CN100454697C - 垂直腔面发射激光器 - Google Patents

垂直腔面发射激光器 Download PDF

Info

Publication number
CN100454697C
CN100454697C CNB2006100789408A CN200610078940A CN100454697C CN 100454697 C CN100454697 C CN 100454697C CN B2006100789408 A CNB2006100789408 A CN B2006100789408A CN 200610078940 A CN200610078940 A CN 200610078940A CN 100454697 C CN100454697 C CN 100454697C
Authority
CN
China
Prior art keywords
speculum
refractive index
periodic
index structure
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CNB2006100789408A
Other languages
English (en)
Other versions
CN1855652A (zh
Inventor
堀雄一郎
内田护
冈本康平
长友靖浩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Canon Inc filed Critical Canon Inc
Publication of CN1855652A publication Critical patent/CN1855652A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN100454697C publication Critical patent/CN100454697C/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • 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
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • 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
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18308—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

一种垂直腔面发射激光器，包括第一反射镜层、第二反射镜层和设置在两者之间的活性层，其中至少第一反射镜层和第二反射镜层中的一个包括周期性折射率结构，在该结构中折射率在横向的方向上周期性的变化并且周期性折射率结构部分包括多个破坏周期性的部分。

Description

垂直腔面发射激光器
技术领域
本发明涉及垂直腔面发射激光器(VCSEL)。
背景技术
就其低阀值、便于与光元件连接、可形成阵列等方面来说，垂直腔面发射激光器具有优势。因此，从八十年代中后期，人们积极地对VCSEL进行研究。
然而，VCSEL是有缺陷的，因为VCSEL单横模振荡的光点直径很小，大约是3到4微米。造成的原因如下。当VCSEL多模振荡时，类似镜头的光元件在每种模式中的响应都互不相同，并且所发出的光并不是以相同的方式工作。
另外，由于VCSEL的增益区很小，所以组成谐振腔的一对分布布拉格反射器镜(DBR)必须具有99％或是更高的反射率。为了获得如此高的反射率，在半导体反射镜中，由数十个层组成的多层膜是所需要的。在这种情况中，由于多层膜大的层厚度，谐振腔中很容易积热，不尽如人意的热散逸效果提高了阀值和电阻，导致电流注入和类似的困难。
Fan等人.叙述了当将二维光子晶体平板作为反射镜来使用时反射光和透射光等的波长依赖性(V.Lousee等人，光子学报(Opt.Express)，12卷，15号，第3436页(2004))。
光子晶体具有这样的结构，其中在材料中大约预定光波长的折射率调制可人为提供。换句话说，在光子晶体的结构中，具有互不相同的折射率的介质以一定的周期排列。人们相信在晶体中光的传播可通过光的多重散射效应进行控制。
根据Fan等人的论文中所述的报告，当光从基本垂直于二维光子晶体表面的方向入射到其表面上时，具有预定频率的光被反射的效率是100％。
为此，本发明研究如何将光子晶体作为VCSEL的反射镜层来使用。
发明内容
通过将光子晶体反射镜作为VCSEL的反射镜来使用，由具有大约几个微米厚度的多层膜构成的反射镜可被由具有大约几十到几百纳米的薄膜构成的反射镜所替代。因此，由于反射镜层的厚度导致的热量问题可被抑制。
然而，当发射光的光点直径增大到例如5微米或是更大时，VCSEL就不能单横模振荡。换句话说，光点直径的增大导致一种类似于多个具有不同相位的激光器独立发光的状态。当VCSEL用于具有透镜的光冷凝时这个问题变得严重。
本发明提供一种新的VCSEL结构，可轻易实现单横模振荡。
根据第一个方面，本发明涉及垂直腔面发射激光器，包括第一反射镜，具有周期性折射率结构的第二反射镜，其中所述折射率在相对所述第一反射镜的平面的横向方向上周期性的变化，以及设置在第一反射镜和第二反射镜之间的活性层。周期性折射率结构包括多个破坏第二反射镜的周期性折射率结构的周期性的部分，其中周期性折射率结构被构建成使得沿周期性折射率结构的横向方向的垂直方向入射到周期性折射率结构上的光造成横向方向上的谐振，并且所述光沿垂直于所述横向方向的方向发射，并且破坏所述周期性的多个部分的能级位于周期折射率结构的光子能隙的中部与所述光子能隙的能带边缘之间的范围内、自所述光子能隙的所述中部50％以内。周期性折射率结构可以是二维光子晶体结构。此外，破坏周期性折射率结构的周期性的部分周期性地或是非周期性地处在第二反射镜的横向方向上。此外，破坏周期性折射率结构的周期性的部分包括彼此光耦合的发光部分。在本实施方式中，垂直腔面发射激光器发射单横模光。
在一个实施方式中，第一反射镜、活性层和具有周期性折射率结构的第二反射镜依次顺序设置在衬底上并且第一反射镜包括多层膜。在另一个实施方式中，第二反射镜、活性层和第一反射镜依次顺序设置在衬底上并且第一反射镜具有多层膜。在另一个实施方式中，第一反射镜、活性层和具有周期性折射率结构的第二反射镜依次顺序设置在衬底上并且第一反射镜和第二反射镜都包括二维的光子晶体。在另外的实施方式中，第一反射镜、活性层、具有周期性折射率结构的第二反射镜以及电极依次顺序设置在衬底上并且周期性折射率结构没有在直接设置在电极下方的第二反射镜的部分中提供，第二反射镜包括多个层，每个层具有周期性折射率结构。在一个实施方式中，周期性折射率结构包括第一介质和第二介质，第二介质具有高于第一介质的折射率，而所述垂直腔面发射激光器还包括低折射率层，该低折射率层包括具有比第二介质低的折射率的介质，并且设置在具有周期性折射率结构的第二反射镜和活性层之间。第一反射镜可以是包括多层膜的分布布拉格反射镜。此外，对破坏周期性折射率结构的周期性的部分间的间隔进行设置，使得破坏所述周期性折射率结构的周期性的部分充当发光部分并且每个所述破坏所述周期性折射率结构的周期性的部分中的光分量彼此耦合。在一个实施方式中，周期性折射率结构包括设置有破坏所述周期性折射率结构的周期性的部分的第一区域和没有设置破坏所述周期性折射率结构的周期性的部分的第二区域，并且第二区域位置设置成围绕第一区域。在这种情况中，第一区域包括正方型晶格而第二区域包括三角型晶格。此外，周期性折射率结构包括二维光子晶体，而破坏所述周期性折射率结构的周期性的部分是缺陷。
根据第二个方面，本发明涉及垂直腔面发射激光器，包括衬底、第一反射镜、活性层和第二反射镜。第一反射镜、活性层和第二反射镜是提供在衬底上的。第一反射镜和第二反射镜包括二维的周期性折射率结构。此外，激光器发射单横模光。
根据第三个方面，本发明涉及垂直腔面发射激光器，包括衬底、第一反射镜、活性层和第二反射镜。第一反射镜、活性层和第二反射镜是提供在衬底上的。至少第一反射镜和第二反射镜中的一个包括二维的周期性折射率结构。从垂直腔面发射激光器发射出的发射激光的光点直径是5微米或更大些。发射激光以单横模被发射。
根据第四个方面，本发明涉及垂直腔面发射激光器，包括衬底、第一反射镜、活性层和第二反射镜。第一反射镜、活性层和第二反射镜是提供在衬底上的。至少第一反射镜和第二反射镜中的一个包括二维的周期性折射率结构。在二维的周期性折射率结构中，在从5到50纳米的波长范围内，谐振波长处的反射率和在此波长范围内的任何其它波长处的反射率之间的差值在3％以内，该波长范围包括谐振波长。在本实施方式中，从垂直腔面发射激光器发射出的发射光是以单横向模式被发射的。另外，在5到50纳米的波长范围内，存在30纳米的波长子区间，谐振波长处的反射率和在此30纳米子区间内其它任何波长处的反射率之间的差值在3％以内，这30纳米的子区间包括谐振波长。
根据本发明，能够提供可以以单横向模式轻易地振荡的新的VCSEL结构，即使该结构具有增大的光点直径。
下面通过结合附图对示例性的实施方式进行描述，本发明另外的特征将变的明显。
附图说明
图1是根据本发明的具有二维光子晶体的激光器的示意性横截面图；
图2是二维光子晶体的透视图；
图3是二维光子晶体的透视图；
图4是示出光子能带结构的示意图；
图5是示出其中引入缺陷的二维光子晶体的光子能带的示意图；
图6是示出激光器结构的实施方式的示意性横截面图；
图7A和图7B是谐振腔反射镜的示意图；
图8是示出两个谐振腔反射镜位置关系的示意图；
图9是示出激光器结构的实施方式的示意性横截面图；
图10A和10B是激光器中谐振腔反射镜的示意图；
图11A和11B是激光器中谐振腔反射镜的示意图；
图12是示出激光器结构实施方式的示意性横截面图；
图13是示出激光器结构实施方式的示意性横截面图；
图14A和14B是周期性结构的示意图；
图15是激光器中谐振腔反射镜的示意图；
图16A和图16B分别是示出光子能带结构的示意图。
具体实施方式
现在参照图1对根据本发明的垂直腔面发射激光器(VCSEL)的基本结构进行描述。
图1是根据本发明的VCSEL的示意性横截面图。在此图中，VCSEL包括活性层1040、中间夹入了活性层1040的隔离层1030和1050(也称为包覆层)、电极1020和1080、第二反射镜层1000、第一反射镜层1060和衬底1070。
在图1中，周期性折射率结构在第二反射镜层1000内提供。周期性折射率结构包括破坏周期性的部分1010。在光子晶体中，这类破坏周期的部分在一些情况中称为缺陷。
破坏周期性折射率结构周期性的部分可以周期性地或非周期性地处在第一或第二反射镜层的横向方向上。
对破坏周期性折射率结构的周期性的部分之间的间隔进行确定，例如，使得破坏周期性的部分充当发光部分并且每个破坏周期性的部分中的光分量彼此耦合。
另外，具有周期性折射率结构的第一或第二反射镜层可以包括由多个层构成的周期性折射率结构。
周期性折射率结构可以包括第一介质和第二介质，第二介质具有比第一介质更高的折射率。在这种情况中，包含具有比第二介质更低的折射率的介质的层可在具有周期性折射率结构的第一或第二反射镜层与活性层之间被提供。
第一和第二反射镜层中的一个包括周期性折射率结构而其它反射镜层可以是由多层膜构成的DBR反射镜。
现在对本发明进行详细描述。
周期性折射率结构意指光子晶体。首先对光子晶体进行描述，接着在对构成本发明特征的缺陷部分进行描述。
(光子晶体)
