JP4743902B2 - 色光源装置、色光源のシステム、データプロジェクタおよびレーザビームプリンタ - Google Patents

色光源装置、色光源のシステム、データプロジェクタおよびレーザビームプリンタ Download PDF

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Description

本発明は、概して、色光源に関する。本発明は、特に、プロジェクタ及びプリンタの少なくとも一方に使用される色光源に関するが、それに限定されない。
色光源は、様々なデバイスにおいて使用されてきた。例えば、色光源は、データプロジェクタ及びポリゴンミラースキャン式レーザビームプリンタ（以下、ＬＢＰとする）に使用されてきた。
図１〜図３は、典型的なカラーデータプロジェクタの構造を示す。図１において、典型的なＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）とカラーホイールとを用いたカラー投影システムにおける光源及び構造が示される。ここで、ＤＭＤとカラーホイールとを用いたカラー投影システムは、ＤＬＰＴＭ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ ＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴＭ）（登録商標）システムとも呼ばれる。図１のＤＭＤは、光源であるランプを含む。ランプからの光は、エネルギープロジェクタ、カラーホイール、インテグレータロッド、レンズ、光変調器及び最終的に投影レンズを通過する。尚、カラーホイール及び単一のランプの代わりに赤色、青色及び緑色の３つの光源が使用できる。
図２は、３つのＬＣＤ（液晶ディスプレイ）パネルの配列を含む典型的な３パネル式カラー投影システムに対する光源及び構造を示す。投影システムは、別個の偏光子を採用する３つのＬＣＤパネルを含む。更に、投影システムは、電源供給回路、ＰＢＳアレイ、ＵＨＰランプ及び排気ファンを含む。
図３は、３パネル式カラー投影システムの別の構成を示す。図３の３パネル式カラー投影システムは、単一のランプを有する代わりに、赤色、緑色及び青色の各色に対する３つの色光源を含む。光路プロジェクタは、コリメータレンズ及び液晶パネルを各色光源に関連付ける。更に、複合型ダイクロイックミラー及び投影レンズは、画面に画像を投影するために提供される。
尚、通常、人間の目が５ｎｍの光の波長の差を区別できないため、コンパクトな光路プロジェクタ光源に用いられる光源は、純粋にコヒーレントで単一波長である必要がない。
従って、この分野では、多くの他の応用例に課されるような光源スペクトルの純度に対する厳密な要件が必要ない。そのような応用例には、電気通信事業に使用される高出力半導体レーザ光源が含まれる。総出力が大きく、（発光ダイオード（ＬＥＤ）に対するレーザとして）量子効率の合計が高く、且つデバイスのサイズがコンパクトであれば、光路プロジェクタに対する光源には、インコヒーレントなレーザーアレイからの出力を用いることができる。
ＬＢＰにおける色光源の使用に関して、図４に、典型的なポリゴンビームスキャン式ＬＢＰの構造を示す。そのＬＢＰは、レーザダイオード２００１と、高速（例えば、２００００〜３００００ｒｐｍ）で回転するポリゴンミラー２００２とを含む。ＬＢＰは、非球面のレーザビーム集束レンズ２００３及び感光ドラム２００４を更に含む。
これら２つの応用例に使用される光源に対して、いくつかの好ましい機能特性が存在する。第１に、コンパクトな光源であることが好ましい。この点に関して、データプロジェクタにとって携帯性が重要である。ＬＢＰの場合、構造全体のサイズ及び個々の構成要素のサイズを減少することは、製品の能力を増加させることに役立つ。
特にデータプロジェクタの応用例に対しては、コンパクトであることに加え、高出力（高輝度）であることが好ましい。特に大画面プロジェクタは、通常、数百〜数千ルーメンの正味光出力を使用する。緑色における６８３ルーメン／ワットの最大応答に対して、投影された平均カラー画像の平均ルーメン／ワット感度が〜３００ルーメン／ワット（光出力）であると仮定し、且つ３つの個々の光源がカラー画像プロジェクタを構成するのに使用されると仮定する。このとき、個々の光源の光出力は、数百ミリワット〜数ワットであるのが好ましい。
また、壁プラグ（壁コンセント）に対する高い効率、すなわち正味光出力（ワット）と総消費電力（ワット）との比が高い点も、好適な機能特性である。特に、可視スペクトルのみが考慮される場合、電力から光出力への電力変換効率は、通常の白熱光源及び蛍光光源の数パーセント以下である。それに対して、可視光線ＬＥＤ（発光ダイオード）の場合、電力変換効率は、通常、数パーセント程度である。壁プラグの高効率に対する問題は、電力消費に関するものよりも、通常の場合電力が変換されないことに起因する過度の発熱に関するものが多い。発熱により、光源の寿命及び信頼性が低下するだけでなく、大型で電力を消費する放熱機構及び構成要素が必要とされる。それにより、サイズ、電力消費及びデバイスの製造コストは増加する。
更に、明確に規定された安定したビームプロファイル（すなわち、スポット光形状）は、好適な機能特性である。特に、単一のローブ、小さな直径及び純粋なガウスプロファイルスポット光を出力できる単一色光源が好ましい。データプロジェクタにおいて、そのようなビームプロファイルにより、投影のために均一で平行な光ビームに変換するための複雑なレンズシステムの必要性が非常に効果的に低減する。ＬＢＰにおいて、そのようなビームプロファイルは、均一で精細な画素の露光を簡単にする。
データプロジェクタ及びＬＢＰにおいて使用される光源に対する別の好適な機能特性は、波長範囲に関係する。尚、データプロジェクタ及びＬＢＰに対する波長範囲は、通常のレーザシステムより非常に融通性がある。通信及び計測学において使用されるレーザシステムとは異なり、数十ナノメートル内の種々の波長は、データプロジェクタ及びＬＢＰの自由空間光学系及び通常の人間の目の色知覚に対して十分に受け入れ可能である。特に、単一色光源が±５ｎｍ（すなわち、１０ｎｍの帯域幅）で変化する物理的波長を有する場合、光出力及びビームプロファイル（偏光を含む）が安定している限り、その光源はデータプロジェクタ又はＬＢＰ機器の性能に悪影響を与えない。
更に別の好適な機能特性は、インコヒーレント光源を使用することである。多くの自由空間撮像システムにおいて、コヒーレント光源はスペックル等の意図しない干渉ノイズを発生する可能性があるため、インコヒーレント光源はコヒーレント光源より好ましい。更に、コヒーレント光源はディフューザ等の追加の構成要素を必要とし、通常、それにより製造コスト及び機器のサイズが増加する。
データプロジェクタに使用される通常の光源は、図１及び図２の例に示されるように、高電力白熱灯及び不活性ガスランプである。しかし、そのようなランプには、いくつかの技術上の制限がある。第１に、通常、それらランプは壁プラグに対する効率が低い。更に、それらランプは白色光源であるため、ＲＧＢ（赤色−緑色−青色）光をそれぞれフィルタリングして無用なＩＲ（赤外線）成分及びＵＶ（紫外線）成分を破棄する機構により、壁プラグに対する最終的な効率は更に低下する。この効率の低さにより、より多くの電力が直接消費されるだけでなく、追加の熱が発生するので放熱するための追加の構成要素が必要になる。それら放熱のための構成要素（電気ファン及びＴＥＣ（非特許文献１において説明されるペルチエ冷却器又は熱電気冷却器）等）は、システム全体に対してコスト、サイズ及び電力消費を追加する。
データプロジェクタにおいて、ランプの代わりに、半導体ＬＥＤ（発光ダイオード）を使用することもある。ＬＥＤは、ランプと比較して、デバイスサイズがよりコンパクトであり、壁プラグに対する効率がより高いだけでなく、デバイスの寿命がより長いと考えられる。可視スペクトル域におけるＬＥＤの典型的な特放射性は、クリー、日亜及びオスラムなどの製造業者から出されているいくつかの報告書に載っている。
一般に、ＬＥＤ及びレーザダイオード等の固体（特に半導体）光源は、ランプと比較して、サイズがよりコンパクトであり、より高い光出力を提供し、且つ壁プラグに対する効率がより高い。データプロジェクタの光源のような実空間の撮像に適用する場合、ＬＥＤにより生成されたインコヒーレント光は、通常、個々のレーザダイオードにより生成されるコヒーレント光より好ましい。なぜなら、コヒーレント光の照度は、（スペックル等の）画質劣化の現象と関係しているからである。更に、ＬＥＤの製造コストは、通常、レーザダイオードの製造コストより低い。従って、レーザダイオードの代わりにＬＥＤが利用される実用上の応用例は多く存在する。しかし、固体光源の効率に関して言えば、レーザダイオードは、上述の応用例を有するＬＥＤより好ましい。特に、レーザダイオードの誘導されて放出された過程の結果として得られる内部量子効率、すなわち生成された光子の有効数と発光デバイスに注入されたキャリア（電子及び正孔）の有効数との比は、本質的にＬＥＤの自然放出過程より効率的であると考えられる。同一の理由から、殆どのＬＢＰが、走査光源としてＬＥＤではなくレーザダイオードを採用する。
しかし、いくつかのレーザダイオードの構成は望ましくない。例えば、緑色／青色レーザ光源を実現するために、イントラキャビティダブルダイオード（ｉｎｔｒａｃａｖｉｔｙ−ｄｏｕｂｌｅｄ ｄｉｏｄｅｓ）又は周波数ダブルＤＰＳＳ（ダイオード励起固体レーザ）が使用される。半導体レーザダイオードと異なり、イントラキャビティダブルレーザは、ある波長から別の波長へ光エネルギーを変換する追加の工程を必要とする。周波数ダブルＤＰＳＳ設計は、利得をかける材料を光励起するための追加の工程を必要とする。通常、それらの追加の工程が行われることにより、デバイスの構造はより複雑になり（製造コストが高くなり且つデバイスのサイズが大きくなる）、壁プラグに対する効率はより低くなる。
そのような問題に対するより適切な解決策は、レーザダイオードに直接的に電気を注入してレーザダイオードが高光出力で動作できるようにすることであると考えられる。データプロジェクタへの応用例において、各色光源は、数十ミリワット〜数ワットの範囲の光出力を必要とする。そのような電力レベルは、通常、ＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）等の既存のマイクロキャビティレーザの設計により提供されない。そのような出力レベルを達成するために、大きな利得が必要とされ、通常、数百マイクロメートルの長さの半導体バー（ファブリーペロー）が量子井戸（ＱＷ）に埋め込まれる。可視光及びＮＩＲ（近赤外）光の波長と比較すると、その大きさ（数百マイクロメートル）のキャビティにより発生する光の波長は、通常のＱＷ媒体により提供される＞２０ｎｍの利得帯域幅内でマルチモードである。
高出力レーザダイオードは、適切に制御され安定して動作することが望ましい。半導体レーザダイオード素子において高光出力で安定した単一モードの動作（定義上、これはコヒーレントである）を実現するために、いくつかの方法が開発されてきた。
１つの方法は、位相同期型レーザアレイとも呼ばれるコヒーレントに結合されたレーザアレイである。特許文献１、特許文献２、及び非特許文献２において説明される設計等の多くの設計が存在する。
高電力レーザダイオードの安定した単一モードの動作を実現する別の方法は、ＭＯＰＡ（主発振器電力増幅器）である。これは、非特許文献３及び特許文献３等の文献において説明されている。
そのような単一モードのレーザダイオードの更に別の例は、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザである。これは、電気通信において使用され、特許文献４により説明されている。
それら高電力レーザダイオードの殆どは、高度に設計され、安定した性能を有する。しかし、そのような高度なシステムは製造コストが高い。そのため、そのようなレーザは、データプロジェクタ及びＬＢＰの競争の激しい消費者製品市場における地位がまだ見つけられていない。
上述の点に加え、上記デバイスのコヒーレントな単一波長特性は、データプロジェクタ及びＬＢＰの応用例に対して好ましくない。上述のように、複数の光源の出力電力をインコヒーレントに合成する方法が好ましい。そのような方法は、コンパクトなサイズ、低コスト及び安定した設計を結果として提供する。各光源が壁プラグに対して既に高い効率を提供している状態において、インコヒーレントに電力を合成することにより総光出力を高くできる。
複数のレーザの出力をインコヒーレントに合成することは、いくつかの撮像システムにおいて行われてきた。例えば、レンズ撮像システム又は光回折装置は、複数のレーザダイオードからの出力ビームを共通のスポットに集束できる。そのようなシステムは、特許文献５、並びに非特許文献４において説明されている。
しかし、そのような外部の光学レンズシステム（又は外部の回折システム）を用いると、光源のコスト及びサイズが増加する。更に、そのようなシステムは、自由空間において位置合わせするためのパッケージングコストと、位置合わせの安定性に影響され易い動作環境とに関連する問題を有する。従って、それらシステムでは、デバイスのサイズ及び製造コストが低減され、その特性が上述の好適な機能特性に合わせられた状態で、複数のレーザダイオードがモノリシックに集積されてそれらの出力が合成されると考えにくい。
上述の機能特性を実現するために、複数のレーザダイオードからの光出力が共通の導波路（光ファイバ又は他の誘導体導波路等）において合成され、その導波路の一端から一緒に出力されるように、導波路の近くにレーザダイオードのアレイを配置してもよい。しかし、そのようなシステムは、安定して機能しない恐れがある。特に、電磁界伝播の時間的可逆性（マクスウェル方程式により制御される）により、共通の導波路に結合された各レーザダイオードの間に強いクロストークが発生する。そのようなレーザ間のクロストークは、レーザを望ましくない低損失のスーパーモードに位相同期する傾向にある。複数のレーザキャビティ及び導波路を含む光フィードバック及びクロストークシステムは、量子井戸の＞２０ｎｍの利得帯域幅内でＱ値を有する複数のスーパーモードをサポートしてもよい。しかし、そのようなシステムは不安定である可能性がある。
