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2次元フォトニック結晶面発光レーザ

国内特許コード P05A007088
整理番号 A112P80
掲載日 2005年4月25日
出願番号 特願2003-083706
公開番号 特開2004-296538
登録番号 特許第4484134号
出願日 平成15年3月25日(2003.3.25)
公開日 平成16年10月21日(2004.10.21)
登録日 平成22年4月2日(2010.4.2)
発明者
  • 野田 進
  • 横山 光
  • 関根 孝二郎
  • 宮井 英次
出願人
  • 科学技術振興機構
  • コニカミノルタホールディングス(株)
発明の名称 2次元フォトニック結晶面発光レーザ
発明の概要 【課題】面発光された光が単峰性の直線偏光であると共に、Q値の高い2次元フォトニック結晶面発光レーザを得る。
【解決手段】キャリアの注入により発光する活性層(第1媒質)12又はその近傍に、屈折率の異なる第2媒質からなるフォトニック結晶周期構造体21を2次元の周期で配列した2次元フォトニック結晶面発光レーザ。フォトニック結晶20の格子構造は正方格子又は直交格子であり、並進対称性を備えるが回転対称性を備えていない。あるいは、フォトニック結晶20の格子構造は正方格子又は直交格子であり、2次元文様の分類方法でp1、pm、pg又はcmのいずれかである。最も好ましくは格子点の形状はほぼ三角形である。<EMI LX=1100 HE=075 WI=069 ID=000002 LY=1742>
従来技術、競合技術の概要 【特許文献1】特開2000-332351号公報
【特許文献2】特開2003-23193号公報
従来、基板面から垂直方向にレーザ光を出射する面発光レーザが種々開発、研究されている。面発光レーザは同一基板上に多数の素子を集積(アレイ化)でき、各素子からコヒーレントな光が並列的に出射されるため、並列光ピックアップ、並列光伝送、光並列情報処理の分野での用途が期待されている。この種の面発光レーザとして、フォトニック結晶を利用した2次元フォトニック結晶面発光レーザが特許文献1に開示されている。フォトニック結晶とは、光の波長と同程度もしくはより小さい屈折率周期を有する結晶であり、誘電体の多次元周期構造体では半導体の結晶中で電子状態にバンドギャップが生じることと同様の原理により、光の導波を抑制する波長帯(フォトニックバンドギャップ)が生じ、光を2次元又は3次元に閉じこめることが可能である。前記特許文献1に記載の2次元フォトニック結晶面発光レーザは、キャリアの注入により発光する活性層の近傍に、2次元的に屈折率周期を配置したフォトニック結晶周期構造体を備え、フォトニック結晶により共振して面発光するものである。具体的には、図25に示すように、2次元フォトニック結晶面発光レーザ10は、概略、基板11上に下部クラッド層12、活性層13、上部クラッド層14が積層され、下部クラッド層12には活性層13の近傍に2次元フォトニック結晶20が内蔵されている。基板11は、例えば、n型InPの半導体材料からなる。下部クラッド層12及び上部クラッド層14は、例えば、それぞれn型及びp型InPの半導体層であり、活性層13よりも屈折率が低い。2次元フォトニック結晶20は、下部クラッド層12に形成した空孔(フォトニック結晶周期構造体21、格子点とも称する)にて構成され、下部クラッド層12とは屈折率の異なる媒質が2次元の周期で配列された正方格子や三角格子からなっている。空孔内にはSiN等を充填してもよい。活性層13は、例えば、InGaAs/InGaAsP系の半導体材料を用いた多重量子井戸構造からなっており、キャリアの注入により発光する。下部クラッド層12及び上部クラッド層14により活性層13を挟んでダブルヘテロ接合を形成し、キャリアを閉じこめて発光に寄与するキャリアを活性層13に集中させるようになっている。基板11の底面及び上部クラッド層14の上面には金等からなる下部電極16及び上部電極17が形成されている。電極16,17間に電圧を印加することにより活性層13が発光し、該活性層13から漏れた光が2次元フォトニック結晶20に入射する。2次元フォトニック結晶20の格子間隔に波長が一致する光は、2次元フォトニック結晶20により共振して増幅される。これにより、上部クラッド層14の上面(電極17の周囲に位置する発光領域18)からコヒーレントな光が面発光される。ここで、図26に示すような正方格子からなる2次元フォトニック結晶20について共振作用を説明する。なお、格子形状は正方格子に限らず、直交格子等であってもよい。2次元フォトニック結晶20は、第1媒質12内に空孔等の第2媒質21と直交する2方向に同じ周期で形成した正方格子からなっている。正方格子はΓ-X方向とΓ-M方向の代表的な方向を有している。Γ-X方向に隣接する第2媒質21の間隔をaとすると、第2媒質21を格子点とした一辺がaの正方形からなる基本格子Eが形成されている。波長λが基本格子Eの格子間隔aに一致する光LがΓ-X方向に進行すると、光Lは格子点で回折される。このうち、光Lの進行方向に対して0°、±90°、180°の方向に回折された光のみがブラッグ条件を満たす。