(57)【要約】【課題】簡易な構造で安定した発振を維持しつつ、レーザビームのビーム出射角度、ビーム拡がり角度および形状の制御が可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供する。【解決手段】２次元フォトニック結晶面発光レーザは、フォトニック結晶層１２と、フォトニック結晶層内に周期的に配置され、フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造のバンド端における光波を、フォトニック結晶層の面内で回折させると共に面垂直方向に回折させる共振状態形成用格子点１２Ａとを備える。共振状態形成用格子点には、光波を、フォトニック結晶層の面垂直方向に回折させるための摂動が加えられている。摂動が加えられている共振状態形成用格子点１２Ａは、摂動状態形成用格子点１２Ｐで表される。「摂動」とは、共振状態形成用格子点１２Ａに対して、周期的に変調を加えることを云う。例えば、屈折率変調、孔の大きさ変調、孔の深さ変調であっても良い。【選択図】図６７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトニック結晶層と、
前記フォトニック結晶層内に周期的に配置され、前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造のバンド端における光波を、前記フォトニック結晶層の面内で回折させると共に前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折させる共振状態形成用格子点と
を備え、
前記共振状態形成用格子点には、前記光波を、前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折させるための摂動が加えられてい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】
前記共振状態形成用格子点に加えられている摂動は、周期的変調であることを特徴とする請求項１に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項３】
前記周期的変調は、屈折率変調であることを特徴とする請求項２に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項４】
前記周期的変調は、孔の大きさ変調であることを特徴とする請求項２に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項５】
前記周期的変調は、孔の深さ変調であることを特徴とする請求項２に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項６】
前記周期的変調は、孔の大きさ変調および孔の深さ変調であることを特徴とする請求項２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】
前記共振状態形成用格子点は、正方格子、長方格子、面心長方格子、若しくは三角格子のいずれかに配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項８】
前記共振状態形成用格子点は、正方格子若しくは長方格子に配置され、かつ前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造におけるΓ点、Ｘ点、若しくはＭ点における光波を前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折可能であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項９】
前記共振状態形成用格子点は、面心長方格子若しくは三角格子に配置され、かつ前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造におけるΓ点、Ｘ点、若しくはＪ点における光波を前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折可能であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項１０】
基板と、
前記基板上に配置された第１クラッド層と、
前記第１クラッド層上に配置された第２クラッド層と、
前記第１クラッド層と前記第２クラッド層に挟まれた活性層と
を備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項１１】
前記フォトニック結晶層は、前記第１クラッド層と前記第２クラッド層との間に、前記活性層の面垂直方向に前記活性層に隣接して配置されたことを特徴とする請求項１０に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項１２】
前記フォトニック結晶層は、前記第１クラッド層と前記活性層との間に配置されたことを特徴とする請求項１０に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項１３】
前記フォトニック結晶層は、前記第２クラッド層と前記活性層との間に配置されたことを特徴とする請求項１０に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項１４】
前記共振状態形成用格子点には、複数の摂動が加えられていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項１５】
前記複数の摂動は、任意の方向に加えられていることを特徴とする請求項１４に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項１６】
前記複数の摂動は、重ね合わせにより加えられていることを特徴とする請求項１４または１５に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項１７】
フォトニック結晶層と、
前記フォトニック結晶層内に周期的に配置され、前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造のバンド端における光波を、前記フォトニック結晶層の面内で回折させる共振状態形成用格子点と、
前記フォトニック結晶層内に周期的に配置され、前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造のバンド端における光波を、前記フォトニック結晶層の面内で回折させると共に前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折させる摂動状態形成用格子点と
を備え、
前記摂動状態形成用格子点は、前記光波を、前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折させるための摂動が前記共振状態形成用格子点の一部に加えられて形成されてい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１８】
前記摂動状態形成用格子点に加えられている摂動は、周期的変調であることを特徴とする請求項１７に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項１９】
前記周期的変調は、屈折率変調であることを特徴とする請求項１８に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項２０】
前記周期的変調は、孔の大きさ変調であることを特徴とする請求項１８に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項２１】
前記周期的変調は、孔の深さ変調であることを特徴とする請求項１８に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項２２】
前記周期的変調は、孔の大きさ変調および孔の深さ変調であることを特徴とする請求項１８に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項２３】
基板と、
前記基板上に配置された第１クラッド層と、
前記第１クラッド層上に配置された第２クラッド層と、
前記第１クラッド層と前記第２クラッド層に挟まれた活性層と
を備えることを特徴とする請求項１７〜２２のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項２４】
前記フォトニック結晶層は、前記第１クラッド層と前記第２クラッド層との間に、前記活性層の面垂直方向に前記活性層に隣接して配置されたことを特徴とする請求項２３に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項２５】
前記フォトニック結晶層は、前記第１クラッド層と前記活性層との間に配置されたことを特徴とする請求項２３に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項２６】
前記フォトニック結晶層は、前記第２クラッド層と前記活性層との間に配置されたことを特徴とする請求項２３に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項２７】
前記共振状態形成用格子点および前記摂動状態形成用格子点は、正方格子、長方格子、面心長方格子、若しくは三角格子のいずれかに配置されていることを特徴とする請求項１７〜２６のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項２８】
前記共振状態形成用格子点および前記摂動状態形成用格子点は、正方格子若しくは長方格子に配置され、かつ前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造におけるΓ点、Ｘ点、若しくはＭ点における光波を前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折可能であることを特徴とする請求項１７〜２６のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項２９】
前記共振状態形成用格子点および前記摂動状態形成用格子点は、面心長方格子若しくは三角格子に配置され、かつ前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造におけるΓ点、Ｘ点、若しくはＪ点における光波を前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折可能であることを特徴とする請求項１７〜２６のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項３０】
前記摂動状態形成用格子点には、複数の摂動が加えられていることを特徴とする請求項１７〜２９のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項３１】
前記複数の摂動は、任意の方向に加えられていることを特徴とする請求項３０に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項３２】
前記複数の摂動は、重ね合わせにより加えられていることを特徴とする請求項３０または３１に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項３３】
前記共振状態形成用格子点の配置される共振器領域の大きさを維持したまま、前記摂動状態形成用格子点の配置される摂動状態形成領域を変化させることにより、レーザビームの発光面の大きさおよび形状を調整することを特徴とする請求項１７〜３２のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項３４】
前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造におけるＭ点バンド端における光波を回折する前記共振状態形成用格子点は、正方格子に配置され、
前記摂動状態形成用格子点は、前記正方格子の格子定数の２倍の格子定数を有する面心正方格子に配置され、かつ前記摂動状態形成用格子点の対角線方向のピッチは、前記フォトニック結晶層の媒質内波長に等しいことを特徴とする請求項１７〜２６のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項３５】
前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を回折する前記共振状態形成用格子点は、第１正方格子に配置され、
前記摂動状態形成用格子点は、前記第１正方格子の格子定数の２倍の格子定数を有する第２正方格子に配置され、かつ前記摂動状態形成用格子点の格子定数は、前記フォトニック結晶層の媒質内波長に等しいことを特徴とする請求項１７〜２６のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項３６】
前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を回折する前記共振状態形成用格子点は、第１三角格子に配置され、
前記摂動状態形成用格子点は、前記第１三角格子のピッチの２倍のピッチの第２三角格子に配置され、かつ前記第２三角格子の平面視の高さは、前記フォトニック結晶層の媒質内波長に等しいことを特徴とする請求項１７〜２６のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項３７】
前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造におけるＪ点バンド端における光波を回折する前記共振状態形成用格子点は、第１三角格子に配置され、
前記摂動状態形成用格子点は、前記第１三角格子のピッチの３倍のピッチの面心三角格子に配置され、かつ前記面心三角格子の一辺は、前記フォトニック結晶層の媒質内波長の２倍に等しいことを特徴とする請求項１７〜２６のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項３８】
前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を回折する前記共振状態形成用格子点は、格子定数ａ1およびａ2を有する第１の長方格子に配置され、
前記摂動状態形成用格子点は、前記第１の長方格子とは別の第２の長方格子に配置され、前記第２の長方格子の格子定数は、前記第１の長方格子の格子定数ａ1およびａ2により定義されるアスペクト比ｒ＝ａ1／ａ2(ｒ≠１)に対して、媒質内波長のｒ倍および媒質内波長に等しいことを特徴とする請求項１７〜２６のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項３９】
前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を回折する前記共振状態形成用格子点は、格子定数ａ1およびａ2を有する面心長方格子に配置され、
前記摂動状態形成用格子点は、長方格子に配置され、前記長方格子の格子定数は、前記面心長方格子の格子定数ａ1およびａ2により定義されるアスペクト比ｒ＝ａ1／ａ2(ｒ≠１)に対して、媒質内波長のｒ倍および媒質内波長に等しいことを特徴とする請求項１７〜２６のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項４０】
フォトニック結晶層と、
前記フォトニック結晶層内に配置され、前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を、前記フォトニック結晶層の面内で回折させると共に面垂直方向に回折させる長方格子の共振状態形成用格子点と
を備え、
前記共振状態形成用格子点には、前記光波を、前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折させるための摂動が加えられ、かつ前記長方格子の格子定数をａ1およびａ2とすると、前記長方格子の一辺ａ2が媒質内波長の１／２に等しいことを特徴とする２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項４１】
フォトニック結晶層と、
前記フォトニック結晶層内に配置され、前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を、前記フォトニック結晶層の面内で回折させる長方格子の共振状態形成用格子点と、
前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を、前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折させる摂動状態形成用格子点と
を備え、前記摂動状態形成用格子点は、前記光波を、前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折させるための摂動が前記共振状態形成用格子点の一部に加えられて形成され、かつ前記長方格子の格子定数をａ1およびａ2とすると、前記長方格子の一辺ａ2が媒質内波長の１／２に等しいことを特徴とする２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項４２】
前記共振状態形成用格子点の配置される共振器領域の大きさを維持したまま、前記摂動状態形成用格子点の配置される摂動状態形成領域を変化させることにより、レーザビームのビーム拡がり角度を制御することを特徴とする請求項４１に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項４３】
フォトニック結晶層と、
前記フォトニック結晶層内に配置され、前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を、前記フォトニック結晶層の面内で回折させる第１の長方格子の共振状態形成用格子点と、
前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を、前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折させる摂動状態形成用格子点と
を備え、前記摂動状態形成用格子点は、前記光波を、前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折させるための摂動が前記共振状態形成用格子点の一部に加えられて形成され、かつ前記摂動状態形成用格子点は、前記第１の長方格子とは別の第２の長方格子に配置され、前記第２の長方格子のｘ方向およびｙ方向の格子定数は、前記第１の長方格子のｘ方向およびｙ方向の格子定数ａ1およびａ2に対して、ａ1および媒質内波長λ（＝２ａ2）に等しいことを特徴とする２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項４４】
フォトニック結晶層と、
前記フォトニック結晶層内に配置され、前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を、前記フォトニック結晶層の面内で回折させる菱形格子の共振状態形成用格子点と、
前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を、前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折させる摂動状態形成用格子点と
を備え、前記摂動状態形成用格子点は、前記光波を、前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折させるための摂動が前記共振状態形成用格子点の一部に加えられて形成され、かつ前記摂動状態形成用格子点は、長方格子に配置され、前記長方格子の格子定数は、前記菱形格子の格子定数ａ1およびａ2に対して、ａ1および媒質内波長λに等しいことを特徴とする２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項４５】
請求項１〜４４のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザのセルを２次元配置し、２次元セルアレイ化したことを特徴とする２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【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面発光レーザに関し、特に、安定した発振を維持しつつ、レーザビームのビーム拡がり角度、ビーム出射角度および形状の制御が可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のフォトニック結晶面発光レーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）では、フォトニックバンド構造のΓ点のバンド端における発振を用いてきた。
【０００３】
Γ点の発振では、フォトニック結晶の周期構造が発振のための定在波形成の機能とその光をフォトニック結晶層に面垂直な方向に回折させて出力として光を取り出す機能の両方を有している（例えば、特許文献１〜３参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２９６５３８号公報
【特許文献２】特開２０００−３３２３５１号公報
【特許文献３】特開２００３−２３１９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発振実績のある従来のフォトニック結晶構造に適したフォトニック結晶の領域（発振領域）は、数１００μｍ角程度であるが、この大きい領域では、拡がり角度が約１°と限定されてしまい、アプリケーションの幅が狭くなってしまう。
【０００６】
例えば、拡がり角度を１０°に広げるためには、発振領域を約１０μｍ以下にする必要があり、このような発振領域では、従来のフォトニック結晶ＬＤの構造では、実現が困難である。
【０００７】
これまで報告されているフォトニック結晶面発光レーザのビームは、拡がり角度１°程度の２次元的に小さい形状である。これは、２次元大面積発振からの面垂直方向取り出しにより原理的に生じる結果である。
【０００８】
一方、用途によっては、広いビーム拡がり角が望ましい場合がある。ただし、従来の正方格子や三角格子を用いた構造では、ビーム拡がり角度を制御することができない。
【０００９】
本願発明者らは、カップラー配置により、レーザビームのビーム拡がり角度および形状の制御が可能であることを理論的に見出し、かつ実験的にも実証した。
【００１０】
本願発明者らは、フォトニック結晶の格子構造を正方格子、三角格子ではなく、「長方格子」とすることで、ビーム拡がり角度を制御可能であることを理論的に見出し、かつ実験的にも実証した。
【００１１】
また、本願発明者らは、共振状態形成用格子点に摂動を加えることにより、レーザビームのビーム出射角度、ビーム拡がり角度を制御可能であることを理論的に見出し、かつ実験的にも実証した。
【００１２】
本発明の目的は、カップラー配置により、安定した発振を維持しつつ、レーザビームのビーム拡がり角度および形状の制御が可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することにある。
【００１３】
また、本発明の目的は、長方格子による簡易な構造で安定した発振を維持しつつ、ビーム拡がり角度を制御可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することにある。
【００１４】
また、本発明の目的は、共振状態形成用格子点に摂動を加えることにより、簡易な構造で安定した発振を維持しつつ、レーザビームのビーム出射角度、ビーム拡がり角度および形状の制御が可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一態様によれば、フォトニック結晶層と、前記フォトニック結晶層内に周期的に配置され、前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造のバンド端における光波を、前記フォトニック結晶層の面内で回折させると共に前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折させる共振状態形成用格子点とを備え、前記共振状態形成用格子点には、前記光波を、前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折させるための摂動が加えられている２次元フォトニック結晶面発光レーザが提供される。
【００１６】
本発明の他の態様によれば、フォトニック結晶層と、前記フォトニック結晶層内に周期的に配置され、前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造のバンド端における光波を、前記フォトニック結晶層の面内で回折させる共振状態形成用格子点と、前記フォトニック結晶層内に周期的に配置され、前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造のバンド端における光波を、前記フォトニック結晶層の面内で回折させると共に前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折させる摂動状態形成用格子点とを備え、前記摂動状態形成用格子点は、前記光波を、前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折させるための摂動が前記共振状態形成用格子点の一部に加えられて形成されている２次元フォトニック結晶面発光レーザが提供される。
【００１７】
本発明の他の態様によれば、フォトニック結晶層と、前記フォトニック結晶層内に配置され、前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を、前記フォトニック結晶層の面内で回折させると共に面垂直方向に回折させる長方格子の共振状態形成用格子点とを備え、前記共振状態形成用格子点には、前記光波を、前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折させるための摂動が加えられ、かつ前記長方格子の格子定数をａ1およびａ2とすると、前記長方格子の一辺ａ2が媒質内波長の１／２に等しい２次元フォトニック結晶面発光レーザが提供される。
【００１８】
本発明の他の態様によれば、フォトニック結晶層と、前記フォトニック結晶層内に配置され、前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を、前記フォトニック結晶層の面内で回折させる長方格子の共振状態形成用格子点と、前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を、前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折させる摂動状態形成用格子点とを備え、前記摂動状態形成用格子点は、前記光波を、前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折させるための摂動が前記共振状態形成用格子点の一部に加えられて形成され、かつ前記長方格子の格子定数をａ1およびａ2とすると、前記長方格子の一辺ａ2が媒質内波長の１／２に等しい２次元フォトニック結晶面発光レーザが提供される。
【００１９】
本発明の他の態様によれば、フォトニック結晶層と、前記フォトニック結晶層内に配置され、前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を、前記フォトニック結晶層の面内で回折させる第１の長方格子の共振状態形成用格子点と、前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を、前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折させる摂動状態形成用格子点とを備え、前記摂動状態形成用格子点は、前記光波を、前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折させるための摂動が前記共振状態形成用格子点の一部に加えられて形成され、かつ前記摂動状態形成用格子点は、前記第１の長方格子とは別の第２の長方格子に配置され、前記第２の長方格子のｘ方向およびｙ方向の格子定数は、前記第１の長方格子のｘ方向およびｙ方向の格子定数ａ1およびａ2に対して、ａ1および媒質内波長λ（＝２ａ2）に等しい２次元フォトニック結晶面発光レーザが提供される。
【００２０】
本発明の他の態様によれば、フォトニック結晶層と、前記フォトニック結晶層内に配置され、前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を、前記フォトニック結晶層の面内で回折させる菱形格子の共振状態形成用格子点と、前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を、前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折させる摂動状態形成用格子点とを備え、前記摂動状態形成用格子点は、前記光波を、前記フォトニック結晶層の面垂直方向に回折させるための摂動が前記共振状態形成用格子点の一部に加えられて形成され、かつ前記摂動状態形成用格子点は、長方格子に配置され、前記長方格子の格子定数は、前記菱形格子の格子定数ａ1およびａ2に対して、ａ1および媒質内波長λに等しい２次元フォトニック結晶面発光レーザが提供される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、カップラー配置により、安定した発振を維持しつつ、レーザビームのビーム拡がり角度および形状の制御が可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。
【００２２】
また、本発明によれば、長方格子による簡易な構造で安定した発振を維持しつつ、ビーム拡がり角度を制御可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。
【００２３】
また、本発明によれば、共振状態形成用格子点に摂動を加えることにより、簡易な構造で安定した発振を維持しつつ、レーザビームのビーム出射角度、ビーム拡がり角度および形状の制御が可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的鳥瞰構造図。
【図２】第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザに適用される２次元フォトニック結晶のバンド構造図。
【図３】第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）２次元フォトニック結晶層の面内共振モードの模式的説明図、（ｂ）出射される面発光レーザ光ｈνLと共振器内レーザ光ｈνRの模式図、（ｃ）カップラー用格子点１２Ｃを備える２次元フォトニック結晶層から出射される面発光レーザ光ｈνLの模式図。
