JP4027393B2 - 面発光レーザ - Google Patents

Description

本発明は、垂直放射型のレーザに関する。

特に半導体レーザ、ＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）、等における垂直共振器型の面発光レーザに関するものである。

長年にわたり、小型な光源である半導体レーザやＥＬ素子の研究が行われている。とりわけ小型で集積可能な面発光レーザ技術の研究は、様々な波長の光に対して、精力的に行われている。

例えば、非特許文献１では、ＧａＡｓのＶＣＳＥＬアレイを作製し、電流注入による室温での連続発振の実現が報告されている。

ＶＣＳＥＬは、一般的には、活性層の上下に、それぞれ多層膜で構成される多層膜ミラーを設けることで実現される。
Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．４２，Ｐｔ．２，Ｎｏ．５Ｂ，Ｌ５２９

しかしながら、上記した多層膜ミラーを活性層の上下の反射ミラーとして利用する場合には、以下のような問題が生じる。

すなわち、多層膜ミラーを活性層の上下の両方に用いる場合は、活性層で発生する熱の放出効率が低いという課題があった。

熱放出の効率が低いと、結果として、レーザ発振の閾値が上がってしまい、レーザの特性に悪影響を及ぼす。

本発明は、活性層の上下の両方に設けられていた多層膜ミラーの少なくとも一方を用いる必要の無い、新規なレーザを提供することを目的とするものである。

本発明に係る垂直共振器型面発光レーザは、
活性層と、
該活性層に対向して設けられている第１の反射ミラーとを備え、
該活性層は、発光波長に対する第２の反射ミラーとなるように、該活性層の面内方向の屈折率が周期的に変化している二次元周期構造を有することを特徴とする。

本発明によれば、活性層自身が垂直方向のミラーとして機能するので、活性層の上下の両方に多層膜ミラーを設ける必要が無くなる。

まず、図２を用いて、第１の本発明に係る垂直共振器型の面発光レーザについて説明する。

図中２０３は基板、２０２は反射ミラー層、２０１はスペーサ層、１０１は活性層である。

図においては特定の材料が記載されているがあくまで例示である。

本発明においては、活性層の下部における反射鏡としては、多層膜ミラーを用いているが、上部の反射鏡としては、多層膜ミラーを用いずに、活性層自体に、垂直方向の反射鏡として機能する二次元周期構造体を設けている。

なお、活性層の下部における反射鏡も、前記二次元周期構造体を用いることができる。

また、基板２０３としては、例えばＩｎＰ基板である。反射ミラー２０２としては、例えばＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰの組み合わせからなる多層膜ミラー（ＤＢＲ）である。スペーサ層２０１としては、例えばＩｎＡｌＡｓである。

スペーサ層には、活性層１０１（例えば、ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰの４０ＱＷから構成する。）よりも屈折率が低い材料を用いるのがよい。スペーサ層は共振器長を調整するのにも用いられる。

次に、二次元周期構造体について、以下で詳述する。

（二次元周期構造体）
二次元周期構造体とは、ある面に平行な面内方向に、誘電率または屈折率が、周期的な分布を有する周期構造体のことを意味する。近年では、二次元フォトニック結晶とも呼ばれている。

また、その周期は、扱う光（電磁波）の波長程度のオーダーである。

例えば、波長１マイクロメートルの光を扱う場合、５００ナノメートルや１マイクロメートル、１．２マイクロメートルなどというように、その周期は光の波長と、周期構造体を構成している材料の屈折率（誘電率）にも依存する。

二次元周期構造体の例としては、二次元のフォトニック結晶が挙げられる。

具体的には、四角形や円形、三角形などの空気の孔が二次元周期的に設けられた薄膜状の二次元スラブフォトニック結晶などが用いられる。当該空気の部分が、周りとは異なる誘電率の材料で埋めておくことも可能である。

また、二次元フォトニック結晶の例としては、微小球が光の波長のオーダーの周期で周期的に並べられたものや、微小な柱が配列したもの等、様々なものが挙げられる。

このような中、本発明の二次元周期構造体は、その中で発光した光が、二次元の面に垂直な方向で、且つ光が入射される側に放射されるように、その周期性、材料、形状、サイズ、等が設計される。

一方、二次元周期構造体に対向する位置に、所定の距離を隔てて反射鏡を設けると、二次元周期構造体から放射される大部分の光は反射鏡（例えば図２の２０２）により反射され、再び二次元周期構造体に戻ることになる。

所定の距離とは、基本的には、扱う光の波長のｎ／２（ｎは０を含む自然数）倍の距離である。二次元周期構造体および反射鏡の屈折率（誘電率）や、光の染み出しなどを考慮した距離である。

上述したように、活性材料からなる二次元周期構造体を何らかの方法で励起しておけば、反射鏡２０２から戻ってきた光は再び二次元周期構造体１０１において増幅され、レーザ発振を実現することができる。
なお、励起手段については後述する。

高反射率を有する二次元周期構造体は、誘電体の周期構造よりなる二次元フォトニック結晶により構成される。そして、フォトニック結晶中のモードと、外部光のモードとが結合するように、当該二次元フォトニック結晶を設計する。

反射ミラー２０２により反射され、二次元周期構造体に戻った光が、再度二次元周期構造体から反射鏡へ放出されると、該二次元周期構造体１０１と反射鏡２０２とは、反射鏡対の組み合わせとなる。すなわち、垂直方向の共振器が構成される。

二次元周期構造体を何らかの形で励起して、反転分布状態を実現することにより、二次元周期構造体の発光波長に含まれる一部の波長を中心として、レーザ発振を起こすことができる。

なお、高反射率を有する二次元周期構造体は、例えば、その材料を金属として、外部から入射される光と、金属の周期構造中のプラズモンの共鳴を利用することによっても実現可能である。

以下、フォトニック結晶が有するフォトニックバンド構造について更に詳述する。

（フォトニックバンド構造）
本発明に係る垂直放射型レーザは、二次元周期構造体の周期構造を、フォトニック結晶で構成することが一つの特徴である。

フォトニック結晶は、図１０に示されるように、電磁波の周波数と、波数ベクトルとで関連付けされるフォトニックバンド構造を有する。

換言すれば、二次元フォトニック結晶は、波数ベクトルと、光の規格化周波数（ωａ／２πｃ：ωは光の角周波数、ａはフォトニック結晶の格子定数、ｃは真空中の光速）との間で、分散関係を有する。

そして、この分散関係が、フォトニックバンド構造、あるいはフォトニックバンドダイアグラムと呼ばれる。

レーザ発振に関わる電磁波のモードは、前記フォトニックバンド構造におけるライトライン１００２の外側で記述される。

図２に示すような二次元周期構造体１０１は、その面に垂直な方向において、有限な領域からなり、スラブ型の二次元フォトニック結晶といえる。

このようなフォトニック結晶におけるフォトニックバンド構造には、放射モードと呼ばれる、スラブ外部のモードと結合しやすい領域が存在する。

前記領域は、図１０のライトライン１００２の上側（外側）に位置する。

本発明においては、フォトニックバンド構造におけるバンド内のモードの内、放射モードとして記述されるモード（例えば、図１０の点線の円１００１）を利用する。

これにより、二次元フォトニック結晶スラブを、高反射特性を有する反射鏡として機能させることが可能となる。

図１０の右側には、放射モードにおける光の反射特性を、グラフを用いて概念的に示すものである。１０６０は波長λ、１０５０のＲは反射率を表しており、フォトニック結晶スラブの面内方向に垂直方向に入射した光の波長と反射特性の関係を示している。すなわち、光の群速度がゼロに近いモードにおいて、反射率が極めて高くなる波長が存在する。このような現象は、Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ効果といえる。

