２次元フォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法
【課題】閾値電流が小さく小型化できる２次元フォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法を提供すること。
【解決手段】基板と、前記基板上に積層した下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に積層しキャリアの注入により発光する活性層と、前記活性層上に積層した上部クラッド層と、を備え、前記上部クラッド層から前記活性層を貫いて前記下部クラッド層に達する深さを有する空孔を前記活性層の主面方向に周期的に配列した２次元フォトニック結晶が形成される。
【解決手段】基板と、前記基板上に積層した下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に積層しキャリアの注入により発光する活性層と、前記活性層上に積層した上部クラッド層と、を備え、前記上部クラッド層から前記活性層を貫いて前記下部クラッド層に達する深さを有する空孔を前記活性層の主面方向に周期的に配列した２次元フォトニック結晶が形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次元フォトニック結晶を有し、面発光する２次元フォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶は、半導体などに屈折率が該半導体とは異なる媒質を光の波長程度の周期で配列させることにより周期構造を形成したものであり、様々な光デバイスへの応用が検討されている。
【０００３】
フォトニック結晶を応用した光デバイスのひとつとして、２次元フォトニック結晶を利用した面発光レーザが開示されている。図１１は、特許文献１に開示されたものと同様の構造を有する従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザを模式的に表した斜視分解図である。この２次元フォトニック結晶面発光レーザ５００は、ｎ−ＩｎＰ半導体からなる基板５０１上に２次元フォトニック結晶層５１４、下部クラッド層５０２、活性層５０４、上部クラッド層５０６が積層されたものである。２次元フォトニック結晶層５１４はｎ−ＩｎＰ半導体からなり、空孔５１３が２次元の所定の周期で正方格子状に配置されている。したがって、空孔５１３はｎ−ＩｎＰ半導体とは屈折率が異なる空孔が周期的に配列された２次元フォトニック結晶を形成する。また、活性層５０４は、ＧａＩｎＡｓＰ系の半導体材料を用いた多重量子井戸構造からなるものであり、キャリアを注入することにより発光する。また、下部クラッド層５０２はｎ−ＩｎＰ半導体からなる。また、上部クラッド層５０６はｐ−ＩｎＰ半導体からなる。そして、下部クラッド層５０２及び上部クラッド層５０６により活性層５０４を挟んでダブルへテロ接合を形成してキャリアを閉じこめることで、発光に寄与するキャリアを活性層５０４に集中させる構造としている。なお、上部クラッド層５０６の上面及び基板５０１の底面には金からなる電極５０９、５１０が形成されている。
【０００４】
ここで、電極５０９、５１０間に電圧を印加することにより活性層５０４が発光し、発光した光は活性層５０４をコアとして伝搬するが、この伝搬光のうち活性層５０４からエバネセント波としてしみ出た光が２次元フォトニック結晶層５１４に形成された２次元フォトニック結晶に分布する。２次元フォトニック結晶は光共振器を形成して２次元的な分布帰還効果をもつため、一般的な１次元のグレーティングを用いた分布帰還型レーザと同様、レーザ発振を起こす。しかも２次元フォトニック結晶の分布帰還効果は２次元的であるから、２次元平面の大面積にわたるコヒーレント単一モード発振が起こる。さらに、２次元フォトニック結晶はグレーティングカップル効果によって２次元フォトニック結晶層に垂直な方向に光を結合させる働きを有している。その結果、単一モードレーザ光の面発光が得られる。なお、以下では、２次元フォトニック結晶の効果と記載した場合は、分布帰還効果とグレーティングカップル効果の両方を含めた効果のことを意味することとする。
【０００５】
一方、非特許文献１には、２次元フォトニック結晶層を活性層に近づけることによって、活性層をコアとして伝搬する伝搬光のうち活性層からしみ出て２次元フォトニック結晶層に分布する光の割合であるΓの値を大きくして、２次元フォトニック結晶の効果を高め、駆動電流の発振閾値、すなわち閾値電流を小さくする技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３３２３５１号公報
【非特許文献１】Ｄ．Ｏｈｎｉｓｈｉ、ｅｔ ａｌ．，“Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｌａｓｅｒ”，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ． ｖｏｌ．３９ ｐｐ．６１２（２００３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、伝搬光のうち活性層からしみ出て２次元フォトニック結晶層に分布する光にしか２次元フォトニック結晶の効果がおよばないので、分布帰還効果は弱い。その結果、２次元フォトニック結晶の形成する光共振器の損失が大きくなり、レーザ発振のためにはその損失を補う光利得を得るだけの電流を注入しなければならないので、閾値電流を小さくすることが難しいという問題があった。
【０００８】
一方、２次元フォトニック結晶が形成する光共振器の面積を大きくし、長い距離で分布帰還を起こして光共振器の損失を小さくする方法も考えられるが、この場合は素子の大きさが大きくなる。その上、この方法を用いたとしても閾値電流密度が小さくなるだけであって面発光領域の面積は大きくなるため、総和の閾値電流は小さくならないという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、閾値電流が小さく小型化できる２次元フォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、基板と、前記基板上に積層した下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に積層しキャリアの注入により発光する活性層と、前記活性層上に積層した上部クラッド層と、を備え、前記上部クラッド層から前記活性層を貫いて前記下部クラッド層に達する深さを有する空孔を前記活性層の主面方向に周期的に配列した２次元フォトニック結晶が形成されたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、上記の発明において、少なくとも前記活性層内における前記空孔の内表面が、前記活性層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体によって被覆されていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、上記の発明において、少なくとも前記活性層内における前記空孔の内表面が、コアとなる部分を伝搬する光の波長において透明である誘電体によって被覆されていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、上記の発明において、前記２次元フォトニック結晶は、前記活性層を伝搬する光が前記活性層の主面方向で２次元的に分布帰還し、かつ前記活性層に垂直な方向に放射されないように構成された分布帰還制御フォトニック結晶と、前記伝搬光が前記活性層に垂直な方向に放射されるように構成された面発光制御フォトニック結晶とが重畳されたものであることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、上記の発明において、前記基板はＩｎＰからなることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法は、基板上に下部クラッド層とキャリアの注入により発光する活性層と上部クラッド層とを順次積層形成する積層形成工程と、前記上部クラッド層から前記活性層を貫いて前記下部クラッド層に達する深さを有する空孔を前記活性層の主面方向に周期的に配列した２次元フォトニック結晶を形成する２次元フォトニック結晶形成工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、上部クラッド層から活性層を貫いて下部クラッド層に達する深さを有する空孔を活性層の主面方向に周期的に配列した２次元フォトニック結晶が形成されたことによって、活性層を中心として上部クラッド層および下部クラッド層に分布する光のほぼ全てが２次元フォトニック結晶の効果を受けるため、２次元フォトニック結晶が形成する光共振器の損失がその面積を大きくしなくても小さくなる。その結果、素子を小型化しても小さい駆動電流でレーザ発振するので、小型で閾値電流が小さい２次元フォトニック結晶面発光レーザが実現できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、図面を参照して本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１８】
（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザについて説明する。図１は、本実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザを表面側から見た斜視図である。また、図２は、図１に示した２次元フォトニック結晶面発光レーザを裏面側から見た場合の斜視図である。また、図３は、図１に示した２次元フォトニック結晶面発光レーザのＸ−Ｘ線断面図である。また、図４は、図３に示した２次元フォトニック結晶面発光レーザのＹ−Ｙ線断面図である。まず、図１、２に示すように、本実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００は、ｎ−ＩｎＰ半導体からなる基板１０１上にｎ−ＩｎＰ半導体からなる下部クラッド層１０２、ＧａＩｎＡｓＰ半導体からなる下部分離閉じ込め層１０３、ＧａＩｎＡｓＰ半導体からなる多重量子井戸活性層１０４、ＧａＩｎＡｓＰ半導体からなる上部分離閉じ込め層１０５、ｐ−ＩｎＰ半導体からなる上部クラッド層１０６、ｐ＋−ＧａＩｎＡｓ半導体からなるコンタクト層１０７が積層されている。なお、基板１０１および下部クラッド層１０２の合計の厚さは１００μｍ以上、下部分離閉じ込め層１０３から上部分離閉じ込め層１０５までの合計の厚さは０．４μｍ、上部クラッド層１０６の厚さは１．５μｍ、コンタクト層１０７の厚さは０．２５μｍである。また、多重量子井戸活性層１０４の発光スペクトルのピーク波長は１．５５μｍである。
【００１９】
そして、コンタクト層１０７の上面の一部にはＡｕ／ＡｕＺｎからなる円形の上部電極１０９が形成されている。またコンタクト層１０７の上面であって上部電極１０９の周囲にはＳｉＮｘからなる絶縁膜１０８が形成されている。一方、基板１０１の底面にはＡｕＧｅＮｉからなる下部電極１１０が形成されている。下部電極１１０は円形の開口部１１１を有し、基板１０１の底面の開口部１１１の部分には誘電体からなる低反射コート膜１１２が形成されている。なお、上部電極１０９の半径は４．０μｍ、下部電極１１０が有する開口部１１１の半径は１０．０μｍである。また、上部電極１０９は、その上部にＴｕＰｔＡｕ、Ａｕなどからなる金属層を形成して多層化してもよい。
【００２０】
さらに、図３、４に示すように、２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００には、コンタクト層１０７から上部クラッド層１０６、上部分離閉じ込め層１０５、多重量子井戸活性層１０４、下部分離閉じ込め層１０３を貫いて下部クラッド層１０２に達する深さを有する円状の空孔１１３を多重量子井戸活性層１０４の主面方向に正方格子状に周期的に配列した２次元フォトニック結晶が形成されている。なお、空孔１１３の半径は０．１４μｍ、中心間の距離は０．５６μｍ、深さは３．５０μｍであり、２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００が波長１．５５μｍのレーザ光を面発光するように設計されている。
【００２１】
２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００の上部および下部電極１０９、１１０に電圧を印加して多重量子井戸活性層１０４にキャリアを注入すると、多重量子井戸活性層１０４は発光する。発光した光は上部分離閉じ込め層１０５から下部分離閉じ込め層１０３までの部分をコアとして伝搬する。このとき、上部クラッド層１０６から上部分離閉じ込め層１０５、多重量子井戸活性層１０４、下部分離閉じ込め層１０３を貫いて下部クラッド層１０２に達する深さを有する空孔１１３を多重量子井戸活性層１０４の主面方向に周期的に配列した２次元フォトニック結晶を形成したことによって、多重量子井戸活性層１０４を中心として下部および上部分離閉じ込め層１０３、１０５、下部および上部クラッド層１０２、１０６に分布する光のほぼ全てが２次元フォトニック結晶の分布帰還効果を受ける。その結果、２次元フォトニック結晶が形成する光共振器の損失が小さくなり、より小さい駆動電流でレーザ発振が起こる。その結果、閾値電流が小さい２次元フォトニック結晶面発光レーザが実現できる。なお、レーザ発振した光は２次元フォトニック結晶のグレーティングカップル効果によって面発光し、開口部１１１から外部に取り出される。基板１０１の底面の開口部１１１の部分には低反射コート膜１１２が形成されており、面発光した光が効率よく取り出される。なお、低反射コート膜１１２は従来の半導体レーザに用いられているものと同様の光学特性を持つように設計されている。