【図４】比較例に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Γ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器用格子点の模式的平面構成図（正方格子配置例）。
【図５】第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器用格子点およびカップラー用格子点の模式的平面構成図（正方格子配置例）、（ｂ）図５（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造図。
【図６】第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器用格子点およびカップラー用格子点の拡大された模式的平面構成図（正方格子配置例）。
【図７】（ａ）図６のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造図、（ｂ）図６のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う模式的断面構造図。
【図８】図５のＩ−Ｉ線に沿う第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造図。
【図９】（ａ）図５のＩ−Ｉ線に沿う第１の実施の形態の変形例１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造図、（ｂ）図５のＩ−Ｉ線に沿う第１の実施の形態の変形例２に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造図。
【図１０】（ａ）図５のＩ−Ｉ線に沿う第１の実施の形態の変形例３に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造図、（ｂ）図５のＩ−Ｉ線に沿う第１の実施の形態の変形例４に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造図。
【図１１】第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、カップラー領域ＣＰの幅Ａ、ビーム拡がり角度、およびビーム拡がり領域の関係を示す図であって、（ａ）カップラー領域ＣＰ1の幅Ａ1、ビーム拡がり角度θ1、およびビーム拡がり領域３０1の例、（ｂ）カップラー領域ＣＰ2の幅Ａ2、ビーム拡がり角度θ2、およびビーム拡がり領域３０2の例、（ｃ）カップラー領域ＣＰ3の幅Ａ3、ビーム拡がり角度θ3、およびビーム拡がり領域３０3の例。
【図１２】第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）図１１（ａ）、図１１（ｂ）、図１１（ｃ）に対応する共振器領域ＲＰの大小関係を示す図、（ｂ）図１１（ａ）、図１１（ｂ）、図１１（ｃ）に対応するビーム拡がり角度θ0の大小関係を示す図。
【図１３】比較例に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Γ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰの大きさの関係を示す図であって、（ａ）ＲＰ1の例、（ｂ）ＲＰ2の例、（ｃ）ＲＰ3の例。
【図１４】第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰおよびカップラー領域ＣＰ大きさの関係を示す図であって、（ａ）ＲＰ1、ＣＰ1の例、（ｂ）ＲＰ2、ＣＰ2の例、（ｃ）ＲＰ3、ＣＰ3の例。
【図１５】第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰおよびカップラー領域ＣＰ内における共振器用格子点１２Ａ・カップラー用格子点１２Ｃの配置例。
【図１６】第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）光出射用フォトニック結晶層１２2にカップラー用格子点１２Ｃを配置した例、（ｂ）定在波形成用フォトニック結晶層１２1に共振器用格子点１２Ａを配置した例、（ｃ）同一のフォトニック結晶層１２に共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃを配置した例、（ｄ）同一のフォトニック結晶層１２に共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃを配置した別の例、（ｅ）同一のフォトニック結晶層１２に共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃを配置した更に別の例。
【図１７】第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰとカップラー領域ＣＰの大きさがほぼ等しい場合の近視野像（ＮＦＰ:Near Field Pattern）、（ｂ）カップラー領域ＣＰからのビーム拡がり領域を示す模式図、（ｃ）図１７（ａ）に対応する共振器領域ＲＰおよびカップラー領域ＣＰ内の共振器用格子点およびカップラー用格子点の配置例。
【図１８】第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰとカップラー領域ＣＰの大きさが異なる場合のＮＦＰ、（ｂ）カップラー領域ＣＰからのビーム拡がり領域を示す模式図、（ｃ）図１８（ａ）に対応する共振器領域ＲＰおよびカップラー領域ＣＰ内の共振器用格子点およびカップラー用格子点の配置例。
【図１９】第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰ内に相対的に大きな円形のカップラー領域ＣＰを有する場合のＮＦＰ、（ｂ）図１９（ａ）に対応する遠視野像（ＦＦＰ:Farr Field Pattern）。
【図２０】第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）共振器領域ＲＰ内に相対的に小さな円形のカップラー領域ＣＰを有する場合のＮＦＰ、（ｂ）図２０（ａ）に対応するＦＦＰ。
【図２１】第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰ内に相対的に微小な円形のカップラー領域ＣＰを有する場合のＮＦＰ、（ｂ）図２１（ａ）に対応するＦＦＰ。
【図２２】第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰ内に相対的に大きな長円形のカップラー領域ＣＰを有する場合のＮＦＰ、（ｂ）図２２（ａ）に対応するＦＦＰ。
【図２３】第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰ内に相対的に小さな円形のカップラー領域ＣＰを複数配置した場合のＮＦＰ、（ｂ）図２３（ａ）に対応するＦＦＰ。
【図２４】第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰ内に互いに直交する２個の長円形のカップラー領域ＣＰを有する場合のＮＦＰ、（ｂ）図２４（ａ）に対応するＦＦＰ。
【図２５】第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰ内に互いに６０度で交差する３個の長円形のカップラー領域ＣＰを有する場合のＮＦＰ、（ｂ）図２５（ａ）に対応するＦＦＰ。
【図２６】第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰ内に互いに１２０度で交差する２個の長円形のカップラー領域ＣＰを有する場合のＮＦＰ、（ｂ）図２６（ａ）に対応するＦＦＰ。
【図２７】第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰ内に互いに７２度で交差する５個の長円形のカップラー領域ＣＰを有する場合のＮＦＰ、（ｂ）図２７（ａ）に対応するＦＦＰ。
【図２８】第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器用格子点およびカップラー用格子点の模式的平面構成図（正方格子配置例）、（ｂ）図２８（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造図。
【図２９】第３の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器用格子点およびカップラー用格子点の模式的平面構成図（三角格子配置例）、（ｂ）図２９（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造図。
【図３０】第４の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｊ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器用格子点およびカップラー用格子点の模式的平面構成図（三角格子配置例）、（ｂ）図３０（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造図。
【図３１】第５の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器用格子点およびカップラー用格子点の模式的平面構成図（長方格子配置例）、（ｂ）図３１（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造図。
【図３２】第６の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器用格子点およびカップラー用格子点の模式的平面構成図（菱形格子配置例）、（ｂ）図３２（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造図。
【図３３】共振器用格子点１２Ａの直径Ｄrとカップラー用格子点１２Ｃの直径Ｄcが異なる場合の配置例であって、（ａ）Ｄc＜＝Ｄrで同一点に配置された例、（ｂ）Ｄc＞Ｄrで同一点に配置された例。
【図３４】共振器用格子点１２Ａの形状とカップラー用格子点１２Ｃの形状が異なる場合の配置例であって、（ａ）共振器用格子点１２Ａの形状が円形、カップラー用格子点１２Ｃが三角形の例、（ｂ）共振器用格子点１２Ａの形状が菱形、カップラー用格子点１２Ｃが楕円形の例。
【図３５】第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的鳥瞰構造図。
【図３６】第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザから出射される縦長ビーム構造のファーフィールドパターン（ＦＦＰ：Far Field Pattern）例。
【図３７】第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）２次元フォトニック結晶層の面内共振モードの模式的説明図、（ｂ）出射される面発光レーザ光ｈνLと共振器内レーザ光ｈνRの模式図。
【図３８】第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Γ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器用格子点の模式的平面構成図（長方格子配置例）。
【図３９】（ａ）図３８のＩＶ−ＩＶ線に沿う模式的断面構造図、（ｂ）図３８のＶ−Ｖ線に沿う模式的断面構造図。
【図４０】第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、長方格子Γ点発振におけるアスペクト比ｒ＝１．０１５の場合のバンド構造であって、規格化周波数（ｃ／ａ）と波数との関係を示す図。
【図４１】第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、長方格子Γ点発振におけるアスペクト比ｒ＝１．０３の場合のバンド構造であって、規格化周波数（ｃ／ａ）と波数との関係を示す図。
【図４２】第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、長方格子Γ点発振におけるアスペクト比ｒ＝１．０４５の場合のバンド構造であって、規格化周波数（ｃ／ａ）と波数との関係を示す図。
【図４３】第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、共振器用長方格子の格子点の実空間。
【図４４】第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、共振器用長方格子の波数空間。
【図４５】第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、長方格子Γ点発振におけるアスペクト比ｒ＝１．０１５の場合のＦＦＰの測定実験結果。
【図４６】第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、長方格子Γ点発振におけるアスペクト比ｒ＝１．０３の場合のＦＦＰの測定実験結果。
【図４７】第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、長方格子Γ点発振におけるアスペクト比ｒ＝１．０４５の場合のＦＦＰの測定実験結果。
【図４８】（ａ）図３８のＩＶ−ＩＶ線に沿う第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造図、（ｂ）図３８のＶ−Ｖ線に沿う第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造図。
【図４９】（ａ）図３８のＩＶ−ＩＶ線に沿う第７の実施の形態の変形例に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造図、（ｂ）図３８のＶ−Ｖ線に沿う第７の実施の形態の変形例に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造図。
【図５０】第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、長方格子Ｘ点発振におけるバンド構造であって、規格化周波数（ｃ／ａ）と波数との関係を示す図。
【図５１】第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、共振器用長方格子の格子点の実空間。
【図５２】第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、共振器用長方格子の波数空間。
【図５３】第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器用格子点の模式的平面構成図（長方格子配置例）。
【図５４】第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器用格子点およびカップラー用格子点の模式的平面構成図（長方格子配置例）。
【図５５】（ａ）図５４のＶＩ−ＶＩ線に沿う模式的断面構造図、（ｂ）図５４のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う模式的断面構造図。
【図５６】（ａ）図５４のＶＩ−ＶＩ線に沿う第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造図、（ｂ）図５４のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造図。
【図５７】（ａ）図５４のＶＩ−ＶＩ線に沿う第８の実施の形態の変形例１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造図、（ｂ）図５４のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う第８の実施の形態の変形例１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造図。
【図５８】（ａ）図５４のＶＩ−ＶＩ線に沿う第８の実施の形態の変形例２に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造図、（ｂ）図５４のＶＩ−ＶＩ線に沿う第８の実施の形態の変形例３に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造図、（ｃ）図５４のＶＩ−ＶＩ線に沿う第８の実施の形態の変形例４に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造図。
【図５９】第８の実施の形態の変形例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、（ａ）Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器用格子点およびカップラー用格子点の模式的平面構成図（長方格子配置例）、（ｂ）図５９（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数（ｃ／ａ）と波数の関係を示す図。
【図６０】第８の実施の形態の変形例６に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器用格子点およびカップラー用格子点の模式的平面構成図（菱形格子配置例）、（ｂ）図６０（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造図。
【図６１】第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰおよびカップラー領域ＣＰ内における共振器用格子点１２Ａ・カップラー用格子点１２Ｃの配置例。
【図６２】第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）光出射用フォトニック結晶層１２2にカップラー用格子点１２Ｃを配置した例、（ｂ）定在波形成用フォトニック結晶層１２1に共振器用格子点１２Ａを配置した例、（ｃ）同一のフォトニック結晶層１２に共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃを配置した例、（ｄ）同一のフォトニック結晶層１２に共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃを配置した別の例、（ｅ）同一のフォトニック結晶層１２に共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃを配置した更に別の例、（ｆ）同一のフォトニック結晶層１２に共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃを配置した更に別の例。
【図６３】第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰとカップラー領域ＣＰの大きさがほぼ等しい場合の近視野像（ＮＦＰ:Near Field Pattern）、（ｂ）カップラー領域ＣＰからのビーム拡がり領域を示す模式図、（ｃ）図６３（ａ）に対応する共振器領域ＲＰおよびカップラー領域ＣＰ内の共振器用格子点およびカップラー用格子点の配置例。
【図６４】第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰとカップラー領域ＣＰの大きさが異なる場合のＮＦＰ、（ｂ）カップラー領域ＣＰからのビーム拡がり領域を示す模式図、（ｃ）図６４（ａ）に対応する共振器領域ＲＰおよびカップラー領域ＣＰ内の共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃの配置例。
【図６５】第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器用格子点１２Ａの直径Ｄrとカップラー用格子点１２Ｃの直径Ｄcが異なる場合の配置例であって、（ａ）Ｄc＜＝Ｄrで同一点に配置された例、（ｂ）Ｄc＞Ｄrで同一点に配置された例。
【図６６】第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器用格子点１２Ａの形状とカップラー用格子点１２Ｃの形状が異なる場合の配置例であって、（ａ）共振器用格子点１２Ａの形状が円形、カップラー用格子点１２Ｃが三角形の例、（ｂ）共振器用格子点１２Ａの形状が菱形、カップラー用格子点１２Ｃが楕円形の例。
【図６７】第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的鳥瞰構造図。
【図６８】（ａ）第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザに適用される２次元フォトニック結晶層の長方格子の実空間、（ｂ）図６８（ａ）に対応する波数空間。
【図６９】２次元フォトニック結晶層が長方格子の格子点を有する場合を例として、２次元フォトニック結晶面発光レーザの面発光の動作原理図であって、（ａ）２次元フォトニック結晶層の長方格子の面内共振状態の実空間における説明図、（ｂ）図６９（ａ）に対応する波数空間における説明図。
【図７０】（ａ）図６９に対応した面内共振状態において、上方向（ｚ軸方向）への回折動作の波数空間ｋx−ｋyにおける説明図、（ｂ）図７０（ａ）に対応する波数空間ｋz−ｋyにおける説明図。
【図７１】比較例に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点（正方格子）の実空間配置例、（ｂ）２次元フォトニック結晶層の光取り出し用格子点の実空間配置例、（ｃ）共振状態形成用格子点と光取り出し用格子点を結合した実空間配置例、（ｄ）図７１（ａ）に対応する波数空間、（ｅ）図７１（ｃ）に対応する波数空間。
【図７２】第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点（長方格子）の実空間配置例、（ｂ）２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点（長方格子）にｙ軸方向に正弦波関数の摂動を加える様子を説明する概念図、（ｃ）２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点（長方格子）にｙ軸方向に孔形状（孔径）変調の摂動を加える様子を説明する概念図。
【図７３】（ａ）図７２（ａ）に対応する波数空間、（ｂ）図７２（ｂ）に対応する波数空間。
【図７４】第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点（長方格子）に屈折率変調の摂動を加える様子を説明する実空間配置例。
【図７５】第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点（長方格子）に孔形状（孔径）変調の摂動を加える様子を説明する実空間配置例。
【図７６】第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点（長方格子）に孔の深さ変調の摂動を加える様子を説明する実空間配置例。
【図７７】第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点（長方格子Ｘ点）にｙ軸方向に孔形状（孔径）変調の摂動を加えた実空間配置例。
【図７８】図７７に対応する波数空間。
【図７９】第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点（長方格子Ｘ点）にｙ軸方向に孔形状（孔径）変調の摂動を加えた場合の格子定数（ａx、ａy）、孔径ｄ1、摂動系数ｓ（＝ａy／ａyc）、およびビーム出射角度θの数値例。
【図８０】第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点（長方格子Ｘ点）にｙ軸方向に孔形状（孔径）変調の摂動を加えた場合の実験結果であって、（ａ）摂動系数ｓ＝０．９６の時の遠視野像（ＦＦＰ: Far Field Pattern）とビーム出射角度θ、（ｂ）摂動系数ｓ＝０．９８の時のＦＦＰとビーム出射角度θ、（ｃ）摂動系数ｓ＝０．９８、０．９６の時のＦＦＰとビーム出射角度θ。
【図８１】第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点（長方格子）にｙ軸方向に孔形状（孔径）変調の摂動を加えた場合の実空間配置例。
【図８２】第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点（面心長方格子）にｙ軸方向に孔形状（孔径）変調の摂動を加えた場合の実空間配置例。
【図８３】第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点（正方格子）にｙ軸方向に孔形状（孔径）変調の摂動を加えた場合の実空間配置例。
【図８４】比較例に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点（正方格子Γ点）のＦＦＰの模式的説明図。
【図８５】比較例に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点（長方格子Γ点）のＦＦＰの模式的説明図。
【図８６】比較例に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点（正方格子Ｍ点）に光取り出し用格子点を重ねた場合のＦＦＰの模式的説明図。
【図８７】第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点（長方格子Ｘ点）にｙ軸方向に孔形状（孔径）変調の摂動を加えた場合のＦＦＰの模式的説明図。
【図８８】第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点（長方格子）にｙ軸方向に孔の深さ変調の摂動を加えた摂動状態形成用格子点１２Ｐの模式的平面パターン構成図。
【図８９】（ａ）図８８のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う模式的断面構造図、（ｂ）図８８のＩＸ−ＩＸ線に沿う模式的断面構造図、（ｃ）図８８のＸ−Ｘ線に沿う模式的断面構造図。
【図９０】第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点（長方格子）にｙ軸方向に屈折率変調の摂動を加えた摂動状態形成用格子点１２Ｐの模式的平面パターン構成図。
【図９１】（ａ）図９０のＸＩ−ＸＩ線に沿うｘ軸方向の屈折率分布例、（ｂ）図９０のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿うｘ軸方向の屈折率分布例、（ｃ）図９０のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿うｘ軸方向の屈折率分布例。
【図９２】第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点（長方格子）にｙ軸方向に孔形状（孔径）変調の摂動を加えた摂動状態形成用格子点１２Ｐの模式的平面パターン構成図。
【図９３】（ａ）図９２のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿う模式的断面構造図、（ｂ）図９２のＸＶ−ＸＶ線に沿う模式的断面構造図、（ｃ）図９２のＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿う模式的断面構造図。
【図９４】（ａ）第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Γ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点の模式的平面構成図（正方格子配置例）、（ｂ）第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザに適用される２次元フォトニック結晶のバンド構造図。
【図９５】第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点および屈折率変調・孔形状（孔径）変調・孔の深さ変調などの摂動を加えた摂動状態形成用格子点の模式的平面構成図（正方格子配置例）、（ｂ）図９５（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造図。
【図９６】第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点および摂動状態形成用格子点の模式的平面構成図（正方格子配置例）、（ｂ）図９６（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造図。
【図９７】第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点および摂動状態形成用格子点の模式的平面構成図（三角格子配置例）、（ｂ）図９７（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造図。
【図９８】第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｊ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点および摂動状態形成用格子点の模式的平面構成図（三角格子配置例）、（ｂ）図９８（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造図。
【図９９】第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点および摂動状態形成用格子点の模式的平面構成図（長方格子配置例：ａ1＞ａ2の例）、（ｂ）図９９（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造図。
【図１００】第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点および摂動状態形成用格子点の模式的平面構成図（菱形格子配置例）、（ｂ）図１００（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造図。
【図１０１】第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点および摂動状態形成用格子点の模式的平面構成図（長方格子配置例：ａ1＜ａ2の例）、（ｂ）図１０１（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数と波数の関係を示す図。
【図１０２】第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点および摂動状態形成用格子点の模式的平面構成図（菱形格子配置例）、（ｂ）図１０２（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造図。
【図１０３】第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰおよび摂動状態形成領域ＰＰ内における共振状態形成用格子点１２Ａ・摂動状態形成用格子点１２Ｐの配置例。
