JP2023144431A - 面発光レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ビーム形状を容易かつ高精度に制御することができ、高い出力までビーム安定性に優れたフォトニック結晶面発光レーザを提供する。【解決手段】透光性の基板と、ｎ型半導体層と、活性層と、ｐ型半導体層と、フォトニック結晶層である空孔層１４Ｐと、反射面を有する光反射層３２と、反射面とｐ型半導体層の間に設けられた透光性導電体層３１と、を備え、空孔層は、空孔層内に定在する光を空孔層と直交する方向へ回折する際の波源である回折面を有し、回折面から光出射面側に回折された第１の回折光と、回折面から光反射層側に回折され反射面で反射された第２の回折光との干渉により生成された干渉光の光強度が、第１の回折光の光強度より小さくなるように回折面と反射面との離間距離ｄが設けられた弱め合い領域と、当該干渉光の光強度が、記第１の回折光の光強度より大きくなるように回折面と反射面との離間距離が設けられた強め合い領域と、を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、面発光レーザ素子、特にフォトニック結晶を有する面発光レーザ素子に関する。

近年、フォトニック結晶（ＰＣ：Photonic Crystal）を用いた、フォトニック結晶面発光レーザ（Photonic-Crystal Surface-Emitting Laser）の開発が進められている。

例えば、特許文献１には、単一格子のフォトニック結晶を有し、高い回折効果を有するフォトニック結晶面発光レーザが開示されている。

また、特許文献２には、多重格子フォトニック結晶層を有し、活性層の平坦性及び結晶性が高く、かつ光取り出し効率が高く、低閾値電流密度及び高量子効率で発振動作することができるフォトニック結晶面発光レーザについて開示されている。

また、特許文献３には、中心領域と、中心領域の周囲に設けられかつ中心領域よりも第１及び第２の多層膜反射鏡間の光学距離が小さい周辺領域と、を含む光ガイド構造を有する垂直共振器型発光素子が開示されている。

非特許文献１には、フォトニック結晶面発光レーザの回折光の定式化と、フォトニック結晶層において回折されてフォトニック結晶層に垂直な方向に発せられる回折放射波プロファイルなどが開示されている（FIG.1、FIG.4(b)）。

再表２０１８－１５５７１０号公報 特開２０２０－０４５５７３号公報 特開２０１９－２０８００４号公報

Y. Liang et al.: Phys.Rev. B vol.84, 195119 (2011)

従来の垂直共振器型発光素子においては、光学距離が異なる領域を有する光ガイド層を共振器内に設けてビームを制御しているため、高出力な単峰性のレーザ光を安定して生成するには、発振モードを考慮した上で光ガイド層を形成しなければならなかった。また、多峰性の強度分布を有するレーザ光を生成及び出射する場合も同様である（例えば、特許文献３）。

本発明は、発振モードを制御するのではなく、フォトニック結晶（ＰＣ）層から回折され放出される回折光、つまり既に放出された光を制御してビーム形状を所望の形状に制御する点に着目してなされた。これにより、レーザの発振モードに関係なくビームの制御が可能である。換言すれば、発振に寄与していない光を利用することでビーム形状を容易かつ高精度に制御することができる。

本発明は、上記点に着目してなされたものであり、ビーム形状を容易かつ高精度に制御することができ、高い出力までビーム（横モード）安定性に優れたフォトニック結晶面発光レーザを提供することを目的としている。

本発明の１実施態様による面発光レーザ素子は、
透光性の基板と、
前記基板上に設けられたｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられたｐ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層に含まれ、前記活性層に平行な面内において２次元的な周期性を有して配された空孔を備えるフォトニック結晶層である空孔層と、
前記ｐ型半導体層上に設けられ、反射面を有する光反射層と、
前記反射面と前記ｐ型半導体層の間に設けられた透光性導電体層と、を備え、
前記基板の裏面に光出射面を有し、
前記空孔層は、前記空孔層内に定在する光を前記空孔層と直交する方向へ回折する際の波源である回折面を有し、
前記回折面から前記光出射面側に回折された第１の回折光と、前記回折面から前記光反射層側に回折され前記反射面で反射された第２の回折光との干渉により生成された干渉光の光強度が、前記第１の回折光の光強度より小さくなるように前記回折面と前記反射面との離間距離が設けられた弱め合い領域と、
前記干渉光の前記光強度が、前記第１の回折光の光強度より大きくなるように前記回折面と前記反射面との離間距離が設けられた強め合い領域と、を有している。

本発明の第１の実施形態によるＰＣＳＥＬ素子１０の構造の一例を模式的に示す断面図である。 図１Ａの空孔層１４Ｐ（フォトニック結晶層）及び空孔層１４Ｐ中に配列された空孔（air hole）１４Ｋを模式的に示す部分拡大断面図である。 ＰＣＳＥＬ素子１０の上面を模式的に示す平面図である。 空孔層１４Ｐのｎ側ガイド層１４に平行な面における断面を模式的に示す断面図である。 ＰＣＳＥＬ素子１０の下面を模式的に示す平面図である。 第１の実施形態のＰＣＳＥＬ素子１０の光干渉層３１、光反射層３２及び回折光の干渉を示す図である。 αv／αpに対するスロープ効率ηSEを示す図である。 反射金属層にＡｇ及びＰｄを用いたときのスロープ効率ηSEの位相差θに対する依存性を示す図である。 空孔層１４Ｐ内をｘ軸方向に伝搬する光が、空孔層により回折され垂直方向（±ｚ方向）に放射される放射波の電界振幅の算出結果を示す図である。 位相差θに対するスロープ効率ηSE及び干渉層膜厚の関係を示す図である。 第１の実施形態の改変例を示す模式的な断面図である。 第２の実施形態のＰＣＳＥＬ素子５０の断面、干渉光強度、ビーム形状を模式的に示す図である。 光反射層３２（１）がＰｄ（Ｒ＝０．４５）である中心領域Ｒ１についての干渉層層厚の位相差（θ）依存性を示す図である。 第３の実施形態のＰＣＳＥＬ素子６０の断面、干渉光強度、ビーム形状を模式的に示す図である。

