(57)【要約】  フォトニック結晶面発光レーザにＥＬＯ法を適用する際に、凹凸構造がレーザ特性に与える影響を低減するレーザ構造を提供する。    フォトニック結晶から、第１の層とマスク構造体とで構成された凹凸周期構造に入射する光に対して、０次回折光の反射ピーク波長と、１次回折光の反射ピーク波長とが異なるように、マスク構造体の高さが構成されている。また、発振波長λにおいて、凹凸周期構造における０次回折光の反射強度が１次回折光の反射強度よりも大きい。
2012035620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、基板の面内方向に共振モードを有するフォトニック結晶とを有し、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、
第１の屈折率を有する第１の層と、
前記第１の層の上に形成されており、第２の屈折率を有する部材が前記基板の面内方向に周期的に配されているか、または、第２の屈折率を有する部材に開口部が前記基板の面内方向に周期的に配されているマスク構造体と、
前記第１の層と前記マスク構造体の上に形成され、前記第１の屈折率および前記第２の屈折率とは異なる第３の屈折率を有する第３の層と、
前記第３の層の上に形成された前記フォトニック結晶と、を有し、
前記フォトニック結晶から、前記第１の層と前記マスク構造体とで構成された前記凹凸周期構造に入射する光に対して、０次回折光の反射ピーク波長と、１次回折光の反射ピーク波長とが異なるように、前記マスク構造体の高さが構成され、
前記波長λにおいて、前記凹凸周期構造における０次回折光の反射強度が１次回折光の反射強度よりも大きい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】
前記凹凸周期構造の凸部と凹部における反射光の光路差Ｌと前記波長λとが以下の式を満たす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。
ｎλ−（λ／４）＜Ｌ＜ｎλ＋（λ／４）  （ｎは整数）
【請求項３】
前記凹凸周期構造の凸部と凹部における反射光の光路差Ｌが前記波長λの整数倍である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４】
前記第３の層は、前記第１の層からエピタキシャル成長によって形成されている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５】
前記第１の屈折率と前記第２の屈折率とが異なる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６】
前記第１の屈折率と前記第２の屈折率とが同一である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７】
請求項１に記載のフォトニック結晶面発光レーザが複数配置されているフォトニック結晶面発光レーザアレイ。
【請求項８】
請求項７に記載のフォトニック結晶面発光レーザアレイと、該フォトニック結晶面発光レーザアレイからのレーザ光が照射される感光体とを備えた画像形成装置。
【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し、特に、結晶品質向上のために横方向成長を利用した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、発光材料を含む活性層を設け、その活性層の近傍に２次元フォトニック結晶を形成した面発光レーザ光源が開示されている。これは分布帰還型（ＤＦＢ）レーザの一種であり、基板の面内方向に共振モードを有する。この２次元フォトニック結晶は、半導体層に円柱状の空孔が周期的に設けられ、屈折率の分布が２次元的な周期性を持っている。この周期性により、活性層で生成される光のうち特定の波長のものが共振し、定在波を形成してレーザ発振する。また、１次回折により面垂直方向に光が取り出され、面発光レーザとして動作する。【０００３】
上述したフォトニック結晶面発光レーザは、これまでに様々な化合物半導体材料系で試作が行われており、窒化物半導体で形成されたフォトニック結晶面発光レーザも検討されている。【０００４】
