(57)【要約】      （修正有）【課題】フォトニック結晶に対して垂直な方向への射出光の強度を従来のものよりも低減させ、レーザ発振に必要な閾値を十分に下げることが可能となるフォトニック結晶レーザを提供する。【解決手段】活性層１０３と、フォトニック結晶層を有し波長λで発振するフォトニック結晶レーザであって、フォトニック結晶層は、活性層に近い側に設けられた第１のフォトニック結晶層１１１と、第１のフォトニック結晶層よりも活性層から遠い側に設けられた第２のフォトニック結晶層１１２とを備え、フォトニック結晶層の実厚さとフォトニック結晶レーザが形成する導波モードの有効屈折率との積によって規定される光学的な厚みと波長λとが等しく、第２のフォトニック結晶層の平均屈折率が第１のフォトニック結晶層の平均屈折率よりも高く、第２のフォトニック結晶層の厚みが、フォトニック結晶層の厚みの半分以上に構成される。【選択図】図１
2014067945.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、フォトニック結晶層を有し、波長λで発振するフォトニック結晶レーザであって、
前記フォトニック結晶層は、
前記活性層に近い側に設けられた第１のフォトニック結晶層と、
該第１のフォトニック結晶層よりも前記活性層から遠い側に設けられた第２のフォトニック結晶層とを備え、
前記フォトニック結晶層の実厚さと前記フォトニック結晶レーザが形成する導波モードの有効屈折率との積によって規定される光学的な厚みと、前記波長λとが等しく、
前記２のフォトニック結晶層の平均屈折率が、前記第１のフォトニック結晶層の平均屈折率よりも高く、
前記第２のフォトニック結晶層の厚みが、前記フォトニック結晶層の厚みの半分以上であることを特徴とするフォトニック結晶レーザ。
【請求項２】
前記第２のフォトニック結晶層を構成する高屈折率媒質の屈折率が、前記第１のフォトニック結晶層を構成する高屈折率媒質の屈折率よりも高いことを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶レーザ。
【請求項３】
前記第１のフォトニック結晶層の中に、前記波長の１／１０以下の大きさの第１の微小孔が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のフォトニック結晶レーザ。
【請求項４】
前記第２のフォトニック結晶層の中に、前記波長の１／１０以下の大きさの第２の微小孔が設けられており、
前記第２の微小孔の体積密度が、前記第１の微小孔の体積密度よりも小さいことを特徴とする請求項３に記載のフォトニック結晶レーザ。
【請求項５】
前記第２のフォトニック結晶層を構成する低屈折率媒質の屈折率が、前記第１のフォトニック結晶層を構成する低屈折率媒質の屈折率よりも高い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レーザ。
【請求項６】
前記第２のフォトニック結晶層を構成する高屈折率媒質と低屈折率媒質との誘電率差が、前記第１のフォトニック結晶層を構成する高屈折率媒質と低屈折率媒質との誘電率差に等しいことを特徴とする請求項５に記載のフォトニック結晶レーザ。
【請求項７】
前記第２のフォトニック結晶層を構成する低屈折率媒質の充填率が、前記第１のフォトニック結晶層を構成する低屈折率媒質の充填率よりも低いことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のフォトニック結晶レーザ。
【請求項８】
前記第１のフォトニック結晶層を構成する低屈折率媒質の充填率が０．５よりも大きく、前記第２のフォトニック結晶層を構成する低屈折率媒質の充填率が０．５よりも小さいことを特徴とする請求項７に記載のフォトニック結晶レーザ。
【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。例えば、特許文献１には、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開示されている。
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等が周期的に設けられており、２次元的に周期的な屈折率分布を持っている。
