特許 6039324 レーザ共振器および垂直共振器型面発光レーザ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6039324

(24)【登録日】2016年11月11日

(45)【発行日】2016年12月7日

(54)【発明の名称】レーザ共振器および垂直共振器型面発光レーザ

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/183 20060101AFI20161128BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/183

【請求項の数】7

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2012-198700(P2012-198700)

(22)【出願日】2012年9月10日

(65)【公開番号】特開2014-53560(P2014-53560A)

(43)【公開日】2014年3月20日

【審査請求日】2015年9月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001007

【氏名又は名称】キヤノン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100126240

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 琢磨

(74)【代理人】

【識別番号】100124442

【弁理士】

【氏名又は名称】黒岩 創吾

(72)【発明者】

【氏名】長友 靖浩

【審査官】 高椋 健司

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１５５０８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０７８６１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−２２５８８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２２７４６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２１２３３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１０７２４１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ５／００−５／５０

Ｃ０３Ｃ １５／００−２３／００

Ｃ２３Ｃ １４／００−１４／５８

Ｇ０２Ｂ ５／００−５／０８，５／１０−５／１３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

分布ブラッグ反射鏡を有する第１の反射鏡と第２の反射鏡とが対向配置された構成を備え、波長λの光を共振させるレーザ共振器であって、
前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡は、各反射鏡における分布ブラッグ反射鏡を構成する多層膜のうちの少なくとも一部の層の光学膜厚がλ／４の奇数倍とは異なるように膜厚変調された構成を有し、
前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡は、各反射鏡における分布ブラッグ反射鏡の前記膜厚変調の方向が逆になるように構成され、
前記第１の反射鏡が誘電体で構成され、
前記第２の反射鏡が半導体で構成されていることを特徴とするレーザ共振器。

【請求項2】

分布ブラッグ反射鏡を有する第１の反射鏡と第２の反射鏡とが対向配置された構成を備え、波長λの光を共振させるレーザ共振器であって、
前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡は、各反射鏡における分布ブラッグ反射鏡を構成する多層膜のうちの少なくとも一部の層の光学膜厚がλ／４の奇数倍とは異なるように膜厚変調された構成を有し、
前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡は、各反射鏡における分布ブラッグ反射鏡の前記膜厚変調の方向が逆になるように構成され、
前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡の少なくとも一方が、ＧａＮまたはＡｌＮを含む半導体を有することを特徴とするレーザ共振器。

【請求項3】

分布ブラッグ反射鏡を有する第１の反射鏡と第２の反射鏡とが対向配置された構成を備え、波長λの光を共振させるレーザ共振器であって、
前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡は、各反射鏡における分布ブラッグ反射鏡を構成する多層膜のうちの少なくとも一部の層の光学膜厚がλ／４の奇数倍とは異なるように膜厚変調された構成を有し、
前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡は、各反射鏡における反射時の位相ずれの符号が逆になるように構成され、
前記第１の反射鏡が誘電体で構成され、
前記第２の反射鏡が半導体で構成されていることを特徴とするレーザ共振器。

【請求項4】

分布ブラッグ反射鏡を有する第１の反射鏡と第２の反射鏡とが対向配置された構成を備え、波長λの光を共振させるレーザ共振器であって、
前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡は、各反射鏡における分布ブラッグ反射鏡を構成する多層膜のうちの少なくとも一部の層の光学膜厚がλ／４の奇数倍とは異なるように膜厚変調された構成を有し、
前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡は、各反射鏡における反射時の位相ずれの符号が逆になるように構成され、
前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡の少なくとも一方が、ＧａＮまたはＡｌＮを含む半導体を有することを特徴とするレーザ共振器。

【請求項5】

前記第１の反射鏡における前記一部の層は、前記光学膜厚がλ／４より薄く構成されており、
前記第２の反射鏡における前記一部の層は、前記光学膜厚がλ／４より厚く構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザ共振器。

【請求項6】

請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザ共振器を備え、該レーザ共振器における前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間に活性層を含み構成されていることを特徴とする垂直共振器型面発光レーザ。

【請求項7】

前記活性層の位置が、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡の間の中心からずれた位置に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の垂直共振器型面発光レーザ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ共振器および該レーザ共振器により構成される垂直共振器型面発光レーザに関する。

