JP5077850B2 - ２次元フォトニック結晶レーザ - Google Patents

Description

本発明は、活性層に対して垂直な方向にレーザ光を放射する２次元フォトニック結晶レーザに関する。

近年、フォトニック結晶を用いた新しいタイプのレーザが開発されている。フォトニック結晶とは、誘電体から成る母材に周期構造を人工的に形成したものである。周期構造は一般に、母材とは屈折率が異なる領域（異屈折率領域）を母材内に周期的に設けることにより形成される。この周期構造により、結晶内でブラッグ回折が生じ、また、光のエネルギーにエネルギーバンドギャップが現れる。フォトニック結晶レーザには、バンドギャップ効果を利用して点欠陥を共振器として用いるものと、光の群速度が0となるバンド端の定在波を利用するものがあるが、いずれも所定の波長の光を増幅してレーザ発振を得るものである。

特許文献１には、発光材料を含む活性層の近傍に２次元フォトニック結晶を形成した２次元フォトニック結晶レーザが記載されている。この２次元フォトニック結晶には、板状の部材（母材）内に円柱状の空孔（異屈折率領域）が周期的（三角格子状、正方格子状、六角格子状等）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。この周期を、電極からのキャリアの注入により活性層で生成される光の媒質内波長に一致させておくことにより、２次元フォトニック結晶の内部に２次元定在波が形成され、それにより光が強められる。このように強められた光は異屈折率領域により活性層や２次元フォトニック結晶に垂直な方向に回折（以下、「垂直回折」とする）され、それによりレーザ光として２次元フォトニック結晶レーザの外部に取り出される。
特開2000-332351号公報（[0037]〜[0056］,図1）

従来、２次元フォトニック結晶レーザでは、２次元フォトニック結晶の厚みは十分小さいものとして、その影響が無視されていた。しかし、本願発明者は、２次元フォトニック結晶の厚みがレーザ光の強度に対して無視することができない影響を及ぼすことを見出した。

例えば、図１(a)の斜視図及び(b)の縦断面図に示すように、板状部材９１内に異屈折率領域９２が周期aで正方格子状に配置された、厚みdの２次元フォトニック結晶９０を用いた場合を考える。この２次元フォトニック結晶９０内では、活性層から発せられた波長aの光について２次元定在波が形成され、前述のように垂直回折が生じることにより、レーザ光が外部に放射される。垂直回折は厚み方向の任意の位置で生じるため、本来であれば厚みが大きくなるほど、外部に放射されるレーザ光の強度は強くなるはずである。しかし、外部に放射されるレーザ光の強度を計算したところ、図２に示すように、厚みdがおおむねa/2〜aの範囲内において、厚みdが大きくなるほどレーザ光の放射強度が小さくなることが明らかになった。これは、２次元フォトニック結晶９０に平行な方向に伝播する光のうち、異屈折率領域９２において厚み方向の位置z₁で垂直回折される光Ｌ_１と位置z₂で垂直回折される光Ｌ_２の間に光路差(z₂-z₁)による位相差が生じ、そのような光が多数重ね合わされることにより、厚みdがおおむねa/2〜aの範囲内において干渉による弱め合いが生じることによる。例えば、位置z₁と位置z₂がa/2異なると、光Ｌ_１と光Ｌ_２は光路差がa/2となるため干渉により打ち消し合う。

そのため、外部に放射されるレーザ光の強度をより高めるためには、単に２次元フォトニック結晶９０の厚みを大きくするだけではなく、レーザ光の干渉の影響を考慮した構成を検討する必要がある。また、レーザ光の干渉を用いて、レーザ光の強度を高めるだけではなく、必要な強度が得られるように調整することも考えられる。

