JP5704901B2 - ２次元フォトニック結晶面発光レーザ - Google Patents
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Description
本発明は、２次元フォトニック結晶面発光レーザに関するものである。
近年、２次元フォトニック結晶を２次元回折格子として用いた２次元フォトニック結晶面発光レーザの研究が盛んに行われている（例えば、特許文献１参照）。
この２次元フォトニック結晶面発光レーザは、半導体と空気や誘電体などの媒質で２次元周期的に屈折率を変化させた構造が活性層近傍に配置された構造になっている。
キャリアの注入によって活性層で発生した光は２次元フォトニック結晶で規定する波長で帰還・増幅し発振する。
さらに、２次元フォトニック結晶で１次回折し面垂直方向に光が取り出される。
この２次元フォトニック結晶面発光レーザは、半導体と空気や誘電体などの媒質で２次元周期的に屈折率を変化させた構造が活性層近傍に配置された構造になっている。
キャリアの注入によって活性層で発生した光は２次元フォトニック結晶で規定する波長で帰還・増幅し発振する。
さらに、２次元フォトニック結晶で１次回折し面垂直方向に光が取り出される。
２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、つぎのような場合それらの必要に応じて回折光の強度を制御することが課題となる。
すなわち、必要に応じて、レーザビームの形状を制御し、あるいは表面に形成する電極や誘電体などに対し回折光の吸収を抑制して特定の場所から回折光を出射させるため、面内で回折光の強弱の分布を付けることが求められる。
例えば、特許文献１の２次元フォトニック結晶面発光レーザは、表面に形成した電極でキャリアを注入し、活性層で発生した光を電極端から取り出している。
このような場合、電極直下の回折光は電極で吸収されてしまうため、電極直下での回折光の強度を弱くし、この電極直下よりも開口部で回折光の強度が強くなるように制御することが求められる。
すなわち、必要に応じて、レーザビームの形状を制御し、あるいは表面に形成する電極や誘電体などに対し回折光の吸収を抑制して特定の場所から回折光を出射させるため、面内で回折光の強弱の分布を付けることが求められる。
例えば、特許文献１の２次元フォトニック結晶面発光レーザは、表面に形成した電極でキャリアを注入し、活性層で発生した光を電極端から取り出している。
このような場合、電極直下の回折光は電極で吸収されてしまうため、電極直下での回折光の強度を弱くし、この電極直下よりも開口部で回折光の強度が強くなるように制御することが求められる。
本発明は、上記課題に鑑み、光強度分布制御層による簡単な構成によって２次元フォトニック結晶による回折光の強度を制御することが可能となる２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することを目的とする。
本発明の２次元フォトニック結晶面発光レーザは、基板上に設けられた下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に設けられたキャリアを注入することで発光する活性層と、
前記活性層上に設けられた前記活性層で発生した光を面内で共振させる２次元フォトニック結晶層を有する２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、
前記２次元フォトニック結晶層上に設けられ、該２次元フォトニック結晶層中の光強度分布を制御する光強度分布制御層を備え、
前記下部クラッド層と、前記活性層と、前記フォトニック結晶層と、前記光強度分布制御層と、該光強度分布制御層上に設けられた上部クラッド層と、の積層構造によるスラブ導波路が構成され、
前記光強度分布制御層の屈折率は、前記スラブ導波路の実効屈折率より大きく、面内での膜厚分布が異なっていることを特徴とする。
前記下部クラッド層上に設けられたキャリアを注入することで発光する活性層と、
前記活性層上に設けられた前記活性層で発生した光を面内で共振させる２次元フォトニック結晶層を有する２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、
前記２次元フォトニック結晶層上に設けられ、該２次元フォトニック結晶層中の光強度分布を制御する光強度分布制御層を備え、
前記下部クラッド層と、前記活性層と、前記フォトニック結晶層と、前記光強度分布制御層と、該光強度分布制御層上に設けられた上部クラッド層と、の積層構造によるスラブ導波路が構成され、
前記光強度分布制御層の屈折率は、前記スラブ導波路の実効屈折率より大きく、面内での膜厚分布が異なっていることを特徴とする。
本発明によれば、光強度分布制御層による簡単な構成によって２次元フォトニック結晶による回折光の強度を制御することが可能となる２次元フォトニック結晶面発光レーザを実現することができる。
本発明は、光強度分布制御層の膜厚を制御するだけの簡単な構成により、回折光の強度を制御することを可能としたものであるが、これらの理解を容易とするために、初めに、本発明で利用する２次元フォトニック結晶による回折光の干渉について説明する。
２次元フォトニック結晶は面内に高屈折率媒と低屈折率媒が２次元周期的に配置されおり、活性層で発生した光を２次元面内で共振させる。
さらに、２次元フォトニック結晶で光を１次回折させて光を垂直方向に出射させる。
垂直方向に回折する光の強度は２次元フォトニック結晶の膜厚の影響を受ける。図１は回折光の様子を示した模式図で、格子定数ａの２次元フォトニック結晶中に活性層で発生した光によって定在波が形成され、垂直方向に回折する様子を表している。
光は２次元フォトニック結晶の厚さ方向に対して、どの位置においても回折するため、図１の回折光Ｌ１とＬ２のように光路差が生じる。
そして、このような回折される光が重ね合わさることで、回折光は干渉して強め合ったり、弱め合ったりする。
干渉が強め合うか弱め合うかは、２次元フォトニック結晶の膜厚ｄで決まる。
２次元フォトニック結晶は面内に高屈折率媒と低屈折率媒が２次元周期的に配置されおり、活性層で発生した光を２次元面内で共振させる。
さらに、２次元フォトニック結晶で光を１次回折させて光を垂直方向に出射させる。
垂直方向に回折する光の強度は２次元フォトニック結晶の膜厚の影響を受ける。図１は回折光の様子を示した模式図で、格子定数ａの２次元フォトニック結晶中に活性層で発生した光によって定在波が形成され、垂直方向に回折する様子を表している。
光は２次元フォトニック結晶の厚さ方向に対して、どの位置においても回折するため、図１の回折光Ｌ１とＬ２のように光路差が生じる。
そして、このような回折される光が重ね合わさることで、回折光は干渉して強め合ったり、弱め合ったりする。
干渉が強め合うか弱め合うかは、２次元フォトニック結晶の膜厚ｄで決まる。
図２は２次元フォトニック結晶によって回折して外部に放射される回折光の電界強度と２次元フォトニック結晶の膜厚との関係を示した図である。
実線は２次元フォトニック結晶に分布する光が一定である場合で、点線は実際のレーザ構造上に分布する光の様に指数関数（Ｅｘｐ）で減衰した場合を計算したものである。
２次元フォトニック結晶の膜厚ｄが０〜０．５ａまで増すと回折光の強度は強め合って増加する。さらに膜厚を増すと、回折した光が弱め合う。
そして、２次元フォトニック結晶の膜厚ｄがａの時、最も弱くなる。それ以降は０．５ａの間隔で強め合い、弱め合いが繰り返される。
２次元フォトニック結晶の格子定数ａに対してフォトニック結の層の膜厚ｄがｄ＝（０．５＋ｐ）ａの時に最も強め合う（但し、（ｐ＝０，１，２・・・）である）。これに対してｄ＝ｑａの時に最も弱め合う（但し、（ｑ＝１，２，３・・・）である。）。
実線は２次元フォトニック結晶に分布する光が一定である場合で、点線は実際のレーザ構造上に分布する光の様に指数関数（Ｅｘｐ）で減衰した場合を計算したものである。
２次元フォトニック結晶の膜厚ｄが０〜０．５ａまで増すと回折光の強度は強め合って増加する。さらに膜厚を増すと、回折した光が弱め合う。
そして、２次元フォトニック結晶の膜厚ｄがａの時、最も弱くなる。それ以降は０．５ａの間隔で強め合い、弱め合いが繰り返される。
２次元フォトニック結晶の格子定数ａに対してフォトニック結の層の膜厚ｄがｄ＝（０．５＋ｐ）ａの時に最も強め合う（但し、（ｐ＝０，１，２・・・）である）。これに対してｄ＝ｑａの時に最も弱め合う（但し、（ｑ＝１，２，３・・・）である。）。
