專利名稱：垂直腔面發射激光器的制作方法
技術領域：
本發明涉及垂直腔面發射激光器(VCSEL)。
背景技術：
就其低閥值、便于與光元件連接、可形成陣列等方面來說，垂直腔面發射激光器具有優勢。因此，從八十年代中后期，人們積極地對VCSEL進行研究。
然而，VCSEL是有缺陷的，因為VCSEL單橫模振蕩的光點直徑很小，大約是3到4微米。造成的原因如下。當VCSEL多模振蕩時，類似鏡頭的光元件在每種模式中的響應都互不相同，并且所發出的光并不是以相同的方式工作。
另外，由于VCSEL的增益區很小，所以組成諧振腔的一對分布布拉格反射器鏡(DBR)必須具有99％或是更高的反射率。為了獲得如此高的反射率，在半導體反射鏡中，由數十個層組成的多層膜是所需要的。在這種情況中，由于多層膜大的層厚度，諧振腔中很容易積熱，不盡如人意的熱散逸效果提高了閥值和電阻，導致電流注入和類似的困難。
Fan等人.敘述了當將二維光子晶體平板作為反射鏡來使用時反射光和透射光等的波長依賴性(V.Lousee等人，光子學報(Opt.Express)，12卷，15號，第3436頁(2004))。
光子晶體具有這樣的結構，其中在材料中大約預定光波長的折射率調制可人為提供。換句話說，在光子晶體的結構中，具有互不相同的折射率的介質以一定的周期排列。人們相信在晶體中光的傳播可通過光的多重散射效應進行控制。
根據Fan等人的論文中所述的報告，當光從基本垂直于二維光子晶體表面的方向入射到其表面上時，具有預定頻率的光被反射的效率是100％。
為此，本發明研究如何將光子晶體作為VCSEL的反射鏡層來使用。
發明內容
通過將光子晶體反射鏡作為VCSEL的反射鏡來使用，由具有大約幾個微米厚度的多層膜構成的反射鏡可被由具有大約幾十到幾百納米的薄膜構成的反射鏡所替代。因此，由于反射鏡層的厚度導致的熱量問題可被抑制。
然而，當發射光的光點直徑增大到例如5微米或是更大時，VCSEL就不能單橫模振蕩。換句話說，光點直徑的增大導致一種類似于多個具有不同相位的激光器獨立發光的狀態。當VCSEL用于具有透鏡的光冷凝時這個問題變得嚴重。
本發明提供一種新的VCSEL結構，可輕易實現單橫模振蕩。
根據第一個方面，本發明涉及垂直腔面發射激光器，包括第一反射鏡，具有周期性折射率結構的第二反射鏡，其中所述折射率在相對所述第一反射鏡的平面的橫向方向上周期性的變化，以及設置在第一反射鏡和第二反射鏡之間的活性層。周期性折射率結構包括多個破壞第二反射鏡的周期性折射率結構的周期性的部分。周期性折射率結構可以是二維的光子晶體結構。另外，缺陷能級存在對應于破壞周期性折射率結構周期性的部分的二維光子晶體結構的光子能隙中。此外，破壞周期性折射率結構的周期性的部分周期性地或是非周期性地處在第二反射鏡的橫向方向上。此外，破壞周期性折射率結構的周期性的部分包括彼此光耦合的發光部分。在本實施方式中，垂直腔面發射激光器發射單橫模光。
在一個實施方式中，第一反射鏡、活性層和具有周期性折射率結構的第二反射鏡按此順序設置在襯底上并且第一反射鏡包括多層膜。在另一個實施方式中，第二反射鏡、活性層和第一反射鏡按此順序設置在襯底上并且第一反射鏡具有多層膜。在另一個實施方式中，第一反射鏡、活性層和具有周期性折射率結構的第二反射鏡按此順序設置在襯底上并且第一反射鏡和第二反射鏡都包括二維的光子晶體。在另外的實施方式中，第一反射鏡、活性層、具有周期性折射率結構的第二反射鏡以及電極按此順序設置在襯底上并且周期性折射率結構沒有在直接設置在電極下方的第二反射鏡的部分中提供。第二反射鏡包括多個層，每個層具有周期性折射率結構。在一個實施方式中，周期性折射率結構包括第一介質和第二介質，第二介質具有高于第一介質的折射率，而所述器件還包括層，該層包括具有比設置在具有周期性折射率結構的第二反射鏡和活性層之間的第二介質更低的折射率的介質。第一反射鏡可以是包括多層膜的分布布拉格反射器。此外，對破壞周期性折射率結構的周期性的部分間的間隔進行設置，使得破壞周期性的部分充當發光部分以及在每個部分中破壞周期性的光分量可彼此耦合。在一個實施方式中，周期性折射率結構包括設置有破壞周期性的部分的第一區域和沒有設置破壞周期性的部分的第二區域，并且第二區域位置設置成圍繞第一區域。在這種情況中，第一區域包括正方型晶格而第二區域包括三角型晶格。此外，周期性折射率結構包括二維光子晶體，而破壞周期性的部分是缺陷。
根據第二個方面，本發明涉及垂直腔面發射激光器，包括襯底、第一反射鏡、活性層和第二反射鏡。第一反射鏡、活性層和第二反射鏡是提供在襯底上的。第一反射鏡和第二反射鏡包括二維的周期性折射率結構。此外，激光器發射單橫模光。
根據第三個方面，本發明涉及垂直腔面發射激光器，包括襯底、第一反射鏡、活性層和第二反射鏡。第一反射鏡、活性層和第二反射鏡是提供在襯底上的。至少第一反射鏡和第二反射鏡中的一個包括二維的周期性折射率結構。從垂直腔面發射激光器發射出的發射激光的光點直徑是5微米或更大些。發射激光以單橫模被發射。
根據第四個方面，本發明涉及垂直腔面發射激光器，包括襯底、第一反射鏡、活性層和第二反射鏡。第一反射鏡、活性層和第二反射鏡是提供在襯底上的。至少第一反射鏡和第二反射鏡中的一個包括二維的周期性折射率結構。在二維的周期性折射率結構中，在從5到50納米的波長范圍內，諧振波長處的反射率和在此波長范圍內的任何其它波長處的反射率之間的差值在3％以內，該波長范圍包括諧振波長。在本實施方式中，從垂直腔面發射激光器發射出的發射光是以單橫向模式被發射的。另外，在5到50納米的波長范圍內，存在30納米的波長子區間，諧振波長處的反射率和在此30納米子區間內其它任何波長處的反射率之間的差值在3％以內，這30納米的子區間包括諧振波長。
根據本發明，能夠提供可以以單橫向模式輕易地振蕩的新的VCSEL結構，即使該結構具有增大的光點直徑。
下面通過結合附圖對示例性的實施方式進行描述，本發明另外的特征將變的明顯。
圖1是根據本發明的具有二維光子晶體的激光器的示意性橫截面圖；圖2是二維光子晶體的透視圖；圖3是二維光子晶體的透視圖；圖4是示出光子能帶結構的示意圖；圖5是示出其中引入缺陷的二維光子晶體的光子能帶的示意圖；圖6是示出激光器結構的實施方式的示意性橫截面圖；圖7A和圖7B是諧振腔反射鏡的示意圖；圖8是示出兩個諧振腔反射鏡位置關系的示意圖；圖9是示出激光器結構的實施方式的示意性橫截面圖；圖10A和10B是激光器中諧振腔反射鏡的示意圖；圖11A和11B是激光器中諧振腔反射鏡的示意圖；圖12是示出激光器結構實施方式的示意性橫截面圖；圖13是示出激光器結構實施方式的示意性橫截面圖；
圖14A和14B是周期性結構的示意圖；圖15是激光器中諧振腔反射鏡的示意圖；圖16A和圖16B分別是示出光子能帶結構的示意圖。
具體實施例方式
現在參照圖1對根據本發明的垂直腔面發射激光器(VCSEL)的基本結構進行描述。
圖1是根據本發明的VCSEL的示意性橫截面圖。在此圖中，VCSEL包括活性層1040、中間夾入了活性層1040的隔離層1030和1050(也稱為包覆層)、電極1020和1080、第二反射鏡層1000、第一反射鏡層1060和襯底1070。
在圖1中，周期性折射率結構在第二反射鏡層1000內提供。周期性折射率結構包括破壞周期性的部分1010。在光子晶體中，這類破壞周期的部分在一些情況中稱為缺陷。
破壞周期性折射率結構周期性的部分可以周期性地或非周期性地處在第一或第二反射鏡層的橫向方向上。
對破壞周期性折射率結構的周期性的部分之間的間隔進行確定，例如，使得破壞周期性的部分充當發光部分并且每個破壞周期性的部分中的光分量彼此耦合。
另外，具有周期性折射率結構的第一或第二反射鏡層可以包括由多個層構成的周期性折射率結構。
周期性折射率結構可以包括第一介質和第二介質，第二介質具有比第一介質更高的折射率。在這種情況中，包含具有比第二介質更低的折射率的介質的層可在具有周期性折射率結構的第一或第二反射鏡層與活性層之間被提供。
第一和第二反射鏡層中的一個包括周期性折射率結構而其它反射鏡層可以是由多層膜構成的DBR反射鏡。
現在對本發明進行詳細描述。
周期性折射率結構意指光子晶體。首先對光子晶體進行描述，接著在對構成本發明特征的缺陷部分進行描述。
(光子晶體)周期性折射率結構(光子晶體)從折射率周期性的觀點來看劃分為一維結構、二維結構或三維結構。用于VCSEL的多層膜反射鏡具有一維的周期性結構。由于二維光子晶體(具有周期性的結構，其中折射率在結構的橫向方向上周期性的變化)與三維光子晶體相比準備起來相對容易，因此迄今為止人們一直在對二維光子晶體進行積極的研究。
在光子晶體的結構中，折射率的周期性結構是人為提供的。具體地，周期性結構中的折射率的周期性是在由空間坐標中的兩個軸所形成平面的方向上或是僅在兩個彼此正交的方向上被提供的結構稱為二維光子晶體。在另一個方向上折射率沒有周期性的變化。
在已知的二維光子晶體形成中，周期性折射率結構在薄平板材料上被提供，以便在橫向的方向上具有周期性。這類晶體專門稱為二維光子晶體平板。
