KR101128944B1 - 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저광원 - Google Patents

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로무 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 직선편광이며, 또한 중심부근의 강도가 가장 강한 단봉성(單峰性)의 빔 프로파일을 갖는 레이저광을 얻을 수 있는 면(面)발광 레이저광원을 제공하는 것을 목적으로 하여 이루어졌다.
활성층(23)의 일방(一方) 측에, 판재(板材)(31)에 빈 구멍(311 또는 312)을 정방(正方)격자 형상으로 배치한 2차원 포토닉 결정을 마련한다. 이 빈 구멍(311 및 312)은, 발광 측의 평면(B면) 형상이 활성층 측의 평면(C면) 형상보다도 작게 되도록 설정되어 있다. 또한, B면 형상과 C면 형상의 중심(重心)의 위치는, 면 내 방향으로 어긋나 있다.
이로써, 2차원 포토닉 결정의 면 내의 대칭성이 낮아져서, 직선편광으로서 단봉성(單峰性)인 레이저광을 얻을 수 있다.

Description

2차원 포토닉 결정 면발광 레이저광원{Two-dimensional photonic crystal surface-emitting laser light source}
본 발명은, 평면 형상의 광원으로부터 면(面)에 수직인 방향으로 레이저광을 방사하는 면(面)발광 레이저광원에 관한 것이다.
종래부터, 파브리 페로(Fabry-Perot) 공진기를 이용한 파브리 페로형 레이저광원이나, 회절격자를 이용한 분포귀환(Distributed Feedback; DFB)형 레이저광원이 이용되고 있다. 이들 레이저광원은 모두, 공진이나 회절에 의하여 소정 파장의 광을 증폭하여 레이저광을 발진시키는 것이다.
그에 반하여, 근년, 새로운 타입의 레이저광원으로서, 포토닉 결정을 이용한 것이 개발되고 있다. 포토닉 결정은, 유전체로 이루어지는 모재(母材)에 주기(周期)구조를 인공적으로 형성한 것이다. 주기구조는 일반적으로, 모재와는 굴절율이 다른 영역(이굴절률(異屈折率) 영역)을 모재 내에 주기적으로 마련함으로써 형성된다. 그 주기구조에 의하여, 결정 내에서 브래그(Bragg) 회절을 발생시키고, 또한, 광의 에너지에 관하여 에너지 밴드갭을 형성한다. 포토닉 결정 레이저광원은, 밴드갭 효과를 이용하여 점(点) 결함을 공진기로서 이용하는 것과, 광의 군(群)속도가 0(zero)이 되는 밴드단(端)의 정재파를 이용하는 것이 있다. 모두 소정 파장의 광 을 증폭하여 레이저 발진을 얻는 것이다.
특허문헌 1에는, 2차원 포토닉 결정을 이용한 레이저광원이 기재되어 있다. 이 레이저광원은, 2개의 전극 사이에 발광재료를 포함하는 활성층을 마련하고, 그 활성층 근방에 2차원 포토닉 결정이 형성되어 있다. 이 2차원 포토닉 결정은, 판 형상의 부재에 2차원적인 주기성을 가지는 굴절율의 분포를 마련한 것이다. 이 주기구조의 주기를, 활성층에서 생성되는 광의 매질 내(內) 파장에 일치시켜 놓음으로써, 전극으로부터의 캐리어의 주입에 의하여 활성층에서 생성된 광은, 2차원 포토닉 결정에 있어서 간섭에 의하여 강해져, 레이저 발진한다.
특허문헌 1은, 반도체로 이루어지는 층에 원주(圓柱) 형상(층의 면(面) 내에서는 원형)의 빈 구멍을 주기적(삼각격자 형상, 정방(正方)격자 형상, 육각격자 형상 등)으로 마련함으로써 굴절율 분포를 형성한 2차원 포토닉 결정을 개시하고 있다. 이 경우, 활성층으로부터의 발광에 의하여 2차원 포토닉 결정의 내부에 이차원적으로 정재파가 형성된다. 도 1에, 2차원 포토닉 결정 및 그 내부에 형성되는 정재파를 모식적으로 나타낸다. 이 도면에서는 결정면 내의 한 방향(x방향이라고 한다)의 정재파만을 1차원적으로 나타내고 있지만, 예컨대 정방격자의 경우에는 그에 수직인 방향으로도 정재파가 형성된다. 전장(電場)의 y성분에 착안하면, 이 정재파는, 2차원 포토닉 결정(11) 내의 빈 구멍(12) 부분에 파절(node)을 가지는 것과 파복(antinode)을 가지는 것의 2개의 모드가 형성된다. 어느 빈 구멍(12)의 중심을 지나는 축(z축)을 대칭축이라고 정의하면, 그 축에 관하여 전자는 반(反)대칭이며, 후자는 대칭이다. 여기서 외부 평면파와의 결합을 생각하면, z방향으로 전파하는 평면파의 분포함수는, x방향에 관하여는 동일 양상임에 반하여, 대칭축에 관하여는, 반대칭 모드에서는 기함수, 대칭 모드에서는 우함수가 된다.
