JP5804690B2 - 面発光レーザ - Google Patents
面発光レーザ Download PDFInfo
- Publication number
- JP5804690B2 JP5804690B2 JP2010249158A JP2010249158A JP5804690B2 JP 5804690 B2 JP5804690 B2 JP 5804690B2 JP 2010249158 A JP2010249158 A JP 2010249158A JP 2010249158 A JP2010249158 A JP 2010249158A JP 5804690 B2 JP5804690 B2 JP 5804690B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- emitting laser
- active layer
- surface emitting
- photonic crystal
- dimensional photonic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/11—Comprising a photonic bandgap structure
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
- H01S5/185—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only horizontal cavities, e.g. horizontal cavity surface-emitting lasers [HCSEL]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S2301/00—Functional characteristics
- H01S2301/14—Semiconductor lasers with special structural design for lasing in a specific polarisation mode
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S2301/00—Functional characteristics
- H01S2301/16—Semiconductor lasers with special structural design to influence the modes, e.g. specific multimode
- H01S2301/166—Single transverse or lateral mode
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
- H01S5/125—Distributed Bragg reflector [DBR] lasers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
- H01S5/323—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
- H01S5/32308—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm
- H01S5/32341—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm blue laser based on GaN or GaP
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
Description
本発明は、面発光レーザに関するものである。特に、横モードをシングルモード発振させながら、出射ビームの偏光も１次元方向に揃えることが可能な分布帰還型のフォトニック結晶面発光レーザに関するものである。
半導体レーザの１つである面発光レーザは、基板に対して垂直方向や斜め方向に光を出射することを特長とする。
最近では、基板の面内方向に共振したレーザ光を、回折格子によって面外へ出射させる分布帰還（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ；ＤＦＢ）型の面発光レーザが研究されている。
以下、この分布帰還型の面発光レーザを、ＤＦＢ型の面発光レーザと略記する。非特許文献１には、回折格子が２次元的に形成された２次元フォトニック結晶を使ったＤＦＢ型の面発光レーザが開示されている。
非特許文献１に開示された２次元フォトニック結晶の２つの基本並進ベクトルは同じ長さであり、発振波長をλ、共振モードによって決定される実効屈折率ｎｅｆｆとすると、それら基本並進ベクトルの長さは、λ／ｎｅｆｆに等しい。２つの基本並進ベクトルの長さが同じ２次元フォトニック結晶は、発光面積の大きさに依らず、２次元的な共振モードが形成されるため、横モードはシングルモードで発振する。
また、基本並進ベクトルの長さがλ／ｎｅｆｆであることから、２次元フォトニック結晶は２次の回折格子として機能し、２次回折によって面内回折（帰還効果、特にゲイン領域では増幅効果）が、１次回折によって面垂直方向への回折が生じる。
よって、面内回折によりレーザ発振した光は、１次回折により垂直出射する。その垂直出射したレーザ光は、２次元的な共振を反映した偏光、すなわち偏光が２次元成分で形成される。非特許文献１には、方位偏光のビームが開示されている。
最近では、基板の面内方向に共振したレーザ光を、回折格子によって面外へ出射させる分布帰還（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ；ＤＦＢ）型の面発光レーザが研究されている。
以下、この分布帰還型の面発光レーザを、ＤＦＢ型の面発光レーザと略記する。非特許文献１には、回折格子が２次元的に形成された２次元フォトニック結晶を使ったＤＦＢ型の面発光レーザが開示されている。
非特許文献１に開示された２次元フォトニック結晶の２つの基本並進ベクトルは同じ長さであり、発振波長をλ、共振モードによって決定される実効屈折率ｎｅｆｆとすると、それら基本並進ベクトルの長さは、λ／ｎｅｆｆに等しい。２つの基本並進ベクトルの長さが同じ２次元フォトニック結晶は、発光面積の大きさに依らず、２次元的な共振モードが形成されるため、横モードはシングルモードで発振する。
また、基本並進ベクトルの長さがλ／ｎｅｆｆであることから、２次元フォトニック結晶は２次の回折格子として機能し、２次回折によって面内回折（帰還効果、特にゲイン領域では増幅効果）が、１次回折によって面垂直方向への回折が生じる。
よって、面内回折によりレーザ発振した光は、１次回折により垂直出射する。その垂直出射したレーザ光は、２次元的な共振を反映した偏光、すなわち偏光が２次元成分で形成される。非特許文献１には、方位偏光のビームが開示されている。
偏光方向が２次元的になる理由を、非特許文献１に開示されている２次元フォトニック結晶を従来例により説明する。
図９は、格子点が正方格子状に配列した従来例の２次元フォトニック結晶の逆格子空間を表した３次元的な模式図である。なお、Ｘ１とＸ２は、逆格子空間における基本並進ベクトルである。
