(57)【要約】【課題】フォトニック結晶ミラーを用いる場合に、当該ミラー直下の活性領域に電流注入がし易いレーザを提供する。【解決手段】基板上に第１の反射ミラ１０２ーと、活性領域１０４と、第２の反射ミラー１０７とを有する垂直共振器型面発光レーザにおいて、  前記第２の反射ミラーは、第１の屈折率を有する第１の媒質と、該第１の媒質よりも屈折率が低い第２の媒質が、該基板の面内方向に周期的に配列している屈折率周期構造を含み構成され、且つ  該活性領域と該第２の反射ミラーとの間には、導電性を有し、且つ該第１の媒質よりも屈折率が低い材料からなる層１０６が、該第２の反射ミラーに隣接する位置に設けられている構成とする。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１の反射ミラーと、活性領域と、第２の反射ミラーとを有する垂直共振器型面発光レーザにおいて、
前記第２の反射ミラーは、第１の屈折率を有する第１の媒質と、該第１の媒質よりも屈折率が低い第２の媒質が、該基板の面内方向に周期的に配列している屈折率周期構造を含み構成され、且つ
該活性領域と該第２の反射ミラーとの間には、導電性を有し、且つ該第１の媒質よりも屈折率が低い材料からなる層が、該第２の反射ミラーに隣接する位置に設けられていることを特徴とする垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項２】
前記層を構成する材料は、前記屈折率周期構造を構成する第１の媒質よりも、１割以上屈折率が低い導電性の材料であることを特徴とする垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項３】
前記層は、前記屈折率周期構造の直下の該活性領域に、該層を介して電流注入ができる導電性を有していることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項４】
前記共振器を構成する少なくとも一方の反射ミラーが、前記周期構造を複数積層した構成を備え、これら積層周期構造のそれぞれに前記周期構造に隣接する層が位置していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項５】
前記共振器を構成する少なくとも一方の反射ミラーが分布ブラッグ反射鏡であり、他方が前記周期構造による１次元または２次元のフォトニック結晶であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項６】
前記共振器を構成する１対の反射ミラーの両方が、前記周期構造による１次元または２次元のフォトニック結晶であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項７】
前記周期構造が、該周期構造を構成する最も高屈折率の媒質に対して割合にして１割以上屈折率が低い導電性媒質で覆わ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項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項８】
前記周期構造を構成する最も屈折率の大きな媒質が、誘電体であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項９】
前記周期構造を構成する最も屈折率の大きな媒質が、半導体であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項１０】
前記周期構造が、該周期構造中に周期を乱す部位が設けられていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項１１】
前記周期構造に隣接する層が、光を該周期構造中に閉じ込めると同時に電流の注入路としての機能を有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直共振器型面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ）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、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垂直共振器型面発光レーザが知られている。
この垂直共振器型面発光レーザは、つぎのような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低閾値、低消費電力であり、またスポット形状が円形で光学素子とのカップリングが容易であり、アレイ化が可能である、等の多くの利点を有している。
しかしながら、一方ではこの面発光レーザは、利得領域が少ないため、共振器を構成する１対の分布ブラッグ反射鏡（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：以下、これをＤＢＲミラーと記述する。）に、９９％以上の高反射率が必要となる。
これを実現するためには、半導体ミラーの場合、数十層の積層膜が必要となる。この積層膜の層厚のために、共振器中に熱がこもりやすくなり、また閾値が大きくなり、あるいは電気抵抗が増加し電流注入が困難になる、等の問題点を有している。
【０００３】
従来において、このようなＤＢＲミラーに代わり得る共振器ミラーについて提案がなされている。
例えば、非特許文献１では２次元スラブフォトニック結晶をミラーとして用いた場合の、反射光・透過光の波長依存性、等について報告されている。
ここで、フォトニック結晶とは、材料に人工的に光の波長程度の屈折率変調を設けた構造、即ち互いに屈折率の異なる媒質同士が周期性をもって配列された構造である。
フォトニック結晶中では、光の多重散乱効果により、結晶中の光の伝搬を制御することができるとされている。
上記非特許文献１では、２次元フォトニック結晶として、高屈折率を持つスラブ材料に空孔を周期的に設けてエアーホールタイプ２次元フォトニック結晶が構成される。
そして、この２次元フォトニック結晶の平面に、それと略垂直な方向から光を入射させると、所定の周波数の光は、ほぼ１００％の効率で反射されることが報告されている。
【０００４】
垂直共振器型面発光レーザの反射ミラーとして、このような２次元（または１次元）フォトニック結晶を光の共振方向に対して垂直な配置で用いることにより、この反射ミラーを非常に薄い膜で構成することができる。
すなわち、従来数μｍ程度の厚い多層膜で構成していたミラーを、数十から数百ｎｍオーダーの非常に薄い膜で構成することができる。
そのため、反射ミラーの層厚による排熱困難、電気抵抗などの問題を低減することができる。以下、このようなミラーをフォトニック結晶ミラーと記述する。
【０００５】
非特許文献２には、上記１次元フォトニック結晶ミラーを実際の面発光レーザデバイスとし、ＤＢＲミラーと組み合わせて共振器を構成した面発光レーザ構造の数値計算例が開示されている。具体的には、図２に示すように、屈折率周期構造の上下を空気の層であるとして計算されている。図２の下側の領域２０３は、エアーギャップ層といわれる。非特許文献２では、該フォトニック結晶ミラーと隣接する層は図２に示すようにクラッド部をエアーギャップ構造とした素子構成となっている。この図２は実際に論文に開示されていた構造を模して描いたものである。
図２において、２０１はＤＢＲミラー、２０２は活性層、２０３はエアーギャップ構造、２０４はフォトニック結晶ミラーである。
【非特許文献１】Ｖ．Ｌｏｕｓｓｅ他：Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ  Ｖｏｌ．１２、Ｎ    ｏ．１５、ｐ．３４３６  （２００４）
【非特許文献２】Ｈ．Ｔ．  Ｈａｔｔｏｒｉ，他：Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ  Ｖｏｌ．１１、Ｎｏ．１５、ｐ．１８０８  （２００３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような素子構成のもとで、電流注入により動作させる際、フォトニック結晶ミラーの直下には、空気の層があるので、ミラー直下の活性領域には電流を注入することが難しくなる。
