(57)【要約】【課題】  フォトニック結晶構造を利用した面発光型半導体レーザ素子であって、レーザ光を効率的に出力可能な面発光型半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】  面発光型半導体レーザ素子１０は、基板１２と、基板１２の主面１２ａ上に設けられている活性層１６と、活性層１６と光学的に結合しているフォトニック結晶層２０と、半導体レーザ素子１０で発生されるレーザ光を出力する光出力面Ｓと、光出力面Ｓ上に設けられた電極２８とを備え、フォトニック結晶層２０は、活性層で発生した光に含まれる所定波長の光の一部を光出力面側に回折せしめると共に、所定波長の光の他の部分を主面に略平行な面内に閉じ込める２次元フォトニック結晶構造を有し、所定波長は上記レーザ光の波長であり、電極は少なくとも１つの縁部２８ａ，２８ｂを有しており、フォトニック結晶層には、縁部の直下近傍に位相シフト部３６ｘ，３６ｙが形成されている。【選択図】  図１
2009111167.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
面発光型半導体レーザ素子であって、
基板と、
前記基板の主面上に設けられておりキャリアが注入されると光を発生する活性層と、
前記基板の前記主面上に設けられており前記活性層と光学的に結合しているフォトニック結晶層と、
前記主面に略直交する方向において前記フォトニック結晶層からみて前記基板と反対側に位置しており、前記面発光型半導体レーザ素子で発生されるレーザ光を出力する光出力面と、
前記光出力面上に設けられており前記活性層に前記キャリアを与える電極と、
を備え、
前記フォトニック結晶層は、前記活性層で発生した光に含まれる所定波長の光の一部を前記光出力面側に回折せしめると共に、前記所定波長の光の他の部分を前記主面に略平行な面内に閉じ込める２次元フォトニック結晶構造を有しており、
前記所定波長は前記レーザ光の波長であり、
前記電極は少なくとも１つの縁部を有しており、
前記フォトニック結晶層には、前記縁部の直下近傍に位相シフト部が形成されていることを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記フォトニック結晶構造が有する複数の格子点は２以上の回折格子群を構成しており、
各前記回折格子群はそれぞれ異なる方向に延びており、
前記回折格子群の各々を構成する前記格子点は、各前記回折格子群同士において各前記回折格子群が延びる方向に沿って同一の配列関係で配列されており、
各前記回折格子群は前記縁部の直下近傍に前記位相シフト部を有することを特徴とする請求項１に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記フォトニック結晶構造が有する複数の格子点は、互いに直交する第１及び第２の方向にそれぞれ延びる第１の回折格子群及び第２の回折格子群を構成しており、
前記第１及び第２の回折格子群の各々を構成する前記格子点は、前記第１及び第２の回折格子群において前記第１及び第２の方向に沿って同一の配列関係で配列されており、
前記電極の平面視形状が略四角形状であって、前記電極は互いに対向する一対の第１の縁部及び互いに対向する一対の第２の縁部を有し、
前記第１及び第２の縁部はそれぞれ前記第１及び第２の方向に延びており、
前記第１及び第２の回折格子群は、前記一対の第１の縁部及び前記一対の第２の縁部のそれぞれ直下近傍に前記位相シフト部を有することを特徴とする請求項１に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記一対の第１の縁部及び前記一対の第２の縁部に対応した各前記位相シフト部は、前記第１及び第２の方向に延びていることを特徴とする請求項３に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶を利用した面発光型半導体レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この分野の技術としては、特許文献１に記載されている面発光型半導体レーザ素子が知られている。上記文献に記載された面発光型半導体レーザ素子は、基板の主面上に、活性層と、活性層に光学的に結合されたフォトニック結晶層（フォトニックバンド層）と、基板の主面に直交する方向に位置しており面発光型半導体レーザ素子内で生成されたレーザ光を出力する光放出面とを含んで構成されている。この面発光型半導体レーザ素子が備えるフォトニック結晶層は、２次元の周期的屈折率変化からなる２次元フォトニック結晶構造を有している。そして、上記面発光型半導体レーザ素子では、フォトニック結晶構造における２次元的な光閉じこめ及び2次元的な光帰還作用を利用して面発光型半導レーザ素子における光共振器を実現しており、フォトニック結晶構造を構成している周期的屈折率変化によって生じる回折現象を利用して面発光動作を実現している。
【０００３】
