JPWO2011108510A1 - フォトニック結晶レーザ - Google Patents

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Abstract

本発明は、従来よりも幅の狭い径偏光リング状レーザビームを得ることができるフォトニック結晶レーザを提供することを目的としている。フォトニック結晶レーザ１０は、活性層１１と、活性層１１の一方の側に設けられた板状の母材１２１内に、同一形状であって母材１２１とは屈折率が異なる多数の異屈折率領域（空孔）１２２がリング状に、そのリングの周方向に周期的に並び、各異屈折率領域１２２が、その中心を通ってリングの径方向に延びる軸に関して非対称な同一形状を有するリング状フォトニック結晶１２３と、活性層１１及びリング状フォトニック結晶１２３を挟むように設けられた第１電極１３１及び第２電極１４１と、第２電極１４１に設けられた、リング状フォトニック結晶１２３で生成されるレーザ光を透過可能な窓とを備える。

Description

本発明は、蛍光顕微鏡やラマン分光測定装置等における光源に好適に用いることができるフォトニック結晶レーザに関する。
蛍光顕微鏡やラマン分光測定装置等の光学測定装置における光源では、測定精度を高めるために、レーザビームをできるだけ小さい点に集光することが求められている。しかし、単に集光レンズでレーザビームを集光するだけでは、レーザビームのスポット径の大きさは、レーザビームの波長及び集光レンズの開口数により決定される回折限界値以下にすることはできない。
非特許文献１には、スポット径を小さくすることに適したレーザビームについて記載されている。図２１(a)にそのレーザビームに垂直な面における該レーザビームの断面（以下、この断面を単に「レーザビームの断面」と呼ぶ）を模式的に示す。図中で塗りつぶされた部分は光が存在する領域を示している。また、図中の太矢印は偏光の方向を示す。レーザビームは、中心部に強度を持たないリング状の断面形状を有し、その中心から外側に向かう方向（径方向）に偏光している。以下、このような断面形状及び偏光を有するレーザビームを「径偏光リング状レーザビーム」と呼ぶ。非特許文献１によれば、このような径偏光リング状レーザビーム２１を集光することにより、ビーム径が回折限界値よりも小さいレーザビームが得られる。従来、そのような小さなビーム径は光軸方向に1波長程度のごく狭い領域においてしか得られなかったが、このビームを用いることにより10波長以上の領域において得ることができる（非特許文献２参照）。
また、径偏光リング状レーザビーム２１をレンズ２３で集光すると、図２１(b)に示すように、集光点２２において、レーザビームに垂直な方向（x方向、y方向）の電界の振動成分が打ち消される一方、レーザビームに平行な成分（z方向）の電界の振動成分が打ち消されずに残る。その結果、集光点２２においては、光の進行方向に平行な方向に電界が振動するという、通常の光では光軸上に生じない偏光(z偏光)が、光軸上に10波長程度の広範囲で得られる（非特許文献２参照）。このようなz偏光を用いると、例えばラマン散乱測定において、レーザビームに垂直な偏光を用いた場合には生じなかった散乱を観測することができる、という利点がある（非特許文献３参照）。
S. Quabis 他4名、オプティクスコミュニケーションズ、（オランダ）、Elsevier社発行、2000年5月25日、179巻、1-7頁（S. Quabis et al., "Focusing light to a tighter spot", Optics Communications, vol. 179(2000), pp. 1-7） 北村恭子 他3名、オプティックスエクスプレス、（米国）、アメリカ光学会発行、2010年3月1日、第18巻、第5号、4518-4525頁（K. Kitamura et al., Optics Express, vol. 18(2010), iss. 5, pp. 4518-4525） 「Ｚ偏光素子」、[online]、2005年、ナノフォトン株式会社、[平成22年2月22日検索]、インターネット＜URL：http://www.nanophoton.jp/products/zpol/index.html＞ H. Kogelnik 他1名、ジャーナル オブ アプライド フィジックス、（米国）、米国物理学協会発行、1972年、第43巻、2327-2335頁（H. Kogelnik et al., Journal of Applied Physics, vol. 43(1972), pp. 2327-2335）