活性層で生成された光は、導波モードを面内方向に伝搬しながら、フォトニック結晶の周期的な屈折率分布による回折を受けて、定在波を形成してレーザ発振する。レーザ発振した光は、フォトニック結晶によって回折され、活性層の面に垂直な方向に射出される。
フォトニック結晶レーザにおいて、レーザ発振に必要な閾値を下げるためには、フォトニック結晶に対して垂直な方向への射出光強度を下げることが好ましい。  非特許文献１には、フォトニック結晶レーザにおいて、フォトニック結晶の厚みが、垂直方向への射出光の強度に影響を与えることにつき、つぎのようなことが開示されている。
フォトニック結晶の厚み方向の位置が異なる光同士が、互いに干渉して強めあいや弱めあいを生じるため、射出光の強度が異なる。
フォトニック結晶層の光学的な厚み（実厚さと屈折率の積）をレーザの発振波長λに等しくすると、弱めあいの条件が生じ、射出強度を下げることができる。
即ち、フォトニック結晶層の光学的な厚みをλに等しくすることで、レーザ発振に必要な閾値を下げることができる、ということが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１６５２５５号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｓ．  Ｉｗａｈａｓｈｉ，  ｅｔ  ａｌ．，  Ｊ．  Ｏｐｔ．  Ｓｏｃ．  Ａｍ．  Ｂ  ２７，  １２０４  （２０１０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、非特許文献１に開示されている手法を用い、フォトニック結晶層の光学的な厚みをλに等しくしても、フォトニック結晶に対して垂直な方向への射出光の強度を十分に落とすことができない。
その理由を、以下に説明する。
レーザ発振を実現するためには、フォトニック結晶レーザにおいても、通常の端面共振器型レーザと同様に、活性層近傍に光を閉じ込める必要がある。
そのため、形成される導波モードのフォトニック結晶層内における面垂直方向の光強度分布は、一様でなく活性層側に集中した不均一な分布となる。
従って、フォトニック結晶層内において、活性層側で発生した射出光の強度は、活性層と反対側で発生した射出光の強度よりも強く、射出光同士の弱めあいが不十分になってしまう。
その結果、レーザ発振に必要な閾値を十分に下げることができない。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑み、フォトニック結晶に対して垂直な方向への射出光の強度を従来のものよりも低減させ、レーザ発振に必要な閾値を十分に下げることが可能となるフォトニック結晶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】
【０００７】
本発明のフォトニック結晶レーザは、活性層と、フォトニック結晶層を有し、波長λで発振するフォトニック結晶レーザであって、
前記フォトニック結晶層は、
前記活性層に近い側に設けられた第１のフォトニック結晶層と、
該第１のフォトニック結晶層よりも前記活性層から遠い側に設けられた第２のフォトニック結晶層とを備え、
前記フォトニック結晶層の実厚さと前記フォトニック結晶レーザが形成する導波モードの有効屈折率との積によって規定される光学的な厚みと、前記波長λとが等しく、
前記２のフォトニック結晶層の平均屈折率が、前記第１のフォトニック結晶層の平均屈折率よりも高く、
前記第２のフォトニック結晶層の厚みが、前記フォトニック結晶層の厚みの半分以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、フォトニック結晶に対して垂直な方向への射出光の強度を従来のものよりも低減させ、レーザ発振に必要な閾値を十分に下げることが可能となるフォトニック結晶レーザを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態におけるフォトニック結晶レーザの全体構成を説明する断面図。
【図２】本発明の実施形態におけるフォトニック結晶レーザを説明するための回折光同士の干渉の様子を示す図。
【図３】本発明の実施形態のフォトニック結晶レーザと従来のフォトニック結晶レーザとの比較による説明をするための図。
【図４】本発明の実施形態のフォトニック結晶レーザにおける層の厚みと射出光強度の関係について説明する図。
