(57)【要約】【課題】断面形状が環状であって径方向に偏光したレーザビームを得ることができるレーザを提供する。【解決手段】本発明の面発光レーザは、活性層４３と２次元フォトニック結晶４５を含む積層体を第１電極４７１と第２電極４７２で挟んだ構成を有する。ここで、第１電極４７１は環状の形状を有する。第１電極４７１と第２電極４７２との間に電圧を印加して活性層４３に電流を注入することにより発光した光は、第１電極４７１が環状であることにより、２次元フォトニック結晶４５内において強度分布が環状になる。このような強度分布が形成されることにより、２次元フォトニック結晶４５から、断面形状が環状であって径方向に偏光したレーザビームが発振される。得られたレーザビームは、集光レンズにより径を回折限界よりも小さくすることができ、光ピックアップ等に好適に用いることができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
a) 活性層と、
b) 活性層の一方の側に設けた、板状の母材内に母材とは屈折率が異なる領域を多数、周期的に配置して成る２次元フォトニック結晶と、
c) 前記活性層及び前記２次元フォトニック結晶を挟むように設けた一対の電極であって、前記活性層に近い側に配置された環状の第１電極、及び前記活性層から遠い側に配置された第２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。
【請求項２】
前記第２電極がレーザ光を透過させる窓を中央に有する窓状電極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。
【請求項３】
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と、
前記２次元フォトニック結晶面発光レーザから発振されるレーザビームを回折限界以下の径まで集光する集光レンズと、
を備えることを特徴とする超解像レーザビーム発生装置。
【請求項４】
請求項３に記載の超解像レーザビーム発生装置を光源として備えることを特徴とする光ピックアップ。
【請求項５】
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を、被加工物に光を照射するための光源として備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折限界以下の大きさのスポットを用いた光ピックアップや、エネルギー効率の高いレーザ加工装置等に用いることができる２次元フォトニック結晶面発光レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
光記録装置の分野においては、記録媒体への記録密度を高めるために、記録媒体への情報の記録（書き込み）及び記録媒体からの情報の再生（読み出し）に用いるレーザビームのスポット径を小さくすることが求められている。しかし、単に集光レンズでレーザビームを集光するだけでは、レーザビームのスポット径の大きさは、レーザ光の波長及び集光レンズの開口数により決定される回折限界値以下にすることはできない。そこで、近年、スポット径を回折限界値よりも小さくするという、超解像技術に関する研究が行われている。
【０００３】
非特許文献１には、スポット径を小さくすることに適したレーザビームについて記載されている。図１にそのレーザビームの断面を模式的に示す。図中の灰色の部分１１は光が存在する領域を示している。また、図中の太矢印は偏光の方向を示す。レーザビームは、中央１２に強度を持たない環状の断面形状を有し、中央から外側に向かう方向（径方向）に偏光している。このようなレーザビームを、以下では「径偏光環状レーザビーム」と呼ぶ。径偏光環状レーザビームを集光することにより、ビーム径が回折限界値よりも小さいレーザビームが得られる。
【０００４】
非特許文献２には、径偏光環状レーザビームを得るための方法及び装置が記載されている。その装置の構成を図２に示す。この装置には順に、He-Neレーザ２１、フォトダイオード２２、1/2波長板２３、第１集光レンズ２４、ピンホール２５、第１コリメータレンズ２６、偏光変換板２７、第２集光レンズ２８、非共焦点ファブリーペロー干渉計２９、第２コリメータレンズ３０、半透鏡３１、アパチャ３２、対物レンズ３３及び試料台３４を有する。また、半透鏡３１の背後に、半透鏡３１を通過した光を検出するモニターダイオード３５を設ける。このうちフォトダイオード２２及び1/2波長板２３はHe-Neレーザ２１から発振されたレーザビームが逆行することを防ぐためのものであり、第１集光レンズ２４及びピンホール２５はレーザビームの断面を整形するためのものである。また、第１コリメータレンズ２６及び第２コリメータレンズ３０はそれぞれ、第１集光レンズ２４及び第２集光レンズ２８により非平行光になったレーザビームを平行光にして偏光変換板２７及びアパチャ３２に照射するためのものである。偏光変換板２７（図２(b)）及びアパチャ３２（図２(c)）の構成は後述する。
【０００５】
