CN114287089B - 二维光子晶体面发光激光器 - Google Patents
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Abstract
二维光子晶体面发光激光器(10)具有活性层(11)、二维光子晶体(光子晶体层)(12)以及电极(第一电极(191)和第二电极(192))。二维光子晶体(12)具备配置在活性层(11)的一侧的板状的母材(121)、以及在母材(121)内被配置于规定的晶格的晶格点且折射率与母材(121)的折射率不同的异折射率部(122)，在作为二维光子晶体(12)的至少一部分区域的电流注入区域(120)内，每个位置的能带端频率在与母材(121)平行的一个方向上单调地增加。这样的二维光子晶体(12)例如能够通过以下结构来实现：在异折射率部(122)具有比母材(121)的折射率小的折射率的情况下，在构成所述晶格的单位晶格(123)中异折射率部(122)所占的体积的比例即填充系数在所述一个方向上单调地增加。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光器。
背景技术
以往，通过对被加工物照射激光来对该被加工物进行切削加工。此时，通过使照射激光的脉冲宽度比纳秒短并提高峰值输出，能够在不使非加工物因发热而损伤的情况下高精度地加工该非加工物。因而，在加工用途中，优选使用脉冲宽度小于1纳秒的脉冲激光。
在专利文献1中记载了一种能够射出脉冲激光的二维光子晶体面发光激光器。该二维光子晶体面发光激光器具有活性层和二维光子晶体。在此，二维光子晶体具有在板状的母材内以规定的周期配置有折射率与母材的折射率不同的区域(具体地说为空位)的光谐振状态形成用光子晶体构造。在该二维光子晶体面发光激光器中，通过向活性层注入电流来生成规定的频带内的光。该频带内的光中的由所述周期决定的频率的光在二维光子晶体内进行谐振而被放大，并且射出。此时，如果重复进行使向活性层供给的电流接通/断开的开关，则射出脉冲激光(此外，如果不间断地持续向活性层供给电流，则射出连续的激光)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2018-144664号公报
发明内容
发明要解决的问题
在脉冲激光光源中，一般来说，时间平均输出越高，并且脉冲宽度越小，则能够使峰值输出越高。二维光子晶体面发光激光器的优点在于，与被称为端面发光型的通常的半导体激光器相比时间平均输出高。另一方面，在以往的二维光子晶体面发光激光器中，脉冲宽度最小为几纳秒(脉冲重复频率最大为几百MHz：专利文献1)，难以设为小于1纳秒。这是由于：通过向活性层供给的电流的接通/断开来进行以往的二维光子晶体面发光激光器的开关，难以使其响应时间小于1纳秒。
本发明要解决的课题在于，提供一种能够射出脉冲宽度小于1纳秒且峰值输出高的脉冲激光的二维光子晶体面发光激光器。
用于解决问题的方案
为了解决上述课题而完成的本发明所涉及的二维光子晶体面发光激光器具备：
a)活性层；
b)二维光子晶体，其具备配置在所述活性层的一侧的板状的母材、以及在该母材内被配置于规定的晶格的晶格点且折射率与该母材的折射率不同的异折射率部，在作为所述二维光子晶体的至少一部分区域的电流注入区域内，每个位置的能带端频率在与该母材平行的一个方向上单调地增加；以及
c)电极，其向所述活性层和所述电流注入区域注入电流。
所述异折射率部既可以由折射率与母材的折射率不同的构件构成，也可以是空位。在前者的情况下，异折射率部(即所述构件)的折射率(设为nm)既可以比母材的折射率(设为nb)低，也可以比母材的折射率(设为nb)高。在后者的情况下，异折射率部(空位)的折射率nm比母材的折射率nb低。
在二维光子晶体内被放大的光的频率具有与被称为能带端的能量对应的值，该能带端是该二维光子晶体的光子能带与光子带隙的边界。将该频率称为能带端频率。二维光子晶体内的光所感受到的有效折射率越小，和/或，配置异折射率部的晶格的周期长度(晶格常数)越小，则能带端频率越大。在此，在nm＜nb的情况下，用在构成晶格的单位晶格中异折射率部所占的体积的比例定义的填充系数(Filling factor)越大，则有效折射率越小，在nm＞nb的情况下，填充系数越小，则有效折射率越小。因而，关于“在电流注入区域内每个位置的能带端频率在与该母材平行的一个方向上单调地增加”，在nm＜nb的情况下通过使填充系数在电流注入区域内在该一个方向上单调地增加来实现，在nm＞nb的情况下通过使填充系数在电流注入区域内在该一个方向上单调地减少来实现。另外，不管nm与nb的关系如何，都能够通过使周期长度在电流注入区域内在所述一个方向上单调地减少来实现“在电流注入区域内每个位置的能带端频率在与该母材平行的一个方向上单调地增加”。并且，也可以将填充系数的增加(nm＜nb的情况)或减少(nm＞nb的情况)与周期长度的减少进行组合。
