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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024017595
(43)【公開日】2024-02-08
(54)【発明の名称】反射鏡、面発光レーザー、面発光レーザーの製造方法
(51)【国際特許分類】
H01S 5/183 20060101AFI20240201BHJP
G02B 5/30 20060101ALI20240201BHJP
G02B 5/18 20060101ALI20240201BHJP
【ＦＩ】
H01S5/183
G02B5/30
G02B5/18
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022120338
(22)【出願日】2022-07-28
(71)【出願人】
【識別番号】301021533
【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所
(71)【出願人】
【識別番号】504157024
【氏名又は名称】国立大学法人東北大学
(74)【代理人】
【識別番号】100161207
【弁理士】
【氏名又は名称】西澤 和純
(74)【代理人】
【識別番号】100147267
【弁理士】
【氏名又は名称】大槻 真紀子
(74)【代理人】
【識別番号】100140774
【弁理士】
【氏名又は名称】大浪 一徳
(72)【発明者】
【氏名】横田 信英
(72)【発明者】
【氏名】八坂 洋
(72)【発明者】
【氏名】揖場 聡
(72)【発明者】
【氏名】池田 和浩
【テーマコード（参考）】
2H149
2H249
5F173
【Ｆターム（参考）】
2H149BA01
2H149BA24
2H149DA13
2H149FD10
2H149FD48
2H249AA12
2H249AA55
2H249AA59
2H249AA61
5F173AC03
5F173AC13
5F173AC22
5F173AC26
5F173AC35
5F173AC42
5F173AC52
5F173AF96
5F173AG03
5F173AH02
5F173AP32
5F173AP33
5F173AP42
5F173AR36
(57)【要約】
【課題】高速変調の面発光レーザーに適用できる反射鏡を提供する。
【解決手段】この反射鏡は、高屈折領域と低屈折領域とを備える。高屈折領域は、それぞれが第１方向に延びる複数の第１ラインと、それぞれが前記第１方向と交差する第２方向に延びる複数の第２ラインと、を有する。低屈折領域は、厚み方向から平面視した際に高屈折領域に囲まれる。第１ラインの幅を第１幅とし、隣接する第１ライン間の周期を第１周期とし、第１幅を第１周期で割った値を第１デューティー比とし、第２ラインの幅を第２幅とし、隣接する第２ライン間の周期を第２周期とし、第２幅を第２周期で割った値を第２デューティー比とした際に、第１幅と第２幅、第１周期と第２周期、第１デューティー比と第２デューティー比の組のうち少なくとも一つは互いに異なる。
【選択図】図１
【解決手段】この反射鏡は、高屈折領域と低屈折領域とを備える。高屈折領域は、それぞれが第１方向に延びる複数の第１ラインと、それぞれが前記第１方向と交差する第２方向に延びる複数の第２ラインと、を有する。低屈折領域は、厚み方向から平面視した際に高屈折領域に囲まれる。第１ラインの幅を第１幅とし、隣接する第１ライン間の周期を第１周期とし、第１幅を第１周期で割った値を第１デューティー比とし、第２ラインの幅を第２幅とし、隣接する第２ライン間の周期を第２周期とし、第２幅を第２周期で割った値を第２デューティー比とした際に、第１幅と第２幅、第１周期と第２周期、第１デューティー比と第２デューティー比の組のうち少なくとも一つは互いに異なる。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
それぞれが第１方向に延びる複数の第１ラインと、それぞれが前記第１方向と交差する第２方向に延びる複数の第２ラインと、を有する高屈折領域と
厚み方向から平面視した際に前記高屈折領域に囲まれ、前記高屈折領域より屈折率が低い低屈折領域と、を備え、
前記第１ラインの前記第１方向と直交する方向の幅を第１幅とし、隣接する前記第１ライン間の周期を第１周期とし、前記第１幅を前記第１周期で割った値を第１デューティー比とし、前記第２ラインの前記第２方向と直交する方向の幅を第２幅とし、隣接する前記第２ライン間の周期を第２周期とし、前記第２幅を前記第２周期で割った値を第２デューティー比とした際に、
前記第１幅と前記第２幅、前記第１周期と前記第２周期、前記第１デューティー比と前記第２デューティー比の組のうち少なくとも一つは互いに異なり、
前記第１方向の直線偏光及び前記第２方向の直線偏光のいずれに対しても反射率が９０％以上であり、複屈折を示す、反射鏡。
厚み方向から平面視した際に前記高屈折領域に囲まれ、前記高屈折領域より屈折率が低い低屈折領域と、を備え、
前記第１ラインの前記第１方向と直交する方向の幅を第１幅とし、隣接する前記第１ライン間の周期を第１周期とし、前記第１幅を前記第１周期で割った値を第１デューティー比とし、前記第２ラインの前記第２方向と直交する方向の幅を第２幅とし、隣接する前記第２ライン間の周期を第２周期とし、前記第２幅を前記第２周期で割った値を第２デューティー比とした際に、
前記第１幅と前記第２幅、前記第１周期と前記第２周期、前記第１デューティー比と前記第２デューティー比の組のうち少なくとも一つは互いに異なり、