【背景技術】

【0002】

半導体レーザ構造の一種として、垂直共振器型面発光レーザ（以下、ＶＣＳＥＬと記す。）が知られている。
ＶＣＳＥＬは、活性層（発光層）の上下を一対の反射鏡で挟みこんで構成される。活性層から放出された光は上下の反射鏡で反射を繰り返し、特定の波長において共振し、活性層で増幅されレーザ発振する。その光の一部が反射鏡を透過して表面から取り出され、面発光レーザとして動作する。
一般的に、ＶＣＳＥＬの反射鏡には、半導体や誘電体の多層膜で構成された分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）が使用される。
一般的なＤＢＲは、屈折率の異なる２種類の層が交互に積層されており、所定の光の波長をλとすると、各層の厚さが光学膜厚λ／４となるように設計される。ここで、光学膜厚とは、ＤＢＲを構成する多層膜のある層の厚さに、その層を構成する材料の屈折率を掛けたものをいう。
このような構成にすることで、各層の界面で反射された光が干渉して強めあい、１００％に近い高反射率を得ることができる。

【0003】

しかし近年、各層の光学膜厚をλ／４から意図的にずらした、いわゆる膜厚変調ＤＢＲを使用したＶＣＳＥＬが提案されている。
例えば、特許文献１には、ＤＢＲを構成する材料のうち相対的に光吸収損失の多い材料の光学膜厚をλ／４より薄くし、相対的に光吸収損失の少ない材料の光学膜厚をλ／４より厚く形成したＶＣＳＥＬが開示されている。
このような構成にすることで、ＤＢＲの高反射率を維持したまま光吸収損失を減少させることができ、それによって高効率のＶＣＳＥＬを実現できる。
これらの他にも、放熱性向上や、熱膨張係数や格子定数の違いによるクラック発生を抑制するため、膜厚変調ＤＢＲをＶＣＳＥＬの反射鏡として使用するようにしたものが提案されている。（例えば特許文献２、３。）

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平３−２２５８８５号公報

【特許文献2】米国特許第６７２０５８５号明細書

【特許文献3】特開２００３−１０７２４１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

以上のように膜厚変調ＤＢＲを垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）に使用すれば、様々な特性を改善することができる。しかしながら、その場合、以下に説明するように、共振波長が設計値からずれてしまうという課題が生じる。
上記特許文献には、膜厚変調ＤＢＲ単独の特性については記載されているが、それを組み合わせて形成した共振器の光学特性については何も記載されていない。我々が検討を行ったところ、膜厚変調ＤＢＲを使用した場合は、従来のＤＢＲを使用した場合と同じ設計指針で共振器を設計しても、所望の光学特性を持った共振器が得られないという課題が判明した。

【0006】

この課題について、計算結果をもとに具体的に説明する。
図７は、膜厚変調ＤＢＲを使用した垂直共振器構造の一例を示す模式図である。波長λ＝４００ｎｍにおいて１λ共振器となるように、
光学膜厚４００ｎｍのＧａＮ膜７１０の上下を、
ＳｉＯ₂層７０１とＮｂ₂Ｏ₅層７０２を交互に７ペア積層した誘電体ＤＢＲ７００と、
ＡｌＮ層７２１とＧａＮ層７２２を交互に２０ペア積層した半導体ＤＢＲ７２０と、
によって挟んだ形状の共振器が、ＧａＮ基板７３０上に形成されている。
なお、図を簡略化するために、ＤＢＲは実際よりも少ないペア数で図示している。

【0007】

半導体ＤＢＲ７２０は、一般的にはＡｌＮ層７２１とＧａＮ層７２２の光学膜厚がそれぞれλ／４で、２つの層を合計した１周期の光学膜厚がλ／２となるように設計される。
ここで、半導体ＤＢＲ７２０の各層の光学膜厚をλ／４からずらして膜厚変調ＤＢＲにする場合について計算する。
なお、本計算において、反射率の低下を抑えるために１周期の光学膜厚はλ／２を保つようにした。例えば、ＡｌＮ層の膜厚を薄くする場合はその分、ＧａＮ層の膜厚を厚くして調整する。

【0008】

図８は、図７に示した構造に図の上側から平面波を入射した場合の反射スペクトルを計算した結果である。
半導体ＤＢＲ７２０を構成するＡｌＮ層７２１の光学膜厚を０．１５λ〜０．３５λの範囲で変化させた場合の共振波長の変化を計算した。
反射率が急激に低下するディップ波長が共振波長に相当する。
なお、誘電体ＤＢＲ７００の膜厚は変調しておらず、各層の光学膜厚はλ／４である。
半導体ＤＢＲを膜厚変調していない構成（ＡｌＮ層とＧａＮ層の光学膜厚が０．２５λ）の場合は、共振波長は設計値通り４００ｎｍであるが、膜厚変調が加わると変調の度合いに応じて共振波長がずれる。
ＡｌＮ層の膜厚を薄くしてＧａＮ層の膜厚を厚くすると共振波長は短波長側にずれ、逆にＡｌＮ層の膜厚を厚くしてＧａＮ層の膜厚を薄くすると共振波長は長波長側にずれる。
以上のように、ＶＣＳＥＬの反射鏡を一般的なＤＢＲから膜厚変調ＤＢＲに単純に置き換えると、共振波長が設計値からずれてしまう。

【0009】

本発明は、上記課題に鑑み、膜厚変調ＤＢＲを垂直共振器型面発光レーザの反射鏡として使用しても、共振波長のずれを抑制することが可能となるレーザ共振器および該レーザ共振器により構成される垂直共振器型面発光レーザの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明のレーザ共振器の一つの態様は、分布ブラッグ反射鏡を有する第１の反射鏡と第２の反射鏡とが対向配置された構成を備え、波長λの光を共振させるレーザ共振器であって、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡は、各反射鏡における分布ブラッグ反射鏡を構成する多層膜のうちの少なくとも一部の層の光学膜厚がλ／４の奇数倍とは異なるように膜厚変調された構成を有し、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡は、各反射鏡における分布ブラッグ反射鏡の前記膜厚変調の方向が逆になるように構成され、前記第１の反射鏡が誘電体で構成され、前記第２の反射鏡が半導体で構成されていることを特徴とする。
本発明のレーザ共振器の別の態様は、分布ブラッグ反射鏡を有する第１の反射鏡と第２の反射鏡とが対向配置された構成を備え、波長λの光を共振させるレーザ共振器であって、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡は、各反射鏡における分布ブラッグ反射鏡を構成する多層膜のうちの少なくとも一部の層の光学膜厚がλ／４の奇数倍とは異なるように膜厚変調された構成を有し、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡は、各反射鏡における分布ブラッグ反射鏡の前記膜厚変調の方向が逆になるように構成され、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡の少なくとも一方が、ＧａＮまたはＡｌＮを含む半導体を有することを特徴とする。
本発明のレーザ共振器の別の態様は、分布ブラッグ反射鏡を有する第１の反射鏡と第２の反射鏡とが対向配置された構成を備え、波長λの光を共振させるレーザ共振器であって、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡は、各反射鏡における分布ブラッグ反射鏡を構成する多層膜のうちの少なくとも一部の層の光学膜厚がλ／４の奇数倍とは異なるように膜厚変調された構成を有し、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡は、各反射鏡における反射時の位相ずれの符号が逆になるように構成され、前記第１の反射鏡が誘電体で構成され、前記第２の反射鏡が半導体で構成されていることを特徴とする。
本発明のレーザ共振器の別の態様は、分布ブラッグ反射鏡を有する第１の反射鏡と第２の反射鏡とが対向配置された構成を備え、波長λの光を共振させるレーザ共振器であって、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡は、各反射鏡における分布ブラッグ反射鏡を構成する多層膜のうちの少なくとも一部の層の光学膜厚がλ／４の奇数倍とは異なるように膜厚変調された構成を有し、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡は、各反射鏡における反射時の位相ずれの符号が逆になるように構成され、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡の少なくとも一方が、ＧａＮまたはＡｌＮを含む半導体を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、膜厚変調ＤＢＲを使用しても共振波長のずれを抑制することが可能となるレーザ共振器および該レーザ共振器により構成される垂直共振器型面発光レーザを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施形態におけるレーザ共振器の構成例を説明する断面模式図である。

【図2】本発明の実施形態のレーザ共振器におけるＤＢＲの膜厚変調と反射率の関係を示すグラフである。

【図3】本発明の実施形態のレーザ共振器における屈折率と光強度の分布を示すグラフである。

【図4】本発明の実施形態におけるレーザ共振器の構成例を説明する断面模式図である。

【図5】本発明の実施例１におけるＶＣＳＥＬの層構造を示す断面模式図である。

【図6】本発明の実施例１におけるＶＣＳＥＬの共振波長を示すグラフである。

【図7】従来技術が有する課題を説明するための模式図である。

【図8】従来技術が有する課題を説明するためのグラフである。

【図9】本発明における膜厚変調ＤＢＲの反射光の位相について説明するための模式図とグラフである。

【図10】本発明における膜厚変調ＤＢＲの反射光の位相について説明するための模式図とグラフである。

【図11】本発明におけるＤＢＲの反射光の位相について説明するための模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下に、本発明の実施形態におけるレーザ共振器（以下、共振器と記す。）、および垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）について説明する。
まず、本明細書における用語の定義を行う。
本明細書中では、素子の基板側を下側、基板と反対側を上側と定義する。
本明細書中で層の厚さに言及する場合、特に断りが無ければ物理膜厚ではなく光学膜厚を意味することとする。
本明細書中では、ＤＢＲを構成する２種類の層のうち、相対的に屈折率の低い材料からなる層を低屈折率層、相対的に屈折率の高い材料からなる層を高屈折率層と呼ぶこととする。
本明細書中では、ＤＢＲに光が入射する場合、光が入射する側に近い順から第１の層、第２の層と呼ぶこととする。
一般的にＤＢＲは第１の層と第２の層を交互に積層して構成される。一対のＤＢＲを対向させて共振器を形成した場合、光は共振器内側からＤＢＲに入射するとみなし、共振器内側から順に第１の層、第２の層となる。
本明細書中では、ＤＢＲを構成する各層の光学膜厚がλ／４になっているものを無変調ＤＢＲと呼ぶこととする。
本明細書中では、膜厚変調とは、ＤＢＲを構成する各層の光学膜厚をλ／４からずらすことを意味する。以下において、膜厚変調されたＤＢＲのことを膜厚変調ＤＢＲと呼ぶこととする。
本明細書中では、ＤＢＲを構成する各層の光学膜厚がλ／４であると言った場合、光学特性が光学膜厚λ／４と同等の場合も含むこととする。具体的には、光学膜厚がλ／４の奇数倍である場合も含む。
ここで、本明細書における膜厚変調の方向について定義する。
便宜的に、各ＤＢＲの第１の層を光学膜厚λ／４より薄くする場合の膜厚変調の方向を負（−）、それとは逆に第１の層を光学膜厚λ／４より厚くする場合の膜厚変調の方向を正（＋）と定義する。
また、共振器を形成する一対のＤＢＲの膜厚変調の方向を示す符号が異なる場合、例えば、上側ＤＢＲの膜厚変調の方向が負、下側ＤＢＲの膜厚変調の方向が正となっている場合は、上下のＤＢＲの膜厚変調の方向が逆であると言うこととする。

【0014】

つぎに、上記した課題が生じる原因について、本発明者が考察した内容について説明する。
前述の共振波長ずれは、ＤＢＲの膜厚変調の度合いに応じて反射光の位相がずれることによって引き起こされる。
図９（ａ）と図９（ｂ）を用いて、ＤＢＲの膜厚変調の度合いが反射光の位相に与える影響について説明する。
図９（ａ）に示したＤＢＲは、図７に示したレーザ共振器の下側の半導体ＤＢＲ７２０と同じものである。
なお、図９（ａ）において、半導体ＤＢＲ７２０の上面７２５のみで光反射が起こっているような描写になっているが、実際には上面７２５だけでなく各層の界面で光反射が起こり、それらを合成したものがＤＢＲ全体としての反射光となる。本明細書中の計算では、ＤＢＲ上面７２５における入射光と反射光（合成波）の位相の差を計算で求めて、その差を反射時の位相ずれと見なしている。

【0015】

一般的な、光学膜厚λ／４の層を積層した無変調ＤＢＲの場合、波長λにおける反射光の位相ずれは０またはπである。入射側媒質の屈折率がＤＢＲの第１の層の屈折率より大きい場合には位相ずれは０となり、逆に第１の層の屈折率より小さい場合には位相ずれはπとなる。
図９（ａ）に示した半導体ＤＢＲ７２０の入射側媒質はＧａＮ（屈折率２．５４）であるとした。第１の層はＡｌＮ層７２１（屈折率２．０９）であり、第１の層より入射側媒質の屈折率が大きいので、膜厚変調を加えていない場合の反射光の位相ずれは０である。
ＤＢＲに膜厚変調が加わると、変調の度合いに応じて反射光の位相がずれる。
図９（ｂ）は図９（ａ）の半導体ＤＢＲ７２０の膜厚変調の度合いと反射光の位相ずれの関係を計算した結果である。
なお、本計算においても半導体ＤＢＲ７２０の１周期の光学膜厚はλ／２を保つようにしてある。
図９（ｂ）から、膜厚変調の度合いに比例して反射光の位相が変化していることが読み取れる。第１の層であるＡｌＮ層７２１の膜厚を薄くして第２の層であるＧａＮ層７２２の膜厚を厚くすると位相が負の方向にずれ、逆にＡｌＮ層７２１の膜厚を厚くしてＧａＮ層７２２の膜厚を薄くすると位相が正の方向にずれる。ＤＢＲでの光反射時の位相が変化すると、実効的な光路長が伸び縮みすることになる。
位相が正の方向にずれる場合は光路長が伸びることと等価であり、位相が負の方向にずれる場合は光路長が縮むことと等価である。
その結果、実際の共振器長が変化していないにも関わらず、図８に示したような共振波長ずれが起きると考えられる。

【0016】

図１０に、膜厚変調ＤＢＲでの反射光の位相ずれの仕組み（どのような構成でどのように位相がずれるか）をより詳細に説明するための、別の計算結果を示す。
光の入射側から見て低屈折率層が先に並んでいる場合、つまり第１の層が低屈折率層である場合（図１０（ａ））と、高屈折率層が先に並んでいる場合、つまり第１の層が高屈折率層である場合（図１０（ｂ））の２通りのＤＢＲ構造について、平面波を入射した場合の反射光の位相を計算した。
なお、図中の矢印の向きは光の入射方向を表している。
計算に使用したパラメータは、入射側と出射側の屈折率は１．５、低屈折率層の屈折率は１．０、高屈折率層の屈折率は２．０または３．０、ＤＢＲのペア数は１０とした。
また、ここでもＤＢＲの１周期の光学膜厚はλ／２を保つようにし、その中の膜厚比率を変えて計算を行った。

【0017】

図１０（ｃ）は図１０（ａ）に示した構造の、図１０（ｄ）は図１０（ｂ）に示した構造の計算結果である。
それぞれ、高屈折率層の屈折率が２．０の場合と３．０の場合をグラフに示している。
図１０（ｃ）と図１０（ｄ）を比較すると、どちらも位相のずれは膜厚変調の度合いに比例している。しかしグラフの傾きの正負は逆である。
図１０（ｃ）では、低屈折率層が厚くなるにしたがって位相ずれが大きくなる。図１０（ｄ）では、低屈折率層が厚くなるにしたがって位相ずれが小さくなる。これは、光の入射側から見て先に並んでいる層の膜厚が増すと位相が正に、膜厚が減ると位相が負にずれるというように理解できる。
また、高屈折率層の屈折率が２．０の場合と３．０の場合の比較より、グラフの傾きの大きさはＤＢＲを構成する層の屈折率に依存することがわかる。

【0018】

このしくみを簡単なモデルを使って説明する。
図１１に、ＤＢＲ１１００に平面波が入射した場合の反射の様子をあらわした模式図を示す。
光の入射側から第１の層１１０１、第２の層１１０２が並んでおり、それ以降も第１の層、第２の層、第１の層といった具合に第１の層と第２の層が交互に同一周期で積層されている。
なお、ここでは理論を簡略化するために、多重反射を無視して各界面で一度だけ反射された光のみを取り扱うこととする。
ＤＢＲ１１００の上側の界面１１０５で反射される光を基準に、各界面で反射されて界面１１０５まで戻ってきた光の位相差を考える。
界面１１０５で反射した光と、界面１１１５で反射して界面１１０５まで戻ってきた光との位相差は、
第１の層の光学膜厚×２×２π／λ＋反射時位相ずれπ
であらわされる。
第１の層の光学膜厚がλ／４の場合には位相差は２πとなり、実質的な位相差はない。第１の層の光学膜厚がλ／４より薄い場合には位相差は２πより小さく、λ／４より厚い場合には位相差は２πより大きくなる。
界面１１０５で反射した光と、界面１１２５で反射して界面１１０５まで戻ってきた光との位相差は、
（第１の層の光学膜厚＋第２の層の光学膜厚）×２×２π／λ
であらわされる。

【0019】

第１の層の光学膜厚と第２の層の光学膜厚を足し合わせた１周期の光学膜厚がλ／２であれば、界面１１０５と界面１１２５での反射光の位相差は２πとなり、実質的な位相差はない。
前述したように、これ以降の層も第１の層と第２の層を同一周期で積層しているので、これ以降の反射光も位相差という点では同様の関係となる。
結局、１周期の光学膜厚がλ／２を保ったままの膜厚変調ＤＢＲの場合は、反射光の位相が無変調ＤＢＲに比べて正の方向にずれるか負の方向にずれるかは第１の層の光学膜厚だけで表現することができる。前述のように、第１の層の光学膜厚がλ／４より薄い場合には位相差は２πより小さく、λ／４より厚い場合には位相差は２πより大きくなる。
全体の反射光は各界面からの反射光の合成波なので、各界面での反射光がそれぞれどの程度の強度をもっているかによって全体に及ぼす影響が変わってくる。各界面での反射光の強度は各界面の反射率に依存する。界面における光の反射率はその界面の前後の屈折率に依存する。そのため、ＤＢＲを構成する材料の屈折率が変化すると、図１０に示したように位相ずれの大きさが変わる。
以上、膜厚変調ＤＢＲでの反射光の位相ずれについて説明した。

【0020】

本発明は以上の知見に基づくものである。
本発明の基本的な思想は、共振器を挟むように配置された一対のＤＢＲのうち片方のＤＢＲで生じる位相ずれを、もう片方のＤＢＲで生じる位相ずれで打ち消すようにすることで、共振波長のずれを抑制することである。
位相ずれを打ち消し合うためには、上下のＤＢＲで生じる位相ずれの符号（正負）が逆になればよい。
上下のＤＢＲの位相ずれの符号が逆で絶対値が等しい場合は完全に打ち消し合うので、最も好ましい。
位相ずれの符号を逆にする具体的な構成としては、上下のＤＢＲの膜厚変調の方向が逆になるようにすればよい。

【0021】

図１に、本発明を適用した共振器の構造と計算結果の一例を示す。
基板１３０上に、波長λ＝１０００ｎｍで共振するように共振器が形成されている。
屈折率が２．０、物理膜厚が５００ｎｍで、光学膜厚が１λに相当する厚さのスペーサ層１１０の上下に、第１の反射鏡であるＤＢＲ１００と第２の反射鏡であるＤＢＲ１２０を対向配置することで共振器が形成されている。
ＤＢＲ１２０は、第１の層１２１を屈折率１．０の層で、第２の層１２２を屈折率２．０の層で形成し、第１の層と第２の層を交互に５周期積層して形成されている。
ＤＢＲ１００も、ＤＢＲ１２０と同様に第１の層１０１を屈折率１．０の層で、第２の層１０２を屈折率２．０の層で形成し、第１の層と第２の層を交互に５周期積層して形成されている。
なお、図を簡略化するため上下のＤＢＲともに３周期だけ図示している。

【0022】

この共振器では、第１の反射鏡と第２の反射鏡の膜厚変調の方向が逆である。具体的には、第１の反射鏡であるＤＢＲ１００は、第１の層１０１の厚さをλ／４の０．５倍に薄くして第２の層１０２の厚さをλ／４の１．５倍に厚くしており、本明細書中の定義に則ると膜厚変調の方向は負である。
一方、第２の反射鏡であるＤＢＲ１２０は、第１の層１２１の厚さをλ／４の１．５倍に厚くして第２の層１２２の厚さをλ／４の０．５倍に薄くしており、膜厚変調の方向が正である。
なお、前述したように、片側のＤＢＲだけ膜厚変調した場合は共振波長が設計値の１０００ｎｍからずれる。
例えば、ＤＢＲ１２０だけ図１に示した構造と同様に変調して、ＤＢＲ１００は無変調ＤＢＲとした場合は、共振波長が１０２７ｎｍとなる。
図１のように、対向配置されたＤＢＲの膜厚変調の方向を逆にすることで影響を打ち消し合って、設計値通り１０００ｎｍで共振する共振器が得られる。

【0023】

本発明において、第１の反射鏡と第２の反射鏡が同一の材料系のＤＢＲで構成されている必要は無い。
むしろ、異なる材料系で構成されている方が好ましい場合もある。同一の材料系で構成されていると、逆方向に膜厚変調する事が現実的に難しい場合も考えられるからである。
例えば、半導体ＤＢＲを構成する２種類の半導体層のうち、基板との格子不整合が大きい方の半導体層を薄くしてクラック抑制を狙った膜厚変調ＤＢＲを第１の反射鏡として使用する場合を考える。
第１の反射鏡で生じた位相ずれを第２の反射鏡で打ち消すためには、第１および第２の反射鏡の膜厚変調の向きを逆にする必要がある。
第１および第２の反射鏡を同一の半導体材料系で構成する場合、第２の反射鏡では基板との格子不整合が大きい半導体層を厚くすることになる。その結果、クラックが発生しやすくなってしまう。
ここで、第２の反射鏡を誘電体ＤＢＲで形成すれば、クラック発生を気にすることなく、位相を打ち消し合うのに適した構成にすることができる。

【0024】

本発明において、膜厚変調ＤＢＲの変調の度合いは、必要とされる反射率や帯域によって制限される場合がある。
図２に、ＤＢＲにおける膜厚変調と反射率の関係を計算した一例を示す。
ＡｌＮ層とＧａＮ層を交互に２０ペア積層した半導体ＤＢＲに波長４００ｎｍの平面波を入射した場合の反射率を示している。なお、本計算でも、ＤＢＲの１周期の光学膜厚はλ／２を保つようにした。
膜厚変調の度合いが小さい場合には反射率はあまり低下しないが、ある程度以上に変調が加わると急激に反射率が低下する。
許容される膜厚変調の度合いは必要な反射率によって異なる。
例えば、９８％以上の反射率が必要な場合は各層の膜厚が（０．２５±０．１５）λの範囲で膜厚変調を行う事ができ、９９．５％以上の反射率が必要な場合は各層の膜厚が（０．２５±０．１０）λの範囲で膜厚変調を行う事ができる。

【0025】

本発明を利用して垂直共振器型面発光レーザを構成する場合、共振器中に発光層である活性層を配置することになるが、その活性層の位置についても注意する必要がある。
反射時の位相がずれるということは、共振器端面での光分布が腹や節からずれることを意味する。
その結果、無変調ＤＢＲを使用した場合に比べて、光分布が全体的に上側または下側にずれることになる。
一般的に、活性層の位置は光分布の腹の位置に合わせる必要があるので、光分布のずれを予め見積もってそれに合わせて活性層を配置することが望ましい。
一例として、図１に示した共振器構造のスペーサ層１１０近傍の屈折率分布と光分布を図３に示す。
屈折率分布を実線で、光強度分布を破線で、スペーサ層１１０の厚さ方向の中心位置を一点鎖線で示している。なお、図示の都合上、図１と図３は向きが９０°異なっている。
図１の上側が図３の左側、図１の下側が図３の右側に相当する。

【0026】

図３（ａ）は図１に示した上下とも膜厚変調ＤＢＲで構成された共振器の計算結果である。図３（ｂ）は比較のために示した、上下とも無変調ＤＢＲで構成された共振器についての計算結果である。
図３（ｂ）では、光強度分布の腹の位置とスペーサ層の中心位置が一致しているので、スペーサ層の中心に活性層を配置すればよい。
一方、図３（ａ）では光強度分布の腹の位置とスペーサ層の中心位置が一致していない。より詳しく言うと、膜厚変調の方向が正である下側のＤＢＲ１２０の方に、光強度の腹の位置が寄っている。
このように、膜厚変調ＤＢＲを用いて共振器を形成する場合は、膜厚変調の方向が正のＤＢＲの方に光強度分布が偏る傾向があり、活性層などの層を光強度分布に合わせた位置に置きたい場合は考慮に入れる必要がある。

【0027】

本発明において、ＤＢＲを構成する多層膜の全ての層を一様に膜厚変調する必要は無い。
図４に、上側ＤＢＲ４００と、下側ＤＢＲの上部２ペア４２０だけ膜厚変調ＤＢＲで構成し、下側ＤＢＲの下部４２１は無変調ＤＢＲで構成した共振器構造を示す。
この下側ＤＢＲのように一部の層のみ膜厚変調を行ったＤＢＲを一部膜厚変調ＤＢＲと呼ぶこととする。
一部膜厚変調ＤＢＲでも、その膜厚変調の度合いに応じて反射光の位相は変化する。
したがって、それに合わせてもう一方のＤＢＲの膜厚変調の度合いを調整し、位相ずれの影響を打ち消し合う必要がある。

【0028】

本発明において、ＤＢＲの各層の界面が急峻ではなく組成が連続的に変化するグレーデッドＤＢＲと呼ばれる構造を使用することも可能である。
その場合、組成が連続的に変化している領域（グレーデッド領域）の中心を疑似的な界面とみなして膜厚を見積もる。
本発明は特定の材料系に限らず、ＤＢＲを形成することが可能なあらゆる材料系に適用することができる。ＤＢＲ材料の組み合わせとしては、例えば、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＧａＮ／ＡｌＩｎＮ、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ、ＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅／ＳｉＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅／ＳｉＯ₂などである。

