(57)【要約】【課題】２次元スラブフォトニック結晶光デバイスにおいて、能動的に特性や機能を変化させ、制御することが可能な光アクティブデバイスを得ること。【解決手段】活性層１とクラッド層２を積層して形成される２次元的な広がりを有するスラブ層４が２次元面内の周期的屈折率分布構造を有する２次元スラブフォトニック結晶構造によって構成される光アクティブデバイスであって、スラブ層４は、周期的屈折率分布構造に第１の線欠陥領域６を導入して形成される導波路を備える。これにより、活性層１で発生した光は、導波路で共振してレーザ発振する。【選択図】　　　図１
2004119671.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層とクラッド層を積層して形成される２次元的な広がりを有するスラブ層が２次元面内の周期的屈折率分布構造を有する２次元スラブフォトニック結晶構造によって構成される光アクティブデバイスであって、
前記スラブ層は、前記周期的屈折率分布構造に第１の線欠陥領域を導入して形成される導波路を備えることを特徴とする光アクティブデバイス。
【請求項２】
前記第１の線欠陥領域の長軸方向の一方の端部は、前記スラブ層面内の周期的屈折率分布構造で終端されていることを特徴とする請求項１に記載の光アクティブデバイス。
【請求項３】
前記第１の線欠陥領域の長軸方向の両端部は、前記スラブ層面内の周期的屈折率分布構造で終端されていることを特徴とする請求項１に記載の光アクティブデバイス。
【請求項４】
前記活性層は、前記第１の線欠陥領域が導入される部分にのみ形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光アクティブデバイス。
【請求項５】
前記周期的屈折率分布構造に、点欠陥または孤立欠陥がさらに導入されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光アクティブデバイス。
【請求項６】
前記点欠陥または前記孤立欠陥は、複数形成されることを特徴とする請求項５に記載の光アクティブデバイス。
【請求項７】
前記点欠陥または前記孤立欠陥に対して、前記第１の線欠陥領域とは独立して屈折率を制御することが可能な制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項５または６に記載の光アクティブデバイス。
【請求項８】
前記点欠陥または前記孤立欠陥の近傍の領域の屈折率を制御することが可能な制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項５または６に記載の光アクティブデバイス。
【請求項９】
前記周期的屈折率分布構造に第２の線欠陥領域がさらに導入されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の光アクティブデバイス。
【請求項１０】
前記周期的屈折率分布構造に第２の線欠陥領域がさらに導入され、この第２の線欠陥領域に対して前記第１の線欠陥領域とは独立して屈折率を制御することが可能な制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の光アクティブデバイス。
【請求項１１】
前記活性層は前記第１の線欠陥領域と前記点欠陥または前記孤立欠陥が導入される部分にのみ形成され、前記点欠陥または前記孤立欠陥に対して前記第１の線欠陥領域とは独立して屈折率を制御することが可能な制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項５または６に記載の光アクティブデバイス。
【請求項１２】
前記第１の線欠陥領域と、前記点欠陥または前記孤立欠陥との間の屈折率を制御することが可能な制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項５または６に記載の光アクティブデバイス。
【請求項１３】
前記活性層は、前記第１の線欠陥領域が導入される部分と、前記第１の線欠陥領域と前記点欠陥または前記孤立欠陥との間の部分にのみ形成されることを特徴とする請求項５または６に記載の光アクティブデバイス。
【請求項１４】
前記点欠陥または前記孤立欠陥から出射される光をモニタする光監視手段と、
前記モニタされた光に基づいて光アクティブデバイスの光学特性制御を行う光学特性制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項５，６，７，８，１１，１２または１３のいずれか１つに記載の光アクティブデバイス。
【請求項１５】
前記第１の線欠陥領域の屈折率を制御することが可能な制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１つに記載の光アクティブデバイス。
【請求項１６】
前記活性層は、前記第１の線欠陥領域が導入される部分を除いた部分に形成されることを特徴とする請求項１，２，３，５，６，７，８，９，１０，１２または１４のいずれか１つに記載の光アクティブデバイス。
【請求項１７】
前記周期的屈折率分布構造に、前記第１の線欠陥領域とほぼ平行に伸びる第２の線欠陥領域と、前記第２の線欠陥領域と相互作用する２つの第１の点欠陥または孤立欠陥と、前記第１および前記第２の線欠陥領域と相互作用する第２の点欠陥または孤立欠陥とを導入し、前記第１の点欠陥または孤立欠陥により固定された共振周波数を有する前記第２の線欠陥領域によって主共振器を構成し、前記第１の線欠陥領域によって前記第２の点欠陥または孤立欠陥から導入された前記主共振器からの光を増幅する従属パワー増幅器を構成することを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１つに記載の光アクティブデバイス。
【請求項１８】
前記第１の線欠陥領域によって周期的屈折率分布構造のうち、一方の周期的屈折率分布構造を、前記スラブ層面内で前記第１の線欠陥領域に対して垂直な方向に平行移動させて、前記第１の線欠陥領域の幅を変化させることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１つに記載の光アクティブデバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信や光情報処理に用いる光デバイスにおいて、光制御機能を高めた２次元スラブフォトニック結晶を用いた光アクティブデバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
フォトニック結晶は、周期的な屈折率分布を有する光材料であり、これにより、固体結晶の場合に周期的ポテンシャル分布によって電子のエネルギに対してバンド構造が形成されるのと同様に、光子のエネルギに対してバンド構造が形成されることを特徴とする。フォトニック結晶は、例えば、屈折率が異なる材料を多次元的に周期配列させることによって得られる。このようなフォトニック結晶は、従来の光学材料では得られない分散性や異方性などの新しい光学特性を発現するため、光通信や光情報処理において、次世代素子として注目されている。
【０００３】
