(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に、第１の半導体多層膜ミラー、活性層、基板の面内方向に屈折率分布を有するフォトニック結晶、を含む複数の半導体層が積層されて構成された発振波長λの面発光レーザであって、
前記フォトニック結晶は、面内に対して垂直方向から前記発振波長λの入射光が入射されたときに、第１の回折光と、該第１の回折光とは回折角度が異なる第２の回折光とに回折するように構成され、
前記第１の半導体多層膜ミラーは、前記フォトニック結晶によって回折される前記第１の回折光と前記第２の回折光のそれぞれに対してストップバンドを有することを特徴とする面発光レーザ。
【請求項２】
前記第１の半導体多層膜ミラーは、前記第１の回折光に対応する屈折率分布の周期と、前記第２の回折光に対応する屈折率分布の周期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】
前記第１の回折光は、前記入射光の入射方向とのなす角度が０度であり、
前記第２の回折光は、前記入射光の入射方向とのなす角度が、０度より大きく９０度未満であ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】
前記第１の半導体多層膜ミラーの法線に対する前記第２の回折光の入射角をθとしたときに、前記第１の半導体多層膜ミラーを構成する層は、λ／４の光学的厚さではなく、
かつ、λ／（４・ｃｏｓθ）の光学的厚さでもない厚さを有す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】
前記第１の半導体多層膜ミラーは、第１の屈折率を有する層と該第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する層とが交互に積層されることにより構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
【請求項６】
前記第１の半導体多層膜ミラーは、３種類以上の屈折率を有する層が積層されることにより構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
【請求項７】
前記第１の半導体多層膜ミラーにおける前記第１及び第２の回折光に対する反射率が、９０％以上であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
【請求項８】
前記第１の半導体多層膜ミラーにおける前記第１及び第２の回折光に対する反射率が、９９％以上であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の面発光レーザ。
【請求項９】
前記活性層と前記フォトニック結晶の間に、第２の半導体多層膜ミラーを有することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
【請求項１０】
前記第２の半導体多層膜ミラーは、前記発振波長λの光が第２の半導体多層膜ミラーに垂直に入射したときの反射率が他の入射角度で入射するときの反射率よりも高くなる構造を備えていることを特徴とする請求項９に記載の面発光レーザ。
【請求項１１】
基板の上に、第１の半導体多層膜ミラー、活性層、基板の面内方向に屈折率分布を有するフォトニック結晶、を含む複数の半導体層が積層されて構成された発振波長λの面発光レーザであって、
前記フォトニック結晶は、面内に対して垂直方向から前記発振波長λの入射光が入射されたときに、第１の回折光と、該第１の回折光とは回折角度が異なる第２の回折光とに回折するように構成され、
前記第１の半導体多層膜ミラーは、前記フォトニック結晶によって回折される前記第１の回折光と前記第２の回折光のそれぞれに対して反射させることができるように構成されており、
前記活性層の屈折率をｎ１とし、フォトニック結晶が前記基板側と反対側の界面で接している誘電体の屈折率をｎ２とするとき、
最も高い反射率を示す第１の反射率ピークと、該第１の反射率ピークと同じ反射率、または該第１の反射率ピークの次に高い反射率を示す第２の反射率ピークとの入射角との差が、
ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）を超えるように構成されていることを特徴とする面発光レーザ。
【請求項１２】
前記誘電体は、空気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】
前記第１の半導体多層膜ミラーは、前記第１の回折光に対応する屈折率分布の周期と、前記第２の回折光に対応する屈折率分布の周期を有することを特徴とする請求項１１または１２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、例えば、複写機やレーザプリンタなどの画像形成装置が有する感光ドラムへ描画を行うための光源としても利用することができる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用いた光デバイスに関する研究が盛んであり、非特許文献１には、２次元フォトニック結晶と多層膜ミラーとで構成される面発光レーザに関する技術が開示されている。
具体的には、図１７に示すように、Ｓｉ基板３０００の基板上に、ＳｉとＳｉＯ２の積層体からなる多層膜ミラー３１００と、２次元フォトニック結晶スラブ３３００とが、ＳｉＯ２からなる貼り合わせ層３２００を介して設けられている。この２次元フォトニック結晶スラブは、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓと、ＩｎＰの障壁層とＩｎＡｓ０．６５Ｐ０．３５の量子井戸層とからなる。この構成において、当該スラブの平均屈折率は約３．２と推定される。
