JP5721422B2 - Surface emitting laser and array light source - Google Patents
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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。 The present invention relates to a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser.
近年、フォトニック結晶を半導体レーザに適用した例が多く提案されている。例えば、特許文献1には、活性層の近傍に2次元フォトニック結晶を形成した面発光レーザが開示されている。
この2次元フォトニック結晶は、半導体層に円柱状の空孔等が周期的に設けられており、2次元的に周期的な屈折率分布を持っている。周期的な屈折率分布により、活性層で生成される光が共振し、定在波を形成してレーザ発振する。
In recent years, many examples in which a photonic crystal is applied to a semiconductor laser have been proposed. For example, Patent Document 1 discloses a surface emitting laser in which a two-dimensional photonic crystal is formed in the vicinity of an active layer.
In this two-dimensional photonic crystal, cylindrical holes and the like are periodically provided in the semiconductor layer, and has a two-dimensional periodic refractive index distribution. Due to the periodic refractive index distribution, the light generated in the active layer resonates, forms a standing wave, and oscillates.
また、このような2次元フォトニック結晶面発光レーザを用い、出射ビームの方向を制御できる構造が提案されている。
特許文献2には、互いに異なる波数の定在波を生じさせる複数のフォトニック結晶を用いて、傾斜ビームが出射されることが開示されている。
また、単一のフォトニック結晶においても非Γ点の発振モードを用いる事で、傾斜ビームが出射されることが知られている。
出射ビームが制御された光源は、例えば電子写真やレーザーディスプレイ用の光源としての応用が期待されている。
Also, a structure has been proposed in which the direction of the emitted beam can be controlled using such a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser.
It is also known that a tilted beam is emitted by using a non-Γ point oscillation mode even in a single photonic crystal.
A light source whose emission beam is controlled is expected to be applied as a light source for electrophotography or laser display, for example.
2次元フォトニック結晶面発光レーザを電子写真等の光源として用いる場合、光の利用効率の点から、また迷光の発生を抑制する点から、双方向に等しい強度の傾斜ビームが出射されるレーザに対して、出射されるビーム強度の比が制御できることが好ましい。
しかし、特許文献2の複数のフォトニック結晶を用いた場合や、また非Γ点の発振を用いた場合等においては、傾斜ビームがレーザ光の出射面の法線に対して線対称な2つの方向(双方向)に等しい強度で出射されてしまうという課題を有している。
以下に、これらの理由について説明する。
まず、特許文献2のように、複数のフォトニック結晶を用いた場合について説明する。
特許文献2に開示されている面発光レーザは、周期の異なる2つの2次元フォトニック結晶を有している。
2つの2次元フォトニック結晶において、互いに異なる波数の定在波が形成され、それら2つの定在波が重ね合わされることにより、面内方向に波数を持った定在波が生じる。
2次元フォトニック結晶の面内方向に波数を持つ定在波は、2次元フォトニック結晶の法線から傾いて出射されるため、傾斜ビームが得られる。
ここで、2次元フォトニック結晶の対称性から、定在波は法線に対して線対称である。
したがって、傾斜ビームは法線に対して線対称な2つの方向(双方向)に、等しい強度で出射されてしまうこととなる。
When a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser is used as a light source for electrophotography or the like, it is used for a laser that emits a tilted beam with equal intensity in both directions from the viewpoint of light utilization efficiency and suppression of stray light generation. On the other hand, it is preferable that the ratio of the emitted beam intensity can be controlled.
However, in the case of using a plurality of photonic crystals of
Hereinafter, these reasons will be described.
First, a case where a plurality of photonic crystals are used as in
The surface emitting laser disclosed in
In the two two-dimensional photonic crystals, standing waves having different wave numbers are formed, and the two standing waves are superimposed to generate a standing wave having a wave number in the in-plane direction.
Since a standing wave having a wave number in the in-plane direction of the two-dimensional photonic crystal is emitted with an inclination from the normal line of the two-dimensional photonic crystal, an inclined beam is obtained.
Here, due to the symmetry of the two-dimensional photonic crystal, the standing wave is line symmetric with respect to the normal line.
Therefore, the inclined beam is emitted with equal intensity in two directions (bidirectional) that are line-symmetric with respect to the normal line.
次に、非Γ点の発振モードを用いた場合について説明する。
非Γ点で発振する定在波は2次元フォトニック結晶の面内方向に波数を持つ。
面内方向に波数を持つ光は、ビームが2次元フォトニック結晶の法線から傾いて出射されるため、傾斜ビームが得られる。
2次元フォトニック結晶の対称性から、非Γ点で発振する定在波は、法線に対して線対称である。
したがって、この場合も、傾斜ビームは法線に対して線対称な方向(双方向)に、出射され、等しい強度で出射されてしまうこととなる。
Next, a case where a non-Γ point oscillation mode is used will be described.
A standing wave oscillating at a non-Γ point has a wave number in the in-plane direction of the two-dimensional photonic crystal.
Light having a wave number in the in-plane direction is emitted with the beam tilted from the normal line of the two-dimensional photonic crystal, so that a tilted beam is obtained.
Due to the symmetry of the two-dimensional photonic crystal, the standing wave oscillating at the non-Γ point is line symmetric with respect to the normal line.
Therefore, also in this case, the tilted beam is emitted in a direction (bidirectional) symmetrical with respect to the normal line, and is emitted with equal intensity.
2次元フォトニック結晶面発光レーザを、例えば電子写真やレーザーディスプレイ用の光源として用いる場合、主として用いるビーム(主ビームと呼ぶ)はどちらか片方のビームである。そのため、双方向に同じパワーが出射されてしまうと、高い光の利用効率を得ることができない。
また、主として用いられないビーム(副ビームと呼ぶ)が強すぎると迷光の原因となる。
When a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser is used as a light source for, for example, electrophotography or laser display, a beam mainly used (referred to as a main beam) is either one of the beams. Therefore, if the same power is emitted in both directions, high light utilization efficiency cannot be obtained.
Further, if a beam that is not mainly used (referred to as a secondary beam) is too strong, stray light may be caused.