对本发明所涉及的二维光子晶体面发光激光器的动作进行说明。当向活性层和二维光子晶体的电流注入区域注入电流时，从该活性层生成规定的频带内的光，在电流注入区域内的各位置处与能带端的能量对应的能带端频率的光被放大。在此，在能带端频率最大的位置处，被放大的光的频率与其它位置处的光子带隙内的能量对应，因此在该位置处光的封闭效果最高。其结果，在能带端频率最大的位置附近发生激光振荡。在发生了激光振荡的位置处，载流子被急剧地消耗而减少，由此有效折射率增加。该有效折射率的增加起到使能带端频率最大的位置附近的能带端频率减小的作用，由此电流注入区域内的能带端频率的差变小。由此，在电流注入区域内发生激光振荡的范围扩大，激光的输出变大。于是，载流子在更宽的范围内减少，激光振荡停止。通过到此为止的动作，射出1个脉冲量的脉冲激光。之后，通过注入电流，载流子的量恢复，通过与上述同样的动作来重复射出脉冲激光。
根据本发明人所进行的计算，在本发明所涉及的二维光子晶体面发光激光器中，通过注入10A～12A的电流，能够射出如下的脉冲激光：脉冲重复频率超过1GHz，脉冲宽度小于1纳秒，并且具有比在以往的二维光子晶体面发光激光器中注入了相同程度的电流的情况下的峰值输出高的40W～80W的峰值输出。由于在向活性层持续地注入电流的期间射出这样的脉冲激光，因此在本发明所涉及的二维光子晶体面发光激光器中无需进行成为在以往的二维光子晶体面发光激光器中妨碍脉冲宽度小于1纳秒的原因的、将电流接通/断开的开关。
填充系数在与该母材平行的一个方向上单调地增加(nm＜nb的情况)或减少(nm＞nb的情况)的结构能够通过使各个异折射率部的平面形状的面积(以下，简称为“面积”)在所述一个方向上单调地增加(nm＜nb的情况)或减少(nm＞nb的情况)来具体实现。或者，也能够通过使异折射率部的深度在所述一个方向上单调地增加(nm＜nb的情况)或减少(nm＞nb的情况)来具体实现。另外，也可以通过调整面积和深度这两方来使异折射率部的体积在所述一个方向上单调地增加(nm＜nb的情况)或减少(nm＞nb的情况)。为了将异折射率部设为每个位置都不同的深度，需要在制作时按每个位置调整蚀刻母材的时间，与此相对地，不需要进行这样的调整以将异折射率部设为每个位置都不同的面积，因此各个异折射率部的面积在所述一个方向上单调地增加(nm＜nb的情况)或减少(nm＞nb的情况)会更为优选。
能带端频率在所述电流注入区域内在所述一个方向上，既可以连续地增加，也可以阶梯状地增加。能带端频率连续地增加的结构能够通过以下方式来具体实现：使填充系数朝向所述一个方向连续地(逐个地)增加(nm<nb的情况)或减少(nm>nb的情况)，或者使周期长度朝向所述一个方向连续地(按每个周期地)减少。能带端频率阶梯状地增加的结构能够通过以下方式来具体实现：将由具有相同填充系数的多个异折射率部构成的组朝向所述一个方向排列多个组，按每个组使填充系数朝向该一个方向单调地增加(nm＜nb的情况)或减少(nm＞nb的情况)；将由具有相同周期长度的多个周期量的异折射率部构成的组朝向所述一个方向排列多个组，按每个组使周期长度朝向该一个方向减少。阶梯状地增加的级数既可以是作为最低限度的2级，也可以是3级以上。优选的是，能带端频率在所述一个方向上连续地增加，以使更为稳定的脉冲激光振荡。另一方面，在易于设计和制作这一点上，优选的是，能带端频率在所述一个方向上阶梯状地增加。在该情况下，也可以将填充系数的增加(nm＜nb的情况)或减少(nm＞nb的情况)与周期长度的减少进行组合。
期望所述异折射率部具有非圆形的平面形状。由此，能够得到在与光束垂直的截面内中心的强度最高的单峰形的激光束。对于非圆形的平面形状，例如能够列举三角形等多边形、椭圆形等。另外，也可以将由平面形状或面积不同的2个以上的、折射率与母材的折射率不同的部分构成的群即异折射率部群视为1个异折射率部，并将该异折射率部群配置于所述晶格点。
发明的效果
根据本发明，得到能够射出脉冲宽度小于1纳秒且峰值输出高的脉冲激光的二维光子晶体面发光激光器。
附图说明