本発明が解決しようとする課題は、レーザ光の強度を高めることや必要な強度が得られるように調整することができる２次元フォトニック結晶レーザを提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る２次元フォトニック結晶レーザは、
a) 電流が注入されることにより所定の波長域の光を発光する活性層と、
b) 前記活性層の一方の側に設けられ、第１の板状部材内に該第１板状部材とは屈折率が異なる第１異屈折率領域が所定の周期で配置されており、前記所定波長域内の所定の波長の光に共振する第１の２次元フォトニック結晶層と、
c) 第１の２次元フォトニック結晶層の前記活性層とは反対側に設けられ、第２の板状部材内に該第２板状部材とは屈折率が異なる第２異屈折率領域が前記所定周期で且つ前記第１異屈折率領域とは各層に平行な方向にずれた位置に配置されており、前記所定波長の光に共振する第２の２次元フォトニック結晶層と、
を備えることを特徴とする。

本発明に係る２次元フォトニック結晶レーザでは、活性層で発光した前記所定波長の光が第１の２次元フォトニック結晶層と第２の２次元フォトニック結晶層において増幅され、垂直回折されることによりレーザ光として外部に取り出される。その際、第１の２次元フォトニック結晶層において垂直回折される光と第２異屈折率領域において垂直回折される光が干渉する。ここで、第１の２次元フォトニック結晶層と第２の２次元フォトニック結晶層に平行方向のずれ及び厚み方向の位置の違い（ずれ）が存在することにより、第１の２次元フォトニック結晶層において垂直回折される光と第２の２次元フォトニック結晶層において垂直回折される光の光路差が異なることから、これらのずれの大きさによりレーザ光の強度を調整することができる。

例えば、前記第１異屈折率領域及び前記第２異屈折率領域が、x方向及び該x方向に垂直なy方向に間隔aで並んだ正方格子状の周期構造を有する場合には、前記第２異屈折率領域の位置を前記第１異屈折率領域の位置からx方向にδ、y方向にδずらし、前記第１異屈折率領域の活性層側底面と前記第２異屈折率領域の活性層側底面の距離tと前記δの和(t+δ)を0.75a〜1.25aとすることが考えられる。この場合、第１異屈折率領域の活性層側底面からの高さがαである位置で垂直回折される光と、第２異屈折率領域の活性層側底面からの高さがαである位置で垂直回折される光は、光路差が(t+δ)、即ち0.75a〜1.25aとなるため、干渉により強められる。これにより、レーザ光の強度を強くすることができる。特に、光路差(t+δ)がaの時、干渉による強め合いが最も大きくなる。

前述のように、異屈折率領域の厚みがa/2を超えると、同じ異屈折率領域において垂直回折された２つの光は干渉により弱め合う。そのため、前記第１異屈折率領域の厚み及び前記第２異屈折率領域の厚みのいずれか一方又は両方（望ましくは両方）を共に0.5a以下にすることが望ましい。これにより、同じ異屈折率領域で干渉による弱め合いが生じることを防ぎ、第１異屈折率領域における垂直回折光と第２異屈折率領域における垂直回折光を効率よく干渉させることができる。

本発明に係る２次元フォトニック結晶レーザでは、互いに平行方向にずれた第１の２次元フォトニック結晶層と第２の２次元フォトニック結晶層を備え、第１の２次元フォトニック結晶層と第２の２次元フォトニック結晶層の平行方向及び厚み方向のずれが存在するため、第１の２次元フォトニック結晶層から垂直回折される光と第２の２次元フォトニック結晶層から垂直回折される光の干渉、即ちレーザ光の強度を上記ずれの大きさにより制御することができる。特に、第１の２次元フォトニック結晶層において垂直回折される光と第２の２次元フォトニック結晶層において垂直回折される光が干渉により強められるように上記ずれの大きさを設定することにより、レーザ光の強度を高めることができる。

図３〜図７を用いて、本発明に係る２次元フォトニック結晶レーザの実施例を説明する。
図３に、本実施例の２次元フォトニック結晶レーザ１０の縦断面図を示す。２次元フォトニック結晶レーザ１０は、活性層１１と、活性層１１の上側に第１スペーサ層１３１を介して設けられた第１の２次元フォトニック結晶層１２１と、第１の２次元フォトニック結晶層１２１の上側に設けられた第２の２次元フォトニック結晶層１２２を有する。第２の２次元フォトニック結晶層１２２の上側には第１クラッド層１４１、第１基板１５１及び第１電極１６１がこの順に設けられている。活性層１１の下側には第２スペーサ層１３２、第２クラッド層１４２、第２基板１５２及び第２電極１６２がこの順に設けられている。

