(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
面内方向に共振モードを有する２次元フォトニック結晶を有し、レーザ光の出射面の法線に対して線対称な斜め方向である少なくとも２つの方向に、前記レーザ光を出射する面発光レーザであって、
前記２次元フォトニック結晶は、
前記２つの方向に出射するレーザ光の出射方向ベクトルを、前記レーザ光の出射面に射影した射影方向に垂直な方向に沿って、前記２次元フォトニック結晶の格子点を構成する媒質の深さあるいは高さが一定であり、
前記２次元フォトニック結晶の格子点を構成する媒質の深さあるいは高さが、前記射影方向に沿って該射影方向に平行な方向を法線とする任意の面に対して非対称に変化し、
前記格子点を構成する媒質の深さあるいは高さが前記射影方向に沿って一定の割合で変化する変化領域を有し、
前記変化領域における前記深さによる領域あるいは高さによる領域を結んだ線と前記射影方向とのなす角度をαとし、前記レーザ光の出射面の法線と該法線に対して線対称な方向に出射される前記レーザ光の出射方向とのなす角度をθとしたとき、前記角度αと前記角度θが、以下の式３と式５の少なくとも一方を満たすように構成されていることを特徴とする面発光レーザ。
【数１】
0005721422.tif 000010
【数２】
0005721422.tif 000011
【請求項２】
前記２次元フォトニック結晶は、異なる方向へ伸びる長さの異なる２つの基本並進ベクトルを有することを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。  
【請求項３】
前記射影方向が、前記長さの異なる基本並進ベクトルのうち、相対的に長さの短い基本並進ベクトルの方向と一致していることを特徴とする請求項２に記載の面発光レーザ。
【請求項４】
前記２次元フォトニック結晶は、少なくとも１つの基本並進ベクトルの長さが異なる２つの２次元フォトニック結晶を備え、
前記２つの２次元フォトニック結晶は、前記長さの異なる基本並進ベクトルの方向が一致するように、平面視で重ね合わされて配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
【請求項５】
前記射影方向が、前記長さの異なる基本並進ベクトルの方向と一致していることを特徴とする請求項４に記載の面発光レーザ。
【請求項６】
前記式３と前記式５とをともに満たすことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
【請求項７】
前記角度αと前記角度θが、共に３０度より小さいことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
【請求項８】
前記２次元フォトニック結晶は、前記射影方向に沿って周期的に並んだ複数の前記変化領域を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
【請求項９】
前記射影方向に沿って周期的に並んだ複数の前記変化領域のうち、隣り合う２つの前記変化領域間の、前記格子点を構成する深さあるいは高さの差をｄ、
前記周期的に並んだ複数の前記変化領域の周期をＰとしたとき、
以下の式を満たすことを特徴とする請求項８に記載の面発光レーザ。
【数３】
0005721422.tif 000012
【請求項１０】
前記射影方向に沿って周期的に並んだ複数の前記変化領域のうち、隣り合う２つの前記変化領域間の、前記格子点を構成する深さあるいは高さの差をｄ、
前記周期的に並んだ複数の前記変化領域の周期をＰとしたとき、
以下の式を満たすことを特徴とする請求項８に記載の面発光レーザ。
【数４】
0005721422.tif 000013
【請求項１１】
前記２次元フォトニック結晶は、前記格子点を構成する媒質の深さあるいは高さが浅いほど、該格子点の面積が大きくなっていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
【請求項１２】
前記格子点を構成する媒質の深さあるいは高さと前記格子点の面積の積が一定であることを特徴とする請求項１１に記載の面発光レーザ。
【請求項１３】
前記２つの方向に出射されるレーザ光のうち、相対的に強度の弱い方の光である副ビームを検知する検知手段と、前記検知手段による検知結果をフィードバックする制御手段と、を有し、
前記検知結果に基づいて、相対的に強度の強い方の光である主ビームの状態を制御することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
【請求項１４】
前記検知手段により前記副ビームの強度を検知し、前記制御手段により注入電流を制御することによって、前記主ビームの光強度を制御することを特徴とする請求項１３に記載の面発光レーザ。
