JP7306675B2 - ２次元フォトニック結晶面発光レーザ - Google Patents

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Description

本発明は、２次元フォトニック結晶を用いて光を増幅する２次元フォトニック結晶面発光レーザに関する。
２次元フォトニック結晶面発光レーザは、活性層と、板状のフォトニック結晶層から成る。フォトニック結晶層は、板状の母材にそれとは屈折率が異なる異屈折率領域が周期的に２次元状に配置された構成を有している。異屈折率領域は、典型的には母材に形成された空孔から成る。２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、活性層に電流が注入されることによって該活性層で生じる光のうち、異屈折率領域の周期に対応した所定波長の光のみが増幅されてレーザ発振し、フォトニック結晶層に垂直な方向にレーザビームとして出射する。ここで所定波長が、２次元フォトニック結晶が周期的な屈折率分布を有することによって形成されるエネルギーバンド（「フォトニックバンド(Photonic Band)」といい、「ＰＢ」と略記する。通常、複数のエネルギーバンドが存在する。）における上限又は下限（以下、これら上限及び下限をいずれも「バンド端」と呼ぶ。）のエネルギーに対応する波長であるときに、光の群速度が0となって定在波が形成されるため、安定したレーザ発振を得ることができる（特許文献１参照）。
特許文献１及び特許文献２には、フォトニック結晶層において、板状の母材に異屈折率領域が周期的に２次元状に配置された領域（以下、これを「２次元フォトニック結晶領域」と呼ぶ。）の外周に、該２次元フォトニック結晶領域で増幅される光を反射する反射部を備える２次元フォトニック結晶面発光レーザが記載されている。これにより、フォトニック結晶層に平行な方向に光が漏れることを防ぎ、フォトニック結晶層に垂直な方向に出射されるレーザビームの強度を大きくすることができる。反射部は、例えば母材表面に設けられた、２次元フォトニック結晶領域を囲う1本の溝や、異屈折率領域の周期の半分の間隔で設けられた複数の溝から成り２次元フォトニック結晶領域を囲う回折格子により構成される。
特開2007-258262号公報 特開2003-273456号公報
２次元フォトニック結晶領域の空孔と反射部として形成される溝は、いずれも通常、母材をエッチングすることにより作製される。しかし、これら空孔と溝は互いに平面形状や深さが異なることから、それらを形成するためのエッチング時間が異なる。そのため、２次元フォトニック結晶と反射部を1回のエッチングで作製することができず、反射部を有する２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造には手間と時間を要してしまう。
また、用途によっては、広い面積からレーザビームが出射される２次元フォトニック結晶面発光レーザが求められている。そのために２次元フォトニック結晶領域の面積を大きくし、反射部によって該２次元フォトニック結晶領域内に光を閉じ込めると、２次元フォトニック結晶領域の中央付近に電界の腹が存在する基本モードの定在波の他に、２次元フォトニック結晶領域の端付近に電界の腹が存在する高次モードの定在波が２次元フォトニック結晶内に形成され易くなり、レーザ発振が不安定になってしまう。
本発明が解決しようとする課題は、製造に要する手間や時間を軽減することができると共に、光閉じ込めの強さを調整することによって、発光する面積にかかわらず強い強度で安定したレーザビームを出射させることができる２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供する。
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) 前記活性層の一方の側に配置された板状の母材に設けられた、
b-1) 第１の２次元フォトニック結晶領域である、逆格子空間の所定の点においてバンド端を有する2つのフォトニックバンド間に形成されるフォトニックバンドギャップである増幅部フォトニックバンドギャップを有する２次元フォトニック結晶光増幅部と、
b-2) 前記２次元フォトニック結晶光増幅部の周囲に設けられた第２の２次元フォトニック結晶領域である、逆格子空間の前記所定の点においてバンド端を有する2つのフォトニックバンド間に形成されるフォトニックバンドギャップである反射部フォトニックバンドギャップを有する２次元フォトニック結晶光反射部と
を有するフォトニック結晶層と
を備え、前記増幅部フォトニックバンドギャップと前記反射部フォトニックバンドギャップのエネルギー範囲が一部重複し且つ異なる。
２次元フォトニック結晶光増幅部（「２ＤＰＣ光増幅部」とする）及び２次元フォトニック結晶光反射部（「２ＤＰＣ光反射部」とする）はいずれも、通常の２次元フォトニック結晶と同様の構成、すなわち、板状の母材にそれとは屈折率が異なる異屈折率領域が周期的に２次元状に配置された構成を有している。２ＤＰＣ光増幅部は、前述の２次元フォトニック結晶領域に相当する。本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザと同様に、活性層に電流が注入されることによって生じる光のうち、２ＤＰＣ光増幅部のバンド端のエネルギーに対応する波長（「発振波長」とする）を有する光がレーザ発振する。
一般に、２次元フォトニック結晶は、ＰＢが複数形成されると共に、エネルギーに関して隣接する2つのＰＢの間に、特定のエネルギー範囲内において光が存在することができないフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）が形成される。ＰＢＧのエネルギーの下端は該ＰＢＧの直下にあるＰＢのバンド端でもあり、ＰＢＧのエネルギーの上端は該ＰＢＧの直上にあるＰＢのバンド端でもある。本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、増幅部フォトニックバンドギャップ（「増幅部ＰＢＧ」とする）と反射部フォトニックバンドギャップ（「反射部ＰＢＧ」とする）のエネルギー範囲は一部重複し且つ異なる。これにより、(i)増幅部ＰＢＧの下端側のバンド端のエネルギーが反射部ＰＢＧ内にある、(ii)同下端側のバンド端のエネルギーが反射部ＰＢ内にある、(iii)同上端側のバンド端のエネルギーが反射部ＰＢＧ側にある、(iv)同上端側のバンド端のエネルギーが反射部ＰＢ内にある、のいずれか1つ又は複数の状態となっている。
エネルギーが反射部ＰＢＧ内にある２ＤＰＣ光増幅部のバンド端では、該バンド端のエネルギーに対応する発振波長の光は、２ＤＰＣ光反射部内を伝播することができない。そのため、この光は２ＤＰＣ光反射部によって２ＤＰＣ光増幅部側に反射される。これにより、２次元フォトニック結晶に垂直な方向に出射されるレーザビームの強度を大きくすることができる。このような構成は、レーザビームを出射する面積を小さくしたい場合に、特に有益である。
一方、エネルギーが反射部ＰＢ内にある２ＤＰＣ光増幅部のバンド端では、該バンド端のエネルギーに対応する発振波長の光は、２ＤＰＣ光反射部内を伝播することができる。但し、その一部は、母材と異屈折率領域が屈折率の差を有することによって、２ＤＰＣ光反射部内の複数の異屈折率領域においてそれぞれ母材との境界で反射される。そのため、前記発振波長の光は、２ＤＰＣ光反射部内に拡がりながら、緩やかに２ＤＰＣ光増幅部側に反射される。これにより、２ＤＰＣ光増幅部が大きい場合において、２ＤＰＣ光増幅部の端付近に電界の腹が存在する高次モードの定在波が生じ難くなり、２ＤＰＣ光増幅部内の広い面積から安定したレーザビームを出射することができる。この場合に生じる反射の強さは、前記発振波長が、反射部ＰＢのバンド端に対応する波長から離れるほど弱くなる。そのため、前記発振波長と反射部ＰＢのバンド端に対応する波長の波長差を調整することにより、光閉じ込めの強さを連続的に調整することが可能である。
以上のように、本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、光閉じ込めの強さを調整することにより、発光する面積にかかわらず強い強度で安定したレーザビームを出射させることができる。
