(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
a)電荷の注入により所定の波長の光を発生する活性層と、
b)前記活性層の上側に設けた、前記所定波長に対応した周期構造を有する２次元フォトニック結晶と、
c)前記２次元フォトニック結晶の上側に複数個、正方格子又は三角格子状に並べた上部電極と、
d)前記活性層の下側に設けた下部電極と、
を有することを特徴とするフォトニック結晶レーザ素子。
【請求項２】
a)電荷の注入により所定の波長の光を発生する活性層と、
b)前記活性層の上側に設けた、前記所定波長に対応した周期構造を有する２次元フォトニック結晶と、
c)前記２次元フォトニック結晶の上側に設けた上部電極と、
d)前記活性層の下側に複数個、正方格子又は三角格子状に並べた下部電極と、
を有することを特徴とするフォトニック結晶レーザ素子。
【請求項３】
前記上部電極が前記所定波長の光に対して透明な材料から成ることを特徴とする請求項１又は２に記載のフォトニック結晶レーザ素子。
【請求項４】
前記上部電極上に、出力されるレーザ光を偏向する手段を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のフォトニック結晶レーザ素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のフォトニック結晶レーザ素子と、前記上部電極と下部電極間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記複数個並べた上部電極又は下部電極毎の印加電圧のON/OFFを制御する制御手段と、を備えることを特徴とするフォトニック結晶レーザ装置。
【請求項６】
前記制御手段が、前記複数個並べた上部電極又は下部電極の配列順に順次印加電圧をON/OFFするものであることを特徴とする請求項５に記載のフォトニック結晶レーザ装置。
【請求項７】
前記制御手段が、前記複数個並べた上部電極又は下部電極の隣接する所定個数から成る組に同時に電圧を印加し、且つ、該組を移動させてゆくことを特徴とする請求項６に記載のフォトニック結晶レーザ装置。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれかに記載のフォトニック結晶レーザ装置を光源として備えることを特徴とするレーザプリンタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザプリンタやバーコードリーダ等、レーザ光を走査する必要がある各種装置に好適に用いることのできるレーザ素子及びレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザプリンタやバーコードリーダ等においては、印字や読み取りのためにレーザ光の走査を行っている。ここでは、従来のレーザプリンタにおけるレーザ走査装置について、図１を用いて説明する。
【０００３】
半導体レーザ１１から出力されるレーザ光は、回転するポリゴンミラー１２の側面において反射され、ｆ-θレンズ１３を通過して感光体ドラム１４を照射する。ポリゴンミラー１２の１つの側面にレーザ光が照射されている間は、ポリゴンミラー１２の回転により、レーザ光の照射点（レーザ光スポット）は感光体ドラム１４の一方の端１５１から他方の端１５２へと連続的に移動する。レーザ光スポットが該他方の端１５２に達した時、ポリゴンミラー１２上でのレーザ光の反射位置は丁度その側面の端となっている。そして、次の瞬間、レーザ光の反射位置は次の側面の始端となり、それにより、感光体ドラム１４上でのレーザ光スポットも、前記一方の端１５１に戻る。このようにして、感光体ドラム１４上にレーザ光が繰り返し走査されながら照射され、その間、レーザ光がON/OFFされることにより文字やイメージの印刷が行われる。
【０００４】
レーザプリンタの印刷速度を高速化するためには、感光体ドラム上のレーザ光スポットの走査速度を高速化する必要がある。上記の構成によると、感光体ドラム１４上を走査するレーザ光スポットの速度はポリゴンミラーの回転速度により定まる。しかし、このような機械的な運動の速度を高めるには限界があるため、図１の構成では印刷速度の高速化が困難であった。
