JP5138898B2 - ２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源 - Google Patents

Description

本発明は、平面状の光源から面に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面発光レーザ光源に関する。

近年、フォトニック結晶を用いた新しいタイプのレーザ光源が開発されている。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光源には、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レーザ光源が記載されている。この２次元フォトニック結晶には、半導体から成る板状の母材に円柱状の空孔が周期的（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てレーザ発振する。これにより生じたレーザ光は２次元フォトニック結晶によりそれに垂直な方向に回折され、２次元フォトニック結晶の表面から面発光が得られる。

図１に、特許文献１に記載のレーザ光源において空孔１１が正方格子状に配置されている場合について、２次元フォトニック結晶の内部に形成される定在波の電磁界分布を計算した結果を示す。図中に太線で示した円は空孔１１を、灰色の濃淡は磁界の強弱を、矢印の方向及び長さは電界の方向及び強度を、それぞれ示している。電界は空孔１１の円の重心（中心）を取り巻き、この重心に関して反対称になるように形成されている。２次元フォトニック結晶の大きさが無限大であると仮定すると、この電界の反対称性により全ての空孔において干渉により電界が打ち消され（消失性干渉）、レーザ光は外部に放出されない。

実際には２次元フォトニック結晶の大きさが有限であることにより、その反対称性が崩れ、電界が完全には打ち消されないため、２次元フォトニック結晶内で生じたレーザ光の一部は外部に放出される。しかし、外部に放出されるレーザ光の強度は電界の干渉の影響を受けて弱められる。

特許文献２には、格子の形状と異屈折率領域の形状を合わせて成る格子構造が並進対称性を備えるが回転対称性がない２次元フォトニック結晶を用いた面発光レーザ光源について記載されている。このような２次元フォトニック結晶として、例えば異屈折率領域を正方格子状に配置して各異屈折率領域を正三角形にする等、格子と異屈折率領域が異なる回転対称性を有するものが挙げられる。この面発光レーザ光源は特許文献１のものよりも、２次元フォトニック結晶の構造の対称性が低いため、消失性干渉の影響は抑えられ、それにより面垂直方向に取り出される光の強度は強くなる。

特開2000-332351号公報（[0037]〜[0056],図1） 特開2004-296538号公報（[0026]〜[0037], [0046], 図1〜5, 図22）

特許文献２に記載の２次元フォトニック結晶は消失性干渉の影響を抑えてレーザ光の強度をある程度強くすることができるが、より一層強い強度のレーザ光が得られる面発光レーザ光源が求められている。
本発明が解決しようとする課題は、従来よりも強い強度のレーザ光が得られる２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源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面発光レーザ光源の第１の態様のものは、板状の母材に該母材とは屈折率が異なる同一形状の領域が周期的に配置されて成る２次元フォトニック結晶と、該２次元フォトニック結晶の一方の側に設けた活性層と、を備える２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、
各異屈折率領域において、該異屈折率領域の重心及び該重心を起点とし２次元フォトニック結晶の面内に延びる第１の半直線上に該異屈折率領域が存在せず、該重心を起点とし第１半直線の反対側に延びる第２の半直線上の少なくとも一部に該異屈折率領域が存在し、
各異屈折率領域がV字形であることを特徴とする。

また、本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源の第２の態様のものは、板状の母材に該母材とは屈折率が異なる同一形状の領域が周期的に配置されて成る２次元フォトニック結晶と、該２次元フォトニック結晶の一方の側に設けた活性層と、を備える２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源において、
各異屈折率領域において、該異屈折率領域の重心及び該重心を起点とし２次元フォトニック結晶の面内に延びる第１の半直線上に該異屈折率領域が存在せず、該重心を起点とし第１半直線の反対側に延びる第２の半直線上の少なくとも一部に該異屈折率領域が存在し、
各異屈折率領域が、同一形状の３個の、母材とは屈折率が異なる領域が三角形状に配置されたものであることを特徴とする。

