CN1765034A - 二维光子晶体面发光激光器 - Google Patents
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Abstract
一种二维光子晶体面发光激光器，其构成为在靠注入载流子发光的激活层(第1介质)(12)或其附近以二维的周期排列由折射率不同的第2介质构成的光子晶体周期结构体(21)。光子晶体(20)的晶格结构是正方晶格或正交晶格，具有平移对称性但不具有旋转对称性。或者光子晶体(20)的晶格结构是正方晶格或正交晶格，是按照二维图样的分类方法的p1、pm、pg或cm中之任一种。最理想的是阵点的形状近似三角形。
Description
技术领域
本发明有关二维光子晶体面发光激光器，特别是有关在靠注入载流子发光的激活层或其附近具有二维配置折射率周期的二维光子晶体周期结构体、并利用光子晶体进行谐振而面发光的二维光子晶体面发光激光器。
背景技术
以往，曾对从基板面沿垂直方向射出激光的面发光激光器进行了各种开发、研究。面发光激光器由于能在同一块基板上集成(阵列化)多个元件，并从各元件并行射出相干光，所以，人们期待着其在并行光学拾取器、并行光传输、光并行信息处理等领域中获得应用。
作为这种面发光激光器，在特開2000-332351号公报中揭示了一种利用光子晶体的二维光子晶体面发光激光器。所谓光子晶体是指具有和光的波长相同程度或更小的折射率周期的晶体，在介质的多维周期结构体的情况下，根据和半导体的晶体中在电子状态下产生带隙同样的原理，产生抑制光的波导的波段(光子带隙)，能将光封闭在二维或三维的空间。
所述专利文献中记载的二维光子晶体面发光激光器为在靠注入载流子发光的激活层附近具有二维配置折射率周期的光子晶体周期结构体、并利用光子晶体进行谐振而面发光的器件。
具体如图25所示，二维光子晶体面发光激光器10大致为在基板11上层叠下部包复层12、激活层13、上部包复层14，在下部包复层12内的激活层13附近有二维光子晶体20。
基板11例如由n型InP的半导体材料构成。下部包复层12及上部包复层14例如各为n型及p型InP半导体层，折射率比激活层13要低。二维光子晶体20由形成于下部包复层12中的空位(也称为光子晶体周期结构体21、阵点)构成，由和下部包复层12折射率不同的介质按照二维的周期排列的正方晶格或三角晶格组成。空位内可以填入SiN等。激活层13例如由采用InGaAs/InGaAsP系的半导体材料的多重量子阱结构构成，靠注入载流子发光。
利用下部包复层12及上部包复层14夹住激活层13形成双异质结，就将载流子封闭在内，使有助于发光的载流子集中在激活层13。
在基板11的底面及上部包复层14的上表面形成由金等构成的下部电极16及上部电极17。通过在电极16、17间外加电压，使激活层13发光，从该激活层13漏出的光射入二维光子晶体20。波长与二维光子晶体20的晶格间隔一致的光由二维光子晶体20进行谐振并放大。通过这样，从上部包复层14的上表面(位于电极17周围的发光区域18)发出相干光。
现对由图26示出的正方晶格组成的二维光子晶体20说明其谐振作用。还有晶格形状不限于正方晶格，正交晶格等也可以。
二维光子晶体20由在第1介质12内沿和空位等第2介质21正交的两个方向按照相同周期形成的正方晶格组成。正方晶格具有Γ-X方向和Γ-M方向的代表性的方向。如设与Γ-X方向相邻的第2介质21的间隔为a，则形成由将第2介质21作为阵点的一边为a的正方形组成的基本晶格E。
当波长λ与基本晶格E的晶格间隔a一致的光L沿Γ-X方向前进时，光L在阵点处衍射。其中，只有相对光L的前进方向沿0°、±90°、180°的方向衍射的光才满足布拉格条件。再因沿0°、±90°、180°的方向衍射的光的前进方向存在阵点，所以衍射光再次相对前进方向沿0°、±90°、180°的方向衍射。