そこで、本発明は、フォトニック結晶ミラーを用いる場合に、当該ミラー直下の活性領域に電流注入がし易い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】
【０００７】
本発明は、上記課題を達成するために、以下のように構成した垂直共振器型面発光レーザを提供するものである。
本発明の垂直共振器型面発光レーザは、基板上に第１の反射ミラーと、活性領域と、第２の反射ミラーとを有する垂直共振器型面発光レーザにおいて、
前記第２の反射ミラーは、第１の屈折率を有する第１の媒質と、該第１の媒質よりも屈折率が低い第２の媒質が、該基板の面内方向に周期的に配列している屈折率周期構造を含み構成され、且つ
該活性領域と該第２の反射ミラーとの間には、導電性を有し、且つ該第１の媒質よりも屈折率が低い材料からなる層が、該第２の反射ミラーに隣接する位置に設けられていることを特徴としている。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記層を構成する材料は、前記屈折率周期構造を構成する第１の媒質よりも、１割以上屈折率が低い導電性の材料であることを特徴としている。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記層は、前記屈折率周期構造の直下の該活性領域に、該層を介して電流注入ができる導電性を有していることを特徴としている。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記共振器を構成する少なくとも一方の反射ミラーが、前記周期構造を複数積層した構成を備え、これら積層周期構造のそれぞれに前記周期構造に隣接する層が位置していることを特徴としている。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記共振器を構成する少なくとも一方の反射ミラーが分布ブラッグ反射鏡であり、他方が前記周期構造による１次元または２次元のフォトニック結晶であることを特徴としている。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記共振器を構成する１対の反射ミラーの両方が、前記周期構造による１次元または２次元のフォトニック結晶であることを特徴としている。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記周期構造が、該周期構造を構成する最も高屈折率の媒質に対して割合にして１割以上屈折率が低い導電性媒質で覆われていることを特徴としている。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記周期構造を構成する最も屈折率の大きな媒質が、誘電体であることを特徴としている。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記周期構造を構成する最も屈折率の大きな媒質が、半導体であることを特徴としている。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記周期構造が、該周期構造中に周期を乱す部位が設けられていることを特徴としている。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記周期構造に隣接する層が、光を該周期構造中に閉じ込めると同時に電流の注入路としての機能を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、フォトニック結晶ミラーを用いる場合に、当該ミラー直下の活性領域に電流注入がし易いレーザ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】
【０００９】
つぎに、本発明の実施の形態について説明する。
まず、本実施の形態における垂直共振器型面発光レーザの基本構造について説明する。
図１に、本実施の形態における垂直共振器型面発光レーザの模式的断面図を示す。
図１において、１０１は基板、１０２は下部反射ミラー層(第１の反射ミラー)、１０７は上部反射ミラー層（第２の反射ミラー）である。１０３と１０５は活性層を挟むクラッド層、１０４は活性層、１０６は共振器ミラー隣接クラッド層である。これに電流注入のための不図示の電極が設けられる。そして、前記第２の反射ミラー１０７は、第１の屈折率を有する第１の媒質と、該第１の媒質よりも屈折率が低い第２の媒質が、該基板の面内方向に周期的に配列している屈折率周期構造である。また、該活性層１０４と該第２の反射ミラー１０７との間には、導電性を有し、且つ該第１の媒質よりも屈折率が低い材料からなる層１０６が、該第２の反射ミラーに隣接する位置に設けられている。
【００１０】
屈折率周期構造の直下に位置する材料を導電性にすることにより、直下の活性層への電流注入が容易になると共に、フォトニック結晶を垂直方向のミラーとして用いる場合に必要になる、ミラーへの効果的な光閉じ込めも実現する。
本実施の形態における垂直共振器型面発光レーザの共振器ミラーが有する屈折率の周期構造としては、近年盛んに研究されているフォトニック結晶を用いることができる。
【００１１】
ここで、本実施の形態における垂直共振器型面発光レーザの基本構造を説明する前に、フォトニック結晶について説明する。
フォトニック結晶とは、屈折率周期が設けられている方向が、１つから３つまでの範囲で、それぞれ１次元から３次元にまで分けることができる。
現在、１次元または２次元フォトニック結晶、即ち構造体の面内方向における屈折率が周期的に変化するフォトニック結晶が、その作製が比較的容易なことから、最もよく研究されてきている。
例えば、フォトニック結晶の１例として２次元のフォトニック結晶を取り上げると、これには薄い平板上の材料に対して、面内方向に周期性を持つように屈折率周期構造を設けたものがあり、特に２次元スラブフォトニック結晶と呼ばれている。
この２次元スラブフォトニック結晶は、例えば図３に示すように、Ｓｉなど高屈折率の半導体の薄い平板３０１に、使用する光の波長程度の周期で微小な穴３０２を開けることにより、屈折率を面内方向に変調させることができる。
【００１２】
フォトニック結晶は、その屈折率周期が設けられている方向に対して、結晶中の伝搬光を制御することができる。
従って、２次元フォトニック結晶に対しては、主に屈折率の周期構造が設けられている面内方向の光にフォトニック結晶が作用する。
具体的には、光を微小領域に閉じ込める、光の群速度を小さくする、光の伝搬方向を変化させるなどの制御が可能である。
【００１３】
フォトニック結晶の特性のうち重要なものに、結晶内部にある周波数帯内の光が存在できないという性質（この周波数帯をフォトニックバンドギャップと呼ぶ）がある。
このようなフォトニック結晶に周期の乱れた部分（欠陥部）を導入すると、欠陥部ではフォトニックバンドギャップの性質が失われ、光が存在できるようになる。
結果として、欠陥を一部に設け、その周りをフォトニック結晶でとり囲むことで、光を、微小領域に閉じ込めることができる。
また、２次元フォトニック結晶は、面に垂直方向の波数成分をもつ光に対しても、特異な性質を示すことが知られている。
非特許文献１に記載されている、フォトニック結晶による入射光１００％反射の性質がその一例である。
本発明においては、フォトニック結晶のこのような性質が主に用いられる。
【００１４】
つぎに、フォトニック結晶の屈折率周期構造について、さらに説明する。
前述したように本実施の形態における垂直共振器型面発光レーザの共振器ミラーが有する屈折率の周期構造として、フォトニック結晶を用いることができる。
ここではその原理について、ミラーに２次元スラブフォトニック結晶を用いた例を挙げ、特に重要となるフォトニック結晶ミラーの性質に重点を置き説明する。まず、フォトニック結晶ミラーの概略について説明する。
図４に、２次元のフォトニック結晶における光入射の様子を表している斜視図を示す。