周期性折射率结构(光子晶体)从折射率周期性的观点来看划分为一维结构、二维结构或三维结构。用于VCSEL的多层膜反射镜具有一维的周期性结构。由于二维光子晶体(具有周期性的结构，其中折射率在结构的横向方向上周期性的变化)与三维光子晶体相比准备起来相对容易，因此迄今为止人们一直在对二维光子晶体进行积极的研究。
在光子晶体的结构中，折射率的周期性结构是人为提供的。具体地，周期性结构中的折射率的周期性是在由空间坐标中的两个轴所形成平面的方向上或是仅在两个彼此正交的方向上被提供的结构称为二维光子晶体。在另一个方向上折射率没有周期性的变化。
在已知的二维光子晶体形成中，周期性折射率结构在薄平板材料上被提供，以便在横向的方向上具有周期性。这类晶体专门称为二维光子晶体平板。
例如，如图2中所示，微孔1210在薄平板1201上形成，该薄平板是由硅或类似的所构成的半导体并且具有高的折射率，而周期大致相当于所用光的波长。因此，折射率可在横向的方向上被调制。
如图3所示，当光从基本上垂直于平面的方向入射到二维光子晶体1300上时(入射光1301、透射光1302以及反射光1303在图中示出)，透射谱具有复杂的形状。例如，上述的文献(V.Lousse等人，光子学报(Opt.Express)，12卷，15号，3436页(2004))从理论上描述了这样的事实，即在波长大约是1100纳米、1220纳米到1250纳米和1350纳米的三个区域中反射率变为100％。另外，文献还描述在红外线区所做的实验证明反射率正如上述理论中那样基本上变为100％。通过时域有限差分FDTD)方法采用数值模拟来设计晶体结构可对要反射的光的频率进行控制是已知的。尽管在横向方向上存在这类周期性折射率结构，但是从垂直方向上入射的光被反射。该现象就是已知的横向导向谐振。例如，在物理评论(Pysical Review)B，卷65，235112中对横向导向谐振进行了详细的描述。在本发明中，组成VCSEL的反射镜的反射功能可通过利用该横向导向谐振来实现。
这类现象是基于这样的事实，即从基本垂直方向上入射到二维光子晶体的光1301暂时被转化为在光子晶体的横向方向上被引导的光，该导向光造成了横向方向上的谐振，然后光在入射光一侧的垂直方向上再次被发射。该现象被描述为二维晶体中导向光的能量和动力动量之间的光色散关系(被称为“光子能带”)。
图4是示出二维光子晶体的光子能带的原理图。横坐标表示波数向量而纵坐标表示光的归一化频率(ωa/2πc：其中ω代表光的角频率，a代表光子晶体的晶格常数，而c代表光在真空中的速度)。
上述横向方向上的谐振仅发生于在光子能带结构中具有高于光锥41能量(其中二维平板内的导向光在平板的界面上受到完全反射的范围)的模式的光。换句话说，在图4中，横向方向上的谐振发生于出现在相对于光锥41的直线的上部区域内的光。
一般地，横向方向上光的谐振可轻易地在多模中执行。因此，当反射镜的面积加大时(即，当激光束的光点直径增大到例如5微米或是更大时)，发射光束的相位依横向方向上的位置而不同。
为了解决这个问题，通过将作为本发明特征的破坏周期的部分引入到光子晶体中，相位对齐的单模光可在很大的范围上实现(例如，直径为5到50μm)。
在如图4所示的光子能带的图中，其中没有光子能带出现的频带45仿照固态晶的电子频谱带理论称为光子能隙。图5是当破坏周期性的部分(以下也称为“缺陷部分”)位于二维光子晶体中时的光子能带示意图。由图5中区域51示出的频带(波长范围)表示光子能隙。
光子能隙的幅度依光子晶体的高折射率部分和低折射率部分之间的折射率差而变化。当折射率差大的时候，光子能隙也将增大。当折射率差小的时候，光子能隙也就减小。当折射率差非常小时，光子能隙消失。
在图2所示的二维光子晶体平板中，光子能隙的幅度依形成于板内的孔的尺寸而变化，即，基本材料、晶格形状、周期和其它类似等。
在二维光子晶体中，具有三角型晶格的光子晶体中的光子能隙通常大于具有正方型晶格的光子晶体的光子能隙。作为大致的标准，当折射率差是1.8或是更小时，因为使用三角型晶格可获得较大的光子能隙宽度，所以宁可使用三角型晶格而不使用正方型晶格。这样的材料包括GaN和TiO2。
三角型晶格和正方型晶格都可用于例如是Si或GaAs的材料，其中可获得1.8或是更大的折射率差。
关于具有光子晶体的结构，处于光子能隙内的频带的光不会在此结构内出现。然而，当缺陷部分引入到该结构内时，新的能级(即，图5中的缺陷能级52)出现在光子能隙中并且光可出现在缺陷部分内。换句话说，甚至光子能隙内的光可通过缺陷部分引导入晶体中。具有此类缺陷部分的二维光子晶体内的反射由具有缺陷模式的频率的此类光来执行。
人们相信，通过引入缺陷部分使得附近没有能级出现，缺陷能级内的光分量(即，缺陷部分中局域化的光分量)强烈的相互作用并彼此耦合。结果是，可轻易执行单横模振荡。因此，多个破坏周期性的部分被引入到了周期性折射率结构中。因此，即使在光点直径很大时，例如光点直径在5到50微米的范围内，仍可提供发出具有相位对齐的光的VCSEL。
下面的实施方式描述具有15微米光点直径和单模振荡的VCSEL。
本发明提供可轻易进行单模振荡的结构。本发明的应用领域不限于具有从5到50微米的光点直径的VCSEL。此外，尽管主要是对二维光子晶体进行描述，本发明也可用于三维的光子晶体。
本发明中破坏周期性折射率结构的周期性的部分(缺陷部分)的位置和大小没有特别的限制。然而，如上所述，通过引入缺陷部分，必然在光子能隙内形成新的能级。
必须对引入到周期性折射率结构中的多个缺陷部分的间隔进行确定，使得光分量能够在引入的缺陷部分上出现，并且出现在每个缺陷部分上的光分量能够彼此耦合。换句话说，多个缺陷部分以这样的间隔来排列，即主要从引入的缺陷部分获得的光强度分布具有分布是彼此相互重叠的区域。
该间隔取决于光子晶体的材料和结构以及待引导的光的波长范围。例如，在对通过在平板上形成孔以便来形成三角型晶格(周期a)、具有折射率大约为3.5的光子晶体、平板厚度为0.5a以及孔的直径为0.4a的光子晶体进行准备的情况中，缺陷部分之间的间隔例如可以是从二到八个周期。术语“周期”指周期性折射率结构的周期。这里，利用晶格常数进行归一化操作并且将仅涉及周期的条件作为例子进行描述。
此外，周期性折射率结构的周期和要被引入的多个缺陷部分之间的间隔也依赖于振荡波长的设计。例如，在具有670纳米波长的激光束的情况中，周期性折射率结构的周期在横向方向上被设成180纳米并且每三个周期放置不包括孔的部分(缺陷部分)。在这种情况中，甚至可用具有15微米的光点直径执行单横模振荡。周期性折射率结构可以具有相当于从活性层发出的光的波长或是发射波长的整数倍的周期。
缺陷部分之间的间隔可以大致地进行确定，例如，从周期性折射率结构的周期的2倍或更大(即，2个周期或更大)到50倍或少一些，20倍或少些、或进一步10倍或少一些的范围内。当膜叠加到周期性折射率结构上时，不使用空气或真空的介电常数的结构，就是说，不使用空气隔离(air gap)的结构也可被使用。
(引入缺陷部分的方法)
参考图2中二维光子晶体的例子，如上所述，孔1210被部分移去(即，另外的孔没有形成或是现存的孔被填满了)，或是形成了具有与周围孔不同尺寸的孔，因此就形成了缺陷。
可选地，具有不同折射率的另一种材料(固态材料而不是空气)可被引入作为缺陷使用的部分，因此形成缺陷。
通过引入缺陷部分可对光子晶体的周期性的破坏程度进行控制。因此，光子能带图的缺陷能级可设置在光子能隙的中部。例如，在图2的二维光子晶体的例子中，通过将缺陷部分内的孔的直径调整到合适的值来实现控制。然而，当由于缺陷部分的引入而造成的对周期性的破坏程度极其小时，缺陷能级就设置在靠近光子能隙的频带边缘的位置。
当缺陷模是靠近能带边缘时，在缺陷模和能带边缘模或是带内模之间的能量差将变小，因此包括缺陷模的多个模可共同设置在激光活性层的增益区中。在这种情况中，模式的选择性被恶化，可轻易导致相同时间内振荡在多个模式下执行且多个模式不是稳定交替的现象。
从便于控制振荡模的立场来看，缺陷能级可出现在光子能隙的中部。具体地，缺陷能级设计成使得其可在光子能隙内设置。
缺陷能级设计成可使得其出现在光子能隙的中部70％、50％、或30％内，即，在一定面积内沿光子能隙中部的一侧延伸从而包含光子能隙面积70％、50％或是30％并从而可与光子能隙的频带边缘隔开的区域。
(缺陷部分的类型)
就向构成VCSEL的谐振腔的至少一个反射镜引入的光子晶体的多个缺陷部分而言，缺陷部分本身可具有周期性(周期性缺陷)或是不具有任何的周期性(非周期性缺陷)。
这里，术语“周期性缺陷”是指在空间上引入缺陷的位置具有过渡性对称的情况。这种周期性缺陷可经常通过仅仅改变折射率的值而不改变没有引入缺陷的周期性折射率结构的空间排列而引入。例如，在图2的二维光子晶体中，光子晶体内每隔两个孔的周期提供缺陷(没有提供孔的位置)就是周期性缺陷的例子。
在这种情况中，缺陷的周期可随意的变化。如上所述，可对缺陷的周期进行适当的调整，这样缺陷部分内局域化的光分量彼此耦合。缺陷的周期相对于初基晶格的方向具有各向异性。
术语“非周期缺陷”是指这种情况，其中缺陷的分布不具有空间上的过渡性对称，但是缺陷设置成具有某种规律性。例如，缺陷可基于某种类型的数学图案来进行分布，或结构具有局部无对称性但是在一段长的期间内具有对称性的准晶体结构。这种缺陷的分布具有数学图案的情况的实施方式将在第三个实施方式中进行描述。除了具有对当于一个晶格点大小的点缺陷，缺陷部分连续连接的线缺陷，或其中三个或是更多的点缺陷形成的缺陷也可被使用。在这种情况中，在线缺陷或大的点缺陷部分处，点缺陷彼此连接。因此，缺陷间的间隔相当于一个周期。然而，线缺陷或是大的点缺陷是按大约2到8个周期的间隔进行排列的，因此局域化的光分量可彼此耦合。此外，这三种类型的缺陷，即点缺陷、线缺陷以及大的点缺陷可组合。引入缺陷也提供了下面的效果。通过引入缺陷，反射镜上折射率的分布可被控制以改变发射光的模图样。换句话说，发射光的模图样可通过改变缺陷的类型而得到改变。因此，激光束的远场图样可被改变。即使在当缺陷间的间隔没有设置为局域化的光分量彼此耦合的距离时，这种效果依然可实现。
(具有光子晶体结构的材料)
任何金属、半导体以及电介质材料都可用于二维光子晶体反射镜，但是主要是使用类似半导体和电介质这类可发射具有激光振荡波长的光的材料。当振荡由光泵来执行时，则半导体和电介质材料都可使用。当振荡是由电流注入来执行时，可使用半导体。
二维光子晶体具有低折射率部分和高折射率部分呈周期性排列的结构。包括由例如硅这样具有高折射率的半导体构成的高折射率部分和由孔构成的低折射率部分的结构可提供最大的折射率差。换句话说，这样的结构可获得大的光子能隙。
当电流注入是通过这种二维光子晶体反射镜来执行时，低折射率部分可由具有比高折射率部分中所用材料的折射率低的半导体来构成。
下面对在方向上垂直于二维光子晶体的周期性折射率结构的厚度进行描述(该方向上没有出现周期性折射率结构)。对厚度的确定使得引导于晶体内二维横向方向上的光的横模是单一的。尽管厚度的变化取决于被引导的光的波长和构成光子晶体的材料，但它可通过公知的计算方法推导出来(例如，见“Hikari doharo no kiso”(光波导技术基础)(by Katsunari Okamoto，The Optronics Co.，Ltd.)，第二章)。
例如，对使用硅光子晶体而光子晶体外部材料是空气的情况进行描述。对于具有1.5微米波长的导向光来说，光子晶体的厚度被控制在220纳米或是更少些，因此就可获得单横模。