【０００５】
特許文献１には、より走査速度を高めるための構成として、複数の面発光垂直共振器半導体レーザ(VCSEL)をアレイ状に配置したレーザ光源を用いたものが記載されている。この構成では、複数のVCSELから同時にレーザ光を照射することにより走査の高速化を図っている。しかし、VCSEL自身にビームを動かす能力を持たせる事が難しく、走査にはポリゴンミラーが必須であり、また、シングルモードVCSELの出力は3mW程度に限られているという問題がある。
【０００６】
一方、近年、新しいタイプのレーザとして、フォトニック結晶を用いたものが開発されている。フォトニック結晶は、誘電体に周期構造を人工的に形成したものである。周期構造は一般に、誘電体本体とは屈折率が異なる領域を本体内に周期的に設けることにより形成される。その周期構造により、結晶内でブラッグ回折が生じ、また、光のエネルギーに関してエネルギーバンドギャップが形成される。
特許文献２には、２次元フォトニック結晶を用いたレーザ光源が記載されている。このレーザ光源は、２枚の電極（導電性半導体層）の間に発光材料を含む活性層を有し、その活性層の上側に２次元フォトニック結晶が形成されている。この２次元フォトニック結晶は、板状の部材（スラブ）に２次元的に周期的な屈折率の分布を設けたものである。電極からのキャリアの注入により活性層から発光が生じ、この光が２次元フォトニック結晶の周期構造による回折により強められ、それによりレーザ発振する。この周期構造の周期が媒質内波長と一致する時、スラブ面に垂直な方向に向けて発光する。このレーザー光源では、VCSELよりも大出力の発光を得ることができる。
【０００７】
【特許文献１】特開2000-020995号公報（[0012],図2）
【特許文献２】特開2000-332351号公報（[0037]〜[0056],図1）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、機械的な走査機構を用いることなく、高出力のレーザ光のビームを高速で走査することができるレーザ素子及びレーザ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために成された本発明に係るフォトニック結晶レーザ素子の第１の態様のものは、
a)電荷の注入により所定の波長の光を発生する活性層と、
b)前記活性層の上側に設けた、前記所定波長に対応した周期構造を有する２次元フォトニック結晶と、
c)前記２次元フォトニック結晶の上側に複数個、正方格子又は三角格子状に並べた上部電極と、
d)前記活性層の下側に設けた下部電極と、
を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係るフォトニック結晶レーザ素子の第２の態様のものは、
a)電荷の注入により所定の波長の光を発生する活性層と、
b)前記活性層の上側に設けた、前記所定波長に対応した周期構造を有する２次元フォトニック結晶と、
c)前記２次元フォトニック結晶の上側に設けた上部電極と、
d)前記活性層の下側に複数個、正方格子又は三角格子状に並べた下部電極と、
を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明に係るフォトニック結晶レーザ装置は、上記フォトニック結晶レーザ素子と、前記上部電極と下部電極間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記複数個並べた上部電極又は下部電極毎の印加電圧のON/OFFを制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
なお、ここでは活性層を下、２次元フォトニック結晶を上とする方向性を用いたが、これはあくまで表現の便宜のために用いたものであり、両者及びそれ以外の層は、その順序が上記の通りとなっていれば任意の方向に配置することが可能である。
【発明の実施の形態及び効果】
【００１３】
