JP2012109410A - Two-dimensional photonic crystal surface emitting laser - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser that can control intensity of diffraction light by a two-dimensional photonic crystal by a simple configuration comprising a light intensity distribution control layer.SOLUTION: A two-dimensional photonic crystal surface emitting laser comprises a lower clad layer 102 formed on a substrate 101, an active layer 103 that is formed on the lower clad layer and emits light by injecting carriers and a two-dimensional photonic crystal layer 104 that is formed on the active layer and resonates light generated in the active layer in the surface. The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser comprises a light intensity distribution control layer 105 that is formed on the two-dimensional photonic crystal layer and controls light intensity distribution in the two-dimensional photonic crystal layer, and configures a slab waveguide made of laminate structure comprising the lower clad layer, the active layer, the photonic crystal layer, the light intensity distribution control layer and an upper clad layer formed on the light intensity distribution control layer. A refractive index in the light intensity distribution control layer is higher than an effective refractive index in the slab waveguide, and the film thickness distribution is uneven in the surface of the light intensity distribution control layer.

Description

本発明は、2次元フォトニック結晶面発光レーザに関するものである。   The present invention relates to a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser.

近年、2次元フォトニック結晶を2次元回折格子として用いた2次元フォトニック結晶面発光レーザの研究が盛んに行われている(例えば、特許文献1参照)。
この2次元フォトニック結晶面発光レーザは、半導体と空気や誘電体などの媒質で2次元周期的に屈折率を変化させた構造が活性層近傍に配置された構造になっている。
キャリアの注入によって活性層で発生した光は2次元フォトニック結晶で規定する波長で帰還・増幅し発振する。
さらに、2次元フォトニック結晶で1次回折し面垂直方向に光が取り出される。
In recent years, research on a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser using a two-dimensional photonic crystal as a two-dimensional diffraction grating has been actively conducted (for example, see Patent Document 1).
This two-dimensional photonic crystal surface emitting laser has a structure in which a structure in which a refractive index is periodically changed two-dimensionally with a semiconductor and a medium such as air or a dielectric is disposed in the vicinity of the active layer.
The light generated in the active layer by carrier injection is oscillated by feedback and amplification at a wavelength defined by the two-dimensional photonic crystal.
Furthermore, light is extracted in the direction perpendicular to the surface by first-order diffraction with a two-dimensional photonic crystal.

特許第3983933号明細書Japanese Patent No. 3989333

2次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、つぎのような場合それらの必要に応じて回折光の強度を制御することが課題となる。
すなわち、必要に応じて、レーザビームの形状を制御し、あるいは表面に形成する電極や誘電体などに対し回折光の吸収を抑制して特定の場所から回折光を出射させるため、面内で回折光の強弱の分布を付けることが求められる。
例えば、特許文献1の2次元フォトニック結晶面発光レーザは、表面に形成した電極でキャリアを注入し、活性層で発生した光を電極端から取り出している。
このような場合、電極直下の回折光は電極で吸収されてしまうため、電極直下での回折光の強度を弱くし、この電極直下よりも開口部で回折光の強度が強くなるように制御することが求められる。
In the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, it is a problem to control the intensity of the diffracted light as necessary in the following cases.
In other words, if necessary, the shape of the laser beam is controlled, or the diffraction of the diffracted light is controlled by the electrode or dielectric formed on the surface and the diffracted light is emitted from a specific location. It is required to have a light intensity distribution.
For example, in the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser of Patent Document 1, carriers are injected with an electrode formed on the surface, and light generated in the active layer is extracted from the end of the electrode.
In such a case, since the diffracted light immediately below the electrode is absorbed by the electrode, the intensity of the diffracted light just below the electrode is weakened, and the intensity of the diffracted light is controlled to be stronger at the opening than directly below the electrode. Is required.

本発明は、上記課題に鑑み、光強度分布制御層による簡単な構成によって2次元フォトニック結晶による回折光の強度を制御することが可能となる2次元フォトニック結晶面発光レーザを提供することを目的とする。   In view of the above problems, the present invention provides a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser capable of controlling the intensity of diffracted light by a two-dimensional photonic crystal with a simple configuration using a light intensity distribution control layer. Objective.

本発明の2次元フォトニック結晶面発光レーザは、基板上に設けられた下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に設けられたキャリアを注入することで発光する活性層と、
前記活性層上に設けられた前記活性層で発生した光を面内で共振させる2次元フォトニック結晶層を有する2次元フォトニック結晶面発光レーザであって、
前記2次元フォトニック結晶層上に設けられ、該2次元フォトニック結晶層中の光強度分布を制御する光強度分布制御層を備え、
前記下部クラッド層と、前記活性層と、前記フォトニック結晶層と、前記光強度分布制御層と、該光強度分布制御層上に設けられた上部クラッド層と、の積層構造によるスラブ導波路が構成され、
前記光強度分布制御層の屈折率は、前記スラブ導波路の実効屈折率より大きく、面内での膜厚分布が異なっていることを特徴とする。
The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser of the present invention comprises a lower clad layer provided on a substrate,
An active layer that emits light by injecting carriers provided on the lower cladding layer;
A two-dimensional photonic crystal surface emitting laser having a two-dimensional photonic crystal layer that resonates light generated in the active layer provided on the active layer in a plane;
A light intensity distribution control layer provided on the two-dimensional photonic crystal layer and controlling a light intensity distribution in the two-dimensional photonic crystal layer;
A slab waveguide having a laminated structure of the lower cladding layer, the active layer, the photonic crystal layer, the light intensity distribution control layer, and an upper cladding layer provided on the light intensity distribution control layer; Configured,
A refractive index of the light intensity distribution control layer is larger than an effective refractive index of the slab waveguide, and an in-plane film thickness distribution is different.

本発明によれば、光強度分布制御層による簡単な構成によって2次元フォトニック結晶による回折光の強度を制御することが可能となる2次元フォトニック結晶面発光レーザを実現することができる。   According to the present invention, it is possible to realize a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser that can control the intensity of diffracted light by a two-dimensional photonic crystal with a simple configuration using a light intensity distribution control layer.

本発明の2次元フォトニック結晶の厚さによる回折光の干渉を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the interference of the diffracted light by the thickness of the two-dimensional photonic crystal of this invention. 本発明の2次元フォトニック結晶の膜厚と回折光強度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the film thickness of the two-dimensional photonic crystal of this invention, and diffracted light intensity. 本発明の実施形態1における光強度分布制御層による光分布の制御の構成例について説明するための2次元フォトニック結晶面発光レーザの断面図である。It is sectional drawing of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser for demonstrating the structural example of control of the light distribution by the light intensity distribution control layer in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態2における2次元フォトニック結晶面発光レーザの断面図である。It is sectional drawing of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態3における2次元フォトニック結晶面発光レーザの断面図である。It is sectional drawing of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser in Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施形態4における2次元フォトニック結晶面発光レーザの断面図である。It is sectional drawing of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser in Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施例1における2次元フォトニック結晶面発光レーザの断面図である。It is sectional drawing of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser in Example 1 of this invention. 本発明の実施例1における2次元フォトニック結晶面発光レーザの断面方向の光分布と屈折率の分布を示す図である。It is a figure which shows light distribution and refractive index distribution of the cross-sectional direction of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser in Example 1 of this invention. 本発明の実施例1における2次元フォトニック結晶面発光レーザの光強度分布制御層の膜厚と回折光強度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the film thickness of the light intensity distribution control layer of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser in Example 1 of this invention, and diffracted light intensity. 本発明の実施例2における2次元フォトニック結晶面発光レーザの断面図である。It is sectional drawing of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser in Example 2 of this invention. 本発明の実施例2における2次元フォトニック結晶面発光レーザの断面方向の光分布と屈折率の分布を示す図である。It is a figure which shows light distribution and refractive index distribution of the cross-sectional direction of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser in Example 2 of this invention. 本発明の実施例2における2次元フォトニック結晶面発光レーザの光強度分布制御層の膜厚と回折光強度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the film thickness of the light intensity distribution control layer of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser in Example 2 of this invention, and diffracted light intensity. 本発明の実施例3における2次元フォトニック結晶面発光レーザの断面図である。It is sectional drawing of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser in Example 3 of this invention. 本発明の実施例4における2次元フォトニック結晶面発光レーザの断面図である。It is sectional drawing of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser in Example 4 of this invention. 本発明の実施例1における2次元フォトニック結晶面発光レーザの低屈折率媒質が空気で構成される構造の、断面方向の光分布と屈折率の分布を示す図である。It is a figure which shows the light distribution and refractive index distribution of a cross-sectional direction of the structure where the low refractive index medium of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser in Example 1 of this invention is comprised with air. 本発明の実施例1と比較例1で用いた構造の光強度分布制御層の膜厚と回折光強度の関係を比較した図である。It is the figure which compared the relationship between the film thickness of the light intensity distribution control layer of the structure used in Example 1 and Comparative Example 1 of this invention, and diffracted light intensity.