2차원 포토닉 결정의 크기가 무한하다고 가정하면, 대칭 모드에서는 외부 평면파와의 중복적분이 0이 아니므로, 면수직 방향으로의 1차 회절광이 생긴다. 그에 반하여, 반대칭 모드에서는 외부 평면파와의 중복적분이 0이 되므로, 면수직 방향으로의 1차 회절광이 생기지 않는다. 따라서, 레이저 발진에는 제한성(confining effect)이 강한 반대칭 모드가 적합하지만, 이 반대칭 모드는 면수직 방향으로 인출할 수 없다.
실제 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저에서는 2차원 포토닉 결정의 크기가 유한하므로, 반대칭 모드의 광도, 대칭성이 무너져서, 면수직 방향으로 인출할 수 있다. 그러나 그 경우에 있어서도, 2차원 포토닉 결정의 중심에서는 높은 대칭성에 의하여 면수직 방향으로 광을 인출할 수 없다. 그로 인해, 레이저광의 빔 단면 형상(빔 프로파일)은, 중심이 강도가 낮고 주위가 강도가 높은 링형태가 된다. 단일 모드 광화이버와의 결합을 고려하면, 빔 프로파일은 이와 같은 링형태보다도, 중심이 가장 강도가 높은 단봉형(單峰形)인 쪽이 바람직하다.
특허문헌 2에는, 레이저광의 결정 외부로의 인출을 개선하기 위하여, 결정면에 수직인 면에 있어서의 빈 구멍의 단면 형상이 주된 발광방향을 향하여 점감(漸減)하고 있는 2차원 포토닉 결정을 이용한 면발광 레이저광원에 대하여 기재되어 있다. 이 광원에서는, 레이저광을 2차원 포토닉 결정의 한쪽 면 측으로부터 선택적으로 인출할 수 있고, 그에 따라, 인출하는 레이저광의 강도를 전체적으로 강하게 할 수 있다. 그러나, 특허문헌 2에서는 그 빔 프로파일에 대하여는 검토되어 있지 않고, 이 레이저광원에서 빔 프로파일을 단봉형으로 할 수는 없다.
특허문헌 3에는, 병진(竝進) 대칭성은 있지만 회전(回轉) 대칭성이 없는격자구조를 형성함으로써, 결정의 모체에 평행한 면 내에서의 대칭성을 무너뜨린 2차원 포토닉 결정을 가지는 면발광 레이저광원에 대하여 기재되어 있다. 이와 같은 대칭성은, 예컨대 빈 구멍을 정방격자 형상으로 배치하고, 각 빈 구멍의 평면 형상을 정삼각형으로 함으로써 형성된다. 이 레이저광원에서는, 2차원 포토닉 결정의격자구조의 대칭성이 낮으므로, 2차원 포토닉 결정의 중심부근에 있어서도 반대칭 모드의 광이 상쇄되지 않고, 그에 따라, 단봉형에 가까운 빔 프로파일을 얻을 수 있다.
또한, 특허문헌 3의 레이저광원에 의하면,격자구조에 회전 대칭성이 없는 것에 의하여 직선편광의 레이저광이 얻어진다. 직선편광의 레이저광은 광화이버와의 결합에 유리하다.
[특허문헌 1] 일본국 특허공개 2000-332351호 공보([0037]～[0056], 도 1)
[특허문헌 2] 일본국 특허공개 2003-273455호 공보([0016]～[0018], 도 1～도 3)
[특허문헌 3] 일본국 특허공개 2004-296538호 공보([0026]～[0037], 도 1～도 5)
＜발명의 개시＞
＜발명이 해결하고자 하는 과제＞
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 빔 프로파일이 단봉형에 가깝고, 또한 직선편광을 가지는 레이저광을 얻을 수 있는 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저광원을 제공하는 것이다.
