フォトニック結晶レーザ

はじめに

　半導体レーザは、これまで、波長域の拡大や高速化といった、波長軸、時間軸での性能向上により、特に情報通信・光記憶分野において広く使われ、社会に大きく貢献してきた。今後の光技術は、情報通信や光記憶のみならず、製造技術（ものづくり）、医療技術・生命科学への展開が期待されるが、このような応用においては、従来の半導体レーザでは十分になされていないパワー（光出力）を軸とした研究開発が肝要である。特に、材料加工（3次元加工含む）を含むレーザを用いた製造技術、すなわち光製造の需要は極めて大きいと言える。
　一般に、半導体レーザの光出力は、その光出射面積に比例して最大値が決まる。しかしながら、従来型の半導体レーザでは、光出射面積を大きくすると、励起電流の増加とともに、光出射端におけるレーザ光の波面が変形して出力ビームの形が著しく劣化し、いくら集光しても光スポットが大きくならざるを得ず、この結果、光製造には不向きとなるといった問題が生じていた。
　1999年に、我々は、フォトニック結晶と呼ばれる人工的な光ナノ構造を用いることで、ビーム品質の劣化を最小限に抑え、半導体レーザの高出力化が可能になりうるという基本概念を提案するとともに、その基本実証に成功した[1, 2]。その後、デバイス物理の詳細な理解[3,4]と、性能向上へのフィードバック[5]、加えて、出力ビームの偏光状態の制御[2]やビーム形状の制御[6]、短波長化による青紫色への展開[7]、さらには、ビーム走査機能の付加[8]など、新たな可能性・機能性を次々と実現してきた。この間、多くの企業との産学連携研究を積極的に推進することで、高出力で高ビーム品質、高機能性を同時に実現する、従来の半導体レーザの概念を越えた、「フォトニック結晶レーザ」の具現化と実用化に向けた取り組みを積極的に進めてきた。
　以下では、まず、本フォトニック結晶レーザの動作原理およびデバイス構造、さらに、これまでに得られた基本デバイス特性について、我々が確立してきた理論・実験結果をもとに、具体的に述べる。
 

基本デバイス構造と動作原理

　デバイスの基本構造は、Fig.1に示すとおりである。基本的には、活性層近傍に、フォトニック結晶が配置され、活性層に閉じ込められた光波のエバネセント成分が、フォトニック結晶の共振・回折効果を受けるように構成される。同図では、フォトニック結晶としては、正方格子構造が形成され、格子定数aが、（有効屈折率を考慮して）活性層で発生する光波の波長と一致するように設定されている。フォトニック結晶の内部においては、周期的な屈折率分布の存在により、光波はブロッホ波で表される状態をとることになる。特に、正方格子フォトニック結晶（格子定数a）を考えると（その逆格子点および、関連するブロッホ波の波数ベクトルをFig.2（a）に示す）、そのフォトニックバンド構造の特異点の１つΓ₂点（Fig.2（b）の左における赤色の四角で囲った点、同図右はその近傍の拡大図を示す）においては、2π/aの波数をもつ基本波および、その整数倍の波数をもつ複数の高次の波が、フォトニック結晶のもつ様々な回折効果により互いに結合し、定在波状態を形成する。群論による規約表現を用いると、Γ₂点においては、これらの光波の結合により、A₁,B₁,E（縮退）の４つの共振モードが形成されることになる。Fig.2（b）には、縮退したEに対応するバンド端モードをC,Dと記し、A₁,B₁に対応するモードを、A,Bと記している。 さらに、これらの共振モードは、同じくフォトニック結晶のもつ回折効果により、結晶外部の放射モードとの結合が可能となる。放射モードへの結合のしやすさの違いにより、上記モードの閾値利得に差が生じる。モードC,Dは、放射モードとの結合が強く、閾値利得が高く、発振には寄与しなくなる。モードAおよびBは、基本的には結晶外部への放射が極めて起こりにくいモードであるが、結晶を構成する格子点の形状の制御等により、その閾値利得差を設けることが可能となり、単一モード発振が実現されることになる。なお、光出力は、フォトニック結晶自身の回折作用により、フォトニック結晶面に垂直方向に取り出されることになり、面発光レーザとして働く。以上の議論は、3次元結合波理論を用いることにより、極めて定量的かつ厳密に取り扱うことが可能になりつつある[9]。


