(57)【要約】  本発明は、不要なサイドローブを随伴しないビームを形成することができる２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源を提供する。面発光を取り出す側の素子基板３１の表面に、中央に電極材料のない窓３６１を形成した窓状電極３６を設ける。実装面３８に、窓３６１を含めた窓状電極３６の面積よりも小さい面積を有する実装面電極３７を設ける。また、素子基板３１と活性層３２の距離は実装面３８と活性層３２の距離よりも大きくする。電極間に電圧を印加すると、電荷が活性層３２に注入されて発光が得られ、２次元フォトニック結晶３３で所定の波長の光が増幅されることによりレーザ光が発振し、レーザ光は窓３６１から外部に取り出される。窓状電極３６が光の出射を遮らないため、出射光が干渉によりサイドローブを形成することを防ぐことができる。また、活性層３２が実装面３８に近いため、高い放熱効果も得られる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
a) 目的波長に対して透光性を有する材料からなる基板と、
b) 前記基板の下側に設けた活性層と、
c) 前記基板と前記活性層の間又は前記活性層よりも下側に設けた、板状の母材内に母材とは屈折率が異なる領域を多数、周期的に配置してなる、前記目的波長の光を増幅する２次元フォトニック結晶と、
d) 前記２次元フォトニック結晶及び前記活性層よりも下側に設けた層であって、該層の下面から前記活性層までの距離が前記基板の上面から前記活性層までの距離よりも短くなるように設けた、実装時に外部の部材と接する実装層と、
e) 前記基板の上面に設けた、前記目的波長のレーザ光を通過させる窓を有する窓状電極と、
f) 前記実装層の下面に設けた、前記窓を含めた前記窓状電極よりも面積の狭い実装面電極と、
を備えることを特徴とする２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源。
【請求項２】
前記窓を含めた前記窓状電極の面積と前記実装面電極の面積の比が2:1〜400:1であり、前記基板上面から前記活性層まで距離と前記実装面下面から活性層までの距離の比が2:1〜400:1であることを特徴とする請求項１に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源。
【請求項３】
前記異屈折率領域が正方格子状に配置され、該正方格子の少なくとも一方の軸に対して該異屈折率領域の形状が非対称であることを特徴とする請求項１又は２に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源。
【請求項４】
前記異屈折率領域の形状が正三角形であることを特徴とする請求項３に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源。
【請求項５】
前記活性層及び前記２次元フォトニック結晶から成るレーザ発振部の下側に、前記目的波長のレーザ光を反射させる反射部を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源。
【請求項６】
前記反射部が前記レーザ発振部と前記実装面電極の間に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源。
【請求項７】
前記実装層が導電性材料から成り、該実装層の下面の一部領域である導電性領域の周囲に絶縁性領域が形成されており、
前記実装面電極が前記絶縁性領域を覆うように設けられており、且つ、前記目的波長のレーザ光を反射する材料から成る、
ことを特徴とする請求項５に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源。
【請求項８】
前記絶縁性領域が、電気抵抗を高めるためのイオンが実装層に注入されることにより形成されていることを特徴とする請求項７に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源。
【請求項９】
前記レーザ発振部から出射し前記反射部により反射される反射光と前記レーザ発振部から前記窓状電極側に出射する直接出射光が干渉により強められるように、前記レーザ発振部と前記反射部の距離が設定されていることを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源。
【請求項１０】
前記レーザ発振部と前記反射部の距離が、該レーザ発振部と該反射部の間に配置される１つ又は複数の距離調整層により調整されていることを特徴とする請求項９に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源。
【請求項１１】
