JP2009111167A - Surface-emitting semiconductor laser element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フォトニック結晶を利用した面発光型半導体レーザ素子に関するものである。 The present invention relates to a surface emitting semiconductor laser element using a photonic crystal.
従来、この分野の技術としては、特許文献1に記載されている面発光型半導体レーザ素子が知られている。上記文献に記載された面発光型半導体レーザ素子は、基板の主面上に、活性層と、活性層に光学的に結合されたフォトニック結晶層(フォトニックバンド層)と、基板の主面に直交する方向に位置しており面発光型半導体レーザ素子内で生成されたレーザ光を出力する光放出面とを含んで構成されている。この面発光型半導体レーザ素子が備えるフォトニック結晶層は、2次元の周期的屈折率変化からなる2次元フォトニック結晶構造を有している。そして、上記面発光型半導体レーザ素子では、フォトニック結晶構造における2次元的な光閉じこめ及び2次元的な光帰還作用を利用して面発光型半導レーザ素子における光共振器を実現しており、フォトニック結晶構造を構成している周期的屈折率変化によって生じる回折現象を利用して面発光動作を実現している。 Conventionally, as a technology in this field, a surface emitting semiconductor laser element described in Patent Document 1 is known. The surface emitting semiconductor laser element described in the above document includes an active layer, a photonic crystal layer (photonic band layer) optically coupled to the active layer, and a main surface of the substrate on the main surface of the substrate. And a light emission surface for outputting laser light generated in the surface emitting semiconductor laser element. The photonic crystal layer provided in the surface emitting semiconductor laser element has a two-dimensional photonic crystal structure composed of a two-dimensional periodic refractive index change. In the surface-emitting semiconductor laser device, an optical resonator in the surface-emitting semiconductor laser device is realized by utilizing the two-dimensional optical confinement and the two-dimensional optical feedback action in the photonic crystal structure. The surface emission operation is realized by utilizing the diffraction phenomenon caused by the periodic refractive index change constituting the photonic crystal structure.
上記文献に記載されているようなフォトニック結晶層を備えた面発光型半導体レーザ素子では、活性層で発生した光がフォトニック結晶層に到達すると、その到達した光のうちフォトニック結晶構造により波長及び位相条件が規定された光が活性層に達して誘導放出を促す。この誘導放出された光は、フォトニック結晶構造により規定される光の波長及び位相条件を満足する。この誘導放出された光は、再度フォトニック結晶層に到達する。このようにして、波長及び位相条件の揃った光が発生され増幅され、面発光型半導体レーザ素子内においてレーザ光が生成される。生成されたレーザ光が上記回折現象により光放出面側に出力されることで、面発光型半導体レーザ素子からレーザ光が出力される。なお、特許文献1では、波長を単一化することを目的としてフォトニック結晶層に位相シフト構造を導入することが例示されている。
特許文献1に記載されているようなフォトニック結晶を利用した従来の面発光型半導体レーザ素子では、光共振器として機能するフォトニック結晶層内への光閉じ込めが強いことから、光放出面からのレーザ光の取り出し効率が低下する傾向にある。 In a conventional surface emitting semiconductor laser element using a photonic crystal as described in Patent Document 1, light confinement in a photonic crystal layer that functions as an optical resonator is strong. The laser beam extraction efficiency tends to decrease.
そこで、本発明は、フォトニック結晶構造を利用した面発光型半導体レーザ素子であって、レーザ光を効率的に出力可能な面発光型半導体レーザ素子を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a surface emitting semiconductor laser element using a photonic crystal structure and capable of efficiently outputting laser light.
本発明は、面発光型半導体レーザ素子であって、基板と、基板の主面上に設けられておりキャリアが注入されると光を発生する活性層と、基板の主面上に設けられており活性層と光学的に結合しているフォトニック結晶層と、主面に略直交する方向においてフォトニック結晶層からみて基板と反対側に位置しており、上記面発光型半導体レーザ素子で発生されるレーザ光を出力する光出力面と、光出力面上に設けられており、活性層にキャリアを与える電極と、を備え、フォトニック結晶層は、活性層で発生した光に含まれる所定波長の光の一部を光出力面側に回折せしめると共に、所定波長の光の他の部分を主面に略平行な面内に閉じ込める2次元フォトニック結晶構造を有しており、所定波長は、上記レーザ光の波長であり、電極は少なくとも1つの縁部を有しており、フォトニック結晶層には、縁部の直下近傍に位相シフト部が形成されていることを特徴とする面発光型半導体レーザ素子に係る。 The present invention relates to a surface emitting semiconductor laser element, which is provided on a main surface of a substrate, an active layer provided on the main surface of the substrate and generating light when carriers are injected, and The photonic crystal layer that is optically coupled to the active layer, and located on the opposite side of the substrate from the photonic crystal layer in a direction substantially perpendicular to the main surface, is generated in the surface emitting semiconductor laser element described above A photonic crystal layer is provided on the light output surface, and is provided on the light output surface. The electrode provides carriers to the active layer. It has a two-dimensional photonic crystal structure that diffracts a part of the light of the wavelength to the light output surface side and confines another part of the light of the predetermined wavelength in a plane substantially parallel to the main surface. The wavelength of the laser beam, and the electrodes are few Both have one edge, the photonic crystal layer, according to the surface-emitting type semiconductor laser element, wherein a phase shift portion is formed in the vicinity just below the edge.
