JP2008124287A

JP2008124287A - 波長変換素子

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Publication number: JP2008124287A
Application number: JP2006307345A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Sakai; 篤坂井
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2006-11-14
Filing date: 2006-11-14
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2026-11-14
Also published as: JP4874768B2

Abstract

【課題】高変換効率を有する面型の波長変換素子を得る。
【解決手段】基板２と反射層３と波長変換層３及び活性層６１とｐ側反射鏡６２とｎ側反射鏡６３を有する面発光レーザ部６からなり、基板２に形成された反射層３と面発光レーザ部６のｎ側反射鏡６３が波長変換層３を挟んで対向配置され、面発光レーザ部６の放出された光を反射するｐ側反射鏡６２と反射層３が共振器を形成し、波長変換層３の厚さをコヒーレント長以下にして波長変換層３内に光を閉じ込め、実効的な変換光路長を伸ばし、かつ波長変換された光の位相が反転することによる効率低下を防ぐ。
【選択図】図１

Description

この発明は、面型で発光する波長変換素子、特に変換効率の向上に関するものである。

光エレクトロニクスの様々な分野において、光源としてのレーザダイオード（以下、ＬＤという）の役割は大きい。しかしながらＬＤの波長は構成する材料組成により決定するため、ＬＤからの直接発光が実用化されていない空白の波長領域が存在する。特に、可視光では波長550ｎｍ付近の緑色の波長領域がＬＤ単体では実用化されおらず、空白の波長領域である。この空白の波長領域の波長を与えるレーザ光源としては、励起用レーザと波長変換素子による波長変換技術によって実現することができる。これは励起レーザ光を波長変換材料へ照射することで、その周波数の和周波、差周波から任意の波長を生成する技術である。

このようにしてＲＧＢの三色ＬＤ光源がそろえば、プロジェクターやテレビなどの画像形成装置の光源として利用できる。フルカラーのレーザ光源であると、色再現性、電力消費、光の指向性などの点でこれまでのランプや近年注目されているＬＥＤと比較して、光源としての高性能化が期待できる。さらに可視光に限らず、赤外光の波長多重技術を用いる光通信においても波長変換素子への期待は大きい。

現在実用化されている緑色レーザは、光励起に近赤外波長で発光するＬＤを用いて、ネオジウム添加バナジウム酸塩結晶などの固体レーザ材料を励起することにより1064ｎｍ付近のレーザ光を発光させ、タンタル酸リチウムやＫＴＰ(リンチタン酸カリウム）などの非線形光学結晶による第２高調波発生での波長変換方法を用いている。このように、直接遷移材料系が開発されていない波長帯域では、固体レーザ媒質や第２高調波結晶を用いるために、ＬＤ単体に比べて発光効率が低く高コストいった課題がある。

この発光効率を上げる方法として、第２高調波をあたえる結晶を光導波路に加工したり、分極反転技術を用いたりする方法がある。しかしながら、光導波路構造では高精度な入力光の位置合わせが必要になるため製造コストが高くなる。また、分極反転技術による擬似位相整合に対する波長許容度は１ｎｍ以下と非常に厳しく、出力を安定させるためには基本的には温度制御機構を設ける必要がある。さらに、これらの方法で十分な変換効率を得るためには、素子の大きさがセンチメータ程度となり、コストを下げることができないなどの課題がある。

可視光光源を画像生成装置の光源として面型で均一な光を照射する光源への期待も大きい。平面からレーザ光を発生させることができるデバイスのひとつして、垂直共振器面発光レーザがある。面発光レーザは単体での出力は小さいが、２次元アレー状に配置できるために全体として高出力化が期待できる。しかも、しきい値電流も低いので低消費電力で高出力駆動が可能である。

この面発光レーザの光出力を波長変換して、可視光のレーザ光を取り出す方法として、特許文献１に示された面発光型第２高調波生成素子は、面発光レーザの活性層と多層膜反射鏡を形成する材料であるＩＩＩ−Ｖ族系半導体は、レーザ材料であると同時に非線形効果を発現する材料であることに注目して、波長変換素子を面発光レーザと同一の材料で形成している。

また、特許文献２には面発光レーザと波長変換素子を用いた光源装置が示されている。この光源装置は、面発光レーザに一般的に用いられる波長変換構造を単純に垂直共振器面発光レーザに応用した構造である。
特許第３２４４５２９号公報特開２００５−９９１６０号公報

前記特許文献１に示された面発光型第２高調波生成素子で波長変換させる半導体材料の非線形効果は小さく、また、このような結晶面を操作した結晶成長も困難であるという問題がある。さらに、半導体以外の非線形効果が大きい材料を用いることができない点も材料選択の上で問題である。

