專利名稱：二維光子晶體面發(fā)光激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)二維光子晶體面發(fā)光激光器，特別是有關(guān)在靠注入載流子發(fā)光的激活層或其附近具有二維配置折射率周期的二維光子晶體周期結(jié)構(gòu)體、并利用光子晶體進行諧振而面發(fā)光的二維光子晶體面發(fā)光激光器。
背景技術(shù)：
以往，曾對從基板面沿垂直方向射出激光的面發(fā)光激光器進行了各種開發(fā)、研究。面發(fā)光激光器由于能在同一塊基板上集成(陣列化)多個元件，并從各元件并行射出相干光，所以，人們期待著其在并行光學拾取器、并行光傳輸、光并行信息處理等領(lǐng)域中獲得應(yīng)用。
作為這種面發(fā)光激光器，在特開2000-332351號公報中揭示了一種利用光子晶體的二維光子晶體面發(fā)光激光器。所謂光子晶體是指具有和光的波長相同程度或更小的折射率周期的晶體，在介質(zhì)的多維周期結(jié)構(gòu)體的情況下，根據(jù)和半導(dǎo)體的晶體中在電子狀態(tài)下產(chǎn)生帶隙同樣的原理，產(chǎn)生抑制光的波導(dǎo)的波段(光子帶隙)，能將光封閉在二維或三維的空間。
所述專利文獻中記載的二維光子晶體面發(fā)光激光器為在靠注入載流子發(fā)光的激活層附近具有二維配置折射率周期的光子晶體周期結(jié)構(gòu)體、并利用光子晶體進行諧振而面發(fā)光的器件。
具體如圖25所示，二維光子晶體面發(fā)光激光器10大致為在基板11上層疊下部包復(fù)層12、激活層13、上部包復(fù)層14，在下部包復(fù)層12內(nèi)的激活層13附近有二維光子晶體20。
基板11例如由n型InP的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。下部包復(fù)層12及上部包復(fù)層14例如各為n型及p型InP半導(dǎo)體層，折射率比激活層13要低。二維光子晶體20由形成于下部包復(fù)層12中的空位(也稱為光子晶體周期結(jié)構(gòu)體21、陣點)構(gòu)成，由和下部包復(fù)層12折射率不同的介質(zhì)按照二維的周期排列的正方晶格或三角晶格組成?？瘴粌?nèi)可以填入SiN等。激活層13例如由采用InGaAs/InGaAsP系的半導(dǎo)體材料的多重量子阱結(jié)構(gòu)構(gòu)成，靠注入載流子發(fā)光。
利用下部包復(fù)層12及上部包復(fù)層14夾住激活層13形成雙異質(zhì)結(jié)，就將載流子封閉在內(nèi)，使有助于發(fā)光的載流子集中在激活層13。
在基板11的底面及上部包復(fù)層14的上表面形成由金等構(gòu)成的下部電極16及上部電極17。通過在電極16、17間外加電壓，使激活層13發(fā)光，從該激活層13漏出的光射入二維光子晶體20。波長與二維光子晶體20的晶格間隔一致的光由二維光子晶體20進行諧振并放大。通過這樣，從上部包復(fù)層14的上表面(位于電極17周圍的發(fā)光區(qū)域18)發(fā)出相干光。
現(xiàn)對由圖26示出的正方晶格組成的二維光子晶體20說明其諧振作用。還有晶格形狀不限于正方晶格，正交晶格等也可以。
二維光子晶體20由在第1介質(zhì)12內(nèi)沿和空位等第2介質(zhì)21正交的兩個方向按照相同周期形成的正方晶格組成。正方晶格具有Γ-X方向和Γ-M方向的代表性的方向。如設(shè)與Γ-X方向相鄰的第2介質(zhì)21的間隔為a，則形成由將第2介質(zhì)21作為陣點的一邊為a的正方形組成的基本晶格E。
