WO2023189523A1 - 面発光レーザ素子 - Google Patents

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WO2023189523A1
WO2023189523A1 PCT/JP2023/009788 JP2023009788W WO2023189523A1 WO 2023189523 A1 WO2023189523 A1 WO 2023189523A1 JP 2023009788 W JP2023009788 W JP 2023009788W WO 2023189523 A1 WO2023189523 A1 WO 2023189523A1
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WO
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layer
light
region
diffracted
diffraction
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PCT/JP2023/009788
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English (en)
French (fr)
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進 野田
卓也 井上
一樹 佐藤
崇子 藤原
渓 江本
朋朗 小泉
Original Assignee
国立大学法人京都大学
スタンレー電気株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/11—Comprising a photonic bandgap structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/185—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only horizontal cavities, e.g. horizontal cavity surface-emitting lasers [HCSEL]

Definitions

  • the present invention relates to a surface emitting laser device, particularly a surface emitting laser device having a photonic crystal.
  • Patent Document 1 discloses a photonic crystal surface emitting laser that has a single lattice photonic crystal and has a high diffraction effect.
  • Patent Document 2 discloses that the active layer has a multi-lattice photonic crystal layer, has high flatness and crystallinity, has high light extraction efficiency, and can perform oscillation operation with low threshold current density and high quantum efficiency.
  • a photonic crystal surface emitting laser is disclosed.
  • Patent Document 3 discloses a light guide structure including a central region and a peripheral region provided around the central region and having a smaller optical distance between the first and second multilayer reflective mirrors than the central region.
  • a vertical cavity light emitting device is disclosed.
  • Non-Patent Document 1 discloses a formulation of diffracted light of a photonic crystal surface emitting laser, a diffracted radiation wave profile that is diffracted in a photonic crystal layer and emitted in a direction perpendicular to the photonic crystal layer, etc. (FIG.1, FIG.4(b)).
  • a light guide layer with regions with different optical distances is provided inside the cavity to control the beam, allowing stable generation of high-power single-peak laser light.
  • the light guide layer had to be formed with consideration to the oscillation mode. The same is true when generating and emitting laser light having a multimodal intensity distribution (for example, Patent Document 3).
  • the present invention does not control the oscillation mode, but rather controls the diffracted light diffracted and emitted from the photonic crystal (PC) layer, that is, the already emitted light, to control the beam shape into a desired shape. This was done with a focus on This makes it possible to control the beam regardless of the laser oscillation mode. In other words, by using light that does not contribute to oscillation, the beam shape can be controlled easily and with high precision.
  • PC photonic crystal
  • the present invention has been made focusing on the above points, and provides a photonic crystal surface emitting laser that can easily and precisely control the beam shape and has excellent beam (transverse mode) stability up to high output. is intended to provide.
  • a surface emitting laser device includes: A translucent substrate, an n-type semiconductor layer provided on the substrate; an active layer provided on the n-type semiconductor layer; a p-type semiconductor layer provided on the active layer; a vacancy layer that is included in the n-type semiconductor layer and is a photonic crystal layer including vacancies arranged with two-dimensional periodicity in a plane parallel to the active layer; a light reflective layer provided on the p-type semiconductor layer and having a reflective surface; comprising a transparent conductor layer provided between the reflective surface and the p-type semiconductor layer, having a light emitting surface on the back surface of the substrate,
  • the void layer has a diffraction surface that is a wave source when diffracting light existing within the void layer in a direction perpendicular to the void layer, The first diffracted light is diffracted from the diffraction surface toward the light-emitting surface, and the second diffraction light is diffracted from the diffraction surface toward the light-re
  • the diffraction surface and the reflection surface have a mutually reinforcing region in which a distance is provided between the diffraction surface and the reflection surface so that the light intensity of the interference light is greater than the light intensity of the first diffracted light.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of the structure of a PCSEL element 10 according to a first embodiment of the present invention.
  • 1A is a partially enlarged cross-sectional view schematically showing a hole layer 14P (photonic crystal layer) and air holes 14K arranged in the hole layer 14P.
  • FIG. FIG. 2 is a plan view schematically showing the top surface of the PCSEL element 10.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a cross section of the void layer 14P in a plane parallel to the n-side guide layer 14.
  • FIG. 2 is a plan view schematically showing the lower surface of the PCSEL element 10.
  • FIG. 3 is a diagram showing the optical interference layer 31, the optical reflection layer 32, and the interference of diffracted light of the PCSEL element 10 of the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing slope efficiency ⁇ SE versus ⁇ v/ ⁇ p.
  • FIG. 7 is a diagram showing the dependence of slope efficiency ⁇ SE on phase difference ⁇ when Ag and Pd are used for the reflective metal layer.
  • FIG. 7 is a diagram showing calculation results of the electric field amplitude of a radiation wave in which light propagating in the x-axis direction within the void layer 14P is diffracted by the void layer and radiated in the vertical direction ( ⁇ z direction).
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between slope efficiency ⁇ SE and interference layer thickness with respect to phase difference ⁇ .
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a modified example of the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing a cross section, interference light intensity, and beam shape of a PCSEL element 50 according to a second embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing a cross section, interference light intensity, and beam shape of a PCSEL element 60 according to a third embodiment.
  • a photonic crystal surface-emitting laser (hereinafter also referred to as PCSEL) is a semiconductor light-emitting structure layer (n-side guide layer, light-emitting layer, p-side guide layer) that constitutes a light-emitting element. This is an element that has a resonator layer in a direction parallel to the resonator layer) and emits coherent light in a direction perpendicular to the resonator layer.
  • DBR lasers distributed Bragg reflector (DBR) lasers
  • PCSEL photonic crystal surface emitting lasers
  • a light wave propagating in a plane parallel to the photonic crystal layer is diffracted by the diffraction effect of the photonic crystal, forming a two-dimensional resonance mode, and It is also diffracted in the direction perpendicular to . That is, in a photonic crystal surface emitting laser, the light extraction direction is perpendicular to the resonance direction (in a plane parallel to the photonic crystal layer).
  • FIG. 1A is a cross-sectional view schematically showing an example of the structure of a photonic crystal surface emitting laser device (hereinafter also referred to as a PCSEL device) 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • a semiconductor structure layer 11 is formed on a transparent substrate 12.
  • the semiconductor layers are stacked perpendicularly to the central axis CX of the semiconductor structure layer 11.
  • the semiconductor structure layer 11 is made of a hexagonal nitride semiconductor.
  • the semiconductor structure layer 11 is made of, for example, a GaN-based semiconductor.
  • a semiconductor structure layer 11 consisting of a plurality of semiconductor layers is formed on the substrate 12, that is, an n-cladding layer (first cladding layer of the first conductivity type) 13, and an n-type guide layer provided on the n-side.
  • Side guide layer (first guide layer) 14 light distribution adjustment layer 23, active layer (ACT) 15, p-side guide layer (second guide layer) 16 which is a guide layer provided on the p side, electron barrier An electron blocking layer (EBL) 17, a p-cladding layer (second conductivity type second cladding layer) 18, and a p-contact layer 19 are formed in this order.
  • the first conductivity type and the second conductivity type are p type and n type, respectively. It may be.
  • the substrate 12 is a GaN single crystal substrate whose main surface is the +c plane, which is the ⁇ 0001 ⁇ plane with Ga atoms arranged on the outermost surface.
  • the substrate 12 is not limited thereto, it is preferable to use a just substrate or, for example, a substrate whose main surface is offset by about 1° in the m-axis direction.
  • a substrate offset by about 1° in the m-axis direction can provide mirror growth under a wide range of growth conditions.
  • the substrate surface (back surface, light emitting surface) on which the light emitting region 20L facing the main surface is provided is a "-c" plane, which is a (000-1) plane in which N atoms are arranged on the outermost surface.
  • the -c plane is suitable as a light extraction surface because it is resistant to oxidation and the like.
  • compositions, layer thickness, and other configurations of each semiconductor layer will be explained below, but these are merely examples and can be modified and applied as appropriate.
  • the n-cladding layer 13 is, for example, an n-type Al 0.04 Ga 0.96 N layer (layer thickness: 2 ⁇ m) with an Al composition of 4%.
  • the n-side guide layer 14 includes a lower guide layer 14A, an air-hole layer 14P which is a photonic crystal layer (PC layer), and a buried layer 14B.
  • the n-side guide layer 14 is, for example, n-type GaN (layer thickness: 360 nm).
  • the lower guide layer 14A of the n-side guide layer 14 is made of n-type GaN (layer thickness: 200 nm).
  • the air-hole layer 14P has a layer thickness (or the depth of the air-holes 14K) of 90 nm.
  • the buried layer 14B is n-type GaN (layer thickness: 90 nm).
  • the light distribution adjustment layer 23 is an undoped In 0.03 Ga 0.97 N layer (layer thickness: 50 nm).
  • the light distribution adjustment layer 23 functions as an adjustment layer for adjusting the coupling efficiency (light field) between light and the hole layer 14P.
  • the active layer 15, which is a light emitting layer, is, for example, a multiple quantum well (MQW) layer having two quantum well layers.
  • the MQW barrier layer and quantum well layer are GaN (layer thickness: 6.0 nm) and InGaN (layer thickness: 3.0 nm), respectively. Furthermore, the emission wavelength of the active layer 15 is 435 nm.
  • the p-side guide layer 16 consists of a p-side guide layer (1) 16A and a p-side guide layer (2) 16B.
  • the p-side guide layer (1) 16A is an undoped In 0.02 Ga 0.98 N layer (layer thickness: 70 nm)
  • the p-side guide layer (2) 16B is an undoped GaN layer (layer thickness: 180 nm).