＜과제를 해결하기 위한 수단＞
상기 과제를 해결하기 위하여 이루어진 본 발명에 관련된 2차원 포토닉 결정을 이용한 면발광 레이저광원은, 판 형상의 모재에 그와는 굴절율이 다른 영역을 다수, 주기적으로 배치하여 이루어지는 2차원 포토닉 결정과, 이 2차원 포토닉 결정의 한 쪽에 마련한 활성층을 구비하는 레이저광원에 있어서,
상기 이굴절률(異屈折率) 영역은 그 평면 형상이 활성층 측보다도 활성층의 반대측에 있어서 작고, 활성층 측의 면에 있어서의 이굴절률 영역의 중심(重心)과 이 반대측의 면에 있어서의 이굴절률 영역의 중심(重心)이 어긋나도록 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
＜발명의 실시예 및 효과＞
본 발명에 관련된 면발광 레이저광원에서는, 활성층의 한 쪽에 2차원 포토닉 결정을 마련한다. 단, 활성층과 2차원 포토닉 결정은 직접 접해 있을 필요는 없고, 양자 간에 스페이서 등의 부재가 삽입되어 있어도 좋다. 활성층으로는, 종래부터 파브리 페로형 레이저광원에 이용되고 있는 것과 마찬가지의 것을 이용할 수 있다. 본 발명의 면발광 레이저광원에서는, 2차원 포토닉 결정의 활성층 및 그 반대측의 면으로부터의 면발광을 이용한다. 이하에서는, 활성층 반대측의 면으로부터의 발광을 이용하는 경우를 예로 설명하고, 편의상, 활성층 반대측의 면을 「발광 측의 면」이라고 한다.
2차원 포토닉 결정은, 판 형상의 모재에, 그와는 굴절율이 다른 영역(이굴절률 영역)을 다수, 주기적으로 배치함으로써 형성한다. 본 발명에서는, 이굴절률 영역의 형상은 이하의 2개의 특징을 가진다.
⑴ 판 형상의 모재에 평행한 면에서의 단면 형상(평면 형상)이, 모재의 활성층 측보다도 발광 측 쪽이 작다.
⑵ 활성층 측의 평면 형상의 중심(重心)과 발광 측의 평면 형상의 중심(重心)이 면 내(in-plane) 방향으로 어긋나 있다.
본 발명에 관련된 2차원 포토닉 결정은 이와 같은 구조를 가지므로, 활성층 측에서 보면, 2차원 포토닉 결정 내에서의 이굴절률 영역의 주기구조는, 발광 측에 있어서 대칭성이 낮다. 본 발명에 관련된 면발광 레이저광원에서는, 전장(電場)의 x방향 및 y방향 성분이 활성층에 있어서 주된 성분이 된다. 그러나 2차원 포토닉 결정 내에 있어서의 전장의 z방향(2차원 포토닉 결정에 수직인 방향)의 성분은 활성층 측의 면보다도 발광 측의 면 쪽이 크고, 그에 따라, x방향 및 y방향을 포함시킨 전장의 시간 평균 강도도, 활성층 측의 면보다도 발광 측의 면 쪽이 크다. 본 발명에서는, 활성층 측의 면보다도 발광 측의 면의 이굴절률 영역의 대칭성을 낮게 함으로써, 2차원 포토닉 결정 내로의 광의 제한성(confining effect)이 약해져서, 레이저광은 외부로 방출되기 쉽게 된다.
또한, 이굴절률 영역의 평면 형상의 중심(重心)이, 활성층 측과 발광 측에서 면 내 방향으로 어긋나 있음으로 해서, 이 2차원 포토닉 결정에서는 모재에 수직인 축을 중심으로 한 회전 대칭성을 상실한다. 이와 같이 결정의 면 내 방향의 대칭성이 낮은 것에 의하여, 이 2차원 포토닉 결정을 마련한 레이저광원에서는, 2차원 포토닉 결정의 중심부근에 있어서도 반대칭 모드의 광이 상쇄되지 않고, 그에 따라, 단봉형에 가까운 빔 프로파일을 얻을 수 있다. 또한, 회전 대칭성이 없는 것에 의하여, 상술한 바와 같이, 직선편광의 레이저광을 인출할 수 있다.
빔 프로파일이 단봉형에 가까운 직선편광의 레이저광을 인출하는 것을 목적으로 하여, 이굴절률 영역의 면 내 방향의 대칭성을 낮게 하는 것은 종래부터 검토되었다(특허문헌 3). 본 발명에서는, 상술한 바와 같이, 판 형상의 모재에 수직인 방향으로도 형상의 변화를 부여한다는 신규의 기술사상에 의하여 면 내 방향의 대칭성을 낮게 하고 있다. 따라서, 이굴절률 영역의 형상을 보다 자유롭게 조정할 수 있다.
상기 특징 ⑴ 및 ⑵를 만족시키는 이굴절률 영역은, 예컨대, 표면에 있어서의 평면 형상을, 활성층 측과 발광 측에서 상사형(相似形)으로 하면서 발광 측 쪽을 작게 하고, 양자의 중심(重心)의 위치를 어긋나게 함으로써, 혹은, 발광 측의 평면 형상을 활성층 측의 평면 형상의 일부를 잘라낸 것으로 함으로써 형성할 수 있다.
상기한 바와 같이 활성층 측의 면과 발광 측의 면에서 이굴절률 영역의 평면 형상에 차이를 마련하는 경우, 양면 사이의 (모재의 내부에 있어서의 평면)형상의 변화는 직선 형상으로 할 수도 있고, 계단 형상으로 할 수도 있다. 제조 상으로는 계단 형상으로 하는 것이 편리하다.