本発明では、フォトニック結晶スラブへ入射する外部光が、フォトニックバンド構造中のバンド内の放射モードに変換されるように設計する。

それによって、フォトニック結晶スラブの面内方向に垂直に入射される光は、一度二次元のモードに変換されるが、このモードは放射モードであるため、また外部光へと変換される。

また、フォトニックバンド構造中で扱うモードが、光の群速度が０に非常に近いモードであれば、二次元フォトニック結晶中の二次元のモードに変換された光は、ほぼ定在波となる。

そのため、活性層を構成するフォトニック結晶中のキャリアと非常に強く相互作用する。また、二次元フォトニック結晶の二次元の面全体に渡ってモードが揃うため、大面積で、且つ面内でのモードが揃ったレーザ光の放射を実現することができる。

本発明のレーザの共振器は少なくとも、以下の２つの共振器を備えていると考えることもできる。即ち、二次元周期構造を有する活性層と、対向して配置される反射ミラーとにより形成される垂直方向の共振器と、二次元周期構造の面内方向に形成される共振器である。

二次元周期構造体としてのフォトニック結晶が、何らかの方法により励起状態にあれば、上記した相互作用により、効率高く光の増幅または誘導放出を起こすことができる。

ただし、二次元のモードの光は放射モードであるため、非常に短い時間で外部へ放射されてしまうが、反射鏡により繰り返しフォトニック結晶へ光を戻すことにより、フォトニック結晶中の自然放出光を抑制して、効率の高いレーザを実現することができる。

二次元フォトニック結晶スラブ自体の構造パラメータの設計は、活性材料の誘電率（屈折率）、利得の波長帯域、レーザ発振させる波長、フォトニック結晶周囲の材料などにより決定される。例えば、利得を含まない材料の場合には、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ，Ｖｏｌ．６５，２３５１１２に記載されている。具体的には、四角格子上の円柱空孔よりなる二次元フォトニック結晶の例がある。このような設計の傾向を利得を含む材料からなるフォトニック結晶の設計にも適用することができる。

（周期性を乱す欠陥の導入）
前記二次元周期構造体に、その周期性を乱す欠陥を設けることもできる。このような欠陥構造を導入することにより、レーザ光のモードや波長、あるいは放射する領域を、制御することができる。

欠陥としては、二次元周期構造体の周期構造体に、周期性を乱す局所的なものであればどのような形状のものも可能である。例えば、三角格子状に円柱空孔が周期的に配列されたＳｉよりなる二次元フォトニック結晶に、局所的に一つの円柱空孔がないような場合に、この円柱空孔が欠けた領域が欠陥となる。また、局所的に一つの円柱空孔のサイズが、周りよりも大きい場合には、この領域が欠陥となる。欠陥のサイズや形状は様々なものでよく、点状、線状等の欠陥構造がある。

フォトニック結晶が有するフォトニックバンドギャップ（図１１の１１０１）が、活性層の利得波長帯域を含んでいる場合、上記欠陥構造を導入することにより、欠陥準位に相当する波長の光だけを欠陥部分に非常に強く閉じ込めることができる。すなわち、レーザ発振の波長やモードが、より制御しやすくなり、高効率な面発光レーザを実現することができる。

（複数の欠陥の導入）
なお、前記欠陥を複数導入することもできる。

導入される欠陥により欠陥モードで発光する場合に、それぞれの欠陥モードで発光している領域同士が光結合するようにしておけば、放射エリアを大きくした場合にも。モードの揃った面発光レーザとすることができる。

例えば、フォトニック結晶中に周期的に設けられた欠陥を、その面内においてフォトニック結晶のｍ周期に一つの間隔で設ける。各々の欠陥は、同一のサイズおよび形状にするのがよい。例えば、ＧａＡｓ薄膜に、円柱空孔が四角格子状に二次元周期的に配列された二次元フォトニック結晶スラブにおいて、本来あるべきところの円柱空孔が無い状態する。そして、それらがフォトニック結晶の周期構造の中で、５周期に一つの間隔で配置する。

フォトニック結晶をなす活性材料の利得波長帯域が、フォトニックバンドギャップ内にある場合、活性材料から発光した光はフォトニック結晶中には存在し得ない。しかし、周期的な欠陥によって、フォトニックバンドギャップ中に欠陥準位が生じるため、この準位に相当する波長の光のみがフォトニック結晶中に存在可能となる。

これを利用することで、レーザ発振に関わる光の波長およびモードを制御することができる。

また、周期的欠陥のそれぞれの欠陥モードに対応する光が互いに結合するように周期的欠陥を配すれば、結合した欠陥準位に相当する波長およびモードの光だけが選択されて、レーザ発振を起こすことができる。

図１１に周期的欠陥を設けた三角格子状の円柱空孔が配列されたフォトニック結晶のフォトニックバンド構造の構成例を示す。

フォトニックバンド構造中のフォトニックバンドギャップ１１０１中に複数の欠陥が結合した欠陥（連成）バンド１１０２が現れていることが分かる。

また、この構造における欠陥バンドに起因する共鳴モードの電場強度分布の例を図１２に示す。

フォトニック結晶中に、周期的欠陥を配した領域の全面に亘って欠陥同士の結合が起こり、この領域において単一モードのレーザ発振を実現せしめることができる。

（活性層）
本発明に係る垂直放射型レーザは、電磁波の特定の波長域に利得を有する活性材料からなる二次元周期構造体を用いる。

その電磁波には、エックス線、極紫外（ＤＵＶ）線、紫外（ＵＶ）線、可視光、赤外線、遠赤外線、テラヘルツ光、マイクロ波などが含まれる。

レーザなどの発光素子の活性媒質として用いられる活性材料は、バンド構造に特有の発光スペクトルを呈する。そして、発光スペクトル中においてある幅をもつ発光ピークの波長帯域を発光素子において利用することになる。

また、本発明における光（電磁波）の特定の波長域とは、活性材料を用いて素子を構成する際に、素子の発光に寄与する波長帯域をいう。

また、このような波長域は、材料の種類に応じて様々なものが考えられる。

例えば、Ｉｎ_１−ｘＧａ_ｘＮの場合には、ｘの値により紫外域から黄色に相当する波長の光まで、利得の波長を制御することができる。また、他の半導体材料を用いる場合も、その種類に応じて様々な波長を選択することができ、さらには有機材料などを用いることもできる。

本発明に係る活性層は、光や電流、熱などの励起手段を用いて励起することにより、発光させることが可能である。

また、本発明においては、前記活性層に利得分布を生じるように構成することもできる。

以下、具体的に説明する。

活性層自体に、あるいは同層を構成する活性材料の励起状態が、空間的に分布した利得分布をもつようにすることで、効率のよい電子−正孔の再結合を実現することができ、光のモード制御性も高まる。

活性材料とは、特定のエネルギーによる励起により励起状態に遷移して特定の波長帯域において発光を呈するものである。

利得分布が与えられた活性材料中では、利得の大きい部分と小さい部分が形成され、実際には励起しても発光しない領域が発生する。例えば、部分的にキャリアをブロックする領域を形成すれば、キャリアが流れ得る部分は制限されるため、発光に寄与するキャリアの再結合は空間的に制御されることになる。

