JP4748646B2 - フォトニック結晶レーザおよび光伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、フォトニック結晶レーザおよび光伝送システムに関する。

近年盛んに研究開発が行われてきている２次元フォトニック結晶レーザは、フォトニック結晶に光を閉じ込めレーザ発振させる発光素子で、微小化が可能なことと、高密度アレイ化が容易なことから、チップ間、チップ内、ボード間、ボード内、ＬＡＮ内の光伝送用光源のほか、極微小光回路、光集積回路、光電融合集積回路の光源としての応用が期待されている。

広い応用が望めることから、基板と垂直方向に光を出力させる面発光型のものが多く検討されている。

この面発光素子の１つとして、特許文献１，特許文献２に示されているように、広い面積に電流を注入し、広い領域の活性層で発生した光を、近接するフォトニック結晶で回折，帰還，増幅し、レーザ発振させる回折型２次元フォトニック結晶面発光レーザが知られている。なお、この種の回折型２次元フォトニック結晶面発光レーザは、当初、ＩｎＰ基板上に作製したＩｎＧａＡｓＰ活性層を持つ素子で発振が確認され、次に、ＧａＡｓ基板上に作製したＩｎＧａＡｓ活性層を持つ素子でも発振が実現されている。
特開２０００−３３２３５１号公報 特開２００３−２７３４５３号公報

しかしながら、上述した従来の回折型２次元フォトニック結晶面発光レーザは、上部電極が平面状に広がり、発振光は上部電極の端（電極端）から出力される。このため電極の直下のフォトニック結晶から垂直方向に放射される光の多くは金属からなる電極材料に吸収されるため、発振させるための閾値が高くなり、また、電力の利用効率も低くなるという問題があった。

本発明は、垂直放射光の上部電極での吸収を少なくし、低い閾値電流で発振させることができ、電力利用効率も高めることの可能なフォトニック結晶レーザおよび光伝送システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、基板上に、下部クラッド層と、発光層と、上部クラッド層と、上部電極とを順次備え、下部クラッド層と上部クラッド層との間のいずれかの層中又は層の界面に、高屈折率材料からなる高屈折率領域と高屈折率領域よりも小さい屈折率をもつ低屈折率孔とにより構成される２次元フォトニック結晶構造を備え、基板と下部クラッド層との間のいずれかの層に接続される下部電極を備えるフォトニック結晶レーザにおいて、基板と下部クラッド層との間に下部半導体分布多層膜反射鏡を備え、上部クラッド層と上部電極との間に上部半導体分布多層膜反射鏡を備え、上部電極が設けられていない領域に、または、光出力用に設けられた上部電極の開口部に、反射率の小さい低反射率構造を備えていることを特徴としている。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のフォトニック結晶レーザにおいて、前記発光層は、下部ガイド層と、活性層と、上部ガイド層とからなり、２次元フォトニック結晶構造の低屈折率孔は、下部ガイド層，上部ガイド層のいずれかに設けられていることを特徴としている。

また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載のフォトニック結晶レーザにおいて、２次元フォトニック結晶構造を構成する層として、又は、２次元フォトニック結晶構造を構成する層に隣接して、高抵抗領域と導電性領域とからなり発光層への電流の経路を制限する電流経路制限層を備え、高抵抗領域の膜面に平行な断面形状が、低屈折率孔の膜面に平行な断面形状を含むように配置されることを特徴としている。

また、請求項４記載の発明は、請求項３記載のフォトニック結晶レーザにおいて、前記電流経路制限層は、下部ガイド層と下部クラッド層との界面、又は、上部ガイド層と上部クラッド層との界面に設けられていることを特徴としている。

また、請求項５記載の発明は、請求項３または請求項４記載のフォトニック結晶レーザにおいて、前記電流経路制限層の導電性領域はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．９５＜ｘ≦１）層からなり、前記電流経路制限層の高抵抗領域はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層を酸化した領域からなっていることを特徴としている。

また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のフォトニック結晶レーザにおいて、発光層の活性層には、ＧａＩｎＮＡｓ系材料が含まれていることを特徴としている。

また、請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のフォトニック結晶レーザを発光デバイスとして備えていることを特徴とする光伝送システムである。

請求項１乃至請求項６記載の発明によれば、基板上に、下部クラッド層と、発光層と、上部クラッド層と、上部電極とを順次備え、下部クラッド層と上部クラッド層との間のいずれかの層中又は層の界面に、高屈折率材料からなる高屈折率領域と高屈折率領域よりも小さい屈折率をもつ低屈折率孔とにより構成される２次元フォトニック結晶構造を備え、基板と下部クラッド層との間のいずれかの層に接続される下部電極を備えるフォトニック結晶レーザにおいて、基板と下部クラッド層との間に下部半導体分布多層膜反射鏡を備え、上部クラッド層と上部電極との間に上部半導体分布多層膜反射鏡を備え、上部電極が設けられていない領域に、または、光出力用に設けられた上部電極の開口部に、反射率の小さい低反射率構造を備えており、上部半導体分布多層膜反射鏡（上部半導体ＤＢＲ）と下部半導体分布多層膜反射鏡（下部半導体ＤＢＲ）が設けられていることによって、上下電極での吸収を少なくし、発光部に光を戻すことができ、さらに、発振光（放射光）は、低反射率構造から出力され、この際、上部電極での吸収が少ない構造となっているので、低い閾値電流で発振させることができ、電力利用効率も高めることができる。

特に、請求項２記載の発明では、請求項１記載のフォトニック結晶レーザにおいて、前記発光層は、下部ガイド層と、活性層と、上部ガイド層とからなり、２次元フォトニック結晶構造の低屈折率孔は、下部ガイド層，上部ガイド層のいずれかに設けられており、積層膜構成がＳＣＨ構造をとるので、キャリアと光の閉じ込めが良好になる。さらに、光の強度が高いガイド層の中に低屈折率孔を設けているので、フォトニック結晶構造による光の閉じ込めの効果がより高まる。これによって、より低い閾値電流で発振し、電力利用効率がより高いフォトニック結晶レーザが得られる。

また、請求項３乃至請求項５記載の発明では、請求項１または請求項２記載のフォトニック結晶レーザにおいて、２次元フォトニック結晶構造を構成する層として、又は、２次元フォトニック結晶構造を構成する層に隣接して、高抵抗領域と導電性領域とからなり発光層への電流の経路を制限する電流経路制限層を備え、高抵抗領域の膜面に平行な断面形状が、低屈折率孔の膜面に平行な断面形状を含むように配置されており、２次元フォトニック結晶構造の周辺に電流経路制限層を設けているので、電極から注入されたキャリアの大部分は低屈折率孔から離れた場所を通る。このため、低屈折率孔の側壁でのキャリアの非発光再結合は少なくなる。よって、より一層閾値電流が低くなり、電力の利用効率もより一層高くすることができる。