當波長λ與基本晶格E的晶格間隔a一致的光L沿Γ-X方向前進時，光L在陣點處衍射。其中，只有相對光L的前進方向沿0°、±90°、180°的方向衍射的光才滿足布拉格條件。再因沿0°、±90°、180°的方向衍射的光的前進方向存在陣點，所以衍射光再次相對前進方向沿0°、±90°、180°的方向衍射。
若光L反復(fù)一次或多次衍射，則由于衍射光返回原來的陣點，所以產(chǎn)生諧振作用。另外，沿與圖26的紙面垂直的方向1級衍射的光也滿足布拉格條件。因此，由于諧振而放大的光經(jīng)上部包復(fù)層14射出，就具有面發(fā)光功能。另外，由于在所有陣點處均產(chǎn)生這一現(xiàn)象，所以能在整個面上產(chǎn)生相干的激光振蕩。
為了進一步定量地對利用所述光子晶體的二維諧振現(xiàn)象進行分析，將二維正方晶格光子晶體中的光的分散關(guān)系示于圖27。圖27中，橫軸表示稱為波矢的光的波數(shù)的方向和大小?？v軸表示光的頻率乘a/c的無量鋼的歸一化的頻率。這里，c為光速(單位m/sec)，a為晶格間隔(單位m)。
光能的傳播速度即群速vg由于可以用ω/κ表示，在圖27中在其斜率為0的能帶端，光的群速為0，這意味著產(chǎn)生駐波。因此，在各種能帶端，就會產(chǎn)生有與各能帶端對應(yīng)的特征的激光振蕩。其中，點S(Γ點第2群)的能帶端和前述的4波耦合，為沿與面垂直的方向取出光的振蕩點。
圖28表示所述點S的詳細放大圖，參照圖28，在Γ點的能帶端上有包含進行一個雙重退縮的能帶端III、IV在內(nèi)的四個能帶端(方式)I、II，III，IV，可以認為激光振蕩在這四個能帶端(方式)中的任一個上產(chǎn)生。
上述四個方式中，能帶端III、IV兩點由于正在退縮，根據(jù)退縮的性質(zhì)，電場分布不能唯一地決定，變得不穩(wěn)定。另外未退縮的其它兩個方式I、II的偏振光是特異的，具有圖29及圖30所示的特征。圖29表示方式I的面發(fā)光分量的電場分布，圖30表示方式II的面發(fā)光分量的電場分布。
從圖29及圖30可知，由于方式I、II的偏振方向都因地方而異，所以存在的問題是不能用于要求偏振光一致的用途。另外，在發(fā)光面的中心部上由于電場沿互相抵消的方向重疊在一起，最此最終形成只有周圍亮、中心暗的環(huán)狀的發(fā)光。
另外，關(guān)于雙重退縮的方式III、IV，如上所述，根據(jù)退縮的性質(zhì)，電場分布變得不是一定，即使是方式III、IV，偏振光也不是唯一地決定，變得不穩(wěn)定。因而，本發(fā)明者們研究沿某個特定方向使偏振光方向一致的現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)通過適當?shù)卦O(shè)計構(gòu)成二維光子晶體的陣點形狀，從而能使偏振光沿一個方向一致(參照特開2003-23193號公報)。
作為其一個例子，圖31示出陣點形狀形成橢圓形時振蕩點附近的能帶結(jié)構(gòu)，其電場分布示于圖32A、圖32B～圖35A、圖35B。
根據(jù)圖31所示的能帶結(jié)構(gòu)可知陣點形狀為標準圓形時，退縮的方式III、IV完全解除退縮，變成新的方式III’、IV’。還有，從能量低的一方開始將陣點形狀橢圓化后得到的方式命名為方式I’、II’、III’、IV’，以與標準圓形的方式區(qū)別開來。
另外，從表示電場分布的圖32A、圖32B～圖35A、圖35B可知在陣點形狀橢圓化帶來的效果上非常重要的一點，當然是解除退縮的方式III’、IV’，另外，即使在方式I’、II’中偏振方向也集中在一個方向。
但是，方式III’、IV’除了偏振方向外，相位也在發(fā)光面的所有部位都一致。相反，方式I’、II’偏振方向雖一致，但由于隔開中心部在上下(方式I’)或左右(方式II)的相位180°反相，所以存在的問題是發(fā)光面中心部電場互相抵消，變暗，作雙峰性振蕩。