本発明は、光強度分布制御層の膜厚を制御するだけの簡単な構成により、回折光の強度を制御することを可能としたものであるが、これらの理解を容易とするために、初めに、本発明で利用する2次元フォトニック結晶による回折光の干渉について説明する。
2次元フォトニック結晶は面内に高屈折率媒と低屈折率媒が2次元周期的に配置されおり、活性層で発生した光を2次元面内で共振させる。
さらに、2次元フォトニック結晶で光を1次回折させて光を垂直方向に出射させる。
垂直方向に回折する光の強度は2次元フォトニック結晶の膜厚の影響を受ける。図1は回折光の様子を示した模式図で、格子定数aの2次元フォトニック結晶中に活性層で発生した光によって定在波が形成され、垂直方向に回折する様子を表している。
光は2次元フォトニック結晶の厚さ方向に対して、どの位置においても回折するため、図1の回折光L1とL2のように光路差が生じる。
そして、このような回折される光が重ね合わさることで、回折光は干渉して強め合ったり、弱め合ったりする。
干渉が強め合うか弱め合うかは、2次元フォトニック結晶の膜厚dで決まる。
The present invention makes it possible to control the intensity of the diffracted light with a simple configuration that only controls the film thickness of the light intensity distribution control layer. Next, interference of diffracted light by the two-dimensional photonic crystal used in the present invention will be described.
In the two-dimensional photonic crystal, a high refractive index medium and a low refractive index medium are two-dimensionally arranged in a plane, and light generated in the active layer is resonated in the two-dimensional plane.
Further, the light is first-order diffracted by the two-dimensional photonic crystal to emit the light in the vertical direction.
The intensity of light diffracted in the vertical direction is affected by the film thickness of the two-dimensional photonic crystal. FIG. 1 is a schematic diagram showing the state of diffracted light, and shows how a standing wave is formed by light generated in an active layer in a two-dimensional photonic crystal having a lattice constant a and is diffracted in the vertical direction.
Since light is diffracted at any position with respect to the thickness direction of the two-dimensional photonic crystal, an optical path difference is generated like diffracted lights L1 and L2 in FIG.
Then, when such diffracted light is superimposed, the diffracted light interferes and strengthens or weakens each other.
Whether the interference increases or decreases is determined by the film thickness d of the two-dimensional photonic crystal.

図2は2次元フォトニック結晶によって回折して外部に放射される回折光の電界強度と2次元フォトニック結晶の膜厚との関係を示した図である。
実線は2次元フォトニック結晶に分布する光が一定である場合で、点線は実際のレーザ構造上に分布する光の様に指数関数(Exp)で減衰した場合を計算したものである。
2次元フォトニック結晶の膜厚dが0〜0.5aまで増すと回折光の強度は強め合って増加する。さらに膜厚を増すと、回折した光が弱め合う。
そして、2次元フォトニック結晶の膜厚dがaの時、最も弱くなる。それ以降は0.5aの間隔で強め合い、弱め合いが繰り返される。
2次元フォトニック結晶の格子定数aに対してフォトニック結の層の膜厚dがd=(0.5+p)aの時に最も強め合う(但し、(p=0,1,2・・・)である)。これに対してd=qaの時に最も弱め合う(但し、(q=1,2,3・・・)である。)。
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the electric field intensity of the diffracted light diffracted by the two-dimensional photonic crystal and emitted to the outside and the film thickness of the two-dimensional photonic crystal.
The solid line is calculated when the light distributed in the two-dimensional photonic crystal is constant, and the dotted line is calculated when the light is attenuated by an exponential function (Exp) like the light distributed on the actual laser structure.
As the film thickness d of the two-dimensional photonic crystal increases from 0 to 0.5a, the intensity of the diffracted light increases and increases. When the film thickness is further increased, the diffracted light weakens.
When the film thickness d of the two-dimensional photonic crystal is a, it becomes the weakest. Thereafter, strengthening and weakening are repeated at intervals of 0.5a.
When the film thickness d of the photonic layer is d = (0.5 + p) a with respect to the lattice constant a of the two-dimensional photonic crystal, it is most strongly strengthened (however, (p = 0, 1, 2,...) Is). On the other hand, they are most weakened when d = qa (however, (q = 1, 2, 3...)).

2次元フォトニック結晶面発光レーザの面内で回折光の強弱をつける方法として、2次元フォトニック結晶の膜厚を面内で変える方法がある。
面内で2次元フォトニック結晶の膜厚を変えることで、例えば図2のA−B間の様に回折光強度を変えることが出来る。
さらに、2次元フォトニック結晶中の光分布が均一であればC−D間の様に大きく強度を変えられる。
しかし、2次元フォトニック結晶の膜厚を面内で変えるには、数十nmスケールの微細な構造を面内で精度良く作り分けなければならない。そのため、面内で2次元フォトニック結晶の深さを変える方法は作製が難しい。
There is a method of changing the film thickness of the two-dimensional photonic crystal in the plane as a method of applying the intensity of the diffracted light within the plane of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser.
By changing the film thickness of the two-dimensional photonic crystal in the plane, the diffracted light intensity can be changed, for example, between AB in FIG.
Furthermore, if the light distribution in the two-dimensional photonic crystal is uniform, the intensity can be changed greatly as between CD.
However, in order to change the film thickness of the two-dimensional photonic crystal within the plane, it is necessary to make a fine structure with a scale of several tens of nm with high precision within the plane. Therefore, it is difficult to produce a method that changes the depth of the two-dimensional photonic crystal in the plane.

このようなことから、本発明では、光強度分布制御層の膜厚を制御するだけの簡単な構造により、回折光の強度を制御することが可能となる構成を見出したものである。
すなわち、本発明では、基板上に設けられた下部クラッド層と、下部クラッド層上に設けられたキャリアを注入することで発光する活性層と、活性層上に設けられた2次元フォトニック結晶層を有する2次元フォトニック結晶面発光レーザをつぎのように構成する。
すなわち、上記2次元フォトニック結晶層上に設けられ、該2次元フォトニック結晶層中の光強度分布を制御する光強度分布制御層を備える。
そして、2次元フォトニック結晶に分布する光の強度制御する光強度分布制御層を設け、その光強度分布制御層の膜厚を面内で変化させることにより、回折光の干渉強度を変えて回折光の強弱の分布をつけるように構成される。具体的に図2で言うと、A−C間や、B−D間で強度を変化させるようにする。
また、本発明は、光強度分布制御層の膜厚を制御するのみであるため、作製が簡単である。
For this reason, the present invention has found a configuration in which the intensity of diffracted light can be controlled with a simple structure that only controls the film thickness of the light intensity distribution control layer.
That is, in the present invention, a lower clad layer provided on a substrate, an active layer that emits light by injecting carriers provided on the lower clad layer, and a two-dimensional photonic crystal layer provided on the active layer A two-dimensional photonic crystal surface emitting laser having the following structure is configured as follows.
That is, a light intensity distribution control layer is provided on the two-dimensional photonic crystal layer and controls the light intensity distribution in the two-dimensional photonic crystal layer.
Then, a light intensity distribution control layer for controlling the intensity of light distributed in the two-dimensional photonic crystal is provided, and the thickness of the light intensity distribution control layer is changed in the plane, thereby changing the interference intensity of the diffracted light and performing diffraction. It is configured to give a light intensity distribution. Specifically, referring to FIG. 2, the intensity is changed between A and C and B and D.
Further, the present invention is easy to manufacture because it only controls the film thickness of the light intensity distribution control layer.

[実施形態1]
実施形態1として、2次元フォトニック結晶面発光レーザにおける光強度分布制御層による光分布の制御の構成例について、図3を用いて説明する。
本実施形態の2次元フォトニック結晶面発光レーザは、図3に示すように、n型基板101、下部クラッド層102、活性層103、2次元フォトニック結晶層104を備える。この2次元フォトニック結晶層上に光強度分布制御層105が形成され、この光強度分布制御層上に上部クラッド層106が積層された積層構造によるスラブ導波路を備える。
2次元フォトニック結晶面発光レーザのスラブ導波路に導波する光は以下の式で表される。

Figure 2012109410
[Embodiment 1]
As Embodiment 1, a configuration example of light distribution control by a light intensity distribution control layer in a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 3, the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser of the present embodiment includes an n-type substrate 101, a lower cladding layer 102, an active layer 103, and a two-dimensional photonic crystal layer 104. A light intensity distribution control layer 105 is formed on the two-dimensional photonic crystal layer, and a slab waveguide having a laminated structure in which an upper clad layer 106 is laminated on the light intensity distribution control layer is provided.
The light guided to the slab waveguide of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser is expressed by the following equation.
Figure 2012109410

但し、Eは導波光の電界成分、βは伝播定数、nは屈折率、λは導波光の波長である。
effは実効屈折率で、スラブ導波路中を伝播する光に対する実効的な屈折率で導波モードの固有値である。
上記微分方程式に各層の屈折率を代入し、境界条件を満たすneffを求めることで、光分布が求められる。
また、2次元フォトニック結晶層104の屈折率は高屈折率媒質と低屈折率媒質との体積平均の値を用いる。
Where E is the electric field component of the guided light, β is the propagation constant, n is the refractive index, and λ is the wavelength of the guided light.
n eff is an effective refractive index, which is an effective refractive index for light propagating in the slab waveguide, and is an eigenvalue of the waveguide mode.
The light distribution is obtained by substituting the refractive index of each layer into the differential equation and obtaining n eff satisfying the boundary condition.
The refractive index of the two-dimensional photonic crystal layer 104 uses a volume average value of a high refractive index medium and a low refractive index medium.