【請求項１５】
前記検知手段により前記副ビームの波長を検知し、前記制御手段により温度を制御することによって、前記主ビームの波長を制御することを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の面発光レーザ。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の面発光が複数配列されたアレイ光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次元フォトニック結晶面発光レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フォトニック結晶を半導体レーザに適用した例が多く提案されている。例えば、特許文献１には、活性層の近傍に２次元フォトニック結晶を形成した面発光レーザが開示されている。
この２次元フォトニック結晶は、半導体層に円柱状の空孔等が周期的に設けられており、２次元的に周期的な屈折率分布を持っている。周期的な屈折率分布により、活性層で生成される光が共振し、定在波を形成してレーザ発振する。
【０００３】
また、このような２次元フォトニック結晶面発光レーザを用い、出射ビームの方向を制御できる構造が提案されている。
特許文献２には、互いに異なる波数の定在波を生じさせる複数のフォトニック結晶を用いて、傾斜ビームが出射されることが開示されている。
また、単一のフォトニック結晶においても非Γ点の発振モードを用いる事で、傾斜ビームが出射されることが知られている。
出射ビームが制御された光源は、例えば電子写真やレーザーディスプレイ用の光源としての応用が期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３３２３５１号公報
【特許文献２】特開２００９−０７６９００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
２次元フォトニック結晶面発光レーザを電子写真等の光源として用いる場合、光の利用効率の点から、また迷光の発生を抑制する点から、双方向に等しい強度の傾斜ビームが出射されるレーザに対して、出射されるビーム強度の比が制御できることが好ましい。
しかし、特許文献２の複数のフォトニック結晶を用いた場合や、また非Γ点の発振を用いた場合等においては、傾斜ビームがレーザ光の出射面の法線に対して線対称な２つの方向（双方向）に等しい強度で出射されてしまうという課題を有している。
以下に、これらの理由について説明する。
まず、特許文献２のように、複数のフォトニック結晶を用いた場合について説明する。
特許文献２に開示されている面発光レーザは、周期の異なる２つの２次元フォトニック結晶を有している。
２つの２次元フォトニック結晶において、互いに異なる波数の定在波が形成され、それら２つの定在波が重ね合わされることにより、面内方向に波数を持った定在波が生じる。
２次元フォトニック結晶の面内方向に波数を持つ定在波は、２次元フォトニック結晶の法線から傾いて出射されるため、傾斜ビームが得られる。
ここで、２次元フォトニック結晶の対称性から、定在波は法線に対して線対称である。
したがって、傾斜ビームは法線に対して線対称な２つの方向（双方向）に、等しい強度で出射されてしまうこととなる。
【０００６】
次に、非Γ点の発振モードを用いた場合について説明する。
非Γ点で発振する定在波は２次元フォトニック結晶の面内方向に波数を持つ。
面内方向に波数を持つ光は、ビームが２次元フォトニック結晶の法線から傾いて出射されるため、傾斜ビームが得られる。
２次元フォトニック結晶の対称性から、非Γ点で発振する定在波は、法線に対して線対称である。
したがって、この場合も、傾斜ビームは法線に対して線対称な方向（双方向）に、出射され、等しい強度で出射されてしまうこととなる。
【０００７】
２次元フォトニック結晶面発光レーザを、例えば電子写真やレーザーディスプレイ用の光源として用いる場合、主として用いるビーム（主ビームと呼ぶ）はどちらか片方のビームである。そのため、双方向に同じパワーが出射されてしまうと、高い光の利用効率を得ることができない。
また、主として用いられないビーム（副ビームと呼ぶ）が強すぎると迷光の原因となる。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑み、レーザ光の出射面の法線に対して線対称な斜め方向である２つ方向に出射されるレーザ光の強度比を制御することが可能となる２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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の２次元フォトニック結晶面発光レーザは、面内方向に共振モードを有する２次元フォトニック結晶を有し、レーザ光の出射面の法線に対して線対称な斜め方向である少なくとも２つの方向に、前記レーザ光を出射する２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、
