CN105191029A - 二维光子晶体面发光激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供能增大倾斜角、光的损失少、射出倾斜光束的二维光子晶体面发光激光器。其具有层叠有二维光子晶体(2DPC)层(11)和活性层(12)的结构，所述二维光子晶体(2DPC)层(11)通过在板状的母材(114)上二维地配置空位(111)而形成有折射率分布，活性层(12)通过电流的注入而产生波长λ_L的光，所述激光器沿着与2DPC层(11)的法线成倾斜角θ的方向使激光束振荡，2DPC层(11)中，各空位(111)经调制地配置于具有周期性的简单二维点格的各晶格点，所述简单二维点格通过形成二维驻波而形成波长λ_L的光的共振状态且固定该光以使其不会射出至外部，该调制的相位Ψ使用倒易矢量G’↑和各晶格点的位置矢量r↑、由Ψ＝r↑·G’↑表示，所述倒易矢量G’↑使用2DPC层(11)内的波长λ_L的光的波数矢量k↑＝(k_x,k_y)、2DPC层(11)的有效折射率n_eff、及与简单二维点格的规定的基准线所成的方位角来表示，倒易矢量。

Description

二维光子晶体面发光激光器

技术领域

本发明涉及二维光子晶体面发光激光器，详细而言涉及沿着自晶面的法线倾斜的方向射出激光束的二维光子晶体面发光激光器。

背景技术

半导体激光器具有小型、廉价、低耗电、长寿命等许多优点，用于光记录用光源、通信用光源、激光显示器、激光打印机、激光指示器等广泛的领域中。激光显示器、激光打印机通常为用光束扫描而形成文字、图形的方式，但现在使用的半导体激光器的激光束通过利用设置于外部的附加单元来控制激光束的出射方向从而实现扫描，所述附加单元使用了多角形状反射镜(多面镜)、MEMS(Micro-ElectroMechanicalSystem；微电子机械系统)微镜、声光元件等。然而，如此在半导体激光器上附加用于扫描的机构时，存在小型化、以及操作速度和耐久性的提高变得困难的问题。

专利文献1及非专利文献1中，对于二维光子晶体面发光激光器，记载了使激光束的出射方向可变的激光器(以下，称为“出射方向可变二维光子晶体面发光激光器”)。

在说明出射方向可变二维光子晶体面发光激光器之前，首先，针对常规的(其自身中，光出射方向为晶面的法线方向，是不可变的)二维光子晶体面发光激光器进行说明。常规的二维光子晶体面发光激光器具有周期性地配置有活性层、和位于板状的构件内且与该构件折射率不同的区域(“异折射率区域”。代表性地为空位。)的二维光子晶体层。该二维光子晶体面发光激光器通过向活性层中注入电荷，从而产生由该活性层的材料而决定的波长区域的光，该光当中，具有由异折射率区域的周期而决定的规定波长的光通过形成驻波而被放大。如此被放大了的光在二维光子晶体层内由于异折射率区域而沿各种方向散射，但是，利用所设定的异折射率区域的周期，因彼此邻接的2个异折射率区域而沿二维光子晶体层的法线方向散射的2个光的光程差与波长一致，并且这些散射光的相位达到一致。满足该条件时，沿与二维光子晶体层垂直的方向射出激光束。

另一方面，专利文献1中记载的出射方向可变二维光子晶体面发光激光器具有活性层、和异折射率区域的周期互不相同的2层二维光子晶体层。由此，2个二维光子晶体层中，与异折射率区域的周期相对应的互不相同的波长的光通过形成驻波而被放大。此外，利用这些驻波的频率差，在空间上发生差拍(beat)，因而所射出的激光束朝向相对于二维光子晶体层的法线倾斜的方向。以下将沿这种方向射出的激光束称为“倾斜光束”。上述频率差越大，倾斜光束相对于二维光子晶体层的法线的角度(倾斜角)越大。此外，通过以根据面内的位置而不同的方式形成至少一个二维光子晶体层中的异折射率区域的周期，从而能够射出根据向活性层注入电荷的位置(进行激光振荡的面内位置)而倾斜角不同的倾斜光束。

另外，非专利文献1中记载的出射方向可变二维光子晶体面发光激光器具有活性层、以及在重叠有四方晶格和斜方晶格的晶格点配置有异折射率区域的1层二维光子晶体层。认为四方晶格具有在二维光子晶体层内形成活性层中生成的光的共振状态的作用，斜方晶格具有使共振状态的光沿着自二维光子晶体层的法线倾斜的方向射出的作用。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-076900号公报

非专利文献

非专利文献1：信冈俊之、其他3人，《使用四方晶格M点光子晶体共振器的二维光束偏转控制》，第59次应用物理学相关联合演讲会演讲会予稿集，公益社团法人应用物理学会，2012年2月29日发行，演讲编号16a-E5-2

发明内容

发明要解决的问题

关于专利文献1中记载的出射方向可变二维光子晶体面发光激光器，存在将具有激光束沿与二维光子晶体层垂直的方向射出的特性的2个二维光子晶体组合这样的限制，因此难以增大倾斜角。

关于非专利文献1中记载的出射方向可变二维光子晶体面发光激光器，利用四方晶格形成的共振状态的光由于斜方晶格而沿各种方向散射。由此，除了具有目标倾斜角的倾斜光束之外，光也沿与该倾斜角不同的方向散射，因此产生光的损失。

