(57)【要約】  偏光双安定面発光レーザ（３０）において、活性領域の下側の反射鏡としてＳＯＩ基板の表面ＳｉＯ2層に形成した２次元格子構造体（３７）を含む偏光無依存ＨＣＧを用い、上側の反射鏡としてエアブリッジ構造の２次元格子構造体３８を含む偏光無依存ＨＣＧを用いる。このＨＣＧは従来のＤＢＲに比べて格段に薄いので、面発光レーザの薄形化が可能である。また、表面ＳｉＯ2層には光導波路（２４ｘ、２４ｙ）を形成し、面発光レーザ３０の共振器と光結合することで、共振器に閉じ込めた光をその偏光状態に応じて光導波路（２４ｘ、２４ｙ）の一方に選択的に出力することができる。それによって、隣接する面発光レーザ（３０）への情報の転送も容易になり、面発光レーザ（３０）の上方空間に配置する光学素子を減らしてデバイスとしての薄形化・小形化も図ることができる。
2014030361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
面発光レーザにおいて光を発生する活性層とともに共振器を形成するために用いられる高屈折率差グレーティング構造による反射鏡であって、
a)第１屈折率を有し平面状に広がる領域を占める低屈折率層と、
b)前記低屈折率層の一方の面に接するように配置され、前記第１屈折率よりも大きい第２屈折率を有する材料からなり、該低屈折率層に直交する軸に対して90°の回転対称性を有する井桁状の２次元格子構造体と、
を有し、前記軸の方向に沿って入射される任意の偏光を有する光に対し、目的とする波長帯域に亘り反射率が所定以上であるように、前記第１屈折率、前記第２屈折率、前記低屈折率層の厚さ、前記２次元格子構造体の厚さ、該２次元格子構造体の格子のピッチ、及び格子幅を含むパラメータが調整されてなることを特徴とするレーザ用反射鏡。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ用反射鏡を用いた面発光レーザ装置であって、
半導体基板と、該半導体基板上に形成された下部反射鏡、該下部反射鏡の上に配置された光を発生する活性層、及び該活性層の上に形成された上部反射鏡、からなる共振器と、を備え、前記下部反射鏡又は前記上部反射鏡の少なくともいずれか一方として前記レーザ用反射鏡を用いたことを特徴とする面発光レーザ装置。
【請求項３】
請求項２に記載の面発光レーザ装置であって、
少なくとも前記下部反射鏡として前記レーザ用反射鏡が用いられ、該反射鏡に含まれる２次元格子構造体が、前記半導体基板上に形成されている一つの半導体層に形成されるとともに、該半導体層に光を導く光導波路が形成され、
当該レーザ装置の共振器で生成された光を前記光導波路を通して送出可能としたことを特徴とする面発光レーザ装置。
【請求項４】
請求項３に記載の面発光レーザ装置であって、
前記光導波路は、前記下部反射鏡に含まれる２次元格子構造体を含んで一直線状に延伸され、当該レーザ装置の共振器から特定の偏光のみを前記光導波路を通して隣接する面発光レーザに入力し、その偏光を同一に切り替えることを特徴とする面発光レーザ装置。
【請求項５】
請求項３に記載の面発光レーザ装置であって、
前記光導波路は、前記下部反射鏡に含まれる２次元格子構造体が交点に位置する井桁状に配設され、当該レーザ装置の共振器から互いに異なる振動方向の偏光をそれぞれ異なる方向へ延伸する前記光導波路へ送出可能としたことを特徴とする面発光レーザ装置。
【請求項６】
請求項２〜５のいずれかに記載の面発光レーザ装置であって、
前記上部反射鏡として前記レーザ用反射鏡が用いられ、該反射鏡に含まれる２次元格子構造体と活性層との間に位置する低屈折率層が空気層であるエアブリッジ構造を有してなることを特徴とする面発光レーザ装置。
【請求項７】
請求項２〜６のいずれかに記載の面発光レーザ装置であって、
当該レーザ装置の共振器に閉じ込められた光の偏光を切り替えるための光制御信号を、前記上部反射鏡の外側から前記軸の方向に沿って入射するようにしたことを特徴とする面発光レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の共振方向が基板面に対して垂直である垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ＝Vertical Cavity Surface Emitting LASER）と、該レーザに用いられる反射鏡とに関する。本明細書では、慣用に従って垂直共振器面発光レーザを単に面発光レーザ又はＶＣＳＥＬと呼ぶこととする。【０００２】
近年、インターネット等のネットワークを通して伝送されるデータ量の増加は著しく、現在使用されているシステムよりも大幅に高速である光ファイバ通信システムの開発が急務となっている。こうした次世代の光ファイバ通信システムにおいては、現在、電気的に行われているＩＰ（Internet Protocol）パケットのルーティング等の処理や制御を、光信号のままで行うことが想定されている。こうした電気信号を介さないフォトニックパケットネットワークが実現されれば、単に通信や伝送の高速化・大容量化が図れるのみならず、大幅な低消費電力化や装置の小型化が可能となると見込まれる。【０００３】
フォトニックパケットネットワークを実現する上で、不可欠で且つ基本的なデバイスが、全光型の光スイッチ、光バッファメモリ、光フリップフロップなどである。光バッファメモリとしては様々な構成のものが提案されているが、その一つとして、特許文献１、非特許文献１、２などに記載された、偏光状態を切替え可能である偏光双安定面発光レーザを用いた光バッファメモリがある。また、それら文献には、個別の偏光双安定面発光レーザ、光アイソレータ、光ゲート、及び偏光子などにより構成された全光型シフトレジスタや、多数の偏光双安定面発光レーザを２次元アレイ状に集積化し、空間的に並列に光を入出力するようにした全光型シフトレジスタなども開示されている。さらにまた、特許文献２には、２次元アレイ状に配置された偏光双安定面発光レーザの出力光が隣接する別の偏光双安定面発光レーザに垂直に入力されるように光路を形成するべく光学素子の空間的配置等が工夫された、全光型シフトレジスタが開示されている。【０００４】
いずれにしても、光バッファメモリや全光型シフトレジスタなどのデバイスにおける基本的な構成要素は、偏光双安定面発光レーザである。一般に、面発光レーザは、半導体基板上に形成された活性層と、該活性層を挟み込むようにその下部及び上部にそれぞれ設けられた反射鏡とから構成される、基板に垂直な方向の共振器、を備える。面発光レーザにおいて、或る方向に振動している偏光を発している共振器に対して該偏光と振動方向が直交する偏光を入力すると、発振している偏光の振動方向が入力光と同じ方向に切り替わり、入力光がなくなっても発振している偏光状態は維持される、という偏光双安定性を示す場合がある。偏光双安定面発光レーザは、この偏光双安定性を有した面発光レーザである。【０００５】
面発光レーザにおいて高効率のレーザ発振を生じさせるためには、反射鏡が目的とする波長帯域に対し高い反射率を有している必要がある。そこで、従来の面発光レーザでは一般に、反射鏡として半導体多層膜による分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ＝Distributed Bragg Reflector）が利用されている。例えば、非特許文献１のＦｉｇ．８に開示されている偏光双安定面発光レーザにおいても、反射鏡として、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓによるＤＢＲが使用されている。【０００６】
しかしながら、ＤＢＲは半導体薄膜を多数積層させて形成したものであるため、充分に高い反射率を達成しようとすると或る程度厚くなることが避けられない。一般に面発光レーザでは活性層はかなり薄いため、ＤＢＲの厚さが面発光レーザの薄形化の制約要因となることが多い。即ち、従来のＤＢＲを反射鏡として使用すると、偏光双安定面発光レーザを薄形化することは難しく、該レーザを利用した光バッファメモリ等のデバイスの小形化も難しいという問題がある。【０００７】
また、従来の偏光双安定面発光レーザでは、双方向に偏光を切り替えるための光制御信号を共振器からの光の出力方向と同軸で入射する必要があり、全光型シフトレジスタなどのデバイスにおいては、偏光双安定面発光レーザが形成された半導体基板の上方空間に多数の光学素子を精度良く配置する必要があった。そのため、偏光双安定面発光レーザ自体を薄形化・小形化することができたとしても、全光型シフトレジスタ等のデバイスが大形化することは避けられない。さらにまた、このように多数の光学素子を空間的に配置した構成は、機械的振動に対する信頼性の点でも問題がある。【０００８】
