JP6581691B2 - 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し、特に、Ｍ点共振器など、非放射共振器構造おいて、簡易な構造で、レーザビームの垂直出射可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザに関する。
従来のフォトニック結晶レーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）では、フォトニックバンド構造のΓ点のバンド端における発振を用いてきた。
Γ点の発振では、フォトニック結晶の周期構造が発振のための共振状態形成の機能とその光をフォトニック結晶層に面垂直な方向に回折させて出力として光を取り出す機能の両方を有している（例えば、特許文献１〜３参照。）。
本願発明者らは、共振状態形成用格子点の周期構造を維持しつつ、特定の格子点に周期的摂動を加えることにより、１種類、又は、２種類の孔形状を用いて、Ｍ点共振器など、非放射共振器構造おいて、垂直出射可能であることを理論的に見出し、かつ実験的にも実証した。
本発明の目的は、Ｍ点共振器など、非放射共振器構造おいて、簡易な構造で、レーザビームの垂直出射可能な２次元フォトニック結晶レーザを提供することにある。
本発明の一態様によれば、フォトニック結晶層と、前記フォトニック結晶層内に周期的に配置され、前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造のバンド端における光波を、前記フォトニック結晶層の面内で回折させる共振状態形成用格子点と、前記フォトニック結晶層内に周期的に配置され、前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造のバンド端における光波を、前記フォトニック結晶層の面内で回折させると共に前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折させる摂動格子点とを備え、前記フォトニック結晶層は、前記共振状態形成用格子点と前記摂動格子点とのうち、前記共振状態形成用格子点のみが配置される共振器領域と、前記共振状態形成用格子点と前記摂動格子点との両方が配置される摂動領域とを有し、前記摂動領域に配置される前記摂動格子点は、前記光波を、前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折させるための周期的摂動が前記共振状態形成用格子点の一部に加えられて形成されるように、前記共振器領域および前記摂動領域に配置される前記共振状態形成用格子点の形状とは異なる形状を有しており、前記共振状態形成用格子点および前記摂動格子点は、面心長方格子若しくは三角格子に配置され、かつ前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造におけるΓ点、Ｘ点、若しくはＪ点における光波を前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折可能である２次元フォトニック結晶面発光レーザが提供される。
本発明によれば、Ｍ点共振器など、非放射共振器構造おいて、簡易な構造で、レーザビームの垂直出射可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
[第１の実施の形態]
（素子構造）
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的鳥瞰構造は、図１に示すように、フォトニック結晶層１２と、フォトニック結晶層１２内に配置され、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるバンド端における光波を、フォトニック結晶層１２の面内で回折させると共にフォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させる共振状態形成用格子点（第１格子点）１２Ａと、フォトニック結晶層１２内に周期的に配置され、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造のバンド端における光波を、フォトニック結晶層１２の面内で回折させると共にフォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させる摂動格子点（第２格子点）１２Ｐの２種類の格子点を有し、隣り合う第１格子点１２Ａと第２格子点１２Ｐが、互いに異なる。
（素子構造）
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的鳥瞰構造は、図１に示すように、フォトニック結晶層１２と、フォトニック結晶層１２内に配置され、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるバンド端における光波を、フォトニック結晶層１２の面内で回折させると共にフォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させる共振状態形成用格子点（第１格子点）１２Ａと、フォトニック結晶層１２内に周期的に配置され、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造のバンド端における光波を、フォトニック結晶層１２の面内で回折させると共にフォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させる摂動格子点（第２格子点）１２Ｐの２種類の格子点を有し、隣り合う第１格子点１２Ａと第２格子点１２Ｐが、互いに異なる。
また、第１格子点１２Ａと第２格子点１２Ｐが、互いに異なる形状を有していても良い。
また、第１格子点１２Ａと第２格子点１２Ｐが、互いに異なる大きさを有していても良い。
また、第１格子点１２Ａと第２格子点１２Ｐが、互いに異なる孔の深さを有していても
良い。
良い。
また、第１格子点１２Ａと第２格子点１２Ｐが、互いに異なる屈折率を有していても良い。
また、第１格子点１２Ａと第２格子点１２Ｐが、同じ形状を有し、互いに配置方向が異なっていても良い。
また、共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、正方格子、長方格子、面心長方格子（菱形格子）、若しくは三角格子のいずれかに配置されていても良い。
また、共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、正方格子若しくは長方格子に配置されていても良く、この場合には、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるΓ点、Ｘ点、若しくはＭ点における光波をフォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折可能である。
また、共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、面心長方格子（菱形格子）若しくは三角格子に配置されていても良く、この場合には、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるΓ点、Ｘ点、若しくはＪ点における光波をフォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折可能である。
また、共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、多角形、円形、楕円形若しくは長円形のいずれかの形状を備えていても良い。多角形には、三角形、四角形、正方形、長方形などが含まれる。
ここで、図１の例では、共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動格子点１２Ｐは、互いに隣接すると共に、長方格子に配置され、互いに異なる形状を備える。長方格子の格子定数は、（ａ1，ａ2）で表される。共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、図１に示すように、正方形・長方形の孔形状を有する。共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、２次元フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＭ点バンド端における光波を回折する。
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図１に示すように、基板２４と、基板２４上に配置された第１クラッド層１０と、第１クラッド層１０上に配置された第２クラッド層１６と、第１クラッド層１０と第２クラッド層１６に挟まれた活性層１４とを備える。ここで、第１クラッド層１０はｐ型半導体層、第２クラッド層１６はｎ型半導体層で形成されていても良く、あるいは導電性を反対にしても良い。
更に、第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図１に示すように、第２クラッド層１６上に配置されたコンタクト層１８と、コンタクト層１８上の面発光領域に配置され、レーザ光を取り出すためのウィンドウ層２０と、ウィンドウ層２０上に配置された窓状の上部電極２２と、基板２４の裏面に配置された下部電極２６とを備える。
フォトニック結晶層１２は、図１に示すように、第１クラッド層１０と第２クラッド層１６との間に、活性層１４の面垂直方向に活性層１４に隣接して配置されていても良い。ここで、活性層１４は、例えば、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi-Quantum Well）層で形成されていても良い。
また、フォトニック結晶層１２は、図１に示すように、第１クラッド層１０と活性層１
４との間に配置されていても良い。
４との間に配置されていても良い。
更に、活性層１４とフォトニック結晶層１２との間には、図１に示すように、キャリアブロック層１３を備え、ＭＱＷ層からなる活性層１４内にキャリアを有効に取り込みかつ活性層１４からフォトニック結晶層１２へのキャリアの流入をブロックしても良い。
また、フォトニック結晶層１２は、第２クラッド層１６と活性層１４との間に配置されていても良い。
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの材料系としては、例えば、以下のものを適用可能である。すなわち、例えば、波長１．３μｍ〜１．５μｍでは、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系、波長９００ｎｍの赤外光では、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、波長８００ｎｍ〜９００の赤外光／近赤外光では、ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系若しくはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ系、波長１．３μｍ〜１．６７μｍでは、ＧａＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ系、波長０．６５μｍでは、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系、青色光では、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ系などを適用可能である。
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザに適用される２次元フォトニック結晶層１２の長方格子の実空間は、図２（ａ）に示すように表され、図２（ａ）の実空間のフーリエ変換に対応する波数空間は、図２（ｂ）に示すように表される。長方格子の格子定数は、図２（ａ）に示すように、(ａ1，ａ2)で表され、逆格子定数は、図２（ｂ）に示すように、（ｂ1，ｂ2）で表される。逆格子点における回折ベクトルｋd↑は、図２（ｂ）に示すように表される。
