JP4164535B2 - Structure using photonic crystal and surface emitting laser - Google Patents
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Description
本発明は、フォトニック結晶を用いた構造体、及びそれを用いた面発光レーザに関する。 The present invention relates to a structure using a photonic crystal and a surface emitting laser using the structure.
非特許文献1には、図8に示した形状のフォトニック結晶を用いて、Guided Resonanceに関する検討がなされている。 Non-Patent Document 1 discusses Guided Resonance using a photonic crystal having the shape shown in FIG.
ここで、8000はサファイア基板であり、8050はフォトニック結晶層(GaN8010に、孔8020が周期的に形成されている。)であり、8030は、核形成層(AlN)である。
Here, 8000 is a sapphire substrate, 8050 is a photonic crystal layer (having
Guided Resonanceとは、屈折率周期構造を面内方向に有するフォトニック結晶の面内方向に導波している導波モードの光が、放射モードに結合することにより、フォトニック結晶の外に放射されることをいう。 Guided resonance means that light in a guided mode guided in the in-plane direction of a photonic crystal having a refractive index periodic structure in the in-plane direction is coupled to the radiation mode, and is emitted outside the photonic crystal. To be done.
このGuided Resonanceを利用することにより、フォトニック結晶は、ミラーとして利用することができる。すなわち、フォトニック結晶の面内に対して垂直方向に入射した光がライトラインより上に位置するモードと結合することで、フォトニック結晶中を導波するモードに変換される。その後、この光が放射モードに結合することで再度フォトニック結晶外に放射される。そして、導波モードに結合せず直接反射する光と、一旦導波モードに結合して再度外部に放射される光との干渉により、特異な反射現象、例えば効率100%の反射が起こる。 By using this Guided Resonance, the photonic crystal can be used as a mirror. That is, light incident in the direction perpendicular to the plane of the photonic crystal is combined with a mode positioned above the light line, thereby being converted into a mode that guides through the photonic crystal. Thereafter, the light is emitted to the outside of the photonic crystal again by being coupled to the radiation mode. Then, a unique reflection phenomenon, for example, reflection with an efficiency of 100%, occurs due to interference between light reflected directly without being coupled to the waveguide mode and light once coupled to the waveguide mode and radiated to the outside again.
一般的には、導波モードとは、フォトニック結晶層から光が漏れないという条件を満たすモードのことをいい、放射モードとは、フォトニック結晶層から光が漏れるモードのことをいう。 In general, the waveguide mode refers to a mode that satisfies the condition that light does not leak from the photonic crystal layer, and the radiation mode refers to a mode in which light leaks from the photonic crystal layer.
また、ライトラインとは、導波層(この場合はフォトニック結晶層)に隣接する媒質中を伝播する光の分散関係を示すものである。このライトラインは、w=ck/n(w:角周波数、c:光速、n:屈折率、k:波数)で定まる直線で示すことができる。一般的に、ライトラインよりも高周波数の領域は、光がフォトニック結晶から漏れやすい領域となっている。 The light line indicates a dispersion relation of light propagating in a medium adjacent to the waveguide layer (in this case, the photonic crystal layer). This light line can be represented by a straight line determined by w = ck / n (w: angular frequency, c: speed of light, n: refractive index, k: wave number). In general, a region having a frequency higher than that of a light line is a region where light easily leaks from the photonic crystal.
このように、Guided Resonanceを利用するミラーは、フォトニックバンドギャップを利用したミラーとは動作原理が異なるものである。 As described above, the mirror using the Guided Resonance has a different operating principle from the mirror using the photonic band gap.
従って、図8で示されるフォトニック結晶層に垂直に入射する入射光の波長を、Guided Resonanceによって反射率が著しく増大する波長域に合わせると、入射した光は高い反射率で反射されることとなる。 Therefore, when the wavelength of incident light perpendicularly incident on the photonic crystal layer shown in FIG. 8 is adjusted to a wavelength region in which the reflectance is significantly increased by Guided Resonance, the incident light is reflected with a high reflectance. Become.
そして、同文献では、フォトニック結晶層8050(GaNの屈折率は2.37である。)に隣接するサファイア基板8000(屈折率1.8)の屈折率が変化する場合に、Guided Resonanceがどのように変化するかをシミュレーションにより考察している。
図9は、横軸を周波数、縦軸を透過率として、フォトニック結晶層の屈折率を固定して、基板側の屈折率(図中のnに対応)を変化させた場合に生じる、Guided Resonanceのスペクトル変化を示したものである。 FIG. 9 shows the Guided that occurs when the refractive index of the photonic crystal layer is fixed and the refractive index on the substrate side (corresponding to n in the figure) is changed with the horizontal axis representing frequency and the vertical axis representing transmittance. It shows the spectrum change of Resonance.
この図9により、フォトニック結晶層(屈折率nphc)と、それに隣接するクラッド層として機能する基板(屈折率nclad)との比屈折率差△n(=(nphc−nclad)/nphc)が小さくなるにつれ、Guided Resonanceが生じ難くなることが分かる。 According to FIG. 9, the relative refractive index difference Δn (= (n phc −n clad ) / between the photonic crystal layer (refractive index n phc ) and the substrate (refractive index n clad ) functioning as the cladding layer adjacent thereto. As n phc ) becomes smaller, it can be seen that guided resonance is less likely to occur.