窒化物半導体レーザにおいて、コスト低減を図る場合、高価なＧａＮ基板ではなく安価なサファイア基板等の異種基板を使用した方が有利である。しかしながら、異種基板上にそのまま結晶成長を行うと、転移の少ない良質な結晶を得ることは難しい。そこで、結晶品質向上のためにＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）法と呼ばれる技術を利用する場合がある。ＥＬＯ法は、基板上や化合物半導体層中に何らかの凹凸構造を設けて横方向に成長を行い、転移の少ない結晶を得る技術である。【０００５】
ＥＬＯ法を端面発光型の半導体レーザに適用した構造は、特許文献２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３３２３５１号公報
【特許文献２】特開２０００−０２１７８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＥＬＯ法をフォトニック結晶面発光レーザに適用しようとする場合、上記した特許文献２に開示された端面発光レーザの構成では生じなかった以下のような課題が生じる。【０００８】
図１１に、特許文献２に開示された端面発光型の半導体レーザ構造を説明するための模式図を示す。ここで、１１１０は基板、１１２０はＥＬＯ法を行うために設けた選択成長用マスク、１１５０は活性層である。図１１に示すような端面発光レーザの場合は、レーザ光の共振方向１１９２および出射光１１９０が基板１１１０の面内方向に限られており、基板方向には光は出射されない。そのため、ＥＬＯ法に用いる選択成長用マスク１１２０の光学特性はレーザ素子の特性に影響を与えない。【０００９】
一方、フォトニック結晶面発光レーザは、図１に示すように共振方向１９２は基板１１０の面内方向であるが、出射光１９０および１９１は基板１１０に垂直な方向を向く。基板側への出射光１９１は、ＥＬＯ法を行うために設けた選択成長用マスク１２０にまで到達し、基板１１０と選択成長用マスク１２０で構成された凹凸構造により反射や回折等が生じる。そのため、凹凸構造の光学特性がレーザ素子の特性に大きく影響を与えてしまう。具体的には、凹凸構造で光が回折され、基板に対して斜めの方向に反射光が生じる。斜め方向の反射光は迷光となるのでレーザ特性悪化につながってしまう。【００１０】
そこで、本発明は、上記課題に鑑み、フォトニック結晶面発光レーザにＥＬＯ法を適用する際に、凹凸構造がレーザ特性に与える影響を低減するレーザ構造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】
【００１１】
本発明に係るフォトニック結晶面発光レーザは、活性層と、基板の面内方向に共振モードを有するフォトニック結晶とを有し、波長λで発振するものであって、第１の屈折率を有する第１の層と、前記第１の層の上に形成されており、第２の屈折率を有する部材が前記基板の面内方向に周期的に配されているか、または、第２の屈折率を有する部材に開口部が前記基板の面内方向に周期的に配されているマスク構造体と、前記第１の層と前記マスク構造体の上に形成され、前記第１の屈折率および前記第２の屈折率とは異なる第３の屈折率を有する第３の層と、前記第３の層の上に形成された前記フォトニック結晶と、を有し、前記フォトニック結晶から、前記第１の層と前記マスク構造体とで構成された前記凹凸周期構造に入射する光に対して、０次回折光の反射ピーク波長と、１次回折光の反射ピーク波長とが異なるように、前記マスク構造体の高さが構成され、前記波長λにおいて、前記凹凸周期構造における０次回折光の反射強度が１次回折光の反射強度よりも大きいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、フォトニック結晶面発光レーザにＥＬＯ法を適用する際に、凹凸構造がレーザ特性に与える影響を低減するレーザ構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【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を説明する模式図である。
【図２】本発明の実施形態における凹凸構造での光反射の様子を説明する模式図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態における凹凸構造の形状と反射スペクトルを説明する図である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態における凹凸構造の形状と反射スペクトルを説明する図である。
【図３Ｃ】本発明の実施形態における凹凸構造の形状と反射スペクトルを説明する図である。
