WO2006117863A1 - フォトニック結晶レーザ - Google Patents

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Masahiro Imada
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Kyoto University NUC
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    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/11—Comprising a photonic bandgap structure

Definitions

  • the present invention relates to a laser element and a laser apparatus that can be suitably used for various apparatuses that need to scan laser light, such as a laser printer and a barcode reader.
  • Laser printers, bar code readers, and the like scan laser light for printing and reading.
  • a laser scanning device in a conventional laser printer will be described with reference to FIG.
  • the laser beam output from the semiconductor laser 11 is reflected on the side surface of the rotating polygon mirror 12 and passes through the f- ⁇ lens 13 to irradiate the photosensitive drum 14. While one side surface of the polygon mirror 1 2 is irradiated with the laser beam, the laser beam irradiation point (laser beam spot) is rotated from one end 151 of the photosensitive drum 14 to the other by the rotation of the polygon mirror 12. Move continuously to the end 152 of When the laser beam spot reaches the other end 152, the reflection position of the laser beam on the polygon mirror 12 is exactly the side edge.
  • the reflection position of the laser beam becomes the start end of the next side surface, whereby the laser beam spot on the photosensitive drum 14 also returns to the one end 151.
  • laser light is irradiated onto the photosensitive drum 14 while being repeatedly scanned, and during that time, the laser light is turned on / off to print characters and images.
  • the speed of the laser beam spot that scans on the photosensitive drum 14 is determined by the rotational speed of the polygon mirror.
  • the speed of the laser beam spot that scans on the photosensitive drum 14 is determined by the rotational speed of the polygon mirror.
  • Patent Document 1 describes a configuration using a laser light source in which a plurality of surface-emitting vertical cavity semiconductor lasers (VCSEL) are arranged in an array as a configuration for further increasing the scanning speed.
  • VCSEL surface-emitting vertical cavity semiconductor lasers
  • scanning speed is increased by simultaneously irradiating laser light from multiple VCSELs.
  • a polygon mirror is essential for scanning where it is difficult to give the VCSEL itself the ability to move the beam, and the output of the single-mode VCSEL is There is a problem that it is limited to 3mW @ degree.
  • a photonic crystal is obtained by artificially forming a periodic structure in a dielectric.
  • the periodic structure is generally formed by periodically providing a region having a refractive index different from that of the dielectric body in the body. Due to the periodic structure, Bragg diffraction occurs in the crystal, and an energy band gap is formed with respect to the energy of light.
  • Patent Document 2 describes a laser light source using a two-dimensional photonic crystal.
  • This laser light source has an active layer containing a light emitting material between two electrodes (conductive semiconductor layers), and a two-dimensional photonic crystal is formed above the active layer.
  • This two-dimensional photonic crystal is a plate-like member (slab) provided with a two-dimensional periodic refractive index distribution. Active layer force light emission is caused by the injection of carriers with electrode force, and this light is intensified by diffraction due to the periodic structure of the two-dimensional photonic crystal, thereby causing laser oscillation. When the period of this periodic structure matches the wavelength in the medium, light is emitted in a direction perpendicular to the slab surface. With this laser light source, it is possible to obtain light emission with a higher output than VCSEL.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2000-020995 ([0012], FIG. 2)
  • Patent Document 2 JP 2000-332351 A ([0037] to [0056], FIG. 1)
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a laser element and a laser apparatus that can scan a high-power laser beam at high speed without using a mechanical scanning mechanism. is there.
  • the second aspect of the photonic crystal laser element according to the present invention is:
  • a photonic crystal laser device includes the photonic crystal laser element, voltage applying means for applying a voltage between the upper electrode and the lower electrode, and the plurality of upper electrodes or lower electrodes arranged in a row. And a control means for controlling ON / OFF of the applied voltage.
  • the photonic crystal laser element according to the present invention has an active layer and a two-dimensional photonic crystal. This is the same as the laser disclosed in Patent Document 2.
  • the active layer and the two-dimensional photonic crystal do not need to be in direct contact with each other, and a sufficient feedback effect can be obtained even if a layer such as a spacer is interposed between the active layer and the two-dimensional photonic crystal.
  • the active layer generates light having a predetermined wavelength by charge injection.
  • the material for the active layer for example, the same material as that conventionally used for a Fabry-Perot type laser light source can be used.
  • a two-dimensional photonic crystal is generally formed by periodically arranging a number of regions having the same shape with different refractive indexes on a slab-shaped base material.
  • This period includes a triangular lattice shape, a square lattice shape, a hexagonal lattice shape, and the like.
  • the period is set according to the wavelength of light emission in the active layer. The period is usually the same as the emission wavelength.
  • a lower electrode and an upper electrode are provided so as to sandwich the active layer and the two-dimensional photonic crystal. Another layer is inserted between the active layer and the lower electrode! /!
  • a plurality of upper electrodes are arranged side by side above the two-dimensional photonic crystal.
  • the arrangement of the upper electrodes may be linear (one-dimensional)! /, Or may be arranged two-dimensionally, such as a square lattice or a triangular lattice.
  • another layer may be interposed between the two-dimensional photonic crystal and the upper electrode. For example, place a layered member between two-dimensional photonic crystals and place the upper electrode on top of it.
  • a plurality of lower electrodes provided below the active layer may be provided corresponding to the upper electrodes, but one common lower electrode may be provided for the plurality of upper electrodes.
