(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャリアの注入により発光する活性層の近傍に、屈折率の異なる媒質が二次元の周期で配列された二次元フォトニック結晶を配した二次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、
前記二次元フォトニック結晶は、一の媒質を直交する２方向に等間隔で周期的に配列した正方格子から成るとともに、一の媒質を頂点とし、同じ大きさの一の媒質の最小周期を一辺とした正方形から成る少なくとも一部の基本格子が、該基本格子の２つの対角線のいずれか一方に対して非対称な屈折率の分布を有することを特徴とする二次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項２】
キャリアの注入により発光する活性層の近傍に、屈折率の異なる媒質が二次元の周期で配列された二次元フォトニック結晶を配した二次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、
前記二次元フォトニック結晶のΓ点におけるすべてのモードの縮退をといたことを特徴とする二次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項３】
前記活性層の利得の極大値をとる周波数と前記二次元フォトニック結晶が共振する周波数とを一致させたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の二次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項４】
前記二次元フォトニック結晶は、所定の屈折率を有する第１媒質と、第１媒質と屈折率が異なるとともに第１媒質内の直交する第１、第２方向に等しい間隔で配置された等しい大きさの第２媒質とを有し、
第２媒質を頂点とした少なくとも一部の基本格子は、該基本格子の２つの対角線のいずれかに対して非対称に配される第３媒質を有することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の二次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項５】
基本格子の一辺の長さをａとした時に、基本格子の一辺から幅０．１ａの範囲または一辺の垂直二等分線から幅０．１ａの範囲に第３媒質を配置したことを特徴とする請求項４に記載の二次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項６】
基本格子の一辺の長さをａとし、一の第２媒質を原点に第１、第２方向をＸ軸、Ｙ軸とした時に、Ｘ、Ｙ座標が
（ｎａ／４，ｍａ／４）  （ｎ＝０，２，４、ｍ＝１，３）
または  （ｎａ／４，ｍａ／４）  （ｎ＝１，３、ｍ＝０，２，４）
の点を中心とする半径０．１ａの範囲に第３媒質を配置したことを特徴とする請求項４に記載の二次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項７】
第２媒質と第３媒質とが異なる大きさから成ることを特徴とする請求項４に記載の二次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項８】
第２媒質と第３媒質とは同じ材質から成ることを特徴とする請求項４〜請求項７のいずれかに記載の二次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項９】
前記二次元フォトニック結晶は、所定の屈折率を有する第１媒質と、第１媒質と屈折率が異なるとともに第１媒質内の直交する第１、第２方向に等しい間隔で配置される第２媒質とを有し、
第２媒質を頂点とした少なくとも一部の基本格子は、該基本格子の２つの対角線のいずれかに対して第２媒質の平面形状を非対称にしたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の二次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項１０】
前記二次元フォトニック結晶は、平面形状が矩形の媒質を密接して配列され、少なくとも一の媒質に対して直交する２方向に隣接する２つの媒質の屈折率が異なることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の二次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項１１】
前記二次元フォトニック結晶は、等しい周期を持つ２つの一次元回折格子を周期方向が直交するように接合して成ることを特徴とする請求項１０に記載の二次元フォトニック結晶面発光レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次元フォトニック結晶を有し、面発光が可能な二次元フォトニック結晶面発光レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
活性層の近傍に二次元フォトニック結晶を配し、二次元フォトニック結晶の共振により面発光する二次元フォトニック結晶面発光レーザは特開２０００−３３２３５１号公報に開示されている。同公報の二次元フォトニック結晶面発光レーザは、基板上に下部クラッド層、活性層、上部クラッド層が積層されている。下部クラッド層中には活性層の近傍に二次元フォトニック結晶が内蔵されている。
【０００３】