位于光子晶体外部在方向上垂直于二维光子晶体的周期性折射率结构(厚度方向，即，VCSEL的发射方向)的介质可由空气或任何其它材料构成。然而，当振荡由电流注入来执行时，介质可由这样的材料来构成，即与在构成光子晶体的材料中具有较高折射率的材料相比，它具有低的折射率，这样光就有效地限制在光子晶体内并且载流子可从反射镜上的电极注入到活性层。另外，二维光子晶体外部介质的折射率可与光子晶体的折射率相同。然而，如上所述，包括空气，即另一个介质的结构可以是非对称的。这在种情况中，外部介质的折射率可低于构成光子晶体的具有高折射率的材料的折射率。
此外，在破坏周期性折射率结构的周期性的部分中，发光部分可以发光部分光耦合的间隔来进行设置，而垂直腔面发射激光器发射单横模光。
在具体的VCSEL结构中，第一反射镜、活性层和具有周期性折射率结构的第二反射镜以此顺序设置在衬底上并且第一反射镜由多层膜反射镜(DBR反射镜)构成。
在另一个VCSEL结构中，具在周期性折射率结构的第二反射镜、活性层和第一反射镜以此顺序设置在衬底上并且第一反射镜由多层膜反射镜构成。可选地，第一反射镜和第二反射镜都可由二维光子晶体构成。
当第一反射镜、活性层、具在周期性折射率结构的第二反射镜以及电极以此顺序提供在衬底上时，从注入电流的观点来看，器件可具有下面的结构。
即，直接设置在电极下的第二反射镜的部分中没有提供周期性折射率结构。
周期性折射率结构可包括：第一区域，其中设置了破坏周期性的部分，第二区域，其中没有设置破坏周期性的部分，并且可对第二区域进行定位，使得其围绕着第一区域。
具体地，第一区域可由正方型晶格构成而第二区域由三角型晶格构成。
在本发明中，只要光是以单横模发射，就没有必要在周期性折射率结构中引入缺陷。因此，本发明包括下面的结构。也就是说，垂直腔面发射激光器包括衬底；第一反射镜；活性层；以及第二反射镜，第一反射镜、活性层和第二反射镜提供在衬底上，其中第一反射镜和第二反射镜包括二维周期性折射率结构，并且器件发射单横模激光。
本发明还包括下面的结构。也就是说，垂直腔面发射激光器包括衬底；第一反射镜；活性层；以及第二反射镜，第一反射镜、活性层和第二反射镜提供在衬底上，其中至少第一反射镜和第二反射镜中的一个包括二维周期性折射率结构，发射光的光点直径是5微米或更大些，并且器件以发射单横模激光。
本发明还包括下面的结构。垂直腔面发射激光器包括衬底；第一反射镜；活性层；以及第二反射镜，第一反射镜、活性层和第二反射镜提供在衬底上，其中至少第一反射镜和第二反射镜中的一个包括二维周期性折射率结构。在二维周期性折射率结构中，在5到50纳米的波长范围内，谐振腔波长的反射率和其它在该波长范围以内的任意波长的反射率差是在3％以内的，该波长范围包括谐振腔波长，并且从垂直腔面发射激光器发射的光是以单横向模式发射的。
在横向方向上具有周期性结构的光子晶体由来自方向垂直于横向方向的光照射。当在波长(或频率)变化时对反射率或是透射率进行测量时，反射率大约是100％的波长将会出现。该波长通常称为“谐振波长”。当具有谐振波长的光射入光子晶体时，光暂时在横向方向上引导，接着作为反射光返回。
谐振波长处的反射率大约是100％。然而，一般地，当波长从谐振波长偏移大约1纳米时，反射率急剧下降20％或更多。当上述在谐振波长处的反射作用应用到VCSEL的反射镜时，鉴于生产中的误差限度，为了使反射率相对于谐振波长的反射率的变化的比值在3％以内，波长的范围必须在大约5到50纳米的范围内。
Fan等人在论文中描述了一种光子晶体，其中在30纳米的波长范围内，反射率的变化控制在3％以内，该范围包括了谐振波长(光学期刊(Optics Express)，卷12，8号(2004)，1575-1582页)。从制造VCSEL的观点来看，可使用这类的光子晶体反射镜。
现在将描述本发明的一些特征性结构。
(组成VCSEL的谐振腔反射镜由多层膜反射镜和光子晶体构成的情况)
下面对该情况进行描述。在激光器谐振腔内的一对反射镜中，一个反射镜是多层膜反射镜而另一个是由包括上述缺陷部分的光子晶体构成。
关于组成本发明的腔面发射激光器谐振腔的一对反射镜，当一个反射镜具有引入了缺陷的周期性折射率结构时，其它任意的反射镜可用作另一个反射镜。当然，形成于活性层上方和下方的层都可由光子晶体构成。
下面对一种结构进行描述，其中在已知VCSEL中的分布布拉格(DBR)反射镜是作为一个反射镜来使用的。可使用具有上述结构的反射镜，由于所述反射镜具有引入了缺陷的周期性折射率结构，所以不需要进一步的处理。所有上述涉及周期性折射率结构的图案、缺陷的变化以及类似的结构都可使用。
在本发明中，用于常规VCSEL或类似的DBR反射镜可作为多层膜反射镜来使用。一般通过可选地叠加具有不同折射率的两种类型的材料来对DBR反射镜进行准备。每个介质中的一个层的厚度d设计成使得满足由Nd＝λ/4表示的方程(N：介质的折射率，λ：谐振光的波长)。用于DBR反射镜的材料例如可包括金属、电介质材料和半导体。鉴于金属的光吸收，可使用电介质材料和半导体。此外，当驱动是由电流注入来执行时，可使用具有低电阻的金属和半导体材料。
这里具体的例子包括彼此具有相对接近的晶格常数的材料，例如，InxGa1-xAsyp1-y/Inx’Ga1-x’AsyP1-y’，AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs和GaN/AlxGa1-xN。为了提高该反射镜的反射率，需要这两种类型材料间折射率差要尽可能的大并且叠加层的数目也要大。然而，在反射镜是利用传导材料制成的情况中，当叠加层的数目增大时，垂直于叠加膜表面方向的电阻将增大。为了能通过反射镜成功的向器件注入电流，需要反射镜的电阻较低。因此，在这种情况中，期望的反射率是需要通过以下的条件来获得，即必须确保反射镜两种类型材料间的折射率差较大而叠加层的数目要保持尽可能的小。另外，当反射镜作为腔面发射激光器的腔的反射镜来使用时，可仅通过晶体生长而无需如包覆等其它的处理来制作反射镜。因此，反射镜的材料可具有接近组成激光器的主在部分的材料的晶格常数。
设置在活性层上方和下方的反射镜可由光子晶体构成。在这种情况中，一个反射镜可由没有引入缺陷的光子晶体构成，而另一个反射镜可由引入了缺陷的光子晶体构成。当光子晶体作为反射镜使用时，光子晶体用于设置在与衬底和活性层之间的下反射镜以外的下反射镜相对的上反射镜，其中，活性层位于上反射镜和下反射镜之间。这样做的原因是当周期性折射率结构是利用孔形成时，形成在结构上的较小数量的膜可简化制作过程。显而易见，设置在活性层上方和下方的一个反射镜层可由光子晶体构成，而另一个反射镜层可由多层膜(DBR)构成，这些膜具有彼此不同的折射率。
(反射镜是由具有多个周期性折射率结构的多层膜构成的情况)
在本发明的腔面发射激光器中，组成谐振腔的一对反射镜的周期性折射率结构可以由单一结构(具有一个周期)构成或是具有一种结构，其中多个类型的此类单一结构被组合。
例如，考虑当周期性折射率结构是由二维光子晶体构成的情况。组成谐振腔的二维光子晶体反射镜可由多个在谐振腔内沿光的谐振方向(发射方向，以下称为垂直方向上的谐振)叠加的层构成，从而形成至少一个谐振腔反射镜。不光二维光子晶体，还可使用三维的光子晶体。由空气或其它介质构成的隔离层可在具有某个周期的周期性折射率结构区域和具有另一个周期的另一个周期性折射率结构区域之间被提供。因此，谐振腔反射镜可以具有多层膜反射镜结构，其中包括周期性折射率结构层和隔离层的一对层形成一个周期。
这一对层需要被设计成使得在反射镜中谐振的光的相位是匹配的。具体地，对于相位匹配需要两个条件：首先，周期性折射率结构在平行于二维光子晶体内谐振光的谐振方向的方向(即，垂直于光发射方向的方向，该方向被称为水平方向)上的位置关系是固定的。其次，当第一个条件满足时对这一对层的厚度进行调整。
当提供在周期性折射率结构层之间的隔离层的厚度小并且两个或多个周期性折射率结构是彼此光耦合的时，应对第一个条件进行考虑。在这种情况中，周期性折射率结构在水平方向上的对齐(平行移位或是旋转)是需要的。如果这些位置没有对齐，从周期性折射率结构发出的垂直方向上的光的相位将与每个层都不同，导致反射率的下降。甚至当隔离层的厚度较大并且周期性折射率结构没有彼此光耦合时，位置关系还是固定的。
关于这种位置关系，例如，当具有相同周期的多个二维光子晶体平板叠加时，孔的位置是以3纳米误差内的精度进行匹配的。
在第一个条件满足的情况下，通过调整这对层的厚度第二个条件也可得到满足。如前所述，当周期性折射率结构层的厚度非常大时，在该层内的垂直方向上的模将不利地变成多模。因此，周期性折射率结构层的厚度要固定并且只能改变隔离层的厚度来调整总的厚度。为了获得隔离层和周期性折射率结构之间大的折射率差并且提高反射率，隔离层可由空气构成。当电流的注入是通过反射镜来执行时，隔离层的材料可以是金属或是半导体。考虑到金属的光吸收作用，隔离层可由半导体构成，从而降低激光的阀值。
与由单周期性折射率结构构成的反射镜相比较，利用上述由多个周期性折射率结构构成的谐振腔反射镜可提高反射率。
(活性层和隔离层(包覆层))
作为组成谐振腔的活性层和隔离层，双异质结构、多重量子井结构、量子点结构或类似应用在常规VCSEL的结构都可直接使用。当反射镜的折射率高于包覆层的折射率时，由活性层厚度+包覆层厚度来表示的谐振腔的长度L必须被设计成使得NL+ΔL＝nλ/2(N：谐振腔介质的折射率，n：正整数，λ：谐振光的波长，ΔL：在反射镜反射期间由相位偏移造成光路长度的变化)的关系得到满足。进一步，活性层可设置在形成于谐振腔内的驻波的波腹处。
活性层和包覆层材料的例子包括那些用于公知VCSEL的材料，例如GaAs/AlGaAs、InGaAsP/InP、AlGaInP/GaInP、GaN/InGaN/AlGaN以及GaInNAs/AlGaAs。在示例的结构中，n型和p型GaN层用于设置在活性层一侧的包覆层，而非掺杂GaN/InGaN的多重量子井结构用于活性层。
(载流子注入到活性层的方法)
关于载流子注入到活性层1040的方法，例如，截流子注入到活性层是从包括一对阳极和阴极的电极注入电流来执行的。
可用的电极例如包括环电极，其用于常规VCSEL，以及具有不同形状的电极，如圆形和矩形。
当周期性折射率结构由具有孔的固态介质构成时，周期性结构的图案没有形成于直接设置在电极下方的区域上。其原因是接触电阻会因为孔的存在而增大。
电极的材料取决于其上形成有电极的区域的激光器的材料。
例如，Au-Ge-Nik或Au-Sn可用于n型GaAs层上的电极，而Au-Zn或In-Zn可用于p型GaAs层上的电极。例如氧化铟锡(ITO)的透明电极也可使用。具体地，当除环电极以外的电极形成在器件的光发射面时，可使用透明电极。(一种结构，其中具有折射率低于组成周期性折射率结构的介质中的最高折射率的介质以小于周期性折射率结构周期的间隔被引入到靠近反射镜的周期性折射率结构处)。
在本发明的腔面发射激光器中，低折射率的介质以小于周期性折射率结构周期的间隔被引入到靠近反射镜的周期性折射率结构处。因此，这些位置上的有效折射率可被减小。待引入的低折射率介质具有的折射率必须低于组成反射镜的周期性折射率结构的介质中的最高折射率。例如，在通过硅(Si)上周期性形成孔而进行预备的二维光子晶体中，具有低于作为基本材料使用的硅的折射率的介质以小于孔的周期的间隔引入。通过允许靠近光子晶体的材料多孔，可实现由空气构成的介质结构。该结构可阻止在周期性折射率结构中被引导的光泄露到外部去。因此，光可有效地被限制在周期性折射率结构中。
任何介质都是可以引入的，只要该介质的折射率低于组成周期性折射率结构的介质中具有最高折射率的介质的折射率。可使用其中介质是由空气构成的结构，换句话说，可使用通过形成包含孔的多孔结构来准备的结构，因为这类结构可利用具有最大折射率的介质和组成周期性折射率结构的介质来提供大的折射率差，并提高了周期性折射率结构中光限制的有效性。