活性層103で発生した光は、活性層103付近で最大値を持ち、屈折率の低い上部クラッド層106と下部クラッド層102へ向かって減衰する分布になる。
光強度分布制御層105の屈折率をneffより大きくすると、光強度分布制御層105の膜厚と光強度分布制御層105の屈折率とneffとの屈折率差に応じて、活性層103付近の光分布のピークが光強度分布制御層105に引き込まれるように広がる。
光強度分布制御層105に光が広がると、活性層103と光強度分布制御層105に挟まれている2次元フォトニック結晶層104にも光が広がり光分布の均一性が向上する。
The light generated in the active layer 103 has a maximum value near the active layer 103 and has a distribution that attenuates toward the lower clad layer 106 and the lower clad layer 102 having a low refractive index.
When the refractive index of the light intensity distribution control layer 105 is made larger than n eff , the active layer 103 depends on the film thickness of the light intensity distribution control layer 105, the refractive index of the light intensity distribution control layer 105, and the refractive index difference between n eff. The peak of the nearby light distribution spreads so as to be drawn into the light intensity distribution control layer 105.
When light spreads to the light intensity distribution control layer 105, light spreads to the two-dimensional photonic crystal layer 104 sandwiched between the active layer 103 and the light intensity distribution control layer 105, and the uniformity of the light distribution is improved.

つぎに、光強度分布制御層105と2次元フォトニック結晶層104の膜厚による回折光の干渉について説明する。
光強度分布制御層105の膜厚で2次元フォトニック結晶層104内の光分布を制御する事が出来る。
さらに、2次元フォトニック結晶層104内の光分布を変化させることで、2次元フォトニック結晶層104で垂直方向に回折する光の干渉の強さを変化させることが出来る。
つまり、光強度分布制御層105の膜厚を面内で変える事で、回折光強度を面内で変える事ができる。
Next, the interference of diffracted light due to the film thicknesses of the light intensity distribution control layer 105 and the two-dimensional photonic crystal layer 104 will be described.
The light distribution in the two-dimensional photonic crystal layer 104 can be controlled by the film thickness of the light intensity distribution control layer 105.
Furthermore, by changing the light distribution in the two-dimensional photonic crystal layer 104, the intensity of interference of light diffracted in the vertical direction by the two-dimensional photonic crystal layer 104 can be changed.
That is, the diffracted light intensity can be changed in the plane by changing the film thickness of the light intensity distribution control layer 105 in the plane.

2次元フォトニック結晶層104の膜厚dと光強度分布制御層105の膜厚の関係は、以下の様になる。
2次元フォトニック結晶層104の膜厚dが(0.5+p)a近傍であるとき、回折光は強め合って干渉する(但し、p=0,1,2・・・である。)。
したがって、光強度分布制御層105の膜厚は回折光の強度を強くしたい領域を厚くし、回折光を弱くしたい領域を薄くする。
2次元フォトニック結晶104の膜厚dがqa近傍であるとき、回折光は弱め合って干渉する(但し、(q=1,2,3・・・)である。)。
したがって、光強度分布制御層105の膜厚は回折光の強度を弱くしたい領域を厚くし、回折光を強くしたい領域を薄くする。
また、図2からも分かるように、2次元フォトニック結晶層104の膜厚dが(0.75+0.5r)a近傍であるとき、光強度分布制御層105の膜厚を変化させても回折光の強度は殆ど変化しない(但し、(r=0,1,2・・・)である。)。
The relationship between the film thickness d of the two-dimensional photonic crystal layer 104 and the film thickness of the light intensity distribution control layer 105 is as follows.
When the film thickness d of the two-dimensional photonic crystal layer 104 is in the vicinity of (0.5 + p) a, the diffracted light intensifies and interferes (however, p = 0, 1, 2,...).
Therefore, the film thickness of the light intensity distribution control layer 105 is such that the region where the intensity of the diffracted light is desired to be increased is thickened and the region where the diffracted light is desired to be weakened is reduced.
When the film thickness d of the two-dimensional photonic crystal 104 is in the vicinity of qa, the diffracted light weakens and interferes (however, (q = 1, 2, 3...)).
Therefore, the film thickness of the light intensity distribution control layer 105 is such that a region where the intensity of diffracted light is desired to be weakened is thickened and a region where the intensity of diffracted light is desired is thinned.
As can be seen from FIG. 2, when the film thickness d of the two-dimensional photonic crystal layer 104 is in the vicinity of (0.75 + 0.5r) a, the diffraction is performed even if the film thickness of the light intensity distribution control layer 105 is changed. The intensity of light hardly changes (however, (r = 0, 1, 2,...)).

本実施形態では、2次元フォトニック結晶104で回折光が弱め合って干渉する構造にする。
回折光が弱め合う様に干渉させる場合は、2次元フォトニック結晶層104の膜厚dを(q−0.125)a<d<(q+0.125)aの条件式を満足する膜厚にする(但し、(q=1,2,3・・・)である。)。
より好ましくは、(q−0.100)a<d<(q+0.100)aの条件式を満足する膜厚にするのが良い。更に好ましくは(q−0.075)a<d<(q+0.075)aの条件式を満足する膜厚にするのが良い。
また、光強度分布制御層105の膜厚分布は階段状に変化させるより、滑らかに変化させることが望ましい。
光強度分布制御層105の膜厚が変化すると、実効屈折率neffが面内で変化する。
つまり、光強度分布制御層105の膜厚が変化する界面で光の反射が生じる。界面で反射された光は、2次元フォトニック結晶層104と上手く結合せず損失になってしまう。
また、階段状の形状を滑らかにする方法としてマストランスポートがある。光強度分布制御層105を加工後、熱処理でマストランスポートを起こすことで段差を滑らかにすることが出来る。
In this embodiment, the two-dimensional photonic crystal 104 has a structure in which diffracted light weakens and interferes.
When the diffracted light interferes so as to weaken each other, the film thickness d of the two-dimensional photonic crystal layer 104 is set to a film thickness that satisfies the conditional expression (q−0.125) a <d <(q + 0.125) a. (However, (q = 1, 2, 3...))
More preferably, the film thickness should satisfy the conditional expression (q−0.100) a <d <(q + 0.100) a. More preferably, the film thickness should satisfy the conditional expression (q−0.075) a <d <(q + 0.075) a.
Further, it is desirable to change the film thickness distribution of the light intensity distribution control layer 105 smoothly rather than changing it stepwise.
When the film thickness of the light intensity distribution control layer 105 changes, the effective refractive index n eff changes in the plane.
That is, light reflection occurs at the interface where the film thickness of the light intensity distribution control layer 105 changes. The light reflected at the interface does not couple well with the two-dimensional photonic crystal layer 104 and is lost.
There is a mass transport as a method of smoothing the stepped shape. After processing the light intensity distribution control layer 105, the step can be smoothed by causing mass transport by heat treatment.