また、特許文献２に示された面発光レーザに対する波長変換構造に関しては従来の波長変換素子に用いられる構成をそのまま適用しただけであり、面発光レーザに対する詳しい記述はほとんどない。さらに、面発光レーザの出力反射鏡の反射率が高いために、出力光は基本的には小さく、基本波レーザのパワーを大きく取ることができないために、変換効率を大きくすることができない可能性がある。

この発明は、このような問題を解消し、高変換効率を有する面型の波長変換素子を提供することを目的とするものである。

この発明の波長変換素子は、基板と反射層と波長変換層及び面発光レーザ部を有し、前記面発光レーザ部は光出力側の反射鏡と光を放出する活性層と放出された光を反射する反射鏡を有する波長変換素子であって、前記基板に反射層が形成され、前記反射層と前記面発光レーザ部の光出力側の反射鏡が前記波長変換層を挟んで対向配置され、前記面発光レーザ部の放出された光を反射する反射鏡と前記反射層が共振器を形成し、前記波長変換層の厚さがコヒーレント長以下であることを特徴とする。

前記面発光レーザ部の活性層と前記波長変換層の間に偏光制御層を有すると良い。

また、前記面発光レーザ部の活性層と前記波長変換層の間に光閉じ込め層を設けることが望ましい。この光閉じ込め層はフォトニック結晶スラブ構造により形成すると良い。この光閉じ込め層のフォトニック結晶スラブ構造内のフォトニック結晶配列は不均一であっても良いし、欠陥があっても良い。

また、前記面発光レーザ部の活性層と前記波長変換層の間に集光層を有することが望ましい。この集光層をフォトニック結晶で形成すると良い。

さらに、前記基板の光出力側に出力側に光拡散層を設けると良い。

また、前記波長変換層を複数層で構成すると良い。

また、前記面発光レーザ部をアレー状に配置して波長変換素子を構成することが望ましい。

この発明は、基板と反射層と波長変換層及び光出力側の反射鏡と光を放出する活性層と放出された光を反射する反射鏡を有する面発光レーザ部からなり、基板に形成された反射層と面発光レーザ部の光出力側の反射鏡が波長変換層を挟んで対向配置し、面発光レーザ部の放出された光を反射する反射鏡と基板に形成された反射層で共振器を形成し、波長変換層の厚さをコヒーレント長以下にして波長変換層内に光を閉じ込め、実効的な変換光路長を伸ばし、かつ波長変換された光の位相が反転することによる変換効率を高める。

また、面発光レーザ部の活性層と波長変換層の間に偏光制御層や光閉じ込め層を設けることにより、高効率な波長変換素子を得ることができる。

さらに、光閉じ込め層をフォトニック結晶スラブ構造により形成することにより、光の群速度を遅くすることができ、光と波長変換素子との相互作用を強めることができ、高効率な波長変換素子を得ることができる。

また、面発光レーザ部の活性層と波長変換層の間に集光層を設けることにより、活性層への光のフィードバック量が低下してしまうことを防いで高効率で波長変換することができる。この集光層をフォトニック結晶で形成することにより、面発光レーザ部の発光点の位置によらずフォトニック結晶により光を集光することができ、高効率な波長変換素子を得ることができる。

さらに、光出力側に出力側に光拡散層を設けることにより、レーザ光のコヒーレンシーを緩和させることができる。

また、波長変換層を複数層で構成することにより、高効率な波長変換素子を得ることができる。

また、面発光レーザ部をアレー状に配置して波長変換素子を構成することにより、発振波長がばらついてもその波長に対する波長変換が行われるので、効率の低下が抑えることができ、高効率な波長変換素子を得ることができる。

この発明の波長変換素子を説明するにあたり、まず、波長変換素子の変換効率について説明する。ここでは波長変換の代表的な例として第２高調波発生（Second Harmonic Generation；ＳＨＧ）による波長変換を説明する。第２高調波は基本波を与えるレーザ光のパワー密度の２乗に比例するので、基本波を与えるレーザ光の出力パワーをＰ_０、基本波のビームの大きさをｗとすると、第２高調波の出力Ｐ_１は、Ｐ_１＝α・（Ｐ_０/ｗ）^２と表すことができる。ここでαは定数である。第２高調波の出力を増大させるためには、基本波のレーザ光の出力パワーＰ_０を大きくして、基本波のビームの大きさｗを小さくすれば良い。そこで、この発明では基本波のレーザ光の出力パワーＰ_０を増大させるために、通常の面発光レーザの出力、つまり高い反射率をもつ反射鏡からの出力を利用するのではなく、面発光レーザの共振器内部で発生する光強度が反射鏡から出力光される光よりも十分に大きいという性質を利用することに着眼した。これにより、基本波の光出力Ｐ_０を大きくすることができ、変換効率の増大を図ることができる。