根据本发明的VCSEL可作为光发射的各种光源。VCSEL的阵列也可作为多束光源使用。例如，本发明可应用于批露在公开号为2004-230654的日本专利中的成像设备。成像设备例如包括复印机、激光束打印机和传真机，其中激光束来自于激光光源，被光调制的激光束在例如是感光器或静电记录介质的传像平面上被引导，而例如由静电潜像构成的图像信息形成在该平面上。到目前为止，当VCSEL作为光源使用时，最大输出功率是较低的，因此，在激光束通过多个类似多相扫描镜的光系统的结构内，光功率是不够的。根据本发明，由于发射光点的大小可增加到5微米或是更大，所以本发明的VCSEL可应用于具有高输出功率的腔面发射激光。
下面将对本发明的实施方式进行描述。
下面描述的实施方式是说明性的，并且本发明中使用到的类似激光器的结构材料、尺寸和形状等条件不仅限于下面第一到第六的实施方式。
第一实施方式
下面参照附图6来描述根据第一实施方式的激光器的结构。
下谐振腔反射镜光限制层62、下谐振腔反射镜层63、下包覆层64、活性层65、上包覆层66、上谐振腔反射镜层67按顺序叠加在衬底61上。n-电极68和p-电极69分别在衬底61的底面和上谐振腔反射镜层67的顶面上被提供。
衬底61是具有厚度为565微米的n型GaAs衬底。下谐振腔反射镜光限制层62由n型Al0.7Ga0.4As构成并且具有1微米的厚度，下谐振腔反射镜层63由n型Al0.4Ga0.6As构成，下包覆层64由n型(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P构成。上谐振腔反射镜层67由p型Al0.4Ga0.6As构成，而上包覆层66由p-型(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P构成。
形成反射镜的光子晶体结构610和612分别在下谐振腔反射镜层63和上谐振腔反射镜层67的中部被提供。缺陷611仅被引入在下反射镜中。
下谐振腔反射镜层63和上谐振腔反射镜层67之间的距离(即谐振腔的间隔)大约是1.5微米(相当于大约7.5倍的670纳米的谐振光的波长)。活性层65具有由非掺杂式In0.56Ga0.44P/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P构成的扭曲式量子井结构。井的层数是3。每个In0.56Ga0.44P层和(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P层具有6纳米的厚度。靠近衬底的n电极68由Ni/Au/Ge构成，而靠近反射镜的p电极69是由Au-Zn构成的。
上述叠加的膜可按下面的步骤来制作。Al0.9Ga0.4As剥离(lift-off)层通过有机金属化学气相磊晶(MOCVD)法在GaAs衬底上形成。包括从上谐振腔反射镜层到下谐振腔光子晶体反射镜层的那些层通过MOCVD按顺序在剥离层上形成。由于在第一次生长时已经被使用过的GaAs必须在后面的过程中被剥离，所以剥离层被插入到衬底和上谐振腔反射镜之间。接着包括从上谐振腔反射镜层到下谐振腔反射镜层的那些层按顺序在剥离层上形成。首先，形成下谐振腔反射镜。下谐振腔反射镜的光子晶体图案通过利用Cl2气的电子束(EB)微影和反应性离子束刻蚀(RIBE)形成。晶圆通过在单独的GaAs衬底上形成具有1微米厚度的下谐振腔反射镜光限制层来预备。下谐振腔反射镜层的表面和下谐振腔反射镜光限制层的表面对齐并通过热熔接结合。因此，下谐振腔反射镜的形成就完成。下一步，形成上谐振腔反射镜。靠近上谐振腔反射镜层的Al0.6Ga0.4As剥离层利用氢氟酸选择性的刻蚀来消除第一次生长时用到过的GaAs衬底。通过使用与在下谐振腔反射镜层上形成图案相同的方法，就可在裸露的上谐振腔反射镜层上形成光子晶体图案。因此，上谐振腔反射镜层的形成就完成了。最后，n电极和p电极通过气相沉积分别在GaAs衬底的背面和上谐振腔反射镜层上形成。
下面将详细描述上谐振腔反射镜和下谐振腔反射镜的光子晶体反射镜。
图7A和图7B分别是上反射镜和下反射镜的光子晶体的平面图。通过周期性的在Al0.4Ga0.6As层上提供孔71或74可形成光子晶体结构。例如，如上所述，这样精细的孔可通过转印由EB微影利用干式蚀刻形成的图案在Al0.4Ga0.6As层上形成。
在下和上这两个反射镜层中，每孔具有圆形的形状并且以180纳米的周期在三角型晶格中排列。孔的半径是75纳米而层的厚度是270纳米。以下，没有引入缺陷的光子晶体结构就被定义为基本(主)光子晶体结构。
图7B中，没有缺陷被引入到上光子晶体反射镜中。相比之下，如图7A所示，破坏光子晶体的周期性折射率结构的缺陷72被周期性地引入到下光子晶体中。
通过周期性的移去光子晶体的孔来形成缺陷72。在基本光子晶体结构中缺陷72形成三角型晶格，但缺陷间的间隔相当于三个基本光子晶体结构的周期。尽管为了方便起见，图7A图7B中的光子晶体的孔的周期数要比实际中反射镜区域中的小，但在实际的反射镜区域中，基本光子晶体和缺陷在大约80个或是更大些的周期内被引入。
在本实施方式中，通过周期性的移去基本光子晶体结构中的孔来形成下光子晶体反射镜的缺陷。可选地，具有不同于基本晶体结构中的孔的大小的孔也可被使用。可选地，缺陷可通过向缺陷部分引入具在不同折射率的另一种材料来形成。
关于缺陷的排列，本实施方式中，缺陷的间隔相当于三个光子晶体结构周期。间隔可比这个大些或是小些。然而，当间隔过分大时，在缺陷中局域化的光分量将不能彼此耦合。因此，就存在间隔的上限。
在本实施方式中，缺陷仅在上和下两个光子晶体反射镜中的下反射镜上被提供，可选地，缺陷可仅引入到上反射镜或是同时上下两个反射镜。
进一步对上下两个反射镜的位置关系进行描述。图8是示出组成谐振腔的上谐振腔反射镜81和下谐振腔反射镜82的相对位置关系的图。
为了方便起见，该图表示通过沿箭头所示的坐标的方向移动下谐振腔反射镜82所获得的可能相对位置关系。如图8所示，两个反射镜间的相对位置关系按照总共六个方向来确定，这些方向包括：x，y和z的正交方向以及分别绕x，y和z轴旋转的方向α、β、和γ。下面按顺序对每个方向进行描述。
关于x方向和y方向，位置关系所需的条件依两个反射镜间的间隔会有较大的不同。具体地，所述条件取决于两个反射镜在z方向上的距离。当两个反射镜彼此间的分离仅达到在反射镜横向方向上的被导向的光分量可彼此耦合的程度时，根据在反射镜的x和y方向上的位置关系，谐振腔的特性会发生显著的变化。因此，由于在反射镜的x和y方向上的位置关系会显著影响谐振腔的特性，所以为了确保制作出的激光器的特性不变，在x和y方向上的位置关系必须保持不变。甚至当反射镜间的距离大于上述中的情况时，位置关系还可保持不变。距离是由谐振腔的材料、反射镜的材料以及谐振光的波长来确定的。本实施方式的谐振腔在z方向上具有较大的距离，以便阻止反射镜中被导向的光分量彼此耦合。关于γ方向，由于本实施方式中的反射镜彼此间不具有偏振依赖性，发射光的偏振性质不会因为在γ方向上的旋转而受到特别的影响。然而，在这种情况中，位置关系可保持不变。通过对在z方向上的距离的调整，使得两个反射镜之间的距离L满足上述如常规VCSEL谐振腔中的谐振条件。在α和β方向上的旋转需要尽可能的减少，而理想情况下是零，这样两个反射镜就可完全彼此平行。然而，当本实施方式中的整个激光器通过晶体生长一次制成时，在这些方向上的旋转几乎不发生，因此也就不需要专门的调整。
在本实施方式中，下谐振腔反射镜光限制层62和包覆层64、66被形成以使得被转化为横向导向光的谐振光可有效地被限制在反射镜中。具体地，具有比为反射镜材料的Al0.4Ga0.6As的折射率低的折射率的Al0.7Ga0.4As被使用。为了这个目的，例如，包覆层可由Al0.4Ga0.6As来构成，其是与谐振腔反射镜层相同的材料，并且在包覆层所具有的结构中，大量充分小于组成反射镜的光子晶体的孔的孔被提供(即多孔结构)。该结构可减小在此区域处的有效折射率，因此被转化为横向导向光的谐振光可有效地被限制在反射镜中。进一步，由于这种结构可减小在反射镜的横向方向上被导入到包覆层的光渗透的长度，从而与活性层的耦合所造成的影响也被减小。因此，谐振腔的长度被减小。参照图7A和7B，在上下两个谐振腔反射镜中，电流注入区域73和75分别绕着由上述二维光子晶体平板构成的光反射区域被提供。为了减小电阻，在电流注入区域73和75中没有提供孔。因此，仅包括光子晶体结构的区域起反射镜的功能。反射镜区域具有直径为15微米的圆形形状。
在本实施方式中，通过由质子注入增大半导体的阻值可形成限流(current narrowing)结构。具体地，质子仅注入到靠近活性层的区域，该区域直接设置在环电极的下方。因此，电流在直接设置于光子晶体区域下方的活性层汇集。可选地，由晶体再生形成的隐藏式异质结构、由AlAS层的选择性氧化形成的限流结构以及类似等都可作为限流结构使用。
当通过向电极上施加电压来向活性层注入电流时，从活性层发出的光在谐振腔内谐振和放大，从而形成激光谐振。激光束是具有750纳米振荡波长的红光。电流在活性层的中部汇集，这通过利用质子注入提高电阻的方法所形成的限流结构来实现，因此提高了发光效率。
对上谐振腔反射镜和下谐振腔反射镜的光反射机制进行了描述。特别地，由于缺陷的影响，其内引入了缺陷的下反射镜在单模式中可提高振荡光点的区域。在这些镜中，99％或是更大的反射率和透射率在理论上是可实现的。然而，本实施方式的反射镜设计成使得孔的周期大约偏移几个纳米，以便引导来自上谐振腔反射镜方向的光。根据这种结构，反射镜的谐振峰值轻微的偏移，这导致了反射率的降低。因此，光束在向上的方向上被引导。
根据本实施方式的活性层和器件，利用由AlGaInP/GaInP/AlGaAs构成的器件可获得红激光束。此外，III-N型半导体，例如GaN/AlN/InN及它的混合晶体；以及其它III-V族半导体，例如GaAs/AlAs、InGaAsP/InP、GaInNAs/AlGaAs和它们混合晶体也可被使用。另外，II-VI族半导体，例如ZnSe/CdSe/ZnS和它们的混合晶体也可被使用。本实施方式的激光器可提供具有直径为15微米的大区域的单模红激光束。进一步，相比较于包括具有半导体DBR反射镜的谐振腔的VCSEL来说，根据本实施方式的激光器可获得热阻的减小、电阻的减小以及制作的简化。
第二实施方式
现在参照图9对根据第二实施方式的激光器的结构进行描述。下谐振腔反射镜光限制层92、下谐振腔反射镜层93、下包覆层94、活性层95、上包覆层96按顺序叠加在衬底91上。限流层99被提供以围绕下包覆层94、活性层95、上包覆层96的一部分。上谐振腔反射镜层910进一步叠加在上包覆层96上。n-电极911和p-电极912分别在衬底91的底面和上谐振腔反射镜层910的顶面上被提供。衬底91是具有厚度为565微米的n型GaAs衬底。下谐振腔反射镜层和下包覆层分别由n型Al0.4Ga0.6As和非掺杂式(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P构成。上谐振腔反射镜和上包覆层分别由p型Al0.4Ga0.6As和(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P构成。