상기 방안에 의하여 면 내 대칭성을 낮게 하는 것에 더하여, 활성층 측 및/ 또는 발광 측의 평면 형상에 의하여, 더욱 면 내의 대칭성을 낮게 할 수도 있다. 예컨대, 활성층 측 및 발광 측의 평면 형상을 정삼각형이나 타원형으로 할 수 있다. 이로써, 빔 프로파일의 단봉성이나 직선편광성을 보다 높일 수 있다.
이굴절률 영역의 주기배치에는, 정방격자, 삼각격자, 육각형의 허니콤(honeycomb) 형상 등이 있다. 그들 중, 레이저 발진에 관련된 에너지 밴드의 개수가 적다는 점에서, 정방격자가 바람직하다.
이굴절률 영역은, 모재와의 굴절율의 차를 크게 할 수 있다는 점, 및 제조 상의 용이성의 관점에서, 빈 구멍으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, 제조할 때에 2차원 포토닉 결정과 다른 층을 높은 온도로 융착할 필요가 있는 경우에는, 융착시에 이굴절률 영역이 변형되는 것을 막기 위하여, 모재에 뭔가의 부재를 집어넣음으로써 이굴절률 영역을 형성해도 좋다.
본 발명의 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저광원의 동작은 기본적으로는 종래의 것과 마찬가지이다. 전압의 인가에 의하여 활성층에 캐리어가 주입되고, 그에 따라 활성층 내의 발광층으로부터 발광이 얻어진다. 이렇게 하여 얻어진 광이 2차원 포토닉 결정에 의하여 피드백을 받아, 활성층 및 포토닉 결정층에서 정재파를 만들어, 레이저 발진이 일어난다. 그리고, 상기 조건이 만족되어 있음으로써, 발광면으로부터 면에 수직인 방향으로 레이저광이 방사된다.
도 1은, 2차원 포토닉 결정 내의 정재파의 반대칭 모드와 대칭 모드를 나타 낸 그래프.
도 2는, 본 발명에 관련된 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저광원의 일실시예를 나타낸 사시도.
도 3은, 본 실시예에 있어서의 2차원 포토닉 결정층 내의 빈 구멍의 형상을 나타낸 단면도.
도 4는, 본 실시예의 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저광원의 제조방법의 일례를 나타낸 단면도 및 상면도.
도 5는, 2차원 포토닉 결정에 있어서의 포토닉 밴드의 예를 나타낸 그래프.
도 6은, 비교예에 있어서의 2차원 포토닉 결정층 내의 빈 구멍의 형상을 나타낸 단면도.
도 7은, 도 6⒜의 비교예에 있어서의 2차원 포토닉 결정 내의 전장(電場)분포 및 결정면으로부터 이격된 면에서의 전장분포를 나타낸 도면.
도 8은, 도 3⒜(본 실시예) 및 도 6⒜(비교예)의 빈 구멍을 이용한 경우의 2차원 포토닉 결정의 Q값을 나타낸 그래프.
도 9는, 도 3⒜의 빈 구멍을 이용한 경우의 2차원 포토닉 결정 내의 전자장(電磁場)분포를 나타낸 도면.
도 10은, 도 3⒝(본 실시예) 및 도 6⒝(비교예)의 빈 구멍을 이용한 경우의 2차원 포토닉 결정의 Q값을 나타낸 표.
도 11은, 도 3⒝(본 실시예) 및 도 6⒝(비교예)의 빈 구멍을 이용한 경우의 2차원 포토닉 결정 내의 전자장분포를 나타낸 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
21 : 양전극(anode)
22 : 음전극(cathode)
23 : 활성층
24 : 2차원 포토닉 결정층
25, 311, 312, 411, 412 : 빈 구멍
261, 262, 263 : 스페이서층(spacer layer)
271, 272 : 클래드층(cladding layer)
28 : 콘택트층(contact layer)
321, 322, 422 : 단차(段差)
본 발명에 관련된 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저광원의 일실시예를, 도 2를 이용하여 설명한다. 양전극(21)과 음전극(22) 사이에, 인듐ㆍ갈륨비소(InGaAs)/갈륨비소(GaAs)로 이루어지고 다중 양자우물(Multiple-Quantum Well; MQW)을 가지는 활성층(23)을 마련한다. 활성층(23) 상에, p형 GaAs로 이루어지는 스페이서층(261)을 개재하여, 동일하게 p형 GaAs로 이루어지는 2차원 포토닉 결정층(24)을 마련한다. 2차원 포토닉 결정층(24)은 판재(板材)에 빈 구멍(25)을 정방격자 형상으로 주기적으로 배치한 것이다. 다만, 이 도면의 예에서는 스페이서(261)와 2차원 포토닉 결정층(24)은 하나의 일체인 층으로서 형성되고, 상측에 있는 2차원 포토닉 결정층(24) 쪽에만 빈 구멍(25)이 형성되어 있다. 활성층(23)과 양전극(21) 사이 에, p형 GaAs로 이루어지는 스페이서층(262), p형 AlGaAs로 이루어지는 클래드층(271) 및 p형 GaAs로 이루어지는 콘택트층(28)을 마련한다. 또한, 활성층(23)과 음전극(22) 사이에, n형 GaAs로 이루어지는 스페이서층(263) 및 n형 AlGaAs로 이루어지는 클래드층(272)을 마련한다. 다만, 도 2에서는, 2차원 포토닉 결정층(24)의 구조를 나타내기 위하여, 스페이서층(262)과 2차원 포토닉 결정층(24)의 사이를 띄우고 그렸다.