上記本発明に係る面発光型半導体レーザ素子では、活性層で発生した光がフォトニック結晶層に到達すると、フォトニック結晶構造により、上記所定波長の光の一部は光出力面側に回折されることによって、面発光動作が実現されている。また、活性層からフォトニック結晶層に到達した上記所定波長の光のうちの他の部分において位相条件を満たす光がフォトニック結晶層内に閉じ込められる。フォトニック結晶層は活性層と光学的に結合していることから、フォトニック結晶層内に閉じ込められた光により活性層で誘導放出が促される。誘導放出された光は、フォトニック結晶構造により規定される所定波長の光において位相条件を満足しており、再度フォトニック結晶層内に到達する。このようにして波長及び位相条件の揃った光が発生され増幅されるため、レーザ光が生成される。そして、前述したようにフォトニック結晶層における光出力面側への回折により面発光動作が可能となっているので、面発光型半導体レーザ素子内で生成されたレーザ光は光出力面から出力されることになる。 In the surface emitting semiconductor laser device according to the present invention, when the light generated in the active layer reaches the photonic crystal layer, a part of the light having the predetermined wavelength is diffracted to the light output surface side by the photonic crystal structure. Thus, the surface emission operation is realized. In addition, light satisfying the phase condition is confined in the photonic crystal layer in the other part of the light having the predetermined wavelength that has reached the photonic crystal layer from the active layer. Since the photonic crystal layer is optically coupled to the active layer, stimulated emission is promoted in the active layer by light confined in the photonic crystal layer. The stimulated emission satisfies the phase condition in the light having a predetermined wavelength defined by the photonic crystal structure, and reaches the photonic crystal layer again. In this way, light having a uniform wavelength and phase condition is generated and amplified, so that laser light is generated. As described above, the surface emitting operation is enabled by the diffraction to the light output surface side in the photonic crystal layer, so that the laser light generated in the surface emitting semiconductor laser element is output from the light output surface. Will be.
上記構成の面発光型半導体レーザ素子では、フォトニック結晶層に位相シフト部が上記位置に導入されていることから、光出力面において電極と重なっていない領域にフォトニック結晶層からの光が到達し易い。その結果、面発光型半導体レーザ素子内で生成されたレーザ光が電極により遮られにくく、面発光型半導体レーザ素子から効率的に光を出力することが可能である。 In the surface emitting semiconductor laser device having the above configuration, since the phase shift portion is introduced at the above position in the photonic crystal layer, light from the photonic crystal layer reaches a region that does not overlap the electrode on the light output surface. Easy to do. As a result, the laser light generated in the surface emitting semiconductor laser element is not easily blocked by the electrode, and light can be efficiently output from the surface emitting semiconductor laser element.
また、本発明における面発光型半導体レーザ素子では、フォトニック結晶構造が有する複数の格子点は2以上の回折格子群を構成しており、各回折格子群はそれぞれ異なる方向に延びており、回折格子群の各々を構成する格子点は、各回折格子群同士において各回折格子群が延びる方向に沿って同一の配列関係で配列されており、各回折格子群は縁部の直下近傍に位相シフト部を有することが好ましい。 In the surface-emitting type semiconductor laser device according to the present invention, the plurality of lattice points of the photonic crystal structure constitute two or more diffraction grating groups, and each diffraction grating group extends in a different direction. The grating points constituting each of the grating groups are arranged in the same arrangement relation along the extending direction of each diffraction grating group among the diffraction grating groups, and each diffraction grating group is phase-shifted in the vicinity immediately below the edge. It is preferable to have a part.
この構成では、フォトニック結晶構造は、異なる方向に延びる2以上の上記回折格子群からなる2次元回折格子であって、電極の縁部直下近傍に位相シフト部が導入された2次元回折格子とみなすことができる。各回折格子群において、電極の縁部直下近傍の隣接する格子点の間隔を、各回折格子群が有する周期からシフトさせることにより形成することができる。 In this configuration, the photonic crystal structure is a two-dimensional diffraction grating composed of two or more diffraction grating groups extending in different directions, and a two-dimensional diffraction grating in which a phase shift portion is introduced in the vicinity immediately below the edge of the electrode. Can be considered. In each diffraction grating group, it can be formed by shifting the interval between adjacent grating points near the edge of the electrode from the period of each diffraction grating group.
また、本発明における面発光型半導体レーザ素子では、フォトニック結晶構造が有する複数の格子点は、互いに直交する第1及び第2の方向にそれぞれ延びる第1の回折格子群及び第2の回折格子群を構成しており、第1及び第2の回折格子群の各々を構成する格子点は、第1及び第2の回折格子群において第1及び第2の方向に沿って同一の配列関係で配列されており、電極の平面視形状が略四角形状であって、電極は互いに対向する一対の第1の縁部及び互いに対向する一対の第2の縁部を有し、第1及び第2の縁部はそれぞれ第1及び第2の方向に延びており、第1及び第2の回折格子群は、一対の第1の縁部及び一対の第2の縁部のそれぞれ直下近傍に位相シフト部を有することが好ましい。 In the surface-emitting type semiconductor laser device according to the present invention, the plurality of lattice points of the photonic crystal structure are the first diffraction grating group and the second diffraction grating extending in the first and second directions orthogonal to each other. The grating points constituting each of the first and second diffraction grating groups have the same arrangement relationship along the first and second directions in the first and second diffraction grating groups. The electrodes have a substantially square shape in plan view, and the electrodes have a pair of first edges facing each other and a pair of second edges facing each other, and the first and second , And the first and second diffraction grating groups are phase-shifted in the vicinity immediately below the pair of first edges and the pair of second edges, respectively. It is preferable to have a part.
この構成では、フォトニック結晶構造は、第1及び第2の縁部直下近傍に位相シフト部が形成された第1及び第2の回折格子群からなる2次元回折格子とみなすことができる。この場合も、第1及び第2の回折格子群において、電極の縁部直下近傍の隣接する格子点の間隔を、第1及び第2の回折格子群が有する周期からシフトさせることにより形成することができる。 In this configuration, the photonic crystal structure can be regarded as a two-dimensional diffraction grating composed of first and second diffraction grating groups in which phase shift portions are formed in the vicinity immediately below the first and second edges. Also in this case, the first and second diffraction grating groups are formed by shifting the interval between adjacent grating points near the edge of the electrode from the period of the first and second diffraction grating groups. Can do.