本発明は、上記課題に鑑み、レーザ光の出射面の法線に対して線対称な斜め方向である2つ方向に出射されるレーザ光の強度比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-described problems, the present invention can control the intensity ratio of laser light emitted in two directions that are oblique directions that are line-symmetric with respect to the normal line of the laser light emission surface. An object is to provide a nick crystal surface emitting laser.
本発明の2次元フォトニック結晶面発光レーザは、面内方向に共振モードを有する2次元フォトニック結晶を有し、レーザ光の出射面の法線に対して線対称な斜め方向である少なくとも2つの方向に、前記レーザ光を出射する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は、
前記2つの方向に出射するレーザ光の出射方向ベクトルを、前記レーザ光の出射面に射影した射影方向に垂直な方向に沿って、前記2次元フォトニック結晶の格子点を構成する媒質の深さあるいは高さが一定であり、
前記2次元フォトニック結晶の格子点を構成する媒質の深さあるいは高さが、前記射影方向に沿って該射影方向に平行な方向を法線とする任意の面に対して非対称に変化していることを特徴とする。
The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser of the present invention has a two-dimensional photonic crystal having a resonance mode in the in-plane direction, and has at least two oblique directions that are line-symmetric with respect to the normal line of the laser light emission surface. A two-dimensional photonic crystal surface emitting laser emitting the laser light in one direction,
The two-dimensional photonic crystal is
The depth of the medium constituting the lattice points of the two-dimensional photonic crystal along the direction perpendicular to the projection direction of the laser beam emitted in the two directions projected onto the laser beam emission surface. Or the height is constant,
The depth or height of the medium constituting the lattice point of the two-dimensional photonic crystal changes asymmetrically with respect to an arbitrary plane having a direction parallel to the projection direction as a normal along the projection direction. It is characterized by being.
本発明によれば、レーザ光の出射面の法線に対して線対称な斜め方向である2つ方向に出射されるレーザ光の強度比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, the two-dimensional photonic crystal surface that can control the intensity ratio of the laser light emitted in two directions that are obliquely symmetrical with respect to the normal line of the laser light emission surface. A light emitting laser can be realized.
以下に、本発明の実施形態について説明する。
なお、以下の図面において、同一の機能を持つものには同じ記号を付与している。
[実施形態1]
実施形態1として、面内方向に共振モードを有する2次元フォトニック結晶を有する2次元フォトニック結晶面発光レーザ(分布帰還型面発光レーザ)の構成例について、図1〜図8を用いて説明する。
図1(a)は2次元フォトニック結晶101の平面図、図1(b)がA−A’面で切断した断面図である。
本実施形態の2次元フォトニック結晶面発光レーザは、レーザ光の出射面の法線に対して線対称な斜め方向である少なくとも2つの方向にレーザ光を出射する構成を備える。
具体的には、本実施形態の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101の法線(レーザ光の出射面の法線)102の方向(z方向)に対して、x方向に傾斜した線対称な2つの方向にレーザ光を出射する。
なお、ここで、上記x方向とは、上記2つの方向に出射するレーザ光の出射方向ベクトルを、上記レーザ光の出射面に射影した射影方向を意味している。
図1(b)には、光の出射方向ベクトルを103、104とし、出射方向ベクトル103(104)と法線102(z軸)とのなす角をθとした状態が示されている。
本実施形態における2次元フォトニック結晶101は、ホスト材料105による媒質中に格子点を構成する媒質が格子状に配列された構造を備える。
そして、本実施形態における2次元フォトニック結晶101は、格子点を構成する媒質の深さ、すなわち、格子点を構成する媒質としての孔106の深さが上記射影方向に垂直な方向(y方向)に沿って一定であり、上記x方向に沿って一定の割合で変化している。
しかしながら、本発明はこのようなy方向に沿って一定であり、x方向に沿って一定の割合で変化している構成が、格子点を構成する媒質の深さに対するものに限られるものではない。
例えば、ホスト材料105が空気であって、格子点を構成する媒質が空気とは異なる屈折率の材料による、いわゆるロッド配列タイプの2次元フォトニック結晶が構成されている場合等にも適用される。すなわち、このようなロッド配列タイプの2次元フォトニック結晶の場合には、格子点を構成する媒質の高さ(ロッド部の高さ)が、上記したy方向に沿って一定であり、x方向に沿って一定の割合で変化するように構成される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
In the following drawings, the same symbols are assigned to components having the same function.
[Embodiment 1]
As Embodiment 1, a configuration example of a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser (distributed feedback surface emitting laser) having a two-dimensional photonic crystal having a resonance mode in the in-plane direction will be described with reference to FIGS. To do.
FIG. 1A is a plan view of the two-
The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser of the present embodiment has a configuration in which laser light is emitted in at least two directions which are oblique directions that are line-symmetric with respect to the normal line of the laser light emission surface.
Specifically, the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser of the present embodiment is x with respect to the direction (z direction) of the normal line (normal line of the laser beam emission surface) 102 of the two-
Here, the x direction means a projection direction obtained by projecting the emission direction vector of the laser light emitted in the two directions onto the emission surface of the laser light.
FIG. 1B shows a state in which the emission direction vectors of light are 103 and 104, and the angle between the emission direction vector 103 (104) and the normal line 102 (z axis) is θ.
The two-
The two-
However, the present invention is constant along the y direction and changes at a constant rate along the x direction, but is not limited to the depth of the medium constituting the lattice points. .
