JP4968959B2 - フォトニック結晶および該フォトニック結晶を用いた面発光レーザ - Google Patents
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Description
本発明は、フォトニック結晶および該フォトニック結晶を用いた面発光レーザに関する。
近年、フォトニック結晶を半導体レーザに適用した例が多く報告されている。特許文献１には、発光材料を含む活性層を設け、その活性層の近傍に２次元フォトニック結晶を形成した半導体発光デバイス（面発光レーザ）が記載されている。これは分布帰還型（ＤＦＢ）レーザの一種である。この２次元フォトニック結晶には、半導体層に円柱状の空孔が周期的に設けられ、屈折率の分布が２次元的な周期性を持っている。
この周期性により、活性層で生成される光が共振し、定在波を形成してレーザ発振する。また、１次回折により面垂直方向に光が取り出され、面発光レーザとして動作する。
この周期性により、活性層で生成される光が共振し、定在波を形成してレーザ発振する。また、１次回折により面垂直方向に光が取り出され、面発光レーザとして動作する。
また、特許文献２には、前記特許文献１とは異なる構成のフォトニック結晶面発光レーザが開示されている。
これは垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の一種と言えるもので、共振器を構成する一対のミラーのうち少なくとも片方が周期構造（フォトニック結晶）により構成されている。
フォトニック結晶に面外から入射する光のうち、特定の波長の光はＧＲ（Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）という共振現象を起こし、高い反射率で反射される（非特許文献１参照）。
つまり、ここではフォトニック結晶は高い反射率を持つミラーとして動作している。
これは垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の一種と言えるもので、共振器を構成する一対のミラーのうち少なくとも片方が周期構造（フォトニック結晶）により構成されている。
フォトニック結晶に面外から入射する光のうち、特定の波長の光はＧＲ（Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）という共振現象を起こし、高い反射率で反射される（非特許文献１参照）。
つまり、ここではフォトニック結晶は高い反射率を持つミラーとして動作している。
Ｖ．Ｌｏｕｓｓｅ他：Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．８，ｐ．１５７５（２００４）
上記した従来例のフォトニック結晶面発光レーザでは、いずれのものもフォトニック結晶における共振現象を利用しているが、これらのものは以下のような課題を有している。すなわち、上記特許文献１および特許文献２のものでは、均一なフォトニック結晶が使用されていることから、フォトニック結晶全面で同じように共振が起こることとなり、レーザ発振領域を空間的に制御することが難しくなる。
レーザ発振領域を空間的に制御するためには、共振効率を空間的に制御する必要がある。具体的には、レーザ発振させたい領域は共振効率を高くし、レーザ発振させたくない領域は共振効率を低くしなければならない。
レーザ発振領域を空間的に制御するためには、共振効率を空間的に制御する必要がある。具体的には、レーザ発振させたい領域は共振効率を高くし、レーザ発振させたくない領域は共振効率を低くしなければならない。
一方、上記の課題とは別に、フォトニック結晶のサイズが有限の場合には、共振した光が横方向（面内方向）に漏れてしまうという課題が生じる。
この光の漏れを低減するためには、レーザ発振領域の周囲の領域も、レーザ発振領域と同一波長で共振効果を有していることが望ましい。
上記２つの課題を同時に解決するために、フォトニック結晶の共振波長をずらすことなく共振効率を空間的に変調できるような構造が望まれていた。
この光の漏れを低減するためには、レーザ発振領域の周囲の領域も、レーザ発振領域と同一波長で共振効果を有していることが望ましい。
上記２つの課題を同時に解決するために、フォトニック結晶の共振波長をずらすことなく共振効率を空間的に変調できるような構造が望まれていた。
そこで、本発明は、上記課題に鑑み、共振効率を空間的に制御することができると共に、横方向の光漏れを低減させることが可能となるフォトニック結晶、それを用いた面発光レーザを提供することを目的とする。
本発明のフォトニック結晶は、
基本的周期構造に欠陥が導入され、波長λの光を反射する第１の領域と、
欠陥が導入されていない前記基本的周期構造を備えると共に、前記波長λの光を反射する第２の領域とを有し、
前記第２の領域は前記フォトニック結晶の中央部に配置されると共に、前記第１の領域は該第２の領域の周囲に配置され、
前記波長λに関して、前記第１の領域の反射率は、前記第２の領域の反射率よりも低いことを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記波長λで共振する面発光レーザであって、
上記したフォトニック結晶を含み構成される第１の反射ミラーと、
前記第１の反射ミラーと対向して配置されている第２の反射ミラーと、
前記第１の反射ミラーと前記第２の反射ミラーとの間に配置されている活性層とを有することを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記第２の反射ミラーが上記したいずれかに記載のフォトニック結晶を含み構成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、上記したいずれかに記載のフォトニック結晶を含み構成される光共振層と、
前記光共振層と光学的に結合できる位置に配置されている活性層とを有することを特徴とする。
基本的周期構造に欠陥が導入され、波長λの光を反射する第１の領域と、
欠陥が導入されていない前記基本的周期構造を備えると共に、前記波長λの光を反射する第２の領域とを有し、