具体的には、面発光レーザを形成する反射鏡として波長変換層側の反射率を調整し、光出力側に高反射率を有する反射層を形成することで、波長変換層を面発光レーザ内に配置した構成にして面発光レーザ内部での発生光を直接、波長変換層と相互作用させる。
また、基本波のビームの大きさｗを小さくするために反射層を導入して光を局在させ、変換効率を増大させる。さらに、コヒーレント長よりも薄い波長変換層を用いることにより、位相反転を防ぎ、共振器として働くことで効率増大も同時に満たす構成を与えている。

図１は、この発明の波長変換素子の構成を示す側面断面図である。波長変換素子１は、基板２と反射層３と波長変換層４とスペーサ５及び面発光レーザ部６を有する。基板２はガラスや光学結晶、半導体など出力光に対して透明である材料であれば良いが、熱膨張係数や屈折率などが他の層とほぼ一致している材料が好ましい。例えば550ｎｍの緑色光を出力するためには、ガラスや石英又は光学結晶などが望ましい。

反射層３は低損失で高反射率が得られるように、多層膜反射鏡で形成している。この反射層３を多層膜構成とすることにより、反射率は基本波に対して高反射率を与え、波長変換された出力光に対しては低反射率を与えることができる。ここで、基本波とは波長変換前の光であり、電流注入により面発光レーザ部６から発光するレーザ光である。出力光とは、基本波が変換されたレーザ光のことをいう。

この多層膜反射鏡の例として、基本波を1100ｎｍとし、出力光を第２高調波である550ｎｍである波長変換素子に対して、基本波に対しては高反射率を示し、出力波に対しては低反射率をあたえる構造に対するシミュレーションを行った。シミュレーションには垂直入射に対する干渉マトリックス法を用いて、波長に対する反射率を算出した。多層膜は基本波と出力波に対して透明であるＳｉＯ_２とＴｉＯ_２により形成されていると仮定し、それぞれの屈折率を1.45と2.3とした。屈折率は波長分散を有するが、この構成の場合では大きな変化がほとんどなく、特性に大きな影響を及ぼさないので、シミュレーションでは波長分散を無視している。また、屈折率の正確な値は成膜条件などにより変化するが、それぞれの膜厚を調整することにより希望の反射特性を得ることができる。ＳｉＯ_２とＴｉＯ_２の膜厚をそれぞれ120ｎｍと190ｎｍとしたときのシミュレーション結果を図２に示す。図２に示すように、波長1100ｎｍでは反射率99.9％以上を与え、波長550ｎｍでは反射率４％以下である多層膜が形成可能である。この多層膜反射鏡の膜厚はｎｍオーダでの制御が可能であるので、現状の技術で十分に可能な成膜条件である。この多層膜反射鏡を反射層３に用いることにより、基本波を素子内部に閉じ込め、第２高調波だけを出力することができる。

波長変換層４には非線形定数が大きな光学結晶を用いる。一般的にはＫＴＰやニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムなどを利用する。この波長変換層４の材料によっては特定の結晶軸の方向と光の振動方向とが一致しているときに大きな変換効率が得られるので、適切な結晶軸を選ぶ必要がある。ニオブ酸リチウムに関しては、結晶の光学軸であるｃ軸が波長変換の面内にあるように設定する。また、波長変換層４の厚みはコヒーレント長よりも薄くし、反射層と反射鏡で挟まれた構造となっている。レーザ発振したときの光の状態は、反射層と面発光レーザの反射鏡との間で定在波を形成しているために、波長変換層での光の振動状態は一定になる。そのため波長変換層４の厚みをコヒーレント長よりも薄くしておけば、波長変換層４の任意の位置で発生した第２高調波は、その位相を打ち消すことなく重ね合わせることができ、出力光の効率低下を防ぐことができる。ここで、コヒーレント長Ｌｃとは、基本波と第２高調波との屈折率分散によって生じる位相ずれによる位相反転距離のことであり、基本波の波長をλ_Ｆ、屈折率をｎ_Ｆ、第２高調波の屈折率をｎ_ＳＨとしたときに、
Ｌｃ＝λ_Ｆ／４（ｎ_ＳＨ−ｎ_Ｆ）
で表される値である。
第２高調波を550ｎｍ付近とすると、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムに対するコヒーレント長は３〜４μｍであるので、この材料を用いたときには、波長変換層４の厚みは３μｍ以下が望ましい。

スペーサ５は波長変換層４と面発光レーザ部６を接続するものであり、用途に応じて様々な形式を取ることができる。単純な接続であれば、接着剤による接続やスペーサ５に平坦な誘電体膜を成膜した後に面発光レーザ部６と接合により接続する。このスペーサ５はいろいろな機能を持たせることも可能である。例えば、スペーサ５に基本波に対して反射率がほとんどない無反射構造を形成して接続することもできる。この無反射構造は多層膜やナノ構造によって形成することができる。