  • Another layer is also inserted between the lower electrode and the active layer! /. In the active layer, it is desirable that the lower electrode or the intervening layer reflect this light so that the light generated in the active layer does not leak outside from the lower electrode side!
  • a photonic crystal laser device is configured by providing a voltage applying unit and a control unit in the element configured as described above.
  • the voltage applying means applies a voltage between the upper electrode and the lower electrode, and a normal DC power supply can be used.
  • the control means controls ON / OFF of the applied voltage for each upper electrode. Of each upper electrode
  • the ON / OFF timing may be appropriately determined according to the use of the photonic crystal laser as in the example shown later.
  • the photonic crystal laser element and the laser light source of the present invention since a plurality of upper electrodes are provided, it is possible to realize an operation not found in conventional lasers.
  • the light emission region is switched by controlling ON / OFF of the applied voltage for each upper electrode by the control means, so that the laser beam can be apparently moved.
  • the laser device it is desirable to use a material that is transparent to light of the wavelength for the upper electrode in order to extract the upper electrode side force laser light.
  • the laser light is radiated to the outside almost perpendicularly from the light emitting region, so that the emission range of the laser light is only within the full length (or full width) of the element. Therefore, when it is desired to radiate to a wider range, it is desirable to provide means (deflecting means) for changing the direction of the laser light output near the upper electrode on the upper electrode.
  • the deflecting unit include a lens that covers the entire element, a prism provided for each element, and the like.
  • the photonic crystal laser device and laser device of the first aspect in which a plurality of upper electrodes are arranged side by side have been described. However, a plurality of lower electrodes may be arranged in place of the upper electrode. .
  • This is the photonic crystal laser element and laser of the second aspect Device. In this case, it is sufficient to provide one upper electrode in common for a plurality of or all lower electrodes.
  • the laser beam is radiated to the outside of the upper electrode force directly above a certain range around the lower electrode.
  • the operations of the photonic crystal laser element and laser device of the second aspect are the same as those of the first aspect.
  • the photonic crystal In the photonic crystal, light having a wavelength corresponding to the periodic structure of the photonic crystal is amplified. Therefore, by changing the periodic structure in the photonic crystal depending on the position in the crystal, The wavelength of the laser beam can be tuned.
  • laser light can be moved by ON / OFF of a voltage applied to a plurality of upper electrodes or lower electrodes arranged without using a mechanical scanning mechanism. . Since the scanning speed of the laser beam is not limited by the speed of the mechanical scanning mechanism, it can be made faster than before. Further, since a photonic crystal laser capable of emitting light at a high output is used, the intensity of the obtained laser beam can be sufficiently increased.
  • the photonic crystal laser of the present invention has such features, it can be suitably used for a laser beam scanning device in a laser printer, a barcode reader, or the like. Also
  • the configuration of the present invention can be applied to photonic crystal lasers of various wavelengths, for example, by attaching two-dimensional electrodes to the three primary colors of blue-green and red, and scanning each light on a screen or the like, Application to full-color displays is also possible.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a laser scanning device in a conventional laser printer using a polygon mirror.
  • FIG. 2 is a perspective view of one embodiment of a photonic crystal laser element according to the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing a photonic crystal laser device of the present example.
  • FIG. 4 is a top view showing the operation of the photonic crystal laser device of this example.
  • FIG. 5 is a top view showing an example of simultaneously scanning a plurality of light emitting regions (laser beam).
  • FIG. 6 is a vertical sectional view showing a photonic crystal laser element provided with means for changing the direction of laser light for each upper electrode.
  • FIG. 7 is a perspective view of another embodiment of the photonic crystal laser element according to the present invention.
  • FIG. 8 is a plan view for explaining the operation of the photonic crystal laser element in FIG.
  • FIG. 9 is a perspective view of another embodiment of the photonic crystal laser element according to the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a laser scanning device in a laser printer using a photonic crystal laser according to the present invention.
  • the two-dimensional photonic crystal 23 is formed by periodically arranging holes 24 in a square lattice pattern on a plate material having GaAs force.
  • the lower spacer 22 and the two-dimensional photonic crystal 23 are formed as a single layer, and a hole 24 is formed only in the upper portion to function as the two-dimensional photonic crystal 23.
  • the lower part functions as the lower spacer 22.
  • a confinement layer 25 made of GaAs a lower cladding layer 26 made of n-type aluminum 'gallium arsenide (AlGaAs), and a lower substrate made of n-type GaAs are provided in order from the side closer to this layer.
  • This lower substrate is mechanically polished to a thickness of about 100 microns at 50 forces, and then gold, germanium, and nickel are deposited and heated to about 400 ° C to form an alloy, thereby forming the lower electrode 27. .
  • An upper spacer 28 made of GaAs, an upper clad layer 29 made of p-type AlGaAs, and a contact layer 30 made of p-type GaAs are provided on the upper side of the two-dimensional photonic crystal 23 in order from the side closer to this layer. .
  • Each of these layers can be manufactured by a method similar to the method described in Patent Document 2.
  • a large number of upper electrodes 33 are arranged in a straight line on the contact layer 30.
  • the planar shape of the upper electrode 33 is a rectangle that is long in the direction perpendicular to the arrangement direction.
  • gold can be used as the material of the upper electrode 33.
  • An electrode using gold can minimize current loss and can be easily manufactured, for example, by vapor deposition.