【００２２】
つぎに、２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００の動作についてより具体的に説明する。図５は、２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００の積層方向における光の強度分布と２次元フォトニック結晶の効果との関係を説明する説明図である。２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００において、多重量子井戸活性層１０４で発生した光は上部分離閉じ込め層１０５から下部分離閉じ込め層１０３までの部分をコアとして伝搬するが、この伝搬光は積層方向において曲線Ｉ１で示される光強度分布を有する。一方、空孔１１３によって形成される２次元フォトニック結晶は上部クラッド層１０６から上部分離閉じ込め層１０５、多重量子井戸活性層１０４、下部分離閉じ込め層１０３を貫いて下部クラッド層１０２に達する深さまで形成されている。したがって、図中斜線で示す、伝搬光の光強度分布のうち２次元フォトニック結晶と重なる部分の面積Ｓ１は伝搬光の光強度分布全体にわたり、Γはほぼ１００％に達する。その結果、伝搬光に対する２次元フォトニック結晶の効果はきわめて高くなるので、２次元フォトニック結晶が形成する光共振器の損失が小さくなり、閾値電流が小さくなる。
【００２３】
一方、図６は、図１１に示す従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザ５００の積層方向における光の強度分布と２次元フォトニック結晶の効果との関係を説明する説明図である。２次元フォトニック結晶面発光レーザ５００において、活性層５０４で発生した光は下部および上部クラッド層５０２、５０６で挟まれた活性層５０４をコアとして伝搬するが、この伝搬光は積層方向において曲線Ｉ２で示される光強度分布を有する。一方、空孔５１３によって形成される２次元フォトニック結晶はフォトニック結晶層５１４にしか形成されていない。その結果、伝搬光の光強度分布のうち２次元フォトニック結晶と重なる部分の面積Ｓ２は伝搬光の光強度分布全体に対して極めて小さく、従来技術ではΓは高々７．４％程度にしかならない（非特許文献１参照）。その結果、伝搬光に対する２次元フォトニック結晶の効果は低いので、２次元フォトニック結晶が形成する光共振器の損失が大きくなり、電流閾値が大きくなる。
【００２４】
また、図７は本発明の実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００と従来例の２次元フォトニック結晶面発光レーザ５００との面発光領域について説明する説明図である。従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザ５００においてはΓが小さいため、空孔５１３が形成する２次元フォトニック結晶の効果が小さいので、閾値電流を小さくするだけの大きい分布帰還効果を得るためには光共振器の面積を大きくする必要があるため、それに応じて面発光領域Ａ２の直径がたとえば５０μｍ程度に大きくなる。
【００２５】
一方、本実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００においては、Γを１００％と極めて大きくできるため、２次元フォトニック結晶の効果を極めて大きくできるので、光共振器の面積も小さくてよい。その結果、面発光領域Ａ１を極めて小さくできるので、閾値電流が低いままで素子を小型化できる。その結果、２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００は、たとえば面発光領域Ａ１の直径を１０μｍ程度に小さくできるので、通常の光ファイバ通信に用いられるシングルモード光ファイバに、レンズを介さず効率的に面発光した光を結合することができる。
【００２６】
なお、２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００は、以下に説明する方法で製造できる。まずｎ−ＩｎＰ半導体からなる基板１０１上に、通常の半導体結晶成長に用いられる技術であるＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）を用いて、下部クラッド層１０２、下部分離閉じ込め層１０３、多重量子井戸活性層１０４、上部分離閉じ込め層１０５、上部クラッド層１０６、コンタクト層１０７を成長し、積層構造体を作製する。
【００２７】
次に、作製した積層構造体に所定の半径の空孔１１３を所定の間隔で所定の深さまで形成する。空孔はリソグラフィーとエッチングとを組み合わせることで形成できる。すなわち、リソグラフィーによって形成したレジストパターン、あるいはエッチングによってこのレジストパターンを誘電体に転写したものをマスクとして、積層構造のエッチングを行う。エッチングにはＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）やＩＣＰ−ＲＩＥ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）などの方法を用いることができる。
【００２８】
つぎに、空孔１１３を形成した積層構造体のコンタクト層１０７上に、ＰＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの方法を用いてＳｉＮｘからなる絶縁膜１０８を成膜する。そして、成膜した絶縁膜１０８の上にフォトリソグラフィーを用いてパターニングをおこない、ＲＩＥ法で転写することによって上部電極１０９を形成する部分の絶縁膜のみを取り除く。そして、電子線蒸着や抵抗加熱蒸着などの方法を用いて上部電極１０９を形成する。つぎに同様の方法で下部電極１１０および低反射コート１１２を形成し、所定の大きさの素子に切断することで、本実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００が完成する。
【００２９】
以上説明したように、本実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００は、上部クラッド層１０６から上部分離閉じ込め層１０５、多重量子井戸活性層１０４、下部分離閉じ込め層１０３を貫いて下部クラッド層１０２に達する深さを有する空孔１１３を多重量子井戸活性層１０４の主面方向に周期的に配列した２次元フォトニック結晶を形成したことによって、小型で閾値電流が小さいものとなる。
【００３０】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザについて説明する。本実施の形態２に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図１に示すような実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザと同様の構造を有するが、活性層内における空孔の内表面が、活性層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体によって被覆されている点で異なる。
【００３１】
図８は、本実施の形態２に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ２００の縦断面の一部を示す図である。２次元フォトニック結晶面発光レーザ２００は、２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００と同様に、ｎ−ＩｎＰ半導体からなる基板上にｎ−ＩｎＰ半導体からなる下部クラッド層２０２、ＧａＩｎＡｌＰ半導体からなる下部分離閉じ込め層２０３、ＧａＩｎＡｌＰ半導体からなる多重量子井戸活性層２０４、ＧａＩｎＡｌＰ半導体からなる上部分離閉じ込め層２０５、ｐ−ＩｎＰ半導体からなる上部クラッド層２０６、ｐ＋−ＧａＩｎＡｓ半導体からなるコンタクト層２０７が積層された構造を有する。なお、コンタクト層１０７上にはＳｉＮｘからなる絶縁膜２０８が形成されるとともに、２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００と同様に、上部および下部電極、低反射コートが形成されている。
【００３２】
そして、コンタクト層２０７から上部クラッド層２０６、上部分離閉じ込め層２０５、多重量子井戸活性層２０４、下部分離閉じ込め層２０３を貫いて下部クラッド層２０２に達する深さを有する空孔２１３を多重量子井戸活性層２０４の主面方向に正方格子状に周期的に配列した２次元フォトニック結晶が形成されているので、２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００と同様に、小型で閾値電流が小さいものとなる。
【００３３】
さらに、２次元フォトニック結晶面発光レーザ２００は、空孔２１３の内表面が、多重量子井戸活性層２０４よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体であるノンドープのＩｎＰ層２１５によって被覆されている。ＧａＩｎＡｌＰのバンドギャップエネルギーは波長１．５５μｍで０．８ｅＶであるのに対して、ＩｎＰのバンドギャップエネルギーは１．３５ｅＶであり、５５０ｍｅＶ程度大きい。したがって、このノンドープのＩｎＰ層２１５によって被覆されていることにより、多重量子井戸活性層２０４内における空孔２１３の内表面においてキャリアの非発光の表面再結合が抑制され、かつノンドープのＩｎＰ層２１５は波長１．５５μｍの光を吸収しないので光吸収による損失が発生しない。したがって、２次元フォトニック結晶面発光レーザ２００は、閾値電流が一層小さい２次元フォトニック結晶面発光レーザとなる。
【００３４】
つぎに、本実施の形態２に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ２００の製造方法について説明する。まず、実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００の製造方法と同様の方法で、基板上に下部クラッド層２０２、下部分離閉じ込め層２０３、多重量子井戸活性層２０４、上部分離閉じ込め層２０５、上部クラッド層２０６、コンタクト層２０７を成長し、積層構造体を作製する。
【００３５】
次に、実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００の製造方法と同様の方法で、作製した積層構造体に所定の半径の空孔２１３を所定の間隔で所定の深さまで形成する。
【００３６】
次に、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、コンタクト層２０７の表面と空孔２１３の内表面とにノンドープのＩｎＰ層を２０ｎｍの厚さで形成する。その後、希塩酸を用いてコンタクト層２０７の表面に形成されたノンドープのＩｎＰ層を除去し、コンタクト層２０７を露出させる。このとき、空孔２１３の内表面に形成されたノンドープのＩｎＰ層２１５は残存する。
【００３７】
その後、実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００の製造方法と同様の方法で、ＳｉＮｘ絶縁膜、上部電極、下部電極、低反射コートを形成し、所定の大きさの素子に切断することで、本実施の形態２に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ２００が完成する。
【００３８】
以上説明したように、本実施の形態２に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ２００は、ＧａＩｎＡｌＰからなる多重量子井戸活性層２０４内における空孔２１３の内表面が、多重量子井戸活性層２０４よりも大きなバンドギャップエネルギーを有するＩｎＰ層２１５によって被覆されているので、閾値電流が一層小さいものとなる。
【００３９】
なお、本実施の形態２に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ２００は、空孔２１３の内表面がノンドープのＩｎＰ層２１５によって被覆されているが、ＧａＩｎＡｌＰからなる多重量子井戸活性層２０４よりも大きなバンドギャップエネルギーを有するものであれば、他の化合物半導体、たとえばＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰなどからなる層で被覆してもよい。また、活性層の材料によっては、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＮ、ＺｎＳｅなどを被覆に用いてもよい。
【００４０】
また、被覆に用いる化合物半導体は、活性層の材料と結晶の格子定数が近いものであることが好ましいが、その厚さが薄いことから、格子定数にある程度差があってもよい。
【００４１】
なお、本実施の形態２の変形例として、活性層内における空孔の内表面が、コアとなる部分を伝搬する光の波長において透明である誘電体であるＳｉＮｘによって被覆されていてもよい。
【００４２】
すなわち、ノンドープのＩｎＰ層２１５の代わりに、下部分離閉じ込め層２０３から上部分離閉じ込め層２０５の部分をコアとして伝搬する光の波長である１．５５μｍにおいて透明であるＳｉＮｘ層を被覆として用いることにより、多重量子井戸活性層２０４内における空孔２１３の内表面においてキャリアの非発光の表面再結合が抑制され、かつＳｉＮｘは波長１．５５μｍの光を吸収しないので光の吸収による損失が発生しない。したがって、閾値電流が一層小さい２次元フォトニック結晶面発光レーザとなる。
【００４３】
