(57)【要約】【課題】高反射率と横モード制御を同時に実現することが可能となる反射鏡を備えた垂直共振器型面発光レーザ、該レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法を提供する。【解決手段】第１の反射鏡と第２の反射鏡との間に活性層１０４を有する垂直共振器型面発光レーザにおいて、  前記第１および第２の反射鏡の少なくとも一方の反射鏡が、二次元フォトニック結晶１０７を含み構成され、  前記二次元フォトニック結晶を含む反射鏡が、該反射鏡の面内で不均一な実効屈折率分布を持つ構造１０６を備え、横モードを制御可能に構成する。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の反射鏡と第２の反射鏡との間に活性層を有する垂直共振器型面発光レーザにおいて、
前記第１および第２の反射鏡の少なくとも一方の反射鏡が、二次元フォトニック結晶を含み構成され、
前記二次元フォトニック結晶を含む反射鏡は、該反射鏡の面内で不均一な実効屈折率分布を持つ構造を備え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】
前記不均一な実効屈折率分布を実現する構造が、横モードが制御可能であるように前記二次元フォトニック結晶を構成する穴の深さを変調させて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項３】
前記穴の深さが、前記二次元フォトニック結晶を構成する穴に充填物を設けることによって変調されていることを特徴とする請求項２に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項４】
前記穴の深さが、ガウシアン状に変調され、または中心からの距離に比例あるいは該距離の二乗に比例するように変調されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項５】
前記不均一な実効屈折率分布を実現する構造が、前記二次元フォトニック結晶を構成する穴の密度を不均一に変化させて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項６】
前記二次元フォトニック結晶が、前記垂直共振器型面発光レーザの反射鏡を構成している分布ブラッグ反射鏡に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５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】
反射鏡の面内で不均一な実効屈折率分布を持つ構造を備えた請求項１に記載の面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法であって、
前記二次元フォトニック結晶を構成する穴を形成するに際し、不均一な深さ分布の穴を作製する工程を有することを特徴とする二次元フォトニック結晶の製造方法。
【請求項８】
前記不均一な深さ分布の穴が、前記二次元フォトニック結晶の中心部を構成する穴に近づくにつれて小さくなるようにパターニングされたホール径を、ドライエッチングすることによって形成されていることを特徴とする請求項７に記載の二次元フォトニック結晶の製造方法。
【請求項９】
前記不均一な深さ分布の穴が、前記二次元フォトニック結晶を構成する穴に詰め物をすることによって形成されていることを特徴とする請求項７に記載の二次元フォトニック結晶の製造方法。
【請求項１０】
前記不均一な深さ分布の穴が、ガウシアン状の深さ分布によって形成され、または中心からの距離に比例あるいは該距離の二乗に比例する深さ分布によって形成されていることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の二次元フォトニック結晶の製造方法。
【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）、該垂直共振器型面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法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特長を有することから現在盛んに研究されている。
すなわち、ビーム形状が円に近く光ファイバとの光結合が容易であること、へき開せずにウエハ検査ができること、０．１ミリアンペア前後の低しきい値で動作すること、高速変調が可能であること、面内集積化に有利であること、等多くの特長を有している。
しかし、これらの多くの特長を有する反面、単一横モードで発振できるビーム径が小さい（〜４μｍφ）こと、偏波が安定しないこと、等の問題を有しており、これらが実用化の妨げになっている。
【０００３】
一方、非特許文献１では、垂直共振器型面発光レーザの片側の分布ブラッグ反射鏡（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：以下、ＤＢＲと記す）に、二次元フォトニック結晶を設け、横モード制御することが試みられている。
ここでは、垂直共振器型面発光レーザの上部反射鏡を構成するＤＢＲに穴を掘ることで、中心に点欠陥を含む二次元フォトニック結晶を作製し、実効屈折率差により光を閉じ込めて横モード制御を行っている。
つまり、点欠陥部分をコアとして、そのまわりのフォトニック結晶部分をクラッドとして働かせ、横モード制御を行っている。
【０００４】
また、非特許文献２では、上部ＤＢＲに二次元フォトニック結晶が設けられた垂直共振器型面発光レーザにおいて、穴の深さが異なる素子同士では発振波長が異なることが確認されている。これは、穴の深さが変わることで実効屈折率が変化したことによるものである。