For example, the present invention is also applicable to a case where a so-called rod array type two-dimensional photonic crystal is formed, for example, where the
図2は、2次元フォトニック結晶101における、出射光の発生の様子を示したものである。
各格子点における回折光は、2次元フォトニック結晶101の定在波のx方向の波数を反映して、103方向、104方向に同じ強度で出射される。
発生した回折光は互いに干渉し、2次元フォトニック結晶面発光レーザ全体での出射光が得られる。
本実施形態のものでは、この回折光同士の干渉を利用している。
隣り合う格子点110と格子点120において発生する回折光に着目する。
格子点110において発生し、103方向に出射される回折光111と回折光121は、次の式(1)に示す光路長差が生じている。
但し、αは孔106の深さが一定の割合で変化している変化領域におけるこれらの孔の底部を結んだ線と、上記射影方向(x方向)とのなす角度である。
また、θは上記レーザ光の出射面の法線と該法線に対して線対称な方向に出射されるレーザ光の出射方向とのなす角度である。
FIG. 2 shows how the emitted light is generated in the two-
The diffracted light at each lattice point reflects the wave number in the x direction of the standing wave of the two-
The generated diffracted light interferes with each other, and light emitted from the entire two-dimensional photonic crystal surface emitting laser is obtained.
The thing of this embodiment utilizes the interference of this diffracted light.
Attention is paid to the diffracted light generated at the
The diffracted
However, α is an angle formed by a line connecting the bottoms of the holes in the change region where the depth of the
Further, θ is an angle formed between the normal line of the laser beam emission surface and the emission direction of the laser beam emitted in a direction symmetrical to the normal line.
一方、104方向に出射される回折光112と122は、次の式(2)に示す光路長差が生じている。
On the other hand, the diffracted
2つの光路長に差があれば、111と121の干渉光である103方向に出射される光と、112と122の干渉光である104方向に出射される光の強度に差が生じる。従って、103方向と104方向(双方向)に出射されるビーム強度の比を制御できることになる。 If there is a difference between the two optical path lengths, there will be a difference in intensity between the light emitted in the 103 direction as the interference light of 111 and 121 and the light emitted in the 104 direction as the interference light of 112 and 122. Accordingly, the ratio of the beam intensity emitted in the 103 direction and the 104 direction (bidirectional) can be controlled.
図3に、角度θと角度αを変えた場合の、103方向と104方向の、光の強度の差を計算した結果を示した。
白部分は103方向の光が大きいことを示しており、黒部分は104方向の光が大きいことを示している。
図3より、角度θ、角度αによらず、双方向の光強度に差が生じていることが分かる。
図1では、x方向に沿って、一定の割合(角度α)で変化している例を示したが、必ずしも一定の割合で変化していなくとも良い。
なぜならば、図3より、隣り合う2つの格子点を考えた時、2つの格子点間で孔の深さが異なれば、双方向の光強度には差が生じるためである。
具体的には、格子点(孔106)の深さが光の出射方向の2次元フォトニック結晶101への射影方向に垂直な方向(y方向)に沿って一定であって、
光の出射方向のフォトニック結晶への射影方向(x方向)に沿って非対称に変化していれば、双方向の強度に差をつけることが可能となる。
ここで、非対称とは、2次元フォトニック結晶101の中心を通り、x方向を法線とする平面に関して、2次元フォトニック結晶101を折り返した場合、元の構造と一致しないことを意味する。つまり、2次元フォトニック結晶の格子点を構成する孔の深さが、上記射影方向に沿って該射影方向に平行な方向を法線とする任意の面に対して非対称に変化していることを意味する。
但し、格子点の深さが上記x方向に一定の割合で変化している方が、隣り合う格子点間で干渉条件が同じになり、出射光の強度ムラが低減できるため好ましい。
FIG. 3 shows the result of calculating the difference in light intensity between the 103 direction and the 104 direction when the angle θ and the angle α are changed.
The white portion indicates that light in the 103 direction is large, and the black portion indicates that light in the 104 direction is large.
FIG. 3 shows that there is a difference in the bidirectional light intensity regardless of the angle θ and the angle α.
Although FIG. 1 shows an example in which the rate changes along the x direction at a constant rate (angle α), it does not necessarily have to change at a constant rate.
This is because when considering two adjacent lattice points from FIG. 3, if the depth of the hole is different between the two lattice points, a difference occurs in the bidirectional light intensity.
Specifically, the depth of the lattice point (hole 106) is constant along the direction (y direction) perpendicular to the projection direction of the light emission direction onto the two-
If the light emission direction changes asymmetrically along the projection direction (x direction) onto the photonic crystal, it is possible to make a difference in the intensity in both directions.
Here, asymmetric means that when the two-
However, it is preferable that the depth of the lattice points change at a constant rate in the x direction because the interference conditions are the same between adjacent lattice points and the intensity unevenness of the emitted light can be reduced.
更に、角度θ、角度αについて、満たした方がより好ましい条件がある。
以下でその条件と、好ましい理由を説明する。
説明の都合上、光の強度が強い方向のビーム(主ビームと呼ぶ)が103方向に出射され、弱い方向のビーム(副ビームと呼ぶ)が104方向に出射されるとするが、主ビームと副ビームの方向を逆にしても良いことは明らかである。
まず、主ビームの光強度が、格子点の深さが一定の場合よりも強くなる条件について説明する。この場合、主ビームへの光の利用効率が高くなるため、好ましい。
主ビーム方向(103方向)の光路長差は式(1)で記述されるため、次の式(3)を満たせば、格子点の深さが一定の場合よりも、主ビームの光強度は強くなる。但し、この式(3)におけるnは整数である。
Further, there are more preferable conditions for satisfying the angle θ and the angle α.
Below, the conditions and the preferable reason are demonstrated.
For convenience of explanation, it is assumed that a beam with a high light intensity (referred to as a main beam) is emitted in the 103 direction and a beam with a weak direction (referred to as a sub beam) is emitted in the 104 direction. Obviously, the direction of the secondary beam may be reversed.
First, the conditions under which the light intensity of the main beam becomes stronger than when the depth of the lattice points is constant will be described. This is preferable because the light use efficiency to the main beam is increased.
Since the optical path length difference in the main beam direction (103 direction) is described by equation (1), if the following equation (3) is satisfied, the light intensity of the main beam is greater than when the depth of the lattice points is constant. Become stronger. However, n in this formula (3) is an integer.
