JP5084540B2 - 垂直共振器型面発光レーザ - Google Patents
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Description
本発明は、垂直共振器型面発光レーザに関するものである。
面発光レーザの一つとして垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ）がある。
このレーザは、集積化、アレイ化が容易、外部光学系との結合効率が優れている、製造コスト安などの利点があるため、通信、電子写真、センシングなどの分野に応用が期待されており、赤外線短距離通信などの通信分野においては、すでに実用化されている。
一方、この面発光レーザの反射鏡として用いられているＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）を、薄いグレーティング構造に置き換えたレーザ素子が、近年研究されている。
特許文献１では、１次元フォトニック結晶に面垂直方向に入射した光が、ほぼ１００％反射されるＧｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ（ＧＲ）現象を利用した構造をミラーとして用いる、いわゆるフォトニック結晶面発光レーザが開示されている。
このようなＧＲ現象を利用したフォトニック結晶のミラーを用いることにより、ＤＢＲを用いる面発光レーザに比べて、より薄い面発光レーザを構成することができる。
具体的には、厚さ数μｍのＤＢＲを、数百μｍの薄いグレーティングミラーに置き換えて、面発光レーザを構成することが可能となる。
このレーザは、集積化、アレイ化が容易、外部光学系との結合効率が優れている、製造コスト安などの利点があるため、通信、電子写真、センシングなどの分野に応用が期待されており、赤外線短距離通信などの通信分野においては、すでに実用化されている。
一方、この面発光レーザの反射鏡として用いられているＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）を、薄いグレーティング構造に置き換えたレーザ素子が、近年研究されている。
特許文献１では、１次元フォトニック結晶に面垂直方向に入射した光が、ほぼ１００％反射されるＧｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ（ＧＲ）現象を利用した構造をミラーとして用いる、いわゆるフォトニック結晶面発光レーザが開示されている。
このようなＧＲ現象を利用したフォトニック結晶のミラーを用いることにより、ＤＢＲを用いる面発光レーザに比べて、より薄い面発光レーザを構成することができる。
具体的には、厚さ数μｍのＤＢＲを、数百μｍの薄いグレーティングミラーに置き換えて、面発光レーザを構成することが可能となる。
ところで、垂直共振器型面発光レーザにおいては、発振する横モードの制御は重要な課題であり、通信などへの応用を考えると、横モード出力は単一モード（シングルモード）であることが求められる。
このため、上記のような従来の垂直共振器型面発光レーザでは、素子内部に選択酸化による電流狭窄構造を設けることにより活性層の発光領域を制限し、また同時に選択酸化部分で導波構造を形成することにより、単一横モード化を図っている。
しかしながら、こうした手段では、単一横モード発振のためには酸化狭窄径を小さくしなければならず、酸化狭窄径を小さくすると発光領域が小さくなって、大きなレーザ出力を得ることが難しい。
このため、上記のような従来の垂直共振器型面発光レーザでは、素子内部に選択酸化による電流狭窄構造を設けることにより活性層の発光領域を制限し、また同時に選択酸化部分で導波構造を形成することにより、単一横モード化を図っている。
しかしながら、こうした手段では、単一横モード発振のためには酸化狭窄径を小さくしなければならず、酸化狭窄径を小さくすると発光領域が小さくなって、大きなレーザ出力を得ることが難しい。
そのため、従来においては、共振器を構成するミラーの中央部における反射率を周辺部より大きくすることで、基本モードでの単一横モード発振を生じ易くした構造が提案されている。
特許文献２では、活性層から遠ざかるにしたがってペア膜間の屈折率差が順次大きくなる態様で２種の半導体膜のペアが交互に積層した構造のＤＢＲミラーを構成し、ＤＢＲにおける中央部の反射率を周辺部より高くした面発光レーザが提案されている。
米国特許第６０５５２６２号明細書
特開２００６−０７３８２３号公報
特許文献２では、活性層から遠ざかるにしたがってペア膜間の屈折率差が順次大きくなる態様で２種の半導体膜のペアが交互に積層した構造のＤＢＲミラーを構成し、ＤＢＲにおける中央部の反射率を周辺部より高くした面発光レーザが提案されている。
上記したように、特許文献２に記載の面発光レーザでは、ＤＢＲミラーによって共振器を構成した面発光レーザにおいて、屈折率差の異なる２種の半導体膜のペアを交互に積層した構造のＤＢＲミラーによって、反射率が制御されるものである。
すなわち、ＤＢＲミラーの周辺部における高次モードに反射ロスを与えることにより、ＤＢＲミラーの中央部と周辺部の反射率を制御可能に構成したものである。
しかしながら、共振器を構成する反射ミラーに、面内方向に屈折率が周期的に変化する周期構造のものとして、例えば特許文献１のようにフォトニック結晶を用いた場合、特許文献２の上記構成を適用しても、所望の高次モードに反射ロスを与えることは困難である。
すなわち、ＤＢＲミラーの周辺部における高次モードに反射ロスを与えることにより、ＤＢＲミラーの中央部と周辺部の反射率を制御可能に構成したものである。
しかしながら、共振器を構成する反射ミラーに、面内方向に屈折率が周期的に変化する周期構造のものとして、例えば特許文献１のようにフォトニック結晶を用いた場合、特許文献２の上記構成を適用しても、所望の高次モードに反射ロスを与えることは困難である。
本発明は、上記課題を解決し、面内方向に屈折率が周期的に変化する周期構造のミラーを用いた場合においても、簡単な構造によってミラーの中央部と周辺部の反射率を制御し、単一横モード発振ができる垂直共振器型面発光レーザを提供することを目的とする。
本発明は、以下のような構成の垂直共振器型面発光レーザを提供するものである。
本発明の垂直共振器型面発光レーザは、
共振器を構成する上部反射ミラー及び下部反射ミラーと、該上部と下部の反射ミラーの間に設けられた活性層と、該上部と下部の反射ミラーの間またはそのいずれか一方の反射ミラーの内部に設けられた電流狭窄層と、を有する垂直共振器型面発光レーザであって、
前記上部反射ミラー及び下部反射ミラーの少なくともいずれか一方が、
面内方向に屈折率が周期的に変化する周期構造を有し、該周期構造の面内方向に対して垂直方向に入射した光が、該面内方向において共振を生じ、該面内方向に対して垂直に反射するように構成され、
前記周期構造には位相シフト部が設けられ、該位相シフト部によって該位相シフト部が設けられている周辺領域に反射率減少領域を形成し、
前記反射率減少領域内における前記電流狭窄層によって生じる１次モードの共振光である特定モードの共振光に対する反射率を減少させ、前記周期構造の面内方向における反射率を制御することを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記周期構造が、面内の１方向に屈折率が周期的に変化する１次元周期構造で構成されていることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記周期構造が１次元のフォトニック結晶であり、該１次元のフォトニック結晶には前記位相シフト部に起因した光同士が干渉しない２箇所以上の位置に、前記位相シフト部が設けられていることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記周期構造が、面内の２方向に屈折率が周期的に変化する２次元周期構造で構成されていることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、
前記２次元周期構造が２次元のフォトニック結晶であり、該２次元のフォトニック結晶には多角形の対辺同士が位相シフト部に起因した光同士が干渉しない部位に位置するように、前記位相シフト部が多角形の環状に構成されて設けられていることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記反射率減少領域は、前記周期構造を有する反射ミラーの中心側における該反射率減少領域が、前記１次モードにおける光強度分布領域に位置することを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記反射率減少領域が、前記１次モードの光強度分布のピークの中心部より前記周期構造を有する反射ミラーの周辺部側において形成される前記１次モードの光強度分布による空間積分値から、
前記１次モードの光強度分布のピークの中心部より前記周期構造を有する反射ミラーの周辺部側において形成される基本モードの反射ミラーの空間積分値を引いた値以上となる領域に位置することを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記反射率減少領域が、前記１次モードにおける光強度分布のピークの位置から、基本モードの共振光の光強度分布と前記１次モードの共振光の光強度分布の交点との間に位置することを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記反射率減少領域が、前記位相シフト部よりフォトニック結晶４〜１０周期分、離れた部位まで存在することを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記周期構造を有する反射ミラーの反射率減少領域が、前記位相シフト部よりフォトニック結晶４〜５周期分、離れた部位まで存在することを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記電流狭窄層は酸化狭窄径が５〜８μｍΦの範囲の大きさに形成され、前記位相シフト部が前記酸化狭窄径よりも外側に位置していることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記上部反射ミラーと下部反射ミラーとの間に空洞部が設けられており、該空洞部は前記上部反射ミラーと接していることを特徴とする。
本発明の垂直共振器型面発光レーザは、
共振器を構成する上部反射ミラー及び下部反射ミラーと、該上部と下部の反射ミラーの間に設けられた活性層と、該上部と下部の反射ミラーの間またはそのいずれか一方の反射ミラーの内部に設けられた電流狭窄層と、を有する垂直共振器型面発光レーザであって、
前記上部反射ミラー及び下部反射ミラーの少なくともいずれか一方が、
面内方向に屈折率が周期的に変化する周期構造を有し、該周期構造の面内方向に対して垂直方向に入射した光が、該面内方向において共振を生じ、該面内方向に対して垂直に反射するように構成され、
前記周期構造には位相シフト部が設けられ、該位相シフト部によって該位相シフト部が設けられている周辺領域に反射率減少領域を形成し、
前記反射率減少領域内における前記電流狭窄層によって生じる１次モードの共振光である特定モードの共振光に対する反射率を減少させ、前記周期構造の面内方向における反射率を制御することを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記周期構造が、面内の１方向に屈折率が周期的に変化する１次元周期構造で構成されていることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記周期構造が１次元のフォトニック結晶であり、該１次元のフォトニック結晶には前記位相シフト部に起因した光同士が干渉しない２箇所以上の位置に、前記位相シフト部が設けられていることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記周期構造が、面内の２方向に屈折率が周期的に変化する２次元周期構造で構成されていることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、