２次元フォトニック結晶面発光レーザの面内で回折光の強弱をつける方法として、２次元フォトニック結晶の膜厚を面内で変える方法がある。
面内で２次元フォトニック結晶の膜厚を変えることで、例えば図２のＡ−Ｂ間の様に回折光強度を変えることが出来る。
さらに、２次元フォトニック結晶中の光分布が均一であればＣ−Ｄ間の様に大きく強度を変えられる。
しかし、２次元フォトニック結晶の膜厚を面内で変えるには、数十ｎｍスケールの微細な構造を面内で精度良く作り分けなければならない。そのため、面内で２次元フォトニック結晶の深さを変える方法は作製が難しい。
面内で２次元フォトニック結晶の膜厚を変えることで、例えば図２のＡ−Ｂ間の様に回折光強度を変えることが出来る。
さらに、２次元フォトニック結晶中の光分布が均一であればＣ−Ｄ間の様に大きく強度を変えられる。
しかし、２次元フォトニック結晶の膜厚を面内で変えるには、数十ｎｍスケールの微細な構造を面内で精度良く作り分けなければならない。そのため、面内で２次元フォトニック結晶の深さを変える方法は作製が難しい。
このようなことから、本発明では、光強度分布制御層の膜厚を制御するだけの簡単な構造により、回折光の強度を制御することが可能となる構成を見出したものである。
すなわち、本発明では、基板上に設けられた下部クラッド層と、下部クラッド層上に設けられたキャリアを注入することで発光する活性層と、活性層上に設けられた２次元フォトニック結晶層を有する２次元フォトニック結晶面発光レーザをつぎのように構成する。
すなわち、上記２次元フォトニック結晶層上に設けられ、該２次元フォトニック結晶層中の光強度分布を制御する光強度分布制御層を備える。
そして、２次元フォトニック結晶に分布する光の強度制御する光強度分布制御層を設け、その光強度分布制御層の膜厚を面内で変化させることにより、回折光の干渉強度を変えて回折光の強弱の分布をつけるように構成される。具体的に図２で言うと、Ａ−Ｃ間や、Ｂ−Ｄ間で強度を変化させるようにする。
また、本発明は、光強度分布制御層の膜厚を制御するのみであるため、作製が簡単である。
すなわち、本発明では、基板上に設けられた下部クラッド層と、下部クラッド層上に設けられたキャリアを注入することで発光する活性層と、活性層上に設けられた２次元フォトニック結晶層を有する２次元フォトニック結晶面発光レーザをつぎのように構成する。
すなわち、上記２次元フォトニック結晶層上に設けられ、該２次元フォトニック結晶層中の光強度分布を制御する光強度分布制御層を備える。
そして、２次元フォトニック結晶に分布する光の強度制御する光強度分布制御層を設け、その光強度分布制御層の膜厚を面内で変化させることにより、回折光の干渉強度を変えて回折光の強弱の分布をつけるように構成される。具体的に図２で言うと、Ａ−Ｃ間や、Ｂ−Ｄ間で強度を変化させるようにする。
また、本発明は、光強度分布制御層の膜厚を制御するのみであるため、作製が簡単である。
［実施形態１］
実施形態１として、２次元フォトニック結晶面発光レーザにおける光強度分布制御層による光分布の制御の構成例について、図３を用いて説明する。
本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図３に示すように、ｎ型基板１０１、下部クラッド層１０２、活性層１０３、２次元フォトニック結晶層１０４を備える。この２次元フォトニック結晶層上に光強度分布制御層１０５が形成され、この光強度分布制御層上に上部クラッド層１０６が積層された積層構造によるスラブ導波路を備える。
２次元フォトニック結晶面発光レーザのスラブ導波路に導波する光は以下の式で表される。
実施形態１として、２次元フォトニック結晶面発光レーザにおける光強度分布制御層による光分布の制御の構成例について、図３を用いて説明する。
本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図３に示すように、ｎ型基板１０１、下部クラッド層１０２、活性層１０３、２次元フォトニック結晶層１０４を備える。この２次元フォトニック結晶層上に光強度分布制御層１０５が形成され、この光強度分布制御層上に上部クラッド層１０６が積層された積層構造によるスラブ導波路を備える。
２次元フォトニック結晶面発光レーザのスラブ導波路に導波する光は以下の式で表される。
但し、Ｅは導波光の電界成分、βは伝播定数、ｎは屈折率、λは導波光の波長である。
ｎeffは実効屈折率で、スラブ導波路中を伝播する光に対する実効的な屈折率で導波モードの固有値である。
上記微分方程式に各層の屈折率を代入し、境界条件を満たすｎeffを求めることで、光分布が求められる。
また、２次元フォトニック結晶層１０４の屈折率は高屈折率媒質と低屈折率媒質との体積平均の値を用いる。
ｎeffは実効屈折率で、スラブ導波路中を伝播する光に対する実効的な屈折率で導波モードの固有値である。
上記微分方程式に各層の屈折率を代入し、境界条件を満たすｎeffを求めることで、光分布が求められる。
また、２次元フォトニック結晶層１０４の屈折率は高屈折率媒質と低屈折率媒質との体積平均の値を用いる。
活性層１０３で発生した光は、活性層１０３付近で最大値を持ち、屈折率の低い上部クラッド層１０６と下部クラッド層１０２へ向かって減衰する分布になる。
光強度分布制御層１０５の屈折率をｎeffより大きくすると、光強度分布制御層１０５の膜厚と光強度分布制御層１０５の屈折率とｎeffとの屈折率差に応じて、活性層１０３付近の光分布のピークが光強度分布制御層１０５に引き込まれるように広がる。
光強度分布制御層１０５に光が広がると、活性層１０３と光強度分布制御層１０５に挟まれている２次元フォトニック結晶層１０４にも光が広がり光分布の均一性が向上する。
光強度分布制御層１０５の屈折率をｎeffより大きくすると、光強度分布制御層１０５の膜厚と光強度分布制御層１０５の屈折率とｎeffとの屈折率差に応じて、活性層１０３付近の光分布のピークが光強度分布制御層１０５に引き込まれるように広がる。
光強度分布制御層１０５に光が広がると、活性層１０３と光強度分布制御層１０５に挟まれている２次元フォトニック結晶層１０４にも光が広がり光分布の均一性が向上する。
つぎに、光強度分布制御層１０５と２次元フォトニック結晶層１０４の膜厚による回折光の干渉について説明する。
光強度分布制御層１０５の膜厚で２次元フォトニック結晶層１０４内の光分布を制御する事が出来る。
さらに、２次元フォトニック結晶層１０４内の光分布を変化させることで、２次元フォトニック結晶層１０４で垂直方向に回折する光の干渉の強さを変化させることが出来る。
つまり、光強度分布制御層１０５の膜厚を面内で変える事で、回折光強度を面内で変える事ができる。
光強度分布制御層１０５の膜厚で２次元フォトニック結晶層１０４内の光分布を制御する事が出来る。
さらに、２次元フォトニック結晶層１０４内の光分布を変化させることで、２次元フォトニック結晶層１０４で垂直方向に回折する光の干渉の強さを変化させることが出来る。
つまり、光強度分布制御層１０５の膜厚を面内で変える事で、回折光強度を面内で変える事ができる。
２次元フォトニック結晶層１０４の膜厚ｄと光強度分布制御層１０５の膜厚の関係は、以下の様になる。
２次元フォトニック結晶層１０４の膜厚ｄが（０．５＋ｐ）ａ近傍であるとき、回折光は強め合って干渉する（但し、ｐ＝０，１，２・・・である。）。
したがって、光強度分布制御層１０５の膜厚は回折光の強度を強くしたい領域を厚くし、回折光を弱くしたい領域を薄くする。
２次元フォトニック結晶１０４の膜厚ｄがｑａ近傍であるとき、回折光は弱め合って干渉する（但し、（ｑ＝１，２，３・・・）である。）。
したがって、光強度分布制御層１０５の膜厚は回折光の強度を弱くしたい領域を厚くし、回折光を強くしたい領域を薄くする。
また、図２からも分かるように、２次元フォトニック結晶層１０４の膜厚ｄが（０．７５＋０．５ｒ）ａ近傍であるとき、光強度分布制御層１０５の膜厚を変化させても回折光の強度は殆ど変化しない（但し、（ｒ＝０，１，２・・・）である。）。
２次元フォトニック結晶層１０４の膜厚ｄが（０．５＋ｐ）ａ近傍であるとき、回折光は強め合って干渉する（但し、ｐ＝０，１，２・・・である。）。
したがって、光強度分布制御層１０５の膜厚は回折光の強度を強くしたい領域を厚くし、回折光を弱くしたい領域を薄くする。
