WO2014030361A1 - レーザ用反射鏡及び該反射鏡を用いた面発光レーザ装置 - Google Patents

レーザ用反射鏡及び該反射鏡を用いた面発光レーザ装置 Download PDF

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light
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仁司 河口
健夫 片山
池田　和浩
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    • H01S5/42—Arrays of surface emitting lasers
    • H01S5/423—Arrays of surface emitting lasers having a vertical cavity

Definitions

  • VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting LASER
  • the vertical cavity surface emitting laser is simply referred to as a surface emitting laser or a VCSEL in accordance with common usage.
  • optical buffer memories In order to realize a photonic packet network, essential and basic devices are all-optical type optical switches, optical buffer memories, optical flip-flops, and the like.
  • Various types of optical buffer memories have been proposed, and one of them is a polarization bistable surface emission that can switch the polarization state described in Patent Document 1, Non-Patent Documents 1 and 2, etc.
  • These documents also describe two-dimensional array of all-optical shift registers composed of individual polarization bistable surface emitting lasers, optical isolators, optical gates, polarizers, etc., and many polarization bistable surface emitting lasers.
  • an all-optical shift register that is integrated in a space and inputs and outputs light in parallel in a spatial manner.
  • Patent Document 2 an optical path is formed so that the output light of a polarization bistable surface emitting laser arranged in a two-dimensional array is vertically input to another adjacent polarization bistable surface emitting laser.
  • An all-optical shift register in which the spatial arrangement of optical elements is devised is disclosed.
  • a basic component in devices such as an optical buffer memory and an all-optical shift register is a polarization bistable surface emitting laser.
  • a surface emitting laser is a resonator in a direction perpendicular to a substrate, which is composed of an active layer formed on a semiconductor substrate and reflecting mirrors provided at the lower and upper portions so as to sandwich the active layer. .
  • the oscillation direction of the oscillating polarized light is the same as the input light.
  • the polarization bistability may be maintained such that the oscillating polarization state is maintained even when the input light disappears.
  • the polarization bistable surface emitting laser is a surface emitting laser having this polarization bistability.
  • DBR Distributed Bragg Reflector
  • FIG. 8 Also in the polarization bistable surface emitting laser disclosed in FIG. 8, DBR by InAlAs / InAlGaAs is used as a reflecting mirror.
  • the DBR is formed by laminating a large number of semiconductor thin films, it is inevitable that the DBR will become thick to some extent if a sufficiently high reflectance is to be achieved.
  • the active layer is considerably thin in a surface emitting laser, the thickness of the DBR is often a limiting factor for thinning the surface emitting laser. That is, when a conventional DBR is used as a reflecting mirror, there is a problem that it is difficult to reduce the thickness of a polarization bistable surface emitting laser, and it is also difficult to reduce the size of a device such as an optical buffer memory using the laser.
  • Non-Patent Document 3 discloses an HCG in which a stripe structure made of a high refractive index material is formed on a low refractive index layer formed on a semiconductor substrate.
  • Non-Patent Document 3 describes that according to the HCG having such a structure, a high reflectance can be realized with respect to polarized light that vibrates in a direction perpendicular to the extending direction of the stripe structure (that is, the width direction).
  • Non-Patent Document 4 discloses a surface emitting laser using HCG having the stripe structure as described above as a lower reflecting mirror below the active layer.
  • the HCG described in Non-Patent Document 3 achieves a high reflectance only for one linearly polarized light, and is a polarization bistable surface emitting laser that needs to handle a plurality of linearly polarized lights in different directions. Is not applicable.
  • the surface emitting laser described in Non-Patent Document 4 simply emits laser light having one linearly polarized light, and does not correspond to a plurality of linearly polarized lights in different directions.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and a first object of the present invention is to make a polarization bistable surface-emitting laser thin and small, and to be easily manufactured. Is to provide a reflector.
  • a second object of the present invention is a surface emitting laser capable of miniaturizing devices such as an optical switch and an all-optical shift register and ensuring high reliability against mechanical vibration. Is to provide a device.
  • HCG as described in Non-Patent Documents 3 and 4 can achieve a high reflectance over a wide wavelength band, and can realize a high reflectance without depending on polarization.
  • Research and development of reflectors by is underway.
  • the inventors of the present application have come up with a method for extending a conventional HCG having a one-dimensional periodic structure to a two-dimensional periodic structure, and further considering the ease and cost of mounting on an actual surface emitting laser.
  • the present invention has been made through repeated studies based on simulation calculations and the like.
  • the first invention made to solve the above problems is a reflector having a high refractive index difference grating (HCG) structure used for forming a resonator together with an active layer that generates light in a surface emitting laser.
  • HCG high refractive index difference grating
  • a low refractive index layer having a first refractive index and occupying a planar area
  • It is arranged so as to be in contact with one surface of the low refractive index layer, and is made of a material having a second refractive index larger than the first refractive index, and is 90 ° with respect to an axis orthogonal to the low refractive index layer.
  • a grid-like two-dimensional lattice structure having rotational symmetry of And the first refractive index and the second refractive index so that the reflectance is not less than a predetermined value over a target wavelength band with respect to light having an arbitrary polarization incident along the axis direction.
  • Parameters including a refractive index, a thickness of the low refractive index layer, a thickness of the two-dimensional grating structure, a pitch of the grating of the two-dimensional grating structure, and a grating width are adjusted.
  • the low refractive index layer can be made of various materials having a first refractive index smaller than the second refractive index.
  • a material generally used in a semiconductor process such as SiO 2 (silicon oxide)
  • air having a smaller refractive index can be used.
  • the low refractive index layer is a layer made of air
  • the reflecting mirror has an air bridge structure using a spacer layer.
  • the two-dimensional lattice-shaped lattice structure disposed so as to be in contact with one surface of the low refractive index layer is 90 ° to the axis perpendicular to the low refractive index layer.
  • the HCG having the one-dimensional periodic structure disclosed in Non-Patent Documents 3 and 4 is expanded to a two-dimensional periodic structure as described in Non-Patent Document 5.
  • the HCG having a two-dimensional periodic structure described in Non-Patent Document 5 has a structure in which a large number of regular rectangular prisms made of a high refractive index material are arranged in a two-dimensional lattice pattern on a low refractive index layer. Therefore, an air bridge structure in which the low refractive index layer is an air layer cannot be adopted.
  • the difference between the refractive index of the material constituting the low refractive index layer (first refractive index) and the refractive index of the material constituting the two-dimensional lattice structure (second refractive index) is large.
  • Air has a significantly lower refractive index than materials such as SiO 2 that can be considered other than air. Therefore, it is a great advantage to adopt an air bridge structure when considering mounting on a surface emitting laser, particularly application to an upper reflecting mirror disposed above the active layer of the surface emitting laser.
  • a second invention made to solve the above problem is a surface emitting laser device using the laser reflecting mirror according to the first invention, A semiconductor substrate; A resonator comprising a lower reflecting mirror formed on the semiconductor substrate, an active layer for generating light disposed on the lower reflecting mirror, and an upper reflecting mirror formed on the active layer; The laser reflecting mirror is used as at least one of the lower reflecting mirror and the upper reflecting mirror.
  • the lower reflecting mirror and the upper reflecting mirror may be the laser reflecting mirror according to the first invention, but the laser reflecting mirror is used for only one of the two,
  • a reflecting mirror having another structure such as DBR may be used. Since the reflecting mirror having the HCG structure is thinner than the DBR, according to the surface emitting laser device according to the second invention, the surface emitting laser device itself can be made thin by thinning the resonator.
  • the laser reflecting mirror according to the first invention is used as at least the lower reflecting mirror, and the two-dimensional lattice structure included in the reflecting mirror is formed on one semiconductor layer formed on the semiconductor substrate. , An optical waveguide for guiding light to the semiconductor layer is formed, The light generated by the laser device can be transmitted through the optical waveguide.
  • the surface emitting laser device is an optical waveguide coupling type surface emitting laser in which a resonator is directly connected to an optical waveguide.
  • Light generated in the resonator and confined in the resonator is passed through an upper reflecting mirror.
  • the optical waveguide can also be used for transmission of a light control signal for switching the polarization of the surface emitting laser light output. If optical waveguides are used for both the optical output transmission and the optical control signal transmission of each surface emitting laser, there is no need to place an optical element in the space above the surface emitting laser, and the device can be made significantly thinner and thinner. Miniaturization can be achieved. On the other hand, the structure of the optical waveguide becomes considerably complicated, making it difficult to manufacture. Therefore, the optical waveguide is used for transmission of the optical output of each surface emitting laser, and the light control signal for switching the polarization of the light confined in the resonator of the laser device is transmitted from the outside of the upper reflecting mirror in the direction of the axis. You may make it inject along.
  • an optical control signal for switching the polarization of the light output of each surface emitting laser needs to be incident on the resonator. If used, the light control signal can be incident from the upper space, and the light output can be extracted using the optical waveguide.
  • the light control signal can be incident from the upper space, and the light output can be extracted using the optical waveguide.
  • the optical waveguide is stretched in a straight line including the two-dimensional grating structure included in the lower reflecting mirror, and has a specific polarization from the resonator of the laser device. Only the optical fiber can be sent out through the optical waveguide.
  • the optical waveguide is arranged in a grid pattern in which a two-dimensional grating structure included in the lower reflecting mirror is located at an intersection, and the resonator of the laser device It is also possible to adopt a configuration in which polarized light having different vibration directions can be sent to the optical waveguides extending in different directions.
  • the surface-emitting laser device of any of the first and second aspects when a plurality of surface-emitting lasers are arranged on the optical waveguide, depending on the state of polarization confined in the resonator of each surface-emitting laser, The optical coupling state between a plurality of surface emitting lasers changes. Therefore, for example, a plurality of surface emitting lasers arranged on a linearly extending optical waveguide are optically coupled and injection-locked so that the wavelengths of specific polarized light oscillated by each surface emitting laser are aligned and a high output array is obtained. A laser can be realized.
  • the number of surface emitting lasers that are strongly coupled on the optical waveguide changes, and the light passes through the optical waveguide.
  • the output (energy) of the extracted light can be changed.
  • the surface-emitting laser device of the first aspect it is possible to realize an optical switch that turns on or off the light output extracted from the optical waveguide according to the polarization of the light control signal.
  • the surface emitting laser device of the second aspect light is selectively output from one surface emitting laser to one of the optical waveguides extending in two directions according to the polarization of the light control signal.
  • An optical switch can be realized.
