JP3729201B2 - フォトニック結晶合波素子 - Google Patents

Description

本発明は、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶中に形成した合波導波路を用いたフォトニック結晶合波素子に関するものである。

ディジタルビデオディスク（ＤＶＤ）は、高密度記録であるため、その再生用のレーザ光源としては発光波長が６００ｎｍ帯（例えば、６５０ｎｍ）のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザが用いられているが、従来のＤＶＤ装置の光ピックアップでは、発光波長が７００ｎｍ帯（例えば、７８０ｎｍ）のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザを用いて再生を行なうコンパクトディスク（ＣＤ）やミニディスク（ＭＤ）の再生をすることができなかった。

そこで、ＤＶＤと、ＣＤ又はＭＤの両方の光ディスクの再生可能な光ピックアップ用光源として、発光波長が６００ｎｍ帯のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザと、発光波長が７００ｎｍ帯のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザを搭載した２波長半導体レーザ光源の光ピックアップが採用されている。

しかしながら、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザと、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザを別々のパッケ−ジに組み込んだものを２波長半導体レーザ光源として一体化した光ピックアップは、サイズが大きくなってしまい、ＤＶＤ装置のサイズも大きくなってしまうという問題があった。

そこで、光ピックアップの小型化を図るために、同一の半導体基板（例えば、ＧａＡｓ基板）に、発光波長が６００ｎｍ帯のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザと、発光波長が７００ｎｍ帯のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザとを、互いに分離した状態で集積した２波長半導体レーザ（例えば、特許文献１に記載された集積型半導体発光装置）を搭載した光ピックアップが知られている。

しかしながら、上記小型化された集積型２波長半導体レーザを用いたとしても、光ピックアップの小型化、低価格化を図るためには、半導体レーザ以外の他の光学部品を共用する必要があるが、小型化された集積型２波長半導体レーザにおいても、２つの波長の発光点が離れているので、光学系の設計が複雑になり、どうしても光の利用効率が低下してしまうという問題があった。
特開平１１−１８６６５１号公報

同一の発光点を有する２波長半導体レーザ光源を実現するには、化合物半導体基板中に形成された光導波路を利用して、２つの波長の光を合波すること（例えば、Ｙ字型導波路）により、同一の発光点を作り出すこともできるが、通常の光導波路で合波導波路における光損失を小さくしようとすると、合波導波路が半導体レーザに比べて非常に大きくなってしまう。

例えば、Ｙ字型合波導波路で光損失を小さくしようとすると、２つの入力導波路の交差角を３°以下にする必要があり、集積型２波長半導体レーザの２つの発光点が１００μｍ離れているとすると、Ｙ字型導波路の全長は２ｍｍ以上になる。これは、集積型２波長半導体レーザの大きさ（長さ、幅とも３００μｍ程度）に比べて非常に大きく、光ピックアップの小型化には適合できないという課題があった。

最近、フォトニック結晶中に人為的に線状の欠陥列を導入することにより、光導波路を形成する試みが行なわれている（例えば、アプライド・フィジクス・レターズ誌；“Highly confined waveguides and waveguide bends in three-dimensional photonic crystal,” ７５巻、３７３９頁〜３７４１頁；１９９９年１２月）。

フォトニック結晶とは、その内部に周期的な屈折率分布を持つ結晶であり、固体結晶における電子のエネルギーに対するバンド構造に対応して、光子エネルギーに対してバンド構造が形成されているという特徴を持つ。完全なフォトニック結晶においてはフォトニックバンドギャップが形成され、フォトニックバンドギャップの中では光子は状態を取り得ない、即ち波長がフォトニックバンドギャップの範囲内にある光はフォトニック結晶内に存在できない。

しかしながら、フォトニック結晶中に人為的に線状の欠陥列を導入することにより、導波路を形成することが可能であり、この導波路は、導波路以外の部分にはフォトニックバンドギャップが存在するため光が漏れ出すことがないという極めて特徴的な性格を持つ。