（面発光の原理）
２次元フォトニック結晶層１２が長方格子の格子点を有する場合を例として、２次元フォトニック結晶面発光レーザの面発光の原理を説明する。
２次元フォトニック結晶層１２が長方格子の格子点を有する場合を例として、２次元フォトニック結晶面発光レーザの面発光の原理を説明する。
２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の長方格子の面内共振状態の実空間における説明図は、図３（ａ）に示すように表され、図３（ａ）に対応する波数空間における説明図は、図３（ｂ）に示すように表される。ここで、図３（ａ）に示す例では、長方格子の一辺ａ2が媒質内波長λの１／２に等しい。図３（ａ）に示された面内共振状態においては、波数ベクトルｋf↑は、図３（ｂ）に示すように表される。
図３に対応した面内共振状態において、上方向（ｚ軸方向）への回折動作の波数空間ｋx−ｋyにおける説明図は、図４（ａ）に示すように表され、図４（ａ）に対応する波数空間ｋz−ｋyにおける説明図は、図４（ｂ）に示すように表される。波数ベクトルｋf↑と回折ベクトルｋd↑は、波数空間ｋx−ｋyでは、図４（ａ）に示すように、差分｜ｋf−ｋd｜を有し、この差分に対応して、波数空間ｋy−ｋz面上、ｚ軸から出射角度θだけ傾いたベクトルｋu↑方向に面発光レーザ光を出射することができる。
（比較例１：カプラの導入）
比較例１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点（長方格子）１２Ａの実空間は、図５（ａ）に示すように表され、２次元フォトニック結晶層１２の光取り出し用格子点１２Ｃの実空間は、図５（ｂ）に示すように表される。さらに、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａと光取り出し用格子点１２Ｃを結合した実空間は、図５（ｃ）に示すように表される。
（比較例１：カプラの導入）
比較例１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点（長方格子）１２Ａの実空間は、図５（ａ）に示すように表され、２次元フォトニック結晶層１２の光取り出し用格子点１２Ｃの実空間は、図５（ｂ）に示すように表される。さらに、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａと光取り出し用格子点１２Ｃを結合した実空間は、図５（ｃ）に示すように表される。
また、図５（ａ）に対応する波数空間は、図５（ｄ）に示すように表され、図５（ｃ）
に対応する波数空間は、図５（ｅ）に示すように表される。
に対応する波数空間は、図５（ｅ）に示すように表される。
光取り出し用格子点１２Ｃは、共振状態形成用格子点１２Ａと同一面内に配置され、共振状態形成用格子点１２Ａの基本構造と異なる周期の構造を有する。
２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａの誘電率をε0.a（ｒ↑）、光取り出し用格子点１２Ｃの誘電率をε1.a’（ｒ↑）とすると、共振状態形成用格子点１２Ａと光取り出し用格子点１２Ｃを結合した誘電率ε（ｒ↑）は、
ε（ｒ↑）＝ε0.a（ｒ↑）＋ε1.a’（ｒ↑） （１）
で表される。また、誘電率ε（ｒ↑）は、周期構造を有するため、
εa（ｒ↑）＝εa（ｒ↑＋ａ↑） （２）
で表される。ここで、｜ａ↑｜は、格子定数に関係した周期を表す。
ε（ｒ↑）＝ε0.a（ｒ↑）＋ε1.a’（ｒ↑） （１）
で表される。また、誘電率ε（ｒ↑）は、周期構造を有するため、
εa（ｒ↑）＝εa（ｒ↑＋ａ↑） （２）
で表される。ここで、｜ａ↑｜は、格子定数に関係した周期を表す。
比較例１では、Ｘ点共振器など、共振状態形成用格子点１２Ａと、光取り出し用格子点１２Ｃが別々の格子として用いられ、光取り出し用格子点１２Ｃが、共振状態形成に大きく影響する。たとえば、光取り出し用格子点１２Ｃが導入されることによって、不要な散乱や、意図しない共振モードなどが発生する。比較例１では、共振状態形成用格子点１２Ａと光取り出し用格子点１２Ｃの２つの格子点を複合しているために、構造が複雑である。
（比較例２：摂動の導入）
そこで、比較例２に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、光取り出し用格子点１２Ｃを用いずに光を取り出す手法として、共振状態形成用格子点１２Ａに摂動を加えている。摂動の導入は、新たに別の格子を重ねる比較例１の構造に比べると、明らかに、共振状態形成に対する影響は少ない。
そこで、比較例２に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、光取り出し用格子点１２Ｃを用いずに光を取り出す手法として、共振状態形成用格子点１２Ａに摂動を加えている。摂動の導入は、新たに別の格子を重ねる比較例１の構造に比べると、明らかに、共振状態形成に対する影響は少ない。
ここで、「摂動」とは、フォトニック結晶層１２に周期構造を形成する共振状態形成用格子点１２Ａに対して、変調を加えることを云う。
比較例２に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点（長方格子）１２Ａの実空間は、図６（ａ）に示すように表され、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点（長方格子）１２Ａにｙ軸方向に正弦波関数の摂動を加える様子を説明する概念図は、図６（ｂ）に示すように表される。また、共振状態形成用格子点（長方格子）にｙ軸方向に正弦波関数の孔形状（孔径）変調の摂動を加える様子を説明する概念図は、図６（ｃ）に示すように表される。図６（ｃ）においては、配列ラインＰＬ1・ＰＬ2・ＰＬ3…に対して垂直方向に正弦波関数の周期的な孔形状（孔径ｄ）変調の摂動が加えられている。例えば、配列ラインＰＬ1上には孔径Ｄ１の摂動が加えられた摂動格子点１２Ｐ1が配置される。同様に、配列ラインＰＬ2上には孔径Ｄ２の摂動が加えられた摂動格子点１２Ｐ2が配置され、配列ラインＰＬ3上には孔径Ｄ３の摂動が加えられた摂動格子点１２Ｐ3が配置されている。
また、図６（ａ）の実空間のフーリエ変換に対応する波数空間は、図７（ａ）に示すように表され、図６（ｂ）の実空間のフーリエ変換に対応する波数空間は、図７（ｂ）に示すように表される。波数ベクトルｋf↑、回折ベクトルｋd↑は、図７（ａ）および図７（ｂ）に示す通りである。
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点（長方格子）１２Ａの実空間は、図８（ａ）に示すように表され、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点（長方格子）１２Ａにｙ軸方向に正弦波関数の摂動を加える様子を説明する概念図は、図８（ｂ）に示すように表される。
比較例２に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、基本格子の周期（ａｘ,ａｙ）に対して、ｓｉｎ関数（摂動）の周期に制限は無い。一方、第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、基本格子の周期（ａｘ,ａｙ）に対して、ｓｉｎ関数（摂動）の周期Ｔは、一致しなければならない。図８の例では、２ａｙ＝Ｔに限られる。
また、図８（ａ）の実空間のフーリエ変換に対応する波数空間は、図７（ａ）と同様に表され、図８（ｂ）の実空間のフーリエ変換に対応する波数空間は、図７（ｂ）と同様に表される。波数ベクトルｋf↑、回折ベクトルｋd↑は、図７（ａ）および図７（ｂ）に示す通りである。
比較例２に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、波数ベクトルｋf↑(＝π／ａｙ)に対して、面発光のための回折ベクトルｋd↑には制限は無い。一方、第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、波数ベクトルｋf↑と回折ベクトルｋd↑は、一致しなければならない。すなわち、ｋf↑＝ｋd↑が成立する。
２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａの誘電率ε0.a（ｒ↑）に対して、共振状態形成用格子点１２Ａに正弦波関数の摂動を加えた摂動項の誘電率は、ε1（ｒ↑）sin(ｋｄ↑・ｒ↑)で表すことができる。
したがって、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａの基本構造に正弦波関数の摂動を加えた摂動格子点１２Ｐの誘電率ε’（ｒ↑）は、
ε’（ｒ↑）＝ε0,a（ｒ↑）＋ε1,a（ｒ↑）sin(ｋｄ↑・ｒ↑) （３）
で表される。
ε’（ｒ↑）＝ε0,a（ｒ↑）＋ε1,a（ｒ↑）sin(ｋｄ↑・ｒ↑) （３）
で表される。
比較例１では、共振状態形成用格子点１２Ａと、光取り出し用格子点１２Ｃが別々の格子として用いられたが、第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａに周期的摂動を導入することによって、簡単な構造で面発光レーザを実現することができる。
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、周期的に、１種類、または２種類の孔形状しか存在し得ず、重なり合うことも無いため、作製が容易である。
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、２次元フォトニック結晶層１２の結晶格子として、周期構造を形成する共振状態形成用格子点１２Ａの屈折率、大きさ、或いは深さに、周期的摂動が加わった構造を備えるため、より簡便に作製可能であるとともに、安定な共振状態が形成できる。
（孔形状（孔径）変調）
２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａの孔径ｄ0.a（ｒ↑）に対して、共振状態形成用格子点１２Ａに正弦波関数の摂動を加えた摂動項の孔径は、ｄ1,a（ｒ↑）sin(ｋｄ↑・ｒ↑)で表すことができる。すなわち、
ｄa（ｒ↑）＝ｄ0,a（ｒ↑）＋ｄ1,a（ｒ↑）sin(ｋｄ↑・ｒ↑) （４）
で表される。
（孔形状（孔径）変調）
２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａの孔径ｄ0.a（ｒ↑）に対して、共振状態形成用格子点１２Ａに正弦波関数の摂動を加えた摂動項の孔径は、ｄ1,a（ｒ↑）sin(ｋｄ↑・ｒ↑)で表すことができる。すなわち、
ｄa（ｒ↑）＝ｄ0,a（ｒ↑）＋ｄ1,a（ｒ↑）sin(ｋｄ↑・ｒ↑) （４）
で表される。
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａの基本構造に正弦波関数の孔形状（孔径）変調の周期的摂動を加えた摂動格子点１２Ｐの孔径ｄa（ｒ↑）は、
ｄa ’（ｒ↑）＝ｄ0,a（ｒ↑）＋ｄ1,a（ｒ↑）sin{(π／ａ1↑，π／ａ2↑)・ｒ↑}（５）
ｒ↑＝ｒ0↑＋ａm n↑ （６）
ａm n↑＝（ｍａ1↑，ｎａ2↑） （７）
で表される。ここで、ｍ、ｎは、整数を表し、ａm n↑は、格子定数（ａ1，ａ2）の整数倍（ｍａ1↑，ｎａ2↑）で定義される位置ベクトルである。ｒ0↑は、初期位置ベクトルである。したがって、第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、周期的摂動を加えた摂動格子点１２Ｐの配置は、必ず共振状態形成用格子点１２Ａの位置に対応する。
ｄa ’（ｒ↑）＝ｄ0,a（ｒ↑）＋ｄ1,a（ｒ↑）sin{(π／ａ1↑，π／ａ2↑)・ｒ↑}（５）
ｒ↑＝ｒ0↑＋ａm n↑ （６）
ａm n↑＝（ｍａ1↑，ｎａ2↑） （７）