  • the p-side guide layer 16 is an undoped layer in consideration of light absorption by a dopant (Mg: magnesium, etc.), but may be doped to obtain good electrical conductivity. Further, in order to adjust the electric field distribution in the oscillation operation mode, the In composition and layer thickness of the p-side guide layer (1) 16A can be appropriately selected.
  • a dopant Mg: magnesium, etc.
  • the electron barrier layer (EBL) 17 is an Al 0.2 Ga 0.8 N layer (layer thickness: 15 nm), and the p-cladding layer 18 is an Mg-doped p-Al 0.06 Ga 0.94 N layer ( The layer thickness is 290 nm). Further, the p-contact layer 19 is an Mg-doped p-GaN layer (layer thickness: 25 nm).
  • n side and p side do not necessarily mean having n type or p type.
  • the n-side guide layer means a guide layer provided on the n-side of the active layer, and may be an undoped layer (or i-layer).
  • the n-cladding layer 13 may be composed of multiple layers instead of a single layer, and in that case, all the layers do not need to be n-layers (n-doped layers), and may include undoped layers (i-layers). May contain. The same applies to the guide layer 16 and the p-cladding layer 18. Furthermore, it is not necessary to provide all of the semiconductor layers described above, and any structure that includes an n-type semiconductor layer, a p-type semiconductor layer, and an active layer (light-emitting layer) sandwiched between these layers may be used.
  • a light interference layer 31 is provided on the semiconductor structure layer 11, that is, on the p-contact layer 19 (upper surface), and a light reflection layer 32 is provided on the light interference layer 31. Furthermore, a p-electrode (anode) 20B is provided on the light-reflecting layer 32. Note that the area where the optical interference layer 31 and the optical reflection layer 32 are formed is referred to as an anode area RA.
  • the side and top edges of the semiconductor structure layer 11 are covered with an insulating film 21 such as SiO 2 . Further, the insulating film 21 is formed to cover the light interference layer 31, the light reflection layer 32, the side surfaces of the p-electrode 20B, and the edge of the upper surface of the p-electrode 20B.
  • Emitted light from the active layer 15 is diffracted by the void layer (PC layer) 14P.
  • Light diffracted by the void layer 14P and directly emitted from the void layer 14P direct diffracted light Ld: first diffracted light
  • the light reflected diffracted light Lr: second diffracted light
  • FIG. 1B is an enlarged cross-sectional view schematically showing details of the air hole layer 14P (photonic crystal layer) and the air holes arranged in the air hole layer 14P in FIG. 1A.
  • the hole layer 14P has hole pairs 14K consisting of a main hole 14K1 and a subhole 14K2 arranged two-dimensionally at square lattice points. That is, the pore layer 14P is formed as a pore layer with a double lattice structure.
  • this method can be applied to a single lattice structure (single hole) in which one hole is provided at a lattice point, and generally to a hole layer with a multi-lattice structure. Therefore, in the following description, the hole pair 14K will be simply referred to as a hole 14K.
  • the vacancies 14K have a period PC in a square lattice shape, for example, in the crystal growth plane (semiconductor layer growth plane), that is, in a plane parallel to the n-side guide layer 14, so that the vacancies 14K each have a square lattice pattern. They are embedded in the n-side guide layer 14 in a two-dimensional array at lattice point positions.
  • FIG. 2A is a plan view schematically showing the upper surface of the PCSEL element 10
  • FIG. 2B is a cross-sectional view schematically showing a cross section of the void layer 14P in a plane parallel to the n-side guide layer 14, and
  • FIG. 2C is a plan view schematically showing the top surface of the PCSEL element 10.
  • FIG. 3 is a plan view schematically showing the lower surface of the element 10.
  • the holes 14K in the hole layer 14P are arranged periodically in, for example, a rectangular hole formation region 14R.
  • the anode region RA formation region of the optical interference layer 31 and the light reflection layer 32 is formed so as to be included in the hole formation region 14R.
  • the inner diameter of the n-electrode 20A may be equal to or larger than the anode region RA when viewed from the direction perpendicular to the void layer 14P.
  • FIG. 3 is a diagram showing the optical interference layer 31, the optical reflection layer 32, and the interference of diffracted light of the PCSEL element 10 of the first embodiment. More specifically, the upper part of FIG. 3 shows the cross sections of the semiconductor structure layer 11, the optical interference layer 31, and the light reflection layer 32, the middle part shows the intensity of the interference light LS generated by interference, and the lower part shows the interference light. The beam shape and intensity of the LS are schematically shown.
  • the optical interference layer 31 is formed of a transparent conductive layer, for example, indium tin oxide (ITO).
  • ITO indium tin oxide
  • Optical interference layer 31 is in ohmic contact with p-contact layer 19.
  • the optical interference layer 31 is not limited to ITO, and a transparent conductor such as zinc tin oxide (ZTO) can be used.
  • the optical interference layer 31 has a circular shape when viewed from above, that is, from the direction (z direction) perpendicular to the semiconductor structure layer 11. Specifically, the optical interference layer 31 has a circular shape and a layer thickness d1 in a central region R1 (hereinafter also referred to as a first region), and a central region R1 in an outer region of the central region R1.
  • the optical interference layer 31 (2) has a concentric ring shape and has a smaller layer thickness than the central region R1 (the layer thickness is d2) in the peripheral region R2 (hereinafter also referred to as the second region) (d1 >d2).
  • the optical interference layer 31(1) and the optical interference layer 31(2) are also referred to as a first region layer and a second region layer, respectively.
  • the diameter of the central region R1 is 100 ⁇ m
  • the diameter (outer diameter) of the peripheral region R2 is 300 ⁇ m (that is, the inner diameter is 100 ⁇ m).
  • the diameters of the central region R1 and the peripheral region R2 can be set as appropriate from the viewpoint of beam (transverse mode) control.
  • a metal layer is formed as a light reflection layer 32 on the light interference layer 31. Note that in FIG. 3, the p-electrode 20B provided on the light reflection layer 32 is not shown.
  • the light reflecting layer 32 reflects the diffracted light from the void layer 14P.
  • the light reflection layer 32 is formed to cover the entire surface of the light interference layer 31.
  • the light reflecting layer 32 for example, silver (Ag) with a high reflectance of 85% or palladium (Pd) with a reflectance of 45% can be used. Further, the layer thickness of the light reflective layer 32 is, for example, 200 nm, but is not limited thereto.
  • the p-electrode 20B provided on the light reflection layer 32 is made of, for example, Ti/Pt/Au, but is not limited thereto.
  • Ti/Au, Ti/Al/Ti/Pt/Au, Ni/Pt/Au, or the like can be used for the p electrode 20B.
  • the p-electrode 20B may be made thicker and used as a pad electrode.
  • each semiconductor layer other than the vacancy layer 14P and the active layer 15 is not shown for clarity of the drawing. Further, the distance between the diffraction surface WS of the void layer 14P and the interface between the semiconductor structure layer 11 and the optical interference layer 31 is d.
  • the interference of diffracted light in the PCSEL element 10 of this embodiment will be described below.
  • Emitted light from the active layer 15 is diffracted by the void layer 14P.
  • the light reflected by the light reflection layer 32 through the light interference layer 31(1) in the central region R1 (reflected diffracted light Lr) interferes with the direct diffracted light Ld from the void layer 14P.
  • the generated interference light (combined light) LS1 is generated (interference light of the first region).
  • the reflected diffracted light Lr that has passed through the optical interference layer 31(2) in the peripheral region R2 interferes with the direct diffracted light Ld from the void layer 14P to generate interference light LS2 (the second interference light of two regions).
  • the layer thickness d1 of the optical interference layer 31(1) in the central region R1 is determined so that the direct diffracted light Lr and the reflected diffracted light Lr weaken each other. Further, the layer thickness d2 of the optical interference layer 31(2) in the peripheral region R2 is determined so that the direct diffracted light Lr and the reflected diffracted light Lr strengthen each other.
  • the intensities of the interference light LS1 and the interference light LS2 generated and emitted from the central region (first region) R1 and the peripheral region (second region) R2 satisfy LS1 ⁇ LS2. That is, the peripheral region R2 is a brighter region than the central region R1.
  • the intensities of the interference light LS1 and the interference light LS2 will be described as the interference light intensity LS1 and the interference light intensity LS2 using the same symbols, respectively. Further, when the interference light LS1 and the interference light LS2 are not distinguished, they are collectively referred to as interference light LS.
  • the reflective surfaces SR1 and SR2 (hereinafter referred to as reflective surfaces SR unless otherwise distinguished) of the light reflective layer 32 in the central region R1 and the peripheral region R2 are on a plane parallel to the void layer 14P, and are The diffracted laser beam and the reflective surface SR are orthogonal to each other.
  • the resonator loss in the PCSEL element 10 is divided into a loss component ⁇ p in the same plane (in the xy plane) as the hole layer 14P, and a loss component ⁇ v in the vertical direction (z direction) orthogonal thereto. Of these, it is the vertical component ⁇ v that contributes to laser emission, but when a reflective surface SR exists, the emission efficiency is considered in consideration of absorption and reflection at the reflective surface SR.
  • the loss ⁇ p in the in-plane direction, the loss ⁇ v in the vertical direction, and the slope efficiency ⁇ SE are also expressed as follows.
  • the component radiated in the vertical direction due to diffraction is ⁇ v, so if diffraction occurs evenly in the vertical direction of the z-axis ( ⁇ z direction), the energy emitted in the ⁇ z direction is equal, so the component radiated in the ⁇ z direction
  • the laser beam generated is 0.5 ⁇ v.