２次元フォトニック結晶４０１に、平面と略垂直方向から光を入射させると（図中４０２は入射光、４０３は透過光、４０４は反射光である）、その透過スペクトルは複雑な形状になる。
例えば、非特許文献１によれば、波長１１００ｎｍ、１２２０〜１２５０ｎｍ、１３５０ｎｍ付近といった３つの領域において、反射率が９９％以上となることがシミュレーションにより示されている。
また、赤外域における実験による透過スペクトルも示されている。
上記反射の性質を利用して、フォトニック結晶をミラーとして用いることができる。
このような現象は、２次元フォトニック結晶に略垂直方向から入射した光４０２が、一旦フォトニック結晶の面内方向の伝搬光に変換され、面内方向において共振を起こし、再び入射光側の垂直方向に出射されるという現象に基づくものである。
【００１５】
以上のような性質は、２次元フォトニック結晶だけでなく、１次元フォトニック結晶にも見られるものである。
２次元フォトニック結晶の構成は、高屈折率媒質に低屈折率の媒質が周期的に配置されたものが一般的である。
この場合、低屈折率媒質が３角格子、４角格子状に配列したものや、円座標状に配列したものなどが報告されている。
低屈折率媒質の周期や体積を変化させることで、ミラーの反射特性を制御することが可能である。
また、もちろん上の記述で低屈折率媒質と高屈折率媒質を入れ替えた構成をとることも可能である。
【００１６】
さらに、フォトニック結晶の屈折率周期構造に垂直な（面に垂直な）方向の厚さであるが、この厚さを調整することによっても、反射特性を制御することができる。
また、この厚さは、結晶中を２次元面内方向に伝搬する光の横モードが極端に多い多モードとならないよう、所定の値よりも小さいことが好ましい。
この所定の値については、伝搬する光の波長やフォトニック結晶を構成する材料により様々に異なるが、それらは公知の計算方法により（例えば「光導波路の基礎」（岡本勝就  著、オプトロニクス社）第２章参照）導出することが可能である。
【００１７】
つぎに、前記屈折率周期構造および屈折率周期構造に隣接した層について説明する。
本実施の形態における垂直共振器型面発光レーザにおいては、ミラーが有する前記屈折率周期構造に隣接した層の屈折率が、前記屈折率周期構造を構成する最も高屈折率の媒質に対して、割合にして１割以上屈折率が低い導電性媒質であること望ましい。
このような構成をとることにより、フォトニック結晶ミラーに隣接する媒質を該ミラーよりも十分低屈折率としたまま、活性層の発光領域に対して略垂直方向に電流を注入させることが可能となる。
【００１８】
前述したように、フォトニック結晶ミラーの面内方向で起こる共振は、フォトニック結晶中を２次元的に導波する伝搬モードとなる。
導波路の一般理論によれば、このような伝搬モードは、フォトニック結晶を構成する材料の屈折率に対して隣接層の屈折率が低く、さらにその差（Δ）が大きい程導波路中へ強く閉じ込まりやすい。
したがって、屈折率周期構造による反射もΔが大きい程起こりやすくなり、性能が向上する。また、作製誤差などによるミラーの性能低下に対して強いデバイスを作製することができる。
【００１９】
以上のような原理から、一般に高反射率を得るためにはΔは大きい程よいが、反射率の振る舞いはΔに対してかなり複雑である（すなわちΔに対して反射率がリニアに振る舞うというような単純な現象ではない）。
しかし、Δがフォトニック結晶ミラーを構成する媒質の屈折率に対して非常に小さくなると、反射率が低下する。
具体的には１割以下となったとき、反射率が極端に低下するというシミュレーション結果が報告されている（ＯＰＴＩＣＳ  ＥＸＰＲＥＳＳ  Ｖｏｌ．１３、Ｎｏ．１７  ｐｐ．６５６４）。
【００２０】
従って、高反射率のミラーを得るためには、Δがフォトニック結晶ミラーを構成する媒質の１割以上あることが望ましい。
この条件を満たし、かつ導電性を持つ媒質をフォトニック結晶に隣接させることで（図１の１０６の層）、活性層の発光部に対して略垂直に電流注入を行うことが可能である。
このことから、本実施形態の構成をとることで、ミラーの性能を保ったまま効率よい電流注入が可能な面発光レーザ素子を提供することができる。
【００２１】
本実施の形態における垂直共振器型面発光レーザを半導体で構成した場合、クラッド層を構成する材料は一般的に高屈折率媒質になる。
このような場合、前記導電性の低屈折率媒質は、フォトニック結晶ミラーの性能を向上させるため、フォトニック結晶ミラーに対して活性層側に隣接させることが好ましい。
本実施形態の図１に示されるものにおいてもこのような構成をとっている。
また、活性層側および活性層と逆側の両方に隣接させることも可能である。
また、フォトニック結晶の低屈折率媒質を前記導電性低屈折率媒質で構成するとしてもよい。
この場合も、さらに前記導電性低屈折率媒質を活性層側に隣接する構成をとることが好ましい。また、フォトニック結晶を、垂直方向のミラーとして機能させるためには、フォトニック結晶に入射した光を一旦面内方向に伝搬共鳴させるために、フォトニック結晶の上下を低屈折率媒質で構成するのがよい。そのために、本発明では、フォトニック結晶を構成する媒質の内、屈折率の高い媒質よりも、屈折率の低い材料からなる導電層を利用する。
【００２２】
つぎに、本実施の形態における垂直共振器型面発光レーザを構成する材料について説明する。
このような材料について、構成部位ごとに分けて、以下に説明する。
まず、共振器内部の材料（クラッド層＋活性層）であるが、様々な種類の半導体および誘電体を用いることが可能である。
半導体では、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰ、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がある。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、誘電体では、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ、ＹＡＧ（Ｙｉｔｔｒｉｕｍ  Ｇａｒｎｅｔ）などの固体レーザ媒質なども用いることができる。
クラッドおよび活性層には、以上の媒質を任意に組み合わせることが可能である。ただし、電流注入により動作させるためには、共振器内部構造を構成する媒質は半導体であることが好ましい。
【００２３】
次にフォトニック結晶ミラーを構成する媒質であるが、半導体、誘電体、金属などで構成することが可能である。
半導体には、先にあげたＩＩＩ−Ｖ族系、ＩＩ−ＶＩ族系などの材料を用いることができる。
誘電体ではＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎｂ2Ｏ5、ＣｅＯ2、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2など多くの材料が可能である。
金属ではＡｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｃｏなどあらゆる固体金属結晶が可能である。
フォトニック結晶ミラーの構成材料としては、発振波長に対して吸収の少ない媒質であることが好ましい。
従って、発振光に対して透明な半導体、または誘電体が好ましい。
さらに、ミラーへの光閉じ込めの観点から、誘電体ではＴｉＯ2、Ｎｂ2Ｏ5、ＺｒＯ2などの高屈折率の材料が好ましい。
【００２４】
フォトニック結晶に隣接させる層としては、屈折率がある程度低く、導電性を持つ材料が必要である。
例えば、透明導電性酸化物であるＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ  ）、ＳｎＯ2、Ｉｎ2Ｏ3、ＺｎＯや、有機半導体などがある。
素子に用いる基板には、半導体、誘電体、金属などどれも使用可能であるが、電流注入させるためには、半導体および金属であることが好ましい。
電極には、通常の半導体プロセスで用いる電極や、透明電極などを用いることができる。
以上、各部位の使用可能材料について述べてきたが、本実施の形態における垂直共振器型面発光レーザには、これらそれぞれの部位について、あらゆる材料の組み合わせが可能である。