２次元フォトニック結晶１０４の膜厚ｄがｑａ近傍であるとき、回折光は弱め合って干渉する（但し、（ｑ＝１，２，３・・・）である。）。
したがって、光強度分布制御層１０５の膜厚は回折光の強度を弱くしたい領域を厚くし、回折光を強くしたい領域を薄くする。
また、図２からも分かるように、２次元フォトニック結晶層１０４の膜厚ｄが（０．７５＋０．５ｒ）ａ近傍であるとき、光強度分布制御層１０５の膜厚を変化させても回折光の強度は殆ど変化しない（但し、（ｒ＝０，１，２・・・）である。）。
本実施形態では、２次元フォトニック結晶１０４で回折光が弱め合って干渉する構造にする。
回折光が弱め合う様に干渉させる場合は、２次元フォトニック結晶層１０４の膜厚ｄを（ｑ−０．１２５）ａ＜ｄ＜（ｑ＋０．１２５）ａの条件式を満足する膜厚にする（但し、（ｑ＝１，２，３・・・）である。）。
より好ましくは、（ｑ−０．１００）ａ＜ｄ＜（ｑ＋０．１００）ａの条件式を満足する膜厚にするのが良い。更に好ましくは（ｑ−０．０７５）ａ＜ｄ＜（ｑ＋０．０７５）ａの条件式を満足する膜厚にするのが良い。
また、光強度分布制御層１０５の膜厚分布は階段状に変化させるより、滑らかに変化させることが望ましい。
光強度分布制御層１０５の膜厚が変化すると、実効屈折率ｎeffが面内で変化する。
つまり、光強度分布制御層１０５の膜厚が変化する界面で光の反射が生じる。界面で反射された光は、２次元フォトニック結晶層１０４と上手く結合せず損失になってしまう。
また、階段状の形状を滑らかにする方法としてマストランスポートがある。光強度分布制御層１０５を加工後、熱処理でマストランスポートを起こすことで段差を滑らかにすることが出来る。
回折光が弱め合う様に干渉させる場合は、２次元フォトニック結晶層１０４の膜厚ｄを（ｑ−０．１２５）ａ＜ｄ＜（ｑ＋０．１２５）ａの条件式を満足する膜厚にする（但し、（ｑ＝１，２，３・・・）である。）。
より好ましくは、（ｑ−０．１００）ａ＜ｄ＜（ｑ＋０．１００）ａの条件式を満足する膜厚にするのが良い。更に好ましくは（ｑ−０．０７５）ａ＜ｄ＜（ｑ＋０．０７５）ａの条件式を満足する膜厚にするのが良い。
また、光強度分布制御層１０５の膜厚分布は階段状に変化させるより、滑らかに変化させることが望ましい。
光強度分布制御層１０５の膜厚が変化すると、実効屈折率ｎeffが面内で変化する。
つまり、光強度分布制御層１０５の膜厚が変化する界面で光の反射が生じる。界面で反射された光は、２次元フォトニック結晶層１０４と上手く結合せず損失になってしまう。
また、階段状の形状を滑らかにする方法としてマストランスポートがある。光強度分布制御層１０５を加工後、熱処理でマストランスポートを起こすことで段差を滑らかにすることが出来る。
つぎに、本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザの構造と材質について説明する。
上記したように、本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザは、基板１０１、下部クラッド層１０２、活性層１０３、２次元フォトニック結晶層１０４、光強度分布制御層１０５、上部クラッド層１０６の順に積層されたスラブ導波路の構造を備える。
また、積層順を上下逆にして、２次元フォトニック結晶層１０４を活性層１０３の下部に配置しても良い。下部電極１０７は基板１０１の裏面に設けられ、上部電極１０８は表面に設けられる。
ここで、ガイド層を設ける一例について説明する。
光が活性層１０３や２次元フォトニック結晶層１０４に適切に分布するように活性層１０３と下部クラッド層１０２の間にガイド層を設けることができる。
ガイド層の屈折率が光強度分布制御層１０５より高い場合、光の分布がガイド層に寄ってしまい、光強度分布制御層１０５の２次元フォトニック結晶層１０４へ光を広げる効果が弱くなってしまう。そのため、光強度分布制御層１０５の屈折率をガイド層の屈折率より高くすることが望ましい。
上記したように、本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザは、基板１０１、下部クラッド層１０２、活性層１０３、２次元フォトニック結晶層１０４、光強度分布制御層１０５、上部クラッド層１０６の順に積層されたスラブ導波路の構造を備える。
また、積層順を上下逆にして、２次元フォトニック結晶層１０４を活性層１０３の下部に配置しても良い。下部電極１０７は基板１０１の裏面に設けられ、上部電極１０８は表面に設けられる。
ここで、ガイド層を設ける一例について説明する。
光が活性層１０３や２次元フォトニック結晶層１０４に適切に分布するように活性層１０３と下部クラッド層１０２の間にガイド層を設けることができる。
ガイド層の屈折率が光強度分布制御層１０５より高い場合、光の分布がガイド層に寄ってしまい、光強度分布制御層１０５の２次元フォトニック結晶層１０４へ光を広げる効果が弱くなってしまう。そのため、光強度分布制御層１０５の屈折率をガイド層の屈折率より高くすることが望ましい。
２次元フォトニック結晶層１０４は、層面内に高屈折率媒質１０４ａと低屈折率媒質１０４ｂで構成される。
高屈折率媒質１０４ａと、低屈折率媒質１０４ｂの例としては以下のものが挙げられる。
高屈折率媒体１０４ａはＡｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｎ，Ａｓ，Ｐ，Ｓｂを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体である。低屈折率媒質１０４ｂは空気、ＳｉＯ2，ＳｉＮ，Ａｌ2Ｏ3，ＡｌＮ，ＴｉＯ，ＴｉＮなどである。
２次元フォトニック結晶層１０４で回折する光の干渉の強さは、２次元フォトニック結晶層１０４の厚さ方向に対して光の分布が均一であるほど強くなる。
回折光の干渉をより強くするためには、２次元フォトニック結晶層１０４の高屈折率媒質１０４ａと低屈折率媒質１０４ｂの屈折率を体積で平均した２次元フォトニック結晶の平均屈折率ｎPhCをクラッド層の屈折率より大きくすることが望ましい。
上記平均屈折率ｎPhCをクラッド層の屈折率より大きくすると、該平均屈折率ｎPhCと活性層１０３や光強度分布制御層１０５との屈折率差が小さくなるので、２次元フォトニック結晶層１０４中に光が広がりやすくなり、光分布の均一性がよくなる。
一方で、上記平均屈折率ｎPhCが光強度分布制御層１０５の屈折率より大ききいと、光分布のピークが２次元フォトニック結晶層１０４に移り、光強度分布制御層１０５の膜厚を変えても２次元フォトニック結晶層１０４中の光分布は変化しにくくなる。
従って、光強度分布制御層１０５の膜厚を変化させることで回折光の干渉強度を変調する効果が弱くなってしまう。以上のことから、上記平均屈折率ｎPhCは光強度分布制御層１０５の屈折率より小さいことが望ましい。
高屈折率媒質１０４ａと、低屈折率媒質１０４ｂの例としては以下のものが挙げられる。
高屈折率媒体１０４ａはＡｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｎ，Ａｓ，Ｐ，Ｓｂを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体である。低屈折率媒質１０４ｂは空気、ＳｉＯ2，ＳｉＮ，Ａｌ2Ｏ3，ＡｌＮ，ＴｉＯ，ＴｉＮなどである。
２次元フォトニック結晶層１０４で回折する光の干渉の強さは、２次元フォトニック結晶層１０４の厚さ方向に対して光の分布が均一であるほど強くなる。
回折光の干渉をより強くするためには、２次元フォトニック結晶層１０４の高屈折率媒質１０４ａと低屈折率媒質１０４ｂの屈折率を体積で平均した２次元フォトニック結晶の平均屈折率ｎPhCをクラッド層の屈折率より大きくすることが望ましい。
上記平均屈折率ｎPhCをクラッド層の屈折率より大きくすると、該平均屈折率ｎPhCと活性層１０３や光強度分布制御層１０５との屈折率差が小さくなるので、２次元フォトニック結晶層１０４中に光が広がりやすくなり、光分布の均一性がよくなる。
一方で、上記平均屈折率ｎPhCが光強度分布制御層１０５の屈折率より大ききいと、光分布のピークが２次元フォトニック結晶層１０４に移り、光強度分布制御層１０５の膜厚を変えても２次元フォトニック結晶層１０４中の光分布は変化しにくくなる。
従って、光強度分布制御層１０５の膜厚を変化させることで回折光の干渉強度を変調する効果が弱くなってしまう。以上のことから、上記平均屈折率ｎPhCは光強度分布制御層１０５の屈折率より小さいことが望ましい。