図4は、主ビーム方向の光強度の大きさを示したものであり、白部分は式(3)を満たす角度θ、角度αの範囲である。
以上より、式(3)を満たすように格子点の深さを非対称に変化させた場合、主ビームへの光利用効率が高くなるため、好ましいことがわかる。
特に、つぎの式(4)を満たしていれば、各格子点から発生した回折光同士が完全に強めあうため、更に好ましい。但し、この式(4)におけるnは整数である。
FIG. 4 shows the magnitude of the light intensity in the main beam direction, and the white part is the range of the angle θ and the angle α satisfying the expression (3).
From the above, it can be seen that it is preferable to change the depth of the lattice points asymmetrically so as to satisfy the expression (3), since the light utilization efficiency to the main beam becomes high.
In particular, it is more preferable that the following expression (4) is satisfied, because the diffracted light generated from each lattice point is completely strengthened. However, n in this formula (4) is an integer.
次に、副ビームの光強度が、格子点の深さが一定の場合よりも弱くなる条件について説明する。この場合、迷光の原因となりうる副ビームの光強度が弱くなるため、好ましい。副ビーム方向(104方向)の光路長差は式(2)で記述されるため、次の式(5)を満たせば、格子点の深さが一定の場合よりも、副ビームの光強度は弱くなる。但し、この式(5)におけるnは整数である。
Next, the conditions under which the light intensity of the sub beam becomes weaker than when the depth of the lattice point is constant will be described. In this case, the light intensity of the sub beam that can cause stray light becomes weak, which is preferable. Since the optical path length difference in the sub beam direction (104 direction) is described by equation (2), if the following equation (5) is satisfied, the light intensity of the sub beam is higher than that when the depth of the lattice point is constant. become weak. However, n in this formula (5) is an integer.
図5は、副ビーム方向の光強度の大きさを示したものであり、黒部分は式(5)を満たす角度θ、角度αの範囲である。以上より、式(5)を満たすように格子点の深さを非対称に変化させた場合、副ビームに起因する迷光を減少できるため、好ましいことがわかる。特に、次の式(6)を満たしていれば、各格子点から発生した回折光同士が完全に弱めあうため、更に好ましい。但し、この式(6)におけるnは整数である。
FIG. 5 shows the magnitude of the light intensity in the sub-beam direction, and the black part is the range of the angle θ and the angle α that satisfy the equation (5). From the above, it can be seen that it is preferable to change the depth of the lattice points asymmetrically so as to satisfy the expression (5) because stray light caused by the sub beam can be reduced. In particular, it is more preferable that the following expression (6) is satisfied, because diffracted light generated from each lattice point is completely weakened. However, n in this formula (6) is an integer.
式(3)と式(5)を同時に満たせば、光利用効率が高く、かつ迷光も減少できるため、更に好ましい。
式(3)と式(5)を同時に満たす範囲を図6に示した。
白部分が、式(3)と式(5)を同時に満たす角度θ、角度αの範囲である。
特に、角度θと角度αが共に30度より小さければ、式(3)と式(5)を同時に満たす上、孔106の深さの変化量が小さくて済むため、2次元フォトニック結晶101の作製が容易となり更に好ましい。
It is more preferable to satisfy the expressions (3) and (5) at the same time because the light use efficiency is high and stray light can be reduced.
FIG. 6 shows a range in which the expressions (3) and (5) are simultaneously satisfied.
A white part is the range of angle (theta) and angle (alpha) which satisfy | fills Formula (3) and Formula (5) simultaneously.
In particular, if both the angle θ and the angle α are smaller than 30 degrees, the expression (3) and the expression (5) are satisfied at the same time, and the amount of change in the depth of the
また、図7(a)のように、格子点の深さが一定の割合で変化した一様変化領域107が、周期的に並んでいると、更に好ましい。
なぜならば、図7(b)のように2次元フォトニック結晶101全域に渡って、格子点の深さを一定の割合で変化させた場合に比べて、必要な孔106の深さが浅く、2次元フォトニック結晶101の作製が容易となるためである。
隣り合う2つの一様変化領域間の、孔106の深さの差をdとし、一様変化領域107の周期をPとする。
Further, as shown in FIG. 7A, it is more preferable that the
This is because, as shown in FIG. 7B, the required depth of the
The difference in the depth of the
周期Pと深さの差dに対する更に望ましい条件を、以下で説明する。図7(a)において、深さに差dが生じている部分の右側にある孔を130、図7(b)において孔130に相当する孔を140とする。
また、孔130において発生する主ビームを131、副ビームを132、孔140において発生する主ビームを141、副ビームを142とする。
まず、主ビームに着目すると、次の式(7)を満たすことが好ましい。
A more desirable condition for the difference P between the period P and the depth will be described below. In FIG. 7A, the hole on the right side of the portion where the difference in depth d occurs is 130, and the hole corresponding to the
The main beam generated at the
First, focusing on the main beam, it is preferable to satisfy the following expression (7).
なぜなら、主ビーム131と主ビーム141の位相差が2πの整数倍となるため、主ビームに関して、深さの浅い孔130で、深さの深い孔140の役割を代用できることになるからである。
次に、副ビームに着目すると、次の式(8)を満たすことが好ましい。なぜなら、副ビーム132と副ビーム142の位相差が2πの整数倍となるため、副ビームに関して、深さの浅い孔130で、深さの深い孔140の役割を代用できることになるからである。
This is because the phase difference between the
Next, focusing on the sub beam, it is preferable to satisfy the following expression (8). This is because the phase difference between the
本実施形態では、孔106の深さが、各格子点内では一定である形態を示したが、孔106の深さが格子点内において変化していても良い。
特に、図8に示すように、格子点の深さが非対称に変化する方向(x方向)において、各格子点の孔106の深さが非対称に変化していると、格子点内部においても干渉条件が同一となるため、好ましい。
なお、本実施形態では、ホスト材料105中に孔106が格子状に配列されているフォトニック結晶101を用いたが、孔106がホスト材料105と屈折率の異なる別の材料で充填されていても良い。
また、前述したホスト材料105が空気であって、格子点を構成する媒質が空気とは異なる屈折率の材料による、いわゆるロッド配列タイプの2次元フォトニック結晶であっても良い。
また、格子点の形状は必ずしも円形である必要は無く、三角形や四角形などの多角形であっても良いし、複数の図形から構成されていても良い。
なお、本実施形態では、2次元フォトニック結晶の周期配列の方向が、光の出射方向の2次元フォトニック結晶101への射影方向(x方向)と、それに垂直な方向(y方向)に一致する場合が図示されているが、これらは必ずしも一致していなくても良いことは勿論のことである。
さらに、本実施形態では、2次元フォトニック結晶として、2つの基本並進ベクトルの大きさが等しい正方格子の例を示したが、必ずしも正方格子である必要はなく、三角格子や面心長方格子、長方格子や斜方格子を用いても良い。
また、本実施形態の面発光レーザにおける活性層は、一般の半導体レーザに使用されるものを使用することができる。
例えば、GaAs/AlGaAs、GaInP/AlGaInP、GaN/InGaNなどの材料を用いた多重量子井戸構造である。
また、本実施形態の面発光レーザにおいては、光励起方式、あるいは電流注入方式により駆動することができる。
In the present embodiment, the depth of the
In particular, as shown in FIG. 8, when the depth of the
In this embodiment, the
The
The shape of the lattice points is not necessarily circular, and may be a polygon such as a triangle or a quadrangle, or may be composed of a plurality of figures.