本发明要解决的问题是提供能增大倾斜角、且能减少光的损失的、射出倾斜光束的二维光子晶体面发光激光器。

用于解决问题的方案

为了解决上述问题而做出的本发明的二维光子晶体面发光激光器的特征在于，其具有层叠有活性层和二维光子晶体层的结构，所述活性层通过注入电流而产生波长λ_L的光，所述二维光子晶体层通过在板状的母材上二维地配置与该母材折射率不同的异折射率区域而形成有折射率分布，所述二维光子晶体面发光激光器沿着与该二维光子晶体层的法线成倾斜角θ的方向使激光束振荡，

该二维光子晶体层中，各异折射率区域经调制地配置于具有周期性的简单二维点格的各晶格点，所述简单二维点格通过形成二维驻波而形成前述波长λ_L的光的共振状态且固定该波长λ_L的光以使其不会射出至外部，

前述各晶格点的调制相位Ψ使用倒易矢量G’↑和前述各晶格点的位置矢量r↑、由Ψ＝r↑·G’↑表示，所述倒易矢量G’↑使用前述二维光子晶体层内的前述波长λ_L的光的波数矢量k↑＝(k_x,k_y)、前述二维光子晶体层的有效折射率n_eff、及与前述简单二维点格的规定的基准线所成的方位角来表示，

前述活性层中，包括产生包含波长λ_L的波长范围的光的活性层。

另外，本发明的二维光子晶体面发光激光器除了上述活性层及上述二维光子晶体层之外还可以具有包层、隔层等。

前述波长λ_L用真空中的波长来定义。对于波长λ_L的光，在二维光子晶体层内波长(以下记为“晶体层内波长λ_PC”)成为λ_PC＝λ_L/n_eff。此处，n_eff为考虑了在上述各层层叠而成的结构中分布于二维光子晶体层的光的电场强度的比例、及异折射率区域相对于母材的填充率的有效折射率。

以下，关于本发明的(1)简单二维点格、(2)调制进行说明。

(1)简单二维点格

简单二维点格、即形成波长λ_L的光的共振状态且使该波长λ_L的光不会射出至外部的二维点格是以往已知的。作为简单二维点格的例子之一，可列举出晶格常数a为a＝2^-1/2λ_L/n_eff＝2^-1/2λ_PC的四方晶格。另外，作为前述简单二维点格的例子，还列举出晶格常数a₁及a₂满足(1/2)×(a₁ ^-2+a₂ ^-2)^1/2＝1/λ_PC的关系式的长方晶格(包括面心长方晶格)、晶格常数a为a＝(2/3)λ_PC的三角晶格。

对于这种简单二维点格会放大波长λ_L的光且使该波长λ_L的光不会射出至外部的理由，以上述满足式a＝2^-1/2λ_PC的四方晶格的情况为例使用图1进行说明。

在二维光子晶体层内，在简单二维点格90的四方晶格的晶格点91配置有异折射率区域时，晶体层内波长λ_PC的光沿各种方向散射。这些散射光当中，在某1个晶格点911沿与散射前的行进方向相差180°的方向散射(180°散射)出的光L1和在与该晶格点最邻接的4个晶格点912分别180°散射出的光L2的光程差与晶体层内波长λ_PC一致，因此利用干涉而被放大(图1的(a)。该图中，仅示出在1个晶格点912散射出的光L2。)。另外，在晶格点911在晶格面内沿与散射前的行进方向相差90°的方向散射(90°散射)出的光L3和在4个晶格点912分别在晶格面内90°散射出的光L4的光程差与晶体层内波长λ_PC一致，因此，利用干涉而被放大(图1的(a))。如此，利用180°散射和90°散射两者而形成二维驻波，使光被放大。

另一方面，在二维光子晶体层内传播的晶体层内波长λ_PC的光也会在晶格点91沿相对于该层具有角度的方向散射。然而，关于这种散射光，在晶格点911散射的光和在晶格点912散射的光的光程差成为λ_PC/2(图1的(b)的光L5和光L6)，两者的相位仅相差π，因此互相抵消。因此，光不会射出至二维光子晶体层的外部。

需要说明的是，此处，以四方晶格的情况为例说明了简单二维点格，但对于长方晶格也是同样的。简单二维点格为三角晶格(六方晶格)的情况下，利用干涉而被放大的光是在晶格面内沿与散射前的行进方向相差120°的方向散射(120°散射)出的光，除此之外与四方晶格的情况同样。

(2)调制

如上所述，异折射率区域经调制地配置于各晶格点。本发明中，“调制”是指，对于在简单二维点格的各晶格点配置有相同形态的异折射率区域的状态，以与简单二维点格的周期不同的空间周期(调制周期)赋予周期性变化。该周期性变化例如可以如下形成：在各晶格点以位置自该晶格点偏移的方式配置异折射率区域，使其偏移的方向和/或大小以调制周期进行周期性变化，从而形成。或者，该周期性变化也可以通过使异折射率区域的面积以调制周期进行周期性变化而形成。