【図３Ｄ】本発明の実施形態における凹凸構造の形状と反射スペクトルを説明する図である。
【図３Ｅ】本発明の実施形態における凹凸構造の形状と反射スペクトルを説明する図である。
【図３Ｆ】本発明の実施形態における凹凸構造の形状と反射スペクトルを説明する図である。
【図４Ａ】本発明の実施形態における凹凸構造の高さと反射スペクトルを説明する図である。
【図４Ｂ】本発明の実施形態における凹凸構造の高さと反射スペクトルを説明する図である。
【図５Ａ】本発明の実施形態における凹凸構造のピッチと反射スペクトルを説明する図である。
【図５Ｂ】本発明の実施形態における凹凸構造のピッチと反射スペクトルを説明する図である。
【図５Ｃ】本発明の実施形態における凹凸構造のピッチと反射スペクトルを説明する図である。
【図５Ｄ】本発明の実施形態における凹凸構造のピッチと反射スペクトルを説明する図である。
【図６Ａ】本発明の実施形態における凹凸構造のデューティ比と反射スペクトルを説明する図である。
【図６Ｂ】本発明の実施形態における凹凸構造のデューティ比と反射スペクトルを説明する図である。
【図６Ｃ】本発明の実施形態における凹凸構造のデューティ比と反射スペクトルを説明する図である。
【図７Ａ】本発明の実施形態における凹凸構造の屈折率と反射スペクトルを説明する図である。
【図７Ｂ】本発明の実施形態における凹凸構造の屈折率と反射スペクトルを説明する図である。
【図７Ｃ】本発明の実施形態における凹凸構造の屈折率と反射スペクトルを説明する図である。
【図７Ｄ】本発明の実施形態における凹凸構造の屈折率と反射スペクトルを説明する図である。
【図８Ａ】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を説明する模式図である。
【図８Ｂ】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を説明する模式図である。
【図９Ａ】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を説明する模式図である。
【図９Ｂ】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を説明する模式図である。
【図１０Ａ】本発明の実施例３における画像形成装置を説明する模式図である。
【図１０Ｂ】本発明の実施例３における画像形成装置を説明する模式図である。
【図１１】端面発光型の半導体レーザにおける光の進行方向を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明の実施形態について説明する。
【００１５】
図１に、本発明を適用したフォトニック結晶面発光レーザを説明する模式図を示す。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。
【００１６】
１１０は第１の屈折率を有する第１の層である。１２０は第２の屈折率を有し、選択成長用のマスクとして利用されるマスク構造体である。ここでは、ストライプ状の部材が面内方向に周期的に配されている。１３０は第３の屈折率を有する第３の層であり、ＥＬＯ法により第１の層１１０とマスク構造体１２０を埋設するように配置されている。また、第１の層１１０、マスク構造体１２０により凹凸構造が構成されている。１４０はクラッド層、１５０は活性層、１５５は光導波層、１６０はフォトニック結晶である。
【００１７】
活性層１５０で発生した光のうち、特定の波長の光はフォトニック結晶１６０での分布帰還効果により、面内方向１９２で共振する共振モードと結合し、定在波を形成してレーザ発振する。また、フォトニック結晶１６０による１次回折効果により光の一部が面垂直方向に取り出され、面発光レーザとして動作する。
【００１８】
本実施形態におけるフォトニック結晶１６０の格子形状は、分布帰還効果により定在波を形成してレーザ発振が可能なものであればよく、１次元格子であっても２次元格子であっても良い。１次元格子の形状としては、一般的な回折格子として知られるストライプ構造を使用することができる。２次元格子の形状としては正方格子、三角格子、グラファイト格子などを使用することができる。各格子点の形状は円形、楕円形、三角形、四角形、六角形などである。格子のピッチは、光路長に換算して発振波長λの整数倍になるように設計される。
【００１９】
（凹凸構造の高さ）
フォトニック結晶での１次回折は上側だけでなく下側に向けても起こるため、レーザ光は上側への出射光１９０と下側への出射光１９１に分かれる。下側への出射光１９１は凹凸構造に到達し、反射や回折を起こす。