再有，當利用作為光子晶體的諧振器的性質(zhì)，方式I’、II’的Q值比III’、IV’高，若選擇方式III’、IV’作為振蕩方式時，與選擇方式I’、II’作為振蕩方式時相比，還發(fā)現(xiàn)閾值變高的問題。也就是難以兼顧使用方便的單峰性直線偏振光和低閾值(高Q值)這兩方面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明之目的在于提供一種面發(fā)光的光是單峰性的直線偏振光、同時Q值高的二維光子晶體面發(fā)光激光器。
為達到上述目的，本申請第1方面的特點為，在靠注入載流子發(fā)光的激活層或其附近、內(nèi)裝將不同折射率的介質(zhì)按二維的周期排列的光子晶體周期結(jié)構(gòu)體的二維光子晶體面發(fā)光激光器中，所述光子晶體的晶格結(jié)構(gòu)是正方晶格或正交晶格，內(nèi)裝具有平移對稱性但不具有旋轉(zhuǎn)對稱性的光子晶體。
本申請第2方面的特點為，在靠注入載流子發(fā)光的激活層或其附近、內(nèi)裝將不同折射率的介質(zhì)按二維的周期排列的光子晶體周期結(jié)構(gòu)體的二維光子晶體面發(fā)光激光器中，內(nèi)裝所述光子晶體的晶格結(jié)構(gòu)是正方晶格或正交晶格、并按照二維圖樣的IUC(International Union of Crystallography in 1952，國際結(jié)晶學聯(lián)合會1952)分類方法內(nèi)藏p1、pm、pg或cm中任一種的光子晶體。
所述本申請第1及第2方面涉及的二維光子晶體面發(fā)光激光器中，通過將光子晶體的晶格結(jié)構(gòu)采用具有平移對稱性但不具有旋轉(zhuǎn)對稱性的結(jié)構(gòu)，換言之，通過采用按前述分類方法為pl、pm、pg或cm中任一種，從而面發(fā)光的光是單峰性的直線偏振光，同時還能使Q值提高(降低閾值)。
在本申請第1及第2方面涉及的二維光子晶體面發(fā)光激光器中，最好光子晶體的陣點形狀近似為三角形。另外，光子晶體的陣點形狀也可以以較大的近似圓形的和較小的近似圓形的組合而構(gòu)成。或者，可以用光子晶體的陣點為折射率不同的兩種及兩種以上的介質(zhì)或有折射率分布的介質(zhì)構(gòu)成。


圖1為表示本發(fā)明涉及的二維光子晶體面發(fā)光激光器的晶體面結(jié)構(gòu)的一示例(陣點為三角形)的俯視圖。
圖2為表示圖1示出的光子晶體的面發(fā)光分量(方式I”)的電場分布圖。
圖3為表示圖1示出的光子晶體的面發(fā)光分量(方式II”)的電場分布圖。
圖4為表示圖1示出的光子晶體的面發(fā)光分量(方式III”)的電場分布圖。
圖5為表示圖1示出的光子晶體的面發(fā)光分量(方式IV”)的電場分布圖。
圖6A、圖6B、圖6C為表示陣點為標準圓形時的方式I的電場分布圖。
圖7A、圖7B、圖7C為表示陣點為橢圓形時的方式I’的電場分布圖。
圖8A、圖8B、圖8C為表示陣點為三角形時的方式I”的電場分布圖。
圖9A為表示陣點為標準圓形時關(guān)于方式I的光子晶體區(qū)域中的電場分布圖，圖9B表示關(guān)于上述方式I的面發(fā)光分量的電場分布圖。
圖10A為表示陣點為三角形時關(guān)于方式I”的光子晶體區(qū)域中的電場分布圖，圖10B表示關(guān)于上述方式I”的面發(fā)光分量的電場分布圖。
圖11A、圖11B、圖11C為表示陣點為標準圓形時的方式II的電場分布圖。
圖12A、圖12B、圖12C為表示陣點為橢圓形時的方式II’的電場分布圖。
圖13A、圖13B、圖13C為表示陣點為三角形時的方式II”的電場分布圖。