レーザビームのスポット径をより小さくするためには、径偏光リング状レーザビームにおけるリングの幅は狭い方が望ましい。本発明が解決しようとする課題は、従来よりも幅の狭い径偏光リング状レーザビームを得ることができるフォトニック結晶レーザ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フォトニック結晶レーザは、
a) 活性層と、
b) 前記活性層の一方の側に設けられた板状の母材内に、同一形状であって前記母材とは屈折率が異なる多数の異屈折率領域がリング状に、該リングの周方向に周期的に並び、各異屈折率領域が、該異屈折率領域の中心を通って該リングの径方向に延びる軸に関して非対称な形状を有するリング状フォトニック結晶と、
c) 前記活性層及び前記リング状フォトニック結晶を挟むように設けられた第１電極及び第２電極と、
d) 前記第２電極に設けられた、前記リング状フォトニック結晶で生成されるレーザ光を透過可能な窓と、
を備えることを特徴とする。
本発明に係るフォトニック結晶レーザでは、第１電極と第２電極の間に電圧を印加することにより活性層に電流を注入する。これにより活性層で光が生じ、その光がリング状フォトニック結晶に導入される。リング状フォトニック結晶内では、その周期構造により、導入された光のうちその周期に応じた特定の波長の光のみが干渉により選択的に増幅され、レーザ発振する。こうしてリング状フォトニック結晶で生成されたレーザ光は、母材の板に垂直な方向に出射し、第２電極の窓を通して外部に取り出される。
レーザ光のビームの断面は、リング状フォトニック結晶の形状に応じたリング状になる。そのため、リング状フォトニック結晶の内径と外径の差を小さくすることにより、ビーム断面のリングも内径と外径の差を小さく、即ち幅を狭くすることができる。また、異屈折率領域が、その中心を通ってリングの径方向に延びる軸に関して非対称な形状を有することにより、レーザ光の偏光方向はこの軸に沿った径方向になる。こうして、本発明に係るフォトニック結晶レーザにより、径偏光リング状レーザビームを得ることができる。
第１電極には、リング状フォトニック結晶に重なる径及び幅を有するリング状電極を用いることが望ましい。これにより、活性層のうちリング状フォトニック結晶のリングに近い部分に集中的に電流が注入されるため、活性層での発光を効率良くリング状フォトニック結晶に導入することができる。この場合において更に、前記リング状電極と前記リング状フォトニック結晶の間に、該リング状電極と同形状の電流通過部と、該電流通過部の周囲を覆う絶縁部を有する電流狭窄部を設けることが望ましい。これにより、活性層中の前記部分に更に電流を集中することができる。
また、本発明に係るフォトニック結晶レーザでは、前記リング状フォトニック結晶の内周側及び外周側にリング状の溝を設けることもできる。この溝も、電流をリング状フォトニック結晶のリングに近い部分に集中させることに寄与する。
第２電極の窓には、リング状フォトニック結晶側から第２電極側に向かって凸であるリング状のレンズを設けることができる。これにより、レーザ光の断面におけるリングの幅を狭めることができる。
第２電極に設ける窓には、例えば電極の材料から成る板状の部材の中央をくり抜いたものを用いることができる。この場合、くり抜いた部分が窓になり、電極材料が残った部分が第２電極になる。また、生成されるレーザ光を透過するものを第２電極の材料として用いることにより、第２電極全体を窓とすることができる。
前記リング状フォトニック結晶の外周側における前記異屈折率領域の幅（以下、「外周幅」とする）が、該リング状フォトニック結晶の内周側における該異屈折率領域の幅（内周幅）と異なるようにしてもよい。
これにより、レーザビームの断面における強度は以下のようになる。母材よりも異屈折率領域の方が誘電率が低い場合（例えば異屈折率領域が空孔の場合）には、レーザビームの断面は、外周幅が内周幅よりも小さいと外周側においてより強く発光し、外周幅が内周幅の(r2 2/r1 2)倍（ここでr1はリング状フォトニック結晶の内径、r2はリング状フォトニック結晶の外径）よりも大きいと内周側においてより強く発光する。母材よりも異屈折率領域の方が誘電率が高い場合にはその逆となる。そして、外周幅が内周幅よりも大きく且つ(r2 2/r1 2)倍未満の場合には、母材と異屈折率領域の誘電率の大小関係に関わらず、外周幅と内周幅が等しい場合よりもレーザビームの断面における光の強度が均一状態に近くなる。以下、その理由を説明する。