［実施形態２］
実施形態２として、２次元フォトニック結晶面発光レーザにおける光強度分布制御層による光分布の制御の構成例について、図４を用いて説明する。
本実施形態における２次元フォトニック結晶面発光レーザは、２次元フォトニック結晶層１０４と光強度分布制御層１０５を除く他の構成は実施形態１と同じであるので、２次元フォトニック結晶１０４と光強度分布制御層１０５について説明する。
実施形態２として、２次元フォトニック結晶面発光レーザにおける光強度分布制御層による光分布の制御の構成例について、図４を用いて説明する。
本実施形態における２次元フォトニック結晶面発光レーザは、２次元フォトニック結晶層１０４と光強度分布制御層１０５を除く他の構成は実施形態１と同じであるので、２次元フォトニック結晶１０４と光強度分布制御層１０５について説明する。
本実施形態では、２次元フォトニック結晶層１０４による回折光が強め合って干渉する構造にするため、光強度分布制御層の厚さをつぎのように構成する。
回折光が強め合って干渉するように２次元フォトニック結晶層１０４の膜厚ｄを、（（ｐ＋０．５）−０．１２５）ａ＜ｄ＜（（ｐ＋０．５）＋０．１２５）ａの条件式を満足する膜厚にする（但し、（ｐ＝０，１，２・・・）である）。
より好ましくは、（（ｐ＋０．５）−０．１００）＜ｄ＜（（ｐ＋０．５）＋０．１００）ａの条件式を満足する膜厚にするのが良い。更に好ましくは（（ｐ＋０．５）−０．０７５）ａ＜ｄ＜（（ｐ＋０．５）＋０．０７５）ａの条件式を満足する膜厚にするのが良い。
光強度分布制御層１０５の膜厚は、回折光を強く出射させたい領域で干渉を強くするため厚くする。弱く出射させたい領域では、干渉を弱くするために薄くする。
回折光が強め合って干渉するように２次元フォトニック結晶層１０４の膜厚ｄを、（（ｐ＋０．５）−０．１２５）ａ＜ｄ＜（（ｐ＋０．５）＋０．１２５）ａの条件式を満足する膜厚にする（但し、（ｐ＝０，１，２・・・）である）。
より好ましくは、（（ｐ＋０．５）−０．１００）＜ｄ＜（（ｐ＋０．５）＋０．１００）ａの条件式を満足する膜厚にするのが良い。更に好ましくは（（ｐ＋０．５）−０．０７５）ａ＜ｄ＜（（ｐ＋０．５）＋０．０７５）ａの条件式を満足する膜厚にするのが良い。
光強度分布制御層１０５の膜厚は、回折光を強く出射させたい領域で干渉を強くするため厚くする。弱く出射させたい領域では、干渉を弱くするために薄くする。
［実施形態３］
実施形態３として、２次元フォトニック結晶面発光レーザにおける光強度分布制御層による光分布の制御の構成例について、図５を用いて説明する。
本実施形態における２次元フォトニック結晶面発光レーザは実施形態１と層構成は同じである。
そして、表面にｐ電極１０８と、光取り出しのための開口部１０９を備える。図５では表面から光を取り出すためｐ電極に開口部を設けているが、裏面のｎ電極１０７に開口部１０９を設けても良い。
開口部１０９は、半透明電極や透明電極などの光を透過する構造を形成しても良い。
実施形態３として、２次元フォトニック結晶面発光レーザにおける光強度分布制御層による光分布の制御の構成例について、図５を用いて説明する。
本実施形態における２次元フォトニック結晶面発光レーザは実施形態１と層構成は同じである。
そして、表面にｐ電極１０８と、光取り出しのための開口部１０９を備える。図５では表面から光を取り出すためｐ電極に開口部を設けているが、裏面のｎ電極１０７に開口部１０９を設けても良い。
開口部１０９は、半透明電極や透明電極などの光を透過する構造を形成しても良い。
本実施形態では２次元フォトニック結晶層１０４の回折光が弱め合って干渉することを利用するため、２次元フォトニック結晶層１０４と光強度分布制御層の厚さはつぎのように構成する。
２次元フォトニック結晶層１０４の膜厚ｄは実施形態１と同様に、（ｑ−０．１２５）ａ＜ｄ＜（ｑ＋０．１２５）ａの条件式を満足する膜厚にする（但し、（ｑ＝１，２，３・・・）である）。
より好ましくは、（ｑ−０．１００）ａ＜ｄ＜（ｑ＋０．１００）ａの条件式を満足する膜厚にするのが良い。更に好ましくは（ｑ−０．０７５）ａ＜ｄ＜（ｑ＋０．０７５）ａの条件式を満足する膜厚にするのが良い。
光強度分布制御層１０５の膜厚は、ｐ電極１０８直下より、開口部１０９直下（開口部に対応する領域）の膜厚を薄くする。
ｐ電極１０８直下の２次元フォトニック結晶層１０４中の光分布は光強度分布制御層１０５によって２次元フォトニック結晶層１０４全体に広げられ、２次元フォトニック結晶１０４の光分布の均一性が向上することで、干渉が強くなり回折光が弱くなる。
一方で、開口部１０９に対応する領域の２次元フォトニック結晶１０４は、光強度分布制御層１０５が薄いため、２次元フォトニック結晶１０４の光分布の均一性が低く、干渉が強く生じない。
従って、回折光は、電極直下（開口部に対応する領域以外の領域）より開口部１０９直下（開口部に対応する領域）が強くなる。
２次元フォトニック結晶層１０４の膜厚ｄは実施形態１と同様に、（ｑ−０．１２５）ａ＜ｄ＜（ｑ＋０．１２５）ａの条件式を満足する膜厚にする（但し、（ｑ＝１，２，３・・・）である）。
より好ましくは、（ｑ−０．１００）ａ＜ｄ＜（ｑ＋０．１００）ａの条件式を満足する膜厚にするのが良い。更に好ましくは（ｑ−０．０７５）ａ＜ｄ＜（ｑ＋０．０７５）ａの条件式を満足する膜厚にするのが良い。
光強度分布制御層１０５の膜厚は、ｐ電極１０８直下より、開口部１０９直下（開口部に対応する領域）の膜厚を薄くする。
ｐ電極１０８直下の２次元フォトニック結晶層１０４中の光分布は光強度分布制御層１０５によって２次元フォトニック結晶層１０４全体に広げられ、２次元フォトニック結晶１０４の光分布の均一性が向上することで、干渉が強くなり回折光が弱くなる。
一方で、開口部１０９に対応する領域の２次元フォトニック結晶１０４は、光強度分布制御層１０５が薄いため、２次元フォトニック結晶１０４の光分布の均一性が低く、干渉が強く生じない。
従って、回折光は、電極直下（開口部に対応する領域以外の領域）より開口部１０９直下（開口部に対応する領域）が強くなる。
［実施形態４］
実施形態４として、２次元フォトニック結晶面発光レーザにおける光強度分布制御層による光分布の制御の構成例について、図６を用いて説明する。
本実施形態における２次元フォトニック結晶面発光レーザは実施形態２と層構成は同じである。
また、実施形態３のように表面にｐ電極１０８と、光取り出しのための開口部１０９を備える。
図６では表面から光を取り出すためｐ電極１０８に開口部１０９を表面に設けているが、裏面のｎ電極１０７に開口部を設けても良い。
開口部１０９は半透明電極や透明電極などの光を透過する構造を形成しても良い。
実施形態４として、２次元フォトニック結晶面発光レーザにおける光強度分布制御層による光分布の制御の構成例について、図６を用いて説明する。
本実施形態における２次元フォトニック結晶面発光レーザは実施形態２と層構成は同じである。
また、実施形態３のように表面にｐ電極１０８と、光取り出しのための開口部１０９を備える。
図６では表面から光を取り出すためｐ電極１０８に開口部１０９を表面に設けているが、裏面のｎ電極１０７に開口部を設けても良い。
開口部１０９は半透明電極や透明電極などの光を透過する構造を形成しても良い。
本実施形態では２次元フォトニック結晶層１０４の回折光が強め合って干渉することを利用するため、２次元フォトニック結晶層１０４と光強度分布制御層の厚さはつぎのように構成する。
２次元フォトニック結晶層１０４の膜厚ｄは実施形態２と同様に（（ｐ＋０．５）−０．１２５）ａ＜ｄ＜（（ｐ＋０．５）＋０．１２５）ａの条件式を満足する膜厚にする（但し、ここでの条件式において（ｐ＝０，１，２・・・）である）。
より好ましくは、（（ｐ＋０．５）−０．１００）ａ＜ｄ＜（（ｐ＋０．５）＋０．１００）ａの条件式を満足する膜厚にするのが良い。更に好ましくは（（ｐ＋０．５）−０．０７５）ａ＜ｄ＜（（ｐ＋０．５）＋０．０７５）ａの条件式を満足する膜厚にするのが良い。
光強度分布制御層１０５の膜厚は、開口部１０９直下（開口部に対応する領域）よりｐ電極１０８直下を薄くする。
開口部１０９直下の２次元フォトニック結晶層１０４は光強度分布制御層１０５によって光分布が２次元フォトニック結晶層１０４全体に広げられることで、光分布の均一性が向上し、回折光が強くなる。
一方で、電極直下の２次元フォトニック結晶層１０４は、光強度分布制御層１０５が薄いため、２次元フォトニック結晶層１０４の光分布の均一性がさほど高くなく、干渉が強く生じない。