ところで、近年、面発光レーザ用の反射鏡として、サブ波長オーダの厚さでありながら広い波長帯域に亘って高い反射率を実現できる高屈折率差サブ波長グレーティング（ＨＣＧ＝High-index Contrast subwavelength Grating）が注目され、盛んに研究されている。例えば非特許文献３には、半導体基板上に形成された低屈折率層の上に高屈折率物質によるストライプ状構造体が形成されてなるＨＣＧが開示されている。非特許文献３には、こうした構造のＨＣＧによれば、ストライプ状構造体の延伸方向に直交する方向（つまり幅方向）に振動する偏光に対して高い反射率を実現できることが記載されている。また、非特許文献４には、上述したようなストライプ状構造を有するＨＣＧを活性層の下側の下部反射鏡として用いた面発光レーザが開示されている。【０００９】
しかしながら、非特許文献３に記載されたＨＣＧは一つの直線偏光に対してのみ高い反射率が達成されるものであり、異なる方向の複数の直線偏光を扱う必要がある偏光双安定面発光レーザには適用することができない。また同様に、非特許文献４に記載の面発光レーザは、単に一つの直線偏光を有するレーザ光を出射するものであり、異なる方向の複数の直線偏光に対応したものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第４３６９５７３号公報
【特許文献２】特開２００８−２６２１２２号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】河口、「偏光双安定ＶＣＳＥＬと光バッファメモリへの応用」、レーザー研究、社団法人レーザー学会発行、第37巻第8号、2009年8月、pp.608-613
【非特許文献２】河口、「双安定半導体レーザーによる光信号処理」、レーザー研究、社団法人レーザー学会発行、第40巻第5号、2012年5月、pp.369-374
【非特許文献３】カルロス（Carlos）ほか、「ウルトラブロードバンド・ミラー・ユージング・ロー-インデクス・クラデッド・サブウェイブレングス・グレーティング（Ultrabroadband Mirror Using Low-Index Cladded Subwavelength Grating）」、アイトリプルイー・フォトニクス・テクノロジー・レターズ（IEEE Photonics Technology Letters）、Vol.16、2004年、pp.518-520
【非特許文献４】チャン（Chung）ほか、「シリコン-フォトニクス・ライト・ソース・リアライズド・バイ・III-V/Si-グレーティング-ミラー・レーザ（Silicon-Photonics Light Source Realized by III-V/Si-Grating-Mirror Laser）」、アプライド・フィジックス・レターズ（Applied Physics Letters）、Vol.97、No.15、2010年、pp.15113
【非特許文献５】若林ほか、「サブ波長グレーティングを利用した広帯域ミラーの反射特性」、信学技報、電子通信情報学会発行、Vol.110、No.437、2011年3月、pp.7-12
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その第１の目的は、偏光双安定面発光レーザを薄形化・小形化することができ、また作製も容易である、レーザ用の反射鏡を提供することである。【００１３】
また、本発明の第２の目的は、例えば光スイッチや全光型シフトレジスタなどのデバイスを小形化することができ、機械的振動に対しても高い信頼性を確保することができる面発光レーザ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願発明者らは、非特許文献３、４に記載されているようなＨＣＧが広い波長帯域に亘り高い反射率を達成できることに着目し、偏光に依存せずに高い反射率を実現可能なＨＣＧによる反射鏡の研究・開発を鋭意進めている。その中で、本願発明者らは、従来の１次元周期構造を有するＨＣＧを２次元周期構造に拡張する手法に想到し、さらに実際の面発光レーザへの実装の容易性やコストを考慮した上で、シミュレーション計算などによる検討を重ねて本発明をするに至った。【００１５】
即ち、上記課題を解決するために成された第１発明は、面発光レーザにおいて光を発生する活性層とともに共振器を形成するために用いられる高屈折率差グレーティング（ＨＣＧ）構造による反射鏡であって、
a)第１屈折率を有し平面状に広がる領域を占める低屈折率層と、
b)前記低屈折率層の一方の面に接するように配置され、前記第１屈折率よりも大きい第２屈折率を有する材料からなり、該低屈折率層に直交する軸に対して90°の回転対称性を有する井桁状の２次元格子構造体と、
を有し、前記軸の方向に沿って入射される任意の偏光を有する光に対し、目的とする波長帯域に亘り反射率が所定以上であるように、前記第１屈折率、前記第２屈折率、前記低屈折率層の厚さ、前記２次元格子構造体の厚さ、該２次元格子構造体の格子のピッチ、及び格子幅を含むパラメータが調整されてなることを特徴としている。【００１６】
第１発明に係るレーザ用反射鏡において、低屈折率層は第２屈折率よりも小さい第１屈折率を有する様々な材料からなるものとすることができる。例えばＳｉＯ2（酸化シリコン）など半導体プロセスでごく一般に用いられる材料のほか、より屈折率の小さな空気を材料とすることもできる。低屈折率層を空気からなる層とする場合、反射鏡はスペーサ層を用いたエアブリッジ構造となる。【００１７】
第１発明に係るレーザ用反射鏡において、低屈折率層の一方の面に接するように配置された井桁状の２次元格子構造体は、その低屈折率層に直交する軸に対して90°の回転対称性を有する。そのため、該軸に沿って入射する光が偏光Ｅx(0°)、又はこれに直交する偏光Ｅy(90°)のいずれであっても入射条件は等しく、同等の反射特性が得られる。つまりは、偏光に依らずに高い反射率が達成される偏光無依存の反射鏡となる。【００１８】
本発明に係るレーザ用反射鏡と同様に、非特許文献３、４などに開示された１次元周期構造を有するＨＣＧを２次元周期構造に拡張したＨＣＧとして、非特許文献５に記載のものが知られている。しかしながら、非特許文献５に記載の２次元周期構造を持つＨＣＧは、低屈折率層の上に、高屈折率材料からなる多数の正四角柱体が２次元格子状に配置された構造を有する。そのため、低屈折率層を空気層としたエアブリッジ構造を採ることはできない。ＨＣＧにおいて反射率を高めるには、低屈折率層を構成する材料の屈折率（第１屈折率）と２次元格子構造体を構成する材料の屈折率（第２屈折率）との差が大きいほうが有利である。空気はＳｉＯ2等、空気以外で考えられる材料に比べて屈折率がかなり小さい。したがって、面発光レーザへの実装、特に面発光レーザの活性層の上側に配置される上部反射鏡への適用を考えた場合、エアブリッジ構造を採り得ることは大きな利点である。【００１９】
また上記課題を解決するために成された第２発明は、第１発明に係るレーザ用反射鏡を用いた面発光レーザ装置であって、
半導体基板と、
該半導体基板上に形成された下部反射鏡、該下部反射鏡の上に配置された光を発生する活性層、及び該活性層の上に形成された上部反射鏡、からなる共振器と、
を備え、前記下部反射鏡又は前記上部反射鏡の少なくともいずれか一方として上記レーザ用反射鏡を用いたことを特徴としている。【００２０】
第２発明に係る面発光レーザ装置では、好ましくは、下部反射鏡、上部反射鏡ともに第１発明に係るレーザ用反射鏡を用いるとよいが、いずれか一方のみに該レーザ用反射鏡を用い、他方にはＤＢＲなどの他の構造の反射鏡を用いてもよい。ＨＣＧ構造による反射鏡はＤＢＲと比べて薄いため、第２発明に係る面発光レーザ装置によれば、共振器を薄形化することで当該面発光レーザ装置自体を薄形にすることができる。【００２１】
また第２発明に係る面発光レーザ装置の好ましい形態として、
少なくとも前記下部反射鏡として第１発明に係るレーザ用反射鏡が用いられ、該反射鏡に含まれる２次元格子構造体が、前記半導体基板上に形成されている一つの半導体層に形成されるとともに、該半導体層に光を導く光導波路が形成され、
当該レーザ装置で生成された光を前記光導波路を通して送出可能とする構成とすることができる。【００２２】
即ち、この形態による面発光レーザ装置は、共振器が光導波路に直結された光導波路結合型の面発光レーザであり、共振器内で生成され、共振器に閉じ込められた光を上部反射鏡を通して上部空間へと出射させる以外に、下部反射鏡を通してこれに結合された光導波路へと光を送り出すことが可能である。そのため、例えば、光導波路を介して複数の面発光レーザを接続する構成を採ることで、或る一つの面発光レーザの共振器に閉じ込められた光を、上部空間を通してではなく光導波路を通して別の面発光レーザに伝搬し、該面発光レーザの共振器に移送することができる。即ち、複数の面発光レーザ間で光出力を伝送する際に、上部空間を利用する必要がない。【００２３】