本実施の形態２の変形例に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子の製造方法については、実施の形態２に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子２００の製造方法と同様であるが、プラズマＣＶＤ法により、コンタクト層２０７の表面と空孔の内表面とにＳｉＮｘ層を２０ｎｍの厚さで形成し、その後、ＣＦ4ガスを用いたＲＩＥ法によりコンタクト層２０７の表面に形成されたＳｉＮｘ層を除去し、コンタクト層２０７を露出させる点が異なる。
【００４４】
なお、上記の誘電体としては、波長１．５５μｍにおいて透明であれば、他の誘電体、たとえばＳｉＯｘ、ＡｌＮｘ、ＡｌＯｘ、ＴｉＯｘなどによって被覆されていてもよい。これらの誘電体膜の形成には、ＰＣＶＤ法などの方法が使用可能であるが、たとえば、活性層の材料がＡｌＧａＡｓで構成されている場合には、酸化により空孔の内表面にＡｌＯｘ層を形成してもよい。
【００４５】
また、空孔の内表面を被覆する層の厚さは、半導体の場合は５〜２０ｎｍ、誘電体の場合は５〜５０ｎｍの範囲であれば、閾値の効果が得られ、かつフォトニック結晶の機能が良好に保たれる。なお、誘電体の場合は、屈折率が半導体に比べて十分に低いため、誘電体を上記の範囲よりもさらに厚くして、空孔が誘電体によって完全にふさがれる構造としても、フォトニック結晶の機能は維持できる。
【００４６】
また、被覆する層は、単一の層からなるのもの限られず、二以上の層からなるものとしてもよい。また、この二以上の層が、半導体と誘電体とを組み合わせたものであってもよい。たとえば、空孔の内表面において、活性層の部分と被覆する誘電体との間にＳｉなどの層を介在させるものとすると、誘電体から活性層への酸素の拡散が防止される。
【００４７】
（実施の形態３）
つぎに、本実施の形態３に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザについて説明する。本実施の形態３に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図１に示す実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００と同様の製造方法によって製造できるが、波長９８０ｎｍの光を面発光する点や、２次元フォトニック結晶が、活性層を伝搬する光が活性層の主面方向で２次元的に分布帰還し、かつ活性層に垂直な方向に放射されないように構成された分布帰還制御フォトニック結晶と、伝搬光が活性層に垂直な方向に放射されるように構成された面発光制御フォトニック結晶とが重畳されたものである点などが異なる。
【００４８】
本実施の形態３に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図１に示す実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００とは構成する半導体材料が異なるが、同様の構造を有する。すなわち、ｎ−ＧａＡｓ半導体からなる基板上にＡｌＧａＡｓ半導体からなる下部クラッド層、ＧａＡｓ半導体からなる下部分離閉じ込め層、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ半導体からなる多重量子井戸活性層、ＧａＡｓ半導体からなる上部分離閉じ込め層、ＡｌＧａＡｓ半導体からなる上部クラッド層、ＧａＡｓ半導体からなるコンタクト層が積層されている。なお、下部クラッド層の厚さは４μｍ、下部分離閉じ込め層から上部分離閉じ込め層までの合計の厚さは０．２μｍ、上部クラッド層の厚さは２μｍ、コンタクト層の厚さは４μｍである。また、多重量子井戸活性層の発光スペクトルのピーク波長は９８０ｎｍである。
【００４９】
そして、コンタクト層の上面の一部にはＡｕ／ＡｕＺｎからなる円形の上部電極が形成されている。またコンタクト層の上面であって上部電極の周囲にはＳｉＮｘからなる絶縁膜が形成されている。一方、基板の底面にはＡｕＧｅＮｉからなる下部電極が形成されている。下部電極は円形の開口部を有し、基板の底面の開口部の部分には誘電体からなる低反射コート膜が形成されている。なお、上部電極の半径は４．０μｍ、下部電極が有する開口部の半径は１０．０μｍである。さらに、コンタクト層から上部クラッド層、上部分離閉じ込め層、多重量子井戸活性層、下部分離閉じ込め層を貫いて下部クラッド層に達する深さを有する円状の空孔を多重量子井戸活性層の主面方向に正方格子状に周期的に配列した２次元フォトニック結晶が形成されている。
【００５０】
図９は、本実施の形態３に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて空孔が形成する２次元フォトニック結晶の一部を示す平面図である。空孔３１３ａは格子Ｌ１を基本格子とする分布帰還制御フォトニック結晶を構成し、空孔３１３ｂは格子Ｌ２を基本格子とする面発光制御フォトニック結晶を構成する。なお、空孔３１３ａ、３１３ｂは、コンタクト層から上部クラッド層、上部分離閉じ込め層、多重量子井戸活性層、下部分離閉じ込め層を貫いて下部クラッド層に達する深さまで形成されている。
【００５１】
ここで、格子Ｌ１の格子定数ａ１は２０５ｎｍである。空孔３１３ａの半径はａ１の０．２４倍すなわち４９．２ｎｍである。また、上部分離閉じ込め層から下部分離閉じ込め層までの部分をコアとして伝搬する伝搬光のモード屈折率は３．３７である。すなわち、伝搬光の実効的な波長をモード波長とすると、真空中の波長が９８０ｎｍの光のモード波長は２９０ｎｍである。つまり、格子Ｌ１の格子定数ａ１は、真空中の波長が９８０ｎｍの光のモード波長の１／√２倍に相当する値である。
【００５２】
一方、格子Ｌ２は格子Ｌ１に対して結晶方位が４５°の角度をなしており、格子定数ａ２は２９０ｎｍであり、真空中の波長が９８０ｎｍの光のモード波長と同じ値である。空孔３１３ｂの半径はａ１の０．１５倍すなわち３０．８ｎｍである。また、空孔３１３ｂは所定の２つの空孔３１３ａの中間に位置している。
【００５３】
本実施の形態３に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、多重量子井戸活性層を含むコアとなる部分を伝搬する波長１．５５μｍの伝搬光が、空孔３１３ａが構成する分布帰還制御フォトニック結晶によって高い分布帰還効果を受け、レーザ発振する。しかしながら、分布帰還制御フォトニック結晶によっては面発光は起こらない。
【００５４】
一方、上記の伝搬光は、空孔３１３ｂが構成する面発光制御フォトニック結晶の高いグレーティングカップル効果による効果的な回折によってフォトニック結晶が形成された面に垂直な方向に進行し、面発光を起こす。すなわち、分布帰還制御フォトニック結晶によって分布帰還してレーザ発振した光は、面発光制御フォトニック結晶によって面発光する。
【００５５】
すなわち、本実施の形態３に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、小型で閾値電流が小さいとともに、２次元分布帰還と面発光が異なるフォトニック結晶格子によって実現されているため、各フォトニック結晶格子の構造を独立に設計して、２次元分布帰還効果と面発光特性を独立に最適化することができる。
【００５６】
以下、本実施の形態３におけるフォトニック結晶の２次元分布帰還と面発光の原理について詳細に説明する。まず、２次元正方格子フォトニック結晶で分布帰還動作が可能な光はフォトニック結晶の逆格子空間（波数空間）における対称点のうち、Ｘ点、Ｍ点、Γ点において動作する。Γ点とは、大きさが最小になるように選んだ正方格子の逆格子基本ベクトルをｂ1、ｂ2とすると、波数ベクトルがｋ=ｐｂ1＋ｑｂ2(ｐ、ｑは任意の整数)と表される点である。ベクトルｂ1、ｂ2は互いに直交しており、ベクトルの大きさはどちらもフォトニック結晶の格子定数をａとすると２π／ａである。同様に、Ｘ点は波数ベクトルがｋ＝(ｐ＋１／２)ｂ1＋ｑｂ2またはｋ＝ｐｂ1＋（ｑ＋１／２）ｂ2と表される点であり、Ｍ点は波数ベクトルがｋ＝(ｐ＋１／２)ｂ1+(ｑ＋１／２)ｂ2と表される点である。
【００５７】
ここで、上記のように、分布帰還制御フォトニック結晶の格子Ｌ１の格子定数ａ１は、真空中の波長が９８０ｎｍの光のモード波長の１／√２倍に相当する値である。すなわち、光のモード波長は√２ａ１であるからこのときの波数の大きさは２π／（√２ａ１）である。一方、格子Ｌ１の逆格子基本ベクトルはｂ1＝（２π／ａ１、０）、ｂ2＝（０、２π／ａ１）である。ここで、分布帰還制御フォトニック結晶の波数空間上のＭ点は波数ベクトルであるｋが上記のように表されるが、ｐ＝ｑ＝０のときはｋ＝１／２ｂ1+１／２ｂ2＝（π／ａ１、π／ａ１）であるから、波数ベクトルであるｋの大きさは２π／（√２ａ１）である。すなわち、光のモード波長の波数の大きさとＭ点の波数ベクトルの大きさが等しいので、真空中の波長が９８０ｎｍの光は、分布帰還制御フォトニック結晶との関係では、Ｍ点で動作することになる。
【００５８】
つぎに、Ｍ点の波数ベクトルｋ＝１／２ｂ1+１／２ｂ2に対応する波数ベクトルの光が分布帰還制御フォトニック結晶の結晶格子によって回折を受けると、その波数ベクトルはｋ´＝(ｐ´＋１／２)ｂ1+(ｑ´＋１／２)ｂ2(ｐ´、ｑ´は任意の整数)に変化する。ここで、ｐ´＝−１かつｑ´＝−１となる回折を受けるときにはｋ´＝−ｋとなるから、Ｍ点の波数ベクトルに対応する光は、回折する前の光とは逆方向に進行する波と結合する。また、ｐ´＝０かつｑ´＝−１の場合にはｋ´＝１／２ｂ1−１／２ｂ2となるから、回折する前の光に対する角度が９０°をなす方向に進行する波と結合し、ｐ´＝−１かつｑ´＝０の場合にはｋ´＝−１／２ｂ1＋１／２ｂ2となるから、回折する前の光に対する角度が−９０°をなす方向に進行する波と結合する。よって、波数空間におけるＭ点に対応する波数ベクトルを有する真空中の波長９８０ｎｍの光は、分布帰還制御フォトニック結晶により２次元的な分布帰還を受け、レーザ発振する。
【００５９】
しかしながら、回折を受けた後の光の波数ベクトルであるｋ´については、どのように整数ｐ´およびｑ´を選んでもｋ´＝０となることはないため、分布帰還制御フォトニック結晶によっては面発光は起こらない。
【００６０】
次に、面発光の原理について説明する。面発光制御フォトニック結晶の格子Ｌ２の結晶方位は、分布帰還制御フォトニック結晶の格子Ｌ１の結晶方位に対して４５°の角度をなし、格子Ｌ２の格子定数は格子Ｌ１の格子定数の√２倍であるから、大きさが最小になるように選んだ面発光制御フォトニック結晶の逆格子単位ベクトルをｂ1´およびｂ2´とすると、ｂ1´およびｂ2´は、分布帰還フォトニック結晶の逆格子単位ベクトルであるｂ1およびｂ2とは次の関係がある。すなわち、ｂ1´＝１／２ｂ1＋１／２ｂ2およびｂ2´＝−１／２ｂ1＋１／２ｂ2である。このとき、分布帰還制御フォトニック結晶によって分布帰還してレーザ発振する光の代表的な波数ベクトルであるｋ＝１／２ｂ1＋１／２ｂ2は、ｂ1´を用いてｋ＝ｂ1´と表される。これは、面発光制御フォトニック結晶の逆格子空間のΓ点の波数ベクトルを表すｋ＝ｐｂ1´＋ｑｂ2´において、ｐ＝１かつｑ＝０とした場合に相当する。すなわち、分布帰還制御フォトニック結晶によって分布帰還してレーザ発振した光は、面発光制御フォトニック結晶との関係では、Γ点で動作することになる。
【００６１】
ここで、Γ点に対応する波数ベクトルを有する光は、フォトニック結晶格子による回折によってフォトニック結晶が形成された面に垂直な方向に進行し、面発光を起こす。すなわち、分布帰還制御フォトニック結晶によって分布帰還してレーザ発振した光は、面発光制御フォトニック結晶によって面発光する。
【００６２】
以上説明したように、本実施の形態３に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、小型で閾値電流が小さいとともに、各フォトニック結晶格子の構造を独立に設計して、２次元分布帰還効果と面発光特性を独立に最適化することができる。たとえば、分布帰還制御フォトニック結晶は分布帰還効果が一層強くなるように構造が設計されるとともに、面発光制御フォトニック結晶は、空孔の大きさを調整して面発光強度が強くなるように構造が設計される。
【００６３】
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザについて説明する。本実施の形態４に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、実施の形態３に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザと同様の構造を有し、同様の半導体材料からなり、同様の波長９８０ｎｍの光を面発光し、同様の製造方法によって製造できるが、異なる格子定数を有する２種類の三角格子状のフォトニック結晶が重畳されたフォトニック結晶が形成されている点が異なる。
【００６４】
図１０は、本実施の形態４に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて空孔が形成する２次元フォトニック結晶の一部を示す平面図である。空孔４１３ａは格子Ｌ３を基本格子とする三角格子状の分布帰還制御フォトニック結晶を構成し、空孔４１３ｂは格子Ｌ４を基本格子とする三角格子状の面発光制御フォトニック結晶を構成する。格子Ｌ３の格子定数ａ１は１９４ｎｍである。空孔４１３ａの半径はａ１の０．２２倍すなわち４２．７ｎｍである。また、上部分離閉じ込め層から下部分離閉じ込め層までの部分をコアとして伝搬する伝搬光のモード屈折率は３．３７である。すなわち、真空中の波長が９８０ｎｍの伝搬光のモード波長は２９０ｎｍである。つまり、格子Ｌ３の格子定数ａ１は、真空中の波長が９８０ｎｍの光のモード波長の２／３倍に相当する値である。
【００６５】
一方、格子Ｌ４は格子Ｌ３に対して結晶方位が３０°の角度をなしており、格子定数ａ２は３３６ｎｍであり、真空中の波長が９８０ｎｍの光のモード波長の２√３／３倍に相当する値である。空孔４１３ｂの半径はａ１の０．１５倍すなわち２９．１ｎｍである。また、空孔４１３ｂは所定の２つの空孔４１３ａの中間に位置しているが、中間の位置からずれていてもよい。
