WO2005086302A1 - ２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源 - Google Patents

２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源 Download PDF

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dimensional photonic
laser light
active layer
light source
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Susumu Noda
Eiji Miyai
Dai Onishi
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Kyoto University
Rohm Co., Ltd.
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Definitions

  • Two-dimensional photonic crystal surface emitting laser light source Two-dimensional photonic crystal surface emitting laser light source
  • the present invention relates to a surface-emitting laser light source that emits laser light from a planar light source in a direction perpendicular to a surface.
  • a Fabry-Perot laser light source using a Fabry-Perot resonator and a distributed feedback (DFB) laser light source using a diffraction grating have been used.
  • Each of these laser light sources amplifies light of a predetermined wavelength by resonance or diffraction and oscillates laser light.
  • a photonic crystal is a material in which a periodic structure is artificially formed in a base material made of a dielectric material.
  • the periodic structure is generally formed by periodically providing a region (different refractive index region) having a different refractive index from the base material in the base material.
  • the periodic structure causes Bragg diffraction in the crystal and forms an energy band gap in terms of light energy.
  • photonic crystal laser light sources one that uses a point defect as a resonator using the band gap effect and one that uses a standing wave at the band edge where the group velocity of light becomes zero. V and deviation are to amplify light of a predetermined wavelength to obtain laser oscillation.
  • Patent Document 1 describes a laser light source using a two-dimensional photonic crystal.
  • this laser light source an active layer containing a light emitting material is provided between two electrodes, and a two-dimensional photonic crystal is formed near the active layer.
  • a plate-like member is provided with a refractive index distribution having two-dimensional periodicity.
  • Patent Document 1 discloses a refractive index distribution by periodically (e.g., triangular lattice, square lattice, hexagonal lattice, or the like) of cylindrical (circular in the plane of a layer) holes formed in a semiconductor layer. Formed A two-dimensional photonic crystal is disclosed. In this case, a standing wave is formed two-dimensionally inside the two-dimensional photonic crystal due to light emission from the active layer.
  • Fig. 1 schematically shows a two-dimensional photonic crystal and a standing wave formed therein. In this figure, a force that shows only one direction of a standing wave in the crystal plane (X direction) is one-dimensionally.
  • a standing wave is also formed in a direction perpendicular to it. Focusing on the y component of the electric field, this standing wave has two modes, one having a node at the hole 12 in the two-dimensional photonic crystal 11 and the other having an antinode. If the axis (z-axis) passing through the center of a certain hole 12 is defined as the axis of symmetry, the former is antisymmetric and the latter is symmetric with respect to that axis. Considering the coupling with the external plane wave, the distribution function of the plane wave propagating in the z direction is uniform in the X direction, whereas the symmetry axis is an odd function in the antisymmetric mode and an even function in the symmetric mode. Be a function
  • the size of the two-dimensional photonic crystal is finite, so that the antisymmetric mode light also loses symmetry and can be extracted in the direction perpendicular to the plane. Even in this case, light cannot be extracted in the direction perpendicular to the plane due to high symmetry at the center of the two-dimensional photonic crystal. Therefore, the cross-sectional shape (beam profile) of the laser beam becomes a ring shape with low intensity at the center and high intensity at the periphery. Considering the coupling with a single-mode optical fiber, it is desirable that the beam profile be a single-peak shape having the highest intensity at the center rather than such a ring shape.
  • Patent Document 2 discloses a two-dimensional photo in which, in order to improve the extraction of laser light to the outside of a crystal, the cross-sectional shape of a hole in a plane perpendicular to the crystal plane gradually decreases in a main light emitting direction.
  • a surface emitting laser light source using a nick crystal is described. With this light source, laser light can be selectively extracted from the side force of one surface of the two-dimensional photonic crystal, whereby the intensity of the extracted laser light can be increased as a whole.
  • Patent Document 2 does not discuss the beam profile, and the laser light source cannot make the beam profile unimodal.
  • Patent Document 3 discloses a two-dimensional photonic crystal in which the symmetry in a plane parallel to the base of the crystal is broken by forming a lattice structure having translational symmetry but no rotational symmetry.
  • a surface emitting laser light source is described.
  • Such symmetry is formed, for example, by arranging holes in a square lattice and making the plane shape of each hole a regular triangle.
  • this laser light source since the lattice structure of the two-dimensional photonic crystal has low symmetry, light in the antisymmetric mode is not canceled even near the center of the two-dimensional photonic crystal. A beam profile can be obtained.
  • linearly polarized laser light can be obtained because the grating structure has no rotational symmetry.
  • Linearly polarized laser light is useful for coupling with an optical fiber.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-332351 ([0037] — [0056], FIG. 1)
  • Patent Document 2 JP-A-2003-273455 ([0016]-[0018], FIG. 13)
  • Patent Document 3 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-296538 ([0026]-[0037], FIGS. 11-5)
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser light source that has a beam profile close to a single peak and can obtain laser light having linear polarization. .
  • a surface emitting laser light source using a two-dimensional photonic crystal according to the present invention which has been made to solve the above problem, has a plate-shaped base material having a large number of regions having different refractive indices from the plate-shaped base material.
  • a laser light source including a two-dimensional photonic crystal arranged and an active layer provided on one side of the two-dimensional photonic crystal,
  • the center of gravity of the different refractive index region on the surface on the side of the active layer whose plane shape is smaller on the side opposite to the active layer than on the side of the active layer, is shifted from the center of gravity of the different refractive index region on the opposite surface. It is formed like It is characterized by that.
  • a two-dimensional photonic crystal is provided on one side of the active layer.
  • the active layer and the two-dimensional photonic crystal do not need to be in direct contact with each other, and a member such as a spacer may be inserted between them.
  • the active layer may be the same as that conventionally used for a Fabry-Perot laser light source.
  • the surface emitting laser light source of the present invention utilizes the surface emission from the active layer of the two-dimensional photonic crystal and the surface on the opposite side.
  • a case in which light emission from the opposite surface of the active layer is used will be described as an example, and for convenience, the opposite surface of the active layer is referred to as a “light-emitting side surface”.