  • a shift register function for transferring light confined in the resonator of one surface emitting laser to any of a plurality of adjacent surface emitting lasers according to the polarization of the light control signal is realized. be able to.
  • the laser reflecting mirror according to the first invention can adopt an air bridge structure in which the low refractive index layer is an air layer. Therefore, in the surface emitting laser device according to the second invention, the laser reflecting mirror is used as a reflecting mirror and has an air bridge structure in which a low refractive index layer located between the two-dimensional grating structure and the active layer included in the reflecting mirror is an air layer. It can be.
  • the laser reflecting mirror according to the first aspect of the present invention can realize a polarization-independent reflecting mirror having a high reflectivity even if it is made thinner than the conventional DBR.
  • an air bridge structure in which the air layer is a low refractive index layer can be adopted, thereby making it possible to more easily manufacture a reflector having a high reflectivity. Is possible.
  • the laser reflecting mirror according to the first invention allows a current for laser oscillation to flow through the entire two-dimensional grating structure. Therefore, it is advantageous for efficient oscillation and has an advantage of good heat dissipation because of its large area.
  • the surface emitting laser device it is possible to realize a polarization bistable surface emitting laser that is thinner than the conventional one.
  • the number of optical elements disposed in the space above the surface emitting laser can be reduced, and an optical buffer memory and an all-optical shift register using the surface emitting laser can be obtained.
  • Such devices can be made thinner and smaller.
  • the optical coupling between the optical outputs of multiple surface emitting lasers can be controlled by polarization, so that various logic operations and stable buffering can be performed while maintaining high light density. Is possible.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a polarization-independent HCG that is an embodiment of a laser reflecting mirror according to the present invention.
  • FIG. The figure which shows the simulation result of the reflection spectrum in an example of polarization independent HCG shown in FIG. 1 is a schematic perspective view of an embodiment of a polarization bistable surface emitting laser using a laser reflecting mirror according to the present invention.
  • FIG. FIG. 4 is a schematic perspective view of the polarization bistable surface emitting laser shown in FIG. 3 arranged two-dimensionally. Operation
  • FIG. 4 is a diagram showing another example of the configuration of a two-dimensional shift register using the polarization bistable surface emitting laser shown in FIG. 3.
  • FIG. 4 is an operation timing chart of a 1-bit memory of a shift register using the polarization bistable surface emitting laser shown in FIG. 3. SEM observation image of the prototype polarization-independent HCG. The figure which shows the calculation result of the power reflection spectrum of the prototype polarization-independent HCG.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a polarization bistable surface emitting laser assumed for calculating optical output characteristics.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of the laser reflecting mirror of this embodiment.
  • the reflecting mirror 10 is a high refractive index difference sub-wavelength grating (HCG) in which a two-dimensional periodic structure made of a high refractive index material has a top-view girder shape.
  • the reflecting mirror 10 includes a semiconductor substrate 11 made of a material such as silicon (Si) and a low refractive index material (refractive index n L ) on the semiconductor substrate 11 in the Z-axis direction in FIG.
  • the thickness of the low refractive index layer 12 is T L
  • the thickness of the two-dimensional lattice structure 13 is T g .
  • the width of the lattice portion of the two-dimensional lattice structure 13 is W
  • the pitch of the lattice portion is ⁇ . That is, the two-dimensional lattice structure 13 has a rotational symmetry of 90 ° around an axis orthogonal to the semiconductor substrate 11 (axis extending in the Z-axis direction). Therefore, as shown in FIG.
  • the reflecting mirror 10 is a HCG having a reflection characteristic independent of the polarization direction of light incident along the Z axis from above, that is, polarization-independent HCG.
  • Two orthogonal linearly polarized light Ex (vibrates in the X-axis direction) and Ey (vibrates in the Y-axis direction) have the same reflectance.
  • PML Perfectly Matched Layer
  • a high reflectance band exists in a wavelength range of about 80 [nm] centering on a wavelength of 0.97 [ ⁇ m]. This is comparable to the high reflectivity bandwidth that can be achieved with DBR. Further, the reflectance in the high reflectance band exceeds 99.5%, and it can be said that the reflection characteristics are sufficient as a reflecting mirror for a surface emitting laser.
  • the thickness of the DBR described in Non-Patent Document 1 is 6 [ ⁇ m]
  • the thickness T g of the two-dimensional lattice structure 13 in the above example is 270 [nm] and is extremely thin. . That is, the laser reflecting mirror of the present embodiment can be made extremely thin while realizing the reflection characteristics equivalent to those of the conventional DBR.
  • FIG. 3 is a schematic perspective view of the polarization bistable surface emitting laser of this embodiment.
  • polarization-independent HCG is used as two reflecting mirrors sandwiching the active layer from above and below.
  • the SiO 2 layer 22 is lowered on the surface Si layer 23.
  • a two-dimensional grating structure 37 constituting the lower reflecting mirror, that is, a polarization-independent HCG is formed as a refractive index layer.
  • the surface Si layer 23 other than the portion where the polarization bistable surface emitting laser 30 is formed is partially removed, and the remaining surface Si layer 23 propagates light generated by laser oscillation.
  • a substantially rectangular optical waveguide 24 is formed.
  • An arsenic / phosphorus (InP / InGaAsP) layer 33 and a p-type indium / phosphorus (p-InP) layer 34 are provided so that a very thin semiconductor layer is sandwiched from both sides by a layer having a larger band gap than the MQW.
  • An active region having a (Multiple Quantum Well) structure is formed.
  • An air layer 36 using a p-type indium / gallium / arsenic / phosphorus (p-InGaAsP) layer 35 as a spacer is formed on the p-InP layer 34, and the air layer 36 is formed on the low refractive index layer.
  • a two-dimensional lattice structure 38 is formed by a p-type indium phosphorus (p-InP) layer constituting the upper reflecting mirror.
  • each layer provided above the lower half of the n-InP layer 32 is processed so as to have a substantially square shape when viewed from above, and its side surface is covered with a buried portion 39 made of polyimide. .
  • a p-electrode 40 is provided where the p-InP layer, which is the two-dimensional lattice structure 38 above the buried portion 39, is exposed, and an n-electrode 41 is provided where the n-InP layer 32 is exposed.
  • one polarization bistable surface emitting laser 30 is formed.
  • Current is injected from the p electrode 40 and the n electrode 41 into the active region of the MQW structure.
  • the active region has an optical gain, and laser oscillation occurs between the two-dimensional grating structure 37 that is the lower reflecting mirror and the two-dimensional grating structure 38 that is the upper reflecting mirror.
  • the laser light generated in the resonator formed by the active region and the upper and lower reflecting mirrors is polarized light Ey (90 °) whose vibration direction is the Y-axis direction and polarized light Ex (0 °) whose vibration direction is the X-axis direction. ) And either.
  • the polarization is switched according to the polarization of another light control signal incident from above along the Z axis.
  • This is the same as the conventional polarization bistable surface emitting laser.
  • One of the features of the polarization bistable surface emitting laser of the present embodiment is that the resonator of the polarization bistable surface emitting laser 30 is coupled to the optical waveguides 24x and 24y, and therefore the light confined in the resonator. Is output upward along the Z axis, and the optical output is also output to the optical waveguides 24x and 24y.
  • the optical waveguide 24x is formed so as to extend in the X-axis direction
  • the optical waveguide 24y is formed so as to extend in the Y-axis direction
  • the polarization bistable surface emitting laser 30 is provided at the intersection. Yes. Therefore, as shown in FIGS. 6, 7 and 8, optical waveguides 24x and 24y orthogonal to each other are formed in a top view girder shape, and polarization bistable surface emitting lasers 30 (in FIG. 6, 30A1, 30A2,...) May be provided as a polarization bistable surface emitting laser array structure.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view showing a state in which two polarization bistable surface emitting lasers 30A and 30B are arranged on the optical waveguide 24x extending in the X-axis direction.
  • the optical waveguide 24x is strongly coupled to the polarized light Ey (90 °) whose vibration direction is the Y-axis direction, while the optical waveguide 24y is the polarized light Ex ( (0 °) Therefore, for example, in FIG. 4, when the polarization in the resonator of the polarization bistable surface emitting laser 30A is Ey (90 °), a part of the polarization is output with a large energy to the optical waveguide 24x.
  • the light output from the polarization bistable surface emitting laser 30A to the optical waveguide 24x or 24y depends on the polarization. It will be turned on and off. If attention is paid to both the optical waveguides 24x and 24y, the light output from the polarization bistable surface emitting laser 30A to the optical waveguides 24x and 24y is switched according to the polarization.
  • the polarized light oscillated by the polarization bistable surface emitting laser 30 is switched by the polarization of the light control signal supplied from the outside, the light output to the optical waveguide 24 as described above is turned on / off and the light is output. Switching between the optical waveguides 24x and 24y can be controlled by polarization of a light control signal incident on the polarization bistable surface emitting laser 30.
  • FIG. 5 is an operation explanatory diagram in a configuration example in which the polarization bistable surface emitting laser shown in FIG. 3 is arranged one-dimensionally.
  • a plurality of polarization bistable surface emitting lasers 30A, 30B,... are arranged on one optical waveguide 24x extending in the X-axis direction.
  • FIG. 5A when the polarization oscillated by the polarization bistable surface emitting laser 30A is Ey (90 °), light is output from the polarization bistable surface emitting laser 30A to the optical waveguide 24x.
  • the polarization of the surface emitting laser 30B is switched to the same Ey (90 °) as that of the preceding surface emitting laser 30A.
  • Such polarization switching is sequentially performed, and the polarization of all the polarization bistable surface emitting lasers 30A, 30B,.
  • FIG. 5B when the polarization of each polarization bistable surface emitting laser 30A is Ex (0 °), no light is output from the polarization bistable surface emitting laser 30A to the optical waveguide 24x. . Therefore, when the polarization in the polarization bistable surface emitting laser 30A is Ex (0 °), an optical signal is not transmitted to the adjacent polarization bistable surface emitting laser 30B.
  • the polarization in all the polarization bistable surface emitting lasers 30A, 30B,... Is not only aligned to Ey (90 °), but also the polarization of all the polarization bistable surface emitting lasers 30A, 30B,.
  • a synchronization phenomenon occurs, and the wavelengths of oscillation light of all the polarization bistable surface emitting lasers 30A, 30B,... Can be made the same. If the wavelengths of light output from the polarization bistable surface emitting lasers 30A, 30B,... To the optical waveguide 24x are the same, light emitted from each resonator in the Z-axis direction (that is, in free space) is added. As a result, a high-power laser beam can be obtained.