その結果、キャリアの注入効率も上がる。

なお、後述するように活性層に対向する位置に配置される反射鏡を活性材料で構成する場合には、当該反射鏡に利得分布をもたせることもできる。

利得分布をもたせるためには、例えば以下のようにキャリアブロック層を設ける。キャリアブロック層とは、大きな屈折率実数部の変化を起こさずに、電流狭窄が行えるようにプロトン注入等により形成されるものである。

プロトン注入などの方法によると、選択的にデバイス中にキャリアブロック層を形成できると同時に、材料の屈折率の実部をほとんど変化させずにすむ。従って、光の閉じ込め構造や光のモードを変化させること無く、キャリアのパスを選択的に形成することができる。特に電流狭窄構造にすることで、キャリアの漏れや不要な再結合過程、活性材料中の不要な発光などを抑制することができる。

また、利得分布を実現する為に、電流注入用の電極を工夫することもできる。
ここで、電極材料としては、ＩＴＯやＴｉ、Ａｕ、Ｐｔ、など様々なものが挙げられる。

キャリア注入手段として、複数の電極対を用いることもできる。

ここで、電極対とは、活性材料に電子を注入するための電子注入電極と、ホール（正孔）を注入するためのホール注入電極との組み合わせのことである。電子注入電極とホール注入電極が必ずしも一対一対応で備えられる必要はない。例えば電子注入電極一つに対してホール注入電極が３つという構成も可能であり、このような場合は３つの電極対と称する。複数の電極対を備えることで、活性材料を部分的に励起することが可能となる。すなわち、活性材料からなる部分に利得分布を持たせることができることになる。

また、複数の電極対が規則的に配列することにより、出射するレーザ光の方向などを制御することができる。さらに、各電極対を流れる電流量や電極間の電圧を独立するための制御手段を設けることにより、レーザ光の方向や強度などの制御を独立に行うことができる。

（放射窓）
本発明に垂直放射型レーザにおいては、電磁波を外部へ放射させるための放射窓を設けることもできる。放射窓は、レーザ光が外部へ放射することが可能なものであれば、どのような形態でもよい。

例えば、二次元周期構造を備えた活性層と、反射鏡を含み構成される垂直放射型レーザにおいては、放射窓をつぎのように構成することができる。

例えば、電流注入用の電極として、円環状の電極を用いて、部分的にレーザ光を放射させるものや、透明電極を用いる。

（反射ミラー）
本発明においては、２つの反射ミラーの両方を２次元のフォトニック結晶にすることもできるが、活性層に対向する側に位置する反射ミラーは、半導体多層膜または誘電体多層膜から構成してもよい。

半導体多層膜および誘電体多層膜とは、屈折率の異なる二つの薄膜を、交互に周期的に積層したものであり、その積層数が多いほど、または屈折率差が大きいほど反射率を高くすることができる。

例えば、半導体多層膜としては、波長１．５５マイクロメートル帯のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓのＤＢＲ（分布反射型ミラー）である。また、８５０ナノメートル帯のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓのＤＢＲである。また、４００ナノメートル付近におけるＡｌＧａＮ／ＧａＮのＤＢＲ、ＳｉＯ２／ＺｒＯ２のＤＢＲである。

なお、活性層に対向して配置される反射ミラー自体を、二次元のフォトニック結晶で構成することもできる。なお、以降では、活性層に設けられる周期構造を第１の２次元周期構造といい、前記反射ミラーに設けられる周期構造を、第２の２次元周期構造という場合がある。

フォトニック結晶の構造や材料などの設計に関しては、活性層に設けるフォトニック結晶について既述した技術事項を適用でき、欠陥を導入することもできる。

また、活性層に対向して配置される反射ミラーが周期構造を有する場合には、その反射ミラーを、特定の波長域に利得を有する活性材料で構成することもできる。

即ち、垂直方向の反射ミラーとして機能する２つの層を、所定間隔離して配置することになるが、かかる場合、当該２つの層（利得媒質で構成され、且つ２次元の周期構造を有する。）において、それぞれ光増幅または誘導放出が実現する。

さらに、両者から放射される光のモードを揃えておくことにより、レーザ光のモードを安定させることも可能である。

両者を励起する手段は、光励起、電流注入、カソードルミネッセンス、熱励起、等のいずれのものでも良く、またこれらに限定するものでもない。

（キャリア注入手段）
本発明に係る垂直放射型レーザにおいては、キャリアを注入するためのキャリア注入手段を設けることができる。

例えば、電流注入のための電極（キャリア注入手段）を設けることにより、本発明のレーザを動作させることができる。

電極材料としては、ＩＴＯやＴｉ、Ａｕ、Ｐｔ、など様々なものが挙げられる。また、電極の構造、形状、サイズはレーザ光が面に垂直な共振方向外部へ放射されるに足るものであれば制限はない。例えば、第１の二次元周期構造および第二の二次元周期構造を活性材料により形成する場合を考える。

ｐ−ＧａＮ上に、活性層として四角格子状の円柱空孔が周期的に配列されたＩｎＧａＮの二次元フォトニック結晶スラブを用意する。さらにその上に、ｎ−ＧａＮを形成して構成される構造体二つを、ｎ−ＧａＮが対向するように張り合わせる。

そして、ｎ−ＧａＮ層を電子注入電極とつなぎ、二つのｐ−ＧａＮ層をホール注入電極とつなぐことにより電流注入が可能となる。

また、例えば、ｎ−ＧａＮ層を露出させておき、ｎ型の電極として、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕを、ｎ−ＧａＮ上に蒸着する。ｐ型の電極としては、円形にくりぬいたＭｏ／Ｐｄ薄膜領域を、放射窓として共振器上面に配置し、放射窓のないＭｏ／Ｐｄ薄膜を共振器下面に配置することができる。

（活性層と反射ミラーとの間のスペーサ層）
二次元周期構造を有する活性層と反射鏡との間の領域、または反射鏡自体を、非線形材料で構成することもできる。

当該構成により、波長変換などの非線形効果を発現させることが可能となる。

例えば、活性層と反射鏡との間の領域を満たす材料が非線形材料である場合、レーザ光の一部は、その領域で第二高調波（ＳＨＧ光）に変換される。

基本波の殆どは活性層および反射鏡を透過することはできないが、ＳＨＧ光の波長は、基本波の波長の１／２であるため、二次元周期構造体および反射鏡が反射することができる波長帯から外れており、透過することができる。すなわち、波長変換レーザデバイスを実現することができる。

また、活性層に対向して配置される反射鏡として、非線形材料からなる二次元フォトニック結晶スラブを用いる場合には、以下のようになる。

第二高調波の発生を考えると、活性層から放射される光が、反射鏡へ入射し、一部の光は反射鏡の面内の二次元モード光へ変換される。二次元面内において、位相整合が実現すると、二次元のモードをもつ基本波の一部はＳＨＧ光に変換される。

ＳＨＧ光のモードが、フォトニックバンド構造のライトラインより内部（下側）にあれば、スラブの面内に平行な方向に伝播して外部に放射されるが、ライトラインより外部（上側）にあれば、面に垂直方向に放射される。