二次元フォトニック結晶は、例えばｎ型ＩｎＰの半導体層に空孔を形成して構成され、屈折率の異なる媒質が二次元の所定周期で配列された三角格子や正方格子から成っている。空孔内にはＳｉＮ等を充填してもよい。活性層は、例えばＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体材料を用いた多重量子井戸構造から成っており、キャリアの注入により発光する。
【０００４】
また、下部クラッド層は上記のように例えばｎ型ＩｎＰの半導体から成り、上部クラッド層は例えばｐ型ＩｎＰの半導体から成っている。下部クラッド層及び上部クラッド層により活性層を挟んでダブルへテロ接合を形成し、キャリアを閉じこめて発光に寄与するキャリアを活性層に集中させるようになっている。
【０００５】
上部クラッド層の上面及び基板の底面には金等から成る電極が形成されている。電極間に電圧を印加することにより活性層が発光し、活性層から漏れた光が二次元フォトニック結晶に入射する。二次元フォトニック結晶の格子間隔に波長が一致する光は二次元フォトニック結晶により共振して増幅される。これにより、二次元フォトニック結晶面発光レーザが面発光してコヒーレントな光を出射する。
【０００６】
例えば、図３５に示すような正方格子から成る二次元フォトニック結晶について共振作用を説明する。二次元フォトニック結晶４０は、第１媒質１１内に空孔等の第２媒質１２を直交する二方向に同じ周期で形成した正方格子から成っている。正方格子はΓ−Ｘ方向とΓ−Ｍ方向の代表的な方向を有している。Γ−Ｘ方向に隣接する第２媒質１２の間隔（以下「格子間隔」という）をａとすると、第２媒質１２を格子点とした一辺がａの正方形から成る格子（以下「基本格子」という）Ｅ１が形成されている。
【０００７】
基本格子Ｅ１の格子間隔ａに波長λが一致する光ＬがΓ−Ｘ方向に進行すると、光Ｌは格子点で回折される。このうち、光の進行方向に対して０゜、±９０゜、１８０゜の方向に回折された光のみがブラッグ条件を満たす。更に、０゜、±９０゜、１８０゜の方向に回折された光の進行方向にも格子点が存在するため、回折光は再度進行方向に対して０゜、±９０゜、１８０゜の方向に回折する。
【０００８】
光Ｌが１回または複数回の回折を繰り返すと回折光が元の格子点に戻るため共振作用が生じる。また、紙面に垂直な方向に回折された光もブラッグ条件を満たす。このため、共振によって増幅された光が上部クラッド層を介して出射され、面発光機能を有することになる。また、全ての格子点でこの現象が発生するため、面内全域でコヒーレントなレーザ発振が可能になっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図３６は前述の図３５に示す構造の二次元フォトニック結晶４０のバンド図である。縦軸は光の周波数にａ／ｃを乗じて無次元化した規格化周波数である。ここで、ｃは光速（単位：ｍ／ｓｅｃ）を示しており、ａは格子間隔（単位：ｍ）を示している。横軸は、光の波数ベクトルを示している。
【００１０】
同図において、各線は光の分散関係を示しており、いくつかの場所においてその傾きが零、即ち光の群速度が零となり共振作用が生じる場所が存在するのが分かる。中でもΓ点は前述したように、面内方向だけではなく、面に垂直な方向に回折された光もブラッグ条件を満たすため、面内方向で共振した結果得られるコヒーレントな光を面に垂直な方向に取り出すことが可能となる。
【００１１】
尚、Γ点は以下のように定義される。格子間隔ａの正方格子に対して格子の基本並進ベクトルａ１、ａ２は、直交座標の単位ベクトルをｘ、ｙとすると、
ａ１＝ａｘ
ａ２＝ａｙ
と表される。
【００１２】
並進ベクトルａ１、ａ２に対し、逆格子基本ベクトルｂ１、ｂ２は、
ｂ１＝（２π／ａ）ｙ
ｂ２＝（２π／ａ）ｘ
と表される。
【００１３】
逆格子基本ベクトルｂ１、ｂ２を用い、光の波数ベクトルｋが式（１）で表されるような値を持つ点をΓ点と称す。
【００１４】
ｋ＝ｎｂ１＋ｍｂ２              ・・・（１）
ここで、ｎ、ｍは任意の整数である。
【００１５】
従って、光の波数ベクトルが式（１）を満たしているΓ点であれば、どのバンドでも前述の現象が生じる。通常、二次元フォトニック結晶面発光レーザでは図中Ｓ部に示すように、格子間隔ａが波長λと等しいことに相等する第２群のバンドが用いられる。
【００１６】
Ｓ部の詳細を図３７に示すと、二次元フォトニック結晶は周波数の低い方から順にＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４つの群速度が零となる周波数、即ち共振周波数を有する。以下、共振周波数Ａでの共振状態をＡモード、共振周波数Ｂでの共振状態をＢモード、共振周波数Ｃでの共振状態をＣモード、共振周波数Ｄでの共振状態をＤモードという。
【００１７】
図３８、図３９はそれぞれ二次元フォトニック結晶がＡモード及びＢモードの共振状態を採っているときの電界分布を示しており、これはレーザー発振時の近視野像に相当する。矢印は電界の方向及び大きさを示している。これらの図に示すように、Ａモード及びＢモードでは、電界の向きが揃っていない。即ち、偏光方向が一定になっていない。このため、図４０、図４１にＡモード及びＢモードの遠視野の電界分布を示すと、Ａモードでは偏光方向が電極７の周囲を回転する偏光になり、Ｂモードでは偏光方向が電極７を中心に放射状の偏光になる。
【００１８】
また、ＣモードとＤモードとは縮退しており、この共振状態は同一の周波数で生じる。このため、Γ点ではＣモードによる電界分布とＤモードによる電界分布との線形和によって偏光が決められる。従って、偏光方向は一意に決まらず不安定になっている。
【００１９】