つぎに、本実施形態の2次元フォトニック結晶面発光レーザの構造と材質について説明する。
上記したように、本実施形態の2次元フォトニック結晶面発光レーザは、基板101、下部クラッド層102、活性層103、2次元フォトニック結晶層104、光強度分布制御層105、上部クラッド層106の順に積層されたスラブ導波路の構造を備える。
また、積層順を上下逆にして、2次元フォトニック結晶層104を活性層103の下部に配置しても良い。下部電極107は基板101の裏面に設けられ、上部電極108は表面に設けられる。
ここで、ガイド層を設ける一例について説明する。
光が活性層103や2次元フォトニック結晶層104に適切に分布するように活性層103と下部クラッド層102の間にガイド層を設けることができる。
ガイド層の屈折率が光強度分布制御層105より高い場合、光の分布がガイド層に寄ってしまい、光強度分布制御層105の2次元フォトニック結晶層104へ光を広げる効果が弱くなってしまう。そのため、光強度分布制御層105の屈折率をガイド層の屈折率より高くすることが望ましい。
Next, the structure and material of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser of this embodiment will be described.
As described above, the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser of this embodiment includes the substrate 101, the lower cladding layer 102, the active layer 103, the two-dimensional photonic crystal layer 104, the light intensity distribution control layer 105, and the upper cladding layer 106. The structure of the slab waveguide laminated | stacked in this order is provided.
Alternatively, the two-dimensional photonic crystal layer 104 may be disposed below the active layer 103 with the stacking order reversed. The lower electrode 107 is provided on the back surface of the substrate 101, and the upper electrode 108 is provided on the front surface.
Here, an example of providing a guide layer will be described.
A guide layer can be provided between the active layer 103 and the lower cladding layer 102 so that light is appropriately distributed in the active layer 103 and the two-dimensional photonic crystal layer 104.
When the refractive index of the guide layer is higher than that of the light intensity distribution control layer 105, the light distribution is shifted to the guide layer, and the effect of spreading light to the two-dimensional photonic crystal layer 104 of the light intensity distribution control layer 105 is weakened. End up. Therefore, it is desirable to make the refractive index of the light intensity distribution control layer 105 higher than the refractive index of the guide layer.

2次元フォトニック結晶層104は、層面内に高屈折率媒質104aと低屈折率媒質104bで構成される。
高屈折率媒質104aと、低屈折率媒質104bの例としては以下のものが挙げられる。
高屈折率媒体104aはAl,Ga,In,N,As,P,Sbを含むIII−V族半導体である。低屈折率媒質104bは空気、SiO2,SiN,Al23,AlN,TiO,TiNなどである。
2次元フォトニック結晶層104で回折する光の干渉の強さは、2次元フォトニック結晶層104の厚さ方向に対して光の分布が均一であるほど強くなる。
回折光の干渉をより強くするためには、2次元フォトニック結晶層104の高屈折率媒質104aと低屈折率媒質104bの屈折率を体積で平均した2次元フォトニック結晶の平均屈折率nPhCをクラッド層の屈折率より大きくすることが望ましい。
上記平均屈折率nPhCをクラッド層の屈折率より大きくすると、該平均屈折率nPhCと活性層103や光強度分布制御層105との屈折率差が小さくなるので、2次元フォトニック結晶層104中に光が広がりやすくなり、光分布の均一性がよくなる。
一方で、上記平均屈折率nPhCが光強度分布制御層105の屈折率より大ききいと、光分布のピークが2次元フォトニック結晶層104に移り、光強度分布制御層105の膜厚を変えても2次元フォトニック結晶層104中の光分布は変化しにくくなる。
従って、光強度分布制御層105の膜厚を変化させることで回折光の干渉強度を変調する効果が弱くなってしまう。以上のことから、上記平均屈折率nPhCは光強度分布制御層105の屈折率より小さいことが望ましい。
The two-dimensional photonic crystal layer 104 includes a high refractive index medium 104a and a low refractive index medium 104b in the layer plane.
Examples of the high refractive index medium 104a and the low refractive index medium 104b include the following.
The high refractive index medium 104a is a group III-V semiconductor containing Al, Ga, In, N, As, P, and Sb. The low refractive index medium 104b is air, SiO 2, SiN, Al 2 O 3, AlN, TiO, TiN , etc..
The intensity of interference of light diffracted by the two-dimensional photonic crystal layer 104 becomes stronger as the light distribution is uniform in the thickness direction of the two-dimensional photonic crystal layer 104.
In order to make the interference of diffracted light stronger, the average refractive index n PhC of the two-dimensional photonic crystal obtained by averaging the refractive indexes of the high refractive index medium 104a and the low refractive index medium 104b of the two-dimensional photonic crystal layer 104 by volume. Is preferably larger than the refractive index of the cladding layer.
When the average refractive index n PhC is made larger than the refractive index of the cladding layer, the refractive index difference between the average refractive index n PhC and the active layer 103 or the light intensity distribution control layer 105 becomes small, so the two-dimensional photonic crystal layer 104 Light tends to spread inside, and the uniformity of light distribution is improved.
On the other hand, if the average refractive index n PhC is larger than the refractive index of the light intensity distribution control layer 105, the light distribution peak moves to the two-dimensional photonic crystal layer 104, and the film thickness of the light intensity distribution control layer 105 is changed. However, the light distribution in the two-dimensional photonic crystal layer 104 is less likely to change.
Therefore, changing the film thickness of the light intensity distribution control layer 105 weakens the effect of modulating the interference intensity of the diffracted light. From the above, it is desirable that the average refractive index n PhC is smaller than the refractive index of the light intensity distribution control layer 105.

[実施形態2]
実施形態2として、2次元フォトニック結晶面発光レーザにおける光強度分布制御層による光分布の制御の構成例について、図4を用いて説明する。
本実施形態における2次元フォトニック結晶面発光レーザは、2次元フォトニック結晶層104と光強度分布制御層105を除く他の構成は実施形態1と同じであるので、2次元フォトニック結晶104と光強度分布制御層105について説明する。
[Embodiment 2]
As a second embodiment, a configuration example of light distribution control by a light intensity distribution control layer in a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser will be described with reference to FIG.
The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser in the present embodiment is the same as that of the first embodiment except for the two-dimensional photonic crystal layer 104 and the light intensity distribution control layer 105. The light intensity distribution control layer 105 will be described.

本実施形態では、2次元フォトニック結晶層104による回折光が強め合って干渉する構造にするため、光強度分布制御層の厚さをつぎのように構成する。
回折光が強め合って干渉するように2次元フォトニック結晶層104の膜厚dを、((p+0.5)−0.125)a<d<((p+0.5)+0.125)aの条件式を満足する膜厚にする(但し、(p=0,1,2・・・)である)。
より好ましくは、((p+0.5)−0.100)<d<((p+0.5)+0.100)aの条件式を満足する膜厚にするのが良い。更に好ましくは((p+0.5)−0.075)a<d<((p+0.5)+0.075)aの条件式を満足する膜厚にするのが良い。
光強度分布制御層105の膜厚は、回折光を強く出射させたい領域で干渉を強くするため厚くする。弱く出射させたい領域では、干渉を弱くするために薄くする。
In the present embodiment, the thickness of the light intensity distribution control layer is configured as follows in order to construct a structure in which the diffracted light from the two-dimensional photonic crystal layer 104 intensifies and interferes.
The film thickness d of the two-dimensional photonic crystal layer 104 is set so that ((p + 0.5) −0.125) a <d <((p + 0.5) +0.125) a so that the diffracted light intensifies and interferes. The film thickness is set to satisfy the conditional expression (however, (p = 0, 1, 2,...)).
More preferably, the film thickness should satisfy the conditional expression of ((p + 0.5) −0.100) <d <((p + 0.5) +0.100) a. More preferably, the film thickness should satisfy the conditional expression ((p + 0.5) −0.075) a <d <((p + 0.5) +0.075) a.
The film thickness of the light intensity distribution control layer 105 is increased in order to increase interference in a region where diffracted light is to be emitted strongly. In the region where it is desired to emit light weakly, the region is thinned to reduce interference.

[実施形態3]
実施形態3として、2次元フォトニック結晶面発光レーザにおける光強度分布制御層による光分布の制御の構成例について、図5を用いて説明する。
本実施形態における2次元フォトニック結晶面発光レーザは実施形態1と層構成は同じである。
そして、表面にp電極108と、光取り出しのための開口部109を備える。図5では表面から光を取り出すためp電極に開口部を設けているが、裏面のn電極107に開口部109を設けても良い。
開口部109は、半透明電極や透明電極などの光を透過する構造を形成しても良い。
[Embodiment 3]
As a third embodiment, a configuration example of light distribution control by a light intensity distribution control layer in a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser will be described with reference to FIG.
The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser in the present embodiment has the same layer configuration as that of the first embodiment.
A p-electrode 108 and an opening 109 for extracting light are provided on the surface. In FIG. 5, an opening is provided in the p-electrode for extracting light from the front surface, but an opening 109 may be provided in the n-electrode 107 on the back surface.
The opening 109 may form a structure that transmits light, such as a translucent electrode or a transparent electrode.