また、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れば、２ＤＰＣ光反射部は、２ＤＰＣ光増幅部と同様に、板状の母材に異屈折率領域が周期的に配置されているという共通の構成を有する。さらに、２ＤＰＣ光反射部と２ＤＰＣ光増幅部は、逆格子空間の同じ点において増幅部ＰＢＧと反射部ＰＢＧのエネルギー範囲が一部重複しているため、両者の周期構造が比較的近いものとなるように設定することができる。これらの理由により、２ＤＰＣ光反射部と２ＤＰＣ光増幅部は、同様の方法で同時に作製することができるため、２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造に要する手間を軽減することができる。
増幅部ＰＢＧと反射部ＰＢＧのエネルギー範囲が一部重複し且つ異なるようにするために、２ＤＰＣ光増幅部及び２ＤＰＣ光反射部は、例えば以下の構成を取ることができる。
第１の例として、２ＤＰＣ光増幅部において異屈折率領域が占める体積の割合（「フィリングファクタ(Filling Factor)と呼び、「ＦＦ」と略記する。）と、２ＤＰＣ光反射部のＦＦが異なる、という構成が挙げられる。これにより、２ＤＰＣ光増幅部と２ＤＰＣ光反射部との間で、光が感じる有効屈折率が異なることとなるため、両者のＰＢＧのエネルギー範囲も異なるものとなる。具体的には、ＦＦが小さいほどＰＢＧのエネルギー範囲は低エネルギー寄りになる。反射部ＰＢＧが増幅部ＰＢＧよりも低エネルギー寄りになる場合には、増幅部ＰＢＧの下側のバンド端のエネルギーは反射部ＰＢＧ内となり、増幅部ＰＢＧの上側のバンド端のエネルギーは反射部ＰＢ内となる。一方、反射部ＰＢＧが増幅部ＰＢＧよりも高エネルギー寄りになる場合には、増幅部ＰＢＧの下側のバンド端のエネルギーは反射部ＰＢ内となり、増幅部ＰＢＧの上側のバンド端のエネルギーは反射部ＰＢＧ内となる。
第２の例として、２ＤＰＣ光増幅部に異屈折率領域が配置される周期長と、２ＤＰＣ光反射部に異屈折率領域が配置される周期長が異なる、という構成が挙げられる。具体的には、周期長が大きいほど、ＰＢＧのエネルギー範囲は低エネルギー寄りになる。反射部ＰＢＧが増幅部ＰＢＧよりも低エネルギー寄りになる場合、及び高エネルギー寄りになる場合における増幅部ＰＢＧの下側及び上側のバンド端と反射部ＰＢＧ及び反射部ＰＢの関係は、第１の例の場合と同様である。
第３の例として、２ＤＰＣ光増幅部には異屈折率領域が第１の所定周期長で配置され、２ＤＰＣ光反射部には主異屈折率領域が第２の所定周期長で配置されていると共に最隣接する2個の主異屈折率領域の間に該主異屈折率領域よりも体積が小さい副異屈折率領域が配置されている、という構成が挙げられる。これにより、反射部ＰＢＧと増幅部ＰＢＧのエネルギー範囲の中心がほぼ同じであって、反射部ＰＢＧのエネルギー範囲が増幅部ＰＢＧのエネルギーの範囲よりも大きくなる。そのため、増幅部ＰＢＧの下側及び上側のバンド端のエネルギーは共に反射部ＰＢＧ内となる。
一方、２ＤＰＣ光反射部には異屈折率領域が第１の所定周期長で配置され、２ＤＰＣ光増幅部には主異屈折率領域が第２の所定周期長で配置されていると共に最隣接する2個の主異屈折率領域の間に該主異屈折率領域よりも体積が小さい副異屈折率領域が配置されている、という構成を取ることもできる。これにより、反射部ＰＢＧと増幅部ＰＢＧのエネルギー範囲の中心がほぼ同じであって、反射部ＰＢＧのエネルギー範囲が増幅部ＰＢＧのエネルギーの範囲よりも小さくなる。そのため、増幅部ＰＢＧの下側及び上側のバンド端のエネルギーは共に反射部ＰＢＧの外（反射部ＰＢ内）となる。
２ＤＰＣ光反射部は、２ＤＰＣ光増幅部の周囲の一部にのみ設けた場合にも本発明の効果を奏するが、より高い効果を奏するために、２ＤＰＣ光増幅部の周囲の全体に設けることが好ましい。
前記２ＤＰＣ光増幅部は、前記活性層において発光した光が前記フォトニック結晶層に導入される光導入領域に包含されていることが望ましい。これにより、活性層から発光する光を２ＤＰＣ光増幅部の全体に供給することができ、２ＤＰＣ光増幅部を無駄なく光の増幅のために動作させることができる。光導入領域は、活性層及びフォトニック結晶層に平行な面において、活性層に電流が注入される領域（電流注入領域）とほぼ同じ位置、形状及び大きさとなる。電流注入領域は、活性層に電流を注入する電極の形状により定まる。
前記２ＤＰＣ光増幅部は、それに配置される異屈折率領域が非円形の平面形状を有することが望ましい。これにより、２ＤＰＣ光増幅部内で増幅される光が２次元フォトニック結晶に垂直な方向に出射し易くなる。なお、非円形の異屈折率領域には、母材とは屈折率が異なる円形（又は非円形）の領域を2個以上組み合わせたものを含む。
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れば、製造に要する手間を軽減することができると共に、光閉じ込めの強さを調整することによって、発光する面積にかかわらず強い強度で安定したレーザビームを出射させることができる。
本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの第１実施形態を示す斜視図。 第１実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおける電流注入領域を示す断面図。 第１実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおけるフォトニック結晶層の構成を示す平面図。 正方格子状の周期構造を有する２次元フォトニック結晶におけるバンド図（左図）及びその部分拡大図（右図）。 第１実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおける増幅部ＰＢＧ及び反射部ＰＢＧを模式的に示す図。 第１実施例におけるフォトニック結晶層内の光子の分布の計算結果を示すグラフ。 比較例におけるフォトニック結晶層内の光子の分布の計算結果を示すグラフ。 第１実施例における閾値利得の計算結果を示すグラフ。 比較例における閾値利得の計算結果を示すグラフ。 第１実施形態の変形例である２次元フォトニック結晶面発光レーザにおけるフォトニック結晶層の構成を示す平面図。 第１実施形態の変形例における増幅部ＰＢＧ及び反射部ＰＢＧを模式的に示す図。 第１実施形態の別の変形例である２次元フォトニック結晶面発光レーザにおけるフォトニック結晶層の構成を示す平面図。 第１実施形態のさらに別の変形例である２次元フォトニック結晶面発光レーザにおけるフォトニック結晶層の構成を示す平面図。 本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの第２実施形態におけるフォトニック結晶層の構成を示す平面図。 第２実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおける増幅部ＰＢＧ及び反射部ＰＢＧを模式的に示す図。 第２実施例におけるフォトニック結晶層内の光子の分布の計算結果を示すグラフ。 第２実施例における閾値利得の計算結果を示すグラフ。 第２実施形態の変形例である２次元フォトニック結晶面発光レーザにおけるフォトニック結晶層の構成を示す平面図。 第２実施形態の変形例における増幅部ＰＢＧ及び反射部ＰＢＧを模式的に示す図。 従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、フォトニック結晶層に電流が注入される前（左図）及び電流が注入された後（右図）における増幅部ＰＢＧ及び反射部ＰＢＧを模式的に示す図。 本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの第３実施形態におけるフォトニック結晶層の構成を示す平面図。 第３実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、フォトニック結晶層に電流が注入される前（左図）及び電流が注入された後（右図）における増幅部ＰＢＧ及び反射部ＰＢＧを模式的に示す図。 第３実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザを示す斜視図。 第３実施例の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおけるレーザビームの発振スペクトルを計算で求めた結果を示す図。 比較例の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおけるレーザビームの発振スペクトルを計算で求めた結果を示す図。 第３実施例の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおけるレーザビームの遠視野像を計算で求めた結果を示す図。 比較例の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおけるレーザビームの遠視野像を計算で求めた結果を示す図。 第３実施例及び比較例の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおけるレーザビームの拡がり角を計算で求めた結果を示す図。