  • a transparent electrode having a carrier-doped zinc oxide (ZnO) or the like may be used as the upper electrode 33. By using such a transparent electrode, a larger amount of light can be extracted outside.
  • each upper electrode 33 is connected in parallel to a DC power source, and each upper electrode 33 is provided with a switch 34 that also has a transistor equal force.
  • a control unit 35 for controlling ON / OFF of these switches 34 is provided.
  • the photonic crystal laser device is configured.
  • the photonic crystal laser device of this example will be described with reference to FIG. First, out of the multiple upper electrodes 33, four electrodes 331 to 334 at one end are used as one set. A current is introduced by applying a voltage between these and the lower electrode. As a result, carriers are injected into the active layer 21 directly below and around these four upper electrodes 331 to 334, and light is generated in that region. This light is also introduced into the two-dimensional photonic crystal 23, where it is diffracted and amplified to oscillate. The two-dimensional photonic crystal 23 is formed inside the region 42. This laser light is emitted in a direction perpendicular to the surface of the photonic crystal 23 and emitted from the contact layer 30 to the outside. At this time, as shown in FIG.
  • each upper electrode 331 to 334 is perpendicular to the arrangement direction.
  • the light emitting region 411 has a shape close to a square because the region into which the current is introduced has a rectangular shape and the region into which the current is introduced has a shape close to a square.
  • the introduction of current to the leftmost upper electrode 331 among the four electrodes is turned OFF, and at the same time, current is introduced to the upper electrode 335 adjacent to the right side thereof (FIG. 4 ( b)).
  • the light emitting region moves from 411 to 412.
  • the light emitting region can be moved in the arrangement direction of the upper electrodes 33 by controlling the switches of the upper electrodes by the control unit 35 and sequentially switching the upper electrodes to which current is introduced.
  • the light emitting region moves substantially continuously toward the right end of the left end force of the element, and when it reaches the right end of the element, returns to the left end of the element and the left end force again moves substantially continuously toward the right end. Repeat the operation. This operation is the same as the laser beam scanning in the laser printer shown in FIG.
  • the number of upper electrodes to which current is simultaneously introduced is not limited to the four shown above.
  • the current may be introduced into only one upper electrode at a time.
  • the light emitting area when the light emitting area reaches the right end, the light emitting area is controlled so that it immediately returns to the left end of the element. However, depending on the application, the light emitting area reaches the right end and then the right end to the left end. You may move it back in the opposite direction.
  • one light emitting region 511 may be formed as described above, and at the same time, a light emitting region 512 may be formed at a position away from the light emitting region 511. Similarly, 3 or more The upper light emitting region may be formed at the same time. By scanning these light emitting areas simultaneously, it is possible to scan within a predetermined area in a shorter time than when scanning one light emitting area.
  • the shape of the upper electrode 33 is not limited to a rectangle that is long in the direction perpendicular to the arrangement direction as described above, and may be, for example, a square.
  • the electrodes may be arranged in a two-dimensional form, and one or a plurality of beams may be scanned in various directions at the same time.
  • FIG. 6 shows an example in which means for changing (deflecting) the direction of the laser beam is provided for each upper electrode 33.
  • one lens 61 is provided on the upper side of the photonic crystal laser element so as to cover the entire upper electrode 33.
  • the laser light emission range is expanded in the arrangement direction of the upper electrodes 33, and the laser light irradiation range (scanning range) can be widened while downsizing the photonic crystal laser element.
  • the photonic crystal laser element and the photonic crystal laser apparatus of the present invention are not limited to the above examples.
  • the upper electrode 33 may be two-dimensionally arranged.
  • the light emitting region can be scanned two-dimensionally by switching the upper electrode 33 for injecting current in the order indicated by the arrows in FIG. 8 (a).
  • FIG. 8 (b) by switching the upper electrode 33 for injecting current for each column of the upper electrode 33, a plurality of laser beams can be scanned simultaneously.
  • the upper electrode 33 may be formed as a single sheet, and a plurality of lower electrodes 32 may be formed on the substrate 31.
  • This photonic crystal laser element also operates in the same manner as in the above embodiment.
  • FIG. 10 shows an example in which the photonic crystal laser element according to the present invention is used in a light source unit of a laser printer.
  • a photonic crystal laser element 71 having the same length as the effective print width of the photosensitive drum 73 is manufactured and arranged facing the photosensitive drum 73.
  • the upper electrode can be made sufficiently small (in the above example, the pitch is about 20 m), and laser oscillation must be performed.
  • a photonic crystal laser element 72 that is shorter than the effective printing width of the photosensitive drum 73 but has the same number of upper electrodes is manufactured, and the photosensitive drum 73 is Place them facing each other.
  • the size (length) of the photonic crystal laser element 72 is 1/10 of the effective printing width of the photosensitive drum 73 (2.54 cm in the above example)
  • the arrangement pitch of the upper electrodes is about 2 m. This force is sufficiently possible if a short wavelength laser is used.
  • the photonic crystal laser element force since the photonic crystal laser element force also emits laser light in a wide range, as shown in FIG. 6, the force to place the lens 61 on the photonic crystal laser element or the photonic crystal laser element Separately, a lens 74 is provided between the photonic crystal laser element light source and the photosensitive drum 73.
  • the emission of laser light is controlled as described above by ON / OFF control of voltage application to each upper electrode of the photonic crystal laser element light source.
  • the laser beam is scanned in the same manner as a conventional laser printer. As described above, since scanning can be performed electronically without using a polygon mirror, printing at a very high speed can be performed.