フォトニック結晶は、図３に示すように、ＧａＡｓ細柱３０１を周期的に平面状に並べた層を、各層のＧａＡｓ細柱が上下の層の細柱と直交するように格子状に積重ねたものであるが、本発明の発明者等は、このＧａＡｓ細柱の太さと周期を適当に選ぶと、波長が６００ｎｍ〜１０００ｎｍ帯にフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶が実現できること、即ち、ＤＶＤと、ＣＤ又はＭＤ用光ピックアップの光源に使用される２波長（６００ｎｍ帯、及び７００ｎｍ帯）の波長帯に合致した光導波路がフォトニック結晶中に実現できることに着目した。

さらに、フォトニック結晶中に形成した複数の光導波路を組み合わせることによって合波素子を形成すれば、直交する導波路間でも効率よく光を伝播させることが可能なことから、非常に光効率のよい、小型の合波素子が実現できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。

図１は、本発明の第１の実施の形態における光ピックアップ用２波長半導体レーザ光源の基本構成を示すものである。異なる波長の光を発光する２種類の半導体レーザが同一基板上に集積された２波長半導体レーザ１０１と、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶１０２内に、波長がフォトニックバンドギャップの範囲内にある光を導波する複数の導波路の組み合わせから構成された合波素子が結合されたものである。

２波長半導体レーザ１０１は第１および第２の活性層１２１、１２２を有しており、第１の活性層１２１からは波長７８０ｎｍの第１の出力光１３１が出射され、第２の活性層１２２からは波長６５０ｎｍの第２の出力光１３２が出射される。

ここで、フォトニック結晶内に形成された合波素子の基本構成について図２を用いて説明する。同図にはフォトニック結晶そのものの構造は記載しておらず、フォトニック結晶の外形と導波路の配置のみを示している。

フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶１０２内に、波長がフォトニックバンドギャップの範囲内にある光を導波する第１の導波路２０２と、第２の導波路２０３が形成され、第２の導波路は概ねＬ字型の屈曲部２０４を有しており、概ね直線状の第１の導波路の片端２０５は屈曲部２０４に近接しており、第１の導波路と第２の導波路は同一平面上になく、フォトニック結晶の４分の１周期分離れた面内にあることを特徴とする。

すなわち、同一平面内に形成されたＬ字型導波路と、これとは異なる平面内に形成された直線状の導波路を組合せてＴ字型導波路を基本構成としたもので、同一平面内に形成されたＬ字型導波路では、どちらの分岐から入射した光も、他の分岐に伝播することはできず、一方、１層異なる平面内に形成された直線状の導波路に対しては、Ｌ字型導波路のどちらの分岐から入射した光でも効率よく遷移することができるという性質を有している。その結果、Ｌ字型導波路の両分岐を入力端とし、直線状導波路を出力端とすれば、入力端同士の結合がない非常に効率の高い合波素子を構成することができる。

図２に示された合波素子において、第１の入力端２０６から入射した第１の入力光２１０は、同一平面内で直交している第２の入力端２０８側へは伝播せず、４分の１周期分離れた面内にある第１の導波路２０２へと遷移し出力端２０９から出力光２１２として出射され、一方、第２の入力端２０８から入射した第２の入力光２１１も、同一面内で直交している第１の入力端２０６側へは伝播せず、第１の導波路２０２へと遷移し出力端２０９から出力光２１２として出射されるのである。

さて、図１のフォトニック結晶内に形成された合波素子は、上記のＴ字型導波路を基本構成として構成されたものであるが、２波長半導体レーザの出力光は、同一方向から出射されるので、第２の活性層１２２から出射される第２の出力光１３２は、第３の導波路１４３、及び第４の導波路１４４によって、Ｌ字型導波路である第２の導波路１４２の一方の入力端１５６に結合されている。ここで、第３の導波路１４３の片端１５３は第４の導波路１４４の片端１５４に近接しているが、第３の導波路１４３と第４の導波路１４４も同一平面上にはない。

従って、第１の活性層１２１から出射された第１の出力光１３１は、Ｌ字型の第２の導波路１４２の第１の入力端１５１に結合され、第２の導波路の屈曲部１５７で第１の導波路１４１の入力端１５８に遷移し、出力端１５９から出力光１３３として出射される。また、第２の活性層１２２からの第２の出力光１３２は、第３の導波路１４３の入力端１５２に結合され、第３の導波路１４３および第４の導波路１４４およびその出力端１５５を経由して第２の導波路１４２の入力端１５６に結合され、さらに、第２の導波路の屈曲部１５７で第１の導波路１４１の入力端１５８に遷移し、第１の導波路の出力端１５９から出力光１３３として出射される。

