JPWO2016031966A1 - ２次元フォトニック結晶面発光レーザ - Google Patents

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Abstract

出射される光の特性、特に光出力を高めることができる２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供する。２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０Ｘは、板状の母材１２１にそれとは屈折率が異なる異屈折率領域１２２が２次元状に周期的に配置されて成る２次元フォトニック結晶１２３と、２次元フォトニック結晶１２３の一方の側に設けられた活性層１１と、２次元フォトニック結晶１２３前記活性層１１を挟んで設けられた、活性層１１に電流を供給する第１電極１５Ａ及びそれと同一又はそれよりも広い範囲を覆う第２電極１６と、を有し、第１電極１５Ａの面内位置により異なる密度で電流を活性層１１に供給するように第１電極１５Ａが形成されている。

Description

本発明は半導体レーザに関し、特に２次元フォトニック結晶を用いて光を増幅する２次元フォトニック結晶面発光レーザに関する。
半導体レーザは小型、安価、低消費電力、長寿命等の多くの利点を有し、光記録用光源、通信用光源、レーザディスプレイ、レーザプリンタ、レーザポインタ等の幅広い分野で普及している。一方、レーザ加工の分野では、光出力が少なくとも1Wを超えるレーザが必要であるが、現在実用化されている半導体レーザは、以下の理由によりこの出力に達していない。そのため、現状では、レーザ加工の分野では半導体レーザではなく、炭酸ガスレーザ等のガスレーザが用いられている。
現在実用化されている半導体レーザにおける光出力が小さい理由は以下の通りである。半導体レーザの光出力を高くするためには、素子から出射するレーザビームの断面積（出射面積）が大きい方がよい。一方、加工精度を高くするためには、被加工物に照射するレーザビームの断面積（スポット面積）は小さい方がよい。従って、理想的には、レーザ源から出射されたレーザビームが広がることなくそのまま被加工物まで届くことが望まれる。しかし、半導体レーザでは、出射面積を大きくするほど、レーザビームの広がり角が大きくなり、しかも、レーザ光の波面が乱れる。レーザ光の波面が乱れると、光学系を用いて集光しても、スポット面積を小さくすることが難しい。そのため、現在実用化されている半導体レーザでは、広がり角を小さくしつつ光出力を1W以上にするということが難しい。
最近、本発明者の一部である野田、梁（Liang）らにより、光出力が1.5Wであってビーム広がり角が3°以下という特性を有する２次元フォトニック結晶面発光レーザが開発された（非特許文献１及び２）。２次元フォトニック結晶面発光レーザは、板状の母材にそれとは屈折率が異なる異屈折率領域が周期的に配置された２次元フォトニック結晶と活性層を有している。２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、活性層に電流が注入されることにより該活性層で生じる光のうち、異屈折率領域の周期に対応した所定の波長の光のみが増幅されてレーザ発振し、２次元フォトニック結晶に垂直な方向にレーザビームとして出射する。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中の一定範囲内から発光（面発光）するため、端面発光形の半導体レーザよりも出射面積が大きく、光出力を高くし易いうえに広がり角も小さくすることができる。２次元フォトニック結晶は従来より、異屈折率領域の平面形状（円形、正三角形等）や配置（三角格子状や正方格子状）等が異なる種々のものが知られているが、非特許文献１及び２に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、平面形状が直角三角形である異屈折率領域をそれらの直交辺に平行な正方格子の格子点上に配置することにより、従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザよりも光出力を高めることを可能にした。
Kazuyoshi Hirose 他5名著、"Watt-class high-power, high-beam-quality photonic-crystal lasers"（ワット級高出力高ビーム品質フォトニック結晶レーザ）、Nature Photonics（ネイチャーフォトニクス）、（英国）、第8巻、第406〜411頁、2014年4月13日発行 国立大学法人京都大学、浜松ホトニクス株式会社著、「ワット級高出力フォトニック結晶レーザー：世界に先駆けて実現−世界初、面発光型レーザーにより高ビーム品質でワット級の高出力化を達成−」、[online]、国立大学法人京都大学 Web Page、[2014年8月11日検索]、インターネット<http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/news_data/h/h1/news6/2014/documents/140414_1/01.pdf>、2014年4月10日
