JP5523291B2 - レーザアレイ及び露光用光源 - Google Patents

Description

本発明は、フォトニック結晶を用いた面発光レーザアレイに関する。

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面発光レーザ光源が開示されている。これは分布帰還型（ＤＦＢ）レーザの一種であり、基板の面内方向に共振モードを有する。

図１１に示すように、フォトニック結晶面発光レーザは、基板１０００上に半導体層１１１０が形成されており、この半導体層１１１０には、活性層１１２０と２次元フォトニック結晶１１３０が設けられている。この２次元フォトニック結晶１１３０は、半導体層１１１０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１１２０で生成される光のうち特定の波長のものが符号１１４０で示すように基板の面内方向に共振し、定在波を形成してレーザ発振する。また、１次回折によって、符号１１５０で示すように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。

特開２０００−３３２３５１号公報

ところで、フォトニック結晶面発光レーザを、例えば電子写真の露光用光源として用いることを考えると、このレーザを２次元方向に配列してアレイ化することが、高速化等の観点から望ましい。

しかしながら、フォトニック結晶面発光レーザを複数配置すると、一方のレーザ素子から基板面内に出射されたレーザ光が、他方のレーザ素子の内部に到達してその動作に影響を及ぼすことがある。例えば、素子の過熱、活性部の光励起、フォトニック結晶の共振モードとの干渉である。

そのため、フォトニック結晶面発光レーザアレイを実用化するには、上記のような隣接するレーザ間のクロストークを低減する必要がある。

そこで、本発明は、近接した位置に配置された一方のフォトニック結晶面発光レーザから他方のフォトニック結晶面発光レーザの内部に到達するレーザ光を低減するフォトニック結晶面発光レーザアレイを提供することを目的とする。

本発明に係るレーザアレイは、活性層と、基板の面内方向に共振モードを有するフォトニック結晶と、を有する複数の面発光レーザを備えるレーザアレイであって、前記フォトニック結晶は、正方格子または六方格子のフォトニック結晶であり、前記複数の面発光レーザのうちの１つの面発光レーザと前記１つの面発光レーザに最も近い面発光レーザとを結ぶ直線と、前記フォトニック結晶の格子ベクトルに平行な直線で分割される角の二等分線と、がなす角度のうち、最も小さい角度θについて、前記正方格子のフォトニック結晶は式（１）を満たし、前記六方格子のフォトニック結晶は式（２）を満たすことを特徴とするレーザアレイ。
０°≦θ≦２２．５° 式（１）
０°≦θ≦１５° 式（２）

本発明によれば、近接した位置に配置されたフォトニック結晶面発光レーザからフォトニック結晶の内部に到達するレーザ光を低減するフォトニック結晶面発光レーザアレイを提供することができる。

本発明に係る実施形態１の構成を示す図である。 比較例の構成を示す図である。 本発明に係る実施形態１の構成を示す図である。 本発明に係る実施形態１を説明するために用いる図である。 本発明に係る実施形態２の構成を示す図である。 本発明に係る実施形態３の構成を示す図である。 本発明に係る実施形態３を説明するために用いる図である。 本発明に係る実施形態３を説明するために用いる図である。 本発明に係る実施形態３を説明するために用いる図である。 本発明に係る他の実施形態の構成を示す図である。 フォトニック結晶面発光レーザを説明するために用いる図である。

（実施形態１）
図１（Ａ）（Ｂ）は、本発明の実施形態１の構成を示す平面図である。図１（Ｂ）はフォトニック結晶レーザアレイを示すものである。このレーザアレイは、図１（Ａ）に示した正方格子のフォトニック結晶を用いたフォトニック結晶レーザ１０を複数配列することにより構成されている。このフォトニック結晶レーザ１０は、図１１を用いて説明したように、活性層と、基板の面内方向に共振モードを有するフォトニック結晶とを有するフォトニック結晶面発光レーザである。

図１において、ｘ方向およびｙ方向は、正方格子のフォトニック結晶における格子ベクトルの方向を指している。図１（Ｂ）においてフォトニック結晶レーザ１０のフォトニック結晶は近接するフォトニック結晶に対し、それぞれ４５°の角度で傾いている。

図１（Ｃ）（Ｄ）は、図１（Ｂ）に示した形態の効果を説明するための図である。図１（Ｃ）に示すように、正方格子を斜めに傾けた状態でフォトニック結晶レーザ１０を配置し、矢印で示した方向から正方格子フォトニック結晶の共振周波数と同周波数のビームを照射する。図１（Ｄ）に図１（Ｃ）のシミュレーション結果を示す。この結果により、フォトニック結晶に照射されたビームは、フォトニック結晶の境界で反射され、内部に到達しないことが分かる。

