JP2686219B2 - 光子バンド構造のミラー - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光子バンド構造に係
り、より詳細には、ダイオード・レーザ・アレイ及び広
域装置の遠視野像を改善する光子バンド構造のレーザ共
振ミラーに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ダイオード・レーザ・アレイ及び
広域装置は、単一のコヒーレント・ダイオード・レーザ
から得る出力に比べて高い出力を必要とする用途におい
て有用である。このような用途としては、光学計算、多
重チャンネル式光学接続、フリースペース型光通信シス
テム、レーザプリンタなどがある。単要素型コヒーレン
ト・ダイオード・レーザは、現在のところ、３０ミリワ
ット（ｍＷ）程度の出力に限られている。一方、単ダイ
オード・レーザのアレイや単広域レーザ部を備えるレー
ザは、数百ミリワットの出力あるいは数千ミリワットの
出力すら発生するように設計することができるが、空間
的及び一時的にそれをコヒーレントにすることが難し
い。

【０００３】レーザ・エミッタのアレイが、アレイモー
ドとして知られているいくつかの可能性のある形態のう
ちの１つあるいはそれ以上の形態で発振し得ることは周
知である。同様に、広域装置も、組み合わせたレーザ共
振器の横方向、縦方向モードのうちの１つまたはそれ以
上のモードで同時に発振し得る。たいていの望ましいア
レイ・モードでは、すべてのエミッタは同相で発振す
る。このことは、０度移相アレイ・モードとして知られ
ており、エネルギの大部分がただ１つのローブに集中す
る遠視野像を発生する。この遠視野像の幅は回折制限さ
れる。このような回折制限光線の角度の広がりは、光の
回折のみによって、放射された光の波長を放射源の幅で
割った値にほぼ等しい値に制限される。それに対応し
て、最も望ましい広域モードは、その波面の位相が最も
均一なものである。このモードは、０度移相アレイ・モ
ードに類似し、これも単ローブ回折制限光線を発生す
る。

【０００４】隣接したレーザ・エミッタが１８０度の位
相ずれとなっている場合に、アレイは、１８０度移相ア
レイ・モードで作動し、一次元アレイの遠視野像に２つ
の軸ずれローブを発生し、また、二次元アレイの遠視野
像に４つの軸ずれローブを発生する。これらのローブ
は、近視野要素間隔で波長を割った値に等しい正接角で
分離している。これら両極端の間には、遠視野像を持っ
た他のアレイ・モードもある。広域モードは同様の特性
を持っている。多くのレーザ・アレイおよび広域装置
は、２つまたは３つのアレイ・モードまたは横方向モー
ドで同時に、特により高い出力で作動し、１つまたはそ
れ以上の光線（普通は、回折制限光線よりも２倍または
３倍広い）を発生する。高出力レーザ・アレイと共に回
折制限光線を得るために種々の構成が提案されてきた
が、これらの提案は、すべて、作動特性或いは製作の煩
雑さ及びコストの点のいずれかでかなりの限定要件を有
する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】こういうわけで、比較
的高出力で作動し、単モード回折制限光線を発生するレ
ーザ・ダイオード・アレイがあると望ましい。また、複
数のレーザ・ダイオードを０度移相アレイ・モードで作
動するように接続し、単メインローブ遠視野像を発生す
るか、あるいは、均一位相横方向モードで作動するレー
ザ・ダイオード・アレイまたは広域装置があると望まし
い。また、構造が簡単で安価に製作できるレーザ・ダイ
オード・アレイまたは広域装置を得ることも望ましい。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、レーザ
・ダイオード・アレイまたは広域装置の個々のレーザ要
素から好ましい位相モードでレーザを発生する技術が提
供される。これは、接続しようとしている個々のダイオ
ード・レーザ要素のアレイの一端あるいは両端に或る特
殊なタイプの光子バンド構造と共にミラー材料を設置す
ることによって他のすべてのモードの閾値を高めること
によって達成される。本装置は、（１）一次元または二
次元形態においてアレイ結合を生じるに充分に接近して
規則的な間隔で互いに平行に隔たった複数の半導体ダイ
オード・レーザから成るレーザ・アレイ、あるいは、
（２）個別のレーザ要素に区分されていない一体ゲイン
領域からなる広域装置を包含する。格子点で中心合わせ
されており、第１の屈折率または導電率を有する規則的
な幾何学的形状の周期格子構造を持つ領域がアレイの一
端に配置してある。介在媒体が、第１屈折率または導電
率と異なる第２の屈折率を有する。この周期格子構造
は、アレイのためのレーザ共振器端ミラーの一方あるい
は両方として作用し得る。モードの個々の角度成分につ
いてのミラーの反射性および透過性は、周期格子構造の
光子バンド構造に依存する。この特徴は、本発明の要点
である。周期格子構造は、二次元または三次元での幾何
学形状および空間周期について特別の構成を有し、これ
を選ぶことにより、ゲイン媒体と協働して放射される光
の角度成分が、当該波長に近い所定の角度領域、すなわ
ち、正常入射角で入射した場合にのみ、周期格子構造に
よって実質的に反射させられる。この特性は、対応する
光子バンド構造によって決まる。実際、この特性によ
り、ミラーは、モードの遠視野に置かれた空間フィルタ
と同様の方法でモードの近視野で作用する。こうして、
このようなミラーを用いることは、モード制御を生ぜし
める技術となる。所定の領域の角度幅は、装置について
の回折制限次数を保つ必要性があるかどうかによって決
まる。この反射状態は、他のモードについてのミラー反
射率を減らすことによって均一なあるいは対称的なアレ
イ・モードに比して他のモードについての閾値を高め
る。その結果、主として主要角度成分がミラーに入射す
るか、あるいは、正規の入射角に近い値でミラーに入射
する光からなる均一位相アレイ・モードまたは対称アレ
イ・モードが選定されたレーザ光発生モードとなる。そ
の結果、本装置の遠視野分布像は、集中レーザ・エネル
ギの単一ローブからなる。