まず、母材よりも異屈折率領域の方が誘電率が低い場合を例に説明する。外周幅と内周幅が等しい場合には、異屈折率領域の密度（フォトニック結晶中で異屈折率領域が占める面積の割合、フィリングファクター）が、リングの外周側では内周側の(r1/r2)倍となる。従って、異屈折率領域の外周側の密度は内周側よりも小さくなる。そのため、実効的な誘電率はリング状フォトニック結晶の内周側よりも外周側において高くなる。リング状フォトニック結晶内に導入された光の電界は該結晶内の実効的な誘電率が高い部分に集中しやすいため、このような実効的な誘電率の分布があると、レーザ光の断面ではリングの内側よりも外側の方がより強く発光する。そこで、外周幅を内周幅よりも大きく且つ(r2 2/r1 2)倍未満とすると、外周幅と内周幅が等しい場合よりも実効的な誘電率の分布が均一状態に近づくため、レーザビームの断面における光の強度が均一状態に近くなる。一方、外周幅が内周幅よりも小さいと、外周側の実効的な誘電率が一層高くなるため、レーザ光の断面ではリングの外側においてより強く発光する。また、外周幅を内周幅の(r2 2/r1 2)倍よりも大きいと、実効的な誘電率はリング状フォトニック結晶の外周側よりも内周側において高くなるため、レーザ光の断面ではリングの外側よりも内側の方がより強く発光する。
母材よりも異屈折率領域の方が誘電率が高い場合には、実効的な誘電率の大小関係が上記のものとは逆になり、それによりレーザ光の断面における光の強度の大小関係も逆になる。
外周幅を内周幅の(r2/r1)倍とすれば、リング状フォトニック結晶の内周側と外周側の異屈折率領域の密度が同じになるため、レーザ光の断面における光の強度は最も均一状態に近くなる。
前記異屈折率領域には、主異屈折率領域と、該主異屈折率領域から前記リングの径方向に所定の距離だけ離れて配置され、前記母材とは屈折率が異なり且つ該主異屈折率領域とは面積、形状及び屈折率のうち少なくとも1つが異なる副異屈折率領域から成るものを用いることができる。
このような副異屈折率領域を用いることにより、リング状フォトニック結晶内において、主異屈折率領域により反射（回折）される光（主反射光）と副異屈折率領域により反射（回折）される光（副反射光）の干渉が生じる。この干渉により、主異屈折率領域と副異屈折率領域の間の距離δに応じて、光の強度の強め合い又は弱め合いが生じる。レーザ光の強度を強めるためには、主反射光と副反射光が強め合う干渉が生じるように距離δを設定すればよい。
但し、フォトニック結晶（共振器）内において単位長さあたりの光の回折強度（光結合係数κ）が大きくなると、フォトニック結晶の一部から集中して発光しやすくなる。フォトニック結晶レーザは分布帰還型レーザの一種であり、このような現象は1次元の分布帰還型レーザにおいて一般的に生じることが知られている（非特許文献４）。これにより、レーザ光の断面における光の強度の差が生じる。主反射光と副反射光の干渉により光が強め合うと、この強度の差は一層大きくなる。その結果、均一な強度分布のリング状の断面を持つレーザ光を得ることができなくなる。そこで、強度分布が均一状態に近いリング状の断面を持つレーザ光を得るためには、主反射光と副反射光が弱め合う干渉が生じるように距離δを設定すればよい。そのためには、距離δを、異屈折率領域の周期の1/4とすることがより望ましい。
本発明により、断面がリング状であってそのリングの径方向に偏光した径偏光リング状レーザビームを発振するフォトニック結晶レーザを得ることができる。そして、リング状フォトニック結晶の幅を狭くすることによってレーザビームのリングの幅を狭めることができ、それにより、従来のフォトニック結晶レーザよりも幅の狭い径偏光リング状レーザビームを得ることができる。そして、このフォトニック結晶レーザは、それにより得られるレーザビームを集光するレンズと組み合わせることにより、スポット径が小さく、且つz偏光を有する光を、しかもそれら小スポット形及びz偏光を光軸上で広範囲に形成することができる光源として用いることができる。このような光源は蛍光顕微鏡やラマン分光測定装置等の測定装置に好適に用いることができる。