본 실시예의 레이저광원의 동작은, 기본적으로는 종래의 2차원 포토닉 결정면발광 레이저광원과 마찬가지이다. 양전극(21)과 음전극(22) 사이에 전압을 인가하면, 양전극(21) 측으로부터 정공이, 음전극(22) 측으로부터 전자가, 각각 활성층(23)에 주입되고, 정공과 전자의 재결합에 의하여 발광한다. 이 광이 2차원 포토닉 결정층(24)에 의하여 피드백을 받아서 레이저 발진한다. 이 레이저광은 콘택트층(28)(출사면)으로부터 외부에 인출된다.
본 실시예에서는, 도 3⒜ 및 도 3⒝에 나타낸 2종류의 빈 구멍을 이용하였다. ⒜, ⒝ 모두, 상측 도면은 판재(31)에 수직인 면(A면)의 단면도, 하측 도면은 판재(31)에 평행한 면(B면, C면)의 단면도(평면도)이다. ⒜에서는, 빈 구멍(311)의 평면 형상은 활성층 측, 발광 측 모두 정삼각형이고, 거의 중앙의 단차(段差)(321)에 의하여 발광 측(B면)을 활성층 측(C면)보다도 작게 한 것이다. 양 정삼각형은 하나의 정점(34)을 공유하고 있으므로, 양자의 중심(重心)은 밑변에 수직인 방향으로 어긋나 있다. 도면에는, 일례로서, 발광 측 정삼각형의 밑변이 활성층 측 정삼각형의 중심(重心)(331) 상에 있는 것을 나타내었다. ⒝에서는, 빈 구멍(312)은 활 성층 측(C면)에 있어서 원형이고, 발광 측(B면)에 있어서, 그 일부를 현에 의하여 자른 형상을 가진다.
이와 같은 빈 구멍(311)을 형성한 2차원 포토닉 결정층(24)을 가지는 면발광 레이저에서는, 가령 B면 형상과 C면 형상이 같더라도, 정삼각형인 빈 구멍에 의한 정방격자라는 구성에 의하여 면 내의 회전 대칭성은 낮지만, 상기와 같이 B면 형상과 C면 형상에 차이를 마련함으로써, 면 내 대칭성은 더욱 낮아진다. 따라서, 상기 빈 구멍(312)을 형성한 2차원 포토닉 결정층(24)을 가지는 면발광 레이저에서는, 이와 같은 낮은 대칭성에 의하여, 단봉형에 가까운 빔 프로파일을 가지는 직선편광의 레이저광을 얻을 수 있다.
본 실시예의 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저광원의 제조방법을, 도 4를 이용하여 설명한다. 다만, 양전극(21), 음전극(22), 활성층(23), 스페이서층(263), 클래드층(271 및 272) 및 콘택트층(28)은 종래와 마찬가지의 방법에 의하여 제작할 수 있으므로, 이하에서는 2차원 포토닉 결정층(24) 및 그 상하에 있는 스페이서층(261 및 262)의 제작방법에 대하여 서술한다. 또한, 여기서는 빈 구멍(312)을 가지는 2차원 포토닉 결정층(24)을 제작하는 경우를 예로 설명하지만, 빈 구멍(311)이나 그 밖의 빈 구멍을 가지는 2차원 포토닉 결정층도 마찬가지로 제작할 수 있다.
