CN100456583C - 二维光子晶体面发光激光光源 - Google Patents

二维光子晶体面发光激光光源 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种面发光激光光源，其能够得到直线偏振且具有中心附近的强度最强的单峰性的光束轮廓的激光。在有源层(23)的一侧，设置在板材(31)上正方格子状地配置空孔(311)或(312)的二维光子晶体。该空孔(311)和(312)，以发光侧的判明(B面)形状比有源层侧的平面(C面)形成更小的方式被设定。另外，B面和C面的重心的位置在面内方向错位。由此能够得到二维光子晶体的面内对称性变低、直线偏振且单峰性激光。

Description

二维光子晶体面发光激光光源
技术领域
本发明涉及从平面状的光源沿垂直于面的方向发射激光的面发光激光光源。
背景技术
以往以来，正使用着使用法布里·佩罗共振器的法布里·佩罗型激光光源，以及使用衍射光栅的分布反馈(Distributed Feedback；DFB)型激光光源。这些激光光源均通过共振和衍射而将规定波长的光放大而使激光振荡。
与此相对，近年，作为新型的激光光源，已经开发出使用光子晶体的器件。光子晶体是在由电介质构成的母材上人工地形成周期构造。周期构造，通常是通过在母材内周期地设置与母材折射率不同的区域(修正折射率区域：modified refractive index area)而形成。通过这种周期构造，在晶体内部产生布拉格衍射，并与光的能量相关地形成能量带隙。光子晶体激光光源是利用带隙效应而将点缺陷作为共振器而使用，并利用光的群速度为0的带端驻波的器件。通过放大任何规定波长的光而得到激光振荡。
在专利文献1中，记载了使用二维光子晶体的激光光源。该激光光源，在两枚电极之间设置包含发光材料的有源层，在该有源层的近旁形成二维光子晶体。该二维光子晶体是在板状构件上设置具有二维周期性的折射率分布的器件。通过使该周期构造的周期与有源层中所产生的光的介质内波长一致，使得通过注入来自电极的载流子而在有源层中产生的光，在二维光子晶体中借助于干涉而增强，并进行激光振荡。
在专利文献1中，公开了如下光子晶体：即通过在由半导体构成的层中周期性地(三角格子状、正方格子状、六边格子状)设置圆柱状(在层面内为圆形)的空孔而形成折射率分布。此时，借助于来自有源层的发光而在二维光子晶体的内部二维地形成驻波。图1示意性地表示二维光子晶体以及形成于其内部的驻波。在该图中，虽然仅一维地示出了在晶体面内的一方向(假设为x方向)的驻波，但是对于例如正方格子的情况在与此垂直的方向也形成驻波。若着眼于电场的y成分，则该驻波在二维光子晶体11内的空孔12部分，形成具有波节的模式和具有波腹的模式这两种模式。若将通过某空孔12的中心的轴(z轴)定义为对称轴，则前者关于该轴反对称，后者关于该轴对称。这里考虑到与外部平面波的耦合，沿z轴方向传播的平面的分布函数，关于x方向传播是同样的，与此相对，关于对称轴，对于反对称模式为奇函数，关于对称模式为耦函数。
若假定二维光子晶体的大小是无限的，则在对称模式中与外部平面波的重叠积分(overlap integral)，因此产生向面垂直方向的一次衍射光。与此相对，在反对称模式中与外部平面波的重叠积分是零，因此不产生向面垂直方向的一次衍射光。为此，在激光振荡中，封闭的强反对称模式较为适宜，但是该反对称模式不能沿垂直于面的方向取出。
在实际的二维光子晶体面发光激光器中，由于二维光子晶体的大小较为有限，因此反对称模式的光也出现对称性失调并能够从面垂直方向取出。但是在这种情况下在二维光子晶体的中心，由于高对称性而不能够将光沿面垂直方向取出。为此，激光束的剖面形状(光束轮廓)，成为中心强度低周围强度高的环状。考虑到与单模光纤的耦合，对于光束轮廓，中心处的强度最高的单峰型，比这种环形更为优选。