本発明に係るフォトニック結晶レーザの一実施例を示す縦断面図(a)、リング状フォトニック結晶の平面図(b)、第１電極の平面図(c)及び第２電極の平面図(d)。 本実施例のフォトニック結晶レーザにおけるリング状フォトニック結晶の部分拡大図。 本実施例のフォトニック結晶レーザに電流狭窄部を設ける例を示す縦断面図。 本実施例のフォトニック結晶レーザにリング状レンズを設ける例を示す縦断面図(a)及び平面図(b)。 本実施例のフォトニック結晶レーザにおけるリング状フォトニック結晶の異屈折率領域の例を示す平面図。 異屈折率領域を径方向に間隔を変えながら並べた例を示す平面図。 異屈折率領域を径方向に間隔及び形状を変えながら並べた例を示す平面図。 異屈折率領域を周方向とは異なる間隔で径方向に並べた例を示す平面図。 図５〜８に示した形状と、径方向に長い長方形を組み合わせた形状を有する異屈折率領域の例を示す平面図。 本実施例で作製したフォトニック結晶レーザにおけるリング状フォトニック結晶の電子顕微鏡写真(a)及び異屈折率領域を拡大した電子顕微鏡写真(b)。 本実施例で作製したフォトニック結晶レーザの発振スペクトルを示すグラフ。 本実施例で作製したフォトニック結晶レーザにより得られたレーザ光の近視野像(a)及び遠視野像(b)。 本実施例で作製したフォトニック結晶レーザにより得られたレーザ光の偏光方向を測定した結果を示す写真。 外周幅と内周幅が異なる異屈折率領域の例を示す平面図。 外周幅と内周幅が異なる異屈折率領域の他の例を示す平面図。 主異屈折率領域と副異屈折率領域から成る異屈折率領域の一例を示す平面図。 主異屈折率領域と副異屈折率領域から成る異屈折率領域を用いたリング状フォトニック結晶の一部を示す電子顕微鏡写真。 副異屈折率領域を設けることにより生じる光の干渉を説明するための図。 (a)主異屈折率領域のみから成る異屈折率領域を用いる場合と、(b)主異屈折率領域と副異屈折率領域から成る異屈折率領域を用いる場合における光結合係数κの大きさを計算した結果を示すグラフ。 主異屈折率領域と副異屈折率領域から成る異屈折率領域の他の例を示す平面図。 径偏光リング状レーザビームにつき、ビームに垂直な断面(a)及び平行な１断面(b)を模式的に示す図。
図１〜図２０を用いて、本発明に係るフォトニック結晶レーザの実施例を説明する。
本実施例のフォトニック結晶レーザ１０は、図１(a)に示すように、活性層１１と、活性層１１の一方の側に設けたフォトニック結晶層１２と、これらを挟むように設けた下部電極（第１電極）層１３及び上部電極（第２電極）層１４を有する。ここでは、フォトニック結晶層１２側に下部電極層１３を設け、活性層１１側に上部電極層１４を設けた例を示したが、フォトニック結晶層１２側に上部電極層１４を設け、活性層１１側に下部電極層１３を設けてもよい。
活性層１１には、従来の半導体レーザで一般的に用いられているものを用いることができる。本実施例では、活性層１１の材料としてインジウム・ガリウム砒素（InGaAs）／ガリウム砒素（GaAs）から成る多重量子井戸（Multiple-Quantum Well; MQW）を有するものを用いた。この活性層は0.9〜1.1μm（赤外領域）の波長帯の光を発光する。なお、活性層の材料はこれに限らず、発振させるレーザ光の波長に応じたものを適宜選択することができる。例えば、青色レーザ光を得る場合には、0.4〜0.6μmの波長帯の光を発光するインジウム・窒化ガリウム(InGaN)/ 窒化ガリウム(GaN)から成る多重量子井戸を有するものを好適に用いることができる。
フォトニック結晶層１２は、図１(b)に示すように、板状の母材１２１に空孔（異屈折率領域）１２２がリング状に周期的に並んだものである。このように空孔１２２が並んだリング状の部分を「リング状フォトニック結晶１２３」と呼ぶ。このように異屈折率領域として空孔を用いると、母材に孔を空けるだけでよいため加工が容易であるという利点がある。一方、異屈折率領域には、母材の材料と屈折率が異なる部材を埋め込んだものを用いてもよい。このように母材以外の部材を埋め込むと、空孔を用いた場合よりも異屈折率領域が変形し難いという利点がある。本実施例では、母材１２１の材料にはp型GaAsを用いた。リングの半径は160μmとし、隣接空孔同士の距離は媒質内波長に対応した296nmとした。なお、活性層がInGaN/GaNである場合には、母材１２１の材料にGaN系のものを用い、隣接空孔同士の距離を媒質内波長に対応した186nmとする。また、リング状フォトニック結晶１２３よりも外周側にはリング状の第１溝１２４１を、リング状フォトニック結晶１２３よりも内周側にはリング状の第２溝１２４２を、それぞれ設けた。
図２を用いて、空孔１２２の平面形状について説明する。各空孔１２２は、その中心を通ってリングの径方向に延びる径方向軸１２９に関して非対称な形状を有する。従って、各空孔１２２は、リング状フォトニック結晶１２３のリングの中心Ｏの周りに仮想的に回転させると、他の空孔１２２に重なる。空孔１２２をこのような形状とする理由は後述する。
下部電極層１３は、導電性材料から成るリング状の下部電極（第１電極）１３１と、そのリングの外周側及び内周側に設けられた第１絶縁性膜１３２から成る。下部電極１３１のリングは、リング状フォトニック結晶１２３とほぼ同じ径を有する。