以上のように、従来の二次元フォトニック結晶面発光レーザによると、二次元フォトニック結晶の４つの共振モード（ＣモードとＤモードとは縮退しているので実質３つの共振モード）のどのモードで共振するように形成しても出射される光の偏光方向が揃っていない。従って、偏光方向が一定の偏光を用いる装置には使用できない問題があった。
【００２０】
本発明は、偏光方向が一定の偏光を出射することのできる二次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載された発明は、キャリアの注入により発光する活性層の近傍に、屈折率の異なる媒質が二次元の周期で配列された二次元フォトニック結晶を配した二次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、前記二次元フォトニック結晶は、一の媒質を直交する２方向に等間隔で周期的に配列した正方格子から成るとともに、一の媒質を頂点とし、同じ大きさの一の媒質の最小周期を一辺とした正方形から成る少なくとも一部の基本格子が、該基本格子の２つの対角線のいずれか一方に対して非対称な屈折率の分布を有することを特徴としている。
【００２２】
また請求項２に記載された発明は、キャリアの注入により発光する活性層の近傍に、屈折率の異なる媒質が二次元の周期で配列された二次元フォトニック結晶を配した二次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、前記二次元フォトニック結晶のΓ点におけるすべてのモードの縮退をといたことを特徴としている。この構成によると、二次元フォトニック結晶は結晶の対称性を崩すこと等によって縮退をとかれる。その結果、媒質の屈折率や大きさ等の選択によって、バンド図の第２群において４つの異なる周波数で共振させることができる。
【００２３】
また請求項３に記載された発明は、請求項１または請求項２に記載された二次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、前記活性層の利得の極大値をとる周波数と前記二次元フォトニック結晶が共振する周波数とを一致させたことを特徴としている。
【００２４】
また請求項４に記載された発明は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載された二次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、前記二次元フォトニック結晶は、所定の屈折率を有する第１媒質と、第１媒質と屈折率が異なるとともに第１媒質内の直交する第１、第２方向に等しい間隔で配置された等しい大きさの第２媒質とを有し、第２媒質を頂点とした少なくとも一部の基本格子は、該基本格子の２つの対角線のいずれかに対して非対称に配される第３媒質を有することを特徴としている。この構成によると、例えば第１媒質中のランダムな位置に第３媒質が配置される。
【００２５】
また請求項５に記載された発明は、請求項４に記載された二次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、基本格子の一辺の長さをａとした時に、基本格子の一辺から幅０．１ａの範囲または一辺の垂直二等分線から幅０．１ａの範囲に第３媒質を配置したことを特徴としている。
【００２６】
また請求項６に記載された発明は、請求項４に記載された二次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、基本格子の一辺の長さをａとし、一の第２媒質を原点に第１、第２方向をＸ軸、Ｙ軸とした時に、Ｘ、Ｙ座標が
（ｎａ／４，ｍａ／４）  （ｎ＝０，２，４、ｍ＝１，３）
または  （ｎａ／４，ｍａ／４）  （ｎ＝１，３、ｍ＝０，２，４）
の点を中心とする半径０．１ａの範囲に第３媒質を配置したことを特徴としている。
【００２７】
この構成によると、例えば、Ｘ、Ｙ座標が（０，ａ／４）や（０，３ａ／４）や（ａ／４，ａ／２）の位置に第３媒質が配置される。
【００２８】
また請求項７に記載された発明は、請求項４に記載の二次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、第２媒質と第３媒質とが異なる大きさから成ることを特徴としている。
【００２９】
また請求項８に記載された発明は、請求項４〜請求項７のいずれかに記載の二次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、第２媒質と第３媒質とは同じ材質から成ることを特徴としている。
【００３０】
また請求項９に記載された発明は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載された二次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、前記二次元フォトニック結晶は、所定の屈折率を有する第１媒質と、第１媒質と屈折率が異なるとともに第１媒質内の直交する第１、第２方向に等しい間隔で配置される第２媒質とを有し、第２媒質を頂点とした少なくとも一部の基本格子は、該基本格子の２つの対角線のいずれかに対して第２媒質の平面形状を非対称にしたことを特徴としている。この構成によると、第２媒質が第１、第２方向に周期的に配置され、第２媒質は例えば長径が第１方向に一致した楕円形に形成される。
【００３１】
また請求項１０に記載された発明は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載された二次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、前記二次元フォトニック結晶は、平面形状が矩形の媒質を密接して配列され、少なくとも一の媒質に対して直交する２方向に隣接する２つの媒質の屈折率が異なることを特徴としている。