前記２次元周期構造が２次元のフォトニック結晶であり、該２次元のフォトニック結晶には多角形の対辺同士が位相シフト部に起因した光同士が干渉しない部位に位置するように、前記位相シフト部が多角形の環状に構成されて設けられていることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記反射率減少領域は、前記周期構造を有する反射ミラーの中心側における該反射率減少領域が、前記１次モードにおける光強度分布領域に位置することを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記反射率減少領域が、前記１次モードの光強度分布のピークの中心部より前記周期構造を有する反射ミラーの周辺部側において形成される前記１次モードの光強度分布による空間積分値から、
前記１次モードの光強度分布のピークの中心部より前記周期構造を有する反射ミラーの周辺部側において形成される基本モードの反射ミラーの空間積分値を引いた値以上となる領域に位置することを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記反射率減少領域が、前記１次モードにおける光強度分布のピークの位置から、基本モードの共振光の光強度分布と前記１次モードの共振光の光強度分布の交点との間に位置することを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記反射率減少領域が、前記位相シフト部よりフォトニック結晶４〜１０周期分、離れた部位まで存在することを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記周期構造を有する反射ミラーの反射率減少領域が、前記位相シフト部よりフォトニック結晶４〜５周期分、離れた部位まで存在することを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記電流狭窄層は酸化狭窄径が５〜８μｍΦの範囲の大きさに形成され、前記位相シフト部が前記酸化狭窄径よりも外側に位置していることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記上部反射ミラーと下部反射ミラーとの間に空洞部が設けられており、該空洞部は前記上部反射ミラーと接していることを特徴とする。
本発明によれば、面内方向に屈折率が周期的に変化する周期構造のミラーを用いた場合においても、簡単な構造によってミラーの中央部と周辺部の反射率を制御し、単一横モード発振が可能となる。
本発明は、上記したように上部反射ミラー及び下部反射ミラーの少なくともいずれか一方が、
面内方向に屈折率が周期的に変化する周期構造を有し、該周期構造の面内方向に対して垂直方向に入射した光が、該面内方向において共振を生じ、該面内方向に対して垂直に反射するように構成され、
前記周期構造には位相シフト部が設けられ、該位相シフト部によって該位相シフト部が設けられている周辺領域に反射率減少領域を形成し、
前記反射率減少領域内における前記電流狭窄層によって生じる１次モードの共振光である特定モードの共振光に対する反射率を減少させ、前記周期構造の面内方向における反射率を制御するようにした構成を備えている。
これにより、共振器を構成するミラーの中央部における反射率を周辺部より大きくすることで、基本モードでの単一横モード発振を図るようにしたものであるが、つぎに、本発明の実施形態における垂直共振器型面発光レーザについて、図を用いて詳細に説明する。
面内方向に屈折率が周期的に変化する周期構造を有し、該周期構造の面内方向に対して垂直方向に入射した光が、該面内方向において共振を生じ、該面内方向に対して垂直に反射するように構成され、
前記周期構造には位相シフト部が設けられ、該位相シフト部によって該位相シフト部が設けられている周辺領域に反射率減少領域を形成し、
前記反射率減少領域内における前記電流狭窄層によって生じる１次モードの共振光である特定モードの共振光に対する反射率を減少させ、前記周期構造の面内方向における反射率を制御するようにした構成を備えている。
これにより、共振器を構成するミラーの中央部における反射率を周辺部より大きくすることで、基本モードでの単一横モード発振を図るようにしたものであるが、つぎに、本発明の実施形態における垂直共振器型面発光レーザについて、図を用いて詳細に説明する。
図１に、本実施形態における垂直共振器型面発光レーザを説明する模式的断面図を示す。
図１において、１０１は基板、１０２は下部反射ミラー、１０３は下部クラッド層、１０４は活性層である。
１０５は上部クラッド層、１０６は上部スペーサ層、１０７は上部反射ミラー、１０８は位相シフト部、１０９は電流狭窄層である。
図１において、１０１は基板、１０２は下部反射ミラー、１０３は下部クラッド層、１０４は活性層である。
１０５は上部クラッド層、１０６は上部スペーサ層、１０７は上部反射ミラー、１０８は位相シフト部、１０９は電流狭窄層である。
まず、本実施形態における垂直共振器型面発光レーザにおける素子構造について説明する。
基板１０１の上には下部反射ミラー１０２が形成されている。
この下部反射ミラー１０２の上には、下部クラッド層１０３と、活性層１０４と、上部クラッド層１０５とが順次形成されている。上部クラッド層１０５の内部には電流狭窄層１０９が形成されている。
上部クラッド層１０５上には、上部スペーサ層１０６が形成されている。
さらにその上に、屈折率周期構造を有する上部反射ミラー１０７が形成されている。この屈折率周期構造は、面内方向に屈折率が周期的に変化し、該面内方向に対して垂直方向に入射した光が、該面内方向において共振を生じ、該面内方向に対して垂直に反射するように構成されている。
上部反射ミラー１０７上には位相シフト部１０８が形成されている。
上部スペーサ層１０６は上部反射ミラー１０７との屈折率差を確保するために設けられたものであり、この構造により、上部反射ミラー１０７に光を効率的に閉じ込めることができる。
上部反射ミラー１０７と下部反射ミラー１０２の間に活性層が設けられ共振器が構成されている。
さらに、基板１０１の裏面および上部反射ミラー１０７の層上には通常電極（不図示）が設けられる。
基板１０１の上には下部反射ミラー１０２が形成されている。
この下部反射ミラー１０２の上には、下部クラッド層１０３と、活性層１０４と、上部クラッド層１０５とが順次形成されている。上部クラッド層１０５の内部には電流狭窄層１０９が形成されている。
上部クラッド層１０５上には、上部スペーサ層１０６が形成されている。
さらにその上に、屈折率周期構造を有する上部反射ミラー１０７が形成されている。この屈折率周期構造は、面内方向に屈折率が周期的に変化し、該面内方向に対して垂直方向に入射した光が、該面内方向において共振を生じ、該面内方向に対して垂直に反射するように構成されている。
上部反射ミラー１０７上には位相シフト部１０８が形成されている。
上部スペーサ層１０６は上部反射ミラー１０７との屈折率差を確保するために設けられたものであり、この構造により、上部反射ミラー１０７に光を効率的に閉じ込めることができる。
上部反射ミラー１０７と下部反射ミラー１０２の間に活性層が設けられ共振器が構成されている。
さらに、基板１０１の裏面および上部反射ミラー１０７の層上には通常電極（不図示）が設けられる。
本実施形態の発光素子は上記電極により、活性層１０４に電流注入され、活性層１０４から発生した光が下部反射ミラー１０２から、上部反射ミラー１０７までにより構成されている共振器により共振する。
上記実施形態では、便宜上周期構造を有するミラーを上部反射ミラー１０７として用いたが、下部反射ミラーとして用いること、あるいは上部と下部の両方の反射ミラーを同時に用いることも可能である。
また、周期構造を有する反射ミラーを下部反射ミラー１０２として用いた場合には、基板１０１があることから、光閉じ込めのためのスペーサ層は、ミラー層の上下両方に導入することが好ましい場合がある。
上記実施形態では、便宜上周期構造を有するミラーを上部反射ミラー１０７として用いたが、下部反射ミラーとして用いること、あるいは上部と下部の両方の反射ミラーを同時に用いることも可能である。
また、周期構造を有する反射ミラーを下部反射ミラー１０２として用いた場合には、基板１０１があることから、光閉じ込めのためのスペーサ層は、ミラー層の上下両方に導入することが好ましい場合がある。
つぎに、フォトニック結晶ミラーを構成する一例について説明する。
本実施形態において、上記屈折率周期構造を有する上部反射ミラー１０７としては、フォトニック結晶ミラーを用いることができる。
フォトニック結晶は、屈折率に波長の大きさ程度の周期を持たせることにより、光の伝搬を制御する構造であり、屈折率の周期が存在する方向の数により、１〜３次元までの結晶構造がある。
本実施形態において、上記屈折率周期構造を有する上部反射ミラー１０７としては、フォトニック結晶ミラーを用いることができる。
フォトニック結晶は、屈折率に波長の大きさ程度の周期を持たせることにより、光の伝搬を制御する構造であり、屈折率の周期が存在する方向の数により、１〜３次元までの結晶構造がある。
図２に、本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶ミラーを説明する模式的平面図を示す。
フォトニック結晶としては、上記の１〜３次元全て用いることができるが、ここでは例示的に１次元フォトニック結晶（グレーティング構造）を用いて説明する。
図２において、２０１はフォトニック結晶層、２０２は空隙、２０３は左部パターン、２０４は中央部パターン、２０５は右部パターン、２０７はフォトニック結晶ミラー、２０８は位相シフト部である。
フォトニック結晶としては、上記の１〜３次元全て用いることができるが、ここでは例示的に１次元フォトニック結晶（グレーティング構造）を用いて説明する。
図２において、２０１はフォトニック結晶層、２０２は空隙、２０３は左部パターン、２０４は中央部パターン、２０５は右部パターン、２０７はフォトニック結晶ミラー、２０８は位相シフト部である。
図２に示すように、フォトニック結晶ミラー２０７は、フォトニック結晶層２０１に空隙２０２を周期的に形成することによって構成されている。
フォトニック結晶ミラー２０７は、空隙２０２の幅、空隙２０２の周期、フォトニック結晶層２０１の厚さというパラメータで決定づけられる。
このパラメータのうち、空隙２０２の周期は主にミラーの反射波長を決定し、その他は主に、フォトニック結晶ミラー２０７の反射率、および帯域を決定する。実際には、反射率を高くするように、そして好ましくは、帯域の幅を広くするように、数値計算により幾つもの構造を実際に計算することにより、最適な構造を求めることができる。
フォトニック結晶ミラー２０７は、空隙２０２の幅、空隙２０２の周期、フォトニック結晶層２０１の厚さというパラメータで決定づけられる。
このパラメータのうち、空隙２０２の周期は主にミラーの反射波長を決定し、その他は主に、フォトニック結晶ミラー２０７の反射率、および帯域を決定する。実際には、反射率を高くするように、そして好ましくは、帯域の幅を広くするように、数値計算により幾つもの構造を実際に計算することにより、最適な構造を求めることができる。
また、フォトニック結晶ミラー２０７には、位相シフト部２０８に起因した光同士が干渉しない２箇所以上の位置に、位相シフト部２０８が設けられている。この位相シフト部２０８により、フォトニック結晶ミラー２０７は、左部パターン２０３、中央部パターン２０４、右部パターン２０５の各領域に分割されている。
ただし、この位相シフト部の導入方法は、１次元に限った場合であり、２次元のフォトニック結晶における位相シフト部の導入方法に関しては、後の実施例で説明する。
ただし、この位相シフト部の導入方法は、１次元に限った場合であり、２次元のフォトニック結晶における位相シフト部の導入方法に関しては、後の実施例で説明する。
つぎに、上記フォトニック結晶ミラーの材料について説明する。
フォトニック結晶ミラーを構成する材料としては、損失の少ない半導体、誘電体などを用いることができる。
この際、図１における上部反射ミラー１０７を構成する材料の屈折率が、上部スペーサ層１０６のようなフォトニック結晶層の周囲に隣接する層を構成する材料の屈折率よりも高いことが好ましい。
特に、フォトニック結晶の周囲を空気の層で囲んだ時、すなわち、上部スペーサ層１０６が空気の場合、非常に屈折率差を大きく取れる構成となり好ましい。
このとき上部スペーサ層には、フォトニック結晶部に隣接する部位だけに空隙を導入するエアブリッジ構造となる。
フォトニック結晶ミラーを構成する材料としては、損失の少ない半導体、誘電体などを用いることができる。
