JP3269584B2 - 光子バンド構造を備えたミラーを使用するレーザ・アレイ結合 - Google Patents
光子バンド構造を備えたミラーを使用するレーザ・アレイ結合Info
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
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- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
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- G02B6/1225—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths comprising photonic band-gap structures or photonic lattices
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
- H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
- H01S5/4031—Edge-emitting structures
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- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/11—Comprising a photonic bandgap structure
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Description
【０００１】１．技術分野 本発明は、ダイオード・レーザ・アレイおよびダイオー
ド・レーザ広域装置に関するものであり、一層詳しく
は、ダイオード・レーザ・アレイおよび広域装置の遠視
野像を改善するレーザ共振器ミラー構造に関する。 ２．論議 半導体ダイオード・レーザ・アレイおよび広域装置は、
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では有用である。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、空間的にかつ一時的に
それをコヒーレントにすることが難しい。
ド・レーザ広域装置に関するものであり、一層詳しく
は、ダイオード・レーザ・アレイおよび広域装置の遠視
野像を改善するレーザ共振器ミラー構造に関する。 ２．論議 半導体ダイオード・レーザ・アレイおよび広域装置は、
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では有用である。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、空間的にかつ一時的に
それをコヒーレントにすることが難しい。
【０００２】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析制限さ
れる。このような回析制限光線の角伝搬は、光の回析に
よってのみ、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。それ相当に、たいてい
の望ましい広域モードの波面は、最も均一な位相とな
る。このモードは、０度移相アレイ・モードに類似して
おり、これも単ローブ回析制限光線を発生する。
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析制限さ
れる。このような回析制限光線の角伝搬は、光の回析に
よってのみ、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。それ相当に、たいてい
の望ましい広域モードの波面は、最も均一な位相とな
る。このモードは、０度移相アレイ・モードに類似して
おり、これも単ローブ回析制限光線を発生する。
【０００３】隣接したレーザ・エミッタが１８０度の位
相外れとなっている場合、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
オフアクシス・ローブを発生し、また、二次元アレイの
遠視野像に４つのオフアクシス・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。これら両極端の例の間に
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、回析制限光線
よりも２倍または３倍広い）を発生する。高出力レーザ
・アレイと共に回析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
あるいは製作の煩雑さおよびコストの点のいずれかでか
なりの限定要件を有する。
相外れとなっている場合、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
オフアクシス・ローブを発生し、また、二次元アレイの
遠視野像に４つのオフアクシス・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。これら両極端の例の間に
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、回析制限光線
よりも２倍または３倍広い）を発生する。高出力レーザ
・アレイと共に回析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
あるいは製作の煩雑さおよびコストの点のいずれかでか
なりの限定要件を有する。
【０００４】こういうわけで、比較的高出力で作動し、
単モード回析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。
単モード回析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。
【０００５】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させる技術を得ることができ
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
・レーザからなるレーザ・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、本発明にとって必須であ
る。周期格子構造は、二次元または三次元での幾何学的
形状および空間的周期について特別のデザインを有し、
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
いての回析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。
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させる技術を得ることができ
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
・レーザからなるレーザ・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、本発明にとって必須であ
る。周期格子構造は、二次元または三次元での幾何学的
形状および空間的周期について特別のデザインを有し、
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
いての回析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。
【０００６】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を参照して、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の一次元アレイを包含する。図１に示すダ
