(57)【要約】【課題】  任意形状のビーム形状を得ることができ、自由度の高い設計が可能となるフォトニック結晶面発光レーザを提供する。【解決手段】  基板に平行な面内方向に共振モードを有するフォトニック結晶を含み構成された面発光レーザであって、前記フォトニック結晶から基板垂直方向に放射された光を反射させるための反射鏡と、前記反射鏡と前記フォトニック結晶との間にスペーサ層と、を備え、前記面発光レーザにおける基板垂直方向の共振器特性であるＱ値が不均一な面内分布を持つように、前記反射鏡または前記スペーサ層の特性に不均一な面内分布が形成されている構成とする。【選択図】  図１
2010283335.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記フォトニック結晶の近傍に配置され、キャリアの注入により発光する活性層と、
前記フォトニック結晶から基板垂直方向に放射された光を反射させるための反射鏡と、
前記反射鏡と前記フォトニック結晶との間にスペーサ層とを備え、
前記反射鏡または前記スペーサ層は、基板垂直方向の共振器特性であるＱ値が不均一な面内分布を持つ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】
前記反射鏡で反射され前記スペーサ層を往復する反射光は、該反射光の複素振幅が不均一な面内分布を持つ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】
前記反射光の強度が不均一な面内分布を持つことを特徴とする請求項２に記載のフォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項４】
前記反射鏡の反射率が不均一な面内分布を持つことを特徴とする請求項３に記載のフォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項５】
前記スペーサ層の光吸収係数が不均一な面内分布を持つことを特徴とする請求項３に記載のフォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項６】
前記反射光の位相が不均一な面内分布を持つことを特徴とする請求項２に記載のフォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項７】
前記スペーサ層の厚さが不均一な面内分布を持つことを特徴とする請求項６に記載のフォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項８】
前記スペーサ層の平均屈折率が不均一な面内分布を持つことを特徴とする請求項６に記載のフォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項９】
前記反射鏡または前記スペーサ層の特性の不均一な面内分布が可変であることを特徴とする請求項１から８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１０】
前記フォトニック結晶が同一面内に２次元的にアレイ配置されていることを特徴とする請求項１から９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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶面発光レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フォトニック結晶を半導体レーザに適用した例が多く報告されている。
特許文献１には、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が記載されている。
【０００３】
これは分布帰還型（ＤＦＢ）レーザの一種である。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が共振し、定在波を形成してレーザ発振する。このレーザ発振したレーザ光は、フォトニック結晶による１次回折によって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。
【０００４】
上記２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、発光領域の中心部で光強度が低く、周辺部では光強度が高いリング形のビーム形状となることが知られている。
【０００５】
しかしながら、例えば単一モード光ファイバとの結合など、中心部で光強度が高い単峰性のビーム形状の方が望ましい場合もある。
【０００６】