【Fig.1 フォトニック結晶レーザの基本構造】


【Fig.2 (a)正方格子フォトニック結晶における回折効果（逆格子点および関連するブロッホベクトル）、(b)バンド構造】
 

大面積コヒーレント発振とビームパターン制御

　フォトニック結晶構造を活性層近傍に形成する方法として、まず、ウエハ融着法を用いた。この方法は、2枚のウエハを融着一体化させ、デバイス内部に空気/半導体からなるフォトニック結晶を埋め込む方法である。まず、正方格子フォトニック結晶を、電子ビーム露光およびドライエッチングにより形成したのち、ウエハ融着法で埋め込んでレーザ発振させた場合の近視野像および各部の発振スペクトルの例をFig.3に示す。発光は、150μm×150μmという大面積で起こり、全ての位置で単一モードコヒーレント動作していることが分かる。ここで得られた出射部の面積は、通常の半導体レーザの出射部の面積の1,000倍以上であり、通常の半導体レーザでは、単一モード発振することは不可能であると言え、本レーザの有用性を示す結果と言える。
　さて、レーザ光は前項でも述べたようにフォトニック結晶面に垂直方向に出射される。この際、ビームパターンは、レーザ発振している２次元面内の電磁界分布のフーリエ変換（厳密には、空気ライトライン内部の電磁界成分のフーリエ変換）により与えられる。このことは２次元面内の電磁界分布を変化させれば、様々なビームパターンが得られることを意味する。電磁界分布を変化させる方法としては、2次元面内の様々な方向に伝播する光の結合状態を変化させれば良く、例えば、フォトニック結晶の格子点の形状や結晶格子の間隔を変えることが、その有効な方法と考えられる。Fig.4（a）, （b）には、それぞれ、格子点形状が、真円および３角形の場合の結晶一周期（単位格子）における電磁界分布が示されている。同図より、格子点を真円から三角形に変化することにより、90度回転対称性をもつ電磁界分布から、回転対称性が崩れx方向に非対称性をもつ電磁界分布に変化することが分かる。一方、Fig.4（c）−（g）には、格子点形状を真円に保ったまま、フォトニック結晶に格子間隔のシフトを導入した場合の結晶全体の電磁界分布を示している。Fig.4（c）は、シフトなしの場合で、同Fig.（d）−（g）は、シフトを様々に変化させた場合の電磁界分布を示す。これらより、格子間隔のシフトを行うと、シフト位置において、電磁界分布が反転することが分かる。シフトの本数を増やすにつれ、電磁界の反転が繰り返されることが分かる。以上を組み合わせることで、面内の電磁界分布を様々に制御出来るものと予測される。
　以上をもとに、実際に、Fig. 4に示すデバイスを作製した。同デバイスに導入するフォトニック結晶構造としては、上述の議論をもとに、Fig.5（a）−（f）の左パネルの電子顕微鏡写真に 示すような6種類の結晶を作製した。（a）は、格子点形状が真円で格子間隔のシフトなし、（b）は真円格子点で、格子間隔のシフトを1本導入したもの、（c）は、真円格子点形状で、格子間隔のシフトを2本平行に導入したもの、（d）は、真円格子点形状で格子間隔のシフトを十字状に導入したもの、（e）は、真円格子点で、2本の平行格子シフトを直交させて導入したもの、さらに、（f）は、格子点形状を三角形としたもので、格子間隔のシフトなしである。作製したデバイスは全て室温で発振し、安定な単一モードで動作した。得られたビーム形状をFig.5（a）−（f）の右パネルに示す。単一ドーナッツから２連、４連ドーナッツ、さらには真円形状等の非常に興味深いビーム形状が得られた。ビーム拡がり角は、大面積コヒーレント発振を反映して2°以下と極めて狭いことが判明した。
　上記のうち、特に、Fig.5（a）, （f）のような特徴的なビームが得られる理由は以下のとおりである。まず、Fig.5（a）の場合は、格子点形状が真円であり、その電磁界分布は、 Fig.4（a）に示されるように回転対称性の良い電磁界分布となる。この電磁界分布をもつレーザ光が、出射面から外の自由空間に出射されると、ビームの中央部において電磁界の打ち消し合いが起こり、ドーナッツ形状のビームとなる。一方、格子点形状をFig.5（f）のように、３角形にすると、今度は、電磁界分布が、Fig.4（b）に示すように、回転対称性が崩れるため、ビーム中央部でのキャンセルがなくなり、円形ビーム形状へと変化していくことになる。このような非対称性の導入は、特に、光出力を増大させる場合に有効となり、次項では、直角三角形の格子点を採用した結果について示す。