In the present embodiment, the direction of the periodic arrangement of the two-dimensional photonic crystal coincides with the projection direction of the light onto the two-dimensional photonic crystal 101 (x direction) and the direction perpendicular to the direction (y direction). Although the case where it does is shown in figure, of course, these do not necessarily need to correspond.
Furthermore, in the present embodiment, an example of a square lattice in which two basic translation vectors are equal in size is shown as a two-dimensional photonic crystal. However, the lattice is not necessarily a square lattice, and may be a triangular lattice or a face-centered rectangular lattice. A rectangular lattice or an oblique lattice may be used.
Moreover, the active layer in the surface emitting laser of this embodiment can use what is used for a general semiconductor laser.
For example, a multiple quantum well structure using a material such as GaAs / AlGaAs, GaInP / AlGaInP, or GaN / InGaN.
Further, the surface emitting laser according to the present embodiment can be driven by an optical excitation method or a current injection method.
[実施形態2]
実施形態2として、実施形態1とは異なる形態の2次元フォトニック結晶面発光レーザの構成例について、図9、図10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、2次元フォトニック結晶面発光レーザに対して、2次元フォトニック結晶201の孔206の面積も、孔206の深さが変化する方向(x方向)に沿って変化している点が異なる。
図9に示すように、本実施形態の2次元フォトニック結晶201は、孔206の深さが浅いほど、孔206の面積が大きくなっている。
2次元フォトニック結晶201を用いた方が、孔106の大きさが格子点の深さによらずに一定の面積である2次元フォトニック結晶101を用いた場合に比べて、単一波長で発振しやすいため、好ましい。理由を以下で説明する。
[Embodiment 2]
As a second embodiment, a configuration example of a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser having a different form from the first embodiment will be described with reference to FIGS.
In the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser of this embodiment, the area of the
As shown in FIG. 9, in the two-
The use of the two-
2次元フォトニック結晶面発光レーザの発振波長は、2次元フォトニック結晶201の共振波長によって決定される。
平面視した時に同じ構造をもつ2次元フォトニック結晶の場合、共振波長は2次元フォトニック結晶の実効屈折率neffで決定される。
2次元フォトニック結晶の孔の充填率が大きいほど、2次元フォトニック結晶の実効屈折率neffは低い。
孔206の深さが浅いほど、孔206の面積が大きい2次元フォトニック結晶201は、孔106の大きさが同じ2次元フォトニック結晶101に比べて、場所による孔の充填率の相違が小さい。
そのため、2次元フォトニック結晶201の方が、2次元フォトニック結晶101に比べて、場所による実効屈折率neffの相違が小さく、場所による共振波長の相違が小さい。
従って、2次元フォトニック結晶面発光レーザ200の方が、2次元フォトニック結晶面発光レーザ100よりも、単一波長で発振しやすい。
The oscillation wavelength of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser is determined by the resonance wavelength of the two-
In the case of a two-dimensional photonic crystal having the same structure when viewed in plan, the resonance wavelength is determined by the effective refractive index neff of the two-dimensional photonic crystal.
The larger the hole filling rate of the two-dimensional photonic crystal, the lower the effective refractive index neff of the two-dimensional photonic crystal.
As the depth of the
Therefore, the two-
Therefore, the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser 200 is more likely to oscillate at a single wavelength than the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser 100.
以上より、孔206の深さが浅いほど、孔206の面積が大きい2次元フォトニック結晶201を用いた方が、2次元フォトニック結晶面発光レーザ200が単一波長で発振しやすくなるため、好ましい。
孔206の深さと孔206の積が一定になるように変化させた場合、孔の充填率が一致し、共振波長ずれがなくなるため、更に好ましい。
なお、図9では、x方向に沿って、孔の面積がx方向とy方向に対して対称的に変化している場合を示したが、孔の面積が変化していれば、変化の仕方は問わない。
例えば、図10(a)、(b)のように、孔のy方向の長さのみが変化していても良いし、図10(c)、(d)のように、孔のx方向の長さのみが変化していても良い。また、x方向とy方向の長さが両方変化していて、割合が非対称であっても良い。
As described above, the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser 200 is more likely to oscillate at a single wavelength when the two-
Changing the depth of the
FIG. 9 shows the case where the area of the hole changes symmetrically with respect to the x direction and the y direction along the x direction. Does not matter.
For example, as shown in FIGS. 10A and 10B, only the length of the hole in the y direction may be changed, or as shown in FIGS. 10C and 10D, the length of the hole in the x direction may be changed. Only the length may change. Further, both the lengths in the x direction and the y direction may be changed, and the ratio may be asymmetric.