上部電極層１４は、導電性材料から成り正方形の枠状の形状を有する上部電極（第２電極）１４１と、上部電極１４１の内側及び外側に設けられた第２絶縁性膜１４２から成る。第２絶縁性膜はSiNから成り、980〜990nmを含む波長帯の光を透過することができる。これにより、上部電極１４１の内側の領域が窓１４３として機能する。
その他、フォトニック結晶層１２と下部電極層１３の間にp型半導体から成るpクラッド層１５１を、活性層１１と上部電極層１４の間にn型半導体から成るnクラッド層１５２を、それぞれ設ける。これらクラッド層は従来のフォトニック結晶レーザでも用いられているものである。また、ここまでに述べた各層の間にスペーサ層を挿入してもよい。
次に、本実施例のフォトニック結晶レーザ１０の動作を説明する。下部電極１３１と上部電極１４１の間に電圧を印加することにより、活性層１１に電流を注入する。これにより、活性層１１から、その材料により定まる波長帯の発光が生じ、その光がリング状フォトニック結晶１２３に導入される。ここまでの動作において、下部電極１３１がリング状フォトニック結晶１２３とほぼ同じ径のリングであることにより、電流は活性層１１のうちのリング状フォトニック結晶１２３の直上付近の領域に集中するように注入され、その領域で周囲よりも強い発光が得られるため、リング状フォトニック結晶１２３に光を効率良く導入することができる。
リング状フォトニック結晶１２３内では、導入された光のうち空孔１２２の周期により定まる特定の波長の光が干渉により選択的に増幅され、レーザ発振する。こうして生じたレーザ光は、フォトニック結晶層１２に垂直な方向に出射し、レーザビームが上部電極１４１の窓１４３を通して外部に取り出される。このレーザビーム２１は、図２１に示すように、リング状フォトニック結晶１２３の形状に対応してリング状の断面を有すると共に、リング状断面の径方向（図２１中の矢印の方向）に偏光したものとなる。このような偏光を持つ理由を以下に説明する。１個の空孔１２２に着目すると、空孔１２２と母材１２１の境界に沿って空孔１２２を取り巻くように振動電界が形成される。そして、空孔１２２が径方向軸１２９に関して非対称な形状を有することにより、径方向軸１２９を境とした両側では実効的な誘電率が異なる値を持ち、それによって振動電界の強度も異なる値になる。そのため、隣接する２つの空孔１２２間で径方向に振動する電界が打ち消されず（図２）、その結果、レーザビームは断面における径方向に偏光を有することとなる。
次に、本実施例のフォトニック結晶レーザ１０の変形例を説明する。図３に示したフォトニック結晶レーザ１０Ａは、リング状の下部電極１３１Ａと同形状であってリング状フォトニック結晶１２３の直下に設けられた電流通過部３１と、電流通過部３１の周囲を覆う絶縁膜３２を有する。リング状フォトニック結晶１２３よりも上部電極１４１側の構成は上記フォトニック結晶レーザ１０と同じである。このように電流通過部３１を設けることにより、下部電極１３１Ａとリング状フォトニック結晶１２３の間の電流の経路を絞ることができるため、活性層１１のうちリング状フォトニック結晶１２３の直上の領域に電流をより効率良く供給することができる。
図４に示したフォトニック結晶レーザ１０Ｂは、窓１４３のうちリング状フォトニック結晶１２３の直上の位置に、リング状レンズ４１を設けたものである。リング状レンズ４１はリング状フォトニック結晶１２３側から上部電極層１４Ｂ側に向かって凸になるレンズである。リング状レンズ４１により、リング状フォトニック結晶１２３から出射したレーザビームの断面におけるリングの幅を狭めることができる。
次に、図５〜図９を用いて、上記各実施例において用いることができる異屈折率領域（空孔、あるいは母材とは屈折率が異なる部材）の形状の例を説明する。これらの図ではいずれも、着色した部分が異屈折率領域を表している。図の横方向はリング状フォトニック結晶１２３の径方向に対応し、縦方向は周方向に対応する。いずれの例においても、異屈折率領域は周方向には周期aで等間隔に並んでいる。
図５(a)に示した例は三角形であって１辺が径方向に平行になるように配置されたもの、(b)に示した例はＶの字形であって横方向が径方向に対応するように配置されたもの、(c)に示した例は半楕円であって弦が径方向に平行になるように配置されたものである。これらはいずれも、径方向の軸に関して非対称な形状となっている。なお、(a)の三角形は二等辺三角形であるが、正三角形であってもよいし、３辺共に長さが異なる三角形であってもよい。また、(c)には半楕円の例を示したが、半円であってもよい。