すなわち、フォニック結晶レーザは、活性層近傍にエッチング等で加工された屈折率の周期構造を有するため、屈折率の周期構造の界面で格子構造が不連続となり多数の局在準位が存在し、これらの界面準位によってキャリアの再結合が大幅に増速される。このため、一般に、フォトニック結晶レーザでは、フォトニック結晶構造でのリーク電流が大きくなり、さらに発振しにくく、電力利用効率もさらに低くなる。これに対し、請求項３の発明では、２次元フォトニック結晶構造の周辺に電流経路制限層を設けているので、上述したように、フォトニック結晶構造でのキャリアの界面再結合を低減させることができる。

特に、請求項４記載の発明では、２次元フォトニック結晶構造をガイド層に設け、電流経路制限層をガイド層とクラッド層の界面に設けているので、電流経路制限層から活性層までの距離が短くなり、大部分のキャリアは低屈折率孔の側壁に達しないで活性層に達するようになる。従って、さらに閾値が低くなり、電力の利用効率もさらに高くすることができる。

また、請求項５記載の発明では、請求項３または請求項４記載のフォトニック結晶レーザにおいて、前記電流経路制限層の導電性領域はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．９５＜ｘ≦１）層からなり、前記電流経路制限層の高抵抗領域はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層を酸化した領域からなっており、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層を電流経路制限層を形成する出発層として用いる構成となっているので、電流経路制限層を簡便に高精度に形成できる。このため、上部電極から注入されキャリアの大部分は確実に低屈折率孔から離れた箇所を通る。よって、リーク電流がより小さくなるため、より高い電力利用効率で、より小さい閾値で発振するフォトニック結晶レーザが簡便な工程で作製できる。

また、請求項６記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のフォトニック結晶レーザにおいて、発光層の活性層には、ＧａＩｎＮＡｓ系材料が含まれているので、高効率で低閾値のＧａＩｎＮＡｓ系フォトニック結晶レーザを提供することができる。よって、高性能で光伝送に適用性の高い垂直に出力するレーザ光源が得られる。

また、請求項７記載の発明によれば、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のフォトニック結晶レーザを発光デバイスとして備えていることを特徴とする光伝送システムであるので、より高性能なデータ伝送システムを得ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

（第１の形態）
本発明の第１の形態は、基板上に、下部クラッド層と、発光層と、上部クラッド層と、上部電極とを順次備え、下部クラッド層と上部クラッド層との間のいずれかの層中又は層の界面に、高屈折率材料からなる高屈折率領域と高屈折率領域よりも小さい屈折率をもつ低屈折率孔とにより構成される２次元フォトニック結晶構造を備え、基板と下部クラッド層との間のいずれかの層に接続される下部電極を備えるフォトニック結晶レーザにおいて、基板と下部クラッド層との間に下部半導体分布多層膜反射鏡を備え、上部クラッド層と上部電極との間に上部半導体分布多層膜反射鏡を備え、上部電極が設けられていない領域に、または、光出力用に設けられた上部電極の開口部に、反射率の小さい低反射率構造を備えていることを特徴としている。

本発明の第１の形態では、基板上に、下部クラッド層と、発光層と、上部クラッド層と、上部電極とを順次備え、下部クラッド層と上部クラッド層との間のいずれかの層中又は層の界面に、高屈折率材料からなる高屈折率領域と高屈折率領域よりも小さい屈折率をもつ低屈折率孔とにより構成される２次元フォトニック結晶構造を備え、基板と下部クラッド層との間のいずれかの層に接続される下部電極を備えるフォトニック結晶レーザにおいて、基板と下部クラッド層との間に下部半導体分布多層膜反射鏡を備え、上部クラッド層と上部電極との間に上部半導体分布多層膜反射鏡を備え、上部電極が設けられていない領域に、または、光出力用に設けられた上部電極の開口部に、反射率の小さい低反射率構造を備えており、上部半導体分布多層膜反射鏡（上部半導体ＤＢＲ）と下部半導体分布多層膜反射鏡（下部半導体ＤＢＲ）が設けられていることによって、上下電極での吸収を少なくし、発光部に光を戻すことができ、さらに、発振光（放射光）は、低反射率構造から出力され、この際、上部電極での吸収が少ない構造となっているので、低い閾値電流で発振させることができ、電力利用効率も高めることができる。

（第２の形態）
本発明の第２の形態は、第１の形態のフォトニック結晶レーザにおいて、前記発光層は、下部ガイド層と、活性層と、上部ガイド層とからなり、２次元フォトニック結晶構造の低屈折率孔は、下部ガイド層，上部ガイド層のいずれかに設けられていることを特徴としている。

図１は、本発明の第１，第２の形態のフォトニック結晶レーザの第１の構成例を示す図である。

図１のフォトニック結晶レーザは、ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰ，ＧａＮＡｓ，Ｓｉ，Ｇｅなどの半導体基板上に、直接に又は中間層を介して、下部半導体分布多層膜反射鏡（ＤＢＲ）、下部クラッド層、発光層、上部クラッド層からなる半導体積層膜が順次積層されている。

ここで、発光層は、下部ガイド層と、活性層と、上部ガイド層とからなり、キャリア閉じ込め領域と光の閉じ込め領域とを別にするＳＣＨ構造（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）をとることが望ましい。

つまり、クラッド層は光をガイド層に閉じ込め、正，負のキャリアを活性層まで輸送する働きをする。また、活性層は、キャリアを閉じ込め、再結合により発光させ、さらには光を増幅させる働きをする。

各層の屈折率とバンドギャップの関係は、次のようになる。すなわち、
クラッド層の屈折率＜ガイド層の屈折率、
クラッド層のバンドギャップ＞ガイド層のバンドギャップ＞活性層のバンドギャップ

また、活性層／クラッド層／基板の組み合わせの例としては、次のようなものが挙げられる。
Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ／Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ／ＧａＡｓ （ｘ＞ｙ） ［0.85μｍ帯］，
ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ［0.66μｍ帯］，
ＧａＩｎＡｓ／ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ［0.98μｍ帯］，
ＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ［1.3μｍ帯，1.55μｍ帯］，
ＡｌＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ［0.65μｍ帯］，
ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ／ＩｎＰ［1.3μｍ帯，1.55μｍ帯］

また、ガイド層は、前述の関係に従い、適宜に選択される。また、活性層は、閾値電流を小さくできるので、量子井戸構造をもつことが望ましい。

クラッド層およびガイド層は、複数の層からなることもあり、この場合、活性層から離れた層の方が近い層よりも屈折率が同じか小さく、バンドギャップは同じか大きいことが望ましい。

また、半導体ＤＢＲは、半導体材料からなる高屈折率層と低屈折率層とのペアを積層した構成をとり、積層数が大きくなるほど高い反射率が得られる。各層の厚さは、
（１＋２Ｎ）λ／４ｎとなる。ここで、λは真空中での波長であり、ｎは構成層の屈折率であり、Ｎは０以上の整数である。

また、基板と下部クラッド層との間に設けられる下部半導体ＤＢＲは、上部に積層するクラッド層と活性層が高い結晶品質を必要とするので、エピタキシャル成長膜からなることが望ましい。

半導体ＤＢＲの例として、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ，ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ，ＡｌＧａＮ／ＧａＮ，ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰなどの多層膜があげられる。多くの場合、不純物をドープして導電性をもたせ素子駆動電流の経路の役割も持たせる。