p형 GaAs로 이루어지는 기판(51) 상에, 전자 빔(EB) 묘화용 레지스트(52)를 도포한다(⒜ 하측 도면). 다음으로, 레지스트(52) 상의 빈 구멍(312)에 대응하는 위치에 EB를 조사한다. 여기서, 단위면적당 EB의 조사시간을, 빈 구멍(312)이 발광 측에는 형성되지 않은 영역(53a)보다도, 빈 구멍(312)이 활성층 측에서 발광 측까지 관통하는 영역(53b) 쪽이 길어지도록 한다(⒜ 상측 도면). 이 처리에 의하여, 레지스트(52)에, 영역(53b)에서는 기판(51)의 표면까지 관통하고, 영역(53a)에서는 레지스트(52)의 도중까지 파여진 계단 형상의 구멍(54)이 형성된다. 다만, 도면에는 구멍(54)을 1개만 나타내었지만, 실제로는 이를 레지스트(52)에 주기적으로 다수 형성한다. 또한, 구멍(54)은, 나노인 프린트법(nano-printing process) 등의 다른 방법에 의하여 형성할 수도 있다. 나노인 프린트법은, 수(數) 나노미터 정도의 사이즈를 가지는 패턴의 몰드를 형성하고, 이를 레지스트막(膜)에 밀어붙임으로써 레지스트의 미세 패터닝을 행하는 것이다.
다음으로, 염소가스에 의하여 드라이 에칭을 행한다. 에칭의 초기에는 기판(51)은 표면이 노출되어 있는 영역(53b)에 있어서만 에칭된다(도 4⒞). 이때, 레지스트(52)도 서서히 염소가스에 의하여 에칭되고, 머지않아 영역(53a)에 있어서도 기판(51)의 표면이 노출된다(도 4⒟). 그 후는 영역(53a, 53b) 쌍방이 에칭된다. 에칭 개시로부터 소정시간 경과 후, 에칭을 종료한다. 영역(53a)보다도 영역(53b) 쪽이 에칭되는 시간이 길기 때문에, 영역(53b) 쪽이 더 깊게 에칭된 계단 형상의 빈 구멍(312)이 형성된다(도 4⒠). 기판(51) 중, 빈 구멍(312)의 영역(53b) 측의 바닥보다도 하측이 스페이서층(262)이 된다. 다음으로, 레지스트(52)를 제거한다(도 4⒡).
2차원 포토닉 결정층(24)과, 미리 통상의 방법에 의하여 제작된, 활성층(23) 상에 형성된 p형 GaAs로 이루어지는 스페이서층(261)을 겹치고(도 4⒢), 200～700 ℃로 가열함으로써 양자를 융착한다(도 4⒣). 이로써, 본 실시예의 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저광원이 완성된다.
다음으로, 빈 구멍(311) 및 빈 구멍(312)을 마련한 2차원 포토닉 결정을 가지는 면발광 레이저광원에 있어서의, 2차원 포토닉 결정의 Q값 등을 계산한 결과에 대하여, 비교예를 들면서 설명한다.
우선, 이하의 계산에서 이용하는 2차원 포토닉 결정의 포토닉 밴드에 대하여 설명한다. 도 5⒜는 본 실시예와 같이 빈 구멍을 정방격자 형상으로 배치한 경우의 포토닉 밴드 도면이다. 비교를 위하여, 빈 구멍 배치를 삼각격자 형상으로 한 경우의 포토닉 밴드 도면을 도 5⒝에 나타낸다. 다만, 도 5⒜는 빈 구멍을 타원형으로 한 것의 계산결과이지만, 빈 구멍이 다른 형상일 경우에도 기본적으로는 마찬가지이다.
도 5⒝의 경우는 k＝0(Γ점) 부근에 6개의 밴드가 형성됨에 대하여, 도 5⒜의 경우, 밴드는 도 5⒝의 경우보다도 적은 4개이다. 이 4개의 밴드 중, 저에너지(저주파수) 측의 2개의 밴드의 밴드단(端)(A, B)이 레이저 발진에 기여한다. 유한 주기구조를 가지는 실제 디바이스에서는 통상, Γ점 부근에서 평탄한 분산관계를 가지는 밴드단(B)의 Q값은 크게 내려가는 경향이 있어서, Γ점 부근의 경사가 큰 밴드단(A)이 레이저 발진점으로 선택되기 쉽다. 따라서, 안정된 레이저동작을 얻기 위하여는, 무한주기 시스템에 있어서 Q값이, 밴드단(B)보다도 밴드단(A) 쪽에 있어서 더 높아지도록 설계하는 것이 바람직하다.