また、上述のスペーサ層領域（図２の２０１）に、活性材料からなる層を設けることもできる。かかる場合、屈折率周期構造が形成された活性層（図１の１０１）と、スペーサ領域内に設けられており、且つ屈折率周期構造を備えていない第２の活性層と、反射ミラー（例えば、図２のような多層膜ミラー）とを有することになる。

活性層に周期構造（例えば細孔）を設けることにより、利得領域が不足する場合に、利得領域を補うという点で、有効である。

（その他）
二次元周期構造体は、その材料や扱う光の波長などの関係により、複数の膜を積層して構成することにより特性が向上する場合がある。

例えば、二次元周期構造体を有する一枚の薄膜に、半導体多層膜または誘電体多層膜を積層したものや、二次元周期構造体を有する複数の薄膜を積層したものが挙げられる。

二次元周期構造を有する複数の薄膜を積層する場合、複数の薄膜の二次元周期構造は相互に等しい必要は無く、その材料も異なっていてよい。例えば、一方の薄膜がＴＥ偏光の光を反射するものであり、もう一方の光がＴＭ偏光の光を反射するものとすることにより、どの偏光に対しても高い反射率を達成することができる。

以下に、本発明の実施例について説明する。

なお、以下の実施例において、二次元周期構造体の作製には、ステッパ（半導体露光装置）を使ったフォトリソグラフィー、または電子線リソグラフィーとドライエッチングなどの半導体プロセスが用いられる。

［実施例１］
図１に、本実施例におけるフォトニック結晶スラブの構成を、Ａ−Ｂ断面の構成と共に示す。また、図２に、本実施例における垂直放射型レーザの断面構造を示す。

図２に示されるように、本実施例の垂直放射型レーザは、ＩｎＰ基板２０３の上に結晶成長技術によりＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰの薄膜を３０周期積層した分布反射型ミラー（ＤＢＲ）２０２を形成する。その上に、ＩｎＡｌＡｓからなるスペーサを配置する。

スペーサ２０１上に、ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰの多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を厚さ方向中央付近に有するフォトニック結晶スラブ１０１を形成する（厚さは、約３００ナノメートルとする）。

本実施例では、フォトニック結晶スラブ１０１が、上記した二次元周期構造体苦い等する。そして、ＤＢＲ２０２が反射鏡であり、所定の距離を確保するために、厚さおよそ４４０ナノメートルのスペーサ２０１が設けられている。

図１に示されるように、フォトニック結晶スラブ１０１は、その面に平行な面内方向において、円柱空孔１０４が三角格子状に二次元に周期的に配列されている。その周りに、溝１０３が形成されることで、フォトニック結晶中の光が界面反射により内部に閉じ込められるようになっている。

また、溝１０３の外側は、周期構造が形成されていない非周期領域１０２となっている。溝１０３の直径はおよそ２０マイクロメートルである。

このフォトニック結晶スラブ１０１は、ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰの多重量子井戸構造を有しているため、光などによって励起されると、およそ１．５３マイクロメートルを中心とした波長帯域の光を放出して発光する。

また、フォトニック結晶は、この波長帯域の光を面に垂直方向に放射するように設計される。特に１．５３マイクロメートル付近の光が面に垂直に入射された場合、その光は、一旦、二次元の面内のモードに変換されて再び垂直方向に放射されるため、見かけ上ほぼ１００パーセントの反射が起こる。

図１０に、このフォトニック結晶のフォトニックバンド構造を示すが、図１０中において点線の円１００１で示される付近でのバンド内でのモードを用いる。この付近では、バンドは極値をもつために、その傾きが非常に小さくて０となる。つまり、光の群速度が０または非常に小さくなるモードであり、このモードを用いることにより、二次元面内でモードがそろった定在波を形成することができる。

このモードは、図１０のフォトニックバンド構造中のライトライン１００２よりも上方（外側、斜線の領域）、つまり高周波側にあるため、放射モードとなり外部光と結合しやすい。このため外部からの光は一度フォトニック結晶スラブの中の定在波に変換されてすぐにまた外部へ放射されることになり、反射鏡としての特性が生ずる。

特に、二次元周期構造体であるフォトニック結晶スラブ１０１は活性材料によりなるものなので、励起光を入射されることにより材料のバンドギャップに対応した波長帯域の光を放出する。

図２において、例えば、ＩｎＰ基板２０３の下部から面に垂直に励起光を入射することにより、フォトニック結晶スラブ１０１を励起する。励起されたフォトニック結晶スラブ１０１においては主にフォトニック結晶の構造により選択された波長とモードの光で自然放出が生じ、面内において許容されたモードの定在波として存在する。

フォトニック結晶スラブ１０１が、十分に励起されており反転分布状態にあれば、そのまま二次元面内で増幅またはレーザ発振を起こす場合もある。

このように生じた二次元の定在波状態の光は、面内方向に対して垂直な方向に放出され、対向して配置されているＤＢＲ２０２に入射される。

ＤＢＲ２０２により光は反射され再びフォトニック結晶スラブ１０１へと入射され、前述と同様に光増幅が起こり、フォトニック結晶スラブ１０１とＤＢＲ２０２で構成された反射鏡対をキャビティとしてレーザ発振が起こる。

本実施例によれば、このように反射鏡対をなす２枚の反射鏡の一方が、活性層として機能するので、作製においても、非常に有利となる。

［実施例２］
図３に、本実施例におけるフォトニック結晶スラブの構成を、Ａ−Ｂ断面の構成と共に示す。３０１は、ＧａＡｓからなる二次元フォトニック結晶スラブであり、活性領域であると同時に、反射鏡としても機能する。３０２、３０３は円柱空孔である。

また、図４に、実施例２における垂直放射型レーザの最上部に配置されたフォトニック結晶スラブの構成を、Ｃ−Ｄ断面の構成と共に示す。４０１は、ＧａＩｎＮＡｓ ＱＷ／ＧａＡｓ活性層からなる二次元フォトニック結晶スラブである。４０２は円柱空孔、４０３は四角空孔である。

また、図５に、実施例２における垂直放射型レーザの構成を示す。

図５に示されるように、本実施例の垂直放射型レーザは、ＧａＡｓ基板５０１上にＡｌＡｓからなるクラッド層５０２を備え、その上部に反射鏡としてＧａＡｓからなる二次元のフォトニック結晶スラブ３０１を備える。その上部に、所定の距離を確保するためのＡｌＡｓからなるスペーサ５０３を、最上部に波長１．３マイクロメートル付近で発光するＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓの量子井戸構造を有する二次元のフォトニック結晶スラブ４０１を備えている。

本実施例のフォトニック結晶スラブ３０１は、図３に示すように面内に平行に円柱空孔からなる二次元のフォトニック結晶を備えており、中央付近のフォトニック結晶の構造とその周りを囲むフォトニック結晶の構造は変えてある。

中央付近のフォトニック結晶の円柱空孔３０２の直径と周りを囲むフォトニック結晶の円柱空孔３０３の直径は異なる。

本実施例で発光、発振に寄与する光の波長帯が、この周りを囲むフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内になるように設計してある。

このことにより、中央付近に入射された光は面内二次元方向において周りを囲むフォトニック結晶によりブロックされ、外部に放射されず、損失を小さく抑えることができる。実施例１におけるフォトニック結晶での光の反射と同様の原理を用いてこのフォトニック結晶スラブ３０１を反射鏡として機能させることができる。