上記文献に記載されているようなフォトニック結晶層を備えた面発光型半導体レーザ素子では、活性層で発生した光がフォトニック結晶層に到達すると、その到達した光のうちフォトニック結晶構造により波長及び位相条件が規定された光が活性層に達して誘導放出を促す。この誘導放出された光は、フォトニック結晶構造により規定される光の波長及び位相条件を満足する。この誘導放出された光は、再度フォトニック結晶層に到達する。このようにして、波長及び位相条件の揃った光が発生され増幅され、面発光型半導体レーザ素子内においてレーザ光が生成される。生成されたレーザ光が上記回折現象により光放出面側に出力されることで、面発光型半導体レーザ素子からレーザ光が出力される。なお、特許文献１では、波長を単一化することを目的としてフォトニック結晶層に位相シフト構造を導入することが例示されている。
【特許文献１】特開２０００−３３２３５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されているようなフォトニック結晶を利用した従来の面発光型半導体レーザ素子では、光共振器として機能するフォトニック結晶層内への光閉じ込めが強いことから、光放出面からのレーザ光の取り出し効率が低下する傾向にある。
【０００５】
そこで、本発明は、フォトニック結晶構造を利用した面発光型半導体レーザ素子であって、レーザ光を効率的に出力可能な面発光型半導体レーザ素子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】
【０００６】
本発明は、面発光型半導体レーザ素子であって、基板と、基板の主面上に設けられておりキャリアが注入されると光を発生する活性層と、基板の主面上に設けられており活性層と光学的に結合しているフォトニック結晶層と、主面に略直交する方向においてフォトニック結晶層からみて基板と反対側に位置しており、上記面発光型半導体レーザ素子で発生されるレーザ光を出力する光出力面と、光出力面上に設けられており、活性層にキャリアを与える電極と、を備え、フォトニック結晶層は、活性層で発生した光に含まれる所定波長の光の一部を光出力面側に回折せしめると共に、所定波長の光の他の部分を主面に略平行な面内に閉じ込める２次元フォトニック結晶構造を有しており、所定波長は、上記レーザ光の波長であり、電極は少なくとも１つの縁部を有しており、フォトニック結晶層には、縁部の直下近傍に位相シフト部が形成されていることを特徴とする面発光型半導体レーザ素子に係る。
【０００７】
上記本発明に係る面発光型半導体レーザ素子では、活性層で発生した光がフォトニック結晶層に到達すると、フォトニック結晶構造により、上記所定波長の光の一部は光出力面側に回折されることによって、面発光動作が実現されている。また、活性層からフォトニック結晶層に到達した上記所定波長の光のうちの他の部分において位相条件を満たす光がフォトニック結晶層内に閉じ込められる。フォトニック結晶層は活性層と光学的に結合していることから、フォトニック結晶層内に閉じ込められた光により活性層で誘導放出が促される。誘導放出された光は、フォトニック結晶構造により規定される所定波長の光において位相条件を満足しており、再度フォトニック結晶層内に到達する。このようにして波長及び位相条件の揃った光が発生され増幅されるため、レーザ光が生成される。そして、前述したようにフォトニック結晶層における光出力面側への回折により面発光動作が可能となっているので、面発光型半導体レーザ素子内で生成されたレーザ光は光出力面から出力されることになる。
【０００８】
上記構成の面発光型半導体レーザ素子では、フォトニック結晶層に位相シフト部が上記位置に導入されていることから、光出力面において電極と重なっていない領域にフォトニック結晶層からの光が到達し易い。その結果、面発光型半導体レーザ素子内で生成されたレーザ光が電極により遮られにくく、面発光型半導体レーザ素子から効率的に光を出力することが可能である。
【０００９】
また、本発明における面発光型半導体レーザ素子では、フォトニック結晶構造が有する複数の格子点は２以上の回折格子群を構成しており、各回折格子群はそれぞれ異なる方向に延びており、回折格子群の各々を構成する格子点は、各回折格子群同士において各回折格子群が延びる方向に沿って同一の配列関係で配列されており、各回折格子群は縁部の直下近傍に位相シフト部を有することが好ましい。
【００１０】
この構成では、フォトニック結晶構造は、異なる方向に延びる２以上の上記回折格子群からなる２次元回折格子であって、電極の縁部直下近傍に位相シフト部が導入された２次元回折格子とみなすことができる。各回折格子群において、電極の縁部直下近傍の隣接する格子点の間隔を、各回折格子群が有する周期からシフトさせることにより形成することができる。
【００１１】
また、本発明における面発光型半導体レーザ素子では、フォトニック結晶構造が有する複数の格子点は、互いに直交する第１及び第２の方向にそれぞれ延びる第１の回折格子群及び第２の回折格子群を構成しており、第１及び第２の回折格子群の各々を構成する格子点は、第１及び第２の回折格子群において第１及び第２の方向に沿って同一の配列関係で配列されており、電極の平面視形状が略四角形状であって、電極は互いに対向する一対の第１の縁部及び互いに対向する一対の第２の縁部を有し、第１及び第２の縁部はそれぞれ第１及び第２の方向に延びており、第１及び第２の回折格子群は、一対の第１の縁部及び一対の第２の縁部のそれぞれ直下近傍に位相シフト部を有することが好ましい。
