(57)【要約】【課題】光吸収を抑制することができると共に、活性層への電流注入が効率よく行うことができ、高出力化を図ることが可能となる面発光レーザを提供する。【解決手段】基板１０５上に活性層を介してフォトニック結晶層１３０を有する面発光レーザであって、前記フォトニック結晶層は、少なくとも面内方向に共振させる第１の周期構造と、面内方向の光の強度分布を変調させる第２の周期構造とを有する。このフォトニック結晶層内の前記光の強度分布は、前記第２の周期構造によって、光強度が高い領域と低い領域とに周期性をもって分布している。前記光強度が低い領域の直上に、前記活性層に電流注入するための導電膜１７０が選択的に設けられている。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に活性層を介してフォトニック結晶層を有する面発光レーザであって、
前記フォトニック結晶層は、少なくとも面内方向に共振させる第１の周期構造と、面内方向の光の強度分布を変調させる第２の周期構造とを含み、
前記フォトニック結晶層内の前記光の強度分布は、前記第２の周期構造によって、光強度が高い領域と低い領域とに周期性をもって分布しており、
前記光強度が低い領域の直上に、前記活性層に電流注入するための導電膜が選択的に設けられていることを特徴とする面発光レーザ。
【請求項２】
前記第１の周期構造は、前記面内方向に共振させる光の真空波長よりも短い周期による短周期構造であり、
前記第２の周期構造は、前記光の真空波長よりも長い周期による長周期構造であ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】
前記フォトニック結晶層には、該フォトニック結晶層の周囲に前記導電膜を介して上部電極が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発光レーザ。
【請求項４】
前記導電膜と前記電極は、同じ材料で形成されていることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザ。
【請求項５】
前記導電膜が、薄膜で形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
【請求項６】
前記短周期構造が、ホールの２次元正方格子状の配列または２次元三角格子状の配列による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】
前記長周期構造は、前記ホール径またはホール深さに、１次元的または２次元的に周期変調を加えて構成されていることを特徴とする請求項６に記載の面発光レーザ。
【請求項８】
前記ホールの空孔に、誘電体が充填されていることを特徴とする請求項６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、面発光レーザに関し、特に高出力化を図るようにした面発光レーザに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信、光伝送用の光源、また電子写真の光源として面発光レーザが注目されている。
面発光レーザは、単一縦モード、低しきい値、２次元アレイ化が容易、などの優れた特性を持つ。
このような面発光レーザとして、フォトニック結晶を利用した２次元フォトニック結晶面発光レーザの開発が進められてきている。
ここで、フォトニック結晶とは光の波長と同程度もしくはより小さい屈折率周期を有する構造体である。
【０００３】
特許文献１に開示されている２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、キャリアの注入により発光する活性層の近傍に、２次元的に屈折率周期を配置したフォトニック結晶周期構造体を備え、フォトニック結晶により共振して面発光するように構成されている。
上記特許文献１の面発光レーザは、再成長または貼り合わせ工程が不要な面発光レーザを構成するため、具体的には図５に示すような構造を備えている。
この面発光レーザは、図５に示すように、基板１１上に下部クラッド１２、活性層１３、上部クラッド１４が積層されている。
また、この上部クラッド層１４の中央部分にはレーザ共振器となるフォトニック結晶周期構造体２１を伴う発光領域が設けられ、その周囲にリング状の上部電極１７が配置されている。
上部電極１７と基板１１下の下部電極１６から、キャリアを活性層１３に注入することで活性層を発光させ、レーザ発振させるように構成されている。
【０００４】
