(57)【要約】【課題】屈折率差が十分にとれない構成であっても、ＧＲモードによる反射機能を発揮し得るフォトニック結晶を用いた新規なミラー、及びそれを用いた面発光レーザを提供する。【解決手段】第１の屈折率を有する第１の材料からなる第１の部材に、周期的に配列した複数の孔を設けて構成されるフォトニック結晶層と、  該フォトニック結晶層に隣接し、該第１の屈折率よりも低い第２の屈折率を有する第２の材料からなる低屈折率層と、を備え、該フォトニック結晶層の厚さ方向に入射する光を反射するミラーであって、  前記第１の屈折率をｎ１、前記第２の屈折率をｎ２、これら第１の屈折率と第２の屈折率との比屈折率差をΔｎとするとき、  該比屈折率差Δｎ＝（ｎ１−ｎ２）／ｎ１が、０．１０を超えない範囲の値を有し、  前記複数の孔の面内方向の断面形状が、交差する２つの長方形により形成されている構成とする。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の屈折率を有する第１の材料からなる第１の部材に、周期的に配列した複数の孔を設けて構成されるフォトニック結晶層と、
該フォトニック結晶層に隣接し、該第１の屈折率よりも低い第２の屈折率を有する第２の材料からなる低屈折率層と、
を備え、該フォトニック結晶層の厚さ方向に入射する光を反射するミラーであって、
前記第１の屈折率をｎ１、前記第２の屈折率をｎ２、これら第１の屈折率と第２の屈折率との比屈折率差をΔｎとするとき、
該比屈折率差Δｎ＝（ｎ１−ｎ２）／ｎ１が０．１０を超えない範囲の値を有し、
前記複数の孔の面内方向の断面形状が、交差する２つの長方形により形成されていることを特徴とするミラー。
【請求項２】
前記第１の屈折率ｎ１が、１．２から４．０の範囲の中から選択される屈折率を有し、前記第２の屈折率ｎ２が、１．０から３．８の範囲の中から選択される屈折率を有することを特徴とする請求項１に記載のミラー。
【請求項３】
前記第１の材料が、Ｓｉ、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＧａＡｓ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ、ＧａＮ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ、ＩｎＰの中から選択されるいずれかの材料からなり、
前記第２の材料が、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ、ＡｌＮの中から選択されるいずれかの材料からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のミラー。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のミラーからなる第１のミラーと、活性層と、第２のミラーとを含み構成されることを特徴とする面発光レーザ。
【請求項５】
前記第２のミラーが、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のミラー、または多層膜ミラーによって構成されることを特徴とする請求項４に記載の面発光レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶を用いたミラー及びそれを用いた面発光レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フォトニック結晶に関する研究が盛んに行われている。
フォトニック結晶とは、固体結晶中における電子状態にバンド構造が存在するのと同様に、屈折率に周期構造をもたせることで、光子のエネルギーに対してバンド構造が生じる構造である。
非特許文献１には、このようなフォトニック結晶を用いて、図８に示すＧＲＭ（Ｇｕｉｄｅｄ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｍｏｄｅ；以下これをＧＲモードと記す）に関する検討がなされている。
【０００３】
上記ＧＲモードは、透過率スペクトルにおいて、その透過率が著しく変化する現象を通して把握され、放射モードとの結合が強いことが知られている。
従って、図８で示されるフォトニック結晶に垂直に入射する入射光の波長を、上記ＧＲモードによって反射率が著しく増大する波長域に合わせた場合、フォトニック結晶に入射する光は、一般の反射ミラーへ入射した光と同じように反射されることになる。
同図において、８０００はサファイア基板であり、８０５０はフォトニック結晶層（ＧａＮ８０１０に、細孔８０２０が周期的に形成されている。）であり、８０３０は、核形成層（ＡｌＮ）である。そして、同文献では、フォトニック結晶層８０５０（ＧａＮの屈折率は２．３７である。）に隣接するサファイア基板（屈折率１．８）の屈折率が変化する場合に、上記ＧＲモードがどのように変化するかをシミュレーションにて考察している。
【非特許文献１】ＯＰＴＩＣＳ  ＥＸＰＲＥＳＳ，  ｖｏｌ．１３，  Ｎｏ．１７，６５６４（２００５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記考察によれば、フォトニック結晶層（屈折率ｎｐｈｃ）と、それに隣接するクラッド層として機能する基板（屈折率ｎｃｌａｄ）との比屈折率差Δｎ（＝（ｎｐｈｃ−ｎｃｌａｄ）／ｎｐｈｃ）が小さくなるにつれ、ＧＲモードが生じ難くなることが分かる。
具体的には、ｎｐｈｃ＝２．３７、ｎｃｌａｄ＝１．８の場合、両者の比屈折率差は、約０．２４（約２４％）であり、図９からも分かるように、上記ＧＲモードが生じ得る。（図９中のｎはｎｃｌａｄに対応する。）