で表される。ここで、ｍ、ｎは、整数を表し、ａm n↑は、格子定数（ａ1，ａ2）の整数倍（ｍａ1↑，ｎａ2↑）で定義される位置ベクトルである。ｒ0↑は、初期位置ベクトルである。したがって、第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、周期的摂動を加えた摂動格子点１２Ｐの配置は、必ず共振状態形成用格子点１２Ａの位置に対応する。
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、上記のように、回折ベクトルｋｄ↑が(π／ａ1↑，π／ａ2↑)で表された特殊な場合と考えることができる。
ただし、第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザには、上式では表せないさまざまな形状も含まれる。単純な数式で表せない例として、三角と四角が交互に配置された構造も含まれる（図１６（ａ）および図１６（ｂ）参照。）。
（長方格子：Ｍ点）
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐの長方格子配置例であって、隣り合う格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐとが互いに異なる形状を有する例は、図９（ａ）に示すように表され、隣り合う格子点が同じ形状であっても配置方向が異なる例は、図９（ｂ）に示すように表される。ここで、長方格子の格子定数は、（ａｘ，ａｙ）＝（ａ1，ａ2）で表される。共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、図９（ａ）に示すように、正方形・長方形の孔形状を有する。或いは、共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、図９（ｂ）に示すように、同一の長方形で配置方向が異なる孔形状を有する。
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐの長方格子配置例であって、隣り合う格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐとが互いに異なる形状を有する例は、図９（ａ）に示すように表され、隣り合う格子点が同じ形状であっても配置方向が異なる例は、図９（ｂ）に示すように表される。ここで、長方格子の格子定数は、（ａｘ，ａｙ）＝（ａ1，ａ2）で表される。共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、図９（ａ）に示すように、正方形・長方形の孔形状を有する。或いは、共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、図９（ｂ）に示すように、同一の長方形で配置方向が異なる孔形状を有する。
共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、図９(ａ)および図９（ｂ）に示すように、２次元フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＭ点バンド端における光波を回折する。摂動格子点１２Ｐは、長方格子の格子定数（ａ1，ａ2）の２倍の格子定数（２ａ1，２ａ2）を有する面心長方格子に配置される。同様に、共振状態形成用格子点１２Ａは、長方格子の格子定数（ａ1，ａ2）の２倍の格子定数（２ａ1，２ａ2）
を有する面心長方格子に配置される。
を有する面心長方格子に配置される。
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐの長方格子配置例であって、隣り合う格子点が同じ形状であっても配置方向が異なる別の例は、図１０に示すように表される。ここで、長方格子の格子定数は、（ａｘ，ａｙ）＝（ａ1，ａ2）で表される。
共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、図１０に示すように、同一の三角形で配置方向が異なる孔形状を有する。
共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、図１０に示すように、２次元フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＭ点バンド端における光波を回折する。摂動格子点１２Ｐは、長方格子の格子定数（ａ1，ａ2）の２倍の格子定数（２ａ1，２ａ2）を有する面心長方格子に配置される。同様に、共振状態形成用格子点１２Ａは、長方格子の格子定数（ａ1，ａ2）の２倍の格子定数（２ａ1，２ａ2）を有する面心長方格子に配置される。
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐの長方格子配置例であって、隣り合う格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐとが同じ形状であっても配置方向が異なる更に別の例は、図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示すように表される。ここで、長方格子の格子定数は、（ａｘ，ａｙ）＝（ａ1，ａ2）で表される。
共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、図１１（ａ）に示すように、同一の長円形で配置方向が異なる孔形状を有する。或いは、共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、図１１（ｂ）に示すように、同一の長方形で配置方向が異なる孔形状を有する。
共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、図１１(ａ)および図１１（ｂ）に示すように、２次元フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＭ点バンド端における光波を回折する。摂動格子点１２Ｐは、長方格子の格子定数（ａ1，ａ2）の２倍の格子定数（２ａ1，２ａ2）を有する面心長方格子に配置される。同様に、共振状態形成用格子点１２Ａは、長方格子の格子定数（ａ1，ａ2）の２倍の格子定数（２ａ1，２ａ2）を有する面心長方格子に配置される。
（比較例３：正方格子：Ｍ点）
比較例３に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃの模式的平面構成は、図１２に示すように、正方格子に配置される。
（比較例３：正方格子：Ｍ点）
比較例３に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃの模式的平面構成は、図１２に示すように、正方格子に配置される。
共振状態形成用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃは、図１２に示すように、いずれも矩形の孔形状を有する。
共振状態形成用格子点１２Ａは、図１２に示すように、２次元フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＭ点バンド端における光波を回折する。共振状態形成用格子点１２Ａは、図１２に示すように、格子定数ａを有する正方格子に配置される。カップラー用格子点１２Ｃは、２倍の格子定数２ａを有する面心正方格子に配置され、かつカップラー用格子点１２Ｃの対角線方向のピッチは、フォトニック結晶層１２の媒質内波長λに等しい。共振状態形成用格子点１２Ａは、共振器を構成し、レーザ発振の役割を担い、カップラー用格子点１２Ｃは、カプラを構成し、光取り出しの役割を担う。
比較例３では、共振状態形成用格子点１２Ａと、カップラー用格子点１２Ｃが別々の格
子として用いられ、カップラー用格子点１２Ｃが、共振状態形成に大きく影響する。
子として用いられ、カップラー用格子点１２Ｃが、共振状態形成に大きく影響する。
（正方格子：Ｍ点）
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａ・１２Ｂの正方格子配置例であって、隣り合う格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐとが互いに異なる形状を有する例は、図１３（ａ）に示すように表される。また、図１３（ａ）の説明図は、図１３（ｂ）に示すように表される。図１３（ｂ）に示すように、隣り合う格子点１２Ａと格子点１２Ｐとの差分であるＤの部分が、カプラの働きをする。ここで、正方格子の格子定数は、ａで表される。
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａ・１２Ｂの正方格子配置例であって、隣り合う格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐとが互いに異なる形状を有する例は、図１３（ａ）に示すように表される。また、図１３（ａ）の説明図は、図１３（ｂ）に示すように表される。図１３（ｂ）に示すように、隣り合う格子点１２Ａと格子点１２Ｐとの差分であるＤの部分が、カプラの働きをする。ここで、正方格子の格子定数は、ａで表される。
共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、図１３（ａ）に示すように、正方形・長方形の孔形状を有する。
共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、図１３（ｂ）に示すように、２次元フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＭ点バンド端における光波を回折する。摂動格子点１２Ｐは、正方格子の格子定数ａの２倍の格子定数２ａを有する面心正方格子に配置され、かつ対角線方向のピッチは、フォトニック結晶層１２の媒質内波長λに等しい。同様に、共振状態形成用格子点１２Ａは、正方格子の格子定数ａの２倍の格子定数２ａを有する面心正方格子に配置され、かつ共振状態形成用格子点１２Ａの対角線方向のピッチは、フォトニック結晶層１２の媒質内波長λに等しい。
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐの正方格子配置例であって、隣り合う格子点が互いに異なる形状を有する別の例は、図１４に示すように表される。ここで、正方格子の格子定数は、ａで表される。
共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、図１４に示すように、円形・長円形の孔形状を有する。
共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、図１４に示すように、２次元フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＭ点バンド端における光波を回折する。摂動格子点１２Ｐは、正方格子の格子定数ａの２倍の格子定数２ａを有する面心正方格子に配置され、かつ摂動格子点１２Ｐの対角線方向のピッチは、フォトニック結晶層１２の媒質内波長λに等しい。同様に、共振状態形成用格子点１２Ａは、正方格子の格子定数ａの２倍の格子定数２ａを有する面心正方格子に配置され、かつ共振状態形成用格子点１２Ａの対角線方向のピッチは、フォトニック結晶層１２の媒質内波長λに等しい。
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐの正方格子配置例であって、隣り合う格子点が互いに大きさが異なる矩形形状を有する例は、図１５（ａ）に示すように表され、隣り合う格子点が互いに大きさが異なる三角形状を有する例は、図１５（ｂ）に示すように表される。ここで、正方格子の格子定数は、ａで表される。
共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、図１５（ａ）に示すように、相対的に小さな正方形・相対的に大きな正方形の孔形状を有する。或いは、共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、図１５（ｂ）に示すように、相対的に小さな正三角形・相対的に大きな正三角形の孔形状を有する。