このような単峰性のビーム形状を得るため、特許文献２では、２次元フォトニック結晶の各空孔の形状を正三角形などにすることで、２次元フォトニック結晶の格子構造の対称性を崩し、それにより単峰性に近いビーム形状を得る面発光レーザ光源が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−３３２３５１号公報
【特許文献２】特開２００４−２９６５３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記した特許文献２では、空孔の形状を変えることでビーム形状の制御を可能にしている。しかしながら、空孔の形状を変えてしまうと、フォトニック結晶の格子構造の対称性を崩すことになる。そのため、面垂直方向への光取り出し効率に影響し、例えば発振しきい値に影響を及ぼすことになる。
すなわち、特許文献２では、ビーム形状を制御するために、空孔の形状を変化させると、フォトニック結晶の他の特性も変化させてしまうため、設計の自由度が低いという課題がある。
【０００９】
そこで本発明は、上記課題に鑑み、特許文献２よりも設計の自由度が高く、任意形状のビーム形状を得ることができる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】
【００１０】
本発明に係るフォトニック結晶面発光レーザは、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、前記フォトニック結晶の近傍に配置され、キャリアの注入により発光する活性層と、前記フォトニック結晶から基板垂直方向に放射された光を反射させるための反射鏡と、前記反射鏡と前記フォトニック結晶との間にスペーサ層とを備え、前記反射鏡または前記スペーサ層は、基板垂直方向の共振器特性であるＱ値が不均一な面内分布を持つように構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、特許文献２よりも設計の自由度が高く、任意形状のビーム形状を得ることができるフォトニック結晶面発光レーザを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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】本発明の実施形態でのＱ値の変化を説明するグラフである。
【図３】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４】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５】本発明の実施例３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６】本発明の実施例４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。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
つぎに、図１を用いて、本発明の実施形態におけるフォトニック結晶面発光レーザの構成について説明する。
なお、本明細書中では、レーザ素子の基板側を下側、基板と反対側を上側として説明する。
【００１４】
本実施形態におけるフォトニック結晶面発光レーザは、基板１０５０の面内方向に共振モードを有する２次元フォトニック結晶１０１０を含み構成されている。
また、光導波層１０００は活性層１０２０を含み構成され、一般的には光強度分布のピークが活性層に重なるように設計される。
光導波層１０００では、活性層１０２０の少なくとも一方の側に２次元フォトニック結晶を設ける。
【００１５】
この２次元フォトニック結晶は、板状の母材に、それとは屈折率が異なる領域を周期的に配置することにより形成する。例えば、板状の母材に空孔を周期的に形成する。
【００１６】
活性層１０２０と２次元フォトニック結晶１０１０は接していても良いし、両者の間に別の層を挟んでもよい。すなわち、活性層１０２０は２次元フォトニック結晶１０１０の近傍に配置されていればよい。これにより、キャリア注入によって発光した活性層からの光が２次元フォトニック結晶１０１０によって共振される。
【００１７】
フォトニック結晶の格子形状は、四角格子や三角格子、蜂の巣格子などを用いることができる。フォトニック結晶の格子定数は、レーザ発振させたい波長や材料の屈折率を考慮して決定される。各格子点の形状は、円形、三角形、四角形、六角形などである。また、１次元のフォトニック結晶を用いてもよい。
【００１８】
フォトニック結晶はレーザ共振器として動作するが、一般に共振器の性能を示すパラメータとしてＱ値が用いられる。
Ｑ値は共振器からのエネルギーの散逸に関するパラメータで、一般にＱ値が大きいほど低しきい値での発振が可能である。