【図１０４】第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）フォトニック結晶層１２に共振状態形成用格子点１２Ａを配置した例、（ｂ）同一のフォトニック結晶層１２に共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動状態形成用格子点１２Ｐを配置した例。
【図１０５】第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰと摂動状態形成領域ＰＰの大きさがほぼ等しい場合の近視野像（ＮＦＰ:Near Field Pattern）、（ｂ）摂動状態形成領域ＰＰからのビーム拡がり領域を示す模式図、（ｃ）図１０５（ａ）に対応する共振器領域ＲＰおよび摂動状態形成領域ＰＰ内の共振状態形成用格子点にｙ軸方向に摂動を加えた場合の実空間配置例。
【図１０６】第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰと摂動状態形成領域ＰＰの大きさが異なる場合のＮＦＰ、（ｂ）摂動状態形成領域ＰＰからのビーム拡がり領域を示す模式図、（ｃ）図１０６（ａ）に対応する摂動状態形成領域ＰＰ内の共振状態形成用格子点にｙ軸方向に摂動を加えた場合の実空間配置例。
【図１０７】第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰ・摂動状態形成領域ＰＰ内における共振状態形成用格子点１２Ａ・摂動状態形成用格子点１２Ｐの配置例。
【図１０８】第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点にｙ軸方向に摂動を加えた場合の実空間配置例、（ｂ）２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点にｘ軸方向に摂動を加えた場合の実空間配置例、（ｃ）２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点にｘ軸に対してプラス４５度方向に摂動を加えた場合の実空間配置例、（ｄ）２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点にｘ軸に対してマイナス４５度方向に摂動を加えた場合の実空間配置例。
【図１０９】第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰと摂動状態形成領域ＰＰの大きさがほぼ等しい場合のＮＦＰ、（ｂ）摂動状態形成領域ＰＰからのビーム拡がり領域を示す模式図、（ｃ）図１０９（ａ）に対応する共振器領域ＲＰおよび摂動状態形成領域ＰＰ内の共振状態形成用格子点にｘ軸に対してプラス４５度方向に摂動を加えた場合の実空間配置例。
【図１１０】第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰと摂動状態形成領域ＰＰの大きさが異なる場合のＮＦＰ、（ｂ）摂動状態形成領域ＰＰからのビーム拡がり領域を示す模式図、（ｃ）図１１０（ａ）に対応する摂動状態形成領域ＰＰ内の共振状態形成用格子点にｘ軸に対してプラス４５度方向に摂動を加えた場合の実空間配置例。
【図１１１】第１１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元セルアレイ化して高出力化を図った構成例。
【図１１２】第１１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、（ａ）第１クラッド層上の２次元フォトニック結晶層に共振状態形成用格子点の基本パターンＴ0を配置すると共に、矩形形状の摂動状態形成領域ＰＰ１・ＰＰ２・ＰＰ３・ＰＰ４の摂動パターンＴ1・Ｔ2・Ｔ3・Ｔ4を配置する２次元セルアレイ化構成例、（ｂ）第１クラッド層上の２次元フォトニック結晶層に共振状態形成用格子点の基本パターンＴ0を配置すると共に、六角形形状の摂動状態形成領域ＰＰ１・ＰＰ２・ＰＰ３の摂動パターンＴ1・Ｔ2・Ｔ3を配置する２次元セルアレイ化構成例。
【図１１３】第１１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、同一の基板上に図１１２（ｂ）に示された構成を複数のチップを配置した２次元セルアレイ化構成例。
【図１１４】第１１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、同一の基板上に互いにＦＦＰの異なる複数のチップを配置した２次元セルアレイ化構成例。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００２６】
又、以下に示す第１〜第１１の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００２７】
[第１の実施の形態]
（素子構造）
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的鳥瞰構造は、図１に示すように表される。
【００２８】
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図１に示すように、定在波形成用フォトニック結晶層１２と、定在波形成用フォトニック結晶層１２内に配置され、定在波形成用フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＭ点バンド端における光波を、定在波形成用フォトニック結晶層１２の面内で回折させる共振器用格子点１２Ａと、定在波形成用フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＭ点バンド端における光波を、定在波形成用フォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させるカップラー用格子点１２Ｃとを備える。
【００２９】
ここで、カップラー用格子点１２Ｃは、定在波形成用フォトニック結晶層１２内に配置されている。
【００３０】
また、第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図１に示すように、基板２４と、基板２４上に配置された第１クラッド層１０と、第１クラッド層１０上に配置された第２クラッド層１６と、第１クラッド層１０と第２クラッド層１６に挟まれた活性層１４とを備える。ここで、第１クラッド層１０はｐ型半導体層、第２クラッド層１６はｎ型半導体層で形成されていても良く、あるいは導電性を反対にしても良い。
【００３１】
更に、第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図１に示すように、第２クラッド層１６上に配置されたコンタクト層１８と、コンタクト層１８上の面発光領域に配置され、レーザ光を取り出すためのウィンドウ層２０と、ウィンドウ層２０上に配置された窓状の上部電極２２と、基板２４の裏面に配置された下部電極２６とを備える。
【００３２】
定在波形成用フォトニック結晶層１２は、図１に示すように、第１クラッド層１０と第２クラッド層１６との間に、活性層１４の面垂直方向に活性層１４に隣接して配置されていても良い。ここで、活性層１４は、例えば、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi-Quantum Well）層で形成されていても良い。
【００３３】
更に、活性層１４と定在波形成用フォトニック結晶層１２との間には、図１に示すように、キャリアブロック層１３を備え、ＭＱＷ層からなる活性層１４内にキャリアを有効に取り込みかつ活性層１４から定在波形成用フォトニック結晶層１２へのキャリアの流入をブロックしても良い。
【００３４】
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの材料系としては、例えば、以下のものを適用可能である。すなわち、例えば、波長１．３μｍ〜１．５μｍでは、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系、波長９００ｎｍの赤外光では、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、波長８００ｎｍ〜９００の赤外光／近赤外光では、ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系若しくはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ系、波長１．３μｍ〜１．６７μｍでは、ＧａＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ系、波長０．６５μｍでは、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系、青色光では、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ系などを適用可能である。
【００３５】
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザに適用される２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数[単位：ｃ／ａ]と波数ベクトルの関係は、図２に示すように表される。
【００３６】
フォトニックバンド構造において、傾きが０となる部分をバンド端と呼ぶ。バンド端においては、光の群速度が０となり、定在波が形成されるため、フォトニック結晶が光の共振器として機能する。
【００３７】
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、定在波形成用フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＭ点バンド端（図２のＱ領域近傍）における発振を利用している。
【００３８】
定在波形成用フォトニック結晶層１２において、共振器用格子点１２Ａは、定在波形成用フォトニック結晶層１２の面内での回折に適用される。一方、カップラー用格子点１２Ｃは、定在波形成用フォトニック結晶層１２の面垂直方向への回折に適用される。
【００３９】
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の面内共振モードの模式的説明図は、図３（ａ）に示すように表される。図３（ａ）には、２次元フォトニック結晶層１２内の共振器用格子点１２Ａをキャビティーとする多重化された面内共振モードによって、２次元の大面積共振器が形成される様子が示されている。
【００４０】
比較例に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Γ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器用格子点１２Ａの模式的平面構成は、図４に示すように、正方格子に配置される。
【００４１】
Γ点バンド端（図２のＰ領域近傍）を用いる発振バンド端では、定在波形成用フォトニック結晶層１２において、共振器用格子点１２Ａは共振器とカップラーの両方の機能を有するため、図３（ａ）の構成のまま、定在波形成用フォトニック結晶層１２の面垂直方向へ面発光レーザ光ｈνLを取り出すことができる。
【００４２】
一方、Ｍ点発振バンド端、Ｘ点発振バンド端では、共振器の機能しかもたないため、カップラー機能をもったフォトニック結晶構造を重ねて導入することにより光を取り出すことが可能となる。
【００４３】
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、フォトニックバンド構造のＭ点バンド端における発振を用いる。これらの発振では、フォトニック結晶の周期構造は、発振のための定在波形成の機能しか持っていないが、この周期構造と同一面内に、光を回折させるための周期構造（カップラー）を設けることにより、光を取り出すことができる。
【００４４】
しかも、第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、大面積で安定な単一モードで動作可能である。すなわち、第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、定在波形成用フォトニック結晶層１２に形成された共振器用格子点１２Ａ・カップラー用格子点１２Ｃからなる２次元周期構造によって電磁界分布が規定されているため、大面積でも単一モードを維持可能である。このため、例えば、Ｗ級の出力光をレンズを介して小さい１点に集光するなどの加工が容易である。
【００４５】
例えば、図１において、定在波形成用フォトニック結晶層１２のサイズは、例えば、約７００μｍ×約７００μｍである。
【００４６】
また、近視野像（ＮＦＰ:Near Field Pattern）の例では、約１００μｍ角程度の大面積発振から約数１００μｍ角程度の超大面積発振も実現可能である。発振スペクトルは、例えば、波長約９５０ｎｍの常温連続発振を半値全幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum）が約０．１６ｎｍ程度で得られている。また、単一モードで、２．７Ｗの光出力を１ｋＨｚ−５０ｎｓのパルス駆動で得られている。
【００４７】
図３（ａ）中には、カップラー用格子点１２Ｃは、図示を省略しているが、フォトニック結晶層１２に対して、垂直方向に面発光レーザ光ｈνLが出射される。
【００４８】
出射される面発光レーザ光ｈνLと共振器内レーザ光ｈνRは、図３（ｂ）に示すように表される。フォトニック結晶層１２面内の共振器内レーザ光ｈνRの４波の結合として、面発光レーザ光ｈνLが、フォトニック結晶層１２に対して垂直方向に出射される。
【００４９】
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃの模式的平面構成は、図５（ａ）に示すように、正方格子に配置される。また、図５（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数と波数ベクトルの関係は、図５（ｂ）に示すように表される。
【００５０】
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、定在波形成用フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＭ点バンド端における光波を回折する共振器用格子点１２Ａは、正方格子に配置され、カップラー用格子点１２Ｃは、正方格子の格子定数の２倍の格子定数を有する面心正方格子に配置され、かつカップラー用格子点１２Ｃの対角線方向のピッチは、フォトニック結晶層１２の媒質内波長λに等しい。
【００５１】
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃの拡大された模式的平面構成（正方格子配置例）は、図６に示すように表され、図６のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図７（ａ）に示すように表され、図６のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図７（ｂ）に示すように表される。
【００５２】
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃは、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように空孔として形成可能である。
【００５３】
共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃは、例えば、光の周期程度のピッチで配置可能である。例えば、空孔が、空気で満たされるとすると、空気／半導体のピッチは、光通信帯で、約４００ｎｍ程度の周期に配置可能であり、青色光では、約２３０ｎｍ程度の周期に配置可能である。
【００５４】
また、試作されている共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃの直径・深さは、例えば、約１２０ｎｍ・１１５ｎｍ程度であり、ピッチは、例えば、約２８６ｎｍ程度である。尚、これらの数値例は、基板１０および活性層１４を構成する材料系、２次元フォトニック結晶層１２の材料系および媒質内波長などによって適宜変更可能である。
【００５５】
例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料を適用した第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、２次元フォトニック結晶層１２の媒質内波長λとしては、約２００ｎｍ〜約３００ｎｍ程度であり、出力光波長は、約９００ｎｍ〜約９１５ｎｍ程度である。
【００５６】
尚、共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃは、例えば、空気孔として形成する代わりに、屈折率の異なる半導体層で充填しても良い。例えば、ＧａＡｓ層に対してＡｌＧａＡｓ層を充填して形成しても良い。例えば、２次元フォトニック結晶層１２を融着する製造工程において、共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃの空孔形状が変形する場合には、屈折率の異なる半導体層で充填することがこのような変形を回避する上で有効である。
【００５７】
図５のＩ−Ｉ線に沿う第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造は、図８に示すように表される。
【００５８】
すなわち、第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、基板（２４：図１）と、基板（２４）上に配置された第１クラッド層１０と、第１クラッド層１０上に配置された第２クラッド層１６と、第１クラッド層１０と第２クラッド層１６に挟まれた活性層１４とを備え、定在波形成用フォトニック結晶層１２は、第１クラッド層１０と活性層１４との間に、活性層１４の面垂直方向に隣接して配置されていても良い。また、図８に示すように、定在波形成用フォトニック結晶層１２と活性層１４との間には、キャリアブロック層１３を備えている。
【００５９】
（変形例１）
図５のＩ−Ｉ線に沿う第１の実施の形態の変形例１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造は、図９（ａ）に示すように表される。
【００６０】
すなわち、第１の実施の形態の変形例１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図９（ａ）に示すように、定在波形成用フォトニック結晶層１２は、第２クラッド層１６と活性層１４との間に、活性層１４の面垂直方向に隣接して配置されていても良い。また、図１０（ａ）では図示を省略しているが、定在波形成用フォトニック結晶層１２と活性層１４との間には、図８と同様に、キャリアブロック層１３を配置しても良い。
【００６１】
（変形例２）
図５のＩ−Ｉ線に沿う第１の実施の形態の変形例２に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造は、図９（ｂ）に示すように表される。
【００６２】
すなわち、第１の実施の形態の変形例２に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図９（ｂ）に示すように、定在波形成用フォトニック結晶層１２1と積層化される光出射用フォトニック結晶層１２2を更に備え、カップラー用格子点１２Ｃは、光出射用フォトニック結晶層１２2内に配置されていても良い。
【００６３】
第１の実施の形態の変形例２に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図９（ｂ）に示すように、基板（２４：図１）と、基板（２４）上に配置された第１クラッド層１０と、第１クラッド層１０上に配置された第２クラッド層１６と、第１クラッド層１０と第２クラッド層１６に挟まれた活性層１４とを備え、定在波形成用フォトニック結晶層１２1および光出射用フォトニック結晶層１２2は、第１クラッド層１０と第２クラッド層１６との間に、活性層１４の面垂直方向に、活性層１４を挟んで配置される。
【００６４】
また、図９（ｂ）では図示を省略しているが、定在波形成用フォトニック結晶層１２1と活性層１４との間および光出射用フォトニック結晶層１２2と活性層１４との間には、図８と同様に、キャリアブロック層１３をそれぞれ配置しても良い。
【００６５】
また、図９（ｂ）において、定在波形成用フォトニック結晶層１２1および光出射用フォトニック結晶層１２2の積層順序を逆にして、活性層１４と第２クラッド層１６との間に光出射用フォトニック結晶層１２2を配置し、活性層１４と第１クラッド層１０との間に定在波形成用フォトニック結晶層１２1を配置してもよい。カップラー用格子点１２Ｃが配置される光出射用フォトニック結晶層１２2を光の取り出し方向に近い位置に配置可能であるため、光の取り出し効率も増大可能である。
【００６６】
（変形例３）
図５のＩ−Ｉ線に沿う第１の実施の形態の変形例３に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造は、図１０（ａ）に示すように表される。
【００６７】
すなわち、第１の実施の形態の変形例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は、定在波形成用フォトニック結晶層１２1および光出射用フォトニック結晶層１２2は、第２クラッド層１６と活性層１４との間に、活性層１４の面垂直方向に隣接して配置されていても良い。また、図１０（ａ）では図示を省略しているが、光出射用フォトニック結晶層１２2と活性層１４との間には、図８と同様に、キャリアブロック層１３を配置しても良い。
【００６８】
また、図１０（ａ）において、定在波形成用フォトニック結晶層１２1および光出射用フォトニック結晶層１２2の積層順序を逆にして、活性層１４上に定在波形成用フォトニック結晶層１２1を配置し、定在波形成用フォトニック結晶層１２1上に光出射用フォトニック結晶層１２2を配置してもよい。活性層１４に近い位置に定在波形成用フォトニック結晶層１２1を配置した方が、定在波形成作用をより効果的に実施することができる。また、カップラー用格子点１２Ｃが配置される光出射用フォトニック結晶層１２2を光の取り出し方向に近い位置に配置可能であるため、光の取り出し効率も増大可能である。
【００６９】
（変形例４）
図５のＩ−Ｉ線に沿う第１の実施の形態の変形例４に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造は、図１０（ｂ）に示すように表される。
【００７０】
すなわち、第１の実施の形態の変形例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は、定在波形成用フォトニック結晶層１２1および光出射用フォトニック結晶層１２2は、第１クラッド層１０と活性層１４との間に、活性層１４の面垂直方向に隣接して配置されていても良い。また、図１０（ｂ）では図示を省略しているが、定在波形成用フォトニック結晶層１２1と活性層１４との間には、図８と同様に、キャリアブロック層１３を配置しても良い。
【００７１】
また、図１０（ａ）において、定在波形成用フォトニック結晶層１２1および光出射用フォトニック結晶層１２2の積層順序を逆にして、活性層１４に近接して光出射用フォトニック結晶層１２2を配置してもよい。カップラー用格子点１２Ｃが配置される光出射用フォトニック結晶層１２2を光の取り出し方向に近い位置に配置可能であるため、光の取り出し効率も増大可能である。
【００７２】
（ビーム拡がり角度の制御：共振器領域ＲＰとカップラー領域ＣＰ）
共振器領域ＲＰとは、定在波形成用フォトニック結晶層１２・１２1において共振器用格子点１２Ａが配置される領域であり、カップラー領域ＣＰとは、定在波形成用フォトニック結晶層１２若しくは、光出射用フォトニック結晶層１２2においてカップラー用格子点1２Ｃが配置される領域である。
【００７３】
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、カップラー領域ＣＰの幅Ａ、ビーム拡がり角度、およびビーム拡がり領域の関係は、模式的に図１１（ａ）、図１１（ｂ）および図１１（ｃ）に示すように表される。すなわち、カップラー領域ＣＰ1の幅Ａ1、ビーム拡がり角度θ1、およびビーム拡がり領域３０1の例は図１１（ａ）に示すように表され、カップラー領域ＣＰ2の幅Ａ2、ビーム拡がり角度θ2、およびビーム拡がり領域３０2の例は図１１（ｂ）に示すように表され、カップラー領域ＣＰ3の幅Ａ3、ビーム拡がり角度θ3、およびビーム拡がり領域３０3の例は図１１（ｃ）に示すように表される。ここで、カップラー領域の幅の大小関係は、Ａ1＜Ａ2＜Ａ3であり、カップラー領域ＣＰ1の大きさは相対的に小さく、カップラー領域ＣＰ3の大きさは相対的に大きい。また、ビーム拡がり領域３０1・３０2・３０3を規定するビーム拡がり角度の大小関係は、θ1＞θ2＞θ3が成立している。
【００７４】
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、図１１（ａ）・図１１（ｂ）・図１１（ｃ）に対応する共振器領域ＲＰの大小関係は、図１２（ａ）に示すように表され、ビーム拡がり角度の大小関係は、図１２（ｂ）に示すように表される。すなわち、共振器領域ＲＰの大きさが大きい程、ビーム拡がり角度θ0は小さくなる。
【００７５】
比較例に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Γ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰの大きさの関係を示す図であって、ＲＰ1の例は図１３（ａ）に示すように表され、ＲＰ2の例は図１３（ｂ）に示すように表され、ＲＰ3の例は図１３（ｃ）に示すように表される。
【００７６】
一方、第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰおよびカップラー領域ＣＰ大きさの関係を示す図であって、ＲＰ1、ＣＰ1の例は図１４（ａ）に示すように表され、ＲＰ2、ＣＰ2の例は図１４（ｂ）に示すように表され、ＲＰ3、ＣＰ3の例は図１４（ｃ）に示すように表される。
【００７７】
２次元フォトニック結晶面発光レーザの発振には、ある一定以上の共振器の領域が必要である。そのため比較例に係るΓ点発振の場合、ビーム拡がり角度θを大きくしようとすると、発振に必要な共振器領域ＲＰAが確保できない。すなわち、比較例に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、Γ点発振を利用するため、共振器領域ＲＰのサイズがそのままカップラー領域ＣＰのサイズに等しいため、ビーム拡がり角度θを大きくしようとして、共振器領域ＲＰのサイズを縮小化すると、図１２（ａ）に示すように、共振器領域ＲＰの大小関係において、ＲＰ＜ＲＰAの範囲では、発振に必要な共振器領域ＲＰAが確保できないため、発振することができなくなる。
【００７８】
（カップラーと共振器の配置関係）
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器領域ＲＰおよびカップラー領域ＣＰ内における共振器用格子点１２Ａ・カップラー用格子点１２Ｃの配置例は、図１５に示すように表される。
【００７９】
また、第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、光出射用フォトニック結晶層１２2にカップラー用格子点１２Ｃを配置した例は、図１６（ａ）に示すように表され、定在波形成用フォトニック結晶層１２1に共振器用格子点１２Ａを配置した例は、図１６（ｂ）に示すように表される。また、同一のフォトニック結晶層１２に共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃを配置した例は、図１６（ｃ）に示すように表され、同一のフォトニック結晶層１２に共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃを配置した別の例は、図１６（ｄ）に示すように表され、同一のフォトニック結晶層１２に共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃを配置した更に別の例は、図１６（ｅ）に示すように表される。
【００８０】
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、カップラー用格子点１２Ｃと共振器用格子点１２Ａの配置関係は、図１６（ｃ）〜図１６（ｅ）に示すように自由に設定可能である。なお、カップラー用格子点１２Ｃと共振器用格子点１２Ａの配置関係によっては、ＬＤ特性（出力、閾値など）が変化する。
【００８１】
（カップラー配置によるビーム形状制御）
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器領域ＲＰとカップラー領域ＣＰの大きさがほぼ等しい場合のＮＦＰは、図１７（ａ）に示すように表され、カップラー領域ＣＰからのビーム拡がり領域３０は、図１７（ｂ）に示すように表され、図１７（ａ）に対応する共振器領域ＲＰおよびカップラー領域ＣＰ内の共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃを配置例は、図１７（ｃ）に示すように表される。
【００８２】
また、第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器領域ＲＰとカップラー領域ＣＰの大きさが異なる場合のＮＦＰは、図１８（ａ）に示すように表され、カップラー領域ＣＰからのビーム拡がり領域３０は、図１８（ｂ）に示すように表され、図１８（ａ）に対応する共振器領域ＲＰおよびカップラー領域ＣＰ内の共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃを配置例は、図１８（ｃ）に示すように表される。
【００８３】
すなわち、第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、共振器とカップラーを別々に設計が可能であり、カップラーの配列のみを変更することで、安定な発振を維持しつつ、面発光レーザ光のビーム形状を様々に変更可能である。
【００８４】
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、共振器用格子点１２Ａの配置される共振器領域ＲＰの大きさを維持したまま、カップラー用格子点１２Ｃの配置されるカップラー領域ＣＰを変化させることにより、安定した発振を維持しつつレーザビームの発光面の大きさおよび形状を調整することができる。
【００８５】
（その他様々なビームの生成の例）
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器領域ＲＰ内に相対的に大きな円形のカップラー領域ＣＰを有する場合のＮＦＰは、図１９（ａ）に示すように表され、図１９（ａ）に対応するＦＦＰは、図１９（ｂ）に示すように表される。
【００８６】
また、共振器領域ＲＰ内に相対的に小さな円形のカップラー領域ＣＰを有する場合のＮＦＰは、図２０（ａ）に示すように表され、図２０（ａ）に対応するＦＦＰは、図２０（ｂ）に示すように表される。
【００８７】