このようなフォトニック結晶を用いた光デバイスとして、２次元スラブフォトニック結晶光デバイスがある。この２次元スラブフォトニック結晶光デバイスは、シート状の形態を有する場合、シートの面に垂直な方向には、上下の空気層で挟まれた薄い材料層によって光の屈折率閉じ込めを実現し、シートの面に平行な方向には２次元周期構造を形成することによってフォトニックバンド理論に基づく光学特性を示すフォトニック結晶光デバイスとして動作することが示されている。この従来提案されている２次元スラブフォトニック結晶光デバイスは、上述した２次元スラブフォトニック結晶の構造中に線状欠陥導波路を形成し、さらに、この線状欠陥導波路の近傍に点（孤立）欠陥を付加した構成となっている。このような構成によって、特定の波長の光をこの線状欠陥導波路中に加えたり取り出したりすることが可能なＡＤＤ／ＤＲＯＰフィルタ機能を有する光導波路デバイスが得られることが示されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、このような従来の２次元スラブフォトニック結晶光デバイスは、均一な材料または不活性な材料によって構成されており、アクティブな構成要素としての活性層を持たないので、受動デバイスとしてしか機能しない。そこで、２次元スラブフォトニック結晶光デバイスにアクティブな構成要素としての活性層を持たせた種々のデバイスが提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００５】
特許文献１には、基板の表面にスラブ光導波路を有するとともに、このスラブ光導波路の一部にスラブ光導波路のコア層の屈折率と異なる屈折率を有する屈折率変化領域を格子状に規則正しく配置して構成したフォトニック結晶を有する光デバイスであって、フォトニック結晶で囲まれ屈折率変化領域が設けられない空乏領域に形成される単一またはリング状の光学活性領域と、光学活性領域につながりフォトニック結晶を横切るように形成された光導波領域と、光学活性領域を励起させると励起手段とによって構成されるフォトニック結晶導波部を有する光デバイスが開示されている。この光デバイスでは、屈折率周期構造によって活性層で発生した光のブラッグ回折を利用して誘導放出を起こし、レーザ発振する構造となっている。
【０００６】
特許文献２は、周期的な垂直な穴構造を有する２次元周期構造を有する半導体光結晶の少なくとも一方の表面に低屈折率の誘電体層が平面接触している２次元半導体光結晶素子を開示している。
【０００７】
また、アクティブな構成要素としての活性層を有し、２次元フォトニックバンド構造に基づく欠陥モードを利用する光アクティブデバイスとして、種々のフォトニック結晶レーザが提案されている（たとえば、非特許文献２〜４、特許文献３参照）。非特許文献２には、ｎ型の基板上に三角格子状の２次元周期構造を有するｎ型のクラッド層を形成したウエハ上に、通常のｎ型のクラッド層、活性層およびｐ型のクラッド層を順に積層して形成したウエハを融合させることによって構成したフォトニック結晶レーザが開示されている。ここで、２次元周期構造を有するｎ型のクラッド層は、空気穴を用いた周期構造を２次元面内に一様に作成して屈折率周期構造を形成しているが、この周期構造の中には欠陥が導入されないことを特徴としている。このフォトニック結晶レーザによる発振の原理は、フォトニックバンド構造の群速度が０となる部分、すなわちフォトニック結晶モード（以下では、２次元のためにフォトニック結晶スラブモードという）のバンド端で発振するものである。
【０００８】
また、非特許文献３には、フォトニック結晶効果を強めるために活性領域と２次元屈折率周期構造を重ね合わせた構成を有するフォトニック結晶において、この２次元面内の屈折率周期構造全体をレーザ共振器として用いたフォトニック結晶レーザが開示されている。この非特許文献３と同様の構造のものが特許文献１にも開示されている。特許文献３は、注入エネルギのロスを低減することができ、少ない電力で高い光出力を得ることができる半導体レーザとして、光の波長オーダの屈折率周期構造を有するフォトニック結晶において、半導体からなり光の増幅作用を有する活性層と、所定の方向の光学モードにのみ発光エネルギをカップリングさせる位相シフト部を備える半導体レーザを開示している。さらに、非特許文献４には、２次元屈折率周期構造中の一点に点欠陥を導入して、この点欠陥領域を共振器として活用しているフォトニック結晶レーザが開示されている。
【０００９】
【非特許文献１】
Ａ．Ｃｈｕｔｉｎａｎ，　Ｍ．　Ｍｏｃｈｉｚｕｋｉ，　Ｍ．　Ｉｍａｄａ，　ａｎｄ　Ｓ．Ｎｏｄａ，　”Ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｄｒｏｐ　ｆｉｌｔｅｒｓ　ｕｓｉｎｇ　ｓｉｎｇｌｅ　ｄｅｆｅｃｔｓ　ｉｎ　ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｓｌａｂｓ”，　”Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒ”，　２００１，　７９，　２６９０−２６９２
【非特許文献２】
Ｍａｓａｈｉｒｏ　Ｉｍａｄａ，　Ｓｕｓｕｍｕ　Ｎｏｄａ，　Ａｌｏｎｇｋａｒｎ　Ｃｈｕｔｉｎａｎ，　Ｍｉｃｈｉｏ　Ｍｕｒａｔａ，　ａｎｄ　Ｇｏｒｏ　Ｓａｓａｋｉ，　”Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｌａｓｅｒｓ　ｗｉｔｈ　Ｏｎｅ−　ａｎｄ　Ｔｗｏ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　Ａｉｒ／Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｇｒａｔｉｎｇｓ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｂｙ　Ｗａｆｅｒ　Ｆｕｓｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，　”ＩＥＥＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＥＬＥＣＴＥＤ　ＴＯＰＩＣＳ　ＩＮ　ＱＵＡＮＴＵＭ　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ”，　ＶＬＯ．５，　ＮＯ．３，　ＭＹＡ／ＪＵＮＥ　１９９９，　ｐ．６５８−６６３
【非特許文献３】
Ｈａｎ−Ｙｏｕｌ　Ｒｙｕ，　Ｊｅｏｎｇ−Ｋｉ　Ｈｗａｎｇ，　Ｙｏｎｇ−Ｊａｅ　Ｌｅｅ，　ａｎｄ　Ｙｏｎｇ−Ｈｅｅ　Ｌｅｅ，　”Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｌｉｇｈｔ　Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ　Ｆｒｏｍ　Ｔｗｏ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｓｌａｂ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ”，　”ＩＥＥＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＥＬＥＣＴＥＤ　ＴＯＰＩＣＳ　ＩＮ　ＱＵＡＮＴＵＭ　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ”，　ＶＬＯ．８，　ＮＯ．２，　ＭＡＲＣＨ／ＡＰＲＩＬ　２００２，　ｐ．２３１−２３７
【非特許文献４】
Ｏ．　Ｐａｉｎｔｅｒ，　Ｊ．　Ｖｕｃｋｏｖｉｃ，　ａｎｄ　Ａ．　Ｓｃｈｅｒｅｒ，　”Ｄｅｆｅｃｔ　ｍｏｄｅｓ　ｏｆ　ａ　ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｉｎ　ａｎ　ｏｐｔｉｃａｌｌｙ　ｔｈｉｎ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｓｌａｂ”，　”Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａ　Ｂ”，　Ｖｏｌ．１６，　Ｎｏ．２／Ｆｅｂｒｕａｒｙ　１９９９，　ｐ，２７５−２８５
【特許文献１】
