(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の屈折率を有する媒質からなるスラブ内に上記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する媒質からなるフォトニック結晶穴が規則的に配列されたフォトニック結晶と、
上記フォトニック結晶内の線状の欠陥に沿って形成され、活性層を含む光導波路と、を含み、
上記フォトニック結晶は、当該フォトニック結晶の電磁分布の基本モードが２次モードに優先して共振するように、上記フォトニック結晶穴が形成されていない欠陥領域を前記線状の欠陥以外の領域に備える
ことを特徴とするフォトニック結晶デバイス。
【請求項２】
上記欠陥領域は、上記光導波路の導波方向に対して、±３０°の領域を除いた範囲の領域に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デバイス。
【請求項３】
上記光導波路の導波方向に対して±３０°の領域に、線状の欠陥に沿って形成された出力導波路をさらに含む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デバイス。
【請求項４】
上記欠陥領域は、上記±３０°の領域を除いた範囲の領域の全域に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のフォトニック結晶デバイス。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、例えば半導体レーザなどのフォトニック結晶デバイスに関する。
【０００２】
近年、ＣＭＯＳチップの配線層における消費電力を削減するために、ＣＭＯＳチップの上で、または、ＣＭＯＳチップの内部で光通信を行うことの検討が進められている。光通信用の光源としては、低消費電力という特徴をもつフォトニック結晶レーザの重要性が増している。フォトニック結晶レーザは、化合物半導体の利得によって光を閉じ込めて、レーザ発振を行うようになっている。
【０００３】
このような状況下において、例えば非特許文献１に開示されたフォトニック結晶レーザでは、フォトニック結晶の面積を大きくし、１０μＷ程度の出力パワーを有する単一モード発振を得るようにしている。
【０００４】
非特許文献２では、フォトニック結晶穴を少なくして、単一モード発振を得るようにしている。
【０００５】
非特許文献３，４では、フォトニック結晶のＩｎＰ層に活性層を埋め込んで、単一モードのレーザを得るようにしている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】H. Matsubara et al., GaN photonic-crystal surface-emitting laser at blue-violet wavelengths, Science, Vol. 319, No. 5862, pp. 445−447, 2008.
【非特許文献２】A. V. Giannopoulos et al., Decimated photonic crystal defect cavity lasers, IEEE Journal of Selected Topics on Quantum Electronics, early access.
【非特許文献３】S. Matsuo et al., High-speed ultracompact buried heterostructure photonic-crystal laser with 13 fJ of energy consumed per bit transmitted, Nature Photonics, Vol. 4, pp. 648−654, 2010.
【非特許文献４】C.-H. Chen et al., All-optical memory based on injection-locking bistability in photonic crystal lasers, Optics Express, Vol. 19, pp. 3387−3395, 2011.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献１ないし４に開示されたレーザでは、フォトニック結晶がもつフォトニックバンドギャップを利用して、非常に高い光閉じ込め構造をもつ光共振器を有する構成となっている。しかしながら、共振器内部に閉じ込められる光が強くなりすぎて、多モード発振となりやすい。