  • the effective radiation coefficient emitted from the emission surface ⁇ v1 is expressed by the following equation (1.1).
  • the loss absorbed at the reflective surface SR is 0.5 ⁇ v(1 ⁇ R), and the radiation loss ⁇ is expressed by the following equation (1.2).
  • ⁇ i is the injection efficiency during laser oscillation operation. Furthermore, in the above equation, in addition to the resonator loss, internal loss ⁇ i due to material absorption was considered.
  • equation (1.3) is expressed by equation (1.4).
  • the slope efficiency ⁇ SE is saturated when ⁇ v/ ⁇ p is about 20 or more. Therefore, from the viewpoint of increasing the slope efficiency ⁇ SE, it is preferable that ⁇ v be about 20 times as large as ⁇ p.
  • the slope efficiency changes in a cos curve shape with respect to the phase difference ⁇ .
  • regions where the radiation intensity is relatively strong hereinafter referred to as constructive regions
  • regions where the radiation intensity is relatively weak appear periodically at intervals of 2 ⁇ .
  • the device region (hereinafter referred to as "intensified”
  • the range of the phase difference ⁇ in the constructive region is wide, and the range of the phase difference ⁇ in the destructive region is narrow.
  • the allowable range of the layer thickness of the interference layer in the constructive region is wide, the film thickness can be easily controlled, and the output intensity can be controlled. Furthermore, the range of the phase difference ⁇ between the constructive region and the destructive region of the PCSEL element also has the property that it varies depending on the reflectance of the reflective layer.
  • the allowable range of the layer thickness range of the interference layer in the destructive region is narrow, by lowering the reflectance of the reflective layer located in the destructive region, the allowable range of the layer thickness range of the destructive region can be reduced. As with the mutually reinforcing region, the output intensity can be easily controlled.
  • Non-Patent Document 1 For example, using coupled wave theory, light propagating in the xy direction (in-plane direction) of the void layer 14P, the wave source (diffraction surface) of the diffracted wave by the void layer 14P, and The radiation wave that is diffracted and radiated in the vertical direction can be calculated.
  • FIG. 6 is a diagram showing calculation results of the electric field amplitude of a radiation wave in which light propagating in the x-axis direction within the void layer 14P is diffracted by the void layer 14P and radiated in the vertical direction ( ⁇ z direction). .
  • the pore filling factor (FF) was set to 10%.
  • the vacancies when vacancies are buried in a layer grown on a +C-plane substrate, the vacancies form a hexagonal prism structure with m-plane sides due to mass transport that occurs during embedding growth. This is known (for example, Patent Document 1). Therefore, calculations were made here assuming that the pores 14K of the pore layer 14P have a hexagonal columnar structure having a central axis extending in the z-axis direction. Further, the hole period PC was set to 176 nm.
  • the light diffracted by the void layer 14P is symmetrically distributed in the +z-axis direction and the -z-axis direction with a certain point (point on the z-axis) in the void layer 14P as a starting point. You can see how it is being radiated.
  • the same reference numerals will be used and such a surface will be described as a diffraction surface WS.
  • the center plane of symmetry of the electric field amplitude when the light existing in the void layer 14P is symmetrically diffracted in a direction orthogonal to the void layer 14P is the diffraction surface WS.
  • the position of the diffraction surface WS changes depending on the lattice structure of the void layer.
  • equation (2.1) was derived from equation (2.2) below.
  • the film thickness of the optical interference layer 31 can be calculated by subtracting the distance d between the diffraction surface WS and the optical interference layer 31 from the separation distance dr derived from equation (2.2).
  • phase difference ⁇ that satisfies ⁇ SE(R) ⁇ SE(0) is given by the following equation (2.5).
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the slope efficiency ⁇ SE and the interference layer thickness with respect to the phase difference ⁇ .
  • the range of the phase difference ⁇ in which the direct diffracted light Ld and the reflected diffracted light Lr weaken each other that is, the range of the phase difference ⁇ in which the normalized slope efficiency is less than 1 is shown as a phase difference range WI.
  • the slope efficiency is more than 1 as a mutually reinforcing range.
  • the interference layer thickness (indicated by a dashed line) was determined by subtracting the distance d from the separation distance dr.
  • ⁇ d1 110.9nm ⁇ d1 ⁇ 125.2nm, or 201.6nm ⁇ d1 ⁇ 215.8nm ⁇ d2: 72.8nm ⁇ d2 ⁇ 110.9nm, or 125.2nm ⁇ d2 ⁇ 201.6nm, Or 215.8nm ⁇ d2 ⁇ 254nm...(2.9)
  • the peripheral region R2 can be made brighter than the central region R1 (interference light intensity: LS1 ⁇ LS2), beam control can be performed.
  • the layer thickness d2 of the constructive region is preferably smaller than the layer thickness d1 of the destructive region (central region R1). This is because a laser beam having a desired beam shape can be obtained while suppressing a reduction in the output intensity due to material loss of the optical interference layer 31(2) in the constructive region.
  • the layer thickness d1 of the destructive region (central region R1) is the minimum value of equation (2.9), 110.9 nm, and the layer thickness d2 of the constructive region (peripheral region R2) is the minimum value of equation (2.9). It is more preferable to adopt a value of 72.8 nm.
  • the optical interference layer 31 has a convex structure in which the central region R1 is thicker than the peripheral region R2.
  • the present embodiment provides a photonic crystal surface emitting laser in which the beam shape can be controlled easily and with high precision and has excellent beam (transverse mode) stability up to high output. be able to.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a modified example of the first embodiment.
  • the layer thickness d2 of the constructive region (peripheral region R2) is larger than the layer thickness d1 of the destructive region (center region R1).
  • the optical interference layer 31 has a concave structure in which the peripheral region R2 is thicker than the central region R1. Even in this case, the beam shape can be controlled with high precision, and a photonic crystal surface emitting laser with excellent beam (transverse mode) stability up to high output can be realized.
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing the cross section, interference light intensity, and beam shape of the PCSEL element 50 of the second embodiment.
  • the light reflection layer 32 (1) is formed on the light interference layer 31 (1)
  • the light reflection layer 32 (1) is formed on the light interference layer 31 (2) with a reflectance different from that of the light reflection layer 32 (1).
  • a light reflecting layer 32(2) is formed.
  • Other points are similar to the PCSEL element 10 of the first embodiment.
  • the light interference layers 31(1) and 31(2) are ITO layers
  • the central region R1 is a destructive region
  • the peripheral region R2 is a constructive region. Therefore, the intensities of the interference light LS1 and the interference light LS2 in the central region R1 and the peripheral region R2 are LS1 ⁇ LS2. That is, the light reflecting layer 32(1) with a relatively low reflectance is applied to a region where the intensities of interference light are relatively weak, and the light reflection layer 32(1) with a relatively low reflectance is applied to a region where the intensity of interference light is relatively strong.
  • a highly light reflective layer 32(2) is applied.
  • the range of destructive interaction and the range of constructive interaction are determined as in the following equation (2.10).
  • - Destructive range -230.2° ⁇ -129.8° or 129.8° ⁇ 230.2° ⁇ Range of reinforcement: -360° ⁇ -230.2° or -129.8° ⁇ 129.8° Or 230.2° ⁇ 360° ...(2.10)
  • the film thickness d2 is calculated as in equation (2.9). is required.
  • the peripheral region R2 is thicker than the central region R1.
  • the layer thickness d2 of the constructive region is preferably smaller than the layer thickness d1 of the destructive region (central region R1). This is because a laser beam having a desired beam shape can be obtained while suppressing a reduction in the output intensity due to material loss of the optical interference layer 31(2) in the constructive region.
  • the minimum value of the layer thickness d1 of the destructive region (central region R1) in equation (2.11) is 104.8 nm
  • the layer thickness d2 of the constructive region is set as the minimum value of equation (2.11). It is more preferable to adopt the minimum value of 72.8 nm in 11).
  • the present embodiment provides a photonic crystal surface emitting laser in which the beam shape can be controlled easily and with high precision and has excellent beam (transverse mode) stability up to high output. be able to.
  • the optical interference layer 31 is divided into a first region R1, a second region R2, . . . , an n-th region Rn (n is an integer of 3 or more) in order from the center.
  • the optical interference layer 31 includes an optical interference layer 31(1), an optical interference layer 31(2), . . . , an optical interference layer 31(n).
  • the optical interference layer 31(1) is provided in the first region R1 which is the central region, and the optical interference layers 31(1), 31(2), . . . , 31(n) are provided in the peripheral region in order on the outside thereof. It is being
  • FIG. 11 is a diagram schematically showing the cross section, interference light intensity, and beam shape of the PCSEL element 60 of the third embodiment.
  • the optical interference layer 31 consists of an optical interference layer 31(1), an optical interference layer 31(2), and an optical interference layer 31(3) in order from the center.
  • a light reflection layer 32 is provided on the light interference layer 31.
  • the diameters of the first region R1, second region R2, and third region R3 are 100 ⁇ m, 200 ⁇ m, and 300 ⁇ m, respectively.
  • the interference light intensity LS1 in the first region R1 (center region) is the largest, the interference light intensity LS2 in the second region R2 is the smallest, and the interference light intensity LS3 in the third region R3 is the largest in the first region R1 and the second region R2. It has medium strength.
  • the layer thicknesses of the optical interference layer 31(1), the optical interference layer 31(2), and the optical interference layer 31(3) are determined so that LS1>LS3>LS2.
  • the layer thickness of each optical interference layer can be determined based on the dependence of the interference layer thickness on the phase difference ( ⁇ ) described in the first embodiment and the second embodiment.
  • the layer thicknesses of the ITO layers of the optical interference layer 31(1), the optical interference layer 31(2), and the optical interference layer 31(3) are 73 nm, 118 nm, and 103 nm, respectively.
