具有光子晶体的构造体和表面发射激光器

摘要

一种具有二维光子晶体的构造体，在该构造体中，具有不同折射率的结构以二维周期布置，所述构造体包括沿着与在所述二维光子晶体的平面内方向上传播的光的共振方向垂直的方向发射的结构，其中该构造体包括一维光子晶体，在所述一维光子晶体中，具有不同折射率的构造以一维周期排列，并且，沿着所述二维光子晶体的平面内方向传播的光被所述一维光子晶体的光子带边反射。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有光子晶体的构造体，以及一种包括具有光子晶体的构造体的表面发射激光器。

背景技术

近年来，报导了许多应用于半导体激光器的光子晶体的示例。日本专利申请特开第2000-332351号公开一种表面发射激光器光源，其中设置包含发光材料的有源层，并且在有源层的附近形成二维光子晶体。

该二维光子晶体在半导体层上周期性地设置有柱形孔，并且在折射率分布上具有二维周期性。

由于该周期性，在有源层中产生的光谐振(resonated inharmony)，并形成驻波，从而执行激光器振荡。

进一步地，光通过初级衍射在与平面垂直的方向上被提取(extract)，从而允许充当表面发射激光器而工作。

在包括这种光子晶体的表面发射激光器中，当二维光子晶体的尺寸受到限制时，在平面内方向上发生光的泄漏。平面内方向上的这种泄漏光引起损耗，并且导致振荡阈值的增大和光学输出的降低。

因此，至今为止，日本专利申请特开第2003-273456号提出了一种二维光子晶体发光激光器，其中，通过使用光子带隙(band gap)允许在平面内方向上泄漏的光反射的构造体被布置于二维光子晶体周围。

结果，在平面内方向上泄漏的光返回到二维光子晶体的区域内部。

如上文所述，在光子晶体表面发射激光器中，当二维光子晶体的尺寸受到限制时，在平面内方向上发生光泄漏。

为了防止该泄漏，当光子晶体被制作得大时，出现器件尺寸变大的问题。

进一步地，类似于日本专利申请特开第2003-273456号，甚至在反射平面内方向上泄漏的光的构造体被布置于光子晶体周围的情况下，也会发生下列问题。

即，日本专利申请特开第2003-273456号采用一种结构，其中通过利用光子带隙来反射平面内方向上泄漏的光。

在这种结构中，由于光通过多次反射而被周期结构反射，随着必要反射率的增大，必要的周期数增大，结果，出现尺寸变大的问题。

考虑到上述问题，本发明的一个目标是提供一种构造体，该构造体具有能够以小尺寸有效反射平面内方向上泄漏的光并能够被再使用的光子晶体，以及一种包括具有光子晶体的构造体的表面发射激光器。

发明内容

本发明提供一种具有光子晶体的构造体和一种包括具有光子晶体的构造体的表面发射激光器。

本发明针对一种具有二维光子晶体的构造体，在该构造体中，具有不同折射率的结构以二维周期布置，所述构造体包括沿着与在所述二维光子晶体的平面内方向上传播的光的共振方向垂直的方向发射的结构，其中该构造体包括一维光子晶体，在所述一维光子晶体中，具有不同折射率的构造以一维周期排列，并且，沿着所述二维光子晶体的平面内方向传播的光被所述一维光子晶体的光子带边(bandedge)反射。

所述一维光子晶体可以被设置在该构造体中的二维光子晶体的区域之外，在与光的发射方向垂直的方向上、并且在与光的共振方向垂直的方向上，并且，泄漏到二维光子晶体的区域以外的光通过光子带边的反射返回到该区域内部。

