二维光子晶体面发射激光器的制作方法

本发明涉及半导体激光器，特别是涉及使用二维光子晶体对光进行放大的二维光子晶体面发射激光器。

背景技术：

半导体激光器具有小型、廉价、低功耗、长寿命等众多优点，在光记录用光源、通信用光源、激光显示器、激光打印机、激光指示器等广泛领域得到普及。另一方面，在激光加工的领域中，需要光输出至少超过1W的激光，但当前实用化的半导体激光器由于后述的理由，并未达到该输出。因此，就现状而言，在激光加工的领域中并未使用半导体激光器，而是使用二氧化碳激光器等气体激光器。

当前已经实用化的半导体激光器的光输出小的理由如下。为了提高半导体激光器的光输出，从元件射出的激光束的剖面积(出射面积)较大为好。另一方面，为了提高加工精度，向被加工物照射的激光束的剖面积(光斑面积)较小为好。因此，理想而言，期望的是从激光源射出的激光束不扩散而维持原状地到达被加工物。但是，对于半导体激光器而言，越增大出射面积，激光束的扩散角就越大，而且，激光的波面紊乱。若激光的波面紊乱，则即使使用光学系统进行聚光，也难以缩小光斑面积。因此，对于当前实用化的半导体激光器而言，难以在缩小扩散角的同时使光输出成为1W以上。

最近，由作为本发明的一部分发明者的野田、梁(Liang)等开发出了一种二维光子晶体面发射激光器，其具有如下特性，即，光输出为1.5W，并且光束扩散角为3°以下(非专利文献1以及2)。二维光子晶体面发射激光器具有在板状的母材上周期性地配置了折射率与其不同的异折射率区域的二维光子晶体和活性层。在二维光子晶体面发射激光器中，通过向活性层注入电流从而由该活性层产生的光当中，只有与异折射率区域的周期对应的给定波长的光被放大而产生激光振荡，在与二维光子晶体垂直的方向上作为激光束而射出。二维光子晶体面发射激光器由于从二维光子晶体中的一定范围内发光(面发光)，因此与端面发光型的半导体激光器相比，其出射面积较大，能够容易提高光输出，并且也能够缩小扩散角。关于二维光子晶体，以往已知异折射率区域的平面形状(圆形、正三角形等)或配置(三角格子状、正方格子状)等不同的各种各样的二维光子晶体，但在非专利文献1以及2所记载的二维光子晶体面发射激光器中，通过将平面形状为直角三角形的异折射率区域配置在与它们的正交边平行的正方格子的格子点上，从而相比于现有的二维光子晶体面发射激光器，能够提高光输出。

在先技术文献

非专利文献

非专利文献1：Kazuyoshi Hirose等5名著，″Watt-class high-power，high-beam-quality photonic-crystal lasers″(瓦级高输出高光束质量光子晶体激光器)，Nature Photonics(自然光子学)，(英国)，第8卷，第406～411页，2014年4月13日发行

非专利文献2：国立大学法人京都大学，浜松Photonics株式会社著，”瓦级高输出光子晶体激光器：领先于全球而实现-世界首次由面发光型激光器以高光束质量达成瓦级的高输出化-”，[online]，国立大学法人京都大学Web Page，[2014年8月11日检索]，因特网<http：//www.kyoto-u.ac.jp/ja/news_data/h/h1/news6/2014/documents/140414_1/01.pdf>，2014年4月10日

技术实现要素：

发明要解决的课题

为了提高二维光子晶体面发射激光器的特性，一直以来都只专注于二维光子晶体的构成。但是，半导体激光器通过活性层中的发光与二维光子晶体中的放大的共同作用而生成。以往，并没有进行着眼于该关系的研究。

本发明要解决的课题在于，着眼于活性层中的发光与二维光子晶体中的放大的共同作用，提供一种能够提高所射出的光的特性、特别是光输出的二维光子晶体面发射激光器。

用于解决课题的手段

本发明者着眼于在二维光子晶体面发射激光器中，向活性层注入电荷的电极的构成。然后，有如下发现而完成了本发明：通过在活性层的电荷(载流子)密度中形成基于面内位置的分布，从而在二维光子晶体中，产生与活性层的电荷密度一样的情况不同的放大作用。