そして、基板３０００と反対側の２次元フォトニック結晶スラブ３３００は、空気（屈折率１．０）と接している。
また、基板側の２次元フォトニック結晶スラブ３３００と隣接しているＳｉＯ２からなる貼り合わせ層（下部クラッド層）３２００の屈折率は約１．４である。
【０００３】
このように、該スラブの両側に、該スラブよりも低屈折率媒体である空気と、貼り合わせ層３２００とが設けられているため、該スラブはスラブ導波路を形成している。
このスラブ導波路中には、発光する活性層が埋め込まれており、２次元フォトニック結晶のＤＦＢ作用により、活性層で発生した光が該スラブの面内方向に共振しレーザ発振する。
２次元フォトニック結晶によって、レーザ発振した光の２次回折光が基板垂直方向に取り出されるため、面発光レーザが実現できる。
【０００４】
また、前記スラブと基板との間には、各層の光学的厚さがλ／４（λは共振波長）で構成される多層膜ミラーが設置されている。
ここで、光学的厚さとは、ある層の厚さに、その層を構成する材料の屈折率を掛けたものをいう。
この多層膜ミラー３１００は、スラブから基板側に放射された光を戻すことで光取り出し効率を上げるだけでなく、スラブ共振器中の発振モードを制御するものである。
スラブ３３００と多層膜ミラー３１００との距離を適切にとることにより、共振器のＱ値をコントロールできる。
例えば、Ｑ値を高めることにより、レーザのしきい値を下げることができるということが記載されている。
【非特許文献１】ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ  ８８，０８１１１３（２００６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記先行技術は、フォトニック結晶および活性層を含むスラブ３３００を、それより屈折率の低い貼りあわせ層３２００と、空気とで挟むことにより、スラブ導波路を実現している。
すなわち、上側クラッド層は屈折率が約１の空気であり、下側クラッド層は屈折率１．４のＳｉＯ２となっている。
ここで、下部クラッド層３２００は、基板３０００から活性層までエピタキシャル成長可能な半導体層で構成されることが望ましい。
しかし、格子整合する半導体の組合せは限られ、一般にそれらの間の屈折率は近い値である。そのため、スラブとクラッド層との間で屈折率の差を確保することが難しい。
また一方で、周期的な空孔の形成などによってフォトニック結晶が形成された半導体スラブ層は、フォトニック結晶形成前に比べて実効的な屈折率が下がる。
そのため、スラブ層とクラッド層との間で屈折率差を確保することが更に難しくなる。
【０００６】
特に、フォトニック結晶での回折効率を上げるためには、空孔を大きくすることが望まれるが、空孔を大きくすると空孔を含むフォトニック結晶領域の実効的な屈折率をより一層下げることになる。
このように、半導体材料を用いた場合において、フォトニック結晶層とクラッド層との屈折率差を大きくすることには、大きな困難を伴う。
したがって、フォトニック結晶を含むスラブ層と半導体下部クラッド層との屈折率差によって先行技術のように光閉じ込めを利用するスラブ導波路を形成することは、きわめて困難である。
特に、青色の半導体レーザを実現するために有用であるとされるＧａＮ−ＡｌＧａＩｎＮ系では、格子整合と屈折率差の関係を満足する材料がなく、この問題が顕著に生じる。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑み、屈折率差を大きく取ることができない半導体材料を用いた場合であっても、導波路を形成することのできる、フォトニック結晶を用いた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】
【０００８】
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、
基板の上に、第１の半導体多層膜ミラー、活性層、基板の面内方向に屈折率分布を有するフォトニック結晶、を含む複数の半導体層が積層されて構成された発振波長λの面発光レーザであって、
前記フォトニック結晶は、面内に対して垂直方向から前記発振波長λの入射光が入射されたときに、第１の回折光と、該第１の回折光とは回折角度が異なる第２の回折光とに回折するように構成され、
前記第１の半導体多層膜ミラーは、前記フォトニック結晶によって回折される前記第１の回折光と前記第２の回折光のそれぞれに対してストップバンドを有す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の半導体多層膜ミラーが、前記第１の回折光に対応する屈折率分布の周期と、前記第２の回折光に対応する屈折率分布の周期を有す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の回折光が、前記入射光の入射方向とのなす角度が０度であり、前記第２の回折光が、前記入射光の入射方向とのなす角度が、０度より大きく９０度未満であることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記第１の半導体多層膜ミラーの法線に対する前記第２の回折光の入射角をθとしたときに、前記第１の半導体多層膜ミラーを構成する層は、λ／４の光学的厚さではなく、