前記２次元フォトニック結晶は、
前記２つの方向に出射するレーザ光の出射方向ベクトルを、前記レーザ光の出射面に射影した射影方向に垂直な方向に沿って、前記２次元フォトニック結晶の格子点を構成する媒質の深さあるいは高さが一定であり、
前記２次元フォトニック結晶の格子点を構成する媒質の深さあるいは高さが、前記射影方向に沿って該射影方向に平行な方向を法線とする任意の面に対して非対称に変化していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、レーザ光の出射面の法線に対して線対称な斜め方向である２つ方向に出射されるレーザ光の強度比を制御することが可能となる２次元フォトニック結晶面発光レーザを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態１における２次元フォトニック結晶面発光レーザの概略を説明する模式図。
【図２】実施形態１を説明するための格子点における回折光の発生の様子を表す図。
【図３】実施形態１を説明するための２つの傾斜ビームの強度差を示した図。
【図４】実施形態１を説明するための主ビームが強めあう範囲を示した図。
【図５】実施形態１を説明するための副ビームが弱めあう範囲を示した図。
【図６】実施形態１を説明するための主ビームが強めあい、副ビームが弱めあう範囲を示した図。
【図７】実施形態１を説明するための格子点の深さ変化の様子を示した図。
【図８】実施形態１の２次元フォトニック結晶面発光レーザの変形例を示した図。
【図９】実施形態２における２次元フォトニック結晶面発光レーザの概略を説明する模式図。
【図１０】実施形態２における２次元フォトニック結晶面発光レーザの変形例を示した図。
【図１１】実施形態３における２次元フォトニック結晶面発光レーザの概略図。
【図１２】実施例１における２次元フォトニック結晶面発光レーザの概略を説明する断面図。
【図１３】実施例１における２次元フォトニック結晶のバンド構造と発振モードを示した図。
【図１４】実施例１における２次元フォトニック結晶の製造方法を示した図。
【図１５】実施例１における２次元フォトニック結晶の別の製造方法を示した図。
【図１６】実施例２における２次元フォトニック結晶の概略図。
【図１７】実施例３における２次元フォトニック結晶のバンド構造と発振モードを示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の実施形態について説明する。
なお、以下の図面において、同一の機能を持つものには同じ記号を付与している。
［実施形態１］
実施形態１として、面内方向に共振モードを有する２次元フォトニック結晶を有する２次元フォトニック結晶面発光レーザ（分布帰還型面発光レーザ）の構成例について、図１〜図８を用いて説明する。
図１（ａ）は２次元フォトニック結晶１０１の平面図、図１（ｂ）がＡ−Ａ’面で切断した断面図である。
本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザは、レーザ光の出射面の法線に対して線対称な斜め方向である少なくとも２つの方向にレーザ光を出射する構成を備える。
具体的には、本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザは、２次元フォトニック結晶１０１の法線（レーザ光の出射面の法線）１０２の方向（ｚ方向）に対して、ｘ方向に傾斜した線対称な２つの方向にレーザ光を出射する。
なお、ここで、上記ｘ方向とは、上記２つの方向に出射するレーザ光の出射方向ベクトルを、上記レーザ光の出射面に射影した射影方向を意味している。
図１（ｂ）には、光の出射方向ベクトルを１０３、１０４とし、出射方向ベクトル１０３（１０４）と法線１０２（ｚ軸）とのなす角をθとした状態が示されている。
本実施形態における２次元フォトニック結晶１０１は、ホスト材料１０５による媒質中に格子点を構成する媒質が格子状に配列された構造を備える。
そして、本実施形態における２次元フォトニック結晶１０１は、格子点を構成する媒質の深さ、すなわち、格子点を構成する媒質としての孔１０６の深さが上記射影方向に垂直な方向（ｙ方向）に沿って一定であり、上記ｘ方向に沿って一定の割合で変化している。
しかしながら、本発明はこのようなｙ方向に沿って一定であり、ｘ方向に沿って一定の割合で変化している構成が、格子点を構成する媒質の深さに対するものに限られるものではない。