本実施例では、活性層１１には、インジウム・ガリウム砒素／ガリウム砒素(InGaAs/GaAs)から成る多重量子井戸（Multiple-Quantum Well; MQW）を有するものを用いた。第１スペーサ層１３１にはp型GaAsを、第２スペーサ層１３２にはn型GaAsを、第１クラッド層１４１にはp型AlGaAsを、第２クラッド層１４２にはn型AlGaAsを、第１基板１５１にはp型GaAsを、第２基板１５２にはn型GaAsを、それぞれ用いた。第１の２次元フォトニック結晶層１２１及び第２の２次元フォトニック結晶層１２２の材料については後述する。なお、これら各層の材料は上記のものには限定されず、従来の２次元フォトニック結晶レーザで用いられている各層の材料を用いることができる。

第１の２次元フォトニック結晶層１２１は、図４に示すように、第１板状部材１２１Ａ内に円形の第１空孔（異屈折率領域）１２１Ｂをx方向に周期a、y方向に周期aの正方格子状に配置したものである。本実施例では第１板状部材１２１Ａの材料はp型GaAsである。第２の２次元フォトニック結晶層１２２は、厚みを除いて、第１の２次元フォトニック結晶層１２１と同じ構造を有する。即ち、第２の２次元フォトニック結晶層１２２は第１板状部材１２１Ａと同じ材料から成る第２板状部材１２２Ａ内に、第１空孔１２１Ｂと同じ形状及び大きさの第２空孔１２２Ｂを周期aの正方格子状に配置したものである（図４）。第１の２次元フォトニック結晶層１２１は厚みd₁を、第２の２次元フォトニック結晶層１２２は厚みd₂を、それぞれ有する。本実施例では第１の２次元フォトニック結晶層１２１の厚みd₁は0.5a（=t）とした。

図５に、第１の２次元フォトニック結晶層１２１の上面図と第２の２次元フォトニック結晶層１２２の上面図を重ねて示す。第１空孔１２１Ｂ（図中の実線）と第２空孔１２２Ｂ（破線）は、x方向にδ、y方向にδだけずれて配置されている。本実施例ではδ=0.5aとした。従って、本実施例では(t+δ)=aである。なお、他の層と同様に、板状部材の材料並びに異屈折率領域（本実施例では空孔）の材料、形状及び大きさは上記のものには限定されず、従来の２次元フォトニック結晶レーザで用いられているものを用いることができる。

本実施例の２次元フォトニック結晶レーザ１０の動作を説明する。第１電極１６１と第２電極１６２の間に電圧を印加すると、活性層１１に電子と正孔が供給され、それら電子と正孔が再結合することにより、所定の波長域の発光が生じる。その光は、第１の２次元フォトニック結晶層１２１及び第２の２次元フォトニック結晶層１２２に導入され、各２次元フォトニック結晶層内において空孔により反射されつつ伝播する。その際、前記波長域のうち２次元フォトニック結晶層の媒質内での波長がaである光は、x方向及びy方向の空孔の周期が波長と同じaであることにより反射波どうしの位相が一致するため、これら２方向に定在波が形成され、干渉により増幅される（フィードバック効果）。その結果、媒質内波長aのレーザ光が生成される。レーザ光は空孔（第１空孔１２１Ｂ、第２空孔１２２Ｂ）により垂直回折され、その方向に向かって、レーザ光が２次元フォトニック結晶レーザ１０の外部に放出される。