２次元フォトニック結晶面発光レーザの特性を高めるために、従来は専ら、２次元フォトニック結晶の構成についてのみ着目されてきた。しかし、半導体レーザは、活性層における発光と２次元フォトニック結晶における増幅の共同作用により生成される。従来、この関係に着目した研究はなされていなかった。
本発明が解決しようとする課題は、活性層における発光と２次元フォトニック結晶における増幅の共同作用に着目して、出射される光の特性、特に光出力を高めることができる２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することである。
本発明者は、２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、活性層に電荷を注入する電極の構成に着目した。そして、活性層の電荷（キャリア）密度に面内位置による分布を形成することにより、２次元フォトニック結晶において、活性層の電荷密度が一様である場合とは異なる増幅作用が生じることを見出し、本発明を成すに至った。
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は、板状の母材に該母材とは屈折率が異なる異屈折率領域が２次元状に周期的に配置されて成る２次元フォトニック結晶と、前記２次元フォトニック結晶の一方の側に設けられた活性層と、前記２次元フォトニック結晶及び前記活性層を挟んで設けられた、該活性層に電流を供給する第１電極及び該第１電極と同一又はそれよりも広い範囲を覆う第２電極と、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、
前記第１電極の面内位置により異なる密度で電流を前記活性層に供給するように該第１電極が形成され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では一般に、面方向から光を取り出すため、２次元フォトニック結晶と活性層を挟んで設けられる２枚の電極は、発光側を透明電極、他方を不透明（反射）電極とするか、発光側の電極を他方の電極よりも小さく形成する。そして、活性層及び２次元フォトニック結晶は、それら電極（大小がある場合は大きい方の電極）と同じかそれらよりも広い範囲に設けられる。従って、両電極間を流れる電流（電荷）は活性層のうちの一部の領域（以下、「電荷注入領域」と呼ぶ）に注入される。なお、一方の電極が他方の電極よりも小さい場合、電荷注入領域は、電極の面積と電極間の距離にも依存するが、一般的には小さい方の電極に近いものとなる。
本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、小さい方（範囲の狭い方）の第１電極がその面内位置により異なる密度で電流を活性層に供給することにより、活性層の電荷注入領域における電荷密度も面内位置により異なる値となる。これにより、活性層における発光の強度に、面内位置による分布が形成される。そして、この発光の強度分布により、２次元フォトニック結晶において、活性層における電荷密度が一様である場合とは異なる増幅作用が生じる。
２次元フォトニック結晶面発光レーザの光出力を高めるための方策の一つとして、第１電極の面内位置の中心において最も高い密度を有する分布で電流を前記活性層に供給するように第１電極が形成されている、という構成を採ることができる。これにより、活性層の電荷注入領域において、中心が最大となる強度分布を有する発光が生じる。このような発光が２次元フォトニック結晶において増幅されると、基本モードのレーザ発振が生じ易くなり、高次モードの無駄なレーザ発振を抑えることができる。そのため、全体としての光出力を高めることができる。
一方、上記の例とは逆に高次モードのレーザを選択的に発振させる場合などには、第１電極の面内位置の中心以外の位置において高い密度を有する分布で電流を活性層に供給するようにしてもよい。
第１電極の面内位置により異なる密度で電流を活性層に供給するために、第１電極は、導電体がメッシュ状に形成されている、という構成を採ることができる。このようなメッシュ状導電体で構成される第１電極において、例えばメッシュの線の太さや間隔を位置によって相異なるものとすることにより、メッシュ内における導電体の面積比を位置によって互いに異なる値とし、それにより第１電極の面内位置による電流密度の分布を形成することができる。
メッシュ状の第１電極によって該第１電極の全体に亘る大域的な電流分布を形成するためには、メッシュの線の太さや間隔に対応した局所的な電流分布が形成されないことが望ましい。そのためには、メッシュの線の間隔を、前記活性層における電流広がりLcの1.4倍以下にすればよい。一方、局所的な電流の周期的分布が許容される場合において電流密度を小さくするため、あるいは、そのような周期的分布を形成するために、メッシュの線の間隔を1.4倍よりも大きくしてもよい。ここで活性層における電流広がりLcは、第１電極中の１点から第２電極に向かって流れる電流が、活性層の面内において広がる領域の大きさを表す数値であり、当該領域の中心から端部までの距離で規定される。電流広がりLcは、活性層中のキャリア拡散長にほぼ等しい。
メッシュ状の第１電極における面内位置による電流密度の相違は、例えば、メッシュ内における前記導電体の面積比が異なる複数の領域を有するメッシュにより形成することができる。この場合、第１電極の面内位置の中心から離れるに従って、前記複数の領域の各々における前記面積比が漸減するようにメッシュを形成することにより、活性層の電荷注入領域において中心が最大となる強度分布を有する発光が生じ、この発光が２次元フォトニック結晶において増幅されることにより基本モードのレーザ発振が生じ易くなる。さらにその場合において、前記中心を含む領域は、導電体のみから成るようにすることができる。