上記のように電極が、第1及び第2の方向に延びる一対の第1の縁部及び一対の第2の縁部を有する場合には、一対の第1の縁部及び一対の第2の縁部に対応した各位相シフト部は、第1及び第2の方向に延びているとすることができる。 When the electrode has a pair of first edges and a pair of second edges extending in the first and second directions as described above, the pair of first edges and the pair of second edges Each phase shift portion corresponding to the edge portion may be extended in the first and second directions.
本発明によれば、フォトニック結晶を利用した面発光型半導体レーザ素子であって、光出力面から効率的に光を出力可能な面発光型半導体レーザ素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a surface emitting semiconductor laser element using a photonic crystal and capable of efficiently outputting light from a light output surface.
以下、図面を利用して、本発明に係る面発光型半導体レーザ素子の実施形態について説明する。なお、以下の説明においては、同一の要素には同一の符号を用いることとし、重複する説明は省略する。また、図面の寸法比率等は、必ずしも説明のものとは一致していない。 Hereinafter, embodiments of a surface emitting semiconductor laser device according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the same reference numerals are used for the same elements, and duplicate descriptions are omitted. Further, the dimensional ratios and the like in the drawings do not necessarily match those described.
図1は、本発明に係る面発光型半導体レーザ素子(以下、単に「半導体レーザ素子」と称す)の一実施形態の斜視図である。図1では、説明のために、面発光型半導体レーザ素子10の一部を切り欠いている。図2は、図1のII―II線に沿った断面図である。
FIG. 1 is a perspective view of an embodiment of a surface emitting semiconductor laser device (hereinafter simply referred to as “semiconductor laser device”) according to the present invention. In FIG. 1, a part of the surface emitting
図1及び図2に示す半導体レーザ素子10は、2次元フォトニック結晶構造を利用した面発光型のフォトニック結晶レーザ素子である。
A
半導体レーザ素子10は、第1導電型(本実施形態では一例としてn型)の半導体基板といった基板12を有する。基板12の材料としてはGaNが例示される。基板12の主面12a上には、第1導電型のクラッド層14、活性層16、バッファ層18、フォトニック結晶層20、ガイド層22、第2導電型(本実施形態では一例としてp型)のクラッド層24及びコンタクト層26がこの順に積層されている。以下の説明では、図1及び図2に示すように、基板12の主面12aに直交する方向をz軸方向と称し、z軸方向に略直交する2つの方向をそれぞれx軸方向(第1の方向)及びy軸方向(第2の方向)と称す。
The
半導体レーザ素子10では、活性層16にキャリヤが与えられると活性層16において発生した光を基に活性層16及びフォトニック結晶層20の作用によりレーザ光が生成され、そのレーザ光がコンタクト層26の表面26aから出力される。このように、半導体レーザ素子10では、コンタクト層26の表面26aがレーザ光の光出力面Sとして機能する。
In the
コンタクト層26の表面26aには、活性層16にキャリアを与えるために、平面視において光出力面Sより小さい正方形状の電極28が設けられている。電極28の平面視形状としては、正方形状に限定されず、例えば、円形状、他の四角形状(例えば長方形状)、六角形状が挙げられる。電極28が有する互いに対向する一対の縁部(第2の縁部)28a,28aはy軸方向に延びており、電極28が有する互いに対向する一対の縁部(第1の縁部)28b,28bはx軸方向に延びている。また、基板12の主面12aと対向する面である裏面12b上には、裏面12bのほぼ全面に電極30が設けられている。電極28,30の材料としては、例えば金が挙げられる。
On the
クラッド層14,24は、クラッド層14,24間に挟まれた領域内のフォトン密度、より具体的には、活性層16及びフォトニック結晶層20のフォトン密度を高めてレーザ光を効率的に生成するためのものである。クラッド層14,24は、活性層16の屈折率より低い屈折率を有する半導体から構成される。バッファ層18及びガイド層22は、クラッド層14,24で挟まれた領域内のフォトン密度を高めるために、クラッド層14,24間の距離を適切に調整するためのスペーサ層として機能する。また、バッファ層18は、後述するように、例えば、フォトニック結晶層20をエッチングを利用して形成する際のエッチング停止層としても用いることが可能である。
The clad layers 14 and 24 increase the photon density in the region sandwiched between the
また、活性層16はキャリヤが注入されることで光を発する。活性層16において電極28直下の領域に主にキャリヤが注入されるため、活性層16における電極28直下の領域が利得領域として機能する。活性層16は、例えば、InGaN系多重量子井戸(MQW)構造を含むものが挙げられる。活性層16は、他の半導体材料からなる多重量子井戸構造から構成することもできる。また、活性層16を、多重量子井戸構造の代わりに、単一量子井戸構造から構成することも可能である。更に、活性層16を単一の半導体材料から構成してもよい。
The
フォトニック結晶層20は、活性層16上にバッファ層18を挟んで設けられており、活性層16と光学的に結合されている。フォトニック結晶層20は、半導体レーザ素子10で発生させるべきレーザ光の波長(以下、レーザ波長と称す)を規定する2次元フォトニック結晶構造を有する層である。フォトニック結晶層20は、半導体層32に、半導体層32の屈折率と異なる屈折率(一例として、より低い屈折率)を有する複数の柱状部34が、x軸方向及びy軸方向に同一の配列関係で配列されて構成されている。各柱状部34がフォトニック結晶構造における各格子点であり、柱状部34の空間的な配置関係と、半導体層32及び柱状部34の間の屈折率差とによりフォトニックバンドが形成されている。半導体層32の材料としてはGaNが例示され、柱状部34の材料としてはSiO2が例示される。なお、柱状部34は例えば孔部とすることもできる。柱状部34の平面視形状は、図1に示すように円形が例示されるが、三角形や四角形等の多角形状でもよい。フォトニック結晶層20が有するフォトニック結晶構造には、電極28が有する一対の縁部28a,28a及び一対の縁部28b,28bの直下近傍に位相シフト部36x及び位相シフト部36yが導入されている。
The
図3は、正方格子構造を有するフォトニック結晶層における格子点の配置関係を示す模式図である。なお、位相シフト部36x,36yと電極28との位置関係を説明するために、図3中には、電極28の位置を実線を用いて便宜的に示している。