図６を用いて、第１空孔１２１Ｂで垂直回折される光と第２空孔１２２Ｂで垂直回折される光の干渉について説明する。図６は、y方向に垂直な面における第１の２次元フォトニック結晶層１２１及び第２の２次元フォトニック結晶層１２２の縦断面図である。図６では、第１の２次元フォトニック結晶層１２１については第１空孔１２１Ｂの円の中心を通る断面（この断面でのyの値をy₀とする）を示し、第２の２次元フォトニック結晶層１２２については第２空孔１２２Ｂの円の中心を通るy=y₀+0.5aの断面を示している。第１空孔１２１Ｂの活性層側底面１２１Ｃからz方向にz₀離れた位置で回折される第１垂直回折光Ｌ_１と、第２空孔１２２Ｂの活性層側底面１２２Ｃからz方向にz₀離れた位置で回折される第２垂直回折光Ｌ_２の間には、第１空孔１２１Ｂと第２空孔１２２Ｂの間でのx方向のずれδ=0.5aと、第１空孔１２１Ｂの活性層側底面１２１Ｃと第２空孔１２２Ｂの活性層側底面１２２Ｃの距離t=0.5a（本実施例では第１の２次元フォトニック結晶層１２１の厚みと同じ）の和(t+δ)=aで表される位相差が生じる。この位相差により、第１垂直回折光Ｌ_１と第２垂直回折光Ｌ_２は干渉して強め合う。同様の強め合いの干渉は0≦z≦d₂（t≧d₂の場合）又は0≦z≦t（t≦d₂の場合）の範囲内で生じる。また、ここまではy方向に垂直な面において説明したが、結晶構造の対称性により、x方向に垂直な面においても同様の強め合いが生じる。これら干渉による強め合いが生じることにより、２次元フォトニック結晶が１層のみである場合よりも２次元フォトニック結晶レーザ１０の外部に放出されるレーザ光の強度を高めることができる。

また、本実施例では第１の２次元フォトニック結晶層１２１の厚みd₁を0.5aとしたことにより、従来の２次元フォトニック結晶レーザにおいて生じていたように第１空孔１２１Ｂで回折される光同士が干渉により弱められることを抑えることができる。

図７に、本実施例の２次元フォトニック結晶レーザ１０における放射強度を計算した結果を示す。図７には、比較例として、厚みを除いて第１の２次元フォトニック結晶層１２１と同じ構造を有する２次元フォトニック結晶を１層のみ用いた従来の２次元フォトニック結晶レーザにおける放射強度を併せて示した。ここで横軸は、比較例の２次元フォトニック結晶レーザについては１層のみ存在する２次元フォトニック結晶の厚みdとし、本実施例の２次元フォトニック結晶レーザ１０については第１の２次元フォトニック結晶層１２１の厚みd₁と第２の２次元フォトニック結晶層１２１の厚みd₂の和d_totalとした。従って、本実施例と比較例では、２次元フォトニック結晶全体の厚みをグラフの横軸で揃えて比較することができる。図７に示されたように、本実施例の方が比較例よりも放射強度が大きくなる。本実施例ではd_total=a、即ち厚みd₁とd₂の双方が0.5aの時に放射強度が最大となる。

本発明は上記実施例には限定されない。
例えば、上記実施例では(t+δ)=aの場合について説明したが、(t+δ)が0.75a〜1.25aの範囲内では、上記実施例と同様に第１垂直回折光Ｌ_１と第２垂直回折光Ｌ_２が干渉により強め合うため、２次元フォトニック結晶が１層のみである場合よりもレーザ光の強度を高めることができる。

上記実施例では第１板状部材１２１Ａの材料と第２板状部材１２２Ａの材料には同じものを用いたが、両者の材料が異なっている場合であっても、第１空孔１２１Ｂと第２空孔１２２Ｂの大きさを調整することで第１の２次元フォトニック結晶層１２１と第２の２次元フォトニック結晶層１２２の平均屈折率を等しくすれば、第１の２次元フォトニック結晶層１２１と第２の２次元フォトニック結晶層１２２で増幅される光の波長を等しくすることができ、上述のような干渉を生じさせることができる。