イオード・レーザ・アレイ１０が図の簡略化のために尺
度そのままで示してあるわけではないことは了解された
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
電子空孔または電子孔（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
オードのそれである。ダイオードを通常の用途で順方向
にバイアスすると、電子および孔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、レイジングが生じ、光が、ほぼ直角の方向に一方の
小平面（たとえば、１４）から放射される。
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を参照して、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の一次元アレイを包含する。図１に示すダ
イオード・レーザ・アレイ１０が図の簡略化のために尺
度そのままで示してあるわけではないことは了解された
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
電子空孔または電子孔（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
オードのそれである。ダイオードを通常の用途で順方向
にバイアスすると、電子および孔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、レイジングが生じ、光が、ほぼ直角の方向に一方の
小平面（たとえば、１４）から放射される。
【０００７】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度の位相外れと
なっているので、位相外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
レイジングを達成するのに充分なゲインおよび反射率を
有する場合には、任意のモードでレイジングが生じるこ
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
オード要素の位相外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が位相外
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。
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度の位相外れと
なっているので、位相外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
レイジングを達成するのに充分なゲインおよび反射率を
有する場合には、任意のモードでレイジングが生じるこ
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
オード要素の位相外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が位相外
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。
【０００８】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析制限
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、単一の回析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。
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析制限
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、単一の回析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。
【０００９】位相外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外れ分
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。
レイを設計することに加えてアレイ近視野を位相外れ分
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。
【００１０】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、シュレーシンガーの方程
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。
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、シュレーシンガーの方程
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。
【００１１】Yablonovitchは、シュレーシンガー方程式
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。
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。
【００１２】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、２
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。）たとえ
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。
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、２
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。）たとえ
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。
【００１３】図６は、密接してパックした四角形ロッド
・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Ｏの単位を示
し、横座標はｃ／（λ／ｎb ）の単位を示している（こ
れらの量におけるすべてのパラメータについての定義に
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、ｂ／ｄは、0.92195 に等しく、したがって、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、したがって、バンドギャップ
を表わしている。
・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Ｏの単位を示
し、横座標はｃ／（λ／ｎb ）の単位を示している（こ
れらの量におけるすべてのパラメータについての定義に
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、ｂ／ｄは、0.92195 に等しく、したがって、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、したがって、バンドギャップ
を表わしている。
【００１４】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
ップが、入射角に依存し、光子結晶において望ましい２
π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および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。
ドギャップ現象によるものである。ここで、バンドギャ
ップが、入射角に依存し、光子結晶において望ましい２