従って、回折光はｐ電極１０８直下（開口部に対応する領域以外の領域）より開口部１０９直下（開口部に対応する領域）で強くなる。
２次元フォトニック結晶層１０４の膜厚ｄは実施形態２と同様に（（ｐ＋０．５）−０．１２５）ａ＜ｄ＜（（ｐ＋０．５）＋０．１２５）ａの条件式を満足する膜厚にする（但し、ここでの条件式において（ｐ＝０，１，２・・・）である）。
より好ましくは、（（ｐ＋０．５）−０．１００）ａ＜ｄ＜（（ｐ＋０．５）＋０．１００）ａの条件式を満足する膜厚にするのが良い。更に好ましくは（（ｐ＋０．５）−０．０７５）ａ＜ｄ＜（（ｐ＋０．５）＋０．０７５）ａの条件式を満足する膜厚にするのが良い。
光強度分布制御層１０５の膜厚は、開口部１０９直下（開口部に対応する領域）よりｐ電極１０８直下を薄くする。
開口部１０９直下の２次元フォトニック結晶層１０４は光強度分布制御層１０５によって光分布が２次元フォトニック結晶層１０４全体に広げられることで、光分布の均一性が向上し、回折光が強くなる。
一方で、電極直下の２次元フォトニック結晶層１０４は、光強度分布制御層１０５が薄いため、２次元フォトニック結晶層１０４の光分布の均一性がさほど高くなく、干渉が強く生じない。
従って、回折光はｐ電極１０８直下（開口部に対応する領域以外の領域）より開口部１０９直下（開口部に対応する領域）で強くなる。
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として、実施形態１の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおける具体的な構成例を、図７を用いて説明する。
本実施例は、２次元フォトニック結晶の格子定数ａと膜厚ｄがｄ＝ａの構成で、回折光が最も弱め合う形態として構成される。
本実施形態における２次元フォトニック結晶面発光レーザは、つぎのように構成される。
基板１０１としてｎ型ＧａＮ基板７０１を用いる。
次に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置で以下の層を順に成長させる。
始めに、結晶性向上のためのバッファ層としてｎ−ＧａＮ層７１０を５μｍ成長させる。
続いて、下部クラッド層１０２としてｎ−Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎ７０２を８００ｎｍ、ガイド層としてＧａＮ層７１１を１００ｎｍ成長させる。
その上に、活性層１０３として多重量子井戸７０３を成長させる。井戸層として厚さ３ｎｍのＩｎ0.10Ｇａ0.90Ｎ、障壁層として厚さ７ｎｍのＧａＮのペアを３周期成長させる。多重量子井戸７０３の発光波長は４００ｎｍである。更に、キャリアオーバーフローを抑制するキャリアブロック層としてｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ７１２を２０ｎｍ、２次元フォトニック結晶層１０４の母材（高屈折率媒質１０４ａ）としてＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０４ａ成長させる。
Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０４ａの膜厚は、後の２次元フォトニック結晶作成の工程で用いるドライエッチングによる活性層のダメージを考慮して、２次元フォトニック結晶の格子定数より若干厚くする。
本実施例では２次元フォトニック結晶の格子定数を１５２ｎｍとするため、Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０４ａを１６２ｎｍ成長させる。
次に、２次元フォトニック結晶層１０４の形成をする。
まず、基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、基板上にレジストを塗布する。
次に、電子線リソグラフィーを用いて、円形の正方格子のパターンを描画，現像する。格子定数ａ（周期）は１５２ｎｍ、円の直径は５５ｎｍである。
次に、ドライエッチングでＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０４ａが１０ｎｍ残るように、層深さ１５２ｎｍの２次元フォトニック結晶の孔を形成し、スパッタを用いて孔をＡｌ2Ｏ3で埋める。
その後、リフトオフでレジストを除去して、高屈折率媒質１０４ａとしてＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０４ａと、低屈折率媒質１０４ｂとしてＡｌ2Ｏ3７０４ｂで構成される２次元フォトニック結晶層１０４が形成される。
リフトオフ後、２次元フォトニック結晶層１０４を形成した基板をＭＯＣＶＤ装置にセットし、光強度分布制御層１０５として、Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０５を４５ｎｍ成長させる。
［実施例１］
実施例１として、実施形態１の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおける具体的な構成例を、図７を用いて説明する。
本実施例は、２次元フォトニック結晶の格子定数ａと膜厚ｄがｄ＝ａの構成で、回折光が最も弱め合う形態として構成される。
本実施形態における２次元フォトニック結晶面発光レーザは、つぎのように構成される。
基板１０１としてｎ型ＧａＮ基板７０１を用いる。
次に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置で以下の層を順に成長させる。
始めに、結晶性向上のためのバッファ層としてｎ−ＧａＮ層７１０を５μｍ成長させる。
続いて、下部クラッド層１０２としてｎ−Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎ７０２を８００ｎｍ、ガイド層としてＧａＮ層７１１を１００ｎｍ成長させる。
その上に、活性層１０３として多重量子井戸７０３を成長させる。井戸層として厚さ３ｎｍのＩｎ0.10Ｇａ0.90Ｎ、障壁層として厚さ７ｎｍのＧａＮのペアを３周期成長させる。多重量子井戸７０３の発光波長は４００ｎｍである。更に、キャリアオーバーフローを抑制するキャリアブロック層としてｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ７１２を２０ｎｍ、２次元フォトニック結晶層１０４の母材（高屈折率媒質１０４ａ）としてＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０４ａ成長させる。
Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０４ａの膜厚は、後の２次元フォトニック結晶作成の工程で用いるドライエッチングによる活性層のダメージを考慮して、２次元フォトニック結晶の格子定数より若干厚くする。
本実施例では２次元フォトニック結晶の格子定数を１５２ｎｍとするため、Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０４ａを１６２ｎｍ成長させる。
次に、２次元フォトニック結晶層１０４の形成をする。
まず、基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、基板上にレジストを塗布する。
次に、電子線リソグラフィーを用いて、円形の正方格子のパターンを描画，現像する。格子定数ａ（周期）は１５２ｎｍ、円の直径は５５ｎｍである。
次に、ドライエッチングでＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０４ａが１０ｎｍ残るように、層深さ１５２ｎｍの２次元フォトニック結晶の孔を形成し、スパッタを用いて孔をＡｌ2Ｏ3で埋める。
その後、リフトオフでレジストを除去して、高屈折率媒質１０４ａとしてＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０４ａと、低屈折率媒質１０４ｂとしてＡｌ2Ｏ3７０４ｂで構成される２次元フォトニック結晶層１０４が形成される。
リフトオフ後、２次元フォトニック結晶層１０４を形成した基板をＭＯＣＶＤ装置にセットし、光強度分布制御層１０５として、Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０５を４５ｎｍ成長させる。