前記第２の領域は前記フォトニック結晶の中央部に配置されると共に、前記第１の領域は該第２の領域の周囲に配置され、
前記波長λに関して、前記第１の領域の反射率は、前記第２の領域の反射率よりも低いことを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記波長λで共振する面発光レーザであって、
上記したフォトニック結晶を含み構成される第１の反射ミラーと、
前記第１の反射ミラーと対向して配置されている第２の反射ミラーと、
前記第１の反射ミラーと前記第２の反射ミラーとの間に配置されている活性層とを有することを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記第２の反射ミラーが上記したいずれかに記載のフォトニック結晶を含み構成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、上記したいずれかに記載のフォトニック結晶を含み構成される光共振層と、
前記光共振層と光学的に結合できる位置に配置されている活性層とを有することを特徴とする。
本発明によれば、共振効率を空間的に制御することができると共に、横方向の光漏れを低減させることが可能となるフォトニック結晶、それを用いた面発光レーザを実現することができる。
つぎに、本発明を実施するための形態について説明する。
［第１の実施形態］
第１の実施形態として、本発明を適用したフォトニック結晶について説明する。
図１に、本発明の第１の実施形態におけるフォトニック結晶を説明する模式図を示す。
１０００は第１の部材１０１０に複数の孔１０１５を設けて構成されるフォトニック結晶層であり、１０２０は基板である。
フォトニック結晶層１０００の中央付近には均一なフォトニック結晶領域（第２の領域１０４０）があり、その周囲には孔を埋めることで周期性を乱した部分を含む領域（第１の領域１０３０）がある。
このように基本的周期構造に周期を乱した部分を一般に欠陥と呼び、欠陥が複数配置されている領域を欠陥領域と呼ぶ。
本実施形態に係るフォトニック結晶は、図１に記載したフォトニック結晶層１０００の面外から入射する光１０５０を反射するように設計される。
すなわち、入射光の波長λに対して共振（ＧＲ：Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を生じるように設計される。
この場合、フォトニック結晶１０００の面外から入射した光１０５０は、フォトニック結晶内を導波するモードと結合し、その後、放射モードと結合することにより外部に放射される。
特定の波長においては、ほぼ１００％の反射率を示し、ミラーとして機能する。
［第１の実施形態］
第１の実施形態として、本発明を適用したフォトニック結晶について説明する。
図１に、本発明の第１の実施形態におけるフォトニック結晶を説明する模式図を示す。
１０００は第１の部材１０１０に複数の孔１０１５を設けて構成されるフォトニック結晶層であり、１０２０は基板である。
フォトニック結晶層１０００の中央付近には均一なフォトニック結晶領域（第２の領域１０４０）があり、その周囲には孔を埋めることで周期性を乱した部分を含む領域（第１の領域１０３０）がある。
このように基本的周期構造に周期を乱した部分を一般に欠陥と呼び、欠陥が複数配置されている領域を欠陥領域と呼ぶ。
本実施形態に係るフォトニック結晶は、図１に記載したフォトニック結晶層１０００の面外から入射する光１０５０を反射するように設計される。
すなわち、入射光の波長λに対して共振（ＧＲ：Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を生じるように設計される。
この場合、フォトニック結晶１０００の面外から入射した光１０５０は、フォトニック結晶内を導波するモードと結合し、その後、放射モードと結合することにより外部に放射される。
特定の波長においては、ほぼ１００％の反射率を示し、ミラーとして機能する。
ここで、フォトニック結晶に欠陥を導入することで共振効率（反射率）を変調することができる。
本実施形態における孔１０１５の周期配列中に欠陥を含んだフォトニック結晶を説明する模式図を示す。
図３（ａ）は欠陥無し、図３（ｂ）は２周期に１つ、図３（ｃ）は３周期に１つ、図３（ｄ）は４周期に１つの割合で欠陥を導入した構造である。
この場合、欠陥はフォトニック結晶における周期構造中に周期的に配置されているものとしている。
各構造のユニットセル３０００を図３中に実線の四角形で示した。
ユニットセルとは、その繰り返しにより周期構造を構成する最小単位のことである。
ユニットセルは孔や欠陥などの要素より構成されている。欠陥の密度が疎になるほどユニットセルのサイズが大きくなる。
欠陥が周期的に配置されている場合、欠陥が導入された構造（図３（ｂ）から（ｄ））のユニットセル（第１のユニットセル）の面積は、欠陥が無い構造（図３（ａ））のユニットセル（第２のユニットセル）の面積の整数倍になる。
本実施形態における孔１０１５の周期配列中に欠陥を含んだフォトニック結晶を説明する模式図を示す。
図３（ａ）は欠陥無し、図３（ｂ）は２周期に１つ、図３（ｃ）は３周期に１つ、図３（ｄ）は４周期に１つの割合で欠陥を導入した構造である。
この場合、欠陥はフォトニック結晶における周期構造中に周期的に配置されているものとしている。
各構造のユニットセル３０００を図３中に実線の四角形で示した。
ユニットセルとは、その繰り返しにより周期構造を構成する最小単位のことである。
ユニットセルは孔や欠陥などの要素より構成されている。欠陥の密度が疎になるほどユニットセルのサイズが大きくなる。
欠陥が周期的に配置されている場合、欠陥が導入された構造（図３（ｂ）から（ｄ））のユニットセル（第１のユニットセル）の面積は、欠陥が無い構造（図３（ａ））のユニットセル（第２のユニットセル）の面積の整数倍になる。
図２に、本実施形態におけるフォトニック結晶の反射スペクトルのグラフを示す。ここには、欠陥を導入する密度を変えた場合の反射スペクトル変化が示されている。
図２（ａ）は欠陥無し、図２（ｂ）は２周期に１つ、図２（ｃ）は３周期に１つ、図２（ｄ）は４周期に１つの割合で欠陥を導入した構造の反射スペクトル計算結果である。図３（ａ）から（ｄ）の構造にそれぞれ対応する。