上記半導体積層膜の成長法としては、ＭＯＣＶＤ法（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）や、ＭＯＭＢＥ法（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）や、ＣＢＥ法（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）を用いることができる。

次に、上部クラッド層表面から多数の低屈折率孔を形成し２次元フォトニック結晶構造を作製する。

フォトニック結晶構造は、ガイド層、又は、クラッド層で、水平方向に規則的な屈折率周期構造をもつように形成し、低屈折率孔を格子点とする三角格子，正方格子，六方格子などが挙げられるが、これらに限定されない。

さらに、これらの格子は次のように設定される。
（１） 発振光の波長（λ／ｎ）と同じ長さのいくつかの屈折率周期構造をもつ。
これらの屈折率周期構造は回折格子を形成する。これらの屈折率周期構造は光路差が波長の２倍なので２次のブラッグ回折条件を満たしている。
（２） これらの屈折率周期構造は面内で互いに回転対称である。
（３） それぞれの屈折率周期構造で回折している光は互いに発振光の波長（λ／ｎ）の光路差で結合する。

図２，図３には、これらの条件を満たす三角格子と正方格子の例が示されている。

なお、低屈折率孔の底部は、上部クラッド層中に位置する場合もあるが、光の閉じ込めがより良好になるので、上部ガイド層中に位置することが望ましい。

次に、フォトニック結晶部の作製方法について述べる。

低屈折率孔の形成法は、ドライエッチング法又はウェットエッチング法をとり得るが、基板面方向の速度に対して垂直方向のエッチング速度が大きいので、ドライエッチングが好ましい。さらには、ドライエッチングの方式としては、よりエッチング異方性を大きくとれるＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング法やＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｒｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）エッチング法などの高密度プラズマ源を用いる方式が好ましい。この孔の断面形状は、閉じた形状であればよく、円形，矩形，楕円形，多角形などがとれるが、その形状は限定されない。

また、低屈折率孔の内部は、空孔である場合の他に、上部クラッド層や上部ガイド層よりも低い屈折率材料で被覆又は充填される場合がある。被覆物又は充填物は、ポリイミドなどの有機高分子物質、ＳｉＯ_２，ＳｉＯＮ，Ａｌ_ｘＯ_ｙなどの無機物質などからなる。

次に、上部半導体ＤＢＲを設ける。上部半導体ＤＢＲの例としては、不純物をドープして導電性をもたせたＡｌＡｓ／ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ，ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ，ＡｌＧａＮ／ＧａＮ，ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰなどの多層膜が挙げられる。これらは、素子駆動電流の経路の役割も持たせる。作製法としては、直接接合法，融着法，ＭＢＥ法，ＭＯＣＶＤ法，蒸着法やスパッタリング法等を用いることができる。

なお、下部半導体ＤＢＲと上部半導体ＤＢＲの層数，設置位置は、反射光が有効に発光層に戻るように調整される。実際的には、閾値と電力利用効率が高くなるように調整される。

次に、光出力を大きくするため、上部電極を設けない領域で、上部半導体ＤＢＲの層数が少ない構造や、上部半導体ＤＢＲを設けない構造や、Ｚｎなどを拡散させて上部半導体ＤＢＲを無秩序化する構造をとる低反射率構造を設ける。これらは、ドライエッチング，ウェットエッチング，熱拡散，イオンインプランテーションなどにより作製することができる。

次に、Ａｕ，Ｔｉなどからなる上部電極を、蒸着法，スパッタリング法，ＣＶＤ法等により設ける。

最後に、下部クラッド層と基板との間のいずれかに接続されるＡｕ，Ｔｉ，ＩＴＯ，Ｃｎ_２Ｏ，ＺｎＯなどからなる下部電極を設ける。これにより、図１の構成のフォトニック結晶レーザを作製することができる。

図１のフォトニック結晶レーザでは、上部電極及び下部電極から正，負のキャリアを注入し活性層で再結合させ、発光させる。活性層で発光した光は、２次元フォトニック結晶により水平方向の回折により周回することにより閉じ込められ、帰還，増幅し、レーザ発振する。同時に、発振光の一部は垂直方向にも回折され放射される。基板方向に放射された光は下部半導体ＤＢＲにより反射され発光層に戻る。また、素子表面方向に放射された光の大部分は上部半導体ＤＢＲにより反射され発光層に戻り、上部電極が設けられていない領域の低反射率構造からほとんど吸収，反射されずに出力される。

前述したように、従来の回折型２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、上部電極と下部電極は面状に広がっている。このため、垂直方向に放射された光の大部分は、上部電極と下部電極で反射，吸収されていた。このうち、吸収される光は損失となり電力利用効率を低下させていた。

これに対し、図１の構成では、上部電極が設けられていない領域を設け、この領域のところに、反射率の小さい低反射率構造を備えているので、垂直方向に放射された光の大部分は、上部電極が設けられていない領域の低反射率構造からほとんど吸収，反射されずに出力される。これにより、従来に比べて、低い閾値で発振させることができ、電力利用効率も高まる。すなわち、図１の構成では、上部半導体ＤＢＲと下部半導体ＤＢＲとが設けられていることによって、上下電極での吸収を少なくし、発光部に光を戻すことができ、さらに低反射率構造から光が出力され、この際、上部電極での吸収が少ない構造となっているので、低い閾値で発振させることができ、電力利用効率も高まる。

なお、図１の構成例（第１の構成例）では、上部電極が設けられていない領域を設けたが、これのかわりに、上部電極に光出力用の開口部を設け、光出力用の開口部に反射率の小さい低反射率構造を備えるようにしても良い。

図４は、本発明の第１，第２の形態のフォトニック結晶レーザ第２の構成例を示す図である。図４のフォトニック結晶レーザは、上部半導体ＤＢＲの一部に反射率の低い低反射率構造を設け、この低反射率構造の上の上部電極に光出力用の開口部を設けた構成となっている。それ以外の構成，作製方法は、図１に示した第１の構成例と同様である。ここで、低反射率構造は、上部半導体ＤＢＲの層数が少ない構造や、上部半導体ＤＢＲを設けない構造や、Ｚｎなどを拡散させ上部半導体ＤＢＲを無秩序化させた構造をとる。

これらの低反射率構造と上部電極の光出力用の開口部は、複数の単位格子にわたってもよい。

上部電極に光出力用の開口部を設ける方法としては、リフトオフ法，エッチング法等を用いることができる。

図４のフォトニック結晶レーザでは、上部電極及び下部電極から正，負のキャリアを注入し、活性層で再結合させ、発光させる。活性層で発光した光は、２次元フォトニック結晶により水平方向では回折により閉じ込められレーザ発振する。同時に、発振光の一部は垂直方向にも回折され放射される。基板方向に放射された光は下部半導体ＤＢＲにより反射され発光層に戻る。また、素子表面方向に放射された光は、上部電極がある領域では上部半導体ＤＢＲにより反射され発光層に戻り、低反射率構造から上部電極の光出力用の開口部を介して出力される。