以下においては、本発明の好適な実施形態について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。

［第１の実施形態］
１．フォトニック結晶面発光レーザの構造
（ａ）素子構造
フォトニック結晶面発光レーザ（以下、ＰＣＳＥＬとも称する。）は、発光素子を構成する半導体発光構造層（ｎ側ガイド層、発光層、ｐ側ガイド層）と平行方向に共振器層を有し、当該共振器層に直交する方向にコヒーレントな光を放射する素子である。

一方、分布ブラッグ反射型（Distributed Bragg Reflector：ＤＢＲ ）レーザが知られているが、フォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）は、以下の点でＤＢＲレーザとは異なっている。すなわち、フォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）では、フォトニック結晶層に平行な面内を伝搬する光波はフォトニック結晶の回折効果により回折され２次元的な共振モードを形成するとともに、当該平行面に垂直な方向にも回折される。すなわち、フォトニック結晶面発光レーザでは、共振方向（フォトニック結晶層に平行な面内）に対して、光取り出し方向が垂直方向である。

図１Ａは、本発明の第１の実施形態によるフォトニック結晶面発光レーザ素子（以下、ＰＣＳＥＬ素子ともいう。）１０の構造の一例を模式的に示す断面図である。図１Ａに示すように、半導体構造層１１が透光性の基板１２上に形成されている。なお、半導体構造層１１の中心軸ＣＸに垂直に半導体層が積層されている。

また、半導体構造層１１は、六方晶系の窒化物半導体からなる。本実施形態においては、半導体構造層１１は、例えば、ＧａＮ系半導体からなる。

より詳細には、基板１２上に複数の半導体層からなる半導体構造層１１、すなわちｎ－クラッド層（第１導電型の第１のクラッド層）１３、ｎ側に設けられたガイド層であるｎ側ガイド層（第１のガイド層）１４、光分布調整層２３、活性層（ＡＣＴ）１５、ｐ側に設けられたガイド層であるｐ側ガイド層（第２のガイド層）１６、電子障壁層（ＥＢＬ：Electron Blocking Layer）１７、ｐ－クラッド層（第２導電型の第２のクラッド層）１８、ｐ－コンタクト層１９がこの順で形成されている。なお、第１導電型がｎ型、第１導電型の反対導電型である第２導電型がｐ型の場合について説明するが、第１導電型及び第２導電型がそれぞれｐ型、ｎ型であってもよい。

基板１２は、主面が、Ｇａ原子が最表面に配列した｛０００１｝面である＋ｃ面のＧａＮ単結晶基板である。基板１２はこれに限定されないが、ジャスト基板、又は、例えば、主面がｍ軸方向に１°程度までオフセットした基板が好ましい。例えば、ｍ軸方向に１°程度までオフセットした基板は、広範な成長条件下にて鏡面成長を得ることができる。

主面と対向する光出射領域２０Ｌが設けられた基板面（裏面、光出射面）は、Ｎ原子が最表面に配列した（０００－１）面である「－ｃ」面である。－ｃ面は酸化等に対して耐性があるので光取り出し面として適している。

以下に各半導体層の組成、層厚等の構成について説明するが、例示に過ぎず、適宜改変して適用することができる。

ｎ－クラッド層１３は、例えばＡｌ組成が４％のｎ型Ａｌ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎ層（層厚２μｍ）である。

ｎ側ガイド層１４は、下ガイド層１４Ａ、フォトニック結晶層（ＰＣ層）である空孔層（air-hole layer）１４Ｐ及び埋込層１４Ｂからなる。

ｎ側ガイド層１４は、例えばｎ型ＧａＮ（層厚３６０ｎｍ）である。ｎ側ガイド層１４の下ガイド層１４Ａは、ｎ型ＧａＮ（層厚２００ｎｍ）である。空孔層（air-hole layer）１４Ｐは、層厚（又は空孔１４Ｋの深さ）が９０ｎｍである。埋込層１４Ｂは、ｎ型ＧａＮ（層厚９０ｎｍ）である。

光分布調整層２３は、アンドープのＩｎ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ層（層厚５０ｎｍ）である。光分布調整層２３は、光と空孔層１４Ｐとの結合効率（光フィールド）を調整するための調整層として機能する。

発光層である活性層１５は、例えば２つの量子井戸層を有する多重量子井戸（ＭＱＷ）層である。ＭＱＷのバリア層及び量子井戸層は、それぞれＧａＮ（層厚６．０ｎｍ）及びＩｎＧａＮ（層厚３．０ｎｍ）である。また、活性層１５の発光波長は４３５ｎｍである。

ｐ側ガイド層１６はｐ側ガイド層(1)１６Ａ及びｐ側ガイド層(2)１６Ｂからなる。ｐ側ガイド層(1)１６Ａは、アンドープＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ層（層厚７０ｎｍ）であり、ｐ側ガイド層(2)１６Ｂは、アンドープＧａＮ層（層厚１８０ｎｍ）である。

ｐ側ガイド層１６は、ドーパント（Ｍｇ：マグネシウム等）による光吸収を考慮してアンドープ層であるが、良好な電気伝導性を得るためにドープしてもよい。また、発振動作モードの電界分布を調整するため、ｐ側ガイド層(1)１６ＡのＩｎ組成及び層厚は適宜選択することができる。