图1是示出本发明所涉及的二维光子晶体面发光激光器的一个实施方式的立体图(a)以及该二维光子晶体面发光激光器所具有的光子晶体层(二维光子晶体)的俯视图(b)。
图2是示出本实施方式的二维光子晶体面发光激光器中的电流注入区域的图。
图3是示出本实施方式的二维光子晶体面发光激光器中的光子晶体层的另一例的俯视图。
图4是示出本实施方式的二维光子晶体面发光激光器中的光子晶体层的另一例的俯视图。
图5是示出本实施方式的二维光子晶体面发光激光器中的、由光子晶体层内的位置引起的填充系数的差异(上图)、周期长度的差异(中图)以及由于这些差异而产生的能带端频率的差异(下图)的图表。
图6是对图5的例子中的脉冲激光振荡的动作进行说明的图，是示出1个脉冲的初期、中期以及末期各期的由光子晶体层内的位置引起的能带端频率的差异以及光子密度的图表。
图7是示出通过计算求出从本实施方式的二维光子晶体面发光激光器射出的激光的强度随时间的变化而得到的结果的图表(计算例1)。
图8是以将时间(横轴)放大的方式示出图7的图表的一部分的图、以及示出脉冲激光的振荡的初期、中期以及末期的光子晶体层的电流注入区域内的光子分布的图。
图9是示出通过计算求出从比较例的二维光子晶体面发光激光器射出的激光的强度随时间的变化而得到的结果的图表。
图10是示出在填充系数的最大值与最小值之差ΔFF分别为0.15％(a)、0.20％(b)以及0.30％(c)的例子中通过计算求出所射出的激光的强度随时间的变化而得到的结果的图表(计算例2)。
图11是示出针对填充系数在一个方向上以一次函数状连续地变化(a)、以二次函数状连续地变化(b)以及以2级的阶梯状变化(c)的情况通过计算求出所射出的激光的强度随时间的变化而得到的结果的图表(计算例3)。
图12是示出在具有由平面形状为直角三角形的1个空位构成的单孔型的异折射率部的二维光子晶体面发光激光器的例子中通过计算求出所射出的激光的强度随时间的变化而得到的结果的图表(计算例4)。
图13是分别示意性地示出填充系数在相对于正方晶格倾斜了45°的一个方向上单调地增加的例子(a)以及FF朝向从1个原点放射状地延伸的方向增加的例子(b)的图。
图14是示出在图13的(b)所示的例子中通过计算求出所射出的激光的强度随时间的变化而得到的结果的图表(计算例5)。
图15是示出在填充系数在一个方向上以二次函数状连续地变化且电流注入区域、ΔFF以及被注入的电流比图13的(b)的例子中的电流注入区域、ΔFF以及被注入的电流大的例子中，通过计算求出所射出的激光的强度随时间的变化而得到的结果的图表(计算例6)。
图16是示出针对本实施方式的二维光子晶体面发光激光器通过实验求出所射出的激光的强度随时间的变化而得到的结果的图表。
图17是示出针对本实施方式的二维光子晶体面发光激光器通过实验求出所注入的电流的大小与所射出的激光的峰值强度的关系而得到的结果的图表。
图18是示出针对本实施方式的二维光子晶体面发光激光器通过实验求出所注入的电流的大小与所射出的激光的峰宽度的关系而得到的结果的图表。
图19是示出针对本实施方式的二维光子晶体面发光激光器通过实验求出由光子层内的位置引起的波长的差异而得到的结果的图。
具体实施方式
使用图1～图19来说明本发明所涉及的二维光子晶体面发光激光器的实施方式。
(1)本实施方式的二维光子晶体面发光激光器的结构
如图1的(a)所示，本实施方式的二维光子晶体面发光激光器10具有将第一电极191、第一包覆层141、活性层11、间隔层13、光子晶体层(二维光子晶体)12、第二包覆层142以及第二电极192按此顺序层叠而成的结构。其中，活性层11与光子晶体层12的顺序也可以是与上述相反的顺序。在图1中，为了方便，将第一电极191作为下侧、将第二电极192作为上侧来示出，但二维光子晶体面发光激光器10被使用时的朝向并不限定于该图中所示的朝向。另外，在图1中，为了方便，将第一电极191以与其它构成要素分离的方式示出，但实际上第一电极191与第一包覆层141的下表面接触。
下面，说明各层和电极的结构。下面，首先说明光子晶体层12以外的结构，之后详细叙述光子晶体层12的结构。
活性层11通过被从第一电极191和第二电极192注入电荷而发出具有规定的波长范围的光。活性层11的材料例如能够使用InGaAs/AlGaAs多量子阱(发光波长范围：935nm～945nm)。
间隔层13不是本发明的必须的构成要素，是为了将材料不同的活性层11与光子晶体层12连接而设置的。间隔层13的材料能够根据活性层11和光子晶体层12的材料适当地决定。例如，在活性层11的材料为InGaAs/AlGaAs多量子阱、光子晶体层12的母材120(后述)的材料为GaAs的情况下，间隔层13的材料能够优选使用GaAs或AlGaAs。
