JP4310297B2 - 2次元フォトニック結晶面発光レーザ光源 - Google Patents
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Description
実際には2次元フォトニック結晶の大きさは有限であるため、反対称モードの光も、対称性が崩れ、面垂直方向に取り出すことができる。しかしその場合においても、2次元フォトニック結晶の中心では、対称性が高いため面垂直方向に強い強度で光を取り出すことができない。
前記異屈折率領域が所定の断面形状を有する柱状であり、その柱の主軸が母材の表面に対して傾きを持つことを特徴とする。
前記形状の異屈折率領域は、母材の表面に平行な面内での対称性、具体的には母材の表面に対して垂直な軸の周りの回転対称性を持たない。このような2次元フォトニック結晶を設けたレーザ光源では、2次元フォトニック結晶の中心付近においても反対称モードの光が打ち消されない。そのため、面垂直方向への光の取り出し効率がよくなる。
特に、後述の例のように空孔の形状によっては、Q⊥B値はQ⊥A値よりも小さくすることができる。これにより、バンド端Bの影響をほぼ排除することができる。
ここでは、異屈折率領域が斜円柱状の場合を例にして説明する。斜円柱とは、断面が円形であり、主軸が母材表面に対して傾斜している柱のことをいう。このような斜円柱状の異屈折率領域を持つ2次元フォトニック結晶を有するレーザ光源では、Q⊥A値は主軸と母材表面の垂線との角度θが20゜〜45゜の時に数千〜1万程度に抑えることができる。また、この角度範囲におけるQ⊥B値はQ⊥A値よりも更に低くなる。このようにQ⊥A値が適度に小さく、Q⊥B値がQ⊥A値よりも更に小さいことにより、バンド端Bの影響をほぼ排除することができ、レーザ光を安定して発振させることができる。
本実施例のレーザ光源では、図3に示すように、陽電極21と陰電極22の間に、インジウム・ガリウム砒素((InGaAs)/ガリウム砒素(GaAs)から成り多重量子井戸(Multiple-Quantum Well; MQW)を有する活性層23を設ける。活性層23の上に、p型GaAsから成るスペーサ層261を介して、同じくp型GaAsから成る2次元フォトニック結晶層24を設ける。2次元フォトニック結晶層24は板材に空孔25を正方格子状に周期的に配置したものである。空孔25の形状については後述する。なお、この図の例ではスペーサ層261と2次元フォトニック結晶層24は1枚の一体の層として形成され、上側にある2次元フォトニック結晶層24の方にのみ空孔25が形成されている。活性層23と陽電極21の間に、p型GaAsから成るスペーサ層262、p型AlGaAsから成るクラッド層271及びp型GaAsから成るコンタクト層28を設ける。また、活性層23と陰電極22の間に、n型GaAsから成るスペーサ層263及びn型AlGaAsから成るクラッド層272を設ける。なお、図3では、2次元フォトニック結晶層24の構造を示すために、スペーサ層262と2次元フォトニック結晶層24の間を空けて描いた。
ここで、図3に示したように、空孔25が形成する正方格子の1方向をx軸、もう1方向をy軸、2次元フォトニック結晶層24に垂直な方向をz軸とする座標系を定義する。本実施例において、主軸はx軸方向に傾いている。また、活性層23から2次元フォトニック結晶層24に向かう方向をz軸の正の方向とする。
(d)の平面図に示すように、x-y面での空孔25の平面形状は円であり、この平面形状はzの値に拘わらず、前記表面に平行な任意の断面において同じである。空孔25は、主軸がx軸方向に傾いているので、断面がzの正の方向に移動するに従いこの円がxの正の方向に移動するような形状を有する。即ち、(a)、(b)に示すように、主軸31は上方(z軸の正の方向)がxの正の方向に傾斜している。なお、(c)に示すように、主軸31はy方向には傾斜していない。
計算の結果、Q⊥A値は、θ=20°〜45°の範囲内では、レーザ発振に好適な値である数千〜1万になることがわかった。Q⊥B値は、計算した範囲内で全てQ⊥A値よりも小さく(θ=20°では約6割に、θ=45°では約2割に)なった。これらの計算結果より、本実施例のレーザ光源では、少なくともθが20°〜45°の範囲内にある場合には、バンド端Aによるレーザ発振が得られることが明らかになった。
第2実施例、第3実施例のいずれにおいても、図6(d)、図7(d)の平面図に示すように、x-y面での空孔の平面形状は正三角形であり、3つの頂点のうちの1つがx軸の正の方向を向いている。この平面形状はzの値に拘わらず、前記表面に平行な任意の断面において同じである。
第2実施例と第3実施例は次の点で相違する。第2実施例の空孔45は、活性層23の反対側から活性層23側に(zの負方向に)移動するに従い、前記1頂点が正三角形の底辺側に移動するような形状を有する。言い換えれば、x-y平面に平行な断面がzの正の方向に移動するに従い正三角形がxの正の方向に移動する。従って、(a)、(b)に示すように、空孔45は上方がxの正の方向に傾斜した形状を有する。それに対して、第3実施例の空孔55は、活性層23の反対側から活性層23側に移動するに従い、前記1頂点が正三角形の底辺から離れる方向に移動するような形状を有する。言い換えれば、x-y平面に平行な断面がzの正の方向に移動するに従い正三角形がxの負の方向に移動する。従って、(a)、(b)に示すように、空孔55は上方がxの負の方向に傾斜した形状を有する。
同様に、第2実施例と第3実施例のバンド端Bにおける電場分布を比較すると、空孔の面61における重心68と節67の距離は第2実施例の方が第3実施例よりも遠く、第2実施例のQ⊥B値よりも第3実施例のQ⊥B値の方が小さくなっている。この第2実施例と第3実施例の違いは、重心68と節67の距離の影響に加えて、第2実施例においては節67が空孔のy方向の幅が狭くなる方向(xの正の方向)にずれていることにより、x方向の対称性が更に小さくなるために生じていると考えられる。この節67はx-y面内において、空孔全体の重心のx-y面内における位置に近い位置に形成されるため、第2実施例と第3実施例では空孔の主軸方向の違いに起因してQ⊥B値の違いが生じるといえる。
12、25、45、55、65…空孔
21…陽電極
22…陰電極
23…活性層
24…2次元フォトニック結晶層
261、262、263…スペーサ層
271、272…クラッド層
28…コンタクト層
31…主軸
Claims (3)
- 板状の母材内に母材とは屈折率の異なる領域を多数、周期的に配置してなる2次元フォトニック結晶と、該2次元フォトニック結晶の一方の側に設けた活性層と、を備えるレーザ光源において、
前記異屈折率領域が所定の断面形状を有する柱状であり、その柱の主軸が母材の表面に対して傾きを持つことを特徴とする2次元フォトニック結晶面発光レーザ光源。 - 前記異屈折率領域が斜円柱状であり、その主軸の傾きが母材の表面の垂線に対して20°〜45°であることを特徴とする請求項1に記載の2次元フォトニック結晶面発光レーザ光源。
- 前記異屈折率領域が、活性層の反対側の面から活性層側に向かうに従い、母材表面における断面の正三角形の底辺側に傾いている斜正三角柱状であることを特徴とする請求項1に記載の2次元フォトニック結晶面発光レーザ光源。
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