特開平１１−３３０６１９号公報（第２，６頁、第１〜３図）
【特許文献２】
特開２０００−２３２２５８号公報（第２〜４頁）
【特許文献３】
特開平９−６４４５８号公報（第２頁、第１図）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
通常、フォトニック結晶レーザでは、屈折率周期構造によってモードが決定されるが、上述した非特許文献２に示されるフォトニック結晶レーザにおいては、そのモードを制御する自由度が小さいこと、およびバンド構造・バンド端部が密であり、各モード間での特定のモード選別が難しいことなどの理由から、所望のモードでレーザを発振させる制御手段がないという問題点があった。また、活性層と空気穴を用いた２次元屈折率周期構造を有するクラッド層とを、層面に対して上下方向に分離した構造にして、活性層からの光電界の漏れ出しを利用してフォトニック結晶効果を得ているが、このような構造では、原理的にフォトニック結晶効果は弱くなってしまうという問題点もあった。
【００１１】
また、上述した非特許文献３に示されるフォトニック結晶レーザは、２次元面内に一様に形成された屈折率周期構造全体でレーザ共振器を構成しており、導波路を有さない構造となっている。そのため、この共振器内を伝播する光は恒常的に屈折率周期構造の各境界面（この場合は、空気境界）を数多く横切ることになる。これにより、屈折率周期構造の各境界面の製作精度の不完全性によるロスが大きく、また活性層境界面においては非発光再結合が起こりやすくなるなどの問題点があった。特許文献３に示される半導体レーザにおいても、活性領域が屈折率周期構造で分断されるという同様の構造を有しているので、このような非特許文献３と同様の問題点を有する。
【００１２】
さらに、上述した非特許文献４に示されるフォトニック結晶レーザは、２次元屈折率周期構造中に点欠陥を導入しているが、点欠陥であるために活性領域の体積が小さく、本質的にまた冷却の点からも発振させるレーザの高出力化を行うことが難しいという問題点があった。そこで、この非特許文献４において、発振レーザの高出力化を実現するために隣接する複数の屈折率周期構造を構成する空気穴を埋めることによって活性領域となる点欠陥の大きさを拡大したとしても、高次モードが発生してしまい、低次の単一モードとならず、高品質な共振器を得ることができなくなってしまう。また、このフォトニック結晶レーザは、２次元屈折率周期構造によるフォトニックバンドギャップによって、フォトニック結晶の層面に対する上下方向の光の閉じ込めを実現している一方、レーザの取り出しは上下スラブの上下方向から取り出すようにしている。すなわち、レーザの閉じ込めを行うレーザ共振器性能とレーザ出力の取り出しとは、原理的に相反する構造でありながら、これら両者を同じ位置、すなわち活性領域である点欠陥において実現しようとしているので、高出力のレーザを得ることができないという問題点があった。
【００１３】
さらにまた、上述した従来の技術では、光アクティブデバイスとして、レーザについてしか記載されておらず、フォトニック結晶のその他の光アクティブデバイスへの応用については何ら開示されていない。
【００１４】
この発明は上記に鑑みてなされたもので、２次元スラブフォトニック結晶光デバイスにおいて、ビーム品質がよく高出力なレーザを発振することが可能な２次元フォトニック結晶レーザを得ることを目的とする。また、２次元スラブフォトニック結晶光デバイスにおいて、能動的に特性や機能を変化させ、制御することが可能な光アクティブデバイスを得ることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明にかかる光アクティブデバイスは、活性層とクラッド層を積層して形成される２次元的な広がりを有するスラブ層が２次元面内の周期的屈折率分布構造を有する２次元スラブフォトニック結晶構造によって構成される光アクティブデバイスであって、前記スラブ層は、前記周期的屈折率分布構造に第１の線欠陥領域を導入して形成される導波路を備えることを特徴とする。また、動作原理としてフォトニックバンド構造の線欠陥モードという従来見出されていなかった新しい特性を有するモードを利用することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる光アクティブデバイスの好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この発明において、光アクティブデバイスとは、能動的に光デバイスの特性や機能を変化、制御させることができるレーザや光変調器、光スイッチ素子などのことをいう。
【００１７】
実施の形態１．
図１は、この発明にかかる光アクティブデバイスの実施の形態１の構成を示す斜視図である。この発明にかかる光アクティブデバイス１０は、図示しないＩｎＰなどの基板上に、ＩｎＧａＡｓＰからなる下クラッド層２、ＩｎＧａＡｓＰからなる多重量子井戸（以下、ＭＱＷという）構造の活性層１、ＩｎＧａＡｓＰからなる上クラッド層３が順に積層されて構成されるスラブ層４に、スラブ層４内を積層方向に貫通するようにスラブ層４の２次元面内に三角格子状の周期的な空気穴構造５を形成することによって構成される。この２次元面内の周期的な空気穴構造５を線状に崩した欠陥（２次元周期構造に対する線状欠陥）６がさらに形成されている。スラブ層４に形成される２次元面内の周期的な空気穴構造５によって、スラブ層４中に周期的な屈折率分布構造が形成される。
【００１８】
このように、この発明で用いられる光アクティブデバイス１０の構成の基本は、多重量子井戸構造を有する活性層１と、この活性層１の上下両面を挟むクラッド層２，３とを有する化合物半導体である。したがって、図１では、ＩｎＧａＡｓＰを活性層１とクラッド層２，３に用いた場合を示しているが、化合物半導体全般ならば、活性層１とクラッド層２，３を構成する材料として用いることができる。具体的には、活性層１には、ＩｎＧａＡｓ，ＧａＡｓ，ＧａＰ，ＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＧａＡｓＰ，ＧａＮなどのバルクまたはＭＱＷを、クラッド層２，３にＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＰ，ＧａＮなどを用いることができる。
【００１９】
図２は、図１に示す２次元スラブフォトニック結晶構造によって構成される光アクティブデバイスの製造方法を模式的に示す断面図である。まず、ＩｎＰ基板７上に、エネルギバンドギャップが相対的に大きい下クラッド層２となるＩｎＧａＡｓＰ層を有機金属化学気相成長装置（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（以下、ＭＯＣＶＤという））や分子線成長装置（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ（以下、ＭＢＥという））などの結晶成長装置を用いて薄膜成長させる。つぎに、下クラッド層２と比較してエネルギバンドギャップが相対的に小さい、すなわち下クラッド層２とは組成比が少し異なるＩｎＧａＡｓＰからなる量子井戸層とバリア層からなる活性層１を、ＭＯＣＶＤやＭＢＥなどの結晶成長装置を用いて薄膜成長させる。このときの量子井戸層とバリア層の膜厚、層数、エネルギバンドギャップ値が活性層１における発光波長帯域を決定するので、２次元スラブフォトニック結晶構造の波長帯域や作成する光アクティブデバイス１０に要求される波長帯域に合わせるようにして、この活性層１を形成する。さらに、活性層１の上に、エネルギバンドギャップが相対的に大きい上クラッド層３となるＩｎＧａＡｓＰ層をＭＯＣＶＤやＭＢＥなどの結晶成長装置を用いて薄膜成長させる。このようにして基板７上に下クラッド層２、活性層１および上クラッド層３が形成された状態が図２（ａ）に示されている。
