具有用于衍射導波的光子晶體鏡的vcsel的制作方法

專利名稱：具有用于衍射導波的光子晶體鏡的vcsel的制作方法
技術領域：
本發明涉及表面發射激光器。
背景技術：
近年來，積極地開展了關于使用光子晶體的光學器件的研究。 APPLIED PHYSICS LETTERS 88, 081113 ( 2006)公開了一種關于 表面發射激光器的技術，該表面發射激光器包括二維光子晶體和多層 鏡。
更具體地，如圖5所示，在Si基板3000上設置有由硅層3110 和Si02層3120交替層疊構成的布拉格鏡3100。在布拉格鏡3100之 上經過Si02的接合層3200設置有二維光子晶體板3300。 二維光子晶 體板3300包括Ino.53Gao.47As、 InP勢壘層、以及IiiAso.65Pq.35的量子 阱層。在這種結構中，板3300的平均折射率估計大約為3.2。
折射率為lo的空氣在基板的相對側上形成二維光子晶體板界 面。折射率約為1.4的接合層3200 (Si02)在基板側上形成二維光子 晶體板界面。
由于以這種方式在板3300的兩側上i殳置有空氣和接合層3200 ， 而空氣和接合層3200都是折射率比板3300的折射率低的介質，因此 在板3300中產生的光被限制在板3300內。結果，在板3300的面內 方向上實現了諧振模式(激光振蕩的一種放大模式)。另外，由于除 了面內諧振模式之外，在垂直于該面內方向的方向上還存在輻射模 式，因此實現了表面發射激光器。
還已經說明實際上某些光從板3300漏出，并且通過以布拉格鏡 返回漏到基板側的光，從而提高Q值。

發明內容
然而，在如上所述在光子晶體板內實現諧振模式的結構中，必須 在界面處在所述板之上和之下布置折射率低于該板的折射率的介質。 這是因為，除非將板夾在折射率低于板的折射率的介質之間，否則不 能在板內實現波導模式。
具體地，在基板側上的光子晶體板的界面處設置具有低折射率的
介質是對制造工藝的約束。在上述公知文檔中，由于不能在Si或Si02 上直接生長InP，所以采用層疊技術。
因此，本發明提供一種具有新穎結構的表面發射激光器，該表面 發射激光器消除了在基板側上的折射率周期性地改變的折射率周期 性結構層(下文有時將其稱為光子晶體層或PhC層)的界面處設置折 射率低于PhC層的折射率的介質的需要。
本發明在其第一個方面提供一種以波長X振蕩的表面發射激光 器，該表面發射激光器包括多層鏡、有源層和折射率周期性地變化的 折射率周期性結構層。該多層鏡、有源層和折射率周期性結構層被層 疊在垂直于基板的方向上。折射率周期性結構層將波長為X的垂直入 射在折射率周期性結構層上的光至少分為透射光和衍射光。多層鏡對 于衍射光的反射率高于其對于透射光的反射率。包括折射率周期性結 構層和多層鏡的波導具有諧振模式。
根據本發明，提供了一種具有新穎結構的表面發射激光器，該表 面發射激光器消除了在基板側上的PhC層的界面處設置折射率低于 PhC層的折射率的介質的需要。
根據以下參照附圖對示例性實施例的描述，將明了本發明的其他特征。


圖l是用于描述本發明的光子晶體層的示意性剖面圖。
圖2是用于描述本發明的表面發射激光器的示意性剖面圖。
圖3是用于描述根據本發明示例性實施例的示意性剖面圖。圖4是用于描述根據本發明示例性實施例的示意性剖面圖。 圖5是用于描迷背景技術的圖。
具體實施例方式
參照圖l和圖2描述本發明。圖l是用于描述應用于本發明的光 子晶體層的圖。
在圖1中，二維光子晶體層1020包括周期性地設置的微孑L( pore ) 1010和用于隔離微孔1010的區域1000。 二維光子晶體層是指折射率 二維周期性地變化的層。