一方、特許文献２には、フォトニック結晶を有するスラブを用いて共振現象の一つであるＧＭＲ（Ｇｕｉｄｅｄ  Ｍｏｄｅ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を利用することで、共振器のミラーとして構成した垂直共振器型の面発光レーザが提案されている。
この面発光レーザでは、スラブ導波路に形成されたフォトニック結晶によって、スラブ導波路の導波モードが、スラブの外部に光を放出する輻射モードと共鳴している。
その結果、フォトニック結晶スラブは上記ＧＭＲの共鳴波長においてスラブ導波路の面に垂直な方向からの入射光の透過率を著しく減少させたり反射率を著しく増加させたりできる。
すなわち、フォトニック結晶構造を持つスラブ導波路は、ミラーとしての機能を有することができる。
このフォトニック結晶構造を持つミラーと、他のミラー（例えば別の同種ミラーや多層膜反射鏡）とを活性層を挟んで対向させ、垂直共振器とする。
そして電極からフォトニック結晶構造ミラーを経由してキャリアを前記活性層に注入するとレーザ発振にいたる面発光レーザが、実施形態として開示されている。
【特許文献１】特開２００３−２７３４５３号公報
【特許文献２】米国特許第６１５４４８０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来例の特許文献１、特許文献２における面発光レーザでは、高出力化を図る上で、つぎのような課題を有している。
フォトニック結晶層を利用する面発光レーザにおいて、活性層に電流を注入するための電極は、活性層で発生した光をできるだけ吸収しないことがレーザの発光効率の観点から望ましい。
このため、一般的には電極はフォトニック結晶領域近傍を避けるように配置する。
なぜなら、上記特許文献１および特許文献２では、フォトニック結晶領域では光が共振し光強度が大きくなっているため、近傍に吸収体があると共振している光が強く吸収されてしまうからである。
そこで、特許文献１では、フォトニック結晶を取り囲むように周辺に配置したリング状の電極を形成することにより、光の吸収を抑制している。
【０００６】
このような構成のもとで、高出力化を意図してフォトニック結晶領域の面積を広くすると、フォトニック結晶領域を取り囲むリング状の電極のリング内径も大きくしなければならない。
この結果、活性層までキャリアが十分に注入されないという不都合が生じる。
すなわち、半導体でのキャリアの拡散長はあまり大きくないため、リング状の電極の中心下に位置している、活性層により構成される発光領域の中央部まで、キャリアが十分に注入されないこととなる。
そのため、電流注入効率が落ち、高いレーザ光出力を得ることが困難となる。
一方、活性層への効率的なキャリアの注入を優先してフォトニック結晶上の全面に電極または導電膜を設けた場合においては、この電極または導電膜により光吸収が強くなる。この結果、高いレーザ光出力を得ることが困難となる。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決し、光吸収を抑制することができると共に、活性層への電流注入が効率よく行うことができ、高出力化を図ることが可能となる面発光レーザ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】
【０００８】
本発明は、つぎのように構成した面発光レーザを提供するものである。
本発明に係る面発光レーザは、基板上に活性層を介してフォトニック結晶層を有する面発光レーザであって、
前記フォトニック結晶層は、少なくとも面内方向に共振させる第１の周期構造と、面内方向の光の強度分布を変調させる第２の周期構造とを含み、
前記フォトニック結晶層内の前記光の強度分布は、前記第２の周期構造によって、光強度が高い領域と低い領域とに周期性をもって分布しており、
前記光強度が低い領域の直上に、前記活性層に電流注入するための導電膜が選択的に設けられていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、基板上に活性層を介してフォトニック結晶層を有する面発光レーザであって、
前記フォトニック結晶層は、少なくとも面内方向に共振させる第１の周期構造と、面内方向の光の強度分布を変調させる第２の周期構造とを含み、
前記第２の周期構造により前記光の強度分布が低い強度分布に周期的に変調されている前記フォトニック結晶層上の領域に、前記活性層に電流注入するための導電膜が設けられてい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１の周期構造が、前記面内方向に共振させる光の真空波長よりも短い周期による短周期構造であり、