【００１２】
この構成では、フォトニック結晶構造は、第１及び第２の縁部直下近傍に位相シフト部が形成された第１及び第２の回折格子群からなる２次元回折格子とみなすことができる。この場合も、第１及び第２の回折格子群において、電極の縁部直下近傍の隣接する格子点の間隔を、第１及び第２の回折格子群が有する周期からシフトさせることにより形成することができる。
【００１３】
上記のように電極が、第１及び第２の方向に延びる一対の第１の縁部及び一対の第２の縁部を有する場合には、一対の第１の縁部及び一対の第２の縁部に対応した各位相シフト部は、第１及び第２の方向に延びているとすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、フォトニック結晶を利用した面発光型半導体レーザ素子であって、光出力面から効率的に光を出力可能な面発光型半導体レーザ素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を利用して、本発明に係る面発光型半導体レーザ素子の実施形態について説明する。なお、以下の説明においては、同一の要素には同一の符号を用いることとし、重複する説明は省略する。また、図面の寸法比率等は、必ずしも説明のものとは一致していない。
【００１６】
図１は、本発明に係る面発光型半導体レーザ素子（以下、単に「半導体レーザ素子」と称す）の一実施形態の斜視図である。図１では、説明のために、面発光型半導体レーザ素子１０の一部を切り欠いている。図２は、図１のＩＩ―ＩＩ線に沿った断面図である。
【００１７】
図１及び図２に示す半導体レーザ素子１０は、２次元フォトニック結晶構造を利用した面発光型のフォトニック結晶レーザ素子である。
【００１８】
半導体レーザ素子１０は、第１導電型（本実施形態では一例としてｎ型）の半導体基板といった基板１２を有する。基板１２の材料としてはＧａＮが例示される。基板１２の主面１２ａ上には、第１導電型のクラッド層１４、活性層１６、バッファ層１８、フォトニック結晶層２０、ガイド層２２、第２導電型（本実施形態では一例としてｐ型）のクラッド層２４及びコンタクト層２６がこの順に積層されている。以下の説明では、図１及び図２に示すように、基板１２の主面１２ａに直交する方向をｚ軸方向と称し、ｚ軸方向に略直交する２つの方向をそれぞれｘ軸方向（第１の方向）及びｙ軸方向（第２の方向）と称す。
【００１９】
半導体レーザ素子１０では、活性層１６にキャリヤが与えられると活性層１６において発生した光を基に活性層１６及びフォトニック結晶層２０の作用によりレーザ光が生成され、そのレーザ光がコンタクト層２６の表面２６ａから出力される。このように、半導体レーザ素子１０では、コンタクト層２６の表面２６ａがレーザ光の光出力面Ｓとして機能する。
【００２０】
コンタクト層２６の表面２６ａには、活性層１６にキャリアを与えるために、平面視において光出力面Ｓより小さい正方形状の電極２８が設けられている。電極２８の平面視形状としては、正方形状に限定されず、例えば、円形状、他の四角形状（例えば長方形状）、六角形状が挙げられる。電極２８が有する互いに対向する一対の縁部（第２の縁部）２８ａ，２８ａはｙ軸方向に延びており、電極２８が有する互いに対向する一対の縁部（第１の縁部）２８ｂ，２８ｂはｘ軸方向に延びている。また、基板１２の主面１２ａと対向する面である裏面１２ｂ上には、裏面１２ｂのほぼ全面に電極３０が設けられている。電極２８，３０の材料としては、例えば金が挙げられる。
【００２１】
クラッド層１４，２４は、クラッド層１４，２４間に挟まれた領域内のフォトン密度、より具体的には、活性層１６及びフォトニック結晶層２０のフォトン密度を高めてレーザ光を効率的に生成するためのものである。クラッド層１４，２４は、活性層１６の屈折率より低い屈折率を有する半導体から構成される。バッファ層１８及びガイド層２２は、クラッド層１４，２４で挟まれた領域内のフォトン密度を高めるために、クラッド層１４，２４間の距離を適切に調整するためのスペーサ層として機能する。また、バッファ層１８は、後述するように、例えば、フォトニック結晶層２０をエッチングを利用して形成する際のエッチング停止層としても用いることが可能である。
【００２２】
また、活性層１６はキャリヤが注入されることで光を発する。活性層１６において電極２８直下の領域に主にキャリヤが注入されるため、活性層１６における電極２８直下の領域が利得領域として機能する。活性層１６は、例えば、ＩｎＧａＮ系多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を含むものが挙げられる。活性層１６は、他の半導体材料からなる多重量子井戸構造から構成することもできる。また、活性層１６を、多重量子井戸構造の代わりに、単一量子井戸構造から構成することも可能である。更に、活性層１６を単一の半導体材料から構成してもよい。
【００２３】
