(57)【要約】【課題】三次元フォトニック結晶を用いた場合に、光の取り出しを行うことが可能となる発光装置、該発光装置を備えた光源装置を提供する。【解決手段】活性媒質と、該活性媒質より発光する第１の波長を有する光を３次元空間内に閉じ込める共振器と、該第１の波長を有する光の波長を第２の波長に変換する波長変換媒質と、を備えた発光装置を構成する。その際、前記活性媒質を前記三次元フォトニック結晶の内部に局所的または周期的に配置し、また前記波長変換媒質を非線形媒質で構成することができる。【選択図】            図１
2006186348.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光装置であって、
三次元フォトニック結晶を含み構成される共振器と、
波長変換媒質と、
活性媒質とを備え、
該活性媒質より発生する第１の波長の光が、該波長変換媒質により第２の波長の光に変換され、該共振器の外部に放出されることを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記活性媒質が、前記三次元フォトニック結晶の内部に、局所的または周期的に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記波長変換媒質が、非線形媒質で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項４】
前記非線形媒質が、高調波発生媒質、和周波または差周波発生媒質、あるいはラマン変換媒質であることを特徴とする請求項３に記載の発光装置。
【請求項５】
前記非線形媒質が、ＩＩＩ−Ｖ族またはＩＩ−ＶＩ族半導体により構成されていることを特徴とする請求項４に記載の発光装置。
【請求項６】
光放出装置であって、
λ１の光を発生する発光領域と、
フォトニックバンドギャップをもつフォトニック結晶を有する共振器と、
前記λ１の光をλ２の光に変換する波長変換媒質とを備え、
前記λ１の光は、前記フォトニックバンドギャップ内にあり、
前記λ２の光が、前記フォトニック結晶の外部に放出されることを特徴とする光放出装置。
【請求項７】
請求項１に記載の発光装置と、
前記共振器の外部に楕円ミラーまたは放物線ミラーを備え、且つ
前記波長変換媒質により波長変換されて該共振器の外部に取り出された光を、前記楕円あるいは放物線ミラーにより集光するようにしていることを特徴とする光源装置。
【請求項８】
発光装置であって、
三次元フォトニック結晶を含み構成される共振器、
波長変換媒質、
第１の波長の光を発生する第１の活性媒質、
該１の波長と異なる第２の波長の光を発生する第２の活性媒質、を備え、
該第１及び第２の波長の光が、該波長変換媒質により、前記第１及び第２のとは異なる第３の単一波長の光に変換され、該共振器の外部に放出されることを特徴とする発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光装置、発光装置を備えた光源装置に関し、特に表示デバイス用光源、光通信装置光源、光ディスク光源等に応用可能な３次元フォトニック結晶を有する発光装置、発光装置を備えた光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶は、物質に光の波長程度の周期で人工的に屈折率の変調構造を与えた結晶であり、結晶中の光の伝搬を制御できる。
現在までに非常に多くの現象が報告されているが、例えば代表的なものとして、フォトニックバンドギャップ（以下、これをＰＢＧと記す）によって、ある周波数帯の光が結晶中をまったく伝搬できないようにすることができるといった特徴がある。
フォトニック結晶の応用技術は数多く存在するが、その中でＰＢＧの性質を利用して光を微小空間内に閉じ込め、新規デバイスに応用しようという研究が、近年盛んに行われている。
【０００３】
フォトニック結晶は、ＰＢＧの特徴の違いから２次元と３次元に分けることができるが、特に３次元フォトニック結晶は、空間の全方位に対してＰＢＧが存在し（完全ＰＢＧ）、結晶内に微小欠陥を設けてやることで、光を欠陥内に完全に閉じ込めることができる。
そのため、このような欠陥を共振器として用いて完全閉じ込め共振器とすることで、共振器損失を非常に低く抑えることができ、超低閾値のレーザ素子が実現できるものと期待されている。
【０００４】
このような完全閉じ込め共振器の従来例として、つぎのような提案がなされている。例えば、特許文献１では３次元フォトニック結晶欠陥共振器内に活性層を導入し、活性層から発した光を共振器内でレーザ発振させ、閉じ込めた光をそれに隣接する導波路から取り出すことでレーザとする半導体レーザ素子とその製造方法が提案されている。