FIG. 3 is a schematic diagram showing the arrangement relationship of lattice points in a photonic crystal layer having a square lattice structure. In order to explain the positional relationship between the
図3に示すように、位相シフト部36x,36yが導入されたフォトニック結晶構造は、x軸方向(第1の方向)に延びている回折格子群であってx軸方向において2つの位相シフト部36xを有する回折格子群(第1の回折格子群)Lxと、x軸と直交するy軸方向(第2の方向)に延びている回折格子群であってy軸方向に2つの位相シフト部36yを有する回折格子群(第2の回折格子群)Lyとからなる2次元回折格子とみなすことができる。回折格子群Lxは、x軸方向に延びておりy軸方向に複数平行配置された周期d1の一次元回折格子lxから構成され、回折格子群Lyは、y軸方向に延びておりx軸方向に複数平行配置され、回折格子群Lxの回折格子lxと同じ周期d1の一次回折格子lyから構成される。各一次元回折格子lx,lyの周期d1は、レーザ波長を規定する。また、フォトニック結晶を構成する複数の柱状部34からなる2次元回折格子によって光の位相が規定され、この複数の2次元回折格子によって回折された光のそれぞれの位相が位相整合し、定在波が存在できる程度に、この各一次元回折格子lx,lyの周期d1はレーザ波長に対して同一の周期を有する。そして、各一次元回折格子lx,lyには、電極28が有する一対の縁部28a,28a及び一対の縁部28b,28bの直下近傍に位相シフト部36x,36yを構成する位相シフト構造が導入されている。
As shown in FIG. 3, the photonic crystal structure in which the
位相シフト部36x,36yは、図3に示しているように、電極28の縁部28a,28b直下近傍のx軸方向及びy軸方向において隣接する柱状部34間の距離である格子間隔d2を周期d1から所定量だけシフトさせることによって形成することができる。このように位相シフト部36x,36yを形成している場合には、格子間隔d2と周期d1との差により位相シフト量が規定される。例えば、格子間隔d2がd1/2であるとき、位相シフト量はπである。格子間隔d2を周期d1からシフトさせることによって位相シフト部36x,36yを形成している場合、フォトニック結晶構造は、x軸方向に延びる周期d1の複数の一次元回折格子からなる回折格子群と、y軸方向に延びる周期d1の複数の一次元回折格子からなる回折格子群とにより構成される複数の2次元回折格子が位相シフト部36x,36yの導入位置においてx軸方向及びy軸方向に間隔d2で配置されたものとみなすこともできる。
As shown in FIG. 3, the
ここでは、位相シフト部36x,36yを、格子間隔をシフトさせることにより形成した場合を例示したが、位相シフト部36x,36yは、縁部28a,28b直下近傍の格子点としての柱状部34の屈折率や平面視形状等の条件を他の領域の柱状部34の条件からシフトさせることによって形成してもよい。また、縁部28a,28b直下近傍に格子欠陥を形成することにより形成することもできる。
Here, the case where the
図1に示した半導体レーザ素子10は、例えば、次のようにして製造される。先ず、基板12上にクラッド層14、活性層16及びバッファ層18を形成した後、バッファ層18の表面上に柱状部34を構成する材料からなる柱状部形成層を形成する。そして、柱状部形成層に対して例えばフォトリソグラフィ法及びエッチング法を適用して複数の柱状部34を形成した後、それらの柱状部34を、半導体層34となるべき柱状部34と異なる屈折率を有する半導体で埋め込み、フォトニック結晶層20を形成する。次いで、フォトニック結晶層20上に、ガイド層22、クラッド層24及びコンタクト層26をそれぞれ形成する。その後、コンタクト層26上に、電極28を形成すると共に、基板12の裏面上に電極30を形成することで半導体レーザ素子10を製造できる。
The
図1に示した半導体レーザ素子10における基板12、クラッド層14,24、活性層16、バッファ層18、ガイド層22、コンタクト層26の材料及び厚さ(z軸方向の長さ)の一例は表1のとおりである。
上記構成の半導体レーザ素子10において、電極28による信号印加によって活性層16にキャリアを与えると、活性層16内で光が発生し、活性層16内で発生した光は、活性層16に光学的に結合したフォトニック結晶層20に到達する。
In the
フォトニック結晶層20は、2次の2次元回折格子として機能するフォトニック結晶構造を有することから、フォトニック結晶層20に到達したレーザ波長を有する光の多くは、フォトニック結晶構造によりフォトニック結晶層20内に閉じ込められる。より詳細に説明すると、複数の柱状部34による回折を繰り返して所定の閉じた経路を伝搬し、当該閉じた経路内において位相条件を満たす場合に、フォトニック結晶層20内に2次元定在波が形成され、フォトニック結晶層20内に閉じ込められる。この場合、フォトニック結晶層20は、半導体レーザ素子10における光共振器として機能していることになる。そして、フォトニック結晶層20内に閉じ込められた光が活性層16と相互作用して誘導放出を引き起こすことで、レーザ発振が生じる。また、フォトニック結晶構造は、2次の回折格子でもあることから、レーザ波長を有する光の一部は、回折現象によりz軸方向にも回折される。そのため、半導体レーザ素子10において面発光動作が可能となっている。
Since the
そして、レーザ発振により光強度が増加したレーザ波長を有する光が、回折現象により光出力面S側に伝搬して光出力面Sから出力されることで、レーザ光が半導体レーザ素子10から出力される。即ち、フォトニック結晶層20を含む半導体レーザ素子10は、フォトニック結晶構造における2次回折を利用した分布帰還型の面発光型半導体レーザ素子において、フォトニック結晶層20における回折現象を利用して面発光動作を実現している半導体レーザ素子に対応する。
Then, light having a laser wavelength whose light intensity is increased by laser oscillation propagates to the light output surface S side by the diffraction phenomenon and is output from the light output surface S, so that the laser light is output from the
半導体レーザ素子10では、フォトニック結晶層20において電極28の縁部28a,28bの直下に位相シフト部36x,36yを導入していることにより、光出力面Sからより多くの光を取り出すことが可能である。この点についてシミュレーション結果を利用して説明する。
In the
先ず、シミュレーションの基本条件について説明する。図4は、図1に示した半導体レーザ素子のシミュレーション用の基本構成モデルの模式図であり、図1におけるx軸方向又はy軸方向に直交する断面の断面構成に対応する。 First, basic conditions for simulation will be described. 4 is a schematic diagram of a basic configuration model for simulation of the semiconductor laser device shown in FIG. 1, and corresponds to a cross-sectional configuration of a cross section orthogonal to the x-axis direction or the y-axis direction in FIG.