  • the two-dimensional photonic crystal is formed by periodically arranging a large number of regions (different refractive index regions) having different refractive indexes from the plate-shaped base material.
  • the shape of the different refractive index region has the following two features. (0 The cross-sectional shape (planar shape) of the plane parallel to the plate-shaped base material is smaller on the light-emitting side than on the active layer side of the base material. The center of gravity of the planar shape is shifted in the in-plane direction.
  • the two-dimensional photonic crystal according to the present invention has such a structure, when viewed from the active layer side, the periodic structure of the different refractive index region in the two-dimensional photonic crystal has a symmetry on the light emitting side. Is low.
  • the X and y components of the electric field are the main components in the active layer.
  • the component of the electric field in the z-direction (perpendicular to the two-dimensional photonic crystal) in the two-dimensional photonic crystal is larger on the light-emitting side than on the active layer side.
  • the time average intensity of the electric field including the y direction is also higher on the light emitting side than on the active layer side.
  • the confinement of light in the two-dimensional photonic crystal is weakened by lowering the symmetry of the different refractive index region on the light emitting side surface than on the active layer side surface, and the laser light is emitted to the outside. It is easy to be.
  • the above characteristics (the different refractive index regions satisfying 0 and GO, for example, have a planar shape on the surface similar to the active layer side and the light emitting side while making the light emitting side smaller, and position the center of gravity of both. , Or the planar shape on the light emitting side is formed by removing a part of the planar shape on the active layer side.
  • the change in the shape between both surfaces is linear. It can also be stair-shaped. It is convenient to make it stepwise in manufacturing.
  • the in-plane symmetry can be further reduced by the planar shape of the active layer side and the Z or light emitting side.
  • the planar shape on the active layer side and the light emitting side can be an equilateral triangle or an ellipse.
  • the periodic arrangement of the different refractive index regions includes a square lattice, a triangular lattice, a hexagonal honeycomb shape, and the like. Among them, a square lattice is preferable because the number of energy bands related to laser oscillation is small.
  • the different refractive index region is desirably a hole from the viewpoint that the difference in refractive index from the base material can be increased, and from the viewpoint of ease of manufacturing.
  • a different refractive index region may be formed by embedding a member.
  • the operation of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser light source of the present invention is basically the same as that of the conventional one.
  • Carriers are injected into the active layer by applying a voltage, and Light emission can be obtained from the light emitting layer inside.
  • the light thus obtained is fed back by the two-dimensional photonic crystal, and a standing wave is generated in the active layer and the photonic crystal layer, and laser oscillation occurs.
  • laser light is emitted from the light emitting surface in a direction perpendicular to the surface.
  • FIG. 1 is a graph showing an antisymmetric mode and a symmetric mode of a standing wave in a two-dimensional photonic crystal.
  • FIG. 2 is a perspective view showing one embodiment of a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser light source according to the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the shape of holes in a two-dimensional photonic crystal layer in the present embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view and a top view illustrating an example of a method for manufacturing a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser light source of the present embodiment.
  • FIG. 5 is a graph showing an example of a photonic band in a two-dimensional photonic crystal.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing the shape of holes in a two-dimensional photonic crystal layer in a comparative example.
  • FIG. 7 is a view showing an electric field distribution in a two-dimensional photonic crystal and an electric field distribution in a plane remote from a crystal plane in the comparative example of FIG. 6 (a).
  • FIG. 8 is a graph showing the Q value of a two-dimensional photonic crystal when the holes shown in FIG. 3 (a) (this embodiment) and FIG. 6 (a) (comparative example) are used.
  • FIG. 9 is a diagram showing an electromagnetic field distribution in a two-dimensional photonic crystal when the holes shown in FIG. 3 (a) are used
  • FIG. 10 is a table showing the Q value of a two-dimensional photonic crystal when using the holes of FIGS. 3 (b) (this example) and FIG. 6 (b) (comparative example).
  • FIG. 11 is a diagram showing an electromagnetic field distribution in a two-dimensional photonic crystal when the holes shown in FIG. 3 (b) (this embodiment) and FIG. 6 (b) (comparative example) are used.
  • a two-dimensional photonic crystal layer 24 also having a p-type GaAs force is provided via a spacer layer 261 made of p-type GaAs.
  • the two-dimensional photonic crystal layer 24 is a plate material in which holes 25 are periodically arranged in a square lattice.
  • the spacer 261 and the two-dimensional photonic crystal layer 24 are formed as one integrated layer, and the holes 25 are formed only in the upper two-dimensional photonic crystal layer 24. It is formed.
  • a spacer layer 262 made of p-type GaAs, a cladding layer 271 having p-type AK aAs force, and a contact layer 28 made of p-type GaAs force are provided between the active layer 23 and the positive electrode 21, a spacer layer 262 made of p-type GaAs, a cladding layer 271 having p-type AK aAs force, and a contact layer 28 made of p-type GaAs force are provided. Further, a spacer layer 263 made of n-type GaAs and a cladding layer 272 made of n-type AK3 ⁇ 4As are provided between the active layer 23 and the negative electrode 22.
  • the space between the spacer layer 262 and the two-dimensional photonic crystal layer 24 is drawn to show the structure of the two-
  • the operation of the laser light source of this embodiment is basically the same as that of a conventional two-dimensional photonic crystal surface emitting laser light source.
  • a voltage is applied between the positive electrode 21 and the negative electrode 22, electrons are injected from the negative electrode 22 into the active layer 23, and light is emitted by recombination of holes and electrons. I do.
  • This light is fed back by the two-dimensional photonic crystal layer 24 and oscillates in a laser. This laser light is extracted outside from the contact layer 28 (outgoing surface).
  • FIGS. 3 (a) and 3 (b) two types of holes shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b) were used.
  • the top is a cross section of the plane (eight sides) perpendicular to the plate 31, and the bottom is a cross section of the plane (B, C) parallel to the plate 31. It is a figure (top view).
  • the plane shape of the hole 311 is the active layer side
  • Both sides are equilateral triangles
  • the light emitting side (B side) is made smaller than the active layer side (C side) by a step 321 in the center. Since both equilateral triangles share one vertex 34, their centers of gravity are shifted in the direction perpendicular to the base.