例如，如圖2中所示，微孔1210在薄平板1201上形成，該薄平板是由硅或類似的所構成的半導體并且具有高的折射率，而周期大致相當于所用光的波長。因此，折射率可在橫向的方向上被調制。
如圖3所示，當光從基本上垂直于平面的方向入射到二維光子晶體1300上時(入射光1301、透射光1302以及反射光1303在圖中示出)，透射譜具有復雜的形狀。例如，上述的文獻(V.Lousse等人，光子學報(Opt.Express)，12卷，15號，3436頁(2004))從理論上描述了這樣的事實，即在波長大約是1100納米、1220納米到1250納米和1350納米的三個區域中反射率變為100％。另外，文獻還描述在紅外線區所做的實驗證明反射率正如上述理論中那樣基本上變為100％。通過時域有限差分FDTD)方法采用數值模擬來設計晶體結構可對要反射的光的頻率進行控制是已知的。盡管在橫向方向上存在這類周期性折射率結構，但是從垂直方向上入射的光被反射。該現象就是已知的橫向導向諧振。例如，在物理評論(Pysical Review)B，卷65，235112中對橫向導向諧振進行了詳細的描述。在本發明中，組成VCSEL的反射鏡的反射功能可通過利用該橫向導向諧振來實現。
這類現象是基于這樣的事實，即從基本垂直方向上入射到二維光子晶體的光1301暫時被轉化為在光子晶體的橫向方向上被引導的光，該導向光造成了橫向方向上的諧振，然后光在入射光一側的垂直方向上再次被發射。該現象被描述為二維晶體中導向光的能量和動力動量之間的光色散關系(被稱為“光子能帶”)。
圖4是示出二維光子晶體的光子能帶的原理圖。橫坐標表示波數向量而縱坐標表示光的歸一化頻率(ωa/2πc其中ω代表光的角頻率，a代表光子晶體的晶格常數，而c代表光在真空中的速度)。
上述橫向方向上的諧振僅發生于在光子能帶結構中具有高于光錐41能量(其中二維平板內的導向光在平板的界面上受到完全反射的范圍)的模式的光。換句話說，在圖4中，橫向方向上的諧振發生于出現在相對于光錐41的直線的上部區域內的光。
一般地，橫向方向上光的諧振可輕易地在多模中執行。因此，當反射鏡的面積加大時(即，當激光束的光點直徑增大到例如5微米或是更大時)，發射光束的相位依橫向方向上的位置而不同。
為了解決這個問題，通過將作為本發明特征的破壞周期的部分引入到光子晶體中，相位對齊的單模光可在很大的范圍上實現(例如，直徑為5到50μm)。
在如圖4所示的光子能帶的圖中，其中沒有光子能帶出現的頻帶45仿照固態晶的電子頻譜帶理論稱為光子能隙。圖5是當破壞周期性的部分(以下也稱為“缺陷部分”)位于二維光子晶體中時的光子能帶示意圖。由圖5中區域51示出的頻帶(波長范圍)表示光子能隙。
光子能隙的幅度依光子晶體的高折射率部分和低折射率部分之間的折射率差而變化。當折射率差大的時候，光子能隙也將增大。當折射率差小的時候，光子能隙也就減小。當折射率差非常小時，光子能隙消失。
在圖2所示的二維光子晶體平板中，光子能隙的幅度依形成于板內的孔的尺寸而變化，即，基本材料、晶格形狀、周期和其它類似等。
在二維光子晶體中，具有三角型晶格的光子晶體中的光子能隙通常大于具有正方型晶格的光子晶體的光子能隙。作為大致的標準，當折射率差是1.8或是更小時，因為使用三角型晶格可獲得較大的光子能隙寬度，所以寧可使用三角型晶格而不使用正方型晶格。這樣的材料包括GaN和TiO2。
三角型晶格和正方型晶格都可用于例如是Si或GaAs的材料，其中可獲得1.8或是更大的折射率差。
關于具有光子晶體的結構，處于光子能隙內的頻帶的光不會在此結構內出現。然而，當缺陷部分引入到該結構內時，新的能級(即，圖5中的缺陷能級52)出現在光子能隙中并且光可出現在缺陷部分內。換句話說，甚至光子能隙內的光可通過缺陷部分引導入晶體中。具有此類缺陷部分的二維光子晶體內的反射由具有缺陷模式的頻率的此類光來執行。
人們相信，通過引入缺陷部分使得附近沒有能級出現，缺陷能級內的光分量(即，缺陷部分中局域化的光分量)強烈的相互作用并彼此耦合。結果是，可輕易執行單橫模振蕩。因此，多個破壞周期性的部分被引入到了周期性折射率結構中。因此，即使在光點直徑很大時，例如光點直徑在5到50微米的范圍內，仍可提供發出具有相位對齊的光的VCSEL。
下面的實施方式描述具有15微米光點直徑和單模振蕩的VCSEL。
本發明提供可輕易進行單模振蕩的結構。本發明的應用領域不限于具有從5到50微米的光點直徑的VCSEL。此外，盡管主要是對二維光子晶體進行描述，本發明也可用于三維的光子晶體。
本發明中破壞周期性折射率結構的周期性的部分(缺陷部分)的位置和大小沒有特別的限制。然而，如上所述，通過引入缺陷部分，必然在光子能隙內形成新的能級。
必須對引入到周期性折射率結構中的多個缺陷部分的間隔進行確定，使得光分量能夠在引入的缺陷部分上出現，并且出現在每個缺陷部分上的光分量能夠彼此耦合。換句話說，多個缺陷部分以這樣的間隔來排列，即主要從引入的缺陷部分獲得的光強度分布具有分布是彼此相互重疊的區域。
該間隔取決于光子晶體的材料和結構以及待引導的光的波長范圍。例如，在對通過在平板上形成孔以便來形成三角型晶格(周期a)、具有折射率大約為3.5的光子晶體、平板厚度為0.5a以及孔的直徑為0.4a的光子晶體進行準備的情況中，缺陷部分之間的間隔例如可以是從二到八個周期。術語“周期”指周期性折射率結構的周期。這里，利用晶格常數進行歸一化操作并且將僅涉及周期的條件作為例子進行描述。
此外，周期性折射率結構的周期和要被引入的多個缺陷部分之間的間隔也依賴于振蕩波長的設計。例如，在具有670納米波長的激光束的情況中，周期性折射率結構的周期在橫向方向上被設成180納米并且每三個周期放置不包括孔的部分(缺陷部分)。在這種情況中，甚至可用具有15微米的光點直徑執行單橫模振蕩。周期性折射率結構可以具有相當于從活性層發出的光的波長或是發射波長的整數倍的周期。
缺陷部分之間的間隔可以大致地進行確定，例如，從周期性折射率結構的周期的2倍或更大(即，2個周期或更大)到50倍或少一些，20倍或少些、或進一步10倍或少一些的范圍內。當膜疊加到周期性折射率結構上時，不使用空氣或真空的介電常數的結構，就是說，不使用空氣隔離(air gap)的結構也可被使用。
(引入缺陷部分的方法)參考圖2中二維光子晶體的例子，如上所述，孔1210被部分移去(即，另外的孔沒有形成或是現存的孔被填滿了)，或是形成了具有與周圍孔不同尺寸的孔，因此就形成了缺陷。
可選地，具有不同折射率的另一種材料(固態材料而不是空氣)可被引入作為缺陷使用的部分，因此形成缺陷。
通過引入缺陷部分可對光子晶體的周期性的破壞程度進行控制。因此，光子能帶圖的缺陷能級可設置在光子能隙的中部。例如，在圖2的二維光子晶體的例子中，通過將缺陷部分內的孔的直徑調整到合適的值來實現控制。然而，當由于缺陷部分的引入而造成的對周期性的破壞程度極其小時，缺陷能級就設置在靠近光子能隙的頻帶邊緣的位置。
當缺陷模是靠近能帶邊緣時，在缺陷模和能帶邊緣模或是帶內模之間的能量差將變小，因此包括缺陷模的多個模可共同設置在激光活性層的增益區中。在這種情況中，模式的選擇性被惡化，可輕易導致相同時間內振蕩在多個模式下執行且多個模式不是穩定交替的現象。
從便于控制振蕩模的立場來看，缺陷能級可出現在光子能隙的中部。具體地，缺陷能級設計成使得其可在光子能隙內設置。
缺陷能級設計成可使得其出現在光子能隙的中部70％、50％、或30％內，即，在一定面積內沿光子能隙中部的一側延伸從而包含光子能隙面積70％、50％或是30％并從而可與光子能隙的頻帶邊緣隔開的區域。
(缺陷部分的類型)就向構成VCSEL的諧振腔的至少一個反射鏡引入的光子晶體的多個缺陷部分而言，缺陷部分本身可具有周期性(周期性缺陷)或是不具有任何的周期性(非周期性缺陷)。
這里，術語“周期性缺陷”是指在空間上引入缺陷的位置具有過渡性對稱的情況。這種周期性缺陷可經常通過僅僅改變折射率的值而不改變沒有引入缺陷的周期性折射率結構的空間排列而引入。例如，在圖2的二維光子晶體中，光子晶體內每隔兩個孔的周期提供缺陷(沒有提供孔的位置)就是周期性缺陷的例子。
在這種情況中，缺陷的周期可隨意的變化。如上所述，可對缺陷的周期進行適當的調整，這樣缺陷部分內局域化的光分量彼此耦合。缺陷的周期相對于初基晶格的方向具有各向異性。
術語“非周期缺陷”是指這種情況，其中缺陷的分布不具有空間上的過渡性對稱，但是缺陷設置成具有某種規律性。例如，缺陷可基于某種類型的數學圖案來進行分布，或結構具有局部無對稱性但是在一段長的期間內具有對稱性的準晶體結構。這種缺陷的分布具有數學圖案的情況的實施方式將在第三個實施方式中進行描述。除了具有對當于一個晶格點大小的點缺陷，缺陷部分連續連接的線缺陷，或其中三個或是更多的點缺陷形成的缺陷也可被使用。在這種情況中，在線缺陷或大的點缺陷部分處，點缺陷彼此連接。因此，缺陷間的間隔相當于一個周期。然而，線缺陷或是大的點缺陷是按大約2到8個周期的間隔進行排列的，因此局域化的光分量可彼此耦合。此外，這三種類型的缺陷，即點缺陷、線缺陷以及大的點缺陷可組合。引入缺陷也提供了下面的效果。通過引入缺陷，反射鏡上折射率的分布可被控制以改變發射光的模圖樣。換句話說，發射光的模圖樣可通過改變缺陷的類型而得到改變。因此，激光束的遠場圖樣可被改變。即使在當缺陷間的間隔沒有設置為局域化的光分量彼此耦合的距離時，這種效果依然可實現。