例えば、ホスト材料１０５が空気であって、格子点を構成する媒質が空気とは異なる屈折率の材料による、いわゆるロッド配列タイプの２次元フォトニック結晶が構成されている場合等にも適用される。すなわち、このようなロッド配列タイプの２次元フォトニック結晶の場合には、格子点を構成する媒質の高さ（ロッド部の高さ）が、上記したｙ方向に沿って一定であり、ｘ方向に沿って一定の割合で変化するように構成される。
【００１３】
図２は、２次元フォトニック結晶１０１における、出射光の発生の様子を示したものである。
各格子点における回折光は、２次元フォトニック結晶１０１の定在波のｘ方向の波数を反映して、１０３方向、１０４方向に同じ強度で出射される。
発生した回折光は互いに干渉し、２次元フォトニック結晶面発光レーザ全体での出射光が得られる。
本実施形態のものでは、この回折光同士の干渉を利用している。
隣り合う格子点１１０と格子点１２０において発生する回折光に着目する。
格子点１１０において発生し、１０３方向に出射される回折光１１１と回折光１２１は、次の式（１）に示す光路長差が生じている。
但し、αは孔１０６の深さが一定の割合で変化している変化領域におけるこれらの孔の底部を結んだ線と、上記射影方向（ｘ方向）とのなす角度である。
また、θは上記レーザ光の出射面の法線と該法線に対して線対称な方向に出射されるレーザ光の出射方向とのなす角度である。
0005721422.tif 000002
【００１４】
一方、１０４方向に出射される回折光１１２と１２２は、次の式（２）に示す光路長差が生じている。
0005721422.tif 000003
【００１５】
２つの光路長に差があれば、１１１と１２１の干渉光である１０３方向に出射される光と、１１２と１２２の干渉光である１０４方向に出射される光の強度に差が生じる。従って、１０３方向と１０４方向（双方向）に出射されるビーム強度の比を制御できることになる。
【００１６】
図３に、角度θと角度αを変えた場合の、１０３方向と１０４方向の、光の強度の差を計算した結果を示した。
白部分は１０３方向の光が大きいことを示しており、黒部分は１０４方向の光が大きいことを示している。
図３より、角度θ、角度αによらず、双方向の光強度に差が生じていることが分かる。
図１では、ｘ方向に沿って、一定の割合（角度α）で変化している例を示したが、必ずしも一定の割合で変化していなくとも良い。
なぜならば、図３より、隣り合う２つの格子点を考えた時、２つの格子点間で孔の深さが異なれば、双方向の光強度には差が生じるためである。
具体的には、格子点（孔１０６）の深さが光の出射方向の２次元フォトニック結晶１０１への射影方向に垂直な方向（ｙ方向）に沿って一定であって、
光の出射方向のフォトニック結晶への射影方向（ｘ方向）に沿って非対称に変化していれば、双方向の強度に差をつけることが可能となる。
ここで、非対称とは、２次元フォトニック結晶１０１の中心を通り、ｘ方向を法線とする平面に関して、２次元フォトニック結晶１０１を折り返した場合、元の構造と一致しないことを意味する。つまり、２次元フォトニック結晶の格子点を構成する孔の深さが、上記射影方向に沿って該射影方向に平行な方向を法線とする任意の面に対して非対称に変化していることを意味する。
但し、格子点の深さが上記ｘ方向に一定の割合で変化している方が、隣り合う格子点間で干渉条件が同じになり、出射光の強度ムラが低減できるため好ましい。
【００１７】
更に、角度θ、角度αについて、満たした方がより好ましい条件がある。
以下でその条件と、好ましい理由を説明する。
説明の都合上、光の強度が強い方向のビーム（主ビームと呼ぶ）が１０３方向に出射され、弱い方向のビーム（副ビームと呼ぶ）が１０４方向に出射されるとするが、主ビームと副ビームの方向を逆にしても良いことは明らかである。
まず、主ビームの光強度が、格子点の深さが一定の場合よりも強くなる条件について説明する。この場合、主ビームへの光の利用効率が高くなるため、好ましい。
主ビーム方向（１０３方向）の光路長差は式（１）で記述されるため、次の式（３）を満たせば、格子点の深さが一定の場合よりも、主ビームの光強度は強くなる。但し、この式（３）におけるｎは整数である。
0005721422.tif 000004
【００１８】
図４は、主ビーム方向の光強度の大きさを示したものであり、白部分は式（３）を満たす角度θ、角度αの範囲である。
以上より、式（３）を満たすように格子点の深さを非対称に変化させた場合、主ビームへの光利用効率が高くなるため、好ましいことがわかる。
特に、つぎの式（４）を満たしていれば、各格子点から発生した回折光同士が完全に強めあうため、更に好ましい。但し、この式（４）におけるｎは整数である。
0005721422.tif 000005
【００１９】
次に、副ビームの光強度が、格子点の深さが一定の場合よりも弱くなる条件について説明する。この場合、迷光の原因となりうる副ビームの光強度が弱くなるため、好ましい。副ビーム方向（１０４方向）の光路長差は式（２）で記述されるため、次の式（５）を満たせば、格子点の深さが一定の場合よりも、副ビームの光強度は弱くなる。但し、この式（５）におけるｎは整数である。