電子障壁層(ＥＢＬ)１７は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ層（層厚１５ｎｍ）であり、ｐ－クラッド層１８は、Ｍｇドープのｐ－Ａｌ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎ層（層厚２９０ｎｍ）である。また、ｐ－コンタクト層１９は、Ｍｇドープのｐ－ＧａＮ層（層厚２５ｎｍ）である。

なお、本明細書において、「ｎ側」、「ｐ側」は、必ずしもｎ型、ｐ型を有することを意味するものではない。例えば、ｎ側ガイド層は活性層よりもｎ側に設けられたガイド層を意味し、アンドープ層（又はｉ層）であってもよい。

また、ｎ－クラッド層１３は単一層ではなく複数の層から構成されていてもよく、その場合、全ての層がｎ層（ｎドープ層）である必要はなく、アンドープ層（ｉ層）を含んでいてもよい。ガイド層１６、ｐ－クラッド層１８についても同様である。また、上記した全ての半導体層を設ける必要はなく、ｎ型半導体層、ｐ型半導体層、及びこれらの層に挟まれた活性層（発光層）を有する構成であればよい。

半導体構造層１１上、すなわちｐ－コンタクト層１９上（上面）には、光干渉層３１が設けられ、光干渉層３１上には光反射層３２が設けられている。また、光反射層３２上には、ｐ電極（アノード）２０Ｂが設けられている。なお、光干渉層３１及び光反射層３２の形成領域をアノード領域ＲＡと称する。

半導体構造層１１の側面及び上面の縁部は、ＳｉＯ₂などの絶縁膜２１で被覆されている。また、絶縁膜２１は、光干渉層３１、光反射層３２及びｐ電極２０Ｂの側面、及びｐ電極２０Ｂの上面の縁部を覆うように形成されている。

活性層１５からの放射光は空孔層（ＰＣ層）１４Ｐによって回折される。空孔層１４Ｐによって回折され、空孔層１４Ｐから直接放出された光（直接回折光Ｌｄ：第１の回折光）と、空孔層１４Ｐの回折によって放出され、光反射層３２によって反射された光（反射回折光Ｌｒ：第２の回折光）とが基板１２の裏面（出射面）１２Ｒの光出射領域２０Ｌ（図２Ｃ）から外部に出射される。

図１Ｂは、図１Ａの空孔層１４Ｐ（フォトニック結晶層）及び空孔層１４Ｐ中に配列された空孔（air hole）の詳細を模式的に示す拡大断面図である。本実施形態において、空孔層１４Ｐは、主空孔１４Ｋ１及び副空孔１４Ｋ２からなる空孔対１４Ｋが格子点に正方格子点位置に２次元配列されている。すなわち、空孔層１４Ｐは、二重格子構造の空孔層として形成されている。

なお、格子点に空孔が１つ設けられた単一格子構造(シングルホール)、及び、一般に多重格子構造の空孔層について適用することができる。したがって、以下においては、空孔対１４Ｋを単に空孔１４Ｋと称して説明する。

より詳細には、空孔１４Ｋは、結晶成長面（半導体層成長面）、すなわちｎ側ガイド層１４に平行な面において、例えば正方格子状に周期ＰＣを有して、空孔１４Ｋがそれぞれ正方格子点位置に２次元配列されてｎ側ガイド層１４内に埋め込まれて形成されている。

図２Ａは、ＰＣＳＥＬ素子１０の上面を模式的に示す平面図、図２Ｂは、空孔層１４Ｐのｎ側ガイド層１４に平行な面における断面を模式的に示す断面図、図２Ｃは、ＰＣＳＥＬ素子１０の下面を模式的に示す平面図である。

図２Ｂに示すように、空孔層１４Ｐにおいて空孔１４Ｋは、例えば矩形の空孔形成領域１４Ｒ内に周期的に配列されて設けられている。図２Ｃに示すように、アノード領域ＲＡ（光干渉層３１及び光反射層３２の形成領域）は、空孔形成領域１４Ｒ内に包含されるように形成されている。

また、ｎ電極２０Ａの内径は、空孔層１４Ｐに対して垂直方向から見たときにアノード領域ＲＡ以上であればよい。

ｎ電極２０Ａの内側の領域が光出射領域２０Ｌである。また、ｎ電極２０に電気的に接続され、外部からの給電用のワイヤを接続するボンディングパッド２０Ｃを備えている。
（ｂ）光干渉層、光反射層及び回折光の干渉
図３は、第１の実施形態のＰＣＳＥＬ素子１０の光干渉層３１、光反射層３２及び回折光の干渉を示す図である。より詳細には、図３の上段には、半導体構造層１１、光干渉層３１及び光反射層３２の断面が、中段には干渉により生成された干渉光ＬＳの強度が、下段には干渉光ＬＳのビーム形状及び強度が模式的に示されている。

光干渉層３１は、透光性の導電体層、例えばインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）で形成されている。光干渉層３１は、ｐ－コンタクト層１９にオーミック接触している。なお、光干渉層３１は、ＩＴＯに限定されず、亜鉛錫酸化物（ＺＴＯ）等の透光性導電体を用いることができる。

光干渉層３１は、上面視で、すなわち半導体構造層１１に垂直な方向（ｚ方向）から見たときに、円形状を有している。詳細には、光干渉層３１は、円形状で層厚ｄ１の中心領域Ｒ１（以下、第１領域ともいう。）の光干渉層３１（１）と、中心領域Ｒ１の外側領域で中心領域Ｒ１と同心の円環形状を有し、中心領域Ｒ１よりも層厚の小さな（層厚はｄ２）周辺領域Ｒ２（以下、第２領域ともいう。）の光干渉層３１（２）からなる（ｄ１＞ｄ２）。なお、光干渉層３１（１）及び光干渉層３１（２）をそれぞれ第１領域層及び第２領域層とも称する。

