JP2007234721A - Vertical cavity surface emitting laser - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、垂直共振器型面発光レーザ(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)に関するものである。 The present invention relates to a vertical cavity surface emitting laser (Vertical Cavity Surface Emitting Laser).
面発光レーザの一つとして、活性領域の両側を2つの反射鏡で挟み、基板面に垂直な方向に光共振器を形成し、基板面から垂直方向に光を放射する垂直共振器型面発光レーザが知られている。
この垂直共振器型面発光レーザは、つぎのような多くの特長を有することから現在盛んに研究されている。
すなわち、ビーム形状が円に近く光ファイバとの光結合が容易であること、へき開せずにウエハ検査ができること、0.1ミリアンペア前後の低しきい値で動作すること、高速変調が可能であること、面内集積化に有利であること、等多くの特長を有している。
垂直共振器型面発光レーザは、これらの多くの特長を有する反面、つぎのような問題を有している。
すなわち、垂直共振器型面発光レーザの反射鏡には、一般的に分布ブラッグ反射鏡(Distributed Bragg Reflector:以下、DBRと記す)が用いられる。
しかし、このようなDBRが、レーザ発振に必要な高反射率を得るためには数十層の積層が必要であり、その厚さが電流注入や放熱の妨げになるという課題がある。
As one of the surface emitting lasers, a vertical cavity surface emitting device in which both sides of the active region are sandwiched between two reflecting mirrors, an optical resonator is formed in a direction perpendicular to the substrate surface, and light is emitted in a direction perpendicular to the substrate surface. Lasers are known.
This vertical cavity surface emitting laser has been actively researched because it has many features as follows.
That is, the beam shape is close to a circle and optical coupling with an optical fiber is easy, wafer inspection can be performed without cleavage, operation at a low threshold value of around 0.1 milliampere, and high-speed modulation are possible. It has many features such as being advantageous for in-plane integration.
Although the vertical cavity surface emitting laser has many of these features, it has the following problems.
That is, a distributed Bragg reflector (hereinafter referred to as DBR) is generally used as a reflector for a vertical cavity surface emitting laser.
However, in order for such a DBR to obtain a high reflectivity necessary for laser oscillation, several tens of layers are required, and there is a problem that the thickness hinders current injection and heat dissipation.
従来において、DBR以外の反射鏡を用いた垂直共振器型面発光レーザの構成例として、例えば、非特許文献1ではつぎのような提案がなされている。
ここでは、片側のDBRを回折格子(一種の一次元フォトニック結晶)に置き換えた構成の垂直共振器型面発光レーザについて、計算による検討が行われている。
その結果、両側にDBRを用いた従来の構造に匹敵する、良好な共振器特性が得られていることが報告されている。
Conventionally, as a configuration example of a vertical cavity surface emitting laser using a reflecting mirror other than a DBR, for example, Non-Patent
Here, a calculation study is performed on a vertical cavity surface emitting laser having a configuration in which the DBR on one side is replaced with a diffraction grating (a kind of one-dimensional photonic crystal).
As a result, it has been reported that good resonator characteristics comparable to the conventional structure using DBR on both sides are obtained.
また、非特許文献2及び非特許文献3では、二次元フォトニック結晶スラブに、面と垂直な方向から光を入射させた場合の反射光・透過光についての検討が行われている。
そして、ある周波数の光はほぼ100%の効率で反射されることが報告されている。
これらによれば、回折格子と同様に、二次元フォトニック結晶スラブを反射鏡として垂直共振器型面発光レーザを構成することも可能であると考えられる。
また、一次元フォトニック結晶より二次元フォトニック結晶を用いた場合の方が、より効率的に面内方向の光を制御できるため、より高性能な垂直共振器型面発光レーザを実現できると考えられる。
It has been reported that light of a certain frequency is reflected with an efficiency of almost 100%.
According to these, similarly to the diffraction grating, it is considered that a vertical cavity surface emitting laser can be configured using a two-dimensional photonic crystal slab as a reflecting mirror.
In addition, when a two-dimensional photonic crystal is used rather than a one-dimensional photonic crystal, the light in the in-plane direction can be controlled more efficiently, so that a higher-performance vertical cavity surface emitting laser can be realized. Conceivable.
上記した非特許文献2及び非特許文献3の検討を踏まえれば、回折格子と同様に、二次元フォトニック結晶スラブを反射鏡として、例えば、図2に示すような垂直共振器型面発光レーザを構成することも考えられる。
すなわち、図2に示すように、垂直共振器型面発光レーザの反射鏡として二次元フォトニック結晶210および212を用いれば、従来数μm程度の厚い多層膜で構成していた反射鏡を、数十から数百nmオーダーの非常に薄い膜で構成することが可能となる。
これにより、前述したDBRの厚さにより生じる電流注入や放熱の妨げ等の問題を低減することができる。
また、前述した検討を踏まえれば、一次元フォトニック結晶より二次元フォトニック結晶を用いた場合の方が、上記構成によってより効率的に面内方向の光を制御できるものと考えられることから、より高性能な垂直共振器型面発光レーザの実現が図れる。
In consideration of the
That is, as shown in FIG. 2, when two-dimensional
As a result, problems such as current injection caused by the above-described DBR thickness and hindrance to heat dissipation can be reduced.