(具有光子晶體結構的材料)任何金屬、半導體以及電介質材料都可用于二維光子晶體反射鏡，但是主要是使用類似半導體和電介質這類可發射具有激光振蕩波長的光的材料。當振蕩由光泵來執行時，則半導體和電介質材料都可使用。當振蕩是由電流注入來執行時，可使用半導體。
二維光子晶體具有低折射率部分和高折射率部分呈周期性排列的結構。包括由例如硅這樣具有高折射率的半導體構成的高折射率部分和由孔構成的低折射率部分的結構可提供最大的折射率差。換句話說，這樣的結構可獲得大的光子能隙。
當電流注入是通過這種二維光子晶體反射鏡來執行時，低折射率部分可由具有比高折射率部分中所用材料的折射率低的半導體來構成。
下面對在方向上垂直于二維光子晶體的周期性折射率結構的厚度進行描述(該方向上沒有出現周期性折射率結構)。對厚度的確定使得引導于晶體內二維橫向方向上的光的橫模是單一的。盡管厚度的變化取決于被引導的光的波長和構成光子晶體的材料，但它可通過公知的計算方法推導出來(例如，見“Hikari doharo no kiso”(光波導技術基礎)(by Katsunari Okamoto，The Optronics Co.，Ltd.)，第二章)。
例如，對使用硅光子晶體而光子晶體外部材料是空氣的情況進行描述。對于具有1.5微米波長的導向光來說，光子晶體的厚度被控制在220納米或是更少些，因此就可獲得單橫模。
位于光子晶體外部在方向上垂直于二維光子晶體的周期性折射率結構(厚度方向，即，VCSEL的發射方向)的介質可由空氣或任何其它材料構成。然而，當振蕩由電流注入來執行時，介質可由這樣的材料來構成，即與在構成光子晶體的材料中具有較高折射率的材料相比，它具有低的折射率，這樣光就有效地限制在光子晶體內并且載流子可從反射鏡上的電極注入到活性層。另外，二維光子晶體外部介質的折射率可與光子晶體的折射率相同。然而，如上所述，包括空氣，即另一個介質的結構可以是非對稱的。這在種情況中，外部介質的折射率可低于構成光子晶體的具有高折射率的材料的折射率。
此外，在破壞周期性折射率結構的周期性的部分中，發光部分可以發光部分光耦合的間隔來進行設置，而垂直腔面發射激光器發射單橫模光。
在具體的VCSEL結構中，第一反射鏡、活性層和具有周期性折射率結構的第二反射鏡以此順序設置在襯底上并且第一反射鏡由多層膜反射鏡(DBR反射鏡)構成。
在另一個VCSEL結構中，具在周期性折射率結構的第二反射鏡、活性層和第一反射鏡以此順序設置在襯底上并且第一反射鏡由多層膜反射鏡構成。可選地，第一反射鏡和第二反射鏡都可由二維光子晶體構成。
當第一反射鏡、活性層、具在周期性折射率結構的第二反射鏡以及電極以此順序提供在襯底上時，從注入電流的觀點來看，器件可具有下面的結構。
即，直接設置在電極下的第二反射鏡的部分中沒有提供周期性折射率結構。
周期性折射率結構可包括第一區域，其中設置了破壞周期性的部分，第二區域，其中沒有設置破壞周期性的部分，并且可對第二區域進行定位，使得其圍繞著第一區域。
具體地，第一區域可由正方型晶格構成而第二區域由三角型晶格構成。
在本發明中，只要光是以單橫模發射，就沒有必要在周期性折射率結構中引入缺陷。因此，本發明包括下面的結構。也就是說，垂直腔面發射激光器包括襯底；第一反射鏡；活性層；以及第二反射鏡，第一反射鏡、活性層和第二反射鏡提供在襯底上，其中第一反射鏡和第二反射鏡包括二維周期性折射率結構，并且器件發射單橫模激光。
本發明還包括下面的結構。也就是說，垂直腔面發射激光器包括襯底；第一反射鏡；活性層；以及第二反射鏡，第一反射鏡、活性層和第二反射鏡提供在襯底上，其中至少第一反射鏡和第二反射鏡中的一個包括二維周期性折射率結構，發射光的光點直徑是5微米或更大些，并且器件以發射單橫模激光。
本發明還包括下面的結構。垂直腔面發射激光器包括襯底；第一反射鏡；活性層；以及第二反射鏡，第一反射鏡、活性層和第二反射鏡提供在襯底上，其中至少第一反射鏡和第二反射鏡中的一個包括二維周期性折射率結構。在二維周期性折射率結構中，在5到50納米的波長范圍內，諧振腔波長的反射率和其它在該波長范圍以內的任意波長的反射率差是在3％以內的，該波長范圍包括諧振腔波長，并且從垂直腔面發射激光器發射的光是以單橫向模式發射的。
在橫向方向上具有周期性結構的光子晶體由來自方向垂直于橫向方向的光照射。當在波長(或頻率)變化時對反射率或是透射率進行測量時，反射率大約是100％的波長將會出現。該波長通常稱為“諧振波長”。當具有諧振波長的光射入光子晶體時，光暫時在橫向方向上引導，接著作為反射光返回。
諧振波長處的反射率大約是100％。然而，一般地，當波長從諧振波長偏移大約1納米時，反射率急劇下降20％或更多。當上述在諧振波長處的反射作用應用到VCSEL的反射鏡時，鑒于生產中的誤差限度，為了使反射率相對于諧振波長的反射率的變化的比值在3％以內，波長的范圍必須在大約5到50納米的范圍內。
Fan等人在論文中描述了一種光子晶體，其中在30納米的波長范圍內，反射率的變化控制在3％以內，該范圍包括了諧振波長(光學期刊(Optics Express)，卷12，8號(2004)，1575-1582頁)。從制造VCSEL的觀點來看，可使用這類的光子晶體反射鏡。
現在將描述本發明的一些特征性結構。
(組成VCSEL的諧振腔反射鏡由多層膜反射鏡和光子晶體構成的情況)下面對該情況進行描述。在激光器諧振腔內的一對反射鏡中，一個反射鏡是多層膜反射鏡而另一個是由包括上述缺陷部分的光子晶體構成。
關于組成本發明的腔面發射激光器諧振腔的一對反射鏡，當一個反射鏡具有引入了缺陷的周期性折射率結構時，其它任意的反射鏡可用作另一個反射鏡。當然，形成于活性層上方和下方的層都可由光子晶體構成。
下面對一種結構進行描述，其中在已知VCSEL中的分布布拉格(DBR)反射鏡是作為一個反射鏡來使用的。可使用具有上述結構的反射鏡，由于所述反射鏡具有引入了缺陷的周期性折射率結構，所以不需要進一步的處理。所有上述涉及周期性折射率結構的圖案、缺陷的變化以及類似的結構都可使用。
在本發明中，用于常規VCSEL或類似的DBR反射鏡可作為多層膜反射鏡來使用。一般通過可選地疊加具有不同折射率的兩種類型的材料來對DBR反射鏡進行準備。每個介質中的一個層的厚度d設計成使得滿足由Nd＝λ/4表示的方程(N介質的折射率，λ諧振光的波長)。用于DBR反射鏡的材料例如可包括金屬、電介質材料和半導體。鑒于金屬的光吸收，可使用電介質材料和半導體。此外，當驅動是由電流注入來執行時，可使用具有低電阻的金屬和半導體材料。
這里具體的例子包括彼此具有相對接近的晶格常數的材料，例如，InxGa1-xAsyp1-y/Inx’Ga1-x’AsyP1-y’，AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs和GaN/AlxGa1-xN。為了提高該反射鏡的反射率，需要這兩種類型材料間折射率差要盡可能的大并且疊加層的數目也要大。然而，在反射鏡是利用傳導材料制成的情況中，當疊加層的數目增大時，垂直于疊加膜表面方向的電阻將增大。為了能通過反射鏡成功的向器件注入電流，需要反射鏡的電阻較低。因此，在這種情況中，期望的反射率是需要通過以下的條件來獲得，即必須確保反射鏡兩種類型材料間的折射率差較大而疊加層的數目要保持盡可能的小。另外，當反射鏡作為腔面發射激光器的腔的反射鏡來使用時，可僅通過晶體生長而無需如包覆等其它的處理來制作反射鏡。因此，反射鏡的材料可具有接近組成激光器的主在部分的材料的晶格常數。
設置在活性層上方和下方的反射鏡可由光子晶體構成。在這種情況中，一個反射鏡可由沒有引入缺陷的光子晶體構成，而另一個反射鏡可由引入了缺陷的光子晶體構成。當光子晶體作為反射鏡使用時，光子晶體用于設置在與襯底和活性層之間的下反射鏡以外的下反射鏡相對的上反射鏡，其中，活性層位于上反射鏡和下反射鏡之間。這樣做的原因是當周期性折射率結構是利用孔形成時，形成在結構上的較小數量的膜可簡化制作過程。顯而易見，設置在活性層上方和下方的一個反射鏡層可由光子晶體構成，而另一個反射鏡層可由多層膜(DBR)構成，這些膜具有彼此不同的折射率。
(反射鏡是由具有多個周期性折射率結構的多層膜構成的情況)在本發明的腔面發射激光器中，組成諧振腔的一對反射鏡的周期性折射率結構可以由單一結構(具有一個周期)構成或是具有一種結構，其中多個類型的此類單一結構被組合。
例如，考慮當周期性折射率結構是由二維光子晶體構成的情況。組成諧振腔的二維光子晶體反射鏡可由多個在諧振腔內沿光的諧振方向(發射方向，以下稱為垂直方向上的諧振)疊加的層構成，從而形成至少一個諧振腔反射鏡。不光二維光子晶體，還可使用三維的光子晶體。由空氣或其它介質構成的隔離層可在具有某個周期的周期性折射率結構區域和具有另一個周期的另一個周期性折射率結構區域之間被提供。因此，諧振腔反射鏡可以具有多層膜反射鏡結構，其中包括周期性折射率結構層和隔離層的一對層形成一個周期。