この際、図１における上部反射ミラー１０７を構成する材料の屈折率が、上部スペーサ層１０６のようなフォトニック結晶層の周囲に隣接する層を構成する材料の屈折率よりも高いことが好ましい。
特に、フォトニック結晶の周囲を空気の層で囲んだ時、すなわち、上部スペーサ層１０６が空気の場合、非常に屈折率差を大きく取れる構成となり好ましい。
このとき上部スペーサ層には、フォトニック結晶部に隣接する部位だけに空隙を導入するエアブリッジ構造となる。
フォトニック結晶ミラー層（上部反射ミラー層１０７）が半導体の時は、ミラー層を通して電流注入することが可能である。
誘電体の時は、ミラーを通して電流注入できないため、電流は横方向より注入することとなる。
ただし、導電性の酸化物半導体（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘａｉｄｅ）などでもミラーを構成できるため、このときはミラーを通しての電流注入が可能である。
半導体材料としては、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体およびそれらの任意の混晶などを用いることができる。また、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＯなどのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体およびそれらの任意の混晶、Ｓｉ、ＳｉＧｅなどのＩＶ族半導体およびそれらの任意の混晶などを用いることができる。さらに、各種の有機半導体なども使用可能である。
また、誘電体材料としては、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＴａＯ2、ＨｆＯ2などの酸化物、β−ＢａＢ2Ｏ4、ＬｉＮｂＯ3（ＬＮ）、ＬｉＴａＯ3、ＫＴｉＰＯ4などの非線形媒質を用いることができる。
あるいは、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、アクリル樹脂などの樹脂材料などを用いることができる。
誘電体の時は、ミラーを通して電流注入できないため、電流は横方向より注入することとなる。
ただし、導電性の酸化物半導体（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘａｉｄｅ）などでもミラーを構成できるため、このときはミラーを通しての電流注入が可能である。
半導体材料としては、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体およびそれらの任意の混晶などを用いることができる。また、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＯなどのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体およびそれらの任意の混晶、Ｓｉ、ＳｉＧｅなどのＩＶ族半導体およびそれらの任意の混晶などを用いることができる。さらに、各種の有機半導体なども使用可能である。
また、誘電体材料としては、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＴａＯ2、ＨｆＯ2などの酸化物、β−ＢａＢ2Ｏ4、ＬｉＮｂＯ3（ＬＮ）、ＬｉＴａＯ3、ＫＴｉＰＯ4などの非線形媒質を用いることができる。
あるいは、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、アクリル樹脂などの樹脂材料などを用いることができる。
つぎに、本実施形態における垂直共振器型面発光レーザを構成する活性層とクラッド層について説明する。
活性層には量子井戸構造、ひずみ量子井戸構造、量子ドット構造などを用いることができる。その上下をクラッド層ではさみ、ミラーとあわせて共振器となる。活性層とクラッド層の間に、電流閉じ込めのためのＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層を導入することも可能である
活性層、クラッド層に用いることのできる材料は半導体であり、上述したようなフォトニック結晶に用いることのできる半導体材料は全て使用することができる。
活性層およびクラッド層に加え、上部・下部ミラー、およびフォトニック結晶ミラーの光閉じ込め層（ミラー層の上下にある場合にはその活性層側の層）を含めて共振器を形成している。
それぞれのクラッド層は、ｐまたはｎの互いに異なるキャリアをドーピングされている。
活性層には量子井戸構造、ひずみ量子井戸構造、量子ドット構造などを用いることができる。その上下をクラッド層ではさみ、ミラーとあわせて共振器となる。活性層とクラッド層の間に、電流閉じ込めのためのＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層を導入することも可能である
活性層、クラッド層に用いることのできる材料は半導体であり、上述したようなフォトニック結晶に用いることのできる半導体材料は全て使用することができる。
活性層およびクラッド層に加え、上部・下部ミラー、およびフォトニック結晶ミラーの光閉じ込め層（ミラー層の上下にある場合にはその活性層側の層）を含めて共振器を形成している。
それぞれのクラッド層は、ｐまたはｎの互いに異なるキャリアをドーピングされている。
つぎに、本実施形態における垂直共振器型面発光レーザの共振器の条件と電流注入方法について説明する。
共振器の条件として、上記共振器において、活性層、クラッド層、上記光閉じ込め層を合わせた光路長（Ｌ）、上下ミラーによる２回の反射での位相シフト（Φｕ、Φｄ）の関係が２Ｌ＋Φｕ＋Φｄ＝ｍλの関係を満たしている必要がある。
電流注入方法として、本実施形態におけるレーザ素子は、ｐ電極、ｎ電極による電流注入により駆動することができる。
電極を構成する材料であるが、従来の半導体レーザプロセスなどで用いられている材料をはじめとし、あらゆる金属材料を用いることが可能である。
特に半導体材料に関しては、従来の半導体レーザプロセスにおいて、半導体材料に応じて使用できる電極材料がほぼ決まっており、電極を形成する技術はほとんど確立されているため、それに従えばよい。
例えば、ＧａＡｓのｎ電極には、Ａｕ−Ｇｅ−Ｎｉ、Ａｕ−Ｇｅ−Ｐｔ、ｐ電極にはＡｇ−Ｚｎ、Ａｕ−Ｚｎなどの材料が用いられる。
また、金属以外にも、ＩＴＯ、ＳｎＯ2、ＩｎＯ2などの、導電性を有する透明酸化物材料などを電極に用いることも可能である。
フォトニック結晶構造を有するミラー層に設ける電極は、フォトニック結晶を有しない部分に設けることが好ましい。
共振器の条件として、上記共振器において、活性層、クラッド層、上記光閉じ込め層を合わせた光路長（Ｌ）、上下ミラーによる２回の反射での位相シフト（Φｕ、Φｄ）の関係が２Ｌ＋Φｕ＋Φｄ＝ｍλの関係を満たしている必要がある。
電流注入方法として、本実施形態におけるレーザ素子は、ｐ電極、ｎ電極による電流注入により駆動することができる。
電極を構成する材料であるが、従来の半導体レーザプロセスなどで用いられている材料をはじめとし、あらゆる金属材料を用いることが可能である。
特に半導体材料に関しては、従来の半導体レーザプロセスにおいて、半導体材料に応じて使用できる電極材料がほぼ決まっており、電極を形成する技術はほとんど確立されているため、それに従えばよい。
例えば、ＧａＡｓのｎ電極には、Ａｕ−Ｇｅ−Ｎｉ、Ａｕ−Ｇｅ−Ｐｔ、ｐ電極にはＡｇ−Ｚｎ、Ａｕ−Ｚｎなどの材料が用いられる。
また、金属以外にも、ＩＴＯ、ＳｎＯ2、ＩｎＯ2などの、導電性を有する透明酸化物材料などを電極に用いることも可能である。
フォトニック結晶構造を有するミラー層に設ける電極は、フォトニック結晶を有しない部分に設けることが好ましい。
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使用できるミラーの種類について説明する。
本実施形態における、周期構造を有する（フォトニック結晶）ミラー以外に使用できるミラーとしては、半導体、又は誘電体で構成されたＤＢＲミラーがある。また、フォトニック結晶とＤＢＲミラーを組み合わせ、１つのミラーとして機能させるような構成（フォトニック結晶ミラーと数ペアのＤＢＲミラーなど）もとることができる。
周期構造を有するミラーとしては、１つのミラーにフォトニック結晶ミラーが含まれていればよい。
ＤＢＲミラーは、互いに屈折率差が異なる媒質を、１／４波長の光路長で積み重ねた通常のものである。
材料は半導体、誘電体、金属などを用いることができるが、発振波長に対して透明かつミラーを通して電流を注入するためには、半導体とすることが好ましい。半導体ＤＢＲミラーの材料組み合わせには、ＡｌxＧａ1-xＡｓ／Ａｌx´Ｇａ1-x´Ａｓ、ＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-y／Ｉｎx´Ｇａ1-x´Ａｓy´Ｐ1-y´、ＧａＮ／ＡｌxＧａ1-xＮなどがある。
誘電体の組み合わせには、ＳｉＯ2／ＴｉＯ2、ＳｉＯ2／ＺｒＯ2、ＴａＯ2／ＳｉＯ2、ＺｒＯ2／ＨｆＯ2などがあり、またこれらを任意の組み合わせで用いることができる。
本実施形態における、周期構造を有する（フォトニック結晶）ミラー以外に使用できるミラーとしては、半導体、又は誘電体で構成されたＤＢＲミラーがある。また、フォトニック結晶とＤＢＲミラーを組み合わせ、１つのミラーとして機能させるような構成（フォトニック結晶ミラーと数ペアのＤＢＲミラーなど）もとることができる。
周期構造を有するミラーとしては、１つのミラーにフォトニック結晶ミラーが含まれていればよい。
ＤＢＲミラーは、互いに屈折率差が異なる媒質を、１／４波長の光路長で積み重ねた通常のものである。
材料は半導体、誘電体、金属などを用いることができるが、発振波長に対して透明かつミラーを通して電流を注入するためには、半導体とすることが好ましい。半導体ＤＢＲミラーの材料組み合わせには、ＡｌxＧａ1-xＡｓ／Ａｌx´Ｇａ1-x´Ａｓ、ＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-y／Ｉｎx´Ｇａ1-x´Ａｓy´Ｐ1-y´、ＧａＮ／ＡｌxＧａ1-xＮなどがある。
誘電体の組み合わせには、ＳｉＯ2／ＴｉＯ2、ＳｉＯ2／ＺｒＯ2、ＴａＯ2／ＳｉＯ2、ＺｒＯ2／ＨｆＯ2などがあり、またこれらを任意の組み合わせで用いることができる。
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反射率制御のメカニズムについて説明する。
前記位相シフト部により、光の反射率の空間分布を制御することができる。その物理描像に関して以下に説明する。
図６に、本実施形態におけるフォトニック結晶ミラーの位相シフト部周辺における光の動きを示す模式的断面図と対応する反射率の空間分布を示す模式図を示す。
図６（ａ）はフォトニック結晶ミラーの位相シフト部周辺における光の動きを示す断面図、図６（ｂ）はフォトニック結晶ミラーの反射率の空間分布を表す模式図である。
ここで、図６（ａ）は位相シフト部周辺のフォトニック結晶構造、および光の伝搬の様子を表した模式図であり、図２のフォトニック結晶ミラー２０７の左部を拡大したものである。
図６において、６０１はフォトニック結晶層、６０２は空隙、６０３は反射率減少領域、６０４は入射光１、６０５は導波光１、６０６は反射光１である。
６０７はフォトニック結晶ミラー、６０８は位相シフト部、６０９は反射率の空間分布、６１０は伝搬光２、６１１は伝搬光３である。
前記位相シフト部により、光の反射率の空間分布を制御することができる。その物理描像に関して以下に説明する。
図６に、本実施形態におけるフォトニック結晶ミラーの位相シフト部周辺における光の動きを示す模式的断面図と対応する反射率の空間分布を示す模式図を示す。
図６（ａ）はフォトニック結晶ミラーの位相シフト部周辺における光の動きを示す断面図、図６（ｂ）はフォトニック結晶ミラーの反射率の空間分布を表す模式図である。
ここで、図６（ａ）は位相シフト部周辺のフォトニック結晶構造、および光の伝搬の様子を表した模式図であり、図２のフォトニック結晶ミラー２０７の左部を拡大したものである。
図６において、６０１はフォトニック結晶層、６０２は空隙、６０３は反射率減少領域、６０４は入射光１、６０５は導波光１、６０６は反射光１である。
６０７はフォトニック結晶ミラー、６０８は位相シフト部、６０９は反射率の空間分布、６１０は伝搬光２、６１１は伝搬光３である。
