フォトニック結晶面発光レーザ
【課題】製造上の制限に縛られることなくフォトニック結晶層への光閉じ込め係数を向上させることが可能となるフォトニック結晶面発光レーザを提供する。
【解決手段】活性層と、活性層の面に平行な方向に共振モードを有するフォトニック結晶層とを含み構成された導波路を備え、波長λで発振するフォトニック結晶面発光レーザであって、
前記導波路は、活性層の面に平行な方向に導波する波長λの光に対して高次の横モードを示す高次導波モードを少なくとも１つ有し、
前記活性層と前記フォトニック結晶層の間に、隣接する層より屈折率の低い低屈折率層が配置された構成を備え、
前記高次導波モードの光強度分布のピークのうち少なくとも１つを、前記フォトニック結晶層と前記低屈折率層との間に位置させる。
【解決手段】活性層と、活性層の面に平行な方向に共振モードを有するフォトニック結晶層とを含み構成された導波路を備え、波長λで発振するフォトニック結晶面発光レーザであって、
前記導波路は、活性層の面に平行な方向に導波する波長λの光に対して高次の横モードを示す高次導波モードを少なくとも１つ有し、
前記活性層と前記フォトニック結晶層の間に、隣接する層より屈折率の低い低屈折率層が配置された構成を備え、
前記高次導波モードの光強度分布のピークのうち少なくとも１つを、前記フォトニック結晶層と前記低屈折率層との間に位置させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶面発光レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フォトニック結晶を半導体レーザに適用した例が多く報告されている。特許文献１には、基板上に形成された、発光材料を含む活性層の近傍に２次元フォトニック結晶（２次元回折格子）層を形成した面発光レーザが開示されている。
これは分布帰還型面発光レーザ（ＤＦＢ型面発光レーザ）の一種である。この２次元フォトニック結晶層は、半導体層に円柱状の空気孔等が周期的に設けられており、２次元的に周期的な屈折率分布を持っている。
活性層で生成された光は、活性層の面に平行な方向に導波しながら、フォトニック結晶層の周期的な屈折率分布による２次回折を受けて、特定の波長λにおいて共振モードである定在波を形成し、レーザ発振する。
このレーザ発振した光は、フォトニック結晶層による１次回折を受けて、活性層の面に垂直な方向へと伝搬方向を変え、レーザ構造の表面から出射される。
これらの現象は、フォトニック結晶層全域で起こるため、特許文献１に記載の半導体レーザは２次元的にコヒーレントな光を出射する面発光レーザとして動作する。
活性層近傍での光の導波方向と、レーザ構造外への光の出射方向がほぼ垂直方向を向いていることが、このレーザ構造の特徴の一つである。
【０００３】
一方、このレーザ構造とは別に、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）にフォトニック結晶を利用した面発光レーザ構造もよく知られている。
例えば、特許文献２には、フォトニック結晶によって自然放出光を抑制することで、低閾値で低消費電力の動作を可能とするＶＣＳＥＬが開示されている。
このＶＣＳＥＬ型のフォトニック結晶面発光レーザでは、前述したＤＦＢ型のフォトニック結晶面発光レーザとは異なり、活性層近傍での光の導波方向と、レーザ構造外への光の出射方向が同じ方向を向いている。
本発明に係るレーザ構造は、このうちのＤＦＢ型面発光レーザである。
本明細書中では、フォトニック結晶面発光レーザという場合は、特に断りがない限り活性層の面に平行な方向に共振モードを有するフォトニック結晶を備えた上記ＤＦＢ型を指すこととする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３３２３５１号公報
【特許文献２】特開平１０−２８４８０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のフォトニック結晶面発光レーザを、より低い閾値電流や、より小面積の共振器でレーザ発振させようとする場合など、より一層の特性向上を目指す場合には、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数を大きくすることが有効である。しかしながら、従来の構造では、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数をある程度以上大きくすることについては、以下に説明するような課題を有している。なお、本明細書中では、レーザ素子の基板側を下側、基板と反対側を上側と定義する。
はじめに、光閉じ込め係数について説明する。
ある系に存在する全光エネルギーのうち、ある領域に閉じ込められている光エネルギーの割合を、その領域への光閉じ込め係数と言う。
フォトニック結晶面発光レーザでは、フォトニック結晶層に存在する光エネルギーの割合すなわちフォトニック結晶層への光閉じ込め係数が、レーザ特性を決める重要な要素となっている。
フォトニック結晶面発光レーザ中の積層方向の光分布は、導波モードとして計算することができる。
【０００６】
図４を用いて、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数について具体的に説明する。
図４（ａ）に、フォトニック結晶面発光レーザ構造の断面模式図の一例を示す。また、図４（ｂ）に、そのレーザ構造について計算した、レーザ発振波長λにおける導波モードの光強度分布を示す。
この導波モードにおける光の導波方向は、活性層の面や基板主面方向に平行な方向である。
光強度は、活性層４００付近にピークを持った単峰の分布を有している。光強度分布中に斜線で塗りつぶした部分がフォトニック結晶層４１０に存在する光に相当する。
光強度分布の曲線を全範囲にわたって積分することで求まる全体の面積のうち、斜線部分の面積の割合がいくらであるかを求めれば、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数が求められる。
この図に示した構造では、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数は約３％である。
【０００７】
つぎに、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数を向上させる利点について説明する。
フォトニック結晶層における光回折の起こりやすさは、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数に比例する。つまり、光閉じ込め係数を向上できれば、より効率的に回折を起こすことができる。
フォトニック結晶面発光レーザにおけるレーザ発振は回折によって引き起こされているので、回折効率を向上させることはレーザ発振閾値を低減したり、共振器を小面積化したりすることに対して有利に働く。
したがって、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数を向上させることはレーザ特性を向上させることにつながる。
【０００８】
つぎに、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数を向上させるための従来の手段について説明する。
単純に考えると、フォトニック結晶層の厚さを増せばフォトニック結晶層への光閉じ込め係数を大きくすることが可能なように思える。しかしながら、実際には必ずしもそうではないということを以下に示す。
図５に、図４に示したフォトニック結晶面発光レーザ構造のフォトニック結晶層への光閉じ込め係数の、フォトニック結晶層の厚さ依存（計算結果）を示す。
図５に示した計算結果からわかるように、ある厚さまではフォトニック結晶層の厚さが増すにつれて光閉じ込め係数が向上するが、その厚さを超えるとフォトニック結晶層の厚さを増しても光閉じ込め係数を向上させることはできない。