  • FIG. 6 is an operation explanatory diagram in a configuration example in which the polarization bistable surface emitting laser shown in FIG. 3 is two-dimensionally arranged.
  • a plurality of polarization bistable surface emitting lasers 30A1, 30B1,... are arranged at the intersections of the optical waveguide 24x extending in the X-axis direction and the optical waveguide 24y extending in the Y-axis direction.
  • FIG. 6A when the polarized light oscillated by the polarization bistable surface emitting laser 30A1 arranged on one optical waveguide 24x in the X-axis direction is Ey (90 °)
  • the other polarization bistable surface emitting lasers 30B1, 30C1,... are switched to the same polarization by the light injection. At this time, no light is output to the optical waveguide 24y in the Y-axis direction.
  • the polarized light oscillated by the polarization bistable surface emitting laser 30A1 arranged on one optical waveguide 24y in the Y-axis direction is Ex (0 °).
  • the polarizations of the polarization bistable surface emitting lasers 30A1, 30A2,... Are aligned at Ex (0 °).
  • no light is output to the optical waveguide 24x in the X-axis direction. Therefore, in this two-dimensional array configuration, the transmission direction of the optical signal can be switched by aligning the polarizations of all the polarization bistable surface emitting lasers arranged on one optical waveguide 24x or 24y. .
  • the surface emitting laser can be obtained by aligning the polarizations of all the polarization bistable surface emitting lasers arranged on one optical waveguide 24x or 24y to any one and aligning the oscillation wavelength. It is possible to obtain a high-power laser beam by aligning the phase of the light emitted directly from the resonator to the free space.
  • FIG. 7 and 8 are diagrams showing a configuration example of a two-dimensional shift register using the polarization bistable surface emitting laser shown in FIG.
  • the 1-bit memory constituting the shift register has a memory unit for holding data. Data input to the memory unit (Data (90 °)) and reset input (Reset ( 0 °)) and a set input (Set (90 °)) for setting the memory contents of the memory unit.
  • the polarization bistable surface emitting laser is used as an all-optical memory unit that records 1-bit information (digital binary information of “0” or “1”) as a polarization state.
  • the data signal light input, the reset light input, and the set light input are all performed through the optical waveguide
  • the configuration example shown in FIG. 8 is the data signal light input and the reset light. The input is performed through the optical waveguide, and the set light input is given from the upper space of the polarization bistable surface emitting laser, and the basic operation is common.
  • FIG. 9 is an operation timing chart of the 1-bit memory of the shift register.
  • set light having polarization Ey (90 °) is input in accordance with a bit to be recorded in the memory unit.
  • binary “0” is polarization Ex (0 °)
  • binary “1” is polarization Ey (90 °).
  • the data signal light and the set light are combined, and the light having the intensity obtained by adding the two light intensities is input to the resonator of the polarization bistable surface emitting laser. As shown in FIG.
  • the polarization bistable surface emitting lasers are arranged at the intersections of the optical waveguides assembled in a cross beam shape, and are set independently for each polarization bistable surface emitting laser. Since optical input is possible, the data value is selectively selected according to the state of oscillation polarization from the polarization bistable surface emitting laser (laser located at the upper left in FIGS. 7 and 8) in which data is recorded first. Can be transferred to a polarization bistable surface emitting laser adjacent to the X axis direction or the Y axis direction.
  • the shift register operation is common to both the configurations of FIGS. 7 and 8. However, if the set light input is input from above the surface emitting laser as shown in FIG. There is an advantage that other elements such as an optical gate can be easily incorporated. On the other hand, in terms of thinning and miniaturization of the apparatus, as shown in FIG. 7, it is better to be able to input / output all light including set light input on the substrate.
  • Table 1 shows the structural parameters of the prototype wavelength-independent HCG.
  • a procedure for producing HCG first, an electron beam resist is applied to the surface of an SOI substrate, a predetermined HCG pattern is formed on the resist using an electron beam drawing apparatus, and then reactive ion etching is performed to perform two-dimensional. A void portion of the lattice structure was formed.
  • An SEM observation image of the prototype polarization-independent HCG is shown in FIG.
  • FIG. 11 is a diagram showing the result of calculating the power reflection spectrum of the prototype polarization-independent HCG using the finite difference time domain method.
  • boundary conditions for the calculation periodic boundary conditions were used in the in-plane direction of the two-dimensional lattice structure, and absorbing boundary conditions were used in the direction perpendicular to the plane.
  • the structure of the polarization-independent HCG has 90 ° rotational symmetry about an axis orthogonal to the plane, so that in principle, the high polarization as shown in FIG. A reflectance wavelength band should be realized.
  • FIG. 12 shows the measurement results of the reflectance spectrum of the prototype polarization-independent HCG.
  • light from a light source having a wide wavelength band was passed through a linear polarizer, then condensed to a diameter of about 100 [ ⁇ m], and incident on a polarization-independent HCG.
  • the reflected light was introduced into an InGaAs array spectrometer, and the reflectance spectrum was measured while rotating the polarization-independent HCG at an interval of 30 ° with respect to the incident linearly polarized light.
  • high reflectivity close to 100% is obtained in the wavelength band of 1.43 [ ⁇ m] to 1.58 [ ⁇ m].
  • FIG. 13 shows the results of summarizing the polarization direction dependence of the reflectance at each wavelength of 1.45 [ ⁇ m], 1.50 [ ⁇ m], and 1.55 [ ⁇ m].
  • This variation can be presumed to be mainly due to the difference between the rotation center of the stage on which the polarization-independent HCG is mounted and the position of the sample.
  • Note that the decrease in reflectance on the longer wavelength side than the wavelength of 1.58 [ ⁇ m] observed in FIG. 12 is caused by the decrease in sensitivity of the spectrometer used for measurement (that is, measurement limitations). It can be assumed that this is not due to a decrease in power reflectivity of the prototype polarization-independent HCG itself.
  • FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of the polarization bistable surface emitting laser assumed here.
  • the polarization-independent HCG as described above is used as the lower reflecting mirror, while DBR is used as the upper reflecting mirror.
  • the same reference numerals are given to the portions corresponding to the components in the structure shown in FIGS. 3 and 4.
  • a two-dimensional lattice structure 37 that is, polarization-independent HCG and An optical waveguide 24 is formed, and an active region is disposed on the optical waveguide 24 via a SiO 2 bonding layer 31.
  • DBR is arranged instead of HCG. The DBR disposed between the SiO 2 bonding layer 31 and the active region is for preventing the deterioration of the active region that occurs during device fabrication.
  • the number of periods of the polarization-independent HCG grating corresponding to one polarization bistable surface emitting laser is 6, and the width of the optical waveguide is 5.3 [ ⁇ m].
  • the other structural parameters were optimized so that the reflectivity was maximized at a wavelength of 1.55 [ ⁇ m] and the resonance wavelength was 1.55 [ ⁇ m].
  • the active region is composed of nine quantum wells and InP spacers composed of InGa 0.24 As 0.82 P (5.4 [nm]) / InGa 0.22 As 0.48 P (8.6 [nm]), and gain is not considered.
  • the DBR below the active region is composed of 2.5 pairs of InP / InGa 0.34 As 0.74 P, and the upper DBR is composed of 8.5 pairs of InP / InGa 0.34 As 0.74 P and 6 pairs of Al 0.16 GaAs / Al 0.90 GaAs.
  • the incident light is Ex (0 °) linearly polarized light and a Gaussian plane wave, and the total width at which the intensity becomes 1 / e 2 is 3 [ ⁇ m].
  • the y-axis direction orthogonal to the paper surface of FIG. 14 has the same structure as that shown in FIG.
  • the output of the optical waveguide 24 is output from a starting point of the optical waveguide 24 at a Monitor X arranged 10 [ ⁇ m] away from the X axis direction and a Monitor Y (not shown) arranged 10 [ ⁇ m] away from the axial direction.
  • the calculation region is defined by the absorption boundary condition indicated by a thick dashed line in FIG. 14, and the size of the calculation mesh is 30 [nm]. However, in a region of 30 nm or less such as a quantum well, a mesh corresponding to the thickness of each film layer is arranged.
  • FullWAVE manufactured by Synopsys which is a commercially available three-dimensional finite difference time domain simulator, was used.
  • FIG. 15 is a diagram showing calculation results of light intensity and electromagnetic field distribution at the observation positions Monitor X and Monitor Y.
  • the light intensity is normalized by the maximum value of intensity in Monitor Y
  • the electromagnetic field amplitude is normalized by the maximum values of Ex and Hz in Monitor Y. From this figure, it is understood that when Ex (0 °) polarized light is input, the light intensity propagating through the optical waveguide in the Y-axis direction is stronger than the light intensity propagating through the optical waveguide in the X-axis direction.
  • the power of the optical waveguide output in the Y-axis direction is 4.5 times larger than that in the X-axis direction. This difference in power indicates that an optical waveguide to be output by polarized light can be selected.
  • This simulation also revealed that light propagated in a mode close to the TE mode in both optical waveguides.
  • the power ratio between the optical waveguide output in the Y-axis direction and the optical waveguide output in the X-axis direction is set to 1: by making the optical waveguide close to a single mode. It was found that it was possible to expand from 4.5 to about 1:12. By realizing such a large power ratio, switching and selection between the optical waveguide in the Y-axis direction and the optical waveguide in the X-axis direction can be performed appropriately and efficiently. It can be said that it is effective for a device using such switching and selection.
  • the coupling efficiency to the optical waveguide in a polarization bistable surface emitting laser having a similar structure was also obtained by simulation calculation.
  • the structure of the polarization bistable surface emitting laser assumed here is similar to that shown in FIG. 14, and an HCG and an optical waveguide are formed on the Si layer of the SIO substrate, and an SiO 2 bonding layer is formed thereon. The active area is arranged.
  • the DBR above it is 20 sets of structures.
  • the active region is composed of seven quantum wells and InP spacers made of In 0.76 Ga 0.24 As 0.82 P 0.18 (5.4 [nm]) / In 0.78 Ga 0.22 As 0.48 P 0.52 (8.6 [nm]), and has a refractive index. Are 3.51, 3.33, and 3.17, respectively.
  • Al 0.16 Ga 0.84 As / Al 0.90 Ga 0.10 As DBRs leave the bottom five layers to form a mesa portion having a 10 [ ⁇ m] ⁇ shape when viewed from above.
  • the starting point of the optical waveguide is defined by a distance d from the center position of the mesa portion.
  • the incident light source is assumed to have a zero-order mode intensity distribution of the mesa portion, and this is disposed on the active region.