前記活性層がInGaAsとGaAsの多重量子井戸であり、前記基板がn型のGaAsであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平面状の光源から面に垂直な方向にレーザ光を放射する面発光レーザ光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ファブリ・ペロー共振器を用いたファブリ・ペロー型レーザ光源や、回折格子を用いた分布帰還(Distributed Feedback; DFB)型レーザ光源が用いられている。これらのレーザ光源はいずれも、共振や回折により所定の波長の光を増幅してレーザ光を発振させるものである。【０００３】
それに対して、近年、フォトニック結晶を用いた新しいタイプのレーザ光源が開発されている。フォトニック結晶は、誘電体から成る母材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、母材とは屈折率が異なる領域（異屈折率領域）を母材内に周期的に設けることにより形成される。この周期構造により、結晶内でブラッグ回折を生じさせ、所定の波長の光を増幅してレーザ発振を得るものである。特許文献１には、２枚の電極の間に発光材料を含む活性層を設け、その活性層の近傍に２次元フォトニック結晶を設けた２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源が記載されている。【０００４】
図１を用いて、従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源を詳しく説明する。  下部クラッド層（基板）１１の上に、スペーサ層１６１を介して活性層１２を設け、活性層１２の上にスペーサ層１６２を介して２次元フォトニック結晶１３を設ける。活性層１２には、電流の注入により発光する材料を用いる。そのような材料の一例に、インジウム・ガリウム砒素(InGaAs）／ガリウム砒素(GaAs)から成る多重量子井戸(Multiple-Quantum Well; MQW)がある。２次元フォトニック結晶１３は板材に円柱状の空孔１４を正方格子状に周期的に配置したものである。２次元フォトニック結晶１３の上にスペーサ層１６３、上部クラッド層１７、コンタクト層１８をこの順に積層する。そしてコンタクト層１８の上に上部電極１９１を、下部クラッド層１１の下に下部電極１９２を、それぞれ設ける。下部電極１９２は下部クラッド層１１の下面全体に形成するのに対して、上部電極１９１はコンタクト層１８の上面の中心付近にのみ形成する。なお、図１では、２次元フォトニック結晶１３の構造を示すために、２次元フォトニック結晶１３とスペーサ層１６３の間を空けて描いたが、実際には両者は密着している。【０００５】
従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源から得られるレーザ光をコンタクト層１８から十分に離れた位置で観測すると、中心ビームの周囲にそれよりも強度の弱い随伴ビームが見られる。この随伴ビームをサイドローブと呼ぶ。サイドローブが出現する原因の一つに、上部電極１９１の存在が挙げられる。図２に示すように、コンタクト層１８の表面からレーザ光が面的に出射する際に、上部電極１９１が形成されている領域において出射が遮られる。そのため、上部電極１９１を挟んだ両側から出射される光がビームの中心からずれた位置において干渉して強め合うことにより、メインピーク２１から離れた位置にサイドローブ２２が形成される。【０００６】
透光性を有する材料からなる電極を用いればサイドローブの形成を防止することができると考えられる。しかし、電極の材料は活性層に電荷を注入する効率が高いものである必要があるのに対し、良好な透光性と高い電荷注入効率という２つの条件を兼ね備えた材料は、現在のところ見出されていない。【０００７】
【特許文献１】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、不要なサイドローブを随伴することのないビームを形成することができる２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源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２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源は、
a) 目的波長に対して透光性を有する材料からなる基板と、
b) 前記基板の下側に設けた活性層と、
c) 前記基板と前記活性層の間又は前記活性層よりも下側に設けた、板状の母材内に母材とは屈折率が異なる領域を多数、周期的に配置してなる、前記目的波長の光を増幅する２次元フォトニック結晶と、
d) 前記２次元フォトニック結晶及び前記活性層よりも下側に設けた層であって、該層の下面から前記活性層までの距離が前記基板の上面から前記活性層までの距離よりも短くなるように設けた、実装時に外部の部材と接する実装層と、
e) 前記基板の上面に設けた、前記目的波長のレーザ光を通過させる窓を有する窓状電極と、