本発明に係るフォトニック結晶レーザ素子は、活性層と２次元フォトニック結晶を有する。この点では特許文献２のレーザと同様である。ここで、活性層と２次元フォトニック結晶は直接接している必要はなく、両者の間にスペーサ等の層が介挿されていても十分なフィードバック効果が得られる。このような層を介挿して活性層と２次元フォトニック結晶の間の距離を調節することにより、発光領域の大きさを調節することができる。活性層は電荷の注入により所定の波長の光を発生するものである。活性層の材料には、例えば、従来よりファブリ・ペロー型レーザ光源に用いられているものと同じものを用いることができる。２次元フォトニック結晶は、一般に、スラブ状の母材に、それとは屈折率が異なる同一形状の領域を多数、周期的に配置することにより形成される。この周期には、三角格子状、正方格子状、六角格子状等のものがある。また、周期は活性層における発光の波長に合わせて設定する。周期は、通常は発光波長と一致させるが、それ以外(例えば発光波長の1/2の長さの周期)でもレーザ発振が可能なものもある。
【００１４】
これら活性層及び２次元フォトニック結晶を挟むように、下部電極及び上部電極を設ける。活性層と下部電極との間に別の層が介挿されていてもよい。
第１の態様のフォトニック結晶レーザ素子においては、上部電極は、２次元フォトニック結晶の上側に別個のものを複数個並べて配置する。上部電極の並べ方は直線状（１次元状）であってもよいし、あるいは正方格子状や三角格子状等のように２次元状に配置してもよい。なお、２次元フォトニック結晶と上部電極の間には別の層が介挿されていてもよい。例えば、２次元フォトニック結晶の間に層状の部材を配置し、その上に上部電極を載置してもよい。
【００１５】
活性層の下側に設ける下部電極は、上部電極に対応して複数個設けてもよいが、複数の上部電極に対して共通の下部電極を１個設けるようにしてもよい。下部電極と活性層の間にも他の層が介挿されていてもよい。活性層において生成される光が下部電極側から外部に漏出しないように、下部電極又は前記介挿層はこの光を反射するものであることが望ましい。
【００１６】
以上のように構成される素子に、電圧印加手段と制御手段を設けることにより、フォトニック結晶レーザ装置が構成される。電圧印加手段は、上部電極と下部電極の間に電圧を印加するものであり、通常の直流電源を用いることができる。制御手段は、各上部電極毎に印加電圧のON/OFFを制御するものである。各上部電極のON/OFFのタイミングは、後に示す例のように、このフォトニック結晶レーザの用途に応じて適宜決めればよい。
【００１７】
本発明のフォトニック結晶レーザ装置の動作について説明する。
まず、このレーザ装置におけるレーザ光の発光の機構について説明する。上部電極のうちの１個と下部電極の間に電圧を印加すると、その上部電極と下部電極の間に挟まれた部分の活性層にキャリアが注入され、活性層から、その材料により定まる所定の波長の光が生成される。この光は２次元フォトニック結晶内にも導入され、その波長に対応した結晶の周期構造により回折する。これにより、この波長の光が増幅され、レーザ発振する。このレーザ光は、上部電極の周囲の一定の範囲内（発光領域）から、上部電極側の外部へ面的に放射される。なお、発生したレーザ光を上下方向に閉じこめることにより、このレーザ光を素子の側面から取り出すようにすることもできる。
【００１８】
本発明のフォトニック結晶レーザ素子及びレーザ光源では、上部電極が複数個設けられていることにより、従来のレーザにはない動作を実現することができる。まず、制御手段で各上部電極毎の印加電圧のON/OFFを制御することにより発光領域を切り替え、これにより、見かけ上、レーザ光のビームを移動させることができる。
【００１９】
次に、１個の上部電極周囲の発光領域の大きさ（直径）をdとした場合、上部電極間の距離をdよりも小さくして多数配列し、隣接する所定個数の上部電極に同時に電圧を印加する(ONする)と、これら上部電極の全体で１個の発光領域（広域発光領域）が形成される。上部電極のON/OFFを１個ずつ、又は所定個数ずつ順次切り替えてゆくことにより、この広域発光領域を少しずつ又はステップ状に移動させることができる。前者の方法によれば発光領域をスムーズに移動することができ、後者の方法によれば発光領域を速やかに移動させることができる。いずれにせよ、発光領域が広域となるため、高出力のレーザ光を発生することができる。
【００２０】
なお、通常は同時に電流を流している複数の電極には、どれにも同じ値の電流を流すが、電極によって流す電流値を変えることで、ビームの形状を制御することが可能である。
