(57)【要約】【課題】小型化を図ることのできるレーザモジュール、バーコードスキャナーおよび光電センサーを提供する。【解決手段】レーザモジュール２０は、基板と、第１導電型のクラッド層と、発光層と、第２導電型のクラッド層と、フォトニック結晶層とを含むフォトニック結晶レーザ素子１を備えている。第１導電型のクラッド層は、基板上に形成されている。発光層は、第１導電型のクラッド層上に形成され、かつ光を発生する。第２導電型のクラッド層は、発光層上に形成されている。フォトニック結晶層は、第１導電型のクラッド層と第２導電型のクラッド層との間、第１導電型のクラッド層中、または第２導電型のクラッド層中のいずれかに形成され、かつ低屈折率部と、低屈折率部よりも屈折率の高い高屈折率部とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に形成された第１導電型のクラッド層と、前記第１導電型のクラッド層上に形成され、かつ光を発生する発光層と、前記発光層上に形成された第２導電型のクラッド層と、前記第１導電型のクラッド層と前記第２導電型のクラッド層との間、前記第１導電型のクラッド層中、または前記第２導電型のクラッド層中のいずれかに形成され、かつ低屈折率部と、前記低屈折率部よりも屈折率の高い高屈折率部とを有するフォトニック結晶層とを含むフォトニック結晶レーザ素子を備えた、レーザモジュール。
【請求項２】
前記低屈折率部は、１８４ｎｍ以上２３９ｎｍ以下の周期を有する正方格子状に配置されている、請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項３】
前記低屈折率部は、２１２ｎｍ以上２７６ｎｍ以下の周期を有する三角格子状に配置されている、請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項４】
前記フォトニック結晶レーザ素子は、赤色または赤外の前記光を発生する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザモジュール。
【請求項５】
請求項１に記載のレーザモジュールと、
前記フォトニック結晶レーザ素子から発生する前記光を反射させるためのミラーとを備えた、バーコードスキャナー。
【請求項６】
請求項１に記載のレーザモジュールと、
前記フォトニック結晶レーザ素子から発生する前記光を受光する受光部とを備えた、光電センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザモジュール、バーコードスキャナーおよび光電センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、バーコードスキャナーや光電センサーなどの光源として、半導体レーザが用いられている。たとえば、特許第３１０１３９７号（特許文献１）には、半導体レーザと、コリメータレンズと、アパーチャーと、シリンドリカルレンズとを備えたバーコードスキャナーが開示されている。また、特許文献１には、半導体レーザは素子の構成上、出力特性が楕円形状となるので、半導体レーザの出射光をコリメータレンズで平行光とし、アパーチャーで成形した後、シリンドリカルレンズで集光して出射することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３１０１３９７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１のように、光源として半導体レーザを用いた場合には、半導体レーザから出射された光は拡がるため、レンズで集光することが必要であった。このレンズ系は、コリメータレンズ、アパーチャー、シリンドリカルレンズなどを有しており、複雑である。したがって、小型化を阻害するという問題があった。
【０００５】
それゆえ本発明の目的は、小型化を図ることのできるレーザモジュール、バーコードスキャナーおよび光電センサーを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、バーコードスキャナーや光電センサーに用いられるレーザモジュールの小型化を阻害しているのは、レンズ系が複雑であることに起因していることを見い出した。そこで、本発明者は、レンズ系を簡略にするために鋭意研究した結果、本発明の完成に至った。
【０００７】
すなわち、本発明のレーザモジュールは、基板と、第１導電型のクラッド層と、発光層と、第２導電型のクラッド層と、フォトニック結晶層とを含むフォトニック結晶レーザ素子を備えている。第１導電型のクラッド層は、基板上に形成されている。発光層は、第１導電型のクラッド層上に形成され、かつ光を発生する。第２導電型のクラッド層は、発光層上に形成されている。フォトニック結晶層は、第１導電型のクラッド層と第２導電型のクラッド層との間、第１導電型のクラッド層中、または第２導電型のクラッド層中のいずれかに形成され、かつ低屈折率部と、低屈折率部よりも屈折率の高い高屈折率部とを有する。
【０００８】
本発明のレーザモジュールによれば、光源として、フォトニック結晶レーザ素子を備えている。このフォトニック結晶レーザ素子から発生するレーザ光の放射角は狭い。このため、発生する光の集光のために用いるレンズを簡略にすることができる。したがって、小型化を図ることができる。
