(57)【要約】【課題】レーザ光を外部に出力する放射エリアを広くして、より大きな出力で単一横モード発振をすることができる面発光レーザを提供する。【解決手段】下部ＤＢＲ層１０２と、上部ＤＢＲ層１０７と、これらの間に介在する活性層１０４と、を少なくとも有する面発光レーザであって、  前記上部ＤＢＲ層は、レーザ光を外部に出力する放射エリアの中央部以外の領域にフォトニック結晶構造を備え、  前記フォトニック結晶構造は、前記放射エリアの中央部から周辺方向に向けて、前記上部ＤＢＲ層の面内方向と垂直な方向に形成された複数の空孔１０８を有し、  前記複数の空孔の深さが、前記放射エリアの中央部から周辺方向に離れるに従って深くなる構造とされている。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部ＤＢＲ層と、上部ＤＢＲ層と、これらの間に介在する活性層と、を少なくとも有する面発光レーザであって、
前記上部ＤＢＲ層は、レーザ光を外部に出力する放射エリアの中央部以外の領域にフォトニック結晶構造を備え、
前記フォトニック結晶構造は、前記放射エリアの中央部から周辺方向に向けて、マルチモード発振を抑制して単一横モード発振が可能に実効屈折率を変化させた屈折率周期構造を有していることを特徴とする面発光レーザ。
【請求項２】
前記屈折率周期構造は、前記放射エリアの中央部から周辺方向に向けて、前記上部ＤＢＲ層の面内方向と垂直な方向に形成された複数の空孔を有し、
前記複数の空孔の深さが、前記放射エリアの中央部から周辺方向に離れるに従って深くなる構造とされてい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】
前記下部ＤＢＲ層、上部ＤＢＲ層及び活性層を含み構成される面発光レーザにおける共振器が、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体によって形成さ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】
前記空孔の深さは、該深さの割合が前記実効屈折率に応じて調整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】
前記空孔の深さは、最も深いものにおいて活性層の直上までと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】
前記空孔に、前記上部ＤＢＲ層を構成する媒質と屈折率差を有する媒質が充填されてい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】
前記フォトニック結晶構造は、前記放射エリアの中央部から周辺方向に離れるに従って、前記空孔の孔径が大きくなる構造とされている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】
前記フォトニック結晶構造は、前記放射エリアの中央部から周辺方向に離れるに従って、結晶周期が短くなる構造とされてい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。
【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、フォトニック結晶を備えたモード変換型の垂直共振器型面発光レーザに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
面発光レーザの一つとして、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ、以下これを面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）と記す）が知られている。
この垂直共振器型面発光レーザは、活性領域の両側を２つの反射鏡で挟み、基板面に垂直な方向に光共振器を形成し、基板面から垂直方向に光を放射するレーザであり、多くの利点を有することから１９８０年代後半から盛んに研究されてきている。
すなわち、この面発光レーザは、集積化アレイ化が容易であり、外部光学系との結合効率が優れている、等の多くの利点を有している。
そのため、通信、電子写真、センシング、等の分野への応用が期待されており、特に、赤外線短距離通信などの通信分野においては、すでに実用化されている。
【０００３】
中でも、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の横モードを制御するため、その共振器にフォトニック結晶構造を設けたデバイスが検討されている（特許文献１、非特許文献１）。
これらのデバイスには、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）におけるミラー部を構成するＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ、以下これをＤＢＲ層と記す）の表面に、フォトニック結晶構造が作製されている。
また、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の中心部には、フォトニック結晶を設けない領域（欠陥部）が設けられている。
これらにより、レーザ光は欠陥部より発光し、周囲のフォトニック結晶によってモード制御される。このような面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、主としてより大面積（大出力）で、単一横モードのレーザ光を得るために用いられる。