位相シフト部６０８はフォトニック結晶層６０１と同一平面上に設けられている。
この図ではまず、フォトニック結晶に入射した入射光１（６０４）がフォトニック結晶構造により回折される。
そして、フォトニック結晶ミラー６０７内部を導波する導波光１（６０５）となり、位相シフト部６０８を通り再び回折されて反射光１（６０６）として取り出される様子を表している。
この光が直接反射、透過する光と干渉することで、反射率または透過率が１００％となる（これをＧｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅと呼ぶ）。
位相シフト部を通過することにより、導波光１（６０５）、および反射光１（６０６）は位相がシフトするが、図６（ａ）では位相シフトした後の光を破線で表している。
この反射光１（６０６）が、位相シフト部を通らずに伝搬して来る伝搬光２（６１０）が回折されて生じる伝搬光３（６１１）と干渉を起こし打ち消しあうために位相シフト部周辺の反射率を制御することができる。
特に位相シフトがλ／２となり消失性干渉を起こすとき、この部分の反射率を最も低下させることが出来る。
この図ではまず、フォトニック結晶に入射した入射光１（６０４）がフォトニック結晶構造により回折される。
そして、フォトニック結晶ミラー６０７内部を導波する導波光１（６０５）となり、位相シフト部６０８を通り再び回折されて反射光１（６０６）として取り出される様子を表している。
この光が直接反射、透過する光と干渉することで、反射率または透過率が１００％となる（これをＧｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅと呼ぶ）。
位相シフト部を通過することにより、導波光１（６０５）、および反射光１（６０６）は位相がシフトするが、図６（ａ）では位相シフトした後の光を破線で表している。
この反射光１（６０６）が、位相シフト部を通らずに伝搬して来る伝搬光２（６１０）が回折されて生じる伝搬光３（６１１）と干渉を起こし打ち消しあうために位相シフト部周辺の反射率を制御することができる。
特に位相シフトがλ／２となり消失性干渉を起こすとき、この部分の反射率を最も低下させることが出来る。
つぎに、反射率低下の範囲について説明する。
図６（ａ）において反射率減少領域６０３は、光がミラー中を導波する距離によるため、図６（ｂ）に示すように、反射率低下領域は位相シフト部の両側の一定領域内となる。
この領域の大きさは、光の伝搬距離を制御することで調整し、さらに光の伝搬距離は、フォトニック結晶の屈折率コントラストを調整することで制御する。
反射率低下の領域に関して説明する。材料で決まるフォトニック結晶の屈折率コントラストは、フォトニック結晶を半導体などの固体材料と空隙で構成した場合が最も大きくなる。
この構成に加え、フォトニック結晶の上下の層を空気で構成した場合（本実施形態においては、上部スペーサ層１０６が空気でありエアブリッジ構造となる）が、光の感じる屈折率コントラストは更に大きくなり、フォトニック結晶中で光の導波する距離は最も短い。
例えば、屈折率３．６の材料に空隙構造を周期的に設け、周りを空気で囲んだ構成の場合、光の伝搬距離、すなわち反射率低下の範囲は位相シフト部からおよそフォトニック結晶４周期である。
屈折率のコントラストを下げると、この範囲はもっと大きくなるが、もう一方の位相シフト部を通ってきた光と干渉しない範囲となることが好ましい。
位相シフト部を通ってきた光同士がミラーの中央部まで導波してしまい、互いに干渉するようになると、ミラー中央部の反射率まで下がってしまい、好ましくない。
図６（ａ）において反射率減少領域６０３は、光がミラー中を導波する距離によるため、図６（ｂ）に示すように、反射率低下領域は位相シフト部の両側の一定領域内となる。
この領域の大きさは、光の伝搬距離を制御することで調整し、さらに光の伝搬距離は、フォトニック結晶の屈折率コントラストを調整することで制御する。
反射率低下の領域に関して説明する。材料で決まるフォトニック結晶の屈折率コントラストは、フォトニック結晶を半導体などの固体材料と空隙で構成した場合が最も大きくなる。
この構成に加え、フォトニック結晶の上下の層を空気で構成した場合（本実施形態においては、上部スペーサ層１０６が空気でありエアブリッジ構造となる）が、光の感じる屈折率コントラストは更に大きくなり、フォトニック結晶中で光の導波する距離は最も短い。
例えば、屈折率３．６の材料に空隙構造を周期的に設け、周りを空気で囲んだ構成の場合、光の伝搬距離、すなわち反射率低下の範囲は位相シフト部からおよそフォトニック結晶４周期である。
屈折率のコントラストを下げると、この範囲はもっと大きくなるが、もう一方の位相シフト部を通ってきた光と干渉しない範囲となることが好ましい。
位相シフト部を通ってきた光同士がミラーの中央部まで導波してしまい、互いに干渉するようになると、ミラー中央部の反射率まで下がってしまい、好ましくない。
従って、屈折率のコントラストが下がると、位相シフト部同士をより離さなくてはならず、素子面積を大きくする必要がある。そのため、屈折率のコントラストは大きいことが好ましい。
屈折率が２．４程度となると、上記反射率低下範囲はフォトニック結晶約１０周期分となる。
これらにより、反射率減少領域は、位相シフト部よりフォトニック結晶４〜１０周期分、離れた部位まで存在することが望ましく、位相シフト部よりフォトニック結晶４〜５周期分、離れた部位まで存在することがより望ましい。
屈折率が２．４程度となると、上記反射率低下範囲はフォトニック結晶約１０周期分となる。
これらにより、反射率減少領域は、位相シフト部よりフォトニック結晶４〜１０周期分、離れた部位まで存在することが望ましく、位相シフト部よりフォトニック結晶４〜５周期分、離れた部位まで存在することがより望ましい。
本実施の形態において、位相シフトの形態と、その材料については、つぎのようにすることができる。
位相シフトの形態として、上記位相シフト部６０８は、本実施形態のようにフォトニック結晶の面内に設けることも可能であり、また面に隣接した層に設けることも可能である。
前者の場合は、後者の場合に比較して導波光の位相シフト量を大きくつけることができる。
また、位相シフト部を構成する材料は、フォトニック結晶を構成する材料と同じでも、違っていてもよい。
位相シフトの形態として、上記位相シフト部６０８は、本実施形態のようにフォトニック結晶の面内に設けることも可能であり、また面に隣接した層に設けることも可能である。
前者の場合は、後者の場合に比較して導波光の位相シフト量を大きくつけることができる。
また、位相シフト部を構成する材料は、フォトニック結晶を構成する材料と同じでも、違っていてもよい。
つぎに、位相シフト部と素子内部の光強度分布との関係について説明する。
図３に本実施形態におけるフォトニック結晶ミラーの断面と、レーザ素子共振器内部の共振モードの光強度分布と、フォトニック結晶ミラーの反射率の空間分布をそれぞれ対応させて描いた模式図を示す。
図３（ａ）にフォトニック結晶ミラーの位相シフト周辺部の模式的断面図、図３（ｂ）はレーザ共振器内部の共振モードの光強度分布、図３（ｃ）はフォトニック結晶ミラーの反射率の空間分布を表す模式図を示す。
図３は、図６（ａ）と同じくミラーの断面図を示したものである。位相シフト部３０８はフォトニック結晶層３０１内部に設けられている。
図３（ｂ）は、図３（ａ）に示した構造に対応した素子内部の光強度分布を図案化したものである。
図３において、３０１はフォトニック結晶層、３０２は空隙、３０３は反射率減少領域、３０４は基本モード（０次モード）の光強度分布、３０５は１次モードの光強度分布である。
３０６は１次モード裾部境界、３０７はフォトニック結晶ミラー、３０８は位相シフト部、３０９は反射率の空間分布である。
図３に本実施形態におけるフォトニック結晶ミラーの断面と、レーザ素子共振器内部の共振モードの光強度分布と、フォトニック結晶ミラーの反射率の空間分布をそれぞれ対応させて描いた模式図を示す。
図３（ａ）にフォトニック結晶ミラーの位相シフト周辺部の模式的断面図、図３（ｂ）はレーザ共振器内部の共振モードの光強度分布、図３（ｃ）はフォトニック結晶ミラーの反射率の空間分布を表す模式図を示す。
図３は、図６（ａ）と同じくミラーの断面図を示したものである。位相シフト部３０８はフォトニック結晶層３０１内部に設けられている。
図３（ｂ）は、図３（ａ）に示した構造に対応した素子内部の光強度分布を図案化したものである。
図３において、３０１はフォトニック結晶層、３０２は空隙、３０３は反射率減少領域、３０４は基本モード（０次モード）の光強度分布、３０５は１次モードの光強度分布である。
３０６は１次モード裾部境界、３０７はフォトニック結晶ミラー、３０８は位相シフト部、３０９は反射率の空間分布である。
前述した理由より、位相シフト部３０８が設けられた付近の周辺領域では、反射率を下げることができ、他の領域においては反射率を落とさないことで反射率分布の制御をすることが可能となる。
前述のように基本モードの光強度分布３０４に対しては、ミラーの反射率を変化させず、１次モードの光強度分布３０５に対してのみミラーの反射率を低下させれば、モード損失の機能を導入することができ、単一横モード発振しうるレーザを提供することができる。
図３（ｃ）はこのようにして、位相シフト部３０８を用いることによって制御されたミラーの反射率分布を素子構造に対応して図案化したものである。
前述のように基本モードの光強度分布３０４に対しては、ミラーの反射率を変化させず、１次モードの光強度分布３０５に対してのみミラーの反射率を低下させれば、モード損失の機能を導入することができ、単一横モード発振しうるレーザを提供することができる。
図３（ｃ）はこのようにして、位相シフト部３０８を用いることによって制御されたミラーの反射率分布を素子構造に対応して図案化したものである。
ここで、位相シフト部３０８により、ミラーの反射率を減少させることができるのは、位相シフト部から左右に一定の距離である。図３（ａ）では、このミラーの反射率を減少させることのできる領域を符号３０３で示している。
この反射率減少領域３０３が１次モードの光強度分布３０５の光強度分布領域と重複していれば、１次モードに損失を与えることが可能になり、単一横モード発振に至りやすくなる。
ここで、１次モードの光強度分布３０５の境界は、図３のように光の強度が小さくなる部位であるが、正確には、強度分布関数の２次モーメントの１／ｅ2の値として定義する。
これはビーム径の一般的な定義の仕方によっている。
この反射率減少領域３０３が１次モードの光強度分布３０５の光強度分布領域と重複していれば、１次モードに損失を与えることが可能になり、単一横モード発振に至りやすくなる。
ここで、１次モードの光強度分布３０５の境界は、図３のように光の強度が小さくなる部位であるが、正確には、強度分布関数の２次モーメントの１／ｅ2の値として定義する。
これはビーム径の一般的な定義の仕方によっている。
さらに、モード制御の観点から望ましい場合に関して説明する。
図４（ａ）はレーザ共振器内部の共振モードの光強度分布および素子のある位置における、その位置よりも素子周辺部側の基本モードと１次モードが囲む面積の差分を表すグラフである。
図４（ｂ）は素子のある位置における、その位置より素子周辺部側の基本モードと１次モードの囲む面積を表すグラフである。
なお、図４（ａ）は、レーザの中心部から外側に向かうライン上での基本モードの光強度分布４０４と１次モードの光強度分布４０５を示したグラフに、横軸のある位置におけるその位置よりも素子周辺部側の基本モードと１次モードが囲む面積の差分を示す曲線４０１（以下曲線４０１と記す）を加えた図である。
また、図４（ｂ）は、図４（ａ）の曲線４０１を説明するための図である。
また、図４において、４０２は反射率境界位置の一例を示し、４０３は１次モード頂点の位置での曲線４０１の値、４０６は好ましい反射率境界の範囲を示すものである。
４０７は１次モード強度分布頂点、４０８は基本モードと１次モードの強度分布交点、４０９はさらに好ましい反射率境界の範囲を示すものである。
また、４１０は１次モードが囲む面積、４１１は基本モードが囲む面積である。モード選択のためには、ミラーの反射率の低下により、１次モードに損失を出すことが必要である。
従って、少なくとも反射率の減少領域が、１次モードの光分布と重なっていることが必要である。さらに好ましくは、１次モードに与える損失が、基本モードに与える損失よりも大きければよい。
図４（ａ）はレーザ共振器内部の共振モードの光強度分布および素子のある位置における、その位置よりも素子周辺部側の基本モードと１次モードが囲む面積の差分を表すグラフである。