简单二维点格的各晶格点的调制可以用相位Ψ(调制相位)表示。各晶格点的调制相位Ψ由简单二维点格的各晶格点的位置矢量r↑和倒易矢量G’↑来决定。该倒易矢量G’↑正相当于非专利文献1中的斜方晶格的倒易矢量。然而，本发明中，不存在与该倒易矢量G’↑相对应的晶格，取而代之地，在简单二维点格的各晶格点经调制地配置有异折射率区域。本发明中，该各晶格点的异折射率区域的调制中包含异折射率区域的位置(自各晶格点的偏移)、及异折射率区域的面积这两者。具体而言，如以下所述。

(i)在各晶格点，异折射率区域以自该晶格点仅偏移相同的距离的方式而被配置，表示该偏移方向的、与简单二维点格的规定的基准线所成的角度利用调制相位Ψ而进行了调制。此时，该角度的值成为Ψ，在0～2π之间变动。

(ii)在各晶格点，异折射率区域以自该晶格点沿相同方向偏移的方式而被配置，该偏移的距离d的绝对值在零与最大值d_max之间、利用调制相位Ψ而进行了调制。具体而言，由d＝d_maxsinΨ表示。

(iii)异折射率区域配置于各晶格点，各异折射率区域的面积S在最小值(S₀-S’)与最大值(S₀+S’)之间、利用调制相位Ψ而进行了调制。具体而言，由S＝S₀+S’sinΨ表示。

前述简单二维点格为晶格常数a的四方晶格时，各晶格点的调制相位Ψ如以下那样求出。首先，晶格点的位置矢量r↑在直角坐标系中使用整数m_x,m_y由r↑＝(m_xa,m_ya)表示。此时，波数矢量k↑为k↑＝(π/a,π/a)，倒易矢量G’＝(g’_x,g’_y)为

$\begin{array}{c}{g}_x^{\′}=(\frac{1}{2}\±\frac{1}{\sqrt{2}{n}_{eff}}\sin \mathrm{\θ}cos\mathrm{\φ})\·\frac{2\mathrm{\π}}{a}\\ g_y^{\′}=(\frac{1}{2}\±\frac{1}{\sqrt{2}{n}_{eff}}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ})\·\frac{2\mathrm{\π}}{a}\end{array}$

…(1)。

因此，此时的各晶格点的调制相位Ψ＝r↑·G’↑为

$\mathrm{\Ψ}=2\mathrm{\π}\[(\frac{1}{2}\±\frac{1}{\sqrt{2}{n}_{eff}}sin\mathrm{\θ}cos\mathrm{\φ})m_x+(\frac{1}{2}\±\frac{1}{\sqrt{2}{n}_{eff}}sin\mathrm{\θ}sin\mathrm{\φ})m_y\]$

…(2)。

同样地，简单二维点格为晶格常数a₁,a₂的长方晶格的情况下，晶格点的位置矢量r↑在直角坐标系中使用整数m_x,m_y由r↑＝(m_xa₁,m_ya₂)表示。倒易矢量G’＝(g’_x,g’_y)为

$\begin{array}{c}{g}_x^{\′}=(\frac{1}{a_1}\±\sqrt{\frac{1}{q_1^2}+\frac{1}{a_2^2}}\frac{sin\mathrm{\θ}cos\mathrm{\φ}}{n_{eff}})\·\mathrm{\π}\\ g_y^{\′}=(\frac{1}{a_2}\±\sqrt{\frac{1}{a_1^2}+\frac{1}{a_2^2}}\frac{sin\mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}}{n_{eff}})\·\mathrm{\π}\end{array}$

…(3)，

各晶格点的调制相位Ψ＝r↑·G’↑成为

$\mathrm{\Ψ}=\mathrm{\π}\[(1\±\sqrt{1+\frac{a_1^2}{a_2^2}}\frac{sin\mathrm{\θ}cos\mathrm{\φ}}{n_{eff}})m_x+(1\±\sqrt{1+\frac{a_2^2}{a_1^2}}\frac{sin\mathrm{\θ}sin\mathrm{\φ}}{n_{eff}})m_y\]$

…(4)。

简单二维点格为晶格常数a的三角晶格的情况下，晶格点的位置矢量r↑在直角坐标系中使用整数m₁,m₂由r↑＝(m₁a+(1/2)m₂a,(3^1/2/2)m₂a)表示。倒易矢量可以使用

$\begin{array}{c}{g}_x^{\′}=(1\±\frac{\sin \mathrm{\θ}cos\mathrm{\φ}}{n_{eff}})\·\frac{4\mathrm{\π}}{3a}\\ g_y^{\′}=\±\frac{\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}}{n_{eff}}\·\frac{4\mathrm{\π}}{3a}\end{array}$

…(5)或

$\begin{array}{c}{g}_x^{\′}=(1\±2\frac{\sin \mathrm{\θ}cos\mathrm{\φ}}{n_{eff}})*\frac{2\mathrm{\π}}{3a}\\ g_y^{\′}=(\sqrt{3}\±2\frac{\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}}{n_{eff}})*\frac{2\mathrm{\π}}{3a}\end{array}$

…(6)中任意者的组合。各晶格点的调制相位Ψ＝r↑·G’↑在G↑为前者时成为

$\mathrm{\Ψ}=(1\±\frac{sin\mathrm{\θ}cos\mathrm{\φ}}{n_{eff}})\·\frac{4\mathrm{\π}}{3}(m_1+\frac{1}{2}{m}_2)\±\frac{sin\mathrm{\θ}cos\mathrm{\φ}}{n_{eff}}\·\frac{2\sqrt{3}\mathrm{\π}}{3}{m}_2$