【０００８】
そこで本発明は、単一モード発振を得ることができるフォトニック結晶デバイス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】
【０００９】
上記の目的を達成するためのフォトニック結晶デバイスは、第１の屈折率を有する媒質からなるスラブ内に上記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する媒質からなるフォトニック結晶穴が規則的に配列されたフォトニック結晶と、上記フォトニック結晶内の線状の欠陥に沿って形成され、活性層を含む光導波路と、を含み、上記フォトニック結晶は、当該フォトニック結晶の電磁分布の基本モードが２次モードに優先して共振するように、上記フォトニック結晶穴が形成されていない欠陥領域を前記線状の欠陥以外の領域に備える。
【００１０】
ここで、上記欠陥領域は、上記光導波路の導波方向に対して、±３０°の領域を除いた範囲の領域に形成されていてもよい。
【００１１】
フォトニック結晶デバイスは、上記光導波路の導波方向に対して±３０°の領域に、線状の欠陥に沿って形成された出力導波路をさらに含むようにしてもよい。
【００１２】
上記欠陥領域は、上記±３０°の領域を除いた範囲の領域の全域に形成されていてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、単一モード発振を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態におけるフォトニック結晶デバイスの構成例を示す斜視図である。
【図２】図１のＩ−Ｉ方向に沿ったフォトニック結晶デバイスの断面例を示す図である。
【図３】フォトニック結晶デバイスの作製方法を説明するための説明図である。
【図４】従来例１のフォトニック結晶デバイスの構成を示す図である。
【図５】第１実施形態のフォトニック結晶デバイスの発振スペクトルを図４の従来例１と比較して説明するための図である。
【図６】第１実施形態のフォトニック結晶デバイスにおける基本モードおよび２次モードの磁界分布を図４の従来例と比較して説明するための図である。
【図７】第２実施形態におけるフォトニック結晶デバイスの構成例を示す斜視図である。
【図８】従来例２のフォトニック結晶デバイスの構成を示す図である。
【図９】第２実施形態のフォトニック結晶デバイスの発振スペクトルを図８の従来例２と比較して説明するための図である。
【図１０】第２実施形態のフォトニック結晶デバイスにおける基底モードおよび２次モードの分布を説明するための図である。
【図１１】第３実施形態におけるフォトニック結晶デバイスの構成例を示す斜視図である。
【図１２】第３実施形態のフォトニック結晶デバイスの発振スペクトルを図４の従来例１と比較して説明するための図である。
【図１３】第３実施形態のフォトニック結晶デバイスにおける基底モードおよび２次モードの分布を説明するための図である。
【図１４】第４実施形態におけるフォトニック結晶デバイスの構成例を説明するための図である。
【図１５】第４実施形態のフォトニック結晶デバイスの発振スペクトルを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の複数の実施形態について説明する。各実施形態に係るフォトニック結晶デバイスは、屈折率の異なる媒質である空気および半導体材料が規則的に配列されたフォトニック結晶を含んで構成され、フォトニック結晶を利用して光を出力するための半導体レーザである。
【００１６】
＜第１実施形態＞
本発明のフォトニック結晶デバイスの第１実施形態について、図１ないし図６を参照して説明する。
【００１７】
[フォトニック結晶デバイスの構成]
図１は、本実施形態におけるフォトニック結晶デバイス１０の構成例を示す斜視図である。
【００１８】
図１に示すように、このフォトニック結晶デバイス１０は、全体としてＩｎＰ基板１１上に形成されており、基板１１の上には、犠牲層１２および埋め込み成長層１３が順に形成されている。
【００１９】
