TW200803093A - Two-dimensional photonic crystal surface light-emitting laser light source - Google Patents

Description

200803093 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種從平面狀光源朝與面垂直之方向放 射雷射光的二維光子結晶面發光雷射光源。 【先前技術】 射率區域）周期性地設置於母材内而形成。藉由此周期構造 在…曰曰内產生布雷格繞射，且在光之能量出現能量帶隙。 近年來，開發一種使用光子結晶之新型雷射光源。光 子結晶係於電介質所構成之母材以人工方式形成周期構造 者。周期構造一般係藉由將折射率與母材不同之區域（異折 光子結晶雷射光源，有利用帶隙效果並使用點缺陷作為諧 振器者、與利用光之波群速度為〇之帶邊緣的駐波者，兩 者均為將既定波長之光放大來得到雷射振盪者。 二維光子結晶形成於含發光材

專利文獻1記載一種將二維光子、释 料之活性層附近的雷射光源。此二維光 所構成之板狀母材周期性（三角格狀、正 等）設有圓柱形孔隙，折射率之分布具有 頌將孔隙11 内部之駐波 5 200803093 之^磁场分布的牡要 rgn ,

灰声厂曲、"圖中’粗線所示之圓係顯示孔隙11、 灰色之濃淡係顯示磁場 A ^ i e ^、前頭之方向及長度係顯示 私令之方向及強度。雷 心(中心)且相斟 ^ η》成為包圍孔隙1 1之圓的重