【特許文献１】特開２００４−１２８３５１号公報
【非特許文献１】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ８２，１３４４（２００３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来例の特許文献１等のようにシングル横モードを制御する面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）においても、性能向上を図る上で、更により大出力で単一横モードができる面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）が強く望まれている。
したがって、これら面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の、更なる出力向上を図る必要があるが、大出力化のためレーザの出力窓（放射窓）を広げると、マルチモード発振となり、光学的絞りが容易な単一横モードが得られない場合が生じる。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑み、レーザ光を外部に出力する放射エリアを広くして、より大きな出力で単一横モード発振をすることができ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】
【０００６】
本発明は、以下のように構成した面発光レーザを提供するものである。
本発明の面発光レーザは、下部ＤＢＲ層と、上部ＤＢＲ層と、これらの間に介在する活性層と、を少なくとも有する面発光レーザであって、
前記上部ＤＢＲ層は、レーザ光を外部に出力する放射エリアの中央部以外の領域にフォトニック結晶構造を備え、
前記フォトニック結晶構造は、前記放射エリアの中央部から周辺方向に向けて、マルチモード発振を抑制して単一横モード発振が可能に実効屈折率を変化させた屈折率周期構造を有していることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記屈折率周期構造は、前記放射エリアの中央部から周辺方向に向けて、前記上部ＤＢＲ層の面内方向と垂直な方向に形成された複数の空孔を有し、
前記複数の空孔の深さが、前記放射エリアの中央部から周辺方向に離れるに従って深くなる構造と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、前記下部ＤＢＲ層、上部ＤＢＲ層及び活性層を含み構成される面発光レーザにおける共振器が、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体によって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、前記空孔の深さは、該深さの割合が前記実効屈折率に応じて調整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、前記空孔の深さは、最も深いものにおいて活性層の直上までと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、前記空孔に、前記上部ＤＢＲ層を構成する媒質と屈折率差を有する媒質が充填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、前記フォトニック結晶構造が、前記放射エリアの中央部から周辺方向に離れるに従って、前記空孔の孔径が大きくなる構造と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、前記フォトニック結晶構造が、前記放射エリアの中央部から周辺方向に離れるに従って、結晶周期が短くなる構造とされていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、レーザ光を外部に出力する放射エリアを広くして、より大きな出力で単一横モード発振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】
【０００８】
上記構成によって、より大きな出力で単一横モード発振を実現することが可能となるが、それは本発明者のつぎのような知見に基づくものである。
すなわち、上記従来例の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）においては、中央に欠陥部を設けたフォトニック結晶構造による導波路構造を作ることで、発振光の横モードを制御するように構成されている。
本発明は、この導波路の幅を中央から外縁に向かって徐々に狭くしていくことで、共振横モードを活性層付近のマルチモードの状態から、レーザの放射部分では単一モードの状態に徐々に移行させて行く。
すなわち、上記フォトニック結晶構造が、レーザ光を外部に出力する放射エリアの中央部から周辺方向に向けて、マルチモード発振を抑制して単一横モードの発振が可能となるように、実効屈折率を変化させた屈折率周期構造を備えた構成とする。
これにより、導波光のパワーを落とさずにモード変換させることができることに基づくものである。
【０００９】
これを更に説明すると、上記従来例のものにおいては、フォトニック結晶構造を面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の発振方向のミラー（上部ミラー）に設け、中央に欠陥部を設けて導波構造を作ることで、発振光の横モードを制御するように構成されている。