下谐振腔反射镜层93和上谐振腔反射镜层910之间的距离(即谐振腔的长度)大约是1.5微米(相当于大约7.5倍的谐振光的波长)。形成反射镜的光子晶体结构(孔)913和915分别在下谐振腔反射镜层93和上谐振腔反射镜层910上被提供。缺陷914和916分别设置在上下反射镜的中部。上谐振腔反射镜层910由p型Al0.4Ga0.6As构成并且具有270纳米的厚度。下谐振腔反射镜层93由n型Al0.4Ga0.6As构成并且具有270纳米的厚度。具有低折射率的光限制层92在下谐振腔反射镜层93和具有高折射率的GaAs衬底91之间被提供，使得光有效地限制在反射镜中。光限制层92由n型Al0.7Ga0.4As构成并且具有约1微米的厚度。在本实施方式中，包括n型(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P的亚层97和p型(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P的亚层98的隐藏式异质结构限流层99被提供。活性层95具有由非掺杂式In0.56Ga0.44P/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P构成的扭曲式量子井结构。井的层数为3。每个In0.56Ga0.44P层和(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P层具有6纳米的厚度。靠近衬底的n电极911由Ni/Au/Ge构成，而靠近反射镜的p电极912由Au-Zn构成的。
制作该结构的方法和第一实施方式中所使用的方法相同，除添加了形成隐藏式异质结构的限流层99的步骤。
具体地，该步骤被添加到形成Al0.9Ga0.4As剥离层以及在GaAs衬底上形成从上谐振腔反射镜层910到下谐振腔反射镜层93的层的步骤中。
上谐振腔反射镜层910、上包覆层96、活性层95和下包覆层94被生长。随后，通过使用Cl2气体的感应耦合等离子体(ICP)的干式刻蚀，围绕活性层95的发光部分的区域被移除。该围绕区域从下包覆层94移动到上包覆层96的中部。接着n型(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P的亚层97和p型(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P的亚层98以此顺序再生。接着执行平面化处理，下包覆层94继续生长，而下谐振腔反射镜层93在下包覆层94上生长。
随后的步骤和第一实施方式中的那些步骤相同。
下面对谐振腔反射镜的结构作详细的描述。
如图9所示，下和上谐振腔反射镜分别包括组成基本光子晶体的孔913和915以及没有孔形成的缺陷914和916。图10A和图10B分别是本实施方式中下和上反射镜的光子晶体的平面图。
图10A示出下谐振腔反射镜，图10B示出上谐振腔反射镜。
下面对上和下反射镜的共同特征进行描述。在本实施方式中，正方型晶格光子晶体结构的孔101和103在镜层表面的整个区域上被提供。没有包含孔的缺陷102和104周期性的位于直径为15微米的圆形区域上。缺陷能级仅在这个区域的光子能隙内形成。因此，通过由于缺陷能级造成的横向导向的谐振现象，入射到反射镜上的光被反射，从而导致谐振。缺陷是设置在反射镜的中部区域的。相比之下，在仅由基本光子晶体构成的包围区域处，光子能隙中没有出现这样的能级，垂直于平面的方向上没有发生谐振，因此也就没有光反射。此外，周围的光子晶体结构具有用于在横向方向上被导向的光的光子能隙并引起反射。因此，可阻止光在光子晶体反射镜中横向方向上的泄露。
下面针对不同点进行描述。在图10A的下反射镜的光子晶体结构中，孔具有圆形的形状，周期为180纳米，孔的半径为75纳米而层的厚度为270纳米。下反射镜层包括孔101和缺陷102。在图10B的上反射镜的光子晶体结构中，孔具有矩形的形状，周期为180纳米，每个孔的长边为70纳米，短边为35纳米，而层的厚度为270纳米。上反射镜层包括孔103和缺陷104。当设置在活性层上方和下方的两个反射镜都是由具有微孔的光子晶体构成时，可使用包覆方法。
在本实施方式中，由于上反射镜的孔具有矩形的形状，光子晶体结构的对称性就被破坏了。因此，上反射镜通过偏振显示出不同的反射特性。具体地，只有电场向量定向于y方向上的偏振光才在反射镜上被反射并发生振荡，而电场向量定向于x方向上的偏振光100％被透射。因此，可通过对激光的偏振控制来获得单个线性偏振光的振荡。就上下反射镜的位置关系而言，与第一实施方式中相同的关系得到了满足，而用于这些关系的基本条件与第一实施方式中的那些条件相同。
对从电极注入的电流做出响应，振荡和第一实施方式中的一样，发生在垂直于光子晶体反射镜的方向上。振荡发生在直径具有15微米的区域内，其中光子晶体反射镜被提供。单横模和单线性极化的激光束在此区域内被获得。激光束是振荡波长为670纳米的红光。通过利用与第一实施方式相同的方法将上反射镜的反射率减小到一定程度，激光束就仅在向上的方向上被发射。
在根据本发明的激光器中，单模激光束的光点直径和光点形状可通过调整光子晶体反射镜的缺陷被设置的区域来进行控制。
进一步，围绕光子晶体反射镜的缺陷引入区的光子晶体结构可抑制反射镜中横向方向上的光泄露，从而提高了激光的发光效率。
本实施方式的反射镜的缺陷部分没有提供孔。可选地，也可通过引入每个都具有大于或是小于基本光子晶体结构的孔的大小的孔来形成缺陷。可选地，也可通过向缺陷部分引入另一种具有不同折射率的材料来形成缺陷。
除了AlGaInP/GaInP/AlGaAs，III-N半导体，例如GaN/AlN/InN及它的混合晶体也用于本器件的材料；另外，其它族III-V半导体，例如GaAs/AlAs，InGaAsP/InP和GaInNAs/AlGaAs和它们的混合晶体也可被使用。另外，族II-VI半导体，例如ZnSe/CdSe/ZnS和它们的混合晶体也可被使用。
就具有圆孔的反射镜以及具有矩形孔的反射镜的安排而言，反射镜可设置在与本实施方式那些相对的位置上。可选地，上下反射镜都可是具有矩形孔的反射镜。然而，仅当上下两个反射镜都具有矩形孔时，位置在显示反射镜位置关系的图8中的γ轴所示的旋转方向上必须对齐。具体地，对两个反射镜的旋转轴进行调整，使得矩形的垂直轴和水平轴的方向对齐并且偏振的方向彼此匹配。
第三实施方式
下面参照图11A和11B对第三实施方式进行描述。由于激光器本身的结构和材料与第二实施方式中的那些相同。因此仅对谐振腔反射镜的结构进行描述。制作过程也和第二实施方式的相同。
图11A和1B分别是第三实施方式的从垂直于平面的方向观察到的上和下光子晶体反射镜的示意图。如图11A所示，在下谐振腔反射镜中，基本光子晶体结构的孔在整个平面内被提供，通过移去孔而形成的缺陷在中部排列。基本光子晶体结构的参数与第二实施方式的下谐振腔反射镜的那些相同。本实施方式的特征在于缺陷的排列。这些缺陷是按照特定的规则排列的，但却是非周期性排列的。一般来说，缺陷绕着反射镜的中部汇集并在外围部分环形排列。进一步，当缺陷的位置变的离中部更加远时，同心圆之间的间隔会增大。随着缺陷的位置变的离中部更远时，所处位置的缺陷密度会下降。因此，缺陷密度由下面的方程来表示：
D＝D0exp(-r2/a)(方程1)
其中D代表缺陷密度，r代表离中央的距离，D0代表反射镜中央的缺陷密度，a代表用来确定从中央开始的缺陷的密度梯度幅度的预定常数。缺陷引入区的面积与第二个实施方式中的相同，直径为15微米。为了绘图的方便，图11A中的同心圆缺陷的周期数非常小，尽管实际的缺陷是按10个或是更多的周期进行排列。在这种二维光子晶体反射镜中，中部的光密度很高，具有高的缺陷密度。另一方面，由于向外围部分方向上的缺陷密度降低，所以光密度也降低。因此，由于本实施方式中的缺陷密度具有由方程1的高斯函数所表示的分布，所以要发射的激光束的模式分布也由高斯函数来表示。没有对图11B中的上谐振腔反射镜进行描述，因为其具有与第二个实施方式中的下谐振腔反射镜相同的结构。
本实施方式的腔面发射激光器可提供具有直径为15微米的大区域、单横模以及单峰模分布的激光束。
在本实施方式的反射镜的缺陷部分没有提供孔。可选地，也可通过引入每个都具有大于或是小于基本光子晶体结构的孔的大小的孔来形成缺陷。可选地，也可通过向缺陷部分引入另一种具有不同折射率的材料来形成缺陷。
关于光子晶体结构中缺陷的排列，除了上述由方程1代表的缺陷密度的排列以外，例如，也可由下面的方程2来表示，缺陷可设置成使得缺陷密度按同心椭圆图案来排列。
D＝D0exp(x2/a2+y2/b2)(方程2)
其中a代表椭圆长轴的长度，b代表椭圆短轴的长度，而x和y代表平面的正交坐标系。
除了AlGaInP/GaInP/AlGaAs，III-N半导体，例如GaN/AlN/InN及它们的混合晶体也可作为材料使用；
另外，其它族III-V半导体，例如GaAs/AlAs，GaAs/InP和GaInNAs/A1GaAs和它们的混合晶体也可被使用。另外，族II-VI半导体，例如ZnSe/CdSe/ZnS和它们的混合晶体也可被使用。
进一步，本实施方式的上下谐振腔反射镜可相互替代。可选地，上和下谐振腔反射镜的缺陷密度具有不同的分布。
如上所述，光子晶体中提供的缺陷部分可基于上述数学图案进行排列。
第四实施方式
下面参照图12对根据第四实施方式的激光器的结构进行描述。
下谐振腔反射镜层122、下包覆层125、活性层126、上包覆层127、上谐振腔反射镜层128按顺序叠加在衬底121上。n-电极129和p-电极1213分别在衬底121的底面和上谐振腔反射镜层128的顶面上被提供。
衬底121是具有厚度为300微米的n型GaAs衬底，在下谐振腔反射镜层122的结构中第一层123和第二层124交替叠加。具体地，第一n型AlxGa1-xAs层(第一层123)包括具有29纳米厚度的下子层，其中x＝0.55，和具有20纳米厚度的上子层，其中x在0.55到0.93之间变化。第二AlxGa1-xAs层(第二层124)包括具有33.2纳米厚度的下子层，其中x＝0.93，和具有20纳米厚度的上子层，其中x在0.93到0.55之间变化。因此，下谐振腔反射镜层122由内部第一层123和第二层124交替叠加的DBR反射镜构成。尽管图中没有示出所有的层，但层数是70对。如上所述，每个第一层和第二层的厚度d由Nd＝(1/4)λ(N：材料的折射率，λ：谐振光的波长)来表示。上谐振腔反射镜层128由p型Al0.4Ga0.6As构成。形成反射镜的光子晶体结构1211在上谐振腔反射镜层128的中部被提供并且缺陷1212被引入到光子晶体结构1211中。上包覆层127和下包覆层125分别由n型(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P和p型(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P构成。活性层126具有由非掺杂式Ga0.56In0.44P/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P构成的扭曲式量子井结构。井的层数是3。每个Ga0.56In0.44P层和(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49P层具有6纳米的厚度。反射镜之间包括上包覆层127、下包覆层125和活性层126在内的距离(即谐振腔的长度)大约是1.5微米(相当于大约7.5倍的谐振光的波长)。靠近衬底的n电极129由Ni/Au/Ge构成，而靠近反射镜的p电极1213由Au-Zn构成。
上述的叠加结构是如下制作。上述层通过MOCVD从下谐振腔DBR反射镜到上谐振腔光子晶体反射镜层按顺序形成在GaAs衬底上。在本实施方式中，由于衬底不需要剥离就可使用，因此首先形成下谐振腔反射镜，然后其它层按顺序叠加。然后，通过利用Cl2气体的电子束(EB)微影和RIBE形成上谐振腔反射镜层128的光子晶体图案。最后，通过气相沉积在GaAs衬底121的底面和上谐振腔反射镜层128上形成电极。