あるいは、メッシュ状の第１電極における面内位置による電流密度の相違は、メッシュ内における前記導電体の面積比が位置によって連続的に変化するように、メッシュの線の太さや間隔を位置によって相違させることにより形成することができる。この場合、第１電極の面内位置の中心から離れるに従って、前記メッシュ内における前記導電体の面積比が漸減しているようにメッシュを形成することにより、活性層の電荷注入領域において中心が最大となる強度分布を有する発光が生じ、この発光が２次元フォトニック結晶において増幅されることにより基本モードのレーザ発振が生じ易くなる。
これらメッシュ状の第１電極において、高次モードのレーザを選択的に発振させる場合などには、第１電極の面内位置の中心以外の位置における導電体の面積比を最も大きくしてもよい。
面内位置により異なる密度で電流を活性層に供給するための第１電極の他の態様として、同心円状に配置された複数の環状導電体と、環状導電体同士を電気的に接続する接続部を有するものが挙げられる。同心円の中心は、導電体の無い空間であってもよいし、非環状（典型的には円形）の導電体を配置してもよい。この態様の場合、中心からの距離によって環状導電体の幅及び／又は間隔を異なる値とすることにより、同心円状の電流密度分布を形成することができる。基本モードのレーザ発振が生じ易くするためには、第１電極の面内位置の中心から離れるに従って環状導電体の幅を狭く、及び／又は間隔を広くすればよく、高次モードを選択的に発振させる場合等にはそれ以外の幅及び／又は間隔とすることができる。また、メッシュ状の第１電極におけるメッシュの線の間隔と同様に、環状導電体の間隔は、第１電極の全体に亘る大域的な電流分布を形成するためには小さい方が望ましく、電流密度を小さくするためや局所的な電流の周期的分布を形成するためには大きい方が望ましい。
面内位置により異なる密度で電流を活性層に供給するための第１電極の他の態様として、第１電極が複数の領域に分割され、それぞれが互いに電気的に絶縁されたサブ電極で構成されるものが挙げられる。この態様の場合、各サブ電極に互いに異なる電源を接続したうえで、第２電極との間にそれぞれ印加する電圧を調整することにより、領域毎の電流密度を制御することができる。
本発明によれば、第１電極がその面内位置により異なる密度で電流を活性層に供給するように形成されていることにより、活性層の電荷注入領域における電荷にも位置により異なる密度分布が形成され、それにより、２次元フォトニック結晶において増幅されて外部に出射するレーザ光の特性、特に光出力を高めることができる。
本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの実施例を示す斜視図。 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２次元フォトニック結晶の一例を示す斜視図(a)及び平面図(b)。 本実施例の２次元フォトニック結晶面発光レーザの活性層における電荷注入領域を、２次元フォトニック結晶と対比して示す概略図。 第１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第１電極の構成を示す平面図。 第１実施例における、活性層の(a)中央部、及び(b)周囲部における電荷密度分布を示すグラフ。 第１実施例における活性層の中央部及び周囲部を示す平面図。 第１実施例における閾値利得差Δαを計算した結果を示すグラフであって、(a)は第１電極の１辺の長さL=200μmの場合におけるLに対する第１導電領域の１辺の長さLiの比Li/Lによる相違、(b)はLi/L=0.5の場合におけるLによる相違を示す。 第１実施例において、第１電極のメッシュの線の間隔L2による活性層の電荷密度分布の相違を計算した結果を示すグラフ。 第１実施例において、第１電極のメッシュの線の幅L1による活性層の電荷密度分布の相違を計算した結果を示すグラフ。 第１実施例における第１電極の３つの変形例を示す平面図。 第１実施例における第１電極の他の変形例を示す平面図。 図１１の例における閾値利得差Δαを計算した結果を示すグラフであって、(a)は第１電極の１辺の長さL=200μmの場合におけるLに対する電荷密度のガウス分布の幅wpの比wp/Lによる相違、(b)はwp/L=0.25の場合におけるLによる相違を示す。 第１実施例における第１電極の他の変形例を示す平面図。 第２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第１電極の構成を示す平面図。 第３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第１電極の構成を示す平面図。 第３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第１電極の変形例を示す平面図。
本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの実施例を、図１〜図１６を用いて説明する。以下では大別して３つの実施例を説明するが、初めに各実施例に共通の構成を説明し、その後、第１電極の構成を中心に、実施例毎に特有の構成を説明する。