【００２０】
つぎに、図２（ｂ）に示されるように、上記の工程で基板７上にエピタキシャル成長して形成されたＩｎＧａＡｓＰの上クラッド層３上に、有機材料からなる電子ビーム（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｂｅａｍ（以下、ＥＢという））露光用レジスト８を塗布する。
【００２１】
つぎに、図２（ｃ）に示されるように、ＥＢ露光機によって、欠陥構造も含めた屈折率周期構造（この場合は、２次元面内に周期的な構造を有する空気穴構造５）形成用のパターンを描画し、屈折率周期構造を形成する領域以外のＥＢ露光用レジスト８を残し、屈折率周期構造を形成する領域のＥＢ露光用レジスト８を除去する。
【００２２】
つぎに、図２（ｄ）に示されるように、反応性イオンエッチング装置（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ（以下、ＲＩＥという））や誘導プラズマエッチング装置（Ｉｎｄｕｃｅｄ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｐｒａｓｍａ　Ｅｔｃｈｉｎｇ（以下、ＩＣＰＥという））などのエッチング装置によって、上記パターンにしたがって、上クラッド層３から下クラッド層２のＩｎＧａＡｓＰ層を貫き、基板７の上層部まで届くようにエッチング加工して、空気穴構造５を形成する。この際、基板７をある程度エッチングしておくことで周期構造下部の基板部分のみを選択的に除去する次工程が容易かつ適切にできる。その後、エッチングを行わなかった領域に塗布されているＥＢ露光用レジスト８を除去する。
【００２３】
そして、図２（ｅ）に示されるように、ウエットエッチングによって、空気穴構造５の下部の基板７部分のみを選択的に除去することによって、２次元スラブフォトニック結晶構造を有する光アクティブデバイス１０が得られる。このとき、基板７は内部が空洞の状態となっており、シート状のスラブ層４の周縁部が基板７によって支持される構造となっている。このような構造によって、スラブ層４の上下両面が空気と接触する。
【００２４】
なお、図２は、この発明にかかる光アクティブデバイス１０の製造方法の一例であり、他の製造方法を用いて製造することもできる。たとえば、まず、図２（ａ）に示されるような基板７上に順に形成された下クラッド層２、活性層１および上クラッド層３上に、ＳｉＮｘやＳｉＯ２などの誘電体膜やＴｉなどの金属膜からなる誘電体マスクまたは金属マスク層を蒸着する。つぎに、フォトエッチングプロセスや電子ビームエッチングプロセスなどによって、この誘電体マスクまたは金属マスク層上に、欠陥構造も含めた屈折率周期構造（この場合は、周期的な空気穴構造５）形成用のパターンを形成し、このパターンにしたがって、上クラッド層３から下クラッド層２を貫き、基板７の上層部にまで達するようにエッチング加工するとともに、基板７の内部を選択的に除去するウエットエッチングによって空気穴構造５の下部を構成する基板７材料のみを選択的に除去する。そして、最後にエッチング加工されていない部分の誘電体膜や金属膜を除去することによっても、２次元スラブフォトニック結晶構造を有する光アクティブデバイスが得られる。
【００２５】
つぎに、このようにして形成される光アクティブデバイス１０を半導体レーザ発振器として用いる場合のレーザ発振の動作について説明する。図３は、光励起によってレーザ発振を行う半導体レーザ発振器の構成を模式的に示す斜視図である。この半導体レーザ発振器は、２次元スラブフォトニック結晶構造を有する光アクティブデバイス１０と、光アクティブデバイス１０に形成された活性領域に光を照射するレーザ励起用光照射部１１とを有する。なお、活性領域とは、光アクティブデバイス１０に形成された主として線欠陥領域６を含む範囲をいう。
【００２６】
レーザ励起用光照射部１１は、たとえばダイオードなどによって構成され、スラブ層４の積層面に対して垂直な方向から線欠陥領域６に、レーザ発振波長とは異なる波長の光を励起光５１として照射することができるように設置される。光アクティブデバイス１０は、図１に示される構造を有する。ただし、この図３では基板を省略している。なお、レーザ励起用光照射部１１はレーザダイオード等でも良く、また導光手段としてファイバやレンズ、反射鏡などを用いて最適照射状態を実現できる。
【００２７】
レーザ励起用光照射部１１からの励起光５１によって活性層１に生じた電子とホールの再結合による光が活性層１内で発生する。活性層１で発生した光は、薄い材料スラブ領域である活性層１とクラッド層２，３を空気クラッドで挟み込む構成によって、すなわち各層面に対して垂直（上下）方向に光を閉じ込める屈折率閉じ込めによって、閉じ込められる。また、活性層１で発生した光は、各層面と平行な面内方向には２次元面内の屈折率周期構造（図１の場合には、三角格子状の空気穴構造５）によるフォトニックバンドギャップによって、屈折率周期構造領域には侵入できない状態となる。その結果、活性層１で発生した光は、屈折率周期構造が形成されていない線欠陥領域６内に局在する。すなわち、線欠陥領域６は導波路として機能することになる。
【００２８】
ここで、図４は、この発明にかかる光アクティブデバイスのフォトニックバンド構造図を示している。この図におけるフォトニックバンド構造は、図１に示されるように、三角格子状の周期構造を有し、隣り合う空気穴構造５の中心間の距離（すなわち格子周期）をａとし、空気穴構造５の半径をｒとしたときに、
ｒ＝０．２９ａ・・・（１）
となる周期的な空気穴構造５がスラブ層４に形成された２次元スラブフォトニック結晶に対して適用されるものである。具体的には、モード１１３，１１４の２つをフォトニック結晶モードのバンドとして代表して表記しており、図外の規格化周波数０．２３以下または０．３３以上にも多数のモードが存在している。以下ではこれらフォトニック結晶モードではなく欠陥モードについて議論するため、フォトニック結晶モードが規格化周波数中に１つも存在しないフォトニックバンドギャップ領域を判りやすくする目的で、フォトニック結晶モード領域は斜線表記している。このフォトニックバンド構造の図において、たとえば、２次元スラブフォトニック結晶の空気穴構造５の格子周期ａ＝０．４２［μｍ］である場合には、規格化周波数ν＝０．２７［ｃ／ａ］は波長λ＝１．５５５［μｍ］に相当し、規格化周波数ν＝０．２８［ｃ／ａ］は波長λ＝１．５００［μｍ］に相当する。
【００２９】
フォトニックバンド理論によれば、線欠陥領域６の導波路に局在する光は特定のモードとなる。この実施の形態１の場合では図４に示されるフォトニックバンド構造の欠陥導波路に適合するモードが線欠陥領域６の導波路内に存在しうることになり、活性層１で内部生成した光は、線欠陥導波路モード１０５，１０６のバンド端１０７，１０８の群速度が０となる領域で光の共振を起こし、この共振した光の一部がレーザ光５２として光アクティブデバイス１０の線欠陥領域６の端部からレーザ発振する。
【００３０】
また、図４において、２次元スラブフォトニック結晶の空気穴構造５の格子周期ａや穴半径ｒ、または材料を変更して屈折率を変化させることによって、図４中のフォトニックバンドギャップを上下にシフトさせることが可能となり、所望の波長のレーザを発振させるように制御することが可能となる。すなわち、発振波長に対して適切に空気穴構造５の格子周期ａや穴半径ｒ、または材料を設定することで、紫外域から２μｍ前後の赤外域の発振波長帯域を有する２次元スラブフォトニック結晶レーザを実現することができる。
【００３１】