【００２５】
つぎに、電流注入の方法について説明する。
活性層１０４へのキャリア注入手段としては、アノード、カソードからなる一対の電極を有し、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方法等を用いることができる。
電極は共振器ミラー上に設けることもできるし、共振器ミラー隣接クラッド層１０６上に設けることもできる。
共振器ミラーが半導体または金属である場合には、電極は共振器ミラー上、前記低屈折率導電層上のどちらにも設けることができる。
ただし、屈折率周期構造が、固体媒質と空孔とによって構成される場合には、電極の直下の領域には周期構造パターンを形成しないことが好ましい。
空孔の存在により接触抵抗が大きくなる場合があるからである。
共振器ミラーが誘電体の場合には、該低屈折率導電層上に設けることになる。該低屈折率導電層状に設けた場合は、電流が効率よく活性層の発光領域に注入されるよう、該導電層直下に絶縁層による狭窄層を設けることが好ましい。
【００２６】
電極については、通常の垂直共振器型面発光レーザにおいて用いられているようなリング電極を用いたり、円形、矩形など様々な形状の電極を用いることができる。
電極の材質については、従来の半導体レーザ技術で用いられてきた電極を利用することができ、形成する材料に依存する。
例えば、ｎ型ＧａＡｓにはＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉ、Ａｕ−Ｓｎ、ｐ型ＧａＡｓにはＡｕ−Ｚｎ、Ｉｎ−Ｚｎなどの材料を使用することができる。
また、前記低屈折率透明導電層は電極材料としても用いることができるため、該導電層が電極を兼ねることもできる。
【００２７】
つぎに、共振器を構成するミラーの種類について説明する。
本実施の形態における垂直共振器型面発光レーザの共振器を構成するミラーには、光フォトニック結晶ミラーおよびＤＢＲミラーなどを用いることが可能である。
例えば、共振器ミラー２枚ともフォトニック結晶ミラーの組み合わせ、または１枚がフォトニック結晶ミラー、もう一枚がＤＢＲミラーとの組み合わせなどの構成が可能である。
フォトニック結晶ミラーを用いた場合には、必ず隣接の低屈折率層が付随するものとする。
ＤＢＲミラーの具体的な材料として、つぎのような組み合わせ等を用いることができる。
例えば、ＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-y／Ｉｎx'Ｇａ1-x'Ａｓy'Ｐ1-y'、ＡｌxＧａ1-xＡｓ／ＡｌyＧａ1-yＡｓ、ＧａＮ／ＡｌxＧａ1-xＮなどの比較的格子定数の近い半導体の組み合わせを用いることができる。
また、ＴｉＯ2、ＳｉＯ2、ＨｆＯ2、ＺｒＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎｂ2Ｏ5、ＣｅＯ2など任意の誘電体の組み合わせ、等を用いることができる。
【００２８】
つぎに、屈折率周期構造に欠陥が導入されている構成について説明する。
本実施の形態における垂直共振器型面発光レーザでは、共振器ミラーが有する屈折率周期構造に対して、その周期を乱す構造、いわゆる欠陥構造を導入することも可能である。
欠陥は、屈折率の周期構造を乱すものならいかなるものでもよい。
低屈折率媒質と高屈折率媒質が周期を組んだ構造では、単独欠陥の例として、低屈折率媒質を高屈折率媒質で置き換えたもの、低屈折率媒質の領域の体積を変えたものなどがある。
また、このような単独の欠陥を複数つらね、線欠陥や、面状の欠陥を構成することも可能である。
さらにこれらの欠陥は、一定の周期ごとに欠陥を配置する周期欠陥としてもよいし、非周期欠陥としてもよい。
非周期欠陥の例には、例えば欠陥がランダムに配置されている場合、または、欠陥の周期がある一定法則に基づき変化している場合、欠陥の周期に異方性がある場合などがある。
【００２９】
欠陥を持つフォトニック結晶ミラーでは、欠陥を入れることで、反射光および透過光の横モードや、近視野・遠視野像、発振帯域などを変化させることができる。
また、欠陥入りのフォトニック結晶ミラーの反射では、導波モードに変換された入射光が欠陥ごとに局在し、導波する場合（欠陥モードという）とそうでない場合とがある。
欠陥モードを用いた反射では、欠陥ごとに局在した光が隣接する欠陥の局在光と結合し、面全体に広がる。この場合、欠陥の配置を変えることでより顕著に反射光の制御が可能になる。
ただし、この場合、次の２つの要件が必要である。一つはフォトニック結晶が反射光に対してフォトニックバンドギャップを有していること。
もう一つは欠陥同士が互いに局在光同士が結合するように所定の距離範囲内で隣接していることである。
必要な欠陥同士の距離は、反射光の波長やフォトニック結晶の格子パラメータなどにより異なってくる。
【００３０】
つぎに、複数の屈折率周期構造を有する多層膜によりミラーが構成されている場合について説明する。
本実施の形態における垂直共振器型面発光レーザにおいて、共振器の反射ミラー対を構成する屈折率周期構造は、単独で構成することもできるし、それらが複数種類組み合わされた構成をとることもできる。
例えば、屈折率周期構造を２次元フォトニック結晶とした場合、共振器を構成する２次元フォトニック結晶ミラーが、ミラー面に垂直方向に複数枚重ねられ、共振器ミラーの少なくとも一方を形成している構成等を採ることができる。
もちろん、２次元フォトニック結晶ではなく、１、３次元であってもよい。
なお、ある周期を有する屈折率周期構造領域と別の周期を有する周期構造領域の間には、空気またはその他の媒質によるスペーサ層を設け、共振器ミラーを、屈折率周期構造およびスペーサ層の２層ペアで一周期とする多層膜ミラーの構成にすることもできる。
【００３１】
これらのペアは、ミラー内で共振する光の位相整合が取れるように設計することが好ましい。位相整合に関して、具体的には２つの条件がある。
１つめは２次元フォトニック結晶面内方向の位置関係が常に一定であること、２つめは、１つめの条件が満たされた状態で、２層ペアの厚さが調整されていることである。
１つめの条件において、屈折率周期構造層間のスペーサ層が薄く、２つ以上の屈折率周期構造が光学的に結合しているような状態の時に問題となる。
このような場合、屈折率周期構造間の面内方向の位置合わせ（平行、回転）が必要になる。それらが互いにばらばらだと、ミラーの反射率および反射波長、屈折率周期構造から縦方向に放射される光の位相が、それぞれの層において異なってしまい、反射率が低下する。
スペーサ層が厚く、屈折率周期構造同士が光学的に結びつかない場合でも、位置関係は一定であるほうが好ましい。
例えば、同一周期の２次元フォトニック結晶を複数枚重ねた場合には、それぞれの空孔の位置が誤差１０ｎｍ以内の精度で一致するなどの位置関係が考えられる。
【００３２】
２つ目の条件は、１つめの条件が満たされた状態で、２層ペアの厚さを調整することで満たすことができるが、屈折率周期構造層の厚さを大きくしすぎると、層内における縦方向のモードが多モード化して好ましくない。
従って、屈折率周期構造層の厚さは固定し、スペーサ層の厚さのみを変えて調整することが好ましい。
スペーサ層の材料には、金属、半導体、誘電体、空気などを用いることができる。ミラーを通じて電流注入を行うには、スペーサ層の材料は金属または半導体であることが好ましい。
ただし、金属による光吸収を考えると、レーザの閾値を低下させるためにはスペーサ層が発振波長に対して透明な半導体であることが好ましい。
また、先述したようにフォトニック結晶ミラーの性能を低下させないためには、隣接する層との屈折率差がついていることが必要である。
従って、スペーサ層の屈折率は、フォトニック結晶ミラーの媒質１に比べ一割以上屈折率が低いことが好ましい。
特に、上の条件と導電性を両立させるものとして、前述した透明導電媒質をスペーサ層に用いることが有用である。
【実施例】
【００３３】
以下に、本発明の実施例について説明する。
以下の実施例は例示的なものであり、本発明において用いるレーザ素子の構造材料、大きさ、形状などの諸条件は、以下の実施例１〜６によって何ら限定されるものではない。