欠陥が無い場合（図２（ａ））には、共振波長においてピーク反射率がほぼ１００％に達する。
これに対して、図２（ｂ）から（ｄ）の中で欠陥が導入される密度が最も疎とされている図２（ｄ）の密度状態から、最も密とされている図２（ｂ）の密度状態になるほどピーク反射率が小さくなる。
これにより、欠陥の密度を制御することで任意の反射率を実現することができ、欠陥密度を空間的に変調することで共振効率（反射率）を空間的に変調することも可能になる。
図２（ａ）は欠陥無し、図２（ｂ）は２周期に１つ、図２（ｃ）は３周期に１つ、図２（ｄ）は４周期に１つの割合で欠陥を導入した構造の反射スペクトル計算結果である。図３（ａ）から（ｄ）の構造にそれぞれ対応する。
欠陥が無い場合（図２（ａ））には、共振波長においてピーク反射率がほぼ１００％に達する。
これに対して、図２（ｂ）から（ｄ）の中で欠陥が導入される密度が最も疎とされている図２（ｄ）の密度状態から、最も密とされている図２（ｂ）の密度状態になるほどピーク反射率が小さくなる。
これにより、欠陥の密度を制御することで任意の反射率を実現することができ、欠陥密度を空間的に変調することで共振効率（反射率）を空間的に変調することも可能になる。
また、図３（ａ）から（ｄ）の構造では、基本構造（欠陥以外の要素の形状および大きさ）は同一である。ここで、基本構造が同一であるとは、形状および大きさが完全に同一
であるだけでなく、作製誤差等によって非同一になる場合も含む。すなわち、本実施形態の効果が奏する範囲で非同一であってもよい。
このように基本構造を同一とした場合、共振（ＧＲ：Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）の起こる波長は欠陥の密度によらずほぼ一定に保たれることが図２（ａ）から（ｄ）より読み取れる。
これらを利用すれば、フォトニック結晶の共振波長をずらすことなく共振効率を空間的に変調できる構造を実現できる。
例えば、基本構造が略同一の周期構造による、中央部の領域（発光領域）とその周囲に配置された欠陥が導入された領域とを備えたフォトニック結晶を構成することにより、共振波長をずらすことなく共振効率を空間的に変調できる構造を実現することができる。
具体的には、図１に示すように中央付近に欠陥の無い領域（第２の領域１０４０）を、その周囲に欠陥領域（第１の領域１０３０）を配置すれば、中央付近と周囲の共振波長をずらさずに共振効率（反射率）だけを空間的に制御することができる。
この場合は第２の領域１０４０で反射率が高く、第１の領域１０３０で反射率が低くなる。
であるだけでなく、作製誤差等によって非同一になる場合も含む。すなわち、本実施形態の効果が奏する範囲で非同一であってもよい。
このように基本構造を同一とした場合、共振（ＧＲ：Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）の起こる波長は欠陥の密度によらずほぼ一定に保たれることが図２（ａ）から（ｄ）より読み取れる。
これらを利用すれば、フォトニック結晶の共振波長をずらすことなく共振効率を空間的に変調できる構造を実現できる。
例えば、基本構造が略同一の周期構造による、中央部の領域（発光領域）とその周囲に配置された欠陥が導入された領域とを備えたフォトニック結晶を構成することにより、共振波長をずらすことなく共振効率を空間的に変調できる構造を実現することができる。
具体的には、図１に示すように中央付近に欠陥の無い領域（第２の領域１０４０）を、その周囲に欠陥領域（第１の領域１０３０）を配置すれば、中央付近と周囲の共振波長をずらさずに共振効率（反射率）だけを空間的に制御することができる。
この場合は第２の領域１０４０で反射率が高く、第１の領域１０３０で反射率が低くなる。
ここで、第１の領域は第２の領域と同一波長で共振を起こすので、第２の領域から横方向に漏れる光を低減する効果を有する。
第２の領域周囲にフォトニック結晶が無い場合や、格子形状や格子定数を変えた場合、孔の形状や大きさを変えた場合には共振そのものが起こらなかったり、共振波長がずれたりするので、上記のような効果は有しない。
以上、欠陥がフォトニック結晶における周期構造中に周期的に配置されているとした場合の結果を示したが、欠陥を非周期的に配置した場合でも同様の効果が期待できる。
例えば、欠陥を含まない周期構造から成る第４の領域の周囲に、欠陥が非周期的に導入された第３の領域が配置されている場合がある。非周期的な配置の具体例としては、ランダムに欠陥を配置する場合や、同心円状に欠陥を配置する場合が考えられる。
第２の領域周囲にフォトニック結晶が無い場合や、格子形状や格子定数を変えた場合、孔の形状や大きさを変えた場合には共振そのものが起こらなかったり、共振波長がずれたりするので、上記のような効果は有しない。
以上、欠陥がフォトニック結晶における周期構造中に周期的に配置されているとした場合の結果を示したが、欠陥を非周期的に配置した場合でも同様の効果が期待できる。
例えば、欠陥を含まない周期構造から成る第４の領域の周囲に、欠陥が非周期的に導入された第３の領域が配置されている場合がある。非周期的な配置の具体例としては、ランダムに欠陥を配置する場合や、同心円状に欠陥を配置する場合が考えられる。
欠陥の形状としては、孔の一部に樹脂等を充填した構造でもよいし、周期構造を形成する要素（図１の場合は孔）の形状や大きさを変調して形成した構造であってもよい。
要素の大きさがゼロである場合（つまり孔を有していない部分が欠陥となる場合）も含む。
ここで特記しておきたいことは、本発明は欠陥モードを利用したものではないという点である。
従来、フォトニック結晶に欠陥を導入して共振器等に利用した例はあるが、それらは欠陥によって新たに生じるモード、いわゆる欠陥モード（不純物準位のようなもの）を利用したものである。
本発明のものは、欠陥を導入しなくても存在するモードを利用しているという点で、それらとは異なる。
要素の大きさがゼロである場合（つまり孔を有していない部分が欠陥となる場合）も含む。
ここで特記しておきたいことは、本発明は欠陥モードを利用したものではないという点である。