【Fig.3 レーザ発振後の近視野像および各部の発振スペクトル。】


【Fig.4 各種の面内電磁界分布、（a）, （b）真円格子点、三角格子点に対する単位格子中の電磁界分布。磁界は色で表され、面内の電界ベクトルは矢印で表される。（c）−（g）, 様々な格子シフトと電磁界分布。（c）真円格子点で格子シフトなし、（d） 真円格子点で格子シフト１本、（e）真円格子点で格子シフト平行２本、（h）真円格子点形状で格子シフトを十字状に導入したもの、（g）真円格子点で、2 本の平行格子シフトを直交させて導入したもの。】


 【Fig.5 フォトニック結晶の構造制御により生成された様々な形状のビーム。左側パネルには結晶構造の電子顕微鏡写真、右側パネルには対応するビーム形状を示す。（a）真円格子点、格子シフトなし、（b）真円格子点、格子シフト１本、（c）真円格子点、平行格子シフト２本、（d）真円格子点、交差格子シフト２本、（e）真円格子点、交差格子シフト４本、（f）三角格子点、格子シフトなし、の場合をそれぞれ示す。以上により、単一ドーナッツから２連、４連ドーナッツ、さらには真円等の非常に興味深い形状のビームが得られることが分かる。】
 

ワット級室温連続発振の実現

　ウエハ融着法の場合、融着界面において、欠陥が発生するために、レーザ光吸収損失が生じ、発熱源となる。そこで、次に、有機金属気相成長法等による再成長法[11,12]を用いて、フォトニック結晶構造をデバイス内部に形成することを試みた。成長条件を適切に制御することで、空気/半導体構造、すなわちフォトニック結晶構造を結晶内部に残したまま、デバイスを形成できるようになった。Fig.6（a）, （b）には、作製したデバイスの模式図（２段階の有機金属気相成長法で形成）と、活性層近傍に形成した直角3角形状をもつ格子点の電子顕微鏡写真が示されている。同図（c）は、その後、２回目の有機金属気相成長法により、直角3角形のフォトニック結晶をデバイス内部に埋め込んだ後の断面電子顕微鏡写真を示している（図の写真では、結晶成長は、下方へ向かって行われていることに注意。）興味深いことに、結晶内部に空洞を残したままで、結晶成長が非常にきれいに行われていることが分かる。この空洞は、構造解析から、直角3角形の基本構造の大枠を残しつつ、上下方向にも非対称性が導入されていることが分かった。詳細な理論解析から、この結晶成長時に生じる空洞の上下非対称形状が、高出力化にとって好ましいことが分かった。さらに、フォトニック結晶により上下方向に回折されるレーザ出射光の内、裏面方向に出射した光を、下部のp電極により、効率的に反射することで光出力をさらに増大する工夫をも施した。
　Fig.7（a）（b）に、室温連続動作における光出力特性と、発振後のスペクトル特性を示す。同図（a）に示すように、1.5Wというワット級の光出力を得ることに成功した。また、同図（b）に示すスペクトル特性から単一波長で動作していることも分かる。また、同図（c）には様々な駆動電流における遠視野像を示している。電流値を更に増やすことで僅かながらビーム広がり角の増大がみられるが、それでも3°以下という極めて狭放射角の動作が得られることが分かった。なお、光出力0.5W程度までは、レーザのビーム品質の指標となるM²（エムスクエア）が1.0という特に高いビーム品質が得られることが分かった[13]。
　本レーザでは、このような狭放射角の高輝度特性を生かすことで、レンズフリーの光学系を構築出来るという重要な特長をもつ。その一例として室温連続動作において、フォトニック結晶レーザから出射したレーザ光を、ターゲットとなる紙へ、レンズを介さずに直接照射した様子をFig.8に示す。レーザ光を照射した直後に、紙の燃焼が確認された。これは、従来の半導体レーザでは極めて困難であり、本デバイスが高輝度であること、レンズフリーあるいは単純光学系での応用が可能となることを示している。この特長を活かすことで、低コストでロバストなシステムの光源として、フォトニック結晶レーザが好適となることを示している。