Ir )立相對此重心呈及斟菇y 小為無限大時，由於此雷Γ二維光子結晶之大 Ψ Μ Φ 1- ' 劳之反對稱性，在所有孔隙因干 涉而抵消電場（消失性 丁 ^ ^ )田射先不釋出至外部。 由於實際上二维#;处曰 性使-i曰不奋Α 大小有限，失去其反對稱 光二7 全抵消，因此二維光子結晶内產生之雷射 九的一部分會Μ Φ = μ a 卜。卜然而’釋出至外部之雷射光的 又又包％干涉之影響而減弱。 專利文獻2記載有—種面發光雷射光源，其使用格子 夕（將秸子形狀與異折射率區域形狀配合所構成）具備平 私對稱性但無旋轉對稱性之二維光子結晶。此種二維光子 結晶，可列舉例如將異折射率區域配置成正方格狀並使各 ”折射率區域成為正三角形等，格子與異折射率區域具有 :轉對’冉性者。由於此種面發光雷射光源之二維光子 、，曰曰構k之對稱性較專利文&丨所記載者低，因此會抑制 、’失丨生干涉之影響’藉此從面垂直方向取出之光的強合 變強。 曰 狀1 ··日本特開2000— 332351號公報（〔0037〕 〔0056〕，圖 〇 專利文獻2 :日本特開2004- 296538號公報（〔0026〕 〔0037〕，〔 〇〇46〕圖）〜圖 5，圖 22) 【發明内容】 6 200803093 專利文獻2所記載之：維光子結晶料抑㈣失性干 涉之影響並增強雷射光之強度至某種程度，但仍謀求能得 到更強強度之雷射光的面發光雷射光源。 本發明欲解決之課題在於提供一種可獲得較以往更強 強度之雷射光的二維光子結晶面發光雷射光源。 為解決前述課題而構成之本發明之二維光子結晶面發 光雷射光源，具備於板狀母材周期性配置折射率與該母材 不同之相同形狀之區域所構成的二維光子結晶、及設置於 該二維光子結晶之一側的活性層，其特徵在於： 各異折射率區域不存在於該異折射率區域之重心及以 該重心為起點延伸至二維光子結晶之面内的第1半直線 上，該異折射率區域存在於以該重心為起點延伸至第1半 直、、泉之相反側之弟2半直線上的至少一部分。 異折射率區域，可使用V字形者、或將相同形狀之3 個折射率與母材不同之區域配置成三角形者等。 本發明之二維光子結晶面發光雷射光源，挾持異折射 率區域之重心於第1半直線侧無異折射率區域但存在有母 材，於第2半直線側異折射率區域至少存在一部分。因此， 形成於第2半直線側之異折射率區域存在之位置之駐波的 電場，與形成於相對該重心呈對稱位置之駐波的電場，由 於兩位置之折射率（介電係數）不同導致強度亦不同，因此 會抑制消失性干涉。藉此’ @以較f知 & u J 、、、口日日曲發 光雷射光源更㉟的強度將二維光子、结曰曰曰内之雷射光自與該 結晶垂直的方向取出。 Λ 7 l貝苑方式】 本·明之二維光子結晶面 一側具有二維光子結晶。秋而 射光源，於活性層之 曰曰 而而，法从SL A， 需接觸，於兩者n J d /、二維光子結晶無 與以往使用於法布立— ^了。活性層可使用 係藉由注入電冶# ~A i田射光源相同者。活性層， 入電机使包含作為目 光發光，可使用與以往使用…射先波長之波長帶的 同者。 使用於法布立-拍若型雷射光源相 一、、、光子結晶與習知面發 母材周期性配置折射率與該由於板狀 來形成折射率的周期分布：或。、折射率區域) 方格狀、三角柊狀箄心/ 率£域之排列可使用正 率區域之來壯知门 '光田射相同者。各異折射 製造之觀點來看…… 材之折射率的差及容易 藉由將芊種槿杜 域較佳為孔隙。然而，亦可 :=種構件埋設於母材來形成異折射率區域。例如當 ra古、... 接一維先子結晶與其他層日夺，為防止 同溫導致異折射率區域變形， 文心J週田地使用埋設有構件 射率區域。埋設有構件之異折射率區域，可藉由首 先形成該等構件，於配置之後，以母材之材料填埋其 周圍來製作。 ' 、，本毛月中，各異折射率區域係使用具有下述形狀者。 首先，異折射率區域之重心存在於該異折射率區域之外， 亦即選擇該異折射率區域不存在於重心上之形狀。