前記第１方向の直線偏光及び前記第２方向の直線偏光のいずれに対しても反射率が９０％以上であり、複屈折を示す、反射鏡。
【請求項2】
請求項１に記載の反射鏡からなる第１反射鏡と、
前記第１反射鏡と対向する第２反射鏡と、
前記第１反射鏡と前記第２反射鏡とに挟まれ発光する活性層と、
前記活性層にアップスピンの電子を注入する第１電極と、
前記活性層にダウンスピンの電子を注入する第２電極と、を備える、面発光レーザー。
前記第１反射鏡と対向する第２反射鏡と、
前記第１反射鏡と前記第２反射鏡とに挟まれ発光する活性層と、
前記活性層にアップスピンの電子を注入する第１電極と、
前記活性層にダウンスピンの電子を注入する第２電極と、を備える、面発光レーザー。
【請求項3】
使用する波長帯域を設定する工程と、
高屈折領域と低屈折領域とを備える反射鏡を作製する工程と、
前記反射鏡を第１反射鏡として、前記第１反射鏡と第２反射鏡との間に前記波長帯域の光を発光する活性層を配置する工程と、を有し、
前記高屈折領域は、それぞれが第１方向に延びる複数の第１ラインと、それぞれが前記第１方向と交差する第２方向に延びる複数の第２ラインと、を有し、
前記第１ラインの前記第１方向と直交する方向の第１幅、隣接する前記第１ライン間の第１周期、前記第１幅を前記第１周期で割った第１デューティー比、前記第２ラインの前記第２方向と直交する方向の第２幅、隣接する前記第２ライン間の第２周期、及び、前記第２幅を前記第２周期で割った第２デューティー比を、前記波長帯域に応じて設定する、面発光レーザーの製造方法。
高屈折領域と低屈折領域とを備える反射鏡を作製する工程と、
前記反射鏡を第１反射鏡として、前記第１反射鏡と第２反射鏡との間に前記波長帯域の光を発光する活性層を配置する工程と、を有し、
前記高屈折領域は、それぞれが第１方向に延びる複数の第１ラインと、それぞれが前記第１方向と交差する第２方向に延びる複数の第２ラインと、を有し、
前記第１ラインの前記第１方向と直交する方向の第１幅、隣接する前記第１ライン間の第１周期、前記第１幅を前記第１周期で割った第１デューティー比、前記第２ラインの前記第２方向と直交する方向の第２幅、隣接する前記第２ライン間の第２周期、及び、前記第２幅を前記第２周期で割った第２デューティー比を、前記波長帯域に応じて設定する、面発光レーザーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、反射鏡、面発光レーザー、面発光レーザーの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
データトラフィックの増加に伴い、データセンター内の短距離の光通信システムの高速化が求められている。半導体レーザーは、光通信システムに用いられる光源として広く利用されている。
【0003】
半導体レーザーの一つとして、電流変調方式の半導体レーザーがある。電流変調方式の半導体レーザーは、注入電子と光子とが相互作用することで、発振する。電流変調方式の半導体レーザーは、注入電子と光子とが相互作用する緩和振動の周波数を上限とする高周波領域において、変調感度が急激に低下するため、変調周波数は３０ＧＨｚ程度が上限と考えられている。
【0004】
例えば、特許文献１には、金属と誘電体とからなる回折格子型偏光子を有する電流変調方式の面発光レーザーが開示されている。特許文献１に係る面発光レーザーは、偏波方向を固定するために、金属と誘電体とからなる回折格子偏光子を用いている。
【0005】
また例えば、特許文献２には、９０°の回転対称性を有する井桁状の２次元格子構造体を有する面発光レーザーが開示されている。特許文献２は、９０°の回転対称性を有する井桁状の２次元格子構造体を反射鏡として用いることで、偏光に依存せずに高い反射率を実現できる。
【0006】
また半導体レーザーの一つとして、スピン偏極変調方式の面発光レーザーにも注目が集まっている。スピン偏極変調方式の面発光レーザーは、注入電子のスピン偏極度を変調する。スピン偏極変調方式の面発光レーザーは、電流変調方式の面発光レーザーと異なり、注入電子及び光子の緩和振動の周波数によらない高速偏光変調が可能である。
【0007】
例えば、非特許文献１には、スピン偏極変調方式の面発光レーザーが開示されている。非特許文献１には、面発光レーザーの直線複屈折が互いに直交する直線偏光モード間の周波数分離を生み出し、この周波数分離量が面発光レーザーの変調周波数の上限に対応することが記載されている。非特許文献１には、面発光レーザーに複屈折が生じることで、変調周波数の３ｄＢ帯域幅が１００ＧＨｚ以上となることが記載されている。
【0008】
非特許文献２は、面発光レーザーをレーザー加工で機械的に歪ませることで、面発光レーザーに複屈折を生み出すことができることが記載されている。また非特許文献３には、面発光レーザーにヒータを設け、ヒータの熱により面発光レーザーの複屈折を制御できることが記載されている。また非特許文献４には、外部回折格子を用いて、面発光レーザーに複屈折を生み出すことが記載されている。
【0009】
また非特許文献５には、１次元周期構造を有するサブ波長回折格子を面発光レーザーの反射鏡として用いることができることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】特開平８－５６０４９号公報
【特許文献2】特許第６０１９５２２号公報
【非特許文献】
【0011】
【非特許文献1】N. Yokota et al., Appl. Phys. Lett. Vol.113, 171102, 2018.
