CN101308996B - 表面发射激光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种表面发射激光装置。该表面发射激光装置可以进一步地提高其光发射效率，以扩大该装置的自由度。该表面发射激光装置包括：活性层(103)；与所述活性层相邻地设置的光子晶体层；设置在所述光子晶体层上的电极(108)；以及由所述电极调节的多个光发射区。所述光子晶体层被配置为包括：正好设置在所述电极之下且具有用于光在平面内共振的周期性折射率结构的第一光子晶体区(104)，以及正好设置在所述光发射区之下且具有用于在与所述平面垂直的方向上发射光的周期性折射率结构的第二光子晶体区(105)。

Description

表面发射激光装置
技术领域
本发明涉及一种表面发射激光装置。
背景技术
近年来，表面发射激光装置一直被积极地研究。表面发射激光器具有很多优点，例如，容易被集成和按阵列布置(array)，以及与外部光学系统具有良好的耦合效率。
因此，表面发射激光装置有望应用于诸如通信、电子摄影术和传感之类的领域。尤其，表面发射激光装置已经在通信领域例如红外线短程通信中投入实际应用。
有几种表面发射激光器。作为其中的一种，有一种激光装置通过使光在平行于基板的方向共振从而通过将激光衍射入垂直于基板的方向来将振荡激光取出，从而实现表面发射功能。
作为这种衍射型表面发射激光器，第一专利文献(日本专利申请公开No.2000-332351)公开了一种使用二维光子晶体的第二级衍射效应的发明。
在本发明中，光子晶体被引入到半导体激光器的活性层的附近，在活性层中发射的光由于光子晶体的第二级衍射效应而在平面内振荡。
然后，该表面发射激光器被配置为通过同一光子晶体的第一级衍射将振荡激光取出到垂直于平面的方向中。
近来人们强烈地期望开发具有更高性能的表面发射激光器，就激光器的设计自由度及其光发射效率来说，在第一专利文献中所公开的上述相关技术光栅表面发射激光装置还有进一步改进的空间。
发明内容
本发明涉及能够进一步提高其光发射效率和扩大其设计自由度的表面发射激光装置。
根据本发明，可以实现能够进一步提高其光发射效率和扩大其设计自由度的表面发射激光装置。
从下述参照附图对示例实施例的描述中，本发明的其它特征将变得显而易见。
附图说明
图1是示出本发明示例实施例的表面发射激光器的基本配置的截面图。
图2是示出本发明示例实施例的二维光子晶体的透视图。
图3是示出本发明示例实施例的光子能带结构的示意图。
图4是示出当从平行于其基板的方向观看时本发明第一实例的表面发射激光器的配置的截面图。
图5A和5B是示出本发明第一实例中的光子晶体层的视图，其中，图5A是示出当从垂直于其基板的方向观看时表面发射激光器中的整个光子晶体层的截面图，图5B是图5A中所示的区域503的放大图。
图6A和6B是示出本发明第一实例中的第一光子晶体区的视图，其中，图6A是示出第一光子晶体区中的光子能带和共振模式的示意图，图6B是示出在共振模式中的光的衍射的示意图。
图7A、7B和7C是示出本发明第一实例中的第二光子晶体区的光子能带的示意图，其中，图7A是示出第二光子晶体区中的光子能带和共振模式的示意图，图7B是示出在共振模式中垂直于平面的光的衍射的示意图，图7C是示出在共振模式中在平行于平面的方向的光的衍射的示意图。
图8是示出激光装置的平面图，该平面图示出当从上面观看时本发明第一实例中的p电极。
图9A和9B是示出在本发明的表面发射激光器中引入的第一光子晶体区中的光子能带的示意图，其中，图9A是示出在第一光子晶体区中的光子能带和另一个共振模式的示意图，图9B是示出在共振模式中的光衍射的示意图。
图10是示出当从平行于其基板的方向观看时本发明第二实例的表面发射激光器的配置的截面图。
图11是示出当从平行于其基板的方向观看时本发明第三实例的表面发射激光器的配置的截面图。
图12A和12B是示出本发明第三实例中的光子晶体层和p电极的视图，其中，图12A是示出当从平行于其基板的方向观看时表面发射激光器中的整个光子晶体层的平面图，图12B是示出当从上面观看时该激光装置的平面图。
图13是示出当从平行于其基板的方向观看时本发明第四实例的表面发射激光器的配置的截面图。
图14A和14B是示出本发明第四实例中的光子晶体层的视图，其中，图14A是示出该表面发射激光器中的整个光子晶体层的视图，图14B是图14A中的区域1404的放大图。