レーザ電力をインコヒーレントに合成するために、別の種類のデバイスを使用できる。そのようなデバイスは、電気通信の応用例に対して実現されるＷＤＭ（波長分割多重）システムにおいて使用される。ＷＤＭシステムにおける通常の合波器は、光学的な回折格子（例えば、非特許文献５及び干渉（非特許文献６において入手可能なアレイ導波路回折格子、すなわちＡＷＧ）の少なくとも一方を使用して、クロストークを発生させずに複数の波長から信号を合成する。
種々の合波器の設計法において、フォトニック結晶技術を使用する設計法（例えば、特許文献６及び特許文献７）は、サイズがコンパクトであり且つモノリシック製造の互換性があるため使用されてもよい。実際の設計において、受動合波器を能動レーザアレイ（特許文献８において説明されるレーザアレイ等）と組み合わせることができる場合、上述の望ましい機能特性は、製造コストの低いパッケージ内で実現されてもよいことが更に重要である。しかし、受動合波器を能動レーザアレイと組み合わせる場合、特定の考慮がされるべきである。
１つの考慮点は、各光源に結合される導波路とキャビティ光源とを基板内で組み合わせる方法についてである。各キャビティの光源の電力が小さい場合でも、個々の電力は導波路に蓄積される。
別の考慮点は、効率的な電気的注入及び放熱の機能を依然として満足するように、大量の（数十〜数百の）単一モード光源を導波路の近傍に実装する方法についてである。更に、光学的なクロストーク及び電気的なクロストークの少なくとも一方を回避しつつ、単一モード光源を導波路の近傍に実装する方法が考慮されるべきである。
別の考慮点は、導波路において総出力を伝達し、導波路に対する過熱を依然として回避する方法についてである。この点に関して、明確に規定されており安定したビームプロファイルの好適な機能特性を実現するためには、単一モード導波路が好ましい。単一モード導波路の要件として、機能デバイスとしての波長範囲にわたり単一モードであることのみが要求され、全波長範囲で単一モードであること、すなわちフォトニック結晶のバンドギャップ等の他の範囲において単一モードであることは要求されていない。
通常、単一モード導波路は、比較的小さい幾何学的な横断面に対応して延びている。従って、小さな導波路横断面を介して大きな光出力を分配すると、高光出力密度による非線形光学効果及びデバイスの過熱が結果としてもたらされるだろう。
上述の問題点を鑑みて、バスライン導波路を介する光源キャビティ間の光クロストークが存在しないことを保証しつつ、共通の導波路（バスライン導波路）において複数の光源からの光出力を合成するのが望ましい。
米国特許第５，３２３，４０５号明細書 米国特許第５，３６５，５４１号明細書 米国特許第６，７２１，３４４号明細書 米国特許分類３７２，９２及び９６内の特許 米国特許第６，４０４，５４２号明細書 米国特許第６，７３８，５５１号明細書 米国特許出願公開第２００２／０１９１９０５号明細書 米国特許第６，８０４，２８３号明細書 ＵＲＬ：ｈｔｔｐ://ｗｗｗ.ｄｉｇｉｔ-ｌｉｆｅ.ｃｏｍ/ａｒｔｉｃｌｅｓ/ｐｅｌｔｉｅｒｃｏｏｌｅｒｓ/ Ｙ.Ｌｉｕ、Ｈ.Ｌｉｕ及びＹｅｈｕｄａ Ｂｒａｉｍａｎ、応用光学４１(２４)、５０３６-９（２００２年） Ｊ.Ｎ.Ｗａｌｐｏｌｅ、Ｅ.Ｓ.Ｋｉｎｔｚｅｒ、Ｓ.Ｒ.Ｃｈｉｎｎ、Ｃ.Ａ.Ｗａｎｇ、Ｌ.Ｊ.Ｍｉｓｓａｇｇｉａ、「Ｈｉｇｈ-ｐｏｗｅｒ Ｓｔｒａｉｎｅｄ-ｌａｙｅｒ ＩｎＧａＡｓ/ＡｌＧａＡｓ ｔａｐｅｒｅｄ ｔｒａｖｅｌｉｎｇ-ｗａｖｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」Ａｐｐｌ.Ｐｈｙｓ.Ｌｅｔｔ.、６１（１９９２年）、７４０-７４２ Ｓｔｅｖｅｎ Ｓｅｒａｔｉ、Ｈｕｇｈ Ｍａｓｔｅｒｓｏｎ及びＡｎｎａ Ｌｉｎｎｅｎｂｅｒｇｅｒ、「Ｂｅａｍ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ａ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ ｏｆ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙｓ （ＰＡＰＡ）」２００４ ＩＥＥＥ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、５.０２０５（２００４年３月） Ａ.Ｋ.Ｄｕｔｔａ他、「ＷＤＭ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ: Ａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ」Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ（２００２年）、５２ページ ＵＲＬ：ｈｔｔｐ://ｗｗｗ２.ｎｏａｈ-ｃ.ｃｏｍ/ｅｎｇｌｉｓｈ/Ａｐｏｌｌｏ/ａｐｓｓ/ａｗｇ/ａｗｇ＿ｅ.ｈｔｍ
本発明は、色光源に関連する上述の問題点を解決すると考えられる。
本発明の１つの側面によると、色光源装置が提供される。その装置は、フォトニック結晶構造における欠陥により規定される活性領域に対応する光源を含み、そのフォトニック結晶構造は、周期的な構造に基づく。その装置は、導波路、第１の電極、及び第２の電極を更に含む。第１の電極と第２の電極との間の電気的な特性を変更することにより活性領域の放射の発生が誘導され、その放射は、少なくとも一部が導波路に結合され且つ導波路により導かれる。
本発明の第１側面に係る色光源装置は、活性領域を有し且つフォトニック結晶構造の欠陥により形成されるキャビティを備えた複数の光源と、前記活性領域を備えておらず、且つ前記複数の光源から出力される光を導波する共通導波路と、前記複数の光源のそれぞれに対応した複数の第１の電極と、第２の電極とを有し、前記共通導波路の少なくとも一方の側に、前記複数の第１の電極が設けられており、前記複数の第１の電極は、互いにギャップによって電気的に分離されており、前記第１の電極と前記第２の電極の間の電気的な特性を変えることにより前記複数の光源の前記活性領域からの放射が誘導され、前記複数の光源の前記活性領域からそれぞれ放射された光は前記共通導波路に結合されて前記共通導波路から出力されることを特徴とする。
本発明の第２側面に係る色光源装置は、本発明の第１側面に係る色光源装置の特徴に加えて、前記第１の電極と前記第２の電極の間にクラッド層を有することを特徴とする。
本発明の第３側面に係る色光源装置は、本発明の第１側面に係る色光源装置の特徴に加えて、前記複数の光源は第１の光源と第２の光源を含み、前記第１の光源は第１の周波数で単一モードの放射をし、前記第２の光源は第２の周波数で単一モードの放射をすることを特徴とする。
本発明の第４側面に係る色光源装置は、本発明の第３側面に係る色光源装置の特徴に加えて、 前記第１の周波数と前記第２の周波数は異なることを特徴とする。
本発明の第５側面に係る色光源装置は、本発明の第１側面に係る色光源装置の特徴に加えて、前記フォトニック結晶構造は上部の層と下部の層を有し、前記上部の層に前記第１の電極が構成され、前記下部の層に前記第２の電極が構成されていることを特徴とする。
本発明の第６側面に係る色光源装置は、本発明の第５側面に係る色光源装置の特徴に加えて、前記上部の層はｎ型にドーピングされた層であり、前記下部の層はｐ型にドーピングされた層であることを特徴とする。
本発明の第７側面に係る色光源装置は、本発明の第６側面に係る色光源装置の特徴に加えて、順方向のバイアスは、前記第１の電極および前記第２の電極を介して前記光源の活性領域に誘導されることを特徴とする。
本発明の第８側面に係る色光源装置は、本発明の第１側面に係る色光源装置の特徴に加えて、前記光源はレーザダイオードであることを特徴とする。
本発明の第９側面に係る色光源装置は、本発明の第１側面に係る色光源装置の特徴に加えて、前記光源はＬＥＤであることを特徴とする。
本発明の第１０側面に係る色光源装置は、本発明の第１側面に係る色光源装置の特徴に加えて、前記導波路は、周期的な構造を有さないストリップに対応することを特徴とする。
本発明の第１１側面に係る色光源装置は、本発明の第３側面に係る色光源装置の特徴に加えて、前記第１の電極および前記第２の電極は、前記第１の光源に対応する第１の光源の電極と、前記第２の光源に対応する第２の光源の電極を含むことを特徴とする。
本発明の第１２側面に係る色光源装置は、本発明の第１１側面に係る色光源装置の特徴に加えて、前記第１の光源の電極の電気的な動作は、前記第２の光源の電極の電気的な動作とは独立していることを特徴とする。
本発明の第１３側面に係る色光源装置は、本発明の第１２側面に係る色光源装置の特徴に加えて、前記第１の光源の電極および前記第２の光源の電極は、絶縁破壊電圧が高い物質により互いに隔離されていることを特徴とする。
本発明の第１４側面に係る色光源装置は、本発明の第１２側面に係る色光源装置の特徴に加えて、前記第１の光源の電極および前記第２の光源の電極は真空によって互いに隔離されていることを特徴とする。
本発明の第１５側面に係る色光源装置は、本発明の第１２側面に係る色光源装置の特徴に加えて、前記第１の光源の電極および前記第２の光源の電極は空気によって互いに隔離されていることを特徴とする。
本発明の第１６側面に係る色光源装置は、本発明の第３側面に係る色光源装置の特徴に加えて、前記第１の光源と前記第２の光源の距離をｐ １ とし、Ｑ １ を前記第１の光源のＱ値としたとき、
１/ｐ １ ≧１０×Ｑ １
を満たすことを特徴とする。
本発明の第１７側面に係る色光源装置は、本発明の第３側面に係る色光源装置の特徴に加えて、前記第１の光源と前記第２の光源の距離をｐ ２ とし、Ｑ ２ を前記第２の光源のＱ値としたとき、
１/ｐ ２ ≧１０×Ｑ ２
を満たすことを特徴とする。
本発明の第１８側面に係る色光源装置は、本発明の第１側面に係る色光源装置の特徴に加えて、前記複数の光源は、隣り合う光源から放射される光の周波数の差が大きくなるように配置されていることを特徴とする。
本発明の第１９側面に係る色光源装置は、本発明の第１側面に係る色光源装置の特徴に加えて、前記光源の活性領域は量子井戸であることを特徴とする。
本発明の第２０側面に係る色光源装置は、本発明の第１側面に係る色光源装置の特徴に加えて、前記導波路に対応する前記領域は不活性化された量子井戸であることを特徴とする。
本発明の第２１側面に係る色光源のシステムは、本発明の第１側面に係る少なくとも２つの色光源装置と、合成するための結合器とを含み、前記合成するための結合器は、接続するための領域において前記少なくとも２つの色光源装置の全ての導波路に接続され、前記少なくとも２つの色光源装置の前記導波路は、前記接続するための領域から離れた位置に配置されることを特徴とする。
本発明の第２２側面に係るデータプロジェクタは、本発明の第１側面に係る少なくとも１つの色光源装置を利用し、前記少なくとも１つの色光源装置からの光を投影するための光学系を含むことを特徴とする。
本発明の第２３側面に係るレーザビームプリンタは、本発明の第１側面に係るの少なくとも１つの色光源装置を利用し、前記少なくとも１つの色光源装置から放出された光を感光ドラムに集束するミラーおよびレンズを含むことを特徴とする。
本発明の第２４側面に係るデータプロジェクタは、本発明の第２２側面に係るデータプロジェクタの特徴に加えて、前記少なくとも１つの色光源の出力は、前記複数の光源を独立して制御することによりデジタル的に制御できることを特徴とする。
本発明の第２５側面に係るレーザビームプリンタは、本発明の第２３側面に係るレーザビームプリンタの特徴に加えて、前記少なくとも１つの色光源の出力は、前記複数の光源を独立して制御することによりデジタル的に制御できることを特徴とする。
図５を参照すると、フォトニック結晶の媒体に埋め込まれたフォトニック結晶光源（又はマイクロキャビティ）のアレイが示される。単一モードフォトニック結晶光源のアレイは、共通の導波路に結合され、出力を生成する。
クロストークのない光出力収集システムの概念は、マイクロキャビティのアレイを形成し（第１の光源、第２の光源、第３の光源・・・）、異なる波長（第１の周波数、第２の周波数、第３の周波数・・・）で共振することにより達成される。それにより、個々のマイクロキャビティは、当然、異なる波長の（すなわち、異なるマイクロキャビティからの）光出力を拒否する。
図５に示すように、各モードから共通の導波路までの結合帯域幅は、アレイの任意の２つの光源間の波長間隔より小さい。従って、導波路を介するアレイの任意の２つの光源間のクロストークは実質的に存在しない。そのような固有の光分離機構は、ＦＤＴＤ（有限差分時間領域）シミュレーション等の数値的なシミュレーションにより実証される。例えば、正方格子２Ｄフォトニック結晶に基づくそのような１つの光学系が図６に示される。
図６を参照すると、５つのキャビティの各々は僅かに異なる形状を有する。従って、キャビティの共振モードは、異なる共振周波数を有する。全てのキャビティは、右側にあるバスライン導波路に光学的に結合される。この特定の例において、形状の調整は、中央のロッドの位置を調整することにより達成される。尚、例えば空気孔の直径、空気孔の間隔、局所屈折率等を変更することにより、共振周波数を調整してもよい。
図６に示すように、この構成をシミュレートする際、広帯域のガウスインパルスは、導波路の下部から送られる。各キャビティ内のＥＭ（電磁）場は、各キャビティ内の５つの点検出器により監視される。図７は、５つのキャビティの各々において測定されたＥＭ場のスペクトルを示す。
図７を参照すると、スペクトルは、ＦＤＴＤによりモデル化された時間領域信号をＤＦＴ（離散フーリエ変換）して取得される。５つのキャビティが、それぞれ、〜０．３２５５、０．３４５９、０．３５５９、０．３６６６及び０．３７７４の規格化周波数で共振することが分かる。尚、それらの規格化周波数は、Ｊ.Ｄ.Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ他の「Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌｓ」Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ（１９９５年）、５６ページ等の他の参考文献において使用される規約に準拠する。この特定の例において、周波数は、正方格子フォトニック結晶の格子定数（すなわち、ロッド間のピッチ）により規格化される。