【００３２】
この構成によると、二次元フォトニック結晶は隣接する媒質の屈折率が異なるように市松模様状に形成され、平面的に見て例えば第１媒質の上方に配される第２媒質と、第１媒質の左方に配される第３媒質との屈折率が異なる。第１媒質と対角な位置には第１〜第３媒質を配置してもよいし、他の媒質を配置してもよい。また、第１媒質と第１媒質との間隔は、波長と同じか、先に定義したΓ点での波数ベクトルに対する条件を満たす周期であればよい。更に、基本格子は正方形であるが、各媒質の平面形状は正方形でなくてもよい。
【００３３】
また請求項１１に記載された発明は、請求項１０に記載された二次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、前記二次元フォトニック結晶は、等しい周期を持つ２つの一次元回折格子を周期方向が直交するように接合して成ることを特徴としている。
【００３４】
この構成によると、例えば一次元の所定周期の溝を有して屈折率の異なる第１、第２媒質から成る第１、第２回折格子を接合し、第１、第２回折格子の溝が重なった部分の屈折率と、第１回折格子の溝と第２媒質とが重なった部分の平均的な屈折率と、第２回折格子の溝と第１媒質とが重なった部分の平均的な屈折率と、第１媒質と第２媒質とが重なった部分の平均的な屈折率と、が互いに異なった二次元フォトニック結晶が形成される。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。説明の便宜上、従来例の図３５と同一の部分については同一の符号を付している。図１は第１実施形態の二次元フォトニック結晶面発光レーザを示す斜視図である。二次元フォトニック結晶面発光レーザ１は、基板２上に下部クラッド層３、活性層４、上部クラッド層５が積層されている。下部クラッド層３中には活性層４の近傍に二次元フォトニック結晶１０は内蔵されている。
【００３６】
二次元フォトニック結晶１０は、例えばｎ型ＩｎＰの半導体層に空孔を形成して構成され、屈折率の異なる媒質が二次元の所定周期で配列された正方格子から成っている。空孔内にはＳｉＮ等を充填してもよい。活性層４は、例えばＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体材料を用いた多重量子井戸構造から成っており、キャリアの注入により発光する
【００３７】
下部クラッド層３は上記のように例えばｎ型ＩｎＰの半導体から成り、上部クラッド層５は例えばｐ型ＩｎＰの半導体から成っている。下部クラッド層３及び上部クラッド層５により活性層４を挟んでダブルへテロ接合を形成し、キャリアを閉じこめて発光に寄与するキャリアを活性層に集中させるようになっている。上部クラッド層５の上面及び基板２の底面には金等から成る電極６、７が形成されている。電極６、７間に電圧を印加することにより活性層４が発光するようになっている。
【００３８】
図２は二次元フォトニック結晶１０を示す平面図である。二次元フォトニック結晶１０は、第１媒質１１内に空孔等の第２媒質１２を直交する二方向に同じ周期（格子間隔ａ）で形成した正方格子から成っている。基本となる格子間隔ａは、Γ点での波数ベクトルに対する条件を満たす周期であれば何でもよいが、本実施形態では一般によく用いられるΓ点第２群（図３６、Ｓ部参照）に相当する格子間隔ａと発振波長とが等しい場合を用いて説明する。
【００３９】
二次元フォトニック結晶１０には、第２媒質１２を頂点とし、同じ大きさの第２媒質１２の最小周期（ａ）を一辺とする正方形から成る基本格子Ｅ１が形成されている。また、第２媒質１２の垂直な２方向にそれぞれ２周期に１箇所の割合で、第３媒質１３が所定の位置に設けられている。
【００４０】
前述したように、活性層４から漏れた光は二次元フォトニック結晶１０に入射する。二次元フォトニック結晶１０の格子間隔ａが所定の長さのとき、光は二次元フォトニック結晶１０により共振して増幅される。これにより、二次元フォトニック結晶面発光レーザ１が面発光してコヒーレントな光を出射する。この時、第３媒質１３を含む基本格子Ｅ１は、対角線Ｃ１、Ｃ２のいずれに対しても非対称な位置に第３媒質１３が配置されている。
【００４１】
尚、基本格子は同一の媒質が頂点に配置された正方形の格子で周期的な最小のものを指し、周期構造の最小単位である所謂単位格子とは異なる。従って、第３媒質１３を頂点として、格子Ｅ２を基本格子とみなすこともできる。このように捉えても２つの対角線のいずれに対しても非対称な位置に第２媒質１２が配されている。
【００４２】
このような構成の二次元フォトニック結晶１０のΓ点付近のバンド図を図３に示す。同図は、波長λと格子間隔ａとが一致する第２群（Ｓ部：図３６参照）について示している。縦軸は光の周波数にａ／ｃを乗じて無次元化した規格化周波数である。ここで、ｃは光速（単位：ｍ／ｓｅｃ）を示しており、ａは格子間隔（単位：ｍ）を示している。横軸は、光の波数ベクトルを示している。
【００４３】
同図によると、二次元フォトニック結晶１０は媒質の屈折率や大きさ等を適切に選択することによってΓ点第２群において４つの異なる共振周波数とそれぞれの共振周波数に応じた４つの異なる共振モードを有する。即ち、ＣモードとＤモードとが異なる共振周波数を有し、図３７で示した従来の二次元フォトニック結晶と異なり、モードの縮退がとかれている。
【００４４】
尚、基本格子Ｅ１のいずれか一方の対角線に対して非対称な屈折率分布を有していれば二次元フォトニック結晶のモードの縮退をとくことができる。例えば、図２において基本格子Ｅ１内の第３媒質１３ａに替えて第３媒質１３ｂを一方の対角線Ｃ２上に配置してもよい。