共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、図１５（ａ）および図１５（ｂ）に示すよう
に、フォトニックバンド構造におけるＭ点バンド端における光波を回折する。摂動格子点１２Ｐは、正方格子の格子定数ａの２倍の格子定数２ａを有する面心正方格子に配置され、かつ摂動格子点１２Ｐの対角線方向のピッチは、フォトニック結晶層１２の媒質内波長λに等しい。同様に、共振状態形成用格子点１２Ａは、正方格子の格子定数ａの２倍の格子定数２ａを有する面心正方格子に配置され、かつ共振状態形成用格子点１２Ａの対角線方向のピッチは、フォトニック結晶層１２の媒質内波長λに等しい。
に、フォトニックバンド構造におけるＭ点バンド端における光波を回折する。摂動格子点１２Ｐは、正方格子の格子定数ａの２倍の格子定数２ａを有する面心正方格子に配置され、かつ摂動格子点１２Ｐの対角線方向のピッチは、フォトニック結晶層１２の媒質内波長λに等しい。同様に、共振状態形成用格子点１２Ａは、正方格子の格子定数ａの２倍の格子定数２ａを有する面心正方格子に配置され、かつ共振状態形成用格子点１２Ａの対角線方向のピッチは、フォトニック結晶層１２の媒質内波長λに等しい。
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐの正方格子配置例であって、隣り合う格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐとが互いに異なる形状を有する更に別の例は、図１６（ａ）および図１６（ｂ）に示すように表される。ここで、正方格子の格子定数は、ａで表される。
共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、図１６（ａ）に示すように、四角形・三角形の孔形状を有する。或いは、共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、図１６（ｂ）に示すように、円形・三角形の孔形状を有する。
共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、図１６（ａ）および図１６（ｂ）に示すように、フォトニックバンド構造におけるＭ点バンド端における光波を回折する。摂動格子点１２Ｐは、正方格子の格子定数ａの２倍の格子定数２ａを有する面心正方格子に配置され、かつ摂動格子点１２Ｐの対角線方向のピッチは、フォトニック結晶層１２の媒質内波長λに等しい。同様に、共振状態形成用格子点１２Ａは、正方格子の格子定数ａの２倍の格子定数２ａを有する面心正方格子に配置され、かつ共振状態形成用格子点１２Ａの対角線方向のピッチは、フォトニック結晶層１２の媒質内波長λに等しい。
（ＦＦＰ）
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、例えば、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点（正方格子Ｍ点）の遠視野像（ＦＦＰ：Far Field Pattern）は、模式的に図１７に示すように表される。すなわち、ｘ−ｙ−ｚ三次元空間において、基板１０上に配置された２次元フォトニック結晶層１２の面垂直なｚ軸方向からビーム拡がり角度θ0のＦＦＰが得られる。
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、例えば、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点（正方格子Ｍ点）の遠視野像（ＦＦＰ：Far Field Pattern）は、模式的に図１７に示すように表される。すなわち、ｘ−ｙ−ｚ三次元空間において、基板１０上に配置された２次元フォトニック結晶層１２の面垂直なｚ軸方向からビーム拡がり角度θ0のＦＦＰが得られる。
第１の実施の形態によれば、Ｍ点共振器など、非放射共振器構造おいて、簡易な構造で、レーザビームの垂直出射可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。
[第２の実施の形態]
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的鳥瞰構造は、図１と同様に表される。また、第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動格子点１２Ｐの模式的平面構成は、図１８（ａ）、図１９（ａ）、図２０（ａ）、図２１（ａ）、図２２（ａ）、図２３（ａ）、図２４（ａ）、図２５（ａ）、図２６（ａ）に示すように表される。
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的鳥瞰構造は、図１と同様に表される。また、第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動格子点１２Ｐの模式的平面構成は、図１８（ａ）、図１９（ａ）、図２０（ａ）、図２１（ａ）、図２２（ａ）、図２３（ａ）、図２４（ａ）、図２５（ａ）、図２６（ａ）に示すように表される。
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、フォトニック結晶層１２と、フォトニック結晶層１２内に周期的に配置され、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造のバンド端における光波を、フォトニック結晶層１２の面内で回折させる共振状態形成用格子点１２Ａと、フォトニック結晶層１２内に周期的に配置され、フ
ォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造のバンド端における光波を、フォトニック結晶層１２の面内で回折させると共にフォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させる摂動格子点１２Ｐとを備える。
ォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造のバンド端における光波を、フォトニック結晶層１２の面内で回折させると共にフォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させる摂動格子点１２Ｐとを備える。
ここで、摂動格子点１２Ｐは、光波を、フォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させるための「周期的摂動」が共振状態形成用格子点１２Ａの一部に加えられて形成されている。ここで、「周期的摂動」とは、フォトニック結晶層１２に周期構造を形成する共振状態形成用格子点１２Ａに対して、周期的変調を加えることを云う。
摂動が加えられた共振状態形成用格子点１２Ａは、摂動格子点１２Ｐで表される。周期的変調は、屈折率変調であっても良く、孔の大きさ変調であっても良く、孔の深さ変調であっても良い。さらに、周期的変調は、孔の深さ変調および孔の深さ変調であっても良い。
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいても、上記の摂動格子点１２Ｐは、第１の実施の形態における摂動格子点１２Ｐと同様に形成可能である。
すなわち、隣り合う共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、互いに異なる形状を有していても良い。
また、共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、互いに異なる大きさを有していても良い。
また、共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、互いに異なる孔の深さを有していても良い。
また、共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、互いに異なる屈折率を有していても良い。
また、共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、同じ形状を有し、互いに配置方向が異なっていても良い。
また、共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、正方格子、長方格子、面心長方格子、若しくは三角格子のいずれかに配置されていても良い。
また、共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、正方格子若しくは長方格子に配置されていても良く、この場合には、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるΓ点、Ｘ点、若しくはＭ点における光波をフォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折可能である。
また、共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、面心長方格子若しくは三角格子に配置されていても良く、この場合には、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるΓ点、Ｘ点、若しくはＪ点における光波をフォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折可能である。
また、共振状態形成用格子点１２Ａと摂動格子点１２Ｐは、多角形、円形、楕円形若しくは長円形のいずれかの形状を備えていても良い。多角形には、三角形、四角形、正方形、長方形などが含まれる。
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図１と同様に、基板２４と、基板２４上に配置された第１クラッド層１０と、第１クラッド層１０上に配置された第２クラッド層１６と、第１クラッド層１０と第２クラッド層１６に挟まれた活性層１４とを備える。ここで、第１クラッド層１０はｐ型半導体層、第２クラッド層１６はｎ型半導体層で形成されていても良く、あるいは導電性を反対にしても良い。
更に、第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図１と同様に、第２クラッド層１６上に配置されたコンタクト層１８と、コンタクト層１８上の面発光領域に配置され、レーザ光を取り出すためのウィンドウ層２０と、ウィンドウ層２０上に配置された窓状の上部電極２２と、基板２４の裏面に配置された下部電極２６とを備える。
フォトニック結晶層１２は、図１と同様に、第１クラッド層１０と第２クラッド層１６との間に、活性層１４の面垂直方向に活性層１４に隣接して配置されていても良い。ここで、活性層１４は、例えば、ＭＱＷ層で形成されていても良い。
また、フォトニック結晶層１２は、図１と同様に、第１クラッド層１０と活性層１４との間に配置されていても良い。
更に、活性層１４とフォトニック結晶層１２との間には、図１に示すように、キャリアブロック層１３を備え、ＭＱＷ層からなる活性層１４内にキャリアを有効に取り込みかつ活性層１４からフォトニック結晶層１２へのキャリアの流入をブロックしても良い。
また、フォトニック結晶層１２は、第２クラッド層１６と活性層１４との間に配置されていても良い。
（Γ点発振：正方格子）
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Γ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動格子点１２Ｐの模式的平面構成（正方格子配置例）は、図１８（ａ）に示すように表され、２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数[単位：ｃ／ａ]と波数ベクトルの関係は、図１８（ｂ）に示すように表される。