π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および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。
【００１５】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外れモ
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。
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外れモ
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。
【００１６】簡単に言えば、本発明では、同相のミラー
として光子結晶を使用する。一層詳しくは、同相レーザ
要素が、同相から遠いモードよりもミラーからより高い
反射率を得ることになる。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、
位相外れ、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
外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イジン
グ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
相モードでのレイジング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。
として光子結晶を使用する。一層詳しくは、同相レーザ
要素が、同相から遠いモードよりもミラーからより高い
反射率を得ることになる。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、
位相外れ、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
外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イジン
グ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
相モードでのレイジング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。
【００１７】次に図１０を参照して、ここには、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・ミラーを包含する四角形ロッ
ド３２の周期構造を包含する。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が、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）
との空気境界面を生じさせ、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、位相外れモードの両方で作動する
ことは了解されたい。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の位相外れモードは、図１１に示してあ
り、これは、レーザの光軸に対してたとえば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、以下の等式によれば、単一平面波成分によっ
て説明できる。
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・ミラーを包含する四角形ロッ
ド３２の周期構造を包含する。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が、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）
との空気境界面を生じさせ、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、位相外れモードの両方で作動する
ことは了解されたい。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の位相外れモードは、図１１に示してあ
り、これは、レーザの光軸に対してたとえば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、以下の等式によれば、単一平面波成分によっ
て説明できる。
【００１８】 Ｅ（ｚ）＝Ｅ0 ｅｘｐ（−ｊｋｚ） （１） ここで、Ｅ0 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に示す位相外れモ
ードは、以下の等式によって２つの平面波によって説明
することができる。 Ｅ（ｚ）＝Ｅ0 ｛ｅｘｐ［−ｊ（ｋz ｚ＋ｋx ｘ）］＋ ｅｘｐ［−ｊ（ｋz ｚ−ｋx ｘ）］｝／２ ＝Ｅ0 ｅｘｐ（−ｊｋz ｚ）ｃｏｓ（ｋx 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ｋx 、ｋz の平方の合計の平方
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。
であり、ｋは２π／λである。図１０に示す位相外れモ
ードは、以下の等式によって２つの平面波によって説明
することができる。 Ｅ（ｚ）＝Ｅ0 ｛ｅｘｐ［−ｊ（ｋz ｚ＋ｋx ｘ）］＋ ｅｘｐ［−ｊ（ｋz ｚ−ｋx ｘ）］｝／２ ＝Ｅ0 ｅｘｐ（−ｊｋz ｚ）ｃｏｓ（ｋx 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ｋx 、ｋz の平方の合計の平方
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。
【００１９】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、
位相外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、位相外れモード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、位相外れモード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
のレイジング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。
は、ダイオード・レーザ・アレイ３４は、同相モード、
位相外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、位相外れモード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、位相外れモード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
のレイジング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。
【００２０】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。以下、図１２を参照して、こ
こには、四角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は四角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。）この四角のアレイ
４８（たとえば、図５に示すもの）は、図６に示す四角
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、四角形ロッドが図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（四角形アレイの場合、ｃ＝ｄ、ａ＝ｂ）に、個々の
四角形ロッド間の距離として示してある。また、電磁波
の入射角Ｏも図５に示してある。