圖14A為表示鏡像用說明圖、圖14B為表示偏移鏡像用的說明圖。
圖15為表示陣點形狀及其排列的其它示例用的俯視圖。
圖16為表示陣點形狀及其排列的又一其它示例用的俯視圖。
圖17為表示陣點形狀及其排列的又一其它示例用的俯視圖。
圖18為表示陣點形狀及其排列的又一其它示例用的俯視圖。
圖19為表示陣點形狀及其排列的又一其它示例用的俯視圖。
圖20為表示陣點形狀及其排列的又一其它示例用的俯視圖。
圖21為表示陣點形狀及其排列的又一其它示例用的俯視圖。
圖22為表示陣點形狀及其排列的又一其它示例用的俯視圖。
圖23為表示陣點形狀及其排列的又一其它示例用的俯視圖。
圖24為表示陣點形狀及其排列的又一其它示例用的俯視圖。
圖25為表示本發(fā)明之前已有的二維光子晶體面發(fā)光激光器的立體圖。
圖26為表示二維光子晶體面發(fā)光激光器的諧振作用的說明圖。
圖27為表示陣點為標準圓形的二維正方晶格光子晶體中光的分散關(guān)系的能帶圖。
圖28為表示圖27的S點的詳細能帶圖。
圖29為表示陣點為標準圓形的方式I的面發(fā)光分量的電場分布圖。
圖30為表示陣點為標準圓形的方式II的面發(fā)光分量的電場分布圖。
圖31為表示陣點為橢圓形的二維正方晶格光子晶體中光的分散關(guān)系的能帶圖。
圖32A為表示關(guān)于陣點為橢圓形的方式I’的面發(fā)光分量的電場分布圖，圖32為表示上述方式I’的光子晶體區(qū)域的電場分布33為表示陣點為橢圓形的方式II’的面發(fā)光分量的電場分布圖。
圖34為表示陣點為橢圓形的方式III’的面發(fā)光分量的電場分布圖。
圖35A為表示關(guān)于陣點為橢圓形的方式IV’的面發(fā)光分量的電場分布圖，圖35B為表示關(guān)于上述方式IV’的光子晶體區(qū)域的電場分布圖。
具體實施例方式
以下，參照

本發(fā)明的二維光子晶體面發(fā)光激光器的實施方式。
(陣點為三角形的情形)本發(fā)明的二維光子晶體面發(fā)光激光器其平面結(jié)構(gòu)如圖1所示，由在折射率n1的第1介質(zhì)(下部包復(fù)層)12中是正方晶格狀配置折射率n2(但n1≠n2)的第2介質(zhì)(也稱為光子晶體周期結(jié)構(gòu)體、陣點)21的二維光子晶體20構(gòu)成。這一基本結(jié)構(gòu)和圖25示出的現(xiàn)有的面發(fā)光激光器相同，根據(jù)圖26示出的原理進行面發(fā)光。
圖1示出的二維光子晶體20是將其光子周期結(jié)構(gòu)體21的形狀形成三角形而構(gòu)成正方晶格，具有平移對稱性，但不具有旋轉(zhuǎn)對稱性。
圖2至圖5表示光子晶體周期結(jié)構(gòu)體21為三角形所得的面發(fā)光分量的電場分布。在該二維光子晶體20中存在四種方式，分別命名為I”、II”、III”、IV”。從圖2至圖5可知所有的方式均得到單峰性的直線偏振光振蕩。
方式I”、II”、III”、IV”由于是和各個陣點形狀為橢圓形的方式I’、II’、III’、IV’(參照圖32A圖32B～圖35A、圖35B)同類型的方式，所以方式I″、II″和方式III″、IV″相比，作為諧振器具有Q值高、閾值低的優(yōu)點。即在方式I”、II”中低能兼顧閾值和單峰特性。因而，陣點為三角形的二維光子晶體20中，就將方式I”或方式II”作為振蕩方式使用。
所述的現(xiàn)象可以理解如下。二維光子晶體是一種沿相對發(fā)光面的垂直方向取出光的類型的激光器，取出的光的偏振光由構(gòu)成光子晶體的周期性的折射率分布中、按照分布在折射率低的部分的電場方向來決定。在陣點形狀為橢圓的情況下，例如，方式I’時，試觀察圖32B所示的光子晶體區(qū)域的電場分布，電場夾著折射率低的橢圓陣點，在其上下，因存在向右進的電場和向左進的電場，所以通過衍射從光子晶體取出該光，經(jīng)干涉后，最終電場具有如圖32A所示那樣夾著中心在上下相位不同的電場分布。
