JP4533339B2 - 面発光レーザ - Google Patents

Description

本発明は、面発光レーザに関する。

近年、フォトニック結晶を用いた光デバイスに関する研究が盛んであり、非特許文献１には、２次元フォトニック結晶と多層膜ミラーとで構成される面発光レーザに関する技術が開示されている。

具体的には、図５に示すように、Ｓｉ基板上に、ＳｉとＳｉＯ_２の積層体からなるＢｒａｇｇ ｍｉｒｒｏｒと、２次元フォトニック結晶スラブとが、ＳｉＯ_２からなる貼り合わせ層を介して設けられている。この２次元フォトニック結晶スラブは、Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓと、ＩｎＰの障壁層とＩｎＡｓ_０．６５Ｐ_０．３５の量子井戸層とからなる。斯かる構成において、当該スラブの平均屈折率は約３．２と推定される。

そして、基板と反対側の２次元フォトニック結晶スラブ界面は、空気（屈折率１．０）である。また、基板側のスラブ界面に位置するＳｉＯ_２からなる貼り合わせ層の屈折率は約１．４である。

このように該スラブの両側に、該スラブよりも低屈折率媒体である空気と貼り合わせ層が設けられているために、該スラブ内で発生した光は、該スラブ内に閉じ込められる。その結果、該スラブの面内方向に共振モード（レーザ発振のために増幅されるモード）が実現する。更に、面内方向の共振モードと共に、面内方向に垂直な方向の放射モードも存在するため、面発光レーザが実現することになる。

なお、実際には前記スラブから漏れ出す光もあり、基板側に漏れ出した光をＢｒａｇｇ ｍｉｒｒｏｒで戻すことにより、Ｑ値が高まると記載されている。
ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ ８８，０８１１１３（２００６）

しかしながら、上述のようにフォトニック結晶スラブ内に共振モードを実現する構成では、その上下の界面に、同スラブよりも屈折率が低い媒体を配置することが必要になる。なぜなら、同スラブをそれよりも低屈折率の媒質で挟まないと、スラブ内に導波モードが実現しないからである。

特に、フォトニック結晶スラブの基板側界面に低屈折率媒体を設けることは、製造プロセス上の大きな制約になる。前述の非特許文献１においても、ＳｉやＳｉＯ_２上に直接ＩｎＰを成長できないために、貼り合わせ技術を採用している。

そこで、本発明は、周期的に屈折率が変化する屈折率周期構造層（以下、フォトニック結晶層、あるいはＰｈＣ層と記載する場合がある。）の基板側界面に、該ＰｈＣ層よりも低屈折率の媒体を必ずしも設ける必要のない、新規な構成の面発光レーザを提供することを目的とする。

本発明に係る発振波長λの面発光レーザは、
多層膜ミラーと、活性層と、周期的に屈折率が変化する屈折率周期構造層とが、基板の面内方向に垂直な方向に積層されており、
該屈折率周期構造層と該多層膜ミラーとで構成される導波路内に共振モードを有し、
該屈折率周期構造層は、それに垂直に波長λの光を入射光させると、少なくとも透過光と、該多層膜ミラーに入射し得る回折光とに分かれるように構成されており、且つ
該多層膜ミラーは、該透過光に対する反射率よりも、該回折光に対する反射率の方が高くなるように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、ＰｈＣ層の基板側界面に、該ＰｈＣ層よりも低屈折率の媒体を必ずしも設ける必要のない、新規な構成の面発光レーザが提供される。

図１、図２を用いて、本発明を説明する。図１は本発明に適用されるフォトニック結晶層を説明するための図である。

同図において、１０２０は、二次元のフォトニック結晶層を、１０１０は周期的に設けられた細孔である。１０００は、細孔１０１０を分離する領域である。二次元のフォトニック結晶層とは、二次元の周期的な屈折率変化を持つ層を意味する。

１１００はフォトニック結晶層に隣接するクラッド層である。１０３０は、フォトニック結晶層に対して垂直方向に入射する入射光であり、１０４０は透過光、１０５０は回折光である。本発明においては、発振波長λでフォトニック結晶層に入射した入射光が、垂直方向に対して角度θ（θは０度あるいは９０度ではない。）で回折して得られる回折光を利用する。このような回折を実現するためのフォトニック結晶層の詳細については後述する。ここで、前記透過光とは、前記入射光の入射方向となす角度が０度である。

図２は、本発明に係る面発光レーザを説明するための模式的断面図である。
１５００は基板、１３００は多層膜ミラー（ＤＢＲ、Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）、１１０５は下クラッド層、１２００は活性層、１１００は上クラッド層、１０２０は前述したフォトニック結晶層である。なお、多層膜ミラー１３００の積層方向は、基板１５００の面内方向に対して垂直な方向となる。