In addition, based on the above-described examination, it is considered that the light in the in-plane direction can be more efficiently controlled by the above configuration when the two-dimensional photonic crystal is used than the one-dimensional photonic crystal. A higher-performance vertical cavity surface emitting laser can be realized.
しかしながら、最表面にフォトニック結晶層を作製した場合、空孔211等の無数の穴や溝によって、付加的な素子の積層が阻害される場合が生じる。具体的には、例えば電極や偏光子等を積層することが阻害される等の不都合が生じる。
However, when a photonic crystal layer is formed on the outermost surface, the stacking of additional elements may be hindered by innumerable holes and grooves such as the
本発明は、上記課題に鑑み、二次元フォトニック結晶による反射鏡を備えた垂直共振器型面発光レーザを構成するに当たり、付加的な素子等の積層が阻害されることのない構造の垂直共振器型面発光レーザを提供することを目的としている。 In view of the above problems, the present invention provides a vertical resonator having a structure in which the stacking of additional elements and the like is not hindered in constructing a vertical cavity surface emitting laser having a reflecting mirror made of a two-dimensional photonic crystal. An object of the present invention is to provide a surface emitting laser.
本発明は上記課題を解決するため、次のように構成した垂直共振器型面発光レーザを提供するものである。
本発明の垂直共振器型面発光レーザは、第1の反射鏡と第2の反射鏡との間に活性層を有する垂直共振器型面発光レーザにおいて、
前記第1および第2の反射鏡が、二次元周期構造を備えた二次元フォトニック結晶で構成され、
前記少なくとも一方の反射鏡における二次元周期構造が、高屈折率を有する物質中に低屈折率を有する物質が埋め込まれた状態で二次元周期に配列して構成されていることを特徴としている。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記二次元フォトニック結晶が、前記二次元周期構造中に周期性を乱す欠陥を有することを特徴としている。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記周期性を乱す欠陥が、周期的に複数形成されていることを特徴としている。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記周期性を乱す欠陥が、高屈折率を有する物質中に埋め込まれた状態で二次元周期に配列された空孔の一部を欠落させ、または空孔のサイズあるいは形状を他の空孔と異ならせ、
または、前記二次元周期に配列された空孔中に屈折率の異なる物質を充填することによって形成されていることを特徴としている。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザは、前記二次元フォトニック結晶が、電磁波の周波数と波数ベクトルとの間でフォトニックバンド構造を形成し、
前記電磁波のモードが前記フォトニックバンド構造におけるライトラインの外側で記述されることを特徴としている。
In order to solve the above problems, the present invention provides a vertical cavity surface emitting laser configured as follows.
The vertical cavity surface emitting laser of the present invention is a vertical cavity surface emitting laser having an active layer between a first reflecting mirror and a second reflecting mirror.
The first and second reflecting mirrors are composed of a two-dimensional photonic crystal having a two-dimensional periodic structure;
The two-dimensional periodic structure in the at least one reflecting mirror is characterized by being arranged in a two-dimensional period in a state in which a substance having a low refractive index is embedded in a substance having a high refractive index.
The vertical cavity surface emitting laser of the present invention is characterized in that the two-dimensional photonic crystal has a defect disturbing periodicity in the two-dimensional periodic structure.
The vertical cavity surface emitting laser of the present invention is characterized in that a plurality of defects that disturb the periodicity are periodically formed.
Also, the vertical cavity surface emitting laser of the present invention is such that the defect that disturbs the periodicity is missing a part of the holes arranged in a two-dimensional period in a state of being embedded in a substance having a high refractive index. Or make the hole size or shape different from other holes,
Alternatively, it is characterized in that it is formed by filling the holes arranged in the two-dimensional period with substances having different refractive indexes.
Further, in the vertical cavity surface emitting laser of the present invention, the two-dimensional photonic crystal forms a photonic band structure between the frequency of the electromagnetic wave and the wave vector,
The electromagnetic wave mode is described outside a light line in the photonic band structure.
本発明によれば、二次元フォトニック結晶による反射鏡を備えた垂直共振器型面発光レーザを構成するに当たり、付加的な素子等の積層が阻害されることのない構造の垂直共振器型面発光レーザを実現することができる。
特に、表面形状が平坦で、積層に適したフォトニック結晶面発光レーザの提供が可能になる。
According to the present invention, a vertical cavity surface having a structure that does not hinder the stacking of additional elements and the like in constructing a vertical cavity surface emitting laser having a reflecting mirror made of a two-dimensional photonic crystal. A light emitting laser can be realized.