這一對層需要被設計成使得在反射鏡中諧振的光的相位是匹配的。具體地，對于相位匹配需要兩個條件首先，周期性折射率結構在平行于二維光子晶體內諧振光的諧振方向的方向(即，垂直于光發射方向的方向，該方向被稱為水平方向)上的位置關系是固定的。其次，當第一個條件滿足時對這一對層的厚度進行調整。
當提供在周期性折射率結構層之間的隔離層的厚度小并且兩個或多個周期性折射率結構是彼此光耦合的時，應對第一個條件進行考慮。在這種情況中，周期性折射率結構在水平方向上的對齊(平行移位或是旋轉)是需要的。如果這些位置沒有對齊，從周期性折射率結構發出的垂直方向上的光的相位將與每個層都不同，導致反射率的下降。甚至當隔離層的厚度較大并且周期性折射率結構沒有彼此光耦合時，位置關系還是固定的。
關于這種位置關系，例如，當具有相同周期的多個二維光子晶體平板疊加時，孔的位置是以3納米誤差內的精度進行匹配的。
在第一個條件滿足的情況下，通過調整這對層的厚度第二個條件也可得到滿足。如前所述，當周期性折射率結構層的厚度非常大時，在該層內的垂直方向上的模將不利地變成多模。因此，周期性折射率結構層的厚度要固定并且只能改變隔離層的厚度來調整總的厚度。為了獲得隔離層和周期性折射率結構之間大的折射率差并且提高反射率，隔離層可由空氣構成。當電流的注入是通過反射鏡來執行時，隔離層的材料可以是金屬或是半導體。考慮到金屬的光吸收作用，隔離層可由半導體構成，從而降低激光的閥值。
與由單周期性折射率結構構成的反射鏡相比較，利用上述由多個周期性折射率結構構成的諧振腔反射鏡可提高反射率。
(活性層和隔離層(包覆層))作為組成諧振腔的活性層和隔離層，雙異質結構、多重量子井結構、量子點結構或類似應用在常規VCSEL的結構都可直接使用。當反射鏡的折射率高于包覆層的折射率時，由活性層厚度+包覆層厚度來表示的諧振腔的長度L必須被設計成使得NL+ΔL＝nλ/2(N諧振腔介質的折射率，n正整數，λ諧振光的波長，ΔL在反射鏡反射期間由相位偏移造成光路長度的變化)的關系得到滿足。進一步，活性層可設置在形成于諧振腔內的駐波的波腹處。
活性層和包覆層材料的例子包括那些用于公知VCSEL的材料，例如GaAs/AlGaAs、InGaAsP/InP、AlGaInP/GaInP、GaN/InGaN/AlGaN以及GaInNAs/AlGaAs。在示例的結構中，n型和p型GaN層用于設置在活性層一側的包覆層，而非摻雜GaN/InGaN的多重量子井結構用于活性層。
(載流子注入到活性層的方法)關于載流子注入到活性層1040的方法，例如，截流子注入到活性層是從包括一對陽極和陰極的電極注入電流來執行的。
可用的電極例如包括環電極，其用于常規VCSEL，以及具有不同形狀的電極，如圓形和矩形。
當周期性折射率結構由具有孔的固態介質構成時，周期性結構的圖案沒有形成于直接設置在電極下方的區域上。其原因是接觸電阻會因為孔的存在而增大。
電極的材料取決于其上形成有電極的區域的激光器的材料。
例如，Au-Ge-Nik或Au-Sn可用于n型GaAs層上的電極，而Au-Zn或In-Zn可用于p型GaAs層上的電極。例如氧化銦錫(ITO)的透明電極也可使用。具體地，當除環電極以外的電極形成在器件的光發射面時，可使用透明電極。(一種結構，其中具有折射率低于組成周期性折射率結構的介質中的最高折射率的介質以小于周期性折射率結構周期的間隔被引入到靠近反射鏡的周期性折射率結構處)。
在本發明的腔面發射激光器中，低折射率的介質以小于周期性折射率結構周期的間隔被引入到靠近反射鏡的周期性折射率結構處。因此，這些位置上的有效折射率可被減小。待引入的低折射率介質具有的折射率必須低于組成反射鏡的周期性折射率結構的介質中的最高折射率。例如，在通過硅(Si)上周期性形成孔而進行預備的二維光子晶體中，具有低于作為基本材料使用的硅的折射率的介質以小于孔的周期的間隔引入。通過允許靠近光子晶體的材料多孔，可實現由空氣構成的介質結構。該結構可阻止在周期性折射率結構中被引導的光泄露到外部去。因此，光可有效地被限制在周期性折射率結構中。
任何介質都是可以引入的，只要該介質的折射率低于組成周期性折射率結構的介質中具有最高折射率的介質的折射率。可使用其中介質是由空氣構成的結構，換句話說，可使用通過形成包含孔的多孔結構來準備的結構，因為這類結構可利用具有最大折射率的介質和組成周期性折射率結構的介質來提供大的折射率差，并提高了周期性折射率結構中光限制的有效性。
根據本發明的VCSEL可作為光發射的各種光源。VCSEL的陣列也可作為多束光源使用。例如，本發明可應用于批露在公開號為2004-230654的日本專利中的成像設備。成像設備例如包括復印機、激光束打印機和傳真機，其中激光束來自于激光光源，被光調制的激光束在例如是感光器或靜電記錄介質的傳像平面上被引導，而例如由靜電潛像構成的圖像信息形成在該平面上。到目前為止，當VCSEL作為光源使用時，最大輸出功率是較低的，因此，在激光束通過多個類似多相掃描鏡的光系統的結構內，光功率是不夠的。根據本發明，由于發射光點的大小可增加到5微米或是更大，所以本發明的VCSEL可應用于具有高輸出功率的腔面發射激光。
下面將對本發明的實施方式進行描述。
下面描述的實施方式是說明性的，并且本發明中使用到的類似激光器的結構材料、尺寸和形狀等條件不僅限于下面第一到第六的實施方式。
第一實施方式下面參照附圖6來描述根據第一實施方式的激光器的結構。
下諧振腔反射鏡光限制層62、下諧振腔反射鏡層63、下包覆層64、活性層65、上包覆層66、上諧振腔反射鏡層67按順序疊加在襯底61上。n-電極68和p-電極69分別在襯底61的底面和上諧振腔反射鏡層67的頂面上被提供。
襯底61是具有厚度為565微米的n型GaAs襯底。下諧振腔反射鏡光限制層62由n型Al0.7Ga0.4As構成并且具有1微米的厚度，下諧振腔反射鏡層63由n型Al0.4Ga0.6As構成，下包覆層64由n型(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P構成。上諧振腔反射鏡層67由p型Al0.4Ga0.6As構成，而上包覆層66由p-型(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P構成。
形成反射鏡的光子晶體結構610和612分別在下諧振腔反射鏡層63和上諧振腔反射鏡層67的中部被提供。缺陷611僅被引入在下反射鏡中。
下諧振腔反射鏡層63和上諧振腔反射鏡層67之間的距離(即諧振腔的間隔)大約是1.5微米(相當于大約7.5倍的670納米的諧振光的波長)。活性層65具有由非摻雜式In0.56Ga0.44P/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P構成的扭曲式量子井結構。井的層數是3。每個In0.56Ga0.44P層和(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P層具有6納米的厚度。靠近襯底的n電極68由Ni/Au/Ge構成，而靠近反射鏡的p電極69是由Au-Zn構成的。
上述疊加的膜可按下面的步驟來制作。Al0.9Ga0.4As剝離(lift-off)層通過有機金屬化學氣相磊晶(MOCVD)法在GaAs襯底上形成。包括從上諧振腔反射鏡層到下諧振腔光子晶體反射鏡層的那些層通過MOCVD按順序在剝離層上形成。由于在第一次生長時已經被使用過的GaAs必須在后面的過程中被剝離，所以剝離層被插入到襯底和上諧振腔反射鏡之間。接著包括從上諧振腔反射鏡層到下諧振腔反射鏡層的那些層按順序在剝離層上形成。首先，形成下諧振腔反射鏡。下諧振腔反射鏡的光子晶體圖案通過利用Cl2氣的電子束(EB)微影和反應性離子束刻蝕(RIBE)形成。晶圓通過在單獨的GaAs襯底上形成具有1微米厚度的下諧振腔反射鏡光限制層來預備。下諧振腔反射鏡層的表面和下諧振腔反射鏡光限制層的表面對齊并通過熱熔接結合。因此，下諧振腔反射鏡的形成就完成。下一步，形成上諧振腔反射鏡。靠近上諧振腔反射鏡層的Al0.6Ga0.4As剝離層利用氫氟酸選擇性的刻蝕來消除第一次生長時用到過的GaAs襯底。通過使用與在下諧振腔反射鏡層上形成圖案相同的方法，就可在裸露的上諧振腔反射鏡層上形成光子晶體圖案。因此，上諧振腔反射鏡層的形成就完成了。最后，n電極和p電極通過氣相沉積分別在GaAs襯底的背面和上諧振腔反射鏡層上形成。
下面將詳細描述上諧振腔反射鏡和下諧振腔反射鏡的光子晶體反射鏡。
圖7A和圖7B分別是上反射鏡和下反射鏡的光子晶體的平面圖。通過周期性的在Al0.4Ga0.6As層上提供孔71或74可形成光子晶體結構。例如，如上所述，這樣精細的孔可通過轉印由EB微影利用干式蝕刻形成的圖案在Al0.4Ga0.6As層上形成。
在下和上這兩個反射鏡層中，每孔具有圓形的形狀并且以180納米的周期在三角型晶格中排列。孔的半徑是75納米而層的厚度是270納米。以下，沒有引入缺陷的光子晶體結構就被定義為基本(主)光子晶體結構。