…(7)，在为后者时，成为

$\mathrm{\Ψ}=(1\±2\frac{sin\mathrm{\θ}cos\mathrm{\φ}}{n_{eff}})\·\frac{2\mathrm{\π}}{3}(m_1+\frac{1}{2}{m}_2)+(\sqrt{3}\±2\frac{sin\mathrm{\θ}sin\mathrm{\φ}}{n_{eff}})\·\frac{\sqrt{3}\mathrm{\π}}{3}{m}_2$

…(8)。

(3)本发明的二维光子晶体面发光激光器的操作

对本发明的二维光子晶体面发光激光器的操作进行说明。向活性层中注入电流时，产生波长λ_L的光，该光在二维光子晶体层中由于简单二维点格的周期性而形成驻波。由此，相位达到一致的波长λ_L的光被放大。如此被放大的光由于用调制相位Ψ进行了调制的折射率分布而发生以倒易矢量G’↑作为衍射矢量的光的衍射，光相对于二维光子晶体层的法线倾斜地射出。该出射光成为波长及相位达到一致的激光束。

本发明的二维光子晶体面发光激光器中，如上所述，在自1个简单二维点格的晶格点偏移的位置配置异折射率区域，而不使多个晶格结构重叠。因此，与专利文献1中记载的激光器不同，不存在将具有沿与二维光子晶体层垂直的方向射出的特性的2个二维光子晶体组合这样的限制。出于同样的理由，本发明的二维光子晶体面发光激光器与非专利文献1中记载的激光器不同，也不存在由重叠于四方晶格(相当于本发明的简单二维点格)的斜方晶格造成的不需要的散射的发生。

本发明的二维光子晶体面发光激光器可以采取如下的构成：在各晶格点，前述异折射率区域以自该晶格点仅偏移相同的距离的方式而被配置，表示该偏移的方向的、与简单二维点格的规定的基准线所成的角度利用前述调制相位Ψ而进行了调制。通过如此在偏移的方向上赋予调制，从而能得到具有圆偏振光的出射光。

另外，本发明的二维光子晶体面发光激光器也可以采取如下的构成：在各晶格点，前述异折射率区域以自该晶格点沿相同方向偏移的方式而被配置，该偏移的距离d的绝对值在零与最大值d_max之间、利用调制相位Ψ而进行了调制。通过如此使异折射率区域沿相同方向偏移，从而能得到具有与该偏移方向垂直的方向的直线偏振光的出射光。

本发明的二维光子晶体面发光激光器通过以如下方式形成，从而能得到出射方向可变二维光子晶体面发光激光器：

具有电流注入位置控制构件，该构件控制向前述活性层中注入电流的位置(电流注入位置)，

前述二维光子晶体层的每个调制区域中，各晶格点的调制相位Ψ不同，所述调制区域为来自前述电流注入位置的发光被放大的区域。即，该出射方向可变二维光子晶体面发光激光器中，通过利用电流注入位置控制构件向活性层中的一部分区域(与异折射率区域不同)注入电流而产生的光被导入到与该区域相对应的二维光子晶体层的一部分。然后，沿由导入光的二维光子晶体层的位置处的调制相位Ψ决定的倾斜角θ、及方位角射出倾斜光束。

前述出射方向可变二维光子晶体面发光激光器中，前述电流注入位置控制构件可以具备：以夹持前述活性层及前述二维光子晶体层的成对的电极，所述电极以该成对的电极中的一者或两者平行于该活性层及该二维光子晶体层的方式以一维状或二维状配置了多个；切换构件，该构件对该多个电极当中向该活性层注入电流的电极进行切换。特别是，通过使用以二维状配置了多个的电极，与一维状的情况相比能设置更多的调制区域，能设定更多的倾斜角θ及方位角的组合。

发明的效果

根据本发明，可以得到能增大倾斜角、且光的损失比以往少、射出倾斜光束的二维光子晶体面发光激光器。

附图说明

图1为用于说明(a)简单二维点格放大波长λ_L的光且(b)使该波长λ_L的光不会射出至外部的理由的图。

图2为示出本发明的二维光子晶体面发光激光器的第一实施例的立体图。

图3为示出第一实施例的二维光子晶体面发光激光器中的二维光子晶体层的俯视图(a)、及示出作为简单二维点格的四方晶格和空位的重心的局部放大图(b)。

图4为示出波长λ_L＝987.4nm、倾斜角θ的设计值为36.2°的第一实施例的二维光子晶体面发光激光器中的二维光子晶体层的显微镜照片(a)、及得到的倾斜光束的远场像(b)。

图5为示出波长λ_L＝987.4nm、倾斜角θ的设计值为30°及40°的第一实施例的二维光子晶体面发光激光器中的二维光子晶体层的显微镜照片(a-1)及(a-2)、以及得到的倾斜光束的远场像(b-1)及(b-2)。