かつ、λ／（４・ｃｏｓθ）の光学的厚さでもない厚さを有す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の半導体多層膜ミラーが、第１の屈折率を有する層と該第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する層とが交互に積層されることにより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、前記第１の半導体多層膜ミラーが、３種類以上の屈折率を有する層が積層されることにより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、前記第１の半導体多層膜ミラーにおける前記第１及び第２の回折光に対する反射率が、９０％以上であることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記第１の半導体多層膜ミラーにおける前記第１及び第２の回折光に対する反射率が、９９％以上であることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記活性層と前記フォトニック結晶の間に、第２の半導体多層膜ミラーを有す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の半導体多層膜ミラーが、前記発振波長λの光が第２の半導体多層膜ミラーに垂直に入射したときの反射率が他の入射角度で入射するときの反射率よりも高くなる構造を備えていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、基板の上に、第１の半導体多層膜ミラー、活性層、基板の面内方向に屈折率分布を有するフォトニック結晶、を含む複数の半導体層が積層されて構成された発振波長λの面発光レーザであって、
前記フォトニック結晶は、面内に対して垂直方向から前記発振波長λの入射光が入射されたときに、第１の回折光と、該第１の回折光とは回折角度が異なる第２の回折光とに回折するように構成され、
前記第１の半導体多層膜ミラーは、前記フォトニック結晶によって回折される前記第１の回折光と前記第２の回折光のそれぞれに対して反射させることができるように構成されており、
前記活性層の屈折率をｎ１とし、フォトニック結晶が前記基板側と反対側の界面で接している誘電体の屈折率をｎ２とするとき、
最も高い反射率を示す第１の反射率ピークと、該第１の反射率ピークと同じ反射率、または該第１の反射率ピークの次に高い反射率を示す第２の反射率ピークとの入射角との差が、
ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）を超えるように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、前記誘電体が、空気であることを特徴とする。また、本発明の面発光レーザは、前記第１の半導体多層膜ミラーが、前記第１の回折光に対応する屈折率分布の周期と、前記第２の回折光に対応する屈折率分布の周期を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、屈折率差を大きく取ることができない半導体材料を用いた場合であっても、導波路を形成することのできる、フォトニック結晶を用いた面発光レーザを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の上記構成によれば、スラブ層とクラッド層との間の屈折率差を大きく取ることができない場合であっても、導波路を形成することができる。
それは、フォトニック結晶を有するスラブ層から斜めに出射した斜入射光を高い反射率で反射する下部半導体多層膜ミラーを設けることによって実現したものである。
すなわち、このような構成によれば、空気と半導体との界面による反射と、半導体多層膜ミラーによる反射により、フォトニック結晶層と上部スペーサ層と下部スペーサ層を導波路とする導波モードを存在させることができる。
【００１１】
また、本発明の上記構成によれば、共振器体積を抑えながら低しきい値を実現することが可能となる。
それは、図２に示した垂直方向から入射する回折光２６０（第１の回折光）と、回折光２６０とは回折角度が異なる回折光２７０（第２の回折光）に対して、
高い反射率を有する一つの下部半導体多層膜ミラー（第１の半導体多層膜ミラー）を構成することによって実現したものである。
すなわち、このような構成によれば、一つの下部半導体多層膜ミラーにより、例えば垂直方向からの入射光と、角度θの方向からの入射光を、共に高い反射率で反射することが可能となる。
そのため、それぞれの入射角による入射光に対応した複数の半導体多層膜ミラーを必要とせず、共振器体積を抑えることが可能となる。
【００１２】
以下、その基本的構成について、本発明の実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１に、本実施形態の面発光レーザを説明する断面模式図を示す。
図１において、１００は面発光レーザ、１１０は基板、１２０は下部半導体多層膜ミラー（第１の半導体多層膜ミラー）、１３０は下部スペーサ層、１４０は活性層、１５０は上部スペーサ層、１６０はフォトニック結晶構造を備えたスラブ層である。
【００１３】
本実施形態の面発光レーザにおいて、下部半導体多層膜ミラー１２０を含む上記の各層は、基板１１０の面内方向に対して垂直方向に積層されている。
活性層１４０は、例えば多重量子井戸構造であり、キャリアの注入により発光する。
また、ここで、フォトニック結晶構造を備えたスラブ層とは、基板に平行な方向に、１次元ないし２次元の周期的な屈折率変化を持つ層を意味している。
また、１７０、１７５は電極であり、これらの間に電圧をかけることにより、活性層１４０にキャリアを注入し、発光させる。
【００１４】
つぎに、図２を用いて、本実施形態における下部半導体多層膜ミラー１２０の機能を説明する。
図２は、フォトニック結晶構造を備えたスラブ層１６０及び上部スペーサ層１５０の断面模式図である。
図２において、スラブ層１６０の面内方向には、細孔２１０と、該細孔２１０を分離する領域２２０が設けられており、フォトニック結晶構造が形成されている。