また、光出力を一方向にするために、波長変換層４に、図１に示すように反射層７を形成することも可能である。この反射層７は多層膜で構成し、基本波に対して低反射率であり、出力波に対して高反射率であるようにする。この基本波に対しては低反射率を示し、出力波に対しては高反射率をあたえる構造に対するシミュレーションを行った結果を図３に示す。基本波を1100ｎｍとし、出力光を第２高調波である550ｎｍとし、多層膜はＳｉＯ_２とＴｉＯ_２により形成されていると仮定した。それぞれの屈折率は1.45と2.3とし、ＳｉＯ_２とＴｉＯ_２の膜厚をそれぞれ60ｎｍと95ｎｍとしたときの垂直入射に対する干渉マトリックス法を用いて、波長に対する反射率を算出した。波長550ｎｍでは反射率99.9％以上を与え、波長1100ｎｍでは反射率７％以下である多層膜が形成可能であることを示している。このような構成の多層膜を形成することで、出力波を効率良く出力させることができる。

面発光レーザ部６はスペーサ５を挟んで波長変換層４と対向して形成される。この面発行レーザ部６はいかなる面発光レーザを用いても基本的な構成が変わることはないので、代表例として以下ではＧａＩｎＡｓ/ＧａＡｓ系面発光レーザに対して述べる。

ＧａＩｎＡｓ/ＧａＡｓ系の材料組成を持つ面発光レーザ部６は、発振波長が１μｍ前後であり、特性が安定している材料系である。また、第２高調波が可視光波長帯であるので様々な用途が期待できる。但し、ＧａＩｎＡｓに窒素（Ｎ）を混合したＧａＩｎＮＡｓ/ＧａＡｓ材料系の発振波長も同程度の波長帯域で発振し、しきい値電流や温度特性の劣化が少ないという優れた性能を示すことが知られているので、用途や技術の進展に対して使い分ける必要がある。

面発光レーザ部６は活性層６１とｐ側反射鏡６２とｎ側反射鏡６３とｐ側電極６４とｎ側電極６５と支持台座６６と電流狭窄部６７及び埋め込み部６８を有する。

活性層６１は注入された電子と正孔のペアーが結合して光が発生する。この活性層６１は厚さ10ｎｍ程度のＧａＩｎＡｓ/ＧａＡｓ多重量子井戸で形成され、量子井戸はＡｌＧａＡｓ層で挟まれて１波長分の共振器を形成する厚さに調整してある。ｐ側反射鏡６２は、ｐドープされたＧａＡｓ/ＡｌＡｓをペアーとする反射鏡で形成されている。この多層膜の反射率は大きいことが好ましく、99.9％以上の反射率を有する素子設計であることが好ましい。この反射率を実現するためには、多層膜の層数を増やす必要があるが、電気抵抗の増加を考慮した多層膜構成にする必要がある。ｎ側反射鏡６３は、ｎドープされたＧａＡｓ/ＡｌＡｓをペアーとする反射鏡で形成されている。このｎ側反射鏡６３の反射率は大きい必要はなく、レーザ発振が起こる直前の反射率に調整してある。ｎ側反射鏡６３が無いと戻り光の影響を受けてレーザ特性は不安定になるが、レーザ発振を起こす程度の反射率であると、十分な光パワーが波長変換層４に入力しないため、変換効率が低下してしまうために、反射率を調整している。ｐ側電極６４は、正孔の注入であるので、量子井戸活性層６１に近い位置にある必要がある。一方、ｎ側電極６５は移動度が速い電子の注入であるので、出力光を抑制しない位置であればよい。図では支持台座６６の波長変換層６１側に設けてあるが、ｎ側反射鏡６３の横に配置しても良い。ｎ側反射鏡６３の横であるとスペーサ５と支持台座６６との接続が容易になる利点がある。活性層６１とｐ側反射鏡６２とｎ側反射鏡６３はエッチングによりメサ状に加工され、ＡｌＡｓを選択酸化することにより電流狭窄部６７を形成する。この選択酸化部分により電気絶縁するだけでなく、低屈折率層による光閉じ込めも可能とするためレーザ特性が向上する。これが、この材料系の面発光レーザ部６の特性が安定している要因のひとつでもある。エッチングにより取り除かれた部分は、ポリイミドやＢＣＢなどの有機材料などにより、埋め込み部６８が形成され、その上から電流を注入する電極と電気配線を形成する。支持台座６６は面発光レーザ部６を形成するときの台座になるのだが、光の回折による損失などの影響を極力小さくするためには、十分薄い必要がある。

この面発光レーザ部６の活性層６１で生成した光は、反射層３とｐ側反射鏡６２とで形成される共振器内部で定在波を形成することで、強く閉じ込められてレーザ発振を起こす。このレーザ発振を起こすことで光パワーが劇的に共振器内部に蓄積するので、波長変換層４での波長変換効率を増大させ、第２高調波発生を促し、出力光を光出力として取り出すことができる。活性層６１での光は誘導放出での正孔電子の再結合を起こすために、通常のＬＥＤでの発光よりも著しく発光効率が高いことが特徴である。