また、特許文献２では、３次元フォトニック結晶欠陥共振器の近傍に線欠陥導波路を配置したとき、両者の位置を最適化することで、光の共振状態に与える影響を最小限にした状態での光取り出し法が提案されている。
【０００５】
また、共振器中に非線形媒質を導入し、レーザ光と非線形媒質の相互作用を増大させ、光の変換効率を高めた波長変換レーザも数多く研究、実用化されている。これらは主に装置構成の観点から、２種類のデバイスに分けることができる。一つは非線形媒質がレーザ活性媒質と同じ共振器内に入っているものであり、もう一つは非線形媒質とレーザ活性層が別々の共振器に入っているものである。
前者では、固体レーザ光の基本波に対する第二高調波（ＳＨＧ）光を出力するレーザ装置などがある。
また、後者では、ある波長のレーザ光をポンピング光として、非線形媒質の入った共振器に入射させ、別々の波長の光（シグナル光とアイドラー光）に変換する光パラメトリック発振（ＯＰＯ）器などがある。
【０００６】
一方、特許文献３では、垂直共振器型面発光レーザの微小共振器内で、レーザ発振と波長変換（ここではＳＨＧ）を同時に行った例が示されている。
ここではＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の大きな非線形性を利用し、活性層と波長変換層両方をＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により作製している。
また、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の非線形性は結晶の方位に依存するため、傾斜基板を用いて結晶成長を行い、媒質の非線形性を高めている。
【特許文献１】特開２００１−２５７４２５号公報
【特許文献２】特開２００４−４４１９号公報
【特許文献３】特開平７−３０１８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記した特許文献１あるいは特許文献２等の完全閉じ込め共振器による従来例のものにおいては、光の閉じ込めが完全であればあるほど、逆に光の取り出しが困難になるという問題が生じる。
光の取り出しができなければ、完全閉じ込め共振器を用いたレーザはデバイスとして機能しないため、光の取り出し方法をどうするかということは重要な課題である。
これまで提案されている方法は、上記特許文献１あるいは特許文献２等の従来例のものにおいても示されているように、活性層の近傍に導波路を作製し、導波路を通して光を外部へ取り出そうというものである。
しかし、このような方法による場合、導波路の位置が最適位置からわずかでもずれると、共振器から導波路に光が漏れ出し、共振器としての著しい性能低下につながることとなる。
【０００８】
一方、上記した特許文献３のような垂直共振器面発光型レーザのＳＨＧ発生素子による従来例のものにおいては、９９％以上の反射率を持つミラーにより光を共振させ、非線形媒質との相互作用を強めている。
しかし、これによると光が閉じ込められているのは１方向のみであり、３次元完全閉じ込め共振器に比べ光の閉じ込めが弱くなるという問題がある。
このため、非線形媒質との相互作用が低下し、変換効率が小さくなる可能性を有している。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑み、三次元フォトニック結晶を用いた場合に、光の取り出しを行うことが可能となる発光装置、該発光装置を備えた光源装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の骨子は、発光装置であって、
三次元フォトニック結晶を含み構成される共振器と、
波長変換媒質と、
活性媒質とを備え、
該活性媒質より発生する第１の波長の光が、該波長変換媒質により第２の波長の光に変換され、該共振器の外部に放出されることを特徴とする発光装置である。
また、本発明の第２の骨子は、光放出装置であって、
λ１の光を発生する発光領域と、
フォトニックバンドギャップをもつフォトニック結晶を有する共振器と、
前記λ１の光をλ２の光に変換する波長変換媒質とを備え、
前記λ１の光は、前記フォトニックバンドギャップ内にあり、
前記λ２の光が、前記フォトニック結晶の外部に放出されることを特徴とする光放出装置である。
また、本発明の第３の骨子は、発光装置であって、
三次元フォトニック結晶を含み構成される共振器、
波長変換媒質、
第１の波長の光を発生する第１の活性媒質、
該１の波長と異なる第２の波長の光を発生する第２の活性媒質、を備え、
該第１及び第２の波長の光が、該波長変換媒質により、前記第１及び第２のとは異なる第３の単一波長の光に変換され、該共振器の外部に放出されることを特徴とする発光装置である。
【００１１】
また、別の本発明の骨子は以下の通りである。
本発明は、以下のように構成した３次元閉じ込め共振器を有する発光素子、該発光素子を備えた光源装置を提供するものである。