図９（ａ）を使って、Ｘ１方向に進行するＴＥ偏光の波数ベクトルｋ１の回折を説明する。
波数ベクトルｋ１は、１次回折によって、垂直方向の回折波ｋ１’となる。回折前後で偏光は維持されるので、ｋ１’の偏光方向は、Ｘ１方向とｋ１’方向のいずれに対しても垂直である。なお、図９において、点線の矢印が偏光を表している。また、同時に、２次回折により、ｋ１に対して１８０度逆方向へ進行する回折波ｋ１’’も生じるが、垂直方向へ出射する光の偏光には関係しない。この回折波ｋ１’’は、ゲイン領域下での増幅効果に寄与する。
同様に、図９（ｂ）を使って、Ｘ２方向に進行する波数ベクトルｋ２の回折を説明する。
波数ベクトルｋ２も１次回折によって垂直方向への回折波ｋ２’となる。偏光方向は維持され、ｋ２’は、Ｘ１方向とｋ２’方向のいずれに対しても垂直な方向に振動する偏光をもつ。
また、これと同時に２次回折により、ｋ２に対して１８０度逆方向へ進行する回折波ｋ２’’も生じる。
垂直出射に寄与するｋ１’とｋ２’の１次回折は同時に生じるので、図９（ｃ）に示すように、垂直方向に出射する波ｋ’は、ｋ１’とｋ２’が結合したものとなる。すなわち、ｋ’の偏光は、２次元的な成分が合成された偏光となる。
図９は、格子点が正方格子状に配列した従来例の２次元フォトニック結晶の逆格子空間を表した３次元的な模式図である。なお、Ｘ１とＸ２は、逆格子空間における基本並進ベクトルである。
図９（ａ）を使って、Ｘ１方向に進行するＴＥ偏光の波数ベクトルｋ１の回折を説明する。
波数ベクトルｋ１は、１次回折によって、垂直方向の回折波ｋ１’となる。回折前後で偏光は維持されるので、ｋ１’の偏光方向は、Ｘ１方向とｋ１’方向のいずれに対しても垂直である。なお、図９において、点線の矢印が偏光を表している。また、同時に、２次回折により、ｋ１に対して１８０度逆方向へ進行する回折波ｋ１’’も生じるが、垂直方向へ出射する光の偏光には関係しない。この回折波ｋ１’’は、ゲイン領域下での増幅効果に寄与する。
同様に、図９（ｂ）を使って、Ｘ２方向に進行する波数ベクトルｋ２の回折を説明する。
波数ベクトルｋ２も１次回折によって垂直方向への回折波ｋ２’となる。偏光方向は維持され、ｋ２’は、Ｘ１方向とｋ２’方向のいずれに対しても垂直な方向に振動する偏光をもつ。
また、これと同時に２次回折により、ｋ２に対して１８０度逆方向へ進行する回折波ｋ２’’も生じる。
垂直出射に寄与するｋ１’とｋ２’の１次回折は同時に生じるので、図９（ｃ）に示すように、垂直方向に出射する波ｋ’は、ｋ１’とｋ２’が結合したものとなる。すなわち、ｋ’の偏光は、２次元的な成分が合成された偏光となる。
ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＮ ＳＥＬＥＣＴＥＤ ＡＲＥＡＳ ＩＮ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ，ｖｏｌ．２３，１３３５ （２００５）．
２次元フォトニック結晶を用いたＤＦＢ型の面発光レーザでは、発光面積に依らず横モードがシングルモードで発振するものの、偏光方向が２次元的なビームしか得られない。
このような２次元的な偏光を有するレーザビームを、複屈折光学素子に入射させた場合、偏光起因の収差が生じるという課題がある。
一方で、１次元フォトニック結晶を使った面発光レーザは、１方向の回折しか存在しないので、自ずと、出射ビームの偏光は１次元的になる。
しかしながら、１次元フォトニック結晶の面発光レーザは、発光面積を大きくすると、横モードがマルチモード化する。
このような２次元的な偏光を有するレーザビームを、複屈折光学素子に入射させた場合、偏光起因の収差が生じるという課題がある。
一方で、１次元フォトニック結晶を使った面発光レーザは、１方向の回折しか存在しないので、自ずと、出射ビームの偏光は１次元的になる。
しかしながら、１次元フォトニック結晶の面発光レーザは、発光面積を大きくすると、横モードがマルチモード化する。
本発明は、上記課題に鑑み、発光面積に依らず横モードがシングルモードで発振させることができ、出射ビームの偏光を１次元的に揃わせることが可能となるＤＦＢ型の面発光レーザの提供を目的とする。
本発明の面発光レーザは、活性層と、前記活性層の面内方向に共振モードを有する２次元フォトニック結晶と、を備えた面発光レーザであって、
前記２次元フォトニック結晶は、異なる方向へ伸びる基本並進ベクトルａ1と基本並進ベクトルａ2 とを有し、
前記共振モードは、少なくとも前記ａ 1 の方向の共振モードと前記ａ 2 の方向の共振モードとを有し、
前記ａ 1の長さ｜ａ1 ｜は、前記ａ1 の方向の共振モードにおける共振波長をλ 1 、前記ａ 1 の方向の共振モードによって決まる実効屈折率をｎ eff1 、２以上の整数をｐとすると、｜ａ1｜＝ｐ×（λ1／２ｎeff1）で表され、
前記ａ 2の長さ｜ａ2 ｜は、前記ａ2 の方向の共振モードにおける共振波長をλ 2 、前記ａ2 の方向の共振モードによって決まる実効屈折率をｎeff2 とすると、｜ａ2｜＝λ2／２ｎeff2 で表され、
前記λ 1と前記λ 2は、前記面発光レーザの外側に位置する外部媒質の屈折率をｎout とすると、λ2≦２×（ｎeff2／（ｎout＋ｎeff2））×λ1を満たすことを特徴とする。
前記２次元フォトニック結晶は、異なる方向へ伸びる基本並進ベクトルａ1と基本並進ベクトルａ2 とを有し、
前記共振モードは、少なくとも前記ａ 1 の方向の共振モードと前記ａ 2 の方向の共振モードとを有し、
前記ａ 1の長さ｜ａ1 ｜は、前記ａ1 の方向の共振モードにおける共振波長をλ 1 、前記ａ 1 の方向の共振モードによって決まる実効屈折率をｎ eff1 、２以上の整数をｐとすると、｜ａ1｜＝ｐ×（λ1／２ｎeff1）で表され、
前記ａ 2の長さ｜ａ2 ｜は、前記ａ2 の方向の共振モードにおける共振波長をλ 2 、前記ａ2 の方向の共振モードによって決まる実効屈折率をｎeff2 とすると、｜ａ2｜＝λ2／２ｎeff2 で表され、
前記λ 1と前記λ 2は、前記面発光レーザの外側に位置する外部媒質の屈折率をｎout とすると、λ2≦２×（ｎeff2／（ｎout＋ｎeff2））×λ1を満たすことを特徴とする。
本発明によれば、発光面積に依らず横モードがシングルモードで発振させることができ、出射ビームの偏光を１次元的に揃わせることが可能となるＤＦＢ型の面発光レーザを実現することができる。
次に、本発明を適用した面発光レーザの実施形態について説明する。
［実施形態１］
本発明を適用した実施形態１の面発光レーザについて説明する。
まず、図１を用いて、本実施形態の面発光レーザの構造について説明する。
本実施形態の面発光レーザ１００は、基板１０１上に、ｎ型クラッド層１０２、活性層１０３、２次元フォトニック結晶層１０４、ｐ型クラッド層１０５、コンタクト層１０６が順に積層されている。
基板１０１において活性層１０３とは反対側の面には、ｎ側電極１０７が形成されており、コンタクト層１０６において活性層１０３とは反対側の面には、ｐ側電極１０８が形成されている。なお、ｎ型クラッド層１０２と活性層１０３の間、または、ｐ型クラッド層１０５と活性層１０３の間に、ｎ型クラッド層１０２とｐ型クラッド層１０５よりも屈折率が高いガイド層があってもよい。
また、積層方向に光が閉じ込められるのであれば、ｐ型クラッド層１０５はなくても良い。