圖7B中，沒有缺陷被引入到上光子晶體反射鏡中。相比之下，如圖7A所示，破壞光子晶體的周期性折射率結構的缺陷72被周期性地引入到下光子晶體中。
通過周期性的移去光子晶體的孔來形成缺陷72。在基本光子晶體結構中缺陷72形成三角型晶格，但缺陷間的間隔相當于三個基本光子晶體結構的周期。盡管為了方便起見，圖7A圖7B中的光子晶體的孔的周期數要比實際中反射鏡區域中的小，但在實際的反射鏡區域中，基本光子晶體和缺陷在大約80個或是更大些的周期內被引入。
在本實施方式中，通過周期性的移去基本光子晶體結構中的孔來形成下光子晶體反射鏡的缺陷。可選地，具有不同于基本晶體結構中的孔的大小的孔也可被使用。可選地，缺陷可通過向缺陷部分引入具在不同折射率的另一種材料來形成。
關于缺陷的排列，本實施方式中，缺陷的間隔相當于三個光子晶體結構周期。間隔可比這個大些或是小些。然而，當間隔過分大時，在缺陷中局域化的光分量將不能彼此耦合。因此，就存在間隔的上限。
在本實施方式中，缺陷僅在上和下兩個光子晶體反射鏡中的下反射鏡上被提供，可選地，缺陷可僅引入到上反射鏡或是同時上下兩個反射鏡。
進一步對上下兩個反射鏡的位置關系進行描述。圖8是示出組成諧振腔的上諧振腔反射鏡81和下諧振腔反射鏡82的相對位置關系的圖。
為了方便起見，該圖表示通過沿箭頭所示的坐標的方向移動下諧振腔反射鏡82所獲得的可能相對位置關系。如圖8所示，兩個反射鏡間的相對位置關系按照總共六個方向來確定，這些方向包括x，y和z的正交方向以及分別繞x，y和z軸旋轉的方向α、β、和γ。下面按順序對每個方向進行描述。
關于x方向和y方向，位置關系所需的條件依兩個反射鏡間的間隔會有較大的不同。具體地，所述條件取決于兩個反射鏡在z方向上的距離。當兩個反射鏡彼此間的分離僅達到在反射鏡橫向方向上的被導向的光分量可彼此耦合的程度時，根據在反射鏡的x和y方向上的位置關系，諧振腔的特性會發生顯著的變化。因此，由于在反射鏡的x和y方向上的位置關系會顯著影響諧振腔的特性，所以為了確保制作出的激光器的特性不變，在x和y方向上的位置關系必須保持不變。甚至當反射鏡間的距離大于上述中的情況時，位置關系還可保持不變。距離是由諧振腔的材料、反射鏡的材料以及諧振光的波長來確定的。本實施方式的諧振腔在z方向上具有較大的距離，以便阻止反射鏡中被導向的光分量彼此耦合。關于γ方向，由于本實施方式中的反射鏡彼此間不具有偏振依賴性，發射光的偏振性質不會因為在γ方向上的旋轉而受到特別的影響。然而，在這種情況中，位置關系可保持不變。通過對在z方向上的距離的調整，使得兩個反射鏡之間的距離L滿足上述如常規VCSEL諧振腔中的諧振條件。在α和β方向上的旋轉需要盡可能的減少，而理想情況下是零，這樣兩個反射鏡就可完全彼此平行。然而，當本實施方式中的整個激光器通過晶體生長一次制成時，在這些方向上的旋轉幾乎不發生，因此也就不需要專門的調整。
在本實施方式中，下諧振腔反射鏡光限制層62和包覆層64、66被形成以使得被轉化為橫向導向光的諧振光可有效地被限制在反射鏡中。具體地，具有比為反射鏡材料的Al0.4Ga0.6As的折射率低的折射率的Al0.7Ga0.4As被使用。為了這個目的，例如，包覆層可由Al0.4Ga0.6As來構成，其是與諧振腔反射鏡層相同的材料，并且在包覆層所具有的結構中，大量充分小于組成反射鏡的光子晶體的孔的孔被提供(即多孔結構)。該結構可減小在此區域處的有效折射率，因此被轉化為橫向導向光的諧振光可有效地被限制在反射鏡中。進一步，由于這種結構可減小在反射鏡的橫向方向上被導入到包覆層的光滲透的長度，從而與活性層的耦合所造成的影響也被減小。因此，諧振腔的長度被減小。參照圖7A和7B，在上下兩個諧振腔反射鏡中，電流注入區域73和75分別繞著由上述二維光子晶體平板構成的光反射區域被提供。為了減小電阻，在電流注入區域73和75中沒有提供孔。因此，僅包括光子晶體結構的區域起反射鏡的功能。反射鏡區域具有直徑為15微米的圓形形狀。
在本實施方式中，通過由質子注入增大半導體的阻值可形成限流(current narrowing)結構。具體地，質子僅注入到靠近活生層的區域，該區域直接設置在環電極的下方。因此，電流在直接設置于光子晶體區域下方的活性層匯集。可選地，由晶體再生形成的隱藏式異質結構、由AlAS層的選擇性氧化形成的限流結構以及類似等都可作為限流結構使用。
當通過向電極上施加電壓來向活性層注入電流時，從活性層發出的光在諧振腔內諧振和放大，從而形成激光諧振。激光束是具有750納米振蕩波長的紅光。電流在活性層的中部匯集，這通過利用質子注入提高電阻的方法所形成的限流結構來實現，因此提高了發光效率。
對上諧振腔反射鏡和下諧振腔反射鏡的光反射機制進行了描述。特別地，由于缺陷的影響，其內引入了缺陷的下反射鏡在單模式中可提高振蕩光點的區域。在這些鏡中，99％或是更大的反射率和透射率在理論上是可實現的。然而，本實施方式的反射鏡設計成使得孔的周期大約偏移幾個納米，以便引導來自上諧振腔反射鏡方向的光。根據這種結構，反射鏡的諧振峰值輕微的偏移，這導致了反射率的降低。因此，光束在向上的方向上被引導。
根據本實施方式的活性層和器件，利用由AlGaInP/GaInP/AlGaAs構成的器件可獲得紅激光束。此外，III-N型半導體，例如GaN/AlN/InN及它的混合晶體；以及其它III-V族半導體，例如GaAs/AlAs、InGaAsP/InP、GaInNAs/AlGaAs和它們混合晶體也可被使用。另外，II-VI族半導體，例如ZnSe/CdSe/ZnS和它們的混合晶體也可被使用。本實施方式的激光器可提供具有直徑為15微米的大區域的單模紅激光束。進一步，相比較于包括具有半導體DBR反射鏡的諧振腔的VCSEL來說，根據本實施方式的激光器可獲得熱阻的減小、電阻的減小以及制作的簡化。
第二實施方式現在參照圖9對根據第二實施方式的激光器的結構進行描述。下諧振腔反射鏡光限制層92、下諧振腔反射鏡層93、下包覆層94、活性層95、上包覆層96按順序疊加在襯底91上。限流層99被提供以圍繞下包覆層94、活性層95、上包覆層96的一部分。上諧振腔反射鏡層910進一步疊加在上包覆層96上。n-電極911和p-電極912分別在襯底91的底面和上諧振腔反射鏡層910的頂面上被提供。襯底91是具有厚度為565微米的n型GaAs襯底。下諧振腔反射鏡層和下包覆層分別由n型Al0.4Ga0.6As和非摻雜式(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P構成。上諧振腔反射鏡和上包覆層分別由p型Al0.4Ga0.6As和(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P構成。
下諧振腔反射鏡層93和上諧振腔反射鏡層910之間的距離(即諧振腔的長度)大約是1.5微米(相當于大約7.5倍的諧振光的波長)。形成反射鏡的光子晶體結構(孔)913和915分別在下諧振腔反射鏡層93和上諧振腔反射鏡層910上被提供。缺陷914和916分別設置在上下反射鏡的中部。上諧振腔反射鏡層910由p型Al0.4Ga0.6As構成并且具有270納米的厚度。下諧振腔反射鏡層93由n型Al0.4Ga0.6As構成并且具有270納米的厚度。具有低折射率的光限制層92在下諧振腔反射鏡層93和具有高折射率的GaAs襯底91之間被提供，使得光有效地限制在反射鏡中。光限制層92由n型Al0.7Ga0.4As構成并且具有約1微米的厚度。在本實施方式中，包括n型(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P的亞層97和p型(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P的亞層98的隱藏式異質結構限流層99被提供。活性層95具有由非摻雜式In0.56Ga0.44P/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P構成的扭曲式量子井結構。井的層數為3。每個In0.56Ga0.44P層和(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P層具有6納米的厚度。靠近襯底的n電極911由Ni/Au/Ge構成，而靠近反射鏡的p電極912由Au-Zn構成的。
制作該結構的方法和第一實施方式中所使用的方法相同，除添加了形成隱藏式異質結構的限流層99的步驟。
具體地，該步驟被添加到形成Al0.9Ga0.4As剝離層以及在GaAs襯底上形成從上諧振腔反射鏡層910到下諧振腔反射鏡層93的層的步驟中。