  • the surface emission output of the surface emitting laser and the output of the optical waveguide are X from the position of Monitor O above the DBR by 500 [nm] in the Z-axis direction above the DBR upper layer and from the start point of the optical waveguide. Observed at the position of Monitor C, 5 [ ⁇ m] away in the axial direction.
  • the calculation area is defined by the absorbing boundary condition, and the size of the calculation mesh is 50 [nm]. However, a mesh corresponding to the thickness of each film layer is arranged in a region of 50 nm or less such as a quantum well. As in the above example, FullWAVE manufactured by Synopsys was used for the calculation.
  • FIG. 16 is a diagram showing the power ratio of the optical waveguide output to the surface emission output in the laser oscillation state with respect to the distance d.
  • the gain is set to 1.3 times the threshold gain at each distance d.
  • FIG. 17A shows the calculation result of the electromagnetic field
  • 2 distribution in the entire calculation region when the distance d 6 [ ⁇ m]
  • FIG. 17B shows the Hy distribution (solid line) at the center of the Si layer and the top view.
  • the calculation result of the zeroth-order mode distribution (dotted line) of the mesa part of 10 [ ⁇ m] ⁇ is shown. From FIG. 17B, it can be seen that the Hy distribution inside the HCG is slightly wider than the 0th order mode of the mesa portion. From these results, in the optical waveguide coupled polarization bistable surface emitting laser studied here, the laser output in the perpendicular direction and the output to the optical waveguide are determined by the intensity of the resonance mode at the starting point of the optical waveguide.

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Abstract

　偏光双安定面発光レーザ（３０）において、活性領域の下側の反射鏡としてＳＯＩ基板の表面ＳｉＯ2層に形成した２次元格子構造体（３７）を含む偏光無依存ＨＣＧを用い、上側の反射鏡としてエアブリッジ構造の２次元格子構造体３８を含む偏光無依存ＨＣＧを用いる。このＨＣＧは従来のＤＢＲに比べて格段に薄いので、面発光レーザの薄形化が可能である。また、表面ＳｉＯ2層には光導波路（２４ｘ、２４ｙ）を形成し、面発光レーザ３０の共振器と光結合することで、共振器に閉じ込めた光をその偏光状態に応じて光導波路（２４ｘ、２４ｙ）の一方に選択的に出力することができる。それによって、隣接する面発光レーザ（３０）への情報の転送も容易になり、面発光レーザ（３０）の上方空間に配置する光学素子を減らしてデバイスとしての薄形化・小形化も図ることができる。

Description

レーザ用反射鏡及び該反射鏡を用いた面発光レーザ装置
　本発明は、光の共振方向が基板面に対して垂直である垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ＝Vertical Cavity Surface Emitting LASER）と、該レーザに用いられる反射鏡とに関する。本明細書では、慣用に従って垂直共振器面発光レーザを単に面発光レーザ又はＶＣＳＥＬと呼ぶこととする。
　近年、インターネット等のネットワークを通して伝送されるデータ量の増加は著しく、現在使用されているシステムよりも大幅に高速である光ファイバ通信システムの開発が急務となっている。こうした次世代の光ファイバ通信システムにおいては、現在、電気的に行われているＩＰ（Internet Protocol）パケットのルーティング等の処理や制御を、光信号のままで行うことが想定されている。こうした電気信号を介さないフォトニックパケットネットワークが実現されれば、単に通信や伝送の高速化・大容量化が図れるのみならず、大幅な低消費電力化や装置の小型化が可能となると見込まれる。
　フォトニックパケットネットワークを実現する上で、不可欠で且つ基本的なデバイスが、全光型の光スイッチ、光バッファメモリ、光フリップフロップなどである。光バッファメモリとしては様々な構成のものが提案されているが、その一つとして、特許文献１、非特許文献１、２などに記載された、偏光状態を切替え可能である偏光双安定面発光レーザを用いた光バッファメモリがある。また、それら文献には、個別の偏光双安定面発光レーザ、光アイソレータ、光ゲート、及び偏光子などにより構成された全光型シフトレジスタや、多数の偏光双安定面発光レーザを２次元アレイ状に集積化し、空間的に並列に光を入出力するようにした全光型シフトレジスタなども開示されている。さらにまた、特許文献２には、２次元アレイ状に配置された偏光双安定面発光レーザの出力光が隣接する別の偏光双安定面発光レーザに垂直に入力されるように光路を形成するべく光学素子の空間的配置等が工夫された、全光型シフトレジスタが開示されている。
　いずれにしても、光バッファメモリや全光型シフトレジスタなどのデバイスにおける基本的な構成要素は、偏光双安定面発光レーザである。一般に、面発光レーザは、半導体基板上に形成された活性層と、該活性層を挟み込むようにその下部及び上部にそれぞれ設けられた反射鏡とから構成される、基板に垂直な方向の共振器、を備える。面発光レーザにおいて、或る方向に振動している偏光を発している共振器に対して該偏光と振動方向が直交する偏光を入力すると、発振している偏光の振動方向が入力光と同じ方向に切り替わり、入力光がなくなっても発振している偏光状態は維持される、という偏光双安定性を示す場合がある。偏光双安定面発光レーザは、この偏光双安定性を有した面発光レーザである。
　面発光レーザにおいて高効率のレーザ発振を生じさせるためには、反射鏡が目的とする波長帯域に対し高い反射率を有している必要がある。そこで、従来の面発光レーザでは一般に、反射鏡として半導体多層膜による分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ＝Distributed Bragg Reflector）が利用されている。例えば、非特許文献１のＦｉｇ．８に開示されている偏光双安定面発光レーザにおいても、反射鏡として、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓによるＤＢＲが使用されている。
　しかしながら、ＤＢＲは半導体薄膜を多数積層させて形成したものであるため、充分に高い反射率を達成しようとすると或る程度厚くなることが避けられない。一般に面発光レーザでは活性層はかなり薄いため、ＤＢＲの厚さが面発光レーザの薄形化の制約要因となることが多い。即ち、従来のＤＢＲを反射鏡として使用すると、偏光双安定面発光レーザを薄形化することは難しく、該レーザを利用した光バッファメモリ等のデバイスの小形化も難しいという問題がある。
　また、従来の偏光双安定面発光レーザでは、双方向に偏光を切り替えるための光制御信号を共振器からの光の出力方向と同軸で入射する必要があり、全光型シフトレジスタなどのデバイスにおいては、偏光双安定面発光レーザが形成された半導体基板の上方空間に多数の光学素子を精度良く配置する必要があった。そのため、偏光双安定面発光レーザ自体を薄形化・小形化することができたとしても、全光型シフトレジスタ等のデバイスが大形化することは避けられない。さらにまた、このように多数の光学素子を空間的に配置した構成は、機械的振動に対する信頼性の点でも問題がある。
　ところで、近年、面発光レーザ用の反射鏡として、サブ波長オーダの厚さでありながら広い波長帯域に亘って高い反射率を実現できる高屈折率差サブ波長グレーティング（ＨＣＧ＝High-index Contrast subwavelength Grating）が注目され、盛んに研究されている。例えば非特許文献３には、半導体基板上に形成された低屈折率層の上に高屈折率物質によるストライプ状構造体が形成されてなるＨＣＧが開示されている。非特許文献３には、こうした構造のＨＣＧによれば、ストライプ状構造体の延伸方向に直交する方向（つまり幅方向）に振動する偏光に対して高い反射率を実現できることが記載されている。また、非特許文献４には、上述したようなストライプ状構造を有するＨＣＧを活性層の下側の下部反射鏡として用いた面発光レーザが開示されている。
　しかしながら、非特許文献３に記載されたＨＣＧは一つの直線偏光に対してのみ高い反射率が達成されるものであり、異なる方向の複数の直線偏光を扱う必要がある偏光双安定面発光レーザには適用することができない。また同様に、非特許文献４に記載の面発光レーザは、単に一つの直線偏光を有するレーザ光を出射するものであり、異なる方向の複数の直線偏光に対応したものではない。