図１～図２８を用いて、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形態を説明する。
(1) 第１実施形態
(1-1) 第１実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成
第１実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０は、図１に示すように、第１電極１９１、第１クラッド層１４１、活性層１１、スペーサ層１３、フォトニック結晶層１２、第２クラッド層１４２、及び第２電極１９２がこの順で積層された構成を有する。但し、活性層１１とフォトニック結晶層１２の順番は、上記のものとは逆であってもよい。図１では便宜上、第１電極１９１を下側、第２電極１９２を上側として示しているが、使用時における２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０の向きは、この図で示したものは限定されない。また、図１では第１電極１９１を他の構成要素と離して示しているが、実際には第１クラッド層１４１の下面に接触している。
以下、各層及び電極の構成を説明する。以下ではまず、フォトニック結晶層１２以外の構成を説明した後、フォトニック結晶層１２の構成を詳述する。なお、フォトニック結晶層１２以外の構成は、第１実施形態以外の実施形態においても同様である。
活性層１１は、第１電極１９１及び第２電極１９２から電荷が注入されることにより、所定の波長帯を有する光を発光するものである。活性層１１の材料は、本実施形態ではInGaAs/AlGaAs多重量子井戸（発光波長帯：935～945nm）であるが、本発明ではこの材料に限定されない。
スペーサ層１３は本発明における必須の構成要素ではないが、材料の異なる活性層１１とフォトニック結晶層１２を接続するために設けられている。スペーサ層１３の材料は、本実施形態ではAlGaAsであるが、活性層１１及びフォトニック結晶層１２の材料に応じて適宜変更されるものである。
第１クラッド層１４１及び第２クラッド層１４２は、第１電極１９１と活性層１１、及び第２電極１９２とフォトニック結晶層１２を接続し、第１電極１９１及び第２電極１９２から活性層１１に電流を注入し易くすると共に、活性層１１との屈折率の差によって光を活性層１１付近に閉じ込める役割を有する。これらの役割を果たすために、第１クラッド層１４１の材料には活性層１１よりも屈折率が低いp型半導体が、第２クラッド層１４２の材料には活性層１１よりも屈折率が低いn型半導体が、それぞれ用いられている。第１クラッド層１４１は、第１電極１９１側から順にp-GaAsから成る層とp-AlGaAsから成る層の２層構造を有し、同様に、第２クラッド層１４２は、第２電極１９２側から順にn-GaAsから成る層とn-AlGaAsから成る層の２層構造を有している（いずれも２層構造は図示せず）。これら第１クラッド層１４１及び第２クラッド層１４２においても、本発明では上記材料には限定されない。第１クラッド層１４１及び第２クラッド層１４２の平面寸法は、活性層１１及びフォトニック結晶層１２の母材１２１と同じである。次の第１電極１９１の説明で述べる理由により、第２クラッド層１４２の厚みは、活性層１１、フォトニック結晶層１２、スペーサ層１３及び第１クラッド層１４１の厚みよりも十分に大きくする。
第１電極１９１は正方形状であり、活性層１１よりも小さい。前述のように第２クラッド層１４２の厚みを第１クラッド層１４１の厚みよりも十分に大きくすると、図２に示すように、活性層１１のうち電流が注入される電流注入領域１１１の形状及び大きさは第１電極１９１のそれらと略等しく（第１電極１９１よりもわずかに大きく）なる。電流注入領域１１１の形状及び大きさを第１電極１９１のそれらによって調整することができる。第１電極１９１の周囲には、第１電極１９１との間に絶縁体を介して、レーザ光に対して不透明な金属から成る反射層（図示せず）が設けられている。反射層は第１電極１９１と共に、２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０の内部で生じたレーザ光を反射して、第２電極１９２側から外部に放出させる役割を有する。なお、第１電極１９１の形状は正方形状には限定されず、円形等の他の形状としてもよい。
第２電極１９２は、レーザ光に対して不透明な金属から成る正方形の板状部材の中央が正方形状にくり抜かれた構成を有する。板状部材がくり抜かれた部分を窓部１９２１と呼び、板状部材が残された部分を枠部１９２２と呼ぶ。この板状部材は第１電極１９１よりも1辺の長さが大きい。なお、第２電極１９２の形状は正方形状には限定されず、円形等の他の形状としてもよい。また、第２電極１９２には、このような窓部を有するものの代わりに、レーザ光に対して透明な導電性材料（例えばインジウム錫酸化物）から成る板状の電極を用いてもよい。
フォトニック結晶層１２は、図３に示すように、板状の母材１２１と、母材１２１のうちの中央付近の正方形の領域内に正方格子状に（周期的に２次元状に）配置されている第１異屈折率領域１２２と、該正方形の領域の外側に正方格子状に（周期的に２次元状に）配置されている第２異屈折率領域１２４とを有する。前記正方形の領域内は２ＤＰＣ光増幅部１２３に該当し、該正方形の領域の外側の第２異屈折率領域１２４が配置されている領域は２ＤＰＣ光反射部１２５に該当する。２ＤＰＣ光増幅部１２３及び２ＤＰＣ光反射部１２５のいずれにおいても、正方格子の周期長は同じ（"a"とする）である。
前述のように第２クラッド層１４２の厚みが活性層１１、フォトニック結晶層１２及びスペーサ層１３の厚みよりも十分に大きいことにより、フォトニック結晶層１２のうち活性層１１から光が導入される光導入領域１２０１は、活性層１１及びフォトニック結晶層１２に平行な面において電流注入領域１１１とほぼ同じ領域となる。２ＤＰＣ光増幅部１２３の範囲は、光導入領域１２０１に包含されている（光導入領域１２０１と同じか、又は光導入領域１２０１よりも狭い）ことが好ましい。これにより、２ＤＰＣ光増幅部１２３の全体に、後述のように活性層１１から発光する光を供給することができ、２ＤＰＣ光増幅部１２３を無駄なく光の増幅のために動作させることができる。
第１異屈折率領域１２２は、第１主異屈折率領域１２２１と第１副異屈折率領域１２２２を有する。第１主異屈折率領域１２２１と第１副異屈折率領域１２２２は互いに独立している（接していない）が、両者を組み合わせたものが周期的（周期長aの正方格子状）に配置されていることにより、1個の第１異屈折率領域１２２として機能する。第１主異屈折率領域１２２１は第１副異屈折率領域１２２２よりも、平面視での面積（以下、単に「面積」とする）が大きく厚みが同じであり、それゆえ体積が大きい。第１実施形態では、第１主異屈折率領域１２２１及び第１副異屈折率領域１２２２は共に空孔から成る。空孔の代わりに、母材１２１とは屈折率が異なる部材が埋め込まれたものであってもよい。