图15是示出在本发明第二实例中的表面发射激光器中当第二波导模式用于共振光时的光分布，以及光子晶体、SCH层和活性层之间的位置关系的示意图。
具体实施方式
接下来，描述本发明示例实施例的表面发射激光装置。
图1是示出本示例实施例的激光装置的概念图，但是本发明不局限于这一配置。
如图1所示，该激光装置包括基板101、下包层102、上包层106和活性层103。而且，该激光装置还包括光子晶体层109、第一周期性结构区104、第二周期性结构区105、下电极107和上电极108。
在本示例实施例中配置一种表面发射激光装置，该表面发射激光装置包括活性层、与该活性层相邻地设置的光子晶体层、形成在该光子晶体层上的电极、以及发射光的光发射区。此时，二维周期性折射率结构(二维光子晶体)用作光子晶体层。
该光子晶体是由具有以光波长的量级的周期性的折射率的材料制成的结构，并且能够通过控制设计参数来控制在晶体中传播的光。
基于形成周期性折射率的方向，该光子晶体可以被分类为一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体。
本示例实施例使用其中的二维光子晶体。
作为二维光子晶体的实例，例如，图2中所示的光子晶体是众所周知的。该光子晶体包括薄刨床介质(planer medium)201，孔202周期性地形成在该薄刨床介质中。该光子晶体称为空气孔型片状光子晶体。
通过在半导体激光器的活性层附近提供二维光子晶体，该光子晶体可以用作平面内的共振镜(resonance mirror)，并用作将振荡光衍射入与其平面垂直的方向的衍射光栅。
具体来说，本示例实施例的表面发射激光装置按以下方式实现表面发射。从该激光装置的活性层发射的光主要被限制在活性层中，一部分光还被限制在活性层附近的光子晶体层中。
在光子晶体层中的光由于折射率的周期性结构而在平面内发生衍射和共振，并且由于活性层的增益而发生振荡。此时，只有针对折射率周期处于最佳共振条件下的模式和波长的光才产生激光振荡。
该振荡激光通过光子晶体而发生衍射且被衍射入垂直于该平面的方向，并实现表面发射。上述第一专利文献描述了由类似于此的原理驱动的表面发射激光装置。
本示例实施例的特点在于，在活性层附近提供的光子晶体层在功能上被分为两个或更多个区域。
即，光子晶体层被分成在每个区域中光都在平面内共振的区域(第一光子晶体区)和其中光发射入垂直于平面的方向的区域(第二光子晶体区)。
在下文中，描述本示例实施例中的光子晶体的功能。
在本实施例中，示例性地描述在具有3.45的折射率的介质中以正方形点阵的方式形成柱形孔的情况。
该柱体的高度小到100nm到200nm的量级，除了柱体部分以外的其它部分(即，该区域包括二维光子晶体的高折射率介质部分和相邻的包层)由折射率为3.45的介质制成。包层厚达1μm到2μm。
图3是示出在图1所示的位置上引入光子晶体(PhC)的情况下通过使用有效折射率近似而计算得到的光子能带的视图。
该光子能带图示出在动量空间中在晶体中的光的频散的状态。
在图3中，由于除了平面内的共振以外在Γ点处的共振模式还包括衍射入垂直于平面的方向的主要衍射，所以在光子晶体的平面内共振和振荡的激光被取出并放入垂直于该平面的方向。在Γ点处的该模式通常用于激光振荡。
但是，在光子能带中的每个都具有低于光线(由图3中的点线表示)的不同于Γ点的高对称性的点(X点、M点)中的模式(在图3中分别由圆圈包围的区域301和302)中，共振只发生在平面内的方向上，而且没有光能够被取出到垂直于该平面的方向。
因为当激光的表面发射被实现时，在垂直于平面的方向的衍射是很重要的，而对于振荡，该衍射在平面内的共振中是损耗，所以在激光振荡的时候，只在平面内实现共振更有效。
由于以上所有的原因，在本实施例中光子晶体的功能被分为区域，在一种区域中光主要在平面内共振(第一光子晶体区)，在另一种区域中光发射入垂直于平面的方向(第二光子晶体区)。
接着，第一光子晶体区在电极之下形成，第二光子晶体区正好在光发射区之下形成。
在图1的情况中，第一光子晶体区对应于第一光子晶体区104(在下文中也称为“区域104”)，该第一光子晶体区104为用于平面内共振的专用区。而且，第二光子晶体区对应于第二光子晶体区105(在下文中也称为“区域105”)，该第二光子晶体区105为对垂直于该平面的方向的衍射很重要的区域。
因此，具有低于光线的不同于Γ点的上述模式的光子晶体在第一周期性结构的区域104中形成，并且具有Γ点处的模式的光子晶体在第二周期性结构的区域105中形成.