【０００７】更に、本発明の周期格子構造ミラーは、空
間的フィルタ動作が所望されるレーザキャビティ以外の
用途に使用することもできる。又、本発明は、低周波の
無線波からＸ線までの広範囲な波長を含む用途にも有用
である。

【０００８】

【実施例】本発明の種々の利点は、以下の説明および添
付図面を参照することによって当業者にとって明らかと
なろう。図１を参照すると、ここに示す従来のダイオー
ド・レーザ・アレイ１０は、１０個の個別のダイオード
・レーザ１２の一次元アレイを含む。図１に示すダイオ
ード・レーザ・アレイ１０は図示簡略化のために等寸で
示してないことを了解されたい。各半導体ダイオード・
レーザ１２は、不純物で化学的にドープ処理し、過剰な
電子（ｎ型）あるいは過剰な電子空孔即ちホール（ｐ
型）のいずれかを与えた種々のタイプの半導体材料から
なる多層構造である。半導体レーザ１２の基本構造は、
ｎ型層、ｐ型層およびこれらの層の間に挟まれた未ドー
プ処理の活性層を有するダイオードの構造である。ダイ
オードを通常の用途で順方向にバイアスすると、電子お
よびホールが活性層の領域で結合し、光が発する。活性
層の各側にある層は、通常、活性層よりも低い屈折率を
有し、誘導体導波管のクラッディング層と同様に作用し
て層に対して直角の方向へ光を閉じ込める。同様に側方
に光を閉じ込めるのには種々の技術が普通用いられ、構
造の両端に結晶小平面１４、１６が設けられ、構造の長
手方向において前後に光を反復反射するようにする。ダ
イオード電流が閾値より高い場合、レーザ作用が生じ、
光が、ほぼ直角の方向に一方の小平面（たとえば、１
４）から放射される。

【０００９】個々のダイオード・レーザ１２は、複数の
アレイ・モードで発振し得る。図１に示すアレイは、隣
接したダイオード・レーザ１２が１８０度の位相ずれと
なっているので、位相ずれモードで作動する。閾値より
も高い値の場合、すなわち、ミラーまたは小平面からの
レーザ作用を達成するのに充分なゲインおよび反射率を
有する場合は、任意のモードでレーザ作用が生じること
になる。図２は、図１に示すレーザ・アレイ１０によっ
て発生した遠視野光強度を示すグラフである。図２に示
すような遠視野像は、端部小平面に対して直角の方向に
関して等しくて互いに向きが反対の角度をなすレーザ・
アレイ内の方向に移動する２つの波から生じるかのよう
に見える。その結果、アレイ内の強度で定在波緩衝パタ
ーンが生じ、レーザ・ダイオード要素の中心と一致する
最大値を生じる。隣り合った最大値は、アレイ・ダイオ
ード要素の位相ずれ励起と同時に互いに反対向きの正弦
位相と組み合った視野を有する。アレイ１０が位相ずれ
モードで発光するため、小平面１４から放射されるモー
ドの主要面波形成分は、ダイオード・レーザ１２の光軸
に関して等しくて向きが逆の角度をなす。その結果、遠
視野に２つの主要ローブ、すなわち、第１ローブ１８と
第２ローブ２０を生じ、これらのローブは、中心軸線
（０度で示す）の両側に約λ／ｗの角度で隔たる。ここ
で、ｗはアレイ内のダイオード・レーザ要素間の距離で
ある。

