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表面发射激光器

阅读：685发布：2021-02-27

IPRDB可以提供表面发射激光器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且当由不能大量提取折射率差的半导体材料配置表面发射激光器(100)时，提供使用能够形成波导的光子晶体(160)的表面发射激光器。，下面是表面发射激光器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种通过在基板上层叠包含第一半导体多层反射镜、活性层和具有在基板的面内方向上的折射率分布的光子晶体的多个半导体层而形成的振荡波长λ的表面发射激光器，其中，所述光子晶体被配置为当振荡波长λ的入射光从垂直方向到面内进行入射时衍射成第一衍射光以及衍射角不同于所述第一衍射光的第二衍射光，以及其中，所述第一半导体多层反射镜具有用于由所述光子晶体衍射的第一衍射光和第二衍射光中的每一个的阻带。

2.根据权利要求1所述的表面发射激光器，其中，所述第一半导体多层反射镜具有与所述第一衍射光对应的折射率分布的周期以及与所述第二衍射光对应的折射率分布的周期。

3.根据权利要求1所述的表面发射激光器，其中，所述第一衍射光具有相对于所述入射光的入射方向为零度的角度，所述第二衍射光具有大于零度并且小于90度的、相对于所述入射光的入射方向的角度。

4.根据权利要求3所述的表面发射激光器，其中，当所述第二衍射光相对于所述第一半导体多层反射镜的法线的入射角取作θ时，配置所述第一半导体多层反射镜的层具有不是λ/4的光学厚度而且不是λ/(4·cosθ)的光学厚度的厚度。

5.根据权利要求1所述的表面发射激光器，其中，通过交替层叠具有第一折射率的层以及具有与所述第一折射率不同的第二折射率的层来形成所述第一半导体多层反射镜。

6.根据权利要求1所述的表面发射激光器，其中，通过层叠具有三种或更多种折射率的层来形成所述第一半导体多层反射镜。

7.根据权利要求1所述的表面发射激光器，其中，对于所述第一半导体多层反射镜中的第一衍射光和第二衍射光的反射率是90％或更大。

8.根据权利要求7所述的表面发射激光器，其中，对于所述第一半导体多层反射镜中的第一衍射光和第二衍射光的反射率是99％或更大。

9.根据权利要求1所述的表面发射激光器，其中，第二半导体多层反射镜被设置在所述活性层与所述光子晶体之间。

10.根据权利要求9所述的表面发射激光器，其中，所述第二半导体多层反射镜具有这样的结构，以使得当振荡波长λ的光在所述第二半导体多层反射镜上垂直入射时的反射率高于当以其它入射角入射时的反射率。

11.一种通过在基板上层叠包含第一半导体多层反射镜、活性层和具有基板的面内方向上的折射率分布的光子晶体的多个半导体层而形成的振荡波长λ的表面发射激光器，其中，所述光子晶体被配置为当振荡波长λ的入射光从垂直方向到面内进行入射时衍射成第一衍射光以及衍射角不同于所述第一衍射光的第二衍射光，以及其中，所述第一半导体多层反射镜被配置为能够对由所述光子晶体衍射的所述第一衍射光和所述第二衍射光中的每一个进行反射，并且当所述活性层的折射率取作n1并且所述光子晶体在与基板侧相对的边界面处接触的电介质的折射率取作n2时，具有第一反射率峰值和第二反射率峰值的入射角的差被配置为超过arcsin(n2/n1)，其中所述第一反射率峰值显示出最高反射率，所述第二反射率峰值显示出与第一反射率峰值相同的反射率或次于所述第一反射率峰值的最高反射率，其中，第一反射率峰值与第一衍射光对应，第二反射率峰值与第二衍射光对应。

12.根据权利要求11所述的表面发射激光器，其中，所述电介质是空气。

13.根据权利要求11所述的表面发射激光器，其中，所述第一半导体多层反射镜具有与所述第一衍射光对应的折射率分布的周期以及与所述第二衍射光对应的折射率分布的周期。

说明书全文

表面发射激光器

技术领域

[0001] 本发明例如涉及一种表面发射激光器以及一种也可以用作用于在图像形成装置(例如复印机和激光打印机)的感光鼓上执行绘图的光源的表面发射激光器。背景技术

[0002] 近年来，关于使用光子晶体的光学器件的研究工作已经活跃，并且非专利文献1公开了一种关于由二维光子晶体和多层反射镜形成的表面发射激光器的技术。 [0003] 具体地说，如图17所示，由Si和SiO2的层叠体制成的多层反射镜3100以及二维光子晶体板3300经由由SiO2制成的包覆层3200而被设置在Si基板3000上。 [0004] 这种二维光子晶体板是由In0.53Ga0.47As、InP的阻挡层以及InAs0.65P0.35的量子阱层制成的。在这种配置中，假设板的平均折射率是近似3.2。

[0005] 二维光子晶体板3300在与基板3000相对的一侧接触空气(折射率1.0)。 [0006] 此外，在基板侧邻近于二维光子晶体板3300的由SiO2制成的包覆层(下包覆层)3200的折射率是近似1.4。