すなわち、本発明の発光素子は、活性媒質より発光した特定の波長を有する基本波を３次元空間内に閉じ込める３次元閉じ込め共振器を有する発光素子であって、
前記３次元閉じ込め共振器は、前記基本波を発光する活性媒質と波長変換媒質とを備え、前記活性媒質より発光した基本波を、該共振器内部で共振増幅しながら該共振器の外部へ漏らすことなく該共振器の内部に完全に閉じ込め、
前記波長変換媒質により波長変換した光のみを該共振器の外部に取り出すことを特徴としている。
本発明においては、前記共振器を構成する母材に３次元のフォトニック結晶を用いる場合、該３次元のフォトニック結晶を前記波長変換媒質により波長変換された光に対してＰＢＧを有する構成とし、
前記波長変換媒質による波長変換を経て、該３次元のフォトニック結晶に閉じ込められた光を、導波路を介して外部に取り出すように構成することもできる。また、本発明の光源装置は、上記した３次元閉じ込め共振器を有する発光素子と、該共振器の外部に楕円ミラーまたは放物線ミラーを備え、
前記波長変換媒質により波長変換されて該共振器の外部に取り出された光を、前記楕円ミラーにより集光するようにしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、３次元フォトニック結晶を有する発光装置、該発光装置を備えた光源装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明によれば、上記のように構成することで、本発明の課題を達成することができるが、本発明の実施の形態における３次元閉じ込め共振器を有する発光素子は、具体的には、例えば、つぎの（１）〜（３）の手段を備えた構成とすることができる。
（１）電流の注入により、ある特定の波長を有する基本波を発する手段（活性媒質）。
（２）該基本波を３次元空間内に閉じ込めて増幅させる手段（３次元閉じ込め共振器）。
（３）該基本波を波長変換し別の波長の変換波とするための手段（波長変換媒質）。
そして、共振増幅された基本波の波長を、別の異なる波長の変換波に変換することにより、該変換波光を共振器外部に取り出すように構成することができる。
ここで、ある特定の波長を有する基本波とは、連続発振レーザなどの発振スペクトル幅が極めて狭い単一波長の光をさすのみでなく、パルス発振レーザなど発振スペクトル幅が１０ｎｍ以上になるような、やや幅の広い光のこともさす。
【００１４】
このような本実施の形態の構成によると、３次元閉じ込め共振器内部に活性媒質と波長変換媒質を備え、該活性媒質より発せられた基本波を該共振器内部で共振増幅しながら外部へ漏らすことなく完全に閉じ込めが可能となる。そして、波長変換媒質により波長変換した光のみを安定かつ高効率で外部に取り出すことができる。
また、共振器に微細導波路などをつくり込む必要がなく、導波路の極精密な位置制御も必要ないため、作製誤差による素子の機能低下を回避することができる。また、光を共振器内部に３次元的に閉じ込めているため、光の損失が少なく、共振器内部の光密度を大きくすることが可能となる。
これにより、波長変換媒質との相互作用が増大し、高い変換効率を実現することができる。
従って、波長変換レーザとしても、性能の良いレーザを提供することができる。
【００１５】
以上のとおり、本実施の形態における光取り出しにおいては、３次元閉じ込め共振器、およびその内部に存在する活性媒質、波長変換媒質が、重要な構成要素であるが、まず、３次元閉じ込め共振器について説明する。
３次元閉じ込め共振器は、波長変換する前の基本波を共振器外部に漏らすことなく完全に閉じ込め、変換波のみを透過することができる共振器が必要である。
このような性質を持つ共振器であればいかなるものでもよいが、３次元フォトニック結晶を用いた欠陥共振器は、完全ＰＢＧを有しており、また設計により結晶を透過させる光の波長域を制御できるため、この用途に適している。
その際、フォトニック結晶を構成する部材は、基本波および変換波に対して吸収の少ないことが望ましい。
【００１６】
フォトニック結晶を構成する部材としては、ＧａＡｓ、ＧａＮなどの半導体や、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２などの誘電体、Ｗ、Ａｕなどの金属、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、アクリル樹脂などの樹脂材料等が挙げられる。これらにおいて、電流注入を実現するためには、導電性のある金属や半導体材料が好ましい。
【００１７】
つぎに、活性層に用いる部材は、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＮなどの半導体、またはＡｌｑ３、ローダミン６Ｇなどの有機色素、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅなどの固体レーザ媒質などが挙げられる。