【００２０】
基板上の部材を周期的に配置した場合、凹凸構造は回折格子として働くので、特定の方向に強く光が反射される。
【００２１】
図２に、基板に垂直な方向から基板２１０と部材２２０で構成された凹凸構造にフォトニック結晶から入射光２９１が部材２３０を介して入射した場合の反射の様子を説明する模式図を示す。図２に示すように、凹凸構造に入射光２９１が入射すると、基板面に対して垂直方向に反射する成分だけでなく、回折によって垂直方向からある程度の角度を持った斜め方向に反射する成分が生じる。本明細書中では、図２に示すように、基板面に対して垂直方向に反射する光を０次、それに近い順に±１次、±２次というように回折光の次数を定義する。
【００２２】
図３に、いくつかの凹凸構造と反射スペクトルの計算結果を示す。なお、本明細書中の反射スペクトルの計算には、転送行列法による電磁波シミュレーションを使用している。
【００２３】
図３Ａは、部材３１０中にストライプ構造の部材３２０を配したものである。部材３１０は、屈折率２．５５であり、部材３２０は、屈折率１．４７、ピッチ６μｍ、高さ９００ｎｍである。
【００２４】
図３Ｂは、部材３１１の直上にストライプ構造の部材３２１を配したものであり、部材３１１と部材３２１は部材３３１で埋設されている。部材３１１は、屈折率１．７９であり、部材３２１は、屈折率１．４７、ピッチ６μｍ、高さ９００ｎｍである。部材３３１は屈折率２．５５である。
【００２５】
図３Ｃは、部材３１２が加工されることにより、凹凸構造が形成されているものである。部材３１２は、屈折率１．７９であり、部材３１２により形成されているストライプ構造は、ピッチ６μｍ、高さ９００ｎｍである。また、部材３３２は、屈折率２．５５である。
【００２６】
図３Ｄ、図３Ｅ、図３Ｆはそれぞれ図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃの構造における反射スペクトルであり、各回折次数の反射率を示している。なお、今回計算した構造は左右対称なのでマイナスの次数の計算結果は省略している。
【００２７】
図３Ｄ、図３Ｅ、図３Ｆのうち、図３Ｄだけが０次回折光と＋１次回折光の反射ピーク波長が一致している（例えば、４１０ｎｍ付近）。一方、図３Ｅ及び図３Ｆは０次回折光と＋１次回折光の反射ピーク波長がほぼ半周期ずれている。
【００２８】
フォトニック結晶面発光レーザでは、反射光のうち０次回折光は再利用して光利用効率向上を図ることができる。したがって、０次回折光は低減しない方が望ましい。一方、±１次以上の高次回折光は迷光となるので可能な限り低減したい。
【００２９】
図３Ｄ、図３Ｅ、図３Ｆの計算結果を見ると、いずれも２次以上の高次回折光は非常に小さく、無視できる程度である。つまり、この場合０次と±１次の回折光のみを考慮すればよいことがわかる。
【００３０】
ここで、０次と±１次の反射率のピーク波長が一致していると、０次回折光を残して±１次回折光だけを弱めることが困難である。一方、０次と±１次の反射ピーク波長がずれていると、適切な波長において±１次回折光を非常に小さくして０次回折光のみを残すことができる。つまり、フォトニック結晶面発光レーザにおいては、０次回折光と±１次回折光の反射ピーク波長とが異なるように構成することが望ましい。
【００３１】
検討の結果、０次回折光と±１次回折光の反射ピーク波長をずらすために重要なことは、凹凸構造の凹部でも凸部でも光反射を起こすことであることが分かった。つまり、図１の構造で説明すると、第１の層１１０と第３の層１３０との界面（凹部）、マスク構造体１２０と第３の層１３０との界面（凸部）で光反射が起きることが、図３Ｅや図３Ｆの結果を示す前提となる。すなわち、前記第１の屈折率と前記第３の屈折率が異なり、且つ前記第２の屈折率と前記第３の屈折率が異なることが必要となる。
【００３２】
凹凸構造の凹部でも凸部でも反射を起こすには、図３Ｂのように基板直上にマスク材を周期的に配置した構造であってもよいし、図３Ｃのように基板そのものを加工した構造であってもよい。
【００３３】
ここで、凹凸構造の凹部と凸部における反射光において、０次回折光が強めあう条件にすることで、±１次回折光を低減できる。具体的には、凹部と凸部でそれぞれ基板に対して垂直な方向に反射される光の光路差を調整して波長の整数倍となるようにすれば０次回折光の反射強度がピークを持つ。このため、図１で示したマスク構造体１２０の高さを調整することが必要となる。
【００３４】