f) 前記実装層の下面に設けた、前記窓を含めた前記窓状電極よりも面積の狭い実装面電極と、
を備えることを特徴とする。【００１０】
なお、本願では、各構成要素の位置関係を示すために便宜上、基板を基準として活性層側を「下」側と表現するが、これは単に一つの方向性を示すための便宜上の表記であって、本発明の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源の実装時の向きを何ら規定するものではない。【００１１】
(1) 本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源の構成
以下、本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源の構成を詳しく説明する。この光源は、基板の一方の側に活性層と２次元フォトニック結晶を設け、その上下に１対の電極を設けるという点においては従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源と同様である。活性層と２次元フォトニック結晶の積層順は問わない。なお、以下、活性層と２次元フォトニック結晶の積層体を適宜レーザ発振部とも呼ぶ。本発明に係るレーザ光源ではレーザ発振部よりも下側に実装層を設ける。従ってこの光源は、基板と実装層の間にレーザ発振部（２次元フォトニック結晶と活性層）が介挿されて成る。これら各層の間（２次元フォトニック結晶と活性層の間を含め）にはスペーサ等の部材が挿入されていてもよい。【００１２】
上述のように実装層側に外部基板等を取り付けることから、レーザ光は基板（本願では単に「基板」と呼ぶ場合、レーザ光源の基板を指す）の上面側から外部に出射させる必要がある。そのため、基板には、目的波長の光、即ち外部に取り出されるレーザ光を透過することができる透光性の材料を用いる。本願では基板の上面を「出射面」と呼ぶ。【００１３】
活性層及び２次元フォトニック結晶には従来と同様のものを用いることができる。２次元フォトニック結晶は板状の母材内にそれとは屈折率の異なる異屈折率領域を多数、周期的に配置することにより形成される。異屈折率領域は、母材にそれとは屈折率の異なる部材を埋め込むことによっても形成することができるが、母材に空孔を設けることにより形成する方が、母材との屈折率の差を大きく取ることができるうえ、製造も簡単であるため望ましい。但し、製造時に２次元フォトニック結晶と他の層を高温で融着する必要がある場合、高温により空孔が変形することがある。そのような場合には、空孔ではなく、母材に何らかの部材を埋め込むことにより異屈折率領域を形成するようにしてもよい。【００１４】
実装層はこのレーザ光源を外部の基板等に取り付けるための層である。実装層の下面（実装面）は、外部基板等に接することによりレーザ光源内（特に活性層）に発生した熱を放熱する役割を有する。【００１５】
１対の電極のうちの一方は基板の上面に設ける。この電極には、目的波長のレーザ光を通過させる窓を有するものを用いる。この電極を「窓状電極」と呼ぶ。窓状電極の窓には、例えば板状の電極の中央部をくり抜いたようなものを用いることができる。電極の材料は、発振されるレーザ光を透過しなくてもよい。従って、この電極材料には、従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源の電極に用いられていた、電荷の注入に適した材料をそのまま用いることができる。【００１６】
他方の電極は実装層の下面に設ける。この電極を「実装面電極」と呼ぶ。実装面電極の面積は、窓の部分を含めた窓状電極の面積よりも小さくなるようにする。また、基板や実装層等の厚さを調整することにより、実装面電極（実装面）と活性層の距離が窓状電極（出射面）と活性層の距離よりも小さくなるようにする。【００１７】
このように実装面電極の面積及び各電極と活性層の距離を設定する理由を説明する。本発明では窓状電極を用いることにより、サイドローブの発生を防止することができる。しかし、窓を含めた窓状電極の面積は窓のない通常の電極よりも大きくなるため、従来と同じ量の電荷を電極から注入すると、電荷は従来よりも拡がって活性層内に分布し、発光効率が低くなる。そこで、実装面電極の面積を窓を含めた窓状電極の面積よりも小さくする。これにより、電流は実装面電極から窓状電極に向けて拡がる錐状領域を流れるようになる。そして、窓状電極と活性層の間の距離及び活性層と実装面電極の間の距離を前述のように定め、活性層を、面積の小さい実装面電極のより近くに配置することにより、活性層における電流密度を高くすることができる。これにより発光強度を高めることができる。【００１８】
活性層における電流密度を十分に高くして発光強度を従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源よりも高くするためには、窓の部分を含めた窓状電極の面積と実装面電極の面積の比を2:1〜400:1とすると共に、出射面から活性層まで距離と実装面から活性層までの距離の比を2:1〜400:1とすることが望ましい。【００１９】