【００６６】
本実施の形態４に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、実施の形態３と同様に、２次元分布帰還と面発光が異なるフォトニック結晶格子によって実現されているため、各フォトニック結晶格子の構造を独立に設計して、２次元分布帰還効果と面発光特性を独立に最適化することができる。
【００６７】
以下、本実施の形態４におけるフォトニック結晶の２次元分布帰還と面発光の原理について詳細に説明する。まず、２次元三角格子フォトニック結晶で分布帰還動作が可能な光はフォトニック結晶の波数空間における対称点のうち、Ｍ点、Ｋ点、Γ点において動作する。Γ点は、大きさが最小になるように選んだ三角格子の逆格子基本ベクトルをｂ1、ｂ2とすると、波数ベクトルがｋ=ｐｂ1＋ｑｂ2(ｐ、ｑは任意の整数)と表される点である。上記の正方格子の場合とは異なり、ベクトルｂ1、ｂ2は６０度の角度をなしており、ベクトルの大きさはどちらもフォトニック結晶の格子定数をａとして４π／（√３ａ）である。同様に、Ｍ点は波数ベクトルがｋ＝(ｐ＋１／２)ｂ1＋ｑｂ2またはｋ＝ｐｂ1＋(ｑ＋１／２)ｂ2またはｋ＝(ｐ−１／２)ｂ1＋(ｑ＋１／２)ｂ2と表される点であり、Ｋ点は波数ベクトルがｋ＝(ｐ＋１／３)ｂ1＋(ｑ＋１／３)ｂ2またはｋ＝(ｐ−１／３)ｂ1＋(ｑ＋２／３)ｂ2で表される点である。
【００６８】
ここで、上記のように、分布帰還制御フォトニック結晶の格子Ｌ３の格子定数ａ１は、真空中の波長が９８０ｎｍの光のモード波長の２／３倍に相当する値である。すなわち、光のモード波長は３ａ１／２であるからこのときの波数の大きさは４π／（３ａ１）である。一方、格子Ｌ３の逆格子基本ベクトルはｂ1＝（４π／（√３ａ１）、０）、ｂ2＝（２π／（√３ａ１）、２π／ａ１）である。ここで、前述のように波数空間上の対称点であるＫ点は波数ベクトルであるｋが上記のように表されるが、ｐ＝ｑ＝０のときはｋ＝１／３ｂ1+１／３ｂ2＝（２π／（√３ａ１）、２π／（３ａ１））であるから、波数ベクトルｋの大きさは４π／（３ａ１）である。すなわち、光のモード波長の波数の大きさとＫ点の波数ベクトルの大きさが等しいので、真空中の波長が９８０ｎｍの光は、分布帰還制御フォトニック結晶との関係では、Ｋ点で動作することになる。
【００６９】
Ｋ点の波数ベクトルｋ＝１／３ｂ1+１／３ｂ2に対応する波数ベクトルを有する光が分布帰還制御フォトニック結晶によって回折を受けると、その波数ベクトルはｋ´＝(ｐ´＋１／３)ｂ1+(ｑ´＋１／３)ｂ2(ｐ´、ｑ´は任意の整数)に変化する。ここで、ｐ´＝−１かつｑ´＝０となる回折を受けるときにはｋ´＝−２／３ｂ1+１／３ｂ2となり、回折する前の光の波数ベクトルｋとは１２０°の角度をなすから、Ｋ点の波数ベクトルに対応する光は、回折によって回折する前の光に対する角度が１２０°をなす方向に進行する光と結合する。また、ｐ´＝０かつｑ´＝−１の場合にはｋ´＝１／３ｂ1−２／３ｂ2となり、回折する前の光に対する角度が１２０°をなす方向に進行する光と結合する。よって、Ｋ点に対応する真空中の波長９８０ｎｍの光は、分布帰還制御フォトニック結晶により２次元的な分布帰還を受け、レーザ発振する。
【００７０】
しかしながら、回折を受けた後の光の波数ベクトルであるｋ´については、どのように整数ｐ´およびｑ´を選んでもｋ´＝０となることはないため、分布帰還制御フォトニック結晶によっては面発光は起こらない。
【００７１】
次に、面発光の原理について考える。面発光制御フォトニック結晶の格子Ｌ４の結晶方位は、分布帰還制御フォトニック結晶の格子Ｌ３の結晶方位に対して３０°の角度をなし、格子Ｌ４の格子定数は格子Ｌ３の格子定数の√３倍であるから、大きさが最小になるように選んだ面発光制御フォトニック結晶の逆格子単位ベクトルをｂ1´およびｂ2´とすると、ｂ1´およびｂ2´は、分布帰還フォトニック結晶の逆格子単位ベクトルであるｂ1およびｂ2とは次の関係がある。すなわち、ｂ1´＝１／３ｂ1＋１／３ｂ2およびｂ2´＝１／３ｂ1−２／３ｂ2である。このとき、分布帰還制御フォトニック結晶によって分布帰還してレーザ発振した光の代表的な波数ベクトルであるｋ＝１／３ｂ1＋１／３ｂ2は、ｂ1´を用いてｋ＝ｂ1´と表される。これは、面発光制御フォトニック結晶の逆格子空間のΓ点の波数ベクトルを表すｋ＝ｐｂ1´＋ｑｂ2´において、ｐ＝１かつｑ＝０とした場合に相当する。すなわち、分布帰還制御フォトニック結晶によって分布帰還してレーザ発振した光は、面発光制御フォトニック結晶との関係では、Γ点で動作することになる。
【００７２】
その結果、本実施の形態４に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、実施の形態３に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザと同様に、分布帰還制御フォトニック結晶によって分布帰還してレーザ発振した光は、面発光制御フォトニック結晶によって面発光する。そして、本実施の形態４に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、各フォトニック結晶格子の構造を独立に設計して、２次元分布帰還効果と面発光特性を独立に最適化することができる。
【００７３】
なお、上記の実施の形態３、４において、面発光制御フォトニック結晶を形成する空孔が面方向の位置に応じて異なる大きさを有するように該空孔を形成してもよい。具体的には、空孔の半径は、中心部から周辺部に向かって面内の距離にしたがって指数関数的に減少させる。面発光制御フォトニック結晶を形成する空孔の半径を層の面内の中心部では大きく、周辺部では小さくすることにより、グレーティングカップル効果による面発光制御フォトニック結晶の面発光の効果を中心部では大きく、周辺部では小さくすることができる。その結果、面発光の面内での光強度分布がガウス型に近い形状を有するガウシアンビームを出力させることができる。また、面内での光強度分布がガウシアンビームに近い出力光を得るため空孔の半径を中心部からの距離に応じて指数関数的に変化させたが、所望の形状のビームに応じて任意に空孔の大きさを調整することができる。
【００７４】
また、上記の実施の形態において、空孔は下部クラッド層に達する深さを有すればよいので、それ以上の深さ、すなわち基板まで達する深さを有していてもよい。また、上記の実施の形態では、下部分離閉じ込め層、多重量子井戸活性層、上部分離閉じ込め層をコア部としているが、コア部がバルク半導体からなるスラブ導波路であってもよい。また、活性層をはじめとする各層の材料やレーザ発振する光の波長は上記実施の形態に示したものに限らず、化合物半導体全般を各層として用いることができ、レーザ発振する光の波長も材料の選択によって任意に設計することが可能である。
【００７５】
ところで、上記の実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、多重量子井戸活性層において発光した光は上部分離閉じ込め層から下部分離閉じ込め層までの部分をコアとして伝搬する。これは、上部分離閉じ込め層から下部分離閉じ込め層までの部分が、クラッドとなる上部クラッド層および下部クラッド層よりも屈折率が高いため、コアとクラッドとの間に屈折率差が生じているからである。上記の実施の形態においては、上部分離閉じ込め層から下部分離閉じ込め層までのコアとなる部分に屈折率が低い空孔が多数形成されているため、コアとなる部分の平均屈折率は空孔が形成されない場合よりも低下する。しかし、上記の実施の形態においては、クラッドとなる上部クラッド層および下部クラッド層にも同数の空孔が形成されているので、クラッドとなる部分も等価的に屈折率が低下する。その結果、コアとクラッドとの間の屈折率差は空孔がない場合とほぼ等価となるから、空孔が形成されていても、光は上部分離閉じ込め層から下部分離閉じ込め層までの部分をコアとして伝搬する。
【００７６】
また、非特許文献１のように、２次元フォトニック結晶層を活性層に近づける方法は、ＩｎＰ半導体からなるＩｎＰ基板上に形成する発振波長の長い２次元フォトニック結晶面発光レーザの場合には次のような問題がある。すなわち、ＩｎＰ基板上のレーザでは，ＧａＡｓ基板上のレーザに比べて材料間の屈折率差を大きくすることが難しいので、活性層を含むコアとクラッドとの屈折率差を大きくすることが難しい。この場合に、２次元フォトニック結晶層を活性層に近づけると、２次元フォトニック結晶層は空孔を含むために層内の平均屈折率は非常に小さいから、光はその層を避けてしまい活性層を挟んで２次元フォトニック結晶層がある側とは反対側のクラッド層に偏った分布を示すことになる。このような状態になると、光がフォトニック結晶層を避けるために、結果としてΓは十分に大きくはならない。したがって、２次元フォトニック結晶層を活性層に近づける方法は、特にＩｎＰ基板上の２次元フォトニック結晶面発光レーザでは閾値電流を下げることが難しく、小型化も難しい。このため、ＩｎＰ基板上の２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、本発明はより顕著な効果を奏する。なお、クラッド層の屈折率が十分に小さい場合は、クラッド層を避ける効果とフォトニック結晶層を避ける効果が釣り合うためにこのような現象は緩和される。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザを表面側から見た斜視図である。
【図２】図１に示した２次元フォトニック結晶面発光レーザを裏面側から見た斜視図である。
【図３】図１に示した２次元フォトニック結晶面発光レーザのＸ−Ｘ線断面図である。
【図４】図３に示した２次元フォトニック結晶面発光レーザのＹ−Ｙ線断面図である。
【図５】実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの積層方向における光の強度分布と２次元フォトニック結晶の効果との関係を説明する説明図である。
【図６】従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザの積層方向における光の強度分布と２次元フォトニック結晶の効果との関係を説明する説明図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザと従来例の２次元フォトニック結晶面発光レーザとの面発光領域について説明する説明図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの縦断面の一部を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態３に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて空孔が形成する２次元フォトニック結晶の一部を示す平面図である。
【図１０】本発明の実施の形態４に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて空孔が形成する２次元フォトニック結晶の一部を示す平面図である。
【図１１】従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザを模式的に表した斜視分解図である。
【符号の説明】
【００７８】
１００、２００ ２次元フォトニック結晶面発光レーザ
１０１、２０１ 基板
１０２、２０２ 下部クラッド層
１０３、２０３ 下部分離閉じ込め層
１０４、２０４ 多重量子井戸活性層
１０５、２０５ 上部分離閉じ込め層
１０６、２０６ 上部クラッド層
１０７、２０７ コンタクト層
１０８、２０８ 絶縁膜
１０９ 上部電極
１１０ 下部電極
１１１ 開口部
１１２ 低反射コート膜
１１３、２１３、３１３ａ、３１３ｂ、４１３ａ、４１３ｂ 空孔
２１５ ＩｎＰ層
Ｌ１〜Ｌ４ 格子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次元フォトニック結晶を有し、面発光する２次元フォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶は、半導体などに屈折率が該半導体とは異なる媒質を光の波長程度の周期で配列させることにより周期構造を形成したものであり、様々な光デバイスへの応用が検討されている。
【０００３】
フォトニック結晶を応用した光デバイスのひとつとして、２次元フォトニック結晶を利用した面発光レーザが開示されている。図１１は、特許文献１に開示されたものと同様の構造を有する従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザを模式的に表した斜視分解図である。この２次元フォトニック結晶面発光レーザ５００は、ｎ−ＩｎＰ半導体からなる基板５０１上に２次元フォトニック結晶層５１４、下部クラッド層５０２、活性層５０４、上部クラッド層５０６が積層されたものである。２次元フォトニック結晶層５１４はｎ−ＩｎＰ半導体からなり、空孔５１３が２次元の所定の周期で正方格子状に配置されている。したがって、空孔５１３はｎ−ＩｎＰ半導体とは屈折率が異なる空孔が周期的に配列された２次元フォトニック結晶を形成する。また、活性層５０４は、ＧａＩｎＡｓＰ系の半導体材料を用いた多重量子井戸構造からなるものであり、キャリアを注入することにより発光する。また、下部クラッド層５０２はｎ−ＩｎＰ半導体からなる。また、上部クラッド層５０６はｐ−ＩｎＰ半導体からなる。そして、下部クラッド層５０２及び上部クラッド層５０６により活性層５０４を挟んでダブルへテロ接合を形成してキャリアを閉じこめることで、発光に寄与するキャリアを活性層５０４に集中させる構造としている。なお、上部クラッド層５０６の上面及び基板５０１の底面には金からなる電極５０９、５１０が形成されている。
【０００４】