0005721422.tif 000006
【００２０】
図５は、副ビーム方向の光強度の大きさを示したものであり、黒部分は式（５）を満たす角度θ、角度αの範囲である。以上より、式（５）を満たすように格子点の深さを非対称に変化させた場合、副ビームに起因する迷光を減少できるため、好ましいことがわかる。特に、次の式（６）を満たしていれば、各格子点から発生した回折光同士が完全に弱めあうため、更に好ましい。但し、この式（６）におけるｎは整数である。
0005721422.tif 000007
【００２１】
式（３）と式（５）を同時に満たせば、光利用効率が高く、かつ迷光も減少できるため、更に好ましい。
式（３）と式（５）を同時に満たす範囲を図６に示した。
白部分が、式（３）と式（５）を同時に満たす角度θ、角度αの範囲である。
特に、角度θと角度αが共に３０度より小さければ、式（３）と式（５）を同時に満たす上、孔１０６の深さの変化量が小さくて済むため、２次元フォトニック結晶１０１の作製が容易となり更に好ましい。
【００２２】
また、図７（ａ）のように、格子点の深さが一定の割合で変化した一様変化領域１０７が、周期的に並んでいると、更に好ましい。
なぜならば、図７（ｂ）のように２次元フォトニック結晶１０１全域に渡って、格子点の深さを一定の割合で変化させた場合に比べて、必要な孔１０６の深さが浅く、２次元フォトニック結晶１０１の作製が容易となるためである。
隣り合う２つの一様変化領域間の、孔１０６の深さの差をｄとし、一様変化領域１０７の周期をＰとする。
【００２３】
周期Ｐと深さの差ｄに対する更に望ましい条件を、以下で説明する。図７（ａ）において、深さに差ｄが生じている部分の右側にある孔を１３０、図７（ｂ）において孔１３０に相当する孔を１４０とする。
また、孔１３０において発生する主ビームを１３１、副ビームを１３２、孔１４０において発生する主ビームを１４１、副ビームを１４２とする。
まず、主ビームに着目すると、次の式（７）を満たすことが好ましい。
0005721422.tif 000008
【００２４】
なぜなら、主ビーム１３１と主ビーム１４１の位相差が２πの整数倍となるため、主ビームに関して、深さの浅い孔１３０で、深さの深い孔１４０の役割を代用できることになるからである。
次に、副ビームに着目すると、次の式（８）を満たすことが好ましい。なぜなら、副ビーム１３２と副ビーム１４２の位相差が２πの整数倍となるため、副ビームに関して、深さの浅い孔１３０で、深さの深い孔１４０の役割を代用できることになるからである。
0005721422.tif 000009
【００２５】
本実施形態では、孔１０６の深さが、各格子点内では一定である形態を示したが、孔１０６の深さが格子点内において変化していても良い。
特に、図８に示すように、格子点の深さが非対称に変化する方向（ｘ方向）において、各格子点の孔１０６の深さが非対称に変化していると、格子点内部においても干渉条件が同一となるため、好ましい。
なお、本実施形態では、ホスト材料１０５中に孔１０６が格子状に配列されているフォトニック結晶１０１を用いたが、孔１０６がホスト材料１０５と屈折率の異なる別の材料で充填されていても良い。
また、前述したホスト材料１０５が空気であって、格子点を構成する媒質が空気とは異なる屈折率の材料による、いわゆるロッド配列タイプの２次元フォトニック結晶であっても良い。
また、格子点の形状は必ずしも円形である必要は無く、三角形や四角形などの多角形であっても良いし、複数の図形から構成されていても良い。
なお、本実施形態では、２次元フォトニック結晶の周期配列の方向が、光の出射方向の２次元フォトニック結晶１０１への射影方向（ｘ方向）と、それに垂直な方向（ｙ方向）に一致する場合が図示されているが、これらは必ずしも一致していなくても良いことは勿論のことである。
さらに、本実施形態では、２次元フォトニック結晶として、２つの基本並進ベクトルの大きさが等しい正方格子の例を示したが、必ずしも正方格子である必要はなく、三角格子や面心長方格子、長方格子や斜方格子を用いても良い。
また、本実施形態の面発光レーザにおける活性層は、一般の半導体レーザに使用されるものを使用することができる。
例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＮ／ＩｎＧａＮなどの材料を用いた多重量子井戸構造である。
また、本実施形態の面発光レーザにおいては、光励起方式、あるいは電流注入方式により駆動することができる。
【００２６】
［実施形態２］
実施形態２として、実施形態１とは異なる形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成例について、図９、図１０を用いて説明する。