【図５】本発明の実施形態におけるフォトニック結晶レーザの変形例について説明する図。
【図６】本発明の実施例１におけるフォトニック結晶レーザの構成例について説明する図。
【図７】本発明の実施例２におけるフォトニック結晶レーザの構成例について説明する図。
【図８】本発明の実施例３におけるフォトニック結晶レーザの構成例について説明する図。
【図９】本発明の実施例４におけるフォトニック結晶レーザの構成例について説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施形態について、図１を用いて説明する。
図１において、１００はフォトニック結晶レーザであり、本実施形態のフォトニック結晶レーザ１００は、基板１０１上に、ｎ型伝導層１０２、活性層１０３、ｐ型伝導層１０４が設けられている。
ｐ型伝導層１０４は、電子ブロック層１０５と、フォトニック結晶層１１０と、ｐ型コンタクト層１０６を有する。そして、ｐ型電極１０７とｎ型電極１０８が素子の上下に設けられている。
フォトニック結晶層１１０は、ｐ型半導体中に、基板面内方向（ｘｙ方向）に空孔が周期的に形成されている２次元フォトニック結晶からなっている。
そして、フォトニック結晶層１１０は、活性層１０３に近い方から第１のフォトニック結晶層１１１、第２のフォトニック結晶層１１２がｚ方向に積層された構造である。
【００１１】
ｐ型電極１０７からｐ型伝導層１０４を通って注入された正孔と、ｎ型電極１０８からｎ型伝導層１０２を通って注入された電子は、活性層１０３にて発光再結合を起こし、光に変換される。
生成された光は、フォトニック結晶層１１０中の、高屈折率媒質と低屈折率媒質による周期的な屈折率変化を感じて面内回折し、定在波を形成してレーザ発振する。そして、フォトニック結晶層１１０中の、高屈折率媒質と低屈折率媒質による周期的な屈折率変化を感じて面外回折し、射出光としてｚ方向に取り出される。
【００１２】
ここで、本実施形態のフォトニック結晶レーザにおける、フォトニック結晶層の厚みと、フォトニック結晶層を構成する媒質の屈折率について説明する。
本実施形態におけるフォトニック結晶層１１０の光学的な厚みは、レーザ発振波長λに等しい。
光学的な厚みとは、フォトニック結晶層の実厚さと屈折率の積により規定され、具体的には、フォトニック結晶レーザが形成する導波モードの有効屈折率と、フォトニック結晶層１１０の実厚さの積を取ったものである。
フォトニック結晶層１１２の高屈折率媒質であるｐ型半導体１２２の屈折率は、フォトニック結晶層１１１の高屈折率媒質であるｐ型半導体１２１の屈折率よりも高い。
また、フォトニック結晶層１１１、１１２の低屈折率媒質は共に空気であり、空孔の大きさは等しい。
従って、第２のフォトニック結晶層１１２の平均屈折率は、第１のフォトニック結晶層１１１の平均屈折率よりも高い。
平均屈折率Ｎａｖは、低屈折率媒質である空孔の充填率をｆｆ、屈折率をＮｌ、高屈折率媒質であるｐ型半導体の屈折率をＮｈとした時、以下の式のように定義される。
Ｎａｖ＝√｛（ｆｆ）×（Ｎｌ）2＋（１−ｆｆ）×（Ｎｈ）2｝
また、第２のフォトニック結晶層１１２の厚みは、フォトニック結晶層１１０の厚みの半分以上である。このような構成とすることで、フォトニック結晶レーザ１００の発振に必要な閾値を低減することができる。
【００１３】
以下に、従来のフォトニック結晶レーザとの比較を行いつつ、本発明の原理について説明する。
フォトニック結晶層で発生した回折光同士は干渉し、ちょうどｚ方向の光学的な距離がλ／２であるときに打ち消しあう。
従って、フォトニック結晶層内の光強度分布が完全に均一であれば、フォトニック結晶層の光学的な厚みをλとすることで、各場所で発生した回折光同士が弱めあい、射出光は発生しない（図２（ａ））。
しかし、フォトニック結晶層の光強度分布が不均一な場合、光強度が強い場所で発生した回折光の一部が残る（図２（ｂ））。
【００１４】
図３（ｂ）は、フォトニック結晶層が単一の層から形成される、従来のフォトニック結晶レーザ１０００の、ｚ方向の光強度分布を示したものである。
フォトニック結晶層１０１０の光学的な厚みは、フォトニック結晶１００と同様に、λに等しい。なお、フォトニック結晶層１０１０のうち最も活性層に近い場所の座標をｚ＝０とし、ｚ座標は実厚みでなく光学的な厚みに換算してある。
【００１５】