フォトニック結晶構造は、材料に光の波長オーダーで屈折率周期をもたせた構造であり、設計パラメータを制御することで、結晶中を伝搬する光を制御することができる。
上記従来例のものでは、このようなフォトニック結晶構造を用いることで、波長に対する実効屈折率を単一横モード発振に有利になるよう制御し、結果として単一横モード発振の発光部の大きさを大きくするようにしたものである。
具体的には、上記フォトニック結晶構造は、上記上部ミラーに空孔を周期的に設けることで、上記単一横モード発振を達成するようにされている。
【００１０】
これに対して、本発明では、上記上部ミラーに空孔の深さを、フォトニック結晶構造の形成されていない中央の欠陥部から、外縁部（周辺部）に向かって、徐々に深くして行く。
これにより、上記導波路構造の幅を、活性層から光の放射方向に遠ざかるに従って徐々に小さくなるように構成し、導波光のパワーを落とさずにモード変換させるようにしたものである。また、前記フォトニック結晶構造は、前記放射エリアの中央部から周辺方向に離れるに従って、結晶周期が短くなるように構成することも好ましい。
【００１１】
つぎに、本発明の実施の形態における面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の構成例について説明する。
図１に、本実施の形態における面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を説明する模式的断面図を示す。
図１において、１０１は基板、１０２は下部ミラーを構成する下部ＤＢＲ層、１０３、１０５はそれぞれ下部、上部クラッド層、１０４は活性層、１０６は電流狭窄構造である。
１０７は上部ミラーを構成する上部ＤＢＲ層、１０８はフォトニック結晶空孔、１０９は発光領域であるフォトニック結晶欠陥部、１１０はｎ電極、１１１はｐ電極である。
【００１２】
本実施の形態の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、下部ＤＢＲ層１０２と、上部ＤＢＲ層１０７と、これらの間に介在する活性層１０４と、を少なくとも有している。
そして、上部ＤＢＲ層１０７は、レーザ光を外部に出力する放射エリアの中央部以外の領域にフォトニック結晶構造を備えている。
このフォトニック結晶構造は、前記放射エリアの中央部から周辺方向に向けて、上部ＤＢＲ層１０７の面内方向において、上記空孔の深さを所定の規則に従って、徐々に深く変化させるように構成されている。
すなわち、上記放射エリアの中央部から周辺方向に向けて、上部ＤＢＲ層１０７の面内方向と垂直な方向に形成された複数のフォトニック結晶空孔１０８を有し、その深さが上記放射エリアの中央部から周辺方向に離れるに従って、徐々に深くなる構造を備える。
具体的には、図１に示すように、中央のレーザの発光部であるフォトニック結晶欠陥部１０９から、外縁部（周辺部）に向かって、フォトニック結晶の空孔の深さを徐々に深くしていく。
前述したように、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）においては、フォトニック結晶を用いた導波路構造を作ることで横モードを制御している。
上記した本実施の形態のように、フォトニック結晶欠陥部１０９から、外縁部（周辺部）に向かって、フォトニック結晶の空孔の深さを徐々に深くしていくことで、上記導波路構造の幅は、活性層から光の放射方向に遠ざかるに従って徐々に小さくなる。
【００１３】
これにより、活性層付近では導波路の幅が大きいため、共振横モードはマルチモードとなっているが、レーザの放射部分では導波路の幅が小さく形成されていることから、単一モードとなる。
従って、徐々に導波路の幅を狭くしていくことで、共振横モードを活性層付近のマルチモードの状態から単一モードの状態に徐々に移行して行き、導波光のパワーを落とさずにモード変換させることができる。
【００１４】
つぎに、本発明における上記空孔深さの変化の仕方を決める原理について説明する。
上記従来例の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）では、形成する空孔の深さにより実効屈折率が変化する。
実効屈折率ｎｅｆｆは具体的には以下の式１で表される。
2008277563.tif 000003
【００１５】
上記式１において、ｎｍは物質固有の屈折率、Δｎは２次元のフォトニック結晶が無限に厚いと仮定した場合の実効屈折率の変化である。
γは０から１までの範囲で変化し、形成するフォトニック結晶の深さに応じた実効屈折率変化の程度を表すパラメータである。
【００１６】
図２のグラフに、フォトニック結晶の空孔の深さと、実効屈折率の変化量を決めるパラメータγの依存性を示す。
図２は、下部ＤＢＲ層１０２が７０ペア（１ペア＝２層、１層厚＝１／４波長）、上部ＤＢＲ層１０７が２５ペア、共振器長＝１波長のフォトニック結晶ＶＣＳＥＬにおいて、空孔の深さとγの変化の割合を計算したグラフである。
γの変化の割合すなわち実効屈折率の変化の割合は、空孔の深さに対して直線的でないことがわかる。
これは、空孔の深さにより、空孔の深さ変化に対する実効屈折率の変化が大きい場合と、小さい場合があることを示している。
モード変換の効率を上げるためには、上記実効屈折率を一定の割合で徐々に変化させていく必要がある。
従って、γの傾きの変化を打ち消すように、場所による空孔の深さ変化を調整すればよい。