また、非特許文献３及び非特許文献４では、二次元フォトニック結晶スラブに、面と垂直な方向から光を入射させた場合の反射光・透過光についての検討をおこなった結果、ある周波数の光はほぼ１００％の効率で反射されることが報告されている。つまり、二次元フォトニック結晶スラブは高反射率の反射鏡として動作し得る。
【非特許文献１】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．８０，３９０１
【非特許文献２】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．８２，１３４４
【非特許文献３】Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ，Ｖｏｌ．６５，２３５１１２
【非特許文献４】Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．１３，６５６４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上のように、二次元フォトニック結晶は、光のモード制御に利用でき、且つ高反射率の反射鏡として用いることができる。
しかしながら、従来において、２次元フォトニック結晶を垂直共振器型面発光レーザの反射鏡に適用した場合、高反射率と横モード制御を同時に実現するような２次元フォトニック結晶による反射鏡が得られていないのが現状である。
本発明は、上記課題に鑑み、高反射率と横モード制御を同時に実現することが可能となる反射鏡を備えた垂直共振器型面発光レーザ、該垂直共振器型面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記課題を解決するため、次のように構成した垂直共振器型面発光レーザ、該垂直共振器型面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法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、第１の反射鏡と第２の反射鏡との間に活性層を有する垂直共振器型面発光レーザにおいて、
前記第１および第２の反射鏡の少なくとも一方の反射鏡が、二次元フォトニック結晶を含み構成され、
前記二次元フォトニック結晶を含む反射鏡は、該反射鏡の面内で不均一な実効屈折率分布を持つ構造を備え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、前記不均一な実効屈折率分布を実現する構造が、横モードが制御可能であるように前記二次元フォトニック結晶を構成する穴の深さを変調させて構成さ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、前記穴の深さが、前記二次元フォトニック結晶を構成する穴に充填物を設けることによって変調さ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、前記穴の深さが、ガウシアン状に変調され、または中心からの距離に比例あるいは該距離の二乗に比例するように変調さ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、前記不均一な実効屈折率分布を実現する構造が、前記二次元フォトニック結晶を構成する穴の密度を不均一に変化させて構成さ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、前記二次元フォトニック結晶が、前記垂直共振器型面発光レーザの反射鏡を構成している分布ブラッグ反射鏡に形成されていることを特徴としている。
また、本発明の二次元フォトニック結晶の製造方法は、反射鏡の面内で不均一な実効屈折率分布を持つ構造を備えた上記した垂直共振器型面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法であって、
前記二次元フォトニック結晶を構成する穴を形成するに際し、不均一な深さ分布の穴を作製する工程を有することを特徴としている。
また、本発明の二次元フォトニック結晶の製造方法は、
前記不均一な深さ分布の穴が、前記二次元フォトニック結晶の中心部を構成する穴に近づくにつれて小さくなるようにパターニングされたホール径を、ドライエッチングすることによって形成されていることを特徴としている。
また、本発明の二次元フォトニック結晶の製造方法は、前記不均一な深さ分布の穴が、前記二次元フォトニック結晶を構成する穴に詰め物をすることによって形成されていることを特徴としている。
また、本発明の二次元フォトニック結晶の製造方法は、前記不均一な深さ分布の穴が、ガウシアン状の深さ分布によって形成され、または中心からの距離に比例あるいは該距離の二乗に比例する深さ分布によって形成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、高反射率と横モード制御を同時に実現することが可能となる反射鏡を備えた垂直共振器型面発光レーザ、該垂直共振器型面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法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】
【０００８】
本発明は、上記構成により本発明の課題を達成するようにしたものであるが、それは、本発明者が鋭意研究した結果、つぎのような構成を見出したことによる。
すなわち、垂直共振器型面発光レーザを構成するに際し、二次元フォトニック結晶を含む反射鏡を、その面内で不均一な実効屈折率の分布を持つような構造とすることにより、高反射率で横モード制御可能な反射鏡の構成を見出した。
前述したように、実効屈折率を変化させる方法の一つに、二次元フォトニック結晶を構成する穴の深さを変えるという方法（非特許文献２）が知られている。
しかしながら、本発明では、全ての穴の深さを一様に変化させるのではなく、穴の深さを変調させるようにした新規な構成が採られる。