具体的には、nphc=2.37、nclad=1.8の場合(図9中のnはncladに対応する。)、両者の比屈折率差は、約0.24(約24%)である。この場合、図9からも分かるように、Guided Resonanceが生じ得る。 Specifically, in the case of n phc = 2.37 and n clad = 1.8 (n in FIG. 9 corresponds to n clad ), the relative refractive index difference between them is about 0.24 (about 24 %). In this case, as can be seen from FIG. 9, a Guided Resonance may occur.
しかしながら、nphc=2.37、nclad=2.135の場合、すなわち、両者の比屈折率差が約0.10(約10%)以下になると、Guided Resonanceが生じ難くなることが分かる。 However, when n phc = 2.37 and n clad = 2.135, that is, when the relative refractive index difference between the two becomes about 0.10 (about 10%) or less, it is understood that a guided resonance is less likely to occur.
ところで、フォトニック結晶におけるGuided Resonanceを利用したミラーをレーザ等に適用することを考えると、フォトニック結晶層と隣接するクラッド層との屈折率差が非常に小さい条件で構成せざるを得ない場合がある。 By the way, considering that a mirror using guided resonance in a photonic crystal is applied to a laser or the like, a case where the difference in refractive index between the photonic crystal layer and the adjacent cladding layer is inevitably set is unavoidable. There is.
例えば、フォトニック結晶層と、そのフォトニック結晶層と隣接する材料との間で屈折率差を確保したい場合、屈折率が低い空気をフォトニック結晶に隣接することも考えられる。しかし、このようないわゆるエアーギャップ構造は半導体の積層プロセスでは作製するのが困難である。そのため、光デバイスへの適用を考えると、空気よりも屈折率が大きい半導体材料がフォトニック結晶層に隣接している場合であってもGuided Resonanceを生じさせるような構成が望まれる。 For example, when it is desired to secure a difference in refractive index between a photonic crystal layer and a material adjacent to the photonic crystal layer, air having a low refractive index may be adjacent to the photonic crystal. However, such a so-called air gap structure is difficult to produce by a semiconductor lamination process. Therefore, when considering application to an optical device, a configuration that generates guided resonance is desired even when a semiconductor material having a refractive index larger than that of air is adjacent to the photonic crystal layer.
波長670nmの面発光レーザにおける多層膜ミラーの代わりとして、フォトニック結晶層を用いる場合、例えば次のような構成を採ることがある。すなわち、フォトニック結晶層をAl0.5Ga0.5As(屈折率3.446)で構成し、それに隣接するクラッド層をAl0.93Ga0.07As(屈折率3.130)で構成することが想定される。 When a photonic crystal layer is used instead of a multilayer mirror in a surface emitting laser with a wavelength of 670 nm, for example, the following configuration may be adopted. That is, the photonic crystal layer is composed of Al 0.5 Ga 0.5 As (refractive index 3.446), and the cladding layer adjacent to it is Al 0.93 Ga 0.07 As (refractive index 3.130). It is envisaged to configure.
かかる場合の比屈折率差△n(=(nphc−nclad)/nphc)は、約9.2%である。つまり、前記非特許文献1に記載の構成をそのまま適用したのでは、Guided Resonanceが生じ難く、フォトニック結晶を多層膜ミラーの代わりとして使用することは難しいと考えられる。 In this case, the relative refractive index difference Δn (= (n phc -n clad ) / n phc ) is about 9.2%. That is, if the configuration described in Non-Patent Document 1 is applied as it is, it is difficult to generate Guided Resonance and it is difficult to use a photonic crystal instead of a multilayer mirror.
そこで、本発明は、例えばフォトニック結晶層を構成するGaN8010と、それに隣接するサファイア基板8000のように、両者で比屈折率差が十分にとれない構成であっても、Guided Resonanceを発揮し得る構造体、及びそれを用いた面発光レーザを提供することを目的とする。
Therefore, the present invention can exhibit Guided Resonance even in a configuration in which a relative refractive index difference between the two is not sufficient, such as GaN 8010 constituting a photonic crystal layer and a
本発明に係るフォトニック結晶層を有する構造体は、第1の屈折率(n1)を有する第1の部材に複数の孔が周期的に配列されているフォトニック結晶層と、前記第1の屈折率よりも低い第2の屈折率(n2)を有し、前記フォトニック結晶層に隣接している第2の部材と、1.0よりも大きく、前記第1の屈折率よりも低い第3の屈折率(n3)を有し、前記第1の部材の上に形成されている第3の部材とを備え、前記第1の屈折率と第2の屈折率との比屈折率差(=(n1−n2)/n1)が0.10以下であり、かつ、前記フォトニック結晶層に設けられている前記孔の深さは、該第1の部材の厚さの20%以上80%以下であることを特徴とする。 A structure having a photonic crystal layer according to the present invention includes a photonic crystal layer in which a plurality of holes are periodically arranged in a first member having a first refractive index (n 1 ), and the first A second member having a second refractive index (n 2 ) lower than the second refractive index and adjacent to the photonic crystal layer, and greater than 1.0 and greater than the first refractive index. A third member having a low third refractive index (n 3 ) and formed on the first member, and a relative refraction of the first refractive index and the second refractive index. The rate difference (= (n 1 −n 2 ) / n 1 ) is 0.10 or less, and the depth of the hole provided in the photonic crystal layer is the thickness of the first member. It is characterized by being 20% or more and 80% or less.