所述一维光子晶体可以使得被泄漏的光中的多个共振模式之一能够选择性地反射。

所述一维光子晶体在特定波长中可以使得相交的偏振方向之一能够选择性地反射或者透射。

在具有光子晶体的所述构造体中，可以仅有一对所述一维光子晶体被布置在夹着所述二维光子晶体而相对的位置上。

所述一维光子晶体可以被布置在夹着所述二维光子晶体而相对的所有位置上。

所述一维光子晶体可以被折射率低于所述一维光子晶体的部件夹在中间。

所述二维光子晶体和所述一维光子晶体被布置在这样的位置：在该位置上，在所述二维光子晶体区域中谐振的光和被所述一维光子晶体返回的光在强度上互相增强或削弱。

所述二维光子晶体可以具有阵列结构，其中，多个二维光子晶体被布置在相同的平面内，并且所述一维光子晶体被布置在所布置的所述二维光子晶体之间。

本发明针对一种表面发射激光器，其包括具有所述光子晶体的构造体。

根据本发明，可以实现一种具有能够以小尺寸有效反射平面内方向上泄漏的光并能够被再使用的光子晶体的构造体，以及一种包括具有光子晶体的构造体的表面发射激光器。

根据下文参考附图对示例性实施例的描述，本发明的进一步特征将变得清晰。

附图说明

图1是用于描述本发明第一实施例中具有光子晶体的构造体的透视图。

图2A、2B、2C和2D是描述光子带隙和光子带边的光反射谱的视图。

图3A、3B和3C是示出本发明第一实施例中一维光子晶体结构的三种结构的反射谱的计算结果的曲线图。

图4A和4B是描述本发明第一实施例中的一维光子晶体结构的示意图。

图5A和5B是描述本发明第一实施例中的一维光子晶体结构的布局的示意图。

图6A和6B是描述本发明第二实施例中使用具有本发明的光子晶体的构造体的表面发射激光器的示意图。

图7A和7B是描述本发明第一示例中二维光子晶体表面发射激光器的示意图。

图8是描述本发明第二示例中二维光子晶体表面发射激光器的示意图。

图9是描述本发明第三示例中二维光子晶体激光器阵列的示意图。

图10A和10B是描述光子带隙和光子带边的光子波带视图。

具体实施方式

接下来，将描述本发明的实施例。

[第一实施例]

作为本发明的第一实施例，将描述一种包括二维光子晶体的构造体，在所述二维光子晶体中，折射率不同的构造以二维周期排列，该构造体还包括在与二维光子晶体平面内方向上传播的光的共振方向垂直的方向上辐射光的结构。

在图1中，示出用于描述本实施例中具有光子晶体的构造体的透视图，其中垂直方向被表示为1040。

在图1中，附图标记1000表示光子晶体层，其通过为由具有第一折射率(n₁)的第一材料构成的第一部件提供周期性布置的多个孔1010和一维周期结构1030而构成。

进一步，附图标记1020表示邻近光子晶体层1000的包层(cladlayer)。

如果二维光子晶体在平面内方向上的尺寸受到限制，则光泄漏到设置有二维光子晶体结构的区域之外。

泄漏光1050引起损耗，并导致构造体的特性恶化。

这里，如果布置了一维光子晶体结构1030，则在入射到一维光子晶体结构上的光当中，波长等同于光子带边的光谐振，并以理论上接近100％的效率被反射。

结果，通过一维光子晶体的光子带边，在二维光子晶体的平面内方向上传播的光被反射，并且泄漏到设置有二维光子晶体结构的区域内的光可以返回。

接下来，将描述在本实施例中所采用的光子晶体中的光子带边处的反射。

在光子晶体中，光子带隙的光反射为人熟知。在光子晶体中，存在一种光子带隙，其中对于特定的波带，不存在光的模式。

在该波带中，光不能传播，并被反射而不能深入光子晶体。

图10A和10B示出“Physical Review B，vol.65，p.235112，(2002)”中描述的二维光子晶体片(slab)的光子波带视图。

图10A和10B是具有电场分量的模式(图10A)和具有与二维光子晶体片的片表面平行的磁场分量的模式(图10B)的波带视图，所述二维光子晶体片具有晶格常数a、孔半径0.2a、片厚度0.5a和片介电常数12。

