(57)【要約】【課題】光ピックアップやレーザ加工装置等の光源に適した偏光を有するレーザ光を出射することができる２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源を提供する。【解決手段】活性層と、前記活性層の一方の側に設けた２次元フォトニック結晶４３と、２次元フォトニック結晶４３の周囲の少なくとも一部に設けた反射部であって、該反射部により光が反射されることにより生じる該光の位相変化が-0.5πよりも大きく0.5πよりも小さくなるように形成された反射部６１とを備える。これにより、中心部に強度を持たない環状の断面形状を有し、その中心から外側に向かう方向に偏光した径偏光環状レーザビームが得られる。径偏光環状レーザビームを集光することにより、ビーム径が回折限界値よりも小さいレーザビームを得ることができるため、このビームは光ピックアップやレーザ加工装置等の光源に好適に用いることができる。【選択図】図１２
2011176375.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
a) 活性層と、
b) 前記活性層の一方の側に設けた２次元フォトニック結晶と、
c) 前記２次元フォトニック結晶の周囲の少なくとも一部に設けた反射部であって、該反射部により光が反射されることにより生じる該光の位相変化が-0.5πよりも大きく0.5πよりも小さくなるように形成された反射部と、
を備え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光源。
【請求項２】
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光源と、
前記２次元フォトニック結晶面発光レーザから発振されるレーザビームを回折限界以下の径まで集光する集光レンズと、
を備えることを特徴とする超解像レーザビーム発生装置。
【請求項３】
請求項２に記載の超解像レーザビーム発生装置を光源として備えることを特徴とする光ピックアップ。
【請求項４】
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光源を、被加工物に光を照射するための光源として備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平面状の光源から面に垂直な方向にレーザ光を放射する２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フォトニック結晶を用いた新しいタイプのレーザ光源が開発されている。フォトニック結晶とは、誘電体から成る母材に周期構造を人工的に形成したものである。周期構造は一般に、母材とは屈折率が異なる領域（異屈折率領域）を母材内に周期的に設けることにより形成される。この周期構造により、結晶内でブラッグ回折が生じ、また、光のエネルギーにエネルギーバンドギャップが現れる。フォトニック結晶レーザ光源には、バンドギャップ効果を利用して点欠陥を共振器として用いるものと、光の群速度が0となるバンド端の定在波を利用するものがある。いずれも所定の波長の光を増幅してレーザ発振を得るものである。
【０００３】
特許文献１には、発光材料を含む活性層の近傍に２次元フォトニック結晶を形成したレーザ光源が記載されている。この２次元フォトニック結晶には、半導体から成る板状の母材に円柱状の空孔が周期的（三角格子状、正方格子状、六角格子状等）に設けられ、屈折率の分布が２次元的な周期性を持っている。この周期を、電極からのキャリアの注入により活性層で生成される光の媒質内波長に一致させておくことにより、２次元フォトニック結晶の内部に２次元定在波が形成され、それにより光が強められてレーザ発振する。
【０００４】
２次元定在波が形成された２次元フォトニック結晶内の光（以下、「内部共振光」と呼ぶ）は、その一部が２次元フォトニック結晶の側部から漏れ出す。これによりエネルギーの損失が生じて効率が低下したり、その漏れ出した光が活性層に吸収されて熱を発生させたりする。これらが原因となって、レーザ発振させることができる電流の最小値（閾値利得）が大きくなる。
【０００５】