【００１０】不幸にも、図２に示すような遠視野像は、
比較的高い出力を必要とする用途では満足できる光エネ
ルギ集中度を与えない。すべての光エネルギを回折制限
光線に集中させることが望ましい。このような光線は、
図３に示すような同相モード（０度移相モード）で作動
するレーザ・ダイオードによって発生させられる。図３
のダイオード・レーザ・アレイ２２は、同相の光を発生
する個々のレーザ１２を有し、図４に示す遠視野像１４
を生じさせる。ここで、装置が広域装置であるときにも
同様の論議が当てはまることは了解されたい。すなわ
ち、最も望ましいモードは、最も均一な位相分布を持
ち、単一の回折制限メインローブを持つ遠視野像を発生
するものである。

【００１１】位相ずれモードの励起を強制するようにア
レイを設計することに加えてアレイ近視野を位相ずれ分
布から同相分布に変換するのに移相器を用いることを含
めて上記問題を解決するのに数多くの方法が提案され
た。しかしながら、それらの方法は、いずれも、コスト
性能の点からも、複雑さの観点からも完全に満足できる
ものではない。本発明による解決案は、光子結晶の形を
したミラーを利用して好ましい同相モードにおいてダイ
オード・レーザ・アレイに直接レーザ光を発生させ、図
４に示すような単一の集中近視野像を発生させる。

【００１２】光子結晶というのは、結晶内に或る周波数
領域の光子を存在させない材料を作る際に開発されたも
のである。このような構造は、励起状態の原子を含む、
埋め込んだ装置が除外領域すなわちバンドギャップ内に
入る周波数で自発的に光を発するのを防ぐことになる。
光子結晶のために提案された少なくとも１つの構成で
は、結晶内の光子の移動方向と無関係に或る周波数領域
内での自発的な発光を完全に抑制している。たとえば、
Eli Yablonovitch著、 「Inhibited SponteneousEmissio
n in Solid-State Physics and Electronics 」、 Phys.
Rev. Lett. 58,2059 (1987) およびK.M. Ho, C.T.Chan,
C.M.Soukoulis著、 「Existence of a Photonic Gap in
Periodic Dielectric Structures 」、 Phys. Rev. Let
t. 65, 3152 (1990) を参照されたい。光子バンドギャ
ップでの動作は、固体のバンド理論（周期電位で許され
た電子エネルギ状態の量子力学理論）に類似したものに
基づいている。バンド理論は、シュレディンガーの方程
式を用いて、周期電位における電子が、電子の許された
エネルギについて或る制限された範囲またはバンドを有
し、それに対応して、バンドにエネルギのオーバーラッ
プがない場合には許されない或る種のエネルギ状態を持
つと予測する。

【００１３】Yablonovitchは、シュレディンガー方程式
と、電磁波の伝播を説明しているヘルムホルツ方程式と
の数学的な類似性を指摘している。その結果、Yablonov
itchは、固体のバンド理論のアイデアを、電磁波への周
期「電位」、すなわち、屈折率の周期的な変動の影響状
態に当てはめた。こうして、彼は、類似性によって、周
期的な屈折率変動（固体の周期的なクーロン電位の代わ
り）を持つ構造が或る光子状態（ω、ｋ）は許され、他
は許されないという状況を生じるはずであると理論付け
た（ω＝２πｆ、ｋは大きさが２π／λで、方向が波の
伝播方向であるベクトルである）。この光子結晶分野で
活躍するYablonovitchその他の作業の目標は、電磁波が
格子内を伝播するスペースでの方向と無関係に或る周波
数帯域についてバンドギャップが存在する構造を構築す
ることにある。このようなバンドギャップは、４πステ
ラジアン・バンドギャップと呼ぶことができる。この種
の構造は、スペース内でのあらゆる方向における或る周
波数帯域への伝播を否定した。たとえば、このような構
造は、その周波数帯域での自発発光を許さず、多くの領
域における広範囲の用途を持つ。