[各実施例に共通の構成]
各実施例の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０Ｘはいずれも、第１電極１５Ｘ、第１クラッド層１４１、活性層１１、スペーサ層１３、２次元フォトニック結晶層１２、第２クラッド層１４２、及び第２電極１６がこの順で積層された構成を有する（図１）。但し、活性層１１と２次元フォトニック結晶層１２の順番は、上記のものとは逆であってもよい。図１では便宜上、第１電極１５Ｘを上側、第２電極１６を下側として示しているが、各実施例の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０Ｘの使用時における向きは、この図で示したものは限定されない。以下、各層及び電極の構成を説明する。
活性層１１は、第１電極１５Ｘ及び第２電極１６から電荷が注入されることにより、所定の波長帯を有する光を発光するものである。活性層１１の材料には、本実施例ではInGaAs/AlGaAs多重量子井戸（発光波長帯：935〜945nm）を用いたが、本発明ではこの材料に限定されない。活性層１１は厚みが約2μmの正方形状であって、該正方形の１辺は後述の第２電極１６又は１６Ａと同じか又はそれよりもやや大きい。但し、活性層１１は、本発明ではこの寸法には限定されず、また、円形状や六角形状等の他の形状とすることもできる。
２次元フォトニック結晶層１２は、例えば図２に示すように、板状の母材１２１に、それとは屈折率が異なる異屈折率領域１２２を周期的に配置したものである。母材１２１の材料は、本実施例ではGaAsであるが、本発明ではこの材料に限定されない。異屈折率領域１２２は、本実施例では空孔（空気、あるいは真空）であるが、その代わりに、母材１２１と材料（屈折率）が異なる物を用いてもよい。本実施例では、平面形状が直角三角形である異屈折率領域１２２をそれらの直交辺に平行な正方格子の格子点上に配置した。正方格子の周期長aは、２次元フォトニック結晶層１２内の屈折率を勘案して、活性層１１における発光波長帯内の波長に対応する287nmとした。但し、異屈折率領域１２２の形状は円形や正三角形等、異屈折率領域１２２の配置は三角格子状等、のように他の構成を取ってもよい。母材１２１の平面形状は活性層１１と同じであり、厚みは約300nmである。なお、図２には異屈折率領域１２２を縦に6個、横に6個ずつ描いているが、実際にはそれよりも多数の異屈折率領域１２２が設けられている。
スペーサ層１３は本発明における必須の構成要素ではないが、材料の異なる活性層１１と２次元フォトニック結晶層１２を接続するために設けられている。スペーサ層１３の材料は、本実施例ではAlGaAsであるが、活性層１１及び２次元フォトニック結晶層１２の材料に応じて適宜変更されるものである。
第１電極１５Ｘは、実施例毎に特有の構成を有する。第１電極１５Ｘの構成の詳細は各実施例の説明において述べる。なお、図１では、第１電極１５Ｘの詳細な構成は捨象され、外形のみが描かれている。ここでは各実施例に共通する、第１電極１５Ｘの材料及び全体の大きさのみ説明する。第１電極１５Ｘの材料は、本実施例ではp型半導体であって、２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０Ｘから放出されるレーザ光（本実施例では真空中において波長940nm）に対して不透明である。第１電極１５Ｘの全体は、１辺の長さLが約200μmの正方形状であり、活性層１１や２次元フォトニック結晶１２３よりも小さい。また、第１電極１５Ｘの周囲には、第１電極１５Ｘとの間に絶縁体を介して、レーザ光に対して不透明な金属から成る反射層（図示せず）が設けられている。反射層は第１電極１５Ｘと共に、２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０Ｘで生じたレーザ光を反射して、第２電極１６側から外部に放出させる役割を有する。
第２電極１６は、図１(a)に示した例では、n型半導体であって、上記レーザ光に対して透明な材料であるインジウム錫酸化物（ITO）により形成されているが、本発明ではこの材料に限定されず、例えばインジウム亜鉛酸化物（IZO）を用いることもできる。第２電極１６は、１辺が約800μmの正方形状であり、活性層１１及び２次元フォトニック結晶層１２の母材１２１と同じか又はそれよりもやや小さい平面寸法を有している。このような透明電極を用いる代わりに、図１(b)に示す第２電極１６Ａを用いてもよい。第２電極１６Ａは、レーザ光に対して不透明な金属から成る正方形の板状部材の中央が正方形状にくり抜かれた構成を有する。板状部材がくり抜かれた部分を窓部１６１Ａと呼び、板状部材が残された部分を枠部１６２Ａと呼ぶ。板状部材（枠部１６２Ａの外側）の正方形は１辺800μmであり、窓部１６１Ａの正方形は１辺600μmである。この例の場合、２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０Ｘで生成されたレーザ光は、窓部１６１Ａを通過して外部に放出される。