  • the beam shape can be controlled easily and with high precision, and a photonic crystal surface emitting laser with excellent beam (transverse mode) stability up to high output can be provided. This is similar to the embodiment.
  • a second region R2 having a lower interference light intensity than these is provided between the first region R1 and the third region R3, which are regions having a high interference light intensity. That is, regions R1 and R3 with high interference light intensity can be provided apart from each other.
  • the workpiece when welding is performed by moving the irradiation position of the light beam, the workpiece is preheated by the light in the region R3 that is irradiated first in the direction of travel of the light beam, then the main processing is performed by the light in the region R1, and then Annealing after processing can be performed using the light in region R3. This improves the quality of welding and has the advantage that post-processes can also be performed at the same time.
  • the optical interference layer 31 consists of three regions
  • the same can generally be applied to the case where the optical interference layer 31 consists of a first region R1, a second region R2, . . . , an n-th region Rn.
  • the optical interference layer has a circular shape
  • the term "circular shape” includes an elliptical shape and an elliptical shape
  • “annular shape” refers to an elliptical ring shape. shape and oval ring shape.
  • optical interference layer is not limited to a circular shape, but may have a rectangular shape, a polygonal shape, or the like. Further, each region of the optical interference layer preferably has a concentric and similar shape.
  • the dielectric material, reflective metal, their compositions, numerical values, etc. in the above-described embodiments are merely examples, and can be appropriately modified and applied within the scope of the present invention.
  • PCSEL elements having a single lattice structure and a double lattice structure have been illustrated, the present invention can generally be applied to a PCSEL element having a multi-lattice structure.
  • the present invention has been exemplified for a pore layer in which the pores have a hexagonal columnar shape
  • the present invention is also applicable to cases where the pores have an irregular columnar shape such as a cylindrical shape, a rectangular shape, a polygonal shape, or a teardrop shape. be able to.
  • the beam shape can be controlled easily and with high precision, and the photonic crystal surface emission has excellent beam (transverse mode) stability up to high output.
  • Laser can be provided.

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Abstract

透光性の基板と、ｎ型半導体層と、活性層と、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層に含まれたフォトニック結晶層である空孔層と、ｐ型半導体層上に設けられ、反射面を有する光反射層と、当該反射面とｐ型半導体層の間に設けられた透光性導電体層と、を備えている。基板の裏面に光出射面を有し、空孔層は、空孔層内に定在する光を空孔層と直交する方向へ回折する際の波源である回折面を有し、回折面から光出射面側に回折された第１の回折光と、回折面から光反射層側に回折され反射面で反射された第２の回折光との干渉により生成された干渉光の光強度が、第１の回折光の光強度より小さくなるように回折面と反射面との離間距離が設けられた弱め合い領域と、当該干渉光の光強度が、記第１の回折光の光強度より大きくなるように回折面と反射面との離間距離が設けられた強め合い領域と、を有する。

Description

面発光レーザ素子
　本発明は、面発光レーザ素子、特にフォトニック結晶を有する面発光レーザ素子に関する。
　近年、フォトニック結晶（ＰＣ：Photonic Crystal）を用いた、フォトニック結晶面発光レーザ（Photonic-Crystal Surface-Emitting Laser）の開発が進められている。
　例えば、特許文献１には、単一格子のフォトニック結晶を有し、高い回折効果を有するフォトニック結晶面発光レーザが開示されている。
　また、特許文献２には、多重格子フォトニック結晶層を有し、活性層の平坦性及び結晶性が高く、かつ光取り出し効率が高く、低閾値電流密度及び高量子効率で発振動作することができるフォトニック結晶面発光レーザについて開示されている。
　また、特許文献３には、中心領域と、中心領域の周囲に設けられかつ中心領域よりも第１及び第２の多層膜反射鏡間の光学距離が小さい周辺領域と、を含む光ガイド構造を有する垂直共振器型発光素子が開示されている。
　非特許文献１には、フォトニック結晶面発光レーザの回折光の定式化と、フォトニック結晶層において回折されてフォトニック結晶層に垂直な方向に発せられる回折放射波プロファイルなどが開示されている（FIG.1、FIG.4(b)）。
再表２０１８－１５５７１０号公報 特開２０２０－０４５５７３号公報 特開２０１９－２０８００４号公報
Y. Liang et al.: Phys.Rev. B vol.84, 195119 (2011)
　従来の垂直共振器型発光素子においては、光学距離が異なる領域を有する光ガイド層を共振器内に設けてビームを制御しているため、高出力な単峰性のレーザ光を安定して生成するには、発振モードを考慮した上で光ガイド層を形成しなければならなかった。また、多峰性の強度分布を有するレーザ光を生成及び出射する場合も同様である（例えば、特許文献３）。
　本発明は、発振モードを制御するのではなく、フォトニック結晶（ＰＣ）層から回折され放出される回折光、つまり既に放出された光を制御してビーム形状を所望の形状に制御する点に着目してなされた。これにより、レーザの発振モードに関係なくビームの制御が可能である。換言すれば、発振に寄与していない光を利用することでビーム形状を容易かつ高精度に制御することができる。
　本発明は、上記点に着目してなされたものであり、ビーム形状を容易かつ高精度に制御することができ、高い出力までビーム（横モード）安定性に優れたフォトニック結晶面発光レーザを提供することを目的としている。
　本発明の１実施態様による面発光レーザ素子は、
　透光性の基板と、
　前記基板上に設けられたｎ型半導体層と、
　前記ｎ型半導体層上に設けられた活性層と、
　前記活性層上に設けられたｐ型半導体層と、
　前記ｎ型半導体層に含まれ、前記活性層に平行な面内において２次元的な周期性を有して配された空孔を備えるフォトニック結晶層である空孔層と、
　前記ｐ型半導体層上に設けられ、反射面を有する光反射層と、
　前記反射面と前記ｐ型半導体層の間に設けられた透光性導電体層と、を備え、