In particular, it is possible to provide a photonic crystal surface emitting laser having a flat surface shape and suitable for stacking.
前述したように、一次元フォトニック結晶よりも二次元フォトニック結晶の方が、より効率的に面内方向の光を制御できると考えられることから、垂直共振器型面発光レーザの反射鏡としてこれを利用することを検討し、本発明の完成に到った。
以下に、これらの詳細について説明する。
本発明の実施の形態においては、具体的につぎのように構成することができる。反射鏡を除いた基本的な構成は従来の一般的な垂直共振器型面発光レーザと同様のものを用いることができる。
活性層およびクラッドとしては、通常の垂直共振器型面発光レーザで用いられているダブルへテロ構造、多重量子井戸構造、量子ドット構造などをそのまま適用することができる。
また、活性層厚とクラッド層厚とによる共振器長Lは、反射鏡の屈折率がクラッド層の屈折率より大きい場合は、NL=nλ/2(N:共振器媒質の屈折率、n:正の整数、λ:光波長)の関係を満たすように設計する必要がある。
また、反射鏡の屈折率がクラッド層の屈折率より小さい場合にはNL=nλとなる。これは共振光による定在波の腹の部分を活性層に位置させ、利得を大きくするためであり、共振器端における位相シフトの関係から、それぞれ導かれる。
構成材料としては、GaAs/AlGaAs、InGaAsP/InP、AlGaInP/GaInP、GaN/InGaN/AlGaN、GaInNAs/AlGaAs等を用いることができる。
これらについても、従来の垂直共振器型面発光レーザと、特に差異はない。
As described above, the two-dimensional photonic crystal is considered to be able to control light in the in-plane direction more efficiently than the one-dimensional photonic crystal. The use of this was studied and the present invention was completed.
Details of these will be described below.
The embodiment of the present invention can be specifically configured as follows. A basic configuration excluding the reflecting mirror can be the same as that of a conventional general vertical cavity surface emitting laser.
As the active layer and the clad, a double hetero structure, a multiple quantum well structure, a quantum dot structure, or the like used in a normal vertical cavity surface emitting laser can be applied as it is.
The resonator length L based on the active layer thickness and the cladding layer thickness is NL = nλ / 2 (N: refractive index of the resonator medium, n: when the refractive index of the reflecting mirror is larger than the refractive index of the cladding layer). It is necessary to design so as to satisfy the relationship of a positive integer, λ: light wavelength.
Further, when the refractive index of the reflecting mirror is smaller than the refractive index of the cladding layer, NL = nλ. This is to increase the gain by positioning the antinode of the standing wave due to the resonant light in the active layer, and is derived from the phase shift relationship at the resonator end.
As the constituent material, GaAs / AlGaAs, InGaAsP / InP, AlGaInP / GaInP, GaN / InGaN / AlGaN, GaInNAs / AlGaAs, or the like can be used.
These are also not particularly different from conventional vertical cavity surface emitting lasers.
本実施の形態の一例として、両脇のクラッド層にn、p型GaN層、活性層にノンドープGaN/InGaN多重量子井戸構造を用いた構成などを採ることができる。
ここで、活性層へのキャリア注入手段としては、例えば、アノード、カソード一対の電極を有し、該電極からの電流注入により、活性層へのキャリア注入を行う手法等を採ることができる。
また、電極については、通常の垂直共振器型面発光レーザにおいて用いられているようなリング電極を用い、あるいは円形、矩形など様々な形状の電極を用いることが可能である。
電極の材質については、電極を形成する部位のレーザ素子材料に依存する。例えばn型GaAsにはAu−Ge−Ni、Au−Sn、p型GaAsにはAu−Zn、In−Znなどの材料を使用することができる。
また、ITOなどの透明電極を用いることもできる。
As an example of the present embodiment, a configuration using an n-type and p-type GaN layer for the clad layers on both sides and a non-doped GaN / InGaN multiple quantum well structure for the active layer can be employed.
Here, as a means for injecting carriers into the active layer, for example, a method of having a pair of electrodes of an anode and a cathode and injecting carriers into the active layer by injecting current from the electrodes can be employed.
As the electrode, a ring electrode as used in a normal vertical cavity surface emitting laser can be used, or electrodes having various shapes such as a circle and a rectangle can be used.
About the material of an electrode, it depends on the laser element material of the site | part which forms an electrode. For example, Au-Ge-Ni and Au-Sn can be used for n-type GaAs, and Au-Zn and In-Zn can be used for p-type GaAs.
A transparent electrode such as ITO can also be used.
つぎに、反射鏡として用いる二次元フォトニック結晶について説明する。
二次元フォトニック結晶とは、空間座標中の2つの軸で形成される面内方向に屈折率の周期が設けられている構造体のことであり、残りの1方向には周期的な屈折率の変化はない。
二次元フォトニック結晶の一種に、図3に模式的に示すように半導体等のスラブ301に周期的に空孔302を設けた二次元フォトニック結晶スラブと呼ばれるものがある。
この二次元フォトニック結晶スラブは、作製が比較的容易であること、垂直方向の屈折率差による光閉じ込めを利用して光導波路として使用可能であること、等の特長を持ち、二次元フォトニック結晶の中で最も盛んに研究されている。
Next, a two-dimensional photonic crystal used as a reflecting mirror will be described.