除了材料，本实施方式的结构与第一个实施方式中器件的结构的不同之处在于仅上谐振腔反射镜从二维光子晶体变成一维光子晶体的DBR反射镜。因此，在本实施方式中，为了获得单模下的大光点直径，缺陷必须被提供在上反射镜的光子晶体结构中。有关反射镜的结构参数，周期为180纳米、孔的直径为75纳米、层厚为250纳米。发射光点区域的直径为15微米，这和第一实施方式中的相同。缺陷是通过移去基本光子晶体的孔来形成的。可选地，如第一实施方式所述，也可使用具有不同于基本光子晶体的孔的直径的孔。可选地，也可通过向缺陷部分引入另一种具有不同折射率的材料来形成缺陷。关于缺陷的排列，如第一实施方式中所述，缺陷间的间隔大于或小于相当于光子晶体结构的三个周期。然而，当间隔过分大时，缺陷中局域化的光分量就无法耦合。因此，所述间隔存在上限。如第一实施方式到第三实施方式所述的包覆层的多孔结构或类似结构也可提供。下谐振腔反射镜是在常规VCSEL中使用的公知的DBR反射镜。DBR的特性，例如层的材料、厚度、以及周期数可以和上面描述的相同。
下面描述本实施方式中上反射镜和下反射镜的关系。由于下谐振腔反射镜不具有偏振依赖性并且在x、y和γ方向上具有统一的结构，因此在图8中的x和y线性方向和γ旋转方向上不需要精确对齐。不同于从第一到第三实施方式中的器件，本实施方式中该对齐的必要性可降低，这在制作过程中是有益的。关于其它方向上的位置关系，在其它实施方式中所描述的相同情况也可应用到本实施方式中。
在本实施方式中，限流结构可通过质子注入增大器件的电阻而形成。具体地，质子注入到直接设置在P电极下的区域，该区域设置在光子晶体结构的外围。因此，电流在活性层汇集。可选地，由晶体再生形成的隐藏式异质结构、在DBR反射镜中由AlAs层的选择氧化形成的限流结构以及类似结构都可作为限流结构使用。
当在电极上施加电压来向活性层注入电流时，从活性层发出的光在谐振腔中被谐振和放大，从而产生激光谐振。激光束是具有670纳米振荡波长的红光。通过在上谐振腔反射镜中引入缺陷，单模振荡光点将被扩大。在本实施方式中，通过对上谐振腔反射镜的层叠数的调整，使得上谐振腔反射镜的反射率低于下谐振腔反射镜的反射率。
尽管在本实施方式中，使用已知的DBR反射镜作为腔面发射激光器的下谐振腔反射镜，但也可获得如第一实施方式中的类似增大光点直径的效果。从厚度的减小、电阻的减小以及器件热散逸效果的提高的观点来看，本实施方式中的激光器都劣于第一实施方式中的，但是大大优于已知的VCSEL，在已知的VCSEL中，DBR反射镜同时作为上下谐振腔反射镜使用。
根据本实施方式，通过利用已知的DBR反射镜，无需包覆或其它，就可通过在衬底上顺次生长晶体轻易一次完成激光器的制作。因此，与第一到第三的实施方式相比较，本实施方式在激光器的生产方面具有极大的优势。
第五实施方式
下面参照图13对根据第五实施方式的激光器的结构进行描述。下谐振腔反射镜层132、下包覆层135、活性层136、上包覆层137以及上谐振腔反射镜层138按顺序叠加在衬底131上。n-电极1311和p-电极1312分别在衬底131的底面和上谐振腔反射镜层138的顶面上被提供。衬底131是具有厚度为300微米的n型GaAs衬底。通过交替叠加n型Al0.4Ga0.6As光子晶体层133和n型Al0.4Ga0.6As隔离层134形成下谐振腔反射镜层132。通过交替叠加p型Al0.4Ga0.6As光子晶体层139和p型Al0.4Ga0.6As隔离层1310形成上谐振腔反射镜层138。每个上反射镜和下反射镜都是由包括两对的四个层构成。每隔一个层，孔1313和1314就周期性的被提供，以便形成光子晶体反射镜。提供的隔离层是为了调整光子晶体反射镜之间的相位。上下包覆层分别由n型(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P和p型(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P构成。活性层136具有由非掺杂式Ga0.56In0.44P/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P构成的扭曲式量子井结构。井的层数为3。每个Ga0.56In0.44P层和(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P层具有6纳米的厚度。反射镜之间包括活性层136在内的距离(即谐振腔的长度)大约是1.5微米(相当于大约7.5倍的谐振光的波长)。靠近衬底的n电极1311由Ni/Au/Ge构成，而靠近反射镜的p电极1312由Au构成。
上述的层叠结构可如下制作。AlAs剥离层在GaAs衬底上形成而靠近上谐振腔反射镜层138的谐振器的层是通过MOCVD在包覆层上形成的。上包覆层137、活性层136、下包覆层135以及靠近下谐振腔反射镜层132的谐振器的层按顺序在此形成。合成的晶圆称为晶圆A。由于GaAs衬底在稍后的处理中从晶圆A剥离，因此这些层是按与实际的激光器相反的顺序形成的。在该步骤中，在谐振腔反射镜层当中，只有与每个包覆层接触的单个层被形成。
随后对下谐振腔反射镜层132进行准备。利用与第四个实施方式相同的方法在晶圆A的下谐振腔反射镜层上形成光子晶体图案。AlAs剥离层在另一个GaAs衬底上形成而Al0.4Ga0.6As隔离层134形成在剥离层之上。合成的衬底通过热熔接在晶圆A的下谐振腔反射镜层上接合。接着通过利用氢氟酸对AlAs剥离层进行选择性的刻蚀而将GaAs衬底剥离，因此就形成了下谐振腔反射镜层的隔离层134。之后，Al0.4Ga0.6As层再次在晶圆A上形成，并且光子晶体在其之上图案化。进一步，另一个隔离层134再次在光子晶体层上接合。在这个步骤中使用了仅具有Al0.4Ga0.6As层的GaAs衬底。在这个隔离层的溶合中，由于GaAs衬底不需要被剥离，因此不需要在晶圆上提供待溶合的AlAs剥离层。因此，下谐振腔反射镜的形成就完成了。
下面将对用于准备上谐振腔反射镜层138的方法进行描述。在晶圆准备中一开始就用到的GaAs衬底(不是在后面步骤中溶合的衬底)经对AlAs剥离层选择性的刻蚀而被剥离。接着光子晶体在靠近上谐振腔反射镜的谐振腔的表面层上被图案化，此处使用的方法与上述的靠近上谐振腔反射镜的谐振腔形成光子晶体层的方法相同。此后，组成上谐振腔反射镜的两对层利用与下谐振腔反射镜相同的方法来形成。然而，不同于下谐振腔反射镜，上谐振腔反射镜中保留到最后一步的GaAs衬底也被剥离。因此，上谐振腔反射镜的形成也就完成了。
通过上述的步骤对激光谐振腔进行准备。最后，电极通过气相沉积在GaAs衬底的底面和上谐振腔反射镜上形成。
下面将详细描述本实施方式的谐振腔反射镜。
下谐振腔反射镜和上谐振腔反射镜包括Al0.4Ga0.6As光子晶体层和Al0.4Ga0.6As隔离层。有关光子晶体反射镜的结构参数，周期为180纳米、孔的直径为75纳米、层厚度为250纳米。通过周期性的移去孔，缺陷1315被引入到组成上谐振腔反射镜层138的一个光子晶体反射镜中。包括光子晶体结构的发射光点区域具有15微米的直径。光子晶体层和隔离层组成的每一对被设计成使得反射光的相位按每对n/2波长继续下去。所述的每一对被设计成使得在光子晶体层139上反射的光的相位和在光子晶体层139上提供的光子晶体上反射的光的相位在光子晶体层139和上包覆层137之间的界面中相匹配。具体地，当光从光子晶体发射时，由横向导向谐振反射的光的相位是固定的。因此，对隔离层厚度的调整使得这两对都满足相位匹配的条件。本实施方式的隔离层具有48纳米的厚度。
下面对图8中光子反射镜间的位置关系进行描述。上谐振腔反射镜层138和下谐振腔反射镜层132的关系与第一、第三和第四实施方式中的相同。另一个方面，在每个谐振腔反射镜层中，本实施方式中的光子晶体反射镜间的间隔是比较短的，即发射激光波长的半波长。因此，在横向方向上的谐振腔反射镜层中靠近光子晶体反射镜导向的光分量是彼此耦合的。因此，必须对反射镜之间的位置关系进行调整，使得其与图8中x，y和γ的方向相同。
除了在本实施方式中描述的缺陷，具有不同于基本光子晶体的孔的直径的孔也可作为缺陷使用。可选地，也可通过向缺陷部分引入另一种具有不同折射率的材料来形成缺陷。关于缺陷的排列，缺陷间的间隔可大于或是小于相当于三个光子晶体结构周期的间隔。
在本实施方式中，缺陷仅引入到一个组成上谐振腔反射镜层或下谐振腔反射镜层的光子晶体反射镜中。可选地，缺陷可引入到上谐振腔反射镜层和下谐振腔反射镜层中。此外，缺陷可引入到组成每个上谐振腔反射镜层和下谐振腔反射镜层的两个光子晶体反射镜中。
本实施方式中的限流结构可通过由质子注入提高了的激光器电阻来形成。具体地，质子注入到直接设置在P电极下的区域，该区域设置在光子晶体结构的外围。因此，电流在活性层汇集。可选地，由晶体再生形成的隐藏式异质结构、在DBR反射镜中由AlAs层的选择氧化形成的限流结构以及类似结构都可作为限流结构使用。
对电流注入做出响应的行为与第四实施方式中的相同。
与包括单个光子晶体反射镜的器件相比，使用本实施方式中的腔面发射激光器可提高谐振腔反射镜的反射率。因此，可降低阀值电流。进一步，即使在当由于制作或类似过程中出现误差而使每个反射镜的反射率不满足期望值时，也可通过叠加多个反射镜来获得更高的反射率。
第六实施方式
下面参照图15对根据第六个实施方式的激光器的结构进行描述。图15示出根据本实施方式的激光器的上反射镜。由正方型晶格形成的光子晶体结构15141在反射镜层的中央直径为15微米的圆形区域内被提供。光子晶体结构15141的外围被由三角型晶格构成的光子晶体结构15142包围。缺陷被周期性地引入到光子晶体结构15141中。除了上谐振腔反射镜以外，本激光器的结构与第二实施方式中的相同。在本实施方式中，准备结构使得光子晶体结构15141的缺陷能级符合处于光子晶体结构15142光子能隙内。结果是在反射镜区域内的横向方向上的光的泄可通过与第二实施方式中相同的原理得到抑制。本实施方式与第二实施方式不同之处在于在起反射镜作用的中央区域与抑制光泄的外围区域之间的基本光子晶体结构不同。在这种情况中，正方型晶格设计相对简单的特点和三角型晶格的光子能隙通常比正方型的大(即，光泄可更有效的抑制)的特点可进行组合。图16A和16B示出二维光子晶体的光子能带结构的例子。计算的执行是基于这样的结构，即其中每个具有0.3a半径的孔(折射率为1.0)周期性的排列在固态介质(折射率为3.46)中。横轴表示波数向量而纵轴表示光的归一化频率。图16A示出正方型晶格的光子能带结构，图16B示出三角型晶格光子能带结构。图16A和图16B间的比较显示出光子能隙166出现在三角型晶格中，而这类光子能隙没有出现在正方型晶格中。换句话说，为了更有效地抑制光在横向方向上的泄，通常使用三角型晶格而不是正方型晶格。在本实施方式中，结合了三角型晶格和正方型晶格的结构仅使用在上反射镜中。可选地，该结构可仅使用在下反射镜中或同时使用在上下反射镜中。
参照图14A，在二维的光子晶体平板1401中，由矩形的正方形孔1403构成的正方型晶格光子晶体在中央部分被提供，由圆柱形孔1402构成的可通过光子能隙效应来阻断光的光子晶体围绕着正方型晶格光子晶体被提供。图14B是沿图14A中的线XIVB-XIVB的剖面图。根据该结构，可出现在中央部分的光被围绕的光子晶体阻断，因此减小了在二维方向上的光损耗。圆柱形孔1402以三角型晶格的形式排列，而正方型孔1403以正方型晶格的形式排列。
根据本发明的腔面发射激光可作为光源在类似光通信技术、电子照相技术、显示器技术和大容量存贮器介质的工业领域内应用。
尽管以上对本发明的示例实施方式进行了详细的描述，本领域的技术人员很容易理解在示例的实施方式中有许多本质上没有脱离本发明的新的技术和优点的改进方案。因此，所有这些改进方案都被力图包括在本发明的范围内。后面的权利要求书给出了最宽范围的解释，从而包含了所有的改进方案、等效结构和功能。