図６〜図８に示した例ではいずれも、同一形状の複数の異屈折率領域が周方向だけではなく径方向にも複数個並んでいる。図６に示した例では、異屈折率領域は径方向には間隔を変えながら並び、周方向には同じ間隔で並んでいる。また、図７に示した例では、異屈折率領域は径方向には間隔だけではなく形状も変えながら並び、周方向には同じ形状で等間隔に並んでいる。図８に示した例では、異屈折率領域は径方向に、周方向とは異なる間隔で等間隔に並んでいる。これら図６〜図８の例ではいずれも、個々の異屈折率領域は三角形、半（楕）円、Ｖ字形等の形状をとることができる。リング状フォトニック結晶の周期構造という観点では、径方向に並ぶ異屈折率領域の１列分が１個の異屈折率領域として機能する。
これら図６〜図８の例ではいずれも、径方向には周期性がないか、少なくとも周方向と同じ周期を持たないため、周方向への１次元的な屈折率分布が形成され、それにより、シングルモードのレーザ発振を得やすくなる。なお、周方向と径方向を同じ周期とすることも（マルチモードになる可能性があるが）できる。
図９に示した異屈折率領域は、図５〜図８に示した形状と、径方向に長い長方形を組み合わせた形状を有する。この長方形が存在することにより、径方向の軸に関する非対称性を更に高めることができる。
次に、フォトニック結晶レーザ１０を作製し、実際にレーザ発振が得られることを確認した実験の結果を説明する。図１０(a)に示した電子顕微鏡写真により、作製したフォトニック結晶レーザ１０におけるリング状フォトニック結晶１２３、第１溝１２４１及び第２溝１２４２を、図１０(b)に示した拡大写真により空孔１２２を、それぞれ確認することができる。
作製されたフォトニック結晶レーザ１０からは、図１１に示すように、約987nmの単一波長のレーザビームが発振されることが確認された。そして、そのレーザビームの断面は、図１２(a)に近視野像で示すようにリング状であった。なお、遠視野像はリング状の近視野像をフーリエ変換した像となった（図１２(b)）。更に、レーザビームの偏光を確認するために、レーザビームに垂直に偏光板を配置し、偏光板に垂直な軸の周りに偏光板を回転させつつ、偏光板を通過するレーザビームの遠視野像を測定したところ、図１３に示すように、偏光板がいずれの向きである場合にも、偏光板を透過可能な電界の振動方向（図１３中の矢印の方向）に沿った一部分のみの像が得られる。このことは、レーザビームが径方向に偏光していることを示している。
次に、図１４及び図１５を参照しつつ、外周幅と内周幅が異なる空孔（異屈折率領域）を有するリング状フォトニック結晶層５２を用いる例を説明する。図１４に示した例では、空孔５２２は、リング状フォトニック結晶５２３のリングの中心から径方向に延びる2本の半直線並びにリングの内周及び外周で囲まれる領域としたものであり、リング状フォトニック結晶５２３の周方向に並んでいる。ここで、2本の半直線の成す角度をθ、リングの内径をr1、リングの外径をr2とすると、空孔５２２の内周幅はr1θ、外周幅はr2θとなり、r1θよりもr2θの方が大きい。それ以外の構成（フォトニック結晶層５２の母材、フォトニック結晶層５２以外の層の構成）はフォトニック結晶レーザ１０と同様である。
空孔５２２をこのような形状とすることにより、フィリングファクターはリング状フォトニック結晶層５２の径方向のいずれの位置においてもθ/φ（ここでφは、上記2本の半直線のうちの一方が、隣接する空孔で対応する半直線と成す角度である。）になる。そのため、リング状フォトニック結晶内の実効的な誘電率を均一にすることができ、それにより光の電界分布を均一にすることができる。なお、内周幅、外周幅が共に同じr1θである長方形の空孔では、内周側のフィリングファクターはθ/φ、外周側のフィリングファクターは(r1/r2)×(θ/φ)となり、外周側の方がフィリングファクターが小さくなる。なお、ここでのフィリングファクターは、ある径を持つ円周上において空孔が占める割合で定義した。
図１４ではフィリングファクターが径方向のいずれの位置においても等しい値になる例を示したが、外周幅が内周幅の1倍よりも大きく、且つ(r2 2/r1 2)倍未満であれば（例えば図１５(a)）、上記の長方形の空孔の例よりもフィリングファクターの差を小さくすることができ、それにより光の強度の空間分布を小さくすることができる。外周幅が内周幅の(r2 2/r1 2)倍よりも大きければ（図１５(b)）レーザビームの断面においてリングの内側がより強く発光し、外周幅が内周幅よりも小さければ（図１５(c)）リングの外側がより強く発光する。また、空孔の形状は上記のものには限られない。例えば、上述の径方向軸１２９に関して非対称な形状を有する空孔１２２において、内周幅と外周幅が異なるもの（図１５(d)）を用いることができる。あるいは、図５〜図９に示した複数の空孔を径方向に複数並べた空孔の群において、内周幅と外周幅が異なるものを用いることができる。