在专利文献2中，对如下面发光激光光源进行了记载：其为了改善激光向晶体外部的取出，而使用与晶体面相垂直的面中的空孔的剖面形状向着主要发光方向而渐减的二维光子晶体。在该光源中，能够将激光从二维光子晶体的一个面一侧有选择地取出，由此能够将取出的激光的强度作为整体而增强。但是，在专利文献2中没有对该光束轮廓进行研究，该激光光源中不能将该激光光束轮廓置为单峰性。
在专利文献3中对以下面发光激光光源进行了记载：即通过形成存在平移对称性而不存在旋转对称性的格子构造，而形成与该晶体母体平行的面内的对称性失调的二维光子晶体。这种对称性，通过例如将空孔以正方格子状配置，并将各空孔的平面形状设为正三角形而形成。在这种激光光源中，由于二维光子晶体的格子构造的对称性较低，因此即使在二维光子晶体的中心附近反对称模式的光也不会抵消，由此能够得到接近于单峰性的光束轮廓。
另外，按照专利文献3的激光光源，由于格子构造中不存在旋转对称因此能够得到直线偏振的激光。直线偏振的激光在与光纤的结合方面较为有利。
专利文献1：特开2000-332351号公报([0037]～[0056]，图1)
专利文献2：特开2003-273455号公报([0016]～[0018]，图1～3)
专利文献3：特开2004-296538号公报([0026]～[0037]，图1～图5)
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种二维光子晶体面发光激光光源，其光束轮廓接近于单峰性，且能够得到具有直线偏振的激光。
为解决上述问题而形成的本发明所涉及的、使用二维光子晶体的面发光光源，备有：在板状的母材中多数、周期性地配置与该母材折射率不同的区域即修正折射率区域而形成的二维光子晶体；以及设于该母材的一侧的有源层，其中，所述修正折射率区域以如下方式形成：即平行于所述母材的面中的剖面形状在有源层的相反一侧比在有源层侧小，并且有源层侧的所述剖面形状的重心与该相反一侧的所述剖面形状的重心错位。。
在本发明所涉及的面发光激光光源中，在有源层的一侧设置二维光子晶体。但是，有源层和二维光子晶体没有必要直接连接，也可以在两者之间插入隔挡层等构件。在有源层上，可以使用与以往以来用于法布里·佩罗型激光光源的器件相同的器件。在本发明的面发光激光光源中，利用来自二维光子晶体的有源层及其相反一侧的面的面发光。在以下中，以利用来自有源层的相反一侧的面的发光的情况为例进行说明，为了方便，将有源层的相反一侧的面称为“发光侧的面”。
通过在板状的母材上多数、周期地配置与之折射率不同的区域(修正折射率区域)，而形成二维光子晶体。在本发明中，修正折射率区域的形状具有以下两个特征。(i)平行于板状的母材的面中的剖面形状(平面形状)为，发光侧比母材的有源层侧小。(ii)有源层侧的平面形状的重心和发光侧的平面形状的重心在面内方向错位。
由于本发明所涉及的二维光子晶体具有这样的结构，因此若从有源层侧观察，则二维光子晶体内的修正折射率区域的周期构造，在发光侧对称性较低。本发明所涉及的面发光结构光源中，电场的x方向和y方向成分在有源层中是主要成分。可是，对于二维光子晶体内的电场的z方向(垂直于二维光子晶体的方向)的成分，发光侧的面比有源层侧的面更大。由此，包含x方向和y方向的电场的时间平均强度，在发光侧的面的一方也比在有源层侧的面更大。在本发明中，通过使发光侧的面的修正折射率区域的对称性比有源层侧的面的低，能够使向二维光子晶体内的光的封闭性减弱，激光不易向外部被放出。
另外，修正折射率区域的平面形状的重心在有源层侧和发光侧在面内方向错位，因此在该二维光子晶体中垂直于母材的轴的圆周方向的旋转对称性丧失。如此，在由于晶体的面内方向的对称性较低，因此在设有该二维光子晶体的激光光源中，在二维光子晶体的中心附近反对称模式的光不相互抵消，由此，能够得到接近于单峰性的光束轮廓。另外，由于没有旋转对称性，因此如上述那样，能够将直线偏振的激光取出。