この実施形態では、基板１１として例えばＩｎＰ基板を適用する一例を示している。一般に、光通信に用いられる光の波長は１．３〜１．５μｍ帯であるため、その波長帯にバンドギャップをもつＩｎＰ系の基板が広く用いられている。
【００２０】
犠牲層１２は、エアギャップ構造２１を有する構成となっている。犠牲層１２の材料としては、例えばＩｎＧａＡｓが用いられる。
【００２１】
埋め込み成長層１３には、例えば、複数の空気穴（フォトニック結晶穴）２０を有する２次元フォトニック結晶スラブが構成されており、このフォトニック結晶中に、活性層１４が形成されている。埋め込み成長層１３は、活性層１４を含むコア層領域よりも熱伝導率が高く、かつ、コア層領域よりもバンドギャップが大きい化合物（ＩＩＩ−Ｖ族混合結晶）で形成される。埋め込み成長層１３の材料としては、例えばＩｎＰが用いられる。
【００２２】
この実施形態では、複数の空気穴２０は、ｘｚ平面において、一定の間隔で互いに正三角形（規則的）になるように配列されている。一定の間隔、すなわち隣接する各空気穴の間隔は、フォトニック結晶デバイス１０の動作波長をλ、埋め込み成長層１３の屈折率をＮとすると、λ／Ｎで求められる大きさに調整される。図１の例では、隣接する空気穴２０の間隔は例えば４２２ｎｍに設定されるが、適宜変更してもよい。
【００２３】
また、埋め込み成長層１３は、空気穴が形成されない領域、すなわち屈折率の周期構造が乱す欠陥領域１５，１７，１８を有する。
【００２４】
欠陥領域１５は、例えばｚ軸方向に沿って線状に欠陥が形成され、光を通過する光導波路として形成されている。この欠陥領域１５内には、上述した活性層１４が形成されている。
【００２５】
欠陥領域１７，１８は、フォトニック結晶スラブ面（ｘｚ平面）に対して対称な形状となっている。すなわち、欠陥領域１７は、光導波路の導波方向（ｚ軸方向）に対して、ｘ軸方向に＋６０°〜＋１２０°の範囲に形成され、欠陥領域１８は、導波路の導波方向（ｚ軸方向）に対して、ｘ軸方向に−６０°〜−１２０°の範囲（導波方向に対して±３０°の領域を除いた範囲の領域）に形成されている。
【００２６】
活性層１４は、量子井戸構造を有しており、キャリアの注入により光を励起する化合物（ＩＩＩ−Ｖ族混合結晶）で形成される。活性層１４の材料としては、例えばＩｎＧａＡｓＰが用いられる。
【００２７】
図２は、図１のＩ−Ｉ方向に沿ってみたときのフォトニック結晶デバイス１０の一部の断面図である。
【００２８】
図２に示したフォトニック結晶デバイス１０では、基板１１上に、エアギャップ２１、埋め込み成長層１３の順に、それらが形成されている。そして、埋め込み成長層１３には、エアギャップ２１へ通じる複数の空気穴２０が形成されている様子が示してある。
【００２９】
また、この実施形態では、図２に示したように、埋め込み成長層１３には、上述した活性層１４と、活性層１４の上部および下部の各々に形成されるキャリア閉じ込め層１４１、１４２とを有するコア層領域３０が形成されている様子が示してある。
【００３０】
コア層領域３０は、空気穴２０に接しないように形成されている。換言すると、コア層領域３０は、埋め込み成長層１３で覆われている。このように構成することで、励起光がコア層領域３０で吸収され、活性層１４にキャリアを注入することが可能となる。
【００３１】
この場合、フォトニック結晶デバイス１０では、ｙ軸方向（上下方向）には空気（媒質）により共振器が形成され、また、ｘｚ方向（フォトニック結晶スラブ面方向）には複数の空気穴２０により共振器が形成される。
【００３２】
[フォトニック結晶デバイスの作製方法]
次に、本実施形態におけるフォトニック結晶デバイス１０の作製方法について図１ないし図３を参照して説明する。
【００３３】
図３は、フォトニック結晶デバイス１０の作製方法を説明するための説明図である。
まず、図３（ａ）に示すように、ＩｎＰ基板１１上に、ＩｎＧａＡｓ犠牲層１２、ＩｎＰ層１３１、キャリア閉じ込め層１４２、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１３、キャリア閉じ込め層１４１、ＩｎＰ層１３２を順番に結晶成長させる。
【００３４】
次に、図３（ｂ）に示すように、リソグラフィおよびエッチングにより、キャリア閉じ込め層１４２、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１４、キャリア閉じ込め層１４１およびＩｎＰ層１３２を除去して、図１に示した活性層１４を含むコア層領域３０を形成する部分以外の部分を露出させる。