  • the base of the equilateral triangle on the light emitting side is located on the center of gravity 331 of the equilateral triangle on the active layer side.
  • the holes 312 are circular on the active layer side (C plane), and have a shape in which a part thereof is cut off by a chord on the light emitting side (B plane).
  • the surface emitting laser having the two-dimensional photonic crystal layer 24 in which such holes 311 are formed even if the B-plane shape and the C-plane shape are the same, a square lattice formed by holes of a regular triangle With such a configuration, the rotational symmetry in the plane is low, but by providing a difference between the B-plane shape and the C-plane shape as described above, the in-plane symmetry is further reduced. Therefore, in the surface emitting laser having the two-dimensional photonic crystal layer 24 in which the holes 312 are formed, linearly polarized laser light having a beam profile close to a single peak can be obtained due to such low symmetry. it can.
  • a method of manufacturing the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser light source of the present embodiment will be described with reference to FIG.
  • the positive electrode 21, the negative electrode 22, the active layer 23, the spacer layer 263, the cladding layers 271 and 272, and the contact layer 28 can be manufactured by the same method as the conventional method.
  • a method for forming the layer 24 and the spacer layers 261 and 262 above and below the layer 24 will be described.
  • a case where the two-dimensional photonic crystal layer 24 having the holes 312 is manufactured will be described as an example, but the two-dimensional photonic crystal layer having the holes 311 and other holes may be manufactured in the same manner. it can.
  • a resist 52 for drawing an electron beam (EB) is applied on a substrate 51 made of p-type GaAs ((a) below).
  • a position corresponding to the hole 312 on the resist 52 is irradiated with EB.
  • the irradiation time of EB per unit area is set so that the region 53b where the holes 312 also penetrate the active layer side force to the light emitting side is longer than the region 53a where the holes 312 are not formed on the light emitting side.
  • a stepped hole 54 is formed in the resist 52, penetrating to the surface of the substrate 51 in the region 53b, and being dug halfway in the resist 52 in the region 53a. In the drawing, only one hole 54 is shown.
  • the holes 54 can be formed by another method such as a nanoimprint method.
  • the nanoimprint method forms a mold with a pattern having a size of several nanometers, The fine patterning of the resist is performed by pressing the resist against the resist film.
  • a two-dimensional photonic crystal layer 24 and a spacer layer 261 made of P-type GaAs and formed on the active layer 23 previously formed by an ordinary method are stacked (g) at 200-700 ° C.
  • the two are fused by heating to (h). Thereby, the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser light source of the present embodiment is completed.
  • FIG. 5A is a photonic band diagram in the case where holes are arranged in a square lattice shape as in the present embodiment.
  • a photonic band diagram when the holes are arranged in a triangular lattice is shown in (b). Note that (a) is a calculation result of the case where the holes are elliptical, but the same is basically applied to the case where the holes have other shapes.
  • band ends A and B of the two bands on the low energy (low frequency) side contribute to laser oscillation.
  • the Q value of the band edge B having a flat dispersion relation near the point ⁇ tends to decrease significantly, and the band edge A having a large slope near the point ⁇ is located at the laser oscillation point. Easy to choose. Therefore, in order to obtain stable laser operation, it is desirable to design so that the Q value is higher at band edge A than at band edge B in an infinite periodic system.
  • FIG. 7 (a) shows the electric field distribution in the two-dimensional photonic crystal at band edge A in this case. In this figure, the strength and direction of the electric field are indicated by the length and direction of the arrow.
  • FIG. 7 (b) shows the electric field on a plane separated from the crystal plane by 7a (a is the period of the square lattice, that is, the lattice constant of the photonic crystal). It is strongly polarized in the y direction.
  • FIG. 8 shows the results of calculating the Q value in that case by the three-dimensional FDTD method.
  • the white circles in the figure are calculated for band edge A, and the white squares are calculated for band edge B.
  • the filling factor (FF) is the volume fraction of the holes, and is calculated by the area of the holes / the area of the unit cell in this comparative example.
  • the electric field distribution is not shown, but in the mode at band edge B, the electric field is distributed so as to avoid vacancies, so the Q value is maintained at a high level of about 100,000 to 2,000,000.
  • the mode of the band edge B which is not the band edge A suitable for laser oscillation is selected for laser oscillation.
  • the Q value is very high, the laser beam can hardly be extracted out of the plane. Real Since the size of a two-dimensional photonic crystal is finite, light can be extracted out of the plane. A ring-shaped beam shape with a weak force center is considered to be obtained.
  • band edge A which has a higher Q value than band edge B, and since the Q value at band edge A is several thousands, a single-peak shape with a strong center strength is obtained. Beam can be obtained.
  • FIG. 9 shows an electromagnetic field distribution in the two-dimensional photonic crystal when the holes 311 are used.
  • the intensity and direction of the electric field are indicated by the lengths and directions of the arrows in the same manner as described above, and the intensity of the magnetic field is indicated by shading of colors.
  • a hole exists near the center of the figure.
  • the intensity of the electric field near the vacancies is strong, so it is considered that the in-plane shape becomes strongly asymmetrical. Therefore, the Q value can be reduced without providing a difference in the shape of the upper and lower surfaces as in the present embodiment.
  • the electric field is formed so as to avoid vacancies at the band edge B, it is considered that the Q value can be reduced only by providing not only the in-plane asymmetry but also the difference in the shape of the upper and lower surfaces. .
  • results of calculations performed on the laser light source provided with the holes 312 shown in FIG. 3B will be described.
  • the same calculation was performed for a laser light source having a hole 412 shown in FIG. 6 (b).
  • the hole 412 has a circular shape above the step 422, but has a shape in which a part of the circle is missing below the step 422. Therefore, in the holes 312 and 412, the shape on the light emitting side and the shape on the active layer side are interchanged.
  • FIG. 10 shows the calculation results of the Q value.
  • the Q value of the present example is smaller than that of the comparative example.
  • the Q value of the band edge A is as high as 34,525, resonance occurs selectively with respect to the band edge A, and the light is hardly taken out due to the high Q value.
  • this embodiment Since the Q value of both band edge A and band edge B is on the order of several thousand, laser resonance can be obtained and laser light can be extracted outside.
