半導体レーザは小型で堅牢、低消費電力であることから、光ファイバ通信、光ディスク、レーザプリンター等の幅広い分野に応用されている。現在広く市販されている半導体レーザは基板端面より光を出射する端面発光型レーザに分類される。これに対して基板と垂直な方向に光を出射する面発光レーザが知られており、端面発光型レーザに較べ多くの優れた利点を有している。この面発光レーザは短距離光通信用光源として現在用いられている。しかしながら面発光レーザには解決すべき課題がまだ残されている。その一つは偏波方向が安定しない事であり、もう一つは短波長化が進んでいないことである。

　本研究の目的は面発光レーザにおける偏波方向の制御と短波長化のために、傾斜基板上に面発光レーザを作製し、傾斜基板による偏波方向制御、第二高調波発生に基づく短波長化を実現することである。本論文は6つの章から構成されている。

　第1章では、研究背景として面発光レーザの特徴及び開発の歴史を述べる。面発光レーザに残されている課題である偏波方向制御と短波長化を解決する方法として、傾斜基板上に面発光レーザを製作することを提案する。偏波方向の制御は傾斜基板上での光学利得の面内異方性により、また短波長化はIII-V族半導体が非線形光学結晶に属していることから第二高調波発生を用いて実現する。製作に用いた傾斜基板は結晶成長の観点から(311)B, (411)A面を選び、その基板上に面発光レーザを製作し、偏波方向制御と短波長化を検討する。

　第2章では傾斜基板における光学利得と第二高調波発生について理論的に検討する。傾斜基板上では光学利得が面内で異方性を持つこと、また最も大きな異方性を持つ面が(011)面であることを示した。(311)、(411)面では[2NN]方向に大きな光学利得を持ち、直交する[011]方向との光学利得の差はそれぞれ6%, 5%である。従って偏波方向は[2NN]方向に向くことが予測される。第二高調波発生に重要な定数である非線形光学定数の面方位依存性を検討し、大きな非線形光学定数は(211)面か(011)面で得られることが明らかになった。(311)面と(411)面の比較では(311)面の方が1.4倍の大きな非線形光学定数を持つことから、第二高調波発生には理論的に(311)面が適している。

　第3章では傾斜基板上の面発光レーザの製作について述べる。MBE法により(311)B, (411)A面上に量子井戸構造、端面発光型レーザ、面発光レーザを成長した。量子井戸構造の発光特性、端面発光型レーザのレーザ特性の(100)面上との比較から、どちらの面においても(100)面と遜色ない性能を有することが確認された。面発光レーザを二つの方法、イオン注入法、選択酸化法で作製し、どちらの方法においても室温連続動作でのレーザ発振を確認した。イオン注入法による(311)B, (411)A上の面発光レーザの閾値電流は光出射領域が15μmφにおいてそれぞれ4.5mA, 2.8mAである。選択酸化法による(411)A上の面発光レーザの閾値電流は光出射領域の大きさが4x4μm2の場合0.5mAである。これらの値は(100)面上の面発光レーザと遜色ない性能を示している。(311)B、(411)A基板上の面発光レーザの電流注入によるレーザ発振は本研究が初めてである。

　第4章では傾斜基板による偏波制御を試みた。(311)B、(411)A上にイオン注入を用いて製作した面発光レーザの偏波特性より、光学利得の面内異方性から予測される方向と同じ方向、すなわち(311)B、(411)Aでそれぞれ[233], [122]方向に向いていることを確認した。光学利得の面内異方性による偏波制御方法の有用性を確認するために別の偏波制御方法を導入することを検討した。メサ形状による偏波制御法を(411)A面上の面発光レーザに導入し、そのときの偏波特性を調べた。偏波方向はメサ方向に関係なく[122]方向に向いていることから、傾斜基板による偏波制御が安定であることが確認された。傾斜基板による光学利得の面内異方性で偏波方向が制御できる事を実験的に検証したのは本研究が初めてである。

　第5章では面発光レーザからの第二高調波発生を試みた。(311)B, (411)A面上に製作した面発光レーザにおいてどちらも室温連続動作で0.6nW、(411)A面上パルス動作下で35nWのSH光出力が得られた。基本波光出力に対するSH光出力が2乗に比例していることから、観測されたSH光が第二高調波発生に基づくものである事が確認された。(311)B, (411)A上の面発光レーザにおけるSHG変換効率はそれぞれ38%/W, 30%/Wであり、理論と一致して(311)面が高い効率を有していることを確認した。実用化に向けてSH光の高出力化を考察した。非線形光学結晶材料としてGaPあるいはZnSe、層構造として疑似位相整合層、デバイス構造としてドーピング濃度の低減を行うことにより、実用レベルの1mWを得ることが可能であることを示した。面発光レーザからの第二高調波発生を実験的に確認したのは本研究が初めてである。