また、本発明に係る面発光レーザは、上記の構造体を含み構成される第1の反射ミラーと、前記第1の反射ミラーと対向して配置されている第2の反射ミラーと、前記第1の反射ミラーと前記第2の反射ミラーとの間に配置されている活性層とを有することを特徴とする。 In addition, a surface emitting laser according to the present invention includes a first reflection mirror configured to include the above structure, a second reflection mirror disposed to face the first reflection mirror, and the first reflection mirror. And an active layer disposed between the first reflection mirror and the second reflection mirror.
本発明によれば、例えばフォトニック結晶層を構成するGaN8010とそれに隣接するサファイア基板8000のように、両者で比屈折率差が十分にとれない場合であっても、Guided Resonanceを発揮し得る構造体、及びそれを用いた面発光レーザを提供することができる。
According to the present invention, for example, GaN 8010 constituting a photonic crystal layer and a
(第1の実施形態:ミラーとして用いる構造体)
本実施形態に係る構造体について、図1、及び図2を用いて説明する。なお、図2は、図1におけるa−a’面での断面図である。
(First embodiment: structure used as a mirror)
The structure according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the plane aa ′ in FIG.
図1において、1000は、第1の屈折率(n1)を有する第1の部材(図2の1010)に、周期的に配列した複数の孔を設けて構成されるフォトニック結晶層である。
In FIG. 1,
そして、1020は、該フォトニック結晶層1000に隣接し、該第1の屈折率(n1)よりも低い第2の屈折率(n2)を有する第2の部材としての低屈折率層である。この層は、クラッド層と呼ばれる場合もある。
本実施形態に係る構造体は、図1に記載した、フォトニック結晶層1000の面内に対して垂直方向に入射する光を反射するように設計される。すなわち、入射光の波長に対して、Guided Resonanceを生じるように設計される。この場合、フォトニック結晶層1000の面内に対して垂直方向に入射した光は、フォトニック結晶層内を導波するモードと結合し、その後、放射モードと結合することにより外部に放射され、結果としてミラーとして機能する。
The structure according to this embodiment is designed so as to reflect light incident in a direction perpendicular to the plane of the
ここで、前記第1の屈折率(n1)と第2の屈折率(n2)との比屈折率差△n(=(n1−n2)/n1)は0.10以下である。 Here, the relative refractive index difference Δn (= (n 1 −n 2 ) / n 1 ) between the first refractive index (n 1 ) and the second refractive index (n 2 ) is 0.10 or less. is there.
既述のように、△nが0.10以下である場合は、前記非特許文献1に示されるようにGuided Resonanceが生じ難い。 As described above, when Δn is 0.10 or less, as shown in Non-Patent Document 1, Guided Resonance hardly occurs.
しかし、本実施形態では、屈折率が1.0よりも大きい第3の屈折率(n3)を有する第3の部材が、前記第1の部材の上に形成されている。 However, in the present embodiment, a third member having a third refractive index (n 3 ) having a refractive index larger than 1.0 is formed on the first member.
図2(a)に示すように、第1の部材1010の上に第3の部材が形成されている例としては、フォトニック結晶層に形成されている孔に第3の部材1015が充填されている形態がある。
As shown in FIG. 2A, as an example in which the third member is formed on the
フォトニック結晶層の孔に何も充填されていない場合には、この部分の屈折率は、空気の屈折率である1.0である。しかし、屈折率が1.0よりも大きい第3の部材が充填されることにより、フォトニック結晶層1000の実効屈折率(neff)をあげることができる。つまり、フォトニック結晶層1000と低屈折率層1020との屈折率差を大きくできる。
When nothing is filled in the holes of the photonic crystal layer, the refractive index of this portion is 1.0, which is the refractive index of air. However, the effective refractive index (n eff ) of the
また、フォトニック結晶層1000の実効屈折率を上げるために、図2(b)のように構成することもできる。すなわち、孔1016に充填するのではなく、前記第3の部材1017をフォトニック結晶層1000の上に形成するのである。なお、このことは第3の部材1017が第1の部材1010の上に形成されているとも表現することができる。このような構成においても、フォトニック結晶層1000の実効屈折率を上げることができるのは、入射した光は、第1の部材1010内に完全に閉じ込められて伝播するのではなく、その両側にもエバネッセント波が染み出した状態で伝播するためである。
Moreover, in order to raise the effective refractive index of the
また、第3の部材が有する屈折率(第3の屈折率)は、第1の部材が有する屈折率(第1の屈折率)よりも小さい。第3の屈折率が第1の屈折率よりも高いと、フォトニック結晶層に光を閉じ込めることができず、Guided Resonanceが生じにくくなるからである。 The refractive index (third refractive index) of the third member is smaller than the refractive index (first refractive index) of the first member. This is because if the third refractive index is higher than the first refractive index, light cannot be confined in the photonic crystal layer, and guided resonance is less likely to occur.