本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザは、２次元フォトニック結晶面発光レーザに対して、２次元フォトニック結晶２０１の孔２０６の面積も、孔２０６の深さが変化する方向（ｘ方向）に沿って変化している点が異なる。
図９に示すように、本実施形態の２次元フォトニック結晶２０１は、孔２０６の深さが浅いほど、孔２０６の面積が大きくなっている。
２次元フォトニック結晶２０１を用いた方が、孔１０６の大きさが格子点の深さによらずに一定の面積である２次元フォトニック結晶１０１を用いた場合に比べて、単一波長で発振しやすいため、好ましい。理由を以下で説明する。
【００２７】
２次元フォトニック結晶面発光レーザの発振波長は、２次元フォトニック結晶２０１の共振波長によって決定される。
平面視した時に同じ構造をもつ２次元フォトニック結晶の場合、共振波長は２次元フォトニック結晶の実効屈折率ｎｅｆｆで決定される。
２次元フォトニック結晶の孔の充填率が大きいほど、２次元フォトニック結晶の実効屈折率ｎｅｆｆは低い。
孔２０６の深さが浅いほど、孔２０６の面積が大きい２次元フォトニック結晶２０１は、孔１０６の大きさが同じ２次元フォトニック結晶１０１に比べて、場所による孔の充填率の相違が小さい。
そのため、２次元フォトニック結晶２０１の方が、２次元フォトニック結晶１０１に比べて、場所による実効屈折率ｎｅｆｆの相違が小さく、場所による共振波長の相違が小さい。
従って、２次元フォトニック結晶面発光レーザ２００の方が、２次元フォトニック結晶面発光レーザ１００よりも、単一波長で発振しやすい。
【００２８】
以上より、孔２０６の深さが浅いほど、孔２０６の面積が大きい２次元フォトニック結晶２０１を用いた方が、２次元フォトニック結晶面発光レーザ２００が単一波長で発振しやすくなるため、好ましい。
孔２０６の深さと孔２０６の積が一定になるように変化させた場合、孔の充填率が一致し、共振波長ずれがなくなるため、更に好ましい。
なお、図９では、ｘ方向に沿って、孔の面積がｘ方向とｙ方向に対して対称的に変化している場合を示したが、孔の面積が変化していれば、変化の仕方は問わない。
例えば、図１０（ａ）、（ｂ）のように、孔のｙ方向の長さのみが変化していても良いし、図１０（ｃ）、（ｄ）のように、孔のｘ方向の長さのみが変化していても良い。また、ｘ方向とｙ方向の長さが両方変化していて、割合が非対称であっても良い。
【００２９】
［実施形態３］
実施形態３として、上記各実施形態と異なる形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザについて、図１１を用いて説明する。
図１１に示すように、本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ３００は、副ビーム３０４を検知する検知手段３０７と、検知結果を主ビーム３０３にフィードバックする制御手段３０８を備える。
副ビーム３０４を検知し、主ビームにフィードバックすることで、主ビームの状態をリアルタイムで制御している。
検知手段３０７は、例えばフォトディテクタを用いればよく、検知する量は例えば強度、発光波長がある。制御手段３０８としては、例えば電源、ヒーターなどがある。
副ビーム３０４の強度を検知し、電源３０８にフィードバックして注入電流を制御すれば、オートパワーコントロール可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザ３００が提供できる。
また、副ビーム３０４の発光波長を検知し、ヒーター３０８にフィードバックして温度を制御すれば、安定して同一の波長で発振する２次元フォトニック結晶面発光レーザ３００が提供できる。
【実施例】
【００３０】
以下に、本発明の実施例について説明する。
以下の実施例は、実施形態１、２、３で述べた、２次元フォトニック結晶面発光レーザの構造を具体的に示すものである。
［実施例１］
実施例１における２次元フォトニック結晶面発光レーザを、図１２、図１３を用いて説明する。
図１２に示すように、本実施例の２次元フォトニック結晶面発光レーザ４００は、ＧａＮ基板４０１上にｎ−ＧａＮ層４０２、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４０３、ｎ−ＧａＮガイド層４０４、活性層４０５が順に積層されている。
更に、活性層４０５上に、ｕｄ−ＧａＮガイド層４０６、ｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロック層４０７、ｐ−ＧａＮ層４０８、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４０９、ｐ+−ＧａＮ層４１０が順に積層されている。
