本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器，特別是涉及使用二維光子晶體對光進(jìn)行放大的二維光子晶體面發(fā)射激光器。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體激光器具有小型、廉價(jià)、低功耗、長壽命等眾多優(yōu)點(diǎn)，在光記錄用光源、通信用光源、激光顯示器、激光打印機(jī)、激光指示器等廣泛領(lǐng)域得到普及。另一方面，在激光加工的領(lǐng)域中，需要光輸出至少超過1W的激光，但當(dāng)前實(shí)用化的半導(dǎo)體激光器由于后述的理由，并未達(dá)到該輸出。因此，就現(xiàn)狀而言，在激光加工的領(lǐng)域中并未使用半導(dǎo)體激光器，而是使用二氧化碳激光器等氣體激光器。

當(dāng)前已經(jīng)實(shí)用化的半導(dǎo)體激光器的光輸出小的理由如下。為了提高半導(dǎo)體激光器的光輸出，從元件射出的激光束的剖面積(出射面積)較大為好。另一方面，為了提高加工精度，向被加工物照射的激光束的剖面積(光斑面積)較小為好。因此，理想而言，期望的是從激光源射出的激光束不擴(kuò)散而維持原狀地到達(dá)被加工物。但是，對于半導(dǎo)體激光器而言，越增大出射面積，激光束的擴(kuò)散角就越大，而且，激光的波面紊亂。若激光的波面紊亂，則即使使用光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行聚光，也難以縮小光斑面積。因此，對于當(dāng)前實(shí)用化的半導(dǎo)體激光器而言，難以在縮小擴(kuò)散角的同時(shí)使光輸出成為1W以上。

最近，由作為本發(fā)明的一部分發(fā)明者的野田、梁(Liang)等開發(fā)出了一種二維光子晶體面發(fā)射激光器，其具有如下特性，即，光輸出為1.5W，并且光束擴(kuò)散角為3°以下(非專利文獻(xiàn)1以及2)。二維光子晶體面發(fā)射激光器具有在板狀的母材上周期性地配置了折射率與其不同的異折射率區(qū)域的二維光子晶體和活性層。在二維光子晶體面發(fā)射激光器中，通過向活性層注入電流從而由該活性層產(chǎn)生的光當(dāng)中，只有與異折射率區(qū)域的周期對應(yīng)的給定波長的光被放大而產(chǎn)生激光振蕩，在與二維光子晶體垂直的方向上作為激光束而射出。二維光子晶體面發(fā)射激光器由于從二維光子晶體中的一定范圍內(nèi)發(fā)光(面發(fā)光)，因此與端面發(fā)光型的半導(dǎo)體激光器相比，其出射面積較大，能夠容易提高光輸出，并且也能夠縮小擴(kuò)散角。關(guān)于二維光子晶體，以往已知異折射率區(qū)域的平面形狀(圓形、正三角形等)或配置(三角格子狀、正方格子狀)等不同的各種各樣的二維光子晶體，但在非專利文獻(xiàn)1以及2所記載的二維光子晶體面發(fā)射激光器中，通過將平面形狀為直角三角形的異折射率區(qū)域配置在與它們的正交邊平行的正方格子的格子點(diǎn)上，從而相比于現(xiàn)有的二維光子晶體面發(fā)射激光器，能夠提高光輸出。

在先技術(shù)文獻(xiàn)

非專利文獻(xiàn)

非專利文獻(xiàn)1：Kazuyoshi Hirose等5名著，″Watt-class high-power，high-beam-quality photonic-crystal lasers″(瓦級高輸出高光束質(zhì)量光子晶體激光器)，Nature Photonics(自然光子學(xué))，(英國)，第8卷，第406～411頁，2014年4月13日發(fā)行

非專利文獻(xiàn)2：國立大學(xué)法人京都大學(xué)，浜松Photonics株式會社著，”瓦級高輸出光子晶體激光器：領(lǐng)先于全球而實(shí)現(xiàn)-世界首次由面發(fā)光型激光器以高光束質(zhì)量達(dá)成瓦級的高輸出化-”，[online]，國立大學(xué)法人京都大學(xué)Web Page，[2014年8月11日檢索]，因特網(wǎng)<http：//www.kyoto-u.ac.jp/ja/news_data/h/h1/news6/2014/documents/140414_1/01.pdf>，2014年4月10日

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明要解決的課題

為了提高二維光子晶體面發(fā)射激光器的特性，一直以來都只專注于二維光子晶體的構(gòu)成。但是，半導(dǎo)體激光器通過活性層中的發(fā)光與二維光子晶體中的放大的共同作用而生成。以往，并沒有進(jìn)行著眼于該關(guān)系的研究。

本發(fā)明要解決的課題在于，著眼于活性層中的發(fā)光與二維光子晶體中的放大的共同作用，提供一種能夠提高所射出的光的特性、特別是光輸出的二維光子晶體面發(fā)射激光器。

用于解決課題的手段

本發(fā)明者著眼于在二維光子晶體面發(fā)射激光器中，向活性層注入電荷的電極的構(gòu)成。然后，有如下發(fā)現(xiàn)而完成了本發(fā)明：通過在活性層的電荷(載流子)密度中形成基于面內(nèi)位置的分布，從而在二維光子晶體中，產(chǎn)生與活性層的電荷密度一樣的情況不同的放大作用。