【非特許文献2】N. Yokota et al., IEEE Photon. Technol. Lett. Vol. 29, No. 9, MAY 1, 2017.
【非特許文献3】T. Pusch et al., APPLIED PHYSICS LETTERS 110, 151106 (2017).
【非特許文献4】T. Pusch et al., ELECTRONICS LETTERS Vol.55, No. 19, pp. 1055-1057.
【非特許文献5】C. F. R. Mateus et al., IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, Vol. 16, No. 2, FEBRUARY 2004.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
光通信システムの高速化に伴い、高速変調可能な面発光レーザーが求められている。例えば、特許文献１、特許文献２及び非特許文献５に記載の面発光レーザーは、電流変調方式の半導体レーザーであり、原理的に変調周波数には緩和振動による上限がある。また、特許文献１は、金属/誘電体回折格子型偏光子を備えることで複屈折を与えているが、偏光に依存した光損失が生じるため、発振偏光の安定化には適するが、スピン偏極変調方式を用いた偏光変調には適さない。また、特許文献２には、２次元格子構造体を用いているが、９０°回転対称性を有することから、面発光レーザーに複屈折を与える効果はない。さらに、非特許文献５は、１次元格子構造体を用いて、面発光レーザーに複屈折を与えているが、スピン偏極変調方式の面発光レーザーに適用するためには、反射鏡の偏光依存性を排除する必要があり、この１次元格子構造体はこの問題を解決することができない。
【0013】
非特許文献１に開示されたスピン偏極変調方式の面発光レーザーは、面発光レーザーが複屈折を示すことで、高速変調が可能である。しかしながら、非特許文献１には、具体的な有効な複屈折については検討がされていない。また、非特許文献２に記載のレーザ加工は、大量生産に適さず、レーザー加工が面発光レーザーの発振特性の劣化の原因となりうる。また、例えば、非特許文献３に記載のヒータ加熱は、素子構造の複雑化を生み出す。また、例えば、非特許文献４に記載の外部回折格子は、光損失の原因となり、十分な出力を得るためには消費電力が増大する。また、例えば、非特許文献５には１次元周期構造を有するサブ波長回折格子が記載されているが、１次元周期構造を有するサブ波長回折格子は、１次元周期であるため、非特許文献１に開示された面発光レーザーに有効な複屈折を与えることができない。複屈折を有する面発光レーザーを実現する方法はいくつかあるが、より簡便で出力特性の低下を生じにくい構造が求められている。
【0014】
本発明は、上記事情に鑑みてなされた発明であり、高速変調の面発光レーザーに適用できる反射鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0015】
（１）第１の態様にかかる反射鏡は、高屈折領域と低屈折領域とを備える。高屈折領域は、それぞれが第１方向に延びる複数の第１ラインと、それぞれが前記第１方向と交差する第２方向に延びる複数の第２ラインと、を有する。低屈折領域は、厚み方向から平面視した際に前記高屈折領域に囲まれ、前記高屈折領域より屈折率が低い。前記第１ラインの前記第１方向と直交する方向の幅を第１幅とし、隣接する前記第１ライン間の周期を第１周期とし、前記第１幅を前記第１周期で割った値を第１デューティー比とし、前記第２ラインの前記第２方向と直交する方向の幅を第２幅とし、隣接する前記第２ライン間の周期を第２周期とし、前記第２幅を前記第２周期で割った値を第２デューティー比とした際に、前記第１幅と前記第２幅、前記第１周期と前記第２周期、前記第１デューティー比と前記第２デューティー比の組のうち少なくとも一つは互いに異なる。この反射鏡は、前記第１方向の直線偏光及び前記第２方向の直線偏光のいずれに対しても反射率が９０％以上であり、複屈折を示す。
【0016】
（２）第２の態様にかかる面発光レーザーは、上記態様に係る反射鏡からなる第１反射鏡と、前記第１反射鏡と対向する第２反射鏡と、前記第１反射鏡と前記第２反射鏡とに挟まれ光を発光する活性層と、前記活性層にアップスピンの電子を注入する第１電極と、前記活性層にダウンスピンの電子を注入する第２電極と、を備える。
【0017】
（３）第３の態様にかかる面発光レーザーの製造方法は、使用する波長帯域を設定する工程と、高屈折領域と低屈折領域とを備える反射鏡を作製する工程と、前記反射鏡を第１反射鏡として、前記第１反射鏡と第２反射鏡との間に、前記波長帯域の光を発光する活性層を配置する工程と、を有する。前記高屈折領域は、それぞれが第１方向に延びる複数の第１ラインと、それぞれが前記第１方向と交差する第２方向に延びる複数の第２ラインと、を有する。前記第１ラインの前記第１方向と直交する方向の第１幅、隣接する前記第１ライン間の第１周期、前記第１幅を前記第１周期で割った第１デューティー比、前記第２ラインの前記第２方向と直交する方向の第２幅、隣接する前記第２ライン間の第２周期、及び、前記第２幅を前記第２周期で割った第２デューティー比を、前記波長帯域に応じて設定する。