図4に示したシミュレーション用のモデル構造を有する半導体レーザ素子10Mでは、図1及び図2に示した半導体レーザ素子10の場合と同様に、基板12M上に、クラッド層14M、活性層16M、バッファ層18M、フォトニック結晶層20M、ガイド層22M、クラッド層24M及びコンタクト層26Mがこの順に積層されており、コンタクト層26M上及び基板12Mの裏面にそれぞれ電極28M及び電極30Mが設けられて構成されている。半導体レーザ素子10Mにおいても、コンタクト層26Mの表面が光出力面Sとして機能する。
In the
以下の説明では、基板12M、クラッド層14M、活性層16M、バッファ層18M、フォトニック結晶層20M、ガイド層22M、クラッド層24M及びコンタクト層26Mは、特に断らない限り、図1に示した半導体レーザ素子10の基板12、クラッド層14、活性層16、バッファ層18、フォトニック結晶層20、ガイド層22、クラッド層24及びコンタクト層26に対応するものとする。また、図4に示した半導体レーザ素子10Mの側面10Maを基準として側面10bに向かう方向を便宜的に図1に示したx軸方向に対応するものとし、基板12Mに対してクラッド層14M、活性層16M、バッファ層18M、フォトニック結晶層20M、ガイド層22M、クラッド層24M及びコンタクト層26Mが積層されている方向を図1の場合と同様にz軸方向とする。
In the following description, the
基板12Mのx軸方向の長さD1は300μmであり、電極28Mのx軸方向の長さD2は100μmである。電極28Mのx軸方向の中心位置と基板12Mのx軸方向の中心位置は一致しているものとした。また、半導体レーザ素子10Mでは、レーザ波長が400nmであるレーザ光を出力することを仮定している。
The length D1 in the x-axis direction of the
基板12M、クラッド層14M、活性層16M、バッファ層18M、ガイド層22M、クラッド層24M及びコンタクト層26Mの材料及び厚さは、表1のものを採用した。
The materials and thicknesses of the
フォトニック結晶層20Mは、フォトニック結晶層20と同様に半導体層32Mに、半導体層32Mの屈折率より小さい屈折率を有する柱状部34Mが正方格子状に配置して構成されているものとした。フォトニック結晶層20Mの厚さは、表1に示した場合と同様に40nmである。半導体層32M及び柱状部34Mは、半導体レーザ素子20における半導体層32及び柱状部34に対応する。図4のハッチングは半導体層32Mを示すためのものである。半導体層32Mの材料は、屈折率が2.54のGaNとし、柱状部34Mの材料は、屈折率1.42のSiO2とした。また、柱状部34Mは、平面視形状が円形の円筒であり、その直径は48nmとした。隣接する柱状部34M間の間隔、すなわち、フォトニック結晶構造における周期d1は160nmとした。フォトニック結晶層20Mにおける位相シフト部の導入位置については、シミュレーション結果を説明するときに順次説明する。その際、導入されるべき位相シフト部を位相シフト部36Mとも称す。位相シフト部36Mの導入方法は、隣接する柱状部34M,34M間の間隔を周期d1からシフトさせることにより実施するものとした。
Similar to the
また、前述したように、フォトニック結晶構造を利用した半導体レーザ素子は、2次回折を利用した分布帰還型半導体レーザ素子において、回折現象を利用して面発光動作を実現したものに対応するため、分布帰還型半導体レーザ素子の解析に利用される結合波方程式とレート方程式とに基づいてシミュレーションを実施した。この場合、結合波方程式においてフィードバックの強さを示す結合定数は2つ現れる。この2つの結合定数のうち2次回折を示す結合定数h2がフォトニック結晶層20M内、すなわち、半導体レーザ素子10Mの光共振器内のフォトン密度分布を決定し、フォトニック結晶層20M内のフォトン密度分布と回折現象を示す結合定数がh1とがフォトニック結晶層20Mから光出力面Sに出力されるフォトン密度分布を決定している。以下の説明では、便宜的に、基板12Mに対して電極28M側を「上」方向として説明する。
Further, as described above, the semiconductor laser element using the photonic crystal structure corresponds to the distributed feedback semiconductor laser element using the second-order diffraction that realizes the surface emission operation using the diffraction phenomenon. The simulation was carried out based on the coupled wave equation and the rate equation used for the analysis of the distributed feedback semiconductor laser device. In this case, two coupling constants indicating the strength of feedback appear in the coupled wave equation. Of these two coupling constants, the coupling constant h2 exhibiting second-order diffraction determines the photon density distribution in the
次に、図5及び図6を利用してフォトニック結晶層20Mに位相シフト部を導入することで、フォトニック結晶層20Mから上部に向けて出力される光の量が変化する点について説明する。
Next, the point that the amount of light output from the
図5は、従来のように、位相シフト部を導入しない場合のフォトニック結晶層20Mから光出力面S側に出力される光のパワー密度及びフォトニック結晶層内のフォトン密度分布を示す図面である。具体的には、図5(a)は、フォトニック結晶層20Mから出力された光の光出力面Sの位置でのパワー密度分布を示しており、図5(b)は、フォトニック結晶層20M内のフォトン密度分布を示している。図5(a),(b)の横軸は、図4に示した半導体レーザ素子10Mの側面10Maを基準(原点位置)としたx軸方向の位置を示している。図5(a)の縦軸はフォトン密度を示しており、図5(b)の縦軸はパワー密度を示している。
FIG. 5 is a diagram showing the power density of light output from the
また、図6は、電極28の中央部の直下に位相シフト部を1つ導入した場合のフォトニック結晶層20Mから光出力面S側に出力される光のパワー密度分布及びフォトニック結晶層20M内のフォトン密度分布を示す図面である。具体的には、図6(a)は、フォトニック結晶層20Mから出力された光の光出力面Sの位置でのパワー密度分布を示しており、図6(b)は、フォトニック結晶層20M内のフォトン密度分布を示している。図6(a),(b)の横軸は、図5(a),(b)と同様にx軸方向の位置を示している。図6(a)の縦軸はフォトン密度を示しており、図6(b)の縦軸はパワー密度示している。
FIG. 6 shows the power density distribution of light output from the
また、図5及び図6では、横軸に示した位置において100〜200μmの領域が、電極28M直下の領域に対応しており、活性層16Mにおける電極28M直下の領域を利得領域と仮定した。