上諧振腔反射鏡層910、上包覆層96、活性層95和下包覆層94被生長。隨后，通過使用Cl2氣體的感應耦合等離子體(ICP)的干式刻蝕，圍繞活性層95的發光部分的區域被移除。該圍繞區域從下包覆層94移動到上包覆層96的中部。接著n型(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P的亞層97和p型(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P的亞層98以此順序再生。接著執行平面化處理，下包覆層94繼續生長，而下諧振腔反射鏡層93在下包覆層94上生長。
隨后的步驟和第一實施方式中的那些步驟相同。
下面對諧振腔反射鏡的結構作詳細的描述。
如圖9所示，下和上諧振腔反射鏡分別包括組成基本光子晶體的孔913和915以及沒有孔形成的缺陷914和916。圖10A和圖10B分別是本實施方式中下和上反射鏡的光子晶體的平面圖。
圖10A示出下諧振腔反射鏡，圖10B示出上諧振腔反射鏡。
下面對上和下反射鏡的共同特征進行描述。在本實施方式中，正方型晶格光子晶體結構的孔101和103在鏡層表面的整個區域上被提供。沒有包含孔的缺陷102和104周期性的位于直徑為15微米的圓形區域上。缺陷能級僅在這個區域的光子能隙內形成。因此，通過由于缺陷能級造成的橫向導向的諧振現象，入射到反射鏡上的光被反射，從而導致諧振。缺陷是設置在反射鏡的中部區域的。相比之下，在僅由基本光子晶體構成的包圍區域處，光子能隙中沒有出現這樣的能級，垂直于平面的方向上沒有發生諧振，因此也就沒有光反射。此外，周圍的光子晶體結構具有用于在橫向方向上被導向的光的光子能隙并引起反射。因此，可阻止光在光子晶體反射鏡中橫向方向上的泄露。
下面針對不同點進行描述。在圖10A的下反射鏡的光子晶體結構中，孔具有圓形的形狀，周期為180納米，孔的半徑為75納米而層的厚度為270納米。下反射鏡層包括孔101和缺陷102。在圖10B的上反射鏡的光子晶體結構中，孔具有矩形的形狀，周期為180納米，每個孔的長邊為70納米，短邊為35納米，而層的厚度為270納米。上反射鏡層包括孔103和缺陷104。當設置在活性層上方和下方的兩個反射鏡都是由具有微孔的光子晶體構成時，可使用包覆方法。
在本實施方式中，由于上反射鏡的孔具有矩形的形狀，光子晶體結構的對稱性就被破壞了。因此，上反射鏡通過偏振顯示出不同的反射特性。具體地，只有電場向量定向于y方向上的偏振光才在反射鏡上被反射并發生振蕩，而電場向量定向于x方向上的偏振光100％被透射。因此，可通過對激光的偏振控制來獲得單個線性偏振光的振蕩。就上下反射鏡的位置關系而言，與第一實施方式中相同的關系得到了滿足，而用于這些關系的基本條件與第一實施方式中的那些條件相同。
對從電極注入的電流做出響應，振蕩和第一實施方式中的一樣，發生在垂直于光子晶體反射鏡的方向上。振蕩發生在直徑具有15微米的區域內，其中光子晶體反射鏡被提供。單橫模和單線性極化的激光束在此區域內被獲得。激光束是振蕩波長為670納米的紅光。通過利用與第一實施方式相同的方法將上反射鏡的反射率減小到一定程度，激光束就僅在向上的方向上被發射。
在根據本發明的激光器中，單模激光束的光點直徑和光點形狀可通過調整光子晶體反射鏡的缺陷被設置的區域來進行控制。
進一步，圍繞光子晶體反射鏡的缺陷引入區的光子晶體結構可抑制反射鏡中橫向方向上的光泄露，從而提高了激光的發光效率。
本實施方式的反射鏡的缺陷部分沒有提供孔。可選地，也可通過引入每個都具有大于或是小于基本光子晶體結構的孔的大小的孔來形成缺陷。可選地，也可通過向缺陷部分引入另一種具有不同折射率的材料來形成缺陷。
除了AlGaInP/GaInP/AlGaAs，III-N半導體，例如GaN/AlN/InN及它的混合晶體也用于本器件的材料；另外，其它族III-V半導體，例如GaAs/AlAs，InGaAsP/InP和GaInNAs/AlGaAs和它們的混合晶體也可被使用。另外，族II-VI半導體，例如ZnSe/CdSe/ZnS和它們的混合晶體也可被使用。
就具有圓孔的反射鏡以及具有矩形孔的反射鏡的安排而言，反射鏡可設置在與本實施方式那些相對的位置上。可選地，上下反射鏡都可是具有矩形孔的反射鏡。然而，僅當上下兩個反射鏡都具有矩形孔時，位置在顯示反射鏡位置關系的圖8中的γ軸所示的旋轉方向上必須對齊。具體地，對兩個反射鏡的旋轉軸進行調整，使得矩形的垂直軸和水平軸的方向對齊并且偏振的方向彼此匹配。
第三實施方式下面參照圖11A和11B對第三實施方式進行描述。由于激光器本身的結構和材料與第二實施方式中的那些相同。因此僅對諧振腔反射鏡的結構進行描述。制作過程也和第二實施方式的相同。
圖11A和11B分別是第三實施方式的從垂直于平面的方向觀察到的上和下光子晶體反射鏡的示意圖。如圖11A所示，在下諧振腔反射鏡中，基本光子晶體結構的孔在整個平面內被提供，通過移去孔而形成的缺陷在中部排列。基本光子晶體結構的參數與第二實施方式的下諧振腔反射鏡的那些相同。本實施方式的特征在于缺陷的排列。這些缺陷是按照特定的規則排列的，但卻是非周期性排列的。一般來說，缺陷繞著反射鏡的中部匯集并在外圍部分環形排列。進一步，當缺陷的位置變的離中部更加遠時，同心圓之間的間隔會增大。隨著缺陷的位置變的離中部更遠時，所處位置的缺陷密度會下降。因此，缺陷密度由下面的方程來表示D＝D0exp(-r2/a)(方程1)其中D代表缺陷密度，r代表離中央的距離，D0代表反射鏡中央的缺陷密度，a代表用來確定從中央開始的缺陷的密度梯度幅度的預定常數。缺陷引入區的面積與第二個實施方式中的相同，直徑為15微米。為了繪圖的方便，圖11A中的同心圓缺陷的周期數非常小，盡管實際的缺陷是按10個或是更多的周期進行排列。在這種二維光子晶體反射鏡中，中部的光密度很高，具有高的缺陷密度。另一方面，由于向外圍部分方向上的缺陷密度降低，所以光密度也降低。因此，由于本實施方式中的缺陷密度具有由方程1的高斯函數所表示的分布，所以要發射的激光束的模式分布也由高斯函數來表示。沒有對圖11B中的上諧振腔反射鏡進行描述，因為其具有與第二個實施方式中的下諧振腔反射鏡相同的結構。
本實施方式的腔面發射激光器可提供具有直徑為15微米的大區域、單橫模以及單峰模分布的激光束。
在本實施方式的反射鏡的缺陷部分沒有提供孔。可選地，也可通過引入每個都具有大于或是小于基本光子晶體結構的孔的大小的孔來形成缺陷。可選地，也可通過向缺陷部分引入另一種具有不同折射率的材料來形成缺陷。
關于光子晶體結構中缺陷的排列，除了上述由方程1代表的缺陷密度的排列以外，例如，也可由下面的方程2來表示，缺陷可設置成使得缺陷密度按同心橢圓圖案來排列。
D＝D0exp(x2/a2+y2/b2)(方程2)其中a代表橢圓長軸的長度，b代表橢圓短軸的長度，而x和y代表平面的正交坐標系。
除了AlGaInP/GaInP/AlGaAs，III-N半導體，例如GaN/AlN/InN及它們的混合晶體也可作為材料使用；另外，其它族III-V半導體，例如GaAs/AlAs，GaAs/InP和GaInNAs/AlGaAs和它們的混合晶體也可被使用。另外，族II-VI半導體，例如ZnSe/CdSe/ZnS和它們的混合晶體也可被使用。
進一步，本實施方式的上下諧振腔反射鏡可相互替代。可選地，上和下諧振腔反射鏡的缺陷密度具有不同的分布。
如上所述，光子晶體中提供的缺陷部分可基于上述數學圖案進行排列。
第四實施方式下面參照圖12對根據第四實施方式的激光器的結構進行描述。
下諧振腔反射鏡層122、下包覆層125、活性層126、上包覆層127、上諧振腔反射鏡層128按順序疊加在襯底121上。n-電極129和p-電極1213分別在襯底121的底面和上諧振腔反射鏡層128的頂面上被提供。
襯底121是具有厚度為300微米的n型GaAs襯底，在下諧振腔反射鏡層122的結構中第一層123和第二層124交替疊加。具體地，第一n型AlxGa1-xAs層(第一層123)包括具有29納米厚度的下子層，其中x＝0.55，和具有20納米厚度的上子層，其中x在0.55到0.93之間變化。第二AlxGa1-xAs層(第二層124)包括具有33.2納米厚度的下子層，其中x＝0.93，和具有20納米厚度的上子層，其中x在0.93到0.55之間變化。因此，下諧振腔反射鏡層122由內部第一層123和第二層124交替疊加的DBR反射鏡構成。盡管圖中沒有示出所有的層，但層數是70對。如上所述，每個第一層和第二層的厚度d由Nd＝(1/4)λ(N材料的折射率，λ諧振光的波長)來表示。上諧振腔反射鏡層128由p型Al0.4Ga0.6As構成。形成反射鏡的光子晶體結構1211在上諧振腔反射鏡層128的中部被提供并且缺陷1212被引入到光子晶體結構1211中。上包覆層127和下包覆層125分別由n型(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P和p型(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P構成。活性層126具有由非摻雜式Ga0.56In0.44P/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P構成的扭曲式量子井結構。井的層數是3。每個Ga0.56In0.44P層和(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49P層具有6納米的厚度。反射鏡之間包括上包覆層127、下包覆層125和活性層126在內的距離(即諧振腔的長度)大約是1.5微米(相當于大約7.5倍的諧振光的波長)。靠近襯底的n電極129由Ni/Au/Ge構成，而靠近反射鏡的p電極1213由Au-Zn構成。