このように、図４のフォトニック結晶レーザでは、低反射率構造から上部電極の光出力用の開口部を介して光出力されるので、図１のフォトニック結晶レーザの効果に加えて、さらに、複数の密集した高い出力のビ−ムが得られるという効果がある。すなわち、出力される光ビームをファイバと結合させ易いなどの効果がある。

また、本発明の第２の形態では、積層膜構成が、キャリア閉じ込め領域と光の閉じ込め領域を別にするＳＣＨ構造（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）をとるので、キャリアと光の閉じ込めが良好になる。さらに、光の強度が高いガイド層の中に低屈折率孔を設けているので、フォトニック結晶構造による光の閉じ込めの効果がより高まる。よって、より小さい閾値で発振するフォトニック結晶レーザが得られる。

（第３の形態）
本発明の第３の形態は、第１または第２の形態のフォトニック結晶レーザにおいて、２次元フォトニック結晶構造を構成する層として、又は、２次元フォトニック結晶構造を構成する層に隣接して、高抵抗領域と導電性領域とからなり発光層への電流の経路を制限する電流経路制限層を備え、高抵抗領域の膜面に平行な断面形状が、低屈折率孔の膜面に平行な断面形状を含むように配置されることを特徴としている。

（第４の形態）
本発明の第４の形態は、第３の形態のフォトニック結晶レーザにおいて、前記電流経路制限層は、下部ガイド層と下部クラッド層との界面、又は、上部ガイド層と上部クラッド層との界面に設けられていることを特徴としている。

図５，図６は、本発明の第３，第４の形態のフォトニック結晶レーザの構成例を示す図である。なお、図６は、フォトニック結晶構造中の低屈折率孔の膜面に平行な断面形状と、電流経路制限層中の高抵抗領域の膜面に平行な断面形状とを示している。

図５，図６の構成例では、半導体基板上に、下部半導体ＤＢＲ、下部クラッド層、下部ガイド層、活性層、上部ガイド層を設け、次に、上部ガイド層表面から多数の低屈折率孔を形成し、格子欠陥を含む２次元フォトニック結晶構造を作製する。ここで、低屈折率孔の底部は、上部ガイド層中に位置するように設ける。

次に、電流経路制限層を設ける。ここで、図６に示すように、電流経路制限層の高抵抗領域は、高抵抗領域の基板と平行な断面形状が、低屈折率孔の電流経路制限層への投影形状（低屈折率孔の基板と平行な断面形状）よりも大きく、低屈折率孔の投影形状を含むように配置される。電流経路制限層の高抵抗領域以外の部分は、導電性領域である。

電流経路制限層の高抵抗領域は、ＳｉＯ_２膜，ＳｉＯＮ膜，ＳｉＮ膜，Ａｌ_ｘＯ_ｙ，ＺｒＯ_２，ＴｉＯ_２等の絶縁性の酸化物膜、ＺｒＮ，ＴｉＮ等の絶縁性の窒化物、あるいは、ＨやＯで高抵抗化したＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰなどの化合物半導体からなる。

また、導電性領域は、ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＩｎＰなどの化合物半導体からなる。この導電性領域は、上部クラッド層の一部か、上部ガイド層の一部を兼ねる場合もある。

続いて、上部クラッド層、上部半導体ＤＢＲを、直接接合法，融着法，ＭＯＣＶＤ法，スパッタリング法等で設ける。このとき、上部半導体ＤＢＲの最下層の低屈折率層が上部クラッド層を兼ねる場合もある。

次に、低反射率構造を形成し、次いで、低反射率構造のところに開口部を有する上部電極を設ける。

最後に、下部クラッド層と基板の間のいずれかに接続させて下部電極を設ける。

なお、クラッド層中や上部ＤＢＲ中に電流経路制限層を設けることもできるが、後述の理由により、クラッド層とガイド層との界面に電流経路制限層を設ける構成が望ましい。

また、多くの化合物半導体は ｐ型伝導体の方がｎ型伝導体よりも移動度が小さいので、キャリアの横方向の拡散が小さい。このため、電流経路制限層を設ける個所は、ｐ型伝導構成膜中であるのが好ましい。

図５，図６の構成例では、上部電極，下部電極の各電極に電流を流すと、広い領域で少ないリーク電流で発光層に電流を注入できるようになる。よって、広い領域でより低い閾値でレーザ発振する。これにより、大面積で上部電極の開口から垂直方向に、より低い閾値のレーザ光が出力される。

このように、本発明の第３の形態では、電極から注入されたキャリアは、格子欠陥を含む２次元フォトニック結晶構造を通過し活性層に達するが、半導体層に低屈折率孔を設けて形成される２次元フォトニック結晶構造の内部、又は、近傍に高抵抗領域と導電性領域からなる電流経路制限層を設けているので、電流の大部分は低屈折率孔から離れた場所を通る。よって、２次元フォトニック結晶構造を通過するキャリアのうち低屈折率孔の側壁に達する割合は小さくなる。このため、低屈折率孔の側壁でのキャリアの非発光再結合は少なくなる。よって、より閾値電流が低くなり、電力の利用効率もより高くなる。

また、本発明の第４の形態では、２次元フォトニック結晶構造をガイド層に設け、電流経路制限層をガイド層とクラッド層との界面に設けているので、電流経路制限層がクラッド層中や上部ＤＢＲ中に設けられる場合と比較して、電流経路制限部から活性層までの距離が短くなり、大部分のキャリアは低屈折率孔の側壁に達しないで活性層に達するようになる。よって、さらに閾値が低くなり電力の利用効率もさらに高くなる。

（第５の形態）
本発明の第５の形態は、第３または第４の形態のフォトニック結晶レーザにおいて、前記電流経路制限層の導電性領域はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．９５＜ｘ≦１）層からなり、前記電流経路制限層の高抵抗領域はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層を酸化した領域からなっていることを特徴としている。

Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ （０．９５＜ｘ≦１） ［以下、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓと記す］は、水蒸気を導入した４００℃程度の熱処理で酸化し高抵抗な酸化物に変化する。なお、ｘの値は、０．９５以上であれば、酸化速度が制御可能なほどの大きさになる。

垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の電流狭窄構造の作製方法で、最も用いられている方法は、共振器近傍に設けたＡｌ（Ｇａ）Ａｓ膜の側壁を、エッチングで露出させた後、前述の条件でＡｌ（Ｇａ）Ａｓ膜を側壁壁から酸化していき高抵抗領域を形成する選択酸化法である。この第５の形態における高抵抗領域を形成するときの反応機構は、この選択酸化法の反応機構と同じである。

なお、Ａｌ（Ｇａ）ＡｓはＧａＡｓ基板上に良好にエピタキシャル成長するので、第５の形態の構成は、ＧａＡｓ上のフォトニック結晶レーザに適する。

図７は本発明の第５の形態のフォトニック結晶レーザの構成例を示す図である。図７の構成例では、ＧａＡｓ基板上に、下部半導体ＤＢＲ、下部クラッド層、下部ガイド層、活性層、上部ガイド層、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ電流経路制限層、上部クラッド層を設ける。