また、共振器領域ＲＰ内に相対的に微小な円形のカップラー領域ＣＰを有する場合のＮＦＰは、図２１（ａ）に示すように表され、図２１（ａ）に対応するＦＦＰは、図２１（ｂ）に示すように表される。
【００８８】
また、共振器領域ＲＰ内に相対的に大きな長円形のカップラー領域ＣＰを有する場合のＮＦＰは、図２２（ａ）に示すように表され、図２２（ａ）に対応するＦＦＰは、図２２（ｂ）に示すように表される。
【００８９】
また、共振器領域ＲＰ内に相対的に小さな円形のカップラー領域ＣＰを複数配置した場合のＮＦＰは、図２３（ａ）に示すように表され、図２３（ａ）に対応するＦＦＰは、図２３（ｂ）に示すように表される。
【００９０】
また、共振器領域ＲＰ内に互いに直交する２個の長円形のカップラー領域ＣＰを有する場合のＮＦＰは、図２４（ａ）に示すように表され、図２４（ａ）に対応するＦＦＰは、図２４（ｂ）に示すように表される。
【００９１】
また、共振器領域ＲＰ内に互いに６０度で交差する３個の長円形のカップラー領域ＣＰを有する場合のＮＦＰは、図２５（ａ）に示すように表され、図２５（ａ）に対応するＦＦＰは、図２５（ｂ）に示すように表される。
【００９２】
また、共振器領域ＲＰ内に互いに１２０度で交差する２個の長円形のカップラー領域ＣＰを有する場合のＮＦＰは、図２６（ａ）に示すように表され、図２６（ａ）に対応するＦＦＰは、図２６（ｂ）に示すように表される。
【００９３】
また、共振器領域ＲＰ内に互いに７２度で交差する５個の長円形のカップラー領域ＣＰを有する場合のＮＦＰは、図２７（ａ）に示すように表され、図２７（ａ）に対応するＦＦＰは、図２７（ｂ）に示すように表される。
【００９４】
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、図１９〜図２７に示すように、フォトニックバンド構造におけるＭ点バンド端における発振において、発振領域の大きさを維持したまま、カップラー領域ＣＰの大きさを相対的に変化させることにより、レーザビームの発光面の大きさや形状を調整可能である。ＮＦＰのサイズ例としては、数１０μｍ角、数１００μｍ角、１ｍｍ角とさまざまなサイズの形成可能であり、対応するＦＦＰについても同様である。
【００９５】
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、レーザビームの発光面の大きさや形状により、レーザビームのビーム拡がり角度θや形状が決定されるため、レーザビームのビーム拡がり角度および形状の制御が可能となる。光増幅のための周期構造を維持してさえいれば、このカップラー領域ＣＰの大きさや形状を変化させても発振は可能である。
【００９６】
レーザビームのビーム拡がり角度θや形状は、発光面の大きさや形状によって決定されるため、例えば、レーザビームのビーム拡がり角度θを大きくしたい場合には、光増幅の共振器領域ＲＰの大きさはそのままで、カップラー領域ＣＰの大きさを相対的に小さくすれば良い。また、レーザビームの形状を長方形にしたい場合には、カップラー領域ＣＰも長方形にすれば良い。
【００９７】
特に、第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、レーザビームのビーム拡がり角度θおよび形状の制御が可能であることから、図１９〜図２７に示すような各種形状は、レンズフリーのマーカーなどに利用することができる。
【００９８】
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザを用いることにより、レーザビームの拡がり角度や形状を変化させることが可能となるため、アプリケーションの幅を広げることができる。例えば、レーザビームプリンタ用光源、距離センサ用光源、オートフォーカス用光源、次世代光ディスクのピックアップ用光源、レーザポインタ、レーザスキャンディスプレイ、バーコードスキャナ、携帯機器内蔵スキャンディスプレイ、カプセル内蔵レーザメス、その他ＤＶＤ、ＢＤ、チップ間通信機器など幅広い応用分野に適用可能である。
【００９９】
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、Ｍ点発振に必要な共振器の共振器領域ＲＰのサイズはそのままで、カップラー領域ＣＰのサイズを相対的に小さくすることによりビーム拡がり角度θを大きくすることができる。
【０１００】
第１の実施の形態によれば、カップラー配置によるレーザビームのビーム拡がり角度および形状の制御が可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。
【０１０１】
[第２の実施の形態]
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、フォトニックバンド構造のＸ点のバンド端における発振を用いる。これらの発振では、フォトニック結晶の周期構造は、発振のための光増幅の機能しか持っていないが、この周期構造と同一面内に、光を回折させるための周期構造（カップラー）を設けることにより、光を取り出すことができる。
【０１０２】
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃの模式的平面構成は、図２８（ａ）に示すように、正方格子に配置される。また、図２８（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数ｃ／ａと波数ベクトルの関係は、図２８（ｂ）に示すように表される。
【０１０３】
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、正方格子（Ｘ点発振）の実施例に対応しており、定在波形成用フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端（図２８（ｂ）のＲ領域近傍）における発振を利用している。
【０１０４】
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図２８（ａ）に示すように、定在波形成用フォトニック結晶層１２と、定在波形成用フォトニック結晶層１２内に配置され、定在波形成用フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を、定在波形成用フォトニック結晶層１２の面内で回折させる共振器用格子点１２Ａと、定在波形成用フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を、定在波形成用フォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させるカップラー用格子点１２Ｃとを備える。
【０１０５】
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、共振器用格子点１２Ａは、図２８（ａ）に示すように、第１正方格子に配置され、カップラー用格子点１２Ｃは、第１正方格子の格子定数の２倍の格子定数を有する第２正方格子に配置され、かつカップラー用格子点１２Ｃの格子定数は、フォトニック結晶層の媒質内波長λに等しい。
【０１０６】
その他の構成は、第１の実施の形態およびその変形例１〜４と同様である。
【０１０７】
第２の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、Ｘ点発振に必要な共振器の共振器領域ＲＰのサイズはそのままで、カップラー領域ＣＰのサイズを相対的に小さくすることによりビーム拡がり角度θを大きくすることができる。
【０１０８】
第２の実施の形態によれば、安定した発振を維持しつつ、カップラー配置によるレーザビームのビーム拡がり角度および形状の制御が可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。
【０１０９】
［第３の実施の形態］
第３の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、フォトニックバンド構造のＸ点のバンド端における発振を用いる。これらの発振では、フォトニック結晶の周期構造は、発振のための光増幅の機能しか持っていないが、この周期構造と同一面内に、光を回折させるための周期構造（カップラー）を設けることにより、光を取り出すことができる。
【０１１０】
第３の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃの模式的平面構成は、図２９（ａ）に示すように、三角格子に配置される。また、図２９（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数ｃ／ａと波数ベクトルの関係は、図２９（ｂ）に示すように表される。
【０１１１】
第３の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、三角格子（Ｘ点発振）の実施例に対応しており、定在波形成用フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端（図２９（ｂ）のＲ領域近傍）における発振を利用している。
【０１１２】
第３の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図２９（ａ）に示すように、定在波形成用フォトニック結晶層１２と、定在波形成用フォトニック結晶層１２内に配置され、定在波形成用フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を、定在波形成用フォトニック結晶層１２の面内で回折させる共振器用格子点１２Ａと、定在波形成用フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を、定在波形成用フォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させるカップラー用格子点１２Ｃとを備える。
【０１１３】
第３の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、共振器用格子点１２Ａは、図２９（ａ）に示すように、第１三角格子に配置され、カップラー用格子点１２Ｃは、第１三角格子のピッチの２倍のピッチの第２三角格子に配置され、かつ第２三角格子の平面視の高さは、フォトニック結晶層１２の媒質内波長λに等しい。
【０１１４】
その他の構成は、第１の実施の形態およびその変形例１〜４と同様である。
【０１１５】
第３の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、Ｘ点発振に必要な共振器の共振器領域ＲＰのサイズはそのままで、カップラー領域ＣＰのサイズを相対的に小さくすることによりビーム拡がり角度θを大きくすることができる。
【０１１６】
第３の実施の形態によれば、安定した発振を維持しつつ、カップラー配置によるレーザビームのビーム拡がり角度および形状の制御が可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。
【０１１７】
[第４の実施の形態]
第４の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、フォトニックバンド構造のＪ点のバンド端における発振を用いる。これらの発振では、フォトニック結晶の周期構造は、発振のための光増幅の機能しか持っていないが、この周期構造と同一面内に、光を回折させるための周期構造（カップラー）を設けることにより、光を取り出すことができる。
【０１１８】
第４の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｊ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃの模式的平面構成は、図３０（ａ）に示すように、三角格子に配置される。また、図３０（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数ｃ／ａと波数ベクトルの関係は、図３０（ｂ）に示すように表される。
【０１１９】
第４の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、三角格子（Ｊ点発振）の実施例に対応しており、定在波形成用フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＪ点バンド端（図３０（ｂ）のＳ領域近傍）における発振を利用している。
【０１２０】
第４の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図３０（ａ）および図３０（ｂ）に示すように、定在波形成用フォトニック結晶層１２と、定在波形成用フォトニック結晶層１２内に配置され、定在波形成用フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＪ点バンド端における光波を、定在波形成用フォトニック結晶層１２の面内で回折させる共振器用格子点１２Ａと、定在波形成用フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＪ点バンド端における光波を、定在波形成用フォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させるカップラー用格子点１２Ｃとを備える。
【０１２１】
第４の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、共振器用格子点１２Ａは、図３０（ａ）に示すように、第１三角格子に配置され、カップラー用格子点１２Ｃは、第１三角格子のピッチの３倍のピッチの面心三角格子に配置され、かつ面心三角格子の一辺は、フォトニック結晶層１２の媒質内波長λの２倍に等しい。
【０１２２】
その他の構成は、第１の実施の形態およびその変形例１〜４と同様である。
【０１２３】
第４の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、Ｊ点発振に必要な共振器の共振器領域ＲＰのサイズはそのままで、カップラー領域ＣＰのサイズを相対的に小さくすることによりビーム拡がり角度θを大きくすることができる。
【０１２４】
第４の実施の形態によれば、安定した発振を維持しつつ、カップラー配置によるレーザビームのビーム拡がり角度および形状の制御が可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。
【０１２５】
[第５の実施の形態]
第５の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器用格子点およびカップラー用格子点の模式的平面構成は、図３１（ａ）に示すように、長方格子に配置される。また、図３１（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数ｃ／ａと波数ベクトルの関係は、図３１（ｂ）に示すよう表される。
【０１２６】
第５の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、長方格子（Ｘ点発振）の実施例に対応しており、定在波形成用フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端（図３１（ｂ）のＲ領域近傍）における発振を利用している。
【０１２７】
第５の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図３１（ａ）および図３１（ｂ）に示すように、定在波形成用フォトニック結晶層１２と、定在波形成用フォトニック結晶層１２内に配置され、定在波形成用フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を、定在波形成用フォトニック結晶層１２の面内で回折させる共振器用格子点１２Ａと、定在波形成用フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を、定在波形成用フォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させるカップラー用格子点１２Ｃとを備える。
【０１２８】
第５の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、共振器用格子点１２Ａは、図３１（ａ）に示すように、格子定数ａ1およびａ2を有する第１の長方格子に配置され、カップラー用格子点１２Ｃは、第１の長方格子とは別の第２の長方格子に配置される。ここで、第２の長方格子の格子定数は、第１の長方格子の格子定数ａ1およびａ2により定義されるアスペクト比ｒ＝ａ1／ａ2(ｒ≠１)に対して、媒質内波長λのｒ倍および媒質内波長λに等しい。
【０１２９】
その他の構成は、第１の実施の形態およびその変形例１〜４と同様である。
【０１３０】
第５の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、Ｘ点発振に必要な共振器の共振器領域ＲＰのサイズはそのままで、カップラー領域ＣＰのサイズを相対的に小さくすることによりビーム拡がり角度θ0を大きくすることができる。
【０１３１】
第５の実施の形態によれば、安定した発振を維持しつつ、カップラー配置によるレーザビームのビーム拡がり角度および形状の制御が可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。
【０１３２】
[第６の実施の形態]
第６の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃの模式的平面構成は、図３２（ａ）に示すように、菱形格子に配置される。また、図３２（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数ｃ／ａと波数ベクトルの関係は、図３２（ｂ）に示すように表される。
【０１３３】
第６の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、菱形格子（Ｘ点発振）の実施例に対応しており、定在波形成用フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端（図３２（ｂ）のＲ領域近傍）における発振を利用している。
【０１３４】
第６の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図３２（ａ）および図３２（ｂ）に示すように、定在波形成用フォトニック結晶層１２と、定在波形成用フォトニック結晶層１２内に配置され、定在波形成用フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を、定在波形成用フォトニック結晶層１２の面内で回折させる共振器用格子点１２Ａと、定在波形成用フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を、定在波形成用フォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させるカップラー用格子点１２Ｃとを備える。
【０１３５】
第６の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、共振器用格子点１２Ａは、図３２（ａ）に示すように、格子定数ａ1およびａ2を有する面心長方格子に配置され、カップラー用格子点１２Ｃは、長方格子に配置される。ここで、長方格子の格子定数は、面心長方格子の格子定数ａ1およびａ2により定義されるアスペクト比ｒ＝ａ1／ａ2(ｒ≠１)に対して、媒質内波長λのｒ倍および媒質内波長λに等しい。
【０１３６】
その他の構成は、第１の実施の形態およびその変形例１〜４と同様である。
【０１３７】
第６の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、Ｘ点発振に必要な共振器の共振器領域ＲＰのサイズはそのままで、カップラー領域ＣＰのサイズを相対的に小さくすることによりビーム拡がり角度θ0を大きくすることができる。
【０１３８】
第６の実施の形態によれば、安定した発振を維持しつつ、ビーム拡がり角度および形状の制御が可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。
【０１３９】
（共振器用格子点１２Ａの直径Ｄrとカップラー用格子点１２Ｃの直径Ｄcの関係）
共振器用格子点１２Ａの直径Ｄrとカップラー用格子点１２Ｃの直径Ｄcが異なる場合の配置例であって、Ｄc＜＝Ｄrで同一点に配置された例は、図３３（ａ）に示すように表され、Ｄc＞Ｄrで同一点に配置された例は、図３３（ｂ）に示すように表される。
【０１４０】
共振器用格子点１２Ａの直径Ｄrとカップラー用格子点１２Ｃの直径Ｄcの関係はどのような場合でも発振は可能である。ただし、図３３（ａ）に示すように、Ｄc＜＝Ｄrの場合でカップラー用格子点１２Ｃの孔と共振器用格子点１２Ａの孔が完全に重なる場合は、レーザ内部で共振は起こっているが光を取り出せないためにレーザダイオードとして機能しない。
【０１４１】
また、共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃは、図３３（ｂ）に示すように、円形形状を備え、カップラー用格子点１２Ｃの直径Ｄcは、共振器用格子点１２Ａの直径Ｄrよりも大きく形成されていても良い。
【０１４２】
一方、カップラー用格子点１２Ｃと共振器用格子点１２Ａを、それぞれ別の２次元フォトニック結晶層に形成する場合は上記制限はない。
【０１４３】
第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃは任意の形状を備え、カップラー用格子点１２Ｃは、共振器用格子点１２Ａよりも大きく形成されていても良い。
【０１４４】
図３３（ａ）および図３３（ｂ）は、Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の例であって、第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザに対応しているが、共振器用格子点１２Ａの直径Ｄrとカップラー用格子点１２Ｃの直径Ｄcの関係は、他の第２〜第６の実施の形態においても同様の関係が成立する。
【０１４５】
（格子点（孔）の形状）
共振器用格子点１２Ａの形状とカップラー用格子点１２Ｃの形状が異なる場合の配置例であって、共振器用格子点１２Ａの形状が円形、カップラー用格子点１２Ｃが三角形の例は、図３４（ａ）に示すように表され、共振器用格子点１２Ａの形状が菱形、カップラー用格子点１２Ｃが楕円形の例は、図３４（ｂ）に示すように表される。
【０１４６】
共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃは、多角形、円形、楕円形若しくは長円形のいずれかの形状を備えていても良い。ここで、多角形には、三角形、四角形、五角形、六角形、八角形などが含まれる。
【０１４７】
また、以下のようにカップラー用格子点１２Ｃと共振器用格子点１２Ａで格子点の形状は異なっていても良い。また、格子点の形状の向きが傾いていても良い。格子点の形状の向きが傾いている場合には、レーザビームが、例えば、ビーム形状が変化するなど、レーザ特性に影響を与える。
【０１４８】
図３４（ａ）および図３４（ｂ）は、Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の例であって、第１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザに対応しているが、共振器用格子点１２Ａとカップラー用格子点１２Ｃの（孔）の形状の関係は、他の第２〜第６の実施の形態においても同様の関係が成立する。
【０１４９】
以上説明したように、本発明によれば、カップラー配置によるレーザビームのビーム拡がり角度および形状の制御が可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。
【０１５０】
[第７の実施の形態]
（素子構造）
第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的鳥瞰構造は、図３５に示すように表される。
【０１５１】
第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図３５に示すように、定在波形成用フォトニック結晶層１２と、定在波形成用フォトニック結晶層１２内に配置され、定在波形成用フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるΓ点バンド端における光波を、定在波形成用フォトニック結晶層１２の面内で回折させると共に面垂直方向に回折させる長方格子の共振器用格子点１２Ａを備える。ここで、長方格子の格子定数をａ1およびａ2とすると、長方格子の一辺ａ1が媒質内波長に等しい。
【０１５２】
また、格子定数ａ1およびａ2により定義されるアスペクト比ｒ＝ａ1／ａ2は、０．５＜ｒ＜１．５(ｒ≠１)に設定されていても良い。
【０１５３】
また、第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図３５に示すように、基板２４と、基板２４上に配置された第１クラッド層１０と、第１クラッド層１０上に配置された第２クラッド層１６と、第１クラッド層１０と第２クラッド層１６に挟まれた活性層１４とを備える。ここで、第１クラッド層１０はｐ型半導体層、第２クラッド層１６はｎ型半導体層で形成されていても良く、あるいは導電性を反対にしても良い。
【０１５４】
更に、第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図３５に示すように、第２クラッド層１６上に配置されたコンタクト層１８と、コンタクト層１８上の面発光領域に配置され、レーザ光を取り出すためのウィンドウ層２０と、ウィンドウ層２０上に配置された窓状の上部電極２２と、基板２４の裏面に配置された下部電極２６とを備える。
【０１５５】
定在波形成用フォトニック結晶層１２は、図３５に示すように、第１クラッド層１０と第２クラッド層１６との間に、活性層１４の面垂直方向に活性層１４に隣接して配置されていても良い。ここで、活性層１４は、例えば、多重量子井戸（ＭＱＷ）層で形成されていても良い。
【０１５６】
更に、活性層１４と定在波形成用フォトニック結晶層１２との間には、図３５に示すように、キャリアブロック層１３を備え、ＭＱＷ層からなる活性層１４内にキャリアを有効に取り込みかつ活性層１４から定在波形成用フォトニック結晶層１２へのキャリアの流入をブロックしても良い。
【０１５７】
第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの材料系としては、例えば、以下のものを適用可能である。すなわち、例えば、波長１．３μｍ〜１．５μｍでは、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系、波長９００ｎｍの赤外光では、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、波長８００ｎｍ〜９００の赤外光／近赤外光では、ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系若しくはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ系、波長１．３μｍ〜１．６７μｍでは、ＧａＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ系、波長０．６５μｍでは、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系、青色光では、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ系などを適用可能である。
【０１５８】
第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザから出射される縦長ビーム構造のファーフィールドパターン（ＦＦＰ）例は、図３６に示すように表される。
【０１５９】
第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、ラインビーム出射するビーム拡がり角度θ0を制御可能なフォトニック結晶の格子構造として、一辺が媒質内波長に等しい長方格子（ａ1＝λ）を導入した。長方格子を導入することにより、２次元的な発振を維持したまま、ビーム拡がり角度θ0を大きくすることが可能となった。ビーム拡がり角度θ0を制御できれば、アプリケーションの範囲が広がり、ビームスキャニングレーザとしての価値の向上につながる。
【０１６０】
第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザに適用される２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数（単位：ｃ／ａ）と波数の関係は、図２と同様に表される。
【０１６１】
フォトニックバンド構造において、傾きが０となる部分をバンド端と呼ぶ。バンド端においては、光の群速度が０となり、定在波が形成されるため、フォトニック結晶が光の共振器として機能する。
【０１６２】
第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、定在波形成用フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるΓ点バンド端（図２のＰ領域近傍）における発振を利用している。
【０１６３】
定在波形成用フォトニック結晶層１２において、Γ点バンド端発振では、共振器用格子点１２Ａは、定在波形成用フォトニック結晶層１２の面内での回折に適用されると共に面垂直方向への回折に適用される。
【０１６４】
第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２のΓ点発振における面内共振モードの模式的説明図は、図３７（ａ）に示すように表される。図３７（ａ）には、２次元フォトニック結晶層１２内の共振器用格子点１２Ａをキャビティーとする多重化された面内共振モードによって、２次元の大面積共振器が形成される様子が示されている。
【０１６５】
Γ点バンド端（図３のＰ領域近傍）を用いる発振バンド端では、定在波形成用フォトニック結晶層１２において、共振器用格子点１２Ａは共振器とカップラーの両方の機能を有するため、図３７（ａ）の構成のまま、定在波形成用フォトニック結晶層１２の面垂直方向へ面発光レーザ光ｈνLを取り出すことができる。
【０１６６】
しかも、第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、大面積で安定な単一モードで動作可能である。すなわち、第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、定在波形成用フォトニック結晶層１２に形成された共振器用格子点１２Ａからなる２次元周期構造によって電磁界分布が規定されているため、大面積でも単一モードを維持可能である。このため、例えば、Ｗ級の出力光をレンズを介して小さい１点に集光するなどの加工が容易である。
【０１６７】
例えば、図３５において、定在波形成用フォトニック結晶層１２のサイズは、例えば、約７００μｍ×約７００μｍである。
【０１６８】