なお、光導波路は面発光レーザ光出力の偏光を切り替えるための光制御信号の伝送にも使用することが可能である。各面発光レーザの光出力の伝送と光制御信号の伝送との両方に光導波路を使用すれば、面発光レーザの上方空間に光学素子を配置する必要がなくなり、装置の大幅な薄形化・小形化が図れる。その反面、光導波路の構造がかなり複雑になり、製造が難しくなる。そこで、光導波路は各面発光レーザの光出力の伝送に利用し、当該レーザ装置の共振器に閉じ込められた光の偏光を切り替えるための光制御信号は、上部反射鏡の外側から前記軸の方向に沿って入射するようにしてもよい。【００２４】
例えば偏光双安定面発光レーザを利用した光バッファメモリでは、各面発光レーザの光出力の偏光を切り替えるための光制御信号を共振器に対し入射する必要があるが、上記形態による面発光レーザを用いれば、光制御信号の入射は上部空間から行い、光出力の取り出しは光導波路を用いて行うことができる。それにより、光バッファメモリやこれを利用した全光型シフトレジスタなどのデバイスを構成する際に、上部空間に配置する光学素子を従来よりも減らすことができ、これらデバイスを小形化するのに有利である。また、空間的に配置される光学素子が減ることで、こうしたデバイスの機械的振動に対する信頼性も向上する。【００２５】
上記形態による面発光レーザ装置の第１の態様として、前記光導波路は、前記下部反射鏡に含まれる２次元格子構造体を含んで一直線状に延伸され、当該レーザ装置の共振器から特定の偏光のみを前記光導波路を通して送出可能とした構成とすることができる。【００２６】
また上記形態による面発光レーザ装置の第２の態様として、前記光導波路は、前記下部反射鏡に含まれる２次元格子構造体が交点に位置する井桁状に配設され、当該レーザ装置の共振器から互いに異なる振動方向の偏光をそれぞれ異なる方向へ延伸する前記光導波路へ送出可能とした構成とすることもできる。【００２７】
第１及び第２のいずれの態様の面発光レーザ装置においても、光導波路上に複数の面発光レーザを配置した場合、各面発光レーザの共振器に閉じ込められている偏光の状態に応じて、複数の面発光レーザ間の光結合状態が変化する。したがって、例えば、直線状に延伸する光導波路上に配置された複数の面発光レーザを光結合し、注入同期させることで、各面発光レーザで発振する特定偏光の波長を揃え、高出力のアレイレーザを実現することができる。また、一部の面発光レーザに入射する光制御信号を切り替えて該面発光レーザで発振している偏光を切り替えることで、光導波路上で強く結合する面発光レーザの数が変わり、光導波路を通して取り出される光の出力（エネルギ）を変化させることもできる。【００２８】
また、第１の態様の面発光レーザ装置によれば、光制御信号の偏光に応じて光導波路から取り出す光出力をオン又はオフする光スイッチを実現することができる。一方、第２の態様の面発光レーザ装置によれば、光制御信号の偏光に応じて、或る一つの面発光レーザから二つの方向に延伸する光導波路のいずれかに選択的に光を出力する光スイッチを実現することができる。さらにまた、光制御信号の偏光に応じて、或る一つの面発光レーザの共振器に閉じ込められている光を隣接する別の複数の面発光レーザのいずれかに転送するシフトレジスタ機能を実現することができる。【００２９】
また上述したように第１発明に係るレーザ用反射鏡は低屈折率層を空気層としたエアブリッジ構造を採ることが可能であることから、第２発明に係る面発光レーザ装置では、前記上部反射鏡として前記レーザ用反射鏡が用いられ、該反射鏡に含まれる２次元格子構造体と活性層との間に位置する低屈折率層が空気層であるエアブリッジ構造を有してなる構成とすることができる。【００３０】
半導体レーザの製造工程では、多数のレーザについて、一括で結晶成長させた層の一部を選択的にエッチングすることで、低屈折率層を空気層としたエアブリッジ構造を形成することは比較的容易である。そのため、コスト上昇を抑えながら上部反射鏡の反射率を高め、レーザの発振効率を高めることができる。
【発明の効果】
【００３１】
第１発明に係るレーザ用反射鏡によれば、従来のＤＢＲに比べて薄形化しても、高い反射率の偏光無依存の反射鏡を実現することができる。また、第１発明に係るレーザ用反射鏡によれば、空気層を低屈折率層としたエアブリッジ構造を採ることができ、それによって高い反射率を示す反射鏡をより容易に製造することが可能である。さらにまた、第１発明に係るレーザ用反射鏡は、非特許文献５等に記載の２次元周期構造を持つＨＣＧとは異なり、２次元格子構造体の全体にレーザ発振のための電流を流すことができるので効率的な発振に有利であり、その面積も広いため放熱が良好であるという利点を有する。【００３２】
第２発明に係る面発光レーザ装置によれば、従来よりも薄形の偏光双安定面発光レーザを実現することができる。また、特に導波路結合型の構成とした場合には、面発光レーザの上方空間に配置される光学素子を少なくすることができ、該面発光レーザを用いた光バッファメモリ、全光型シフトレジスタなどのデバイスを薄形化、小形化することができる。また空間的に配置される光学素子が少なくなることで、機械的振動に対し強くなり、信頼性が向上する。また、複数の面発光レーザの光出力同士の光結合を偏光により制御することが可能であるので、高い集積度を実現しながら光のままでの様々な論理演算処理や安定的なバッファリングなどが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係るレーザ用反射鏡の一実施例である偏光無依存ＨＣＧの概略斜視構造図。
【図２】図１に示した偏光無依存ＨＣＧの一例における反射スペクトルのシミュレーション結果を示す図。
【図３】本発明に係るレーザ用反射鏡を用いた偏光双安定面発光レーザの一実施例の概略斜視構造図。
【図４】図３に示した偏光双安定面発光レーザを２次元的に配置した場合の概略斜視構造図。
【図５】図３に示した偏光双安定面発光レーザを１次元的に配置した構成における動作説明図。
【図６】図３に示した偏光双安定面発光レーザを２次元的に配置した構成における動作説明図。
【図７】図３に示した偏光双安定面発光レーザを用いた２次元シフトレジスタの構成の一例を示す図。
【図８】図３に示した偏光双安定面発光レーザを用いた２次元シフトレジスタの構成の他の例を示す図。
【図９】図３に示した偏光双安定面発光レーザを用いたシフトレジスタの１ビットメモリの動作タイミング図。
【図１０】試作した偏光無依存ＨＣＧのＳＥＭ観察像。
【図１１】試作した偏光無依存ＨＣＧの電力反射スペクトルの計算結果を示す図。
【図１２】試作した偏光無依存ＨＣＧの反射率スペクトルの実測結果を示す図。
【図１３】試作した偏光無依存ＨＣＧの、波長1.45[μm]、1.50[μm]及び1.55[μm]における反射率の偏光方向依存性を示す図。
【図１４】光出力特性計算のために想定した偏光双安定面発光レーザの概略断面図。
【図１５】図１４中のMonitor X（及びMonitor Y）における光強度及び電磁界分布の計算結果を示す図。
【図１６】レーザ発振状態での面発光出力に対する光導波路出力のパワー比をメサ部の中心点からの距離ｄに対して計算した結果を示す図。
【図１７】距離ｄ＝６[μm]のときの計算領域全体の電磁界分布の計算結果を示す図（ａ）、及びＳｉ層中央での電磁界分布（実線）とメサ部での０次モード分布との計算結果を示す図（ｂ）。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
まず、本発明に係るレーザ用反射鏡の一実施例について、添付図面を参照しつつ説明する。図１は本実施例のレーザ用反射鏡の概略斜視図である。
【００３５】
この反射鏡１０は、高屈折率材料からなる２次元周期構造が上面視井桁状である高屈折率差サブ波長グレーティング（ＨＣＧ）である。具体的には、反射鏡１０は、図１中のＺ軸方向に、シリコン（Ｓｉ）等の材料からなる半導体基板１１と、該半導体基板１１上の低屈折率材料（屈折率ｎL）からなる低屈折率層１２と、該低屈折率層１２上に形成された高屈折率材料（屈折率ｎg）からなる上面視井桁状の２次元格子構造体１３と、を有する。低屈折率層１２の厚さはＴLであり、２次元格子構造体１３の厚さはＴgである。また、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向ともに、２次元格子構造体１３の格子部の幅はＷ、格子部のピッチはΛである。即ち、２次元格子構造体１３は半導体基板１１に直交する軸（Ｚ軸方向に延伸する軸）を中心に90°の回転対称性を有している。したがって、この反射鏡１０は、図１中に示すように、上方からＺ軸に沿って入射する光の偏光方向に依存しない反射特性を有する、つまりは偏光無依存のＨＣＧであり、例えば、二つの直交する直線偏光Ｅx（Ｘ軸方向に振動）及びＥy（Ｙ軸方向に振動）で同じ反射率をもつ。
【００３６】
