JP4027392B2 - 垂直共振器型面発光レーザ装置 - Google Patents
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Description
V.Lousse他:Opt.Express Vol.12、No.15、p.3436 (2004)
第1の反射ミラーと、
屈折率が面内方向に周期的に変化する屈折率周期構造を有する第2の反射ミラーと、
該第1及び第2の反射ミラーとの間に活性層とを備え、
該屈折率周期構造には、その周期を乱す部分が複数箇所に設けられていることを特徴とする。
基板上に、第1の反射ミラー、活性層、第2の反射ミラーを備え、
該第1及び第2の反射ミラーが、二次元屈折率周期構造からなり、
該レーザは単一横モードで発光することを特徴とする。
基板上に、第1の反射ミラー、活性層、第2の反射ミラーを備え、
該第1及び第2の少なくとも一方は、二次元屈折率周期構造からなり、
出射光のスポットサイズが5μm以上であり、且つ
該出射光は、単一横モードであることを特徴とする。
基板上に、第1の反射ミラー、活性層、第2の反射ミラーを備え、
該第1及び第2の少なくとも一方は、二次元屈折率周期構造からなり、
該二次元屈折率周期構造は、共鳴波長(resonance wave length)における反射率との差が3%以内である範囲が、該共鳴波長を含み5nm以上50nmであり、且つ
該レーザの出射光は、単一横モードであることを特徴とする。
屈折率周期構造(フォトニック結晶)とは、屈折率の周期性の観点から、1次元、2次元、3次元まで分けることができる。VCSELに用いられる多層膜ミラーは、1次元の周期構造である。
図2の2次元フォトニック結晶の例で述べると、上述したように空孔1210をある一部だけ除く(即ち、空孔を作らない、あるいは形成されている空孔を埋める)事、または、周りの穴とサイズの異なる穴をあける事により欠陥とすることもできる。
VCSELの共振器を構成するミラーの少なくとも一方に導入されるフォトニック結晶における複数の欠陥部は、その欠陥部自体が周期性をもっている場合(周期的欠陥)、あるいは何らの周期性をもっていない場合(非周期的欠陥)がある。
2次元フォトニック結晶ミラーに用いる材料は、金属、半導体、誘電体いずれも用いることができるが、レーザ発振波長の光を透過する半導体や誘電体などの材料であることが好ましい。また、光励起により発振させる場合は、半導体、誘電体いずれも用いることができるが、電流注入により発振させる場合は半導体であることが好ましい。
基板上に、第1の反射ミラー、活性層、第2の反射ミラーを備え、
該第1及び第2の反射ミラーが、二次元屈折率周期構造からなり、
該レーザは単一横モードで発光することを特徴とする装置。
基板上に、第1の反射ミラー、活性層、第2の反射ミラーを備え、
該第1及び第2の少なくとも一方は、二次元屈折率周期構造からなり、
出射光のスポットサイズが5μm以上であり、且つ
該出射光は、単一横モードであることを特徴とするレーザ装置。
基板上に、第1の反射ミラー、活性層、第2の反射ミラーを備え、
該第1及び第2の少なくとも一方は、二次元屈折率周期構造からなり、
該二次元屈折率周期構造は、共鳴波長(resonance wave length)における反射率との差が3%以内である範囲が、該共鳴波長を含み5nm以上50nmであり、且つ
該レーザの出射光は、単一横モードであることを特徴とするレーザ装置。
レーザ素子の共振器における一対のミラーのうち、一方が多層膜ミラー、もう一方が、フォトニック結晶であって、上述の欠陥部が導入されたミラーである場合について説明する。
本発明の面発光レーザ素子において、共振器の反射ミラー対を構成する屈折率周期構造は、単独(一の周期)で構成することもできるし、それらが複数種類組み合わされた構成をとることもできる。
共振器を構成する活性層およびスペーサ層としては、通常のVCSELで用いられているような、ダブルへテロ構造、多重量子井戸構造、量子ドット構造などを直接適用することができる。
活性層1040へのキャリア注入手段としては、アノード、カソード一対の電極を有し、該電極からの電流注入により、活性層へのキャリア注入を行う場合などが考えられる。
本発明の面発光レーザ素子においては、反射ミラーの屈折率周期構造に隣接する箇所に、該屈折率周期構造の周期よりも小さな間隔で低屈折率の媒質を導入することで、該部位の実効的な屈折率を小さくすることができる。
本実施例におけるレーザ素子の構成を、図6を用いて説明する。
上述した積層膜は以下のような工程で製造することができる。
図9を用いて、実施例2のレーザ素子の構成を説明する。
図11を用いて、実施例3について説明する。本実施例では、レーザ素子自体の構成および材料は、実施例2のものと同様であるため、ここでは共振器ミラーの構造についてのみ、説明する。作製工程も、実施例2と同様である。