  • the asymmetry of the planar shape is formed in the hole 412 on the active layer side of the step 422, while in the hole 312, on the light emitting surface side of the step 322. From this, it is considered that by increasing the asymmetry of the planar shape closer to the light emitting surface, it becomes easier to extract light with a light emitting surface power.
  • FIG. 11 shows the electromagnetic field distribution in the two-dimensional photonic crystal in the case of the present example (hole 312) and the comparative example (hole 412).
  • the node of the electric field distribution of the present embodiment is more shifted than that of the comparative example, and the node of the electric field distribution is larger than that of the band end A with respect to the center of the unit cell. From this, it can be said that the smaller the Q value, the lower the symmetry of the electric field distribution.
  • the shape of the different refractive index region (hole) can be more freely adjusted than that of a conventional two-dimensional photonic crystal surface emitting laser light source for the purpose of obtaining unimodal 'linearly polarized light. Can be adjusted. Among them, by using the holes 311 and 312 having the above-described shape, it is possible to obtain a laser beam which is unimodal, linearly polarized light, and further strong.

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Abstract

　本発明は、直線偏光であって、且つ中心付近の強度が最も強い単峰性のビームプロファイルを有するレーザ光を得ることができる面発光レーザ光源を提供することを目的として成された。活性層２３の一方の側に、板材３１に空孔３１１又は３１２を正方格子状に配置した２次元フォトニック結晶を設ける。この空孔３１１及び３１２は、発光側の平面（Ｂ面）形状が活性層側の平面（Ｃ面）形状よりも小さくなるように設定されている。また、Ｂ面形状とＣ面形状の重心の位置は、面内の方向にずれている。これにより、２次元フォトニック結晶の面内の対称性が低くなり、直線偏光であって単峰性のレーザ光を得ることができる。

Description

明 細 書
2次元フォトニック結晶面発光レーザ光源
技術分野
[0001] 本発明は、平面状の光源から面に垂直な方向にレーザ光を放射する面発光レー ザ光源に関する。
背景技術
[0002] 従来より、フアブリ'ペロー共振器を用いたフアブリ'ペロー型レーザ光源や、回折格 子を用いた分布帰還 (Distributed Feedback; DFB)型レーザ光源が用いられている。 これらのレーザ光源はいずれも、共振や回折により所定の波長の光を増幅してレー ザ光を発振させるものである。
[0003] それに対して、近年、新 、タイプのレーザ光源として、フォトニック結晶を用いたも のが開発されている。フォトニック結晶は、誘電体から成る母材に周期構造を人工的 に形成したものである。周期構造は一般に、母材とは屈折率が異なる領域 (異屈折 率領域)を母材内に周期的に設けることにより形成される。その周期構造により、結晶 内でブラッグ回折を生じさせ、また、光のエネルギーに関してエネルギーバンドギヤッ プを形成する。フォトニック結晶レーザ光源は、バンドギャップ効果を利用して点欠陥 を共振器として用いるものと、光の群速度が 0となるバンド端の定在波を利用するもの がある。 V、ずれも所定の波長の光を増幅してレーザー発振を得るものである。
[0004] 特許文献 1には、 2次元フォトニック結晶を用いたレーザ光源が記載されている。こ のレーザ光源は、 2枚の電極の間に発光材料を含む活性層を設け、その活性層の近 傍に 2次元フォトニック結晶が形成されている。この 2次元フォトニック結晶は、板状の 部材に 2次元的な周期性を持つ屈折率の分布を設けたものである。この周期構造の 周期を、活性層で生成される光の媒質内波長に一致させておくことにより、電極から のキャリアの注入により活性層で生成された光は、 2次元フォトニック結晶において干 渉により強められ、レーザ発振する。
[0005] 特許文献 1は、半導体力 成る層に円柱状 (層の面内では円形)の空孔を周期的（ 三角格子状、正方格子状、六角格子状等）に設けることにより屈折率分布を形成した 2次元フォトニック結晶を開示している。この場合、活性層からの発光により 2次元フォ トニック結晶の内部に 2次元的に定在波が形成される。図 1に、 2次元フォトニック結 晶及びその内部に形成される定在波を模式的に示す。この図では結晶面内の一方 向 (X方向とする)の定在波のみを 1次元的に示している力 例えば正方格子の場合に はそれに垂直な方向にも定在波が形成される。電場の y成分に着目すると、この定在 波は、 2次元フォトニック結晶 11内の空孔 12部分に節をもつものと腹をもつものの 2 つのモードが形成される。ある空孔 12の中心を通る軸 (z軸）を対称軸と定義すると、 その軸に関して前者は反対称であり、後者は対称である。ここで外部平面波との結合 を考えると、 z方向に伝播する平面波の分布関数は、 X方向に関しては一様であるの に対し、対称軸に関しては、反対称モードでは奇関数、対称モードでは偶関数となる