【００４５】
図４〜図７は二次元フォトニック結晶１０がＡモード、Ｂモード、Ｃモード、Ｄモードの共振状態を採っている時の電界分布、即ち、レーザ発振時の近視野像を示す図である。矢印は電界の方向及び大きさを示している。これらの図に示すように、各モードで電界の向きが一定になっている。即ち、偏光方向が一定になっている。
【００４６】
従って、図８にＡモード及びＤモードの遠視野の電界分布を示し、図９にＢモード及びＣモードの遠視野の電界分布を示すように、出射される光の偏光方向（電界の方向）が一定の二次元フォトニック結晶面発光レーザ１を得ることができる。
【００４７】
尚、Ａ、Ｂモードでは、発光領域の中心部分で電界が打ち消し合う。その結果、発光領域の電極７で覆われた中心部分は非発光領域になっている。このため、周辺部のみが明るく中心部が暗いドーナツ状に発光する。これに対して、Ｃ、Ｄモードでは、電界の打ち消しあいがなく、発光領域の全面から均一に発光する。従って、Ａ、Ｂモードで使用する二次元フォトニック結晶面発光レーザよりもＣ、Ｄモードで使用する二次元フォトニック結晶面発光レーザの方がより望ましい。
【００４８】
また、第３媒質１３は第１媒質１１と異なる屈折率を有しているが、第２媒質１２とは同じ屈折率であってもよい。また、第３媒質１３は対角線Ｃ１、Ｃ２のいずれかに対して非対称であればどの位置に配置してもモードの縮退をとくことができる。例えばランダムな位置に配置してもよいが、以下に説明するような位置に配置するとより望ましい。
【００４９】
図１０は、基本格子Ｅ１内に第３媒質１３を配置した際に、光がフォトニック結晶の存在を感じる度合いを等高線で示した図である。斜線部が効果の大きい部分を示している。これによると、基本格子Ｅ１の各辺または、各辺の垂直二等分線上に第３媒質１３を配置するとフォトニック結晶の存在を感じる度合いが最も大きく効果が高い。また、基本格子Ｅ１の各辺または各辺の垂直二等分線から０．１ａ（＝ａ／１０）の幅の範囲内であれば充分大きな効果を得ることができる。
【００５０】
図１１は、基本格子Ｅ１内に第３媒質１３を配置した際に、第３媒質１３によって各モードの周波数の差を大きくする効果を等高線で示した図である。斜線部が効果の大きい部分を示している。これによると、基本格子Ｅ１の隣接する二辺の方向をＸ軸、Ｙ軸とし、一の第２媒質１２の位置を原点としたときに、Ｘ、Ｙ座標が、
（ｎａ／４，ｍａ／４）  （ｎ＝０，２，４、ｍ＝１，３）
または  （ｎａ／４，ｍａ／４）  （ｎ＝１，３、ｍ＝０，２，４）
の点に配置すると各モードの周波数の差を大きくする効果が最も大きい。また、これらの点から半径０．１ａ（＝ａ／１０）の範囲内であれば充分大きな効果を得ることができる。
【００５１】
例えば、Ｘ、Ｙ座標が（０，ａ／４）、（０，３ａ／４）、（ａ／４，ａ／２）の位置に第３媒質を配置すると、光はフォトニック結晶の存在を充分強く感じ、フォトニック結晶の効果が強く出る上、各モードの周波数の差を大きくとることができる。
【００５２】
また、図１２の第２実施形態に示すように、第３媒質１３を直交する２方向の１周期毎に設けてもよい。この場合、基本格子を格子Ｅ３と捉えても２つの対角線に対して非対称になっている。図１３の第３実施形態に示すように、第２媒質１２が周期的に配列された基本格子Ｅ１’の対角でない２箇所を第３媒質１３に置換してもよい。その結果、基本格子Ｅ１は元の基本格子Ｅ１’に対して一辺の長さが変わり、対角線に対して非対称になる。また、第３媒質１３を頂点とする格子Ｅ５を基本格子として捉えても同じである。
【００５３】
第１〜第３実施形態において、第３媒質１３を第２媒質１２の短い周期毎に設ける方が長い周期毎に設ける場合よりも縮退をとく効果が大きく各共振周波数の差を大きくすることができる。これにより、使用する共振モードを容易に選択することができる。また、第３媒質１３の大きさが大きい方が小さい場合よりも縮退をとく効果を大きくすることができる。
【００５４】
尚、図１４〜図１７は基本格子の２つの対角線の何れに対しても屈折率の分布が対称である。図１４に示すように、基本格子Ｅ１の対角線の中点に第３媒質１３を設けた場合は、基本格子Ｅ１の両方の対角線に対して屈折率分布が対称となるため出射光の偏光方向を一定にすることができない。この時、基本格子を第３媒質１３を頂点とする格子Ｅ６と捉えても同じである。
【００５５】
図１５に示すように、基本格子Ｅ１の２周期毎に対角線の中点に第３媒質１３を設けた場合も同様に基本格子Ｅ１の両方の対角線に対して屈折率分布が対称となる。基本格子を格子Ｅ７、Ｅ８と捉えても同じである。尚、格子Ｅ２０は第２媒質１２を頂点としているが、一辺が第２媒質１２の最小の周期ではないため基本格子と捉えることはできない。
【００５６】
図１６に示すように、第２媒質１２が周期的に配列された基本格子Ｅ１’の１箇所を２周期毎に第３媒質１３に置き換えた場合も同様に、新たな基本格子Ｅ１の両方の対角線に対して屈折率分布が対称となる。基本格子を格子Ｅ１０と捉えても同じである。
【００５７】
図１７に示すように、第２媒質１２が周期的に配列された基本格子Ｅ１’の１箇所を２周期毎に大きさの異なる同じ材質の第３媒質１３に置き換えた場合も同様に、新たな基本格子Ｅ１の両方の対角線に対して屈折率分布が対称となる。基本格子を格子Ｅ９と捉えても同じである。尚、格子２１は同じ材質の第２、第３媒質１２、１３を頂点としているが、大きさが異なるため基本格子と捉えることはできない。
【００５８】
図１８は第４実施形態の二次元フォトニック結晶面発光レーザに搭載される二次元フォトニック結晶を示す平面図である。本実施形態の二次元フォトニック結晶２０は、第１媒質１１内に断面楕円形の第２媒質１２が直交する二方向に同じ周期で配列されている。その他の構成は第１実施形態と同一である。
