２次元フォトニック結晶面発光レーザ
【課題】２次元分布帰還効果と面発光特性について独立に制御して最適化することができる２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供すること。
【解決手段】キャリアの注入により発光する活性層の近傍に形成した媒質層に該媒質層とは屈折率が異なる媒質部を周期的に配列して２次元フォトニック結晶を形成した２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、前記２次元フォトニック結晶は、前記活性層をコアとして伝搬する光が２次元的に分布帰還するように構成された分布帰還制御フォトニック結晶と、前記伝搬光が面発光す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。
【解決手段】キャリアの注入により発光する活性層の近傍に形成した媒質層に該媒質層とは屈折率が異なる媒質部を周期的に配列して２次元フォトニック結晶を形成した２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、前記２次元フォトニック結晶は、前記活性層をコアとして伝搬する光が２次元的に分布帰還するように構成された分布帰還制御フォトニック結晶と、前記伝搬光が面発光す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。
【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が形成された面発光する２次元フォトニック結晶面発光レーザ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（特許文献１〜３）。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１００´は、基板１０１´上に閉じ込め層１０２´、下部クラッド層１０３´、活性層１０４´、上部クラッド層１０５´が積層されたものである。閉じ込め層１０２´はｎ型ＩｎＰ半導体からなり、空孔１０８´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１０８´はｎ型ＩｎＰ半導体とは屈折率が異なる空気媒質部が周期的に配列されたフォトニック結晶を形成する。活性層１０４´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１０３´はｎ型ＩｎＰ半導体などからなる。また上部クラッド層１０５´はｐ型ＩｎＰ半導体からなる。そして、下部クラッド層１０３´及び上部クラッド層１０５´により活性層１０４´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１０４´に集中させる構造としている。なお、上部クラッド層１０５´の上面及び基板１０１´の底面には金からなる電極１０６´、１０７´が形成されている。
【０００４】
ここで、電極１０６´、１０７´間に電圧を印加することにより活性層１０４´が発光し、活性層１０４´からエバネセント波としてしみ出た光が閉じ込め層１０２´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り、単一モードレーザ光が面発光する。以下、図１１の２次元フォトニック結晶面発光レーザの２次元分布帰還と面発光の原理について、２次元フォトニック結晶の波数空間を用いて説明する。
【０００５】
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。
【０００６】
一方、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。
【０００７】
特許文献１に開示された２次元フォトニック結晶面発光レーザは、２次元分布帰還の動作点として、正方格子または三角格子の２次元フォトニック結晶のΓ点を用いている。
【０００８】
この２次元分布帰還の原理は、フォトニック結晶格子による光の回折によって説明できる。まず、結晶格子のような周期構造中における光の回折とは、波数ベクトルがｋの光が、周期構造によって波数ベクトルがｋ´＝ｋ＋ｐ´ｂ1＋ｑ´ｂ2(ｐ´、ｑ´は任意の整数、ｂ1、ｂ2は逆格子基本ベクトル)の光に変化することである。これを波数ベクトルがｋ=ｐｂ1＋ｑｂ2の光、つまりΓ点に対応する光についてみると、ｐ´＝−２ｐ、ｑ´＝−２ｑとなる回折を受けるときには、回折した後の光の波数ベクトルはｋ´＝−ｋとなる。すなわち、Γ点に対応する光は、この回折によって回折する前とは逆向きに進行する波と結合する。その結果、互いに逆方向に進行する光同士が結合することで分布帰還を起こす。また、ｐ´＝−ｐ＋ｑかつｑ´＝−ｑ−ｐとなる回折を受けるときには、回折した後の光の波数ベクトルはｋ´＝ｑｂ1−ｐｂ2となり、回折する前の光に対する角度が正方格子についていえば９０°、三角格子についていえば１２０°をなす方向に進行する波と結合する。一方、ｐ´＝−ｐ−ｑかつｑ´＝−ｑ＋ｐとなる回折を受けるときには、回折した後の光の波数ベクトルはｋ´＝−ｑｂ1＋ｐｂ2となり、回折する前の光に対する角度が正方格子についていえば−９０°、三角格子についていえば−１２０°をなす方向に進行する波と結合する。すなわち、Γ点に対応する光は、結晶格子上の任意の位置から上記の回折を受けて上記の所定の方向に進行する波と結合しながら最初の位置に帰還する、つまり２次元的に分布帰還する。
【０００９】
次に、面発光の原理についても光の回折によって説明できる。すなわち、Γ点に対応する光に対してｐ´＝−ｐかつｑ´＝−ｑとなる回折を受けるときには、ｋ´＝０となるところ、２次元の面内の波数ベクトルｋ´が０ということは光がフォトニック結晶が形成された面に垂直な方向に進行することを意味する。すなわち、Γ点に対応する光は、上記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するグレーティングカップルと呼ばれる効果によって面発光を起こすという性質も備えていることになる。その結果、Γ点に対応する光は２次元的に分布帰還するとともに面発光する。
【００１０】
以上説明したように、特許文献１のフォトニック結晶面発光レーザは、閉じ込め層に形成されたフォトニック結晶の波数空間のΓ点に対応する光が、２次元平面の大面積にわたってコヒーレント単一モードレーザ光として面発光するものとなる。
【００１１】
【特許文献１】特開２０００−３３２３５１号公報
【特許文献２】特開２００３−２３１９３号公報
【特許文献３】特開２００４−２９６５３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところが従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、例えば２次元分布帰還効果を最適化して面内の光閉じ込めが強くなるようにフォトニック結晶構造を最適化すると面発光強度が弱くなる場合があり、面発光特性を最適化して強度が強くなるようにフォトニック結晶構造を最適化すると面内の光閉じ込めが弱くなる場合があった。すなわち、２次元分布帰還効果と面発光特性について独立に制御して最適化することはできなかった。
【００１３】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、２次元分布帰還効果と面発光特性について独立に制御して最適化することができる２次元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する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
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、キャリアの注入により発光する活性層の近傍に形成した媒質層に該媒質層とは屈折率が異なる媒質部を周期的に配列して２次元フォトニック結晶を形成した２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、前記２次元フォトニック結晶は、前記活性層をコアとして伝搬する光が前記活性層の面内で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。
【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は、キャリアの注入により発光する活性層の近傍に形成した媒質層に該媒質層とは屈折率が異なる媒質部を周期的に配列して２次元フォトニック結晶を形成した２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、前記２次元フォトニック結晶は、前記活性層をコアとして伝搬する伝搬光のモード波長の１／√２倍の格子定数を有する正方格子状の分布帰還制御フォトニック結晶と、前記伝搬光のモード波長と同じ値の格子定数を有しかつ前記分布帰還制御フォトニック結晶に対して結晶方位が４５°の角度をなす正方格子状の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。
【００１６】
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、キャリアの注入により発光する活性層の近傍に形成した固体層に該媒質層とは屈折率が異なる媒質部を周期的に配列して２次元フォトニック結晶を形成した２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、前記２次元フォトニック結晶は、前記活性層をコアとして伝搬する伝搬光が該伝搬光のモード波長において逆格子空間におけるＭ点で動作するように構成された正方格子状の分布帰還制御フォトニック結晶と、前記伝搬光が該伝搬光のモード波長において波数空間におけるΓ点で動作するように構成された直方格子状の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。ここで、Ｍ点とはフォトニック結晶格子の波数空間において大きさが最小になるように選んだ逆格子基本ベクトルｂ1、ｂ2を用いて波数ベクトルが（ｐ＋１／２）ｂ1＋（ｑ＋１／２）ｂ2（ｐ、ｑは任意の整数）で表される対称点であり、Γ点とは波数ベクトルがｐｂ1＋ｑｂ2（ｐ、ｑは任意の整数）で表される対称点である。
【００１７】
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、キャリアの注入により発光する活性層の近傍に形成した媒質層に該媒質層とは屈折率が異なる媒質部を周期的に配列して２次元フォトニック結晶を形成した２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、前記２次元フォトニック結晶は、前記活性層をコアとして伝搬する伝搬光のモード波長の２／３倍の格子定数を有する三角格子状の分布帰還制御フォトニック結晶と、前記伝搬光のモード波長の２√３／３倍の格子定数を有しかつ前記分布帰還制御フォトニック結晶に対して結晶方位が３０°の角度をなす三角格子状の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。
【００１８】
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、キャリアの注入により発光する活性層の近傍に形成した媒質層に該媒質層とは屈折率が異なる媒質部を周期的に配列して２次元フォトニック結晶を形成した２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、前記２次元フォトニック結晶は、前記活性層をコアとして伝搬する伝搬光が該伝搬光のモード波長において波数空間におけるＫ点で動作するように構成された三角格子状の分布帰還制御フォトニック結晶と、前記伝搬光が該伝搬光のモード波長において波数空間におけるΓ点で動作するように構成された三角格子状の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。ここで、Ｋ点とはフォトニック結晶格子の波数空間において大きさが最小になるように選んだ逆格子基本ベクトルｂ1、ｂ2を用いて波数ベクトルが（ｐ＋１／３）ｂ1＋（ｐ＋１／３）ｂ2または（ｐ−１／３）ｂ1＋（ｐ＋２／３）ｂ2で表される対称点であり、Γ点とは波数ベクトルがｐｂ1＋ｑｂ2（ｐ、ｑは任意の整数）で表される対称点である。
【００１９】