第１クラッド層１４１及び第２クラッド層１４２は本発明における必須の構成要素ではないが、第１電極１５Ｘと活性層１１、及び第２電極１６と２次元フォトニック結晶層１２を接続すると共に、第１電極１５Ｘ及び第２電極１６から活性層１１に電流を注入し易くするという役割を有する。これらの役割を果たすために、第１クラッド層１４１の材料にはp型半導体が、第２クラッド層１４２の材料にはn型半導体が、それぞれ用いられている。第１クラッド層１４１は、第１電極１５Ｘ側から順にp-GaAsから成る層とp-AlGaAsから成る層の２層構造を有し、同様に、第２クラッド層１４２は、第２電極１６側から順にn-GaAsから成る層とn-AlGaAsから成る層の２層構造を有している（いずれも２層構造は図示せず）。これら第１クラッド層１４１及び第２クラッド層１４２においても、本発明では上記材料には限定されない。第１クラッド層１４１及び第２クラッド層１４２の平面寸法は、活性層１１及び２次元フォトニック結晶層１２の母材１２１と同じである。厚みは、第１クラッド層１４１では2μm、第２クラッド層１４２では200μmである。従って、活性層１１は、第２電極１６よりも第１電極１５Ｘの方がはるかに近い。そのため、活性層１１内における電荷注入領域１１１（図３）は、第１電極１５Ｘの平面形状及び大きさに近いものとなる。また、２次元フォトニック結晶１２３は、第１電極１５Ｘよりも大きいことから、活性層１１の電荷注入領域１１１よりも大きい（図３）。
２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０Ｘの動作を説明する。第１電極１５Ｘと第２電極１６の間に所定の電圧を印加する。この電圧の印加の方法は各実施例の第１電極１５Ｘの形態によって相違するため、その詳細は各実施例において説明する。これにより、両電極から電流が活性層１１の電荷注入領域１１１に注入される。これにより、電荷注入領域１１１に電荷が注入され、電荷注入領域１１１から所定の波長帯内の波長を有する発光が生じる。電荷注入領域１１１での電荷の密度分布、及び発光の強度分布については、各実施例において説明する。こうして生じた発光は、２次元フォトニック結晶１２３内において、正方格子の周期長aに対応した波長の光が選択的に増幅され、レーザ発振する。発振したレーザ光は、第２電極１６側から外部に出射する。
以下、各実施例について、特有の構成を中心に説明する。
[第１実施例−メッシュ状電極]
第１実施例の２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、図４に示す構成を有する第１電極１５Ａを用いる。第１電極１５Ａは、全体が正方形状であって、中心付近に形成された正方形状の第１導電領域１５Ａ１１と、第１導電領域１５Ａ１１の周囲に形成された第２導電領域１５Ａ１２の２つの領域を有する。第１導電領域１５Ａ１１は、一様な導電体（p型半導体）により形成されている。それに対して第２導電領域１５Ａ１２は、導電体がメッシュ状に形成されており、メッシュの線１５Ａ２の間は絶縁体から成る線間領域１５Ａ３で埋められている。線間領域１５Ａ３の材料には、SiNが用いられている。第１導電領域１５Ａ１１の導電体と、第２導電領域１５Ａ１２のメッシュの線１５Ａ２を構成する導電体は、一体のものであって電気的に接続されているため、等電位である。このようなメッシュ状電極は、通常のリソグラフィー法を用いて作製することができる。
本実施例では、第１導電領域１５Ａ１１の平面形状である正方形の１辺の長さLiは100μmとした。また、活性層１１中のキャリア拡散長は計算により2.5μmと見積もられることから、電流広がりLCの大きさは当該キャリア拡散長にほぼ等しいものとして、第２導電領域１５Ａ１２におけるメッシュの線１５Ａ２の間隔L2はLCの約1.2倍の3.0μmとした。メッシュの線１５Ａ２の幅L1は1.25μmとした。
第１実施例の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、活性層１１の電荷注入領域１１１に形成される電荷密度の分布を計算した結果を図５に示す。これらの計算では、電流広がりLCはキャリア拡散長と同じ2.5μmとした。従って、メッシュの線１５Ａ２の間隔L2は、LCの1.2倍である。図５(a)は、電荷注入領域１１１内のうち、第１導電領域１５Ａ１１に対応する中央部１１１１（図６参照）における電荷密度の分布を示し、(b)は第２導電領域１５Ａ１２に対応する周囲部１１１２（同）における電荷密度の分布を示している。(a)及び(b)のグラフでは中央部１１１１の中心からの位置をx軸とし、中央部１１１１の中心（(a)のグラフにおけるx軸の原点）における値が1になるように、縦軸が規格化されている。これらのグラフに示されているように、中央部１１１１と周囲部１１１２にはそれぞれほぼ一様な電荷密度が形成されており、電荷注入領域１１１全体では、中央部１１１１の電荷密度が周囲部１１１２の電荷密度の約2倍という電荷密度の分布が形成されている。このような電荷密度の分布が形成されることにより、電荷注入領域１１１からは、中央部１１１１が最大となる強度分布を有する発光が生じ、この発光が２次元フォトニック結晶１２３において増幅されることにより、基本モードのレーザ発振が生じ易くなる。そのため、高次モードの無駄なレーザ発振を抑えることができ、全体としての光出力を高めることができる。
基本モードのレーザ発振が生じ易くなることを確かめるために、第１実施例における閾値利得差Δαを計算で求めた。閾値利得差Δαは、基本モードの振動の閾値利得から、基本モードの次に振動の腹及び節の数が少ない次高次モードの振動の閾値利得を差し引いた値である。各振動モードの閾値利得は該振動モードによるレーザ発振の強度を示す値であり、閾値利得差Δαが大きいほど基本モードのレーザ発振が生じ易いことを意味する。