フォトニック結晶層２０は、活性層１６上にバッファ層１８を挟んで設けられており、活性層１６と光学的に結合されている。フォトニック結晶層２０は、半導体レーザ素子１０で発生させるべきレーザ光の波長（以下、レーザ波長と称す）を規定する２次元フォトニック結晶構造を有する層である。フォトニック結晶層２０は、半導体層３２に、半導体層３２の屈折率と異なる屈折率（一例として、より低い屈折率）を有する複数の柱状部３４が、ｘ軸方向及びｙ軸方向に同一の配列関係で配列されて構成されている。各柱状部３４がフォトニック結晶構造における各格子点であり、柱状部３４の空間的な配置関係と、半導体層３２及び柱状部３４の間の屈折率差とによりフォトニックバンドが形成されている。半導体層３２の材料としてはＧａＮが例示され、柱状部３４の材料としてはＳｉＯ２が例示される。なお、柱状部３４は例えば孔部とすることもできる。柱状部３４の平面視形状は、図１に示すように円形が例示されるが、三角形や四角形等の多角形状でもよい。フォトニック結晶層２０が有するフォトニック結晶構造には、電極２８が有する一対の縁部２８ａ，２８ａ及び一対の縁部２８ｂ，２８ｂの直下近傍に位相シフト部３６ｘ及び位相シフト部３６ｙが導入されている。
【００２４】
図３は、正方格子構造を有するフォトニック結晶層における格子点の配置関係を示す模式図である。なお、位相シフト部３６ｘ，３６ｙと電極２８との位置関係を説明するために、図３中には、電極２８の位置を実線を用いて便宜的に示している。
【００２５】
図３に示すように、位相シフト部３６ｘ，３６ｙが導入されたフォトニック結晶構造は、ｘ軸方向（第１の方向）に延びている回折格子群であってｘ軸方向において２つの位相シフト部３６ｘを有する回折格子群（第１の回折格子群）Ｌｘと、ｘ軸と直交するｙ軸方向（第２の方向）に延びている回折格子群であってｙ軸方向に２つの位相シフト部３６ｙを有する回折格子群（第２の回折格子群）Ｌｙとからなる２次元回折格子とみなすことができる。回折格子群Ｌｘは、ｘ軸方向に延びておりｙ軸方向に複数平行配置された周期ｄ１の一次元回折格子ｌｘから構成され、回折格子群Ｌｙは、ｙ軸方向に延びておりｘ軸方向に複数平行配置され、回折格子群Ｌｘの回折格子ｌｘと同じ周期ｄ１の一次回折格子ｌｙから構成される。各一次元回折格子ｌｘ，ｌｙの周期ｄ１は、レーザ波長を規定する。また、フォトニック結晶を構成する複数の柱状部３４からなる２次元回折格子によって光の位相が規定され、この複数の２次元回折格子によって回折された光のそれぞれの位相が位相整合し、定在波が存在できる程度に、この各一次元回折格子ｌｘ，ｌｙの周期ｄ１はレーザ波長に対して同一の周期を有する。そして、各一次元回折格子ｌｘ，ｌｙには、電極２８が有する一対の縁部２８ａ，２８ａ及び一対の縁部２８ｂ，２８ｂの直下近傍に位相シフト部３６ｘ，３６ｙを構成する位相シフト構造が導入されている。
【００２６】
位相シフト部３６ｘ，３６ｙは、図３に示しているように、電極２８の縁部２８ａ，２８ｂ直下近傍のｘ軸方向及びｙ軸方向において隣接する柱状部３４間の距離である格子間隔ｄ２を周期ｄ１から所定量だけシフトさせることによって形成することができる。このように位相シフト部３６ｘ，３６ｙを形成している場合には、格子間隔ｄ２と周期ｄ１との差により位相シフト量が規定される。例えば、格子間隔ｄ２がｄ１／２であるとき、位相シフト量はπである。格子間隔ｄ２を周期ｄ１からシフトさせることによって位相シフト部３６ｘ，３６ｙを形成している場合、フォトニック結晶構造は、ｘ軸方向に延びる周期ｄ１の複数の一次元回折格子からなる回折格子群と、ｙ軸方向に延びる周期ｄ１の複数の一次元回折格子からなる回折格子群とにより構成される複数の２次元回折格子が位相シフト部３６ｘ，３６ｙの導入位置においてｘ軸方向及びｙ軸方向に間隔ｄ２で配置されたものとみなすこともできる。
【００２７】
ここでは、位相シフト部３６ｘ，３６ｙを、格子間隔をシフトさせることにより形成した場合を例示したが、位相シフト部３６ｘ，３６ｙは、縁部２８ａ，２８ｂ直下近傍の格子点としての柱状部３４の屈折率や平面視形状等の条件を他の領域の柱状部３４の条件からシフトさせることによって形成してもよい。また、縁部２８ａ，２８ｂ直下近傍に格子欠陥を形成することにより形成することもできる。
【００２８】
図１に示した半導体レーザ素子１０は、例えば、次のようにして製造される。先ず、基板１２上にクラッド層１４、活性層１６及びバッファ層１８を形成した後、バッファ層１８の表面上に柱状部３４を構成する材料からなる柱状部形成層を形成する。そして、柱状部形成層に対して例えばフォトリソグラフィ法及びエッチング法を適用して複数の柱状部３４を形成した後、それらの柱状部３４を、半導体層３４となるべき柱状部３４と異なる屈折率を有する半導体で埋め込み、フォトニック結晶層２０を形成する。次いで、フォトニック結晶層２０上に、ガイド層２２、クラッド層２４及びコンタクト層２６をそれぞれ形成する。その後、コンタクト層２６上に、電極２８を形成すると共に、基板１２の裏面上に電極３０を形成することで半導体レーザ素子１０を製造できる。
【００２９】
図１に示した半導体レーザ素子１０における基板１２、クラッド層１４，２４、活性層１６、バッファ層１８、ガイド層２２、コンタクト層２６の材料及び厚さ（ｚ軸方向の長さ）の一例は表１のとおりである。
【表１】
2009111167.tif 000003
【００３０】