次に、図１６〜図２０を参照しつつ、主空孔（主異屈折率領域）と副空孔（副異屈折率領域）を有するリング状フォトニック結晶６２を用いる例を説明する。図１６に示した例では、空孔６２２は、主空孔６２２Ａと、主空孔６２２Ａよりも面積が小さい副空孔６２２Ｂから成り、リング状フォトニック結晶６２３の周方向に並んでいる。隣接する空孔６２２間の距離（周期）はaであり、各空孔６２２における主空孔６２２Ａと副空孔６２２Ｂの距離はδである。また、本実施例では主空孔６２２Ａ及び副空孔６２２Ｂは内周幅よりも外周幅を大きくしたが、外周幅よりも内周幅を大きくしてもよいし、内周幅と外周幅を同じにしてもよい。それ以外の構成（母材、フォトニック結晶層以外の層の構成）はフォトニック結晶レーザ１０と同様である。図１７に、実際に作製したリング状フォトニック結晶６２３のうち空孔６２２の部分を拡大した電子顕微鏡写真を示す。
このように主空孔６２２Ａ及び副空孔６２２Ｂを設けることにより、図１８に示すように、リング状フォトニック結晶６２の周方向に伝播する光のうち、主空孔６２２Ａで反射された光と、その主空孔６２２Ａと同じ空孔６２２に属する副空孔６２２Ｂで反射される光の間に光路差2δが生じる。そのため、これら2つの光は干渉により強度を強め合うか、又は弱め合う。但し、弱め合いが生じる場合においても、主空孔６２２Ａと副空孔６２２Ｂの面積が異なるため、2つの光が完全に打ち消し合うことはない。
特に、リング状フォトニック結晶により増幅される波長a（空孔６２２の周期と同じ波長）の光では、距離δをa/4とした場合に、干渉による弱め合いの効果が最も大きくなる。これにより、リングの一部で光の強度が強くなることを抑え、均一な強度分布のリング状の断面を持つレーザ光を得ることができる。
図１９に、副空孔６２２Ｂを設けない場合(a)と設けた場合(b)について、光結合係数κを計算した結果を示す。この計算では、δの値をa/4とした。また、副空孔６２２Ｂのフィリングファクターは0.1に固定し、主空孔６２２Ａのフィリングファクターを変数として計算を行った。なお、ここでのフィリングファクターは、リング状フォトニック結晶の面積に対する空孔の面積の割合で定義した。この計算の結果、主空孔６２２Ａよりも面積が小さい副空孔６２２Ｂを設ける（図１９(b)において主空孔６２２Ａのフィリングファクターが0.1よりも大きい）ことにより、副空孔６２２Ｂを設けない場合よりも光結合係数κを小さくし、リングの一部で光の強度が強くなることを抑えることができる、といえる。
主異屈折率領域及び副異屈折率領域の組み合わせは上記のものには限られない。例えば、図２２に示すように、同じ形状の空孔（異屈折率領域そのものではなく、異屈折率領域の一部に相当）を径方向に並べた主空孔６２２Ａ１、６２２Ａ２と、主空孔６２２Ａ１の各空孔よりも径が小さい空孔を径方向に並べた副空孔６２２Ｂ１、６２２Ｂ２を用いることができる。また、主異屈折率領域の形状と副異屈折率領域の形状を異なるもの（例えば一方を円形、他方を正三角形）とすることもできる。あるいは、主異屈折率領域と副異屈折率領域に、互いに屈折率が異なる部材（一方が空孔の場合を含む）を用いることもできる。
１０、１０Ａ、１０Ｂ…フォトニック結晶レーザ
１１…活性層
１２、５２、６２…フォトニック結晶層
１２１…母材
１２２、５２２、６２２…空孔（異屈折率領域）
１２３、５２３、６２３…リング状フォトニック結晶
１２４１…第１溝
１２４２…第２溝
１２９…径方向軸
１３…下部電極層
１３１、１３１Ａ…下部電極（第１電極）
１３２…第１絶縁性膜
１４、１４Ｂ…上部電極層
１４１…上部電極（第２電極）
１４２…第２絶縁性膜
１４３…窓
１５１…pクラッド層
１５２…nクラッド層
２１…レーザビーム
３１…電流通過部
３２…絶縁膜
４１…リング状レンズ
６２２Ａ、６２２Ａ１、６２２Ａ２…主空孔（主異屈折率領域）
６２２Ｂ、６２２Ｂ１、６２２Ｂ２…副空孔（副異屈折率領域）
前記異屈折率領域には、主異屈折率領域と、該主異屈折率領域から前記リングの周方向に所定の距離だけ離れて配置され、前記母材とは屈折率が異なり且つ該主異屈折率領域とは面積、形状及び屈折率のうち少なくとも1つが異なる副異屈折率領域から成るものを用いることができる。