【００１４】それにもかかわらず、この比較的新しい光
子結晶分野における作業は、これまでに、真の４πステ
ラジアン・バンドギャップを有する構造を１つだけ生み
出した。この構造は、ダイアモンド結晶と組み合わせた
格子の空間的周期性を有する（Ｈｏ等参照のこと）。代
わりに、今日までのたいていの作業は、不完全なバンド
ギャップを有する構造、すなわち、所定の周波数範囲に
わたってかなり少ない任意の単一周波数ですべての角度
について存在しない構造を生み出したにすぎない。二次
元格子と三次元格子について研究が行われた。（二次元
の場合、三次元の４πソリッド角範囲よりもむしろ、二
次元平面における２πラジアン角度範囲にわたって完全
なギャップが存在することが特徴付けられた。）例え
ば、図５、６に示す光子結晶は、二次元格子形態であ
る。これらの格子形態の性質は、所与の角度における構
造を通じての所与の周波数での電磁波の伝播の可能性の
存在または不存在を決定する。この格子形態内に存在し
得ない電磁波状態、すなわち、所与の（ω、ｋ）を持つ
波は、それ相応に、外から導入する試みがなされたなら
ば、格子を含む体積の表面から反射する。

【００１５】図６は、密接してパックした正方形ロッド
・アレイからなる二次元周期構造をより詳しく示してい
る。図６の周期構造体に入射した電磁波について許され
る伝播状態が、図８のグラフに示してある。このグラフ
では、縦座標は０度から９０度までの入射角θの単位を
示しそして横座標はｎb ｃ／λの単位を示している。但
し、λは自由空間波長である。（これらの量のパラメー
タの定義については、図５を参照されたい。）ロッド
は、１．３８の屈折率コントラスト比（ｎa ／ｎb ）を
有する。比ａ／ｃ及びｂ／ｄは、0.92195 に等しく、従
って、いわゆるフィリング・ファクタ（ａｂ／ｃｄ）は
０．８５である。図８の白色領域は、構造２６において
波が許される領域を示し、陰影付きの領域は、この構造
において波が許されない領域であり、従って、バンドギ
ャップを表わしている。

【００１６】図示のバンドギャップは、上記の光子バン
ドギャップ現象によるものである。ここで、バンドギャ
ップは、これが入射角に依存し光子結晶において望まし
い２πラジアン・バンドギャップでないという意味で、
不完全であることに注目されたい。（図示の構造は二次
元であるが、それらの研究にはなお関心がもたれてお
り、それらの応答性についての解釈が二次元構造の応答
性についての解釈を助ける。）完全なバンドギャップ
（２πラジアン・バンドギャップ）では、陰影領域は横
座標に沿った或る領域について０度から９０度まで存在
する。図７は、３．３２の屈折率コントラスト比を有す
る薄いグリッド２８からなる別の光子結晶を示してい
る。この薄いグリッド２８についての許される周波数お
よび伝播角度が図９に示してある。２πラジアン・バン
ドギャップは、ｎb ｃ／λ＝２．０及びｎb ｃ／λ＝
３．０付近のＴＥ波について存在する。追加の研究（図
示せず）では、横方向磁気（ＴＭ）波スペクトルがこれ
らのギャップを含まず、その結果、両偏光についてギャ
ップが不完全であることを示している。

【００１７】光子結晶の分野において多くの作業が続け
られており、２πラジアンまたは４πステラジアン・バ
ンドギャップのいずれかを備えた構造が開発されてい
る。それにもかかわらず、本発明者は、この分野で問題
として考えられている、現在の光子結晶に存在する不完
全なバンドギャップがまったく異なった分野では有用性
を持つ現象を提示していると考えている。特に、光子結
晶における上記の作業の目標が三次元構造における４π
ステラジアン・バンドギャップを開発することにある
が、たいていの二次元、三次元構造における不完全なバ
ンドギャップはダイオード・レーザ・アレイの性能を改
善するのに使用し得ることがわかった。本発明は、光子
結晶の反射率の入射角への依存性を利用して位相ずれモ
ードのためにダイオード・レーザ・アレイに同相モード
を選ばせる。

【００１８】簡単に言えば、本発明では、同相又はほぼ
同相のレーザ要素が、ほとんど同相でないモードよりも
ミラーから高い反射率を得るようなミラーとして光子結
晶が使用される。ダイオード・レーザ・アレイの同相モ
ードは、ミラーに対して直角あるいはほぼ直角に入射す
る平面波成分から構成される。それに対して、位相ず
れ、すなわち、より望ましくないモードは、直角から遠
く外れた角度でミラーに入射する平面波成分から構成さ
れる。この性質は、上記の遠視野像を生じさせるもので
あり、図２、４に示してある。同相モード対位相ずれモ
ードの平面波成分の異なっている方向を用いて、同相平
面波を選択的に反射することができる。これは、同相モ
ードあるいはそれに最も近いモードでのレーザ作用を行
わせることになる。これは、他のモードがミラーのとこ
ろでかなり高い損失を生じ、損失のより少ない同相モー
ドでのレーザ作用の存在の下において閾値より低い値を
保つことになるからである。換言すれば、ミラーはモー
ド制御を行うことになる。