更に、図2(c)のように、孔にも第3の部材1015を充填し、更にフォトニック結晶層1000の上に、屈折率が1.0よりも大きい他の第3の部材1017を設けることも、より実効的な屈折率を向上させることができる点において好ましい形態である。なお、かかる場合、第3の部材1015と、他の第3の部材1017とを構成する材料は屈折率が1.0よりも大きければよく、必ずしも同一の材料である必要は無い。
Further, as shown in FIG. 2C, the hole is filled with the
前記フォトニック結晶層1000は、面内方向に屈折率が周期的に異なることを特徴とする。本発明者らの知見によれば、第1の部材1010(スラブ)の厚さtに対して、孔の深さが20%未満では、その波長にも依存するが、面内方向の周期性に基づく影響を受け難くなる。
The
例えば、図3は、図2(c)に示した構成で生じるGuided Resonanceのシミュレーション結果であり、図2(c)における孔の深さ依存性をスラブ厚tの0%から30%の範囲で計算したものである。それぞれ(a)0%、(b)10%、(c)20%、(d)30%の深さに対応する。なお、第1の部材1010を屈折率は3.446、第2の部材である低屈折率層1020の屈折率は3.130、孔の周期は250nmとする四角格子である。孔の断面形状は、半径100nmの円であるものとしている。第3の部材1015と他の第3の部材1017とは同一の材料により構成されているとし、屈折率は2.0であるとした。
For example, FIG. 3 is a simulation result of Guided Resonance generated in the configuration shown in FIG. 2C, and the hole depth dependence in FIG. 2C is in the range of 0% to 30% of the slab thickness t. It is calculated. Each corresponds to a depth of (a) 0%, (b) 10%, (c) 20%, (d) 30%. Note that the
同図から分かるように、孔の深さが、スラブ厚の20%未満になると、透過スペクトル中のディップが小さくなり高反射率が得られなくなってしまうことが分かる。 As can be seen from the figure, when the depth of the hole is less than 20% of the slab thickness, the dip in the transmission spectrum becomes small and high reflectivity cannot be obtained.
また、第1の部材1010(スラブ)の厚さtに対して、孔の深さdが、スラブ厚tの80%を超えてしまうと、以下のような場合に不都合となる。 Further, when the depth d of the hole exceeds 80% of the slab thickness t with respect to the thickness t of the first member 1010 (slab), it is inconvenient in the following cases.
スラブ(第1の部材1010)と、クラッド(低屈折率層1020)を構成する第2の部材との屈折率差が極めて小さい場合、孔の深さが深くなることに起因して、孔の体積が大きくなってしまう。これにより、一層両者の実効的な屈折率差は小さくなってしまう。つまり、孔の深さはある程度以上に深くすることはできない。 When the difference in refractive index between the slab (first member 1010) and the second member constituting the cladding (low refractive index layer 1020) is extremely small, the depth of the hole is increased due to the deep depth of the hole. The volume becomes large. This further reduces the effective refractive index difference between the two. That is, the depth of the hole cannot be deeper than a certain level.
この場合、孔の深さdがスラブ厚tの80%を超えると、図4からも分かるように、Guided Resonanceが起こらなくなる。なお、図4は、図3と同様に、孔の深さがスラブ厚tの70%から100%の範囲でのシミュレーション結果を示したものである。それぞれ(a)70%、(b)80%、(c)90%、(d)100%の深さに対応する。 In this case, when the hole depth d exceeds 80% of the slab thickness t, as shown in FIG. 4, Guided Resonance does not occur. FIG. 4 shows the simulation results when the hole depth is in the range of 70% to 100% of the slab thickness t, as in FIG. These correspond to depths of (a) 70%, (b) 80%, (c) 90%, and (d) 100%, respectively.
以上の点より、該第1の部材1010の厚さ方向における該孔の深さdは、該第1の部材の厚さtの20%以上80%以下であるのがよいことが分かる。
From the above points, it can be seen that the depth d of the hole in the thickness direction of the
(第1の部材、第2の部材)
第1の部材が有する第1の屈折率n1としては、例えば1.2から4.0の範囲である。具体的な材料としては、Si、SiO2、SiN、GaAs、AlxGa1−xAs、GaN、AlxGa1−xN、InPなどである。
(First member, second member)
The first refractive index n 1 having a first member, for example in the range of 1.2 to 4.0. As a specific material, Si, SiO2, SiN, GaAs , Al x Ga 1-x As, GaN, Al x Ga 1-x N, InP and the like.
第2の部材が有する第2の屈折率n2としては、例えば1.0から3.8の範囲である。具体的な材料としては、SiO2、SiN、AlxGa1−xAs、AlAs、AlxGa1−xN、AlNなどである。 The second refractive index n 2 of the second member is, for example, in the range of 1.0 to 3.8. As a specific material, SiO2, SiN, Al x Ga 1-x As, AlAs, Al x Ga 1-x N, AlN and the like.
比屈折率差△nが0.1以下となる構成としては、例えば第1の部材をAl0.5Ga0.5Asにより作製し、第2の部材をAl0.93Ga0.07Asで作製する。 As a configuration in which the relative refractive index difference Δn is 0.1 or less, for example, the first member is made of Al 0.5 Ga 0.5 As and the second member is Al 0.93 Ga 0.07 As. To make.
フォトニック結晶層に設けられる孔の形状は円、四角などである。また、格子の形としては、四角格子や三角格子などがある。 The shape of the hole provided in the photonic crystal layer is a circle, a square, or the like. In addition, examples of the lattice shape include a square lattice and a triangular lattice.