包層1100鄰近光子晶體層1020。垂直進入光子晶體層的入射光 1030變為透射光1040和f汙射光1050。
在本發明中，使用通過對進入光子晶體層并且具有振蕩波長k
的入射光1030的角度e (e既不是o度也不是9o度)的衍射獲得的
衍射光作為衍射光1050。稍后將詳細描述用于實現這種衍射的光子晶 體層。透射光1040與入射光1030的入射方向形成O度角。
圖2是用于描述根據本發明的表面發射激光器的示意性剖面圖。 基板1500上形成有多層鏡(DBR，分布式布拉格反射鏡)1300。 另外，多層鏡1300上形成有下包層1105、有源層1200、上包層IIOO 和光子晶體層1020。需要注意的是，多層鏡1300的層疊方向垂直于 基板1500。
通常，多層鏡1300被設計為使得垂直入射在該鏡上的光的反射 率為最大。
然而，在本發明中，多層鏡中各個層的厚度被設計為使得，對于 以關于垂直方向成e角(該角例如設置在20度到80度的范圍內)入 射到基板上的光(對應于圖1中的1050)的反射率(第二反射率)高 于對于垂直入射在基板上的光的反射率(第一反射率)。例如，進行 這樣的設計，使得第二反射率是99%以上且100%以下。更優選地， 進行設計，使得第二反射率是99.9%以上，并且更進一步優選地，使 得第二反射率是99.99 %以上。第二反射率越接近100%越好。另外，空氣側上的光子晶體層1020的界面與多層鏡1300之間的 距離(H皮如下設計。
即，使得作為以角度e入射到多層鏡1300上的光的光路1051 與被多層鏡反射從而返回到相距微孔間的間隔"a"的位置的光的光路 1052之和的光路長度是振蕩波長X的整數倍長度。
下面，描述一個示例情況，其中實際設計了根據本發明的表面發 射激光器。
首先，確定振蕩波長人。然后，確定當從垂直于基板的方向觀看 光子晶體層時，光子晶體層平面圖的以四方晶格的形式形成的光子晶 體內的微孔間的間隔(晶格間距)a。光子晶體的晶格結構不限于四 方晶格，并且可以是例如三角形晶格結構。
進行設計，使得當以角e從某個微孔的位置入射到多層鏡上的光 1051被該鏡反射，從而返回相距間隔a的位置時，滿足相位匹配條件。
垂直入射到光子晶體層上的光以角9衍射的條件是n.a.sine=mX， 其中n是圖2中包層1100的有效折射率。注意，在某些情況下，有 效折射率n涉及基板側上的有源層1200和包層1105的影響，需要將 其考慮在內。
雖然m是自然數，但將基于m=l的假設進行下面的描述。在上 述的衍射條件中，當X和"a，，被確定時e被確定。優選地，角度0的 范圍超過光子晶體層和空氣之間的界面處的全反射的臨界角。當e被 確定時，幾何地確定d。
當d被確定時，作為光路1051和1052之和的光路長度被確定。 確認該光路長度是否滿足振蕩波長的整數倍的條件(相位匹配條件)。 當不滿足該條件時，改變"a，，以便進行設計，使得滿足相位匹配條件。
實際上，優選地，才艮椐考慮了 Goos-Haenchen位移和光子晶體 層的折射率的有效厚度設計厚度d。另外，微孔的直徑(當微孔在基 板的面內方向上的剖面是圓形時，該直徑是指該圓的直徑)大約為晶 格間距的40%。實際上，微孔的直徑被設計為在晶格間距的20%到 60%的范圍內。光子晶體層的厚度例如是晶格間距a的一半。注意，雖然假設當光返回到與某個微孔相距間隔a的位置時，滿足上述的相 位匹配條件，但可以假設例如在相距"a，，的整數倍的位置滿足相位匹 配條件。
如下設計形成多層鏡1300的各個層。即，當每個層的折射率是 ni時，該層的厚度被設置為X/(4.ni.cosei)。此處，嚴格地講，6i是由每 個層的界面和光的傳播方向所成的角，但是存在某些情況，其中可將 6i統一地定義為從包層1105到多層鏡的入射角。