[0007] 以此方式，由于空气(其为折射率低于所述板的介质)以及包覆层3200被设置在所述板两侧，因此所述板形成板波导。

[0008] 在这种板波导中，光发射活性层被掩埋，并且通过二维光子晶体的DFB动作，由活性层生成的光在板的面内方向上谐振，并且执行激光振荡。

[0009] 由于在对于基板的垂直方向上提取由二维光子晶体所激光振荡的光的二次衍射光，因此可以实现表面发射激光器。

[0010] 此外，在板与基板之间，安装多层反射镜，在多层反射镜中，以λ/4(λ指示谐振波长)形成每一层的光学厚度。在此，光学厚度表示特定层的厚度乘以配置该层的材料的折射率。

[0011] 该多层反射镜3100不仅通过使得从板向基板侧所辐射的光返回来改进光提取效率，而且还控制板谐振器中的振荡模式。

[0012] 通过适当地取板3300与多层反射镜3100之间的距离，可以控制谐振器的Q值。例如，所公开的是，通过增加Q值，可以减少激光器的阈值。

[0013] [非专利文献1]APPLIED PHYSICS LETTERS 88，081113(2006)。发明内容

[0014] 现有技术通过由折射率低的包覆层3200和空气夹着包含光子晶体和活性层的板3300来实现板波导。也就是说，上侧包覆层是折射率近似1的空气，而下包覆层是折射率
1.4的SiO2。

[0015] 在此，期望地，由可以从基板3000向活性层外延生长的半导体层来形成下包覆层3200。然而，晶格匹配的半导体的组合受到限制，通常，这些半导体之间的折射率具有彼此接近的值。因此，难以确保板与包覆层之间的折射率的差。

[0016] 另一方面，在光子晶体形成之前通过周期性孔的形成等而形成有光子晶体的半导体板层在有效折射率方面下降。因此，变得难以确保板层与包覆层之间的折射率差。 [0017] 具体地说，为了在光子晶体处增加衍射效率，期望地，扩大孔，但如果使得孔较大，则包含孔的光子晶体区域的有效折射率进一步减少。

[0018] 以此方式，当使用半导体材料时，光子晶体层与包覆层之间的折射率差的增加伴随有很大难度。

[0019] 因此，就包含光子晶体的板层与半导体下包覆层之间的折射率差来说，非常难以使用与现有技术相似的光约束(light containment)形成板波导。

[0020] 具体地说，在被认为有助于实现蓝色半导体激光器的GaN-AlGaInN系统中，没有满足晶格对准与折射率差之间的关系的可用材料，并且该问题显著地发生。 [0021] 鉴于上述问题，本发明目的在于提供一种甚至当使用不能大量提取折射率差的半导体材料时也使用能够形成波导的光子晶体的表面发射激光器。

[0022] 本发明针对一种通过在基板上层叠包含第一半导体多层反射镜、活性层和具有在基板的面内方向上的折射率分布的光子晶体的多个半导体层而形成的振荡波长λ的表面发射激光器，

[0023] 其中，所述光子晶体被配置为当振荡波长λ的入射光从垂直方向到面内进行入射时衍射成第一衍射光以及衍射角不同于所述第一衍射光的第二衍射光，以及 [0024] 其中，所述第一半导体多层反射镜具有用于由所述光子晶体衍射的第一衍射光和第二衍射光中的每一个的阻带。

[0025] 第一半导体多层反射镜可以具有与所述第一衍射光对应的折射率分布的周期以及与所述第二衍射光对应的折射率分布的周期。

[0026] 所述第一衍射光可以具有相对于入射光的入射方向为零度的角度，所述第二衍射光可以具有大于零度并且小于90度的、相对于入射光的入射方向的角度。在所述表面发射激光器中，当所述第二衍射光相对于所述第一半导体多层反射镜的法线的入射角取作θ时，配置所述第一半导体多层反射镜的层可以具有不是λ/4的光学厚度而且也不是λ/(4·cosθ)的光学厚度的厚度。

[0027] 可以通过交替层叠具有第一折射率的层以及具有与第一折射率不同的第二折射率的层来形成第一半导体多层反射镜。

[0028] 可以通过层叠具有三种或更多种折射率的各层来形成所述第一半导体多层反射镜。

[0029] 用于所述第一半导体多层反射镜中的第一衍射光和第二衍射光的反射率可以是90％或更大，具体地是99％或更大。

[0030] 在所述表面发射激光器中，可以将第二半导体多层反射镜设置在所述活性层与所述光子晶体之间。

[0031] 所述第二半导体多层反射镜可以具有这样的结构，以使得当振荡波长λ的光垂直入射在所述第二半导体多层反射镜上时的反射率高于当以其它入射角入射时的反射率。 [0032] 本发明针对一种通过在基板上层叠包含第一半导体多层反射镜、活性层和具有在基板的面内方向上的折射率分布的光子晶体的多个半导体层而形成的振荡波长λ的表面发射激光器，其中，所述光子晶体被配置为当振荡波长λ的入射光从垂直方向到面内进行入射时衍射成第一衍射光以及衍射角不同于所述第一衍射光的第二衍射光，以及其中，所述第一半导体多层反射镜被配置为能够对由所述光子晶体衍射的所述第一衍射光和所述第二衍射光中的每一个进行反射，并且当所述活性层的折射率取作n1并且所述光子晶体在与基板侧相对的边界面处接触的电介质的折射率取作n2时，具有第一反射率峰值以及第二反射率峰值的入射角的差被配置为超过arcsin(n2/n1)，所述第一反射率显示出最高反射率，所述第二反射率显示出与第一反射率峰值相同的反射率或次于所述第一反射率峰值的最高反射率。