基板１０１、ｎ型クラッド層１０２、活性層１０３、ｐ型クラッド層１０５、コンタクト層１０６は、半導体材料であり、例えば、Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｎ、Ａｓ、Ｐ、Ｓｂ、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎのいずれかの元素を含む半導体である。本実施形態１では、基板１０１はＧａＮ、ｎ型クラッド層１０２はＡｌＧａＮ、活性層１０３はＩｎＧａＮ、ｐ型クラッド層１０５はＡｌＧａＮ、コンタクト層１０６はＧａＮである。
面発光レーザ１００の外側、すなわちｎ側電極１０７とｐ側電極１０８の外側は、外部媒質１０９で覆われている。
［実施形態１］
本発明を適用した実施形態１の面発光レーザについて説明する。
まず、図１を用いて、本実施形態の面発光レーザの構造について説明する。
本実施形態の面発光レーザ１００は、基板１０１上に、ｎ型クラッド層１０２、活性層１０３、２次元フォトニック結晶層１０４、ｐ型クラッド層１０５、コンタクト層１０６が順に積層されている。
基板１０１において活性層１０３とは反対側の面には、ｎ側電極１０７が形成されており、コンタクト層１０６において活性層１０３とは反対側の面には、ｐ側電極１０８が形成されている。なお、ｎ型クラッド層１０２と活性層１０３の間、または、ｐ型クラッド層１０５と活性層１０３の間に、ｎ型クラッド層１０２とｐ型クラッド層１０５よりも屈折率が高いガイド層があってもよい。
また、積層方向に光が閉じ込められるのであれば、ｐ型クラッド層１０５はなくても良い。
基板１０１、ｎ型クラッド層１０２、活性層１０３、ｐ型クラッド層１０５、コンタクト層１０６は、半導体材料であり、例えば、Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｎ、Ａｓ、Ｐ、Ｓｂ、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎのいずれかの元素を含む半導体である。本実施形態１では、基板１０１はＧａＮ、ｎ型クラッド層１０２はＡｌＧａＮ、活性層１０３はＩｎＧａＮ、ｐ型クラッド層１０５はＡｌＧａＮ、コンタクト層１０６はＧａＮである。
面発光レーザ１００の外側、すなわちｎ側電極１０７とｐ側電極１０８の外側は、外部媒質１０９で覆われている。
つぎに、図２を用いて、本実施形態の２次元フォトニック結晶層の構造について説明する。
図２の２次元フォトニック結晶層１０４の上面図に示すように、本実施形態の２次元フォトニック結晶層１０４は、高屈折率媒質１１０に、円柱の低屈折率媒質１１１が長方格子状に配置されている。なお、格子形状は、斜方格子であっても以下の同じ効果が得られる。
また、高屈折率媒質１１０は、半導体材料であり、例えば、Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｎ、Ａｓ、Ｐ、Ｓｂ、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎのいずれかの元素を含む半導体である。
低屈折率媒質１１１は、高屈折率媒質１１０よりも屈折率の低い媒質であり、例えば空気やＳｉＯ2などが用いられる。
本実施形態では、高屈折率媒質１１０はＧａＮ、低屈折率媒質１１１は空気である。
図２の２次元フォトニック結晶層１０４の上面図に示すように、本実施形態の２次元フォトニック結晶層１０４は、高屈折率媒質１１０に、円柱の低屈折率媒質１１１が長方格子状に配置されている。なお、格子形状は、斜方格子であっても以下の同じ効果が得られる。
また、高屈折率媒質１１０は、半導体材料であり、例えば、Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｎ、Ａｓ、Ｐ、Ｓｂ、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎのいずれかの元素を含む半導体である。
低屈折率媒質１１１は、高屈折率媒質１１０よりも屈折率の低い媒質であり、例えば空気やＳｉＯ2などが用いられる。
本実施形態では、高屈折率媒質１１０はＧａＮ、低屈折率媒質１１１は空気である。
図２の長方格子は、２つの基本並進ベクトルａ1とａ2で構成される。
基本並進ベクトルａ1とａ2の長さが異なるため、この２次元フォトニック結晶は、少なくともａ1方向の共振モードとａ2方向の共振モードを有し、さらに、それらは、光学的に、直接、結合しない。
言い換えると、ａ1方向の回折格子に起因する共振モードと、ａ2方向の回折格子に起因する共振モードは独立に制御でき、それぞれ異なる機能をもたせることが可能である。
そこで、本発明では、ａ1方向の回折格子は、波長λ1の光を面外へ出射させる機能をもたせる。一方で、ａ2方向の回折格子は、その屈折率周期構造によって、レーザの横モードを制御する機能をもたせる。
この際、ａ2方向の回折格子は、波長λ1の光は、面外へ回折しないような周期とする。
このような形態にすることで、出射ビームの偏光を１次元方向に揃えながら、横モードがシングルモードで発振する面発光レーザを実現することが可能である。ここで、ａ1方向の回折格子における基本並進ベクトルａ1の長さについて説明する。
本実施形態においては、基本並進ベクトルａ1の長さを｜ａ1｜とするとき、
｜ａ1｜は、ａ1方向の共振モードにおける共振波長λ1と、そのａ1方向の共振モードによって決まる実効屈折率ｎeff1と、２以上の整数ｐによって記述される関係式｜ａ1｜＝ｐ×（λ1／２ｎeff1）を満足する長さに設定する。
本実施形態では、ｐ＝２、｜ａ1｜＝１６１．３５ｎｍに設定したため、活性層１０３から発生した波長λ1＝４０５ｎｍの光は、１次回折によって面垂直方向へ回折し、２次回折によって１８０度逆の面内方向へ回折する。
さらに、ａ2方向の回折格子における基本並進ベクトルａ2の長さについて説明する。
本実施形態においては、基本並進ベクトルａ2の長さを｜ａ2｜とするとき、
｜ａ2｜は、ａ2方向の共振モードの共振波長λ2と、そのａ2方向の共振モードによって決まる実効屈折率ｎeff2によって記述される関係式｜ａ2｜＝λ2／２ｎeff2を満足する長さに設定する。
さらに、共振波長λ1と共振波長λ2は、実効屈折率ｎeff2と外部媒質１０９の屈折率ｎoutによって記述される関係式λ2≦２×（ｎeff2／（ｎout＋ｎeff2））×λ1を満足するように設定する。
これらの条件を満たすことで、波長λ1の光は、ａ2方向に形成された回折格子によって、面外へ回折することはない。
すなわち、面発光レーザ１００から面外へ出射する波長λ1のレーザ光の偏光を１次元成分のみで形成することが可能である。
基本並進ベクトルａ1とａ2の長さが異なるため、この２次元フォトニック結晶は、少なくともａ1方向の共振モードとａ2方向の共振モードを有し、さらに、それらは、光学的に、直接、結合しない。
言い換えると、ａ1方向の回折格子に起因する共振モードと、ａ2方向の回折格子に起因する共振モードは独立に制御でき、それぞれ異なる機能をもたせることが可能である。
そこで、本発明では、ａ1方向の回折格子は、波長λ1の光を面外へ出射させる機能をもたせる。一方で、ａ2方向の回折格子は、その屈折率周期構造によって、レーザの横モードを制御する機能をもたせる。
この際、ａ2方向の回折格子は、波長λ1の光は、面外へ回折しないような周期とする。