次に、上部クラッド層表面から多数の低屈折率孔を形成し、格子欠陥を含む２次元フォトニック結晶構造を作製する。この際、低屈折率孔の底部は、上部ガイド層中に位置するように設ける。このとき、低屈折率孔の内壁にＡｌ（Ｇａ）Ａｓ層の断面が露出する。次に、前述のＶＣＳＥＬの選択酸化と同様の条件でＡｌ（Ｇａ）Ａｓ層を酸化していく。例えば、低屈折率孔の断面が円形の場合には、酸化した高抵抗領域は、低屈折率孔と同心円に形成される。酸化時間を増やすと、近接した低屈折率孔から伸びてきた高抵抗領域が繋がる。

続いて、上部半導体ＤＢＲを設ける。このとき、上部半導体ＤＢＲの最下層の低屈折率層が上部クラッド層を兼ねる場合もある。

次に、低反射率構造を形成する。次に、低反射率構造のところに開口部を有する上部電極を設ける。

最後に、下部クラッド層と基板の間のいずれかに接続させて下部電極を設ける。

図７の構成例では、上部電極及び下部電極から正，負のキャリアを注入し、活性層で再結合させ、発光させる。活性層で発光した光は、２次元フォトニック結晶により閉じ込められ、さらに増幅され、レーザ発振する。レーザ光は、上部電極の開口部から出力される。

このように、本発明の第５の形態では、高抵抗領域は低屈折率孔と自己整合的に生成されるので、リソグラフィー工程が不要な上に、高精度に形成できる。これにより、上部電極から注入され導電性領域を通過したキャリアの大部分は、確実に低屈折率孔から離れた箇所を通る。このため、低屈折率孔の側壁でのキャリアの非発光再結合はより少なくなる。よって、簡便な工程で作製でき、リーク電流がより小さくなるため、高い電力利用効率で、より小さい閾値で発振するフォトニック結晶レーザが得られる。

（第６の形態）
本発明の第６の形態は、第１乃至第５のいずれかの形態のフォトニック結晶レーザにおいて、発光層の活性層には、ＧａＩｎＮＡｓ系材料が含まれていることを特徴としている。

ＧａＩｎＮＡｓ系材料は、ＮとＡｓを含むIII−Ｖ族混晶半導体で構成されており、具体的には、ＧａＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＰ、ＧａＮＰ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＰＡｓなどで構成される。
発振波長が１．１〜１．６μｍ程度の長波長帯半導体レーザは、発振光が石英系ファイバ中を損失少なく伝播し、Ｓｉ基板中を吸収少なく透過するので、長距離光通信網の他に、チップ間、チップ内、ボード間、ボード内、ＬＡＮ内の光伝送用光源としての適用性が特に高い。

従来、この長波長帯半導体レーザとしては、ＩｎＰ基板上に形成されるＧａＩｎＡｓＰ活性層をもつ端面発光型半導体レーザが実用化されている。しかし、このＩｎＰ基板上のＧａＩｎＡｓＰ系レーザは、温度特性が低いので、冷却装置が必要になる。

一方、ＧａＡｓ基板上に作製するＧａＩｎＮＡｓ系長波長帯レーザは、温度特性が高いため、室温環境下でＣＷ発振する。これらの利点のため、近年、ＧａＩｎＮＡｓ系長波長帯レーザは盛んに研究開発されてきている。

本発明の第６の形態は、この優れた特性をもつＧａＩｎＮＡｓ系材料を活性層にもつ２次元フォトニック結晶レーザを実現するものである。

すなわち、活性層として、ＧａＩｎＮＡｓ系材料を含む活性層を用い、前述した各構成例と同様の作製過程で、第６の形態のフォトニック結晶レーザを形成することができる。

このような構成のフォトニック結晶レーザでは、上部電極及び下部電極から正，負のキャリアを注入し、活性層で再結合させ、発光させる。活性層で発光した光は、２次元フォトニック結晶により閉じ込められ、さらに増幅され、レーザ発振する。そして、長波長帯のレーザ光が、上部電極の開口部又は上部電極が設けられていない領域から出力される。

このように、本発明の第６の形態では、高効率で低閾値のＧａＩｎＮＡｓ系フォトニック結晶レーザを得ることができる。これによって、高性能の光伝送に適用性の高い素子表面方向に垂直に出力するレーザ光源を得ることができる。

（第７の形態）
本発明の第７の形態は、第１の基板に、下部半導体ＤＢＲ、発光層を順次形成する第１の工程と、第２の基板に、上部ＤＢＲ半導体を形成する第２の工程と、第１の基板上の第１の表面、または、第２の基板上の第２の表面に、２次元フォトニック結晶構造を形成する第３の工程と、２次元フォトニック結晶構造を形成する第３の工程の後に、第１の基板上の第１の表面と第２の基板上の第２の表面とを接合する第４の工程とを含むことを特徴としている。

なお、上記の説明では省略されているが、第１の工程において、第１の基板には、下部半導体ＤＢＲと発光層との間にさらに下部クラッド層が形成され、また、上部クラッド層が、第１の工程において発光層上に形成されるか、あるいは、第２の工程において上部半導体ＤＢＲ上に形成される。

図８，図９は本発明の第７の形態のフォトニック結晶レーザの作製工程例を示す図である。この作製工程例では、図８に示すように、第１の基板上に、下部半導体ＤＢＲ、下部クラッド層、ガイド層、活性層、上部ＧａＡｓガイド層、ＡｌＡｓ電流経路制限層、第１の融着層を順次にエピタキシャル成長させ、第１の半導体積層膜を形成する。なお、ここで、第１の融着層の表面を第１の表面とする。

一方、第２の基板上に、ＧａＩｎＰ等のエッチストップ層、上部半導体ＤＢＲ層、上部クラッド層、第２の融着層を順次にエピタキシャル成長させ、第２の半導体積層膜を形成する。なお、ここで、第２の融着層の表面を第２の表面とする。

続いて、第１の表面にレジストを塗布し、ＥＢ直接描画し、ドライエッチング法を用いて、フォトニック結晶構造を作製する。

次に、水蒸気を導入しながら ４００℃程度で熱処理し、低屈折率孔内壁に露出したＡｌＡｓ電流経路制限層の側壁から酸化していき、高抵抗領域を形成する。酸化されないで残ったｐ−ＡｌＡｓ電流経路制限層は導電性領域となる。

次に、第１の表面と第２の表面を重ね、加重をかけながら真空中で４２０℃から６５０℃の熱処理を行うことにより、第１の表面と第２の表面を接合する。次に、第２の半導体積層膜側の基板（第２の基板）を研磨とエッチングで除去し、ＧａＩｎＰ層を露出させる。続いて、ＨＣｌ／Ｈ_２Ｏ液でＧａＩｎＰ層を除去し、上部半導体ＤＢＲを露出させる。次に、ドライエッチングにより所定の箇所の上部半導体ＤＢＲを除去し、低反射率構造を形成する。続いて、この低反射率構造の上にレジストパターンを形成し、上部電極を蒸着した後、リフトオフ，ＦＩＢエッチング等により低反射率構造上に上部電極の開口を形成する。最後に、第１の基板の裏面に、下部電極を設ける。