[0033] 所述电介质可以是空气。

[0034] 第一半导体多层反射镜可以具有与所述第一衍射光对应的折射率分布的周期以及与所述第二衍射光对应的折射率分布的周期。

[0035] 根据本发明，甚至当使用不能大量提取折射率差的半导体材料时，也可以提供使用能够形成波导的光子晶体的表面发射激光器。

[0036] 结合附图从以下示例性实施例的描述，本发明的另外特征将变得清楚。附图说明

[0037] 图1是用于描述本发明实施例中的表面发射激光器的截面示意图。 [0038] 图2是配备有光子晶体结构的板层和上间隔物层的截面示意图，用于描述本发明实施例中下半导体多层反射镜的功能。

[0039] 图3是下间隔物层和下半导体多层反射镜的截面示意图，用于描述本发明实施例中下半导体多层反射镜的功能。

[0040] 图4是用于描述本发明实施例中的包含光子晶体的板层的上表面以及下半导体多层反射镜的上表面中的距离的设计方法的截面示意图。

[0041] 图5是用于描述本发明实施例中的表面发射激光器的衍射的截面示意图。 [0042] 图6是用于描述本发明实施例中的其低折射率层和高折射率层皆以λ/4(167.5nm)的光学厚度交替层叠的半导体多层反射镜的折射率分布的视图。 [0043] 图7是用于描述本发明实施例中当波长λ的光以入射角θ入射在半导体多层反射镜上时的反射率的示图。

[0044] 图8是用于描述本发明实施例中的半导体多层反射镜的折射率分布的示图。 [0045] 图9是用于描述本发明实施例中的半导体多层反射镜的反射率的示图。 [0046] 图10是用于描述本发明实施例中的半导体多层反射镜的折射率分布的示图。 [0047] 图11是用于描述本发明实施例中的半导体多层反射镜的反射率的示图。 [0048] 图12是用于描述本发明实施例中的半导体多层反射镜的折射率分布的示图。 [0049] 图13是用于描述本发明实施例中的半导体多层反射镜的反射率的示图。 [0050] 图14是用于描述本发明第一实施例中的表面发射激光器的截面示意图。 [0051] 图15是用于描述本发明第二实施例中的表面发射激光器的截面示意图。 [0052] 图16是用于描述本发明实施例中的半导体多层反射镜的折射率分布的示图。 [0053] 图17是用于描述作为公知技术的非专利文献1中的表面发射激光器的截面示意图。

具体实施方式

[0054] 根据本发明的配置，甚至当板层与包覆层之间的折射率差不能大量提取时，也可以形成波导。这是通过提供以高反射率反射从具有光子晶体的板层倾斜发射的倾斜入射光的下半导体多层反射镜来实现的。也就是说，如果以此方式而被配置，则通过空气和半导体的边界面的反射，并且通过半导体多层反射镜的反射，可以允许存在以光子晶体层、上间隔物层和下间隔物层作为波导的波导模式。

[0055] 此外，根据本发明的配置，可以在抑制谐振器体积的同时，实现低阈值。这是通过配置相对于从图2所示的垂直方向入射的衍射光260(第一衍射光)以及衍射角与衍射光260不同的衍射光270(第二衍射光)具有高反射率的一个下半导体多层反射镜(第一半导体多层反射镜)来实现的。

[0056] 也就是说，如果以此方式被配置，则通过一个下半导体多层反射镜，可以用高反射率来反射例如来自垂直方向的入射光和来自θ角的方向的入射光二者。因此，不需要与各入射角的入射光对应的多个半导体多层反射镜，并且可以抑制谐振器体积。 [0057] (基本结构)

[0058] 以下将基于本发明实施例详细描述基本结构。

[0059] 在图1中示出用于描述本实施例的表面发射激光器的截面示意图。 [0060] 在图1中，标号100表示表面发射激光器，标号110表示基板，标号120表示下半导体多层反射镜(第一半导体多层反射镜)，标号130表示下间隔物层，标号140表示活性层，标号150表示上间隔物层，标号160表示配备有光子晶体结构的板层。 [0061] 在本实施例的表面发射激光器中，包括下半导体多层反射镜120的每一层垂直于基板110的面内方向而被层叠。

[0062] 活性层140例如具有多量子阱结构，并且通过注入载流子而发射光。 [0063] 此外，在此，配备有光子晶体结构的板层表示在基板的平行方向上具有周期性折射率变化的一维或二维层。

[0064] 此外，标号170和175表示电极，并且通过在这些电极之间施加电压，活性层140被注入有载流子，从而发射光。

[0065] (光子晶体结构和下半导体多层反射镜)