【０００９】
上記レーザモジュールにおいて好ましくは、低屈折率部は、１８４ｎｍ以上２３９ｎｍ以下の周期を有する正方格子状に配置されている。上記レーザモジュールにおいて好ましくは、低屈折率部は、２１２ｎｍ以上２７６ｎｍ以下の周期を有する三角格子状に配置されている。
【００１０】
これにより、バーコードスキャナー、光電センサーなどに好適に用いられる波長の光を出射することができる。
【００１１】
上記レーザモジュールにおいて好ましくは、フォトニック結晶レーザ素子は、赤色または赤外の光を発生する。
【００１２】
これにより、バーコードスキャナー、光電センサーなどに好適に用いることができる。
本発明のバーコードスキャナーは、上記レーザモジュールと、ミラーとを備えている。ミラーは、フォトニック結晶レーザ素子から発生する光を反射させる。
【００１３】
本発明のバーコードスキャナーによれば、小型化を図ることができるレーザモジュールを備えているので、バーコードスキャナーの小型化を図ることができる。
【００１４】
本発明の光電センサーは、上記レーザモジュールと、受光部とを備えている。受光部は、フォトニック結晶レーザ素子から発生する光を受光する。
【００１５】
本発明の光電センサーによれば、小型化を図ることができるレーザモジュールを備えているので、光電センサーの小型化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
このように、本発明のレーザモジュール、バーコードスキャナーおよび光電センサーによれば、放射角が狭い光を発生するフォトニック結晶レーザ素子を備えているので、小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態１におけるレーザモジュールを概略的に示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶レーザ素子を概略的に示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶レーザ素子のフォトニック結晶層を概略的に示す上面図である。
【図４】本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶レーザ素子のフォトニック結晶層を概略的に示す上面図である。
【図５】比較例におけるレーザモジュールを概略的に示す模式図である。
【図６】比較例における光源を概略的に示す斜視図である。
【図７】比較例における光源を概略的に示す断面図である。
【図８】比較例における光源が発生する光の遠視野像を示す図である。
【図９】比較例における光源が発生する光の遠視野像を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶レーザ素子が発生する光の遠視野像を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態２におけるバーコードスキャナーを概略的に示す斜視図である。
【図１２】図１１におけるＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿った断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態３における光電センサーを概略的に示す模式図である。
【図１４】本発明の実施の形態３の変形例１における光電センサーを概略的に示す模式図である。
【図１５】本発明の実施の形態３の変形例２における光電センサーを概略的に示す模式図である。
【図１６】実施例１のフォトニック結晶レーザ素子を概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付しその説明は繰り返さない。
【００１９】
（実施の形態１）
まず、図１〜図４を参照して、本発明の実施の形態１におけるレーザモジュール２０を説明する。図１に示すように、本実施の形態におけるレーザモジュール２０は、フォトニック結晶レーザ素子１と、フォトニック結晶レーザ素子１を覆うカバー２１とを備えている。カバー２１は、フォトニック結晶レーザ素子１から発生する光を出射する領域に開口部２１ａを有している。
【００２０】
フォトニック結晶レーザ素子１は、図２に示すように、基板３と、ｎ型クラッド層４と、活性層５と、ｐ型クラッド層６、８と、フォトニック結晶層７と、ｐ型電極９と、ｎ型電極１０とを備えている。
【００２１】
基板３は、たとえばＧａＡｓ（ガリウム砒素）基板を用いることができる。ｎ型クラッド層４は、基板３の主面３ａ上に形成されている。ｎ型クラッド層４は、たとえばｎ型ＡｌＧａＩｎＰよりなっており、１μｍの厚みを有している。
【００２２】
活性層５は、ｎ型クラッド層４上に形成され、キャリアの注入により光を発光する。活性層５は、たとえばアンドープＡｌＧａＩｎＰよりなるバリア層と、ＧａＩｎＰよりなる井戸層とが積層されたＭＱＷ（Multiple-Quantum Well：多重量子井戸）構造により構成されている。なお、活性層５は、単一の半導体材料よりなっていてもよい。
【００２３】
ｐ型クラッド層６は、活性層５上に形成されている。ｐ型クラッド層６は、たとえばｐ型ＡｌＧａＩｎＰよりなり、１μｍの厚みを有している。
【００２４】