このような形態にすることで、出射ビームの偏光を１次元方向に揃えながら、横モードがシングルモードで発振する面発光レーザを実現することが可能である。ここで、ａ1方向の回折格子における基本並進ベクトルａ1の長さについて説明する。
本実施形態においては、基本並進ベクトルａ1の長さを｜ａ1｜とするとき、
｜ａ1｜は、ａ1方向の共振モードにおける共振波長λ1と、そのａ1方向の共振モードによって決まる実効屈折率ｎeff1と、２以上の整数ｐによって記述される関係式｜ａ1｜＝ｐ×（λ1／２ｎeff1）を満足する長さに設定する。
本実施形態では、ｐ＝２、｜ａ1｜＝１６１．３５ｎｍに設定したため、活性層１０３から発生した波長λ1＝４０５ｎｍの光は、１次回折によって面垂直方向へ回折し、２次回折によって１８０度逆の面内方向へ回折する。
さらに、ａ2方向の回折格子における基本並進ベクトルａ2の長さについて説明する。
本実施形態においては、基本並進ベクトルａ2の長さを｜ａ2｜とするとき、
｜ａ2｜は、ａ2方向の共振モードの共振波長λ2と、そのａ2方向の共振モードによって決まる実効屈折率ｎeff2によって記述される関係式｜ａ2｜＝λ2／２ｎeff2を満足する長さに設定する。
さらに、共振波長λ1と共振波長λ2は、実効屈折率ｎeff2と外部媒質１０９の屈折率ｎoutによって記述される関係式λ2≦２×（ｎeff2／（ｎout＋ｎeff2））×λ1を満足するように設定する。
これらの条件を満たすことで、波長λ1の光は、ａ2方向に形成された回折格子によって、面外へ回折することはない。
すなわち、面発光レーザ１００から面外へ出射する波長λ1のレーザ光の偏光を１次元成分のみで形成することが可能である。
図３を用いて、これらの回折現象を説明する。
図３は、Ｘ１方向とＸ２方向のフォトニックバンド図である。
なお、Ｘ１方向とＸ２方向は、基本逆格子ベクトルを表し、Ｘ１方向は実空間のａ1方向に、Ｘ２方向は実空間のａ2方向に対応する。
また、共振波長λ1に対応する周波数がｆ1、共振波長λ2に対応する周波数がｆ2である。
また、ａ2方向の回折格子、すなわち屈折率周期構造に基づく分散曲線をＤ2、面発光レーザ１００の外側に位置する外部媒質１０９の屈折率ｎoutによって決まるライトラインをＤoutとする。
周波数ｆ1（共振波長λ1）の光が、Ｘ２方向の回折（ａ2方向の回折格子）によって面外へ出射しないようにするための条件は、分散曲線Ｄ2とライトラインＤoutの交点の周波数ｆxが、周波数ｆ1よりも大きければよい。
以下、これらを式で説明する。
Ｘ２点で折り返した、分散曲線Ｄ2は、次の（式１）で表される。
Ｄ2＝−（１／ｎeff2）×ｋ＋２／ｎeff1×（λ1／λ2） （式１）
一方で、ライトラインＤoutは、次の（式２）で表される。
Ｄout＝１／ｎout×ｋ （式２）
よって、分散曲線Ｄ2とライトラインＤoutの交点の周波数ｆxは、次の（式３）で表される。
図３は、Ｘ１方向とＸ２方向のフォトニックバンド図である。
なお、Ｘ１方向とＸ２方向は、基本逆格子ベクトルを表し、Ｘ１方向は実空間のａ1方向に、Ｘ２方向は実空間のａ2方向に対応する。
また、共振波長λ1に対応する周波数がｆ1、共振波長λ2に対応する周波数がｆ2である。
また、ａ2方向の回折格子、すなわち屈折率周期構造に基づく分散曲線をＤ2、面発光レーザ１００の外側に位置する外部媒質１０９の屈折率ｎoutによって決まるライトラインをＤoutとする。
周波数ｆ1（共振波長λ1）の光が、Ｘ２方向の回折（ａ2方向の回折格子）によって面外へ出射しないようにするための条件は、分散曲線Ｄ2とライトラインＤoutの交点の周波数ｆxが、周波数ｆ1よりも大きければよい。
以下、これらを式で説明する。
Ｘ２点で折り返した、分散曲線Ｄ2は、次の（式１）で表される。
Ｄ2＝−（１／ｎeff2）×ｋ＋２／ｎeff1×（λ1／λ2） （式１）
一方で、ライトラインＤoutは、次の（式２）で表される。
Ｄout＝１／ｎout×ｋ （式２）
よって、分散曲線Ｄ2とライトラインＤoutの交点の周波数ｆxは、次の（式３）で表される。
ｆｘ＝２×（ｎｅｆｆ２／ｎｅｆｆ１）×（１／（ｎｏｕｔ＋ｎｅｆｆ２））×（λ１／λ２） （式３）
ｆ１≦ｆｘであるので、次の（式４）が導かれる。
λ２≦２×（ｎｅｆｆ２／（ｎｏｕｔ＋ｎｅｆｆ２））×λ１ （式４）
本実施形態においては、外部媒質は空気であり、その屈折率ｎｏｕｔは１であるので、次の（式５）が導かれる。
λ２≦２×（ｎｅｆｆ２／（１＋ｎｅｆｆ２））×λ１ （式５）
また、上記（式５）の関係を｜ａ１｜と｜ａ２｜の関係式に変換すると次の（式６）となる。
｜ａ２｜≦（２／ｐ）×ｎｅｆｆ１／（１＋ｎｅｆｆ２）×｜ａ１｜ （式６）
本実施形態では、｜ａ２｜＝７８．１３ｎｍであり、λ２＝４００ｎｍとなる。
ｆ１≦ｆｘであるので、次の（式４）が導かれる。
λ２≦２×（ｎｅｆｆ２／（ｎｏｕｔ＋ｎｅｆｆ２））×λ１ （式４）
本実施形態においては、外部媒質は空気であり、その屈折率ｎｏｕｔは１であるので、次の（式５）が導かれる。
λ２≦２×（ｎｅｆｆ２／（１＋ｎｅｆｆ２））×λ１ （式５）
また、上記（式５）の関係を｜ａ１｜と｜ａ２｜の関係式に変換すると次の（式６）となる。
｜ａ２｜≦（２／ｐ）×ｎｅｆｆ１／（１＋ｎｅｆｆ２）×｜ａ１｜ （式６）
本実施形態では、｜ａ２｜＝７８．１３ｎｍであり、λ２＝４００ｎｍとなる。
以下、図４を用いて、ａ1方向とａ2方向に形成された回折格子内の回折現象を偏光方向と合わせて説明する。
図４は、本実施形態の２次元フォトニック結晶構造に対する逆格子空間を、３次元的に示しており、２次元フォトニック結晶内での回折現象を模式的に表している。図４において、偏光は点線の矢印で表している。
図４（ａ）を用いて、Ｘ１方向に進行する波数ベクトルｋ１（波長λ1）の回折を説明する。
波数ベクトルｋ１は、１次回折によって垂直方向への回折波ｋ１’となる。
回折前後で偏光は維持されるので、ｋ１’の偏光方向は、Ｘ１方向とｋ１’方向のいずれに対しても垂直である。
また、１次回折と同時に２次回折も生じ、ｋ１に対して１８０度逆方向へ進行する回折波ｋ１’’も生じるが、垂直方向へ出射する光の偏光には関係しない。この回折波ｋ１’’は、ゲイン領域下での増幅効果に寄与する。
図４は、本実施形態の２次元フォトニック結晶構造に対する逆格子空間を、３次元的に示しており、２次元フォトニック結晶内での回折現象を模式的に表している。図４において、偏光は点線の矢印で表している。
図４（ａ）を用いて、Ｘ１方向に進行する波数ベクトルｋ１（波長λ1）の回折を説明する。
波数ベクトルｋ１は、１次回折によって垂直方向への回折波ｋ１’となる。
回折前後で偏光は維持されるので、ｋ１’の偏光方向は、Ｘ１方向とｋ１’方向のいずれに対しても垂直である。
また、１次回折と同時に２次回折も生じ、ｋ１に対して１８０度逆方向へ進行する回折波ｋ１’’も生じるが、垂直方向へ出射する光の偏光には関係しない。この回折波ｋ１’’は、ゲイン領域下での増幅効果に寄与する。
次に、図４（ｂ）を用いて、Ｘ２方向への進行する波数ベクトルｋ２１（波長λ １ ）と波数ベクトルｋ２２（波長λ２）の回折を説明する。
波数ベクトルｋ２１に関しては、１次回折により、面外方向への回折波ｋ２１’となる。しかし、λ２≦２×（ｎｅｆｆ２／（１＋ｎｅｆｆ２））×λ１の関係を満たしていれば、コンタクト層１０６もしくはｐ側電極１０８と空気の界面で全反射を起こし、面外へは出射しない。