상하면에서 크기가 다르고 중심(重心) 위치가 어긋난 빈 구멍(311)과의 비교 를 위하여, 상하면을 동일 형상으로 한 삼각 형상의 빈 구멍(411)(도 6⒜)의 경우에 대하여 계산을 행하였다. 도 6⒜의 2차원 포토닉 결정을 이용한 면발광 레이저광원은 특허문헌 3에 기재된 것으로서, 본 실시예와 마찬가지로 단봉성이고 직선편광인 레이저광을 얻는 것을 목적으로 한 것이다. 이 경우의, 밴드단(A)에 있어서의 2차원 포토닉 결정 내의 전장(電場)분포를 도 7⒜에 나타낸다. 이 도면에 있어서, 전장의 강도 및 방향을 화살표의 길이 및 방향으로 나타내고 있다. x축방향의 전장 성분(Ex)은 x축에 관하여 반대칭으로 되어 있는 것에 대하여, y축방향의 전장 성분(Ey)은 y축에 관하여 비대칭으로 되어 있다. 이는 빈 구멍의 평면 형상이 y축에 대하여 비대칭으로 되어 있기 때문에다. 이와 같이 Ex의 반대칭성을 유지하면서 Ey의 반대칭성만을 무너뜨리면, 면 내의 2차원적 일치성(coherence)을 유지하면서 직선편광의 광을 면 외부로 인출할 수 있다. 도 7⒝에, 결정면으로부터 7a(a는 정방격자의 주기, 즉 포토닉 결정의 격자상수)만큼 이격된 면에서의 전장을 나타낸다. y방향으로 강하게 편광하고 있는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 빈 구멍의 형상의 대칭성을 무너뜨림(여기서는 거울대칭성을 무너뜨림)으로써 광을 인출시킨다는 것은, 구조에 따라 Q값을 컨트롤할 수 있음을 시사한다. 실제로, 원형의 평면 형상을 가지는 빈 구멍을 주기적으로 무한하게 배치한 구조에서는 Q값은 무한대이지만, 삼각형의 빈 구멍에서는 Q값은 유한이 된다. 그래서, 이 비교예의 빈 구멍(411)을 정방격자 형상으로 무한하게 배치한 구조를 가정하여, 그 경우의 Q값을 3차원 FDTD법에 의하여 계산한 결과를 도 8에 나타낸다. 도면 중 ○표시는 밴드단(A)에 대하여, □표시는 밴드단(B)에 대하여 각각 계 산한 것이다. 여기서, 채움인자(filling factor; FF)는 빈 구멍의 체적분률(volume fraction)로서, 본 비교예에서는 빈 구멍의 면적/유닛셀의 면적으로 계산된다. 밴드단(A)에서는, 도 7⒜에 나타낸 바와 같이, 빈 구멍을 에워싸도록 전장이 분포되어 있으므로, 빈 구멍이 커질수록 구조변화의 영향이 커진다. 한편, 전장분포는 도시되어 있지 않지만, 밴드단(B)의 모드에서는 전장이 빈 구멍을 피하도록 분포되어 있으므로, Q값은 10만～200만 정도의 높은 레벨을 유지하고 있다. 이 때문에, 레이저 발진에 적합한 밴드단(A)이 아니라, 밴드단(B)의 모드가 레이저 발진에 선택될 가능성이 높다. 게다가, Q값이 극히 높으므로, 레이저광을 면 외부로 인출하는 것은 거의 불가능하다. 실제의 2차원 포토닉 결정에서는 크기가 유한하므로 광을 면 외부로 인출할 수는 있지만, 중심의 강도가 약한 링 형태의 빔 형상이 얻어진다고 생각된다.
그래서, 상기 비교예와는 다른 대칭성의 붕괴 방법을 행한, 도 3⒜에 나타낸 빈 구멍(311)을 마련한 경우(본 실시예)에 대하여 검토한다. 이 경우의 Q값의 계산결과를 도 8에 ●표시(밴드단(A)) 및 ■표시(밴드단(B))로 나타낸다. 여기서는, 도 3⒜에 나타낸 바와 같이, 빈 구멍(311)의, 단차(321)로부터 발광 측의 높이(h) 및 단차(321)의 x축방향의 폭(w)을 모두 같은 값(r)이라 하고, r＝0.1a, 0.13a, 0.19a인 경우에 대하여 계산을 행하였다. FF값(빈 구멍의 체적/유닛셀의 체적)은 각각, 0.173(r=0.1a의 경우), 0.164(r=0.13a), 0.140(r=0.19a)이 된다. FF값이 0.140일 때, 밴드단(A)에서는 Q＝5,007.7, 밴드단(B)에서는 Q＝2,855.5가 된다. 이로써, 밴드단(B)보다도 Q값이 높은 밴드단(A)에 대하여 레이저 공진을 얻을 수 있고, 게다 가 밴드단(A)의 Q값이 수 천 정도의 값이므로, 중심의 강도가 강한 단봉형의 빔을 얻을 수 있다.
도 9에, 빈 구멍(311)을 이용한 경우에 있어서의 2차원 포토닉 결정 내의 전자장 분포를 나타낸다. 이 도면에 있어서, 전장의 강도 및 방향은 상기와 마찬가지로 화살표의 길이 및 방향으로 나타내고, 자장의 강도는 색의 농담(濃淡)으로 나타낸다. 도면의 중심 부근에 빈 구멍이 존재한다. 밴드단(A)에서는 빈 구멍 부근의 전장의 강도가 강해지므로, 면 내 형상이 비대칭이 됨에 의한 영향을 강하게 받는다고 생각된다. 따라서, 본 실시예와 같이 상하면 형상에 차이를 마련하지 않아도 Q값을 내릴 수 있다. 그에 대하여 밴드단(B)에서는 빈 구멍을 피하도록 전장이 형성되어 있으므로, 면 내 비대칭성 뿐만아니라 상하면 형상에 차이를 마련함으로써 비로소 Q값을 내릴 수 있다고 생각된다.