図８Ａ及び図８Ｂは、異なるキャビティが異なる共振周波数を有する場合にそれらキャビティ間でクロストークが存在しないことを更に示す。それらの図において、狭い帯域幅の励起光源は、シミュレーション領域に提供される。図８Ｂは、励起光源が０．３７７４の規格化周波数で設定された場合のＥＭ場のスナップショットを示す。図８Ａにおいて、同一縮尺の構造図が再現されている。規格化周波数０．３７７４のＥＭ場がキャビティ＃５及び出力結合用導波路のみに存在することが、それらの図から分かる。
図９Ａ及び図９Ｂに示すように、同一のテストが０．３４５９及び０．３５５９の規格化周波数で繰り返された。各キャビティ（例えば、キャビティ＃２及び＃３）は発振し且つバスライン導波路に別個に結合することが、図９Ａ及び図９Ｂから分かる。
図１０Ａ及び図１０Ｂは、同様の周波数又は共通の周波数で発振する２つ以上のマイクロキャビティが存在する例を示し、マイクロキャビティに対して光クロストークを最小限にする重要性を実証している。図１０Ａ及び図１０Ｂにおいて、元のキャビティ＃３（図８Ａ、図８Ｂ、図９Ａ及び図９Ｂの）は、キャビティ＃５と同一の形状を有するキャビティ＃３’に変更された。キャビティ＃５及び＃３’が同一の形状を有するため、それらキャビティは、共通の周波数（すなわち、０．３７７４）で発振できる。図１０Ｂは、その結果として得られるＥＭ場のスナップショットである。予想したように、強いＥＭ場がキャビティ＃５及びキャビティ＃３’の双方に存在する。これは、２つのマイクロキャビティ間の強い光クロストークの一例である。
フォトニック結晶の媒体にフォトニックマイクロキャビティのアレイを埋め込み、キャビティを共通の導波路に結合して出力を生成し、異なる波長で共振するようにマイクロキャビティのアレイを形成することにより、クロストークが発生しないことが分かる。この分析及び設計は、特許文献６及び特許文献７において説明されるＷＤＭ合波器のような多くのＷＤＭ合波器にとって十分に好適であるだろう。しかし、上述のようなインコヒーレント高電力レーザアレイに対する上記問題点を解決するために、利得及びキャリア注入機構がマイクロキャビティに対して依然として必要とされるだろう。
図１１を参照すると、フォトニック結晶の２Ｄスラブにおけるマイクロキャビティの電気的注入に対する代表的な一実施形態が示される。本実施形態において、フォトニック結晶マイクロキャビティ０１は、２Ｄフォトニック結晶のスラブに形成される。バスライン導波路０２は、２Ｄフォトニック結晶の同一のスラブに形成される。半導体スラブ０３は、相対的に高い屈折率（例えば、ＩｎＰは〜３．２の近赤外波長、ＧａＮは〜２．４２の近緑色／青色波長）を提供する。そのスラブ０３には、量子井戸０８が埋め込まれる。低屈折率のクラッド層０５は、非晶質酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）により形成される。導電性チャネル（第２の電極）０７は、ドーピングされた半導体（例えば、ＡｌＡｓ及びＡｌＮの少なくとも一方）により形成される。この導電性チャネル０７は、各マイクロキャビティ０１への電気的注入を容易にし且つ光を実現するために、フォトニック結晶マイクロキャビティ０１の活性領域の下に形成される。ドーピングされた半導体基板０６は、クラッド層０５の下に配されるのが好ましい。電極金属コンタクト（第１の電極）０９が更に形成され、電極金属コンタクト０９は、後述のように通常はｎ型コンタクトである。
図１２を参照すると、フォトニック結晶の２Ｄスラブにおけるマイクロキャビティの電気的注入に対する別の代表的な実施形態が示される。本実施形態において、フォトニック結晶マイクロキャビティ０１は、２Ｄフォトニック結晶のスラブに形成される。バスライン導波路０２は、２Ｄフォトニック結晶の同一のスラブに形成される。半導体スラブ０３は、相対的に高い屈折率（例えば、ＩｎＰは〜３．２の近赤外波長、ＧａＮは〜２．４２の近緑色／青色波長）を提供する。スラブ０３の異なる領域に埋め込まれるのは、受動量子井戸０４及び能動量子井戸０８である。低屈折率のクラッド層０５は、非晶質酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）により形成される。導電性チャネル０７は、ドーピングされた半導体（例えば、ＡｌＡｓ及びＡｌＮの少なくとも一方）により形成される。この導電性チャネル０７は、各マイクロキャビティ０１への電気的注入を容易にし且つ光を実現するために、フォトニック結晶のマイクロキャビティ０１の活性領域の下に形成される。ドーピングされた半導体基板０６は、クラッド層０５の下に配されるのが好ましい。電極金属コンタクト０９が更に形成され、電極金属コンタクト０９は、後述のように通常はｎ型コンタクトである。
図１３は、図１２の左側の横断面の追加の特性、すなわちシステムの能動部分を示す。尚、図１３は必ずしも縮図であるとは限らない。効率的な電気的注入を容易にするために、電極金属コンタクト０９がｎ型コンタクトであることを考慮して、スラブ０３は、上半分２０２にｎ型半導体がドーピングされ、下半分２０１にｐ型半導体がドーピングされる。ＡｌＯｘクラッド層０５の厚さは、適切な光封じ込めを保証し且つ実際の製造上の制約を反映するために、１〜２μｍの範囲であるのが好ましい。スラブ０３の合計の厚さは、０．３〜０．５μｍの範囲であるのが好ましい。更に、基板０６は、一体的なシステム全体に機械的なサポートを提供するために２００〜３００μｍの厚さを有することができる。
図１１に示される基本的な構造に対する更なる改良として、能動物質（例えば、量子井戸）の選択的な不活性化手順が利用される。そのような不活性化過程を使用して、励起量子井戸のために導波路領域で発生する可能性のある光の吸収を回避できる。この点に関して、図１２及び図１３を参照すると、各マイクロキャビティの光学的に封じ込まれたボリュームの範囲を超える領域の能動物質（例えば、量子井戸）は、選択的に不活性化される。そのような選択的な不活性化を実現する１つの方法は、調整されたフォトリソグラフィ手順と共に量子井戸にイオン注入する技術を利用することである。この方法により、光源キャビティ領域はフォトレジストを使用して保護され、イオン注入のために他の領域は露光される。これにより、選択された量子井戸を不活性化する。
図１４は、本発明の別の実施形態に従って、マイクロキャビティ９０１が非平行に導波路０２の両側に整列されて密な実装されたアレイを形成することを示す図である。この点に関して、受動状態に維持されており共通の導波路に結合されるデバイスの密度を最大限にするようにマイクロキャビティを配列する方法は他にも多く存在する。更に、電極金属コンタクトは、電気的注入のために複数のマイクロキャビティにより共有される。
図１２〜図１４のフォトニック結晶は、１．５５μｍの波長範囲で光源を生成するような方法で製造されてもよい。殆どのデータプロジェクタでは可視波長（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）が必要であるが、マクスウェル方程式のスケーラビリティに従って単純に形状を線形的にスケーリングすることにより、さらに長い波長に対して明細書で説明したのと同じ設計により実現できる。マクスウェル方程式のそのようなスケーラビリティは、Ｊ.Ｄ.Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ他の「Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌｓ」Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ（１９９５年）、１９ページにおいて説明されている。
この例において、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰメンブレンの厚さは〜３００ｎｍに選択され、下部クラッド層は〜２μｍの非晶質酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）に選択される。ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰは、１０３／ｃｍのオーダーの光学利得を提供するように埋め込まれた４〜７個の歪量子井戸を有する。このような利得はＬ.Ａ.ＣｏｌｄｒｅｎとＳ.Ｗ.Ｃｏｒｚｉｎｅの「Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ」Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ Ｓｏｎｓ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（１９９５年）で説明されている。ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰメンブレンの厚さは、マルチモードスラブ導波路の影響を回避するのに十分な薄さとなるように選択され、それにより、面内のフォトニック結晶のバンドギャップを閉じることができる。厚さの選択については、以下の文献を参照。Ｃ.Ｗ.Ｋｉｍ、Ｗ.Ｊ.Ｋｉｍ、Ａ.Ｓｔａｐｌｅｔｏｎ、Ｊ.Ｒ.Ｃａｏ、Ｊ.Ｄ.Ｏ'Ｂｒｉｅｎ及びＰ.Ｄ.Ｄａｐｋｕｓの文献である。「Ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎ ｓｉｎｇｌｅ-ｄｅｆｅｃｔ ｐｈｏｔｏｎｉｃ-ｃｒｙｓｔａｌ ｌａｓｅｒｓ ｗｉｔｈ ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｃｌａｄｄｉｎｇ ｌａｙｅｒｓ）」。Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ Ｂ １９，１７７７（２００２年）。ＡｌＯｘの厚さは、実際のデバイス製造に対してより実際的となるように〜２μｍに選択される。
尚、図１１〜図３０に示されるような光源デバイスは、レーザ発光しない条件下で容易に動作し且つＬＥＤアレイとして使用される。更に、ＬＥＤとして使用される場合、デバイス製造の必要条件の厳密性は非常に低くなる。
物質利得がｇ〜１０３／ｃｍ、物質内部損失が〜５／ｃｍ、及び光封じ込め因子が〜０．１となるレーザ閾値を達成するためには、キャビティモードＱ値がＱ＞２００であることが必要である。尚、Ｑ値であるＱは、概して、元のシステムに格納された平均エネルギーと、そのシステムから別のシステム又は環境への結合電流との比に対応する。
上記推定は、以下の閾値の関係から取得される：
Ｑ＝ω／（Γ×Ｇthreshold−αinternal）
式中、ωはレーザ中心周波数であり、Ｇthresholdは反転閾値における量子井戸の材料利得であり、Γは量子井戸に対するレーザ発光モードの光封じ込め係数であり、αinternalはレーザ発光波長における物質内部の光損失である。１．５５μｍの波長において、
ω≒１×１０１５/ｓ
である。更に、
Ｇtheshold≒ｇthreshold×ｖｇ
≒１０３/ｃｍ×１０１０ｃｍ/ｓ
≒１０１３/ｓ
である。光閉じ込め係数Γの推定は、単純化されたモデル、すなわち１Ｄ導波路有限差分計算により取得される。
１Ｄ計算の結果を図１５に示す。図１５において、各データ点は５ｎｍの厚さに対応する。図１５に示されるように、空気及びＡｌＯｘの屈折率の非対称性により、光が閉じ込められるピーク位置が僅かにシフト（＜２０ｎｍ）するだけである。単一の量子井戸の厚さが〜１０ｎｍであると仮定すると、各量子井戸に対する縦モードのピークとなる光閉じ込め係数は〜０．０４となる。そのような４つの量子井戸が縦モードの光閉じ込めのピーク位置付近に配置される場合、有効な縦モードの光閉じ込め係数は、０．１５にまで達する。平面（すなわち、スラブ自体のｘ−ｙ平面）内の光閉じ込め係数を考慮すると、フォトニック結晶欠陥構造において平面内の光閉じ込めが通常高いため、２／３という非常に控えめな評価が得られる。そのような一般的な構造は、以下の文献において更に説明されている。Ｏ.Ｐａｉｎｔｅｒ他の文献である。「Ｔａｉｌｏｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｍｏｄｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｎａｎｏｃａｖｉｔｉｅｓ ｉｎ ｔｗｏ-ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｌａｂ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ」。ｊ.Ｏｐｔ.Ａ.:Ｐｕｒｅ Ａｐｐｌ. Ｏｐｔ.３、Ｓ１６１-Ｓ１７０（２００３年）。これにより、取得可能な３Ｄ光閉じ込め係数＞０．１という控えめな評価が得られる。閾値条件を考慮すると、量子井戸の励起によりデバイスが過熱されるという問題なしにレーザ光を取得して１０３／ｃｍの最大利得を維持することが目標である場合、Ｑ閾値を満足することは困難なことではないことが分かる。
しかし、実際に連続波（ＣＷ）レーザを室温で維持するために、閾値Ｑはかなり高くすべきである。出発点として、典型的な５００μｍの長さの広範な領域の端面発光レーザダイオードが基準として使用される。劈開面（すなわち、反射率が〜０．３）を使用すると、そのようなデバイスのレーザ発光モード（マルチモードレーザキャビティ）は〜４，０００のＱを有する。適切な放熱が行われる場合、端面発光レーザダイオードは室温におけるＣＷ条件下で動作できる。従って、本発明に対するフォトニック結晶構造がそれら広範な領域の端面発光レーザダイオードと同様の放熱機能を有するように設計される場合、〜４，０００のＱが室温におけるＣＷ動作を取得するために必要とされるだろう。