また、この発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、上記発明において、前記面発光制御フォトニック結晶を形成する前記媒質部は、前記面発光制御フォトニック結晶が形成された部分における位置に応じて異なる大きさを有するものであることを特徴とする。
【００２０】
また、この発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、上記発明において、前記媒質部の大きさは、前記面発光制御フォトニック結晶が形成された部分の中心部から周辺部に向かって指数関数的に減少することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザによれば、活性層をコアとして伝搬する伝搬光が２次元的に分布帰還する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面発光を起こす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的に形成されているので、２次元分布帰還効果と面発光特性について独立に制御して最適化することができる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】
【００２２】
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。
【００２３】
（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。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は、異なる格子定数を有する２種類の正方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おり、真空中の波長９８０ｎｍの光を面発光するものである。
【００２４】
図１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を表面側から見た斜視図である。また、図２は、図１の２次元フォトニック結晶面発光レーザの斜視分解図である。また、図３は、図１の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。図１〜３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−ＧａＡｓ基板１０１上に厚さ４０００ｎｍのＡｌＧａＡｓ下部クラッド層１０２、厚さ１００ｎｍのＧａＡｓ下部分離閉じ込め層１０３、利得のピーク波長が真空中の波長で９８０ｎｍである厚さ３５ｎｍのＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層１０４、厚さ７０ｎｍのＧａＡｓ上部分離閉じ込め層１０５が積層されており、さらにその上にフォトニック結晶を形成した厚さ１３０ｎｍのＧａＡｓフォトニック結晶層１０６、厚さ５０ｎｍのＧａＡｓスペーサ層１０７、厚さ２０００ｎｍのＡｌＧａＡｓ上部クラッド層１０８、厚さ４０００ｎｍのＧａＡｓコンタクト層１０９が積層されている。
【００２５】
さらにＧａＡｓコンタクト層１０９の上面には金からなる直径５０μｍの円形の上部電極１１０が形成されている。また上部電極１１０の周囲には絶縁膜１１２が形成されている。一方、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１の底面には金からなる下部電極１１１が形成されている。下部電極１１１は直径１００μｍの円形の開口部１１３を有し、開口部１１３には誘電体からなる無反射コート膜１１４が形成されている。
【００２６】
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−ＧａＡｓ基板１０１上に、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）を用いてＡｌＧａＡｓ下部クラッド層１０２、ＧａＡｓ下部分離閉じ込め層１０３、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層１０４、ＧａＡｓ上部分離閉じ込め層１０５を成長する。一方、ｐ−ＧａＡｓ基板上に、同様の方法でＡｌＧａＡｓエッチストップ層、ＧａＡｓコンタクト層１０９、ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層１０８、ＧａＡｓスペーサ層１０７およびＧａＡｓフォトニック結晶層１０６を成長する。
【００２７】
次に、ｐ−ＧａＡｓ基板上に電子線描画でレジストパターンを形成し、パターンをＧａＡｓフォトニック結晶層１０６にＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）によって転写することで空孔１１５、１１６を形成し、分布帰還制御フォトニック結晶と面発光制御フォトニック結晶とが重畳された２次元フォトニック結晶を形成する。次に、ｐ−ＧａＡｓ基板の表層のＧａＡｓフォトニック結晶層１０６とｎ−ＧａＡｓ基板１０１の表層のＧａＡｓ上部分離閉じ込め層１０５とをウェハ融着によって接合する。その後、ｐ−ＧａＡｓ基板を機械研磨および選択性ウェットエッチングを用いて除去し、さらにＡｌＧａＡｓエッチストップ層を選択性ウェットエッチングを用いて除去する。さらにＧａＡｓコンタクト層１０９の上面およびｎ−ＧａＡｓ基板１０１の底面に上部電極１１０および下部電極１１１を電子線蒸着や抵抗加熱蒸着によって形成する。さらに電子線蒸着などによって絶縁膜１１２および無反射コート膜１１４を形成し、所定の大きさに切断して２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００が完成する。
【００２８】
以上の方法によって製造された２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００のＧａＡｓフォトニック結晶層１０６にはＧａＡｓとは屈折率が異なる媒質部として円形の空孔１１５、１１６が周期的に配列して形成されている。その結果、ＧａＡｓフォトニック結晶層１０６には２次元フォトニック結晶が形成される。
【００２９】
図４は、ＧａＡｓフォトニック結晶層１０６に配列された空孔が形成する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１１５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形成し、空孔１１６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形成する。格子Ｌ１の格子定数ａ１は２０５ｎｍである。空孔１１５の半径はａ１の０．２４倍すなわち４９．２ｎｍである。また、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層１０４を伝搬する光のモード屈折率は３．３７である。すなわち、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層１０４をコアとして伝搬している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。
【００３０】
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１１６の半径はａ１の０．１５倍すなわち３０．８ｎｍである。また、空孔１１６は所定の２つの空孔１１５の中間に位置している。
【００３１】
次に、本実施の形態１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説明する。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、前述のようにＭ点は波数ベクトルがｋ＝(ｐ＋１／２)ｂ1+(ｑ＋１／２)ｂ2と表されるが、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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
すでに説明したように、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。
【００３６】
したがって、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は、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。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。
【００３７】
（実施の態様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し、同様の製造方法によって製造できるが、ＧａＡｓフォトニック結晶層に形成された面発光制御フォトニック結晶の格子定数および結晶方位が異なる。
【００３８】
図５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のＧａＡｓフォトニック結晶層に配列された空孔が形成する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２１５は格子Ｌ３を基本格子とする分布帰還制御フォトニック結晶を形成し、空孔２１６は格子Ｌ４を基本格子とする面発光制御フォトニック結晶を形成する。本実施の形態１における分布帰還制御フォトニック結晶と同様に、Ｌ３の格子定数ａ１は２０５ｎｍであり、空孔２１５の半径はａ１の０．２４倍すなわち４９．２ｎｍである。
【００３９】
一方、格子Ｌ４は格子Ｌ３と同一の結晶方向を有しており、格子定数ａ２は４１０ｎｍである。空孔２１６の半径はａ１の０．１５倍すなわち３０．８ｎｍである。また、空孔２１６は所定の２つの空孔２１５の中間に位置している。
【００４０】
次に、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の２次元分布帰還と面発光の原理について説明する。まず、格子Ｌ３を基本格子とする分布帰還制御フォトニック結晶は、実施の態様１の分布帰還制御フォトニック結晶と同様に正方格子であり、同一の格子定数を有するから、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。したがって、Ｍ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、レーザ発振するが、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。
【００４１】
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の結晶方位と同じであり、格子Ｌ４の格子定数は格子Ｌ３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およびｂ2´＝１／２ｂ1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Ｍ点の波数ベクトルであるｋ＝１／２ｂ1＋１／２ｂ2はｂ1´、ｂ2´を用いてｋ＝ｂ1´＋ｂ2´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＝１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。
【００４２】
その結果、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。したがって、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、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。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。
【００４３】
（実施の形態３）
次に、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、実施の形態１および２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、同様の製造方法によって製造できるが、ＧａＡｓフォトニック結晶層に形成された面発光制御フォトニック結晶が直方格子であることや格子定数および結晶方位などが異なる。
【００４４】