【０００９】
これらについて、以下に詳細に説明する。
本発明の実施の形態では、より具体的に不均一な実効屈折率分布を実現するため、全ての穴の深さを一様に変化させるのではなく、不均一な穴の深さ分布を作製することで、不均一な実効屈折率分布を実現するようにした構成を採ることができる。
このような不均一な深さ分布の例としては、ガウシアン状、中心からの距離に比例、中心からの距離の二乗に比例するように穴の深さを変調させる等が挙げられる。
他の方法として、均一に作製した二次元フォトニック結晶を構成する穴に、不均一に詰め物をすることで不均一な穴の深さ分布を作製し、不均一な実効屈折率分布を実現することができる。
また、穴の密度を不均一に変化させることによっても、実効屈折率分布を変調することが可能である。
【００１０】
本実施の形態においては、二次元フォトニック結晶を含む反射鏡を除いた基本的な構成は、従来の一般的な垂直共振器型面発光レーザと同様のものを用いることができる。
例えば、活性層およびクラッドとしては、通常の垂直共振器型面発光レーザで用いられているダブルへテロ構造、多重量子井戸構造、量子ドット構造などを、そのまま適用することができる。
また、活性層厚とクラッド層厚とによる共振器長Ｌは、共振光による定在波の腹の部分が活性層に位置するように設計することができる。
また、構成材料としては、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、等を用いることができる。
これらについても、従来の垂直共振器型面発光レーザと、特に差異はない。
【実施例】
【００１１】
つぎに、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、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１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示す。
図において、１０１はｎ型ＩｎＰ基板、１０２はＤＢＲ、１０３は下部クラッド（スペーサ）、１０４は活性層、１０５は上部クラッド、１０６は円柱空孔、１０７は二次元フォトニック結晶である。
【００１２】
本実施例においては、ｎ型ＩｎＰ基板１０１の上に、結晶成長技術によりＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰの薄膜を３０周期積層したＤＢＲ１０２が形成されており、さらにその上にｎ型ＩｎＡｌＡｓからなる下部クラッド１０３が配置されている。
スペーサ１０３上には、ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰの多重量子井戸構造からなる活性層１０４が設けられており、光や電流によって励起されると、およそ１．５３μｍを中心とした波長帯域の光を放出する。
活性層１０４の上にはｐ型ＩｎＡｌＡｓからなる上部クラッド１０５が配置されている。
【００１３】
上部クラッド１０５の上面には円柱空孔１０６からなる二次元フォトニック結晶１０７が形成されている。
円柱空孔１０６の半径や格子定数は一様であるが、円柱空孔１０６の深さはガウシアン状に変調されており、中心から離れるにしたがって深くなる。
円柱空孔の半径、格子定数、中心での深さは、所望の波長領域の光を高効率で反射する反射鏡として動作するように設計されている。
それにより、レーザ共振器構造が形成され、上部電極１０８と下部電極１０９からの電流注入によりレーザ発振を起す。
それに加え、円柱空孔の深さ変調による実効屈折率変調で光のモードを制御することができる。
具体的には、光が実効屈折率の大きい領域に集中した強度分布を持ち、結果として垂直共振器型面発光レーザからの発光パターンはガウシアン状のビームプロファイルを持つ。
【００１４】
作製方法としては、例えば電子線レジストをガウシアン状の厚さ分布で形成した後に、電子線露光により所望のパターンをパターニングし、ドライエッチングによりそのパターンを転写することによってガウシアン状の深さ分布を作製することができる。
【００１５】
［実施例２］
実施例２では、実施例１と作製方法の異なる方法で作製された垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
図２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示す。
図２において、２０１はｎ型ＩｎＰ基板、２０２はＤＢＲ、２０３は下部クラッド（スペーサ）、２０４は活性層、２０５は上部クラッド、２０６は円柱空孔、２０７は二次元フォトニック結晶、２０８は上部電極、２０９は下部電極である。
二次元フォトニック結晶２０７以外の基本的な構成は、実施例１と同様である。本実施例中の二次元フォトニック結晶２０７は、中心に近づくにつれホール径が小さくなるようにパターニングしてある。
ホール径に変調を加えることの効果は、ホール径の違いによるエッチングレートの違いを利用して、深さ変調を行うことができることである。
【００１６】
一般に、ホール径が大きいほどエッチングレートが高く、ホール径が小さいほどエッチングレートが低くなる。
前述のように、中心に近づくにつれてホール径が小さくなるようにパターニングしておけば、ドライエッチングを行った後に自動的に深さ分布ができ、中心から離れるにしたがって穴が深くなる。
実施例１と同じ実効屈折率分布になるように、ホール径と深さを関連づけて変化させることで、実施例１と同様にガウシアン状のビームプロファイルを持つようにすることができる。
本実施例では、実施例１に比較して複雑なプロセス（例えば、エッチングマスクの厚さ分布の制御）を必要としないという作製上の利点がある。
【００１７】
［実施例３］