通过采用这样的配置，可以更有效地产生激光振荡。
此外，通过将光子晶体的两种功能即在平面内的共振和在垂直于平面的方向上的衍射分别分布到不同的光子晶体，可以实现用主要对各自功能最优的参数设计激光装置和光子晶体，而且设计的自由度变得更大。
能带图中模式的选择可以通过适当设计参数例如光子晶体的点阵常数和孔半径来实现。
而且，由于需要使共振光的动量矢量方向保持相互一致，所以，必须适当调整光子晶体中的周期性结构的方向。
而且，此时光子晶体的边界部分的耦合效率并不是100％，并且一部分光在光子晶体的界面处被反射。
但是，在这种情况中，由边界表面反射到区域104的传播光的相位能够与区域104中的共振光的相位一致。
此外，在边界处的反射可以通过在区域104和区域105的边界处形成反射控制结构来控制。
此外，在这种情况中，从边界表面反射到区域104的传播光的相位可以与区域104中的共振光一致。
可以在此时形成的反射控制结构能够采用下述形式。例如，在两个区域的边界表面中的平面内挖出形状为直线或曲线的一层凹槽，并且，填入具有相互不同的折射率的介质。这样，可以通过控制凹槽宽度和折射率差来调整反射。
或者，还有通过在每四分之一光波长处形成多个凹槽来调整反射率的方法。
而且，由于在除了区域104与区域105之间的边界以外的区域104的外边界部分处(例如在台面凹槽中)没有提供防止光泄漏的机构，所以，可以在区域104的外侧适当地提供反射机构。
通过在光子晶体部分中形成光学厚度不同于λ/2(由于λ/2是抗反射的波长)的凹槽，可以配置反射机构。而且，通过使用用于反射的光子晶体或光栅结构将区域104的周边包围，可以配置反射机构。
二维周期性折射率结构(光子晶体)被用于本示例实施例中，并且光被二维地导入许多方向。
因此，当采用上述配置时，振荡光从一个或多个方向均匀地供给到区域105。另一方面，在一维周期性结构中光只从两个方向供给。因此，取出光的效率在二维周期性折射率结构的情况下高于在一维周期性折射率结构的情况下。此外，如果区域105形成于光子晶体区的边缘侧上，并且来自区域104的光的进给通路被截获在一个方向或两个方向上，则二维周期性结构的使用使得能够使用光的另一进给通路，并使该配置能够比使用一维周期性结构的情况更有效地向区域105供给振荡光。
而且，从活性层发射到与在一维周期性结构中的周期性结构的方向不同的方向的整个自激发射基本上变成了对振荡不起作用的损耗。由于在二维周期性结构中在多个方向上发生反馈从而减少了损耗，所以与在一维周期性结构中不同，提高了供给振荡光的效率。
此外，由于在图1中的区域105以下的活性层充当光吸收层，所以，考虑到激光装置的效率，可以适当地去除激活区。
而且，尽管在图1所示的配置中，在活性层的上侧上形成包括区域104和105的光子晶体层109，但是光子晶体层109也可以在活性层的下侧上形成。此外，可以在活性层的上侧和下侧上形成两个或更多个光子晶体层。
而且，在区域104和105中的光子晶体可以在不处于同一平面上的层中形成。例如，可以设想到这样一种配置，即：其中，区域104置于活性层的下侧上，区域105置于活性层的上侧上。下面将针对第二实例描述该配置。
而且，作为区域105，两个或更多个光衍射部分可以相互独立地形成。从每个区域105发射的光的相位被调整，并且所述光以相同相位从区域105的所有光阑中发射。因此，所述光可以用作监测光。下面作为第三实例描述该配置。
在上文中，只描述了通过在高折射率介质中形成低折射介质(孔)来配置光子晶体的实例。但是，也可以采用在低折射率介质中引入高折射率介质的配置。
可以采用这样一种配置，其中引入到高折射率介质的低折射率介质以例如三角形点阵、正方形点阵或在同心圆上的扩展形状构成。
或者，可以采用不同的配置，其中，低折射率介质以准晶体结构的形式形成或者非常随机地引入且相互之间的距离小于某一长度。
而且，低介电常数介质可以采用多种形状，例如柱体、方棒、三角棒和椭柱体。
而且，尽管在上面检验了使用高折射率介质和低折射率介质的两种介质的配置的情况，但是通过扩展可以考虑进一步引入第三介质和第四介质的情况。
此外，将描述构成光子晶体区的材料。
该光子晶体可以通过使用例如半导体、电介质和金属之类的这些材料制成。
而且，导电的透明导电介质等也可以使用。该光子晶体可以通过周期性地布置两种或更多种任意不同的材料来配置。
但是，在通过电流注入驱动装置的情况中，要采用的材料中至少有一种可以适当地为导电半导体、导电金属或透明导电介质。
该光子晶体区的位置可以适当配置为使其尽量靠近活性层的位置(与活性层相邻)。即，需要在能够使光子晶体与从活性层发射的光耦合的位置上提供光子晶体。
而且，如果活性层自身作为光子晶体，则这样的配置是最优选的。
