DE112016003950T5

DE112016003950T5 - Oberflächenemittierender laser mit zweidimensionalem photonischen kristall

Info

Publication number: DE112016003950T5
Application number: DE112016003950.6T
Authority: DE
Inventors: Susumu Noda; Hitoshi Kitagawa; Yoshinori Tanaka
Original assignee: Rohm Co Ltd; Hamamatsu Photonics KK; Mitsubishi Electric Corp; Kyoto University NUC
Current assignee: Rohm Co Ltd; Hamamatsu Photonics KK; Mitsubishi Electric Corp; Kyoto University NUC
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2016-08-25
Publication date: 2018-05-17
Also published as: JPWO2017038595A1; CN108028511A; JP6865439B2; US10389086B2; CN108028511B; WO2017038595A1; US20190157836A1

Abstract

Ein oberflächenemittierender Laser 10 mit zweidimensionalem photonischen Kristall umfasst: einen zweidimensionalen photonischen Kristall (eine Schicht 12 von einem zweidimensionalen photonischen Kristall), umfassend einen plattenförmigen Basiskörper 121 mit einer vorbestimmten Größe, in welchem Bereiche 122 mit modifiziertem Brechungsindex, deren Brechungsindex von demjenigen des Basiskörpers verschieden ist, in einem zweidimensionalen Muster periodisch angeordnet sind; eine aktive Schicht 11, welche auf einer Seite des zweidimensionalen photonischen Kristalls bereitgestellt ist; und eine erste Elektrode 15 und eine zweite Elektrode 16, die einander über den zweidimensionalen photonischen Kristall und die aktive Schicht 11 gegenüberliegen, zum Zuführen eines elektrischen Stroms zu der aktiven Schicht 11. Die Bereiche 122 mit modifiziertem Brechungsindex sind derart bereitgestellt, dass die in-plane-Besetzung dieser Bereiche 122 abnimmt oder die Gitterkonstante für diese Bereiche 122 zunimmt, in Richtung von einem äußeren Rand in Richtung auf die Mitte eines Stromdurchgangsbereichs, welcher ein Bereich ist, in dem der elektrische Strom durch den zweidimensionalen photonischen Kristall hindurchgeht. Mit dieser Konfiguration lässt sich eine stabile Laseroszillation innerhalb des zweidimensionalen photonischen Kristalls erhalten, selbst wenn eine Temperaturverteilung ausgebildet wird, welche am äußeren Rand des Stromdurchgangsbereichs niedriger und in der Mitte desselben höher ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser und insbesondere einen oberflächenemittierenden Laser mit zweidimensionalem photonischen Kristall, bei dem ein zweidimensionaler photonischer Kristall zum Verstärken von Licht verwendet wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Halbleiterlaser weisen zahlreiche Vorteile auf, wie zum Beispiel geringe Größe, Kostengünstigkeit, geringen Energieverbrauch und lange Lebensdauer. Aufgrund dieser Vorteile haben Halbleiterlaser weite Verbreitung gefunden auf einer breiten Vielfalt von Gebieten, beispielsweise als Lichtquellen für die optische Aufzeichnung, als Lichtquellen in der Kommunikationstechnik, für Laserdisplays, Laserdrucker oder Laserpointer. Im Bereich der Laserstrahlbearbeitung wird ein Laser benötigt, dessen optische Ausgangsleistung mindestens 1 W übersteigt. Allerdings hat keiner der derzeit in praktischem Gebrauch befindlichen Halbleiterlaser bislang dieses Niveau an Ausgangsleistung erzielt. Demgemäß sind zu diesem Zweck bisher Gaslaser eingesetzt worden, so etwa Kohlendioxidgaslaser.
In jüngster Zeit haben Noda et al., die Mitglieder der Gruppe der Erfinder der vorliegenden Anmeldung sind, einen oberflächenemittierenden Laser mit zweidimensionalem photonischen Kristall entwickelt, dessen optische Ausgangsleistung das Niveau von 1 W übersteigt (Nichtpatentliteratur 1 und 2). Ein oberflächenemittierender Laser mit zweidimensionalem photonischen Kristall umfasst eine aktive Schicht, einen zweidimensionalen photonischen Kristall und ein Paar von Elektroden, zwischen denen die beiden vorgenannten Elemente sandwichartig angeordnet sind. Der zweidimensionale photonische Kristall ist eine Vorrichtung, welche einen plattenförmigen Basiskörper umfasst, in welchem Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex, deren Brechungsindex von demjenigen des Basiskörpers verschieden ist, periodisch angeordnet sind und dadurch eine periodische Verteilung des Brechungsindex ausgebildet wird. Eine Injektion von elektrischem Strom aus den Elektroden in den oberflächenemittierenden Laser mit zweidimensionalem photonischen Kristall induziert eine Emission von Licht in der aktiven Schicht. In diesem Licht wird nur Licht einer spezifischen Wellenlänge korrespondierend zu der Periodizität der Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex verstärkt und bewirkt eine Laseroszillation, die schließlich als Laserstrahl in einer Richtung senkrecht zu dem zweidimensionalen photonischen Kristall emittiert wird. Dieses Licht wird von einem bestimmten Bereich innerhalb des zweidimensionalen photonischen Kristalls emittiert (Oberflächenemission). Demgemäß weisen oberflächenemittierende Laser mit zweidimensionalem photonischen Kristall eine größere Emissionsfläche auf als konventionelle Halbleiterlaser, und ihre optische Ausgangsleistung lässt sich leichter erhöhen. Oberflächenemittierende Laser mit zweidimensionalem photonischen Kristall selbst sind bereits bekannt (siehe beispielsweise Patentliteratur 1). Ein Merkmal der in der Nichtpatentliteratur 1 und 2 beschriebenen Erfindung besteht darin, dass Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex, welche eine planare Gestalt in Form eines rechtwinkligen Dreiecks aufweisen, an den Gitterpunkten eines quadratischen Gitters derart angeordnet sind, dass die sich orthogonal schneidenden Seiten des rechtwinkligen Dreiecks parallel zu dem Gitter verlaufen. Mit dieser Vorrichtung kann die optische Ausgangsleistung auf ungefähr 1,5 W erhöht werden.
LISTE DER ANFÜHRUNGEN
PATENTLITERATUR
Patentliteratur 1: JP 2003-023193 A
NICHTPATENTLITERATUR
Nichtpatentliteratur 1: Kazuyoshi Hirose und fünf weitere Autoren in: "Watt-class high-power, high-beam-quality photonic-crystal lasers", Nature Photonics, Vol. 8, S. 406-411, Ausgabe vom 13. April 2014.