以上の説明では、励起源として光を用いた場合を説明したが、活性層１に電流を流すことによって活性層１から光を発生させる電流励起による方法を用いてもよい。この場合、活性層１を構成するＭＱＷに励起電流が流れるようにすることによって、活性層１内に電子−ホール再結合によるレーザ光が発生する。
【００３２】
上述した図３に示されるような半導体レーザ発振器では、レーザは線欠陥領域６の両端部となるスラブ層４の断面部分から発振される。そこで、図５に示すように、線欠陥領域６を形成する際に、線欠陥領域６の一方の端部を２次元屈折率周期構造で終端することによって、具体的には、線欠陥領域６の一方の端部に周囲の空気穴構造５と周期性を保つように空気穴構造５ａを設けることによって、この部分を光が伝播できず、この空気穴構造５ａが形成された端部とは逆の端部のみから増幅されたレーザ光が出射されるようになる。これによって、ロスを一層少なくした高出力の半導体レーザ発振器を得ることが可能となる。なお、ここでは空気穴構造５ａのみを示したが、片端からの光電界の漏れを抑えより効率よく光を閉じ込めるためには、複数周期の空気穴構造５を形成すればよい。
【００３３】
この実施の形態１によれば、クラッド層２，３中に挟まれた活性層１を有する構成のスラブ層４に、層面を貫通するように周期的な空気穴構造５を形成し、この空気穴構造５の一部に線欠陥領域６を設けるように光アクティブデバイスを構成したので、２次元フォトニック結晶導波路モードのバンド端発振のレーザ発振となる。このため、図４に示される最低次の導波路モードが、導波路内のビーム広がりが小さいため低ロスとなり、レーザ出力取り出し目的にも沿うモード選択ができる。また、周期屈折率境界を横切らない導波路部分の活性層１がレーザ増幅に主に寄与するため、高い２次元フォトニック結晶特性を維持しつつ、高出力・高効率化を図ることができる。さらに、導波路モードのバンド端発振を用いるため、導波路長を伸ばすことによってモード特性を損なうことなく高出力化が図れる。さらにまた、レーザ出力の取り出しと光電界の垂直方向（２次元面内への）閉じ込めが独立しているため、所望のモードのみのレーザ発振とする高品質なレーザ共振器の構成とすることができる。さらにまた、化合物半導体と共振器とを一体化して構成することができるという効果を有する。
【００３４】
なお、この実施の形態１では、図４に示されるフォトニックバンド理論が有効となる２次元スラブフォトニック結晶構造を有する光アクティブデバイスによって、フォトニックバンド理論に基づく光制御が実現できる半導体レーザ発振器を構成することを説明してきた。たとえば、クラッド層２，３にＩｎＧａＡｓＰを用い、活性層１とクラッド層２とで構成されるスラブ層４の全体の厚さを０．２５μｍとしたスラブ層の屈折率は、１．３〜１．７μｍの波長帯域においては、上下空気層の屈折率１に対して約３．３となる。このような光アクティブデバイスでは、垂直（上下）方向の光電界強度分布の７割以上をスラブ層４内に閉じ込める屈折率閉じ込めを実現することができる。一般に、２次元スラブフォトニック結晶構造によるフォトニックバンド理論で光制御を実現することができるのは、光電界に対する垂直方向の光電界強度分布の屈折率閉じ込めが３割程度までの場合であり、それよりも閉じ込めが少ない場合には３次元光制御を行う手段を導入する必要がある。
【００３５】
実施の形態２．
図６は、この発明にかかる光アクティブデバイスの実施の形態２の構成を示す斜視図である。この図６に示されるように、クラッド層２０の二次元面内に形成される線欠陥領域６のみに活性層１が存在し、屈折率周期構造を形成するための空気穴構造５の領域には活性層１が存在しないように、光アクティブデバイスを構成している。
【００３６】
図７は、図６に示す２次元スラブフォトニック結晶構造によって構成される光アクティブデバイスの製造方法を模式的に示す図である。ここでは、基板としてＩｎＰを用い、活性層１とクラッド層２０にＩｎＧａＡｓＰを用いた場合について説明する。まず、図７（ａ）に示されるように、ＩｎＰ基板７上に、ＩｎＧａＡｓＰからなる下クラッド層２、および所望の波長帯域の光が得られるように量子井戸層とバリア層の膜厚、層数、エネルギバンドギャップ値が形成されたＩｎＧａＡｓＰからなる活性層１を順にＭＯＣＶＤやＭＢＥなどの結晶成長装置を用いて形成する。
【００３７】
つぎに、図７（ｂ）に示されるように、ＩｎＧａＡｓＰからなる活性層１上に、ＳｉＯ２やＳｉＮｘなどの誘電体膜で後述する線状の活性層に相当する線状マスク９を形成する。なお、この際に、後の工程で２次元スラブフォトニック結晶に導入する線欠陥領域の導波路パターンとの位置を調整するための位置合わせマークも同時に形成する。
【００３８】
つぎに、図７（ｃ）に示されるように、線状マスク９が形成されていない活性層１の部分を、活性層１の最下層まで、ＲＩＥやＩＣＰＥなどのエッチング装置またはウエットエッチングによって除去する。これによって、線状の活性層１が形成される。その後、線状マスク９が除去される。
【００３９】
つぎに、図７（ｄ）に示されるように、エネルギバンドギャップが相対的に大きいＩｎＧａＡｓＰ層からなる横クラッド層２１を形成し、さらに量子井戸層とバリア層からなる活性層１と横クラッド層２１上にＩｎＧａＡｓＰ層からなるクラッド層３を、ＭＯＣＶＤやＭＢＥなどの結晶成長装置を用いて形成する。ここで、下クラッド層２、横クラッド層２１、上クラッド層３を合わせたものをクラッド層２０という。
【００４０】
その後、実施の形態１の図２（ｂ）〜（ｅ）で説明したように、フォトエッチング工程によって、線状の活性層１が形成された部分以外の部分に２次元周期構造を有する空気穴構造５を形成し、ウエットエッチングによって空気穴構造５の下部を構成する基板７のＩｎＰのみを選択的に除去する。そして、図７（ｅ）に示される光アクティブデバイスが得られる。なお、空気穴構造５を形成する際には、図７（ｂ）で形成された位置合わせマークによって、線欠陥導波路を構成する線欠陥領域６の位置を調整する。
【００４１】
このような構成を有する光アクティブデバイスでは、活性層１を線状に形成し、この活性層１の上部に線欠陥領域６を形成するように構成したので、特に線欠陥領域６にキャリア閉じ込めが可能となり、より効率的な半導体レーザ発振器を実現することができる。
【００４２】
実施の形態３．
図８は、この発明にかかる光アクティブデバイスの実施の形態３の構成を模式的に示す斜視図である。この図８は、上述した実施の形態１の図１において、２次元面内の周期的な空気穴構造５を一箇所のみ崩して、点状の欠陥（周期構造に対する点欠陥）３１を導入したものである。以下では、実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略している。
【００４３】
点欠陥の場合、その共振モードは波数ベクトルによらず一定の周波数を示すことが知られている。図４中の直線１１０は特定の点欠陥モードの例を示している。特定の点欠陥を導波路に近接して配置すると、点欠陥のモードと線欠陥のモードとが相互作用し、複合共振器が形成される。図４から分かるようにこれらの点欠陥のモードと線欠陥のモードとの共通する周波数（すなわち、図４の両モードの交点）１１１においてこの複合共振器は動作し、図１の線欠陥領域６によって形成される導波路を用いた単体の共振器に代わってレーザ発振を行うことが可能となる。なお、点欠陥モードは、線欠陥領域６によって形成される導波路と相互作用する際に、単独の共振周波数から相互作用の程度に応じてわずかに変化するので、この変化を考慮して設計を行う必要がある。
【００４４】