また、波数ベクトルｋ２２に関しては、１次回折により、ｋ２２に対して１８０度逆方向へ進行する回折波ｋ２２’となり、面外出射へは関係しない。
以上のことから、面外方向（本実施形態１では垂直方向）へ回折する波ｋ’は、Ｘ１方向からの１次回折ｋ１’のみが関係する。
すなわち、図４（ｃ）に示すように、垂直出射光の偏光は、Ｘ１方向とｋ１’方向のいずれに対しても垂直な、１次元的に揃った偏光を有する。
波数ベクトルｋ２１に関しては、１次回折により、面外方向への回折波ｋ２１’となる。しかし、λ２≦２×（ｎｅｆｆ２／（１＋ｎｅｆｆ２））×λ１の関係を満たしていれば、コンタクト層１０６もしくはｐ側電極１０８と空気の界面で全反射を起こし、面外へは出射しない。
また、波数ベクトルｋ２２に関しては、１次回折により、ｋ２２に対して１８０度逆方向へ進行する回折波ｋ２２’となり、面外出射へは関係しない。
以上のことから、面外方向（本実施形態１では垂直方向）へ回折する波ｋ’は、Ｘ１方向からの１次回折ｋ１’のみが関係する。
すなわち、図４（ｃ）に示すように、垂直出射光の偏光は、Ｘ１方向とｋ１’方向のいずれに対しても垂直な、１次元的に揃った偏光を有する。
本実施形態の面発光レーザ１００は、横モードをシングルモードで発振させることが可能ある。
図５は、本実施形態の２次元フォトニック結晶の逆格子空間の上面図である。
Ｘ１方向に進む波数ベクトルｋ１１は、逆格子ベクトルＧ１１によって、垂直な方向へ回折したｋ１１’となる。
一方で、Ｘ１方向から少しずれた方向に進む波数ベクトルｋ１２は、１次元フォトニック結晶の面発光レーザの場合、横モードのマルチモード化の原因となる。しかしながら、本実施形態においては、Ｘ２方向へも周期構造が形成されているため、光学モードが一意に決定される。
すなわち、ｋ１２は、回折格子内を伝搬する導波モードとして存在するか、もしくは、その方向には光学モードが存在しないかのどちらかである。
すなわち、面発光領域の幅を広げたとしても、垂直方向へ出射する横モードはｋ１１’に起因するものだけである。これが単一横モード発振を可能にしている。また、２次元フォトニック結晶面内のゲイン分布で、発振モードのプロファイルを制御することも可能である。
図５は、本実施形態の２次元フォトニック結晶の逆格子空間の上面図である。
Ｘ１方向に進む波数ベクトルｋ１１は、逆格子ベクトルＧ１１によって、垂直な方向へ回折したｋ１１’となる。
一方で、Ｘ１方向から少しずれた方向に進む波数ベクトルｋ１２は、１次元フォトニック結晶の面発光レーザの場合、横モードのマルチモード化の原因となる。しかしながら、本実施形態においては、Ｘ２方向へも周期構造が形成されているため、光学モードが一意に決定される。
すなわち、ｋ１２は、回折格子内を伝搬する導波モードとして存在するか、もしくは、その方向には光学モードが存在しないかのどちらかである。
すなわち、面発光領域の幅を広げたとしても、垂直方向へ出射する横モードはｋ１１’に起因するものだけである。これが単一横モード発振を可能にしている。また、２次元フォトニック結晶面内のゲイン分布で、発振モードのプロファイルを制御することも可能である。
ここで、基本並進ベクトルａ2の長さの下限について説明する。
図２の長方格子の基本並進ベクトルａ2の長さを、活性層１０３の発光波長範囲の最短波長λSによって記述される関係式｜ａ2｜≧λS／２ｎeff2、すなわちλS≦λ2を満足することが好ましい。
本実施形態の長方格子は、基本並進ベクトルａ1とａ2の長さが異なるため、逆格子空間においても、Ｘ１方向とＸ２方向の基本逆格子ベクトルの長さが異なる。よって、ａ1方向の共振モードとａ2方向の共振モードは、光学的に結合しない。言い換えると、活性層１０３にてａ2方向の共振波長λ2の光に変換されたキャリアは、面発光する光には結合しないため、結果的に、エネルギーは損失になる。すなわち、ａ2方向の回折格子により、横モード制御ができるという利点があるものの、ａ2方向の共振モードの光は、面発光レーザのエネルギー効率の観点から見ると、効率的とはいえない。
そこで、基本並進ベクトルａ2の長さを、活性層１０３の発光波長範囲の最短波長λSによって記述される関係式｜ａ2｜≧λS／２ｎeff2、すなわちλS≦λ2を満足することが好ましい。この関係式を満たすことで、フォトンリサイクリングによるエネルギー効率の向上が可能となる。
図２の長方格子の基本並進ベクトルａ2の長さを、活性層１０３の発光波長範囲の最短波長λSによって記述される関係式｜ａ2｜≧λS／２ｎeff2、すなわちλS≦λ2を満足することが好ましい。
本実施形態の長方格子は、基本並進ベクトルａ1とａ2の長さが異なるため、逆格子空間においても、Ｘ１方向とＸ２方向の基本逆格子ベクトルの長さが異なる。よって、ａ1方向の共振モードとａ2方向の共振モードは、光学的に結合しない。言い換えると、活性層１０３にてａ2方向の共振波長λ2の光に変換されたキャリアは、面発光する光には結合しないため、結果的に、エネルギーは損失になる。すなわち、ａ2方向の回折格子により、横モード制御ができるという利点があるものの、ａ2方向の共振モードの光は、面発光レーザのエネルギー効率の観点から見ると、効率的とはいえない。
そこで、基本並進ベクトルａ2の長さを、活性層１０３の発光波長範囲の最短波長λSによって記述される関係式｜ａ2｜≧λS／２ｎeff2、すなわちλS≦λ2を満足することが好ましい。この関係式を満たすことで、フォトンリサイクリングによるエネルギー効率の向上が可能となる。
具体的には、ａ2方向に共振する共振波長λ2の光は、活性層１０３に再吸収され、キャリアとなり得る。
そして、再び、再結合して、ａ1方向に共振する共振波長λ1の光となり得る。この現象は、共振波長λ2が活性層の吸収帯域に含まれること、すなわち共振波長λ2が活性層の発光波長帯域に含まれることが必要であり、なおかつ、変換後の共振波長λ1の光よりも高エネルギーであることが必要なので、関係式λS≦λ2≦λ1を満たすことが好ましい。
本実施形態の活性層１０３の発光波長領域は３８０ｎｍ〜４２０ｎｍであるので、λS＝３８０ｎｍとなり、また、λ2＝４００ｎｍ、λ1＝４０５ｎｍであるので、λS≦λ2≦λ1を満足している。
そして、再び、再結合して、ａ1方向に共振する共振波長λ1の光となり得る。この現象は、共振波長λ2が活性層の吸収帯域に含まれること、すなわち共振波長λ2が活性層の発光波長帯域に含まれることが必要であり、なおかつ、変換後の共振波長λ1の光よりも高エネルギーであることが必要なので、関係式λS≦λ2≦λ1を満たすことが好ましい。
本実施形態の活性層１０３の発光波長領域は３８０ｎｍ〜４２０ｎｍであるので、λS＝３８０ｎｍとなり、また、λ2＝４００ｎｍ、λ1＝４０５ｎｍであるので、λS≦λ2≦λ1を満足している。
つぎに、活性層のゲインとλ1とλ2の関係について説明する。
本実施形態においては、ａ1方向の共振する共振波長λ1の光を、レーザ発振させたうえで、面垂直方向へ回折させる。
ａ2方向へ共振する共振波長λ2の光も、フォトンリサイクリングにより、共振波長λ1の光に変換することも可能であるが、最初から、共振波長λ1の光としてキャリアが消費された方がエネルギー効率がよい。
よって、共振波長λ1に対する活性層１０３のゲインが、共振波長λ2に対する活性層１０３のゲインよりも大きいことが好ましい。
より好ましくは、活性層１０３のゲインのピークと、共振波長λ1が一致するのが良い。