これにより、図９に示すようなフォトニック結晶レーザを作製することができる。

なお、上記作製工程例の他に、第１の半導体積層膜は同じで、第２の半導体積層膜側に電流経路制限層とフォトニック結晶構造をもつ場合や、融着工程までは上記作製工程例と同じで、次に第１の基板を除去する方法などもある。

このように、本発明の第７の形態は、ウェハ融着法を用いる製造方法であるので、フォトニック結晶上に半導体膜を再成長させる必要がなくなり、ＤＢＲを含む全ての半導体膜をエピタキシャル成長膜とすることができる。また、フォトニック結晶構造の低屈折率孔の内部に充填物がない状態になるので、高屈折率領域との屈折率差が大きくなり、発振光の閉じ込めが強まる。以上より、より低閾値で電力利用効率も高いフォトニック結晶レーザが得られる。

（第８の形態）
本発明の第８の形態は、第１乃至第６のいずれかの形態のフォトニック結晶レーザを発光デバイスとして備えていることを特徴とする光伝送システムである。

図１０は、本発明のフォトニック結晶レーザを備えたボード間の並列光伝送システムの一例を示す図である。図１０のシステムでは、フォトニック結晶レーザからの信号を複数の光ファイバを用いて同時に伝送する。

また、図１１は、本発明の第６の形態のＧａＩｎＮＡｓ系フォトニック結晶レーザを光源として備えたボード間のチップ間の並列空間光伝送システムの一例を示す図である。図１１の例の場合、フォトニック結晶レーザからの信号をＳｉ基板を透過して並列に光伝送する。

本発明の第８の形態では、本発明のフォトニック結晶レーザを光源として備えて光伝送システムを構成しているので、より高性能なデータ伝送システムを提供することができる。

以下、本発明の実施例を説明する。

図１２は実施例１のフォトニック結晶レーザを示す図である。図１２を参照すると、実施例１では、ＭＯＣＶＤ法で、ｎ−ＧａＡｓ単結晶（１００）基板上に、ｎ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／ｎ−ＧａＡｓ １０．５ペアからなる下部半導体ＤＢＲ、厚さ１．０μｍのｎ−Ａｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ下部クラッド層、厚さ１５０ｎｍのＧａＡｓ下部ガイド層、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ ＴＱＷ活性層、厚さ１５０μｍのＧａＡｓ上部ガイド層、厚さ２００ｎｍのｐ−Ａｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ上部クラッド層、厚さ１０ｎｍのｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓエッチングストップ層を順次にエピタキシャル成長させ、半導体積層膜を形成する。
次に、レジストを塗布し、ＥＢ直接描画し、ＩＣＰエッチング法を用い、積層膜表面の直径３５μｍの範囲内にフォトニック結晶構造を作製する。

このフォトニック結晶構造は、積層膜表面の４５μｍ×４５μｍの領域内で、格子間隔が２８７ｎｍの三角格子で、各格子点には直径１００μｍの低屈折率孔を有する。これらの低屈折率孔の底面は、上部クラッド層の上面から１５０μｍの距離に位置するようにする。

次に、ＥＢ蒸着法により、厚さ５０ｎｍのＳｉＯ_２膜を形成する。このとき、低屈折率孔はＳｉＯ_２で満たされる。次に、リソグラフィー，ＢＨＦを用いたウェットエッチングにより、直径２０μｍの領域のＳｉＯ_２膜を除去する。このとき、レジストで被覆し、低屈折率孔中のＳｉＯ_２がエッチングされないようにする。

続いて、厚さ０．２μｍのｐ−Ａｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ膜をＭＢＥ法で形成し、第２上部クラッド層とする。このｐ−ＡｌＧａＡｓ膜は、上部クラッド層が露出している面上ではエピタキシャル成長し、ＳｉＯ_２が充填された低屈折率孔の上では多結晶体となる。次いで、第２上部クラッド層上に、ｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／ｐ−ＧａＡｓ ５ペアからなる上部半導体ＤＢＲを設ける。

次に、２２μｍ×２２μｍ領域以外の上部半導体ＤＢＲと第２上部クラッド層をドライエッチングとウェットエッチングにより除去し、低反射率構造を形成する。

この上にレジストパターンを形成し、Ａｕ／ＡｕＺｎ膜を蒸着した後、リフトオフにより残った上部半導体ＤＢＲに上部電極を設ける。この上部電極は、２０μｍ×２０μｍの正方形とする。

最後に、ＧａＡｓ基板の裏面に、Ａｕ／Ｎｉ／ＡｕＧｅ下部電極を設け、図１２のフォトニック結晶レーザを作製することができる。

図１２のフォトニック結晶レーザでは、上部電極及び下部電極から、それぞれ正，負のキャリアを注入し、活性層で再結合させ、発光させる。活性層で発光した光は、２次元フォトニック結晶中で水平方向に２次の回折を行い閉じ込められ、さらに増幅されレーザ発振する。同時に垂直方向に回折され放射される。この放射された光の多くは、上部半導体ＤＢＲ，下部半導体ＤＢＲによってガイド層と活性層に戻される。光出力は、上部電極が設けられていない領域の低反射率構造から取り出される。

図１２のフォトニック結晶レーザでは、上部半導体ＤＢＲ，下部半導体ＤＢＲを設けているので、上部電極，下部電極での光の吸収が少なくなり、発光部に発振光が戻ることにより、電力の利用効率が高まり、また低い閾値で発振するようになる。

図１３は実施例２のフォトニック結晶レーザを示す図である。図１３を参照すると、実施例２では、ＭＢＥ法で、ｎ−ＧａＡｓ単結晶（１００）基板上に、ｎ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／ｎ−ＧａＡｓ １０．５ペアからなる下部半導体ＤＢＲ、厚さ０．６μｍのｎ−Ａｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ下部クラッド層、厚さ１５０ｎｍのＧａＡｓ下部ガイド層、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ ＴＱＷ活性層、厚さ１５０ｎｍのＧａＡｓ上部ガイド層、厚さ２００ｎｍのｐ−Ａｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ上部クラッド層、ｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／ｐ−ＧａＡｓ １ペアからなる上部半導体ＤＢＲを順次にエピタキシャル成長させ、半導体積層膜を形成する。

次に、レジストを塗布し、ＥＢ直接描画し、ＥＣＲエッチング法を用い、積層膜表面の直径５０μｍの範囲内にフォトニック結晶構造を作製する。このフォトニック結晶構造は、格子間隔が２８７ｎｍの正方格子で、各格子には直径１００ｎｍの低屈折率孔を有する。これらの低屈折率孔の底面は、上部ガイド層の上面から１００ｎｍの距離に位置するようにする。

次にＥＢ蒸着法により、厚さ５０ｎｍのＳｉＯ_２膜を形成する。このとき、低屈折率孔はＳｉＯ_２で満たされる。次に、リソグラフィー，ＢＨＦを用いたウェットエッチングにより、直径３６μｍの領域のＳｉＯ_２膜を除去する。このとき、レジストで被覆し、低屈折率孔中のＳｉＯ_２がエッチングされないようにする。