为了解决上述课题而达成的本发明所涉及的二维光子晶体面发射激光器具有：在板状的母材上将折射率与该母材不同的异折射率区域周期性地配置为二维状而成的二维光子晶体；设置于所述二维光子晶体的一侧的活性层；和夹着所述二维光子晶体以及所述活性层而设置的、向该活性层供给电流的第1电极以及覆盖与该第1电极相同或比该第1电极更大的范围的第2电极，该二维光子晶体面发射激光器的特征在于，

将该第1电极形成为以根据所述第1电极的面内位置而不同的密度向所述活性层供给电流。

在二维光子晶体面发射激光器中，一般为了从面方向取出光，夹着二维光子晶体和活性层而设置的2枚电极将发光侧设为透明电极，将另一方设为不透明(反射)电极，或者将发光侧的电极形成得比另一方的电极小。而且，活性层以及二维光子晶体设置于与这些电极(存在大小的情况下为较大一方的电极)相同或比它们更大的范围。因此，在两电极间流动的电流(电荷)被注入到活性层当中的一部分区域(以下称为“电荷注入区域”)。另外，在一个电极小于另一个电极的情况下，电荷注入区域虽然也依赖于电极的面积以及电极间的距离，但一般来说接近于较小一方的电极。

在本发明所涉及的二维光子晶体面发射激光器中，较小一方(范围较窄的一方)的第1电极以根据其面内位置而不同的密度向活性层供给电流，由此活性层的电荷注入区域中的电荷密度也成为根据面内位置而不同的值。由此，在活性层中的发光的强度中，形成基于面内位置的分布。然后，通过该发光的强度分布，从而在二维光子晶体中，产生与活性层中的电荷密度一样的情况不同的放大作用。

作为用于提高二维光子晶体面发射激光器的光输出的方法之一，能够采用如下这样的构成，即，将第1电极形成为以在第1电极的面内位置的中心具有最高密度的分布向所述活性层供给电流。由此，在活性层的电荷注入区域中，产生具有中心最大的强度分布的发光。若这样的发光在二维光子晶体中被放大，则容易产生基本模式的激光振荡，能够抑制高次模式的不必要的激光振荡。因此，能够提高作为整体的光输出。

另一方面，在与上述示例相反选择性地使高次模式的激光器振荡的情况等下，也可以以在第1电极的面内位置的中心以外的位置具有较高密度的分布向活性层供给电流。

为了以根据第1电极的面内位置而不同的密度向活性层供给电流，第1电极能够采用将导电体形成为网格状这样的构成。在由这样的网格状导电体构成的第1电极中，通过例如使网格的线的粗度、间隔根据位置而不同，从而将导电体在网格内的面积比设为根据位置而彼此不同的值，由此能够形成基于第1电极的面内位置的电流密度的分布。

为了通过网格状的第1电极来形成遍及该第1电极的整体的大范围的电流分布，期望不形成与网格的线的粗度、间隔对应的局部的电流分布。因此，将网格的线的间隔设为所述活性层中的电流分散范围L_c的1.4倍以下即可。另一方面，在局部的电流的周期性分布被容许的情况下为了减小电流密度、或者为了形成那样的周期性分布，也可以将网格的线的间隔设为大于1.4倍。在此活性层中的电流分散范围L_c是表示从第1电极中的1点朝向第2电极流动的电流在活性层的面内扩散的区域的大小的数值，由从该区域的中心到端部的距离来规定。电流分散范围L_c与活性层中的载流子扩散长度大致相等。

网格状的第1电极中的基于面内位置的电流密度的差异，例如，能够通过具有所述导电体在网格内的面积比不同的多个区域的网格来形成。在该情况下，通过将网格形成为随着从第1电极的面内位置的中心远离，所述多个区域各自的所述面积比逐渐减小，从而在活性层的电荷注入区域中产生具有中心最大的强度分布的发光，该发光在二维光子晶体中被放大，由此容易产生基本模式的激光振荡。进一步在该情况下，包含所述中心的区域能够仅由导电体构成。

或者，网格状的第1电极中的基于面内位置的电流密度的差异，能够通过使网格的线的粗度、间隔根据位置而不同以使得所述导电体在网格内的面积比根据位置而连续性地变化来形成。在该情况下，通过将网格形成为随着从第1电极的面内位置的中心远离，所述导电体在所述网格内的面积比逐渐减小，从而在活性层的电荷注入区域中产生具有中心最大的强度分布的发光，该发光在二维光子晶体中被放大，由此容易产生基本模式的激光振荡。