上記構成の半導体レーザ素子１０において、電極２８による信号印加によって活性層１６にキャリアを与えると、活性層１６内で光が発生し、活性層１６内で発生した光は、活性層１６に光学的に結合したフォトニック結晶層２０に到達する。
【００３１】
フォトニック結晶層２０は、２次の２次元回折格子として機能するフォトニック結晶構造を有することから、フォトニック結晶層２０に到達したレーザ波長を有する光の多くは、フォトニック結晶構造によりフォトニック結晶層２０内に閉じ込められる。より詳細に説明すると、複数の柱状部３４による回折を繰り返して所定の閉じた経路を伝搬し、当該閉じた経路内において位相条件を満たす場合に、フォトニック結晶層２０内に２次元定在波が形成され、フォトニック結晶層２０内に閉じ込められる。この場合、フォトニック結晶層２０は、半導体レーザ素子１０における光共振器として機能していることになる。そして、フォトニック結晶層２０内に閉じ込められた光が活性層１６と相互作用して誘導放出を引き起こすことで、レーザ発振が生じる。また、フォトニック結晶構造は、２次の回折格子でもあることから、レーザ波長を有する光の一部は、回折現象によりｚ軸方向にも回折される。そのため、半導体レーザ素子１０において面発光動作が可能となっている。
【００３２】
そして、レーザ発振により光強度が増加したレーザ波長を有する光が、回折現象により光出力面Ｓ側に伝搬して光出力面Ｓから出力されることで、レーザ光が半導体レーザ素子１０から出力される。即ち、フォトニック結晶層２０を含む半導体レーザ素子１０は、フォトニック結晶構造における２次回折を利用した分布帰還型の面発光型半導体レーザ素子において、フォトニック結晶層２０における回折現象を利用して面発光動作を実現している半導体レーザ素子に対応する。
【００３３】
半導体レーザ素子１０では、フォトニック結晶層２０において電極２８の縁部２８ａ，２８ｂの直下に位相シフト部３６ｘ，３６ｙを導入していることにより、光出力面Ｓからより多くの光を取り出すことが可能である。この点についてシミュレーション結果を利用して説明する。
【００３４】
先ず、シミュレーションの基本条件について説明する。図４は、図１に示した半導体レーザ素子のシミュレーション用の基本構成モデルの模式図であり、図１におけるｘ軸方向又はｙ軸方向に直交する断面の断面構成に対応する。
【００３５】
図４に示したシミュレーション用のモデル構造を有する半導体レーザ素子１０Ｍでは、図１及び図２に示した半導体レーザ素子１０の場合と同様に、基板１２Ｍ上に、クラッド層１４Ｍ、活性層１６Ｍ、バッファ層１８Ｍ、フォトニック結晶層２０Ｍ、ガイド層２２Ｍ、クラッド層２４Ｍ及びコンタクト層２６Ｍがこの順に積層されており、コンタクト層２６Ｍ上及び基板１２Ｍの裏面にそれぞれ電極２８Ｍ及び電極３０Ｍが設けられて構成されている。半導体レーザ素子１０Ｍにおいても、コンタクト層２６Ｍの表面が光出力面Ｓとして機能する。
【００３６】
以下の説明では、基板１２Ｍ、クラッド層１４Ｍ、活性層１６Ｍ、バッファ層１８Ｍ、フォトニック結晶層２０Ｍ、ガイド層２２Ｍ、クラッド層２４Ｍ及びコンタクト層２６Ｍは、特に断らない限り、図１に示した半導体レーザ素子１０の基板１２、クラッド層１４、活性層１６、バッファ層１８、フォトニック結晶層２０、ガイド層２２、クラッド層２４及びコンタクト層２６に対応するものとする。また、図４に示した半導体レーザ素子１０Ｍの側面１０Ｍａを基準として側面１０ｂに向かう方向を便宜的に図１に示したｘ軸方向に対応するものとし、基板１２Ｍに対してクラッド層１４Ｍ、活性層１６Ｍ、バッファ層１８Ｍ、フォトニック結晶層２０Ｍ、ガイド層２２Ｍ、クラッド層２４Ｍ及びコンタクト層２６Ｍが積層されている方向を図１の場合と同様にｚ軸方向とする。
【００３７】
基板１２Ｍのｘ軸方向の長さＤ１は３００μｍであり、電極２８Ｍのｘ軸方向の長さＤ２は１００μｍである。電極２８Ｍのｘ軸方向の中心位置と基板１２Ｍのｘ軸方向の中心位置は一致しているものとした。また、半導体レーザ素子１０Ｍでは、レーザ波長が４００ｎｍであるレーザ光を出力することを仮定している。
【００３８】
基板１２Ｍ、クラッド層１４Ｍ、活性層１６Ｍ、バッファ層１８Ｍ、ガイド層２２Ｍ、クラッド層２４Ｍ及びコンタクト層２６Ｍの材料及び厚さは、表１のものを採用した。
【００３９】
フォトニック結晶層２０Ｍは、フォトニック結晶層２０と同様に半導体層３２Ｍに、半導体層３２Ｍの屈折率より小さい屈折率を有する柱状部３４Ｍが正方格子状に配置して構成されているものとした。フォトニック結晶層２０Ｍの厚さは、表１に示した場合と同様に４０ｎｍである。半導体層３２Ｍ及び柱状部３４Ｍは、半導体レーザ素子２０における半導体層３２及び柱状部３４に対応する。図４のハッチングは半導体層３２Ｍを示すためのものである。半導体層３２Ｍの材料は、屈折率が２．５４のＧａＮとし、柱状部３４Ｍの材料は、屈折率１．４２のＳｉＯ２とした。また、柱状部３４Ｍは、平面視形状が円形の円筒であり、その直径は４８ｎｍとした。隣接する柱状部３４Ｍ間の間隔、すなわち、フォトニック結晶構造における周期ｄ１は１６０ｎｍとした。フォトニック結晶層２０Ｍにおける位相シフト部の導入位置については、シミュレーション結果を説明するときに順次説明する。その際、導入されるべき位相シフト部を位相シフト部３６Ｍとも称す。位相シフト部３６Ｍの導入方法は、隣接する柱状部３４Ｍ，３４Ｍ間の間隔を周期ｄ１からシフトさせることにより実施するものとした。