すなわち、γの変化が緩やかなところでは、空孔の深さの変化を大きくし、急なところでは、空孔の変化の割合を小さくすればよい。
このように、前記空孔の深さを深くする割合は、前記実効屈折率に応じて調整する。
【００１７】
また、さらにモード変換効率を上げるためには、屈折率の変化を光の共振方向と垂直方向（横方向）に対してなるべく緩やかにすることが好ましい。
そのためには、フォトニック結晶の周期をなるべく小さくすることが好ましい。
またモード変換のためには、空孔の深さは活性層付近まであれば十分であり、それ以上深くてもモード変換の効率には寄与しない。
【００１８】
一方、図２より、実効屈折率は空孔の深さを活性層より深くしても、さらに落ちていくことがわかる。
従って、空孔をあまり深くしてしまうと、最も幅の広い導波構造で決定される実効屈折率は大きく下がってしまう。
このとき、欠陥部に向かって空孔を浅くしていき、徐々に屈折率を上げていくと、一回の深さ変化に対する屈折率上昇の割合が大きくなってしまい、モード変換には好ましくない。従って、空孔の深さは、最も深いものにおいて活性層の直上までとすることが好ましい。
【００１９】
フォトニック結晶の格子には、三角格子、四角格子などを用いることができる。格子点の形状は、円形、楕円形、三角形、正方形、長方形などの形状を用いることができる。
このとき、楕円形や長方形など、格子点が２回対象の形状の場合には、偏波制御などの機能を持たせることができる。
また、格子点の大きさ（空孔径）は、全部一定でもよいし、それぞれ異なっていてもよい。
さらに、フォトニック結晶の周期も、全部一定でもよいし、異なっていてもよい。
また本実施形態では空孔タイプのフォトニック結晶構造を用いているが、空孔に他の媒質を充填することも可能である。
このとき、効果を高めるためには、前記空孔に、上記上部ＤＢＲ層を構成する媒質と屈折率差を有する媒質として、できるだけ屈折率差が大きいものを充填することが好ましい。
【００２０】
次に、本実施の形態における面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の全体の構造に関して説明する。
本実施の形態では、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の構造は、従来の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の構造に、フォトニック結晶構造を設けたものである。
上下ＤＢＲ層は、互いに屈折率差が異なる媒質を、１／４波長の光路長で積み重ねた通常のものである。
材料は半導体、誘電体、金属などを用いることができるが、発振波長に対して透明かつミラーを通して電流を注入するためには、半導体とすることが好ましい。
半導体ＤＢＲミラーの材料組み合わせには、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ／Ａｌｘ’Ｇａ１−ｘ’Ａｓ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ／Ｉｎｘ’Ｇａ１−ｘ’Ａｓｙ’Ｐ１−ｙ’、ＧａＮ／ＡｌｘＧａ１−ｘＮなどがある。
誘電体の組み合わせには、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２、ＳｉＯ２／ＺｒＯ２、ＴａＯ２／ＳｉＯ２、ＺｒＯ２／ＨｆＯ２などがあり、またこれらを任意の組み合わせで用いることができる。
【００２１】
活性層には、通常のＶＣＳＥＬで用いられているような、ダブルへテロ構造、多重量子井戸構造、ひずみ量子井戸構造、量子ドット構造などを適用することができる。
クラッド層は活性層を挟んで上下に導入され、活性層とクラッド層の厚さを足した合計Ｌが、発振波長λに対して、ｎλ＝２Ｌ（ｎ：自然数）、を満たすように調整される。
活性層とクラッド層の間に、電流閉じ込めのためのＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ  Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層を導入することも可能である。
【００２２】
下部ＤＢＲ層、上部ＤＢＲ層の間に、クラッド層、活性層等を含み構成される面発光レーザにおける共振器において、上記活性層およびクラッド層には、ＩＩＩ−Ｖ族半導体およびそれらの任意の混晶などを用いることができる。
すなわち、これらの材料には、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体およびそれらの任意の混晶などを用いることができる。
また、これら以外に、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＯなどのＩＩ−ＶＩ族半導体およびそれら任意の混晶などがある。また、各種有機半導体なども使用可能である。
【００２３】
また、本実施の形態における母体となる面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、結晶成長により一括で作製することが、作製のスループット上好ましい。
この場合、活性層を構成する材料により、すなわち発振波長により、ＤＢＲミラーを構成する材料も限られてくる。
例えば、活性層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ／Ａｌｘ’Ｇａ１−ｘ’Ａｓの場合には、ＤＢＲ層はＡｌｘ’’Ｇａ１−ｘ’’Ａｓ／Ａｌｘ’’’Ｇａ１−ｘ’’’Ａｓなどを用いることができる。