【００１９】次に図１０には、本発明による光子バンド
ギャップ端ミラー３０を備えた一次元半導体ダイオード
・レーザ・アレイが示してある。これは、光子バンドギ
ャップ・ミラーを構成する正方形ロッド３２の周期構造
を含む。

【００２０】半導体ダイオード・レーザ・アレイ３４
は、規則的な間隔（たとえば、３〜５ミクロンであり得
る）で隔たった複数の個別のダイオード・レーザ３６を
包含する。ダイオード・レーザ３６の一端には、部分反
射小平面またはミラー３８がある。ここで、小平面３８
は、普通は、単結晶レーザ・ダイオードを割ったときに
生じ、材料（たとえば、砒化ガリウム）との空気界面を
生じさせ、これが、異なった屈折率により境界面で３０
パーセント反射率を生じさせる。通常は、同様の部分反
射小平面ミラーがアレイ４０の反対端に設けられる。こ
こで、普通は、レーザ・ダイオード・アレイが同相モー
ド、位相ずれモードの両方で作動することを理解された
い。同相モードは、レーザ３６の光軸にほぼ沿った方向
に伝播する光線４２によって示してある。レーザ３４の
位相ずれモードは、図１１に示してあり、これは、レー
ザの光軸に対して例えば５〜１０度の角度で光線４４が
伝播する状態を示している。同相モード波は、以下の式
によれば、単一平面波成分について説明できる。 Ｅ（ｚ）＝Ｅo ｅｘｐ（−ｊｋｚ） （１） ここで、Ｅo は電界の大きさであり、ｊは−１の平方根
であり、ｋは２π／λである。図１０に示す位相ずれモ
ードは、以下の式によって２つの平面波について説明す
ることができる。

【００２１】 Ｅ（ｚ）＝Ｅo ｛ｅｘｐ［−ｊ（ｋ_z ｚ＋ｋ_x ｘ）］＋ ｅｘｐ［−ｊ（ｋ_z ｚ−ｋ_x ｘ）］｝／２ ＝Ｅo ｅｘｐ（−ｊｋ_z ｚ）ｃｏｓ（ｋ_x ｘ） （２） ここで、ｘ、ｚ方向は図１０、１１で定義される方向で
ある。式（２）におけるｋ_x 、ｋ_z の平方の和の平方根
は、２π／λに等しい。式（２）の右項の大かっこの第
１、第２項は、それぞれ、左、右へ伝播する波４４の２
つの成分を表わしている。異なった平面波成分内容を含
む他のモードも同様に説明することができる。

【００２２】光子バンドギャップ・ミラーのないときに
は、ダイオード・レーザ・アレイ３４は、同相モード、
位相ずれモードを含むアレイ・モードのうちの任意の１
つあるいは任意の組み合わせでレーザ光を発することが
できる。しかしながら、同相の光子バンドギャップ・ミ
ラー３２がある場合には、同相モードが最も高い反射モ
ードとなり、位相ずれモード４４はミラー３２を通して
の最も高い透過モードとなる。他のモードの反射率は、
その中間にある。これは、まさに同相モードを好都合と
する装置モード制御を行うのに必要とされる状態であ
る。これは、バンドギャップ・ミラーに対して直角ある
いはほぼ直角の入射に対してすべてのモードの内で最も
重きを置く平面波成分から同相モード４２が構成される
のに対し、位相ずれモード４４が直角から外れた成分か
ら構成され、他のモードがその中間であるという事実か
ら生じる。その結果、同相の光４２はレーザ３６のキャ
ビティ内へ反射されることになる。同相モードについて
はほぼ１００パーセントの反射率で、他のモードについ
ての反射率が低いということから、他のモードでの有意
のレーザ作用を生じさせるべくこれら他のモードについ
てのレーザ内での飽和状態においては充分なゲインがな
い。それ故、同相モードについての品質ファクタ（Ｑ）
は、他のモードを犠牲にして向上し、その結果、このレ
ーザの動作は、主として、同相モードにおけるものとな
る。したがって、レーザ３６の反対側から放射された光
４６は、優先的に同相となり、図４に示すような遠視野
像を生じさせることになる。