【００４０】
また、前述したように、フォトニック結晶構造を利用した半導体レーザ素子は、２次回折を利用した分布帰還型半導体レーザ素子において、回折現象を利用して面発光動作を実現したものに対応するため、分布帰還型半導体レーザ素子の解析に利用される結合波方程式とレート方程式とに基づいてシミュレーションを実施した。この場合、結合波方程式においてフィードバックの強さを示す結合定数は２つ現れる。この２つの結合定数のうち２次回折を示す結合定数ｈ２がフォトニック結晶層２０Ｍ内、すなわち、半導体レーザ素子１０Ｍの光共振器内のフォトン密度分布を決定し、フォトニック結晶層２０Ｍ内のフォトン密度分布と回折現象を示す結合定数がｈ１とがフォトニック結晶層２０Ｍから光出力面Ｓに出力されるフォトン密度分布を決定している。以下の説明では、便宜的に、基板１２Ｍに対して電極２８Ｍ側を「上」方向として説明する。
【００４１】
次に、図５及び図６を利用してフォトニック結晶層２０Ｍに位相シフト部を導入することで、フォトニック結晶層２０Ｍから上部に向けて出力される光の量が変化する点について説明する。
【００４２】
図５は、従来のように、位相シフト部を導入しない場合のフォトニック結晶層２０Ｍから光出力面Ｓ側に出力される光のパワー密度及びフォトニック結晶層内のフォトン密度分布を示す図面である。具体的には、図５（ａ）は、フォトニック結晶層２０Ｍから出力された光の光出力面Ｓの位置でのパワー密度分布を示しており、図５（ｂ）は、フォトニック結晶層２０Ｍ内のフォトン密度分布を示している。図５（ａ），（ｂ）の横軸は、図４に示した半導体レーザ素子１０Ｍの側面１０Ｍａを基準（原点位置）としたｘ軸方向の位置を示している。図５（ａ）の縦軸はフォトン密度を示しており、図５（ｂ）の縦軸はパワー密度を示している。
【００４３】
また、図６は、電極２８の中央部の直下に位相シフト部を１つ導入した場合のフォトニック結晶層２０Ｍから光出力面Ｓ側に出力される光のパワー密度分布及びフォトニック結晶層２０Ｍ内のフォトン密度分布を示す図面である。具体的には、図６（ａ）は、フォトニック結晶層２０Ｍから出力された光の光出力面Ｓの位置でのパワー密度分布を示しており、図６（ｂ）は、フォトニック結晶層２０Ｍ内のフォトン密度分布を示している。図６（ａ），（ｂ）の横軸は、図５（ａ），（ｂ）と同様にｘ軸方向の位置を示している。図６（ａ）の縦軸はフォトン密度を示しており、図６（ｂ）の縦軸はパワー密度示している。
【００４４】
また、図５及び図６では、横軸に示した位置において１００〜２００μｍの領域が、電極２８Ｍ直下の領域に対応しており、活性層１６Ｍにおける電極２８Ｍ直下の領域を利得領域と仮定した。
【００４５】
図５（ｂ）より、フォトニック結晶層２０Ｍの中央部でフォトン密度が高く中央部にフォトンが閉じ込められていることがわかる。一方、図５（ａ）より、光共振器内部ではフォトン密度の高かった中央部でのフォトン密度が、光出力面Ｓ側にほとんど出力されていないことがわかる。この現象はフォトニック結晶層２０Ｍから光出力面Ｓ側に出力される光の位相が弱め合うために起こると考えられる。この場合、フォトン密度の高い中央部からは上部へフォトンを効率よく取り出すことができない。
【００４６】
また、図６（ｂ）より、位相シフト部を中央部に導入しても、フォトニック結晶層２０Ｍの中央部でフォトン密度が高く中央部にフォトンが閉じ込められていることがわかる。そして、図６（ａ）より、位相シフト部が中央部に導入された場合には、光出力面Ｓでもフォトニック結晶層２０Ｍ内のフォトン密度分布と同様のパワー密度分布が実現できることがわかる。
【００４７】
図５及び図６が示しているように、位相シフト部３６Ｍをフォトニック結晶層２０Ｍに導入することによって、前述した位相の弱めあいを回避することができている。しかしながら、電極２８の中央部直下に位相シフト部３６Ｍを設けた場合には、図６（ａ）に示しているように光出力面Ｓでのパワー密度分布は中央部に鋭いピークを有する。この場合、光出力面Ｓから出力される光の多くは、電極２８Ｍにより遮られることになり、半導体レーザ素子１０Ｍからの光出力に寄与しない。
【００４８】
以上のことから、光出力面Ｓからの光出力を高くすることは、光出力面Ｓにおいて電極２８Ｍと重なっていない部分から出力されるフォトンの割合が大きくなるように位相シフト部３６Ｍを適切な箇所に配置することで実現できることになる。
【００４９】
続いて、図７〜図９を利用して、フォトニック結晶層２０Ｍにおける位相シフト部３６Ｍの導入位置を変化させながら位相シフト部３６Ｍの導入位置に応じた光の取出し効率の違いについて説明する。ここで、取出し効率は、次のように定義している。
（取出し効率）＝（半導体レーザ素子外部に出射されたフォトン）／（光出力面に入射される全フォトン）
図７〜図９では、電極２８Ｍの縁部２８Ｍａ直下より外側に位相シフト部が導入された場合についてもシミュレーションを適切に実施するために、活性層１６Ｍの全領域を利得領域と仮定している。なお、電極２８Ｍにおける縁部２８Ｍａは、電極２８における縁部２８ａに対応するものである。