【００５９】
本実施形態において、第１媒質１１と第２媒質１２との屈折率が異なるため、第２媒質１２を頂点とした正方形から成る基本格子Ｅ１の２つの対角線Ｃ１、Ｃ２のいずれに対しても屈折率分布が非対称になっている。
【００６０】
このような構成の二次元フォトニック結晶２０の第２群（Ｓ部：図３６参照）のバンド図を図１９に示す。縦軸は光の周波数にａ／ｃを乗じて無次元化した規格化周波数を示し、横軸は光の波数ベクトルを示している。二次元フォトニック結晶２０は媒質の屈折率や大きさ等を適切に選択することによってΓ点第２群において４つの異なる共振周波数とそれぞれの共振周波数に応じた４つの異なる共振モードを有する。即ち、ＣモードとＤモードとが異なる共振周波数を有しており、二次元フォトニック結晶２０のモードの縮退がとかれている。
【００６１】
図２０〜図２３は二次元フォトニック結晶２０がそれぞれＡモード、Ｂモード、Ｃモード、Ｄモードの共振状態を採っている時の電界分布、即ちレーザ発振時の近視野像を示す図である。矢印は電界の方向及び大きさを示している。これらの図に示すように、各モードで電界の向きが一定になっている。即ち、偏光方向が一定になっている。従って、出射される光の偏光方向（電界の方向）が一定の二次元フォトニック結晶面発光レーザ１を得ることができる。
【００６２】
また、図２４の第５実施形態に示すように、断面形状が楕円形の第２媒質１２を周期方向に対して傾斜して配置してもよい。更に、図２５の第６実施形態に示すように、第２媒質１２の断面形状を長方形にしても同様の効果を得ることができる。
【００６３】
図２６は第７実施形態の二次元フォトニック結晶面発光レーザを示す分解斜視図である。説明の便宜上、前述の図１に示す第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。二次元フォトニック結晶面発光レーザ９は、基板２上に下部クラッド層８、３、活性層４、上部クラッド層５が積層されている。これらは第１実施形態と同様の材質により同様に形成されており、下部クラッド層３、８は同じ材料でもよいし異なる材料でもよい。基板２の底面及び上部クラッド層５の上面には金等から成る電極６、７が形成されている。
【００６４】
下部クラッド層８の上面及び下部クラッド層３の下面には、それぞれ一次元の同じ周期で形成された溝から成る一次元回折格子８ａ、３ａが設けられている。一次元回折格子８ａ、３ａは周期方向が互いに直交するように接合されている。これにより、二次元の周期構造を有する二次元フォトニック結晶３０が形成されている。
【００６５】
図２７は二次元フォトニック結晶３０を示す平面図である。一次元回折格子８ａ、３ａは、それぞれ溝部８ｂ、３ｂ及び陸部８ｃ、３ｃを有している。溝部８ｂと溝部３ｂとが重なったＦ１部は空気と同じ屈折率を有している。陸部８ｃと溝部３ｂとが重なったＦ２部は下部クラッド層８の屈折率と空気の屈折率との平均的な屈折率を有している。溝部８ｂと陸部３ｃとが重なったＦ３部は下部クラッド層３の屈折率と空気の屈折率との平均的な屈折率を有している。陸部８ｃと陸部３ｃとが重なったＦ４部は下部クラッド層８の屈折率と下部クラッド層３の屈折率との平均的な屈折率を有している。
【００６６】
また、活性層４から一次元回折格子３ａまでの距離が一次元回折格子８ａまでの距離よりも短いため、一次元回折格子３ａに到達する光の強度は一次元回折格子８ａに到達する光の強度よりも大きい。このため、Ｆ３部の平均的な屈折率は空気の屈折率よりも下部クラッド層３の屈折率の影響が大きくなり、Ｆ２部の平均的な屈折率は下部クラッド層８の屈折率よりも空気の屈折率の影響が大きい。従って、下部クラッド層８と下部クラッド層３とが同じ屈折率であってもＦ２部とＦ３部とは異なる屈折率を有している。
【００６７】
その結果、図２８に示すように、二次元フォトニック結晶３０は異なる屈折率で断面形状が矩形の第１、第２、第３、第４媒質３１、３２、３３、３４が市松模様状に密接して配列されている。これにより、例えば第１媒質３１が直交する２方向に周期的に配列され、二次元フォトニック結晶３０は正方格子から成っている。そして、第１媒質３１を頂点とした正方形から成る基本格子Ｅ１は２つの対角線のいずれに対しても非対称な屈折率分布になっている。
【００６８】
二次元フォトニック結晶３０の第２群（図３６のＳ部参照）のバンド図を図２９に示す。縦軸は光の周波数にａ／ｃを乗じて無次元化した規格化周波数を示し、横軸は光の波数ベクトルを示している。二次元フォトニック結晶３０は、媒質の屈折率や大きさ等を適切に選択することによってΓ点第２群において４つの異なる共振周波数とそれぞれの共振周波数に応じた４つの異なる共振モードを有する。即ち、ＣモードとＤモードとが異なる共振周波数を有しており、二次元フォトニック結晶３０のモードの縮退がとかれている。
【００６９】
図３０〜図３３はそれぞれ二次元フォトニック結晶３０がＡモード、Ｂモード、Ｃモード、Ｄモードの共振状態を採っている時の電界分布、即ちレーザ発振時の近視野像を示す図である。矢印は電界の方向及び大きさを示している。これらの図に示すように、各モードで電界の向きが一定になっている。即ち、偏光方向が一定になっている。従って、出射される光の偏光方向（電界の方向）が一定の二次元フォトニック結晶面発光レーザ９を得ることができる。
【００７０】
尚、一次元回折格子８ａ、３ａは周期が同じであればよく、デューティー比は同一でなくてもよい。また、本実施形態のように一次元回折格子を接合する場合だけでなく、前述の図２８に示すように平面形状が矩形の異なる屈折率の媒質を密接し、一の媒質（例えば第１媒質３１）に対して直交する二方向に隣接した２つの媒質（例えば第２、第３媒質３２、３３）を互いに異なる屈折率にすることにより、縮退をといた二次元フォトニック結晶を得ることができる。