さらに、0°、±90°、180°の方向に回折された光の進行方向にも格子点が存在するため、回折光は再度進行方向に対して0°、±90°、180°方向に回折する。光Lが1回又は複数回の回折を繰り返すと、回折光が元の格子点に戻るため共振作用が生じる。また、図26の紙面に垂直な方向に1次回折された光もブラッグ条件を満たす。このため、共振によって増幅された光が上部クラッド層14を介して出射され、面発光機能を有することになる。また、全ての格子点でこの現象が生じるため、面内全域でコヒーレントなレーザ発振が可能である。前記フォトニック結晶を利用した2次元的な共振現象を、より定量的に考えるために、2次元正方格子フォトニック結晶における光の分散関係を図27に示す。図27において、横軸は波数ベクトルと称する光の波数の向きと大きさを表す。縦軸は光の周波数にa/cを乗じて無次元化した規格化周波数である。ここで、cは光速(単位:m/sec)で、aは格子間隔(単位:m)である。光のエネルギーの伝播速度である群速度vは、∂ω/∂kで表されるので、図27においてその傾きが0となるバンド端では、光の群速度は0となり、定在波が生じることを意味する。従って、様々なバンド端において、それぞれのバンド端に応じた特徴あるレーザ発振が可能となる。なかでも、ポイントS(Γ点第2群)のバンド端が前記4波の結合と、面に垂直な方向に光を取り出せる発振点である。図28に前記ポイントSの詳細を示す。図28を参照すると、Γ点のバンド端には一つの二重縮退をしたバンド端III、IVを含む四つのバンド端(モード)I、II、III、IVがあり、レーザ発振はこの四つのバンド端(モード)のいずれかで生じるものと考えられる。これら四つのモードのうち、バンド端III、IVの2点は縮退しているため、縮退の性質により電界分布が一義的には決まらず不安定になる。また、縮退していない他の二つのモードI、IIは、偏光が特異であり、図29及び図30に示すような特徴を有している。図29はモードIの面発光成分の電界分布を示し、図30はモードIIの面発光成分の電界分布を示している。図29及び図30から明らかなように、モードI、II共に、偏光方向が場所により異なっているため、偏光が揃っていることが要求される用途では使用できないという問題点を有している。また、発光面の中心部においては互いに打ち消し合う方向に電界が重なり合うので、結果的に周辺のみが明るく、中心部は暗いドーナツ状の発光をしていることになる。また、二重縮退したモードIII、IVについては、前述の如く、縮退の性質により電界分布が一定にならないので、このモードIII、IVでも偏光は一義的に決まらず不安定になる。そこで、本発明者らは、偏光方向をある特定の方向に揃えることを検討し、2次元フォトニック結晶を構成する格子点の形状を適切に設計することにより、偏光が一方向に揃えることが可能であることを見出した(特許文献2参照)。その一例として、格子点の形状が楕円形状をなす場合の発振点付近のバンド構造を図31に示し、その電界分布を図32~図35に示す。図31に示すバンド構造により、格子点形状が真円形状のとき縮退していたモードIII、IVは完全に縮退が解けて新たなモードIII’、IV’になっていることが分かる。なお、格子点形状の楕円化により得られたモードをエネルギーの低いほうから、モードI’、II’、III’、IV’と名付け、真円の場合のモードと区別することにする。また、格子点形状の楕円化による効果で非常に重要な点として、縮退の解けたモードIII’及びモードIV’は勿論のこと、モードI’及びモードII’においても偏光方向が一方向に揃っていることが電界分布を示す図32~図35から明らかである。
産業上の利用分野 本発明は、2次元フォトニック結晶面発光レーザ、特に、キャリアの注入により発光する活性層又はその近傍に、2次元的に屈折率周期を配置したフォトニック結晶周期構造体を備え、フォトニック結晶により共振して面発光する2次元フォトニック結晶面発光レーザに関する。
特許請求の範囲 【請求項1】 キャリアの注入により発光する活性層又はその近傍に、屈折率の異なる媒質を2次元の周期で配列したフォトニック結晶周期構造体を内蔵した2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、 前記フォトニック結晶周期構造体の格子構造が、正方格子又は直交格子であり、並進対称性を備えるが回転対称性を備えておらず、かつ、格子点の形状がほぼ三角形であるフォトニック結晶を内蔵していること、 を特徴とする2次元フォトニック結晶面発光レーザ。
産業区分
  • 固体素子
  • 光学装置
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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26110_01SUM.gif
出願権利状態 権利存続中
参考情報 (研究プロジェクト等) CREST 電子・光子等の機能制御 領域
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