在这些网格状的第1电极中，在选择性地使高次模式的激光器振荡的情况等下，也可以将第1电极的面内位置的中心以外的位置上的导电体的面积比设为最大。

作为用于以根据面内位置而不同的密度向活性层供给电流的第1电极的另一形式，可以列举具有配置为同心圆状的多个环状导电体、和将环状导电体彼此电连接的连接部的形式。同心圆的中心既可以是无导电体的空间，也可以配置非环状(典型而言圆形)的导电体。在该形式的情况下，通过根据距中心的距离将环状导电体的宽度以及/或者间隔设为不同的值，从而能够形成同心圆状的电流密度分布。为了容易产生基本模式的激光振荡，随着从第1电极的面内位置的中心远离而缩小环状导电体的宽度以及/或者扩大间隔即可，在选择性地使高次模式振荡的情况等下，可以设为除此以外的宽度以及/或者间隔。此外，与网格状的第1电极中的网格的线的间隔同样地，环状导电体的间隔为了形成遍及第1电极整体的大范围的电流分布而期望较小，为了减小电流密度或形成局部的电流的周期性分布而期望较大。

作为用于以根据面内位置而不同的密度向活性层供给电流的第1电极的另一形式，可以列举将第1电极分割成多个区域，并分别由彼此电绝缘的子电极构成的形式。在该形式的情况下，通过对各子电极连接了彼此不同的电源之后，调整在与第2电极之间分别施加的电压，从而能够控制每个区域的电流密度。

发明效果

根据本发明，将第1电极形成为以根据其面内位置而不同的密度向活性层供给电流，从而在活性层的电荷注入区域中的电荷中也形成根据位置而不同的密度分布，由此，能够提高在二维光子晶体中被放大后向外部射出的激光的特性，特别是能够提高光输出。

附图说明

图1是表示本发明所涉及的二维光子晶体面发射激光器的实施例的立体图。

图2是表示本实施例的二维光子晶体面发射激光器中的二维光子晶体的一例的立体图(a)以及俯视图(b)。

图3是将本实施例的二维光子晶体面发射激光器的活性层中的电荷注入区域与二维光子晶体对比表示的示意图。

图4是表示第1实施例的二维光子晶体面发射激光器中的第1电极的构成的俯视图。

图5是表示第1实施例中的活性层的(a)中央部以及(b)周围部的电荷密度分布的曲线图。

图6是表示第1实施例中的活性层的中央部以及周围部的俯视图。

图7是表示对第1实施例中的阈值增益差Δα计算得到的结果的曲线图，(a)表示第1电极的1边的长度L＝200μm的情况下的基于第1导电区域的1边的长度L_i相对于L的比L_i/L的差异，(b)表示L_i/L＝0.5的情况下的基于L的差异。

图8是表示对第1实施例中基于第1电极的网格的线的间隔L₂的活性层的电荷密度分布的差异计算得到的结果的曲线图。

图9是表示对第1实施例中基于第1电极的网格的线的宽度L₁的活性层的电荷密度分布的差异计算得到的结果的曲线图。

图10是表示第1实施例中的第1电极的3个变形例的俯视图。

图11是表示第1实施例中的第1电极的另一变形例的俯视图。

图12是表示对图11的示例中的阈值增益差Δα计算得到的结果的曲线图，(a)表示第1电极的1边的长度L＝200μm的情况下的基于电荷密度的高斯分布的宽度w_p相对于L的比w_p/L的差异，(b)表示w_p/L＝0.25的情况下的基于L的差异。

图13表示第1实施例中的第1电极的另一变形例的俯视图。

图14是表示第2实施例的二维光子晶体面发射激光器中的第1电极的构成的俯视图。

图15是表示第3实施例的二维光子晶体面发射激光器中的第1电极的构成的俯视图。

图16是表示第3实施例的二维光子晶体面发射激光器中的第1电极的变形例的俯视图。

具体实施方式

使用图1～图16来说明本发明所涉及的二维光子晶体面发射激光器的实施例。以下，大致分为3个实施例来进行说明，最初说明各实施例共同的构成，然后，以第1电极的构成为中心，对每个实施例中特有的构成进行说明。

实施例

[各实施例共同的构成]