図４（ｂ）は素子のある位置における、その位置より素子周辺部側の基本モードと１次モードの囲む面積を表すグラフである。
なお、図４（ａ）は、レーザの中心部から外側に向かうライン上での基本モードの光強度分布４０４と１次モードの光強度分布４０５を示したグラフに、横軸のある位置におけるその位置よりも素子周辺部側の基本モードと１次モードが囲む面積の差分を示す曲線４０１（以下曲線４０１と記す）を加えた図である。
また、図４（ｂ）は、図４（ａ）の曲線４０１を説明するための図である。
また、図４において、４０２は反射率境界位置の一例を示し、４０３は１次モード頂点の位置での曲線４０１の値、４０６は好ましい反射率境界の範囲を示すものである。
４０７は１次モード強度分布頂点、４０８は基本モードと１次モードの強度分布交点、４０９はさらに好ましい反射率境界の範囲を示すものである。
また、４１０は１次モードが囲む面積、４１１は基本モードが囲む面積である。モード選択のためには、ミラーの反射率の低下により、１次モードに損失を出すことが必要である。
従って、少なくとも反射率の減少領域が、１次モードの光分布と重なっていることが必要である。さらに好ましくは、１次モードに与える損失が、基本モードに与える損失よりも大きければよい。
さらに、反射率が低下する境界が光パワー分布のどの部分に位置するかで、より好ましい場合に関して説明する。
図４（ａ）における曲線４０１は、光強度分布曲線の囲む面積の差で、中心から横軸で表される距離の部位より素子の周辺部側にある部分の差を表したものである。
例えば、反射率低下の境界が図４（ｂ）の４０２の位置にある場合、その部分よりも素子の周辺側における１次モードが囲む面積４１０から、その部分よりも素子の周辺側における基本モードが囲む面積４１１を引いた値をプロットしたものが曲線４０１である。
これは４０２の位置における基本モードと１次モードでの消光割合の差分のようなものである。従って、この値が大きい程モード選択には有利となる。
図４（ａ）における曲線４０１は、光強度分布曲線の囲む面積の差で、中心から横軸で表される距離の部位より素子の周辺部側にある部分の差を表したものである。
例えば、反射率低下の境界が図４（ｂ）の４０２の位置にある場合、その部分よりも素子の周辺側における１次モードが囲む面積４１０から、その部分よりも素子の周辺側における基本モードが囲む面積４１１を引いた値をプロットしたものが曲線４０１である。
これは４０２の位置における基本モードと１次モードでの消光割合の差分のようなものである。従って、この値が大きい程モード選択には有利となる。
図４（ａ）に示すように、曲線４０１は基本モードと１次モードの交点の位置で最大となることが分かる。
従って、反射率が低下する境界の位置はこの値が大きい範囲となるようにする。好ましくは、反射率減少領域が、１次モードの光強度分布のピークの中心部側より素子の周辺部側において形成される前記光強度分布による空間積分値から、
基本モードの光強度分布のピークの中心部側より素子の周辺部側において形成される前記光強度分布による空間積分値を引いた値以上となる部位に位置する。具体的には、曲線４０１の値が、１次モードの頂点における曲線４０１の値（図４（ａ）における○４０３で囲まれた値）以上となる範囲（図４（ｂ）の４０６で示す範囲）にあるようにする。
さらに好ましくは、上記範囲の素子周辺部側の半分をとり、上記部位は１次モードの光強度分布のピークから、１次モードと基本モードの光強度分布曲線の交点との間（図４（ｂ）の４０９で示す範囲）に位置するようにする。
これは基本モードの反射率を上げ、基本モードに対して損失を減らすためである。
従って、反射率が低下する境界の位置はこの値が大きい範囲となるようにする。好ましくは、反射率減少領域が、１次モードの光強度分布のピークの中心部側より素子の周辺部側において形成される前記光強度分布による空間積分値から、
基本モードの光強度分布のピークの中心部側より素子の周辺部側において形成される前記光強度分布による空間積分値を引いた値以上となる部位に位置する。具体的には、曲線４０１の値が、１次モードの頂点における曲線４０１の値（図４（ａ）における○４０３で囲まれた値）以上となる範囲（図４（ｂ）の４０６で示す範囲）にあるようにする。
さらに好ましくは、上記範囲の素子周辺部側の半分をとり、上記部位は１次モードの光強度分布のピークから、１次モードと基本モードの光強度分布曲線の交点との間（図４（ｂ）の４０９で示す範囲）に位置するようにする。
これは基本モードの反射率を上げ、基本モードに対して損失を減らすためである。
つぎに、ミラー内での位相シフト部の位置、位相シフトの大きさについて説明する。
位相シフト部を導入する位置は、少なくともフォトニック結晶構造の端から２周期以上離れていればよい。
フォトニック結晶を２次元にした場合には、位相シフト部は環状になるが（実施例にて後述）、この場合も同様である。
一般的にフォトニック結晶のパターンは、中心部は一様であるが、端部に近づくとパターンの均一性が損なわれ（端部による影響）プロセスパターンが乱れてくる。
通常はこれをプロセスの条件出しで細かく補正することになる。しかし、フォトニック結晶ミラーにおいては、位相シフトの位置により反射率を落とす領域を自在に作り出すことができる。
言い換えると、反射率がフラットな領域の大きさを制御することができる。
位相シフト部を導入する位置は、少なくともフォトニック結晶構造の端から２周期以上離れていればよい。
フォトニック結晶を２次元にした場合には、位相シフト部は環状になるが（実施例にて後述）、この場合も同様である。
一般的にフォトニック結晶のパターンは、中心部は一様であるが、端部に近づくとパターンの均一性が損なわれ（端部による影響）プロセスパターンが乱れてくる。
通常はこれをプロセスの条件出しで細かく補正することになる。しかし、フォトニック結晶ミラーにおいては、位相シフトの位置により反射率を落とす領域を自在に作り出すことができる。
言い換えると、反射率がフラットな領域の大きさを制御することができる。
例えば、フォトニック結晶をプロセスの補正を行うことなく大領域に作製し、中央のプロセスパターンの乱れのない部分だけを用いてミラーとすると、反射率の落ちる端部は狭窄構造よりもずっと素子の周辺側となる。
このように狭窄構造付近で反射率は落ちないためモード制御できないが、後から位相シフト部を導入することにより狭窄構造付近で反射率を落とすようにすることで、モード制御が可能になる。
このように位相シフト部を用いることで、ミラー面積を大きくし、均一パターンの中心部を使用することができるため、プロセスの条件出しにかかる負荷を軽減することができる。
なおこのような場合、位相シフト部としては、フォトニック結晶パターンを形成した後に、位相シフト部を後付けするような行程で作製することが好ましい。
位相シフト部をフォトニック結晶パターン形成と同時に作製してしまう（すなわち、欠陥のようなものをフォトニック結晶パターンに最初から作りこんでしまう）と、その結果周囲のパターンが乱れてしまいやすくなり、効果が減少するためである。
このように狭窄構造付近で反射率は落ちないためモード制御できないが、後から位相シフト部を導入することにより狭窄構造付近で反射率を落とすようにすることで、モード制御が可能になる。
このように位相シフト部を用いることで、ミラー面積を大きくし、均一パターンの中心部を使用することができるため、プロセスの条件出しにかかる負荷を軽減することができる。
なおこのような場合、位相シフト部としては、フォトニック結晶パターンを形成した後に、位相シフト部を後付けするような行程で作製することが好ましい。
位相シフト部をフォトニック結晶パターン形成と同時に作製してしまう（すなわち、欠陥のようなものをフォトニック結晶パターンに最初から作りこんでしまう）と、その結果周囲のパターンが乱れてしまいやすくなり、効果が減少するためである。
また、位相シフトの大きさであるが、最も消失性の干渉効果が大きくなるのは大きさがλ／２のときである。
このとき、反射率は最も大きく、急峻に低下する。また、シフトの大きさがλ／２から離れるにつれ消失性の干渉効果は小さくなり、従って反射率の低下も小さく、緩やかになってくる。
以上の特性から、位相シフトが大きい場合は高次モードに大きな損失を与えることができるが、同時に基本モードの光の損失も大きくなってしまう。
従って、基本、１次モード間の消光比を大きくとりたい場合には、位相シフトはλ／２＋ｎλ（ｎ：整数）とするのが好ましい。
逆に位相シフトが小さい場合には、消光比はあまり取れないが、基本モードの閾値を下げたり、出力を大きくすることができ、それらの目的に対しては好ましい。
全く位相差がつかない場合や、丁度波長の整数倍となってしまう時は、消失性の干渉が起こらないため本発明は効果を奏しない。
このとき、反射率は最も大きく、急峻に低下する。また、シフトの大きさがλ／２から離れるにつれ消失性の干渉効果は小さくなり、従って反射率の低下も小さく、緩やかになってくる。
以上の特性から、位相シフトが大きい場合は高次モードに大きな損失を与えることができるが、同時に基本モードの光の損失も大きくなってしまう。
従って、基本、１次モード間の消光比を大きくとりたい場合には、位相シフトはλ／２＋ｎλ（ｎ：整数）とするのが好ましい。
逆に位相シフトが小さい場合には、消光比はあまり取れないが、基本モードの閾値を下げたり、出力を大きくすることができ、それらの目的に対しては好ましい。
全く位相差がつかない場合や、丁度波長の整数倍となってしまう時は、消失性の干渉が起こらないため本発明は効果を奏しない。
つぎに、本実施形態におけるフォトニック結晶の種類について説明する。
本実施形態における上部反射ミラーとして、面内の１方向に屈折率が周期的に変化する１次元周期構造による１次元のフォトニック結晶を用いたが、このような構成に限定されるものではない。
面内の２方向に屈折率が周期的に変化する２次元周期構造を有する２次元フォトニック結晶を用いることも可能である。あるいは３次元のフォトニック結晶を用いることも可能である。
１次元フォトニック結晶の形態としては、本実施形態では、屈折率変調の深さがフォトニック結晶層の厚さ分だけのもの（例えば空孔の深さｄがフォトニック結晶層厚ｔと同じ厚さのもの）を用いた。
これ以外にも、変調深さが層厚以下（ｄ＜ｔ）のもの、または大きい（ｄ＞ｔ）ものを用いることもできる。
ただし、ｄ＜ｔの時は光の感じる屈折率コントラストが小さくなり、位相シフト層を離さなければならなくなるため、素子が大面積になりやすい。
従って、素子の面積を小さくしたい場合には、ｄ＝＞ｔであることが好ましい。大きくする時はいずれの場合でもよい。
本実施形態における上部反射ミラーとして、面内の１方向に屈折率が周期的に変化する１次元周期構造による１次元のフォトニック結晶を用いたが、このような構成に限定されるものではない。
面内の２方向に屈折率が周期的に変化する２次元周期構造を有する２次元フォトニック結晶を用いることも可能である。あるいは３次元のフォトニック結晶を用いることも可能である。
１次元フォトニック結晶の形態としては、本実施形態では、屈折率変調の深さがフォトニック結晶層の厚さ分だけのもの（例えば空孔の深さｄがフォトニック結晶層厚ｔと同じ厚さのもの）を用いた。
これ以外にも、変調深さが層厚以下（ｄ＜ｔ）のもの、または大きい（ｄ＞ｔ）ものを用いることもできる。
ただし、ｄ＜ｔの時は光の感じる屈折率コントラストが小さくなり、位相シフト層を離さなければならなくなるため、素子が大面積になりやすい。
従って、素子の面積を小さくしたい場合には、ｄ＝＞ｔであることが好ましい。大きくする時はいずれの場合でもよい。
また、２次元フォトニック結晶の場合は、位相シフト部は２箇所のみでなく、フォトニック結晶のミラー領域を囲むように多角形の環状に導入される。その際、位相シフト部における多角形の対辺同士が、位相シフト部に起因した光同士が干渉しない部位に位置するようにする。
この時、フォトニック結晶の格子点の配置としては、３角格子、４角格子などを用いることができる。
格子点の形状は、円形、楕円形、３角形、正方形、長方形など、様々な形状の格子点を用いることができる。
また、格子の周期は、全部一定でもよいし異なっていてもよい。特に、格子の周期を方向によって変えた場合には、偏光制御などの観点からは好ましい。
格子点の配置が多角形格子の場合、それぞれの環状位相シフト部の形状も、それぞれの共振方向の数に合わせて多角形状となる。