２５０は、フォトニック結晶構造を持つスラブ層１６０に対して垂直方向に入射する入射光である。
入射光２５０は、スラブ層１６０により、下部半導体多層膜ミラー１２０に対して垂直方向に入射する回折光２６０（第１の回折光）と、下部半導体多層膜ミラー１２０に対して角度θ方向から入射する回折光２７０（第２の回折光）に振り分けられる。
本実施形態においては、発振波長λでフォトニック結晶構造を含むスラブ層に入射した光が、回折により第１の回折光２６０と第２の回折光２７０に分かれて下部半導体多層膜ミラー１２０に入射する際、
これら第１及び第２の双方の回折光に対して共に高い反射率で反射することのできる下部半導体多層膜ミラーを有する構成としている。
これにより、それぞれの入射角による入射光に対応した複数の半導体多層膜ミラーを必要とせず、共振器体積を抑えることが可能となる。その詳細については後述する。
なお、ここで、第２の回折光２７０が下部多層膜ミラー１２０に入射する角度である角度θ（入射光２５０の入射方向と、第２の回折光２７０のなす角度）は、０度より大きく９０度未満の角度である。
【００１５】
図３は、本実施形態における下部スペーサ層１３０及び下部半導体多層膜ミラー１２０の断面模式図である。
３６０は前記第１の回折光２６０に相当する垂直入射光であり、３７０は前記第２の回折光２７０に相当する斜入射光である。
３６２、３７２はそれぞれ３６０、３７０が半導体多層膜ミラー１２０によって反射された反射光である。
一般的に、半導体多層膜ミラーは、垂直に入射した共振波長の光にとって、反射率が最も高くなるように設計される。
具体的には、レーザ発振波長λに対し、層の光学的厚さがそれぞれλ／４となるように、高屈折率層と低屈折率層を交互に積層して半導体多層膜ミラーが形成される。
このような半導体多層膜ミラーにλの波長の光を入射角θで入射したときの反射率は、例えば、図７のように、θ＝０°付近で反射率が高く、その他の入射角では反射率が低いものとなる。
【００１６】
これに対して、本実施形態における下部半導体多層膜ミラー１２０は、波長λの入射光に対し、垂直入射光３６０に対する反射率だけでなく、斜入射光３７０に対する反射率も高くなるように構成される。
その際、これらの反射率はレーザ発振に至るためには高いことが好ましく、共に９０％以上とすることが望ましい。
また、この観点からは、９９％以上となるようにすることがより望ましく、１００％により近い反射率が最も望ましい。
【００１７】
この面発光レーザの有する共振モードについて、光線近似を用いて図４により説明する。
この面発光レーザは、フォトニック結晶構造と下部半導体多層膜ミラーによって構成される導波路内を、斜め方向に共振する共振モードが存在するように構成されている。
具体的には、活性層１４０をその導波領域に含む導波モードに、フォトニック結晶１６０と半導体多層膜ミラー１２０によって面内共振作用が加わっている。
ここでは図４のようにｘｚ面内を導波し、かつ共振状態にある光７５０を考える。
ここで、共振状態にある光７５０は、図２の光２７０、図３の光３７０、光３７２を含むものである。
また、ｘは基板面内方向、ｚは基板垂直方向であり、共振状態にある波長λの光の波数ベクトルｋのｚ成分をｋｚ、ｘ成分をｋｘとする。
共振状態にある光７５０については、導波条件（ｚ方向に定在波が立つ条件）から、以下の式が成立する。
ｎ・ｄ・ｋｚ＋φ＝ｌπ（ｌは整数）・・・（１）
また、フォトニック結晶による共振条件（垂直入射光２５０と光７５０の回折条件）から、以下の式が成立する。
ｎ・ａ・ｋｘ＝２ｍπ（ｍは整数）・・・（２）
ここで、ｎは導波路層の実効的な屈折率、ｄは実効的な導波路層厚、ａはフォトニック結晶の格子定数、φは反射の際の位相シフト（グースヘンシェンシフト）である。
ここでは説明の簡単のために、ｍ＝１とし、φ＝０とする。
λをレーザ共振波長、θを半導体多層膜ミラーへの入射角とすると、
ｋｚ＝２πｃｏｓθ／λ、ｋｘ＝２πｓｉｎθ／λ
である。
ここで式（１）と式（２）をλとθについて解くと、
λ＝ｎ／√（（１／ａ）２＋（ｌ／２ｄ）２）、θ＝ａｒｃｔａｎ（ｋｘ／ｋｚ）＝ａｒｃｔａｎ（２ｄ／ｌａ）
となる。
すなわち、半導体多層膜ミラー１２０は、共振波長λにおいてこの半導体多層膜ミラー１２０に入射する入射角θの回折光に対し、反射率が高くなるように設計される。
【００１８】
このような構造を備えた下部半導体多層膜ミラー１２０およびフォトニック結晶構造を含むスラブ層１６０により、図１の面発光レーザ１００は以下のように機能する。
活性層１４０から放射された光で、下部半導体多層膜ミラー１２０に図３における３７０の光路で斜入射したものは、下部半導体多層膜ミラー１２０によりその大部分が反射され、フォトニック結晶構造を含むスラブ層１６０に、３７２の方向で入射する。
この光は、フォトニック結晶構造を含むスラブ層１６０をはじめとした半導体層と空気との間の高い屈折率差によって一部が反射される。
【００１９】
また、スラブ層へ入射した光の一部はフォトニック結晶によって、基板の面内方向に垂直な軸と入射光路とのなす角度は維持される。例えば、正方格子構造の場合、当該垂直な軸に対して、その入射光路を０°、±９０°、１８０°回転させた方向の基板側に回折される。
そして、再び下部半導体多層膜ミラー１２０に斜入射光３７０として入射し、再び反射される。
すなわち、空気と半導体との界面による反射および、半導体多層膜ミラーによる反射によって、フォトニック結晶構造を含むスラブ層１６０、上部スペーサ層１５０、下部スペーサ層１３０を導波路とする導波モードが存在することになる。すなわち、斜入射光に対し高い反射率を持つ下部半導体多層膜ミラー１２０により、屈折率の低い下部クラッド層を活性層の下側に設けなくとも、導波モードを存在させることができる。