【００７１】
この時、一の媒質の間隔は、波長と同じか、先に定義したΓ点での波数ベクトルに対する条件を満たす周期であればよい。また、基本格子は正方形であるが、各媒質の平面形状は正方形でなくてもよい。更に、一の媒質（第１媒質３１）に対して斜め方向に配される第４媒質３４は、第１〜第３媒質３１〜３３のいずれかと同じ屈折率であってもよい。
【００７２】
図３４は第１〜第７実施形態の活性層４の利得の周波数特性を示している。縦軸は活性層の利得を示しており、横軸は周波数を示している。同図に示すように、活性層４は周波数に対して異なる利得を有している。従って、第１〜第７実施形態において、活性層４の利得の極大値となる周波数で共振するように二次元フォトニック結晶の媒質の屈折率、媒質の大きさ、格子間隔等を選択することにより、二次元フォトニック結晶面発光レーザから効率良く光を出射して省電力化を図ることができる。また、モード間の周波数差を大きくすれば、使用する共振モードの選択性がよくなる。
【００７３】
【発明の効果】
請求項１の発明によると、二次元フォトニック結晶は、基本格子が対角線に対して非対称な屈折率の分布を有するので、モードの縮退がとかれ、偏光方向が一定の偏光を出射する二次元フォトニック結晶面発光レーザを得ることができる。
【００７４】
また請求項２の発明によると、二次元フォトニック結晶のモードの縮退をとくことにより、偏光方向が一定の偏光を出射する二次元フォトニック結晶面発光レーザを得ることができる。
【００７５】
また請求項３の発明によると、活性層の利得の極大値をとる周波数と二次元フォトニック結晶が共振する周波数とを一致させているので、二次元フォトニック結晶面発光レーザから効率良く光を出射して省電力化を図ることができる。
【００７６】
また請求項４の発明によると、第１媒質中に配される第２媒質を頂点とする基本格子の２つの対角線に対して第３媒質を非対称に配することにより、簡単に非対称な屈折率分布を有する二次元フォトニック結晶を得ることができる。
【００７７】
また請求項５の発明によると、基本格子の一辺の長さをａとした時に、基本格子の一辺から幅０．１ａの範囲または一辺の垂直二等分線から幅０．１ａの範囲に第３媒質を配置することにより、光がフォトニック結晶を感じる度合いが向上して容易に縮退をとくことができる。
【００７８】
また請求項６の発明によると、基本格子の一辺の長さをａとし、一の第２媒質を原点に第１、第２方向をＸ軸、Ｙ軸とした時に、Ｘ、Ｙ座標が
（ｎａ／４，ｍａ／４）  （ｎ＝０，２，４、ｍ＝１，３）
または  （ｎａ／４，ｍａ／４）  （ｎ＝１，３、ｍ＝０，２，４）
の点を中心とする半径０．１ａの範囲に第３媒質を配置することにより、欠陥導入により縮退をとく効果を向上させることができる。
【００７９】
また請求項７の発明によると、第２媒質と第３媒質とを異なる大きさにすることによって第２、第３媒質が同じ屈折率であっても容易に非対称な屈折率分布を形成することができる。
【００８０】
また請求項８の発明によると、第２媒質と第３媒質とを同じ材質により形成することによって、第２、第３媒質を同時に形成することができ、より簡単に非対称な屈折率分布を形成することができる。
【００８１】
また請求項９の発明によると、第１媒質中に配される第２媒質を頂点とする基本格子の２つの対角線に対して第２媒質の平面形状を非対称にすることにより、簡単に非対称な屈折率分布を有する二次元フォトニック結晶を得ることができる。
【００８２】
また請求項１０の発明によると、平面形状が矩形の媒質を密接して市松模様状に配列して一の媒質に対して直交する２方向に隣接する２つの媒質の屈折率が異なるようにすることによって、簡単に非対称な屈折率分布を有する二次元フォトニック結晶を得ることができる。
【００８３】
また請求項１１の発明によると、２つの一次元回折格子を周期方向が直交するように接合することによって、市松模様状に配列された二次元フォトニック結晶を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の二次元フォトニック結晶面発光レーザを示す分解斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態の二次元フォトニック結晶を示す平面図である。
【図３】本発明の第１実施形態の二次元フォトニック結晶の第２群のバンド図である。
【図４】本発明の第１実施形態の二次元フォトニック結晶のＡモードの近視野の電界分布を示す図である。
【図５】本発明の第１実施形態の二次元フォトニック結晶のＢモードの近視野の電界分布を示す図である。
【図６】本発明の第１実施形態の二次元フォトニック結晶のＣモードの近視野の電界分布を示す図である。
【図７】本発明の第１実施形態の二次元フォトニック結晶のＤモードの近視野の電界分布を示す図である。
【図８】本発明の第１実施形態の二次元フォトニック結晶のＡ、Ｄモードの遠視野の電界分布を示す図である。
【図９】本発明の第１実施形態の二次元フォトニック結晶のＢ、Ｃモードの遠視野の電界分布を示す図である。
【図１０】本発明の第１実施形態の二次元フォトニック結晶の欠陥の位置による回折効果を示す図である。
【図１１】本発明の第１実施形態の二次元フォトニック結晶の欠陥の位置による電界方向を揃える効果を示す図である。
【図１２】本発明の第２実施形態の二次元フォトニック結晶を示す平面図である。
【図１３】本発明の第３実施形態の二次元フォトニック結晶を示す平面図である。
