JP2014053560A - Laser resonator and vertical resonator type surface-emitting laser - Google Patents

Laser resonator and vertical resonator type surface-emitting laser Download PDF

Info

Publication number
JP2014053560A
JP2014053560A JP2012198700A JP2012198700A JP2014053560A JP 2014053560 A JP2014053560 A JP 2014053560A JP 2012198700 A JP2012198700 A JP 2012198700A JP 2012198700 A JP2012198700 A JP 2012198700A JP 2014053560 A JP2014053560 A JP 2014053560A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
dbr
reflecting mirror
film thickness
layer
laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2012198700A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP6039324B2 (en
Inventor
Yasuhiro Nagatomo
靖浩 長友
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Canon Inc filed Critical Canon Inc
Priority to JP2012198700A priority Critical patent/JP6039324B2/en
Publication of JP2014053560A publication Critical patent/JP2014053560A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6039324B2 publication Critical patent/JP6039324B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser resonator capable of suppressing a deviation in a resonant wavelength even when a film thickness modulation DBR is used as a reflector for a vertical resonator type surface-emitting laser, and to provide a vertical resonator type surface-emitting laser composed of the laser resonator.SOLUTION: The laser resonator includes a configuration in which a first reflector and a second reflector, by using DBR, are arranged face to face and resonates with light of a wavelength λ. The first reflector and the second reflector are so configured that at least part of layers among multilayer films constituting a DBR at each of the reflectors includes a configuration in which an optical film thickness is modulated in thickness by being shifted from λ/4, and directions of the film thickness modulation of the DBR at each of the first reflector and the second reflector are opposed.

Description

本発明は、レーザ共振器および該レーザ共振器により構成される垂直共振器型面発光レーザに関する。   The present invention relates to a laser resonator and a vertical cavity surface emitting laser constituted by the laser resonator.

半導体レーザ構造の一種として、垂直共振器型面発光レーザ(以下、VCSELと記す。)が知られている。
VCSELは、活性層(発光層)の上下を一対の反射鏡で挟みこんで構成される。活性層から放出された光は上下の反射鏡で反射を繰り返し、特定の波長において共振し、活性層で増幅されレーザ発振する。その光の一部が反射鏡を透過して表面から取り出され、面発光レーザとして動作する。
一般的に、VCSELの反射鏡には、半導体や誘電体の多層膜で構成された分布ブラッグ反射鏡(DBR:Distributed Bragg Reflector)が使用される。
一般的なDBRは、屈折率の異なる2種類の層が交互に積層されており、所定の光の波長をλとすると、各層の厚さが光学膜厚λ/4となるように設計される。ここで、光学膜厚とは、DBRを構成する多層膜のある層の厚さに、その層を構成する材料の屈折率を掛けたものをいう。
このような構成にすることで、各層の界面で反射された光が干渉して強めあい、100%に近い高反射率を得ることができる。
As a kind of semiconductor laser structure, a vertical cavity surface emitting laser (hereinafter referred to as VCSEL) is known.
The VCSEL is configured by sandwiching the upper and lower sides of an active layer (light emitting layer) between a pair of reflecting mirrors. The light emitted from the active layer is repeatedly reflected by the upper and lower reflecting mirrors, resonates at a specific wavelength, is amplified by the active layer, and oscillates. Part of the light passes through the reflecting mirror and is extracted from the surface, and operates as a surface emitting laser.
Generally, a distributed Bragg reflector (DBR) composed of a multilayer film of a semiconductor or a dielectric is used as a reflective mirror of a VCSEL.
A typical DBR is designed such that two types of layers having different refractive indexes are alternately stacked, and assuming that the wavelength of a predetermined light is λ, the thickness of each layer is an optical film thickness λ / 4. . Here, the optical film thickness is obtained by multiplying the thickness of a certain layer of the multilayer film constituting the DBR by the refractive index of the material constituting the layer.
By adopting such a configuration, the light reflected at the interface of each layer interferes and strengthens, and a high reflectance close to 100% can be obtained.

しかし近年、各層の光学膜厚をλ/4から意図的にずらした、いわゆる膜厚変調DBRを使用したVCSELが提案されている。
例えば、特許文献1には、DBRを構成する材料のうち相対的に光吸収損失の多い材料の光学膜厚をλ/4より薄くし、相対的に光吸収損失の少ない材料の光学膜厚をλ/4より厚く形成したVCSELが開示されている。
このような構成にすることで、DBRの高反射率を維持したまま光吸収損失を減少させることができ、それによって高効率のVCSELを実現できる。
これらの他にも、放熱性向上や、熱膨張係数や格子定数の違いによるクラック発生を抑制するため、膜厚変調DBRをVCSELの反射鏡として使用するようにしたものが提案されている。(例えば特許文献2、3。)
Recently, however, a VCSEL using a so-called film thickness modulation DBR in which the optical film thickness of each layer is intentionally shifted from λ / 4 has been proposed.
For example, in Patent Document 1, the optical film thickness of a material having a relatively large light absorption loss among the materials constituting the DBR is made thinner than λ / 4, and the optical film thickness of a material having a relatively small light absorption loss is disclosed. A VCSEL formed thicker than λ / 4 is disclosed.
By adopting such a configuration, it is possible to reduce the light absorption loss while maintaining the high reflectivity of the DBR, thereby realizing a highly efficient VCSEL.
In addition to these, in order to improve heat dissipation and to suppress the occurrence of cracks due to differences in thermal expansion coefficient and lattice constant, a film thickness modulation DBR is proposed that is used as a VCSEL reflecting mirror. (For example, Patent Documents 2 and 3)

特開平3−225885号公報Japanese Patent Laid-Open No. 3-225585 米国特許第6720585号明細書US Pat. No. 6,720,585 特開2003−107241号公報JP 2003-107241 A

以上のように膜厚変調DBRを垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL)に使用すれば、様々な特性を改善することができる。しかしながら、その場合、以下に説明するように、共振波長が設計値からずれてしまうという課題が生じる。
上記特許文献には、膜厚変調DBR単独の特性については記載されているが、それを組み合わせて形成した共振器の光学特性については何も記載されていない。我々が検討を行ったところ、膜厚変調DBRを使用した場合は、従来のDBRを使用した場合と同じ設計指針で共振器を設計しても、所望の光学特性を持った共振器が得られないという課題が判明した。
As described above, when the film thickness modulation DBR is used in a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL), various characteristics can be improved. However, in this case, as described below, there arises a problem that the resonance wavelength is deviated from the design value.
The above patent document describes the characteristics of the film thickness modulation DBR alone, but does not describe any optical characteristics of the resonator formed by combining them. As a result of our investigation, when a thickness-modulated DBR is used, a resonator with the desired optical characteristics can be obtained even if the resonator is designed with the same design guidelines as when a conventional DBR is used. The problem of not being found.

この課題について、計算結果をもとに具体的に説明する。
図7は、膜厚変調DBRを使用した垂直共振器構造の一例を示す模式図である。波長λ=400nmにおいて1λ共振器となるように、
光学膜厚400nmのGaN膜710の上下を、
SiO2層701とNb25層702を交互に7ペア積層した誘電体DBR700と、
AlN層721とGaN層722を交互に20ペア積層した半導体DBR720と、
によって挟んだ形状の共振器が、GaN基板730上に形成されている。
なお、図を簡略化するために、DBRは実際よりも少ないペア数で図示している。
This problem will be specifically described based on the calculation results.
FIG. 7 is a schematic diagram showing an example of a vertical resonator structure using a film thickness modulation DBR. In order to become a 1λ resonator at a wavelength λ = 400 nm,
Above and below the GaN film 710 having an optical film thickness of 400 nm,
A dielectric DBR 700 in which 7 pairs of SiO 2 layers 701 and Nb 2 O 5 layers 702 are alternately stacked;
A semiconductor DBR 720 in which 20 pairs of AlN layers 721 and GaN layers 722 are alternately stacked;
A resonator sandwiched between the GaN substrates 730 is formed on the GaN substrate 730.
In order to simplify the drawing, the DBR is illustrated with a smaller number of pairs than actual.