フォトニック結晶スラブの共振器としてのＱ値をＱｔｏｔａｌとする。
基板面に対して垂直方向のＱ値をＱ⊥とし、基板面に対して水平方向のＱ値をＱ‖とするとき、
１／Ｑｔｏｔａｌ＝１／Ｑ⊥＋１／Ｑ‖
の関係が成り立つことが知られている。
つまり、Ｑ⊥とＱ‖のどちらか片方または両方を制御できれば、共振器特性Ｑｔｏｔａｌを制御することができる。
【００１９】
フォトニック結晶レーザに反射鏡を付加することでＱ⊥を制御できる。
例えば、２次元フォトニック結晶面発光レーザの下側に反射鏡としてＤＢＲを設けることで、Ｑ値の制御を実現できる。その原理は、フォトニック結晶から上側に直接放射される光と、反射鏡で反射されて戻ってきた光との干渉によるものだと考えられる。
上記直接放射される光と上記反射されて戻ってきた光の位相がちょうど逆（πずれている）で光強度が同じであれば、上側への光は完全に打ち消され放射できない。それにより、面垂直方向のＱ値であるＱ⊥を増加させることができる。
【００２０】
図２にＱ値の計算結果を示す。
図２は反射率の異なる３種類の反射鏡について、フォトニック結晶と反射鏡間の光路長（片道）をふった場合のＱ値の変化を表している。
図２（ａ）は反射率０％、図２（ｂ）は反射率５０％、図２（ｃ）は反射率１００％に対応する。
計算に用いた光の波長は４００ｎｍである。縦軸は反射鏡が無い場合のＱ値で規格化してある。反射鏡の反射率が０％の場合は当然であるがＱ値に変動は無い。反射率がゼロでない値を持つと、光路長によってＱ値に変動が起こる。
図２（ｂ）および図２（ｃ）より、反射率が大きくなるほどＱ値の変動幅も大きくなり、反射率１００％の場合には１／２から無限大の範囲で変動することがわかる。
また、その変動は光路長で半波長に相当する長さを周期として繰り返される。
【００２１】
上記計算結果より、反射光の強度と位相（これらを複素振幅という。）によってＱ値を制御できることが確認された。
【００２２】
本発明は、このような知見に基づき、反射光の強度や位相に任意の面内分布を設けることで、Ｑ値に任意の面内分布を与え、任意のビーム形状を実現したものである。すなわち、本発明は、スペーサ層または反射鏡において面内で不均一な構造を持っている。
【００２３】
本実施形態の構成を示す図１では、反射光の強度に面内分布を設ける例を示している。図中の矢印は２次元フォトニック結晶１０１０から面垂直方向に放射される光の流れを示す。
反射鏡１０４０上の一部に反射率を低減するための構造１０３５が設けられており、それにより反射光強度に不均一な面内分布が形成される。
反射率を変調する以外に反射光の強度に任意の面内分布を与える手段としては、反射前後での光の通り道すなわちスペーサ層での光の吸収を変調してやればよい。
スペーサ層での光吸収係数を変調するには、イオン注入などで何らかの不純物を注入してやることで光吸収量を増大させることができる。
【００２４】
一方、反射光の位相を面内方向で変調するためには、光路長を変調してやればよく、スペーサ層の厚さや平均屈折率に変調を加えてやればよい。
スペーサ層の屈折率に変調を与えるには、イオン注入、酸化、化合物組成の変調、温度分布、応力による密度分布などを利用できる。
【００２５】
上記したうち、可逆変化を利用したものはビーム形状を可変にすることも可能である。
例えば、ヒーターを設けて面内で温度分布を形成する構成や、ピエゾ素子を用いて応力の面内分布を形成する構成では、ビーム形状を可逆的に制御することができる。
【００２６】
本実施形態のフォトニック結晶面発光レーザにおける構造において、反射鏡またはスペーサ層はフォトニック結晶の特性に変調を与えるための補助的なものである。
すなわち、反射鏡を有さないフォトニック結晶だけでもレーザ発振は可能な構造となっている。つまり、フォトニック結晶自身がレーザ共振器を構成しており、それ単独でレーザ発振が可能となっている。
上記反射鏡またはスペーサ層は、フォトニック結晶によるレーザ共振器における基板垂直方向の共振器特性であるＱ値が不均一な面内分布を持つように、補助的に設けられているものである。
そのため、フォトニック結晶と反射鏡またはスペーサ層は独立に設計することができるので、特許文献２と比べて、自由度の高い設計が可能になる。
【００２７】
以上のように、本実施形態における反射鏡またはスペーサ層は、レーザ共振器に補助的に設けられたものであり、つぎの垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）で用いられるＳｕｒｆａｃｅ−Ｒｅｌｉｅｆ構造とは、本質的に異なるものである。