図８では、２次元面内の周期的な空気穴構造５を１箇所のみ崩して点欠陥を導入する場合を説明したが、隣接する空気穴構造５を２箇所崩して、孤立した欠陥（以下、孤立欠陥という）を導入してもよい。図９は、隣接する２箇所の空気穴構造を崩して、孤立欠陥を導入した場合の光アクティブデバイスを示している。この図９のように、隣接する２箇所の空気穴構造５を崩した孤立欠陥３２を導入しても、図１の線欠陥領域６によって形成される光導波路を用いた単体の共振器に代わってレーザ発振を行うことが可能となる。また、この場合には、図４のフォトニックバンド構造図における欠陥モード１１０の周波数は図８の点欠陥３１の場合と異なる値をとるので、共振器パラメータの設計自由度を広げることができる。
【００４５】
また、２次元面内の周期的な空気穴構造５のうち、直線上のみならず２次元面内縦横に隣接する３箇所以上の複数の空気穴構造５を崩して孤立欠陥としたり、周期的な空気穴構造５中にこれらとは径の異なる空気穴構造５を形成したり、空気穴構造５の位置を所定の位置からわずかにシフトしたり、または点（孤立）欠陥の線欠陥領域６によって形成される導波路に対する相対位置を変えたりするなどの方法によっても、所望のモードで線欠陥領域６によって形成される導波路と相互作用する点（孤立）欠陥を形成することができる。
【００４６】
なお、この実施の形態３において、線欠陥領域６と点（孤立）欠陥３１，３２との間の位置関係を適切に設計することによって、線欠陥領域６のエッジ部から、または点（孤立）欠陥３１，３２から、レーザ発振させることが可能となる。図１０は、点（孤立）欠陥からレーザ発振させる場合の光アクティブデバイスの構造を示す斜視図である。この図１０に示されるように、線欠陥領域６の両端部を２次元屈折率周期構造で終端すると、具体的には、線欠陥領域６の両端部に周囲の空気穴構造５の周期と調和するように空気穴構造５ａ，５ｂを設けると、線欠陥領域６の端部に光は伝播できず、複合共振器を構成している点（孤立）欠陥３１のみから増幅されたレーザ光は出射する。このような構成によって、ロスの少ない高出力なレーザデバイスを得ることができる。
【００４７】
また、点（孤立）欠陥３１と線欠陥領域６によって複合共振器を形成する場合に、線欠陥領域６の一方の端部のみを２次元屈折率周期構造で終端するとともに、点（孤立）欠陥３１と線欠陥領域６による複合共振器の間の結合を弱めることによって、線欠陥領域６の終端されていないもう一方の端部から増幅光を相対的に出射しやすくすることができる。これによって、線欠陥領域６による導波路からレーザ発振出力を選択的に取り出すことが可能となる。ここで、点（孤立）欠陥３１と線欠陥領域６による複合共振器の間の結合を弱める方法としては、両欠陥の間に別の材料を挿入したり、または点（孤立）欠陥３１の位置を線欠陥領域６から離したりするなどの方法を用いることができる。また、本構成において点（孤立）欠陥３１から外部光を導光し、複合共振器にて増幅して再び点（孤立）欠陥３１から共振波長のみ出力することで、アクティブデバイスとして波長選択光増幅器が構成できる。
【００４８】
実施の形態４．
図１１は、この発明にかかる光アクティブデバイスの実施の形態４の構成を模式的に示す斜視図である。この図１１は、上述した実施の形態１の図１において、２次元面内の周期的な空気穴構造５の２箇所に、点欠陥または孤立欠陥３３，３４を導入したものである。以下では、実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略している。
【００４９】
これら２つの点（孤立）欠陥３３，３４は共に線欠陥領域６によって形成される導波路との間で相互作用するように、線欠陥領域６に近接して配置されている。このようにして、線欠陥領域６を介して点（孤立）欠陥３３，３４同士がレーザ共振器を構成することができる。また、本構成において点（孤立）欠陥３３または点（孤立）欠陥３４から外部光を導光し、複合共振器にて増幅することで、アクティブデバイスとして波長選択光増幅器が構成できる。
【００５０】
上述した説明では、２次元面内の周期的な空気穴構造５の２箇所に点（孤立）欠陥３３，３４を導入した場合を説明したが、２次元面内の周期的な空気穴構造５の３箇所以上に点（孤立）欠陥を導入してもよい。図１２は、光アクティブデバイスの２次元面内の周期的な空気穴構造５の３箇所に、点（孤立）欠陥３５〜３７を導入した場合を示している。
【００５１】
これらの点（孤立）欠陥３５〜３７は、それぞれ線欠陥領域６によって形成される導波路を介して共振している。この場合、点欠陥３５を例えば１つの空気穴構造５を無くしたスペクトルバンド幅の広い（Ｑ値の小さい）点欠陥とし、孤立欠陥３６，３７を例えば２つの空気穴構造５を無くしたスペクトルバンド幅が狭く（Ｑ値の大きい）、互いに共振点が異なり、点欠陥３５のスペクトル帯域内に位置する孤立欠陥３６，３７となるように設計することによって、孤立欠陥３６，３７のそれぞれから異なる波長で発振するレーザ共振器を形成することができる。
【００５２】
なお、図１２では２つの異なる波長を発振するレーザ共振器を設計する場合について説明したが、さらに点欠陥または孤立欠陥の個数を増やすことによって所望の数だけ異なる値の波長数を有するレーザ共振器を形成することができる。また、本構成において点欠陥３５から外部光を導光し、複合共振器にて増幅することで、孤立欠陥３６，３７から特定の複数波長のみを選択増幅するアクティブデバイスとして波長選択光増幅器が構成できる。
【００５３】
実施の形態５．
上述した実施の形態３の図８に示した点（孤立）欠陥３１の屈折率または点（孤立）欠陥３１近傍の屈折率を線欠陥領域６とは独立に光、電気、熱、音、応力・物理変形を用いて制御すると、波長可変のレーザ共振器を実現することができる。これは、フォトニック結晶においては屈折率が光学特性を決定する支配要因であるからである。ここで、光、電気、熱、音、応力・物理変形を用いて屈折率を制御する手段として、具体的には、光によるフォトリフラクティブ効果を通じた屈折率変化や、電界によるフランツ・ケルディッシュ効果を通じた屈折率変化、量子シュタルク効果によるバンド変化に伴ってクラマース・クローニッヒ効果を通じた屈折率変化、電界によって電気光学効果を通じた屈折率変化、音波による音響光学効果を通じた屈折率変化、また、微小ピンなどで応力を加えることによる屈折率変化を利用することが可能である。
【００５４】
図１３は、この発明にかかる光アクティブデバイスの実施の形態５の構成を模式的に示す斜視図である。この図１３は、上述した実施の形態３の図８において、点（孤立）欠陥３１に代えて、第２の線欠陥領域３８を配置している。ここで、第２の線欠陥領域３８には、半導体製造におけるイオン注入プロセスによって、他の領域とは異なる組成とされている。すなわち、第２の線欠陥領域３８は、スラブ層４内の他の領域とは異なる物性を有するものとなる。
【００５５】
このように、第２の線欠陥領域３８のみ他と異なる組成を有するように構成した状態で、光アクティブデバイス１０の全面に対して光や電気、熱、音、応力・物理変形などを作用させると、第２の線欠陥領域３８の屈折率の変化はその他の領域の屈折率の変化と異なるものとなる。また、光や電気、熱、音、応力・物理変形などの作用のさせ方を変化させると屈折率の変化を調整することができる。このようにして、光励起、電流励起などによって第２の線欠陥領域３８の活性層１の励起状態を変化させることで、クラマース・クローニッヒの関係によってその実効屈折率を変化させることができるので線欠陥領域６と一層相互作用の大きい波長可変のレーザ共振器を実現することができる。
【００５６】
実施の形態６．
図１４は、この発明にかかる光アクティブデバイスの実施の形態６の構成を模式的に示す斜視図である。この図１４は、上述した実施の形態２の図６において、２次元面内の周期的な空気穴構造５の１箇所に、点（孤立）欠陥３９を導入し、線欠陥領域６の下部に形成された活性層１とは独立した活性層１６を、さらに点（孤立）欠陥３９の下に形成したものである。このような光アクティブデバイスは、実施の形態２で説明した方法と同様の方法で作製することができる。