前記第２の周期構造が、前記光の真空波長よりも長い周期による長周期構造であることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記フォトニック結晶層には、該フォトニック結晶層の周囲に前記導電膜を介して上部電極が設けられていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記導電膜と前記電極が、同じ材料で形成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記導電膜が、薄膜で形成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記短周期構造が、ホールの２次元正方格子状の配列または２次元三角格子状の配列によることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記長周期構造が、前記ホール径またはホール深さに、１次元的または２次元的に周期変調を加えて構成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記ホールの空孔に、誘電体が充填されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、光吸収を抑制することができると共に、活性層への電流注入が効率よく行うことができ、高出力化を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本実施形態に係る面発光レーザについて説明する。
具体的には、基板上に活性層を介してフォトニック結晶層を有する面発光レーザである。そして、前記フォトニック結晶層は、少なくとも２種類の周期構造を有する。
２種類の周期構造とは、面内方向に共振させるための第１の周期構造と、該共振モードにおける光の面内方向の強度分布を変調させるための第２の周期構造である。
ここで、第２の周期構造の周期は第１の周期構造の周期よりも長いことが特徴である。
前記フォトニック結晶層内の前記光の強度分布は、前記第１の周期構造の周期によって空間的に強度分布の強弱が変化する。
これに加え、前記第２の周期構造によって光強度が高い領域と低い領域とに緩やかに周期性をもって空間分布するように構成される。
前記光強度が低い領域の直上に、前記活性層に電流注入するための導電膜を選択的に設ける。
なお、導電膜は、必ずしも、光強度が低い領域の直上のみに設ける必要は無く、導電膜を設けることによる光強度の低下が問題にならないかぎり、光強度が高い領域の直上におく事も可能である。
但し、光強度が高い領域と低い領域との総和のエリアを見た場合に、低い領域の直上に設けられた導電膜のエリア面積を、高い領域の直上に設けられている導電膜のエリア面積よりも多くするのがよい。
そこで、本実施形態に係る面発光レーザでは、光強度が低い領域に選択的に導電膜を設ける構成としている。
上記構成によって、光吸収を抑制し、キャリアを効率よく注入して高出力化を図ることが可能となる、基板上に活性層を介してフォトニック結晶層を有する面発光レーザを得ることができる。
【００１１】
ここで、上記第１の周期構造は、短周期によりフォトニック結晶層内を面内方向に共振させるように機能する。
そして、上記第２の周期構造は、第１の周期構造による共振光強度分布を、さらに面内方向に長周期に変調させるように機能するように構成される。
具体的には、前記第１の周期構造は、前記面内方向に共振させる光の真空波長よりも短い周期による短周期構造とし、前記第２の周期構造は、前記光の真空波長よりも長い周期による長周期構造とする。
そして、この第２の周期構造によって生じた、前記光の強度分布が低い強度分布に周期的に変調されている前記フォトニック結晶層上の領域に導電膜を設け、この導電膜を介して活性層にキャリアを注入するようにする。
【００１２】
上記概念を図で例を挙げて説明する。
図６、図７はそれぞれ、（Ｂ）フォトニック結晶構造の誘電率分布と（Ａ）その分布に対応して決まる共振モードの光強度分布の一例を表す模式図である。
それぞれ（Ａ）のグラフの縦軸は光強度を、（Ｂ）のグラフの縦軸は誘電率を表す。
誘電率を屈折率と読み替えても以下の議論に本質的に差し支えは無い。また、（Ａ）（Ｂ）のグラフの横軸は空間位置を表す。
図６の（Ｂ）では、ある空間方向、ここではｘ方向に対し周期ａで誘電率分布を持つフォトニック結晶構造の一例を表している。
このフォトニック結晶構造に対しては、図６の（Ａ）に示すように、共振する光の強度分布も周期ａの分布となる。ここでは説明の簡単のために光強度を２値で表示している。