【発明の効果】
【0018】
上記態様に係る反射鏡は、高速変調の面発光レーザーに適用できる。上記態様にかかる面発光レーザーは高速変調が可能である。上記態様にかかる面発光レーザーの製造方法は、高速変調が可能な面発光レーザーを作製できる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】第１実施形態に係る面発光レーザーの断面図である。
【図2】第１実施形態に係る面発光レーザーの平面図である。
【図3】第１実施形態に係る反射鏡の斜視図である。
【図4】シミュレーションに用いた反射鏡の斜視図である。
【図5】実施例において、反射鏡に入射する入射平面波の波長及び高屈折領域の厚みを変更した際の反射鏡の反射率の変化を示す。
【図6】実施例において、周期又はデューティー比を変化させた際の反射鏡の反射率の変化を示す。
【図7】実施例において、周期又はデューティー比を変化させた際の反射鏡からの反射光の位相変化を示す。
【図8】実施例において、位相変化が０となる条件を回避可能な、周期とデューティー比の関係を示す。
【図9】実施例において、周期を変更した際における偏光モードの周波数分離結果を示す。
【図10】実施例において、デューティー比を変更した際における偏光モードの周波数分離結果を示す。
【図11】実施例において、周期を基準条件に対して±１％変化させた際の反射鏡の反射率の波長依存性を示す。
【図12】実施例において、デューティー比を基準条件に対して±１％変化させた際の反射鏡の反射率の波長依存性を示す。
【図13】第１実施形態に係る反射鏡をスピン偏極変調方式の面発光レーザーに適用した際の周波数応答特性を示す。
【図14】第１実施形態に係る反射鏡を有するスピン偏極変調方式の面発光レーザーの１００Ｇｂ／ｓの疑似ランダム信号に対するアイパターンである。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、本発明について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法、配置、数、数値、構成等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【0021】
まず方向について規定する。反射鏡の広がる面内の一方向をＸ方向とし、面内においてＸ方向と直交する方向をＹ方向とする。また反射鏡が広がる面と直交する方向をＺ方向とする。Ｚ方向は、反射鏡の厚み方向の一例である。Ｚ方向は、Ｘ方向及びＹ方向と直交する。活性層から反射鏡に向かう方向を＋Ｚ方向とし、反対方向を－Ｚ方向とする。本明細書において、＋Ｚ方向を「上」、－Ｚ方向を「下」として表す場合があるが、これら表現は便宜上のものであり、重力方向を規定するものではない。また本明細書で「Ｘ方向に延びる」とは、例えば、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向の各寸法のうち最小の寸法よりもＸ方向の寸法が大きいことを意味する。他の方向に延びる場合も同様である。
【0022】
【0023】
面発光レーザー１００は、反射鏡１０と基板１１と反射層１２とスペーサ層１３と活性層１４と酸化層１５とキャリア輸送層１６と第１電極１７と第２電極１８と支持体１９とを有する。
【0024】
基板１１は、例えば、半導体基板である。基板１１は、例えば、ガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、シリコン、ゲルマニウム等である。基板１１の下面には、正孔注入用のオーミック電極を有してもよい。
【0025】
反射層１２は、例えば、基板１１上にある。反射層１２は、反射鏡１０と対向する。反射層１２は、例えば、高屈折率層と低屈折率層とが交互に積層された積層膜である。高屈折率層は、低屈折率層より屈折率が高い。反射層１２は、例えばＩＩＩ－Ｖ族の化合物半導体であり、例えばアルミニウムガリウムヒ素（ＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ）である。例えば、高屈折率層と低屈折率層は、いずれもアルミニウムガリウムヒ素であり、組成比が異なる。
【0026】
スペーサ層１３は、反射層１２と活性層１４との間にある。スペーサ層１３は、半導体層である。スペーサ層１３は、例えば、アンドープの半導体である。
【0027】