在图10A和10B的结构中，尽管在严格意义上不存在禁止所有方向上光的传播的光子带隙，但是在受限意义上存在禁止特定方向上的传播的光子带隙。

例如，在图10A的归一化频率0.2的附近，有一个频带，其中不存在向Γ-x方向传播光的模式，该频带的光被反射而不能在Γ-x方向上传播。

另一方面，通过不同于光子带隙处的反射的原理而发生光子带边处的反射。

入射到光子晶体上的光与位于光线上方的模式耦合，以便被转换成光子晶体中的导波模式(mode wave-guided)。

之后，光与发射模式耦合，以便再次被发射到光子晶体之外。

通过在直接透射而不与波导模式耦合的光和与波导模式耦合一次并再次被发射到外部的光之间的干涉，发生奇特的透射和反射现象，例如，效率为100％的反射。

该反射现象可以在除了光子带边之外的地方发生，在这种情况下，光的入射和反射方向对于光子晶体的晶体表面具有特定角度。

等同于垂直入射的模式是位于图10A和10B的点Γ处的模式，并且等同于光子带边。

在本实施例的具有光子晶体的构造体中，利用在该光子带边处的反射。

本实施例的结构具有的一个优势是可以使得用于反射的结构的尺寸比其它结构小。

例如，与利用日本专利申请特开第2003-273456号的光子带隙的结构相比，具有可以使得用于反射的结构较小的优势。

即，根据日本专利申请特开第2003-273456号的结构，如上文所述，由于光通过周期性结构的多次反射而被反射，随着必要反射率的增大，必要的周期数增大，结果，尺寸变大。

在下文中，将进一步详细描述这些方面。

根据我们的研究，在晶格常数为105nm，孔半径为21nm，基材料折射率为2.5，柱形孔折射率为1的二维方形晶格光子晶体中，为了在入射光中波长为500nm的类TE模式(TE-like mode，电场振荡方向为平面内方向的模式)的情况下获得99.9％或更大的反射率，对于泄漏光的行进方向，要求周期数为22或更大。这在长度方面是2.3μm或更大。

图2A到2D示出用于描述光子带隙和光子带边的光反射谱的视图。

图2A是示出类TE模式光2010入射到上述结构的二维光子晶体的情况下的布局图的视图。附图标记2020表示偏振方向。

进一步地，图2B是示出反射谱计算结果的视图。

在500nm的波长附近，获得99.9％的反射率。

另一方面，在通过利用用于本发明的光子带隙进行反射的结构中，甚至当泄漏光行进方向上的长度近似为利用光子带隙的情况下的几分之一时，也可以获得近似100％的反射。

图2C是示出类TE模式的光入射到一维光子晶体的情况下的布局图的视图。附图标记2030表示相同晶体的长度。

进一步，图2D是示出反射谱计算结果的视图。

也包括一维光子晶体的泄漏光的行进方向的凹槽的长度为640nm，晶格周期为333nm。在500nm波长附近，获得近似100％的反射率。

当在图2B和2D之间进行比较时，图2D的示出高反射率的波带更窄。这可以使波长选择性高的反射成为可能。

在本实施例的结构中，可以允许类TE模式和类TM模式(TM-like mode)也被选择性地反射。

图3A到3C示出三种结构的反射谱的计算结果。

图3A示出晶格周期为333nm、与周期方向垂直的方向的高折射率部件的长度为140nm、并且周期方向的高折射率部件的长度为167nm的一维光子晶体的反射谱计算结果。

图3B示出晶格周期为333nm、与周期方向垂直的方向的高折射率部件的长度为150nm、并且周期方向的高折射率部件的长度为217nm的一维光子晶体的反射谱计算结果。