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。以下、図１２を参照して、こ
こには、四角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は四角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。）この四角のアレイ
４８（たとえば、図５に示すもの）は、図６に示す四角
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、四角形ロッドが図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（四角形アレイの場合、ｃ＝ｄ、ａ＝ｂ）に、個々の
四角形ロッド間の距離として示してある。また、電磁波
の入射角Ｏも図５に示してある。
【００２１】再び図１２を参照して、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）のオーダーのΔＯ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度のオーダーであ
る。図１２に示す場合（そのデザインは最適化されなか
った）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度のオーダーである。たとえば、ｎ
b 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、Ｏ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度でのこの特徴の発
生により、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することになるようになっ
ていなければならない。）さらに、高反射率のこの領域
は、角度依存であるばかりか、やや周波数依存でもあ
り、これが図１２の特徴の大部分を持つ。図１２に小さ
く示してあるが、この周波数依存性は、ＧａＡｓレーザ
のゲイン帯域幅と比較した場合大きくて、したがって、
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のを助ける。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、ゼロに等しいＯまわ
りの領域５４が、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。
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）のオーダーのΔＯ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度のオーダーであ
る。図１２に示す場合（そのデザインは最適化されなか
った）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度のオーダーである。たとえば、ｎ
b 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、Ｏ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度でのこの特徴の発
生により、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することになるようになっ
ていなければならない。）さらに、高反射率のこの領域
は、角度依存であるばかりか、やや周波数依存でもあ
り、これが図１２の特徴の大部分を持つ。図１２に小さ
く示してあるが、この周波数依存性は、ＧａＡｓレーザ
のゲイン帯域幅と比較した場合大きくて、したがって、
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のを助ける。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、ゼロに等しいＯまわ
りの領域５４が、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。
【００２２】ここで、異なった周期構造を用いて他の多
くの形態も可能であることは了解されたい。たとえば、
図７に示す薄いグリッドも用いることができ、あるい
は、他の周期格子は他の幾何学的形状を使用できる。図
６、７における周期構造についてのこれ以上の詳しいこ
とは、Piere R. Villeneuve、 Michel Piche 共著、 「I
nhibition and Confinement of the Propagation of Tr
ansverse Electric Modes in Two-Dimensionally Perio
dic Media」、 Conference on Quantum Electronics and
Laser Science、 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。ここで、Bravais 格子として知ら
れる５つの規則的に隔たった二次元周期格子アレイがあ
り、同様に、７つの規則的に隔たった三次元Bravais 格
子があることは了解されたい。これらのケースのいずれ
でも、図１２に示すグラフのようにアレイの周期バンド
構造を簡単に導くことができ、光子結晶格子が適切な角
度範囲にわたって望ましい反射特性を有する格子パラメ
ータ比に対して適切な波長を選ぶことができる。
くの形態も可能であることは了解されたい。たとえば、
図７に示す薄いグリッドも用いることができ、あるい
は、他の周期格子は他の幾何学的形状を使用できる。図
６、７における周期構造についてのこれ以上の詳しいこ
とは、Piere R. Villeneuve、 Michel Piche 共著、 「I
nhibition and Confinement of the Propagation of Tr
ansverse Electric Modes in Two-Dimensionally Perio
dic Media」、 Conference on Quantum Electronics and
Laser Science、 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。ここで、Bravais 格子として知ら
れる５つの規則的に隔たった二次元周期格子アレイがあ
り、同様に、７つの規則的に隔たった三次元Bravais 格
子があることは了解されたい。これらのケースのいずれ
でも、図１２に示すグラフのようにアレイの周期バンド
構造を簡単に導くことができ、光子結晶格子が適切な角
度範囲にわたって望ましい反射特性を有する格子パラメ
ータ比に対して適切な波長を選ぶことができる。
【００２３】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。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５６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の幅対この幅の合計の比プラス隣り合ったレ
ーザ３６間のスペースである。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。
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。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５６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の幅対この幅の合計の比プラス隣り合ったレ
ーザ３６間のスペースである。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。
【００２４】ここでもまた、本発明が一次元または二次