本実施形態において、中心領域Ｒ１の直径は１００μｍであり、周辺領域Ｒ２の直径（外径）は３００μｍである（すなわち、内径は１００μｍ）。しかしながら、中心領域Ｒ１及び周辺領域Ｒ２の直径は、ビーム（横モード）制御の点から適宜設定することができる。

光干渉層３１上には、光反射層３２として金属層が形成されている。なお、図３において、光反射層３２上に設けられているｐ電極２０Ｂは図示が省略されている。

光反射層３２は、空孔層１４Ｐからの回折光を反射する。光反射層３２は、光干渉層３１の表面の全体を覆うように形成されている。

光反射層３２は、例えば、反射率が８５％である高反射率の銀（Ａｇ）又は反射率が４５％であるパラジウム（Ｐｄ）などを用いることができる。また、光反射層３２の層厚は、例えば２００ｎｍであるがこれに限定されない。

光反射層３２上に設けられているｐ電極２０Ｂは（図１Ａを参照）、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるがこれに限定されない。ｐ電極２０Ｂには、例えばＴｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｐｔ／Ａｕなどを用いることができる。また、ｐ電極２０Ｂの層厚を厚くしてパッド電極としてもよい。

半導体構造層１１については、空孔層１４Ｐ及び活性層１５以外の各半導体層は、図の明確さのため図示されていない。また、空孔層１４Ｐの回折面ＷＳと、半導体構造層１１及び光干渉層３１の界面との距離はｄである。

本実施形態のＰＣＳＥＬ素子１０における回折光の干渉について以下に説明する。活性層１５の放射光は空孔層１４Ｐによって回折される。当該回折光のうち、中心領域Ｒ１の光干渉層３１（１）を経て光反射層３２で反射された光（反射回折光Ｌｒ）は、空孔層１４Ｐからの直接回折光Ｌｄと干渉して生成された干渉光（合成光）ＬＳ１が生成される（第１領域の干渉光）。

同様に、周辺領域Ｒ２において、周辺領域Ｒ２の光干渉層３１（２）を経た反射回折光Ｌｒは、空孔層１４Ｐからの直接回折光Ｌｄと干渉して干渉光ＬＳ２が生成される（第２領域の干渉光）。

中心領域Ｒ１の光干渉層３１（１）の層厚ｄ１は、直接回折光Ｌｒと反射回折光Ｌｒとが弱め合うように定められている。また、周辺領域Ｒ２の光干渉層３１（２）の層厚ｄ２は、直接回折光Ｌｒと反射回折光Ｌｒとが強め合うように定められている。

したがって、中心領域（第１領域）Ｒ１及び周辺領域（第２領域）Ｒ２で生成され、出射される干渉光ＬＳ１及び干渉光ＬＳ２の強度は、ＬＳ１＜ＬＳ２を満たす。すなわち、周辺領域Ｒ２は中心領域Ｒ１よりも明るい領域である。

なお、説明の明確さ及び理解の容易さのため、干渉光ＬＳ１及び干渉光ＬＳ２の強度をそれぞれ同一の符号を用いて干渉光強度ＬＳ１及び干渉光強度ＬＳ２として説明する。また、干渉光ＬＳ１及び干渉光ＬＳ２を区別しないときは干渉光ＬＳと総称する。

２．ＰＣＳＥＬ素子のスロープ効率
（ａ）反射面の反射を考慮したＰＣＳＥＬ素子のスロープ効率
図３に示すように、空孔層（フォトニック結晶層）１４Ｐがｘｙ平面上にあるとき、空孔層１４Ｐを伝搬する光はｘｙ平面内に定在波を形成し、その一部がフォトニック結晶によりｘｙ平面に直交するｚ軸方向へ回折されレーザ光として出射される。

中心領域Ｒ１及び周辺領域Ｒ２の光反射層３２の反射面ＳＲ１及びＳＲ２（以下、特に区別しない場合は反射面ＳＲという。）は空孔層１４Ｐと平行な平面上にあり、空孔層１４Ｐによって回折されたレーザ光と反射面ＳＲとは直交する。

ＰＣＳＥＬ素子１０においては、出射効率を考える上で、反射面ＳＲにおける吸収、及び入射光と反射光との干渉を考慮する必要がある。

ＰＣＳＥＬ素子１０における共振器損失は、空孔層１４Ｐと同一面内（ｘｙ面内）方向の損失成分αpと、これに直交する垂直方向（z方向）の損失成分αvとに分けられる。このうち、レーザ出射に寄与するのは垂直方向の成分αvであるが、反射面ＳＲが存在する場合には、反射面ＳＲでの吸収および反射を考慮して出射効率を考える。

なお、本明細書において、面内方向の損失αp、垂直方向の損失αv、スロープ効率ηSEをそれぞれ次のようにも表記する。

回折によって垂直方向に放射される成分はαvなので、z軸の上下方向（±ｚ方向）に均等に回折が発生するとすれば±ｚ方向に出射されるエネルギーは等しいため、±ｚ方向に放射されるレーザ光は０．５αvとなる。

反射面ＳＲの反射率をＲとすると、反射面ＳＲの方向（＋ｚ方向）に放射されたレーザ光のうちＳＲで吸収される成分は０．５αv（１－Ｒ）、反射される成分は０．５αvＲである。空孔層１４Ｐから出射面１２Ｒの方向に出射された光と、反射面ＳＲにより出射面１２Ｒの方向に反射された光の位相差をθとすると、出射面から出射される実効的放射係数αv1は、以下の式（１.１）で表される。