出射される面発光レーザ光ｈνLと共振器内レーザ光ｈνRは、図３７（ｂ）に示すように表される。フォトニック結晶層１２面内の共振器内レーザ光ｈνRの複数の波が結合して共振し、面発光レーザ光ｈνLが、フォトニック結晶層１２に対して垂直方向に出射される。
【０１６９】
第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Γ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器用格子点１２Ａは、図３８に示すように、格子定数をａ1およびａ2とする長方格子に配置される。ここで、長方格子の一辺ａ1が媒質内波長λに等しい。
【０１７０】
また、図３８のＩＶ−ＩＶ線に沿う模式的断面構造は、図３９（ａ）に示すように表され、図３８のＶ−Ｖ線に沿う模式的断面構造は、図３９（ｂ）に示すように表される。
【０１７１】
第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Γ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器用格子点１２Ａは、図３９（ａ）および図３９（ｂ）に示すように空孔として形成可能である。
【０１７２】
また、試作されている共振器用格子点１２Ａの直径・深さは、例えば、約１２０ｎｍ・１１５ｎｍ程度であり、ピッチは、例えば、約２８０ｎｍ程度である。尚、これらの数値例は、基板１０および活性層１４を構成する材料系、２次元フォトニック結晶層１２の材料系および媒質内波長などによって適宜変更可能である。
【０１７３】
例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料を適用した第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、２次元フォトニック結晶層１２の媒質内波長λとしては、約２００ｎｍ〜約３００ｎｍ程度であり、出力光波長は、約９００ｎｍ〜約９１５ｎｍ程度である。
【０１７４】
尚、共振器用格子点１２Ａは、例えば、空気孔として形成する代わりに、屈折率の異なる半導体層で充填しても良い。例えば、ＧａＡｓ層に対してＡｌＧａＡｓ層を充填して形成しても良い。
【０１７５】
例えば、２次元フォトニック結晶層１２を融着する製造工程において、共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃの空孔形状が変形する場合には、屈折率の異なる半導体層で充填することがこのような変形を回避する上で有効である。
【０１７６】
第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、長方格子Γ点発振におけるアスペクト比ｒ＝１．０１５の場合のバンド構造であって、規格化周波数（ｃ／ａ）と波数との関係は、図４０に示すように表される。
【０１７７】
また、長方格子Γ点発振におけるアスペクト比ｒ＝１．０３の場合のバンド構造は、図４１に示すように表され、長方格子Γ点発振におけるアスペクト比ｒ＝１．０４５の場合のバンド構造は、図４２に示すように表される。
【０１７８】
第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、図４０〜図４２中の矢印に示すように、長方格子のΓ点発振では、波数ｋの拡がりを持ち、アスペクト比ｒ（＝ａ1／ａ2）(ｒ≠１)の値により、波数ｋの拡がりを制御することができる。すなわち、波数ｋは、放射角度に対応するため、ビーム拡がり角度θ0を制御することができる。
【０１７９】
第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、長方格子の共振器用格子点１２Ａの実空間は、図４３に示すように表され、長方格子の波数空間は、図４４に示すように表される。
【０１８０】
図４３において、格子定数ａ1は、２次元フォトニック結晶層１２の媒質内波長λに等しく、アスペクト比ｒは、ａ1／ａ2(ｒ≠１)である。また、図４４において、ｂ1＝２π／ａ1、ｂ2＝２π／ａ2であり、ｋfは、基本波の波数ベクトルを表す。
【０１８１】
第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の長方格子の共振器用格子点１２ＡをΓ点発振させるためには、活性層１４のゲインピークに、その共振モードの波長が重なる必要がある。すなわち、Γ点では、基本波の波数ｋfが、活性層ゲインの媒質内での中心波長（λPC）となることから、次式の関係が得られる。
【０１８２】
ｋf＝｜ｂ1|＝｜（２π／ａ1，０）｜＝２π／ａ1＝２π／λPC          （１）
従って、格子定数ａと中心波長λPCの関係は、
ａ1＝λPC＝λair／ｎeff                                              （２）
で与えられる。第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、活性層の中心波長は、空気中でλair＝９４０ｎｍ、有効屈折率ｎeff＝３．４である。
【０１８３】
（実験結果）
第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、長方格子Γ点発振におけるアスペクト比ｒ＝１．０１５の場合のＦＦＰの測定実験結果は、図４５に示すように表され、長方格子Γ点発振におけるアスペクト比ｒ＝１．０３の場合のＦＦＰの測定実験結果は、図４６に示すように表され、長方格子Γ点発振におけるアスペクト比ｒ＝１．０４５の場合のＦＦＰの測定実験結果は、図４７に示すように表される。
【０１８４】
第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、図４５〜図４７中の矢印に示すように、ビーム拡がり角度θ0は、それぞれ８°、１５°、２１°が得られている。
【０１８５】
第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、図４５〜図４７に示すように、アスペクト比ｒ（＝ａ1／ａ2）(ｒ≠１)の値により、長方格子のΓ点発振のビーム拡がり角度θ0を制御可能である。特に、長方格子のアスペクト比ｒ（＝ａ1／ａ2）(ｒ≠１)の値により、縦ビーム拡がり角度を制御可能である。
【０１８６】
図３８のＩＶ−ＩＶ線に沿う第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造は、図４８（ａ）に示すように表され、図３８のＶ−Ｖ線に沿う第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造は、図４８（ｂ）に示すように表される。
【０１８７】
すなわち、第７の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図４８（ａ）および図４８（ｂ）に示すように、基板（２４：図１）と、基板（２４）上に配置された第１クラッド層１０と、第１クラッド層１０上に配置された第２クラッド層１６と、第１クラッド層１０と第２クラッド層１６に挟まれた活性層１４とを備え、定在波形成用フォトニック結晶層１２は、第１クラッド層１０と活性層１４との間に、活性層１４の面垂直方向に隣接して配置されていても良い。また、図４８（ａ）および図４８（ｂ）に示すように、定在波形成用フォトニック結晶層１２と活性層１４との間には、キャリアブロック層１３を備えていても良い。
【０１８８】
（変形例）
図３８のＩＶ−ＩＶ線に沿う第７の実施の形態の変形例に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造は、図４９（ａ）に示すように表され、図３８のＶ−Ｖ線に沿う模式的断面構造は、図４９（ｂ）に示すように表される。
【０１８９】
すなわち、第７の実施の形態の変形例に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、定在波形成用フォトニック結晶層１２は、図４９（ａ）および図４９（ｂ）に示すように、第２クラッド層１６と活性層１４との間に、活性層１４の面垂直方向に隣接して配置されていても良い。
【０１９０】
第７の実施の形態およびその変形例によれば、ラインビーム出射する２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。
【０１９１】
第７の実施の形態およびその変形例によれば、長方格子のアスペクト比により、Γ点発振のビーム拡がり角度が制御可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。
【０１９２】
[第８の実施の形態]
第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図３５と同様に、基板２４と、基板２４上に配置された第１クラッド層１０と、第１クラッド層１０上に配置された第２クラッド層１６と、第１クラッド層１０と第２クラッド層１６に挟まれた活性層１４とを備える。
【０１９３】
更に、第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図３５と同様に、第２クラッド層１６上に配置されたコンタクト層１８と、コンタクト層１８上の面発光領域に配置され、レーザ光を取り出すためのウィンドウ層２０と、ウィンドウ層２０上に配置された窓状の上部電極２２と、基板２４の裏面に配置された下部電極２６とを備える。
【０１９４】
定在波形成用フォトニック結晶層１２は、図３５と同様に、第１クラッド層１０と第２クラッド層１６との間に、活性層１４の面垂直方向に活性層１４に隣接して配置されていても良い。ここで、活性層１４は、例えば、ＭＱＷ層で形成されていても良い。
【０１９５】
更に、活性層１４と定在波形成用フォトニック結晶層１２との間には、図３５と同様に、キャリアブロック層１３を備え、ＭＱＷ層からなる活性層１４内にキャリアを有効に取り込みかつ活性層１４から定在波形成用フォトニック結晶層１２へのキャリアの流入をブロックしても良い。
【０１９６】
第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの材料系としては、例えば、以下のものを適用可能である。すなわち、例えば、波長１．３μｍ〜１．５μｍでは、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系、波長９００ｎｍの赤外光では、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、波長８００ｎｍ〜９００の赤外光／近赤外光では、ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系若しくはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ系、波長１．３μｍ〜１．６７μｍでは、ＧａＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ系、波長０．６５μｍでは、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系、青色光では、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ系などを適用可能である。
【０１９７】
第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいても出射される縦長ビーム構造のＦＦＰ例は、図３６と同様である。
【０１９８】
第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、ラインビーム出射するビーム拡がり角度θ0を制御可能なフォトニック結晶の格子構造として、一辺が媒質内波長の１／２に等しい長方格子（ａ1＝λ／２）を導入した。
【０１９９】
第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、フォトニックバンド構造のＸ点のバンド端における光波を用いる。
【０２００】
Ｘ点のバンド端における光波では、フォトニック結晶の周期構造は、発振のための定在波形成の機能しか持っていないが、この周期構造と同一面内に、光を回折させるための周期構造（カップラー）を設けることにより、光を取り出すことができる。長方格子を導入することにより、２次元的な発振を維持したまま、ビーム拡がり角度θ0を大きくすることが可能となった。ビーム拡がり角度θ0を制御できれば、アプリケーションの範囲が広がり、ビームスキャニングレーザとしての価値の向上につながる。
【０２０１】
第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、長方格子Ｘ点発振におけるバンド構造であって、規格化周波数（ｃ／ａ）と波数との関係は、図５０に示すように表される。
【０２０２】
第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、共振器用長方格子の格子点の実空間は、図５１に示すように表され、共振器用長方格子の波数空間は、図５２に示すように表される。
【０２０３】
図５１において、格子定数ａ1は、２次元フォトニック結晶層１２の媒質内波長λの１／２に等しく、アスペクト比ｒは、＝ａ1／ａ2(ｒ≠１)である。また、図５２において、ｂ1＝２π／ａ1、ｂ2＝２π／ａ2であり、ｋfは、基本波の波数ベクトルを表す。
【０２０４】
第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の長方格子の共振器用格子点１２ＡをＸ点発振させるためには、活性層１４のゲインピークに、その共振モードの波長が重なる必要がある。すなわち、長方格子Ｘ点では、基本波の波数ｋfが、活性層ゲインの媒質内での中心波長（λPC）となることから、次式の関係が得られる。
【０２０５】
ｋf＝｜１／２・ｂ1|＝｜１／２・（２π／ａ1，０）｜＝π／ａ1＝２π／λPC
（３）
従って、格子定数ａ1と中心波長λPCの関係は、
ａ1＝１／２・λPC＝１／２・λair／ｎeff                              （４）
で与えられる。
【０２０６】
一方、光出射用フォトニック結晶構造は、逆格子ベクトルｋ空間において、定在波形成用フォトニック結晶構造により増幅される光の波数ベクトルｋ↑と、光出射用フォトニック結晶構造における逆格子ベクトルｋG↑の和である波数ベクトルΔｋ↑＝ｋ↑＋ｋG↑の大きさ｜ｋ↑＋ｋG↑｜が｜ｋ↑｜／ｎeffより小さくなる逆格子ベクトルｋG↑が存在するように、２次元の格子構造を形成する。
【０２０７】
ここで、波数ベクトルΔｋ↑は、波数ベクトルｋ↑を有する光が光出射用フォトニック結晶構造において回折された（すなわち、波数ベクトルの向きが変化した）後の波数ベクトルを表す。
【０２０８】
これにより、定在波形成用フォトニック結晶構造において増幅された光が、光出射用フォトニック結晶構造において回折され、その回折光の波数ベクトルΔｋ↑がライトコーン内に存在することとなる。
【０２０９】
そのため、２次元フォトニック結晶層内の光は、２次元フォトニック結晶層と外部との界面において全反射を生じることなく外部に出射し、レーザビームが得られる。その際、２次元フォトニック結晶層に平行な方向の波数成分が、上記界面において維持されるため、散乱光の波数ベクトルの大きさ｜Δｋ↑｜が０である場合には、レーザビームは、２次元フォトニック結晶層に垂直に出射し、｜Δｋ↑｜が０以外を有する場合には、その散乱光の波数ベクトルΔｋ↑の大きさおよび向きに対応した傾斜角を有する傾斜ビームが得られる。
【０２１０】
第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器用格子点１２Ａは、図５３に示すように、長方格子に配置される。
【０２１１】
また、第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃの模式的平面構成は、図５４に示すように表される。
【０２１２】
また、図５４のＶＩ−ＶＩ線に沿う模式的断面構造は、図５５（ａ）に示すように表され、図５４のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図５５（ｂ）に示すように表される。
【０２１３】
第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図５５（ａ）に示すように、定在波形成用フォトニック結晶層１２と、定在波形成用フォトニック結晶層１２内に配置され、定在波形成用フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を、定在波形成用フォトニック結晶層１２の面内で回折させる長方格子の共振器用格子点１２Ａと、定在波形成用フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を、定在波形成用フォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させるカップラー用格子点１２Ｃとを備える。ここで、長方格子の格子定数をａ1およびａ2とすると、長方格子の一辺ａ1が媒質内波長λの１／２に等しい。
【０２１４】
第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、カップラー用格子点１２Ｃには、あらゆる格子系が考えられ、周期が一致している必要もない。カップラー用格子点１２Ｃの格子系や周期が変わると、出射する方向と角度も変わる。
【０２１５】
第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、共振器用格子点１２Ａの長方格子において、格子定数ａ1は、媒質内波長λの１／２に等しいが、ａ2の範囲は特に限定されない。但し、現実的な構造を想定すると、
０．５×ａ1＜ａ2＜３×ａ1                                          （５）
であることが望ましい。
【０２１６】
また、第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、カップラー用格子点１２Ｃは、定在波形成用フォトニック結晶層１２内に配置される。
【０２１７】
第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃは、図５５（ａ）および図５５（ｂ）に示すように空孔として形成可能である。
【０２１８】
また、試作されている共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃの直径・深さは、例えば、約１２０ｎｍ・１１５ｎｍ程度であり、ピッチは、例えば、約２８０ｎｍ程度である。尚、これらの数値例は、基板１０および活性層１４を構成する材料系、２次元フォトニック結晶層１２の材料系および媒質内波長などによって適宜変更可能である。
【０２１９】
例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料を適用した第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、２次元フォトニック結晶層１２の媒質内波長λとしては、約２００ｎｍ〜約３００ｎｍ程度であり、出力光波長は、約９００ｎｍ〜約９１５ｎｍ程度である。
【０２２０】
尚、共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃは、例えば、空気孔として形成する代わりに、屈折率の異なる半導体層で充填しても良い。例えば、ＧａＡｓ層に対してＡｌＧａＡｓ層を充填して形成しても良い。例えば、２次元フォトニック結晶層１２を融着する製造工程において、共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃの空孔形状が変形する場合には、屈折率の異なる半導体層で充填することがこのような変形を回避する上で有効である。
【０２２１】
図５４のＶＩ−ＶＩ線に沿う第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造は、図５６（ａ）に示すように表され、図５４のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造は、図５６（ｂ）に示すように表される。
【０２２２】
すなわち、第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、基板（２４：図３５）と、基板（２４）上に配置された第１クラッド層１０と、第１クラッド層１０上に配置された第２クラッド層１６と、第１クラッド層１０と第２クラッド層１６に挟まれた活性層１４とを備え、定在波形成用フォトニック結晶層１２は、第１クラッド層１０と活性層１４との間に、活性層１４の面垂直方向に隣接して配置されていても良い。また、図４１に示すように、定在波形成用フォトニック結晶層１２と活性層１４との間には、キャリアブロック層１３を備えている。
【０２２３】
（変形例１）
図５４のＶＩ−ＶＩ線に沿う第８の実施の形態の変形例１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造は、図５７（ａ）に示すように表され、図５４のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う第８の実施の形態の変形例１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造は、図５７（ｂ）に示すように表される。
【０２２４】
すなわち、第７の実施の形態の変形例１に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、定在波形成用フォトニック結晶層１２は、図５７（ａ）および図５７（ｂ）に示すように、第２クラッド層１６と活性層１４との間に、活性層１４の面垂直方向に隣接して配置されていても良い。また、図５７（ａ）および図５７（ｂ）では図示を省略しているが、定在波形成用フォトニック結晶層１２と活性層１４との間には、図５６と同様に、キャリアブロック層１３を配置しても良い。
【０２２５】
（変形例２）
図５４のＶＩ−ＶＩ線に沿う第８の実施の形態の変形例２に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造は、図５８（ａ）に示すように表される。
【０２２６】
すなわち、第８の実施の形態の変形例２に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図５８（ａ）に示すように、定在波形成用フォトニック結晶層１２1と積層化される光出射用フォトニック結晶層１２2を更に備え、カップラー用格子点１２Ｃは、光出射用フォトニック結晶層１２2内に配置されていても良い。
【０２２７】
第８の実施の形態の変形例２に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図５８（ａ）に示すように、基板（２４：図３５）と、基板（２４）上に配置された第１クラッド層１０と、第１クラッド層１０上に配置された第２クラッド層１６と、第１クラッド層１０と第２クラッド層１６に挟まれた活性層１４とを備え、定在波形成用フォトニック結晶層１２1および光出射用フォトニック結晶層１２2は、第１クラッド層１０と第２クラッド層１６との間に、活性層１４の面垂直方向に、活性層１４を挟んで配置される。
【０２２８】
また、図５８（ａ）では図示を省略しているが、定在波形成用フォトニック結晶層１２1と活性層１４との間および光出射用フォトニック結晶層１２2と活性層１４との間には、図５６と同様に、キャリアブロック層１３をそれぞれ配置しても良い。
【０２２９】
また、図５８（ａ）において、定在波形成用フォトニック結晶層１２1および光出射用フォトニック結晶層１２2の積層順序を逆にして、活性層１４と第２クラッド層１６との間に光出射用フォトニック結晶層１２2を配置し、活性層１４と第１クラッド層１０との間に定在波形成用フォトニック結晶層１２1を配置してもよい。カップラー用格子点１２Ｃが配置される光出射用フォトニック結晶層１２2を光の取り出し方向に近い位置に配置可能であるため、光の取り出し効率も増大可能である。
【０２３０】
（変形例３）
図５４のＶＩ−ＶＩ線に沿う第８の実施の形態の変形例３に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造は、図５８（ｂ）に示すように表される。
【０２３１】
すなわち、第８の実施の形態の変形例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は、定在波形成用フォトニック結晶層１２1および光出射用フォトニック結晶層１２2は、第２クラッド層１６と活性層１４との間に、活性層１４の面垂直方向に隣接して配置されていても良い。また、図５８（ｂ）では図示を省略しているが、光出射用フォトニック結晶層１２2と活性層１４との間には、図５６と同様に、キャリアブロック層１３を配置しても良い。
【０２３２】
また、図５８（ｂ）において、定在波形成用フォトニック結晶層１２1および光出射用フォトニック結晶層１２2の積層順序を逆にして、活性層１４上に定在波形成用フォトニック結晶層１２1を配置し、定在波形成用フォトニック結晶層１２1上に光出射用フォトニック結晶層１２2を配置してもよい。活性層１４に近い位置に定在波形成用フォトニック結晶層１２1を配置した方が、活性層１４のゲインピーク近傍に、共振モードの波長を重ねることが可能となるため、定在波形成作用をより効果的に実施することができる。また、カップラー用格子点１２Ｃが配置される光出射用フォトニック結晶層１２2を光の取り出し方向に近い位置に配置可能であるため、光の取り出し効率も増大可能である。
【０２３３】
（変形例４）
図５４のＶＩ−ＶＩ線に沿う第８の実施の形態の変形例４に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的断面構造は、図５８（ｃ）に示すように表される。
【０２３４】
すなわち、第８の実施の形態の変形例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は、定在波形成用フォトニック結晶層１２1および光出射用フォトニック結晶層１２2は、第１クラッド層１０と活性層１４との間に、活性層１４の面垂直方向に隣接して配置されていても良い。また、図５８（ｃ）では図示を省略しているが、定在波形成用フォトニック結晶層１２1と活性層１４との間には、図５６と同様に、キャリアブロック層１３を配置しても良い。
【０２３５】
また、図５８（ｃ）において、定在波形成用フォトニック結晶層１２1および光出射用フォトニック結晶層１２2の積層順序を逆にして、活性層１４に近接して光出射用フォトニック結晶層１２2を配置してもよい。カップラー用格子点１２Ｃが配置される光出射用フォトニック結晶層１２2を光の取り出し方向に近い位置に配置可能であるため、光の取り出し効率も増大可能である。
【０２３６】
（変形例５）
第８の実施の形態の変形例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、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃの模式的平面構成は、図５９（ａ）に示すように表され、図５９（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数（ｃ／ａ）と波数との関係は、図５９（ｂ）に示すように表される。
【０２３７】
第８の実施の形態の変形例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は、長方格子（Ｘ点発振）の実施例に対応しており、定在波形成用フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端（図５９（ｂ）のＲ領域近傍）における発振を利用している。
【０２３８】
第８の実施の形態の変形例５に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図５９（ａ）および図５９（ｂ）に示すように、定在波形成用フォトニック結晶層１２と、定在波形成用フォトニック結晶層１２内に配置され、定在波形成用フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を、定在波形成用フォトニック結晶層１２の面内で回折させる共振器用格子点１２Ａと、定在波形成用フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を、定在波形成用フォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させるカップラー用格子点１２Ｃとを備える。
【０２３９】
第８の実施の形態の変形例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、共振器用格子点１２Ａは、図５９（ａ）に示すように、格子定数ａ1およびａ2を有する第１の長方格子に配置され、カップラー用格子点１２Ｃは、第１の長方格子とは別の第２の長方格子に配置される。ここで、第２の長方格子のｘ方向およびｙ方向の格子定数は、第１の長方格子のｘ方向およびｙ方向の格子定数ａ1およびａ2に対して、媒質内波長２ａ1およびａ2に等しい。
【０２４０】
その他の構成は、第８の実施の形態およびその変形例１〜４と同様である。
【０２４１】
（変形例６）
第８の実施の形態の変形例６に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器用格子点１２Ａの模式的平面構成は、図６０（ａ）に示すように、菱形格子に配置される。また、図６０（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数（ｃ／ａ）と波数の関係は、図６０（ｂ）に示すように表される。
【０２４２】
第８の実施の形態の変形例６に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、菱形格子（Ｘ点発振）の実施例に対応しており、定在波形成用フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端（図６０（ｂ）のＲ領域近傍）における発振を利用している。
【０２４３】
第８の実施の形態の変形例６に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図６０（ａ）および図６０（ｂ）に示すように、定在波形成用フォトニック結晶層１２と、定在波形成用フォトニック結晶層１２内に配置され、定在波形成用フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を、定在波形成用フォトニック結晶層１２の面内で回折させる共振器用格子点１２Ａと、定在波形成用フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端における光波を、定在波形成用フォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させるカップラー用格子点１２Ｃとを備える。
【０２４４】
第８の実施の形態の変形例６に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、共振器用格子点１２Ａは、図６０（ａ）に示すように、格子定数ａ1およびａ2を有する菱形格子に配置され、カップラー用格子点１２Ｃは、長方格子に配置される。ここで、長方格子の格子定数は、菱形格子の格子定数ａ1およびａ2に対して、媒質内波長λおよびａ2に等しい。