半導体DBR720は、一般的にはAlN層721とGaN層722の光学膜厚がそれぞれλ/4で、2つの層を合計した1周期の光学膜厚がλ/2となるように設計される。
ここで、半導体DBR720の各層の光学膜厚をλ/4からずらして膜厚変調DBRにする場合について計算する。
なお、本計算において、反射率の低下を抑えるために1周期の光学膜厚はλ/2を保つようにした。例えば、AlN層の膜厚を薄くする場合はその分、GaN層の膜厚を厚くして調整する。
The semiconductor DBR 720 is generally designed such that the optical film thickness of the AlN layer 721 and the GaN layer 722 is λ / 4, and the total optical film thickness of one cycle is λ / 2.
Here, the calculation is performed for the case where the optical film thickness of each layer of the semiconductor DBR 720 is shifted from λ / 4 to be a film thickness modulation DBR.
In this calculation, the optical film thickness in one cycle is kept at λ / 2 in order to suppress the decrease in reflectance. For example, when the thickness of the AlN layer is reduced, the thickness of the GaN layer is increased accordingly.

図8は、図7に示した構造に図の上側から平面波を入射した場合の反射スペクトルを計算した結果である。
半導体DBR720を構成するAlN層721の光学膜厚を0.15λ〜0.35λの範囲で変化させた場合の共振波長の変化を計算した。
反射率が急激に低下するディップ波長が共振波長に相当する。
なお、誘電体DBR700の膜厚は変調しておらず、各層の光学膜厚はλ/4である。
半導体DBRを膜厚変調していない構成(AlN層とGaN層の光学膜厚が0.25λ)の場合は、共振波長は設計値通り400nmであるが、膜厚変調が加わると変調の度合いに応じて共振波長がずれる。
AlN層の膜厚を薄くしてGaN層の膜厚を厚くすると共振波長は短波長側にずれ、逆にAlN層の膜厚を厚くしてGaN層の膜厚を薄くすると共振波長は長波長側にずれる。
以上のように、VCSELの反射鏡を一般的なDBRから膜厚変調DBRに単純に置き換えると、共振波長が設計値からずれてしまう。
FIG. 8 shows the result of calculating the reflection spectrum when a plane wave is incident on the structure shown in FIG. 7 from the upper side of the figure.
The change in resonance wavelength was calculated when the optical film thickness of the AlN layer 721 constituting the semiconductor DBR 720 was changed in the range of 0.15λ to 0.35λ.
The dip wavelength at which the reflectivity rapidly decreases corresponds to the resonance wavelength.
The film thickness of the dielectric DBR 700 is not modulated, and the optical film thickness of each layer is λ / 4.
In the case where the semiconductor DBR is not subjected to film thickness modulation (the optical film thickness of the AlN layer and the GaN layer is 0.25λ), the resonance wavelength is 400 nm as designed, but when the film thickness modulation is applied, the degree of modulation is increased. Accordingly, the resonance wavelength shifts.
If the thickness of the AlN layer is reduced and the thickness of the GaN layer is increased, the resonance wavelength shifts to the short wavelength side. Conversely, if the thickness of the AlN layer is increased and the thickness of the GaN layer is reduced, the resonance wavelength is increased. Shift to the side.
As described above, if the reflection mirror of the VCSEL is simply replaced from the general DBR to the film thickness modulation DBR, the resonance wavelength is deviated from the design value.

本発明は、上記課題に鑑み、膜厚変調DBRを垂直共振器型面発光レーザの反射鏡として使用しても、共振波長のずれを抑制することが可能となるレーザ共振器および該レーザ共振器により構成される垂直共振器型面発光レーザの提供を目的とする。   In view of the above problems, the present invention provides a laser resonator capable of suppressing a shift in resonance wavelength even when the film thickness modulation DBR is used as a reflector of a vertical cavity surface emitting laser, and the laser resonator An object of the present invention is to provide a vertical cavity surface emitting laser constituted by:

本発明のレーザ共振器は、DBRによる第1の反射鏡と第2の反射鏡とが対向配置された構成を備え、波長λの光を共振させるレーザ共振器であって、
前記第1の反射鏡と前記第2の反射鏡は、各反射鏡におけるDBRを構成する多層膜のうちの少なくとも一部の層が、光学膜厚をλ/4からずらして膜厚変調された構成を有し、
前記第1の反射鏡と前記第2の反射鏡は、各反射鏡におけるDBRの前記膜厚変調の方向が逆になるように構成されていることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、上記したレーザ共振器を備え、該レーザ共振器における前記第1の反射鏡と前記第2の反射鏡との間に活性層を含み構成されていることを特徴とする。
A laser resonator according to the present invention is a laser resonator having a configuration in which a first reflecting mirror and a second reflecting mirror by DBR are arranged to face each other, and resonates light having a wavelength λ.
In the first reflecting mirror and the second reflecting mirror, at least a part of the multilayer film constituting the DBR in each reflecting mirror is modulated by shifting the optical film thickness from λ / 4. Having a configuration,
The first reflecting mirror and the second reflecting mirror are configured such that the direction of the film thickness modulation of the DBR in each reflecting mirror is reversed.
The vertical cavity surface emitting laser of the present invention includes the above-described laser resonator, and includes an active layer between the first reflecting mirror and the second reflecting mirror in the laser resonator. It is characterized by.

本発明によれば、膜厚変調DBRを使用しても共振波長のずれを抑制することが可能となるレーザ共振器および該レーザ共振器により構成される垂直共振器型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 laser resonator capable of suppressing a shift in resonance wavelength even when a film thickness modulation DBR is used, and a vertical cavity surface emitting laser constituted by the laser resonator. Can do.

本発明の実施形態におけるレーザ共振器の構成例を説明する断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram explaining the structural example of the laser resonator in embodiment of this invention. 本発明の実施形態のレーザ共振器におけるDBRの膜厚変調と反射率の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the film thickness modulation | alteration of DBR and the relationship of a reflectance in the laser resonator of embodiment of this invention. 本発明の実施形態のレーザ共振器における屈折率と光強度の分布を示すグラフである。It is a graph which shows distribution of the refractive index and light intensity in the laser resonator of embodiment of this invention. 本発明の実施形態におけるレーザ共振器の構成例を説明する断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram explaining the structural example of the laser resonator in embodiment of this invention. 本発明の実施例1におけるVCSELの層構造を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the layer structure of VCSEL in Example 1 of this invention. 本発明の実施例1におけるVCSELの共振波長を示すグラフである。It is a graph which shows the resonant wavelength of VCSEL in Example 1 of this invention. 従来技術が有する課題を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the subject which a prior art has. 従来技術が有する課題を説明するためのグラフである。It is a graph for demonstrating the subject which a prior art has. 本発明における膜厚変調DBRの反射光の位相について説明するための模式図とグラフである。It is the schematic diagram and graph for demonstrating the phase of the reflected light of film thickness modulation DBR in this invention. 本発明における膜厚変調DBRの反射光の位相について説明するための模式図とグラフである。It is the schematic diagram and graph for demonstrating the phase of the reflected light of film thickness modulation DBR in this invention. 本発明におけるDBRの反射光の位相について説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the phase of the reflected light of DBR in this invention.