特許文献２には、２次元フォトニック結晶の周囲に、内部共振光を反射する部材を設けた２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源が記載されている。これにより、２次元フォトニック結晶の側部から内部共振光が漏れ出すことを防ぎ、光の利用効率を向上させることができる、とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開2000-332351号公報（[0037]〜[0056], 図1）
【特許文献２】特開2003-273456号公報（[0023]〜[0026], 図1）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、このような反射部材を設けた２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源には、以下のような問題があった。
ここでは、図１(a)に示すように２次元フォトニック結晶１１を矩形に囲うように反射部１２を設けた場合を例に説明する。この例における２次元フォトニック結晶１１は、スラブ状の母材１１１に、母材１１１とは屈折率が異なる空孔１１２を正方格子状に配列したものである。キャリアの注入により活性層において生成される光により、図１(b)に示すように、２次元フォトニック結晶１１において空孔１１２の周期と同じ周期又はその整数分の１の周期を有する定在波１３が形成される。反射部１２が存在することにより、この定在波１３の振幅は反射部１２の位置において節になる包絡線で表される分布を有する。図１(c)に示すように、この振幅の分布には、包絡線が１つの腹のみを持つ基本モード（１次モード）１４１の他に、複数の腹を有する２次モード１４２、３次モード１４３、...という高次モードがある。
【０００８】
なお、図１(c)では簡単のために振幅の包絡線を１次元状に示したが、実際には２次元フォトニック結晶の２次元構造により、振幅の包絡線も２次元分布を有する。図２(a)に１次モード（基本モード）の振幅の包絡線の２次元分布の例を、図２(b)に２次モード（高次モード）の振幅の包絡線の２次元分布の例を、それぞれ示す。この図では、反射部１２はx座標及びy座標の座標軸を含む矩形の辺上に形成されている。
【０００９】
特許文献２に記載の反射部材を設けた２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源では、レーザ光の波長は、いずれのモードにおいても基本的には空孔１１２の周期で定まる。しかし、モード毎に異なる包絡線の周期の影響を受けることにより、各モードから発振されるレーザ光の間にはわずかに波長の相違が生じる。例えば波長980nm付近で発振する２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源において、基本モード１４１により発振されるレーザ光と２次モード１４２により発振されるレーザ光の波長の間に0.1nmオーダーの波長の違いが生じる。波長分割多重通信の光源では、互いにわずかに波長が異なる光によりそれぞれ異なる情報が伝送されるため、光源の波長にこのようなわずかな相違が生じるだけで、クロストーク等の問題が生じる。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、光の利用効率が高く、しかも単一波長のレーザ光を出射させることができる２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源を提供することである。
【００１１】
また、本願発明者は、前記課題を解決するために反射部における内部共振光の反射の条件を検討を行った結果、出射されるレーザ光の偏光方向を制御することができることを見出した。本発明はこの偏光制御を利用して、光ピックアップやレーザ加工装置等の光源に適した偏光を有するレーザ光を出射することができる２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源を提供することも課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために成された本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源の第１の態様のものは、
a) 活性層と、
b) 前記活性層の一方の側に設けた２次元フォトニック結晶と、