図６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のＧａＡｓフォトニック結晶層に配列された空孔が形成する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３１５は格子Ｌ５を基本格子とする分布帰還制御フォトニック結晶を形成し、空孔３１６は格子Ｌ６を基本格子とする面発光制御フォトニック結晶を形成する。本実施の形態１における分布帰還制御フォトニック結晶と同様に、Ｌ５の格子定数ａ１は２０５ｎｍであり、空孔３１５の半径はａ１の０．２４倍すなわち４９．２ｎｍである。
【００４５】
一方、格子Ｌ６は格子Ｌ５に対して結晶方位が４５°の角度をなしており、２つの格子定数ａ２、ａ３は２９０ｎｍ、５８０ｎｍである。空孔３１６の半径はａ１の０．１５倍すなわち３０．８ｎｍである。また、空孔３１６は所定の２つの空孔３１５の中間に位置している。
【００４６】
次に、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の２次元分布帰還と面発光の原理について説明する。まず、格子Ｌ５を基本格子とする分布帰還制御フォトニック結晶は、実施の態様１および２の分布帰還制御フォトニック結晶と同様に正方格子であり、同一の格子定数を有するから、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。したがって、Ｍ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、レーザ発振するが、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。
【００４７】
また、面発光の原理についても実施の態様１の場合と同様に、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する光の波数ベクトルは、面発光制御フォトニック結晶の逆格子空間のΓ点の波数ベクトルで表される。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。
【００４８】
その結果、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。したがって、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、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。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。
【００４９】
なお、実施の形態３に係る２次元フォトニック結晶面発光半導体レーザにおいては、実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光半導体レーザの面発光制御フォトニック結晶を形成する正方格子状の空孔の配列において、空孔を１列ごとに間引きして直方格子状のフォトニック結晶を形成している。しかし、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が面発光制御フォトニック結晶との関係でΓ点で動作するものであれば、他の所定の方法で空孔の間引きを行って、直方格子状またはその他の格子状のフォトニック結晶を形成してもよい。
【００５０】
（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１〜３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。
【００５１】
図７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のＧａＡｓフォトニック結晶層に配列された空孔が形成する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４１５は格子Ｌ７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形成し、空孔４１６は格子Ｌ８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形成する。格子Ｌ７の格子定数ａ１は１９４ｎｍである。空孔４１５の半径はａ１の０．２２倍すなわち４２．７ｎｍである。また、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層を伝搬する光のモード屈折率は３．３７である。すなわち、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層をコアとして伝搬している真空中の波長が９８０ｎｍの光のモード波長は２９０ｎｍである。つまり、格子Ｌ７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。
【００５２】
一方、格子Ｌ８は格子Ｌ７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４１６の半径はａ１の０．１５倍すなわち２９．１ｎｍである。また、空孔４１６は所定の２つの空孔４１５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。
【００５３】
次に、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の２次元分布帰還と面発光の原理について説明する。上記のように、分布帰還制御フォトニック結晶の格子Ｌ７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Ｌ７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Ｋ点は波数ベクトルがｋ＝(ｐ＋１／３)ｂ1+(ｑ＋１／３)ｂ2と表されるが、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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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Ｌ８の結晶方位は、分布帰還制御フォトニック結晶の格子Ｌ７の結晶方位に対して３０°の角度をなし、格子Ｌ８の格子定数は格子Ｌ７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。
【００５７】
その結果、実施の形態１〜３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。したがって、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、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。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。
【００５８】
（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５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５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４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、同様の製造方法によって製造できるが、ＧａＡｓフォトニック結晶層に形成された面発光制御フォトニック結晶の格子定数および結晶方位が異なる。
【００５９】
図８は、本実施の形態５に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザのＧａＡｓフォトニック結晶層に配列された空孔が形成する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５１５は格子Ｌ９を基本格子とする分布帰還制御フォトニック結晶を形成し、空孔５１６は格子Ｌ１０を基本格子とする面発光制御フォトニック結晶を形成する。実施の形態４における分布帰還制御フォトニック結晶と同様に、Ｌ９の格子定数ａ１は１９４ｎｍであり、空孔５１５の半径はａ１の０．２４倍すなわち４９．２ｎｍである。
【００６０】
一方、格子Ｌ１０は格子Ｌ９と同一の結晶方向を有しており、格子定数ａ２は３８８ｎｍである。空孔５１６の半径はａ１の０．１５倍すなわち３０．８ｎｍである。また、空孔５１６は所定の空孔５１５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。
【００６１】
次に、本実施の形態５に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの２次元分布帰還と面発光の原理について説明する。まず、格子Ｌ９を基本格子とする分布帰還制御フォトニック結晶は、実施の形態４の分布帰還制御フォトニック結晶と同様に三角格子であり、同一の格子定数を有するから、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。したがって、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、レーザ発振するが、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。
【００６２】
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Ｌ１０の結晶方位は、分布帰還制御フォトニック結晶の格子Ｌ９の結晶方位と同じであり、格子Ｌ１０の格子定数は格子Ｌ９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´＝１／３ｂ1およびｂ2´＝１／３ｂ2である。このとき、分布帰還制御フォトニック結晶に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´とｂ2´を用いてｋ＝ｂ1´＋ｂ2´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＝１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。
【００６３】
その結果、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。したがって、本実施の形態５に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、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。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。
【００６４】
（実施の形態６）
次に、本発明の実施の形態６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６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し、同様の製造方法によって製造できるが、ＧａＡｓフォトニック結晶層に形成された面発光制御フォトニック結晶を形成する空孔がＧａＡｓフォトニック結晶層の面方向の位置に応じて異なる大きさを有する点が異なる。
【００６５】
図９は、本実施の形態６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分解図である。なお、ＧａＡｓフォトニック結晶層の面内中央部と周辺部について拡大して示している。本実施の形態６に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ６００は、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と同様の構造を有する。また、分布帰還制御フォトニック結晶を形成する空孔６１５については、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の空孔１１５と同様の格子定数を有する正方格子状であり、空孔６１５の半径は格子Ｌ１の格子定数ａ１すなわち２０５ｎｍの０．２４倍である４９．２ｎｍであり、ＧａＡｓフォトニック結晶層６０６の面内の位置にかかわらず一定である。
【００６６】