実施例３では、一般的な構成の垂直共振器型面発光レーザにおける上部ＤＢＲに二次元フォトニック結晶を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３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示す。
図３において、３０１はｎ型ＩｎＰ基板、３０２は下部ＤＢＲ、３０３は下部クラッド（スペーサ）、３０４は活性層、３０５は上部クラッド、３０６は円柱空孔、３０７は二次元フォトニック結晶である。
また、３０８は上部電極、３０９は下部電極、３１０は上部ＤＢＲである。
本実施例において、上部ＤＢＲ３１０以外の構成は、実施例１と同様である。
本実施例では、一般的な構成の垂直共振器型面発光レーザとして、上部下部ともにＤＢＲによる反射鏡を作製した後に、上部ＤＢＲ３１０に円柱空孔３０６を形成し、二次元フォトニック結晶を構成したものである。
本実施例によれば、ＤＢＲで反射率をかせぎ、穴の深さで実効屈折率に分布を持たせて横モード制御を行うことが可能となる。
【００１８】
［実施例４］
実施例４では、一般的な構成の垂直共振器型面発光レーザの上に二次元フォトニック結晶スラブを形成した垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
図４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示す。
図４において、４０１はｎ型ＩｎＰ基板、４０２は下部ＤＢＲ、４０３は下部クラッド（スペーサ）、４０４は活性層、４０５は上部クラッド、４０６は円柱空孔、４０７は二次元フォトニック結晶である。
また、４０８は上部電極、４０９は下部電極、４１０は上部ＤＢＲである。
【００１９】
本実施例では、一般的な構成の垂直共振器型面発光レーザを作製した後に、上部ＤＢＲ４１０の上に二次元フォトニック結晶４０７が形成されている。二次元フォトニック結晶の穴の深さは実施例１〜３と同様、ガウシアン状に変調されており、中心から離れるにしたがって深くなる。
本実施例によれば、穴の深さの変調が強すぎフォトニック結晶だけでは十分な反射率をかせげないような場合に、足りない反射率を上記本実施例のＤＢＲで補強することができる。
その結果、二次元フォトニック結晶で必要な反射率の条件が緩和されるので、設計上の自由度を上げることが可能となる。
【００２０】
［実施例５］
実施例５では、二次元フォトニック結晶を構成する穴に詰め物をすることによって穴の深さを変調するように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、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの構成を示す。
図５において、５０１はｎ型ＩｎＰ基板、５０２はＤＢＲ、５０３は下部クラッド（スペーサ）、５０４は活性層、５０５は上部クラッド、５０６は円柱空孔、５０７は二次元フォトニック結晶５０８は上部電極、５０９は下部電極、５１１は詰め物である。
本実施例では、ホール径や深さが均一な二次元フォトニック結晶を作製した後に、不均一に詰め物５１１を詰めることで、不均一な穴の深さ分布を作製し、これにより不均一な実効屈折率分布を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】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示す模式図である。
【図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の構成を示す模式図である。
【図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の構成を示す模式図である。
【図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の構成を示す模式図である。
【図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の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００２２】
１０１：ｎ型ＩｎＰ基板
１０２：ＤＢＲ
１０３：下部クラッド（スペーサ）
１０４：活性層
１０５：上部クラッド
１０６：円柱空孔
１０７：二次元フォトニック結晶
１０８：上部電極
１０９：下部電極
２０１：ｎ型ＩｎＰ基板
２０２：ＤＢＲ
２０３：下部クラッド（スペーサ）
２０４：活性層
２０５：上部クラッド
２０６：円柱空孔
２０７：二次元フォトニック結晶
２０８：上部電極
２０９：下部電極
３０１：ｎ型ＩｎＰ基板
３０２：下部ＤＢＲ
３０３：下部クラッド（スペーサ）
３０４：活性層
３０５：上部クラッド
３０６：円柱空孔
３０７：二次元フォトニック結晶
３０８：上部電極
３０９：下部電極
３１０：上部ＤＢＲ
４０１：ｎ型ＩｎＰ基板
４０２：下部ＤＢＲ
４０３：下部クラッド（スペーサ）
４０４：活性層
４０５：上部クラッド
４０６：円柱空孔
４０７：二次元フォトニック結晶
４０８：上部電極
４０９：下部電極
４１０：上部ＤＢＲ
５０１：ｎ型ＩｎＰ基板
５０２：ＤＢＲ
５０３：下部クラッド（スペーサ）
５０４：活性層
５０５：上部クラッド
５０６：円柱空孔
５０７：二次元フォトニック結晶
５０８：上部電極
５０９：下部電極
５１１：詰め物
【図１】
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【図２】
2007234724.tif 000004
【図３】
2007234724.tif 000005
【図４】
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【図５】
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