フォトニック結晶層（２次元回折格子）７は、基板３の主面３ａが延びる方向に沿って、ｐ型クラッド層６上に形成されている。フォトニック結晶層７については、後述する。
【００２５】
ｐ型クラッド層８は、活性層５上に形成され、たとえばｐ型ＡｌＧａＩｎＰよりなり、１μｍの厚みを有している。
【００２６】
ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６、８は、活性層５に与えられるべきキャリアが伝導する導電層として機能する。このため、ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６、８は、活性層５を挟むように設けられている。また、ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６、８は、それぞれ、活性層５にキャリア（電子および正孔）と光とを閉じ込める閉じ込め層として機能する。つまり、ｎ型クラッド層４、活性層５およびｐ型クラッド層６、８は、ダブルヘテロ接合を形成している。このため、発光に寄与するキャリアを活性層５に集中させることができる。なお、ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６、８は、キャリアと光とを閉じ込める効果を効率的にするために、１μｍ以上の厚みを有していることが好ましい。
【００２７】
ｐ型電極９は、ｐ型クラッド層８上に形成されている。ｐ型電極９は、ｐ型クラッド層８の中央部に形成されている。ｐ型電極９は、たとえば金（Ａｕ）と亜鉛（Ｚｎ）との合金などよりなっている。ｐ型電極９は、レーザ発振に必要な電流密度が得られる程度の大きさであることが好ましく、たとえば平面形状が１００μｍ四方程度の大きさを有している。なお、オーミック接合が取れるように、ｐ型クラッド層８とｐ型電極９との間に、ＧａＡｓなどのコンタクト層を入れるのが望ましい。
【００２８】
ｎ型電極１０は、基板３の裏面３ｂ上に形成されている。ｎ型電極１０は、中央部が開口した窓開け電極である。ｎ型電極１０は、たとえばＡｕとＧｅとＮｉとの合金などよりなっている。
【００２９】
ここで、フォトニック結晶層７について説明する。フォトニック結晶層７とは、相対的に低屈折率の材料からなる低屈折率部２ｂと相対的に高屈折率の材料からなる高屈折率部２ａとを有し、屈折率が周期的に変化する構造体を意味する。
【００３０】
フォトニック結晶層７は、相対的に高屈折率の材料からなる高屈折率部２ａと、相対的に低屈折率の材料からなる低屈折率部２ｂとを有している。つまり、高屈折率部２ａは、低屈折率部２ｂの屈折率よりも高い屈折率を有している。フォトニック結晶層７は、高屈折率部２ａと低屈折率部２ｂとが主面７ａから見て周期的に配置されている。フォトニック結晶層７は、たとえば０．１μｍの厚みを有している。
【００３１】
本実施の形態の高屈折率部２ａを構成する材料は、たとえば屈折率が３．３のＡｌＧａＩｎＰからなっている。また低屈折率部２ｂを構成する材料は、高屈折率部２ａに形成された孔に充填された屈折率が１の空気からなっている。高屈折率部２ａおよび低屈折率部２ｂを構成する材料の屈折率の差を大きくとると、フォトニック結晶としての回折効果を出せるため、有利である。なお、低屈折率部２ｂを構成する材料は、高屈折率部２ａを構成する材料の屈折率よりも低ければ特に限定されず、たとえば二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）などの誘電体を用いてもよく、組成が異なる半導体材料を用いてもよい。
【００３２】
高屈折率部２ａおよび低屈折率部２ｂ（本実施の形態では低屈折率部２ｂ）は、図３に示す正方格子や、図４に示す三角格子など一定の向きに整列している。
【００３３】
なお、正方格子とは、フォトニック結晶層７を上方から（主面７ａ側から）見た時に、左右方向および当該左右方向に対して９０°の傾斜角度で低屈折率部２ｂ（または高屈折率部２ａ）が延びることを意味する。つまり、任意の低屈折率部２ｂ（または高屈折率部２ａ）と近接（または隣接）する低屈折率部２ｂ（または高屈折率部２ａ）の数が４となる場合を意味する。
【００３４】
三角格子とは、フォトニック結晶層７を上方から（主面７ａ側から）見た時に、左右方向および当該左右方向に対して６０°の傾斜角度で低屈折率部２ｂ（または高屈折率部２ａ）が延びることを意味する。つまり、任意の低屈折率部２ｂ（または高屈折率部２ａ）と近接（または隣接）する低屈折率部２ｂ（または高屈折率部２ａ）の数が６となる場合を意味する。
【００３５】
低屈折率部２ｂが正方格子に配置されている場合には、隣り合う低屈折率部２ｂの中心間を結ぶ距離である周期（ピッチ）Λは、１８４ｎｍ以上２３９ｎｍ以下であることが好ましい。低屈折率部２ｂが三角格子に配置されている場合には、隣り合う低屈折率部２ｂの中心間を結ぶ距離である周期（ピッチ）Λは、２１２ｎｍ以上２７６ｎｍ以下であることが好ましい。この場合、６０１ｎｍ以上７７９ｎｍ以下の波長の光を発生することができる。このため、赤色の光を発生することができる。
【００３６】
本実施の形態では、上記波長の光を発生するために周期Λを上記範囲にしている。この理由について、以下説明する。
【００３７】