第1の部材の厚さtは、光の導波モードや、作製条件等を考慮して決定される。例えば、10nmから10μmの範囲である。 The thickness t of the first member is determined in consideration of the waveguide mode of light, manufacturing conditions, and the like. For example, it is in the range of 10 nm to 10 μm.
第3の部材としては、屈折率が1.0より大きく、かつ、第1の部材が有する第1の屈折率よりも低い材料(第3の屈折率を有する材料)を適用できる。使用する光の波長域で透明であれば特に制限は無いが、具体的な材料としてはポリスチレン、ポリエチレン、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、フッ素樹脂、SiN、SiO2、TiO2、ITO、GaOなどである。勿論、第2の屈折率と第3の屈折率が等しい場合も本発明に含まれる。なお、第2の屈折率よりも、第3の屈折率を大きくすることもできる。 As the third member, a material having a refractive index larger than 1.0 and lower than the first refractive index of the first member (material having a third refractive index) can be applied. There is no particular limitation as long as it is transparent in the wavelength range of the light used, but specific materials include polystyrene, polyethylene, acrylic resin, epoxy resin, silicone resin, melamine resin, phenol resin, fluororesin, SiN, SiO 2 , TiO2, ITO, GaO and the like. Of course, the present invention includes the case where the second refractive index and the third refractive index are equal. Note that the third refractive index can be made larger than the second refractive index.
非特許文献1におけるGuided Resonanceにおける波長の半値幅を推定すると、図9においては、どれも2nm以下である。しかし、Guided Resonanceを利用したミラーをデバイスに適用したときのプロセスマージンを考慮すると、半値幅はより広い方が好ましく、具体的には、5nm以上あることが好ましい。 If the half width of the wavelength in Guided Resonance in Non-Patent Document 1 is estimated, in FIG. 9, each is 2 nm or less. However, in consideration of a process margin when a mirror using Guided Resonance is applied to a device, the half width is preferably wider, specifically, 5 nm or more.
図6は、スラブの厚さと孔の深さとが等しい場合に、前述の半値幅を広げるために孔の半径rを徐々に大きくしていった場合の、当該半値幅の変化を示すグラフである。この計算は以下のパラメータを用いて行なったものである。
a=500nm
t=750nm
r=(a)0.08a、(b)0.10a、(c)0.12a、(d)0.14a
n1=3.446(例えば、材料Al0.5Ga0.5Asである。)n2=3.200(例えば、材料Al0.8Ga0.2Asである。)
ここで、aはフォトニック結晶層の格子定数(四角格子の周期に該当する。)、tは前記第1の部材(スラブ)の厚さ、rはフォトニック結晶層に設けられている孔の半径、n1は第1の部材の屈折率、n2は第2の部材(クラッド層)の屈折率である。なお、この計算において、第1の部材の上には第3の部材は設けられていない。
FIG. 6 is a graph showing changes in the half width when the radius r of the hole is gradually increased in order to widen the aforementioned half width when the thickness of the slab is equal to the depth of the hole. . This calculation was performed using the following parameters.
a = 500 nm
t = 750 nm
r = (a) 0.08a, (b) 0.10a, (c) 0.12a, (d) 0.14a
n 1 = 3.446 (for example, material Al 0.5 Ga 0.5 As) n 2 = 3.200 (for example, material Al 0.8 Ga 0.2 As)
Here, a is the lattice constant of the photonic crystal layer (corresponding to the period of the square lattice), t is the thickness of the first member (slab), and r is the hole provided in the photonic crystal layer. Radius, n 1 is the refractive index of the first member, and n 2 is the refractive index of the second member (cladding layer). In this calculation, the third member is not provided on the first member.
スラブとそれに隣接するクラッド層間の比屈折率差△nは、約0.07(約7%)である。孔の半径rを大きくすることで、半値幅を1nm程度にまで拡大することはできるが(図6(c))、それ以上に大きくしようとすると、Guided Resonance自体が生じなくなってしまうことが分かる(図6(d))。 The relative refractive index difference Δn between the slab and the adjacent cladding layer is about 0.07 (about 7%). By increasing the radius r of the hole, the full width at half maximum can be expanded to about 1 nm (FIG. 6C), but if it is attempted to increase beyond that, the Guided Resonance itself does not occur. (FIG. 6 (d)).
これは、孔の半径を大きくすることにより、孔が有する体積が増加し、実効的な屈折率が低下してしまうことによるものである。 This is because by increasing the radius of the hole, the volume of the hole increases and the effective refractive index decreases.
図7(a)は、a、t、n1、n2についての条件は図6の場合と同一にして、既述の実施形態1に包含される構成の一例として、図2(a)を採用したときのシミュレーション結果である。 In FIG. 7A, the conditions for a, t, n 1 , and n 2 are the same as in FIG. 6, and FIG. It is a simulation result when adopting.
具体的には、孔の半径rは200nm、孔の深さdは375nmとした(即ち、フォトニック結晶層の厚さtの50%である。)。そして、孔に充填される材料の屈折率n3は、1.7(例えば、材料はチオウレタン系樹脂である。)とした。この図より、本実施形態で説明した構造体を用いれば、スペクトルの半値幅を5nm程度、あるいはそれ以上にすることができる。 Specifically, the radius r of the hole was 200 nm, and the depth d of the hole was 375 nm (that is, 50% of the thickness t of the photonic crystal layer). The refractive index n 3 of the material filled in the holes was 1.7 (for example, the material is a thiourethane resin). From this figure, if the structure described in this embodiment is used, the half width of the spectrum can be about 5 nm or more.