再びＭＯＣＶＤ装置から基板を取り出して、Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０５にフォトリソグラフィーとドライエッチングで、面内の回折光の強度分布をつけるための膜厚分布を設ける。
本実施例では、円形のビームスポットを得るために、円状に膜厚分布を設ける。具体的には、フォトリソグラフィーとドライエッチングを３回に分け膜厚分布を形成する。
初めに、円形で直径１０μｍ、深さ１５ｎｍのパターンを形成する。次に直径５μｍの円形パターンを１０μｍの円形パターンの中心に合わせて深さ１５ｎｍで形成する。最後に直径３μｍのパターンを深さ１０ｎｍで形成することで、Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０５にパターンの中心に向かって膜厚が階段状に薄くなった分布が形成される。
残りの層を成長させるためＭＯＣＶＤ装置にＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０５に膜厚分布を設けた基板をセットする。そして、上部クラッド層１０６としてｐ−Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎ７０６を５００ｎｍ、電極形成の為のコンタクト層としてｐ−ＧａＮ７１３を５０ｎｍ成長させる。
最後に、ｎ型ＧａＮ基板７０１の裏面にｎ電極１０７としてＴｉ／Ａｌからなる下部電極７０７、コンタクト層の上に上部電極１０８としてＮｉ／Ａｉからなる半透明電極７０８を形成する。
以上の工程を経て、電流注入で発振し円形スポットを持つ２次元フォトニック結晶面発光レーザが完成する。
本実施例では、円形のビームスポットを得るために、円状に膜厚分布を設ける。具体的には、フォトリソグラフィーとドライエッチングを３回に分け膜厚分布を形成する。
初めに、円形で直径１０μｍ、深さ１５ｎｍのパターンを形成する。次に直径５μｍの円形パターンを１０μｍの円形パターンの中心に合わせて深さ１５ｎｍで形成する。最後に直径３μｍのパターンを深さ１０ｎｍで形成することで、Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０５にパターンの中心に向かって膜厚が階段状に薄くなった分布が形成される。
残りの層を成長させるためＭＯＣＶＤ装置にＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０５に膜厚分布を設けた基板をセットする。そして、上部クラッド層１０６としてｐ−Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎ７０６を５００ｎｍ、電極形成の為のコンタクト層としてｐ−ＧａＮ７１３を５０ｎｍ成長させる。
最後に、ｎ型ＧａＮ基板７０１の裏面にｎ電極１０７としてＴｉ／Ａｌからなる下部電極７０７、コンタクト層の上に上部電極１０８としてＮｉ／Ａｉからなる半透明電極７０８を形成する。
以上の工程を経て、電流注入で発振し円形スポットを持つ２次元フォトニック結晶面発光レーザが完成する。
図８（ａ）、（ｂ）は、本実施例の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおける垂直方向の光分布の計算結果である。
それぞれ、光強度分布制御層１０５の膜厚が４５ｎｍの構造（パターン外部）と、５ｎｍの構造（パターン中心部）である。
光強度分布制御層１０５の膜厚が４５ｎｍの構造は、５ｎｍの構造と比べ２次元フォトニック結晶層に光が均一に広がっていることが分かる。
また、図９は、実施例１の２次元フォトニック結晶面発光レーザの構造について、回折光の電界強度比と光強度分布制御層１０５の関係を計算したグラフである。
光強度分布制御層１０５の膜厚が０ｎｍ時の回折光の電界強度を基準としている。光強度分布制御層１０５の膜厚が増すにつれ、回折光強度が減少している。これは、２次元フォトニック結晶層１０４への光の広がりが図８（ａ）の様に増加し光分布の均一性が向上し、回折光の干渉が強くなったからである。
光強度分布制御層１０５の膜厚が４５ｎｍ辺りより厚くなると、回折光強度が増加している。
これは、活性層付近にあった光分布の最大値が光強度分布制御層１０５付近にシフトして、２次元フォトニック結晶層１０４の光分布の均一性が低下し、干渉が弱くなっているためである。
また、活性層と光の重なりが低下し利得が得られにくくなるので、光強度分布制御層１０５の膜厚は、これ以上厚くすることは望ましくない。
それぞれ、光強度分布制御層１０５の膜厚が４５ｎｍの構造（パターン外部）と、５ｎｍの構造（パターン中心部）である。
光強度分布制御層１０５の膜厚が４５ｎｍの構造は、５ｎｍの構造と比べ２次元フォトニック結晶層に光が均一に広がっていることが分かる。
また、図９は、実施例１の２次元フォトニック結晶面発光レーザの構造について、回折光の電界強度比と光強度分布制御層１０５の関係を計算したグラフである。
光強度分布制御層１０５の膜厚が０ｎｍ時の回折光の電界強度を基準としている。光強度分布制御層１０５の膜厚が増すにつれ、回折光強度が減少している。これは、２次元フォトニック結晶層１０４への光の広がりが図８（ａ）の様に増加し光分布の均一性が向上し、回折光の干渉が強くなったからである。
光強度分布制御層１０５の膜厚が４５ｎｍ辺りより厚くなると、回折光強度が増加している。
これは、活性層付近にあった光分布の最大値が光強度分布制御層１０５付近にシフトして、２次元フォトニック結晶層１０４の光分布の均一性が低下し、干渉が弱くなっているためである。
また、活性層と光の重なりが低下し利得が得られにくくなるので、光強度分布制御層１０５の膜厚は、これ以上厚くすることは望ましくない。
［実施例２］
実施例２として、実施形態２の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおける具体的な構成例を、図１０を用いて説明する。
本実施例では２次元フォトニック結晶の格子定数ａと膜厚ｄがｄ＝０．５ａの構成で、回折光が最も強め合う形態として構成される。
本実施例における２次元フォトニック結晶面発光レーザは、２次元フォトニック結晶層１０４の膜厚、光強度分布制御層１０５、及び、光強度分布制御層１０５の膜厚分布が異なる事以外は、実施例１と同じである。差異の点について以下に説明する。
２次元フォトニック結晶層１０４であるＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０４の膜厚を８６ｎｍとする。
これは、２次元フォトニック結晶の格子定数１５２ｎｍに対して０．５倍の７６ｎｍと、エッチングダメージを抑えるための１０ｎｍの和である。
光強度分布制御層１０５として厚さ５０ｎｍのＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０５まで形成する。次に、Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０５にフォトリソグラフィーとドライエッチングで、面内の回折光の強度分布をつけるための膜厚分布を設ける。
本実施例では、Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０５に円形で中心に向かって厚くなる膜厚分布を設ける。
具体的には、フォトリソグラフィーで円形の直径３μｍのマスクを形成し、ドライエッチングでＧａ0.04Ｉｎ0.96Ｎ７０５を１５ｎｍエッチングする。
次に、直径５μｍの円形マスクを前３μｍのパターンの中心を合わせて形成し、ドライエッチングで１５ｎｍエッチングする。
最後に直径１０μｍのマスクを同様に形成し、１５ｎｍエッチングすることで、Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０５にパターンの中心に向かって膜厚が階段状に厚くなる分布が形成される。
その後は、残りの層と電極を形成することで、２次元フォトニック結晶面発光レーザが完成する。
実施例２として、実施形態２の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおける具体的な構成例を、図１０を用いて説明する。