次に第２の波長変換素子１ａについて説明する。第２の波長変換素子１ａは、図４の側面断面図に示すように、前記波長変換素子１の面発光レーザ部６の活性層６１と波長変換層４の間に設けられた偏光制御層８を有する。この偏光制御層８は多層膜またはサブ波長格子やフォトニック結晶のような人工的なナノ構造によって形成する。

面発光レーザ部６は基本的には、活性層６１を形成する結晶の対称性のために、直線偏光を生成するが偏光方向が安定しないという性質がある。そこで、面発光レーザ部６のメサ形状に非対称性を導入する方法や傾斜基板に活性層を結晶成長することにより、光学的な異方性をもたせる方法などで偏光面を安定させる試みがなされてきた。しかしながら、これらの方法は通常の面発光レーザ部６と比較して光出力や効率の点で課題が多い。これに対して偏光制御層８を面発光レーザ部６の活性層６１と波長変換層４との間に設け、活性層６１で発生した光の偏光の反射率を制御する。さらに、波長変換層４に近接して配置することにより、波長変換層４の結晶軸と同方向に電界振動を強くするように調整することも可能である。すなわち、波長変換層４を光学結晶で形成した場合、非線形定数の最も大きくなる方向に対して、電界の振動が適切であれば、最も効率良く波長が変換される。したがって光学結晶の結晶軸に対して偏光方向を固定させる必要があり、波長変換層４に近接して偏光制御層８を設けることが望ましい。また、偏光の反射率を制御することにより、レーザ発振する光の偏光を選択することが可能となり、レーザ光の発振効率を高めることができるため、低消費電力で大きな光出力を得ることが可能となる。

次に、第３の波長変換素子１ｂについて説明する。第３の波長変換素子１ｂは、図５の側面断面図に示すように、面発光レーザ部６の活性層６１と波長変換層４の間に光閉じ込め層９を有する。この光閉じ込め層９は、波長程度の大きさのナノ構造体によるサブ波長格子やフォトニック結晶により形成する。すなわち、材料を波長変換層４側に成膜後、リソグラフィーとドライエッチングにより構造を形成する。

前述したように、波長変換効率は入射光のパワー密度に比例して大きくなる。光のパワー密度は、基本波のパワーとスポットの形状によって決定する。基本波のパワーは、面発光レーザ部６の光出力側反射鏡の反射率を調整することにより大きくする。さらに、スポット形状の制御に光閉じ込め層９を利用する。すなわち、面発光レーザ部６から放出される光は回折の効果により波面が広がってしまい、波長変換層４に入射するときのビームスポット形状は大きくなる。また、斜め成分を含んでいるので、反射層３での反射された光が波長変換層４の左右に伝搬してしまうという問題がある。この問題を解決するために、ナノ構造体による光閉じ込め層９を設けることにより、構造体がもつ回折の効果により入射光の波数ベクトルの方向を変化させ、左右への光広がりを抑制する効果をもたせることができ、ビームスポット形状を小さく保って基本波パワー密度を増大させることができる。

この光閉じ込め層９は１次元の回折格子であっても、横方向への光伝搬を抑制する効果はあるが、回折格子が形成されていない方向に対しての抑制効果はない。そこで、図６（ａ）の平面図と（ｂ）の正面図に示すような２次元のフォトニック結晶スラブ構造９１がより望ましい。このフォトニック結晶スラブ構造９１とは、波長程度の厚さを持つ薄膜面内に２次元のフォトニック結晶が形成された構造である。図６（ａ）はフォトニック結晶を形成する円孔９２を正方格子状に形成した場合を示すが、図６（ｃ）の平面図に示すような三角格子など様々な配列を必要とする光の特性に応じて選ぶことができる。また、ここでは誘電体スラブ構造に屈折率が小さい円孔構造を形成しているが、誘電体スラブ構造に屈折率が大きい円柱構造を形成してもよい。これらの屈折率分布は、光の特性による最適な配列を選択する必要がある。さらに、フォトニック結晶を形成する構造は必ずしも円である必要はなく、多角形や楕円などの形状でも良い。

このフォトニック結晶は光を局在させる効果ももつため、光の群速度を遅くすることも可能である。フォトニックバンドの波数−周波数曲線の傾きが小さい部分を利用するフォトニク結晶構造を形成することにより、光のスピードを１／100以下にするような群速度遅延効果を与えることができ、光と波長変換素子との相互作用を強める効果も同時に与えることができる。