尚、「同様の放熱機能」という点は、重要な目標である。それらデバイスの発熱パターン及び機能は、サファイア及びＩｎＰの熱伝導率が互いに同様であっても、電気的注入の直列抵抗及び分布に応じて互いに異なる。熱伝導率については、Ｇ.Ｖ.Ｓａｍｓｏｎｏｖの「Ｔｈｅ Ｏｘｉｄｅ Ｈａｎｄｂｏｏｋ ２ｎｄ Ｅｄ.」ＩＦＩ/Ｐｌｅｎｕｍ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ-Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ-Ｌｏｎｄｏｎにおいて更に説明されている。それによると、２９８ケルビンにおけるサファイアの熱伝導率は、〜４０ワット／（メートル・ケルビン）である。室温付近におけるＩｎＰ（ｎ型の１０１６／ｃｍ３）の熱伝導率は、〜６８ワット／（メートル・ケルビン）である。詳細は以下の文献を参照。Ａｌｉｅｖ、Ｓ.Ａ.、Ａ.Ｙａ.Ｎａｓｈｅｌｓｋｉｉ及びＳ.Ｓ.Ｓｈａｌｙｔ、Ｓｏｖ.Ｐｈｙｓ.Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ ７，１２８７（１９６５年）。ｈｔｔｐ://ｗｗｗ.ｉｏｆｆｅ.ｒｓｓｉ.ｒｕ/ＳＶＡ/ＮＳＭ/Ｓｅｍｉｃｏｎｄ/ＩｎＰ/ｔｈｅｒｍａｌ.ｈｔｍｌ。様々な端面発光レーザダイオードの熱管理において、準横方向に注入されたデバイスと、明らかに縦方向に注入されたデバイスとでは、直列抵抗が異なる。
従って、電気的注入と放熱とが何らかの妥協を必要とする場合、操作空間を提供するために、少なくとも１０４の範囲のキャビティモデルＱを目標とすることが好ましい。また、それら２Ｄスラブフォトニック結晶のキャビティに関して既に報告されている事項を考慮すると、このＱ値は達成するのに困難な値ではない。ほとんどの報告において基板としてＡｌＯｘが用いられていないが、キャビティのサイズに関する制限が僅かに緩和される場合、〜１０４のＱがＡｌＯｘ基板上で取得可能であることが予想される。詳細は以下の文献を参照。Ｊ.Ｒ.Ｃａｏの博士論文「Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｙ Ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ Ａｒｒａｙｓ」Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ＳｏｕｔｈｅｒｎＣａｌｉｆｏｒｎｉａ、Ｌｏｓ Ａｎｇｅｌｅｓ（２００４年）。
図１６を参照して、フォトニックデバイスの直列抵抗の見積もりについて説明する。直列抵抗を見積もることは、発光フォトニックデバイスへの電気的注入の結果として発生する熱分布を考慮する場合に重要である。更に、電気的注入と関連する直列抵抗及び外部量子効率は、発光システム全体の最終的な壁プラグの効率を判定する際に重要である。
図１６は、フォトニック結晶の推定される線形形状のキャビティ（例えば、図１２参照）に対するバルク抵抗モデルを示す図である。図１６において、空気孔の影響はまだ考慮されていない。空気孔の影響は、横断面の幅Ｌ１を効果的に減少する線形因子として後で考慮される。通常、Ｐ型半導体の代わりに高品質のＮ型半導体が基板材料に使用されることを考慮すると、Ｐ型領域の上にＮ型領域が配される構成は一般的でないと考えられる。この構成は、電子の移動度が一般に正孔の移動度より相当高いためである。Ｐ型ＡｌＡｓポストの上部付近において電子正孔対の濃度が最大になるように維持するためには、そのような上下反対の構成（Ｎ型領域の上にＰ型領域が配される構成）が好ましい。
この抵抗モデルにおける単純化した電流パスを図１７に示す。電流は、Ｔ字形の左端で注入される。Ｎ型ＩｎＧａＡｓＰが上部になるように選択される。この構成は、ＩｎＰにおける電子の移動度が正孔の移動度より２０倍以上高いということを利用しており、これは、多くの他の半導体においても当てはまる。この移動度の大きな差のために、ｎコンタクトから注入された電子は、ＡｌＡｓポストの上部に到達し、レーザキャビティが位置するＡｌＡｓポストの上部にある正孔と再結合する。ＡｌＡｓからの正孔は、Ｐ型ＩｎＧａＡｓＰスラブにおいて拡散する程の十分な移動度を有さない。従って、電流パスは、図１７に示される電流パスと同様であると考えられる。
そのような電流分布を使用して、総直列抵抗は以下のように推定される：
Ｒtotal＝Ｒd1＋ＲAlAsPost
＝（１／（ｅ×μｅ×Ｎｅ））×（Ｌ３／（ｄ１×Ｌ１））＋（１／（ｅ×μｈ×Ｎｈ））×（（ｄ２＋ｄ３）／（Ｌ１×Ｌ２））
式中、ｅは絶対電子電荷である。〜３０００ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）のμｅはＩｎＧａＡｓＰの電子移動度である（ここでは、見積もる目的でＩｎＰの値を使用する）。〜１００ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）のμｈは正孔移動度（ＩｎＰ及びＡｌＡｓの双方に対してほぼ同一）である。Ｎｅ及びＮｈは不純物のドーピング濃度である。他の形状パラメータは図１６において名前が付けられている。ｄ１＝０.１５μｍ、ｄ２＝０.１５μｍ、ｄ３＝２μｍ、Ｌ１＝１０μｍ、Ｌ２＝１μｍ及びＬ３＝５μｍと仮定すると、総直列抵抗は以下のようになる：
Ｒtotal＝Ｒd1＋ＲAlAsPost
＝７０Ω＋３０Ω
空気孔の影響を考慮する際、フォトニック結晶の設計の充満速度に依存して、Ｌ１は実質的に１／２〜１／５に減少される。従って、注意深く設計することにより、直列抵抗は〜２００オームのオーダーで制御されてもよく、これは管理し易い値であると考えられる。実際には、この値は、いくつかの従来のＶＣＳＥＬ（横キャビティの面発光レーザ）と同等のものである。外部電力効率を５０％より大きくするには、この直列抵抗が大きすぎる場合があるが、電力効率を１５％にするのは困難なことではない。電力効率を１５％にすることは、市場にある既存のＶＣＳＥＬに対して競争力を有する。しかし、ＶＣＳＥＬは、フォトニック結晶をモノリシックに集積するという利点を有さない。
更なる定量化は、電気的注入のＦＥＭ（有限要素法）数値モデリングを使用して判定される。出発点として、Ｔ字形の構造（例えば、図１６及び図１７に示す構造等）への電気的注入は、空気孔を導入せずに評価される。図１８Ａ及び図１８Ｂは、ＦＥＭシミュレーションにおける構造Ａに対応し、図１９Ａ〜図１９Ｃは、ＦＥＭシミュレーションにおける構造Ｂに対応する。構造Ａは、単純な２次元（横断面）構造から実際の３次元構造（構造Ｂ等）への移行形状として考えられる。
電気的注入に対するＦＥＭシミュレーションの結果は、デバイスのＩ−Ｖ特性（電流とバイアス電圧との関係）として図２０に示される。Ｉ−Ｖ特性は、典型的な半導体レーザダイオードの特性を示している。更に、図２１Ａ及び図２１Ｂに示されるような電流分布は、図１７を参照して説明され与えられた分析予測に合っている。
上述のように、そのようなインコヒーレントに出力を合成するシステムが機能するための１つの主要な特性は、各光源キャビティが異なる波長で共振することである。しかし、ＴｈｏｒｌａｂのＤＷＤＭ８２０等の典型的なＷＤＭシステムにおいては、中心波長が〜０．０１ｎｍの範囲に収まるという精度が要求される。そのような高い精度は、モノリシックな製造工程により直接実現するのは困難である。従って、それらＷＤＭシステムは、全て、動的に波長を監視してフィードバックする複数のシステムを実装している。それらの実装された複数のシステムは、通常、システムサイズが非常に大きいことに加え、コストが高く且つ歩留りが低い構成要素である。
しかし、本発明の本実施形態において、波長を制御するための高い精度は必ずしも必要とされない。実際には、波長を制御するために必要な精度は、動的フィードバック機構なしでモノリシックな製造工程により直接実現される。
波長を厳密に制御しない場合、動的フィードバックシステムなしで〜１ｎｍの固有の制御精度が使用される。そのような制御精度は、商業的なリソグラフィシステムにおいて取得される。例えば、５つのチャネル（波長）は、その〜１ｎｍの範囲で実現される。キャビティＱが〜５０，０００であると仮定すると、各キャビティが５００ｎｍの結合線幅付近で機能するための波長は〜０．０１ｎｍである。従って、１ｎｍの範囲において取り得る波長の値が〜１００個存在する。１００個の候補のうちから無作為に選択された５つの波長において２つ以上の波長が互いに重なり合う可能性に関して見積もりが行なわれる。１ｎｍの範囲で２以上のチャネルが重なり合う確率の控えめな見積もりは、
１−（１００！／（１００−５）！）／１００５＝０．０９６５
である。換言すると、この設計において波長フィードバックシステムのない適切なシステムを有する可能性は、９０．３５％より高い。一例として、多くの実際の量子井戸デバイスにおいて＞２０ｎｍの利得帯域幅を取得可能であることを考慮して、１００個の光源要素が必要な場合に１２０個の光源キャビティをパターニングして、いくつかのリダンダントな光源がアレイに予め導入される。これにより、２つ以上の光源要素の波長が重なり合う確率が９．６５％であっても、波長が重なり合う光源への電気的注入は単純にオフされ、２０個のリダンダントな光源のいくつかはオンされて、システムが全体として設計通りに機能することが確実になる。これにより、波長分離の効率はほぼ１００％まで改善される。個々の光源要素のアドレス指定能力を認識する方法は、後の実施形態において提供される。
図２２を参照すると、本発明の代表的な実施形態によるギャップとして形成された導波路を有するフォトニック結晶デバイスが示される。好適な機能特性に関して上述したように、バスライン導波路の機能を実現するには、単一モード導波路を使用することが好ましい。マルチモード導波路を使用する場合、バスライン導波路において異なる導波モードへ光出力が不均一に結合されるので、ビーム／スポットの総出力のプロファイルは、予測不可能になり、時間と共に変動する。更に、バスライン導波路において異なる導波モード間の遷移が行われるので、発光システム全体にとって有用な機能を実現する低光損失の導波路を湾曲及び分岐させて実装することが非常に困難になる。
尚、議論の対象となっている単一モード導波路は、任意の周波数における単一導波モード、又はフォトニック結晶のバンドギャップ全体の帯域幅における単一導波モード等に対する単一モード導波路の理論上の定義に必ずしも対応しない。むしろ、議論の対象となっている導波路は、アレイの全ての光源要素により占有される帯域幅のみにおいて単一モードであることが要求される。通常、この帯域幅の最大値は〜２０ｎｍであり、これは、量子井戸の一般的な高利得帯域幅に対応する。ここで、共通のエピタキシャルスラブ上の全ての光源要素は、同一の量子井戸特性を共有することを考慮すべきである。
単一の線欠陥を有するフォトニック結晶の導波路に対して、＞２０ｎｍの帯域幅における単一モード導波条件を実現するのは困難なことではない。例えば、参考文献において使用される三角格子状の２Ｄスラブフォトニック結晶の場合、単一モード導波条件は、種々の形状パラメータ（例えば０．２７から０．３３に変更されるｒ／ａ比）を使用して２０ｎｍより非常に大きな帯域幅において容易に満足される。詳細は、以下の文献で更に説明される。Ｍ.Ｈ.Ｓｈｉｈ他の「Ｔｗｏ-ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ Ｍａｃｈ-Ｚｅｈｎｄｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ」Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ ８４(４)、４６０-２（２００４年）。しかし、そのような単一モードの設計は、通常、導波路に沿ったモードプロファイルのサイズ及び横断面のサイズが制限されるという制約を有する。すなわち、狭い半導体領域において導かれたＥＭ力をより集中させないように、２列以上の空気孔が三角格子フォトニック結晶において除去される場合、フォトニック結晶導波路はすぐにマルチモード導波路になる。
一方、フォトニック結晶導波路のコアを形成する半導体のリッジの狭い横断面を介して伝播するように、バスライン導波路に大きなＣＷ ＥＭ出力を収集することは望ましくない。高いＥＭ場の電束密度は、特に、結晶成長させた状態の半導体と比較して半導体を必然的に純粋でない状態にするイオン注入の安定化工程後に導波路のコアの半導体物質が形成される場合、一般に、望ましくない非線形な光損失、他の散乱損失及び過熱を誘導する。結晶成長させた状態の半導体とは、エピタキシャル成長過程により直接形成される半導体を指す。
図２２を参照すると、単一モード条件を維持し且つバスライン導波路を形成する半導体物質におけるＥＭ場の電束密度を減少できる方法が提供される。特に、エアギャップ１０は、導波路のコア０２の中央に形成される。形成する際、導波路の物理的な横断面を、単一モード動作するのに十分なように小さくすることができる。更に、ＥＭ場の最大密度が中央のエアギャップ１０すなわち空気中に配されるため、不活性化された半導体で導波路を形成する場合と比較して、実質的に、不純物散乱損失、非線形光損失、又は過熱の心配がない。
例えば、図２３に示すように、２Ｄ−ＦＤＴＤシミュレーションがエアギャップバスライン導波路を含む構造に対して実行される。システムが１５７．４ＴＨｚ及び１４７．６ＴＨｚの２つの周波数により励起された場合の対応するＥＭ場のスナップショットが、図２４及び図２５にそれぞれ示される。エアギャップ導波路は、単一モードバスライン導波路として適切に機能でき、エアギャップ領域においてＥＭ場の電束密度が最大となることがそれら図から分かる。
エアギャップバスライン導波路は、追加の機能を提供する。特に、エアギャップは、バスライン導波路の左右の間に注入された電子及び正孔を電気的に絶縁する。これにより、キャリア損失を少なくして電気的注入効率を改良できる。また、バスライン導波路の両側に光源が実装され且つ個々の光源のアドレス指定能力が好ましい場合、そのようなエアギャップは、各光源要素間を好適に電気的に絶縁する役割を果たすことができる。この点ついては、追加の代表的な実施形態に関して以下に更に詳細に説明される。
代表的な本実施形態は、隣接する光源間の最小距離及びエアギャップ遮断導波路を含む個々にアドレス指定可能な設計を含む。能動デバイス（レーザ等）及び受動デバイス（導波路等）を組み合わせる際、隣接する光源間の適切な光分離及び電気絶縁を使用して、個々の光源を電気的にオン／オフする方法を考慮する。