A two-dimensional photonic crystal is a structure in which a period of refractive index is provided in the in-plane direction formed by two axes in spatial coordinates, and a periodic refractive index in the remaining one direction. There is no change.
One type of two-dimensional photonic crystal is a so-called two-dimensional photonic crystal slab in which
This two-dimensional photonic crystal slab has features such as being relatively easy to fabricate and being able to be used as an optical waveguide by utilizing optical confinement due to a refractive index difference in the vertical direction. Most actively studied among crystals.
従来において、二次元フォトニック結晶スラブの面に、略垂直方向から光を入射して反射鏡として用いる場合、良好な特性を得るためにはスラブとその上下に隣接する物質との屈折率差による光閉じ込めが重要であると考えられてきた。
例えば、非特許文献3には、二次元フォトニック結晶スラブと基板との屈折率差が小さくなると、共鳴による反射率のピークが非常に小さくなり、屈折率差が0になると共鳴が消滅してしまう(つまり、高反射率を持たなくなる)という記述がある。
Conventionally, when light is incident on the surface of a two-dimensional photonic crystal slab from a substantially vertical direction and used as a reflecting mirror, in order to obtain good characteristics, the refractive index difference between the slab and the material adjacent to the top and bottom of the slab Light confinement has been considered important.
For example, in Non-Patent Document 3, when the refractive index difference between the two-dimensional photonic crystal slab and the substrate becomes small, the reflectance peak due to resonance becomes very small, and when the refractive index difference becomes zero, the resonance disappears. There is a description that it will end up (that is, it will not have high reflectivity).
しかしながら、つぎに説明するように、二次元フォトニック結晶を反射鏡として用いる場合、実際には屈折率差を持ったスラブ構造であることが必須ではない。
すなわち、面に垂直方向の屈折率差を持たない場合でも反射率の高い反射鏡として動作させることが可能である。
例えば、反射鏡を構成する二次元フォトニック結晶の鉛直上下に隣接する物質を、この二次元フォトニック結晶を構成する物質のうち高屈折率を持つ物質と同一としても、反射率の高い反射鏡を得ることが可能である。
However, as will be described below, when a two-dimensional photonic crystal is used as a reflecting mirror, it is actually not necessary to have a slab structure having a refractive index difference.
That is, even when there is no refractive index difference in the direction perpendicular to the surface, it can be operated as a reflecting mirror having a high reflectance.
For example, even if the material vertically adjacent to the two-dimensional photonic crystal constituting the reflector is the same as the material having a high refractive index among the materials constituting the two-dimensional photonic crystal, the reflector having high reflectivity is used. It is possible to obtain
これらについて、図1に示す本実施の形態における二次元フォトニック結晶の模式図を用いて、更に説明する。
図1において、101は高屈折率物質、102は低屈折率物質からなる円柱である。
ここでは、高屈折率物質101中に低屈折率物質からなる円柱102が埋め込まれた状態で二次元的に配列されている。
この構造は、二次元フォトニック結晶スラブの上下に隣接する物質が、スラブを構成する高屈折率物質に置き換わった構造と同一である。
高屈折率物質中に低屈折率物質が埋め込まれた構造となっているので、以下、この構造を埋め込み型二次元フォトニック結晶と定義する。
These will be further described with reference to the schematic diagram of the two-dimensional photonic crystal in the present embodiment shown in FIG.
In FIG. 1, 101 is a high refractive index material, and 102 is a cylinder made of a low refractive index material.
Here, the high-refractive-
This structure is the same as the structure in which the material adjacent to the top and bottom of the two-dimensional photonic crystal slab is replaced with a high refractive index material constituting the slab.
Since this structure has a structure in which a low refractive index substance is embedded in a high refractive index substance, this structure is hereinafter defined as an embedded two-dimensional photonic crystal.
ここで、高屈折率物質に用いる材料には特に制限は無いが、レーザ発振波長の光を透過する半導体や誘電体などの材料であることが好ましい。
また、光励起により発振させる場合は、半導体、誘電体いずれも用いることができるが、電流注入により発振させる場合は半導体であることが好ましい。
低屈折率物質にも特に制限は無いが、高屈折率物質との屈折率差を大きくとりたい場合には、屈折率ができるだけ小さい空気等の物質であることが好ましい。
Here, the material used for the high refractive index substance is not particularly limited, but a material such as a semiconductor or a dielectric that transmits light having a laser oscillation wavelength is preferable.
In addition, when oscillating by light excitation, either a semiconductor or a dielectric can be used, but when oscillating by current injection, a semiconductor is preferable.