D0はミラー中央での欠陥密度、aは欠陥の中心からの密度勾配の大きさを決める所定の定数である。欠陥導入領域の面積は、実施例2と同じく15μmφである。なお、図11(a)では、図形描画の便宜上、同心円状欠陥の周期数は非常に少ないが、実際は10周期以上の欠陥が配置される。該2次元フォトニック結晶ミラーにおいては、欠陥密度が大きい中央部では光密度が大きく、周辺部へ向かい欠陥密度が小さくなるに従って、光密度も小さくなる。よって、本実施例では、欠陥密度が数式1のようなガウス関数型のプロファイルを持つことから、放射されるレーザ光のモードプロファイルもガウス関数型となる。図11(b)の上部共振器ミラーについては、実施例2の下部共振器ミラーと同様の構造なため、説明は省略する。
aは楕円の長軸長さ、bは楕円の短軸長さ、x、yはそれぞれ平面内の直行座標である。
図12を用いて、実施例4のレーザ素子の構成について説明する。
図13を用いて、実施例5のレーザ素子の構成について説明する。
図15を用いて実施例6のレーザ素子の構成について説明する。図15は本実施例におけるレーザ素子中の上部ミラーを示している。
1010 反射ミラーに設けられている屈折率周期構造を乱す部分
1020 電極
1030 スペーサ層(クラッド層)
1040 活性層
1050 スペーサ層(クラッド層)
1060 反射ミラー
1070 基板
1080 電極
Claims (12)
- 垂直共振器型面発光レーザ装置において、
第1の反射ミラーと、
屈折率が面内方向に周期的に変化する屈折率周期構造を有する第2の反射ミラーと、
前記第1及び第2の反射ミラーとの間に介在する活性層とを備え、
前記屈折率周期構造には、その周期を乱す部分が複数箇所に設けられ、該周期を乱す部分は発光部同士が互いに光結合できる間隔で配置されており、
前記屈折率周期構造は、該屈折率周期構造の面内方向に対して垂直方向に入射した光が、該面内方向において共振を生じ、該屈折率周期構造の該面内方向に対して垂直に出射するように構成されており、
前記周期を乱す部分のエネルギー準位は、前記屈折率周期構造が有するフォトニックバンドギャップの中央部からバンド端までの間の中央部側50%以内に位置していることを特徴とする垂直共振器型面発光レーザ装置。 - 前記屈折率周期構造が、二次元フォトニック結晶構造であることを特徴とする請求項1に記載の垂直共振器型面発光レーザ装置。
- 前記屈折率周期構造の周期を乱す部分は、前記第2の反射ミラーの面内方向に周期的または非周期的に導入されていることを特徴とする請求項1または2に記載の垂直共振器型面発光レーザ装置。
- 基板上に、前記第1の反射ミラー、前記活性層、前記屈折率周期構造を有する前記第2の反射ミラーをこの順に有し、該第1の反射ミラーが多層膜からなることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の垂直共振器型面発光レーザ装置。
- 基板上に、前記第2の反射ミラー、前記活性層、前記第1の反射ミラーをこの順に有し、該第1の反射ミラーが多層膜からなることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の垂直共振器型面発光レーザ装置。
- 基板上に、前記第1の反射ミラー、前記活性層、前記屈折率周期構造を有する前記第2の反射ミラーをこの順に有し、該第1及び第2の反射ミラーが共に屈折率周期構造からなることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の垂直共振器型面発光レーザ装置。
- 基板上に、前記第1の反射ミラー、前記活性層、前記屈折率周期構造を有する前記第2の反射ミラー、及び電極がこの順に設けられており、
該電極は該第2の反射ミラーの一部のみを被覆するように設けられており、
前記電極の直下における前記第2の反射ミラーには、前記屈折率周期構造が設けられていないことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の垂直共振器型面発光レーザ装置。 - 前記第2の反射ミラーが、屈折率周期構造をそれぞれ有する複数の層から構成されていることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の垂直共振器型面発光レーザ装置。
- 前記屈折率周期構造は、第1の媒質と該第1の媒質よりも屈折率の高い第2の媒質を含み構成されており、且つ前記屈折率周期構造を有する第2の反射ミラーと前記活性層との間に、前記第2の媒質よりも屈折率の低い媒質を含み構成される層を有することを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の垂直共振器型面発光レーザ装置。
- 前記第2の媒質よりも屈折率の低い媒質を含み構成される層は、ポーラス化された材料により構成されていることを特徴とする請求項9に記載の垂直共振器型面発光レーザ装置。
- 前記屈折率周期構造は、周期を乱す部分を有する第1の領域と、周期を乱す部分が導入されていない第2の領域から構成されており、且つ該第1の領域を取り囲むように第2の領域が配置されていることを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の垂直共振器型面発光レーザ装置。
- 前記第1の領域が四角格子からなり、前記第2の領域が三角格子からなることを特徴とする請求項11に記載の垂直共振器型面発光レーザ装置。
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