ｐ−ＧａＮ層４０８中には２次元フォトニック結晶４１１が埋め込まれている。２次元フォトニック結晶４１１は、波長λが４０５ｎｍで発振するように設計されている。
２次元フォトニック結晶４１１は、円孔４１２がｐ−ＧａＮ層４０８中に２次元的に配列されて形成されている。
格子構造は長方格子であり、ｘ方向の格子定数は１３８ｎｍ、ｙ方向の格子定数は１６５ｎｍである。
また、円孔４１２の深さが＋ｘ方向に沿って一定の割合で減少し、円孔４１２の大きさが＋ｘ方向に沿って増加した、一様変化領域４１３が周期Ｐ毎に並んでいる。
図１２に示すように、円孔の深さと円孔の面積の積が一定になるように、円孔の深さと面積は変化している。
一様変化領域４１３内において、円孔４１２の底部を結んだ線と、ｘ軸のなす角度αは１５度になっている。
また、隣り合う一様変化領域間の、円孔４１２の深さの差がｄとなっている。
【００３１】
２次元フォトニック結晶４１１のバンド構造を図１３に示す。
図１３にはｘ方向の波数をもつモードのみのバンド構造を示している。
２次元フォトニック結晶４１１の異なる方向へ伸びる２つの基本並進ベクトルの長さが異なることを反映して、相対的に長さの短い基本並進ベクトルの方向（ｘ方向）に波数を持つ共振モード４２０が発振し、傾斜ビームが出射される。
傾斜ビームのうち−ｘ側に傾いて出射されるビームを主ビーム４２１、＋ｘ側に傾いて出射されるビームを副ビーム４２２とする。傾斜ビームと２次元フォトニック結晶の法線のなす角度θは１５度である。
角度θ、角度αが共に１５度の時、式（４）と式（６）を同時に満たすため、一様変化領域４１３内において、主ビーム４２１が完全に強めあい、副ビーム４２２が完全に弱めあっている。
即ち、光利用効率が高く、迷光の発生が防止できる２次元フォトニック結晶面発光レーザが提供できる。また、角度θ、角度αは共に３０度よりも小さいため、製造が容易である。
【００３２】
つぎに、周期Ｐと深さの差ｄについて説明する。
図１２（ａ）のように周期Ｐを４、深さの差ｄを１０３ｎｍとした時、式（７）を満たすため、複数の一様変化領域４１３にまたがって、主ビーム４２１が完全に強めあっている。
また、図１２（ｂ）のように周期Ｐを２、深さの差ｄを１０８ｎｍとした時、式（８）を満たすため、複数の一様変化領域４１３にまたがって、副ビーム４２２が完全に弱めあっている。
どちらの場合も、深さの浅い円孔で、深さの深い円孔の役割を代用できる。
また、円孔４１２の深さと円孔４１２の面積の積が一定になっているため、円孔４１２の充填率が場所によって等しい。
そのため、単一波長で発振しやすい２次元フォトニック結晶面発光レーザが提供できる。
【００３３】
２次元フォトニック結晶４１１は、電子ビームリソグラフィーとドライエッチングを用いたパターニングと、再成長技術を用いてｐ−ＧａＮ層内に埋め込んで形成した。
円孔４１２の深さを制御するためには、図１４に示すように、マスク４３０、４３１を用いて各円孔を１つずつドライエッチングしても良い。
また、図１５に示すように、マスク４３２と、ｘ方向に厚みの異なる犠牲層４３３を用いて、一括でドライエッチングを行っても良い。
活性層４０５は３周期のＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ／Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ多重量子井戸からなる。
レーザ構造のｐ−ＧａＮ側には、ＮｉとＡｕで構成されたｐ電極４１４が配置され、ｎ−ＧａＮ側にはＴｉとＡｌで構成されたｎ電極４１５が配置されており、そこから電流注入することによりレーザ発振する。
【００３４】
以上で述べたように、本実施例における２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、孔４１２の深さが、傾斜ビーム４２１、４２２の出射方向の２次元フォトニック結晶への射影方向に沿って、非対称に変化している。
そのため、傾斜ビーム４２１と４２２の強度比が異なるように制御できている。なお、本実施例では、２次元フォトニック結晶４１１が長方格子である場合を示したが、２つの基本並進ベクトルの大きさが異なっていれば、本発明が適用できる。即ち、２次元フォトニック結晶４１１は斜方格子であっても良い。
【００３５】
［実施例２］
実施例２における２次元フォトニック結晶面発光レーザを、図１６を用いて説明する。
本実施例における２次元フォトニック結晶面発光レーザ５００は、実施例１における図１４に示す２次元フォトニック結晶面発光レーザ４００に対して、２次元フォトニック結晶の構造のみが異なる。
図１６に示すように、本実施例における２次元フォトニック結晶５１１は、第１の２次元フォトニック結晶５５１と、第２の２次元フォトニック結晶５５２の２つが重なった構造である。