以這種方式，可以佳j尋每個層對于以相對于垂直方向成角0入射 在多層鏡上的光的反射率為最大值或接近最大值。更具體地，可以使 得以角G入射到所述鏡上的光的反射率高于垂直入射到該鏡上的光的
反射率。另外，由于以e之外的角(例如，以角度e±20°)入射到多 層鏡上的光的反射率低于以角e入射的光的反射率，所以當光以e之 外的角度入射到多層鏡上時，其他波導諧振模式的限制效率被降低 了。結果，可以抑止多^^莫振蕩。
從有源層側入射到光子晶體層的格點上的光保持由垂直于基板 的面內方向的軸和入射光的路徑所成的角，并JU皮沿相對于該垂直軸
旋轉0度、士90度和180度的入射光路徑的方向衍射到基板側。入射 到光子晶體層上的光多次重復多層反射鏡1300處的該衍射和反射，
并且返回原始入射光路徑，從而產生諧振。另外，在諧振器中放大的 光被在垂直于基板的方向上從光子晶體層衍射，即，以類似于衍射光
1060的方式衍射，以便具有表面反射功能。由于在所有格點產生相同
的現象，所以可以在整個區域上產生相干激光振蕩。
作為所述有源層，可以選擇通過載流子注入發光的有源層，通過 光泵發光的有源層等。特定的例子是半導體的多量子阱結構。通過將 有源層定位在諧振器中駐波電磁場的強度大的位置，可以給予激光大 的增益。
以這種方式，可以實現這樣一種表面發射激光器，其中在由光子
晶體層1020和多層鏡1300形成的波導中，相對于多層鏡的層疊方向
成對角地產生諧振。在本發明中，如上所述，形成這樣的結構，從而在由光子晶體層
1020和多層鏡1300形成的波導中存在諧振才莫式。結果，消除了將光 限制在光子晶體層內的需要，從而在基板側上光子晶體層的界面處布 置低折射率介質不是必不可少的。
注意，在本發明中，只要能實現上述的諧振模式，也可以在基板 側上光子晶體層的界面處布置低折射率介質。本發明的特征僅在于這 種低折射率介質的布置不是必不可少的。
注意，可以在基板和對于透射光的反射率高于對于衍射光的反射 率的多層鏡之間設置除該多層鏡之外的反射鏡(例如，多層鏡)。這 允許將發射到基板側的光反射到有源層側，并且可以提高到基板側的 相對側的表面發射光的提取效率。
另外，可以應用于本發明的光子晶體層例如具有折射率周期性結 構，其中折射率在面內方向上周期地并且二維地改變。該結構可以是 四方晶格結構或三角形晶格結構。
可以在折射率周期性結構中引入缺陷(微孔間距為"a，，并且與某 個微孔相距"a，，的位置處沒有應當存在于那里的微孔的情況)。通過 引入這種缺陷，可以在該缺陷處調整光提取效率。注意，形成光子晶 體層的晶格不必為微孔，并且可以給微孔填充折射率與其周圍的折射 率不同的材料，例如，樹脂。
光子晶體層的材料可以是例如半導體，更具體地，可以是 Al0.5Ga0.5As或Al0.6Ga0,4N。
多層鏡的材料可以是例如半導體多層膜，更具體地，可以是 Al0.5Ga0.5As/GaAs或Al0.6Ga0.4N/GaN。
如圖4所示，根據本發明的第二示例性實施例的特征在于，在第 一示例性實施例的基板2500和多層反射鏡2300 (其是第一多層反射 鏡)之間包括第二多層反射鏡2350，圖4示出了其主要部分。
第二多層反射鏡的特征在于，對于垂直入射在該反射鏡上的具有 激光振蕩波長的光的反射率高于對于傾斜入射的光的反射率。
更具體地，在基板2500上生長包括70對具有54nm厚度的 n-Alo.93Gao.07As層和具有49nm厚度的iwU0.5Ga。.5As層的第二多層反 射鏡2350，并且與第一示例性實施例的情況類似地在其上形成第一多 層反射鏡2300。