[0066] 接下来，通过使用图2，将描述本实施例中下半导体多层反射镜120的功能。图2是配备有光子晶体结构的板层160和上间隔物层150的截面示意图。

[0067] 在图2中，在板层160的面内方向上，设置小孔210和分离小孔210的区域220，并且形成光子晶体结构。标号250表示在垂直方向上入射到具有光子晶体结构的板层160的入射光。入射光250由板层160划分为在垂直方向上入射到下半导体多层反射镜120的衍射光260(第一衍射光)以及从角度θ的方向入射到下半导体多层反射镜120的衍射光270(第二衍射光)。

[0068] 在本实施例中，当振荡波长λ的、在包含光子晶体结构的板层上入射的光通过衍射而分离为第一衍射光260和第二衍射光270从而进入下半导体多层反射镜120时，形成能够以高反射率反射所述第一衍射光和第二衍射光二者的下半导体多层反射镜。由此，无需与各个入射角的入射光对应的多个半导体多层反射镜，从而可以抑制谐振器体积。稍后将描述其细节。

[0069] 在此，作为第二衍射光270进入下多层反射镜120的角度的角度θ(由入射光250的入射方向和第二衍射光270构成的角度)大于0°并且不大于90°。

[0070] 图3是本实施例中下间隔物层130和下半导体多层反射镜120的截面示意图。 [0071] 标号360表示等同于第一衍射光260的垂直入射光，标号370表示等同于第二衍射光270的倾斜入射光。

[0072] 标号362和372是其入射光360和370被半导体多层反射镜120所反射的反射光。

[0073] 通常，半导体多层反射镜被设计为：使得反射率对于垂直入射的谐振波长的光变得是最高的。

[0074] 具体地说，高折射率层和低折射率层被交替层叠，由此形成半导体多层反射镜，从而对于激光振荡波长λ，各层的光学厚度分别变为λ/4。例如，如图7所示，当λ的波长的光以入射角θ在这种半导体多层反射镜上入射时的反射率在θ＝0°的附近反射率高，并且在其它入射角处反射率低。

[0075] 与此对照，本实施例中的下半导体多层反射镜120被配置为：使得对于波长λ的入射光来说，不仅对于垂直入射光360的反射率而且对于倾斜入射光370的反射率都是高的。

[0076] 此时，这些反射率优选地是高的，以到达激光振荡的点，并且期望地，这两个反射率不小于90％。此外，从该观点来看，期望地，将其设置为不小于99％，并且最期望的是，更接近于100％的反射率。

[0077] (波导模式)

[0078] 将通过使用光线近似，利用图4来描述表面发射激光器的谐振模式。该表面发射激光器被配置为：使得倾斜谐振的谐振模式出现在由光子晶体结构和下半导体多层反射镜形成的波导内部。

[0079] 光子晶体160和半导体多层反射镜120将面内谐振操作加到其波导区域包含活性层140的波导模式。

[0080] 在此，与图4相似，考虑通过表面xz引导的并且处于谐振状态的光750。在此，谐振状态下的光750包含图2的光270、以及图3的光370和光372。此外，符号x指示基板面内方向，符号z指示基板垂直方向。在谐振状态下的波长λ的光的波数矢量k的z分量取作kz，并且x分量取作kx。

[0081] 关于谐振状态下的光750，从波导条件(驻波在z方向上出现的条件)，建立以下公式。

[0082] n·d·kz+φ＝lπ(l是整数)...(1)

[0083] 此外，从谐振条件(垂直入射光250和750的衍射条件)，建立以下公式。 [0084] n·a·kx＝2mπ(m是整数)...(2)

[0085] 在此，n表示波导层的有效折射率，d表示有效波导层厚度，a表示光子晶体的晶格常数，φ表示在反射时的相位偏移(Goos-Hanchen偏移)。

[0086] 在此，为了便于描述，我们假设m＝1，并且φ＝0。

[0087] 现在，如果λ取作激光谐振波长，并且θ取作对于半导体多层反射镜的入射角，则kz＝2πcosθ/λ，并且kx＝2πsinθ/λ。在此，当对于λ和θ求解公式(1)和公式(2)时，则并且θ＝arctan(kx/kz)＝arctan(2d/la)。

[0088] 也就是说，半导体多层反射镜120被设计为：使得对于在半导体多层反射镜120上入射的入射角θ的衍射光，反射率在谐振波长λ变为高。

[0089] 通过包含配备有这种结构的下半导体多层反射镜120和光子晶体结构的板层160，图1的表面发射激光器100如下运作。由从活性层140辐射的光在图3中的入射光
370的光路上倾斜入射在半导体多层反射镜120上的多数光被下半导体多层反射镜120反射，并且在反射光372的方向上在包含光子晶体结构的板层160上入射。 [0090] 该光的一部分由于开始于包含光子晶体结构的板层160的半导体层与空气之间的高折射率差而被反射。

[0091] 此外，在板层上入射的光的一部分具有与基板的面内方向垂直的轴和光子晶体所保持的入射光路构成的角，并且例如，在正方晶格结构的情况下，这部分光对于入射光路在转动的0°，±90°以及180°方向上衍射到基板侧。