【００３５】
次に、図３（ｃ）に示すように、キャリア閉じ込め層１４２、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１３、キャリア閉じ込め層１４１およびＩｎＰ層１３２の両端面に、再度、ＩｎＰ層１３３を成長させる。
【００３６】
次に、図３（ｄ）に示すように、ＩｎＰ層１３２，１３３の上面にわたりＩｎＰ層１３４を成長させる。
【００３７】
次に、図３（ｅ）に示すように、ドライエッチングにより、ＩｎＰ層１３４，１３３，１３１を貫通して、ＩｎＧａＡｓ犠牲層１２の中間付近まで達する複数の空気穴２０を形成する。図３（ｅ）の例では、複数の空気穴２０は、一定の間隔（例えば、４２２ｎｍ）で互いに正三角形になるように配列されている。この場合、空気穴２０を形成しない領域は、図１に示した欠陥領域１５，１７，１８となる。
【００３８】
次に、複数の空気穴２０を用いて、ＩｎＧａＡｓ犠牲層１２をウエットエッチングして、図３（ｆ）に示すように、基板１１とＩｎＰ層１３１との間に、エアギャップ２１を形成する。このようにして、本実施形態のフォトニック結晶デバイス１０が作製できる。なお、図３において、ＩｎＰ層１３１，１３２，１３３，１３４は、それぞれ図１，２に示した埋め込み成長層１３に対応する。
【００３９】
本実施形態のフォトニック結晶デバイス１０では、単一横モード発振が得やすくなるが、この特性は、従来のフォトニック結晶デバイスの場合と比較することによって、理解が容易となる。
【００４０】
従来のフォトニック結晶デバイスは、図４に示すような構成とされることが知られている（例えば、非特許文献３を参照）。図４は、従来例１のフォトニック結晶デバイス１００の構成例を示す斜視図である。
【００４１】
図４において、従来例１のフォトニック結晶デバイス１００が第１実施形態と異なるのは、ＩｎＰ埋め込み成長層１０３に形成された欠陥領域のみである。すなわち、従来例１のＩｎＰ埋め込み成長層１０３は、前述のＩｎＰ埋め込み成長層１３とは異なり、欠陥領域１０５、すなわち光導波路のみを有するようにしてある点のみが第１実施形態と異なる。
【００４２】
したがって、従来例１のフォトニック結晶デバイス１００では、第１実施形態と同様に、ｎ−ＩｎＰ基板１０１上に、エアギャップ２０１を有するＩｎＧａＡｓ犠牲層１０２、および、複数の空気穴２００を有するＩｎＰ埋め込み成長層１０３が順に形成されている。この場合、空気穴２００の配列および間隔は、図１に例示した配列および間隔と同じようにしてある。また、活性層１０４は、図１と同様に欠陥領域１０５内に埋め込まれてある。
【００４３】
[発振スペクトル特性]
次に、この実施形態のフォトニック結晶デバイス１０の発振スペクトルを従来例１と比較して説明する。
【００４４】
図５は、第１実施形態のフォトニック結晶デバイス１０の発振スペクトルを図４の従来例１と比較して説明するための図である。
【００４５】
図５に示す発振スペクトルは、数値電磁解析の一手法である有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ法：Finite Difference Time Domain method）により計算されたものである。
【００４６】
図５の破線で示すように、従来例１の場合の発振スペクトルは、波長が１５１８ｎｍ付近、１５３２ｎｍ付近でそれぞれピークとなり、結果として、ピークの強度が強い２つのモードがともに発振するようになっている。
【００４７】
一方、フォトニック結晶デバイス１０の場合の発振スペクトルは、図５の実線で示すように、波長が１５３２ｎｍ付近のみでピークとなり、１つのモードのみが発振するようになっている。すなわち、単一モード発振となる。
【００４８】
[基本モードおよび２次モード磁界分布]
次に、この実施形態のフォトニック結晶デバイス１０における基本モードおよび２次モードの磁界分布を従来例１と比較して説明する。
【００４９】
図６は第１実施形態のフォトニック結晶デバイス１０における基本モードおよび２次モードの磁界分布を図４の従来例１と比較して説明するための図であって、（ａ）はフォトニック結晶デバイス１０の基本モード、（ｂ）はフォトニック結晶デバイス１０の２次モード、（ｃ）は従来例１の基本モード、（ｄ）は従来例１の２次モードの磁界分布を示す。