また、活性層をより実装面電極に近づけたことにより、次のような効果が得られる。
従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源では基板側を実装面としていたが、基板の厚さがレーザ光源素子全体の厚さの大半を占めているため、活性層と実装面とが離れていた。このような構成では、正孔と電子の再結合により生じる熱が外部へ放出されにくく、レーザ光の発光効率（発光強度と注入電流の比）が低かった。それに対して、本発明の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源では、活性層が実装面（実装層の下面）の近くに設けられていることから、活性層の熱が外部へ放散し易くなり、発光効率を従来よりも高めることができる。【００２０】
(2) 反射部を有する２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源
レーザ発振部の下側（すなわち、レーザ発振部と実装面電極の間）に、目的波長のレーザ光を反射させる反射部を設けることが望ましい。これにより、発光効率を高めることができる。【００２１】
また、実装層を導電性材料で作製し、その下面の一部領域（導電性領域）の周囲に絶縁性領域を形成し、
実装面電極を、前記導電性領域を覆うように配置すると共に、目的波長のレーザ光を反射する材料で作製するようにしてもよい。
この場合、実装面電極のうち活性層への電流の注入に寄与する領域、即ち実装面電極として機能する領域は導電性領域の直下のみとなる。これにより、活性層の電流密度を高くすることができるとともに、実装面電極がレーザを反射して、発光効率を高める。絶縁性領域は、実装層に電気抵抗を高めるためのイオンを注入することにより形成することができる。【００２２】
２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源では、レーザ発振部は上下いずれの方向にもレーザ光を放出する。このうち、出射面の反対側（本発明では実装面側）に放出された光は、そのままでは出射面から出射させることができず損失となる。従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源では、一般に、出射面の反対側に設けられた下部電極には比較的面積が大きいものが用いられていたため、レーザ発振部の反対側に放出された光の一部は下部電極により反射され、出射面から取り出されていた。しかし、このような下部電極は光の反射自体を目的としたものではないため、その反射の効率は十分なものではなかった。更に、本発明では下部電極に該当する実装面電極の面積を小さくするため、そのままでは反射効率が更に低下し、出射面からの取り出し効率も低下する。そのため、本発明ではレーザ発振部の下側、即ち窓状電極の反対側に反射部を設けることにより、窓状電極側からの取り出し効率を高めることができる。【００２３】
レーザ発振部と反射部の距離は、レーザ発振部から出射し反射部により反射される反射光とレーザ発振部から窓状電極側に出射する直接出射光が干渉により強められるように設定することが望ましい。この距離は、レーザ発振部と反射部の間に設けられているバッファ層やクラッド層等の距離調整層の厚さを調整することにより、設定することができる。
なお、この距離は、２次元フォトニック結晶の反射部側の面と反射部の反射面の間の距離で定義される。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源では、レーザ発振部から出射するレーザ光は実装層の反対側にある、窓を有する窓状電極側から外部に取り出され、電極により遮られることがない。そのため、従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源のように電極で遮られることによりその電極を挟んだ両側から出射された光が干渉して不要なサイドローブが形成されることを防止することができる。【００２５】
また、本発明の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源では、実装面から活性層までの距離が出射面から前記活性層までの距離よりも短いため、正孔と電子の再結合により活性層から生じる熱を外部へ放出し易くなり、レーザ光の発光効率（発光強度と注入電流の比）を従来よりも高くすることができる。【００２６】
実装面電極の面積を窓状電極の面積よりも十分に小さくすることにより、窓状電極よりも実装面電極に近い位置にある活性層には、電流が狭い領域に集中して注入される。これにより発光効率を高めることができる。【００２７】
本発明の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源に反射部を設けることにより、レーザ発振部から実装面電極側に出射された光は反射部により反射され、直接出射光と一緒に出射面から取り出すことができる。そのため、面積が小さく出射光を十分に反射させることができない実装面電極を用いているにも関わらず、レーザ光の損失を抑えることができ、それにより外部に取り出されるレーザ光の強度を大きくすることができる。【００２８】