為了解決上述課題而達(dá)成的本發(fā)明所涉及的二維光子晶體面發(fā)射激光器具有：在板狀的母材上將折射率與該母材不同的異折射率區(qū)域周期性地配置為二維狀而成的二維光子晶體；設(shè)置于所述二維光子晶體的一側(cè)的活性層；和夾著所述二維光子晶體以及所述活性層而設(shè)置的、向該活性層供給電流的第1電極以及覆蓋與該第1電極相同或比該第1電極更大的范圍的第2電極，該二維光子晶體面發(fā)射激光器的特征在于，

將該第1電極形成為以根據(jù)所述第1電極的面內(nèi)位置而不同的密度向所述活性層供給電流。

在二維光子晶體面發(fā)射激光器中，一般為了從面方向取出光，夾著二維光子晶體和活性層而設(shè)置的2枚電極將發(fā)光側(cè)設(shè)為透明電極，將另一方設(shè)為不透明(反射)電極，或者將發(fā)光側(cè)的電極形成得比另一方的電極小。而且，活性層以及二維光子晶體設(shè)置于與這些電極(存在大小的情況下為較大一方的電極)相同或比它們更大的范圍。因此，在兩電極間流動的電流(電荷)被注入到活性層當(dāng)中的一部分區(qū)域(以下稱為“電荷注入?yún)^(qū)域”)。另外，在一個(gè)電極小于另一個(gè)電極的情況下，電荷注入?yún)^(qū)域雖然也依賴于電極的面積以及電極間的距離，但一般來說接近于較小一方的電極。

在本發(fā)明所涉及的二維光子晶體面發(fā)射激光器中，較小一方(范圍較窄的一方)的第1電極以根據(jù)其面內(nèi)位置而不同的密度向活性層供給電流，由此活性層的電荷注入?yún)^(qū)域中的電荷密度也成為根據(jù)面內(nèi)位置而不同的值。由此，在活性層中的發(fā)光的強(qiáng)度中，形成基于面內(nèi)位置的分布。然后，通過該發(fā)光的強(qiáng)度分布，從而在二維光子晶體中，產(chǎn)生與活性層中的電荷密度一樣的情況不同的放大作用。

作為用于提高二維光子晶體面發(fā)射激光器的光輸出的方法之一，能夠采用如下這樣的構(gòu)成，即，將第1電極形成為以在第1電極的面內(nèi)位置的中心具有最高密度的分布向所述活性層供給電流。由此，在活性層的電荷注入?yún)^(qū)域中，產(chǎn)生具有中心最大的強(qiáng)度分布的發(fā)光。若這樣的發(fā)光在二維光子晶體中被放大，則容易產(chǎn)生基本模式的激光振蕩，能夠抑制高次模式的不必要的激光振蕩。因此，能夠提高作為整體的光輸出。

另一方面，在與上述示例相反選擇性地使高次模式的激光器振蕩的情況等下，也可以以在第1電極的面內(nèi)位置的中心以外的位置具有較高密度的分布向活性層供給電流。

為了以根據(jù)第1電極的面內(nèi)位置而不同的密度向活性層供給電流，第1電極能夠采用將導(dǎo)電體形成為網(wǎng)格狀這樣的構(gòu)成。在由這樣的網(wǎng)格狀導(dǎo)電體構(gòu)成的第1電極中，通過例如使網(wǎng)格的線的粗度、間隔根據(jù)位置而不同，從而將導(dǎo)電體在網(wǎng)格內(nèi)的面積比設(shè)為根據(jù)位置而彼此不同的值，由此能夠形成基于第1電極的面內(nèi)位置的電流密度的分布。

為了通過網(wǎng)格狀的第1電極來形成遍及該第1電極的整體的大范圍的電流分布，期望不形成與網(wǎng)格的線的粗度、間隔對應(yīng)的局部的電流分布。因此，將網(wǎng)格的線的間隔設(shè)為所述活性層中的電流分散范圍L_c的1.4倍以下即可。另一方面，在局部的電流的周期性分布被容許的情況下為了減小電流密度、或者為了形成那樣的周期性分布，也可以將網(wǎng)格的線的間隔設(shè)為大于1.4倍。在此活性層中的電流分散范圍L_c是表示從第1電極中的1點(diǎn)朝向第2電極流動的電流在活性層的面內(nèi)擴(kuò)散的區(qū)域的大小的數(shù)值，由從該區(qū)域的中心到端部的距離來規(guī)定。電流分散范圍L_c與活性層中的載流子擴(kuò)散長度大致相等。

網(wǎng)格狀的第1電極中的基于面內(nèi)位置的電流密度的差異，例如，能夠通過具有所述導(dǎo)電體在網(wǎng)格內(nèi)的面積比不同的多個(gè)區(qū)域的網(wǎng)格來形成。在該情況下，通過將網(wǎng)格形成為隨著從第1電極的面內(nèi)位置的中心遠(yuǎn)離，所述多個(gè)區(qū)域各自的所述面積比逐漸減小，從而在活性層的電荷注入?yún)^(qū)域中產(chǎn)生具有中心最大的強(qiáng)度分布的發(fā)光，該發(fā)光在二維光子晶體中被放大，由此容易產(chǎn)生基本模式的激光振蕩。進(jìn)一步在該情況下，包含所述中心的區(qū)域能夠僅由導(dǎo)電體構(gòu)成。

或者，網(wǎng)格狀的第1電極中的基于面內(nèi)位置的電流密度的差異，能夠通過使網(wǎng)格的線的粗度、間隔根據(jù)位置而不同以使得所述導(dǎo)電體在網(wǎng)格內(nèi)的面積比根據(jù)位置而連續(xù)性地變化來形成。在該情況下，通過將網(wǎng)格形成為隨著從第1電極的面內(nèi)位置的中心遠(yuǎn)離，所述導(dǎo)電體在所述網(wǎng)格內(nèi)的面積比逐漸減小，從而在活性層的電荷注入?yún)^(qū)域中產(chǎn)生具有中心最大的強(qiáng)度分布的發(fā)光，該發(fā)光在二維光子晶體中被放大，由此容易產(chǎn)生基本模式的激光振蕩。