また、反射面ＳＲにおいて吸収される損失は０．５αv（１－Ｒ）であり、このとき放射損失αは、以下の式（１.２）で表される。

したがって、ＰＣＳＥＬ素子１０における反射面ＳＲを考慮したときのスロープ効率ηSE（出射効率）は、以下の式（１.３）で表される。

なお、上式においてηiはレーザ発振動作時の注入効率である。また、上式においては共振器損失以外に、材料吸収による内部損失αiを考慮した。

内部損失αi＝０のとき、式（１.３）は式（１.４）で表される。

すなわち、αv／αpが大きいほどスロープ効率ηSEを高めることができる。ηi ＝１、Ｒ＝１、θ＝０、αi＝０の理想的な場合において、αv／αpに対するスロープ効率ηSEは図４に示される。

図４に示すように、αv／αpが約２０以上においてスロープ効率ηSEは飽和する。したがって、スロープ効率ηSEを高めるという観点から考えるとαvはαpの２０倍程度であることが好ましい。

αv／αp＝２０のとき、反射電極としてＩＴＯ／Ａｇ（反射率Ｒ＝０．８５）及びＩＴＯ／Ｐｄ（反射率Ｒ＝０．４５）を用いたときのスロープ効率ηSEの位相差θに対する依存性を図５に示す。なお、スロープ効率ηSEは、反射がない場合のスロープ効率で規格化して示している。

また、フォトニック結晶層を有しない垂直共振器型レーザ（ＶＣ－ＬＤ）のスロープ効率の位相差θに対する依存性を併せて示している。

垂直共振器型レーザ（ＶＣ－ＬＤ）においては、スロープ効率は位相差θに対してｃｏｓ曲線状に変化する。つまり、相対的に放射強度が強い領域（以下、強め合い領域という。）と相対的に放射強度が弱い領域が２πの間隔で周期的に出現する。

一方、水平方向（空孔層の面内方向）に共振するＰＣＳＥＬ素子において、空孔層の垂直方向において直接回折光Ｌｄと反射回折光Ｌｒとが相対的に強め合う素子領域（以下、強め合い領域という。）と相対的に弱め合う素子領域（以下、弱め合い領域という。）とは、垂直共振器型レーザ等の他の発光デバイスとは異なる特徴を示す。これは発振に関与する全損失（αtotal）は、αv（放出による損失）、αi（構成要素による損失）、αp（共振に関する損失）の和（αtotal＝αv＋αi＋αp）からなるが、垂直方向に出射した光の干渉に関してはαvとαiが関与するためである。

図５に示すように、ＰＣＳＥＬ素子では、強め合い領域となる位相差θの範囲が広く、弱め合い領域の位相差θの範囲が狭い。

つまり、強め合い領域の干渉層の層厚許容範囲が広く、膜厚制御がしやすくなり、出射強度の制御が可能である。また、ＰＣＳＥＬ素子の強め合い領域及び弱め合い領域の位相差θの範囲は反射層の反射率によって異なるという性質も持つ。

したがって、ＰＣＳＥＬ素子においては、弱め合い領域の干渉層の層厚範囲の許容幅は狭いが、弱め合い領域に位置する反射層の反射率を下げることで、弱め合い領域の層厚範囲の許容幅を広げ、強め合い領域と同じく出射強度の制御は容易になる。

（ｂ）波源（回折面）位置
第１の実施形態のＰＣＳＥＬ素子１０において空孔層１４Ｐに垂直な方向に放射される放射波プロファイルを算出した。

より詳細には、例えば非特許文献１から、結合波理論を用いて空孔層１４Ｐのｘｙ方向（面内方向）に伝搬する光と、空孔層１４Ｐによる回折波の波源（回折面）及び回折され垂直方向に放射される放射波を算出することができる。

図６は、空孔層１４Ｐ内をｘ軸方向に伝搬する光が、空孔層１４Ｐにより回折され垂直方向（±ｚ方向）に放射される放射波の電界振幅の算出結果を示す図である。

当該計算において、空孔充填率（フィリングファクタ）ＦＦは１０％とした。また、窒化物材料系においては、＋Ｃ面基板上に成長した層中に空孔を埋め込む場合には埋め込み成長中に発生するマストランスポートにより、空孔は側面がｍ面の六角柱構造になることが知られている（例えば、特許文献１）。したがって、ここでは空孔層１４Ｐの空孔１４Ｋは、ｚ軸方向に伸びる中心軸を有する六角柱構造であるとみなして計算した。また、空孔周期ＰＣは１７６ｎｍとした。

図６に示すように、空孔層１４Ｐによって回折された光は、放射光として空孔層１４Ｐ内のある点（ｚ軸上の点）を起点として＋ｚ軸方向及び－ｚ軸方向に対称に放射されていく様子が分かる。

空孔層１４Ｐ内のこの起点（ｚ＝ｚ_ｗｓ）から放射波が放射されているとみなすことができるため、この点がデバイスにおける回折面（波源）ＷＳである。そして、ｚ＝ｚ_ｗｓを満たす面であって、空孔層１４Ｐに平行な面が回折面であり、波源として機能する。以下においては、理解の容易さ及び説明の簡便さのため、同一符号を用い、かかる面を回折面ＷＳとして説明する。 換言すれば、空孔層１４Ｐ内に定在する光を空孔層１４Ｐと直交する方向へ対称性を有して回折する際の電界振幅の対称中心面が回折面ＷＳである。

なお、基本モードの電界プロファイルは空孔層の格子構造（単一格子構造、多重格子構造）に応じて変化するので、回折面ＷＳの位置は、空孔層の格子構造に応じて変化する。

（ｃ）光干渉層３１の層厚の導出
まず、出射光の波長λ に対する回折面（波源）ＷＳから反射面ＳＲまでを構成する材料の平均屈折率をｎaveとすると、回折面ＷＳ及び反射面ＳＲ間の離間距離ｄｒは以下の式（２.１）で表すことができる。