一方、面発光制御フォトニック結晶を形成する空孔６１６については、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の空孔１１６と同様の格子定数と結晶方位を有する正方格子状であるが、空孔の半径はＧａＡｓフォトニック結晶層６０６の面内の位置に応じて異なる。図９において符号ＡはＧａＡｓフォトニック結晶層６０６の面内の中心部における空孔を拡大して示す図であり、符号Ｂは周辺部における空孔を拡大して示す図である。符号Ａに示す中心部における面発光制御フォトニック結晶を形成する空孔６１６ａの半径よりも、符号Ｂに示す周辺部における面発光制御フォトニック結晶を形成する空孔６１６ｂの半径の方が小さい。具体的には、空孔の半径は、中心部においては格子Ｌ１の格子定数ａ１すなわち２０５ｎｍの０．１６倍である３２．８ｎｍであるが、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し、中央部から５０μｍの位置では中央部の半分である１６．４ｎｍとなる。
【００６７】
面発光制御フォトニック結晶を形成する空孔の半径をフォトニック結晶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。本実施の形態６では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。
【００６８】
（実施の形態７）
次に、本発明の実施の形態７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７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６に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザと同様にＧａＡｓフォトニック結晶層に形成された面発光制御フォトニック結晶を形成する空孔がＧａＡｓフォトニック結晶層の面方向の位置に応じて異なる大きさを有するが、フォトニック結晶格子が三角格子である点が異なる。
【００６９】
図１０は、本実施の形態７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分解図である。なお、ＧａＡｓフォトニック結晶層の面内中央部と周辺部について拡大して示している。本実施の形態７に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ７００において分布帰還制御フォトニック結晶を形成する空孔７１５については、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の空孔４１５と同様の格子定数を有する三角格子状であり、空孔７１５の半径は格子Ｌ７の格子定数である１９４ｎｍの０．２２倍である４２．７ｎｍであり、ＧａＡｓフォトニック結晶層７０６の面内の位置にかかわらず一定である。
【００７０】
一方、面発光制御フォトニック結晶を形成する空孔７１６については、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の空孔４１６と同様の格子定数と結晶方位を有する三角格子状であるが、空孔の半径はＧａＡｓフォトニック結晶層７０６の面内の位置に応じて異なる。図９と同様に、図１０において符号ＣはＧａＡｓフォトニック結晶層７０６の面内の中心部における空孔を拡大して示す図であり、符号Ｄは周辺部における空孔を拡大して示す図である。符号Ｃに示す中心部における面発光制御フォトニック結晶を形成する空孔７１６ａの半径よりも、符号Ｄに示す周辺部における面発光制御フォトニック結晶を形成する空孔７１６ｂの半径の方が小さい。具体的には、空孔の半径は、中心部においては格子Ｌ７の格子定数である１９４ｎｍの０．１６倍である３１ｎｍであるが、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し、中央部から５０μｍの位置では中央部の半分である１５．５ｎｍとなる。
【００７１】
本実施の形態７では、実施の形態６と同様に、グレーティングカップル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、実施の形態６の場合と同様に、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。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【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の斜視分解図である。
【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を裏面側から見た斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態１においてＧａＡｓフォトニック結晶層に配列された空孔が形成する２次元フォトニック結晶の一部を示す平面図である。
【図５】本発明の実施の形態２においてＧａＡｓフォトニック結晶層に配列された空孔が形成する２次元フォトニック結晶の一部を示す平面図である。
【図６】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ＧａＡｓフォトニック結晶層に配列された空孔が形成する２次元フォトニック結晶の一部を示す平面図である。
【図７】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ＧａＡｓフォトニック結晶層に配列された空孔が形成する２次元フォトニック結晶の一部を示す平面図である。
【図８】本発明の実施の形態５に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいてＧａＡｓフォトニック結晶層に配列された空孔が形成する２次元フォトニック結晶の一部を示す平面図である。
【図９】本発明の実施の形態６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分解図である。
【図１０】本発明の実施の形態７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分解図である。
【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分解斜視図である。
【符号の説明】
【００７３】
１００、６００、７００ ２次元フォトニック結晶面発光レーザ
１０１、６０１、７０１ ｎ−ＧａＡｓ基板
１０２、６０２、７０２ ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層
１０３、６０３、７０３ ＧａＡｓ下部分離閉じ込め層１０３
１０４、６０４、７０４ ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層
１０５、６０５、７０５ ＧａＡｓ上部分離閉じ込め層
１０６、６０６、７０６ ＧａＡｓフォトニック結晶層
１０７、６０７、７０７ ＧａＡｓスペーサ層
１０８、６０８、７０８ ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層
１０９、６０９、７０９ ＧａＡｓコンタクト層
１１０、６１０、７１０ 上部電極
１１１ 下部電極
１１２、６１２、７１２ 絶縁膜
１１３ 開口部
１１４ 無反射コート膜
１１５〜７１５、１１６〜５１６、６１６ａ、６１６ｂ、７１６ａ、７１６ｂ 空孔
Ｌ１〜Ｌ１０ 格子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次元フォトニック結晶が形成された面発光する２次元フォトニック結晶面発光レーザ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（特許文献１〜３）。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１００´は、基板１０１´上に閉じ込め層１０２´、下部クラッド層１０３´、活性層１０４´、上部クラッド層１０５´が積層されたものである。閉じ込め層１０２´はｎ型ＩｎＰ半導体からなり、空孔１０８´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１０８´はｎ型ＩｎＰ半導体とは屈折率が異なる空気媒質部が周期的に配列されたフォトニック結晶を形成する。活性層１０４´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１０３´はｎ型ＩｎＰ半導体などからなる。また上部クラッド層１０５´はｐ型ＩｎＰ半導体からなる。そして、下部クラッド層１０３´及び上部クラッド層１０５´により活性層１０４´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１０４´に集中させる構造としている。なお、上部クラッド層１０５´の上面及び基板１０１´の底面には金からなる電極１０６´、１０７´が形成されている。
【０００４】
ここで、電極１０６´、１０７´間に電圧を印加することにより活性層１０４´が発光し、活性層１０４´からエバネセント波としてしみ出た光が閉じ込め層１０２´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り、単一モードレーザ光が面発光する。以下、図１１の２次元フォトニック結晶面発光レーザの２次元分布帰還と面発光の原理について、２次元フォトニック結晶の波数空間を用いて説明する。
【０００５】
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。
【０００６】
一方、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。
【０００７】
特許文献１に開示された２次元フォトニック結晶面発光レーザは、２次元分布帰還の動作点として、正方格子または三角格子の２次元フォトニック結晶のΓ点を用いている。
【０００８】
この２次元分布帰還の原理は、フォトニック結晶格子による光の回折によって説明できる。まず、結晶格子のような周期構造中における光の回折とは、波数ベクトルがｋの光が、周期構造によって波数ベクトルがｋ´＝ｋ＋ｐ´ｂ1＋ｑ´ｂ2(ｐ´、ｑ´は任意の整数、ｂ1、ｂ2は逆格子基本ベクトル)の光に変化することである。これを波数ベクトルがｋ=ｐｂ1＋ｑｂ2の光、つまりΓ点に対応する光についてみると、ｐ´＝−２ｐ、ｑ´＝−２ｑとなる回折を受けるときには、回折した後の光の波数ベクトルはｋ´＝−ｋとなる。すなわち、Γ点に対応する光は、この回折によって回折する前とは逆向きに進行する波と結合する。その結果、互いに逆方向に進行する光同士が結合することで分布帰還を起こす。また、ｐ´＝−ｐ＋ｑかつｑ´＝−ｑ−ｐとなる回折を受けるときには、回折した後の光の波数ベクトルはｋ´＝ｑｂ1−ｐｂ2となり、回折する前の光に対する角度が正方格子についていえば９０°、三角格子についていえば１２０°をなす方向に進行する波と結合する。一方、ｐ´＝−ｐ−ｑかつｑ´＝−ｑ＋ｐとなる回折を受けるときには、回折した後の光の波数ベクトルはｋ´＝−ｑｂ1＋ｐｂ2となり、回折する前の光に対する角度が正方格子についていえば−９０°、三角格子についていえば−１２０°をなす方向に進行する波と結合する。すなわち、Γ点に対応する光は、結晶格子上の任意の位置から上記の回折を受けて上記の所定の方向に進行する波と結合しながら最初の位置に帰還する、つまり２次元的に分布帰還する。
【０００９】
次に、面発光の原理についても光の回折によって説明できる。すなわち、Γ点に対応する光に対してｐ´＝−ｐかつｑ´＝−ｑとなる回折を受けるときには、ｋ´＝０となるところ、２次元の面内の波数ベクトルｋ´が０ということは光がフォトニック結晶が形成された面に垂直な方向に進行することを意味する。すなわち、Γ点に対応する光は、上記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するグレーティングカップルと呼ばれる効果によって面発光を起こすという性質も備えていることになる。その結果、Γ点に対応する光は２次元的に分布帰還するとともに面発光する。
【００１０】
以上説明したように、特許文献１のフォトニック結晶面発光レーザは、閉じ込め層に形成されたフォトニック結晶の波数空間のΓ点に対応する光が、２次元平面の大面積にわたってコヒーレント単一モードレーザ光として面発光するものとなる。
【００１１】
【特許文献１】特開２０００−３３２３５１号公報