上述的疊加結構是如下制作。上述層通過MOCVD從下諧振腔DBR反射鏡到上諧振腔光子晶體反射鏡層按順序形成在GaAs襯底上。在本實施方式中，由于襯底不需要剝離就可使用，因此首先形成下諧振腔反射鏡，然后其它層按順序疊加。然后，通過利用Cl2氣體的電子束(EB)微影和RIBE形成上諧振腔反射鏡層128的光子晶體圖案。最后，通過氣相沉積在GaAs襯底121的底面和上諧振腔反射鏡層128上形成電極。
除了材料，本實施方式的結構與第一個實施方式中器件的結構的不同之處在于僅上諧振腔反射鏡從二維光子晶體變成一維光子晶體的DBR反射鏡。因此，在本實施方式中，為了獲得單模下的大光點直徑，缺陷必須被提供在上反射鏡的光子晶體結構中。有關反射鏡的結構參數，周期為180納米、孔的直徑為75納米、層厚為250納米。發射光點區域的直徑為15微米，這和第一實施方式中的相同。缺陷是通過移去基本光子晶體的孔來形成的。可選地，如第一實施方式所述，也可使用具有不同于基本光子晶體的孔的直徑的孔。可選地，也可通過向缺陷部分引入另一種具有不同折射率的材料來形成缺陷。關于缺陷的排列，如第一實施方式中所述，缺陷間的間隔大于或小于相當于光子晶體結構的三個周期。然而，當間隔過分大時，缺陷中局域化的光分量就無法耦合。因此，所述間隔存在上限。如第一實施方式到第三實施方式所述的包覆層的多孔結構或類似結構也可提供。下諧振腔反射鏡是在常規VCSEL中使用的公知的DBR反射鏡。DBR的特性，例如層的材料、厚度、以及周期數可以和上面描述的相同。
下面描述本實施方式中上反射鏡和下反射鏡的關系。由于下諧振腔反射鏡不具有偏振依賴性并且在x、y和γ方向上具有統一的結構，因此在圖8中的x和y線性方向和γ旋轉方向上不需要精確對齊。不同于從第一到第三實施方式中的器件，本實施方式中該對齊的必要性可降低，這在制作過程中是有益的。關于其它方向上的位置關系，在其它實施方式中所描述的相同情況也可應用到本實施方式中。
在本實施方式中，限流結構可通過質子注入增大器件的電阻而形成。具體地，質子注入到直接設置在P電極下的區域，該區域設置在光子晶體結構的外圍。因此，電流在活性層匯集。可選地，由晶體再生形成的隱藏式異質結構、在DBR反射鏡中由AlAs層的選擇氧化形成的限流結構以及類似結構都可作為限流結構使用。
當在電極上施加電壓來向活性層注入電流時，從活性層發出的光在諧振腔中被諧振和放大，從而產生激光諧振。激光束是具有670納米振蕩波長的紅光。通過在上諧振腔反射鏡中引入缺陷，單模振蕩光點將被擴大。在本實施方式中，通過對上諧振腔反射鏡的層疊數的調整，使得上諧振腔反射鏡的反射率低于下諧振腔反射鏡的反射率。
盡管在本實施方式中，使用已知的DBR反射鏡作為腔面發射激光器的下諧振腔反射鏡，但也可獲得如第一實施方式中的類似增大光點直徑的效果。從厚度的減小、電阻的減小以及器件熱散逸效果的提高的觀點來看，本實施方式中的激光器都劣于第一實施方式中的，但是大大優于已知的VCSEL，在已知的VCSEL中，DBR反射鏡同時作為上下諧振腔反射鏡使用。
根據本實施方式，通過利用已知的DBR反射鏡，無需包覆或其它，就可通過在襯底上順次生長晶體輕易一次完成激光器的制作。因此，與第一到第三的實施方式相比較，本實施方式在激光器的生產方面具有極大的優勢。
第五實施方式下面參照圖13對根據第五實施方式的激光器的結構進行描述。下諧振腔反射鏡層132、下包覆層135、活性層136、上包覆層137以及上諧振腔反射鏡層138按順序疊加在襯底131上。n-電極1311和p-電極1312分別在襯底131的底面和上諧振腔反射鏡層138的頂面上被提供。襯底131是具有厚度為300微米的n型GaAs襯底。通過交替疊加n型Al0.4Ga0.6As光子晶體層133和n型Al0.4Ga0.6As隔離層134形成下諧振腔反射鏡層132。通過交替疊加p型Al0.4Ga0.6As光子晶體層139和p型Al0.4Ga0.6As隔離層1310形成上諧振腔反射鏡層138。每個上反射鏡和下反射鏡都是由包括兩對的四個層構成。每隔一個層，孔1313和1314就周期性的被提供，以便形成光子晶體反射鏡。提供的隔離層是為了調整光子晶體反射鏡之間的相位。上下包覆層分別由n型(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P和p型(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P構成。活性層136具有由非摻雜式Ga0.56In0.44P/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P構成的扭曲式量子井結構。井的層數為3。每個Ga0.56In0.44P層和(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P層具有6納米的厚度。反射鏡之間包括活性層136在內的距離(即諧振腔的長度)大約是1.5微米(相當于大約7.5倍的諧振光的波長)。靠近襯底的n電極1311由Ni/Au/Ge構成，而靠近反射鏡的p電極1312由Au構成。
上述的層疊結構可如下制作。AlAs剝離層在GaAs襯底上形成而靠近上諧振腔反射鏡層138的諧振器的層是通過MOCVD在包覆層上形成的。上包覆層137、活性層136、下包覆層135以及靠近下諧振腔反射鏡層132的諧振器的層按順序在此形成。合成的晶圓稱為晶圓A。由于GaAs襯底在稍后的處理中從晶圓A剝離，因此這些層是按與實際的激光器相反的順序形成的。在該步驟中，在諧振腔反射鏡層當中，只有與每個包覆層接觸的單個層被形成。
隨后對下諧振腔反射鏡層132進行準備。利用與第四個實施方式相同的方法在晶圓A的下諧振腔反射鏡層上形成光子晶體圖案。AlAs剝離層在另一個GaAs襯底上形成而Al0.4Ga0.6As隔離層134形成在剝離層之上。合成的襯底通過熱熔接在晶圓A的下諧振腔反射鏡層上接合。接著通過利用氫氟酸對AlAs剝離層進行選擇性的刻蝕而將GaAs襯底剝離，因此就形成了下諧振腔反射鏡層的隔離層134。之后，Al0.4Ga0.6As層再次在晶圓A上形成，并且光子晶體在其之上圖案化。進一步，另一個隔離層134再次在光子晶體層上接合。在這個步驟中使用了僅具有Al0.4Ga0.6As層的GaAs襯底。在這個隔離層的溶合中，由于GaAs襯底不需要被剝離，因此不需要在晶圓上提供待溶合的AlAs剝離層。因此，下諧振腔反射鏡的形成就完成了。
下面將對用于準備上諧振腔反射鏡層138的方法進行描述。在晶圓準備中一開始就用到的GaAs襯底(不是在后面步驟中溶合的襯底)經對AlAs剝離層選擇性的刻蝕而被剝離。接著光子晶體在靠近上諧振腔反射鏡的諧振腔的表面層上被圖案化，此處使用的方法與上述的靠近上諧振腔反射鏡的諧振腔形成光子晶體層的方法相同。此后，組成上諧振腔反射鏡的兩對層利用與下諧振腔反射鏡相同的方法來形成。然而，不同于下諧振腔反射鏡，上諧振腔反射鏡中保留到最后一步的GaAs襯底也被剝離。因此，上諧振腔反射鏡的形成也就完成了。
通過上述的步驟對激光諧振腔進行準備。最后，電極通過氣相沉積在GaAs襯底的底面和上諧振腔反射鏡上形成。
下面將詳細描述本實施方式的諧振腔反射鏡。
下諧振腔反射鏡和上諧振腔反射鏡包括Al0.4Ga0.6As光子晶體層和Al0.4Ga0.6As隔離層。有關光子晶體反射鏡的結構參數，周期為180納米、孔的直徑為75納米、層厚度為250納米。通過周期性的移去孔，缺陷1315被引入到組成上諧振腔反射鏡層138的一個光子晶體反射鏡中。包括光子晶體結構的發射光點區域具有15微米的直徑。光子晶體層和隔離層組成的每一對被設計成使得反射光的相位按每對n/2波長繼續下去。所述的每一對被設計成使得在光子晶體層139上反射的光的相位和在光子晶體層139上提供的光子晶體上反射的光的相位在光子晶體層139和上包覆層137之間的界面中相匹配。具體地，當光從光子晶體發射時，由橫向導向諧振反射的光的相位是固定的。因此，對隔離層厚度的調整使得這兩對都滿足相位匹配的條件。本實施方式的隔離層具有48納米的厚度。
下面對圖8中光子反射鏡間的位置關系進行描述。上諧振腔反射鏡層138和下諧振腔反射鏡層132的關系與第一、第三和第四實施方式中的相同。另一個方面，在每個諧振腔反射鏡層中，本實施方式中的光子晶體反射鏡間的間隔是比較短的，即發射激光波長的半波長。因此，在橫向方向上的諧振腔反射鏡層中靠近光子晶體反射鏡導向的光分量是彼此耦合的。因此，必須對反射鏡之間的位置關系進行調整，使得其與圖8中x，y和γ的方向相同。