本実施形態では2次元フォトニック結晶層104の回折光が弱め合って干渉することを利用するため、2次元フォトニック結晶層104と光強度分布制御層の厚さはつぎのように構成する。
2次元フォトニック結晶層104の膜厚dは実施形態1と同様に、(q−0.125)a<d<(q+0.125)aの条件式を満足する膜厚にする(但し、(q=1,2,3・・・)である)。
より好ましくは、(q−0.100)a<d<(q+0.100)aの条件式を満足する膜厚にするのが良い。更に好ましくは(q−0.075)a<d<(q+0.075)aの条件式を満足する膜厚にするのが良い。
光強度分布制御層105の膜厚は、p電極108直下より、開口部109直下(開口部に対応する領域)の膜厚を薄くする。
p電極108直下の2次元フォトニック結晶層104中の光分布は光強度分布制御層105によって2次元フォトニック結晶層104全体に広げられ、2次元フォトニック結晶104の光分布の均一性が向上することで、干渉が強くなり回折光が弱くなる。
一方で、開口部109に対応する領域の2次元フォトニック結晶104は、光強度分布制御層105が薄いため、2次元フォトニック結晶104の光分布の均一性が低く、干渉が強く生じない。
従って、回折光は、電極直下(開口部に対応する領域以外の領域)より開口部109直下(開口部に対応する領域)が強くなる。
In this embodiment, since the diffracted light of the two-dimensional photonic crystal layer 104 is weakened and interferes, the thickness of the two-dimensional photonic crystal layer 104 and the light intensity distribution control layer is configured as follows.
The film thickness d of the two-dimensional photonic crystal layer 104 is set to a film thickness satisfying the conditional expression (q−0.125) a <d <(q + 0.125) a, as in the first embodiment (however, ( q = 1, 2, 3...
More preferably, the film thickness should satisfy the conditional expression (q−0.100) a <d <(q + 0.100) a. More preferably, the film thickness should satisfy the conditional expression (q−0.075) a <d <(q + 0.075) a.
The film thickness of the light intensity distribution control layer 105 is set to be smaller than that immediately below the p-electrode 108 (ie, the region corresponding to the opening).
The light distribution in the two-dimensional photonic crystal layer 104 immediately below the p-electrode 108 is spread over the entire two-dimensional photonic crystal layer 104 by the light intensity distribution control layer 105, and the uniformity of the light distribution of the two-dimensional photonic crystal 104 is improved. By doing so, interference becomes strong and diffracted light becomes weak.
On the other hand, since the light intensity distribution control layer 105 of the two-dimensional photonic crystal 104 in the region corresponding to the opening 109 is thin, the light distribution uniformity of the two-dimensional photonic crystal 104 is low and interference does not occur strongly.
Accordingly, the diffracted light is stronger directly below the opening 109 (region corresponding to the opening) than directly below the electrode (region other than the region corresponding to the opening).

[実施形態4]
実施形態4として、2次元フォトニック結晶面発光レーザにおける光強度分布制御層による光分布の制御の構成例について、図6を用いて説明する。
本実施形態における2次元フォトニック結晶面発光レーザは実施形態2と層構成は同じである。
また、実施形態3のように表面にp電極108と、光取り出しのための開口部109を備える。
図6では表面から光を取り出すためp電極108に開口部109を表面に設けているが、裏面のn電極107に開口部を設けても良い。
開口部109は半透明電極や透明電極などの光を透過する構造を形成しても良い。
[Embodiment 4]
As a fourth embodiment, a configuration example of light distribution control by a light intensity distribution control layer in a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser will be described with reference to FIG.
The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser in the present embodiment has the same layer structure as that of the second embodiment.
Further, as in the third embodiment, a p-electrode 108 and an opening 109 for extracting light are provided on the surface.
In FIG. 6, an opening 109 is provided on the front surface for extracting light from the front surface, but an opening may be provided on the n-electrode 107 on the back surface.
The opening 109 may form a structure that transmits light, such as a translucent electrode or a transparent electrode.

本実施形態では2次元フォトニック結晶層104の回折光が強め合って干渉することを利用するため、2次元フォトニック結晶層104と光強度分布制御層の厚さはつぎのように構成する。
2次元フォトニック結晶層104の膜厚dは実施形態2と同様に((p+0.5)−0.125)a<d<((p+0.5)+0.125)aの条件式を満足する膜厚にする(但し、ここでの条件式において(p=0,1,2・・・)である)。
より好ましくは、((p+0.5)−0.100)a<d<((p+0.5)+0.100)aの条件式を満足する膜厚にするのが良い。更に好ましくは((p+0.5)−0.075)a<d<((p+0.5)+0.075)aの条件式を満足する膜厚にするのが良い。
光強度分布制御層105の膜厚は、開口部109直下(開口部に対応する領域)よりp電極108直下を薄くする。
開口部109直下の2次元フォトニック結晶層104は光強度分布制御層105によって光分布が2次元フォトニック結晶層104全体に広げられることで、光分布の均一性が向上し、回折光が強くなる。
一方で、電極直下の2次元フォトニック結晶層104は、光強度分布制御層105が薄いため、2次元フォトニック結晶層104の光分布の均一性がさほど高くなく、干渉が強く生じない。
従って、回折光はp電極108直下(開口部に対応する領域以外の領域)より開口部109直下(開口部に対応する領域)で強くなる。
In this embodiment, since the diffracted light of the two-dimensional photonic crystal layer 104 intensifies and interferes, the thickness of the two-dimensional photonic crystal layer 104 and the light intensity distribution control layer is configured as follows.
The film thickness d of the two-dimensional photonic crystal layer 104 satisfies the conditional expression ((p + 0.5) −0.125) a <d <((p + 0.5) +0.125) a as in the second embodiment. The film thickness is set (however, in the conditional expression here (p = 0, 1, 2,...)).
More preferably, the film thickness should satisfy the conditional expression ((p + 0.5) −0.100) a <d <((p + 0.5) +0.100) a. More preferably, the film thickness should satisfy the conditional expression ((p + 0.5) −0.075) a <d <((p + 0.5) +0.075) a.
The film thickness of the light intensity distribution control layer 105 is made thinner just below the p-electrode 108 than just below the opening 109 (region corresponding to the opening).
The light distribution of the two-dimensional photonic crystal layer 104 immediately below the opening 109 is spread over the entire two-dimensional photonic crystal layer 104 by the light intensity distribution control layer 105, so that the uniformity of the light distribution is improved and the diffracted light is strong. Become.
On the other hand, since the light intensity distribution control layer 105 is thin in the two-dimensional photonic crystal layer 104 directly under the electrode, the uniformity of the light distribution of the two-dimensional photonic crystal layer 104 is not so high and interference does not occur strongly.
Therefore, the diffracted light is stronger directly below the opening 109 (region corresponding to the opening) than immediately below the p-electrode 108 (region other than the region corresponding to the opening).