本発明により、断面がリング状であってそのリングの径方向に偏光した径偏光リング状レーザビームを発振するフォトニック結晶レーザを得ることができる。そして、リング状フォトニック結晶の幅を狭くすることによってレーザビームのリングの幅を狭めることができ、それにより、従来のフォトニック結晶レーザよりも幅の狭い径偏光リング状レーザビームを得ることができる。そして、このフォトニック結晶レーザは、それにより得られるレーザビームを集光するレンズと組み合わせることにより、スポット径が小さく、且つz偏光を有する光を、しかもそれら小スポット径及びz偏光を光軸上で広範囲に形成することができる光源として用いることができる。このような光源は蛍光顕微鏡やラマン分光測定装置等の測定装置に好適に用いることができる。
主異屈折率領域及び副異屈折率領域の組み合わせは上記のものには限られない。例えば、図２０に示すように、同じ形状の空孔（異屈折率領域そのものではなく、異屈折率領域の一部に相当）を径方向に並べた主空孔６２２Ａ１、６２２Ａ２と、主空孔６２２Ａ１の各空孔よりも径が小さい空孔を径方向に並べた副空孔６２２Ｂ１、６２２Ｂ２を用いることができる。また、主異屈折率領域の形状と副異屈折率領域の形状を異なるもの（例えば一方を円形、他方を正三角形）とすることもできる。あるいは、主異屈折率領域と副異屈折率領域に、互いに屈折率が異なる部材（一方が空孔の場合を含む）を用いることもできる。

Claims (10)

  1. a) 活性層と、
    b) 前記活性層の一方の側に設けられた板状の母材内に、同一形状であって前記母材とは屈折率が異なる多数の異屈折率領域がリング状に、該リングの周方向に周期的に並び、各異屈折率領域が、該異屈折率領域の中心を通って該リングの径方向に延びる軸に関して非対称な形状を有するリング状フォトニック結晶と、
    c) 前記活性層及び前記リング状フォトニック結晶を挟むように設けられた第１電極及び第２電極と、
    d) 前記第２電極に設けられた、前記リング状フォトニック結晶で生成されるレーザ光を透過可能な窓と、
    を備えることを特徴とするフォトニック結晶レーザ。
  2. 前記第１電極が前記リング状フォトニック結晶に重なる径及び幅を有するリング状電極であることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶レーザ。
  3. 前記リング状電極と前記リング状フォトニック結晶の間に、該リング状電極と同形状の電流通過部と、該電流通過部の周囲を覆う絶縁部を有する電流狭窄部を備えることを特徴とする請求項２に記載のフォトニック結晶レーザ。
  4. 前記リング状フォトニック結晶の外周側及び内周側にリング状の溝を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のフォトニック結晶レーザ。
  5. 前記窓に、前記リング状フォトニック結晶側から前記第２電極側に向かって凸であるリング状レンズを備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のフォトニック結晶レーザ。
  6. 前記リング状フォトニック結晶の外周側における前記異屈折率領域の幅である外周幅が、該リング状フォトニック結晶の内周側における該異屈折率領域の幅である内周幅と異なることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のフォトニック結晶レーザ。
  7. 前記外周幅が前記内周幅よりも大きく且つ(r2 2/r1 2)倍未満（ここでr1は前記リング状フォトニック結晶の内径、r2は該リング状フォトニック結晶の外径）であることを特徴とする請求項６に記載のフォトニック結晶レーザ。
  8. 前記外周幅が前記内周幅の(r2/r1)倍であることを特徴とする請求項７に記載のフォトニック結晶レーザ。
  9. 前記異屈折率領域が、主異屈折率領域と、該主異屈折率領域から前記リングの径方向に所定の距離だけ離れて配置され、前記母材とは屈折率が異なり且つ該主異屈折率領域とは形状、大きさ及び屈折率のうち少なくとも1つが異なる副異屈折率領域から成ることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のフォトニック結晶レーザ。
  10. 前記主異屈折率領域と前記副異屈折率領域の間の距離が、前記異屈折率領域の周期の1/4であることを特徴とする請求項９に記載のフォトニック結晶レーザ。
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