【０２４５】
その他の構成は、第８の実施の形態およびその変形例１〜４と同様である。
【０２４６】
第８の実施の形態およびその変形例１〜６によれば、ラインビーム出射する２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。
【０２４７】
第８の実施の形態およびその変形例１〜６によれば、長方格子のアスペクト比ｒ（＝ａ1／ａ2）(ｒ≠１)により、ビーム拡がり角度が制御可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。
【０２４８】
第８の実施の形態およびその変形例１〜６によれば、ビーム拡がり角度を制御可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。
【０２４９】
（ビーム拡がり角度の制御：共振器領域ＲＰとカップラー領域ＣＰ）
共振器領域ＲＰとは、定在波形成用フォトニック結晶層１２・１２1において共振器用格子点１２Ａが配置される領域であり、カップラー領域ＣＰとは、定在波形成用フォトニック結晶層１２若しくは、光出射用フォトニック結晶層１２2においてカップラー用格子点1２Ｃが配置される領域である。
【０２５０】
第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、カップラー領域ＣＰの幅、ビーム拡がり角度、およびビーム拡がり領域の関係は、模式的に図１１（ａ）、図１１（ｂ）および図１１（ｃ）と同様に表される。すなわち、カップラー領域ＣＰ1の幅Ａ1、ビーム拡がり角度θ1、およびビーム拡がり領域３０1の例は図１１（ａ）と同様に表され、カップラー領域ＣＰ2の幅Ａ2、ビーム拡がり角度θ2、およびビーム拡がり領域３０2の例は図１１（ｂ）と同様に表され、カップラー領域ＣＰ3の幅Ａ3、ビーム拡がり角度θ3、およびビーム拡がり領域３０3の例は図１１（ｃ）と同様に表される。ここで、カップラー領域の幅の大小関係は、Ａ1＜Ａ2＜Ａ3であり、カップラー領域ＣＰ1の大きさは相対的に小さく、カップラー領域ＣＰ3の大きさは相対的に大きい。また、ビーム拡がり領域３０1・３０2・３０3を規定するビーム拡がり角度の大小関係は、θ1＞θ2＞θ3が成立している。
【０２５１】
第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、図１１（ａ）・図１１（ｂ）・図１１（ｃ）に対応する共振器領域ＲＰの大小関係は、図１２（ａ）と同様に表され、ビーム拡がり角度の大小関係は、図１２（ｂ）と同様に表される。すなわち、共振器領域ＲＰの大きさが大きい程、ビーム拡がり角度θ0は小さくなる。
【０２５２】
比較例に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、正方格子Γ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰの大きさの関係を示す図であって、ＲＰ1の例は図１３（ａ）と同様に表され、ＲＰ2の例は図１３（ｂ）と同様に表され、ＲＰ3の例は図１３（ｃ）と同様に表される。
【０２５３】
一方、第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰおよびカップラー領域ＣＰ大きさの関係を示す図であって、ＲＰ1、ＣＰ1の例は図１４（ａ）と同様に表され、ＲＰ2、ＣＰ2の例は図１４（ｂ）と同様に表され、ＲＰ3、ＣＰ3の例は図１４（ｃ）と同様に表される。
【０２５４】
２次元フォトニック結晶面発光レーザの発振には、ある一定以上の共振器の領域が必要である。そのため比較例に係る正方格子Γ点発振の場合、ビーム拡がり角度θ0を大きくしようとすると、発振に必要な共振器領域ＲＰAが確保できない。すなわち、比較例に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、正方格子Γ点発振を利用するため、共振器領域ＲＰのサイズがそのままカップラー領域ＣＰのサイズに等しいため、ビーム拡がり角度θ0を大きくしようとして、共振器領域ＲＰのサイズを縮小化すると、図１２（ａ）に示すように、共振器領域ＲＰの大小関係において、ＲＰ＜ＲＰAの範囲では、発振に必要な共振器領域ＲＰAが確保できないため、発振することができなくなる。
【０２５５】
（カップラーと共振器の配置関係）
第８の実施の形態の変形例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、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器領域ＲＰおよびカップラー領域ＣＰ内における共振器用格子点１２Ａ・カップラー用格子点１２Ｃの配置例は、図６１に示すように表される。
【０２５６】
また、第８の実施の形態の変形例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、光出射用フォトニック結晶層１２2にカップラー用格子点１２Ｃを配置した例は、図６２（ａ）に示すように表される。ここで、カップラー用格子点１２Ｃのピッチは、横方向２ａ1、縦方向ａ2である。定在波形成用フォトニック結晶層１２1に共振器用格子点１２Ａを配置した例は、図６２（ｂ）に示すように表される。ここで、媒質内波長λは、２ａ1に等しい。また、同一のフォトニック結晶層１２に共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃを配置した例は、図６２（ｃ）に示すように表され、同一のフォトニック結晶層１２に共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃを配置した別の例は、図６２（ｄ）に示すように表され、同一のフォトニック結晶層１２に共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃを配置した更に別の例は、図６２（ｅ）に示すように表される。また、同一のフォトニック結晶層１２に共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃを配置した更に別の例は、図６２（ｆ）に示すように表される。図６２（ｆ）は、一般化した例であって、ここで、カップラー用格子点１２Ｃは任意に配置可能であり、カップラー用格子点１２Ｃのピッチは、例えば、横方向ａ3＝ｒ1ａ1、縦方向ａ4＝ｒ2ａ2で表される(ｒ1≠１、ｒ2≠１)。
【０２５７】
第８の実施の形態の変形例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、カップラー用格子点１２Ｃと共振器用格子点１２Ａの配置関係は、図６２（ｃ）〜図６２（ｆ）に示すように自由に設定可能である。なお、カップラー用格子点１２Ｃと共振器用格子点１２Ａの配置関係によっては、ＬＤ特性（出力、閾値など）が変化する。
【０２５８】
図６１および図６２の例は、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の例であって、第８の実施の形態の変形例５に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザに対応しているが、他の第８の実施の形態においても同様に適用可能である。
【０２５９】
（カップラー配置によるビーム拡がり角度制御）
第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器領域ＲＰとカップラー領域ＣＰの大きさがほぼ等しい場合のＮＦＰは、図６３（ａ）に示すように表され、カップラー領域ＣＰからのビーム拡がり領域３０は、図６３（ｂ）に示すように表され、図６３（ａ）に対応する共振器領域ＲＰおよびカップラー領域ＣＰ内の共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃを配置例は、図６３（ｃ）に示すように表される。
【０２６０】
また、第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器領域ＲＰとカップラー領域ＣＰの大きさが異なる場合のＮＦＰは、図６４（ａ）に示すように表され、カップラー領域ＣＰからのビーム拡がり領域３０は、図６４（ｂ）に示すように表され、図６４（ａ）に対応する共振器領域ＲＰおよびカップラー領域ＣＰ内の共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃの配置例は、図６４（ｃ）に示すように表される。
【０２６１】
すなわち、第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、共振器とカップラーを別々に設計が可能であり、カップラーの配列のみを変更することで、安定な発振を維持しつつ、面発光レーザ光のビーム拡がり角度θ0を様々に変更可能である。
【０２６２】
第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、共振器用格子点１２Ａの配置される共振器領域ＲＰの大きさを維持したまま、カップラー用格子点１２Ｃの配置されるカップラー領域ＣＰを変化させることにより、安定した発振を維持しつつレーザビームのビーム拡がり角度θ0を調整することができる。
【０２６３】
（共振器用格子点１２Ａの直径Ｄrとカップラー用格子点１２Ｃの直径Ｄcの関係）
共振器用格子点１２Ａの直径Ｄrとカップラー用格子点１２Ｃの直径Ｄcが異なる場合の配置例であって、Ｄc＜＝Ｄrで同一点に配置された例は、図６５（ａ）に示すように表され、Ｄc＞Ｄrで同一点に配置された例は、図６５（ｂ）に示すように表される。
【０２６４】
共振器用格子点１２Ａの直径Ｄrとカップラー用格子点１２Ｃの直径Ｄcの関係はどのような場合でも発振は可能である。ただし、図６５（ａ）に示すように、Ｄc＜＝Ｄrの場合でカップラー用格子点１２Ｃの孔と共振器用格子点１２Ａの孔が完全に重なる場合は、レーザ内部で共振は起こっているが光を取り出せないためにレーザダイオードとして機能しない。
【０２６５】
また、共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃは、図６５（ｂ）に示すように、円形形状を備え、カップラー用格子点１２Ｃの直径Ｄcは、共振器用格子点１２Ａの直径Ｄrよりも大きく形成されていても良い。
【０２６６】
一方、カップラー用格子点１２Ｃと共振器用格子点１２Ａを、それぞれ別の２次元フォトニック結晶層に形成する場合は上記制限はない。
【０２６７】
第７〜第８の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃは任意の形状を備え、カップラー用格子点１２Ｃは、共振器用格子点１２Ａよりも大きく形成されていても良い。
【０２６８】
図６５（ａ）および図６５（ｂ）は、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の例であって、第８の実施の形態の変形例５に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザに対応しているが、共振器用格子点１２Ａの直径Ｄrとカップラー用格子点１２Ｃの直径Ｄcの関係は、他の第８の実施の形態においても同様の関係が成立する。
【０２６９】
（格子点（孔）の形状）
共振器用格子点１２Ａの形状とカップラー用格子点１２Ｃの形状が異なる場合の配置例であって、共振器用格子点１２Ａの形状が円形、カップラー用格子点１２Ｃが三角形の例は、図６６（ａ）に示すように表され、共振器用格子点１２Ａの形状が菱形、カップラー用格子点１２Ｃが楕円形の例は、図６６（ｂ）に示すように表される。
【０２７０】
共振器用格子点１２Ａおよびカップラー用格子点１２Ｃは、多角形、円形、楕円形若しくは長円形のいずれかの形状を備えていても良い。ここで、多角形には、三角形、四角形、五角形、六角形、八角形などが含まれる。
【０２７１】
また、以下のようにカップラー用格子点１２Ｃと共振器用格子点１２Ａで格子点の形状は異なっていても良い。また、格子点の形状の向きが傾いていても良い。格子点の形状の向きが傾いている場合には、レーザビームが、例えば、斜め方向に出力されるなど、レーザ出力特性に影響を与える。
【０２７２】
図６６（ａ）および図６６（ｂ）は、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の例であって、第８の実施の形態の変形例５に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザに対応しているが、共振器用格子点１２Ａとカップラー用格子点１２Ｃの（孔）の形状の関係は、他の第８の実施の形態においても同様の関係が成立する。
【０２７３】
以上説明したように、本発明によれば、レーザビームのビーム拡がり角度の制御が可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。
【０２７４】
[第９の実施の形態]
（素子構造）
第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的鳥瞰構造は、図６７に示すように、フォトニック結晶層１２と、フォトニック結晶層１２内に配置され、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるバンド端における光波を、フォトニック結晶層１２の面内で回折させると共にフォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させる共振状態形成用格子点１２Ａとを備える。
【０２７５】
ここで、共振状態形成用格子点１２Ａには、光波を、フォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させるための摂動が加えられている。摂動が加えられた共振状態形成用格子点１２Ａは、摂動状態形成用格子点１２Ｐで表される。摂動状態形成用格子点１２Ｐは、フォトニック結晶層１２内に配置されている。
【０２７６】
ここで、「摂動」とは、フォトニック結晶層１２に周期構造を形成する共振状態形成用格子点１２Ａに対して、周期的に変調を加えることを云う。また、周期的変調は、例えば、屈折率変調であっても良い。また、周期的変調は、例えば、孔の大きさ変調であっても良い。また、周期的変調は、例えば、孔の深さ変調であっても良い。また、周期的変調は、例えば、孔の深さ変調および孔の深さ変調の両方であっても良い。
【０２７７】
理論的には、フォトニック結晶層１２に形成される共振状態形成用格子点１２Ａの「屈折率」に摂動を加えるのが望ましい。また、「孔の大きさ」、「孔の深さ」、或いはその両方に摂動を加えることで、同様の効果が得られる。
【０２７８】
図６７に示された例では、格子定数（ａ1，ａ2）を有する長方格子のｙ軸方向に周期的に配置される摂動状態形成用格子点１２Ｐ1・１２Ｐ2・１２Ｐ3…に対して、屈折率変調の摂動を加えている。
【０２７９】
第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、共振状態形成用格子点１２Ａの格子型としては、正方格子、長方格子、面心長方格子、三角格子などを適用可能である。
【０２８０】
第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、フォトニック結晶層１２に周期構造を形成する共振状態形成用格子点１２Ａに対して摂動を加えることによって、様々なバンド端発振を実現可能である。例えば、正方格子および長方格子では、Γ点・Ｘ点・Ｍ点発振、面心長方格子および三角格子では、Γ点・Ｘ点・Ｊ点発振を実現可能である。
【０２８１】
第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図６７に示すように、基板２４と、基板２４上に配置された第１クラッド層１０と、第１クラッド層１０上に配置された第２クラッド層１６と、第１クラッド層１０と第２クラッド層１６に挟まれた活性層１４とを備える。ここで、第１クラッド層１０はｐ型半導体層、第２クラッド層１６はｎ型半導体層で形成されていても良く、あるいは導電性を反対にしても良い。
【０２８２】
更に、実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図６７に示すように、第２クラッド層１６上に配置されたコンタクト層１８と、コンタクト層１８上の面発光領域に配置され、レーザ光を取り出すためのウィンドウ層２０と、ウィンドウ層２０上に配置された窓状の上部電極２２と、基板２４の裏面に配置された下部電極２６とを備える。
【０２８３】
フォトニック結晶層１２は、図６７に示すように、第１クラッド層１０と第２クラッド層１６との間に、活性層１４の面垂直方向に活性層１４に隣接して配置されていても良い。ここで、活性層１４は、例えば、多重量子井戸（ＭＱＷ）層で形成されていても良い。
【０２８４】
また、フォトニック結晶層１２は、図６７に示すように、第１クラッド層１０と活性層１４との間に配置されていても良い。
【０２８５】
更に、活性層１４とフォトニック結晶層１２との間には、図６７に示すように、キャリアブロック層１３を備え、ＭＱＷ層からなる活性層１４内にキャリアを有効に取り込みかつ活性層１４からフォトニック結晶層１２へのキャリアの流入をブロックしても良い。
【０２８６】
また、フォトニック結晶層１２は、第２クラッド層１６と活性層１４との間に配置されていても良い。
【０２８７】
第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの材料系としては、例えば、以下のものを適用可能である。すなわち、例えば、波長１．３μｍ〜１．５μｍでは、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系、波長９００ｎｍの赤外光では、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、波長８００ｎｍ〜９００の赤外光／近赤外光では、ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系若しくはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ系、波長１．３μｍ〜１．６７μｍでは、ＧａＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ系、波長０．６５μｍでは、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系、青色光では、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ系などを適用可能である。
【０２８８】
第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザに適用される２次元フォトニック結晶層１２の長方格子の実空間は、図６８（ａ）に示すように表され、図６８（ａ）の実空間のフーリエ変換に対応する波数空間は、図６８（ｂ）に示すように表される。長方格子の格子定数は、図６８（ａ）に示すように、(ａ1，ａ2)で表され、逆格子定数は、図６８（ｂ）に示すように、（ｂ1，ｂ2）で表される。逆格子点における回折ベクトルｋdは、図６８（ｂ）に示すように表される。
【０２８９】
（面発光の原理）
２次元フォトニック結晶層１２が長方格子の格子点を有する場合を例として、２次元フォトニック結晶面発光レーザの面発光の原理を説明する。
【０２９０】
２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の長方格子の面内共振状態の実空間における説明図は、図６９（ａ）に示すように表され、図６９（ａ）に対応する波数空間における説明図は、図６９（ｂ）に示すように表される。ここで、図６９（ａ）に示す例では、長方格子の一辺ａ2が媒質内波長λの１／２に等しい。図６９（ａ）に示された面内共振状態においては、波数ベクトルｋf↑は、図６９（ｂ）に示すように表される。
【０２９１】
図６９に対応した面内共振状態において、上方向（ｚ軸方向）への回折動作の波数空間ｋx−ｋyにおける説明図は、図７０（ａ）に示すように表され、図７０（ａ）に対応する波数空間ｋz−ｋyにおける説明図は、図７０（ｂ）に示すように表される。波数ベクトルｋf↑と回折ベクトルｋd↑は、波数空間ｋx−ｋyでは、図７０（ａ）に示すように、差分｜ｋf−ｋd｜を有し、この差分に対応して、波数空間ｋy−ｋz面上、ｚ軸からビーム出射角度θだけ傾いたベクトルｋu↑方向に面発光レーザ光を出射することができる。
【０２９２】
（比較例）
比較例に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａ（正方格子）の実空間配置例は、図７１（ａ）に示すように表され、２次元フォトニック結晶層１２の光取り出し用格子点１２Ｃの実空間配置例は、図７１（ｂ）に示すように表される。さらに、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａと光取り出し用格子点１２Ｃを結合した実空間配置例は、図７１（ｃ）に示すように表される。
【０２９３】
また、図７１（ａ）に対応する波数空間は、図７１（ｄ）に示すように表され、図７１（ｃ）に対応する波数空間は、図７１（ｅ）に示すように表される。
【０２９４】
光取り出し用格子点１２Ｃは、共振状態形成用格子点１２Ａと同一面内に配置され、共振状態形成用格子点１２Ａの基本構造と異なる周期の構造を有する。
【０２９５】
２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａの誘電率をε0.a（ｒ↑）、光取り出し用格子点１２Ｃの誘電率をε1.a’（ｒ↑）とすると、共振状態形成用格子点１２Ａと光取り出し用格子点１２Ｃを結合した誘電率ε（ｒ↑）は、
ε（ｒ↑）＝ε0.a（ｒ↑）＋ε1.a’（ｒ↑）                          （６）
で表される。また、誘電率ε（ｒ↑）は、周期構造を有するため、
εa（ｒ↑）＝εa（ｒ↑＋ａ↑）                                    （７）
で表される。ここで、｜ａ↑｜は、格子定数に関係した周期を表す。
【０２９６】
比較例では、Ｘ点共振器など、共振状態形成用格子点１２Ａと、光取り出し用格子点１２Ｃが別々の格子として用いられ、光取り出し用格子点１２Ｃが、共振状態形成に大きく影響する。たとえば、光取り出し用格子点１２Ｃが導入されることによって、不要な散乱や、意図しない共振モードなどが発生する。
【０２９７】
（摂動の導入）
そこで、第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、光取り出し用格子を用いずに、光を取り出す手法として、共振状態形成用格子点１２Ａに摂動を加えている。摂動の導入は、新たに別の格子を重ねる構造に比べると、明らかに、共振状態形成に対する影響は少ない。
【０２９８】
第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点（長方格子）１２Ａの実空間配置例は、図７２（ａ）に示すように表され、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点（長方格子）１２Ａにｙ軸方向に正弦波関数の摂動を加える様子を説明する概念図は、図７２（ｂ）に示すように表される。また、共振状態形成用格子点（長方格子）にｙ軸方向に正弦波関数の孔形状（孔径）変調の摂動を加える様子を説明する概念図は、図７２（ｃ）に示すように表される。
【０２９９】
また、図７２（ａ）の実空間のフーリエ変換に対応する波数空間は、図７３（ａ）に示すように表され、図７２（ｂ）の実空間のフーリエ変換に対応する波数空間は、図７３（ｂ）に示すように表される。波数ベクトルｋf↑、回折ベクトルｋd↑は、図７３（ａ）および図７３（ｂ）に示す通りである。
【０３００】
２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａの誘電率ε0.a（ｒ↑）に対して、共振状態形成用格子点１２Ａに正弦波関数の摂動を加えた摂動項の誘電率は、ε1（ｒ↑）sin(ｋｄ↑・ｒ↑)で表すことができる。
【０３０１】
したがって、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａの基本構造に正弦波関数の摂動を加えた摂動状態形成用格子点１２Ｐの誘電率ε’（ｒ↑）は、
ε’（ｒ↑）＝ε0,a（ｒ↑）＋ε1,a（ｒ↑）sin(ｋｄ↑・ｒ↑)          （８）
で表される。さらに一般化すると、
ε’（ｒ↑）＝ε0,a（ｒ↑）＋Σｉεｉ,a（ｒ↑）sin(ｋｄ,ｉ↑・ｒ↑)    （８ａ）
で表される。（８ａ）式からも明らかなように、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａの基本構造に任意の方向に正弦波関数の複数の摂動を加えた場合には、重ね合わせが成立する。
【０３０２】
比較例では、Ｘ点共振器など、共振状態形成用格子点１２Ａと、光取り出し用格子点１２Ｃが別々の格子として用いられたが、第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａに摂動を導入することによって、簡単な構造で面発光レーザを実現することができる。２種類の格子点を用いる比較例に対して、１種類の共振状態形成用格子点１２Ａのみであるため、作製も簡便になる。
【０３０３】
第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、２次元フォトニック結晶層１２の結晶格子として、周期構造を形成する共振状態形成用格子点１２Ａの屈折率、大きさ、或いは深さに、摂動が加わった構造を備えるため、より簡便に作製可能であるとともに、安定な共振状態が形成できる。
【０３０４】
（屈折率変調）
第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点（長方格子）１２Ａに正弦波関数の屈折率変調の摂動を加える様子を説明する実空間配置例は、図７４に示すように表される。図７４においては、配列ラインＰＬ1・ＰＬ2・ＰＬ3…に対して垂直方向に正弦波関数の周期的な屈折率変調の摂動が加えられている。例えば、配列ラインＰＬ1上には屈折率ｎ１の摂動が加えられた摂動状態形成用格子点１２Ｐ1が配置される。同様に、配列ラインＰＬ2上には屈折率ｎ２の摂動が加えられた摂動状態形成用格子点１２Ｐ2が配置され、配列ラインＰＬ3上には屈折率ｎ３の摂動が加えられた摂動状態形成用格子点１２Ｐ3が配置されている。
【０３０５】
屈折率ｎの２乗が誘電率εに対応するため、図７４に示された例では、配列ラインＰＬ1・ＰＬ2・ＰＬ3…に対して垂直方向の繰り返し方向に周期的な誘電率変調の摂動が加えられていることになる。
【０３０６】
２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａの誘電率ε0.a（ｒ↑）に対して、共振状態形成用格子点１２Ａに正弦波関数の摂動を加えた摂動項の誘電率は、ε1,a（ｒ↑）sin(ｋｄ↑・ｒ↑)で表すことができる。
【０３０７】
したがって、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａの基本構造に正弦波関数の周期的な屈折率変調の摂動を加えた摂動状態形成用格子点１２Ｐの誘電率εa’（ｒ↑）は、
εa’（ｒ↑）＝ε0,a（ｒ↑）＋ε1,a（ｒ↑）sin(ｋｄ↑・ｒ↑)          （９）
で表される。（９）式におけるベクトルｒ↑は、図７４の例では、配列ラインＰＬ1・ＰＬ2・ＰＬ3…に対して垂直方向のベクトルに対応する。
【０３０８】
（孔形状（孔径）変調）
第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点（長方格子）１２Ａに正弦波関数の孔形状（孔径）変調の摂動を加える様子を説明する実空間配置例は、図７５に示すように表される。図７５においては、配列ラインＰＬ1・ＰＬ2・ＰＬ3…に対して垂直方向に正弦波関数の周期的な孔形状（孔径）変調の摂動が加えられている。例えば、配列ラインＰＬ1上には孔径Ｄ１の摂動が加えられた摂動状態形成用格子点１２Ｐ1が配置される。同様に、配列ラインＰＬ2上には孔径Ｄ２の摂動が加えられた摂動状態形成用格子点１２Ｐ2が配置され、配列ラインＰＬ3上には孔径Ｄ３の摂動が加えられた摂動状態形成用格子点１２Ｐ3が配置されている。
【０３０９】
２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａの孔径ｄ0.a（ｒ↑）に対して、共振状態形成用格子点１２Ａに正弦波関数の摂動を加えた摂動項の孔径は、ｄ1,a（ｒ↑）sin(ｋｄ↑・ｒ↑)で表すことができる。
【０３１０】
したがって、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａの基本構造に正弦波関数の周期的な孔形状（孔径）変調の摂動を加えた摂動状態形成用格子点１２Ｐの孔径ｄa（ｒ↑）は、
ｄa（ｒ↑）＝ｄ0,a（ｒ↑）＋ｄ1,a（ｒ↑）sin(ｋｄ↑・ｒ↑)          （１０）
で表される。（１０）式におけるベクトルr↑は、図７５の例では、配列ラインＰＬ1・ＰＬ2・ＰＬ3…に対して垂直方向のベクトルに対応する。
【０３１１】
（孔の深さ変調）
第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点（長方格子）１２Ａに孔の深さ変調の摂動を加える様子を説明する実空間配置例は、図７６に示すように表される。図７６においては、配列ラインＰＬ1・ＰＬ2・ＰＬ3…に対して垂直方向に正弦波関数の周期的な孔の深さ変調の摂動が加えられている。例えば、配列ラインＰＬ1上には深さＨ１の摂動が加えられた摂動状態形成用格子点１２Ｐ1が配置される。同様に、配列ラインＰＬ2上には深さＨ２の摂動が加えられた摂動状態形成用格子点１２Ｐ2が配置され、配列ラインＰＬ3上には深さＨ３の摂動が加えられた摂動状態形成用格子点１２Ｐ3が配置されている。
【０３１２】
２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａの深さｈ0.a（ｒ↑）に対して、共振状態形成用格子点１２Ａに正弦波関数の摂動を加えた摂動項の深さは、ｈ1,a（ｒ↑）sin(ｋｄ↑・ｒ↑)で表すことができる。
【０３１３】
したがって、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａの基本構造に正弦波関数の周期的な深さ変調の摂動を加えた摂動状態形成用格子点１２Ｐの深さｈa（ｒ↑）は、
ｈa（ｒ↑）＝ｈ0,a（ｒ↑）＋ｈ1,a（ｒ↑）sin(ｋｄ↑・ｒ↑)          （１１）
で表される。
【０３１４】
（孔径dの摂動：長方格子Ｘ点）
第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点（長方格子Ｘ点）１２Ａにｙ軸方向に孔形状（孔径）変調の摂動を加えた実空間配置例は、図７７に示すように表され、図７７のフーリエ変換に対応する波数空間は、図７８に示すように表される。
【０３１５】