[0092] 该部分光再次作为倾斜入射光370在下半导体多层反射镜120上入射，并且再次被反射。

[0093] 也就是说，通过空气和半导体的边界面的反射，并且通过半导体多层反射镜的反射，存在以包含光子晶体结构的板层160、上间隔物层150以及下间隔物层130作为波导的波导模式。也就是说，通过对于倾斜入射光具有高反射率的下半导体多层反射镜120，甚至当在活性层的下侧处不设置具有低折射率的包覆层时，也允许波导模式存在。 [0094] 此外，由于波导模式的光可以通过重复若干次在光子晶体处的反射和衍射以及在下半导体多层反射镜120的反射而返回到原始光路，因此谐振操作被生成。 [0095] 在谐振模式下的光由谐振器中的活性层放大，并且可以到达激光振荡的点。此外，由于谐振在整个光子晶体区域上出现，因此可以有宽范围的相干振荡。 [0096] 此外，通过将活性层放置在谐振器中驻波的电磁场强度很大的位置处，可以对激光器给出大量增益。

[0097] 此外，通过包含光子晶体结构的板层160，波导模式的光的一部分在垂直于基板的方向上被衍射。

[0098] 图5是用于描述本发明实施例的表面发射激光器的衍射的截面示意图。 [0099] 如图5所示，受包含光子晶体的板层160衍射的光包括基板侧的光520和基板的相对侧的光510。

[0100] 从这些光中，通过提取向上辐射(图2中入射光250的相对方向)的光510，该激光器充当表面发射激光器。

[0101] 此外，向下辐射(在图2的第一衍射光260的方向上)的光520在下半导体多层反射镜120中作为垂直入射光入射，并且被反射，并且被返回到谐振波导侧和光子晶体层侧。 [0102] 通过该操作，由包含光子晶体结构的板层160和下半导体多层反射镜120形成的谐振器的谐振模式的值Q改变。

[0103] 在下半导体多层反射镜120上垂直入射的反射光的相位被大量提取，从而通过调整下间隔物层的厚度和下半导体多层反射镜120的层结构来增加谐振器的Q值，从而表面发射激光器的振荡阈值可以减少。

[0104] 期望地，角度θ的范围超过在波导层(包含下间隔物层、活性层、上间隔物层以及光子晶体结构的板层)和空气的边界面的全反射的临界角。这是因为，当θ满足该条件时，在光在衍射光270的方向(与图2的箭头标记相对的方向)上入射在光子晶体结构上的情况下，发射到基板的相对侧的光仅在入射光250的方向(与图2的箭头标记相对的方向)上，并且这对于表面发射激光器的实际使用是优选的。

[0105] 此外，虽然已经关于正方晶格结构进行了描述，但光子晶体的晶格结构可以是三角晶格结构等。

[0106] 此外，小孔直径(表示当在基板的面内方向上的小孔的截面是圆形时的直径)例如优选地是光子晶体结构的晶格间隔的近似40％。由于衍射效率随小孔直径而改变并且影响到光发射效率，因此可以适当地设置小孔直径，以增加光发射效率。 [0107] (谐振器体积)

[0108] 现在，在下半导体多层反射镜中，谐振模式的倾斜入射光370和垂直入射光360的强度分布变为对于两束光在多层厚度的方向上衰减的分布。

[0109] 因此，当用于倾斜入射光和垂直入射光的半导体多层反射镜被分离地制备，由此与层叠多个层的情况相比形成了对于倾斜入射光和垂直入射光集成的半导体多层反射镜时，可以抑制驻波所分布的有效谐振器体积(基板的垂直方向)。

[0110] 结果，可以减少因谐振器的尺寸大而导致的不必要的损耗。

[0111] 通过上述这样的配置，甚至当不太多提取波导与包覆层之间的折射率差时，也可以使用能够注入电流的配置的光子晶体来实现表面发射激光器。此外，可以实现通过抑制谐振器体积来抑制损耗的使用光子晶体的表面发射激光器。

[0112] (下半导体多层反射镜的设计指南)

[0113] 接下来，将描述下半导体多层反射镜120的设计构思。

[0114] 半导体多层反射镜120具有对于由其折射率分布的周期所决定的入射角和入射光的波长的高反射区域(也称为阻带或光子带隙)。

[0115] 这将通过使用具体数值来描述。

[0116] (具有一种折射率分布周期的多层反射镜)

[0117] 考虑以对于波长λ＝670nm的光具有折射率nL＝3.1的层(低折射率层)以及具有折射率nH＝3.4的层(高折射率层)制成的半导体多层反射镜的反射率。例如，如图6所示，当低折射率层和高折射率层二者以λ/4(167.5nm)的光学厚度被交替层叠时，当从折射率3.4的物质在该多层膜上入射时的反射率如图7的曲线图所示。

[0118] 在此，图6的横坐标轴表示光路长度(将实际距离乘以折射率的长度)，并且表示距半导体多层反射镜的表面的光路长度。光从横坐标轴所示的值为负数的区域入射(同样应用于图8、图10和图12)。