以下に、本発明の実施形態におけるレーザ共振器(以下、共振器と記す。)、および垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL)について説明する。
まず、本明細書における用語の定義を行う。
本明細書中では、素子の基板側を下側、基板と反対側を上側と定義する。
本明細書中で層の厚さに言及する場合、特に断りが無ければ物理膜厚ではなく光学膜厚を意味することとする。
本明細書中では、DBRを構成する2種類の層のうち、相対的に屈折率の低い材料からなる層を低屈折率層、相対的に屈折率の高い材料からなる層を高屈折率層と呼ぶこととする。
本明細書中では、DBRに光が入射する場合、光が入射する側に近い順から第1の層、第2の層と呼ぶこととする。
一般的にDBRは第1の層と第2の層を交互に積層して構成される。一対のDBRを対向させて共振器を形成した場合、光は共振器内側からDBRに入射するとみなし、共振器内側から順に第1の層、第2の層となる。
本明細書中では、DBRを構成する各層の光学膜厚がλ/4になっているものを無変調DBRと呼ぶこととする。
本明細書中では、膜厚変調とは、DBRを構成する各層の光学膜厚をλ/4からずらすことを意味する。以下において、膜厚変調されたDBRのことを膜厚変調DBRと呼ぶこととする。
本明細書中では、DBRを構成する各層の光学膜厚がλ/4であると言った場合、光学特性が光学膜厚λ/4と同等の場合も含むこととする。具体的には、光学膜厚がλ/4の奇数倍である場合も含む。
ここで、本明細書における膜厚変調の方向について定義する。
便宜的に、各DBRの第1の層を光学膜厚λ/4より薄くする場合の膜厚変調の方向を負(−)、それとは逆に第1の層を光学膜厚λ/4より厚くする場合の膜厚変調の方向を正(+)と定義する。
また、共振器を形成する一対のDBRの膜厚変調の方向を示す符号が異なる場合、例えば、上側DBRの膜厚変調の方向が負、下側DBRの膜厚変調の方向が正となっている場合は、上下のDBRの膜厚変調の方向が逆であると言うこととする。
Hereinafter, a laser resonator (hereinafter referred to as a resonator) and a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) according to an embodiment of the present invention will be described.
First, terms in this specification are defined.
In this specification, the substrate side of the element is defined as the lower side, and the side opposite to the substrate is defined as the upper side.
In this specification, when referring to the thickness of a layer, unless otherwise specified, it means an optical film thickness, not a physical film thickness.
In the present specification, of the two types of layers constituting the DBR, a layer made of a material having a relatively low refractive index is a low refractive index layer, and a layer made of a material having a relatively high refractive index is a high refractive index layer I will call it.
In this specification, when light is incident on the DBR, the first layer and the second layer are referred to in order from the light incident side.
In general, the DBR is configured by alternately laminating first layers and second layers. When a resonator is formed by making a pair of DBRs face each other, light is assumed to enter the DBR from the inside of the resonator, and the first layer and the second layer are sequentially formed from the inside of the resonator.
In this specification, an optical film thickness of each layer constituting the DBR is referred to as a non-modulated DBR.
In the present specification, the film thickness modulation means shifting the optical film thickness of each layer constituting the DBR from λ / 4. In the following, the thickness-modulated DBR is referred to as a film thickness modulation DBR.
In this specification, when the optical film thickness of each layer constituting the DBR is λ / 4, the case where the optical characteristics are equivalent to the optical film thickness λ / 4 is also included. Specifically, the case where the optical film thickness is an odd multiple of λ / 4 is included.
Here, the direction of film thickness modulation in this specification is defined.
For convenience, the direction of film thickness modulation when the first layer of each DBR is made thinner than the optical film thickness λ / 4 is negative (−), and conversely, the first layer is formed from the optical film thickness λ / 4. The direction of film thickness modulation when the thickness is increased is defined as positive (+).
Further, when the signs indicating the direction of film thickness modulation of the pair of DBRs forming the resonator are different, for example, the direction of film thickness modulation of the upper DBR is negative and the direction of film thickness modulation of the lower DBR is positive. In this case, the direction of film thickness modulation of the upper and lower DBRs is reversed.

つぎに、上記した課題が生じる原因について、本発明者が考察した内容について説明する。
前述の共振波長ずれは、DBRの膜厚変調の度合いに応じて反射光の位相がずれることによって引き起こされる。
図9(a)と図9(b)を用いて、DBRの膜厚変調の度合いが反射光の位相に与える影響について説明する。
図9(a)に示したDBRは、図7に示したレーザ共振器の下側の半導体DBR720と同じものである。
なお、図9(a)において、半導体DBR720の上面725のみで光反射が起こっているような描写になっているが、実際には上面725だけでなく各層の界面で光反射が起こり、それらを合成したものがDBR全体としての反射光となる。本明細書中の計算では、DBR上面725における入射光と反射光(合成波)の位相の差を計算で求めて、その差を反射時の位相ずれと見なしている。
Next, the contents considered by the present inventor regarding the cause of the above-described problem will be described.
The above-described resonance wavelength shift is caused by the phase shift of the reflected light depending on the degree of film thickness modulation of the DBR.
9A and 9B, the influence of the degree of DBR film thickness modulation on the phase of reflected light will be described.
The DBR shown in FIG. 9A is the same as the semiconductor DBR 720 below the laser resonator shown in FIG.
In FIG. 9A, the light reflection occurs only on the upper surface 725 of the semiconductor DBR 720, but actually light reflection occurs not only on the upper surface 725 but also on the interface of each layer. The synthesized light becomes the reflected light of the entire DBR. In the calculation in this specification, the phase difference between the incident light and the reflected light (synthetic wave) on the DBR upper surface 725 is obtained by calculation, and the difference is regarded as a phase shift at the time of reflection.

一般的な、光学膜厚λ/4の層を積層した無変調DBRの場合、波長λにおける反射光の位相ずれは0またはπである。入射側媒質の屈折率がDBRの第1の層の屈折率より大きい場合には位相ずれは0となり、逆に第1の層の屈折率より小さい場合には位相ずれはπとなる。
図9(a)に示した半導体DBR720の入射側媒質はGaN(屈折率2.54)であるとした。第1の層はAlN層721(屈折率2.09)であり、第1の層より入射側媒質の屈折率が大きいので、膜厚変調を加えていない場合の反射光の位相ずれは0である。
DBRに膜厚変調が加わると、変調の度合いに応じて反射光の位相がずれる。
図9(b)は図9(a)の半導体DBR720の膜厚変調の度合いと反射光の位相ずれの関係を計算した結果である。
なお、本計算においても半導体DBR720の1周期の光学膜厚はλ/2を保つようにしてある。
図9(b)から、膜厚変調の度合いに比例して反射光の位相が変化していることが読み取れる。第1の層であるAlN層721の膜厚を薄くして第2の層であるGaN層722の膜厚を厚くすると位相が負の方向にずれ、逆にAlN層721の膜厚を厚くしてGaN層722の膜厚を薄くすると位相が正の方向にずれる。DBRでの光反射時の位相が変化すると、実効的な光路長が伸び縮みすることになる。
位相が正の方向にずれる場合は光路長が伸びることと等価であり、位相が負の方向にずれる場合は光路長が縮むことと等価である。
その結果、実際の共振器長が変化していないにも関わらず、図8に示したような共振波長ずれが起きると考えられる。
In the case of a general unmodulated DBR in which layers having an optical film thickness of λ / 4 are stacked, the phase shift of reflected light at the wavelength λ is 0 or π. When the refractive index of the incident side medium is larger than the refractive index of the first layer of the DBR, the phase shift is 0. Conversely, when the refractive index is smaller than the refractive index of the first layer, the phase shift is π.
The incident side medium of the semiconductor DBR 720 shown in FIG. 9A is assumed to be GaN (refractive index 2.54). The first layer is an AlN layer 721 (refractive index 2.09), and the refractive index of the incident side medium is larger than that of the first layer, so that the phase shift of the reflected light is 0 when no film thickness modulation is applied. is there.
When film thickness modulation is applied to the DBR, the phase of the reflected light is shifted according to the degree of modulation.
FIG. 9B shows the result of calculating the relationship between the degree of film thickness modulation of the semiconductor DBR 720 in FIG. 9A and the phase shift of the reflected light.
In this calculation, the optical film thickness of one period of the semiconductor DBR 720 is kept at λ / 2.
From FIG. 9B, it can be seen that the phase of the reflected light changes in proportion to the degree of film thickness modulation. When the thickness of the AlN layer 721 as the first layer is reduced and the thickness of the GaN layer 722 as the second layer is increased, the phase shifts in the negative direction, and conversely, the thickness of the AlN layer 721 is increased. If the thickness of the GaN layer 722 is reduced, the phase is shifted in the positive direction. When the phase at the time of light reflection by the DBR changes, the effective optical path length expands and contracts.
When the phase shifts in the positive direction, this is equivalent to an increase in the optical path length, and when the phase shifts in the negative direction, this is equivalent to a reduction in the optical path length.
As a result, it is considered that the resonance wavelength shift as shown in FIG. 8 occurs although the actual resonator length is not changed.