発振したレーザ光がフォトニック結晶層７の主面７ａに垂直な方向（図２において上向き）のみから放出される場合の条件は、１次の回折光を利用する場合である。低屈折率部２ｂの逆格子ベクトルの大きさとレーザ光の波数とが等しい場合、２次の回折光は面内方向に向き、共振しながら増幅される。そのとき、１次の回折光はフォトニック結晶層７の主面７ａに垂直な方向を向くため、フォトニック結晶層７の主面７ａに対して垂直に光が放射される。フォトニック結晶層７のパターンが正方格子の場合、低屈折率部２ｂの周期（図３の周期Λ）の大きさをΛ（単位：ｎｍ）としたとき、逆格子ベクトルの大きさは２π/Λである。このため、レーザ共振器中での光が感じる実効屈折率をｎとしたときに、波長がｎ×Λ（以下ｎΛとも記す）に等しい光がこの条件を満たす。
【００３８】
本実施の形態では、赤色または赤外の光を発生させるために、フォトニック結晶層７の高屈折率部２ａの材料をＡｌＧａＩｎＰ、低屈折率部２ｂの材料を空気としており、その結果得られる光が感じる実効屈折率は３．２６である。赤色の光の波長は６０１ｎｍ以上７７９ｎｍ以下であるので、６０１≦ｎΛ≦７７９を満たす周期Λは、１８４ｎｍ以上２３９ｎｍ以下になる。
【００３９】
フォトニック結晶層７のパターンが三角格子の場合、低屈折率部２ｂの周期（図４の周期Λ）の大きさをΛとしたとき、逆格子ベクトルの大きさは（２π／Λ）・｛２／（３）1/2｝である。このため、周期Λの｛（３）1/2ｎ／２｝倍に等しい波長の光、すなわちｎ×Λ×｛（３）1/2／２｝の波長の光がこの条件を満たす。
【００４０】
本実施の形態では、赤色または赤外の光を発生させるために、フォトニック結晶層７の高屈折率部２ａの材料をＡｌＧａＩｎＰ、低屈折率部２ｂの材料を空気としており、その結果得られる光が感じる実効屈折率は３．２６である。赤色の光の波長は６０１ｎｍ以上７７９ｎｍ以下であるので、６０１≦Λｎ（（３）1/2／２）≦７７９を満たす周期Λは、２１２ｎｍ以上２７６ｎｍ以下になる。
【００４１】
本実施の形態では、赤色の光を取り出すために、周期Λを制御しているが、赤外の光を取り出す場合にも同様に周期Λを制御することができる。赤外の光の波長は、７８０ｎｍ以上１６００ｎｍ以下である。このため、低屈折率部２ｂは、２４４ｎｍ以上５００ｎｍ以下の周期Λを有する正方格子状に配置されている、あるいは、２８１ｎｍ以上５７７ｎｍ以下の周期Λを有する三角格子状に配置されていることが好ましい。
【００４２】
続いて、図１〜図４を参照して、本実施の形態におけるレーザモジュール２０の製造方法について説明する。
【００４３】
まず、図２に示すように、基板３を準備する。次に、基板３の主面３ａ上にｎ型クラッド層４を形成する。この工程では、たとえば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相堆積）法により、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰよりなり、１μｍの厚みを有するｎ型クラッド層４を形成する。
【００４４】
次に、ｎ型クラッド層４上に、光を発生する活性層５を形成する。この工程では、たとえば、ＭＯＣＶＤ法によりアンドープＡｌＧａＩｎＰよりなるバリア層と、ＧａＩｎＰよりなる井戸層とを含む多重量子井戸構造の活性層５を形成する。
【００４５】
次に、活性層５上にｐ型クラッド層６を形成する。この工程では、たとえばＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＡｌＧａＩｎＰよりなり、１μｍの厚みを有するｐ型クラッド層６を形成する。
【００４６】
次に、図２〜図４に示すように、ｐ型クラッド層６上に、フォトニック結晶層７を形成する。本実施の形態では、低屈折率部２ｂが空気であるフォトニック結晶層７を形成している。具体的には、以下のような処理を行なう。
【００４７】
まず、高屈折率部２ａとなるべき材料である半導体層をｐ型クラッド層６上に形成する。その後、この半導体層上に、フォトリソグラフィ法を用いてパターンを有するレジストを形成する。このレジストにおいては、図２〜図４に示したフォトニック結晶層７の低屈折率部２ｂを構成する孔が形成されるべき領域上に開口パターンが形成されている。この開口パターンの平面形状は孔の平面形状と同様であり、たとえば円形状とすることができる。この開口パターンは、発光する光の波長を考慮して、１８４ｎｍ以上２３９ｎｍ以下の周期Λを有する正方格子状、または２１２ｎｍ以上２７６ｎｍ以下の周期Λを有する三角格子状に形成されることが好ましい。次に、レジストをマスクとして用いて、半導体層を部分的にエッチングにより除去することにより、孔を形成する。この後、レジストを除去する。これにより、半導体からなる高屈折率部２ａと、孔で囲まれた空気よりなる低屈折率部２ｂとを有するフォトニック結晶層７を形成することができる。
【００４８】
次に、フォトニック結晶層７上にｐ型クラッド層８を形成する。この工程では、たとえばＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＡｌＧａＩｎＰよりなり、１μｍの厚みを有するｐ型クラッド層８を形成する。ｐ型クラッド層８を形成することにより、フォトニック結晶層７の低屈折率部２ｂは孔およびｐ型クラッド層８で取り囲まれる。
【００４９】