[0119] 在此，图7的曲线图的横坐标轴表示相对于多层膜表面的法线的入射角θ，而纵坐标轴表示反射率(同样应用于图9、图11和图13)。

[0120] 此外，多层膜的低折射率层和高折射率层的对的数量被设置为40。当波长λ的光垂直入射时，所述多层膜的折射率变为高。

[0121] 以此方式，在所谓的λ/4对的半导体多层反射镜中，通常，当波长λ倾斜入射时的反射率不变为高。

[0122] 此外，例如，如图8所示，考虑当低折射率层和高折射率层的光学厚度分别为λ/(4·cosθL)和λ/(4·cosθH)(在此nL·sinθL＝nH·sinθH)时的半导体多层反射镜。 [0123] 在此，例如，当θH＝24°时，在这个半导体多层反射镜中，低折射率层和高折射率层的厚度的光路长度分别变为265.3nm和236.9nm。

[0124] 当光在其中高折射率层和低折射率层的对的数量为40的多层膜上从折射率3.4的物质以入射角θ入射时的反射率与图9的曲线图相似，并且发现，反射率在24°的附近的入射角的情况下变为高。然而，对于垂直入射光的反射率并不变为高。 [0125] 以此方式，半导体多层反射镜取决于在层叠层的方向上的折射率分布的周期，从而入射光的波长和对于入射角的多层膜的反射区域(光子带隙)被决定。 [0126] (具有两中或更多种折射率分布周期的多层反射镜)

[0127] 现在，如上所述，本实施例中的下半导体多层反射镜120被配置为：使得对于垂直入射光的反射率和对于倾斜入射光的反射率二者都是高。为此，需要根据激光谐振波长对半导体多层反射镜的层叠层的方向上的折射率分布给出与垂直入射和倾斜入射对应的两种周期。

[0128] 为了更具体地进行描述，例如，考虑具有比如图10所示的实线的折射率分布的多层膜。在该图中，横坐标轴表示光路长度，纵坐标轴表示折射率，对实线所示的折射率分布给出光路长度为335nm和372.2nm的周期。首先，关于将周期335nm的正弦函数与周期372.2nm的正弦函数相加在一起的函数，执行线性变换，从而函数值的最小值变为3.1，而最大值变为3.4(等同于图10中的虚线)。接下来，通过若干阶跃函数来近似这个线性变换后的函数。通过这样做，获得实线所示的折射率分布。

[0129] 在该方法中，由于这种折射率分布具有与周期335nm和周期372.2nm对应的空间频率分量，因此与每一周期对应的入射光的角度和波长的反射率变为高。此外，由于折射率的值设立在3.1至3.4之间，因此通过与所述折射率对应的半导体材料，可以配置这种折射率分布。当波长λ＝670nm的光在具有这种折射率分布的多层反射镜(就光学距离而言在厚度上有层叠的26μm)上以入射角θ入射时的反射率变为如图11所示。 [0130] 图11的反射率峰值近似在与图7的峰值以及图9的峰值相同的地方(0°和近似24°)。这是由于允许图10的多层反射镜具有图6和8的多层反射镜的折射率分布的周期。

[0131] 如果使用这种技术，则通过调整折射率分布的两种周期，可以允许多层反射镜在两个合适的入射角处具有反射率峰值。

[0132] 在此，虽然使得多层反射镜的折射率分布的周期是两种，由此获得两个反射率峰值，但周期可以增加到三种或更多种，并且在此情况下，可以给出与该数量对应的反射率峰值。

[0133] 现在，当与其中折射率分布仅具有一种周期的多层反射镜相比时，如果以相同厚度来比较反射率，则因此具有对于折射率分布的多种周期的多层反射镜有时在对应入射角劣化。在此情况下，通过将多层反射镜堆叠得很厚，可以增加反射率。 [0134] 此外，可以通过改变折射率分布的周期的相加方法来调整以与该多层反射镜的两个反射率峰值对应的入射角的反射光的相位以及这些反射光之间的关系。 [0135] 也就是说，当在上述示例中对各正弦波进行相加时，可以适当地移动和相加这些正弦波的相位。

[0136] 例如，可以将多层反射镜相似地配置成图16中实线所示的折射率分布。首先，关于将周期335nm的正弦函数以及周期372.2nm的正弦函数移动90°并且将它们相加在一起的函数，执行线性变换，从而函数值的最小值变为3.1，而最大值变为3.4(等同于图16中的虚线)。接下来，通过若干阶跃函数来近似这个线性变换后的函数。通过这样做，可以获得实线所示的折射率分布，并且图16所示的折射率分布变为与图10所示的折射率分布不同的折射率分布。

[0137] 与由图10的折射率分布形成的多层反射镜的反射光相比，在由图16的折射率分布形成的多层反射镜上以近似24°倾斜入射的具有670nm波长的光的反射光的相位被移动。

[0138] 也就是说，在用于形成波导的倾斜入射光的反射以及用于控制谐振器的Q值的垂直入射光的反射中，多层反射镜可以独立地控制各个反射光的相位。期望对用于期望的表面发射激光器的优化相位分别进行这些操作。