【００２１】
本発明に係るレーザ素子では上部電極側からレーザ光を取り出すために、上部電極にはその波長の光に対して透明な材料を用いることが望ましい。
【００２２】
上記構成のフォトニック結晶レーザ素子では、レーザ光は発光領域からほぼ垂直に外部に放射されるため、レーザ光の放射範囲は素子の全長（又は全幅）の範囲内でしかない。従って、より広い範囲に放射したい場合には、上部電極上に、各上部電極付近から出力されるレーザ光の向きを変える手段（偏向手段）を設けることが望ましい。偏向手段としては、素子全体を覆うレンズや、各素子毎に設けられたプリズム等を挙げることができる。
【００２３】
ここまでは、上部電極を複数個並べて配置した第１の態様のフォトニック結晶レーザ素子及びレーザ装置について説明したが、上部電極の代わりに下部電極を複数個並べて配置してもよい。これが第２の態様のフォトニック結晶レーザ素子及びレーザ装置である。この場合、上部電極は複数あるいは全ての下部電極に共通して１個設ければ足りる。各下部電極毎に上部電極との間に電圧を印加すると、レーザ光は、その下部電極の周囲の一定の範囲内の直上において、上部電極から外部へ面的に放射される。第２の態様のフォトニック結晶レーザ素子及びレーザ装置の動作は、第１の態様のものと同様である。
【００２４】
フォトニック結晶内においては、フォトニック結晶の周期構造に対応した波長の光が増幅されるため、フォトニック結晶内の周期構造をその結晶内の位置により異なるものとすることにより、レーザ光の波長をチューニングすることができる。
【００２５】
本発明のフォトニック結晶レーザ装置では、機械的な走査機構を用いることなく、複数個並べた上部電極又は下部電極に印加する電圧のON/OFFによりレーザ光を走査することができる。レーザ光の走査速度は、上記機械的走査機構による速度の制約を受けることがないため、従来よりも速くすることができる。また、大出力での発光が可能なフォトニック結晶レーザを用いるため、得られるレーザ光の強度も十分大きくすることができる。
【００２６】
本発明のフォトニック結晶レーザはこのような特長を有するため、レーザプリンタやバーコードリーダ等におけるレーザ光の走査装置に好適に用いることができる。また、本発明の構成は様々な波長のフォトニック結晶レーザに適用可能なので、例えば、青・緑・赤の三原色にそれぞれ２次元的な電極を付け、それぞれの光をスクリーン等に走査させることで、フルカラーのディスプレイへの応用も可能である。
【実施例】
【００２７】
本発明に係るフォトニック結晶レーザ素子の一実施例を、図２を用いて説明する。
インジウム・ガリウム砒素(InGaAs）／ガリウム砒素(GaAs)から成り多重量子井戸(multiple-quantum well:MQW)を有する活性層２１の上に、下部スペーサ２２を介して、２次元フォトニック結晶２３を設ける。２次元フォトニック結晶２３はGaAsから成る板材に空孔２４を正方格子状に周期的に配置したものである。なお、本実施例では下部スペーサ２２と２次元フォトニック結晶２３は１枚の層として形成され、上側の部分にのみ空孔２４が形成されて２次元フォトニック結晶２３として機能し、その下の部分が下部スペーサ２２として機能するようになっている。活性層２１の下側には、この層に近い方から順に、GaAsから成る閉じ込め層２５、n型アルミニウム・ガリウム砒素(AlGaAs)から成る下部クラッド層２６、及びn型GaAsから成る下部基板を設ける。この下部基板を５０から１００ミクロン程度の厚さに機械的に研磨した後、金、ゲルマニウム、ニッケルを蒸着して、400℃程度に加熱して合金化することで、下部電極２７となる。２次元フォトニック結晶２３の上側には、この層に近い方から順に、GaAsから成る上部スペーサ２８、p型AlGaAsから成る上部クラッド層２９、p型GaAsから成るコンタクト層３０を設ける。これらの各層は、特許文献２に記載の方法と同様の方法により製造することができる。
【００２８】