The low refractive index material is not particularly limited, but when it is desired to make a large difference in refractive index from the high refractive index material, a material such as air having a refractive index as small as possible is preferable.
図4と図5に、転送行列法を用いて計算した透過スペクトルを示す。
図4は二次元フォトニック結晶スラブに、図5は埋め込み型二次元フォトニック結晶に、面と垂直方向に光を入射した場合の透過スペクトルを計算したものである。
計算の都合上、どちらの二次元フォトニック結晶も面内方向に無限の広さを持っているものとした。
また、埋め込み型フォトニック結晶の高屈折率物質は光の進行方向、つまりフォトニック結晶面と垂直方向に無限の厚さを持っているものとした。
これらの図の横軸は規格化周波数(λ/a)、縦軸は透過率である。図4図5ともに、高屈折率物質の屈折率を3.46、低屈折率物質の屈折率を1.0として計算を行った。
この値は、高屈折率物質としてSiやGaAs、低屈折率物質として空気を用いる場合におおよそ一致する。
格子定数a、半径r=0.2aとし、円柱の高さtを変化させて計算を行った。二次元フォトニック結晶スラブの場合、円柱の高さとスラブの厚さは一致する。
4 and 5 show transmission spectra calculated using the transfer matrix method.
FIG. 4 shows the calculated transmission spectrum when light is incident on the two-dimensional photonic crystal slab, and FIG. 5 shows the embedded two-dimensional photonic crystal when light is incident in the direction perpendicular to the plane.
For convenience of calculation, both two-dimensional photonic crystals are assumed to have an infinite width in the in-plane direction.
The high refractive index material of the embedded photonic crystal has an infinite thickness in the light traveling direction, that is, in the direction perpendicular to the photonic crystal plane.
In these figures, the horizontal axis represents the normalized frequency (λ / a), and the vertical axis represents the transmittance. 4 and 5 were calculated with the refractive index of the high refractive index substance being 3.46 and the refractive index of the low refractive index substance being 1.0.
This value roughly matches when Si or GaAs is used as the high refractive index material and air is used as the low refractive index material.
The calculation was performed with the lattice constant a and the radius r = 0.2a, and the height t of the cylinder was changed. In the case of a two-dimensional photonic crystal slab, the height of the cylinder coincides with the thickness of the slab.
図4の二次元フォトニック結晶スラブの透過スペクトルは、緩やかに変化するバックグラウンドと急峻に変化するピーク(共鳴)との組合せになっている。
バックグラウンドの緩やかな変化は、スラブ界面の屈折率差によりフレネル反射が起こり一種のファブリペロー共振器を形成したことによるものである。
スラブの厚さが変化すると共振器長が変化するため、バックグラウンドの様子も変化する。
そこに屈折率の周期構造(つまり二次元フォトニック結晶)によって引き起こされる共鳴が付加された結果として図4のようなスペクトル形状となる。
ある周波数領域では透過率がほぼ0、つまり反射率がほぼ1となり、高反射率の反射鏡として機能する。
The transmission spectrum of the two-dimensional photonic crystal slab in FIG. 4 is a combination of a slowly changing background and a sharply changing peak (resonance).
The gradual change of the background is due to the formation of a kind of Fabry-Perot resonator due to Fresnel reflection caused by the difference in refractive index at the slab interface.
Since the resonator length changes as the slab thickness changes, the background also changes.
As a result of adding resonance caused by a periodic structure of refractive index (that is, a two-dimensional photonic crystal), a spectral shape as shown in FIG. 4 is obtained.
In a certain frequency region, the transmittance is almost 0, that is, the reflectance is almost 1, and it functions as a reflector having a high reflectance.
図5の埋め込み型二次元フォトニック結晶の場合は、バックグラウンドは全ての領域でほぼ透過率1であり、そこに二次元フォトニック結晶スラブと同様に共鳴が付加されている。
t=0.3aやt=0.5aのグラフに着目すると、二次元フォトニック結晶スラブと同様に透過率がほぼ0、つまり反射率がほぼ1である周波数領域が存在する。
現実の埋め込み型フォトニック結晶は有限の厚さを持つので、ファブリペロー共振器を形成し、バックグラウンドは平坦ではなく緩やかに変化する。
つまり、現実の埋め込み型フォトニック結晶反射鏡は図5とは多少異なるスペクトルを示す。
しかし、ここで本質的なことは、フォトニック結晶面と垂直方向の屈折率差が必須のことではなく、埋め込み型であっても高い反射率を示す周波数領域を有する、つまり高反射率の反射鏡として使用可能であるということである。
In the case of the embedded two-dimensional photonic crystal shown in FIG. 5, the background has a transmittance of almost 1 in all regions, and resonance is added thereto as in the two-dimensional photonic crystal slab.
When attention is paid to the graphs of t = 0.3a and t = 0.5a, there is a frequency region in which the transmittance is almost 0, that is, the reflectance is almost 1, like the two-dimensional photonic crystal slab.