【Fig.6 （a）２段階有機金属気相成長法で形成したデバイスの模式図、（b）電子ビーム露光（JEOL JBX-6300FS）とドライエッチングにより形成した直角 3 角形の基本格子構造をもつフォトニック結晶構造の電子顕微鏡写真。（c）有機金属気相成長法により結晶内部に埋め込まれた空洞フォトニック結晶構造。】


【Fig.7  フォトニック結晶レーザの発振特性：（a）電流—光出力特性および電流—電圧特性。（b）スペクトル特性（線幅 0.02 nm 以下（定限界））。（ｃ）様々な電流値における遠視野像。】


 【Fig.8 レーザからの出射光を紙に直接照射した様子。直ちに燃焼する様子が見られた。】
 

結論（まとめ、おわりに）

　次世代型半導体レーザ光源とも言うべき、フォトニック結晶レーザの開発現状について紹介した。まず、本レーザが、フォトニック結晶のもつ大面積コヒーレント共振作用に基づき、従来の半導体レーザにはない、様々な優れた特長をもつことを示した。興味深い点の１つは、格子点形状を様々に変化させることで、興味深いビームが出射可能であることである。さらに、極最近、狭放射角（＜3°）を維持したまま、光出力1.5ワットというワット級の室温連続動作に世界で初めて成功した。このような高ビーム品質かつワット級動作の実現は、ものづくりを支える光製造への応用に向けた重要な礎となる成果であるとともに、波長変換、光励起、バイオ、分析などの幅広い分野へも応用の裾野が広がるものと言える。
 

謝辞

　本研究は、京都大学の野田研究室の教員・研究員・学生諸氏と共同して進めたものであり、かつ、ロームや浜松ホトニクス等の企業との共同研究の成果でもある。ここに、関係各位に深く感謝する。また、本研究の一部は、独立行政法人科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業ACCELプログラム、CRESTプログラム、文部科学省最先端の光の創成を目指したネットワーク研究拠点プログラム等などの支援を受けた。ここに深く感謝する。

文献

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[ 2 ] S. Noda, M. Yokoyama, M. Imada, A. Chutinan, M. Mochizuki, “Polarization Mode Control of Two-Dimensional Photonic Crystal Laser by Unit CellStructure Design,” Science , vol.293, pp. 1123-1125（2001）.
[ 3 ] M. Imada, A. Chutinan, S. Noda, and M. Mochizuki, "Multidirectionally distributed feedback photonic crystal lasers", Physical Review B , Vol.65, No.19, pp.195306 （2002）.
[ 4 ] K. Sakai, E. Miyai, T. Sakaguchi, D. Ohnishi, T. Okano, and S. Noda, "Lasing band edge identification for a surface-emitting photonic-crystal laser," IEEE Journal of Selected Area in Communications , vol.23, no.7, pp.1330-1334 （2005）.
[ 5 ] D. Ohnishi, T. Okano, M. Imada, and S. Noda, “Room Temperature Continuous Wave Operation of a Surface-Emitting Two-Dimensional Photonic Crystal Diode Laser,” Optics Express , vol.12, pp.1562-1568（2004）.
[ 6 ] E. Miyai, K. Sakai, T. Okano, W, Kunishi, D. Ohnishi,and S. Noda, "Lasers producing tailored beams", Nature , Vol.441, No.7096, pp.946-946 （2006）.
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[ 8 ] Y. Kurosaka, S. Iwahashi, Y. Liang, K. Sakai, E.Miyai, W. Kunishi, D. Ohnishi, and S. Noda, "On-chip beam-steering photonic-crystal lasers", NATURE PHOTONICS , Vol.4, No.7, pp. 447-450 （2010）.
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[10] T. Sakaguchi, W. Kunishi, S. Arimura, K. Nagase,E. Miyai, D. Ohnishi, K. Sakai, S. Noda, “Surface-Emitting Photonic-Crystal Laser with 35W Peak Power,” The Conference on Lasers and Electro-Optics and the International Quantum Electronics Conference 2009, CTuH1 （2009）.
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[13] K. Hirose, Y. Liang, Y. Kurosaka, A. Watanabe, T.Sugiyama, and S. Noda, “Watt-class high-power, high-beam-quality photonic-crystal lasers”, Nature Photonics , vol.8, pp.406-411 （2014）.