[0139] 此外，可以使得两个反射率峰值的反射率不同。也就是说，通过使用上述技术，可以调整在相加正弦波时正弦波的幅度比率，并且可以增加与期望更强地被反射的峰值对应的正弦波的幅度强度。

[0140] 以此方式，通过优化两个反射光的相位关系和强度比率，可以使得多层反射镜120更适合于表面发射激光器。

[0141] 此外，在上述配置示例中，虽然已经关于三种类型或更多类型描述了配置多层反射镜的层的折射率，但其并不限于这种配置。

[0142] 也就是说，可以通过使用两种类型的折射率来形成如上所述的多层反射镜。具体地说，通过交替层叠具有第一折射率的层以及具有与第一折射率不同的第二折射率的层来形成多层反射镜。

[0143] 例如，也可以通过图12的实线所示的折射率分布来配置多层反射镜。当在具有这种折射率分布的多层反射镜(就光学距离而言厚度为20μm的叠层)上以入射角θ入射时的反射率变为如图13所示。也就是说，这个多层反射镜在0°和近似24°处具有高反射率峰值。

[0144] 在此，图12中实线所示的折射率分布也被配置为通过使用作为基准的两种类型的正弦波的和而具有两种周期，与图10所示的折射率分布的制造方法相似。然而，折射率取仅3.1和3.4两个值作为条件。

[0145] 如果配置多层反射镜的层的折射率的类型很少，则多层反射镜的形成变得更容易。例如，在化合物半导体中，通过改变组成元素的组成比，可以改变折射率。 [0146] 然而，当考虑化合物半导体的晶体生长的工艺时，优选地尽可能多地减少化合物半导体的类型。

[0147] 当由化合物半导体形成具有图12中实线所示的折射率分布的多层反射镜时，准备仅两种类型的组成比，并且晶体生长变得比图10的分布更简单。

[0148] 现在也可以将图11中示出其反射率的多层反射镜表示为具有第一反射率峰值(0°)以及第二反射率峰值(近似24°)，第一反射率峰值显示出最高反射率，以及第二反射率峰值显示出与第一反射率峰值相同的反射率或次于第一反射率峰值的第二最高反射率。

[0149] 在此，示出最高反射率的第一反射率峰值可以不一定是90％或更大。然而，当考虑其到达激光振荡时，第一反射率峰值优选地是90％或更大。

[0150] 此外，根据以上描述，第一反射率峰值与第一衍射光对应，第二反射率峰值与第二衍射光对应。然而，可以将与第二衍射光对应的峰值配置为示出最高反射率的峰值(第一反射率峰值)。

[0151] 此外，本发明的表面发射激光器期望地被配置为：使得在与基板侧相对的边界面的一部分处接触电介质的光子晶体中第一反射率峰值的入射角与第二反射率峰值的入射角之间的差超过arcsin(n2/n1)。在此，n1表示活性层的折射率，n2表示光子晶体所接触的电介质的折射率。

[0152] 当满足上述条件时，第二衍射光从基板侧在光子晶体和电介质的边界面上以其临界角或更大而入射。结果，发射到光子晶体结构的与基板的相对侧的光仅限于与第一衍射光具有关系的方向。这种实施例可以说是对于表面发射激光器的实际使用的优选实施例。 [0153] 当光子晶体在基板的相对侧接触空气时，光子晶体所接触的电介质是空气，并且n2变为近似1。

[0154] (第一实施例)

[0155] 在第一实施例中，将描述本发明所应用的表面发射激光器。

[0156] 在图14中示出用于描述本实施例中的表面发射激光器的截面示意图。 [0157] 在图14中，标号1400表示表面发射激光器，标号1410表示基板，标号1420表示第一半导体多层反射镜，标号1430表示下间隔物层。

[0158] 标号1440表示活性层，标号1450表示上间隔物层，标号1460表示具有光子晶体结构的板层，标号1470表示上电极，标号1475表示下电极。

[0159] 在制造本实施例的表面发射激光器时，首先，以n-AlGaAs层的Al组成比所改变的多个层制成的第一半导体多层反射镜1420被生长在n-GaAs基板1410上。 [0160] 第一半导体多层反射镜1420的层配置是例如层叠八个单元的以下述表1所示的AlGaAs层18制成的单元的配置。

[0161] (表1)

[0162]层号组成厚度(nm)
18 Al0.9Ga0.1As 57.1
17 Al0.5Ga0.5As 52.2
16 Al0.9Ga0.1As 54.0
15 Al0.5Ga0.5As 52.2
14 Al0.9Ga0.1As 54.0
13 Al0.5Ga0.5As 52.2
12 Al0.9Ga0.1As 57.1
11 Al0.5Ga0.5As 49.3
10 Al0.9Ga0.1As 114.3
9 Al0.5Ga0.5As 49.3
8 Al0.9Ga0.1As 57.1
7 Al0.5Ga0.5As 52.2
6 Al0.9Ga0.1As 54.0
5 Al0.5Ga0.5As 52.2
4 Al0.9Ga0.1As 54.0
3 Al0.5Ga0.5As 52.2
2 Al0.9Ga0.1As 57.1
1 Al0.5Ga0.5As 49.3