図３（ｂ）よりわかるように、フォトニック結晶層１０１０内における光強度分布は、ｚ＝０（活性層）側が強くなるような非対称な分布となっている。従って、フォトニック結晶レーザ１０００では、フォトニック結晶層１０００のうち、ｚ＝０近傍で発生した回折光が残り、主として射出される。
つまり、フォトニック結晶レーザ１０００において、射出光強度を減らすためには、ｚ＝０近傍で発生した回折光に対し、ｚ＝λ／２近傍で発生した回折光の強度を増加させればよい。
【００１６】
フォトニック結晶レーザ１００では、フォトニック結晶層１１０内の平均屈折率にｚ方向の分布を持たせることで、フォトニック結晶層内において、ｚ＝０近傍の光強度に対し、ｚ＝λ／２近傍の光強度を強めている。
これにより、ｚ＝０近傍で発生した回折光とｚ＝λ／２近傍で発生した回折光の強度の差が減少し、射出光を低減させることができる。
図３（ａ）は、フォトニック結晶レーザ１００のｚ方向の光強度分布と、従来のフォトニック結晶レーザ１０００の光強度分布を比較して示したものである。
図３（ｂ）と同様に、フォトニック結晶層１１０のうち最も活性層に近い場所の座標をｚ＝０とし、ｚ座標は実厚みでなく光学的な厚みに換算してある。
フォトニック結晶レーザ１００の光強度分布は、フォトニック結晶レーザ１０００の光強度分布に対し、ｚ＝０近傍で光強度が減少し、ｚ＝λ／２近傍において、光強度が増加しているのが分かる。
即ち、フォトニック結晶レーザ１００は、従来のフォトニック結晶レーザ１０００に対し、ｚ＝０近傍とｚ＝λ／２近傍で発生した回折光の強度の差が小さい。これは、フォトニック結晶層１１１よりもフォトニック結晶層１１２の平均屈折率を高くしたことで、ｚ＝０近傍に集中していた光強度分布が、ｚ＝λ／２近傍に拡がったためである。
その結果、垂直方向への射出光の強度を低減させることができ、フォトニック結晶レーザ１００に必要な閾値を下げることができる。
【００１７】
つぎに、第２のフォトニック結晶層１１２の厚みについて説明する。
図４は、干渉の結果、射出される光の強度を示したものである。
横軸は、第２のフォトニック結晶層１１２の光学的な厚みをλで規格化した値であり、縦軸は、フォトニック結晶レーザ１００からの全射出光強度である。
縦軸の値は、従来のフォトニック結晶レーザ１０００からの射出光強度を１として規格化してある。
図４から分かるように、フォトニック結晶層１１２の光学的な厚みがλ／２以上の時に、射出光強度がフォトニック結晶レーザ１０００よりも減少する。
これは、以下のように説明できる。
フォトニック結晶層１１２の光学的な厚みがλ／２以上の場合、ｚ＝λ／２は平均屈折率が相対的に高いフォトニック結晶層１１２中にあるため、ｚ＝λ／２の光強度は強くなる。
一方、フォトニック結晶層１１２の光学的な厚みがλ／２未満の場合、ｚ＝λ／２は、平均屈折率が相対的に低いフォトニック結晶層１１１中にあるため、ｚ＝λ／２の光強度は弱くなってしまう。
従って、ｚ＝λ／２がフォトニック結晶層１１２に含まれる、第２のフォトニック結晶層１１２の厚みがフォトニック結晶層１１０の半分以上の場合に、射出光強度を低減させることができる。
なお、図４からわかるように、第２のフォトニック結晶層１１２の光学的な厚みは３λ／４に近い方が好ましい。
なぜならば、ｚ＝０で発生した回折光に対して、λ／４＜ｚ＜３λ／４で発生した回折光は逆位相であり、λ／４＜ｚ＜３λ／４が、相対的に平均屈折率の高いフォトニック結晶層１１２に含まれた場合が最も好ましいためである。
なお、フォトニック結晶層１１０の光学的な厚みが完全に波長λに一致していない場合も、本発明に係る「フォトニック結晶の光学的な厚みと波長λとが等しい」範囲に含まれる場合がある。
例えば、フォトニック結晶の光学的な厚みと波長λとが製造誤差程度ずれている場合は、フォトニック結晶の光学的な厚みと波長λがと等しい範囲であるといえる。
また、光学的な大きさが波長λの１／１０以下の構造は、波長のλの光にとってほぼ均一な構造とみなせる。そのため、フォトニック結晶の光学的な厚みと波長λとに波長λの１／１０以下の差がある場合も、「フォトニック結晶の光学的な厚みと波長λとが等しい」範囲であるといえる。
なお、図１におけるフォトニック結晶レーザ１００では、フォトニック結晶の高屈折率媒質であるｐ型半導体を変えていたが、層全体の平均屈折率が変わっていれば、ｐ型半導体は同じでも良い。
以下に、フォトニック結晶レーザ１００の変形例について図５を用いて説明する。