【００５０】
図６に示す基本モードおよび２次モードの磁界分布は、有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ法）により計算されたものである。この場合、磁界分布はｘｚ平面上の磁界分布である。
【００５１】
例えば、フォトニック結晶デバイス１０の場合には、図６（ａ）に示した基本モードは、ｚ軸方向（上下方向）に対して、ｘ軸方向（左右方向）に-３０°、+３０°傾いた分布となり、２次モードは、図６（ｂ）に示したような分布となる。この場合、共振の強さを示すＱ値は、基本モードでは546000となり、２次モードでは7900となった。
【００５２】
一方、従来例１の場合には、図６（ｃ）に示した基本モードは、図６（ａ）と同じような磁界分布となり、図６（ｄ）に示した２次モードは、楕円形状の分布となる。この場合、基本モードのＱ値は2080000となり、２次モードのＱ値は110000となった。これに対して、図６（ｂ）の場合の２次モードのＱ値は、上述したように、7900となったので、図６（ｄ）の場合のＱ値（110000）よりも102100小さくなることがわかる。換言すると、本実施形態の場合には、２次モードのＱ値（7900）は、従来例１の場合のＱ値（110000）を７．２％程度まで減少させた値となる。これは、本実施形態のフォトニック結晶デバイス１０において、埋め込み成長層１３は、基本モードの電磁分布が強い領域を除く範囲に形成された欠陥領域１７，１８を備えるため、基本モードのみが優先的に共振するようになるためである。
【００５３】
以上説明したように、本実施形態のフォトニック結晶デバイス１０によれば、基本モードのみが優先的に共振するように、欠陥領域１７，１８が形成されている。これにより、単一モード発振ができる。
【００５４】
＜第２実施形態＞
以下、第２実施形態について図７ないし図１０を参照して説明する。
【００５５】
図７は、本実施形態におけるフォトニック結晶デバイス１０Ａの構成例を示す斜視図である。
【００５６】
図７において、フォトニック結晶デバイス１０Ａが第１実施形態と異なるのは、ＩｎＰ埋め込み成長層１３に出力導波路８１が形成されている点のみが第１実施形態と異なる。したがって、フォトニック結晶デバイス１０Ａでは、第１実施形態と同様に、ＩｎＰ基板１１上に、エアギャップ２１を有するＩｎＧａＡｓ犠牲層１２、および、複数の空気穴２０を有するＩｎＰ埋め込み成長層１３が順に形成されている。空気穴２０の配列および間隔は、図１に例示した配列および間隔と同じようにしてある。また、活性層１４は、図１と同様に欠陥領域１５内に埋め込まれてある。
【００５７】
出力導波路８１は、フォトニック結晶内の線状の欠陥で形成される。この実施形態では、出力導波路８１は、欠陥領域１５すなわち光導波路の導波方向に対して±３０°の領域、例えば、光導波路からｘ軸方向に所定距離だけシフトする位置に形成されている。
【００５８】
ここで、従来のフォトニック結晶デバイスは、図８に示すような構成とされることが知られている（例えば、非特許文献４を参照）。図８は、従来例２のフォトニック結晶デバイス１００Ａの構成例を示す斜視図である。
【００５９】
図８において、従来例２のフォトニック結晶デバイス１００Ａが第２実施形態と異なるのは、ＩｎＰ埋め込み成長層１０３に形成された欠陥領域のみである。すなわち、従来例２のＩｎＰ埋め込み成長層１０３は、前述の図７のＩｎＰ埋め込み成長層１３とは異なり、欠陥領域１０５および出力導波路１１１のみを有するようにしてある点のみが第２実施形態と異なる。すなわち、従来例２では、図７の欠陥領域１７，１８に対応するものがない。
【００６０】
したがって、従来例２のフォトニック結晶デバイス１００Ａでは、第２実施形態と同様に、ｎ−ＩｎＰ基板１０１上に、エアギャップ２０１を有するＩｎＧａＡｓ犠牲層１０２、および、複数の空気穴２００を有するＩｎＰ埋め込み成長層１０３が順に形成されている。この場合、空気穴２００の配列および間隔は、図７に例示した配列および間隔と同じにようにしてある。また、活性層１０４は、図１と同様に欠陥領域１０５内に埋め込まれてある。
【００６１】
[発振スペクトル特性]
次に、この実施形態のフォトニック結晶デバイス１０Ａの発振スペクトルを従来例２と比較して説明する。
【００６２】