Claims (15)

1.一种垂直腔面发射激光器，包括：
第一反射镜；
具有周期性折射率结构的第二反射镜，其中所述折射率在相对所述第一反射镜的平面的横向方向上周期性地变化；以及
设置在所述第一反射镜和所述第二反射镜之间的活性层，
其中所述周期性折射率结构包括多个破坏所述第二反射镜的所述周期性折射率结构的周期性的部分，
其中所述周期性折射率结构被构建成使得沿周期性折射率结构的横向方向的垂直方向入射到所述周期性折射率结构上的光造成横向方向上的谐振，并且所述光沿垂直于所述横向方向的方向发射，并且
破坏所述周期性的多个部分的能级位于周期折射率结构的光子能隙的中部与所述光子能隙的能带边缘之间的范围内、自所述光子能隙的所述中部50％以内。
2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述周期性折射率结构是二维光子晶体结构。
3.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中破坏所述周期性折射率结构的周期性的部分周期性地或是非周期性地处在所述第二反射镜的横向方向上。
4.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述破坏周期性折射率结构的周期性的部分包括彼此光耦合的发光部分，其中所述垂直腔面发射激光器以单横向模式发射光。
5.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述第一反射镜、所述活性层和具有所述周期性折射率结构的所述第二反射镜依次顺序设置在衬底上并且所述第一反射镜包含多层膜。
6.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述第二反射镜、所述活性层和所述第一反射镜依次顺序设置在衬底上并且所述第一反射镜包含多层膜。
7.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述第一反射镜、所述活性层和具有周期性折射率结构的所述第二反射镜依次顺序设置在衬底上并且所述第一反射镜和所述第二反射镜都包含二维光子晶体。
8.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述第一反射镜、所述活性层、具有周期性折射率结构的所述第二反射镜以及电极依次顺序设置在衬底上并且直接设置在电极下方的第二反射镜的部分中没有提供周期性折射率结构。
9.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述第二反射镜包含多个层，每个层具有周期性折射率结构。
10.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述周期性折射率结构包括第一介质和第二介质，所述第二介质具有高于所述第一介质的折射率，以及
其中所述垂直腔面发射激光器还包括低折射率层，所述低折射率层包括具有比所述第二介质低的折射率的介质，并且设置在具有所述周期性折射率结构的所述第二反射镜和所述活性层之间。
11.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述第一反射镜是包括多层膜的分布布拉格反射镜。
12.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中对破坏所述周期性折射率结构的周期性的部分之间的间隔进行设置，使得破坏所述周期性折射率结构的周期性的部分充当发光部分并且每个所述破坏所述周期性折射率结构的周期性的部分中的光分量彼此耦合。
13.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述周期性折射率结构包括设置了破坏所述周期性折射率结构的周期性的所述部分的第一区域和没有设置破坏所述周期性折射率结构的周期性的所述部分的第二区域，并且所述第二区域位置设置成围绕所述第一区域。
14.根据权利要求13所述的垂直腔面发射激光器，其中所述第一区域包括正方型晶格而所述第二区域包括三角型晶格。
15.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述周期性折射率结构包括二维光子晶体并且破坏所述周期性折射率结构的周期性的部分是缺陷。
CNB2006100789408A 2005-04-28 2006-04-27 垂直腔面发射激光器 Expired - Fee Related CN100454697C (zh)