本実施例では２次元フォトニック結晶の格子定数ａと膜厚ｄがｄ＝０．５ａの構成で、回折光が最も強め合う形態として構成される。
本実施例における２次元フォトニック結晶面発光レーザは、２次元フォトニック結晶層１０４の膜厚、光強度分布制御層１０５、及び、光強度分布制御層１０５の膜厚分布が異なる事以外は、実施例１と同じである。差異の点について以下に説明する。
２次元フォトニック結晶層１０４であるＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０４の膜厚を８６ｎｍとする。
これは、２次元フォトニック結晶の格子定数１５２ｎｍに対して０．５倍の７６ｎｍと、エッチングダメージを抑えるための１０ｎｍの和である。
光強度分布制御層１０５として厚さ５０ｎｍのＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０５まで形成する。次に、Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０５にフォトリソグラフィーとドライエッチングで、面内の回折光の強度分布をつけるための膜厚分布を設ける。
本実施例では、Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０５に円形で中心に向かって厚くなる膜厚分布を設ける。
具体的には、フォトリソグラフィーで円形の直径３μｍのマスクを形成し、ドライエッチングでＧａ0.04Ｉｎ0.96Ｎ７０５を１５ｎｍエッチングする。
次に、直径５μｍの円形マスクを前３μｍのパターンの中心を合わせて形成し、ドライエッチングで１５ｎｍエッチングする。
最後に直径１０μｍのマスクを同様に形成し、１５ｎｍエッチングすることで、Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０５にパターンの中心に向かって膜厚が階段状に厚くなる分布が形成される。
その後は、残りの層と電極を形成することで、２次元フォトニック結晶面発光レーザが完成する。
図１１（ａ）、（ｂ）は、本実施例の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおける垂直方向の光分布の計算結果である。
それぞれ、光強度分布制御層１０５の膜厚が５０ｎｍの構造（パターン中心部）と、５ｎｍの構造（パターン外部）である。
光強度分布制御層１０５の膜厚が５０ｎｍの構造は、５ｎｍの構造と比べ２次元フォトニック結晶層に光が均一に広がっていることが分かる。
また、図１２は、回折光の電界強度比と光強度分布制御層１０５の関係を計算したグラフである。
光強度分布制御層１０５の膜厚が０ｎｍ時の回折光の電界強度を基準としている。
光強度分布制御層１０５の膜厚が増すにつれ干渉が強くなった結果、回折光強度が増加している。
光強度分布制御層１０５を厚くしすぎると回折光強度が低下しているのは、実施例１と同じく、光分布の最大値が光強度分布制御層１０５にあり、２次元フォトニック結晶層１０４の光分布の均一性が低下しているためである。
それぞれ、光強度分布制御層１０５の膜厚が５０ｎｍの構造（パターン中心部）と、５ｎｍの構造（パターン外部）である。
光強度分布制御層１０５の膜厚が５０ｎｍの構造は、５ｎｍの構造と比べ２次元フォトニック結晶層に光が均一に広がっていることが分かる。
また、図１２は、回折光の電界強度比と光強度分布制御層１０５の関係を計算したグラフである。
光強度分布制御層１０５の膜厚が０ｎｍ時の回折光の電界強度を基準としている。
光強度分布制御層１０５の膜厚が増すにつれ干渉が強くなった結果、回折光強度が増加している。
光強度分布制御層１０５を厚くしすぎると回折光強度が低下しているのは、実施例１と同じく、光分布の最大値が光強度分布制御層１０５にあり、２次元フォトニック結晶層１０４の光分布の均一性が低下しているためである。
［実施例３］
実施例３として、実施形態３の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおける具体的な構成例を、図１３を用いて説明する。
本実施例の２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成は、光強度分布制御層１０５の膜厚分布と表面に光取り出しのための開口部１０９を設けたこと以外は、実施例１と同じである。差異の点について以下に説明する。
まず、光強度分布制御層１０５であるＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０５までの構造を実施例１と同様に形成する。
次に、ドライエッチングによってＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０５層の一部を薄くする。形状は円形、直径５μｍ、深さ４０ｎｍである。その後、再成長で残りの層を形成する。
裏面にＴｉ／Ａｌからなるｎ電極７０７と、表面にＮｉ／Ａｕからなるｐ電極７０８を形成する。
ｐ電極７０８に、光取り出しのための開口部１０９として、直径５μｍの円形状の開口部を設ける。開口部１０９は、Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０５の円形パターンを形成した領域に重なるように形成する。
以上の工程を経て開口部１０９から光が強く出射される２次元フォトニック結晶面発光レーザが完成する。
実施例３として、実施形態３の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおける具体的な構成例を、図１３を用いて説明する。
本実施例の２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成は、光強度分布制御層１０５の膜厚分布と表面に光取り出しのための開口部１０９を設けたこと以外は、実施例１と同じである。差異の点について以下に説明する。
まず、光強度分布制御層１０５であるＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０５までの構造を実施例１と同様に形成する。
次に、ドライエッチングによってＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０５層の一部を薄くする。形状は円形、直径５μｍ、深さ４０ｎｍである。その後、再成長で残りの層を形成する。
裏面にＴｉ／Ａｌからなるｎ電極７０７と、表面にＮｉ／Ａｕからなるｐ電極７０８を形成する。
ｐ電極７０８に、光取り出しのための開口部１０９として、直径５μｍの円形状の開口部を設ける。開口部１０９は、Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０５の円形パターンを形成した領域に重なるように形成する。
以上の工程を経て開口部１０９から光が強く出射される２次元フォトニック結晶面発光レーザが完成する。
［実施例４］
実施例４として、実施形態４の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおける具体的な構成例を、図１４を用いて説明する。
本実施例の２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成は、光強度分布制御層の膜厚分布と表面に開口部１０９を設けた事以外は、実施例２と同じである。差異の点について以下に説明する。
まず、光強度分布制御層であるＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０５までの構造を実施例２と同様に形成する。
次に、ドライエッチングでＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０５にパターンを形成する。形状は直径５μｍの円形で、円形部分はエッチングしないようにマスクで保護し、それ以外の領域を札厚さ５ｎｍまで薄くする。その後、再成長で残りの層を形成する。
裏面にＴｉ／Ａｌからなるｎ電極７０７、表面にＮｉ／Ａｕからなるｐ電極７０８を形成する。ｐ電極７０８は、光取り出しのための開口部１０９として、直径５μｍの円形状の開口部を有し、Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０５の円形パターンに重なるように形成する。
以上の工程を経て開口部１０９から光が強く出射される２次元フォトニック結晶面発光レーザが完成する。