特許第４３６９５７３号公報 特開２００８－２６２１２２号公報
河口、「偏光双安定ＶＣＳＥＬと光バッファメモリへの応用」、レーザー研究、社団法人レーザー学会発行、第37巻第8号、2009年8月、pp.608-613 河口、「双安定半導体レーザーによる光信号処理」、レーザー研究、社団法人レーザー学会発行、第40巻第5号、2012年5月、pp.369-374 カルロス（Carlos）ほか、「ウルトラブロードバンド・ミラー・ユージング・ロー-インデクス・クラデッド・サブウェイブレングス・グレーティング（Ultrabroadband Mirror Using Low-Index Cladded Subwavelength Grating）」、アイトリプルイー・フォトニクス・テクノロジー・レターズ（IEEE Photonics Technology Letters）、Vol.16、2004年、pp.518-520 チャン（Chung）ほか、「シリコン-フォトニクス・ライト・ソース・リアライズド・バイ・III-V/Si-グレーティング-ミラー・レーザ（Silicon-Photonics Light Source Realized by III-V/Si-Grating-Mirror Laser）」、アプライド・フィジックス・レターズ（Applied Physics Letters）、Vol.97、No.15、2010年、pp.15113 若林ほか、「サブ波長グレーティングを利用した広帯域ミラーの反射特性」、信学技報、電子通信情報学会発行、Vol.110、No.437、2011年3月、pp.7-12
　本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その第１の目的は、偏光双安定面発光レーザを薄形化・小形化することができ、また作製も容易である、レーザ用の反射鏡を提供することである。
　また、本発明の第２の目的は、例えば光スイッチや全光型シフトレジスタなどのデバイスを小形化することができ、機械的振動に対しても高い信頼性を確保することができる面発光レーザ装置を提供することである。
　本願発明者らは、非特許文献３、４に記載されているようなＨＣＧが広い波長帯域に亘り高い反射率を達成できることに着目し、偏光に依存せずに高い反射率を実現可能なＨＣＧによる反射鏡の研究・開発を鋭意進めている。その中で、本願発明者らは、従来の１次元周期構造を有するＨＣＧを２次元周期構造に拡張する手法に想到し、さらに実際の面発光レーザへの実装の容易性やコストを考慮した上で、シミュレーション計算などによる検討を重ねて本発明をするに至った。
　即ち、上記課題を解決するために成された第１発明は、面発光レーザにおいて光を発生する活性層とともに共振器を形成するために用いられる高屈折率差グレーティング（ＨＣＧ）構造による反射鏡であって、
　a)第１屈折率を有し平面状に広がる領域を占める低屈折率層と、
　b)前記低屈折率層の一方の面に接するように配置され、前記第１屈折率よりも大きい第２屈折率を有する材料からなり、該低屈折率層に直交する軸に対して90°の回転対称性を有する井桁状の２次元格子構造体と、
　を有し、前記軸の方向に沿って入射される任意の偏光を有する光に対し、目的とする波長帯域に亘り反射率が所定以上であるように、前記第１屈折率、前記第２屈折率、前記低屈折率層の厚さ、前記２次元格子構造体の厚さ、該２次元格子構造体の格子のピッチ、及び格子幅を含むパラメータが調整されてなることを特徴としている。
　第１発明に係るレーザ用反射鏡において、低屈折率層は第２屈折率よりも小さい第１屈折率を有する様々な材料からなるものとすることができる。例えばＳｉＯ2（酸化シリコン）など半導体プロセスでごく一般に用いられる材料のほか、より屈折率の小さな空気を材料とすることもできる。低屈折率層を空気からなる層とする場合、反射鏡はスペーサ層を用いたエアブリッジ構造となる。
　第１発明に係るレーザ用反射鏡において、低屈折率層の一方の面に接するように配置された井桁状の２次元格子構造体は、その低屈折率層に直交する軸に対して90°の回転対称性を有する。そのため、該軸に沿って入射する光が偏光Ｅx(0°)、又はこれに直交する偏光Ｅy(90°)のいずれであっても入射条件は等しく、同等の反射特性が得られる。つまりは、偏光に依らずに高い反射率が達成される偏光無依存の反射鏡となる。
　本発明に係るレーザ用反射鏡と同様に、非特許文献３、４などに開示された１次元周期構造を有するＨＣＧを２次元周期構造に拡張したＨＣＧとして、非特許文献５に記載のものが知られている。しかしながら、非特許文献５に記載の２次元周期構造を持つＨＣＧは、低屈折率層の上に、高屈折率材料からなる多数の正四角柱体が２次元格子状に配置された構造を有する。そのため、低屈折率層を空気層としたエアブリッジ構造を採ることはできない。ＨＣＧにおいて反射率を高めるには、低屈折率層を構成する材料の屈折率（第１屈折率）と２次元格子構造体を構成する材料の屈折率（第２屈折率）との差が大きいほうが有利である。空気はＳｉＯ2等、空気以外で考えられる材料に比べて屈折率がかなり小さい。したがって、面発光レーザへの実装、特に面発光レーザの活性層の上側に配置される上部反射鏡への適用を考えた場合、エアブリッジ構造を採り得ることは大きな利点である。
　また上記課題を解決するために成された第２発明は、第１発明に係るレーザ用反射鏡を用いた面発光レーザ装置であって、
　半導体基板と、
　該半導体基板上に形成された下部反射鏡、該下部反射鏡の上に配置された光を発生する活性層、及び該活性層の上に形成された上部反射鏡、からなる共振器と、
　を備え、前記下部反射鏡又は前記上部反射鏡の少なくともいずれか一方として上記レーザ用反射鏡を用いたことを特徴としている。
　第２発明に係る面発光レーザ装置では、好ましくは、下部反射鏡、上部反射鏡ともに第１発明に係るレーザ用反射鏡を用いるとよいが、いずれか一方のみに該レーザ用反射鏡を用い、他方にはＤＢＲなどの他の構造の反射鏡を用いてもよい。ＨＣＧ構造による反射鏡はＤＢＲと比べて薄いため、第２発明に係る面発光レーザ装置によれば、共振器を薄形化することで当該面発光レーザ装置自体を薄形にすることができる。
　また第２発明に係る面発光レーザ装置の好ましい形態として、
　少なくとも前記下部反射鏡として第１発明に係るレーザ用反射鏡が用いられ、該反射鏡に含まれる２次元格子構造体が、前記半導体基板上に形成されている一つの半導体層に形成されるとともに、該半導体層に光を導く光導波路が形成され、
　当該レーザ装置で生成された光を前記光導波路を通して送出可能とする構成とすることができる。
　即ち、この形態による面発光レーザ装置は、共振器が光導波路に直結された光導波路結合型の面発光レーザであり、共振器内で生成され、共振器に閉じ込められた光を上部反射鏡を通して上部空間へと出射させる以外に、下部反射鏡を通してこれに結合された光導波路へと光を送り出すことが可能である。そのため、例えば、光導波路を介して複数の面発光レーザを接続する構成を採ることで、或る一つの面発光レーザの共振器に閉じ込められた光を、上部空間を通してではなく光導波路を通して別の面発光レーザに伝搬し、該面発光レーザの共振器に移送することができる。即ち、複数の面発光レーザ間で光出力を伝送する際に、上部空間を利用する必要がない。
　なお、光導波路は面発光レーザ光出力の偏光を切り替えるための光制御信号の伝送にも使用することが可能である。各面発光レーザの光出力の伝送と光制御信号の伝送との両方に光導波路を使用すれば、面発光レーザの上方空間に光学素子を配置する必要がなくなり、装置の大幅な薄形化・小形化が図れる。その反面、光導波路の構造がかなり複雑になり、製造が難しくなる。そこで、光導波路は各面発光レーザの光出力の伝送に利用し、当該レーザ装置の共振器に閉じ込められた光の偏光を切り替えるための光制御信号は、上部反射鏡の外側から前記軸の方向に沿って入射するようにしてもよい。
　例えば偏光双安定面発光レーザを利用した光バッファメモリでは、各面発光レーザの光出力の偏光を切り替えるための光制御信号を共振器に対し入射する必要があるが、上記形態による面発光レーザを用いれば、光制御信号の入射は上部空間から行い、光出力の取り出しは光導波路を用いて行うことができる。それにより、光バッファメモリやこれを利用した全光型シフトレジスタなどのデバイスを構成する際に、上部空間に配置する光学素子を従来よりも減らすことができ、これらデバイスを小形化するのに有利である。また、空間的に配置される光学素子が減ることで、こうしたデバイスの機械的振動に対する信頼性も向上する。
　上記形態による面発光レーザ装置の第１の態様として、前記光導波路は、前記下部反射鏡に含まれる２次元格子構造体を含んで一直線状に延伸され、当該レーザ装置の共振器から特定の偏光のみを前記光導波路を通して送出可能とした構成とすることができる。
　また上記形態による面発光レーザ装置の第２の態様として、前記光導波路は、前記下部反射鏡に含まれる２次元格子構造体が交点に位置する井桁状に配設され、当該レーザ装置の共振器から互いに異なる振動方向の偏光をそれぞれ異なる方向へ延伸する前記光導波路へ送出可能とした構成とすることもできる。
　第１及び第２のいずれの態様の面発光レーザ装置においても、光導波路上に複数の面発光レーザを配置した場合、各面発光レーザの共振器に閉じ込められている偏光の状態に応じて、複数の面発光レーザ間の光結合状態が変化する。したがって、例えば、直線状に延伸する光導波路上に配置された複数の面発光レーザを光結合し、注入同期させることで、各面発光レーザで発振する特定偏光の波長を揃え、高出力のアレイレーザを実現することができる。また、一部の面発光レーザに入射する光制御信号を切り替えて該面発光レーザで発振している偏光を切り替えることで、光導波路上で強く結合する面発光レーザの数が変わり、光導波路を通して取り出される光の出力（エネルギ）を変化させることもできる。
　また、第１の態様の面発光レーザ装置によれば、光制御信号の偏光に応じて光導波路から取り出す光出力をオン又はオフする光スイッチを実現することができる。一方、第２の態様の面発光レーザ装置によれば、光制御信号の偏光に応じて、或る一つの面発光レーザから二つの方向に延伸する光導波路のいずれかに選択的に光を出力する光スイッチを実現することができる。さらにまた、光制御信号の偏光に応じて、或る一つの面発光レーザの共振器に閉じ込められている光を隣接する別の複数の面発光レーザのいずれかに転送するシフトレジスタ機能を実現することができる。