なお、式（２.１）は以下の式（２.２）から導出した。

式（２.２）から導出した離間距離ｄｒから回折面ＷＳと光干渉層３１との間の距離ｄを減算すると光干渉層３１の膜厚を算出することができる。

また、式（１.４）から、反射面による反射がない場合のスロープ効率はηSE(0)は以下の式（２.３）で与えられる。

したがって、反射がある場合におけるスロープ効率ηSE(R)が、反射のない場合よりもスロープ効率を高めるためには、ηSE(R)＞ηSE(0)を満たせばよく、この条件を満たす位相差θは以下の式（２.４）で与えられる。

また、ηSE(R)＜ηSE(0)を満たす位相差θは以下の式（２.５）で与えられる。

図７は、位相差θに対するスロープ効率ηSE及び干渉層膜厚の関係を示す図である。なお、直接回折光Ｌｄと反射回折光Ｌｒとが弱め合う位相差θの範囲、すなわち規格化スロープ効率が１未満の位相差θの範囲を位相差範囲ＷＩとして示している。位相差範囲ＷＩ以外の位相差範囲が強め合う範囲である。尚、強め合う範囲として、スロープ効率は１超過であるとより好ましい。また、干渉層膜厚（一点鎖線で示す）は、離間距離ｄｒから距離ｄを減算して求めた。

光干渉層３１及び光反射層３２がＩＴＯ／Ａｇ（反射率Ｒ＝０．８５）であり、αv／αp＝２０のとき、図７に示したスロープ効率ηSE及び干渉層膜厚の位相差（θ）依存性から、弱め合いの範囲及び強め合いの範囲は以下の式（２.６）のようになる。
・弱め合いの範囲：－208.4°＜θ＜－151.6°又は、151.6°＜θ＜208.4°
・強め合いの範囲：－360°≦θ≦－208.4°又は、－151.6°≦θ≦151.6°、
又は、208.4°≦θ≦360° ・・・（２.６）
位相差θが上記の範囲にあるときの波源ＷＳから反射面ＳＲまでの離間距離ｄｒを求める。出射光Ｌｒがｄｒを往復したときの位相が上記のようになれば良いので、離間距離ｄｒは以下の式を満たす。

すなわち、弱め合う条件は、以下の式（２.７）で表される。

また、強め合う条件は、以下の式（２.８）で表される。

式（２.６）の各位相差θの範囲で式（２.１）の離間距離ｄｒを算出し、回折面ＷＳと光干渉層３１との間の距離ｄを減算すると、以下の式（２.９）に示す弱め合い領域（中心領域Ｒ１）の層厚ｄ１及び強め合い領域（周辺領域Ｒ２）の層厚ｄ２が求められる。なお、ｄ＝1060nm、λ＝435nm、ｎave＝2.4、ｍ＝13 として計算した。
・ｄ１：110.9nm＜ｄ１＜125.2nm、又は、201.6nm＜ｄ１＜215.8nm
・ｄ２：72.8nm≦ｄ２≦110.9nm、又は、125.2nm≦ｄ２≦201.6nm、
又は、215.8nm≦ｄ２≦254nm ・・・（２.９）
式（２.９）を満たすように中心領域Ｒ１の層厚ｄ１及び周辺領域Ｒ２の層厚ｄ２を定めることにより、周辺領域Ｒ２が中心領域Ｒ１よりも明るくすることができ（干渉光強度：ＬＳ１＜ＬＳ２）、ビーム制御を行うことができる。

なお、図３に模式的に示すように、強め合い領域（周辺領域Ｒ２）の層厚ｄ２が弱め合い領域（中心領域Ｒ１）の層厚ｄ１よりも小さいことが好ましい。強め合い領域の光干渉層３１（２）の材料損失による出射強度の低減を抑制しつつ、所望ビーム形状のレーザ光が得られるからである。

したがって、弱め合い領域（中心領域Ｒ１）の層厚ｄ１として式（２.９）の最小値１１０．９ｎｍ、及び強め合い領域（周辺領域Ｒ２）の層厚ｄ２として式（２.９）の最小値７２．８ｎｍを採用することがさらに好ましい。この場合、光干渉層３１は、中心領域Ｒ１が周辺領域Ｒ２よりも厚い凸状の構造を有する。

以上、説明したように、本実施形態によれば、ビーム形状を容易かつ高精度に制御することができ、高い出力までビーム（横モード）安定性に優れたフォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。

（ｄ）改変例
図８は、第１の実施形態の改変例を示す模式的な断面図である。本改変例のＰＣＳＥＬ素子４０では、強め合い領域（周辺領域Ｒ２）の層厚ｄ２は弱め合い領域（中心領域Ｒ１）の層厚ｄ１よりも大である。

すなわち、光干渉層３１は、周辺領域Ｒ２が中心領域Ｒ１よりも厚い凹状の構造を有している。この場合であってもビーム形状を高精度に制御することができ、高い出力までビーム（横モード）安定性に優れたフォトニック結晶面発光レーザを実現することができる。

［第２の実施形態］
図９は、第２の実施形態のＰＣＳＥＬ素子５０の断面、干渉光強度、ビーム形状を模式的に示す図である。本実施形態においては、光干渉層３１（１）上には光反射層３２（１）が形成され、光干渉層３１（２）上には、光反射層３２（１）とは異なる反射率の光反射層３２（２）が形成されている。その他の点については第１の実施形態のＰＣＳＥＬ素子１０と同様である。

より具体的には、光干渉層３１（１）及び３１（２）はＩＴＯ層であり、光反射層３２（１）がＰｄ（反射率Ｒ＝０．４５）、光反射層３２（２）がＡｇ層（反射率Ｒ＝０．８５）である。