実施例４として、実施形態４の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおける具体的な構成例を、図１４を用いて説明する。
本実施例の２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成は、光強度分布制御層の膜厚分布と表面に開口部１０９を設けた事以外は、実施例２と同じである。差異の点について以下に説明する。
まず、光強度分布制御層であるＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０５までの構造を実施例２と同様に形成する。
次に、ドライエッチングでＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０５にパターンを形成する。形状は直径５μｍの円形で、円形部分はエッチングしないようにマスクで保護し、それ以外の領域を札厚さ５ｎｍまで薄くする。その後、再成長で残りの層を形成する。
裏面にＴｉ／Ａｌからなるｎ電極７０７、表面にＮｉ／Ａｕからなるｐ電極７０８を形成する。ｐ電極７０８は、光取り出しのための開口部１０９として、直径５μｍの円形状の開口部を有し、Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０５の円形パターンに重なるように形成する。
以上の工程を経て開口部１０９から光が強く出射される２次元フォトニック結晶面発光レーザが完成する。
（比較例）
つぎに、比較例について説明する。
本比較例は、実施例１における２次元フォトニック結晶面発光レーザの２次元フォトニック結晶層の平均屈折率ｎPhCが、
クラッド層の屈折率ｎcladより高い構造と、該クラッド層の屈折率ｎcladより低い構造の２次元フォトニック結晶層１０４中の光強度分布と回折光強度を比較する。
ｎPhC＞ｎcladの関係である構造については実施例１を用いる。ｎPhC＜ｎcladの関係である構造は、実施例１の低屈折率媒質１０４ｂを空気で置き換えた構造を用いる。
また、光強度分布制御層１０５の膜厚については、実施例１で干渉効果が強かったＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０５が４５ｎｍの厚さで比較する。
つぎに、比較例について説明する。
本比較例は、実施例１における２次元フォトニック結晶面発光レーザの２次元フォトニック結晶層の平均屈折率ｎPhCが、
クラッド層の屈折率ｎcladより高い構造と、該クラッド層の屈折率ｎcladより低い構造の２次元フォトニック結晶層１０４中の光強度分布と回折光強度を比較する。
ｎPhC＞ｎcladの関係である構造については実施例１を用いる。ｎPhC＜ｎcladの関係である構造は、実施例１の低屈折率媒質１０４ｂを空気で置き換えた構造を用いる。
また、光強度分布制御層１０５の膜厚については、実施例１で干渉効果が強かったＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ７０５が４５ｎｍの厚さで比較する。
図１５は低屈折率媒質１０４ｂを空気で置き換えた構造の計算結果である。
実施例１の図８（ａ）では２次元フォトニック結晶層中の電界が均一であるのに対し、比較例の図１５では２次元フォトニック結晶層１０４内で光の分布が谷になり、均一性が低下している事が分かる。
このことから、ｎPhC＜ｎcladの構造は、ｎPhC＞ｎcladの構造と比べて回折光の干渉が弱くなる。
また、図１６は回折光の電界虚度比と光強度分布制御層の膜厚との関係を計算し比較したグラフである。
実線はｎPhC＞ｎcladの構造で、点線はｎPhC＜ｎcladの構造である。
ｎPhC＜ｎcladの構造は、ｎPhC＞ｎcladの構造より回折光の強度比の変調は小さいが、本発明の効果があることが確認できる。
以上の比較結果から、ｎPhCがｎcladより低くても本発明の効果がある。ただし、より効果を発揮するためにはｎPhCをｎcladより高くすることが望ましいといえる。
実施例１の図８（ａ）では２次元フォトニック結晶層中の電界が均一であるのに対し、比較例の図１５では２次元フォトニック結晶層１０４内で光の分布が谷になり、均一性が低下している事が分かる。
このことから、ｎPhC＜ｎcladの構造は、ｎPhC＞ｎcladの構造と比べて回折光の干渉が弱くなる。
また、図１６は回折光の電界虚度比と光強度分布制御層の膜厚との関係を計算し比較したグラフである。
実線はｎPhC＞ｎcladの構造で、点線はｎPhC＜ｎcladの構造である。
ｎPhC＜ｎcladの構造は、ｎPhC＞ｎcladの構造より回折光の強度比の変調は小さいが、本発明の効果があることが確認できる。
以上の比較結果から、ｎPhCがｎcladより低くても本発明の効果がある。ただし、より効果を発揮するためにはｎPhCをｎcladより高くすることが望ましいといえる。
１０１：基板
１０２：下部クラッド層
１０３：活性層
１０４：２次元フォトニック結晶層
１０４ａ：高屈折率媒質
１０４ｂ：低屈折率媒質
１０５：光強度分布制御層
１０６：上部クラッド層
１０７：下部電極
１０８：上部電極
１０９：開口部
１０２：下部クラッド層
１０３：活性層
１０４：２次元フォトニック結晶層
１０４ａ：高屈折率媒質
１０４ｂ：低屈折率媒質
１０５：光強度分布制御層
１０６：上部クラッド層
１０７：下部電極
１０８：上部電極
１０９：開口部
Claims (5)
- 基板上に設けられた下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に設けられたキャリアを注入することで発光する活性層と、
前記活性層上に設けられた前記活性層で発生した光を面内で共振させる２次元フォトニック結晶層を有する２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、
前記２次元フォトニック結晶層上に設けられ、該２次元フォトニック結晶層中の光強度分布を制御する光強度分布制御層を備え、
前記下部クラッド層と、前記活性層と、前記フォトニック結晶層と、前記光強度分布制御層と、該光強度分布制御層上に設けられた上部クラッド層と、の積層構造によるスラブ導波路が構成され、
前記光強度分布制御層の屈折率は、前記スラブ導波路の実効屈折率より大きく、面内での膜厚分布が異なってい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。 - 前記面発光レーザの裏面、または表面に光取り出しのための開口部を備え、
前記フォトニック結晶は、その格子定数をａ、その膜厚をｄとするとき、
前記フォトニック結晶層は、以下の条件式を満足する膜厚を有し、
前記光強度分布制御層の前記開口部に対応する領域の膜厚は、前記光強度分布制御層の前記開口部に対応する領域以外の領域より薄い膜厚で構成されてい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面発光レーザ。
（ｑ−０．１２５）ａ＜ｄ＜（ｑ＋０．１２５）ａ
但し、（ｑ＝１，２，３・・・） - 前記面発光レーザの裏面、または表面に光取り出しのための開口部を備え、
前記フォトニック結晶の格子定数をａ、膜厚をｄとするとき、
前記フォトニック結晶は以下の条件式を満足する膜厚を有し、
前記光強度分布制御層の前記開口部に対応する領域の膜厚は、前記光強度分布制御層の前記開口部に対応する領域以外の領域より厚い膜厚で構成されてい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面発光レーザ。
（（ｐ＋０．５）−０．１２５）ａ＜ｄ＜（（ｐ＋０．５）＋０．１２５）ａ
但し、（ｐ＝０，１，２・・・） - 前記フォトニック結晶層の屈折率が、前記クラッド層の屈折率より大きく、前記光強度分布制御層の屈折率より低いことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
- 前記下部クラッド層と前記活性層との間にガイド層を備え、
前記光強度分布制御層の屈折率が前記ガイド層の屈折率より大きいことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
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