コンタクト層３０上に、多数の上部電極３３を直線状に並べて配置する。本実施例では、上部電極３３の平面形状を、その配列方向に垂直な方向に長い長方形とする。上部電極３３の材料には、例えば金を用いることができる。金を用いた電極は、電流のロスを最小限に抑えることができると共に、例えば蒸着法により容易に作製することができる。あるいは、この上部電極３３として、キャリアをドープした酸化亜鉛(ZnO)等から成る透明電極を用いてもよい。このような透明電極を用いることにより、より大きな光量を外部に取り出すことができるようになる。
【００２９】
下部電極２７及び各上部電極３３を図３に示すように並列に直流電源に接続し、各上部電極３３毎にトランジスタ等から成るスイッチ３４を設ける。そして、これらのスイッチ３４のON/OFFを制御するための制御部３５を設ける。以上のように、フォトニック結晶レーザ装置が構成される
【００３０】
本実施例のフォトニック結晶レーザ装置の動作を、図４を用いて説明する。まず、多数配列された上部電極３３のうち、一方の端にある４個の電極３３１〜３３４を１組として、これらと下部電極との間に電圧を印加して電流を導入する。これにより、活性層２１のうち、これら４個の上部電極３３１〜３３４の直下及びその周辺にキャリアが注入され、その領域において光が生成される。この光は２次元フォトニック結晶２３内にも導入され、そこで回折され、増幅されることにより、レーザ発振する。なお、２次元フォトニック結晶２３は領域４２の内部に形成されている。このレーザ光はフォトニック結晶２３の面に垂直な方向に放射され、コンタクト層３０から外部へ放出される。この時、図４(a)に示すように、電流を導入した４個の上部電極３３１〜３３４の周囲が発光領域４１１となるが、本実施例では各上部電極３３１〜３３４をその配列方向に垂直な方向に長い長方形とし、電流を導入した領域を正方形に近い形にしたため、発光領域４１１は正方形に近い形となる。
【００３１】
次に、上記４個の電極のうち最も左側にある上部電極３３１への電流の導入をOFFにし、それと同時に、それらの右側に隣接する上部電極３３５に電流を導入する（図４(b)）。これにより、発光領域は４１１から４１２に移動する。このように、制御部３５により各上部電極のスイッチを制御し、電流を導入する上部電極を順次切り換えていくことにより、発光領域を上部電極３３の配列方向に移動してゆくことができる。
【００３２】
発光領域は、素子の左端から右端に向けてほぼ連続的に移動し、素子の右端に達すると素子の左端に戻って再びその左端から右端に向けてほぼ連続的に移動する、という動作を繰り返す。この動作は、図１に示したレーザプリンタにおけるレーザ光の走査と同じものとなる。
【００３３】
同時に電流を導入する上部電極の個数は、上に示した４個の場合には限られない。例えば、一度に１個の上部電極にのみ電流を導入してもよい。但し、より滑らかにレーザ光を走査するためには、上記のように同時に複数の上部電極に電流を導入してその一部ずつON/OFFしてゆくようにすることが望ましい。また、上記の例では発光領域が右端に達した時、発光領域がすぐに素子の左端に戻るように制御しているが、用途によっては、発光領域が右端に達した後、右端から左端に向けて逆方向に戻るように移動させてもよい。
【００３４】
更に、図５に示すように、上記のように１個の発光領域５１１を形成すると同時に、その発光領域５１１から離れた位置に発光領域５１２を形成してもよい。同様に、３つ以上の発光領域を同時に形成してもよい。これら複数の発光領域を同時に走査することにより、１個の発光領域を走査する場合よりも短時間で所定の領域内を走査することができる。
【００３５】
上部電極３３の形状は上記のように配列方向に垂直な方向に長い長方形には限られず、例えば正方形等であってもよい。また、電極を２次元状に配置して、様々な方向へ１個、もしくは同時に複数個のビームを走査してもよい。
【００３６】
図６に、各上部電極３３毎にレーザ光の向きを変える（偏向する）手段を設けた例を示す。図６の例では、フォトニック結晶レーザ素子の上側に、全上部電極３３を覆うように１個のレンズ６１を設けたものである。これにより、レーザ光の放射範囲が上部電極３３の配列方向に拡がり、フォトニック結晶レーザ素子を小型化しつつ、レーザ光の照射範囲（走査範囲）を広くすることができるようになる。
【００３７】