活性層１４は、半導体である。活性層１４は、注入電子が正孔と再結合し、発光する。活性層１４は、例えば、反射層１２と反射鏡１０とに挟まれる。活性層１４は、例えば、ガリウムヒ素、インジウムガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、窒化インジウムガリウム、シリコンゲルマニウム等である。活性層１４から発光する光の波長は、活性層１４を構成する材料によって設計でき、例えば４００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下である。
【0028】
酸化層１５は、例えば、アルミニウム酸化物である。酸化層１５は、活性層１４上にある。酸化層１５は、キャリア輸送層１６の一部の面積を狭めることで、電流を狭窄する。酸化層１５によってキャリア輸送層１６の所定の部分に電流集中が生じ、効率的に光を生み出すことができる。酸化層１５は、外側面からの選択的な酸化によって形成できる。
【0029】
キャリア輸送層１６は、活性層１４に接する。キャリア輸送層１６は、半導体層である。キャリア輸送層１６は、例えば、アルミニウム濃度の低いアルミニウムガリウムヒ素である。キャリア輸送層１６は、第１電極１７又は第２電極１８から注入された電子スピンを活性層１４まで輸送する。
【0030】
第１電極１７は、キャリア輸送層１６に接する。第１電極１７は、例えば、キャリア輸送層１６上にある。第１電極１７とキャリア輸送層１６との間には、非磁性層を有してもよい。第１電極１７は、強磁性体を含む。第１電極１７は、強磁性体により生じる磁化Ｍ１７を有する。第１電極１７からキャリア輸送層１６に電流を流すと、磁化Ｍ１７によってスピン偏極した電子がキャリア輸送層１６に注入される。例えば、第１電極１７は、キャリア輸送層１６を介して、活性層１４にアップスピンの電子を注入する。
【0031】
第２電極１８は、キャリア輸送層１６に接する。第２電極１８は、例えば、キャリア輸送層１６上にある。第２電極１８とキャリア輸送層１６との間には、非磁性層を有してもよい。第２電極１８は、強磁性体を含む。第２電極１８は、強磁性体により生じる磁化Ｍ１８を有する。磁化Ｍ１８は、磁化Ｍ１７が配向する方向とは反対方向に配向する。第２電極１８からキャリア輸送層１６に電流を流すと、磁化Ｍ１８によってスピン偏極した電子がキャリア輸送層１６に注入される。第２電極１８からキャリア輸送層１６に注入されるスピン電子の偏極方向は、第１電極１７からキャリア輸送層１６に注入されるスピン電子とは、反対方向である。例えば、第２電極１８は、キャリア輸送層１６を介して、活性層１４にダウンスピンの電子を注入する。
【0032】
支持体１９は、例えば、キャリア輸送層１６上にある。支持体１９は、反射鏡１０を支持する。支持体１９は、例えば、半導体又はポリイミド等の有機物である。反射鏡１０は、支持体１９によってキャリア輸送層１６の上面と離間する。
【0033】
反射鏡１０は、反射層１２と共に、活性層１４を挟む位置にある。反射鏡１０は、例えば、酸化層１５の開口部とＺ方向に重なる位置にある。図２に示すように、反射鏡１０は、高屈折領域５と低屈折領域６とを有する。低屈折領域６は、高屈折領域５より屈折率が低い。低屈折領域６は、高屈折領域５に囲まれる。高屈折領域５は、例えば、シリコンであり、低屈折領域６は、例えば、空気である。低屈折領域６は、高屈折領域５を構成する材料より低屈折な材料で充填されていてもよい。
【0034】
図３は、第１実施形態に係る反射鏡１０の斜視図である。高屈折領域５は、Ｚ方向から平面視して、低屈折領域６を囲む。高屈折領域５は、それぞれが第１方向に延びる複数の第１ライン１と、それぞれが第１方向と交差する第２方向に延びる複数の第２ライン２と、を有する。図３における第１方向はＸ方向であり、第２方向はＹ方向であり、第１ライン１のそれぞれと第２ライン２のそれぞれとは直交する。
【0035】
第１ライン１のそれぞれはＸ方向に延びる。第１ライン１のＹ方向の幅を第１幅Ｗｙと称する。第１ライン１は、Ｙ方向に第１周期Λｙで配列している。第１周期Λｙは、隣接する二つの第１ライン１のＹ方向の第１端間の距離である。第１幅Ｗｙを第１周期Λｙで割った値（Ｗｙ／Λｙ）を第１デューティー比ηｙと称する。
【0036】
第２ライン２のそれぞれはＹ方向に延びる。第２ライン２のＸ方向の幅を第２幅Ｗｘと称する。第２ライン２は、Ｘ方向に第２周期Λｘで配列している。第２周期Λｘは、隣接する二つの第２ライン２のＸ方向の第１端間の距離である。第２幅Ｗｘを第２周期Λｘで割った値（Ｗｘ／Λｘ）を第２デューティー比ηｘと称する。
【0037】
高屈折領域５は、第１幅Ｗｙと第２幅Ｗｘ、第１周期Λｙと第２周期Λｘ、第１デューティー比ηｙと第２デューティー比ηｘのうち少なくとも一つが異なる。例えば、高屈折領域５の第１幅Ｗｙと第２幅Ｗｘとが異なり、第１周期Λｙと第２周期Λｘとが異なり、第１デューティー比ηｙと第２デューティー比ηｘが一致してもよい。また例えば、高屈折領域５の第１幅Ｗｙと第２幅Ｗｘが一致し、第１周期Λｙと第２周期Λｘが異なり、第１デューティー比ηｙと第２デューティー比ηｘが異なってもよい。例えば、高屈折領域５の第１幅Ｗｙと第２幅Ｗｘとが異なり、第１周期Λｙと第２周期Λｘが異なり、第１デューティー比ηｙと第２デューティー比ηｘが異なってもよい。これらのパラメータのうち少なくとも一つが異なることで、Ｘ方向の直線偏光が反射鏡１０で反射する場合とＹ方向の直線偏光が反射鏡１０で反射する場合とで位相差が生じる。