フォトニック結晶を構成する部材と同様に、電流注入により発光させるためには、活性層に用いる部材は半導体材料であることが望ましい。
本実施の形態においては、このような活性層を３次元閉じ込め共振器の内部に局所的または周期的に配置する構成が採られる。
【００１８】
つぎに、波長変換方法としては、主に非線形光学効果を利用した波長変換法を用いることができる。具体的には、高調波発生、和周波及び差周波発生、誘導ラマン散乱、誘導ブリユアン散乱などの方法がある。
また、波長変換媒質としては、現在までに種々の非線形媒質が報告されている。高調波発生、和周波及び差周波発生媒質としては、β−ＢａＢ２Ｏ４（ＢＢＯ）、ＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）、ＬｉＴａＯ３、ＫＴｉＰＯ４（ＫＴＰ）などの酸化物誘電体結晶が挙げられる。また、これらにＭｇなどの元素をドープした結晶、ＡｇＧａＳ２などのカルコパイライト型の半導体結晶などが挙げられる。
【００１９】
また、ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族半導体の大きな非線形性を利用し、活性層またはそれに隣接した半導体層により波長変換する方法もある。
その場合、実効的な非線形性を高めるため、高指数面の基板を用いる。
これら非線形媒質の性質については、非線形光学定数が大きいこと、基本波及び変換波に対して吸収の少ないことが望ましい。
【００２０】
さらに、このようなレーザ媒質となり得る半導体媒質の非線形性を利用して波長変換を行う場合には、活性層および隣接する半導体層には、同種の半導体を用いることができる。
このため、結晶成長により一括して作製した、いわば同一の結晶内に活性層および波長変換媒質を設けることができる。これにより、活性層と非線形媒質が別々の場合より、界面による反射損失の低減や作製プロセスを簡略化できるなどのメリットがある。
これら非線形媒質を用いた波長変換のためには、基本波と変換波間の位相整合を取ることが重要になる。その方法として既に種々の方法が報告され公知の技術となっている。
本発明に用いることができる位相整合方法としては、結晶の複屈折性を利用した角度整合、結晶の非線形分極を周期的に反転させた擬似位相整合法などがある。また誘導ラマン散乱（を用いたラマン変換）を利用する場合には、ラマン媒質としてパラ水素などを用いることができる。
本実施の形態においては、このような波長変換媒質を３次元閉じ込め共振器の内部に局所的または周期的に配置する構成が採られる。
【００２１】
以上のような方式を用い、３次元閉じ込め共振器中の活性媒質より発光した基本波を、同じく共振器中の波長変換媒質により波長変換し、変換波のみを共振器外部へ取り出す。これにより、共振している基本波を外部へ漏らすことなく、変換波を共振器外へ取り出すことができる。
さらに、共振条件を満たせば欠陥の大きさは自由に変えることができ、フォトニック結晶においては微小欠陥に光を閉じ込めたレーザ発振も数多く報告されているため、フォトニック結晶を用いることで素子の小型化にも寄与することができる。
【００２２】
以上で説明したように、本発明の光の取り出しには、共振器自体に光取り出しの導波路を必要としないが、光の取り出し方向や取り出し量の制御のために、必要に応じて導波路をつくり込むこともできる。
この場合には、変換波もまた共振器中に閉じ込め、導波路を伝搬した光のみを共振器外へ取り出せるよう、共振器および導波路を設計する必要がある。
その際、共振器の母材に３次元フォトニック結晶を用いる場合には、変換波に対しても完全ＰＢＧを持つようフォトニック結晶を設計し、欠陥導波路を作製することで、これを実現することができる。
例えば、変換波が第二高調波であるような場合には、フォトニック結晶の第二のＰＢＧ（第一のＰＢＧの２倍の周波数領域に生じるＰＢＧ）を利用すればよい。導波路を用いずに変換波を取り出す場合（すなわち、変換波に対してフォトニック結晶が透明となる場合；後述の図３の説明参照）は、光は共振器中の光モードパターンに応じた方向に放射される。
従って、取り出し光制御のためには、ミラーやレンズなど、外部装置による放射方向の制御が必要となる（後述の図４の説明参照）。
【００２３】
なお、図１では、活性媒質が完全にフォトニック結晶で取り囲まれている例を示したが、図９のような構成にすることもできる。
９０１は、利得媒質と波長変換媒質を含む領域であり、電流注入（電極は不図示）などにより、波長λ１の光を発生させる。
９０２は、波長λ１の光に対するミラーとして機能するフォトニック結晶である。
すなわち、フォトニック結晶９０２のＰＢＧ内に波長λ１の光は位置し、結果として、９０１の上下方向に光の閉じ込めが起こる。