Nichtpatentliteratur 2: Kyoto University und Hamamatsu Photonics K.K. in: „Watto-kyuu Koushutsuryoku Fotonikku Kesshou Reezaa: Sekai Ni Sakigakete Jitsugen - Sekai Hatsu, Menhakkou Reezaa Ni Yori Koubiimu Hinshitu De Watto-kyuu No Koushutsuryokuka Wo Tassei (Watt-Class High-Power Photonic-Crystal Lasers: A World-Leading Achievement - High Quality, Watt-Class High-Power Beam Successfully Generated by Surface-emitting Laser for the First Time in the World -)“ [online], Webseite der Kyoto University [abgerufen am 23. Juli 2015] aus dem Internet <http://www.kyotou.ac.jp/ja/research/research_results/2014/documents/140414_1/01.pdf>, 10. April 2014.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Wenn ein elektrischer Strom in einen oberflächenemittierenden Laser mit zweidimensionalem photonischen Kristall injiziert wird, wird im Inneren der Vorrichtung Wärme erzeugt. Diese Wärme erzeugt in jeder Schicht des oberflächenemittierenden Lasers mit zweidimensionalem photonischen Kristall eine Temperaturverteilung, derart, dass die Temperatur zur Mitte der Schicht hin zunimmt. Um die optische Ausgangsleistung zu erhöhen, muss eine größere Strommenge injiziert werden, was bewirkt, dass sich die Ungleichförmigkeit der Temperaturverteilung deutlicher bemerkbar macht. Die Wirkungen einer solchen Temperaturverteilung sind bei konventionellen Typen von oberflächenemittierenden Lasern mit zweidimensionalem photonischen Kristall bisher nicht berücksichtigt worden. Eine Untersuchung der vorliegenden Erfinder, welche auf diesen Punkt fokussiert ist, hat gezeigt, dass die Temperaturverteilung, welche in dem zweidimensionalen photonischen Kristall auftritt, folgendes Problem verursacht: In dem oberflächenemittierenden Laser mit zweidimensionalem photonischen Kristall wird der Bereich, in welchem der aus der Elektrode injizierte Strom durch jede Schicht hindurchgeht, zur wärmeerzeugenden Quelle. Die Emission von Licht aus der aktiven Schicht tritt innerhalb des Bereichs auf, in dem der Strom durch die aktive Schicht hindurchgeht (d.h. in dem Ladungsträger in die aktive Schicht injiziert werden). Dieses Licht wird in den zweidimensionalen photonischen Kristall eingeführt und von diesem verstärkt. Die Temperaturverteilung, welche in dem zweidimensionalen photonischen Kristall auftritt, verursacht Probleme innerhalb dieses Bereichs, in dem das Licht verstärkt wird. Dieser Bereich fällt im Wesentlichen mit dem Stromdurchgangsbereich in dem zweidimensionalen photonischen Kristall zusammen. In der nachfolgenden Beschreibung wird vor allem die Temperaturverteilung innerhalb des Stromdurchgangsbereichs in dem zweidimensionalen photonischen Kristall betrachtet. Es sei angemerkt, dass der Ausdruck „Stromdurchgangsbereich“, wie er in der nachfolgenden Beschreibung verwendet wird, den Stromdurchgangsbereich in dem zweidimensionalen photonischen Kristall bezeichnet, sofern nicht speziell eine davon verschiedene Schicht in dem Laser mit zweidimensionalem photonischen Kristall angegeben ist.
9A bis 9G zeigen die Ergebnisse einer Berechnung der Oszillationsmode von Licht für einen herkömmlichen oberflächenemittierenden Laser mit zweidimensionalem photonischen Kristall unter Berücksichtigung der Ungleichförmigkeit der Temperaturverteilung. Die Berechnungsbedingungen waren wie folgt: An den Gitterpunkten eines quadratischen Gitters an einem Basiskörper waren Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex mit einer rechtwinkligen planaren Form derart angeordnet, dass die sich orthogonal schneidenden Seiten des rechtwinkligen Dreiecks parallel zu dem Gitter verlaufen. Die sich orthogonal schneidenden Seiten hatten jeweils eine Länge von 166 nm. Die Gitterkonstante des quadratischen Gitters betrug 294 nm. Als Stromdurchgangsbereich wurde ein quadratischer Bereich mit einer Seitenlänge von 200 µm angesehen. Die Berechnung wurde für jeden der folgenden Fälle durchgeführt: In einem Fall wurde die Temperaturdifferenz ΔT_m zwischen der Temperatur T_c in der Mitte des Stromdurchgangsbereichs und der Temperatur T_b am äußeren Rand als Null angenommen (ΔT_m=0; 9A), und in den anderen Fällen wurde der Wert von ΔT_m innerhalb eines Bereichs von 1 bis 6 °C in Schritten von 1 °C gesetzt (9B bis 9G). Wenn die Temperaturdifferenz ΔT_m gleich Null war (9A) oder einen kleinen Wert von 1 °C aufwies (9B), bildete sich innerhalb des zweidimensionalen photonischen Kristalls eine Fundamentalmode einer stehenden Welle aus, wobei die Amplitude in der Mitte größer und am äußeren Rand kleiner war. Im Vergleich dazu kam es dann, wenn die Temperaturdifferenz ΔT_m innerhalb eines Bereichs von 2 bis 4 °C lag (9C bis 9E), innerhalb des Stromdurchgangsbereichs (d.h. des Bereichs, in dem die optische Verstärkung stattfindet) zur Ausbildung einer Mode höherer Ordnung einer stehenden Welle, wobei die Amplitude in der Mitte sowie am äußeren Rand kleiner war, während sie in den Bereichen zwischen der Mitte und dem äußeren Rand größer war. Wenn die Temperaturdifferenz ΔT_m auf 5 oder 6 °C weiter erhöht wurde (9F oder 9G), veränderte sich die Oszillationsmode der stehenden Welle innerhalb des Stromdurchgangsbereichs gegenüber den in 9A bis 9E gezeigten, wobei die Amplitude in der Mitte größer und am äußeren Rand kleiner war, während sie innerhalb des Bereichs zwischen der Mitte und dem äußeren Rand etwas größer war. Somit führt bereits eine geringfügige Veränderung der Temperaturverteilung innerhalb des Stromdurchgangsbereichs zu einer Veränderung der Oszillationsmode des Lichts innerhalb des Stromdurchgangsbereichs und macht es unmöglich, eine stabile Laseroszillation zu erhalten.
Das von der vorliegenden Erfindung zu lösende Problem liegt in der Bereitstellung eines oberflächenemittierenden Lasers mit zweidimensionalem photonischen Kristall, mit welchem eine stabile Laseroszillation erzeugbar ist, selbst wenn eine Temperaturverteilung innerhalb des Stromdurchgangsbereichs des zweidimensionalen photonischen Kristalls ausgebildet wird, welche in dessen Mitte höher und an dessen äußerem Rand niedriger ist.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Ein oberflächenemittierender Laser mit zweidimensionalem photonischen Kristall gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, welcher zur Lösung des im Vorstehenden beschriebenen Problems entwickelt wurde, umfasst: einen zweidimensionalen photonischen Kristall, umfassend einen plattenförmigen Basiskörper mit einer vorbestimmten Größe, in welchem Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex, deren Brechungsindex von demjenigen des Basiskörpers verschieden ist, in einem zweidimensionalen Muster periodisch angeordnet sind; eine aktive Schicht, welche auf einer Seite des zweidimensionalen photonischen Kristalls bereitgestellt ist; und ein Paar von Elektroden, welche einander über den zweidimensionalen photonischen Kristall und die aktive Schicht gegenüberliegen, zum Zuführen eines elektrischen Stroms zu der aktiven Schicht, wobei:

die Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex derart bereitgestellt sind, dass die in-plane-Besetzung der Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex in dem Basiskörper in einer Richtung von einem äußeren Rand in Richtung auf die Mitte eines Stromdurchgangsbereichs, welcher ein Bereich ist, in dem der elektrische Strom durch den zweidimensionalen photonischen Kristall hindurchgeht, zunimmt.

Die in-plane-Besetzung ist definiert als das Verhältnis der Fläche der Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex zur Fläche des Basiskörpers pro Periodizitätseinheit der Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex. Wenn jeder Bereich mit modifiziertem Brechungsindex eine Fläche aufweist, welche sich in Abhängigkeit von der Position in der Dickenrichtung des Basiskörpers ändert, ist die Fläche des Bereichs mit modifiziertem Brechungsindex als die durchschnittliche Fläche in der Dickenrichtung definiert.