5 and 6, the region of 100 to 200 μm corresponds to the region directly below the
図5(b)より、フォトニック結晶層20Mの中央部でフォトン密度が高く中央部にフォトンが閉じ込められていることがわかる。一方、図5(a)より、光共振器内部ではフォトン密度の高かった中央部でのフォトン密度が、光出力面S側にほとんど出力されていないことがわかる。この現象はフォトニック結晶層20Mから光出力面S側に出力される光の位相が弱め合うために起こると考えられる。この場合、フォトン密度の高い中央部からは上部へフォトンを効率よく取り出すことができない。
FIG. 5B shows that the photon density is high in the central portion of the
また、図6(b)より、位相シフト部を中央部に導入しても、フォトニック結晶層20Mの中央部でフォトン密度が高く中央部にフォトンが閉じ込められていることがわかる。そして、図6(a)より、位相シフト部が中央部に導入された場合には、光出力面Sでもフォトニック結晶層20M内のフォトン密度分布と同様のパワー密度分布が実現できることがわかる。
Further, FIG. 6B shows that even when the phase shift part is introduced into the central part, the photon density is high in the central part of the
図5及び図6が示しているように、位相シフト部36Mをフォトニック結晶層20Mに導入することによって、前述した位相の弱めあいを回避することができている。しかしながら、電極28の中央部直下に位相シフト部36Mを設けた場合には、図6(a)に示しているように光出力面Sでのパワー密度分布は中央部に鋭いピークを有する。この場合、光出力面Sから出力される光の多くは、電極28Mにより遮られることになり、半導体レーザ素子10Mからの光出力に寄与しない。
As shown in FIGS. 5 and 6, the phase weakening described above can be avoided by introducing the
以上のことから、光出力面Sからの光出力を高くすることは、光出力面Sにおいて電極28Mと重なっていない部分から出力されるフォトンの割合が大きくなるように位相シフト部36Mを適切な箇所に配置することで実現できることになる。
From the above, increasing the light output from the light output surface S makes the
続いて、図7〜図9を利用して、フォトニック結晶層20Mにおける位相シフト部36Mの導入位置を変化させながら位相シフト部36Mの導入位置に応じた光の取出し効率の違いについて説明する。ここで、取出し効率は、次のように定義している。
(取出し効率)=(半導体レーザ素子外部に出射されたフォトン)/(光出力面に入射される全フォトン)
図7〜図9では、電極28Mの縁部28Ma直下より外側に位相シフト部が導入された場合についてもシミュレーションを適切に実施するために、活性層16Mの全領域を利得領域と仮定している。なお、電極28Mにおける縁部28Maは、電極28における縁部28aに対応するものである。
Next, the difference in light extraction efficiency according to the introduction position of the
(Extraction efficiency) = (photons emitted outside the semiconductor laser element) / (all photons incident on the light output surface)
7 to 9, it is assumed that the entire region of the
図7及び図8は、x軸方向の所定位置に導入される2つの位相シフト部間の距離の変化に対する取出し効率の変化を示す図である。図7及び図8では、電極28Mのx軸方向における中心位置に対して対称な位置にそれぞれ位相シフト部36M,36Mを設けるものとした。そして、図7び図8において、横軸は、位相シフト部間の距離D3を示しており、電極28Mのx軸方向における中心位置に2つの位相シフト部が重なって設けられている場合を0としている。縦軸は、取り出し効率を示している。
7 and 8 are diagrams showing a change in extraction efficiency with respect to a change in the distance between two phase shift portions introduced at a predetermined position in the x-axis direction. 7 and 8, the
また、図7では、2つの位相シフト部36M,36Mによる位相シフト量は同じΦとし、Φを0.25π、0.35π、0.50πと変化させた場合の取出し効率の変化を示している。一方、図8では、2つの位相シフト部36M,36Mによる位相シフト量は異なるΦ1及びΦ2とし、Φ1及びΦ2の組、即ち、(Φ1,Φ2)を(0.50π,0.50π)、(0.40π,0.60π)、(0.30π,0.70π)と変化させた場合の取出し効率の変化を示している。
Further, FIG. 7 shows a change in extraction efficiency when the phase shift amounts by the two
また、図9も位相シフト部間の距離の変化に対する取出し効率の変化を示す図である。ただし、図9では、図7の場合と同様の半導体レーザ素子10Mの構成において、電極28Mのx軸方向における中心位置に位相シフト部36Mを更に配置した場合のシミュレーション結果である。この場合、x軸方向に3つの位相シフト部36M,36M,36Mが導入されることになる。3つの位相シフト部36M,36M,36Mの位相シフト量は何れも0.5πを採用している。図9に示した横軸の位相シフト部間の距離は、中央の位相シフト部を挟んで配置された両側の位相シフト部間の距離を示している。
FIG. 9 is also a diagram showing a change in extraction efficiency with respect to a change in the distance between the phase shift portions. However, FIG. 9 shows a simulation result in the case where the
図7〜図9に示すシミュレーション結果に示されているように、位相シフト部36M,36M間の距離が50μmより広い場合に、すなわち、縁部28Maの直下を基準にして電極28Mのx軸方向の長さ(図4のモデル構成では100μm)の1/4ほど内側の位置より外側に位相シフト部36M,36Mがそれぞれ導入された場合に、中央部にのみ位相シフト部36Mが配置される場合よりも取出し効率が高くなっている。更に、電極28Mの縁部28Ma,28Ma直下近傍の位置、すなわち、距離D3が100μm近傍、例えば、80μm〜140μmの領域に取出し効率のピークが位置することがわかる。
As shown in the simulation results shown in FIGS. 7 to 9, when the distance between the