図１に示した偏光無依存ＨＣＧの特性を確認するために、各パラメータを、Λ＝556[nm]、Ｗ＝178[nm]、Ｔg＝270[nm]、ＴL＝630[nm]、ｎg＝3.5、ｎL＝1、としたときの反射スペクトルを計算機シミュレーションにより求めた。その結果を図２に示す。ここで、計算には、代表的な有限差分時間領域（ＦＤＴＤ＝Finite-Difference Time-Domain）法ソフトウエアであるＭＥＥＰを用いた。また、境界条件としては、面内方向に周期境界条件、面に直交する方向には吸収境界条件（ＰＭＬ＝Perfectly Matched Layer）を用い、入射平面波は図１においてＺ軸に沿って上方から入射するようにした。
【００３７】
図２で明らかなように、波長0.97[μm]を中心として80[nm]程度の波長範囲で高反射率帯が存在している。これは、ＤＢＲで実現可能な高反射率帯幅と同程度である。また、高反射率帯での反射率は99.5％を超えており、面発光レーザ用の反射鏡として充分な反射特性であるといえる。一方、例えば非特許文献１に記載したＤＢＲの厚さは６[μm]であるのに対し、上記例の２次元格子構造体１３の厚さＴgは270[nm]であって格段に薄い。即ち、本実施例のレーザ用反射鏡は、従来のＤＢＲと同等の反射特性を実現しつつ、格段に薄くすることができる。
【００３８】
次に、本発明に係る面発光レーザ装置の一実施例として、上述した偏光無依存ＨＣＧを用いた偏光双安定面発光レーザについて説明する。図３は本実施例の偏光双安定面発光レーザの概略斜視構造図である。この偏光双安定面発光レーザ３０では、活性層を上下から挟む二つの反射鏡としていずれも偏光無依存ＨＣＧが用いられている。
【００３９】
即ち、Ｓｉ基板２１と表面Ｓｉ層２３との間にＳｉＯ2層２２が挿入された構造であるＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板２０にあって、その表面Ｓｉ層２３に、ＳｉＯ2層２２を低屈折率層として下側反射鏡を構成する２次元格子構造体３７、つまりは偏光無依存ＨＣＧが形成されている。また、偏光双安定面発光レーザ３０が形成されている個所以外の表面Ｓｉ層２３は部分的に除去され、その残された表面Ｓｉ層２３により、レーザ発振により生じた光を伝播させる、断面が略矩形状の光導波路２４が形成されている。
【００４０】
表面Ｓｉ層２３の上には、ＳｉＯ2層３１を間に挟んで、下から（Ｓｉ基板２１側から）順に、ｎ型インジウム・リン（ｎ−ＩｎＰ）層３２、インジウム・リン／インジウム・ガリウム・ヒ素・リン（ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ）層３３、ｐ型インジウム・リン（ｐ−ＩｎＰ）層３４が設けられ、これにより、ごく薄い半導体層をそれよりもバンドギャップの大きい層で両側から挟み込んだＭＱＷ（Multiple Quantum Well）構造の活性領域を形成している。そして、ｐ−ＩｎＰ層３４の上にはｐ型インジウム・ガリウム・ヒ素・リン（ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ）層３５をスペーサとする空気層３６が形成され、その上に該空気層３６を低屈折率層として上側反射鏡を構成するｐ型インジウム・リン（ｐ−ＩｎＰ）層による２次元格子構造体３８が形成されている。
【００４１】
図示するように、ｎ−ＩｎＰ層３２の下半分よりも上に設けられている各層は上面視で略正方形状になるように加工され、その側面はポリイミドからなる埋込み部３９で被覆されている。そして、埋め込み部３９よりも上部の２次元格子構造体３８であるｐ−ＩｎＰ層が露出した個所にｐ電極４０が設けられ、ｎ−ＩｎＰ層３２の露出した個所にｎ電極４１が設けられることで、１個の偏光双安定面発光レーザ３０が形成されている。このｐ電極４０及びｎ電極４１からＭＱＷ構造の活性領域中に電流を注入する。これにより、活性領域が光学利得を持ち、下側反射鏡である２次元格子構造体３７と上側反射鏡である２次元格子構造体３８との間でレーザ発振が生じる。
【００４２】
この活性領域及び上下の反射鏡により形成される共振器において生成されたレーザ光は、振動方向がＹ軸方向である偏光Ｅy(90°)と振動方向がＸ軸方向である偏光Ｅx(0°)とのいずれかとなる。そして、上述したように、その偏光はＺ軸に沿って上方から入射される別の光制御信号の偏光に応じて切り替わる。これは、従来の偏光双安定面発光レーザと同様である。本実施例の偏光双安定面発光レーザの特徴点の一つは、偏光双安定面発光レーザ３０の共振器と光導波路２４ｘ、２４ｙとが結合しているために、共振器に閉じ込められた光の一部である光出力がＺ軸に沿って上方に射出されるとともに、その光出力が光導波路２４ｘ、２４ｙにも射出されることである。
【００４３】
この実施例では、光導波路２４ｘはＸ軸方向に延伸するように、光導波路２４ｙはＹ軸方向に延伸するようにそれぞれ形成され、その交点の位置に偏光双安定面発光レーザ３０が設けられている。そこで、図６、図７及び図８に示すように、互いに直交する光導波路２４ｘ、２４ｙを上面視井桁状に形成し、各交点位置にそれぞれ偏光双安定面発光レーザ３０（図６では３０Ａ１、３０Ａ２、…）を配置した偏光双安定面発光レーザアレイ構造とすることができる。
【００４４】
図４は、Ｘ軸方向に延伸する光導波路２４ｘ上に２個の偏光双安定面発光レーザ３０Ａ、３０Ｂが配置されている状態を示す概略斜視構造図である。図３、図４に示すように、光導波路２４ｘは振動方向がＹ軸方向である偏光Ｅy(90°)と強く結合し、他方、光導波路２４ｙは振動方向がＸ軸方向である偏光Ｅx(0°)と強く結合する。そのため、例えば図４において、偏光双安定面発光レーザ３０Ａの共振器内での偏光がＥy(90°)であるとき、その偏光の一部は光導波路２４ｘに大きなエネルギを有して出力されるのに対し、光導波路２４ｙには殆ど出力されず無視できる程度である。逆に、偏光双安定面発光レーザ３０Ａの共振器内での偏光がＥx(0°)であるとき、その偏光の一部は光導波路２４ｙに大きなエネルギを有して出力されるのに対し、光導波路２４ｘには殆ど出力されず無視できる程度である。
【００４５】
即ち、Ｘ軸方向又はＹ軸方向の一方の軸方向に延伸する光導波路２４ｘ又は２４ｙに着目すれば、偏光双安定面発光レーザ３０Ａから該光導波路２４ｘ又は２４ｙへの光出力は偏光に応じてオン・オフされることになる。また、両方の光導波路２４ｘ、２４ｙに着目すれば、偏光双安定面発光レーザ３０Ａからそれら光導波路２４ｘ、２４ｙへの光出力は偏光に応じて切り替わることになる。上述したように、偏光双安定面発光レーザ３０で発振する偏光は外部から供給される光制御信号の偏光により切り替わるから、上記のような光導波路２４への光出力のオン・オフや光出力する光導波路２４ｘ、２４ｙの切り替えは、偏光双安定面発光レーザ３０に入射する光制御信号の偏光によって制御可能である。
【００４６】
図５は、図３に示した偏光双安定面発光レーザを１次元的に配置した構成例における動作説明図である。この例では、複数の偏光双安定面発光レーザ３０Ａ、３０Ｂ、…をＸ軸方向に延伸する１本の光導波路２４ｘ上に配置している。図５（ａ）に示すように、偏光双安定面発光レーザ３０Ａで発振している偏光がＥy(90°)である場合には、偏光双安定面発光レーザ３０Ａから光導波路２４ｘに光が出力され、隣接する偏光双安定面発光レーザ３０Ｂに入力されることにより、該面発光レーザ３０Ｂの偏光が前段の面発光レーザ３０Ａの偏光と同じＥy(90°)に切り替わる。このような偏光スイッチングが順々に行われ、全ての偏光双安定面発光レーザ３０Ａ、３０Ｂ、…の偏光が同一になる。一方、図５（ｂ）に示すように、各偏光双安定面発光レーザ３０Ａの偏光がＥx(0°)である場合には、偏光双安定面発光レーザ３０Ａから光導波路２４ｘに光が出力されない。したがって、偏光双安定面発光レーザ３０Ａにおける偏光がＥx(0°)である場合には、隣接する偏光双安定面発光レーザ３０Ｂに光信号が伝送されないことになる。
【００４７】
また、全ての偏光双安定面発光レーザ３０Ａ、３０Ｂ、…における偏光を単にＥy(90°)に揃えるだけでなく、全ての偏光双安定面発光レーザ３０Ａ、３０Ｂ、…の偏光が揃うことにより注入同期現象が生じ、全ての偏光双安定面発光レーザ３０Ａ、３０Ｂ、…の発振光の波長も同一にすることができる。各偏光双安定面発光レーザ３０Ａ、３０Ｂ、…から光導波路２４ｘに出力される光の波長が同一であると、各々の共振器からＺ軸方向に（つまり自由空間に）出射される光が加算され、高出力のレーザ光を得ることができる。
【００４８】
図６は、図３に示した偏光双安定面発光レーザを２次元的に配置した構成例における動作説明図である。この例では、Ｘ軸方向に延伸する光導波路２４ｘとＹ軸方向に延伸する光導波路２４ｙとの交点に複数の偏光双安定面発光レーザ３０Ａ１、３０Ｂ１、…を配置している。図６（ａ）に示すように、Ｘ軸方向の１本の光導波路２４ｘ上に配置されている偏光双安定面発光レーザ３０Ａ１で発振している偏光がＥy(90°)である場合には、光注入により他の偏光双安定面発光レーザ３０Ｂ１、３０Ｃ１、…が同一の偏光に切り替わる。このとき、Ｙ軸方向の光導波路２４ｙには光は出力されない。