図６では２次元のフォトニック結晶スラブ構造９１の光閉じ込め層９と波長変換層５を異なる材料で形成する構成を示したが、図７（ａ），（ｂ）に示すように、波長変換層４自体に光閉じ込め層９を形成しても良い。図７（ａ）は波長変換層４の途中までフォトニック結晶スラブ構造９１が形成されている場合を示し、図７（ｂ）は波長変換層４の厚みと同じだけフォトニック結晶スラブ構造９１が形成されている場合を示す。この（ｃ）に示した場合は、（ｂ）に示した場合と比べてフォトニック結晶の光と閉じ込めや異常分散効果を強く発現させる必要があるときに用いる。

このようなフォトニック結晶スラブ構造９１を光学結晶に形成するには、半導体プロセス技術を用いる。光学結晶であるニオブ酸リチウムに直径400ｎｍで周期600ｎｍの三角格子フォトニック結晶配列を形成したときの電子顕微鏡写真を図８に示す。側面と底面の粗さを１０ｎｍ以下に抑えたフォトニック結晶配列のパターニングに成功しており、波長変換層４にフォトニック結晶を形成することが可能であることを示している。

前記説明ではフォトニック結晶スラブ構造９１のフォトニック結晶配列を均一に配列した場合について説明したが、フォトニック結晶配列を均一に配列する必要はなく、図９（ａ）に示すように、フォトニック結晶を形成する円孔９２の一部に欠落部分９３を設けた欠陥構造であっても良い。このように欠落部分９３を設けることにより、欠陥部分９３に光を局在させることができ、ビームスポットを小さくすることが可能となる。また、欠陥部分９３の大きさは数μｍであるのできわめて小さい部分に光を閉じ込めることができ、光パワーの増大を可能にできる。また、図９（ｂ）に示すように、フォトニック結晶を形成する円孔９２の一部に大きさを変化させた部分９４を設けることにより、ビームスポット形状を調整することができる。フォトニック結晶配列は屈折率差を与える構造の形状と周期によって特性を調整することでき、図９（ｃ）に示すように、楕円形状にすることによって、長軸と短軸の方向に対する構成の差異を持たせることや、図９（ｄ）に示すように、方向による周期変化によって特性を調整することができる。

このフォトニック結晶スラブ構造９１は、リソグラフィーとエッチングという半導体プロセス加工を応用することにより作成する。そのため、パターニング形状に対しては柔軟に形状を設定することができるので、周期的な構造を形成することと同様な製作方法で図９に示すような形状を製作することができる。

次に、第４の波長変換素子１ｃについて説明する。第４の波長変換素子１ｃは、図１０の側面断面図に示すように、面発光レーザ部６の支持台座６６と波長変換層４の間にマイクロレンズ層１０を有する。面発光レーザ部６から放出される光は回折の効果により波面が広がってしまい反射層３や波長変換層４に基本波が垂直に入射せず、活性層６１への光のフィードバック量が低下してしまう。この光の回折を防ぐ方法として、反射層３と活性層６１を近接させることで回折が起こる前にフィードバックさせる方法があるが、この場合、支持台座６６を薄くする必要がある。支持台座６６を薄くすると面発光レーザ部６のハンドリングが困難になり、十分に薄くすることができない。そこで支持台座６６と波長変換層４の間にマイクロレンズ層１０を設けて光の回折を防ぎ、反射層３に垂直に光を入射するようにする。このマイクロレンズ層１０はガラスやプラスチックで形成し、接着剤や接合などにより支持台座６６と接続する。このマイクロレンズ層１０のマイクロレンズ１０１の直径は面発光レーザ部６の発光部分のサイズと同程度かそれ以上であれば良い。また、面発光レーザ部６の発光部分とマイクロレンズ１０１との位置ズレによる特性劣化を防ぐために、マイクロレンズ１０１の大きさは余裕を持たせることが望ましい。例えば発光部分の直径が10μｍであれば、マイクロレンズ１０１の直径は10μｍ以上の大きさにすれば良い。さらに、位置ズレや回折を考慮して20μｍから50μｍの直径にしても良い。また、面発光レーザ部６をアレー状に配置したときは、面発光レーザ部６の配置に対してマイクロレンズアレーを形成すれば良い。

また、マイクロレンズアレーを形成した場合、発光部とマイクロレンズ１０１との位置ズレに対して効率が大きく変化する。そこで、図１１に示すように、波長変換層４と面発光レーザ部６との間に３次元フォトニック結晶層１１を設け、フォトニック結晶のスーパーレンズ効果を利用した集光するようにしても良い。この第５の波長変換素子１ｄに設けた３次元フォトニック結晶層１１のスーパーレンズ効果は、通常のレンズによる結像とは異なり、結像位置による集光点のズレがないという特徴がある。すなわちフォトニック結晶層１１を形成しておけば、面発光レーザ部６の発光点の位置によらずフォトニック結晶により光が集光される。このようにスーパーレンズ効果を示す３次元フォトニック結晶は誘電体微粒子を用いて形成することができる。例えばポリスチレンの微粒子を分散させた溶液に基板を浸して溶液から引き上げることによって自己組織化された３次元フォトニック結晶を得ることができる。このポリスチレン微粒子の直径を調整することにより特性は調整可能である。また、オートクローニング法により３次元フォトニック結晶を形成しても良い。この方法は若干複雑だが、屈折率差を比較的容易に選択することが可能であり、構造の自由度も高く、波長変換層４上に直接成膜する方法や成膜したものを接続することで形成できる。