すなわち、反射鏡の反射率に何らかの面内分布を与えることでレーザのビーム形状を制御する例として、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）で用いられるＳｕｒｆａｃｅ−Ｒｅｌｉｅｆ構造が知られている。
【００２８】
これは、一対のＤＢＲで構成された垂直共振器における出射側のＤＢＲによるミラー表面に凸凹構造を作製することで、反射率の面内分布を形成するものである。
Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｒｅｌｉｅｆ構造では、もともといくつか存在する横モードのうち、不要なモードをカットして必要なモード（一般的には基本モードと呼ばれる最低次のモード）だけを残す。
【００２９】
それにより、特定のモードのビーム形状を得ることができるようにしたものである。
これに対して、本実施形態のものでは、もともと１つのモードで発振しているレーザにおいて、その面内の共振器特性を上記した補助的に設けられた反射鏡またはスペーサ層を変調することによりビーム形状を制御するものである。
したがって、上記本実施形態の構造と、上記ＶＣＳＥＬのＳｕｒｆａｃｅ−Ｒｅｌｉｅｆ構造とは、動作原理が本質的に異なるものである。
【００３０】
本実施形態におけるフォトニック結晶面発光レーザでは、活性層１０２０には、一般的な半導体レーザに使用されているものと同様のものを用いることができる。
例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＮ／ＩｎＧａＮなどの材料を用いた多重量子井戸構造である。
また、スペーサ層１０３０は半導体あるいは誘電体で構成することができる。
反射鏡１０４０は、例えばＤＢＲ、低屈折率の誘電体、金属膜で構成することができる。また、基板１０５０は、例えばＧａＡｓ、ＧａＮ、Ｓｉ、ＳｉＣ、サファイアなどで構成することができる。
【００３１】
本実施形態におけるフォトニック結晶面発光レーザは、複数のレーザ素子を同一面内に２次元的にアレイ配置することもできる。
各フォトニック結晶の大きさや、それらを配列するピッチは、レーザ素子の用途に応じて適宜決めることができる。
例えば、各フォトニック結晶の大きさは５μｍ角〜５００μｍ角であり、それらを配列するピッチは１０μｍ〜１ｍｍの範囲である。
各レーザ素子から出射するビーム形状は全て同一であるように構成してもよいし、各レーザ素子が異なるビーム形状を持つように構成してもよい。
また、本実施形態におけるフォトニック結晶面発光レーザにおいては、光励起方式、あるいは電流注入方式により駆動することができる。
なお、図１においては、電極は省略している。
【実施例】
【００３２】
以下に、本発明の実施例について説明する。
【００３３】
［実施例１］
図３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について説明する。
図３において、３０００は光導波層、３０１０は２次元フォトニック結晶、３０２０は活性層、３０３０スペーサ層、３０４０は半導体ＤＢＲである。
２次元フォトニック結晶３０１０は、母材であるｐ型ＧａＮに円柱形状の空孔を正方格子状に設けて構成される。
２次元フォトニック結晶の格子定数は１６０ｎｍ、孔直径は７０ｎｍ、孔深さは２００ｎｍである。
３０２０はＩｎ０．０９Ｇａ０．９１Ｎ／Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ多重量子井戸からなる活性層、３０３０はＡｌ０．０９Ｇａ０．９１Ｎからなるｎ型スペーサ層、３０４０はＧａＮ／ＡｌＮからなる半導体ＤＢＲである。
電極は省略してある。本レーザ構造は波長４００ｎｍ付近でレーザ発振するように設計されている。
図３に示したように、中心部だけＤＢＲが１ペア多い凸部３０３５が形成され、それによりスペーサ層３０３０の厚さが薄くなっている。
中心部だけ凸部３０３５を設けることで、スペーサ層の厚さが変わると同時に反射鏡であるＤＢＲの反射率も変化する。
【００３４】
本実施例では、凸部３０３５の高さはおよそ８０ｎｍであり、スペーサ層の屈折率との積をとると約２００ｎｍとなる。往復の光路差はほぼ波長と一致するので、凸部とそれ以外の部分との反射光の位相差は考慮しなくてよい。
前述したように、ＤＢＲのペア数が変わることで反射率が変化する。我々の計算によると、ＤＢＲ１０ペアの場合は反射率２４％、１１ペアの場合は反射率２８％程度が得られる。
凸部３０３５のＤＢＲペア数を１１ペア、その周辺部のＤＢＲペア数を１０ペアとすると、中心部と周辺部で約５％のＱ値の差が得られる。
それにより、中心部と周辺部で発振しきい値に差が生じ、適切な電流値で駆動すれば、中心部で光強度が強い単峰性に近いビーム形状が得られる。
一方、中心部だけＤＢＲが１ペア少ない凸部を形成すれば、周辺部で光強度が強いリング形状のビーム形状を得ることができる。