この装置は、まず、He-Neレーザ２１から、直線偏光のレーザビーム１（図３(a)）を発振する。このレーザビーム１は、フォトダイオード２２等を通過して、偏光変換板２７に入射する。この偏光変換板２７は、図２(b)に示すように、90°単位で４つに分割され、順に時計回りに配置された領域２７１〜２７４を有し、各領域はそれぞれ高速軸の方向が異なる1/2波長板から構成されている。各領域における高速軸の方向はそれぞれ、領域２７１では入射するレーザビームの直線偏光（図３(a)）と同じ方向、領域２７２ではこの直線偏光に対して-45°方向、領域２７３ではこの直線偏光に対して90°方向、領域２７４ではこの直線偏光に対して+45°方向、である。1/2波長板の作用により、各領域における偏光は高速軸に関して軸対称の方向に変化する。その結果、領域２７１〜２７４のいずれにおいても、レーザビームの偏光方向は基本的には径方向になる（図３(b)）。
偏光変換板２７を通過したレーザビームは、第２集光レンズ２８等を通過して半透鏡３１に反射され、アパチャ３２に入射する。アパチャ３２は環状の領域を有する、光を透過する透過部３２２と、透過部３２２以外の位置にある、レーザビームを遮蔽する遮蔽部３２１及び３２３から成る。レーザビームの断面形状はアパチャ３２を通過することにより環状になる（図３(c)）。アパチャ３２を通過したレーザビームは対物レンズ３３により集光される。このレーザビームは前述のように基本的には径方向に偏光し、断面形状が環状であることから、非特許文献１に記載のように、超解像効果により回折限界以下にまで径が絞られたレーザビームが得られる。
【０００６】
径偏光のレーザビームは、超解像技術の他に、レーザビームによる金属加工の分野にも好適に用いることができる。非特許文献３には、径偏光のレーザビームを金属に照射すると、同じエネルギーを有する円偏光や直線偏光のレーザビームを用いた場合よりも加工速度が速くなる、との計算結果が記載されている。これは、径偏光は他の偏光よりも、金属のエネルギー吸収効率が高いためである、とされている。
【０００７】
【非特許文献１】S. Quabis 他4名、オプティクスコミュニケーションズ、（オランダ）、Elsevier社発行、2000年5月25日、179巻、1〜7頁（S. Quabis et al., "Focusing light to a tighter spot", Optics Communications, vol. 179, pp. 1-7）
【非特許文献２】R. Dorn 他2名、フィジカルレビューレターズ、（米国）、アメリカ物理学会発行、2003年12月2日、91巻、23号、233901-1〜233901-4頁（R. Dorn et al., "Sharper Focus for a Radially Polarized Light Beam", Physical Review Letters, vol. 91, No. 23, pp. 233901-1〜233901-4）
【非特許文献３】V. G. Niziev 他1名、ジャーナルオブザフィジックスＤ、（英国）、英国物理学会発行、1999年7月7日、32巻、13号、1455〜1461頁（V. G. Niziev et al., "Influence of beam polarization on laser cutting efficiency", Journal of Physics D - Applied Physics, vol. 32, No. 13, pp. 1455-1461）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
非特許文献２に記載の径偏光環状レーザビーム発生装置では、偏光変換板２７の４つの領域２７１〜２７４により、各領域２７１〜２７４に対応するレーザビームの断面内の４つの領域３６１〜３６４（図３(c)）毎に、偏光の方向をそれぞれ同じ方向へ変換している。これにより、各領域３６１〜３６４の境界に近づくに従い、偏光方向は径方向からずれるため、このレーザビームは厳密には径偏光ではない。そのため、断面内の全ての位置で径方向に偏光した理想的なレーザビームの場合と比較すると、スポット径を十分に小さく絞ることができない。
【０００９】
また、非特許文献２に記載の径偏光環状レーザビーム発生装置では、レーザ光源から発振される直線偏光を径偏光に変換するのに、多くの光学素子を配置した複雑な光学系を用いている。そのため、径偏光環状レーザビーム発生装置のコストが高くなるという欠点を有する。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、断面形状が環状であって径方向に偏光した径偏光環状レーザビームを得ることができ、しかも複雑な光学系を必要とせず装置のコストを抑えることができる２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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は、
a) 活性層と、
b) 活性層の一方の側に設けた、板状の母材内に母材とは屈折率が異なる領域を多数、周期的に配置して成る２次元フォトニック結晶と、