本実施形態のゲインピークは、共振波長λ1と一致している。
本実施形態においては、ａ1方向の共振する共振波長λ1の光を、レーザ発振させたうえで、面垂直方向へ回折させる。
ａ2方向へ共振する共振波長λ2の光も、フォトンリサイクリングにより、共振波長λ1の光に変換することも可能であるが、最初から、共振波長λ1の光としてキャリアが消費された方がエネルギー効率がよい。
よって、共振波長λ1に対する活性層１０３のゲインが、共振波長λ2に対する活性層１０３のゲインよりも大きいことが好ましい。
より好ましくは、活性層１０３のゲインのピークと、共振波長λ1が一致するのが良い。
本実施形態のゲインピークは、共振波長λ1と一致している。
図６は、本実施形態の面発光レーザ１００から、垂直出射されるビームの遠視野である。
この遠視野のプロファイルは、ａ2方向の回折格子の光結合係数にも依存するが、ａ1方向に、ほぼ双方のビームプロファイルを有する。
それぞれのピーク位置において、偏光の位相は１８０度回転しているものの、偏光方向はａ2方向の成分のみから成る１次元的な偏光である。なお、図６中の点線は偏光方向と位相を表す。
この遠視野のプロファイルは、ａ2方向の回折格子の光結合係数にも依存するが、ａ1方向に、ほぼ双方のビームプロファイルを有する。
それぞれのピーク位置において、偏光の位相は１８０度回転しているものの、偏光方向はａ2方向の成分のみから成る１次元的な偏光である。なお、図６中の点線は偏光方向と位相を表す。
［実施形態２］
実施形態２として、実施形態１の２次元フォトニック結晶の基本並進ベクトルａ1と基本並進ベクトルａ2の長さを変えた変形形態について説明する。
基本並進ベクトルａ1の長さを｜ａ1｜＝４×（λ1／２ｎeff1）、すなわち４次の回折格子とした。
より具体的には、本実施形態では、｜ａ1｜＝６４５．４ｎｍであり、λ1＝４０５ｎｍである。
基本並進ベクトルａ2の長さ｜ａ2｜は、｜ａ2｜＝λ2／２ｎeff2を満足し、より具体的には、本実施形態では、｜ａ1｜＝８０．６６ｎｍであり、λ1＝４１３ｎｍである。
本実施形態では、λ2＝１．０２×λ1であり、ｎeff2＝２．５６なので、関係式λ2≦２×（ｎeff2／（１＋ｎeff2））×λ1を満足している。 図７（ａ）は、本実施形態の２次元フォトニック結晶層１０４の上面図を表しており、２次元フォトニック結晶の外側にはλSからλ1までの光をゲイン領域７０２へ反射させる分布ブラッグ反射ミラー７０１を有している。
分布ブラッグ反射ミラー７０１は、低屈折率媒質７０３と高屈折率媒質７０４で構成されており、本実施形態では、低屈折率媒質７０３が空気で、高屈折率媒質７０４がＧａＮからなる。
この分布ブラッグ反射ミラー７０１により、２次元フォトニック結晶の外側、特に、ａ2方向に漏れたλSからλ1までの光をフォトンリサイクリングにより、波長λ1のレーザ光へと再利用できる。
なお、図７（ａ）では、ａ2方向にしか、分布ブラッグ反射ミラー７０１を配置していないが、ａ1方向にも配置しても良い。
実施形態２として、実施形態１の２次元フォトニック結晶の基本並進ベクトルａ1と基本並進ベクトルａ2の長さを変えた変形形態について説明する。
基本並進ベクトルａ1の長さを｜ａ1｜＝４×（λ1／２ｎeff1）、すなわち４次の回折格子とした。
より具体的には、本実施形態では、｜ａ1｜＝６４５．４ｎｍであり、λ1＝４０５ｎｍである。
基本並進ベクトルａ2の長さ｜ａ2｜は、｜ａ2｜＝λ2／２ｎeff2を満足し、より具体的には、本実施形態では、｜ａ1｜＝８０．６６ｎｍであり、λ1＝４１３ｎｍである。
本実施形態では、λ2＝１．０２×λ1であり、ｎeff2＝２．５６なので、関係式λ2≦２×（ｎeff2／（１＋ｎeff2））×λ1を満足している。 図７（ａ）は、本実施形態の２次元フォトニック結晶層１０４の上面図を表しており、２次元フォトニック結晶の外側にはλSからλ1までの光をゲイン領域７０２へ反射させる分布ブラッグ反射ミラー７０１を有している。
分布ブラッグ反射ミラー７０１は、低屈折率媒質７０３と高屈折率媒質７０４で構成されており、本実施形態では、低屈折率媒質７０３が空気で、高屈折率媒質７０４がＧａＮからなる。
この分布ブラッグ反射ミラー７０１により、２次元フォトニック結晶の外側、特に、ａ2方向に漏れたλSからλ1までの光をフォトンリサイクリングにより、波長λ1のレーザ光へと再利用できる。
なお、図７（ａ）では、ａ2方向にしか、分布ブラッグ反射ミラー７０１を配置していないが、ａ1方向にも配置しても良い。
本実施形態の面発光レーザ１００は、ａ1方向に４次の回折格子を用いているため、面外へ出射するビームは、垂直方向に出射するビームと、その垂直出射ビームを対称軸に、ａ1方向へ斜め出射する２つのビームの、計３つの出射ビームからなる。それら３つのビームの偏光はいずれも１次元成分からなる。
図７（ｂ）は、本実施形態の面発光レーザ１００から、垂直出射されるビームの遠視野である。この遠視野のプロファイルは、３つ山のビームプロファイルを有する。
偏光方向はａ2方向の成分のみから成る１次元的な偏光である。なお、中央のピークにおける偏光位相と、両端ピークにおける偏光位相と１８０度回転している。図７（ｂ）中の点線は偏光方向と位相を表す。
図７（ｂ）は、本実施形態の面発光レーザ１００から、垂直出射されるビームの遠視野である。この遠視野のプロファイルは、３つ山のビームプロファイルを有する。
偏光方向はａ2方向の成分のみから成る１次元的な偏光である。なお、中央のピークにおける偏光位相と、両端ピークにおける偏光位相と１８０度回転している。図７（ｂ）中の点線は偏光方向と位相を表す。
［実施形態３］
実施形態３として、実施形態１の他の変形形態について説明する。
図８（ａ）は、本実施形態の２次元フォトニック結晶層１０４の上面図であり、基本並進ベクトルａ1の方向に幅Δ1＝λ1×２ｎeff1の位相シフト構造を有している。
ａ1方向の共振モードの位相は、その位相シフト構造を境に、１８０度回転する。これにより、垂直出射ビームのプロファイルが単峰となる。
図８（ｂ）は、本実施形態の面発光レーザ１００の遠視野と偏光方向を表している。
なお、本実施形態では、位相シフトの幅Δ1は、λ1×２ｎeff1であったが、０よりも大きい奇数ｓによって記述される関係式Δ1＝ｓ×（λ1×２ｎeff1）を満足すれば、同じ効果が得られる。
また、ここでは位相シフト構造を１つ備えた構成例が示されている、１つ以上有する構成としても良い。
実施形態３として、実施形態１の他の変形形態について説明する。
図８（ａ）は、本実施形態の２次元フォトニック結晶層１０４の上面図であり、基本並進ベクトルａ1の方向に幅Δ1＝λ1×２ｎeff1の位相シフト構造を有している。
ａ1方向の共振モードの位相は、その位相シフト構造を境に、１８０度回転する。これにより、垂直出射ビームのプロファイルが単峰となる。
図８（ｂ）は、本実施形態の面発光レーザ１００の遠視野と偏光方向を表している。
なお、本実施形態では、位相シフトの幅Δ1は、λ1×２ｎeff1であったが、０よりも大きい奇数ｓによって記述される関係式Δ1＝ｓ×（λ1×２ｎeff1）を満足すれば、同じ効果が得られる。
また、ここでは位相シフト構造を１つ備えた構成例が示されている、１つ以上有する構成としても良い。
１００：面発光レーザ
１０３：活性層
１０４：２次元フォトニック結晶層
１０９：外部媒質