図10に、膜厚変調DBRでの反射光の位相ずれの仕組み(どのような構成でどのように位相がずれるか)をより詳細に説明するための、別の計算結果を示す。
光の入射側から見て低屈折率層が先に並んでいる場合、つまり第1の層が低屈折率層である場合(図10(a))と、高屈折率層が先に並んでいる場合、つまり第1の層が高屈折率層である場合(図10(b))の2通りのDBR構造について、平面波を入射した場合の反射光の位相を計算した。
なお、図中の矢印の向きは光の入射方向を表している。
計算に使用したパラメータは、入射側と出射側の屈折率は1.5、低屈折率層の屈折率は1.0、高屈折率層の屈折率は2.0または3.0、DBRのペア数は10とした。
また、ここでもDBRの1周期の光学膜厚はλ/2を保つようにし、その中の膜厚比率を変えて計算を行った。
FIG. 10 shows another calculation result for explaining in more detail the mechanism of the phase shift of the reflected light in the film thickness modulation DBR (how the phase shifts in what configuration).
When the low refractive index layer is arranged first when viewed from the light incident side, that is, when the first layer is the low refractive index layer (FIG. 10A), the high refractive index layer is arranged first. In other words, for the two DBR structures when the first layer is a high refractive index layer (FIG. 10B), the phase of the reflected light when a plane wave is incident was calculated.
In addition, the direction of the arrow in a figure represents the incident direction of light.
The parameters used for the calculation are as follows: the refractive index of the incident side and the outgoing side is 1.5, the refractive index of the low refractive index layer is 1.0, the refractive index of the high refractive index layer is 2.0 or 3.0, and DBR The number of pairs was 10.
In this case as well, the optical film thickness in one period of DBR was kept at λ / 2, and the calculation was performed by changing the film thickness ratio.

図10(c)は図10(a)に示した構造の、図10(d)は図10(b)に示した構造の計算結果である。
それぞれ、高屈折率層の屈折率が2.0の場合と3.0の場合をグラフに示している。
図10(c)と図10(d)を比較すると、どちらも位相のずれは膜厚変調の度合いに比例している。しかしグラフの傾きの正負は逆である。
図10(c)では、低屈折率層が厚くなるにしたがって位相ずれが大きくなる。図10(d)では、低屈折率層が厚くなるにしたがって位相ずれが小さくなる。これは、光の入射側から見て先に並んでいる層の膜厚が増すと位相が正に、膜厚が減ると位相が負にずれるというように理解できる。
また、高屈折率層の屈折率が2.0の場合と3.0の場合の比較より、グラフの傾きの大きさはDBRを構成する層の屈折率に依存することがわかる。
FIG. 10C shows a calculation result of the structure shown in FIG. 10A, and FIG. 10D shows a calculation result of the structure shown in FIG. 10B.
The graphs show the cases where the refractive index of the high refractive index layer is 2.0 and 3.0, respectively.
Comparing FIG. 10C and FIG. 10D, the phase shift is proportional to the degree of film thickness modulation. However, the sign of the graph is opposite.
In FIG. 10C, the phase shift increases as the thickness of the low refractive index layer increases. In FIG. 10D, the phase shift decreases as the thickness of the low refractive index layer increases. This can be understood such that the phase is positive when the film thickness of the layer arranged in front of the light incident side is increased, and the phase is negative when the film thickness is decreased.
Further, it can be seen from the comparison between the cases where the refractive index of the high refractive index layer is 2.0 and 3.0, the magnitude of the inclination of the graph depends on the refractive index of the layer constituting the DBR.

このしくみを簡単なモデルを使って説明する。
図11に、DBR1100に平面波が入射した場合の反射の様子をあらわした模式図を示す。
光の入射側から第1の層1101、第2の層1102が並んでおり、それ以降も第1の層、第2の層、第1の層といった具合に第1の層と第2の層が交互に同一周期で積層されている。
なお、ここでは理論を簡略化するために、多重反射を無視して各界面で一度だけ反射された光のみを取り扱うこととする。
DBR1100の上側の界面1105で反射される光を基準に、各界面で反射されて界面1105まで戻ってきた光の位相差を考える。
界面1105で反射した光と、界面1115で反射して界面1105まで戻ってきた光との位相差は、
第1の層の光学膜厚×2×2π/λ+反射時位相ずれπ
であらわされる。
第1の層の光学膜厚がλ/4の場合には位相差は2πとなり、実質的な位相差はない。第1の層の光学膜厚がλ/4より薄い場合には位相差は2πより小さく、λ/4より厚い場合には位相差は2πより大きくなる。
界面1105で反射した光と、界面1125で反射して界面1105まで戻ってきた光との位相差は、
(第1の層の光学膜厚+第2の層の光学膜厚)×2×2π/λ
であらわされる。
This mechanism will be explained using a simple model.
FIG. 11 is a schematic diagram showing the state of reflection when a plane wave is incident on the DBR 1100.
The first layer 1101 and the second layer 1102 are arranged from the light incident side, and thereafter, the first layer, the second layer, the first layer, and so on. Are alternately stacked with the same period.
Here, in order to simplify the theory, only the light reflected only once at each interface is handled ignoring multiple reflection.
Considering the light reflected at the upper interface 1105 of the DBR 1100 as a reference, the phase difference of the light reflected at each interface and returning to the interface 1105 will be considered.
The phase difference between the light reflected by the interface 1105 and the light reflected by the interface 1115 and returning to the interface 1105 is
Optical thickness of first layer × 2 × 2π / λ + phase shift upon reflection π
It is expressed.
When the optical thickness of the first layer is λ / 4, the phase difference is 2π, and there is no substantial phase difference. When the optical thickness of the first layer is smaller than λ / 4, the phase difference is smaller than 2π, and when it is larger than λ / 4, the phase difference is larger than 2π.
The phase difference between the light reflected by the interface 1105 and the light reflected by the interface 1125 and returning to the interface 1105 is
(Optical film thickness of first layer + optical film thickness of second layer) × 2 × 2π / λ
It is expressed.

第1の層の光学膜厚と第2の層の光学膜厚を足し合わせた1周期の光学膜厚がλ/2であれば、界面1105と界面1125での反射光の位相差は2πとなり、実質的な位相差はない。
前述したように、これ以降の層も第1の層と第2の層を同一周期で積層しているので、これ以降の反射光も位相差という点では同様の関係となる。
結局、1周期の光学膜厚がλ/2を保ったままの膜厚変調DBRの場合は、反射光の位相が無変調DBRに比べて正の方向にずれるか負の方向にずれるかは第1の層の光学膜厚だけで表現することができる。前述のように、第1の層の光学膜厚がλ/4より薄い場合には位相差は2πより小さく、λ/4より厚い場合には位相差は2πより大きくなる。
全体の反射光は各界面からの反射光の合成波なので、各界面での反射光がそれぞれどの程度の強度をもっているかによって全体に及ぼす影響が変わってくる。各界面での反射光の強度は各界面の反射率に依存する。界面における光の反射率はその界面の前後の屈折率に依存する。そのため、DBRを構成する材料の屈折率が変化すると、図10に示したように位相ずれの大きさが変わる。
以上、膜厚変調DBRでの反射光の位相ずれについて説明した。
If the optical film thickness of one period obtained by adding the optical film thickness of the first layer and the optical film thickness of the second layer is λ / 2, the phase difference of the reflected light at the interface 1105 and the interface 1125 is 2π. There is no substantial phase difference.
As described above, since the subsequent layers are formed by laminating the first layer and the second layer at the same period, the subsequent reflected light has the same relationship in terms of the phase difference.
After all, in the case of the film thickness modulation DBR in which the optical film thickness of one period is kept at λ / 2, whether the phase of the reflected light is shifted in the positive direction or in the negative direction compared with the unmodulated DBR is the first. It can be expressed only by the optical film thickness of one layer. As described above, when the optical film thickness of the first layer is thinner than λ / 4, the phase difference is smaller than 2π, and when it is thicker than λ / 4, the phase difference is larger than 2π.
Since the entire reflected light is a composite wave of reflected light from each interface, the influence on the whole varies depending on how much intensity the reflected light from each interface has. The intensity of reflected light at each interface depends on the reflectance of each interface. The reflectance of light at the interface depends on the refractive index before and after the interface. Therefore, when the refractive index of the material constituting the DBR changes, the magnitude of the phase shift changes as shown in FIG.
The phase shift of reflected light in the film thickness modulation DBR has been described above.