反射光と直接出射光が干渉により強められるようにレーザ発振部と反射部の距離を設定することにより、レーザ光の強度を一層強くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源を示す斜視図。
【図２】サイドローブの発生原因を示す図。
【図３】本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源の第１の実施形態を示す斜視図。
【図４】第１実施形態における２次元フォトニック結晶の構成を示す斜視図。
【図５】第１実施形態のレーザ光源の動作を示す縦断面図。
【図６】第１実施形態のレーザ光源の実装状態を示す縦断面図。
【図７】第１実施形態のレーザ光源における注入電流I-光出力L特性のグラフ。
【図８】本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源の第２の実施形態を示す斜視図。
【図９】第２実施形態における２次元フォトニック結晶の構成を示す斜視図。
【図１０】第２実施形態及び反射部がない例におけるレーザ光の振幅及び強度の説明図。
【図１１】第２実施形態及び反射部がない例の面発光レーザのQ値を計算した結果を示すグラフ。
【図１２】反射部がない例の面発光レーザの外部微分量子効率η1と第２実施形態の面発光レーザの外部微分量子効率η2の比較を示すグラフ。
【図１３】第３実施形態における２次元フォトニック結晶の構成を示す斜視図。
【図１４】第３実施形態の２次元フォトニック結晶の縦断面の概略図。
【符号の説明】
【００３０】
１１…下部クラッド層
１２、３２、４２…活性層
１３、３３、４３…２次元フォトニック結晶
１４、３３２、４３２…空孔
１６１、１６２、１６３…スペーサ層
１７…上部クラッド層
１８…コンタクト層
１９１…上部電極
１９２…下部電極
２１…メインピーク
２２…サイドローブ
３１、４１…素子基板
３３１、４３１…母材
３４１、３４２、４４１、４４２…クラッド層
３５…実装層
３６、４６…窓状電極
３６１、４６１…窓
３７、４７…実装面電極
３８…実装面
３９、４９…スペーサ
４０１…電流が流れる領域
４０２…素子外部の部材
４５…反射部
５１、５２、５３、５４…レーザ光
６１…板状部材
６１１…板状部材６１のうち導電性領域６２１の直下の領域
６２…導電性領域限定層
６２１…導電性領域
６２２…絶縁性領域
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
(1) 第１実施形態（反射部のない２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源）
本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源（以下、「レーザ光源」とする）の第１の実施形態を、図３〜図７を用いて説明する。図３は第１実施形態のレーザ光源の斜視図である。n型半導体のガリウムヒ素(GaAs)から成る素子基板３１の下に、クラッド層３４１及びスペーサ３９を挟んで、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３２を設ける。そして、活性層３２の下に２次元フォトニック結晶３３を設ける。第１実施形態で用いた２次元フォトニック結晶３３はp型GaAsから成る板状の母材３３１に円柱状の空孔３３２を正方格子状に周期的に配置したものであり（図４）、その正方格子の１辺の長さは285nmである。２次元フォトニック結晶３３の下に、クラッド層３４２を介して実装層３５を設ける。実装層３５の下面が実装面３８となる。この実装層３５はGaAsから成る板材の実装面３８側に絶縁膜（例えばSiO2）を形成したものである。【００３２】
素子基板３１の上面（出射面）に、中央に正四角形の窓３６１を有し金・ゲルマニウム・ニッケル合金から成る正四角形の枠状の部材により形成された窓状電極３６を設ける。また、実装面３８に金・亜鉛合金から成る正四角形の板状の部材により形成された実装面電極３７を設ける。なお、図３では実装面電極３７は、図中に明示するために実装面３８から離して描いたが、実際には実装面３８に密着している。第１実施形態のレーザ光源では、反射部は設けられていない。【００３３】
第１実施形態のレーザ光源における各構成要素の主な寸法は以下の通りである。窓状電極３６の１辺の長さは400μm、窓３６１の１辺の長さは300μmである。一方、実装面電極３７の１辺の長さは50μmである。また、素子基板３１の上面と活性層３２との距離は約80μm（素子基板３１の厚さが約80μm、クラッド層３４１とスペーサ３９を合わせた厚さが約1μm）、活性層３２と実装面３８の距離は約1μm（２次元フォトニック結晶の厚さが0.12μm、クラッド層３４２と実装層３５を合わせた厚さが約1μm）である。なお、図３では、各構成要素を明示するために、実際の素子とは異なる寸法比で各構成要素を描いた。【００３４】