上記実施例では空孔を正方格子状に配置した例を示したが、三角格子状その他の配置を採った場合にも本実施例と同様の干渉を生じさせることができる。
上記実施例では２次元フォトニック結晶層を２層用いたが、２次元フォトニック結晶層を３層以上用いた場合にも、それら複数の２次元フォトニック結晶層においてそれぞれ垂直回折される光を干渉させ、それによりレーザ光の強度を調整することができる。また、上記実施例では第１の２次元フォトニック結晶層１２１の上に直接、第２の２次元フォトニック結晶層１２２を設けたが、両者の間に他の層（中間層）を挟んでもよい。この場合、距離tは第１の２次元フォトニック結晶層１２１の厚みと中間層の厚みの和になる。

２次元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の厚みが出射強度に及ぼす影響を説明するための概略図。 従来の２次元フォトニック結晶レーザにおける２次元フォトニック結晶の厚みとレーザ光の放射強度（計算値）の関係を示すグラフ。 本発明の一実施例である２次元フォトニック結晶レーザ１０の縦断面図。 ２次元フォトニック結晶レーザ１０で用いられる第１の２次元フォトニック結晶層１２１及び第２の２次元フォトニック結晶層１２２を示す斜視図。 第１の２次元フォトニック結晶層１２１及び第２の２次元フォトニック結晶層１２２の位置関係を示す上面図。 第１空孔１２１Ｂで垂直回折される光と第２空孔１２２Ｂで垂直回折される光の干渉について説明するための縦断面図。 本実施例の２次元フォトニック結晶レーザ１０及び比較例における２次元フォトニック結晶の厚みとレーザ光の放射強度（計算値）の関係を示すグラフ。

符号の説明

１０…２次元フォトニック結晶レーザ
１１…活性層
１２１…第１の２次元フォトニック結晶層
１２１Ａ…第１板状部材
１２１Ｂ…第１空孔
１２１Ｃ…第１空孔１２１Ｂの活性層側底面
１２２…第２の２次元フォトニック結晶層
１２２Ａ…第２板状部材
１２２Ｂ…第２空孔
１２２Ｃ…第２空孔１２ＢＢの活性層側底面
１３１…第１スペーサ層
１３２…第２スペーサ層
１４１…第１クラッド層
１４２…第２クラッド層
１５１…第１基板
１５２…第２基板
１６１…第１電極
１６２…第２電極
９０…２次元フォトニック結晶
９１…板状部材
９２…異屈折率領域

Claims (5)

1. a) 電流が注入されることにより所定の波長域の光を発光する活性層と、
   b) 前記活性層の一方の側に設けられ、第１の板状部材内に該第１板状部材とは屈折率が異なる第１異屈折率領域が所定の周期で配置されており、前記所定波長域内の所定の波長の光に共振する第１の２次元フォトニック結晶層と、
   c) 第１の２次元フォトニック結晶層の前記活性層とは反対側に設けられ、第２の板状部材内に該第２板状部材とは屈折率が異なる第２異屈折率領域が前記所定周期で且つ前記第１異屈折率領域とは各層に平行な方向にずれた位置に配置されており、前記所定波長の光に共振する第２の２次元フォトニック結晶層と、
   を備えることを特徴とする２次元フォトニック結晶レーザ。
2. 前記第１異屈折率領域及び前記第２異屈折率領域が、x方向及び該x方向に垂直なy方向に間隔aで並んだ正方格子状の周期構造を有し、
   前記第２異屈折率領域の位置が前記第１異屈折率領域の位置からx方向にδ（δ≦0.5a）、y方向にδずれており、
   前記第１異屈折率領域の活性層側底面と前記第２異屈折率領域の活性層側底面の距離tと前記δの和(t+δ)が0.75a〜1.25aである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の２次元フォトニック結晶レーザ。
3. 前記(t+δ)がaであることを特徴とする請求項２に記載の２次元フォトニック結晶レーザ。
4. 前記δがa/2であることを特徴とする請求項２又は３に記載の２次元フォトニック結晶レーザ。
5. 前記第１異屈折率領域の厚み及び前記第２異屈折率領域の厚みのいずれか一方又は両方が0.5a以下であることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の２次元フォトニック結晶レーザ。

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