图6为利用波长λ_L＝987.4nm、倾斜角θ的设计值为30°的第一实施例的二维光子晶体面发光激光器而得到的振荡光谱。

图7为示出波长λ_L＝987.4nm、倾斜角θ的设计值为30°、且方位角的设计值为60°及90°的第一实施例的二维光子晶体面发光激光器中的二维光子晶体层的显微镜照片(a-1)及(a-2)、以及得到的倾斜光束的远场像(b-1)及(b-2)。

图8为示出对于利用波长λ_L＝987.4nm、倾斜角θ的设计值为30°、且方位角的设计值为60°的第一实施例的二维光子晶体面发光激光器而得到的倾斜光束的偏光特性进行测定所得到的结果的图表。

图9为在与图8的例子相同的二维光子晶体面发光激光器中在通过1/4波长板后通过了偏振片的倾斜光束的远场像。

图10为示出第二实施例的出射方向可变二维光子晶体面发光激光器的纵截面图(a)及二维光子晶体层的俯视图(b)。

图11为作为第二实施例的变形例的、具有以二维状配置的下部电极的出射方向可变二维光子晶体面发光激光器中的下部电极的俯视图(a)及二维光子晶体层的俯视图(b)。

图12为示出第三实施例的二维光子晶体面发光激光器中的二维光子晶体层的俯视图(a)、及示出作为简单二维点格的四方晶格和空位的重心的局部放大图(b)。

图13为示出波长λ_L＝987.4nm、倾斜角θ的设计值为30°、方位角的设计值为0°的第三实施例的二维光子晶体面发光激光器中的二维光子晶体层的显微镜照片(a-1)～(a-3)、及得到的倾斜光束的远场像(b-1)～(b-3)。

图14为示出对于图13的(b-1)～(b-3)中示出的倾斜光束的偏光特性进行测定而得到的结果的图表。

图15为利用波长λ_L＝987.4nm、倾斜角θ的设计值为30°、且方位角的设计值不同的3个第三实施例的二维光子晶体面发光激光器而得到的倾斜光束的远场像。

图16为示出第四实施例的二维光子晶体面发光激光器中的二维光子晶体层的俯视图。

具体实施方式

使用图2～图16来说明本发明的二维光子晶体面发光激光器的实施例。

[实施例1]

图2为第一实施例的二维光子晶体面发光激光器(以下记为“光子晶体激光器”)10的立体图。该光子晶体激光器10依次层叠有下部电极151、下部基板141、第一包层131、二维光子晶体层11、活性层12、第二包层132、上部基板142、和上部电极152。本实施例的光子晶体激光器10中，激光束通过设置于上部电极152的中央部的窗(空洞)1521、沿着自二维光子晶体层11的法线仅倾斜出射角θ的方向射出。对于上部电极152，也可以使用由ITO(铟锡氧化物)等形成的透明电极，来代替具有窗1521的上部电极。此外，二维光子晶体层11与活性层12的顺序也可以与上述相反。另外，本申请中，为了方便而使用“上”及“下”这样的词语，但这些词语并不限定实际使用光子晶体激光器时的方向(上下)。另外，在活性层与二维光子晶体之间，也可以插入有间隔件等构件。

本实施例中，下部基板141使用p型半导体的砷化镓(GaAs)，上部基板142使用n型GaAs，第一包层131使用p型半导体的砷化铝镓(AlGaAs)，第二包层132使用n型AlGaAs。活性层12使用具有由砷化铟镓/砷化镓(InGaAs/GaAs)形成的多量子阱(Multiple-QuantumWell；MQW)的物质。下部电极151及上部电极152的材料使用金。需要说明的是，这些各层的材料不限定于上述物质，可以直接使用现有的光子晶体面发光激光器中使用的各层的材料。另外，在上述各层之间，也可以插入有隔层等其它层。

二维光子晶体层11在板状的母材(板坯)114内如后所述地配置有空位(异折射率区域)111。本实施例中，母材114的材料使用p型GaAs。空位111的形状在本实施例中为正三角形(图3)，但也可以使用圆形等其它形状。需要说明的是，母材114的材料不限定于上述物质，可以使用现有的光子晶体激光器中使用的物质。另外，异折射率区域也可以使用与母材114折射率不同的构件(异折射率构件)，来代替空位111。空位在能够容易地加工的方面是优异的，另一方面，异折射率构件在担心因加工时的加热等而使母材变形的情况下是有利的。

使用图3，说明母材114内的空位111的配置。图3的(a)为二维光子晶体层11的俯视图。该图中，用实线表示实际设置于二维光子晶体层11的空位111，此外，用点划线示出作为简单二维点格的四方晶格，用虚线示出在该四方晶格的晶格点假想地配置有空位111V的重心的状态。另外，图3的(b)中，将(a)放大后，仅示出四方晶格(点划线)及空位111的重心(黑圆圈)。

本实施例中，晶格点与空位111V的重心的距离(位置偏移的距离d)在所有的晶格点均相同，如以下那样调制偏移的方向。

以x方向作为基准线的方向，将倾斜光束的设计值设为倾斜角θ＝36.2°、方位角调制相位、即偏移的方向与前述基准线所成的角度(以下记作“偏移方位角”)Ψ由于(2)式中存在正负号(“±”)而会得到4个值，其中此处使用Ψ≡Ψ_θ＝36.2°＝(3/4)πm_x+πm_y。