また、図５の垂直放射型レーザの最上部に配置されたフォトニック結晶スラブ４０１は、図４に示すような構造を有する。

つまり、中央付近に長方形の四角空孔４０３からなる四角格子状の二次元フォトニック結晶と、図３と同様にその周りに扱う光をフォトニックバンドギャップ効果により光をブロックする円柱空孔４０２からなるフォトニック結晶４０３を備えている。

このことにより、中央付近に存在することのできる光は周りのフォトニック結晶によりブロックされて二次元方向への光の損失を小さくすることができる。

本実施例は、構造として実施例１におけるＤＢＲ２０２を反射鏡であるフォトニック結晶スラブ３０１に代えた構成であり、レーザ発振の過程は実施例１と同様の原理を用いることができる。ただし本実施例では、光増幅に携わるフォトニック結晶スラブ４０１に設けられた中央付近のフォトニック結晶をなす四角空孔４０３が、長方形となっており、これにより放出する光の偏光を制御することができる。

このように本実施例の垂直放射型レーザによれば、偏光制御された広い面積でモードの揃った、高効率なレーザを実現することができる。

［実施例３］
本発明の実施例３においては、上記した本発明を適用して電流注入により動作する垂直放射型レーザを構成した。

図６に本実施例におけるフォトニック結晶スラブの構成を、Ａ−Ｂ断面図と共に示す。

図７に本実施例における垂直放射型レーザの構成を示す。

本実施例の電流注入により動作する垂直放射型レーザは、図７に示すようにｎ−ＧａＡｓ基板７０１上の一部にスパッタで形成したＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕよりなるｎ−電極７０２を設けておき、電子を注入するように構成されている。

また、ｎ−ＧａＡｓ基板７０１上に反射鏡としてＳｉをドープしたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓが３５周期積層したｎ−ＤＢＲ７０３を備えている。さらに、その上部にはｎ−ＡｌＧａＡｓよりなるスペーサ７０５が設けられている。

スペーサ７０５の上にＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓの多重量子井戸を含む活性材料よりなる二次元フォトニック結晶スラブ６０１が形成されており、この上にｐ−ＡｌＧａＡｓからなるクラッド層７０４が備えられている。

最上部にはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの構成のｐ−電極７０６が備えられ、ホールを注入することができる。

また、ｐ−電極７０６は中央大部分がくりぬかれた形状となっており、くりぬかれた部分を放射窓７０７とすることができる。

二次元フォトニック結晶スラブ６０１は図６に示すものである。面内に円柱空孔が四角格子状に配列されてなるものである。円６０４の内部の放射窓に対応する領域は、円柱空孔６０３からなるフォトニック結晶となっており、円６０４の外部は円柱空孔６０２からなるフォトニック結晶である。

本実施例において扱う波長およびモードの光は、円６０４の内部のフォトニック結晶中では存在することができる。しかし、円６０４の外部のフォトニック結晶中にはそのフォトニックバンドギャップ効果により存在することができないように設計されている。このことにより面に平行な方向に光が漏れることを防ぐことができる。

また、フォトニック結晶スラブ６０１の円６０４の外部の高抵抗領域６０５は酸化されており非常に高抵抗を呈するのに対し、円６０４の内部の定抵抗領域６０６は抵抗が低い。そのため、本実施例の垂直放射型レーザの上下方向（面に垂直な方向）に電流を流す場合、発光、光増幅に携わる円６０４の内部に効率よく電流を流すことができる。

このことにより、円６０４の内部にはその上下方向から効率よくホールと電子が注入され量子井戸構造の領域で再結合する。励起方法は実施例１、実施例２と異なるが、基本的なレーザとしての発振原理は実施例１、実施例２と同様な考えに基づく。

二次元フォトニック結晶スラブ６０１において、電流注入により波長８５０ナノメートルを中心波長とした発光が起こる。二次元面内の揃ったモードの定在波状態の光は外部光に結合して面に垂直な方向に放射されて、ｎ−ＤＢＲ７０３に達する。このうちのほとんどの光がｎ−ＤＢＲにより反射されて二次元フォトニック結晶スラブ６０１の二次元のモードに再度変換される。この繰り返しにより二次元フォトニックスラブ６０１結晶中で誘導放出が起こる。そして、二次元フォトニック結晶スラブ６０１とスペーサ７０５とｎ−ＤＢＲ７０３により構成されるキャビティでレーザ発振が起こり、レーザ光の一部は放射窓７０７を通って面に垂直方向に取り出されることになる。

このように本実施例の垂直放射型レーザによれば、量子効率が高く、面内でのモードがよく揃ったレーザを実現することができる。

［実施例４］
図８に、本実施例のフォトニック結晶スラブの構成を、Ａ−Ｂ断面図と共に示す。

また、図９に本実施例の垂直放射型レーザの構成を示す。

電流注入により動作する垂直放射型レーザは、図９に示すように、ｎ−ＧａＮ上に波長４００ナノメートル付近にバンドギャップの発光ピークをもつＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸層を有する二次元フォトニック結晶スラブが備えられている。さらにその上に、ｐ−ＧａＮ薄膜を設けたユニットを二つ用意し、ｐ−ＧａＮ層が互いに対向するように両者を接合する。

構成としてはｎ−ＧａＮ９０１上に二次元フォトニック結晶スラブ８０１が配置され、その上にｐ−ＧａＮ層９０２とｐ−ＧａＮ層９０３が備えられ、その上に二次元フォトニック結晶スラブ８０１が備えられ、その上に再びｎ−ＧａＮ９０４が備えられている。二つのｐ−ＧａＮ層９０２と９０３の接合面を張り合わせ面９０６として点線で示す。

また、一方のユニットのフォトニック結晶の周囲の面積を大きくすることにより、ｐ−電極９０７を配置することができ、二つの二次元フォトニック結晶スラブに電流をホール注入することができる。さらにｎ−ＧａＮ９０１と９０４の表面には電子を注入するためのｐ−電極が設けられており、二つの二次元フォトニック結晶スラブに電子を注入することができる。二つの二次元フォトニック結晶スラブはそのサイズは異なるが、フォトニック結晶の構造と材料は同様のものであり、フォトニック結晶スラブ８０１として図８に示すものである。

フォトニック結晶スラブ８０１に形成されたフォトニック結晶は円柱空孔８０２が四角格子状に配列されたもので、本実施例で扱う波長およびモードの光はこのフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内にあるかほとんど存在できない。しかし、フォトニック結晶には図中円８０４内部で示すように、円柱空孔８０２が欠落した領域である欠陥８０３が周期的に配列された構造となっている。

欠陥８０３は一つであれば、点欠陥として独立に機能するが、図のようにある程度の距離で周期的に複数配置されているので、複数の欠陥のモードは互いに結合することになる。したがって、フォトニックバンドギャップ内にある活性材料からの発光波長のうち、複数欠陥のモードが結合したことによる欠陥の連成モードに対応する波長およびモードの光だけがフォトニック結晶中に存在できることになる。連成モードによりフォトニック結晶面内の広い面積においてモードの揃った光を生じさせることができる。

また、この連成モードに対応する光も外部光と結合しやすいようにフォトニック結晶を設計しておくことで以下の機能が実現される。

つまり、連成モードに対応した面内で揃ったモードの光は主に面に垂直な方向に放出され、外部から面に入射される同じようなモードの光を反射する反射鏡のように機能させることができる。このようにフォトニック結晶スラブ８０１を形成した場合、活性領域をも備えているため、反射鏡のように動作するとともに、励起状態にあればこのモードの光の増幅を起こすことができる。