【0038】
第１幅Ｗｙ及び第２幅Ｗｘは、例えば、１０ｎｍ以上３０００ｎｍ以下であり、好ましくは８０ｎｍ以上１６００ｎｍ以下である。第１幅Ｗｙ及び第２幅Ｗｘは、例えば、任意の１０箇所を測定した平均値である。第１周期Λｙ及び第２周期Λｘ例えば、１００ｎｍ以上４０００ｎｍ以下であり、好ましくは４００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下である。第１周期Λｙ及び第２周期Λｘは、例えば、任意の１０箇所を測定した平均値である。第１デューティー比ηｙ及び第２デューティー比ηｘは、例えば、１％以上９９％以下であり、好ましくは２０％以上８０％以下である。
【0039】
また高屈折領域５の厚みＴは、例えば、１０ｎｍ以上８０００ｎｍ以下であり、好ましくは４０ｎｍ以上４０００ｎｍ以下である。高屈折領域５の厚みＴは、例えば、任意の１０箇所を測定した平均値である。高屈折領域５の厚みＴは、反射鏡１０の反射率に影響を及ぼす。高屈折領域５の厚みＴは、活性層１４から出力される光の波長に合わせて設計できる。
【0040】
反射鏡１０は、複屈折を示す。複屈折は、物質中を光が通過する際に、振動面の向きによってその進む速度が異なることを言う。反射鏡１０が複屈折を示すことで、反射鏡１０を通過するＸ方向の直線偏光と反射鏡１０を通過するＹ方向の直線偏光との間に、位相差が生じる。その結果、それぞれの直線偏光モード間で周波数分離が生じ、高い変調周波数を有する面発光レーザーを実現できる。
【0041】
反射鏡１０は、第１方向の直線偏光及び第２方向の直線偏光のいずれに対しても反射率が９０％以上である。反射鏡１０の第１方向の直線偏光及び第２方向の直線偏光のいずれに対しても反射率は、９５％以上であることが好ましく、９９％以上であることがより好ましい。反射鏡１０のそれぞれの直線偏光に対する反射率は、第１幅Ｗｙ、第２幅Ｗｘ、第１周期Λｙ、第２周期Λｘ、第１デューティー比ηｙ、第２デューティー比ηｘ及び厚みＴを設計することで、波長に合わせて調整できる。
【0042】
次に、第１実施形態に係る面発光レーザー１００の動作について説明する。まず基板１１と第１電極１７との間に電位差を与える。当該電位差に従い、第１電極１７からキャリア輸送層１６に電子が注入される。注入される電子は、磁化Ｍ１７によってスピン偏極し、アップスピンの電子となる。アップスピンの電子は、キャリア輸送層１６を介して、活性層１４に至る。また基板１１側からは正孔が活性層１４に注入される。
【0043】
活性層１４では、アップスピンの電子と正孔とが再結合し、光子が発生する。例えば、アップスピンの電子は、価電子帯の重い正孔と再結合するときに、左回り円偏光（σ－）を放出する。
【0044】
次いで、基板１１と第２電極１８との間に電位差を与える。当該電位差に従い、第２電極１８からキャリア輸送層１６に電子が注入される。注入される電子は、磁化Ｍ１８によってスピン偏極し、ダウンスピンの電子となる。ダウンスピンの電子は、キャリア輸送層１６を介して、活性層１４に至る。また基板１１側からは正孔が活性層１４に注入される。
【0045】
活性層１４では、ダウンスピンの電子と正孔とが再結合し、光子が発生する。例えば、ダウンスピンの電子は、価電子帯の重い正孔と再結合するときに、右回り円偏光（σ＋）を放出する。
【0046】
面発光レーザー１００は、活性層１４における電子のスピン偏極状態によって発振円偏光状態が変化する。なお、アップスピンの電子及びダウンスピンの電子は、重い正孔への遷移と軽い正孔への遷移があるが、面発光レーザー１００の共振モードを適切に設計することで重い正孔への遷移のみを抽出できる。
【0047】
活性層１４で生じた光は、反射鏡１０と反射層１２との間で反射し、光を誘導放出する。反射鏡１０は複屈折を有するため、面発光レーザー１００の共振長は、Ｘ方向の直線偏光とＹ方向の直線偏光とのそれぞれに対して異なる。その結果、各偏光モード間に複屈折に依存した一定の周波数分離が生じる。
【0048】
次ぎに、第１実施形態に係る面発光レーザー１００の製造方法について説明する。第１実施形態に係る面発光レーザー１００の製造方法には、波長帯域設定工程と、反射鏡作製工程と、マウント工程と、を有する。
【0049】
波長帯域設定工程は、使用する波長帯域を設定する。すなわち、波長帯域設定工程では、活性層１４から生じる光の波長帯域を設定する。波長帯域の設定は任意であり、使用用途等に応じて設定できる。
【0050】