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Abstract

　本発明の課題は、機械的な走査機構を用いることなく、高出力のレーザ光のビームを高速で走査することができるレーザ装置を提供することにある。上部電極３３と下部電極２７の間に活性層２１と２次元フォトニック結晶層２３を設けたフォトニック結晶レーザにおいて、上部電極３３を直線状に複数個並べて配置する。１個又は近接する複数個の上部電極３３から電流を導入する。これにより、活性層２１で光が発生し、その光が２次元フォトニック結晶層２３において回折により強められることにより、電流を導入した上部電極３３の周囲から外部に向かって強いレーザ光が発せられる。そして、電流を導入する上部電極を順に切り換えることにより、上部電極の配列の方向にレーザ光を走査することができる。この切換は電気的に行うことができるため、機械的な走査機構を用いることなく高速でレーザ光を走査することができる。

Description

明 細 書
フォトニック結晶レーザ
技術分野
[0001] 本発明は、レーザプリンタやバーコードリーダ等、レーザ光を走査する必要がある 各種装置に好適に用いることのできるレーザ素子及びレーザ装置に関する。
[0002] レーザプリンタやバーコードリーダ等においては、印字や読み取りのためにレーザ 光の走査を行っている。ここでは、従来のレーザプリンタにおけるレーザ走査装置に ついて、図 1を用いて説明する。
[0003] 半導体レーザ 11から出力されるレーザ光は、回転するポリゴンミラー 12の側面にお いて反射され、 f- Θレンズ 13を通過して感光体ドラム 14を照射する。ポリゴンミラー 1 2の 1つの側面にレーザ光が照射されている間は、ポリゴンミラー 12の回転により、レ 一ザ光の照射点（レーザ光スポット）は感光体ドラム 14の一方の端 151から他方の端 152へと連続的に移動する。レーザ光スポットが該他方の端 152に達した時、ポリゴ ンミラー 12上でのレーザ光の反射位置は丁度その側面の端となっている。そして、次 の瞬間、レーザ光の反射位置は次の側面の始端となり、それにより、感光体ドラム 14 上でのレーザ光スポットも、前記一方の端 151に戻る。このようにして、感光体ドラム 1 4上にレーザ光が繰り返し走査されながら照射され、その間、レーザ光が ON/OFFさ れることにより文字やイメージの印刷が行われる。
[0004] レーザプリンタの印刷速度を高速ィ匕するためには、感光体ドラム上のレーザ光スポ ットの走査速度を高速ィ匕する必要がある。上記の構成によると、感光体ドラム 14上を 走査するレーザ光スポットの速度はポリゴンミラーの回転速度により定まる。しかし、こ のような機械的な運動の速度を高めるには限界があるため、図 1の構成では印刷速 度の高速化が困難であった。
[0005] 特許文献 1には、より走査速度を高めるための構成として、複数の面発光垂直共振 器半導体レーザ (VCSEL)をアレイ状に配置したレーザ光源を用いたものが記載され ている。この構成では、複数の VCSELから同時にレーザ光を照射することにより走査 の高速化を図っている。しかし、 VCSEL自身にビームを動かす能力を持たせる事が 難しぐ走査にはポリゴンミラーが必須であり、また、シングルモード VCSELの出力は 3mW@度に限られて 、るという問題がある。
[0006] 一方、近年、新しいタイプのレーザとして、フォトニック結晶を用いたものが開発され ている。フォトニック結晶は、誘電体に周期構造を人工的に形成したものである。周 期構造は一般に、誘電体本体とは屈折率が異なる領域を本体内に周期的に設ける ことにより形成される。その周期構造により、結晶内でブラッグ回折が生じ、また、光の エネルギーに関してエネルギーバンドギャップが形成される。
特許文献 2には、 2次元フォトニック結晶を用いたレーザ光源が記載されている。こ のレーザ光源は、 2枚の電極 (導電性半導体層）の間に発光材料を含む活性層を有 し、その活性層の上側に 2次元フォトニック結晶が形成されている。この 2次元フォト- ック結晶は、板状の部材 (スラブ）に 2次元的に周期的な屈折率の分布を設けたもの である。電極力ものキャリアの注入により活性層力 発光が生じ、この光が 2次元フォ トニック結晶の周期構造による回折により強められ、それによりレーザ発振する。この 周期構造の周期が媒質内波長と一致する時、スラブ面に垂直な方向に向けて発光 する。このレーザー光源では、 VCSELよりも大出力の発光を得ることができる。
[0007] 特許文献 1：特開 2000-020995号公報（[0012],図 2)
特許文献 2 :特開 2000-332351号公報（[0037]〜[0056],図 1)
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0008] 本発明が解決しょうとする課題は、機械的な走査機構を用いることなぐ高出力のレ 一ザ光のビームを高速で走査することができるレーザ素子及びレーザ装置を提供す ることである。
課題を解決するための手段
[0009] 上記課題を解決するために成された本発明に係るフォトニック結晶レーザ素子の第 1の態様のものは、
a)電荷の注入により所定の波長の光を発生する活性層と、
b)前記活性層の上側に設けた、前記所定波長に対応した周期構造を有する 2次元 フォトニック結晶と、