若光L反复一次或多次衍射，则由于衍射光返回原来的阵点，所以产生谐振作用。另外，沿与图26的纸面垂直的方向1级衍射的光也满足布拉格条件。因此，由于谐振而放大的光经上部包复层14射出，就具有面发光功能。另外，由于在所有阵点处均产生这一现象，所以能在整个面上产生相干的激光振荡。
为了进一步定量地对利用所述光子晶体的二维谐振现象进行分析，将二维正方晶格光子晶体中的光的分散关系示于图27。图27中，横轴表示称为波矢的光的波数的方向和大小。纵轴表示光的频率乘a/c的无量钢的归一化的频率。这里，c为光速(单位：m/sec)，a为晶格间隔(单位：m)。
光能的传播速度即群速vg由于可以用ω/κ表示，在图27中在其斜率为0的能带端，光的群速为0，这意味着产生驻波。因此，在各种能带端，就会产生有与各能带端对应的特征的激光振荡。其中，点S(Γ点第2群)的能带端和前述的4波耦合，为沿与面垂直的方向取出光的振荡点。
图28表示所述点S的详细放大图，参照图28，在Γ点的能带端上有包含进行一个双重退缩的能带端III、IV在内的四个能带端(方式)I、II，III，IV，可以认为激光振荡在这四个能带端(方式)中的任一个上产生。
上述四个方式中，能带端III、IV两点由于正在退缩，根据退缩的性质，电场分布不能唯一地决定，变得不稳定。另外未退缩的其它两个方式I、II的偏振光是特异的，具有图29及图30所示的特征。图29表示方式I的面发光分量的电场分布，图30表示方式II的面发光分量的电场分布。
从图29及图30可知，由于方式I、II的偏振方向都因地方而异，所以存在的问题是不能用于要求偏振光一致的用途。另外，在发光面的中心部上由于电场沿互相抵消的方向重叠在一起，最此最终形成只有周围亮、中心暗的环状的发光。
另外，关于双重退缩的方式III、IV，如上所述，根据退缩的性质，电场分布变得不是一定，即使是方式III、IV，偏振光也不是唯一地决定，变得不稳定。因而，本发明者们研究沿某个特定方向使偏振光方向一致的现象，发现通过适当地设计构成二维光子晶体的阵点形状，从而能使偏振光沿一个方向一致(参照特开2003-23193号公报)。
作为其一个例子，图31示出阵点形状形成椭圆形时振荡点附近的能带结构，其电场分布示于图32A、图32B～图35A、图35B。
根据图31所示的能带结构可知阵点形状为标准圆形时，退缩的方式III、IV完全解除退缩，变成新的方式III’、IV’。还有，从能量低的一方开始将阵点形状椭圆化后得到的方式命名为方式I’、II’、III’、IV’，以与标准圆形的方式区别开来。
另外，从表示电场分布的图32A、图32B～图35A、图35B可知：在阵点形状椭圆化带来的效果上非常重要的一点，当然是解除退缩的方式III’、IV’，另外，即使在方式I’、II’中偏振方向也集中在一个方向。
但是，方式III’、IV’除了偏振方向外，相位也在发光面的所有部位都一致。相反，方式I’、II’偏振方向虽一致，但由于隔开中心部在上下(方式I’)或左右(方式II)的相位180°反相，所以存在的问题是发光面中心部电场互相抵消，变暗，作双峰性振荡。
再有，当利用作为光子晶体的谐振器的性质，方式I’、II’的Q值比III’、IV’高，若选择方式III’、IV’作为振荡方式时，与选择方式I’、II’作为振荡方式时相比，还发现阈值变高的问题。也就是难以兼顾使用方便的单峰性直线偏振光和低阈值(高Q值)这两方面。
发明内容
本发明之目的在于提供一种面发光的光是单峰性的直线偏振光、同时Q值高的二维光子晶体面发光激光器。
为达到上述目的，本申请第1方面的特点为，在靠注入载流子发光的激活层或其附近、内装将不同折射率的介质按二维的周期排列的光子晶体周期结构体的二维光子晶体面发光激光器中，所述光子晶体的晶格结构是正方晶格或正交晶格，内装具有平移对称性但不具有旋转对称性的光子晶体。