【特許文献２】特開２００３−２３１９３号公報
【特許文献３】特開２００４−２９６５３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところが従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、例えば２次元分布帰還効果を最適化して面内の光閉じ込めが強くなるようにフォトニック結晶構造を最適化すると面発光強度が弱くなる場合があり、面発光特性を最適化して強度が強くなるようにフォトニック結晶構造を最適化すると面内の光閉じ込めが弱くなる場合があった。すなわち、２次元分布帰還効果と面発光特性について独立に制御して最適化することはできなかった。
【００１３】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、２次元分布帰還効果と面発光特性について独立に制御して最適化することができる２次元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する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
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、キャリアの注入により発光する活性層の近傍に形成した媒質層に該媒質層とは屈折率が異なる媒質部を周期的に配列して２次元フォトニック結晶を形成した２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、前記２次元フォトニック結晶は、前記活性層をコアとして伝搬する光が前記活性層の面内で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。
【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は、キャリアの注入により発光する活性層の近傍に形成した媒質層に該媒質層とは屈折率が異なる媒質部を周期的に配列して２次元フォトニック結晶を形成した２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、前記２次元フォトニック結晶は、前記活性層をコアとして伝搬する伝搬光のモード波長の１／√２倍の格子定数を有する正方格子状の分布帰還制御フォトニック結晶と、前記伝搬光のモード波長と同じ値の格子定数を有しかつ前記分布帰還制御フォトニック結晶に対して結晶方位が４５°の角度をなす正方格子状の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。
【００１６】
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、キャリアの注入により発光する活性層の近傍に形成した固体層に該媒質層とは屈折率が異なる媒質部を周期的に配列して２次元フォトニック結晶を形成した２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、前記２次元フォトニック結晶は、前記活性層をコアとして伝搬する伝搬光が該伝搬光のモード波長において逆格子空間におけるＭ点で動作するように構成された正方格子状の分布帰還制御フォトニック結晶と、前記伝搬光が該伝搬光のモード波長において波数空間におけるΓ点で動作するように構成された直方格子状の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。ここで、Ｍ点とはフォトニック結晶格子の波数空間において大きさが最小になるように選んだ逆格子基本ベクトルｂ1、ｂ2を用いて波数ベクトルが（ｐ＋１／２）ｂ1＋（ｑ＋１／２）ｂ2（ｐ、ｑは任意の整数）で表される対称点であり、Γ点とは波数ベクトルがｐｂ1＋ｑｂ2（ｐ、ｑは任意の整数）で表される対称点である。
【００１７】
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、キャリアの注入により発光する活性層の近傍に形成した媒質層に該媒質層とは屈折率が異なる媒質部を周期的に配列して２次元フォトニック結晶を形成した２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、前記２次元フォトニック結晶は、前記活性層をコアとして伝搬する伝搬光のモード波長の２／３倍の格子定数を有する三角格子状の分布帰還制御フォトニック結晶と、前記伝搬光のモード波長の２√３／３倍の格子定数を有しかつ前記分布帰還制御フォトニック結晶に対して結晶方位が３０°の角度をなす三角格子状の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。
【００１８】
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、キャリアの注入により発光する活性層の近傍に形成した媒質層に該媒質層とは屈折率が異なる媒質部を周期的に配列して２次元フォトニック結晶を形成した２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、前記２次元フォトニック結晶は、前記活性層をコアとして伝搬する伝搬光が該伝搬光のモード波長において波数空間におけるＫ点で動作するように構成された三角格子状の分布帰還制御フォトニック結晶と、前記伝搬光が該伝搬光のモード波長において波数空間におけるΓ点で動作するように構成された三角格子状の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。ここで、Ｋ点とはフォトニック結晶格子の波数空間において大きさが最小になるように選んだ逆格子基本ベクトルｂ1、ｂ2を用いて波数ベクトルが（ｐ＋１／３）ｂ1＋（ｐ＋１／３）ｂ2または（ｐ−１／３）ｂ1＋（ｐ＋２／３）ｂ2で表される対称点であり、Γ点とは波数ベクトルがｐｂ1＋ｑｂ2（ｐ、ｑは任意の整数）で表される対称点である。
【００１９】
また、この発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、上記発明において、前記面発光制御フォトニック結晶を形成する前記媒質部は、前記面発光制御フォトニック結晶が形成された部分における位置に応じて異なる大きさを有するものであることを特徴とする。
【００２０】
また、この発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、上記発明において、前記媒質部の大きさは、前記面発光制御フォトニック結晶が形成された部分の中心部から周辺部に向かって指数関数的に減少することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザによれば、活性層をコアとして伝搬する伝搬光が２次元的に分布帰還する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面発光を起こす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的に形成されているので、２次元分布帰還効果と面発光特性について独立に制御して最適化することができる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】
【００２２】
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。
【００２３】
（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。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は、異なる格子定数を有する２種類の正方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おり、真空中の波長９８０ｎｍの光を面発光するものである。
【００２４】
図１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を表面側から見た斜視図である。また、図２は、図１の２次元フォトニック結晶面発光レーザの斜視分解図である。また、図３は、図１の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。図１〜３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−ＧａＡｓ基板１０１上に厚さ４０００ｎｍのＡｌＧａＡｓ下部クラッド層１０２、厚さ１００ｎｍのＧａＡｓ下部分離閉じ込め層１０３、利得のピーク波長が真空中の波長で９８０ｎｍである厚さ３５ｎｍのＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層１０４、厚さ７０ｎｍのＧａＡｓ上部分離閉じ込め層１０５が積層されており、さらにその上にフォトニック結晶を形成した厚さ１３０ｎｍのＧａＡｓフォトニック結晶層１０６、厚さ５０ｎｍのＧａＡｓスペーサ層１０７、厚さ２０００ｎｍのＡｌＧａＡｓ上部クラッド層１０８、厚さ４０００ｎｍのＧａＡｓコンタクト層１０９が積層されている。
【００２５】
さらにＧａＡｓコンタクト層１０９の上面には金からなる直径５０μｍの円形の上部電極１１０が形成されている。また上部電極１１０の周囲には絶縁膜１１２が形成されている。一方、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１の底面には金からなる下部電極１１１が形成されている。下部電極１１１は直径１００μｍの円形の開口部１１３を有し、開口部１１３には誘電体からなる無反射コート膜１１４が形成されている。
【００２６】
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−ＧａＡｓ基板１０１上に、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）を用いてＡｌＧａＡｓ下部クラッド層１０２、ＧａＡｓ下部分離閉じ込め層１０３、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層１０４、ＧａＡｓ上部分離閉じ込め層１０５を成長する。一方、ｐ−ＧａＡｓ基板上に、同様の方法でＡｌＧａＡｓエッチストップ層、ＧａＡｓコンタクト層１０９、ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層１０８、ＧａＡｓスペーサ層１０７およびＧａＡｓフォトニック結晶層１０６を成長する。
【００２７】
次に、ｐ−ＧａＡｓ基板上に電子線描画でレジストパターンを形成し、パターンをＧａＡｓフォトニック結晶層１０６にＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）によって転写することで空孔１１５、１１６を形成し、分布帰還制御フォトニック結晶と面発光制御フォトニック結晶とが重畳された２次元フォトニック結晶を形成する。次に、ｐ−ＧａＡｓ基板の表層のＧａＡｓフォトニック結晶層１０６とｎ−ＧａＡｓ基板１０１の表層のＧａＡｓ上部分離閉じ込め層１０５とをウェハ融着によって接合する。その後、ｐ−ＧａＡｓ基板を機械研磨および選択性ウェットエッチングを用いて除去し、さらにＡｌＧａＡｓエッチストップ層を選択性ウェットエッチングを用いて除去する。さらにＧａＡｓコンタクト層１０９の上面およびｎ−ＧａＡｓ基板１０１の底面に上部電極１１０および下部電極１１１を電子線蒸着や抵抗加熱蒸着によって形成する。さらに電子線蒸着などによって絶縁膜１１２および無反射コート膜１１４を形成し、所定の大きさに切断して２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００が完成する。
【００２８】
以上の方法によって製造された２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００のＧａＡｓフォトニック結晶層１０６にはＧａＡｓとは屈折率が異なる媒質部として円形の空孔１１５、１１６が周期的に配列して形成されている。その結果、ＧａＡｓフォトニック結晶層１０６には２次元フォトニック結晶が形成される。
【００２９】