c) 前記２次元フォトニック結晶の周囲の少なくとも一部に設けた反射部であって、該２次元フォトニック結晶内に形成される内部共振光の基本モードの振幅の包絡線が極大値を持つ位置において反射率が極大値を持つ反射率分布を有する反射部と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
前記反射部は、前記２次元フォトニック結晶を囲む線上のうち、前記基本モードの振幅の包絡線が極大値を持つ位置を含む一部分にのみ前記内部共振光を反射する部材を設けることにより形成することができる。
【００１４】
前記反射部の少なくとも一部は前記２次元フォトニック結晶の外縁よりも内側に形成することができる。
【００１５】
前記２次元フォトニック結晶は、前記基本モードの振幅の包絡線が極大値を持つ位置以外において少なくとも一部が曲線状である外縁を有するものであってもよい。
【００１６】
前記反射部は、前記２次元フォトニック結晶の周囲のスラブの外縁に平行に設けられた複数本の溝により形成され、前記反射率分布は該溝の本数の違いにより形成されていてもよい。
【００１７】
本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源の第２の態様のものは、
a) 活性層と、
b) 前記活性層の一方の側に設けた２次元フォトニック結晶と、
c) 前記２次元フォトニック結晶の周囲の少なくとも一部に設けた反射部であって、該反射部により光が反射されることにより生じる該光の位相変化が-0.5πよりも大きく0.5πよりも小さくなるように形成された反射部と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の第１の態様及び第２の態様の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源（以下、「面発光レーザ」とする。）は、それぞれの反射部の構成により以下の効果が得られる。
【００１９】
(1)第１の態様の面発光レーザ
第１の態様の面発光レーザによれば、反射部が設けられていることにより、特許文献２の面発光レーザと同様に高い光の利用効率が得られる。そのうえ、反射部が基本モードの振幅の包絡線が極大値を持つ位置において極大値を持つように反射率分布を有することにより、基本モードによるレーザ発振を選択的に得ることができ、それにより、特許文献２の面発光レーザでは得られない単一波長のレーザ光を出射させることができる。
なお、モードの次数が高くなる程、それとは次数が１つだけ異なるモードが同時に形成されやすくなるため、本発明では最も次数の低い基本モードが選択されるようにしている。
【００２０】
反射部を、２次元フォトニック結晶を囲む線上のうち基本モードの振幅の包絡線が極大値を持つ位置を含む一部分にのみ設けることにより、この位置において振幅の極大値を持つ基本モードの光が２次元フォトニック結晶から漏れ出すことを防ぐことができる一方、そこから離れた位置で振幅の極大値を持つ２次モードの光は２次元フォトニック結晶から漏れ出し易くなるため、効果的に基本モードによるレーザ発振を選択することができる。
【００２１】
反射部の少なくとも一部を２次元フォトニック結晶内に形成することにより、２次元フォトニック結晶の外縁において自然に生じる光の反射の影響を受けることなく基本モードの振幅の制御を行うことができる。
【００２２】
基本モードの振幅の包絡線が極大値を持つ位置以外において２次元フォトニック結晶の外縁の少なくとも一部を曲線状とした場合には、その曲線状の外縁に入射する２次元フォトニック結晶内の光は入射方向に対して角度をもって反射される。そのため、正反対の方向への反射率が等価的に低くなるため、効果的に基本モードによるレーザ発振を選択することができる。
【００２３】
２次元フォトニック結晶の周囲のスラブに複数本の溝を設けることによって反射部を形成することにより、溝の本数の調整により反射率を制御することができるため、基本モードの振幅の包絡線が極大値を持つ位置において極大値を持つように、反射率を容易に制御することができる。
【００２４】
(2)第２の態様の面発光レーザ