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Γ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動格子点１２Ｐの模式的平面構成（正方格子配置例）は、図１８（ａ）に示すように表され、２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数[単位：ｃ／ａ]と波数ベクトルの関係は、図１８（ｂ）に示すように表される。
フォトニックバンド構造において、傾きが０となる部分をバンド端と呼ぶ。バンド端においては、光の群速度が０となり、定在波が形成されるため、フォトニック結晶が光の共振器として機能する。また、摂動格子点１２Ｐは、周期的摂動が共振状態形成用格子点１２Ａの一部に加えられて形成されている。
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶レーザにおいて、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるΓ点バンド端（図１８（ｂ）のＰ領域近傍）における光波を回折する共振状態形成用格子点１２Ａは、図１９（ａ）に示すように、格子定数ａを有する正方格子に配置される。また、周期的摂動が共振状態形成用格子点１２Ａの一部に加えられて形成された結果、摂動格子点１２Ｐは、正方格子の格子定数の２倍の格子定数２ａを有する面心正方格子に配置される。このように、Γ点共振器など、放射共振器構造おいても、簡易な構造で、レーザビームの垂直出射可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザも提供することができる。
（Ｍ点発振：正方格子）
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動格子点
１２Ｐの模式的平面構成は、図１９（ａ）に示すように表される。また、図１９（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数と波数ベクトルの関係は、図１９（ｂ）に示すように表される。摂動格子点１２Ｐは、光波を、フォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させるための周期的摂動が共振状態形成用格子点１２Ａの一部に加えられて形成されている。
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動格子点
１２Ｐの模式的平面構成は、図１９（ａ）に示すように表される。また、図１９（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数と波数ベクトルの関係は、図１９（ｂ）に示すように表される。摂動格子点１２Ｐは、光波を、フォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させるための周期的摂動が共振状態形成用格子点１２Ａの一部に加えられて形成されている。
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶レーザにおいて、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＭ点バンド端（図１９（ｂ）のＱ領域近傍）における光波を回折する共振状態形成用格子点１２Ａは、図１９（ａ）に示すように、格子定数ａの正方格子に配置される。また、周期的摂動が共振状態形成用格子点１２Ａの一部に加えられて形成された結果、摂動格子点１２Ｐは、２倍の格子定数２ａを有する面心正方格子に配置され、かつ摂動格子点１２Ｐの対角線方向のピッチは、フォトニック結晶層１２の媒質内波長λに等しい。
第２の実施の形態に係るフォトニック結晶面発光レーザにおいて、フォトニックバンド構造のＭ点バンド端における発振を用いる場合、フォトニック結晶の周期構造は、発振のための共振状態形成の機能しか持っていないが、共振状態形成用格子点１２Ａに周期的摂動を加えた摂動格子点１２Ｐを設けることにより、光を取り出すことができる。
しかも、第２の実施の形態に係るフォトニック結晶面発光レーザは、大面積で安定な単一モードで動作可能である。すなわち、第２の実施の形態に係るフォトニック結晶面発光レーザにおいては、フォトニック結晶層１２に形成された共振状態形成用格子点１２Ａ・摂動格子点１２Ｐによって電磁界分布が規定されているため、大面積でも単一モードを維持可能である。このため、例えば、Ｗ級の出力光をレンズを介して小さい１点に集光するなどの加工が容易である。
例えば、図１において、フォトニック結晶層１２のサイズは、例えば、約７００μｍ×約７００μｍである。
また、近視野像（ＮＦＰ:Near Field Pattern）の例では、約１００μｍ角程度の大面積発振から約数１００μｍ角程度の超大面積発振も実現可能である。発振スペクトルは、例えば、波長約９５０ｎｍの常温連続発振を半値全幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum）が約０．１６ｎｍ程度で得られている。
共振状態形成用格子点１２Ａは、例えば、光の周期程度のピッチで配置可能である。例えば、空孔が、空気で満たされるとすると、空気／半導体のピッチは、光通信帯で、約４００ｎｍ程度の周期に配置可能であり、青色光では、約２３０ｎｍ程度の周期に配置可能である。
また、試作されている共振状態形成用格子点１２Ａの直径・深さは、例えば、約１２０ｎｍ・１１５ｎｍ程度であり、ピッチは、例えば、約２８６ｎｍ程度である。尚、これらの数値例は、基板１０および活性層１４を構成する材料系、２次元フォトニック結晶層１２の材料系および媒質内波長などによって適宜変更可能である。
例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料を適用した第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、２次元フォトニック結晶層１２の媒質内波長λとしては、約２００ｎｍ〜約３００ｎｍ程度であり、出力光波長は、約９００ｎｍ〜約９１５ｎｍ程度である。
尚、摂動格子点１２Ｐを屈折率変調する場合、例えば、屈折率の異なる半導体層で充填
しても良い。例えば、ＧａＡｓ層に対して組成比ｘを変調したＡｌxＧａ1-xＡｓ層を充填して形成しても良い。例えば、２次元フォトニック結晶層１２を融着する製造工程において、摂動格子点１２Ｐの空孔形状が変形する場合には、屈折率の異なる半導体層で充填することがこのような変形を回避する上で有効である。
しても良い。例えば、ＧａＡｓ層に対して組成比ｘを変調したＡｌxＧａ1-xＡｓ層を充填して形成しても良い。例えば、２次元フォトニック結晶層１２を融着する製造工程において、摂動格子点１２Ｐの空孔形状が変形する場合には、屈折率の異なる半導体層で充填することがこのような変形を回避する上で有効である。
（Ｘ点発振：正方格子）
フォトニックバンド構造のＸ点のバンド端における発振では、フォトニック結晶の周期構造は、発振のための光増幅の機能しか持っていないが、この周期構造と同一面内に、光を回折させるための周期的摂動構造を設けることにより、光を取り出すことができる。
フォトニックバンド構造のＸ点のバンド端における発振では、フォトニック結晶の周期構造は、発振のための光増幅の機能しか持っていないが、この周期構造と同一面内に、光を回折させるための周期的摂動構造を設けることにより、光を取り出すことができる。
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動格子点１２Ｐの模式的平面構成は、図２０（ａ）に示すように、正方格子に配置される。また、図２０（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数と波数ベクトルの関係は、図２０（ｂ）に示すように表される。摂動格子点１２Ｐは、光波を、フォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させるための周期的摂動が共振状態形成用格子点１２Ａの一部に加えられて形成されている。
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端（図２０（ｂ）のＲ領域近傍）における光波を回折する共振状態形成用格子点１２Ａは、図２０（ａ）に示すように、格子定数ａの正方格子に配置される。また、周期的摂動が共振状態形成用格子点１２Ａの一部に加えられて形成された結果、摂動格子点１２Ｐは、格子定数（ａ、２ａ）の長方格子に配置される。ここで、２ａは、フォトニック結晶層１２の媒質内波長λに等しい。
（Ｘ点発振：三角格子）
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動格子点１２Ｐの模式的平面構成は、図２１（ａ）に示すように、三角格子に配置される。また、図２１（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数と波数ベクトルの関係は、図２１（ｂ）に示すように表される。摂動格子点１２Ｐは、光波を、フォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させるための周期的摂動が共振状態形成用格子点１２Ａの一部に加えられて形成されている。
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動格子点１２Ｐの模式的平面構成は、図２１（ａ）に示すように、三角格子に配置される。また、図２１（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数と波数ベクトルの関係は、図２１（ｂ）に示すように表される。摂動格子点１２Ｐは、光波を、フォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させるための周期的摂動が共振状態形成用格子点１２Ａの一部に加えられて形成されている。
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶レーザにおいて、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端（図２１（ｂ）のＲ領域近傍）における光波を回折する共振状態形成用格子点１２Ａは、図２１（ａ）に示すように、第１三角格子に配置される。また、周期的摂動が共振状態形成用格子点１２Ａの一部に加えられて形成された結果、摂動格子点１２Ｐは、第１三角格子のピッチの２倍のピッチの第２三角格子に配置され、かつ第２三角格子の平面視の高さは、フォトニック結晶層１２の媒質内波長λに等しい。
（Ｊ点発振：三角格子）
第２の実施の形態に係るフォトニック結晶面発光レーザにおいて、フォトニックバンド構造のＪ点のバンド端における発振では、フォトニック結晶の周期構造は、発振のための光増幅の機能しか持っていないが、この周期構造と同一面内に、光を回折させるための周期的摂動構造を設けることにより、光を取り出すことができる。
第２の実施の形態に係るフォトニック結晶面発光レーザにおいて、フォトニックバンド構造のＪ点のバンド端における発振では、フォトニック結晶の周期構造は、発振のための光増幅の機能しか持っていないが、この周期構造と同一面内に、光を回折させるための周期的摂動構造を設けることにより、光を取り出すことができる。
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶レーザにおいて、Ｊ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動格子点１２Ｐ
は、図２２（ａ）に示すように、三角格子に配置される。また、図２２（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数と波数ベクトルの関係は、図２２（ｂ）に示すように表される。摂動格子点１２Ｐは、光波を、フォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させるための周期的摂動が共振状態形成用格子点１２Ａの一部に加えられて形成されている。