図7(b)、(c)には、それぞれ、図2(b)、(c)の構成の場合を、図7(a)と同様の条件で行ったものを示した。(a)、(b)、(c)どの構成でもそのスペクトルに大きな違いはなく、比屈折率差△nが約7%であっても、半値幅を広く保ちつつもGuided Resonance現象を生じさせることができることが分かる。 FIGS. 7B and 7C show the configurations of FIGS. 2B and 2C performed under the same conditions as in FIG. 7A. (A), (b), (c) There is no big difference in the spectrum in any configuration, and even if the relative refractive index difference Δn is about 7%, the Guided Resonance phenomenon is generated while keeping the full width at half maximum. I can see that
また、上述したシミュレーションは、文献Physical Review B,Vol.68,155101(2003)に記載の転送行列法を用いて行っている。 In addition, the simulation described above is described in the document Physical Review B, Vol. 68, 155101 (2003).
(実施形態2:VCSEL型面発光レーザ)
本実施形態に係る垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)に関して説明する。図5は、VCSELの構成に関して、その断面図を模式的に示したものである。
(Embodiment 2: VCSEL type surface emitting laser)
A vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) according to the present embodiment will be described. FIG. 5 schematically shows a cross-sectional view of the configuration of the VCSEL.
5050は基板、5000は下部反射ミラー(例えば、多層膜ミラーからなる。)、1021は下部クラッド層、5900は活性層、5020は上部クラッド層である。1010は、フォトニック結晶層1000を構成する第1の部材であり、1015は、孔へ充填される前記第3の部材としての充填材である。
フォトニック結晶層1000に関しては、実施形態1で説明した技術事項が適用される。なお、本実施形態における上部クラッド層5020は、第1の実施形態における第2の部材1020に対応する。つまり、クラッド層5020は、活性層5900に対する上部クラッド層としての役割と、フォトニック結晶層1000に対する低屈折率層としての役割を兼ねている。
Regarding the
VCSEL型の面発光レーザにおいては、活性層5900において発生する光を上下のミラーで共振させ、増幅することによりレーザ発振が実現される。そして、活性層における発光波長は、活性層の材料や層構成により決まるので、上部反射ミラーとして作用するフォトニック結晶層における、Guided Resonance が、当該発光波長に対応するように設計する必要がある。
In the VCSEL type surface emitting laser, laser oscillation is realized by resonating and amplifying light generated in the
このように、上記実施形態1において説明したフォトニック結晶層1000を、図5のように、下部反射ミラー5000に対向して配置される上部反射ミラーとして用いることで、面発光レーザを実現できる。
As described above, the surface emitting laser can be realized by using the
下部反射ミラーは、AlxGa1−xAs/Alx’Ga1−x’As、GaN/AlxGa1−xN、InxGa1−xAsyP1−y/Inx’Ga1−x’Asy’P1−y’などの多層膜ミラーを用いる。勿論、実施形態1に示すようなフォトニック結晶を適用することもできる。 Lower reflecting mirror, Al x Ga 1-x As / Al x 'Ga 1-x' As, GaN / Al x Ga 1-x N, In x Ga 1-x As y P 1-y / In x 'Ga A multilayer mirror such as 1-x ′ As y ′ P 1-y ′ is used. Of course, a photonic crystal as shown in Embodiment 1 can also be applied.
(活性層、クラッド層、基板など)
活性層5900は、例えばGaInP/AlGaInP、GaN/InGaNなどの材料を用いた多重量子井戸構造である。
(Active layer, clad layer, substrate, etc.)
The
クラッド層1021は、例えば、AlGaInP、AlGaNなどである。
The
基板5050は、例えば、GaAs、GaNなどである。
The
本実施形態に係るVCSELにおいては、光励起方式、あるいは電流注入方式により駆動することができる。同図においては、電極等は省略している。 The VCSEL according to the present embodiment can be driven by an optical excitation method or a current injection method. In the figure, electrodes and the like are omitted.
なお、フォトニック結晶層を含み構成されるミラーを第1の反射ミラーといい、この第1の反射ミラーと対向して配置されているミラーを第2の反射ミラーということもある。この第1の反射ミラーは、上記のように上部反射ミラーとして用いてもよいし、また下部反射ミラーとして用いてもよい。 Note that a mirror configured to include a photonic crystal layer is referred to as a first reflection mirror, and a mirror disposed opposite to the first reflection mirror is sometimes referred to as a second reflection mirror. The first reflection mirror may be used as an upper reflection mirror as described above, or may be used as a lower reflection mirror.
(実施形態3:DFB型面発光レーザ)
本実施形態に係るDFB型レーザ(Distributed Feed−Back Laser)に関する面発光レーザに関して説明する。図14は、DFBレーザの構成に関して、その断面図を模式的に示したものである。
(Embodiment 3: DFB type surface emitting laser)
A surface emitting laser related to a DFB type laser (Distributed Feed-Back Laser) according to the present embodiment will be described. FIG. 14 schematically shows a cross-sectional view of the configuration of the DFB laser.