また、９５０は、波長λ１とλ２（後述）に対して、反射層として機能するミラー領域である。
フォトニック結晶を用いてもよいが、単層あるいは多層膜により構成してもよい。
すなわち、本発明は、利得媒質が完全にフォトニック結晶に取り囲まれている場合に限定されるものではない。
９８０及び９８１は、必要に応じて設けられる充填物である。
９０１において波長λ１で発生した光は、左右のミラー９５０と、上下のフォトニック結晶９０２により、増幅され、所定の光強度に到達すると波長変換媒質（不図示）により波長λ２に変換される。
左右のミラーは、波長λ２に対してもミラーとして機能する。一方、λ２に変換された光は、フォトニック結晶９０２を透過できるように設計する。こうして、出射光の方向に指向性をもたせた発光装置が提供できる。
なお、以上示したあるいは、以下で示す図面はすべて模式図であり、各部位のサイズやフォトニック結晶の周期数など、必ずしも実デバイスどおりには描かれていない。
【実施例】
【００２４】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１は、本発明を適用してレーザ共振器を構成したものである。
図１に本実施例におけるレーザ共振器の模式図を示す。
図１（ａ）はレーザ共振器全体の斜視図、（ｂ）は前記（ａ）に示されたレーザ共振器のａ−ｂ線におけるｘｚ平面に平行な断面図、（ｃ）は前記（ａ）に示されたレーザ共振器のｃ−ｄ線におけるｘｙ平面に平行な平面の断面図を含んだ斜視図である。
図１において、１１は３次元フォトニック結晶を構成部材とするレーザ共振器であり、完全ＰＢＧを持つ３次元フォトニック結晶により構成されている。
本実施例においては、３次元フォトニック結晶として知られている井桁構造（Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  ｖｏｌ．８９，  ｐｐ４１３）を用いている。
【００２５】
１２はフォトニック結晶共振器構成部材であり、屈折率の大きい半導体で構成され、１３はその隙間中空構造を示す。共振器は全体が基板１４上に乗っている。
また、１５は活性媒質、１６は波長変換媒質であり、フォトニック結晶の中央部分には、多重量子井戸構造を有する活性媒質１５と、それに隣接して波長変換媒質１６が埋め込まれている。
波長変換媒質１６の位置ではフォトニック結晶の周期性が破られており、欠陥として作用する。
従って前述したように、ＰＢＧ内の周波数を有する光はこの欠陥部分に完全に閉じ込められ、欠陥部分は共振器として働き、活性媒質から発光した光を増幅することができる。
また、電流注入は、素子上下の電極１７を通して行う。
【００２６】
本実施例では、レーザ共振器の材料として、フォトニック結晶部分はＧａＮ、発光媒質はＩｎＧａＡｓＰの多重量子井戸構造、波長変換媒質はＢＢＯの非線形結晶を用いている。
フォトニック結晶を構成するロッドは断面が幅１３０ｎｍ、ｚ方向の厚さ１６０ｎｍの長方形であり、フォトニック結晶の周期は６４０ｎｍ、欠陥の±ｚ方向にはあらわには図示してないが、それぞれ４周期ずつのフォトニック結晶構造が設けられている。
共振器のｘ、ｙ平面領域の大きさはおよそ１０μｍ、欠陥部分は一辺が９００ｎｍの立方体である。
【００２７】
ここで、電極１７から電流を注入すると、活性媒質１５にキャリアが注入され発光し、発光した光が欠陥共振器で増幅され、レーザ発振する。
発振したレーザ光（基本波）は、波長変換媒質１６を構成する非線形媒質によって波長変換される。本実施例では、２次の非線形光学効果である、第２次高調波発生現象（Ｓｅｃｏｎｄ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＳＨＧ）を利用している。
ここで、波長変換効率を高めるためには、非線形媒質を導入する位置と、基本波、変換波の位相整合条件が重要になる。
【００２８】
まず、波長変換媒質である非線形媒質を導入する位置について説明する。
本実施例においては、共振器の形状と大きさの条件より、ｘ，ｙ，ｚの３方向で共振が起こる。
共振器内部の共振方向に対しては、それぞれ定在波状態となっているため光密度の大きい領域と小さい領域が生じる。
波長変換効率を高めるためには、少なくともこのうち光密度の大きい領域には、非線形媒質が導入されていることが必要となる。
【００２９】
次に、位相整合条件について説明する。ＢＢＯなどの複屈折性を示す非線形光学結晶は、光の共振方向に対して光学軸を一定角度傾けることにより、位相整合条件を満たせることが知られている。
簡単のため、一つの共振方向について考えると、複屈折のない媒質における位相整合条件は、次のようになる。
［数式１］
ω２ｎ２  ＝  ２ω１ｎ１ 
ω１、ω２はそれぞれ基本波、２倍波の周波数、ｎ１、ｎ２はそれぞれω１、ω２における屈折率である。