【００４９】
一方、図６（ｂ）に示すように、Ｙ軸方向の１本の光導波路２４ｙ上に配置されている偏光双安定面発光レーザ３０Ａ１で発振している偏光がＥx(0°)である場合には、各偏光双安定面発光レーザ３０Ａ１、３０Ａ２、…の偏光がＥx(0°)に揃う。このとき、Ｘ軸方向の光導波路２４ｘには光は出力されない。したがって、この２次元アレイ構成では、１本の光導波路２４ｘ又は２４ｙ上に配置された全ての偏光双安定面発光レーザの偏光をいずれかに揃えることで、光信号の伝送方向を切り替えることができる。また、上記１次元アレイ構成と同様に、１本の光導波路２４ｘ又は２４ｙ上に配置された全ての偏光双安定面発光レーザの偏光をいずれかに揃え、発振波長を揃えることで、面発光レーザの共振器から自由空間に直接放射される光の位相を揃え高出力のレーザ光を得ることができる。
【００５０】
図７及び図８は、図３に示した偏光双安定面発光レーザを用いた２次元シフトレジスタの構成例を示す図である。シフトレジスタを構成する１ビットのメモリは、データを保持するメモリ部を有し、該メモリ部へのデータ入力（Data(90°)）と、メモリ部の記憶内容をリセットするリセット入力（Reset(0°)）と、メモリ部の記憶内容をセットするセット入力（Set(90°)）と、を有する。ここでは、偏光双安定面発光レーザは１ビットの情報（「０」又は「１」のデジタル二値情報）を偏光状態として記録する全光型のメモリ部として用いられる。図７に示した構成例は、データ信号光入力、リセット光入力、及びセット光入力がいずれも光導波路を通して行われるものであり、図８に示した構成例は、データ信号光入力及びリセット光入力は光導波路を通して行われ、セット光入力は偏光双安定面発光レーザの上部空間から与えられるものであり、基本的な動作は共通である。
【００５１】
図９はシフトレジスタの１ビットメモリの動作タイミング図である。データ信号光の中でメモリ部に記録したいビットに合わせて偏光Ｅy(90°)であるセット光を入力する。データ信号光は二値の「０」が偏光Ｅx(0°)、二値の「１」が偏光Ｅy(90°)である。データ信号光とセット光は合波され、その両者の光強度を加算した強度の光が偏光双安定面発光レーザの共振器に入力される。図９に示すように、いま、偏光双安定面発光レーザの発振偏光がＥx(0°)である状態で、データ信号光の中のビットａ4を記録したい場合、ビットａ4の入力タイミングに同期してセット光を入力すると、合波された偏光Ｅy(90°)の強度は切替閾値を超える。これにより、発振偏光はＥx(0°)からＥy(90°)に切り替わる。即ち、データ値「１」が発振偏光Ｅy(90°)として記録される。
【００５２】
切替閾値を超えるように光強度が設定された偏光Ｅx(0°)であるリセット光を入力すると、発振偏光はＥy(90°)からＥx(0°)に切り替わる。その状態で、データ信号光の中のビットｂ4を記録したい場合、ビットｂ4の入力タイミングに同期してセット光を入力すると、このときにデータ信号光は零であるから、合波された偏光Ｅy(90°)の強度は切替閾値を超えない。これにより、発振偏光はＥx(0°)に維持され、データ値「０」が発振偏光Ｅx(0°)として記録されることになる。このようにして、データ信号光が「０」又は「１」のいずれであるかによって、偏光双安定面発光レーザの発振偏光がＥx(0°)又はＥy(90°)に定まる。
【００５３】
図７及び図８に示した２次元シフトレジスタでは、偏光双安定面発光レーザが井桁状に組まれた光導波路の交点位置に配置され、さらに各偏光双安定面発光レーザに対しそれぞれ独立にセット光入力が可能となっているので、始めにデータが記録された偏光双安定面発光レーザ（図７、図８中の左上に位置するレーザ）から発振偏光の状態に応じてデータ値を選択的にＸ軸方向又はＹ軸方向に隣接する偏光双安定面発光レーザに転送することが可能である。
【００５４】
なお、シフトレジスタ動作は図７、図８のいずれの構成でも共通であるが、図８に示すようにセット光入力を面発光レーザの上方から入力するほうが、光導波路が煩雑にならず集積度が向上し、また、光ゲートなどの他の素子を組み込み易いという利点がある。一方、装置の薄形化・小形化という点では図７に示すように、セット光入力を含め全ての光の入出力を基板上で行えるようにしたほうがよい。
【００５５】
次に、本願発明者らが実際に試作した偏光無依存ＨＣＧの構造とその実測特性について説明する。試作した波長無依存ＨＣＧの構造上のパラメータを表１に示す。
【表１】
2014030361.tif 000003
ＨＣＧの作製手順としては、まずＳＯＩ基板の表面に電子線レジストを塗布し、そのレジスト上に電子線描画装置を用いて所定のＨＣＧパターンを形成した後、反応性イオンエッチングを行うことで２次元格子構造体の空隙部分を形成した。試作した偏光無依存ＨＣＧのＳＥＭ観察像を図１０に示す。
【００５６】
図１１は、試作した偏光無依存ＨＣＧの電力反射スペクトルを、有限差分時間領域法を用いて計算した結果を示す図である。計算の境界条件としては、２次元格子構造体の面内方向には周期境界条件、この面に直交する面直方向には吸収境界条件を用いた。上述したように、偏光無依存ＨＣＧの構造は面に直交する軸を中心に90°回転対称性を有しているため、原理的には入射偏光に拘わらず、図１１に示したような高反射率波長帯が実現できる筈である。
【００５７】
図１２は試作した偏光無依存ＨＣＧの反射率スペクトルの実測結果である。この実測では、波長帯域の広い光源からの光を直線偏光子を通した後、約100[μm]径に集光して偏光無依存ＨＣＧに入射した。そして、その反射光をＩｎＧａＡｓアレイ分光器に導入し、偏光無依存ＨＣＧを入射直線偏光に対して30°間隔で以て回転させながらそれぞれ反射率スペクトルを測定した。図１２をみると、1.43[μm]〜1.58[μm]の波長帯域において100％に近い高い反射率が得られていることが分かる。
【００５８】
図１３は、1.45[μm]、1.50[μm]及び1.55[μm]の各波長における反射率の偏光方向依存性をまとめた結果である。各波長において電力反射率には10％程度の変動がみられる。この変動は主に、偏光無依存ＨＣＧを取り付けた台の回転中心と試料の位置とのずれによるものと推測できる。なお、図１２で観測される波長1.58[μm]より長波長側での反射率の低下は、測定に用いた分光器の感度の低下に起因するもの（つまりは測定上の制約）であって試作した偏光無依存ＨＣＧ自体の電力反射率の低下によるものではないと推測できる。
以上の実測結果から、試作した偏光無依存ＨＣＧの反射率の偏光依存性は充分に小さいと結論付けることができる。これにより、1.55[μm]の波長帯において偏光無依存である広帯域高反射率特性を実現できることが確認できた。
【００５９】
続いて、図３、図４に示したように、下側反射鏡を構成する２次元格子構造体を介して共振器が光導波路と結合している構造の偏光双安定面発光レーザの光出力特性のシミュレーション計算による検討結果について説明する。
図１４はここで想定した偏光双安定面発光レーザの概略断面図である。この偏光双安定面発光レーザでは、下側反射鏡として上述したような偏光無依存ＨＣＧを用いる一方、上側反射鏡としてはＤＢＲを用いている。図１４には、図３、図４に示した構造における構成要素に相当する部分に同じ符号を付している。即ち、Ｓｉ基板２１と表面Ｓｉ層２３との間にＳｉＯ2層２２が挿入された構造であるＳＯＩ基板２０にあって、その表面Ｓｉ層２３に２次元格子構造体３７つまり偏光無依存ＨＣＧ及び光導波路２４を形成し、その上にＳｉＯ2接合層３１を介して活性領域（Active region）が配置されている。そして、その上にはＨＣＧではなくＤＢＲが配置されている。なお、ＳｉＯ2接合層３１と活性領域との間に配置されたＤＢＲは、素子作製時に生じる活性領域の劣化を防止するためのものである。
【００６０】
１個の偏光双安定面発光レーザに対応する偏光無依存ＨＣＧの格子の周期数は６、光導波路の幅は5.3[μm]である。そして、波長1.55[μm]において反射率が最大になり、共振波長が1.55[μm]になるようにそのほかの構造上のパラメータを最適化した。具体的には、偏光無依存ＨＣＧの各パラメータは、Λ＝884[nm]、Ｗ＝178[nm]、Ｔg＝400[nm]、ＤＣ（ＨＣＧの１周期あたりにＳｉ部分が占める割合）＝0.32、ＴL1＝1000[nm]、ＴL2＝540[nm]である。活性領域は、ＩｎＧａ0.24Ａｓ0.82Ｐ（5.4[nm]）／ＩｎＧａ0.22Ａｓ0.48Ｐ（8.6[nm]）から成る９つの量子井戸及びＩｎＰスペーサで構成されており、ゲインは考慮していない。この活性領域下側のＤＢＲは2.5組のＩｎＰ／ＩｎＧａ0.34Ａｓ0.74Ｐから成り、上側ＤＢＲは8.5組のＩｎＰ／ＩｎＧａ0.34Ａｓ0.74Ｐと６組のＡｌ0.16ＧａＡｓ／Ａｌ0.90ＧａＡｓから成る。さらに、入射光はＥx(0°)直線偏光でガウス型の平面波であり、その強度が１／ｅ2になる全幅を３[μm]とした。なお、図１４の紙面に直交するｙ軸方向も、図１４に示したものと同じ構造である。