［実施例１］
実施例１において、本発明を適用して構成した垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
図５に、本実施例の垂直共振器型面発光レーザの構成を説明する模式図を示す。図５（ａ）は本実施例における垂直共振器型面発光レーザの基板に垂直方向の模式的断面図であり、図５（ｂ）は上部共振器ミラーを面に垂直方向より見た模式的平面図である。
図５において、５０１は基板、５０２は下部共振器ミラー層、５０３は下部クラッド層、５０４は活性層、５０５は酸化狭窄層中心部、５０６は酸化狭窄層である。
また、５０７は上部クラッド層、５０８は上部共振器ミラー隣接クラッド層、５０９は上部共振器ミラー層、５１０は上部共振器ミラー空孔、５１１はｐ電極、５１２はｎ電極である。
【００３４】
以下に、本実施例の垂直共振器型面発光レーザのそれぞれの構成部における構成材料、寸法および機能について、それぞれ説明する。
基板５０１はＧａＡｓであり、厚さ５５０μｍである。
下部共振器ミラー層５０２はｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ／Ａｌ0.93Ｇａ0.07ＡｓによるＤＢＲミラーで、積層数は７０ペアである。
それぞれの層の厚さは、光路長換算でそれぞれ発振波長のλ／４となっている。本実施例では、発振波長は６７０ｎｍの赤色光であるため、それぞれの層は４８ｎｍ、５３ｎｍである。また、共振器のクラッド層に近い順に上の材料の順番で積層されている。
【００３５】
図５（ｂ）を用いて、上部共振器ミラーについて説明する。
図５（ｂ）において、５１３は電極形成領域である。
上部共振器ミラー層５０９は、厚さ１５０ｎｍの半導体スラブに周期的に空孔５１０を設けたフォトニック結晶ミラーである。
フォトニック結晶は、直径２０μｍΦの円形状に形成されている。
図５（ｂ）にはあらわに示されていないが、フォトニック結晶構造は実際には８０周期形成されている。
本実施例においては、フォトニック結晶が形成されている周囲の領域５１３は電極を形成する領域であり、この部位にはフォトニック結晶パターンは設けない。フォトニック結晶領域およびその周辺領域を含めたメサ部の直径は４０μｍφである。フォトニック結晶の空孔は円形状であり、フォトニック結晶ミラー面の垂直方向には円が平行に伸びた円柱構造となっている。
空孔はミラーの面内方向に対して四角格子となるように配列されている。
反射率は発振波長である６７０ｎｍ付近で最大となるよう設計されており、本実施例におけるフォトニック結晶のパラメータは、空孔周期２５０ｎｍ、空孔径１５０ｎｍである。上部共振器ミラー層の材料はＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓである。
【００３６】
下部クラッド層５０３、上部クラッド層５０７はそれぞれｎ型、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰで、厚さはそれぞれ６３５ｎｍ、４７５ｎｍである。上部クラッド層は、酸化狭窄層中心部５０５および酸化狭窄層５０６で区切られているが、ここで述べる厚さは、それらも含めたものである。活性層５０４はＧａ0.56Ｉｎ0.44Ｐ／（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐの多重量子井戸構造を有している。
その井戸数は３個、Ｇａ0.56Ｉｎ0.44Ｐの井戸層および井戸層間の（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐ層の厚さはそれぞれ６ｎｍである。
また、酸化狭窄層中心部５０５は、ＡｌＡｓ、酸化狭窄層５０６はＡｌ2Ｏ3で、厚さは両者一定であり２０ｎｍである。
酸化狭窄層中心部の直径はシングルモードで発振するように小さくとり、本実施例においては３μｍΦである。
【００３７】
上部共振器ミラー隣接クラッド層はＩＴＯで構成されており、厚さは３００ｎｍである。
ＩＴＯは、屈折率が１．９（６７０ｎｍ）程度なため、上部共振器ミラーを構成するＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ（屈折率３．４９）に対して屈折率が低く、その差はＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓに対する割合で約４５％である。
従って前述したように、この層の存在により上部共振器ミラーであるフォトニック結晶ミラー内部に光をより閉じ込めやすくなるため、フォトニック結晶ミラーの性能を向上させることができる。
さらに、ＩＴＯは抵抗率にして１×１０-4Ω・ｃｍ程度の導電性を有するため、この層を電流の注入路として用いることができる。
従って、上部共振器ミラーであるフォトニック結晶ミラーの性能を維持したまま、活性層への垂直方向からの電流注入を容易とし、注入効率を向上させることができる。
ミラーを除く共振器各部は、下部クラッド層、上部クラッド層、活性層、酸化狭窄層および酸化狭窄層中心部、上部共振器ミラー隣接クラッド層を合わせて構成されている。その共振器長は６．５波長となっている。
ｐ電極は上部共振器ミラーのフォトニック結晶構造がある領域の周囲に形成されているリング電極である。材料はＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉである。ｎ電極はＡｕ−Ｚｎであり、基板の裏側全域に形成されている。
【００３８】
つぎに、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの製造方法について説明する。
本実施例における垂直共振器型面発光レーザは、従来の垂直共振器型面発光レーザを作製するときに用いる通常の半導体プロセスを基本とし、それに張り合わせなどの工程を加え作製することができる。
まず、ｎ型のＧａＡｓ基板上に、結晶成長により上部クラッド層までの積層膜構造を順に成膜する。
次に、上部クラッド層の上側に、上部共振器ミラー隣接クラッド層であるＩＴＯをスパッタにより成膜する。
次に、水蒸気酸化により、ＡｌＡｓ層の電流狭窄構造を作製する。
さらに別のＧａＡｓ基板に、ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓフォトニック結晶ミラー層を製膜しておき、ＥＢリソグラフィーと、Ｃｌ2ガスを用いたドライエッチングにより、フォトニック結晶ミラー層に空孔周期構造を形成する。
そして、このフォトニック結晶ミラー層を最初に作製したＩＴＯ上部共振器ミラー隣接クラッド層上に熱融着法により接合する。接合したｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓフォトニック結晶ミラー層に接していたＧａＡｓ基板は、機械研磨によりミラー層直上まで厚さを減らした後、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法により平滑化する。残った薄い基板層は、Ｃｌ2ガスを用いたドライエッチングにより除去する。
最後に、ｐ電極Ａｕ−Ｇｅ−Ｎｉは蒸着により、ｎ電極Ａｕ−Ｚｎはスパッタにより形成する。
【００３９】
本実施例では、上部共振器ミラー隣接クラッド層の材料は、ＩＴＯを用いたが、ＳｎＯ2、ＺｎＯなど、本発明の実施の形態で挙げたような透明導電膜で構成することも可能である。
また、素子の半導体部分を、本発明の実施の形態で説明した種類の半導体で代用することももちろん可能である。
さらに、電流狭窄層は本実施例では酸化層導入による狭窄構造を用いたが、プロトン注入による高抵抗化や、埋め込みヘテロ構造などによる狭窄構造を用いることも可能である。
また、フォトニック結晶ミラーについては、本実施例では２次元の四角格子のフォトニック結晶構造を有しているが、三角格子や、円座標状などにすることも可能である。
また、２次元以外に１次元のグレーティング構造を用いることも可能である。