図９は、第２実施形態のフォトニック結晶デバイス１０Ａの発振スペクトルを図８の従来例２と比較して説明するための図である。なお、図９に示す発振スペクトルは、有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ法）により計算されたものである。
【００６３】
図９の破線で示すように、従来例２の場合の発振スペクトルは、波長が１５２３ｎｍ付近、１５３３ｎｍ付近でそれぞれピークとなり、結果として、ピークの強度が大きい２つのモードがともに発振するようになっている。
【００６４】
一方、フォトニック結晶デバイス１０Ａの場合の発振スペクトルは、図９の実線で示すように、波長が１５２２ｎｍ付近、１５３３ｎｍ付近でそれぞれピークとなるが、ピークの強度が大きい１５３３ｎｍ付近の基本モードが優先的に発振するようになっている。
【００６５】
[基本モードおよび２次モード磁界分布]
次に、この実施形態のフォトニック結晶デバイス１０Ａにおける基本モードおよび２次モードの磁界分布を説明する。
【００６６】
図１０は第２実施形態のフォトニック結晶デバイス１０Ａにおける基本モードおよび２次モードの磁界分布を説明するための図であって、（ａ）は基本モード、（ｂ）は２次モードの磁界分布を示す。なお、図１０に示した磁界分布は、有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ法）により計算されたものである。また、磁界分布は、ｘｚ平面上の磁界分布である。
【００６７】
基本モードは図１０（ａ）に示すような磁界分布となり、２次モードは図１０（ｂ）に示すような磁界分布となる。この場合、それぞれのモードのＱ値の差は小さくなる。すなわち、基本モードのＱ値は3105となり、２次モードのＱ値は2091となった。これは、基本モードが、フォトニック結晶デバイス１０の出力導波路８１に結合する度合が強くなり、フォトニック結晶デバイス１０Ａの共振強度が弱い状態となるためである。
【００６８】
一方、従来例２では、基本モードのＱ値は3176となり、２次モードのＱ値は11884となった。図１０（ｂ）では、２次モードのＱ値が2091であったため、（ｂ）の場合には、従来例２の場合よりも２次モードのＱ値が２０％程度下がったことがわかる。これにより、本実施形態のフォトニック結晶デバイス１０Ａでは、基本モードのＱ値を劣化させないようにしつつ、２次モードのＱ値を小さくすることができる。
【００６９】
以上説明したように、本実施形態のフォトニック結晶デバイス１０Ａでは、欠陥領域１７，１８および出力導波路８１を構成することによって、単一モード発振が可能となる。
【００７０】
＜第３実施形態＞
以下、第３実施形態について図１１ないし図１３を参照して説明する。
【００７１】
図１１は、本実施形態におけるフォトニック結晶デバイス１０Ｂの構成例を示す斜視図である。
【００７２】
図１１において、フォトニック結晶デバイス１０Ｂが第１実施形態と異なるのは、ＩｎＰ埋め込み成長層１３に形成された欠陥領域９１，９２，９３，９４であるため、欠陥領域９１，９２，９３，９４について主に以下説明する。
【００７３】
欠陥領域９１，９２は、フォトニック結晶スラブ面（ｘｚ平面）に対して対称な形状となっている。すなわち、欠陥領域９１は、光導波路（活性層１４が埋め込まれたｚ軸方向の欠陥領域の部分）の導波方向（ｚ軸方向）に対して、ｘ軸方向に-３０°〜＋３０°の範囲（光導波路の導波方向に対して±３０°の領域を除いた範囲の領域）に形成され、欠陥領域９２は、光導波路の導波方向（ｚ軸方向）に対して、ｘ軸方向に+１５０°〜+２１０°の範囲（光導波路の導波方向に対して±３０°の領域を除いた範囲の領域）に形成されている。
【００７４】
欠陥領域９３，９４は、フォトニック結晶スラブ面（ｘｚ平面）に対して対称な形状となっている。すなわち、欠陥領域９３は、ｘ軸方向に対して、ｚ軸方向に-６０°〜＋６０°の範囲（光導波路の導波方向に対して±３０°の領域を除いた範囲の領域）に形成され、欠陥領域９４は、ｘ軸方向に対して、ｚ軸方向に+１２０°〜+２４０°の範囲（光導波路の導波方向に対して±３０°の領域を除いた範囲の領域）に形成されている。
【００７５】
なお、フォトニック結晶デバイス１０Ｂでは、第１実施形態と同様に、ＩｎＰ基板１１上に、エアギャップ２１を有するＩｎＧａＡｓ犠牲層１２、および、Ｘ状に配列された複数の空気穴２０を有するＩｎＰ埋め込み成長層１３が順に形成されている。空気穴２０の間隔は、例えば図１に例示した間隔と同じようにしてある。
