JP4185697B2 - ２次元フォトニック結晶面発光レーザアレイ及び２次元フォトニック結晶面発光レーザ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次元フォトニック結晶面発光レーザアレイ及び２次元フォトニック結晶面発光レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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開２０００−３３２３５１号公報に開示されている。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。
【０００４】
前記公報記載の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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記２次元フォトニック結晶面発光レーザをアレイ化しようとすると、光の共振方向が面内方向であるため、隣接するレーザ間にクロストークが生じる。特に、光の偏光方向が定まっていないと、面内での光の進行方向（ポインティングベクトル）も四方八方に向かい、それぞれのレーザをどのように並べてもクロストークが生じる。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、クロストークの発生を抑えることのできる２次元フォトニック結晶面発光レーザアレイを提供することにある。
【０００７】
また、本発明の他の目的は、レーザ出力をモニタするための光センサを容易に配置することのできる２次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することにある。
【０００８】
【発明の構成、作用及び効果】
以上の目的を達成するため、第１の発明は、キャリアの注入により発光する活性層をクラッド層で挟み込み、該クラッド層又は該活性層に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た２次元フォトニック結晶面発光レーザアレイにおいて、前記クラッド層上に設けた上部電極が前記フォトニック結晶周期構造体内におけるポインティングベクトルとは異なる方向であって、ポインティングベクトルとは４５°〜９０°で交差する範囲内に配列されていることを特徴とする。
【０００９】
第１の発明においては、フォトニック結晶により共振して増幅された光が上部電極の周囲の発光領域からコヒーレントな光として出射する。上部電極はフォトニック結晶周期構造体内における光の進行方向（ポインティングベクトル）とは異なる方向であって、ポインティングベクトルとは４５°〜９０°で交差する範囲内に配列されているため、隣接するレーザ素子間のクロストークが生じにくくなる。
【００１０】
特に、光の偏光方向を揃えることが重要であり、そのためには、フォトニック結晶周期構造体の単位格子形状を楕円にすることが好ましい。それ以外に、媒質の屈折率を調整したり、周期構造に乱れ（格子欠陥）を導入してもよい。フォトニック結晶周期構造体の格子形状は正方格子や三角格子等任意であるが、正方格子であれば設計が容易である。
【００１１】
また、第２の発明は、キャリアの注入により発光する活性層をクラッド層で挟み込み、該クラッド層又は該活性層に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た２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、レーザ出力をモニタするための光センサが、前記フォトニック結晶周期構造体内におけるポインティングベクトルに対して略直交する面で受光する位置に設けられていることを特徴とする。
【００１２】
２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、１次回折を利用して面発光させるが、２次回折光も漏れており、第２の発明ではその漏れ光を光センサで検出するようにしたため、光センサを基板と並置することができ、光センサの配置が容易になる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザアレイ及び２次元フォトニック結晶面発光レーザの実施形態について、添付図面を参照して説明する。
【００１４】
（基本構造及び共振作用、図１、図２参照）
本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザアレイは、図１に示す２次元フォトニック結晶面発光レーザを同一基板上に複数素子並設したものである。
【００１５】
この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。
【００１６】
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）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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
ここで、図２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。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。
【００２０】
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２次回折される。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。
【００２１】
光Ｌが１回又は複数回の２次回折を繰り返すと、回折光が元の格子点に戻るため共振作用が生じる。また、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。
【００２２】
（フォトニック結晶周期構造体とポインティングベクトルの向き、図３〜図５参照）