しかしながら、ｎｐｈｃ＝２．３７、ｎｃｌａｄ＝２．１３５の場合、即ち、両者の比屈折率差が約０．１０（約１０％）以下になると、上記ＧＲモードが生じ難くなることが分かる。
【０００５】
フォトニック結晶における上記ＧＲモードを利用して、レーザ等に適用されるミラーを作製する場合、フォトニック結晶層と隣接するクラッド層との屈折率差が非常に小さい条件で構成せざるを得ない場合がある。
例えば、波長６７０ｎｍの面発光レーザにおける多層膜ミラーの代わりとして、フォトニック結晶層を用いる場合、つぎのように構成することが想定される。
例えば、フォトニック結晶層をＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ（屈折率３．４４６）で構成し、それに隣接するクラッド層をＡｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ（屈折率３．１３０）で構成することが想定される。
斯かる場合の比屈折率差（Δｎ）は、約０．０９２（約９．２％）である。
つまり、前記非特許文献１に記載の構成をそのまま適用したのでは、上記ＧＲモードが生じ難く、フォトニック結晶を多層膜ミラーの代わりとして使用することは難しいと考えられる。
【０００６】
そこで、本発明は、フォトニック結晶層とそれに隣接するクラッド層との屈折率差が十分にとれない場合であっても、上記ＧＲモードにより反射機能を発揮し得るフォトニック結晶を用いた新規なミラー、及びそれを用いた面発光レーザの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、以下のように構成したフォトニック結晶を用いたミラー及びそれを用いた面発光レーザを提供するものである。
本発明のフォトニック結晶を用いたミラーは、第１の屈折率（ｎ１）を有する第１の材料からなる第１の部材に、周期的に配列した複数の孔を設けて構成されるフォトニック結晶層と、
該フォトニック結晶層に隣接し、該第１の屈折率よりも低い第２の屈折率（ｎ２）を有する第２の材料からなる低屈折率層と、を備え、該フォトニック結晶層の厚さ方向に入射する光を反射するミラーであって、
前記第１の屈折率をｎ１、前記第２の屈折率をｎ２、これら第１の屈折率と第２の屈折率との比屈折率差をΔｎとするとき、
該比屈折率差Δｎ＝（ｎ１−ｎ２）／ｎ１が０．１０を超えない範囲の値を有し、
前記複数の孔の面内方向の断面形状が、交差する２つの長方形により形成されていることを特徴とする。
また、本発明のフォトニック結晶を用いたミラーは、
前記第１の屈折率ｎ１が、１．２から４．０の範囲の中から選択される屈折率を有し、
前記第２の屈折率ｎ２が、１．０から３．８の範囲の中から選択される屈折率を有することを特徴とする。
また、本発明のフォトニック結晶を用いたミラーは、
前記第１の材料が、Ｓｉ、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＧａＡｓ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ、ＧａＮ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ、ＩｎＰの中から選択されるいずれかの材料からなり、
前記第２の材料が、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ、ＡｌＮの中から選択されるいずれかの材料からなることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、上記したいずれかに記載のミラーからなる第１のミラーと、活性層と、第２のミラーとを含み構成されることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記第２のミラーが、上記したいずれかに記載のミラー、または多層膜ミラーによって構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、フォトニック結晶層とそれに隣接するクラッド層との屈折率差が十分にとれない場合であっても、上記ＧＲモードにより反射機能を発揮し得るフォトニック結晶を用いた新規なミラー、及びそれを用いた面発光レーザ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】
【０００９】
つぎに、本発明の実施形態について説明する。
（実施形態１）
実施形態１として、フォトニック結晶を用いた上記ＧＲモードによる反射機能を発揮し得るミラーについて説明する。
図１に、本実施形態１に係る、フォトニック結晶を用いたミラーについて説明するための鳥瞰図を示す。
また、図２（ａ）は図１に示した構成の上面図、図２（ｂ）は、図１におけるａ−ａ’面での断面図である。図２（ｃ）には、本明細書中での十字形状の孔における長辺、短辺の定義をするために示した図である。
【００１０】
図１において、１０００は、第１の屈折率（ｎ１）を有する第１の材料からなる第１の部材（図２の１０１０）に、周期的に配列した複数の孔１０１６を設けて構成されるフォトニック結晶層である。
そして、１０２０は、該フォトニック結晶層１０００に隣接し、該第１の屈折率よりも低い第２の屈折率（ｎ２）を有する第２の材料からなる低屈折率層（クラッド層と呼ばれる場合もある。）である。
【００１１】
本実施形態に係るミラーは、図１に記載した、フォトニック結晶層１０００の厚さ方向に入射する光を反射するように、当該入射光の波長に対して、上記ＧＲモードを生じるように設計される。
斯かる場合、フォトニック結晶層１０００に入射した光は、一旦、フォトニック結晶層内を伝播するが、放射モードとの結合が強いために、外部に放射され、結果としてミラーとして機能する。
ここで、前記第１の屈折率と第２の屈折率との比屈折率差Δｎ（＝（ｎ１−ｎ２）／ｎ１）は０．１０を超えない範囲の値を有している。