このようにして、本実施の形態において、２つの波長の発光点が一致した２波長半導体レーザ光源が実現でき、光ピックアップの光学設計が容易になり、かつ、光の利用効率の高い、小型化、高性能化の光ピックアップを実現できる。

なお、図１において、第１の活性層１２１から出射された第１の出力光１３１と、第２の活性層１２２からの第２の出力光１３２は、同じ高さに位置しているが、第２の活性層１２２の形成位置を、第４の導波路１４４の高さと一致するように、予め第１の活性層１２１の形成位置よりも高くして形成しておけば、第３の導波路１４３を不要にし、第２の出力光１３２を第４の導波路１４４に直接結合させることもできる。

ここで、フォトニック結晶および導波路の具体的構造について説明する。図４はフォトニック結晶の断面図である。ＧａＡｓ基板４０１上にＧａＡｓ細柱３０１を平面状に並べた層を、各層の細柱が上下の層の細柱と直交するように格子状に積重ねて、フォトニック結晶１０２が構成されている。一例として、ＧａＡｓ細柱３０１の幅を１００ｎｍ、厚さを１２０ｎｍ、平面状に並べる周期を４００ｎｍとすると、フォトニック結晶１０２は波長６００ｎｍ〜１０００ｎｍ帯にフォトニックバンドギャップを持つ。フォトニックバンドギャップに相当する波長の光はフォトニック結晶内には存在し得ない。しかし、フォトニック結晶１０２に部分的にＧａＡｓ細柱３０１を除去した部分を形成すると、これがフォトニック結晶の欠陥となり、その部分は光が伝播することができる導波路４０２となる。なお、図４の構造のフォトニック結晶を構成する材料は半導体に限定されることはなく、誘電体材料（例えばＳｉＯ₂、ＳｉＮ、Ａｌ₂Ｏ₃など）であってもよい。また、基板も半導体（例えばＳｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮなど）だけでなく、誘電体結晶（例えばサファイア、ＬｉＮｂＯ₃、ＹＩＧなど）あるいはガラスであってもよい。

図５は、図４とは別の構造を有するフォトニック結晶の要部分解斜視図である。２次元配列された細孔５０１を有する樹脂薄膜５０２を積層してフォトニック結晶１０２が形成されている。ここで、樹脂薄膜５０２の材料としてはアクリル、ポリイミド、フルオロカーボン等を用いることができる。一例として、アクリル樹脂を用い、細孔５０１の直径を３００ｎｍ、周期を５００ｎm、樹脂薄膜５０２の厚さを２５０ｎｍとすると、フォトニック結晶１０２は波長６００ｎｍ〜１０００ｎｍ帯にフォトニックバンドギャップを持つ。規則的に配列された細孔５０１を意図的に形成しない部分を線状に配置すると、これがフォトニック結晶の欠陥となり、その部分は光が伝播することができる導波路５０４となる。

本実施の形態において、２波長光源として、同一基板上に波長の異なる半導体レーザを集積して形成された２波長半導体レーザを用いて説明したが、本実施の形態で示したフォトニック結晶合波素子を用いれば、独立した２つの発光波長をもつ半導体レーザを２波長光源として適用しても、光ピックアップの小型化に適した２つの波長の発光点が一致した２波長半導体レーザ光源が実現できる。

図６は、第２の実施の形態を説明したもので、独立した２つの発光波長をもつ半導体レーザと、フォトニック結晶合波素子を結合した光ピックアップ用２波長光源を示したものである。

図６において、フォトニック結晶１０２内に形成された合波素子は、図２に示したＴ字型導波路を基本構成とするものである。フォトニック結晶１０２の外部には第１の半導体レーザ１０３と第２の半導体レーザ１０４が置かれており、第１の半導体レーザ１０３の第１の出力光１３１が第２の導波路１４２の第１の入力端１５１に結合されている。また第２の半導体レーザ１０４の第２の出力光１３２が第２の導波路の第２の入力端１５６に結合されている。ここで、第１の半導体レーザ１０３は、例えば発光波長７８０ｎｍの多重量子井戸活性層１２１を有するＡｌＧａＡｓ系赤外半導体レーザであり、第２の半導体レーザ１０４は、例えば発光波長６５０ｎｍの多重量子井戸活性層１２２を有するＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザである。

