング剤を変えてエッチストップ層４２を除去する（図１０(e)）。ここで、エッチストップ層４２には製造用基板４１用のエッチング液ではエッチングされない材料であって、且つ、それ以外のエッチング液を用いて製造用基板４１よりも低速でエッチングされるものを用いる。

次に、製造用基板４１及びエッチストップ層４２の除去により露出した第１スラブ３４２の表面に第３レジスト４３３を塗布し、第３レジスト４３３を透過して見える位置合わせ用マーク４４の位置を基準として、空孔３６１と空孔３４１のy方向の位置が一致するように、第１菱形格子１９Ａの格子点１９１Ａに対応する位置の第３レジスト４３３に孔４９を形成する（図１１(c)）。そして、孔４９から第１スラブ３４２をエッチングして空孔３４１を形成することにより、第１フォトニック結晶層３４を作製する（図１０(f)）。その後、第３レジスト４３３を除去する。

別途、第１基板３２１上に第１クラッド層３３、及び第１スラブ３４２と同じ材料から成る第１融着層３４３をこの順に形成した第３積層体を５２を、第１融着層３４３と第１フォトニック結晶層３４が重なるように第１フォトニック結晶層３４の上に載置し、第１融着層３４３と第１フォトニック結晶層３４を熱融着する（図１０(g)）。その後、第１基板３２１及び第２基板３８１を鏡面研磨により所定の厚さまで減厚し、第１基板３２１の表面に裏面電極３１を、第２基板３８１の表面に窓状電極３９を作製することにより、第２実施例のフォトニック結晶面発光レーザ３０が得られる（図１０(h)）。

図１２を用いて、第３実施例のフォトニック結晶面発光レーザ６０を説明する。本実施例のフォトニック結晶面発光レーザ６０は、上述の出射方向可変フォトニック結晶面発光レーザの一例である。出射方向可変フォトニック結晶面発光レーザ６０は、裏面電極６１１、６１２、６１３、...６１Ｓ_max（Ｓ_maxは整数。裏面電極６１Ｓ_maxは図示せず。）と、下部基板６２と、第１クラッド層６３と、フォトニック結晶層６４と、活性層６５と、第２クラッド層６６と、上部基板６７と、透明電極６８と、をこの順に積層したものである。

フォトニック結晶層６４は、１枚のスラブに第１異周期領域６４１、第２異周期領域６４２、第３異周期領域６４３...第Ｓ_max異周期領域６４Ｓ_max（第Ｓ_max異周期領域６４Ｓ_maxは図示せず。）を有する。これら異周期領域の各々には、第１実施例のフォトニック結晶層１４と同様に、x方向の対角線の長さが異なり、y方向の対角線の長さa_yが等しい単位格子を有する第１菱形格子及び第２菱形格子を重ね合わせた格子の格子点上に空孔が配置されている。そして、第１菱形格子及び第２菱形格子の各々において、単位格子のx方向の対角線長は、異周期領域毎に異なる。それら対角線長は、第Ｓ異周期領域６４Ｓ（Ｓ=1, 2, 3, ...Ｓ_max）ではa_x1s及びa_x2sであり、a_x1sとa_x2sは以下の式(11)を満たす。
ただし、Sの値が大きくなるほど、rの値も大きくなる。

裏面電極６１１、６１２、６１３、...、及び６１Ｓ_maxは、第１異周期領域６４１、第２異周期領域６４２、第３異周期領域６４３...、及び第Ｓ_max異周期領域６４Ｓ_maxの直下に設けられている。

本実施例の出射方向可変フォトニック結晶面発光レーザ６０では、裏面電極６１１、６１２、６１３、...、６１Ｓ_maxのうちの1つと透明電極６８の間に電圧を印加することにより、その裏面電極の直上にある活性層の一部分に電流が注入され、その部分からの発光が、その部分の直上にある第Ｓ異周期領域６４Ｓにおいて増幅される。これにより、その第Ｓ異周期領域６４Ｓにおける2つの菱形格子のx方向の対角線長により定まる出射角θ_Sで傾斜ビームが出射する。上述のように2つの菱形格子のx方向の対角線長が異周期領域毎に異なるため、この出射角θ_Sは異周期領域毎、すなわち電流の注入に用いる裏面電極により異なることとなる。これにより、1個の出射方向可変フォトニック結晶面発光レーザ６０から、出射角θの異なる傾斜ビームを得ることができる。