第一包覆层141和第二包覆层142具有如下作用：将第一电极191与活性层11连接并将第二电极192与光子晶体层12连接，来从第一电极191和第二电极192向活性层11注入电流，并且利用与活性层11的折射率之差来将光封闭在活性层11附近。为了发挥这些作用，在第一包覆层141的材料中使用了折射率比活性层11的折射率低的p型半导体，在第二包覆层142的材料中使用了折射率比活性层11的折射率低的n型半导体。第一包覆层141例如能够设为从第一电极191侧起依次层叠由p-GaAs构成的层和由p-AlGaAs构成的层而得到的双层构造，同样地，第二包覆层142能够设为从第二电极192侧起依次层叠由n-GaAs构成的层和由n-AlGaAs构成的层而得到的双层构造(双层构造均未图示)。
第一电极191是由对于通过二维光子晶体面发光激光器10生成的激光而言不透明的金属构成的板状构件。第一电极191的面积比活性层11的面积小。在第一电极191的周围，以与第一电极191之间隔着绝缘体的方式设置有由对于激光而言不透明的金属构成的反射层(未图示)。反射层具有与第一电极191一起使在二维光子晶体面发光激光器10的内部产生的激光反射后从第二电极192侧向外部放出的作用。第一电极191的平面形状在本实施方式中设为圆形，但也可以是除此以外的形状。
第二电极192具有将由对于激光而言不透明的金属构成的正方形的板状构件的中央呈正方形形状地挖空的结构。将板状构件被挖空的部分称为窗部1921，将板状构件被保留的部分称为框部1922。该板状构件的面积比第一电极191的面积大。此外，第二电极192也可以使用由对于激光而言透明的导电性材料(例如氧化铟锡)构成的板状的电极，来代替这种具有窗部的电极。板状构件的平面形状在本实施方式中设为正方形，但也可以是除此以外的形状。
第二包覆层142的厚度与活性层11、光子晶体层12、间隔层13及第一包覆层141的厚度相比足够大。由此，活性层11以及光子晶体层12中被注入电流的区域即电流注入区域120(参照图2)的平面形状是与第一电极191大致等同的圆形，该电流注入区域120的大小比第一电极191稍大。此外，电流注入区域120的大小并不限定于上述例子，既可以与光子晶体层12相同，也可以(包括上述例子在内)比光子晶体层12小。在后者的情况下，光子晶体层12中的比电流注入区域120靠外侧的部分对激光振荡造成的影响小，因此，以下说明电流注入区域120内的光子晶体层12的结构。
如图1的(b)所示，光子晶体层12具有板状的母材121和在母材121内以正方晶格状配置(于正方晶格的晶格点)的异折射率部122。母材121的材料例如能够使用GaAs。在本实施方式中，各个异折射率部122由平面形状及面积互不相同的主异折射率部1221和副异折射率部1222组合而成，相当于所述异折射率部群。关于主异折射率部1221和副异折射率部1222的平面形状，前者为椭圆形，后者为圆形，但也可以是除此以外的形状。在本实施方式中，主异折射率部1221和副异折射率部1222均由设置于母材121的空位构成。在该情况下，异折射率部122的折射率nm比母材121的折射率nb低(即nm＜nb)。也可以代替空位，而通过将由折射率比母材121的折射率低(nm＜nb)或高(nm＞nb)的物质构成的构件埋入母材121中来形成异折射率部122。
各个异折射率部122不限于上述例子，折射率与母材121的折射率不同的部分既可以仅为1个，也可以为3个以上。在折射率与母材121的折射率不同的部分仅为1个的情况下，例如平面形状也可以是直角三角形(图3)、除直角三角形以外的三角形、除三角形以外的多边形、椭圆形等。到此为止所例示的异折射率部122的平面形状均为非圆形。通过使用这样的具有非圆形的平面形状的异折射率部122，二维光子晶体面发光激光器10在与光子晶体层12垂直的方向上以单峰形的射出光束进行激光振荡。但是，在本发明中也可以使用具有圆形的平面形状的异折射率部122。
配置异折射率部122的正方晶格的周期长度设为与想要振荡的激光在光子晶体层12内的波长相同程度即可。具体地说，在使真空中的波长(空气中的波长也大致相同)为λ0的激光振荡的情况下，周期长度a设为将λ0除以光在光子晶体层12中感受到的有效折射率neff(由母材121和异折射率部122的材料以及异折射率部122在光子晶体层12中所占的面积率来决定)而得到的值即a＝λ0/neff即可。此外，配置异折射率部122的晶格点不限于正方晶格，也可以是三角晶格、长方晶格等。