この共振モードにある光の波長λはたとえばａ／２程度である。次に、図７の（Ｂ）で示すように、周期ａの周期性を持つ誘電率分布に、周期ｂでの周期的な変調が加えられた誘電率分布を持つフォトニック結晶構造を考える。
【００１３】
このフォトニック結晶構造に対して、図７の（Ａ）にその一例を示すように、図６の（Ａ）での共振モードと近い波長共振する光の強度分布は周期ａの周期性に加えて、周期ｂの周期性も持つ。
ここでも簡単のために光強度を離散的に示しているが、前記特徴を有する点において、実際の光強度分布と本質的に同じである。
さて、図７の（Ａ）の領域７１０に示すように、前記のような２重周期を持つフォトニック結晶構造では、その共振モードの光強度分布において、相対的に強度が小さくなる領域が周期的に存在する。
このような相対的に強度が小さくなる領域が周期的に存在する光強度分布は、単周期のフォトニック結晶構造のときには現れない。
したがって、この領域７１０の付近に光吸収体（例えば、導電膜、電極などの金属）がある場合と、例えば図６の（Ａ）の領域６１０の付近に同様に光吸収体がある場合とで比較すると、前者の共振器ロスは抑制されることになる。
このように、光強度分布の小さい場所を設け、導電膜を設けることにより、光吸収により影響を最小にしながら、フォトニック結晶層の面内全面に電流注入を実現することにより、高出力化が可能となる。
なお、フォトニック結晶構造の持つ周期性は図６、図７では一次元方向の周期性についてのみ触れているが、フォトニック結晶構造は二次元的な周期構造を持っていても良い。
【実施例】
【００１４】
以下に、本発明の実施例について説明する。
図１に、本実施例における面発光レーザを説明する断面模式図を示す。
また、図２は図１における面発光レーザの上面を模式的に示す図である。
図１及び図２において、１００は面発光レーザ、１０５は基板、１２０は下部クラッド層、１２５は活性層、１３０は上部クラッド層、１７０は導電膜、１８０は上部電極、１８５は下部電極、１９０はフォトニック結晶構造である。
図１に示すように、本実施例の面発光レーザ１００は、基板１０５上に、下側クラッド層１２０、活性層１２５、上側クラッド層１３０、により構成されている。
また、上側クラッド層１３０には、導電膜１７０および上部電極１８０、基板１０５には下部電極１８５が設けられている。
本実施例における上側クラッド層１３０の上部には、２次元的なホール配列によるフォトニック結晶構造１９０が構成されている。
上部電極１８０はこのフォトニック結晶構造１９０を取り囲むようにリング状の形状をしている。
【００１５】
図３は、本実施例のフォトニック結晶構造１９０のパターンの上面を模式的に示す図である。
図３において、１９５は上側クラッド層が円柱状にエッチングされたホールである。
本実施例のフォトニック結晶構造１９０においては、上側クラッド層が円柱状にエッチングされた形状であるホール１９５が、レーザ共振波長より短い周期ａで２次元正方格子状に配されている。
そして、フォトニック結晶構造において、個々のホールの半径は場所による周期変調が１次元的に加えられ、その周期はレーザ共振波長より長い周期ｂである。例えば、ｂはａの２０倍とし、あるホールから数えて２０＊ｎ＋ｉ番目（ｎは整数、０＜＝ｉ＜２０）のホールの半径は（０．４−０．０３＊｜１０−ｉ｜）＊ａとする。
【００１６】
このフォトニック結晶構造において、光が共振する場合、その定在波の電場強度は、前記短周期ａに応じた変調と共に、前記長周期ｂに応じた変調がかかる。すなわち、定在波の電場強度は強弱を前記長周期ｂで周期的に繰り返す。
ここで、上部クラッド層において、この前記長周期ｂに応じた変調で電場強度が弱くなっている上部クラッド層上の当該箇所に導電膜を配し、逆に電場強度が強くなっている箇所の上には、導電膜を配さないようにする。
【００１７】
その際、上記、導電膜はフォトニック結晶構造の共振器性能を壊さない程度に薄い薄膜であることが望ましい。
上記導電膜は、例えば、厚さが１００ｎｍのインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ−ｔｉｎ−ｏｘｉｄｅ）で構成することができる。
【００１８】
導電性のある物質による導電膜は、光学吸収がある場合が多く、一般に可視光、特に青色光などの短波長領域においてはその吸収は顕著である。
したがって、共振器であるフォトニック結晶構造付近に、導電膜を設置すると、そこで共振する光を吸収してしまい、吸収が大きければレーザ発振が不可能になる。
しかし、本実施例の上記構成のように、フォトニック結晶にさらに変調を加え、定在波電場強度に長周期での強弱をつけ、電場強度が弱くなっている個所だけを選んで、上部クラッド層上における上記個所に導電膜を設けると、