例えば、マスク構造体１２０の高さの２倍に前記第３の屈折率を乗じた値と、前記凹凸構造の凸部と凹部での光反射時の位相変化の差を波長に換算した値との和（光路差）が、発振波長λの整数倍に近いほど０次回折光を強める作用を持つ。
【００３５】
逆に、上記した光路差が波長の整数倍から半波長分ずらすようにマスク構造体１２０の高さが調整されていると、０次回折光が弱まり、±１次回折光が強まる。つまり、波長と膜厚の関係を適切に設計してやれば、０次回折光の反射強度と±１次回折の反射強度のどちらを強くさせるかを決めることができる。
【００３６】
上記より、凹部と凸部の反射光の光路差が波長の整数倍であれば０次回折光が強まり、光路差が発振波長λの整数倍から半波長分ずれていると±１次回折光が強まることがわかる。すなわち、０次回折光が強まり、±１次回折光が弱まる条件は、凹部と凸部の反射光の光路差Ｌが以下の場合である。
ｎλ−（λ／４）＜Ｌ＜ｎλ＋（λ／４）  （ｎは整数）
また、上記の検討より、発信波長λの整数倍、すなわち、光路差Ｌはｎλ（ｎは整数）であることがより好ましい。
【００３７】
なお、上記で波長λの整数倍とは、実質的に発振波長λの整数倍になっていることをいい、作製誤差等のばらつきがあっても本願発明の範囲内となる。
【００３８】
図４に凹凸構造の高さを変えた場合の比較例を示す。図４Ａが凹凸構造の高さ５００ｎｍ、図４Ｂが高さ９００ｎｍとした場合の反射スペクトル計算結果である。図４Ａは、凹凸構造の高さ以外は図３Ｂと同様の構造として計算した。図４Ｂは凹凸構造の高さも図３Ｂと同様の構造で計算した。したがって、図４Ｂは図３Ｅと同一である。
【００３９】
反射時の位相変化も考慮すると、凹部と凸部での反射光の光路差が波長の整数倍になるのは、グラフの波長範囲においては、凹凸構造の高さ５００ｎｍの場合は波長３６４ｎｍ、４２５ｎｍであり、高さ９００ｎｍの場合は波長３５３ｎｍ、３８２ｎｍ、４１７ｎｍとなる。これらの波長は、図４Ａおよび図４Ｂに示したグラフにおいて０次回折光が反射ピークを持つ波長と精度よく一致している。
【００４０】
なお、０次回折光を再利用する本実施形態にかかる面発光レーザは、光利用効率向上だけでなく、フォトニック結晶のＱ値の制御を目的とする場合においても有効である。
【００４１】
（凹凸構造の周期性）
結晶成長だけを考慮すると、凹凸構造は必ずしも周期的に配置されている必要は無い。しかしながら、凹凸構造が非周期的な構造である場合は、様々な散乱や回折光が生じて、特定の方向の反射光を制御することは非常に難しくなる。そのため、本実施形態においては、凹凸構造は周期的であることが望ましい。なお、ここでの「周期的」とは、本実施形態の効果を生じる範囲において周期的であればよく、作製誤差等があってもよい。
【００４２】
（凹凸構造のピッチ、デューティ比、形状等）
凹凸構造が周期構造の場合、そのピッチが光学特性に影響を及ぼす場合がある。図５Ａ〜Ｄに、凹凸のピッチをそれぞれ１μｍ、２μｍ、４μｍ、６μｍと変化させて計算した結果を示す。なお、凹凸周期構造の凸部の幅を凹凸のピッチで割ったものをデューティ比と定義し、デューティ比は５０％に固定して計算を行った。ピッチ以外の構造は図３Ｂに示したものと同様である。
【００４３】
図５Ｂ〜Ｄのように比較的ピッチが大きい場合は、ピッチの変化によるスペクトル形状の変化はほとんど見られない。また、２次以上の高次回折光は非常に小さい。
【００４４】
しかし、図５Ａのようにピッチがある程度の大きさより小さくなると、スペクトルが複雑な振る舞いを示すようになり、２次以上の高次回折光も無視できないほどに大きくなる。また、ピッチが小さいほど偏光依存性も大きくなってくると考えられる。そのため、シンプルで作製誤差に強い素子設計の観点では、凹凸のピッチは十分大きくする事が望ましい。具体的には、発振波長λより一桁程度大きいピッチに設定することが望ましい。
【００４５】
周期構造の場合、ピッチ以外にデューティ比が光学特性に影響を与える場合もある。凹凸周期構造のピッチを６μｍに固定してデューティ比依存を計算した結果を図６に示す。図６Ａはデューティ比２５％、図６Ｂは５０％、図６Ｃは６０％の場合の計算結果である。デューティ比以外の構造は図３Ｂに示したものと同様である。これらの比較から、デューティ比は反射率の値には影響を及ぼすが、ピーク波長位置には影響しないことが分かる。
【００４６】
凹凸構造のパターンは、前述したストライプ構造に限らない。ＥＬＯ法を行う際に支障が無ければ、例えば開口部が２次元的に配置されたものであっても良い。すなわち、本実施形態におけるマスク構造体は、第２の屈折率を有する部材が面内方向に周期的に配置されているものと、第２の屈折率を有する部材に開口部が面内方向に周期的に配されているものである。