在這些網(wǎng)格狀的第1電極中，在選擇性地使高次模式的激光器振蕩的情況等下，也可以將第1電極的面內(nèi)位置的中心以外的位置上的導(dǎo)電體的面積比設(shè)為最大。

作為用于以根據(jù)面內(nèi)位置而不同的密度向活性層供給電流的第1電極的另一形式，可以列舉具有配置為同心圓狀的多個(gè)環(huán)狀導(dǎo)電體、和將環(huán)狀導(dǎo)電體彼此電連接的連接部的形式。同心圓的中心既可以是無導(dǎo)電體的空間，也可以配置非環(huán)狀(典型而言圓形)的導(dǎo)電體。在該形式的情況下，通過根據(jù)距中心的距離將環(huán)狀導(dǎo)電體的寬度以及/或者間隔設(shè)為不同的值，從而能夠形成同心圓狀的電流密度分布。為了容易產(chǎn)生基本模式的激光振蕩，隨著從第1電極的面內(nèi)位置的中心遠(yuǎn)離而縮小環(huán)狀導(dǎo)電體的寬度以及/或者擴(kuò)大間隔即可，在選擇性地使高次模式振蕩的情況等下，可以設(shè)為除此以外的寬度以及/或者間隔。此外，與網(wǎng)格狀的第1電極中的網(wǎng)格的線的間隔同樣地，環(huán)狀導(dǎo)電體的間隔為了形成遍及第1電極整體的大范圍的電流分布而期望較小，為了減小電流密度或形成局部的電流的周期性分布而期望較大。

作為用于以根據(jù)面內(nèi)位置而不同的密度向活性層供給電流的第1電極的另一形式，可以列舉將第1電極分割成多個(gè)區(qū)域，并分別由彼此電絕緣的子電極構(gòu)成的形式。在該形式的情況下，通過對各子電極連接了彼此不同的電源之后，調(diào)整在與第2電極之間分別施加的電壓，從而能夠控制每個(gè)區(qū)域的電流密度。

發(fā)明效果

根據(jù)本發(fā)明，將第1電極形成為以根據(jù)其面內(nèi)位置而不同的密度向活性層供給電流，從而在活性層的電荷注入?yún)^(qū)域中的電荷中也形成根據(jù)位置而不同的密度分布，由此，能夠提高在二維光子晶體中被放大后向外部射出的激光的特性，特別是能夠提高光輸出。

附圖說明

圖1是表示本發(fā)明所涉及的二維光子晶體面發(fā)射激光器的實(shí)施例的立體圖。

圖2是表示本實(shí)施例的二維光子晶體面發(fā)射激光器中的二維光子晶體的一例的立體圖(a)以及俯視圖(b)。

圖3是將本實(shí)施例的二維光子晶體面發(fā)射激光器的活性層中的電荷注入?yún)^(qū)域與二維光子晶體對比表示的示意圖。

圖4是表示第1實(shí)施例的二維光子晶體面發(fā)射激光器中的第1電極的構(gòu)成的俯視圖。

圖5是表示第1實(shí)施例中的活性層的(a)中央部以及(b)周圍部的電荷密度分布的曲線圖。

圖6是表示第1實(shí)施例中的活性層的中央部以及周圍部的俯視圖。

圖7是表示對第1實(shí)施例中的閾值增益差Δα計(jì)算得到的結(jié)果的曲線圖，(a)表示第1電極的1邊的長度L＝200μm的情況下的基于第1導(dǎo)電區(qū)域的1邊的長度L_i相對于L的比L_i/L的差異，(b)表示L_i/L＝0.5的情況下的基于L的差異。

圖8是表示對第1實(shí)施例中基于第1電極的網(wǎng)格的線的間隔L₂的活性層的電荷密度分布的差異計(jì)算得到的結(jié)果的曲線圖。

圖9是表示對第1實(shí)施例中基于第1電極的網(wǎng)格的線的寬度L₁的活性層的電荷密度分布的差異計(jì)算得到的結(jié)果的曲線圖。

圖10是表示第1實(shí)施例中的第1電極的3個(gè)變形例的俯視圖。

圖11是表示第1實(shí)施例中的第1電極的另一變形例的俯視圖。

圖12是表示對圖11的示例中的閾值增益差Δα計(jì)算得到的結(jié)果的曲線圖，(a)表示第1電極的1邊的長度L＝200μm的情況下的基于電荷密度的高斯分布的寬度w_p相對于L的比w_p/L的差異，(b)表示w_p/L＝0.25的情況下的基于L的差異。

圖13表示第1實(shí)施例中的第1電極的另一變形例的俯視圖。

圖14是表示第2實(shí)施例的二維光子晶體面發(fā)射激光器中的第1電極的構(gòu)成的俯視圖。

圖15是表示第3實(shí)施例的二維光子晶體面發(fā)射激光器中的第1電極的構(gòu)成的俯視圖。

圖16是表示第3實(shí)施例的二維光子晶體面發(fā)射激光器中的第1電極的變形例的俯視圖。

具體實(shí)施方式

使用圖1～圖16來說明本發(fā)明所涉及的二維光子晶體面發(fā)射激光器的實(shí)施例。以下，大致分為3個(gè)實(shí)施例來進(jìn)行說明，最初說明各實(shí)施例共同的構(gòu)成，然后，以第1電極的構(gòu)成為中心，對每個(gè)實(shí)施例中特有的構(gòu)成進(jìn)行說明。