接著， 該異折射率區域亦不存在於以該重心為起點延伸至二維光 8 200803093 子結晶面内任一方向之半直線（第1半直線）上。第！半直 線與異折射率區域排列之格子的方向無關，亦可延伸至任 方向$彳面’该異折射率區域之至少—部分存在於 自該重心延伸至第1主古μ > ^ 一 甲弟1丰直線之相反側（180。不同方向）的第 2半直線上。此種異折射產 .7 r , 斤耵半&域，有例如V字形者或將相 同形狀之3個折射率與母材不同之區域配置成三角形者。 猎由以此方式形成異折射率區域，在由第 第一2半直線所構成之直線上，至少於-部分，相對重2 對稱之兩點之折射率彼此不同（_側為母材之折射率，另一 =異折射率區域之折射率）。如前述，雖形成於二維光子 曰曰内之光之駐波的電場向量形成為以異折射率區域之重 Γ寸近為中心環繞，但由於此等兩點之電場向量因此折射 率之不同而彼此不呈反對稱，因此會抑制消失性干涉。因 此 相車父以往’自血二維jL么丄q γ匕 # ,, ^ ^ η 一、准先子、、、口日日垂直之方向取出之輸出 先的強度會增加。 ^ 在習知二維光子結晶面發光雷射光源之異折射率區 =圓形、橢圓形、正三角形、等腰三角形、直角三角形、 '鈎形' 及排列大小兩個圓者（圓形者揭示於專利文 5 1、其他形狀之孔隙揭示於專利文^ 2)等，重 異折射率區域内，異折射率 ； — 列耵羊£域亦存在於該重心周圍之任 近方二此等f知面發光雷射光源’至少在重心附 亥重心彼此呈對稱之兩點，兩者之折射率相同， =位置之電場向量彼此呈反對稱。因此，該等兩點之 "會因消失性干涉而抵消。相對於此，由於本發明如上 9 200803093 述般可抑制消，失性干涉，因此能取出較f知二維光子結 面發光雷射光源更強強度之雷射光。 习习本發明之二維光子結晶面發光雷射光源的使用方法與 白知者相同，係藉由將電流注人活性層而得到雷射光。 S將電流注人活性層時，包含作為目標之雷射光波長 之波長帶的光自活性層發光。藉由此光中與二維光子結晶 之周期對應之波長之光’於二維光子結晶内形成二維駐 波，藉由增強此光而得到雷射振蘯，自與二維光子結晶垂 直之方向取出。 (實施例） 使用圖2〜圖6說明本發明之二維光子結晶面發光雷 射光源（以下稱為「面發光雷射」）之實施例。 圖2係本實施例之面發光雷射的立體圖。於n型半導 體之石申化鎵（GaAs)構成之上部基板21下設置活性層& :f f生層2”失持由η型半導體之砷化鋁鎵(A1GaAs)構成之 覆^層^’並具有㈣化銦鎵（InGaAs)/珅化鎵（G則構成 之夕重1子井（Multiple _ Quantum评以；。於活性 層。之下設置二維光子結晶24。二維光子結晶μ之構成 如後述:於二維光子結晶24之下，挾持由卩型滿士構 成之覆盖層25設置由？型GaAs構成之下部基板％。 於上部基板21之上設置上部電極27，於下部基板％ 之下設置下部電極28。其中上部電極27具有能使本實施 例之面發光雷射釋出之雷射光通過的窗271。下部電極Μ 具有較包含窗271之上部電極27的面積小的面積。又， 200803093 下部電極28與活性層23間之距離，係較上部電極27與 活性層23間之距離小。藉由此等上部電極27及下部電極 28之構成，當於上部電極27與下部電極28之間施加電壓 時，可使電流集中於活性層23内之狹窄範圍以提高該區 域之電流密度，藉此可自活性層23得到能產生雷射振盪 之足夠強度之光。又，可將活性層23產生之熱高效率釋 放至下部基板26等。 此外，亦可將活性層23與二維光子結晶24彼此之位 置交替配置。又，此處為了方便雖使用「上」「下」之表 現，但此等並非用來限定本實施例之面發光雷射的方"向。又 接著說明本實施例之面發光雷射之二維光子結晶24的 構成。本實施例中，使用圖3(4及（b)所示之兩種二維光子 結晶24A及24B。二維光子結晶24A及24β皆為在由p型