ここで、電極５０９、５１０間に電圧を印加することにより活性層５０４が発光し、発光した光は活性層５０４をコアとして伝搬するが、この伝搬光のうち活性層５０４からエバネセント波としてしみ出た光が２次元フォトニック結晶層５１４に形成された２次元フォトニック結晶に分布する。２次元フォトニック結晶は光共振器を形成して２次元的な分布帰還効果をもつため、一般的な１次元のグレーティングを用いた分布帰還型レーザと同様、レーザ発振を起こす。しかも２次元フォトニック結晶の分布帰還効果は２次元的であるから、２次元平面の大面積にわたるコヒーレント単一モード発振が起こる。さらに、２次元フォトニック結晶はグレーティングカップル効果によって２次元フォトニック結晶層に垂直な方向に光を結合させる働きを有している。その結果、単一モードレーザ光の面発光が得られる。なお、以下では、２次元フォトニック結晶の効果と記載した場合は、分布帰還効果とグレーティングカップル効果の両方を含めた効果のことを意味することとする。
【０００５】
一方、非特許文献１には、２次元フォトニック結晶層を活性層に近づけることによって、活性層をコアとして伝搬する伝搬光のうち活性層からしみ出て２次元フォトニック結晶層に分布する光の割合であるΓの値を大きくして、２次元フォトニック結晶の効果を高め、駆動電流の発振閾値、すなわち閾値電流を小さくする技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３３２３５１号公報
【非特許文献１】Ｄ．Ｏｈｎｉｓｈｉ、ｅｔ ａｌ．，“Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｌａｓｅｒ”，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ． ｖｏｌ．３９ ｐｐ．６１２（２００３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、伝搬光のうち活性層からしみ出て２次元フォトニック結晶層に分布する光にしか２次元フォトニック結晶の効果がおよばないので、分布帰還効果は弱い。その結果、２次元フォトニック結晶の形成する光共振器の損失が大きくなり、レーザ発振のためにはその損失を補う光利得を得るだけの電流を注入しなければならないので、閾値電流を小さくすることが難しいという問題があった。
【０００８】
一方、２次元フォトニック結晶が形成する光共振器の面積を大きくし、長い距離で分布帰還を起こして光共振器の損失を小さくする方法も考えられるが、この場合は素子の大きさが大きくなる。その上、この方法を用いたとしても閾値電流密度が小さくなるだけであって面発光領域の面積は大きくなるため、総和の閾値電流は小さくならないという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、閾値電流が小さく小型化できる２次元フォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、基板と、前記基板上に積層した下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に積層しキャリアの注入により発光する活性層と、前記活性層上に積層した上部クラッド層と、を備え、前記上部クラッド層から前記活性層を貫いて前記下部クラッド層に達する深さを有する空孔を前記活性層の主面方向に周期的に配列した２次元フォトニック結晶が形成されたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、上記の発明において、少なくとも前記活性層内における前記空孔の内表面が、前記活性層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体によって被覆されていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、上記の発明において、少なくとも前記活性層内における前記空孔の内表面が、コアとなる部分を伝搬する光の波長において透明である誘電体によって被覆されていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、上記の発明において、前記２次元フォトニック結晶は、前記活性層を伝搬する光が前記活性層の主面方向で２次元的に分布帰還し、かつ前記活性層に垂直な方向に放射されないように構成された分布帰還制御フォトニック結晶と、前記伝搬光が前記活性層に垂直な方向に放射されるように構成された面発光制御フォトニック結晶とが重畳されたものであることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、上記の発明において、前記基板はＩｎＰからなることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法は、基板上に下部クラッド層とキャリアの注入により発光する活性層と上部クラッド層とを順次積層形成する積層形成工程と、前記上部クラッド層から前記活性層を貫いて前記下部クラッド層に達する深さを有する空孔を前記活性層の主面方向に周期的に配列した２次元フォトニック結晶を形成する２次元フォトニック結晶形成工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、上部クラッド層から活性層を貫いて下部クラッド層に達する深さを有する空孔を活性層の主面方向に周期的に配列した２次元フォトニック結晶が形成されたことによって、活性層を中心として上部クラッド層および下部クラッド層に分布する光のほぼ全てが２次元フォトニック結晶の効果を受けるため、２次元フォトニック結晶が形成する光共振器の損失がその面積を大きくしなくても小さくなる。その結果、素子を小型化しても小さい駆動電流でレーザ発振するので、小型で閾値電流が小さい２次元フォトニック結晶面発光レーザが実現できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、図面を参照して本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１８】
（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザについて説明する。図１は、本実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザを表面側から見た斜視図である。また、図２は、図１に示した２次元フォトニック結晶面発光レーザを裏面側から見た場合の斜視図である。また、図３は、図１に示した２次元フォトニック結晶面発光レーザのＸ−Ｘ線断面図である。また、図４は、図３に示した２次元フォトニック結晶面発光レーザのＹ−Ｙ線断面図である。まず、図１、２に示すように、本実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００は、ｎ−ＩｎＰ半導体からなる基板１０１上にｎ−ＩｎＰ半導体からなる下部クラッド層１０２、ＧａＩｎＡｓＰ半導体からなる下部分離閉じ込め層１０３、ＧａＩｎＡｓＰ半導体からなる多重量子井戸活性層１０４、ＧａＩｎＡｓＰ半導体からなる上部分離閉じ込め層１０５、ｐ−ＩｎＰ半導体からなる上部クラッド層１０６、ｐ＋−ＧａＩｎＡｓ半導体からなるコンタクト層１０７が積層されている。なお、基板１０１および下部クラッド層１０２の合計の厚さは１００μｍ以上、下部分離閉じ込め層１０３から上部分離閉じ込め層１０５までの合計の厚さは０．４μｍ、上部クラッド層１０６の厚さは１．５μｍ、コンタクト層１０７の厚さは０．２５μｍである。また、多重量子井戸活性層１０４の発光スペクトルのピーク波長は１．５５μｍである。
【００１９】
そして、コンタクト層１０７の上面の一部にはＡｕ／ＡｕＺｎからなる円形の上部電極１０９が形成されている。またコンタクト層１０７の上面であって上部電極１０９の周囲にはＳｉＮｘからなる絶縁膜１０８が形成されている。一方、基板１０１の底面にはＡｕＧｅＮｉからなる下部電極１１０が形成されている。下部電極１１０は円形の開口部１１１を有し、基板１０１の底面の開口部１１１の部分には誘電体からなる低反射コート膜１１２が形成されている。なお、上部電極１０９の半径は４．０μｍ、下部電極１１０が有する開口部１１１の半径は１０．０μｍである。また、上部電極１０９は、その上部にＴｕＰｔＡｕ、Ａｕなどからなる金属層を形成して多層化してもよい。
【００２０】
さらに、図３、４に示すように、２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００には、コンタクト層１０７から上部クラッド層１０６、上部分離閉じ込め層１０５、多重量子井戸活性層１０４、下部分離閉じ込め層１０３を貫いて下部クラッド層１０２に達する深さを有する円状の空孔１１３を多重量子井戸活性層１０４の主面方向に正方格子状に周期的に配列した２次元フォトニック結晶が形成されている。なお、空孔１１３の半径は０．１４μｍ、中心間の距離は０．５６μｍ、深さは３．５０μｍであり、２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００が波長１．５５μｍのレーザ光を面発光するように設計されている。
【００２１】
２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００の上部および下部電極１０９、１１０に電圧を印加して多重量子井戸活性層１０４にキャリアを注入すると、多重量子井戸活性層１０４は発光する。発光した光は上部分離閉じ込め層１０５から下部分離閉じ込め層１０３までの部分をコアとして伝搬する。このとき、上部クラッド層１０６から上部分離閉じ込め層１０５、多重量子井戸活性層１０４、下部分離閉じ込め層１０３を貫いて下部クラッド層１０２に達する深さを有する空孔１１３を多重量子井戸活性層１０４の主面方向に周期的に配列した２次元フォトニック結晶を形成したことによって、多重量子井戸活性層１０４を中心として下部および上部分離閉じ込め層１０３、１０５、下部および上部クラッド層１０２、１０６に分布する光のほぼ全てが２次元フォトニック結晶の分布帰還効果を受ける。その結果、２次元フォトニック結晶が形成する光共振器の損失が小さくなり、より小さい駆動電流でレーザ発振が起こる。その結果、閾値電流が小さい２次元フォトニック結晶面発光レーザが実現できる。なお、レーザ発振した光は２次元フォトニック結晶のグレーティングカップル効果によって面発光し、開口部１１１から外部に取り出される。基板１０１の底面の開口部１１１の部分には低反射コート膜１１２が形成されており、面発光した光が効率よく取り出される。なお、低反射コート膜１１２は従来の半導体レーザに用いられているものと同様の光学特性を持つように設計されている。
【００２２】
つぎに、２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００の動作についてより具体的に説明する。図５は、２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００の積層方向における光の強度分布と２次元フォトニック結晶の効果との関係を説明する説明図である。２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００において、多重量子井戸活性層１０４で発生した光は上部分離閉じ込め層１０５から下部分離閉じ込め層１０３までの部分をコアとして伝搬するが、この伝搬光は積層方向において曲線Ｉ１で示される光強度分布を有する。一方、空孔１１３によって形成される２次元フォトニック結晶は上部クラッド層１０６から上部分離閉じ込め層１０５、多重量子井戸活性層１０４、下部分離閉じ込め層１０３を貫いて下部クラッド層１０２に達する深さまで形成されている。したがって、図中斜線で示す、伝搬光の光強度分布のうち２次元フォトニック結晶と重なる部分の面積Ｓ１は伝搬光の光強度分布全体にわたり、Γはほぼ１００％に達する。その結果、伝搬光に対する２次元フォトニック結晶の効果はきわめて高くなるので、２次元フォトニック結晶が形成する光共振器の損失が小さくなり、閾値電流が小さくなる。
【００２３】
一方、図６は、図１１に示す従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザ５００の積層方向における光の強度分布と２次元フォトニック結晶の効果との関係を説明する説明図である。２次元フォトニック結晶面発光レーザ５００において、活性層５０４で発生した光は下部および上部クラッド層５０２、５０６で挟まれた活性層５０４をコアとして伝搬するが、この伝搬光は積層方向において曲線Ｉ２で示される光強度分布を有する。一方、空孔５１３によって形成される２次元フォトニック結晶はフォトニック結晶層５１４にしか形成されていない。その結果、伝搬光の光強度分布のうち２次元フォトニック結晶と重なる部分の面積Ｓ２は伝搬光の光強度分布全体に対して極めて小さく、従来技術ではΓは高々７．４％程度にしかならない（非特許文献１参照）。その結果、伝搬光に対する２次元フォトニック結晶の効果は低いので、２次元フォトニック結晶が形成する光共振器の損失が大きくなり、電流閾値が大きくなる。
【００２４】
また、図７は本発明の実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００と従来例の２次元フォトニック結晶面発光レーザ５００との面発光領域について説明する説明図である。従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザ５００においてはΓが小さいため、空孔５１３が形成する２次元フォトニック結晶の効果が小さいので、閾値電流を小さくするだけの大きい分布帰還効果を得るためには光共振器の面積を大きくする必要があるため、それに応じて面発光領域Ａ２の直径がたとえば５０μｍ程度に大きくなる。
【００２５】