本発明のフォトニック結晶レーザ素子及びフォトニック結晶レーザ装置は上記の例に限られない。例えば、図７に示すように、上部電極３３を２次元状に配置してもよい。この場合、図８(a)に矢印で示す順に電流を注入する上部電極３３を切り換えることにより、発光領域を２次元的に走査することができる。また、図８(b)に示すように、上部電極３３の列毎に電流を注入する上部電極３３を切り換えることにより、複数のレーザ光を同時に走査することができる。
【００３８】
また、図９に示すように、上部電極３３は１枚のものとして形成し、下部電極３２を基板３１上に複数個形成してもよい。このフォトニック結晶レーザ素子も、上記実施例のものと同様に動作する。
【００３９】
本発明に係るフォトニック結晶レーザ素子をレーザプリンタの光源部に用いる例を図１０に示す。図１０(a)の構成では、感光体ドラム７３の印刷有効幅と同じ長さのフォトニック結晶レーザ素子７１を製作し、感光体ドラム７３に対向して配置する。この構成では、感光体ドラム７３の印刷有効幅のドット数（例えば、1200dpiで感光体ドラム７３の有効印刷幅が10インチ=25.4cmの場合、12000個）に対応する数の上部電極をその印刷有効幅内に配置する必要があるが、本発明に係るフォトニック結晶レーザ素子では上部電極を十分小さくすることができ（前記例の場合、ピッチは約20μm）、なおかつレーザ発振を行うことができるため、このような構成をとることが可能である。
【００４０】
図１０(b)の構成では、感光体ドラム７３の印刷有効幅よりも短い、しかし、同じ数の上部電極を備えたフォトニック結晶レーザ素子７２を製作し、感光体ドラム７３に対向して配置する。例えば、フォトニック結晶レーザ素子７２の大きさ（長さ）を感光体ドラム７３の印刷有効幅の1/10（上記例では、2.54cm）とした場合、上部電極の配置ピッチは約2μmとなるが、短波長レーザを用いればこのピッチは十分可能である。この構成の場合、フォトニック結晶レーザ素子からレーザ光を広範囲に出射するため、図６に示したようにフォトニック結晶レーザ素子上にレンズ６１を配置するか、或いはフォトニック結晶レーザ素子とは別にフォトニック結晶レーザ素子光源と感光体ドラム７３の間にレンズ７４を設ける。
【００４１】
いずれの構成にせよ、フォトニック結晶レーザ素子光源の各上部電極への電圧の印加のON/OFFの制御によりレーザ光の発光を上記のように制御し、感光体ドラム７３上において従来のレーザプリンタと同様にレーザ光の走査を行う。このように、ポリゴンミラーを用いることなく、電子的に走査を行うことができるため、非常に高速な印刷を行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】ポリゴンミラーを用いた従来のレーザプリンタにおけるレーザ走査装置の概略構成図。
【図２】本発明に係るフォトニック結晶レーザ素子の一実施例の斜視図。
【図３】本実施例のフォトニック結晶レーザ装置を示す概略構成図。
【図４】本実施例のフォトニック結晶レーザ装置の動作を示す上面図。
【図５】複数の発光領域（レーザ光のビーム）を同時に走査する例を示す上面図。
【図６】各上部電極毎にレーザ光の方向を変化させる手段を設けたフォトニック結晶レーザ素子を示す垂直断面図。
【図７】本発明に係るフォトニック結晶レーザ素子の他の実施例の斜視図。
【図８】図７のフォトニック結晶レーザ素子の動作を説明するための平面図。
【図９】本発明に係るフォトニック結晶レーザ素子の他の実施例の斜視図。
【図１０】本発明に係るフォトニック結晶レーザを用いた、レーザプリンタにおけるレーザ走査装置の概略構成図。
【符号の説明】
【００４３】
１１…半導体レーザ
１２…ポリゴンミラー
１３、７４…レンズ
１４、７３…感光体ドラム
２１…活性層
２２…下部スペーサ
２３…２次元フォトニック結晶層
２４…空孔
２５…閉じ込め層
２６…下部クラッド層
２７、３２…下部電極
２８…上部スペーサ
２９…上部クラッド層
３０…コンタクト層
３３、３３１、３３２、３３３、３３４、３３５…上部電極
３４…スイッチ
３５…制御部
４１１、４１２、５１１、５１２…発光領域
４２…２次元フォトニック結晶が形成されている領域
６１…マイクロレンズ
７１、７２…フォトニック結晶レーザ素子
【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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