したがって、フォトニック結晶層の厚さを増すことによる光閉じ込め係数の向上には限界がある。
また、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数を向上する手段として、光強度分布のピーク付近にフォトニック結晶層を配置することが有効であることが知られている。
ここで、一般的に光強度分布のピークは活性層付近に位置するため、光強度分布のピーク付近にフォトニック結晶層を配置することは、活性層とフォトニック結晶層を近接して配置することと同義である。
【０００９】
しかしながら、製造上の制限から、活性層とフォトニック結晶層は、ある程度以上の距離を保って配置される必要がある。以下、この制限について説明する。フォトニック結晶面発光レーザを形成するためには、半導体材料中に空気孔などの周期配列で構成されるフォトニック結晶層を埋め込む必要がある。
例えば、非特許文献１（Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｖｏｌ．３１９，ｐ．４４５ （２００８））に開示されているＡＲＯＧを用いてフォトニック結晶層を埋め込む場合を考える。ＡＲＯＧは、横方向成長をうまく利用して半導体中に空気孔を形成する手法である。
【００１０】
活性層とフォトニック結晶層の位置関係は、どちらが上側に位置する場合も採り得るが、それぞれに対して次に説明するような製造上の問題が存在する。
活性層の上側にフォトニック結晶層を設ける場合は、活性層とその上に位置する半導体層を結晶成長させた後に、ドライエッチング等で活性層付近まで半導体層に空気孔を掘る。そして、その後ＡＲＯＧで空気孔上部を覆うように再成長を行うことで半導体内部に空気孔を埋め込むことになる。
その際、孔の底と活性層との距離が近すぎると、ドライエッチング加工時のダメージが活性層にまで及び、発光効率を下げてしまうことがある。
そのため、活性層とフォトニック結晶層の距離をある程度離して配置しておく必要がある。
【００１１】
また、活性層の下側にフォトニック結晶層を設ける場合は、ＡＲＯＧで空気孔を埋め込んだ後に活性層を結晶成長させることになる。
その際、空気孔を埋め込んだ後に表面を平坦化するためには、ある程度の厚さの半導体層を成長させる必要がある。
フォトニック結晶層と活性層の距離が近すぎると、十分に平坦化できていない状態で活性層を成長させることになり、高品質の活性層を得ることが難しくなり、発光効率を下げてしまうことになる。
【００１２】
したがって、既存の製造技術を用いた場合には、活性層とフォトニック結晶層との距離を近づけすぎることは活性層の発光効率低下につながってしまうので、ある程度以上の距離を保つ必要がある。
以上述べた理由から、従来の構造では、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数を大きくすることは難しかった。
【００１３】
本発明は、上記課題に鑑み、製造上の制限に縛られることなくフォトニック結晶層への光閉じ込め係数を向上させることが可能となるフォトニック結晶面発光レーザの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のフォトニック結晶面発光レーザは、活性層と、活性層の面に平行な方向に共振モードを有するフォトニック結晶層とを含み構成された導波路を備え、波長λで発振するフォトニック結晶面発光レーザであって、
前記導波路は、活性層の面に平行な方向に導波する波長λの光に対して高次の横モードを示す高次導波モードを少なくとも１つ有し、
前記活性層と前記フォトニック結晶層の間に、隣接する層より屈折率の低い低屈折率層が配置された構成を備え、
前記高次導波モードの光強度分布のピークのうち少なくとも１つを、前記フォトニック結晶層と前記低屈折率層との間に位置させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、製造上の制限に縛られることなくフォトニック結晶層への光閉じ込め係数を向上させることが可能となる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。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態におけるフォトニック結晶面発光レーザの断面図である。
【図２】本発明の実施例１におけるフォトニック結晶面発光レーザの断面図と光強度分布を示す図である。
【図３】本発明の実施例２におけるフォトニック結晶面発光レーザの層構成を示す図である。
【図４】従来のフォトニック結晶面発光レーザ構造を示す断面図と光強度分布を示す図である。
【図５】図４に示すフォトニック結晶面発光レーザ構造におけるフォトニック結晶層への光閉じ込め係数を示す図である。
【図６】導波路における光導波の様子を説明する図である。
【図７】導波路における光分布を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明の実施形態におけるフォトニック結晶面発光レーザの構成例について説明する。
本実施形態では、活性層と、該活性層の近傍に設けられた周期的な屈折率分布を有するフォトニック結晶層とを備える。これにより分布帰還型（ＤＦＢ型）の面発光レーザの一種である活性層の面に平行な方向に共振モードを有するフォトニック結晶を備えた面発光レーザが構成される。
また、本実施形態のフォトニック結晶面発光レーザでは、レーザ発振の共振モードに係る導波モードとして高次導波モードを使用するように設計されている。
そして、活性層とフォトニック結晶層との間に、隣接する層より屈折率の低い低屈折率層が配置されている。
さらに、高次導波モードの光強度分布のピークのうち少なくとも１つが低屈折率層とフォトニック結晶層との間に位置するように設計されている。
【００１８】
以上のような構成を採る理由について、以下説明する。
これを図６を用いて、導波モードについて、最も単純な構造である三層スラブ導波路を用いて説明する。
三層スラブ導波路は、図６に示したように、光が伝搬するコア層６００と、これを囲むクラッド層６１０からなっている。
コア層の屈折率はクラッド層の屈折率より大きくなっており、コア層とクラッド層の界面で光が全反射されることによって光がコア層に閉じ込められて伝搬する。
このような導波路において、位相整合条件を満足する、とびとびの伝搬角６２０を有する光線６３０のみが伝搬可能であることが知られている。
ここで、伝搬角の最も小さいモードは基本導波モードまたは０次導波モードとよばれ、それより大きい伝搬角を有するモードは高次導波モードとよばれる。
なお、本明細書中での高次導波モードとは、光の伝搬方向に対して垂直方向の断面を見た場合の光分布、いわゆる横モードが高次であることを指しており、
光の伝搬方向に対して平行方向の断面を見た場合の光分布、いわゆる縦モードが高次であることを指しているのではない。
【００１９】
基本導波モードおよび高次導波モードの説明のために、図７に、コア層の屈折率１．５、クラッド層の屈折率１．０の三層スラブ導波路に、波長４００ｎｍの光を導波させた場合の光強度分布計算結果を示す。
図７（ａ）はコア層厚さ１５０ｎｍ、図７（ｂ）、図７（ｃ）はコア層厚さ３００ｎｍ、図７（ｄ）、図７（ｅ）、図７（ｆ）はコア層厚さ４５０ｎｍの導波路に対する計算結果である。
なお、図中の点線はコア層とクラッド層の上下の境界を示している。
コア層厚さ１５０ｎｍの導波路では、図７（ａ）に示した基本導波モードのみが存在する。
コア層厚さ３００ｎｍの導波路では、図７（ｂ）に示した基本導波モードの他に、図７（ｃ）に示した１次の高次導波モードが存在する。
コア層厚さ４５０ｎｍの導波路では、図７（ｄ）に示した基本導波モード、図７（ｅ）に示した１次の高次導波モードに加えて、図７（ｆ）に示した２次の高次導波モードも存在する。
【００２０】
このように、有限の厚さを持つ導波路における導波モード数は有限であり、導波路のコア層が厚くなるほど、より高次の導波モードを存在させることができる。
