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フォトニック結晶レーザ 外国出願あり

国内特許コード P200016912
整理番号 5712
掲載日 2020年5月14日
出願番号 特願2019-503018
出願日 平成30年2月27日(2018.2.27)
国際出願番号 JP2018007246
国際公開番号 WO2018159606
国際出願日 平成30年2月27日(2018.2.27)
国際公開日 平成30年9月7日(2018.9.7)
優先権データ
  • 特願2017-035887 (2017.2.28) JP
発明者
  • 野田 進
  • 北村 恭子
  • 米 雅子
出願人
  • 国立大学法人京都大学
  • 国立大学法人京都工芸繊維大学
発明の名称 フォトニック結晶レーザ 外国出願あり
発明の概要 フォトニック結晶レーザ10は、波長λLの光を含む光を生じさせる発光層(活性層12)と、板状の母材112に、それとは屈折率が異なる異屈折率領域(空孔111)が2次元的に配置されることにより屈折率分布が形成されて成る2次元フォトニック結晶層11とが積層された構成を有するレーザであって、2次元フォトニック結晶層11において各異屈折率領域が、2次元定在波を形成することによって前記波長λLの光の共振状態を形成し且つ該波長λLの光を外部に出射させないように定められる周期性を持つ基本2次元格子の各格子点からずれた位置に配置されており、前記各格子点における異屈折率領域の位置の、該格子点からのずれを表す位置ずれベクトルΔr↑が、2次元フォトニック結晶層11内における前記波長λLの光の波数ベクトルk↑=(kx, ky)、前記2次元フォトニック結晶層の有効屈折率neff、前記基本2次元格子の所定の原点から所定の方向に延びる所定の基準線からの方位角φ、任意の定数φ0、及びレーザビームの拡がり角θを用いて表される逆格子ベクトルG'↑=±(kx±|k↑|(sinθcosφ)/neff, ky±|k↑|(sinθsinφ)/neff)、前記各格子点の位置ベクトルr↑、任意の定数d及びψ0、並びに0を除く整数Lを用いて、
Δr↑=d・sin(±G'↑・r↑+ψ0)・(cos(L(φ+φ0)), sin(L(φ+φ0)))
で表される。
従来技術、競合技術の概要

微細な加工や微小な試料の検出に用いる光源では、それら加工や検出の精度を高めるために、レーザビームをできるだけ小さい点に集光することが求められている。しかし、単に集光レンズでレーザビームを集光するだけでは、レーザビームのスポット径の大きさは、レーザの波長及び集光レンズの開口数により決定される回折限界値以下にすることはできない。

特許文献1には、スポット径を小さくすることに適したレーザビームを生成するものであって、活性層とフォトニック結晶を有するレーザ(フォトニック結晶レーザ)が記載されている。フォトニック結晶レーザでは、活性層に電流が注入されることによって生成される光のうち、フォトニック結晶の屈折率の周期に応じた特定の波長の光のみが干渉により選択的に増幅され、レーザ発振する。このフォトニック結晶における屈折率の周期は、一般に、光の波長と同程度となっている。特許文献1に記載のフォトニック結晶レーザでは、フォトニック結晶は、板状の母材内に、該母材とは屈折率が異なる領域である異屈折率領域が環状に、該環の周方向に周期的に並ぶように配置されている。各異屈折率領域は、その中心を通り前記環の径方向に延びる軸に関して非対称な形状を有している。このようなフォトニック結晶を有することにより、特許文献1に記載のフォトニック結晶レーザは、図15(a)に示すように、断面81が環状であって環の径方向(同図中に矢印で示す方向)に偏光したレーザビームを発振する。以下、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。

このような径偏光環状レーザビームを集光することにより、焦点の近傍で光軸方向の電界が生成され、ビーム径が回折限界値よりも小さいレーザビームが得られる。従来、小さなビーム径は光軸方向に1波長程度のごく狭い(短い)領域においてしか得られなかったが、径偏光環状レーザビームを用いることにより10波長以上の長い領域において得ることができる。

また、図15(b)に示すように、径偏光環状レーザビームをレンズ83で集光すると、レーザビームの環状部分が屈折する際に径偏光の電界に、レーザビームに平行な方向(z方向)の成分が生じる。このような成分を有する偏光を用いると、例えばラマン散乱測定において、レーザビームに垂直な偏光を用いた場合には生じなかった散乱を観測することができる、という利点がある(非特許文献1参照)。

産業上の利用分野

本発明は、集積回路等を作製する際の微細な加工や、微小な試料の検出に用いるスポット径の小さいレーザを生成するのに適したフォトニック結晶レーザに関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
波長λLの光を含む光を生じさせる発光層と、板状の母材に、該母材とは屈折率が異なる異屈折率領域が2次元的に配置されることにより屈折率分布が形成されて成る2次元フォトニック結晶層とが積層された構成を有するレーザであって、
該2次元フォトニック結晶層において各異屈折率領域が、2次元定在波を形成することによって前記波長λLの光の共振状態を形成し且つ該波長λLの光を外部に出射させないように定められる周期性を持つ基本2次元格子の各格子点からずれた位置に配置されており、
前記各格子点における異屈折率領域の位置の、該格子点からのずれの大きさが、前記基本2次元格子の所定の原点から径方向及び周方向に向かってそれぞれ所定の周期で変化する変調を有し、該格子点からのずれの方向が、該原点と該格子点を結ぶ直線の方向によって異なる
ことを特徴とするフォトニック結晶レーザ。

【請求項2】
波長λLの光を含む光を生じさせる発光層と、板状の母材に、該母材とは屈折率が異なる異屈折率領域が2次元的に配置されることにより屈折率分布が形成されて成る2次元フォトニック結晶層とが積層された構成を有するレーザであって、
該2次元フォトニック結晶層において各異屈折率領域が、2次元定在波を形成することによって前記波長λLの光の共振状態を形成し且つ該波長λLの光を外部に出射させないように定められる周期性を持つ基本2次元格子の各格子点からずれた位置に配置されており、
前記各格子点における異屈折率領域の位置の、該格子点からのずれを表す位置ずれベクトルΔr↑が、前記2次元フォトニック結晶層内における前記波長λLの光の波数ベクトルk↑=(kx, ky)、前記2次元フォトニック結晶層の有効屈折率neff、前記基本2次元格子の所定の原点から所定の方向に延びる所定の基準線からの方位角φ、任意の定数φ0、及びレーザビームの拡がり角θを用いて表される逆格子ベクトルG'↑=±(kx±|k↑|(sinθcosφ)/neff, ky±|k↑|(sinθsinφ)/neff)、前記各格子点の位置ベクトルr↑、任意の定数d及びψ0、並びに0を除く整数Lを用いて、
Δr↑=d・sin(±G'↑・r↑+ψ0)・(cos(L(φ+φ0)), sin(L(φ+φ0)))
で表されることを特徴とするフォトニック結晶レーザ。

【請求項3】
前記Lの値が+1、前記φ0の値が90°であることを特徴とする請求項2に記載のフォトニック結晶レーザ。

【請求項4】
前記異屈折率領域の平面形状が円形、楕円形又は三角形以上の多角形であることを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載のフォトニック結晶レーザ。

【請求項5】
前記異屈折率領域の平面形状が円形又は六角形以上の多角形であることを特徴とする請求項4に記載のフォトニック結晶レーザ。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2019503018thum.jpg
出願権利状態 公開
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