CN101421889B - 具有用于衍射导波的光子晶体镜的vcsel - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有新颖结构的表面发射激光器，该表面发射激光器消除了在基板侧上的光子晶体层的界面处设置低折射率介质的需要。多层镜(1300)、有源层(1200)和折射率周期性地改变的折射率周期性结构层(1020)层叠在垂直于基板(1500)的方向上。折射率周期性结构层被构造为将垂直入射到该折射率周期性结构上的波长为λ的光至少分为透射光和衍射光。多层镜被构造为对于衍射光的反射率高于对于透射光的反射率。在包括折射率周期性结构层和多层镜的波导中实现谐振模式。

Description

具有用于衍射导波的光子晶体镜的VCSEL
技术领域
本发明涉及表面发射激光器。
背景技术
近年来，积极地开展了关于使用光子晶体的光学器件的研究。APPLIED PHYSICS LETTERS 88，081113(2006)公开了一种关于表面发射激光器的技术，该表面发射激光器包括二维光子晶体和多层镜。
更具体地，如图5所示，在Si基板3000上设置有由硅层3110和SiO2层3120交替层叠构成的布拉格镜3100。在布拉格镜3100之上经过SiO2的接合层3200设置有二维光子晶体板3300。二维光子晶体板3300包括In0.53Ga0.47As、InP势垒层、以及InAs0.65P0.35的量子阱层。在这种结构中，板3300的平均折射率估计大约为3.2。
折射率为1.0的空气在基板的相对侧上形成二维光子晶体板界面。折射率约为1.4的接合层3200(SiO2)在基板侧上形成二维光子晶体板界面。
由于以这种方式在板3300的两侧上设置有空气和接合层3200，而空气和接合层3200都是折射率比板3300的折射率低的介质，因此在板3300中产生的光被限制在板3300内。结果，在板3300的面内方向上实现了谐振模式(激光振荡的一种放大模式)。另外，由于除了面内谐振模式之外，在垂直于该面内方向的方向上还存在辐射模式，因此实现了表面发射激光器。
还已经说明实际上某些光从板3300漏出，并且通过以布拉格镜返回漏到基板侧的光，从而提高Q值。
发明内容
然而，在如上所述在光子晶体板内实现谐振模式的结构中，必须在界面处在所述板之上和之下布置折射率低于该板的折射率的介质。这是因为，除非将板夹在折射率低于板的折射率的介质之间，否则不能在板内实现波导模式。
具体地，在基板侧上的光子晶体板的界面处设置具有低折射率的介质是对制造工艺的约束。在上述公知文档中，由于不能在Si或SiO2上直接生长InP，所以采用层叠技术。
因此，本发明提供一种具有新颖结构的表面发射激光器，该表面发射激光器消除了在基板侧上的折射率周期性地改变的折射率周期性结构层(下文有时将其称为光子晶体层或PhC层)的界面处设置折射率低于PhC层的折射率的介质的需要。
本发明在其第一个方面提供一种以波长λ振荡的表面发射激光器，该表面发射激光器包括多层镜、有源层和折射率周期性地变化的折射率周期性结构层。该多层镜、有源层和折射率周期性结构层被层叠在垂直于基板的方向上。折射率周期性结构层将波长为λ的垂直入射在折射率周期性结构层上的光至少分为透射光和衍射光。多层镜对于衍射光的反射率高于其对于透射光的反射率。包括折射率周期性结构层和多层镜的波导具有谐振模式。
根据本发明，提供了一种具有新颖结构的表面发射激光器，该表面发射激光器消除了在基板侧上的PhC层的界面处设置折射率低于PhC层的折射率的介质的需要。
根据以下参照附图对示例性实施例的描述，将明了本发明的其他特征。
附图说明
图1是用于描述本发明的光子晶体层的示意性剖面图。
图2是用于描述本发明的表面发射激光器的示意性剖面图。
图3是用于描述根据本发明示例性实施例的示意性剖面图。
图4是用于描述根据本发明示例性实施例的示意性剖面图。
图5是用于描述背景技术的图。
具体实施方式
参照图1和图2描述本发明。图1是用于描述应用于本发明的光子晶体层的图。
