JP4793820B2 - 2次元フォトニック結晶面発光レーザ光源 - Google Patents
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Description
ここでは、図1(a)に示すように2次元フォトニック結晶11を矩形に囲うように反射部12を設けた場合を例に説明する。この例における2次元フォトニック結晶11は、スラブ状の母材111に、母材111とは屈折率が異なる空孔112を正方格子状に配列したものである。キャリアの注入により活性層において生成される光により、図1(b)に示すように、2次元フォトニック結晶11において空孔112の周期と同じ周期又はその整数分の1の周期を有する定在波13が形成される。反射部12が存在することにより、この定在波13の振幅は反射部12の位置において節になる包絡線で表される分布を有する。図1(c)に示すように、この振幅の分布には、包絡線が1つの腹のみを持つ基本モード(1次モード)141の他に、複数の腹を有する2次モード142、3次モード143、...という高次モードがある。
a) 活性層と、
b) 前記活性層の一方の側に設けた2次元フォトニック結晶と、
c) 前記2次元フォトニック結晶の周囲の少なくとも一部に設けた反射部であって、該2次元フォトニック結晶内に形成される内部共振光の基本モードの振幅の包絡線が極大値を持つ位置において反射率が極大値を持つ反射率分布を有する反射部と、
を備えることを特徴とする。
a) 活性層と、
b) 前記活性層の一方の側に設けた2次元フォトニック結晶と、
c) 前記2次元フォトニック結晶の周囲の少なくとも一部に設けた反射部であって、該反射部により光が反射されることにより生じる該光の位相変化が-0.5πよりも大きく0.5πよりも小さくなるように形成された反射部と、
を備えることを特徴とする。
本発明の面発光レーザによれば、反射部が設けられていることにより、特許文献2の面発光レーザと同様に高い光の利用効率が得られる。そのうえ、反射部が基本モードの振幅の包絡線が極大値を持つ位置において極大値を持つように反射率分布を有することにより、基本モードによるレーザ発振を選択的に得ることができ、それにより、特許文献2の面発光レーザでは得られない単一波長のレーザ光を出射させることができる。
なお、モードの次数が高くなる程、それとは次数が1つだけ異なるモードが同時に形成されやすくなるため、本発明では最も次数の低い基本モードが選択されるようにしている。
参考例の面発光レーザによれば、中心部に強度を持たない環状の断面形状を有し、その中心から外側に向かう方向(径方向)に偏光したレーザビームを得ることができる。このようなレーザビームを「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を得ることができる。このビームは光ピックアップやレーザ加工装置等の光源に用いることができる。
本発明の面発光レーザでは、活性層の一方の側に2次元フォトニック結晶を設ける。活性層と2次元フォトニック結晶の間には、スペーサ等の部材が挿入されていてもよい。
参考例の面発光レーザは、本発明と同様の活性層及び2次元フォトニック結晶を有する。また、本発明と同様に、2次元フォトニック結晶の周囲に反射部を設ける。参考例では、光が反射部により反射される時に生じる光の位相変化が-0.5πよりも大きく0.5πよりも小さい範囲内となるように反射部を形成する。
図3に、径偏光環状レーザビームの断面を模式的に示す。図中の灰色の部分21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、中心部22に強度を持たない環状の断面形状を有し、その中心から外側に向かう方向(径方向)に偏光する。
本発明の面発光レーザの実施例を図4〜図11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31の上に、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321を挟んで、インジウム・ガリウム砒素(InGaAs)/ガリウム砒素(GaAs)から成り多重量子井戸(Multiple-Quantum Well; MQW)を有する活性層33を設ける。そして、活性層33の上に、AlGaAsから成るキャリアブロック層34を挟んで、2次元フォトニック結晶層35を設ける。2次元フォトニック結晶層35の構成は後述する。2次元フォトニック結晶層35の上に、p型AlGaAsから成るクラッド層322及びp型GaAsから成るコンタクト層36を設ける。そして、基板31の下に下部電極37を、コンタクト層36の上に上部電極38を、それぞれ設ける。