作为可用的半导体材料，可以引用III-V族半导体例如GaAs、AlGaAs、AlInGaP、GaInAsP、GaInNAs、GaN、AlN和InN，以及它们的任意的混合晶体。
而且，除了它们以外，可以引用II-VI族半导体，例如ZnSe、CdS和ZnO，以及它们的任意的混合晶体。而且，也可以使用各种有机半导体。在电介质中，可以使用很多材料，例如SiO2、TiO2、Al2O3、Nb2O5、CeO2、ZrO2和HfO2。
在金属中，可以使用所有固态金属晶体，例如Au、Ag、Cr和Co。
而且，作为透明导电介质，可以引用氧化铟锡(ITO)、SnO2、In2O3、ZnO等，其中，氧化铟锡是透明导电氧化物。作为光子晶体镜面的成分，可以使用对振荡波长透明或吸收少量光的介质。
因此，可以适当使用对振荡波长透明的半导体或电介质。
描述在本示例实施例中电极的配置和载流子注入活性层的方法。
在本实施例中，提供阳极和阴极的一对电极，并且通过载流子注入将载流子从所述电极注入活性层。
在发射光的方向(在下文中，该方向称为上方向(upperdirection))上，所述电极覆盖所有的区域104。
于是，在区域105的上方向上没有提供电极以成为光阑。在与光的振荡方向相反的方向(在下文中称为下方向(lower direction))上没有形成光阑。
通过采用这样的配置，可以有效地向区域104供给载流子，该区域104用于振荡，从区域105发射的用于衍射的光可以不被中断地发射。
作为构成电极的材料，可以使用所有的金属材料，包括用于常规半导体激光处理的材料。
例如，Au-Ge-Ni和Au-Ge-Pt材料用于GaAs的n电极，Ag-Zn和Au-Zn材料用于p电极。
而且，除了金属以外，导电透明氧化物材料例如ITO、SnO2和InO2也可以用于电极。
接下来，描述本实施例的表面发射激光装置的活性层和包层。
用于半导体激光器的双异质结构、多量子阱结构、应变量子阱结构、量子点结构等可以应用于活性层。
在这种情况下，用于活性层的半导体材料与上文描述的那些半导体材料相同。
而且，固态激光器的增益介质例如Ti：蓝宝石和Nd：YAG(钇石榴石)也可以使用。
而且，用于限制振荡光的分离限制异质结构(SCH)层也可以引入在活性层和包层之间。
在活性层的上面位置和下面位置上引入包层，并且活性层位于这些包层之间。在本示例实施例中，上包层与光子晶体层相邻，但是有时光子晶体形成于包层中。
可以使用诸如半导体、电介质和透明导体之类的材料。当该装置通过电流注入被驱动时，包层可以适当地由半导体、透明电极等制成。
在这种情况下，上包层和下包层中的一个需要被掺杂为n型半导体，另一个掺杂为p型半导体。于是，半导体层向活性层供给载流子。半导体、电介质和透明导体的具体材料与上文描述的那些相同。
(实例)
(第一实例)
在第一实例中描述应用本发明的表面发射激光装置。图4是示出本实例的表面发射激光器的配置的视图。
图4是示出当从平行于其基板的方向观看时本实例的表面发射激光器的配置的截面图。
如图4所示，该表面发射激光器包括基板401、下包层402、下SCH层403、活性层404和上SCH层405。
该表面发射激光器还包括第一光子晶体区406和第二光子晶体区。
该表面发射激光器还包括上包层408、电极接触层409、n电极410和p电极411。
在本实例中，基板是GaAs基板，其厚度设置为525μm。
下包层和上包层分别是n型和p型(Al0.7Ga0.3)0.5InP，厚度分别为2.0μm和1.0μm。
下SCH层和上SCH层分别是n型和p型(Al0.5Ga0.5)0.5InP，厚度为50nm。
活性层由无掺杂的(Al0.5Ga0.5)0.5InP/In0.56Ga0.44P多量子阱结构形成，阱的数目是3层，每一层都具有6nm的层厚。上包层和覆盖层的材料是GaAs，它们的厚度各自为10nm。
n电极和p电极的材料分别为Au-Zn和Au-Ge-Ni。
光子晶体层(该层包括第一光子晶体区406和第二光子晶体区407)具有150nm的厚度，由p型(Al0.5Ga0.5)0.5InP制成。
在本实例的装置中，布置光子晶体的方法是很重要的。下面将描述该方法。
图5A和5B是示出本实例光子晶体层的视图。
图5A是示出当从垂直于其基板的方向观看时在表面发射激光器中的整个光子晶体层的截面图。
如图5A所示，该光子晶体层包括第一光子晶体区501和第二光子晶体区502。图5B所示的区域用图5A中的包围区503表示。
图5B是图5A中所示的区域503的放大图。
如图5B所示，区域503包括第一光子晶体区孔504和第二光子晶体区孔505。
在本实例中，采用其中第二光子晶体区502由第一光子晶体区501包围的配置。
在这种情况下，第一光子晶体是用于振荡的光子晶体，第二光子晶体是用于激光衍射的光子晶体。
关于这两种光子晶体以什么原理工作，其与针对本发明示例实施例描述的方式相同。