従来、フォトニック結晶に欠陥を導入して共振器等に利用した例はあるが、それらは欠陥によって新たに生じるモード、いわゆる欠陥モード（不純物準位のようなもの）を利用したものである。
本発明のものは、欠陥を導入しなくても存在するモードを利用しているという点で、それらとは異なる。
図１１に、フォトニックバンドにおける欠陥モードの一例を説明する図を示す。
図中に実線１１０１で示したバンドが欠陥モードである。
このモードは、フォトニック結晶中に周期性の乱れ（欠陥）を導入することで出現する。点線で示したバンドは、欠陥を導入しなくても存在するモード（以後、このようなモードを「主モード」と呼ぶ）である。
なお、１１０２で示した周波数帯域はフォトニックバンドギャップと呼ばれ、主モードが存在しない（つまり欠陥を導入しない場合は光が存在できない）帯域である。
欠陥モードを使用する場合、欠陥の密度によって共振波長が大きく変化してしまう。
本発明者らの検討によれば、欠陥の密度が疎になるにつれて欠陥モードの共振（ＧＲ：Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）波長は長波長側にシフトしてしまう。
それを本来狙う波長に合わせるためには、フォトニック結晶の格子定数や孔径をより小さ
く作る必要があるので、作製が難しくなってしまう。
本実施形態のものでは主モードを利用しているので、前述したように共振波長は欠陥の密度によらずほぼ一定に保たれる。
したがって、欠陥モードを利用した場合のような作製上のデメリットは生じない。
図中に実線１１０１で示したバンドが欠陥モードである。
このモードは、フォトニック結晶中に周期性の乱れ（欠陥）を導入することで出現する。点線で示したバンドは、欠陥を導入しなくても存在するモード（以後、このようなモードを「主モード」と呼ぶ）である。
なお、１１０２で示した周波数帯域はフォトニックバンドギャップと呼ばれ、主モードが存在しない（つまり欠陥を導入しない場合は光が存在できない）帯域である。
欠陥モードを使用する場合、欠陥の密度によって共振波長が大きく変化してしまう。
本発明者らの検討によれば、欠陥の密度が疎になるにつれて欠陥モードの共振（ＧＲ：Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）波長は長波長側にシフトしてしまう。
それを本来狙う波長に合わせるためには、フォトニック結晶の格子定数や孔径をより小さ
く作る必要があるので、作製が難しくなってしまう。
本実施形態のものでは主モードを利用しているので、前述したように共振波長は欠陥の密度によらずほぼ一定に保たれる。
したがって、欠陥モードを利用した場合のような作製上のデメリットは生じない。
第１の部材が有する屈折率としては、例えば、その屈折率が１．２から４．０の範囲である。
具体的な材料としては、Ｓｉ、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＧａＡｓ、ＡｌxＧａ1-xＡｓ、ＡｌＡｓ、ＧａＮ、ＡｌxＧａ1-xＮ、ＡｌＮ、ＩｎＰなどである。
フォトニック結晶層に設けられている孔の断面形状は円、三角、四角などである。
また、格子形状としては、四角格子や三角格子などがある。
第１の部材の厚さは、光の導波モードや作製条件等を考慮して決定される。例えば、１０ｎｍから１０μｍの範囲である。
具体的な材料としては、Ｓｉ、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＧａＡｓ、ＡｌxＧａ1-xＡｓ、ＡｌＡｓ、ＧａＮ、ＡｌxＧａ1-xＮ、ＡｌＮ、ＩｎＰなどである。
フォトニック結晶層に設けられている孔の断面形状は円、三角、四角などである。
また、格子形状としては、四角格子や三角格子などがある。
第１の部材の厚さは、光の導波モードや作製条件等を考慮して決定される。例えば、１０ｎｍから１０μｍの範囲である。
［第２の実施形態］
第２の実施形態として、本発明のフォトニック結晶を用いた垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）について説明する。
図４は、ＶＣＳＥＬの構成に関して、その断面図を模式的に示したものである。図４において、４０５０は基板、４０００は下部反射ミラー（例えば、多層膜ミラーからなる。）、４０２１は下部クラッド層、４９００は活性層、４０２０は上部クラッド層である。
１０１０は、フォトニック結晶層１０００を構成する第１の部材である。１０１５は第１の部材１０１０中に周期的に設けられた孔である。
なお、フォトニック結晶１０００に関しては、実施形態１で説明した技術事項が適用される。
第２の実施形態として、本発明のフォトニック結晶を用いた垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）について説明する。
図４は、ＶＣＳＥＬの構成に関して、その断面図を模式的に示したものである。図４において、４０５０は基板、４０００は下部反射ミラー（例えば、多層膜ミラーからなる。）、４０２１は下部クラッド層、４９００は活性層、４０２０は上部クラッド層である。
１０１０は、フォトニック結晶層１０００を構成する第１の部材である。１０１５は第１の部材１０１０中に周期的に設けられた孔である。
なお、フォトニック結晶１０００に関しては、実施形態１で説明した技術事項が適用される。
ＶＣＳＥＬ型の面発光レーザにおいては、活性層４９００において発生する光を上下のミラーで反射させ、活性層で増幅することによりレーザ発振が実現される。
活性層における発光波長は、活性層の材料や層構成により決まる。
フォトニック結晶における共振波長が当該発光波長に対応するように設計することで、フォトニック結晶は上部反射ミラーとして作用する。
このように、上記第１の実施形態において説明したフォトニック結晶１０００を、図４のように、下部反射ミラー４０００に対向して配置される上部反射ミラーとして用いることで、ＶＣＳＥＬ型の面発光レーザを実現できる。
活性層における発光波長は、活性層の材料や層構成により決まる。
フォトニック結晶における共振波長が当該発光波長に対応するように設計することで、フォトニック結晶は上部反射ミラーとして作用する。