　また上述したように第１発明に係るレーザ用反射鏡は低屈折率層を空気層としたエアブリッジ構造を採ることが可能であることから、第２発明に係る面発光レーザ装置では、前記上部反射鏡として前記レーザ用反射鏡が用いられ、該反射鏡に含まれる２次元格子構造体と活性層との間に位置する低屈折率層が空気層であるエアブリッジ構造を有してなる構成とすることができる。
　半導体レーザの製造工程では、多数のレーザについて、一括で結晶成長させた層の一部を選択的にエッチングすることで、低屈折率層を空気層としたエアブリッジ構造を形成することは比較的容易である。そのため、コスト上昇を抑えながら上部反射鏡の反射率を高め、レーザの発振効率を高めることができる。
　第１発明に係るレーザ用反射鏡によれば、従来のＤＢＲに比べて薄形化しても、高い反射率の偏光無依存の反射鏡を実現することができる。また、第１発明に係るレーザ用反射鏡によれば、空気層を低屈折率層としたエアブリッジ構造を採ることができ、それによって高い反射率を示す反射鏡をより容易に製造することが可能である。さらにまた、第１発明に係るレーザ用反射鏡は、非特許文献５等に記載の２次元周期構造を持つＨＣＧとは異なり、２次元格子構造体の全体にレーザ発振のための電流を流すことができるので効率的な発振に有利であり、その面積も広いため放熱が良好であるという利点を有する。
　第２発明に係る面発光レーザ装置によれば、従来よりも薄形の偏光双安定面発光レーザを実現することができる。また、特に導波路結合型の構成とした場合には、面発光レーザの上方空間に配置される光学素子を少なくすることができ、該面発光レーザを用いた光バッファメモリ、全光型シフトレジスタなどのデバイスを薄形化、小形化することができる。また空間的に配置される光学素子が少なくなることで、機械的振動に対し強くなり、信頼性が向上する。また、複数の面発光レーザの光出力同士の光結合を偏光により制御することが可能であるので、高い集積度を実現しながら光のままでの様々な論理演算処理や安定的なバッファリングなどが可能となる。
本発明に係るレーザ用反射鏡の一実施例である偏光無依存ＨＣＧの概略斜視構造図。 図１に示した偏光無依存ＨＣＧの一例における反射スペクトルのシミュレーション結果を示す図。 本発明に係るレーザ用反射鏡を用いた偏光双安定面発光レーザの一実施例の概略斜視構造図。 図３に示した偏光双安定面発光レーザを２次元的に配置した場合の概略斜視構造図。 図３に示した偏光双安定面発光レーザを１次元的に配置した構成における動作説明図。 図３に示した偏光双安定面発光レーザを２次元的に配置した構成における動作説明図。 図３に示した偏光双安定面発光レーザを用いた２次元シフトレジスタの構成の一例を示す図。 図３に示した偏光双安定面発光レーザを用いた２次元シフトレジスタの構成の他の例を示す図。 図３に示した偏光双安定面発光レーザを用いたシフトレジスタの１ビットメモリの動作タイミング図。 試作した偏光無依存ＨＣＧのＳＥＭ観察像。 試作した偏光無依存ＨＣＧの電力反射スペクトルの計算結果を示す図。 試作した偏光無依存ＨＣＧの反射率スペクトルの実測結果を示す図。 試作した偏光無依存ＨＣＧの、波長1.45[μm]、1.50[μm]及び1.55[μm]における反射率の偏光方向依存性を示す図。 光出力特性計算のために想定した偏光双安定面発光レーザの概略断面図。 図１４中のMonitor X（及びMonitor Y）における光強度及び電磁界分布の計算結果を示す図。 レーザ発振状態での面発光出力に対する光導波路出力のパワー比をメサ部の中心点からの距離ｄに対して計算した結果を示す図。 距離ｄ＝６[μm]のときの計算領域全体の電磁界分布の計算結果を示す図（ａ）、及びＳｉ層中央での電磁界分布（実線）とメサ部での０次モード分布との計算結果を示す図（ｂ）。
　まず、本発明に係るレーザ用反射鏡の一実施例について、添付図面を参照しつつ説明する。図１は本実施例のレーザ用反射鏡の概略斜視図である。
　この反射鏡１０は、高屈折率材料からなる２次元周期構造が上面視井桁状である高屈折率差サブ波長グレーティング（ＨＣＧ）である。具体的には、反射鏡１０は、図１中のＺ軸方向に、シリコン（Ｓｉ）等の材料からなる半導体基板１１と、該半導体基板１１上の低屈折率材料（屈折率ｎL）からなる低屈折率層１２と、該低屈折率層１２上に形成された高屈折率材料（屈折率ｎg）からなる上面視井桁状の２次元格子構造体１３と、を有する。低屈折率層１２の厚さはＴLであり、２次元格子構造体１３の厚さはＴgである。また、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向ともに、２次元格子構造体１３の格子部の幅はＷ、格子部のピッチはΛである。即ち、２次元格子構造体１３は半導体基板１１に直交する軸（Ｚ軸方向に延伸する軸）を中心に90°の回転対称性を有している。したがって、この反射鏡１０は、図１中に示すように、上方からＺ軸に沿って入射する光の偏光方向に依存しない反射特性を有する、つまりは偏光無依存のＨＣＧであり、例えば、二つの直交する直線偏光Ｅx（Ｘ軸方向に振動）及びＥy（Ｙ軸方向に振動）で同じ反射率をもつ。
　図１に示した偏光無依存ＨＣＧの特性を確認するために、各パラメータを、Λ＝556[nm]、Ｗ＝178[nm]、Ｔg＝270[nm]、ＴL＝630[nm]、ｎg＝3.5、ｎL＝1、としたときの反射スペクトルを計算機シミュレーションにより求めた。その結果を図２に示す。ここで、計算には、代表的な有限差分時間領域（ＦＤＴＤ＝Finite-Difference Time-Domain）法ソフトウエアであるＭＥＥＰを用いた。また、境界条件としては、面内方向に周期境界条件、面に直交する方向には吸収境界条件（ＰＭＬ＝Perfectly Matched Layer）を用い、入射平面波は図１においてＺ軸に沿って上方から入射するようにした。
　図２で明らかなように、波長0.97[μm]を中心として80[nm]程度の波長範囲で高反射率帯が存在している。これは、ＤＢＲで実現可能な高反射率帯幅と同程度である。また、高反射率帯での反射率は99.5％を超えており、面発光レーザ用の反射鏡として充分な反射特性であるといえる。一方、例えば非特許文献１に記載したＤＢＲの厚さは６[μm]であるのに対し、上記例の２次元格子構造体１３の厚さＴgは270[nm]であって格段に薄い。即ち、本実施例のレーザ用反射鏡は、従来のＤＢＲと同等の反射特性を実現しつつ、格段に薄くすることができる。
　次に、本発明に係る面発光レーザ装置の一実施例として、上述した偏光無依存ＨＣＧを用いた偏光双安定面発光レーザについて説明する。図３は本実施例の偏光双安定面発光レーザの概略斜視構造図である。この偏光双安定面発光レーザ３０では、活性層を上下から挟む二つの反射鏡としていずれも偏光無依存ＨＣＧが用いられている。
　即ち、Ｓｉ基板２１と表面Ｓｉ層２３との間にＳｉＯ2層２２が挿入された構造であるＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板２０にあって、その表面Ｓｉ層２３に、ＳｉＯ2層２２を低屈折率層として下側反射鏡を構成する２次元格子構造体３７、つまりは偏光無依存ＨＣＧが形成されている。また、偏光双安定面発光レーザ３０が形成されている個所以外の表面Ｓｉ層２３は部分的に除去され、その残された表面Ｓｉ層２３により、レーザ発振により生じた光を伝播させる、断面が略矩形状の光導波路２４が形成されている。
　表面Ｓｉ層２３の上には、ＳｉＯ2層３１を間に挟んで、下から（Ｓｉ基板２１側から）順に、ｎ型インジウム・リン（ｎ－ＩｎＰ）層３２、インジウム・リン／インジウム・ガリウム・ヒ素・リン（ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ）層３３、ｐ型インジウム・リン（ｐ－ＩｎＰ）層３４が設けられ、これにより、ごく薄い半導体層をそれよりもバンドギャップの大きい層で両側から挟み込んだＭＱＷ（Multiple Quantum Well）構造の活性領域を形成している。そして、ｐ－ＩｎＰ層３４の上にはｐ型インジウム・ガリウム・ヒ素・リン（ｐ－ＩｎＧａＡｓＰ）層３５をスペーサとする空気層３６が形成され、その上に該空気層３６を低屈折率層として上側反射鏡を構成するｐ型インジウム・リン（ｐ－ＩｎＰ）層による２次元格子構造体３８が形成されている。
　図示するように、ｎ－ＩｎＰ層３２の下半分よりも上に設けられている各層は上面視で略正方形状になるように加工され、その側面はポリイミドからなる埋込み部３９で被覆されている。そして、埋め込み部３９よりも上部の２次元格子構造体３８であるｐ－ＩｎＰ層が露出した個所にｐ電極４０が設けられ、ｎ－ＩｎＰ層３２の露出した個所にｎ電極４１が設けられることで、１個の偏光双安定面発光レーザ３０が形成されている。このｐ電極４０及びｎ電極４１からＭＱＷ構造の活性領域中に電流を注入する。これにより、活性領域が光学利得を持ち、下側反射鏡である２次元格子構造体３７と上側反射鏡である２次元格子構造体３８との間でレーザ発振が生じる。
　この活性領域及び上下の反射鏡により形成される共振器において生成されたレーザ光は、振動方向がＹ軸方向である偏光Ｅy(90°)と振動方向がＸ軸方向である偏光Ｅx(0°)とのいずれかとなる。そして、上述したように、その偏光はＺ軸に沿って上方から入射される別の光制御信号の偏光に応じて切り替わる。これは、従来の偏光双安定面発光レーザと同様である。本実施例の偏光双安定面発光レーザの特徴点の一つは、偏光双安定面発光レーザ３０の共振器と光導波路２４ｘ、２４ｙとが結合しているために、共振器に閉じ込められた光の一部である光出力がＺ軸に沿って上方に射出されるとともに、その光出力が光導波路２４ｘ、２４ｙにも射出されることである。
　この実施例では、光導波路２４ｘはＸ軸方向に延伸するように、光導波路２４ｙはＹ軸方向に延伸するようにそれぞれ形成され、その交点の位置に偏光双安定面発光レーザ３０が設けられている。そこで、図６、図７及び図８に示すように、互いに直交する光導波路２４ｘ、２４ｙを上面視井桁状に形成し、各交点位置にそれぞれ偏光双安定面発光レーザ３０（図６では３０Ａ１、３０Ａ２、…）を配置した偏光双安定面発光レーザアレイ構造とすることができる。
　図４は、Ｘ軸方向に延伸する光導波路２４ｘ上に２個の偏光双安定面発光レーザ３０Ａ、３０Ｂが配置されている状態を示す概略斜視構造図である。図３、図４に示すように、光導波路２４ｘは振動方向がＹ軸方向である偏光Ｅy(90°)と強く結合し、他方、光導波路２４ｙは振動方向がＸ軸方向である偏光Ｅx(0°)と強く結合する。そのため、例えば図４において、偏光双安定面発光レーザ３０Ａの共振器内での偏光がＥy(90°)であるとき、その偏光の一部は光導波路２４ｘに大きなエネルギを有して出力されるのに対し、光導波路２４ｙには殆ど出力されず無視できる程度である。逆に、偏光双安定面発光レーザ３０Ａの共振器内での偏光がＥx(0°)であるとき、その偏光の一部は光導波路２４ｙに大きなエネルギを有して出力されるのに対し、光導波路２４ｘには殆ど出力されず無視できる程度である。