次に、第５の波長変換素子１ｅについて説明する。第５の波長変換素子１ｅは、図１２の側面断面図に示すように、波長変換された光の出射側に光拡散層１２を有する。この光拡散層１２は出力光を拡散して位相と出射方向を変化させるので、レーザ光のコヒーレンシーを緩和させることができる。このようにレーザ光のコヒーレンシーを緩和させることにより、画像生成装置のスペックルノイズを低下させることができる。この光拡散層１２は、表面へｎｍオーダの凹凸を形成することや散乱物質を含ませた膜を形成することにより実現できる。形成する材料は出力光に対して透明であれば良く、特別な成膜をせずに基板２上に直接微細加工を施しても良い。

また、図１３の波長変換素子１ｆに示すように、波長変換層４として波長変換層１３１がバッファ層１３２に挟まれて多層構造になっているマルチ波長変換層１３を設けても良い。このマルチ波長変換層１３の波長変換層１３１の厚みはコヒーレント長よりも小さく、擬似的な位相整合を起こすようにバッファ層１３２の厚みを調整している。このようなマルチ波長変換層１３の製作方法としては、多層膜が成膜された基板に光学結晶を接合し、研磨などの方法により結晶を薄膜化する。その薄膜層上に波長変換層１３１と同程度の屈折率や熱膨張係数を持つ材料を蒸着やスパッタリングなどで成膜後、平坦化して光学結晶の接合と薄膜化を繰り返すことにより、マルチ波長変換層１３を形成することができる。また、製作は困難になるが、バッファ層にｃ軸の方向が反転した光学結晶を用いても良い。

次に面発光レーザ部６がアレー状に配置された波長変換素子１ｇを図１４に示す。この波長変換素子１ｆの波長変換層４と反射層３は一様に形成されたものを用いれば良く、パターニングなどによる分離は必要ない。ここで、図１４では面発光レーザ部６を３素子分設けた場合について示したが、面発光レーザ部６の数には制約はない。

アレー状に配置した面発光レーザは、電流注入による温度上昇分布の差などにより、その発振波長にばらつきが生じ、分極反転素子による波長変換効率の差が生じてしまう。この発光点が多くなればなるほど、この傾向が強くなるため、アレー数の増加に伴い温度制御が厳しくなる。これに対して波長変換素子１ｆのような構造であれば、発振波長がばらついてもその波長に対する波長変換が行われるので、効率の低下が抑えることができる。また、わずかに発振波長にばらつきがある方が、コヒーレンシーを緩和させる効果があるので、画像生成装置に利用するときには、スペックルによる不具合の発生を抑制することができる。

例えば２０μｍ角の面発光レーザ部６を素子間隔100μｍで配置すると、１ｍｍ角内に100素子程度配置させることができ、１つの面発光レーザ部６で形成された波長変換素子からの光出力が10ｍＷであるとすると、100素子で１Ｗの光出力を得ることができる。このような高密度な領域からの高出力はＬＥＤでは困難であり、レーザ素子の特徴を現すことができ、この素子を用いることにより非常に小型な画像表示装置を形成するための有力な光源として利用できる。

次に例えば基本波の波長を1064ｎｍとして、波長変換で532ｎｍの第２高調波を出力光とした波長変換素子１の代表的な製作方法について説明する。ここで他の波長帯に対しても設計値が若干異なるものの製作方法はほとんど同じである。