多層膜ミラー１３００は、一般的には同ミラーに垂直方向に入射した光の反射率が最も高くなるように設計される。

しかしながら、本発明においては、基板に対して垂直方向からθ（例えば２０度から８０度の範囲で設定する。）だけ傾いて入射する光（図１の１０５０）に対する反射率（第２の反射率）の方が、基板に対して垂直方向に入射する光の反射率（第１の反射率）よりも高くなるように多層膜ミラーの各層の層厚を設計する。例えば、第２の反射率が、９９パーセント以上１００パーセント以下にする。好ましくは９９．９パーセント以上、更に好ましくは９９．９９パーセント以上になるように設計する。１００パーセントに近い方が好ましい。

更に、フォトニック結晶層１０２０の空気側界面と多層膜ミラー１３００間の距離ｄは、以下のように設計する。

すなわち、多層膜ミラー１３００に対して、角度θで入射する光路１０５１と、該多層膜ミラーで反射されて細孔の間隔ａだけずれた位置に戻る光路１０５２とを合わせた光路長が、発振波長λの整数倍になるようにする。

次に、実際に本発明に係る面発光レーザを設計する場合の一例を示す。

まず、発振波長λを決める。そして、フォトニック結晶層を基板に垂直な方向から、その上面図を見る場合に、正方格子状に細孔が形成されているフォトニック結晶の細孔間隔（格子間隔）ａを決める。フォトニック結晶の格子構造は正方格子に限るものではなく、たとえば三角格子構造でも良い。

そして、ある細孔の位置から多層膜ミラーに対して、角度θで入射した光（１０５１）が同ミラーで反射されて間隔ａだけずれた位置に戻り、その際に位相整合条件を満たすように設計する。

フォトニック結晶層に垂直方向に入射した光が角度θで回折するための条件は、ｎ・ａ・ｓｉｎθ＝ｍλである。ｎは、図２におけるクラッド層１１００（場合によっては、活性層１２００と基板側のクラッド層１１０５とを含めて設計してもよい。）の有効屈折率である。

また、ｍは自然数であるが、以下では、ｍ＝１であるものとして、説明する。上述の回折条件において、λ及びａが決まると、θが定まることになる。θの範囲は、フォトニック結晶層と空気との界面での全反射の臨界角を超えるようにすることのが望ましい。θが定まると、幾何学的にｄが定まる。

ｄが定まると、光路１０５１と１０５２とを合わせた光路長が分かるので、それが発振波長の整数倍の条件（位相整合条件）を満たしているか否かを確認する。当該条件を満足していなければ、ａを変化させて、当該位相整合条件を満足するように設計する。

実際には、厚さｄについて、グース・ヘンシェンシフト及び、フォトニック結晶層の屈折率を考慮した実効的厚さで設計を行うのがよい。また、細孔の孔径（細孔の前記基板面内方向における断面が円の時には、その直径を意味する。）は、格子間隔の４０％程度にする。実際には、当該格子間隔の２０％から６０％の範囲で設計する。フォトニック結晶層の厚さは、例えば、格子間隔ａの半分とする。なお、ある細孔から間隔ａだけずれた位置に、光が戻る際に上記位相整合条件を満たすことを前提としたが、例えば、ａの整数倍だけずれた位置で位相整合条件を満たすような前提条件とすることもできる。

多層膜ミラー１３００を構成する各層については、次のように設計する。つまり、個々の層の屈折率をｎ_ｉとした場合に、その層の層厚をλ／（４・ｎ_ｉ・ｃｏｓθ_ｉ）とするのである。ここで、θ_ｉは、厳密には、各層の界面と光の進行方向とのなす角度であるが、クラッド層１１０５から多層膜ミラーへの入射角であると一律に定めることもできる場合がある。

こうして、多層膜ミラーに対して垂直方向からθの角度で入射する光に対して、個々の層での反射率を最大に、あるいは最大に近くすることができる。すなわち、同ミラーに対して垂直方向に入射する光の反射率よりも、θの角度で入射する光に対する反射率を大きくすることができる。また、θ以外の角度（例えば、θから±２０度ずれた角度）で多層膜ミラーに入射する光の反射率が、θで入射する場合のそれに比べて低くなることにより、θ以外の角度で多層膜ミラーに入射する他の導波路共振モードの閉じ込め効率が下がる。その結果として、マルチモード発振を抑えることができる。

活性層側からフォトニック結晶層の格子点に入射する光は、基板の面内方向に垂直な軸と入射光路とのなす角度は維持し、当該垂直な軸に対して、その入射光路を０°、±９０°、１８０°回転させた方向の基板側に回折される。フォトニック結晶層に入射した光は、これらの回折および多層膜反射鏡１３００での反射を複数回繰り返すことにより元の入射光路に戻るため、共振作用が生じる。また、共振器中で増幅された光は、フォトニック結晶層から基板に対して垂直方向（１０６０）にも回折されるために、面発光機能を持つ。全ての格子点で同様の現象が生じるために、全域でコヒーレントなレーザ発振が可能である。