次に、ｐ型クラッド層８上にｐ型電極９を形成する。この工程では、たとえば、ｐ型クラッド層８上に、たとえば蒸着法により、ＡｕとＺｎとＡｕとをこの順で蒸着して、合金化のための熱処理を施して、ｐ型電極９を形成する。なお、オーミック接合が取れるように、ｐ型クラッド層８とｐ型電極９との間に、ＧａＡｓなどのコンタクト層を形成するのが望ましい。
【００５０】
次に、基板３の裏面３ｂにｎ型電極１０を形成する。この工程では、たとえば、基板３の裏面に、Ａｕ−ＧｅとＮｉとＡｕとを順に蒸着法により積層し、合金化のための熱処理を施す。以上の工程により、フォトニック結晶レーザ素子１を製造することができる。
【００５１】
次に、図１に示すように、フォトニック結晶レーザ素子１をカバー２１の内部に収容する。以上の工程を実施することにより、図１に示すレーザモジュール２０を製造することができる。
【００５２】
なお、本実施の形態のフォトニック結晶レーザ素子１として、電極が上下に形成された構造を例に挙げて説明したが、特にこの構造に限定されず、本発明のフォトニック結晶レーザ素子はｐ型電極９およびｎ型電極１０が上側（基板３と反対側）に形成された構造なども適用することができる。
【００５３】
ここで、本実施の形態のレーザモジュール２０として、カバー２１を備えた構造を例に挙げて説明したが、特にこの構造に限定されず、本発明のレーザモジュールは、カバー２１の代わりに、あるいはカバー２１と共に、ベースなどの部材を備えていてもよい。ベースを用いる場合には、レーザモジュールは、ベースと、ベース上に配置されたフォトニック結晶レーザ素子１とを備える。つまり、レーザモジュールは、ベースに覆われていない部材をさらに備える。
【００５４】
次に、本実施の形態のレーザモジュール２０の動作について、図１〜図４を用いて説明する。
【００５５】
フォトニック結晶レーザ素子１において、ｐ型電極９に正電圧を、ｎ型電極１０に負電圧を印加すると、ｐ型クラッド層６、８から活性層５へ正孔が注入され、ｎ型クラッド層４から活性層５へ電子が注入される。活性層５へ正孔および電子（キャリア）が注入されると、キャリアの再結合が起こり、光が発生される。発生される光の波長は、活性層５が備える半導体層のバンドギャップによって規定される。
【００５６】
活性層５において発生された光は、ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６、８によって活性層５内に閉じ込められるが、一部の光はエバネッセント光としてフォトニック結晶層７に到達する。フォトニック結晶層７に到達したエバネッセント光の波長と、フォトニック結晶層７が有する所定の周期とが一致する場合には、その周期に対応する波長において光は回折を繰り返し、定在波が発生し、位相条件が規定される。フォトニック結晶層７によって位相が規定された光は、活性層５内の光にフィードバックされ、やはり定在波を発生させる。この定在波は、フォトニック結晶層７において規定される光の波長および位相条件を満足している。
【００５７】
このような現象は、活性層５およびフォトニック結晶層７が２次元的に広がりをもって形成されているので、ｐ型電極９を中心にした領域およびその付近において生じうる。十分な量の光がこの状態に蓄積された場合、波長および位相条件の揃った光Ｌが、フォトニック結晶層７の主面７ａに垂直な方向（図１において上方向）から誘導放出される。この発生した光Ｌが、カバー２１の開口部２１ａから出射される。
【００５８】
続いて、図５〜図７に示す比較例のレーザモジュール１００と比較して、本実施の形態におけるレーザモジュール２０の効果について説明する。
【００５９】
図５に示す比較例のレーザモジュール１００は、半導体レーザ素子１１０と、コリメータレンズ１０１と、集光レンズ１０２とを備えている。半導体レーザ素子１１０は、フォトニック結晶レーザ素子１の代わりに、光源として用いられている。半導体レーザ素子１１０は、図６に示す端面発光型レーザ１１０ａ、図７に示すＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER：垂直共振器面発光レーザ）と呼ばれる面発光レーザ１１０ｂなどである。
【００６０】
図６に示す端面発光型レーザ１１０ａは、たとえば、基板１１１と、基板１１１上に形成されたｎ型クラッド層１１２と、ｎ型クラッド層１１２上に形成された活性層１１３と、活性層１１３上に形成されたｐ型クラッド層１１４と、ｐ型クラッド層１１４上に形成された電極１１５と、基板１１１の裏面側に形成された電極１１６とを備えている。図６に示すように、端面発光型レーザ１１０ａは、それぞれの層に平行な方向に光を発生する。
【００６１】
図７に示す面発光レーザ１１０ｂは、基板１１１と、基板１１１上に形成されたＤＢＲ（Distributed Bragg Reflection：分布ブラッグ反射）ミラー１１８と、ＤＢＲミラー１１８上に形成された活性層１１３と、活性層１１３上に形成され、開口部を有する酸化膜１１９と、酸化膜１１９の開口部であって、かつ活性層１１３上に形成されたＤＢＲミラー１２０と、ＤＢＲミラー１２０上に形成された開口部を有する電極１１７と、基板１１１の裏面側に形成された電極１１６とを備えている。図７に示すように、面発光レーザ１１０ｂは、基板１１１の表面側の電極１１５に設けた開口部から光を発生する。
【００６２】