以往以来，已经研究了通过旨在将光束轮廓接近于单峰性的直线偏振的激光取出，而降低修正折射率区域的面内方向的对称性的方案(专利文献3)。在本发明中，按照上述，即使在垂直于板状的母材的方向，通过赋予形状的变化的新颖的技术思想，也能够降低面内方向的对称性。由此，能够更自由地调整修正折射率区域的形状。
例如将表面的平面形状设计为与有源层侧和发光侧的相似形且将发光侧的一方缩小，并通过使两者的重心的位置错位，或使发光侧的平面形状在有源层侧的平面形状的一部分欠缺，从而能够形成满足上述特征(i)和(ii)的修正折射率区域。
在如上述那样设置有源层侧的面和发光侧的面对修正折射率区域的平面形状设置差异的情况下，可以使两面之间(母材的内部的平面)的形状的变化设计为直线状，也可以设计为台阶状。设计为台阶状在制造上较为便利。
除了通过上述策略而降低面内对称性，借助于有源层侧和/或发光侧的平面形状，能够进一步降低面内的对称性。例如，能够将有源层侧和发光侧的平面形状设为正三角形或椭圆形。由此，能够进一步提高光束轮廓的单峰性和直线偏振性。
置于修正折射率区域的周期配置，是正方格子、三角格子、六角形的蜂窝状。这其中，从与激光振荡相关的能带的数目较少这一方面出发，正方格子较为优选。
修正折射率区域中，从能够将与母材的折射率之差增大这一点出发，以及从制造上容易这一点出发，设计为空孔较为优选。然而，在制造时需要将二维光子晶体和其他层以高温度熔接的情况下，为了防止熔接时修正折射率区域变型，也可以在母材上埋设某些构件而形成修正折射率区域。
本发明的二维光子晶体面发光激光光源的动作基本上与以往的情况相同。通过施加电压而向有源层注入载流子，由此能够从有源层内的发光层得到发光。通过如此而得到的光通过二维光子晶体接受反馈，能够在有源层和光子晶体层中形成驻波，而产生激光振荡。因此，通过满足上述条件，能够从发光面向垂直于面的方向发射激光。
附图说明
图1是表示二维光子晶体内的驻波的反对称模式和对称模式的图线。
图2是表示本发明所涉及的二维光子晶体面发光激光光源的一个实施例的立体图。
图3是表示本实施例中的二维光子晶体层内的空孔的形状的剖面图。
图4是表示本实施例的二维光子晶体面发光激光光源的制造方法的一例的剖面图以及俯视图。
图5是表示二维光子晶体中的光子带(photonic band)的例子的图线。
图6是表示比较例中的二维光子晶体层内的空孔的形状的剖面图。
图7是表示图6(a)的比较例中的、二维光子晶体内的电场分布以及从结晶面分离的面中的电场分布的图。
图8是表示使用图3(a)(本实施例)以及图6(a)(比较例)的空孔时的二维光子晶体的Q值的图线。
图9是使用图3(a)的空孔时的二维光子晶体内的电磁场分布的图线。
图10是表示图3(b)(本实施例)以及图6(b)(比较例)的空孔时的二维光子晶体的Q值的图表。
图11是表示图3(b)(本实施例)以及图6(b)(比较例)的空孔时的二维光子晶体内的电磁场分布的图。
图中：21-阳电极，22-阴电极，23-有源层，24-二维光子晶体层，25、311、312、411、412-空孔，261、262、263-隔挡(space)层，271、272-包覆层，28-接触层，321、322、422-台阶。
实施方式
使用图2说明本发明所涉及的二维光子晶体面发光激光光源的一个实施例。在阳电极21和阴电极22之间，设置具有由铟镓砷(InGaAs)/砷化镓(GaAs)构成的具有多重量子阱(Multi-Quantum Well；MQW)的有源层23。在有源层23上，隔着由p型GaAs构成的隔挡层261，而设置同样由p型GaAs构成的二维光子晶体层24。二维光子晶体层24是在板材上以正方格子状周期地配置空孔25的器件。另外，在该图的例子中，隔挡层261和二维光子晶体层24作为一片一体的层而形成，仅在位于上侧的二维光子晶体层24的一方形成空孔25。在有源层23和阳电极层21之间设置由p型GaAs构成的隔挡层262、由p型AlGaAs构成的包覆层271、以及由p型GaAs构成接触层28。另外，在有源层23和阴电极22之间设置由n型GaAs构成的隔挡层263以及由n型AlGaAs构成的包覆层272。另外，在图2中，为了示出二维光子晶体层24的结构，而将隔挡层262和二维光子晶体层24之间空出而描绘。