活性層としては、キャリア注入により発光するもの、光ポンプによる発光するものなどを選ぶことができる。具体的な例としては、半導体の多重量子井戸構造がある。共振器中の定在波の電磁場強度が大きいところに活性層を置くことにより、レーザに大きなゲインを与えることができる。

こうして、フォトニック結晶層１０２０と多層膜ミラー１３００とで構成される導波路内を、多層膜ミラーの積層方向に対して、斜め方向に共振する面発光レーザを実現することができる。

なお、前記基板と前記多層膜ミラーとの間に、前記透過光に対する反射率が、前記回折光に対する反射率よりも高い、前記多層膜ミラーとは別の反射鏡（例えば、多層膜からなるミラー）を設けることもできる。

（作用）
本発明においては、上述したようにフォトニック結晶層１０２０と、多層膜ミラー１３００とで構成される導波路内に共振モードが存在するように構成する。その結果、フォトニック結晶層内に光を閉じ込める必要が無くなるので、フォトニック結晶層の基板側界面に低屈折率媒体を配置することが必須ではなくなる。

なお、本発明においては、上述の共振モードが実現する限り、フォトニック結晶層の基板側界面に低屈折率媒体を配置してもよく、あくまでそのような低屈折率媒体の配置が必須ではなくなるということが特徴である。

また、本発明におけるレーザ共振器の基板側に、新たに反射鏡を追加することにより、基板側への発光を活性層側へ反射し、基板反対側への面発光取り出し効率を高めることもできる。

更にまた、本発明に適用できるフォトニック結晶層とは、例えば、屈折率が面内方向の２次元的に周期的に変化する屈折率周期構造である。

この屈折率周期構造に欠陥（細孔間隔がａである場合に、ある細孔からａずれた位置に、本来あるはずの細孔が無い状態）を導入してもよく、欠陥導入により欠陥部において光取り出しの効率に変調を与えることもできる。なお、フォトニック結晶層を構成する格子は、必ずしも細孔である必要は無く、当該細孔に、その周囲とは異なる屈折率を持つ材料で充填されていてもよい。

（実施例１）
まず、本発明に係る第１の実施例について、図３を用いて説明する。

ＧａＡｓ基板２５００上に、５９ｎｍ厚のｎ−Ａｌ_０．９３ＧａＡｓ層と５２ｎｍ厚のｎ−Ａｌ_０．５ＧａＡｓ層のペア７０組からなる多層膜反射鏡２３００を成長させる。成長方法は、例えば、ＭＯＣＶＤ法である。

この多層膜反射鏡は、波長６７０ｎｍの光に関して、ｎ−Ａｌ０．９３ＧａＡｓクラッドからの入射角が約２４°のときに反射率が最大となるように設計される。

前記多層膜反射鏡の上に、共振器を構成できる厚さのｎ−Ａｌ_０．９３ＧａＡｓクラッド層２１０５、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ多重量子井戸層２２００、ｐ−Ａｌ_０．９３ＧａＡｓクラッド層２１００、ｐ−Ａｌ０．５ＧａＡｓスラブ層２０００を成長させる。

スラブ層２０２０上部表面にレジスト（不図示）を塗布し、電子ビーム露光によって、半径１００ｎｍ、格子間隔５００ｎｍの二次元正方格子円形パターンをレジストに形成する。

そして、レジストを現像後、ＳｉＣｌ_４／Ａｒプラズマによる反応性イオンエッチングを用いてｐ−Ａｌ_０．５ＧａＡｓスラブ層に二次元ホール列２０２５を形成する。そして、このホール列形成の後、レジストを除去する。

下部電極２８０５を基板２５００下に、上部電極２８００をスラブ層２０２０上に形成する。

こうして作製したレーザに対して電流注入を行うと、活性層が発光し、レーザ発振により基板垂直方向に波長６７０ｎｍの面発光が起きる。

（実施例２）
本発明に係る第２の実施例は、図４にその要部を示すように、第１の実施例における基板２５００と、多層膜反射鏡２３００（これを第１の多層膜反射鏡とする）との間に、第２の多層膜反射鏡２３５０を備えている点が特徴である。

第２の多層膜反射鏡は、レーザ発振波長の光に対し、光が反射鏡に垂直に入射する場合の反射率が、斜入射の場合の反射率よりも高いことを特徴とする。

具体的には、基板２５００上に５４ｎｍ厚のｎ−Ａｌ_０．９３ＧａＡｓ層と４９ｎｍ厚のｎ−Ａｌ_０．５ＧａＡｓ層のペア７０組からなる第２の多層膜反射鏡２３５０を成長させ、その上に第１の多層膜反射鏡２３００を第１の実施例同様の形状で成長させる。