上の条件は、複屈折性のない結晶では満たされないが、複屈折結晶においては常光成分と異常光成分を用いて満たすことができる。
【００３０】
つぎに、基本波の共振方向に対する、ＢＢＯの非線形光学結晶の配置の仕方について説明する。
図２にＢＢＯの非線形媒質による第二高調波発生のための模式的な結晶配置を示す。
図２において、２１はＢＢＯの非線形光学結晶、２２は結晶への入射光線（基本波ω１）、２３は変換された２倍波（ω２）である。
入射光線に対して、結晶の光学軸である［００１］軸を所定の角度傾けてやることにより、上式が満足される。
このとき
［数式２］
ω２  ｎ２ｅ＝  ２ω１ｎ１ｏ  の関係が成り立つ。
ω１、ω２はそれぞれ基本波、２倍波の周波数、ｎ１ｏはω１における常光成分の屈折率、ｎ２ｅはω２における異常光成分の屈折率である。
このように複屈折性の非線形結晶を用いることで位相整合条件が満たされ、変換効率を高めることができる。ＢＢＯにおいては、θ＝４８°である。
以上、共振モードの空間分布に従い、光密度の大きな場所に位相整合条件を満たすような結晶角度で非線形媒質を導入することにより、高い変換効率を実現することができる。
さらに、本実施例においては、共振方向が複数方向あるため、それぞれの共振方向について、結晶の角度を４８°とした非線形結晶を複数配置することが好ましい。
【００３１】
本実施例のような、レーザ共振器は以下のような工程を用いて製造することができる。
まず、井桁構造のフォトニック結晶を、ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ，  ＶＯＬ．  １７，  ｐ１９４８に掲載されているような、公知の半導体スタッキング技術を用いて作製する。
この方法によれば、内部に中空構造を有する３次元フォトニック結晶構造を、制御よく作製することができる。
さらに、中空構造中に非線形媒質を導入し、熱融着法により中空構造内部に固定する。非線形媒質は、中空構造に入る部分をドライエッチングを用いて加工し、張り合わせた後の共振器に入らない部分は研磨により除去する。
表面をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法などにより平滑化した後、フォトニック結晶層を積層し、中空構造を延長する。
その後レーザ活性媒質を同様に熱融着法により導入する。
レーザ活性媒質は、あらかじめ別のウエハにエピタキシャル成長しておき、ドライエッチングを用いて中空構造大の大きさに加工する。
その後、ウエハごと欠陥内部に融着した後、ウェットエッチングにより上部の基板を除去する。除去するために、ウエハの活性層下部にあらかじめエッチングストップ層を導入しておく。
そして、再び井桁構造のフォトニック結晶を中空構造を覆うように作製し共振器が完成する。最後に電極を真空蒸着する。
【００３２】
最後に、光の取り出しについて説明する。
図３はレーザ共振器１１を構成するフォトニック結晶内部を伝播する光の周波数と、波数との分散関係を表した（フォトニックバンド図）例示的な模式図ある。図中の網掛け部分３１は欠陥モード以外の分散曲線が存在せず、この周波数帯の光がフォトニック結晶の欠陥以外の部分に存在できないことを表し、ＰＢＧ中の光が欠陥に閉じ込められていることを表している。
太線３２は共振器の欠陥モード、ω１、ω２はそれぞれ基本波、変換波の周波数である。
【００３３】
図３に示す通り、基本波はＰＢＧ内の周波数を持っているため、欠陥モードとして結晶中に存在するのみであり、外部に漏れることはない。
従って、活性媒質を有し、完全閉じ込めが成立している共振器内で発振させることができる。
一方、変換波に対しては、その周波数の位置に分散曲線が存在しＰＢＧは存在しないことがわかる。
このような場合、フォトニック結晶は変換波に対して透明であり、光は自由に外部へ取り出すことができる。
以上のような原理から、本実施例においてはレーザ発振に用いる基本波の閉じ込めを弱めることなく、変換波を外部に取り出すことができる。
【００３４】
図４に、本実施例を適用した外部装置による光の放射制御の一例を示す。
図４において、４１は本実施例により構成されたレーザ素子、４２はレーザ素子から放射されるレーザ光、４３は楕円ミラー、４４は集光レンズ、４５は光ファイバ支持具、４６は光ファイバである。
本実施例のようなレーザ素子の場合、共振器構造を反映してレーザ光線は空間のｘ，ｙ，ｚ，３方向に放射されることになる。
このような場合、図４のように楕円ミラーを用いて光を一点に集光し、光ファイバなどに結合させて使用することで光を効率よく使用でき、なおかつ使用に際する利便性も向上する。
【００３５】
また、以上のような構成に限らず、前述したように、変換波に対してもＰＢＧを持つようにフォトニック結晶を設計しておき、導波路などを用いて光の放射を制御するようにしてもよい。