は、図２２（ａ）に示すように、三角格子に配置される。また、図２２（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数と波数ベクトルの関係は、図２２（ｂ）に示すように表される。摂動格子点１２Ｐは、光波を、フォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させるための周期的摂動が共振状態形成用格子点１２Ａの一部に加えられて形成されている。
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶レーザにおいて、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＪ点バンド端（図２２（ｂ）のＳ領域近傍）における光波を回折する共振状態形成用格子点１２Ａは、図２２（ａ）に示すように、第１三角格子に配置される。また、周期的摂動が共振状態形成用格子点１２Ａの一部に加えられて形成された結果、摂動格子点１２Ｐは、第１三角格子のピッチの３倍のピッチの面心三角格子に配置され、かつ面心三角格子の一辺は、フォトニック結晶層１２の媒質内波長λの２倍に等しい。
（Ｘ点発振：長方格子）
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点および摂動格子点の模式的平面構成は、図２３（ａ）に示すように、長方格子（ａ1＞ａ2の例）に配置される。また、図２３（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数と波数ベクトルの関係は、図２３（ｂ）に示すよう表される。摂動格子点１２Ｐは、光波を、フォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させるための周期的摂動が共振状態形成用格子点１２Ａの一部に加えられて形成されている。
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点および摂動格子点の模式的平面構成は、図２３（ａ）に示すように、長方格子（ａ1＞ａ2の例）に配置される。また、図２３（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数と波数ベクトルの関係は、図２３（ｂ）に示すよう表される。摂動格子点１２Ｐは、光波を、フォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させるための周期的摂動が共振状態形成用格子点１２Ａの一部に加えられて形成されている。
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶レーザにおいて、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端（図２３（ｂ）のＲ領域近傍）における光波を回折する共振状態形成用格子点１２Ａは、図２３（ａ）に示すように、格子定数（ａ1，ａ2）を有する第１の長方格子に配置される。また、周期的摂動が共振状態形成用格子点１２Ａの一部に加えられて形成された結果、摂動格子点１２Ｐは、格子定数（ａ1，２ａ2）を有する第２の長方格子に配置される。ここで、第２の長方格子の格子定数（ａ1，２ａ2）は、格子定数ａ1およびａ2により定義されるアスペクト比ｒ＝ａ1／ａ2(ｒ≠１)に対して、媒質内波長λのｒ倍および媒質内波長λに等しい。
（Ｘ点発振：菱形格子）
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動格子点１２Ｐの模式的平面構成は、図２４（ａ）に示すように、菱形格子に配置される。また、図２４（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数と波数ベクトルの関係は、図２４（ｂ）に示すように表される。摂動格子点１２Ｐは、光波を、フォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させるための周期的摂動が共振状態形成用格子点１２Ａの一部に加えられて形成されている。
（Ｘ点発振：菱形格子）
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動格子点１２Ｐの模式的平面構成は、図２４（ａ）に示すように、菱形格子に配置される。また、図２４（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数と波数ベクトルの関係は、図２４（ｂ）に示すように表される。摂動格子点１２Ｐは、光波を、フォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させるための周期的摂動が共振状態形成用格子点１２Ａの一部に加えられて形成されている。
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶レーザにおいて、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端（図２４（ｂ）のＲ領域近傍）における光波を回折する共振状態形成用格子点１２Ａは、図２４（ａ）に示すように、格子定数（ａ1，ａ2）を有する菱形格子に配置される。また、周期的摂動が共振状態形成用格子点１２Ａの一部に加えられて形成された結果、摂動格子点１２Ｐは、格子定数（ａ1，ａ2）を有する長方格子に配置される。ここで、長方格子の格子定数は、格子定数（ａ1，ａ2）により定義されるアスペクト比ｒ＝ａ1／ａ2(ｒ≠１)に対して、媒質内波長λのｒ倍および媒質内波長λに等しい。
（Ｘ点発振：長方格子）
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動格子点１２Ｐの模式的平面構成は、図２５（ａ）に示すように、格子定数（ａ1,ａ2）を有する長方格子（ａ1＜ａ2の例）に配置される。また、図２５（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数と波数との関係は、図２５（ｂ）に示すように表される。摂動格子点１２Ｐは、光波を、フォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させるための周期的摂動が共振状態形成用格子点１２Ａの一部に加えられて形成されている。
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動格子点１２Ｐの模式的平面構成は、図２５（ａ）に示すように、格子定数（ａ1,ａ2）を有する長方格子（ａ1＜ａ2の例）に配置される。また、図２５（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数と波数との関係は、図２５（ｂ）に示すように表される。摂動格子点１２Ｐは、光波を、フォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させるための周期的摂動が共振状態形成用格子点１２Ａの一部に加えられて形成されている。
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶レーザにおいて、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端（図２５（ｂ）のＲ領域近傍）における光波を回折する共振状態形成用格子点１２Ａは、図２５（ａ）に示すように、格子定数（ａ1，ａ2）を有する第１の長方格子に配置される。また、周期的摂動が共振状態形成用格子点１２Ａの一部に加えられて形成された結果、摂動格子点１２Ｐは、格子定数（ａ1，２ａ2）を有する第２の長方格子に配置される。ここで、第２の長方格子の格子定数（ａ1，２ａ2）は、ａ1および媒質内波長λ（＝２ａ2）に等しい。
（Ｘ点発振：菱形格子）
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａ・摂動格子点１２Ｐの模式的平面構成は、図２６（ａ）に示すように、菱形格子に配置される。また、図２６（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数と波数の関係は、図２６（ｂ）に示すように表される。摂動格子点１２Ｐは、光波を、フォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させるための周期的摂動が共振状態形成用格子点１２Ａの一部に加えられて形成されている。
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａ・摂動格子点１２Ｐの模式的平面構成は、図２６（ａ）に示すように、菱形格子に配置される。また、図２６（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数と波数の関係は、図２６（ｂ）に示すように表される。摂動格子点１２Ｐは、光波を、フォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させるための周期的摂動が共振状態形成用格子点１２Ａの一部に加えられて形成されている。
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶レーザにおいて、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端（図２６（ｂ）のＲ領域近傍）における光波を回折する共振状態形成用格子点１２Ａは、図２６（ａ）に示すように、格子定数（ａ1,２ａ2）を有する菱形格子に配置される。また、周期的摂動が共振状態形成用格子点１２Ａの一部に加えられて形成された結果、摂動格子点１２Ｐは、（ａ1,２ａ2）を有する長方格子に配置される。ここで、長方格子の格子定数は、菱形格子の格子定数（ａ1,ａ2）に対して、ａ1および媒質内波長λ（＝２ａ2）に等しい。
第２の実施の形態によれば、Ｍ点共振器など、非放射共振器構造おいて、簡易な構造で、レーザビームの垂直出射可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。
（ビーム拡がり角度の制御：共振器領域ＲＰと摂動領域ＰＰ）
共振器領域ＲＰとは、フォトニック結晶層１２において共振状態形成用格子点１２Ａが配置される領域であり、摂動領域ＰＰとは、フォトニック結晶層１２において摂動格子点１２Ｐが配置される領域である。摂動領域ＰＰには、共振状態形成用格子点１２Ａと、共振状態形成用格子点１２Ａの一部に周期的摂動が加えられた摂動格子点１２Ｐが混在して配置されている。
共振器領域ＲＰとは、フォトニック結晶層１２において共振状態形成用格子点１２Ａが配置される領域であり、摂動領域ＰＰとは、フォトニック結晶層１２において摂動格子点１２Ｐが配置される領域である。摂動領域ＰＰには、共振状態形成用格子点１２Ａと、共振状態形成用格子点１２Ａの一部に周期的摂動が加えられた摂動格子点１２Ｐが混在して配置されている。
共振器領域ＲＰおよび摂動領域ＰＰにおいて、共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動格子点１２Ｐは、正方格子、長方格子、面心長方格子、若しくは三角格子のいずれかに配置可能である。
また、共振器領域ＲＰおよび摂動領域ＰＰにおいて、共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動格子点１２Ｐは、正方格子若しくは長方格子に配置され、かつフォトニック結晶層
１２のフォトニックバンド構造におけるΓ点、Ｘ点、若しくはＭ点における光波をフォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折可能である。
１２のフォトニックバンド構造におけるΓ点、Ｘ点、若しくはＭ点における光波をフォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折可能である。