図１（Ｂ）に示したフォトニック結晶レーザアレイにおいて、すべてのレーザは同様の配置関係であるため、図１（Ｄ）のシミュレーション結果は、すべての素子に妥当する。

したがって、図１（Ｂ）に示した構成において、近接レーザからのレーザ光は、どの素子においてもフォトニック結晶の界面で反射され、フォトニック結晶の内部に到達するレーザ光を減少することが可能である。

図２（Ａ）に比較例のフォトニック結晶レーザアレイを示す。このレーザアレイは、図１（Ａ）で示したフォトニック結晶レーザ１０と同じレーザを配置することにより構成されている。

本比較例においては、図２（Ｂ）に示すように、正方格子のフォトニック結晶を斜めに傾けない状態でフォトニック結晶レーザ１０を配置している。そして、図１と同様に、矢印で示した方向から、正方格子フォトニック結晶の共振周波数と同周波数のビームを照射する。

図２（Ｃ）にそのシミュレーション結果を示す。この結果により、フォトニック結晶に照射されたビームは、フォトニック結晶の表面で反射をされること無く素子の内部にまで到達してしまうことが分かる。

以上の検討により、フォトニック結晶レーザを回転させることにより、近接レーザ間のクロストークを抑制したアレイを提供することができることが理解される。

次に、図３と図４を用いて、このことをより一般化して説明する。

図３は、正方格子フォトニック結晶に対して、さまざまな角度から入射するビームがどのように振る舞うかを示している。図中、Ｘ軸、Ｙ軸はフォトニック結晶の格子ベクトルに平行な直線を示し、破線３０はこれらの直線により分割される角の二等分線を示している。

また、白抜きの矢印は入射ビームのポインティングベクトルを示している。そして、実線の矢印は透過し易い方向に向かうポインティングベクトルの成分（透過ビーム）を示し、破線の矢印は反射し易い方向に向かうポインティングベクトルの成分（反射ビーム）を示している。

図３におけるθ＝４５°に相当するのは、図２（Ｂ）に示した比較例である。すなわち、格子ベクトルに平行な方向から入射する例である。

ここで、角度θとは、入射光の光軸と、フォトニック結晶の格子ベクトルに平行な直線（Ｘ軸、Ｙ軸）で分割された角の二等分線（破線３０）とのなす角度のうち、最も小さい角（最小角）である。また、入射光の光軸とは、光が入射する第１のフォトニック結晶面発光レーザと、その第１のフォトニック結晶面発光レーザに最も近接する第２のフォトニック結晶面発光レーザとを結ぶ直線である。

格子ベクトルに平行な直線は、全方向を４つに等分割し、等分割された角度は各々３６０°／４である。また、格子ベクトルとは、フォトニック結晶の格子点を結んだ並進ベクトルのうち、最も近接する格子点を結ぶベクトルである。

図３を参照すると、θ＝４５°のとき、外部からの入射ビーム（白抜き）は、そのほとんどが透過ビーム（実線）の成分となる。

一方、θ＝０°のとき、入射ビーム（白抜き）は、そのほとんどが反射ビーム（破線）の成分となる。

また、θ＝２２．５°のとき、入射ビーム（白抜き）は、透過ビーム（実線）の成分だけでなく、反射ビーム（破線）の成分となる。

このように、正方格子のフォトニック結晶はその構造の対称性から、ビームの入射方向と逆方向に強く反射させる方向（反射方向）と、外部からの入射ビームをほとんど反射させない方向（非反射方向）とを見出すことができる。

正方格子フォトニック結晶では、そのような反射方向と非反射方向とは４方向ずつ存在する。外部からの入射ビームが非反射方向と平行な場合、入射ビームはほとんど反射されずフォトニック結晶の内部に侵入する。

図４は、角度θとビーム強度（非反射成分４１、反射成分４２）との関係を示したものである。θ＝４５°では、入射ビームの全てが非反射成分となるが、θが小さくなると非反射成分が減少し、逆に反射成分が増加する。０°≦θ≦２２．５°のとき反射成分４２は非反射成分４１と等しいか、あるいは上回ることになる。図３では、この条件を満たすθの範囲は二重線の弧で示されている。

一般的には、二次元アレイを構成するレーザから基板平行方向に出射されて伝搬する光は、アレイを構成する材料の吸収またはビームの広がりなどによって、その伝搬距離が長くなると強度が下がる。すなわち、クロストークは、最近接素子間で最も大きくなる。したがって、正方格子フォトニック結晶を有するレーザを二次元アレイ化するためには、最近接素子を０°≦θ≦２２．５°が満たされる範囲で互いに回転させればよい。

なお、正方格子フォトニック結晶から基板垂直方向に出射されるレーザ光の偏光方向は、光の進行方向に対して回転しており、本実施形態のようにレーザの回転を施しても、偏光方向が影響を受けることはない。よって、本発明は、本発明は複写機やプリンタで要求される、レーザアレイの均一性を乱すことはない。