　前記基板の裏面に光出射面を有し、
　前記空孔層は、前記空孔層内に定在する光を前記空孔層と直交する方向へ回折する際の波源である回折面を有し、
　前記回折面から前記光出射面側に回折された第１の回折光と、前記回折面から前記光反射層側に回折され前記反射面で反射された第２の回折光との干渉により生成された干渉光の光強度が、前記第１の回折光の光強度より小さくなるように前記回折面と前記反射面との離間距離が設けられた弱め合い領域と、
　前記干渉光の前記光強度が、前記第１の回折光の光強度より大きくなるように前記回折面と前記反射面との離間距離が設けられた強め合い領域と、を有している。
本発明の第１の実施形態によるＰＣＳＥＬ素子１０の構造の一例を模式的に示す断面図である。 図１Ａの空孔層１４Ｐ（フォトニック結晶層）及び空孔層１４Ｐ中に配列された空孔（air hole）１４Ｋを模式的に示す部分拡大断面図である。 ＰＣＳＥＬ素子１０の上面を模式的に示す平面図である。 空孔層１４Ｐのｎ側ガイド層１４に平行な面における断面を模式的に示す断面図である。 ＰＣＳＥＬ素子１０の下面を模式的に示す平面図である。 第１の実施形態のＰＣＳＥＬ素子１０の光干渉層３１、光反射層３２及び回折光の干渉を示す図である。 αv／αpに対するスロープ効率ηSEを示す図である。 反射金属層にＡｇ及びＰｄを用いたときのスロープ効率ηSEの位相差θに対する依存性を示す図である。 空孔層１４Ｐ内をｘ軸方向に伝搬する光が、空孔層により回折され垂直方向（±ｚ方向）に放射される放射波の電界振幅の算出結果を示す図である。 位相差θに対するスロープ効率ηSE及び干渉層膜厚の関係を示す図である。 第１の実施形態の改変例を示す模式的な断面図である。 第２の実施形態のＰＣＳＥＬ素子５０の断面、干渉光強度、ビーム形状を模式的に示す図である。 光反射層３２（１）がＰｄ（Ｒ＝０．４５）である中心領域Ｒ１についての干渉層層厚の位相差（θ）依存性を示す図である。 第３の実施形態のＰＣＳＥＬ素子６０の断面、干渉光強度、ビーム形状を模式的に示す図である。
　以下においては、本発明の好適な実施形態について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。
［第１の実施形態］
１．フォトニック結晶面発光レーザの構造
（ａ）素子構造
　フォトニック結晶面発光レーザ（以下、ＰＣＳＥＬとも称する。）は、発光素子を構成する半導体発光構造層（ｎ側ガイド層、発光層、ｐ側ガイド層）と平行方向に共振器層を有し、当該共振器層に直交する方向にコヒーレントな光を放射する素子である。
　一方、分布ブラッグ反射型（Distributed Bragg Reflector：ＤＢＲ ）レーザが知られているが、フォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）は、以下の点でＤＢＲレーザとは異なっている。すなわち、フォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）では、フォトニック結晶層に平行な面内を伝搬する光波はフォトニック結晶の回折効果により回折され２次元的な共振モードを形成するとともに、当該平行面に垂直な方向にも回折される。すなわち、フォトニック結晶面発光レーザでは、共振方向（フォトニック結晶層に平行な面内）に対して、光取り出し方向が垂直方向である。
　図１Ａは、本発明の第１の実施形態によるフォトニック結晶面発光レーザ素子（以下、ＰＣＳＥＬ素子ともいう。）１０の構造の一例を模式的に示す断面図である。図１Ａに示すように、半導体構造層１１が透光性の基板１２上に形成されている。なお、半導体構造層１１の中心軸ＣＸに垂直に半導体層が積層されている。
　また、半導体構造層１１は、六方晶系の窒化物半導体からなる。本実施形態においては、半導体構造層１１は、例えば、ＧａＮ系半導体からなる。
　より詳細には、基板１２上に複数の半導体層からなる半導体構造層１１、すなわちｎ－クラッド層（第１導電型の第１のクラッド層）１３、ｎ側に設けられたガイド層であるｎ側ガイド層（第１のガイド層）１４、光分布調整層２３、活性層（ＡＣＴ）１５、ｐ側に設けられたガイド層であるｐ側ガイド層（第２のガイド層）１６、電子障壁層（ＥＢＬ：Electron Blocking Layer）１７、ｐ－クラッド層（第２導電型の第２のクラッド層）１８、ｐ－コンタクト層１９がこの順で形成されている。なお、第１導電型がｎ型、第１導電型の反対導電型である第２導電型がｐ型の場合について説明するが、第１導電型及び第２導電型がそれぞれｐ型、ｎ型であってもよい。
　基板１２は、主面が、Ｇａ原子が最表面に配列した｛０００１｝面である＋ｃ面のＧａＮ単結晶基板である。基板１２はこれに限定されないが、ジャスト基板、又は、例えば、主面がｍ軸方向に１°程度までオフセットした基板が好ましい。例えば、ｍ軸方向に１°程度までオフセットした基板は、広範な成長条件下にて鏡面成長を得ることができる。
　主面と対向する光出射領域２０Ｌが設けられた基板面（裏面、光出射面）は、Ｎ原子が最表面に配列した（０００－１）面である「－ｃ」面である。－ｃ面は酸化等に対して耐性があるので光取り出し面として適している。
　以下に各半導体層の組成、層厚等の構成について説明するが、例示に過ぎず、適宜改変して適用することができる。
　ｎ－クラッド層１３は、例えばＡｌ組成が４％のｎ型Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層（層厚２μｍ）である。
　ｎ側ガイド層１４は、下ガイド層１４Ａ、フォトニック結晶層（ＰＣ層）である空孔層（air-hole layer）１４Ｐ及び埋込層１４Ｂからなる。
　ｎ側ガイド層１４は、例えばｎ型ＧａＮ（層厚３６０ｎｍ）である。ｎ側ガイド層１４の下ガイド層１４Ａは、ｎ型ＧａＮ（層厚２００ｎｍ）である。空孔層（air-hole layer）１４Ｐは、層厚（又は空孔１４Ｋの深さ）が９０ｎｍである。埋込層１４Ｂは、ｎ型ＧａＮ（層厚９０ｎｍ）である。
　光分布調整層２３は、アンドープのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層（層厚５０ｎｍ）である。光分布調整層２３は、光と空孔層１４Ｐとの結合効率（光フィールド）を調整するための調整層として機能する。
　発光層である活性層１５は、例えば２つの量子井戸層を有する多重量子井戸（ＭＱＷ）層である。ＭＱＷのバリア層及び量子井戸層は、それぞれＧａＮ（層厚６．０ｎｍ）及びＩｎＧａＮ（層厚３．０ｎｍ）である。また、活性層１５の発光波長は４３５ｎｍである。
　ｐ側ガイド層１６はｐ側ガイド層(1)１６Ａ及びｐ側ガイド層(2)１６Ｂからなる。ｐ側ガイド層(1)１６Ａは、アンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層（層厚７０ｎｍ）であり、ｐ側ガイド層(2)１６Ｂは、アンドープＧａＮ層（層厚１８０ｎｍ）である。
　ｐ側ガイド層１６は、ドーパント（Ｍｇ：マグネシウム等）による光吸収を考慮してアンドープ層であるが、良好な電気伝導性を得るためにドープしてもよい。また、発振動作モードの電界分布を調整するため、ｐ側ガイド層(1)１６ＡのＩｎ組成及び層厚は適宜選択することができる。
　電子障壁層(ＥＢＬ)１７は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（層厚１５ｎｍ）であり、ｐ－クラッド層１８は、Ｍｇドープのｐ－Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ層（層厚２９０ｎｍ）である。また、ｐ－コンタクト層１９は、Ｍｇドープのｐ－ＧａＮ層（層厚２５ｎｍ）である。
　なお、本明細書において、「ｎ側」、「ｐ側」は、必ずしもｎ型、ｐ型を有することを意味するものではない。例えば、ｎ側ガイド層は活性層よりもｎ側に設けられたガイド層を意味し、アンドープ層（又はｉ層）であってもよい。
　また、ｎ－クラッド層１３は単一層ではなく複数の層から構成されていてもよく、その場合、全ての層がｎ層（ｎドープ層）である必要はなく、アンドープ層（ｉ層）を含んでいてもよい。ガイド層１６、ｐ－クラッド層１８についても同様である。また、上記した全ての半導体層を設ける必要はなく、ｎ型半導体層、ｐ型半導体層、及びこれらの層に挟まれた活性層（発光層）を有する構成であればよい。
　半導体構造層１１上、すなわちｐ－コンタクト層１９上（上面）には、光干渉層３１が設けられ、光干渉層３１上には光反射層３２が設けられている。また、光反射層３２上には、ｐ電極（アノード）２０Ｂが設けられている。なお、光干渉層３１及び光反射層３２の形成領域をアノード領域ＲＡと称する。
　半導体構造層１１の側面及び上面の縁部は、ＳｉＯ2などの絶縁膜２１で被覆されている。また、絶縁膜２１は、光干渉層３１、光反射層３２及びｐ電極２０Ｂの側面、及びｐ電極２０Ｂの上面の縁部を覆うように形成されている。
　活性層１５からの放射光は空孔層（ＰＣ層）１４Ｐによって回折される。空孔層１４Ｐによって回折され、空孔層１４Ｐから直接放出された光（直接回折光Ｌｄ：第１の回折光）と、空孔層１４Ｐの回折によって放出され、光反射層３２によって反射された光（反射回折光Ｌｒ：第２の回折光）とが基板１２の裏面（出射面）１２Ｒの光出射領域２０Ｌ（図２Ｃ）から外部に出射される。
　図１Ｂは、図１Ａの空孔層１４Ｐ（フォトニック結晶層）及び空孔層１４Ｐ中に配列された空孔（air hole）の詳細を模式的に示す拡大断面図である。本実施形態において、空孔層１４Ｐは、主空孔１４Ｋ１及び副空孔１４Ｋ２からなる空孔対１４Ｋが格子点に正方格子点位置に２次元配列されている。すなわち、空孔層１４Ｐは、二重格子構造の空孔層として形成されている。
　なお、格子点に空孔が１つ設けられた単一格子構造(シングルホール)、及び、一般に多重格子構造の空孔層について適用することができる。したがって、以下においては、空孔対１４Ｋを単に空孔１４Ｋと称して説明する。
　より詳細には、空孔１４Ｋは、結晶成長面（半導体層成長面）、すなわちｎ側ガイド層１４に平行な面において、例えば正方格子状に周期ＰＣを有して、空孔１４Ｋがそれぞれ正方格子点位置に２次元配列されてｎ側ガイド層１４内に埋め込まれて形成されている。