另一方面，例如，方式IV’時，試觀察圖35B示出的光子晶體區(qū)域的電場分布，因電場分布成沿一個方向穿過折射率低的橢圓陣點，通過衍射從光子晶體取出該光，經(jīng)過干涉后，如圖35A所示，最終電場集中在一個方向。
因而，只要在二維光子晶體的面內(nèi)折射率低的第2介質(zhì)中分布方向一致的電場，便能得到具有直線偏振光的單峰性的電場分布的放射方式。
圖6A、圖6B、圖6C～圖8A、圖8B、圖8C表示陣點為標準圓形、橢圓形及三角形時的方式I、I’、I”的電場分布情況的示意圖。圖6A、圖7A、圖8A表示光子晶體內(nèi)部的電場分布，圖6B、圖7B、圖8B表示在折射率低的第2介質(zhì)(二維光子晶體周期結(jié)構(gòu)體)中取出1個周期部分時的電場分布。另外，圖6C、圖7C、圖8C表示相對發(fā)光面沿垂直方向取出的分量的電場分布。圖9A、圖9B、圖10A、圖10B表示更詳細的電場分布，圖9A、圖9B表示陣點為標準圓形的情況，圖10A、圖10B表示陣點為三角形的情況。
然而，在陣點為三角形的情況下，相對發(fā)光面沿垂直方向取出的分量的電場分布如圖8A、圖8B、圖8C所示，仔細地看就象將分布于折射率低的的第2介質(zhì)部分的電場旋轉(zhuǎn)了180°。
圖11A、圖11B、圖11C～圖13A、圖13B、圖13C和前述圖6A、圖6B、圖6C～圖8A、圖8B、圖8C一樣，表示陣點為標準圓形、橢圓形、及三角形時的方式II、II’、II”的電場分布情況的示意圖。
(陣點形狀的條件及種類)從圖8A、圖8B、圖8C、圖13A、圖13B、圖13C可知，將陣點作為三角形的本質(zhì)特征在于，使折射率的周期和電場分布的周期錯開。這種現(xiàn)象不僅在陣點為三角形時，而且通過滿足下述條件能得到構(gòu)成二維光子晶體的晶格結(jié)構(gòu)。
即晶格結(jié)構(gòu)可以是不包括旋轉(zhuǎn)對稱性的正方晶格結(jié)構(gòu)或正交晶格結(jié)構(gòu)。人們所知通常二維反復(fù)圖樣按照IUC(International Union of Crystallographyin 1952)的分類方法可分成17種。所謂17種是p1、pm、pg、cm、p2、pmm、pgg、cmm、pmg、p4、p4m、p4g、p3、p31m、p3ml、p6、p6m。其中，不包括旋轉(zhuǎn)對稱性的圖樣如以下的表1所示，為p1、pm、pg、cm四種。三角形晶格結(jié)構(gòu)的情形相當于pm。
(表1)(不包括旋轉(zhuǎn)對稱性的二維圖樣的分類)

所謂鏡像，如圖14A所示，為相對鏡像軸的線對稱的圖樣。所謂偏移鏡像，如圖14B所示，鏡像圖樣相對偏移鏡像軸平行移動的情形。
以下，在圖15～圖24中與圖樣的種類(p1、pm、pg、cm中任一種)一起表示作為陣點形狀考慮的各種形狀。還有在圖15～圖21各圖中，陣點形狀的角畫成90°或其以下的角度，但實際上在經(jīng)加工后的周期結(jié)構(gòu)體中，這些角都帶圓形。
具有平移對稱性但不具有旋轉(zhuǎn)對稱性的晶格結(jié)構(gòu)即使不一個一個地改變陣點形狀，也可如圖22或圖23所示，仍能通過對標準圓形的陣點21附加小的圓形21’來實現(xiàn)。另外，附加小的圓形的方法也可以隔幾個周期加一次?？傊?，只要是不僅各個陣點的形狀，而且作為晶格結(jié)構(gòu)的整體，能定義有限尺寸的基本晶格，其可以是以正方晶格或正交晶格的形式反復(fù)形成的圖樣即可。