本申请第2方面的特点为，在靠注入载流子发光的激活层或其附近、内装将不同折射率的介质按二维的周期排列的光子晶体周期结构体的二维光子晶体面发光激光器中，内装所述光子晶体的晶格结构是正方晶格或正交晶格、并按照二维图样的IUC(International Union of Crystallography in 1952，国际结晶学联合会1952)分类方法内藏p1、pm、pg或cm中任一种的光子晶体。
所述本申请第1及第2方面涉及的二维光子晶体面发光激光器中，通过将光子晶体的晶格结构采用具有平移对称性但不具有旋转对称性的结构，换言之，通过采用按前述分类方法为pl、pm、pg或cm中任一种，从而面发光的光是单峰性的直线偏振光，同时还能使Q值提高(降低阈值)。
在本申请第1及第2方面涉及的二维光子晶体面发光激光器中，最好光子晶体的阵点形状近似为三角形。另外，光子晶体的阵点形状也可以以较大的近似圆形的和较小的近似圆形的组合而构成。或者，可以用光子晶体的阵点为折射率不同的两种及两种以上的介质或有折射率分布的介质构成。
附图说明
图1为表示本发明涉及的二维光子晶体面发光激光器的晶体面结构的一示例(阵点为三角形)的俯视图。
图2为表示图1示出的光子晶体的面发光分量(方式I”)的电场分布图。
图3为表示图1示出的光子晶体的面发光分量(方式II”)的电场分布图。
图4为表示图1示出的光子晶体的面发光分量(方式III”)的电场分布图。
图5为表示图1示出的光子晶体的面发光分量(方式IV”)的电场分布图。
图6A、图6B、图6C为表示阵点为标准圆形时的方式I的电场分布图。
图7A、图7B、图7C为表示阵点为椭圆形时的方式I’的电场分布图。
图8A、图8B、图8C为表示阵点为三角形时的方式I”的电场分布图。
图9A为表示阵点为标准圆形时关于方式I的光子晶体区域中的电场分布图，图9B表示关于上述方式I的面发光分量的电场分布图。
图10A为表示阵点为三角形时关于方式I”的光子晶体区域中的电场分布图，图10B表示关于上述方式I”的面发光分量的电场分布图。
图11A、图11B、图11C为表示阵点为标准圆形时的方式II的电场分布图。
图12A、图12B、图12C为表示阵点为椭圆形时的方式II’的电场分布图。
图13A、图13B、图13C为表示阵点为三角形时的方式II”的电场分布图。
图14A为表示镜像用说明图、图14B为表示偏移镜像用的说明图。
图15为表示阵点形状及其排列的其它示例用的俯视图。
图16为表示阵点形状及其排列的又一其它示例用的俯视图。
图17为表示阵点形状及其排列的又一其它示例用的俯视图。
图18为表示阵点形状及其排列的又一其它示例用的俯视图。
图19为表示阵点形状及其排列的又一其它示例用的俯视图。
图20为表示阵点形状及其排列的又一其它示例用的俯视图。
图21为表示阵点形状及其排列的又一其它示例用的俯视图。
图22为表示阵点形状及其排列的又一其它示例用的俯视图。
图23为表示阵点形状及其排列的又一其它示例用的俯视图。
图24为表示阵点形状及其排列的又一其它示例用的俯视图。
图25为表示本发明之前已有的二维光子晶体面发光激光器的立体图。
图26为表示二维光子晶体面发光激光器的谐振作用的说明图。
图27为表示阵点为标准圆形的二维正方晶格光子晶体中光的分散关系的能带图。
图28为表示图27的S点的详细能带图。
图29为表示阵点为标准圆形的方式I的面发光分量的电场分布图。
图30为表示阵点为标准圆形的方式II的面发光分量的电场分布图。
图31为表示阵点为椭圆形的二维正方晶格光子晶体中光的分散关系的能带图。
图32A为表示关于阵点为椭圆形的方式I’的面发光分量的电场分布图，图32为表示上述方式I’的光子晶体区域的电场分布图
图33为表示阵点为椭圆形的方式II’的面发光分量的电场分布图。
图34为表示阵点为椭圆形的方式III’的面发光分量的电场分布图。