在图1中，二维光子晶体层1020包括周期性地设置的微孔(pore)1010和用于隔离微孔1010的区域1000。二维光子晶体层是指折射率二维周期性地变化的层。
包层1100邻近光子晶体层1020。垂直进入光子晶体层的入射光1030变为透射光1040和衍射光1050。
在本发明中，使用通过对进入光子晶体层并且具有振荡波长λ的入射光1030的角度θ(θ既不是0度也不是90度)的衍射获得的衍射光作为衍射光1050。稍后将详细描述用于实现这种衍射的光子晶体层。透射光1040与入射光1030的入射方向形成0度角。
图2是用于描述根据本发明的表面发射激光器的示意性剖面图。
基板1500上形成有多层镜(DBR，分布式布拉格反射镜)1300。另外，多层镜1300上形成有下包层1105、有源层1200、上包层1100和光子晶体层1020。需要注意的是，多层镜1300的层叠方向垂直于基板1500。
通常，多层镜1300被设计为使得垂直入射在该镜上的光的反射率为最大。
然而，在本发明中，多层镜中各个层的厚度被设计为使得，对于以关于垂直方向成θ角(该角例如设置在20度到80度的范围内)入射到基板上的光(对应于图1中的1050)的反射率(第二反射率)高于对于垂直入射在基板上的光的反射率(第一反射率)。例如，进行这样的设计，使得第二反射率是99％以上且100％以下。更优选地，进行设计，使得第二反射率是99.9％以上，并且更进一步优选地，使得第二反射率是99.99％以上。第二反射率越接近100％越好。
另外，空气侧上的光子晶体层1020的界面与多层镜1300之间的距离d被如下设计。
即，使得作为以角度θ入射到多层镜1300上的光的光路1051与被多层镜反射从而返回到相距微孔间的间隔“a”的位置的光的光路1052之和的光路长度是振荡波长λ的整数倍长度。
下面，描述一个示例情况，其中实际设计了根据本发明的表面发射激光器。
首先，确定振荡波长λ。然后，确定当从垂直于基板的方向观看光子晶体层时，光子晶体层平面图的以四方晶格的形式形成的光子晶体内的微孔间的间隔(晶格间距)a。光子晶体的晶格结构不限于四方晶格，并且可以是例如三角形晶格结构。
进行设计，使得当以角θ从某个微孔的位置入射到多层镜上的光1051被该镜反射，从而返回相距间隔a的位置时，满足相位匹配条件。
垂直入射到光子晶体层上的光以角θ衍射的条件是n·a·sinθ＝mλ，其中n是图2中包层1100的有效折射率。注意，在某些情况下，有效折射率n涉及基板侧上的有源层1200和包层1105的影响，需要将其考虑在内。
虽然m是自然数，但将基于m＝1的假设进行下面的描述。在上述的衍射条件中，当λ和“a”被确定时θ被确定。优选地，角度θ的范围超过光子晶体层和空气之间的界面处的全反射的临界角。当θ被确定时，几何地确定d。
当d被确定时，作为光路1051和1052之和的光路长度被确定。确认该光路长度是否满足振荡波长的整数倍的条件(相位匹配条件)。当不满足该条件时，改变“a”以便进行设计，使得满足相位匹配条件。
实际上，优选地，根据考虑了Goos-Haenchen位移和光子晶体层的折射率的有效厚度设计厚度d。另外，微孔的直径(当微孔在基板的面内方向上的剖面是圆形时，该直径是指该圆的直径)大约为晶格间距的40％。实际上，微孔的直径被设计为在晶格间距的20％到60％的范围内。光子晶体层的厚度例如是晶格间距a的一半。注意，虽然假设当光返回到与某个微孔相距间隔a的位置时，满足上述的相位匹配条件，但可以假设例如在相距“a”的整数倍的位置满足相位匹配条件。
如下设计形成多层镜1300的各个层。即，当每个层的折射率是ni时，该层的厚度被设置为λ/(4·ni·cosθi)。此处，严格地讲，θi是由每个层的界面和光的传播方向所成的角，但是存在某些情况，其中可将θi统一地定义为从包层1105到多层镜的入射角。