【００５０】
図７及び図８は、ｘ軸方向の所定位置に導入される２つの位相シフト部間の距離の変化に対する取出し効率の変化を示す図である。図７及び図８では、電極２８Ｍのｘ軸方向における中心位置に対して対称な位置にそれぞれ位相シフト部３６Ｍ，３６Ｍを設けるものとした。そして、図７び図８において、横軸は、位相シフト部間の距離Ｄ３を示しており、電極２８Ｍのｘ軸方向における中心位置に２つの位相シフト部が重なって設けられている場合を０としている。縦軸は、取り出し効率を示している。
【００５１】
また、図７では、２つの位相シフト部３６Ｍ，３６Ｍによる位相シフト量は同じΦとし、Φを０．２５π、０．３５π、０．５０πと変化させた場合の取出し効率の変化を示している。一方、図８では、２つの位相シフト部３６Ｍ，３６Ｍによる位相シフト量は異なるΦ１及びΦ２とし、Φ１及びΦ２の組、即ち、（Φ１，Φ２）を（０．５０π，０．５０π）、（０．４０π，０．６０π）、（０．３０π，０．７０π）と変化させた場合の取出し効率の変化を示している。
【００５２】
また、図９も位相シフト部間の距離の変化に対する取出し効率の変化を示す図である。ただし、図９では、図７の場合と同様の半導体レーザ素子１０Ｍの構成において、電極２８Ｍのｘ軸方向における中心位置に位相シフト部３６Ｍを更に配置した場合のシミュレーション結果である。この場合、ｘ軸方向に３つの位相シフト部３６Ｍ，３６Ｍ，３６Ｍが導入されることになる。３つの位相シフト部３６Ｍ，３６Ｍ，３６Ｍの位相シフト量は何れも０．５πを採用している。図９に示した横軸の位相シフト部間の距離は、中央の位相シフト部を挟んで配置された両側の位相シフト部間の距離を示している。
【００５３】
図７〜図９に示すシミュレーション結果に示されているように、位相シフト部３６Ｍ，３６Ｍ間の距離が５０μｍより広い場合に、すなわち、縁部２８Ｍａの直下を基準にして電極２８Ｍのｘ軸方向の長さ（図４のモデル構成では１００μｍ）の１／４ほど内側の位置より外側に位相シフト部３６Ｍ，３６Ｍがそれぞれ導入された場合に、中央部にのみ位相シフト部３６Ｍが配置される場合よりも取出し効率が高くなっている。更に、電極２８Ｍの縁部２８Ｍａ，２８Ｍａ直下近傍の位置、すなわち、距離Ｄ３が１００μｍ近傍、例えば、８０μｍ〜１４０μｍの領域に取出し効率のピークが位置することがわかる。
【００５４】
上記シミュレーションでは、図４に示したｘ軸方向を図１に示したｘ軸方向とし、特に断らない限り縁部２８Ｍａ及び位相シフト部３６Ｍを半導体レーザ素子１０における縁部２８ａ及び位相シフト部３６ｘとして説明したが、側面１０Ｍａから側面１０Ｍｂに向かう方向を図１に示したｙ軸方向とし、縁部２８Ｍａ及び位相シフト部３６Ｍをそれぞれ半導体レーザ素子１０における縁部２８ｂ及び位相シフト部３６ｘとした場合も同様である。
【００５５】
従って、図１〜図３を利用して説明したように、電極２８の縁部２８ａ，２８ｂの直下近傍に位相シフト部３６ｘ，３６ｙを導入することで、光出力面Ｓからの光の取り出し効率を向上させることができることになる。また、図７〜図９の結果より、電極２８Ｍの縁部２８Ｍａ，２８Ｍａの直下において取り出し効率がピーク値を示す傾向にあるため、位相シフト部３６ｘ，３６ｙの位置は、電極２８の縁部２８ａ，２８ｂの直下がより好ましい。
【００５６】
なお、図９のシミュレーション結果を得たシミュレーションを実施する際のフォトニック結晶層２０Ｍに対する位相シフト部３６Ｍの２次元的な配置例としては、図１０に示す形態が例示される。すなわち、ｘ軸方向及びｙ軸方向に沿って３つの位相シフト部３６Ｍ，３６Ｍ，３６Ｍをフォトニック結晶層２０Ｍにおいて導入する場合、ｘ軸方向及びｙ軸方向に対する電極２８Ｍの中心線の直下にそれぞれ位相シフト部３６Ｍ，３６Ｍを導入し、ｘ軸方向及びｙ軸方向において、電極２８Ｍの中心線の直下に設けられた位相シフト部３６Ｍ，３６Ｍの両側に位相シフト部３６Ｍ，３６Ｍをそれぞれ導入すればよい。図１０では、位相シフト部３６Ｍは一点鎖線で模式的に示しており、柱状部（格子点）３４は省略している。また、位相シフト部３６Ｍと電極２８Ｍとの位置関係を示すために、電極２８Ｍを破線で模式的に示している。図１０に示した位相シフト部３６Ｍの配置例において、図９のシミュレーション結果は、ｘ軸方向又はｙ軸方向それぞれに設けられた３つの位相シフト部３６Ｍ，３６Ｍ，３６Ｍにおいて両端の２つの位相シフト部３６Ｍ，３６Ｍの間の距離をＤ３とし、Ｄ３を適宜変更した場合の取り出し効率の変化を計算により得た結果に対応することになる。
【００５７】
以上、本発明の面発光型半導体レーザ素子の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。図１に示した半導体レーザ素子１０は、基板１２の主面１２ａ上に、クラッド層１４、活性層１６、バッファ層１８、フォトニック結晶層２０、ガイド層２２、クラッド層２４及びコンタクト層２６を備えると共に光出力面Ｓを有し、光出力面Ｓ上に電極２８が設けられているとした。しかしながら、半導体レーザ素子は、基板１２上に少なくとも活性層１６及びフォトニック結晶層２８を備えると共に主面１２ａに直交する方向上において光出力面Ｓを有し、光出力面Ｓ上に電極２８が設けられていればよい。特に、バッファ層１８は、フォトニック結晶層２０をエッチングを利用して形成しない場合には、必ずしも設けなくても良い。