下面，对图1的(b)和图3所例示的在电流注入区域120内nm＜nb的光子晶体层12的填充系数(FF)进行说明。FF由在单位晶格123中异折射率部122所占的体积的比例来定义，该单位晶格123构成配置有异折射率部122的晶格点的晶格(在图1的(b)和图3的例子中为正方晶格)。在异折射率部122为柱状且各异折射率部122的深度相同的情况下，FF与异折射率部122所占的面积的比例相等。
在图1的(b)和图3中用单点划线示出的、在相对于正方晶格倾斜了45°的方向上排列的多个异折射率部122的面积彼此相等。而且，这些异折射率部122的面积朝向在图1的(b)和图3中用从右上方朝向左下方的箭头A示出的与所述单点划线垂直的方向(该方向也相对于正方晶格倾斜了45°)单调地增加。另一方面，单位晶格的面积不管位置如何都相等。因而，光子晶体层12的FF朝向与母材121平行的一个方向即箭头A的方向单调地增加。
在这些例子中，对于任意的异折射率部122而言，与该异折射率部122相比，在箭头A的方向上与该异折射率部122相邻的异折射率部122的面积更大或相等。其中，对于至少一部分异折射率部122而言，与该异折射率部122相比，在箭头A的方向上与该异折射率部122相邻的异折射率部122的面积更大(不相等)。对于所有的异折射率部122而言在箭头A的方向上相邻的异折射率部122的面积更大的结构相当于FF连续地增加的结构。另一方面，对于一部分异折射率部122而言面积与在箭头A的方向上相邻的异折射率部122的面积相等的结构相当于FF阶梯状地增加的结构。
此外，在图1的(b)和图3中夸张地示出了异折射率部122的面积朝向箭头A的方向增加的情况。在实际的光子晶体层12中，例如在后述的计算所示的例子中，将在箭头A的方向上相距几千个量(正方晶格的周期长度的几千×21/2倍)的异折射率部122之间的面积的差异设为小于1％或者小于0.1％。
用于使FF在一个方向上单调地增加的结构除了是在此之前叙述过的使异折射率部122的平面形状的面积在一个方向上单调地增加的结构以外，也可以是使异折射率部122的深度在一个方向上单调地增加的结构。另外，也可以是将平面形状的面积和深度进行组合来使异折射率部122的体积在一个方向上单调地增加的结构。
在上述的例子中示出了在电流注入区域120内nm＜nb的情况下使异折射率部122的FF在规定的一个方向上单调地增加的例子，但在电流注入区域120内nm＞nb的情况下，能够通过同样的方法使异折射率部122的FF在规定的一个方向上单调地减少。例如，在与图1的(b)及图3所示的情况同样地设定了各异折射率部122的FF的情况下，FF在与箭头A相反的方向上单调地减少。
也可以代替在上述例子中示出的异折射率部122的FF，而在电流注入区域120内使配置异折射率部122的晶格的周期长度(晶格常数)在规定的一个方向上单调地减少，或者，与FF一起地，在电流注入区域120内使配置异折射率部122的晶格的周期长度(晶格常数)在规定的一个方向上单调地减少。在图4所示的例子中，在该图中的箭头A的(从左向右的)方向上，周期长度a1、a2···单调地减少。此外，与箭头A垂直的方向(该图的上下方向)的周期长度b不管位置如何都相同。在该例中，箭头A的方向上的周期长度连续地减少，但也可以使其阶梯状地减少。
在此之前叙述过的由光子晶体层12内的位置引起的FF或周期长度的差异只要形成在电流注入区域120内即可，也可以在电流注入区域120外不形成该差异(也可以在电流注入区域120外形成该差异)。
(2)本实施方式的二维光子晶体面发光激光器的动作
对本实施方式的二维光子晶体面发光激光器10的动作进行说明。通过对第一电极191与第二电极192之间施加规定的电压，从两个电极向活性层11注入电流。此时，由于第二电极192的面积比第一电极191的面积大，因此在活性层11和光子晶体层12中，电流(电荷)被集中地注入到作为比第二电极192小且比第一电极191大的范围的电流注入区域120内(参照图2)。由此，从活性层11产生具有规定的频带内的频率的发光，其中具有规定的频率的光如以下所述那样在光子晶体层12的电流注入区域120内被放大而进行激光振荡。