また、基本導波モードは単峰、高次導波モードは多峰の光強度分布を持ち、モードの次数が大きくなるほど峰の数が増す。
また、コア層の厚さが等しい場合でも、コア層とクラッド層の屈折率差が大きいほど、より高次の導波モードが存在できることが知られている。
導波モードとして基本導波モードだけしか存在できない導波路はシングルモード導波路と呼ばれ、高次導波モードも存在できる導波路はマルチモード導波路と呼ばれる。
一般的な半導体レーザは、単一のモードでのレーザ発振を狙うため、シングルモード導波路となるように設計されている。
【００２１】
本発明で基本導波モードではなく、高次導波モードを使用する意図について説明する。
高次導波モードを使用する利点は、光強度分布のピークをフォトニック結晶層の近くに持ってくることが、基本導波モードに比べて容易になる点である。
基本導波モードを使用した従来構造では、光強度分布の形状は単峰であり、そのピークは活性層付近に位置している。
この場合、フォトニック結晶層を光強度のピークに近づけることはフォトニック結晶層を活性層に近づけることと同義であり、前述の製造上の制限がある。
しかし、本発明では、高次導波モードの複数存在するピークのうち別々のものを活性層とフォトニック結晶層にそれぞれ近づけることができるため、活性層とフォトニック結晶層の距離を近づける必要がない。
そのため、前述の製造上の制限に縛られることなくフォトニック結晶層への光閉じ込め係数の向上を図ることができる。
【００２２】
本発明で活性層とフォトニック結晶層との間に、隣接する層より屈折率の低い低屈折率層を配置する意図について説明する。
低屈折率層を配置する利点は、フォトニック結晶層付近の光強度分布のピークを、よりフォトニック結晶層に近づけられる点である。
フォトニック結晶層は空気孔を含むので、フォトニック結晶層の平均屈折率は周囲の層より低い。一般的に、屈折率の低い層には光が集まりにくいため、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数向上の妨げとなっている。
本発明では、屈折率の低い層を近傍に配置してフォトニック結晶層の屈折率を相対的に高くすることでフォトニック結晶層への光閉じ込め係数の向上を図っている。
フォトニック結晶層に比べて低屈折率層の屈折率がより低い方が、フォトニック結晶層の相対的な屈折率がより高くなるので望ましい。
低屈折率層の具体的な構成としては、例えば、ＡｌＧａＡｓ系やＡｌＧａＮ系の半導体材料を使用する場合には、周囲の層よりＡｌ組成を高くした層を低屈折率層として用いることができる。
また、格子不整合などが原因で材料そのものの屈折率を下げることが難しい場合は、多孔質構造とすることで平均屈折率を下げた層を低屈折率層として用いることもできる。
【００２３】
本発明では、低屈折率層を配置する位置も重要である。
本発明の効果を奏するためには、フォトニック結晶層と光強度分布のピークの距離を縮めることが重要である。したがって、光強度分布のピークをフォトニック結晶層側に寄せるように低屈折率層を配置する必要がある。
そのためには、光強度分布のピークを挟んでフォトニック結晶層と反対側に低屈折率層を配置してやればよい。言い換えると、フォトニック結晶層と低屈折率層の間に少なくとも１つの光強度分布のピークが存在するような配置にしてやればよい。
このような配置になっていない場合は、低屈折率層は光強度分布のピークをフォトニック結晶層から遠ざける働きをしてしまい、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数を低下させてしまう。
【００２４】
つぎの表１に、これまでに述べた本発明の効果を奏する構造を説明するための計算結果の一例を示す。
［表１］
【００２５】
レーザ発振波長λが４００ｎｍとなるように設計された、窒化物半導体で構成されたフォトニック結晶面発光レーザについての計算結果である。表の中に示した数字はフォトニック結晶層への光閉じ込め係数（単位％）である。
シングルモード導波路および１次導波モードまで有するマルチモード導波路の２種類のフォトニック結晶面発光レーザ構造について、各導波モードでのフォトニック結晶層への光閉じ込め係数を示している。
また、それぞれの構造について、活性層とフォトニック結晶層の間に低屈折率層を配置しない場合と配置した場合の結果を示している。
【００２６】
従来構造である、シングルモード導波路であり低屈折率層を含まないフォトニック結晶面発光レーザの場合を見てみると、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数は２．９％である。
ここで、フォトニック結晶面発光レーザ中に低屈折率層を配置すると、導波モードが消滅してしまうため、レーザ構造として動作しなくなってしまう。したがって、当然ながら本発明の効果は奏しない。
マルチモード導波路として設計されたフォトニック結晶面発光レーザの基本（０次）導波モードを使用した場合、レーザ構造中に低屈折率層を導入しても導波モードは消滅しない。しかし、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数は低屈折率層を導入しない場合に比べて大幅に小さくなってしまう。つまり、本発明の効果とは逆の、望ましくない効果が発生してしまう。
つまり、シングルモード導波路の場合もマルチモード導波路の場合も、基本導波モードに関しては、活性層とフォトニック結晶層の間に低屈折率層を配置してもフォトニック結晶層への光閉じ込め係数を向上させる効果は生じない。
【００２７】
一方、本実施形態に係る、マルチモード導波路の高次（１次）導波モードを使用した場合は、低屈折率層を配置することによって、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数が３．７％から７％へと大幅に向上することがわかる。
上記したように、低屈折率層を配置する場合、活性層とフォトニック結晶層の間のどこに配置しても本発明の効果を奏するというわけではない。
図１を用いて、低屈折率層を配置する位置による影響を説明する。
図１は、レーザ発振波長λが４００ｎｍとなるように設計された、窒化物半導体で構成されたフォトニック結晶面発光レーザの断面模式図と、波長λにおける光強度分布の計算結果である。
図１（ａ）は適切に、つまりフォトニック結晶層１１０と低屈折率層１２０の間に光強度分布のピークが位置するように低屈折率が配置されている例である。
フォトニック結晶面発光レーザ構造の断面模式図の右側に、図４（ｂ）と同様に計算された光強度分布の曲線を示し、フォトニック結晶層１１０中に存在する光に相当する部分を斜線で塗りつぶして示している。
フォトニック結晶層と低屈折率層の間の距離は２００ｎｍである。
【００２８】
図１（ｂ）は、不適切に、つまりフォトニック結晶層１１１と低屈折率層１２１の間に光強度分布のピークが位置しないような配置になっている例である。
フォトニック結晶層と低屈折率層の間の距離は５０ｎｍである。この構造では、低屈折率層の位置がフォトニック結晶層に近すぎるため、低屈折率層が光強度分布のピークより上側に位置している。
その結果、光強度分布のピークを下側に押し下げてしまい、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数をより小さくしてしまう。
図から明らかなように、図１（ａ）に比べて図１（ｂ）の斜線部分は非常に小さい。つまり、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数が小さい。
具体的な数値としては、図１（ａ）の構造ではフォトニック結晶層への光閉じ込め係数は７％、図１（ｂ）の構造では１％である。
以上より、高次導波モードを使用し、かつ適切な場所に低屈折率層を配置する事ではじめて本発明の効果が得られるということが確認された。
【００２９】
一般に、半導体レーザの共振器としてマルチモード導波路を使用した場合、単一モードでの発振が難しくなるおそれがある。