【００６１】
また、光導波路２４の出力は、光導波路２４の始点からＸ軸方向に10[μm]離して配置したMonitor X、及び軸方向に10[μm]離して配置したMonitor Ｙ（図示せず）において観測した。一方、計算領域は図１４中に太い一点鎖線で示した吸収境界条件で規定しており、計算メッシュの大きさは30[nm]である。ただし、量子井戸など30[nm]以下の領域では各膜層の厚さに相当するメッシュを配置している。そして、計算には、市販の３次元有限差分時間領域シミュレータであるSynopsys社製のFullWAVEを用いた。
【００６２】
図１５は、観測位置Monitor X及びMonitor Yにおける光強度及び電磁界分布の計算結果を示す図である。なお、光強度はMonitor Yにおける強度の最大値、電磁界振幅はMonitor YにおけるＥx及びＨzの最大値で規格化している。この図を見ると、Ｅx(0°)偏光が入力されたとき、Ｙ軸方向の光導波路を伝搬する光強度はＸ軸方向の光導波路を伝搬する光強度よりも強いことが分かる。数値計算の結果では、このときＸ軸方向に比べてＹ軸方向の光導波路出力の方がパワーは4.5倍大きい。このパワーの差は、偏光によって出力する光導波路を選択できることを示している。また、このシミュレーションによって、両光導波路ともTEモードに近いモードで光が伝搬していることも判明した。
【００６３】
なお、これに続く本発明者の検討によれば、光導波路を単一モードに近いものとすることによって、Ｙ軸方向の光導波路出力とＸ軸方向の光導波路出力とのパワー比を１：4.5から１：12程度まで拡大可能なことが分かった。このような大きなパワー比を実現することで、Ｙ軸方向の光導波路とＸ軸方向の光導波路との切り替えや選択を適切に且つ効率的に行うことができ、この偏光双安定面発光レーザがこうした切替えや選択を利用したデバイスに有効であるといえる。
【００６４】
また、これに類似した構造の偏光双安定面発光レーザにおいて光導波路への結合効率も同じくシミュレーション計算により求めた。ここで想定した偏光双安定面発光レーザの構造は図１４に示したものに類似しており、ＳＩＯ基板のＳｉ層の上にＨＣＧ及び光導波路を形成し、その上にＳｉＯ2接合層を介して活性領域を配置している。その上のＤＢＲは20組の構造である。偏光無依存ＨＣＧのパラメータは、Λ＝632[nm]、Ｔg＝443[nm]、ＤＣ＝0.6、ＴL1＝1425[nm]、ＴL2＝470[nm]、である。これら各パラメータは、波長1.55[μm]において反射率が最大になり、共振波長が1.55[μm]になるように最適化した結果である。活性領域は、Ｉｎ0.76Ｇａ0.24Ａｓ0.82Ｐ0.18（5.4[nm]）／Ｉｎ0.78Ｇａ0.22Ａｓ0.48Ｐ0.52（8.6[nm]）から成る７つの量子井戸及びＩｎＰスペーサで構成されており、屈折率はそれぞれ3.51、3.33及び3.17である。Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ａｓ／Ａｌ0.90Ｇａ0.10ＡｓのＤＢＲ （屈折率はそれぞれ3.34、2.96）は最下層の5組を残して、上面視10[μm]□形状のメサ部を形成している。光導波路の始点は、このメサ部の中心位置からの距離ｄで定義している。
【００６５】
また入射光源はメサ部の０次モードの強度分布を有するものとし、これを活性領域上に配置した。面発光レーザの面発光出力及び光導波路の出力は、図１４と同様に、ＤＢＲ上方でＤＢＲ最上層からＺ軸方向に500[nm]だけ離れたMonitor Oの位置、及び光導波路の始点からＸ軸方向に５[μm]離れたMonitor Cの位置で観測している。計算領域は吸収境界条件で規定しており、計算メッシュの大きさは50[nm]である。ただし、量子井戸など50[nm]以下の領域には各膜層の厚さに相当するメッシュを配置している。計算には上記例と同様に、Synopsys社製のFullWAVEを用いた。
【００６６】
図１６はレーザ発振状態での面発光出力に対する光導波路出力のパワー比を距離ｄに対して示した図である。なお、各距離ｄにおいてゲインは閾値ゲインの1.3倍に設定している。発振モードと光導波路とが重なり始める５[μm]付近から短い距離ｄで光導波路の出力が大きくなっている。距離ｄ＝６[μm]ではメサ部と光導波路とは重なっていないものの、光導波路へ光が結合されていることが分かる。これは、レーザ発振モードがＨＣＧの位置においてはＸ軸方向の閉じ込めが弱く、メサ部の幅よりもやや広がっているためである。
【００６７】
図１７（ａ）は距離ｄ＝６[μm]のときの計算領域全体の電磁界｜Ｈy｜2分布の計算結果、図１７（ｂ）はＳｉ層中央でのＨy分布（実線）と上面視10[μm]□のメサ部の０次モード分布（点線）の計算結果を示している。図１７（ｂ）から、ＨＣＧ内部におけるＨy分布がメサ部の０次モードよりもやや広がっていることが分かる。
これら結果から、ここで検討した光導波路結合型の偏光双安定面発光レーザでは、面直方向のレーザ出力と光導波路への出力と比は、光導波路の始点における共振モードの強度によって決まり、メサ部の端部と光導波路の始点の位置を１[μm]程度の精度で合わせることにより、１〜２％程度の光導波路への出力が得られることが確認できた。これによっても、上述したような偏光双安定面発光レーザを利用したデバイスでは、光導波路を通して充分に出力を伝播可能であることが分かる。
【００６８】
なお、上記実施例はいずれも本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、追加などを行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。
【符号の説明】
【００６９】
１０…反射鏡
１１…半導体基板
１２…低屈折率層
１３…２次元格子構造体
２０…ＳＯＩ基板
２１…Ｓｉ基板
２２…ＳｉＯ2層
２３…表面Ｓｉ層
２４…光導波路
３０…偏光双安定面発光レーザ
３１…ＳｉＯ2層
３２…ｎ−ＩｎＰ層
３３…ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ層
３４…ｐ−ＩｎＰ層
３５…ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層
３６…空気層
３７、３８…２次元格子構造体
３９…埋め込み部
４０…ｐ電極
４１…ｎ電極
【図１】
2014030361.tif 000004
【図２】
2014030361.tif 000005
【図３】
2014030361.tif 000006
【図４】
2014030361.tif 000007
【図５】
2014030361.tif 000008
【図６】
2014030361.tif 000009
【図７】
2014030361.tif 000010
【図８】
2014030361.tif 000011
【図９】
2014030361.tif 000012
【図１３】
2014030361.tif 000013
【図１４】
2014030361.tif 000014
【図１６】
2014030361.tif 000015
【図１０】
2014030361.tif 000016
【図１１】
2014030361.tif 000017
【図１２】
2014030361.tif 000018
【図１５】
2014030361.tif 000019
【図１７】
2014030361.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成25年8月1日(2013.8.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、該半導体基板上に形成された下部反射鏡、該下部反射鏡の上に配置された光を発生する活性層、及び該活性層の上に形成された上部反射鏡、からなる共振器と、を具備する面発光レーザ装置であって、
少なくとも前記下部反射鏡として、第１屈折率を有し平面状に広がる領域を占める低屈折率層と、前記半導体基板上に形成されている一つの半導体層に形成されるとともに、前記低屈折率層の一方の面に接するように配置され、前記第１屈折率よりも大きい第２屈折率を有する材料からなり、該低屈折率層に直交する軸に対して９０°の回転対称性を有する井桁状の２次元格子構造体と、を有し、前記軸の方向に沿って入射される任意の偏光を有する光に対し、目的とする波長帯域に亘り反射率が所定以上であるように、前記第１屈折率、前記第２屈折率、前記低屈折率層の厚さ、前記２次元格子構造体の厚さ、該２次元格子構造体の格子のピッチ、及び格子幅を含むパラメータが調整されてなる高屈折率差グレーティング構造による反射鏡が用いられ、
前記２次元格子構造体が形成されている前記半導体層に光を導くための光導波路が、該２次元格子構造体が交点に位置するように井桁状に配設され、