第２の態様の面発光レーザによれば、中心部に強度を持たない環状の断面形状を有し、その中心から外側に向かう方向（径方向）に偏光したレーザビームを得ることができる。このようなレーザビームを「径偏光環状レーザビーム」と呼ぶ。径偏光環状レーザビームを集光することにより、ビーム径が回折限界値よりも小さいレーザビームを得ることができる。このビームは光ピックアップやレーザ加工装置等の光源に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】２次元フォトニック結晶に反射部材を設けた従来の面発光レーザにおける問題点を説明する模式図。
【図２】２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源における内部共振光の振幅の包絡線の２次元分布を示すグラフ。
【図３】径偏光環状レーザビームの断面を示す模式図。
【図４】第１実施例及び第２実施例（第１の態様）の面発光レーザの斜視図。
【図５】第１実施例及び第２実施例の面発光レーザにおける２次元フォトニック結晶層３５を示す平面図。
【図６】比較例における２次元フォトニック結晶層３５を示す平面図。
【図７】比較例の面発光レーザにおける閾値利得の計算結果を示すグラフ。
【図８】第１実施例の面発光レーザにおける閾値利得の計算結果を示すグラフ。
【図９】第２実施例の面発光レーザにおける閾値利得の計算結果を示すグラフ。
【図１０】比較例、第１実施例及び第２実施例の面発光レーザにおける１次モードの閾値利得と２次モードの閾値利得の差の計算結果を示すグラフ。
【図１１】第３実施例（第１の態様）の面発光レーザにおける２次元フォトニック結晶層３５を示す平面図。
【図１２】第４実施例（第２の態様）の面発光レーザにおける２次元フォトニック結晶層３５を示す平面図。
【図１３】径偏光環状レーザビームを発振するモードと円周偏光環状レーザビームを発振するモードについて、反射部における反射による位相変化と閾値利得の関係を計算した結果を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
(1)第１の態様の面発光レーザ
第１の態様の面発光レーザでは、活性層の一方の側に２次元フォトニック結晶を設ける。活性層と２次元フォトニック結晶の間には、スペーサ等の部材が挿入されていてもよい。
【００２７】
活性層は、電流が注入されることにより、目的とするレーザ光の波長を含む波長帯の光を発光するものであり、従来よりファブリーペロー型レーザ光源に用いられているものと同様のものを用いることができる。
【００２８】
２次元フォトニック結晶は従来の面発光レーザと同様に、板状の母材に、それとは屈折率が異なる領域（異屈折率領域）を周期的に配置することにより形成することができる。本発明では、異屈折率領域の形状は特に問わない。また、異屈折率領域の配列は正方格子状、三角格子状等、従来の面発光レーザと同様のものを用いることができる。異屈折率領域は母材との屈折率の差を大きくすることができるという点、及び製造上の容易さの点から、空孔とすることが望ましい。しかし、母材に何らかの部材を埋め込むことにより異屈折率領域を形成してもよい。部材を埋め込んだ異屈折率領域は、例えば製造の際に２次元フォトニック結晶と他の層を高い温度で融着する必要がある場合に、高温による異屈折率領域の変形を防ぐために、好適に用いることができる。また、部材を埋め込んだ異屈折率領域は、製造時にフォトニック結晶を形成した後に他の層をエピタキシャル成長させる場合にも好適に用いることができる。
【００２９】
２次元フォトニック結晶の周囲に反射部を設ける。２次元フォトニック結晶がスラブの一部分に形成されている場合には２次元フォトニック結晶の周囲のスラブ内に反射部を設けることができ、２次元フォトニック結晶がスラブ全体に形成されている場合にはスラブの周囲に反射部を設けることができる。
【００３０】
第１の態様の面発光レーザにおいては、反射部は反射率分布を有する、即ち反射部内の位置によって反射率が異なるように形成する。この反射率分布は、内部共振光に形成され得る基本モード及び高次モードの振幅分布のうち、基本モードの振幅の包絡線が極大値を持つ位置において反射率が極大値を持つように形成する。
【００３１】
前述の図２の例では、基本モード、高次モードのいずれにおいても、振幅の包絡線は反射部１２上においても強度分布を有する。図２(a)に示した基本モードでは、包絡線は矩形の反射部１２の各辺の中央付近で極大値を持ち、矩形の頂点付近で極小値を有する。それに対して図２(b)に示した２次モードでは、包絡線は矩形の反射部１２の各辺の中央付近で極小値を持つ。このような場合、本発明では矩形の各辺の中央付近で反射部の反射率が極大値を持つように反射率分布を形成する。