しかし本発明では、前述したように、低屈折率層を配置することで基本導波モードのフォトニック結晶層への光閉じ込め係数が小さくなるので、基本導波モードに由来するレーザ発振は起こりにくくなる。その結果、所望の高次導波モードに由来するモードのみでレーザ発振を起こすことができる。
よって、本発明ではマルチモード導波路を使用しても単一モードで発振させることができる。
【００３０】
本実施形態で使用するフォトニック結晶構造は、その屈折率の周期性が１次元的であってもよいし、２次元的であってもよい。２次元的な周期性としては、正方格子、三角格子や、その他一般的に使用されている格子構造を利用することができる。
また、本実施形態のレーザ構造における活性層は、一般の半導体レーザに使用されるものを使用することができる。
例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＮ／ＩｎＧａＮなどの材料を用いた多重量子井戸構造である。
また、本実施形態に係る面発光レーザにおいては、光励起方式、あるいは電流注入方式により駆動することができる。
【実施例】
【００３１】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として、本発明を適用したフォトニック結晶面発光レーザの構成例について、図２と表２を用いて説明する。
図２に、本実施例におけるフォトニック結晶面発光レーザ構造の断面模式図と、計算によって求めた光強度分布を示す。
本レーザ構造は電流注入により波長４００ｎｍでレーザ発振するように構成されており、図２に示した光強度分布も波長４００ｎｍの光に対して計算したものである。
【００３２】
表２に、本発明の活性層とフォトニック結晶層とを含み構成された導波路を備えたフォトニック結晶面発光レーザの構成を適用した、本実施例におけるフォトニック結晶面発光レーザの層構成の具体的内容を示す。
［表２］
【００３３】
表２に示した層構成は、ｎ型基板上に窒化物半導体層を有機金属気層成長法（ＭＯＶＰＥ法）によって積層することで形成した。
活性層２００は、井戸層として厚さ２．５ｎｍのＩｎ0.09Ｇａ0.91Ｎ、バリア層として厚さ７．５ｎｍのＧａＮが３周期積層された多重量子井戸構造を備える。また、図２と表２では省略しているが、ｎ型基板とｐ型コンタクト層には、キャリアが注入できる電極を形成する。ｎ型電極は、ＴｉとＡｌで形成し、ｐ型電極は、ＡｕとＮｉで形成する。
【００３４】
本実施例における２次元フォトニック結晶層２１０は、ＧａＮ中に円柱状の空気孔を、正方格子状に周期配列して構成される。
円柱状の空気孔の周期は１６０ｎｍ、円柱の直径は６４ｎｍである。このとき空気孔の体積充填率は１２．６％であり、平均屈折率は２．４０２となる。
この２次元フォトニック結晶層２１０は、一般的に使用される半導体リソグラフィとドライエッチングを用いてＧａＮ表面に孔をパターニングした後、再成長法によって孔の上部に蓋を形成することで半導体材料中に埋め込まれた。
低屈折率層２２０は、Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎで構成された層であり、その屈折率は２．４６１である。
低屈折率層２２０に隣接する層はｐ−ＧａＮで形成されたスペーサ層２４０および２５０であり、その屈折率は２．５４１であり、低屈折率層２２０より屈折率が高い。
本実施例におけるフォトニック結晶面発光レーザのフォトニック結晶層２１０への光閉じ込め係数は５．１％である。
【００３５】
［実施例２］
実施例２として、実施例１とは異なる形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成例を、図３を用いて説明する。
本実施例におけるフォトニック結晶面発光レーザ構造は、一か所を除いて実施例１のレーザ構造と同じである。本実施例と実施例１とは、低屈折率層の構成のみが異なっている。
本実施例における低屈折率層３２０は、多孔質ＧａＮによって形成されている。多孔質中の空気孔部分の体積充填率は約２１％であり、低屈折率層３２０の平均屈折率は２．３である。
本実施例では、実施例１と同様、フォトニック結晶層３１０の空気孔の体積充填率は１２．６％であり、平均屈折率は２．４０２とされている。
そのため、低屈折率層の空気孔の体積充填率はフォトニック結晶層の空気孔の体積充填率より大きく、低屈折率層の平均屈折率の方がフォトニック結晶層の平均屈折率より小さくなっている。
【００３６】
本実施例の実施例１に対する利点としては、実施例１のようにＡｌ組成が周囲より大きい層を低屈折率層として使用する場合に比べて、格子不整合による制限が厳しくないということが言える。
つまり、実施例１では、低屈折率層の屈折率を小さくしようとすればＡｌ組成を大きくすることになり、特に窒化物半導体材料などにおいては、隣接する層との組成の違いによる格子不整合の影響が無視できなくなる。
そのため、現実的に使用できるＡｌ組成は限られている。
したがって、実施例１のような構造では、現実的に使用できる低屈折率層の屈折率にも下限がある。
一方、本実施例のように多孔質構造を低屈折率層として使用する場合は、その平均屈折率は空気の充填率によって制御することが可能である。
したがって、隣接する層から大幅に組成を変える必要が無いので、上記の格子不整合を回避することができる。
そのため、実施例１に比べて、現実的に使用できる低屈折率層の屈折率の下限をより小さくすることが可能になる。
本実施例におけるフォトニック結晶面発光レーザのフォトニック結晶層への光閉じ込め係数は６．９％である。
【００３７】
以上、実施例について説明したが、本発明の面発光レーザは記載した実施例に限定されるものではない。
フォトニック結晶層の形状や材料や大きさ、活性層やクラッド層や電極を構成する材料は本発明の範囲内で適宜変更できる。
また、上記実施例では、レーザ発振波長として４００ｎｍのものを示したが、適切な材料・構造の選択により、任意の波長での動作も可能である。
また、本発明の面発光レーザを同一平面上に複数配列してアレイ光源として使用してもよい。
以上説明した本発明の面発光レーザは、複写機、レーザプリンタなどの画像形成装置が有する感光ドラムへ描画を行うための光源としても利用することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１００：活性層
１１０：フォトニック結晶層
１１１：フォトニック結晶層
１２０：低屈折率層
１２１：低屈折率層
２００：活性層
２１０：フォトニック結晶層
２２０：低屈折率層
２４０、２５０：低屈折率層に隣接するスペーサ層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶面発光レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フォトニック結晶を半導体レーザに適用した例が多く報告されている。特許文献１には、基板上に形成された、発光材料を含む活性層の近傍に２次元フォトニック結晶（２次元回折格子）層を形成した面発光レーザが開示されている。
これは分布帰還型面発光レーザ（ＤＦＢ型面発光レーザ）の一種である。この２次元フォトニック結晶層は、半導体層に円柱状の空気孔等が周期的に設けられており、２次元的に周期的な屈折率分布を持っている。
活性層で生成された光は、活性層の面に平行な方向に導波しながら、フォトニック結晶層の周期的な屈折率分布による２次回折を受けて、特定の波長λにおいて共振モードである定在波を形成し、レーザ発振する。
このレーザ発振した光は、フォトニック結晶層による１次回折を受けて、活性層の面に垂直な方向へと伝搬方向を変え、レーザ構造の表面から出射される。
これらの現象は、フォトニック結晶層全域で起こるため、特許文献１に記載の半導体レーザは２次元的にコヒーレントな光を出射する面発光レーザとして動作する。
活性層近傍での光の導波方向と、レーザ構造外への光の出射方向がほぼ垂直方向を向いていることが、このレーザ構造の特徴の一つである。