このように、上記第１の実施形態において説明したフォトニック結晶１０００を、図４のように、下部反射ミラー４０００に対向して配置される上部反射ミラーとして用いることで、ＶＣＳＥＬ型の面発光レーザを実現できる。
ここで、フォトニック結晶に導入する欠陥の密度を制御することで共振波長λに対する反射率を空間的に変調でき、レーザ発振するモードを制御することができる。
具体的には、例えばフォトニック結晶中央付近には欠陥を導入せず、その周囲に欠陥を導入すれば、中央付近の反射率を周囲より高くすることができ、高次横モードを抑制して基本横モードだけ発振しやすくすることができる。
欠陥を導入しない領域の大きさは、基本横モードや高次横モードのスポットサイズを考慮して決定される。
例えば、直径１μｍから１００μｍの範囲である。欠陥を導入する領域の大きさは、スポットサイズやデバイス全体のサイズにより決定される。例えば、直径２μｍから２００μｍの範囲である。
なお、下部反射ミラーは、つぎのような材料による多層膜ミラーを用いる。
例えば、ＡｌxＧａ1-xＡｓ／Ａｌx’Ｇａ1-x’Ａｓ、ＧａＮ／ＡｌxＧａ1-xＮ、ＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-y／Ｉｎx'Ｇａ1-x'Ａｓy'Ｐ1-y'などの多層膜ミラーを用いる。もちろん、第１の実施形態に示すようなフォトニック結晶を適用することもできる。
具体的には、例えばフォトニック結晶中央付近には欠陥を導入せず、その周囲に欠陥を導入すれば、中央付近の反射率を周囲より高くすることができ、高次横モードを抑制して基本横モードだけ発振しやすくすることができる。
欠陥を導入しない領域の大きさは、基本横モードや高次横モードのスポットサイズを考慮して決定される。
例えば、直径１μｍから１００μｍの範囲である。欠陥を導入する領域の大きさは、スポットサイズやデバイス全体のサイズにより決定される。例えば、直径２μｍから２００μｍの範囲である。
なお、下部反射ミラーは、つぎのような材料による多層膜ミラーを用いる。
例えば、ＡｌxＧａ1-xＡｓ／Ａｌx’Ｇａ1-x’Ａｓ、ＧａＮ／ＡｌxＧａ1-xＮ、ＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-y／Ｉｎx'Ｇａ1-x'Ａｓy'Ｐ1-y'などの多層膜ミラーを用いる。もちろん、第１の実施形態に示すようなフォトニック結晶を適用することもできる。
つぎに、本実施形態の垂直共振器型面発光レーザにおける活性層、クラッド層、基板、
等について説明する。
活性層４９００は、例えばＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＮ／ＩｎＧａＮなどの材料を用いた多重量子井戸構造である。
クラッド層４０２１は、例えば、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＮなどである。
基板４０５０は、例えば、ＧａＡｓ、ＧａＮなどである。
本実施形態に係る面発光レーザにおいては、光励起方式、あるいは電流注入方式により駆動することができる。図４においては電極等は省略している。
なお、前記フォトニック結晶層を含み構成されるミラーを第１の反射ミラーといい、この第１の反射ミラーと対向して配置されているミラーを第２の反射ミラーということもある。
この第１の反射ミラーは、上述のように上部反射ミラーとして用いてもよいし、また下部反射ミラーとして用いてもよい。
等について説明する。
活性層４９００は、例えばＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＮ／ＩｎＧａＮなどの材料を用いた多重量子井戸構造である。
クラッド層４０２１は、例えば、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＮなどである。
基板４０５０は、例えば、ＧａＡｓ、ＧａＮなどである。
本実施形態に係る面発光レーザにおいては、光励起方式、あるいは電流注入方式により駆動することができる。図４においては電極等は省略している。
なお、前記フォトニック結晶層を含み構成されるミラーを第１の反射ミラーといい、この第１の反射ミラーと対向して配置されているミラーを第２の反射ミラーということもある。
この第１の反射ミラーは、上述のように上部反射ミラーとして用いてもよいし、また下部反射ミラーとして用いてもよい。
［第３の実施形態］
第３の実施形態として、本発明のフォトニック結晶を用いた分布帰還型（ＤＦＢ）面発光レーザについて説明する。
図５は、ＤＦＢレーザの構成に関して、その断面図を模式的に示したものである。
図５において、４０５０は基板、５０２１は下部クラッド層、１０００はフォトニック結晶層（光共振層ということもある。）、４９００は活性層、５０２０は上部クラッド層である。
第３の実施形態として、本発明のフォトニック結晶を用いた分布帰還型（ＤＦＢ）面発光レーザについて説明する。
図５は、ＤＦＢレーザの構成に関して、その断面図を模式的に示したものである。
図５において、４０５０は基板、５０２１は下部クラッド層、１０００はフォトニック結晶層（光共振層ということもある。）、４９００は活性層、５０２０は上部クラッド層である。
ＤＦＢ型の面発光レーザにおいては、活性層４９００で発生する光がフォトニック結晶層１０００に入射する。
この入射した光が導波モードの光となり、フォトニック結晶層１０００の面内方向において共振をして増幅される。
そして、その後、放射モードに結合されることにより、フォトニック結晶層の外に放射される。
これにより、上部クラッド層５０２０を通ってコヒーレントな光が面発光される。
この入射した光が導波モードの光となり、フォトニック結晶層１０００の面内方向において共振をして増幅される。
そして、その後、放射モードに結合されることにより、フォトニック結晶層の外に放射される。
これにより、上部クラッド層５０２０を通ってコヒーレントな光が面発光される。
ここで、フォトニック結晶層における共振効率はレーザ発振のしきい値に影響してくる。
すなわち、共振効率が高ければ低い励起強度でもレーザ発振し、共振効率が低ければ高い励起強度が必要になる。