本発明の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源では、異屈折率領域の重心を挟んで第１半直線側には異屈折率領域がなく母材が存在し、第２半直線側には少なくとも一部に異屈折率領域が存在する。そのため、第２半直線側の異屈折率領域が存在する位置に形成される定在波の電界と、前記重心に関して対称な位置に形成される定在波の電界は、両位置での屈折率（誘電率）が異なることにより強度も異なるため、消失性干渉が抑制される。これにより、２次元フォトニック結晶内のレーザ光はその結晶に垂直な方向に、従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源よりも強い強度で取り出すことができる。

本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源は、活性層の一方の側に２次元フォトニック結晶を有する。但し、活性層と２次元フォトニック結晶は接している必要はなく、両者の間にスペーサ等の部材が挿入されていてもよい。活性層は、電流が注入されることにより、目的とするレーザ光の波長を含む波長帯の光を発光するものであり、従来よりファブリ・ペロー型レーザ光源に用いられているものと同様のものを用いることができる。

２次元フォトニック結晶は従来の面発光レーザと同様に、板状の母材に、それとは屈折率が異なる領域（異屈折率領域）が周期的に配置されることにより屈折率の周期分布が形成されたものである。異屈折率領域の配列は正方格子状、三角格子状等、従来の面発光レーザと同様のものを用いることができる。各異屈折率領域は同一形状とする。異屈折率領域は母材との屈折率の差を大きくすることができるという点、及び製造上の容易さの点から、空孔とすることが望ましい。しかし、母材に何らかの部材を埋め込むことにより異屈折率領域を形成してもよい。部材を埋め込んだ異屈折率領域は、例えば製造の際に２次元フォトニック結晶と他の層を高い温度で融着する必要がある場合に、高温による異屈折率領域の変形を防ぐために、好適に用いることができる。部材を埋め込んだ異屈折率領域は、まずそれら部材を形成、配置した後に、それらの周囲を母材の材料で埋めることによっても作製することができる。

本発明では、各異屈折率領域には、以下に述べる形状を持つものを用いる。まず、異屈折率領域は、その重心がその異屈折率領域の外に存在する、言い換えれば重心上にその異屈折率領域が存在しないような形状を選択する。そして、その重心を起点として２次元フォトニック結晶の面内のいずれかの方向に延びる半直線（第１半直線）上にも、その異屈折率領域が存在しないようにする。第１半直線は、異屈折率領域が配列される格子の方向に関わらず、いずれの方向に延びていてもよい。一方、その重心から第１半直線の反対側（180°異なる方向）に延びる第２の半直線上には、少なくともその異屈折率領域の一部が存在するようにする。このような異屈折率領域には、例えば、V字形のものや、同一形状の３個の、母材とは屈折率が異なる領域が三角形状に配置されたもの等がある。

このように異屈折率領域を形成することにより、第１半直線及び第２半直線から成る直線上においては、少なくとも一部において、重心に関して対称な２点での屈折率は互いに異なる（一方は母材の屈折率、他方は異屈折率領域の屈折率）。前述の通り、２次元フォトニック結晶内に形成される光の定在波の電界ベクトルは異屈折率領域の重心付近を中心として周回するように形成されるが、これら２点における電界ベクトルはこの屈折率の違いにより、互いに反対称にはならないため、消失性干渉が抑制される。そのため、２次元フォトニック結晶に垂直な方向に取り出される出力光の強度は従来よりも増加する。

従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源における異屈折率領域では、円形、楕円形、正三角形、二等辺三角形、直角三角形、凸字形、鈎形及び大小２個の円を並べたもの（円形のものは特許文献１に、その他の形状の空孔は特許文献２に記載）等、重心は異屈折率領域内に存在し、その重心の周囲はいずれの方向にも異屈折率領域が存在する。そのため、これら従来の面発光レーザ光源では、少なくとも重心の近傍において、その重心に関して互いに対称な２点では両者の屈折率は同じになり、それによりその位置での電界ベクトルは互いに反対称になる。そのため、それら２点における電界は消失性干渉により打ち消し合う。それに対して本発明では上述のように消失性干渉が抑制されるため、従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源よりも強い強度のレーザ光を取り出すことができる。

本発明の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源の使用方法は従来のものと同様であり、活性層に電流を注入することによりレーザ光が得られる。
活性層に電流を注入すると、目的とするレーザ光の波長を含む波長帯の光が活性層から発光する。この光のうち２次元フォトニック結晶の周期に対応する波長の光により２次元フォトニック結晶内に２次元定在波が形成され、この光が強められることによりレーザ発振が得られ、２次元フォトニック結晶に垂直な方向に取り出される。

本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源（以下、「面発光レーザ」とする）の実施例を、図２〜図６を用いて説明する。
図２は本実施例の面発光レーザの斜視図である。n型半導体のガリウムヒ素(GaAs)から成る上部基板２１の下にn型半導体のアルミニウム・ガリウム砒素(AlGaAs)から成るクラッド層２２を挟んで、インジウム・ガリウム砒素／ガリウムヒ素(InGaAs/GaAs)から成る多重量子井戸（Multiple-Quantum Well; MQW）を有する活性層２３が設けられている。活性層２３の下に２次元フォトニック結晶２４が設けられている。２次元フォトニック結晶２４の構成は後述する。２次元フォトニック結晶２４の下にp型AlGaAsから成るクラッド層２５を挟んでp型GaAsから成る下部基板２６が設けられている。

上部基板２１の上に上部電極２７が、下部基板２６の下に下部電極２８が、それぞれ設けられている。このうち上部電極２７は本実施例の面発光レーザが放出するレーザ光を通過させることができる窓２７１を有する。下部電極２８は、窓２７１を含めた上部電極２７の面積よりも小さい面積を有する。また、下部電極２８と活性層２３の間の距離は、上部電極２７と活性層２３の間の距離よりも小さい。これら上部電極２７及び下部電極２８の構成により、上部電極２７と下部電極２８の間に電圧が印加された時に、活性層２３内の狭い範囲に電流を集中させてその領域での電流密度を高めることができ、それによりレーザ発振に十分な強度の光を活性層２３から得ることができる。また、活性層２３に発生した熱を効率よく下部基板２６等に放出することができる。

なお、活性層２３と２次元フォトニック結晶２４は互いの位置を入れ替えて配置してもよい。また、ここでは便宜上「上」「下」という表現を用いたが、これらは本実施例の面発光レーザの向きを限定するものではない。

本実施例の面発光レーザにおける２次元フォトニック結晶２４の構成を説明する。本実施例では図３(a)及び(b)に示した２種類の２次元フォトニック結晶２４Ａ及び２４Ｂを用いた。２次元フォトニック結晶２４Ａ及び２４Ｂはいずれも、p型GaAsから成る板状の母材２４１に空孔（異屈折率領域）が正方格子状に配置されたものである。

２次元フォトニック結晶２４Ａに配置された空孔２４２ＡはV字形状を有する。その空孔２４２Ａのうちの１個である空孔２４２Ａ’を取り出して図４(a)に示す。空孔２４２Ａ’の重心Ｇ１の位置には空孔２４２Ａ’が存在せず、母材２４１のp型GaAsが存在する。また、重心Ｇ１の左方に延びる第１半直線２５１上にはその空孔２４２Ａ’は存在しない。一方、重心Ｇ１から第１半直線２５１の反対側に延びる第２半直線２５２は空孔２４２Ａ’を通過する。即ち、第２半直線２５２上の一部には空孔２４２Ａ’が存在する。

２次元フォトニック結晶２４Ａでは、図４(a)中に太矢印で示すように、第２半直線２５２上の空孔２４２Ａ内に形成される電界ベクトル２９２と、重心Ｇ１に関して電界ベクトル２９２と対称な位置である母材２４１内に形成される電界ベクトル２９１は、両者の存在する位置における屈折率が異なるため、反対称性を持たない。そのため、電界ベクトル２９１と２９２の消失性干渉は抑制される。

次に、２次元フォトニック結晶２４Ｂに配置された空孔２４２Ｂのうちの１個である空孔２４２Ｂ’を取り出して図４(b)に示す。空孔２４２Ｂ’は円形の空孔から成る３個の空孔構成要素２６１、２６２、２６３を正三角形（図中に細い破線で示したもの）の頂点に配置したものである。この２次元フォトニック結晶２４Ｂではこれら３個の空孔構成要素２６１〜２６３は１個の異屈折率領域（空孔）２４２Ｂ’として作用する。空孔２４２Ｂ’の重心Ｇ２は細破線の正三角形の重心の位置に存在する。この重心Ｇ２の位置には空孔構成要素２６１〜２６３が存在せず、母材２４１のp型GaAsが存在する。また、重心Ｇ２の左方に延びる第１半直線２５１上にも空孔構成要素２６１〜２６３は存在しない。一方、第１半直線２５１の反対側に延びる第２半直線２５２は空孔構成要素２６３を通過する。即ち、第２半直線２５２上の一部には空孔２４２Ｂ’が存在する。

２次元フォトニック結晶２４Ｂにおいても、２次元フォトニック結晶２４Ａと同様に、第２半直線２５２上の空孔２４２Ｂ内に形成される電界ベクトル２９２と、重心Ｇ１に関して電界ベクトル２９２と対称な位置である母材２４１内に形成される電界ベクトル２９１は反対称性を持たず、それにより電界ベクトル２９１と２９２の消失性干渉は抑制される。

なお、ここでは一例として空孔構成要素２６１〜２６３を正三角形の頂点に配置した空孔を示したが、正三角形以外の形状の三角形の頂点に空孔構成要素２６１〜２６３を配置した空孔を用いた２次元フォトニック結晶も、２次元フォトニック結晶２４Ｂと同様の効果を奏する。

図４では(a), (b)共に半直線２５１及び２５２は１組のみ示したが、実際には図５に斜線で示した範囲内を通過し重心を起点とする半直線は全て第１半直線としての要件を満たし、その第１半直線の反対側に延びる半直線（図５の網掛けの範囲内に存在）はその上に空孔が存在するため第２半直線の要件を満たす。そのため、消失性干渉が抑制される領域は２次元フォトニック結晶内の広い範囲に亘る。

このように、２次元フォトニック結晶内の広い範囲内で消失性干渉が抑制され、重心に関して対称な位置にある電界ベクトルが互いに完全には打ち消し合わないため、２次元フォトニック結晶内で共振して得られるレーザ光は従来よりも強い強度で上部電極２７の窓２７１から外部に取り出すことができる。

本実施例において２次元フォトニック結晶内に形成される電磁界分布を２次元FDTD法で計算した結果を図６に示す。図１と同様に、灰色の濃淡は磁界の強弱を示し、矢印の方向及び長さは電界の方向及び強度を示している。図６(a)は２次元フォトニック結晶２４Ａを用いた場合、図６(b)は２次元フォトニック結晶２４Ｂを用いた場合、の計算結果である。２次元フォトニック結晶２４Ａでは、重心Ｇ１の右側にある空孔２４２Ａ内の位置における電界の強度よりも、重心Ｇ１に関してその空孔２４２Ａ内の位置と対称な位置における電界の強度が弱い。２次元フォトニック結晶２４Ｂでは、空孔構成要素２６１及び２６２内の電界の強度よりも、重心Ｇ２に関して空孔構成要素２６１及び２６２に対称な位置における電界の強度の方が強い。また、空孔構成要素２６３内の電界の強度よりも、重心Ｇ２に関して空孔構成要素２６３に対称な位置における電界の強度の方が弱い。このように本実施例では重心に対して非対称な電界が形成されるため、消失性干渉の影響を抑制することができ、それにより強い強度のレーザ光を得ることができる。