次に、フォトニック結晶の１０単位格子離れた格子点の上の上部半導体ＤＢＲをドライエッチングにより除去し、低反射率構造を作製する。

この低反射率構造の上にレジストパターンを形成し、Ａｕ／ＡｕＺｎ膜を蒸着した後、リフトオフにより低反射率構造上に直径４０μｍの開口をもつ上部電極を設ける。最後に、ＧａＡｓ基板の裏面に、Ａｕ／Ｔｉ／ＡｕＧｅ下部電極を設け、図１３のフォトニック結晶レーザを作製することができる。

図１３のフォトニック結晶レーザでは、上部電極及び下部電極から、それぞれ正，負のキャリアを注入すると、キャリアは活性層に達し活性層が発光する。活性層で発光した光は、ガイド層まで達する２次元フォトニック結晶で２次の回折を行い閉じ込められ、さらに増幅されレーザ発振する。レーザ光は上部電極の開口部から垂直に出力される。

実施例２のフォトニック結晶レーザでは、実施例１の作用効果にさらに次の効果が加わる。

すなわち、実施例２のフォトニック結晶レーザでは、低反射率構造上に上部電極の開口が設けられているので、上部電極の開口から、集積した高出力のレーザビームが得られる。

また、ガイド層中に低屈折率孔が設けられているので、光の閉じ込めが良くなり、より低い閾値のレーザが得られる。

図１４，図１５は実施例３のフォトニック結晶レーザを示す図である。なお、図１５は図１４の電流経路制限層の基板と平行な断面を示す図である。図１４を参照すると、実施例３では、ＭＢＥ法で、ｎ−ＧａＡｓ単結晶（１００）基板上に、ｎ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／ｎ−ＧａＡｓ １０．５ペアからなる下部半導体ＤＢＲ、厚さ０．６μｍのｎ−Ａｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ下部クラッド層、厚さ１５０ｎｍのＧａＡｓ下部ガイド層、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ ＴＱＷ活性層、厚さ１５０ｎｍのＧａＡｓ上部ガイド層、厚さ３０ｎｍのｐ−ＡｌＡｓ電流経路制限層、厚さ３００μｍのｐ−Ａｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ上部クラッド層、ｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／ｐ−ＧａＡｓ １ペアからなる上部半導体ＤＢＲを順次にエピタキシャル成長させ、半導体積層膜を形成する。

次に、レジストを塗布し、ＥＢ直接描画し、ＥＣＲエッチング法を用い、積層膜表面の直径５０μｍの範囲内にフォトニック結晶構造を作製する。このフォトニック結晶構造は、格子間隔が４３９ｎｍの三角格子で、各格子には直径１００ｎｍの低屈折率孔を有する。これらの低屈折率孔の底面は、上部ガイド層の上面から１００ｎｍの距離に位置するようにする。

次に、水蒸気を導入しながら４００℃程度で熱処理し、低屈折率孔内壁に露出したｐ−ＡｌＡｓ電流経路制限層の側壁から酸化していき、外径が３５０ｎｍの高抵抗領域を形成する。酸化されないで残ったｐ−ＡｌＡｓ電流経路制限層は導電性領域となる。

次に、ＥＢ蒸着法により、厚さ５０ｎｍのＳｉＯ_２膜を形成する。このとき、低屈折率孔はＳｉＯ_２で満たされる。次にリソグラフィー，ＢＨＦを用いたウェットエッチングにより、直径３６μｍの領域のＳｉＯ_２膜を除去する。このとき、レジストで被覆し、低屈折率孔中のＳｉＯ_２がエッチングされないようにする。

次に、フォトニック結晶の１０単位格子離れた格子点の上の上部半導体ＤＢＲをドライエッチングにより除去し、低反射率構造を作製する。

この低反射率構造の上に、レジストパターンを形成し、Ａｕ／ＡｕＺｎ膜を蒸着した後、リフトオフにより低反射率構造上に直径４０μｍの開口をもつ上部電極を設ける。最後に、ＧａＡｓ基板の裏面に、Ａｕ／Ｔｉ／ＡｕＧｅ下部電極を設け、図１４のフォトニック結晶レーザを作製することができる。

図１４のフォトニック結晶レーザでは、上部電極及び下部電極から、それぞれ正，負のキャリアを注入すると、キャリアはＡｌＡｓの酸化により形成された高抵抗領域ため経路が制限されて活性層に達し、活性層が発光する。活性層で発光した光は、ガイド層まで達する２次元フォトニック結晶で２次の回折を行い閉じ込められ、さらに増幅されレーザ発振する。レーザ光は上部電極の開口部から垂直に出力される。

実施例３のフォトニック結晶レーザでは、実施例２の作用効果にさらに次の効果が加わる。

すなわち、実施例３のフォトニック結晶レーザでは、低屈折率孔の上部に広がっている高抵抗領域の存在のため電流経路が制限され、低屈折率孔に達するキャリアが少なくなり、低屈折率孔の側壁でのキャリアの非発光再結合はより少なくなる。よって、リーク電流が少なく、より小さい閾値で発振し、より電力利用効率よく出力される。

また、実施例３のフォトニック結晶レーザでは、ガイド層とクラッド層の境界に電流経路制限層が設けられているので、大部分のキャリアが低屈折率孔の側壁に達する前に活性層に達するので、非発光再結合によるリーク電流がより少なくなる。

また、実施例３では、電流経路制限層の導電性領域がＡｌＡｓ層からなり、高抵抗領域はＡｌＡｓを酸化した層からなっているので、電流経路制限層を精度よく形成することができ、確実に、非発光再結合によるリーク電流が小さくなり、小さい閾値で発振するようになる

また、実施例３では、活性層にＧａＩｎＮＡｓ系材料を含んでいるので、光伝送に適用性の高いＧａＩｎＮＡｓ系フォトニック結晶レーザを得ることができる。

図１６は実施例４のフォトニック結晶レーザを示す図である。なお、図１６の電流経路制限層の基板と平行な断面は図１５と同様のものとなる。図１６を参照すると、実施例４では、先ず、ＭＯＣＶＤ法で、ｎ−ＧａＡｓ単結晶（１００）基板上に、ｎ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／ｎ−ＧａＡｓ １０．５ペアからなる下部半導体ＤＢＲ、厚さ０．６μｍのｎ−Ａｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ下部クラッド層、厚さ１５０ｎｍのＧａＡｓ下部ガイド層、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ ＴＱＷ活性層、厚さ１５０ｎｍのＧａＡｓ上部ガイド層、厚さ３０ｎｍのｐ−ＡｌＡｓ電流経路制限層、厚さ３００ｎｍのｐ−Ａｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ上部クラッド層、厚さ１０ｎｍのｐ−ＧａＡｓ融着層を順次にエピタキシャル成長させ、第１の半導体積層膜を形成する。

一方、ＭＯＣＶＤ法で、ｎ−ＧａＡｓ単結晶（１００）基板上に、厚さ０．５μｍのＧａＩｎＰエッチストップ層、５．５ペアのｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／ｐ−ＧａＡｓ上部半導体ＤＢＲ層を順次にエピタキシャル成長させ、第２の半導体積層膜を形成する。この上部半導体ＤＢＲ層の最表面のｐ−ＧａＡｓ層の厚さは通常より１０ｎｍ薄くし１００ｎｍとする。これは前記第１の半導体積層膜のｐ−ＧａＡｓ融着層との融着後に合計でλ／４ｎの厚さにするためである。