實(shí)施例

[各實(shí)施例共同的構(gòu)成]

各實(shí)施例的二維光子晶體面發(fā)射激光器10X都具有如下構(gòu)成，即，將第1電極15X、第1包覆層141、活性層11、間隔層13、二維光子晶體層12、第2包覆層142以及第2電極16依次進(jìn)行了層疊(圖1)。其中，活性層11和二維光子晶體層12的順序也可以與上述的順序相反。在圖1中，為了說明的方便，將第1電極15X作為上側(cè)、將第2電極16作為下側(cè)進(jìn)行了表示，但各實(shí)施例的二維光子晶體面發(fā)射激光器10X的使用時(shí)的朝向并不限定于該圖所示的朝向。以下，說明各層以及電極的構(gòu)成。

活性層11通過從第1電極15X以及第2電極16注入電荷，從而發(fā)出具有給定波長帶的光?；钚詫?1的材料在本實(shí)施例中使用了InGaAs/AlGaAs多量子阱(發(fā)光波長帶：935～945nm)，但本發(fā)明并不限定于該材料?；钚詫?1是厚度為約2μm的正方形狀，該正方形的1邊與后述的第2電極16或16A相同或者相比稍大。但是，關(guān)于活性層11，本發(fā)明并不限定于該尺寸，此外，也能夠設(shè)為圓形或六邊形等其他形狀。

二維光子晶體層12，例如如圖2所示，在板狀的母材121上周期性地配置了折射率與其不同的異折射率區(qū)域122而成。母材121的材料在本實(shí)施例中為GaAs，但本發(fā)明并不限定于該材料。異折射率區(qū)域122在本實(shí)施例中為空孔(空氣或者真空)，但也可以取代空孔而使用與母材121材料(折射率)不同的物體。在本實(shí)施例中，將平面形狀為直角三角形的異折射率區(qū)域122配置在與它們的正交邊平行的正方格子的格子點(diǎn)(lattice point)上。正方格子的周期長a，考慮二維光子晶體層12內(nèi)的折射率，設(shè)為了與活性層11中的發(fā)光波長帶內(nèi)的波長對應(yīng)的287nm。其中，異折射率區(qū)域122的形狀也可以采用圓形、正三角形等其他結(jié)構(gòu)，異折射率區(qū)域122的配置也可以采用三角格子狀等其他結(jié)構(gòu)。母材121的平面形狀與活性層11相同，厚度為約300nm。另外，在圖2中將異折射率區(qū)域122在縱向和橫向上各描繪了6個(gè)，但實(shí)際上設(shè)置有比這更多的異折射率區(qū)域122。

間隔層13雖然并非本發(fā)明中的必須的構(gòu)成要素，但是為了對材料不同的活性層11與二維光子晶體層12進(jìn)行連接而被設(shè)置。間隔層13的材料在本實(shí)施例中為AlGaAs，但可根據(jù)活性層11以及二維光子晶體層12的材料適當(dāng)變更。

第1電極15X具有每個(gè)實(shí)施例特有的構(gòu)成。第1電極15X的構(gòu)成的詳情在各實(shí)施例的說明中敘述。另外，在圖1中，第1電極15X的詳細(xì)的構(gòu)成進(jìn)行抽象，僅描繪了外形。在此僅說明各實(shí)施例共同的第1電極15X的材料以及整體的大小。第1電極15X的材料在本實(shí)施例中為p型半導(dǎo)體，對于從二維光子晶體面發(fā)射激光器10X放出的激光(本實(shí)施例中在真空中波長940nm)不透明。第1電極15X的整體是1邊的長度L為約200μm的正方形狀，比活性層11、二維光子晶體123小。此外，在第1電極15X的周圍，在與第1電極15X之間隔著絕緣體設(shè)置有由對于激光不透明的金屬構(gòu)成的反射層(未圖示)。反射層與第1電極15X一起具有如下作用，即，反射由二維光子晶體面發(fā)射激光器10X產(chǎn)生的激光，使其從第2電極16側(cè)向外部放出。

第2電極16在圖1(a)所示的例子中為n型半導(dǎo)體，由作為對于上述激光透明的材料的銦錫氧化物(ITO)形成，但本發(fā)明并不限定于該材料，例如也能夠使用銦鋅氧化物(IZO)。第2電極16是1邊為約800μm的正方形狀，具有與活性層11以及二維光子晶體層12的母材121相同或者相比稍小的平面尺寸。也可以取代使用這樣的透明電極，而使用圖1(b)所示的第2電極16A。第2電極16A具有由對于激光不透明的金屬構(gòu)成的正方形的板狀構(gòu)件的中央呈正方形狀被挖空的構(gòu)成。將板狀構(gòu)件被挖空的部分稱為窗部161A，將板狀構(gòu)件殘留的部分稱為框部162A。板狀構(gòu)件(框部162A的外側(cè))的正方形是1邊800μm，窗部161A的正方形是1邊600μm。在該例的情況下，由二維光子晶體面發(fā)射激光器10X生成的激光通過窗部161A向外部放出。