（１０）式を参照して、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａの孔径ｄ0に対して、共振状態形成用格子点１２Ａに正弦波関数の摂動を加えた摂動項は、ｄ1sin(ｋｄ’↑・ｒ↑)で表すことができる。
【０３１６】
すなわち、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａの基本構造にｙ軸方向に正弦波関数の周期的な孔形状（孔径）変調の摂動を加えた摂動状態形成用格子点１２Ｐの孔径ｄは、（１０）式を参照して、
ｄ＝ｄ0＋ｄ1sin(ｋｄ’↑・ｒ↑)                                    （１２）
で表される。また、ｋｄ’↑・ｒ↑は、
ｋｄ’↑・ｒ↑＝（ｋd x’，ｋd y’）(ｍａx，ｍａy)
＝（０,ｂy／２・s）(ｍａx，ｍａy)＝πｎｓ                          （１３）
で表される。ここで、ａxｂx＝ａyｂy＝２πであり、次式が成立する。すなわち、
ｄ＝ｄ0＋ｄ1sin(πｎｓ)                                          （１４）
したがって、媒質内のビーム出射角度をθdとして摂動項の正弦波関数sinθdは、
sinθd＝Δｋ／ｋ＝（ａyc-1−ａy-1）／ａy-1＝ａy／ａyc−１＝ｓ−１    （１５）
ここで、ここで、ｓを摂動係数と呼ぶことにする。
【０３１７】
摂動係数ｓは、ｙ軸方向の格子定数ａyとｙ軸方向の変調分（ｂy／２・s）に対応する格子定数ａycとの比（ａy／ａyc）で表される。
【０３１８】
媒質内の屈折率をｎd、大気中のビーム出射角度をθairとすると、媒質内の屈折率ｎdと摂動項の正弦波関数sinθdとの積は、大気中の正弦波関数をsinθairに等しい。すなわち、次式が成立する。
【０３１９】
ｎd sinθd＝sinθair                                              （１６）
θair＝sin-1（ｎd sinθd）＝sin-1（ｎd （ｓ−１））                  （１７）
また、第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点（長方格子Ｘ点）１２Ａにｙ軸方向に孔形状（孔径）変調の摂動を加えた場合の格子定数（ａx、ａy）、孔径ｄ1、摂動係数ｓ（＝ａy／ａyc）、およびビーム出射角度θの数値計算結果は、図７９に示すように表される。格子定数（ａx，ａy）は、（２７０ｎｍ，２８０ｎｍ）であり、基本格子の孔径ｄ0は７０ｎｍ、変調振幅ｄ1は４ｎｍとしている。サンプル１は、摂動係数ｓ＝０．９６の例であり、ビーム出射角度θ・２θは、７．６°・１５．２°である。サンプル２は、摂動係数ｓ＝０．９８の例であり、ビーム出射角度θ・２θは、３．８°・７．６°である。サンプル３は、摂動係数ｓ＝０．９６および０．９８の例であり、ビーム出射角度θ・２θは、７．６°・１５．２°および３．８°・７．６°である。ここで、ビーム出射角度θは、図７０（ｂ）に示されたように、ｙ−ｚ平面上でｚ軸から測ったビーム出射角度で定義される。第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２から実際に放射される面発光レーザビームは、ｙ−ｚ平面上でｚ軸から測ったビーム出射角度θのプラス／マイナス方向の２θの範囲になる。
【０３２０】
第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点（長方格子Ｘ点）にｙ軸方向に孔形状（孔径）変調の摂動を加えた場合の実験結果であって、摂動係数ｓ＝０．９６の時のＦＦＰとビーム出射角度２θは、図８０（ａ）に示すように表され、摂動係数ｓ＝０．９８の時のＦＦＰとビーム出射角度２θは、図８０（ｂ）に示すように表され、摂動係数ｓ＝０．９８および０．９６の時のＦＦＰとビーム出射角度２θは、図８０（ｃ）に示すように表される。図８０（ａ）・図８０（ｂ）・図８０（ｃ）の結果は、それぞれ図７９のサンプル１・サンプル２・サンプル３に対応している。
【０３２１】
図８０（ａ）に示すように、図７９のサンプル１に対応したＦＦＰは、ビーム出射角度２θ＝１５．８°に２本現れている。
【０３２２】
図８０（ｂ）に示すように、図７９のサンプル２に対応したＦＦＰは、ビーム出射角度２θ＝７．７°に２本現れている。
【０３２３】
図８０（ｃ）に示すように、図７９のサンプル３に対応したＦＦＰは、ビーム出射角度２θ＝７．６°および１５．４°に合計４本現れている。
【０３２４】
すなわち、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａの基本構造にｙ軸方向に正弦波関数の周期的な孔形状（孔径）変調の摂動項ｄ1sin(πｎｓ1)およびｄ2sin(πｎｓ２)を加えた摂動状態形成用格子点１２Ｐの孔径ｄは、（１４）式を参照して、
ｄ＝ｄ0＋ｄ1sin(πｎｓ1)＋ｄ2sin(πｎｓ２)                        （１８）
で表される。ここで、ｓ1およびｓ2は、図７９のサンプル３に対応した２つの摂動係数である。第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａの基本構造にｙ軸方向に複数の摂動を加えた摂動状態形成用格子点１２Ｐの孔径ｄは、重ね合わせが成立する。
【０３２５】
同様に、第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａの基本構造に任意の複数の摂動を加えた摂動状態形成用格子点１２Ｐに対しても、その任意の複数の摂動項の重ね合わせが成立する。
【０３２６】
第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点（長方格子）１２Ａにｙ軸方向に孔形状（孔径）変調の摂動を加えた摂動状態形成用格子点１２Ｐの実空間配置例は、図８１に示すように表される。図８１においては、配列ラインＰＬ1・ＰＬ2・ＰＬ3…に対して垂直なｙ軸方向に正弦波関数の周期的な孔形状（孔径）変調の摂動が加えられている。
【０３２７】
例えば、配列ラインＰＬ1上に配置される摂動状態形成用格子点１２Ｐ1の孔径ｄは、
ｄ＝１００＋１０sin(０．９６π×０)＝１００                    （１９）
で表される。同様に、配列ラインＰＬ2上に配置される摂動状態形成用格子点１２Ｐ2の孔径ｄは、
ｄ＝１００＋１０sin(０．９６π×１)＝１０１．２５              （２０）
で表される。同様に、配列ラインＰＬ3上に配置される摂動状態形成用格子点１２Ｐ3の孔径ｄは、
ｄ＝１００＋１０sin(０．９６π×２)＝９７．５１                （２１）
で表される。
【０３２８】
また、大気中のビーム出射角度θairは、
θair＝sin-1（ｎd sinθd）＝sin-1（ｎd （ｓ−１））
＝sin-1（３．３ （０．９６−１））＝７．６°                      （２２）
が得られる。
【０３２９】
第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点（面心長方格子）１２Ａにｙ軸方向に孔形状（孔径）変調の摂動を加えた場合の実空間配置例は、図８２に示すように表される。図８２においては、配列ラインＰＬ1・ＰＬ2・ＰＬ3…に対して垂直なｙ軸方向に正弦波関数の周期的な孔形状（孔径）変調の摂動が加えられている。
【０３３０】
例えば、配列ラインＰＬ1上に配置される摂動状態形成用格子点１２Ｐ1の孔径ｄは、（１９）式と同様に表され、配列ラインＰＬ2上に配置される摂動状態形成用格子点１２Ｐ2の孔径ｄは、（２０）式と同様に表され、配列ラインＰＬ3上に配置される摂動状態形成用格子点１２Ｐ3の孔径ｄは、（２１）式と同様に表される。
【０３３１】
第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点（正方格子）１２Ａにｙ軸方向に孔形状（孔径）変調の摂動を加えた場合の実空間配置例は、図８３に示すように表される。図８３においては、配列ラインＰＬ1・ＰＬ2・ＰＬ3…に対して垂直なｙ軸方向に正弦波関数の周期的な孔形状（孔径）変調の摂動が加えられている。
【０３３２】
例えば、配列ラインＰＬ1上に配置される摂動状態形成用格子点１２Ｐ1の孔径ｄは、（１９）式と同様に表され、配列ラインＰＬ2上に配置される摂動状態形成用格子点１２Ｐ2の孔径ｄは、（２０）式と同様に表され、配列ラインＰＬ3上に配置される摂動状態形成用格子点１２Ｐ3の孔径ｄは、（２１）式と同様に表される。
【０３３３】
（出射方向とＦＦＰ）
比較例に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、例えば、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点（正方格子Γ点）のＦＦＰは、模式的に図８４に示すように表される。すなわち、ｘ−ｙ−ｚ三次元空間において、基板１０上に配置された２次元フォトニック結晶層１２の面垂直なｚ軸方向からビーム拡がり角度θ0のＦＦＰが得られる。ここで、ＦＦＰは、ビーム拡がり角度θ0が約１°程度の２次元的に小さい形状である。これは、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点（正方格子Γ点）の２次元大面積発振からの面垂直方向取り出しにより原理的に生じる結果である。
【０３３４】
比較例に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点（長方格子Γ点）のＦＦＰは、模式的に図８５に示すように表される。すなわち、ｘ−ｙ−ｚ三次元空間において、基板１０上に配置された２次元フォトニック結晶層１２の面垂直なｚ軸方向からビーム拡がり角度θ0のＦＦＰが得られる。ここで、ＦＦＰは、ビーム拡がり角度θ0が約５°〜約２０°程度のｙ軸方向のストライプ若しくは長円形状である。
【０３３５】
比較例に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点（正方格子Ｍ点）１２Ａに光取り出し用格子点１２Ｃを重ねた場合（図７１に示された例）のＦＦＰは、模式的に図８６に示すように表される。すなわち、ｘ−ｙ−ｚ三次元空間において、基板１０上に配置された２次元フォトニック結晶層１２の面垂直なｚ軸方向からビーム出射角度θ11のＦＦＰが得られる。ここで、ビーム出射角度θ11は、０°〜９０°まで自由自在である。また、出射ビームは、拡がり角度２θ0の拡がり幅を有するが、角度θ0が約１°程度であるため、ｘ−ｙ平面に平行な面Ｐz上において示されるように、拡がり幅は２次元的に小さい。
【０３３６】
第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点（長方格子Ｘ点）にｙ軸方向に摂動を加えた場合のＦＦＰは、模式的に図８７に示すように表される。すなわち、ｘ−ｙ−ｚ三次元空間において、基板１０上に配置された２次元フォトニック結晶層１２の面垂直なｚ軸方向からビーム出射角度θ22のＦＦＰが得られる。ビーム出射角度θ22は、０°〜９０°まで自由自在である。また、出射ビームは、拡がり角度２θ3の拡がり幅を有するが、角度θ3が約５°〜約２０°程度であるため、ｘ−ｙ平面に平行な面Ｐz上において示されるように、拡がり幅は、図８６に示された比較例に比べ、相対的に大きい。
【０３３７】
（孔の深さ変調の構造例）
第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点（長方格子）にｙ軸方向に孔の深さ変調の摂動を加えた摂動状態形成用格子点１２Ｐの模式的平面パターン構成は、図８８（ａ）に示すように表される。
【０３３８】
また、図８８（ａ）のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図８９（ａ）に示すように表され、図８８のＩＸ−ＩＸ線に沿う模式的断面構造は、図８９（ｂ）に示すように表され、図８８のＸ−Ｘ線に沿う模式的断面構造は、図８９（ｃ）に示すように表される。
【０３３９】
図８８および図８９に示すように、共振状態形成用格子点の孔の深さｈ0に対して、摂動状態形成用格子点１２Ｐ1の孔の深さはＨ１で表され、摂動状態形成用格子点１２Ｐ2の孔の深さはＨ２表され、摂動状態形成用格子点１２Ｐ3の孔の深さはＨ３で表される。
【０３４０】
（屈折率変調の構造例）
第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点（長方格子）にｙ軸方向に屈折率変調の摂動を加えた摂動状態形成用格子点１２Ｐの模式的平面パターン構成は、図９０（ａ）に示すように表される。
【０３４１】
また、図９０のＸＩ−ＸＩ線に沿うｘ軸方向の屈折率分布例は、図９１（ａ）に示すように表され、図９０のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿うｘ軸方向の屈折率分布例は、図９１（ｂ）に示すように表され、図９０のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿うｘ軸方向の屈折率分布例は、図９１（ｃ）に示すように表される。
【０３４２】
図９０および図９１に示すように、２次元フォトニック結晶層１２の媒質内の屈折率ｎ0に対して、摂動状態形成用格子点１２Ｐ1の屈折率はｎ1で表され、摂動状態形成用格子点１２Ｐ2の屈折率はｎ2で表され、摂動状態形成用格子点１２Ｐ3の屈折率はｎ3で表される。
【０３４３】
（孔形状（孔径）変調の構造例）
第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点（長方格子）にｙ軸方向に孔形状（孔径）変調の摂動を加えた摂動状態形成用格子点１２Ｐの模式的平面パターン構成は、図９２に示すように表される。
【０３４４】
また、図９２のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿う模式的断面構造は、図９３（ａ）に示すように表され、図９２のＸＶ−ＸＶ線に沿う模式的断面構造は、図９３（ｂ）に示すように表され、図９２のＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿う模式的断面構造は、図９３（ｃ）に示すように表される。
【０３４５】
図９２および図９３に示すように、２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点（長方格子）１２Ａの孔形状（孔径）ｄ0に対して、摂動状態形成用格子点１２Ｐ1の孔径はＤ１で表され、摂動状態形成用格子点１２Ｐ2の孔径はＤ２で表され、摂動状態形成用格子点１２Ｐ3の孔径はＤ３で表される。
【０３４６】
第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Γ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａの模式的平面構成（正方格子配置例）は、図９４（ａ）に示すように表され、２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数[単位：ｃ／ａ]と波数ベクトルの関係は、図９４（ｂ）に示すように表される。
【０３４７】
フォトニックバンド構造において、傾きが０となる部分をバンド端と呼ぶ。バンド端においては、光の群速度が０となり、定在波が形成されるため、フォトニック結晶が光の共振器として機能する。
【０３４８】
フォトニック結晶層１２において、共振状態形成用格子点１２Ａに摂動を加えた摂動状態形成用格子点１２Ｐによって、フォトニック結晶層１２の面垂直方向への回折に適用される。
【０３４９】
第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、フォトニックバンド構造のＭ点バンド端における発振を用いる場合、フォトニック結晶の周期構造は、発振のための共振状態形成の機能しか持っていないが、共振状態形成用格子点１２Ａに摂動を加えた摂動状態形成用格子点１２Ｐを設けることにより、光を取り出すことができる。
【０３５０】
しかも、第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、大面積で安定な単一モードで動作可能である。すなわち、第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、フォトニック結晶層１２に形成された共振状態形成用格子点１２Ａ・摂動状態形成用格子点１２Ｐによって電磁界分布が規定されているため、大面積でも単一モードを維持可能である。このため、例えば、Ｗ級の出力光をレンズを介して小さい１点に集光するなどの加工が容易である。
【０３５１】
例えば、図６７において、フォトニック結晶層１２のサイズは、例えば、約７００μｍ×約７００μｍである。
【０３５２】
また、近視野像（ＮＦＰ:Near Field Pattern）の例では、約１００μｍ角程度の大面積発振から約数１００μｍ角程度の超大面積発振も実現可能である。発振スペクトルは、例えば、波長約９５０ｎｍの常温連続発振を半値全幅（ＦＷＨＭ）が約０．１６ｎｍ程度で得られている。また、単一モードで、２．７Ｗの光出力を１ｋＨｚ−５０ｎｓのパルス駆動で得られている。
【０３５３】
共振状態形成用格子点１２Ａは、例えば、光の周期程度のピッチで配置可能である。例えば、空孔が、空気で満たされるとすると、空気／半導体のピッチは、光通信帯で、約４００ｎｍ程度の周期に配置可能であり、青色光では、約２３０ｎｍ程度の周期に配置可能である。
【０３５４】
また、試作されている共振状態形成用格子点１２Ａの直径・深さは、例えば、約１２０ｎｍ・１１５ｎｍ程度であり、ピッチは、例えば、約２８６ｎｍ程度である。尚、これらの数値例は、基板１０および活性層１４を構成する材料系、２次元フォトニック結晶層１２の材料系および媒質内波長などによって適宜変更可能である。
【０３５５】
例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料を適用した第９の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、２次元フォトニック結晶層１２の媒質内波長λとしては、約２００ｎｍ〜約３００ｎｍ程度であり、出力光波長は、約９００ｎｍ〜約９１５ｎｍ程度である。
【０３５６】
尚、摂動状態形成用格子点１２Ｐを屈折率変調する場合、例えば、屈折率の異なる半導体層で充填しても良い。例えば、ＧａＡｓ層に対して組成比ｘを変調したＡｌxＧａ1-xＡｓ層を充填して形成しても良い。例えば、２次元フォトニック結晶層１２を融着する製造工程において、摂動状態形成用格子点１２Ｐの空孔形状が変形する場合には、屈折率の異なる半導体層で充填することがこのような変形を回避する上で有効である。
【０３５７】
第９の実施の形態によれば、簡易な構造で安定した発振を維持しつつ、レーザビームのビーム出射角度、ビーム拡がり角度および形状の制御が可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。
【０３５８】
[第１０の実施の形態]
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの模式的鳥瞰構造は、図６７と同様に表される。
【０３５９】
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、フォトニック結晶層１２と、フォトニック結晶層１２内に周期的に配置され、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造のバンド端における光波を、フォトニック結晶層１２の面内で回折させる共振状態形成用格子点１２Ａと、フォトニック結晶層１２内に周期的に配置され、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造のバンド端における光波を、フォトニック結晶層１２の面内で回折させると共にフォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させる摂動状態形成用格子点１２Ｐとを備える。
【０３６０】
ここで、共振状態形成用格子点１２Ａの一部には、光波を、フォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させるための摂動が加えられている。すなわち、摂動状態形成用格子点１２Ｐは、光波を、フォトニック結晶層１２の面垂直方向に回折させるための摂動が共振状態形成用格子点１２Ａの一部に加えられて形成されている。
【０３６１】
摂動が加えられた共振状態形成用格子点１２Ａは、摂動状態形成用格子点１２Ｐで表される。摂動状態形成用格子点１２Ｐは、フォトニック結晶層１２内に配置されている。
【０３６２】
また、摂動状態形成用格子点に加えられている摂動は、周期的変調である。周期的変調は、屈折率変調であっても良く、孔の大きさ変調であっても良く、孔の深さ変調であっても良い。さらに、周期的変調は、孔の深さ変調および孔の深さ変調であっても良い。
【０３６３】
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、共振状態形成用格子点１２Ａの格子型としては、正方格子、長方格子、面心長方格子、三角格子などを適用可能である。
【０３６４】
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、フォトニック結晶層１２に周期構造を形成する共振状態形成用格子点１２Ａに対して摂動を加えることによって、様々なバンド端発振を実現可能である。例えば、正方格子および長方格子では、Γ点・Ｘ点・Ｍ点発振、面心長方格子および三角格子では、Γ点・Ｘ点・Ｊ点発振を実現可能である。
【０３６５】
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図６７と同様に、基板２４と、基板２４上に配置された第１クラッド層１０と、第１クラッド層１０上に配置された第２クラッド層１６と、第１クラッド層１０と第２クラッド層１６に挟まれた活性層１４とを備える。ここで、第１クラッド層１０はｐ型半導体層、第２クラッド層１６はｎ型半導体層で形成されていても良く、あるいは導電性を反対にしても良い。
【０３６６】
更に、第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図６７と同様に、第２クラッド層１６上に配置されたコンタクト層１８と、コンタクト層１８上の面発光領域に配置され、レーザ光を取り出すためのウィンドウ層２０と、ウィンドウ層２０上に配置された窓状の上部電極２２と、基板２４の裏面に配置された下部電極２６とを備える。
【０３６７】
フォトニック結晶層１２は、図６７と同様に、第１クラッド層１０と第２クラッド層１６との間に、活性層１４の面垂直方向に活性層１４に隣接して配置されていても良い。ここで、活性層１４は、例えば、ＭＱＷ層で形成されていても良い。
【０３６８】
また、フォトニック結晶層１２は、図６７と同様に、第１クラッド層１０と活性層１４との間に配置されていても良い。
【０３６９】
更に、活性層１４とフォトニック結晶層１２との間には、図６７に示すように、キャリアブロック層１３を備え、ＭＱＷ層からなる活性層１４内にキャリアを有効に取り込みかつ活性層１４からフォトニック結晶層１２へのキャリアの流入をブロックしても良い。
【０３７０】
また、フォトニック結晶層１２は、第２クラッド層１６と活性層１４との間に配置されていても良い。
【０３７１】
（Ｍ点発振：正方格子）
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動状態形成用格子点１２Ｐの模式的平面構成は、図９５（ａ）に示すように表される。また、図９５（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数と波数ベクトルの関係は、図９５（ｂ）に示すように表される。
【０３７２】
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＭ点バンド端（図９５（ｂ）のＱ領域近傍）における光波を回折する共振状態形成用格子点１２Ａは、図９５（ａ）に示すように、正方格子に配置され、摂動状態形成用格子点１２Ｐは、正方格子の格子定数の２倍の格子定数を有する面心正方格子に配置され、かつ摂動状態形成用格子点１２Ｐの対角線方向のピッチは、フォトニック結晶層１２の媒質内波長λに等しい。
【０３７３】
（Ｘ点発振：正方格子）
フォトニックバンド構造のＸ点のバンド端における発振では、フォトニック結晶の周期構造は、発振のための光増幅の機能しか持っていないが、この周期構造と同一面内に、光を回折させるための周期構造（摂動状態形成）を設けることにより、光を取り出すことができる。
【０３７４】
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動状態形成用格子点１２Ｐの模式的平面構成は、図９６（ａ）に示すように、正方格子に配置される。また、図９６（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数と波数ベクトルの関係は、図９６（ｂ）に示すように表される。
【０３７５】
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端（図９６（ｂ）のＲ領域近傍）における光波を回折する共振状態形成用格子点１２Ａは、図９６（ａ）に示すように、第１正方格子に配置され、摂動状態形成用格子点１２Ｐは、第１正方格子の格子定数の２倍の格子定数を有する第２正方格子に配置され、かつ摂動状態形成用格子点１２Ｐの格子定数は、フォトニック結晶層の媒質内波長λに等しい。
【０３７６】
（Ｘ点発振：三角格子）
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動状態形成用格子点１２Ｐの模式的平面構成は、図９７（ａ）に示すように、三角格子に配置される。また、図９７（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数と波数ベクトルの関係は、図９７（ｂ）に示すように表される。
【０３７７】
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端（図９７（ｂ）のＲ領域近傍）における光波を回折する共振状態形成用格子点１２Ａは、図９７（ａ）に示すように、第１三角格子に配置され、摂動状態形成用格子点１２Ｐは、第１三角格子のピッチの２倍のピッチの第２三角格子に配置され、かつ第２三角格子の平面視の高さは、フォトニック結晶層１２の媒質内波長λに等しい。
【０３７８】
（Ｊ点発振：三角格子）
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、フォトニックバンド構造のＪ点のバンド端における発振では、フォトニック結晶の周期構造は、発振のための光増幅の機能しか持っていないが、この周期構造と同一面内に、光を回折させるための周期構造（摂動状態形成）を設けることにより、光を取り出すことができる。
【０３７９】
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｊ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動状態形成用格子点１２Ｐは、図９８（ａ）に示すように、三角格子に配置される。また、図９８（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数と波数ベクトルの関係は、図９８（ｂ）に示すように表される。
【０３８０】
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＪ点バンド端（図９８（ｂ）のＳ領域近傍）における光波を回折する共振状態形成用格子点１２Ａは、図９８（ａ）に示すように、第１三角格子に配置され、摂動状態形成用格子点１２Ｐは、第１三角格子のピッチの３倍のピッチの面心三角格子に配置され、かつ面心三角格子の一辺は、フォトニック結晶層１２の媒質内波長λの２倍に等しい。
【０３８１】
（Ｘ点発振：長方格子）
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点および摂動状態形成用格子点の模式的平面構成は、図９９（ａ）に示すように、長方格子（ａ1＞ａ2の例）に配置される。また、図９９（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数と波数ベクトルの関係は、図９９（ｂ）に示すよう表される。
【０３８２】
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端（図９９（ｂ）のＲ領域近傍）における光波を回折する共振状態形成用格子点１２Ａは、図９９（ａ）に示すように、格子定数ａ1およびａ2を有する第１の長方格子に配置され、摂動状態形成用格子点１２Ｐは、第１の長方格子とは別の第２の長方格子に配置される。ここで、第２の長方格子の格子定数は、第１の長方格子の格子定数ａ1およびａ2により定義されるアスペクト比ｒ＝ａ1／ａ2(ｒ≠１)に対して、媒質内波長λのｒ倍および媒質内波長λに等しい。
【０３８３】
（Ｘ点発振：菱形格子）
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動状態形成用格子点１２Ｐの模式的平面構成は、図１００（ａ）に示すように、菱形格子に配置される。また、図１００（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数と波数ベクトルの関係は、図１００（ｂ）に示すように表される。
【０３８４】
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端（図１００（ｂ）のＲ領域近傍）における光波を回折する共振状態形成用格子点１２Ａは、図１００（ａ）に示すように、格子定数ａ1およびａ2を有する面心長方格子に配置され、摂動状態形成用格子点１２Ｐは、長方格子に配置される。ここで、長方格子の格子定数は、面心長方格子の格子定数ａ1およびａ2により定義されるアスペクト比ｒ＝ａ1／ａ2(ｒ≠１)に対して、媒質内波長λのｒ倍および媒質内波長λに等しい。
【０３８５】
（Ｘ点発振：長方格子）
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動状態形成用格子点１２Ｐの模式的平面構成は、図１０１（ａ）に示すように、長方格子（ａ1＜ａ2の例）に配置される。また、図１０１（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数と波数との関係は、図１０１（ｂ）に示すように表される。
【０３８６】
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端（図１０１（ｂ）のＲ領域近傍）における光波を回折する共振状態形成用格子点１２Ａは、図１０１（ａ）に示すように、格子定数ａ1およびａ2を有する第１の長方格子に配置され、摂動状態形成用格子点１２Ｐは、第１の長方格子とは別の第２の長方格子に配置される。ここで、第２の長方格子のｘ方向およびｙ方向の格子定数は、第１の長方格子のｘ方向およびｙ方向の格子定数ａ1およびａ2に対して、ａ1および媒質内波長λ（＝２ａ2）に等しい。
【０３８７】
（Ｘ点発振：菱形格子）