Ein oberflächenemittierenden Laser mit zweidimensionalem photonischen Kristall gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst: einen zweidimensionalen photonischen Kristall, umfassend einen plattenförmigen Basiskörper mit einer vorbestimmten Größe, in welchem Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex, deren Brechungsindex von demjenigen des Basiskörpers verschieden ist, in einem zweidimensionalen Gittermuster periodisch angeordnet sind; eine aktive Schicht, welche auf einer Seite des zweidimensionalen photonischen Kristalls bereitgestellt ist; und ein Paar von Elektroden, welche einander über den zweidimensionalen photonischen Kristall und die aktive Schicht gegenüberliegen, zum Zuführen eines elektrischen Stroms zu der aktiven Schicht, wobei:

die Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex derart angeordnet sind, dass eine Gitterkonstante in einer Richtung von einem äußeren Rand in Richtung auf die Mitte eines Stromdurchgangsbereichs, welcher ein Bereich ist, in dem der elektrische Strom durch den zweidimensionalen photonischen Kristall hindurchgeht, abnimmt.

Bei dem oberflächenemittierenden Laser mit zweidimensionalem photonischen Kristall gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex derart bereitgestellt, dass mit der in-plane-Position an dem zweidimensionalen photonischen Kristall, in Richtung von einem äußeren Rand zu der Mitte des Stromdurchgangsbereichs hin die in-plane-Besetzung dieser Bereiche zunimmt (erster Aspekt der vorliegenden Erfindung) oder die Gitterkonstante für diese Bereiche abnimmt (zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung). Diese Konfiguration annulliert den Einfluss der Ungleichförmigkeit der Temperaturverteilung, deren Niveau in Richtung von dem äußeren Rand zur Mitte hin zunimmt, und erlaubt es dadurch, dass sich eine spezifische Oszillationsmode einer stehenden Welle innerhalb des zweidimensionalen photonischen Kristalls leicht ausbildet. Folglich kann eine stabile Laseroszillation erhalten werden.
Es ist nicht unbedingt erforderlich, Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex außerhalb des Stromdurchgangsbereichs anzuordnen. Vorzugsweise kann jedoch - um die Reflexion von Licht an dem äußeren Rand des Stromdurchgangsbereichs zu vermeiden - außerhalb des Stromdurchgangsbereichs eine periodische Anordnung der Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex mit der gleichen Struktur wie der äußere Rand des Stromdurchgangsbereichs ausgebildet sein.
In einem bevorzugten Modus des oberflächenemittierenden Lasers mit zweidimensionalem photonischen Kristall gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Differenz Δf(x, y) zwischen der in-plane-Besetzung f(x, y) an irgendeiner in-plane-Position innerhalb des Stromdurchgangsbereichs und der in-plane-Besetzung f_b am äußeren Rand, d.h. Δf(x, y)=f(x, y)-f_b, mit einem positiven Proportionalkoeffizienten proportional zu der Differenz ΔT(x, y) zwischen der Temperatur T(x, y) an der betreffenden in-plane-Position und der Temperatur T_b am äußeren Rand, d.h. ΔT(x, y)=T(x, y)-T_b (>0). ΔT(x, y) kann experimentell bestimmt werden oder durch Berechnung auf Basis der elektrischen Strommenge, welche durch das erforderliche optische Ausgangsleistungsniveau bestimmt ist. Der Proportionalitätskoeffizient kann ebenfalls experimentell oder durch Berechnung bestimmt werden. Beispielsweise hat eine Berechnung durch die vorliegenden Erfinder gezeigt, dass Δf(x, y) gegeben werden kann durch: $Δ f (x,y) = - \frac{\frac{\partial {neff}^{(0)}}{\partial T}}{\frac{\partial {neff}^{(0)}}{\partial f} + \frac{{neff}^{(0)}}{ω_{0}} \frac{∂ω}{\partial f}} Δ T (x,y)$
worin n_eff der effektive Brechungsindex ist, der definiert ist als die Summe der Brechungsindizes des Basiskörpers und der Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex multipliziert durch ihre jeweiligen in-plane-Besetzungen. ∂n_eff ⁽⁰⁾/∂T ist die Änderungsrate des effektiven Brechungsindex in Bezug auf die Temperatur. ∂n_eff ⁽⁰⁾/∂f ist die Änderungsrate des effektiven Brechungsindex in Bezug auf eine Änderung der in-plane-Besetzung f der Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex. ω₀ ist die Resonanzfrequenz von Licht, berechnet aus der in-plane-Besetzung, der Gitterkonstante und anderen Parametern. ∂ω/∂f ist die Änderungsrate der Resonanzfrequenz in Bezug auf eine Änderung der in-plane-Besetzung. Gemäß einer Simulationsberechnung hat der Zähler einen positiven Wert, während der Nenner einen negativen Wert aufweist. Daher hat der Proportionalitätskoeffizient, einschließlich des Minuszeichens in Gleichung (1), einen positiven Wert. Da ΔT definitionsgemäß einen positiven Wert hat, hat die gesamte rechte Seite der Gleichung (1) einen positiven Wert. Demgemäß hat Δf(x, y) einen positiven Wert, was bedeutet, dass die in-plane-Besetzung in Richtung von dem äußeren Rand zur Mitte des Stromdurchgangsbereichs hin zunimmt.
Ähnlich ist in einem bevorzugten Modus des oberflächenemittierenden Lasers mit zweidimensionalem photonischen Kristall gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung die Differenz Δa(x, y) zwischen der Gitterkonstante a(x, y) an irgendeiner in-plane-Position innerhalb des Stromdurchgangsbereichs und der Gitterkonstante a_b an dem äußeren Rand, d.h. Δa(x, y)=a(x, y)-a_b, mit einem negativen Proportionalitätskoeffizienten proportional zu der Differenz ΔT(x, y) zwischen der Temperatur T(x, y) an der betreffenden in-plane-Position und der Temperatur T_b an dem äußeren Rand, d.h. ΔT(x, y)=T(x, y)-T_b (>0). Eine Berechnung durch die vorliegenden Erfinder hat gezeigt, dass Δa gegeben werden kann durch: $Δ a (x,y) = - ab \frac{\partial {neff}^{(0)} ⁄ \partial T}{{neff}^{(0)}} ΔΤ (x,y)$
wobei n_eff ⁽⁰⁾ der effektive Brechungsindex vor Injektion des elektrischen Stroms ist (d.h. wenn die Temperaturverteilung flach ist). Obgleich die Gitterkonstante am äußeren Rand, d.h. a_b, nicht nur auf der linken Seite (Δa(x, y)=a(x, y)-a_b), sondern auch auf der rechten Seite der Gleichung enthalten ist, ist es kein Problem, Δa(x, y) an irgendeiner in-plane-Position zu bestimmen, da a_b eine Konstante ist. Da weiterhin im Normalfall Δa(x, y) hinreichend kleiner ist als a_b, bewirkt die positionsabhängige Änderung der Gitterkonstante um einen Betrag von Δa(x, y) lediglich einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Wellenlänge (oder Frequenz) der stehenden Welle. Gemäß einer Simulationsberechnung weist der Zähler einen positiven Wert auf. Daher hat der Proportionalitätskoeffizient, einschließlich des Minuszeichens in Gleichung (2), einen negativen Wert. Da ΔT(x, y), wie bereits erwähnt, einen positiven Wert hat, hat die gesamte rechte Seite von Gleichung (2) einen negativen Wert. Demgemäß hat Δa(x, y)=a(x, y)-a_b einen negativen Wert, was bedeutet, dass die Gitterkonstante in Richtung von dem äußeren Rand zur Mitte des Stromdurchgangsbereichs hin abnimmt.