　第6章では、本研究で得られた結果を総括する。傾斜基板上においても従来の(100)上の面発光レーザと遜色ない性能が得られ、基板面方位の制御によって偏波制御および第二高調波発生による短波長化に有用であることが示された。

本論文は、「面方位制御による面発光レーザの偏波制御及び第二高調波発生に関する研究」と題し、面発光レーザの偏波制御と短波長化のために、化合物半導体の傾斜基板における光学利得の面内異方性及び第二高調波発生を用いることを提案するとともに、傾斜基板上に面発光レーザを作製し、偏波方向制御及び第二高調波発生に基づく短波長化の有用性実証したものであり、全6章から構成されている。

第1章は序論であり、本研究の背景として化合物半導体面発光レーザの特徴、課題、本研究の目的と論文構成を述べている。面発光レーザにおいては、偏波制御と短波長化が重要な課題であり、この解決方法として傾斜基板上に面発光レーザを作製することを提案する。偏波方向の制御は傾斜基板上での光学利得の面内異方性により、また短波長化は、III-V族半導体が非線形光学結晶に属しており、第二高調波発生を発生できる事を用いて実現する。傾斜基板としては、理論的考察のほか、結晶成長の観点から(311)B, (411)A面を選び、その基板上に面発光レーザを作製し、偏波方向制御と短波長化を検討する。

第2章では「傾斜基板における光学利得と第二高調波発生の理論」と題して、偏波制御と短波長化の理論的検討について述べている。光学利得が傾斜基板上で面内異方性を持つことを理論的に示し、(311)、(411)面では[-2NN]方向で大きいことから、偏波方向もその方向に向くことを予測している。第二高調波発生においては、非線形光学定数の面方位依存性を検討し、傾斜基板の利用が第二高調波発生に非常に有効であることを示した。

第3章では「傾斜基板上の面発光レーザの作製」と題し、面発光レーザの作製方法及びそのレーザ発振特性について述べている。分子線エピタキシー法により、(311)B, (411)A面上に量子井戸、端面発光型レーザ及び面発光レーザ用エピタキシャル層を成長した。面発光レーザを、イオン注入法、選択酸化法の二つの方法で作製し、どちらの方法においても室温連続動作でのレーザ発振を確認した。イオン注入法による(311)B, (411)A上の面発光レーザの閾値電流は、光出射領域が15mmfにおいてそれぞれ4.5mA, 2.8mAであった。選択酸化法による(411)A上の面発光レーザの閾値電流は、光出射領域の大きさが4x4mm2の場合0.5mAであった。これらの値は(100)面上の面発光レーザと遜色ないものである。なお、(311)B、(411)A基板上の面発光レーザの電流注入によるレーザ発振は本研究が初めてである。

第4章では「偏波方向の制御」と題し、傾斜基板上に作製した面発光レーザの偏波特性を述べる。(311)B、(411)A上の面発光レーザの偏波方向はそれぞれ[-233], [-122]方向に向いており、この方向は光学利得の面内異方性から予測される方向と一致した。光学利得の面内異方性による偏波制御方法の有用性を確認するために、偏波特性に影響を与えるメサ形状との組み合わせを検討した。メサ構造を(411)A面上の面発光レーザに導入したところ、偏波方向がメサ方向に関係なく[-122]方向に向いていることから、傾斜基板による偏波制御が安定であることを確認した。傾斜基板による光学利得の面内異方性で偏波方向が制御できる事を実験的に検証したのは本研究が初めてである。

第5章では「面発光レーザからの第二高調波発生」と題し、面発光レーザの短波長化について述べる。(311)B, (411)A面上に作製した面発光レーザにおいて、室温連続動作で0.6nW、(411)A面上ではパルス動作で35nWの青色光出力が得られた。基本波光出力に対するこの青色光出力は2乗に比例していることから、観測された青色光が第二高調波発生に基づくものである事を確認した。(311)B, (411)A上の面発光レーザにおける変換効率はそれぞれ38%/W, 30%/Wであり、本方法の有用性が示された。さらに、この第二高調波光の発生を実用レベルへ高める手法を考察し、非線形光学結晶材料としてGaPあるいはZnSeを、層構造として疑似位相整合層を用いることにより、実用レベルの1mWを得ることが可能であることを示した。面発光レーザからの第二高調波発生を実験的に確認したのは本研究が初めてである。

第6章は本論文の総括であり、本研究で作製された傾斜基板上の面発光レーザの偏波特性、第二高調波発生による短波長化に関する知見及び成果に関する要約が述べられている。

以上をまとめると、本論文では面発光レーザの課題である偏波制御と短波長化実現のための傾斜基板上面発光レーザの作製方法、偏波制御と短波長化のための第二高調波発生に有効な方法が詳細にわたり明らかにされている。それにより本面発光レーザを実用に供する上での物理的・技術的課題を解決している点で、物理工学への寄与は非常に大きい。よって、本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。