此时，在x方向上邻接的2个晶格点彼此的偏移方位角Ψ之差(以下记作“δΨ_x”)为(3/4)π、即135°。另外，在y方向上邻接的2个晶格点彼此的偏移方位角Ψ之差(以下记作“δΨ_y”)为π、即180°。另外，有效折射率设为n_eff＝3.4。

于是，实际上制作了具有如下的二维光子晶体层11的光子晶体激光器，即，所述二维光子晶体层11使方位角Ψ在邻接的晶格点间各沿x方向偏移135°、沿y方向偏移180°变化，有效折射率n_eff＝3.4，以晶格常数a＝208nm的四方晶格作为简单二维点格。将自晶格点的位置偏移的距离d设为0.1a。将所制作的二维光子晶体层11的电子显微镜照片示于图4的(a)。向该光子晶体激光器注入电流，结果观测到波长987.4nm的激光束。该激光束如图4的(b)中远场像所示那样是相对于二维光子晶体层11的法线具有实测值为36.1°的倾斜角θ的倾斜光束19，倾斜光束19观测到2条(倾斜光束的光斑19S为2个)。倾斜角θ的实测值与设计值之差为0.01°，得到了几乎如设计那样的倾斜光束。

另外，关于与该例子晶格常数相同a＝208nm、且将设计值设为(i)θ＝30°、(ii)θ＝40°、的例子，也进行了同样的实验。关于这些例子中的δΨ_x，(i)中为0.792π、(ii)中为0.733π。δΨ_y在(i)、(ii)中均为π。将所制作的二维光子晶体层11的显微镜照片分别示于(i)图5的(a-1)、及(ii)图5的(a-2)。另外，将通过向光子晶体激光器中注入电流而得到的倾斜光束的远场像分别示于(i)图5的(b-1)、及(ii)图5的(b-2)。任一实验中均得到了具有与设计值相近的倾斜角θ的倾斜光束。关于倾斜角θ的实测值，(i)为29.5°、(ii)为39.2°。另外，将利用(i)的光子晶体激光器得到的激光的振荡光谱示于图6。可以确认振荡波长λ_L为987.4nm。

进而，对于将倾斜角的设计值设为θ＝30°、将方位角的设计值设为(i)60°、(ii)90°的例子，将所制作的二维光子晶体层11的显微镜照片分别示于(i)图7的(a-1)、及(ii)图7的(a-2)，将通过向光子晶体激光器中注入电流而得到的倾斜光束的远场像分别示于(i)图7的(b-1)、及(ii)图7的(b-2)。均得到了倾斜角θ的实测值为29.5°、且方位角的实测值如设计值那样的倾斜光束。

对于倾斜角θ及方位角的设计值为θ＝30°、的上述(图7的(a-1),(b-1))的光子晶体激光器，将观测到的倾斜光束的偏光方向示于图8的图表。该图表示出了检测到不依赖于方向的强度的光，意味着光束为圆偏振光或非偏振光(电场的振动方向不同的各种光混合而成的光)。于是，进行了使光束通过1/4波长板后通过偏振片的实验。此处，1/4波长板具有将圆偏振光转化成直线偏振光的功能。作为该实验的结果，如图9所示，缓慢改变偏振片的方向时，在特定的方向下，2个激光斑当中的一个消失(图9的(a))，自此再将偏振片转动90°时，另一个激光斑消失。这意味着本实施例中得到的倾斜光束具有圆偏振光而不是非偏振光。激光斑消失的理由在于，倾斜光束的圆偏振光利用1/4波长板而被转化为直线偏振光，该直线偏振光被特定方向的偏振片屏蔽。另外，激光斑消失时的偏振片的方向在2条激光束之间相差90°时，这意味着一条激光束具有向右旋转的圆偏振光，另一条激光束具有向左旋转的圆偏振光。使用利用如此屏蔽一条激光束的方式、将本发明的光子晶体激光器与1/4波长板及偏振片组合而成的设备，能得到仅射出1条倾斜光束的激光源。

[实施例2]

接着，作为第二实施例，说明出射方向可变二维光子晶体面发光激光器(以下记作“出射方向可变光子晶体激光器”)20的实施例。图10的(a)为第二实施例的出射方向可变光子晶体激光器20的纵截面图。此处，对于与第一实施例的光子晶体激光器10同样的构成要素，标记与第一实施例同样的符号，并省略详细说明。出射方向可变光子晶体激光器20依次层叠有下部电极、下部基板141、第一包层131、二维光子晶体层21、活性层12、第二包层132、上部基板142、和上部电极252。上部电极252在本实施例中使用了覆盖上部基板142整体的透明电极。

出射方向可变光子晶体激光器20被假想地分为多个区域(称为“调制区域”。其与异折射率区域不同。)A、B、C…。各调制区域中，与其相对应地彼此独立地设有下部电极251A、251B、251C…(图10的(a))，并且二维光子晶体层21在每个调制区域具有不同的结构(图10的(b))。另外，出射方向可变光子晶体激光器20中设有电流注入位置控制部29，该电流注入位置控制部29对注入电流的下部电极251A、251B、251C进行切换。其他的构成要素在所有调制区域均具有相同结构。下部电极及调制区域均以一维状排列。