ａ1、ａ2：異なる方向へ伸びる基本並進ベクトル
１０３：活性層
１０４：２次元フォトニック結晶層
１０９：外部媒質
ａ1、ａ2：異なる方向へ伸びる基本並進ベクトル
Claims (5)
- 活性層と、前記活性層の面内方向に共振モードを有する２次元フォトニック結晶と、を備えた面発光レーザであって、
前記２次元フォトニック結晶は、異なる方向へ伸びる基本並進ベクトルａ１と基本並進ベクトルａ２とを有し、
前記共振モードは、少なくとも前記ａ１の方向の共振モードと前記ａ２の方向の共振モードとを有し、
前記ａ１の長さ｜ａ１｜は、前記ａ１の方向の共振モードにおける共振波長をλ１、前記ａ１の方向の共振モードによって決まる実効屈折率をｎｅｆｆ１、２以上の整数をｐとすると、｜ａ１｜＝ｐ×（λ１／２ｎｅｆｆ１）で表され、
前記ａ２の長さ｜ａ２｜は、前記ａ２の方向の共振モードにおける共振波長をλ２、前記ａ２の方向の共振モードによって決まる実効屈折率をｎｅｆｆ２とすると、｜ａ２｜＝λ２／２ｎｅｆｆ２で表され、
前記λ１と前記λ２は、前記活性層の発光波長範囲の最短波長をλＳとすると、λＳ≦λ２≦λ１を満たし、
前記｜ａ１｜と前記｜ａ２｜は、前記面発光レーザの外側に位置する外部媒質の屈折率をｎｏｕｔとすると、｜ａ２｜≦（２／ｐ）×（ｎ ｅｆｆ１ ／（ｎｏｕｔ＋ｎｅｆｆ２））×｜ａ１｜を満たすことを特徴とする面発光レーザ。 - 前記２次元フォトニック結晶の外側でかつ前記面内方向に配置された、前記λＳから前記λ１までの光を反射するミラーを有していることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
- 前記λ１における前記活性層のゲインは、前記λ２における前記活性層のゲインよりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ。
- 前記λ１は、前記活性層のゲインのピークと一致していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
- 前記２次元フォトニック結晶は、前記ａ１の方向に幅Δ１の位相シフト構造を１つ以上有し、
前記幅Δ１は、０よりも大きい奇数をｓとすると、Δ１＝ｓ×（λ１×２ｎｅｆｆ１）で表されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010249158A JP5804690B2 (ja) | 2010-11-05 | 2010-11-05 | 面発光レーザ |
| US13/284,069 US8379685B2 (en) | 2010-11-05 | 2011-10-28 | Surface emitting laser |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010249158A JP5804690B2 (ja) | 2010-11-05 | 2010-11-05 | 面発光レーザ |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2012104524A JP2012104524A (ja) | 2012-05-31 |
| JP2012104524A5 JP2012104524A5 (ja) | 2013-12-19 |
| JP5804690B2 true JP5804690B2 (ja) | 2015-11-04 |
Family
ID=46019597
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2010249158A Expired - Fee Related JP5804690B2 (ja) | 2010-11-05 | 2010-11-05 | 面発光レーザ |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US8379685B2 (ja) |
| JP (1) | JP5804690B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5627361B2 (ja) | 2010-09-16 | 2014-11-19 | キヤノン株式会社 | ２次元フォトニック結晶面発光レーザ |
| US8885683B2 (en) | 2011-12-21 | 2014-11-11 | Canon Kabushiki Kaisha | Process for forming microstructure of nitride semiconductor, surface emitting laser using two-dimensional photonic crystal and production process thereof |
| JP6083703B2 (ja) * | 2012-02-28 | 2017-02-22 | 国立大学法人京都大学 | ２次元フォトニック結晶面発光レーザ |
| US8902946B2 (en) | 2012-06-18 | 2014-12-02 | Massachusetts Institute Of Technology | Photonic crystal surface-emitting lasers enabled by an accidental Dirac point |
| WO2020045453A1 (ja) * | 2018-08-27 | 2020-03-05 | 浜松ホトニクス株式会社 | 発光装置 |
Family Cites Families (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3983933B2 (ja) * | 1999-05-21 | 2007-09-26 | 進 野田 | 半導体レーザ、および半導体レーザの製造方法 |
| AU2003207090A1 (en) * | 2002-02-08 | 2003-09-02 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Semiconductor light-emitting device and its manufacturing method |
| JP4484134B2 (ja) * | 2003-03-25 | 2010-06-16 | 独立行政法人科学技術振興機構 | ２次元フォトニック結晶面発光レーザ |
| US20070030873A1 (en) * | 2005-08-03 | 2007-02-08 | Finisar Corporation | Polarization control in VCSELs using photonics crystals |
| TWI279595B (en) * | 2005-11-14 | 2007-04-21 | Ind Tech Res Inst | Electromagnetic polarizing structure and polarized electromagnetic device |
| US7535946B2 (en) | 2006-11-16 | 2009-05-19 | Canon Kabushiki Kaisha | Structure using photonic crystal and surface emitting laser |