各实施例的二维光子晶体面发射激光器10X都具有如下构成，即，将第1电极15X、第1包覆层141、活性层11、间隔层13、二维光子晶体层12、第2包覆层142以及第2电极16依次进行了层叠(图1)。其中，活性层11和二维光子晶体层12的顺序也可以与上述的顺序相反。在图1中，为了说明的方便，将第1电极15X作为上侧、将第2电极16作为下侧进行了表示，但各实施例的二维光子晶体面发射激光器10X的使用时的朝向并不限定于该图所示的朝向。以下，说明各层以及电极的构成。

活性层11通过从第1电极15X以及第2电极16注入电荷，从而发出具有给定波长带的光。活性层11的材料在本实施例中使用了InGaAs/AlGaAs多量子阱(发光波长带：935～945nm)，但本发明并不限定于该材料。活性层11是厚度为约2μm的正方形状，该正方形的1边与后述的第2电极16或16A相同或者相比稍大。但是，关于活性层11，本发明并不限定于该尺寸，此外，也能够设为圆形或六边形等其他形状。

二维光子晶体层12，例如如图2所示，在板状的母材121上周期性地配置了折射率与其不同的异折射率区域122而成。母材121的材料在本实施例中为GaAs，但本发明并不限定于该材料。异折射率区域122在本实施例中为空孔(空气或者真空)，但也可以取代空孔而使用与母材121材料(折射率)不同的物体。在本实施例中，将平面形状为直角三角形的异折射率区域122配置在与它们的正交边平行的正方格子的格子点(lattice point)上。正方格子的周期长a，考虑二维光子晶体层12内的折射率，设为了与活性层11中的发光波长带内的波长对应的287nm。其中，异折射率区域122的形状也可以采用圆形、正三角形等其他结构，异折射率区域122的配置也可以采用三角格子状等其他结构。母材121的平面形状与活性层11相同，厚度为约300nm。另外，在图2中将异折射率区域122在纵向和横向上各描绘了6个，但实际上设置有比这更多的异折射率区域122。

间隔层13虽然并非本发明中的必须的构成要素，但是为了对材料不同的活性层11与二维光子晶体层12进行连接而被设置。间隔层13的材料在本实施例中为AlGaAs，但可根据活性层11以及二维光子晶体层12的材料适当变更。

第1电极15X具有每个实施例特有的构成。第1电极15X的构成的详情在各实施例的说明中叙述。另外，在图1中，第1电极15X的详细的构成进行抽象，仅描绘了外形。在此仅说明各实施例共同的第1电极15X的材料以及整体的大小。第1电极15X的材料在本实施例中为p型半导体，对于从二维光子晶体面发射激光器10X放出的激光(本实施例中在真空中波长940nm)不透明。第1电极15X的整体是1边的长度L为约200μm的正方形状，比活性层11、二维光子晶体123小。此外，在第1电极15X的周围，在与第1电极15X之间隔着绝缘体设置有由对于激光不透明的金属构成的反射层(未图示)。反射层与第1电极15X一起具有如下作用，即，反射由二维光子晶体面发射激光器10X产生的激光，使其从第2电极16侧向外部放出。

第2电极16在图1(a)所示的例子中为n型半导体，由作为对于上述激光透明的材料的铟锡氧化物(ITO)形成，但本发明并不限定于该材料，例如也能够使用铟锌氧化物(IZO)。第2电极16是1边为约800μm的正方形状，具有与活性层11以及二维光子晶体层12的母材121相同或者相比稍小的平面尺寸。也可以取代使用这样的透明电极，而使用图1(b)所示的第2电极16A。第2电极16A具有由对于激光不透明的金属构成的正方形的板状构件的中央呈正方形状被挖空的构成。将板状构件被挖空的部分称为窗部161A，将板状构件残留的部分称为框部162A。板状构件(框部162A的外侧)的正方形是1边800μm，窗部161A的正方形是1边600μm。在该例的情况下，由二维光子晶体面发射激光器10X生成的激光通过窗部161A向外部放出。