第１の実施形態のＰＣＳＥＬ素子１０と同様に、中心領域Ｒ１が弱め合い領域であり、周辺領域Ｒ２が強め合い領域である。したがって、中心領域Ｒ１及び周辺領域Ｒ２の干渉光ＬＳ１及び干渉光ＬＳ２の強度は、ＬＳ１＜ＬＳ２である。すなわち、干渉光の強度が相対的に弱め合う領域に反射率の相対的に低い光反射層３２（１）が適用され、干渉光の強度が相対的に強め合う領域に反射率の相対的に高い光反射層３２（２）が適用される。

光反射層３２（１）がＰｄ（反射率Ｒ＝０．４５）である中心領域Ｒ１についての干渉層層厚の位相差（θ）依存性を図１０に示す。

光反射層３２（１）を用いた場合、弱め合いの範囲及び強め合いの範囲は以下の式（２.１０）のように求められる。
・弱め合いの範囲：－230.2°＜θ＜－129.8°又は、129.8°＜θ＜230.2°
・強め合いの範囲：－360°≦θ≦－230.2°又は、－129.8°≦θ≦129.8°
又は、230.2°≦θ≦360°
・・・（２.１０）

弱め合い領域（中心領域Ｒ１）の層厚ｄ１は、式（２.１０）の各位相差θの範囲で式（２.１）の離間距離ｄｒを算出し、回折面ＷＳと光干渉層３１との間の距離ｄを減算して求められる。なお、ｄ＝1060nm、λ＝435nm、ｎave＝2.4、ｍ＝13 として計算した。
・ｄ１：105.4nm＜ｄ１＜130.7nm、又は、196.1nm＜ｄ１＜221.3nm
・・・（２.１１）

ここで、第２の実施形態における強め合い領域（周辺領域Ｒ２）にはＡｇ層である光反射層３２（２）が適用されているので、膜厚ｄ２は式（２．９）と同様にして求められる。

式（２.１１）を満たすように中心領域Ｒ１の層厚ｄ１を定め、式（２．９）を満たすように周辺領域Ｒ２の層厚ｄ２を定めることにより、周辺領域Ｒ２が中心領域Ｒ１よりも明るくすることができ（干渉光強度：ＬＳ１＜ＬＳ２）、ビーム制御を行うことができる。

なお、図９に模式的に示すように、強め合い領域（周辺領域Ｒ２）の層厚ｄ２が弱め合い領域（中心領域Ｒ１）の層厚ｄ１よりも小さいことが好ましい。強め合い領域の光干渉層３１（２）の材料損失による出射強度の低減を抑制しつつ、所望ビーム形状のレーザ光が得られるからである。

本実施形態においても、弱め合い領域（中心領域Ｒ１）の層厚ｄ１として式（２.１１）の最小値１０４．８ｎｍ、及び強め合い領域（周辺領域Ｒ２）の層厚ｄ２として式（２.１１）の最小値７２．８ｎｍを採用することがさらに好ましい。

以上、説明したように、本実施形態によれば、ビーム形状を容易かつ高精度に制御することができ、高い出力までビーム（横モード）安定性に優れたフォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態のＰＣＳＥＬ素子について、以下に説明する。本実施形態においては、光干渉層３１が、中心から順に第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２、・・・、第ｎ領域Ｒｎ（ｎは３以上の整数）に分割されている。

すなわち、光干渉層３１は、光干渉層３１（１）、光干渉層３１（２）、・・・、光干渉層３１（ｎ）を有している。光干渉層３１（１）が中心領域である第１領域Ｒ１に設けられ、その外側に順に光干渉層３１（１）、３１（２）、・・・、３１（ｎ）が周辺領域に設けられている。

図１１は、第３の実施形態のＰＣＳＥＬ素子６０の断面、干渉光強度、ビーム形状を模式的に示す図である。ＰＣＳＥＬ素子６０においては、光干渉層３１が、中心から順に第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２及び第３領域Ｒ３に分割されている場合（ｎ＝３）を示している。

すなわち、光干渉層３１は、中心から順に光干渉層３１（１）、光干渉層３１（２）及び光干渉層３１（３）からなる。光干渉層３１上には光反射層３２が設けられている。

より具体的には、第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２及び第３領域Ｒ３の直径はそれぞれ１００μｍ、２００μｍ及び３００μｍである。

第１領域Ｒ１（中心領域）の干渉光強度ＬＳ１が最も大きく、第２領域Ｒ２の干渉光強度ＬＳ２が最も小さく、第３領域Ｒ３の干渉光強度ＬＳ３は第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２の中間の強度を有する。

すなわち、ＬＳ１＞ＬＳ３＞ＬＳ２であるように光干渉層３１（１）、光干渉層３１（２）及び光干渉層３１（３）の層厚が定められている。各光干渉層の層厚は、第１の実施形態及び第２の実施形態において説明した干渉層層厚の位相差（θ）依存性に基づいて決定することができる。

具体的には、光干渉層３１（１）、光干渉層３１（２）及び光干渉層３１（３）のＩＴＯ層の層厚は、それぞれ７３ｎｍ、１１８ｎｍ及び１０３ｎｍである。

本実施形態によれば、ビーム形状を容易かつ高精度に制御することができ、高い出力までビーム（横モード）安定性に優れたフォトニック結晶面発光レーザを提供することができる点は上記した実施形態と同様である。

特に、本実施形態によれば、干渉光強度の高い領域である第１領域Ｒ１及び第３領域Ｒ３の間にこれらよりも干渉光強度の低い第２領域Ｒ２が設けられている。すなわち、干渉光強度の高い領域Ｒ１及びＲ３を離間して設けることができる。

したがって、例えば、光ビームによって対象物を加熱する場合に、加熱位置及び加熱工程を調整することが可能である。例えば、光ビームの照射位置を移動させて溶接を行う場合では、光ビームの進行方向において先に照射される領域Ｒ３の光によって加工対象物の予備加熱、次いで領域Ｒ１の光によって本加工、次いで領域Ｒ３の光によって加工後のなまし加工を行うことができる。これにより溶接の品質が向上し、また後工程も一度に行うことができる利点を有する。