Applications Claiming Priority (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005131643 2005-04-28
JP130718/2005 2005-04-28
JP131643/2005 2005-04-28
JP2005130718 2005-04-28
JP2006052935A JP4027392B2 (ja) 2005-04-28 2006-02-28 垂直共振器型面発光レーザ装置
JP052935/2006 2006-02-28

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1855652A CN1855652A (zh) 2006-11-01
CN100454697C true CN100454697C (zh) 2009-01-21

Family

ID=37234374

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB2006100789408A Expired - Fee Related CN100454697C (zh) 2005-04-28 2006-04-27 垂直腔面发射激光器

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20060245464A1 (zh)
JP (1) JP4027392B2 (zh)
KR (1) KR100759603B1 (zh)
CN (1) CN100454697C (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108063365A (zh) * 2017-12-12 2018-05-22 中国科学院半导体研究所 电泵浦钙钛矿量子点激光器的制备方法

Families Citing this family (62)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4463569B2 (ja) * 2004-01-14 2010-05-19 パナソニック株式会社 レーザ装置
US7502393B2 (en) * 2004-12-02 2009-03-10 Canon Kabushiki Kaisha Light-emitting device having resonator and light source unit including the light-emitting device
JP4927411B2 (ja) * 2006-02-03 2012-05-09 古河電気工業株式会社 ２次元フォトニック結晶面発光レーザ
KR100736623B1 (ko) * 2006-05-08 2007-07-09 엘지전자 주식회사 수직형 발광 소자 및 그 제조방법
US7883914B2 (en) * 2006-05-29 2011-02-08 Alight Technologies A/S Method for fabricating a photonic crystal or photonic bandgap vertical-cavity surface-emitting laser
US7805041B2 (en) * 2007-03-21 2010-09-28 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Electromagnetic radiation amplification systems based on photonic gratings
JP5177130B2 (ja) * 2007-03-23 2013-04-03 住友電気工業株式会社 フォトニック結晶レーザおよびフォトニック結晶レーザの製造方法
JP4766704B2 (ja) * 2007-04-20 2011-09-07 キヤノン株式会社 面発光レーザ
JP5118544B2 (ja) * 2007-05-15 2013-01-16 キヤノン株式会社 面発光レーザ素子
JP2008299031A (ja) * 2007-05-31 2008-12-11 Canon Inc フォトニック結晶構造およびその製造方法
JP4941127B2 (ja) * 2007-06-28 2012-05-30 コニカミノルタホールディングス株式会社 光共振器
WO2009001699A1 (ja) * 2007-06-28 2008-12-31 Konica Minolta Holdings, Inc. ２次元フォトニック結晶面発光レーザ
JP4350774B2 (ja) * 2007-07-31 2009-10-21 キヤノン株式会社 面発光レーザ
JP4347369B2 (ja) * 2007-07-31 2009-10-21 キヤノン株式会社 面発光レーザの製造方法
JP5571870B2 (ja) 2007-09-21 2014-08-13 株式会社東芝 極微細構造を有する光透過型金属電極およびその製造方法
JP5084540B2 (ja) * 2008-02-06 2012-11-28 キヤノン株式会社 垂直共振器型面発光レーザ
JP4968959B2 (ja) * 2008-03-06 2012-07-04 キヤノン株式会社 フォトニック結晶および該フォトニック結晶を用いた面発光レーザ
JP5152721B2 (ja) * 2008-03-24 2013-02-27 国立大学法人横浜国立大学 半導体レーザ
JP5309877B2 (ja) * 2008-10-16 2013-10-09 住友電気工業株式会社 フォトニック結晶面発光レーザ素子
CN102667544B (zh) 2009-07-17 2015-09-02 惠普开发有限公司 具有聚焦能力的非周期性光栅反射镜及其制作方法
FR2948777B1 (fr) * 2009-07-30 2011-12-02 Centre Nat Rech Scient Dispositif de controle de frequence optique, procede de fabrication d'un tel dispositif
CN102483476B (zh) 2009-09-23 2014-11-26 惠普发展公司，有限责任合伙企业 基于衍射光栅的光学装置
US8842363B2 (en) * 2010-01-29 2014-09-23 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Dynamically varying an optical characteristic of light by a sub-wavelength grating
WO2011093893A1 (en) 2010-01-29 2011-08-04 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Optical devices based on non-periodic sub-wavelength gratings
WO2011093883A1 (en) * 2010-01-29 2011-08-04 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Multimode vertical-cavity surface-emitting laser arrays
CN102714395B (zh) 2010-01-29 2015-06-10 惠普发展公司，有限责任合伙企业 具有非周期性光栅的垂直腔表面发射激光器
KR101039948B1 (ko) * 2010-04-23 2011-06-09 엘지이노텍 주식회사 발광 소자, 발광 소자 제조방법 및 발광 소자 패키지
WO2012057788A1 (en) * 2010-10-29 2012-05-03 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Small-mode-volume, vertical-cavity, surface-emitting laser
EP2729997B1 (en) * 2011-07-04 2015-12-16 Danmarks Tekniske Universitet Laser device
CN102602878A (zh) * 2011-12-26 2012-07-25 南京邮电大学 基于硅衬底氮化物的光学微机电器件及其制备方法
CN102530822A (zh) * 2011-12-26 2012-07-04 南京邮电大学 悬空图形化氧化铪衬底氮化物谐振光子器件及其制备方法
GB2500232B (en) 2012-03-14 2015-07-22 Lamda Guard Technologies Ltd An optical device
US9020005B2 (en) * 2013-02-04 2015-04-28 Sandia Corporation Multicolor photonic crystal laser array
CN103185918B (zh) * 2013-03-18 2015-05-06 南京邮电大学 微机电可调氮化物谐振光栅
WO2015085479A1 (zh) * 2013-12-10 2015-06-18 华为技术有限公司 用于光交换系统的谐振腔器件
US11095096B2 (en) 2014-04-16 2021-08-17 Yale University Method for a GaN vertical microcavity surface emitting laser (VCSEL)
WO2015161488A1 (zh) * 2014-04-24 2015-10-29 华为技术有限公司 单模垂直腔面发射激光器收发模块及光信号传播方法
KR102262216B1 (ko) * 2014-05-07 2021-06-08 삼성전자주식회사 광변조기 및 이를 적용한 디지털 노광 장치
US10938177B2 (en) 2014-08-29 2021-03-02 Kyoto University Two-dimensional photonic crystal surface emitting laser
WO2016031966A1 (ja) 2014-08-29 2016-03-03 国立大学法人京都大学 ２次元フォトニック結晶面発光レーザ
CN107078190B (zh) 2014-09-30 2020-09-08 耶鲁大学 用于GaN垂直微腔面发射激光器(VCSEL)的方法
US11018231B2 (en) 2014-12-01 2021-05-25 Yale University Method to make buried, highly conductive p-type III-nitride layers
US10103514B2 (en) 2015-03-20 2018-10-16 Kabushiki Kaisha Toshiba Optical semiconductor device and method for manufacturing the same
EP3298624B1 (en) * 2015-05-19 2023-04-19 Yale University A method and device concerning iii-nitride edge emitting laser diode of high confinement factor with lattice matched cladding layer
JP5969677B2 (ja) * 2015-10-05 2016-08-17 ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル．ピー．Ｈｅｗｌｅｔｔ‐Ｐａｃｋａｒｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｍｐａｎｙ， Ｌ．Ｐ． マルチモードのモノリシック垂直共振器面発光レーザアレイ及びこれを用いたレーザシステム
CN108431580A (zh) * 2015-10-13 2018-08-21 加利福尼亚大学董事会 用于光连续区束缚态激光器光源的系统和方法
FR3046853A1 (fr) * 2016-01-19 2017-07-21 Commissariat Energie Atomique Cavite optique couplee optiquement a un guide d'onde.
CN108701965B (zh) * 2016-02-29 2020-08-25 国立大学法人京都大学 二维光子晶体面发光激光器及其制造方法
EP3646420B1 (en) * 2017-06-30 2022-06-01 Oulun yliopisto Method of manufacturing optical semiconductor apparatus and the apparatus
JP6580097B2 (ja) * 2017-09-05 2019-09-25 株式会社東芝 面発光量子カスケードレーザ
CN107579430A (zh) * 2017-09-26 2018-01-12 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 角度快速扫描集成非周期性高对比光栅垂直腔面发射激光雷达光源
CN111630735A (zh) * 2018-01-18 2020-09-04 Iqe公司 用于激光器应用的多孔分布式布拉格反射器
CN108923261B (zh) * 2018-10-24 2019-01-29 常州纵慧芯光半导体科技有限公司 垂直腔面发射激光器的像素结构及其制作方法
CN109873296B (zh) * 2019-01-29 2020-12-01 北京邮电大学 一种垂直腔面发射激光器芯片及制作方法
JP7306675B2 (ja) * 2019-02-22 2023-07-11 国立大学法人京都大学 ２次元フォトニック結晶面発光レーザ
JP7076414B2 (ja) * 2019-08-23 2022-05-27 株式会社東芝 面発光量子カスケードレーザ
CN111641108B (zh) * 2020-05-29 2021-09-24 南京邮电大学 一种硅基悬空光子晶体面发射型蓝光激光器及制备方法
CN113359219B (zh) * 2021-05-12 2023-04-07 上海交通大学烟台信息技术研究院 一种二维周期对称性光栅光谱过滤光学膜
CN113283608B (zh) * 2021-06-17 2022-10-28 南方科技大学 通用量子计算装置
JP2023016164A (ja) 2021-07-21 2023-02-02 株式会社東芝 面発光型半導体発光装置
CN113644547A (zh) 2021-08-09 2021-11-12 业成科技（成都）有限公司 光子晶体面射型激光结构
CN117526086A (zh) * 2024-01-04 2024-02-06 香港中文大学（深圳） 一种高斜率效率光子晶体面发射激光器及制备方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6154480A (en) * 1997-10-02 2000-11-28 Board Of Regents, The University Of Texas System Vertical-cavity laser and laser array incorporating guided-mode resonance effects and method for making the same
US20040013157A1 (en) * 2002-07-18 2004-01-22 Hongyu Deng High power single mode vertical cavity surface emitting laser
US20040091010A1 (en) * 2002-07-12 2004-05-13 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Photonic crystal single transverse mode defect structure for vertical cavity surface emitting laser
CN1507684A (zh) * 2001-03-09 2004-06-23 在垂直空腔表面发射激光器中用横向带隙构造模式控制
US6810056B1 (en) * 2002-09-26 2004-10-26 Finisar Corporation Single mode vertical cavity surface emitting laser using photonic crystals with a central defect
US20040213316A1 (en) * 2002-09-24 2004-10-28 Jan Lipson Methods for producing a tunable vertical cavity surface emitting laser

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100394096B1 (ko) * 1996-07-16 2003-09-22 삼성전자주식회사 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드 및 그 제조방법
KR19980082331A (ko) * 1997-05-06 1998-12-05 윤종용 이차원 광자 밴드갭 구조를 가지는 수직공진형 반도체 레이저 장치 와 그 제조 방법
KR20050034970A (ko) * 2003-10-10 2005-04-15 삼성전기주식회사 수직 공진기형 발광소자 및 제조방법

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6154480A (en) * 1997-10-02 2000-11-28 Board Of Regents, The University Of Texas System Vertical-cavity laser and laser array incorporating guided-mode resonance effects and method for making the same
CN1507684A (zh) * 2001-03-09 2004-06-23 在垂直空腔表面发射激光器中用横向带隙构造模式控制
US20040091010A1 (en) * 2002-07-12 2004-05-13 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Photonic crystal single transverse mode defect structure for vertical cavity surface emitting laser
US20040013157A1 (en) * 2002-07-18 2004-01-22 Hongyu Deng High power single mode vertical cavity surface emitting laser
US20040213316A1 (en) * 2002-09-24 2004-10-28 Jan Lipson Methods for producing a tunable vertical cavity surface emitting laser
US6810056B1 (en) * 2002-09-26 2004-10-26 Finisar Corporation Single mode vertical cavity surface emitting laser using photonic crystals with a central defect

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108063365A (zh) * 2017-12-12 2018-05-22 中国科学院半导体研究所 电泵浦钙钛矿量子点激光器的制备方法
CN108063365B (zh) * 2017-12-12 2020-11-13 中国科学院半导体研究所 电泵浦钙钛矿量子点激光器的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP2006332595A (ja) 2006-12-07
KR100759603B1 (ko) 2007-09-17
KR20060113472A (ko) 2006-11-02
CN1855652A (zh) 2006-11-01
US20060245464A1 (en) 2006-11-02
JP4027392B2 (ja) 2007-12-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100454697C (zh) 垂直腔面发射激光器
US7769067B2 (en) Vertical cavity surface emitting laser device
US8411722B2 (en) Vertical cavity surface emitting laser
US7795058B2 (en) Method for manufacturing optical element
US7733936B2 (en) Surface emitting laser
US7912107B2 (en) Vertical cavity surface emitting laser
US6683898B2 (en) Mode control using transversal bandgap structure in VCSELs
JP4709259B2 (ja) 面発光レーザ
US8416826B2 (en) Photonic crystal surface emitting laser
US8249126B2 (en) Photonic crystal and surface emitting laser using such photonic crystal
JP4533339B2 (ja) 面発光レーザ
TWI426673B (zh) Two - dimensional photonic crystal surface emitting lasers
US7830943B2 (en) Vertical cavity surface emitting laser and method of manufacturing two-dimensional photonic crystal of vertical cavity surface emitting laser
JP2000332351A (ja) 半導体発光デバイスおよび半導体発光デバイスの製造方法
JP2007234824A (ja) 垂直共振器型面発光レーザ
US10243330B2 (en) Optoelectronic device with resonant suppression of high order optical modes and method of making same
JP2007234721A (ja) 垂直共振器型面発光レーザ
JPH06177480A (ja) 半導体レーザ素子およびその製造方法
JPH09148679A (ja) 半導体発光素子

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20090121

Termination date: 20170427