[0006] 2次元フォトニック結晶の大きさが無限であると仮定すると、対称モードでは外部平 面波との重なり積分が 0ではないため、面垂直方向への 1次回折光が生じる。それに 対して、反対称モードでは外部平面波との重なり積分力 になるため、面垂直方向へ の 1次回折光が生じない。そのため、レーザー発振には閉じ込めの強い反対称モー ドが適して 、るが、この反対称モードは面垂直方向に取り出すことができな!/、。
[0007] 実際の 2次元フォトニック結晶面発光レーザでは 2次元フォトニック結晶の大きさが 有限であるため、反対称モードの光も、対称性が崩れ、面垂直方向に取り出すことが できる。し力しその場合においても、 2次元フォトニック結晶の中心では高い対称性に より面垂直方向に光を取り出すことができない。そのため、レーザ光のビームの断面 形状 (ビームプロファイル）は、中心が強度が低く周囲が強度の高いリング形となる。 単一モード光ファイバ一との結合を考慮すれば、ビームプロファイルはこのようなリン グ形よりも、中心が最も強度の高い単峰形の方が望ましい。
[0008] 特許文献 2には、レーザ光の結晶外部への取り出しを改善するために、結晶面に 垂直な面における空孔の断面形状が主たる発光方向に向力つて漸減している 2次元 フォトニック結晶を用いた面発光レーザ光源にっ 、て記載されて 、る。この光源では 、レーザ光を 2次元フォトニック結晶の一方の面の側力 選択的に取り出すことができ 、それにより、取り出すレーザ光の強度を全体として強くすることができる。しかし、特 許文献 2ではそのビームプロファイルにつ 、ては検討されておらず、このレーザ光源 でビームプロファイルを単峰形にすることはできない。
[0009] 特許文献 3には、並進対称性はあるが回転対称性がない格子構造を形成すること により、結晶の母体に平行な面内での対称性を崩した 2次元フォトニック結晶を有す る面発光レーザ光源について記載されている。このような対称性は、例えば空孔を正 方格子状に配置して、各空孔の平面形状を正三角形にすることにより形成される。こ のレーザ光源では、 2次元フォトニック結晶の格子構造の対称性が低いため、 2次元 フォトニック結晶の中心付近においても反対称モードの光が打ち消されず、それによ り、単峰形に近 、ビームプロファイルを得ることができる。
[0010] また、特許文献 3のレーザ光源によれば、格子構造に回転対称性がないことにより 直線偏光のレーザ光が得られる。直線偏光のレーザ光は光ファイバ一との結合に有 利である。
[0011] 特許文献 1 :特開 2000- 332351号公報（[0037]— [0056],図 1)
特許文献 2 :特開 2003-273455号公報（[0016]— [0018],図 1一 3)
特許文献 3 :特開 2004-296538号公報（[0026]— [0037],図 1一 5)
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0012] 本発明が解決しょうとする課題は、ビームプロファイルが単峰形に近ぐかつ、直線 偏光を有するレーザ光を得ることのできる 2次元フォトニック結晶面発光レーザ光源を 提供することである。
課題を解決するための手段
[0013] 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を用いた 面発光レーザ光源は、板状の母材にそれとは屈折率が異なる領域を多数、周期的 に配置して成る 2次元フォトニック結晶と、該 2次元フォトニック結晶の一方の側に設 けた活性層とを備えるレーザ光源において、
前記異屈折率領域はその平面形状が活性層側よりも活性層の反対側において小 さぐ活性層側の面における異屈折率領域の重心と該反対側の面における異屈折率 領域の重心がずれるように形成されて ヽる、 ことを特徴とする。
発明の実施の形態及び効果
[0014] 本発明に係る面発光レーザ光源では、活性層の一方の側に 2次元フォトニック結晶 を設ける。但し、活性層と 2次元フォトニック結晶は直接接している必要はなぐ両者 の間にスぺーサ等の部材が挿入されていてもよい。活性層には、従来よりフアブリ'ぺ ロー型レーザ光源に用いられて 、るものと同様のものを用いることができる。本発明 の面発光レーザ光源では、 2次元フォトニック結晶の活性層及びその反対側の面か らの面発光を利用する。以下では、活性層の反対側の面からの発光を利用する場合 を例に説明し、便宜上、活性層の反対側の面を「発光側の面」という。
[0015] 2次元フォトニック結晶は、板状の母材に、それとは屈折率が異なる領域 (異屈折率 領域)を多数、周期的に配置することにより形成する。本発明では、異屈折率領域の 形状は以下の 2つの特徴を有する。（0板状の母材に平行な面での断面形状 (平面形 状)が、母材の活性層側よりも発光側の方が小さい。 GO活性層側の平面形状の重心 と発光側の平面形状の重心が面内方向にずれている。
[0016] 本発明に係る 2次元フォトニック結晶はこのような構造を有するため、活性層側から 見ると、 2次元フォトニック結晶内での異屈折率領域の周期構造は、発光側において 対称性が低い。本発明に係る面発光レーザ光源では、電場の X方向及び y方向成分 が活性層にお 、て主たる成分となる。し力し 2次元フォトニック結晶内における電場の z方向（2次元フォトニック結晶に垂直な方向）の成分は活性層側の面よりも発光側の 面の方が大きぐそれにより、 X方向及び y方向を含めた電場の時間平均強度も、活 性層側の面よりも発光側の面の方が大きい。本発明では、活性層側の面よりも発光 側の面の異屈折率領域の対称性を低くしたことにより、 2次元フォトニック結晶内への 光の閉じ込めが弱くなり、レーザ光は外部へ放出されやすくなる。
[0017] また、異屈折率領域の平面形状の重心が、活性層側と発光側とで面内方向にずれ ていることにより、この 2次元フォトニック結晶では母材に垂直な軸の周りの回転対称 性を失う。このように結晶の面内方向の対称性が低いことにより、この 2次元フォト-ッ ク結晶を設けたレーザ光源では、 2次元フォトニック結晶の中心付近においても反対 称モードの光が打ち消されず、それにより、単峰形に近いビームプロファイルを得るこ とができる。また、回転対称性がないことにより、上述の通り、直線偏光のレーザ光を 取り出すことができる。