前述したように、欠陥を導入する密度を空間的に変調することで共振効率を空間的に変調できるので、一定の励起強度でフォトニック結晶全体を励起した場合に発振する領域と発振しない領域を作ることができる。
本実施形態では、フォトニック結晶の中央付近には欠陥を設けず、その周囲に欠陥を導入することにより、波長λに関して、周辺領域よりも中央付近の反射率が高くなるように設計されている。
したがって、フォトニック結晶中央付近ではレーザ発振し、周辺領域ではレーザ発振しない構造が実現される。
なお、本実施形態ではフォトニック結晶がミラーではなく共振器として働いている。第２の実施形態のように垂直共振器を形成するわけではないので、第２の実施形態で説明した下部反射ミラー４０００が必ずしも必要ではない。
すなわち、共振効率が高ければ低い励起強度でもレーザ発振し、共振効率が低ければ高い励起強度が必要になる。
前述したように、欠陥を導入する密度を空間的に変調することで共振効率を空間的に変調できるので、一定の励起強度でフォトニック結晶全体を励起した場合に発振する領域と発振しない領域を作ることができる。
本実施形態では、フォトニック結晶の中央付近には欠陥を設けず、その周囲に欠陥を導入することにより、波長λに関して、周辺領域よりも中央付近の反射率が高くなるように設計されている。
したがって、フォトニック結晶中央付近ではレーザ発振し、周辺領域ではレーザ発振しない構造が実現される。
なお、本実施形態ではフォトニック結晶がミラーではなく共振器として働いている。第２の実施形態のように垂直共振器を形成するわけではないので、第２の実施形態で説明した下部反射ミラー４０００が必ずしも必要ではない。
クラッド層としては、第１の実施形態で説明した部材を用いることができる。また、基板４０５０、活性層４９００なども第１の実施形態で説明した材料を用いることができる。
また、本実施形態において、活性層４９００を配置する位置は、光共振層としてのフォト
ニック結晶層１０００と活性層が光学的に結合できる位置であればよいが、利得を多く得るという目的から、フォトニック結晶層と近接した位置に設けることが好ましい。
例えば、活性層４９００はフォトニック結晶層１０００の上に形成することもできる。
また、活性層４９００はフォトニック結晶層１０００の内部に配置することもできる。
なお、上記では、クラッド層を低屈折率層とすることを説明したが、基板４０５０を低屈折率層とする構成であってもよい。
すなわち、基板４０５０の上にフォトニック結晶層１０００が形成されたレーザも本発明は包含する。
また、本実施形態において、活性層４９００を配置する位置は、光共振層としてのフォト
ニック結晶層１０００と活性層が光学的に結合できる位置であればよいが、利得を多く得るという目的から、フォトニック結晶層と近接した位置に設けることが好ましい。
例えば、活性層４９００はフォトニック結晶層１０００の上に形成することもできる。
また、活性層４９００はフォトニック結晶層１０００の内部に配置することもできる。
なお、上記では、クラッド層を低屈折率層とすることを説明したが、基板４０５０を低屈折率層とする構成であってもよい。
すなわち、基板４０５０の上にフォトニック結晶層１０００が形成されたレーザも本発明は包含する。
以上の各実施形態の構成によれば、フォトニック結晶の共振波長をずらすことなく共振効率を任意に変調できる構造を提供することができる。
したがって、これにより共振効率を空間的に制御可能で同時に横方向の光漏れ低減効果を有したフォトニック結晶、それを用いた面発光レーザを実現することができる。
したがって、これにより共振効率を空間的に制御可能で同時に横方向の光漏れ低減効果を有したフォトニック結晶、それを用いた面発光レーザを実現することができる。
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１では、本発明を適用して構成した２次元フォトニック結晶ミラーについて説明する。
図６に、本実施例におけるフォトニック結晶を説明する模式図を示す。
図６において、１０００はＡｌ0.4Ｇａ0.6Ｎからなる層１０１０に円柱形状の孔１０１５を正方格子状に設けて構成されたフォトニック結晶層である。
層の厚さは２００ｎｍ、孔の間隔は１８０ｎｍ、孔の直径は１６０ｎｍ、孔の深さは２００ｎｍである。
フォトニック結晶中央付近の直径２０μｍの範囲には欠陥の無い領域１０４０が配置され、周囲には欠陥を含む領域１０３０が配置されている。
また、６０００はＧａＮからなる厚さ２００ｎｍの導波層、１０２０はＡｌ0.4Ｇａ0.6Ｎからなる基板である。
［実施例１］
実施例１では、本発明を適用して構成した２次元フォトニック結晶ミラーについて説明する。
図６に、本実施例におけるフォトニック結晶を説明する模式図を示す。
図６において、１０００はＡｌ0.4Ｇａ0.6Ｎからなる層１０１０に円柱形状の孔１０１５を正方格子状に設けて構成されたフォトニック結晶層である。
層の厚さは２００ｎｍ、孔の間隔は１８０ｎｍ、孔の直径は１６０ｎｍ、孔の深さは２００ｎｍである。
フォトニック結晶中央付近の直径２０μｍの範囲には欠陥の無い領域１０４０が配置され、周囲には欠陥を含む領域１０３０が配置されている。
また、６０００はＧａＮからなる厚さ２００ｎｍの導波層、１０２０はＡｌ0.4Ｇａ0.6Ｎからなる基板である。
図７に、図６の構成の反射スペクトル計算結果を示す。
ＧａＮの屈折率は２．５４、Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ｎの屈折率は２．３２として計算している。なお、計算の都合上、基板１０２０の厚さは無限であるとした。図７（ａ）は欠陥の無い領域１０４０の反射スペクトルである。
波長４３０ｎｍ付近および４３３ｎｍ付近に反射率が急激に増大する波長域が存在する。したがって、この構成は高反射率のミラーとして動作させることができる。
図７（ｂ）は欠陥を導入した領域１０３０の反射スペクトルである。
欠陥を入れる周期は４周期に１つの割合である。つまり、孔が１６個に１個の割合で埋められている。
図７（ａ）に比べて、反射ピークの波長は変化しないが、最大反射率が小さくなっていることが確認される。