다음으로, 도 3⒝에 나타낸 빈 구멍(312)을 마련한 레이저광원에 대하여 계산을 행한 결과를 나타낸다. 비교를 위하여, 도 6⒝에 나타낸 빈 구멍(412)을 마련한 레이저광원에 대하여도 마찬가지의 계산을 행하였다. 빈 구멍(412)은, 단차(422)보다도 상측에서는 원(圓)임에 대하여, 단차(422)보다도 하측에서는 원의 일부를 잘라낸 형상을 가지는 것이다. 따라서, 빈 구멍(312와 412)에서는, 발광 측의 형상과 활성층 측의 형상을 바꿔 놓은 듯이 되어 있다.
Q값의 계산결과를 도 10에 나타낸다. 본 실시예 쪽이 비교예의 경우보다도 Q값이 작다. 비교예에서는 밴드단(A)의 Q값이 34,525로 높으므로, 밴드단(A)에 대하여 선택적으로 공진이 생기고, 그 광은 높은 Q값이므로 외부로 인출하기 어렵다. 그것에 반하여, 본 실시예에서는 밴드단(A), 밴드단(B) 쌍방의 Q값이 수 천의 오더이므로, 레이저 공진을 얻을 수 있음과 함께 외부로 레이저광을 인출할 수 있다.
평면 형상의 비대칭성이 형성되는 것은, 빈 구멍(412)에서는 단차(422)보다도 활성층 측임에 반하여, 빈 구멍(312)에서는 단차(322)보다도 발광면 측이다. 이로부터, 평면 형상의 비대칭성을 발광면에 가까울수록 강하게 함으로써, 발광면으로부터의 광의 인출이 보다 용이해진다고 생각된다.
도 11에, 본 실시예(빈 구멍(312)) 및 비교예(빈 구멍(412))의 경우에 있어서의 2차원 포토닉 결정 내의 전자장 분포를 나타낸다. 비교예보다도 본 실시예 쪽이, 그리고, 밴드단(A)보다도 밴드단(B) 쪽이, 유닛셀의 중심에 대하여 전장 분포의 파절(節; node)이 크게 어긋나 있다. 이로부터, Q값이 작을수록 전장 분포의 대칭성이 낮다고 할 수 있다.
본 발명에서는, 상술한 바와 같이, 단봉성ㆍ직선편광을 얻는 것을 목적으로 한 종래의 2차원 포토닉 결정 면발광 레이저광원보다도 이굴절률 영역(빈 구멍)의 형상을 자유롭게 조정할 수 있다. 그 중에서, 상술한 형상을 가지는 빈 구멍(311 및 312)을 이용함으로써, 단봉성이고 또한 직선편광이며, 더욱이, 강도가 강한 레이저광을 얻을 수 있다.

Claims (6)

  1. 판(板) 형상의 모재(母材)에 그와는 굴절율이 다른 영역인 이굴절률 영역을 다수, 주기적으로 배치하여 이루어지는 2차원 포토닉 결정과, 이 2차원 포토닉 결정의 일방(一方) 측에 마련한 활성층을 구비하는 레이저광원에 있어서,
    상기 이굴절률(異屈折率) 영역은 그 평면 형상이 활성층 측보다도 활성층의 반대측에 있어서 작고, 활성층 측의 면에 있어서의 이굴절률 영역의 중심(重心)과 이 반대측의 면에 있어서의 이굴절률 영역의 중심(重心)이 어긋나도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정을 이용한 면(面)발광 레이저광원.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 이굴절률 영역의 모재에 수직인 면에 있어서의 단면 형상이 계단 형상인 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정을 이용한 면발광 레이저광원.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 이굴절률 영역의 활성층 측의 면에 있어서의 형상이 정삼각형이고, 활성층의 반대측의 면에 있어서의 형상이 그보다도 작은 정삼각형인 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정을 이용한 면발광 레이저광원.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 이굴절률 영역의 활성층 측의 면에 있어서의 형상이 원형이고, 활성층의 반대측의 면에 있어서의 형상이 그 원의 일부를 잘라낸 형상인 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정면을 이용한 발광 레이저광원.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 이굴절률 영역의 배치가 정방(正方)격자 형상인 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정을 이용한 면발광 레이저광원.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 이굴절률 영역이 빈 구멍 또는 모재와는 굴절율이 다른 재료로 이루어지는 부재에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정을 이용한 면발광 레이저광원.
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