【００４７】
また、凹凸構造の断面形状は、ＥＬＯ法を行う際に支障が無ければ、必ずしも平坦である必要は無い。例えば、丸みを帯びた形状や三角形であっても良い。
【００４８】
（凹凸構造の屈折率依存性）
凹凸構造の屈折率依存性について説明する。具体例として、図７に、図３Ｂに示した凹凸構造について部材３２１の屈折率を変化させて反射スペクトルを計算した結果を示す。
【００４９】
図７Ａは屈折率１．４７、図７Ｂは屈折率１．７０、図７Ｃは屈折率１．９０、図７Ｄは屈折率２．１０とした場合の計算結果である。これらの計算結果より、屈折率が変化しても、反射スペクトルのピーク波長はほとんど変化しないことが確認される。つまり、凹凸構造の凸部の屈折率が変わっても、本実施形態の効果には大きな影響は与えないと言える。
【００５０】
（凹凸構造の作製方法）
ＥＬＯ法は特定の材料系に限らず使用可能な技術であるが、現実的には窒化物半導体で使用される場合が多い。現時点では、一般にＧａＮ基板が非常に高価であるため、異種基板を使用する割合が他の化合物半導体に比べて大きいことが原因である。
【００５１】
窒化物半導体でＥＬＯ法を行う場合、基板はサファイア基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板等を用いる。凹凸構造はＳｉＯ２を成膜した後にパターニングしたり、基板そのものをエッチング加工したりすることで構成される。
【００５２】
凹凸構造は一般的なフォトリソグラフィー、リフトオフ、ウェットエッチングやドライエッチング等を使用して作製できる。
【００５３】
凹凸構造の直下に位置する第１の層１１０は必ずしも基板でなくて良い。すなわち、基板上に基板とは別の材料を成膜し、その直上に凹凸構造を形成した構造であっても良い。例えば、ＧａＮ基板上にＡｌＧａＮ層を成長し、その表面にＳｉＯ２を凹凸状にパターニングした後に、ＥＬＯ法を適用して前記ＳｉＯ２をＧａＮで埋設するような構造でも良い。
【００５４】
（その他の実施形態）
本発明の実施形態における活性層は、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。
【００５５】
また、本実施形態に係る面発光レーザは任意の波長で動作することができる。
【００５６】
また、本実施形態に係る面発光レーザは、光励起方式や電流注入方式により駆動することができる。なお、図１において電極は省略している。
【００５７】
また、本実施形態に係る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することができる。
【００５８】
また、本実施形態に係る面発光レーザおよび面発光レーザアレイは、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。
【実施例】
【００５９】
以下に、本発明の実施例について説明する。【００６０】
［実施例１］
図８を用いて、本実施例におけるフォトニック結晶面発光レーザを説明する。【００６１】
図８Ａに本レーザ構造を説明する模式図を示す。サファイア基板８１０上に幅３μｍ、高さ９００ｎｍのＳｉＯ２のストライプ構造８２０がピッチ６μｍで周期的に配置されている。それを埋設するように、ＥＬＯ法で成長されたＧａＮ８３０が配置されている。さらにその上にＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層８４０、活性層８５０、２次元フォトニック結晶８６０が配置されている。２次元フォトニック結晶８６０は、円柱状の空孔が２次元的に配置されて形成されている。格子形状は正方格子、格子定数は１６５ｎｍ、孔形状は円形である。【００６２】
活性層８５０は３周期のＩｎ０．０９Ｇａ０．９１Ｎ／Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ多重量子井戸からなる。【００６３】
レーザ構造の表面にはｐ電極８７０およびｎ電極８８０が配置されており、それらの電極から電流を注入することによりレーザ発振する。【００６４】
本レーザ構造は波長４１５ｎｍでレーザ発振するように設計されている。【００６５】
図８Ｂに本レーザ構造おけるＳｉＯ２ストライプ構造８２０の反射率計算結果を示す。波長４１５ｎｍにおける反射率は０次回折光が６．１％、＋１次回折光が０．３％、＋２次回折光が０．０％、＋３次回折光が０．０％であり、０次以外の回折光の反射率が効果的に低減できている。【００６６】