本実施例の出射方向可変フォトニック結晶面発光レーザ６０は、第１実施例のフォトニック結晶面発光レーザ１０と同様の方法により作製することができる。

なお、上記実施例３では、第１菱形格子及び第２菱形格子におけるx方向の対角線の長さは式(11)を満たすように定めたが、これには限定されない。例えばx方向の対角線の長さは、第１菱形格子及び第２菱形格子のうちのいずれか一方の菱形格子のみを異周期領域毎に異なる値とし、他方の菱形格子は全ての異周期領域で同じ値にしてもよい（図１３）。

また、y方向の対角線の長さは、異周期領域毎に異なる値としてもよい（図１４）。ただし、1つの異周期領域内では、第１菱形格子のy方向の対角線と第２菱形格子のy方向の対角線は同じ長さとする。以下、第１菱形格子の第Ｓ異周期領域６４Ｓ及び第２菱形格子の第Ｓ異周期領域６６Ｓにおけるy方向の対角線の長さをa_ysとする。この場合において、a_x1s、a_x2s、a_ys及びrが、出射させようとする傾斜ビームの出射角θと波長λにより、以下の式(12)〜(14)
を満たすことが望ましい。これら式(12)〜(14)を満たす場合には、電流が注入される位置に応じて、異なる出射角θで且つ同じ波長λを有する傾斜ビームを得ることができる。

第３実施例の出射方向可変フォトニック結晶面発光レーザ６０では、第１実施例と同様に、2つの菱形格子を重ね合わせた格子を有するフォトニック結晶層を1層のみ設けたが、第２実施例と同様にフォトニック結晶層を2層設けてもよい。その例（第４実施例）を図１５に示す。第４実施例の出射方向可変フォトニック結晶面発光レーザ６０Ａは、活性層６５の一方の側に第１フォトニック結晶層６４Ａを、他方の側に第２フォトニック結晶層６６Ａを、それぞれ有する。第１フォトニック結晶層６４Ａには、１枚のスラブに第１異周期領域６４１Ａ、第２異周期領域６４２Ａ、第３異周期領域６４３Ａ...第Ｓ_max異周期領域６４Ｓ_maxＡ（第Ｓ_max異周期領域６４Ｓ_maxＡは図示せず）が設けられており、各異周期領域には、x方向の対角線の長さがa_x1s、y方向の対角線の長さがa_yである単位格子を有する菱形格子の格子点上に空孔が設けられている。第２フォトニック結晶層６６Ａには、１枚のスラブにおける、第１フォトニック結晶層６４Ａの各異周期領域の直上の位置に、第１異周期領域６６１Ａ、第２異周期領域６６２Ａ、第３異周期領域６６３Ａ...第Ｓ_max異周期領域６６Ｓ_maxＡ（第Ｓ_max異周期領域６６Ｓ_maxＡは図示せず）が設けられており、各異周期領域には、x方向の対角線の長さがa_x2s、y方向の対角線の長さがa_yである単位格子を有する菱形格子の格子点上に空孔が設けられている。a_x1sとa_x2sは上記式(11)の関係、及びSの値が大きくなるほど式(11)のrの値が大きくなるという関係を満たしている。なお、第３実施例と同様に、a_x1s、a_x2s及びa_yの関係は式(11)のものには限られず、図１３や図１４に示したものなどを用いることもできる。

第４実施例の出射方向可変フォトニック結晶面発光レーザ６０Ａの動作は、第３実施例の出射方向可変フォトニック結晶面発光レーザ６０と同様である。また、第４実施例の出射方向可変フォトニック結晶面発光レーザ６０Ａは、第２実施例のフォトニック結晶面発光レーザ３０と同様の方法により作製することができる。

図１６を用いて、第５実施例の出射方向可変フォトニック結晶面発光レーザ７０を説明する。本実施例の出射方向可変フォトニック結晶面発光レーザ７０は、フォトニック結晶層７４及び裏面電極７１を除いて、第３実施例の出射方向可変フォトニック結晶面発光レーザ６０と同じ構成を有する。これら第３実施例と同じ構成に関しては説明を省略する。フォトニック結晶層７４は、第１菱形状格子７４１Ａと第２菱形状格子７４１Ｂ（図１６(b)）を重ね合わせた格子７４１（図１６(c)）の格子点上に空孔を配置したものである。第１菱形状格子７４１Ａでは、その全体に亘って、x方向の対角線の長さはa_x1、y方向の対角線の長さはa_yである。従って、第１菱形状格子７４１Ａは通常の菱形格子である。一方、第２菱形状格子７４１Ｂでは、y方向の対角線の長さは格子の全体に亘ってa_yであるのに対して、x方向の対角線の長さは、正方向に向かって徐々に大きくなっている。そのため、第２菱形状格子７４１Ｂは、並進対称性がないうえに、菱形格子の単位格子に相当する4個の格子点で形成される四角形が菱形がx方向に歪んだ形状を有するため、菱形格子ではない。そのため、本実施例ではこの格子を「菱形状格子」とよんでいる。裏面電極７１は、第３実施例における裏面電極よりもx方向の幅が狭い単位裏面電極７１１、７１２、７１３、７１４、...を多数、x方向に並べたものである。