【００５７】
このような構成の光アクティブデバイスによれば、実施の形態５の場合と比べて、線欠陥領域６と独立して、点（孤立）欠陥３９の屈折率を一層容易に変えることが可能となる。これによって、光励起、電流励起等によって活性層１６の励起状態を変化させることで、クラマース・クローニッヒの関係によってその実効屈折率を変化させることができるので線欠陥領域６と相互作用の大きい波長可変のレーザ共振器を実現することができる。
【００５８】
実施の形態７．
上述した実施の形態３の図８または実施の形態６の図１４において、線欠陥領域６と点（孤立）欠陥３１，３９との間の屈折率を光、電気、熱、音、応力・物理変形を用いて制御することで、線欠陥領域６と相互作用する点（孤立）欠陥３１，３９のモードを変えることができる。これによって、波長可変のレーザ共振器を実現することができる。
【００５９】
ここで、光、電気、熱、音、応力・物理変形を用いて屈折率を制御する手段として、具体的には、光によるフォトリフラクティブ効果を通じた屈折率変化や、電界によるフランツ・ケルディッシュ効果を通じた屈折率変化、量子シュタルク効果によるバンド変化に伴ってクラマース・クローニッヒ効果を通じた屈折率変化、電界によって電気光学効果を通じた屈折率変化、音波による音響光学効果を通じた屈折率変化、また、微小ピンなどで応力を加えることによる屈折率変化を利用することが可能である。
【００６０】
実施の形態８．
図１５は、この発明にかかる光アクティブデバイスの実施の形態８の構成を模式的に示す斜視図である。この図１５は、上述した実施の形態２の図６において、２次元面内の周期的な空気穴構造５の１箇所に、点（孤立）欠陥４０を導入し、さらに線欠陥領域６と点（孤立）欠陥４０との間の下部に、活性層１とは独立した活性領域１７を形成したものである。このような光アクティブデバイスは、実施の形態２で説明した方法と同様の方法で作製することができる。
【００６１】
このような構成の光アクティブデバイスにおいて、光励起、電流励起などによって活性領域１７の励起状態を変化させることで、クラマース・クローニッヒの関係によってその実効屈折率を変化させることができるので波長可変のレーザ共振器を実現することができる。
【００６２】
実施の形態９．
上述した実施の形態４において、複数の点（孤立）欠陥のうちデバイス外部への入出力に用いない点（孤立）欠陥に対して、フォトダイオード（ＰＤ）などの光監視手段を対向して配置して漏れ光をモニタし、このモニタの結果を参照しながら光学特性制御のフィードバックを行うことも可能である。
【００６３】
図１６は、光学特性制御のフィードバックが可能な半導体レーザ発振器の実施の形態９の構成を示すブロック図である。この半導体レーザ発振器は、光アクティブデバイス１０、光検出部６１、制御部６２、デバイス制御部６３を有する。光アクティブデバイス１０は、２次元スラブフォトニック結晶構造を有するスラブ層に、線欠陥領域６と１つの点（孤立）欠陥４１を有する構造となっている。このような２次元スラブフォトニック結晶は、実施の形態３の図８で示したように複合共振器を形成する。光検出部６１は、点（孤立）欠陥４１から放出されるレーザ光を検出し、その値を制御部６２に出力する。制御部６２は、光検出部６１からの出力値を受け取り、その値を予め保持している参照値との間で大小比較を行い、その結果をデバイス制御部６３に出力する。デバイス制御部６３は、光アクティブデバイス１０に対して、光、電気、熱、音、応力・物理変形のいずれかを作用させる手段である。
【００６４】
つぎに、この半導体レーザ発振器の動作について説明する。まず、デバイス制御部６３によって、光アクティブデバイス１０の点（孤立）欠陥４１に光、電気、熱、音、応力・物理変形のいずれかを作用させる。これによって、点（孤立）欠陥４１と線欠陥領域６は、光アクティブデバイス１０の構造によって既知の特定波長に対して共振する。点（孤立）欠陥４１から共振しているレーザ光の一部が漏れ出しており、この漏れ出した光が光検出部６１によって検出され、その値が制御部６２に対して出力される。制御部６２では、この受け取った出力値と参照値との間で大小比較を行う。出力値が所定値以上の場合には、光アクティブデバイス１０中でレーザ光は特定波長に制御できていると判断され、制御部６２は光、電気、熱、音、応力・物理変形によるデバイス制御部６３のフィードバック制御をオフにする。一方、出力値が所定値より小さい場合には、光アクティブデバイス１０中でレーザ光は特定波長に制御できていないと判断され、制御部６２は、光、電気、熱、音、応力・物理変形によるデバイス制御部６３のフィードバック制御をオンにして、光、電気、熱、音、応力・物理変形のいずれかを作用させる。このようにして、デバイスの動作状況を反映した光学特性の制御を行うことができる。
【００６５】
なお、図１６では、点（孤立）欠陥４１が１つの場合を例示したが、異なる複数の点（孤立）欠陥を光アクティブデバイス中に導入し、それぞれの点（孤立）欠陥に対して制御部とデバイス制御部の組を複数配置することも可能である。このようにすることで、複数の波長に対応する制御が可能となる。
【００６６】
実施の形態１０．
上述した実施の形態３の図８において、線欠陥領域６の部分を独立に光、電気、熱、音、応力・物理変形を用い屈折率を制御することで、点（孤立）欠陥部３１の制御を行わずに波長可変のレーザ共振器を実現できる。また、図６に示されるように線欠陥領域６の部分のみに活性層１が存在するような構造でも同様の効果を奏する。
【００６７】
ここで、光、電気、熱、音、応力・物理変形を用いて屈折率を制御する手段として、具体的には、光によるフォトリフラクティブ効果を通じた屈折率変化や、電界によるフランツ・ケルディッシュ効果を通じた屈折率変化、量子シュタルク効果によるバンド変化に伴ってクラマース・クローニッヒ効果を通じた屈折率変化、電界によって電気光学効果を通じた屈折率変化、音波による音響光学効果を通じた屈折率変化、また、微小ピンなどで応力を加えることによる屈折率変化を利用することが可能である。
【００６８】
実施の形態１１．
図１７は、この発明にかかる光アクティブデバイスの実施の形態１１の構成を模式的に示す斜視図である。この図１７は、上述した実施の形態１の図１において、面全体に形成された活性層１に代えて、線欠陥領域６以外の部分に活性層１８を形成し、２次元屈折率周期構造に点（孤立）欠陥４２を導入したものである。この独立した活性層１８を、光、電気、熱、音、応力・物理変形を用い屈折率を制御することで、点（孤立）欠陥部の制御を行わずに波長可変のレーザ共振器を実現できる。この場合、活性層１８は点（孤立）欠陥４２の存在する領域をカバーしていてもしていなくても、設計最適化によりどちらも同等の効果を奏する。
【００６９】
実施の形態１２．
図１８は、この発明にかかる光アクティブデバイスの実施の形態１２の構成を模式的に示す斜視図である。この図１８は、上述した実施の形態１の図１において、２次元面内の周期的な空気穴構造５に、第２の線欠陥領域４６と、２つの線欠陥領域６，４６と相互作用する点（孤立）欠陥４３、および線欠陥領域６と相互作用する点（孤立）欠陥４４，４５を導入している。以下では、実施の形態３と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略している。
【００７０】