| US7499480B2 (en) | 2006-11-16 | 2009-03-03 | Canon Kabushiki Kaisha | Photonic crystal structure and surface-emitting laser using the same |
| JP5111161B2 (ja) | 2007-04-19 | 2012-12-26 | キヤノン株式会社 | フォトニック結晶層を有する構造体、それを用いた面発光レーザ |
| JP4338211B2 (ja) | 2007-08-08 | 2009-10-07 | キヤノン株式会社 | フォトニック結晶を有する構造体、面発光レーザ |
| JP5070161B2 (ja) * | 2007-08-31 | 2012-11-07 | 独立行政法人科学技術振興機構 | フォトニック結晶レーザ |
| JP4968959B2 (ja) | 2008-03-06 | 2012-07-04 | キヤノン株式会社 | フォトニック結晶および該フォトニック結晶を用いた面発光レーザ |
| JP5388666B2 (ja) | 2008-04-21 | 2014-01-15 | キヤノン株式会社 | 面発光レーザ |
| JP2010219307A (ja) * | 2009-03-17 | 2010-09-30 | Seiko Epson Corp | 光源装置、プロジェクター |
| JP5183555B2 (ja) | 2009-04-02 | 2013-04-17 | キヤノン株式会社 | 面発光レーザアレイ |
| JP4975130B2 (ja) | 2009-05-07 | 2012-07-11 | キヤノン株式会社 | フォトニック結晶面発光レーザ |
| JP5047258B2 (ja) | 2009-12-09 | 2012-10-10 | キヤノン株式会社 | 二次元フォトニック結晶面発光レーザ |
-
2010
- 2010-11-05 JP JP2010249158A patent/JP5804690B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2011
- 2011-10-28 US US13/284,069 patent/US8379685B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US8379685B2 (en) | 2013-02-19 |
| US20120114006A1 (en) | 2012-05-10 |
| JP2012104524A (ja) | 2012-05-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9337623B2 (en) | High density laser optics | |
| JP4338211B2 (ja) | フォトニック結晶を有する構造体、面発光レーザ | |
| JP4709259B2 (ja) | 面発光レーザ | |
| JP5374772B2 (ja) | 光電子デバイスおよびその製造方法 | |
| JP4921038B2 (ja) | 共振器及びこれを用いた発光素子 | |
| US9995876B2 (en) | Configurable compact photonic platforms | |
| JP5804690B2 (ja) | 面発光レーザ | |
| WO2015107960A1 (ja) | 外部共振器型発光装置 | |
| US9915794B2 (en) | Optical device, and optical-device production method | |
| JP6629194B2 (ja) | 外部共振器型発光装置 | |
| JP4603847B2 (ja) | 共振器および発光素子および波長変換素子 | |
| US9057828B2 (en) | Multi-port light sources of photonic integrated circuits | |
| JP2010056338A (ja) | ２次元フォトニック結晶レーザ | |
| JP7294453B2 (ja) | 直接変調レーザ | |
| JP6019522B2 (ja) | 面発光レーザ装置 | |
| US7605973B2 (en) | Optical wavelength conversion light source | |
| JP2011082588A (ja) | 光導波路を伝搬する光と回折格子とを結合させた光素子 | |
| WO2015108197A1 (ja) | 外部共振器型発光装置 | |
| US10209445B2 (en) | Method of fabricating a compact photonics platform | |
| JP2017126625A (ja) | 外部共振器型発光装置 | |
| WO2021191953A1 (ja) | 光デバイス | |
| JP5173876B2 (ja) | ３次元構造及び発光デバイス | |
| WO2017043222A1 (ja) | 光学デバイス | |
| JP2013229357A (ja) | 分布帰還型半導体レーザ及びｏｔｄｒ装置 | |
| WO2016152730A1 (ja) | 外部共振器型発光装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20131031 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20131031 |
|
| RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20131213 |
|
| RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20131218 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20140328 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20141002 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20141201 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20150528 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20150710 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20150804 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20150901 |
|
| R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 5804690 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |