特許 6860175 ２次元フォトニック結晶面発光レーザ及びその製造方法

(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】6860175

(24)【登録日】2021年3月30日

(45)【発行日】2021年4月14日

(54)【発明の名称】２次元フォトニック結晶面発光レーザ及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/183 20060101AFI20210405BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/183

【請求項の数】10

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2018-503110(P2018-503110)

(86)(22)【出願日】2017年2月24日

(86)【国際出願番号】JP2017007184

(87)【国際公開番号】WO2017150387

(87)【国際公開日】20170908

【審査請求日】2019年9月19日

(31)【優先権主張番号】特願2016-37876(P2016-37876)

(32)【優先日】2016年2月29日

(33)【優先権主張国】JP

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２５年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業「フォトニック結晶レーザの高輝度・高出力化」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】504132272

【氏名又は名称】国立大学法人京都大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000116024

【氏名又は名称】ローム株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001069

【氏名又は名称】特許業務法人京都国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】野田 進

(72)【発明者】

【氏名】田中 良典

(72)【発明者】

【氏名】デ ゾイサ メーナカ

【審査官】 本田 博幸

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−２４３９６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１３４２５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１８０１２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２９６５３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００５／０８６３０２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ５／００ − ５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

板状の母材に、該母材とは屈折率が異なる第１異屈折率領域及び第２異屈折率領域から成る異屈折率領域対が周期的に配置された２次元フォトニック結晶と、該母材の一方の側に設けられた活性層を有する２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、
前記第１異屈折率領域の平面形状が前記第２異屈折率領域の平面形状よりも面積が大きいか又は同じであり、
前記第１異屈折率領域の厚みが前記第２異屈折率領域の厚みよりも薄い
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。

【請求項2】

前記異屈折率領域対が、該母材に平行なx方向に周期長a、該母材に平行であって該x方向に垂直なy方向に周期長aで正方格子状に配置されており、
前記第１異屈折率領域の重心と前記第２異屈折率領域の重心が互いに、前記x方向に0.15a〜0.35a、前記y方向に0.15a〜0.35aずれて配置されている
ことを特徴とする請求項１に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。

【請求項3】

前記第１異屈折率領域の重心と前記第２異屈折率領域の重心が互いに、前記x方向に0.23a〜0.28a、前記y方向に0.23a〜0.28aずれて配置されていることを特徴とする請求項２に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。

【請求項4】

前記第１異屈折率領域及び前記第２異屈折率領域のいずれか一方又は両方の平面形状が円形であることを特徴とする請求項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。

【請求項5】

前記第１異屈折率領域及び前記第２異屈折率領域のいずれか一方又は両方が、平面形状が非円形であって、該平面形状において重心で直交し断面相乗モーメントが0となるように定められる2本の直線のうち断面2次モーメントがより小さい直線により規定される基準軸が、該第１異屈折率領域の重心及び該第２異屈折率領域の重心を結ぶ直線に対して45°〜135°の範囲内の方向となるように配置されていることを特徴とする請求項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。

【請求項6】

前記非円形が楕円形又は長方形であることを特徴とする請求項５に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。

【請求項7】

前記第１異屈折率領域及び前記第２異屈折率領域のいずれか一方が前記非円形であって、他方が円形であることを特徴とする請求項５又は６に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。

【請求項8】

板状の母材に、該母材とは屈折率が異なる2個の異屈折率領域から成る異屈折率領域対が周期的に配置された２次元フォトニック結晶と、該母材の一方の側に設けられた活性層を有する２次元フォトニック結晶面発光レーザを製造する方法であって、
前記母材の上に下部マスク層を作製する下部マスク層作製工程と、
前記下部マスク層の上に、第１孔及び第２孔から成る孔対が前記異屈折率領域対と同じ周期で設けられた第１上部マスクを形成する第１上部マスク形成工程と、
前記第１孔及び前記第２孔を通して前記下部マスク層及び前記母材を最大で所定の第１深さまでエッチングする第１エッチング工程と、
前記第１上部マスクを除去する第１上部マスク除去工程と、
前記下部マスク層の上に、前記第１孔及び前記第２孔の一方に対応する位置に該一方の孔よりも大きい孔を有し他方に対応する位置が塞がれている第２上部マスクを形成する第２上部マスク形成工程と、
前記第２上部マスクの孔を通して前記母材を所定の第２深さまでエッチングする第２エッチング工程と、
前記第２上部マスクを除去する第２上部マスク除去工程と、
前記下部マスク層を除去する下部マスク層除去工程と
を有す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製造方法。

【請求項9】

前記第１孔の方が前記第２孔よりも面積が大きく、前記第２上部マスクの孔が前記第２孔に対応する位置に設けられていることを特徴とする請求項８に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ製造方法。

【請求項10】

前記第１孔と前記第２孔の面積が同じであることを特徴とする請求項８に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は半導体レーザに関し、特に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及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体レーザは小型、安価、低消費電力、長寿命等の多くの利点を有し、光記録用光源、通信用光源、レーザディスプレイ、レーザプリンタ、レーザポインタ等の幅広い分野で普及している。一方、レーザ加工の分野では、光出力が少なくとも1Wを超えるレーザが必要であるが、現在実用化されている半導体レーザは、以下の理由によりこの出力に達していない。そのため、現状では、レーザ加工の分野では半導体レーザではなく、炭酸ガスレーザ等のガスレーザが用いられている。

【0003】

現在実用化されている半導体レーザにおける光出力が小さい理由は以下の通りである。半導体レーザの光出力を高くするためには、素子から出射するレーザビームの断面積（出射面積）が大きい方がよい。一方、加工精度を高くするためには、被加工物に照射するレーザビームの断面積（スポット面積）は小さい方がよい。従って、理想的には、レーザ源から出射されたレーザビームが広がることなくそのまま被加工物まで届くことが望まれる。しかし、半導体レーザでは、出射面積を大きくするほど、レーザ発振が多数のモードで生じてしまうため、レーザ光の波面が乱れる。レーザ光の波面が乱れると、光学系を用いて集光しても、スポット面積を小さくすることが難しい。そのため、現在実用化されている半導体レーザでは、スポット面積を小さくしつつ高い光出力を得ることが難しい。

【0004】

特許文献１には、半導体レーザの１種である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。２次元フォトニック結晶面発光レーザは、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配置された２次元フォトニック結晶と、活性層を有している。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り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の波長の光のみが増幅されてレーザ発振し、２次元フォトニック結晶に垂直な方向にレーザビームとして出射する。２次元フォトニック結晶面発光レーザは、２次元フォトニック結晶中の一定範囲内から発光（面発光）するため、端面発光形の半導体レーザよりも出射面積が大きく、光出力を高くし易いうえに広がり角も小さくすることができる。

【0005】

２次元フォトニック結晶は従来より、異屈折率領域の形状や配置等が異なる種々のものが知られているが、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の２次元フォトニック結晶では、周期aの正方格子状に配置された異屈折率領域（主異屈折率領域）のそれぞれに対して、少し離れた位置に、主異屈折率領域よりも平面形状の面積が小さい副異屈折率領域を設けた構成を有している。これら主異屈折率領域と副異屈折率領域を合わせたものを「異屈折率領域対」と呼ぶ。

【0006】

特許文献１の構成において、副異屈折率領域の主異屈折率領域からのx方向の距離d_x、及びy方向の距離d_yが共に0.25aである場合には、２次元フォトニック結晶内において、波長λがaである光のうち主異屈折率領域で反射されて進行方向が180°変化する光と、副異屈折率領域で反射されて進行方向が180°変化する光は、光路長の差が0.5λとなり、干渉により弱められる。一方、主異屈折率領域で進行方向が90°変化する光と、副異屈折率領域で進行方向が90°変化する光は、光路長の差が0.25λとなり、それら2つの光が干渉により弱められることはない。そして、異屈折率領域対において進行方向が90°変化する光は、x方向又はy方向に隣接する異屈折率領域対で進行方向が同方向に変化する光との光路長の差がλとなるため、干渉により強められる。光が180°方向に反射されることは、該反射が繰り返されて２次元フォトニック結晶内の一部領域に光が局在してしまう原因になるのに対して、光の進行方向が90°変化することは２次元フォトニック結晶中の広い範囲で面発光することに寄与する。従って、上記構成とすることにより、光が２次元フォトニック結晶内の一部領域に局在することを抑えつつ、２次元フォトニック結晶内の広い範囲で光を干渉により強め、それによりレーザ光の出力を高くすることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開2008-243962号公報

【特許文献2】特開2007-180120号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

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において、上記のように異屈折率領域対による干渉の効果によりレーザー光の出力を高めようとする場合、その効果を最大限に得るためには、各異屈折率領域対における主異屈折率領域と副異屈折率領域の相互の関係を十分に解析する必要がある。

【0009】

本発明が解決しようとする課題は、異屈折率領域対を用いた２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、異屈折率領域対における干渉の効果をより高め、より大きい出力のレーザ光を得ることのできる２次元フォトニック結晶面発光レーザ及びその製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明者は、特許文献１に記載の異屈折率領域対を有する２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、主異屈折率領域と副異屈折率領域による干渉の作用を詳細に解析した結果、両異屈折率領域における光の反射による干渉において重要であるのは、両者の間の距離とともに、主異屈折率領域及び副異屈折率領域のそれぞれにおける反射の態様であることを見いだした。すなわち、特許文献１に記載の異屈折率領域対では、主異屈折率領域に対して副異屈折率領域の平面形状の面積が小さく、両者における光の反射の態様がアンバランスである。

【0011】

また、２次元フォトニック結晶の作製時に一般的に用いられるドライエッチング法によれば、空孔（異屈折率領域）の平面形状が小さいほど、エッチングガスが空孔内に侵入し難いことからエッチング速度が遅くなり、自然に厚みが薄く（深さが浅く）なる。そのため、主異屈折率領域よりも平面形状が小さい副異屈折率領域は、厚みも主異屈折率領域よりも薄くなる（特許文献２参照）。その結果、主異屈折率領域と副異屈折率領域は、それらの平面形状の面積の相違よりも一層大きな、体積における差異を有する。このため、特許文献１に記載のような構成を有する２次元フォトニック結晶を用いた面発光レーザでは、実際の製品においては更に主異屈折率領域と副異屈折率領域における光の反射がアンバランスとなり、十分な干渉効果を用いたレーザ発光の高出力化が得られないこととなる。

【0012】

そこで、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、板状の母材に、該母材とは屈折率が異なる第１異屈折率領域及び第２異屈折率領域から成る異屈折率領域対が周期的に配置された２次元フォトニック結晶と、該母材の一方の側に設けられた活性層を有する２次元フォトニック結晶面発光レーザであって、
前記第１異屈折率領域の平面形状が前記第２異屈折率領域の平面形状よりも面積が大きいか又は同じであり、
前記第１異屈折率領域の厚みが前記第２異屈折率領域の厚みよりも薄い
ことを特徴とする。

【0013】

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、第１異屈折率領域が第２異屈折率領域よりも平面形状の面積が大きいか又は同じであって厚みが薄い。そのため、第１異屈折率領域と第２異屈折率領域の体積が近くなるようにそれら面積及び厚みを設定し易くなる。第１異屈折率領域と第２異屈折率領域の体積を近くすることにより、主異屈折率領域で進行方向が変化する光と副異屈折率領域で進行方向が変化する光の強度の差を小さくし、それによりそれらの光の干渉の作用を強くすることができる。第１異屈折率領域の体積V₁と第２異屈折率領域の体積V₂の比V₁/V₂は0.25〜4.0であることが望ましい。

【0014】

本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、
前記異屈折率領域対は、該母材に平行なx方向に周期長a、該母材に平行であって該x方向に垂直なy方向に周期長aで正方格子状に配置されており、
前記第１異屈折率領域の重心と前記第２異屈折率領域の重心は互いに、前記x方向に0.15a〜0.35a、前記y方向に0.15a〜0.35aずれて配置されている
ことが望ましい。
これらx方向及びy方向のずれの大きさは0.23a〜0.28aであることがより望ましく、0.25aであることが最も望ましい。

【0015】

第１異屈折率領域と第２異屈折率領域を上記の大きさだけずらして配置することにより、第１異屈折率領域で反射されて進行方向が180°変化する光と、第２異屈折率領域で反射されて進行方向が180°変化する光が干渉により弱められ、それにより光が２次元フォトニック結晶内の一部領域に局在することが防止される。これにより、２次元フォトニック結晶内の広い範囲において、第１異屈折率領域及び第２異屈折率領域で光の進行方向が90°変化する光を干渉により強め、２次元フォトニック結晶面発光レーザの出力を一層高くすることができる。

【0016】

本発明において、第１異屈折率領域の重心と第２異屈折率領域の重心のx方向及びy方向のずれの大きさは、上記の0.15a〜0.35aには限定されない。例えば、２次元フォトニック結晶内で干渉により光を局在させて局所的に強いレーザ光を生成する、面垂直方向への放射の強度を調節する等、上記ずれの大きさに応じて干渉による種々の効果を奏する２次元フォトニック結晶面発光レーザが得られる。

【0017】

また、2個の異屈折率領域の重心のx方向及びy方向のずれの大きさに関わらず、２次元フォトニック結晶層を設計する際に行う計算の際に、2個の異屈折率領域の平面形状の面積及び厚みを変化させてゆくと、２次元フォトニック結晶層内における光の振動モードが変化してゆき、基本振動モードと高次振動モードとのエネルギー利得差も変化する。このエネルギー利得差が大きいほど、２次元フォトニック結晶面発光レーザは単一の振動モードで安定してレーザ発振する。このように、本発明により、安定したレーザ発振が得られる２次元フォトニック結晶面発光レーザを設計する自由度が高くなる。さらに、こうして安定したレーザ発振が得られることにより、２次元フォトニック結晶の面積を大きくすることができ、それによりレーザの強度を大きくすることができる。

【0018】

前記第１異屈折率領域及び前記第２異屈折率領域のいずれか一方又は両方の平面形状は、正三角形等のより複雑な形状を有する異屈折率領域よりも（特に空孔である場合に）作製しやすいという点で、円形であることが望ましい。また、円形の異屈折率領域は、尖った部分が無いため、隣接する異屈折率領域との距離を大きくし易く、隣接の異屈折率領域と意図せずに繋がってしまうことが生じ難いという利点がある。

【0019】

異屈折率領域対によって形成される、母材とは異なる屈折率の領域の形状は、2個の異屈折率領域の重心を結ぶ直線の方向に、より拡がっている。そうすると、２次元フォトニック結晶内で当該直線に対して傾斜した方向に伝播する光のうち、異屈折率領域対で進行方向が+90°変化する光と-90°変化する光は、いずれか一方よりも他方の方が強度が弱くなり、干渉により強められる作用が弱くなってしまう。そこで、前記第１異屈折率領域及び前記第２異屈折率領域のいずれか一方又は両方は、平面形状が楕円形であって、該楕円形の長軸が、該第１異屈折率領域の重心及び該第２異屈折率領域の重心を結ぶ直線に対して45°〜135°の範囲内の方向となるように配置されていることが望ましい。これにより、母材とは異なる屈折率の分布が前記直線の方向に拡がることが抑えられ、光が干渉により強められる作用が弱くなることを抑えることができる。楕円形の代わりに長方形の異屈折率領域を用い、長辺が前記直線に対して45°〜135°の範囲内の方向となるように配置しても、同様の効果を奏する。

【0020】

さらに、このように光が干渉により強められる作用が弱くなることを抑える効果は、楕円形や長方形以外の非円形の異屈折率領域によっても達成することができる。すなわち、前記第１異屈折率領域及び前記第２異屈折率領域のいずれか一方又は両方は、平面形状が非円形であって、該平面形状において重心で直交し断面相乗モーメントが0となるように定められる2本の直線のうち断面２次モーメントがより小さい直線により規定される基準軸（詳細は後述）が、該第１異屈折率領域の重心及び該第２異屈折率領域の重心を結ぶ直線に対して45°〜135°の範囲内の方向となるように配置されていることが望ましい。

【0021】

基準軸は以下のように定める。まず、異屈折率領域の平面形状について、重心を原点として、該平面形状内の微小面積要素dSのx軸からの距離Yとy軸からの距離Xの積XYを面積積分することにより求められる断面相乗モーメントI_xy
I_xy=∬ X・Y dS …(1)
が0となるように、互いに直交するx軸及びy軸を定める。次に、距離Yの二乗を面積積分することにより求められるx軸に関する断面２次モーメントI_x
I_x=∬ Y² dS …(2)
と、距離Xの二乗を面積積分することにより求められるy軸に関する断面２次モーメントI_y
I_y=∬ X² dS …(3)
を求める。そして、I_X<I_Yであればx軸を基準軸と定義し、I_X>I_Yであればy軸を基準軸として定義する。例えば、平面形状が楕円である場合には長軸が基準軸となり、平面形状が長方形である場合には長辺に平行であって重心を通過する直線が基準軸となる。なお、一般に、上記2つの軸のうち、断面２次モーメントが大きい方の軸は「強軸」、断面２次モーメントが小さい方の軸は「弱軸」と呼ばれる。

【0022】

このような非円形の異屈折率領域を用いる場合において、前記第１異屈折率領域及び前記第２異屈折率領域のいずれか一方が前記非円形であって他方が円形であることが望ましい。これにより、異屈折率領域対の周囲に形成される電界に非対称性が生じ、干渉により電界の強度が小さくなることが抑えられ、光の強度を大きくすることができる。

【0023】

本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、以下の方法により好適に製造することができる。本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ製造方法は、
板状の母材に、該母材とは屈折率が異なる2個の異屈折率領域から成る異屈折率領域対が周期的に配置された２次元フォトニック結晶と、該母材の一方の側に設けられた活性層を有する２次元フォトニック結晶面発光レーザを製造する方法であって、
前記母材の上に下部マスク層を作製する下部マスク層作製工程と、
前記下部マスク層の上に、第１孔及び第２孔から成る孔対が前記異屈折率領域対と同じ周期で設けられた第１上部マスクを形成する第１上部マスク形成工程と、
前記第１孔及び前記第２孔を通して前記下部マスク層及び前記母材を最大で所定の第１深さまでエッチングする第１エッチング工程と、
前記第１上部マスクを除去する第１上部マスク除去工程と、
前記下部マスク層の上に、前記第１孔及び前記第２孔の一方に対応する位置に該一方の孔よりも大きい孔を有し他方に対応する位置が塞がれている第２上部マスクを形成する第２上部マスク形成工程と、
前記第２上部マスクの孔を通して前記母材を所定の第２深さまでエッチングする第２エッチング工程と、
前記第２上部マスクを除去する第２上部マスク除去工程と、
前記下部マスク層を除去する下部マスク層除去工程と
を有することを特徴とする。

【0024】

本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ製造方法によれば、第１上部マスク形成工程において第１孔及び第２孔を有する第１上部マスクを下部マスク層（この時点では下部マスク層には孔が設けられていない）の上に形成する。そのうえで、第１エッチング工程において第１孔及び第２孔を通して下部マスク層及び母材を最大で所定の第１深さまでエッチングすることにより、前記異屈折率領域対の2個の異屈折率領域に対応する2個の孔が該異屈折率領域対と同じ周期で形成される。ここで、第１孔と第２孔の面積が異なる場合には、それら2個の孔のうち面積が大きい方がエッチング剤が侵入しやすくなるため、当該孔から最大の深さ、すなわち第１深さまでエッチングされ、他方の孔からは第１深さよりも浅い位置までエッチングされる。続いて、第１孔及び第２孔の一方に対応する位置に該一方の孔よりも大きい孔を有し他方に対応する位置が塞がれている第２上部マスクを形成したうえで、第２上部マスクの孔を通して母材を所定の第２深さまでエッチングする。これにより、前記異屈折率領域対の2個の異屈折率領域に対応する2個の孔のうち一方のみをより深くエッチングすることができる。その際、第１上部マスクの第１孔又は第２孔と第２上部マスクの孔の位置が多少ずれていても、それら2個の孔に共通する部分において母材を所定の第２深さまでエッチングすることができる。一方、第１上部マスクと第２上部マスクの位置ずれが生じると、第１エッチング工程ではエッチングされていない部分においてもエッチング剤が第２エッチング工程において第２上部マスクの孔を通過するが、当該部分では下部マスク層がエッチングされるだけであり、母材は第１エッチング工程と同じ位置においてのみエッチングすることができる。

【0025】

本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザ製造方法において、前記第１孔の方が前記第２孔よりも面積が大きく、前記第２上部マスクの孔が前記第２孔に対応する位置に設けられているという構成を取ることにより、第１異屈折率領域の平面形状が第２異屈折率領域の平面形状よりも面積が大きく、第１異屈折率領域の厚みが第２異屈折率領域の厚みよりも薄い異屈折率領域対を形成することができる。また、前記第１孔と前記第２孔の面積が同じである場合には、平面形状が同じであって厚みが異なる異屈折率領域対を形成することができる。これらのいずれの場合にも、当該製造方法によって本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザを製造することができる。

【0026】

なお、前記第１孔の方が前記第２孔よりも面積が大きく、前記第２上部マスクの孔が前記第１孔に対応する位置に設けられているという構成を取ることにより、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と同様に、第１異屈折率領域の平面形状が第２異屈折率領域の平面形状よりも面積が大きく、第１異屈折率領域の厚みが第２異屈折率領域の厚みよりも厚い異屈折率領域対を形成することができる。この場合、特許文献１に記載の方法で作製する場合よりも、第２異屈折率領域よりも面積が大きい第１異屈折率領域の厚みがより一層厚くなる。

【発明の効果】

【0027】

本発明により、異屈折率領域対における干渉の効果をより高め、より大きい出力のレーザ光を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【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の実施形態における全体構造の2つの例を示す斜視図。

【図2】本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおける２次元フォトニック結晶の平面図(a)及び縦断面図(b)。

【図3】本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおける別の例の２次元フォトニック結晶の平面図(a)及び縦断面図(b)。

【図4】第１電極及び第２電極から注入される電流の範囲を示す図。

【図5】本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、２次元フォトニック結晶内で所定波長の光が増幅される原理を示す図。

【図6】本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザにつき、1個の異屈折率領域対の周囲に形成される電界の方向及び強度を計算した結果を示す図。

【図7】本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザにつき、閾値利得を計算した結果を示すグラフ。

【図8】本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザにつき、閾値利得差を計算した結果を示すグラフ。

【図9】本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザにつき、第１異屈折率領域及び第２異屈折率領域の厚みが異なる複数の例における閾値利得差を計算した結果を示すグラフ。

【図10】本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザにつき、第１異屈折率領域及び第２異屈折率領域の厚み並びにデバイスの大きさが異なる例における閾値利得を計算した結果を示すグラフ。

【図11】本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザにおける複数の例（実施例１及び２）並びに比較例１及び２におけるデバイスの大きさと閾値利得差の関係を計算した結果を示すグラフ。

【図12】2個の異屈折率領域の双方に非円形のものを用いた２次元フォトニック結晶面発光レーザの実施形態における２次元フォトニック結晶の平面図(a)、縦断面図(b)、及び部分拡大平面図(c)。

【図13】2個の異屈折率領域のいずれか一方又は両方に非円形のものを用いた複数の変形例における異屈折率領域対を示す平面図。

【図14】図１２に示した２次元フォトニック結晶を用いた２次元フォトニック結晶面発光レーザ及び他の実施例につき、他の実施例及び比較例と共に閾値利得差を計算した結果を示すグラフ。

【図15】2個の異屈折率領域の一方に非円形のもの、他方に円形のものを用いた２次元フォトニック結晶面発光レーザの実施形態における２次元フォトニック結晶の平面図(a)、縦断面図(b)、及び部分拡大平面図(c)。

【図16】2個の異屈折率領域の一方に非円形のもの、他方に円形のものを用いた複数の変形例における異屈折率領域対を示す平面図。

【図17】図１５に示した２次元フォトニック結晶を用いた２次元フォトニック結晶面発光レーザ及び他の実施例につき、他の実施例及び比較例と共に閾値利得差を計算した結果を示すグラフ。

【図18】本発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法の一実施形態を示す図。

【図19】本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法により作製中の２次元フォトニック結晶層の上面(a)及び縦断面(b)を示す電子顕微鏡写真。

【発明を実施するための形態】

【0029】

図１〜図１９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。

【0030】

(1) 本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成
本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０は、図１(a)に示すように、第１電極１５、第１クラッド層１４１、活性層１１、スペーサ層１３、２次元フォトニック結晶層１２、第２クラッド層１４２、及び第２電極１６がこの順で積層された構成を有する。但し、活性層１１と２次元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(a)では便宜上、第１電極１５を上側、第２電極１６を下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。以下、各層及び電極の構成を説明する。以下ではまず、２次元フォトニック結晶層１２以外の構成を説明した後、２次元フォトニック結晶層１２の構成を詳述する。

【0031】

活性層１１は、第１電極１５及び第２電極１６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。活性層１１の厚みは約50〜100nmである。

【0032】

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２次元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２次元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。

【0033】

第１クラッド層１４１及び第２クラッド層１４２は、本発明における必須の構成要素ではないが、第１電極１５と活性層１１、及び第２電極１６と２次元フォトニック結晶層１２を接続すると共に、第１電極１５及び第２電極１６から活性層１１に電流を注入し易くするという役割を有する。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p型半導体が、第２クラッド層１４２の材料には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１５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１６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２次元フォトニック結晶層１２の母材１２１と同じである。厚みは、第１クラッド層１４１では2μm、第２クラッド層１４２では200μmであるが、これらの値には限定されない。

【0034】

第１電極１５は、１辺の長さLが約200μmの正方形状であり、活性層１１や２次元フォトニック結晶層１２において２次元フォトニック結晶が形成される領域よりも小さい。また、第１電極１５の周囲には、第１電極１５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１５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１６側から外部に放出させる役割を有する。

【0035】

第２電極１６は、本実施形態ではn型半導体であって、上記レーザ光に対して透明な材料であるインジウム錫酸化物（ITO）により形成されているが、本発明ではこの材料に限定されず、例えばインジウム亜鉛酸化物（IZO）を用いることもできる。第２電極１６は、１辺が約800μmの正方形状であり、活性層１１及び次に述べる２次元フォトニック結晶層１２の母材１２１と同じか又はそれよりもやや小さい平面寸法を有している。

【0036】

本実施形態において、上述の透明電極から成る第２電極１６を用いる代わりに、図１(b)に示す第２電極１６Ａを用いてもよい。なお、図１(b)では、(a)とは上下を反転して示している。この第２電極１６Ａ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１６１Ａと呼び、板状部材が残された部分を枠部１６２Ａと呼ぶ。板状部材（枠部１６２Ａの外側）の正方形は１辺800μmであり、窓部１６１Ａの正方形は１辺600μmである。この場合、第１電極１５Ａには、第２電極１６Ａの板状部材よりも小さい、１辺200μmの正方形状のものを用いる。

【0037】

ここまでに挙げた各構成要素の寸法は一例であって、本発明ではこれらの寸法には限定されない。

【0038】

２次元フォトニック結晶層１２は、図２(a)に示すように、板状の母材１２１に、それとは屈折率が異なる異屈折率領域対１２２を正方格子状に配置したものである。異屈折率領域対１２２は母材１２１のうちの正方形の領域（以下、「フォトニック結晶領域」と呼ぶ）内に配置されており、フォトニック結晶領域内がフォトニック結晶として機能する。フォトニック結晶領域の大きさは前述の第２電極１６又は１６Ａと同じか又はそれよりもやや大きい。なお、フォトニック結晶領域は円形状や六角形状など、正方形状以外の形状であってもよい。正方格子の周期長aは、フォトニック結晶領域内の屈折率を勘案して、活性層１１における発光波長帯内の波長に対応する287nmとした。母材１２１の材料はGaAsであり、平面寸法は活性層１１等と同じであって、厚みは約300nmである。これら周期長aや厚みは、活性層１１における発光波長帯に応じて適宜変更すればよい。

【0039】

異屈折率領域対１２２は、第１異屈折率領域１２２１と第２異屈折率領域１２２２から成る。第１異屈折率領域１２２１と第２異屈折率領域１２２２はいずれも、母材１２１に形成された円筒状の空孔である。第１異屈折率領域１２２１は第２異屈折率領域１２２２よりも、平面形状の円の面積が大きく、厚みが薄い（図２(b)）。例えば、第１異屈折率領域１２２１では平面形状の円の半径を39.6nm（面積を4940nm²）、厚みを165nmとし、第２異屈折率領域１２２２では平面形状の円の半径を32.4nm（面積を3290nm²）、厚みを200nmとする。1個の異屈折率領域対１２２内の第１異屈折率領域１２２１の重心と第２異屈折率領域１２２２の重心は、x方向に0.25a、y方向に0.25a、ずれて配置されている。このずれは、x方向、y方向共に0.15a〜0.35aの範囲内とすればよい（特許文献１参照）。

【0040】

図２に示した平面形状の面積が異なる2個の異屈折率領域を有する異屈折率領域対の代わりに、図３に示すように、平面形状の面積が等しく厚みが異なる第１異屈折率領域１２２１Ａと第２異屈折率領域１２２２Ａから成る異屈折率領域対１２２Ａを有する２次元フォトニック結晶層１２Ａを用いてもよい。この異屈折率領域対１２２Ａでは、第１異屈折率領域１２２１Ａと第２異屈折率領域１２２２Ａは、平面形状が同面積の円形であって、厚みが第１異屈折率領域１２２１Ａの方が第２異屈折率領域１２２２Ａよりも薄い。

【0041】

また、第１異屈折率領域及び第２異屈折率領域の平面形状は円形には限らず、三角形や四角形等であってもよい。また、第１異屈折率領域と第２異屈折率領域は平面形状が同形状である必要はなく、例えば一方が円形、他方が三角形であってもよい。さらに、第１異屈折率領域及び第２異屈折率領域は空孔である必要はなく、母材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１異屈折率領域と第２異屈折率領域は互いに異なる材料から成るものであってもよい。

【0042】

(2) 本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザの動作
次に、本実施形態の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。ここでは図２に示した２次元フォトニック結晶層１２を有する場合を例として説明するが、それ以外の上記各構成の場合も同様である。

【0043】

第１電極１５と第２電極１６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１５（１５Ａ）よりも第２電極１６（第２電極１６Ａの枠部１６２Ａ）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１６よりも狭く且つ第１電極１５よりも広い範囲（電流注入範囲１１１）内に電流（電荷）が集中的に注入される（図４(a), (b)）。これにより、活性層１１の電流注入範囲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、２次元フォトニック結晶層１２の異屈折率領域対１２２が配置されている範囲内において、正方格子の周期長aに対応した波長の光が後述のように選択的に増幅され、レーザ発振する。発振したレーザ光は、第１電極１５側から外部に出射する。その際、２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０ではレーザ光が透明電極である第１電極１５を通過し、２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０Ａではレーザ光が窓部１６１Ａを通過する。なお、レーザ光のうち第２電極１６側に向かうものは、第２電極１６により反射され、最終的には第１電極１５側から外部に出射する。

【0044】

本実施例における２次元フォトニック結晶内での光の増幅について説明する。活性層１１の電流注入範囲１１１から２次元フォトニック結晶層１２に導入された光は、２次元フォトニック結晶層１２に平行な方向に伝播する。そして、異屈折率領域対１２２においてその形状等により定まる確率で、伝播方向が90°あるいは180°変化する（図５）。隣接する2個の異屈折率領域対１２２でそれぞれ伝播方向がx方向からy方向（又はその逆）に90°変化する光は、光路長差がaとなり、干渉により強められる。また、隣接する2個の異屈折率領域対１２２でそれぞれ伝播方向がx方向（又はy方向）で180°変化する光は、光路長差が2aとなり、こちらも干渉により強められる。ここで、伝播方向が90°変化することは、２次元フォトニック結晶層１２内で面状に光が拡がって分布し、レーザ光が面発光することに寄与するのに対して、伝播方向が180°変化することは、光が局在化して安定した面発光が妨げられる原因となる。

【0045】

しかし、本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０では以下の理由により安定した面発光が妨げられない。同一の異屈折率領域対１２２内では、第１異屈折率領域１２２１と第２異屈折率領域１２２２によってそれぞれ、光の伝搬方向が90°あるいは180°変化する（図５）。このうち伝搬方向がx方向からy方向（又はその逆）に90°変化する光は、光路長差が0となり、干渉により強められる。それに対して伝搬方向がx方向（又はy方向）で180°変化する光は、光路長差が0.5aとなり、干渉により弱められる。これにより、伝播方向がx方向（又はy方向）で180°変化することが抑制され、光が局在化することが防止されると共に、伝搬方向がx方向からy方向（又はその逆）に90°変化する光の強度をより一層強めることができる。こうして、２次元フォトニック結晶層１２内における波長がaである光が干渉により強められ、この干渉が２次元フォトニック結晶層１２内の広い領域内で繰り返し生じることにより、レーザ発振する。

【0046】

本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０ではさらに、第１異屈折率領域１２２１Ａが第２異屈折率領域１２２２Ａよりも平面形状の面積が大きいか又は同じであって厚みが薄いため、第１異屈折率領域１２２１と第２異屈折率領域１２２２の体積が比較的近い。そのため、第１異屈折率領域１２２１と第２異屈折率領域１２２２でそれぞれ進行方向が180°変化する光の強度が近くなり、干渉による弱め合いの作用が大きくなる。そのため、本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０は、従来の異屈折率領域対を用いたものよりも光の局在化が一層抑制され、より大きい出力のレーザ光を得ることができる。

【0047】

(3) 本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザの詳細設計
本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０は、上記のように第１異屈折率領域１２２１と第２異屈折率領域１２２２の体積が比較的近いことによる特長と共に、安定したレーザ発振が得られる２次元フォトニック結晶面発光レーザを設計する自由度が高いという特長も有する。以下、本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザの詳細設計の例を示す。

【0048】

図６に、1個の異屈折率領域対の周囲に形成される電界の方向及び強度を計算した結果を示す。ここでは、図５に示した、２次元フォトニック結晶層１２に平行な断面１及び断面２でそれぞれ計算を行った。断面２は第１異屈折率領域１２２１Ａと第２異屈折率領域１２２２Ａの双方を含んでいるのに対して、断面１は第２異屈折率領域１２２２Ａのみを含んでいる。図６の計算結果によれば、断面２では第１異屈折率領域１２２１Ａと第２異屈折率領域１２２２Ａの間の点を中心に点対称な電界が形成され、第１異屈折率領域１２２１Ａ内の電界と第２異屈折率領域１２２２Ａの電界が同じ大きさで180°異なる向きとなる。そのため、断面２に平行な電界成分が打ち消される。それに対して断面１では、電界の方向は断面１と同様であって、第２異屈折率領域１２２２Ａのみが存在することにより、第２異屈折率領域１２２２Ａの部分とそれに対向する第１異屈折率領域１２２１Ａの直下の空孔が無い部分の電界成分が打ち消されない。これにより、２次元フォトニック結晶層１２（及び断面２に平行な電界成分）に垂直な方向にレーザ光が出射し易くなる。

【0049】

図７に、本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザにつき、閾値利得を計算した一例を示す。ここでは、第１異屈折率領域１２２１Ａと第２異屈折率領域１２２２Ａは共に平面の5％の面積を占める円形であって、第１異屈折率領域１２２１Ａの厚みd₁が180nm、第２異屈折率領域１２２２Ａの厚みd₂が200nmであり、フォトニック結晶領域が1辺400μmである場合について計算を行った。以下、第１異屈折率領域及び第２異屈折率領域が平面で占める面積の割合がx％及びy％である場合を「FFx&y％」と呼ぶ（図７の例では「FF5&5％」）。「FF」は「フィリングファクター(Filling Factor)」の略称である。この計算によれば、「バンド端A」及び「バンド端B」と呼ばれる、異なる2種の振動モードについて、最も閾値利得が小さい基本振動モード、その次に閾値利得が小さい第１高次モード、及び閾値利得がより大きい第２以降の高次モードの閾値利得の値が得られる。基本振動モードと第１高次モードの閾値利得の値の差を「閾値利得差Δα」と呼び、この閾値利得差Δαの値が大きいほど、基本振動モードのみの安定したレーザ発振が得られる。計算結果より、この例ではバンド端Aよりもバンド端Bの方が閾値利得が小さいため、バンド端Aで発振する。

【0050】

図７において、閾値利得差Δαに着目すると、バンド端Aよりもバンド端Bの方が閾値利得差Δαの値が大きく、安定したレーザ発振が期待できることがわかる。そこで、バンド端Bの閾値利得が最も低くなるように設計を行えば、より大面積での安定な発振が期待できる。そこで、閾値利得αの値と関連のある、面垂直方向への放射係数α_vの計算を行った。図８に、図７の例から第１異屈折率領域１２２１Ａの厚みd₁のみを変えてバンド端A及びバンド端Bにおける面垂直方向への放射係数α_vを計算した結果をグラフで示す。また、図９に、厚みd₁とd₂の双方を様々に変えてバンド端A及びバンド端Bにおける面垂直方向への放射係数α_vを計算した結果をグラフで示す。これらのグラフの横軸は、図８では厚みd₂とd₁の差とし、図９では厚みd₂とした。このように厚みd₁及びd₂の値を様々に変えて、２次元フォトニック結晶面発光レーザの詳細設計を行うことができる。

【0051】

図１０に、フォトニック結晶領域を図７の例よりも大きい1辺800μmとした場合につき、閾値利得を計算した一例を示す。ここでは、FF5&5％、d₁を205nm、d₂を240nmとした。フォトニック結晶領域のサイズが図７の例よりも大きいにも関わらず、閾値利得差Δαは、バンド端Bにおいて図７の例とほぼ同等の4.8cm^-1という値が得られた。デバイスを大きくするほどレーザ光の出力を大きくすることができ、この例では20〜30W級の出力のレーザ素子を得ることができると考えられる。

【0052】

図１１に、デバイスの大きさを変えて閾値利得差Δαを計算した結果をグラフで示す。ここでは、FF、d₁及びd₂の値を図７及び図１０の計算で用いた値と同じとした2つの例（実施例１及び２）を示す。比較例として、第１異屈折率領域の方が第２異屈折率領域よりも面積が大きく且つ厚みが厚いもの（比較例１）、及び格子点に1個の異屈折率領域のみを配置したもの（比較例２）を示す。なお、比較例１及び２では、従来より円形の異屈折率領域を用いる場合よりもレーザ光の出力を大きくすることができると考えられてきた、平面形状が直角二等辺三角形である異屈折率領域を用いた。この計算結果より、実施例１及び２の方が比較例１及び２よりも、同じ値の閾値利得差Δαを得る場合にデバイスをより大きくすることができることがわかる。従って、実施例１及び２の方が比較例１及び２よりも、レーザ光の出力を大きくすることができる。

【0053】

(4) 非円形の異屈折率領域を用いた実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ
図１２に、第１異屈折率領域１２２１Ｂ及び第２異屈折率領域１２２２Ｂに、楕円形の平面形状を有する異屈折率領域対１２２Ｂを用いた２次元フォトニック結晶層１２Ｂを示す。この２次元フォトニック結晶層１２Ｂを有する２次元フォトニック結晶面発光レーザの、２次元フォトニック結晶層１２Ｂ以外の構成は前述の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０と同様である。第１異屈折率領域１２２１Ｂは、基準軸（楕円の長軸）１２２１ＢＬが、第１異屈折率領域１２２１Ｂの重心１２２１ＢＧと第２異屈折率領域１２２２Ｂの重心１２２２ＢＧを結ぶ直線１２２ＢＳに対して90°の方向となるように配置されている。同様に、第２異屈折率領域１２２２Ｂは、基準軸（楕円の長軸）１２２２ＢＬが直線１２２ＢＳに対して90°の方向となるように配置されている（図１２(c)）。なお、第１異屈折率領域１２２１Ｂの基準軸１２２１ＢＬ及び／又は第２異屈折率領域１２２２Ｂの基準軸１２２２ＢＬは、直線１２２ＢＳに対して90°の方向である必要はなく、例えば図１３(a)及び(b)に示すように、45°〜135°の範囲内の方向であればよい。なお、図１３(a)及び(b)では破線で45°及び135°の方向を示している。

【0054】

第１異屈折率領域１２２１Ｂの重心１２２１ＢＧと第２異屈折率領域１２２２Ｂの重心１２２２ＢＧは、本実施形態ではx方向に0.25a、y方向に0.25a、ずれて配置されているが、本発明では重心のずれの大きさ及び方向はこの例には限定されない。第１異屈折率領域１２２１Ｂ及び第２異屈折率領域１２２２Ｂの楕円の形状は、本実施形態ではいずれも長軸と短軸の比が5:3である相似形としたが、本発明ではこの比には限定されず、また、相似形であることにも限定されない。第１異屈折率領域１２２１Ｂは、平面形状がより小さい第２異屈折率領域１２２２Ｂよりも厚みが薄い（図１２(b)）。

【0055】

図１２に示した２次元フォトニック結晶層１２Ｂを用いた２次元フォトニック結晶面発光レーザ（実施例３）につき、デバイスの大きさを変えて閾値利得差Δαを計算した結果を図１４のグラフで示す。図１４には合わせて、図１１と同じ実施例及び比較例のデータを示した。なお、デバイスの大きさは、図１１よりも広い範囲（最大で1800μm）で求めている。この結果より、実施例３の方が実施例１及び２（並びに各比較例）よりも、同じ値の閾値利得差Δαを得る場合にデバイスをより大きくすることができることがわかる。これは、実施例３では、2個の円形の異屈折率領域から成る異屈折率領域対を用いた実施例１及び２よりも、屈折率の分布が2個の異屈折率領域の重心を結ぶ直線１２２ＢＳの方向に拡がることが抑えられ、異屈折率領域対が全体として円形により近くなったことにより、光が干渉により強められる作用が弱くなることを抑えることができることによる。

【0056】

2個の異屈折率領域の平面形状は、図１２並びに図１３(a)及び(b)に示した構成ではいずれも楕円形としたが、図１３(c)に示すように長方形やその他の正方形以外の四角形としたり、図１３(d)に示すように二等辺三角形やその他の正三角形以外の三角形としてもよい。さらには、正多角形以外の五角形以上の多角形や、任意の閉曲線から成る不定形であってもよい。いずれの場合も、2個の異屈折率領域は、断面相乗モーメントI_xyが0となるx軸及びy軸（前述の正方格子で規定したx方向及びy方向とは異なる）のうち断面２次モーメントI_x, I_yが小さい方の軸（基準軸）が、2個の異屈折率領域の重心を結ぶ直線に対して45°〜135°の方向となるように配置すればよい。

【0057】

図１５に、非円形である楕円形の第１異屈折率領域１２２１Ｃと円形の第２異屈折率領域１２２２Ｃから成る異屈折率領域対１２２Ｃを用いた２次元フォトニック結晶層１２Ｃを示す。この２次元フォトニック結晶層１２Ｃを有する２次元フォトニック結晶面発光レーザの、２次元フォトニック結晶層１２Ｃ以外の構成は、これまでに述べた２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０と同様である。第１異屈折率領域１２２１Ｃは、基準軸（楕円の長軸）１２２１ＣＬが、第１異屈折率領域１２２１Ｃの重心１２２１ＣＧと第２異屈折率領域１２２２Ｃの重心１２２２ＣＧを結ぶ直線１２２ＣＳに対して90°の方向となるように配置されている（図１５(c)）。なお、この楕円の長軸１２２１ＣＬの方向は前記90°の方向には限らず、図１６(a)及び(b)に示すように、45°〜135°の範囲内の方向であればよい。第１異屈折率領域１２２１Ｃは、平面形状がより小さい第２異屈折率領域１２２２Ｃよりも厚みが薄い（図１５(b)）。

【0058】

図１５に示した２次元フォトニック結晶層１２Ｂを用いた２次元フォトニック結晶面発光レーザ（実施例４）につき、デバイスの大きさを変えて閾値利得差Δαを計算した結果を図１７のグラフで示す。図１７には合わせて、図１１と同じ実施例及び比較例のデータを示した。デバイスの大きさは、図１４の例と同じ範囲で求めた。この結果より、実施例１及び２（並びに各比較例）よりも、同じ値の閾値利得差Δαを得る場合にデバイスをより大きくすることができることがわかる。また、図１４に示した実施例３と比較しても、同じ値の閾値利得差Δαを得る場合にデバイスをより大きくすることができる。これは、屈折率の分布が2個の異屈折率領域の重心を結ぶ直線１２２ＣＳの方向に拡がることが抑えられると共に、異屈折率領域対１２２Ｃの周囲に形成される電界に非対称性が生じ、干渉により電界の強度が小さくなることが抑えられ、光の強度を大きくすることができることによる。

【0059】

図１５並びに図１６(a)及び(b)の例では第１異屈折率領域１２２１Ｃを楕円形としたが、図１６(c)に示すように、第１異屈折率領域１２２１Ｃ１を円形とし、第２異屈折率領域１２２２Ｃ１を楕円形などの非円形としてもよい。この例では、第２異屈折率領域１２２２Ｃ１の基準軸（楕円の長軸）１２２１Ｃ１Ｌが、第１異屈折率領域１２２１Ｃ１の重心１２２１Ｃ１Ｇと第２異屈折率領域１２２２Ｃ１の重心１２２２Ｃ１Ｇを結ぶ直線１２２Ｃ１Ｓに対して90°の方向となるように配置されている。あるいは、図１６(d)及び(e)に示すように、非円形の異屈折率領域を長方形やその他の正方形以外の四角形、二等辺三角形やその他の正三角形以外の三角形、あるいは正多角形以外の五角形以上の多角形や、任意の閉曲線から成る不定形としてもよい。いずれの場合も、非円形の方の異屈折率領域は、断面相乗モーメントI_xyが0となるx軸及びy軸（前述の正方格子で規定したx方向及びy方向とは異なる）のうち断面２次モーメントI_x, I_yが小さい方の軸（基準軸）が、2個の異屈折率領域の重心を結ぶ直線に対して45°〜135°の方向となるように配置すればよい。

【0060】

(5) 本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法
図１８を用いて、本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０の製造方法につき、２次元フォトニック結晶層１２の作製方法を中心にを説明する。
まず、第２クラッド層１４２の上に活性層１１を作製し、該活性層１１の上にスペーサ層１３を作製する。さらに、スペーサ層１３の上に、２次元フォトニック結晶層１２の母材１２１を作製する（図１８(a)）。これら第２クラッド層１４２、活性層１１、スペーサ層１３及び母材１２１の作製方法は、従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザで用いられている方法と同じであるため、詳細な説明を省略する。

【0061】

次に、母材１２１の上に、下部マスク層２１を作製する（図１８(b)）。下部マスク層２１は窒化シリコン（SiN_x）から成り、プラズマCVD法で作製することができる。

【0062】

次に、下部マスク層２１の上に第１レジスト２２１を塗布し、露光法や電子ビーム法によって、第１異屈折率領域１２２１及び第２異屈折率領域１２２２の平面形状にそれぞれ対応する第１孔２２２１及び第２孔２２２２が配置されたパターンを形成することにより、第１上部マスク２２を作製する（図１８(c)）。

【0063】

次に、第１上部マスク２２の第１孔２２２１及び第２孔２２２２を介してエッチングガス（エッチング剤）を導入することにより、それら第１孔２２２１及び第２孔２２２２の直下の下部マスク層２１及び母材１２１を所定の第１深さd₁までエッチングする（図１８(d)）。エッチングガスにはヨウ化水素・キセノン混合ガスを用いる。ヨウ化水素・キセノン混合ガスの代わりに塩素をエッチングガスとして用いてもよいし、エッチングガスの代わりに液体のエッチング剤を用いてもよい。第１孔２２２１と第２孔２２２２の面積が異なる場合には、面積が大きい方がエッチング剤が浸透しやすいため、より深くエッチングされる。この場合には、面積が大きい方の深さが第１深さd₁に達するまで、エッチングを行う。

【0064】

次に、第１上部マスク２２を除去したうえで（図１８(e)）、下部マスク層２１の上に第２レジスト２３１を塗布し、第１異屈折率領域１２２１よりも厚みが厚い第２異屈折率領域１２２２に対応する位置にのみ、該第２レジスト２３１に孔２３２を露光法や電子ビーム法により形成することにより、第２上部マスク２３を作製する（図１８(f)）。孔２３２は、対応する第２異屈折率領域１２２２の平面形状の全体を内包し、且つ第１異屈折率領域１２２１の平面形状に掛からなければ、大きさや形状は問わない。この条件さえ満たせば、孔２３２と第２異屈折率領域１２２２の位置は、さほど厳密に合わせる必要はない。

【0065】

次に、第２上部マスク２３の孔２３２を介してエッチングガス（エッチング剤）を導入することにより、第２異屈折率領域１２２２のみを、所定の第２深さd₂までエッチングする（図１８(g)）。その際、第２上部マスク２３の孔２３２が第２異屈折率領域１２２２の平面形状からはみ出すように形成されている場合には、そのはみ出した部分において下部マスク層２１がエッチングされるが、下部マスク層２１の厚みを適切に設定しておくことにより、母材１２１が第２異屈折率領域１２２２からはみ出してエッチングされることはない。

【0066】

次に、第２上部マスク２３を除去し（図１８(h)）、さらに下部マスク層２１を除去することにより、２次元フォトニック結晶層１２が完成する（図１８(i)）。下部マスク層２１の除去は、母材１２１の材料であるGaAsをエッチングせず、且つ下部マスク層２１の材料であるSiN_xをエッチングすることができるエッチング剤であるフッ化水素を用いて行う。

【0067】

その後、２次元フォトニック結晶層１２の上に第１クラッド層１４１を作製し、第１クラッド層１４１の表面に第１電極１５を、第２クラッド層１４２の表面に第２電極１６を作製することにより、２次元フォトニック結晶面発光レーザ１０が完成する。第１クラッド層１４１、第１電極１５及び第２電極１６の作製方法は、従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザで用いられている方法と同じであるため、詳細な説明を省略する。

【0068】

図１９に、本実施形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法により作製された２次元フォトニック結晶層の電子顕微鏡写真を示す。この写真は、２次元フォトニック結晶層を作製後、第２上部マスク２３及び下部マスク層２１を除去する前（図１８(g)に相当）の段階で撮影したものである。これらの電子顕微鏡写真から、２次元フォトニック結晶層１２に、深さが約30nm異なる2個の孔の対（異屈折率領域対）が形成されていることがわかる。下部マスク層２１には、２次元フォトニック結晶層１２の孔よりも大きい孔が形成されているが、この後に下部マスク層２１が除去されるため、差し支えはない。

【符号の説明】

【0069】

１０、１０Ａ…２次元フォトニック結晶面発光レーザ
１１…活性層
１１１…電流注入範囲
１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ…２次元フォトニック結晶層
１２１…母材
１２２、１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ…異屈折率領域対
１２２１、１２２１Ａ、１２２１Ｂ、１２２１Ｃ…第１異屈折率領域
１２２１ＢＧ、１２２１ＣＧ、１２２１Ｃ１Ｇ…第１異屈折率領域の重心
１２２１ＢＬ、１２２１ＣＬ…第１異屈折率領域の基準軸
１２２２、１２２２Ａ、１２２２Ｂ、１２２２Ｃ…第２異屈折率領域
１２２２ＢＧ、１２２２ＣＧ、１２２２Ｃ１Ｇ…第２異屈折率領域の重心
１２２１ＢＬ、１２２１ＣＬ、１２２２Ｃ１Ｌ…第２異屈折率領域の基準軸
１２２ＢＳ、１２２ＣＳ…第１異屈折率領域の重心と第２異屈折率領域の重心を結ぶ直線
１３…スペーサ層
１４１…第１クラッド層
１４２…第２クラッド層
１５、１５Ａ…第１電極
１６、１６Ａ…第２電極
１６１Ａ…第２電極の窓部
１６２Ａ…第２電極の枠部
２１…下部マスク層
２２…第１上部マスク
２２１…第１レジスト
２２２１…第１孔
２２２２…第２孔
２３…第２上部マスク
２３１…第２レジスト
２３２…第２上部マスクの孔

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】