[0163] [0164] 作为生长第一半导体多层反射镜1420的生长方法，例如，可以使用MOCVD方法。

[0164] 该第一半导体多层反射镜1420被设计为：使得与图13所示的折射率相似地，对于波长670nm的光，当来自n-Al0.9Ga0.1As下间隔物层的入射角是0°和近似24°时，反射率变为最大。

[0165] 在第一半导体多层反射镜1420上，n-Al0.9Ga0.1As下间隔物层1430和包括具有足以形成谐振器的厚度的GaInP/AlGaInP多量子阱层的活性层1440被生长。接下来，p-Al0.9Ga0.1As上间隔物层1450和p-Al0.5Ga0.5As板层1460被生长。该活性层1440在波长670nm处具有光学增益。

[0166] 板层1460上表面涂覆有抗蚀剂(未示出)，并且100nm直径和500nm晶格间隔的二维正方晶格图案形成在抗蚀剂上。在显影抗蚀剂之后，通过使用根据SiCl4/Ar等离子体的反应离子蚀刻，p-AlGaAs板层1460形成有以二维孔行1463制成的光子晶体结构。 [0167] 包含这种光子晶体结构的板层1460具有借助于第一半导体多层反射镜1420的波导模式的存在性，并且此外，被形成为：使得谐振操作通过光子晶体结构而产生。在形成这种孔行之后，移除抗蚀层。

[0168] 下电极1475形成在基板1410之下，上电极1470形成在板层1460上。上电极1470例如取作Ti/Au，下电极1475例如取作AuGe/Au。

[0169] 当对于由此而制造的表面发射激光器1400执行电流注入时，活性层1440发射光，并且通过根据谐振原理的激光振荡，近似670nm的波长的表面发射出现在对于基板的垂直方向上。

[0170] (第二实施例)

[0171] 在第二实施例中，将描述配备有与第一实施例中的第一半导体多层反射镜不同的第二半导体多层反射镜1590的配置示例。

[0172] 在图15中示出用于描述本实施例中的表面发射激光器的截面示意图。 [0173] 在图15中，与图14所示的第一实施例相同的配置附有相同标号，并且因此将省略共同部分的描述。

[0174] 在图15中，标号1500表示表面发射激光器，标号1590表示第二半导体多层反射镜。

[0175] 至于图15所示的主要部分，本实施例中的表面发射激光器1500在第一实施例中的活性层1440与配备有光子晶体的板层1460之间配备有第二半导体多层反射镜1590。 [0176] 此时，对于激光振荡波长的光，对于第二半导体多层反射镜1590来说，光在半导体多层反射镜上垂直入射的反射率高于当以其它入射角入射时的反射率。 [0177] 通过在第二半导体多层反射镜1590与第一半导体多层反射镜1420之间夹着活性层1440并且还在垂直于基板的方向上形成谐振器，可以进一步增加整个激光谐振器的Q值。结果，可以减小阈值。

[0178] 为了从光子晶体侧(与基板侧相对)提取表面发射激光器的输出光，与第一半导体多层反射镜1420的垂直入射反射率相比，期望地，第二半导体多层反射镜1590的垂直入射反射率较低。

[0179] 具体地说，在第一实施例中的上间隔物层1450与板层1460之间，在晶体生长时形成层叠有十对53.2nm的p-Al0.9Ga0.1As层和48.6nm的p-Al0.5Ga0.5As层的第二半导体多层反射镜。

[0180] 虽然以上已经描述了第一实施例和第二实施例，但本发明的表面发射激光器不限于这些实施例。

[0181] 例如，可以使用用于400nm波长带的AlGaInN系统、以及用于1μm波长带的InGaAs系统。

[0182] 具体地说，可以适当设置半导体层、光子晶体、半导体多层反射镜、电极材料、光子晶体的晶格形状、半导体多层反射镜等。

[0183] 此外，在本实施例中，虽然670nm的波长已经被示出为激光振荡波长，但这不是限制性的，通过选择适当的材料和结构等，可以进行可选波长的振荡。

[0184] 因此而描述的本发明的表面发射激光器也可以用作光源，以执行图像形成装置(例如复印机和打印机)的感光鼓上的绘图。

[0185] 虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围将与最宽泛的解释一致，从而包括所有这样的修改和等同结构及功能。

[0186] 本申请要求2007年10月12日提交的日本专利申请No.2007-266246的权益，其在此全部引入作为参考。

标题	发布/更新时间	阅读量
激光器组件-专利编号CN105229875A	2020-05-11	918
二极管激光器-专利编号CN102738705B	2020-05-12	129
激光器组件-专利编号CN105191023B	2020-05-11	985
二极管激光器-专利编号CN102738705A	2020-05-12	253
激光器组件-专利编号CN105191023A	2020-05-11	1032
激光器组件-专利编号CN105229875B	2020-05-11	428
光纤激光器射频驱动源-专利编号CN104300349A	2020-05-12	187
脉冲全光纤激光器-专利编号CN101640367B	2020-05-13	537
脉冲全光纤激光器-专利编号CN101640367A	2020-05-13	728
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