各调制区域A、B、C…的二维光子晶体层21内的二维光子晶体结构21A、21B、21C…均在自晶格常数a的四方晶格的晶格点沿偏移方位角Ψ的方向偏移的位置配置有空位111，仅偏移方位角Ψ在每个二维光子晶体结构中不同。此处，各调制区域A、B、C…的偏移方位角Ψ_A、Ψ_B、Ψ_C…以δΨ_x成为在每个二维光子晶体结构中不同的值δΨ_xA、δΨ_xB、δΨ_xC的方式来设定，δΨ_y在所有二维光子晶体结构中均设为π。

本实施例的出射方向可变光子晶体激光器20在下部电极251A、251B、251C…当中的1个与上部电极252之间流通电流。此处，通过对流通电流的下部电极进行切换，从而能够如以下那样使激光束的出射方向变化。

首先，以在下部电极251A与上部电极252之间流通电流的情况为例进行说明。如此流通电流时，在活性层12当中下部电极251A的正上方附近的部分，产生波长λ_L的光。该光在位于该部分的正上方的二维光子晶体结构21A中被放大。然后，以与二维光子晶体结构21A的偏移方位角Ψ_A相对应的倾斜角θ_A射出倾斜光束。

此外，将流通电流的下部电极由下部电极251A切换成下部电极251B时，此时光在二维光子晶体结构21B中被放大，以与二维光子晶体结构21B的偏移方位角Ψ_B相对应的、与前述倾斜角θ_A不同的倾斜角θ_B射出倾斜光束。进而，切换成下部电极251C等其他下部电极时，也同样地使倾斜角θ变化。如此，通过切换流通电流的下部电极，能够以不同的倾斜角射出倾斜光束。

图11中示出出射方向可变光子晶体激光器的变形例。该变形例中，如图11的(a)所示，下部电极251XY(X：A、B、C…、Y：A、B、C…)以二维状配置。与这些下部电极251XY相对应，如图11的(b)所示，二维光子晶体层21中以二维状配置有二维光子晶体结构XY(X：A、B、C…、Y：A、B、C…)。对于各二维光子晶体结构XY，以δΨ_x成为互不相同的值δΨ_xXY(X：A、B、C…、Y：A、B、C…)的方式设定。该出射方向可变光子晶体激光器通过切换流通电流的下部电极251XY，从而能够以不同的倾斜角射出倾斜光束。此外，由于下部电极251XY及二维光子晶体结构XY以二维状配置，因此与一维状配置的情况相比能设定更多的倾斜角θ及方位角的组合。

需要说明的是，至此示出了配置有1个上部电极、以一维状或二维状配置有多个下部电极的例子，但也可以配置1个下部电极、以一维状或二维状配置多个上部电极，也可以将下部电极和上部电极两者都以一维状或二维状配置多个。

[实施例3]

第三实施例中示出了以下的例子：在光子晶体层的简单二维点格的各晶格点，空位(异折射率区域)自晶格点沿相同方向偏移，该偏移的距离进行了调制的例子。以下，光子晶体层以外的构成与第一实施例同样，因此省略说明，关于光子晶体层的构成进行说明。

如图12的(a)所示，本实施例的简单二维点格为与第一实施例同样的四方晶格。作为异折射率区域的空位111配置于自简单二维点格的晶格点偏移的位置。偏移的方向如图12的(b)所示在任一空位111均为基准方向即x方向。偏移的距离d由调制相位Ψ来决定，使得d＝d_maxcosΨ、即|d|被调制在0与最大值d_max之间。本实施例中，调制相位Ψ以在x方向上邻接的晶格点之间的差δΨ_y成为3π/4的方式设定。该δΨ_y的值与第一实施例中示出的δΨ_y的值的一例相同，因此该出射方向可变光子晶体激光器与第一实施例的该一例同样地射出倾斜角θ＝36.2°的倾斜光束。需要说明的是，此处示出的调制相位Ψ(及邻接晶格点间的调制相位之差δΨ_x、δΨ_y)为一例，使用上述式(2)根据倾斜角θ及方位角的设计值进行设定即可。

以下，示出制作了具有有效折射率n_eff为3.4、以晶格常数a＝206nm的四方晶格作为简单二维点格的二维光子晶体层的第三实施例的光子晶体激光器的例子。此处，制作了激光束的倾斜角θ及与x方向所成的方位角的设计值为θ＝30°、空位的偏移方向为(1)x方向、(2)y方向、(3)与x方向成135°的方向的3个光子晶体激光器。关于δΨ_x及δΨ_y的值，(1)为δΨ_x＝0.792π、δΨ_y＝0、，(2)为δΨ_x＝0、δΨ_y＝0.792π，(3)为δΨ_x＝0.792π、δΨ_y＝0.792π。需要说明的是，光子晶体层中形成的空位的平面形状在本实施例中设为圆形。将这些光子晶体激光器中的光子晶体层的电子显微镜照片分别示于图13的(a-1)～图13的(a-3)，将所得到的倾斜光束的远场像分别示于图13的(b-1)～图13的(b-3)。任一例子中均如设计那样得到了θ＝30°、方位角的倾斜光束。

对于这3个光子晶体激光器，将观测到的倾斜光束的偏光方向示于图14的图表。由这些图表可知，(1)空位的偏移为x方向时得到y方向的直线偏振光，(2)空位的偏移为y方向时得到x方向的直线偏振光，(3)空位的偏移为与x方向成135°的方向时得到与x方向成45°的方向的直线偏振光。即，可以说会得到与空位的偏移的方向相差90°的方向的直线偏振光。