在本实例中，第一光子晶体区和第二光子晶体区都由光子晶体配置成，该光子晶体包括在正方形点阵中具有柱形孔的介质。
在第一光子晶体区中，孔的周期为135nm，孔的半径为30nm。在第二光子晶体区中，孔的周期为200nm，孔的半径为20nm。
这些光子晶体参数从以下观点引入。图6A和7A分别示出第一光子晶体区和第二光子晶体区的光子能带图。
每个光子能带都是通过使用有效折射率近似的二维平面波扩展方法计算得到的，这两个光子能带都是通过在具有正方形光栅和柱形孔的光子晶体中的计算而得到的。
相对于点阵常数，这两种光子晶体的孔都具有相互不同的半径。纵轴表示由光子晶体的点阵常数归一化的频率。
参照图6A和6B，描述第一光子晶体区501。图6A是该区域中的光子能带图，所使用的模式由包围线601表示。
图6B是示出传播光在包括光子晶体孔602的第一光子晶体区501中衍射的状态的示意图。
在光子晶体区中，如图6A所示，使用在M点处的光子能带模式。
这里，在平面内的光衍射发生在光子晶体中的晶胞的对角线方向上。例如，图6B中所示的从左下方向入射的入射光(白色箭头)能够在光栅点处衍射到三个黑色箭头的方向。
从其它三个方向入射的入射光以相似关系衍射。
为了防止解释变得复杂，在这里示出仅仅从左下方向入射的入射光的衍射光。
在光栅点处衍射的光进一步衍射到三个方向，在正方形点阵的对角线方向上的多个衍射继续在该区发生。
在由线601包围的M点处的模式中，这些光各自形成驻波，并在光子晶体中具有共振效应。
参照图7A、7B和7C，描述第二光子晶体区502。
图7A是该区域中的光子能带图，所使用的模式由包围线701表示。
图7B和7C是示出传播光在包括光子晶体孔702和703的第二光子晶体区502中衍射的状态的示意图。
在光子晶体区中，如图7A所示，使用光子能带中的Γ点处的模式。
于是，如图7B所示，光满足垂直于光子晶体表面的方向的布喇格条件，并在这里被衍射入该方向。
而且，如图7C所示，衍射发生在平面方向内的晶体中的周期性方向上。在平面方向上，每一束光通过多个衍射在光栅点处衍射入四个方向，并与第一光子晶体区中相似，处于驻波状态。
可以只对在第二光子晶体区中在垂直于平面的方向上衍射的光进行考虑。由于在垂直方向上的衍射光是激光器的损耗，所以，孔的直径可以减小到尽可能的小，而且为了降低其阀值，发射分量可以减少到尽可能的少。然而，如果阈值降低太多，则不会发生衍射。因此，需要适当地调整阀值。
在考虑在第一光子晶体区和第二光子晶体区中的期望频率(670nm)的情况下，光子晶体的点阵常数由光子能带的归一化频率获得。
为了获得单一模式共振，第一光子晶体区501的点阵常数为第二光子晶体区502的点阵常数的大约。
而且，在第二光子晶体区502中，确定孔的半径使得衍射入垂直于基板的方向的衍射效率可能合适。由于随着孔半径变小衍射效率也变小，所以，通过逐渐减小孔的半径来找到最佳点。在本实例中，孔的半径设置为点阵常数的10％。
在光子晶体的边界区域中，当光从区501传播到区502时，必需满足能量守恒定律和动量守恒定律。
通过调整点阵常数使得在区501和502中共振模式的频率如上所述的那样可相互一致，能够满足能量守恒定律。
通过调整晶体取向使得在区501和502中共振模式的传播方向可相互一致，能够满足动量守恒定律。
如图6B和7B所示，由于在这里确定了光传播的方向，所以，可以通过调节在区域501和502中的相互之间的晶体取向或许旋转45°来满足上述条件。
接下来，参照图8，描述在本实例中的p电极的结构。
图8是当从上面观看时本实例的激光装置的视图。该激光装置包括p电极801和光阑部分802。该电极覆盖第一光子晶体区501的上部分，针对本发明的示例实施例所述，该第一光子晶体区501为激光振荡区，并供给载流子。
而且，在第二光子晶体区502的上部上不提供电极，该第二光子晶体区502用于光衍射，并形成为光阑。
在第二光子晶体区中衍射的激光从光阑部分发射。由于来自电极的电流也扩散到光阑部分侧，所以，光阑部分的面积可以形成为大于第二光子晶体区。
接下来，描述该装置的制作方法。
除了众所周知的半导体激光器制造过程以外，本实例的激光装置还可以通过EB光刻、干法蚀刻、晶片熔接(wafer fusion)技术等的方法来制成。
当本实例的激光装置通电时，从光阑部分发射具有670nm波长的激光。
尽管在本实例中第一光子晶体区的参数被配置为使用的M点处的模式，但是，如图9A所示，也可以使用X点处的模式。
在这种情况下，光的共振方向是图9B所示的四个方向，并且各个入射光只被衍射到相反的方向。相互耦合的模式只是图9B的纵向方向和横向方向的两个方向。
光到晶体取向的共振方向与第二光子晶体的那些共振方向相同，因此，在第一光子晶体区和第二光子晶体区中，晶体取向彼此相等。