第1包覆層141以及第2包覆層142雖然并非本發(fā)明中的必須的構(gòu)成要素，但是具有如下作用，即，將第1電極15X與活性層11以及第2電極16與二維光子晶體層12進(jìn)行連接，并且使得從第1電極15X以及第2電極16向活性層11容易注入電流。為了起到這些作用，第1包覆層141的材料使用了p型半導(dǎo)體，而第2包覆層142的材料使用了n型半導(dǎo)體。第1包覆層141從第1電極15X側(cè)起依次具有由p-GaAs構(gòu)成的層和由p-AlGaAs構(gòu)成的層的2層結(jié)構(gòu)，同樣地，第2包覆層142從第2電極16側(cè)起依次具有由n-GaAs構(gòu)成的層和由n-AlGaAs構(gòu)成的層的2層結(jié)構(gòu)(均未圖示2層結(jié)構(gòu))。在這些第1包覆層141以及第2包覆層142中，本發(fā)明也不限定于上述材料。第1包覆層141以及第2包覆層142的平面尺寸與活性層11以及二維光子晶體層12的母材121相同。第1包覆層141的厚度為2μm，第2包覆層142的厚度為200μm。因此，第1電極15X遠(yuǎn)比第2電極16更靠近活性層11。因此，活性層11內(nèi)的電荷注入?yún)^(qū)域111(圖3)成為與第1電極15X的平面形狀以及大小接近的區(qū)域。此外，二維光子晶體123因?yàn)榇笥诘?電極15X，所以也大于活性層11的電荷注入?yún)^(qū)域111(圖3)。

說明二維光子晶體面發(fā)射激光器10X的動作。對第1電極15X與第2電極16之間施加給定電壓。該電壓的施加的方法因各實(shí)施例的第1電極15X的形態(tài)而各異，因此其詳情在各實(shí)施例中進(jìn)行說明。由此，從兩電極向活性層11的電荷注入?yún)^(qū)域111注入電流。由此，向電荷注入?yún)^(qū)域111注入電荷，從電荷注入?yún)^(qū)域111產(chǎn)生具有給定波長帶內(nèi)的波長的發(fā)光。關(guān)于電荷注入?yún)^(qū)域111中的電荷的密度分布以及發(fā)光的強(qiáng)度分布，在各實(shí)施例中進(jìn)行說明。這樣產(chǎn)生的發(fā)光在二維光子晶體123內(nèi)，與正方格子的周期長a對應(yīng)的波長的光被選擇性地放大，進(jìn)行激光振蕩。振蕩得到的激光從第2電極16側(cè)向外部射出。

以下，關(guān)于各實(shí)施例，以特有的構(gòu)成為中心進(jìn)行說明。

[第1實(shí)施例-網(wǎng)格狀電極]

在第1實(shí)施例的二維光子晶體面發(fā)射激光器中，使用具有圖4所示的構(gòu)成的第1電極15A。第1電極15A整體為正方形狀，具有形成在中心附近的正方形狀的第1導(dǎo)電區(qū)域15A11、和形成在第1導(dǎo)電區(qū)域15A11的周圍的第2導(dǎo)電區(qū)域15A12這2個(gè)區(qū)域。第1導(dǎo)電區(qū)域15A11由一樣的導(dǎo)電體(p型半導(dǎo)體)形成。相對于此，在第2導(dǎo)電區(qū)域15A12，導(dǎo)電體形成為網(wǎng)格狀，網(wǎng)格的線15A2之間利用由絕緣體構(gòu)成的線間區(qū)域15A3來填充。線間區(qū)域15A3的材料使用了SiN。第1導(dǎo)電區(qū)域15A11的導(dǎo)電體和構(gòu)成第2導(dǎo)電區(qū)域15A12的網(wǎng)格的線15A2的導(dǎo)電體由于是一體的并且電連接，因此等電位。這樣的網(wǎng)格狀電極能夠使用通常的光刻法來制作。

在本實(shí)施例中，作為第1導(dǎo)電區(qū)域15A11的平面形狀的正方形的1邊的長度L_i設(shè)為了100μm。此外，活性層11中的載流子擴(kuò)散長度通過計(jì)算而估計(jì)為2.5μm，電流分散范圍L_C的大小設(shè)為與該載流子擴(kuò)散長度大致相等，第2導(dǎo)電區(qū)域15A12中的網(wǎng)格的線15A2的間隔L₂設(shè)為了L_C的約1.2倍的3.0μm。網(wǎng)格的線15A2的寬度L₁設(shè)為了1.25μm。

在第1實(shí)施例的二維光子晶體面發(fā)射激光器中，對在活性層11的電荷注入?yún)^(qū)域111形成的電荷密度的分布進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果在圖5中示出。在這些計(jì)算中，電流分散范圍L_C設(shè)為了與載流子擴(kuò)散長度相同的2.5μm。因此，網(wǎng)格的線15A2的間隔L₂為L_C的1.2倍。圖5(a)示出電荷注入?yún)^(qū)域111內(nèi)與第1導(dǎo)電區(qū)域15A11對應(yīng)的中央部1111(參照圖6)的電荷密度的分布，(b)示出與第2導(dǎo)電區(qū)域15A12對應(yīng)的周圍部1112(同)的電荷密度的分布。在(a)以及(b)的曲線圖中，將距離中央部1111的中心的位置設(shè)為x軸，并對縱軸進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化使得中央部1111的中心((a)的曲線圖中的x軸的原點(diǎn))處的值成為1。如這些曲線圖中所示的那樣，在中央部1111和周圍部1112，分別形成了大致一樣的電荷密度，就電荷注入?yún)^(qū)域111整體而言，形成了中央部1111的電荷密度為周圍部1112的電荷密度的大約2倍這樣的電荷密度的分布。通過形成這樣的電荷密度的分布，從而從電荷注入?yún)^(qū)域111，產(chǎn)生具有中央部1111最大的強(qiáng)度分布的發(fā)光，該發(fā)光在二維光子晶體123中被放大，由此容易產(chǎn)生基本模式的激光振蕩。因此，能夠抑制高次模式的不必要的激光振蕩，能夠提高作為整體的光輸出。