Since an actual embedded photonic crystal has a finite thickness, it forms a Fabry-Perot resonator, and the background changes slowly rather than flatly.
That is, the actual embedded photonic crystal reflector shows a spectrum slightly different from that in FIG.
However, what is essential here is that the difference in refractive index perpendicular to the photonic crystal plane is not essential, and even in the buried type, it has a frequency region showing high reflectivity, that is, high reflectivity reflection. It can be used as a mirror.
なお、円柱の半径rや高さtは今回用いた値に限定されるものではない。
埋め込み型フォトニック結晶の作製方法としては、リソグラフィーやエッチングにより表面にパターンを作製した後に同種のウエハと貼り合わせ、あるいは埋め込み再成長法を用いて作製することができる。
また、フェムト秒レーザ等を用いて、物質内部に構造を書き込むという方法もある。
The radius r and height t of the cylinder are not limited to the values used this time.
As a method of manufacturing the embedded photonic crystal, a pattern can be formed on the surface by lithography or etching, and then bonded to the same kind of wafer, or by using an embedded regrowth method.
There is also a method of writing a structure inside a substance using a femtosecond laser or the like.
つぎに、本発明の実施例について説明する。
[実施例1]
実施例1においては、本発明を適用して構成した垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
図6に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの構成を示す。
図6において、601はn型GaAs基板、602は二次元フォトニック結晶を含む下部クラッド層、605は活性層、606は二次元フォトニック結晶を含む上部クラッド層である。
また、608は下部電極、609は上部電極、610は二次元フォトニック結晶、611は円柱空孔、612は二次元フォトニック結晶である。
Next, examples of the present invention will be described.
[Example 1]
In Example 1, a vertical cavity surface emitting laser configured by applying the present invention will be described.
FIG. 6 shows the configuration of a vertical cavity surface emitting laser according to this embodiment.
In FIG. 6, 601 is an n-type GaAs substrate, 602 is a lower clad layer containing a two-dimensional photonic crystal, 605 is an active layer, and 606 is an upper clad layer containing a two-dimensional photonic crystal.
活性層605の上側と下側を埋め込み型二次元フォトニック結晶612による反射鏡および610ではさみ込んだ構成になっている。本実施例の垂直共振器型面発光レーザは電流注入により動作する。
本実施例の垂直共振器型面発光レーザは、n型GaAs基板601の上にn型(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pと空気からなる下部フォトニック結晶610による反射鏡および下部クラッド層602が形成されている。
そして、さらにその上にIn0.56Ga0.44P/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pのひずみ量子井戸構造からなる活性層605が設けられている。
井戸の層数は3層、In0.56Ga0.44P層、(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P層の厚さはそれぞれ6nmである。
活性層の上にはp型(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pと空気からなる上部フォトニック結晶612による反射鏡および上部クラッド層606が形成されている。活性層と反射鏡との間の距離はおよそ500ナノメートルである。また、垂直共振器型面発光レーザの下部にはNi/Au/Geからなるn電極608、上部にはAu−Znからなるp電極609が形成されている。
前述した図2の構成では、上部フォトニック結晶212による反射鏡が最表面に位置し、その凹凸のために反射鏡直上に電極を設けることは困難であったが、本実例の構成によれば最表面が平坦になるので、上部反射鏡直上に容易に電極を形成することができる。
The upper and lower sides of the
The vertical cavity surface emitting laser according to the present embodiment includes a reflecting mirror and a
Further, an
The number of well layers is 3, the thickness of each of the In 0.56 Ga 0.44 P layer and the (Al 0.5 Ga 0.5 ) 0.5 In 0.5 P layer is 6 nm.
On the active layer, a reflecting mirror made of an
In the configuration of FIG. 2 described above, the reflecting mirror made of the
フォトニック結晶610および612は、面内方向において、円柱空孔611が三角格子状に周期的に配列された構造を持っている。
活性層605はAlGaInAs/InPの多重量子井戸構造を有しているため、光や電流などによって励起されると、およそ1.53マイクロメートルを中心とした波長帯域の光を放出する。
フォトニック結晶の構造は、この波長帯域の光が面に略垂直方向に入射した場合に高反射率を持つように設計されており、特に1.53マイクロメートル付近の光が面に垂直に入射された場合、見かけ上ほぼ100パーセントの反射が起こる。
図9に、このフォトニック結晶のフォトニックバンド構造を示す。
図9中において点線の円901で示される付近でのバンド内でのモードを用いる。
この付近ではバンドは極値をもつためその傾きが非常に小さく0となる。つまり光の群速度が0または非常に小さくなる傾向があり、ここで記述される光のモードを用いることにより、二次元面内でモードがそろった定在波を形成することができる。
このモードはフォトニックバンド構造中のライトライン902よりも上方(外側)、つまり高周波数側にあるため、放射モードとなり外部光と結合しやすい。
Since the
The structure of the photonic crystal is designed to have a high reflectivity when light in this wavelength band is incident on the surface in a direction substantially perpendicular to the surface, and in particular, light in the vicinity of 1.53 micrometers is incident on the surface perpendicularly. If so, an apparent near 100 percent reflection occurs.