【実施例】

【0029】

以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として、本発明を適用したＶＣＳＥＬについて、図５を用いて説明する。
図５は、本実施例におけるＶＣＳＥＬの層構造を示す断面模式図である。
本実施例におけるＶＣＳＥＬは窒化物半導体と誘電体で形成され、真空中の波長λ＝４００ｎｍでレーザ発振するように設計されている。
共振器の出射側には、五酸化ニオブ（Ｎｂ₂Ｏ₅）層５０２と二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）層５０１が交互に７ペア積層された誘電体ＤＢＲ５００が反射鏡として形成されている。非出射側には ＡｌＮ層５２１とＧａＮ層５２２が交互に１１ペア積層された半導体ＤＢＲ５２０が形成されている。

【0030】

半導体ＤＢＲ５２０は、ＡｌＮをλ／４より薄い０．１２５λ、ＧａＮをλ／４より厚い０．３７５λの厚さにした膜厚変調ＤＢＲである。半導体ＤＢＲを膜厚変調した理由は、ＧａＮ基板５３０との格子不整合が大きいＡｌＮの膜厚を薄くすることでクラック発生を抑制するためである。
誘電体ＤＢＲ５００は、ＳｉＯ₂層５０１をλ／４より厚い０．４λ、Ｎｂ₂Ｏ₅層５０２をλ／４より薄い０．１λの厚さにした膜厚変調ＤＢＲである。半導体ＤＢＲ５２０とは異なり、誘電体ＤＢＲ５００単体では膜厚変調を行う理由は特にないが、半導体ＤＢＲ５２０の膜厚変調が共振波長に与える影響を低減する目的で誘電体ＤＢＲ５００も膜厚変調を行っている。
なお、本実施例においても膜厚変調時にＤＢＲの１周期の光学膜厚がλ／２を保つようにしている。

【0031】

活性領域５４０をｎ−ＧａＮ５６０とｐ−ＧａＮ５５０で挟んだ構造となっており、ｎ−ＧａＮ５６０、活性領域５４０、ｐ−ＧａＮ５５０を合わせた光学厚さが１波長となるように設計されている。
活性領域５４０は、厚さ２．５ｎｍのＩｎ_0.09Ｇａ_0.91Ｎからなる量子井戸が厚さ７．５ｎｍのｕｄ−ＧａＮ層を挟んで２層配置された構成になっている。
誘電体ＤＢＲ５００を膜厚変調した効果を示すために、図６に誘電体ＤＢＲ５００の膜厚変調の度合いと共振波長の関係を示す計算結果を示す。
ＳｉＯ₂層５０１とＮｂ₂Ｏ₅層５０２の光学膜厚がともに０．２５λの場合が無変調ＤＢＲに相当する。この場合、共振波長は３９２．５ｎｍであり、設計波長より短くなってしまう。
誘電体ＤＢＲ５００を適切な方向に膜厚変調することで共振波長を設計波長に近づけることができ、本実施例のようにＳｉＯ₂層の膜厚を０．４λ、Ｎｂ₂Ｏ₅層の膜厚を０．１λの厚さにした場合に設計波長の４００ｎｍで共振するＶＣＳＥＬが得られる。

【0032】

以上、実施例について説明したが、本発明の構造は記載した実施例に限定されるものではない。材料の種類や組成、形状や大きさは本発明の範囲内で適宜変更できる。
また、上記実施例では、レーザ発振波長として４００ｎｍのものを示したが、適切な材料や構造の選択により、任意の波長での動作も可能である。
また、本発明の面発光レーザを同一平面上に複数配列してアレイ光源として使用してもよい。
以上説明した本発明の面発光レーザは、複写機、レーザプリンタなどの画像形成装置が有する感光ドラムへ描画を行うための光源としても利用することができる。

【符号の説明】

【0033】

１００：第１の反射鏡（ＤＢＲ）
１０１：（第１の反射鏡の）第１の層
１０２：（第１の反射鏡の）第２の層
１１０：スペーサ層
１２０：第２の反射鏡（ＤＢＲ）
１２１：（第２の反射鏡の）第１の層
１２２：（第２の反射鏡の）第２の層
１３０：基板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】