該２次元格子構造体を含む共振器から、互いに異なる振動方向の偏光をそれぞれ異なる方向へと延伸する前記光導波路へと送出可能としたことを特徴とする光導波路結合型の面発光レーザ装置。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
（削除）
【請求項６】
請求項１に記載の面発光レーザ装置であって、
前記上部反射鏡としても前記高屈折率差グレーティング構造による反射鏡が用いられ、該反射鏡に含まれる２次元格子構造体と活性層との間に位置する低屈折率層が空気層であるエアブリッジ構造を有してなることを特徴とする面発光レーザ装置。
【請求項７】
請求項１又は６に記載の面発光レーザ装置であって、
前記共振器に閉じ込められた光の偏光を切り替えるための光制御信号を、前記上部反射鏡の外側から前記軸の方向に沿って入射するようにしたことを特徴とする面発光レーザ装置。
【請求項８】
請求項１、６又は７のいずれかに記載の面発光レーザ装置が２次元アレイ状に配置され、各面発光レーザ装置に含まれる２次元格子構造体が交点に位置するように光導波路が井桁状に配設されてなる面発光レーザユニットであって、
前記光導波路にあって直線状に延伸する光導波路上に配置された複数の面発光レーザ装置を光結合し注入同期させることで、その複数の面発光レーザ装置で発振する特定偏光の波長を揃えて高出力レーザを取り出すようにしたことを特徴とする面発光レーザユニット。
【請求項９】
請求項１、６又は７のいずれかに記載の面発光レーザ装置が２次元アレイ状に配置され、各面発光レーザ装置に含まれる２次元格子構造体が交点に位置するように光導波路が井桁状に配設されてなる面発光レーザユニットであって、
共振器に閉じ込められた光の偏光を切り替えるために各面発光レーザ装置に入射される光制御信号により、前記光導波路にあって直線状に延伸する光導波路上に配置された複数の面発光レーザ装置のうちの一部の面発光レーザ装置で発振している偏光を切り替えることで、該光導波路上で強く結合する面発光レーザ装置の数を変化させて、取り出される光の出力を変化させるようにしたことを特徴とする面発光レーザユニット。
【手続補正書】
【提出日】平成26年11月20日(2014.11.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、該半導体基板上に形成された下部反射鏡、該下部反射鏡の上に配置された光を発生する活性層、及び該活性層の上に形成された上部反射鏡、からなる共振器と、を具備する面発光レーザ装置であって、
少なくとも前記下部反射鏡として、第１屈折率を有し平面状に広がる領域を占める低屈折率層と、前記半導体基板上に形成されている一つの半導体層に形成されるとともに、前記低屈折率層の一方の面に接するように配置され、前記第１屈折率よりも大きい第２屈折率を有する材料からなり、該低屈折率層に直交する軸に対して90°の回転対称性を有する井桁状の２次元格子構造体と、を有し、前記軸の方向に沿って入射される任意の偏光を有する光に対し、目的とする波長帯域に亘り反射率が所定以上であるように、前記第１屈折率、前記第２屈折率、前記低屈折率層の厚さ、前記２次元格子構造体の厚さ、該２次元格子構造体の格子のピッチ、及び格子幅を含むパラメータが調整されてなる高屈折率差グレーティング構造による反射鏡が用いられ、
前記２次元格子構造体が形成されている前記半導体層に光を導くための光導波路が、該２次元格子構造体が交点に位置するように井桁状に配設され、
該２次元格子構造体を含む共振器から、互いに異なる振動方向の偏光をそれぞれ異なる方向へと延伸する前記光導波路へと送出可能としたことを特徴とする光導波路結合型の面発光レーザ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の面発光レーザ装置であって、
前記上部反射鏡としても前記高屈折率差グレーティング構造による反射鏡が用いられ、該反射鏡に含まれる２次元格子構造体と活性層との間に位置する低屈折率層が空気層であるエアブリッジ構造を有してなることを特徴とする面発光レーザ装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の面発光レーザ装置であって、
前記共振器に閉じ込められた光の偏光を切り替えるための光制御信号を、前記上部反射鏡の外側から前記軸の方向に沿って入射するようにしたことを特徴とする面発光レーザ装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の面発光レーザ装置が２次元アレイ状に配置され、各面発光レーザ装置に含まれる２次元格子構造体が交点に位置するように光導波路が井桁状に配設されてなる面発光レーザユニットであって、
前記光導波路にあって直線状に延伸する光導波路上に配置された複数の面発光レーザ装置を光結合し注入同期させることで、その複数の面発光レーザ装置で発振する特定偏光の波長を揃えて高出力レーザを取り出すようにしたことを特徴とする面発光レーザユニット。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の面発光レーザ装置が２次元アレイ状に配置され、各面発光レーザ装置に含まれる２次元格子構造体が交点に位置するように光導波路が井桁状に配設されてなる面発光レーザユニットであって、
共振器に閉じ込められた光の偏光を切り替えるために各面発光レーザ装置に入射される光制御信号により、前記光導波路にあって直線状に延伸する光導波路上に配置された複数の面発光レーザ装置のうちの一部の面発光レーザ装置で発振している偏光を切り替えることで、該光導波路上で強く結合する面発光レーザ装置の数を変化させて、取り出される光の出力を変化させるようにしたことを特徴とする面発光レーザユニット。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
即ち、上記課題を解決するために成された本発明に用いられるレーザ用反射鏡は、面発光レーザにおいて光を発生する活性層とともに共振器を形成するために用いられる高屈折率差グレーティング（ＨＣＧ）構造による反射鏡であって、
a)第１屈折率を有し平面状に広がる領域を占める低屈折率層と、
b)前記低屈折率層の一方の面に接するように配置され、前記第１屈折率よりも大きい第２屈折率を有する材料からなり、該低屈折率層に直交する軸に対して90°の回転対称性を有する井桁状の２次元格子構造体と、
を有し、前記軸の方向に沿って入射される任意の偏光を有する光に対し、目的とする波長帯域に亘り反射率が所定以上であるように、前記第１屈折率、前記第２屈折率、前記低屈折率層の厚さ、前記２次元格子構造体の厚さ、該２次元格子構造体の格子のピッチ、及び格子幅を含むパラメータが調整されてなることを特徴としている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
このレーザ用反射鏡において、低屈折率層は第２屈折率よりも小さい第１屈折率を有する様々な材料からなるものとすることができる。例えばＳｉＯ2（酸化シリコン）など半導体プロセスでごく一般に用いられる材料のほか、より屈折率の小さな空気を材料とすることもできる。低屈折率層を空気からなる層とする場合、反射鏡はスペーサ層を用いたエアブリッジ構造となる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
このレーザ用反射鏡において、低屈折率層の一方の面に接するように配置された井桁状の２次元格子構造体は、その低屈折率層に直交する軸に対して90°の回転対称性を有する。そのため、該軸に沿って入射する光が偏光Ｅx(0°)、又はこれに直交する偏光Ｅy(90°)のいずれであっても入射条件は等しく、同等の反射特性が得られる。つまりは、偏光に依らずに高い反射率が達成される偏光無依存の反射鏡となる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
このレーザ用反射鏡と同様に、非特許文献３、４などに開示された１次元周期構造を有するＨＣＧを２次元周期構造に拡張したＨＣＧとして、非特許文献５に記載のものが知られている。しかしながら、非特許文献５に記載の２次元周期構造を持つＨＣＧは、低屈折率層の上に、高屈折率材料からなる多数の正四角柱体が２次元格子状に配置された構造を有する。そのため、低屈折率層を空気層としたエアブリッジ構造を採ることはできない。ＨＣＧにおいて反射率を高めるには、低屈折率層を構成する材料の屈折率（第１屈折率）と２次元格子構造体を構成する材料の屈折率（第２屈折率）との差が大きいほうが有利である。空気はＳｉＯ2等、空気以外で考えられる材料に比べて屈折率がかなり小さい。したがって、面発光レーザへの実装、特に面発光レーザの活性層の上側に配置される上部反射鏡への適用を考えた場合、エアブリッジ構造を採り得ることは大きな利点である。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