まず、ｃ軸が面内にあるニオブ酸リチウム基板２を用意し、基板２上に反射層３をＳｉＯ_２とＴｉＯ_２を１０ペアー以上成膜する。この反射層３は基本波波長に対して高い反射率を持ち、出力波波長に対しては低い反射率をもつように調整してある。基板２に成膜した反射層３に、出力波波長に対して透明な基板を接着剤により接続する。このとき透明な基板として、後工程を考慮して熱膨張係数を合わせるためにニオブ酸リチウム基板とした。接続された基板を研磨により３μｍまで薄膜化してコヒーレント長以下の薄さを持つ波長変換層４を形成する。この薄膜化にはイオンスライス法を用いて量産性を向上させる方法を用いることも可能である。その後、スペーサ５部分の一部として波長変換層４上に出力波波長に対して高い反射率を持ち、基本波波長に対しては低い反射率をもつ多層膜の反射層７を形成する。この反射層７もＳｉＯ_２とＴｉＯ_２を１０ペアー以上成膜するが、膜厚を変化させることで反射波長帯域を変化させている。一方結晶成長装置により、ＧａＡｓ基板上に、n-ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ多層膜からなるｎ側反射鏡６３とＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸の活性層６１とｐ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ多層膜からなるｐ側反射鏡６２を成膜した面発光レーザ基板を用意する。ｎ側反射鏡６３は戻り光による不安定を緩和しながら基本パワーを大きくするような反射率に調整しておく。ｐ側反射鏡６２は反射率を99.9％以上と高くしながら、多層膜のペアー数増大による電気抵抗増加による不具合を起こさない程度のペアー数に調整する。この基板に金をベースにしたｐ側電極６４とｎ側電極６５を蒸着により成膜する。ｎ側電極６４は裏面に形成するが、光出力部分をあらかじめマスキングしてから蒸着し、リフトオフ法によりマスキング部分を剥離して光出力部を形成する。表面はリソグラフィーとエッチングによりメサ形状を形成し、選択酸化を行うことで電流狭窄部６７を形成する。その後、熱アニール処理を施して電極と半導体のオーミックコンタクトを取る。その後、ポリイミドでメサを埋めこみ、電極部分を頭出しし、最終的な電極配線をパターニングする。以上のプロセスにより製作された波長変換層４付き基板と面発光レーザ部６とを有機接着剤で接続することで波長変換素子１が形成できる。このとき、接着剤以外にオプティカルコンタクトや低温接合、常温接合による直接接合を行って接続しても良い。

この発明の波長変換素子の構成を示す側面断面図である。多層膜反射鏡からなる反射層の波長に対する反射率の変化特性図である。波長変換層の光入射側に設けた反射層の波長に対する反射率の変化特性図である。第２の波長変換素子の構成を示す側面断面図である。第３の波長変換素子の構成を示す側面断面図である。光閉じ込め層を構成するフォトニック結晶スラブ構造の構成図である。光閉じ込め層を構成する他のフォトニック結晶スラブ構造の構成を示す側面断面図である。光閉じ込め層を構成するフォトニック結晶スラブ構造の配列を示す模式図である。光閉じ込め層を構成するフォトニック結晶の配列を示す平面図である。第４の波長変換素子の構成を示す側面断面図である。第５の波長変換素子の構成を示す側面断面図である。第６の波長変換素子の構成を示す側面断面図である。マルチ波長変換層を有する波長変換素子の構成を示す側面断面図である。アレー上に配列した面発光レーザ部を有する波長変換素子の構成を示す側面断面図である。

符号の説明

１；波長変換素子、２；基板、３；反射層、４；波長変換層、５；スペーサ、
６；面発光レーザ部、７；反射層、８；偏光制御層、９；光閉じ込め層、
１０；マイクロレンズ層、１１；３次元フォトニック結晶層、１２；光拡散層、
１３；マルチ波長変換層、６１；活性層、６２；ｐ側反射鏡、６３；ｎ側反射鏡、
６４；ｐ側電極、６５；ｎ側電極、６７；支持台座、６７；電流狭窄部、
６８；埋め込み部、９１；フォトニック結晶スラブ構造。

Claims

基板と反射層と波長変換層及び面発光レーザ部を有し、前記面発光レーザ部は光出力側の反射鏡と光を放出する活性層と放出された光を反射する反射鏡を有する波長変換素子であって、
前記基板に反射層が形成され、
前記反射層と前記面発光レーザ部の光出力側の反射鏡が前記波長変換層を挟んで対向配置され、前記面発光レーザ部の放出された光を反射する反射鏡と前記反射層が共振器を形成し、
前記波長変換層の厚さがコヒーレント長以下であることを特徴とする波長変換素子。
前記面発光レーザ部の活性層と前記波長変換層の間に偏光制御層を有する請求項１記載の波長変換素子。
前記面発光レーザ部の活性層と前記波長変換層の間に光閉じ込め層を有する請求項１又は２記載の波長変換素子。
前記光閉じ込め層がフォトニック結晶スラブ構造により形成されている請求項３記載の波長変換素子。
前記面発光レーザ部の活性層と前記波長変換層の間に集光層を有する請求項１乃至４のいずれかに記載の波長変換素子。
前記集光層をフォトニック結晶で形成した請求項５記載の波長変換素子。
前記基板の光出力側に出力側に光拡散層を設けた請求項１乃至６のいずれかに記載の波長変換素子。
前記波長変換層が複数層で構成されている請求項１乃至７のいずれかに記載の波長変換素子。
前記面発光レーザ部がアレー状に配置している請求項１乃至８のいずれかに記載の波長変換素子。