以这种方式，可以使得每个层对于以相对于垂直方向成角θ入射在多层镜上的光的反射率为最大值或接近最大值。更具体地，可以使得以角θ入射到所述镜上的光的反射率高于垂直入射到该镜上的光的反射率。另外，由于以θ之外的角(例如，以角度θ±20°)入射到多层镜上的光的反射率低于以角θ入射的光的反射率，所以当光以θ之外的角度入射到多层镜上时，其他波导谐振模式的限制效率被降低了。结果，可以抑止多模振荡。
从有源层侧入射到光子晶体层的格点上的光保持由垂直于基板的面内方向的轴和入射光的路径所成的角，并且被沿相对于该垂直轴旋转0度、±90度和180度的入射光路径的方向衍射到基板侧。入射到光子晶体层上的光多次重复多层反射镜1300处的该衍射和反射，并且返回原始入射光路径，从而产生谐振。另外，在谐振器中放大的光被在垂直于基板的方向上从光子晶体层衍射，即，以类似于衍射光1060的方式衍射，以便具有表面反射功能。由于在所有格点产生相同的现象，所以可以在整个区域上产生相干激光振荡。
作为所述有源层，可以选择通过载流子注入发光的有源层，通过光泵发光的有源层等。特定的例子是半导体的多量子阱结构。通过将有源层定位在谐振器中驻波电磁场的强度大的位置，可以给予激光大的增益。
以这种方式，可以实现这样一种表面发射激光器，其中在由光子晶体层1020和多层镜1300形成的波导中，相对于多层镜的层叠方向成对角地产生谐振。
在本发明中，如上所述，形成这样的结构，从而在由光子晶体层1020和多层镜1300形成的波导中存在谐振模式。结果，消除了将光限制在光子晶体层内的需要，从而在基板侧上光子晶体层的界面处布置低折射率介质不是必不可少的。
注意，在本发明中，只要能实现上述的谐振模式，也可以在基板侧上光子晶体层的界面处布置低折射率介质。本发明的特征仅在于这种低折射率介质的布置不是必不可少的。
注意，可以在基板和多层镜之间设置除该多层镜之外的反射镜(例如，多层镜)，所述反射镜对于透射光的反射率高于对于衍射光的反射率。这允许将发射到基板侧的光反射到有源层侧，并且可以提高到基板侧的相对侧的表面发射光的提取效率。
另外，可以应用于本发明的光子晶体层例如具有折射率周期性结构，其中折射率在面内方向上周期地并且二维地改变。该结构可以是四方晶格结构或三角形晶格结构。
可以在折射率周期性结构中引入缺陷(微孔间距为“a”并且与某个微孔相距“a”的位置处没有应当存在于那里的微孔的情况)。通过引入这种缺陷，可以在该缺陷处调整光提取效率。注意，形成光子晶体层的晶格不必为微孔，并且可以给微孔填充折射率与其周围的折射率不同的材料，例如，树脂。
光子晶体层的材料可以是例如半导体，更具体地，可以是Al0.5Ga0.5As或Al0.6Ga0.4N。
多层镜的材料可以是例如半导体多层膜，更具体地，可以是Al0.5Ga0.5As/GaAs或Al0.6Ga0.4N/GaN。
[示例性实施例1]
首先，参照图3描述根据本发明的第一示例性实施例。
在GaAs基板2500上生长包括70对具有59nm厚度的n-Al0.93Ga0.07As层和具有52nm厚度的n-Al0.5Ga0.5As层的多层反射镜2300。生长方法例如是MOCVD。
多层反射镜被设计为当从n-Al0.93Ga0.97As包层的入射角大约为24度时，该多层反射镜对于具有670nm波长的光的反射率最大。
在多层反射镜上生长可以用于形成谐振器的n-Al0.93Ga0.07As包层2105、GaInP/AlGaInP多量子阱层2200、p-Al0.93Ga0.07As包层2100和p-Al0.5Ga0.5As板层2000。
对板层2000的上表面涂覆抗蚀剂。通过电子束曝光，在该抗蚀剂上形成半径为100nm且晶格间距为500nm的二维四方晶格圆形图案。
在对抗蚀剂显影后，使用以SiCl4/Ar等离子进行的反应离子蚀刻来形成p-Al0.5Ga0.5As板层内的二维微孔串2025。在形成该微孔串之后，移去抗蚀剂。
在基板2500之下形成下电极2805，并且在板层2000之上形成上电极2800。
当电流被馈入以这种方式制造的激光器时，有源层发光，并且通过激光振荡，可以在与基板垂直的方向上发射波长为670nm的激光。
[示例性实施例2]