In den meisten Fällen weist die Temperaturverteilung in einem zweidimensionalen photonischen Kristall eine Form auf, bei welcher die Temperatur in der Mitte am höchsten ist und von diesem Punkt aus konzentrisch abnimmt. In einem solchen Fall können die Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex vorzugsweise in der Art und Weise bereitgestellt sein, dass - im Falle des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung - die in-plane-Besetzung ausgehend von der Mitte der in-plane-Position konzentrisch abnimmt oder - im Falle des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung - die Gitterkonstante ausgehend von der Mitte der in-plane-Position konzentrisch zunimmt. Es ist jedoch nicht immer der Fall, dass die Temperaturverteilung in dem zweidimensionalen photonischen Kristall in der oben beschriebenen Art und Weise ausgebildet ist. Die in-plane-Besetzung oder die Gitterkonstante der Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex sollte der tatsächlichen Temperaturverteilung angepasst sein.
In den vorangehenden Beschreibungen wurden der erste und der zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung als separate Vorrichtungen behandelt. Ebenso möglich ist ein einziger oberflächenemittierenden Laser mit zweidimensionalem photonischen Kristall, welcher die Merkmale sowohl des ersten Aspektes als auch des zweiten Aspektes aufweist. Das heißt, dass die Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex in dem oberflächenemittierenden Laser mit zweidimensionalem photonischen Kristall gemäß der vorliegenden Erfindung derart bereitgestellt sein können, dass die in-plane-Besetzung dieser Bereiche in Richtung von dem äußeren Rand zur Mitte des Stromdurchgangsbereichs hin zunimmt, während die Gitterkonstante für diese Bereiche in derselben Richtung abnimmt.
VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Der oberflächenemittierende Laser mit zweidimensionalem photonischen Kristall gemäß vorliegender Erfindung kann eine stabile Laseroszillation erzeugen, selbst wenn innerhalb des zweidimensionalen photonischen Kristalls eine Temperaturverteilung ausgebildet wird, die am äußeren Rand des Stromdurchgangsbereichs niedriger und in der Mitte desselben höher ist.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine Ausführungsform des oberflächenemittierenden Lasers mit zweidimensionalem photonischen Kristall gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Diagramm, welches in schematischer Form den Stromdurchgangsbereich der Schicht von einem zweidimensionalen photonischen Kristall in dem oberflächenemittierenden Laser mit zweidimensionalem photonischen Kristall gemäß der Ausführungsform zeigt.
3 ist eine Draufsicht, welche ein Beispiel für die Schicht von einem zweidimensionalen photonischen Kristall in dem oberflächenemittierenden Laser mit zweidimensionalem photonischen Kristall gemäß der Ausführungsform zeigt, wobei die in-plane-Besetzung der Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex in Richtung von der Mitte zum äußeren Rand hin zunimmt.
4 ist ein Graph, welcher das Ergebnis einer Simulation der Temperaturverteilung in einer Schicht von einem zweidimensionalen photonischen Kristall (in durchgezogenen Linien dargestellte Daten) sowie der Temperaturverteilung an der Oberfläche eines oberflächenemittierenden Lasers mit zweidimensionalem photonischen Kristall (in durchbrochenen Linien dargestellte Daten) zeigt.
5 ist ein Graph, welcher das Ergebnis einer Simulation der Temperaturverteilung an der Oberfläche einer Schicht von einem zweidimensionalen photonischen Kristall für den Fall zeigt, dass ein Substrat verwendet wird, welches eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das im Falle von 4 verwendete.
6 ist eine Draufsicht, welche ein weiteres Beispiel für die Schicht von einem zweidimensionalen photonischen Kristall in dem oberflächenemittierenden Laser mit zweidimensionalem photonischen Kristall gemäß der Ausführungsform zeigt, wobei die Gitterkonstante für die Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex in Richtung von der Mitte zum äußeren Rand hin zunimmt.
7 ist ein Graph, welcher das Ergebnis einer Berechnung des Wertes einer Schwellenverstärkungsdifferenz in Bezug auf die Temperaturdifferenz zwischen der Mitte und dem äußeren Rand des zweidimensionalen photonischen Kristalls in dem oberflächenemittierenden Laser mit zweidimensionalem photonischen Kristall gemäß der Ausführungsform sowie gemäß eines Vergleichsbeispiels zeigt.
8 ist ein Graph, welcher das Ergebnis einer Simulationsberechnung des Wertes einer Schwellenverstärkungsdifferenz in Bezug auf die Temperaturdifferenz zwischen der Mitte und dem äußeren Rand des zweidimensionalen photonischen Kristalls in dem oberflächenemittierenden Laser mit zweidimensionalem photonischen Kristall gemäß der Ausführungsform zeigt, wobei die Berechnung in einem Fall mit Annäherungen und in einem anderen Fall ohne Annäherungen durchgeführt wurde.
9A bis 9G zeigen das Ergebnis einer Simulation der Oszillationsmode von Licht für einen herkömmlichen oberflächenemittierenden Laser mit zweidimensionalem photonischen Kristall in dem Fall, dass in der Ebene des zweidimensionalen photonischen Kristalls eine Ungleichförmigkeit der Temperaturverteilung auftritt.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Ausführungsform des oberflächenemittierenden Lasers mit zweidimensionalem photonischen Kristall gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Verwendung der 1 bis 8 beschrieben.
Wie in 1 gezeigt, umfasst der oberflächenemittierende Laser 10 mit zweidimensionalem photonischen Kristall in der vorliegenden Ausführungsform eine erste Elektrode 15, eine erste Cladding-Schicht 141, eine aktive Schicht 11, eine Zwischenschicht 13, eine Schicht 12 von einem zweidimensionalen photonischen Kristall (welche zu dem zuvor erwähnten zweidimensionalen photonischen Kristall korrespondiert), eine zweite Cladding-Schicht 142 und eine zweite Elektrode 16, welche in der genannten Reihenfolge aufeinanderfolgend gestapelt sind. Die aktive Schicht 11 und die Schicht 12 von einem zweidimensionalen photonischen Kristall können transponiert sein. Der Einfachheit halber sind bei dem in 1 gezeigten oberflächenemittierenden Laser 10 mit zweidimensionalem photonischen Kristall die erste und die zweite Elektrode 15 und 16 auf der oberen bzw. auf der unteren Seite desselben angeordnet. Im Gebrauch ist die Richtung des Lasers jedoch nicht auf das gezeigte Beispiel beschränkt. Es folgt nun eine Beschreibung der Konfiguration einer jeden Schicht.
Bei Empfang von aus der ersten und der zweiten Elektrode 15 und 16 injizierten elektrischen Ladungen emittiert die aktive Schicht 11 Licht innerhalb eines spezifischen Wellenlängenbandes. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird als Material für die aktive Schicht 11 ein InGaAs/AlGaAs-Mehrfachquantentopf (Emissionswellenlängenband: 935 bis 945 nm) verwendet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist das Material für die aktive Schicht jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Die aktive Schicht 11 weist eine quadratische Form mit einer Dicke von ungefähr 2 µm auf. Die Länge einer Seite dieses Quadrats ist gleich oder geringfügig größer als die der äußeren Kontur des Rahmenbereichs 162 der zweiten Elektrode 16 (welche später beschrieben wird). Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist die aktive Schicht 11 nicht auf diese Dimensionen begrenzt. Ihre Form kann ebenfalls geändert werden, beispielsweise in eine kreisförmige oder hexagonale Form.
Die Schicht 12 des zweidimensionalen photonischen Kristalls weist, wie in 3 gezeigt, einen plattenförmigen Hauptkörper 121 auf, bei welchem Bereiche 122 mit modifiziertem Brechungsindex, deren Brechungsindex von demjenigen des Hauptkörpers verschieden ist, periodisch angeordnet sind. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das für den Hauptkörper 121 verwendete Material GaAs. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist das Material für den Hauptkörper jedoch nicht auf dieses Beispiel begrenzt. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Bereiche 122 mit modifiziertem Brechungsindex Löcher (Luft oder Vakuum). Eine ausführliche Beschreibung der Form und Anordnung der Bereiche 122 mit modifiziertem Brechungsindex wird später gegeben.