一方、本実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００においては、Γを１００％と極めて大きくできるため、２次元フォトニック結晶の効果を極めて大きくできるので、光共振器の面積も小さくてよい。その結果、面発光領域Ａ１を極めて小さくできるので、閾値電流が低いままで素子を小型化できる。その結果、２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００は、たとえば面発光領域Ａ１の直径を１０μｍ程度に小さくできるので、通常の光ファイバ通信に用いられるシングルモード光ファイバに、レンズを介さず効率的に面発光した光を結合することができる。
【００２６】
なお、２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００は、以下に説明する方法で製造できる。まずｎ−ＩｎＰ半導体からなる基板１０１上に、通常の半導体結晶成長に用いられる技術であるＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）を用いて、下部クラッド層１０２、下部分離閉じ込め層１０３、多重量子井戸活性層１０４、上部分離閉じ込め層１０５、上部クラッド層１０６、コンタクト層１０７を成長し、積層構造体を作製する。
【００２７】
次に、作製した積層構造体に所定の半径の空孔１１３を所定の間隔で所定の深さまで形成する。空孔はリソグラフィーとエッチングとを組み合わせることで形成できる。すなわち、リソグラフィーによって形成したレジストパターン、あるいはエッチングによってこのレジストパターンを誘電体に転写したものをマスクとして、積層構造のエッチングを行う。エッチングにはＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）やＩＣＰ−ＲＩＥ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）などの方法を用いることができる。
【００２８】
つぎに、空孔１１３を形成した積層構造体のコンタクト層１０７上に、ＰＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの方法を用いてＳｉＮｘからなる絶縁膜１０８を成膜する。そして、成膜した絶縁膜１０８の上にフォトリソグラフィーを用いてパターニングをおこない、ＲＩＥ法で転写することによって上部電極１０９を形成する部分の絶縁膜のみを取り除く。そして、電子線蒸着や抵抗加熱蒸着などの方法を用いて上部電極１０９を形成する。つぎに同様の方法で下部電極１１０および低反射コート１１２を形成し、所定の大きさの素子に切断することで、本実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００が完成する。
【００２９】
以上説明したように、本実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００は、上部クラッド層１０６から上部分離閉じ込め層１０５、多重量子井戸活性層１０４、下部分離閉じ込め層１０３を貫いて下部クラッド層１０２に達する深さを有する空孔１１３を多重量子井戸活性層１０４の主面方向に周期的に配列した２次元フォトニック結晶を形成したことによって、小型で閾値電流が小さいものとなる。
【００３０】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザについて説明する。本実施の形態２に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図１に示すような実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザと同様の構造を有するが、活性層内における空孔の内表面が、活性層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体によって被覆されている点で異なる。
【００３１】
図８は、本実施の形態２に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ２００の縦断面の一部を示す図である。２次元フォトニック結晶面発光レーザ２００は、２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００と同様に、ｎ−ＩｎＰ半導体からなる基板上にｎ−ＩｎＰ半導体からなる下部クラッド層２０２、ＧａＩｎＡｌＰ半導体からなる下部分離閉じ込め層２０３、ＧａＩｎＡｌＰ半導体からなる多重量子井戸活性層２０４、ＧａＩｎＡｌＰ半導体からなる上部分離閉じ込め層２０５、ｐ−ＩｎＰ半導体からなる上部クラッド層２０６、ｐ＋−ＧａＩｎＡｓ半導体からなるコンタクト層２０７が積層された構造を有する。なお、コンタクト層１０７上にはＳｉＮｘからなる絶縁膜２０８が形成されるとともに、２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００と同様に、上部および下部電極、低反射コートが形成されている。
【００３２】
そして、コンタクト層２０７から上部クラッド層２０６、上部分離閉じ込め層２０５、多重量子井戸活性層２０４、下部分離閉じ込め層２０３を貫いて下部クラッド層２０２に達する深さを有する空孔２１３を多重量子井戸活性層２０４の主面方向に正方格子状に周期的に配列した２次元フォトニック結晶が形成されているので、２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００と同様に、小型で閾値電流が小さいものとなる。
【００３３】
さらに、２次元フォトニック結晶面発光レーザ２００は、空孔２１３の内表面が、多重量子井戸活性層２０４よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体であるノンドープのＩｎＰ層２１５によって被覆されている。ＧａＩｎＡｌＰのバンドギャップエネルギーは波長１．５５μｍで０．８ｅＶであるのに対して、ＩｎＰのバンドギャップエネルギーは１．３５ｅＶであり、５５０ｍｅＶ程度大きい。したがって、このノンドープのＩｎＰ層２１５によって被覆されていることにより、多重量子井戸活性層２０４内における空孔２１３の内表面においてキャリアの非発光の表面再結合が抑制され、かつノンドープのＩｎＰ層２１５は波長１．５５μｍの光を吸収しないので光吸収による損失が発生しない。したがって、２次元フォトニック結晶面発光レーザ２００は、閾値電流が一層小さい２次元フォトニック結晶面発光レーザとなる。
【００３４】
つぎに、本実施の形態２に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ２００の製造方法について説明する。まず、実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００の製造方法と同様の方法で、基板上に下部クラッド層２０２、下部分離閉じ込め層２０３、多重量子井戸活性層２０４、上部分離閉じ込め層２０５、上部クラッド層２０６、コンタクト層２０７を成長し、積層構造体を作製する。
【００３５】
次に、実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００の製造方法と同様の方法で、作製した積層構造体に所定の半径の空孔２１３を所定の間隔で所定の深さまで形成する。
【００３６】
次に、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、コンタクト層２０７の表面と空孔２１３の内表面とにノンドープのＩｎＰ層を２０ｎｍの厚さで形成する。その後、希塩酸を用いてコンタクト層２０７の表面に形成されたノンドープのＩｎＰ層を除去し、コンタクト層２０７を露出させる。このとき、空孔２１３の内表面に形成されたノンドープのＩｎＰ層２１５は残存する。
【００３７】
その後、実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００の製造方法と同様の方法で、ＳｉＮｘ絶縁膜、上部電極、下部電極、低反射コートを形成し、所定の大きさの素子に切断することで、本実施の形態２に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ２００が完成する。
【００３８】
以上説明したように、本実施の形態２に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ２００は、ＧａＩｎＡｌＰからなる多重量子井戸活性層２０４内における空孔２１３の内表面が、多重量子井戸活性層２０４よりも大きなバンドギャップエネルギーを有するＩｎＰ層２１５によって被覆されているので、閾値電流が一層小さいものとなる。
【００３９】
なお、本実施の形態２に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ２００は、空孔２１３の内表面がノンドープのＩｎＰ層２１５によって被覆されているが、ＧａＩｎＡｌＰからなる多重量子井戸活性層２０４よりも大きなバンドギャップエネルギーを有するものであれば、他の化合物半導体、たとえばＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰなどからなる層で被覆してもよい。また、活性層の材料によっては、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＮ、ＺｎＳｅなどを被覆に用いてもよい。
【００４０】
また、被覆に用いる化合物半導体は、活性層の材料と結晶の格子定数が近いものであることが好ましいが、その厚さが薄いことから、格子定数にある程度差があってもよい。
【００４１】
なお、本実施の形態２の変形例として、活性層内における空孔の内表面が、コアとなる部分を伝搬する光の波長において透明である誘電体であるＳｉＮｘによって被覆されていてもよい。
【００４２】
すなわち、ノンドープのＩｎＰ層２１５の代わりに、下部分離閉じ込め層２０３から上部分離閉じ込め層２０５の部分をコアとして伝搬する光の波長である１．５５μｍにおいて透明であるＳｉＮｘ層を被覆として用いることにより、多重量子井戸活性層２０４内における空孔２１３の内表面においてキャリアの非発光の表面再結合が抑制され、かつＳｉＮｘは波長１．５５μｍの光を吸収しないので光の吸収による損失が発生しない。したがって、閾値電流が一層小さい２次元フォトニック結晶面発光レーザとなる。
【００４３】
本実施の形態２の変形例に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子の製造方法については、実施の形態２に係るフォトニック結晶半導体レーザ素子２００の製造方法と同様であるが、プラズマＣＶＤ法により、コンタクト層２０７の表面と空孔の内表面とにＳｉＮｘ層を２０ｎｍの厚さで形成し、その後、ＣＦ4ガスを用いたＲＩＥ法によりコンタクト層２０７の表面に形成されたＳｉＮｘ層を除去し、コンタクト層２０７を露出させる点が異なる。
【００４４】
なお、上記の誘電体としては、波長１．５５μｍにおいて透明であれば、他の誘電体、たとえばＳｉＯｘ、ＡｌＮｘ、ＡｌＯｘ、ＴｉＯｘなどによって被覆されていてもよい。これらの誘電体膜の形成には、ＰＣＶＤ法などの方法が使用可能であるが、たとえば、活性層の材料がＡｌＧａＡｓで構成されている場合には、酸化により空孔の内表面にＡｌＯｘ層を形成してもよい。
【００４５】
また、空孔の内表面を被覆する層の厚さは、半導体の場合は５〜２０ｎｍ、誘電体の場合は５〜５０ｎｍの範囲であれば、閾値の効果が得られ、かつフォトニック結晶の機能が良好に保たれる。なお、誘電体の場合は、屈折率が半導体に比べて十分に低いため、誘電体を上記の範囲よりもさらに厚くして、空孔が誘電体によって完全にふさがれる構造としても、フォトニック結晶の機能は維持できる。
【００４６】
また、被覆する層は、単一の層からなるのもの限られず、二以上の層からなるものとしてもよい。また、この二以上の層が、半導体と誘電体とを組み合わせたものであってもよい。たとえば、空孔の内表面において、活性層の部分と被覆する誘電体との間にＳｉなどの層を介在させるものとすると、誘電体から活性層への酸素の拡散が防止される。
【００４７】
（実施の形態３）
つぎに、本実施の形態３に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザについて説明する。本実施の形態３に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図１に示す実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００と同様の製造方法によって製造できるが、波長９８０ｎｍの光を面発光する点や、２次元フォトニック結晶が、活性層を伝搬する光が活性層の主面方向で２次元的に分布帰還し、かつ活性層に垂直な方向に放射されないように構成された分布帰還制御フォトニック結晶と、伝搬光が活性層に垂直な方向に放射されるように構成された面発光制御フォトニック結晶とが重畳されたものである点などが異なる。
【００４８】
本実施の形態３に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図１に示す実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００とは構成する半導体材料が異なるが、同様の構造を有する。すなわち、ｎ−ＧａＡｓ半導体からなる基板上にＡｌＧａＡｓ半導体からなる下部クラッド層、ＧａＡｓ半導体からなる下部分離閉じ込め層、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ半導体からなる多重量子井戸活性層、ＧａＡｓ半導体からなる上部分離閉じ込め層、ＡｌＧａＡｓ半導体からなる上部クラッド層、ＧａＡｓ半導体からなるコンタクト層が積層されている。なお、下部クラッド層の厚さは４μｍ、下部分離閉じ込め層から上部分離閉じ込め層までの合計の厚さは０．２μｍ、上部クラッド層の厚さは２μｍ、コンタクト層の厚さは４μｍである。また、多重量子井戸活性層の発光スペクトルのピーク波長は９８０ｎｍである。