すなわち、単峰性に近いビーム形状以外にも、反射鏡の構造を面内方向で変化させることにより、任意のビーム形状を実現することが可能である。
【００３５】
［実施例２］
図４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について説明する。
図４において、４０００は光導波層、４０１０は２次元フォトニック結晶、４０２０は活性層、４０３０、４０３５はスペーサ層、４０４０は半導体ＤＢＲである。
本実施例のフォトニック結晶面発光レーザは、波長４００ｎｍ付近でレーザ発振するように設計されている。
図４において、反射鏡の構造は面内で一様であるが、スペーサ層の構造が不均一になっている。
具体的には、レーザ素子の周辺部のスペーサ層４０３５だけ屈折率を低下させるようなイオン注入を選択的に行なっている。注入するイオン源は例えばＡｌである。
スペーサ層の厚さは一様でも屈折率が異なると光路長が異なる。
スペーサ層の構造を中心部でＱ値が大きくなるような条件で設計し、周辺部ではそこから条件をずらす（望ましくは半波長分だけ光路長をずらす）ことで、中心部に比べ周辺部でのレーザ発振が起こり難くなる。
そのため、中心部で光強度が強い単峰性に近いビーム形状が得られる。
本実施例でも、ビーム形状は任意の形状を得ることが可能である。例えば屈折率分布を上記と逆にすることで、リング形状で発光させることも可能である。
【００３６】
［実施例３］
図５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について説明する。
図５において、５０００は光導波層、５０１０は２次元フォトニック結晶、５０２０は活性層、５０３０、５０３５はスペーサ層、５０４０は半導体ＤＢＲである。
本実施例のフォトニック結晶面発光レーザは、波長４００ｎｍ付近でレーザ発振するように設計されている。
図５において、スペーサ層の一部が酸化されて酸化領域５０３５が形成されている。一般に酸化した部分は屈折率が小さくなるので、光路長が短くなる。
その結果、実施例２と同様に光路長に不均一な面内分布を形成することができ、任意のビーム形状の形成が可能になる。
【００３７】
［実施例４］
図６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について説明する。
図６において、６０００は光導波層、６０１０は２次元フォトニック結晶、６０２０は活性層、６０３０、６０３５はスペーサ層、６０４０は半導体ＤＢＲである。
本実施例のフォトニック結晶面発光レーザは、波長４００ｎｍ付近でレーザ発振するように設計されている。
図６において、スペーサ層６０３０中に組成の異なる領域６０３５が形成されている。
例えば、スペーサ層６０３０はＡｌ０．０７ＧａＮ、異組成領域６０３５はＡｌ０．２０ＧａＮで形成されている。ＡｌＧａＮ系化合物半導体では、吸収端より長波長側においては一般にＡｌ組成が大きいほど屈折率が小さくなる。
つまり、上記の構造では、スペーサ層６０３０に比べスペーサ層６０３５の屈折率が小さくなっている。その結果、実施例２および３と同様にビーム形状の制御が可能になる。
上記のような異組成領域は、リソグラフィーやエッチングによるパターニングと埋め込み再成長で形成することができる。
【００３８】
以上、実施例について説明したが、本発明の面発光レーザはこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３９】
フォトニック結晶の形状や材料や大きさ、活性層やクラッド層や電極を構成する材料は本発明の範囲内で適宜変更できる。
また、上記実施例では、レーザ発振波長として４００ｎｍのものを示したが、適切な材料・構造の選択により、任意の波長での発振も可能である。
ビーム形状も実施例で示したガウシアン状の単峰形状やリング形状以外に、三角形、四角形、半円、扇型、ハート型など任意の形状が可能である。
【００４０】
以上説明した本発明の面発光レーザは、複写機、レーザプリンタなどの画像形成装置が有する感光ドラムへ描画を行なうための光源としても利用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１０００  光導波層
１０１０  ２次元フォトニック結晶
１０２０  活性層
１０３０  スペーサ層
１０４０  反射鏡
１０５０  基板
【図１】
2010283335.tif 000003
【図２】
2010283335.tif 000004
【図３】
2010283335.tif 000005
【図４】
2010283335.tif 000006
【図５】
2010283335.tif 000007
【図６】
2010283335.tif 000008