また、本実施例において、３次元フォトニック結晶は例示的に井桁構造を用いたが、共振器内部に活性媒質および波長変換媒質を埋め込むことができるフォトニック結晶構造であればいかなるものでもよい。
他に用いることができる構造としては、現在までに公知のものでも、オパール・逆オパール構造、螺旋構造など多数の構造が考えられる。
また、発光媒質は以上ではＩｎＧａＡｓＰとした。
しかし、これはＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族系半導体、ＺｎＳｅ、ＺｎＣｄＳ、ＺｎＳＳｅなどのＩＩ−ＶＩ族系半導体いずれでもよい。
【００３６】
波長変換媒質については、本実施例では非線形結晶ＢＢＯによるＳＨＧ変換を用いたが、高調波発生であれば、３次、４次の高調波を用いることもできる。
さらに、非線形媒質としては前述したような高調波発生、和周波及び差周波発生媒質はすべて用いることができる。
また、ラマン変換媒質を用い誘導ラマン散乱現象によるラマン変換も利用することができる。
さらに、波長変換部をそのままＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族半導体により作製することで、前述したような化合物半導体の大きな非線形性を利用した波長変換技術も利用することができる。
【００３７】
［実施例２］
実施例１は、本発明を適用してレーザ共振器を構成したものである。
図５に、実施例２におけるレーザ共振器の模式図を示す。
図５（ａ）、図５（ｂ）及び図５（ｃ）の関係は、それぞれ実施例１における図１（ａ）、図１（ｂ）及び図１（ｃ）の関係と同様である。
本実施例においては、共振器の両端に２種類のそれぞれ発光波長の異なる活性層５１、５２を有している。
また、波長変換媒質５３は、ある一定の間隔を空け周期的に配列されており、注入電流を遮らない構造になっている。
素子全体の大きさ、および共振器となるフォトニック結晶の材質は、実施例１と同様である。
また、製造方法に関しても、実施例１と同様のプロセスを適用できる。
【００３８】
本実施例では、２つの活性層は互いに組成の異なるＩｎＧａＡｓＰの多重量子井戸構造で構成されている。
また、波長変換媒質５３を構成する非線形光学媒質には、ＡｇＧａＳ２（ＡＧＳ）を用いている。
フォトニック結晶を構成するロッドは断面が幅１６０ｎｍ、ｚ方向の厚さ２００ｎｍの長方形である。また、フォトニック結晶の周期は８００ｎｍ、欠陥部のＺ軸方向の大きさは１６００ｎｍ、波長変換媒質の断面は１辺が６００ｎｍの正方形であり、波長変換媒質ごとの間隔は２００ｎｍである。
波長変換媒質は、Ｘ軸、Ｙ軸方向それぞれに３列ずつ配置されている。電極から電流を注入すると、両活性層５１、５２より、それぞれ波長の異なった光が発せられる。
共振器はそれら両方の光に対してＰＢＧを持つよう設計されているため、それぞれの光は共振器内に閉じ込められ増幅され発振する。
ここで、非線形媒質は活性層５１、５２より放出する光と、それらの変換光による３波混合の条件で位相整合するように角度調整され配置されている。
本実施例においては、活性層５１、５２より放出される光は、それぞれ波長１３２０ｎｍ、１４５０ｎｍの近赤外光である。
これら２波長の光の差周波をとり、波長８．７５μｍ程度の中赤外光を得ることができる。
【００３９】
図６に非線形光学結晶を用いた３波混合による差周波発生の様子を図示する。図６において、６１は非線形光学結晶ＡＧＳ、６２、６３は、それぞれ２つの別々の活性層から発光したレーザ光、６４はＡＧＳにより変換された差周波光である。
差周波発生における位相整合条件は次のようになる。
［数式３］
ω３ｎ３ｅ＝  ω１ｎ１ｏ  −  ω２ｎ２ｏ
ここでも実施例１と同様、結晶の［００１］軸をある所定の角度だけ光の共振方向に対して傾けて配置することにより、位相整合条件を満足することができる。本実施例における位相整合角θは３６°となる。
【００４０】
図７は、本実施例におけるフォトニック結晶のバンド構造を模式的に表したものである。
図７において、７１の網掛け部分がＰＢＧ、７２の太線が欠陥モードを表している。
ω１、ω２はそれぞれ２つの別々の活性層から発する光の角周波数、ω３は差周波発生による変換光の周波数であり、これを共振器外に取り出す。
図７に示すように、ω１、ω２に対してＰＢＧを持ち、ω３のみを透過するようにフォトニック結晶構造を設計することで、ω１、ω２の共振状態を弱めることなく、変換波ω３を取り出すことができる。
【００４１】
本実施例では、差周波の条件を満たすように結晶角度を調整しているが、もちろん和周波の条件を満たすように調整することもできる。
従って、活性層から放出される光の波長を自由に変えることで、非常に広範囲に渡る波長の光を放出可能である。
