二维光子晶体面发光激光光源制造技术

一种二维光子晶体面发光激光光源，具有：活性层和设置在该活性层一侧的二维光子晶体，其特征在于，　　　　该二维光子晶体由在板状母材内周期性配置多个折射率不同于该母材的异折射率区域而成，所述异折射率区域为具有规定截面形状的柱状且该柱的主轴相对于母材的表面有倾斜。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种自平面状的光源沿垂直于其面的方向放射激光的面 发光激光光源。
技术介绍
迄今，正使用着利用了法布里一珀罗共振器的法布里一珀罗型激光光源、及利用了衍射光栅的分布式反馈(Distributed Feedback: DFB)型激光光源。这些激光光源都是通过共振或衍射使规定波长的光放大而使激光 起振的光源。与之相对，近年来，正在开发采用了光子晶体的新型的激光光源。光 子晶体是在电介质所构成的母材上人工形成周期构造的晶体。周期构造通 常通过在母材内周期性设置折射率不同于母材的区域(异折射率区域)而 形成。通过该周期构造，在晶体内产生布拉格衍射，另外，在光的能带中 出现带隙。光子晶体激光光源具有利用带隙效果并将点缺陷作为共振器使 用的构成、和利用光的群速度为O的带端的驻波的构成。均将规定波长的 光放大而得到激光振荡。专利文献1中记载有一种在包含发光材料的活性层的附近形成有二维 光子晶体的激光光源。该二维光子晶体中，在由半导体构成的板状的母材 中将圆柱状的空孔周期性(三角晶格状、正方晶格状、六角晶格状)地进 行设置，母材的折射率的分布具有二维的周期性。通过该周期与由来自电 极的载流子的注入在活性层所生成的光的介质内波长一致，在二维光子晶 体的内部形成二维驻波，由此，光被增强而进行激光振荡。图1示意地表示专利文献1中记载的二维光子晶体的内部所形成的驻 波。该图中，仅一维地表示结晶面内的一方向(x方向)的驻波，但在例 如正方晶格的情况下，在与之垂直的方向也形成驻波。着眼于电场，该驻 波形成为在二维光子晶体11内的空孔12的部分具有波节和具有波腹的两个模式。若将通过某空孔12的中心的轴(Z轴)定义为对称轴，则相对于 该轴而前者为反对称、后者为对称。在此，在考虑与外部平面波耦合的情 况下，沿Z方向传播的平面波的分布函数关于X方向是一样的，与之相对， 关于对称轴而言，在反对称模式下为奇函数，在对称模式下为偶函数。在 假设二维光子晶体的大小为无限的情况下，由于在对称模式下与外部平面 波的重叠积分不为0，因此，产生沿面垂直方向的一级次衍射光。与之相 对，在反对称模式下与外部平面波的重叠积分为0，因此，通过干涉而不 会产生沿面垂直方向的一级次衍射光。因此，该反对称模式不能沿面垂直 方向取出光。实际上由于二维光子晶体的大小是有限的，由此，反对称模式的光的 对称性也溃坏，就能够沿面垂直方向取出。但是，该情况下，沿面垂直方 向取出的光的强度受到干涉的影响而被减弱。为抑制这样的干涉的影响而提高光沿面垂直方向取出的取出效率，迄 今对二维光子晶体的面内的折射率分布的对称性溃坏的情况进行了探讨。 专利文献2中记载了具有二维光子晶体的面发光激光光源，该二维光子晶 体通过形成有平移对称性但没有旋转对称性的晶格构造而使平行于母材 的面内的对称性溃坏。这样的对称性通过将例如异折射率区域的空孔配置 成正方晶格状，且将各空孔的平面形状(平行于二维光子晶体的截面的形 状)作成三角形而被形成。该情况下，晶格具有四维旋转对称性，空孔具 有三维旋转对称性，由于两者的旋转对称性不一致，故晶体整体就没有旋 转对称性。另外，也有在正方晶格的一个晶格点将平面形状为完整圆而直 径不同的两个空孔邻接设置的方法。该情况下，在晶格点没有旋转对称性， 因此，晶体整体也就没有旋转对称性。这些激光光源中，由于二维光子晶 体的晶格构造的对称性比图l所示的晶格构造的低，故可抑制反对称模式 的光的干涉的影响，从而可使沿面垂直方向取出的光的强度比目前的要 强。