　図２Ａは、ＰＣＳＥＬ素子１０の上面を模式的に示す平面図、図２Ｂは、空孔層１４Ｐのｎ側ガイド層１４に平行な面における断面を模式的に示す断面図、図２Ｃは、ＰＣＳＥＬ素子１０の下面を模式的に示す平面図である。
　図２Ｂに示すように、空孔層１４Ｐにおいて空孔１４Ｋは、例えば矩形の空孔形成領域１４Ｒ内に周期的に配列されて設けられている。図２Ｃに示すように、アノード領域ＲＡ（光干渉層３１及び光反射層３２の形成領域）は、空孔形成領域１４Ｒ内に包含されるように形成されている。
　また、ｎ電極２０Ａの内径は、空孔層１４Ｐに対して垂直方向から見たときにアノード領域ＲＡ以上であればよい。
　ｎ電極２０Ａの内側の領域が光出射領域２０Ｌである。また、ｎ電極２０に電気的に接続され、外部からの給電用のワイヤを接続するボンディングパッド２０Ｃを備えている。
（ｂ）光干渉層、光反射層及び回折光の干渉　
　図３は、第１の実施形態のＰＣＳＥＬ素子１０の光干渉層３１、光反射層３２及び回折光の干渉を示す図である。より詳細には、図３の上段には、半導体構造層１１、光干渉層３１及び光反射層３２の断面が、中段には干渉により生成された干渉光ＬＳの強度が、下段には干渉光ＬＳのビーム形状及び強度が模式的に示されている。
　光干渉層３１は、透光性の導電体層、例えばインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）で形成されている。光干渉層３１は、ｐ－コンタクト層１９にオーミック接触している。なお、光干渉層３１は、ＩＴＯに限定されず、亜鉛錫酸化物（ＺＴＯ）等の透光性導電体を用いることができる。
　光干渉層３１は、上面視で、すなわち半導体構造層１１に垂直な方向（ｚ方向）から見たときに、円形状を有している。詳細には、光干渉層３１は、円形状で層厚ｄ１の中心領域Ｒ１（以下、第１領域ともいう。）の光干渉層３１（１）と、中心領域Ｒ１の外側領域で中心領域Ｒ１と同心の円環形状を有し、中心領域Ｒ１よりも層厚の小さな（層厚はｄ２）周辺領域Ｒ２（以下、第２領域ともいう。）の光干渉層３１（２）からなる（ｄ１＞ｄ２）。なお、光干渉層３１（１）及び光干渉層３１（２）をそれぞれ第１領域層及び第２領域層とも称する。
　本実施形態において、中心領域Ｒ１の直径は１００μｍであり、周辺領域Ｒ２の直径（外径）は３００μｍである（すなわち、内径は１００μｍ）。しかしながら、中心領域Ｒ１及び周辺領域Ｒ２の直径は、ビーム（横モード）制御の点から適宜設定することができる。
　光干渉層３１上には、光反射層３２として金属層が形成されている。なお、図３において、光反射層３２上に設けられているｐ電極２０Ｂは図示が省略されている。
　光反射層３２は、空孔層１４Ｐからの回折光を反射する。光反射層３２は、光干渉層３１の表面の全体を覆うように形成されている。
　光反射層３２は、例えば、反射率が８５％である高反射率の銀（Ａｇ）又は反射率が４５％であるパラジウム（Ｐｄ）などを用いることができる。また、光反射層３２の層厚は、例えば２００ｎｍであるがこれに限定されない。
　光反射層３２上に設けられているｐ電極２０Ｂは（図１Ａを参照）、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるがこれに限定されない。ｐ電極２０Ｂには、例えばＴｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｐｔ／Ａｕなどを用いることができる。また、ｐ電極２０Ｂの層厚を厚くしてパッド電極としてもよい。
　半導体構造層１１については、空孔層１４Ｐ及び活性層１５以外の各半導体層は、図の明確さのため図示されていない。また、空孔層１４Ｐの回折面ＷＳと、半導体構造層１１及び光干渉層３１の界面との距離はｄである。
　本実施形態のＰＣＳＥＬ素子１０における回折光の干渉について以下に説明する。活性層１５の放射光は空孔層１４Ｐによって回折される。当該回折光のうち、中心領域Ｒ１の光干渉層３１（１）を経て光反射層３２で反射された光（反射回折光Ｌｒ）は、空孔層１４Ｐからの直接回折光Ｌｄと干渉して生成された干渉光（合成光）ＬＳ１が生成される（第１領域の干渉光）。
　同様に、周辺領域Ｒ２において、周辺領域Ｒ２の光干渉層３１（２）を経た反射回折光Ｌｒは、空孔層１４Ｐからの直接回折光Ｌｄと干渉して干渉光ＬＳ２が生成される（第２領域の干渉光）。
　中心領域Ｒ１の光干渉層３１（１）の層厚ｄ１は、直接回折光Ｌｒと反射回折光Ｌｒとが弱め合うように定められている。また、周辺領域Ｒ２の光干渉層３１（２）の層厚ｄ２は、直接回折光Ｌｒと反射回折光Ｌｒとが強め合うように定められている。
　したがって、中心領域（第１領域）Ｒ１及び周辺領域（第２領域）Ｒ２で生成され、出射される干渉光ＬＳ１及び干渉光ＬＳ２の強度は、ＬＳ１＜ＬＳ２を満たす。すなわち、周辺領域Ｒ２は中心領域Ｒ１よりも明るい領域である。
　なお、説明の明確さ及び理解の容易さのため、干渉光ＬＳ１及び干渉光ＬＳ２の強度をそれぞれ同一の符号を用いて干渉光強度ＬＳ１及び干渉光強度ＬＳ２として説明する。また、干渉光ＬＳ１及び干渉光ＬＳ２を区別しないときは干渉光ＬＳと総称する。
２．ＰＣＳＥＬ素子のスロープ効率　
（ａ）反射面の反射を考慮したＰＣＳＥＬ素子のスロープ効率
　図３に示すように、空孔層（フォトニック結晶層）１４Ｐがｘｙ平面上にあるとき、空孔層１４Ｐを伝搬する光はｘｙ平面内に定在波を形成し、その一部がフォトニック結晶によりｘｙ平面に直交するｚ軸方向へ回折されレーザ光として出射される。
　中心領域Ｒ１及び周辺領域Ｒ２の光反射層３２の反射面ＳＲ１及びＳＲ２（以下、特に区別しない場合は反射面ＳＲという。）は空孔層１４Ｐと平行な平面上にあり、空孔層１４Ｐによって回折されたレーザ光と反射面ＳＲとは直交する。
　ＰＣＳＥＬ素子１０においては、出射効率を考える上で、反射面ＳＲにおける吸収、及び入射光と反射光との干渉を考慮する必要がある。
　ＰＣＳＥＬ素子１０における共振器損失は、空孔層１４Ｐと同一面内（ｘｙ面内）方向の損失成分αpと、これに直交する垂直方向（z方向）の損失成分αvとに分けられる。このうち、レーザ出射に寄与するのは垂直方向の成分αvであるが、反射面ＳＲが存在する場合には、反射面ＳＲでの吸収および反射を考慮して出射効率を考える。
　なお、本明細書において、面内方向の損失αp、垂直方向の損失αv、スロープ効率ηSEをそれぞれ次のようにも表記する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　回折によって垂直方向に放射される成分はαvなので、z軸の上下方向（±ｚ方向）に均等に回折が発生するとすれば±ｚ方向に出射されるエネルギーは等しいため、±ｚ方向に放射されるレーザ光は０．５αvとなる。
　反射面ＳＲの反射率をＲとすると、反射面ＳＲの方向（＋ｚ方向）に放射されたレーザ光のうちＳＲで吸収される成分は０．５αv（１－Ｒ）、反射される成分は０．５αvＲである。空孔層１４Ｐから出射面１２Ｒの方向に出射された光と、反射面ＳＲにより出射面１２Ｒの方向に反射された光の位相差をθとすると、出射面から出射される実効的放射係数αv1は、以下の式（１.１）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　また、反射面ＳＲにおいて吸収される損失は０．５αv（１－Ｒ）であり、このとき放射損失αは、以下の式（１.２）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　したがって、ＰＣＳＥＬ素子１０における反射面ＳＲを考慮したときのスロープ効率ηSE（出射効率）は、以下の式（１.３）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　なお、上式においてηiはレーザ発振動作時の注入効率である。また、上式においては共振器損失以外に、材料吸収による内部損失αiを考慮した。
　内部損失αi＝０のとき、式（１.３）は式（１.４）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　すなわち、αv／αpが大きいほどスロープ効率ηSEを高めることができる。ηi ＝１、Ｒ＝１、θ＝０、αi＝０の理想的な場合において、αv／αpに対するスロープ効率ηSE
は図４に示される。
　図４に示すように、αv／αpが約２０以上においてスロープ効率ηSEは飽和する。したがって、スロープ効率ηSEを高めるという観点から考えるとαvはαpの２０倍程度であることが好ましい。
　αv／αp＝２０のとき、反射電極としてＩＴＯ／Ａｇ（反射率Ｒ＝０．８５）及びＩＴＯ／Ｐｄ（反射率Ｒ＝０．４５）を用いたときのスロープ効率ηSEの位相差θに対する依存性を図５に示す。なお、スロープ効率ηSEは、反射がない場合のスロープ効率で規格化して示している。
　また、フォトニック結晶層を有しない垂直共振器型レーザ（ＶＣ－ＬＤ）のスロープ効率の位相差θに対する依存性を併せて示している。
　垂直共振器型レーザ（ＶＣ－ＬＤ）においては、スロープ効率は位相差θに対してｃｏｓ曲線状に変化する。つまり、相対的に放射強度が強い領域（以下、強め合い領域という。）と相対的に放射強度が弱い領域が２πの間隔で周期的に出現する。
　一方、水平方向（空孔層の面内方向）に共振するＰＣＳＥＬ素子において、空孔層の垂直方向において直接回折光Ｌｄと反射回折光Ｌｒとが相対的に強め合う素子領域（以下、強め合い領域という。）と相対的に弱め合う素子領域（以下、弱め合い領域という。）とは、垂直共振器型レーザ等の他の発光デバイスとは異なる特徴を示す。これは発振に関与する全損失（αtotal）は、αv（放出による損失）、αi（構成要素による損失）、αp（共振に関する損失）の和（αtotal＝αv＋αi＋αp）からなるが、垂直方向に出射した光の干渉に関してはαvとαiが関与するためである。
　図５に示すように、ＰＣＳＥＬ素子では、強め合い領域となる位相差θの範囲が広く、弱め合い領域の位相差θの範囲が狭い。
　つまり、強め合い領域の干渉層の層厚許容範囲が広く、膜厚制御がしやすくなり、出射強度の制御が可能である。また、ＰＣＳＥＬ素子の強め合い領域及び弱め合い領域の位相差θの範囲は反射層の反射率によって異なるという性質も持つ。