また、前記導波モードの光は、フォトニック結晶での反射・回折および下部半導体多層膜ミラー１２０での反射を複数回繰り返すことにより元の光路に戻ることができるため、共振作用が生じる。
共振モードにある光は、共振器中の活性層により増幅されレーザ発振に至ることができる。
また、フォトニック結晶全域に渡って共振が起きるため、広範囲でコヒーレントな発振が可能である。
さらに、共振器中の定在波の電磁場強度の大きい位置に活性層を置くことにより、レーザに大きなゲインを与えることができる。
【００２０】
また、フォトニック結晶構造を含むスラブ層１６０によって、前記導波モードの光の一部は、基板に対して垂直な方向に回折される。
図５は、本発明の実施形態における面発光レーザの回折について説明する断面模式図である。
図５に示すように、フォトニック結晶を含むスラブ層１６０により回折される光は、基板側５２０と、基板反対側５１０とがある。
このうち、上側に放射される光５１０（図２での入射光２５０の反対向き）を取り出すことで、このレーザは面発光レーザとして機能する。
また、下側に放射される光５２０（図２の第１の回折光２６０の向き）は、下部半導体多層膜ミラー１２０に垂直入射光として入射し、反射され共振導波路およびフォトニック結晶層側に戻る。
この作用により、フォトニック結晶構造を含むスラブ層１６０や下部半導体多層膜ミラー１２０から構成される前記共振器の共振モードのＱ値を変化させる。
下部半導体多層膜ミラー１２０の垂直入射に対する反射光の位相を、下部スペーサ層の厚さや下部半導体多層膜ミラー１２０の層構成を調節して、共振器のＱ値が大きくなるように取ることで、面発光レーザの発振しきい値を下げることができる。
なお、角度θの範囲は、導波路層（下部スペーサ層、活性層、上部スペーサ層、フォトニック結晶構造を含むスラブ層）と空気との界面での全反射の臨界角を超えるようにすることが望ましい。
それは、θがその条件を満たす場合、２７０の方向（図２の矢印とは逆向き）でフォトニック結晶構造に光が入射した際、基板反対側に出射される光は、２５０の方向（図２の矢印とは逆向き）だけとなり、面発光レーザの実用上好ましいからである。
また、フォトニック結晶の格子構造は、上記では正方格子構造について説明したが、三角格子構造等でもよい。
また、細孔の孔径（細孔の前記基板面内方向における断面が円のときには、その直径を意味する）は、たとえばフォトニック結晶構造の格子間隔ａの４０％程度にすることが好ましい。
なお、孔径により回折効率が変わり、発光効率に影響を与えるため、孔径は発光効率が高くなるように適宜設定するのがよい。
【００２１】
ところで、下部半導体多層膜ミラー中では、共振モードの斜入射光３７０と垂直入射光３６０の強度分布は、ともに多層膜厚さ方向に減衰する分布となる。
したがって、斜入射光用と垂直入射光用の半導体多層膜ミラーを個別に用意して積層した場合に比べて、斜入射光用と垂直入射光用が一体となった半導体多層膜ミラーを形成すれば、定在波が分布する実効的な共振器体積（基板垂直方向）を抑えることができる。
その結果、共振器サイズが大きいことによる余計な損失を減らすことができる。以上の構成により、導波路とクラッド層との屈折率差があまり取れない場合においても、電流注入可能な構成のフォトニック結晶を用いた面発光レーザを実現することができる。
また、共振器体積を抑えることで損失を抑制したフォトニック結晶を用いた面発光レーザを実現できる。
【００２２】
次に、下部半導体多層膜ミラー１２０の設計思想について説明する。
半導体多層膜ミラー１２０は、その屈折率分布の周期により、入射光の波長および入射角度に対する高反射領域（ストップバンド、またはフォトニックバンドギャップとも呼ばれる）が決まる。
このことを具体的な数値を用いながら説明する。
波長λ＝６７０ｎｍの光に対して、屈折率ｎＬ＝３．１の層（低屈折率層）と屈折率ｎＨ＝３．４の層（高屈折率層）からなる半導体多層膜ミラーの反射率を考える。
例えば、図６のように、低屈折率層、高屈折率層が、共に光学的厚さがλ／４（１６７．５ｎｍ）で交互に積層されている場合、屈折率３．４の物質からこの多層膜に入射したときの反射率は図７のグラフのようになる。
ここで、図６の横軸は光路長（実際の距離に屈折率を乗じたもの）を表し、半導体多層膜ミラーの表面からの光路長を表している。
また、横軸の値が負の領域から光が入射するものとする（図８、１０、１２も同様）。
また、図７のグラフの横軸は多層膜面の法線に対する入射角θ、縦軸は反射率である（図９、１１、１３も同様）。
また、多層膜の低屈折率層と高屈折率層のペア数は４０とした。この多層膜では、波長λの光が垂直に入射する時に反射率が高くなる。
【００２３】
このように、通常用いられるいわゆるλ／４ペアの半導体多層膜ミラーでは、一般に波長λが斜入射した時の反射率は高くならない。
また、例えば、図８のように、低屈折率層、高屈折率層の光学的な厚さがそれぞれλ／（４・ｃｏｓθＬ）、λ／（４・ｃｏｓθＨ）（ここでｎＬ・ｓｉｎθＬ＝ｎＨ・ｓｉｎθＨ）である場合の半導体多層膜ミラーについて考える。
ここで、例えばθＨ＝２４°とすると、この半導体多層膜ミラーにおいて、低屈折率層、高屈折率層の厚さの光路長はそれぞれ２６５．３ｎｍ、２３６．９ｎｍとなる。
高屈折率層と低屈折率層のペア数を４０とした上記の多層膜に屈折率３．４の物質から入射角θで入射したときの反射率は図９のグラフのようになり、入射角が２４°付近で反射率が高くなることがわかる。しかし、垂直入射光に対する反射率は高くならない。
【００２４】
このように、半導体多層膜ミラーは積層方向における屈折率分布の周期に依存して、入射光の波長と入射角度に対する多層膜の反射域（フォトニックバンドギャップ）が決まる。
ところで、本実施形態おける下部半導体多層膜ミラー１２０は、上記したように垂直入射光に対する反射率と、斜入射光に対する反射率とが、共に高くなるように構成される。