在光子晶体层12内被放大的频率的值对应于被称为能带端的能量，该能带端是该二维光子晶体的光子能带与光子带隙(在图6中简记为PBG)的边界。在nm＜nb的情况下，如果使FF朝向规定的一个方向单调地增加(图5的上图中的实线)，则能带端频率朝向该一个方向单调地增加(图5的下图)。与此相对地，在nm＞nb的情况下，如果使FF朝向规定的一个方向单调地减少(图5的上图中的虚线)，则能带端频率朝向该一个方向单调地增加(图5的下图)。另一方面，如果不管nm与nb的关系如何都使周期长度朝向规定的一个方向单调地减少(图5的中图)，则能带端频率朝向该一个方向单调地增加(图5的下图)。在这些情况中的任一情况下，在能带端频率为最大值的位置(图5的右端)处，该能带端频率对应于其它位置(图5的左侧)处的光子带隙内的能量，因此，在该位置处光的封闭效果最高(图6的左上图)。因此，首先在能带端频率为最大值的位置附近发生激光振荡(图6的左下图)。
于是，在该位置附近，载流子被急剧地消耗而减少，由此折射率增加。该折射率的增加相当于以下情况：该位置附近的能带端频率变小，光子晶体层12内的能带端频率之差变小(图6的中上图)。由此，在光子晶体层12内发生激光振荡的范围扩大，激光的输出变大(图6的中下图)。于是，在更大的范围内载流子减少(图6的右上图)，发生激光振荡的范围以及激光的输出变小(图6的右下图)，激光振荡停止。通过到此为止的动作，射出1个脉冲量的脉冲激光。之后，通过注入电流来恢复载流子的量，返回到图6的左上图和左下图所示的状态，通过与在此之前叙述过的动作同样的动作来重复射出脉冲激光。
这样，在光子晶体层12内生成的脉冲激光向与光子晶体层12垂直的方向衍射，并从第二电极192的窗部1921射出。
(3)本实施方式的二维光子晶体面发光激光器的激光振荡的计算以及实验
下面，示出针对在本实施方式的二维光子晶体面发光激光器10中光子晶体层12的结构不同的多个例子进行计算而得到的结果以及针对一例进行实验而得到的结果。
[计算例1]
在计算例1中，光子晶体层12使用了图1的(b)所示的将双孔型的异折射率部122配置为正方晶格状而得到的光子晶体层，该双孔型的异折射率部122由平面形状为椭圆形的主异折射率部1221和平面形状为圆形的副异折射率部1222组合而成。周期长度(正方晶格的晶格常数)设为276nm。设定了各异折射率部122的FF，使得在将光子晶体层12内的电流注入区域120设为直径1mm的圆的情况下，FF在该圆内朝向图1的(b)的箭头A的方向从最小值FFmin＝0.0750连续地变化到最大值FFmax＝0.0755。在此，将电流注入区域120的FF(以下，将电流注入区域120的FF仅记载为“FF”)的最大值FFmax与最小值FFmin之差定义为ΔFF＝(FFmax-FFmin)。在计算例1中，ΔFF＝0.0005(0.05％)。在具有计算例1的FF的分布的光子晶体层12中，将电流注入区域120的能带端频率(以下，将电流注入区域120的能带端频率仅记载为“能带端频率”)的最大值与最小值之差除以该最小值而得到的值即δf为0.007％。此外，无论FF的值如何，各异折射率部122中的主异折射率部1221与副异折射率部1222的面积之比都设为3：2。
在具备这样的光子晶体层12的二维光子晶体面发光激光器10中，通过计算求出在向所述电流注入区域连续地注入了10A的电流的情况下所射出的激光的强度随时间的变化。在图7中示出其结果。在从开始注入电流起约1.5纳秒后，射出最初的脉冲激光，之后，脉冲激光以约0.5纳秒的周期重复进行振荡。每1个脉冲的脉冲宽度在半高全宽下为0.057纳秒。
以将时间(横轴)放大的方式在图8中示出图7所示的多个脉冲中的在该图中用虚线包围地示出的1个脉冲。图8一并分别示出1个脉冲激光的振荡的初期、中期以及末期的光子晶体层12的电流注入区域内的光子分布。在光子分布的图中，虚线的圆内是电流注入区域并且是形成有FF的分布的区域，以FF从该圆内的右上方朝向左下方变大的方式形成了FF的分布。根据这些光子分布的图，在初期，以FF最大的左下方附近的位置为中心发生激光振荡，在中期，振荡扩展到整个电流注入区域而成为单峰形，在末期，以FF最大的左上方附近的位置为中心发生激光振荡。
[比较例]
作为比较例，针对具备光子晶体层12的二维光子晶体面发光激光器，通过计算来求出在向电流注入区域连续地注入了与计算例1相同的10A的电流的情况下所射出的激光的强度随时间的变化，上述光子晶体层12除了与图1的(b)相同的双孔型的异折射率部122的FF不管位置如何都具有0.075这样的同一值这一点以外，具有与计算例1中的光子晶体层的结构相同的结构。在图9中示出其结果。其结果是，在开始注入电流后不久，虽然激光的强度稍微变动，但在经过了约4纳秒以后以5W左右的固定的输出连续地进行激光振荡。因而，当以比较例的结构连续地注入电流时，无法得到脉冲激光。