c) 前記活性層及び前記２次元フォトニック結晶を挟むように設けた一対の電極であって、前記活性層に近い側に配置された環状の第１電極、及び前記活性層から遠い側に配置された第２電極と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、それ自身が径偏光環状レーザビームを発振する。そのため、偏光を変換するための複雑な光学系を用いる必要がなく、径偏光環状レーザビーム発生装置全体のコストを抑えることができる。また、得られたレーザビームは断面内の全ての位置で径方向に偏光している。そのため、このレーザビームの径を絞ることにより、非特許文献２に記載の装置よりもスポット径を回折限界値よりも小さくすることができ、回折限界以下の径を有する超解像レーザビームを得ることができる。
【００１３】
本発明の２次元フォトニック結晶面発光レーザと、この２次元フォトニック結晶面発光レーザから発振されるレーザビームを回折限界以下の径になるように集光するための集光レンズと、により、回折限界以下の径を有する超解像レーザビームを発生する装置を構成することができる。この超解像レーザビーム発生装置を光源として光ピックアップに設けることにより、光記録媒体に高密度に情報を記録することができ、また、光記録媒体に高密度に記録された情報を再生することができる。
【００１４】
また、本発明の２次元フォトニック結晶面発光レーザは、レーザ加工装置において被加工物に光を照射するための光源として用いることもできる。このレーザから発振される光が径偏光であることにより、レーザビームのエネルギーを効率よく金属に供給することができ、速い速度で金属を加工（切断、刻印等）することができる。なお、このレーザ加工装置においてはレーザビームを回折限界以下の径まで集光する必要はない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ（以下、「面発光レーザ」とする）では、活性層の一方の側に２次元フォトニック結晶を設ける。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、１対の電極を設ける。なお、これら活性層、２次元フォトニック結晶及び電極の間には、スペーサ等の部材が挿入されていてもよい。
【００１６】
活性層には、従来よりファブリーペロー型レーザ光源に用いられているものと同様のものを用いることができる。本発明における２次元フォトニック結晶は、板状の母材に、それとは屈折率が異なる領域（異屈折率領域）を周期的に配置した構成を有する。異屈折率領域は正方格子状や三角格子状等の配置をとることができる。異屈折率領域は母材との屈折率の差を大きくすることができるという点、及び製造上の容易さの点から、空孔とすることが望ましい。しかし、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してもよい。部材を埋め込んだ異屈折率領域は、例えば製造の際に２次元フォトニック結晶と他の層を高い温度で融着する必要がある場合に、高温による異屈折率領域の変形を防ぐために、好適に用いることができる。また、部材を埋め込んだ異屈折率領域は、製造時にフォトニック結晶を形成した後に他の層をエピタキシャル成長させる場合にも好適に用いることができる。
【００１７】
２個の電極のうち少なくとも活性層に近い側に配置されたもの（これを第１電極とする）には、中央に孔を有する環状の電極を用いる。この環状電極は外形及び孔は円形、四角形、六角形等の任意の形状をとることができる。
【００１８】
本発明の面発光レーザの動作を説明する。第１電極と第２電極の間に電圧が印加されると、活性層に電流が注入され、活性層において発光が生じる。この光は２次元フォトニック結晶において定在波が形成されることにより増幅され、それにより２次元フォトニック結晶の面に垂直な方向にレーザビームが発振される。
【００１９】
本発明の面発光レーザでは、発光層に近い第１電極を環状にすることにより、発光層に注入される電流にも、発光層の中央よりもその周辺の方が大きいという環状の強度分布が形成され、発光層からの発光強度も環状になる。このような強度分布の光が２次元フォトニック結晶内に導入されると、電磁界の振幅の包絡線の大きさが結晶面の中央で0になる共振モードが形成される。これにより、断面の中央に強度がない環状のレーザビームが得られる。また、レーザビームの偏光方向は径方向になる。
【００２０】
なお、本願発明者らが開示した文献である「2次元フォトニック結晶面発光レーザの電極構造および実装方法の改善」（國師渡、他5名、2005年秋季第66回応用物理学会学術講演会講演予稿集、第３分冊、講演番号9p-H-4）には、２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、窓（孔）を中央に有する窓状電極を用いることが記載されている。本発明の環状電極とこの文献の窓状電極は、前者が第１電極（活性層に近い方の電極）であるのに対して後者が第２電極（活性層から遠い方の電極）であるという点で異なる。また、前者が径偏光環状レーザビームを得ることを目的としているのに対して後者がレーザビームを通過させることを目的としている点においても、両者は異なる。なお、本発明においても、この文献と同様の理由により、第２電極を窓状電極とすることが望ましい。
【００２１】
本発明の面発光レーザにより得られる径偏光環状レーザビームは、集光レンズで集光することにより、非特許文献１に記載のように径を回折限界よりも小さくすることができる。
【実施例】
【００２２】
(1)本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの実施例