本発明は以上の知見に基づくものである。
本発明の基本的な思想は、共振器を挟むように配置された一対のDBRのうち片方のDBRで生じる位相ずれを、もう片方のDBRで生じる位相ずれで打ち消すようにすることで、共振波長のずれを抑制することである。
位相ずれを打ち消し合うためには、上下のDBRで生じる位相ずれの符号(正負)が逆になればよい。
上下のDBRの位相ずれの符号が逆で絶対値が等しい場合は完全に打ち消し合うので、最も好ましい。
位相ずれの符号を逆にする具体的な構成としては、上下のDBRの膜厚変調の方向が逆になるようにすればよい。
The present invention is based on the above findings.
The basic idea of the present invention is to cancel the phase shift caused by one DBR out of a pair of DBRs arranged so as to sandwich the resonator, by canceling the phase shift caused by the other DBR. Is to suppress the deviation.
In order to cancel out the phase shift, the sign (positive / negative) of the phase shift generated in the upper and lower DBRs may be reversed.
The case where the sign of the phase shift between the upper and lower DBRs is opposite and the absolute values are equal is most preferable because they completely cancel each other.
As a specific configuration for reversing the sign of the phase shift, the thickness modulation direction of the upper and lower DBRs may be reversed.

図1に、本発明を適用した共振器の構造と計算結果の一例を示す。
基板130上に、波長λ=1000nmで共振するように共振器が形成されている。
屈折率が2.0、物理膜厚が500nmで、光学膜厚が1λに相当する厚さのスペーサ層110の上下に、第1の反射鏡であるDBR100と第2の反射鏡であるDBR120を対向配置することで共振器が形成されている。
DBR120は、第1の層121を屈折率1.0の層で、第2の層122を屈折率2.0の層で形成し、第1の層と第2の層を交互に5周期積層して形成されている。
DBR100も、DBR120と同様に第1の層101を屈折率1.0の層で、第2の層102を屈折率2.0の層で形成し、第1の層と第2の層を交互に5周期積層して形成されている。
なお、図を簡略化するため上下のDBRともに3周期だけ図示している。
FIG. 1 shows an example of the structure and calculation result of a resonator to which the present invention is applied.
A resonator is formed on the substrate 130 so as to resonate at a wavelength λ = 1000 nm.
A DBR 100 that is a first reflecting mirror and a DBR 120 that is a second reflecting mirror are provided above and below a spacer layer 110 having a refractive index of 2.0, a physical thickness of 500 nm, and an optical thickness of 1λ. Resonators are formed by disposing them in opposition.
In the DBR 120, the first layer 121 is a layer having a refractive index of 1.0, the second layer 122 is a layer having a refractive index of 2.0, and the first layer and the second layer are alternately stacked for five periods. Is formed.
Similarly to the DBR 120, the DBR 100 is formed by forming the first layer 101 with a refractive index of 1.0 and the second layer 102 with a refractive index of 2.0, and alternately alternating the first layer and the second layer. Are stacked in five cycles.
For simplicity, the upper and lower DBRs are shown for only three periods.

この共振器では、第1の反射鏡と第2の反射鏡の膜厚変調の方向が逆である。具体的には、第1の反射鏡であるDBR100は、第1の層101の厚さをλ/4の0.5倍に薄くして第2の層102の厚さをλ/4の1.5倍に厚くしており、本明細書中の定義に則ると膜厚変調の方向は負である。
一方、第2の反射鏡であるDBR120は、第1の層121の厚さをλ/4の1.5倍に厚くして第2の層122の厚さをλ/4の0.5倍に薄くしており、膜厚変調の方向が正である。
なお、前述したように、片側のDBRだけ膜厚変調した場合は共振波長が設計値の1000nmからずれる。
例えば、DBR120だけ図1に示した構造と同様に変調して、DBR100は無変調DBRとした場合は、共振波長が1027nmとなる。
図1のように、対向配置されたDBRの膜厚変調の方向を逆にすることで影響を打ち消し合って、設計値通り1000nmで共振する共振器が得られる。
In this resonator, the film thickness modulation directions of the first reflecting mirror and the second reflecting mirror are reversed. Specifically, in the DBR 100 as the first reflecting mirror, the thickness of the first layer 101 is reduced to 0.5 times λ / 4, and the thickness of the second layer 102 is set to 1 of λ / 4. The film thickness modulation direction is negative according to the definition in this specification.
On the other hand, in the DBR 120 as the second reflecting mirror, the thickness of the first layer 121 is 1.5 times as large as λ / 4, and the thickness of the second layer 122 is 0.5 times as large as λ / 4. The film thickness modulation direction is positive.
As described above, when the film thickness is modulated by DBR on one side, the resonance wavelength deviates from the designed value of 1000 nm.
For example, when only the DBR 120 is modulated in the same manner as the structure shown in FIG. 1 and the DBR 100 is an unmodulated DBR, the resonance wavelength is 1027 nm.
As shown in FIG. 1, by reversing the film thickness modulation direction of DBRs arranged opposite to each other, the influences are canceled out, and a resonator that resonates at 1000 nm as designed is obtained.

本発明において、第1の反射鏡と第2の反射鏡が同一の材料系のDBRで構成されている必要は無い。
むしろ、異なる材料系で構成されている方が好ましい場合もある。同一の材料系で構成されていると、逆方向に膜厚変調する事が現実的に難しい場合も考えられるからである。
例えば、半導体DBRを構成する2種類の半導体層のうち、基板との格子不整合が大きい方の半導体層を薄くしてクラック抑制を狙った膜厚変調DBRを第1の反射鏡として使用する場合を考える。
第1の反射鏡で生じた位相ずれを第2の反射鏡で打ち消すためには、第1および第2の反射鏡の膜厚変調の向きを逆にする必要がある。
第1および第2の反射鏡を同一の半導体材料系で構成する場合、第2の反射鏡では基板との格子不整合が大きい半導体層を厚くすることになる。その結果、クラックが発生しやすくなってしまう。
ここで、第2の反射鏡を誘電体DBRで形成すれば、クラック発生を気にすることなく、位相を打ち消し合うのに適した構成にすることができる。
In the present invention, it is not necessary that the first reflecting mirror and the second reflecting mirror are composed of the same material DBR.
Rather, it may be preferable to be composed of different material systems. This is because if the same material system is used, it may be practically difficult to modulate the film thickness in the opposite direction.
For example, when the thickness-modulated DBR that aims to suppress cracks by using a thin semiconductor layer having a larger lattice mismatch with the substrate of the two types of semiconductor layers constituting the semiconductor DBR is used as the first reflector. think of.
In order to cancel out the phase shift generated in the first reflecting mirror with the second reflecting mirror, it is necessary to reverse the thickness modulation directions of the first and second reflecting mirrors.
When the first and second reflecting mirrors are made of the same semiconductor material system, the second reflecting mirror thickens the semiconductor layer having a large lattice mismatch with the substrate. As a result, cracks are likely to occur.
Here, if the second reflecting mirror is formed of the dielectric DBR, a configuration suitable for canceling the phases can be obtained without worrying about the occurrence of cracks.