【０００３】
一方、このレーザ構造とは別に、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）にフォトニック結晶を利用した面発光レーザ構造もよく知られている。
例えば、特許文献２には、フォトニック結晶によって自然放出光を抑制することで、低閾値で低消費電力の動作を可能とするＶＣＳＥＬが開示されている。
このＶＣＳＥＬ型のフォトニック結晶面発光レーザでは、前述したＤＦＢ型のフォトニック結晶面発光レーザとは異なり、活性層近傍での光の導波方向と、レーザ構造外への光の出射方向が同じ方向を向いている。
本発明に係るレーザ構造は、このうちのＤＦＢ型面発光レーザである。
本明細書中では、フォトニック結晶面発光レーザという場合は、特に断りがない限り活性層の面に平行な方向に共振モードを有するフォトニック結晶を備えた上記ＤＦＢ型を指すこととする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３３２３５１号公報
【特許文献２】特開平１０−２８４８０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のフォトニック結晶面発光レーザを、より低い閾値電流や、より小面積の共振器でレーザ発振させようとする場合など、より一層の特性向上を目指す場合には、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数を大きくすることが有効である。しかしながら、従来の構造では、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数をある程度以上大きくすることについては、以下に説明するような課題を有している。なお、本明細書中では、レーザ素子の基板側を下側、基板と反対側を上側と定義する。
はじめに、光閉じ込め係数について説明する。
ある系に存在する全光エネルギーのうち、ある領域に閉じ込められている光エネルギーの割合を、その領域への光閉じ込め係数と言う。
フォトニック結晶面発光レーザでは、フォトニック結晶層に存在する光エネルギーの割合すなわちフォトニック結晶層への光閉じ込め係数が、レーザ特性を決める重要な要素となっている。
フォトニック結晶面発光レーザ中の積層方向の光分布は、導波モードとして計算することができる。
【０００６】
図４を用いて、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数について具体的に説明する。
図４（ａ）に、フォトニック結晶面発光レーザ構造の断面模式図の一例を示す。また、図４（ｂ）に、そのレーザ構造について計算した、レーザ発振波長λにおける導波モードの光強度分布を示す。
この導波モードにおける光の導波方向は、活性層の面や基板主面方向に平行な方向である。
光強度は、活性層４００付近にピークを持った単峰の分布を有している。光強度分布中に斜線で塗りつぶした部分がフォトニック結晶層４１０に存在する光に相当する。
光強度分布の曲線を全範囲にわたって積分することで求まる全体の面積のうち、斜線部分の面積の割合がいくらであるかを求めれば、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数が求められる。
この図に示した構造では、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数は約３％である。
【０００７】
つぎに、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数を向上させる利点について説明する。
フォトニック結晶層における光回折の起こりやすさは、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数に比例する。つまり、光閉じ込め係数を向上できれば、より効率的に回折を起こすことができる。
フォトニック結晶面発光レーザにおけるレーザ発振は回折によって引き起こされているので、回折効率を向上させることはレーザ発振閾値を低減したり、共振器を小面積化したりすることに対して有利に働く。
したがって、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数を向上させることはレーザ特性を向上させることにつながる。
【０００８】
つぎに、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数を向上させるための従来の手段について説明する。
単純に考えると、フォトニック結晶層の厚さを増せばフォトニック結晶層への光閉じ込め係数を大きくすることが可能なように思える。しかしながら、実際には必ずしもそうではないということを以下に示す。
図５に、図４に示したフォトニック結晶面発光レーザ構造のフォトニック結晶層への光閉じ込め係数の、フォトニック結晶層の厚さ依存（計算結果）を示す。
図５に示した計算結果からわかるように、ある厚さまではフォトニック結晶層の厚さが増すにつれて光閉じ込め係数が向上するが、その厚さを超えるとフォトニック結晶層の厚さを増しても光閉じ込め係数を向上させることはできない。
したがって、フォトニック結晶層の厚さを増すことによる光閉じ込め係数の向上には限界がある。
また、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数を向上する手段として、光強度分布のピーク付近にフォトニック結晶層を配置することが有効であることが知られている。
ここで、一般的に光強度分布のピークは活性層付近に位置するため、光強度分布のピーク付近にフォトニック結晶層を配置することは、活性層とフォトニック結晶層を近接して配置することと同義である。
【０００９】
しかしながら、製造上の制限から、活性層とフォトニック結晶層は、ある程度以上の距離を保って配置される必要がある。以下、この制限について説明する。フォトニック結晶面発光レーザを形成するためには、半導体材料中に空気孔などの周期配列で構成されるフォトニック結晶層を埋め込む必要がある。
例えば、非特許文献１（Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｖｏｌ．３１９，ｐ．４４５ （２００８））に開示されているＡＲＯＧを用いてフォトニック結晶層を埋め込む場合を考える。ＡＲＯＧは、横方向成長をうまく利用して半導体中に空気孔を形成する手法である。
【００１０】
活性層とフォトニック結晶層の位置関係は、どちらが上側に位置する場合も採り得るが、それぞれに対して次に説明するような製造上の問題が存在する。
活性層の上側にフォトニック結晶層を設ける場合は、活性層とその上に位置する半導体層を結晶成長させた後に、ドライエッチング等で活性層付近まで半導体層に空気孔を掘る。そして、その後ＡＲＯＧで空気孔上部を覆うように再成長を行うことで半導体内部に空気孔を埋め込むことになる。
その際、孔の底と活性層との距離が近すぎると、ドライエッチング加工時のダメージが活性層にまで及び、発光効率を下げてしまうことがある。
そのため、活性層とフォトニック結晶層の距離をある程度離して配置しておく必要がある。
【００１１】
また、活性層の下側にフォトニック結晶層を設ける場合は、ＡＲＯＧで空気孔を埋め込んだ後に活性層を結晶成長させることになる。
その際、空気孔を埋め込んだ後に表面を平坦化するためには、ある程度の厚さの半導体層を成長させる必要がある。
フォトニック結晶層と活性層の距離が近すぎると、十分に平坦化できていない状態で活性層を成長させることになり、高品質の活性層を得ることが難しくなり、発光効率を下げてしまうことになる。
【００１２】
したがって、既存の製造技術を用いた場合には、活性層とフォトニック結晶層との距離を近づけすぎることは活性層の発光効率低下につながってしまうので、ある程度以上の距離を保つ必要がある。