図６に示す端面発光型レーザ１１０ａが発生する光の遠視野像は、図８に示すように、拡がっていることがわかる。図７に示す面発光レーザ１１０ｂが発生する光の遠視野像も、図９に示すように、拡がっていることがわかる。このため、端面発光型レーザ１１０ａ、面発光レーザ１１０ｂなどの半導体レーザ素子１１０を備えている場合には、半導体レーザ素子１１０から発生した光を集光するために、少なくともコリメータレンズ１０１および集光レンズ１０２を用いる必要がある。したがって、比較例のレーザモジュール１００では、レンズ系が複雑になり、小型化を図ることができないという問題がある。
【００６３】
一方、本実施の形態におけるレーザモジュール２０は、光源としてフォトニック結晶レーザ素子１を用いている。フォトニック結晶レーザ素子１のレーザ光は、前述のようにフォトニック結晶層７による回折効果のおかげで、フォトニック結晶層７の主面７ａに垂直な方向から放出される。また、フォトニック結晶層７の面内の方向の共振はフォトニック結晶層７全面で生じるため、結果として光放射部（放出部）の面積を大きくできる。これにより、フォトニック結晶レーザ素子１から放射される光の放射角を非常に狭くすることができる。これは、フォトニック結晶レーザ素子１が発生する光の遠視野像が図１０に示すように１°未満と非常に狭く、ほとんど拡がらないことからもわかる。このように、図５に示す比較例のレーザモジュール１００と異なり、本実施の形態におけるレーザモジュール２０では、図５に示すようにレンズを用いて集光する必要がなくなる、もしくは、使用するとしても比較例のレンズよりも薄いレンズを１枚程度用いることで、所望のビームパターン、集光径、焦点深度、結像位置などを得るように対応することができる。これにより、レンズ系を単純にすることができる。したがって、本実施の形態におけるレーザモジュール２０の小型化を図ることができるとともに、コストを低減することができる。
【００６４】
特に、低屈折率部２ｂが１８４ｎｍ以上２３９ｎｍ以下の周期を有する正方格子状に配置されている場合、または、低屈折率部２ｂが２１２ｎｍ以上２７６ｎｍ以下の周期を有する三角格子状に配置されている場合には、赤色のレーザ光を出射させることができる。このため、レーザモジュール２０は、赤色のレーザ光の用途として一般的な光電センサー、バーコードスキャナーなどに好適に用いられる。
【００６５】
なお、実施の形態１のフォトニック結晶レーザ素子１ではｎ型クラッド層４とｐ型クラッド層８との間にフォトニック結晶層７を配置しているが、特にこれに限定されない。フォトニック結晶層７は、材料に関わらず、ｎ型クラッド層４中、ｐ型クラッド層６、８中のいずれかに形成されていてもよい。
【００６６】
また、フォトニック結晶層７は、半導体からなる高屈折率部２ａと、空気および誘電体の少なくとも一方からなる低屈折率部２ｂとを有する構造を例に挙げて説明したが、特にこれに限定されない。高屈折率部２ａおよび低屈折率部２ｂは、屈折率に差があればよく、互いに異なる材料の半導体からなっていてもよい。
【００６７】
（実施の形態２）
図１１および図１２を参照して、本実施の形態におけるバーコードスキャナー３０について説明する。本実施の形態におけるバーコードスキャナー３０は、レーザー方式である。
【００６８】
図１１および図１２に示すように、バーコードスキャナー３０は、実施の形態１のレーザモジュール２０と、ミラー３１、３２と、ポリゴンミラー３３と、モータ３４と、集光レンズ３５と、フォトダイオード３６と、筐体３７、３８とを備えている。ミラー３１、３２は、レーザモジュール２０のフォトニック結晶レーザ素子から発生した光を反射する。ポリゴンミラー３３は、ミラー３１、３２からの光ＬをバーコードＢに照射する。モータ３４は、ポリゴンミラー３３を駆動する。集光レンズ３５は、バーコードＢから反射した光を集光する。フォトダイオード３６は、集光レンズ３５で集光した反射光を読み取る。筐体３７は、レーザモジュール２０を内部に収容し、持つことが可能である。筐体３８は、ミラー３１、３２、ポリゴンミラー３３、モータ３４、集光レンズ３５、およびフォトダイオード３６を内部に収容する。
【００６９】
なお、バーコードスキャナー３０は、ガルバノミラーをさらに備えていてもよい。この場合には、上下左右に光Ｌを照射できるので、２次元バーコードにも対応できる。
【００７０】
続いて、本実施の形態におけるバーコードスキャナー３０の動作について説明する。図１１および図１２に示すように、レーザモジュール２０のフォトニック結晶レーザ素子から光が発生される。この光は、ミラー３１、３２により、ポリゴンミラー３３に向けて反射される。１本の光Ｌはモータ３４により稼動するポリゴンミラー３３に反射されて、左右に振られることで、バーコードＢに照射される。このように、レーザモジュール２０から発生する光をバーコードＢに左右に照射することで、それぞれの光Ｌを矢印Ａのように走査することができる。バーコードＢに照射したそれぞれの光ＬがバーコードＢにより反射され、反射された光を集光レンズ３５で集光（受光）する。受光した光は、フォトダイオード３６に伝達され、反射された光によりバーコードＢを読み取る。
【００７１】
本実施の形態のバーコードスキャナー３０は、実施の形態１におけるレーザモジュール２０を用いている。フォトニック結晶レーザ素子から発生する光の放射角は狭いので、発生する光の集光のために用いるレンズを簡略にしている。このため、レーザモジュール２０の小型化を図ることができるので、バーコードスキャナー３０の小型化を図ることができる。