本実施例の出射方向可変フォトニック結晶面発光レーザ７０では、単位裏面電極のうち隣接する複数のものと透明電極６８の間に電圧を印加することにより、それら単位裏面電極の直上にある活性層の一部分に電流が注入され、その部分からの発光が、フォトニック結晶層７４の一部分において増幅される。その際、出射角θはフォトニック結晶層７４の当該一部分における第１菱形状格子７４１Ａの対角線の長さと第２菱形状格子７４１Ｂの対角線の長さの差により定まる出射角で傾斜ビームが出射する。そして、電流の注入に用いる単位裏面電極を変更することにより、電流が注入される活性層の一部分、及び光の増幅作用を生じるフォトニック結晶層７４の一部分が移動するため、傾斜ビームの出射角も変更される。その際、複数並んだ単位裏面電極のうち、一方の端にある1個の単位裏面電極からの電流の注入を止め、新たに他方の端に隣接する1個の単位裏面電極から電流を注入することにより、電流が注入される領域をわずかに移動させることができる。これにより、出射角θを微調整することができる。

例えば、図１７(a)に示すように、隣接する単位裏面電極７１１、７１２及び７１３と透明電極６８の間に電圧を印加すると、それらの直上の領域６５Ａに電流が注入され、その領域中のフォトニック結晶層７４において光が増幅される。次に、図１７(b)に示すように、単位裏面電極７１１と透明電極６８の間の電圧印加を止め、新たに、単位裏面電極７１３とxの正方向に隣接する単位裏面電極７１４と透明電極６８の間に電圧を印加すると、電流が注入される領域６５Ａが移動し、その領域６５Ａ中のフォトニック結晶層７４において光が増幅される。これら2つの状態の間では、領域６５Ａ中におけるフォトニック結晶層７４の対角線の長さが異なるため、出射される傾斜ビームの出射角が異なる。

図１８を用いて、第６実施例の出射方向可変フォトニック結晶面発光レーザ８０を説明する。本実施例では、活性層６５の下側に第１フォトニック結晶層８４を、上側に第２フォトニック結晶層８６を設けた点を除いて、第５実施例の出射方向可変フォトニック結晶面発光レーザ７０と同じ構成を有する。第１フォトニック結晶層８４には、第５実施例における第１菱形状格子７４１Ａと同じ周期で空孔が配列され、第２フォトニック結晶層８６には、第５実施例における第２菱形状格子７４１Ｂと同じ周期で空孔が配列されている。その他の第５実施例と同じ構成に関しては説明を省略する。また、本実施例の出射方向可変フォトニック結晶面発光レーザ８０の動作は、第５実施例の出射方向可変フォトニック結晶面発光レーザ７０と同様である。

１０、３０…フォトニック結晶面発光レーザ
１１、３１、６１１、６１２、６１３、６１Ｓ、６１Ｓmax、７１…裏面電極
１２、３２、６２…下部基板
１２１…第２基板
１３、３３、６３…第１クラッド層
１４、６４、７４…フォトニック結晶層
１４１、３４１、３６１…空孔
１４２…スラブ
１４３…融着層
１５、３５、６５…活性層
１６、３７、６６…第２クラッド層
１７、３８、６７…上部基板
１８、３９…窓状電極
１９Ａ…第１菱形格子
１９Ｂ…第２菱形格子
１９１Ａ、１９１Ｂ…格子点
１９２Ａ…第１単位格子
１９２Ｂ…第２単位格子
２１…レジスト
２２、４８、４９…レジストの孔
２５１、４７…十字マーク
３２１…第１基板
３４、６４Ａ、８４…第１フォトニック結晶層
３４２…第１スラブ
３４３…第１融着層
３６、６６Ａ、８６…第２フォトニック結晶層
３６２…第２スラブ
３６３…第２融着層
３８１…第２基板
４１…製造用基板
４２…エッチストップ層
４３１…第１レジスト
４３２…第２レジスト
４３３…第３レジスト
４４…位置合わせ用マーク
５０…第１積層体
５１…第２積層体
６０、６０Ａ、７０、８０…出射方向可変フォトニック結晶面発光レーザ
６４１、６４１Ａ、６６１Ａ…第１異周期領域
６４２、６４２Ａ、６６２Ａ…第２異周期領域
６４３、６４３Ａ、６６３Ａ…第３異周期領域
６４Ｓ、６６Ｓ…第Ｓ異周期領域
６４Ｓmax、６４ＳmaxＡ、６６ＳmaxＡ…第Ｓmax異周期領域
６５Ａ…領域
６８…透明電極
７１１、７１２、７１３、７１４…単位裏面電極
７４１…格子
７４１Ａ…第１菱形状格子
７４１Ｂ…第２菱形状格子