図９に示す垂直放射型レーザは、ｐ−電極とｎ−電極から電流注入をおこなうことにより、このような光増幅作用のあるフォトニック結晶スラブを向き合わせた構成になっている。そのため、二つの両フォトニック結晶８０１で反射が起こる毎に光増幅が行われ、高効率なレーザを実現することができる。両二次元フォトニック結晶８０１とｐ−ＧａＮ９０２、９０３により構成される領域をキャビティとして面に垂直方向にも定在波が形成されて、レーザ光は窓を通って外部に放射されることになる。

［実施例５］
図１３に本実施例の垂直放射型レーザの構成を示す。

本実施例の垂直放射型レーザでは、図１３に示すように、上記実施例４における二つの二次元フォトニック結晶スラブのうち、大きさの小さい上方のユニットを非線形結晶を用いた二次元フォトニック結晶スラブ１３０１とする。これにより、小型の光変換素子を実現する。

二次元フォトニック結晶スラブ１３０１は円柱空孔よりなるフォトニック結晶を形成されている。フォトニック結晶の構造は、入射され二次元のモードに変換された光がフォトニック結晶の周期構造により位相整合してＳＨＧ（第二次高調波）光に変換されるよう設計されている。

レーザ発振は、二つのフォトニック結晶スラブ８０１と１３０１とスペーサ１３０２により構成されるキャビティ内で発振する。ＳＨＧ光がフォトニックバンド構造中で放射モードの光として記述される場合には、面から外部へ放射される。放射されたＳＨＧ光はもう一方の活性材料よりなる二次元フォトニック結晶スラブ８０１で反射されず透過することになるため、外部へ取り出すことができる。このようにして、波長変換機能をもつレーザを実現することができる。

［実施例６：利得分布］
本発明の電流注入により動作する垂直放射型レーザの例を実施例６として図１９に示す。図２０に示す垂直放射型レーザは、ｎ−ＧａＮ２２０１上に波長４００ナノメートル付近に反射帯域を持つＧａＮ／ＡｌＧａＮ７０層の半導体多層膜２２０５が形成される。

その上にｎ−ＧａＮ層２２０２と、ｎ−ＧａＮ層２２０３が備えられ、その上に波長４００ナノメートル付近にバンドギャップの発光ピークをもつＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸層を有する二次元フォトニック結晶スラブ２１０１が備えられる。その上に、ｐ−ＧａＮ２２０４が備えられている。二つのｎ−ＧａＮ層２２０２と２２０３の接合面を、張り合わせ面２２０６として点線で示す。さらにｐ−ＧａＮ２２０４とｎ−ＧａＮ２２０１の表面には正孔と電子をそれぞれ注入するためのｐ−電極２２０８とｎ−電極２２０９が設けられており、二次元フォトニック結晶スラブ２１０１にキャリアを注入することができる。二次元フォトニック結晶スラブ２１０１として図１９に示す。フォトニック結晶スラブ９１０１に形成されたフォトニック結晶は円柱空孔９１０２が四角格子状に配列されたもので、本実施例で扱う波長およびモードの光はこのフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内にあるかほとんど存在できない。しかし、フォトニック結晶には図中円（領域）９１０４内部で示すように、円柱空孔９１０２が欠落した領域である欠陥９１０３が周期的に配列された構造となっている。欠陥９１０３は一つであれば、点欠陥として独立に機能するが、図のようにある程度の距離で周期的に複数配置されているので、複数の欠陥のモードは互いに結合することになる。よって、フォトニックバンドギャップ内にある活性材料からの発光波長のうち、複数欠陥のモードが結合したことによる欠陥の連成モードに対応する波長およびモードの光だけがフォトニック結晶中に存在できることになる。連成モードによりフォトニック結晶面内の広い面積においてモードの揃った光を生じさせることができる。

また、この連成モードに対応する光も外部光と結合しやすいようにフォトニック結晶を設計しておく。それにより、連成モードに対応した面内で揃ったモードの光は主に面に垂直な方向に放出され、外部から面に入射される同じようなモードの光を反射する反射鏡のように機能させることができる。このようにフォトニック結晶スラブ９１０１を形成した場合、活性領域をも備えているため、反射鏡のように動作するとともに、励起状態にあればこのモードの光の増幅を起こすことができる。

さらに本実施例では、プロトン注入によりフォトニック結晶の欠陥付近の領域９１０５にのみ利得が分布するように利得分布が制御されている。このことにより、主に光が閉じこまる欠陥９１０３付近だけで効率よく発光が起こり、高効率かつモード制御されたデバイスが実現される。

［実施例７］
本発明の面発光レーザの例を実施例７として、図５を用いて説明する。

図５の面発光レーザはＧａＡｓ基板５０１上にＡｌＡｓからなるクラッド層５０２を備え、その上部に反射鏡としてＧａＡｓからなる二次元のフォトニック結晶スラブ３０１を備えている。その上部に所定の距離を確保するためのＡｌＡｓからなるスペーサ５０３を、スペーサ５０３中央部に波長１．３マイクロメートル付近で発光するＧａＩｎＮＡｓからなる活性層５０４を設ける。最上部にはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓの量子井戸構造を有する二次元のフォトニック結晶スラブ４０１を備えたものである。フォトニック結晶スラブ３０１は図３に示すもので、面内に平行に円柱空孔からなる二次元のフォトニック結晶を備えており、中央付近のフォトニック結晶の構造とその周りを囲むフォトニック結晶の構造は変えてある。中央付近のフォトニック結晶の円柱空孔３０２の直径と周りを囲むフォトニック結晶の円柱空孔３０３の直径は異なる。本実施例で発光、発振に寄与する光の波長帯が、この周りを囲むフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内になるように設計してある。このことにより、中央付近に入射された光は面内二次元方向において周りを囲むフォトニック結晶によりブロックされ、外部に放射されず、損失を小さく抑えることができる。実施例１におけるフォトニック結晶での光の反射と同様の原理を用いてこのフォトニック結晶スラブ３０１を反射鏡として機能させることができる。

また、図５の垂直放射型レーザの最上部に配置されたフォトニック結晶スラブ４０１は図４に示すものである。中央付近に長方形の四角空孔４０３からなる四角格子状の二次元フォトニック結晶、図３と同様にその周りに扱う光をフォトニックバンドギャップ効果により光をブロックする円柱空孔４０２からなるフォトニック結晶４０３を備えている。このことにより、中央付近に存在することのできる光は周りのフォトニック結晶によりブロックされて二次元方向への光の損失を小さくすることができる。また、図４中の点線で囲まれた領域は利得領域４０５で、この利得領域４０５の外側での発光は抑制されていることにより、不要な自然放出やキャリアの漏れなどを抑制することができる。同様に活性層５０４も面中央部付近だけに利得が与えられている。面垂直方向における反射鏡として機能する四角格子のフォトニック結晶スラブ３０１の厚さはおよそ３７０ナノメートル、格子定数がおよそ７７０ナノメートル、穴の半径がおよそ３１０ナノメートルというように計算により設計されている。図１８に示すような波長帯域で反射特性を示す。図１８で、ωは光の角周波数、ａはフォトニック結晶の格子定数、ｃは真空中の光速を表す。