したがって、本実施例のレーザ構造では、斜め方向に出射される余計な迷光である１次回折光を低減させることができる。【００６７】
［実施例２］
図９を用いて、本実施例におけるフォトニック結晶面発光レーザを説明する。【００６８】
図９Ａに本レーザ構造を説明する模式図を示す。本実施例では、サファイア基板９１０を加工してストライプ状の凹凸構造９２０を形成し、その上にＧａＮ９３０を成長している。【００６９】
凹凸のピッチは４μｍ、デューティ比は５０％、凸部の高さは９００ｎｍである。【００７０】
このように基板を加工して凹凸構造を形成し横方向成長を行う手法は、ＥＬＯ法ではなくＬＥＰＳ（Ｌａｔｅｒａｌ  Ｅｐｉｔａｘｙ  ｏｎ  Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）法とも呼ばれる。【００７１】
本実施例では、凹凸構造以外の構成は実施例１と同様であり、波長４１５ｎｍでレーザ発振するように設計されている。【００７２】
図９Ｂに本レーザ構造おける凹凸構造９２０の反射率計算結果を示す。波長４１５ｎｍにおける凹凸構造９２０での反射率は０次回折光が２．７％、＋１次回折光が０．０％であり、実施例１と同様の効果が得られることが確認された。【００７３】
［実施例３］
図１０を用いて、上記で説明した面発光レーザを複数配して構成された面発光レーザアレイ光源を用いた画像形成装置について説明する。【００７４】
図１０Ａは画像形成装置の平面図であり、図１０Ｂは同装置の側面図である。【００７５】
図１０において、１０００は感光ドラム（感光体）、１００２は帯電器、１００４は現像器、１００６は転写帯電器、１００８は定着器、１０１０は回転多面鏡、１０１２はモータである。また、１０１４は面発光レーザアレイ光源、１０１６は反射鏡、１０２０はコリメータレンズ及び１０２２はｆ−θレンズである。【００７６】
図１０において、モータ１０１２は回転多面鏡１０１０を回転駆動するものである。【００７７】
面発光レーザアレイ１０１４は、記録用光源となるものであり、ドライバにより画像信号に応じて点灯または消灯するように構成されている。こうして光変調されたレーザ光は、面発光レーザアレイ１０１４からコリメータレンズ１０２０を介し回転多面鏡１０１０に向けて照射される。【００７８】
回転多面鏡１０１０は矢印方向に回転していて、面発光レーザアレイ１０１４から出力されたレーザ光は、回転多面鏡１０１０の回転に伴い、その反射面で連続的に出射角度を変える偏向ビームとして反射される。この反射光は、ｆ−θレンズ１０２２により歪曲収差の補正等を受け、反射鏡１０１６を経て感光ドラム１０００に照射され、感光ドラム１０００上で主走査方向に走査される。【００７９】
感光ドラム１０００は、予め帯電器１００２により帯電されており、レーザ光の走査により順次露光され、静電潜像が形成される。また、感光ドラム１０００は矢印方向に回転していて、形成された静電潜像は、現像器１００４により現像され、現像された可視像は転写帯電器１００６により、転写紙に転写される。可視像が転写された転写紙は、定着器１００８に搬送され、定着を行った後に装置の外に排出される。【００８０】
本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために以下の請求項を添付する。
【符号の説明】
【００８１】
１１０  第１の層
１２０  マスク構造体
１３０  第３の層
１６０  フォトニック結晶
１９０  出射光
１９１  出射光
１９２  共振方向
【図１】
2012035620.tif 000003
【図２】
2012035620.tif 000004
【図３Ａ】
2012035620.tif 000005
【図３Ｂ】
2012035620.tif 000006
【図３Ｃ】
2012035620.tif 000007
【図３Ｄ】
2012035620.tif 000008
【図３Ｅ】
2012035620.tif 000009
【図３Ｆ】
2012035620.tif 000010
【図４Ａ】
2012035620.tif 000011
【図４Ｂ】
2012035620.tif 000012
【図５Ａ】
2012035620.tif 000013
【図５Ｂ】
2012035620.tif 000014
【図５Ｃ】
2012035620.tif 000015
【図５Ｄ】
2012035620.tif 000016