以下に、本発明の実施例について説明する。
[実施例1]
実施例1として、実施形態1の2次元フォトニック結晶面発光レーザにおける具体的な構成例を、図7を用いて説明する。
本実施例は、2次元フォトニック結晶の格子定数aと膜厚dがd=aの構成で、回折光が最も弱め合う形態として構成される。
本実施形態における2次元フォトニック結晶面発光レーザは、つぎのように構成される。
基板101としてn型GaN基板701を用いる。
次に、有機金属気相成長(MOCVD)装置で以下の層を順に成長させる。
始めに、結晶性向上のためのバッファ層としてn−GaN層710を5μm成長させる。
続いて、下部クラッド層102としてn−Al0.07Ga0.93N702を800nm、ガイド層としてGaN層711を100nm成長させる。
その上に、活性層103として多重量子井戸703を成長させる。井戸層として厚さ3nmのIn0.10Ga0.90N、障壁層として厚さ7nmのGaNのペアを3周期成長させる。多重量子井戸703の発光波長は400nmである。更に、キャリアオーバーフローを抑制するキャリアブロック層としてp−Al0.15Ga0.85N712を20nm、2次元フォトニック結晶層104の母材(高屈折率媒質104a)としてIn0.04Ga0.96N704a成長させる。
In0.04Ga0.96N704aの膜厚は、後の2次元フォトニック結晶作成の工程で用いるドライエッチングによる活性層のダメージを考慮して、2次元フォトニック結晶の格子定数より若干厚くする。
本実施例では2次元フォトニック結晶の格子定数を152nmとするため、In0.04Ga0.96N704aを162nm成長させる。
次に、2次元フォトニック結晶層104の形成をする。
まず、基板をMOCVD装置から取り出し、基板上にレジストを塗布する。
次に、電子線リソグラフィーを用いて、円形の正方格子のパターンを描画,現像する。格子定数a(周期)は152nm、円の直径は55nmである。
次に、ドライエッチングでIn0.04Ga0.96N704aが10nm残るように、層深さ152nmの2次元フォトニック結晶の孔を形成し、スパッタを用いて孔をAl23で埋める。
その後、リフトオフでレジストを除去して、高屈折率媒質104aとしてIn0.04Ga0.96N704aと、低屈折率媒質104bとしてAl23704bで構成される2次元フォトニック結晶層104が形成される。
リフトオフ後、2次元フォトニック結晶層104を形成した基板をMOCVD装置にセットし、光強度分布制御層105として、In0.04Ga0.96N705を45nm成長させる。
Examples of the present invention will be described below.
[Example 1]
As Example 1, a specific configuration example of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to Embodiment 1 will be described with reference to FIG.
In this embodiment, the two-dimensional photonic crystal has a lattice constant a and a film thickness d of d = a, and the diffracted light is most weakened.
The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser in the present embodiment is configured as follows.
An n-type GaN substrate 701 is used as the substrate 101.
Next, the following layers are grown in order using a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) apparatus.
First, an n-GaN layer 710 is grown by 5 μm as a buffer layer for improving crystallinity.
Subsequently, n-Al 0.07 Ga 0.93 N702 is grown to 800 nm as the lower cladding layer 102, and a GaN layer 711 is grown to 100 nm as the guide layer.
On top of this, a multiple quantum well 703 is grown as an active layer 103. A pair of In 0.10 Ga 0.90 N with a thickness of 3 nm is grown as a well layer, and a pair of GaN with a thickness of 7 nm is grown as a barrier layer for three periods. The emission wavelength of the multiple quantum well 703 is 400 nm. Further, p-Al 0.15 Ga 0.85 N712 is grown to 20 nm as a carrier block layer for suppressing carrier overflow, and In 0.04 Ga 0.96 N704a is grown as a base material (high refractive index medium 104 a) of the two-dimensional photonic crystal layer 104.
The film thickness of In 0.04 Ga 0.96 N 704a is made slightly thicker than the lattice constant of the two-dimensional photonic crystal in consideration of damage to the active layer due to dry etching used in the subsequent two-dimensional photonic crystal production process.
In this embodiment, In 0.04 Ga 0.96 N704a is grown to 162 nm in order to set the lattice constant of the two-dimensional photonic crystal to 152 nm.
Next, the two-dimensional photonic crystal layer 104 is formed.
First, the substrate is taken out from the MOCVD apparatus, and a resist is applied on the substrate.
Next, a circular square lattice pattern is drawn and developed using electron beam lithography. The lattice constant a (period) is 152 nm, and the diameter of the circle is 55 nm.
Next, holes of a two-dimensional photonic crystal having a layer depth of 152 nm are formed so that 10 nm of In 0.04 Ga 0.96 N704a remains by dry etching, and the holes are filled with Al 2 O 3 by sputtering.
Thereafter, the resist is removed by lift-off to form a two-dimensional photonic crystal layer 104 composed of In 0.04 Ga 0.96 N 704a as the high refractive index medium 104a and Al 2 O 3 704b as the low refractive index medium 104b.
After lift-off, the substrate on which the two-dimensional photonic crystal layer 104 is formed is set in an MOCVD apparatus, and In 0.04 Ga 0.96 N705 is grown as a light intensity distribution control layer 105 by 45 nm.

再びMOCVD装置から基板を取り出して、In0.04Ga0.96N705にフォトリソグラフィーとドライエッチングで、面内の回折光の強度分布をつけるための膜厚分布を設ける。
本実施例では、円形のビームスポットを得るために、円状に膜厚分布を設ける。具体的には、フォトリソグラフィーとドライエッチングを3回に分け膜厚分布を形成する。
初めに、円形で直径10μm、深さ15nmのパターンを形成する。次に直径5μmの円形パターンを10μmの円形パターンの中心に合わせて深さ15nmで形成する。最後に直径3μmのパターンを深さ10nmで形成することで、In0.04Ga0.96N705にパターンの中心に向かって膜厚が階段状に薄くなった分布が形成される。
残りの層を成長させるためMOCVD装置にIn0.04Ga0.96N705に膜厚分布を設けた基板をセットする。そして、上部クラッド層106としてp−Al0.07Ga0.93N706を500nm、電極形成の為のコンタクト層としてp−GaN713を50nm成長させる。
最後に、n型GaN基板701の裏面にn電極107としてTi/Alからなる下部電極707、コンタクト層の上に上部電極108としてNi/Aiからなる半透明電極708を形成する。
以上の工程を経て、電流注入で発振し円形スポットを持つ2次元フォトニック結晶面発光レーザが完成する。
The substrate is taken out of the MOCVD apparatus again, and a film thickness distribution is provided for In 0.04 Ga 0.96 N705 by photolithography and dry etching to give an in-plane diffracted light intensity distribution.
In this embodiment, in order to obtain a circular beam spot, the film thickness distribution is provided in a circular shape. Specifically, photolithography and dry etching are divided into three times to form a film thickness distribution.
First, a circular pattern having a diameter of 10 μm and a depth of 15 nm is formed. Next, a circular pattern having a diameter of 5 μm is formed at a depth of 15 nm in alignment with the center of the circular pattern having a diameter of 10 μm. Finally, a pattern having a diameter of 3 μm is formed at a depth of 10 nm, whereby a distribution in which the film thickness decreases stepwise toward the center of the pattern is formed in In 0.04 Ga 0.96 N705.
In order to grow the remaining layers, a substrate having a thickness distribution of In 0.04 Ga 0.96 N705 is set in an MOCVD apparatus. Then, p-Al 0.07 Ga 0.93 N706 is grown to 500 nm as the upper clad layer 106, and p-GaN 713 is grown to 50 nm as a contact layer for electrode formation.
Finally, a lower electrode 707 made of Ti / Al is formed as the n electrode 107 on the back surface of the n-type GaN substrate 701, and a translucent electrode 708 made of Ni / Ai is formed as the upper electrode 108 on the contact layer.
Through the above steps, a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser that oscillates by current injection and has a circular spot is completed.

図8(a)、(b)は、本実施例の2次元フォトニック結晶面発光レーザにおける垂直方向の光分布の計算結果である。
それぞれ、光強度分布制御層105の膜厚が45nmの構造(パターン外部)と、5nmの構造(パターン中心部)である。
光強度分布制御層105の膜厚が45nmの構造は、5nmの構造と比べ2次元フォトニック結晶層に光が均一に広がっていることが分かる。
また、図9は、実施例1の2次元フォトニック結晶面発光レーザの構造について、回折光の電界強度比と光強度分布制御層105の関係を計算したグラフである。
光強度分布制御層105の膜厚が0nm時の回折光の電界強度を基準としている。光強度分布制御層105の膜厚が増すにつれ、回折光強度が減少している。これは、2次元フォトニック結晶層104への光の広がりが図8(a)の様に増加し光分布の均一性が向上し、回折光の干渉が強くなったからである。
光強度分布制御層105の膜厚が45nm辺りより厚くなると、回折光強度が増加している。
これは、活性層付近にあった光分布の最大値が光強度分布制御層105付近にシフトして、2次元フォトニック結晶層104の光分布の均一性が低下し、干渉が弱くなっているためである。
また、活性層と光の重なりが低下し利得が得られにくくなるので、光強度分布制御層105の膜厚は、これ以上厚くすることは望ましくない。
FIGS. 8A and 8B are calculation results of the light distribution in the vertical direction in the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser of this example.
The light intensity distribution control layer 105 has a 45 nm thickness (outside pattern) and a 5 nm thickness (pattern center), respectively.
It can be seen that the light intensity distribution control layer 105 having a 45 nm film thickness spreads more uniformly in the two-dimensional photonic crystal layer than the 5 nm structure.
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the electric field intensity ratio of diffracted light and the light intensity distribution control layer 105 for the structure of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser of Example 1.
The electric field intensity of the diffracted light when the film thickness of the light intensity distribution control layer 105 is 0 nm is used as a reference. As the film thickness of the light intensity distribution control layer 105 increases, the diffracted light intensity decreases. This is because the spread of light to the two-dimensional photonic crystal layer 104 is increased as shown in FIG. 8A, the uniformity of the light distribution is improved, and the interference of diffracted light is increased.
When the film thickness of the light intensity distribution control layer 105 becomes thicker than around 45 nm, the diffracted light intensity increases.
This is because the maximum value of the light distribution near the active layer is shifted to the vicinity of the light intensity distribution control layer 105, the uniformity of the light distribution of the two-dimensional photonic crystal layer 104 is lowered, and the interference is weakened. Because.
Further, since the overlap between the active layer and light is reduced and it becomes difficult to obtain a gain, it is not desirable to increase the film thickness of the light intensity distribution control layer 105 beyond this.