また、活性層が（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ／ＧａＩｎＰの場合にはＡｌｘ’’Ｇａ１−ｘ’’Ａｓ／Ａｌｘ’’’Ｇａ１−ｘ’’’Ａｓなどを用いることができる。
また、活性層がＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮの場合には、Ａｌｘ’Ｇａ１−ｘ’Ｎ／ＧａＮなどを用いることができる。
すなわち、同一元素の化合物半導体または格子定数が近い化合物半導体で、発振光を吸収しないように組成を制御した半導体が用いられる。
誘電体で作製したミラーを用いる場合は、格子定数を考慮する必要がないため、発振光を吸収しないような材料のミラーが用いられる。
【００２４】
クラッド層に関しても同様に、結晶成長を用いて一括で作製する場合には、同一元素または結晶の格子定数が近く、発振光を吸収しないｎまたはｐ型半導体材料が用いられる。
例えば、活性層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ／Ａｌｘ’Ｇａ１−ｘ’Ａｓの場合にはＡｌｘ’’Ｇａ１−ｘ’’Ａｓなどを用いることができる。
また、活性層が（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ／ＧａＩｎＰの場合には（Ａｌｘ’’Ｇａ１−ｘ’’）ｙ’’Ｉｎ１−ｙ’’Ｐなどを用いることができる。
また、活性層がＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮの場合にはＧａＮなどを用いることができる。
【００２５】
次に、本実施の形態における電極の構成、および活性層へのキャリア注入方法について説明する。
本実施の形態においては、アノード、カソード１対の電極を有し、該電極からの電流注入により、活性層へのキャリア注入を行う。
電極は、通常のＶＣＳＥＬで用いられるリング状の電極、円形、方形などのパッド型電極、または基板全面に被着した電極などを用いることができる。
電極を構成する材料であるが、従来の半導体レーザプロセスなどで用いられている材料をはじめとし、あらゆる金属材料を用いることが可能である。
特に、半導体材料に関しては、従来の半導体レーザプロセスにおいて、半導体材料に応じて使用できる電極材料がほぼ決まっており、電極を形成する技術はほとんど確立されているため、それに従えばよい。
例えば、ＧａＡｓのｎ電極には、Ａｕ−Ｇｅ−Ｎｉ、Ａｕ−Ｇｅ−Ｐｔ、ｐ電極にはＡｇ−Ｚｎ、Ａｕ−Ｚｎなどの材料が用いられる。
また、金属以外にも、ＩＴＯ、ＳｎＯ２、ＩｎＯ２などの、導電性を有する透明酸化物材料などを電極に用いることも可能である。
【００２６】
さらに、本実施の形態の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）では、電流を活性層に効率よく注入するための狭窄構造が設けられる。
狭窄構造には、イオン注入による高抵抗化領域、酸化狭窄層などを用いることができ、素子の中の電流が流れる部分を開口とし、その他の部位は通電させないよう形成される。
通常これらの開口径、すなわち通電領域は、発振光のマルチモード化を避けるために数μｍΦの円形などになる。
しかし、本実施の形態の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）では、モード制御は狭窄構造で行われるのではなく、フォトニック結晶により行われる。
そのため、むしろ狭窄構造はレーザ出力を小さくしないよう、通常のデバイスよりも大きく作製する必要がある。
具体的には、それぞれの面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）のフォトニック結晶部における、最大の欠陥径により決まる値となる。
【実施例】
【００２７】
つぎに、本発明の実施例について説明する。なお、以下の実施例は例示的なものであり、本発明における面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の構造、材料、大きさ、形状などの諸条件は、これらの実施例によって何ら限定されるものではない。
［実施例１］
本発明の実施例１における面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）について説明する。
図３に、本実施例の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を説明する図を示す。
図３（ａ）は全体の構成を説明するための横方向より見たときの断面図である。図３（ａ）において、３０１は基板、３０２は下部ミラーを構成する下部ＤＢＲ層、３０３は下部クラッド層、３０４は活性層、３０５は上部クラッド層、３０６は酸化電流狭窄層、３０７は上部ミラーを構成する上部ＤＢＲ層である。
３０８はフォトニック結晶空孔、３０９は発光領域であるフォトニック結晶欠陥部、３１０は抗酸化用キャップ層、３１１はｎ電極、３１２はｐ電極である。
【００２８】
基板３０１はＧａＡｓ基板であり、厚さ５２５μｍ、下部ＤＢＲ層３０２、上部ＤＢＲ層３０７はそれぞれｎ型、ｐ型Ａｌ０．９ＧａＡｓ／Ａｌ０．５ＧａＡｓで構成されている。
下部ＤＢＲ層３０２の構成は、下部（基板側）からＡｌ組成ｘとしてみると順に、ｘ＝０．９の層が３３．７ｎｍ、