このような構成により、２つの波長の光の発光点が一致した光ピックアップ用の２波長光源が実現でき、光学設計の容易な、ＣＤとＤＶＤの両方式の光ディスクに対応可能な小型化光ピックアップが実現できる。

なお、図７に示すように、図６に示したフォトニック結晶合波素子の構成を、第１の導波路１４１に結合した第５の導波路１４５を設けることにより、合波素子からの出力光１３４をフォトニック結晶１０２と第１および第２の半導体レーザ１０３、１０４が置かれた平面と垂直に出力することができる。これによって、光ピックアップを構成する際に必要となる半導体レーザからの出射光の方向を９０°変えるための立上げミラーが不要になる。

なお、このような構成は、図１に示した第１の実施の形態におけるフォトニック結晶合波素子に対しても、適用が可能なことは言うまでもない。

次に、第３の実施の形態を、図８を用いて説明する。半導体レーザアレイ８０１は第１、第２、第３および第４の活性層８１１、８１２、８１３、８１４を有しており、第１、第２、第３および第４の出力光８２１、８２２、８２３、８２４を出射する。これらの出力光を合波するために、フォトニック結晶中の導波路は、第２の導波路１４２だけでなく、第３の導波路８４３および第４の導波路８４４もＬ字型となっており、第４の入力端を第１から第３の入力端と同じ方向に揃えるための第５の導波路８４７が形成されている。さらに、第２および第４の入力端と、第１および第２の入力端の高さを揃えるための第６および第７の導波路８４５、８４６が設けられている。

本実施の形態は、多波長レーザアレイに適用することもできるが、出力光が同じ波長を有した半導体レーザアレイ対しても適用可能で、この場合、高出力の半導体レーザ光源が実現できる。

なお、本実施の形態では、４つの半導体レーザアレイを示したが、半導体レーザアレイの活性層数がさらに多くなった場合にも拡張可能であることは言うまでもない。

以上、本発明の各実施の形態において具体的に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく種々の変形が可能である。例えば、各実施の形態で説明したフォトニック結晶合波素子の構成は、必要に応じて、他の複数の導波路の組み合わせを用いてもよい。

本発明は、光ピックアップ用２波長半導体レーザ光源や高出力の半導体レーザ光源に用いられてその小型化、高性能化、低価格化に貢献できる利用価値の高いものである。

本発明の第１の実施の形態を示す光ピックアップ用２波長半導体レーザ光源の構造図 本発明の第１の実施の形態におけるフォトニック結晶合波素子を示す構造図 本発明の第１の実施の形態におけるフォトニック結晶の構成を示す構造図 本発明の第１の実施の形態におけるフォトニック結晶の導波路の構成を示す構造図 本発明の第１の実施の形態におけるフォトニック結晶の導波路の構成を示す構造図 本発明の第２の実施の形態を示す光ピックアップ用２波長半導体レーザ光源の構造図 本発明の第２の実施の形態を示す光ピックアップ用２波長半導体レーザ光源の構造図 本発明の第３の実施の形態を示す高出力半導体レーザ光源の構造図

符号の説明

１０１ ２波長半導体レーザ
１０２ フォトニック結晶
１０３ 第１の半導体レーザ
１０４ 第２の半導体レーザ
１３１ 第１の出力光
１３２ 第２の出力光
１３３ 出力光
１４１ 第１の導波路
１４２ 第２の導波路
１４３ 第３の導波路
１４４ 第４の導波路
３０１ GaAs細柱
８０１ 半導体レーザアレイ

Claims (2)

1. 複数の光源からの光を導波して合波するフォトニック結晶合波素子であって、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶と、前記フォトニック結晶内に形成された、波長が前記フォトニックバンドギャップの範囲内にある光を導波する第１および第２の導波路とを有し、前記第２の導波路はＬ字型の屈曲部を有しており、前記第１の導波路の片端は前記屈曲部に近接しており、前記第１の導波路と前記第２の導波路は相異なる平面上に存在することを特徴とするフォトニック結晶合波素子。
2. フォトニック結晶が２次元配列された細孔を有する樹脂薄膜を積層したものであり、導波路が前記細孔を形成していない線状部分であることを特徴とする請求項１記載のフォトニック結晶合波素子。

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