上記シミュレーションでは、図4に示したx軸方向を図1に示したx軸方向とし、特に断らない限り縁部28Ma及び位相シフト部36Mを半導体レーザ素子10における縁部28a及び位相シフト部36xとして説明したが、側面10Maから側面10Mbに向かう方向を図1に示したy軸方向とし、縁部28Ma及び位相シフト部36Mをそれぞれ半導体レーザ素子10における縁部28b及び位相シフト部36xとした場合も同様である。
In the above simulation, the x-axis direction shown in FIG. 4 is the x-axis direction shown in FIG. 1, and unless otherwise specified, the edge portion 28Ma and the
従って、図1〜図3を利用して説明したように、電極28の縁部28a,28bの直下近傍に位相シフト部36x,36yを導入することで、光出力面Sからの光の取り出し効率を向上させることができることになる。また、図7〜図9の結果より、電極28Mの縁部28Ma,28Maの直下において取り出し効率がピーク値を示す傾向にあるため、位相シフト部36x,36yの位置は、電極28の縁部28a,28bの直下がより好ましい。
Accordingly, as described with reference to FIGS. 1 to 3, the light extraction efficiency from the light output surface S can be obtained by introducing the
なお、図9のシミュレーション結果を得たシミュレーションを実施する際のフォトニック結晶層20Mに対する位相シフト部36Mの2次元的な配置例としては、図10に示す形態が例示される。すなわち、x軸方向及びy軸方向に沿って3つの位相シフト部36M,36M,36Mをフォトニック結晶層20Mにおいて導入する場合、x軸方向及びy軸方向に対する電極28Mの中心線の直下にそれぞれ位相シフト部36M,36Mを導入し、x軸方向及びy軸方向において、電極28Mの中心線の直下に設けられた位相シフト部36M,36Mの両側に位相シフト部36M,36Mをそれぞれ導入すればよい。図10では、位相シフト部36Mは一点鎖線で模式的に示しており、柱状部(格子点)34は省略している。また、位相シフト部36Mと電極28Mとの位置関係を示すために、電極28Mを破線で模式的に示している。図10に示した位相シフト部36Mの配置例において、図9のシミュレーション結果は、x軸方向又はy軸方向それぞれに設けられた3つの位相シフト部36M,36M,36Mにおいて両端の2つの位相シフト部36M,36Mの間の距離をD3とし、D3を適宜変更した場合の取り出し効率の変化を計算により得た結果に対応することになる。
In addition, as a two-dimensional arrangement example of the
以上、本発明の面発光型半導体レーザ素子の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。図1に示した半導体レーザ素子10は、基板12の主面12a上に、クラッド層14、活性層16、バッファ層18、フォトニック結晶層20、ガイド層22、クラッド層24及びコンタクト層26を備えると共に光出力面Sを有し、光出力面S上に電極28が設けられているとした。しかしながら、半導体レーザ素子は、基板12上に少なくとも活性層16及びフォトニック結晶層28を備えると共に主面12aに直交する方向上において光出力面Sを有し、光出力面S上に電極28が設けられていればよい。特に、バッファ層18は、フォトニック結晶層20をエッチングを利用して形成しない場合には、必ずしも設けなくても良い。
As mentioned above, although the embodiment of the surface emitting semiconductor laser device of the present invention has been described, the present invention is not limited to the above embodiment. The
また、基板12の主面12a上に、活性層16及びフォトニック結晶層20がこの順に設けられるとしたが、主面12a上に、フォトニック結晶層20及び活性層16の順にそれらが設けられていても良い。
Further, although the
また、位相シフト部は電極28の平面視形状に応じて形成されていればよい。例えば、電極28の平面視形状が円形であれば縁部直下の領域の形状も円形になるため、位相シフト部は、円形又は円形に近い閉じた曲線に沿って形成すればよい。この場合、電極28に対して1つの位相シフト部が形成されることになる。
Moreover, the phase shift part should just be formed according to the planar view shape of the
また、半導体レーザ素子10では、図3に示すように、x軸方向及びy軸方向にそれぞれ2つの位相シフト部36x,36yを有するとして説明したが、電極28の縁部28a,28bの直下近傍に位相シフト部36x,36yが設けられていれば、位相シフト部36x,36yの数は特に限定されない。また、図3に示したように位相シフト部36x,36yをy軸方向及びx軸方向に延びるように形成しなくても、例えば、電極28の平面視形状に応じて閉じた曲線を形成するように位相シフト部を形成してもよい。
Further, the
更に、実施形態では、フォトニック結晶層20が有する柱状部34は、互いに直交する2つの第1及び第2の方向に延びる回折格子群Lx,Lyを構成しており、各回折格子群Lx,Lyにおいて柱状部34の配列状態は同一とした。しかしながら、格子点としての柱状部34は、互いに異なる方向に延びる2つ以上の回折格子群を構成し、各回折格子群における格子点の配列状態が同一であればよい。換言すれば、格子点としての柱状部34が、互いに直交する第1及び第2の方向に延びる回折格子群を構成する場合、格子点は、正方格子状に配置されているとみなせるが、本発明はこれに限定されず、格子点が三角格子状や六方格子状に配置されており、互いに異なる方向に延びる2つ以上の回折格子群を構成しているとすることもできる。なお、前述したように位相シフト部は電極28の平面視形状に応じて形成されるため、電極28の平面視形状と格子点の配列状態を対応させておくことが電極28の縁部直下近傍に位相シフト部を配置する観点からより好ましい。例えば、実施形態で示したように、電極28の平面視形状を正方形状とした場合には、フォトニック結晶層20の格子点は正方格子状に配置することが好ましい。
Furthermore, in the embodiment, the
10…面発光型半導体レーザ素子、12…基板、12a…主面、16…活性層、20…フォトニック結晶層、28…電極、28a,28a…電極の一対の縁部(第2の縁部)、28b,28b…電極の一対の縁部(第1の縁部)、34…柱状部(格子点)、36x,36y…位相シフト部、Lx,Ly…回折格子群、S…光出力面。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
基板と、
前記基板の主面上に設けられておりキャリアが注入されると光を発生する活性層と、
前記基板の前記主面上に設けられており前記活性層と光学的に結合しているフォトニック結晶層と、
前記主面に略直交する方向において前記フォトニック結晶層からみて前記基板と反対側に位置しており、前記面発光型半導体レーザ素子で発生されるレーザ光を出力する光出力面と、
前記光出力面上に設けられており前記活性層に前記キャリアを与える電極と、
を備え、
前記フォトニック結晶層は、前記活性層で発生した光に含まれる所定波長の光の一部を前記光出力面側に回折せしめると共に、前記所定波長の光の他の部分を前記主面に略平行な面内に閉じ込める2次元フォトニック結晶構造を有しており、