第１実施形態のレーザ光源の動作を説明する。窓状電極３６と実装面電極３７の間に電圧を印加して両電極間に電流を流す。この電流により素子内に導入された電子及び正孔は、活性層３２内において再結合して発光する。この時、窓状電極３６の面積が実装面電極３７の面積よりも大きいため、図５(a)に示すように、電流は実装面電極３７側から窓状電極３６に向かうに従って拡がるように領域４０１内を流れる。これにより、実装面電極３７寄りにある活性層３２の位置では、窓状電極３６寄りの位置よりも領域４０１は狭い範囲に絞られるため、活性層３２における電流の密度を高めることができる。【００３５】
活性層３２において発光した光のうち特定の波長の光は２次元フォトニック結晶３３内において干渉により強められ、２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源と同様の作用によりレーザ発振が生じる。生成されたレーザ光は素子基板３１の表面から素子外部に出射する。この時、素子基板３１の表面にある窓状電極３６に窓３６１が設けられているため、出射光は窓状電極３６に遮られることなく、窓３６１から出射する（図５(b)）。そのため、従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源のように電極の周囲からレーザ光が出射して干渉により不要なサイドローブがビームに形成されるということは、本実施形態のレーザ光源では生じない。【００３６】
また、本実施形態のレーザ光源では、図６に示すように、素子の実装は素子外部の部材３０に実装面３８が接するように取り付けて行う。そして本実施形態のレーザ光源では、素子基板３１側ではなく、その裏側にある実装層３５の下面を実装面３８とするため、活性層３２と実装面３８の距離を十分に小さくすることができる。そのため、本実施形態のレーザ光源は素子内からの放熱効果が高く、熱による悪影響を防ぐことができ、発光効率が高い。【００３７】
図７に、第１実施形態のレーザ光源において実験により求めた注入電流I（単位：mA）と光出力L（単位：W）の関係を表すI-L特性のグラフを示す。本実施形態のレーザ光源により、15mW以上という従来の２次元フォトニック結晶レーザ光源よりも高い光出力を得ることができる。このような光出力は、ジャンクションダウン実装により放熱性が高まったことにより得られたと考えられる。【００３８】
(2) 第２実施形態（反射部を有する２次元フォトニック結晶面発光レーザ光源）
次に、反射部を有する面発光レーザの一実施形態（第２実施形態）を、図８〜図１２を用いて説明する。図８は第２実施形態の面発光レーザの斜視図である。n型半導体のガリウムヒ素(GaAs)から成る素子基板４１の下に、n型のアルミニウム・ガリウム砒素(AlGaAs)から成るクラッド層４４１及びスペーサ４９を挟んで、InGaAs／GaAsから成り多重量子井戸(Multiple-Quantum Well; MQW)を有する活性層４２を設ける。そして、活性層４２の下に２次元フォトニック結晶４３を設ける。第２実施形態では、２次元フォトニック結晶４３には、p型GaAsから成る板状の母材４３１に正三角形の空孔４３２を正方格子状に周期的に配置したもの（図９）を用いた。これら活性層４２及び２次元フォトニック結晶４３によりレーザ発振部が構成される。ここで、活性層４２と２次元フォトニック結晶４３は互いの位置を入れ替えて配置してもよい。【００３９】
上述の正三角形のように、空孔の形状を正方格子の少なくとも一方の軸に対して非対称な形状にすることにより、レーザ発振部（活性層４２と２次元フォトニック結晶４３）から出射されるレーザ光の干渉を抑え、サイドローブの発生を一層抑制することができる。なお、第１実施形態においても正三角形空孔を有する２次元フォトニック結晶４３を用いることができる。また、第２実施形態において上述の円柱状空孔を有する２次元フォトニック結晶３３を用いてもよい。【００４０】
２次元フォトニック結晶４３の下に、p型のAlGaAsから成るクラッド層４４２を介して反射部４５を設ける。反射部４５には例えばGaAs/AlGaAs多層膜を用いることができる。反射部４５の上面には第２実施形態の面発光レーザが放出するレーザ光を反射する反射面が形成されている。【００４１】
素子基板４１の上面に、中央に正四角形の窓４６１を有し正四角形の枠状の部材により形成された窓状電極４６を設ける。また、反射部４５の下面に、正四角形の板状であって窓状電極４６よりも狭い面積を持つ実装面電極４７を設ける。なお、図８では、実装面電極４７を図中に明示するために反射部４５から離して描いたが、実際には反射部４５に密着している。【００４２】