ｘ＝０．９⇒０．５の傾斜組成層が２０ｎｍ、ｘ＝０．５の層が３０ｎｍ、ｘ＝０．５⇒０．９の傾斜組成層が２０ｎｍ、それぞれ７０周期ずつ積まれている。
最後に、下部クラッド層との境には、ｘ＝０．９の層が４３．９ｎｍ積まれている。上部ＤＢＲ層３０７は、この下部ＤＢＲ層をちょうど上下反転させた構造になっている。
下部、上部クラッド層はそれぞれｎ型、ｐ型Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐで厚さはそれぞれ８５．１ｎｍである。活性層はノンドープの（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．４９５ＩｎＰ／Ｉｎ０．５８９Ｇａ０．４１１Ｐの多重量子井戸構造となっており、井戸数は３層、それぞれの層厚は６ｎｍ／５．５ｎｍである。
本実施例では、上下ＤＢＲ層で反射される光は自由端反射であるため、定在波の腹は共振器の中心部に位置する。
従って本実施例では、活性層の導入位置は、共振器の中央部分となっている。上部クラッド層キャップ層の材料はＧａＡｓであり、厚さは１０ｎｍである。
酸化電流狭窄層の径は１６μｍΦ、厚さは４０ｎｍ、素子のメサ径は２５μｍである。電極はｎ電極がＡｕ−Ｚｎで基板裏面に被着され、ｐ電極がＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉのリング電極である。
本実施例のデバイスでは、上部ＤＢＲ層を貫き、上部クラッド層に達するまでフォトニック結晶の空孔を設ける。
【００２９】
つぎに、図３（ａ）、（ｂ）を用いて、本実施例におけるフォトニック結晶の空孔について説明をする。
図３（ｂ）はフォトニック結晶パターンを説明するための光の放射方向から見たときの模式図である。
図３（ｂ）において、３１３は素子のメサ部、３１４はフォトニック結晶空孔、３１５は欠陥部である。
ここで、図３に示されているのは、本実施例におけるフォトニック結晶の１５周期（欠陥を取り巻く空孔周期数）に対して、７周期分のみである。
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、フォトニック結晶は中央部に欠陥部３０９、３１５が設けられ発光領域となる。
さらに、図３（ａ）に示すように、フォトニック結晶の深さは欠陥部に対して周縁部になるに従い深くなっている。
ここでも簡単のため、図３には４周期のみの空孔を示している。
また、図３（ｂ）に示すように、本実施例におけるフォトニック結晶は２次元の３角格子である。
フォトニック結晶の格子定数は０．８μｍ、孔径は４００ｎｍである。
前述したように、フォトニック結晶の実際の周期は、欠陥を中心として周りに１５周期である。
本実施例で、フォトニック結晶の空孔の深さは、欠陥部を取り囲む空孔、さらにそれを取り囲む空孔という順に深くなっていく。
【００３０】
つぎに、図４に本実施例の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）において、深さの等しい空孔を備えた構成例を示すための模式図を示す。
図４に示される面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、図３（ｂ）に示したものと基本的に同一の構成を備えているが、欠陥部を囲む空孔が中心から順に同心六角形状に色がついている。
前述したように、空孔が欠陥部から遠ざかるにつれ、空孔の深さは徐々に深くなるが、同じ模様の空孔はすべて同じ深さになる。
以下の表１に、本実施例における空孔の深さを、欠陥部を取り囲む空孔から順に挙げていく。
【００３１】
［表１］
2008277563.tif 000004
【００３２】
このとき、活性層に最も近い位置での欠陥導波路構造と、最も遠い位置での欠陥導波路構造におけるＶパラメータを計算したグラフを図５に示す。
このグラフには、本実施例の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）により形成される導波路における、空孔の深さごとの規格化周波数と単一モード状態を決定する実効ＶパラメータＶｅｆｆとの関係が示されている。
Ｖパラメータは、導波路を伝搬する光が単一モードかマルチモードかを決定する理論的なパラメータであり、通常の導波路理論では２．４０５以下の時単一モードとなるとされている。
ここでは、非特許文献１に記載されているような面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）のために換算した、実効ＶパラメータＶｅｆｆを用いる。
Ｖｅｆｆは以下の式２で表される。
2008277563.tif 000005
【００３３】
ここで、Λはフォトニック結晶の周期である。
図５より、活性層付近ではＶｅｆｆ  ＞２．４０５でマルチモードであるが、ＤＢＲ表面ではＶｅｆｆ  ＜２．４０５となり、単一モードとなっていることがわかる。
従って、本実施の形態で述べた理由から、活性層付近でマルチモードで共振している光は、上部ＤＢＲ層付近では単一モードとなり、出射時にも単一モードで出射する。
【００３４】
本実施例における面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の作製方法に関して説明する。
本実施例における面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、既存の作製プロセスで作製した面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）にフォトニック結晶の空孔を設けることにより作製することができる。