図５（ａ）は、図１におけるフォトニック結晶レーザの一つの変形例について説明する図である。
図５（ａ）におけるフォトニック結晶レーザは、第１のフォトニック結晶層１１１を構成するｐ型半導体中に、光の回折に寄与しない第１の微小孔１４１が設けられている。
第１の微小孔の存在によって、第２のフォトニック結晶層１１２の平均屈折率が、第１のフォトニック結晶層１１１よりも高くなっている。
このように、ｐ型半導体そのものは変えずに、微小孔を設けることで、第２のフォトニック結晶層１１２の平均屈折率を第１のフォトニック結晶層１１１よりも高くしても良い。
微小孔の体積密度で平均屈折率が制御できるため、ｐ型半導体そのものを変える場合よりも、屈折率の制御範囲を広げることができる。
微小孔１４１の大きさは、光の回折に寄与しない程度であればよく、発振波長λの１／１０以下の大きさであれば好ましい。
また、フォトニック結晶層１１１、フォトニック結晶層１１２の双方に、第１の微小孔１４１、第２の微小孔１４２を設けてもよい。
この場合、第２の微小孔１４２の体積密度を第１の微小孔１４１の体積密度よりも低くすれば、フォトニック結晶層１１２の平均屈折率を、フォトニック結晶層１１１よりも高くすることができる。
【００１８】
図５（ｂ）は、図１におけるフォトニック結晶レーザの別の変形例について説明する図である。
図５（ｂ）におけるフォトニック結晶レーザでは、第１のフォトニック結晶層１１１を構成するｐ型半導体と第２のフォトニック結晶層を構成するｐ型半導体は同じ媒質である。
また、空孔がｐ型半導体よりも屈折率の低い媒質で充填されており、フォトニック結晶層１１２の低屈折率媒質である媒質１３２の屈折率は、フォトニック結晶層１１１の低屈折率媒質である媒質１３１の屈折率よりも高い。媒質１３１と媒質１３２の屈折率の相違を反映して、フォトニック結晶層１１２の平均屈折率が、フォトニック結晶層１１１の平均屈折率よりも高くなっている。
このように、低屈折率媒質を変えて、第２のフォトニック結晶層１１２の平均屈折率を、第１のフォトニック結晶層１１１よりも高くしても良い。
【００１９】
図５（ｃ）は、図１におけるフォトニック結晶レーザの別の変形例について説明する図である。
図５（ｃ）におけるフォトニック結晶レーザは、図５（ｂ）におけるフォトニック結晶レーザに対し、ｐ型半導体１２２の屈折率がｐ型半導体１２１の屈折率よりも高くなっている点が異なる。
このように、高屈折率媒質、低屈折率媒質を共に変えて、第２のフォトニック結晶層１１２の平均屈折率を、第１のフォトニック結晶層１１１よりも高くしても良い。
高屈折率媒質、低屈折率媒質を共に変えた場合、片方の媒質のみを変えた場合に比べて、フォトニック結晶層１１１とフォトニック結晶層１１２の回折効率の差が抑えられるため、好ましい。
特に、高屈折率媒質と低屈折率媒質の誘電率差を等しくしつつ、平均屈折率を変えると、フォトニック結晶層１１１とフォトニック結晶層１１２の回折効率を等しくできるため、更に好ましい。
【００２０】
図５（ｄ）は、図１におけるフォトニック結晶レーザの別の変形例について説明する図である。
図５（ｄ）におけるフォトニック結晶レーザは、フォトニック結晶層を形成する高屈折率媒質と低屈折率媒質は同じだが、低屈折率媒質である空孔の充填率が異なっている。具体的には、第２のフォトニック結晶層１１２中の低屈折率媒質の充填率が、第１のフォトニック結晶層１１１の低屈折率媒質の充填率よりも低い。低屈折率媒質の充填率の相違を反映し、フォトニック結晶層１１２の平均屈折率が、フォトニック結晶層１１１よりも高い。
このように、低屈折率媒質の充填率を変えて、第２のフォトニック結晶層１１２の平均屈折率を、第１のフォトニック結晶層１１１よりも高くしても良い。
低屈折率媒質の充填率を変える場合、フォトニック結晶層１１１の低屈折率媒質の充填率は０．５より大きく、フォトニック結晶層１１２の低屈折率媒質の充填率は０．５より小さいほうが、好ましい。
なぜなら、低屈折率媒質の充填率が０．５に近いほど回折効率が高いため、０．５をまたぐように充填率を変化させれば、フォトニック結晶層１１１とフォトニック結晶層１１２の回折効率の差を小さくすることができるためである。
【００２１】
なお、フォトニック結晶の場所として、以上ではフォトニック結晶層１１０はｐ型伝導層に設けられているとしたが、図５（ｅ）のようにｎ型伝導層に設けられていてもよい。
