PCSEL技術
現在、スマートモビリティ（LiDARセンシング）やスマート製造（レーザー加工等）に使用されている、従来型のブロードエリア半導体レーザー、CO2レーザーやファイバーレーザー等は、それぞれ輝度やサイズなどの課題を抱えています。フォトニック結晶レーザー（PCSEL）は、それらの課題を一気に解決することを可能とする、新しいレーザーです。
動作原理
フォトニック結晶レーザー（PCSEL）は、2次元フォトニック結晶の特異点（Γ点、M点など）で動作します。このフォトニック結晶の格子（正方格子、三角格子など）は、空気/半導体のような大きな屈折率コントラストをもつ2種類の材料で構成されています。この高屈折率コントラストのフォトニック結晶では、基本（1次）ブロッホ波だけでなく、高次のブロッホ波も互いに結合して、安定した2次元定在波状態（共振モード）を形成します。レーザーとしての動作点をΓ点に設定すると、Γ点の性質から、フォトニック結晶面に対して垂直方向への発光が得られます。この特徴から、英語表記では、Photonic-Crystal Surface-Emitting laser（PCSEL）と名付けられました。
PCSELは、2次元的な分布帰還（DFB）レーザーとは異なっています。DFBレーザーの周期構造は、半導体/半導体（つまり、全て半導体）からなるため、屈折率コントラストが小さく、基本波以外の結合が極めて弱くなります。このような結合の弱さにより、正方格子構造における（最も重要な）TEモードの2次元コヒーレント共振を得ることができません。これは、全半導体で構成されるフォトニック結晶は、大面積コヒーレント動作可能なPCSELとして機能させることが難しいことを意味しています。
フォトニック結晶レーザー（PCSEL）の特長
PCSELは、2次元大面積コヒーレント発振により、輝度Bを大幅に向上させることができます。ここで、輝度Bは単位面積・単位立体角あたりの光出力と定義され、デバイスサイズSに比例し、横モードのモード数mとnに反比例します。従来のブロードエリア（ファブリ・ペロー）半導体レーザーでは、出力を増大させるためにサイズSを増大させると、多数の横モードでの発振が生じ、mとnが増加します。そのため、輝度Bを向上させることができませんでした。同様に、垂直共振器型面発光レーザー（VCSEL）でも、同じ理由で輝度Bを向上させることができません。それに対して、PCSELでは、出力を増大させるためにSを増加させても、基本モード発振を保つことができる、すなわち、mとnを非常に小さく（理想的にはゼロに）保つことができるため、輝度Bを大幅に向上させることが可能になります。それにより、大型のCO2レーザーやファイバーレーザーに匹敵する、1〜10 GW/cm²/srの輝度を得ることが可能になります。
PCSELは、高輝度性により、非常に狭い拡がり角で、対称な形状のビームを出射することができます。さらに、発振スペクトルが非常に狭く（理想的には単一モード）、従来のブロードエリア（ファブリ・ペロー）半導体レーザーと比較して、温度依存性が小さいです。このような特長は、様々な応用において、メリットとなります。例として、LiDAR応用では、レンズフリーで、光学系の調整フリーで活用することができ、高S/N動作も可能となります。レーザー加工応用では、小型のPCSELを、直接レーザー加工に使用できるようになります。このような特徴により、PCSELは、スマートモビリティーやスマート製造、さらには、様々な分野の発展に貢献することが可能と期待されます。
さらなる高輝度動作に向けて
高輝度動作を実現する「2重格子フォトニック結晶」
高輝度動作を可能とするコンセプトとして、2重格子構造が考案され、その実証が行われてきました。2重格子構造では、大きなサイズの格子点と小さなサイズの格子点をもつフォトニック結晶格子が、格子定数aの約0.25倍ずれて、重ね合わせられています。このフォトニック結晶においては、それぞれの格子において180度方向に回折される光波同士が、半波長の光路差をもつため、消失性干渉を生じます。その効果により、光の分布が、共振器面内全体に広がるようになります。このとき、ビーム品質低下の原因となる高次モードは、その分布がデバイスの端部に近いため、損失が大きくなり、カットオフされるようになります。これにより、基本モードのみで動作させることが可能となり、高ビーム品質・高輝度動作が実現できるようになります。
動作特性の例
5.6mmΦのCANパッケージに実装した、直径500μmの発振領域をもつPCSELにおいて、パルス動作で、0.8W/Aという高いスロープ効率で20Wの出力が得られています。（最近では、多段の活性層を導入することで、2倍あるいは3倍程度の高いスロープ効率を得ることにも成功しています。）出射ビームは、窓状の電極を形成した基板側から取り出され、レンズフリーで、0.1度という非常に狭いビーム拡がり角です。さらに、-40℃から100℃において良好に動作することが可能です（注：測定温度範囲は、測定システムによって制限されています）。発振スペクトルの温度依存性として、-40℃から100℃の範囲で単一モード発振が得られており、波長変化は0.08nm/℃と、従来型のファブリ・ペロー半導体レーザーよりも優れています。また、電流一定での動作時の出力パワーの温度依存性は、平均的に-0.36%/℃であり、従来型のファブリ・ペロー半導体レーザーと同等（あるいはそれより良好）です。