图35A为表示关于阵点为椭圆形的方式IV’的面发光分量的电场分布图，图35B为表示关于上述方式IV’的光子晶体区域的电场分布图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的二维光子晶体面发光激光器的实施方式。
(阵点为三角形的情形)
本发明的二维光子晶体面发光激光器其平面结构如图1所示，由在折射率n1的第1介质(下部包复层)12中是正方晶格状配置折射率n2(但n1≠n2)的第2介质(也称为光子晶体周期结构体、阵点)21的二维光子晶体20构成。这一基本结构和图25示出的现有的面发光激光器相同，根据图26示出的原理进行面发光。
图1示出的二维光子晶体20是将其光子周期结构体21的形状形成三角形而构成正方晶格，具有平移对称性，但不具有旋转对称性。
图2至图5表示光子晶体周期结构体21为三角形所得的面发光分量的电场分布。在该二维光子晶体20中存在四种方式，分别命名为I”、II”、III”、IV”。从图2至图5可知：所有的方式均得到单峰性的直线偏振光振荡。
方式I”、II”、III”、IV”由于是和各个阵点形状为椭圆形的方式I’、II’、III’、IV’(参照图32A图32B～图35A、图35B)同类型的方式，所以方式I″、II″和方式III″、IV″相比，作为谐振器具有Q值高、阈值低的优点。即在方式I”、II”中低能兼顾阈值和单峰特性。因而，阵点为三角形的二维光子晶体20中，就将方式I”或方式II”作为振荡方式使用。
所述的现象可以理解如下。二维光子晶体是一种沿相对发光面的垂直方向取出光的类型的激光器，取出的光的偏振光由构成光子晶体的周期性的折射率分布中、按照分布在折射率低的部分的电场方向来决定。在阵点形状为椭圆的情况下，例如，方式I’时，试观察图32B所示的光子晶体区域的电场分布，电场夹着折射率低的椭圆阵点，在其上下，因存在向右进的电场和向左进的电场，所以通过衍射从光子晶体取出该光，经干涉后，最终电场具有如图32A所示那样夹着中心在上下相位不同的电场分布。
另一方面，例如，方式IV’时，试观察图35B示出的光子晶体区域的电场分布，因电场分布成沿一个方向穿过折射率低的椭圆阵点，通过衍射从光子晶体取出该光，经过干涉后，如图35A所示，最终电场集中在一个方向。
因而，只要在二维光子晶体的面内折射率低的第2介质中分布方向一致的电场，便能得到具有直线偏振光的单峰性的电场分布的放射方式。
图6A、图6B、图6C～图8A、图8B、图8C表示阵点为标准圆形、椭圆形及三角形时的方式I、I’、I”的电场分布情况的示意图。图6A、图7A、图8A表示光子晶体内部的电场分布，图6B、图7B、图8B表示在折射率低的第2介质(二维光子晶体周期结构体)中取出1个周期部分时的电场分布。另外，图6C、图7C、图8C表示相对发光面沿垂直方向取出的分量的电场分布。图9A、图9B、图10A、图10B表示更详细的电场分布，图9A、图9B表示阵点为标准圆形的情况，图10A、图10B表示阵点为三角形的情况。
然而，在阵点为三角形的情况下，相对发光面沿垂直方向取出的分量的电场分布如图8A、图8B、图8C所示，仔细地看就象将分布于折射率低的的第2介质部分的电场旋转了180°。
图11A、图11B、图11C～图13A、图13B、图13C和前述图6A、图6B、图6C～图8A、图8B、图8C一样，表示阵点为标准圆形、椭圆形、及三角形时的方式II、II’、II”的电场分布情况的示意图。
(阵点形状的条件及种类)
从图8A、图8B、图8C、图13A、图13B、图13C可知，将阵点作为三角形的本质特征在于，使折射率的周期和电场分布的周期错开。这种现象不仅在阵点为三角形时，而且通过满足下述条件能得到构成二维光子晶体的晶格结构。
即晶格结构可以是不包括旋转对称性的正方晶格结构或正交晶格结构。人们所知：通常二维反复图样按照IUC(International Union of Crystallographyin 1952)的分类方法可分成17种。所谓17种是p1、pm、pg、cm、p2、pmm、pgg、cmm、pmg、p4、p4m、p4g、p3、p31m、p3ml、p6、p6m。其中，不包括旋转对称性的图样如以下的表1所示，为p1、pm、pg、cm四种。三角形晶格结构的情形相当于pm。