Claims (10)

1. 活性層と、
   板状のスラブに該スラブと屈折率の異なる異屈折率領域が、両対角線が互いに平行であって、一方の対角線についてのみ長さが異なる第１の菱形状格子と第２の菱形状格子の各格子点上に形成されたフォトニック結晶層と、
   を有し、前記第１の菱形状格子の前記一方の対角線の長さ及び他方の対角線の長さをそれぞれa_x1, a_y、前記第２の菱形状格子の前記一方の対角線の長さ及び他方の対角線の長さをそれぞれa_x2（a_x2≠a_x1）, a_y、前記フォトニック結晶層に垂直な方向における該フォトニック結晶層の等価屈折率をnとしたとき、a_x1, a_x2, a_y, nが以下の不等式
   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。
2. 活性層と、
   板状のスラブに該スラブと屈折率の異なる異屈折率領域が第１の菱形状格子の格子点上に形成された第１フォトニック結晶層と、
   板状のスラブに異屈折率領域が、第１の菱形状格子と両対角線が平行であって、一方の対角線のみ長さが異なる第２の菱形状格子の格子点上に形成された第２フォトニック結晶層と、
   を有し、前記第１の菱形状格子の前記一方の対角線の長さ及び他方の対角線の長さをそれぞれa_x1, a_y、前記第２の菱形状格子の前記一方の対角線の長さ及び他方の対角線の長さをそれぞれa_x2（a_x2≠a_x1）, a_y、前記第１フォトニック結晶層及び前記第２フォトニック結晶層に垂直な方向における該第１フォトニック結晶層及び該第２フォトニック結晶層の等価屈折率をnとしたとき、a_x1, a_x2, a_y, nが以下の不等式
   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。
3. 前記第１フォトニック結晶層と前記第２フォトニック結晶層が、前記活性層の一方の側に設けられていることを特徴とする請求項２に記載のフォトニック結晶面発光レーザ。
4. 前記第１フォトニック結晶層と前記第２フォトニック結晶層が、前記活性層を挟むように設けられていることを特徴とする請求項２に記載のフォトニック結晶面発光レーザ。
5. a_x1, a_x2, a_yが以下の式
   を満たすことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のフォトニック結晶面発光レーザ。
6. 前記第１の菱形状格子及び／又は前記第２の菱形状格子における前記一方の対角線の長さが、該一方の対角線が延びる方向の位置によって異なり、
   前記活性層の一部にのみ電流を注入し、該方向に関する該電流の注入位置を変更することが可能である電流注入手段を備える、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のフォトニック結晶面発光レーザ。
7. 前記第１の菱形状格子及び／又は前記第２の菱形状格子が、前記一方の対角線の長さがそれぞれ異なる複数の異周期領域を有することを特徴とする請求項６に記載のフォトニック結晶面発光レーザ。
8. 前記第１の菱形状格子又は前記第２の菱形状格子の、前記一方の対角線の長さが連続的に異なることを特徴とする請求項６に記載のフォトニック結晶面発光レーザ。
9. 前記第１の菱形状格子及び／又は前記第２の菱形状格子における前記一方の対角線の長さ及び前記他方の対角線の長さが、該一方の対角線及び該他方の対角線のそれぞれの延びる方向の位置によって異なる複数の異周期領域と、
   前記活性層の一部にのみ電流を注入し、該方向に関する該電流の注入位置を変更することが可能である電流注入手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のフォトニック結晶面発光レーザ。
10. 前記異周期領域毎の前記第１の菱形状格子の前記一方の対角線の長さ及び他方の対角線の長さをそれぞれa_x1s, a_ys、前記第２の菱形状格子の前記一方の対角線の長さ及び他方の対角線の長さをそれぞれa_x2s（a_x2s≠a_x1s）, a_ys、外部に出射されたビームの出射角と波長をそれぞれθ_s、λとしたとき、以下の式
    を満たすことを特徴とする請求項９に記載のフォトニック結晶面発光レーザ。