本発明に係る面発光レーザの実施例を、図４及び図５を用いて説明する。
図４は、本実施例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)から成る基板４１の下に、n型半導体のアルミニウムガリウムヒ素(AlGaAs)から成るクラッド層４２１を挟んで、インジウム・ガリウム砒素(InGaAs）／ガリウム砒素(GaAs)から成る多重量子井戸(Multiple-Quantum Well; MQW)を有する活性層４３を設ける。そして、活性層４３の下に、AlGaAsから成るキャリアブロック層４４を挟んで、２次元フォトニック結晶４５を設ける。本実施例では、２次元フォトニック結晶４５にはp型GaAsから成る板状の母材４５１に円柱状の空孔４５２を正方格子状に周期的に配置したもの（図５(a)）を用いた。２次元フォトニック結晶４５の下に、p型AlGaAsから成るクラッド層４２２及びp型GaAsから成るコンタクト層４６を設ける。
これら各層のうち、基板４１の厚さは他の各層よりも十分に厚くする。これにより、コンタクト層４６の下面４６１と活性層４３の間の距離を、基板４１の上面４１１と活性層４３の間の距離よりも十分に小さくする。
【００２３】
コンタクト層４６の下面４６１の中央に第１電極４７１を設ける。第１電極４７１は中央に電極材料のない孔４７１１を有する環状電極である。この孔４７１１は、前述のように、活性層４３に注入される電流に環状の強度分布を与えるためのものである。また、基板４１の上面４１１に、中央に窓４７２１を有する第２電極４７２を設ける。この窓４７２１は、本実施例の面発光レーザから出射されるレーザビームを通過させるためのものである。
【００２４】
本実施例の面発光レーザの動作を説明する。第１電極４７１と第２電極４７２の間に電圧を印加すると、活性層４３に正孔及び電子が注入され、正孔と電子が再結合して発光する。この時、活性層４３に近い方の電極である第１電極４７１が環状であることにより、活性層４３内の正孔及び電子の濃度分布及び発光強度も環状になる。活性層４３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４５内において干渉により強められ、レーザ発振が生じる。生成されたレーザ光は基板４１の表面から窓４７２１を通過して外部に出射される。出射したレーザビームは径偏光環状レーザビームとなる。
【００２５】
第１電極４７１は、図４においては円形の環状としたが、環状であれば矩形等の他の形状とすることもできる。また、第２電極４７２は図４に示した窓状電極には限られず、中央にも電極の部材を有する電極等を用いることもできる。この場合には、第２電極４７２の材料にはレーザビームを透過する透明電極を用いることが望ましい。更に、２次元フォトニック結晶の周期構造は前述の空孔を正方格子状に配置したものには限られず、例えば図５(b)に示すように母材４５１’に空孔４５２’を三角格子状に配置した２次元フォトニック結晶４５’を用いることもできる。
【００２６】
図６に、(a)２次元フォトニック結晶４５を用いた面発光レーザと、(b)２次元フォトニック結晶４５’を用いた面発光レーザと、について、２次元フォトニック結晶内での電磁界分布を時間領域差分(FDTD)法により計算した結果を示す。(a)及び(b)の中央に配置した図(a-1)及び(b-1)はフォトニック結晶の全体を示し、その周囲に配置した図は(a-1)及び(b-1)中に枠で囲んだ領域の拡大図を示したものである。周囲に配置した図中の灰色の濃淡は磁界の強弱を示し、矢印は電界の振動方向を示す。(a), (b)いずれにおいても、電界は２次元フォトニック結晶の中央（図６(a), (b)中の×印）から外側に向かう径方向に振動していることがわかる。
【００２７】
図７に、２次元フォトニック結晶４５を用いた面発光レーザについて、発振されるレーザビームの断面における強度及び偏光の方向を時間領域差分（FDTD）法を用いて計算した結果を示す。図中の矢印の長さはレーザ光の強度を、矢印の方向は偏光の方向を、それぞれ示している。この計算結果によれば、レーザビームの断面は、光の強度が中央５１付近では0になりその周辺で有限の値を有するという、環状の形状を有する。また、偏光方向は、少なくとも図中に示した領域５２内の任意の位置において、中央５１から延びる径の方向を向いている。この結果から、この実施例の面発光レーザから発振されるレーザビームは径偏光環状レーザビームであることがわかる。
【００２８】
(2)参考例
図８に、本発明の面発光レーザ以外に径偏光環状レーザビームを発振することができる面発光レーザの一例を示す。この面発光レーザでは、第１電極６７１には中央に孔のないものを用いる。また、活性層６３は、電流が注入されることにより、この層に対して垂直な方向に電界が振動するTM偏光を発生させるものを用いる。これら第１電極６７１及び活性層６３以外の構成は上記実施例と同様である。