ここで用いることのできる材料は、フォトニック結晶、活性層、非線形媒質それぞれについて、実施例１で述べたような多くの材料を適用することができる。
また、フォトニック結晶も３次元フォトニック結晶であれば井桁構造以外のすべての構造を用いることができる。
なお、以上に述べた内容は全て一例に過ぎず、本発明はこれらによって何ら限定されるものではない。
【００４２】
［実施例３］
次に本発明の別の実施例について説明する。この実施例３は出射光に指向性を設ける例である。
図８を用いて、本発明における共振器の、第２の構成について説明する。
図８（ａ）は該第２の構成の共振器を斜め上方から見た斜視図であり、（ｂ）は概共振器のａ―ｂ線におけるｙｚ平面に平行な断面図である。
８０１は実施例１において図１に示した共振器である。８０２は図１の共振器の外側に設けられた、周期、ロッド断面積が図１の共振器とは異なるフォトニック結晶である。８０３は本構成の共振器に設けられた電極である。
本共振器の構成においては、共振器８０１は、周期、ロッド断面積が８０１とは異なるフォトニック結晶８０２に囲まれた構造をしている。
８０２のフォトニック結晶は、その周期およびロッド断面積が図１のフォトニック結晶のすべて半分となっている。
フォトニック結晶８０２の長さは、共振器８０１のフォトニック結晶と同じく４周期以上設けるのが好ましい。
【００４３】
図８に示すように８０１の共振器は、共振器面６面のうち５面が８０２のフォトニック結晶に覆われ、残りの１面のみが露出した構造となっている。フォトニック結晶８０２を構成する材料は８０１の共振器と同様ＧａＮである。
８０２のフォトニック結晶は、フォトニックバンドギャップが８０１の共振器のフォトニック結晶の半波長となるため、８０１の共振器により放射される第２高調波に対してミラーとして機能する。
従って、８０１の共振器により放射された第２高調波は、８０２のフォトニック結晶の設けられていない窓部８５０からのみ放射される。
本構成の共振器も、８０１の共振器における個々の作製プロセスと同じプロセス方法を用いて作製する。しかし、８０２のフォトニック結晶が８０１に対して周期、ロッドの断面積とも全て半分の大きさを持つようにつくる。
本構成の共振器を用いることにより、図１の放射光のうちある１方向の光のみを取り出すことができるようになる。すなわち、指向性を確保できる。
さらに、８０２のフォトニック結晶の窓部を設ける面が異なると光の共振モードが異なるため、放射される光のパターンもそれぞれ異なる。従って、窓部を設ける面により、出射光の方向を１方向に固定でき、かつ放射パターンを制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施例１におけるレーザ共振器の構成を示す模式図であり、（ａ）はレーザ共振器全体の斜視図、（ｂ）は前記（ａ）に示されたレーザ共振器のａ−ｂ線におけるｘｚ平面に平行な断面図、（ｃ）は前記（ａ）に示されたレーザ共振器のｃ−ｄ線におけるｘｙ平面に平行な平面の断面図を含んだ斜視図である。
【図２】本発明の実施例１におけるＢＢＯの非線形媒質による第二高調波発生のための模式的な結晶配置を示す図である。
【図３】本発明の実施例１におけるフォトニック結晶内部を伝播する光の周波数と波数との分散関係（フォトニックバンド構造）を模式的に表した図である。
【図４】本発明の実施例１を適用した外部装置による光の放射制御の一例を示す図である。
【図５】本発明の実施例２におけるレーザ共振器の構成を示す模式図であり、（ａ）はレーザ共振器全体の斜視図、（ｂ）は前記（ａ）に示されたレーザ共振器のａ−ｂ線におけるｘｚ平面に平行な断面図である。（ｃ）は前記（ａ）に示されたレーザ共振器のｃ−ｄ線におけるｘｙ平面に平行な平面の断面図を含んだ斜視図である。
【図６】本発明の実施例２における非線形光学結晶ＡＧＳによる３波混合による差周波発生の様子を示す図である。
【図７】本発明の実施例２におけるフォトニック結晶のフォトニックバンド構造を模式的に表した図である。
【図８】本発明の実施例３を説明する為の図である。
【図９】本発明の実施例１の別構成例を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４５】
１１：３次元フォトニック結晶を構成部材とするレーザ共振器
１２：フォトニック結晶共振器構成部材（ＧａＮ）
１３：フォトニック結晶共振器中空構造
１４：ＧａＮ基板
１５：ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸構造（活性媒質）
１６：β−ＢａＢ２Ｏ４（ＢＢＯ）非線形光学結晶（波長変換媒質）
１７：電極
【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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