[0018] ビームプロファイルが単峰形に近 、直線偏光のレーザ光を取り出すことを目的とし て、異屈折率領域の面内方向の対称性を低くすることは従来より検討されていた (特 許文献 3)。本発明では、上述の通り、板状の母材に垂直な方向にも形状の変化をつ けるという新規な技術思想により面内方向の対称性を低くしている。そのため、異屈 折率領域の形状をより自由に調整することができる。
[0019] 上記特徴 (0及び GOを満たす異屈折率領域は、例えば、表面における平面形状を、 活性層側と発光側とで相似形としつつ発光側の方を小さくし、両者の重心の位置を ずらすことにより、或いは、発光側の平面形状を活性層側の平面形状の一部を欠い たものとすること〖こより形成することができる。
[0020] 上記のように活性層側の面と発光側の面で異屈折率領域の平面形状に差異を設 ける場合、両面の間の（母材の内部における平面)形状の変化は直線状とすることも できるし、階段状とすることもできる。製造上は階段状とするのが便利である。
[0021] 上記方策により面内対称性を低くすることに加えて、活性層側及び Z又は発光側 の平面形状により、更に面内の対称性を低くすることもできる。例えば、活性層側及 び発光側の平面形状を正三角形や楕円形にすることができる。これにより、ビームプ 口ファイルの単峰性や直線偏光性をより高めることができる。
[0022] 異屈折率領域の周期配置には、正方格子、三角格子、六角形のハニカム状等があ る。それらのうち、レーザ発振に関わるエネルギーバンドの本数が少ないという点で、 正方格子が望ましい。
[0023] 異屈折率領域は、母材との屈折率の差を大きくすることができるという点、及び製造 上の容易さの点から、空孔とすることが望ましい。しかし、製造の際に 2次元フォト-ッ ク結晶と他の層を高い温度で融着する必要がある場合には、融着時に異屈折率領 域が変形することを防ぐために、母材に何らかの部材を埋めこむことにより異屈折率 領域を形成してもよい。
[0024] 本発明の 2次元フォトニック結晶面発光レーザ光源の動作は基本的には従来のも のと同様である。電圧の印加により活性層にキャリアが注入され、それにより活性層 内の発光層から発光が得られる。こうして得られた光が 2次元フォトニック結晶によりフ イードバックを受け、活性層およびフォトニック結晶層で定在波を作り、レーザ発振が 起こる。そして、上記条件が満たされていることにより、発光面から面に垂直な方向に レーザ光が放射される。
図面の簡単な説明
[0025] [図 1]2次元フォトニック結晶内の定在波の反対称モードと対称モードを示すグラフ。
[図 2]本発明に係る 2次元フォトニック結晶面発光レーザ光源の一実施例を示す斜視 図。
[図 3]本実施例における 2次元フォトニック結晶層内の空孔の形状を示す断面図。
[図 4]本実施例の 2次元フォトニック結晶面発光レーザ光源の製造方法の一例を示す 断面図及び上面図。
[図 5]2次元フォトニック結晶におけるフォトニックバンドの例を示すグラフ。
[図 6]比較例における 2次元フォトニック結晶層内の空孔の形状を示す断面図。
[図 7]図 6(a)の比較例における 2次元フォトニック結晶内の電場分布及び結晶面から 離れた面での電場分布を示す図。
[図 8]図 3(a)(本実施例)及び図 6(a)(比較例)の空孔を用いた場合の 2次元フォトニック 結晶の Q値を示すグラフ。
[図 9]図 3(a)の空孔を用いた場合の 2次元フォトニック結晶内の電磁場分布を示す図
[図 10]図 3(b)(本実施例)及び図 6(b)(比較例)の空孔を用いた場合の 2次元フォト-ッ ク結晶の Q値を示す表。
[図 11]図 3(b)(本実施例)及び図 6(b)(比較例)の空孔を用いた場合の 2次元フォト-ッ ク結晶内の電磁場分布を示す図。
符号の説明
[0026] 21 · · ·陽電極
22…陰電極
23· · ·活性層
24… 2次元フォトニック結晶層 25、 311、 312、 411、 412· · ·空孔
261、 262、 263· · ·スぺーサ層
271、 272· · ·クラッド層
28…コンタクト層
321、 322、 422· · ·段差
実施例
[0027] 本発明に係る 2次元フォトニック結晶面発光レーザ光源の一実施例を、図 2を用い て説明する。陽電極 21と陰電極 22の間に、インジウム ·ガリウム砒素 (InGaAs)Zガリ ゥム砒素 (GaAs)から成り多重量子井戸 (Multiple-Quantum Well; MQW)を有する活性 層 23を設ける。活性層 23の上に、 p型 GaAsから成るスぺーサ層 261を介して、同じく p型 GaAs力も成る 2次元フォトニック結晶層 24を設ける。 2次元フォトニック結晶層 24 は板材に空孔 25を正方格子状に周期的に配置したものである。なお、この図の例で はスぺーサ 261と 2次元フォトニック結晶層 24は 1枚の一体の層として形成され、上 側にある 2次元フォトニック結晶層 24の方にのみ空孔 25が形成されて 、る。活性層 2 3と陽電極 21の間に、 p型 GaAsから成るスぺーサ層 262、 p型 AK aAs力も成るクラッド 層 271及び p型 GaAs力 成るコンタクト層 28を設ける。また、活性層 23と陰電極 22の 間に、 n型 GaAsから成るスぺーサ層 263及び n型 AK¾Asから成るクラッド層 272を設 ける。なお、図 2では、 2次元フォトニック結晶層 24の構造を示すために、スぺーサ層 262と 2次元フォトニック結晶層 24の間を空けて描いた。
[0028] 本実施例のレーザ光源の動作は、基本的には従来の 2次元フォトニック結晶面発 光レーザ光源と同様である。陽電極 21と陰電極 22の間に電圧を印加すると、陽電極 21側カゝら正孔力 陰電極 22側から電子が、それぞれ活性層 23に注入され、正孔と 電子の再結合により発光する。この光が 2次元フォトニック結晶層 24によりフィードバ ックを受けてレーザー発振する。このレーザ光はコンタクト層 28 (出射面)から外部に 取り出される。
[0029] 本実施例では、図 3(a)及び (b)に示す 2種類の空孔を用いた。（a)、 (b) 、ずれも、上 側の図は板材 31に垂直な面 (八面）の断面図、下側の図は板材 31に平行な面 (B面 、 C面)の断面図（平面図）である。（a)では、空孔 311の平面形状は活性層側、発光 側とも正三角形であり、ほぼ中央の段差 321により発光側 (B面)を活性層側 (C面)よ りも小さくしたものである。両正三角形は 1つの頂点 34を共有しているため、両者の 重心は底辺に垂直な方向にずれている。図には、一例として、発光側の正三角形の 底辺が活性層側の正三角形の重心 331上にあるものを示した。（b)では、空孔 312は 活性層側（C面）において円形であり、発光側（B面）において、その一部を弦により 欠いた形状を有する。