元のダイオード・レーザ・アレイに対して使用できるこ
とは了解されたい。あるいは、本発明は、広域レーザに
応用することができる。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、また、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。
元のダイオード・レーザ・アレイに対して使用できるこ
とは了解されたい。あるいは、本発明は、広域レーザに
応用することができる。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、また、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１】位相外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。
・アレイの図である。
【図２】図１の位相外れレーザ・ダイオード・アレイに
よって生じる遠視野像の図である。
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。
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つの屈折率によって
影響を受ける領域ｎa 、ｎb および格子への波の入射角
Ｏを示す図である。
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つの屈折率によって
影響を受ける領域ｎa 、ｎb および格子への波の入射角
Ｏを示す図である。
【図６】四角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。
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に示す四角形ロッドのアレイについての横
方向磁性（ＴＥ）電磁波のための光子バンド構造の図で
あり、角度Ｏ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あり、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
の実施例で恣意的に１．３８に設定した屈折率コントラ
スト比すなわちｎa ／ｎb とを示す図である。
方向磁性（ＴＥ）電磁波のための光子バンド構造の図で
あり、角度Ｏ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あり、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
の実施例で恣意的に１．３８に設定した屈折率コントラ
スト比すなわち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。
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。
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
相外れモードを示す図である。
含む半導体ダイオード・レーザ・アレイの図であり、位
相外れモードを示す図である。
【図１２】１．０３の屈折率コントラスト比および２．
０の矩形アスペクト比、ｄ／ｃ、ｂ／ａを有する二次元
矩形アレイのための、図８、９と同様の図である。
０の矩形アスペクト比、ｄ／ｃ、ｂ／ａを有する二次元
矩形アレイのための、図８、９と同様の図である。
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・・・四角形ロッド 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
フロントページの続き (56)参考文献 米国特許出願公開5365541（ＵＳ，Ａ) Ｐｅｔｅｒｓｏｎ，Ｉ．，Ｓｈｉｎｇ Ａ Ｂｒｉｇｈｔ Ｌｉｇｈｔ Ｏｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄａｒｋｎｅｓｓ, Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｎｅｗｓ，Ｖｏｌ. 138，ｐ．196−197 Ｋａｐｏｎ，Ｅｌｉ．Ｅｔ．Ａｌ．, Ｌａｒｇｅ Ｔｗｏ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏ ｎａｌ Ａｒｒａｙｓ ｏｆ Ｐｈａｓ ｅ−Ｌｏｃｋｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ，Ｏｐｔ ｉｃｓ ＆ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｎｅ ｗｓ．，ｐ．８ Ｐｅｔｅｒｓｏｎ，Ｉ．，Ｄｒｉｌｌ ｉｎｇ ｈｏｌｅｓ ｔｏ ｋｅｅｐ ｐｈｏｔｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｄａｒ ｋ，Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｎｅｗｓ，ｐ. 227 Ｄｏｎｇ，Ｊｉｅ Ｅｔ．Ａｌ．，Ａ ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ Ｇｒａｔｉ ｎｇ Ｆｉｌｔｅｒ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ −Ｓｔｒｉｐｅ Ｌａｓｅｒ Ａｒｒａ ｙ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｉｎ Ｉｎ− Ｐｈａｓｅ Ｌａｔｅｒａｌ−Ａｎ ｄ・・・，Ｔｈｏｋｙｏ Ｉｎｓｔｉｔ ｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ, ｐｐ．１−16 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50
Claims (21)
- 【請求項１】 レーザから同相光を発生させる装置であ
って、所定波長の光線を発生するレーザと、このレーザ
からの光を受け取るように配置してあり、第１の屈折率
を有する矩形の幾何学的形状の周期格子構造とを包含
し、この周期格子構造が、前記幾何学的形状の間に存在
する介在媒体を包含し、この介在媒体が、前記第１屈折
率と異なる第２の屈折率を有し、また、前記周期格子構
造が、前記幾何学的形状間に空間的周期を有し、この空
間的周期が、前記周期格子の光子バンド構造の結果とし
て、前記レーザからの対称的な単相モードの光が前記幾
何学的形状によって他のモードに比してかなり高い反射
率で反射されるように選定してあることを特徴とする装
置。 - 【請求項２】 請求項１記載の装置において、前記レー
ザがレーザ・アレイであることを特徴とする装置。 - 【請求項３】 請求項１記載の装置において、前記レー
ザが広域レーザであることを特徴とする装置。 - 【請求項４】 請求項１記載の装置において、前記周期
格子構造が三次元構造であることを特徴とする装置。 - 【請求項５】 請求項１記載の装置において、前記周期
格子構造の前記規則的な幾何学形状が正方形あるいは長
方形を含むことを特徴とする装置。 - 【請求項６】 請求項１記載の装置において、前記周期
格子構造内の前記形状が三角形を含むことを特徴とする
装置。 - 【請求項７】 請求項１記載の装置において、前記第１
屈折率が前記第２屈折率よりも大きいことを特徴とする
装置。 - 【請求項８】 請求項７記載の装置において、前記第１
屈折率対前記第２屈折率の比が１．２未満であることを
特徴とする装置。 - 【請求項９】 請求項１記載の装置において、前記空間
的周期が、前記波長の光が前記レーザから前記周期格子
へ入射したときの角度が±１０度の範囲である場合に、
この光が前記周期格子構造によって実質的に反射される
ようにするものであることを特徴とする装置。 - 【請求項１０】 請求項１記載の装置において、前記周