第２異屈折率領域１２４も第１異屈折率領域１２２と同様に、互いに独立した（接していない）第２主異屈折率領域１２４１と第２副異屈折率領域１２４２を有する。第２主異屈折率領域１２４１は第２副異屈折率領域１２４２よりも、体積が大きい（面積が大きく厚みが同じである）。また、第２主異屈折率領域１２４１は、第１主異屈折率領域１２２１よりも体積が小さい（面積が小さく厚みが同じである）。第２副異屈折率領域１２４２と第１副異屈折率領域１２２２は、体積（面積及び厚み）が同じである。従って、第２異屈折率領域１２４が２ＤＰＣ光反射部１２５内で占める体積の割合（第２異屈折率領域１２４のＦＦ）は、第１異屈折率領域１２２が２ＤＰＣ光増幅部１２３内で占める体積の割合（第１異屈折率領域１２２のＦＦ）よりも小さい。
なお、図３では第１異屈折率領域１２２を正方格子の横方向（以下、「x方向」とする。）及び縦方向（以下、「y方向」とする。）にそれぞれ8個ずつのみ示したが、第１異屈折率領域１２２の個数はこれには限定されない。また、図３では２ＤＰＣ光反射部１２５は、簡略化のために２ＤＰＣ光増幅部１２３の近傍のみを示しており、実際には図３に示した範囲よりも外側まで拡がって設けられている。
ここまでに述べたように異屈折率領域が同じ周期長で正方格子状に配置された２ＤＰＣ光増幅部１２３及び２ＤＰＣ光反射部１２５では、第２異屈折率領域１２４のＦＦが第１異屈折率領域１２２のＦＦよりも小さいことにより、増幅部ＰＢＧ１５及び反射部ＰＢＧ１６は以下のように形成される。２ＤＰＣ光増幅部１２３では、逆格子空間のΓ点（逆格子空間の原点に該当）と呼ばれる点にバンド端を有する2つのＰＢ間に増幅部ＰＢＧ１５が形成される（図４）。一方、２ＤＰＣ光反射部１２５では、Γ点にバンド端を有する2つのＰＢ間に、増幅部ＰＢＧ１５よりも低いエネルギーに、増幅部ＰＢＧ１５とほぼ同じエネルギー幅を有する反射部ＰＢＧ１６が形成される。そして、第１異屈折率領域１２２と第２異屈折率領域１２４のＦＦの差が一定の範囲内にあるときに、増幅部ＰＢＧ１５と反射部ＰＢＧ１６のエネルギー範囲は一部重複し（図５中の重複範囲１７）且つ異なるものとなる。増幅部ＰＢＧ１５の下側のバンド端１８１は、エネルギーが反射部ＰＢＧ１６内にある。一方、増幅部ＰＢＧ１５の上側のバンド端１８２は、エネルギーが反射部ＰＢＧ１６の外（反射部ＰＢ内）にある。
(1-2) 第１実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザの動作
次に、第１実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０の動作を説明する。
第１電極１９１と第２電極１９２の間に所定の電圧を印加することにより、両電極から活性層１１に電流が注入される。その際、第１電極１９１よりも第２電極１９２の方が面積が広いことから、活性層１１においては、第２電極１９２よりも狭く且つ第１電極１９１よりも広い範囲（電流注入範囲）内に電流（電荷）が集中的に注入される。これにより、活性層１１の電流注入領域１１１から、所定の波長帯内の波長を有する発光が生じる。
こうして生じた発光は、フォトニック結晶層１２の２ＤＰＣ光増幅部１２３において、正方格子の周期長aに対応した波長（発振波長）の光が選択的に増幅される。この発振波長は、正方格子の逆格子空間のΓ点におけるバンド端１８１のエネルギーに対応する波長である。この発振波長の光は、バンド端１８１のエネルギーが反射部ＰＢＧ１６内にあることから、２ＤＰＣ光反射部１２５には存在することができない。そのため、２ＤＰＣ光増幅部１２３で増幅される光は、２ＤＰＣ光反射部１２５によって２ＤＰＣ光増幅部１２３側に反射されるため、さらに増幅される。このように２ＤＰＣ光増幅部１２３で増幅された光はフォトニック結晶層１２に垂直な方向に回折され、レーザビームとして第２電極１９２の窓部１９２１から出射する。
第１実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０によれば、発振波長の光が２ＤＰＣ光反射部１２５によって２ＤＰＣ光増幅部１２３側に反射され、さらに増幅されるため、レーザビームの強度を大きくすることができる。この２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０の構成は、レーザビームを出射する面積を小さくしたい場合に有益である。
なお、２次元フォトニック結晶面発光レーザでは一般に、光を増幅する２次元フォトニック結晶の異屈折率領域の平面形状が円形である場合には、該平面形状の対称性が高いことにより、２次元フォトニック結晶内に生成される電界が打ち消し合い、レーザビームは断面の中心付近において強度が弱いドーナツ型の強度分布を呈する。それに対して、本実施形態では、第１異屈折率領域１２２の平面形状を円形よりも平面形状の対称性が低いため、レーザビームの断面の中心付近において強度が弱まることを防ぎ、断面での強度の均一性が高いレーザビームを得ることができる。
第１実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０は、２ＤＰＣ光増幅部１２３と２ＤＰＣ光反射部１２５が、板状の母材１２１に異屈折率領域（第１異屈折率領域１２２及び第２異屈折率領域１２４）が周期的に配置されている、という共通の構成を有する。また、この２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０では、２ＤＰＣ光増幅部１２３と２ＤＰＣ光反射部１２５が逆格子空間のΓ点において一部重複したＰＢＧを有するように、第１異屈折率領域１２２及び第２異屈折率領域１２４のＦＦを設定することにより、両者のＦＦが近い値を有している。これらの理由により２ＤＰＣ光増幅部１２３と２ＤＰＣ光反射部１２５が近い構成を有することとなるため、例えば母材１２１にレジストマスクを施したうえでガスでエッチングを行うことで第１異屈折率領域１２２と第２異屈折率領域１２４を同時に形成することにより、２ＤＰＣ光増幅部１２３と２ＤＰＣ光反射部１２５を同じ方法で同時に作製することができる。そのため、２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造に要する手間を軽減することができる。
(1-3) 第１実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザの特性のシミュレーション
第１実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０につき、その特性を計算で求めた結果を説明する。この計算では、フォトニック結晶層１２に異屈折率領域をx方向に80個、y方向に80個配置し、それら異屈折率領域のうち中央付近に縦方向に20個、横方向に20個配置したものを第１異屈折率領域１２２とし、それら以外の異屈折率領域を第２異屈折率領域１２４とした。正方格子の格子定数aは280nmとした。第１副異屈折率領域１２２２の位置は、第１主異屈折率領域１２２１からx方向に0.44a、y方向に0.44aずらした位置とした。このように、第１主異屈折率領域１２２１からx方向に0.35a～0.5a、y方向に0.35a～0.5aずらした位置に第１副異屈折率領域１２２２を配置することにより、フォトニック結晶層１２内で増幅される光の帰還効果が強められる。第２副異屈折率領域１２４２の位置も同様に、第２主異屈折率領域１２４１からx方向に0.44a、y方向に0.44aずらした位置とした。ＦＦは、第１主異屈折率領域１２２１では0.09（9％）、第１副異屈折率領域１２２２では0.03（3％）、第２主異屈折率領域１２４１では0.06（6％）、第２副異屈折率領域１２４２では0.03（3％）とした。従って、第１異屈折率領域１２２のＦＦは0.12（12％）、第２異屈折率領域１２４のＦＦは0.09（9％）である。フォトニック結晶層１２の厚みは170nm、フォトニック結晶層１２と活性層１１の距離は60nmとした。以上のパラメータを有する第１実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０を「第１実施例」とする。