【００２３】図１０、１１に示す望ましい特性を備えた
光子バンドギャップ・ミラーを製作するには、光子結晶
の光子バンド構造を分析し、ダイオード・レーザの周波
数で望ましい反射、透過特性を発生する形態を有する構
造を選定する必要がある。図１２には、方形の二次元ア
レイの反射、透過特性のグラフが示してあり、このグラ
フは、周波数パラメータｎb ｃ／λ（ここで、ｃは方形
のアレイの周期間隔に等しく、λは光のフリースペース
波長に等しい）の関数としての反射率への角度依存度を
示している。（ミラーが第３の寸法のスラブ導波管構造
に埋め込まれた二次元ミラーである場合、λは導波管波
長となる。）この方形のアレイ４８（例えば、図５に示
すもの）は、図６に示す正方形ロッド２６のアレイに形
状が類似している。この計算の目的のために、正方形ロ
ッドが図５の紙面の内外へ無限に延びると仮定する。好
ましい実施例では、ロッドは、砒化ガリウムからなり、
ロッド間のスペースは砒化ガリウムアルミニウムからな
る。これは、約１．０３の屈折率コントラスト比を生じ
させる。格子周期ｃは、図５（正方形アレイの場合は、
ｃ＝ｄ、ａ＝ｂ）に、個々の正方形ロッド間の距離とし
て示してある。又、電磁波の入射角θも図５に示してあ
る。

【００２４】再び図１２を参照すると、図１０、１１の
光子バンドギャップ・ミラー３２の性能を達成するに
は、小さい角度領域、すなわち、４λ／Ｄ（ここで、Ｄ
はアレイの幅である）の程度のΔθに制限される光につ
いてのみ高い反射率を示す光子バンド構造を持つことが
望ましい。この角度幅は、普通は、１度の程度である。
図１２に示す場合（その設計は最適化されていない）に
は、多数の高反射率領域（暗領域）があり、これらは、
幅が２、３度程度である。たとえば、ｎb ｃ／λが約
１．２（屈折率ｎb を持つ領域で測って約１．２波長で
ある格子パラメータｃに相当する）であり、θが約１０
度である領域においては、この特性を持つ反射率の領域
５０がある。（１０度でこの特徴が生じることにより、
光子バンドギャップ・ミラーは、レーザとミラーの間に
設けたプリズム状の移行領域を備え、必要な角度でモー
ドがミラーに入射しなければならない。）更に、高反射
率のこの領域は、角度に依存するだけでなく、やや周波
数にも依存し、これは図１２の特徴の大部分を持つ場合
である。この周波数依存性は、図１２に僅かに現れてい
るが、ＧａＡｓレーザのゲイン帯域幅と比較した場合に
大きくて、従って、この特徴は、レーザ・ミラーが高い
反射率を有する有効角度領域をさらに制限する助けとな
る。別の使用可能な領域は、領域５２であり、この領域
は、２．５にほぼ等しいｎb ｃ／λで生じる。ここで、
θがほぼゼロの領域５４は、あまりにも広い角度範囲で
反射するために、適当なものではないことに注意された
い。しかしながら、４５度まわりの領域５６では、この
同じ特徴の周波数変動を用いて角度制限を行える。

【００２５】ここで、異なった周期構造を用いる他の多
くの形態も考えられることを理解されたい。例えば、図
７に示す薄いグリッドを使用してもよいし、又は他の幾
何学形状を用いた他の周期格子を使用してもよい。図
６、７の周期構造についてのこれ以上の詳細は、Piere
R. Villeneuve 及びMichel Piche共著、「Inhibition a
nd Confinement of the Propagation of Transverse El
ectric Modes in Two-Dimensionally Periodic Medi
a」、Conference on Quantum Electronis and LaserSci
ence、 1991 Technical Digest Series 、第11巻、第52
頁を参照れたい。この文献は、参考資料として本明細書
に援用する。又、本発明は、図１３に示すブラヴェ格子
として知られている５つの規則的に離間された周期的な
二次元格子アレイの１つを用いて構成することもでき
る。二次元レーザアレイの場合には、１４個の三次元ブ
ラヴェ空間格子（図１４に示す）の１つで構成された三
次元光子バンド構造ミラーを使用してもよい。いずれの
場合にも、図１２に示すグラフのようなアレイの光子バ
ンド構造を単に導出し、そして光子結晶格子が適当な角
度範囲にわたって所望の反射特性を有している適当な波
長対格子パラメータ比を選択するだけである。

【００２６】ミラー３２の位置は、選んだ特定の形態に
応じて変えることができる。ミラー３２とレーザの距離
は、充分に小さくて、レーザの近視野内にあるようにし
なければならない。また、或る場合には性能を最適化す
るために、ミラー３２は、レーザに関して或る角度で
（平行ではなく）配置してもよい。

【００２７】本発明の好ましい実施例では、レーザ・ダ
イオード・アレイと同じ周期性を持つマイクロレンズ５
６のアレイが、個々のレーザ・ダイオード３６の小平面
３８と光子バンドギャップ・ミラー３２の間に挿設さ
れ、ミラーに与えられる視野分布の「フィルファクタ」
（フィリングフラクションとも呼ばれる）を改善する。
フィルファクタとは、レーザ・キャビティ３６の幅と、
この幅に隣接レーザ３６間のスペースを加えた和との比
である。これは、望ましいモードの直角およびほぼ直角
の平面波内容を増大させることによって望ましくないモ
ードに比して望ましいモードの反射率を増大させる効果
を有する。これは、この位置から見てアレイの放射パタ
ーンの要素ファクタの角度幅減少によって効果的に行わ
れる。