在本实例中，AlGaAs/AlGaInP系列化合物半导体用作配置该装置的材料，而AlGaInP/GaInP多量子阱结构用于活性层。但是，也可以用其它的材料系列来配置。
作为其它的材料系列，可以使用在本发明示例实施例中引用的所有的半导体材料，例如GaN、InN和AlN。
而且，可以使用在示例实施例中引用的所有的透明导电介质、电介质、金属等材料。
而且，尽管在本实例中使用了正方形光栅形状的光子晶体，但是该形状也可以形成为三角形光栅。
在三角形光栅的情况下，与晶体正方形光栅的情况相似，在考虑衍射方向和共振波长的情况下确定晶体布置和点阵常数。
具体来说，存在下述两种情况。
作为其中的一种情况，存在这样的情况，即：其中，第一光子晶体的点阵常数是第二光子晶体的点阵常数的大约一半，并且晶体取向彼此相等。
作为其中的另一种情况，存在这样的情况，即：其中，第一光子晶体的点阵常数是第二光子晶体的点阵常数的大约
Figure S2008100992478D00151
，而相互之间的晶体取向旋转30°。
而且，除了上述晶体结构以外，也可以采用在本发明示例实施例中描述的所有的晶体结构。
而且，在本实例中，每一个孔都被形成为圆柱体型的孔，但是也可以使用在本发明示例实施例中描述的例如多边形孔的其它形式的光子晶体。
此外，可以引入使光子晶体的客观性质失调的子光栅。
而且，在本实例中所有的光子晶体都形成在包层中，但是光子晶体也可以形成在SCH层中。而且，可以使用包括作为该光子晶体的一部分的活性层的光子晶体以及自身制成为光子晶体的活性层。
(第二实例)
在上述第一实例中描述了配置实例，其中，第一光子晶体区和第二光子晶体区在同一光子晶体层中形成。在第二实例中，这两个区域在不同的光子晶体层中提供，并且描述了被分成上部和下部的形式的表面发射激光装置。图10示出用于说明本实例的表面发射激光器的配置的视图。
图10是示出当以平行于本实例中的表面发射激光器的基板的方向观看时该表面发射激光器的配置的截面图。
如图10所示，该表面发射激光器包括基板1001、下包层1002、第一光子晶体区1003、下SCH层1004、活性层1005、上SCH层1006、第二光子晶体区1007、上包层1008、上包层覆盖层1009、n电极1010和p电极1011。
在本实例中，除了第一光子晶体区和第二光子晶体区及活性层以外，该装置的所有的配置、大小和材料与第一实例中的那些相同。在下文中只描述与第一实例不同的部分。
本实例被配置为在从同一平面分开的不同层中提供第一光子晶体区和第二光子晶体区。
第一光子晶体区1003与下SCH层1004相邻。
而且，与第一实例相比，第二光子晶体区1007在上SCH层1006之上的150nm处形成，第二光子晶体区1007被配置为嵌入在上包层1008中。
顺便提一下，诸如点阵常数和孔半径之类的参数都与第一实例中的那些相同。
此外，关于功能，与第一实例的那些功能相似，在第一光子晶体区1003中振荡的激光在第二光子晶体区1007中被衍射，从而发射入垂直方向。
此时，由于在本实例中第一光子晶体区1003存在于第二光子晶体区1007的下部，所以，在光衍射区内各自的模式被混合以便互相耦合。
与第一实例相似，区域1003中的第一光子晶体被设计用来放大平面内的共振，区域1007中的第二光子晶体被设计用来使在垂直于平面的方向上的衍射可以取合适的值。因此，这些特性在本实例中共存。因此，与只通过第二光子晶体配置该区域的情况相比，在平面中的反馈效应没有减少。而且，由于第二光子晶体在平面内也具有共振效应，所以，第一光子晶体区和第二光子晶体区二者的平面内的共振分量相加，从而产生等于或大于在第一光子晶体区中的共振效应。
根据本实例的配置，由于用于共振的光子晶体区(区域1003)和用于衍射的光子晶体区(区域1007)被分成不同的层，所以，振荡和衍射的效率可以根据各个层到活性层的距离来控制。
顺便提一下，在本实例中，光的共振使用第0级波导模式，但是也可以使用更高级的波导模式。例如，解释使用第二波导模式的情况。图15是图10中的视图的中心部分的放大图。该中心部分包括第一光子晶体区1503、下SCH层1504、活性层1505、上SCH层1506和第二光子晶体区1507。第二波导模式的电场强度分布1508被示出。该电场强度分布1508在第一光子晶体区和第二光子晶体区以及活性层1505中的每一个处都具有电场分布的局部最大值。通过使用这种模式，当在活性层中保持较大的电场分布时，第一光子晶体区和第二光子晶体区能够具有较大的电场分布，因此与在同一波导结构中的第0级的情况相比，反馈效应被更加增强了。
这种第二模式的导波是通过调节活性层1505、下SCH层1504、上SCH层1506、第一光子晶体区1503和第二光子晶体区1507的厚度来实现的。