[0030] このような空孔 311を形成した 2次元フォトニック結晶層 24を有する面発光レーザで は、仮に B面形状と C面形状が同じであっても、正三角形の空孔による正方格子とい う構成により面内の回転対称性は低 、が、上記のように B面形状と C面形状に違 、を 設けることにより、面内対称性は更に低くなる。従って、上記空孔 312を形成した 2次 元フォトニック結晶層 24を有する面発光レーザでは、このような低い対称性により、単 峰形に近いビームプロファイルを有する直線偏光のレーザ光を得ることができる。
[0031] 本実施例の 2次元フォトニック結晶面発光レーザ光源の製造方法を、図 4を用いて 説明する。なお、陽電極 21、陰電極 22、活性層 23、スぺーサ層 263、クラッド層 271 及び 272及びコンタクト層 28は従来と同様の方法により作製することができるため、 以下では 2次元フォトニック結晶層 24及びその上下にあるスぺーサ層 261及び 262 の作製方法について述べる。また、ここでは空孔 312を有する 2次元フォトニック結晶 層 24を作製する場合を例に説明するが、空孔 311やその他の空孔を有する 2次元フ オトニック結晶層も同様に作製することができる。
[0032] p型 GaAsから成る基板 51上に、電子ビーム（EB)描画用のレジスト 52を塗布する（ (a)下図）。次に、レジスト 52上の空孔 312に対応する位置に EBを照射する。ここで、 単位面積あたりの EBの照射時間を、空孔 312が発光側には形成されない領域 53aよ りも、空孔 312が活性層側力も発光側まで貫く領域 53bの方が長くなるようにする ((a) 上図）。この処理により、レジスト 52に、領域 53bでは基板 51の表面まで貫通し、領 域 53aではレジスト 52の途中まで掘られた階段状の孔 54が形成される。なお、図に は孔 54を 1個のみ示した力 実際にはこれをレジスト 52に周期的に多数形成する。 また、孔 54は、ナノインプリント法等の他の方法により形成することもできる。ナノイン プリント法は、数ナノメートル程度のサイズをもつパターンのモールドを形成し、これを レジスト膜に押し付けることでレジストの微細パターユングを行うものである。
[0033] 次に、塩素ガスによりドライエッチングを行う。エッチングの初期には基板 51は表面 が露出している領域 53bにおいてのみエッチングされる (c)。この時、レジスト 52も徐 々に塩素ガスによりエッチングされ、やがて領域 53aにおいても基板 51の表面が露 出する (d)。その後は領域 53a、 53bの双方がエッチングされる。エッチング開始から 所定時間経過後、エッチングを終了する。領域 53aよりも領域 53bの方がエッチング される時間が長いため、領域 53bの方がより深くエッチングされた階段状の空孔 312 が形成される (e)。基板 51のうち、空孔 312の領域 53b側の底よりも下側カ^ペーサ 層 262となる。次に、レジスト 52を除去する (£)。
[0034] 2次元フォトニック結晶層 24と、予め通常の方法により作製された、活性層 23上に 形成された P型 GaAsから成るスぺーサ層 261を重ね (g)、 200— 700°Cに加熱すること により両者を融着する (h)。これにより、本実施例の 2次元フォトニック結晶面発光レー ザ光源が完成する。
[0035] 次に、空孔 311及び空孔 312を設けた 2次元フォトニック結晶を有する面発光レー ザ光源ににおける、 2次元フォトニック結晶の Q値等を計算した結果について、比較 例を挙げながら説明する。
まず、以下の計算で用いる 2次元フォトニック結晶のフォトニックバンドについて説 明する。図 5(a)は本実施例のように空孔を正方格子状に配置した場合のフォトニック バンド図である。比較のために、空孔配置を三角格子状とした場合のフォトニックバン ド図を (b)に示す。なお、（a)は空孔を楕円形としたものの計算結果であるが、空孔が他 の形状である場合にも基本的には同様である。
(b)の場合は k=0( r点)付近に 6本のバンドが形成されるのに対して、（a)の場合、ノ ンドは (b)の場合よりも少ない 4本である。この 4本のバンドのうち、低エネルギー（低周 波数)側の 2本のバンドのバンド端 A, Bがレーザ発振に寄与する。有限周期構造をも つ実際のデバイスでは通常、 Γ点付近で平坦な分散関係を持つバンド端 Bの Q値は 大きく下がる傾向があり、 Γ点付近の傾きの大きいバンド端 Aがレーザ発振点に選ば れやすい。そのため、安定なレーザ動作を得るためには、無限周期系において Q値 力 バンド端 Bよりもバンド端 Aの方においてより高くなるように設計することが望ましい [0036] 上下面で大きさが異なり重心の位置がずれた空孔 311との比較のため、上下面を 同一形状とした三角形状の空孔 411 (図 6(a))の場合について計算を行った。図 6(a) の 2次元フォトニック結晶を用いた面発光レーザ光源は特許文献 3に記載のものであ り、本実施例と同様に単峰性で直線偏光のレーザ光を得ることを目的としたものであ る。この場合の、バンド端 Aにおける 2次元フォトニック結晶内の電場分布を図 7(a)に 示す。この図において、電場の強度及び方向を矢印の長さ及び方向で示している。 X 軸方向の電場の成分 Exは X軸に関して反対称になっているのに対して、 y軸方向の 電場の成分 Eyは y軸に関して非対称になって 、る。これは空孔の平面形状が y軸に 対して非対称になって 、るためである。このように Exの反対称性を保持しつつ Eyの反 対称性だけを崩すと、面内の 2次元的コヒーレンスを維持しながら直線偏光の光を面 外に取り出すことができる。図 7(b)に、結晶面から 7a (aは正方格子の周期、即ちフォト ニック結晶の格子定数)だけ離れた面での電場を示す。 y方向に強く偏光して ヽるの がわカゝる。