另外，如圖24所示，即使陣點形狀自身是標準圓形，也可通過在陣點處設(shè)置第3種折射率n3的介質(zhì)，能實現(xiàn)與pm圖樣相當?shù)木Ц窠Y(jié)構(gòu)。在第1介質(zhì)中形成空位后，可以將折射率n2、n3的介質(zhì)填入該空位。或者，如將折射率n2的介質(zhì)作為空氣，則可以以半圓形填入折射率n3的介質(zhì)。另外，也可以利用具有不同折射率的兩種及兩種以上的折射率分布的介質(zhì)充填陣點。
(其它實施方式)還有，本發(fā)明涉及的二維光子晶體面發(fā)光激光器不限于前述實施方式，在其主要精神的范圍內(nèi)可以作各種變更。
特別是將半導(dǎo)體層、光子晶體、電極材料、或光的偏振等集中在一起的結(jié)構(gòu)等，可以是任意的。另外，光子晶體周期結(jié)構(gòu)體除下部包復(fù)層以外，還可設(shè)在上部包復(fù)層內(nèi)的激活層附近或激活層內(nèi)。
另外，關(guān)于第1介質(zhì)和第2介質(zhì)的折射率的關(guān)系，在前述實施方式中，是假設(shè)第2介質(zhì)的折射率低于第1介質(zhì)的折射率進行說明的，但也可以為相反的關(guān)系。
權(quán)利要求
1.一種二維光子晶體面發(fā)光激光器，在靠注入載流子發(fā)光的激活層或其附近、內(nèi)裝將不同折射率的介質(zhì)按二維的周期排列的光子晶體周期結(jié)構(gòu)體的二維光子晶體面發(fā)光激光器中，其特征在于，所述光子晶體周期結(jié)構(gòu)體的晶格結(jié)構(gòu)是正方晶格或正交晶格，內(nèi)裝具有平移對稱性但不具有旋轉(zhuǎn)對稱性的光子晶體。
2.一種二維光子晶體面發(fā)光激光器，在靠注入載流子發(fā)光的激活層或其附近、內(nèi)裝將不同折射率的介質(zhì)按二維的周期排列的光子晶體周期結(jié)構(gòu)體的二維光子晶體面發(fā)光激光器中，其特征在于，所述光子晶體周期結(jié)構(gòu)體的晶格結(jié)構(gòu)是正方晶格或正交晶格，內(nèi)裝按照二維圖樣的IUC(International Union of Crystallography in 1952)分類方法的p1、pm、pg或cm中任一種的光子晶體。
3.如權(quán)利要求1或2所述的二維光子晶體面發(fā)光激光器，其特征在于，所述光子晶體的陣點形狀近似三角形。
4.如權(quán)利要求1或2所述的二維光子晶體面發(fā)光激光器，其特征在于，所述光子晶體的陣點形狀由較大的近似圓形和較小的近似圓形的組合而成。
5.如權(quán)利要求1或2所述的二維光子晶體面發(fā)光激光器，其特征在于，所述光子晶體的陣點由折射率不同的兩種及兩種以上的介質(zhì)或具有折射率分布的介質(zhì)構(gòu)成。
全文摘要
一種二維光子晶體面發(fā)光激光器，其構(gòu)成為在靠注入載流子發(fā)光的激活層(第1介質(zhì))(12)或其附近以二維的周期排列由折射率不同的第2介質(zhì)構(gòu)成的光子晶體周期結(jié)構(gòu)體(21)。光子晶體(20)的晶格結(jié)構(gòu)是正方晶格或正交晶格，具有平移對稱性但不具有旋轉(zhuǎn)對稱性。或者光子晶體(20)的晶格結(jié)構(gòu)是正方晶格或正交晶格，是按照二維圖樣的分類方法的p1、pm、pg或cm中之任一種。最理想的是陣點的形狀近似三角形。
文檔編號H01S5/10GK1765034SQ200480007950
公開日2006年4月26日 申請日期2004年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月25日
發(fā)明者野田進, 橫山光, 關(guān)根孝二郎, 宮井英次 申請人:獨立行政法人科學技術(shù)振興機構(gòu)