【００３２】
このような反射率分布を形成することにより、基本モードの振幅が大きい所において反射率が高くなり、効果的に光の閉じ込め効果が得られる。それに対して、基本モードの次に形成されやすい２次モードはこの位置で振幅が極小値を取るため、２次モードの光の閉じ込め効果は小さい。また、この反射率分布では基本モードの振幅の小さいところで反射率が低く抑えられるため、基本モードの光の閉じ込め効果にはほとんど影響を与えることなく、２次モードの閉じ込め効果を抑制することができる。これらの閉じ込め効果の大小により、基本モードの光を選択的に得ることができる。
【００３３】
なお、ここまでは異屈折率領域（空孔）を正方格子状に配置した２次元フォトニック結晶を矩形の反射部で囲む場合を例に説明したが、異屈折率領域を三角格子状に配置した２次元フォトニック結晶を用いる場合には、反射部は２次元フォトニック結晶の周囲を正六角形状に囲う線上に設けることが望ましい。この場合においても、反射率分布は正六角形の各辺の中央付近で反射率が極大値を持つように形成する。
【００３４】
反射部は２次元フォトニック結晶を囲むように形成することもできるが、２次元フォトニック結晶を囲む線上のうち基本モードの振幅の包絡線が極大値を持つ位置を含む一部分にのみ設けてもよい。この場合、この極大値を持つ位置において基本モードの振幅をより大きくすることができると共に、反射部のない位置での基本モード及び高次モードの振幅を抑制することができるため、より強い極大を持つ基本モードを得ることができる。
【００３５】
反射部は２次元フォトニック結晶の外縁のみならず２次元フォトニック結晶内にも形成することができる。２次元フォトニック結晶の外縁では２次元フォトニック結晶内の光が反射される。反射部を２次元フォトニック結晶内に形成することにより、この外縁における反射の影響を受けることなく基本モードの振幅の制御を行うことができる。
【００３６】
２次元フォトニック結晶の外縁は、基本モードの振幅の包絡線が極大値を持つ位置以外において、少なくとも一部を曲線状とすることができる。その曲線状の外縁に２次元フォトニック結晶内の光が入射すると、その光は入射方向に対して角度をもって反射される。そのため、正反対の方向への反射率を等価的に低く抑えることができる。これにより、このような曲線状の外縁を有する場合には、効果的に基本モードによるレーザ発振を選択することができる。
【００３７】
反射部は、例えば、屈折率の異なる２種類の膜を外縁に平行に交互に積層した誘電体多層膜や、２次元フォトニック結晶のすぐ外側にあるスラブに複数の溝を外縁に平行に設けた回折格子により形成することができる。誘電体多層膜の場合には膜の数を多くするほど、回折格子の場合には溝の本数を多くほど、反射率を高くすることができることを用いて、前述の反射率分布に応じてそれらの数を設定する。誘電体多層膜は２次元フォトニック結晶の周囲に埋め込む必要があるのに対して、回折格子は周知のエッチングの手法を用いて容易に形成することができる点で優れている。このような溝を設けた回折格子は分布反射型（Distributed Bragg Reflector：DBR）レーザの反射部として用いられているものである。
【００３８】
(2)第２の態様の面発光レーザ
第２の態様の面発光レーザは、第１の態様と同様の活性層及び２次元フォトニック結晶を有する。また、第１の態様と同様に、２次元フォトニック結晶の周囲に反射部を設ける。第２の態様では、光が反射部により反射される時に生じる光の位相変化が-0.5πよりも大きく0.5πよりも小さい範囲内となるように反射部を形成する。
【００３９】
このように反射光に位相変化を生じさせる反射部を用いることにより、第２の態様の面発光レーザから出射するレーザビームは径偏光環状レーザビームとなる。
図３に、径偏光環状レーザビームの断面を模式的に示す。図中の灰色の部分２１は光が存在する領域を示している。また、図中の太矢印は偏光の方向を示す。レーザビームは、中心部２２に強度を持たない環状の断面形状を有し、その中心から外側に向かう方向（径方向）に偏光する。
【００４０】