如图4所示，根据本发明的第二示例性实施例的特征在于，在第一示例性实施例的基板2500和多层反射镜2300(其是第一多层反射镜)之间包括第二多层反射镜2350，图4示出了其主要部分。
第二多层反射镜的特征在于，对于垂直入射在该反射镜上的具有激光振荡波长的光的反射率高于对于倾斜入射的光的反射率。
更具体地，在基板2500上生长包括70对具有54nm厚度的n-Al0.93Ga0.07As层和具有49nm厚度的n-Al0.5Ga0.5As层的第二多层反射镜2350，并且与第一示例性实施例的情况类似地在其上形成第一多层反射镜2300。
与第一多层反射镜的情况不同，当入射角是直角时，第二多层反射镜对于波长为670nm的光的反射率为最大。
因此，第二多层反射镜具有将从包括第一多层反射镜2300、光子晶体层2020和有源层2200的激光谐振器在垂直于基板的方向上发射向基板侧的光2065返回有源层2200侧的功能。
结果，与不存在第二多层反射镜的情况相比，可以增强在垂直于基板的方向上发射向基板的相对侧的光2060，从而可以提高到表面发射激光器的基板的相对侧的光提取效率。
虽然已经使用两个示例性实施例描述了本发明，但是根据本发明的表面发射激光器不限于这些示例性实施例，而是可以在本发明的主旨内做出各种修改。
虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但应当理解本发明不限于公开的示例性实施例。下面的权利要求的范围与最宽的解释一致，因此包括所有这些修改以及等同结构和功能。
具体地，可以适当地设置半导体层、光子晶体、多层镜和电极的材料，光子晶体的晶格形式，多层镜的结构等。另外，虽然在上述示例性实施例中，激光振荡的波长是670nm，但本发明不限于此，而是通过选择适当的材料和适当的结构，任意波长的振荡都是可能的。
另外，虽然描述了在板层(1000、1020、2000、2100)中设置光子晶体层的示例性实施例，但光子晶体层也可以设置在上包层1100、有源层1200、下包层1105或多层镜1300中。另外，可以在这种多个层中设置折射率周期性结构。
虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但应当理解本发明不限于公开的示例性实施例。下面的权利要求的范围与最宽的解释一致，因此包括所有这些修改以及等同结构和功能。
本申请要求于2006年4月12日提交的日本专利申请No.2006-109913的权益，通过引用将其整体并入在此。

Claims (3)

1.一种以波长λ振荡的表面发射激光器，包括：
多层镜；
下包层；
有源层；
有效折射率为n的上包层；和
光子晶体层，该光子晶体层的折射率在平行于基板的平面内周期性地改变，
其中所述多层镜、所述下包层、所述有源层、所述上包层和所述光子晶体层依次层叠在垂直于所述基板的方向上，
其中所述光子晶体层的晶格间距a为λ/(n·sinθ)，以将垂直入射到该光子晶体层上的波长为λ的光至少分为透射光和衍射光，所述透射光相对于光入射方向形成0°的角度，所述衍射光相对于光入射方向以0°和90°之外的角度θ入射到所述多层镜上，
其中所述多层镜的每一层的厚度为λ/(4·ni·cosθi)，这里ni为所述多层镜的每一层的折射率，θi为所述多层镜的每一层的界面和入射到所述多层镜上的光的传播方向所形成的角度，以使所述多层镜对于所述衍射光的反射率高于对于所述透射光的反射率，
其中包括所述光子晶体层和所述多层镜的波导具有谐振模式，并且
其中所述光子晶体层沿垂直于所述基板的方向衍射所述谐振模式的光。
2.如权利要求1的表面发射激光器，其中所述光子晶体层包括三角形晶格和四方晶格之一。
3.如权利要求1的表面发射激光器，其中在所述基板和所述多层镜之间设置除该多层镜之外的反射镜，所述反射镜对于所述透射光的反射率高于对于所述衍射光的反射率。
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