為了對容易產(chǎn)生基本模式的激光振蕩的情況加以確認(rèn)，通過計(jì)算來求出第1實(shí)施例中的閾值增益差Δα。閾值增益差Δα是從基本模式的振動的閾值增益中，減去在基本模式之后振動的波腹以及波節(jié)的數(shù)量較少的次高次模式的振動的閾值增益之后得到的值。各振動模式的閾值增益是表示基于該振動模式的激光振蕩的強(qiáng)度的值，閾值增益差Δα越大，意味著基本模式的激光振蕩越容易產(chǎn)生。

首先，在圖7(a)的曲線圖中示出針對將第1電極的1邊的長度如上所述設(shè)為L＝200μm、L_i為包含上述的100μm在內(nèi)的0～200μm的范圍內(nèi)的不同的多個(gè)值的情況計(jì)算閾值增益差Δα得到的結(jié)果。該曲線圖的橫軸以L_i/L表示。在該曲線圖中，L_i/L＝1的數(shù)據(jù)并非本實(shí)施例的數(shù)據(jù)，而是第1電極整體為一樣的導(dǎo)體板的現(xiàn)有的二維光子晶體激光器的數(shù)據(jù)。此外，L_i/L＝0的數(shù)據(jù)示出了第1電極由導(dǎo)電體的密度一樣的網(wǎng)格狀電極構(gòu)成。從該曲線圖可以得知，在具有由一樣的導(dǎo)電體構(gòu)成的第1導(dǎo)電區(qū)域和網(wǎng)格狀的第2導(dǎo)電區(qū)域的L_i/L≠0以及1的情況下，閾值增益差Δα全都比現(xiàn)有的L_i/L＝1的情況大，可以說容易產(chǎn)生基本模式的激光振蕩。此外，在圖7(a)所示的數(shù)據(jù)當(dāng)中的L_i/L＝0.5的情況下，即上述的L_i＝100μm且L＝200μm的情況下，閾值增益差Δα最大。

接下來，在圖7(b)的曲線圖中示出針對將L_i/L設(shè)為0.5、L的值不同的多個(gè)情況計(jì)算閾值增益差Δα得到的結(jié)果。從該曲線圖可知，在L的值大于300μm的范圍內(nèi)，L越大則閾值增益差Δα越小。另一方面，L越大，第1電極整體的面積越大，因而在提高激光輸出這一點(diǎn)上有利。因此，在圖7(b)所得到的Δα的計(jì)算值中，針對(a)中的現(xiàn)有例(L_i/L＝1)的Δα的值以上的計(jì)算值當(dāng)中L最大的L＝600μm(L_i＝300μm)的情況計(jì)算了激光的光輸出，結(jié)果得到了2.4W這樣的值。該光輸出的計(jì)算值高于非專利文獻(xiàn)1以及2所記載的二維光子晶體激光器的實(shí)驗(yàn)值(雖然計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值存在差異)。

至此對第1電極15A的第2導(dǎo)電區(qū)域15A12中的網(wǎng)格的線15A2的間隔L₂為3.0μm的情況進(jìn)行了說明，針對該間隔L₂不同的多個(gè)示例，計(jì)算了活性層11中的周圍部1112的電荷密度，結(jié)果在圖8中示出。網(wǎng)格的線15A2的寬度L₁都設(shè)為0.50L_cμm，間隔L₂在圖8(a)中設(shè)為0.50L_cμm，在(b)中設(shè)為0.80L_cμm，在(c)中設(shè)為1.20L_cμm(因此，(c)再次示出了圖5(b))，在(d)中設(shè)為1.40L_cμm，在(e)中設(shè)為了2.00L_cμm。根據(jù)這些計(jì)算，周圍部1112的電荷密度分布在(a)～(c)的情況下大致相同，在(d)的情況下雖然可以看到與網(wǎng)格的線15A2的周期對應(yīng)的微小的周期性變動，但其變動幅度被抑制為小于5％。相對于此，在該間隔L₂大于電流分散范圍L_c的1.4倍的(e)的情況下，電荷密度分布的周期性變動的幅度成為超過10％的較大幅度。此外，在網(wǎng)格的線15A2的寬度L₁相同的情況下，越擴(kuò)大間隔L₂則電荷密度變得越小。

圖9中，示出在網(wǎng)格的線15A2的間隔L₂相同的情況下，針對寬度L₁不同的多個(gè)示例計(jì)算了活性層11中的周圍部1112的電荷密度而得到的結(jié)果。網(wǎng)格的線15A2的間隔L₂都設(shè)為1.20L_cμm，寬度L₁在圖9(a)中設(shè)為0.50L_cμm(因此，(a)再次示出了圖5(b)以及圖8(c))，在(b)中設(shè)為0.32L_cμm，在(c)中設(shè)為0.20L_cμm，在(d)中設(shè)為0.16L_cμm，在(e)中設(shè)為0.12L_cμm，在(f)中設(shè)為了0.08L_cμm。根據(jù)這些計(jì)算，對于周圍部1112的電荷密度分布而言，越減小網(wǎng)格的線15A2的寬度L₁則電荷密度變得越小。