つまり、Δｎは０より大きく、０．１０以下の範囲ということになる。なお、Δｎの範囲は、好ましくは、０．０４以上０．１０以下である。
既に述べたように、Δｎが０．１０を超えない範囲の値で、屈折率差が十分にとれない場合は、前記非特許文献１に示されるように上記ＧＲモードが生じ難い。しかし、本実施形態では、図１及び図２に示すように、孔の面内方向の断面形状が、交差する２つの長方形により形成される十字形状から成っている。
このように孔の形状を十字形状にすることで、従来の円型孔よりフォトニック結晶層１０００の実効屈折率（ｎｅｆｆ）を大きくすることができる。
従って、フォトニック結晶層と低屈折率層１０２０との実効的な屈折率差を大きくでき、上記ＧＲモードを生じやすくすることが可能になる。
【００１２】
つぎに、本実施形態に係るミラーを構成する第１の部材、第２の部材について、説明する
本実施形態においては、第１の屈折率ｎ1として、例えば１．２から４．０の範囲のものを用いることができる。
その具体的な材料としては、Ｓｉ、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＧａＡｓ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ、ＧａＮ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ、ＩｎＰ、等を用いることができる。
一方、第２の屈折率ｎ2としては、例えば１．０から３．８の範囲のものを用いることができる。
その具体的な材料としては、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ、ＡｌＮ、等を用いることができる。
【００１３】
ここで、比屈折率差Δｎが０．１以下となる構成としては、例えば第１の部材をＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓにより作製し、第２の部材をＡｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓで作製する。
周期構造には、四角格子や三角格子を適用することができる。
また、第１の部材の厚さｔは、光の導波モードや、作製条件等を考慮して決定される。例えば、１０ｎｍから１０μｍの範囲である。
【００１４】
（実施形態２）
実施形態２として、実施形態１でのミラーを用いた面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）について説明する。
図５に、本実施形態に係る面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の構成を説明するための断面模式図を示す。
【００１５】
図５において、５０５０は基板、５０００は下部反射ミラー（例えば、多層膜ミラーからなる。）、１０２１は下部クラッド層、５９００は活性層、５０２０は上部クラッド層である。
１０１０は、フォトニック結晶層１０００を構成する第１の部材である。
なお、フォトニック結晶層１０００に関しては、実施形態１で説明される技術事項が適用される。
また、本実施形態における上部クラッド層５０２０は、実施形態１における第２の部材１０２０に対応する。
つまり、クラッド層５０２０は、活性層５９００に対する上部クラッド層としての役割と、フォトニック結晶層１０００に対する低屈折率層の役割を兼ねている。
【００１６】
本実施形態の面発光レーザにおいては、活性層５９００において発生する光を上下のミラーで共振させ、増幅することによりレーザ発振が実現される。
そして、活性層における発光波長は、活性層の材料や層構成により決まるので、フォトニック結晶層（上部反射ミラーとして作用する。）における、上記ＧＲモードが、当該発光波長に対応するように設計する必要がある。
このように、上記実施形態１において説明したフォトニック結晶１０００を、図５のように、下部反射ミラー５０００に対向して配置される上部反射ミラーとして用いることで、面発光レーザを実現できる。
なお、下部反射ミラーには、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ／Ａｌｘ’Ｇａ１−ｘ’Ａｓ、ＧａＮ／ＡｌｘＧａ１−ｘＮ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ／Ｉｎｘ’Ｇａ１−ｘ’Ａｓｙ’Ｐ１−ｙ’、等の多層膜ミラーを用いることができる。
勿論、実施形態１に示すようなフォトニック結晶を適用することもできる。
【００１７】
つぎに、本実施形態の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を構成する活性層、クラッド層、基板、等について説明する。
本実施形態での活性層５９００は、例えばＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＮ／ＩｎＧａＮなどの材料を用いた多重量子井戸構造とすることができる。
また、クラッド層１０２１は、例えば、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＮ、等により構成することができる。
また、基板５０５０は、例えば、ＧａＡｓ、ＧａＮ、等により構成することができる。
【００１８】
本実施形態に係る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。上記図５においては、電極等は省略している。なお、上記したシミュレーションは、文献Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ，Ｖｏｌ．６８，１５５１０１（２００３）に記載の転送行列法を用いて行っている。