この点に関して、個々の光源をアドレス指定する機能は、少なくとも３つの目的に対して有用であり且つ好ましい。第１に、故障した光源が存在する場合、光源システム全体は、故障した光源の電源をオフし且つ「バックアップ」の光源の電源をオンすることにより適切に機能し、光出力を置換できる。第２に、異なる数の光源要素の電源をオン／オフすることにより、デジタル光出力制御は、図２８に示すように実現される。第３に、製造許容度に関して、異なる光源は、僅かに異なる条件（バイアス電圧、電流及びデューティサイクル等）で駆動され、１つのシステムにおける全ての光源から出力される電力を均一にする必要がある。インコヒーレントな結合アレイを含む各光源要素を個々にアドレス指定できる場合、アレイの効率化が促進される。
例えば、個々にアドレス指定できる各光源要素を、ポリゴンスキャン式ＬＢＰにおいてデジタル的に制御される光電源として使用することができる。そのようなＬＢＰにおけるビーム走査機構は、図４に示される。回転ポリゴンが各線に沿って光スポットを走査している際に光源のオン／オフを調節することにより、パターンがレンズを介して感光ドラムに投影露光されることが図４から分かる。回転ポリゴンの通常の回転速度は２０，０００〜３０，０００ｒｐｍであり、ポリゴンミラーの回転速度が増加するとレーザビームの印刷速度が増加する。ここで、各画素の暗さは、感光ドラム上で各画素に対応した領域が露光されるように照射された光エネルギーの量（各画素に対する露光量）により決まる。
各画素に対する露光量を制御する１つの方法は、ビームが走査される際に光出力を直接制御し且つ調節することである。この概念は図２６に示される。図２６により、光源の出力が増加するにつれて、照射される光エネルギーが露光閾値を超える領域の面積が増加し、印刷される画素が大きなスポットすなわちより暗くなることが実証される。しかし、実際のシステムにこれを実装するのは困難である。
特に、図２７に示すように、レーザ発光の閾値を超えた際に、レーザー駆動電流に対して光出力が大きい傾きで変化する。更に、そのようなレーザー出力制御システムが本質的にアナログシステムであると仮定すると、注入電流が小さく変動しただけでレーザ出力が大きく変動してしまう。そのようなシステムでは、複数の出力レベルにおいて安定した光出力を制御するために精密なレーザ注入制御システムを導入しなければならなくなり、実用上においてコストがかかる。
従って、現在のＬＢＰシステムにおける露光量の制御は、走査している時間領域においてレーザダイオードのオン／オフを高速に調整することに基づく。すなわち、走査スポット光が１つの画素の幅を通過する時間領域に、レーザダイオードの電源が複数回オン／オフされ、１つの画素の幅内で複数のスポットが露光される。この方式は、いくつかの固有の制限に直面する。
第１に、レーザダイオードをオン／オフ調整する速度は、集束されたレーザスポット光が１つの画素の幅を通過するのにかかる時間より非常に（１桁又は２桁）速い速度である必要がある。これは、ＬＢＰの速度に対して重要な制限を与える。更に、暗さ（例えば、階調）制御方式は、好適な正方形状の画素ではなく実質的に伸張された画素を生成してしまう。この問題を解決するために、１つの画素に対して複数の線を走査し且つ印刷速度を遅くする必要がある。あるいは、感光ドラムの長手方向に平行にレーザバーを直線状に配列するように照射することにより、１つの画素に対して複数の線を同時に走査する必要がある。
本発明の本実施形態において、高速で光出力を制御することを容易にし、かつ、画素の暗さを理想的に制御するために、デジタル制御された光システムが提案される。本実施形態の構造では、個々の光源要素を独立にアドレス指定する追加の機能を有し、同一に結合されたインコヒーレントな光源のアレイを基本としている。図２８に示すように、各要素光源のオン／オフをデジタル的に制御することにより、電力レベルの「段階」的な制御が実現される。各画素位置においてオンされる要素の数を調整することにより、各画素の暗さは更に直接的に制御される。走査速度より１０倍又は１００倍以上速く光源を調節する代わりに、本実施形態では、レーザスポットをデジタル的に同期走査するように制御されたレーザダイオードを提案する。これにより、実質的に正方形状の画素を生成しながら、より速い走査速度を有するＬＢＰを実現できる。すなわち、各画素は、結合されたインコヒーレントな光源のアレイと関連付けられ、階調は、画素と関連付けられた照明光源の数を変えることにより調整される。
個々にアドレス指定することが可能になると、デバイスの頑強性及び製造の歩留りに関する別の利点が得られる。インコヒーレントに結合された光源アレイにおける光源の数が増加すると、光源の故障の可能性が増加する。これにより、１つ以上の光源要素が製造中又は動作中に故障すると、製造の歩留り及び／又はデバイスの頑強性に負の側面がもたらされることになってしまう。この潜在的な問題を有効に解決する方法は、アレイにおいて光源要素を冗長的に製造することである。各光源要素に対して独立にアドレス指定できるようになると、故障した光源要素への電気的注入をオフすることができるとともに、目標の総光出力を維持するためにバックアップの光源要素の電源を単純にオンできる。
データプロジェクタにおいて、個々にアドレス指定可能なアレイの設計はコントラストを改善すると考えられ、これは重要な利点である。コントラスト比は、特にＬＣＤパネルが使用される場合、達成可能な暗さにより制限されることが多い。コントラスト比を効果的に向上させる１つの方法は、輝度の調整が可能な光源を実装することである。例えば、Ｓａｎｙｏ ＬＰ-Ｚ４プロジェクタは、機械的に調整可能な絞りを使用して正味の光源出力を動的に調整し、７０００：１のコントラストを達成する。Ｓａｎｙｏ ＬＰ-Ｚ４の写真及び特性は、ｈｔｔｐ://ｗｗｗ.ａｋｉｈａｂａｒａｎｅｗｓ.ｃｏｍ/ｅｎ/ｎｅｗｓ＿１０２００.ｈｔｍｌにおいて見つけられる。しかし、代表的な本実施形態において提供される個々にアドレス指定可能なアレイの設計によれば、精密に電力レベルを制御しながら機械的な部品を介さずに高速で動的に光源の出力を調整できる。
個々にアドレス指定可能にするために、各光源に対する電気的なコンタクトは互いに電気絶縁されるべきである。更に、その電気的なコンタクトは、各光源キャビティに可能な限り近接して各電極を保持し、高い電気的注入効率を維持すべきである。本発明の代表的な一実施形態を図２９及び図３０に示す。図３１は、より密な実装アレイを示す図２９の上面図である。
図２９及び図３０を参照すると、図２２において導入されるエアギャップのバスライン導波路１０は、バスライン導波路の左右にある光源間の電気絶縁を提供する機能と、光出力を導く機能との２つの機能を有する。更に、追加のエアギャップ１１（又は「エアギャップ遮断導波路」）は、隣接する光要素間に形成される。例えば、図３１に示すように、エアギャップはＬＤ‐Ａ１光源とＬＤ‐Ａ２光源との間に形成される。それらエアギャップ１１は、実際には、各光源に対して完全な電気的絶縁を提供すると考えられる。しかし、追加のエアギャップ１１の光学特性は、バスライン導波路１０と比較して異なる大きさ及び形状でエアギャップ１１が形成されることにより、エアギャップバスライン導波路１０の光学特性と異なるように設計される。
バスラインと関連するエアギャップの設計と比較して、遮断導波路に提供されるエアギャップに異なる設計を導入することには利点がある。バスライン導波路１０及び隣接する光源間（図３１において、ＬＤ‐Ａ１光源とＬＤ‐Ａ２光源との間）のエアギャップ１１の双方に対して同一のエアギャップの設計を使用した場合、２つの光源キャビティ間を効果的に光分離できる距離が約半分に減少する。フォトニック結晶内における距離が増加するのに伴い、光減衰が急激に増加するため、光分離できる（最小）距離の減少はＥＭ場の分布に影響を与える。光源キャビティからの光出力は、まずエアギャップが形成された導波路に結合し、その後、隣接する光源キャビティに結合する。これにより、クロストークの可能性が増加するだけでなく、各光源キャビティのＱ値の合計が減少する。更に、各光源からの光出力は、バスライン導波路だけでなく、隣接する光源キャビティ間に新しい導波路を形成するエアギャップによっても収集される。
それらエアギャップに導かれた有効な光出力は、システムに対して２つの悪影響を与える可能性がある。第１に、分離エアギャップが形成された導波路とバスライン導波路との間の単純な接合部では、２つの分岐を流れる光出力が合成される際に大きな光損失が発生する可能性がある。光損失を低減するためにフォトニック結晶の導波路を結合する結合部を設計するための設計が存在するが、そのような設計では、たいていの場合、非常に高度であり、結合部の周囲に追加の空間を必要とする。これにより、特に数百の低損失の結合部を同時に実現させる必要がある場合、デバイスのサイズ及びデバイス製造の複雑性を劇的に増加させる。更に、それら結合部において光の反射成分（反射信号）が残存しているので、光源キャビティ自身への光のフィードバックが起こり、光源の動作は不安定になる。そのような反射信号は、最初に信号を発生した光源キャビティの共振波長と同一の波長を有する。このため、各光源キャビティは光の反射信号の影響を受け易い。
上記問題を解決するために、隣接する光源キャビティ間の異なるエアギャップが使用される。そのようなエアギャップは、図３２に示されるエアギャップ遮断導波路等のエアギャップバスライン導波路と比較して、異なる幅、均等でない位置合わせ精度、及び均等でない向きを有してもよい。それらエアギャップ遮断導波路は、隣接する光源の波長において導波モードを有さないように設計される。このように、エアギャップ遮断導波路は、隣接する光源により生成された光出力に対して有効な光応答を提供しないと考えられる。更に、エアギャップは、依然として電気的に絶縁する役割を果たす。図３３及び図３４は、光出力を導くバスライン導波路及び電力共振フォトニック結晶キャビティのすぐ隣にエアギャップ遮断導波路が配置される場合でも、エアギャップ遮断導波路において実質的に光応答が存在しないことを示す。
いくつかの実施形態において、電極間の電圧バイアスは、閾値を超えるような値である。その結果、分離エアギャップ間にアーク放電が発生する。例えば、閾値電圧は、乾燥した空気に対して約３０，０００ボルト／インチ、すなわち約１，２００，０００ボルト／メートル、すなわち１．２ボルト／マイクロメートル又は０．００１２ボルト／ナノメートル（１Ｅ〜９ｍ）を超える電圧である。このように、電極間の電圧バイアスが設計値を超えるという動作条件が満たされた場合、分離エアギャップに挿入される絶縁破壊電圧が高い物質は、電極を隔離し且つアーク放電の問題を最小限にするために使用される。例えば、電極間の電圧バイアスが０．１２ボルトより大きく、電極間の間隔が１００ｎｍである場合、アーク放電は、絶縁破壊電圧が高い物質を含む物質を分離エアギャップ領域に挿入することにより最小限にされる。
そのような状況において、分離エアギャップに対して説明された導波路の問題は依然として未解決である。しかし、その問題は、分離エアギャップに挿入される低屈折率の電気的絶縁性酸化物（例えば、酸化シリコン及び酸化アルミニウム等）等の絶縁物質を含む領域に対して発生する。別の実施形態において、デバイスのチップ全体は、真空封入カプセルにパッケージ化されて、そのアーク電圧が大気圧におけるアーク電圧より非常に高くなっていてもよい。
尚、平面内の電気的絶縁ギャップは、エッチング以外の技術により提供されてもよい。例えば、選択された領域又は線は、伝導性を中和するためにイオン衝突され、光屈折率は、フォトニック結晶格子に対して保持される。これにより、保持されたフォトニック結晶特性によりイオン衝突された領域における光の伝播が防止されるため、フォトニック結晶におけるギャップの物理的形成に関連する電気的及び光学的な問題は低減される。
インコヒーレントなアレイを密に実装するように設計するための別の問題は、光源キャビティをどの程度密に実装するかということである。特定のキャビティ及び導波路の形状に対して最小限の分離距離が存在する。その最小限の分離距離未満では、隣接する光源キャビティが光学的に直接結合され、それらの共振周波数の各々が異なるスーパーモードに合成されるように変更される。図３５及び図３６は、その状況を概念的に示す。
図３５では、２つの隣接する光源キャビティ間の間隔が十分に大きい場合、それらの間の結合がバスライン導波路への個々の結合より非常に小さく、キャビティが光学的に個別のものとして処理される。一方、図３６は、２つのキャビティ間の距離が非常に小さいため、それらの共振モード間の強い重なり及び結合がもはや無視できない場合を示す。
互いにインコヒーレントとなるべき隣接する光源キャビティ間で光学的結合を起こさないような、２つのキャビティ間で最小となる距離の値を決定するある特定の基準が存在する。そのような基準を見つけるために、３Ｄ−ＦＤＴＤモデリング等の大規模数値シミュレーションは、同時に数百の光源キャビティに対して実行される。しかし、通常そのような方法は、実際的でない程大きな計算負荷を結果としてもたらす。従って、より実際的な評価方法が考案されるべきである。
その問題を解決する科学的で実際的な方法は、２つの理想的に隔離されたフォトニック結晶のキャビティから開始することであり、それらフォトニック結晶のキャビティは最初に十分に遠くはなれていると仮定する。そのような場合、キャビティの共振モードは、方程式の固有関数の解に対応して形成される。永年方程式の演繹については、以下の文献を参照。Ｊｏｈｎ Ｄ.Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ他の「Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌｓ: Ｍｏｌｄｉｎｇ ｔｈｅ Ｆｌｏｗ ｏｆＬｉｇｈｔ）」Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ（１９９５年）、１１ページ等。
∇×（１／（ε（↑ｒ））∇×↑Ｈ（↑ｒ））＝（ω／ｃ）２↑Ｈ（↑ｒ）
⇒Θ↑Ｈ（↑ｒ）＝（ω／ｃ）２↑Ｈ（↑ｒ）
式中、↑ｒはｒのベクトルであり、↑ＨはＨのベクトルであり、
Θ＝∇×（１／（ε（↑ｒ））∇×）