本实施方式的激光光源的动作，基本上来说，与以往的二维光子晶体面发光激光光源相同。若在阳电极21和阴电极22之间施加电压，空穴从阳电极21侧，电子从阴电极22侧，分别注入有源层23，并通过空穴和电子的再结合而发光。该光通过二维光子晶体层24而接受反馈而进行激光振荡。该激光从接触层28(出射面)向外部取出。
在本实施例中，使用图3(a)和(b)所示的两种空孔。(a)、(b)均是上侧面的图是垂直于板材31的面(A面)的剖面图，下侧的面是平行于板材31的面(B面、C面)的剖面图(俯视图)，(a)中，空孔311的平面形状是有源层侧，与发光层均为正三角形，通过大致中央的台阶321而将发光侧(B面)设置得比有源层侧(C面)更小。由于两正三角形共有一个顶点34，因此两者的重心在垂直于底边的方向上错位。在图中，作为一例，示出了发光层侧的正三角形的底边位于有源层侧的正三角形的重心311上的情况。(b)中，空孔312在有源层侧(C面)中为圆形，在发光层侧(B面)具有借助于弦而使其一部分缺损的形状。
在备有形成了这种空孔311的二维光子晶体层24的面发光激光器中，虽然即使假设B面形状和C面形状相同，通过所谓的基于正三角形的空孔的正方格子结构使得面内的旋转对称性较低，但是如上述那样，通过对B面形状和C面形状设置差异，面内对称性进一步变低。因此在备有形成了上述空孔312的二维光子晶体层24的面发光激光器中，通过这种低对称性，能够得到具有接近于单峰性的光束轮廓的直线偏振的激光。
使用图4说明本实施例的二维光子晶体面发光激光光源的制造方法。另外，由于阳电极21、阴电极22、有源层23、隔挡层263、包覆层271和272、以及接触(contact)层28能够通过与以往相同的方法制作，因此，这里以对具有空孔312的二维光子晶体层24进行制作的情况为例进行说明，但是具有空孔311和其他空孔的二维光子晶体层也能够同样地被制作。
在由p型GaAs构成的基板51上，涂布电子束(EB)描绘用抗蚀剂(resist)52((a)下图)。接下来，在与抗蚀剂52上的空孔312相对应的位置照射EB。这里，以如下方式设定每单位面积的EB的照射时间：即空孔312从有源层侧向发光侧贯通的区域53b的照射时间，在发光侧没有形成比空孔312的区域53a的照射时间长((a)上图)。通过该处理，在抗蚀剂52上形成，在区域53b贯通至基板51的表面而在区域53a挖掘到抗蚀剂52的中途的、台阶状的孔54。另外，在图中虽然示出了一个孔54，但是实际上在抗蚀剂52上周期性地对此形成多个。另外，孔54能够通过纳米印码(nano-imprint)法等其他方法而形成。纳米印码法是如下方法，即形成具有大约数纳米尺寸的图案的模子，并将此按压在抗蚀剂膜上而进行抗蚀剂的微细图案化。
接下来，利用氯气进行干蚀刻。在蚀刻的初期，对于基板51，仅在表面露出的区域53b中进行干蚀刻(c)。此时，抗蚀剂52也慢慢地被氯气所蚀刻，不久在区域53a，基板51的表面也露出(d)。此后，区域53a、53b的双方被蚀刻。从蚀刻开始经过规定时间后，结束蚀刻。由于区域53b的一方比区域53a的一方被蚀刻的时间长，因此区域53b的一方更深，并且形成被蚀刻的台阶状的空孔312(e)。在基板51中，在比空孔312的区域53b侧的底更靠近下侧处，成为隔挡层262。接下来，除去抗蚀剂52(f)。