【００７２】
以上のように、本実施の形態におけるバーコードスキャナー３０によれば、離れた位置のバーコードＢを読み取り可能とし、かつバーコードスキャナー３０の小型化を可能としている。
【００７３】
（実施の形態３）
図１３を参照して、本実施の形態における光電センサー４０について説明する。本実施の形態における光電センサー４０は、透過型である。
【００７４】
光電センサー４０は、実施の形態１のレーザモジュール２０と、投光器４１と、受光部４２と、受光器４３とを備えている。レーザモジュール２０は、投光部である。投光器４１は、内部にレーザモジュール２０を収容している。受光部４２は、投光器４１のレーザモジュール２０から発生した光Ｌのうち検出物体Ｄを透過した透過光Ｔを受光する。受光器４３は、受光部４２を内部に収容する。受光器４３は、光電管を使用してもよい。この場合の光電センサー４０は、光電管センサーである。
【００７５】
続いて、本実施の形態における光電センサー４０の動作について説明する。図１３に示すように、レーザモジュール２０のフォトニック結晶レーザ素子から検出物体Ｄに向けて光Ｌが発生される。検出物体Ｄに照射された光Ｌの一部は、検出物体Ｄを透過する。この透過光Ｔは、受光器４３内の受光部４２に到達する。光Ｌは検出物体Ｄによって遮られるので、受光部４２に到達した透過光Ｔの量は光Ｌの量から変化する。受光部４２は、この変化を検出して、電気信号に変換して出力する。
【００７６】
（変形例１）
本実施の形態の変形例１の光電センサー５０は、図１４に示すように、回帰反射型である点において、実施の形態３の光電センサー４０と異なる。
【００７７】
具体的には、変形例１の光電センサー５０は、レーザモジュール２０と、受光部４２と、投受光器５１と、回帰反射板５２とを備えている。レーザモジュール２０および受光部４２は、投受光器５１の内部に収容されている。回帰反射板５２は、レーザモジュール２０から発生した光のうち検出物体Ｄを透過した透過光Ｔを反射する。
【００７８】
続いて、変形例１の光電センサー５０の動作について説明する。図１４に示すように、レーザモジュール２０のフォトニック結晶レーザ素子から検出物体Ｄに向けて光Ｌが発生される。検出物体Ｄに照射された光Ｌの一部は、検出物体Ｄにより反射される。この反射光Ｒは投受光器５１内の受光部４２に到達する。また、検出物体Ｄに照射された光Ｌの残部は、検出物体Ｄを透過する。この透過光Ｔは、回帰反射板５２により反射され、反射光は検出物体Ｄを一部透過して、投受光器５１内の受光部４２に到達する。光Ｌが検出物体Ｄによって反射されたり遮られたりすると、受光部４２に到達した反射光Ｒの量は光Ｌの量から変化する。受光部４２は、この変化を検出して、電気信号に変換して出力する。
【００７９】
（変形例２）
本実施の形態の変形例２の光電センサー６０は、図１５に示すように、拡散反射型である点において、実施の形態３の光電センサー４０と異なる。
【００８０】
具体的には、変形例２の光電センサー６０は、レーザモジュール２０と、受光部４２と、投受光器６１とを備えている。レーザモジュール２０および受光部４２は、投受光器６１の内部に収容されている。
【００８１】
続いて、変形例２の光電センサー６０の動作について説明する。図１５に示すように、レーザモジュール２０のフォトニック結晶レーザ素子から検出物体Ｄに向けて光Ｌが発生される。検出物体Ｄに照射された光Ｌの一部は、検出物体Ｄにより反射される。この反射光Ｒは投受光器６１内の受光部４２に到達する。また、検出物体Ｄに照射された光Ｌの残部は、検出物体Ｄを透過する。Ｌは検出物体Ｄによって反射されたり遮られたりすると、受光部４２に到達した反射光Ｒの量は光Ｌの量から変化する。受光部４２は、この変化を検出して、電気信号に変換して出力する。
【００８２】
本実施の形態およびその変形例１、２では、実施の形態１におけるレーザモジュール２０を用いている。フォトニック結晶レーザ素子から発生する光の放射角は狭いので、発生する光の集光のために用いるレンズを簡略にしている。このため、レーザモジュール２０の小型化を図ることができるので、光電センサー４０、５０、６０の小型化を図ることができる。
【００８３】
また、フォトニック結晶レーザ素子から発生する光の放射角が狭いので、空間分解能を高くできる。このため、微小物体の検出や高精度の位置検出が可能な光電センサー４０、５０、６０を実現できる。
【００８４】
以上のように、本実施の形態およびその変形例１、２における光電センサー４０、５０、６０によれば、検出物体の検出を可能とし、かつ光電センサー４０、５０、６０の小型化を可能としている。
【実施例１】
【００８５】
本実施例では、フォトニック結晶レーザ素子が発生する光の波長について調べた。
本実施例では、図１６に示すように、活性層５にＡｌＧａＩｎＰを用いて波長６５０ｎｍ前後のフォトニック結晶面発光レーザを作製した。
【００８６】
具体的には、ＧａＡｓよりなる基板３上にＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長で、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰよりなるｎ型クラッド層４、活性層５、およびｐ型ＡｌＧａＩｎＰよりなるｐ型クラッド層６をこの順で成長した。