そのためには、半導体多層膜ミラーの積層方向における屈折率分布に、前記のレーザ共振波長の光における上記した垂直入射および斜入射に対応する２つの周期を持たせる必要がある。
【００２５】
より具体的に説明するため、例えば、図１０に示した実線のような屈折率分布を持つ多層膜を考える。
この図において、横軸は光路長、縦軸は屈折率であり、実線で示した屈折率分布は光路長で３３５ｎｍ、３７２．２ｎｍの周期を持たせている。
まず、周期３３５ｎｍである正弦関数と、周期３７２．２ｎｍである正弦関数を足し合わせた関数について、関数の値の最小値が３．１、最大値が３．４となるように線形変換する（図１０の破線に相当）。
次に、この線形変換された関数を、いくつかのステップ関数で近似する。このようにして、実線で示した屈折率分布が得られる。
この方法では、この屈折率分布は、周期３３５ｎｍ、周期３７２．２ｎｍに対応する空間周波数成分を持つため、各々に対応する入射光の波長と角度における反射率が高くなる。
また、屈折率の値が３．１から３．４の間に収まっているため、その屈折率に対応する半導体材料でこの屈折率分布を構成することができる。
このような屈折率分布を持つ多層膜ミラー（光学距離で厚さ２６μｍ積層したもの）に、波長λ＝６７０ｎｍの光が入射角θで入射したときの反射率は図１１のようになる。
図１１の反射率のピークは図７のピーク、および図９のピークとほぼ同じところにある（０°と約２４°）。
これは図１０の多層膜ミラーに、図６および図８の多層膜ミラーが有する屈折率分布の周期を持たせたことに起因する。
【００２６】
このような手法を用いれば、屈折率分布の２つの周期を調整することにより、多層膜ミラーに２つの好適な入射角に反射率ピークを持たせることができる。
なお、ここでは、多層膜ミラーの屈折率分布の周期を２つとし、２つの反射率ピークを得ているが、周期を３つ以上にしてもよく、その場合はその数に応じた反射率ピークを持たせることも可能である。
【００２７】
ところで、このように屈折率分布に周期を複数持つ多層膜ミラーは、屈折率分布が周期を１つだけ持つ多層膜ミラーに比べて、対応する入射角度において、同じ厚さで反射率を比較すると劣ってしまうことがある。この場合には、多層膜ミラーを厚く積むことによって、反射率を上げることが可能である。
【００２８】
また、この多層膜ミラーの２つの反射ピークに対応する入射角での反射光の位相、およびそれらの間の関係は、屈折率分布の周期の足し方を変えることによって調整可能である。
すなわち、先の例で正弦波を足し合わせるとき、それらの正弦波の位相を適当にずらして足し合わせればよい。
例えば、図１６に実線で示した屈折率分布のように多層膜ミラーを構成してもよい。
まず、周期３３５ｎｍである正弦関数と、周期３７２．２ｎｍの正弦関数を９０°位相をずらして足しあわせた関数について、関数の値の最小値が３．１、最大値が３．４となるように線形変換する（図１６の破線に相当）。
次に、この線形変換された関数を、いくつかのステップ関数で近似する。このようにして、実線で示した屈折率分布を得ることができ、図１６に示した屈折率分布は、図１０に示した屈折率分布とは異なる屈折率分布となる。
図１６の屈折率分布で構成された多層膜反射鏡に約２４°で斜入射した波長６７０ｎｍの光の反射光は、図１０の屈折率分布で構成された多層膜反射鏡の反射光に比べて、位相がずれることになる。
つまり多層膜ミラーは、導波路を形成するための斜入射光の反射、および共振器のＱ値を制御するための垂直入射光の反射において、それぞれの反射光の位相を独立に制御できる。これらは所望の面発光レーザにとってそれぞれ最適な位相とすることが望ましい。
【００２９】
また、２つの反射率ピークの反射率に差をつけることも可能である。すなわち、上記した手法を用いて、正弦波を足し合わせる際の正弦波の振幅比を調整すればよく、より強く反射させたいピークに対応する正弦波の振幅強度を上げればよい。
このように、２つの反射光の位相関係や強度比を最適化することにより、多層膜ミラー１２０を、より面発光レーザにとって好適なものにすることができる。
【００３０】
また、上記した構成例では、多層膜ミラーを構成する層の屈折率は３種類以上のものについて説明したが、このような構成に限られるものではない。
すなわち、２種類の屈折率を用いて上記のような多層膜ミラーを構成することも可能である。具体的には、第１の屈折率を有する層と、該第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する層を交互に積層することによって構成する。
例えば、図１２に実線で示した屈折率分布で多層膜ミラーを構成することもできる。
このような屈折率分布を持つ多層膜ミラー（光学距離で厚さ２０μｍ積層）に入射角θで入射したときの反射率は図１３のようになる。すなわち、この多層膜ミラーは、０°と約２４°に高い反射率ピークを持つ。
ここで図１２の実線で示した屈折率分布も図１０に示した屈折率分布の作成方法と同様に、２種の正弦波の和を参考にして２つの周期を持つように構成した。
但し、屈折率は３．１と３．４の２値のみ取る条件としている。
多層膜ミラーを構成する層の屈折率の種類が少なければ、多層膜ミラーの形成がより簡単になる。
例えば、化合物半導体では構成元素の組成比を変更することで屈折率を変化させることができる。
しかし、化合物半導体の結晶成長のプロセスを考えると、できるだけ化合物半導体の種類を減らしたほうが好ましい。
図１２に実線で示した屈折率分布を持つ多層膜ミラーを化合物半導体で構成する際、２種類の組成比のみ用意すればよいため、図１０の分布より結晶成長が簡単になる。
【００３１】
ところで、図１１にその反射率を示した多層膜ミラーは、最も高い反射率を示す第１の反射率ピーク（０°）と、