また、共振器領域ＲＰおよび摂動領域ＰＰにおいて、共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動格子点１２Ｐは、面心長方格子（菱形格子）若しくは三角格子に配置され、かつフォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるΓ点、Ｘ点、若しくはＪ点における光波をフォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折可能である。
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、摂動領域ＰＰの幅Ａ、ビーム拡がり角度θ、およびビーム拡がり領域３０の関係は、模式的に図２７（ａ）、図２７（ｂ）および図２７（ｃ）に示すように表される。すなわち、摂動領域ＰＰ1の幅Ａ1、ビーム拡がり角度θa、およびビーム拡がり領域３０1の例は図２７（ａ）に示すように表され、摂動領域ＰＰ2の幅Ａ2、ビーム拡がり角度θb、およびビーム拡がり領域３０2の例は図２７（ｂ）に示すように表され、摂動領域ＰＰ3の幅Ａ3、ビーム拡がり角度θc、およびビーム拡がり領域３０3の例は図２７（ｃ）に示すように表される。ここで、摂動領域の幅の大小関係は、Ａ1＜Ａ2＜Ａ3であり、摂動領域ＰＰ1の大きさは相対的に小さく、摂動領域ＰＰ3の大きさは相対的に大きい。また、ビーム拡がり領域３０1・３０2・３０3を規定するビーム拡がり角度の大小関係は、θa＞θb＞θcが成立している。
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、図２７（ａ）・図２７（ｂ）・図２７（ｃ）に対応する共振器領域ＲＰの大小関係は、図２８（ａ）に示すように表され、ビーム拡がり角度の大小関係は、図２８（ｂ）に示すように表される。すなわち、共振器領域ＲＰの大きさが大きい程、ビーム拡がり角度は小さくなる。
（比較例４：正方格子：Γ点）
比較例４に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、正方格子Γ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰの大きさの関係を示す図であって、ＲＰ1の例は図２９（ａ）に示すように表され、ＲＰ2の例は図２９（ｂ）に示すように表され、ＲＰ3の例は図２９（ｃ）に示すように表される。
比較例４に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、正方格子Γ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰの大きさの関係を示す図であって、ＲＰ1の例は図２９（ａ）に示すように表され、ＲＰ2の例は図２９（ｂ）に示すように表され、ＲＰ3の例は図２９（ｃ）に示すように表される。
一方、第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、例えば、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰおよび摂動領域ＰＰ大きさの関係を示す図であって、ＲＰ1、ＰＰ1の例は図３０（ａ）に示すように表され、ＲＰ2、ＰＰ2の例は図３０（ｂ）に示すように表され、ＲＰ3、ＰＰ3の例は図３０（ｃ）に示すように表される。
フォトニック結晶レーザの発振には、ある一定以上の共振器の領域が必要である。そのため比較例に係る正方格子Γ点発振の場合、ビーム拡がり角度θを大きくしようとすると、発振に必要な共振器領域ＲＰAが確保できない。すなわち、比較例４に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、正方格子Γ点発振を利用するため、共振器領域ＲＰのサイズがそのまま摂動領域ＰＰのサイズに等しいため、ビーム拡がり角度θを大きくしようとして、共振器領域ＲＰのサイズを縮小化すると、図２８（ａ）に示すように、共振器領域ＲＰの大小関係において、ＲＰ＜ＲＰAの範囲では、発振に必要な共振器領域ＲＰAが確保できないため、発振することができなくなる。
（変形例）
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、共振状態形成用格子点１２Ａ・摂動格子点１２Ｐの配置構造と、共振状態形成用格子点１２Ａのみの配置構造とが混在していても良い。
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、共振状態形成用格子点１２Ａ・摂動格子点１２Ｐの配置構造と、共振状態形成用格子点１２Ａのみの配置構造とが混在していても良い。
すなわち、第２の実施の形態の変形例に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、フォトニック結晶層１２と、フォトニック結晶層１２内に周期的に配置され、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造のバンド端における光波を、フォトニック結晶層１２の面内で回折させる共振器領域ＲＰと、フォトニック結晶層１２内に周期的に配置され、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造のバンド端における光波を、フォトニック結晶層１２の面内で回折させると共にフォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させる摂動領域ＰＰとを備え、摂動領域ＰＰは、第１格子点１２Ａと第２格子点１２Ｐの２種類の格子点を有し、隣り合う第１格子点１２Ａと第２格子１２Ｐ点が、互いに異なる構成を備える。
また、第１格子点１２Ａと第２格子点１２Ｐが、互いに異なる形状を有していても良い。
また、第１格子点１２Ａと第２格子点１２Ｐが、互いに異なる大きさを有していても良い。
また、第１格子点１２Ａと第２格子点１２Ｐが、同じ形状を有し、互いに配置方向が異なっていても良い。
第１格子点１２Ａと第２格子点１２Ｐは、多角形、円形、楕円形若しくは長円形のいずれかの形状を備えていても良い。多角形には、三角形、四角形、正方形、長方形などが含まれる。
第２の実施の形態の変形例に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、共振器領域ＲＰの大きさを維持したまま、摂動領域ＰＰの大きさを変化させることにより、レーザビームの発光面の大きさおよび形状を調整可能である。
第２の実施の形態の変形例に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器領域ＲＰおよび摂動領域ＰＰ内における共振状態形成用格子点１２Ａ・摂動格子点１２Ｐの配置例は、図３１に示すように表される。
共振器領域ＲＰでは、共振状態形成用格子点１２Ａのみが格子定数（ａ1，ａ2）を有する長方格子に配置される。
摂動領域ＰＰでは、隣り合う共振状態形成用格子点１２Ａ・摂動格子点１２Ｐが、図９（ａ）と同様に、格子定数（ａ1，ａ2）を有する長方格子において、互いに異なる形状を有するように配置される。すなわち、共振状態形成用格子点１２Ａ・摂動格子点１２Ｐは、正方形・長方形の孔形状を有する。共振状態形成用格子点１２Ａ・摂動格子点１２Ｐは、図９（ａ）と同様に、２次元フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＭ点バンド端における光波を回折する。共振状態形成用格子点１２Ａは、長方格子の格子定数（ａ1，ａ2）を有する長方格子に配置される。また、周期的摂動が共振状態形成用格子点１２Ａの一部に加えられて形成された結果、摂動格子点１２Ｐは、長方格子の格子定数（ａ1，ａ2）の２倍の格子定数（２ａ1，２ａ2）を有する面心正方格子に配置される。
第２の実施の形態の変形例に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器領域ＲＰと摂動領域ＰＰの大きさがほぼ等しい場合のＮＦＰは、図３２（ａ）に示すように表され、摂動領域ＰＰからのビーム拡がり領域３０は、図３２（ｂ）に示すように表され、図３２（ａ）に対応する共
振器領域ＲＰおよび摂動領域ＰＰ内の共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動格子点１２Ｐの配置例は、図３２（ｃ）に示すように表される。摂動領域ＰＰ内の構成は、図３１と同様である。
振器領域ＲＰおよび摂動領域ＰＰ内の共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動格子点１２Ｐの配置例は、図３２（ｃ）に示すように表される。摂動領域ＰＰ内の構成は、図３１と同様である。
また、第２の実施の形態の変形例に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器領域ＲＰと摂動領域ＰＰの大きさが異なる場合のＮＦＰは、図３３（ａ）に示すように表され、摂動領域ＰＰからのビーム拡がり領域３０は、図３３（ｂ）に示すように表され、図３３（ａ）に対応する共振器領域ＲＰおよび摂動領域ＰＰ内の共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動格子点１２Ｐの配置例は、図３３（ｃ）に示すように表される。摂動領域ＰＰ内の構成は、図３１と同様である。
第２の実施の形態の変形例に係る２次元フォトニック結晶レーザにおいては、共振器領域ＲＰと摂動領域ＰＰを別々に設計が可能である。
第２の実施の形態の変形例によれば、Ｍ点共振器など、非放射共振器構造おいて、簡易な構造で、レーザビームの垂直出射可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。
さらに、第２の実施の形態の変形例に係る２次元フォトニック結晶レーザにおいては、共振器領域ＲＰの大きさを維持したまま、摂動領域ＰＰを変化させることにより、安定した発振を維持しつつレーザビームのビーム拡がり角度を調整することができる。
（その他様々なビームの生成の例）
第２の実施の形態の変形例に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器領域ＲＰ内に相対的に大きな円形の摂動領域ＰＰを有する場合のＮＦＰは、図３４（ａ）に示すように表され、図３４（ａ）に対応するＦＦＰは、図３４（ｂ）に示すように表される。
第２の実施の形態の変形例に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器領域ＲＰ内に相対的に大きな円形の摂動領域ＰＰを有する場合のＮＦＰは、図３４（ａ）に示すように表され、図３４（ａ）に対応するＦＦＰは、図３４（ｂ）に示すように表される。
また、共振器領域ＲＰ内に相対的に小さな円形の摂動領域ＰＰを有する場合のＮＦＰは、図３５（ａ）に示すように表され、図３５（ａ）に対応するＦＦＰは、図３５（ｂ）に示すように表される。
また、共振器領域ＲＰ内に相対的に微小な円形の摂動領域ＰＰを有する場合のＮＦＰは、図３６（ａ）に示すように表され、図３６（ａ）に対応するＦＦＰは、図３６（ｂ）に示すように表される。
また、共振器領域ＲＰ内に相対的に大きな長円形の摂動領域ＰＰを有する場合のＮＦＰは、図３７（ａ）に示すように表され、図３７（ａ）に対応するＦＦＰは、図３７（ｂ）に示すように表される。
また、共振器領域ＲＰ内に相対的に小さな円形の摂動領域ＰＰを複数配置した場合のＮＦＰは、図３８（ａ）に示すように表され、図３８（ａ）に対応するＦＦＰは、図３８（ｂ）に示すように表される。
また、共振器領域ＲＰ内に互いに直交する２個の長円形の摂動領域ＰＰを有する場合のＮＦＰは、図３９（ａ）に示すように表され、図３９（ａ）に対応するＦＦＰは、図３９（ｂ）に示すように表される。
また、共振器領域ＲＰ内に互いに６０度で交差する３個の長円形の摂動領域ＰＰを有す
る場合のＮＦＰは、図４０（ａ）に示すように表され、図４０（ａ）に対応するＦＦＰは、図４０（ｂ）に示すように表される。
る場合のＮＦＰは、図４０（ａ）に示すように表され、図４０（ａ）に対応するＦＦＰは、図４０（ｂ）に示すように表される。
また、共振器領域ＲＰ内に互いに１２０度で交差する２個の長円形の摂動領域ＰＰを有する場合のＮＦＰは、図４１（ａ）に示すように表され、図４１（ａ）に対応するＦＦＰは、図４１（ｂ）に示すように表される。