【００８７】
次に、ｐ型クラッド層６上に、ＭＯＣＶＤ法により、高屈折率部２ａとなるべき層を成長した。その後、電子ビーム描画装置でパターニングしたレジストをマスクとし、反応性イオンエッチング装置で塩素ガスを用いたドライエッチングにより円孔を掘ることでフォトニック結晶層７の低屈折率部２ｂ（パターン）を作製した。これにより、ＡｌＧａＩｎＰよりなる高屈折率部２ａと、空気よりなる低屈折率部２ｂとを形成した。なお、空気の屈折率は、１であり、ＡｌＧａＩｎＰの屈折率は３．３であった。
【００８８】
さらにＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長を行ない、ｐ型クラッド層８、およびｐ型コンタクト層１１を成長した。最後に、ｎ側にＡｕとＧｅとＮｉとの合金からなるｎ型電極１０を、ｐ側にＡｕとＺｎとの合金からなるｐ型電極９をそれぞれ蒸着し、ステム１２に実装することでフォトニック結晶レーザ素子とした。低屈折率部２ｂの配置および周期Λを種々変化させて、複数のフォトニック結晶レーザ素子を作製した。
【００８９】
この複数のフォトニック結晶レーザ素子の中のフォトニック結晶層の低屈折率部２ｂの周期Λ、および発生するレーザ光の波長（動作波長）の結果を下記の表１に示す。
【００９０】
【表１】
2011018798.tif 000003
【００９１】
表１に示すように、赤色に近い波長である６０１ｎｍ以上７７９ｎｍ以下でフォトニック結晶レーザ素子を動作させようとする場合、正方格子パターンの場合は１８４ｎｍ以上２３９ｎｍ以下、三角格子パターンの場合は２１２ｎｍ以上２７６ｎｍ以下の範囲に周期Λがあることが必要であることがわかった。
【００９２】
以上より、本実施例によれば、低屈折率部が１８４ｎｍ以上２３９ｎｍ以下の周期を有する正方格子状に配置されている場合、または、低屈折率部が２１２ｎｍ以上２７６ｎｍ以下の周期を有する三角格子状に配置されている場合には、赤色の波長の光を発生することができることが確認できた。
【実施例２】
【００９３】
本実施例では、レーザモジュールがフォトニック結晶レーザ素子を備えることの効果について調べた。
【００９４】
具体的には、実施例１の各々のフォトニック結晶レーザ素子を実施の形態２のバーコードスキャナーおよび実施の形態３の光電センサーに配置した。このとき、レーザモジュールには、レンズを配置しなかった。
【００９５】
その結果、実施例１の複数のフォトニック結晶レーザ素子を備えたレーザモジュールを装着したバーコードスキャナーおよび光電センサーは、レーザモジュールにレンズが配置されていなくても、動作できた。
【００９６】
以上より、本実施例によれば、フォトニック結晶レーザ素子を備えたレーザモジュールを用いることにより、レンズを省略することが可能であることが確認できた。また、フォトニック結晶レーザ素子を備えたレーザモジュールの小型化を図れることが確認できた。
【００９７】
さらに、フォトニック結晶レーザ素子を備えたレーザモジュールを装着したバーコードスキャナーおよび光電センサーについても、小型化を図れることが確認できた。
【００９８】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、各実施の形態および実施例の特徴を適宜組み合わせることも当初から予定している。また、今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００９９】
１  フォトニック結晶レーザ素子、２ａ  高屈折率部、２ｂ  低屈折率部、３  基板、３ａ，７ａ  主面、３ｂ  裏面、４  ｎ型クラッド層、５  活性層、６，８  ｐ型クラッド層、７  フォトニック結晶層、９  ｐ型電極、１０  ｎ型電極、１１  ｐ型コンタクト層、１２  ステム、２０  レーザモジュール、２１  カバー、２１ａ  開口部、３０  バーコードスキャナー、３１，３２  ミラー、３３  ポリゴンミラー、３４  モータ、３５  集光レンズ、３６  フォトダイオード、３７，３８  筐体、４０，５０，６０  光電センサー、４１  投光器、４２  受光部、４３  受光器、５１，６１  投受光器、５２  回帰反射板、Ｂ  バーコード、Ｄ  検出物体、Ｌ  光、Ｒ  反射光、Ｔ  透過光。
【図１】
2011018798.tif 000004
【図２】
2011018798.tif 000005
【図３】
2011018798.tif 000006
【図４】
2011018798.tif 000007
【図５】
2011018798.tif 000008
【図６】
2011018798.tif 000009
【図７】
2011018798.tif 000010
【図１１】
2011018798.tif 000011
【図１２】
2011018798.tif 000012
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2011018798.tif 000016
【図８】
2011018798.tif 000017
【図９】
2011018798.tif 000018
【図１０】
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