以上述べた理由から、従来の構造では、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数を大きくすることは難しかった。
【００１３】
本発明は、上記課題に鑑み、製造上の制限に縛られることなくフォトニック結晶層への光閉じ込め係数を向上させることが可能となるフォトニック結晶面発光レーザの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のフォトニック結晶面発光レーザは、活性層と、活性層の面に平行な方向に共振モードを有するフォトニック結晶層とを含み構成された導波路を備え、波長λで発振するフォトニック結晶面発光レーザであって、
前記導波路は、活性層の面に平行な方向に導波する波長λの光に対して高次の横モードを示す高次導波モードを少なくとも１つ有し、
前記活性層と前記フォトニック結晶層の間に、隣接する層より屈折率の低い低屈折率層が配置された構成を備え、
前記高次導波モードの光強度分布のピークのうち少なくとも１つを、前記フォトニック結晶層と前記低屈折率層との間に位置させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、製造上の制限に縛られることなくフォトニック結晶層への光閉じ込め係数を向上させることが可能となる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。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態におけるフォトニック結晶面発光レーザの断面図である。
【図２】本発明の実施例１におけるフォトニック結晶面発光レーザの断面図と光強度分布を示す図である。
【図３】本発明の実施例２におけるフォトニック結晶面発光レーザの層構成を示す図である。
【図４】従来のフォトニック結晶面発光レーザ構造を示す断面図と光強度分布を示す図である。
【図５】図４に示すフォトニック結晶面発光レーザ構造におけるフォトニック結晶層への光閉じ込め係数を示す図である。
【図６】導波路における光導波の様子を説明する図である。
【図７】導波路における光分布を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明の実施形態におけるフォトニック結晶面発光レーザの構成例について説明する。
本実施形態では、活性層と、該活性層の近傍に設けられた周期的な屈折率分布を有するフォトニック結晶層とを備える。これにより分布帰還型（ＤＦＢ型）の面発光レーザの一種である活性層の面に平行な方向に共振モードを有するフォトニック結晶を備えた面発光レーザが構成される。
また、本実施形態のフォトニック結晶面発光レーザでは、レーザ発振の共振モードに係る導波モードとして高次導波モードを使用するように設計されている。
そして、活性層とフォトニック結晶層との間に、隣接する層より屈折率の低い低屈折率層が配置されている。
さらに、高次導波モードの光強度分布のピークのうち少なくとも１つが低屈折率層とフォトニック結晶層との間に位置するように設計されている。
【００１８】
以上のような構成を採る理由について、以下説明する。
これを図６を用いて、導波モードについて、最も単純な構造である三層スラブ導波路を用いて説明する。
三層スラブ導波路は、図６に示したように、光が伝搬するコア層６００と、これを囲むクラッド層６１０からなっている。
コア層の屈折率はクラッド層の屈折率より大きくなっており、コア層とクラッド層の界面で光が全反射されることによって光がコア層に閉じ込められて伝搬する。
このような導波路において、位相整合条件を満足する、とびとびの伝搬角６２０を有する光線６３０のみが伝搬可能であることが知られている。
ここで、伝搬角の最も小さいモードは基本導波モードまたは０次導波モードとよばれ、それより大きい伝搬角を有するモードは高次導波モードとよばれる。
なお、本明細書中での高次導波モードとは、光の伝搬方向に対して垂直方向の断面を見た場合の光分布、いわゆる横モードが高次であることを指しており、
光の伝搬方向に対して平行方向の断面を見た場合の光分布、いわゆる縦モードが高次であることを指しているのではない。
【００１９】
基本導波モードおよび高次導波モードの説明のために、図７に、コア層の屈折率１．５、クラッド層の屈折率１．０の三層スラブ導波路に、波長４００ｎｍの光を導波させた場合の光強度分布計算結果を示す。
図７（ａ）はコア層厚さ１５０ｎｍ、図７（ｂ）、図７（ｃ）はコア層厚さ３００ｎｍ、図７（ｄ）、図７（ｅ）、図７（ｆ）はコア層厚さ４５０ｎｍの導波路に対する計算結果である。
なお、図中の点線はコア層とクラッド層の上下の境界を示している。
コア層厚さ１５０ｎｍの導波路では、図７（ａ）に示した基本導波モードのみが存在する。
コア層厚さ３００ｎｍの導波路では、図７（ｂ）に示した基本導波モードの他に、図７（ｃ）に示した１次の高次導波モードが存在する。
コア層厚さ４５０ｎｍの導波路では、図７（ｄ）に示した基本導波モード、図７（ｅ）に示した１次の高次導波モードに加えて、図７（ｆ）に示した２次の高次導波モードも存在する。
【００２０】
このように、有限の厚さを持つ導波路における導波モード数は有限であり、導波路のコア層が厚くなるほど、より高次の導波モードを存在させることができる。
また、基本導波モードは単峰、高次導波モードは多峰の光強度分布を持ち、モードの次数が大きくなるほど峰の数が増す。
また、コア層の厚さが等しい場合でも、コア層とクラッド層の屈折率差が大きいほど、より高次の導波モードが存在できることが知られている。
導波モードとして基本導波モードだけしか存在できない導波路はシングルモード導波路と呼ばれ、高次導波モードも存在できる導波路はマルチモード導波路と呼ばれる。
一般的な半導体レーザは、単一のモードでのレーザ発振を狙うため、シングルモード導波路となるように設計されている。
【００２１】
本発明で基本導波モードではなく、高次導波モードを使用する意図について説明する。
高次導波モードを使用する利点は、光強度分布のピークをフォトニック結晶層の近くに持ってくることが、基本導波モードに比べて容易になる点である。
基本導波モードを使用した従来構造では、光強度分布の形状は単峰であり、そのピークは活性層付近に位置している。
この場合、フォトニック結晶層を光強度のピークに近づけることはフォトニック結晶層を活性層に近づけることと同義であり、前述の製造上の制限がある。
しかし、本発明では、高次導波モードの複数存在するピークのうち別々のものを活性層とフォトニック結晶層にそれぞれ近づけることができるため、活性層とフォトニック結晶層の距離を近づける必要がない。
そのため、前述の製造上の制限に縛られることなくフォトニック結晶層への光閉じ込め係数の向上を図ることができる。
【００２２】
本発明で活性層とフォトニック結晶層との間に、隣接する層より屈折率の低い低屈折率層を配置する意図について説明する。
低屈折率層を配置する利点は、フォトニック結晶層付近の光強度分布のピークを、よりフォトニック結晶層に近づけられる点である。
フォトニック結晶層は空気孔を含むので、フォトニック結晶層の平均屈折率は周囲の層より低い。一般的に、屈折率の低い層には光が集まりにくいため、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数向上の妨げとなっている。
本発明では、屈折率の低い層を近傍に配置してフォトニック結晶層の屈折率を相対的に高くすることでフォトニック結晶層への光閉じ込め係数の向上を図っている。
フォトニック結晶層に比べて低屈折率層の屈折率がより低い方が、フォトニック結晶層の相対的な屈折率がより高くなるので望ましい。
低屈折率層の具体的な構成としては、例えば、ＡｌＧａＡｓ系やＡｌＧａＮ系の半導体材料を使用する場合には、周囲の層よりＡｌ組成を高くした層を低屈折率層として用いることができる。
また、格子不整合などが原因で材料そのものの屈折率を下げることが難しい場合は、多孔質構造とすることで平均屈折率を下げた層を低屈折率層として用いることもできる。