上記課題を解決するために成された本発明は、上記レーザ用反射鏡を用いた面発光レーザ装置であって、
半導体基板と、該半導体基板上に形成された下部反射鏡、該下部反射鏡の上に配置された光を発生する活性層、及び該活性層の上に形成された上部反射鏡、からなる共振器と、を具備する面発光レーザ装置であって、
少なくとも前記下部反射鏡として、第１屈折率を有し平面状に広がる領域を占める低屈折率層と、前記半導体基板上に形成されている一つの半導体層に形成されるとともに、前記低屈折率層の一方の面に接するように配置され、前記第１屈折率よりも大きい第２屈折率を有する材料からなり、該低屈折率層に直交する軸に対して90°の回転対称性を有する井桁状の２次元格子構造体と、を有し、前記軸の方向に沿って入射される任意の偏光を有する光に対し、目的とする波長帯域に亘り反射率が所定以上であるように、前記第１屈折率、前記第２屈折率、前記低屈折率層の厚さ、前記２次元格子構造体の厚さ、該２次元格子構造体の格子のピッチ、及び格子幅を含むパラメータが調整されてなる高屈折率差グレーティング構造による反射鏡が用いられ、
前記２次元格子構造体が形成されている前記半導体層に光を導くための光導波路が、該２次元格子構造体が交点に位置するように井桁状に配設され、
該２次元格子構造体を含む共振器から、互いに異なる振動方向の偏光をそれぞれ異なる方向へと延伸する前記光導波路へと送出可能としたことを特徴としている。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
第２発明に係る面発光レーザ装置では、好ましくは、下部反射鏡、上部反射鏡ともに上記レーザ用反射鏡を用いるとよいが、下部反射鏡として該レーザ用反射鏡を用い、他方にはＤＢＲなどの他の構造の反射鏡を用いてもよい。ＨＣＧ構造による反射鏡はＤＢＲと比べて薄いため、本発明に係る面発光レーザ装置によれば、共振器を薄形化することで当該面発光レーザ装置自体を薄形にすることができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
本発明に係る面発光レーザ装置は、共振器が光導波路に直結された光導波路結合型の面発光レーザであり、共振器内で生成され、共振器に閉じ込められた光を上部反射鏡を通して上部空間へと出射させる以外に、下部反射鏡を通してこれに結合された光導波路へと光を送り出すことが可能である。そのため、例えば、光導波路を介して複数の面発光レーザを接続する構成を採ることで、或る一つの面発光レーザの共振器に閉じ込められた光を、上部空間を通してではなく光導波路を通して別の面発光レーザに伝搬し、該面発光レーザの共振器に移送することができる。即ち、複数の面発光レーザ間で光出力を伝送する際に、上部空間を利用する必要がない。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
本発明に係る面発光レーザ装置では、光導波路上に複数の面発光レーザを配置した場合、各面発光レーザの共振器に閉じ込められている偏光の状態に応じて、複数の面発光レーザ間の光結合状態が変化する。したがって、例えば、直線状に延伸する光導波路上に配置された複数の面発光レーザを光結合し、注入同期させることで、各面発光レーザで発振する特定偏光の波長を揃え、高出力のアレイレーザを実現することができる。また、一部の面発光レーザに入射する光制御信号を切り替えて該面発光レーザで発振している偏光を切り替えることで、光導波路上で強く結合する面発光レーザの数が変わり、光導波路を通して取り出される光の出力（エネルギ）を変化させることもできる。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
また、本発明に係る面発光レーザ装置によれば、光制御信号の偏光に応じて、或る一つの面発光レーザから二つの方向に延伸する光導波路のいずれかに選択的に光を出力する光スイッチを実現することができる。さらにまた、光制御信号の偏光に応じて、或る一つの面発光レーザの共振器に閉じ込められている光を隣接する別の複数の面発光レーザのいずれかに転送するシフトレジスタ機能を実現することができる。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
また上述したように本発明に用いられるレーザ用反射鏡は低屈折率層を空気層としたエアブリッジ構造を採ることが可能であることから、本発明に係る面発光レーザ装置では、前記上部反射鏡として前記レーザ用反射鏡が用いられ、該反射鏡に含まれる２次元格子構造体と活性層との間に位置する低屈折率層が空気層であるエアブリッジ構造を有してなる構成とすることができる。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
本発明に用いられるレーザ用反射鏡によれば、従来のＤＢＲに比べて薄形化しても、高い反射率の偏光無依存の反射鏡を実現することができる。また、本発明に用いられるレーザ用反射鏡によれば、空気層を低屈折率層としたエアブリッジ構造を採ることができ、それによって高い反射率を示す反射鏡をより容易に製造することが可能である。さらにまた、本発明に用いられるレーザ用反射鏡は、非特許文献５等に記載の２次元周期構造を持つＨＣＧとは異なり、２次元格子構造体の全体にレーザ発振のための電流を流すことができるので効率的な発振に有利であり、その面積も広いため放熱が良好であるという利点を有する。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
こうしたレーザ用反射鏡を用いた本発明に係る面発光レーザ装置によれば、従来よりも薄形の偏光双安定面発光レーザを実現することができる。また、導波路結合型の構成であるので、面発光レーザの上方空間に配置される光学素子を少なくすることができ、該面発光レーザを用いた光バッファメモリ、全光型シフトレジスタなどのデバイスを薄形化、小形化することができる。また空間的に配置される光学素子が少なくなることで、機械的振動に対し強くなり、信頼性が向上する。また、複数の面発光レーザの光出力同士の光結合を偏光により制御することが可能であるので、高い集積度を実現しながら光のままでの様々な論理演算処理や安定的なバッファリングなどが可能となる。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
【図１】本発明に用いられるレーザ用反射鏡の一実施例である偏光無依存ＨＣＧの概略斜視構造図。
【図２】図１に示した偏光無依存ＨＣＧの一例における反射スペクトルのシミュレーション結果を示す図。
【図３】本発明に係るレーザ用反射鏡を用いた偏光双安定面発光レーザの一実施例の概略斜視構造図。
【図４】図３に示した偏光双安定面発光レーザを２次元的に配置した場合の概略斜視構造図。
【図５】図３に示した偏光双安定面発光レーザを１次元的に配置した構成における動作説明図。
【図６】図３に示した偏光双安定面発光レーザを２次元的に配置した構成における動作説明図。
【図７】図３に示した偏光双安定面発光レーザを用いた２次元シフトレジスタの構成の一例を示す図。
【図８】図３に示した偏光双安定面発光レーザを用いた２次元シフトレジスタの構成の他の例を示す図。
【図９】図３に示した偏光双安定面発光レーザを用いたシフトレジスタの１ビットメモリの動作タイミング図。
【図１０】試作した偏光無依存ＨＣＧのＳＥＭ観察像。
【図１１】試作した偏光無依存ＨＣＧの電力反射スペクトルの計算結果を示す図。
【図１２】試作した偏光無依存ＨＣＧの反射率スペクトルの実測結果を示す図。
【図１３】試作した偏光無依存ＨＣＧの、波長1.45[μm]、1.50[μm]及び1.55[μm]における反射率の偏光方向依存性を示す図。
【図１４】光出力特性計算のために想定した偏光双安定面発光レーザの概略断面図。
【図１５】図１４中のMonitor X（及びMonitor Y）における光強度及び電磁界分布の計算結果を示す図。
【図１６】レーザ発振状態での面発光出力に対する光導波路出力のパワー比をメサ部の中心点からの距離ｄに対して計算した結果を示す図。
【図１７】距離ｄ＝６[μm]のときの計算領域全体の電磁界分布の計算結果を示す図（ａ）、及びＳｉ層中央での電磁界分布（実線）とメサ部での０次モード分布との計算結果を示す図（ｂ）。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
まず、本発明に用いられるレーザ用反射鏡の一実施例について、添付図面を参照しつつ説明する。図１は本実施例のレーザ用反射鏡の概略斜視図である。
【国際調査報告】
2014030361.tif 000021
2014030361.tif 000022
2014030361.tif 000023
2014030361.tif 000024