一般に、レーザビームのスポット径は、レーザビームの波長及び集光レンズの開口数により決定される回折限界値以下にすることはできない。しかし、径偏光環状レーザビームを集光すると、ビーム径が回折限界値よりも小さいレーザビームが得られるという、超解像技術の手法が知られている（S. Quabis 他, "Focusing light to a tighter spot", Optics Communications, vol. 179, pp. 1-7）。従って、第２の態様の面発光レーザと、この面発光レーザから発振されるレーザビームを回折限界以下の径まで集光する集光レンズとを設けることにより超解像レーザビームを発生させる装置を構成することができる。この超解像レーザビーム発生装置は、例えば光ピックアップの光源として用いることができる。これにより、記録媒体への情報の記録（書き込み）及び記録媒体からの情報の再生（読み出し）に用いるレーザビームのスポット径を小さくし、記録媒体への記録密度を高めることができる。
【００４１】
径偏光のレーザビームは、超解像技術以外にも、レーザビームによる金属加工の分野において用いることもできる。径偏光のレーザビームを金属に照射すると、同じエネルギーを有する円偏光や直線偏光のレーザビームを用いた場合よりも加工速度が速くなることが知られている（V. G. Niziev 他, "Influence of beam polarization on laser cutting efficiency", Journal of Physics D - Applied Physics, vol. 32, No. 13, pp. 1455-1461）。そのため、第２の態様の面発光レーザは、被加工物に光を照射するための光源として好適に用いることができる。
【実施例】
【００４２】
(1)第１の態様の面発光レーザの実施例
第１の態様の面発光レーザの実施例を図４〜図１１を用いて説明する。
図４は、本実施例の面発光レーザの斜視図である。n型半導体のガリウムヒ素(GaAs)から成る基板３１の上に、n型半導体のアルミニウムガリウムヒ素(AlGaAs)から成るクラッド層３２１を挟んで、インジウム・ガリウム砒素(InGaAs）／ガリウム砒素(GaAs)から成り多重量子井戸(Multiple-Quantum Well; MQW)を有する活性層３３を設ける。そして、活性層３３の上に、AlGaAsから成るキャリアブロック層３４を挟んで、２次元フォトニック結晶層３５を設ける。２次元フォトニック結晶層３５の構成は後述する。２次元フォトニック結晶層３５の上に、p型AlGaAsから成るクラッド層３２２及びp型GaAsから成るコンタクト層３６を設ける。そして、基板３１の下に下部電極３７を、コンタクト層３６の上に上部電極３８を、それぞれ設ける。
【００４３】
図５(a)に、２次元フォトニック結晶層３５の第１の例（２次元フォトニック結晶層３５１、第１実施例）を上面図で示す。２次元フォトニック結晶層３５は、板状の母材４１（例えばp型GaAsから成る）中に破線４２で示した矩形の領域内に、空孔４４を周期的に配置して成る２次元フォトニック結晶４３を設け、更に母材４１内に２次元フォトニック結晶４３の四方を囲うように反射部４５を設けたものである。ここで示した例では、反射部４５は、母材４１上の２次元フォトニック結晶４３の外縁（破線４２）の各辺毎に、外縁に略平行な方向に複数並んだ溝を設けることにより形成する。ここで、各溝の長さは２次元フォトニック結晶４３から離れるに従って短くなるように形成し、各溝は長手方向の中心が揃うように配置する。このような溝を配置することにより、２次元フォトニック結晶４３の外縁４２の各辺では、端部よりも中央部の方が溝の本数が多くなるため、中央部の方が反射率が大きくなる。
【００４４】
図５(b)に、２次元フォトニック結晶層３５の第２の例（２次元フォトニック結晶層３５２、第２実施例）を上面図で示す。母材４１及び２次元フォトニック結晶４３は２次元フォトニック結晶層３５１と同様の構成を有する。この例では、２次元フォトニック結晶４３の外縁の各辺の中央部付近のみに、外縁に平行な方向に複数並んだ溝を設けることにより反射部４６を形成する。このような溝を配置することにより、２次元フォトニック結晶４３の外縁４２の各辺では、中央部付近のみで光が反射されるようになる。