专利文献l:特开2000-332351号公报( 、图1) 专利文献2:特开2004-296538号公报( 、图1 5)表示激光光源的效率的指标之一有以注入激光光源的电流的增加量 为分母、以该电流的增加所引起的光沿面垂直方向输出的增加量为分子所表示的微分量子效率Tld。微分量子效率W是与使用作为面垂直方向的Q 值的Q丄、作为侧面方向的Q值的Q//、及表示内部吸收及散射损失的无量纲因数a来表示的值成正比例。为了提高微分量子效率，减小1/ Q〃+ot， 同时增大1/Qi即减小Q丄是有效的。但是，当Q丄过小时，不能使激光振荡， 因此，优选Qi值收敛于规定的范围(几千程度)。另外，在此定义的Q丄 是相对于具有有限周期构造(有限的大小)的二维光子晶体，但下面将Q丄 作为相对于无限周期构造定义的使用。无限周期构造的Qi与有限周期构 造的Qi相关，因此，使用计算容易的无限周期构造的Qi来进行讨论对本 质而言也没有损失。另外，为了提高激光光源的效率，需要留意对激光振荡所利用的光能 带的选择。图2表示将空孔配置成正方晶格状的二维光子晶体的光能带图。 该二维光子晶体中，在k二0 (「点)附近形成有四条带。这些带中低能量 (低频率)侧的两条带的带端A、 B有助于激光振荡。其中，带端B在「点附近显示平的色散函数，因此，在现实的有限周期构造中具有r点以外的波数(wavenumber)的光混合得更多。由于具有「点以外的波数的光的 对称性低，故在面垂直方向不被限制(confmed)。因此，在现有的器件中， 通常带端B的Q4直比带端A的低，带端A为振荡模式。另外，图2中表 示在空孔的平面形状为椭圆形时的计算结果，但在空孔为其它形状时也基 本上是相同的。本申请专利技术者对专利文献2中记载的二维光子晶体面发光激光光源计 算了二维光子晶体的Q值，其结果可知若通过适宜设定空孔的大小而使相 对于带端A的Qi值为几千程度，则相对于带端B的Qi值就变为几十万 几百万程度这样大的值。若相对于带端A的带端B的Qi值这样增大，则 可在带端B产生激光振荡。在现实的激光光源中如上所述本来选择带端A， 但若带端B的Qi值增大，则可能会引起不稳定的二模式振荡。另外，若 带端B被选择进行振荡则其Q丄值过大，因此，光沿面垂直方向取出的取 出效率降低。另外，在专利文献2中记载的二维光子晶体面发光激光光源中，在制 造时产生以下的问题。根据通常的制造方法，首先制造二维光子晶体的母 材(或在母材上层叠活性层等一部分层)，利用干蚀刻等方法在母材中周期性形成正三角柱的空孔。然后，将包含母材的各层(包覆层及电极等) 重合，通过加热将各层粘接。在进行该热处理时，空孔的正三角柱的角变 形而成圆角从而变成近似圆柱的形状的情况存在。当该变形产生时，空孔 的平面形状的对称性比正三角柱的高，从而光的取出效率降低。
技术实现思路
本专利技术要解决的课题在于，提供一种光沿面垂直方向取出的取出效率 高且难以受到热等所引起的变形的影响的二维光子晶体面发光激光光源 及其制造方法。为解决上述课题，本专利技术第一形态提供一种二维光子晶体面发光激光 光源，其具有活性层和设置在该活性层一侧的二维光子晶体，该二维光子晶体通过在板状母材内周期性配置多个折射率不同于该 母材、为具有规定截面形状的柱状且该柱的主轴相对于母材的表面有倾斜 的异折射率区域而成。在第一形态的二维光子晶体面发光激光光源中，可使用所述异折射率 区域为斜圆柱状、且相对于母材的表面的垂线的该斜圆柱的主轴的倾斜度为20° 45°的。或者，作为所述异折射率区域也可以使用随着从活性层 的相反侧的面朝向活性层侧而在母材表面的截面为正三角形的向底边侧 倾斜的斜正三角柱状。本专利技术第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：野田进，宫井英次，大西大，
申请(专利权)人：国立大学法人京都大学，罗姆股份有限公司，
类型：发明
国别省市：