第１実施例の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２ＤＰＣ光増幅部１２３及び２ＤＰＣ光反射部１２５の有効屈折率、増幅部ＰＢＧ１５及び反射部ＰＢＧ１６のエネルギー範囲を計算した。その結果、２ＤＰＣ光増幅部１２３の有効屈折率は3.372、２ＤＰＣ光反射部１２５の有効屈折率の有効屈折率は3.388であった。また、増幅部ＰＢＧ１５のエネルギー範囲は、真空中の波長に換算して931～951nm、反射部ＰＢＧ１６のエネルギー範囲は、同換算で935～957nmであった。この計算結果より、増幅部ＰＢＧ１５の下側のバンド端１８１のエネルギー（波長換算では上側、すなわち951nm）は、反射部ＰＢＧ１６内にあることがわかる。従って、下側のバンド端１８１でレーザ発振する場合には、２ＤＰＣ光増幅部１２３で増幅される光は、反射部ＰＢＧ１６内に存在することができないため２ＤＰＣ光反射部１２５によって２ＤＰＣ光増幅部１２３側に反射され、さらに増幅される。一方、増幅部ＰＢＧ１５の上側のバンド端１８２のエネルギー（波長換算では下側、すなわち931nm）は、反射部ＰＢＧ１６よりも高エネルギー側であって、反射部ＰＢ内にあることがわかる。そのため、上側のバンド端１８２の光は２ＤＰＣ光増幅部１２３内に強く閉じ込めることができず、第１実施例のように２ＤＰＣ光増幅部１２３が小さい場合にはレーザ発振に必要な帰還作用を得られないため、レーザ発振が困難である。従って、第１実施例の２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、下側のバンド端１８１においてのみレーザ発振が生じる。
第１実施例の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、フォトニック結晶層１２内の光子の分布、すなわち光の強度の分布を計算で求めた。比較のために、第１実施例において第２異屈折率領域１２４を第１異屈折率領域１２２に置き換えた、すなわちフォトニック結晶層１２内の２次元フォトニック結晶が全て２ＤＰＣ光増幅部であって２ＤＰＣ光反射部を有さず、それ以外の構成が第１実施例と同じである２次元フォトニック結晶面発光レーザ（「比較例」とする）についても同様にフォトニック結晶層１２内の光子の分布を計算で求めた。計算結果を、第１実施例については図６に、比較例については図７に、それぞれ示す。これらの図ではいずれも、フォトニック結晶層１２の中央付近に白色で示した箇所は最も光子の密度が高く、この中心から離れるに従って灰色の濃度が濃くなってゆくことは光子の密度が低くなってゆくことを示している。そして、比較例ではフォトニック結晶層１２の中央から端部に向かって同心円状に濃度分布が拡がっているのに対して、第１実施例では中央付近の1辺の長さが20aである正方形の範囲内、すなわち２ＤＰＣ光増幅部１２３内に光子が強く閉じ込められていることがわかる。
次に、第１実施例及び比較例の２次元フォトニック結晶面発光レーザについてそれぞれ、下側のバンド端１８１でレーザ発振する場合の閾値利得を計算で求めた結果を説明する。閾値利得は、レーザ発振の生じ易さを示しており、この値が小さいほど小さな電流値で安定したレーザ発振が生じる。計算結果を、第１実施例については図８に、比較例については図９に、それぞれ示す。基本モードの閾値利得は、第１実施例では112cm-1であるのに対して、比較例では208cm-1である。従って、比較例よりも第１実施例の方が、閾値利得が小さく、安定したレーザ発振を得ることができる。
(1-4) 第１実施形態の変形例
次に、第１実施形態の変形例である２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０Ａを説明する。この２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０Ａは、前述のフォトニック結晶層１２の代わりに、図１０に平面図で示す構成を有するフォトニック結晶層１２Ａを備える。フォトニック結晶層１２Ａ以外の構成は第１実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０と同じである。フォトニック結晶層１２Ａは、板状の母材１２１と、母材１２１のうちの中央付近の正方形の領域内に周期長aで正方格子状に配置されている第１異屈折率領域１２２Ａと、該正方形の領域の外側に周期長aで正方格子状に配置されている第２異屈折率領域１２４Ａとを有する。前記正方形の領域内は２ＤＰＣ光増幅部１２３Ａに該当し、該正方形の領域の外側の第２異屈折率領域１２４Ａが配置されている領域内は２ＤＰＣ光反射部１２５Ａに該当する。第１異屈折率領域１２２Ａは、第１主異屈折率領域１２２１Ａと、該第１主異屈折率領域１２２１ＡよりもＦＦが小さい第１副異屈折率領域１２２２Ａとを有する。また、第２異屈折率領域１２４Ａは、第２主異屈折率領域１２４１Ａと、該第２主異屈折率領域１２４１ＡよりもＦＦが小さい第２副異屈折率領域１２４２Ａとを有する。第２主異屈折率領域１２４１Ａは、第１主異屈折率領域１２２１Ａよりも体積が大きい（面積が大きく厚みが同じである）。第２副異屈折率領域１２４２Ａと第１副異屈折率領域１２２２Ａは、体積（面積及び厚み）が同じである。従って、第２異屈折率領域１２４Ａは第１異屈折率領域１２２ＡよりもＦＦが大きい。このＦＦの点で、変形例は第１実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０と相違する。
変形例の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０Ａでは、第２異屈折率領域１２４ＡのＦＦが第１異屈折率領域１２２ＡのＦＦよりも小さいことにより、増幅部ＰＢＧ１５Ａ及び反射部ＰＢＧ１６Ａは以下のように形成される（図１１）。増幅部ＰＢＧ１５Ａ及び反射部ＰＢＧ１６Ａが共に逆格子空間のΓ点にバンド端を有する2つのＰＢ間に形成される点は、第１実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０と同様である。反射部ＰＢＧ１６Ａは、増幅部ＰＢＧ１５とほぼ同じエネルギー幅を有し、増幅部ＰＢＧ１５よりも高いエネルギーに形成される。そして、第１異屈折率領域１２２Ａと第２異屈折率領域１２４ＡのＦＦの差が一定の範囲内にあるときに、増幅部ＰＢＧ１５Ａと反射部ＰＢＧ１６Ａのエネルギー範囲は一部重複し（重複範囲１７Ａ）且つ異なるものとなる。増幅部ＰＢＧ１５Ａの下側のバンド端１８１Ａは、エネルギーが増幅部ＰＢＧ１５Ａの外（反射部ＰＢ内）にある。一方、増幅部ＰＢＧ１５Ａの上側のバンド端１８２Ａは、エネルギーが反射部ＰＢＧ１６Ａ内にある。従って、上側のバンド端１８２Ａでレーザ発振する場合には、２ＤＰＣ光増幅部１２３Ａで増幅される光は、反射部ＰＢＧ１６Ａ内に存在することができないため２ＤＰＣ光反射部１２５Ａによって２ＤＰＣ光増幅部１２３Ａ側に反射され、さらに増幅される。一方、下側のバンド端１８１Ａのエネルギーが反射部ＰＢ内にあることから、下側のバンド端１８１Ａの光は２ＤＰＣ光増幅部１２３Ａ内に強く閉じ込めることができず、本変形例のように２ＤＰＣ光増幅部１２３Ａが小さい場合にはレーザ発振に必要な帰還作用を得られないため、レーザ発振が困難である。従って、本変形例では、上側のバンド端１８２Ａにおいてのみレーザ発振が生じる。
図１２に、第１実施形態の別の変形例の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０Ｂにおけるフォトニック結晶層１２Ｂを示す。この変形例の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０Ｂでは、フォトニック結晶層１２Ｂ以外の構成は第１実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０と同じである。フォトニック結晶層１２Ｂは、板状の母材１２１と、母材１２１のうちの中央付近の正方形の領域内に周期長a1で正方格子状に配置されている第１異屈折率領域１２２Ｂと、該正方形の領域の外側に周期長a2で正方格子状に配置されている第２異屈折率領域１２４Ｂとを有する。この正方形の領域は２ＤＰＣ光増幅部１２３Ｂに該当し、該正方形の領域の外側の第２異屈折率領域１２４Ｂが配置されている領域内は２ＤＰＣ光反射部１２５Ｂに該当する。周期長a2はa1よりも長い。第１異屈折率領域１２２Ｂの形状及び大きさは、第１実施形態における第１異屈折率領域１２２のそれらと同じである。また、第２異屈折率領域１２４Ｂの形状及び大きさは第１異屈折率領域１２２Ｂのそれらと同じである。