２次元フォトニック結晶２４Ａ及び２次元フォトニック結晶２４Ｂを用いた場合についてそれぞれ、２次元FDTD法により求めたフォトニック結晶層の面内の電界分布をフーリエ変換したもののうち、面垂直方向に出射する波数成分の割合を示すα⊥値を計算した。このα⊥は、その値が大きいほど２次元フォトニック結晶に垂直な方向に出力される光の強度が強いことを意味する。比較のため、正三角形の空孔を正方格子状に配置した２次元フォトニック結晶を用いた従来の面発光レーザについても同様の計算を行った。その結果、この従来の面発光レーザにおけるα⊥を1とした場合に、２次元フォトニック結晶２４Ａを用いたもののα⊥は7.1となり、２次元フォトニック結晶２４Ｂを用いたもののα⊥は14.9となった。この計算結果より、本実施例の面発光レーザでは従来のものよりも強い強度でレーザ光を取り出すことができることが確認された。

なお、本発明において異屈折率領域（空孔）の形状は、前述のように第１半直線上にはその異屈折率領域が存在せず第２半直線上の少なくとも一部にその異屈折率領域が存在するものであればよく、言うまでもなく本実施例に示されたものには限定されない。また、異屈折率領域の配置は、本実施例では正方格子状としたが、三角格子状、斜交格子状、直方格子状等、他の配置を取ることもできる。更に、活性層、クラッド層、電極等、２次元フォトニック結晶以外の構成要素には、本実施例に示したものに限らず、従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザで用いられているものをそのまま用いることができる。

従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源における２次元フォトニック結晶内の電磁界分布を計算した結果を示す図。 本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源の一実施例を示す斜視図。 本実施例における２次元フォトニック結晶の斜視図。 本実施例における２次元フォトニック結晶内に設けられている空孔の平面図。 本実施例における２次元フォトニック結晶の空孔内で第１半直線及び第２半直線の要件を満たす領域を示す平面図。 本実施例において２次元フォトニック結晶に形成される電磁界分布を計算した結果を示す図。

符号の説明

１１、２４２Ａ、２４２Ｂ…空孔
２１…上部基板
２２…クラッド層
２３…活性層
２４、２４Ａ、２４Ｂ…２次元フォトニック結晶
２４１…母材
２５…クラッド層
２５１…第１半直線
２５２…第２半直線
２６…下部基板
２６１、２６２、２６３…空孔構成要素
２７…上部電極
２７１…窓
２８…下部電極
２９１、２９２…電界ベクトル
Ｇ１、Ｇ２…重心

Claims (2)

1. 板状の母材に該母材とは屈折率が異なる同一形状の領域が周期的に配置されて成る２次元フォトニック結晶と、該２次元フォトニック結晶の一方の側に設けた活性層と、を備える２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源において、
   各異屈折率領域において、該異屈折率領域の重心及び該重心を起点とし２次元フォトニック結晶の面内に延びる第１の半直線上に該異屈折率領域が存在せず、該重心を起点とし第１半直線の反対側に延びる第２の半直線上の少なくとも一部に該異屈折率領域が存在し、
   各異屈折率領域がV字形であることを特徴とする２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源。
2. 板状の母材に該母材とは屈折率が異なる同一形状の領域が周期的に配置されて成る２次元フォトニック結晶と、該２次元フォトニック結晶の一方の側に設けた活性層と、を備える２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源において、
   各異屈折率領域において、該異屈折率領域の重心及び該重心を起点とし２次元フォトニック結晶の面内に延びる第１の半直線上に該異屈折率領域が存在せず、該重心を起点とし第１半直線の反対側に延びる第２の半直線上の少なくとも一部に該異屈折率領域が存在し、
   各異屈折率領域が、同一形状の３個の、母材とは屈折率が異なる領域が三角形状に配置されたものであることを特徴とする２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源。