続いて、第１の半導体積層膜にレジストを塗布し、ＥＢ直接描画し、ＩＣＰエッチング法を用い、積層膜表面の直径５０μｍの範囲内にフォトニック結晶構造を作製する。

このフォトニック結晶構造は、積層膜表面の直径５０μｍの領域内で、格子間隔が４３９ｎｍの三角格子で、各格子点には直径１００ｎｍの低屈折率孔を有する。これらフォトニック結晶構造の低屈折率孔の底面が、上部ガイド層の上面から１００ｎｍの距離に位置するようにする。

次に、水蒸気を導入しながら４００℃程度で熱処理し、低屈折率孔内壁に露出したｐ−ＡｌＡｓ電流経路制限層の側壁から酸化していき、外径が３５０ｍの高抵抗領域を形成する。酸化されないで残ったｐ−ＡｌＡｓ電流経路制限層は導電性領域となる。

次に、真空中で４５０℃の熱処理を行うことにより、第１の半導体積層膜のｐ−ＧａＡｓ融着層と第２の半導体積層膜の上部半導体ＤＢＲ層の最表面のｐ−ＧａＡｓ層を融着する。

次に、第２の半導体積層膜側のＧａＡｓ基板を研磨とＨ_２ＳＯ_４／Ｈ_２Ｏ_２／Ｈ_２Ｏ液を用いたエッチングで除去し、ＧａＩｎＰ層を露出させる。続いて、ＨＣｌ／Ｈ_２Ｏ液でＧａＩｎＰ層を除去し、ｐ−ＧａＡｓ ＤＢＲ層を露出させる。次に、この直径５０μｍのｐ−ＧａＡｓ ＤＢＲ層を残し、周辺を下部クラッド層までドライエッチングにより除去する。続いて、フォトニック結晶の１０単位格子離れた格子点の上の上部半導体ＤＢＲをドライエッチングにより除去し、低反射率構造を作製する。

この低反射率構造の上にレジストパターンを形成し、Ａｕ／ＡｕＺｎ膜を蒸着した後、リフトオフにより低反射率構造上に直径４０μｍの開口をもつ上部電極を設ける。最後に、ＧａＡｓ基板の裏面に、Ａｕ／Ｔｉ／ＡｕＧｅ下部電極を設ける。

実施例４のフォトニック結晶レーザも、実施例３のフォトニック結晶レーザと同様の動作をする。

実施例４のフォトニック結晶レーザでは、実施例３の作用効果にさらに次の効果が加わる。

すなわち、実施例４では、ウェハ融着法によりフォトニック結晶上部半導体ＤＢＲ部を接合しているので、再成長が不要となり、欠陥による吸収と散乱がない高品質の半導体ＤＢＲを得ることができる。このため、閾値電流がより低くなり、電力利用効率も高まる。また、フォトニック結晶構造の低屈折率孔の内部が減圧状態になるので、高屈折率領域との屈折率差が大きくなり、発振光の閉じ込めが強まる。このため、閾値電流がさらに低くなり、電力利用効率もさらに高まるので、連続発振がより容易になる。

本発明は、光集積回路，光電融合回路などに利用可能である。

本発明の第１，第２の形態のフォトニック結晶レーザの第１の構成例を示す図である。 三角格子の例を示す図である。 正方格子の例を示す図である。 本発明の第１，第２の形態のフォトニック結晶レーザの第２の構成例を示す図である。 本発明の第３，第４の形態のフォトニック結晶レーザの構成例を示す図である。 本発明の第３，第４の形態のフォトニック結晶レーザの構成例を示す図である。 本発明の第５の形態のフォトニック結晶レーザの構成例を示す図である。 本発明の第７の形態のフォトニック結晶レーザの作製工程例を示す図である。 本発明の第７の形態のフォトニック結晶レーザの作製工程例を示す図である。 本発明のフォトニック結晶レーザを備えたボード間の並列光伝送システムの一例を示す図である。 本発明の第６の形態のＧａＩｎＮＡｓ系フォトニック結晶レーザを光源として備えたボード間のチップ間の並列空間光伝送システムの一例を示す図である。 実施例１のフォトニック結晶レーザを示す図である。 実施例２のフォトニック結晶レーザを示す図である。 実施例３のフォトニック結晶レーザを示す図である。 実施例３のフォトニック結晶レーザを示す図である。 実施例４のフォトニック結晶レーザを示す図である。

Claims (7)

1. 基板上に、下部クラッド層と、発光層と、上部クラッド層と、上部電極とを順次備え、下部クラッド層と上部クラッド層との間のいずれかの層中又は層の界面に、高屈折率材料からなる高屈折率領域と高屈折率領域よりも小さい屈折率をもつ低屈折率孔とにより構成される２次元フォトニック結晶構造を備え、基板と下部クラッド層との間のいずれかの層に接続される下部電極を備えるフォトニック結晶レーザにおいて、基板と下部クラッド層との間に下部半導体分布多層膜反射鏡を備え、上部クラッド層と上部電極との間に上部半導体分布多層膜反射鏡を備え、上部電極が設けられていない領域に、または、光出力用に設けられた上部電極の開口部に、反射率の小さい低反射率構造を備えていることを特徴とするフォトニック結晶レーザ。
2. 請求項１記載のフォトニック結晶レーザにおいて、前記発光層は、下部ガイド層と、活性層と、上部ガイド層とからなり、２次元フォトニック結晶構造の低屈折率孔は、下部ガイド層，上部ガイド層のいずれかに設けられていることを特徴とするフォトニック結晶レーザ。
3. 請求項１または請求項２記載のフォトニック結晶レーザにおいて、２次元フォトニック結晶構造を構成する層として、又は、２次元フォトニック結晶構造を構成する層に隣接して、高抵抗領域と導電性領域とからなり発光層への電流の経路を制限する電流経路制限層を備え、高抵抗領域の膜面に平行な断面形状が、低屈折率孔の膜面に平行な断面形状を含むように配置されることを特徴とするフォトニック結晶レーザ。
4. 請求項３記載のフォトニック結晶レーザにおいて、前記電流経路制限層は、下部ガイド層と下部クラッド層との界面、又は、上部ガイド層と上部クラッド層との界面に設けられていることを特徴とするフォトニック結晶レーザ。
5. 請求項３または請求項４記載のフォトニック結晶レーザにおいて、前記電流経路制限層の導電性領域はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．９５＜ｘ≦１）層からなり、前記電流経路制限層の高抵抗領域はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層を酸化した領域からなっていることを特徴とするフォトニック結晶レーザ。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のフォトニック結晶レーザにおいて、発光層の活性層には、ＧａＩｎＮＡｓ系材料が含まれていることを特徴とするフォトニック結晶レーザ。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のフォトニック結晶レーザを発光デバイスとして備えていることを特徴とする光伝送システム。

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