【００４９】
そして、コンタクト層の上面の一部にはＡｕ／ＡｕＺｎからなる円形の上部電極が形成されている。またコンタクト層の上面であって上部電極の周囲にはＳｉＮｘからなる絶縁膜が形成されている。一方、基板の底面にはＡｕＧｅＮｉからなる下部電極が形成されている。下部電極は円形の開口部を有し、基板の底面の開口部の部分には誘電体からなる低反射コート膜が形成されている。なお、上部電極の半径は４．０μｍ、下部電極が有する開口部の半径は１０．０μｍである。さらに、コンタクト層から上部クラッド層、上部分離閉じ込め層、多重量子井戸活性層、下部分離閉じ込め層を貫いて下部クラッド層に達する深さを有する円状の空孔を多重量子井戸活性層の主面方向に正方格子状に周期的に配列した２次元フォトニック結晶が形成されている。
【００５０】
図９は、本実施の形態３に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて空孔が形成する２次元フォトニック結晶の一部を示す平面図である。空孔３１３ａは格子Ｌ１を基本格子とする分布帰還制御フォトニック結晶を構成し、空孔３１３ｂは格子Ｌ２を基本格子とする面発光制御フォトニック結晶を構成する。なお、空孔３１３ａ、３１３ｂは、コンタクト層から上部クラッド層、上部分離閉じ込め層、多重量子井戸活性層、下部分離閉じ込め層を貫いて下部クラッド層に達する深さまで形成されている。
【００５１】
ここで、格子Ｌ１の格子定数ａ１は２０５ｎｍである。空孔３１３ａの半径はａ１の０．２４倍すなわち４９．２ｎｍである。また、上部分離閉じ込め層から下部分離閉じ込め層までの部分をコアとして伝搬する伝搬光のモード屈折率は３．３７である。すなわち、伝搬光の実効的な波長をモード波長とすると、真空中の波長が９８０ｎｍの光のモード波長は２９０ｎｍである。つまり、格子Ｌ１の格子定数ａ１は、真空中の波長が９８０ｎｍの光のモード波長の１／√２倍に相当する値である。
【００５２】
一方、格子Ｌ２は格子Ｌ１に対して結晶方位が４５°の角度をなしており、格子定数ａ２は２９０ｎｍであり、真空中の波長が９８０ｎｍの光のモード波長と同じ値である。空孔３１３ｂの半径はａ１の０．１５倍すなわち３０．８ｎｍである。また、空孔３１３ｂは所定の２つの空孔３１３ａの中間に位置している。
【００５３】
本実施の形態３に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、多重量子井戸活性層を含むコアとなる部分を伝搬する波長１．５５μｍの伝搬光が、空孔３１３ａが構成する分布帰還制御フォトニック結晶によって高い分布帰還効果を受け、レーザ発振する。しかしながら、分布帰還制御フォトニック結晶によっては面発光は起こらない。
【００５４】
一方、上記の伝搬光は、空孔３１３ｂが構成する面発光制御フォトニック結晶の高いグレーティングカップル効果による効果的な回折によってフォトニック結晶が形成された面に垂直な方向に進行し、面発光を起こす。すなわち、分布帰還制御フォトニック結晶によって分布帰還してレーザ発振した光は、面発光制御フォトニック結晶によって面発光する。
【００５５】
すなわち、本実施の形態３に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、小型で閾値電流が小さいとともに、２次元分布帰還と面発光が異なるフォトニック結晶格子によって実現されているため、各フォトニック結晶格子の構造を独立に設計して、２次元分布帰還効果と面発光特性を独立に最適化することができる。
【００５６】
以下、本実施の形態３におけるフォトニック結晶の２次元分布帰還と面発光の原理について詳細に説明する。まず、２次元正方格子フォトニック結晶で分布帰還動作が可能な光はフォトニック結晶の逆格子空間（波数空間）における対称点のうち、Ｘ点、Ｍ点、Γ点において動作する。Γ点とは、大きさが最小になるように選んだ正方格子の逆格子基本ベクトルをｂ1、ｂ2とすると、波数ベクトルがｋ=ｐｂ1＋ｑｂ2(ｐ、ｑは任意の整数)と表される点である。ベクトルｂ1、ｂ2は互いに直交しており、ベクトルの大きさはどちらもフォトニック結晶の格子定数をａとすると２π／ａである。同様に、Ｘ点は波数ベクトルがｋ＝(ｐ＋１／２)ｂ1＋ｑｂ2またはｋ＝ｐｂ1＋（ｑ＋１／２）ｂ2と表される点であり、Ｍ点は波数ベクトルがｋ＝(ｐ＋１／２)ｂ1+(ｑ＋１／２)ｂ2と表される点である。
【００５７】
ここで、上記のように、分布帰還制御フォトニック結晶の格子Ｌ１の格子定数ａ１は、真空中の波長が９８０ｎｍの光のモード波長の１／√２倍に相当する値である。すなわち、光のモード波長は√２ａ１であるからこのときの波数の大きさは２π／（√２ａ１）である。一方、格子Ｌ１の逆格子基本ベクトルはｂ1＝（２π／ａ１、０）、ｂ2＝（０、２π／ａ１）である。ここで、分布帰還制御フォトニック結晶の波数空間上のＭ点は波数ベクトルであるｋが上記のように表されるが、ｐ＝ｑ＝０のときはｋ＝１／２ｂ1+１／２ｂ2＝（π／ａ１、π／ａ１）であるから、波数ベクトルであるｋの大きさは２π／（√２ａ１）である。すなわち、光のモード波長の波数の大きさとＭ点の波数ベクトルの大きさが等しいので、真空中の波長が９８０ｎｍの光は、分布帰還制御フォトニック結晶との関係では、Ｍ点で動作することになる。
【００５８】
つぎに、Ｍ点の波数ベクトルｋ＝１／２ｂ1+１／２ｂ2に対応する波数ベクトルの光が分布帰還制御フォトニック結晶の結晶格子によって回折を受けると、その波数ベクトルはｋ´＝(ｐ´＋１／２)ｂ1+(ｑ´＋１／２)ｂ2(ｐ´、ｑ´は任意の整数)に変化する。ここで、ｐ´＝−１かつｑ´＝−１となる回折を受けるときにはｋ´＝−ｋとなるから、Ｍ点の波数ベクトルに対応する光は、回折する前の光とは逆方向に進行する波と結合する。また、ｐ´＝０かつｑ´＝−１の場合にはｋ´＝１／２ｂ1−１／２ｂ2となるから、回折する前の光に対する角度が９０°をなす方向に進行する波と結合し、ｐ´＝−１かつｑ´＝０の場合にはｋ´＝−１／２ｂ1＋１／２ｂ2となるから、回折する前の光に対する角度が−９０°をなす方向に進行する波と結合する。よって、波数空間におけるＭ点に対応する波数ベクトルを有する真空中の波長９８０ｎｍの光は、分布帰還制御フォトニック結晶により２次元的な分布帰還を受け、レーザ発振する。
【００５９】
しかしながら、回折を受けた後の光の波数ベクトルであるｋ´については、どのように整数ｐ´およびｑ´を選んでもｋ´＝０となることはないため、分布帰還制御フォトニック結晶によっては面発光は起こらない。
【００６０】
次に、面発光の原理について説明する。面発光制御フォトニック結晶の格子Ｌ２の結晶方位は、分布帰還制御フォトニック結晶の格子Ｌ１の結晶方位に対して４５°の角度をなし、格子Ｌ２の格子定数は格子Ｌ１の格子定数の√２倍であるから、大きさが最小になるように選んだ面発光制御フォトニック結晶の逆格子単位ベクトルをｂ1´およびｂ2´とすると、ｂ1´およびｂ2´は、分布帰還フォトニック結晶の逆格子単位ベクトルであるｂ1およびｂ2とは次の関係がある。すなわち、ｂ1´＝１／２ｂ1＋１／２ｂ2およびｂ2´＝−１／２ｂ1＋１／２ｂ2である。このとき、分布帰還制御フォトニック結晶によって分布帰還してレーザ発振する光の代表的な波数ベクトルであるｋ＝１／２ｂ1＋１／２ｂ2は、ｂ1´を用いてｋ＝ｂ1´と表される。これは、面発光制御フォトニック結晶の逆格子空間のΓ点の波数ベクトルを表すｋ＝ｐｂ1´＋ｑｂ2´において、ｐ＝１かつｑ＝０とした場合に相当する。すなわち、分布帰還制御フォトニック結晶によって分布帰還してレーザ発振した光は、面発光制御フォトニック結晶との関係では、Γ点で動作することになる。
【００６１】
ここで、Γ点に対応する波数ベクトルを有する光は、フォトニック結晶格子による回折によってフォトニック結晶が形成された面に垂直な方向に進行し、面発光を起こす。すなわち、分布帰還制御フォトニック結晶によって分布帰還してレーザ発振した光は、面発光制御フォトニック結晶によって面発光する。
【００６２】
以上説明したように、本実施の形態３に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、小型で閾値電流が小さいとともに、各フォトニック結晶格子の構造を独立に設計して、２次元分布帰還効果と面発光特性を独立に最適化することができる。たとえば、分布帰還制御フォトニック結晶は分布帰還効果が一層強くなるように構造が設計されるとともに、面発光制御フォトニック結晶は、空孔の大きさを調整して面発光強度が強くなるように構造が設計される。
【００６３】
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザについて説明する。本実施の形態４に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、実施の形態３に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザと同様の構造を有し、同様の半導体材料からなり、同様の波長９８０ｎｍの光を面発光し、同様の製造方法によって製造できるが、異なる格子定数を有する２種類の三角格子状のフォトニック結晶が重畳されたフォトニック結晶が形成されている点が異なる。
【００６４】
図１０は、本実施の形態４に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて空孔が形成する２次元フォトニック結晶の一部を示す平面図である。空孔４１３ａは格子Ｌ３を基本格子とする三角格子状の分布帰還制御フォトニック結晶を構成し、空孔４１３ｂは格子Ｌ４を基本格子とする三角格子状の面発光制御フォトニック結晶を構成する。格子Ｌ３の格子定数ａ１は１９４ｎｍである。空孔４１３ａの半径はａ１の０．２２倍すなわち４２．７ｎｍである。また、上部分離閉じ込め層から下部分離閉じ込め層までの部分をコアとして伝搬する伝搬光のモード屈折率は３．３７である。すなわち、真空中の波長が９８０ｎｍの伝搬光のモード波長は２９０ｎｍである。つまり、格子Ｌ３の格子定数ａ１は、真空中の波長が９８０ｎｍの光のモード波長の２／３倍に相当する値である。
【００６５】
一方、格子Ｌ４は格子Ｌ３に対して結晶方位が３０°の角度をなしており、格子定数ａ２は３３６ｎｍであり、真空中の波長が９８０ｎｍの光のモード波長の２√３／３倍に相当する値である。空孔４１３ｂの半径はａ１の０．１５倍すなわち２９．１ｎｍである。また、空孔４１３ｂは所定の２つの空孔４１３ａの中間に位置しているが、中間の位置からずれていてもよい。
【００６６】
本実施の形態４に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、実施の形態３と同様に、２次元分布帰還と面発光が異なるフォトニック結晶格子によって実現されているため、各フォトニック結晶格子の構造を独立に設計して、２次元分布帰還効果と面発光特性を独立に最適化することができる。
【００６７】
以下、本実施の形態４におけるフォトニック結晶の２次元分布帰還と面発光の原理について詳細に説明する。まず、２次元三角格子フォトニック結晶で分布帰還動作が可能な光はフォトニック結晶の波数空間における対称点のうち、Ｍ点、Ｋ点、Γ点において動作する。Γ点は、大きさが最小になるように選んだ三角格子の逆格子基本ベクトルをｂ1、ｂ2とすると、波数ベクトルがｋ=ｐｂ1＋ｑｂ2(ｐ、ｑは任意の整数)と表される点である。上記の正方格子の場合とは異なり、ベクトルｂ1、ｂ2は６０度の角度をなしており、ベクトルの大きさはどちらもフォトニック結晶の格子定数をａとして４π／（√３ａ）である。同様に、Ｍ点は波数ベクトルがｋ＝(ｐ＋１／２)ｂ1＋ｑｂ2またはｋ＝ｐｂ1＋(ｑ＋１／２)ｂ2またはｋ＝(ｐ−１／２)ｂ1＋(ｑ＋１／２)ｂ2と表される点であり、Ｋ点は波数ベクトルがｋ＝(ｐ＋１／３)ｂ1＋(ｑ＋１／３)ｂ2またはｋ＝(ｐ−１／３)ｂ1＋(ｑ＋２／３)ｂ2で表される点である。
【００６８】
ここで、上記のように、分布帰還制御フォトニック結晶の格子Ｌ３の格子定数ａ１は、真空中の波長が９８０ｎｍの光のモード波長の２／３倍に相当する値である。すなわち、光のモード波長は３ａ１／２であるからこのときの波数の大きさは４π／（３ａ１）である。一方、格子Ｌ３の逆格子基本ベクトルはｂ1＝（４π／（√３ａ１）、０）、ｂ2＝（２π／（√３ａ１）、２π／ａ１）である。ここで、前述のように波数空間上の対称点であるＫ点は波数ベクトルであるｋが上記のように表されるが、ｐ＝ｑ＝０のときはｋ＝１／３ｂ1+１／３ｂ2＝（２π／（√３ａ１）、２π／（３ａ１））であるから、波数ベクトルｋの大きさは４π／（３ａ１）である。すなわち、光のモード波長の波数の大きさとＫ点の波数ベクトルの大きさが等しいので、真空中の波長が９８０ｎｍの光は、分布帰還制御フォトニック結晶との関係では、Ｋ点で動作することになる。
【００６９】
Ｋ点の波数ベクトルｋ＝１／３ｂ1+１／３ｂ2に対応する波数ベクトルを有する光が分布帰還制御フォトニック結晶によって回折を受けると、その波数ベクトルはｋ´＝(ｐ´＋１／３)ｂ1+(ｑ´＋１／３)ｂ2(ｐ´、ｑ´は任意の整数)に変化する。ここで、ｐ´＝−１かつｑ´＝０となる回折を受けるときにはｋ´＝−２／３ｂ1+１／３ｂ2となり、回折する前の光の波数ベクトルｋとは１２０°の角度をなすから、Ｋ点の波数ベクトルに対応する光は、回折によって回折する前の光に対する角度が１２０°をなす方向に進行する光と結合する。また、ｐ´＝０かつｑ´＝−１の場合にはｋ´＝１／３ｂ1−２／３ｂ2となり、回折する前の光に対する角度が１２０°をなす方向に進行する光と結合する。よって、Ｋ点に対応する真空中の波長９８０ｎｍの光は、分布帰還制御フォトニック結晶により２次元的な分布帰還を受け、レーザ発振する。
【００７０】
しかしながら、回折を受けた後の光の波数ベクトルであるｋ´については、どのように整数ｐ´およびｑ´を選んでもｋ´＝０となることはないため、分布帰還制御フォトニック結晶によっては面発光は起こらない。