この第２の多層膜反射鏡は、第１の多層膜反射鏡と異なり、波長６７０ｎｍの光に対して入射角が垂直のときに反射率が最大となる。

このため、第２の多層膜反射鏡は、第１の多層膜反射鏡２３００とフォトニック結晶層２０２０と活性層２２００とで構成されるレーザ共振器からの基板垂直方向基板側への発光２０６５を、再び活性層側に戻す役割を持つ。

この結果、基板垂直方向の基板反対側への発光２０６０は、第２の多層膜反射鏡がないときに比べ増強されるため、面発光レーザの基板反対側への光取り出しの効率を高めることができる。

以上、２つの実施例を用いて、本発明を説明したが、本発明に係る面発光レーザは前記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で様々に変更することができる。

特に、半導体層、フォトニック結晶、多層膜ミラー、電極の材料や、フォトニック結晶の格子形状、多層膜ミラーの構造などは適宜設定できる。また、前上記実施例では、レーザ発振波長として６７０ｎｍのものを示したが、それに限るものではなく、適切な材料・構造の選択により任意の波長の発振が可能である。

また、フォトニック結晶層は、スラブ層（１０００、１０２０、２０００、２１００）に設けた例を示したが、上部クラッド層１１００、活性層１２００、下部クラッド層１１０５、多層膜ミラー１３００に設けることができる。更に、これら複数の層に、屈折率周期構造を設けることもできる。

以上説明した本発明に係る面発光レーザは、複写機やレーザプリンターなどの画像形成装置が有する感光ドラムへ描画を行うための光源としても利用することができる。

本発明を説明するためのフォトニック結晶層の模式的断面図である。 本発明を説明するための面発光レーザについての模式的断面図である。 本発明に係る実施例を説明するための模式的断面図である。 本発明に係る実施例を説明するための模式的断面図である。 背景技術を説明するための非特許文献１からの引用図である。

符号の説明

１０００ スラブ層
１０１０ 空孔
１０２０ フォトニック結晶層
１０３０ 垂直入射光
１０４０ 垂直透過光
１０５０ 回折光
１０５１、２０５１ 多層膜ミラー入射光
１０５２、２０５２ 多層膜ミラー反射光
１０６０ 基板垂直方向回折光
１１００ 上部クラッド層
１１０５ 下部クラッド層
１２００ 活性層
１３００ 多層膜ミラー
１３５０ 多層膜ｓミラー
１５００ 基板
２０００ スラブ層
２０２５ ホール列
２０６０ 基板垂直方向基板反対側回折光
２０６５ 基板垂直方向基板側回折光
２１００ 上部クラッド層
２１０５ 下部クラッド層
２２００ 多重量子井戸（活性層）
２３００ 多層膜反射鏡
２５００ 基板
２８００ 上部電極
２８０５ 下部電極

Claims (3)

1. 発振波長λの面発光レーザであって、
   多層膜ミラーと、下部クラッド層と、活性層と、有効屈折率がｎである上部クラッド層と、基板に対して面内方向に屈折率が周期的に変化するフォトニック結晶層とが、基板の面内方向に垂直な方向にこの順で積層されており、
   前記フォトニック結晶層は、それに垂直に波長λの光を入射光させると、該入射光の入射方向となす角度が０度である透過光と、該入射光の入射方向とのなす角度が０度及び９０度でない角度θで前記多層膜ミラーに入射する回折光とに分かれるように、格子間隔ａがλ／（ｎ・ｓｉｎθ）で構成されており、
   前記多層膜ミラーは、該多層膜ミラーを構成する各層の屈折率をｎ _ｉ とし、該各層の界面と該多層膜ミラーに入射した光の進行方向とのなす角度をθ _ｉ としたときに、前記透過光に対する反射率よりも、該回折光に対する反射率の方が高くなるように、各層の光学的膜厚がλ／（４・ｃｏｓθ _ｉ ）で構成されており、
   前記フォトニック結晶層と前記多層膜ミラーとで構成される導波路は、前記基板に対して面内方向に共振モードを有し、
   前記フォトニック結晶層は、前記基板に対して垂直方向に前記共振モードの光を回折するように構成され、該基板側とは反対側にレーザ光を出射することを特徴とする面発光レーザ。
2. 前記フォトニック結晶層は、三角格子または正方格子からなる周期性を有するフォトニック結晶層である請求項１記載の面発光レーザ。
3. 前記基板と前記多層膜ミラーとの間に、前記透過光に対する反射率が、前記回折光に対する反射率よりも高い、前記多層膜ミラーとは別の反射鏡を有することを特徴とする請求項１記載の面発光レーザ。

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