與第一多層反射鏡的情況不同，當入射角是直角時，第二多層反 射鏡對于波長為670nm的光的反射率為最大。
因此，第二多層反射鏡具有將從包括第一多層反射鏡2300、光 子晶體層2020和有源層2200的激光諧振器在垂直于基板的方向上發 射向基板側的光2065返回有源層2200側的功能。結果，與不存在第二多層反射鏡的情況相比，可以增強在垂直于
基板的方向上發射向基板的相對側的光2060，從而可以提高到表面發 射激光器的基板的相對側的光提取效率。
雖然已經使用兩個示例性實施例描迷了本發明，但是根據本發明 的表面發射激光器不限于這些示例性實施例，而是可以在本發明的主 旨內做出各種修改。
雖然已經參照示例性實施例描述了本發明，但應當理解本發明不 限于公開的示例性實施例。下面的權利要求的范圍與最寬的解釋一 致，因此包括所有這些修改以及等同結構和功能。
具體地，可以適當地設置半導體層、光子晶體、多層鏡和電極的 材料，光子晶體的晶格形式，多層鏡的結構等。另外，雖然在上述示 例性實施例中，激光振蕩的波長是670nm，但本發明不限于此，而是 通過選擇適當的材料和適當的結構，任意波長的振蕩都是可能的。
另外，雖然描述了在板層(1000、 1020、 2000、 2100)中設置光 子晶體層的示例性實施例，但光子晶體層也可以設置在上包層1100、 有源層1200、下包層1105或多層鏡1300中。另外，可以在這種多個 層中設置折射率周期性結構。
雖然已經參照示例性實施例描述了本發明，但應當理解本發明不 限于公開的示例性實施例。下面的權利要求的范圍與最寬的解釋一 致，因此包括所有這些修改以及等同結構和功能。
本申請要求于2006年4月12日提交的日本專利申請 No.2006-109913的權益，通過引用將其整體并入在此。
權利要求
1. 一種以波長λ振蕩的表面發射激光器，包括多層鏡；有源層；和折射率周期性地改變的折射率周期性結構層，其中所述多層鏡、所述有源層和所述折射率周期性結構層層疊在垂直于基板的方向上，其中所述折射率周期性結構層將垂直入射到該折射率周期性結構層上的波長為λ的光至少分為透射光和衍射光，其中所述多層鏡對于所述衍射光的反射率高于對于所述透射光的反射率，并且其中包括所述折射率周期性結構層和所述多層鏡的波導具有諧振模式。
2. 如權利要求1的表面發射激光器，其中所述折射率周期性結構 層是包括三角形晶格和四方晶格之一的光子晶體層。
3. 如權利要求1的表面發射激光器，其中所述透射光相對于所述 入射光的入射方向成0度角，并且其中所述衍射光和所述入射方向成 0度和90度之外的角。
4. 如權利要求1的表面發射激光器，其中在所述基板和所述對于 透射光的反射率高于對于衍射光的反射率的多層鏡之間設置除該多 層鏡之外的反射鏡。
全文摘要
本發明提供了一種具有新穎結構的表面發射激光器，該表面發射激光器消除了在基板側上的光子晶體層的界面處設置低折射率介質的需要。多層鏡(1300)、有源層(1200)和折射率周期性地改變的折射率周期性結構層(1020)層疊在垂直于基板(1500)的方向上。折射率周期性結構層被構造為將垂直入射到該折射率周期性結構上的波長為λ的光至少分為透射光和衍射光。多層鏡被構造為對于衍射光的反射率高于對于透射光的反射率。在包括折射率周期性結構層和多層鏡的波導中實現諧振模式。
文檔編號H01S5/183GK101421889SQ20078001305
公開日2009年4月29日 申請日期2007年4月5日 優先權日2006年4月12日
發明者井久田光弘 申請人:佳能株式會社