除了在本實施方式中描述的缺陷，具有不同于基本光子晶體的孔的直徑的孔也可作為缺陷使用。可選地，也可通過向缺陷部分引入另一種具有不同折射率的材料來形成缺陷。關于缺陷的排列，缺陷間的間隔可大于或是小于相當于三個光子晶體結構周期的間隔。
在本實施方式中，缺陷僅引入到一個組成上諧振腔反射鏡層或下諧振腔反射鏡層的光子晶體反射鏡中。可選地，缺陷可引入到上諧振腔反射鏡層和下諧振腔反射鏡層中。此外，缺陷可引入到組成每個上諧振腔反射鏡層和下諧振腔反射鏡層的兩個光子晶體反射鏡中。
本實施方式中的限流結構可通過由質子注入提高了的激光器電阻來形成。具體地，質子注入到直接設置在P電極下的區域，該區域設置在光子晶體結構的外圍。因此，電流在活性層匯集。可選地，由晶體再生形成的隱藏式異質結構、在DBR反射鏡中由AlAs層的選擇氧化形成的限流結構以及類似結構都可作為限流結構使用。
對電流注入做出響應的行為與第四實施方式中的相同。
與包括單個光子晶體反射鏡的器件相比，使用本實施方式中的腔面發射激光器可提高諧振腔反射鏡的反射率。因此，可降低閥值電流。進一步，即使在當由于制作或類似過程中出現誤差而使每個反射鏡的反射率不滿足期望值時，也可通過疊加多個反射鏡來獲得更高的反射率。
第六實施方式下面參照圖15對根據第六個實施方式的激光器的結構進行描述。圖15示出根據本實施方式的激光器的上反射鏡。由正方型晶格形成的光子晶體結構15141在反射鏡層的中央直徑為15微米的圓形區域內被提供。光子晶體結構15141的外圍被由三角型晶格構成的光子晶體結構15142包圍。缺陷被周期性地引入到光子晶體結構15141中。除了上諧振腔反射鏡以外，本激光器的結構與第二實施方式中的相同。在本實施方式中，準備結構使得光子晶體結構15141的缺陷能級符合處于光子晶體結構15142光子能隙內。結果是在反射鏡區域內的橫向方向上的光的泄 可通過與第二實施方式中相同的原理得到抑制。本實施方式與第二實施方式不同之處在于在起反射鏡作用的中央區域與抑制光泄的外圍區域之間的基本光子晶體結構不同。在這種情況中，正方型晶格設計相對簡單的特點和三角型晶格的光子能隙通常比正方型的大(即，光泄 可更有效的抑制)的特點可進行組合。圖16A和16B示出二維光子晶體的光子能帶結構的例子。計算的執行是基于這樣的結構，即其中每個具有0.3a半徑的孔(折射率為1.0)周期性的排列在固態介質(折射率為3.46)中。橫軸表示波數向量而縱軸表示光的歸一化頻率。圖16A示出正方型晶格的光子能帶結構，圖16B示出三角型晶格光子能帶結構。圖16A和圖16B間的比較顯示出光子能隙166出現在三角型晶格中，而這類光子能隙沒有出現在正方型晶格中。換句話說，為了更有效地抑制光在橫向方向上的泄，通常使用三角型晶格而不是正方型晶格。在本實施方式中，結合了三角型晶格和正方型晶格的結構僅使用在上反射鏡中。可選地，該結構可僅使用在下反射鏡中或同時使用在上下反射鏡中。
參照圖14A，在二維的光子晶體平板1401中，由矩形的正方形孔1403構成的正方型晶格光子晶體在中央部分被提供，由圓柱形孔1402構成的可通過光子能隙效應來阻斷光的光子晶體圍繞著正方型晶格光子晶體被提供。圖14B是沿圖14A中的線XIVB-XIVB的剖面圖。根據該結構，可出現在中央部分的光被圍繞的光子晶體阻斷，因此減小了在二維方向上的光損耗。圓柱形孔1402以三角型晶格的形式排列，而正方型孔1403以正方型晶格的形式排列。
根據本發明的腔面發射激光可作為光源在類似光通信技術、電子照相技術、顯示器技術和大容量存貯器介質的工業領域內應用。
盡管以上對本發明的示例實施方式進行了詳細的描述，本領域的技術人員很容易理解在示例的實施方式中有許多本質上沒有脫離本發明的新的技術和優點的改進方案。因此，所有這些改進方案都被力圖包括在本發明的范圍內。后面的權利要求書給出了最寬范圍的解釋，從而包含了所有的改進方案、等效結構和功能。
權利要求
1.一種垂直腔面發射激光器，包括第一反射鏡；具有周期性折射率結構的第二反射鏡，其中所述折射率在相對所述第一反射鏡的平面的橫向方向上周期性地變化；以及設置在所述第一反射鏡和所述第二反射鏡之間的活性層，其中所述周期性折射率結構包括多個破壞所述第二反射鏡的所述周期性折射率結構的周期性的部分。
2.根據權利要求1所述的垂直腔面發射激光器，其中所述周期性折射率結構是二維的光子晶體結構。
3.根據權利要求2所述的垂直腔面發射激光器，其中缺陷能級存在于對應破壞所述周期性折射率結構的周期性的部分的所述二維光子晶體結構的光子能隙中。
4.根據權利要求1所述的垂直腔面發射激光器，其中破壞所述周期性折射率結構的周期性的部分周期性地或是非周期性地處在所述第二反射鏡的橫向方向上。
5.根據權利要求1所述的垂直腔面發射激光器，其中所述破壞周期性折射率結構的周期性的部分包括彼此光耦合的發光部分，其中所述垂直腔面發射激光器以單橫向模式發射光。
6.根據權利要求1所述的垂直腔面發射激光器，其中所述第一反射鏡、所述活性層和具有所述周期性折射率結構的所述第二反射鏡以此順序設置在襯底上并且所述第一反射鏡包含多層膜。
7.根據權利要求1所述的垂直腔面發射激光器，其中所述第二反射鏡、所述活性層和所述第一反射鏡以此順序設置在襯底上并且所述第一反射鏡包含多層膜。
8.根據權利要求1所述的垂直腔面發射激光器，其中所述第一反射鏡、所述活性層和具有周期性折射率結構的所述第二反射鏡以此順序設置在襯底上并且所述第一反射鏡和所述第二反射鏡都包含二維光子晶體。
9.根據權利要求1所述的垂直腔面發射激光器，其中所述第一反射鏡、所述活性層、具有周期性折射率結構的所述第二反射鏡以及電極以此順序設置在襯底上并且直接設置在電極下方的第二反射鏡的部分中沒有提供周期性折射率結構。
10.根據權利要求1所述的垂直腔面發射激光器，其中所述第二反射鏡包含多個層，每個層具有周期性折射率結構。
11.根據權利要求1所述的垂直腔面發射激光器，其中所述周期性折射率結構包括第一介質和第二介質，所述第二介質具有高于所述第一介質的折射率，以及其中所述器件還包括層，所述層包括具有比設置在具有所述周期性折射率結構的所述第二反射鏡和所述活性層之間的所述第二介質更低的折射率的介質。
12.根據權利要求1所述的垂直腔面發射激光器，其中所述第一反射鏡是包括多層膜的分布布拉格反射器鏡。
13.根據權利要求1所述的垂直腔面發射激光器，其中對破壞所述周期性折射率結構的周期性的部分之間的間隔進行設置，使得破壞周期性的部分充當發光部分并且每個所述破壞周期性部分中的光分量彼此耦合。
14.根據權利要求1所述的垂直腔面發射激光器，其中所述周期性折射率結構包括設置了破壞周期性的所述部分的第一區域和沒有設置破壞周期性的所述部分的第二區域，并且所述第二區域位置設置成圍繞所述第一區域。
15.根據權利要求14所述的垂直腔面發射激光器，其中所述第一區域包括正方型晶格而所述第二區域包括三角型晶格。
16.根據權利要求1所述的垂直腔面發射激光器，其中所述周期性折射率結構包括二維光子晶體并且破壞周期性的部分是缺陷。
17.一種垂直腔面發射激光器，包括襯底；第一反射鏡；活性層；以及第二反射鏡，所述第一反射鏡、所述活性層和所述第二反射鏡是提供在所述襯底上的，其中所述第一反射鏡和第二反射鏡包括二維的周期性折射率結構，并且所述激光器以單橫向模式發射光。
18.一種垂直腔面發射激光器，包括襯底；第一反射鏡；活性層；以及第二反射鏡，所述第一反射鏡、所述活性層和所述第二反射鏡是提供在所述襯底上的，其中至少所述第一反射鏡和所述第二反射鏡中的一個包括二維的周期性折射率結構，其中從所述垂直腔面發射激光器發射出的發射激光的光點直徑是5微米或更大些，并且其中所述發射激光以單橫向模式被發射。
19.一種垂直腔面發射激光器，包括襯底；第一反射鏡；活性層；以及第二反射鏡，其中所述第一反射鏡、所述活性層和所述第二反射鏡是提供在所述襯底上的，其中至少所述第一反射鏡和所述第二反射鏡中的一個包括二維的周期性折射率結構，其中在二維的周期性折射率結構中，在從5到50納米的波長范圍內，所述諧振波長處的反射率和所述波長范圍內的任何其它波長處的反射率之間的差值在3％以內，所述波長范圍包括所述諧振波長，以及其中從所述垂直腔面發射激光器發射出的光是以單橫向模式被發射的。
20.根據權利要求19所述的垂直腔面發射激光器，其中在5到50納米的所述波長范圍內，存在30納米的波長子區間，所述諧振波長處的反射率和處于所述30納米子區間內的任何其它波長處的反射率之間的差值在3％以內，所述30納米的波長子區間包括所述諧振波長。
全文摘要
一種垂直腔面發射激光器，包括第一反射鏡層、第二反射鏡層和設置在兩者之間的活性層，其中至少第一反射鏡層和第二反射鏡層中的一個包括周期性折射率結構，在該結構中折射率在橫向的方向上周期性的變化并且周期性折射率結構部分包括多個破壞周期性的部分。
文檔編號H01S5/183GK1855652SQ200610078940
公開日2006年11月1日 申請日期2006年4月27日 優先權日2005年4月28日
發明者堀雄一郎, 內田護, 岡本康平, 長友靖浩 申請人:佳能株式會社