本発明の課題とされているクロストークを防止するには、フォトニック結晶２０内における光の進行方向（ポインティングベクトル）を一定にすること、即ち、光の偏光方向を揃えることが重要である。偏光方向を揃えるには、媒質２１の屈折率を調整したり、周期構造に乱れ（格子欠陥）を導入することで可能であるが、本実施形態においては、下部クラッド層１２に内蔵されたフォトニック結晶周期構造体２１を形成する単位格子形状を楕円形状とした。該周期構造体２１を楕円とすることにより、フォトニックバンドから決まるモードによっては、楕円の長軸方向とポインティングベクトルＰの方向が同じ場合（図３（Ａ）参照、モードＡ，Ｄ）と、異なる場合（図３（Ｂ）参照、モードＢ，Ｃ）とが存在する。
【００２３】
いずれのモードにあっても、レーザ素子をできるだけ狭小ピッチでアレイ化するためには、上部クラッド層１４の上面に形成する上部電極１７を、ポインティングベクトルＰと同じ方向に配列しなければよい。
【００２４】
図４、図５は、ポインティングベクトルＰと電界（偏光）Ｄの方向に関して各面発光レーザ１０（上部電極１７）の配置関係を示す。図４に示すように、上部電極１７をポインティングベクトルＰと同じ方向に配列して面発光レーザアレイ３０を構成すると、隣接するレーザ１０間にクロストークが発生し、各レーザ１０から出射するレーザ光を独立して制御できなくなるおそれがある。クロストークを防止するには各レーザ１０の間隔を大きく設定する必要があり、これではアレイが大型化してしまう。
【００２５】
これに対して、図５に示すように、上部電極１７をポインティングベクトルＰの方向と直交する方向に配列して面発光レーザアレイ３０を構成すると、隣接するレーザ１０間のクロストークは小さくなり、各レーザ１０の間隔を小さく設定することが可能となる。
【００２６】
クロストークを小さくするためには、上部電極１７をポインティングベクトルＰと直交する方向に配列することが最も望ましいが、４５°に交差する方向に配列した場合であっても、クロストークを抑えてアレイ３０を小型化する効果を発揮する。
【００２７】
（光センサの配置、図６参照）
図６は、前記２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０をアレイ化したレーザアレイ３０に対して、レーザ出力をモニタするための光センサ３５を取り付けた状態を示す。ここで、光センサ３５はポインティングベクトルＰに対して直交する位置に設けられている。
【００２８】
２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０では１次回折を利用して図６の紙面に垂直方向にレーザ光を出射するが、２次回折光も基板１１の側面から漏れている。光センサ３５をポインティングベクトルＰと略直交する位置に設けて２次回折光を検出することで、レーザ出力をモニタすることができる。この場合、光センサ３５は基板１１と並置すればよく、配置が容易である。なお、光センサ３５はレーザアレイ３０のみならず、面発光レーザ１０単体に配置してもよい。
【００２９】
ちなみに、従来一般的な面発光レーザとして知られているＶＣＳＥＬでは、モニタ用の光センサは出射面と反対側の基板下面に配置することが必要で、これでは光センサの配置が困難であった。
【００３０】
（他の実施形態）
なお、本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザアレイ及び２次元フォトニック結晶面発光レーザは前記実施形態に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。
【００３１】
特に、半導体層、フォトニック結晶、電極の材料や、光の偏光を揃えるための構造、格子形状等は任意である。また、前記実施形態では、フォトニック結晶周期構造体を下部クラッド層に設けた例を示したが、上部クラッド層内の活性層近傍もしくは活性層内に設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザアレイの１単位である面発光レーザの基本構成を示す斜視図。
【図２】前記面発光レーザの共振作用を示す説明図。
【図３】フォトニック結晶周期構造体の形状とポインティングベクトルの方向を示す説明図。
【図４】ポインティングベクトルの方向と面発光レーザの配置関係を示す説明図、好ましくない関係を示す。
【図５】ポインティングベクトルの方向と面発光レーザの配置関係を示す説明図、好ましい関係を示す。
【図６】２次元フォトニック結晶面発光レーザアレイに光センサを設けた状態を示す平面図。
【符号の説明】
１０…２次元フォトニック結晶面発光レーザ
１１…基板
１２…下部クラッド層（第１媒質）
１３…活性層
１４…上部クラッド層
１６…下部電極
１７…上部電極
２０…２次元フォトニック結晶
２１…フォトニック結晶周期構造体（第２媒質）
３０…２次元フォトニック結晶面発光レーザアレイ
３５…光センサ
Ｐ…ポインティングベクトル

Claims (4)

1. キャリアの注入により発光する活性層をクラッド層で挟み込み、該クラッド層又は該活性層に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た２次元フォトニック結晶面発光レーザアレイにおいて、
   前記クラッド層上に設けた上部電極が前記フォトニック結晶周期構造体内におけるポインティングベクトルとは異なる方向であって、ポインティングベクトルとは４５°〜９０°で交差する範囲内に配列されていること、
   を特徴とする２次元フォトニック結晶面発光レーザアレイ。
2. 前記フォトニック結晶周期構造体が正方格子に配列されていることを特徴とする請求項１記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザアレイ。
3. 前記フォトニック結晶周期構造体の単位格子形状が楕円であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザアレイ。
4. キャリアの注入により発光する活性層をクラッド層で挟み込み、該クラッド層又は該活性層に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た２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、
   レーザ出力をモニタするための光センサが、前記フォトニック結晶周期構造体内におけるポインティングベクトルに対して略直交する面で受光する位置に設けられていること、
   を特徴とする２次元フォトニック結晶面発光レーザ。

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