c)前記 2次元フォトニック結晶の上側に複数個並べた上部電極と、 d)前記活性層の下側に設けた下部電極と、
を有することを特徴とする。
[0010] 本発明に係るフォトニック結晶レーザ素子の第 2の態様のものは、
a)電荷の注入により所定の波長の光を発生する活性層と、
b)前記活性層の上側に設けた、前記所定波長に対応した周期構造を有する 2次元 フォトニック結晶と、
c)前記 2次元フォトニック結晶の上側に設けた上部電極と、
d)前記活性層の下側に複数個並べた下部電極と、
を有することを特徴とする。
[0011] 本発明に係るフォトニック結晶レーザ装置は、上記フォトニック結晶レーザ素子と、 前記上部電極と下部電極間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記複数個並べた 上部電極又は下部電極毎の印加電圧の ON/OFFを制御する制御手段と、を備える ことを特徴とする。
[0012] なお、ここでは活性層を下、 2次元フォトニック結晶を上とする方向性を用いたが、こ れはあくまで表現の便宜のために用いたものであり、両者及びそれ以外の層は、そ の順序が上記の通りとなっていれば任意の方向に配置することが可能である。
[0013] 本発明に係るフォトニック結晶レーザ素子は、活性層と 2次元フォトニック結晶を有 する。この点では特許文献 2のレーザと同様である。ここで、活性層と 2次元フォト-ッ ク結晶は直接接して ヽる必要はなく、両者の間にスぺーサ等の層が介挿されて ヽて も十分なフィードバック効果が得られる。このような層を介挿して活性層と 2次元フォト ニック結晶の間の距離を調節することにより、発光領域の大きさを調節することができ る。活性層は電荷の注入により所定の波長の光を発生するものである。活性層の材 料には、例えば、従来よりフアブリ'ペロー型レーザ光源に用いられているものと同じ ものを用いることができる。 2次元フォトニック結晶は、一般に、スラブ状の母材に、そ れとは屈折率が異なる同一形状の領域を多数、周期的に配置することにより形成さ れる。この周期には、三角格子状、正方格子状、六角格子状等のものがある。また、 周期は活性層における発光の波長に合わせて設定する。周期は、通常は発光波長 と一致させるが、それ以外 (例えば発光波長の 1/2の長さの周期)でもレーザ発振が可 會なものもある。
[0014] これら活性層及び 2次元フォトニック結晶を挟むように、下部電極及び上部電極を 設ける。活性層と下部電極との間に別の層が介挿されて!/、てもよ!/、。
第 1の態様のフォトニック結晶レーザ素子においては、上部電極は、 2次元フォト- ック結晶の上側に別個のものを複数個並べて配置する。上部電極の並べ方は直線 状（1次元状)であってもよ!/、し、あるいは正方格子状や三角格子状等のように 2次元 状に配置してもよい。なお、 2次元フォトニック結晶と上部電極の間には別の層が介 挿されていてもよい。例えば、 2次元フォトニック結晶の間に層状の部材を配置し、そ の上に上部電極を載置してもょ ヽ。
[0015] 活性層の下側に設ける下部電極は、上部電極に対応して複数個設けてもよいが、 複数の上部電極に対して共通の下部電極を 1個設けるようにしてもょ 、。下部電極と 活性層の間にも他の層が介挿されて!/、てもよ 、。活性層にお 、て生成される光が下 部電極側から外部に漏出しないように、下部電極又は前記介揷層はこの光を反射す るものであることが望まし!/、。
[0016] 以上のように構成される素子に、電圧印加手段と制御手段を設けることにより、フォ トニック結晶レーザ装置が構成される。電圧印加手段は、上部電極と下部電極の間 に電圧を印加するものであり、通常の直流電源を用いることができる。制御手段は、 各上部電極毎に印加電圧の ON/OFFを制御するものである。各上部電極の
ON/OFFのタイミングは、後に示す例のように、このフォトニック結晶レーザの用途に 応じて適宜決めればよい。
[0017] 本発明のフォトニック結晶レーザ装置の動作について説明する。
まず、このレーザ装置におけるレーザ光の発光の機構について説明する。上部電 極のうちの 1個と下部電極の間に電圧を印加すると、その上部電極と下部電極の間 に挟まれた部分の活性層にキャリアが注入され、活性層から、その材料により定まる 所定の波長の光が生成される。この光は 2次元フォトニック結晶内にも導入され、その 波長に対応した結晶の周期構造により回折する。これにより、この波長の光が増幅さ れ、レーザ発振する。このレーザ光は、上部電極の周囲の一定の範囲内（発光領域） から、上部電極側の外部へ面的に放射される。なお、発生したレーザ光を上下方向 に閉じこめることにより、このレーザ光を素子の側面力 取り出すようにすることもでき る。
[0018] 本発明のフォトニック結晶レーザ素子及びレーザ光源では、上部電極が複数個設 けられていることにより、従来のレーザにはない動作を実現することができる。まず、 制御手段で各上部電極毎の印加電圧の ON/OFFを制御することにより発光領域を 切り替え、これにより、見かけ上、レーザ光のビームを移動させることができる。