この変形例の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０Ｂでは、２ＤＰＣ光増幅部１２３Ｂに配置された第１異屈折率領域１２２Ｂの周期長a1よりも２ＤＰＣ光反射部１２５Ｂに配置された第２異屈折率領域１２４Ｂの周期長a2の方が長いことにより、第１実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０と同様に、図５に示すように増幅部ＰＢＧ１５よりも低いエネルギーに反射部ＰＢＧ１６が形成される。そして、これら周期長a1とa2の差が一定の範囲内にあるときに、増幅部ＰＢＧ１５と反射部ＰＢＧ１６のエネルギー範囲は一部重複し且つ異なるものとなる。これにより、エネルギーが増幅部ＰＢＧ１５内にある、増幅部ＰＢＧ１５の下側のバンド端１８１に対応する波長の光が活性層１１から２ＤＰＣ光増幅部１２３Ｂに導入される場合には、その光は２ＤＰＣ光反射部１２５Ｂによって２ＤＰＣ光増幅部１２３Ｂ側に反射されるため、さらに増幅される。エネルギーが増幅部ＰＢＧ１５の外にある、増幅部ＰＢＧ１５の上側のバンド端１８２に対応する波長の光が活性層１１から２ＤＰＣ光増幅部１２３Ｂに導入される場合には、当該光は２ＤＰＣ光増幅部１２３に強く閉じ込めることができず、本変形例のように２ＤＰＣ光増幅部１２３Ｂが小さい場合にはレーザ発振に必要な帰還作用を得られないため、レーザ発振が困難である。従って、本変形例では、下側のバンド端１８１においてのみレーザ発振が生じる。
一方、図１３に示すように、２ＤＰＣ光増幅部１２３Ｂに配置された第１異屈折率領域１２２Ｂの周期長a1よりも２ＤＰＣ光反射部１２５Ｂに配置された第２異屈折率領域１２４Ｂの周期長a2の方が短い場合には、２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０Ａと同様に、図１１に示すように増幅部ＰＢＧ１５Ａよりも高いエネルギーに反射部ＰＢＧ１６Ａが形成される。この構成によれば、エネルギーが増幅部ＰＢＧ１５内にある、増幅部ＰＢＧ１５Ａの上側のバンド端１８２Ａに対応する波長の光が活性層１１から２ＤＰＣ光増幅部１２３Ｂに導入される場合には、その光は２ＤＰＣ光反射部１２５Ｂによって２ＤＰＣ光増幅部１２３Ｂ側に反射されるため、さらに増幅される。エネルギーが増幅部ＰＢＧ１５の外にある、増幅部ＰＢＧ１５Ａの下側のバンド端１８１Ａに対応する波長の光が活性層１１から２ＤＰＣ光増幅部１２３Ｂに導入される場合には、当該光は２ＤＰＣ光増幅部１２３Ｂに強く閉じ込めることができず、本変形例のように２ＤＰＣ光増幅部１２３Ｂが小さい場合にはレーザ発振に必要な帰還作用を得られないため、レーザ発振が困難である。
(2) 第２実施形態
(2-1) 第２実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成及び動作
第２実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０Ｃは、第１実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０におけるフォトニック結晶層１２の代わりに、以下に述べるフォトニック結晶層１２Ｃを備える。フォトニック結晶層１２Ｃ以外の構成は、第１実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０と同様である。
フォトニック結晶層１２Ｃは、図１４に示すように、板状の母材１２１と、母材１２１のうちの中央付近の正方形の領域内に正方格子状に第１異屈折率領域１２２Ｃと、該正方形の領域の外側に正方格子状に配置されている第２異屈折率領域１２４Ｃとを有する。前記正方形の領域内は２ＤＰＣ光増幅部１２３Ｃに該当し、該正方形の領域の外側の第２異屈折率領域１２４Ｃが配置されている領域は２ＤＰＣ光反射部１２５Ｃに該当する。２ＤＰＣ光増幅部１２３Ｃ及び２ＤＰＣ光反射部１２５Ｃの正方格子の周期長はいずれもaである。
第１異屈折率領域１２２Ｃは、第１実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０における第１異屈折率領域１２２と同様の構成を有し、第１主異屈折率領域１２２１Ｃと第１副異屈折率領域１２２２Ｃを備える。
第２異屈折率領域１２４Ｃは、第２主異屈折率領域１２４１Ｃと、3個の第２副異屈折率領域１２４２Ｃ、１２４３Ｃ及び１２４４Ｃを有する。第２副異屈折率領域１２４２Ｃは第２主異屈折率領域１２４１Ｃからx方向にa/2、y方向にa/2、それぞれずれた位置に配置されている。第２副異屈折率領域１２４３Ｃは第２主異屈折率領域１２４１Ｃからx方向にa/2ずれた位置に配置されている（y方向にはずれていない）。第２副異屈折率領域１２４４Ｃは第２主異屈折率領域１２４１Ｃからy方向にa/2ずれた位置に配置されている（x方向にはずれていない）。これら3個の第２副異屈折率領域１２４２Ｃ、１２４３Ｃ及び１２４４Ｃは、第２主異屈折率領域１２４１Ｃよりも、体積が小さい（面積が小さく、厚みが同じである）。また、第１異屈折率領域１２２Ｃと第２異屈折率領域１２４ＣのＦＦを等しくする。
これら第１異屈折率領域１２２Ｃ及び第２異屈折率領域１２４Ｃは共に空孔から成る。空孔の代わりに、母材１２１とは屈折率が異なる部材が埋め込まれたものであってもよい。
このように、第２実施形態の２ＤＰＣ光反射部１２５Ｃでは、x方向及びy方向に関してそれぞれ、周期長aで周期的に配置されて隣接する2個の第２主異屈折率領域１２４１Ｃの間に、第２主異屈折率領域１２４１Ｃよりも体積が小さい第２副異屈折率領域１２４２Ｃ、１２４３Ｃ及び１２４４Ｃが配置されている。これにより、２ＤＰＣ光反射部１２５Ｃ内を伝播し180°方向に回折される光の強度が強くなる。そうすると、図１５に示すように、２ＤＰＣ光反射部１２５Ｃに形成される反射部ＰＢＧ１６Ｃのエネルギー幅は、２ＤＰＣ光増幅部１２３Ｃに形成される増幅部ＰＢＧ１５Ｃのエネルギー幅よりも広くなる。一方、２ＤＰＣ光増幅部１２３Ｃと２ＤＰＣ光反射部１２５における周期長が等しく、且つ、第１異屈折率領域１２２Ｃと第２異屈折率領域１２４ＣのＦＦが等しいことから、増幅部ＰＢＧ１５Ｃのエネルギーの中央値は、反射部ＰＢＧ１６Ｃのエネルギーの中央値とほぼ同じになる。これにより、増幅部ＰＢＧ１５Ｃの下側のバンド端１８１Ｃ及び上側のバンド端１８２Ｃは共に、エネルギーが反射部ＰＢＧ１６Ｃ内となる。従って、下側のバンド端１８１Ｃ及び上側のバンド端１８２Ｃのいずれかのエネルギーに対応する波長の光が活性層１１から２ＤＰＣ光増幅部１２３Ｃに導入された場合には、いずれも、その光は２ＤＰＣ光反射部１２５Ｃによって２ＤＰＣ光増幅部１２３Ｃ側に反射されるため、さらに増幅される。
(2-2) 第２実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザの特性のシミュレーション
第２実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０Ｃにつき、その特性を計算で求めた結果を説明する。この計算では、フォトニック結晶層１２Ｃに異屈折率領域をx方向に80個、y方向に80個配置し、それら異屈折率領域のうち中央付近に縦方向に20個、横方向に20個配置したものを第１異屈折率領域１２２Ｃとし、それら以外の異屈折率領域を第２異屈折率領域１２４Ｃとした。正方格子の格子定数aは280nmとした。第１副異屈折率領域１２２２Ｃの位置は、第１主異屈折率領域１２２１Ｃからx方向に0.44a、y方向に0.44aずらした位置とした。第１異屈折率領域１２２ＣにおけるＦＦは、第１主異屈折率領域１２２１Ｃでは0.09（9％）、第１副異屈折率領域１２２２Ｃでは0.03（3％）、全体では0.12（12％）とした。第２異屈折率領域１２４ＣにおけるＦＦは、第２主異屈折率領域１２４１Ｃでは0.05（5％）、第２副異屈折率領域１２４２Ｃ、１２４３Ｃ及び１２４４Ｃではそれぞれ0.03（3％）、0.02（2％）及び0.02（2％）とし、全体では0.12（12％）とした。フォトニック結晶層１２の厚みは170nm、フォトニック結晶層１２と活性層１１の距離は60nmとした。以上のパラメータを有する第２実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０Ｃを「第２実施例」とする。