これは、フォトニック結晶における格子点の配置の対称性の数だけ共振方向が存在し、その方向に垂直になるように位相シフト部が導入されるからである。
具体的には、位相シフト部の辺の数は、フォトニック結晶における格子点配置の回転対称性の数の２倍となる。
例えば、フォトニック結晶が２回対称の４角格子の場合は４角形に、３回対称の３角格子の場合は６角形になる。
この場合、位相シフト部の対辺を通る光は互いに結合しないことが必要となる。屈折率変調の深さに関する事項は、すべて１次元のものと同様のことが言える。 つぎに、内部光強度分布と電流狭窄層との関係について説明する。
図１では電流狭窄層１０９は、上部クラッド層１０５中に設けられているが、その他にも下部反射ミラー１０２、下部クラッド層１０３、上部スペーサ層１０６、上部反射ミラー１０７の内部いずれかには、電流狭窄層１０９を設けることができる。
設けることができる狭窄構造の種類は、酸化狭窄層、イオン注入による高抵抗層などがある。
この時、フォトニック結晶の格子点の配置としては、３角格子、４角格子などを用いることができる。
格子点の形状は、円形、楕円形、３角形、正方形、長方形など、様々な形状の格子点を用いることができる。
また、格子の周期は、全部一定でもよいし異なっていてもよい。特に、格子の周期を方向によって変えた場合には、偏光制御などの観点からは好ましい。
格子点の配置が多角形格子の場合、それぞれの環状位相シフト部の形状も、それぞれの共振方向の数に合わせて多角形状となる。
これは、フォトニック結晶における格子点の配置の対称性の数だけ共振方向が存在し、その方向に垂直になるように位相シフト部が導入されるからである。
具体的には、位相シフト部の辺の数は、フォトニック結晶における格子点配置の回転対称性の数の２倍となる。
例えば、フォトニック結晶が２回対称の４角格子の場合は４角形に、３回対称の３角格子の場合は６角形になる。
この場合、位相シフト部の対辺を通る光は互いに結合しないことが必要となる。屈折率変調の深さに関する事項は、すべて１次元のものと同様のことが言える。 つぎに、内部光強度分布と電流狭窄層との関係について説明する。
図１では電流狭窄層１０９は、上部クラッド層１０５中に設けられているが、その他にも下部反射ミラー１０２、下部クラッド層１０３、上部スペーサ層１０６、上部反射ミラー１０７の内部いずれかには、電流狭窄層１０９を設けることができる。
設けることができる狭窄構造の種類は、酸化狭窄層、イオン注入による高抵抗層などがある。
また、位相シフト部による反射率減少部が位置する好ましい範囲（図４における４０６、４０９で表される範囲）は、狭窄層を考慮した有効屈折率近似を用いて計算することが可能である。
これらについて、図５を用いて説明する。
図５に、本実施形態におけるレーザ共振器内部の基本モードと１次モードとの光強度分布の交点の位置と酸化狭窄径との関係を表すグラフと１次モードの光強度分布の頂点の位置と酸化狭窄径との関係を表すグラフを示す。
図５（ａ）は基本モードと１次モードとの光強度分布の交点の位置と酸化狭窄径との関係を表すグラフ、図５（ｂ）は１次モードの光強度分布の頂点の位置と酸化狭窄径との関係を表すグラフである。
ここで、図５（ａ）、（ｂ）は、酸化狭窄径を３μｍから１０μｍまで変化させたときの、１次モードの頂点の位置、さらに基本モードと１次モードの光強度分布の交点の位置の依存性をそれぞれ示している。
両者とも、酸化狭窄径に対して線形な関係がある。これらは実効屈折率差０．３を前提としてそれぞれ計算したものである。
通常、単一モード化のための方策が必要になるのは、酸化狭窄層における酸化狭窄径が５μｍ以上ある場合が多い。
また、反射率減少部が１次モードのピーク位置と、１次モードと基本モードの光強度分布の交点位置との間に位置しながら、酸化狭窄径の外側に位相シフト部を導入することができる場合は、酸化狭窄径が５〜８μｍΦの時である。
このときは、屈折率コントラストが最も大きい場合でも酸化狭窄径の外側に位相シフト部を導入でき、選択酸化の目印とすることもできる。
これらについて、図５を用いて説明する。
図５に、本実施形態におけるレーザ共振器内部の基本モードと１次モードとの光強度分布の交点の位置と酸化狭窄径との関係を表すグラフと１次モードの光強度分布の頂点の位置と酸化狭窄径との関係を表すグラフを示す。
図５（ａ）は基本モードと１次モードとの光強度分布の交点の位置と酸化狭窄径との関係を表すグラフ、図５（ｂ）は１次モードの光強度分布の頂点の位置と酸化狭窄径との関係を表すグラフである。
ここで、図５（ａ）、（ｂ）は、酸化狭窄径を３μｍから１０μｍまで変化させたときの、１次モードの頂点の位置、さらに基本モードと１次モードの光強度分布の交点の位置の依存性をそれぞれ示している。
両者とも、酸化狭窄径に対して線形な関係がある。これらは実効屈折率差０．３を前提としてそれぞれ計算したものである。
通常、単一モード化のための方策が必要になるのは、酸化狭窄層における酸化狭窄径が５μｍ以上ある場合が多い。
また、反射率減少部が１次モードのピーク位置と、１次モードと基本モードの光強度分布の交点位置との間に位置しながら、酸化狭窄径の外側に位相シフト部を導入することができる場合は、酸化狭窄径が５〜８μｍΦの時である。
このときは、屈折率コントラストが最も大きい場合でも酸化狭窄径の外側に位相シフト部を導入でき、選択酸化の目印とすることもできる。
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においては、本発明を適用した垂直共振器型面発光レーザの構成例について説明する。
図７に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの模式的断面図を示す。
図７において、７０１は基板、７０２はＤＢＲミラー、７０３は下部クラッド層、７０４は活性層、７０５は上部クラッド層、７０６は上部スペーサ層、７０７はフォトニック結晶ミラーである。
７０８は位相シフト部、７０９は酸化狭窄層、７１０はエアブリッジ構造、７１１はｎ電極、７１２はｐ電極である。
［実施例１］
実施例１においては、本発明を適用した垂直共振器型面発光レーザの構成例について説明する。
図７に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの模式的断面図を示す。
図７において、７０１は基板、７０２はＤＢＲミラー、７０３は下部クラッド層、７０４は活性層、７０５は上部クラッド層、７０６は上部スペーサ層、７０７はフォトニック結晶ミラーである。
７０８は位相シフト部、７０９は酸化狭窄層、７１０はエアブリッジ構造、７１１はｎ電極、７１２はｐ電極である。
本実施例において、基板７０１の上にはＤＢＲミラー７０２が形成されている。
ＤＢＲミラー７０２は、低屈折率層と高屈折率層とが、λ／４の光学的膜厚で交互に積層されたものである。
低屈折率層にはｎ−Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓ、高屈折率層にはｎ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓを用いている。それらのペア数は発振に必要な反射率を考慮して適宜設定できるが、ここでは３４ペアである。
ＤＢＲミラー７０２は、低屈折率層と高屈折率層とが、λ／４の光学的膜厚で交互に積層されたものである。
低屈折率層にはｎ−Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓ、高屈折率層にはｎ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓを用いている。それらのペア数は発振に必要な反射率を考慮して適宜設定できるが、ここでは３４ペアである。
このＤＢＲミラー７０２の上には、下部クラッド層７０３と、活性層７０４と、上部クラッド層７０５とが順次形成されている。
下部クラッド層７０３としてはｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ、上部クラッド層７０５としてはｐ型のＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓを用いている。また、活性層７０４は、ＧａＡｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓの量子井戸層構造により構成されている。
上部クラッド層７０５中には電流注入を制御するための酸化狭窄層７０９が設けられている。
この酸化狭窄層７０９は下部クラッド層の中にＡｌ比率の高い半導体層、Ａｌ0.97Ｇａ0．03Ａｓ層を設けた後に、水蒸気等により酸化することによって形成される。
下部クラッド層７０３としてはｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ、上部クラッド層７０５としてはｐ型のＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓを用いている。また、活性層７０４は、ＧａＡｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓの量子井戸層構造により構成されている。
上部クラッド層７０５中には電流注入を制御するための酸化狭窄層７０９が設けられている。
この酸化狭窄層７０９は下部クラッド層の中にＡｌ比率の高い半導体層、Ａｌ0.97Ｇａ0．03Ａｓ層を設けた後に、水蒸気等により酸化することによって形成される。
さらに、上部クラッド層７０５上には、上部スペーサ層７０６が形成され、中央部は裏抜きされ空洞部を有するエアブリッジ構造７１０となっている。
さらにその上にフォトニック結晶ミラー７０７が形成され、１次元のフォトニック結晶ミラー７０７の２箇所に位相シフト部７０８が形成されている。
該エアブリッジ構造７１０はフォトニック結晶ミラー７０７との屈折率差を確保するために設けられたものであり、この構造により、フォトニック結晶ミラー７０７に光を効率的に閉じ込めることができる。
エアブリッジ構造７１０は、フォトニック結晶パターニング、転写後にクエン酸などを用いて、フォトニック結晶の空隙から上部スペーサ層を選択的に除去することで形成することが出来る。
さらにその上にフォトニック結晶ミラー７０７が形成され、１次元のフォトニック結晶ミラー７０７の２箇所に位相シフト部７０８が形成されている。
該エアブリッジ構造７１０はフォトニック結晶ミラー７０７との屈折率差を確保するために設けられたものであり、この構造により、フォトニック結晶ミラー７０７に光を効率的に閉じ込めることができる。
エアブリッジ構造７１０は、フォトニック結晶パターニング、転写後にクエン酸などを用いて、フォトニック結晶の空隙から上部スペーサ層を選択的に除去することで形成することが出来る。
フォトニック結晶ミラー７０７は、Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ、上部スペーサ層７０６はＧａＡｓを用いている。
フォトニック結晶ミラー７０７とＤＢＲミラー７０２の２つのミラーで共振器は構成されている。
また、フォトニック結晶ミラー７０７だけでも、ミラーの面内方向においても光を共振させることができる。
さらに、基板７０１の裏面にはｎ電極７１１が設けられ、フォトニック結晶ミラー７０７上にはｐ電極７１２が設けられている。素子の周辺部には溝が掘られ円形のメサ構造となっており（不図示）、メサの直径は２０μｍΦである。
本実施例の発光素子は上記電極により、活性層７０４に電流注入され、活性層７０４から発生した光がＤＢＲミラー７０２からフォトニック結晶ミラー７０７までにより構成されている共振器により共振する。
発光波長は８５０ｎｍである。
フォトニック結晶ミラー７０７とＤＢＲミラー７０２の２つのミラーで共振器は構成されている。
また、フォトニック結晶ミラー７０７だけでも、ミラーの面内方向においても光を共振させることができる。
さらに、基板７０１の裏面にはｎ電極７１１が設けられ、フォトニック結晶ミラー７０７上にはｐ電極７１２が設けられている。素子の周辺部には溝が掘られ円形のメサ構造となっており（不図示）、メサの直径は２０μｍΦである。
本実施例の発光素子は上記電極により、活性層７０４に電流注入され、活性層７０４から発生した光がＤＢＲミラー７０２からフォトニック結晶ミラー７０７までにより構成されている共振器により共振する。
発光波長は８５０ｎｍである。
本実施例における各構造の構成、寸法に関して説明する。
図８に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザのフォトニック結晶ミラーの模式的平面図を示す。
図８は、図７に示される本実施例にて用いているフォトニック結晶ミラー７０７を、面垂直方向より見た図である。この構造は図２の構造にｐ電極８１２を加えたものである。
その他の構成に関しては、下２桁の番号は全て図２に対応するものである。
フォトニック結晶ミラー８０９のパラメータは、空隙８０２の幅が１３０ｎｍ、空隙周期が３７５ｎｍ、フォトニック結晶層８０１の厚さが２３５ｎｍである。この値は数値計算により、フォトニック結晶ミラーの反射帯域が十分に広くなるように設定したものである。
フォトニック結晶ミラーの面積はフォトニック結晶の周期方向でおよそ１０μｍ、フォトニック結晶の周期数は２６周期、周期と垂直方向でおよそ８μｍである。
図８に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザのフォトニック結晶ミラーの模式的平面図を示す。
図８は、図７に示される本実施例にて用いているフォトニック結晶ミラー７０７を、面垂直方向より見た図である。この構造は図２の構造にｐ電極８１２を加えたものである。
その他の構成に関しては、下２桁の番号は全て図２に対応するものである。
フォトニック結晶ミラー８０９のパラメータは、空隙８０２の幅が１３０ｎｍ、空隙周期が３７５ｎｍ、フォトニック結晶層８０１の厚さが２３５ｎｍである。この値は数値計算により、フォトニック結晶ミラーの反射帯域が十分に広くなるように設定したものである。
フォトニック結晶ミラーの面積はフォトニック結晶の周期方向でおよそ１０μｍ、フォトニック結晶の周期数は２６周期、周期と垂直方向でおよそ８μｍである。
本実施例においては、酸化狭窄径は円形で直径１０μｍであり、上記フォトニック結晶の面積は、モード制御に適するように設定されている。具体的には以下の観点から選んでいる。
図３を用いて説明すると、本実施例においては、反射率減少領域３０３はフォトニック結晶１０周期分である（およそ３．８μｍ）。
実際に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの共振器内部の共振モードの光強度分布を計算すると図９のようなグラフになる。
図９に示されるように、高次モードはおよそ素子中心より０．２３μｍの場所から、４．３３μｍの領域に分布する。
従って本実施例において位相シフト部の位置は、これより１．９μｍ素子の外側へ移動した位置、中心部より６．２３μｍ〜２．１３μｍ離れた領域に導入すればよい。
本実施例では、位相シフトは中心部より３μｍ離れた位置に導入されている。従って２６周期のうち、位相シフト部より内側（素子の中心側）にあるフォトニック結晶周期数は１６周期、外側にある周期数は左右５周期ずつの１０周期である。
なお、図７、図８は模式的な図であるため、必ずしもこれらの周期数や、大きさの情報を正確に反映してはいない。
図３を用いて説明すると、本実施例においては、反射率減少領域３０３はフォトニック結晶１０周期分である（およそ３．８μｍ）。
実際に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの共振器内部の共振モードの光強度分布を計算すると図９のようなグラフになる。
図９に示されるように、高次モードはおよそ素子中心より０．２３μｍの場所から、４．３３μｍの領域に分布する。
従って本実施例において位相シフト部の位置は、これより１．９μｍ素子の外側へ移動した位置、中心部より６．２３μｍ〜２．１３μｍ離れた領域に導入すればよい。
本実施例では、位相シフトは中心部より３μｍ離れた位置に導入されている。従って２６周期のうち、位相シフト部より内側（素子の中心側）にあるフォトニック結晶周期数は１６周期、外側にある周期数は左右５周期ずつの１０周期である。
なお、図７、図８は模式的な図であるため、必ずしもこれらの周期数や、大きさの情報を正確に反映してはいない。
さらに、ＤＢＲミラーのｎ−Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓ層、ｎ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層の厚さはそれぞれ６０ｎｍ、６９ｎｍ、エアブリッジ層７１０（上部スペーサ層７０６）の厚さは１０６５ｎｍ（およそ５／４λ）である。活性層７０４の量子井戸数は３層、厚さは井戸部が６μｍ、バリア層が８μｍである。
クラッド層の厚さは上下それぞれ１０５ｎｍである。クラッド層と活性層を合わせた光路長は丁度１共振波長分である。
クラッド層の厚さは上下それぞれ１０５ｎｍである。クラッド層と活性層を合わせた光路長は丁度１共振波長分である。
また、位相シフトの大きさはλ／２となっており、消失性干渉の効果が最も大きくなる構成である。
図１０に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの位相シフト部を導入することによるフォトニック結晶ミラーの反射率変化と共振器内部の光強度分布を表す模式図を示す。
図１０において、横軸は素子の内部構造、右の縦軸は反射率、左の縦軸は素子内部の光強度分布をそれぞれ意味している。
１００１は反射率空間分布（位相シフト導入前）、１００２は反射率空間分布（位相シフト導入後）、１００３は基本モード（０次）の光強度分布、１００４は高次モード（１次）の光強度分布、１００９は酸化狭窄層である。
位相シフト部を導入する前のミラー反射率曲線１００１は、位相シフト部を導入することにより、ミラー反射率曲線１００２のように反射率分布が変化する。
本実施例のミラーは、このような反射率特性を有している。
このため、酸化狭窄層１００９によって形成される基本モード（０次）の光強度分布１００３を優先して、同じくして形成される高次モード（１次）の光強度分布１００４に対して反射率を減少させることができる。
この結果、単一横モード発振に至る確率を向上させることができる。
図１０に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの位相シフト部を導入することによるフォトニック結晶ミラーの反射率変化と共振器内部の光強度分布を表す模式図を示す。
図１０において、横軸は素子の内部構造、右の縦軸は反射率、左の縦軸は素子内部の光強度分布をそれぞれ意味している。
１００１は反射率空間分布（位相シフト導入前）、１００２は反射率空間分布（位相シフト導入後）、１００３は基本モード（０次）の光強度分布、１００４は高次モード（１次）の光強度分布、１００９は酸化狭窄層である。
位相シフト部を導入する前のミラー反射率曲線１００１は、位相シフト部を導入することにより、ミラー反射率曲線１００２のように反射率分布が変化する。
本実施例のミラーは、このような反射率特性を有している。
このため、酸化狭窄層１００９によって形成される基本モード（０次）の光強度分布１００３を優先して、同じくして形成される高次モード（１次）の光強度分布１００４に対して反射率を減少させることができる。
この結果、単一横モード発振に至る確率を向上させることができる。
本実施例における素子は、既存の化合物半導体デバイスに適用する、結晶成長、蒸着、スパッタリングなどの製膜プロセス、フォトリソグラフィー、ＥＢリソグラフィーなどのリソグラフィープロセスなどを駆使して製造することが出来る。
あるいは、ウェット・ドライエッチングなどのエッチングプロセス・選択エッチングプロセス、乾燥プロセス、電極の蒸着・スパッタリングプロセスなどを駆使して製造することが出来る。
本実施例においては、レーザ素子全体の材料はＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ系のものを用いたが、上記した本実施形態で述べた、ミラー、活性層、クラッド層、電極などの材料は、全て適用することが可能である。
また、フォトニック結晶の種類や格子点の配置、形状に関しても、上記した本実施形態で述べたものは、全て用いることができる。
あるいは、ウェット・ドライエッチングなどのエッチングプロセス・選択エッチングプロセス、乾燥プロセス、電極の蒸着・スパッタリングプロセスなどを駆使して製造することが出来る。
本実施例においては、レーザ素子全体の材料はＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ系のものを用いたが、上記した本実施形態で述べた、ミラー、活性層、クラッド層、電極などの材料は、全て適用することが可能である。
また、フォトニック結晶の種類や格子点の配置、形状に関しても、上記した本実施形態で述べたものは、全て用いることができる。
［実施例２］
実施例２においては、実施例１とは異なる形態の垂直共振器型面発光レーザの構成例について説明する。
図１１に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの模式的断面図を示す。図１１において、１１０１は基板、１１０２はＤＢＲミラー、１１０３は下部クラッド層、１１０４は活性層、１１０５は上部クラッド層、１１０６は上部スペーサ層、１１０７はフォトニック結晶ミラーである。
１１０８は位相シフト部、１１０９は酸化狭窄層、１１１０はエアブリッジ構造、１１１１はｎ電極、１１１２はｐ電極である。
実施例２においては、実施例１とは異なる形態の垂直共振器型面発光レーザの構成例について説明する。
図１１に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの模式的断面図を示す。図１１において、１１０１は基板、１１０２はＤＢＲミラー、１１０３は下部クラッド層、１１０４は活性層、１１０５は上部クラッド層、１１０６は上部スペーサ層、１１０７はフォトニック結晶ミラーである。
１１０８は位相シフト部、１１０９は酸化狭窄層、１１１０はエアブリッジ構造、１１１１はｎ電極、１１１２はｐ電極である。
本実施例において実施例１に対して変わっている点は、位相シフト部１１０８のフォトニック結晶ミラー面内方向での導入位置、およびフォトニック結晶ミラー１１０７の層内部ではなく、隣接層に導入されている点である。
具体的には、位相シフト部１１０８は、そのミラー中心部側の反射率低下部が０次と１次モードの共振光の光強度分布の交点の位置に置かれており、さらにフォトニック結晶ミラーの穴があいていない部分の上部に載せられている。
具体的には、位相シフト部１１０８は、そのミラー中心部側の反射率低下部が０次と１次モードの共振光の光強度分布の交点の位置に置かれており、さらにフォトニック結晶ミラーの穴があいていない部分の上部に載せられている。
位相シフト部が導入されている位置は、ミラー中心部からおよそ３．７μｍの位置で、酸化狭窄径が１０μｍの時の０次モードと１次モードの光分布の交点の位置である。
フォトニック結晶の周期数は、位相シフト部よりも内側が２０周期、外側が両端合わせて１０周期の合計３０周期、ミラーの周期構造方向の大きさはおよそ１２μｍである。
その他の素子の構成、構造、材料などはすべて実施例１の図７と同様であり、番号も下２桁は図７と共通としてある。
フォトニック結晶の周期数は、位相シフト部よりも内側が２０周期、外側が両端合わせて１０周期の合計３０周期、ミラーの周期構造方向の大きさはおよそ１２μｍである。
その他の素子の構成、構造、材料などはすべて実施例１の図７と同様であり、番号も下２桁は図７と共通としてある。
本実施例のフォトニック結晶ミラーを上部より見ると、図１２のようになっている。
図１２においても、位相シフト部１２０８がフォトニック結晶層１２０１の上部に載っている点だけが、図８と異なる点である。
その他の構造の番号下２桁は全て図８に対応している。
本実施例で、フォトニック結晶ミラーの上部に載っている位相シフト部１１０８または１２０８の材料は、ＳｉＯ2を用いている。
図１２においても、位相シフト部１２０８がフォトニック結晶層１２０１の上部に載っている点だけが、図８と異なる点である。
その他の構造の番号下２桁は全て図８に対応している。
本実施例で、フォトニック結晶ミラーの上部に載っている位相シフト部１１０８または１２０８の材料は、ＳｉＯ2を用いている。
本実施例においては、位相シフト部がフォトニック結晶ミラー面内に導入されていないために、つけることが出来る位相シフトの大きさは実施例１より小さくλ／８程度である。
このため反射率の低下量は小さく、また反射率低下の割合（反射率の高い部分から低い部分へ移る時の、反射率の空間変化）も小さい。