[0019] 次に、 1個の上部電極周囲の発光領域の大きさ（直径)を dとした場合、上部電極間 の距離を dよりも小さくして多数配列し、隣接する所定個数の上部電極に同時に電圧 を印加する (ONする)と、これら上部電極の全体で 1個の発光領域 (広域発光領域）が 形成される。上部電極の ON/OFFを 1個ずつ、又は所定個数ずつ順次切り替えてゆ くことにより、この広域発光領域を少しずつ又はステップ状に移動させることができる。 前者の方法によれば発光領域をスムーズに移動することができ、後者の方法によれ ば発光領域を速やかに移動させることができる。いずれにせよ、発光領域が広域とな るため、高出力のレーザ光を発生することができる。
[0020] なお、通常は同時に電流を流している複数の電極には、どれにも同じ値の電流を 流すが、電極によって流す電流値を変えることで、ビームの形状を制御することが可 能である。
[0021] 本発明に係るレーザ素子では上部電極側力 レーザ光を取り出すために、上部電 極にはその波長の光に対して透明な材料を用いることが望ましい。
[0022] 上記構成のフォトニック結晶レーザ素子では、レーザ光は発光領域からほぼ垂直に 外部に放射されるため、レーザ光の放射範囲は素子の全長（又は全幅）の範囲内で しかない。従って、より広い範囲に放射したい場合には、上部電極上に、各上部電極 付近力 出力されるレーザ光の向きを変える手段 (偏向手段)を設けることが望ましい 。偏向手段としては、素子全体を覆うレンズや、各素子毎に設けられたプリズム等を 挙げることができる。
[0023] ここまでは、上部電極を複数個並べて配置した第 1の態様のフォトニック結晶レーザ 素子及びレーザ装置について説明したが、上部電極の代わりに下部電極を複数個 並べて配置してもよ 、。これが第 2の態様のフォトニック結晶レーザ素子及びレーザ 装置である。この場合、上部電極は複数あるいは全ての下部電極に共通して 1個設 ければ足りる。各下部電極毎に上部電極との間に電圧を印加すると、レーザ光は、そ の下部電極の周囲の一定の範囲内の直上において、上部電極力 外部へ面的に放 射される。第 2の態様のフォトニック結晶レーザ素子及びレーザ装置の動作は、第 1 の態様のものと同様である。
[0024] フォトニック結晶内においては、フォトニック結晶の周期構造に対応した波長の光が 増幅されるため、フォトニック結晶内の周期構造をその結晶内の位置により異なるも のとすることにより、レーザ光の波長をチューニングすることができる。
[0025] 本発明のフォトニック結晶レーザ装置では、機械的な走査機構を用いることなぐ複 数個並べた上部電極又は下部電極に印加する電圧の ON/OFFによりレーザ光を走 查することができる。レーザ光の走査速度は、上記機械的走査機構による速度の制 約を受けることがないため、従来よりも速くすることができる。また、大出力での発光が 可能なフォトニック結晶レーザを用いるため、得られるレーザ光の強度も十分大きくす ることがでさる。
[0026] 本発明のフォトニック結晶レーザはこのような特長を有するため、レーザプリンタや バーコードリーダ等におけるレーザ光の走査装置に好適に用いることができる。また
、本発明の構成は様々な波長のフォトニック結晶レーザに適用可能なので、例えば、 青-緑 '赤の三原色にそれぞれ 2次元的な電極を付け、それぞれの光をスクリーン等 に走査させることで、フルカラーのディスプレイへの応用も可能である。
図面の簡単な説明
[0027] [図 1]ポリゴンミラーを用いた従来のレーザプリンタにおけるレーザ走査装置の概略構 成図。
[図 2]本発明に係るフォトニック結晶レーザ素子の一実施例の斜視図。
[図 3]本実施例のフォトニック結晶レーザ装置を示す概略構成図。
[図 4]本実施例のフォトニック結晶レーザ装置の動作を示す上面図。
[図 5]複数の発光領域 (レーザ光のビーム)を同時に走査する例を示す上面図。
[図 6]各上部電極毎にレーザ光の方向を変化させる手段を設けたフォトニック結晶レ 一ザ素子を示す垂直断面図。 [図 7]本発明に係るフォトニック結晶レーザ素子の他の実施例の斜視図。
[図 8]図 7のフォトニック結晶レーザ素子の動作を説明するための平面図。
[図 9]本発明に係るフォトニック結晶レーザ素子の他の実施例の斜視図。
[図 10]本発明に係るフォトニック結晶レーザを用いた、レーザプリンタにおけるレーザ 走査装置の概略構成図。
符号の説明
11···半導体レーザ
12···ポリゴンミラー
13、 74···レンズ
14、 73···感光体ドラム
21…活性層
22···下部スぺーサ
23··· 2次元フォトニック結晶層
24···空孔
25···閉じ込め層
26…下部クラッド層
27、 32···下部電極
28…上部スぺーサ
29…上部クラッド層
30…コンタクト層
33、 331、 332、 333、 334、 335···上部電極
34…スィッチ
35···制御部
411、 412、 511、 512···発光領域
42· · ·2次元フォトニック結晶が形成されてレ、る領域
61···マイクロレンズ
71、 72···フォトニック結晶レーザ素子