まず、第１電極の１辺の長さを上記の通りL=200μmとし、Liが上記の100μmを含む0〜200μmの範囲内の異なる複数の値の場合について閾値利得差Δαを計算した結果を図７(a)のグラフに示す。このグラフの横軸はLi/Lで示した。このグラフにおいてLi/L=1のデータは本実施例のものではなく、第１電極全体が一様な導体板である従来の２次元フォトニック結晶レーザのものである。また、Li/L=0のデータは、第１電極が、導電体の密度が一様なメッシュ状電極から成っていることを示している。このグラフより、一様な導電体から成る第１導電領域とメッシュ状の第２導電領域を有するLi/L≠0及び1の場合にはいずれも従来のLi/L=1の場合よりも、閾値利得差Δαが大きく、基本モードのレーザ発振が生じ易いといえる。また、図７(a)に示したデータのうち、Li/L=0.5の場合、すなわち上記のLi=100μm、L=200μmの場合に、閾値利得差Δαが最も大きい。
次に、Li/Lを0.5とし、Lの値が異なる複数の場合について閾値利得差Δαを計算した結果を図７(b)のグラフに示す。このグラフより、Lの値が300μmよりも大きい範囲では、Lが大きくなるほど閾値利得差Δαは小さくなる。一方、Lが大きくなるほど、第１電極全体の面積が大きくなるため、レーザ出力を高くするという点では有利である。そこで、図７(b)で得られたΔαの計算値において、(a)中の従来例（Li/L=1）におけるΔαの値以上であったもののうち、Lが最も大きいL=600μm（Li=300μm）の場合についてレーザの光出力を計算した結果、2.4Wという値が得られた。この光出力の計算値は、非特許文献１及び２に記載の２次元フォトニック結晶レーザにおける実験値よりも（計算値と実験値という相違はあるものの）高い。
ここまでは第１電極１５Ａの第２導電領域１５Ａ１２におけるメッシュの線１５Ａ２の間隔L2が3.0μmの場合について説明したが、この間隔L2が異なる複数の例につき、活性層１１中の周囲部１１１２における電荷密度を計算した結果を図８に示す。メッシュの線１５Ａ２の幅L1はいずれも0.50Lcμmとし、間隔L2は図８(a)では0.50Lcμm、(b)では0.80Lcμm、(c)では1.20Lcμm（従って、(c)は図５(b)を再掲したものである）、(d)では1.40Lcμm、(e)では2.00Lcμmとした。これらの計算より、周囲部１１１２における電荷密度分布は、(a)〜(c)の場合にはほぼ一様であり、(d)の場合にはメッシュの線１５Ａ２の周期に対応したわずかな周期的変動が見られるものの、その変動幅は5％未満に抑えられている。それに対して、この間隔L2が電流広がりLcの1.4倍よりも大きい(e)の場合には、電荷密度分布の周期的変動の幅が10％を超える大きなものとなる。また、メッシュの線１５Ａ２の幅L1が同じ場合において、間隔L2を広くするほど電荷密度が小さくなる。
図９に、メッシュの線１５Ａ２の間隔L2が同じである場合において、幅L1が異なる複数の例について活性層１１中の周囲部１１１２における電荷密度を計算した結果を示す。メッシュの線１５Ａ２の間隔L2はいずれも1.20Lcμmとし、幅L1は図９(a)では0.50Lcμm（従って、(a)は図５(b)及び図８(c)を再掲したものである）、(b)では0.32Lcμm、(c)では0.20Lcμm、(d)では0.16Lcμm、(e)では0.12Lcμm、(f)では0.08Lcμmとした。これらの計算より、周囲部１１１２における電荷密度分布は、メッシュの線１５Ａ２の幅L1を小さくするほど電荷密度が小さくなる。
以上のように、第１電極１５Ａにおけるメッシュの線１５Ａ２の間隔L2及び／又は幅L1の相違により、メッシュ内における導電体（線）の面積比が小さくなるほど電荷密度が小さくなる。従って、これら間隔L2及び／又は幅L1の設定により、対応する活性層１１内の位置における電荷密度を定めることができる。
第１導電領域１５Ａ１１は、上記の例のように一様な導電体とする代わりに、例えば第２導電領域１５Ａ１２よりもメッシュの線の幅L1が広い（図１０(a)）、あるいは幅L1が同じであって間隔L2が狭いといった、第２導電領域１５Ａ１２よりも導電体の面積比が大きいメッシュから成るものであってもよい。あるいは、第１電極１５Ａの中心から周囲に向かって、導電体の面積比が小さくなってゆくように、３つ以上の導電領域（第１導電領域１５Ａ１１、第２導電領域１５Ａ１２、第３導電領域１５Ａ１３…）を設けてもよい（図１０(b)）。別の例として、導電体の面積比が最も大きい正方形の第１導電領域１５Ａ１１を第１電極１５Ａの中央に設け、第１導電領域１５Ａ１１の正方形の辺に接して、次に導電体の面積比が大きい第２導電領域１５Ａ１２を設け、第１導電領域１５Ａ１１の正方形の頂点に接して、それら２つの導電領域よりも導電体の面積比が小さい第３導電領域１５Ａ１３を設けるという構成を取ることもできる（図１０(c)）。