Die Zwischenschicht 13 ist bereitgestellt, um die aktive Schicht 11 und die Schicht 12 von einem zweidimensionalen photonischen Kristall, welche aus verschiedenen Materialien hergestellt sind, miteinander zu verbinden. In der vorliegenden Ausführungsform ist das für die Zwischenschicht 13 eingesetzte Material AIGaAs, welches in Abhängigkeit von den Materialien, welche für die aktive Schicht 11 und die Schicht 12 von einem zweidimensionalen photonischen Kristall zur Verwendung kommen, geeignet abgeändert werden sollte.
Die erste und die zweite Cladding-Schicht 141 und 142 haben die Funktion, die erste Elektrode 15 mit der aktiven Schicht 11 bzw. die zweite Elektrode 16 mit der Schicht 12 des zweidimensionalen photonischen Kristalls zu verbinden und die Injektion des elektrischen Stroms aus der ersten und der zweiten Elektrode 15 und 16 in die aktive Schicht 11 hinein zu erleichtern. Um es den Cladding-Schichten zu ermöglichen, diese Funktionen zu erfüllen, wird ein p-Typ-Halbleiter als das Material für die erste Cladding-Schicht 141 verwendet, während ein n-Typ-Halbleiter als das Material für die zweite Cladding-Schicht 142 verwendet wird. Die erste Cladding-Schicht 141 weist eine zweilagige Struktur auf, bestehend aus einer p-GaAs-Schicht und einer p-AlGaAs-Schicht, welche ausgehend von der ersten Elektrode 15 angeordnet sind. Ähnlich weist die zweite Cladding-Schicht 142 eine zweilagige Struktur auf, bestehend aus einer p-GaAs-Schicht und einer p-AlGaAs-Schicht, welche ausgehend von der zweiten Elektrode 16 angeordnet sind (diese zweilagigen Strukturen sind in der Figur nicht gezeigt). Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind die Materialien für die erste und die zweite Cladding-Schicht 141 und 142 nicht auf die erwähnten Beispiele beschränkt. Die planaren Dimensionen der ersten und der zweiten Cladding-Schicht 141 und 142 sind die gleichen wie diejenigen der aktiven Schicht 11 und des Basiskörpers 121 der Schicht 12 eines zweidimensionalen photonischen Kristalls. Die Dicke der ersten Cladding-Schicht 141 beträgt 2 µm, während die Dicke der zweiten Cladding-Schicht 200 µm beträgt.
Wie gerade beschrieben, ist die erste Cladding-Schicht 141 viel dünner als die zweite Cladding-Schicht 142. Demgemäß ist der Abstand zwischen der Schicht 12 von einem zweidimensionalen photonischen Kristall und der ersten Elektrode 15 viel kleiner als der Abstand zwischen der Schicht 12 von einem zweidimensionalen photonischen Kristall und der zweiten Elektrode 16. Folglich wird - wie in 2 gezeigt - der Stromdurchgangsbereich 21, in dem der zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 15 und 16 fließende Strom durch die Schicht 12 von einem zweidimensionalen photonischen Kristall hindurchgeht, nahezu identisch zu dem Bereich, in dem die erste Elektrode 15 bereitgestellt ist. Da ferner in der vorliegenden Ausführungsform der Abstand zwischen der aktiven Schicht 11 und der Schicht 12 von einem zweidimensionalen photonischen Kristall viel kleiner ist als der Abstand zwischen der Schicht 12 von einem zweidimensionalen photonischen Kristall und der zweiten Elektrode 16, wird der Bereich, innerhalb dessen Ladungsträger in die aktive Schicht 11 injiziert werden, nahezu identisch mit dem Stromdurchgangsbereich 21 in der Schicht 12 von einem zweidimensionalen photonischen Kristall.
Die erste Elektrode 15 weist eine quadratische planare Gestalt auf, bei welcher die Länge einer Seite 200 µm beträgt und kürzer ist als die der anderen Schichten. Daher kann der Stromdurchgangsbereich 21 auch als ein Quadrat agenähert werden, dessen Seitenlänge 200 µm beträgt. Die zweite Elektrode 16 ist ein quadratisches Plattenglied, welches innenseitig mit einem quadratischen hohlen Bereich ausgebildet ist. Dieser hohle Bereich des Plattengliedes wird im Folgenden als „Fensterbereich 161“ bezeichnet, während der übrige Bereich des Plattengliedes als „Rahmenbereich 162“ bezeichnet wird. Die Seitenlänge des quadratischen Plattengliedes (Außenseite des Rahmenbereichs 162) beträgt 800 µm und die des quadratischen Fensterbereichs 161 beträgt 600 µm. Das innerhalb der Schicht 12 von einem zweidimensionalen photonischen Kristall verstärkte Laserlicht oszilliert in dieser Schicht, um durch den Fensterbereich 161 hindurch zur Außenseite des oberflächenemittierenden Lasers 10 mit zweidimensionalem photonischen Kristalls emittiert zu werden. Das Material, welches für die erste Elektrode 15 und den Rahmenbereich 162 der zweiten Elektrode 16 zum Einsatz kommt, kann ein guter Leiter (z.B. Gold) oder ein Halbleiter mit der gleichen Polarität wie die benachbarte Cladding-Schicht (ein p-Typ-Halbleiter für die erste Elektrode 15 und ein n-Typ-Halbleiter für die zweite Elektrode 16) sein.
Nachfolgend werden die Form und Anordnung der Bereiche 122 mit modifiziertem Brechungsindex in der Schicht 12 von einem zweidimensionalen photonischen Kristall beschrieben. Wie in 3 gezeigt, sind die Bereiche 122 mit modifiziertem Brechungsindex innerhalb des Stromdurchgangsbereichs 21 durch virtuelle quadratische Linien (dicke durchbrochene Linien in 3) in fünf Zonen 1231-1235 von der Mittelzone 1231 bis zur Endzone 1235 unterteilt, welche konzentrisch von der Mitte der in-plane-Position aus angeordnet sind. Innerhalb einer jeden Zone sind die Bereiche 122 mit modifiziertem Brechungsindex in einem quadratischen Gittermuster angeordnet. Das räumliche Intervall der Bereiche 122 mit modifiziertem Brechungsindex (die Gitterkonstante) ist in allen Zonen gleich. In irgendeiner dieser Zonen weisen die Bereiche 122 mit modifiziertem Brechungsindex eine rechtwinklige planare Form auf und sind derart angeordnet, dass die zwei sich orthogonal schneidenden Seiten des rechtwinkligen Dreiecks mit den sich orthogonal schneidenden Gitterlinien des quadratischen Gitters ausgerichtet sind.
Die in-plane-Besetzung f(x, y) der Bereiche 122 mit modifiziertem Brechungsindex ist f(x, y)=f_b=0,15600 (15,600 %) in der Endzone 1235 und nimmt in Richtung von der Endzone 1235 zu der Mittelzone 1231 hin allmählich zu. Beliebige zwei einander benachbarte Zonen weisen eine Differenz der in-plane-Besetzung f(x, y) um einen Betrag von δf(x, y)=Δf(x, y)/ΔT(x, y)=0,00048 (0,048 %) auf. (In 3 ist zum besseren Verständnis die Differenz der in-plane-Besetzung zwischen den einander benachbarten Zonen überzeichnet, und die Anzahl der Bereiche 122 mit modifiziertem Brechungsindex, welche in der Figur dargestellt sind, ist geringer als deren tatsächliche Zahl.) Dieser Wert von δf(x, y) wurde aus Gleichung (1) unter der Annahme berechnet, dass zwischen der Mittelzone 1231 und der Endzone 1235 eine Temperaturdifferenz von 4 °C mit einer Temperaturdifferenz von 1 °C zwischen zwei beliebigen einander benachbarten Zonen auftritt, wenn der oberflächenemittierende Laser 10 mit zweidimensionalem photonischen Kristall in Gebrauch ist. Der als Zähler des Bruchs in Gleichung (1) eingesetzte Wert war 2,67× 10^-4 [K^-1], was ein Näherungswert für GaAs ist, welches als das Material für den Basiskörper 121 verwendet wird. Der als Nenner verwendete Wert war -0,56, bestimmt durch eine Simulation auf Basis der Theorie der gekoppelten Wellen für den Fall, dass Laseroszillation im sogenannten „Bandkante A“-Oszillationsmodus auftritt.
