JP3785503B2

JP3785503B2 - 半導体レーザ

Info

Publication number: JP3785503B2
Application number: JP21727695A
Authority: JP
Inventors: 秀樹平山; 哲子浜野; 克信青柳
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1995-08-25
Filing date: 1995-08-25
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2015-08-25
Also published as: JPH0964458A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光集積回路等の各種装置の光源として利用可能な半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ＧａＡｓ等の半導体を用いた半導体レーザの開発が盛んに行われている。この半導体レーザは、スペクトルの純粋さと高効率および変調が簡単にできて取り扱いやすい等の特徴を有し、光集積回路やその他の光源として利用可能である。
【０００３】
このような、従来の半導体レーザでは、縦軸を光出力、横軸を注入電流とした図６に示すように、注入電流がある閾値を越えると、図７に示すように所定方向に向けてレーザ光が射出され、閾値以下では、図７に示すように、不特定な方向に自然放出光が放射される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の半導体レーザでは、自然放出光によって、エネルギーのロスが生じ、また、所定方向の光出力を得るためには、閾値以上の注入電流を必要とするため、例えば、大規模な光集積回路等において多数の光源を必要とする場合等は、動作のための電力が増大するという問題があった。
【０００５】
本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、従来に比べて、注入エネルギーのロスを低減することができ、少ない電力で高い光出力を得ることのできる半導体レーザを提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のうち請求項１に記載の発明は、光の波長オーダーの屈折率周期構造を有するホトニック結晶内に、半導体からなり光の増幅作用を有する活性部と、所定方向の光学モードにのみ発光エネルギーをカップリングさせる平面状の位相シフト部とを配設し、上記平面に対して垂直方向に光を出力することを特徴とする。
【０００７】
本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記ホトニック結晶が、高屈折率媒質と低屈折率媒質が、３次元的に規則正しく配列された繰り返し構造を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項１または２のいずれか１項に記載の発明において、上記位相シフト部が、上記ホトニック結晶の略中央部に配設されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２または３のいずれか１項に記載の発明において、上記活性部が、上記位相シフト部の略中央に配設されていることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は、本発明に係る半導体レーザの一つの実施の形態を示すもので、上部には全体の断面構造を示し、下部にはその一部の断面構造を拡大して示してある。同図において１は、光の波長オーダーの屈折率周期構造を有するホトニック結晶であり、このホトニック結晶１内には、半導体からなり光の増幅作用を有する活性部２と、所定方向の光学モードにのみ発光エネルギーをカップリングさせる位相シフト部３が配設されている。
【００１２】
ホトニック結晶１は、例えば、ＧａＡｓ（ｎ1 ＝３．６）等の高屈折媒質１ａと、例えば、空気（ｎ2 ＝１）またはガラス等の低屈折媒質１ｂからなり、これらを３次元的に、光の波長オーダー（例えば、１／２波長）の一定の周期構造を有するようＮ層配列して構成されている。
【００１３】
また、図１に示す例において、位相シフト部３は、ホトニック結晶１の略中央部に一平面状に形成されており、λ共振器を構成するようにその光学的な幅が光の波長と略同一となるよう設定されている。そして、この位相シフト部３の略中央に平面状に活性部２が配設されている。この活性部２は、例えばＩｎＧａＡｓ等の半導体から構成されている。
【００１４】
なお、図２に、ダイヤモンド結晶構造のホトニック結晶のバンドギャップと規格化周波数との関係を示す。同図に示すように、ホトニック結晶においては、特定の周波数の光が全く外部に放出されない構造となっている。
【００１５】
また、図３に、上記構成の半導体レーザを簡略化し、高屈折媒質（ＧａＡｓ）中に、低屈折媒質（空気またはガラス）のロッドを、配設した３角周期構造の２次元結晶の間にλ共振器を配設し、その中央に発光波長１．０μｍの発光層を配設した構造について解析した結果のモード密度の模式図（ＴＥモード）を示す。なお、同図に斜線で示す領域は、外部に光がカップリングする度合いを示すモード密度が高い領域を示し、ホトニックバンドギャップとして示された斜線のない領域はモード密度が低い領域すなわち外部に光が放出されない領域を示している。そして、共振器として作用する位相シフト部が設けられていることにより、ホトニックバンドギャップの中に発振モードが強く現れる。
【００１６】
したがって、活性部２の発光周波数を選択することによって、縦軸を光出力、横軸を注入電流とした図４に示すように、注入電流が極少ない領域においても、図５に示すように、本発明の半導体レーザ（ホトニック結晶構造レーザ）では、レーザ光と同様に所定方向に自然放出光を放射させることができる。
【００１７】
これによって、自然放出光として放出されてしまう注入エネルギーのロスを低減することができるとともに、実質的に閾値を低くすることができ、少ない電力で高い光出力を得ることができる。
【００１８】
なお、上述した例では、位相シフト部３を、ホトニック結晶１の略中央部に一平面状に配設した場合について説明したが、位相シフト部３の位置、形状、数は、この例に限定されるものではなく、偏心させて配設したり、曲面的な形状としたり、複数設けるなどの変形が可能である。
【００１９】
また、ホトニック結晶１の材質、構造等についても種々の変形が可能であり、同様に、活性部２の材質、構造等についても種々の変形が可能である。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体レーザによれば、従来に比べて、注入エネルギーのロスを低減することができ、少ない電力で高い光出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を説明するための図。
【図２】ホトニック結晶のバンドギャップと規格化周波数との関係を示す図。
【図３】本発明の実施の形態におけるモード密度を模式的に示す図。
【図４】本発明の実施の形態における光出力と注入電流との関係を示す図。
【図５】本発明の実施の形態における光出力の状態を説明するための図。
【図６】従来技術における光出力と注入電流との関係を示す図。
【図７】従来技術における光出力の状態を説明するための図。
【符号の説明】
１…………ホトニック結晶
１ａ………高屈折媒質
１ｂ………低屈折媒質
２…………活性部
３…………位相シフト部

Claims

光の波長オーダーの屈折率周期構造を有するホトニック結晶内に、半導体からなり光の増幅作用を有する活性部と、所定方向の光学モードにのみ発光エネルギーをカップリングさせる平面状の位相シフト部とを配設し、前記平面に対して垂直方向に光を出力する
ことを特徴とする半導体レーザ。
請求項１に記載の半導体レーザにおいて、
前記ホトニック結晶は、高屈折率媒質と低屈折率媒質が、３次元的に規則正しく配列された繰り返し構造を有する
ことを特徴とする半導体レーザ。
請求項１または２のいずれか１項に記載の半導体レーザにおいて、
前記位相シフト部は、前記ホトニック結晶の略中央部に配設されている
ことを特徴とする半導体レーザ。
請求項１、２または３のいずれか１項に記載の半導体レーザにおいて、
前記活性部は、前記位相シフト部の略中央に配設されている
ことを特徴とする半導体レーザ。