[计算例2]
针对在具有图1的(b)所示的双孔型的异折射率部122的光子晶体层12中将FFmin设为与计算例1中的FFmin相同的0.075、将ΔFF设为(a)0.0015(0.15％)、(b)0.0020(0.20％)以及(c)0.0030(0.30％)的情况，计算出激光的强度随时间的变化。在该计算例中，周期长度设为与计算例1中的周期长度相同的276nm，向电流注入区域注入的电流设为12A。在图10中示出计算结果。无论在哪个例子中，脉冲激光都重复进行振荡。脉冲重复周期在ΔFF为0.0015时最短，随着ΔFF增加到0.0020、0.0030而变长。关于峰值强度，在ΔFF为0.0015和0.0020时得到超过80W的高值。
[计算例3]
针对在具有图1的(b)所示的双孔型的异折射率部122的光子晶体层12中如图11的上层所示那样在与母材121平行的所述一个方向(箭头A的方向)上的位置使FF(a)以一次函数状连续地变化、(b)以二次函数状连续地变化以及(c)以2级的阶梯状变化的情况，计算出激光的强度随时间的变化。在(a)～(c)的任一情况下，周期长度设为276nm，FFmin设为0.075，ΔFF设为0.0005(0.05％)，向电流注入区域注入的电流设为12A。在图11的下层示出计算结果。无论在(a)～(c)的哪一种情况下，脉冲激光均重复进行振荡。在与位置有关的FF的变化连续的(a)和(b)的例子中，1个脉冲的波形的输出的最小值减少至0W，与此相对地，在FF的变化为阶梯状的(c)的例子中，1个脉冲的波形的输出的最小值始终大于0W，成为脉冲振荡与连续振荡的中间状态。该结果表明，相比于与位置有关的FF的变化呈阶梯状的情况，在与位置有关的FF的变化连续的情况下能够得到更稳定的脉冲激光的振荡。
[计算例4]
针对具备图3所示的光子晶体层12的二维光子晶体面发光激光器10计算出激光的强度随时间的变化，该光子晶体层12具有由平面形状为直角三角形的一个空位构成的单孔型的异折射率部122。在该例中，电流注入区域设为直径为200μm的圆，周期长度设为276nm，FFmin设为0.18，ΔFF设为0.004(0.4％)。该情况下的δf为0.028％。在图12中示出计算结果。在该例中，脉冲激光也重复进行振荡。
[计算例5]
在到此为止所示的计算例1～4中，FF均在相对于正方晶格倾斜了45°的一个方向上单调地增加。图13的(a)中，用示意图示出这种FF的由位置引起的变化。在该图中，用实线的箭头表示FF增加的方向，用单点划线表示将具有相同FF的位置连结起来的线(将该线称为“等FF线”)。在本发明中，除了图13的(a)所示的例子以外，例如也可以如在图13的(b)中用示意图所示那样形成FF的由位置引起的变化。在图13的(b)的例子中，FF朝向用实线的箭头表示的方向增加，该实线的箭头从位于圆形的电流注入区域的边界(在该图中用虚线表示)上的1个原点O起放射状地延伸，等FF线成为以原点O为中心的圆弧状。关于该图13的(b)的例子，将FFmin设为0.075，将ΔFF设为0.0015(0.15％)，将周期长度设为276nm，将电流注入区域设为直径1mm的圆，将向电流注入区域注入的电流设为10A，来计算出激光的强度随时间的变化。该情况下的δf为0.021％。在图14中示出计算结果。在该例中，脉冲激光也重复进行振荡。
[计算例6]
接着，在与图11的(b)同样地使FF朝向与母材121平行的一个方向以二次函数状连续地增加的例子中，针对将电流注入区域扩大为直径为1.6mm的圆、并且使ΔFF增加到0.003(0.3％)、使向电流注入区域注入的电流分别增加到30A、50A以及70A这三种情况，计算出激光的强度随时间的变化。此外，与图11的(b)同样地，异折射率部的形状设为双孔型，周期长度设为276nm，FFmin设为0.063。在图15中示出计算结果。根据该计算结果，能够得到在向电流注入区域注入的电流为50A时为350W以上、在该电流为70A时为500W以上这样的高的峰值输出。
[实验例]
制作出具有如下的光子晶体的二维光子晶体面发光激光器，该光子晶体是将双孔型的异折射率部配置为正方晶格状的结构，将周期长度设为276nm，将FFmin设为0.075，将ΔFF设为0.22％，将电流注入区域设为直径为1mm的圆形，与计算例1及计算例2同样地使FF在与母材平行的一个方向上以一次函数状连续地增加。针对所制作出的二维光子晶体面发光激光器进行了向电流注入区域注入10A的电流的实验。其结果，确认了如图16所示那样以小于1ns(纳秒)的重复周期输出脉冲状的激光。此外，利用条纹照相机测定出激光的强度。