[実施例2]
実施例2として、実施形態2の2次元フォトニック結晶面発光レーザにおける具体的な構成例を、図10を用いて説明する。
本実施例では2次元フォトニック結晶の格子定数aと膜厚dがd=0.5aの構成で、回折光が最も強め合う形態として構成される。
本実施例における2次元フォトニック結晶面発光レーザは、2次元フォトニック結晶層104の膜厚、光強度分布制御層105、及び、光強度分布制御層105の膜厚分布が異なる事以外は、実施例1と同じである。差異の点について以下に説明する。
2次元フォトニック結晶層104であるIn0.04Ga0.96N704の膜厚を86nmとする。
これは、2次元フォトニック結晶の格子定数152nmに対して0.5倍の76nmと、エッチングダメージを抑えるための10nmの和である。
光強度分布制御層105として厚さ50nmのIn0.04Ga0.96N705まで形成する。次に、In0.04Ga0.96N705にフォトリソグラフィーとドライエッチングで、面内の回折光の強度分布をつけるための膜厚分布を設ける。
本実施例では、In0.04Ga0.96N705に円形で中心に向かって厚くなる膜厚分布を設ける。
具体的には、フォトリソグラフィーで円形の直径3μmのマスクを形成し、ドライエッチングでGa0.04In0.96N705を15nmエッチングする。
次に、直径5μmの円形マスクを前3μmのパターンの中心を合わせて形成し、ドライエッチングで15nmエッチングする。
最後に直径10μmのマスクを同様に形成し、15nmエッチングすることで、In0.04Ga0.96N705にパターンの中心に向かって膜厚が階段状に厚くなる分布が形成される。
その後は、残りの層と電極を形成することで、2次元フォトニック結晶面発光レーザが完成する。
[Example 2]
As Example 2, a specific configuration example of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to Embodiment 2 will be described with reference to FIG.
In this embodiment, the two-dimensional photonic crystal has a lattice constant a and a film thickness d of d = 0.5a, and is configured as a form in which diffracted light is most intensified.
The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser in the present example is different in that the film thickness distribution of the two-dimensional photonic crystal layer 104, the light intensity distribution control layer 105, and the light intensity distribution control layer 105 are different. Same as Example 1. The differences will be described below.
The film thickness of In 0.04 Ga 0.96 N704 that is the two-dimensional photonic crystal layer 104 is set to 86 nm.
This is the sum of 76 nm, which is 0.5 times the lattice constant of 152 nm of the two-dimensional photonic crystal, and 10 nm for suppressing etching damage.
The light intensity distribution control layer 105 is formed up to 50 nm thick In 0.04 Ga 0.96 N705. Next, a film thickness distribution for providing an in-plane intensity distribution of diffracted light is provided on In 0.04 Ga 0.96 N705 by photolithography and dry etching.
In this embodiment, In 0.04 Ga 0.96 N705 is provided with a circular film thickness distribution that increases in thickness toward the center.
Specifically, a circular mask having a diameter of 3 μm is formed by photolithography, and Ga 0.04 In 0.96 N705 is etched by 15 nm by dry etching.
Next, a circular mask having a diameter of 5 μm is formed by aligning the center of the pattern of 3 μm before, and is etched by 15 nm by dry etching.
Finally, a mask having a diameter of 10 μm is similarly formed and etched by 15 nm, thereby forming a distribution in In 0.04 Ga 0.96 N705 in which the film thickness increases stepwise toward the center of the pattern.
Thereafter, the remaining layers and electrodes are formed to complete a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser.

図11(a)、(b)は、本実施例の2次元フォトニック結晶面発光レーザにおける垂直方向の光分布の計算結果である。
それぞれ、光強度分布制御層105の膜厚が50nmの構造(パターン中心部)と、5nmの構造(パターン外部)である。
光強度分布制御層105の膜厚が50nmの構造は、5nmの構造と比べ2次元フォトニック結晶層に光が均一に広がっていることが分かる。
また、図12は、回折光の電界強度比と光強度分布制御層105の関係を計算したグラフである。
光強度分布制御層105の膜厚が0nm時の回折光の電界強度を基準としている。
光強度分布制御層105の膜厚が増すにつれ干渉が強くなった結果、回折光強度が増加している。
光強度分布制御層105を厚くしすぎると回折光強度が低下しているのは、実施例1と同じく、光分布の最大値が光強度分布制御層105にあり、2次元フォトニック結晶層104の光分布の均一性が低下しているためである。
FIGS. 11A and 11B show calculation results of the light distribution in the vertical direction in the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser of this example.
The light intensity distribution control layer 105 has a structure with a thickness of 50 nm (pattern center) and a structure with a thickness of 5 nm (outside of the pattern).
It can be seen that the light intensity distribution control layer 105 having a thickness of 50 nm has light spread more uniformly in the two-dimensional photonic crystal layer than the structure of 5 nm.
FIG. 12 is a graph in which the relationship between the electric field intensity ratio of diffracted light and the light intensity distribution control layer 105 is calculated.
The electric field intensity of the diffracted light when the film thickness of the light intensity distribution control layer 105 is 0 nm is used as a reference.
As the film thickness of the light intensity distribution control layer 105 increases, the intensity of diffracted light increases as a result of strong interference.
When the light intensity distribution control layer 105 is made too thick, the diffracted light intensity decreases because the maximum value of the light distribution is in the light intensity distribution control layer 105, as in the first embodiment, and the two-dimensional photonic crystal layer 104. This is because the uniformity of the light distribution is reduced.

[実施例3]
実施例3として、実施形態3の2次元フォトニック結晶面発光レーザにおける具体的な構成例を、図13を用いて説明する。
本実施例の2次元フォトニック結晶面発光レーザの構成は、光強度分布制御層105の膜厚分布と表面に光取り出しのための開口部109を設けたこと以外は、実施例1と同じである。差異の点について以下に説明する。
まず、光強度分布制御層105であるIn0.04Ga0.96N705までの構造を実施例1と同様に形成する。
次に、ドライエッチングによってIn0.04Ga0.96N705層の一部を薄くする。形状は円形、直径5μm、深さ40nmである。その後、再成長で残りの層を形成する。
裏面にTi/Alからなるn電極707と、表面にNi/Auからなるp電極708を形成する。
p電極708に、光取り出しのための開口部109として、直径5μmの円形状の開口部を設ける。開口部109は、In0.04Ga0.96N705の円形パターンを形成した領域に重なるように形成する。
以上の工程を経て開口部109から光が強く出射される2次元フォトニック結晶面発光レーザが完成する。
[Example 3]
As Example 3, a specific configuration example of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to Embodiment 3 will be described with reference to FIG.
The configuration of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser of this example is the same as that of Example 1 except that the film thickness distribution of the light intensity distribution control layer 105 and the opening 109 for extracting light are provided on the surface. is there. The differences will be described below.
First, the structure up to In 0.04 Ga 0.96 N705 which is the light intensity distribution control layer 105 is formed in the same manner as in the first embodiment.
Next, a part of the In 0.04 Ga 0.96 N705 layer is thinned by dry etching. The shape is circular, the diameter is 5 μm, and the depth is 40 nm. Thereafter, the remaining layers are formed by regrowth.
An n electrode 707 made of Ti / Al is formed on the back surface, and a p electrode 708 made of Ni / Au is formed on the front surface.
The p-electrode 708 is provided with a circular opening having a diameter of 5 μm as the opening 109 for extracting light. The opening 109 is formed so as to overlap with a region where a circular pattern of In 0.04 Ga 0.96 N705 is formed.
Through the above steps, a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser in which light is strongly emitted from the opening 109 is completed.

[実施例4]
実施例4として、実施形態4の2次元フォトニック結晶面発光レーザにおける具体的な構成例を、図14を用いて説明する。
本実施例の2次元フォトニック結晶面発光レーザの構成は、光強度分布制御層の膜厚分布と表面に開口部109を設けた事以外は、実施例2と同じである。差異の点について以下に説明する。
まず、光強度分布制御層であるIn0.04Ga0.96N705までの構造を実施例2と同様に形成する。
次に、ドライエッチングでIn0.04Ga0.96N705にパターンを形成する。形状は直径5μmの円形で、円形部分はエッチングしないようにマスクで保護し、それ以外の領域を札厚さ5nmまで薄くする。その後、再成長で残りの層を形成する。
裏面にTi/Alからなるn電極707、表面にNi/Auからなるp電極708を形成する。p電極708は、光取り出しのための開口部109として、直径5μmの円形状の開口部を有し、In0.04Ga0.96N705の円形パターンに重なるように形成する。
以上の工程を経て開口部109から光が強く出射される2次元フォトニック結晶面発光レーザが完成する。
[Example 4]
As Example 4, a specific configuration example of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to Embodiment 4 will be described with reference to FIG.
The configuration of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser of this example is the same as that of Example 2 except that the film thickness distribution of the light intensity distribution control layer and the opening 109 are provided on the surface. The differences will be described below.
First, a structure up to In 0.04 Ga 0.96 N705 which is a light intensity distribution control layer is formed in the same manner as in the second embodiment.
Next, a pattern is formed in In 0.04 Ga 0.96 N705 by dry etching. The shape is a circle having a diameter of 5 μm, and the circular portion is protected by a mask so as not to be etched, and the other region is thinned to a thickness of 5 nm. Thereafter, the remaining layers are formed by regrowth.
An n electrode 707 made of Ti / Al is formed on the back surface, and a p electrode 708 made of Ni / Au is formed on the front surface. The p-electrode 708 has a circular opening having a diameter of 5 μm as the opening 109 for extracting light, and is formed so as to overlap with a circular pattern of In 0.04 Ga 0.96 N705.
Through the above steps, a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser in which light is strongly emitted from the opening 109 is completed.