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａの模式的平面構成は、図１０２（ａ）に示すように、菱形格子に配置される。また、図１０２（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶のバンド構造であって、規格化周波数と波数の関係は、図１０２（ｂ）に示すように表される。
【０３８８】
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、フォトニック結晶層１２のフォトニックバンド構造におけるＸ点バンド端（図１０２（ｂ）のＲ領域近傍）における光波を回折する共振状態形成用格子点１２Ａは、図１０２（ａ）に示すように、格子定数ａ1およびａ2を有する菱形格子に配置され、摂動状態形成用格子点１２Ｐは、長方格子に配置される。ここで、長方格子の格子定数は、菱形格子の格子定数ａ1およびａ2に対して、媒質内波長λａ1および媒質内波長λに等しい。
【０３８９】
その他の構成は、第９の実施の形態と同様である。
【０３９０】
第１０の実施の形態によれば、簡易な構造で安定した発振を維持しつつ、レーザビームのビーム出射角度、ビーム拡がり角度および形状の制御が可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。
【０３９１】
（ビーム拡がり角度の制御：共振器領域ＲＰと摂動状態形成領域ＰＰ）
共振器領域ＲＰとは、フォトニック結晶層１２において共振状態形成用格子点１２Ａが配置される領域であり、摂動状態形成領域ＰＰとは、フォトニック結晶層１２において摂動状態形成用格子点１２Ｐが配置される領域である。
【０３９２】
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、摂動状態形成領域ＰＰの幅Ａ、ビーム拡がり角度θ0、およびビーム拡がり領域３０の関係は、模式的に図１１（ａ）、図１１（ｂ）および図１１（ｃ）と同様に表される。すなわち、摂動状態形成領域ＰＰ1の幅Ａ1、ビーム拡がり角度θa、およびビーム拡がり領域３０1の例は図１１（ａ）と同様に表され、摂動状態形成領域ＰＰ2の幅Ａ2、ビーム拡がり角度θb、およびビーム拡がり領域３０2の例は図１１（ｂ）と同様に表され、摂動状態形成領域ＰＰ3の幅Ａ3、ビーム拡がり角度θc、およびビーム拡がり領域３０3の例は図１１（ｃ）と同様に表される。ここで、図１１（ａ）、図１１（ｂ）および図１１（ｃ）におけるビーム拡がり角度θ1、θ2、θ3をθa、θb、θcとしている。また、摂動状態形成領域の幅の大小関係は、Ａ1＜Ａ2＜Ａ3であり、摂動状態形成領域ＰＰ1の大きさは相対的に小さく、摂動状態形成領域ＰＰ3の大きさは相対的に大きい。また、ビーム拡がり領域３０1・３０2・３０3を規定するビーム拡がり角度の大小関係は、θa＞θb＞θcが成立している。
【０３９３】
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、図１１（ａ）・図１１（ｂ）・図１１（ｃ）に対応する共振器領域ＲＰの大小関係は、図１２（ａ）と同様に表され、ビーム拡がり角度の大小関係は、図１２（ｂ）と同様に表される。すなわち、共振器領域ＲＰの大きさが大きい程、ビーム拡がり角度は小さくなる。
【０３９４】
比較例に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、正方格子Γ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰの大きさの関係を示す図であって、ＲＰ1の例は図１３（ａ）と同様に表され、ＲＰ2の例は図１３（ｂ）と同様に表され、ＲＰ3の例は図１３（ｃ）と同様に表される。
【０３９５】
一方、第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層の共振器領域ＲＰおよび摂動状態形成領域ＰＰ大きさの関係を示す図であって、ＲＰ1、ＰＰ1の例は図１４（ａ）と同様に表され、ＲＰ2、ＰＰ2の例は図１４（ｂ）と同様に示すように表され、ＲＰ3、ＰＰ3の例は図１４（ｃ）と同様に示すように表される。
【０３９６】
２次元フォトニック結晶面発光レーザの発振には、ある一定以上の共振器の領域が必要である。そのため比較例に係る正方格子Γ点発振の場合、ビーム拡がり角度θ0を大きくしようとすると、発振に必要な共振器領域ＲＰAが確保できない。すなわち、比較例に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、正方格子Γ点発振を利用するため、共振器領域ＲＰのサイズがそのまま摂動状態形成領域ＰＰのサイズに等しいため、ビーム拡がり角度θ0を大きくしようとして、共振器領域ＲＰのサイズを縮小化すると、図１２（ａ）に示すように、共振器領域ＲＰの大小関係において、ＲＰ＜ＲＰAの範囲では、発振に必要な共振器領域ＲＰAが確保できないため、発振することができなくなる。
【０３９７】
（摂動状態形成と共振器の配置関係）
第１０の実施の形態の変形例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、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器領域ＲＰおよび摂動状態形成領域ＰＰ内における共振状態形成用格子点１２Ａ・摂動状態形成用格子点１２Ｐの配置例は、図１０３に示すように表される。
【０３９８】
また、第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、フォトニック結晶層１２に共振状態形成用格子点１２Ａを配置した例は、図１０４（ａ）に示すように表される。ここで、媒質内波長λは、２ａ2に等しい。また、同一のフォトニック結晶層１２に共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動状態形成用格子点１２Ｐを配置した例は、図１０４（ｂ）に示すように表される。
【０３９９】
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、摂動状態形成用格子点１２Ｐと共振状態形成用格子点１２Ａの配置関係は、自由に設定可能である。なお、摂動状態形成用格子点１２Ｐと共振状態形成用格子点１２Ａの配置関係によっては、ＬＤ特性（出力、閾値など）が変化する。
【０４００】
図１０３および図１０４の例は、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の例であって、第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザに対応している。
【０４０１】
（摂動状態形成領域ＰＰによるビーム拡がり角度制御）
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器領域ＲＰと摂動状態形成領域ＰＰの大きさがほぼ等しい場合のＮＦＰは、図１０５（ａ）に示すように表され、摂動状態形成領域ＰＰからのビーム拡がり領域３０は、図１０５（ｂ）に示すように表され、図１０５（ａ）に対応する共振器領域ＲＰおよび摂動状態形成領域ＰＰ内の共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動状態形成用格子点１２Ｐを配置例は、図１０５（ｃ）に示すように表される。図１０５（ｃ）に示された例では、摂動状態形成領域ＰＰ内の共振状態形成用格子点１２Ａに対してｙ軸方向に摂動が加えられ、摂動状態形成用格子点１２Ｐ１・１２Ｐ２・１２Ｐ３が形成されている。
【０４０２】
また、第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｘ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器領域ＲＰと摂動状態形成領域ＰＰの大きさが異なる場合のＮＦＰは、図１０６（ａ）に示すように表され、摂動状態形成領域ＰＰからのビーム拡がり領域３０は、図１０６（ｂ）に示すように表され、図１０６（ａ）に対応する共振器領域ＲＰおよび摂動状態形成領域ＰＰ内の共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動状態形成用格子点１２Ｐの配置例は、図１０６（ｃ）に示すように表される。図１０６（ｃ）に示された例では、摂動状態形成領域ＰＰ内の共振状態形成用格子点１２Ａに対してｙ軸方向に摂動が加えられ、摂動状態形成用格子点１２Ｐ１・１２Ｐ２・１２Ｐ３が形成されている。
【０４０３】
すなわち、第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、共振器領域ＲＰと摂動状態形成領域ＰＰを別々に設計が可能であり、摂動状態形成領域ＰＰの配列のみを変更することで、安定な発振を維持しつつ、面発光レーザ光のビーム出射角度、ビーム拡がり角度を様々に変更可能である。
【０４０４】
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、共振状態形成用格子点１２Ａの配置される共振器領域ＲＰの大きさを維持したまま、摂動状態形成用格子点１２Ｐの配置される摂動状態形成領域ＰＰを変化させることにより、安定した発振を維持しつつレーザビームのビーム出射角度、ビーム拡がり角度を調整することができる。
【０４０５】
（摂動状態形成領域ＰＰと共振器領域ＲＰの配置関係）
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器領域ＲＰ・摂動状態形成領域ＰＰ内における共振状態形成用格子点１２Ａ・摂動状態形成用格子点１２Ｐの配置例は、図１０７に示すように表される。
【０４０６】
また、第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａにｙ軸方向に摂動を加え、摂動状態形成用格子点（１２Ｐ１・１２Ｐ２・１２Ｐ３）を周期的に配置した例は、図１０８（ａ）に示すように表される。
【０４０７】
また、フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａにｘ軸方向に摂動を加え、摂動状態形成用格子点（１２Ｐ１・１２Ｐ２・１２Ｐ３）を周期的に配置した例は、図１０８（ｂ）に示すように表される。
【０４０８】
また、フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａにｘ軸方向からプラス約４５度傾いた方向に摂動を加え、摂動状態形成用格子点（１２Ｐ１・１２Ｐ２・１２Ｐ３）を周期的に配置した例は、図１０８（ｃ）に示すように表される。
【０４０９】
また、フォトニック結晶層１２の共振状態形成用格子点１２Ａにｘ軸方向からマイナス約４５度傾いた方向に摂動を加え、摂動状態形成用格子点（１２Ｐ１・１２Ｐ２・１２Ｐ３）を周期的に配置した例は、図１０８（ｄ）に示すように表される。
【０４１０】
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、摂動状態形成用格子点１２Ｐの配置は、図１０８（ａ）〜図１０８（ｄ）に示すように自由に設定可能である。
【０４１１】
（摂動状態形成配置によるビーム形状制御）
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器領域ＲＰと摂動状態形成領域ＰＰの大きさがほぼ等しい場合のＮＦＰは、図１０９（ａ）に示すように表され、摂動状態形成領域ＰＰからのビーム拡がり領域３０は、図１０９（ｂ）に示すように表され、図１０９（ａ）に対応する共振器領域ＲＰおよび摂動状態形成領域ＰＰ内の共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動状態形成用格子点１２Ｐを配置例は、図１０９（ｃ）に示すように表される。図１０９（ｃ）に示された例では、共振状態形成用格子点１２Ａに対して、ｘ軸方向からプラス約４５度傾いた方向に摂動が加えられ、摂動状態形成用格子点１２Ｐ１・１２Ｐ２・１２Ｐ３が形成されている。
【０４１２】
また、第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器領域ＲＰと摂動状態形成領域ＰＰの大きさが異なる場合のＮＦＰは、図１１０（ａ）に示すように表され、摂動状態形成領域ＰＰからのビーム拡がり領域３０は、図１１０（ｂ）に示すように表され、図１１０（ａ）に対応する共振器領域ＲＰおよび摂動状態形成領域ＰＰ内の共振状態形成用格子点１２Ａおよび摂動状態形成用格子点１２Ｐを配置例は、図１１０（ｃ）に示すように表される。図１１０（ｃ）に示された例では、摂動状態形成領域ＰＰ内の共振状態形成用格子点１２Ａに対して、ｘ軸方向からプラス約４５度傾いた方向に摂動が加えられ、摂動状態形成用格子点１２Ｐ１・１２Ｐ２・１２Ｐ３が形成されている。
【０４１３】
すなわち、第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、共振器と摂動状態形成を別々に設計が可能であり、摂動状態形成の配列のみを変更することで、安定な発振を維持しつつ、面発光レーザ光のビーム形状を様々に変更可能である。
【０４１４】
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、共振状態形成用格子点１２Ａの配置される共振器領域ＲＰの大きさを維持したまま、摂動状態形成用格子点１２Ｐの配置される摂動状態形成領域ＰＰを変化させることにより、安定した発振を維持しつつレーザビームの発光面の大きさおよび形状を調整することができる。
【０４１５】
（その他様々なビームの生成の例）
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、Ｍ点発振に適用される２次元フォトニック結晶層１２の共振器領域ＲＰ内に相対的に大きな円形の摂動状態形成領域ＰＰを有する場合のＮＦＰは、図１９（ａ）と同様に表され、図１９（ａ）に対応するＦＦＰは、図１９（ｂ）と同様に表される。ここで、図１９（ａ）のカップラー領域ＣＰが摂動状態形成領域ＰＰに対応する。以下同様である。
【０４１６】
また、共振器領域ＲＰ内に相対的に小さな円形の摂動状態形成領域ＰＰを有する場合のＮＦＰは、図２０（ａ）と同様に表され、図２０（ａ）に対応するＦＦＰは、図２０（ｂ）と同様に表される。
【０４１７】
また、共振器領域ＲＰ内に相対的に微小な円形の摂動状態形成領域ＰＰを有する場合のＮＦＰは、図２１（ａ）と同様に表され、図２１（ａ）に対応するＦＦＰは、図２１（ｂ）と同様に表される。
【０４１８】
また、共振器領域ＲＰ内に相対的に大きな長円形の摂動状態形成領域ＰＰを有する場合のＮＦＰは、図２２（ａ）と同様に表され、図２２（ａ）に対応するＦＦＰは、図２２（ｂ）と同様に表される。
【０４１９】
また、共振器領域ＲＰ内に相対的に小さな円形の摂動状態形成領域ＰＰを複数配置した場合のＮＦＰは、図２３（ａ）と同様に表され、図２３（ａ）に対応するＦＦＰは、図２３（ｂ）と同様にに示すように表される。
【０４２０】
また、共振器領域ＲＰ内に互いに直交する２個の長円形の摂動状態形成領域ＰＰを有する場合のＮＦＰは、図２４（ａ）と同様にに示すように表され、図２４（ａ）に対応するＦＦＰは、図２４（ｂ）と同様にに示すように表される。
【０４２１】
また、共振器領域ＲＰ内に互いに６０度で交差する３個の長円形の摂動状態形成領域ＰＰを有する場合のＮＦＰは、図２５（ａ）と同様にに示すように表され、図２５（ａ）に対応するＦＦＰは、図２５（ｂ）と同様にに示すように表される。
【０４２２】
また、共振器領域ＲＰ内に互いに１２０度で交差する２個の長円形の摂動状態形成領域ＰＰを有する場合のＮＦＰは、図２６（ａ）と同様にに示すように表され、図２６（ａ）に対応するＦＦＰは、図２６（ｂ）と同様にに示すように表される。
【０４２３】
また、共振器領域ＲＰ内に互いに７２度で交差する５個の長円形の摂動状態形成領域ＰＰを有する場合のＮＦＰは、図２７（ａ）と同様にに示すように表され、図２７（ａ）に対応するＦＦＰは、図２７（ｂ）と同様にに示すように表される。
【０４２４】
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、図１９〜図２７に示すように、フォトニックバンド構造におけるＭ点バンド端における発振において、発振領域の大きさを維持したまま、摂動状態形成領域ＰＰの大きさを相対的に変化させることにより、レーザビームの発光面の大きさや形状を調整可能である。ＮＦＰのサイズ例としては、数１０μｍ角、数１００μｍ角、１ｍｍ角とさまざまなサイズの形成可能であり、対応するＦＦＰについても同様である。
【０４２５】
第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、レーザビームの発光面の大きさや形状により、レーザビームのビーム拡がり角度θ0や形状が決定されるため、レーザビームのビーム拡がり角度および形状の制御が可能となる。光増幅のための周期構造を維持してさえいれば、この摂動状態形成領域ＰＰの大きさや形状を変化させても発振は可能である。
【０４２６】
レーザビームの拡がり角度θ0や形状は、発光面の大きさや形状によって決定されるため、例えば、レーザビームの拡がり角度θ0を大きくしたい場合には、光増幅の共振器領域ＲＰの大きさはそのままで、摂動状態形成領域ＰＰの大きさを相対的に小さくすれば良い。また、レーザビームの形状を長方形にしたい場合には、摂動状態形成領域ＰＰも長方形にすれば良い。
【０４２７】
特に、第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、レーザビームのビーム出射角度、ビーム拡がり角度および形状の制御が可能であることから、図４９〜図５７に示すような各種形状は、レンズフリーのマーカーなどに利用することができる。
【０４２８】
[第１１の実施の形態]
（２次元セルアレイ）
第１１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元セルアレイ化して高出力化を図った構成例は、図１１１に示すように表される。すなわち、第９〜第１０の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザのセル３２を基板１００上に２次元配置し、２次元セルアレイ化しても良い。例えば、２１個のセル３２を２次元配置し、２次元セルアレイ化した例では、１ｋＨｚ、５０ｎｓｅｃのパルス駆動において、電流値約５０Ａで３５Ｗ以上の高出力の２次元フォトニック結晶面発光レーザが得られている。
【０４２９】
図１１１に示す例において、各セル３２には、摂動状態形成領域ＰＰと共振器領域ＲＰの面積比の異なるセルを配置しても良い。摂動状態形成領域ＰＰと共振器領域ＲＰの面積比の異なる複数のセル３２を同一の基板１００上に配置し、選択的に駆動することによって、レーザビームのビーム拡がり角度および形状の制御が可能な高出力多機能２次元フォトニック結晶面発光レーザアレイを提供することができる。
【０４３０】
第１１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、第１クラッド層上の２次元フォトニック結晶層１２に共振状態形成用格子点１２Ａの基本パターンＴ0を配置すると共に、矩形形状の摂動状態形成領域ＰＰ１・ＰＰ２・ＰＰ３・ＰＰ４の摂動パターンＴ1・Ｔ2・Ｔ3・Ｔ4を配置する２次元セルアレイ化構成例は、図１１２（ａ）に示すように表される。また、第１クラッド層上の２次元フォトニック結晶層１２に共振状態形成用格子点１２Ａの基本パターンＴ0を配置すると共に、六角形形状の摂動状態形成領域ＰＰ１・ＰＰ２・ＰＰ３の摂動パターンＴ1・Ｔ2・Ｔ3を配置する２次元セルアレイ化構成例は、図１１２（ｂ）に示すように表される。
【０４３１】
図１１２（ａ）および図１１２（ｂ）に示す例においては、複数の摂動パターンを配置することによって、レーザビームのビーム出射角度、ビーム拡がり角度および形状の制御が可能な高出力多機能２次元フォトニック結晶面発光レーザアレイを提供することができる。
【０４３２】
第１１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、同一の基板１００上に図１１２（ｂ）に示された構成を複数のチップＣＨ１・ＣＨ２・ＣＨ３・ＣＨ４に配置した２次元セルアレイ化構成例は、図１１３に示すように表される。
【０４３３】
図１１３に示す例においては、同一の基板１００上に、それぞれ複数の摂動パターンＴ1・Ｔ2・Ｔ3を有する複数のチップＣＨ１・ＣＨ２・ＣＨ３・ＣＨ４を配置し、選択的に駆動することによって、レーザビームのビーム拡がり角度および形状の制御が可能な高出力多機能２次元フォトニック結晶面発光レーザアレイを提供することができる。
【０４３４】
また、第１１の実施の形態に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、同一の基板１００上に互いにＦＦＰ（ＦＦＰ１・ＦＦＰ２・ＦＦＰ３・ＦＦＰ４）の異なる複数のチップＣＨ１・ＣＨ２・ＣＨ３・ＣＨ４を配置した２次元セルアレイ化構成例は、図１１４に示すように表される。
【０４３５】
図１１４に示す例においては、同一の基板１００上に、それぞれ異なるＦＦＰ１・ＦＦＰ２・ＦＦＰ３・ＦＦＰ４を有するチップＣＨ１・ＣＨ２・ＣＨ３・ＣＨ４を配置し、選択的に駆動することによって、レーザビームのビーム拡がり角度および形状の制御が可能な高出力多機能２次元フォトニック結晶面発光レーザアレイを提供することができる。
【０４３６】
以上説明したように、本発明によれば、簡易な構造で安定した発振を維持しつつ、レーザビームのビーム出射角度、ビーム拡がり角度および形状の制御が可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することができる。
【０４３７】
[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は第１〜第１１の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【０４３８】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【産業上の利用可能性】
【０４３９】
本発明の２次元フォトニック結晶面発光レーザは、面発光ＬＤ素子全般に利用可能であり、例えば、ＡＦ（オートフォーカス）用パターンの光源、距離センサなどの距離測定用光源、レーザ加工用光源、医療用途に適用可能な光源、光ピンセット、次世代光ディスクのピックアップ用光源、その他ＤＶＤ、ＢＤ、チップ間通信機器など幅広い応用分野に適用可能である。
【０４４０】
また、スキャン機能を持たせれば、レーザビームプリンタ用光源、モバイルレーザディスプレイ、チップ間光通信機器用光源、レーザ内蔵のカプセル内視鏡、レーザ内蔵カプセルレーザメス、車間距離測定用レーザ、レーザポインタレーザスキャンディスプレイ、バーコードスキャナなどの応用分野に適用可能である。
【符号の説明】
【０４４１】
１０…第１クラッド層（ｐクラッド層）
１２…フォトニック結晶層
１２1…第１フォトニック結晶層（定在波形成用フォトニック結晶層）
１２2…第２フォトニック結晶層（光出射用フォトニック結晶層）
１２Ａ…共振器用格子点（共振器用空孔、共振状態形成用格子点）
１２Ｃ…カップラー用格子点（カップラー用空孔）
１２Ｐ、１２Ｐ1・１２Ｐ2・１２Ｐ3…摂動状態形成用格子点
１３…キャリアブロック層
１４…活性層（ＭＱＷ）
１６…第２クラッド層（ｎクラッド層）
１８…コンタクト層
２０…ウィンドウ層
２２…上部電極
２４、１００…基板
２６…下部電極
３０、３０1、３０2、３０3…ビーム拡がり領域
３２…セル
λ…媒質内波長
Ｐ、Ｑ、Ｒ…バンド端領域
ｃ…光の速度
ａ、ａ1、ａ2、ａx、ａy…格子定数
ｃ／ａ…規格化周波数の単位
ＣＰ、ＣＰ1、ＣＰ2、ＣＰ3…カップラー領域
Ａ1、Ａ2、Ａ3…カップラー領域幅（摂動状態形成領域幅）
ＲＰ…共振器領域
ＰＰ、ＰＰ1、ＰＰ2、ＰＰ3…摂動状態形成領域
ｄ、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３…孔径
ｈ、Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３…孔の深さ
ｎ、ｎ１、ｎ２、ｎ３…屈折率
θ0、θ3、θa、θb、θc…ビーム拡がり角度
θ1、θ2、θ3…ビーム拡がり角度
θ、θ11、θ22…ビーム出射角度
θd…媒質内のビーム出射角度
θair…大気中のビーム出射角度
ｒ…アスペクト比（ａ1／ａ2）
ｋf…基本波の波数（波数ベクトル）
λPC…中心波長
λair…空気中での中心波長
ｎeff…有効屈折率
ｋd…回折ベクトル
ｓ…摂動係数
ＦＦＰ…遠視野像（ファーフィールドパターン）
ＮＦＰ…近視野像（ニアフィールドパターン）
ｈνL…面発光レーザ光
ｈνR…共振器内レーザ光
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【図６５】
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【図６６】
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【図６７】
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【図６８】
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【図６９】
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【図７０】
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【図７１】
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【図７３】
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【図７４】
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【図７５】
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【図７６】
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【図７７】
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【図７８】
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【図７９】
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【図８１】
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【図８２】
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【図８３】
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【図８４】
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【図８５】
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【図８６】
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【図８７】
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【図８８】
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【図８９】
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【図９０】
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【図９１】
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【図９２】
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【図９３】
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【図９４】
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【図９５】
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【図９６】
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【図９７】
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【図９８】
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【図９９】
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【図１００】
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【図１０１】
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【図１０２】
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【図１０３】
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【図１０４】
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【図１０５】
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【図１０６】
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【図１０７】
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【図１０８】
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【図１０９】
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【図１１０】
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【図１１１】
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【図１１２】
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【図１１３】
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【図１１４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図７２】
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【図８０】
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