該第１の反射率ピークと同じ反射率または該第１の反射率ピークの次に高い反射率を示す第２の反射率ピーク（約２４°）を有するミラーと表現することもできる。
ここで、最も高い反射率を示す第１の反射率ピークは必ずしも９０％以上でなくてもよい。但し、レーザ発振に至ることを考慮すると、９０％以上であることが好ましい。
また、上記説明では、第１の反射率ピークは第１の回折光に対応し、第２の反射率ピークは第２の回折光に対応している。
しかし、第２の回折光に対応するピークが最も高い反射率を示すピーク（第１の反射率ピーク）であるように構成してもよい。
また、本発明の面発光レーザは、基板側と反対側における一部の界面で誘電体と接するフォトニック結晶において、第１の反射率ピークの入射角と、第２の反射率ピークの入射角との差が、ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）を超えるように構成することが望ましい。
ここで、ｎ１は活性層の屈折率であり、ｎ２は、フォトニック結晶が接する前記誘電体の屈折率である。
上記条件を満たした場合に、第２の回折光は、基板側からフォトニック結晶と誘電体との界面へ、その臨界角以上で入射することになる。
この結果、フォトニック結晶構造の基板反対側に出射される光は、第１の回折光に関係する方向だけに限定される。
このような形態は、面発光レーザの実用上好ましい形態であるといえる。
なお、フォトニック結晶が基板反対側で空気と接している場合は、フォトニック結晶が接する誘電体とは空気のことであり、ｎ２はほぼ１となる。
【００３２】
［実施例１］
実施例１においては、本発明を適用した面発光レーザについて説明する。
図１４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。
図１４において、１４００は面発光レーザ、１４１０は基板、１４２０は第１の半導体多層膜ミラー、１４３０は下部スペーサ層である。
１４４０は活性層、１４５０は上部スペーサ層、１４６０はフォトニック結晶構造を持つスラブ層、１４７０は上部電極、１４７５は下部電極である。
【００３３】
本実施例の面発光レーザを作成するに際し、まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１４１０上に、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成比を変えた複数の層からなる第１の半導体多層膜ミラー１４２０を成長させる。
第１の半導体多層膜ミラー１４２０の層構成は、例えば、以下の表１に示されるように、ＡｌＧａＡｓ１８層からなるユニットを、８ユニット積層したものとする。
［表１］
0004709259.tif 000002
【００３４】
上記第１の半導体多層膜ミラー１４２０を成長させる成長方法として、例えば、ＭＯＣＶＤ法を用いることができる。
この第１の半導体多層膜ミラー１４２０は、波長６７０ｎｍの光に対して、図１３に示した反射率のように、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ下部スペーサ層からの入射角が０°および約２４°のときに反射率が最大となるように設計されている。
前記第１の半導体多層膜ミラー１４２０の上に、共振器を構成できる厚さのｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ下部スペーサ層１４３０、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ多重量子井戸層を含む活性層１４４０を成長させる。
次いで、ｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ上部スペーサ層１４５０、ｐ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓスラブ層１４６０を成長させる。
なお、この活性層１４４０は、波長６７０ｎｍで光学利得を持つものとする。
【００３５】
スラブ層１４６０上部表面にレジスト（不図示）を塗布し、電子ビーム露光によって、半径１００ｎｍ、格子間隔５００ｎｍの二次元正方格子パターンをレジストに形成する。
そして、レジストを現像後、ＳｉＣｌ４／Ａｒプラズマによる反応性イオンエッチングを用いてｐ−ＡｌＧａＡｓスラブ層１４６０に二次元ホール列１４６３からなるフォトニック結晶構造を形成する。
このフォトニック結晶構造を含むスラブ層１４６０は、前記第１の半導体多層膜ミラー１４２０との間に導波モードが存在し、かつフォトニック結晶構造により共振作用が生じるように形成される。そして、このホール列を形成した後、レジストを除去する。
下部電極１４７５を基板１４１０下に、上部電極１４７０をスラブ層１４６０上に形成する。
上部電極１４７０は例えばＴｉ／Ａｕ、下部電極１４７５は例えばＡｕＧｅ／Ａｕとする。
こうして作製した面発光レーザ１４００に対して電流注入を行うと活性層１４４０が発光し、前述の共振原理によるレーザ発振により、基板垂直方向に波長約６７０ｎｍの面発光が起きる。
【００３６】
［実施例２］
実施例２において、実施例１における第１の半導体多層膜ミラーとは別に第２の半導体多層膜ミラー１５９０を設けた構成例について説明する。
図１５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。
図１５には、図１４に示す実施例１と同じ構成に同一の符号が付されているので、共通する部分の説明は省略する。
図１５において、１５００は面発光レーザ、１５９０は第２の半導体多層膜ミラーである。
本実施例における面発光レーザ１５００は、図１５にその要部を示すように、実施例１における活性層１４４０と、フォトニック結晶の設けられたスラブ層１４６０との間に、第２の半導体多層膜ミラー１５９０を備えている。