本実施例の構成により、フォトニック結晶全面で共振波長は同一だが、フォトニック結晶中央付近で反射率が高く、周囲では反射率が低いミラーを実現できる。
ＧａＮの屈折率は２．５４、Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ｎの屈折率は２．３２として計算している。なお、計算の都合上、基板１０２０の厚さは無限であるとした。図７（ａ）は欠陥の無い領域１０４０の反射スペクトルである。
波長４３０ｎｍ付近および４３３ｎｍ付近に反射率が急激に増大する波長域が存在する。したがって、この構成は高反射率のミラーとして動作させることができる。
図７（ｂ）は欠陥を導入した領域１０３０の反射スペクトルである。
欠陥を入れる周期は４周期に１つの割合である。つまり、孔が１６個に１個の割合で埋められている。
図７（ａ）に比べて、反射ピークの波長は変化しないが、最大反射率が小さくなっていることが確認される。
本実施例の構成により、フォトニック結晶全面で共振波長は同一だが、フォトニック結晶中央付近で反射率が高く、周囲では反射率が低いミラーを実現できる。
［実施例２］
実施例２では、本発明を適用して構成した垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）について説明する。
図８に、本実施例における面発光レーザを説明する模式図を示す。
図８において、１０００はＡｌ0.85Ｇａ0.15Ａｓからなる層１０１０に孔１０１５を正方格子状に設けて構成されたフォトニック結晶層である。
層の厚さは２００ｎｍ、孔の間隔は２５０ｎｍ、孔の直径は２００ｎｍ、孔の深さは２０
０ｎｍである。
８０００はＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層、４０２０はｐ型Ａｌ0.85Ｇａ0.15Ａｓクラッド層、４９００はＧａＡｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ多重量子井戸活性層である。
４０２１はｎ型Ａｌ0.85Ｇａ0.15Ａｓクラッド層、４０００はｎ型ＤＢＲからなる下部ミラー層、４０５０はＧａＡｓ基板である。
１２００はリング型の上部電極、１２１０は下部電極である。
実施例２では、本発明を適用して構成した垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）について説明する。
図８に、本実施例における面発光レーザを説明する模式図を示す。
図８において、１０００はＡｌ0.85Ｇａ0.15Ａｓからなる層１０１０に孔１０１５を正方格子状に設けて構成されたフォトニック結晶層である。
層の厚さは２００ｎｍ、孔の間隔は２５０ｎｍ、孔の直径は２００ｎｍ、孔の深さは２０
０ｎｍである。
８０００はＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層、４０２０はｐ型Ａｌ0.85Ｇａ0.15Ａｓクラッド層、４９００はＧａＡｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ多重量子井戸活性層である。
４０２１はｎ型Ａｌ0.85Ｇａ0.15Ａｓクラッド層、４０００はｎ型ＤＢＲからなる下部ミラー層、４０５０はＧａＡｓ基板である。
１２００はリング型の上部電極、１２１０は下部電極である。
図９に、図８中のフォトニック結晶に面垂直方向から光を入射した場合の反射スペクトル計算結果を示す。
図９（ａ）は欠陥無し、図９（ｂ）は２周期に１つ、図９（ｃ）は３周期に１つ、図９（ｄ）は４周期に１つの割合で欠陥を導入した構造の反射スペクトル計算結果である。
この場合、欠陥はフォトニック結晶中に周期的に配置されているとした。
図９（ａ）より、欠陥を導入していないフォトニック結晶は波長８４９．５ｎｍ付近および８５１ｎｍ付近で高い反射率を有したミラーとして動作することが確認される。
また、図９（ｂ）〜（ｄ）より、欠陥の密度を増やすほどピーク反射率が低下することがわかる。
図９（ａ）は欠陥無し、図９（ｂ）は２周期に１つ、図９（ｃ）は３周期に１つ、図９（ｄ）は４周期に１つの割合で欠陥を導入した構造の反射スペクトル計算結果である。
この場合、欠陥はフォトニック結晶中に周期的に配置されているとした。
図９（ａ）より、欠陥を導入していないフォトニック結晶は波長８４９．５ｎｍ付近および８５１ｎｍ付近で高い反射率を有したミラーとして動作することが確認される。
また、図９（ｂ）〜（ｄ）より、欠陥の密度を増やすほどピーク反射率が低下することがわかる。
本実施例では、フォトニック結晶中央付近の直径５μｍの領域には欠陥を配置せず、その周囲の領域には４周期に１個（孔１６個に１個）の割合で欠陥を導入した。
それにより、中央付近では反射率ほぼ１００％で、周囲では反射率５０％程度となるミラーが実現できる。
その結果、高次横モードでの発振を抑制し、基本横モードでのみ発振するレーザを実現できる。
下部ミラー層４０００もフォトニック結晶層と同一波長付近で高い反射率を持つように設計されている。
また、フォトニック結晶層１０００と下部ミラー層４０００との間隔で決まる共振器長は、共振器中で形成される定在波の腹が活性層４９００に重なるような長さに設計されている。
これらは、面発光レーザを設計する際に一般に使われる手法をそのまま適用することができる。
以上の構成により、活性層４９００で発生する光を上下のミラーで共振させ、増幅することによりレーザ発振が実現される。
それにより、中央付近では反射率ほぼ１００％で、周囲では反射率５０％程度となるミラーが実現できる。
その結果、高次横モードでの発振を抑制し、基本横モードでのみ発振するレーザを実現できる。
下部ミラー層４０００もフォトニック結晶層と同一波長付近で高い反射率を持つように設計されている。
また、フォトニック結晶層１０００と下部ミラー層４０００との間隔で決まる共振器長は、共振器中で形成される定在波の腹が活性層４９００に重なるような長さに設計されている。
これらは、面発光レーザを設計する際に一般に使われる手法をそのまま適用することができる。