多くの２次元フォトニック結晶面発光レーザでは大きい利得を得ることができることを理由として、活性層６３に対して平行な方向に電界が振動するTE偏光を発生させる活性層が用いられていた。この場合、活性層から発生したTE偏光の光が２次元フォトニック結晶において回折・干渉することでレーザ発振が起こり、断面において電界の振動方向が円周方向となる環状のレーザビームが２次元フォトニック結晶から出射される。それに対して参考例では、活性層から発生したTM偏光の光が２次元フォトニック結晶において回折・干渉することでレーザ発振が起こり、断面において磁界の振動方向が円周方向となる環状のレーザビームが２次元フォトニック結晶から出射される。磁界と電界の振動方向が直交することから、このレーザビームにおける電界の振動方向、即ち偏光方向は径方向となる。その結果、環状の第１電極を用いることなく径偏光環状レーザビームを得ることができる。
TM偏光を発生させる活性層として、例えばGaInAs/GaInAsPを用いることができる。
【００２９】
図９に、参考例の面発光レーザから発振されるレーザビームの断面における強度及び偏光の方向を時間領域差分（FDTD）法を用いて計算した結果を示す。図中の矢印の長さはレーザ光の強度を、矢印の方向は偏光の方向を、それぞれ示している。この図より、光の強度はレーザビームの断面の中央では0であってその周辺で有限の値を有し、偏光方向は径方向であることから、参考例では径偏光環状レーザビームが得られることがわかる。
【００３０】
図１０(a)に、参考例の面発光レーザから発振されたレーザビームの断面の写真を示す。この写真より、環状の断面をもつレーザビームが得られていることがわかる。
次に、図１０(b-1)〜(b-4)にそれぞれ、矢印７１１〜７１４の方向の偏光成分のみが通過可能な偏光フィルターを通過した時のレーザビームの断面の写真を示す。いずれも、偏光フィルターを通過可能な偏光成分の方向７１１〜７１４と径偏光の方向（多数の矢印７２で示した方向）が一致した部分７３１〜７３４のみにおいて光が通過していることから、得られたレーザビームは径偏光であることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】径方向に偏光を有する環状レーザビームの断面を示す断面図。
【図２】径偏光環状レーザビームを得るための従来の装置の一例を示す概略構成図。
【図３】図２の装置を通過する途中のレーザビームの偏光((a), (b))及びこの装置により得られたレーザビームの偏光(c)を示す断面図。
【図４】本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの一実施例を示す斜視図。
【図５】本実施例の面発光レーザ中の２次元フォトニック結晶４５及び４５’の構成を示す斜視図。
【図６】本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおける２次元フォトニック結晶内の電磁界分布の計算結果を示す図。
【図７】本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにより得られるレーザビームの断面における強度及び偏光方向の計算結果を示す図。
【図８】参考例の２次元フォトニック結晶面発光レーザを示す斜視図。
【図９】参考例の２次元フォトニック結晶面発光レーザにより得られるレーザビームの断面における強度及び偏光方向の計算結果を示す図。
【図１０】参考例の２次元フォトニック結晶面発光レーザにより得られたレーザビームの断面の写真(a)及び直線偏光板を通過させたレーザビームの断面の写真((b-1)〜(b-4))。
【符号の説明】
【００３２】
１…レーザビーム
１１…光が存在する領域
１２、５１…レーザビームの中央（光が存在しない領域）
２１…He-Neレーザ
２２…フォトダイオード
２３…1/2波長板
２４…第１集光レンズ
２５…ピンホール
２６…第１コリメータレンズ
２７…偏光変換板
２７１、２７２、２７３、２７４…高速軸の方向が異なる領域
２８…第２集光レンズ
２９…非共焦点ファブリーペロー干渉計
３０…第２コリメータレンズ
３１…半透鏡
３２…アパチャ
３２１…遮蔽部
３２２…透過部
３３…対物レンズ
３４…試料台
３５…モニターダイオード
３６１、３６２、３６３、３６４…レーザビームの断面内の、偏光方向が異なる領域
４１…基板
４１１…上面
４２１…クラッド層
４２２…クラッド層
４３…活性層
４４…キャリアブロック層
４５、４５’…２次元フォトニック結晶
４５１、４５１’…母材
４５２、４５２’…空孔
４６…コンタクト層
４６１…コンタクト層の下面
４７１、６７１…第１電極
４７１１…第１電極４７１の中央の孔
４７２…第２電極
４７２１…第２電極４７２の窓
６３…活性層
７１１〜７１４…光フィルターを通過可能な偏光成分の方向
７２…径偏光の方向
７３１〜７３４…光フィルターを通過可能な偏光成分の方向と径偏光の方向が一致した部分
【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７】
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【図８】
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【図６】
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【図９】
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【図１０】
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