5050は基板、6000はクラッド層、1010は第1の部材、1015は第3の部材、1000はフォトニック結晶層(光共振層ということもある。)、5900は活性層、5020は上部クラッド層である。ここで、クラッド層6000は、フォトニック結晶層1000に対する低屈折率層(第2の部材)としての役割を兼ねている。
5050 is a substrate, 6000 is a cladding layer, 1010 is a first member, 1015 is a third member, 1000 is a photonic crystal layer (sometimes referred to as an optical resonance layer), 5900 is an active layer, and 5020 is an upper cladding layer. It is. Here, the
DFB型の面発光レーザにおいては、活性層5900で発生する光がフォトニック結晶層1000に入射する。この入射した光が導波モードの光となり、フォトニック結晶層1000の面内方向において共振をして増幅される。そして、その後、放射モードに結合されることにより、フォトニック結晶層の外に放射される。これにより、上部クラッド層5020からコヒーレントな光が面発光される。
In the DFB type surface emitting laser, light generated in the
すなわち、本実施形態では、実施形態2で説明した下部反射ミラー5000が必ずしも必要ではない点が異なる。
That is, the present embodiment is different in that the
クラッド層6000としては、実施形態1で説明した第2の部材を用いることができる。また、基板5050、活性層5900なども実施形態1で説明した材料を用いることができる。
As the
また、本実施形態において、活性層5900を配置する位置は、光共振層としてのフォトニック結晶層1000に光を入射させることのできる位置であればよいが、利得を多く得るという目的から、フォトニック結晶層と近接した位置に設けることが好ましい。例えば、活性層5900はフォトニック結晶層1000の上に形成することもできる。また、活性層5900はフォトニック結晶層1000の内部に配置することもできる。
In the present embodiment, the
なお、上記では、クラッド層6000を低屈折率層とすることを説明したが、基板5050を低屈折率層とする構成であってもよい。すなわち、基板5050の上にフォトニック結晶層1000が形成されたレーザも本発明は包含する。
In the above description, the
(実施例1:ミラー)
実施例1では、本発明を適用して構成した2次元フォトニック結晶ミラーについて説明する。図10(d)に、本実施例におけるミラーの構成を示す。
(Example 1: Mirror)
In Example 1, a two-dimensional photonic crystal mirror configured by applying the present invention will be described. FIG. 10D shows the configuration of the mirror in the present embodiment.
図10(d)において、1000はGaNからなる層に円柱孔を正方格子状に設けて構成されたフォトニック結晶層である。層の厚さは100nm、円柱孔の間隔は200nm、円柱孔の半径は60nm、円柱孔の深さは40nm(スラブ厚さの40%)である。円柱孔は屈折率1.7のチオウレタン系樹脂で充填されており、フォトニック結晶層の上部も同一の樹脂で構成された第3の部材1017により覆われている。1020はAl0.4Ga0.6Nからなる基板である。
In FIG. 10D,
図11(d)に、図10(d)の構成の透過スペクトル計算結果を示す。GaNの屈折率は2.54、Al0.4Ga0.6Nの屈折率は2.32だとした。両者の比屈折率差は約8.7%である。また、計算の都合上、部材1017と基板1020の厚さは無限だとした。
FIG. 11 (d) shows the transmission spectrum calculation result of the configuration of FIG. 10 (d). The refractive index of GaN was 2.54, and the refractive index of Al 0.4 Ga 0.6 N was 2.32. The relative refractive index difference between the two is about 8.7%. For the sake of calculation, the thickness of the
図11(d)において、波長465nm付近に透過率が急激に落ち込む(つまり、反射率が急激に増大する)波長域が存在することが確認される。したがって、この構成は高反射率のミラーとして動作させることができる。 In FIG. 11D, it is confirmed that there is a wavelength region in which the transmittance sharply drops (that is, the reflectance increases rapidly) in the vicinity of the wavelength of 465 nm. Therefore, this configuration can be operated as a high reflectivity mirror.
また、本実施例との比較のために、図11(a)、(b)、(c)に、それぞれ図10(a)、(b)、(c)の構成について透過スペクトルを計算した結果を示す。図10(a)は孔を100nm(スラブ厚さの100%)の深さまで設けた構成、図10(b)は図10(a)に屈折率1.7の樹脂を充填した構成、図10(c)は円柱孔を40nm(スラブ厚さの40%)の深さまで設けた構成である。図11(a)、(b)、(c)においては、透過率が10%以下(つまり反射率が90%以上)といった高反射率の波長域は存在しない。 In addition, for comparison with the present example, the results of calculating the transmission spectrum for the configurations of FIGS. 10 (a), (b), and (c) in FIGS. 11 (a), (b), and (c), respectively. Indicates. 10A shows a configuration in which holes are provided to a depth of 100 nm (100% of the slab thickness), FIG. 10B shows a configuration in which a resin having a refractive index of 1.7 is filled in FIG. (C) is the structure which provided the cylindrical hole to the depth of 40 nm (40% of slab thickness). In FIGS. 11A, 11B, and 11C, there is no wavelength region with a high reflectance such that the transmittance is 10% or less (that is, the reflectance is 90% or more).