発明を実施するための最良の形態 [0029] 本発明に係るフォトニック結晶レーザ素子の一実施例を、図 2を用いて説明する。 インジウム ·ガリウム砒素 (InGaAs) Zガリウム砒素 (GaAs)から成り多重量子井戸 (multiple-quantum well:MQW)を有する活性層 21の上に、下部スぺーサ 22を介して 、 2次元フォトニック結晶 23を設ける。 2次元フォトニック結晶 23は GaAs力も成る板材 に空孔 24を正方格子状に周期的に配置したものである。なお、本実施例では下部ス ぺーサ 22と 2次元フォトニック結晶 23は 1枚の層として形成され、上側の部分にのみ 空孔 24が形成されて 2次元フォトニック結晶 23として機能し、その下の部分が下部ス ぺーサ 22として機能するようになっている。活性層 21の下側には、この層に近い方 から順に、 GaAsから成る閉じ込め層 25、 n型アルミニウム 'ガリウム砒素 (AlGaAs)から 成る下部クラッド層 26、及び n型 GaAsから成る下部基板を設ける。この下部基板を 50 力も 100ミクロン程度の厚さに機械的に研磨した後、金、ゲルマニウム、ニッケルを蒸 着して、 400°C程度に加熱して合金化することで、下部電極 27となる。 2次元フォト- ック結晶 23の上側には、この層に近い方から順に、 GaAsから成る上部スぺーサ 28、 p型 AlGaAsから成る上部クラッド層 29、 p型 GaAsから成るコンタクト層 30を設ける。こ れらの各層は、特許文献 2に記載の方法と同様の方法により製造することができる。
[0030] コンタクト層 30上に、多数の上部電極 33を直線状に並べて配置する。本実施例で は、上部電極 33の平面形状を、その配列方向に垂直な方向に長い長方形とする。 上部電極 33の材料には、例えば金を用いることができる。金を用いた電極は、電流 のロスを最小限に抑えることができると共に、例えば蒸着法により容易に作製すること ができる。あるいは、この上部電極 33として、キャリアをドープした酸ィ匕亜鉛 (ZnO)等 力も成る透明電極を用いてもよい。このような透明電極を用いることにより、より大きな 光量を外部に取り出すことができるようになる。
[0031] 下部電極 27及び各上部電極 33を図 3に示すように並列に直流電源に接続し、各 上部電極 33毎にトランジスタ等力も成るスィッチ 34を設ける。そして、これらのスイツ チ 34の ON/OFFを制御するための制御部 35を設ける。以上のように、フォトニック結 晶レーザ装置が構成される
[0032] 本実施例のフォトニック結晶レーザ装置の動作を、図 4を用いて説明する。まず、多 数配列された上部電極 33のうち、一方の端にある 4個の電極 331〜334を 1組として 、これらと下部電極との間に電圧を印加して電流を導入する。これにより、活性層 21 のうち、これら 4個の上部電極 331〜334の直下及びその周辺にキャリアが注入され 、その領域において光が生成される。この光は 2次元フォトニック結晶 23内にも導入 され、そこで回折され、増幅されることにより、レーザ発振する。なお、 2次元フォト-ッ ク結晶 23は領域 42の内部に形成されている。このレーザ光はフォトニック結晶 23の 面に垂直な方向に放射され、コンタクト層 30から外部へ放出される。この時、図 4(a) に示すように、電流を導入した 4個の上部電極 331〜334の周囲が発光領域 411と なる力 本実施例では各上部電極 331〜334をその配列方向に垂直な方向に長い 長方形とし、電流を導入した領域を正方形に近い形にしたため、発光領域 411は正 方形に近い形となる。
[0033] 次に、上記 4個の電極のうち最も左側にある上部電極 331への電流の導入を OFF にし、それと同時に、それらの右側に隣接する上部電極 335に電流を導入する（図 4 (b))。これにより、発光領域は 411から 412に移動する。このように、制御部 35により 各上部電極のスィッチを制御し、電流を導入する上部電極を順次切り換えて ヽくこと により、発光領域を上部電極 33の配列方向に移動してゆくことができる。
[0034] 発光領域は、素子の左端力 右端に向けてほぼ連続的に移動し、素子の右端に達 すると素子の左端に戻って再びその左端力も右端に向けてほぼ連続的に移動する、 という動作を繰り返す。この動作は、図 1に示したレーザプリンタにおけるレーザ光の 走査と同じものとなる。
[0035] 同時に電流を導入する上部電極の個数は、上に示した 4個の場合には限られない 。例えば、一度に 1個の上部電極にのみ電流を導入してもよい。但し、より滑らかにレ 一ザ光を走査するためには、上記のように同時に複数の上部電極に電流を導入して その一部ずつ ON/OFFしてゆくようにすることが望ましい。また、上記の例では発光 領域が右端に達した時、発光領域がすぐに素子の左端に戻るように制御して 、るが 、用途によっては、発光領域が右端に達した後、右端から左端に向けて逆方向に戻 るように移動させてもよい。
[0036] 更に、図 5に示すように、上記のように 1個の発光領域 511を形成すると同時に、そ の発光領域 511から離れた位置に発光領域 512を形成してもよい。同様に、 3っ以 上の発光領域を同時に形成してもよい。これら複数の発光領域を同時に走査するこ とにより、 1個の発光領域を走査する場合よりも短時間で所定の領域内を走査するこ とがでさる。
[0037] 上部電極 33の形状は上記のように配列方向に垂直な方向に長 、長方形には限ら れず、例えば正方形等であってもよい。また、電極を 2次元状に配置して、様々な方 向へ 1個、もしくは同時に複数個のビームを走査してもよい。
[0038] 図 6に、各上部電極 33毎にレーザ光の向きを変える（偏向する）手段を設けた例を 示す。図 6の例では、フォトニック結晶レーザ素子の上側に、全上部電極 33を覆うよう に 1個のレンズ 61を設けたものである。これにより、レーザ光の放射範囲が上部電極 33の配列方向に拡がり、フォトニック結晶レーザ素子を小型化しつつ、レーザ光の照 射範囲（走査範囲）を広くすることができるようになる。