Die Temperaturdifferenz von 4 °C zwischen der Mittelzone 1231 und der Endzone 1235 wurde auf Basis einer Simulation der Temperaturverteilung gewählt: Wie in 4 gezeigt, nimmt dann, wenn ein elektrischer Strom von 1000 mA zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 15 und 16 hindurchgeleitet wird, die Temperaturdifferenz ΔT_m zwischen der Mitte (x=0 auf der x-Achse) und den äußeren Rändern (x=±100 µm) des Stromdurchgangsbereichs 21 einen Wert von 4 °C an. Wie aus 4 ersichtlich, führt eine Erhöhung des Stromwertes zu einem größeren Wert von ΔT_m. Aufgrund dieser Beziehung kann die Temperaturdifferenz ΔT_m zwischen der Mittelzone 1231 und der Endzone 1235 in geeigneter Weise gemäß dem Stromwert gesetzt werden. In 4 geben die in durchgezogenen Linien angezeigten Daten die Temperaturverteilung in der Schicht 12 von einem zweidimensionalen photonischen Kristall an, während die in durchbrochenen Linien angezeigten Daten die Temperaturverteilung an der Oberfläche des oberflächenemittierenden Lasers 10 mit zweidimensionalem photonischen Kristall angeben.
Der Wert der Temperaturdifferenz ΔT_m kann verringert werden durch Verbessern der Wärmeableitfähigkeit des oberflächenemittierenden Lasers 10 mit zweidimensionalem photonischen Kristall. 5 zeigt das Ergebnis einer Simulation der Temperaturverteilung an der Oberfläche der Schicht 12 von einem zweidimensionalen photonischen Kristall für den Fall, dass ein Substrat, welches für die Installation des oberflächenemittierenden Lasers 10 mit zweidimensionalem photonischen Kristall mit der ersten Cladding-Schicht 141 in Kontakt stehen soll, aus einem Material besteht, welches eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das in dem Fall von 4 verwendete. Die Temperaturverteilung innerhalb des Stromdurchgangsbereichs (ungefähr 200 µm) ist flacher als in 4. Auch die Temperaturdifferenz ΔT_mist kleiner als in 4; ihr größter Wert liegt bei ungefähr 3 °C.
Zwar sind die Bereiche 122 mit modifiziertem Brechungsindex außerhalb des Stromdurchgangsbereichs 21 nicht dargestellt, sie sind jedoch mit der gleichen in-plane-Besetzung und Gitterkonstante angeordnet, wie sie in der Endzone 1235 innerhalb des Stromdurchgangsbereichs 21 verwendet werden.
6 zeigt als weiteres Beispiel eine Schicht 12A von einem zweidimensionalen photonischen Kristall. Die Schicht 12A von einem zweidimensionalen photonischen Kristall ist identisch mit der zuvor beschriebenen Schicht 12 von einem zweidimensionalen photonischen Kristall insofern, als der Basiskörper 121 durch virtuelle quadratische Linien (dicke durchbrochene Linien in 6) in fünf Zonen 1231A-1235A von der Endzone 1235A bis zur Mittelzone 1231A unterteilt ist, welche konzentrisch von der Mitte der in-plane-Position aus angeordnet sind, und insofern, als die Bereiche 122 mit modifiziertem Brechungsindex innerhalb jeder Zone in einem quadratischen Gittermuster angeordnet sind. Die Schicht 12A von einem zweidimensionalen photonischen Kristall unterscheidet sich von dem vorherigen Beispiel dadurch, dass die Bereiche 122 mit modifiziertem Brechungsindex in allen Zonen die gleiche planare Fläche aufweisen, während ihre Gitterkonstante a(x, y) in Richtung von der Endzone 1235A zu der Mittelzone 1231A hin allmählich abnimmt. Der Wert der Gitterkonstante a(x, y) ist a(x, y)=a_b=294,000 nm in der Endzone 1235A und wird je Zone um einen Betrag von öa=Aa/AT=0,027 nm verändert, unter der Annahme dass eine Temperaturdifferenz von 1 °C zwischen zwei beliebigen einander benachbarten Zonen auftritt. (In 6 ist zum besseren Verständnis die Differenz der Gitterkonstante zwischen den einander benachbarten Zonen überzeichnet und die Anzahl der Bereiche 122 mit modifiziertem Brechungsindex, welche in der Figur dargestellt sind, ist geringer als deren tatsächliche Zahl.) Der oben erwähnte Wert von 0,027 nm wurde aus Gleichung (2) berechnet unter der Annahme, dass bei in Gebrauch befindlichem oberflächenemittierenden Laser 10 mit zweidimensionalem photonischen Kristall eine Temperaturdifferenz von 4 °C zwischen der Mittelzone 1231 und der Endzone 1235 mit einer Temperaturdifferenz von 1 °C zwischen zwei beliebigen einander benachbarten Zonen auftritt. Der als Zähler des Bruchs in Gleichung (2) eingesetzte Wert ist 2,67×10^-4[K^-1], d.h. der gleiche Wert, wie er im vorherigen Beispiel verwendet wird. Der als Nenner n_eff ⁽⁰⁾ verwendete Wert beträgt 2,92 und wurde berechnet aus dem Brechungsindex von GaAs (3,28) unter Berücksichtigung der in-plane-Besetzung der Bereiche 122A mit modifiziertem Brechungsindex in der Mittelzone 1231.
Für den oberflächenemittierenden Laser 10 mit zweidimensionalem photonischen Kristall gemäß der vorliegenden Ausführungsform wurde eine Berechnung zur Bestätigung der Stabilität der Laseroszillation durchgeführt. Insbesondere wurden die möglichen Oszillationsmoden des Lichts innerhalb des zweidimensionalen photonischen Kristalls berechnet, und es wurde eine Schwellenverstärkungsdifferenz Δα (Einheit: cm^-1) bestimmt, welche die Differenz zwischen der Laserschwelle für die Fundamentalmode ist, in welcher Laseroszillation beim niedrigsten Energieniveau erzielt wird, und der Laserschwelle für die Mode „nächster Ordnung“, in welcher Laseroszillation beim zweitniedrigsten Energieniveau erzielt wird. Ein größerer Wert der Schwellenverstärkungsdifferenz Δα bedeutet, dass die Oszillationsmode nächster Ordnung mit geringerer Wahrscheinlichkeit auftritt und eine stabile Laseroszillation erhalten wird. Die Schwellenverstärkungsdifferenz Δα wurde in Bezug auf die Temperaturdifferenz ΔT_m zwischen der Mitte und dem äußeren Rand des Stromdurchgangsbereichs 21 (nachfolgend einfach „Temperaturdifferenz ΔT_m“ genannt) berechnet, wobei ΔT_m in Schritten von 1 °C von 0°C bis 6°C variierte. Wie bereits erwähnt, korrespondiert ΔT_m=4 °C zu der bei der Gestaltung des oberflächenemittierenden Lasers 10 mit zweidimensionalem photonischen Kristall angenommenen Temperaturdifferenz. Liegt die Temperaturdifferenz ΔT_m innerhalb des Bereichs von 5 bis 6 °C, bedeutet dies, dass die Temperaturdifferenz größer ist als erwartet. Zum Vergleich wurde eine ähnliche Berechnung auch für eine Vorrichtung durchgeführt, welche über den gesamten Bereich der Schicht von einem zweidimensionalen photonischen Kristall die gleiche in-plane-Besetzung f und Gitterkonstante a aufwies.