　したがって、ＰＣＳＥＬ素子においては、弱め合い領域の干渉層の層厚範囲の許容幅は狭いが、弱め合い領域に位置する反射層の反射率を下げることで、弱め合い領域の層厚範囲の許容幅を広げ、強め合い領域と同じく出射強度の制御は容易になる。
（ｂ）波源（回折面）位置　
　第１の実施形態のＰＣＳＥＬ素子１０において空孔層１４Ｐに垂直な方向に放射される放射波プロファイルを算出した。
　より詳細には、例えば非特許文献１から、結合波理論を用いて空孔層１４Ｐのｘｙ方向（面内方向）に伝搬する光と、空孔層１４Ｐによる回折波の波源（回折面）及び回折され垂直方向に放射される放射波を算出することができる。
　図６は、空孔層１４Ｐ内をｘ軸方向に伝搬する光が、空孔層１４Ｐにより回折され垂直方向（±ｚ方向）に放射される放射波の電界振幅の算出結果を示す図である。
　当該計算において、空孔充填率（フィリングファクタ）ＦＦは１０％とした。また、窒化物材料系においては、＋Ｃ面基板上に成長した層中に空孔を埋め込む場合には埋め込み成長中に発生するマストランスポートにより、空孔は側面がｍ面の六角柱構造になることが知られている（例えば、特許文献１）。したがって、ここでは空孔層１４Ｐの空孔１４Ｋは、ｚ軸方向に伸びる中心軸を有する六角柱構造であるとみなして計算した。また、空孔周期ＰＣは１７６ｎｍとした。
　図６に示すように、空孔層１４Ｐによって回折された光は、放射光として空孔層１４Ｐ内のある点（ｚ軸上の点）を起点として＋ｚ軸方向及び－ｚ軸方向に対称に放射されていく様子が分かる。
　空孔層１４Ｐ内のこの起点（ｚ＝ｚｗｓ）から放射波が放射されているとみなすことができるため、この点がデバイスにおける回折面（波源）ＷＳである。そして、ｚ＝ｚｗｓを満たす面であって、空孔層１４Ｐに平行な面が回折面であり、波源として機能する。以下においては、理解の容易さ及び説明の簡便さのため、同一符号を用い、かかる面を回折面ＷＳとして説明する。 換言すれば、空孔層１４Ｐ内に定在する光を空孔層１４Ｐと直交する方向へ対称性を有して回折する際の電界振幅の対称中心面が回折面ＷＳである。
　なお、基本モードの電界プロファイルは空孔層の格子構造（単一格子構造、多重格子構造）に応じて変化するので、回折面ＷＳの位置は、空孔層の格子構造に応じて変化する。
（ｃ）光干渉層３１の層厚の導出　
　まず、出射光の波長λ に対する回折面（波源）ＷＳから反射面ＳＲまでを構成する材料の平均屈折率をｎaveとすると、回折面ＷＳ及び反射面ＳＲ間の離間距離ｄｒは以下の式（２.１）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　なお、式（２.１）は以下の式（２.２）から導出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　式（２.２）から導出した離間距離ｄｒから回折面ＷＳと光干渉層３１との間の距離ｄを減算すると光干渉層３１の膜厚を算出することができる。
　また、式（１.４）から、反射面による反射がない場合のスロープ効率はηSE(0)は以下の式（２.３）で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　したがって、反射がある場合におけるスロープ効率ηSE(R)が、反射のない場合よりもスロープ効率を高めるためには、ηSE(R)＞ηSE(0)を満たせばよく、この条件を満たす位相差θは以下の式（２.４）で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　また、ηSE(R)＜ηSE(0)を満たす位相差θは以下の式（２.５）で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　図７は、位相差θに対するスロープ効率ηSE及び干渉層膜厚の関係を示す図である。なお、直接回折光Ｌｄと反射回折光Ｌｒとが弱め合う位相差θの範囲、すなわち規格化スロープ効率が１未満の位相差θの範囲を位相差範囲ＷＩとして示している。位相差範囲ＷＩ以外の位相差範囲が強め合う範囲である。尚、強め合う範囲として、スロープ効率は１超過であるとより好ましい。また、干渉層膜厚（一点鎖線で示す）は、離間距離ｄｒから距離ｄを減算して求めた。
　光干渉層３１及び光反射層３２がＩＴＯ／Ａｇ（反射率Ｒ＝０．８５）であり、αv／αp＝２０のとき、図７に示したスロープ効率ηSE及び干渉層膜厚の位相差（θ）依存性から、弱め合いの範囲及び強め合いの範囲は以下の式（２.６）のようになる。
・弱め合いの範囲：－208.4°＜θ＜－151.6°又は、151.6°＜θ＜208.4°
・強め合いの範囲：－360°≦θ≦－208.4°又は、－151.6°≦θ≦151.6°、
　　　　　　又は、208.4°≦θ≦360°　　　　　　　・・・（２.６）
　位相差θが上記の範囲にあるときの波源ＷＳから反射面ＳＲまでの離間距離ｄｒを求める。出射光Ｌｒがｄｒを往復したときの位相が上記のようになれば良いので、離間距離ｄｒは以下の式を満たす。
　すなわち、弱め合う条件は、以下の式（２.７）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　また、強め合う条件は、以下の式（２.８）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　式（２.６）の各位相差θの範囲で式（２.１）の離間距離ｄｒを算出し、回折面ＷＳと光干渉層３１との間の距離ｄを減算すると、以下の式（２.９）に示す弱め合い領域（中心領域Ｒ１）の層厚ｄ１及び強め合い領域（周辺領域Ｒ２）の層厚ｄ２が求められる。なお、ｄ＝1060nm、λ＝435nm、ｎave＝2.4、ｍ＝13 として計算した。
・ｄ１：110.9nm＜ｄ１＜125.2nm、又は、201.6nm＜ｄ１＜215.8nm
・ｄ２：72.8nm≦ｄ２≦110.9nm、又は、125.2nm≦ｄ２≦201.6nm、
　　　　又は、215.8nm≦ｄ２≦254nm　　　　　　　　・・・（２.９）
　式（２.９）を満たすように中心領域Ｒ１の層厚ｄ１及び周辺領域Ｒ２の層厚ｄ２を定めることにより、周辺領域Ｒ２が中心領域Ｒ１よりも明るくすることができ（干渉光強度：ＬＳ１＜ＬＳ２）、ビーム制御を行うことができる。
　なお、図３に模式的に示すように、強め合い領域（周辺領域Ｒ２）の層厚ｄ２が弱め合い領域（中心領域Ｒ１）の層厚ｄ１よりも小さいことが好ましい。強め合い領域の光干渉層３１（２）の材料損失による出射強度の低減を抑制しつつ、所望ビーム形状のレーザ光が得られるからである。
　したがって、弱め合い領域（中心領域Ｒ１）の層厚ｄ１として式（２.９）の最小値１１０．９ｎｍ、及び強め合い領域（周辺領域Ｒ２）の層厚ｄ２として式（２.９）の最小値７２．８ｎｍを採用することがさらに好ましい。この場合、光干渉層３１は、中心領域Ｒ１が周辺領域Ｒ２よりも厚い凸状の構造を有する。
　以上、説明したように、本実施形態によれば、ビーム形状を容易かつ高精度に制御することができ、高い出力までビーム（横モード）安定性に優れたフォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。
（ｄ）改変例　
　図８は、第１の実施形態の改変例を示す模式的な断面図である。本改変例のＰＣＳＥＬ素子４０では、強め合い領域（周辺領域Ｒ２）の層厚ｄ２は弱め合い領域（中心領域Ｒ１）の層厚ｄ１よりも大である。
　すなわち、光干渉層３１は、周辺領域Ｒ２が中心領域Ｒ１よりも厚い凹状の構造を有している。この場合であってもビーム形状を高精度に制御することができ、高い出力までビーム（横モード）安定性に優れたフォトニック結晶面発光レーザを実現することができる。
［第２の実施形態］
　図９は、第２の実施形態のＰＣＳＥＬ素子５０の断面、干渉光強度、ビーム形状を模式的に示す図である。本実施形態においては、光干渉層３１（１）上には光反射層３２（１）が形成され、光干渉層３１（２）上には、光反射層３２（１）とは異なる反射率の光反射層３２（２）が形成されている。その他の点については第１の実施形態のＰＣＳＥＬ素子１０と同様である。
　より具体的には、光干渉層３１（１）及び３１（２）はＩＴＯ層であり、光反射層３２（１）がＰｄ（反射率Ｒ＝０．４５）、光反射層３２（２）がＡｇ層（反射率Ｒ＝０．８５）である。
　第１の実施形態のＰＣＳＥＬ素子１０と同様に、中心領域Ｒ１が弱め合い領域であり、周辺領域Ｒ２が強め合い領域である。したがって、中心領域Ｒ１及び周辺領域Ｒ２の干渉光ＬＳ１及び干渉光ＬＳ２の強度は、ＬＳ１＜ＬＳ２である。すなわち、干渉光の強度が相対的に弱め合う領域に反射率の相対的に低い光反射層３２（１）が適用され、干渉光の強度が相対的に強め合う領域に反射率の相対的に高い光反射層３２（２）が適用される。
　光反射層３２（１）がＰｄ（反射率Ｒ＝０．４５）である中心領域Ｒ１についての干渉層層厚の位相差（θ）依存性を図１０に示す。
　光反射層３２（１）を用いた場合、弱め合いの範囲及び強め合いの範囲は以下の式（２.１０）のように求められる。
・弱め合いの範囲：－230.2°＜θ＜－129.8°又は、129.8°＜θ＜230.2°
・強め合いの範囲：－360°≦θ≦－230.2°又は、－129.8°≦θ≦129.8°
　　　　　　　　　又は、230.2°≦θ≦360°
　　　　　　　・・・（２.１０）
　弱め合い領域（中心領域Ｒ１）の層厚ｄ１は、式（２.１０）の各位相差θの範囲で式（２.１）の離間距離ｄｒを算出し、回折面ＷＳと光干渉層３１との間の距離ｄを減算して求められる。なお、ｄ＝1060nm、λ＝435nm、ｎave＝2.4、ｍ＝13 として計算した。
・ｄ１：105.4nm＜ｄ１＜130.7nm、又は、196.1nm＜ｄ１＜221.3nm
　　　　　　　　　　　　・・・（２.１１）
　ここで、第２の実施形態における強め合い領域（周辺領域Ｒ２）にはＡｇ層である光反射層３２（２）が適用されているので、膜厚ｄ２は式（２．９）と同様にして求められる。
　式（２.１１）を満たすように中心領域Ｒ１の層厚ｄ１を定め、式（２．９）を満たすように周辺領域Ｒ２の層厚ｄ２を定めることにより、周辺領域Ｒ２が中心領域Ｒ１よりも明るくすることができ（干渉光強度：ＬＳ１＜ＬＳ２）、ビーム制御を行うことができる。