(表1)
(不包括旋转对称性的二维图样的分类)
| IUC记号 | 判定条件 | 可能的晶格结构 |
| p1 | 不包括镜像、偏移镜像 | 斜交晶格、正交晶格、面心晶格、正方晶格、六方晶格 |
| pm | 包括镜像。偏移镜像轴未必是镜像轴。 | 正交晶格、正方晶格 |
| pg | 不包括镜像。包括偏移对映。 | 正交晶格、正方晶格 |
| cm | 包括镜像。存在不是镜像轴的偏移对映轴 | 面心晶格、正方晶格、六方晶格 |
所谓镜像，如图14A所示，为相对镜像轴的线对称的图样。所谓偏移镜像，如图14B所示，镜像图样相对偏移镜像轴平行移动的情形。
以下，在图15～图24中与图样的种类(p1、pm、pg、cm中任一种)一起表示作为阵点形状考虑的各种形状。还有在图15～图21各图中，阵点形状的角画成90°或其以下的角度，但实际上在经加工后的周期结构体中，这些角都带圆形。
具有平移对称性但不具有旋转对称性的晶格结构即使不一个一个地改变阵点形状，也可如图22或图23所示，仍能通过对标准圆形的阵点21附加小的圆形21’来实现。另外，附加小的圆形的方法也可以隔几个周期加一次。总之，只要是不仅各个阵点的形状，而且作为晶格结构的整体，能定义有限尺寸的基本晶格，其可以是以正方晶格或正交晶格的形式反复形成的图样即可。
另外，如图24所示，即使阵点形状自身是标准圆形，也可通过在阵点处设置第3种折射率n3的介质，能实现与pm图样相当的晶格结构。在第1介质中形成空位后，可以将折射率n2、n3的介质填入该空位。或者，如将折射率n2的介质作为空气，则可以以半圆形填入折射率n3的介质。另外，也可以利用具有不同折射率的两种及两种以上的折射率分布的介质充填阵点。
(其它实施方式)
还有，本发明涉及的二维光子晶体面发光激光器不限于前述实施方式，在其主要精神的范围内可以作各种变更。
特别是将半导体层、光子晶体、电极材料、或光的偏振等集中在一起的结构等，可以是任意的。另外，光子晶体周期结构体除下部包复层以外，还可设在上部包复层内的激活层附近或激活层内。
另外，关于第1介质和第2介质的折射率的关系，在前述实施方式中，是假设第2介质的折射率低于第1介质的折射率进行说明的，但也可以为相反的关系。
Claims (5)
1.一种二维光子晶体面发光激光器，在靠注入载流子发光的激活层或其附近、内装将不同折射率的介质按二维的周期排列的光子晶体周期结构体的二维光子晶体面发光激光器中，其特征在于，
所述光子晶体周期结构体的晶格结构是正方晶格或正交晶格，内装具有平移对称性但不具有旋转对称性的光子晶体。
2.一种二维光子晶体面发光激光器，在靠注入载流子发光的激活层或其附近、内装将不同折射率的介质按二维的周期排列的光子晶体周期结构体的二维光子晶体面发光激光器中，其特征在于，
所述光子晶体周期结构体的晶格结构是正方晶格或正交晶格，内装按照二维图样的IUC(International Union of Crystallography in 1952)分类方法的p1、pm、pg或cm中任一种的光子晶体。
3.如权利要求1或2所述的二维光子晶体面发光激光器，其特征在于，
所述光子晶体的阵点形状近似三角形。
4.如权利要求1或2所述的二维光子晶体面发光激光器，其特征在于，
所述光子晶体的阵点形状由较大的近似圆形和较小的近似圆形的组合而成。
5.如权利要求1或2所述的二维光子晶体面发光激光器，其特征在于，
所述光子晶体的阵点由折射率不同的两种及两种以上的介质或具有折射率分布的介质构成。
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