【００７１】
次に、面発光の原理について考える。面発光制御フォトニック結晶の格子Ｌ４の結晶方位は、分布帰還制御フォトニック結晶の格子Ｌ３の結晶方位に対して３０°の角度をなし、格子Ｌ４の格子定数は格子Ｌ３の格子定数の√３倍であるから、大きさが最小になるように選んだ面発光制御フォトニック結晶の逆格子単位ベクトルをｂ1´およびｂ2´とすると、ｂ1´およびｂ2´は、分布帰還フォトニック結晶の逆格子単位ベクトルであるｂ1およびｂ2とは次の関係がある。すなわち、ｂ1´＝１／３ｂ1＋１／３ｂ2およびｂ2´＝１／３ｂ1−２／３ｂ2である。このとき、分布帰還制御フォトニック結晶によって分布帰還してレーザ発振した光の代表的な波数ベクトルであるｋ＝１／３ｂ1＋１／３ｂ2は、ｂ1´を用いてｋ＝ｂ1´と表される。これは、面発光制御フォトニック結晶の逆格子空間のΓ点の波数ベクトルを表すｋ＝ｐｂ1´＋ｑｂ2´において、ｐ＝１かつｑ＝０とした場合に相当する。すなわち、分布帰還制御フォトニック結晶によって分布帰還してレーザ発振した光は、面発光制御フォトニック結晶との関係では、Γ点で動作することになる。
【００７２】
その結果、本実施の形態４に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、実施の形態３に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザと同様に、分布帰還制御フォトニック結晶によって分布帰還してレーザ発振した光は、面発光制御フォトニック結晶によって面発光する。そして、本実施の形態４に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、各フォトニック結晶格子の構造を独立に設計して、２次元分布帰還効果と面発光特性を独立に最適化することができる。
【００７３】
なお、上記の実施の形態３、４において、面発光制御フォトニック結晶を形成する空孔が面方向の位置に応じて異なる大きさを有するように該空孔を形成してもよい。具体的には、空孔の半径は、中心部から周辺部に向かって面内の距離にしたがって指数関数的に減少させる。面発光制御フォトニック結晶を形成する空孔の半径を層の面内の中心部では大きく、周辺部では小さくすることにより、グレーティングカップル効果による面発光制御フォトニック結晶の面発光の効果を中心部では大きく、周辺部では小さくすることができる。その結果、面発光の面内での光強度分布がガウス型に近い形状を有するガウシアンビームを出力させることができる。また、面内での光強度分布がガウシアンビームに近い出力光を得るため空孔の半径を中心部からの距離に応じて指数関数的に変化させたが、所望の形状のビームに応じて任意に空孔の大きさを調整することができる。
【００７４】
また、上記の実施の形態において、空孔は下部クラッド層に達する深さを有すればよいので、それ以上の深さ、すなわち基板まで達する深さを有していてもよい。また、上記の実施の形態では、下部分離閉じ込め層、多重量子井戸活性層、上部分離閉じ込め層をコア部としているが、コア部がバルク半導体からなるスラブ導波路であってもよい。また、活性層をはじめとする各層の材料やレーザ発振する光の波長は上記実施の形態に示したものに限らず、化合物半導体全般を各層として用いることができ、レーザ発振する光の波長も材料の選択によって任意に設計することが可能である。
【００７５】
ところで、上記の実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、多重量子井戸活性層において発光した光は上部分離閉じ込め層から下部分離閉じ込め層までの部分をコアとして伝搬する。これは、上部分離閉じ込め層から下部分離閉じ込め層までの部分が、クラッドとなる上部クラッド層および下部クラッド層よりも屈折率が高いため、コアとクラッドとの間に屈折率差が生じているからである。上記の実施の形態においては、上部分離閉じ込め層から下部分離閉じ込め層までのコアとなる部分に屈折率が低い空孔が多数形成されているため、コアとなる部分の平均屈折率は空孔が形成されない場合よりも低下する。しかし、上記の実施の形態においては、クラッドとなる上部クラッド層および下部クラッド層にも同数の空孔が形成されているので、クラッドとなる部分も等価的に屈折率が低下する。その結果、コアとクラッドとの間の屈折率差は空孔がない場合とほぼ等価となるから、空孔が形成されていても、光は上部分離閉じ込め層から下部分離閉じ込め層までの部分をコアとして伝搬する。
【００７６】
また、非特許文献１のように、２次元フォトニック結晶層を活性層に近づける方法は、ＩｎＰ半導体からなるＩｎＰ基板上に形成する発振波長の長い２次元フォトニック結晶面発光レーザの場合には次のような問題がある。すなわち、ＩｎＰ基板上のレーザでは，ＧａＡｓ基板上のレーザに比べて材料間の屈折率差を大きくすることが難しいので、活性層を含むコアとクラッドとの屈折率差を大きくすることが難しい。この場合に、２次元フォトニック結晶層を活性層に近づけると、２次元フォトニック結晶層は空孔を含むために層内の平均屈折率は非常に小さいから、光はその層を避けてしまい活性層を挟んで２次元フォトニック結晶層がある側とは反対側のクラッド層に偏った分布を示すことになる。このような状態になると、光がフォトニック結晶層を避けるために、結果としてΓは十分に大きくはならない。したがって、２次元フォトニック結晶層を活性層に近づける方法は、特にＩｎＰ基板上の２次元フォトニック結晶面発光レーザでは閾値電流を下げることが難しく、小型化も難しい。このため、ＩｎＰ基板上の２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、本発明はより顕著な効果を奏する。なお、クラッド層の屈折率が十分に小さい場合は、クラッド層を避ける効果とフォトニック結晶層を避ける効果が釣り合うためにこのような現象は緩和される。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザを表面側から見た斜視図である。
【図２】図１に示した２次元フォトニック結晶面発光レーザを裏面側から見た斜視図である。
【図３】図１に示した２次元フォトニック結晶面発光レーザのＸ−Ｘ線断面図である。
【図４】図３に示した２次元フォトニック結晶面発光レーザのＹ−Ｙ線断面図である。
【図５】実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの積層方向における光の強度分布と２次元フォトニック結晶の効果との関係を説明する説明図である。
【図６】従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザの積層方向における光の強度分布と２次元フォトニック結晶の効果との関係を説明する説明図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザと従来例の２次元フォトニック結晶面発光レーザとの面発光領域について説明する説明図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの縦断面の一部を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態３に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて空孔が形成する２次元フォトニック結晶の一部を示す平面図である。
【図１０】本発明の実施の形態４に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて空孔が形成する２次元フォトニック結晶の一部を示す平面図である。
【図１１】従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザを模式的に表した斜視分解図である。
【符号の説明】
【００７８】
１００、２００ ２次元フォトニック結晶面発光レーザ
１０１、２０１ 基板
１０２、２０２ 下部クラッド層
１０３、２０３ 下部分離閉じ込め層
１０４、２０４ 多重量子井戸活性層
１０５、２０５ 上部分離閉じ込め層
１０６、２０６ 上部クラッド層
１０７、２０７ コンタクト層
１０８、２０８ 絶縁膜
１０９ 上部電極
１１０ 下部電極
１１１ 開口部
１１２ 低反射コート膜
１１３、２１３、３１３ａ、３１３ｂ、４１３ａ、４１３ｂ 空孔
２１５ ＩｎＰ層
Ｌ１〜Ｌ４ 格子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に積層した下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に積層しキャリアの注入により発光する活性層と、
前記活性層上に積層した上部クラッド層と、
を備え、前記上部クラッド層から前記活性層を貫いて前記下部クラッド層に達する深さを有する空孔を前記活性層の主面方向に周期的に配列した２次元フォトニック結晶が形成されたことを特徴とする２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項２】
少なくとも前記活性層内における前記空孔の内表面が、前記活性層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体によって被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項３】
少なくとも前記活性層内における前記空孔の内表面が、コアとなる部分を伝搬する光の波長において透明である誘電体によって被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項４】
前記２次元フォトニック結晶は、前記活性層を伝搬する光が前記活性層の主面方向で２次元的に分布帰還し、かつ前記活性層に垂直な方向に放射されないように構成された分布帰還制御フォトニック結晶と、前記伝搬光が前記活性層に垂直な方向に放射されるように構成された面発光制御フォトニック結晶とが重畳されたものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項５】
前記基板はＩｎＰからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項６】
基板上に下部クラッド層とキャリアの注入により発光する活性層と上部クラッド層とを順次積層形成する積層形成工程と、
前記上部クラッド層から前記活性層を貫いて前記下部クラッド層に達する深さを有する空孔を前記活性層の主面方向に周期的に配列した２次元フォトニック結晶を形成する２次元フォトニック結晶形成工程と、
を含むことを特徴とする２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法。
【請求項１】
基板と、
前記基板上に積層した下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に積層しキャリアの注入により発光する活性層と、
前記活性層上に積層した上部クラッド層と、
を備え、前記上部クラッド層から前記活性層を貫いて前記下部クラッド層に達する深さを有する空孔を前記活性層の主面方向に周期的に配列した２次元フォトニック結晶が形成されたことを特徴とする２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項２】
少なくとも前記活性層内における前記空孔の内表面が、前記活性層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体によって被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項３】
少なくとも前記活性層内における前記空孔の内表面が、コアとなる部分を伝搬する光の波長において透明である誘電体によって被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項４】
前記２次元フォトニック結晶は、前記活性層を伝搬する光が前記活性層の主面方向で２次元的に分布帰還し、かつ前記活性層に垂直な方向に放射されないように構成された分布帰還制御フォトニック結晶と、前記伝搬光が前記活性層に垂直な方向に放射されるように構成された面発光制御フォトニック結晶とが重畳されたものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項５】
前記基板はＩｎＰからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項６】
基板上に下部クラッド層とキャリアの注入により発光する活性層と上部クラッド層とを順次積層形成する積層形成工程と、
前記上部クラッド層から前記活性層を貫いて前記下部クラッド層に達する深さを有する空孔を前記活性層の主面方向に周期的に配列した２次元フォトニック結晶を形成する２次元フォトニック結晶形成工程と、
を含むことを特徴とする２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００８−９８３７９（Ｐ２００８−９８３７９Ａ）
【公開日】平成２０年４月２４日（２００８．４．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２７７９８２（Ｐ２００６−２７７９８２）
【出願日】平成１８年１０月１１日（２００６．１０．１１）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年４月２４日（２００８．４．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１０月１１日（２００６．１０．１１）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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