である。そのような永年方程式は、マクスウェル方程式の従来の微分形式から演繹される。この最初の理想状態において、２つのキャビティ（キャビティ１及びキャビティ２）は、別個に局在化する２つのモード↑Ｈ１（↑ｒ−↑ｒ１）及び↑Ｈ２（↑ｒ−↑ｒ２）をそれぞれサポートする。すなわち、↑Ｈ１（↑ｒ−↑ｒ１）は、↑ｒ１を中心とするキャビティ１の中及び周りにおいて局在化した共振モードの定常磁界分布である。ここで、物理的な重なり（すなわち、Ｈ１（↑ｒ−↑ｒ１）と↑Ｈ２（↑ｒ−↑ｒ２）との間の結合）は存在しない。更に、↑Ｈ１（↑ｒ−↑ｒ１）及び↑Ｈ２（↑ｒ−↑ｒ２）は、異なる周波数（すなわち、波長の逆数）ω１及びω２にそれぞれ対応する。
２つの非常に離れたキャビティ１及びキャビティ２を互いに近づけると、
Θ＝∇×（１／（ε（↑ｒ））∇×）
が
Θ’＝∇×（１／（ε’（↑ｒ））∇×）
に変わる。式中、ε（↑ｒ）及びε’（↑ｒ）は、２つのキャビティが互いに近づく前後の誘導関数の空間分布である。↑Ｈ１（↑ｒ−↑ｒ１）は、接近する↑Ｈ２（↑ｒ−↑ｒ２）により摂動が加えられると考えられる。１次摂動形式を使用して摂動を加えられた↑Ｈ１（↑ｒ−↑ｒ１）、すなわち↑Ｈ１’（↑ｒ−↑ｒ１）は
↑Ｈ１’（↑ｒ−↑ｒ１）
＝Ｎ・［↑Ｈ１（↑ｒ−↑ｒ１）
＋＜↑Ｈ２（↑ｒ−↑ｒ２）｜Θ’｜↑Ｈ１（↑ｒ−↑ｒ１）＞／（ω１ ２／ｃ２−ω２ ２／ｃ２）・↑Ｈ２（↑ｒ−↑ｒ２）］
と書ける。式中、Ｎは、物理的な有意性のない規格化因子である。重要なパラメータは、
ｐ１＝｜＜↑Ｈ２（↑ｒ−↑ｒ２）｜Θ’｜↑Ｈ１（↑ｒ−↑ｒ１）＞／（ω１ ２／ｃ２−ω２ ２／ｃ２）｜２
である。式中、ｐ１は、キャビティ２に分布された摂動状態↑Ｈ１’（↑ｒ−↑ｒ１）のパーセント値、すなわちキャビティ １ のキャビティ ２ に対する光クロストーク強度を表す。同様に、ｐ ２ は、キャビティ ２ のキャビティ １ に対する光クロストーク強度を表す。↑ｒ１及び↑ｒ２が遠く離れており、２つのキャビティ間に大きなクロストークが存在しない場合、ｐ１（ｐ２）の逆数、すなわち１/ｐ１（１/ｐ２）は大きい数になる。↑ｒ１及び↑ｒ２が互いに接近する場合、１/ｐ１（１/ｐ２）の値は小さくなる。１/ｐ１（１/ｐ２）が個々のキャビティのＱ値Ｑ１（Ｑ２）と同一の桁である場合、２つのキャビティ間のクロストークは、強すぎて許容されないと考えられる。
この１次摂動形式を使用すると、大きな光クロストークのない２つの隣接するキャビティ間の最小距離は、光源アレイ全体の数値シミュレーションの必要なくより簡単に評価される。その最小距離は、通常、大きすぎるために、数値シミュレーションツールを使用して評価できない。この方法を使用すると、個々のキャビティ（すなわち、キャビティ１及びキャビティ２）に対するシミュレーションのみが必要となる。
すなわち、｛↑Ｈ１（↑ｒ）、ω１、Ｑ１｝及び｛↑Ｈ２（↑ｒ）、ω２、Ｑ２｝は別個に解決される。キャビティ１とキャビティ２との距離、すなわち（↑ｒ１−↑ｒ２）が減少する場合、以下の空間積分が実行される：
＜↑Ｈ２（↑ｒ−↑ｒ２）｜Θ’｜↑Ｈ１（↑ｒ−↑ｒ１）＞
＝∬∫↑Ｈ２ ＊（↑ｒ−↑ｒ２）・∇×（１／（１／（ε’（↑ｒ））∇×↑Ｈ１（↑ｒ−↑ｒ１））・ｄ３ｒ
これは、１工程の数値積分演算であるため、通常、組合せ構造の完全な数値シミュレーションを実行するのと比較して非常に短い計算時間を費やす。更に、（↑ｒ１−↑ｒ２）の種々の値は継続的にテストされる。値１/ｐ１は（↑ｒ１−↑ｒ２）の関数として監視され、１/ｐ１はＱ１と比較される。経験的な基準は
１/ｐ１≧１０×Ｑ１
に設定される。これにより、（↑ｒ１−↑ｒ２）が光分離に対して近すぎるか否かを判定する。
図３７を参照すると、ｐ１の表現（すなわち、摂動状態のパーセント値）から分かる１つの特徴は、隣接するキャビティ間の共振周波数（すなわち、共振波長の逆数）の二乗の差にクロストークの大きさが反比例することである。この観測により、共通のバスライン導波路に沿うアレイに光源キャビティを構成するより適切な方法が示される。
図３７は、最も近くで隣接する要素間の共振周波数（すなわち、波長の逆数）の差を増加することにより、隣接するキャビティ間のクロストークを減少する構成方法を示す。元の構成が順番に連続した構成である（図３７の左側に示すように）と仮定すると、隣接する要素間の差はΔλである。右側に示される構成になるように要素を入れ替えることにより、隣接する要素間の差は３×Δλ又は４×Δλへ増加する。ｐ１因子の定義によると、この単純な入れ替えにより、隣接する要素間のクロストークをほぼ１桁減少でき、また、キャビティ間の間隔を更に減少することができる。
上記実施形態では、同一のフォトニック結晶構造内に能動要素及び受動要素をモノリシックに集積するフォトニックデバイスが説明されている。更に、そのような光放射用のフォトニックデバイスは、能動要素に電気的注入を行うこと及び光源を個々にアドレス指定することを可能にする。
次に、上述の実施形態の概略構造が組み込まれた追加の実施形態について説明する。それら追加の実施形態の一部を図３８〜図４２に示す。それら追加の実施形態は、上述の実施形態に対する改良又は別の構成に対応する。尚、種々の実施形態の特徴を他の実施形態の特徴と組み合わせて、他の有益な構造を達成してもよい。
図３８を参照すると、本発明の一実施形態によるマルチモード導波路が図示される。先に述べたように、単一モード導波路からマルチモード導波路に変更することにより、要素光源と導波路との結合は複雑になる。しかし、マルチモード導波路を使用した方が、導波路モードの影響を受ける横断面積を大きくとれるため、より大きな光出力を実現できる。従って、単一モード導波路が一般的に好ましいが、マルチモード導波路を使用して利益を得ることも可能である。しかし、光源と導波路との結合に関して追加の考慮がされるべきである。
図３８のマルチモード導波路は、フォトニック結晶構造に形成される受動要素のままである。マルチモード導波路は、単純にガス孔のカラムを除去したり、空気孔の直径を徐々に減少させたり、格子定数（すなわち、フォトニック結晶の周期性）を徐々に減少させたり、フォトニック結晶構造の周期性に影響を及ぼす技術を使用することにより形成される。ラベル５０２は、単一モード導波路（右）とマルチモード導波路（左）との差を示す。
図３９を参照すると、本発明の別の実施形態による低損失のオフセット導波路が図示される。詳細は以下の文献を参照。Ｗａｎ Ｋｕａｎｇ、Ｊｏｈｎ Ｄ.Ｏ'Ｂｒｉｅｎの文献である。「Ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｏｕｔ-ｏｆ-ｐｌａｎｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｌｏｓｓ ｏｆ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｏｎ ｈｉｇｈ-ｉｎｄｅｘ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ）」。Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２９ (８)、８６０〜８６２ページ、４月１５日（２００４年）。低損失のオフセット導波路は、フォトニック結晶構造において受動要素のままである。図３９の導波路０２と比較して導波路６０２に示されるように、単一モード導波路は、導波路の両側の相対的な格子位置をオフセットすることにより変更される。導波路モードの対称特性を変更することにより、実際の導波路の損失は低減される。特に、導波路の損失の低減は、絶縁層５（ＡｌＯｘ）の所定の最大厚さにより実現される。
図４０を参照すると、本発明の更に別の実施形態によるテーパ状の遮断導波路が図示される。元の単純な導波路０２は、格子定数が徐々に減少している導波路部分７０２に置換される。導波路部分７０２は、フォトニック結晶構造内で受動要素のままである。
そのようなテーパ状の遮断導波路を実現することによる影響は図４１に示される。図４１に示されるのは、導波路７０２の３つの部分における導波モードの推定された分散関係を比較した結果である。正味の効果によれば、全ての収集された光出力が単一方向（すなわち、図４０の下向き）にのみ導波路を出れる。この構成により、５０／５０導波路コンバイナで２方向の出力を合成する必要がなくなる。
導波路の出力は、システム要求に従う他の種々の構成において導かれる。例えば、導波路と空気との間の切り立った劈開出力面における反射を回避するために、異なる種類の光をインピーダンスマッチングする設計がフォトニック結晶の欠陥導波路と自由空間との間に実装される。直接的にインピーダンスマッチングすることが困難な時、テーパ状の遮断導波路がまずエバネセント結合を介してテーパ状のリッジ導波路又はテーパ状のファイバの一端に結合され、次に標準の反射防止膜がリッジ導波路又はファイバの他端にコーティングされる。
図４２を参照すると、本発明の更に別の実施形態に従って、個々の光源と導波路との間に配される追加の共振キャビティ結合器が図示される。１つの追加の受動共振キャビティ８０１（又は複数の受動共振キャビティ）は、光源０１と導波路０２との間の方向結合を置換できる。
光源０１と導波路０２との間の光結合は、スペクトル及び空間の重なりにおける８０１のフィルタリング効果を通過する必要がある。光源自体に対する光封じ込め要求及び光源−導波路結合に対する光結合要求は、互いに譲歩せずに別個に同時に満足される。例えば、いくつかの例において、最適化された光源の性能は、比較的低いキャビティＱ（Ｑ値）を要求し、光源−導波路結合に対するスペクトル選択は、比較的高い結合−Ｑを要求する。共振キャビティ８０１の挿入により、光源と導波路との間の結合−Ｑが高くなるが、光源のキャビティＱは非常に低くなる。
別の実施形態において、受動要素及び能動要素は別個に製造され、位置合わせして接合する過程で集積される。換言すると、１つの過程において受動要素（すなわち、導波路、接合器等）を製造でき、別の過程において能動要素（すなわち、レーザ又はＬＥＤ）を製造できる。受動要素及び能動要素の製造後、双方の要素は、位置合わせされたウエハを接合するための技術を使用して集積される。この方法が可能な場合、受動要素及び能動要素を別個に製造する場合の個々の歩留まりは、受動要素及び能動要素を直接集積化する場合の歩留まりより非常に高いだろう。
本発明の別の実施形態によると、非フォトニック結晶の導波路は、光出力を収集するのに使用される。本実施形態において、出力光は依然として導波路により収集されるが、その導波路はフォトニック結晶から形成されない。例えば、従来のリッジ導波路が基板に埋め込まれ、能動デバイスが物理的に基板の近くに配される。本実施形態によれば、より単純に導波路を製造できる。
本発明の別の実施形態において、共振フィルタの代わりに帯域フィルタを使用して、反射電力を阻止して出力を直接合成する。これにより、共振結合波長を調整する代わりに、帯域フィルタのシフティングを利用して要素光源間のクロストークを排除する。このとき、空間的な調整の要求は、あるシステムに対して緩和される可能性がある。各帯域フィルタは、垂直にディープエッチングされた分布型ブラッグリフレクタ（ＤＢＲ）により形成される。
本発明の更に別の実施形態において、金属の選択的なボリュームが溶浸され、より適切な放熱を容易にする。３Ｄ半導体フォトニック結晶の実際の金属溶浸が可能である。しかし、光活性領域（例えば、光源モード及び導波路モード）に対する金属要素間で許容できる最小距離は、設計によって大きく異なる。光源キャビティ付近に金属を導入することによる実際の効果は、詳細なモデルプロファイル及びモードの形状が与えられて、ケースバイケースの分析を介して実現されてもよい。
本発明の更に別の実施形態において、磁気光学アイソレータは、要素光源間の隔離を改善するために半導体チップ上に実現される。これは、光出力伝播方向に平行な磁界を有することにより達成され、自由空間ファラデー光アイソレータと同様の方法で磁界の分極を回転させる。別の可能性として、Ｐｒｏｆ.Ｓ.Ｆａｎが（例えば、ＦｉＯ２００４会議において）報告したように、光出力伝播と垂直な磁界を使用し、本来の縮退モード間の対称性をくずすことにより発生する周波数分割を介して単一方向の光共振結合器を形成できる。
上記実施形態に加えて、デバイスの構造は、他の方法で変更され且つ実装されてもよい。例えば、光源領域と導波路領域との間に十分な距離が設けられ、異なるウエハが結合したりドーピングされることだけでなく、プラズマエッチングローディング効果も回避できるようにする様々な技術が存在する。Ｓｉ等のコストがより低い基板に切り換える可能性も考慮されるべきである。
以上、２Ｄスラブ型フォトニック結晶の説明において、開示される実施形態を説明した。しかし、上記実施形態の各々は、３Ｄフォトニック結晶、特に積層型の３Ｄフォトニック結晶においても採用され、既存の半導体大量生産インフラストラクチャ及び技術と互換性がある。詳細は以下の文献を参照。Ｋ.Ｍ.Ｈｏ、Ｃ.Ｔ.Ｃｈａｎ、Ｃ.Ｍ.Ｓｏｕｋｏｕｌｉｓ、Ｒ.Ｂｉｓｗａｓ及びＭ.Ｓｉｇａｌａｓの文献である。「Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄ ｇａｐｓ ｉｎ ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ: ｎｅｗ ｌａｙｅｒ-ｂｙ-ｌａｙｅｒ ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」。Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｏｍｍｕｎ. ８９，４１３（１９９４年）。並びにＳ.Ｙ.Ｌｉｎ他の文献である。「Ａ ｔｈｒｅｅ-ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ａｔ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓ」。Ｎａｔｕｒｅ ３９４，２５１-３（１９９８年）。Ｓ.Ｏｇａｗａ、Ｍ.Ｉｍａｄａ、Ｓ.Ｙｏｓｈｉｍｏｔｏ、Ｍ.Ｏｋａｎｏ、Ｓ.Ｎｏｄａの文献である。「Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｂｙ ３Ｄ ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ」。Ｓｃｉｅｎｃｅ ３０５，２２７（２００４年）。デバイスの性能の点から、３Ｄフォトニック結晶の設計は、いくつかの利点を有する。