期格子構造が光子結晶であることを特徴とする装置。 - 【請求項１１】 請求項１記載の装置において、前記空
間的周期が、前記幾何学的形状間の距離を前記レーザ光
の波長で割ったときの値が２．５〜２．６の範囲にある
ように選ばれていることを特徴とする装置。 - 【請求項１２】 レーザから光を発生させる装置であっ
て、所定波長の光線を発生するレーザ・アレイと、間に
介在スペースを形成するグリッドを包含し、前記レーザ
から光を受け取るように配置してある周期格子構造であ
り、前記スペースが規則的な幾何学形状を有し、前記グ
リッドが第１屈折率を有する周期格子構造とを包含し、
前記介在スペースが、前記グリッド間に存在する介在媒
体を包含し、この介在媒体が、前記第１屈折率と異なる
第２の屈折率を有し、また、前記周期格子構造が、前記
幾何学的形状間に空間的周期を有し、この空間的周期
が、前記周期格子の光子バンド構造の結果として、前記
レーザからの対称的な単相モードの光が前記幾何学的形
状によって他のモードに比してかなり高い反射率で反射
されるように選定してあることを特徴とする装置。 - 【請求項１３】 請求項１２記載の装置において、前記
空間的周期が、前記波長の光が前記レーザから前記周期
格子へ入射したときの角度が±１０度の範囲である場合
に、この光が前記周期格子構造によって実質的に反射さ
れるようにするものであることを特徴とする装置。 - 【請求項１４】 請求項１２記載の装置において、前記
レーザがレーザ・アレイであることを特徴とする装置。 - 【請求項１５】 請求項１２記載の装置において、前記
レーザが広域レーザであることを特徴とする装置。 - 【請求項１６】 請求項１２記載の装置において、前記
周期格子構造が三次元構造であることを特徴とする装
置。 - 【請求項１７】 請求項１２記載の装置において、前記
周期格子構造の前記規則的な幾何学形状が４つの辺を有
することを特徴とする装置。 - 【請求項１８】 請求項１２記載の装置において、前記
周期格子構造内の前記形状が三角形を含むことを特徴と
する装置。 - 【請求項１９】 請求項１３記載の装置において、前記
第１屈折率が前記第２屈折率よりも大きいことを特徴と
する装置。 - 【請求項２０】 請求項１２記載の装置において、前記
第１屈折率対前記第２屈折率の比が１．２未満であるこ
とを特徴とする装置。 - 【請求項２１】 規則的な間隔で隔たった複数の半導体
ダイオード・レーザを有するレーザ・アレイを包含し、
各ダイオード・レーザが、各端に、部分的に透過、反射
を行う小平面を有し、所定波長の光線を発生するように
なっているダイオード・レーザ・アレイ装置であり、さ
らに、第１屈折率を有する規則的な幾何学的形状の周期
格子構造を包含し、この周期格子構造が、前記幾何学的
形状の間に存在する介在媒体を包含し、この介在媒体
が、前記第１屈折率と異なる第２の屈折率を有し、ま
た、前記周期格子構造が、前記幾何学的形状間に空間的
周期を有し、この空間的周期が、前記周期格子の光子バ
ンド構造の結果として、前記レーザからの光が前記幾何
学的形状によって実質的に反射されるように選定してあ
ることを特徴とする装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US82710892A | 1992-01-29 | 1992-01-29 | |
| US07/827108 | 1992-01-29 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05275806A JPH05275806A (ja) | 1993-10-22 |
| JP3269584B2 true JP3269584B2 (ja) | 2002-03-25 |
Family
ID=25248334
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP01397993A Expired - Fee Related JP3269584B2 (ja) | 1992-01-29 | 1993-01-29 | 光子バンド構造を備えたミラーを使用するレーザ・アレイ結合 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3269584B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110286425A (zh) * | 2019-06-13 | 2019-09-27 | 浙江工业大学 | 一种类Lieb光子晶格布洛赫平带的控制方法 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3561244B2 (ja) | 2001-07-05 | 2004-09-02 | 独立行政法人 科学技術振興機構 | 二次元フォトニック結晶面発光レーザ |
| WO2015111145A1 (ja) * | 2014-01-22 | 2015-07-30 | 日立マクセル株式会社 | 光源装置およびこれを用いた映像表示装置 |
-
1993
- 1993-01-29 JP JP01397993A patent/JP3269584B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| Ｄｏｎｇ，Ｊｉｅ Ｅｔ．Ａｌ．，Ａ ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｆｉｌｔｅｒ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｓｔｒｉｐｅ Ｌａｓｅｒ Ａｒｒａｙ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｉｎ Ｉｎ−Ｐｈａｓｅ Ｌａｔｅｒａｌ−Ａｎｄ・・・，Ｔｈｏｋｙｏ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｐｐ．１−１６ |
| Ｋａｐｏｎ，Ｅｌｉ．Ｅｔ．Ａｌ．，Ｌａｒｇｅ Ｔｗｏ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ａｒｒａｙｓ ｏｆ Ｐｈａｓｅ−Ｌｏｃｋｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ，Ｏｐｔｉｃｓ ＆ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｎｅｗｓ．，ｐ．８ |
| Ｐｅｔｅｒｓｏｎ，Ｉ．，Ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｈｏｌｅｓ ｔｏ ｋｅｅｐ ｐｈｏｔｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｄａｒｋ，Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｎｅｗｓ，ｐ．２２７ |
| Ｐｅｔｅｒｓｏｎ，Ｉ．，Ｓｈｉｎｇ Ａ Ｂｒｉｇｈｔ Ｌｉｇｈｔ Ｏｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄａｒｋｎｅｓｓ，Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｎｅｗｓ，Ｖｏｌ．１３８，ｐ．１９６−１９７ |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110286425A (zh) * | 2019-06-13 | 2019-09-27 | 浙江工业大学 | 一种类Lieb光子晶格布洛赫平带的控制方法 |
| CN110286425B (zh) * | 2019-06-13 | 2021-05-18 | 浙江工业大学 | 一种类Lieb光子晶格布洛赫平带的控制方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05275806A (ja) | 1993-10-22 |
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