特に低屈折率媒質である空孔の充填率を変える場合、フォトニック結晶層１１０がｎ型クラッド層に設けられていたほうが、製造が容易なため好ましい。
なぜなら、空孔の充填率の高い層の上に空孔の充填率の低い層を積層する場合、下側の空孔の一部が埋まり、形状の制御が困難なためである。
フォトニック結晶層１１０をｎ型伝導層に設けた場合、活性層から遠い第２のフォトニック結晶層１１２が基板１０１に近い側に来るため、空孔の充填率の低い層を先に積層することができる。
【００２２】
また、フォトニック結晶層１１０は３つ以上の層からなっていても良い。
具体的には、図５（ｆ）のように、第２のフォトニック結晶層１１２が更に２つの層に分かれていても良い。層の分割数を増やすことで、フォトニック結晶内の光強度分布を、より精密に制御することができる。
【００２３】
また、フォトニック結晶を構成する半導体や活性層は、一般的な化合物半導体を用いることができる。たとえばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰなどを用いればよい。
【実施例】
【００２４】
以下に、本発明の実施例について説明する。以下の実施例は、実施形態で述べた、フォトニック結晶レーザの構造を具体的に示すものである。
［実施例１］
実施例として、高屈折率媒質を変えて平均屈折率を変えた場合（図１）に相当する構成例について、図６を用いて説明する。
図６に、本実施例におけるフォトニック結晶レーザ２００の層構成を示す。
フォトニック結晶レーザ２００は、波長λ＝４００ｎｍでレーザ発振するように設計されており、導波モードの有効屈折率は２．５である。
フォトニック結晶層２１０の光学的な厚みが４００ｎｍとなるように、フォトニック結晶層２１０の実厚みは１６０ｎｍとなっている。
また、第１のフォトニック結晶層２１１の実厚みは４０ｎｍ（光学的な厚みはλ／４）、第２のフォトニック結晶層２１２の実厚みは１２０ｎｍ（光学的な厚みは３λ／４）である。即ち、第２のフォトニック結晶層２１２の厚みは、フォトニック結晶層２１０の厚みの半分以上である。
【００２５】
フォトニック結晶層２１１は、ｐ−ＧａＮ中に、直径６４ｎｍの円形の空孔が周期１６０ｎｍで並ぶ周期パターンを有する。
一方、フォトニック結晶層２１２は、ｐ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ中に、直径６４ｎｍの円形の空孔が周期１６０ｎｍで並ぶ周期パターンを有する。即ち、フォトニック結晶層２１１とフォトニック結晶層２１２は、フォトニック結晶を構成する高屈折率媒質のみが異なっている。
波長４００ｎｍにおいて、ｐ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎの屈折率は２．５９、ｐ−ＧａＮの屈折率は２．５０であり、ｐ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎの屈折率の方が高い。そのため、フォトニック結晶層２１２の平均屈折率は、フォトニック結晶層２１１の平均屈折率よりも高い。
このような構成とすることで、前述したように、回折光同士の強度差が減少し、フォトニック結晶レーザの閾値を下げることができる。
【００２６】
つぎに、フォトニック結晶レーザ２００の製造方法を説明する。
まず、ｎ型ＧａＮ基板上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、窒化物半導体を図６に示す層構成になるように、ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ電子ブロック層まで順次積層する。
ついで、後にフォトニック結晶層２１１となるｐ−ＧａＮを４０ｎｍ、後にフォトニック結晶２１２となるｐ−Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎを１２０ｎｍ、ＭＯＣＶＤ法を用いて積層する。
次に、電子線リソグラフィとドライエッチングを用いて、フォトニック結晶を構成する、深さ１６０ｎｍの孔を形成する。
このようにして、フォトニック結晶層２１１とフォトニック結晶層２１２が形成される。その後、再度ＭＯＣＶＤによってｐ型コンタクト層１０６を成長させ、電子線蒸着によってＮｉ／Ａｕからなるｐ型電極１０７とＴｉ／Ａｌからなるｎ型電極１０８を付けることで、フォトニック結晶レーザ２００を製造することができる。