前記所定波長は前記レーザ光の波長であり、
前記電極は少なくとも1つの縁部を有しており、
前記フォトニック結晶層には、前記縁部の直下近傍に位相シフト部が形成されていることを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。 A surface emitting semiconductor laser element,
A substrate,
An active layer provided on the main surface of the substrate and generating light when carriers are injected;
A photonic crystal layer provided on the major surface of the substrate and optically coupled to the active layer;
A light output surface that outputs laser light generated by the surface-emitting semiconductor laser element, located on the opposite side of the substrate as viewed from the photonic crystal layer in a direction substantially orthogonal to the main surface;
An electrode provided on the light output surface and supplying the carrier to the active layer;
With
The photonic crystal layer diffracts a part of light having a predetermined wavelength included in the light generated in the active layer to the light output surface side, and another part of the light having the predetermined wavelength is substantially formed on the main surface. It has a two-dimensional photonic crystal structure confined in parallel planes,
The predetermined wavelength is a wavelength of the laser beam,
The electrode has at least one edge;
The surface-emitting type semiconductor laser device, wherein a phase shift portion is formed in the photonic crystal layer in the vicinity immediately below the edge portion.
各前記回折格子群はそれぞれ異なる方向に延びており、
前記回折格子群の各々を構成する前記格子点は、各前記回折格子群同士において各前記回折格子群が延びる方向に沿って同一の配列関係で配列されており、
各前記回折格子群は前記縁部の直下近傍に前記位相シフト部を有することを特徴とする請求項1に記載の面発光型半導体レーザ素子。 The plurality of grating points of the photonic crystal structure constitutes two or more diffraction grating groups,
Each of the diffraction grating groups extends in a different direction,
The grating points constituting each of the diffraction grating groups are arranged in the same arrangement relationship along the direction in which the diffraction grating groups extend between the diffraction grating groups,
2. The surface-emitting type semiconductor laser device according to claim 1, wherein each of the diffraction grating groups has the phase shift portion in the vicinity immediately below the edge portion.
前記第1及び第2の回折格子群の各々を構成する前記格子点は、前記第1及び第2の回折格子群において前記第1及び第2の方向に沿って同一の配列関係で配列されており、
前記電極の平面視形状が略四角形状であって、前記電極は互いに対向する一対の第1の縁部及び互いに対向する一対の第2の縁部を有し、
前記第1及び第2の縁部はそれぞれ前記第1及び第2の方向に延びており、
前記第1及び第2の回折格子群は、前記一対の第1の縁部及び前記一対の第2の縁部のそれぞれ直下近傍に前記位相シフト部を有することを特徴とする請求項1に記載の面発光型半導体レーザ素子。 The plurality of lattice points of the photonic crystal structure constitute a first diffraction grating group and a second diffraction grating group extending in first and second directions orthogonal to each other,
The grating points constituting each of the first and second diffraction grating groups are arranged in the same arrangement relationship along the first and second directions in the first and second diffraction grating groups. And
The shape of the electrode in plan view is a substantially square shape, and the electrode has a pair of first edges facing each other and a pair of second edges facing each other.
The first and second edges extend in the first and second directions, respectively;
The said 1st and 2nd diffraction grating group has the said phase shift part in the immediate vicinity of each of a pair of said 1st edge part and a pair of said 2nd edge part, respectively. Surface emitting semiconductor laser device.
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