将二维光子晶体层24，与预先由通常方法制作的形成于有源层23上的p型GaAs构成的隔挡层261叠合(g)，并通过加热到200～700℃而使两者熔接(h)。由此，完成了本实施例的二维光子晶体面发光激光光源。
接下来，例举比较例，而对将具有设有空孔311和空孔312的二维光子晶体的面发光激光光源中的二维光子晶体的Q值等进行计算的结果，进行说明。
首先，说明以下的计算中所使用的二维光子晶体的光子带(photonicband)。图5(a)是如本实施例那样的以正方格子状配置空孔时的光子带图。为了比较，(b)示出了将空孔配置设为格子状时的光子带图。另外，(a)是将空孔设为椭圆形时的计算结果，但是空孔是其他形状的情况也基本相同。
(b)的情况中，在k＝0(Γ点)附近形成6条带，与此相对，(a)的情况中，带是比(b)的情况少的4条。在该4条带中，低能量(低频率)侧的两条带的带端A、B赋予激光振荡。在具有有限周期构造的实际的装置中，通常在F点附近具有平坦的分布关系的带端B的Q值具有较大地下降的倾向，F点附近的倾斜较大的带端A易于被选择为激光振荡点。为此，为了得到稳定的激光动作，优选设计为，在无限周期系统中Q值在带端A的一方比带端B更高。
为了与在上下面中大小不同、重心错位的空孔311相比较，而对将上下面做成同一形状的三角形状的空孔411(图6(a))的情况进行了计算。使用图6(a)的二维光子晶体的面发光激光光源记载于专利文献3中，其目的在于与本实施例同样得到以单峰性直线偏振的激光。图7(a)表示这种情况下的带端A的二维光子晶体内的电场分布，以箭头的长度和方向表示电场的强度和方向。x轴方向的电场的成分Ex关于x成为反对称，与此相对，y轴方向的电场的成分Ey关于y轴成为非对称。这时因为空孔的平面形状关于y轴为非对称的缘故。若如此保持Ex的反对称性而使Ey的反对称性失调，则能够维持面内的二维相干性的同时而将直线偏振的光取出到面外。图7(b)表示从结晶面离开7a(a是正方格子的周期，即光子晶体的晶格常数)的面的电场。可知，在y方向强，并偏振。
如此，通过使空孔的形状的对称性失调(这里是使镜像对称性失调)而将光取出的方式，暗示了能够通过构造而控制Q值。实际，虽然在周期性地无限配置具有圆形平面形状的空孔的构造中，Q值无限大，但是在三角形的空孔中Q值为有限。因此，假定将该比较例的空孔411无限地配置为正方格子状的构造，并于图8中示出了通过三维FDTD法计算该情况下的Q值所得的结果。图中的空心圆圈、实心圆圈分别表示对带端A和带端B进行计算的符号。这里，填充因数(FF：fill factor)是空孔的体积比率，在本比较例中通过空孔的面积/单位单元(unite cell)的面积而计算。在带端A，如图7(a)所示的那样，由于电场以环绕空孔的方式分布，因此空孔越大构造变化的影响越大。另一方面，虽然图示出了电场分布，但是由于在带端B的模式中电场以避开空孔的方式而分布，因此Q值维持大约10万～200万的高等级。为此，很有可能，不是最适于激光振荡的带端A而是带端B的模式被选择为激光振荡。并且，由于Q值非常高，因此几乎不能将激光取出到面外。虽然由于在实际的二维光子晶体中尺寸有限而能够将光取出到面外，但是通常认为得到的是中心强度弱的环形的光束形状。
因此，对设置与上述比较例不同的、对称性的失调的图3(a)所示的空孔311的情况(本实施方式)进行研究。并在图8中以实心圆符号(带端A)和实心四方符号(带端B)表示此时的Q值的计算结果。这里，如图3(a)所示的那样，将空孔311的、发光侧比台阶321的高度和台阶321的x轴方向的宽度w同时设为相同的值r，并对r＝0.1a、0.13a、0.19a的情况进行计算。FF值(空孔的体积/单位单元的体积)分别为0.173(r＝0.1a时)，0.164(r＝0.13a时)，0.140(r＝0.19a时)。FF值为0.140时，带端A中Q＝5007.7，带端B中Q＝2855.5。由此，对于其Q值比带端B更高的带端A能够得到激光共振，并且由于带端A的Q值是大约数千的值，因此能够得到中心强度为强的单峰性的光束。