【００７６】
[発振スペクトル特性]
次に、この実施形態のフォトニック結晶デバイス１０Ｂの発振スペクトルを従来例１と比較して説明する。
【００７７】
図１２は、第３実施形態のフォトニック結晶デバイス１０Ｂの発振スペクトルを図４の従来例１と比較して説明するための図である。なお、図１２に示す発振スペクトルは、有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ法）により計算されたものである。
【００７８】
図１２の破線で示すように、従来例１の場合の発振スペクトルは、図５の場合と同様に波長が１５１８ｎｍ付近、１５３２ｎｍ付近でそれぞれピークとなり、結果として、ピークの強度が強い２つのモードがともに発振するようになっている。
【００７９】
一方、フォトニック結晶デバイス１０Ｂの場合の発振スペクトルは、図１２の実線で示すように、波長が１５２２ｎｍ付近、１５３３ｎｍ付近でともにピークとなるが、ピークの強度が大きい１５３２ｎｍ付近の基本モードが優先的に発振するようになっている。
【００８０】
[基本モードおよび２次モード磁界分布]
次に、この実施形態のフォトニック結晶デバイス１０Ｂにおける基本モードおよび２次モードの磁界分布を説明する。
【００８１】
図１３は第３実施形態のフォトニック結晶デバイス１０Ｂにおける基本モードおよび２次モードの磁界分布を説明するための図であって、（ａ）は基本モード、（ｂ）は２次モードの磁界分布を示す。なお、図１３に示した磁界分布は、有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ法）により計算されたものである。また、磁界分布は、ｘｚ平面上の磁界分布である。
【００８２】
図１３（ａ）に示した基本モードは、ｚ軸方向（上下方向）に対して、ｘ軸方向（左右方向）に-３０°、+３０°傾いた分布となり、２次モードは、図１０（ｂ）に示したような分布となる。この場合、基本モードのＱ値は43320となり、２次モードのＱ値は1314なった。これにより、Ｑ値が大きい基本モードのみが優先的に共振することがわかる。
【００８３】
以上説明したように、本実施形態のフォトニック結晶デバイス１０Ｂでは、欠陥領域９１，９２，９３，９４を構成することによって、基本モードのみが優先的に共振するようになり、単一モード発振が可能となる。
【００８４】
＜第４実施形態＞
第４実施形態では、光励起により活性層へのキャリア注入を行う上記各実施形態のものと異なり、電流注入により活性層へのキャリア注入を行うものを例示している。
【００８５】
図１４は、第４実施形態におけるフォトニック結晶デバイス１０Ｃの試作例を説明するための図である。
【００８６】
図１４において、フォトニック結晶デバイス１０Ｃは、全体としてＩｎＰ基板１１上に形成されており、基板１１の上には、ＩｎＧａＡｓ犠牲層１２およびＩｎＰ埋め込み成長層１３が順に形成されている。
【００８７】
埋め込み成長層１３には、例えば、複数の空気穴２０を有する２次元フォトニック結晶スラブが構成されており、このフォトニック結晶中に、ＩｎＰ活性層１４が形成されている。複数の空気穴２０の配列は、図１に示した配列と同様になるようにしてある。
【００８８】
また、埋め込み成長層１３には、図１と同様に欠陥領域１５，１７，１８が形成されるとともに、線状の欠陥からなる出力導波路８２が形成されている。出力導波路８２は、欠陥領域１５すなわち光導波路の導波方向に対して±３０°の領域、例えば、光導波路からｘ軸方向に所定距離だけシフトする位置に形成されている。
【００８９】
また、この実施形態では、フォトニック結晶デバイス１０Ｃは、ｐ型電極３１、および、ｎ型電極３０を備える。この場合、各電極３０，３１へ電流が注入されると、電流注入がフォトニック結晶の平面方向（ｘｚ方向）に行われ、活性層１４へキャリアを注入することが可能となる。なお、図１４においても、活性層１４は、図２と同様にコア層領域３０を構成している。
【００９０】
なお、図１４では、ＰＮ接合とするために、イオン注入される領域ｄ１と、不純物が拡散される領域ｄ２が示してある。
【００９１】
[発振スペクトル特性]
次に、この実施形態のフォトニック結晶デバイス１０Ｃの発振スペクトルを説明する。
【００９２】