本実施例は構造として実施例６におけるＤＢＲを反射鏡であるフォトニック結晶スラブ３０１に代えた構成であり、レーザ発振の過程は実施例６と同様の原理を用いることができる。

ただし本実施例では、光増幅に携わるフォトニック結晶スラブ４０１に設けられた中央付近のフォトニック結晶をなす四角空孔４０３が長方形となっており、放出する光の偏光を制御することができる。このように本実施例の面発光レーザにより、偏光制御された広い面積でモードの揃った、高効率なレーザを実現することができる。

［実施例８：スペーサ領域に別の利得層］
本発明の実施例８として、面発光レーザが図１４に示すものである。
ＩｎＰ基板２０３の上に結晶成長技術によりＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰの薄膜を３０周期積層した分布反射型反射鏡（ＤＢＲ）２０２を形成し、さらにその上にＩｎＡｌＡｓからなるスペーサを配置する。

スペーサ２０１中にＡｌＧａＩｎＡｓからなる活性層２０４が形成される。さらに、その上には、ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰの多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を厚さ方向中央付近に有する厚さおよそ３００ナノメートルのフォトニック結晶スラブ１０１が形成されている。

本実施例では、フォトニック結晶スラブ１０１が二次元周期構造体であり、ＤＢＲ２０２が反射鏡であり、活性層２０４が活性層である。本明細書中の所定の距離を確保するため厚さおよそ４４０ナノメートルのスペーサ２０１が設けられている。

フォトニック結晶スラブ１０１は実施例１と同様である。

フォトニック結晶スラブ１０１のみでは、利得媒質としての機能が不十分である場合に、本実施例にあるように活性層２０４を更に設けることで、それを補うことができる。

［実施例９］
本発明の面発光レーザの例を実施例９として、図１５に示す。

図１５の面発光レーザは、ＧａＡｓ基板５０１上にＡｌＡｓからなるクラッド層５０２を備え、その上部に反射鏡としてＧａＡｓからなる二次元のフォトニック結晶スラブ３０１を備えている。その上部に所定の距離を確保するためのＡｌＡｓからなるスペーサ５０３を、スペーサ５０３中央部に波長１．３マイクロメートル付近で発光するＧａＩｎＮＡｓからなる活性層５０４を有する。最上部にＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓの量子井戸構造を有する二次元のフォトニック結晶スラブ４０１を備えたものである。フォトニック結晶スラブ３０１は図４に示すもので、あり実施例２で示したものと同様である。

図１５の垂直放射型レーザの最上部に配置されたフォトニック結晶スラブ４０１は、図４に示すものである。中央付近に長方形の四角空孔４０３からなる四角格子状の二次元フォトニック結晶、その周りに扱う光をフォトニックバンドギャップ効果により光をブロックする円柱空孔４０２からなるフォトニック結晶４０３を備えている。

このことにより、中央付近に存在することのできる光は周りのフォトニック結晶によりブロックされて二次元方向への光の損失を小さくすることができる。

面垂直方向における反射鏡として機能する四角格子のフォトニック結晶スラブ３０１の厚さはおよそ３７０ナノメートル、格子定数がおよそ７７０ナノメートル、穴の半径がおよそ３１０ナノメートルというように計算により設計されている。

本実施例は構造として実施例８におけるＤＢＲ２０２を反射鏡であるフォトニック結晶スラブ３０１に代えた構成であり、レーザ発振の過程は実施例８と同様の原理を用いることができる。ただし本実施例では、光増幅に携わるフォトニック結晶スラブ４０１に設けられた中央付近のフォトニック結晶をなす四角空孔４０３が長方形となっており、放出する光の偏光を制御することができる。このように本実施例の面発光レーザにより、偏光制御された広い面積でモードの揃った、高効率なレーザを実現することができる。

図１５において、５０４は、スペーサ層５０３中に設けられる利得領域となるＱＷ活性層である。

［実施例１０］
本発明の電流注入により動作する面発光レーザの例を実施例１０として図１６に示す。図１６で、ｎ−ＧａＡｓ基板７０１上の一部にスパッタで形成したＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕよりなるｎ−電極７０２を設けておき電子を注入する。またｎ−ＧａＡｓ基板７０１上に反射鏡としてＳｉをドープしたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓが３５周期積層したｎ−ＤＢＲ７０３を備え、その上部にはｎ−ＡｌＧａＡｓよりなるスペーサ７０５が設けられている。スペーサ７０５の上に活性材料であるＡｌＧａＡｓよりなる活性層を設けさらにｐ−ＡｌＧａＡｓからなるスペーサ７０７を成長することにより、活性層７０８を挟んでｐｎ接合を形成し活性層７０８に電子とホールを注入することができる。その上部にＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓの多重量子井戸を含む活性材料よりなる二次元フォトニック結晶スラブ６０１が形成されており、この上にｎ−ＡｌＧａＡｓからなるクラッド層７０４が備えられている。最上部にはＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕの構成のｎ−電極７０６が備えられ、電子を注入することができる。また、ｎ−電極７０６は中央大部分がくりぬかれた形状となっており、くりぬかれた部分を放射窓７１０とすることができる。またホールを注入するためにｐ−電極７０９が形成されている。二次元フォトニック結晶スラブ６０１は図６に示すものである。

面内に円柱空孔が四角格子状に配列されてなるもので、円６０４の内部の放射窓に対応する領域には円柱空孔６０３からなるフォトニック結晶となっており、円６０４の外部は円柱空孔６０２からなるフォトニック結晶である。本実施例において扱う波長およびモードの光は円６０４の内部のフォトニック結晶中では存在することができるが、円６０４の外部のフォトニック結晶中には存在することができないように設計されている。このことにより面に平行な方向に光が漏れることを防ぐことができる。反射鏡として動作する中央付近でのフォトニック結晶の格子定数はおよそ５００ナノメートル、孔の半径はおよそ２００ナノメートル、フォトニック結晶スラブ６０１の厚さはおよそ２４０ナノメートルである。また、フォトニック結晶スラブ６０１の円６０４の外部の高抵抗領域６０５は酸化されており非常に高抵抗を呈する。一方、円６０４の内部の定抵抗領域は６０６は抵抗が低いため、本実施例の垂直放射型レーザの上下方向（面に垂直な方向）に電流を流す場合、発光、光増幅に携わる円６０４の内部に効率よく電流を流すことができる。さらにデバイス全体に渡りフォトニック結晶スラブ６０１の面に平行な面内方向において、周囲部が酸化されている。このことにより、円６０４の内部にはその上下方向から効率よくホールと電子が注入され量子井戸構造の領域で再結合する。励起方法は実施例８、実施例９と異なるが、基本的なレーザとしての発振原理は実施例８、実施例９と同様な考えに基づく。二次元フォトニック結晶スラブ６０１において、電流注入により波長８５０ナノメートルを中心波長とした発光が起こる。二次元面内の揃ったモードの定在波状態の光は外部光に結合して面に垂直な方向に放射されて、ｎ−ＤＢＲ７０３に達する。このうちのほとんどの光がｎ−ＤＢＲにより反射されて二次元フォトニック結晶スラブ６０１の二次元のモードに再度変換される。