[0039] 本発明のフォトニック結晶レーザ素子及びフォトニック結晶レーザ装置は上記の例 に限られない。例えば、図 7に示すように、上部電極 33を 2次元状に配置してもよい。 この場合、図 8(a)に矢印で示す順に電流を注入する上部電極 33を切り換えること〖こ より、発光領域を 2次元的に走査することができる。また、図 8(b)に示すように、上部 電極 33の列毎に電流を注入する上部電極 33を切り換えることにより、複数のレーザ 光を同時に走査することができる。
[0040] また、図 9に示すように、上部電極 33は 1枚のものとして形成し、下部電極 32を基 板 31上に複数個形成してもよい。このフォトニック結晶レーザ素子も、上記実施例の ものと同様に動作する。
[0041] 本発明に係るフォトニック結晶レーザ素子をレーザプリンタの光源部に用いる例を 図 10に示す。図 10(a)の構成では、感光体ドラム 73の印刷有効幅と同じ長さのフォト ニック結晶レーザ素子 71を製作し、感光体ドラム 73に対向して配置する。この構成 では、感光体ドラム 73の印刷有効幅のドット数 (例えば、 1200dpiで感光体ドラム 73の 有効印刷幅が 10インチ =25.4cmの場合、 12000個）に対応する数の上部電極をその 印刷有効幅内に配置する必要があるが、本発明に係るフォトニック結晶レーザ素子 では上部電極を十分小さくすることができ (前記例の場合、ピッチは約 20 m)、なお かつレーザ発振を行うことができるため、このような構成をとることが可能である。 [0042] 図 10(b)の構成では、感光体ドラム 73の印刷有効幅よりも短い、しかし、同じ数の上 部電極を備えたフォトニック結晶レーザ素子 72を製作し、感光体ドラム 73に対向して 配置する。例えば、フォトニック結晶レーザ素子 72の大きさ（長さ）を感光体ドラム 73 の印刷有効幅の 1/10 (上記例では、 2.54cm)とした場合、上部電極の配置ピッチは約 2 mとなる力 短波長レーザを用いればこのピッチは十分可能である。この構成の場 合、フォトニック結晶レーザ素子力もレーザ光を広範囲に出射するため、図 6に示した ようにフォトニック結晶レーザ素子上にレンズ 61を配置する力、或いはフォトニック結 晶レーザ素子とは別にフォトニック結晶レーザ素子光源と感光体ドラム 73の間にレン ズ 74を設ける。
[0043] いずれの構成にせよ、フォトニック結晶レーザ素子光源の各上部電極への電圧の 印加の ON/OFFの制御によりレーザ光の発光を上記のように制御し、感光体ドラム 7 3上において従来のレーザプリンタと同様にレーザ光の走査を行う。このように、ポリ ゴンミラーを用いることなぐ電子的に走査を行うことができるため、非常に高速な印 刷を行うことができるようになる。

Claims

請求の範囲
[1] a)電荷の注入により所定の波長の光を発生する活性層と、
b)前記活性層の上側に設けた、前記所定波長に対応した周期構造を有する 2次元 フォトニック結晶と、
c)前記 2次元フォトニック結晶の上側に複数個並べた上部電極と、
d)前記活性層の下側に設けた下部電極と、
を有することを特徴とするフォトニック結晶レーザ素子。
[2] a)電荷の注入により所定の波長の光を発生する活性層と、
b)前記活性層の上側に設けた、前記所定波長に対応した周期構造を有する 2次元 フォトニック結晶と、
c)前記 2次元フォトニック結晶の上側に設けた上部電極と、
d)前記活性層の下側に複数個並べた下部電極と、
を有することを特徴とするフォトニック結晶レーザ素子。
[3] 前記複数個並べた上部電極又は下部電極を直線状に配置したことを特徴とする請 求項 1又は 2に記載のフォトニック結晶レーザ素子。
[4] 前記複数個並べた上部電極又は下部電極を 2次元状に配置したことを特徴とする 請求項 1又は 2に記載のフォトニック結晶レーザ素子。
[5] 前記上部電極が前記所定波長の光に対して透明な材料力 成ることを特徴とする 請求項 1〜4のいずれかに記載のフォトニック結晶レーザ素子。
[6] 前記上部電極上に、出力されるレーザ光を偏向する手段を設けたことを特徴とする 請求項 1〜5のいずれかに記載のフォトニック結晶レーザ素子。
[7] 請求項 1〜6のいずれかに記載のフォトニック結晶レーザ素子と、前記上部電極と 下部電極間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記複数個並べた上部電極又は下 部電極毎の印加電圧の ON/OFFを制御する制御手段と、を備えることを特徴とする フォトニック結晶レーザ装置。
[8] 前記制御手段が、前記複数個並べた上部電極又は下部電極の配列順に順次印 加電圧を ON/OFFするものであることを特徴とする請求項 7に記載のフォトニック結晶 レーザ装置。
[9] 前記制御手段が、前記複数個並べた上部電極又は下部電極の隣接する所定個数 力 成る組に同時に電圧を印加し、且つ、該組を移動させてゆくことを特徴とする請 求項 8に記載のフォトニック結晶レーザ装置。
[10] 請求項 7〜9の 、ずれかに記載のフォトニック結晶レーザ装置を光源として備えるこ とを特徴とするレーザプリンタ。
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