[実施形態3]
実施形態3として、上記各実施形態と異なる形態の2次元フォトニック結晶面発光レーザについて、図11を用いて説明する。
図11に示すように、本実施形態の2次元フォトニック結晶面発光レーザ300は、副ビーム304を検知する検知手段307と、検知結果を主ビーム303にフィードバックする制御手段308を備える。
副ビーム304を検知し、主ビームにフィードバックすることで、主ビームの状態をリアルタイムで制御している。
検知手段307は、例えばフォトディテクタを用いればよく、検知する量は例えば強度、発光波長がある。制御手段308としては、例えば電源、ヒーターなどがある。
副ビーム304の強度を検知し、電源308にフィードバックして注入電流を制御すれば、オートパワーコントロール可能な2次元フォトニック結晶面発光レーザ300が提供できる。
また、副ビーム304の発光波長を検知し、ヒーター308にフィードバックして温度を制御すれば、安定して同一の波長で発振する2次元フォトニック結晶面発光レーザ300が提供できる。
[Embodiment 3]
As a third embodiment, a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser having a different form from the above embodiments will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 11, the two-dimensional photonic crystal
By detecting the
The detection means 307 may use, for example, a photodetector, and the amount to be detected includes, for example, intensity and emission wavelength. Examples of the control means 308 include a power source and a heater.
If the intensity of the
If the emission wavelength of the
以下に、本発明の実施例について説明する。
以下の実施例は、実施形態1、2、3で述べた、2次元フォトニック結晶面発光レーザの構造を具体的に示すものである。
[実施例1]
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を、図12、図13を用いて説明する。
図12に示すように、本実施例の2次元フォトニック結晶面発光レーザ400は、GaN基板401上にn−GaN層402、n−AlGaNクラッド層403、n−GaNガイド層404、活性層405が順に積層されている。
更に、活性層405上に、ud−GaNガイド層406、p−AlGaN電子ブロック層407、p−GaN層408、p−AlGaNクラッド層409、p+−GaN層410が順に積層されている。
p−GaN層408中には2次元フォトニック結晶411が埋め込まれている。2次元フォトニック結晶411は、波長λが405nmで発振するように設計されている。
2次元フォトニック結晶411は、円孔412がp−GaN層408中に2次元的に配列されて形成されている。
格子構造は長方格子であり、x方向の格子定数は138nm、y方向の格子定数は165nmである。
また、円孔412の深さが+x方向に沿って一定の割合で減少し、円孔412の大きさが+x方向に沿って増加した、一様変化領域413が周期P毎に並んでいる。
図12に示すように、円孔の深さと円孔の面積の積が一定になるように、円孔の深さと面積は変化している。
一様変化領域413内において、円孔412の底部を結んだ線と、x軸のなす角度αは15度になっている。
また、隣り合う一様変化領域間の、円孔412の深さの差がdとなっている。
Examples of the present invention will be described below.
The following example specifically shows the structure of the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser described in the first, second, and third embodiments.
[Example 1]
The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser in Example 1 will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 12, the two-dimensional photonic crystal
Further, on the
A two-
The two-
The lattice structure is a rectangular lattice, the lattice constant in the x direction is 138 nm, and the lattice constant in the y direction is 165 nm.
In addition,
As shown in FIG. 12, the depth and area of the circular hole are changed so that the product of the depth of the circular hole and the area of the circular hole is constant.
In the
Further, the difference in the depth of the
2次元フォトニック結晶411のバンド構造を図13に示す。
図13にはx方向の波数をもつモードのみのバンド構造を示している。
2次元フォトニック結晶411の異なる方向へ伸びる2つの基本並進ベクトルの長さが異なることを反映して、相対的に長さの短い基本並進ベクトルの方向(x方向)に波数を持つ共振モード420が発振し、傾斜ビームが出射される。
傾斜ビームのうち−x側に傾いて出射されるビームを主ビーム421、+x側に傾いて出射されるビームを副ビーム422とする。傾斜ビームと2次元フォトニック結晶の法線のなす角度θは15度である。
角度θ、角度αが共に15度の時、式(4)と式(6)を同時に満たすため、一様変化領域413内において、主ビーム421が完全に強めあい、副ビーム422が完全に弱めあっている。
即ち、光利用効率が高く、迷光の発生が防止できる2次元フォトニック結晶面発光レーザが提供できる。また、角度θ、角度αは共に30度よりも小さいため、製造が容易である。
The band structure of the two-
FIG. 13 shows a band structure of only a mode having a wave number in the x direction.
Reflecting that the lengths of the two basic translation vectors extending in different directions of the two-
Of the tilted beams, a beam that is tilted and emitted toward the −x side is a
When both the angle θ and the angle α are 15 degrees, the equations (4) and (6) are satisfied at the same time. Therefore, in the
That is, it is possible to provide a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser that has high light utilization efficiency and can prevent stray light from being generated. Further, since both the angle θ and the angle α are smaller than 30 degrees, the manufacturing is easy.
つぎに、周期Pと深さの差dについて説明する。
図12(a)のように周期Pを4、深さの差dを103nmとした時、式(7)を満たすため、複数の一様変化領域413にまたがって、主ビーム421が完全に強めあっている。
また、図12(b)のように周期Pを2、深さの差dを108nmとした時、式(8)を満たすため、複数の一様変化領域413にまたがって、副ビーム422が完全に弱めあっている。
どちらの場合も、深さの浅い円孔で、深さの深い円孔の役割を代用できる。
また、円孔412の深さと円孔412の面積の積が一定になっているため、円孔412の充填率が場所によって等しい。
そのため、単一波長で発振しやすい2次元フォトニック結晶面発光レーザが提供できる。
Next, the difference d between the period P and the depth will be described.
When the period P is 4 and the depth difference d is 103 nm as shown in FIG. 12A, the
Further, as shown in FIG. 12B, when the period P is 2 and the depth difference d is 108 nm, the
In either case, the role of a deep hole can be substituted by a shallow hole.
Further, since the product of the depth of the
Therefore, a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser that can easily oscillate at a single wavelength can be provided.