(比較例)
つぎに、比較例について説明する。
本比較例は、実施例1における2次元フォトニック結晶面発光レーザの2次元フォトニック結晶層の平均屈折率nPhCが、
クラッド層の屈折率ncladより高い構造と、該クラッド層の屈折率ncladより低い構造の2次元フォトニック結晶層104中の光強度分布と回折光強度を比較する。
PhC>ncladの関係である構造については実施例1を用いる。nPhC<ncladの関係である構造は、実施例1の低屈折率媒質104bを空気で置き換えた構造を用いる。
また、光強度分布制御層105の膜厚については、実施例1で干渉効果が強かったIn0.04Ga0.96N705が45nmの厚さで比較する。
(Comparative example)
Next, a comparative example will be described.
In this comparative example, the average refractive index n PhC of the two-dimensional photonic crystal surface layer of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser in Example 1 is
The light intensity distribution and diffracted light intensity in the two-dimensional photonic crystal layer 104 having a structure higher than the refractive index n clad of the cladding layer and a structure lower than the refractive index n clad of the cladding layer will be compared.
Example 1 is used for a structure having a relationship of n PhC > n clad . The structure having a relationship of n PhC <n clad uses a structure in which the low refractive index medium 104b of Example 1 is replaced with air.
Further, regarding the film thickness of the light intensity distribution control layer 105, In 0.04 Ga 0.96 N705 having a strong interference effect in Example 1 is compared with a thickness of 45 nm.

図15は低屈折率媒質104bを空気で置き換えた構造の計算結果である。
実施例1の図8(a)では2次元フォトニック結晶層中の電界が均一であるのに対し、比較例の図15では2次元フォトニック結晶層104内で光の分布が谷になり、均一性が低下している事が分かる。
このことから、nPhC<ncladの構造は、nPhC>ncladの構造と比べて回折光の干渉が弱くなる。
また、図16は回折光の電界虚度比と光強度分布制御層の膜厚との関係を計算し比較したグラフである。
実線はnPhC>ncladの構造で、点線はnPhC<ncladの構造である。
PhC<ncladの構造は、nPhC>ncladの構造より回折光の強度比の変調は小さいが、本発明の効果があることが確認できる。
以上の比較結果から、nPhCがncladより低くても本発明の効果がある。ただし、より効果を発揮するためにはnPhCをncladより高くすることが望ましいといえる。
FIG. 15 shows a calculation result of a structure in which the low refractive index medium 104b is replaced with air.
In FIG. 8A of Example 1, the electric field in the two-dimensional photonic crystal layer is uniform, whereas in FIG. 15 of the comparative example, the light distribution becomes a valley in the two-dimensional photonic crystal layer 104. It can be seen that the uniformity is reduced.
From this, the structure of n PhC <n clad has a weaker interference of diffracted light than the structure of n PhC > n clad .
FIG. 16 is a graph comparing the relationship between the electric field imaginary ratio of diffracted light and the film thickness of the light intensity distribution control layer.
The solid line has a structure of n PhC > n clad , and the dotted line has a structure of n PhC <n clad .
The structure of n PhC <n clad has a smaller modulation of the intensity ratio of diffracted light than the structure of n PhC > n clad , but it can be confirmed that the effect of the present invention is achieved.
From the above comparison results, even if n PhC is lower than n clad , the effect of the present invention is obtained. However, it can be said that it is desirable to make n PhC higher than n clad in order to exert more effect.

101:基板
102:下部クラッド層
103:活性層
104:2次元フォトニック結晶層
104a:高屈折率媒質
104b:低屈折率媒質
105:光強度分布制御層
106:上部クラッド層
107:下部電極
108:上部電極
109:開口部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101: Substrate 102: Lower clad layer 103: Active layer 104: Two-dimensional photonic crystal layer 104a: High refractive index medium 104b: Low refractive index medium 105: Light intensity distribution control layer 106: Upper clad layer 107: Lower electrode 108: Upper electrode 109: opening

Claims (5)

基板上に設けられた下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に設けられたキャリアを注入することで発光する活性層と、
前記活性層上に設けられた前記活性層で発生した光を面内で共振させる2次元フォトニック結晶層を有する2次元フォトニック結晶面発光レーザであって、
前記2次元フォトニック結晶層上に設けられ、該2次元フォトニック結晶層中の光強度分布を制御する光強度分布制御層を備え、
前記下部クラッド層と、前記活性層と、前記フォトニック結晶層と、前記光強度分布制御層と、該光強度分布制御層上に設けられた上部クラッド層と、の積層構造によるスラブ導波路が構成され、
前記光強度分布制御層の屈折率は、前記スラブ導波路の実効屈折率より大きく、面内での膜厚分布が異なっていることを特徴とする2次元フォトニック結晶面発光レーザ。
A lower cladding layer provided on the substrate;
An active layer that emits light by injecting carriers provided on the lower cladding layer;
A two-dimensional photonic crystal surface emitting laser having a two-dimensional photonic crystal layer that resonates light generated in the active layer provided on the active layer in a plane;
A light intensity distribution control layer provided on the two-dimensional photonic crystal layer and controlling a light intensity distribution in the two-dimensional photonic crystal layer;
A slab waveguide having a laminated structure of the lower cladding layer, the active layer, the photonic crystal layer, the light intensity distribution control layer, and an upper cladding layer provided on the light intensity distribution control layer; Configured,
The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser characterized in that the refractive index of the light intensity distribution control layer is larger than the effective refractive index of the slab waveguide and the in-plane film thickness distribution is different.
前記面発光レーザの裏面、または表面に光取り出しのための開口部を備え、
前記フォトニック結晶は、その格子定数をa、その膜厚をdとするとき、
前記フォトニック結晶層は、以下の条件式を満足する膜厚を有し、
前記光強度分布制御層の前記開口部に対応する領域の膜厚は、前記光強度分布制御層の前記開口部に対応する領域以外の領域より薄い膜厚で構成されていることを特徴とする請求項1に記載の2次元フォトニック結晶面発光レーザ。
(q−0.125)a<d<(q+0.125)a
但し、(q=1,2,3・・・)
Provided with an opening for light extraction on the back surface or surface of the surface emitting laser,
The photonic crystal has a lattice constant of a and a film thickness of d.
The photonic crystal layer has a thickness that satisfies the following conditional expression:
The film thickness of the region corresponding to the opening of the light intensity distribution control layer is configured to be thinner than the region other than the region corresponding to the opening of the light intensity distribution control layer. The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to claim 1.
(Q−0.125) a <d <(q + 0.125) a
However, (q = 1, 2, 3 ...)
前記面発光レーザの裏面、または表面に光取り出しのための開口部を備え、
前記フォトニック結晶の格子定数をa、膜厚をdとするとき、
前記フォトニック結晶は以下の条件式を満足する膜厚を有し、
前記光強度分布制御層の前記開口部に対応する領域の膜厚は、前記光強度分布制御層の前記開口部に対応する領域以外の領域より厚い膜厚で構成されていることを特徴とする請求項1に記載の2次元フォトニック結晶面発光レーザ。
((p+0.5)−0.125)<d<((p+0.5)+0.125)a
但し、(p=0,1,2・・・)
Provided with an opening for light extraction on the back surface or surface of the surface emitting laser,
When the lattice constant of the photonic crystal is a and the film thickness is d,
The photonic crystal has a film thickness that satisfies the following conditional expression:
The film thickness of the region corresponding to the opening of the light intensity distribution control layer is configured to be thicker than the region other than the region corresponding to the opening of the light intensity distribution control layer. The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to claim 1.
((P + 0.5) -0.125) <d <((p + 0.5) +0.125) a
However, (p = 0, 1, 2,...)
前記フォトニック結晶層の屈折率が、前記クラッド層の屈折率より大きく、前記光強度分布制御層の屈折率より低いことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の2次元フォトニック結晶面発光レーザ。   The two-dimensional according to any one of claims 1 to 3, wherein a refractive index of the photonic crystal layer is larger than a refractive index of the cladding layer and lower than a refractive index of the light intensity distribution control layer. Photonic crystal surface emitting laser. 前記下部クラッド層と前記活性層との間にガイド層を備え、
前記光強度分布制御層の屈折率が前記ガイド層の屈折率より大きいことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の2次元フォトニック結晶面発光レーザ。
A guide layer is provided between the lower cladding layer and the active layer,
5. The two-dimensional photonic crystal surface-emitting laser according to claim 1, wherein a refractive index of the light intensity distribution control layer is larger than a refractive index of the guide layer.
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