このため反射率の低下量は小さく、また反射率低下の割合（反射率の高い部分から低い部分へ移る時の、反射率の空間変化）も小さい。
この様子を図示すると、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの位相シフト部を導入することによるフォトニック結晶ミラーの反射率変化と共振器内部の光強度分布を表した図１３の模式図のようになる。
図１３において、番号の下２桁は実施例１の図１０に対応している。
図１３においても、位相シフト部を持たないミラーの反射率１３０１は、位相シフトにより１次モード１３０４に対して反射率が低下し１３０２のようになるのは実施例１の場合と同様である。
しかし位相シフトの量が小さいため、１３０２の反射率の低下量と、低下の割合は図１０の１００２よりも小さくなる。
従って、本実施例におけるミラーは、基本モードに対する高次モードの消光比を大きく取るよりも、消光比をある程度取りながら、かつ基本モードに対する反射率の低下を抑え、閾値を下げる目的に適している。
図１３において、番号の下２桁は実施例１の図１０に対応している。
図１３においても、位相シフト部を持たないミラーの反射率１３０１は、位相シフトにより１次モード１３０４に対して反射率が低下し１３０２のようになるのは実施例１の場合と同様である。
しかし位相シフトの量が小さいため、１３０２の反射率の低下量と、低下の割合は図１０の１００２よりも小さくなる。
従って、本実施例におけるミラーは、基本モードに対する高次モードの消光比を大きく取るよりも、消光比をある程度取りながら、かつ基本モードに対する反射率の低下を抑え、閾値を下げる目的に適している。
また、上記した本実施形態で述べたように、素子を大きく作り、端部によるプロセスエラーの影響をなくすことが出来れば、プロセスの条件出しの緩和という目的で用いることが可能である。
本実施例における素子の製造方法であるが、位相シフト部形成までは実施例１と同様である。
具体的には、最初位相シフト部および電極を除いた素子全体を作製しておき、最後に位相シフト部を所定の位置にスパッタリングすることで製膜することができる。
このとき位相シフト部以外の部位はマスクをかけて覆われている。最後に電流注入のための電極を蒸着し、素子を作製することができる。
本実施例における素子の製造方法であるが、位相シフト部形成までは実施例１と同様である。
具体的には、最初位相シフト部および電極を除いた素子全体を作製しておき、最後に位相シフト部を所定の位置にスパッタリングすることで製膜することができる。
このとき位相シフト部以外の部位はマスクをかけて覆われている。最後に電流注入のための電極を蒸着し、素子を作製することができる。
本実施例においては、レーザ素子全体の材料はＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ系のものを用いたが、上記した本実施形態で述べた、ミラー、活性層、クラッド層、電極などの材料は、全て適用することが可能である。
また、フォトニック結晶の種類や格子点の配置、形状に関しても、上記した本実施形態で述べたものは、全て用いることができる。
また、フォトニック結晶の種類や格子点の配置、形状に関しても、上記した本実施形態で述べたものは、全て用いることができる。
［実施例３］
実施例３においては、フォトニック結晶ミラーとして、２次元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の構成例について説明する。
図１４に、本発明の実施例３における垂直共振器面発光レーザのフォトニック結晶ミラーの模式的平面図を示す。
図１４において、１４０１はフォトニック結晶層、１４０２は空孔、１４０３は位相シフト部、１４０４はｐ電極である。
実施例３におけるレーザ素子の構成および材料は、実施例１のものと基本的に同様である。
ただし、実施例３においては、用いているフォトニック結晶ミラーのパターンが２次元のフォトニック結晶である所だけが異なっている。
実施例３においては、フォトニック結晶ミラーとして、２次元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の構成例について説明する。
図１４に、本発明の実施例３における垂直共振器面発光レーザのフォトニック結晶ミラーの模式的平面図を示す。
図１４において、１４０１はフォトニック結晶層、１４０２は空孔、１４０３は位相シフト部、１４０４はｐ電極である。
実施例３におけるレーザ素子の構成および材料は、実施例１のものと基本的に同様である。
ただし、実施例３においては、用いているフォトニック結晶ミラーのパターンが２次元のフォトニック結晶である所だけが異なっている。
本実施例においては、図１４に示すように、フォトニック結晶層１４０１に空孔１４０２が周期的に設けられ、４角格子の２次元フォトニック結晶を形成している。
位相シフトは、フォトニック結晶領域の端部より３周期離れた位置に導入されている。
フォトニック結晶のパラメータは、格子定数６７０ｎｍ、孔半径２２０ｎｍ、フォトニック結晶層厚さ２３０ｎｍである。
パラメータ導出の仕方は、実施例１と同様にシミュレーションによるものである。
フォトニック結晶領域の面積は、一辺が１５．５μｍ、フォトニック結晶にすると２２周期分である。
酸化アパーチャの径は実施例１、２と同様１０μｍであるが、図３における反射率の減少領域３０３の長さは周期が大きい分大きくなり、３．３５μｍである。このとき、レーザの共進光のモード分布は実施例１と同様であり、１次モードはおよそ素子中心より０．２３μｍの場所から、４．３３μｍの領域に位置するため、位相シフト部はおよそ３．６μｍ〜７．７μｍの位置に導入されるのがよい。
本実施例では、位相シフト部は素子中心からおよそ５．５μｍの位置に導入されている。
従って、位相シフト部に囲まれた四角領域一辺の長さはおよそ１１μｍ、周期数にして１６周期、位相シフト部の外側の６周期（片方３周期）と合わせて、一辺の周期数は合計２２周期である。
位相シフトは、フォトニック結晶領域の端部より３周期離れた位置に導入されている。
フォトニック結晶のパラメータは、格子定数６７０ｎｍ、孔半径２２０ｎｍ、フォトニック結晶層厚さ２３０ｎｍである。
パラメータ導出の仕方は、実施例１と同様にシミュレーションによるものである。
フォトニック結晶領域の面積は、一辺が１５．５μｍ、フォトニック結晶にすると２２周期分である。
酸化アパーチャの径は実施例１、２と同様１０μｍであるが、図３における反射率の減少領域３０３の長さは周期が大きい分大きくなり、３．３５μｍである。このとき、レーザの共進光のモード分布は実施例１と同様であり、１次モードはおよそ素子中心より０．２３μｍの場所から、４．３３μｍの領域に位置するため、位相シフト部はおよそ３．６μｍ〜７．７μｍの位置に導入されるのがよい。
本実施例では、位相シフト部は素子中心からおよそ５．５μｍの位置に導入されている。
従って、位相シフト部に囲まれた四角領域一辺の長さはおよそ１１μｍ、周期数にして１６周期、位相シフト部の外側の６周期（片方３周期）と合わせて、一辺の周期数は合計２２周期である。
本実施例では、２次元フォトニック結晶ミラーを用いていることにより、平面内での２方向に対して反射率分布を制御できるため、よりモード制御の効果は大きくなる。
位相シフトの大きさはやはりλ／２であり、消失性干渉効果は最も大きい。
本実施例における素子の作製行程は、実施例１の場合と同様である。
位相シフトの大きさはやはりλ／２であり、消失性干渉効果は最も大きい。
本実施例における素子の作製行程は、実施例１の場合と同様である。
以上の実施例１から実施例３は例示的なものであり、本発明において用いるレーザ素子の構造材料、大きさ、形状などの諸条件は、以上の実施例により何ら限定されるものではない。
１０１：基板
１０２：下部反射ミラー
１０３：下部クラッド層
１０４：活性層
１０５：上部クラッド層
１０６：上部スペーサ層
１０７：上部反射ミラー
１０８：位相シフト部
１０９：電流狭窄層
１０２：下部反射ミラー
１０３：下部クラッド層
１０４：活性層
１０５：上部クラッド層
１０６：上部スペーサ層
１０７：上部反射ミラー
１０８：位相シフト部
１０９：電流狭窄層
Claims (12)
- 共振器を構成する上部反射ミラー及び下部反射ミラーと、該上部と下部の反射ミラーの間に設けられた活性層と、該上部と下部の反射ミラーの間またはそのいずれか一方の反射ミラーの内部に設けられた電流狭窄層と、を有する垂直共振器型面発光レーザであって、
前記上部反射ミラー及び下部反射ミラーの少なくともいずれか一方が、
面内方向に屈折率が周期的に変化する周期構造を有し、該周期構造の面内方向に対して垂直方向に入射した光が、該面内方向において共振を生じ、該面内方向に対して垂直に反射するように構成され、
前記周期構造には位相シフト部が設けられ、該位相シフト部によって該位相シフト部が設けられている周辺領域に反射率減少領域を形成し、
前記反射率減少領域内における前記電流狭窄層によって生じる１次モードの共振光である特定モードの共振光に対する反射率を減少させ、前記周期構造の面内方向における反射率を制御することを特徴とする垂直共振器型面発光レーザ。 - 前記周期構造が、面内の１方向に屈折率が周期的に変化する１次元周期構造で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
- 前記周期構造が１次元のフォトニック結晶であり、該１次元のフォトニック結晶には前記位相シフト部に起因した光同士が干渉しない２箇所以上の位置に、前記位相シフト部が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
- 前記周期構造が、面内の２方向に屈折率が周期的に変化する２次元周期構造で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
- 前記２次元周期構造が２次元のフォトニック結晶であり、該２次元のフォトニック結晶には多角形の対辺同士が位相シフト部に起因した光同士が干渉しない部位に位置するように、前記位相シフト部が多角形の環状に構成されて設けられていることを特徴とする請求項４に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
- 前記反射率減少領域は、前記周期構造を有する反射ミラーの中心側における該反射率減少領域が、前記１次モードにおける光強度分布領域に位置することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
- 前記反射率減少領域が、前記１次モードの光強度分布のピークの中心部より前記周期構造を有する反射ミラーの周辺部側において形成される前記１次モードの光強度分布による空間積分値から、
前記１次モードの光強度分布のピークの中心部より前記周期構造を有する反射ミラーの周辺部側において形成される基本モードの反射ミラーの空間積分値を引いた値以上となる領域に位置することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。 - 前記反射率減少領域が、前記１次モードにおける光強度分布のピークの位置から、基本モードの共振光の光強度分布と前記１次モードの共振光の光強度分布の交点との間に位置することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
- 前記反射率減少領域が、前記位相シフト部よりフォトニック結晶４〜１０周期分、離れた部位まで存在することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
- 前記周期構造を有する反射ミラーの反射率減少領域が、前記位相シフト部よりフォトニック結晶４〜５周期分、離れた部位まで存在することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
- 前記電流狭窄層は酸化狭窄径が５〜８μｍΦの範囲の大きさに形成され、前記位相シフト部が前記酸化狭窄径よりも外側に位置していることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
- 前記上部反射ミラーと下部反射ミラーとの間に空洞部が設けられており、該空洞部は前記上部反射ミラーと接していることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
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