第２実施例の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２ＤＰＣ光増幅部１２３Ｃ及び２ＤＰＣ光反射部１２５Ｃの有効屈折率はいずれも3.372であった。また、２次元フォトニック結晶を伝播し180°方向に回折される光の強度に対応する指標である１次元結合係数を計算で求めたところ、２ＤＰＣ光増幅部１２３Ｃでは2630cm-1であったのに対して、２ＤＰＣ光反射部１２５Ｃでは3973cm-1という、２ＤＰＣ光増幅部１２３Ｃよりも高い値となった。これは、２ＤＰＣ光増幅部１２３Ｃよりも２ＤＰＣ光反射部１２５Ｃの方が、180°方向に回折される光の強度が高く、ＰＢＧが大きいことを示している。
ＰＢＧのエネルギー範囲を計算で求めたところ、増幅部ＰＢＧ１５Ｃでは真空中の波長に換算して931～951nm、反射部ＰＢＧ１６Ｃでは同換算で924～956nmであった。従って、増幅部ＰＢＧ１５Ｃの下側のバンド端１８１Ｃ及び上側のバンド端１８２Ｃはいずれも、反射部ＰＢＧ１６Ｃ内にあることがわかる。そのため、いずれのバンド端１８１Ｃ、１８２Ｃのエネルギーでレーザ発振する場合にも、２ＤＰＣ光増幅部１２３Ｃで増幅される光は、反射部ＰＢＧ１６Ｃ内に存在することができないため２ＤＰＣ光反射部１２５Ｃによって２ＤＰＣ光増幅部１２３Ｃ側に反射され、さらに増幅される。
第２実施例の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、フォトニック結晶層１２Ｃ内の光子の分布を計算で求めたところ、第１実施例（図６）と同様に、中央付近の1辺の長さが20aである正方形の範囲内、すなわち２ＤＰＣ光増幅部１２３内に光子が強く閉じ込められていることを示す結果が得られた（図１６）。
次に、第２実施例の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、下側のバンド端１８１Ｃでレーザ発振する場合の閾値利得を計算で求めたところ、図１７に示すように、基本モードの閾値利得は52cm-1となった。この閾値利得は、比較例（図９）及び第１実施例（図８）のものよりも小さく、第２実施例の２次元フォトニック結晶面発光レーザがより小さな電流で安定したレーザ発振を得ることができることを示している。
(2-3) 第２実施形態の変形例
次に、第２実施形態の変形例である２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０Ｄを説明する。この２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０Ｄでは、図１８に示すように、フォトニック結晶層１２Ｄは、第２実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０Ｃにおける第１異屈折率領域１２２Ｃの形状と第２異屈折率領域１２４Ｃの形状を入れ替えたものに相当する構成を有する。それ以外の構成は第２実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０Ｃと同様である。本変形例では、第１異屈折率領域には符号１２２Ｄを付し、第２異屈折率領域には符号１２４Ｄを付す。また、２ＤＰＣ光増幅部には符号１２３Ｄを付し、２ＤＰＣ光反射部には符号１２５Ｄを付す。
本変形例の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０Ｄでは、図１９に示すように、２ＤＰＣ光増幅部１２３Ｄに形成される増幅部ＰＢＧ１５Ｄのエネルギー幅は、２ＤＰＣ光反射部１２５Ｄに形成される反射部ＰＢＧ１６Ｄのエネルギー幅よりも広くなる。また、増幅部ＰＢＧ１５Ｄのエネルギーの中央値は、反射部ＰＢＧ１６Ｄのエネルギーの中央値とほぼ同じになる。これにより、増幅部ＰＢＧ１５Ｄの下側のバンド端１８１Ｄ及び上側のバンド端１８２Ｄは共に、エネルギーが反射部ＰＢＧ１６Ｃの外となる。従って、下側のバンド端１８１Ｄ及び上側のバンド端１８２Ｄのいずれかのエネルギーに対応する波長の光が活性層１１から２ＤＰＣ光増幅部１２３Ｄに導入された場合には、それらの光がいずれも２ＤＰＣ光反射部１２５Ｄに侵入し、緩やかに反射されるため、２ＤＰＣ光増幅部１２３Ｄ内の広い面積から安定したレーザビームが出射される。
(3) 第３実施形態
第１及び第２実施形態では、２ＤＰＣ光増幅部が小さい場合において、増幅部ＰＢＧと反射部ＰＢＧのエネルギー範囲の相違を利用して、２ＤＰＣ光増幅部内で増幅される光を２ＤＰＣ光反射部で強く反射させる例を示した。それに対して第３実施形態では、２ＤＰＣ光増幅部が大きい場合において、増幅部ＰＢＧと反射部ＰＢＧのエネルギー範囲の相違を利用して、２ＤＰＣ光増幅部から２ＤＰＣ光反射部へ光を侵入させ、反射強度を弱めることを検討する。
従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、フォトニック結晶層に形成された２次元フォトニック結晶よりも活性層での電流注入領域の方が小さいため、活性層で生じた光は２次元フォトニック結晶の一部のみに導入される。そうすると、２次元フォトニック結晶のうち光導入領域（電流注入領域）２２３は、その周囲の領域（「非光導入領域（非電流注入領域）２２５」とする）よりも、キャリア密度が増加するのに伴って屈折率が低下し、ＰＢ及びＰＢＧのエネルギーが全体的にわずかに高くなる。その結果、光導入領域２２３におけるＰＢＧ２５の下側のバンド端２８１のエネルギーは、光導入領域２２３に電流が注入される前には非光導入領域２２５におけるＰＢＧ２６の下側のバンド端２８３のエネルギーと同じ値である（図２０の左図）のに対して、電流が注入されると、非光導入領域２２５におけるＰＢＧ２６のわずかに内側の値となる（図２０の右図）。その結果、バンド端２８１のエネルギーに対応する波長の光は、非光導入領域２２５との境界において、意図せず光導入領域２２３側に強く反射される。そうすると、光の帰還作用が必要以上に強くなり、２次元フォトニック結晶の面積が大きい場合に、複数の振動モードのレーザ発振が生じてしまう。
そこで、図２１に示すように、第３実施形態では、フォトニック結晶層２２のうち、光導入領域２２３内に設けられる異屈折率領域２２２よりも非光導入領域２２５内に設けられる異屈折率領域２２４の体積をわずかに大きく（面積は大きく、厚みは同じと）する。
これにより、光導入領域２２３におけるＰＢＧ２５の下側のバンド端２８１のエネルギーは、光導入領域２２３に電流が注入される前において、非光導入領域２２５におけるＰＢＧ２６の下側のバンド端２８３のエネルギーよりも低くなる（図２２の左図）。電流が注入されると、バンド端２８１のエネルギーが高くなってバンド端２８３のエネルギーに近づく（図２２の右図）が、異屈折率領域２２２と異屈折率領域２２４の体積の差を適切に設定しておくことにより、バンド端２８１のエネルギーがバンド端２８３のエネルギーを超えない状態を維持することができる。これにより、バンド端２８１のエネルギーは非光導入領域２２５のＰＢ内に入るため、バンド端２８１のエネルギーに対応する発振波長の光は、非光導入領域２２５内に拡がりながら、緩やかに光導入領域２２３に反射される。そのため、光導入領域２２３の端付近に電界の腹が存在する高次モードの定在波が生じ難くなり、光導入領域２２３の面積が大きい場合にも、単一の振動モードの安定したレーザビームを出射させることができる。
なお、図２１に示した例では、異屈折率領域２２２及び２２４にはいずれも、平面形状が、面積の異なる2個の楕円から成るものを用いている。異屈折率領域２２２では、2個の楕円のＦＦをそれぞれ3.50％及び2.80％（合計6.30％）とし、異屈折率領域２２４では、2個の楕円のＦＦをそれぞれ3.55％及び2.85％（合計6.40％）とした。また、図２１に示した例では、光導入領域２２３を円形とした。このような円形の光導入領域は、図２３に示すように、第１電極２９１及び第２電極２９２を円形にすることにより実現される。これらフォトニック結晶層２２、第１電極２９１及び第２電極の２８２の構成を除いて、第３実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ２０は、第１実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０と同様の構成を有する。