図１１に示すように、第１電極１５Ａの面内位置の中心から外側に向かって、各線間領域１５Ａ３の面積が漸増するようにしてもよい。この例では、メッシュの線１５Ａ２の間隔L2は面内位置に依らず同じ値とし、幅L1が面内位置の中心から離れるに従って漸減するように連続的に変化する。面内位置の中心では、幅L1は間隔L2と同じであり、線間領域１５Ａ３が設けられていない。これらの構成により、第１電極１５Ａ内の導電体の面積比は、面内位置の中心から離れるに従って漸減するように、ほぼ連続的に変化する。このような第１電極１５Ａから電流が注入される活性層１１の電荷注入領域１１１では、面内位置の中心から外側に向かって漸減する電荷密度が形成され、それにより、発光の強度も同様に面内位置の中心から外側に向かって漸減する。このような発光の位置による強度分布は、これまでに挙げた他の例の場合よりもガウス分布に近いものとなるため、基本モードのレーザ発振がより生じ易くなる。
図１２に、図１１の例において閾値利得差Δαを計算した結果をグラフで示す。ここでは、電荷注入領域１１１内に幅wpを有する電荷密度のガウス分布が形成されるものとした。図１２(a)ではLを200μmに固定してグラフの横軸をwp/Lとし、(b)ではwp/Lを0.25に固定してグラフの横軸をLとした。また、(a)において、wp/L=0におけるデータは、本実施例のものではなく、板状の第１電極によって活性層に一様な電荷分布が形成される従来の２次元フォトニック結晶レーザのものである。(a)に示した本実施例のデータはいずれも、従来のwp/L=0の場合よりも閾値利得差Δαが大きく、基本モードのレーザ発振が生じ易いといえる。また、(b)のグラフより、Lの値が400μmよりも大きい範囲では、Lが大きくなるほど閾値利得差Δαは小さくなるが、前述のように、Lが大きくなるほど、第１電極全体の面積が大きくなるため、レーザ出力を高くするという点では有利である。(b)で得られたΔαの計算値において、(a)中の従来例におけるΔαの値以上であったもののうち、Lが最も大きいL=2200μmの場合についてレーザの光出力を計算した結果、8Wという値が得られた。この光出力の計算値は、前述の第１導電領域１５Ａ１１及び第２導電領域１５Ａ１２を用いて電荷密度を２つの値のみで調整した場合の計算値よりも高い。
図１３に、高次モードのレーザを選択的に発振させるための第１電極１５Ａの例を示す。この例では、正方形の第１電極１５Ａにおいて、該正方形の４個の頂点のうち１本の対角線上にある２個の頂点付近にそれぞれ第１導電領域１５Ａ１１を有し、それ以外の領域は第１導電領域１５Ａ１１よりも導電体の面積比が小さい第２導電領域１５Ａ１２とした。これにより、第１電極１５Ａの平面形状の中心付近では電流密度が低く、上記２個の頂点付近では電流密度が高いという分布が形成される。このような分布の電流が活性層１１に注入されると、それにより活性層１１で生じた光が２次元フォトニック結晶１２３において、中心付近を節とし、上記対角線上の２個の頂点に対応する位置の付近を腹とする高次モードの定在波となる。これにより、高次モードのレーザが発振される。
[第２実施例−同心円状電極]
第２実施例の２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、図１４に示すように、環状の導電体１５Ｂ１を同心円状に複数個有し、環状導電体１５Ｂ１同士の境界を環状絶縁体１５Ｂ２で絶縁されているという構成を有する第１電極１５Ｂを用いる。同心円の中心には、円形導電体１５Ｂ０が設けられている。円形導電体１５Ｂ０及び複数の環状導電体１５Ｂ１同士は、線状導電体１５Ｂ３により電気的に接続されている。環状導電体の幅１５Ｂ１は、中心から離れるに従って環状絶縁体１５Ｂ２の幅との比が小さくなるようにした。これにより、第１電極１５Ｂの中心から離れるに従って小さくなるという電流密度分布が形成される。
[第３実施例−分割電極]
第３実施例の２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、図１５に示す構成を有する第１電極１５Ｃを用いる。第１電極１５Ｃは、全体が正方形状であって、中心付近に形成された正方形状の第１導電領域１５Ｃ１１と、第１導電領域１５Ｃ１１の周囲に形成された第２導電領域１５Ｃ１２の２つの領域を有する。第１導電領域１５Ｃ１１と第２導電領域１５Ｃ１２の境界には、正方形の４辺のように線状に形成された、絶縁体から成る絶縁領域１５Ｃ２１を有する。これにより、第１導電領域１５Ｃ１１と第２導電領域１５Ｃ１２はそれぞれ、前述のサブ電極として機能する。また、第１電極１５Ｃは、第１導電領域１５Ｃ１１の正方形の１頂点から第２導電領域１５Ｃ１２の正方形の対角線上に延び、第２導電領域１５Ｃ１２の１頂点に達する、導電体から成る線状の接続領域１５Ｃ３１を有する。接続領域１５Ｃ３１の線の両側にも絶縁領域１５Ｃ２１が設けられている。この第１電極１５Ｃは、通常のリソグラフィー法を用いて作製することができる。
第３実施例の２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、第１導電領域１５Ｃ１１−第２電極１６間に第１電圧V1を印加すると共に、第２導電領域１５Ｃ１２−第２電極１６間に、第１電圧V1よりも小さい第２電圧V2を印加する。その際、第１導電領域１５Ｃ１１には接続領域１５Ｃ３１を介して第１電源（図示せず）を接続し、第２導電領域１５Ｃ１２には直接、第１１電源とは別の第２電源（図示せず）を接続する。第１導電領域１５Ｃ１１と第２導電領域１５Ｃ１２は、上述のように絶縁領域１５Ｃ２１で電気的に隔たれているため、互いに異なる電圧を印加することができる。このように電圧を印加することにより、活性層１１の電荷注入領域１１１には、周囲部１１１２よりも中央部１１１１の方が高いという電荷密度の分布が形成される。これにより、電荷注入領域１１１からは、中央部１１１１が最大となる強度分布を有する発光が生じ、この発光が２次元フォトニック結晶１２３において増幅されることにより、基本モードのレーザ発振が生じ易くなる。そのため、高次モードの無駄なレーザ発振を抑えることができ、全体としての光出力を高めることができる。