点（孤立）欠陥４４，４５によって線欠陥領域６は、共振周波数を固定した主共振器（Ｍａｓｔｅｒ　Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）となり、点（孤立）欠陥４３によってその光を第２の線欠陥領域４６に導入して、こちらで増幅を図る従属パワー増幅器（Ｐｏｗｅｒ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）というＭＯＰＡ（Ｍａｓｔｅｒ　Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）デバイスとすることができる。また、これらの制御は図３に示されるように、光、電気、熱、音、応力・物理変形を用い屈折率を制御することで可能となる。
【００７１】
実施の形態１３．
図１９は、この発明にかかる光アクティブデバイスの実施の形態１３の構成を模式的に示す斜視図である。この図１９は、図１において、線欠陥領域６の一方の側に存在する周期的な空気穴構造５ａの全体を、スラブ層４面内の線欠陥領域６の長軸に対して直交する方向に、格子周期ａの数十倍程度の範囲内で平行移動させ、空気穴構造５ａと空気穴構造５ｂとの間の間隔、すなわち線欠陥領域６の幅を変化させたものである。
【００７２】
このような構造の光アクティブデバイス１０は、線欠陥領域６外の屈折率周期構造は図１の場合と変化しないために、図４のフォトニックバンド構造図におけるフォトニック結晶スラブモードは不変でフォトニックバンドギャップも変化しない。しかし、線欠陥領域６の変更によって導波路モードがバンド端位置も含めて変化し、レーザ発振モードや波長を所望の値に調整し、変化させることができる。これによって、フォトニックバンドギャップに導波路モードを１つしか存在させないようにしたり、複数のモードが存在するように増やしたり、または活性層の活性波長領域と導波路モードを所望の波長対応関係に調整したりすることなどが可能になる。通常のＤＦＢレーザなどのバンドモードと異なり、本デバイスでは欠陥モードを用いているため、導波路幅により波長変化およびモード変化を非常に大きくできる。たとえば、格子周期ａ＝０．４２μｍの三角格子周期の場合で、導波路幅を０．１ａ程度変化するだけで１．５μｍ〜１．５８μｍと８０ｎｍ程度も波長変化できることを確認している。このように大きな変位は発振原理の異なる通常のＤＦＢレーザでは考えられず、その値は１／１０以下である。
【００７３】
上述した実施の形態１〜１３では、三角格子状の周期的な空気穴構造５を有する２次元スラブ構造フォトニック結晶を用いた場合について説明してきたが、三角格子状に限られるわけではなく、正方格子状構造など二次元フォトニックバンドギャップ構造を実現できる構造であればよい。また、上述した実施の形態１〜１３では、屈折率周期構造を形成する空気穴構造５として円形の開口孔を用いて説明してきたが、この空気穴構造５を中空の孔としてではなく、２次元スラブフォトニック結晶を構成する半導体材料と比較して相対的に屈折率の低い材料であるポリマーなどの有機材料、または誘電体などの無機材料などを空気穴構造５内に充填してもよい。また、２次元面に垂直方向の閉じ込めとして、十分屈折率閉じ込めができればよいので、空気穴構造５と同様に相対的に屈折率差が大きくなるような低い屈折率のポリマーなどの有機材料や誘電体などの無機材料で構成してもよい。
【００７４】
また、上述した実施の形態１〜１３では、光アクティブデバイスとしてレーザ発振器を例に挙げて説明してきたが、レーザ発振器以外の光アクティブデバイスとして、たとえば点（孤立）欠陥や線欠陥領域、または両欠陥の中間領域などを、光、電気、熱、音、応力・物理変形を用いて制御することで、両者が結合されているときにオンとし、両者の結合が切れた状態をオフとする光スイッチとして動作するデバイスにすることが可能である。
【００７５】
さらに、１つまたは複数の点（孤立）欠陥と組み合わせた線欠陥領域を有する線欠陥導波路において、導波路を伝播する光と点（孤立）欠陥との結合状態を同様の手段でオン、オフすることによって、導波路中の特定の波長の伝播を遅らせたり、早めたりすることが可能な能動的な分散補償器を形成することができる。
【００７６】
さらにまた、通常の化合物半導体デバイスと同様に外部光の入出力をさせることにより半導体光増幅器（ＳＯＡ）や変調器等として利用することも可能である。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、線欠陥領域を形成した２次元スラブフォトニック結晶に活性層を導入するようにしたので、レーザや変調器などの光アクティブデバイスを実現することができるという効果を有する。また、活性層と導波路とを一体形成できるので、光通信や光情報処理を行う装置構成を一層小型化することができるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による光アクティブデバイスの実施の形態１の構成を示す斜視図である。
【図２】光アクティブデバイスの製造方法を模式的に示す断面図である。
【図３】光アクティブデバイスの光励起によるレーザ発振の様子を模式的に示す図である。
【図４】この発明による２次元スラブフォトニック結晶のバンド図である。
【図５】線欠陥領域の一方の端部を終端した光アクティブデバイスの斜視図である。
【図６】この発明による光アクティブデバイスの実施の形態２の構成を示す斜視図である。
【図７】光アクティブデバイスの製造方法を模式的に示す断面図である。
【図８】この発明による光アクティブデバイスの実施の形態３の構成を模式的に示す斜視図である。
【図９】光アクティブデバイスに孤立欠陥を導入した状態を示す模式図である。
【図１０】点（孤立）欠陥からレーザ発振する光アクティブデバイスの斜視図である。
【図１１】この発明による光アクティブデバイスの実施の形態４の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１２】光アクティブデバイスの複数箇所に点欠陥または孤立欠陥を導入した状態を示す模式図である。
【図１３】この発明による光アクティブデバイスの実施の形態５の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１４】この発明による光アクティブデバイスの実施の形態６の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１５】この発明による光アクティブデバイスの実施の形態８の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１６】この発明による光アクティブデバイスの実施の形態９の構成を示すブロック図である。
【図１７】この発明による光アクティブデバイスの実施の形態１１の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１８】この発明による光アクティブデバイスの実施の形態１２の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１９】この発明による光アクティブデバイスの実施の形態１３の構成を模式的に示す斜視図である。
【符号の説明】
１，１６〜１８　活性層、２，３，２０，２１　クラッド層、４　スラブ層、５　空気穴構造、６，３８，４０　線欠陥領域、７　基板、１０　光アクティブデバイス、１１　レーザ励起用光照射部、３１〜３７，３９〜４５　点（孤立）欠陥、６１　光検出部、６２　制御部、６３　デバイス制御部。
【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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【図１８】
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【図１９】
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