具体来说，在考虑每个层的折射率值的情况下，所有上述层的厚度的总和(＝波导层的厚度)被调整为某一值或更大。所述某一值可以通过使用每个层的实际折射率来基于光传播理论获得。
在本实例中，所有的光子晶体都形成在包层中。但是光子晶体也可以形成在SCH层中。而且，该光子晶体可以部分地包含活性层，或者活性层自身可以用作光子晶体。通常，由于光子晶体位于离活性层较近的位置，因此用于共振的光子晶体(区域1503)可以适当地具有较大的光限制分量。
而且，用于光衍射的光子晶体(区域1507)也可以通过控制活性层和光衍射部分之间的距离来控制光的衍射效率。
随便提一下，可以在活性层和用于光衍射的光子晶体(区域1507)之间适当地设置合适的距离，使得在衍射部分的衍射效率可以具有合适的值。
而且，如上所述，由于在第二光子晶体区中在平面内的共振分量强，并且，在本实例中，在该区域中的没有接收到电流注入的活性层充当吸收层，因此损耗变得更大。
因此，正好在第二光子晶体区之下的活性层可以被除去，并且损耗可以通过提供Al0.8Ga0.2As层来减少，其中该Al0.8Ga0.2As层具有与活性层相同的折射率和相同的厚度。
关于本实例的激光装置的制造方法，该激光装置可以基本上通过使用与第一实例的那些处理相同种类的已知的处理来制造。
而且，将第一光子晶体区和第二光子晶体区分开到不同层能够通过比第一实例更多次的接合处理和再生处理实现。
(第三实例)
作为第三实例，描述装配有一个或多个光发射区的表面发射激光器。
图11是示出本实例的表面发射激光器的配置的视图。
图11是示出当从平行于其基板的方向观看本实例的表面发射激光器时该表面发射激光器的配置的截面图。
如图11所示，该表面发射激光器包括基板1101、下包层1102、下SCH层1103、活性层1104和上SCH层1105。
该表面发射激光器还包括第一光子晶体区1106和第二光子晶体区1107。
该表面发射激光器还包括上包层1108、覆盖层1109、n电极1110和p电极1111。
除了在本实例中提供多个光发射区以外，构成本装置的所有材料和大小都与第一实例的那些相似。
在本实例中的装置中，布置光子晶体的方法是重要的。下面描述该方法。
图12A和12B是示出本实例的光子晶体层的视图。
图12A是示出当从垂直于基板的方向观看该光子晶体层时在表面发射激光器中的整个光子晶体层的截面图。
如图12A所示，该光子晶体层包括第一光子晶体区1201和第二光子晶体区1202。
本实例被配置为在两个位置处的第二光子晶体区1202可以被第一光子晶体区1201包围。
下面参照图12B描述在本实例中的p电极的结构。
图12B是示出当从其上方向观看本实例的激光装置时该激光装置的视图。该激光装置包括p电极1203和光阑部分1204。此外，在本实例中，与第一实例相似，在用于光衍射的第二光子晶体区1202的上方不提供电极，并形成为光阑。尽管在本实例中存在两个光阑部分，但是还可以形成更多的光阑。
在本实例中的激光装置可以通过与第一实例相似的处理技术制造。
当本实例的激光装置被通电时，激光以相同的相位从两个光阑部分同时发射。与第一实例相似，激光的波长为670nm。类似于本实例，从多个光阑部分发射相干激光的表面发射激光器可以将来自每个光阑的光分开到要使用的若干部分中。
例如，来自某一光阑的光可以用作光源，于是，来自其余光阑的光可以作为监控输出的光。
随便提一下，在形成多个光阑部分的情况中，区域1202必须与区域1201相邻，该区域1201为激光的供应源。在这种情况下，为了形成近似圆形的发射点，区域1202可以适当配置为被区域1201包围的封闭区域。圆形发射点具有使用光学系统例如透镜等轻易地耦合光纤的优点。
(第四实例)
在第四实例中，描述了提供有反射调整层的表面发射激光器。
图13是示出本实例的表面发射激光器的配置的视图。
图13是示出当从平行于其基板的方向观看本实例的表面发射激光器时该表面发射激光器的配置的截面图。
如图13所示，该表面发射激光器包括基板1301、下包层1302、下SCH层1303、活性层1304、上SCH层1305、第一光子晶体区1306、第二光子晶体区1307、光子晶体边界反射调整层1308、上包层1309、上包层覆盖层1310、n电极1311和p电极1312。
除了第一实例的装置的配置以外，本实例还配置为在第一光子晶体区和第二光子晶体区中的边界表面上新引入光子晶体边界反射调整层1308。
由于其它元件的配置、大小和材料都与第一实例的那些相似，所以，下文只描述与第一实例不同的部分。
图14A和14B是示出本实例的光子晶体的视图。
图14A是当从垂直于表面发射激光器的基板的方向观看该光子晶体层时在表面发射激光器中的光子晶体层的截面图。
如图14A所示，该表面发射激光器包括第一光子晶体区1401、第二光子晶体区1402和光子晶体边界反射调整层1403。包围区1404表示在图14B中所示的区域。