Der Graph in 7 zeigt das berechnete Ergebnis der Schwellenverstärkungsdifferenz Δα. Die Berechnung liefert das gleiche Ergebnis sowohl für den Fall, dass die Schicht 12 von einem zweidimensionalen photonischen Kristall (mit eingestellter in-plane-Besetzung f(x, y)) verwendet wird, als auch für den Fall, dass die Schicht 12A von einem zweidimensionalen photonischen Kristall (mit eingestellter Gitterkonstante a(x, y)) verwendet wird. Wenn die Temperaturdifferenz ΔT_m 4 °C beträgt, ist der Wert der Schwellenverstärkungsdifferenz Δα in der vorliegenden Ausführungsform größer als in dem Vergleichsbeispiel für die gleiche Temperaturdifferenz und ist gleich dem Wert für eine Temperaturdifferenz ΔT_m=0 in dem Vergleichsbeispiel. Dies begründet sich darin, dass der oberflächenemittierende Laser 10 mit zweidimensionalem photonischen Kristall so gestaltet ist, dass er einen optimalen Zustand einnimmt, wenn die Temperaturdifferenz ΔT_m 4 °C beträgt. Wenn die Temperaturdifferenz ΔT_m auf 6 °C zunimmt, ändert sich die Oszillationsmode in dem Vergleichsbeispiel gegenüber derjenigen bei einer Temperaturdifferenz ΔT_m von 5 °C oder weniger (und der Wert der Schwellenverstärkungsdifferenz Δα nimmt mit dieser Änderung zu). Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Oszillationsmode dieselbe wie bei der Temperaturdifferenz ΔT_m von 5 °C oder weniger, und dennoch wird eine höhere Schwellenverstärkungsdifferenz Δα erzielt, als wenn die Temperaturdifferenz ΔT_m 4 °C beträgt.
Es folgt eine kurze Beschreibung der Ableitung der Gleichungen (1) und (2).
Betrachten wir eine Schicht von einem zweidimensionalen photonischen Kristall, welche weder die räumliche Verteilung der in-plane-Besetzung f noch die räumliche Verteilung der Gitterkonstante a aufweist. Tritt in dieser Schicht von einem zweidimensionalen photonischen Kristall eine räumliche Verteilung der Temperatur auf, so tritt in derselben Schicht eine korrespondierende räumliche Verteilung des effektiven Brechungsindex n_eff auf. Hierbei ist der Wellenzahl-Offset δ^(T), welcher die Verschiebung der Wellenzahl der stehenden Welle, welche sich innerhalb der Schicht von einem zweidimensionalen photonischen Kristall ausbildet, gegenüber einem aus der Gitterkonstanten berechneten Wert angibt, gegeben durch: $δ^{(T)} = δ^{(0)'} + Δ n_{eff}^{(T)} ω^{(T)} / c$
worin δ^(0)' eine Konstante ist, Δn_eff ^(T) eine Änderung des effektiven Brechungsindex n_eff in Bezug auf eine Temperaturänderung ist, ω^(T) die Frequenz unter dem Einfluss der räumlichen Verteilung der Temperatur ist und worin c die Lichtgeschwindigkeit ist. Der zweite Term auf der rechten Seite der Gleichung (3) gibt den Einfluss der räumlichen Verteilung der Temperatur an. Dieser Term, welcher im Folgenden durch Δδ^(T) bezeichnet ist, kann wie folgt umgeschrieben werden: $\begin{matrix} Δ δ^{(T)} (x,y) =Δ n_{eff}^{(T)} ω^{(T)} /c \\ = Δ n_{eff}^{(T)} ω_{0} (ω_{0}^{(T)} / ω_{0}) /c \\ \sim Δ n_{eff}^{(T)} ω_{0} /c (mit der Näherung von ω^{(T)} / ω_{0} \sim 1) \end{matrix}$
$\sim (\partial n_{eff}^{(0)} / \partial T) \cdot ΔΤ (x,y) ω_{0} /c$
worin ω₀ die Frequenz ohne Einfluss der räumlichen Verteilung der Temperatur ist.
Im Falle einer Schicht von einem zweidimensionalen photonischen Kristall, welche eine räumliche Verteilung der in-plane-Besetzung f(x, y) aufweist, ist der Wellenzahl-Offset δ^(f) gegeben durch: $\begin{matrix} δ (f (x,y)) \sim (n_{eff}^{(0)} ω^{(f)} /c + Δ f \cdot \partial (n_{eff}^{(0)} ω^{(f)} /c) / \partial f) - (ω_{0} /c) \\ \sim δ^{(0)'} + (ω_{0} /c) \cdot ((\partial n_{eff}^{(0)} / \partial f) + (n_{eff}^{(0)} / ω_{0}) \cdot (∂ω/∂ f) \cdot Δ f (x,y) \end{matrix}$
Der zweite Term auf der rechten Seite von Gleichung (5) gibt den Einfluss der räumlichen Verteilung der in-plane-Besetzung f(x, y) an. Dieser Term wird im Folgenden durch Δδ^(f)(x, y) bezeichnet, d.h. $Δ δ^{(f)} (x,y) = (ω_{0} / c) \cdot ((\partial n_{eff}^{(0)} / \partial f) + (n_{eff}^{(0)} / ω_{0}) \cdot (\partial ω/ \partial f) \cdot Δ f (x,y)$
Aus den Gleichungen (4) und (6) kann der Einfluss der räumlichen Verteilung der Temperatur durch die räumliche Verteilung der in-plane-Besetzung f annulliert werden, wenn folgende Gleichung gilt: $Δ δ^{(T)} (x,y) + Δ δ^{(a)} (x,y) = 0$
d.h. $(\partial n_{eff}^{(0)} / \partial T) ΔΤ (x,y) \cdot ω_{0} / c + (ω_{0} / c) \cdot ((\partial n_{eff}^{(0)} / \partial f) + (n_{eff}^{(0)} / ω_{0}) \cdot (\partial ω/ \partial f) \cdot Δ f (x,y) = 0$
Durch Transformation dieser Gleichung (8) kann man Gleichung (1) erhalten.
Im Falle einer Schicht von einem zweidimensionalen photonischen Kristall, welche eine räumliche Verteilung der Gitterkonstante a(x, y) aufweist, ist der Wellenzahl-Offset δ^(a) gegeben durch: $δ^{(a)} (x,y) = δ^{(0)'} + (ω_{0} / c) \cdot (1 - (a^{(0)} /a (x,y)))$
Der zweite Term auf der rechten Seite der Gleichung (5) gibt den Einfluss der räumlichen Verteilung der Gitterkonstante a an. Dieser Term wird im Folgenden durch Δδ^(a) bezeichnet, d.h. $Δ δ^{(a)} (x,y) = - (ω_{0} /c) \cdot ((a^{(0)} /a (x,y)) - 1)$
Aus den Gleichungen (4) und (10) kann der Einfluss der räumlichen Verteilung der Temperatur durch die räumliche Verteilung der Gitterkonstante a annulliert werden, wenn folgende Gleichung gilt: $Δ δ^{(T)} (x,y) + Δ δ^{(a)} (x,y) = 0$
d.h. $(\partial n_{eff}^{(0)} / \partial T) \cdot ΔΤ (x,y) \cdot ω_{0} / c - (ω_{0} / c) \cdot ((a^{(0)} /a (x,y)) - 1) = 0$
Durch Transformation dieser Gleichung (12) kann man Gleichung (2) erhalten.