第1包覆层141以及第2包覆层142虽然并非本发明中的必须的构成要素，但是具有如下作用，即，将第1电极15X与活性层11以及第2电极16与二维光子晶体层12进行连接，并且使得从第1电极15X以及第2电极16向活性层11容易注入电流。为了起到这些作用，第1包覆层141的材料使用了p型半导体，而第2包覆层142的材料使用了n型半导体。第1包覆层141从第1电极15X侧起依次具有由p-GaAs构成的层和由p-AlGaAs构成的层的2层结构，同样地，第2包覆层142从第2电极16侧起依次具有由n-GaAs构成的层和由n-AlGaAs构成的层的2层结构(均未图示2层结构)。在这些第1包覆层141以及第2包覆层142中，本发明也不限定于上述材料。第1包覆层141以及第2包覆层142的平面尺寸与活性层11以及二维光子晶体层12的母材121相同。第1包覆层141的厚度为2μm，第2包覆层142的厚度为200μm。因此，第1电极15X远比第2电极16更靠近活性层11。因此，活性层11内的电荷注入区域111(图3)成为与第1电极15X的平面形状以及大小接近的区域。此外，二维光子晶体123因为大于第1电极15X，所以也大于活性层11的电荷注入区域111(图3)。

说明二维光子晶体面发射激光器10X的动作。对第1电极15X与第2电极16之间施加给定电压。该电压的施加的方法因各实施例的第1电极15X的形态而各异，因此其详情在各实施例中进行说明。由此，从两电极向活性层11的电荷注入区域111注入电流。由此，向电荷注入区域111注入电荷，从电荷注入区域111产生具有给定波长带内的波长的发光。关于电荷注入区域111中的电荷的密度分布以及发光的强度分布，在各实施例中进行说明。这样产生的发光在二维光子晶体123内，与正方格子的周期长a对应的波长的光被选择性地放大，进行激光振荡。振荡得到的激光从第2电极16侧向外部射出。

以下，关于各实施例，以特有的构成为中心进行说明。

[第1实施例-网格状电极]

在第1实施例的二维光子晶体面发射激光器中，使用具有图4所示的构成的第1电极15A。第1电极15A整体为正方形状，具有形成在中心附近的正方形状的第1导电区域15A11、和形成在第1导电区域15A11的周围的第2导电区域15A12这2个区域。第1导电区域15A11由一样的导电体(p型半导体)形成。相对于此，在第2导电区域15A12，导电体形成为网格状，网格的线15A2之间利用由绝缘体构成的线间区域15A3来填充。线间区域15A3的材料使用了SiN。第1导电区域15A11的导电体和构成第2导电区域15A12的网格的线15A2的导电体由于是一体的并且电连接，因此等电位。这样的网格状电极能够使用通常的光刻法来制作。

在本实施例中，作为第1导电区域15A11的平面形状的正方形的1边的长度L_i设为了100μm。此外，活性层11中的载流子扩散长度通过计算而估计为2.5μm，电流分散范围L_C的大小设为与该载流子扩散长度大致相等，第2导电区域15A12中的网格的线15A2的间隔L₂设为了L_C的约1.2倍的3.0μm。网格的线15A2的宽度L₁设为了1.25μm。

在第1实施例的二维光子晶体面发射激光器中，对在活性层11的电荷注入区域111形成的电荷密度的分布进行计算的结果在图5中示出。在这些计算中，电流分散范围L_C设为了与载流子扩散长度相同的2.5μm。因此，网格的线15A2的间隔L₂为L_C的1.2倍。图5(a)示出电荷注入区域111内与第1导电区域15A11对应的中央部1111(参照图6)的电荷密度的分布，(b)示出与第2导电区域15A12对应的周围部1112(同)的电荷密度的分布。在(a)以及(b)的曲线图中，将距离中央部1111的中心的位置设为x轴，并对纵轴进行了标准化使得中央部1111的中心((a)的曲线图中的x轴的原点)处的值成为1。如这些曲线图中所示的那样，在中央部1111和周围部1112，分别形成了大致一样的电荷密度，就电荷注入区域111整体而言，形成了中央部1111的电荷密度为周围部1112的电荷密度的大约2倍这样的电荷密度的分布。通过形成这样的电荷密度的分布，从而从电荷注入区域111，产生具有中央部1111最大的强度分布的发光，该发光在二维光子晶体123中被放大，由此容易产生基本模式的激光振荡。因此，能够抑制高次模式的不必要的激光振荡，能够提高作为整体的光输出。