本実施例のレーザ素子に通電すると、赤色領域の６７０ｎｍの波長で発振する。上部共振器ミラーの下部にある、低屈折率で導電性を有する上部共振器ミラー隣接クラッド層の存在により、ミラー性能と電流注入効率の両方を高めることができ、安定したレーザ発振動作が得られる。
【００４０】
［実施例２］
本発明の実施例２における垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
図６に、本実施例の垂直共振器型面発光レーザの構成を説明する模式図を示す。図６（ａ）は本実施例における垂直共振器型面発光レーザの基板に垂直方向の模式的断面図であり、図６（ｂ）は上部共振器ミラーを面に垂直方向より見た模式的平面図である。
図６において、６０１は基板、６０２は下部共振器ミラー層、６０３は下部クラッド層、６０４は活性層、６０５は第一酸化狭窄層中心部、６０６は第一酸化狭窄層である。
また、６０７は上部クラッド層、６０８は第二酸化狭窄層中心部、６０９は第二酸化狭窄層、６１０は上部共振器ミラー隣接クラッド層、６１１は上部共振器ミラー層、６１２は上部共振器ミラー空孔、６１３はｐ電極、６１４はｎ電極である。
【００４１】
本実施例では、基板６０１から第一酸化狭窄層中心部６０５および第一酸化狭窄層６０６まで、さらにｎ電極６１４は、その具体的な素子の構成材料、寸法および機能については、実施例１と共通である。
したがって、ここでは実施例１と異なる部分について説明する。
まず本実施例では、上部共振器ミラー隣接クラッド層との境界部に、電流狭窄のための酸化狭窄層が設けられる。
第二酸化狭窄層中心部６０８、第二酸化狭窄層６０９を構成する材料、および寸法は、第一酸化狭窄層中心部６０５、第一酸化狭窄層６０６とそれぞれ同様である。
また、上部クラッド層については、第二酸化狭窄層中心部６０８、第二酸化狭窄層６０９が加わったことで、４８５ｎｍとなり実施例１に対して１０ｎｍ長くなっている。
【００４２】
次に、上部共振器ミラーについて説明する。
本実施例では、上部共振器ミラーは実施例１と同様にフォトニック結晶ミラーである。
該フォトニック結晶はＴｉＯ2の平面層に空孔を周期的に設けることで構成され、空孔の設けられている領域は、実施例１と同様に２０μｍΦであるが、本実施例ではミラー層全域に渡り空孔が設けられ、ミラー上に電極を設ける領域は有していない。
図６（ｂ）では十数周期のフォトニック結晶が描かれているが、実際にはおよそ８０周期のフォトニック結晶構造が形成されている。
ミラー上のフォトニック結晶の空孔は、実施例１と同様に円形、面に垂直方向で円柱型、四角格子に配列されている。本実施例では、厚さ２５０ｎｍ、格子定数１７０ｎｍ、空孔径５０ｎｍである。
【００４３】
さらに、上部共振器ミラー隣接クラッド層であるが、本実施例でもＩＴＯの透明導電膜を用いている。層の厚さは３００ｎｍである。
この場合でも、屈折率差がフォトニック結晶ミラーに対して１割の条件は満たしているため、該上部共振器ミラー隣接クラッド層はフォトニック結晶への光閉じ込め層として作用する。
また、本実施例においては、該上部共振器ミラーは誘電体で構成されているため、電流は前記上部共振器ミラー隣接クラッド層を介して注入する。
従って本実施例では、該上部共振器ミラー隣接クラッド層上が実質ｐ電極として機能し、さらにその上にＡｇの２次電極が形成されている。
また、このように電流を注入すると、電流が斜め方向より供給され活性層の励起効率が低下するため、該上部共振器ミラー隣接クラッド層の直近下部に、第２の狭窄層を設け、電流が活性層の発光部に対して、略垂直に注入されるようにすることが好ましい。
本実施例では、酸化狭窄層による電流狭窄構造をとっている。
【００４４】
さらに、本実施例におけるレーザ素子の製造方法であるが、材料や素子構造が実施例１と同様もしくは似通っているため、上部クラッド層を形成するまでは、実施例１の工程と同様である。
さらに、その上にＡｌＡｓ層を形成し、ＩＴＯ上部共振器ミラー隣接クラッド層をその上にスパッタにより成膜する。
さらに、その上にＴｉＯ2の上部共振器ミラー層を同じくスパッタにより成膜する。
その後水蒸気酸化により、ＡｌＡｓ層の電流狭窄構造を作製する。そして、フォトニック結晶ミラーの上に、ＥＢリソグラフィーと、Ｃｌ2を用いたドライエッチングにより、フォトニック結晶ミラー層に空孔周期構造を形成する。
最後にｐ電極を素子上に蒸着、ｎ電極をスパッタにより形成する。
本実施例のような構成の場合、融着工程を用いず製膜のみで素子を作製することができる。
本実施例における、素子の半導体部分は、本発明の実施の形態で説明した種類の半導体で代用することももちろん可能である。さらに、フォトニック結晶ミラーの材料も、比較的高屈折率の誘電体を用いて構成することが可能であり、ＴｉＯ2の他にやはり本発明の実施の形態で説明した種類の高屈折率の誘電体で代用することができる。
さらに、電流狭窄層は本実施例では酸化層導入による狭窄構造を用いたが、プロトン注入による高抵抗化や、埋め込みヘテロ構造などによる狭窄構造を用いることも可能である。
【００４５】
［実施例３］
本発明の実施例３における垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
図７に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの基板に垂直方向の模式的断面図を示す。
図７において、７０１は基板、７０２は下部共振器ミラー層、７０３は下部クラッド層、７０４は活性層、７０５は酸化狭窄層中心部、７０６は酸化狭窄層である。
また、７０７は上部クラッド層、７０８は上部共振器ミラー隣接クラッド層、７０９は上部共振器ミラー高屈折率層、７１０は上部共振器ミラー低屈折率媒質、７１１は上部共振器ミラーキャップ層、７１２はｐ電極、７１３はｎ電極である。
【００４６】
本実施例では、基板７０１から順に上部共振器ミラー隣接クラッド層７０８までは、その具体的な素子の構成材料、寸法および機能については、実施例１と共通である。
したがって、ここでは実施例１と異なる部分について説明する。
本実施例においては、上部共振器ミラー高屈折率層７０９（すなわち上部共振器ミラーであるフォトニック結晶ミラー本体）のさらに上に、上部共振器ミラーキャップ層７１１が積層されている。
さらに、該上部共振器ミラーキャップ層の媒質が、フォトニック結晶ミラーの空孔に入り、上部共振器ミラー低屈折率媒質７１０となっている。
フォトニック結晶ミラーの周期構造は実施例１と同様に四角格子であり、該低屈折率媒質は、面に垂直方向に対して円柱構造となっている。しかし、該低屈折率媒質が空孔ではないこと、また、ミラー層の一方が空気ではなく、キャップ層となっていることから、実効的な屈折率が異なるため、従ってフォトニック結晶の周期および低屈折率媒質の径は異なる。
本実施例においては、該低屈折率媒質およびキャップ層はＩＴＯであるため、フォトニック結晶の周期、該低屈折率媒質の径はそれぞれ２３０ｎｍ、６０ｎｍとなっている。
そして厚さも１５０ｎｍとなっている。
また、フォトニック結晶を設けている領域はミラー面全域であり、ミラーの面積は２０μｍである。この点は実施例２と同様であり、従ってミラーの面に対して垂直方向から見た図面は図６（ｂ）と同様である。
前記上部共振器ミラーキャップ層もＩＴＯであり、厚さは３００ｎｍである。
以上のような構成から、本実施例においては、上部共振器ミラー高屈折率媒質（フォトニック結晶ミラー）が、低屈折率媒質のＩＴＯに埋め込まれた構造となっている。
【００４７】
つぎに、本実施例における電極構造について説明する。
ｐ側電極に関しては、本実施例においてはＡｇによるリング電極を形成しており、ｐ側電極は上部共振器ミラーに直接形成されず、上部共振器ミラーキャップ層上に形成されている。ｎ側電極については、材質、構成とも実施例１と全く同様である。
【００４８】
本実施例における素子の製造方法においては、上部共振器ミラー高屈折率層を形成するまでは、実施例１と全く同様の工程である。
本実施例ではこの後、ＩＴＯを該高屈折率層上に、その空孔を埋めるようにスパッタリングし製膜する。
最後ｐ、ｎ電極の形成工程は実施例１と同様である。
【００４９】