本発明において、膜厚変調DBRの変調の度合いは、必要とされる反射率や帯域によって制限される場合がある。
図2に、DBRにおける膜厚変調と反射率の関係を計算した一例を示す。
AlN層とGaN層を交互に20ペア積層した半導体DBRに波長400nmの平面波を入射した場合の反射率を示している。なお、本計算でも、DBRの1周期の光学膜厚はλ/2を保つようにした。
膜厚変調の度合いが小さい場合には反射率はあまり低下しないが、ある程度以上に変調が加わると急激に反射率が低下する。
許容される膜厚変調の度合いは必要な反射率によって異なる。
例えば、98%以上の反射率が必要な場合は各層の膜厚が(0.25±0.15)λの範囲で膜厚変調を行う事ができ、99.5%以上の反射率が必要な場合は各層の膜厚が(0.25±0.10)λの範囲で膜厚変調を行う事ができる。
In the present invention, the degree of modulation of the film thickness modulation DBR may be limited by the required reflectance or band.
FIG. 2 shows an example in which the relationship between film thickness modulation and reflectance in the DBR is calculated.
The reflectance is shown when a plane wave having a wavelength of 400 nm is incident on a semiconductor DBR in which 20 pairs of AlN layers and GaN layers are alternately stacked. In this calculation as well, the optical film thickness in one cycle of DBR was kept at λ / 2.
When the degree of film thickness modulation is small, the reflectance does not decrease so much, but when the modulation is applied to some extent, the reflectance decreases rapidly.
The allowable degree of film thickness modulation depends on the required reflectance.
For example, when a reflectance of 98% or more is required, the thickness of each layer can be modulated in the range of (0.25 ± 0.15) λ, and a reflectance of 99.5% or more is required. In this case, film thickness modulation can be performed in the range where the thickness of each layer is (0.25 ± 0.10) λ.

本発明を利用して垂直共振器型面発光レーザを構成する場合、共振器中に発光層である活性層を配置することになるが、その活性層の位置についても注意する必要がある。
反射時の位相がずれるということは、共振器端面での光分布が腹や節からずれることを意味する。
その結果、無変調DBRを使用した場合に比べて、光分布が全体的に上側または下側にずれることになる。
一般的に、活性層の位置は光分布の腹の位置に合わせる必要があるので、光分布のずれを予め見積もってそれに合わせて活性層を配置することが望ましい。
一例として、図1に示した共振器構造のスペーサ層110近傍の屈折率分布と光分布を図3に示す。
屈折率分布を実線で、光強度分布を破線で、スペーサ層110の厚さ方向の中心位置を一点鎖線で示している。なお、図示の都合上、図1と図3は向きが90°異なっている。
図1の上側が図3の左側、図1の下側が図3の右側に相当する。
When a vertical cavity surface emitting laser is configured using the present invention, an active layer that is a light emitting layer is disposed in the resonator, but attention must be paid to the position of the active layer.
The phase shift at the time of reflection means that the light distribution at the resonator end face deviates from the antinodes and nodes.
As a result, the light distribution as a whole shifts to the upper side or the lower side as compared with the case where the unmodulated DBR is used.
In general, since the position of the active layer needs to be adjusted to the position of the antinode of the light distribution, it is desirable to estimate the deviation of the light distribution in advance and arrange the active layer in accordance with it.
As an example, FIG. 3 shows a refractive index distribution and a light distribution in the vicinity of the spacer layer 110 having the resonator structure shown in FIG.
The refractive index distribution is indicated by a solid line, the light intensity distribution is indicated by a broken line, and the center position of the spacer layer 110 in the thickness direction is indicated by a one-dot chain line. For convenience of illustration, FIG. 1 and FIG. 3 are 90 degrees different from each other.
1 corresponds to the left side of FIG. 3, and the lower side of FIG. 1 corresponds to the right side of FIG.

図3(a)は図1に示した上下とも膜厚変調DBRで構成された共振器の計算結果である。図3(b)は比較のために示した、上下とも無変調DBRで構成された共振器についての計算結果である。
図3(b)では、光強度分布の腹の位置とスペーサ層の中心位置が一致しているので、スペーサ層の中心に活性層を配置すればよい。
一方、図3(a)では光強度分布の腹の位置とスペーサ層の中心位置が一致していない。より詳しく言うと、膜厚変調の方向が正である下側のDBR120の方に、光強度の腹の位置が寄っている。
このように、膜厚変調DBRを用いて共振器を形成する場合は、膜厚変調の方向が正のDBRの方に光強度分布が偏る傾向があり、活性層などの層を光強度分布に合わせた位置に置きたい場合は考慮に入れる必要がある。
FIG. 3A shows the calculation result of the resonator constituted by the film thickness modulation DBR on both the upper and lower sides shown in FIG. FIG. 3 (b) shows the calculation results for the resonator composed of unmodulated DBRs on both the upper and lower sides for comparison.
In FIG. 3B, since the antinode position of the light intensity distribution coincides with the center position of the spacer layer, the active layer may be disposed at the center of the spacer layer.
On the other hand, in FIG. 3A, the antinode position of the light intensity distribution does not coincide with the center position of the spacer layer. More specifically, the antinode position of the light intensity is closer to the lower DBR 120 in which the direction of film thickness modulation is positive.
As described above, when the resonator is formed using the film thickness modulation DBR, the light intensity distribution tends to be biased toward the DBR in which the film thickness modulation direction is positive, and a layer such as an active layer is changed to the light intensity distribution. If you want to put them together, you need to take them into account.

本発明において、DBRを構成する多層膜の全ての層を一様に膜厚変調する必要は無い。
図4に、上側DBR400と、下側DBRの上部2ペア420だけ膜厚変調DBRで構成し、下側DBRの下部421は無変調DBRで構成した共振器構造を示す。
この下側DBRのように一部の層のみ膜厚変調を行ったDBRを一部膜厚変調DBRと呼ぶこととする。
一部膜厚変調DBRでも、その膜厚変調の度合いに応じて反射光の位相は変化する。
したがって、それに合わせてもう一方のDBRの膜厚変調の度合いを調整し、位相ずれの影響を打ち消し合う必要がある。
In the present invention, it is not necessary to uniformly modulate all the layers of the multilayer film constituting the DBR.
FIG. 4 shows a resonator structure in which only the upper two DBRs 400 and the upper two pairs 420 of the lower DBR are configured by the film thickness modulation DBR, and the lower part 421 of the lower DBR is configured by the non-modulation DBR.
A DBR in which only a part of layers is subjected to film thickness modulation like the lower DBR is referred to as a partial film thickness modulation DBR.
Even in the partial thickness modulation DBR, the phase of the reflected light changes according to the degree of the thickness modulation.
Accordingly, it is necessary to adjust the degree of film thickness modulation of the other DBR in accordance with this and cancel out the influence of the phase shift.

本発明において、DBRの各層の界面が急峻ではなく組成が連続的に変化するグレーデッドDBRと呼ばれる構造を使用することも可能である。
その場合、組成が連続的に変化している領域(グレーデッド領域)の中心を疑似的な界面とみなして膜厚を見積もる。
本発明は特定の材料系に限らず、DBRを形成することが可能なあらゆる材料系に適用することができる。DBR材料の組み合わせとしては、例えば、GaN/AlGaN、GaN/AlInN、InGaN/GaN、GaAs/AlGaAs、GaInAsP/InP、TiO2/SiO2、Ta25/SiO2、Nb25/SiO2などである。
In the present invention, it is possible to use a structure called graded DBR in which the interface of each layer of DBR is not steep and the composition changes continuously.
In that case, the film thickness is estimated by regarding the center of the region (graded region) where the composition is continuously changed as a pseudo interface.
The present invention is not limited to a specific material system, and can be applied to any material system capable of forming a DBR. Examples of combinations of DBR materials include GaN / AlGaN, GaN / AlInN, InGaN / GaN, GaAs / AlGaAs, GaInAsP / InP, TiO 2 / SiO 2 , Ta 2 O 5 / SiO 2 , and Nb 2 O 5 / SiO 2. Etc.