接着，制作了空位的偏移的方向为x方向、激光束的倾斜角θ的设计值为θ＝30°、且与x方向所成的方位角的设计值为(1)0°、(2)45°、(3)90°的3个光子晶体激光器。关于δΨ_x的值，(1)为0.792π、(2)为0.853π、(3)为π。δΨ_y的值在任一例子中均为0°。有效折射率为3.4、简单二维点格为晶格常数a＝206nm的四方晶格的方面与上述例子相同。将利用这些光子晶体激光器得到的倾斜光束的远场像示于图15的(1)～图15的(3)。在任一例子中均以如设计那样的倾斜角θ及方位角得到了倾斜光束。

[实施例4]

第四实施例中，示出了空位(异折射率区域)以重心与晶格点一致的方式配置于各晶格点、调制了各空位的面积的例子。该例子中也因为光子晶体层以外的构成与第一实施例同样而省略说明，对光子晶体层的结构进行说明。

如图16所示，本实施例中的简单二维点格为与第一实施例同样的四方晶格。各空位111的面积S以S＝S₀+S’cosΨ、即被调制在最小值(S₀-S’)与最大值(S₀+S’)之间的方式来决定。本实施例中，调制相位Ψ与第三实施例同样地以在x方向上邻接的晶格点之间的差δΨ_x成为3π/4的方式设定。另外，设为S’＝(1/2)S₀。通过这种构成，本实施例的出射方向可变光子晶体激光器与第三实施例(及第一实施例中的一例)同样地射出倾斜角θ＝36.2°的倾斜光束。

至此为止的各实施例中，示出了简单二维点格为四方晶格时的例子，但是可以模仿这些例子，在长方晶格的情况下，施加基于上式(4)所示的调制相位Ψ的调制，在三角晶格的情况下，施加基于上式(7)或(8)所示的调制相位Ψ的调制。

附图标记说明

10…光子晶体激光器

11、21…二维光子晶体层

111…空位

111V…假想的空位

114…母材

12…活性层

131…第一包层

132…第二包层

141…下部基板

142…上部基板

151、251A、251B、251C、251XY(X＝A、B、C…、Y＝A、B、C…)…下部电极

152、252…上部电极

1521…上部电极的窗

19…倾斜光束

19S…倾斜光束的光斑

20…出射方向可变光子晶体激光器

21A、21B、21C、21XY(X＝A、B、C…、Y＝A、B、C…)…二维光子晶体结构

29…电流注入位置控制部

90…简单二维点格

91、911、912…简单二维点格的晶格点

Claims (6)

1.一种二维光子晶体面发光激光器，其特征在于，其具有层叠有活性层和二维光子晶体层的结构，所述活性层通过注入电流而产生波长λ_L的光，所述二维光子晶体层通过在板状的母材上二维地配置与该母材折射率不同的异折射率区域而形成有折射率分布，所述激光器沿着与该二维光子晶体层的法线成倾斜角θ的方向使激光束振荡，

该二维光子晶体层中，各异折射率区域经调制地配置于具有周期性的简单二维点格的各晶格点，所述简单二维点格通过形成二维驻波而形成所述波长λ_L的光的共振状态且固定该波长λ_L的光以使其不会射出至外部，

所述各晶格点的调制相位Ψ使用倒易矢量G’↑和所述各晶格点的位置矢量r↑、由Ψ＝r↑·G’↑表示，所述倒易矢量G’↑使用所述二维光子晶体层内的所述波长λ_L的光的波数矢量k↑＝(k_x,k_y)、所述二维光子晶体层的有效折射率n_eff、及与所述简单二维点格的规定的基准线所成的方位角来表示，

2.根据权利要求1所述的二维光子晶体面发光激光器，其特征在于，在各晶格点，所述异折射率区域以自该晶格点仅偏移相同的距离的方式而被配置，表示该偏移的方向的、与简单二维点格的规定的基准线所成的角度利用所述调制相位Ψ而进行了调制。

3.根据权利要求1所述的二维光子晶体面发光激光器，其特征在于，在各晶格点，所述异折射率区域以自该晶格点沿相同方向偏移的方式而被配置，该偏移的距离d的绝对值在零与最大值d_max之间、利用调制相位Ψ而进行了调制。

4.根据权利要求1所述的二维光子晶体面发光激光器，其特征在于，所述异折射率区域配置于各晶格点，各异折射率区域的面积S在最小值(S₀-S’)与最大值(S₀+S’)之间、利用调制相位Ψ而进行了调制。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的二维光子晶体面发光激光器，其特征在于，其具有电流注入位置控制构件，该构件控制向所述活性层中注入电流的电流注入位置，

所述二维光子晶体层的每个调制区域中，各晶格点的调制相位Ψ不同，所述调制区域为来自所述电流注入位置的发光被放大的区域。

6.根据权利要求5所述的二维光子晶体面发光激光器，其特征在于，所述电流注入位置控制构件具备：

以夹持所述活性层及所述二维光子晶体层的方式成对的电极，所述电极以该成对的电极中的一者或两者平行于该活性层及该二维光子晶体层的方式以二维状配置了多个；

切换构件，该构件对该多个电极当中向该活性层注入电流的电极进行切换。