その際、第２の半導体多層膜ミラー１５９０は、レーザ発振波長の光に対し、光が半導体多層膜ミラーに垂直に入射する場合の反射率が、他の入射角度で入射する場合よりも高い反射率とされている。
このような第２の半導体多層膜ミラー１５９０と、第１の半導体多層膜ミラー１４２０との間に活性層１４４０を挟み、基板垂直方向にも共振器を形成することで、レーザ共振器全体のＱ値をさらに高めることができる。この結果、しきい値を下げることができる。
なお、面発光レーザの出力光をフォトニック結晶側（基板反対側）から取り出すためには、第２の半導体多層膜ミラー１５９０の垂直入射反射率は第１の半導体多層膜ミラー１４２０の垂直入射反射率にくらべて低いことが望ましい。
具体的には、実施例１における上部スペーサ層１４５０とスラブ層１４６０との間に、ｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層５３．２ｎｍとｐ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層４８．６ｎｍを１０ペア積層した第２の半導体多層膜ミラーを結晶成長時点で形成する。
【００３７】
以上、実施例１及び実施例２について説明したが、本発明の面発光レーザは、これらの実施例に限定されるものではない。
例えば、波長４００ｎｍ帯ではＡｌＧａＩｎＮ系、１ｕｍ帯ではＩｎＧａＡｓＰ系を用いることができる。
特に、半導体層、フォトニック結晶、半導体多層膜ミラー、電極の材料や、フォトニック結晶の格子形状、半導体多層膜ミラーなどは適宜設定できる。
また上記実施例では、レーザ発振波長として６７０ｎｍのものを示したが、それらに限られるものではなく、適切な材料・構造の選択により任意の波長の発振が可能である。
以上に説明した本発明の面発光レーザは、複写機やレーザプリンタなどの画像形成装置が有する感光ドラムへ描画を行うための光源としても利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態における面発光レーザを説明する断面模式図である。
【図２】本発明の実施形態における下部半導体多層膜ミラーの機能を説明するためのフォトニック結晶構造を備えたスラブ層及び上部スペーサ層による断面模式図である。
【図３】本発明の実施形態における下部半導体多層膜ミラーの機能を説明するための下部スペーサ層及び下部半導体多層膜ミラーによる断面模式図である。
【図４】本発明の実施形態におけるフォトニック結晶を含むスラブ層の上面と下部半導体多層膜ミラーの上面とにおける距離の設計手法について説明する断面模式図である。
【図５】本発明の実施形態における面発光レーザの回折について説明する断面模式図である。
【図６】本発明の実施形態における低屈折率層、高屈折率層が、共に光学的厚さがλ／４（１６７．５ｎｍ）で交互に積層されている半導体多層膜ミラーの屈折率分布を説明する図である。
【図７】本発明の実施形態における半導体多層膜ミラーにλの波長の光を入射角θで入射したときの反射率を説明する図である。
【図８】本発明の実施形態における半導体多層膜ミラーの屈折率分布を説明する図である。
【図９】本発明の実施形態における半導体多層膜ミラーの反射率を説明する図である。
【図１０】本発明の実施形態における半導体多層膜ミラーの屈折率分布を説明する図である。
【図１１】本発明の実施形態における半導体多層膜ミラーの反射率を説明する図である。
【図１２】本発明の実施形態における半導体多層膜ミラーの屈折率分布を説明する図である。
【図１３】本発明の実施形態における半導体多層膜ミラーの反射率を説明する図である。
【図１４】本発明の実施例１における面発光レーザを説明する断面模式図である。
【図１５】本発明の実施例２における面発光レーザを説明する断面模式図である。
【図１６】本発明の実施形態における半導体多層膜ミラーの屈折率分布を説明する図である。
【図１７】公知技術である非特許文献１における面発光レーザを説明する断面模式図である。
【符号の説明】
【００３９】
１００：面発光レーザ
１１０：基板
１２０：下部半導体多層膜ミラー
１３０：下部スペーサ層
１４０：活性層
１５０：上部スペーサ層
１６０：フォトニック結晶構造を備えたスラブ層
１７０：上部電極
１７５：下部電極
２５０：入射光
２６０：第１の回折光
２７０：第２の回折光
３６０：垂直入射光
３７０：斜入射光
１４００：面発光レーザ
１４１０：基板
１４２０：第１の半導体多層膜ミラー
１４３０：下部スペーサ層
１４４０：活性層
１４５０：上部スペーサ層
１４６０：フォトニック結晶構造を持つスラブ層
１４７０：上部電極
１４７５：下部電極
１５００：面発光レーザ
１５９０：第２の半導体多層膜ミラー
【図１】
0004709259.tif 000003
【図２】
0004709259.tif 000004
【図３】
0004709259.tif 000005
【図４】
0004709259.tif 000006
【図５】
0004709259.tif 000007
【図６】
0004709259.tif 000008
【図７】
0004709259.tif 000009
【図８】
0004709259.tif 000010
【図９】
0004709259.tif 000011
【図１０】
0004709259.tif 000012
【図１１】
0004709259.tif 000013
【図１２】
0004709259.tif 000014
【図１３】
0004709259.tif 000015
【図１４】
0004709259.tif 000016
【図１５】
0004709259.tif 000017
【図１６】
0004709259.tif 000018
【図１７】
0004709259.tif 000019