具体的には、ＶＣＳＥＬを結晶成長、フォトリソ、ドライエッチング、水蒸気酸化といったプロセスを用いて作製し、上部ＤＢＲ層の上からＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ）を用いてフォトニック結晶の空孔を形成する。
その後、ｐ、ｎ電極を蒸着またはスパッタにより形成する。
本実施例におけるレーザ素子に通電すると、６７０ｎｍの赤色波長で発振する。フォトニック結晶の空孔の深さを中央の欠陥部の周りから徐々に深くしていくことにより、上述したような理由から、大出力で単一モードのレーザ光を得ることができる。
【００３５】
本実施例では、フォトニック結晶の周期はすべて一定の例を説明したが、そうでなくてもよい。すなわち周期が場所により異なっていてもよく、特に、欠陥部に向かい周期を大きくすることで、光をより緩やかに閉じ込めることができるため、性能が向上する。
ただしこの場合、フォトニック結晶の空孔径が欠陥部から遠ざかるにつれて徐々に大きくなっている分、実効屈折率変化の割合が大きくなりやすく、その分変換効率は下がる。
【００３６】
本実施例では、素子を構成する材料に、ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体を用い、活性層にＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰの多重量子井戸構造を用いたが、その他の材料系で構成することも可能である。
その他の材料系としては、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮなど、本実施の形態で挙げたような半導体材料をすべて用いることが可能である。
また、ＤＢＲ層や電極材料で用いることができる材料も、上記項で挙げたとおりである。
また本実施例では、丸穴、三角格子のフォトニック結晶構造を用いたが、楕円形穴、四角格子など本実施の形態で説明したように、すべてのフォトニック結晶構造を用いることができる。
【００３７】
［実施例２］
本発明の実施例２における面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）について説明する。
図６に、本実施例の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を説明する図を示す。
図６（ａ）は全体の構成を説明するための横方向より見たときの断面図である。図６（ｂ）はフォトニック結晶パターンを説明するための光の放射方向から見たときの模式図である。
図６において、６０１は基板、６０２は下部ミラーを構成する下部ＤＢＲ層、６０３は下部クラッド層、６０４は活性層、６０５は上部クラッド層、６０６は酸化電流狭窄層、６０７は上部ミラーを構成する上部ＤＢＲ層である。
６０８はフォトニック結晶空孔、６０９は発光領域であるフォトニック結晶欠陥部、６１０は抗酸化用キャップ層、６１１はｎ電極、６１２はｐ電極である。
６１３は素子のメサ部、６１４はフォトニック結晶空孔、６１５は欠陥部である。
本実施例の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）では、実施例１に対して、フォトニック結晶構造が、放射エリアの中央部から周辺方向に離れるに従って、空孔の孔径が大きくなる構造とされている。
また、それに伴いデバイスの構造パラメータも変化している部分がある。その他、基本的なデバイス構成はすべて実施例１と同様である。
【００３８】
図６（ａ）、（ｂ）を用いて、本実施例の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の構造について説明をする。本実施例でも、フォトニック結晶の周期数は１５であるが、図示されているフォトニック結晶の周期は７周期分のみである。
本実施例のフォトニック結晶構造は、欠陥の周囲からデバイスの周縁部に広がるに従い、空孔径が徐々に大きくなる構造を備えている。
空孔の深さに関しては、実施例１の欠陥から数えて６周期目までの深さと同様である。図６（ａ）においては、やはり簡単のため欠陥から４周期分のフォトニック結晶が図示されている。
その他のフォトニック結晶パラメータは実施例１と同様である。
本実施例におけるフォトニック結晶の孔径を、以下の表２に示す。
【００３９】
［表２］
2008277563.tif 000006
【００４０】
本実施において、実施例１と同様に活性層に最も近い位置での欠陥導波路構造と、最も遠い位置での欠陥導波路構造におけるＶパラメータを計算したグラフを図７に示す。
図７のグラフには、本発明の実施例２の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）により形成される導波路における、空孔の深さごとの規格化周波数と単一モード状態を決定する実効ＶパラメータＶｅｆｆとの関係が示されている。
実施例１と孔径は異なっているものの、やはり活性層より最も遠い位置では単一モードとなっていることが分かる。
本実施例では、実施例１に対してフォトニック結晶の欠陥導波路の幅（本実施例では１０．４μｍ）が異なっているため、酸化狭窄層の径が異なる。本実施例では、酸化狭窄層の径は１１μｍΦである。それ以外のデバイスパラメータは、すべて実施例１と同様である。
【００４１】
つぎに、本実施例における面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の作製方法に関して説明する。