【００２８】又、本発明は、一次元または二次元のダイ
オード・レーザ・アレイに使用できることを理解された
い。或いは又、本発明は、広域レーザに応用することも
できる。

【００２９】更に、本発明の光子バンドギャップミラー
は、レーザキャビティ以外の用途にも適用できる。一般
に、光子バンドギャップミラーは、それに入射する電磁
放射に対し角度フィルタの形態である。例えば、ミラー
表面に対する法線のまわりのある立体角をいだく電磁放
射の平面波フーリエ成分のみを反射するようにミラーを
設計する場合には、電磁放射は、ミラー表面から反射さ
れると、これらの成分のみが残される角度でフィルタさ
れる。例えば、本発明の別の実施例によれば、光子バン
ドギャップミラーは空間フィルタとして使用される。図
１５に示すような従来の空間フィルタにおいては、放射
６０はレンズ６２によって焦点面に収束される。この焦
点面に配置された適当なサイズのアパーチャ６４は、レ
ンズ６２に対する法線の周りのあるスライド角度以外の
角度でレンズ６２を通過する放射を阻止する。近視野を
再構成するために、放射は次に第２のレンズ６４を通
り、プロセスが逆にたどる。その結果、フーリエ成分の
群が除去される。図１６に示す光子バンドギャップミラ
ー６６は、同じ種類の空間フィルタ作用を行うが、それ
は近視野においてであり、従って、収束レンズ及びアパ
ーチャの必要性を排除する。

【００３０】その結果、空間フィルタは、非常にコンパ
クトで且つ従来の空間フィルタよりも少数の部品しか必
要としなくなる。

【００３１】本発明の光子バンドギャップミラーは、低
周波数の無線波からＸ線までの広範囲な電磁周波数に使
用することができる。入射する放射はコヒレントである
のが好ましいが、空間的にコヒレントで且つ一時的にイ
ンコヒレントな放射も使用できる。放射が空間的にイン
コヒレントである程度に対しては、効率が甚だしく低下
する。

【００３２】当業者であれば、本発明を用いて他の利点
を得ることができ、又、本明細書、図面および特許請求
の範囲を検討した後に発明の真の精神から逸脱すること
なく変更を行えることは明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】位相ずれモードで作動するレーザ・ダイオード
・アレイの図である。

【図２】図１の位相ずれレーザ・ダイオード・アレイに
よって生じる遠視野像の図である。

【図３】同相モードで作動するレーザ・ダイオード・ア
レイの図である。

【図４】同相レーザ・ダイオード・アレイの遠視野像の
図である。

【図５】本発明の光子バンドギャップミラーの周期的な
長方形アレイの頂面図であり、格子単位セル、格子セル
パラメータａ、ｂ、ｃ、ｄ、２つの屈折率ｎa 及びｎb
によって影響を受ける領域、及び格子への波の入射角θ
を示す図である。

【図６】正方形のロッドの密接パックしたアレイからな
る二次元周期構造の図である。

【図７】薄いグリッドからなる二次元周期構造である。

【図８】図６に示す正方形ロッドのアレイについての横
方向電気（ＴＥ）電磁波のための光子バンド構造の図で
あり、角度θおよび周波数パラメータｃ／（λ／ｎb ）
（ここで、λはフリースペース波長で、ｃ′／ｆに等し
く、ｃ′は真空中での光の速度である）の両方の関数と
して許されない（黒領域）電磁波の周波数ｆと、この例
で任意に１．３８に設定した屈折率コントラスト比ｎa
／ｎb とを示す図である。

【図９】図７に示す薄いグリッドのための、図８と同様
の図であり、ここでは、屈折率コントラスト比は０．３
１６２である。

【図１０】本発明による光子バンドギャップ・ミラーを
含む半導体ダイオード・レーザ・アレイの図であり、同
相モードを示す図である。

【図１１】本発明による光子バンドギャップ・ミラーを
含む半導体ダイオード・レーザ・アレイの図であり、位
相ずれモードを示す図である。

【図１２】図８及び９と同様の図であって、屈折率コン
トラスト比が１．０３で、長方形の縦横比ｄ／ｃ及びｂ
／ａが２．０である二次元長方形（正方形ではない）ア
レイを示す図である。