また、共振器領域ＲＰ内に互いに７２度で交差する５個の長円形の摂動領域ＰＰを有する場合のＮＦＰは、図４２（ａ）に示すように表され、図４２（ａ）に対応するＦＦＰは、図４２（ｂ）に示すように表される。
第２の実施の形態の変形例に係る２次元フォトニック結晶レーザにおいては、図３４〜図４２に示すように、フォトニックバンド構造におけるＭ点バンド端における発振において、発振領域の大きさを維持したまま、摂動領域ＰＰの大きさを相対的に変化させることにより、レーザビームの発光面の大きさや形状を調整可能である。ＮＦＰのサイズ例としては、数１０μｍ角、数１００μｍ角、１ｍｍ角とさまざまなサイズの形成可能であり、対応するＦＦＰについても同様である。
第２の実施の形態の変形例に係るフォトニック結晶面発光レーザにおいては、レーザビームの発光面の大きさや形状により、レーザビームのビーム拡がり角度θや形状が決定されるため、レーザビームのビーム拡がり角度および形状の制御が可能となる。光増幅のための周期構造を維持してさえいれば、この摂動領域ＰＰの大きさや形状を変化させても発振は可能である。
レーザビームの拡がり角度θや形状は、発光面の大きさや形状によって決定されるため、例えば、レーザビームの拡がり角度θを大きくしたい場合には、光増幅の共振器領域ＲＰの大きさはそのままで、摂動領域ＰＰの大きさを相対的に小さくすれば良い。また、レーザビームの形状を長方形にしたい場合には、摂動領域ＰＰも長方形にすれば良い。
[第３の実施の形態]
（２次元セルアレイ）
第３の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元セルアレイ化して高出力化を図った構成例は、図４３に示すように表される。すなわち、第１〜第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザのセル３２を基板１００上に２次元配置し、２次元セルアレイ化しても良い。例えば、２１個のセル３２を２次元配置し、２次元セルアレイ化した例では、１ｋＨｚ、５０ｎｓｅｃのパルス駆動において、電流値約５０Ａで３５Ｗ以上の高出力の２次元フォトニック結晶面発光レーザが得られている。
（２次元セルアレイ）
第３の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元セルアレイ化して高出力化を図った構成例は、図４３に示すように表される。すなわち、第１〜第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザのセル３２を基板１００上に２次元配置し、２次元セルアレイ化しても良い。例えば、２１個のセル３２を２次元配置し、２次元セルアレイ化した例では、１ｋＨｚ、５０ｎｓｅｃのパルス駆動において、電流値約５０Ａで３５Ｗ以上の高出力の２次元フォトニック結晶面発光レーザが得られている。
図４３に示す例において、各セル３２には、摂動領域ＰＰと共振器領域ＲＰの面積比の異なるセルを配置しても良い。摂動領域ＰＰと共振器領域ＲＰの面積比の異なる複数のセル３２を同一の基板１００上に配置し、選択的に駆動することによって、レーザビームのビーム拡がり角度および形状の制御が可能な高出力多機能２次元フォトニック結晶レーザアレイを提供することができる。
第３の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、第１クラッド層上の２次元フォトニック結晶層１２に共振状態形成用格子点１２Ａの基本パターンＴ0を配置すると共に、矩形形状の摂動領域ＰＰ１・ＰＰ２・ＰＰ３・ＰＰ４の摂動パターンＴ1・Ｔ2・Ｔ3・Ｔ4を配置する２次元セルアレイ化構成例は、図４４（ａ）に示すように表される。また、第１クラッド層上の２次元フォトニック結晶層１２に共振状態形成用格
子点１２Ａの基本パターンＴ0を配置すると共に、六角形形状の摂動領域ＰＰ１・ＰＰ２・ＰＰ３の摂動パターンＴ1・Ｔ2・Ｔ3を配置する２次元セルアレイ化構成例は、図４４（ｂ）に示すように表される。
子点１２Ａの基本パターンＴ0を配置すると共に、六角形形状の摂動領域ＰＰ１・ＰＰ２・ＰＰ３の摂動パターンＴ1・Ｔ2・Ｔ3を配置する２次元セルアレイ化構成例は、図４４（ｂ）に示すように表される。
図４４（ａ）および図４４（ｂ）に示す例においては、複数の摂動パターンを配置することによって、レーザビームのビーム拡がり角度および形状の制御が可能な高出力多機能２次元フォトニック結晶レーザアレイを提供することができる。
第３の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、同一の基板１００上に図４４（ｂ）に示された構成を複数のチップＣＨ１・ＣＨ２・ＣＨ３・ＣＨ４に配置した２次元セルアレイ化構成例は、図４５に示すように表される。
図４５に示す例においては、同一の基板１００上に、それぞれ複数の摂動パターンＴ1・Ｔ2・Ｔ3を有する複数のチップＣＨ１・ＣＨ２・ＣＨ３・ＣＨ４を配置し、選択的に駆動することによって、レーザビームのビーム拡がり角度および形状の制御が可能な高出力多機能２次元フォトニック結晶レーザアレイを提供することができる。
また、第３の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、同一の基板１００上に互いにＦＦＰ（ＦＦＰ１・ＦＦＰ２・ＦＦＰ３・ＦＦＰ４）の異なる複数のチップＣＨ１・ＣＨ２・ＣＨ３・ＣＨ４を配置した２次元セルアレイ化構成例は、図４６に示すように表される。
図４６に示す例においては、同一の基板１００上に、それぞれ異なるＦＦＰ１・ＦＦＰ２・ＦＦＰ３・ＦＦＰ４を有するチップＣＨ１・ＣＨ２・ＣＨ３・ＣＨ４を配置し、選択的に駆動することによって、レーザビームのビーム拡がり角度および形状の制御が可能な高出力多機能２次元フォトニック結晶レーザアレイを提供することができる。
以上説明したように、本発明によれば、Ｍ点共振器など、非放射共振器構造おいて、簡易な構造で、レーザビームの垂直出射可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。
[その他の実施の形態]
上記のように、第１〜第３の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
上記のように、第１〜第３の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
本発明の２次元フォトニック結晶面発光レーザは、面発光ＬＤ素子全般に利用可能であり、例えば、ＡＦ（オートフォーカス）用パターンの光源、距離センサなどの距離測定用光源、レーザ加工用光源、医療用途に適用可能な光源、光ピンセットなど幅広い応用分野に適用可能である。
また、スキャン機能を持たせれば、レーザビームプリンタ用光源、モバイルレーザディスプレイ、チップ間光通信機器用光源、レーザ内蔵のカプセル内視鏡、レーザ内蔵カプセルレーザメス、車間距離測定用レーザなどの応用分野に適用可能である。
１０…第１クラッド層（ｐクラッド層）
１２…フォトニック結晶層
１２Ａ…共振状態形成用格子点
１２Ｃ…光取り出し用格子点（カップラー用格子点）
１２Ｐ、１２Ｐ1、１２Ｐ2、１２Ｐ3…摂動格子点
１３…キャリアブロック層
１４…活性層（ＭＱＷ）
１６…第２クラッド層（ｎクラッド層）
１８…コンタクト層
２０…ウィンドウ層
２２…上部電極
２４…基板
２６…下部電極
３０、３０1、３０2、３０3…ビーム拡がり領域
３２…セル
１００…基板
ＰＰ、ＰＰ1、ＰＰ2、ＰＰ3…摂動領域
Ａ1、Ａ2、Ａ3…摂動領域幅
ＲＰ…共振器領域
ａ、ａ1、ａ2、ａx、ａy…格子定数
ｄ、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３…孔径
θ…出射角度
θ0、θa、θb、θc…ビーム拡がり角度
ｋd↑…回折ベクトル
ｋf↑…波数ベクトル
ＦＦＰ…遠視野像（ファーフィールドパターン）
ＮＦＰ…近視野像（ニアフィールドパターン）
１２…フォトニック結晶層
１２Ａ…共振状態形成用格子点
１２Ｃ…光取り出し用格子点（カップラー用格子点）
１２Ｐ、１２Ｐ1、１２Ｐ2、１２Ｐ3…摂動格子点
１３…キャリアブロック層
１４…活性層（ＭＱＷ）
１６…第２クラッド層（ｎクラッド層）
１８…コンタクト層
２０…ウィンドウ層
２２…上部電極
２４…基板
２６…下部電極
３０、３０1、３０2、３０3…ビーム拡がり領域
３２…セル
１００…基板
ＰＰ、ＰＰ1、ＰＰ2、ＰＰ3…摂動領域
Ａ1、Ａ2、Ａ3…摂動領域幅
ＲＰ…共振器領域
ａ、ａ1、ａ2、ａx、ａy…格子定数
ｄ、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３…孔径
θ…出射角度
θ0、θa、θb、θc…ビーム拡がり角度
ｋd↑…回折ベクトル
ｋf↑…波数ベクトル
ＦＦＰ…遠視野像（ファーフィールドパターン）
ＮＦＰ…近視野像（ニアフィールドパターン）
Claims (6)
- フォトニック結晶層と、
前記フォトニック結晶層内に周期的に配置され、前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造のバンド端における光波を、前記フォトニック結晶層の面内で回折させる共振状態形成用格子点と、
前記フォトニック結晶層内に周期的に配置され、前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造のバンド端における光波を、前記フォトニック結晶層の面内で回折させると共に前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折させる摂動格子点と
を備え、
前記フォトニック結晶層は、前記共振状態形成用格子点と前記摂動格子点とのうち、前記共振状態形成用格子点のみが配置される共振器領域と、前記共振状態形成用格子点と前記摂動格子点との両方が配置される摂動領域とを有し、
前記摂動領域に配置される前記摂動格子点は、前記光波を、前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折させるための周期的摂動が前記共振状態形成用格子点の一部に加えられて形成されるように、前記共振器領域および前記摂動領域に配置される前記共振状態形成用格子点の形状とは異なる形状を有しており、
前記共振状態形成用格子点および前記摂動格子点は、面心長方格子若しくは三角格子に配置され、かつ前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造におけるΓ点、Ｘ点、若しくはＪ点における光波を前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折可能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。 - 前記共振状態形成用格子点と前記摂動格子点が、互いに異なる大きさを有す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。
- 前記共振状態形成用格子点と前記摂動格子点が、互いに異なる孔の深さを有す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。
- 前記共振状態形成用格子点と前記摂動格子点が、互いに異なる屈折率を有す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。
- 前記共振状態形成用格子点と前記摂動格子点は、多角形、円形、楕円形若しくは長円形のいずれかの形状を備えることを特徴とする請求項１〜４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。
- 請求項１〜５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のセルを２次元配置し、２次元セルアレイ化したことを特徴とする２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
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