【図１４】二次元フォトニック結晶の欠陥の位置による対称性を説明する平面図である。
【図１５】二次元フォトニック結晶の欠陥の配置による対称性を説明する平面図である。
【図１６】二次元フォトニック結晶の欠陥の配置による対称性を説明する平面図である。
【図１７】二次元フォトニック結晶の欠陥の配置による対称性を説明する平面図である。
【図１８】本発明の第４実施形態の二次元フォトニック結晶を示す平面図である。
【図１９】本発明の第４実施形態の二次元フォトニック結晶の第２群のバンド図である。
【図２０】本発明の第４実施形態の二次元フォトニック結晶のＡモードの近視野の電界分布を示す図である。
【図２１】本発明の第４実施形態の二次元フォトニック結晶のＢモードの近視野の電界分布を示す図である。
【図２２】本発明の第４実施形態の二次元フォトニック結晶のＣモードの近視野の電界分布を示す図である。
【図２３】本発明の第４実施形態の二次元フォトニック結晶のＤモードの近視野の電界分布を示す図である。
【図２４】本発明の第５実施形態の二次元フォトニック結晶を示す平面図である。
【図２５】本発明の第６実施形態の二次元フォトニック結晶を示す平面図である。
【図２６】本発明の第７実施形態の二次元フォトニック結晶面発光レーザを示す分解斜視図である。
【図２７】本発明の第７実施形態の二次元フォトニック結晶を示す平面図である。
【図２８】本発明の第７実施形態の二次元フォトニック結晶を示す平面図である。
【図２９】本発明の第７実施形態の二次元フォトニック結晶の第２群のバンド図である。
【図３０】本発明の第７実施形態の二次元フォトニック結晶のＡモードの近視野の電界分布を示す図である。
【図３１】本発明の第７実施形態の二次元フォトニック結晶のＢモードの近視野の電界分布を示す図である。
【図３２】本発明の第７実施形態の二次元フォトニック結晶のＣモードの近視野の電界分布を示す図である。
【図３３】本発明の第７実施形態の二次元フォトニック結晶のＤモードの近視野の電界分布を示す図である。
【図３４】活性層により発光する光の周波数に対する利得を示す図である。
【図３５】従来の二次元フォトニック結晶を示す平面図である。
【図３６】従来の二次元フォトニック結晶のバンド図である。
【図３７】従来の二次元フォトニック結晶の第２群のバンド図である。
【図３８】従来の二次元フォトニック結晶のＡモードの近視野の電界分布を示す図である。
【図３９】従来の二次元フォトニック結晶のＢモードの近視野の電界分布を示す図である。
【図４０】従来の二次元フォトニック結晶のＡモードの遠視野の電界分布を示す図である。
【図４１】従来の二次元フォトニック結晶のＢモードの遠視野の電界分布を示す図である。
【符号の説明】
１、９  二次元フォトニック結晶面発光レーザ
２    基板
３、８  下部クラッド層
３ａ、８ａ  一次元回折格子
４    活性層
５    上部クラッド層
６、７  電極
１０、２０、３０、４０  二次元フォトニック結晶
１１、３１  第１媒質
１２、３２  第２媒質
１３、３３  第３媒質
３４        第４媒質
Ｅ１  基本格子
【図１】
0003561244.tif 000002
【図２】
0003561244.tif 000003
【図３】
0003561244.tif 000004
【図４】
0003561244.tif 000005
【図５】
0003561244.tif 000006
【図６】
0003561244.tif 000007
【図７】
0003561244.tif 000008
【図８】
0003561244.tif 000009
【図９】
0003561244.tif 000010
【図１０】
0003561244.tif 000011
【図１１】
0003561244.tif 000012
【図１２】
0003561244.tif 000013
【図１３】
0003561244.tif 000014
【図１４】
0003561244.tif 000015
【図１５】
0003561244.tif 000016
【図１６】
0003561244.tif 000017
【図１７】
0003561244.tif 000018
【図１８】
0003561244.tif 000019
【図１９】
0003561244.tif 000020
【図２０】
0003561244.tif 000021
【図２１】
0003561244.tif 000022
【図２２】
0003561244.tif 000023
【図２３】
0003561244.tif 000024
【図２４】
0003561244.tif 000025
【図２５】
0003561244.tif 000026
【図２６】
0003561244.tif 000027
【図２７】
0003561244.tif 000028
【図２８】
0003561244.tif 000029
【図２９】
0003561244.tif 000030
【図３０】
0003561244.tif 000031
【図３１】
0003561244.tif 000032
【図３２】
0003561244.tif 000033
【図３３】
0003561244.tif 000034
【図３４】
0003561244.tif 000035
【図３５】
0003561244.tif 000036
【図３６】
0003561244.tif 000037
【図３７】
0003561244.tif 000038
【図３８】
0003561244.tif 000039
【図３９】
0003561244.tif 000040
【図４０】
0003561244.tif 000041
【図４１】
0003561244.tif 000042