また、この例では、反射部46の一部は2次元フォトニック結晶43の外縁42よりも内側にまで形成されている。これにより、内部共振光の定在波は、図5(b)に太い破線47で示すように、反射部46の反射面を含む矩形の内側に形成される。これにより、2次元フォトニック結晶43の外縁42において不要な反射が生じることを防ぐことができる。
この計算では、反射部において光が反射される際に位相がπだけ変化する(位相が反転する)ものとした。
曲線部48における外縁42は2次元フォトニック結晶の正方格子に対して斜交しているため、その正方格子に沿って進行する光は外縁42により斜め方向に反射される。そのため、曲線部48において正反対の方向への反射率は等価的に非常に低くなる。一方、曲線部48から離れた直線部分の中央付近に振幅の包絡線の極大値を持つ基本モードは、反射部46により効果的に光の閉じ込め効果が得られる。これらの作用により、第3実施例の面発光レーザでは基本モードによるレーザ発振が効果的に選択される。
参考例の面発光レーザを、図12及び図13を用いて説明する。
参考例の面発光レーザは、2次元フォトニック結晶層35に設けた反射部の構成を除いて、図4に示した本発明の実施例(第1実施例及び第2実施例)の面発光レーザと同様の構造を有する。図12に、参考例における2次元フォトニック結晶層35の平面図を示す。参考例では、2次元フォトニック結晶43の外縁42の各辺毎に、外縁に平行な方向に並んだ、同じ長さの溝を複数設けることにより反射部61を形成する。そして、外縁42に最も近い空孔441の中心と、その空孔に最も近い溝62の間の距離Lを、目的とする光の波長の(n/2-1/8)〜(n/2+1/8)倍(nは整数)になるように設定する。なお、Lが負である場合は溝62が空孔441よりも2次元フォトニック結晶43の内側にあることを、Lが正である場合は溝62が空孔441よりも2次元フォトニック結晶43の外側にあることを、それぞれ示す。
111、41…母材
112、44、441…空孔
12、45、46、51、61…反射部
13…定在波
14…包絡線
141…基本モード(1次モード)
142…2次モード
143…3次モード
31…基板
321、322…クラッド層
33…活性層
34…キャリアブロック層
35、351、352、353…2次元フォトニック結晶層
36…コンタクト層
37…下部電極
38…上部電極
42…2次元フォトニック結晶の外縁
48…外縁の曲線部
62…溝
Claims (6)
- a) 活性層と、
b) 前記活性層の一方の側に設けた2次元フォトニック結晶と、
c) 前記2次元フォトニック結晶の周囲の少なくとも一部に設けた反射部であって、該2次元フォトニック結晶内に形成される内部共振光の基本モードの振幅の包絡線が極大値を持つ位置において反射率が極大値を持つ反射率分布を有する反射部と、
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光源。 - 前記反射部が、前記2次元フォトニック結晶を囲む線上のうち、前記基本モードの振幅の包絡線が極大値を持つ位置を含む一部分にのみ前記内部共振光を反射する部材を設けたもの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光源。
- 前記反射部の一部が前記2次元フォトニック結晶の外縁よりも内側に形成されていることを特徴とする請求項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光源。
- 前記2次元フォトニック結晶が、前記基本モードの振幅の包絡線が極大値を持つ位置以外において少なくとも一部が曲線状である外縁を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の2次元フォトニック結晶面発光レーザ光源。
- 前記2次元フォトニック結晶がスラブ状の本体に該本体とは屈折率の異なる領域を正方格子状に配置したものであり、前記反射部が前記2次元フォトニック結晶を矩形に囲う線状に設けられており、前記反射率分布が該矩形の各辺の中央部において最大値を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の2次元フォトニック結晶面発光レーザ光源。
- 前記2次元フォトニック結晶がスラブ状の部材に形成され、前記反射部が該2次元フォトニック結晶の外縁に平行に設けられた複数本の溝により形成されており、前記反射率分布が該溝の本数の違いにより形成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の2次元フォトニック結晶面発光レーザ光源。
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