次いで、基板１１上に、反射層１２とスペーサ層１３と活性層１４とキャリア輸送層１６とを順に積層する。キャリア輸送層１６の一部は、外側面からの選択的な酸化によって酸化層１５となる。各層の成膜及び加工は、蒸着等の公知の方法で行うことができる。また各層の材料、厚み等は、波長帯域設定工程で設定された波長帯域に合わせて設定される。
【0051】
次いで、反射鏡作製工程では、高屈折領域５と低屈折領域６とを備える反射鏡１０を作製する。反射鏡１０は、例えば、フォトリソグラフィー等の公知の方法で作製できる。
【0052】
反射鏡１０を作製する際には、高屈折領域５を構成する第１ライン１及び第２ライン２の形状を設定する。反射鏡作製工程では、第１ライン１の第１幅Ｗｙ、隣接する第１ライン１間の第１周期Λｙ、第１幅Ｗｙを第１周期Λｙで割った第１デューティー比ηｙ、第２ライン２の第２幅Ｗｘ、隣接する第２ライン２間の第２周期Λｘ、及び、第２幅Ｗｘを第２周期Λｘで割った第２デューティー比を、波長帯域に応じて設定する。また反射鏡作製工程では、高屈折領域５の厚みＴを設定してもよい。
【0053】
これらのパラメータは、反射鏡１０の複屈折に相当する位相変化、反射鏡１０の反射率に影響を及ぼす。これらのパラメータを設計することで、反射鏡１０の使用する波長帯域における複屈折の大きさ、Ｘ方向の直線偏光に対する反射率、Ｙ方向の直線偏光に対する反射率を制御できる。
【0054】
次いで、マウント工程では、作製した反射鏡１０を、キャリア輸送層１６上に設置する。反射鏡１０は、キャリア輸送層１６上に設置された支持体１９と接着される。このような手順で、第１実施形態に係る面発光レーザー１００を作製できる。
【0055】
上述のように、第１実施形態に係る反射鏡１０は、複屈折を示し、且つ、Ｘ方向及びＹ方向のいずれの直線偏光に対しても高い反射率を示すため、スピン偏極変調方式の面発光レーザー１００に適用できる。第１実施形態に係る面発光レーザー１００は、複屈折によりスピン偏極変調時に変調周波数が高い。すなわち、第１実施形態に係る面発光レーザー１００は、高速変調が可能であり、短距離光通信等に適用できる。
【0056】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は特定の実施形態および変形例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【実施例0057】
電磁界計算を用いたシミュレーションを行い、反射鏡の反射率及び位相が特定のパラメータを変更した際にどのように変化するかを求めた。
【0058】
図４は、シミュレーションに用いた反射鏡の斜視図である。図４に示す反射鏡１０Ａは、１次元周期構造を有する。反射鏡１０Ａは、それぞれがＹ方向に延びる複数の第２ライン２Ａからなる高屈折領域５Ａと、隣接する第２ライン２Ａの間にある低屈折領域６Ａと、を有する。上述に示す第１実施形態に係る反射鏡１０は、２次元周期構造を有するが、図４に示す反射鏡１０Ａを用いてＸ方向の直線偏光に対する回折応答とＹ方向の直線偏光に対する回折応答とを分離して計算し、これらの回折応答を合成することで、第１実施形態に係る反射鏡１０の評価が可能である。
【0059】
反射鏡１０Ａにおいて、第２ライン２Ａの幅Ｗを５２６．４ｎｍ、第２ライン２Ａの周期Λを９４０ｎｍ、Ｗ／Λで求められるデューティー比ηを５６％とした。高屈折領域５Ａは屈折率が３．４８のシリコンとし、低屈折領域６Ａは屈折率が１の空気とした。反射鏡１０Ａに対する入射平面波の入射方向は、反射鏡１０Ａに対して垂直なＺ方向とした。また反射鏡１０Ａに対する入射平面波は、Ｘ方向に電界を有するＴＥ偏光とした。
【0060】
図５は、前述の条件で、反射鏡１０Ａに入射する入射平面波の波長及び高屈折領域５Ａの厚みＴ’を変更した際の反射鏡１０Ａの反射率の変化を示す。図５に示すように、例えば、高屈折領域５Ａの厚みＴ’が３７６ｎｍの場合、１４００ｎｍ以上１７００ｎｍ以下の広い波長域の光に対して反射鏡１０Ａは高い反射率を示した。また１５５０ｎｍ近傍では、反射鏡１０Ａの反射率は９９％以上であった。図５に示すように、使用する波長帯域が決まれば、高屈折領域５Ａの厚みＴ’を制御することで、反射鏡１０Ａの反射率を高めることができる。また図４の系を９０°回転させた系で同様の検討を行い、図５の結果と合わせることで、Ｘ方向の直線偏光及びＹ方向の直線偏光のいずれに対しても高い反射率を示す反射鏡を実現できる。
【0061】
図６は、周期Λ又はデューティー比ηを変化させた際の反射鏡１０Ａの反射率の変化を示す。図６は、図５で高反射率が得られることが確認できた条件を基準条件として、基準条件に対して周期Λ又はデューティー比ηを変更した結果である。Ｗが５２６．４ｎｍ、周期Λが９４０ｎｍ、デューティー比ηが５６％、厚みＴ’が３７６ｎｍ、入射光の波長が１５５０ｎｍを基準条件とした。図６におけるΔΛは、基準条件に対する周期のずれであり、Δηは基準条件に対するデューティー比のずれである。
【0062】