２次元フォトニック結晶５５１と２次元フォトニック結晶５５２は、共に円孔が２次元的に配列された構造であり、円の半径は３２ｎｍである。
２次元フォトニック結晶５５１は正方格子であって、格子定数は１６０ｎｍである。２次元フォトニック結晶５５２は長方格子であって、ｘ方向の格子定数が１９２ｎｍ、ｙ方向の格子定数が１６０ｎｍである。
即ち、ｘ方向の格子定数が異なる２つのフォトニック結晶が重なるように配置されている。
本実施例における２次元フォトニック結晶では、２次元フォトニック結晶５５１、５５２において、ｘ方向に対して互いに異なる波数の定在波が形成され、それら２つの光が重ね合わされる。
そのため、基本並進ベクトルの長さの異なる方向（ｘ方向）に波数を持った共振モードが発振し、傾斜ビーム５２１、傾斜ビーム５２２が出射される。共振モードの共振波長λは４０５ｎｍである。
傾斜ビーム５２１、５２２と、２次元フォトニック結晶５１１の法線とのなす角は、共振モードのｘ方向の波数で決定され、本実施例では１５度である。
フォトニック結晶５１１の円孔５１２の深さは、傾斜ビーム５２１、５２２の出射方向の２次元フォトニック結晶への射影方向（ｘ方向）に沿って、非対称に変化している。
そのため、実施例１の場合と同様に、傾斜ビーム５２１と傾斜ビーム５２２の強度比が異なるように制御することができる。
【００３６】
図１６に示した本実施例の構成では、２次元フォトニック結晶５５１と２次元フォトニック結晶５５２が完全に重なった場合を示したが、２次元フォトニック結晶５５１と２次元フォトニック結晶５５２が（ｚ方向から見た）平面視で重なっていればよい。
この場合、２次元フォトニック結晶５５１と２次元フォトニック結晶５５２のうち、少なくともどちらか一方の孔の深さが変化していれば良い。
また、図１６に示した本実施例の構成では、フォトニック結晶５５１が正方格子で、フォトニック結晶５５２が長方格子である例を示したが、２つのフォトニック結晶の、少なくとも一方の基本並進ベクトルの大きさが異なっていれば、本発明が適用できる。
例えば、フォトニック結晶５５１とフォトニック結晶５５２が共に長方格子であっても良いし、斜方格子を用いても良い。
【００３７】
［実施例３］
実施例３における２次元フォトニック結晶面発光レーザを、図１７を用いて説明する。
本実施例における２次元フォトニック結晶面発光レーザは、図１４に示す２次元フォトニック結晶面発光レーザ４００に対して、２次元フォトニック結晶の構造のみが異なる。
本実施例における２次元フォトニック結晶は半径４１ｎｍの円孔が２次元的に配列された正方格子であって、格子定数は２０６ｎｍである。
本実施例の２次元フォトニック結晶は、図１７に示すバンド構造を備える。
本実施例では、Γ−Ｘ方向の共振モードを用いる。共振モードは面内方向に波数を持つ共振モードであるため、ｘ方向に傾いた２つの傾斜ビームが得られる。
共振モードの発振波長は４０５ｎｍであり、上記２つの傾斜ビームと、２次元フォトニック結晶の法線とのなす角は２１度である。
フォトニック結晶の円孔の深さは、上記２つの傾斜ビームの出射方向の２次元フォトニック結晶への射影方向に沿って、非対称に変化している。
そのため、実施例１の場合と同様に、上記２つの傾斜ビームの一方の傾斜ビームと他方の傾斜ビームの強度比が異なるように制御することができる。
なお、本実施例ではΓ−Ｘ方向の共振モードを用いたが、面内方向に波数を持つ共振モードで発振していれば、本発明が適用できる。
共振モードによって出射方向が異なるが、傾斜ビームの出射方向の２次元フォトニック結晶への射影方向に沿って、孔の深さを非対称に変化させればよい。
【００３８】
以上、各実施例について説明したが、本発明の面発光レーザは上記記載した各実施例の構成に限定されるものではない。
フォトニック結晶の形状、材料、活性層やクラッド層や電極を構成する材料は本発明の範囲内で適宜変更できる。
また、上記実施例では、レーザ発振波長として４０５ｎｍのものを示したが、適切な材料や構造の選択により、任意の波長での動作も可能である。
また、本発明の面発光レーザを同一平面上に複数配列してアレイ光源として使用してもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１０１：２次元フォトニック結晶
１０２：２次元フォトニック結晶の法線
１０３：主ビーム
１０４：副ビーム
１０５：ホスト材料による媒質
１０６：孔
α：孔の深さが一定の割合で変化している変化領域におけるこれらの孔の底部を結んだ線と、射影方向（ｘ方向）とのなす角度
θ：レーザ光の出射面の法線と該法線に対して線対称な方向に出射されるレーザ光の出射方向とのなす角度
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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