また、この例では、反射部４６の一部は２次元フォトニック結晶４３の外縁４２よりも内側にまで形成されている。これにより、内部共振光の定在波は、図５(b)に太い破線４７で示すように、反射部４６の反射面を含む矩形の内側に形成される。これにより、２次元フォトニック結晶４３の外縁４２において不要な反射が生じることを防ぐことができる。
【００４５】
本実施例の面発光レーザの動作を説明する。下部電極３７と上部電極３８の間に電圧を印加して両電極間に電流を流すと、素子内に導入された電子及び正孔は、活性層３３内において再結合して発光する。活性層３３において発光した光のうち特定の波長の光は２次元フォトニック結晶４３内において定在波が形成されることにより増幅され、それによりレーザ発振が生じる。その際、２次元フォトニック結晶４３内では、図１(c)及び図２に示したように、定在波の振幅の包絡線が１個の腹のみを持つ基本モード、及び複数の腹を持つ高次モードが形成される。このうち基本モードの振幅は２次元フォトニック結晶４３の外縁４２の各辺において中央付近で極大値を持つ。この位置で反射部４５又は４６の反射率が極大値を持つ。そのため、本実施例では基本モードの振幅が大きい所において光の閉じ込め効果をより大きくすることができ、それにより基本モードが形成されやすくなる。
【００４６】
次に、本実施例、及び２次元フォトニック結晶４３の外縁４２に一様の反射率を有する反射部５１を設けた比較例（図６参照）の面発光レーザについて閾値利得を計算した結果を、図７〜図９を用いて説明する。図７は比較例、図８は第１実施例、図９は第２実施例の計算結果である。図７〜図９において、一重の白丸印又は黒丸印は基本モードにおける閾値利得を示し、二重丸印は２次モードにおける閾値利得を示す。二重三角印、二重四角印及び二重逆三角印はいずれも３次以上の高次モードにおける閾値利得を示す。また、一重の白四角印又は黒四角印は、一重の白丸印又は黒丸印のものとは偏光方向が異なる（波長は同じ）基本モードにおける閾値利得である。また、各グラフの横軸は、図７では反射部の反射率（位置に依らず同じ値）、図８及び図９では反射部の反射率の極大値で示した。
この計算では、反射部において光が反射される際に位相がπだけ変化する（位相が反転する）ものとした。
【００４７】
比較例、第１実施例及び第２実施例のいずれにおいても、反射率が高くなる程、基本モード（一重の白丸印又は黒丸印）における閾値利得は小さくなる。このことは、レーザ光を効率よく出射させるためには好都合である。しかし、反射率が高くなると２次モードの閾値利得も小さくなるため、基本モードの閾値利得と２次モードの閾値利得の差（図７〜図９に符号５２で示した幅）が小さくなる。この差が小さくなる程、基本モードのみならず不要な２次モードも閾値を越えてレーザ発振を生じてしまう可能性が高くなる。
【００４８】
図１０に、比較例、第１実施例及び第２実施例について、基本モードと２次モードの閾値利得の差を求めたグラフを示す。このグラフより、この閾値利得差は比較例よりも第１実施例及び第２実施例の方が大きいことがわかる。そのため、比較例よりも本実施例の方が、不要な２次モードによるレーザ発振を抑えることができ、基本モードのみから成るレーザ発振を得るのに適しているといえる。第２実施例では基本モードの振幅の包絡線が極大値を持つ位置の近傍にのみ反射部が形成されているため、本発明の効果を顕著に得ることができ、この閾値利得差が特に大きい。
【００４９】
第１の態様の面発光レーザの他の実施例（第３実施例）を、図１１を用いて説明する。第３実施例の面発光レーザは、２次元フォトニック結晶層３５３を除いて、第１実施例及び第２実施例と同様の構成を有する。２次元フォトニック結晶層３５３は、図１１に示すように、母材４１に空孔４４が正方格子状に配置されたものである。その外縁４２は、矩形の角の近傍に空孔４４を設けないことにより、曲線部４８を持つ形状に形成されている。反射部４６は第２実施例と同様に、外縁４２の直線部分の中央付近のみに設けられている。
曲線部４８における外縁４２は２次元フォトニック結晶の正方格子に対して斜交しているため、その正方格子に沿って進行する光は外縁４２により斜め方向に反射される。そのため、曲線部４８において正反対の方向への反射率は等価的に非常に低くなる。一方、曲線部４８から離れた直線部分の中央付近に振幅の包絡線の極大値を持つ基本モードは、反射部４６により効果的に光の閉じ込め効果が得られる。これらの作用により、第３実施例の面発光レーザでは基本モードによるレーザ発振が効果的に選択される。