【００２３】
本発明では、低屈折率層を配置する位置も重要である。
本発明の効果を奏するためには、フォトニック結晶層と光強度分布のピークの距離を縮めることが重要である。したがって、光強度分布のピークをフォトニック結晶層側に寄せるように低屈折率層を配置する必要がある。
そのためには、光強度分布のピークを挟んでフォトニック結晶層と反対側に低屈折率層を配置してやればよい。言い換えると、フォトニック結晶層と低屈折率層の間に少なくとも１つの光強度分布のピークが存在するような配置にしてやればよい。
このような配置になっていない場合は、低屈折率層は光強度分布のピークをフォトニック結晶層から遠ざける働きをしてしまい、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数を低下させてしまう。
【００２４】
つぎの表１に、これまでに述べた本発明の効果を奏する構造を説明するための計算結果の一例を示す。
［表１］
【００２５】
レーザ発振波長λが４００ｎｍとなるように設計された、窒化物半導体で構成されたフォトニック結晶面発光レーザについての計算結果である。表の中に示した数字はフォトニック結晶層への光閉じ込め係数（単位％）である。
シングルモード導波路および１次導波モードまで有するマルチモード導波路の２種類のフォトニック結晶面発光レーザ構造について、各導波モードでのフォトニック結晶層への光閉じ込め係数を示している。
また、それぞれの構造について、活性層とフォトニック結晶層の間に低屈折率層を配置しない場合と配置した場合の結果を示している。
【００２６】
従来構造である、シングルモード導波路であり低屈折率層を含まないフォトニック結晶面発光レーザの場合を見てみると、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数は２．９％である。
ここで、フォトニック結晶面発光レーザ中に低屈折率層を配置すると、導波モードが消滅してしまうため、レーザ構造として動作しなくなってしまう。したがって、当然ながら本発明の効果は奏しない。
マルチモード導波路として設計されたフォトニック結晶面発光レーザの基本（０次）導波モードを使用した場合、レーザ構造中に低屈折率層を導入しても導波モードは消滅しない。しかし、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数は低屈折率層を導入しない場合に比べて大幅に小さくなってしまう。つまり、本発明の効果とは逆の、望ましくない効果が発生してしまう。
つまり、シングルモード導波路の場合もマルチモード導波路の場合も、基本導波モードに関しては、活性層とフォトニック結晶層の間に低屈折率層を配置してもフォトニック結晶層への光閉じ込め係数を向上させる効果は生じない。
【００２７】
一方、本実施形態に係る、マルチモード導波路の高次（１次）導波モードを使用した場合は、低屈折率層を配置することによって、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数が３．７％から７％へと大幅に向上することがわかる。
上記したように、低屈折率層を配置する場合、活性層とフォトニック結晶層の間のどこに配置しても本発明の効果を奏するというわけではない。
図１を用いて、低屈折率層を配置する位置による影響を説明する。
図１は、レーザ発振波長λが４００ｎｍとなるように設計された、窒化物半導体で構成されたフォトニック結晶面発光レーザの断面模式図と、波長λにおける光強度分布の計算結果である。
図１（ａ）は適切に、つまりフォトニック結晶層１１０と低屈折率層１２０の間に光強度分布のピークが位置するように低屈折率が配置されている例である。
フォトニック結晶面発光レーザ構造の断面模式図の右側に、図４（ｂ）と同様に計算された光強度分布の曲線を示し、フォトニック結晶層１１０中に存在する光に相当する部分を斜線で塗りつぶして示している。
フォトニック結晶層と低屈折率層の間の距離は２００ｎｍである。
【００２８】
図１（ｂ）は、不適切に、つまりフォトニック結晶層１１１と低屈折率層１２１の間に光強度分布のピークが位置しないような配置になっている例である。
フォトニック結晶層と低屈折率層の間の距離は５０ｎｍである。この構造では、低屈折率層の位置がフォトニック結晶層に近すぎるため、低屈折率層が光強度分布のピークより上側に位置している。
その結果、光強度分布のピークを下側に押し下げてしまい、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数をより小さくしてしまう。
図から明らかなように、図１（ａ）に比べて図１（ｂ）の斜線部分は非常に小さい。つまり、フォトニック結晶層への光閉じ込め係数が小さい。
具体的な数値としては、図１（ａ）の構造ではフォトニック結晶層への光閉じ込め係数は７％、図１（ｂ）の構造では１％である。
以上より、高次導波モードを使用し、かつ適切な場所に低屈折率層を配置する事ではじめて本発明の効果が得られるということが確認された。
【００２９】
一般に、半導体レーザの共振器としてマルチモード導波路を使用した場合、単一モードでの発振が難しくなるおそれがある。
しかし本発明では、前述したように、低屈折率層を配置することで基本導波モードのフォトニック結晶層への光閉じ込め係数が小さくなるので、基本導波モードに由来するレーザ発振は起こりにくくなる。その結果、所望の高次導波モードに由来するモードのみでレーザ発振を起こすことができる。
よって、本発明ではマルチモード導波路を使用しても単一モードで発振させることができる。
【００３０】
本実施形態で使用するフォトニック結晶構造は、その屈折率の周期性が１次元的であってもよいし、２次元的であってもよい。２次元的な周期性としては、正方格子、三角格子や、その他一般的に使用されている格子構造を利用することができる。
また、本実施形態のレーザ構造における活性層は、一般の半導体レーザに使用されるものを使用することができる。
例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＮ／ＩｎＧａＮなどの材料を用いた多重量子井戸構造である。
また、本実施形態に係る面発光レーザにおいては、光励起方式、あるいは電流注入方式により駆動することができる。
【実施例】
【００３１】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として、本発明を適用したフォトニック結晶面発光レーザの構成例について、図２と表２を用いて説明する。
図２に、本実施例におけるフォトニック結晶面発光レーザ構造の断面模式図と、計算によって求めた光強度分布を示す。
本レーザ構造は電流注入により波長４００ｎｍでレーザ発振するように構成されており、図２に示した光強度分布も波長４００ｎｍの光に対して計算したものである。
【００３２】
表２に、本発明の活性層とフォトニック結晶層とを含み構成された導波路を備えたフォトニック結晶面発光レーザの構成を適用した、本実施例におけるフォトニック結晶面発光レーザの層構成の具体的内容を示す。
［表２］
【００３３】
表２に示した層構成は、ｎ型基板上に窒化物半導体層を有機金属気層成長法（ＭＯＶＰＥ法）によって積層することで形成した。
活性層２００は、井戸層として厚さ２．５ｎｍのＩｎ0.09Ｇａ0.91Ｎ、バリア層として厚さ７．５ｎｍのＧａＮが３周期積層された多重量子井戸構造を備える。また、図２と表２では省略しているが、ｎ型基板とｐ型コンタクト層には、キャリアが注入できる電極を形成する。ｎ型電極は、ＴｉとＡｌで形成し、ｐ型電極は、ＡｕとＮｉで形成する。
【００３４】
本実施例における２次元フォトニック結晶層２１０は、ＧａＮ中に円柱状の空気孔を、正方格子状に周期配列して構成される。
円柱状の空気孔の周期は１６０ｎｍ、円柱の直径は６４ｎｍである。このとき空気孔の体積充填率は１２．６％であり、平均屈折率は２．４０２となる。