導電膜を上部クラッド層上の全面につけたときよりも、光吸収は大きく抑えることが可能となる。
一方、導電膜をつけたことで、キャリアの拡散はこの導電膜を通じても行われるようになるので、リング電極の内径が大きくとも広いエリアの活性層にキャリアが注入できる。
したがって、本実施例によれば、電流注入効率をよくすることができ、レーザ発光強度を大きくすることが可能となる。
【００１９】
つぎに、本実施例にかかる面発光レーザ１００の作製方法について説明する。
まず、基板１０５上に下部クラッド層１２０、活性層１２５、上部クラッド層１３０を積層させる。
基板１０５はたとえばｎ型ＧａＡｓ基板からなる。
下部クラッド層１２０、上部クラッド層１３０はそれぞれｎ型、ｐ型のＡｌＧａＡｓからなる。活性層１２５はＡｌＧａＩｎＰ系の多重量子井戸構造からなっておりキャリアの注入により発光する。
これらの積層プロセスは通常の半導体成膜技術を用いる。
【００２０】
次に、上部クラッド層１３０の上に導電膜１７０を形成する。
導電膜１７０は、例えばインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ−ｔｉｎ−ｏｘｉｄｅ）とする。
上部クラッド層１３０および導電膜１７０にフォトニック結晶構造１９０を作製する。
ここでフォトニック結晶構造１９０は短周期ａの２次元正方格子状のホール列であり、さらにホール径は長周期ｂで変調がかかっている。たとえばａは３００ｎｍ、ｂは６μｍとする。
フォトニック結晶構造１９０は、たとえば電子ビームリソグラフィ法でパターニングし、エッチング加工により形成する。
【００２１】
さらに、たとえばフォトリソグラフィ法を用いて、長周期ｂのパターニングを行い、エッチングによって導電膜１７０の一部を取り去る。
導電膜１７０を取り去る場所は、レーザ共振モードにおける長周期ｂでの定在波電場強度の大きい上部クラッド層の層上の部分である。この定在波の電場強度はフォトニック結晶構造１９０のパターンによって決まる。
このように、エッチングによって導電膜１７０の一部を取り去ることで、低い強度分布に周期的に変調されている上部クラッド層の当該層上の部分に、導電膜が形成される。
その後、リング型の上側電極１８０を導電膜１７０上に、下部電極１８５を基板下につける。
上側電極１８０、下部電極１８５はそれぞれたとえばＴｉ／Ａｕ、ＡｕＧｅ／Ａｕである。
【００２２】
なお、本実施例では、フォトニック結晶構造１９０について２次元正方格子状の配列からなるとしたが、２次元三角格子状の配列でもよい。
また、ホールの空孔にＳｉＮなどの誘電体などを充填してもよい。
また、ホール配列でなく、ピラー配列でもよい。
また、本実施例では、ホール径に変調を加える長周期変調は１次元的であるとしたが、２次元的であってもよい。
この場合、定在波電場強度の小さいところに応じて、図４に上から見た図を示すように、導電膜を網状に配置してもよい。
また、フォトニック結晶構造１９０への屈折率分布への変調の与え方について、ここではホール径への変調を述べたが、ホール深さへの変調などでもよい。
また、導電膜は上部電極と同じ材質でもよい。
その他、本発明に係る面発光レーザは本実施例の構成に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に変更することができる。
特に、半導体層、導電膜、フォトニック結晶、電極の材料や、フォトニック結晶の屈折率分布のパターンなどは任意である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例における面発光レーザの断面を模式的に示す図。
【図２】本発明の実施例における面発光レーザの上面を模式的に示す図。
【図３】本発明の実施例における面発光レーザにおけるフォトニック結晶構造の上面を模式的に示す図。
【図４】本発明の実施例における面発光レーザの別の構成例の上面を模式的に示す図。
【図５】従来例における特許文献１の２次元フォトニック結晶面発光レーザの断面図。
【図６】単周期のフォトニック結晶構造における誘電率分布と光強度分布を示す模式図。
【図７】本発明に係るフォトニック結晶構造における誘電率分布と光強度分布を示す模式図。
【符号の説明】
【００２４】
１００：面発光レーザ
１０５：基板
１２０：下部クラッド層
１２５：活性層
１３０：上部クラッド層
１７０：導電膜
１８０：上部電極
１８５：下部電極
１９０：フォトニック結晶構造
１９５：ホール
【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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