図４は、ＧａＡｓフォトニック結晶層１０６に配列された空孔が形成する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１１５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形成し、空孔１１６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形成する。格子Ｌ１の格子定数ａ１は２０５ｎｍである。空孔１１５の半径はａ１の０．２４倍すなわち４９．２ｎｍである。また、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層１０４を伝搬する光のモード屈折率は３．３７である。すなわち、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層１０４をコアとして伝搬している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。
【００３０】
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１１６の半径はａ１の０．１５倍すなわち３０．８ｎｍである。また、空孔１１６は所定の２つの空孔１１５の中間に位置している。
【００３１】
次に、本実施の形態１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説明する。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、前述のようにＭ点は波数ベクトルがｋ＝(ｐ＋１／２)ｂ1+(ｑ＋１／２)ｂ2と表されるが、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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
すでに説明したように、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。
【００３６】
したがって、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は、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。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。
【００３７】
（実施の態様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し、同様の製造方法によって製造できるが、ＧａＡｓフォトニック結晶層に形成された面発光制御フォトニック結晶の格子定数および結晶方位が異なる。
【００３８】
図５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のＧａＡｓフォトニック結晶層に配列された空孔が形成する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２１５は格子Ｌ３を基本格子とする分布帰還制御フォトニック結晶を形成し、空孔２１６は格子Ｌ４を基本格子とする面発光制御フォトニック結晶を形成する。本実施の形態１における分布帰還制御フォトニック結晶と同様に、Ｌ３の格子定数ａ１は２０５ｎｍであり、空孔２１５の半径はａ１の０．２４倍すなわち４９．２ｎｍである。
【００３９】
一方、格子Ｌ４は格子Ｌ３と同一の結晶方向を有しており、格子定数ａ２は４１０ｎｍである。空孔２１６の半径はａ１の０．１５倍すなわち３０．８ｎｍである。また、空孔２１６は所定の２つの空孔２１５の中間に位置している。
【００４０】
次に、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の２次元分布帰還と面発光の原理について説明する。まず、格子Ｌ３を基本格子とする分布帰還制御フォトニック結晶は、実施の態様１の分布帰還制御フォトニック結晶と同様に正方格子であり、同一の格子定数を有するから、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。したがって、Ｍ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、レーザ発振するが、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。
【００４１】
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の結晶方位と同じであり、格子Ｌ４の格子定数は格子Ｌ３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およびｂ2´＝１／２ｂ1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Ｍ点の波数ベクトルであるｋ＝１／２ｂ1＋１／２ｂ2はｂ1´、ｂ2´を用いてｋ＝ｂ1´＋ｂ2´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＝１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。
【００４２】
その結果、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。したがって、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、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。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。
【００４３】
（実施の形態３）
次に、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、実施の形態１および２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、同様の製造方法によって製造できるが、ＧａＡｓフォトニック結晶層に形成された面発光制御フォトニック結晶が直方格子であることや格子定数および結晶方位などが異なる。
【００４４】
図６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のＧａＡｓフォトニック結晶層に配列された空孔が形成する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３１５は格子Ｌ５を基本格子とする分布帰還制御フォトニック結晶を形成し、空孔３１６は格子Ｌ６を基本格子とする面発光制御フォトニック結晶を形成する。本実施の形態１における分布帰還制御フォトニック結晶と同様に、Ｌ５の格子定数ａ１は２０５ｎｍであり、空孔３１５の半径はａ１の０．２４倍すなわち４９．２ｎｍである。
【００４５】
一方、格子Ｌ６は格子Ｌ５に対して結晶方位が４５°の角度をなしており、２つの格子定数ａ２、ａ３は２９０ｎｍ、５８０ｎｍである。空孔３１６の半径はａ１の０．１５倍すなわち３０．８ｎｍである。また、空孔３１６は所定の２つの空孔３１５の中間に位置している。
【００４６】
次に、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の２次元分布帰還と面発光の原理について説明する。まず、格子Ｌ５を基本格子とする分布帰還制御フォトニック結晶は、実施の態様１および２の分布帰還制御フォトニック結晶と同様に正方格子であり、同一の格子定数を有するから、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。したがって、Ｍ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、レーザ発振するが、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。
【００４７】
また、面発光の原理についても実施の態様１の場合と同様に、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する光の波数ベクトルは、面発光制御フォトニック結晶の逆格子空間のΓ点の波数ベクトルで表される。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。
【００４８】
その結果、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。したがって、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、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。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。
【００４９】
なお、実施の形態３に係る２次元フォトニック結晶面発光半導体レーザにおいては、実施の形態１に係る２次元フォトニック結晶面発光半導体レーザの面発光制御フォトニック結晶を形成する正方格子状の空孔の配列において、空孔を１列ごとに間引きして直方格子状のフォトニック結晶を形成している。しかし、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が面発光制御フォトニック結晶との関係でΓ点で動作するものであれば、他の所定の方法で空孔の間引きを行って、直方格子状またはその他の格子状のフォトニック結晶を形成してもよい。
【００５０】
（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１〜３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。
【００５１】
図７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のＧａＡｓフォトニック結晶層に配列された空孔が形成する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４１５は格子Ｌ７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形成し、空孔４１６は格子Ｌ８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形成する。格子Ｌ７の格子定数ａ１は１９４ｎｍである。空孔４１５の半径はａ１の０．２２倍すなわち４２．７ｎｍである。また、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層を伝搬する光のモード屈折率は３．３７である。すなわち、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層をコアとして伝搬している真空中の波長が９８０ｎｍの光のモード波長は２９０ｎｍである。つまり、格子Ｌ７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。
【００５２】
一方、格子Ｌ８は格子Ｌ７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４１６の半径はａ１の０．１５倍すなわち２９．１ｎｍである。また、空孔４１６は所定の２つの空孔４１５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。
【００５３】
次に、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の２次元分布帰還と面発光の原理について説明する。上記のように、分布帰還制御フォトニック結晶の格子Ｌ７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Ｌ７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Ｋ点は波数ベクトルがｋ＝(ｐ＋１／３)ｂ1+(ｑ＋１／３)ｂ2と表されるが、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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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Ｌ８の結晶方位は、分布帰還制御フォトニック結晶の格子Ｌ７の結晶方位に対して３０°の角度をなし、格子Ｌ８の格子定数は格子Ｌ７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。
【００５７】