この繰り返しにより二次元フォトニックスラブ６０１結晶中で誘導放出が起こり、二次元フォトニック結晶スラブ６０１とスペーサ７０５とｎ−ＤＢＲ７０３により構成されるキャビティでレーザ発振が起こる。レーザ光の一部は放射窓７１０を通って面に垂直方向に取り出されることになる。このように本実施例の面発光レーザにより、量子効率が高く、面内でのモードがよく揃ったレーザを実現することができる。

［実施例１１］
本発明の電流注入により動作する面発光レーザの例を実施例１１として図１７に示す。図１７に示す面発光レーザは、ｎ−ＧａＮ基板上にｎ−ＡｌＧａＮ９０６を１マイクロメートルほどの厚さで成長させ、その上にｎ−ＧａＮからなる二次元フォトニック結晶スラブ８００を備えている。二次元フォトニック結晶スラブ８００の上にさらにｎ−ＡｌＧａＮ９０２とｐ−ＡｌＧａＮ９０３よりなるスペーサを形成し、スペーサの中央部にＩｎＧａＮからなる活性層９１０が形成されている。

ｐ−ＡｌＧａＮ上に波長４００ナノメートル付近にバンドギャップの発光ピークをもつＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸層を有するＧａＮ薄膜に円柱空孔が形成された二次元フォトニック結晶スラブ８０１が備えられる。さらにその上に、ｎ−ＡｌＧａＮ薄膜９１１とｎ−ＧａＮ９０４が形成されている。キャリア注入のため、ｎ−電極９０９とｐ−電極９０７、およびｎ−電極９０８が配置されており、二次元フォトニック結晶スラブ８０１と活性層９１０に電子とホールを注入することができる。二つの二次元フォトニック結晶スラブ８０１と８００はそのサイズは異なるが、フォトニック結晶の構造はほぼ同様のものであり、両者が反射する光の波長帯域はほぼ同様のものとなっている。フォトニック結晶スラブ８０１として図８に示すものである。フォトニック結晶スラブ８０１に形成されたフォトニック結晶は円柱空孔８０２が四角格子状に配列されたものである。本実施例で扱う波長およびモードの光はこのフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内にあるかほとんど存在できない。

しかし、フォトニック結晶には図中円８０４内部で示すように、円柱空孔８０２が欠落した領域である欠陥８０３が周期的に配列された構造となっている。

欠陥８０３は一つであれば、点欠陥として独立に機能するが、図のようにある程度の距離で周期的に複数配置されているので、複数の欠陥のモードは互いに結合することになる。よって、フォトニックバンドギャップ内にある活性材料からの発光波長のうち、複数欠陥のモードが結合したことによる欠陥の連成モードに対応する波長およびモードの光だけがフォトニック結晶中に存在できることになる。連成モードによりフォトニック結晶面内の広い面積においてモードの揃った光を生じさせることができる。

また、この連成モードに対応する光も外部光と結合しやすいようにフォトニック結晶を設計しておく。それにより、連成モードに対応した面内で揃ったモードの光は主に面に垂直な方向に放出され、外部から面に入射される同じようなモードの光を反射する反射鏡のように機能させることができる。

このようにフォトニック結晶スラブ８０１を形成した場合、活性領域をも備えているため、反射鏡のように動作するとともに、励起状態にあればこのモードの光の増幅を起こすことができる。また本実施例の図１７に示す面発光レーザは、ｐ−電極とｎ−電極から電流注入をおこなうことにより、光が活性層９１０を通る毎にまた二次元フォトニック結晶スラブ８０１で反射が起こる毎に光増幅が行われ、高効率なレーザを実現することができる。主に二次元フォトニック結晶スラブ８０１、８００、ｎ−ＡｌＧａＮ９０２、ｐ−ＡｌＧａＮ９０３および活性層９１０により構成される領域をキャビティとして面に垂直方向にも定在波が形成されて、レーザ光は放射窓９０５を通って外部に放射されることになる。

なお、本発明に係る面発光レーザは、複写機などの画像形成装置が有する感光ドラムへの描画のための光源にも適用できる。

本発明の実施例１におけるフォトニック結晶スラブの構成を、図１中のＡ−Ｂ断面の構成と共に示す図である。 本発明の実施例１における垂直放射型レーザの構成を示す図である。 本発明の実施例２におけるフォトニック結晶スラブの構成を、図３中のＡ−Ｂ断面の構成と共に示す図である。 本発明の実施例２における垂直放射型レーザの最上部に配置されたフォトニック結晶スラブの構成を、図４中のＣ−Ｄ断面の構成と共に示す図である。 本発明の実施例２における垂直放射型レーザの構成を示す図である。 本発明の実施例３におけるフォトニック結晶スラブの構成を、図６中のＡ−Ｂ断面の構成と共に示す図である。 本発明の実施例３における垂直放射型レーザの構成を示す図である。 本発明の実施例４におけるフォトニック結晶スラブの構成を、図８中のＡ−Ｂ断面の構成と共に示す図である。 本発明の実施例４における垂直放射型レーザの構成を示す図である。 本発明の実施例１においてフォトニックバンド構造の例を説明する図である。 本発明の実施の形態において欠陥バンドを説明する図である。 本発明の実施の形態において欠陥（連成）モードの例を示す図である。 本発明における実施例５の垂直放射型レーザの構成を示す図である。 本発明における実施例を説明するための図である。 本発明における実施例を説明するための図である。 本発明における実施例を説明するための図である。 本発明における実施例を説明するための図である。 本発明における実施例を説明するための図である。 本発明における実施例を説明するための図である。 本発明における実施例を説明するための図である。 本発明における実施例を説明するための図である。

符号の説明

１０１ 活性層（フォトニック結晶）
２０１ スペーサ
２０２ 多層膜ミラー（分布反射型ミラー）
２０３ 基板

Claims (8)

1. 垂直共振器型面発光レーザにおいて、
   第１の活性層と、
   前記第１の活性層に対向して設けられている第１の反射ミラーとを備え、
   前記第１の活性層は、発光波長に対する第２の反射ミラーとなるように、前記第１の活性層の面内方向の屈折率が周期的に変化している第１の二次元周期構造を有し、
   前記第１の反射ミラーは、特定の波長域に利得を有する活性材料からなる第２の二次元周期構造体で構成されていることを特徴とする垂直共振器型面発光レーザ。
2. 垂直共振器型面発光レーザにおいて、
   第１の活性層と、
   前記第１の活性層に対向して設けられている第１の反射ミラーとを備え、
   前記第１の活性層は、発光波長に対する第２の反射ミラーとなるように、前記第１の活性層の面内方向の屈折率が周期的に変化している第１の二次元周期構造を有し、
   前記第１の活性層と前記第１の反射ミラーとの間に、活性材料からなり、且つ二次元周期構造を有しない、第２の活性層が設けられていることを特徴とする垂直共振器型面発光レーザ。
3. 前記第１の反射ミラーと前記第１の活性層との間に、スペーサ領域が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
4. 前記第１の二次元周期構造体には、レーザを外部へ放射するための放射窓が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
5. 前記第１の二次元周期構造体は、その周期構造の周期性を乱す欠陥を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
6. 前記第１の反射ミラーが、半導体多層膜又は誘電体多層膜で構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
7. 前記第１の反射ミラー、または前記第１の活性層と前記第１の反射ミラーとの間の領域が、非線形材料よりなることを特徴とする請求項１又は２に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
8. 前記第１の活性層に、利得分布を生じさせる手段が設けられている請求項１又は２に記載の垂直共振器型面発光レーザ。

Images