图14B是图14A中所示的区域1404的放大图。
区域1404包括第一光子晶体区孔1405、第二光子晶体区孔1406和光子晶体边界反射调整层1407。
在本实例中，引入到第一光子晶体区和第二光子晶体区中的光子晶体边界反射调整层形成为圆形深凹槽，并且，空气或氮气填充在光子晶体边界反射调整层中。
光子晶体边界反射调整层的功能是：当在第一光子晶体区中振荡的激光被引导到第二光子晶体区中时，由于该调整层的折射率不同而放大在该边界表面上的反射。
因此，被引导到第二光子晶体区的光的比例减小，并且，光被限制在第一光子晶体区中更长的时间。
由于随着光共振的时间变得更长，激光器的阈值电流变得更低，所以，通过采用像本实例这样的配置，能够进一步改善激光装置的性能。
但是，如果反射提高得太多以至于不能取出光，则这种状态对于激光装置不是优选的。为了防止这种现象发生，在边界区域中的反射可以通过调整填充在凹槽中的介质来调整。
在本实例中，简单地增加反射是不好的，而控制反射是重要的。
直到使用其中给本发明的激光装置提供光反射层的配置，该控制才得以实现。该控制在性质上与第一专利文献的技术不同，在第一专利文献中，更理想的是反射变得更高。
而且，与第一专利文献相似，该调整层形成为穿透三层从光子晶体层到上SCH层1305、活性层1304和下SCH层1303的深凹槽，以便将凹槽的影响施加到所有在活性层的周围传播的光分量上。每个凹槽的大小是150nm宽和400nm深。
下面描述通过本实例制造该装置的方法。此外，在本实例中，该装置可以通过使用与第一实例相似的制造技术制造。对本实例要求的东西只是增加用于制造边界反射层的EB抹灰打底处理和干法蚀刻处理。
在本实例中，尽管采用填充诸如空气或氮气之类的气体的凹槽结构作为每个光子晶体边界反射层的结构，但是，除去气体以外，为了调整反射而填充的材料可以是电介质、半导体、透明导体等。
此时，要求要填充的材料的折射率不同于在构成光子晶体的介质中具有高折射率的介质的折射率。
随着这两种介质的折射率之间的差变大，反射变大，但是，由于反射可以通过每个凹槽的宽度进行调整，所以这两种介质的折射率之间的差可以适当地放大。
而且，通过填充可以动态地控制折射率的液晶，也能够动态地控制反射。
虽然已经参照示例实施例对本发明进行了描述，但是应该理解本发明并不局限于所公开的示例实施例。所附权利要求的范围应当给予最广义的解释，以便包括所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (8)

1.一种表面发射激光装置，包括：
活性层；
具有二维周期性折射率结构且与所述活性层相邻地设置的光子晶体层；
设置在所述光子晶体层上的电极；以及
发射光的光发射区，其中
所述光子晶体层包括：
设置在所述电极之下且具有用于光在平面内共振的周期性折射率结构的第一光子晶体区，以及
设置在所述光发射区之下且具有用于在与所述平面垂直的方向上发射光的周期性折射率结构的第二光子晶体区，
其中，所述第二光子晶体区包括具有在Γ点处的光子能带模式的光子晶体，并且，所述第一光子晶体区包括具有在低于光线的不同于Γ点的光子能带边缘处的光子能带模式的光子晶体。
2.根据权利要求1所述的表面发射激光装置，其中：
所述第一光子晶体区和所述第二光子晶体区形成在同一光子晶体层中。
3.根据权利要求1所述的表面发射激光装置，其中：
所述第一光子晶体区和所述第二光子晶体区分别形成在不同的光子晶体层中，以便在垂直于所述平面的方向上被分开。
4.根据权利要求1所述的表面发射激光装置，其中：
提供一个以上的所述光发射区。
5.根据权利要求1所述的表面发射激光装置，其中：
所述光子晶体具有其中柱形孔以正方形点阵的形式布置在介质中的结构，
所述第一光子晶体区的点阵常数是所述第二光子晶体区的点阵常数的(1/2)1/2倍大，并且
所述第一光子晶体区的晶体取向与所述第二光子晶体区的晶体取向成45°的角度。
6.根据权利要求1所述的表面发射激光装置，其中：
所述光子晶体具有其中柱形孔以三角形点阵的形式布置在介质中的结构，
所述第一光子晶体区的点阵常数是所述第二光子晶体区的点阵常数的(1/3)1/2倍大，并且
所述第一光子晶体区的晶体取向与所述第二光子晶体区的晶体取向成30°的角度。
7.根据权利要求1所述的表面发射激光装置，其中：
所述光子晶体具有其中柱形孔以正方形点阵的形式布置在介质中的结构，
所述第一光子晶体区的点阵常数是所述第二光子晶体区的点阵常数的1/2倍大，并且
所述第一光子晶体区的晶体取向与所述第二光子晶体区的晶体取向相同。
8.根据权利要求1所述的表面发射激光装置，其中：
反射控制结构形成在所述第一光子晶体区和所述第二光子晶体区之间。
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