【００５８】
また、基板１２の主面１２ａ上に、活性層１６及びフォトニック結晶層２０がこの順に設けられるとしたが、主面１２ａ上に、フォトニック結晶層２０及び活性層１６の順にそれらが設けられていても良い。
【００５９】
また、位相シフト部は電極２８の平面視形状に応じて形成されていればよい。例えば、電極２８の平面視形状が円形であれば縁部直下の領域の形状も円形になるため、位相シフト部は、円形又は円形に近い閉じた曲線に沿って形成すればよい。この場合、電極２８に対して１つの位相シフト部が形成されることになる。
【００６０】
また、半導体レーザ素子１０では、図３に示すように、ｘ軸方向及びｙ軸方向にそれぞれ２つの位相シフト部３６ｘ，３６ｙを有するとして説明したが、電極２８の縁部２８ａ，２８ｂの直下近傍に位相シフト部３６ｘ，３６ｙが設けられていれば、位相シフト部３６ｘ，３６ｙの数は特に限定されない。また、図３に示したように位相シフト部３６ｘ，３６ｙをｙ軸方向及びｘ軸方向に延びるように形成しなくても、例えば、電極２８の平面視形状に応じて閉じた曲線を形成するように位相シフト部を形成してもよい。
【００６１】
更に、実施形態では、フォトニック結晶層２０が有する柱状部３４は、互いに直交する２つの第１及び第２の方向に延びる回折格子群Ｌｘ，Ｌｙを構成しており、各回折格子群Ｌｘ，Ｌｙにおいて柱状部３４の配列状態は同一とした。しかしながら、格子点としての柱状部３４は、互いに異なる方向に延びる２つ以上の回折格子群を構成し、各回折格子群における格子点の配列状態が同一であればよい。換言すれば、格子点としての柱状部３４が、互いに直交する第１及び第２の方向に延びる回折格子群を構成する場合、格子点は、正方格子状に配置されているとみなせるが、本発明はこれに限定されず、格子点が三角格子状や六方格子状に配置されており、互いに異なる方向に延びる２つ以上の回折格子群を構成しているとすることもできる。なお、前述したように位相シフト部は電極２８の平面視形状に応じて形成されるため、電極２８の平面視形状と格子点の配列状態を対応させておくことが電極２８の縁部直下近傍に位相シフト部を配置する観点からより好ましい。例えば、実施形態で示したように、電極２８の平面視形状を正方形状とした場合には、フォトニック結晶層２０の格子点は正方格子状に配置することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明に係る面発光型半導体レーザ素子の一実施形態の斜視図である。
【図２】図１のＩＩ―ＩＩ線に沿った断面図である。
【図３】図１に示した面発光型半導体レーザ素子のフォトニック結晶層における格子点の配列関係を示す模式図である。
【図４】図１に示した面発光型半導体レーザ素子のシミュレーション用の基本構成を示す模式図である。
【図５】位相シフト部が導入されていない場合のフォトニック結晶層から光出力面側に出力される光のパワー密度及びフォトニック結晶層内のフォトン密度分布を示す図面である。
【図６】中央部に位相シフト部が１つ導入された場合のフォトニック結晶層から光出力面側に出力される光のパワー密度分布及びフォトニック結晶層内のフォトン密度分布を示す模式図である。
【図７】図４に示したｘ軸方向において２箇所に同じ位相シフト量を有する位相シフト部が導入された場合の位相シフト部間の距離の変化に対する取出し効率の変化を示す図面である。
【図８】図４に示したｘ軸方向において２箇所に異なる位相シフト量を有する位相シフト部が導入された場合の位相シフト部間の距離の変化に対する取出し効率の変化を示す図面である。
【図９】図４に示したｘ軸方向において３箇所に位相シフト部が導入された場合の両端の２つの位相シフト部間の距離の変化に対する取出し効率の変化を示す図面である。
【図１０】ｘ軸方向及びｙ軸方向に３つの位相シフト部を導入した場合の電極に対する位相シフト部の配置例を示す図面である。
【符号の説明】
【００６３】
１０…面発光型半導体レーザ素子、１２…基板、１２ａ…主面、１６…活性層、２０…フォトニック結晶層、２８…電極、２８ａ，２８ａ…電極の一対の縁部（第２の縁部）、２８ｂ，２８ｂ…電極の一対の縁部（第１の縁部）、３４…柱状部（格子点）、３６ｘ，３６ｙ…位相シフト部、Ｌｘ，Ｌｙ…回折格子群、Ｓ…光出力面。
【図１】
2009111167.tif 000004
【図２】
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【図３】
2009111167.tif 000006
【図４】
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【図５】
2009111167.tif 000008
【図６】
2009111167.tif 000009
【図７】
2009111167.tif 000010
【図８】
2009111167.tif 000011
【図９】
2009111167.tif 000012
【図１０】
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