なお、光干渉層３１が３つの領域からなる場合について説明したが、一般に第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２、・・・、第ｎ領域Ｒｎからなる場合について同様に適用することができる。

この場合、所望のビーム形状になるように、各領域の干渉光強度を干渉層層厚の位相差（θ）依存性に基づいて定めることができる。すなわち、第ｊ領域Ｒｊ（ｊ＝１，２，・・・，ｎ）の干渉光強度ＬＳｊが所望の強度になるように定めればよい。また、第２の実施形態と同様にして、反射率がそれぞれ異なる光反射層３２（１）及び３２（２）を適用してもよい。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明した。上記した実施形態においては、光干渉層が円形状を有する場合について説明したが、本発明において、用語「円形状」は、楕円形状及び長円形状を含み、「円環形状」は、楕円環形状及び長円環形状を含む。

また、光干渉層は円形状に限らず、矩形状、多角形状等の形状を有していてもよい。また、光干渉層の各領域は、同心の相似形状を有することが好ましい。

また、上記した実施形態における誘電体、反射金属、それらの組成及び数値等は例示に過ぎず、本発明の発明内で適宜改変して適用することができる。また、単一格子構造及び二重格子構造のＰＣＳＥＬ素子について例示したが、一般に多重格子構造のＰＣＳＥＬ素子に適用することができる。

また、本発明は、空孔が六角柱形状を有する空孔層について例示したが、空孔が円柱状、矩形状、多角形状、またティアドロップ形状などの不定柱形状を有する場合についても適用することができる。

以上、詳細に説明したように、上記した本実施形態によれば、ビーム形状を容易かつ高精度に制御することができ、高い出力までビーム（横モード）安定性に優れたフォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。

１０，４０，５０，６０：ＰＣＳＥＬ素子、１２：基板、１４：ｎ側ガイド層（第１のガイド層）、１４Ｋ：空孔／空孔対、１４Ｐ：フォトニック結晶層（空孔層）、１５：活性層（ＡＣＴ）、１６：ｐ側ガイド層（第２のガイド層）、２０Ａ：ｎ電極、２０Ｂ：ｐ電極、３１，３１（１），３１（２）：光干渉層（透光性導電体層）、３２，３２（１），３２（２）：光反射層、ｄ：回折面ＷＳと光干渉層３１との間の距離、ｄｒ：離間距離、Ｌｄ：直接回折光、Ｌｒ：反射回折光、Ｒ１：中心領域（第１領域）、Ｒ２：周辺領域（第２領域）、ＳＲ，ＳＲ１，ＳＲ２：反射面、ＷＳ：回折面（波源）

Claims (7)

1. 透光性の基板と、
   前記基板上に設けられたｎ型半導体層と、
   前記ｎ型半導体層上に設けられた活性層と、
   前記活性層上に設けられたｐ型半導体層と、
   前記ｎ型半導体層に含まれ、前記活性層に平行な面内において２次元的な周期性を有して配された空孔を備えるフォトニック結晶層である空孔層と、
   前記ｐ型半導体層上に設けられ、反射面を有する光反射層と、
   前記反射面と前記ｐ型半導体層の間に設けられた透光性導電体層と、を備え、
   前記基板の裏面に光出射面を有し、
   前記空孔層は、前記空孔層内に定在する光を前記空孔層と直交する方向へ回折する際の波源である回折面を有し、
   前記回折面から前記光出射面側に回折された第１の回折光と、前記回折面から前記光反射層側に回折され前記反射面で反射された第２の回折光との干渉により生成された干渉光の光強度が、前記第１の回折光の光強度より小さくなるように前記回折面と前記反射面との離間距離が設けられた弱め合い領域と、
   前記干渉光の前記光強度が、前記第１の回折光の光強度より大きくなるように前記回折面と前記反射面との離間距離が設けられた強め合い領域と、
   を有する面発光レーザ素子。
2. 前記透光性導電体層は、中心から順に第１領域層、第２領域層、・・・、第ｋ領域層（ｋは２以上の整数）を有し、
   前記第１領域層は前記弱め合い領域に設けられ、
   前記第２領域層は、前記強め合い領域に設けられ、前記第１領域層とは異なる層厚を有する、請求項１に記載の面発光レーザ素子。
3. 前記第２領域層は前記第１領域層よりも小なる層厚を有する請求項２に記載の面発光レーザ素子。
4. 前記第１領域層上の前記光反射層と前記第２領域層上の前記光反射層とは互いに異なる反射率を有する請求項２又は３に記載の面発光レーザ素子。
5. 前記透光性導電体層は、少なくとも第１領域層、第２領域層及び第３領域層を有し、
   前記透光性導電体層の前記第１領域層及び前記第３領域層は前記強め合い領域に設けられ、
   前記第２領域層は前記弱め合い領域に設けられている、請求項１に記載の面発光レーザ素子。
6. 前記回折面により回折された前記第１の回折光と、前記回折面により回折され、前記反射面により反射された前記第２の回折光との位相差をθ（deg）、前記第１の回折光の波長をλ、前記回折面から前記反射面までの層の平均屈折率をｎ_ａｖｅ、０以上の整数をｍとしたとき、前記離間距離は、以下の式で表され、
   

   

   前記位相差θは、前記反射面の反射率をＲ、前記空孔層の面内方向及び垂直方向における前記空孔層の損失をそれぞれαp及びαv、内部損失をαiとしたとき、前記弱め合い領域は、
   

   

   を満たし、前記強め合い領域は、
   

   

   を満たす請求項１乃至５のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子。
7. 前記透光性導電体層は円形形状を有する請求項１乃至６のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子。
   
   

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