この２次元フォトニック結晶層２１０は、一般的に使用される半導体リソグラフィとドライエッチングを用いてＧａＮ表面に孔をパターニングした後、再成長法によって孔の上部に蓋を形成することで半導体材料中に埋め込まれた。
低屈折率層２２０は、Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎで構成された層であり、その屈折率は２．４６１である。
低屈折率層２２０に隣接する層はｐ−ＧａＮで形成されたスペーサ層２４０および２５０であり、その屈折率は２．５４１であり、低屈折率層２２０より屈折率が高い。
本実施例におけるフォトニック結晶面発光レーザのフォトニック結晶層２１０への光閉じ込め係数は５．１％である。
【００３５】
［実施例２］
実施例２として、実施例１とは異なる形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成例を、図３を用いて説明する。
本実施例におけるフォトニック結晶面発光レーザ構造は、一か所を除いて実施例１のレーザ構造と同じである。本実施例と実施例１とは、低屈折率層の構成のみが異なっている。
本実施例における低屈折率層３２０は、多孔質ＧａＮによって形成されている。多孔質中の空気孔部分の体積充填率は約２１％であり、低屈折率層３２０の平均屈折率は２．３である。
本実施例では、実施例１と同様、フォトニック結晶層３１０の空気孔の体積充填率は１２．６％であり、平均屈折率は２．４０２とされている。
そのため、低屈折率層の空気孔の体積充填率はフォトニック結晶層の空気孔の体積充填率より大きく、低屈折率層の平均屈折率の方がフォトニック結晶層の平均屈折率より小さくなっている。
【００３６】
本実施例の実施例１に対する利点としては、実施例１のようにＡｌ組成が周囲より大きい層を低屈折率層として使用する場合に比べて、格子不整合による制限が厳しくないということが言える。
つまり、実施例１では、低屈折率層の屈折率を小さくしようとすればＡｌ組成を大きくすることになり、特に窒化物半導体材料などにおいては、隣接する層との組成の違いによる格子不整合の影響が無視できなくなる。
そのため、現実的に使用できるＡｌ組成は限られている。
したがって、実施例１のような構造では、現実的に使用できる低屈折率層の屈折率にも下限がある。
一方、本実施例のように多孔質構造を低屈折率層として使用する場合は、その平均屈折率は空気の充填率によって制御することが可能である。
したがって、隣接する層から大幅に組成を変える必要が無いので、上記の格子不整合を回避することができる。
そのため、実施例１に比べて、現実的に使用できる低屈折率層の屈折率の下限をより小さくすることが可能になる。
本実施例におけるフォトニック結晶面発光レーザのフォトニック結晶層への光閉じ込め係数は６．９％である。
【００３７】
以上、実施例について説明したが、本発明の面発光レーザは記載した実施例に限定されるものではない。
フォトニック結晶層の形状や材料や大きさ、活性層やクラッド層や電極を構成する材料は本発明の範囲内で適宜変更できる。
また、上記実施例では、レーザ発振波長として４００ｎｍのものを示したが、適切な材料・構造の選択により、任意の波長での動作も可能である。
また、本発明の面発光レーザを同一平面上に複数配列してアレイ光源として使用してもよい。
以上説明した本発明の面発光レーザは、複写機、レーザプリンタなどの画像形成装置が有する感光ドラムへ描画を行うための光源としても利用することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１００：活性層
１１０：フォトニック結晶層
１１１：フォトニック結晶層
１２０：低屈折率層
１２１：低屈折率層
２００：活性層
２１０：フォトニック結晶層
２２０：低屈折率層
２４０、２５０：低屈折率層に隣接するスペーサ層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、活性層の面に平行な方向に共振モードを有するフォトニック結晶層とを含み構成された導波路を備え、波長λで発振するフォトニック結晶面発光レーザであって、
前記導波路は、活性層の面に平行な方向に導波する波長λの光に対して高次の横モードを示す高次導波モードを少なくとも１つ有し、
前記活性層と前記フォトニック結晶層の間に、隣接する層より屈折率の低い低屈折率層が配置された構成を備え、
前記高次導波モードの光強度分布のピークのうち少なくとも１つを、前記フォトニック結晶層と前記低屈折率層との間に位置させることを特徴とするフォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項２】
前記低屈折率層を構成する材料の屈折率または前記低屈折率層の平均屈折率が、前記フォトニック結晶層の平均屈折率より小さいことを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項３】
前記低屈折率層が、多孔質構造で構成されていることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項に記載のフォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項４】
前記低屈折率層を構成する多孔質構造における空気孔の体積充填率が、半導体材料中に空気孔を周期配列して構成された前記フォトニック結晶層における空気孔の体積充填率より大きいことを特徴とする請求項３に記載のフォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項１】
活性層と、活性層の面に平行な方向に共振モードを有するフォトニック結晶層とを含み構成された導波路を備え、波長λで発振するフォトニック結晶面発光レーザであって、
前記導波路は、活性層の面に平行な方向に導波する波長λの光に対して高次の横モードを示す高次導波モードを少なくとも１つ有し、
前記活性層と前記フォトニック結晶層の間に、隣接する層より屈折率の低い低屈折率層が配置された構成を備え、
前記高次導波モードの光強度分布のピークのうち少なくとも１つを、前記フォトニック結晶層と前記低屈折率層との間に位置させることを特徴とするフォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項２】
前記低屈折率層を構成する材料の屈折率または前記低屈折率層の平均屈折率が、前記フォトニック結晶層の平均屈折率より小さいことを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項３】
前記低屈折率層が、多孔質構造で構成されていることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項に記載のフォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項４】
前記低屈折率層を構成する多孔質構造における空気孔の体積充填率が、半導体材料中に空気孔を周期配列して構成された前記フォトニック結晶層における空気孔の体積充填率より大きいことを特徴とする請求項３に記載のフォトニック結晶面発光レーザ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１８６２５２（Ｐ２０１２−１８６２５２Ａ）
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４７２３２（Ｐ２０１１−４７２３２）
【出願日】平成２３年３月４日（２０１１．３．４）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月４日（２０１１．３．４）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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