FIG. 9 shows the photonic band structure of this photonic crystal.
In FIG. 9, a mode in the band near the
In this vicinity, since the band has an extreme value, its inclination is very small and becomes zero. That is, the group velocity of light tends to be 0 or very small. By using the light mode described here, it is possible to form a standing wave having a uniform mode in a two-dimensional plane.
Since this mode is above (outside) the
[実施例2]
実施例2では、実施例1と異なる形態の垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
図7に、本実施例の垂直共振器型面発光レーザの構成を示す。
図7において、701はn型GaN基板、702は二次元フォトニック結晶を含む下部クラッド層、705は活性層、706は二次元フォトニック結晶を含む上部クラッド層である。
また、708は下部電極、709は上部電極、710は二次元フォトニック結晶、711は円柱空孔、712は欠陥を設けられた二次元フォトニック結晶である。
図7に示すように、n型GaN基板701上に二次元フォトニック結晶が備えられ、n型Al0.3Ga0.7Nと空気からなる下部フォトニック結晶710による反射鏡および下部クラッド層702が形成されている。
そして、さらにその上にIn0.02Ga0.98N/In0.1Ga0.9Nの多重量子井戸構造からなる活性層705が設けられている。
井戸の層数は3層、In0.02Ga0.98N層、In0.1Ga0.9N層の厚さはそれぞれ5nm、2.5nmである。
活性層の上にはp型Al0.3Ga0.7Nと空気からなる上部フォトニック結晶712による反射鏡および上部クラッド層706が形成されている。
また、垂直共振器型面発光レーザの下部にはTi/Alからなるn電極708、上部にはTi/Pt/Auからなるp電極709が形成されている。本実施例の垂直共振器型面発光レーザは電流注入により動作する。
[Example 2]
In Example 2, a vertical cavity surface emitting laser having a different form from that of Example 1 will be described.
FIG. 7 shows the configuration of the vertical cavity surface emitting laser of this example.
In FIG. 7, 701 is an n-type GaN substrate, 702 is a lower clad layer containing a two-dimensional photonic crystal, 705 is an active layer, and 706 is an upper clad layer containing a two-dimensional photonic crystal.
As shown in FIG. 7, a two-dimensional photonic crystal is provided on an n-
Further, an
The number of well layers is 3, and the thicknesses of the In 0.02 Ga 0.98 N layer and the In 0.1 Ga 0.9 N layer are 5 nm and 2.5 nm, respectively.
On the active layer, a reflecting mirror made of an
Further, an n-
図8に本実施例のフォトニック結晶の構成を示す。
形成されたフォトニック結晶801は円柱空孔802が四角格子状に配列されたもので、本実施例で扱う波長およびモードの光はこのフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内にあってほとんど存在できない。
しかし、フォトニック結晶には図中に示すように、円柱空孔が欠落した領域である欠陥803が周期的に配列された構造となっている。
周期的に設けられた欠陥とは、その面内においてフォトニック結晶のm周期に一つの間隔で設けられたものであり(mは自然数)、各々の欠陥は基本的に同一のサイズおよび形状を持つものである。
FIG. 8 shows the configuration of the photonic crystal of this example.
The formed
However, as shown in the drawing, the photonic crystal has a structure in which
Periodically provided defects are those that are provided at intervals of m periods of the photonic crystal within the plane (m is a natural number), and each defect basically has the same size and shape. It is what you have.
欠陥は一つであれば点欠陥として独立に機能するが、図8のようにある程度の距離で周期的に複数配置されているので、複数の欠陥のモードが互いに結合して欠陥モード1002(図10)を形成する。
したがって、フォトニックバンドギャップ内にある活性材料からの発光のうち、複数欠陥のモードが結合したことによる欠陥モードに対応する波長およびモードの光だけがフォトニック結晶中に存在できることになる。
この欠陥モードによりフォトニック結晶面内の広い面積においてモードの揃った光を生じさせることができる。
これにより、大面積で、かつ単一モードあるいはモードの揃った面発光レーザを実現することができる。
このことは、特にレンズで集光して使用する場合に重要な利点となる。
If there is only one defect, it functions independently as a point defect. However, since a plurality of defects are periodically arranged at a certain distance as shown in FIG. 8, a plurality of defect modes are combined with each other to form a defect mode 1002 (FIG. 10).
Therefore, only light having a wavelength and a mode corresponding to the defect mode due to the combination of the modes of a plurality of defects can be present in the photonic crystal among the light emitted from the active material in the photonic band gap.
This defect mode can generate light having a uniform mode over a wide area in the photonic crystal plane.