　なお、図９に模式的に示すように、強め合い領域（周辺領域Ｒ２）の層厚ｄ２が弱め合い領域（中心領域Ｒ１）の層厚ｄ１よりも小さいことが好ましい。強め合い領域の光干渉層３１（２）の材料損失による出射強度の低減を抑制しつつ、所望ビーム形状のレーザ光が得られるからである。
　本実施形態においても、弱め合い領域（中心領域Ｒ１）の層厚ｄ１として式（２.１１）の最小値１０４．８ｎｍ、及び強め合い領域（周辺領域Ｒ２）の層厚ｄ２として式（２.１１）の最小値７２．８ｎｍを採用することがさらに好ましい。
　以上、説明したように、本実施形態によれば、ビーム形状を容易かつ高精度に制御することができ、高い出力までビーム（横モード）安定性に優れたフォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。
［第３の実施形態］
　第３の実施形態のＰＣＳＥＬ素子について、以下に説明する。本実施形態においては、光干渉層３１が、中心から順に第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２、・・・、第ｎ領域Ｒｎ（ｎは３以上の整数）に分割されている。
　すなわち、光干渉層３１は、光干渉層３１（１）、光干渉層３１（２）、・・・、光干渉層３１（ｎ）を有している。光干渉層３１（１）が中心領域である第１領域Ｒ１に設けられ、その外側に順に光干渉層３１（１）、３１（２）、・・・、３１（ｎ）が周辺領域に設けられている。
　図１１は、第３の実施形態のＰＣＳＥＬ素子６０の断面、干渉光強度、ビーム形状を模式的に示す図である。ＰＣＳＥＬ素子６０においては、光干渉層３１が、中心から順に第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２及び第３領域Ｒ３に分割されている場合（ｎ＝３）を示している。
　すなわち、光干渉層３１は、中心から順に光干渉層３１（１）、光干渉層３１（２）及び光干渉層３１（３）からなる。光干渉層３１上には光反射層３２が設けられている。
　より具体的には、第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２及び第３領域Ｒ３の直径はそれぞれ１００μｍ、２００μｍ及び３００μｍである。
　第１領域Ｒ１（中心領域）の干渉光強度ＬＳ１が最も大きく、第２領域Ｒ２の干渉光強度ＬＳ２が最も小さく、第３領域Ｒ３の干渉光強度ＬＳ３は第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２の中間の強度を有する。
　すなわち、ＬＳ１＞ＬＳ３＞ＬＳ２であるように光干渉層３１（１）、光干渉層３１（２）及び光干渉層３１（３）の層厚が定められている。各光干渉層の層厚は、第１の実施形態及び第２の実施形態において説明した干渉層層厚の位相差（θ）依存性に基づいて決定することができる。
　具体的には、光干渉層３１（１）、光干渉層３１（２）及び光干渉層３１（３）のＩＴＯ層の層厚は、それぞれ７３ｎｍ、１１８ｎｍ及び１０３ｎｍである。
　本実施形態によれば、ビーム形状を容易かつ高精度に制御することができ、高い出力までビーム（横モード）安定性に優れたフォトニック結晶面発光レーザを提供することができる点は上記した実施形態と同様である。
　特に、本実施形態によれば、干渉光強度の高い領域である第１領域Ｒ１及び第３領域Ｒ３の間にこれらよりも干渉光強度の低い第２領域Ｒ２が設けられている。すなわち、干渉光強度の高い領域Ｒ１及びＲ３を離間して設けることができる。
　したがって、例えば、光ビームによって対象物を加熱する場合に、加熱位置及び加熱工程を調整することが可能である。例えば、光ビームの照射位置を移動させて溶接を行う場合では、光ビームの進行方向において先に照射される領域Ｒ３の光によって加工対象物の予備加熱、次いで領域Ｒ１の光によって本加工、次いで領域Ｒ３の光によって加工後のなまし加工を行うことができる。これにより溶接の品質が向上し、また後工程も一度に行うことができる利点を有する。
　なお、光干渉層３１が３つの領域からなる場合について説明したが、一般に第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２、・・・、第ｎ領域Ｒｎからなる場合について同様に適用することができる。
　この場合、所望のビーム形状になるように、各領域の干渉光強度を干渉層層厚の位相差（θ）依存性に基づいて定めることができる。すなわち、第ｊ領域Ｒｊ（ｊ＝１，２，・・・，ｎ）の干渉光強度ＬＳｊが所望の強度になるように定めればよい。また、第２の実施形態と同様にして、反射率がそれぞれ異なる光反射層３２（１）及び３２（２）を適用してもよい。
　以上、本発明の実施形態について詳細に説明した。上記した実施形態においては、光干渉層が円形状を有する場合について説明したが、本発明において、用語「円形状」は、楕円形状及び長円形状を含み、「円環形状」は、楕円環形状及び長円環形状を含む。
　また、光干渉層は円形状に限らず、矩形状、多角形状等の形状を有していてもよい。また、光干渉層の各領域は、同心の相似形状を有することが好ましい。
　また、上記した実施形態における誘電体、反射金属、それらの組成及び数値等は例示に過ぎず、本発明の発明内で適宜改変して適用することができる。また、単一格子構造及び二重格子構造のＰＣＳＥＬ素子について例示したが、一般に多重格子構造のＰＣＳＥＬ素子に適用することができる。
　また、本発明は、空孔が六角柱形状を有する空孔層について例示したが、空孔が円柱状、矩形状、多角形状、またティアドロップ形状などの不定柱形状を有する場合についても適用することができる。
　以上、詳細に説明したように、上記した本実施形態によれば、ビーム形状を容易かつ高精度に制御することができ、高い出力までビーム（横モード）安定性に優れたフォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。
　１０，４０，５０，６０：ＰＣＳＥＬ素子、１２：基板、１４：ｎ側ガイド層（第１のガイド層）、１４Ｋ：空孔／空孔対、１４Ｐ：フォトニック結晶層（空孔層）、１５：活性層（ＡＣＴ）、１６：ｐ側ガイド層（第２のガイド層）、２０Ａ：ｎ電極、２０Ｂ：ｐ電極、３１，３１（１），３１（２）：光干渉層（透光性導電体層）、３２，３２（１），３２（２）：光反射層、ｄ：回折面ＷＳと光干渉層３１との間の距離、ｄｒ：離間距離、Ｌｄ：直接回折光、Ｌｒ：反射回折光、Ｒ１：中心領域（第１領域）、Ｒ２：周辺領域（第２領域）、ＳＲ，ＳＲ１，ＳＲ２：反射面、ＷＳ：回折面（波源）

Claims (7)

  1. 　透光性の基板と、
    　前記基板上に設けられたｎ型半導体層と、
    　前記ｎ型半導体層上に設けられた活性層と、
    　前記活性層上に設けられたｐ型半導体層と、
    　前記ｎ型半導体層に含まれ、前記活性層に平行な面内において２次元的な周期性を有して配された空孔を備えるフォトニック結晶層である空孔層と、
    　前記ｐ型半導体層上に設けられ、反射面を有する光反射層と、
    　前記反射面と前記ｐ型半導体層の間に設けられた透光性導電体層と、を備え、
    　前記基板の裏面に光出射面を有し、
    　前記空孔層は、前記空孔層内に定在する光を前記空孔層と直交する方向へ回折する際の波源である回折面を有し、
    　前記回折面から前記光出射面側に回折された第１の回折光と、前記回折面から前記光反射層側に回折され前記反射面で反射された第２の回折光との干渉により生成された干渉光の光強度が、前記第１の回折光の光強度より小さくなるように前記回折面と前記反射面との離間距離が設けられた弱め合い領域と、
    　前記干渉光の前記光強度が、前記第１の回折光の光強度より大きくなるように前記回折面と前記反射面との離間距離が設けられた強め合い領域と、
    を有する面発光レーザ素子。
  2. 　前記透光性導電体層は、中心から順に第１領域層、第２領域層、・・・、第ｋ領域層（ｋは２以上の整数）を有し、
    　前記第１領域層は前記弱め合い領域に設けられ、
    　前記第２領域層は、前記強め合い領域に設けられ、前記第１領域層とは異なる層厚を有する、請求項１に記載の面発光レーザ素子。
  3. 　前記第２領域層は前記第１領域層よりも小なる層厚を有する請求項２に記載の面発光レーザ素子。
  4. 　前記第１領域層上の前記光反射層と前記第２領域層上の前記光反射層とは互いに異なる反射率を有する請求項２又は３に記載の面発光レーザ素子。
  5. 　前記透光性導電体層は、少なくとも第１領域層、第２領域層及び第３領域層を有し、
    　前記透光性導電体層の前記第１領域層及び前記第３領域層は前記強め合い領域に設けられ、
    　前記第２領域層は前記弱め合い領域に設けられている、請求項１に記載の面発光レーザ
    素子。
  6. 　前記回折面により回折された前記第１の回折光と、前記回折面により回折され、前記反射面により反射された前記第２の回折光との位相差をθ（deg）、前記第１の回折光の波長をλ、前記回折面から前記反射面までの層の平均屈折率をｎａｖｅ、０以上の整数をｍとしたとき、前記離間距離は、以下の式で表され、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
    　前記位相差θは、前記反射面の反射率をＲ、前記空孔層の面内方向及び垂直方向における前記空孔層の損失をそれぞれαp及びαv、内部損失をαiとしたとき、前記弱め合い領域は、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
    を満たし、前記強め合い領域は、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
    を満たす請求項１乃至５のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子。
  7. 　前記透光性導電体層は円形形状を有する請求項１乃至６のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子。
     
     
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