【００２７】
［実施例２］
実施例２として、微小孔によって平均屈折率を変えた場合（図５（ａ））に相当する構成例について、図７を用いて説明する。
図７に、本実施例におけるフォトニック結晶レーザ３００の層構成を示す。
レーザの発振波長や導波モードの屈折率、フォトニック結晶層の厚みはフォトニック結晶レーザ２００と同じである。
フォトニック結晶層を構成する高屈折率媒質はｐ−ＧａＮであり、第１のフォトニック結晶層３１１に直径１０ｎｍ、深さ１０ｎｍ程度の円筒形の微小孔が、体積密度１０％で設けられている。
微小孔が設けられているため、フォトニック結晶層３１２の平均屈折率は、フォトニック結晶層３１１の平均屈折率よりも高い。
微小孔を設けるためには、フォトニック結晶を形成する時と同様に電子線リソグラフィとドライエッチングを用いても良いし、ＭＯＣＶＤの成長条件を変えて膜質を制御しても良い。
【００２８】
［実施例３］
実施例３として、高屈折率媒質と低屈折率媒質を共に変えて、平均屈折率を変えた場合（図５（ｃ））に相当する構成例について、図８を用いて説明する。
図８に、本実施例におけるフォトニック結晶レーザ４００の構造と層構成を示す。レーザの発振波長や導波モードの屈折率、フォトニック結晶層の厚みはフォトニック結晶レーザ２００と同じである。
第１のフォトニック結晶層４１１を構成する低屈折率媒質はＭｇＦ2であり、第２のフォトニック結晶層４１２を構成する低屈折率媒質はＳｉＯ2である。
波長４００ｎｍにおいて、ＭｇＦ2の屈折率は１．３８、ＳｉＯ2の屈折率は１．５０であり、ＳｉＯ2の屈折率の方が高い。
高屈折率媒質、低屈折率媒質ともフォトニック結晶層４１２の屈折率が高いため、フォトニック結晶層４１２の平均屈折率は、フォトニック結晶層４１１の平均屈折率よりも高い。
また、フォトニック結晶層４１１におけるｐ−ＧａＮとＳｉＯ2の誘電率差、フォトニック結晶層４１２におけるｐ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97ＮとＭｇＦ2の誘電率差は共に４．５と等しい。
空孔を低屈折率媒質で充填するには、電子線リソグラフィとドライエッチにより周期的な空孔を形成した後、ＳｉＯ2やＭｇＦ2をスパッタ等によって成膜し、表面をＣＭＰ等で切削すればよい。
【００２９】
［実施例４］
実施例４として、低屈折率媒質の充填率を変えて、平均屈折率を変えた場合（図５（ｅ））に相当する構成例について、図９を用いて説明する。
図９に、本実施例におけるフォトニック結晶レーザ５００の構造と層構成を示す。
レーザの発振波長や導波モードの屈折率、フォトニック結晶層の厚みはフォトニック結晶レーザ２００と同じである。
但し、フォトニック結晶層はｐ型伝導層中ではなく、ｎ型伝導層中に設けられている。
フォトニック結晶層を構成する高屈折率媒質はｎ−ＧａＮ、低屈折率媒質は空気であり、第１のフォトニック結晶層５１１の空孔は直径１４０ｎｍの円孔、第２のフォトニック結晶層５１２の空孔は直径１１０ｎｍの円孔である。フォトニック結晶層５１１の空孔の充填率は０．５２で０．５より大きく、フォトニック結晶層５１２の空孔の充填率は０．３７で０．５より小さく、回折効率がほぼ等しくなるように調整されている。
空孔の大きさを変えるには、第２のフォトニック結晶層５１２を形成した後、再度電子線リソグラフィとドライエッチにより第１のフォトニック結晶層５１１を形成すればよい。
フォトニック結晶レーザ５００は、ｎ−ＧａＮ中にフォトニック結晶層が設けられているため、空孔の充填率の小さいフォトニック結晶層５１２を先に形成することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１００：フォトニック結晶レーザ
１０１：基板
１０２：ｎ型伝導層
１０３：活性層
１０４：ｐ型伝導層
１０５：電子ブロック層
１０６：ｐ型コンタクト層
１０７：ｐ型電極
１０８：ｎ型電極
１１０：フォトニック結晶層
１１１：第１のフォトニック結晶層
１１２：第２のフォトニック結晶層
１２１、１２２：ｐ型半導体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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