GaAs構成之板狀母材將孔隙（異折射率區域）配置成正方格 狀者。 配置於二維光子結晶24A之孔隙242A具有V字形。 圖4(a)係顯不取出該孔隙242A中之一個孔隙242八，。孔隙 242A並不存在於孔隙242A，之重心的位置，但存在有 母材20之p型GaAs。又，該孔隙242A，不存在於延伸 至重心G1左方之第i半直線251上。另一方面，自重心 G1 I伸至第1半直線251之相反側的第2半直線252通過 孔隙242A，。亦即，孔隙242A，存在於第2半直線252上 之一部分。 如圖4(a)中粗箭頭所示，二維光子結晶24a，由於形 11 200803093 成在第2半直線252上之孔隙242A内之電場向量292、及 形成在相對重心G1與電場向量292呈對稱位置之母材241 内之電場向量291，兩者存在之位置的折射率不同，因此 不具反對稱性。因此，可抑制電場向量291與292之消失 性干涉。 其次’圖4(b)係顯示取出配置於二維光子結晶24B之 孔隙242B中之一個孔隙242B，。孔隙242B，係將由圓形孔 隙構成之3個孔隙構成元件261，262, 263配置於正三角形 (圖中細虛線所示者）之頂點者。於此二維光子結晶24b， 此等3個孔隙構成元件261〜263具有1個異折射率區域（孔 隙）242B，之作用。孔隙242B，之重心G2存在於細虛線之 正三角形之重心的位置。孔隙構成元件261〜M3並不存 在於此重心G2之位置，但存在有母材241之p型GaAs。 又，孔隙構成元件261〜263亦不存在於延伸至重心〇2左 方之第1半直、線251上。另一方面，延伸至第i半直線251 相反側之第2半直線252通過孔隙構成元件263。亦即， 孔隙242B’存在於第2半直線252上之一部分。 於一維光子結晶24B，亦與二維光子結晶24A相同， 形成在第2半直線252上之孔隙242B内之電場向量a%、 與形成在相對重心G2與電場向量292呈對稱位置之母材 内之電％向里291不具反對稱性，藉此可抑制電場向量2 w 與292之消失性干涉。 一此外，此處雖顯示將孔隙構成元件261〜263配置於正 一角形之頂點的孔隙作為一例，但使用將孔隙構成元件j 12 200803093 〜263配置於正二角形以外形狀之三角形頂點之孔隙的二 維光子結晶，亦具有與二維光子結晶24B相同的效果。 雖圖4(a)，（b)皆僅顯示！組半直線251及252，但實際 上通過圖5中斜線所示之範圍内且以重心為起點之半直線 皆滿足作為第1半直線之要件，由於孔隙存在於延伸至該 第半直線相反側之半直線（存在於圖5之網線範圍内）之 上，因此滿足第2半直線之要件。因此，能抑制消失性干 涉之區域擴及二維光子結晶内之廣大範圍。 如此在一維光子結晶内之廣大範圍内可抑制消失性 干涉，由於位於相肖重心呈對稱位置之電場向量彼此並不 會完全抵消，因此可自上部電極27之窗271以較以往更 強強度將二維光子結晶内諧振得到之雷射光取出至外部。 —圖6係、顯示以二維FDTD (時域差分）料算形成於 本實施例之二維光子結晶内之電磁場分布的結果。與圖1 相同’灰色之濃淡係顯示磁場之強弱，箭頭之方向及長度 係顯示電場之方向及強度。圖6⑷係使用二維光子結晶Μ: 時、圖6(b)係使用二維光子結晶24β時之計算結果。二維 光子結晶24A，相對重心G1與該孔隙242a内之位置呈對 稱位置的電場強度，較位於重心G1右 位置的電場強度弱。⑽子結晶24B，相 孔隙構成元件261 A 262呈對稱位置之電場強度，較孔隙 構成兀件26^ 262内之電場強度強。又，相對重心q 與孔隙構成元件263呈對稱位詈夕雪% — 了轉位置之電场強度，較孔隙構成 元件加内之電場強度弱。以此方式，由於本實施例中形 13 200803093 成相對重〜呈非對稱之電場，因此可抑制消失性干涉之影 響’藉此得到更強強度之雷射光。 計算使用二維光子結晶24A及二維光子結晶24B時之 a 該α丄值係顯示將藉由二維FDTD法求出之光子鲈 晶層面内之電場分布進行傅立葉轉換後…射出至面： 直方向之頻率成分的比例"b α丄之值愈大意指輸出至與 二維光子結晶垂直之方向之光的強度愈強。為了比較，對 使用將正三角形孔隙配置成正方格狀之二維光子結晶的習 知面發光雷射亦進行相同之計算。其結果，將此習知面發 光雷射之α丄設為1時，使用二維光子結晶24Α者之α丄 為7.丨，使用二維光子結晶24Β者之α丄為ΐ4·9。從此計算 、’《果可t，與4知相較本貫施例之面發光雷射以更強強 度取出雷射光。 此外，本發明之異折射率區域（孔隙）的形狀，如前述 只要是該異折射率區域不存在於第丨半直線上，但該異折 射率區域存在於第2半直線上之至少一部分者即可，當然 亚不限於本實施例所示者。又，異折射率區域之配置，本 實施例雖為正方格狀，但亦可取三角格狀、交叉格狀、及 長方格狀等其他配置。此外，活性層、覆蓋層、及電極等 一維光子結晶以外之構成元件並不限於本實施例所示者， 可直接使用習知二維光子面發光雷射所使用者。 【圖式簡單說明】 圖1係顯示計异習知二維光子結晶面發光雷射光源中 二維光子結晶内之電磁場分布之結果的圖。 14 200803093 雷射光源之 圖2係顯示本發 _ 十知明之一維先子結晶面發光 一實施例的立體圖。 〇 、1 b )係本實施例之二維光子結晶的立體 圖。 圖4 ( a )、（ b )係設置於本實施例之二維光子結晶 内之孔隙的俯視圖。 圖5 ( a )、（ b )係顯示滿足本實施例中二維光子結 晶之孔隙内第1半直線及第2半直線之要件之區域的俯視 圖。 圖6 ( a )、（ b )係顯示計算本實施例中形成於二維 光子結晶之電磁場分布之結果的圖。 【主要元件符號說明】 1 1，242A，242B 孔隙 21 上部基板 22 覆蓋層 23 活性層 24, 24A，24B 二維光子結晶 241 母材 25 覆蓋層 251 第1半直線 252 弟2半直線 26 下部基板 261， 262, 263 孔隙構成元件 27 上部電極 15 200803093 271 28 291， 292 Gl，G2 窗 下部電極 電場向寬* 重心 16

Claims (1)

1. 200803093 十、申請專利範圍： 具備於板狀母 狀之區域所構 晶之一側的活 、-種二維光子結晶面發光雷射光源， 材周期性配置折射率與該母材不同之相同形 成的一、准光子結晶、及設置於該二維光子結 性層，其特徵在於： 各異折射率區域不存在於該異折射率區域之 該重心為起點延伸至二維光子結晶之面内的第1 ^ 1 上’該異折射率區域存在於以該重心H點延伸至第1 = 直線之相反側之第2半直線上的至少一部分。 、 2、 如申請專利範圍第丨項之二維光曰 、 u 丁、、、口日日面發光雷射 光源，其中’各異折射率區域為V字形。 3、 如申請專利範圍第！項之二維光子結晶面發光雷射 光源’其中’各異折射率區域，係將相同形壯 、 」〜狀之3個折射 率與母材不同之區域配置成三角形者。 十一、圖式： 如次頁。 17