2次元フォトニック結晶411は、電子ビームリソグラフィーとドライエッチングを用いたパターニングと、再成長技術を用いてp−GaN層内に埋め込んで形成した。
円孔412の深さを制御するためには、図14に示すように、マスク430、431を用いて各円孔を1つずつドライエッチングしても良い。
また、図15に示すように、マスク432と、x方向に厚みの異なる犠牲層433を用いて、一括でドライエッチングを行っても良い。
活性層405は3周期のIn0.08Ga0.92N/In0.01Ga0.99N多重量子井戸からなる。
レーザ構造のp−GaN側には、NiとAuで構成されたp電極414が配置され、n−GaN側にはTiとAlで構成されたn電極415が配置されており、そこから電流注入することによりレーザ発振する。
The two-
In order to control the depth of the
Further, as shown in FIG. 15, dry etching may be performed collectively using a
The
A p-
以上で述べたように、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では、孔412の深さが、傾斜ビーム421、422の出射方向の2次元フォトニック結晶への射影方向に沿って、非対称に変化している。
そのため、傾斜ビーム421と422の強度比が異なるように制御できている。なお、本実施例では、2次元フォトニック結晶411が長方格子である場合を示したが、2つの基本並進ベクトルの大きさが異なっていれば、本発明が適用できる。即ち、2次元フォトニック結晶411は斜方格子であっても良い。
As described above, in the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser according to the present embodiment, the depth of the
Therefore, it can control so that the intensity ratios of the
[実施例2]
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を、図16を用いて説明する。
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500は、実施例1における図14に示す2次元フォトニック結晶面発光レーザ400に対して、2次元フォトニック結晶の構造のみが異なる。
図16に示すように、本実施例における2次元フォトニック結晶511は、第1の2次元フォトニック結晶551と、第2の2次元フォトニック結晶552の2つが重なった構造である。
2次元フォトニック結晶551と2次元フォトニック結晶552は、共に円孔が2次元的に配列された構造であり、円の半径は32nmである。
2次元フォトニック結晶551は正方格子であって、格子定数は160nmである。2次元フォトニック結晶552は長方格子であって、x方向の格子定数が192nm、y方向の格子定数が160nmである。
即ち、x方向の格子定数が異なる2つのフォトニック結晶が重なるように配置されている。
本実施例における2次元フォトニック結晶では、2次元フォトニック結晶551、552において、x方向に対して互いに異なる波数の定在波が形成され、それら2つの光が重ね合わされる。
そのため、基本並進ベクトルの長さの異なる方向(x方向)に波数を持った共振モードが発振し、傾斜ビーム521、傾斜ビーム522が出射される。共振モードの共振波長λは405nmである。
傾斜ビーム521、522と、2次元フォトニック結晶511の法線とのなす角は、共振モードのx方向の波数で決定され、本実施例では15度である。
フォトニック結晶511の円孔512の深さは、傾斜ビーム521、522の出射方向の2次元フォトニック結晶への射影方向(x方向)に沿って、非対称に変化している。
そのため、実施例1の場合と同様に、傾斜ビーム521と傾斜ビーム522の強度比が異なるように制御することができる。
[Example 2]
A two-dimensional photonic crystal surface emitting laser in Example 2 will be described with reference to FIG.
The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser 500 in this embodiment differs from the two-dimensional photonic crystal
As shown in FIG. 16, the two-
Both the two-
The two-
That is, two photonic crystals having different lattice constants in the x direction are arranged so as to overlap each other.
In the two-dimensional photonic crystal in this embodiment, standing waves having different wave numbers in the x direction are formed in the two-dimensional
Therefore, a resonance mode having a wave number in the direction (x direction) in which the length of the basic translation vector is different oscillates, and the tilted
The angle formed between the tilted
The depth of the
Therefore, as in the case of the first embodiment, the intensity ratio between the
図16に示した本実施例の構成では、2次元フォトニック結晶551と2次元フォトニック結晶552が完全に重なった場合を示したが、2次元フォトニック結晶551と2次元フォトニック結晶552が(z方向から見た)平面視で重なっていればよい。
この場合、2次元フォトニック結晶551と2次元フォトニック結晶552のうち、少なくともどちらか一方の孔の深さが変化していれば良い。
また、図16に示した本実施例の構成では、フォトニック結晶551が正方格子で、フォトニック結晶552が長方格子である例を示したが、2つのフォトニック結晶の、少なくとも一方の基本並進ベクトルの大きさが異なっていれば、本発明が適用できる。
例えば、フォトニック結晶551とフォトニック結晶552が共に長方格子であっても良いし、斜方格子を用いても良い。
In the configuration of this embodiment shown in FIG. 16, the two-
In this case, the depth of at least one of the two-
In the configuration of this embodiment shown in FIG. 16, an example in which the
For example, both the
[実施例3]
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を、図17を用いて説明する。
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、図14に示す2次元フォトニック結晶面発光レーザ400に対して、2次元フォトニック結晶の構造のみが異なる。
本実施例における2次元フォトニック結晶は半径41nmの円孔が2次元的に配列された正方格子であって、格子定数は206nmである。
本実施例の2次元フォトニック結晶は、図17に示すバンド構造を備える。
本実施例では、Γ−X方向の共振モードを用いる。共振モードは面内方向に波数を持つ共振モードであるため、x方向に傾いた2つの傾斜ビームが得られる。
共振モードの発振波長は405nmであり、上記2つの傾斜ビームと、2次元フォトニック結晶の法線とのなす角は21度である。
フォトニック結晶の円孔の深さは、上記2つの傾斜ビームの出射方向の2次元フォトニック結晶への射影方向に沿って、非対称に変化している。
そのため、実施例1の場合と同様に、上記2つの傾斜ビームの一方の傾斜ビームと他方の傾斜ビームの強度比が異なるように制御することができる。
なお、本実施例ではΓ−X方向の共振モードを用いたが、面内方向に波数を持つ共振モードで発振していれば、本発明が適用できる。
共振モードによって出射方向が異なるが、傾斜ビームの出射方向の2次元フォトニック結晶への射影方向に沿って、孔の深さを非対称に変化させればよい。
[Example 3]
The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser in Example 3 will be described with reference to FIG.