【図１３】５つの二次元ブラヴェ格子を示す図である。

【図１４】１４個の三次元ブラヴェ格子を示す図であ
る。

【図１５】従来の空間フィルタを示す図である。

【図１６】空間フィルタとして使用される本発明の光子
バンドギャップミラーを示す図である。

【符号の説明】

１０ ダイオード・レーザ・アレイ １２ ダイオード・レーザ １４ 結晶小平面 １６ 結晶小平面 ２２ ダイオード・レーザ・アレイ ２６ 周期構造 ２８ 薄いグリッド ３０ 光子バンドギャップ端ミラー ３２ 正方形ロッド ３４ 半導体ダイオード・レーザ・アレイ ３６ ダイオード・レーザ ３８ ミラー ４０ アレイ ４２ 光線 ４４ 光線 ５６ マイクロレンズ

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同相光を発生するためのレーザを含む装
   置において、 所定波長の光線を発生するレーザと、 上記レーザからの光を受け取るように配置され、第１屈
   折率を有する規則的な幾何学形状の周期格子構造体とを
   具備し、 上記周期格子構造体は、上記幾何学形状の間に存在する
   介在媒体を含み、この介在媒体は、上記第１屈折率とは
   異なる第２の屈折率を有し、そして更に、上記周期格子
   構造体は、上記幾何学形状間に空間周期を有し、この空
   間周期は、上記周期格子の光子バンド構造の結果とし
   て、上記レーザからの対称的な単相モードの光が上記周
   期格子構造体によって他のモードに比して実質的に高い
   反射率で反射されるように選択されることを特徴とする
   装置。
2. 【請求項２】 上記周期格子構造体は、三次元構造体で
   ある請求項１に記載の装置。
3. 【請求項３】 上記周期格子構造体における上記規則的
   な幾何学形状は、正方形又は長方形を含む請求項１に記
   載の装置。
4. 【請求項４】 上記周期格子構造体における上記形状
   は、三角形を含む請求項１に記載の装置。
5. 【請求項５】 上記第１屈折率は、上記第２屈折率より
   大きい請求項１に記載の装置。
6. 【請求項６】 上記第１屈折率と上記第２屈折率の比
   は、１．２未満である請求項５に記載の装置。
7. 【請求項７】 上記空間周期は、上記波長の光が上記レ
   ーザから±１０度の範囲の角度で上記周期格子に入射す
   るときに上記周期格子構造体によって実質的に反射され
   るようなものである請求項１記載の装置。
8. 【請求項８】 上記の周期格子構造体は、光子結晶であ
   る請求項１に記載の装置。
9. 【請求項９】 上記空間周期は、上記幾何学形状間の距
   離を上記レーザの光の波長で割った値が２．５ないし
   ２．６であるように選択される請求項１記載の装置。
10. 【請求項１０】 複数の半導体ダイオードレーザが規則
    的な間隔で配置されたものを有するレーザアレイを備
    え、各ダイオードレーザが部分透過及び反射小平面を各
    端に有していて所定波長の光線を発生するダイオードレ
    ーザアレイ装置において、 第１屈折率を有する規則的な幾何学形状の周期格子構造
    体を具備し、 上記周期格子構造体は、上記幾何学形状の間に存在する
    介在媒体を含み、この介在媒体は、上記第１屈折率とは
    異なる第２の屈折率を有し、そして更に、上記周期格子
    構造体は、上記幾何学形状間に空間周期を有し、この空
    間周期は、上記周期格子の光子バンド構造の結果とし
    て、上記レーザアレイからの上記波長の光が上記周期格
    子構造体によって実質的に反射されるように選択される
    ことを特徴とする装置。
11. 【請求項１１】 所定波長の電磁放射を選択的に反射す
    るための格子バンドギャップミラーにおいて、 レーザからの光を受け取るように配置され、第１屈折率
    を有する規則的な幾何学形状の周期格子構造体を具備
    し、 上記周期格子構造体は、上記幾何学形状の間に存在する
    介在媒体を含み、この介在媒体は、上記第１屈折率とは
    異なる第２の屈折率を有し、そして更に、上記周期格子
    構造体は、上記幾何学形状間に空間周期を有し、この空
    間周期は、上記周期格子構造体の光子バンド構造の結果
    として、上記ソースからの上記電磁放射が上記周期格子
    構造体にほぼ直角な角度において実質的に高い反射率で
    反射されるように選択されることを特徴とするミラー。
12. 【請求項１２】 上記空間周期は、上記波長の光が上記
    レーザから±１０度の範囲の角度で上記周期格子に入射
    するときに上記周期格子構造体によって実質的に反射さ
    れるようなものである請求項１１に記載の装置。