２次元フォトニック結晶４３の下面と反射部４５の上面の距離Lは２次元フォトニック結晶４３の下面と素子基板４１の上面の距離L'よりも十分に小さくなるように素子基板４１、クラッド層４４１及び４４２の厚さを調整する。第２実施形態の面発光レーザでは距離Lは約1.2μmとし、距離L'は約80μmとした。また、光が反射部４５で反射される際の位相変化を考慮したうえで、２次元フォトニック結晶４３の上面から放出される光と２次元フォトニック結晶４３の下面から放出されて反射部４５で反射される光が干渉により強められるように、距離Lを微調整する。なお、図８では、各構成要素を明示するために、実際の素子とは異なる寸法比で各構成要素を描いた。【００４３】
第２実施形態の面発光レーザの動作を説明する。窓状電極４６と実装面電極４７の間に電圧を印加して両電極間に電流を流す。この電流により素子内に導入された電子及び正孔は、活性層４２内において再結合して発光する。活性層４２において発光した光のうち特定の波長の光は２次元フォトニック結晶４３内において干渉により強められ、レーザ発振する。【００４４】
こうして得られたレーザ光のうち、強度比で約50％分は直接出射光として窓状電極４６側に向かって、残りの約50％分は反射部４５に向かって、それぞれ２次元フォトニック結晶４３から放出される。反射部４５に向かったレーザ光は反射部４５の上面において反射され、窓状電極４６側に向かって伝播する。この反射光と直接出射光は、２次元フォトニック結晶４３よりも上側において干渉する。この干渉は、前述のように距離Lを微調整しておくことにより、レーザ光の強度を強めるように作用する。こうして得られた干渉光は、窓状電極４６の窓４６１から出射する。【００４５】
第２実施形態の面発光レーザと、反射部がない点を除いて第２実施形態と同じ構成を有する面発光レーザにおける、窓４６１から外部に出射するレーザ光の振幅及び強度について、図１０の模式図を用いて説明する。図１０(a)は反射部がない例を、図１０(b)は第２実施形態を、それぞれ示す。
反射部がないものでは、２次元フォトニック結晶４３の上面からレーザ光５１が、下面からレーザ光５２が、それぞれ同じ振幅Aで出射する。窓４６１からは、振幅Aのレーザ光５１のみが取り出される。その強度（単位時間当たりのエネルギー）Pは振幅の2乗に比例する。一方、同じく振幅がA、強度がPであるレーザ光５２は窓４６１から取り出すことができず、損失となる。従って、この例では、レーザ発振部から放出されたレーザ光の単位時間当たりのエネルギーは2Pとなる。
それに対して、第２実施形態では、２次元フォトニック結晶４３の上面からレーザ光（直接出射光）５３が、下面からレーザ光（反射光）５４が、それぞれ反射部がない場合と同じ振幅Aで出射する。このうちレーザ光５４は反射部４５で反射されて窓４６１側に伝播し、レーザ光５３と干渉し、この干渉光が出射面から取り出される。その干渉光の振幅はレーザ光５３の振幅とレーザ光５４の振幅の和である2Aとなり、干渉光の強度はこの振幅の2乗であるため4Pとなる。従って、第２実施形態で出射面から出射するレーザ光の強度は反射部がない場合の4倍となる。第２実施形態のレーザ発振部から放出されるレーザ光のエネルギーは4Pとなる。【００４６】
次に、第２実施形態において、距離Lの値を上述の8.5波長分に限らずに様々な値に変化させて面発光レーザのQ値を3次元FDTD法で計算した。この計算では、計算の容量の都合上、２次元フォトニック結晶の構造は１方向のみ無限周期構造を有すると仮定した。ここで、面発光レーザのQ値は、２次元フォトニック結晶に対して垂直方向のQ値であるQ⊥と、平行方向のQ値であるQ//を用いて、
1/Q=1/Q⊥+1/Q//      (1)
で表される。
Q//及びQ⊥の計算結果を図１１に示す。図１１の横軸は距離Lをレーザ光の波長を単位として表したものである。距離Lの2倍が直接出射光と反射光の光路差になるため、ここでは横軸は光路差の1波長分の範囲を示している。
Q//は距離Lに関わらずほぼ同じ値を示す。これは、第２実施形態と反射部がない例の間には、２次元フォトニック結晶に対して平行な方向には構造上の相違がないためである。それに対してQ⊥は、反射部４５の有無に起因して、Lに依存した値を示す。
Q⊥は距離Lが4.25波長の時に最小値となり、その値は反射部がない場合の面発光レーザでの値の約1/2になる。これは、比較例の面発光レーザがレーザ発振部から放出するエネルギーが2Pであるのに対して、反射部がないの面発光レーザにおいて距離Lが4.25波長のものがレーザ発振部から放出するエネルギーが反射部がない場合の2倍の4Pであることに対応している。距離Lが約4.13波長から約4.37波長の範囲内にある時、比較例よりもQ⊥が小さくなり、それにより大きい強度のレーザ光を出射することができる。【００４７】
なお、図１１では距離Lが4.0波長〜4.5波長の範囲内でのQ//及びQ⊥のみを示したが、この範囲外においても、Q//は距離Lにほとんど依存しないのに対して、Q⊥は前述の干渉による作用により、0.5波長分を単位として周期的に変化する。【００４８】