第３実施例の第１電極１５Ｃは、中心から周囲に向かって３つ以上の導電領域（第１導電領域１５Ｃ１１、第２導電領域１５Ｃ１２、第３導電領域１５Ｃ１３…）を有していてもよい（図１６）。３つ以上の導電領域を設ける場合には、導電領域同士の境界の全てに絶縁領域１５Ｃ２１、１５Ｃ２２…を設ける。また、一番外側にある導電領域以外の導電領域には、接続領域１５Ｃ３１、１５Ｃ３２…を設ける。各導電領域（サブ電極）にはそれぞれ、異なる電源を接続する。
１０Ｘ…２次元フォトニック結晶面発光レーザ
１１…活性層
１１１…電荷注入領域
１１１１…中央部
１１１２…周囲部
１２…２次元フォトニック結晶層
１２１…母材
１２２…異屈折率領域
１２３…２次元フォトニック結晶
１３…スペーサ層
１４１…第１クラッド層
１４２…第２クラッド層
１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｘ…第１電極
１５Ａ１１、１５Ｃ１１…第１導電領域
１５Ａ１２、１５Ｃ１２…第２導電領域
１５Ａ１３、１５Ｃ１３…第３導電領域
１５Ａ２…メッシュの線
１５Ａ３…線間領域
１５Ｂ０…円形導電体
１５Ｂ１…環状導電体
１５Ｂ２…環状絶縁体
１５Ｂ３…線状導電体
１５Ｃ２１、１５Ｃ２２…絶縁領域
１５Ｃ３１、１５Ｃ３２…接続領域
１６、１６Ａ…第２電極
１６１Ａ…窓部
１６２Ａ…枠部

Claims (12)

  1. 板状の母材に該母材とは屈折率が異なる異屈折率領域が２次元状に周期的に配置されて成る２次元フォトニック結晶と、前記２次元フォトニック結晶の一方の側に設けられた活性層と、前記２次元フォトニック結晶及び前記活性層を挟んで設けられた、該活性層に電流を供給する第１電極及び該第１電極と同一又はそれよりも広い範囲を覆う第２電極と、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、
    前記第１電極の面内位置により異なる密度で電流を前記活性層に供給するように該第１電極が形成され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。
  2. 前記第１電極が、面内位置の中心において最も高い密度を有する分布で電流を前記活性層に供給するように形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。
  3. 前記第１電極が、導電体がメッシュ状に形成されているものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
  4. 前記メッシュの線の間隔が、前記活性層における面内方向の電流広がりの1.4倍以下であることを特徴とする請求項３に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
  5. 前記第１電極が、メッシュ内における前記導電体の面積比が互いに異なる複数の領域を有することを特徴とする請求項３又は４に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
  6. 前記第１電極の面内位置の中心から離れるに従って、前記複数の領域の各々における前記面積比が漸減していることを特徴とする請求項５に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
  7. 前記第１電極のうち、前記中心を含む領域が前記導電体のみから成ることを特徴とする請求項６に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
  8. 前記第１電極の、メッシュ内における前記導電体の面積比が位置によって連続的に変化していることを特徴とする請求項３又は４に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
  9. 前記第１電極の面内位置の中心から離れるに従って、前記メッシュ内における前記導電体の面積比が漸減していることを特徴とする請求項８に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
  10. 前記第１電極が、同心円状に配置された複数の環状導電体と、環状導電体同士を電気的に接続する接続部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
  11. 前記第１電極が、複数の領域に分割され、それぞれが互いに電気的に絶縁されたサブ電極で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
  12. 各サブ電極に互いに異なる電源が接続されていることを特徴とする請求項１１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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