图3C示出波长等同于上述二维正方晶格光子晶体的光子带隙的反射谱计算结果。

在图3C中，类TE模式和类TM模式二者都类似地示出高反射率。

另一方面，在图3A中，只有类TE模式的光被强烈地反射，在图3B中，只有类TM模式的光被强烈地反射。

以这种方式，在本发明的结构中，通过设计的变化，可以选择性地反射仅类TE模式或仅类TM模式。

通过使用FDTD方法和转移矩阵方法实施该仿真。

在二维光子晶体的光学共振模式中，存在多个模式。

在本说明书中，诸如在光子晶体结构中形成驻波的模式被定义为光学共振模式或简单地定义为共振模式，构成驻波的行波和反射波的行进方向被定义为共振方向。

共振模式取决于偏振方向而被分为类TE模式和类TM模式，各模式的波长一般不同。

进一步，关于波导模式的阶数和衍射的阶数，存在从最低到最高的多个阶数，一般来说，各模式具有不同的波长，并且已知阶数越低，它就位于越长的波长侧。

如果利用上述一维光子晶体的特性，则在多个共振模式当中，只有具有特定偏振方向和波长的模式的光可以被选择性地反射。

接下来，将描述构成本实施例的构造体的一维光子晶体的布局。

在构造体中的二维光子晶体区域之外，在与光的发射方向垂直的方向上，此外，在与光的共振方向垂直的方向上，设置该一维光子晶体。

这时，一维光子晶体可以这样布置以便围绕二维光子晶体的全部或部分。

例如，如图5A所示，一维光子晶体可以被构成为布置在通过夹着二维光子晶体而相对的所有位置处。

进一步，如图5B所示，该结构可以是这样的：通过彼此相对的一对一维光子晶体，x方向的光被反射，y方向的光被泄漏。

为了在一维光子晶体中实现高反射率，必需把光限制在一维光子晶体内部。

为此，不是如图4A所示仅简单形成周期结构4000，而是如图4B所示，两端被低折射率的部件4010夹在中间的结构是所希望的。该部件可以是空气或者可以被透明树脂等填充。

进一步地，在本实施例中，二维光子晶体和一维光子晶体可以如此构成以便在二维光子晶体区域中谐振的光和被一维光子晶体返回的光被布置于在强度上互相增强或削弱的位置。

例如，二维光子晶体区域和一维光子晶体区域之间的距离如此布置，以便从二维光子晶体泄漏并被一维光子晶体反射并再次返回到二维光子晶体的光在相位上匹配二维光子晶体中的光。

特别地，也考虑到在反射时刻的相位变化，从二维光子晶体末端到一维光子晶体的往返光路长度匹配波长的整数倍。

相反，当光路长度被布置为从波长的整数倍平移到波长的一半时，二维光子晶体中的光和返回光相互抵消。

通过利用该事实，可以仅使某特定模式难于振荡。

例如，仅类TM模式的光被设计为被一维光子晶体选择性地反射，反射光被布置在一个位置以便抵消二维光子晶体中的光，从而可以抑制类TM模式的振荡。

根据包括本实施例中的光子晶体的结构，通过把一维光子晶体结构夹在二维光子晶体结构之间，泄漏光几乎可以被完全反射，二维光子晶体激光器元件之间的干涉可以减少。

进一步地，根据本实施例的构造体，与允许通过利用光子带隙进行反射的构造体相比，甚至可以允许小结构以高效率反射，因此，它适于布置在狭窄间距的二维光子晶体结构阵列中。

进一步地，根据本实施例的构造体，由于二维光子晶体结构各自通过包含一维光子晶体的凹槽而互相电绝缘，这使它也能够充当电元件隔离。

[第二实施例]

作为第二实施例，将描述通过包含具有本发明的光子晶体的构造体而构成的表面发射激光器。

图6A和6B示出本实施例中的表面发射激光器的示意图。

图6A是顶视图，图6B是沿着线6B-6B切割的截面图。

在图6A和6B中，附图标记6000表示衬底，附图标记1020表示包层，附图标记6010表示有源层，并且附图标记1000表示光子晶体层。

在本实施例的表面发射层中，在有源层6010中产生的光形成并且放大二维光子晶体中的驻波，从而实现激光器振荡。

有源层中的发射波长由有源层的材料和层配置决定，形成二维光子晶体中的驻波的波长由晶格周期和孔直径决定。

为了允许执行激光器振荡，必需将所有这些波长都设计得匹配。

进一步，通过匹配一维光子晶体的反射波长和激光器振荡波长，泄漏光被一维光子晶体反射，返回到二维光子晶体，从而使它能够再次被再使用。

接下来，将描述本实施例的表面发射激光器中的有源层、包层、衬底等。

有源层6010具有使用诸如GaInP/AlGaInP和GaN/InGaN之类的材料的多量子阱结构。

包层1020例如由AlGaInP、AlGaN等组成。

衬底6000例如由GaAs、GaN等组成。

根据本实施例的表面发射层可以通过光激励系统或电流注入系统驱动。在图6A和6B中，省略了电极等。

[示例]

在下文中，将描述本发明的示例。

[示例1]

在示例1中，将描述通过应用本发明而构成的二维光子晶体表面发射激光器。

图7A和7B示出描述本示例中的二维光子晶体表面发射激光器的示意图。图7A是顶视图，图7B是沿着线7B-7B切割的截面图。

在图7A和7B中，附图标记1000表示光子晶体层，其包含通过以方形晶格形状在由Al_0.5GaAs组成的层上设置柱形孔而构成的二维光子晶体结构。

层的厚度为250nm，孔的间隔为210nm，孔的半径为42nm，孔的深度为250nm。进一步地，附图标记1020表示由Al_0.9GaAs组成的包层。附图标记6010表示GaInP/AlGaInP多量子阱有源层。