【実施例】
【００１９】
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では、本発明を適用して構成した２次元フォトニック結晶ミラーについて説明する。
図３に、本実施例におけるミラーの構成を説明するための概略図を示す。
図３において、１０００はＧａＮからなる層に十字形状の孔１０１６を正方格子状に設けて構成されたフォトニック結晶層である。
層の厚さは１７５ｎｍ、孔の間隔は１７５ｎｍ、十字形状の孔のサイズは長辺１４０ｎｍ、短辺１４ｎｍ、孔の深さは１７５ｎｍである。
１０２０はＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎからなる基板である。
【００２０】
図４（ａ）に、図３の構成の透過スペクトル計算結果を示す。
ＧａＮの屈折率は２．５４、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎの屈折率は２．３２とした。両者の比屈折率差は約８．７％である。
また、計算の都合上、部材１０１０と基板１０２０の厚さは無限だとした。
図４（ａ）において、波長４０８．６ｎｍ付近に透過率が急激に落ち込む（つまり、反射率が急激に増大する）波長域が存在することが確認される。したがって、この構成は高反射率のミラーとして動作させることができる。
【００２１】
また、図４（ｂ）に、本実施例との比較のために、直径８７．５ｎｍの円形状の孔を正方格子状に設けて構成されたフォトニック結晶層の透過スペクトル計算結果を示す。
孔の形状以外の構成は図４（ａ）の計算に用いた構成（つまり図３）と同様である。
図４（ｂ）において、上記ＧＲモードによる透過率の急激な変化は観測されない。つまり、高反射率のミラーとして動作しない。
【００２２】
［実施例２］
実施例２では、本発明を適用して構成した面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）について説明する。
図６に、本実施例に係る面発光レーザを説明するための断面模式図を示す。
図６において、１０００はＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓからなる層に十字形状の孔１０１６を正方格子状に設けて構成されたフォトニック結晶層である。
層の厚さは２１５ｎｍ、孔の間隔は２１５ｎｍ、孔のサイズは長辺１９３．５ｎｍ、短辺１９．３５ｎｍ、孔の深さは２１５ｎｍである。
１０２０はＡｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ低屈折率層、５０２０はｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、５９００はＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ多重量子井戸活性層である。
１０２１はｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、５０００はｎ型Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ−ＤＢＲからなる下部ミラー層、５０５０はＧａＡｓ基板である。
１２００はリング型の上部電極、１２１０は下部電極である。
【００２３】
図７に、図６中のフォトニック結晶層の透過スペクトル計算結果を示す。
波長６７３．３ｎｍ付近で高い反射率を有したミラーとして動作することが確認される。
下部ミラー層５０００も同様に波長６７３．３ｎｍ付近で高い反射率を持つように設計されている。
また、フォトニック結晶層１０００と下部ミラー層５０００との間隔で決まる共振器長は、共振器中で形成される定在波の腹が活性層５９００に重なるような長さに設計されている。
これらは、面発光レーザを設計する際に一般に使われる手法をそのまま適用することができる。
以上の構成により、活性層５９００で発生する光を上下のミラーで共振させ、増幅することによりレーザ発振が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態１に係るフォトニック結晶を用いたミラーについて説明するための鳥瞰図。
【図２】本発明の実施形態１におけるフォトニック結晶を用いたミラーについて説明するための図である。（ａ）は図１に示した構成の上面図、（ｂ）は図１におけるａ−ａ’面での断面図、（ｃ）は十字形状の孔における長辺、短辺の定義をするために示した図。
【図３】本発明の実施例１に係る２次元フォトニック結晶ミラーの構成を説明するための概略図。
【図４】実施例１に記載のフォトニック結晶ミラーの透過スペクトルを示すグラフ。
【図５】本発明の実施形態２に係る面発光レーザを説明するための断面模式図。
【図６】本発明の実施例２に係る面発光レーザを説明するための断面模式図。
【図７】本発明の実施例２に係る面発光レーザを構成するフォトニック結晶ミラーの透過スペクトルを示すグラフ。
【図８】非特許文献１に記載のフォトニック結晶を説明するための断面模式図。
【図９】非特許文献１に記載の透過スペクトルを示す図。
【符号の説明】
【００２５】
１０００：フォトニック結晶層
１０１０：第１の部材
１０１６：孔
１０２０：低屈折率層
１０２１：下部クラッド層
５０００：下部反射ミラー
５０２０：上部クラッド層
５０５０：基板
５９００：活性層
８０５０：フォトニック結晶層
【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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