次に、第２実施形態のうち、距離Lが4.25波長分である時について、面発光レーザの外部微分量子効率について述べる。外部微分量子効率は、活性層に注入されたキャリア数を分母とし、外部に放出されたレーザ光の光子数を分子とする値であり、この値が大きい程、小さい電流で効率よくレーザ光を得ることができることを示すものである。外部微分量子効率ηdは、２次元フォトニック結晶の上面側に放出されるエネルギーに関するQ値であるQ⊥+、同じく下面側に放出されるエネルギーに関するQ値であるQ⊥-、２次元フォトニック結晶に平行な方向に関するQ値であるQ//、及び面発光レーザの内部損失に関するQ値であるQIを用いて、
【数１】
2007029538.tif 000002
と表される。反射部がない場合にはQ⊥+=Q⊥-（この値をQ0とする）となり、その場合の外部微分量子効率η1は
【数２】
2007029538.tif 000003
となる。一方、第２実施形態では反射部があるため、1/Q⊥-=0となると共にQ⊥+は比較例の1/4となることから、第２実施形態の外部微分量子効率η2は
【数３】
2007029538.tif 000004
となる。ここで、反射部がない例と本実施例では、Q0及びQ//は共通であり、QIを共通であると仮定すると、(3)及び(4)式より、η1とη2は次の関係を満たす。
【数４】
2007029538.tif 000005
【００４９】
図１２に、(5)式のη1とη2の関係をグラフで示す。反射部がない例では２次元フォトニック結晶から放出されるレーザ光の半分（２次元フォトニック結晶の下面から放出される分）が損失となるため、η1の最大値は0.5である。η1=0.5は、反射部がない場合において２次元フォトニック結晶の下面から放出される分を除いてレーザ光の損失がないことを示しており、そのη1=0.5に対応するη2の値が1であることは、このように他の損失がない面発光レーザに反射部を設けることにより、損失を0にすることができることを示している。この時のη2/η1の値が2であるのに対して、η1<0.5ではη2/η1の値は2よりも大きくなる。例えば、η1が0.3の時にはη2/η1は2.5、η1が0.1の時にはη2/η1は3.3である。
η1が0.5よりも小さいということは、２次元フォトニック結晶の下面からのレーザ光の放出に加えて、２次元フォトニック結晶に平行な方向への損失や内部損失等が存在することを示している。η1が0.5よりも小さい時にη2/η1が2を越えていることは、これらの損失が大きい程、面発光の効率が向上することを示している。【００５０】
(3) 第３実施形態（実装面電極の部材を反射部として用いたもの）
次に、実装面電極を反射部として用いる面発光レーザの一実施形態（第３実施形態）を、図１３及び図１４を用いて説明する。図１３は第３実施形態の面発光レーザの斜視図である。ここで、上述の第２実施形態の面発光レーザと同じ構成要素には第２実施形態のもの（図８）と同じ符号を付した。本実施形態の面発光レーザでは、第２実施形態における反射部４５の代わりに、実装面電極４７と同じ材料から成る板状部材６１を設ける。また、クラッド層４４２の代わりに、実装層として導電性領域限定層６２を設ける。それ以外の構成は第２実施形態の面発光レーザと同じである。【００５１】
板状部材６１及び導電性領域限定層６２について、図１４の縦断面図を用いて詳しく説明する。導電性領域限定層６２は、その下面付近において中央付近の領域のみが導電性を有し（導電性領域６２１）、その周囲の領域は絶縁性を有する（絶縁性領域６２２）。導電性領域６２１の面積は窓４６１を含めた窓状電極４６の面積よりも十分に小さい。板状部材６１は導電性を有すると共に目的波長の光を反射する材料から成る。そして、板状部材６１は導電性領域６２１の全体と絶縁性領域６２２の一部を覆っている。【００５２】
板状部材６１と窓状電極４６の間の電流は、板状部材６１のうち導電性領域６２１の直下の領域６１１及び導電性領域６２１のみを通過するように流れる。そのため、板状部材６１のうち領域６１１のみが実装面電極として機能する。導電性領域６２１の面積が窓状電極４６の面積よりも十分に小さいため、第１実施形態及び第２実施形態の場合と同様に、電流を活性層の狭い領域に集中することができる。【００５３】
また、板状部材６１はその全体が反射部として機能する。そのため、別途反射部を設ける場合よりも面発光レーザの構成を簡素化することができる。また、活性層に電流を注入する領域６１１の面積よりも板状部材６１の面積の方が大きいため、別途反射部を設けることなく実装面電極を構成する部材を小さくする場合よりも、実装面電極の構成部材により反射することができる面積を大きくすることができる。
【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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【国際調査報告】
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