（実施形態２）
図１では、複数の正方格子フォトニック結晶を正方格子状に配置する例について説明したが、本実施形態では、複数の正方格子フォトニック結晶を三角格子状に配置する例について説明する。

図５（Ａ）には、頂角を６０°としてアレイ配置された正方格子フォトニック結晶１０が図示されている。また、図５（Ｂ）には、頂角を９０°としてアレイ配置された例が図示されている。

ここで、図５（Ａ）の例は、θ＝１５°であり、図５（Ｂ）の例は、θ＝０°およびθ＝２２．５°である。したがって、０°≦θ≦２２．５°の条件を満たすため、反射成分は非反射成分を上回ることになる。

（実施形態３）
図６（Ａ）は、六方格子フォトニック結晶８０が四角格子状にアレイ配置された例である。また、図６（Ｂ）は、六方格子フォトニック結晶８０の単素子を示したものである。ここで、六方格子フォトニック結晶８０はＸ１方向、Ｘ２方向、Ｘ３方向という格子ベクトル方向に平行な直線を有する。

図７（Ａ）に示すように、Ｘ１方向にビームを入射する。図７（Ｂ）に図７（Ａ）のシミュレーション結果を示す。この結果により、ほとんどの入射ビームが透過ビームとなることが分かる。なお、図７（Ａ）（Ｂ）ではＸ１方向からビームを入射させたが、Ｘ２方向やＸ３方向からビームを入射させた場合であっても同じ結果となる。

一方、図７（Ｃ）は、六方格子フォトニック結晶８０をθ＝０°で配置した例である。この場合、図７（Ｄ）に示すように、入射ビームは反射ビームになる。

図８を参照すると、θ＝３０°のとき、外部からの入射ビーム（白抜き）は、そのほとんどが透過ビーム（実線）の成分となる。

一方、θ＝０°のとき、入射ビーム（白抜き）は、そのほとんどが反射ビーム（破線）の成分となる。

また、θ＝１５°のとき、入射ビーム（白抜き）は、透過ビーム（実線）の成分だけでなく、反射ビーム（破線）の成分となる。

このように、六方格子のフォトニック結晶はその構造の対称性から、ビームの入射方向と逆方向に強く反射させる方向（反射方向）と、外部からの入射ビームをほとんど反射しない方向（非反射方向）とを見出すことができる。

六方格子フォトニック結晶では、そのような反射方向と非反射方向とは６方向ずつ存在する。外部からの入射ビームが非反射方向と平行な場合、入射ビームはほとんど反射されずフォトニック結晶の内部に侵入する。

図９は、角度θとビーム強度（非反射成分４１、反射成分４２）との関係を示したものである。θ＝３０°では、入射ビームの全てが非反射成分となるが、θが小さくなると非反射成分が減少し、逆に反射成分が増加する。０°≦θ≦１５°のとき反射成分は非反射成分と等しいか、あるいは上回ることになる。図８では、この条件を満たすθの範囲は二重線の弧で示されている。

（その他の実施形態）
図１０（Ａ）は、複数の正方格子フォトニック結晶１０を三角格子状に配置してアレイ化した例である。また図１０（Ｂ）は、複数の正方格子フォトニック結晶１０を四角格子状に配置してアレイ化した例である。このように、より多くのフォトニック結晶面発光レーザを配置することによりアレイを構成してもよい。

また、上記実施形態で説明したフォトニック結晶面発光レーザアレイを電子写真用の露光用光源やその他の用途の光源として用いることもできる。

なお、正方格子や六方格子などの格子は、実質的に格子形状となっていれば良く、作製誤差などによって格子形状が変形していてもよい。

１０ フォトニック結晶レーザ（正方格子フォトニック結晶）
４１ 非反射成分
４２ 反射成分
８０ フォトニック結晶レーザ（六方格子フォトニック結晶）

Claims (3)

1. 活性層と、基板の面内方向に共振モードを有するフォトニック結晶と、を有する複数の面発光レーザを備えるレーザアレイであって、
   前記フォトニック結晶は、正方格子または六方格子のフォトニック結晶であり、
   前記複数の面発光レーザのうちの１つの面発光レーザと前記１つの面発光レーザに最も近い面発光レーザとを結ぶ直線と、前記フォトニック結晶の格子ベクトルに平行な直線で分割される角の二等分線と、がなす角度のうち、最も小さい角度θについて、前記正方格子のフォトニック結晶は式（１）を満たし、前記六方格子のフォトニック結晶は式（２）を満たすことを特徴とするレーザアレイ。
   ０°≦θ≦２２．５° 式（１）
   ０°≦θ≦１５° 式（２）
2. 前記複数の面発光レーザが四角格子状または三角格子状に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザアレイ。
3. 請求項１又は２に記載のレーザアレイを有する露光用光源。

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