The two-dimensional photonic crystal surface emitting laser in this example differs from the two-dimensional photonic crystal
The two-dimensional photonic crystal in this example is a square lattice in which circular holes having a radius of 41 nm are two-dimensionally arranged, and the lattice constant is 206 nm.
The two-dimensional photonic crystal of this example has a band structure shown in FIG.
In this embodiment, a resonance mode in the Γ-X direction is used. Since the resonance mode is a resonance mode having a wave number in the in-plane direction, two inclined beams inclined in the x direction can be obtained.
The oscillation wavelength of the resonance mode is 405 nm, and the angle formed by the two inclined beams and the normal line of the two-dimensional photonic crystal is 21 degrees.
The depth of the circular hole of the photonic crystal changes asymmetrically along the direction of projection of the two inclined beams onto the two-dimensional photonic crystal.
Therefore, as in the case of the first embodiment, it is possible to control the intensity ratio of one of the two inclined beams and the other inclined beam to be different.
In this embodiment, the resonance mode in the Γ-X direction is used. However, the present invention can be applied as long as the oscillation is in the resonance mode having a wave number in the in-plane direction.
Although the emission direction varies depending on the resonance mode, the depth of the hole may be changed asymmetrically along the projection direction of the emission direction of the inclined beam onto the two-dimensional photonic crystal.
以上、各実施例について説明したが、本発明の面発光レーザは上記記載した各実施例の構成に限定されるものではない。
フォトニック結晶の形状、材料、活性層やクラッド層や電極を構成する材料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405nm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。
Although each embodiment has been described above, the surface emitting laser of the present invention is not limited to the configuration of each embodiment described above.
The shape and material of the photonic crystal, the material constituting the active layer, the clad layer, and the electrode can be appropriately changed within the scope of the present invention.
In the above embodiment, a laser oscillation wavelength of 405 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.
101:2次元フォトニック結晶
102:2次元フォトニック結晶の法線
103:主ビーム
104:副ビーム
105:ホスト材料による媒質
106:孔
α:孔の深さが一定の割合で変化している変化領域におけるこれらの孔の底部を結んだ線と、射影方向(x方向)とのなす角度
θ:レーザ光の出射面の法線と該法線に対して線対称な方向に出射されるレーザ光の出射方向とのなす角度
101: Two-dimensional photonic crystal 102: Normal line of two-dimensional photonic crystal 103: Main beam 104: Sub beam 105: Medium by host material 106: Hole α: Change in which the depth of the hole changes at a constant rate The angle formed by the line connecting the bottoms of these holes in the region and the projection direction (x direction) θ: the laser beam emitted in a direction symmetrical to the normal line of the laser beam emission surface and the normal line Angle with the exit direction of
Claims (16)
前記2次元フォトニック結晶は、
前記2つの方向に出射するレーザ光の出射方向ベクトルを、前記レーザ光の出射面に射影した射影方向に垂直な方向に沿って、前記2次元フォトニック結晶の格子点を構成する媒質の深さあるいは高さが一定であり、
前記2次元フォトニック結晶の格子点を構成する媒質の深さあるいは高さが、前記射影方向に沿って該射影方向に平行な方向を法線とする任意の面に対して非対称に変化し、
前記格子点を構成する媒質の深さあるいは高さが前記射影方向に沿って一定の割合で変化する変化領域を有し、
前記変化領域における前記深さによる領域あるいは高さによる領域を結んだ線と前記射影方向とのなす角度をαとし、前記レーザ光の出射面の法線と該法線に対して線対称な方向に出射される前記レーザ光の出射方向とのなす角度をθとしたとき、前記角度αと前記角度θが、以下の式3と式5の少なくとも一方を満たすように構成されていることを特徴とする面発光レーザ。
The two-dimensional photonic crystal is
The depth of the medium constituting the lattice points of the two-dimensional photonic crystal along the direction perpendicular to the projection direction of the laser beam emitted in the two directions projected onto the laser beam emission surface. Or the height is constant,
The depth or height of the medium constituting the lattice point of the two-dimensional photonic crystal changes asymmetrically with respect to an arbitrary surface having a direction parallel to the projection direction as a normal along the projection direction ,
A change region in which the depth or height of the medium constituting the lattice points changes at a constant rate along the projection direction;
The angle formed by the projection direction and the line connecting the depth region or the height region in the change region is α, and the direction normal to the laser beam emission surface and the normal line The angle α and the angle θ are configured to satisfy at least one of the following formula 3 and formula 5 where θ is an angle formed with the emission direction of the laser beam emitted to be that the surface-emitting laser with.
前記2つの2次元フォトニック結晶は、前記長さの異なる基本並進ベクトルの方向が一致するように、平面視で重ね合わされて配置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項に記載の面発光レーザ。 The two-dimensional photonic crystal comprises two two-dimensional photonic crystals having different lengths of at least one basic translation vector,
The two two-dimensional photonic crystals are arranged so as to overlap each other in plan view so that directions of the basic translation vectors having different lengths coincide with each other. The surface emitting laser according to item.
前記周期的に並んだ複数の前記変化領域の周期をPとしたとき、
以下の式を満たすことを特徴とする請求項8に記載の面発光レーザ。
When the period of the plurality of change regions arranged periodically is P,
The surface emitting laser according to claim 8 , wherein the following expression is satisfied.
前記周期的に並んだ複数の前記変化領域の周期をPとしたとき、
以下の式を満たすことを特徴とする請求項8に記載の面発光レーザ。
When the period of the plurality of change regions arranged periodically is P,
The surface emitting laser according to claim 8 , wherein the following expression is satisfied.
前記検知結果に基づいて、相対的に強度の強い方の光である主ビームの状態を制御することを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の面発光レーザ。 A detecting means for detecting a sub-beam which is a relatively weak light of the laser light emitted in the two directions, and a control means for feeding back a detection result by the detecting means,
The surface emitting laser according to any one of claims 1 to 12 , wherein a state of a main beam which is light having a relatively strong intensity is controlled based on the detection result.
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