在二维光子晶体结构中，等同于真空中波长为670nm的光具有光学共振模式，并且形成驻波。

通过匹配有源层的发射波长与该波，激光器被振荡，激光在与二维光子晶体表面(即具有周期结构的平面)垂直的发射方向上被发射。

当二维光子晶体结构在平面内方向上的尺寸受到限制时，光在与二维光子晶体结构中光共振方向相同的方向上被导波，并且被泄漏到设置有二维光子晶体结构的区域以外。

二维光子晶体结构外围布置有具有一维折射率周期结构的一维光子晶体结构。

该一维光子晶体结构允许泄漏光中多个共振模式之一被选择性地反射。

即，通过匹配一维光子晶体结构的反射波长与二维光子晶体结构的共振模式波长，在平面内方向上泄漏的光可以被再次返回到二维光子晶体结构内部，从而对激光器振荡做出贡献。

如果假设一维光子晶体结构的尺寸为晶格周期447nm，在与周期方向垂直的方向上的高折射率部件的长度为107nm，在周期方向上的高折射率部件的长度为225nm，则可以在670nm的波长附近获得高折射率。

这里，二维光子晶体结构中的模式(形成驻波)取决于偏振方向而可以被分成类TE模式和类TM模式。

一般来说，类TE模式和类TM模式位于稍微不同的波长处，因此，模式跳跃等发生，从而变成不稳定激光器振荡波长的因素。

如上文所述，在一维光子晶体结构中，在特定的波长中，可以允许以直角相交的偏振方向之一被选择性地反射或透射。在根据本示例的结构中，仅允许类TE模式以高效率反射。

结果，与类TM模式的光相比，类TE模式的损耗可以被减小，并且使得通过类TE模式更容易振荡，使得模式跳跃等很难发生，从而使其能够以单个波长稳定地振荡。

[示例2]

在第二示例中，将描述与通过应用本发明而构成的第一示例不同的实施例的二维光子晶体表面发射激光器。

图8示出描述本示例中的二维光子晶体表面发射激光器的示意图。

本示例中的层结构和二维光子晶体的结构与第一示例相同。

第二示例与第一示例不同之处在于，只有一对一维光子晶体结构被布置在通过夹着二维光子晶体结构而相对的位置处。

即使是相同类TE模式的光，取决于行进方向，平面内的偏振方向也不同。

具体来说，在x方向上行进的类TE模式的光具有y方向的偏振光，在y方向上行进的类TE模式的光具有x方向的偏振光。

从这些光中，通过返回只在x方向上行进的光，具有y方向偏振光的模式被更强地激励，其结果为可以获得在y方向上偏振的输出激光。

[示例3]

在第三示例中，将描述通过应用本发明而构成的二维光子晶体激光器阵列。

图9示出描述本示例中的二维光子晶体激光器的示意图。

本示例具有这样的阵列结构：其中多个二维光子晶体布置在相同的平面内，一维光子晶体布置在多个所布置的二维光子晶体之间。

以这种方式，在多个二维光子晶体结构当中，布置一维光子晶体结构，并且一维光子晶体结构的两侧被空气凹槽夹在中间。

层结构以及一维和二维光子晶体的结构与第一示例相同。

当二维光子晶体激光器被阵列布置时，经常有这样的情况：从各二维光子晶体激光器元件泄漏的光影响相邻的二维光子晶体激光器元件，从而恶化各元件的特性。

根据本示例的结构，通过把一维光子晶体结构夹在二维光子晶体结构之间，泄漏光几乎可以被完全反射，二维光子晶体激光器元件之间的干涉可以被减少。

进一步地，根据本示例的结构，如上文所述，与通过利用光子带隙执行反射的结构相比，甚至小结构也可以以高效率反射，因此，它适合于布置在狭窄间距的二维光子晶体阵列布局中。

进一步地，根据本示例的结构，由于二维光子晶体结构各自通过包含一维光子晶体的凹槽而互相电绝缘，这使其也能够充当电元件隔离。

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应该理解本发明并不局限于公开的示例性实施例。应给与下列权利要求的范围最宽的解释，以包括所有这样的修改以及等同结构和功能。