図１５は、第４実施形態のフォトニック結晶デバイス１０Ｃの発振スペクトルを示す図である。図１５に示す発振スペクトルは、実際に観測されたものである。
【００９３】
図１５において、発振スペクトルの出力パワーが最大となるのは、波長が１５３２ｎｍ程度の場合である。スペクトル計算では、波長が基本モードより１５ｎｍ大きい、または、基本モードより１５ｎｍ小さい付近で高次モードが現れることになるが、図１５の場合には高次モードの出力パワーのピークは観測されなかった。これにより、フォトニック結晶デバイス１０Ｃにおいても、上記各実施形態と同様に単一モード発振とすることができることがわかる。
【００９４】
[フォトニック結晶デバイスの作製方法]
次に、本実施形態におけるフォトニック結晶デバイス１０Ｃの作製方法について図１５を参照して説明する。この場合、図３（ａ）〜（ｆ）とほぼ同様に作製するが、図３（ａ）〜（ｄ）の工程を経て埋め込みヘテロ構造を作製した後、上述したイオン注入および拡散によりＰＮ接合を形成する。
【００９５】
次に、図３（ｅ）の工程を経て空気穴２０を形成した後、蒸着により電極３０，３１を形成する。
【００９６】
次に、図３（ｆ）の工程を経てエアギャップ２１を形成し、本実施形態のフォトニック結晶デバイス１０Ｃを作製する。
【００９７】
＜変形例＞
以上では、第１実施形態ないし第４実施形態を参照して、単一モード発振を実現することができるフォトニクス結晶デバイスについて説明したが、他の形状の構成を適用することもできる。
【００９８】
例えば、各実施形態のフォトニクス結晶デバイスでは、活性層の材料をＩｎＧａＡｓとしたが、例えばＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ等を適用してもよい。また、キャリア閉じ込め層の材料をＩｎＧａＡｓＰとしたが、例えば、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ等を適用してもよい。
【００９９】
あるいは、埋め込み成長層の材料をＩｎＰとしたが、例えばＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ等を適用してもよい。また、ＩｎＰ基板１１を用いる場合について説明しているが、例えば、ＧａＡｓ、サファイア基板、シリコン基板、または、他の半導体基板を適用することもできる。
【０１００】
空気穴の間隔または配列は、各実施形態に限られるものではなく、変更可能である。あるいは、欠陥領域の配置についても、各実施形態に限られるものではなく、変更可能である。例えば、フォトニック結晶の基本モードの電磁分布が強い領域を除く範囲に形成されるようにすれば、欠陥領域は、光導波路の導波方向に対して±３０°の領域を除いた範囲の一部、または、全部の領域に形成するようにしてもよい。
【０１０１】
フォトニクス結晶デバイスは、半導体レーザの場合を例にとって説明したが、例えば屈折率の変化を利用する半導体光スイッチに適用するようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１０２】
１０    半導体レーザ
１１    基板
１２    活性層
１３    埋め込み成長層
１４    活性層
１５    欠陥領域（光導波路）
１７，１８，９１，９２，９３，９４  欠陥領域
３０    コア層領域
８１    出力導波路
１４１，１４２  キャリア閉じ込め層
【図１】
0005612620.tif 000002
【図２】
0005612620.tif 000003
【図３】
0005612620.tif 000004
【図４】
0005612620.tif 000005
【図５】
0005612620.tif 000006
【図７】
0005612620.tif 000007
【図８】
0005612620.tif 000008
【図９】
0005612620.tif 000009
【図１１】
0005612620.tif 000010
【図１２】
0005612620.tif 000011
【図１４】
0005612620.tif 000012
【図１５】
0005612620.tif 000013
【図６】
0005612620.tif 000014
【図１０】
0005612620.tif 000015
【図１３】
0005612620.tif 000016