接着，针对所制作出的二维光子晶体面发光激光器，在向电流注入区域注入的电流的大小为10A～50A的范围内进行不同的多个实验，并测定出在各实验中得到的脉冲激光的输出以及脉冲宽度(半高全宽)。在图17中示出输出的测定结果，在图18中示出脉冲宽度的测定结果。向电流注入区域注入的电流越大，则输出越大，脉冲宽度越窄(脉冲越陡峭)。在电流为50A时，得到峰值输出约为100W、脉冲宽度小于50皮秒的脉冲激光。
接着，针对所制作出的二维光子晶体面发光激光器，将向电流注入区域注入的电流的大小设为4A，来测定出从光子晶体层内的面内方向上的各位置输出的自然发射光的波长。在此，将电流注入区域内的25个部分区域分别设为测定对象。在图19中示出测定结果。在图19中，将从这些25个部分区域中的FF最大的部分区域(该图中的最左侧且最下方的部分区域21)射出的自然发射光的波长设为基准波长，在其它部分区域内，用数值和背景颜色的浓淡来示出相对于基准波长的偏离的大小。根据该图，相对于基准波长的偏离朝向FF减少的方向、即从左下方朝向右上方正向地变大。最右侧和最上方的部分区域22的波长与上述部分区域21的波长的差异为0.28nm，该情况相当于ΔFF为0.22％的情况。这样，在本实施方式的二维光子晶体面发光激光器中，虽然所射出的光的波长根据光子晶体层内的面内方向上的位置而最大相差0.3nm左右，但该差异与波长的中央值(937.5nm)相比足够小。
以上，以包括若干个变形例的方式说明了本发明所涉及的二维光子晶体面发光激光器的实施方式，但本发明并不限定于这些实施方式以及变形例，在本发明的主旨的范围内能够进行各种变形。
附图标记说明
10：二维光子晶体面发光激光器；11：活性层；12：光子晶体层；120：电流注入区域；121：母材；122：异折射率部；1221：主异折射率部；1222：副异折射率部；123：单位晶格；13：间隔层；141：第一包覆层；142：第二包覆层；191：第一电极；192：第二电极；1921：窗部；1922：框部；21、22：光子晶体层中的部分区域。
Claims (9)
1.一种二维光子晶体面发光激光器，其特征在于，具备：
a)活性层；
b)二维光子晶体，其具备配置在所述活性层的一侧的板状的母材、以及在该母材内被配置于规定的晶格的晶格点且折射率与该母材的折射率不同的异折射率部，在作为二维光子晶体的至少一部分区域的电流注入区域内，每个位置的能带端频率在与该母材平行的一个方向上单调地增加；以及
c)电极，其向所述活性层和所述电流注入区域连续地注入电流，
其中，所述二维光子晶体面发光激光器射出脉冲宽度小于1纳秒的脉冲激光。
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，
所述异折射率部具有比所述母材的折射率小的折射率，
在构成所述晶格的单位晶格中所述异折射率部所占的体积的比例即填充系数在所述电流注入区域内在所述一个方向上单调地增加。
3.根据权利要求2所述的二维光子晶体面发光激光器，其特征在于，
所述异折射率部各自的平面形状的面积在所述电流注入区域内在所述一个方向上单调地增加。
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，
所述异折射率部具有比所述母材的折射率大的折射率，
在构成所述晶格的单位晶格中所述异折射率部所占的体积的比例即填充系数在所述电流注入区域内在所述一个方向上单调地减少。
5.根据权利要求4所述的二维光子晶体面发光激光器，其特征在于，
所述异折射率部各自的平面形状的面积在所述电流注入区域内在所述一个方向上单调地减少。
6.根据权利要求1～5中的任一项所述的二维光子晶体面发光激光器，其特征在于，
所述晶格的周期长度在所述电流注入区域内在所述一个方向上单调地减少。
7.根据权利要求1～5中的任一项所述的二维光子晶体面发光激光器，其特征在于，
所述能带端频率在所述电流注入区域内在所述一个方向上连续地增加。
8.根据权利要求1～5中的任一项所述的二维光子晶体面发光激光器，其特征在于，
所述能带端频率在所述电流注入区域内在所述一个方向上阶梯状地增加。
9.根据权利要求1～5中的任一项所述的二维光子晶体面发光激光器，其特征在于，
所述异折射率部具有非圆形的平面形状。
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