Thereby, a surface emitting laser having a large area and a single mode or a uniform mode can be realized.
This is an important advantage particularly when the light is condensed by a lens.
なお、活性層の上下に位置する反射鏡の両方を欠陥が導入されたフォトニック結晶で構成することもできるし、一方を欠陥が導入されていないフォトニック結晶、他方を欠陥が導入されたフォトニック結晶により構成することもできる。
また、欠陥としては、二次元フォトニック結晶の周期性を乱す局所的なものであればどのような形状のものも可能である。
前述のように空孔が欠落したものであってもよいし、空孔のサイズが他のものより大きく(あるいは小さく)なっているものであってもよい。
空孔の形状が他と異なるものであってもよい。また、屈折率の異なる物質を空孔中に充填したものであってもよい。
Note that both of the reflectors positioned above and below the active layer can be composed of photonic crystals in which defects are introduced, one is a photonic crystal in which no defects are introduced, and the other is a photonic crystal in which defects are introduced. It can also be composed of a nick crystal.
In addition, the defect may have any shape as long as it is a local defect that disturbs the periodicity of the two-dimensional photonic crystal.
As described above, the holes may be missing, or the holes may be larger (or smaller) than the others.
The shape of the holes may be different from the others. Further, the pores may be filled with substances having different refractive indexes.
101:高屈折率物質
102:低屈折率物質からなる円柱
203:フォトニック結晶層
205:活性層
207:フォトニック結晶層
210:二次元フォトニック結晶
211:円柱空孔
212:二次元フォトニック結晶
301:スラブ
302:円柱空孔
601:n型GaAs基板
602:二次元フォトニック結晶を含む下部クラッド層
605:活性層
606:二次元フォトニック結晶を含む上部クラッド層
608:下部電極
609:上部電極
610:二次元フォトニック結晶
611:円柱空孔
612:二次元フォトニック結晶
701:n型GaN基板
702:二次元フォトニック結晶を含む下部クラッド層
705:活性層
706:二次元フォトニック結晶を含む上部クラッド層
708:下部電極
709:上部電極
710:二次元フォトニック結晶
711:円柱空孔
712:欠陥を設けられた二次元フォトニック結晶
803:欠陥
902:ライトライン
1001:フォトニックバンドギャップ
1002:欠陥モード
101: High refractive index material 102:
Claims (6)
前記第1および第2の反射鏡が、二次元周期構造を備えた二次元フォトニック結晶で構成され、
前記少なくとも一方の反射鏡における二次元周期構造が、高屈折率を有する物質中に低屈折率を有する物質が埋め込まれた状態で二次元周期に配列して構成されていることを特徴とする垂直共振器型面発光レーザ。 In a vertical cavity surface emitting laser having an active layer between a first reflecting mirror and a second reflecting mirror,
The first and second reflecting mirrors are composed of a two-dimensional photonic crystal having a two-dimensional periodic structure;
A vertical structure characterized in that the two-dimensional periodic structure in the at least one reflecting mirror is arranged in a two-dimensional period with a substance having a low refractive index embedded in a substance having a high refractive index. Cavity type surface emitting laser.
または、前記二次元周期に配列された空孔中に屈折率の異なる物質を充填することによって形成されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。 The defect that disturbs the periodicity loses a part of the holes arranged in a two-dimensional period in a state of being embedded in a material having a high refractive index, or the size or shape of the holes is different from that of other holes. Different,
The vertical resonator type according to any one of claims 1 to 4, wherein the vertical cavity type is formed by filling the holes arranged in the two-dimensional period with substances having different refractive indexes. Surface emitting laser.
前記電磁波のモードが前記フォトニックバンド構造におけるライトラインの外側で記述されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。 The two-dimensional photonic crystal forms a photonic band structure between the frequency of the electromagnetic wave and the wave vector,
6. The vertical cavity surface emitting laser according to claim 1, wherein the electromagnetic wave mode is described outside a light line in the photonic band structure.
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| JP2016028439A (en) * | 2015-10-05 | 2016-02-25 | ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル.ピー.Hewlett‐Packard Development Company, L.P. | Multimode monolithic vertical cavity surface emitting laser array and laser system using the same |
| DE102021134114A1 (en) | 2021-12-21 | 2023-06-22 | OSRAM Opto Semiconductors Gesellschaft mit beschränkter Haftung | PHOTONIC SEMICONDUCTOR LASER |
| DE102022105668A1 (en) | 2022-03-10 | 2023-09-14 | Ams-Osram International Gmbh | LASER ARRANGEMENT, OPTOELECTRONIC SYSTEM AND METHOD FOR PRODUCING A LASER ARRANGEMENT |
| CN118554259A (en) * | 2024-07-26 | 2024-08-27 | 山东省科学院激光研究所 | A surface emitting laser based on femtosecond laser and its preparation method |
-
2006
- 2006-02-28 JP JP2006051842A patent/JP2007234721A/en active Pending
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