周期Λ及びデューティー比ηを±５％の範囲でずらしても、反射鏡１０Ａは９０％以上の高い反射率を有していた。したがって、反射鏡１０の場合、例えば、第１ライン１を基準条件として、第２ライン２の第２幅Ｗｘ及び第２ライン２の第２周期Λｘの基準条件に対するずれを±５％の範囲内とすると、反射鏡１０はＸ方向の直線偏光に対してもＹ方向の直線偏光に対しても高い反射率を有することができる。
【0063】
図７は、周期Λ又はデューティー比ηを変化させた際の反射鏡１０Ａからの反射光の位相変化を示す。図７は、図６と同じ基準条件を基準としている。図７におけるΔΛは、基準条件に対する周期のずれであり、Δηは基準条件に対するデューティー比のずれである。
【0064】
図７に示すように、第２ライン２Ａの周期Λ又は第２ライン２Ａのデューティー比を変えることで、反射鏡１０Ａからの反射光の位相が変化する。すなわち、反射鏡１０において、Ｘ方向の第２周期ΛｘとＹ方向の第１周期Λｙ又はＸ方向の第２デューティー比ηｘとＹ方向の第１デューティー比ηｙを変えることで、反射鏡１０に複屈折を生み出すことができる。反射鏡１０Ａからの反射光の位相変化は、第２ライン２Ａの周期Λを変えた場合の方が、第２ライン２Ａのデューティー比ηを変えた場合より大きかった。なお、Δηに対し、ΔΛの方が位相変化を与えやすい傾向にある。例えば、図８に斜線で示すように、ΔΛ＞－ΔηかつΔΛ＞０の範囲、または、ΔΛ＜－ΔηかつΔΛ＜０の範囲からΔΛとΔηの値を選ぶことで、位相変化が０となる条件を回避しやすい。すなわち、ΔΛとΔηは、ΔΛ＞－ΔηかつΔΛ＞０の範囲、または、ΔΛ＜－ΔηかつΔΛ＜０の範囲を満たすことが好ましい。
【0065】
図９は、周期Λを変更した際における偏光モードの周波数分離結果を示し、図１０は、デューティー比ηを変更した際における偏光モードの周波数分離結果を示す。図９に示すように、周期Λを変更すると、偏光モードの周波数は大きく分離した。これに対し、図１０に示すように、デューティー比ηを変更すると、偏光モードの周波数はわずかに分離した。図９、図１０に示すように、第１実施形態に係る反射鏡において、第１ライン１を基準条件として、第２ライン２の周期Λを基準条件に対してずらすことで大きな周波数分離を得ることができ、且つ、第２ライン２のデューティー比ηを基準条件に対してずらすことで周波数分離の微調整が可能である。
【0066】
図１１は、周期Λを基準条件に対して±１％変化させた際の反射鏡１０Ａの反射率の波長依存性を示す。図１２は、デューティー比ηを基準条件に対して±１％変化させた際の反射鏡１０Ａの反射率の波長依存性を示す。図１１、図１２に示すように周期Λ又はデューティー比ηを変化させると、反射鏡１０Ａの反射スペクトルがシフトする。しかしながら、図１１、図１２に示すように、周期Λ又はデューティー比ηを変化させても広い波長範囲で反射スペクトルが高い反射率を示す。したがって、反射鏡１０の場合、例えば、第１ライン１を基準条件として、第２ライン２の第２幅Ｗｘ及び第２ライン２の第２周期Λｘの基準条件に対するずれを±１％の範囲内とすると、広い波長範囲で反射スペクトルが高い反射率を示す。
【0067】
図１３は、第１実施形態に係る反射鏡をスピン偏極変調方式の面発光レーザー１００に適用した際の周波数応答特性を示す。また図１４は、第１実施形態に係る反射鏡を有するスピン偏極変調方式の面発光レーザー１００の１００Ｇｂ／ｓの疑似ランダム信号に対するアイパターンである。図１３及び図１４は、非特許文献１に記載のレート方程式モデルを用いて計算した。図１３に示すように、面発光レーザー１００は、周波数応答特性の計算結果から１００ＧＨｚ以上の３ｄＢ帯域幅を有する。また図１４に示すアイパターンの計算結果から、２値の信号レベルを面発光レーザー１００に印加した際に、明瞭なアイ開口が確認できた。すなわち、第１実施形態に係る反射鏡をスピン偏極変調方式の面発光レーザー１００に適用することで、超高速光通信用の信号光を生成できることが確認できた。
【0068】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、以下のような種々の変形・変更が可能である。
【0069】
例えば、第１実施形態では、基板１１上に反射層１２、支持体１９上に反射鏡１０を設ける例を示したが、反射層１２と、反射鏡１０とは逆の位置に設けても、本発明の効果を奏する。
【0070】
また、基板１１の下に、第１電極１７との間の電位差を制御するための電極を設けてもよい。
【符号の説明】
【0071】
１…第１ライン、２，２Ａ…第２ライン、５，５Ａ…高屈折領域、６，６Ａ…低屈折領域、１０，１０Ａ…反射鏡、１１…基板、１２…反射層、１３…スペーサ層、１４…活性層、１５…酸化層、１６…キャリア輸送層、１７…第１電極、１８…第２電極、１００…面発光レーザー、Ｗ…幅、Ｗｘ…第２幅、Ｗｙ…第１幅、Λ…周期、Λｘ…第２周期、Λｙ…第１周期、η…デューティー比、ηｘ…第２デューティー比、ηｙ…第１デューティー比、
【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】