Für die Ableitung der Gleichungen (1) und (2) wurden mehrere Näherungen vorgenommen. Um zu bestätigen, dass diese Näherungen nur eine geringe Auswirkung haben, wurde die Schwellenverstärkungsdifferenz Δα durch Simulation sowohl mit den Näherungen als auch ohne die Näherungen berechnet. 8 zeigt das berechnete Ergebnis.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorherige Ausführungsform begrenzt, sondern lässt verschiedene Modifikationen zu.
Beispielsweise sind die Schichten 12 und 12A von einem zweidimensionalen photonischen Kristall in den Beispielen von 3 und 6 in fünf Zonen zwischen der Mitte und dem äußeren Rand unterteilt. Die Anzahl der Zonen kann erhöht werden (in diesem Fall wird die Temperaturdifferenz zwischen den benachbarten Zonen kleiner) oder sie kann verringert werden (in diesem Fall wird die Temperaturdifferenz zwischen den benachbarten Zonen größer). Es ist auch möglich, gleichzeitig sowohl die in-plane-Besetzung als auch die Gitterkonstante für jede Zone zu variieren. Ferner kann die Unterteilung in Zonen weggelassen werden (oder die Anzahl der Zonen kann unendlich erhöht werden); d.h. in Richtung von der Mitte zu dem äußeren Rand der Schicht 12 von einem zweidimensionalen photonischen Kristall hin kann die in-plane-Größe (in-plane-Besetzung) der benachbarten Bereiche 122 mit modifiziertem Brechungsindex allmählich reduziert oder das räumliche Intervall (Gitterkonstante) der benachbarten Gitterpunkte allmählich erhöht werden.
In der vorherigen Ausführungsform wird entweder die in-plane-Besetzung oder die Gitterkonstante in Abhängigkeit von der Position variiert. Es besteht die Möglichkeit, sowohl die in-plane-Besetzung als auch die Gitterkonstante in Abhängigkeit von der Position zu variieren.
Anstelle der in der vorherigen Ausführungsform verwendeten Löcher können aus einem von dem des Basiskörpers 121 verschiedenen Material hergestellte Glieder als die Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex verwendet werden. Die planare Form der Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex kann vielfältig abgeändert werden; beispielsweise kann eine Kreisform, eine gleichseitig dreieckige Form, eine gleichschenklig dreieckige Form oder eine quadratische Form an die Stelle der rechtwinklig dreieckigen Form der vorherigen Ausführungsform treten. Das Anordnungsmuster der Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex, welches in der vorherigen Ausführungsform ein quadratisches Gitter ist, kann in ein dreieckiges Gitter, ein rechteckiges Gitter oder in andere geeignete Muster abgeändert werden.
Bezugszeichenliste

10....: Oberflächenemittierender Laser mit zweidimensionalem photonischen Kristall
11...: Aktive Schicht
12, 12A....: Schicht von einem zweidimensionalen photonischen Kristall
121...: Basiskörper
122, 122A....: Bereich mit modifiziertem Brechungsindex
1231-1235, 1231A-1235A...: Zone, in der Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex, welche die gleiche in-plane-Besetzung und Gitterkonstante
aufweisen,: angeordnet sind
13....: Zwischenschicht
141...: Erste Cladding-Schicht
142....: Zweite Cladding-Schicht
15....: Erste Elektrode
16....: Zweite Elektrode
21....: Stromdurchgangsbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2003023193 A [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

"Watt-class high-power, high-beam-quality photonic-crystal lasers", Nature Photonics, Vol. 8, S. 406-411, Ausgabe vom 13. April 2014 [0005]

Claims

Oberflächenemittierender Laser mit zweidimensionalem photonischen Kristall, umfassend: einen zweidimensionalen photonischen Kristall, umfassend einen plattenförmigen Basiskörper mit einer vorbestimmten Größe, in welchem Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex, deren Brechungsindex von demjenigen des Basiskörpers verschieden ist, in einem zweidimensionalen Muster periodisch angeordnet sind; eine aktive Schicht, welche auf einer Seite des zweidimensionalen photonischen Kristalls bereitgestellt ist; und ein Paar von Elektroden, welche einander über den zweidimensionalen photonischen Kristall und die aktive Schicht gegenüberliegen, zum Zuführen eines elektrischen Stroms zu der aktiven Schicht, wobei: die Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex derart bereitgestellt sind, dass eine in-plane-Besetzung der Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex in dem Basiskörper in einer Richtung von einem äußeren Rand in Richtung auf eine Mitte eines Stromdurchgangsbereichs, welcher ein Bereich ist, in dem der elektrische Strom durch den zweidimensionalen photonischen Kristall hindurchgeht, zunimmt.
Oberflächenemittierender Laser mit zweidimensionalem photonischen Kristall nach Anspruch 1, wobei eine Differenz Δf(x, y) zwischen der in-plane-Besetzung f(x, y) an irgendeiner in-plane-Position innerhalb des Stromdurchgangsbereichs und der in-plane-Besetzung f_b an dem äußeren Rand, d.h. Δf(x, y)=f(x, y)-f_b, mit einem positiven Proportionalkoeffizienten proportional zu einer Differenz ΔT(x, y) zwischen einer Temperatur T(x, y) an der betreffenden in-plane-Position und der Temperatur T_b an dem äußeren Rand, d.h. ΔT(x, y)=T(x, y)-T_b (>0), ist.
Oberflächenemittierender Laser mit zweidimensionalem photonischen Kristall nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex derart bereitgestellt sind, dass die in-plane-Besetzung ausgehend von der Mitte der in-plane-Position konzentrisch abnimmt.
Oberflächenemittierender Laser mit zweidimensionalem photonischen Kristall, umfassend: einen zweidimensionalen photonischen Kristall, umfassend einen plattenförmigen Basiskörper mit einer vorbestimmten Größe, in welchem Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex, deren Brechungsindex von demjenigen des Basiskörpers verschieden ist, in einem zweidimensionalen Gittermuster periodisch angeordnet sind; eine aktive Schicht, welche auf einer Seite des zweidimensionalen photonischen Kristalls bereitgestellt ist; und ein Paar von Elektroden, welche einander über den zweidimensionalen photonischen Kristall und die aktive Schicht gegenüberliegen, zum Zuführen eines elektrischen Stroms zu der aktiven Schicht, wobei: die Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex derart angeordnet sind, dass eine Gitterkonstante in einer Richtung von einem äußeren Rand in Richtung auf eine Mitte eines Stromdurchgangsbereichs, welcher ein Bereich ist, in dem der elektrische Strom durch den zweidimensionalen photonischen Kristall hindurchgeht, abnimmt.
Oberflächenemittierender Laser mit zweidimensionalem photonischen Kristall nach Anspruch 4, wobei eine Differenz Δa(x, y) zwischen der Gitterkonstante a(x, y) an irgendeiner in-plane-Position innerhalb des Stromdurchgangsbereichs und der Gitterkonstante a_b an dem äußeren Rand, d.h. Δa(x, y)=a(x, y)-a_b, mit einem negativen Proportionalitätskoeffizienten proportional zu einer Differenz ΔT(x, y) zwischen einer Temperatur T(x, y) an der betreffenden in-plane-Position und einer Temperatur T_b an dem äußeren Rand, d.h. ΔT(x, y)=T(x, y)-T_b (>0), ist.
Oberflächenemittierender Laser mit zweidimensionalem photonischen Kristall nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Bereiche mit modifiziertem Brechungsindex derart bereitgestellt sind, dass die Gitterkonstante ausgehend von der Mitte der in-plane-Position konzentrisch zunimmt.