以上の構成により、活性層４９００で発生する光を上下のミラーで共振させ、増幅することによりレーザ発振が実現される。
［実施例３］
実施例３では、本発明を適用して構成した分布帰還型（ＤＦＢ）面発光レーザについて説明する。
図１０に、本実施例におけるにおける面発光レーザを説明する模式図を示す。
４０５０はＧａＡｓ基板、５０２１はｎ型Ａｌ0.85Ｇａ0.15Ａｓクラッド層、４９００はＧａＡｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ多重量子井戸を含む活性層である。１０００はｐ型Ａｌ0.85Ｇａ0.15Ａｓからなる層１０１０に孔１０１５を正方格子状に設けて構成されたフォトニック結晶層である。
１２００はリング型の上部電極、１２１０は下部電極である。
実施例３では、本発明を適用して構成した分布帰還型（ＤＦＢ）面発光レーザについて説明する。
図１０に、本実施例におけるにおける面発光レーザを説明する模式図を示す。
４０５０はＧａＡｓ基板、５０２１はｎ型Ａｌ0.85Ｇａ0.15Ａｓクラッド層、４９００はＧａＡｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ多重量子井戸を含む活性層である。１０００はｐ型Ａｌ0.85Ｇａ0.15Ａｓからなる層１０１０に孔１０１５を正方格子状に設けて構成されたフォトニック結晶層である。
１２００はリング型の上部電極、１２１０は下部電極である。
本実施例では、フォトニック結晶中央付近の直径１０μｍの領域には欠陥を配置せず、その周囲の領域には３周期に１個（孔９個に１個）の割合で、非周期的な配置で欠陥が導入されている。
本実施例の構成では、活性層で発生した光のうち波長８５０ｎｍ付近のものがフォトニック結晶全体で共振を起こす。
しかし、前述したように、欠陥を導入した領域では共振効率が低下してレーザ発振しきい値が増大するので、中央付近でのみレーザ発振が起こる。
周囲の領域は、励起強度が発振しきい値に達していないのでレーザ発振は起こさないが、レーザ発振波長と同一波長での共振は起こすので、中央付近でレーザ発振した光の横方向への漏れを低減する機能を持つ。
以上により、レーザ発振領域を空間的に制御し、同時に横方向の光漏れ低減効果を有したフォトニック結晶を有する面発光レーザを実現することができる。
本実施例の構成では、活性層で発生した光のうち波長８５０ｎｍ付近のものがフォトニック結晶全体で共振を起こす。
しかし、前述したように、欠陥を導入した領域では共振効率が低下してレーザ発振しきい値が増大するので、中央付近でのみレーザ発振が起こる。
周囲の領域は、励起強度が発振しきい値に達していないのでレーザ発振は起こさないが、レーザ発振波長と同一波長での共振は起こすので、中央付近でレーザ発振した光の横方向への漏れを低減する機能を持つ。
以上により、レーザ発振領域を空間的に制御し、同時に横方向の光漏れ低減効果を有したフォトニック結晶を有する面発光レーザを実現することができる。
１０００：フォトニック結晶層
１０１０：第１の部材
１０１５：孔
１０２０：基板
１０３０：第１の領域
１０４０：第２の領域
３０００：ユニットセル
４０００：下部反射ミラー
４９００：活性層
１０１０：第１の部材
１０１５：孔
１０２０：基板
１０３０：第１の領域
１０４０：第２の領域
３０００：ユニットセル
４０００：下部反射ミラー
４９００：活性層
Claims (10)
- フォトニック結晶であって、
基本的周期構造に欠陥が導入され、波長λの光を反射する第１の領域と、
欠陥が導入されていない前記基本的周期構造を備えると共に、前記波長λの光を反射する第２の領域とを有し、
前記第２の領域は前記フォトニック結晶の中央部に配置されると共に、前記第１の領域は該第２の領域の周囲に配置され、
前記波長λに関して、前記第１の領域の反射率は、前記第２の領域の反射率よりも低いことを特徴とするフォトニック結晶。 - 前記欠陥は、前記第１の領域において周期的に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶。
- 前記第１の領域の前記基本的周期構造が第１のユニットセルの繰り返しにより構成されると共に、前記第２の領域の欠陥が導入されていない前記基本的周期構造が第２のユニットセルの繰り返しにより構成され、
前記第１のユニットセルの面積が、前記第２のユニットセルの面積の整数倍とされていることを特徴とする請求項２に記載のフォトニック結晶。 - 前記第１のユニットセルは、該第１のユニットセルに導入された欠陥以外において該第１のユニットセルを構成する要素の形状及び大きさが、
前記第２のユニットセルを構成する要素の形状及び大きさと同一とされていることを特徴とする請求項３に記載のフォトニック結晶。 - 前記欠陥は、前記第１の領域において非周期的に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶。
- 前記欠陥は、樹脂を充填することにより構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のフォトニック結晶。
- 前記欠陥は、形状または大きさを変調することにより構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のフォトニック結晶。
- 前記波長λで共振する面発光レーザであって、
請求項１乃至７のいずれか１項に記載のフォトニック結晶を含み構成される第１の反射ミラーと、
前記第１の反射ミラーと対向して配置されている第２の反射ミラーと、
前記第１の反射ミラーと前記第２の反射ミラーとの間に配置されている活性層とを有することを特徴とする面発光レーザ。 - 前記第２の反射ミラーは請求項１乃至７のいずれか１項に記載のフォトニック結晶を含み構成されていることを特徴とする請求項８に記載の面発光レーザ。
- 面発光レーザであって、
請求項１乃至７のいずれか１項に記載のフォトニック結晶を含み構成される光共振層と、
前記光共振層と光学的に結合できる位置に配置されている活性層とを有することを特徴とする面発光レーザ。
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