【００５０】
(2)第２の態様の面発光レーザの実施例
第２の態様の面発光レーザの実施例（第４実施例）を、図１２及び図１３を用いて説明する。
第４実施例の面発光レーザは、２次元フォトニック結晶層３５に設けた反射部の構成を除いて、図４に示した第１の態様（第１実施例及び第２実施例）の面発光レーザと同様の構造を有する。図１２に、本実施例における２次元フォトニック結晶層３５の平面図を示す。本実施例では、２次元フォトニック結晶４３の外縁４２の各辺毎に、外縁に平行な方向に並んだ、同じ長さの溝を複数設けることにより反射部６１を形成する。そして、外縁４２に最も近い空孔４４１の中心と、その空孔に最も近い溝６２の間の距離Lを、目的とする光の波長の(n/2-1/8)〜(n/2+1/8)倍（nは整数）になるように設定する。なお、Lが負である場合は溝６２が空孔４４１よりも２次元フォトニック結晶４３の内側にあることを、Lが正である場合は溝６２が空孔４４１よりも２次元フォトニック結晶４３の外側にあることを、それぞれ示す。
【００５１】
本実施例の面発光レーザにおいて、下部電極３７と上部電極３８の間に電圧を印加すると、第１の態様の場合と同様に２次元フォトニック結晶４３内において定在波が形成されることにより光が増幅され、それによりレーザ発振が生じる。その際、定在波は空孔４４の中心で腹（前述の包絡線の腹とは異なる）になるように形成される。これにより、空孔４４１と溝６２の距離を光の波長の(n/2-1/8)〜(n/2+1/8)倍とすることにより、反射部６１において光の位相を-0.5π〜0.5πの範囲内に設定することができる。
【００５２】
反射部６１における反射による光の位相変化が0〜0.5πである場合、及び参考のためにこの位相変化が0.5π〜πである場合について、径偏光環状レーザビームを発振するモードの閾値利得を計算した。併せて、レーザビームの断面において偏光方向が径偏光に対して垂直である円周偏光の環状レーザビームを発振するモードの閾値利得についても計算を行った。それらの結果を図１３に示す。-0.5π〜0.5πの間では円周偏光よりも径偏光の場合の方が閾値利得が小さく、発振しやすいことがわかる。
【００５３】
なお、第１の態様及び第２の態様の各実施例で挙げた活性層や２次元フォトニック結晶層等の各層の材料は一例に過ぎず、これらの層には従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源で用いられている種々の材料をそのまま用いることができる。また、図５に示した２次元フォトニック結晶層３５は円形の空孔を正方格子状に配置したものであるが、空孔の形状や配置はこの例には限られず、また、空孔の代わりに母材とは屈折率が異なる部材を配置してもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１１、４３…２次元フォトニック結晶
１１１、４１…母材
１１２、４４、４４１…空孔
１２、４５、４６、５１、６１…反射部
１３…定在波
１４…包絡線
１４１…基本モード（１次モード）
１４２…２次モード
１４３…３次モード
３１…基板
３２１、３２２…クラッド層
３３…活性層
３４…キャリアブロック層
３５、３５１、３５２、３５３…２次元フォトニック結晶層
３６…コンタクト層
３７…下部電極
３８…上部電極
４２…２次元フォトニック結晶の外縁
４８…外縁の曲線部
６２…溝
【図１】
2011176375.tif 000003
【図３】
2011176375.tif 000004
【図４】
2011176375.tif 000005
【図５】
2011176375.tif 000006
【図６】
2011176375.tif 000007
【図７】
2011176375.tif 000008
【図８】
2011176375.tif 000009
【図９】
2011176375.tif 000010
【図１０】
2011176375.tif 000011
【図１１】
2011176375.tif 000012
【図１２】
2011176375.tif 000013
【図１３】
2011176375.tif 000014
【図２】
2011176375.tif 000015