本実施例のように、フォトニック結晶を上下同屈折率の媒質で挟み込むことにより、フォトニック結晶に隣接する層の屈折率差の状態をより対称にすることができる。
このような状態はフォトニック結晶ミラー内部の光の伝搬にとっては好条件となる。
また、前記ミラーキャップ層の上面は平坦な構造となるため、前面に電極を設けやすく、電流注入に有利な構成である。
従って、本実施例においてはリング電極を採用しているが、他の四角型や丸型の電極を、素子の光出射部（電流狭窄構造中心部の真上およびその周辺領域）を含む領域に重ねて形成することも可能である。
【００５０】
このような構成は、電流を活性層の発光領域に対してより垂直に注入可能なため、構成上好ましい。
また、このような構成をとる場合には、電極も透明電極を用いることが好ましいため、前記上部共振器ミラーキャップ層全体を電極として機能させるのが好ましい構成の一つとして考えられる。
もちろん、別の透明電極を前記キャップ層の上に形成してもよい。さらに、本実施例のような構成をとることで、フォトニック結晶ミラーのミラー領域をより広く取ることが可能になる。
フォトニック結晶ミラーの面積は大きければ大きいほど、光の面内方向への漏れが少なくなり、性能が向上する。
したがって、本実施例のような構成では、フォトニック結晶ミラーの性能をより向上させることができる。
【００５１】
［実施例４］
本発明の実施例４における垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
図８に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの基板に垂直方向の模式的断面図を示す。
図８において、８０１は基板、８０２は下部共振器ミラー層、８０３は下部クラッド層、８０４は活性層、８０５は酸化狭窄層中心部、８０６は酸化狭窄層である。
また、８０７は上部クラッド層、８０８は上部共振器ミラー隣接クラッド層、８０９は上部共振器第一ミラー高屈折率層、８１０は上部共振器第一ミラー低屈折率媒質である。
また、８１１は上部共振器ミラースペーサ層、８１２は上部共振器第二ミラー高屈折率層、８１３は上部共振器第二ミラー低屈折率媒質、８１４は上部共振器ミラーキャップ層、８１５はｎ電極、８１６はｐ電極である。
【００５２】
本実施例では、基板８０１から順に上部共振器ミラー隣接クラッド層８０８までは、具体的な素子の構成材料、寸法および機能について、実施例３の基板７０１から上部共振器ミラー隣接クラッド層７０８までと共通である。
さらにｎ電極８１５も実施例３の７１３と同様である。
本実施例における素子は、実施例３の素子の上部共振器ミラーに、もう一層フォトニック結晶ミラーを挿入し、２枚のフォトニック結晶ミラーを重ねた構成をしている。
【００５３】
以下、本実施例の実施例３に対しての相違点について説明していく。
本実施例における第一のフォトニック結晶ミラーおよび第二のフォトニック結晶ミラーは、実施例３と同様に、高屈折率層８０９、８１２はＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ、低屈折率媒質８１０、８１３はＩＴＯである。
そして、高屈折率層に低屈折率媒質の円柱構造が周期的に配列された構造となっている。
配列も実施例３と同様に四角格子であり、周期および円柱半径も実施例３と同様である。ミラーの厚さも実施例３と同様である。
本実施例においては、第一のフォトニック結晶ミラーと第二のフォトニック結晶ミラー間が、上部共振器ミラースペーサ層によって隔てられている。該スペーサ層の材料にはＩＴＯが用いられ、フォトニック結晶ミラーの低屈折率媒質８１０、８１３と同物質であり、連続した構造になっている。
本実施例においてはこのスペーサ層の設計が上部共振器ミラーの機能を大きく左右する。
具体的には、それぞれのフォトニック結晶層、スペーサ層ペアは、１ペアで反射光の位相が（ｎ／２）波長分進むように設計されている。
フォトニック結晶ミラーにより反射される光の位相は、フォトニック結晶から放射される際は常に一定である。
従って、２ペアで位相整合条件が満たされるよう、スペーサ層の厚さを調節してやればよい。本実施例では、スペーサ層の厚さは８８ｎｍとなっている。
【００５４】
次に、第一、第二の共振器ミラーである、フォトニック結晶ミラー同士の、ミラーの面内方向の位置関係について説明する。
本実施例においては、互いの面の中心線間の光路長が半波長分と短いため、共振器ミラー層の隣接するフォトニック結晶ミラーを、面内方向に伝搬する光は互いに結合する。
従って、２枚の面内方向の位置関係により、１枚の共振器ミラーとしての特性は変化するため、位置関係は常に一定である必要がある。
本実施例においては、２枚のフォトニック結晶ミラーは、基板に垂直方向から見たとき、孔同士が互いに重なる位置に調整されている。
本実施例における素子の作製方法については、実施例３の素子の製造工程の途中に、第一のフォトニック結晶ミラーを形成する工程を加えたものとなる。
具体的には、上部共振器ミラー隣接クラッド層を形成した後、第一のフォトニック結晶ミラー、第二フォトニック結晶ミラーと順に形成していく。
これは、実施例３における上部共振器ミラー高屈折率媒質から上部共振器ミラーキャップ層まで形成する工程を、２回繰り返すことで行うことができる。
【００５５】
本実施例では、２枚のフォトニック結晶ミラーを重ねた例に関して説明したが、３枚、４枚とさらにそれ以上の枚数のフォトニック結晶ミラーを重ねることも可能である。
製造方法については、本実施例においてフォトニック結晶ミラー２枚を重ねて形成した工程を３回、４回と繰り返すことで、製造することができる。
本実施例のように、フォトニック結晶ミラーを複数枚重ねて一枚のミラーとすることで、個々のフォトニック結晶ミラーの反射率よりも、反射率を大きくすることができる。
従って、作製誤差などにより、個々のフォトニック結晶ミラーの反射率が低下しても、それを補うことが可能になる。
【００５６】
［実施例５］
本発明の実施例５における垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
図９に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの構成を説明するための模式図を示す。
図９（ａ）は本実施例における垂直共振器型面発光レーザの基板に垂直方向の模式的断面図である。
また、図９（ｂ）は上部共振器ミラーを面に垂直方向より見た模式的平面図ある。
図９において、９０１は基板、９０２は下部共振器ミラー層、９０３は下部クラッド層、９０４は活性層、９０５は酸化狭窄層中心部、９０６は酸化狭窄層である。
また、９０７は上部クラッド層、９０８は上部共振器ミラー隣接クラッド層、９０９は上部共振器ミラー高屈折率層、９１０は上部共振器ミラー低屈折率媒質である。
また、９１１は上部共振器ミラー欠陥部、９１２は上部共振器ミラーキャップ層、９１３はｐ電極、９１４はｎ電極である。
【００５７】
本実施例においては、上部共振器ミラーを形成する９０９〜９１１の部位を除き、素子の基本的な構成は実施例３と全く同様である。
したがって、上部共振器ミラーについてのみ、図９（ｂ）を用いて説明する。
本実施例の上部共振器ミラーは、実施例３と同様に、高屈折率層９０９Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ、低屈折率媒質９１０はＩＴＯであり、図９（ｂ）に示すように、高屈折率層に低屈折率媒質の円柱構造が周期的に配列されたフォトニック結晶構造となっている。
ただし、本実施例においては、フォトニック結晶構造は３角格子であり、３周期ごとに低屈折率媒質を設けない欠陥部９１１を有している。ミラーの厚さは実施例３と同じく１５０ｎｍ、格子の周期および半径はそれぞれ２００ｎｍ、６０ｎｍである。
また、欠陥部が設けられている領域は、中央の１０μｍのみであり、ミラー層全体の面積は２５μｍφである。
図９（ｂ）にはあらわに示されていないが、実際にはフォトニック結晶構造は全体で１２５周期、周期欠陥構造はフォトニック結晶３周期で１周期分なので、合計１７周期設けられている。
【００５８】