　即ち、Ｘ軸方向又はＹ軸方向の一方の軸方向に延伸する光導波路２４ｘ又は２４ｙに着目すれば、偏光双安定面発光レーザ３０Ａから該光導波路２４ｘ又は２４ｙへの光出力は偏光に応じてオン・オフされることになる。また、両方の光導波路２４ｘ、２４ｙに着目すれば、偏光双安定面発光レーザ３０Ａからそれら光導波路２４ｘ、２４ｙへの光出力は偏光に応じて切り替わることになる。上述したように、偏光双安定面発光レーザ３０で発振する偏光は外部から供給される光制御信号の偏光により切り替わるから、上記のような光導波路２４への光出力のオン・オフや光出力する光導波路２４ｘ、２４ｙの切り替えは、偏光双安定面発光レーザ３０に入射する光制御信号の偏光によって制御可能である。
　図５は、図３に示した偏光双安定面発光レーザを１次元的に配置した構成例における動作説明図である。この例では、複数の偏光双安定面発光レーザ３０Ａ、３０Ｂ、…をＸ軸方向に延伸する１本の光導波路２４ｘ上に配置している。図５（ａ）に示すように、偏光双安定面発光レーザ３０Ａで発振している偏光がＥy(90°)である場合には、偏光双安定面発光レーザ３０Ａから光導波路２４ｘに光が出力され、隣接する偏光双安定面発光レーザ３０Ｂに入力されることにより、該面発光レーザ３０Ｂの偏光が前段の面発光レーザ３０Ａの偏光と同じＥy(90°)に切り替わる。このような偏光スイッチングが順々に行われ、全ての偏光双安定面発光レーザ３０Ａ、３０Ｂ、…の偏光が同一になる。一方、図５（ｂ）に示すように、各偏光双安定面発光レーザ３０Ａの偏光がＥx(0°)である場合には、偏光双安定面発光レーザ３０Ａから光導波路２４ｘに光が出力されない。したがって、偏光双安定面発光レーザ３０Ａにおける偏光がＥx(0°)である場合には、隣接する偏光双安定面発光レーザ３０Ｂに光信号が伝送されないことになる。
　また、全ての偏光双安定面発光レーザ３０Ａ、３０Ｂ、…における偏光を単にＥy(90°)に揃えるだけでなく、全ての偏光双安定面発光レーザ３０Ａ、３０Ｂ、…の偏光が揃うことにより注入同期現象が生じ、全ての偏光双安定面発光レーザ３０Ａ、３０Ｂ、…の発振光の波長も同一にすることができる。各偏光双安定面発光レーザ３０Ａ、３０Ｂ、…から光導波路２４ｘに出力される光の波長が同一であると、各々の共振器からＺ軸方向に（つまり自由空間に）出射される光が加算され、高出力のレーザ光を得ることができる。
　図６は、図３に示した偏光双安定面発光レーザを２次元的に配置した構成例における動作説明図である。この例では、Ｘ軸方向に延伸する光導波路２４ｘとＹ軸方向に延伸する光導波路２４ｙとの交点に複数の偏光双安定面発光レーザ３０Ａ１、３０Ｂ１、…を配置している。図６（ａ）に示すように、Ｘ軸方向の１本の光導波路２４ｘ上に配置されている偏光双安定面発光レーザ３０Ａ１で発振している偏光がＥy(90°)である場合には、光注入により他の偏光双安定面発光レーザ３０Ｂ１、３０Ｃ１、…が同一の偏光に切り替わる。このとき、Ｙ軸方向の光導波路２４ｙには光は出力されない。
　一方、図６（ｂ）に示すように、Ｙ軸方向の１本の光導波路２４ｙ上に配置されている偏光双安定面発光レーザ３０Ａ１で発振している偏光がＥx(0°)である場合には、各偏光双安定面発光レーザ３０Ａ１、３０Ａ２、…の偏光がＥx(0°)に揃う。このとき、Ｘ軸方向の光導波路２４ｘには光は出力されない。したがって、この２次元アレイ構成では、１本の光導波路２４ｘ又は２４ｙ上に配置された全ての偏光双安定面発光レーザの偏光をいずれかに揃えることで、光信号の伝送方向を切り替えることができる。また、上記１次元アレイ構成と同様に、１本の光導波路２４ｘ又は２４ｙ上に配置された全ての偏光双安定面発光レーザの偏光をいずれかに揃え、発振波長を揃えることで、面発光レーザの共振器から自由空間に直接放射される光の位相を揃え高出力のレーザ光を得ることができる。
　図７及び図８は、図３に示した偏光双安定面発光レーザを用いた２次元シフトレジスタの構成例を示す図である。シフトレジスタを構成する１ビットのメモリは、データを保持するメモリ部を有し、該メモリ部へのデータ入力（Data(90°)）と、メモリ部の記憶内容をリセットするリセット入力（Reset(0°)）と、メモリ部の記憶内容をセットするセット入力（Set(90°)）と、を有する。ここでは、偏光双安定面発光レーザは１ビットの情報（「０」又は「１」のデジタル二値情報）を偏光状態として記録する全光型のメモリ部として用いられる。図７に示した構成例は、データ信号光入力、リセット光入力、及びセット光入力がいずれも光導波路を通して行われるものであり、図８に示した構成例は、データ信号光入力及びリセット光入力は光導波路を通して行われ、セット光入力は偏光双安定面発光レーザの上部空間から与えられるものであり、基本的な動作は共通である。
　図９はシフトレジスタの１ビットメモリの動作タイミング図である。データ信号光の中でメモリ部に記録したいビットに合わせて偏光Ｅy(90°)であるセット光を入力する。データ信号光は二値の「０」が偏光Ｅx(0°)、二値の「１」が偏光Ｅy(90°)である。データ信号光とセット光は合波され、その両者の光強度を加算した強度の光が偏光双安定面発光レーザの共振器に入力される。図９に示すように、いま、偏光双安定面発光レーザの発振偏光がＥx(0°)である状態で、データ信号光の中のビットａ4を記録したい場合、ビットａ4の入力タイミングに同期してセット光を入力すると、合波された偏光Ｅy(90°)の強度は切替閾値を超える。これにより、発振偏光はＥx(0°)からＥy(90°)に切り替わる。即ち、データ値「１」が発振偏光Ｅy(90°)として記録される。
　切替閾値を超えるように光強度が設定された偏光Ｅx(0°)であるリセット光を入力すると、発振偏光はＥy(90°)からＥx(0°)に切り替わる。その状態で、データ信号光の中のビットｂ4を記録したい場合、ビットｂ4の入力タイミングに同期してセット光を入力すると、このときにデータ信号光は零であるから、合波された偏光Ｅy(90°)の強度は切替閾値を超えない。これにより、発振偏光はＥx(0°)に維持され、データ値「０」が発振偏光Ｅx(0°)として記録されることになる。このようにして、データ信号光が「０」又は「１」のいずれであるかによって、偏光双安定面発光レーザの発振偏光がＥx(0°)又はＥy(90°)に定まる。
　図７及び図８に示した２次元シフトレジスタでは、偏光双安定面発光レーザが井桁状に組まれた光導波路の交点位置に配置され、さらに各偏光双安定面発光レーザに対しそれぞれ独立にセット光入力が可能となっているので、始めにデータが記録された偏光双安定面発光レーザ（図７、図８中の左上に位置するレーザ）から発振偏光の状態に応じてデータ値を選択的にＸ軸方向又はＹ軸方向に隣接する偏光双安定面発光レーザに転送することが可能である。
　なお、シフトレジスタ動作は図７、図８のいずれの構成でも共通であるが、図８に示すようにセット光入力を面発光レーザの上方から入力するほうが、光導波路が煩雑にならず集積度が向上し、また、光ゲートなどの他の素子を組み込み易いという利点がある。一方、装置の薄形化・小形化という点では図７に示すように、セット光入力を含め全ての光の入出力を基板上で行えるようにしたほうがよい。
　次に、本願発明者らが実際に試作した偏光無依存ＨＣＧの構造とその実測特性について説明する。試作した波長無依存ＨＣＧの構造上のパラメータを表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 　ＨＣＧの作製手順としては、まずＳＯＩ基板の表面に電子線レジストを塗布し、そのレジスト上に電子線描画装置を用いて所定のＨＣＧパターンを形成した後、反応性イオンエッチングを行うことで２次元格子構造体の空隙部分を形成した。試作した偏光無依存ＨＣＧのＳＥＭ観察像を図１０に示す。
　図１１は、試作した偏光無依存ＨＣＧの電力反射スペクトルを、有限差分時間領域法を用いて計算した結果を示す図である。計算の境界条件としては、２次元格子構造体の面内方向には周期境界条件、この面に直交する面直方向には吸収境界条件を用いた。上述したように、偏光無依存ＨＣＧの構造は面に直交する軸を中心に90°回転対称性を有しているため、原理的には入射偏光に拘わらず、図１１に示したような高反射率波長帯が実現できる筈である。
　図１２は試作した偏光無依存ＨＣＧの反射率スペクトルの実測結果である。この実測では、波長帯域の広い光源からの光を直線偏光子を通した後、約100[μm]径に集光して偏光無依存ＨＣＧに入射した。そして、その反射光をＩｎＧａＡｓアレイ分光器に導入し、偏光無依存ＨＣＧを入射直線偏光に対して30°間隔で以て回転させながらそれぞれ反射率スペクトルを測定した。図１２をみると、1.43[μm]～1.58[μm]の波長帯域において100％に近い高い反射率が得られていることが分かる。
　図１３は、1.45[μm]、1.50[μm]及び1.55[μm]の各波長における反射率の偏光方向依存性をまとめた結果である。各波長において電力反射率には10％程度の変動がみられる。この変動は主に、偏光無依存ＨＣＧを取り付けた台の回転中心と試料の位置とのずれによるものと推測できる。なお、図１２で観測される波長1.58[μm]より長波長側での反射率の低下は、測定に用いた分光器の感度の低下に起因するもの（つまりは測定上の制約）であって試作した偏光無依存ＨＣＧ自体の電力反射率の低下によるものではないと推測できる。
　以上の実測結果から、試作した偏光無依存ＨＣＧの反射率の偏光依存性は充分に小さいと結論付けることができる。これにより、1.55[μm]の波長帯において偏光無依存である広帯域高反射率特性を実現できることが確認できた。
　続いて、図３、図４に示したように、下側反射鏡を構成する２次元格子構造体を介して共振器が光導波路と結合している構造の偏光双安定面発光レーザの光出力特性のシミュレーション計算による検討結果について説明する。
　図１４はここで想定した偏光双安定面発光レーザの概略断面図である。この偏光双安定面発光レーザでは、下側反射鏡として上述したような偏光無依存ＨＣＧを用いる一方、上側反射鏡としてはＤＢＲを用いている。図１４には、図３、図４に示した構造における構成要素に相当する部分に同じ符号を付している。即ち、Ｓｉ基板２１と表面Ｓｉ層２３との間にＳｉＯ2層２２が挿入された構造であるＳＯＩ基板２０にあって、その表面Ｓｉ層２３に２次元格子構造体３７つまり偏光無依存ＨＣＧ及び光導波路２４を形成し、その上にＳｉＯ2接合層３１を介して活性領域（Active region）が配置されている。そして、その上にはＨＣＧではなくＤＢＲが配置されている。なお、ＳｉＯ2接合層３１と活性領域との間に配置されたＤＢＲは、素子作製時に生じる活性領域の劣化を防止するためのものである。