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、本発明を適用したVCSELについて、図5を用いて説明する。
図5は、本実施例におけるVCSELの層構造を示す断面模式図である。
本実施例におけるVCSELは窒化物半導体と誘電体で形成され、真空中の波長λ=400nmでレーザ発振するように設計されている。
共振器の出射側には、五酸化ニオブ(Nb25)層502と二酸化ケイ素(SiO2)層501が交互に7ペア積層された誘電体DBR500が反射鏡として形成されている。非出射側には AlN層521とGaN層522が交互に11ペア積層された半導体DBR520が形成されている。
Examples of the present invention will be described below.
[Example 1]
As Example 1, a VCSEL to which the present invention is applied will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the layer structure of the VCSEL in this example.
The VCSEL in this embodiment is formed of a nitride semiconductor and a dielectric, and is designed to oscillate at a wavelength λ = 400 nm in a vacuum.
A dielectric DBR 500 in which seven pairs of niobium pentoxide (Nb 2 O 5 ) layers 502 and silicon dioxide (SiO 2 ) layers 501 are alternately stacked is formed as a reflecting mirror on the emission side of the resonator. On the non-emitting side, a semiconductor DBR 520 in which 11 pairs of AlN layers 521 and GaN layers 522 are alternately stacked is formed.

半導体DBR520は、AlNをλ/4より薄い0.125λ、GaNをλ/4より厚い0.375λの厚さにした膜厚変調DBRである。半導体DBRを膜厚変調した理由は、GaN基板530との格子不整合が大きいAlNの膜厚を薄くすることでクラック発生を抑制するためである。
誘電体DBR500は、SiO2層501をλ/4より厚い0.4λ、Nb25層502をλ/4より薄い0.1λの厚さにした膜厚変調DBRである。半導体DBR520とは異なり、誘電体DBR500単体では膜厚変調を行う理由は特にないが、半導体DBR520の膜厚変調が共振波長に与える影響を低減する目的で誘電体DBR500も膜厚変調を行っている。
なお、本実施例においても膜厚変調時にDBRの1周期の光学膜厚がλ/2を保つようにしている。
The semiconductor DBR 520 is a film thickness modulation DBR in which AlN is 0.125λ thinner than λ / 4 and GaN is 0.375λ thicker than λ / 4. The reason for modulating the thickness of the semiconductor DBR is to suppress the generation of cracks by reducing the thickness of AlN, which has a large lattice mismatch with the GaN substrate 530.
The dielectric DBR 500 is a film thickness modulation DBR in which the SiO 2 layer 501 is 0.4λ thicker than λ / 4 and the Nb 2 O 5 layer 502 is 0.1λ thinner than λ / 4. Unlike the semiconductor DBR 520, the dielectric DBR 500 alone has no reason to modulate the film thickness, but the dielectric DBR 500 also modulates the thickness for the purpose of reducing the influence of the thickness modulation of the semiconductor DBR 520 on the resonance wavelength. .
In this embodiment as well, the optical film thickness of one DBR period is kept at λ / 2 during film thickness modulation.

活性領域540をn−GaN560とp−GaN550で挟んだ構造となっており、n−GaN560、活性領域540、p−GaN550を合わせた光学厚さが1波長となるように設計されている。
活性領域540は、厚さ2.5nmのIn0.09Ga0.91Nからなる量子井戸が厚さ7.5nmのud−GaN層を挟んで2層配置された構成になっている。
誘電体DBR500を膜厚変調した効果を示すために、図6に誘電体DBR500の膜厚変調の度合いと共振波長の関係を示す計算結果を示す。
SiO2層501とNb25層502の光学膜厚がともに0.25λの場合が無変調DBRに相当する。この場合、共振波長は392.5nmであり、設計波長より短くなってしまう。
誘電体DBR500を適切な方向に膜厚変調することで共振波長を設計波長に近づけることができ、本実施例のようにSiO2層の膜厚を0.4λ、Nb25層の膜厚を0.1λの厚さにした場合に設計波長の400nmで共振するVCSELが得られる。
The active region 540 is sandwiched between n-GaN 560 and p-GaN 550, and the optical thickness of the n-GaN 560, the active region 540, and the p-GaN 550 is designed to be one wavelength.
The active region 540 has a structure in which two quantum wells made of In 0.09 Ga 0.91 N with a thickness of 2.5 nm are arranged with a ud-GaN layer with a thickness of 7.5 nm interposed therebetween.
In order to show the effect of modulating the thickness of the dielectric DBR 500, FIG. 6 shows a calculation result showing the relationship between the degree of thickness modulation of the dielectric DBR 500 and the resonance wavelength.
The case where the optical film thicknesses of the SiO 2 layer 501 and the Nb 2 O 5 layer 502 are both 0.25λ corresponds to unmodulated DBR. In this case, the resonance wavelength is 392.5 nm, which is shorter than the design wavelength.
The resonant wavelength can be brought close to the design wavelength by modulating the film thickness of the dielectric DBR 500 in an appropriate direction, and the film thickness of the SiO 2 layer is 0.4λ and the film thickness of the Nb 2 O 5 layer as in this embodiment. When the thickness is 0.1λ, a VCSEL that resonates at a design wavelength of 400 nm is obtained.

以上、実施例について説明したが、本発明の構造は記載した実施例に限定されるものではない。材料の種類や組成、形状や大きさは本発明の範囲内で適宜変更できる。
また、上記実施例では、レーザ発振波長として400nmのものを示したが、適切な材料や構造の選択により、任意の波長での動作も可能である。
また、本発明の面発光レーザを同一平面上に複数配列してアレイ光源として使用してもよい。
以上説明した本発明の面発光レーザは、複写機、レーザプリンタなどの画像形成装置が有する感光ドラムへ描画を行うための光源としても利用することができる。
Although the embodiments have been described above, the structure of the present invention is not limited to the described embodiments. The type, composition, shape, and size of the material can be changed as appropriate within the scope of the present invention.
In the above embodiment, a laser oscillation wavelength of 400 nm is shown, but operation at an arbitrary wavelength is possible by selecting an appropriate material and structure.
A plurality of surface emitting lasers of the present invention may be arranged on the same plane and used as an array light source.
The surface emitting laser of the present invention described above can also be used as a light source for drawing on a photosensitive drum of an image forming apparatus such as a copying machine or a laser printer.

100:第1の反射鏡(DBR)
101:(第1の反射鏡の)第1の層
102:(第1の反射鏡の)第2の層
110:スペーサ層
120:第2の反射鏡(DBR)
121:(第2の反射鏡の)第1の層
122:(第2の反射鏡の)第2の層
130:基板
100: First reflecting mirror (DBR)
101: First layer (of the first reflector) 102: Second layer (of the first reflector) 110: Spacer layer 120: Second reflector (DBR)
121: First layer (of the second reflecting mirror) 122: Second layer (of the second reflecting mirror) 130: Substrate

Claims (8)