【図６Ａ】
2012035620.tif 000017
【図６Ｂ】
2012035620.tif 000018
【図６Ｃ】
2012035620.tif 000019
【図７Ａ】
2012035620.tif 000020
【図７Ｂ】
2012035620.tif 000021
【図７Ｃ】
2012035620.tif 000022
【図７Ｄ】
2012035620.tif 000023
【図８Ａ】
2012035620.tif 000024
【図８Ｂ】
2012035620.tif 000025
【図９Ａ】
2012035620.tif 000026
【図９Ｂ】
2012035620.tif 000027
【図１０Ａ】
2012035620.tif 000028
【図１０Ｂ】
2012035620.tif 000029
【図１１】
2012035620.tif 000030
【手続補正書】
【提出日】平成25年2月4日(2013.2.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、基板の面内方向に共振モードを有するフォトニック結晶とを有し、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、
第１の屈折率を有する第１の層と、
前記第１の層の上に形成されており、第２の屈折率を有する部材が前記基板の面内方向に周期的に配されているか、または、第２の屈折率を有する部材に開口部が前記基板の面内方向に周期的に配されているマスク構造体と、
前記第１の層と前記マスク構造体の上に形成され、前記第１の屈折率および前記第２の屈折率とは異なる第３の屈折率を有する第３の層と、
前記第３の層の上に形成された前記フォトニック結晶と、を有し、
前記第１の層と前記マスク構造体とで構成された凹凸周期構造は、
前記凹凸周期構造における０次回折光の反射ピーク波長と、１次回折光の反射ピーク波長とが異なり、
かつ、前記波長λにおいて、前記凹凸周期構造における０次回折光の反射強度が１次回折光の反射強度よりも大きくなるように構成されてい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】
前記マスク構造体の高さ、前記凹凸周期構造のピッチ、前記凹凸周期構造のデューティ比、および前記マスク構造体の屈折率の少なくとも１つは、
凹凸周期構造における０次回折光の反射ピーク波長と、１次回折光の反射ピーク波長とが異なり、
かつ、前記波長λにおいて、前記凹凸周期構造における０次回折光の反射強度が１次回折光の反射強度よりも大きくなるように構成されている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】
前記凹凸周期構造の凸部と凹部における反射光の光路差Ｌと前記波長λとが以下の式を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載のフォトニック結晶面発光レーザ。
ｎλ−（λ／４）＜Ｌ＜ｎλ＋（λ／４）  （ｎは整数）
【請求項４】
前記凹凸周期構造の凸部と凹部における反射光の光路差Ｌが前記波長λの整数倍であることを特徴とする請求項１または２に記載のフォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項５】
前記第３の層は、前記第１の層からエピタキシャル成長によって形成されていることを特徴とする請求項１から４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６】
前記第１の屈折率と前記第２の屈折率とが異なることを特徴とする請求項１から５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７】
前記第１の屈折率と前記第２の屈折率とが同一であることを特徴とする請求項１から５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８】
請求項１から７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が複数配置されているフォトニック結晶面発光レーザアレイ。
【請求項９】
請求項８に記載のフォトニック結晶面発光レーザアレイと、該フォトニック結晶面発光レーザアレイからのレーザ光が照射される感光体とを備えた画像形成装置。
【国際調査報告】
2012035620.tif 000031
2012035620.tif 000032