３Ｄフォトニック結晶の設計が有する１つの利点は、光源キャビティ及びバスライン導波路の双方に対する光封じ込め特性である。この点に関して、２Ｄスラブフォトニック結晶デバイスの光封じ込め特性は、意図的な及び意図的でないパターンの不規則性による特定の幾何学的特徴の影響を受け易い。この観測は、光源キャビティの設計及び導波路の設計の双方に当てはまる。詳細は以下の文献を参照。Ｏ.Ｐａｉｎｔｅｒ、Ｋ.Ｓｒｉｎｉｖａｓａｎ、Ｊ.Ｄ.Ｏ'Ｂｒｉｅｎ、Ａ.Ｓｃｈｅｒｅｒ及びＰ.Ｄ.Ｄａｐｋｕｓの文献である。「Ｔａｉｌｏｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｍｏｄｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｎａｎｏｃａｖｉｔｉｅｓ ｉｎｔｗｏ-ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｌａｂ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ」。Ｊ. Ｏｐｔ. Ａ-Ｐｕｒｅ Ａｐｐｌ. ＯＰ. ３，Ｓ１６１（２００１年）。Ｋ.Ｓｒｉｎｉｖａｓａｎ及びＯ.Ｐａｉｎｔｅｒの文献である。「Ｍｏｍｅｎｔｕｍ ｓｐａｃｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｈｉｇｈ-Ｑ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｃａｖｉｔｉｅｓ」。Ｏｐｔ. Ｅｘｐｒｅｓｓ １０，６７０（２００２年）。Ｐｈ.Ｌａｌａｎｎｅ、Ｓ.Ｍｉａｓ及びＪ.Ｐ.Ｈｕｇｏｎｉｎの文献である。「Ｔｗｏ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｆｏｒ ｂｏｏｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｔｏ ｃａｖｉｔｙ ｖｏｌｕｍｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｉｅｓ）」。Ｏｐｔ. Ｅｘｐｒｅｓｓ １２，４５８（２００４年）。並びにＷａｎ Ｋｕａｎｇ他の文献である。「Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ Ｏｕｔ-ｏｆ-Ｐｌａｎｅ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｏｓｓ ｆｏｒ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ-Ｃｒｙｓｔａｌ Ｓｌａｂ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ」。Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２８(１９)、１７８１-３（２００３年）。Ｓ.Ｈｕｇｈｅｓ他の文献である。「Ｅｘｔｒｉｎｓｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｌｏｓｓ ｉｎ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ:」。「Ｒｏｌｅ ｏｆ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｄｉｓｏｒｄｅｒ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｎ Ｇｒｏｕｐ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ」。Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ ９４，０３３９.３（２００５年）。そのような脆弱性の原因となる本質的な理由は、２Ｄスラブフォトニック結晶が空間的な全ての３軸方向に完全なフォトニックのバンドギャップを有することができないためである。真性３Ｄフォトニック結晶のみが完全な３Ｄバンドギャップを提供でき、ＥＭ場の完全な３Ｄ制御を示す。
３Ｄフォトニック結晶の設計が有する第２の利点は、電気的注入方法を導入する方法に柔軟性があることである。３Ｄフォトニック結晶の設計において、エピタキシャル方向（すなわち、半導体基板に垂直の方向）に電気的注入を行う構成は、通常、図１２に示される側方から注入する構成と比較してより多くの選択肢を有する。３Ｄフォトニック結晶において、金属要素による過度の光吸収損失を回避するために、電極は、活性領域の真上に導入され、金属電極とＥＭ場が最大である領域との間の垂直方向の距離を維持できる。
これらの２つの利点に関して、インコヒーレントに結合された光アレイの代表的な実施形態が図４３に示される。図４４は、図４３の分解斜視図である。
図４３及び図４４を参照すると、光源アレイは、３Ｄフォトニック結晶の３Ｄボリューム３１１を含む。ここで、３Ｄフォトニック結晶は、スラブの層を積み重ねることにより形成される積層型のフォトニック結晶である。各スラブは、平面内に周期的な構造を有する。図４４において、１つの層４０１の非周期的なストリップ３０１は、殆どの場合、発光又はレーザに対してフォトニック結晶のマイクロキャビティを形成する。
図４５は、図４３の構造における様々な層を示す横断面図である。層４０２は、バスライン導波路が埋め込まれる受動半導体層である。フォトニック結晶の（光源を形成する）マイクロキャビティ３０１は、能動層４０１内に形成される。能動層４０１は、電極３０９と基板３０６との間に配される。絶縁層３０５は、能動層４０１内の光源３０１に集中的に電気的注入を行うための絶縁アパーチャを有する。層３０５のそのような絶縁／導電パターンは、イオン注入、（適切な物質に対する）湿式／乾式酸化及び選択領域成長等の標準的な半導体処理技術により形成される。
例えば、ＡｌＡｓの（絶縁層３０５に対する）予め規定されたの境界は、メサ構造構成において使用されてもよい。この構成において、湿式酸化が予め規定されたの境界の一側面から開始され、中心に向かって伝播し、伝播が停止する場所に非酸化中央ポストを残す。そして、フォトニック結晶のマイクロキャビティは、絶縁部分に対応して、ＡｌＡｓの非酸化ポストと位置合わせされる。
金属コンタクト電極３０９を３Ｄボリューム３１１の上に載せることにより、３Ｄボリューム３１１へ順方向に電気的注入を行うことができる。バスライン導波路３０２に収集される光出力は、バスライン導波路３０２の任意の部分から実質的に出力されるように導かれる。例えば、縦モードの出力は、従来の独立型のＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）と同様に、多くの応用例において非常に有用である。３Ｄボリューム３１１には、Ｐ型にドーピングされた層３１１Ａ及びＮ型にドーピングされた層３１１Ｂが更に含まれる。ＰＮ接合は、能動層４０１に配される。このような構成では、Ｎ型にドーピングされた層３１１Ｂが典型的なＮ型基板３０６の真上にあるため、図１２等の２Ｄスラブの設計で議論されたような従来の構成型のＮ／Ｐシーケンスを有さない。
更に、単一モードバスライン導波路は、ウッドパイル型格子を形成する個々のロッドを除去することにより必然的に空心で形成される。２Ｄスラブの実施形態において議論されたエアギャップに対する技術的な作業は、３Ｄフォトニック結晶において必要ない。そのような３Ｄフォトニック結晶の導波路の設計の多くは、空心の導波路において単一モード帯域幅が１０ｎｍより大きくなることが共通の現象として議論されている他の文献において提案され且つ実証されてきた。詳細は以下の文献を参照。Ｍ.Ｏｋａｎｏ他の文献である。「Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ ａ ｐｏｉｎｔ-ｄｅｆｅｃｔ ｃａｖｉｔｙ ａｎｄ ａ ｌｉｎｅ-ｄｅｆｅｃｔ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｉｎ ｔｈｒｅｅ-ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ」。Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ ６８，２３５１１０（２００３年）。Ｃ.Ｓｅｌｌ他の文献である。「Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｉｎ ｔｈｒｅｅ-ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｌａｙｅｒ-ｂｙ-ｌａｙｅｒ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌｓ」。Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ８４(２３)、４６０５-７（２００４年）。Ｚ.Ｙ.Ｌｉ及びＫａｉ-Ｍｉｎｇ Ｈｏの文献である。「Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｉｎ ｔｈｒｅｅ-ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｌａｙｅｒ-ｂｙ-ｌａｙｅｒ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌｓ」。Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ Ｂ、２０(５)、８０１-９（２００３年）。
光源を個々にアドレス指定することは、各光源の周りに深い溝を形成することにより、２Ｄスラブにおける実施形態と同様の方法で実装される。光クロストークのない隣接する光源間の最小距離は、先に説明した方法と同様の方法で評価される。更に、能動層４０１の能動物質の処理技術が乾式酸化等の電気的絶縁処理と互換性がある場合、電気絶縁層３０５は能動層４０１に組み合わされる。能動層４０１及び絶縁層３０５を組み合わせることにより、能動層の電気的注入（電流封じ込め）を維持しつつ、製造過程の複雑性が減少する。
一例として、ウッドパイル型結晶の単一欠陥キャビティにより捕獲される局在キャビティモードは、平面波に基づく伝達行列法（ＴＭＭ）により計算された。光キャビティは、図４６の線により描かれるように、半導体ロッドの一部分を除去することにより形成される。図４６において、等高線は、電界分布がキャビティの近くで局在化されていることを示す。そのキャビティモードの共振周波数及びＱ値は、図４７に示すように平面波に基づくＴＭＭにより計算された。
本実施形態の３Ｄ構造は、直列抵抗分布、放熱分布等の詳細な部分において２Ｄ構造の実施形態と異なるが、２Ｄ構造の実施形態において要約された全ての有益な効果と同様の効果を実質的に有する。更に、３Ｄフォトニック結晶のマイクロキャビティは、第２の実施形態で述べたような完全な３Ｄバンドギャップを有するために、２Ｄスラブフォトニック結晶マイクロキャビティと比較して、自然放出に対する強い効果が予想される。
２Ｄの実施形態と比較して追加の自由度があるので、３Ｄの実施形態は、光源３０１、導波路３０２、電流制御層３０５等の位置を配置する際に追加の柔軟性を有する。完全な３Ｄバンドギャップの存在のために、３Ｄの実施形態は、デバイスの自然放出に対してより高い制御度を有することができ、それによりシステムの効率を実質的に増加できる。
図４８〜図５０は、３Ｄフォトニック結晶の設計の更に別の実施形態に対応する構成を示す。図４８を参照すると、導波路の両側に整列される光源が図示される。導波路の両側に光源ユニット１００１を整列させることにより、より多くの光源ユニット１００１が導波路の所定の長さに適合され、それら光源ユニット１００１は電気的注入金属コンタクトを共有できる。本実施形態は、より高い集積密度をもたらすと考えられる。
更に、光源ユニット１００１の間に必要とされる間隔が減少されるため、光源ユニット１００１の間のクロストークは容易に防止される。例えば、ＧａＡｓ「ウッドパイル型」フォトニック結晶が基本的な構成物質として使用される場合、隣接する光源キャビティ間の間隔は、１０，０００のオーダーで見積もられた結合Ｑを用いれば、８周期の長さより大きくする必要があると見積もられる。すなわち、〜１０，０００の結合Ｑに対する適切な距離が８周期の長さである場合、各要素光源と導波路との間の結合Ｑは、１，０００よりかなり大きくする必要がある。
図４９は、導波路が垂直出力を有するように湾曲する本発明の別の実施形態を示す。本実施形態において、導波路３０２は、導波路が垂直方向に湾曲する受動導波路の湾曲部分１１０２を含む。出口ポート１１０３は、導波路３０２の中において導波路の湾曲部分１１０２の下流側に形成される。
その結果、光出力は、垂直放出等の出力に対して種々のオプションを実現するために平面内だけでなく平面外にも導かれる。ここで、出力は垂直放出に限定されない。上述のように、（導波路において収集された）光出力は、導波路の任意の点から実質的に出力されるように導かれる。図４９は、導波路が電極のアパーチャ領域に向けて上向きに形成されてもよいことを示す。しかし、導波路は、光出力を平面内に導くように構成され、チップ上の他のデバイスを駆動するか又は他のデバイスと組み合わされる。導波路を適切に構成することにより、導波路の任意の点から光出力を実質的に出力できる。
図５０を参照すると、本発明の代表的な実施形態による複数のサブアレイの出力導波路が結合されたフォトニックデバイスが図示される。尚、本実施形態は、上述の２Ｄ及び３Ｄフォトニック結晶構成の双方に適用される。
先の実施形態では、接続される全ての光源から光出力を収集する１つのバスライン導波路の使用について開示した。上述のように、直接的にモノリシック製造が許容される１ｎｍの利得帯域幅に５つの光源を配置することが実用上可能である。典型的な量子井戸、自由空間の光学系において許容される帯域幅、及び人間の目の色識別能力に対して、１０ｎｍの総帯域幅が実用的である。換言すると、共振周波数が重なり合わないように、