DBRによる第1の反射鏡と第2の反射鏡とが対向配置された構成を備え、波長λの光を共振させるレーザ共振器であって、
前記第1の反射鏡と前記第2の反射鏡は、各反射鏡におけるDBRを構成する多層膜のうちの少なくとも一部の層が、光学膜厚をλ/4からずらして膜厚変調された構成を有し、
前記第1の反射鏡と前記第2の反射鏡は、各反射鏡におけるDBRの前記膜厚変調の方向が逆になるように構成されていることを特徴とするレーザ共振器。
A laser resonator having a configuration in which a first reflecting mirror and a second reflecting mirror by DBR are arranged to face each other, and resonates light having a wavelength λ,
In the first reflecting mirror and the second reflecting mirror, at least a part of the multilayer film constituting the DBR in each reflecting mirror is modulated by shifting the optical film thickness from λ / 4. Having a configuration,
The laser resonator, wherein the first reflecting mirror and the second reflecting mirror are configured such that the direction of the film thickness modulation of the DBR in each reflecting mirror is reversed.
前記第1の反射鏡が誘電体で構成されており、
前記第2の反射鏡が半導体で構成されていることを特徴とする請求項1に記載のレーザ共振器。
The first reflecting mirror is made of a dielectric;
The laser resonator according to claim 1, wherein the second reflecting mirror is made of a semiconductor.
前記第1の反射鏡における前記一部の層は、前記光学膜が厚λ/4より薄く構成されており、
前記第2の反射鏡における前記一部の層は、前記光学膜が厚λ/4より厚く構成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のレーザ共振器。
The partial film in the first reflecting mirror is configured such that the optical film is thinner than a thickness λ / 4,
3. The laser resonator according to claim 1, wherein the optical film of the partial layer of the second reflecting mirror is configured to be thicker than λ / 4.
前記第1の反射鏡と前記第2の反射鏡は、それらにおける1周期の光学膜厚がλ/2に構成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のレーザ共振器。   4. The device according to claim 1, wherein the first reflecting mirror and the second reflecting mirror are configured such that an optical film thickness of one period in them is λ / 2. 5. Laser resonator. 第1の反射鏡であるDBRと第2の反射鏡であるDBRとが、対向配置された構成を備え、波長λの光を共振させるレーザ共振器であって、
前記第1の反射鏡と前記第2の反射鏡は、各反射鏡におけるDBRを構成する多層膜のうちの少なくとも一部の層が、光学膜厚をλ/4からずらして膜厚変調された構成を有し、
前記第1の反射鏡と前記第2の反射鏡は、各反射鏡における反射時の位相ずれの符号が逆になるように構成されていることを特徴とするレーザ共振器。
A DBR that is a first reflecting mirror and a DBR that is a second reflecting mirror are configured to face each other, and are laser resonators that resonate light having a wavelength λ,
In the first reflecting mirror and the second reflecting mirror, at least a part of the multilayer film constituting the DBR in each reflecting mirror is modulated by shifting the optical film thickness from λ / 4. Having a configuration,
The laser resonator, wherein the first reflecting mirror and the second reflecting mirror are configured such that signs of phase shifts at the time of reflection in each reflecting mirror are reversed.
前記第1の反射鏡と前記第2の反射鏡の少なくとも一方が、GaNまたはAlNを含む半導体で構成されていることを特徴とする請求項1または請求項5に記載のレーザ共振器。   6. The laser resonator according to claim 1, wherein at least one of the first reflecting mirror and the second reflecting mirror is made of a semiconductor containing GaN or AlN. 請求項1乃至6のいずれか1項に記載のレーザ共振器を備え、該レーザ共振器における前記第1の反射鏡と前記第2の反射鏡との間に活性層を含み構成されていることを特徴とする垂直共振器型面発光レーザ。   A laser resonator according to any one of claims 1 to 6, comprising an active layer between the first reflecting mirror and the second reflecting mirror in the laser resonator. A vertical cavity surface emitting laser characterized by the above. 前記活性層の位置が、前記第1の反射鏡と前記第2の反射鏡の間の中心からずれた位置に配置されていることを特徴とする請求項7に記載の垂直共振器型面発光レーザ。   8. The vertical cavity surface emitting according to claim 7, wherein the active layer is disposed at a position shifted from a center between the first reflecting mirror and the second reflecting mirror. laser.
JP2012198700A 2012-09-10 2012-09-10 Laser cavity and vertical cavity surface emitting laser Active JP6039324B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012198700A JP6039324B2 (en) 2012-09-10 2012-09-10 Laser cavity and vertical cavity surface emitting laser

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012198700A JP6039324B2 (en) 2012-09-10 2012-09-10 Laser cavity and vertical cavity surface emitting laser

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2014053560A true JP2014053560A (en) 2014-03-20
JP6039324B2 JP6039324B2 (en) 2016-12-07

Family

ID=50611726

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012198700A Active JP6039324B2 (en) 2012-09-10 2012-09-10 Laser cavity and vertical cavity surface emitting laser

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6039324B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021114594A (en) * 2019-08-27 2021-08-05 株式会社東芝 Optical semiconductor element

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03225885A (en) * 1990-01-30 1991-10-04 Nec Corp Semiconductor multi-layered film
JP2003107241A (en) * 2001-09-28 2003-04-09 Nagoya Industrial Science Research Inst Multi-layered reflecting film
JP2008078615A (en) * 2006-08-25 2008-04-03 Canon Inc Optical element with built-in multilayer reflector, and vertical cavity surface emitting laser
JP2008227469A (en) * 2007-02-14 2008-09-25 Canon Inc Red surface emitting laser element, image forming device, and image display apparatus
JP2010212332A (en) * 2009-03-09 2010-09-24 Sony Corp Semiconductor laser and method of manufacturing the same
JP2011155087A (en) * 2010-01-26 2011-08-11 Sony Corp Surface-emitting semiconductor laser and manufacturing method thereof

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03225885A (en) * 1990-01-30 1991-10-04 Nec Corp Semiconductor multi-layered film
JP2003107241A (en) * 2001-09-28 2003-04-09 Nagoya Industrial Science Research Inst Multi-layered reflecting film
JP2008078615A (en) * 2006-08-25 2008-04-03 Canon Inc Optical element with built-in multilayer reflector, and vertical cavity surface emitting laser
JP2008227469A (en) * 2007-02-14 2008-09-25 Canon Inc Red surface emitting laser element, image forming device, and image display apparatus
JP2010212332A (en) * 2009-03-09 2010-09-24 Sony Corp Semiconductor laser and method of manufacturing the same
JP2011155087A (en) * 2010-01-26 2011-08-11 Sony Corp Surface-emitting semiconductor laser and manufacturing method thereof

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021114594A (en) * 2019-08-27 2021-08-05 株式会社東芝 Optical semiconductor element

Also Published As

Publication number Publication date
JP6039324B2 (en) 2016-12-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7697588B2 (en) Structure having photonic crystal and surface-emitting laser using the same
JP4709259B2 (en) Surface emitting laser
JP5489576B2 (en) Surface emitting laser, surface emitting laser array, and optical instrument
JP4300245B2 (en) Optical element equipped with multilayer reflector, surface emitting laser
JP4621263B2 (en) Surface emitting laser and image forming apparatus
US7573920B2 (en) Vertical external cavity surface emitting laser
JP4690647B2 (en) Vertical emission type semiconductor laser
US20070147444A1 (en) Highly efficient second harmonic generation (SHG) vertical external cavity surface emitting laser (VECSEL) system
JP2014199900A (en) Vertical cavity surface emitting semiconductor laser
US7688873B2 (en) Laser chips and vertical external cavity surface emitting lasers using the same
JP2006229222A (en) Modulator integrated type optical pumping semiconductor laser device
JP5736872B2 (en) Light emitting device and projector
JP6039324B2 (en) Laser cavity and vertical cavity surface emitting laser
JP2546133B2 (en) Narrow band surface emitting laser
JP5104070B2 (en) Two-dimensional photonic crystal surface emitting laser
US10505345B2 (en) Mode-locking semiconductor disk laser (SDL)
JP2012099647A (en) Vertical cavity surface emitting laser and image forming apparatus
WO2017138668A1 (en) Semiconductor laser element, diffraction grating structure, and diffraction grating
JP4292786B2 (en) Semiconductor laser device
JP2007234721A (en) Vertical resonator type surface-emitting laser
JP4300246B2 (en) Structure having photonic crystal and surface emitting laser using the same
US20090213893A1 (en) End pumping vertical external cavity surface emitting laser
JP2014225510A (en) Method of manufacturing vertical resonator type surface-emitting laser
JP2019201179A (en) Surface emission laser and inspection device
WO2022181722A1 (en) Two-dimensional photonic crystal surface emitting laser

Legal Events

Date Code Title Description
RD01 Notification of change of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421

Effective date: 20131212

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20150910

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20160415

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20160426

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20160616

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20161004

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20161104

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6039324

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151