その結果、実施の形態１〜３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。したがって、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、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。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。
【００５８】
（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５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５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４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、同様の製造方法によって製造できるが、ＧａＡｓフォトニック結晶層に形成された面発光制御フォトニック結晶の格子定数および結晶方位が異なる。
【００５９】
図８は、本実施の形態５に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザのＧａＡｓフォトニック結晶層に配列された空孔が形成する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５１５は格子Ｌ９を基本格子とする分布帰還制御フォトニック結晶を形成し、空孔５１６は格子Ｌ１０を基本格子とする面発光制御フォトニック結晶を形成する。実施の形態４における分布帰還制御フォトニック結晶と同様に、Ｌ９の格子定数ａ１は１９４ｎｍであり、空孔５１５の半径はａ１の０．２４倍すなわち４９．２ｎｍである。
【００６０】
一方、格子Ｌ１０は格子Ｌ９と同一の結晶方向を有しており、格子定数ａ２は３８８ｎｍである。空孔５１６の半径はａ１の０．１５倍すなわち３０．８ｎｍである。また、空孔５１６は所定の空孔５１５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。
【００６１】
次に、本実施の形態５に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの２次元分布帰還と面発光の原理について説明する。まず、格子Ｌ９を基本格子とする分布帰還制御フォトニック結晶は、実施の形態４の分布帰還制御フォトニック結晶と同様に三角格子であり、同一の格子定数を有するから、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。したがって、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、レーザ発振するが、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。
【００６２】
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Ｌ１０の結晶方位は、分布帰還制御フォトニック結晶の格子Ｌ９の結晶方位と同じであり、格子Ｌ１０の格子定数は格子Ｌ９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´＝１／３ｂ1およびｂ2´＝１／３ｂ2である。このとき、分布帰還制御フォトニック結晶に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´とｂ2´を用いてｋ＝ｂ1´＋ｂ2´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＝１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。
【００６３】
その結果、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。したがって、本実施の形態５に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、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。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。
【００６４】
（実施の形態６）
次に、本発明の実施の形態６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６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し、同様の製造方法によって製造できるが、ＧａＡｓフォトニック結晶層に形成された面発光制御フォトニック結晶を形成する空孔がＧａＡｓフォトニック結晶層の面方向の位置に応じて異なる大きさを有する点が異なる。
【００６５】
図９は、本実施の形態６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分解図である。なお、ＧａＡｓフォトニック結晶層の面内中央部と周辺部について拡大して示している。本実施の形態６に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ６００は、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と同様の構造を有する。また、分布帰還制御フォトニック結晶を形成する空孔６１５については、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の空孔１１５と同様の格子定数を有する正方格子状であり、空孔６１５の半径は格子Ｌ１の格子定数ａ１すなわち２０５ｎｍの０．２４倍である４９．２ｎｍであり、ＧａＡｓフォトニック結晶層６０６の面内の位置にかかわらず一定である。
【００６６】
一方、面発光制御フォトニック結晶を形成する空孔６１６については、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の空孔１１６と同様の格子定数と結晶方位を有する正方格子状であるが、空孔の半径はＧａＡｓフォトニック結晶層６０６の面内の位置に応じて異なる。図９において符号ＡはＧａＡｓフォトニック結晶層６０６の面内の中心部における空孔を拡大して示す図であり、符号Ｂは周辺部における空孔を拡大して示す図である。符号Ａに示す中心部における面発光制御フォトニック結晶を形成する空孔６１６ａの半径よりも、符号Ｂに示す周辺部における面発光制御フォトニック結晶を形成する空孔６１６ｂの半径の方が小さい。具体的には、空孔の半径は、中心部においては格子Ｌ１の格子定数ａ１すなわち２０５ｎｍの０．１６倍である３２．８ｎｍであるが、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し、中央部から５０μｍの位置では中央部の半分である１６．４ｎｍとなる。
【００６７】
面発光制御フォトニック結晶を形成する空孔の半径をフォトニック結晶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。本実施の形態６では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。
【００６８】
（実施の形態７）
次に、本発明の実施の形態７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７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６に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザと同様にＧａＡｓフォトニック結晶層に形成された面発光制御フォトニック結晶を形成する空孔がＧａＡｓフォトニック結晶層の面方向の位置に応じて異なる大きさを有するが、フォトニック結晶格子が三角格子である点が異なる。
【００６９】
図１０は、本実施の形態７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分解図である。なお、ＧａＡｓフォトニック結晶層の面内中央部と周辺部について拡大して示している。本実施の形態７に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ７００において分布帰還制御フォトニック結晶を形成する空孔７１５については、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の空孔４１５と同様の格子定数を有する三角格子状であり、空孔７１５の半径は格子Ｌ７の格子定数である１９４ｎｍの０．２２倍である４２．７ｎｍであり、ＧａＡｓフォトニック結晶層７０６の面内の位置にかかわらず一定である。
【００７０】
一方、面発光制御フォトニック結晶を形成する空孔７１６については、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の空孔４１６と同様の格子定数と結晶方位を有する三角格子状であるが、空孔の半径はＧａＡｓフォトニック結晶層７０６の面内の位置に応じて異なる。図９と同様に、図１０において符号ＣはＧａＡｓフォトニック結晶層７０６の面内の中心部における空孔を拡大して示す図であり、符号Ｄは周辺部における空孔を拡大して示す図である。符号Ｃに示す中心部における面発光制御フォトニック結晶を形成する空孔７１６ａの半径よりも、符号Ｄに示す周辺部における面発光制御フォトニック結晶を形成する空孔７１６ｂの半径の方が小さい。具体的には、空孔の半径は、中心部においては格子Ｌ７の格子定数である１９４ｎｍの０．１６倍である３１ｎｍであるが、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し、中央部から５０μｍの位置では中央部の半分である１５．５ｎｍとなる。
【００７１】
本実施の形態７では、実施の形態６と同様に、グレーティングカップル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、実施の形態６の場合と同様に、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。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【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の斜視分解図である。
【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を裏面側から見た斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態１においてＧａＡｓフォトニック結晶層に配列された空孔が形成する２次元フォトニック結晶の一部を示す平面図である。
【図５】本発明の実施の形態２においてＧａＡｓフォトニック結晶層に配列された空孔が形成する２次元フォトニック結晶の一部を示す平面図である。
【図６】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ＧａＡｓフォトニック結晶層に配列された空孔が形成する２次元フォトニック結晶の一部を示す平面図である。
【図７】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ＧａＡｓフォトニック結晶層に配列された空孔が形成する２次元フォトニック結晶の一部を示す平面図である。
【図８】本発明の実施の形態５に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいてＧａＡｓフォトニック結晶層に配列された空孔が形成する２次元フォトニック結晶の一部を示す平面図である。
【図９】本発明の実施の形態６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分解図である。
【図１０】本発明の実施の形態７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分解図である。
【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分解斜視図である。
【符号の説明】
【００７３】
１００、６００、７００ ２次元フォトニック結晶面発光レーザ