如上所述，由于第1電極15A中的網(wǎng)格的線15A2的間隔L₂以及/或者寬度L₁的差異，導(dǎo)電體(線)在網(wǎng)格內(nèi)的面積比變得越小則電荷密度會變得越小。因此，通過這些間隔L₂以及/或者寬度L₁的設(shè)定，從而能夠決定對應(yīng)的活性層11內(nèi)的位置上的電荷密度。

第1導(dǎo)電區(qū)域15A11也可以取代如上述示例那樣設(shè)為一樣的導(dǎo)電體，而例如由與第2導(dǎo)電區(qū)域15A12相比網(wǎng)格的線的寬度L₁更寬(圖10(a))或者寬度L₁相同且間隔L₂較窄的、導(dǎo)電體的面積比大于第2導(dǎo)電區(qū)域15A12的網(wǎng)格構(gòu)成?；蛘?，也可以從第1電極15A的中心朝向周圍，設(shè)置3個(gè)以上的導(dǎo)電區(qū)域(第1導(dǎo)電區(qū)域15A11、第2導(dǎo)電區(qū)域15A12、第3導(dǎo)電區(qū)域15A13…)使得導(dǎo)電體的面積比逐漸變小(圖10(b))。作為另一例，也能夠采用如下構(gòu)成，即，將導(dǎo)電體的面積比最大的正方形的第1導(dǎo)電區(qū)域15A11設(shè)置于第1電極15A的中央，與第1導(dǎo)電區(qū)域15A11的正方形的邊相接，設(shè)置導(dǎo)電體的面積比其次大的第2導(dǎo)電區(qū)域15A12，與第1導(dǎo)電區(qū)域15A11的正方形的頂點(diǎn)相接，設(shè)置導(dǎo)電體的面積比小于這2個(gè)導(dǎo)電區(qū)域的第3導(dǎo)電區(qū)域15A13(圖10(c))。

如圖11所示，也可以從第1電極15A的面內(nèi)位置的中心朝向外側(cè)，使各線間區(qū)域15A3的面積逐漸增大。在該例中，網(wǎng)格的線15A2的間隔L₂無論面內(nèi)位置如何都設(shè)為相同值，寬度L₁按照隨著從面內(nèi)位置的中心遠(yuǎn)離而逐漸減小的方式連續(xù)變化。在面內(nèi)位置的中心，寬度L₁與間隔L₂相同，并未設(shè)置線間區(qū)域15A3。通過這些構(gòu)成，從而第1電極15A內(nèi)的導(dǎo)電體的面積比按照隨著從面內(nèi)位置的中心遠(yuǎn)離而逐漸減小的方式大致連續(xù)地變化。對于從這樣的第1電極15A注入電流的活性層11的電荷注入?yún)^(qū)域111而言，形成從面內(nèi)位置的中心朝向外側(cè)逐漸減小的電荷密度，由此，發(fā)光的強(qiáng)度也同樣地從面內(nèi)位置的中心朝向外側(cè)逐漸減小。這種基于發(fā)光的位置的強(qiáng)度分布與之前列舉的其他例子的情況相比更接近于高斯分布，因此變得更容易產(chǎn)生基本模式的激光振蕩。

圖12中，用曲線圖示出在圖11的示例中計(jì)算了閾值增益差Δα的結(jié)果。在此，假定在電荷注入?yún)^(qū)域111內(nèi)形成具有寬度w_p的電荷密度的高斯分布。在圖12(a)中將L固定為200μm并將曲線圖的橫軸設(shè)為w_p/L，在(b)中將w_p/L固定為0.25并將曲線圖的橫軸設(shè)為了L。此外，在(a)中，w_p/L＝0的數(shù)據(jù)并非本實(shí)施例的數(shù)據(jù)，而是通過板狀的第1電極而在活性層形成一樣的電荷分布的現(xiàn)有的二維光子晶體激光器的數(shù)據(jù)。(a)所示的本實(shí)施例的數(shù)據(jù)可以說閾值增益差Δα全都比現(xiàn)有的w_p/L＝0的情況大，容易產(chǎn)生基本模式的激光振蕩。此外，根據(jù)(b)的曲線圖，在L的值大于400μm的范圍中，L越大則閾值增益差Δα變得越小，但如前所述，L越大，第1電極整體的面積就越大，因此在提高激光輸出這一點(diǎn)上有利。在(b)所得到的Δα的計(jì)算值中，針對(a)中的現(xiàn)有例的Δα的值以上的計(jì)算值當(dāng)中的L最大的L＝2200μm的情況計(jì)算了激光的光輸出，結(jié)果得到了8W這樣的值。該光輸出的計(jì)算值比使用前述的第1導(dǎo)電區(qū)域15A11以及第2導(dǎo)電區(qū)域15A12僅由2個(gè)值對電荷密度進(jìn)行調(diào)整的情況下的計(jì)算值高。

圖13中示出用于選擇性地使高次模式的激光器振蕩的第1電極15A的例子。在該例中，在正方形的第1電極15A中，在該正方形的4個(gè)頂點(diǎn)當(dāng)中的位于1條對角線上的2個(gè)頂點(diǎn)附近分別具有第1導(dǎo)電區(qū)域15A11，除此以外的區(qū)域設(shè)為了導(dǎo)電體的面積比小于第1導(dǎo)電區(qū)域15A11的第2導(dǎo)電區(qū)域15A12。由此，形成如下這樣的分布，即，在第1電極15A的平面形狀的中心附近電流密度較低，在上述2個(gè)頂點(diǎn)附近電流密度較高。若這樣的分布的電流被注入到活性層11，則由此由活性層11產(chǎn)生的光在二維光子晶體123中成為如下的高次模式的駐波，即，使中心附近成為波節(jié)，使與上述對角線上的2個(gè)頂點(diǎn)對應(yīng)的位置的附近成為波腹。