[0037] このように、空孔の形状の対称性を崩す (ここでは鏡映対称性を崩した)ことにより光 を取り出せるということは、構造によって Q値をコントロールできることを示唆する。実 際、円形の平面形状を有する空孔を周期的に無限に配置した構造では Q値は無限 大である力 三角形の空孔では Q値は有限となる。そこで、この比較例の空孔 411を 正方格子状に無限に配置した構造を仮定して、その場合の Q値を 3次元 FDTD法に より計算した結果を図 8に示す。図中の白丸印はバンド端 Aについて、白四角印はバ ンド端 Bについてそれぞれ計算したものである。ここで、フィリングファクター (FF)は空 孔の体積分率であり、本比較例では空孔の面積/ユニットセルの面積で計算される。 バンド端 Aでは、図 7(a)に示すように、空孔を取り囲むように電場が分布しているため 、空孔が大きくなるほど構造変化の影響が大きくなる。一方、電場分布は図示してい ないが、バンド端 Bのモードでは電場が空孔を避けるように分布しているため、 Q値は 10万一 200万程度の高いレベルを維持している。このため、レーザ発振に好適なバン ド端 Aではなぐバンド端 Bのモードがレーザ発振に選ばれる可能性が高い。し力も、 Q値が非常に高いため、レーザ光を面外に取り出すことはほとんどできない。実際の 2次元フォトニック結晶では大きさが有限であるため光を面外に取り出すことはできる 力 中心の強度が弱いリング形のビーム形状が得られると考えられる。
[0038] そこで、上記比較例とは異なる対称性の崩し方をした、図 3(a)に示す空孔 311を設 けた場合 (本実施例）について検討する。この場合の Q値の計算結果を図 8に黒丸印 (バンド端 A)及び黒四角印 (バンド端 B)で示す。ここでは、図 3(a)に示すように、空孔 311の、段差 321よりも発光側の高さ h及び段差 321の X軸方向の幅 wを共に同じ値 r とし、 r=0.1a, 0.13a, 0.19aの場合について計算を行った。 FF値（空孔の体積 Zュ-ッ トセルの体積）はそれぞれ、 0.173 (r=0.1aの場合）， 0.164 (r=0.13a) , 0.140 (r=0.19a) となる。 FF値が 0.140の時、バンド端 Aでは Q=5,007.7、バンド端 Bでは Q=2,855.5とな る。これにより、バンド端 Bよりも Q値が高いバンド端 Aについてレーザ共振を得ること ができ、し力もバンド端 Aの Q値が数千程度の値であるため、中心の強度が強い単峰 形のビームを得ることができる。
[0039] 図 9に、空孔 311を用いた場合における 2次元フォトニック結晶内の電磁場分布を 示す。この図において、電場の強度及び方向は上記と同様に矢印の長さ及び方向 で示し、磁場の強度は色の濃淡で示す。図の中心付近に空孔が存在する。バンド端 Aでは空孔付近の電場の強度が強くなるため、面内形状が非対称になることによる影 響を強く受けると考えられる。そのため、本実施例のように上下面形状に差異を設け なくとも Q値を下げることができる。それに対してバンド端 Bでは空孔を避けるように電 場が形成されているため、面内非対称性のみならず上下面形状に差異を設けること により初めて Q値を下げることができる、と考えられる。
[0040] 次に、図 3(b)に示した空孔 312を設けたレーザ光源について計算を行った結果を 示す。比較のため、図 6(b)に示す空孔 412を設けたレーザ光源についても同様の計 算を行った。空孔 412は、段差 422よりも上側では円であるのに対して、段差 422より も下側では円の一部を欠いた形状を有するものである。従って、空孔 312と 412では 、発光側の形状と活性層側の形状を入れ替えたようになって!/、る。
[0041] Q値の計算結果を図 10に示す。本実施例の方が比較例の場合よりも Q値が小さい 。比較例ではバンド端 Aの Q値が 34,525と高いため、バンド端 Aに対して選択的に共 振が生じ、その光は高い Q値のために外部に取り出し難い。それに対して、本実施例 ではバンド端 A、バンド端 Bの双方の Q値が数千のオーダーであるため、レーザ共振 を得ることができると共に外部にレーザ光を取り出すことができる。
[0042] 平面形状の非対称性が形成されるのは、空孔 412では段差 422よりも活性層側で あるのに対して、空孔 312では段差 322よりも発光面側である。このことから、平面形 状の非対称性を発光面に近いほど強くすることにより、発光面力 の光の取り出しが より容易になると考えられる。
[0043] 図 11に、本実施例（空孔 312)及び比較例（空孔 412)の場合における 2次元フォト ニック結晶内の電磁場分布を示す。比較例よりも本実施例の方が、そして、バンド端 Aよりもバンド端 Bの方力 ユニットセルの中心に対して電場分布の節が大きくずれて いる。このことから、 Q値が小さいほど電場分布の対称性が低いといえる。
[0044] 本発明では、上述の通り、単峰性'直線偏光を得ることを目的とした従来の 2次元フ オトニック結晶面発光レーザ光源よりも異屈折率領域 (空孔)の形状を自由に調整す ることができる。その中で、上述の形状を有する空孔 311及び 312を用いることにより 、単峰性且つ直線偏光であり、更に、強度の強いレーザ光を得ることができる。

Claims

請求の範囲
[1] 板状の母材にそれとは屈折率が異なる領域を多数、周期的に配置して成る 2次元 フォトニック結晶と、該 2次元フォトニック結晶の一方の側に設けた活性層とを備える レーザ光源において、
前記異屈折率領域はその平面形状が活性層側よりも活性層の反対側において小 さぐ活性層側の面における異屈折率領域の重心と該反対側の面における異屈折率 領域の重心がずれるように形成されて ヽる、
ことを特徴とする 2次元フォトニック結晶を用いた面発光レーザ光源。
[2] 前記異屈折率領域の母材に垂直な面における断面形状が階段状であることを特 徴とする請求項 1に記載の 2次元フォトニック結晶を用いた面発光レーザ光源。
[3] 前記異屈折率領域の活性層側の面における形状が正三角形であり、活性層の反 対側の面における形状がそれよりも小さい正三角形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を用いた面発光レーザ光源。
[4] 前記異屈折率領域の活性層側の面における形状が円形であり、活性層の反対側 の面における形状がその円の一部を欠いた形状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を用いた発光レーザ光源。
[5] 前記異屈折率領域の配置が正方格子状であることを特徴とする請求項 1一 4のい ずれかに記載の 2次元フォトニック結晶を用いた面発光レーザ光源。
[6] 前記異屈折率領域が空孔又は母材とは屈折率の異なる材料から成る部材により形 成されることを特徴とする請求項 1一 5のいずれかに記載の 2次元フォトニック結晶を 用いた面発光レーザ光源。
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