本実施例における素子の製造方法は、実施例３における製造方法とほぼ同様である。異なるのは、上部共振器ミラーのフォトニック結晶パターンを形成する際、欠陥部を導入することである。
これは、フォトニック結晶パターンを形成する時のＥＢリソのパターンを変えるのみで、その他は実施例３と全く同じ工程で作製することができる。
【００５９】
本実施例における共振器ミラーの機能に関して以下に説明する。
図９（ｂ）の共振器ミラーの光放射部には、フォトニック結晶における空孔の３周期ごとに、欠陥が導入されている。
欠陥には、共振光がフォトニック結晶中で面内導波モードに変換された光が局在し、それらは隣接する欠陥に局在した導波モードの光と互いに結合する。
周りの欠陥のない領域では、発振光の波長は、フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップの波長域にちょうど入るため、発振光はそれらの領域を伝搬することができない。
従って、中央部の欠陥が設けられている領域からのみ、レーザ光が放射され、さらに光が共振器ミラーの面内方向に漏れるのを防ぐことができる。また、欠陥の導入の仕方により、発振光のスポット形状や大きさなどを制御することができる。
【００６０】
本実施例においては、欠陥はフォトニック結晶の基本周期の３倍周期で導入したが、これ以外の周期で導入することも可能である。
また、必ずしも周期的である必要はなく、非周期的な欠陥にすることもできる。いずれの場合も、欠陥に局在した光が互いに結合しあえる距離であることが必要である。本実施例においては２周期以上、１０周期以内であるのが好ましい。
さらに、本実施例では、上部共振器ミラー低屈折率媒質の円柱を取り除くことで欠陥としたが、径を元のフォトニック結晶の孔径に比べて大小に変化させることでも欠陥の形成が可能である。
【００６１】
［実施例６］
本発明の実施例６における垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
図１０に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの基板に垂直方向の模式的断面図を示す。
図１０において、１００１は基板、１００２は下部共振器ミラー光閉じ込め層、１００３は下部共振器ミラー高屈折率層、１００４は下部共振器ミラー低屈折率媒質である。
また、１００５は下部共振器ミラー隣接クラッド層、１００６は下部クラッド層、１００７は活性層、１００８は酸化狭窄層中心部、１００９は酸化狭窄層、１０１０は上部クラッド層、１０１１は上部共振器ミラー隣接クラッド層である。また、１０１２は上部共振器ミラー高屈折率層、１０１３は上部共振器ミラー低屈折率媒質、１０１４は上部共振器ミラーキャップ層、１０１５はｐ電極、１０１６はｎ電極である。
【００６２】
本実施例にでは、基板１００１およびｎ電極１０１６、また活性層１００７からｐ電極１０１５は実施例３における基板７０１およびｎ電極７１３、下部クラッド層７０３からｐ電極７１２までと同様である。
実施例３と異なる点について、以下に説明する。
本実施例においては下部共振器ミラーはＤＢＲミラーではなく、フォトニック結晶ミラーとなっている。
ミラーを構成する下部共振器ミラー高屈折率層１００３、下部共振器ミラー低屈折率媒質１００４は上部共振器ミラーと材料、構成、寸法ともに上部共振器ミラーと同様である。さらに本実施例においては、下部共振器ミラーが下部共振器ミラー光閉じ込め層１００２および下部共振器ミラー隣接クラッド層１００５で挟まれた構造となっている。
それぞれの層はＩＴＯで構成されており、厚さは２層とも同様であり３００ｎｍである。
また、下部共振器ミラー隣接クラッド層を設けたことで、下部クラッド層の厚さも４６５ｎｍと実施例３に比べ薄くなっている。
また、共振器長は本実施例においても６．５波長分である。
【００６３】
つぎに、２枚のフォトニック結晶ミラーの位置関係について説明する。
本実施例においては、共振器長が６．５波長分と長いため、２枚のミラーを面内方向に伝搬する光は互いに結合しない。
従って２枚のミラーの面内平行方向の位置関係については任意の位置関係をとることができる。
また、回転方向に関しては、本実施例ではフォトニック結晶が四角格子であり偏光に依存しないため、やはり任意の位置関係をとることが可能である。しかし好ましくは、２枚のミラーの位置関係は常に一定となるのがよい。
２枚のミラーの距離が短く、互いの伝搬光同士が結合する場合には、実施例４で述べたように、２枚のミラーの面内平行方向および回転方向の位置関係は常に一定である必要がある。
【００６４】
つぎに、本実施例における素子の製造方法について説明する。
まずＧａＡｓ基板に下部クラッド層１００６から上部共振器ミラー隣接クラッド層１０１１までを作製する。その後別ＧａＡｓ基板に作製したフォトニック結晶ミラーを融着する。
ここまでは実施例３と同様である。本実施例においては、この後融着した基板ははがさず、もともとあった基板をＣＭＰ法などにより除去する。
そして、除去した後にＩＴＯをスパッタにより形成し、下部共振器ミラー隣接クラッド層とする。
さらに、もう一つの別基板に作製してあったフォトニック結晶ミラーを融着し、今度はＧａＡｓ基板もＣＭＰ法などを用いて除去する。
そしてその後、下部共振器ミラー光閉じ込め層を、除去した表面に対して形成し、さらに別のＧａＡｓ基板を融着する。
そして、上部共振器ミラー側のＧａＡｓ基板を除去し、実施例３と同様に上部共振器ミラーキャップ層を形成する。
最後に、ｐ、ｎそれぞれの電極を形成する。本実施例のように、上下の共振器ミラーを両方ともフォトニック結晶ミラーとすることにより、ＧａＮ／ＡｌＮ系、ＩｎＧａＡｓＰ系などＤＢＲミラー作製が困難な材料において面発光レーザを実現するのに有利である。
また、ＡｌＧａＡｓ系でも、ＤＢＲミラーを多く積層する必要がなく排熱効率などを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施の形態における垂直共振器型面発光レーザの基本構成を示す模式的断面図である。
【図２】非特許文献２の垂直共振器型面発光レーザの基本構成を示す模式的断面図である。
【図３】本発明の実施の形態における２次元のフォトニック結晶を説明するための斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶ミラーを説明するための２次元のフォトニック結晶への光入射の様子を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施例１における垂直共振器型面発光レーザの構成を説明するための模式図である。図５（ａ）は実施例１における垂直共振器型面発光レーザの基板に垂直方向の模式的断面図であり、図５（ｂ）は上部共振器ミラーを面に垂直方向より見た模式的平面図である。
【図６】本発明の実施例２における垂直共振器型面発光レーザの構成を説明するための模式図である。図６（ａ）は実施例２における垂直共振器型面発光レーザの基板に垂直方向の模式的断面図であり、図６（ｂ）は上部共振器ミラーを面に垂直方向より見た模式的平面図である。
【図７】本発明の実施例３における垂直共振器型面発光レーザの基板に垂直方向の模式的断面図である。
【図８】本発明の実施例４における垂直共振器型面発光レーザの基板に垂直方向の模式的断面図である。
【図９】本発明の実施例５における垂直共振器型面発光レーザの構成を説明するための模式図である。図９（ａ）は実施例５における垂直共振器型面発光レーザの基板に垂直方向の模式的断面図であり、図９（ｂ）は上部共振器ミラーを面に垂直方向より見た模式的平面図である。
【図１０】本発明の実施例６における垂直共振器型面発光レーザの基板に垂直方向の模式的断面図である。
【符号の説明】
【００６６】
１０１：基板
１０２：下部反射ミラー層
１０３：下部クラッド層
１０４：活性層
１０５：上部クラッド層
１０６：共振器ミラー隣接クラッド層
１０７：上部反射ミラー層
【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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