５（光源／ｎｍ）×１０（ｎｍ利得帯域幅）＝５０光源
を１つのバスライン導波路に沿って積み重ねることが可能である。従って、個々の光源が５ｍワット（ＣＷ）の光出力を出力できる場合、アレイ全体は、２５０ｍワット（ＣＷ）の光出力を出力できる。スペクトル的及び空間的な純度を有するそのような出力は、典型的なデータプロジェクタ及びＬＢＰの応用例に対して十分であると考えられる。しかし、各光源に対する単一モードの要求と、色純度に対して総帯域幅が１０ｎｍに限定されていることとを考慮すると、その電力レベルを更に増加することは困難だろう。従って、図５０に示される実施形態は、総帯域幅を１０ｎｍ内に保持しつつ、より高い総出力に対して設計を提供するために導入される。
図５０において、（例えば、各サブアレイから２５０ｍワットを放出する）複数のサブアレイは、方向性結合器等の無反射の導波路コンバイナと組み合わされる。そのようなフォトニック結晶の導波路コンバイナは、適切な設計を行えば、実際にゼロ反射及びゼロクロストークを示すようにすることができる。従って、様々なサブアレイにおける光源は、光クロストークが生じないように波長を重ね合わせることができる。尚、光源を不安定にする自己フィードバックが存在しないように、合成接合はゼロ反射であるのが好ましい。そのような接合設計は重要な問題であるが、完全な光制御及びフォトニック結晶の形状における柔軟性により、フォトニック結晶の導波路においていくつかの成功した実証が存在する。例えば、方向性結合器のカスケードが使用されている。詳細は以下の文献を参照。Ｆ.Ｃｕｅｓｔａ-Ｓｏｔｏ他の文献である。「Ａｌｌ-ｏｐｔｉｃａｌ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｃｏｕｐｌｅｒ」。Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １２(１)、１６１-７（２００４年）。
特定の例である実施形態に関して本発明を説明した。本発明は、上に記載した実施形態に限定されないことが理解される。例えば、色光源装置は、データプロジェクタ及びレーザビームプリンタにおける使用に限定されない。更に、本発明の趣旨の範囲から逸脱せずに、種々の変更及び変形が当業者により行なわれてもよい。
典型的なＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）とカラーホイールとを用いたカラー投影システムの構造及び光源を示す図である。 ３つのＬＣＤ（液晶ディスプレイ）パネルを含む構成に基づく典型的な３パネル式カラー投影システムの構造及び光源を示す図である。 ３パネル式カラー投影システムの別の構成を示す図である。 典型的なポリゴンビームスキャン式ＬＢＰ（レーザビームプリンタ）の構造を示す図である。 本発明の代表的な実施形態に従ってフォトニック結晶の媒体におけるフォトニック結晶光源のアレイの埋め込みを示す図である。 ５つのキャビティの光分離を示す正方格子２Ｄフォトニック結晶に基づく光学系を示す図である。 図６の５つのキャビティの各々において測定されたＥＭ場のスペクトルを示すグラフである。 １つの周波数が０．３７７４であるような異なる共振周波数をそれぞれのマイクロキャビティが有する場合にマイクロキャビティ間で発生するクロストークの低減を示す図である。 １つの周波数が０．３７７４であるような異なる共振周波数をそれぞれのマイクロキャビティが有する場合にマイクロキャビティ間で発生するクロストークの低減を示す図である。 ２つの周波数が０．３４５９及び０．３５５９であるような異なる共振周波数をそれぞれのマイクロキャビティが有する場合にマイクロキャビティ間で発生するクロストークの低減を示す図である。 ２つの周波数が０．３４５９及び０．３５５９であるような異なる共振周波数をそれぞれのマイクロキャビティが有する場合にマイクロキャビティ間で発生するクロストークの低減を示す図である。 ２つ以上のマイクロキャビティが同様の周波数又は共通の周波数で発振する例を示す図である。 ２つ以上のマイクロキャビティが同様の周波数又は共通の周波数で発振する例を示す図である。 本発明の代表的な実施形態に従って、フォトニック結晶の２Ｄスラブにおけるマイクロキャビティの電気的注入に対する構成を示す図である。 本発明の代表的な実施形態に従って、フォトニック結晶の２Ｄスラブにおけるマイクロキャビティの電気的注入に対する別の構成を示す図である。 図１２の正面側の横断面図である。 本発明の別の実施形態に従って、マイクロキャビティが非平行に導波路の両側に整列され、密な実装アレイを形成する図５の別の構成を示す上面図である。 空気及びＡｌＯｘクラッディングを含む３００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰスラブに埋め込まれた量子井戸の縦モードの光閉じ込め係数を推定する１Ｄ有限差分計算を示すグラフである。 推定された線形形状のフォトニック結晶のキャビティに対するバルク抵抗モデルを示す透視図である。 図１６の透視図の主電流パスを示す図である。 本発明の代表的な実施形態に従って、構造Ａに対応するフォトニック結晶のレーザ構成を示す図である。 本発明の代表的な実施形態に従って、構造Ａに対応するフォトニック結晶のレーザ構成を示す図である。 本発明の代表的な実施形態に従って、構造Ｂに対応するフォトニック結晶のレーザ構成を示す図である。 本発明の代表的な実施形態に従って、構造Ｂに対応するフォトニック結晶のレーザ構成を示す図である。 本発明の代表的な実施形態に従って、構造Ｂに対応するフォトニック結晶のレーザ構成を示す図である。 構造Ａ及びＢの電気的注入に対するＦＥＭシミュレーションの結果を示すグラフである。 構造Ｂに対応する電流分布を示す図である。 構造Ｂに対応する電流分布を示す図である。 本発明の代表的な実施形態に従って、ギャップとして形成された導波路（すなわち、エアギャップバスライン導波路）を有するフォトニック結晶デバイスを示す図である。 エアギャップバスライン導波路を含む構造に対して２Ｄ−ＦＤＴＤシミュレーションを実行する例を示す図である。 システムが１５７．４ＴＨｚで動作する場合の図２３のシミュレーションに対応するＥＭ場のスナップショットを示す図である。 システムが１４７．６ＴＨｚで動作する場合の図２３のシミュレーションに対応する別のＥＭ場のスナップショットを示す図である。 ＬＢＰに対する露光閾値を超える露光領域とレーザダイオードの増加電力との関係を示す図である。 レーザダイオードにおける光出力と注入電流との間の大きな傾き依存性を示す図である。 各要素レーザダイオードのオン／オフを制御することにより実現される出力レベルの「段階」的な制御を示す図である。 本発明の代表的な実施形態に従って、互いに電気絶縁されるフォトニック結晶のレーザの埋め込みを示す図である。 平行に配置されたレーザを含む図２９と同様の構成を示す図である。 より密な実装アレイを示す図２９の上面図である。 エアギャップ遮断導波路を使用するレーザの分離を示す図である。 エアギャップ遮断導波路を使用することにより光応答が存在しないことを示す図である。 エアギャップ遮断導波路を使用することにより光応答が存在しないことを更に示す図である。 大きな空間を間にして隣接するレーザキャビティの間の結合を示す図である。 小さな空間を間にして隣接するレーザキャビティの間の結合を示す図である。 最隣接の要素間の共振周波数（すなわち、波長の逆数）の差を増加することにより、隣接するキャビティ間のクロストークを低減する構成方法を示す図である。 本発明の一実施形態によるマルチモード導波路を示す上面図である。 本発明の別の実施形態による低損失のオフセット導波路を示す上面図である。 本発明の更に別の実施形態によるテーパ状の遮断導波路を示す上面図である。 図４０のテーパ状の遮断導波路の分散関係を示すグラフである。 本発明の更に別の実施形態による個々のレーザと導波路との間に配される追加の共振キャビティ結合器を示す上面図である。 本発明の代表的な実施形態に従って、３Ｄフォトニック結晶におけるインコヒーレントに結合されたレーザアレイを示す図である。 図４３の構造を示す分解斜視図である。 図４３の構造の異なる層を示す横断面図である。 半導体ロッドの一部分を除去することにより形成される光キャビティを示す図である。 平面波に基づくＴＭＭを使用して計算される図４６のキャビティモードのＱ値及び共振周波数を示すグラフである。 本発明の一実施形態に従って、３Ｄフォトニック結晶における導波路の両側に整列されるレーザを示す上面図である。 本発明の別の実施形態に従って、導波路が垂直出力を有するように湾曲するフォトニックデバイスを示す透視図である。 本発明の代表的な実施形態に従って、複数のサブアレイの出力導波路が結合されたフォトニックデバイスを示す上面図である。

Claims (25)

  1. 活性領域を有し且つフォトニック結晶構造の欠陥により形成されるキャビティを備えた複数の光源と、
    前記活性領域を備えておらず、且つ前記複数の光源から出力される光を導波する共通導波路と、
    前記複数の光源のそれぞれに対応した複数の第１の電極と、
    第２の電極とを有し、
    前記共通導波路の少なくとも一方の側に、前記複数の第１の電極が設けられており、前記複数の第１の電極は、互いにギャップによって電気的に分離されており、前記第１の電極と前記第２の電極の間の電気的な特性を変えることにより前記複数の光源の前記活性領域からの放射が誘導され、前記複数の光源の前記活性領域からそれぞれ放射された光は前記共通導波路に結合されて前記共通導波路から出力されることを特徴とする色光源装置。
  2. 前記第１の電極と前記第２の電極の間にクラッド層を有することを特徴とする請求項１に記載の色光源装置。
  3. 前記複数の光源は第１の光源と第２の光源を含み、前記第１の光源は第１の周波数で単一モードの放射をし、前記第２の光源は第２の周波数で単一モードの放射をすることを特徴とする請求項１に記載の色光源装置。
  4. 前記第１の周波数と前記第２の周波数は異なることを特徴とする請求項３に記載の色光源装置。
  5. 前記フォトニック結晶構造は上部の層と下部の層を有し、前記上部の層に前記第１の電極が構成され、前記下部の層に前記第２の電極が構成されていることを特徴とする請求項１に記載の色光源装置。
  6. 前記上部の層はｎ型にドーピングされた層であり、前記下部の層はｐ型にドーピングされた層であることを特徴とする請求項５に記載の色光源装置。
  7. 順方向のバイアスは、前記第１の電極および前記第２の電極を介して前記光源の活性領域に誘導されることを特徴とする請求項６に記載の色光源装置。
  8. 前記光源はレーザダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の色光源装置。
  9. 前記光源はＬＥＤであることを特徴とする請求項１に記載の色光源装置。
  10. 前記共通導波路は、周期的な構造を有さないストリップに対応することを特徴とする請求項１に記載の色光源装置。
  11. 前記第１の電極および前記第２の電極は、前記第１の光源に対応する第１の光源の電極と、前記第２の光源に対応する第２の光源の電極を含むことを特徴とする請求項３に記載の色光源装置。
  12. 前記第１の光源の電極の電気的な動作は、前記第２の光源の電極の電気的な動作とは独立していることを特徴とする請求項１１に記載の色光源装置。
  13. 前記第１の光源の電極および前記第２の光源の電極は、絶縁破壊電圧が高い物質により互いに隔離されていることを特徴とする請求項１２に記載の色光源装置。
  14. 前記第１の光源の電極および前記第２の光源の電極は真空によって互いに隔離されていることを特徴とする請求項１２に記載の色光源装置。
  15. 前記第１の光源の電極および前記第２の光源の電極は空気によって互いに隔離されていることを特徴とする請求項１２に記載の色光源装置。
  16. 前記第１の光源の前記第２の光源に対する光クロストーク強度をｐ１とし、Ｑ１を前記第１の光源のＱ値としたとき、
    １/ｐ１≧１０×Ｑ１
    を満たすことを特徴とする請求項３に記載の色光源装置。
  17. 前記第２の光源の前記第１の光源に対する光クロストーク強度をｐ２とし、Ｑ２を前記第２の光源のＱ値としたとき、
    １/ｐ２≧１０×Ｑ２
    を満たすことを特徴とする請求項３に記載の色光源装置。
  18. 前記複数の光源は、隣り合う光源から放射される光の周波数の差が大きくなるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の色光源装置。
  19. 前記光源の活性領域は量子井戸であることを特徴とする請求項１に記載の色光源装置。
  20. 前記共通導波路に対応する前記領域は不活性化された量子井戸であることを特徴とする請求項１に記載の色光源装置。
  21. 請求項１に記載の少なくとも２つの色光源装置と、合成するための結合器とを含み、前記合成するための結合器は、接続するための領域において前記少なくとも２つの色光源装置の全ての共通導波路に接続され、前記少なくとも２つの色光源装置の前記共通導波路は、前記接続するための領域から離れた位置に配置されることを特徴とする色光源のシステム。
  22. 請求項１に記載の少なくとも１つの色光源装置を利用し、前記少なくとも１つの色光源装置からの光を投影するための光学系を含むことを特徴とするデータプロジェクタ。
  23. 請求項１に記載の少なくとも１つの色光源装置を利用し、前記少なくとも１つの色光源装置から放出された光を感光ドラムに集束するミラーおよびレンズを含むことを特徴とするレーザビームプリンタ。
  24. 前記少なくとも１つの色光源の出力は、前記複数の光源を独立して制御することによりデジタル的に制御できることを特徴とする請求項２２に記載のデータプロジェクタ。
  25. 前記少なくとも１つの色光源の出力は、前記複数の光源を独立して制御することによりデジタル的に制御できることを特徴とする請求項２３に記載のレーザビームプリンタ。
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