第３実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ２０につき、発振するレーザビームのスペクトルを計算で求めた（第３実施例）。第３実施例では、光導入領域２２３の直径を500μmとした。比較例として、第３実施例における光導入領域２２３と同じ形状及び大きさの異屈折率領域２２２を第３実施例と同じと同じ周期長でフォトニック結晶層の全体に配置したものについても、第３実施例と同様の計算を行った。計算結果を、第３実施例について図２４に、比較例について図２５に、それぞれ示す。いずれも、活性層に注入する電流の値（図中に「I=2（又は10, 30）A」と表記）によってスペクトルが異なるが、いずれの電流値においても、比較例では複数の波長においてレーザ発振が生じるのに対して、第３実施例では単一の波長においてのみレーザ発振が生じる。すなわち、第３実施例では単一の振動モードのレーザビームを出射させることができる。
次に、レーザビームの遠視野像を計算で求めた結果を、第３実施例について図２６に、比較例について図２７に、それぞれ示す。比較例よりも第３実施例の方が、レーザビームの拡がりが小さい。また、ビームの拡がり角を計算で求めた結果、図２８に示すように、活性層に注入する電流の値に依らず、比較例よりも第３実施例の方が拡がり角が小さい。これらの結果から、第３実施例では比較例よりもレーザビームを小さい領域に集中的に照射させることができる、といえる。
以上、本発明の実施形態を説明してきたが、本発明は上記の実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、1個の異屈折率領域には、2個以上の空孔その他の、母材とは屈折率が異なる領域（主屈折率領域、副屈折率領域）を組み合わせたものを用いたが、母材とは屈折率が異なる1個のみの領域を用いてもよい。その場合、母材とは屈折率が異なる1個の領域は、平面形状が非円形（例えば楕円形、三角形等）であることが望ましいが、円形であっても差し支えはない。
２ＤＰＣ光反射部は、上記実施形態では２ＤＰＣ光増幅部の周囲の全体に設けたが、２ＤＰＣ光増幅部の周囲の一部のみに設けてもよい。但し、より高い効果を奏するために、上記実施形態のように２ＤＰＣ光増幅部の周囲の全体に２ＤＰＣ光反射部を設ける方が好ましい。
第１実施形態では２ＤＰＣ光増幅部と２ＤＰＣ光反射部の間で異屈折率領域のＦＦが異なるようにし、第１実施形態の変形例ではそれら両者の間で周期長が異なるようにしたが、それら両者の間でＦＦと周期長の双方が異なるようにしてもよい。また、第２実施形態及びその変形例では、異屈折率領域のＦＦ及び周期長は２ＤＰＣ光増幅部と２ＤＰＣ光反射部の間で同じ値としたが、両者の間でＦＦ及び／又は周期長を異なる値としてもよい。第３実施形態及びその変形例では、２ＤＰＣ光増幅部と２ＤＰＣ光反射部の間で異屈折率領域のＦＦが異なるようにしたが、周期長のみ、又はＦＦと周期長の双方が異なるようにしてもよい。
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、２０…２次元フォトニック結晶面発光レーザ
１１…活性層
１１１…電流注入領域
１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ、２２…フォトニック結晶層
１２０１、２２３…光導入領域
１２１…母材
１２２、１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、１２２Ｄ…第１異屈折率領域
１２２１、１２２１Ａ、１２２１Ｃ…第１主異屈折率領域
１２２２、１２２２Ａ、１２２２Ｃ…第１副異屈折率領域
１２３、１２３Ａ、１２３Ｂ、１２３Ｃ、１２３Ｄ…２ＤＰＣ光増幅部
１２４、１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、１２４Ｄ…第２異屈折率領域
１２４１、１２４１Ａ、１２４１Ｃ…第２主異屈折率領域
１２４２、１２４２Ａ、１２４２Ｃ、１２４３Ｃ、１２４４Ｃ…第２副異屈折率領域
１２５、１２５Ａ、１２５Ｂ、１２５Ｃ、１２５Ｄ…２ＤＰＣ光反射部
１３…スペーサ層
１４１…第１クラッド層
１４２…第２クラッド層
１５、１５Ａ、１５Ｃ、１５Ｄ…増幅部ＰＢＧ
１６、１６Ａ、１６Ｃ、１６Ｄ…反射部ＰＢＧ
１７、１７Ａ…増幅部ＰＢＧと反射部ＰＢＧの重複範囲
１８１、１８１Ａ、１８１Ｃ、１８１Ｄ、１８２、１８２Ａ、１８２Ｃ、１８２Ｄ、２８１、２８３…バンド端
１９１、２９１…第１電極
１９２、２９２…第２電極
１９２１…窓部
１９２２…枠部
２２２、２２４…異屈折率領域
２２５…非光導入領域
２５…光導入領域におけるＰＢＧ
２６…非光導入領域におけるＰＢＧ

Claims (5)

  1. a) 電流が注入されることによって光が生じる活性層と、
    b) 前記活性層に直接又は他の層を介して積層された板状の母材に設けられた、
    b-1) 前記母材とは屈折率が異なる第１異屈折率領域が周期的に２次元状に配置された、前記活性層で生じた光が導入される第１の２次元フォトニック結晶領域である、逆格子空間の所定の点においてバンド端を有する2つのフォトニックバンド間に形成されるフォトニックバンドギャップである光導入領域フォトニックバンドギャップを有する光導入領域と、
    b-2) 前記光導入領域の周囲に設けられ、前記母材とは屈折率が異なる第２異屈折率領域が前記光導入領域と同じ格子構造で２次元状に配置された第２の２次元フォトニック結晶領域であって、前記光導入領域とは前記格子構造以外のフォトニック結晶の構造が異なり、逆格子空間の前記所定の点においてバンド端を有する2つのフォトニックバンド間に形成されるフォトニックバンドギャップである非光導入領域フォトニックバンドギャップを有する非光導入領域と
    を有するフォトニック結晶層と
    を備え、
    前記光導入領域フォトニックバンドギャップと前記非光導入領域フォトニックバンドギャップのエネルギー範囲が一部重複し且つ異なり、
    前記活性層に注入される電流が前記光導入領域に注入されたとき、前記光導入領域フォトニックバンドギャップの下端のエネルギーが前記非光導入領域フォトニックバンドギャップの下端のエネルギーを超えない
    ２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
  2. 個々の前記第１異屈折率領域の体積が、個々の前記第２異屈折率領域の体積よりも小さい、
    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。
  3. 前記光導入領域に前記第１異屈折率領域が配置される周期長が、前記非光導入領域に前記第２異屈折率領域が配置される周期長よりも長い、
    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。
  4. 前記非光導入領域は、前記第１異屈折率領域が第１の所定周期長で配置されており、
    前記光導入領域は、前記母材とは屈折率が異なる主異屈折率領域が前記非光導入領域と同じ格子構造で第２の所定周期長で配置されていると共に最隣接する2個の主異屈折率領域の間に該主異屈折率領域よりも体積が小さく前記母材とは屈折率が異なる副異屈折率領域が配置され、該主異屈折率領域及び該副異屈折率領域により前記第２異屈折率領域が構成されている、
    請求項１～３のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
  5. 前記光導入領域は、前記母材とは屈折率が異なり非円形の平面形状を有する前記第１異屈折率領域が周期的に２次元状に配置されている、請求項１～４のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
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