本実施例における面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、基本的な作製プロセスは実施例１と同様である。
但し、本実施例においては、実施例１でＦＩＢで形成していたフォトニック結晶空孔を、ＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ）リソとＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｃｔｃｈｉｎｇ）ドライエッチングにより形成する。
ドライエッチングのレートは、空孔径により異なるため、空孔径の大きい周縁部ほど空孔の深さは大きくする必要がある。
このようにすることで、フォトニック結晶パターンをＦＩＢではなく、ＥＢリソによりパターニングしたＲＩＥで一括に形成することができる。
本実施例におけるレーザ素子に通電すると、６７０ｎｍの赤色波長で発振する。フォトニック結晶の空孔の深さを中央の欠陥部の周りから徐々に深くしていくことにより、上述したような理由から、大出力で単一モードのレーザ光を得ることができる。
【００４２】
また、本実施例でも、フォトニック結晶の空孔径が欠陥部から遠ざかるにつれて徐々に大きくなっている分、実効屈折率変化の割合が大きくなりやすく、その分変換効率は下がる。
しかしながら、フォトニック結晶の空孔径が漸近的に大きくなっていくことから、欠陥部への光閉じ込めが緩やかになるという特徴がある。
従って、単一モードの条件が緩やかになり、より大口径で、単一モードの出力を得ることができる。
また、更に光を欠陥に緩く閉じ込めるために、実施例１で述べた、欠陥部に近づくほど結晶の周期を大きくして行く構成を併用して用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態における面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を説明する模式的断面図。
【図２】本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶の空孔の深さと、実効屈折率の変化量を決めるパラメータγの依存性を示すグラフ。
【図３】本発明の実施例１における面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を説明する図である。（ａ）は全体の構成を説明するための横方向より見たときの断面図。（ｂ）はフォトニック結晶パターンを説明する光の放射方向から見たときの模式図。
【図４】本発明の実施例１における面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）において、深さの等しい空孔を備えた構成例を説明する模式図。
【図５】本発明の実施例１の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）により形成される導波路における、空孔の深さごとの規格化周波数と単一モード状態を決定する実効ＶパラメータＶｅｆｆとの関係を表すグラフ。
【図６】本発明の実施例２における面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を説明する図である。（ａ）は全体の構成を説明するための横方向より見たときの断面図。（ｂ）はフォトニック結晶パターンを説明する光の放射方向から見たときの模式図。
【図７】本発明の実施例２の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）により形成される導波路における、空孔の深さごとの規格化周波数と単一モード状態を決定する実効ＶパラメータＶｅｆｆとの関係を表すグラフ。
【符号の説明】
【００４４】
１０１：基板
１０２：下部ミラーを構成する下部ＤＢＲ層
１０３：下部クラッド層
１０４：活性層
１０５：上部クラッド層
１０６：電流狭窄構造
１０７：上部ミラーを構成する上部ＤＢＲ層
１０８：フォトニック結晶空孔
１０９：発光領域であるフォトニック結晶欠陥部
１１０：ｎ電極
１１１：ｐ電極
３０１：基板
３０２：下部ミラーを構成する下部ＤＢＲ層
３０３：下部クラッド層
３０４：活性層
３０５：上部クラッド層
３０６：酸化電流狭窄層
３０７：上部ミラーを構成する上部ＤＢＲ層
３０８：フォトニック結晶空孔
３０９：発光領域であるフォトニック結晶欠陥部
３１０：抗酸化用キャップ層
３１１：ｎ電極
３１２：ｐ電極
３１３：素子のメサ部
３１４：フォトニック結晶空孔
３１５：欠陥部
６０１：基板
６０２：下部ミラーを構成する下部ＤＢＲ層
６０３：下部クラッド層
６０４：活性層
６０５：上部クラッド層
６０６：酸化電流狭窄層
６０７：上部ミラーを構成する上部ＤＢＲ層
６０８：フォトニック結晶空孔
６０９：発光領域であるフォトニック結晶欠陥部
６１０：抗酸化用キャップ層
６１１：ｎ電極
６１２：ｐ電極
６１３：素子のメサ部
６１４：フォトニック結晶空孔
６１５：欠陥部
【図１】
2008277563.tif 000007
【図２】
2008277563.tif 000008
【図３】
2008277563.tif 000009
【図４】
2008277563.tif 000010
【図５】
2008277563.tif 000011
【図６】
2008277563.tif 000012
【図７】
2008277563.tif 000013