１０１、６０１、７０１ ｎ−ＧａＡｓ基板
１０２、６０２、７０２ ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層
１０３、６０３、７０３ ＧａＡｓ下部分離閉じ込め層１０３
１０４、６０４、７０４ ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層
１０５、６０５、７０５ ＧａＡｓ上部分離閉じ込め層
１０６、６０６、７０６ ＧａＡｓフォトニック結晶層
１０７、６０７、７０７ ＧａＡｓスペーサ層
１０８、６０８、７０８ ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層
１０９、６０９、７０９ ＧａＡｓコンタクト層
１１０、６１０、７１０ 上部電極
１１１ 下部電極
１１２、６１２、７１２ 絶縁膜
１１３ 開口部
１１４ 無反射コート膜
１１５〜７１５、１１６〜５１６、６１６ａ、６１６ｂ、７１６ａ、７１６ｂ 空孔
Ｌ１〜Ｌ１０ 格子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャリアの注入により発光する活性層の近傍に形成した媒質層に該媒質層とは屈折率が異なる媒質部を周期的に配列して２次元フォトニック結晶を形成した２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、
前記２次元フォトニック結晶は、前記活性層をコアとして伝搬する光が前記活性層の面内で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２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項２】
キャリアの注入により発光する活性層の近傍に形成した媒質層に該媒質層とは屈折率が異なる媒質部を周期的に配列して２次元フォトニック結晶を形成した２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、
前記２次元フォトニック結晶は、前記活性層をコアとして伝搬する伝搬光のモード波長の１／√２倍の格子定数を有する正方格子状の分布帰還制御フォトニック結晶と、前記伝搬光のモード波長と同じ値の格子定数を有しかつ前記分布帰還制御フォトニック結晶に対して結晶方位が４５°の角度をなす正方格子状の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２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項３】
キャリアの注入により発光する活性層の近傍に形成した固体層に該媒質層とは屈折率が異なる媒質部を周期的に配列して２次元フォトニック結晶を形成した２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、
前記２次元フォトニック結晶は、前記活性層をコアとして伝搬する伝搬光が該伝搬光のモード波長において波数空間におけるＭ点で動作するように構成された正方格子状の分布帰還制御フォトニック結晶と、前記伝搬光が該伝搬光のモード波長において波数空間におけるΓ点で動作するように構成された直方格子状の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２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
ここで、Ｍ点とはフォトニック結晶格子の波数空間において大きさが最小になるように選んだ逆格子基本ベクトルｂ1、ｂ2を用いて波数ベクトルが（ｐ＋１／２）ｂ1＋（ｑ＋１／２）ｂ2（ｐ、ｑは任意の整数）で表される対称点であり、Γ点とは波数ベクトルがｐｂ1＋ｑｂ2（ｐ、ｑは任意の整数）で表される対称点である。
【請求項４】
キャリアの注入により発光する活性層の近傍に形成した媒質層に該媒質層とは屈折率が異なる媒質部を周期的に配列して２次元フォトニック結晶を形成した２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、
前記２次元フォトニック結晶は、前記活性層をコアとして伝搬する伝搬光のモード波長の２／３倍の格子定数を有する三角格子状の分布帰還制御フォトニック結晶と、前記伝搬光のモード波長の２√３／３倍の格子定数を有しかつ前記分布帰還制御フォトニック結晶に対して結晶方位が３０°の角度をなす三角格子状の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２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項５】
キャリアの注入により発光する活性層の近傍に形成した媒質層に該媒質層とは屈折率が異なる媒質部を周期的に配列して２次元フォトニック結晶を形成した２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、
前記２次元フォトニック結晶は、前記活性層をコアとして伝搬する伝搬光が該伝搬光のモード波長において波数空間におけるＫ点で動作するように構成された三角格子状の分布帰還制御フォトニック結晶と、前記伝搬光が該伝搬光のモード波長において波数空間におけるΓ点で動作するように構成された三角格子状の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２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
ここで、Ｋ点とはフォトニック結晶格子の波数空間において大きさが最小になるように選んだ逆格子基本ベクトルｂ1、ｂ2を用いて波数ベクトルが（ｐ＋１／３）ｂ1＋（ｐ＋１／３）ｂ2または（ｐ−１／３）ｂ1＋（ｐ＋２／３）ｂ2で表される対称点であり、Γ点とは波数ベクトルがｐｂ1＋ｑｂ2（ｐ、ｑは任意の整数）で表される対称点である。
【請求項６】
前記面発光制御フォトニック結晶を形成する前記媒質部は、前記媒質層の面方向の位置に応じて異なる大きさを有するものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項７】
前記媒質部の大きさは、前記媒質層の面方向の中心部から周辺部に向かって指数関数的に減少することを特徴とする請求項６に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項１】
キャリアの注入により発光する活性層の近傍に形成した媒質層に該媒質層とは屈折率が異なる媒質部を周期的に配列して２次元フォトニック結晶を形成した２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、
前記２次元フォトニック結晶は、前記活性層をコアとして伝搬する光が前記活性層の面内で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２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項２】
キャリアの注入により発光する活性層の近傍に形成した媒質層に該媒質層とは屈折率が異なる媒質部を周期的に配列して２次元フォトニック結晶を形成した２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、
前記２次元フォトニック結晶は、前記活性層をコアとして伝搬する伝搬光のモード波長の１／√２倍の格子定数を有する正方格子状の分布帰還制御フォトニック結晶と、前記伝搬光のモード波長と同じ値の格子定数を有しかつ前記分布帰還制御フォトニック結晶に対して結晶方位が４５°の角度をなす正方格子状の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２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項３】
キャリアの注入により発光する活性層の近傍に形成した固体層に該媒質層とは屈折率が異なる媒質部を周期的に配列して２次元フォトニック結晶を形成した２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、
前記２次元フォトニック結晶は、前記活性層をコアとして伝搬する伝搬光が該伝搬光のモード波長において波数空間におけるＭ点で動作するように構成された正方格子状の分布帰還制御フォトニック結晶と、前記伝搬光が該伝搬光のモード波長において波数空間におけるΓ点で動作するように構成された直方格子状の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２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
ここで、Ｍ点とはフォトニック結晶格子の波数空間において大きさが最小になるように選んだ逆格子基本ベクトルｂ1、ｂ2を用いて波数ベクトルが（ｐ＋１／２）ｂ1＋（ｑ＋１／２）ｂ2（ｐ、ｑは任意の整数）で表される対称点であり、Γ点とは波数ベクトルがｐｂ1＋ｑｂ2（ｐ、ｑは任意の整数）で表される対称点である。
【請求項４】
キャリアの注入により発光する活性層の近傍に形成した媒質層に該媒質層とは屈折率が異なる媒質部を周期的に配列して２次元フォトニック結晶を形成した２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、
前記２次元フォトニック結晶は、前記活性層をコアとして伝搬する伝搬光のモード波長の２／３倍の格子定数を有する三角格子状の分布帰還制御フォトニック結晶と、前記伝搬光のモード波長の２√３／３倍の格子定数を有しかつ前記分布帰還制御フォトニック結晶に対して結晶方位が３０°の角度をなす三角格子状の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２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項５】
キャリアの注入により発光する活性層の近傍に形成した媒質層に該媒質層とは屈折率が異なる媒質部を周期的に配列して２次元フォトニック結晶を形成した２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、
前記２次元フォトニック結晶は、前記活性層をコアとして伝搬する伝搬光が該伝搬光のモード波長において波数空間におけるＫ点で動作するように構成された三角格子状の分布帰還制御フォトニック結晶と、前記伝搬光が該伝搬光のモード波長において波数空間におけるΓ点で動作するように構成された三角格子状の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２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
ここで、Ｋ点とはフォトニック結晶格子の波数空間において大きさが最小になるように選んだ逆格子基本ベクトルｂ1、ｂ2を用いて波数ベクトルが（ｐ＋１／３）ｂ1＋（ｐ＋１／３）ｂ2または（ｐ−１／３）ｂ1＋（ｐ＋２／３）ｂ2で表される対称点であり、Γ点とは波数ベクトルがｐｂ1＋ｑｂ2（ｐ、ｑは任意の整数）で表される対称点である。
【請求項６】
前記面発光制御フォトニック結晶を形成する前記媒質部は、前記媒質層の面方向の位置に応じて異なる大きさを有するものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項７】
前記媒質部の大きさは、前記媒質層の面方向の中心部から周辺部に向かって指数関数的に減少することを特徴とする請求項６に記載の２次元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２００７−２０８１２７（Ｐ２００７−２０８１２７Ａ）
【公開日】平成１９年８月１６日（２００７．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２７２３６（Ｐ２００６−２７２３６）
【出願日】平成１８年２月３日（２００６．２．３）
【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１９年８月１６日（２００７．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月３日（２００６．２．３）
【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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