　１個の偏光双安定面発光レーザに対応する偏光無依存ＨＣＧの格子の周期数は６、光導波路の幅は5.3[μm]である。そして、波長1.55[μm]において反射率が最大になり、共振波長が1.55[μm]になるようにそのほかの構造上のパラメータを最適化した。具体的には、偏光無依存ＨＣＧの各パラメータは、Λ＝884[nm]、Ｗ＝178[nm]、Ｔg＝400[nm]、ＤＣ（ＨＣＧの１周期あたりにＳｉ部分が占める割合）＝0.32、ＴL1＝1000[nm]、ＴL2＝540[nm]である。活性領域は、ＩｎＧａ0.24Ａｓ0.82Ｐ（5.4[nm]）／ＩｎＧａ0.22Ａｓ0.48Ｐ（8.6[nm]）から成る９つの量子井戸及びＩｎＰスペーサで構成されており、ゲインは考慮していない。この活性領域下側のＤＢＲは2.5組のＩｎＰ／ＩｎＧａ0.34Ａｓ0.74Ｐから成り、上側ＤＢＲは8.5組のＩｎＰ／ＩｎＧａ0.34Ａｓ0.74Ｐと６組のＡｌ0.16ＧａＡｓ／Ａｌ0.90ＧａＡｓから成る。さらに、入射光はＥx(0°)直線偏光でガウス型の平面波であり、その強度が１／ｅ2になる全幅を３[μm]とした。なお、図１４の紙面に直交するｙ軸方向も、図１４に示したものと同じ構造である。
　また、光導波路２４の出力は、光導波路２４の始点からＸ軸方向に10[μm]離して配置したMonitor X、及び軸方向に10[μm]離して配置したMonitor Ｙ（図示せず）において観測した。一方、計算領域は図１４中に太い一点鎖線で示した吸収境界条件で規定しており、計算メッシュの大きさは30[nm]である。ただし、量子井戸など30[nm]以下の領域では各膜層の厚さに相当するメッシュを配置している。そして、計算には、市販の３次元有限差分時間領域シミュレータであるSynopsys社製のFullWAVEを用いた。
　図１５は、観測位置Monitor X及びMonitor Yにおける光強度及び電磁界分布の計算結果を示す図である。なお、光強度はMonitor Yにおける強度の最大値、電磁界振幅はMonitor YにおけるＥx及びＨzの最大値で規格化している。この図を見ると、Ｅx(0°)偏光が入力されたとき、Ｙ軸方向の光導波路を伝搬する光強度はＸ軸方向の光導波路を伝搬する光強度よりも強いことが分かる。数値計算の結果では、このときＸ軸方向に比べてＹ軸方向の光導波路出力の方がパワーは4.5倍大きい。このパワーの差は、偏光によって出力する光導波路を選択できることを示している。また、このシミュレーションによって、両光導波路ともTEモードに近いモードで光が伝搬していることも判明した。
　なお、これに続く本発明者の検討によれば、光導波路を単一モードに近いものとすることによって、Ｙ軸方向の光導波路出力とＸ軸方向の光導波路出力とのパワー比を１：4.5から１：12程度まで拡大可能なことが分かった。このような大きなパワー比を実現することで、Ｙ軸方向の光導波路とＸ軸方向の光導波路との切り替えや選択を適切に且つ効率的に行うことができ、この偏光双安定面発光レーザがこうした切替えや選択を利用したデバイスに有効であるといえる。
　また、これに類似した構造の偏光双安定面発光レーザにおいて光導波路への結合効率も同じくシミュレーション計算により求めた。ここで想定した偏光双安定面発光レーザの構造は図１４に示したものに類似しており、ＳＩＯ基板のＳｉ層の上にＨＣＧ及び光導波路を形成し、その上にＳｉＯ2接合層を介して活性領域を配置している。その上のＤＢＲは20組の構造である。偏光無依存ＨＣＧのパラメータは、Λ＝632[nm]、Ｔg＝443[nm]、ＤＣ＝0.6、ＴL1＝1425[nm]、ＴL2＝470[nm]、である。これら各パラメータは、波長1.55[μm]において反射率が最大になり、共振波長が1.55[μm]になるように最適化した結果である。活性領域は、Ｉｎ0.76Ｇａ0.24Ａｓ0.82Ｐ0.18（5.4[nm]）／Ｉｎ0.78Ｇａ0.22Ａｓ0.48Ｐ0.52（8.6[nm]）から成る７つの量子井戸及びＩｎＰスペーサで構成されており、屈折率はそれぞれ3.51、3.33及び3.17である。Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ａｓ／Ａｌ0.90Ｇａ0.10ＡｓのＤＢＲ （屈折率はそれぞれ3.34、2.96）は最下層の5組を残して、上面視10[μm]□形状のメサ部を形成している。光導波路の始点は、このメサ部の中心位置からの距離ｄで定義している。
　また入射光源はメサ部の０次モードの強度分布を有するものとし、これを活性領域上に配置した。面発光レーザの面発光出力及び光導波路の出力は、図１４と同様に、ＤＢＲ上方でＤＢＲ最上層からＺ軸方向に500[nm]だけ離れたMonitor Oの位置、及び光導波路の始点からＸ軸方向に５[μm]離れたMonitor Cの位置で観測している。計算領域は吸収境界条件で規定しており、計算メッシュの大きさは50[nm]である。ただし、量子井戸など50[nm]以下の領域には各膜層の厚さに相当するメッシュを配置している。計算には上記例と同様に、Synopsys社製のFullWAVEを用いた。
　図１６はレーザ発振状態での面発光出力に対する光導波路出力のパワー比を距離ｄに対して示した図である。なお、各距離ｄにおいてゲインは閾値ゲインの1.3倍に設定している。発振モードと光導波路とが重なり始める５[μm]付近から短い距離ｄで光導波路の出力が大きくなっている。距離ｄ＝６[μm]ではメサ部と光導波路とは重なっていないものの、光導波路へ光が結合されていることが分かる。これは、レーザ発振モードがＨＣＧの位置においてはＸ軸方向の閉じ込めが弱く、メサ部の幅よりもやや広がっているためである。
　図１７（ａ）は距離ｄ＝６[μm]のときの計算領域全体の電磁界｜Ｈy｜2分布の計算結果、図１７（ｂ）はＳｉ層中央でのＨy分布（実線）と上面視10[μm]□のメサ部の０次モード分布（点線）の計算結果を示している。図１７（ｂ）から、ＨＣＧ内部におけるＨy分布がメサ部の０次モードよりもやや広がっていることが分かる。
　これら結果から、ここで検討した光導波路結合型の偏光双安定面発光レーザでは、面直方向のレーザ出力と光導波路への出力と比は、光導波路の始点における共振モードの強度によって決まり、メサ部の端部と光導波路の始点の位置を１[μm]程度の精度で合わせることにより、１～２％程度の光導波路への出力が得られることが確認できた。これによっても、上述したような偏光双安定面発光レーザを利用したデバイスでは、光導波路を通して充分に出力を伝播可能であることが分かる。
　なお、上記実施例はいずれも本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、追加などを行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。
１０…反射鏡
１１…半導体基板
１２…低屈折率層
１３…２次元格子構造体
２０…ＳＯＩ基板
２１…Ｓｉ基板
２２…ＳｉＯ2層
２３…表面Ｓｉ層
２４…光導波路
３０…偏光双安定面発光レーザ
３１…ＳｉＯ2層
３２…ｎ－ＩｎＰ層
３３…ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ層
３４…ｐ－ＩｎＰ層
３５…ｐ－ＩｎＧａＡｓＰ層
３６…空気層
３７、３８…２次元格子構造体
３９…埋め込み部
４０…ｐ電極
４１…ｎ電極

Claims (7)

  1. 　面発光レーザにおいて光を発生する活性層とともに共振器を形成するために用いられる高屈折率差グレーティング構造による反射鏡であって、
    　a)第１屈折率を有し平面状に広がる領域を占める低屈折率層と、
    　b)前記低屈折率層の一方の面に接するように配置され、前記第１屈折率よりも大きい第２屈折率を有する材料からなり、該低屈折率層に直交する軸に対して90°の回転対称性を有する井桁状の２次元格子構造体と、
    　を有し、前記軸の方向に沿って入射される任意の偏光を有する光に対し、目的とする波長帯域に亘り反射率が所定以上であるように、前記第１屈折率、前記第２屈折率、前記低屈折率層の厚さ、前記２次元格子構造体の厚さ、該２次元格子構造体の格子のピッチ、及び格子幅を含むパラメータが調整されてなることを特徴とするレーザ用反射鏡。
  2. 　請求項１に記載のレーザ用反射鏡を用いた面発光レーザ装置であって、
    　半導体基板と、該半導体基板上に形成された下部反射鏡、該下部反射鏡の上に配置された光を発生する活性層、及び該活性層の上に形成された上部反射鏡、からなる共振器と、を備え、前記下部反射鏡又は前記上部反射鏡の少なくともいずれか一方として前記レーザ用反射鏡を用いたことを特徴とする面発光レーザ装置。
  3. 　請求項２に記載の面発光レーザ装置であって、
    　少なくとも前記下部反射鏡として前記レーザ用反射鏡が用いられ、該反射鏡に含まれる２次元格子構造体が、前記半導体基板上に形成されている一つの半導体層に形成されるとともに、該半導体層に光を導く光導波路が形成され、
    　当該レーザ装置の共振器で生成された光を前記光導波路を通して送出可能としたことを特徴とする面発光レーザ装置。
  4. 　請求項３に記載の面発光レーザ装置であって、
    　前記光導波路は、前記下部反射鏡に含まれる２次元格子構造体を含んで一直線状に延伸され、当該レーザ装置の共振器から特定の偏光のみを前記光導波路を通して隣接する面発光レーザに入力し、その偏光を同一に切り替えることを特徴とする面発光レーザ装置。
  5. 　請求項３に記載の面発光レーザ装置であって、
    　前記光導波路は、前記下部反射鏡に含まれる２次元格子構造体が交点に位置する井桁状に配設され、当該レーザ装置の共振器から互いに異なる振動方向の偏光をそれぞれ異なる方向へ延伸する前記光導波路へ送出可能としたことを特徴とする面発光レーザ装置。
  6. 　請求項２～５のいずれかに記載の面発光レーザ装置であって、
    　前記上部反射鏡として前記レーザ用反射鏡が用いられ、該反射鏡に含まれる２次元格子構造体と活性層との間に位置する低屈折率層が空気層であるエアブリッジ構造を有してなることを特徴とする面発光レーザ装置。
  7. 　請求項２～６のいずれかに記載の面発光レーザ装置であって、
    　当該レーザ装置の共振器に閉じ込められた光の偏光を切り替えるための光制御信号を、前記上部反射鏡の外側から前記軸の方向に沿って入射するようにしたことを特徴とする面発光レーザ装置。
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