图9示出了使用空孔311时的二维光子晶体内的电磁场分布。在该图中，与上述同样地以箭头的长度和方向表示电场的强度和方向，以颜色的浓淡表示磁场的强度。在图的中心附近，存在空孔。由于带端A中空孔附近的电场强度变强，因此可以认为较强地受面内形状变为非对称所产生的影响。因此，即使不如本实施例那样在上下面形状方面设置差异，也能够降低Q值。与此相对，由于在带端B以避开空孔的方式形成电场，因此通常认为，不仅设置面内非对称性而且在上下面形状方面设置差异才能够降低Q值。
接着，示出对设有图3(b)所示的空孔312的激光光源进行计算的结果。为了比较，对于设有图6(b)的空孔412的激光光源进行同样的计算。空孔412，在比台阶422更靠近上侧是圆，而在比台阶422更靠近下侧是具有圆的一部分欠缺的形状的空孔。因此，在空孔312和空孔412中，将发光侧的形状和有源层侧的形状进行了替换。
图10示出了Q值的计算结果。本实施例与比较例的情况相比，Q值更小。由于在比较例中带端A的Q值高达34525，因此对带端A选择性地产生共振，由于该光是高Q值，因此难以被取出到外部。与此相对，在本实施方式中，带端A、带端B的双方的Q值是数千量级，因此能够得到激光共振，并能够把激光取出到外部。
至于形成平面形状的非对称性，在空孔412中是在比台阶422更靠近有源层侧，而与此相对，在空孔312中比台阶322更靠近发光面侧。因此，越接近发光面将平面形状的非对称性设得越强，由此可以认为来自发光面的光的取出变得更加容易。
图11表示本实施例(空孔312)和比较例(空孔412)的情况的二维光子晶体内的电磁场分布。本实施例与比较例相比，因此也是带端B与带端A相比，电场分布的节(nodes)相对于单元中心错位更大。因此，Q值越小电场分布的对称性越低。
在本发明中，按照上述，能够比旨在得到单峰性/直线偏振的以往的二维光子晶体面发光激光光源更自由地调整修正折射率区域(空孔)的形状。其中，通过使用具有上述形状的空孔311和312，能够得到单峰性、直线偏振、并且强度强的激光。

Claims (6)

1、一种使用二维光子晶体的面发光激光光源，备有：在板状的母材中多数、周期性地配置与该母材折射率不同的区域即修正折射率区域而形成的二维光子晶体；以及设于该母材的一侧的有源层，其中，
所述修正折射率区域以如下方式形成：即平行于所述母材的面中的剖面形状在有源层的相反一侧比在有源层侧小，并且有源层侧的所述剖面形状的重心与该相反一侧的所述剖面形状的重心错位。
2、根据权利要求1所述的使用二维光子晶体的面发光激光光源，其特征在于，
所述修正折射率区域的、垂直于母材的面的剖面形状，为台阶状。
3、根据权利要求1或2所述的使用二维光子晶体的面发光激光光源，其特征在于，
所述修正折射率区域的有源层侧的平行于所述母材的面中的剖面形状是正三角形，有源层的相反一侧的平行于所述母材的面中的剖面形状为比所述有源层侧的所述剖面形状更小的正三角形。
4、根据权利要求1或2所述的使用二维光子晶体的面发光激光光源，其特征在于，
所述修正折射率区域的有源层侧的平行于所述母材的面中的剖面形状是圆形，有源层的相反一侧的平行于所述母材的面中的剖面形状，是使该圆的一部分欠缺的形状。
5、根据权利要求1或2所述的使用二维光子晶体的面发光激光光源，其特征在于，
所述修正折射率区域被配置为正方格子状。
6、根据权利要求1或2所述的使用二维光子晶体的面发光激光光源，其特征在于，
所述修正折射率区域，通过由空孔或与母材折射率不同的材料构成的构件而形成。
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