[第2實(shí)施例-同心圓狀電極]

在第2實(shí)施例的二維光子晶體面發(fā)射激光器中，如圖14所示，使用具有如下構(gòu)成的第1電極15B：呈同心圓狀地具有多個(gè)環(huán)狀的導(dǎo)電體15B1，由環(huán)狀絕緣體15B2對環(huán)狀導(dǎo)電體15B1彼此的邊界進(jìn)行絕緣。在同心圓的中心，設(shè)置了圓形導(dǎo)電體15B0。圓形導(dǎo)電體15B0以及多個(gè)環(huán)狀導(dǎo)電體15B1彼此通過線狀導(dǎo)電體15B3電連接。環(huán)狀導(dǎo)電體的寬度15B1設(shè)為與環(huán)狀絕緣體15B2的寬度之比隨著從中心遠(yuǎn)離而減小。由此，形成隨著從第1電極15B的中心遠(yuǎn)離而減小這樣的電流密度分布。

[第3實(shí)施例-分割電極]

在第3實(shí)施例的二維光子晶體面發(fā)射激光器中，使用具有圖15所示的構(gòu)成的第1電極15C。第1電極15C整體為正方形狀，具有形成于中心附近的正方形狀的第1導(dǎo)電區(qū)域15C11、和形成于第1導(dǎo)電區(qū)域15C11的周圍的第2導(dǎo)電區(qū)域15C12這2個(gè)區(qū)域。在第1導(dǎo)電區(qū)域15C11與第2導(dǎo)電區(qū)域15C12的邊界處，具有如正方形的4邊那樣呈線狀形成的由絕緣體構(gòu)成的絕緣區(qū)域15C21。由此，第1導(dǎo)電區(qū)域15C11和第2導(dǎo)電區(qū)域15C12分別作為前述的子電極而發(fā)揮作用。此外，第1電極15C具有由導(dǎo)電體構(gòu)成的線狀的連接區(qū)域15C31，該連接區(qū)域15C31從第1導(dǎo)電區(qū)域15C11的正方形的1個(gè)頂點(diǎn)在第2導(dǎo)電區(qū)域15C12的正方形的對角線上延伸，到達(dá)第2導(dǎo)電區(qū)域15C12的1個(gè)頂點(diǎn)。在連接區(qū)域15C31的線的兩側(cè)也設(shè)置了絕緣區(qū)域15C21。該第1電極15C能夠使用通常的光刻法來制作。

在第3實(shí)施例的二維光子晶體面發(fā)射激光器中，對第1導(dǎo)電區(qū)域15C11-第2電極16間施加第1電壓V₁，并且對第2導(dǎo)電區(qū)域15C12-第2電極16間施加比第1電壓V₁小的第2電壓V₂。此時(shí)，第1導(dǎo)電區(qū)域15C11經(jīng)由連接區(qū)域15C31而連接第1電源(未圖示)，第2導(dǎo)電區(qū)域15C12直接連接與第11電源不同的第2電源(未圖示)。第1導(dǎo)電區(qū)域15C11和第2導(dǎo)電區(qū)域15C12由于如上所述由絕緣區(qū)域15C21電隔離，因此能夠施加彼此不同的電壓。通過這樣施加電壓，從而在活性層11的電荷注入?yún)^(qū)域111，形成中央部1111高于周圍部1112這樣的電荷密度的分布。由此，從電荷注入?yún)^(qū)域111，產(chǎn)生具有中央部1111最大的強(qiáng)度分布的發(fā)光，該發(fā)光在二維光子晶體123中被放大，由此容易產(chǎn)生基本模式的激光振蕩。因此，能夠抑制高次模式的不必要的激光振蕩，能夠提高作為整體的光輸出。

第3實(shí)施例的第1電極15C也可以從中心朝向周圍具有3個(gè)以上的導(dǎo)電區(qū)域(第1導(dǎo)電區(qū)域15C11、第2導(dǎo)電區(qū)域15C12、第3導(dǎo)電區(qū)域15C13…)(圖16)。在設(shè)置3個(gè)以上的導(dǎo)電區(qū)域的情況下，在導(dǎo)電區(qū)域彼此的所有邊界設(shè)置絕緣區(qū)域15C21、15C22…。此外，在位于最外側(cè)的導(dǎo)電區(qū)域以外的導(dǎo)電區(qū)域，設(shè)置連接區(qū)域15C31、15C32…。各導(dǎo)電區(qū)域(子電極)分別連接不同的電源。

符號說明

10X…二維光子晶體面發(fā)射激光器

11…活性層

111…電荷注入?yún)^(qū)域

1111…中央部

1112…周圍部

12…二維光子晶體層

121…母材

122…異折射率區(qū)域

123…二維光子晶體

13…間隔層

141…第1包覆層

142…第2包覆層

15A、15B、15C、15X…第1電極

15A11、15C11…第1導(dǎo)電區(qū)域

15A12、15C12…第2導(dǎo)電區(qū)域

15A13、15C13…第3導(dǎo)電區(qū)域

15A2…網(wǎng)格的線

15A3…線間區(qū)域

15B0…圓形導(dǎo)電體

15B1…環(huán)狀導(dǎo)電體

15B2…環(huán)狀絕緣體

15B3…線狀導(dǎo)電體

15C21、15C22…絕緣區(qū)域

15C31、15C32…連接區(qū)域

16、16A…第2電極

161A…窗部

162A…框部