超大面積（直径3~10mm）単一モード動作に向けて
2重格子フォトニック結晶のコンセプトをさらに発展させることで、極最近、PCSELの超大面積（直径3～10mm）での単一モード動作に向けた設計指針が得られています。新たな設計指針では、エネルギー損失のない光結合（＝エルミート結合）だけでなく、垂直方向への放射によるエネルギー損失を伴う結合（＝非エルミート結合）を考慮している点に、特徴があります。高次モードの放射損失を、エルミート・非エルミート結合の両方の係数を適切に減少させることで増加させることで、大面積でも安定した基本モードでの単一モード発振を実現することが可能になります。2重格子フォトニック結晶の構造（格子点間の距離やサイズのバランス）と裏面反射鏡を用いて、エルミートおよび非エルミート光結合係数を自在に制御することで、超大面積（直径3〜10 mm）で100Wから1kWクラスの単一モードレーザ発振を実現できることが明らかになりました。
上記の設計指針に基づき、エルミート・非エルミート結合状態を制御するとともに、制御された光波の結合状態を光加工に必須となる連続動作（注：発熱の影響を大きく受ける動作状態）においても維持できるように、構造を工夫した直径3mmのPCSELが開発されています。その結果、連続動作において、光出力50Wで、単一モード・狭ビーム出射角（0.05°）動作が実現され、大型レーザーに匹敵する輝度（1GWcm-2sr-1）を世界で初めて達成することに成功しています。
高機能性
フォトニック結晶の格子点のサイズや位置に変調を与えることで、ビームの出射方向の情報を付与することで、ビームの走査や、様々なビームパターンの自在な出射を行うことが可能となります。このような高い機能性を実現可能なレーザーを、「変調フォトニック結晶レーザー（M-PCSEL）」と呼んでいます。動作の一例として、異なる方向にビームを出射する10×10のM-PCSELを2次元マトリックス状に集積することで、電子的な2次元ビーム走査を実現することに成功しています。このような高機能PCSELは、超小型で信頼性が高い非機械式LiDARシステムへの応用など、様々な展開が期待されます。
論文等
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[13] Commercially available from Hamamatsu Photonics https://www.hamamatsu.com/jp/en/product/lasers/semiconductor-lasers/pcsels/index.html
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[29] Noda, S.; Yoshida, M.; Inoue, T.; De Zoysa, M.; Ishizaki, K.; Sakata, R.; “Photonic-crystal surface-emitting lasers,” Nature Reviews Electrical Engineering 2024, 1, 802–814. (Invited)
以上の他、国際的なジャーナルや国際会議において570以上の関連出版物に掲載され、総引用数は32,000件を超えています。
特許
[1] S. Noda, G. Sasaki, et al., patent No. JP3983933
[2] S. Noda, M. Yokoyama, et al., patent No. JP4484134, CN100433473C, KR100792078B1, DE602004015090D1, EP1610427B1, CA2521005C
[3] K. Sakai, S. Noda, et al., patent No. JP4793820, TWI426673B, US7936801B2
[4] K. Otsuka, S. Noda, et al., patent No. JP5072402, US7656925B2
[5] S. Noda, S. Iwahashi, et al., patent No. JP5794687, US8619830B2
[6] S. Noda, T. Sakaguchi, et al., patent No. JP5874947
[7] S. Noda, T. Okino, et al., patent No. JP6080941, US9531160B2, CN105191029B, EP2966737B1
[8] K. Hirose, S. Noda, et al., patent No. JP6213915, US9583914B2
[9] S. Noda, Y. Tanaka, et al., patent No. JP6860175, DE112017001040T8, CN108701965B, US10461502B2
[10] S. Noda, H. Kitagawa, et al., patent No. JP6865439, CN108028511B, US10389086B2
この他、122以上の関連特許等を取得しています。