つまり、この構成においては、円柱孔の深さを浅くする手法と、円柱孔に樹脂を充填するという手法を単独で行なうだけでは不十分であり、2つの手法を採用することではじめてミラーとして動作させることができる。 In other words, in this configuration, it is not sufficient to perform the method of reducing the depth of the cylindrical hole and the method of filling the cylindrical hole with resin alone, and it will operate as a mirror only when two methods are employed. Can be made.
(実施例2:VCSEL)
実施例2では、本発明を適用して構成した面発光レーザ(VCSEL)について説明する。図12に、本実施例における面発光レーザの構成を示す。
(Example 2: VCSEL)
In Example 2, a surface emitting laser (VCSEL) configured by applying the present invention will be described. FIG. 12 shows the configuration of the surface emitting laser in this example.
図12において、1000はAl0.5Ga0.5Asからなる層に円柱孔を正方格子状に設けて構成されたフォトニック結晶層である。層の厚さは308nm、円柱孔の間隔は205nm、円柱孔の半径は82nm、円柱孔の深さは154nm(スラブ厚さの50%)である。円柱孔には、屈折率1.7のアクリル系樹脂1015が充填されており、同一材料からなる部材1017がフォトニック結晶層1000の上部を満たしている。
In FIG. 12,
5020はp型AlGaInPクラッド層、5900はGaInP/AlGaInP多重量子井戸活性層、1021はn型AlGaInPクラッド層である。また、5000はn型Al0.93Ga0.07As/Al0.5Ga0.5As−DBRからなる下部ミラー層、5050はGaAs基板である。1200はリング型の上部電極、1210は下部電極である。 5020 is a p-type AlGaInP cladding layer, 5900 is a GaInP / AlGaInP multiple quantum well active layer, and 1021 is an n-type AlGaInP cladding layer. Further, 5000 is a lower mirror layer made of n-type Al 0.93 Ga 0.07 As / Al 0.5 Ga 0.5 As-DBR, and 5050 is a GaAs substrate. 1200 is a ring-type upper electrode, and 1210 is a lower electrode.
図13に、図12中のフォトニック結晶層の透過スペクトル計算結果を示す。波長669nm付近で高い反射率を有したミラーとして動作することが確認される。 FIG. 13 shows the transmission spectrum calculation result of the photonic crystal layer in FIG. It is confirmed that the mirror operates as a mirror having a high reflectance near the wavelength of 669 nm.
下部ミラー層5000も同様に波長669nm付近で高い反射率を持つように設計されている。また、フォトニック結晶層1000と下部ミラー層5000との間隔で決まる共振器長は、共振器中で形成される定在波の腹が活性層5900に重なるような長さに設計されている。これらは、面発光レーザを設計する際に一般に使われる手法をそのまま適用することができる。
Similarly, the
以上の構成により、活性層5900で発生する光を上下のミラーで共振させ、増幅することによりレーザ発振が実現される。
With the above configuration, laser oscillation is realized by resonating and amplifying the light generated in the
1000 フォトニック結晶層
1010 第1の部材
1015 第3の部材
1016 孔
1017 第3の部材
1020 第2の部材
5000 下部反射ミラー
5020 上部クラッド層
5050 基板
5900 活性層
6000 クラッド層
8000 サファイア基板
8030 核形成層
8050 フォトニック結晶層
1000
Claims (9)
第1の屈折率(n1)を有する第1の部材に複数の孔が周期的に配列されているフォトニック結晶層と、
前記第1の屈折率よりも低い第2の屈折率(n2)を有し、前記フォトニック結晶層に隣接している第2の部材と、
1.0よりも大きく、前記第1の屈折率よりも低い第3の屈折率(n3)を有し、前記第1の部材の上に形成されている第3の部材とを備え、
前記第1の屈折率と第2の屈折率との比屈折率差(=(n1−n2)/n1)が0.10以下であり、かつ、
前記フォトニック結晶層に設けられている前記孔の深さは、該第1の部材の厚さの20%以上80%以下であることを特徴とする構造体。 A structure having a photonic crystal layer,
A photonic crystal layer in which a plurality of holes are periodically arranged in a first member having a first refractive index (n 1 );
A second member having a second refractive index (n 2 ) lower than the first refractive index and adjacent to the photonic crystal layer;
A third member having a third refractive index (n 3 ) greater than 1.0 and lower than the first refractive index and formed on the first member;
The relative refractive index difference (= (n 1 −n 2 ) / n 1 ) between the first refractive index and the second refractive index is 0.10 or less, and
The depth of the hole provided in the photonic crystal layer is 20% or more and 80% or less of the thickness of the first member.
請求項1に記載の構造体を含み構成される第1の反射ミラーと、
前記第1の反射ミラーと対向して配置されている第2の反射ミラーと、
前記第1の反射ミラーと前記第2の反射ミラーとの間に配置されている活性層とを有することを特徴とする面発光レーザ。 A surface emitting laser,
A first reflecting mirror comprising the structure according to claim 1;
A second reflecting mirror disposed opposite to the first reflecting mirror;
A surface emitting laser comprising: an active layer disposed between the first reflecting mirror and the second reflecting mirror.
請求項1に記載の構造体を含み構成される光共振層と、
前記光共振層に光を入射させることのできる位置に配置されている活性層とを有することを特徴とする面発光レーザ。 A surface emitting laser,
An optical resonance layer comprising the structure according to claim 1;
A surface emitting laser comprising: an active layer disposed at a position where light can be incident on the optical resonance layer.
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