为了对容易产生基本模式的激光振荡的情况加以确认，通过计算来求出第1实施例中的阈值增益差Δα。阈值增益差Δα是从基本模式的振动的阈值增益中，减去在基本模式之后振动的波腹以及波节的数量较少的次高次模式的振动的阈值增益之后得到的值。各振动模式的阈值增益是表示基于该振动模式的激光振荡的强度的值，阈值增益差Δα越大，意味着基本模式的激光振荡越容易产生。

首先，在图7(a)的曲线图中示出针对将第1电极的1边的长度如上所述设为L＝200μm、L_i为包含上述的100μm在内的0～200μm的范围内的不同的多个值的情况计算阈值增益差Δα得到的结果。该曲线图的横轴以L_i/L表示。在该曲线图中，L_i/L＝1的数据并非本实施例的数据，而是第1电极整体为一样的导体板的现有的二维光子晶体激光器的数据。此外，L_i/L＝0的数据示出了第1电极由导电体的密度一样的网格状电极构成。从该曲线图可以得知，在具有由一样的导电体构成的第1导电区域和网格状的第2导电区域的L_i/L≠0以及1的情况下，阈值增益差Δα全都比现有的L_i/L＝1的情况大，可以说容易产生基本模式的激光振荡。此外，在图7(a)所示的数据当中的L_i/L＝0.5的情况下，即上述的L_i＝100μm且L＝200μm的情况下，阈值增益差Δα最大。

接下来，在图7(b)的曲线图中示出针对将L_i/L设为0.5、L的值不同的多个情况计算阈值增益差Δα得到的结果。从该曲线图可知，在L的值大于300μm的范围内，L越大则阈值增益差Δα越小。另一方面，L越大，第1电极整体的面积越大，因而在提高激光输出这一点上有利。因此，在图7(b)所得到的Δα的计算值中，针对(a)中的现有例(L_i/L＝1)的Δα的值以上的计算值当中L最大的L＝600μm(L_i＝300μm)的情况计算了激光的光输出，结果得到了2.4W这样的值。该光输出的计算值高于非专利文献1以及2所记载的二维光子晶体激光器的实验值(虽然计算值和实验值存在差异)。

至此对第1电极15A的第2导电区域15A12中的网格的线15A2的间隔L₂为3.0μm的情况进行了说明，针对该间隔L₂不同的多个示例，计算了活性层11中的周围部1112的电荷密度，结果在图8中示出。网格的线15A2的宽度L₁都设为0.50L_cμm，间隔L₂在图8(a)中设为0.50L_cμm，在(b)中设为0.80L_cμm，在(c)中设为1.20L_cμm(因此，(c)再次示出了图5(b))，在(d)中设为1.40L_cμm，在(e)中设为了2.00L_cμm。根据这些计算，周围部1112的电荷密度分布在(a)～(c)的情况下大致相同，在(d)的情况下虽然可以看到与网格的线15A2的周期对应的微小的周期性变动，但其变动幅度被抑制为小于5％。相对于此，在该间隔L₂大于电流分散范围L_c的1.4倍的(e)的情况下，电荷密度分布的周期性变动的幅度成为超过10％的较大幅度。此外，在网格的线15A2的宽度L₁相同的情况下，越扩大间隔L₂则电荷密度变得越小。

图9中，示出在网格的线15A2的间隔L₂相同的情况下，针对宽度L₁不同的多个示例计算了活性层11中的周围部1112的电荷密度而得到的结果。网格的线15A2的间隔L₂都设为1.20L_cμm，宽度L₁在图9(a)中设为0.50L_cμm(因此，(a)再次示出了图5(b)以及图8(c))，在(b)中设为0.32L_cμm，在(c)中设为0.20L_cμm，在(d)中设为0.16L_cμm，在(e)中设为0.12L_cμm，在(f)中设为了0.08L_cμm。根据这些计算，对于周围部1112的电荷密度分布而言，越减小网格的线15A2的宽度L₁则电荷密度变得越小。

如上所述，由于第1电极15A中的网格的线15A2的间隔L₂以及/或者宽度L₁的差异，导电体(线)在网格内的面积比变得越小则电荷密度会变得越小。因此，通过这些间隔L₂以及/或者宽度L₁的设定，从而能够决定对应的活性层11内的位置上的电荷密度。

第1导电区域15A11也可以取代如上述示例那样设为一样的导电体，而例如由与第2导电区域15A12相比网格的线的宽度L₁更宽(图10(a))或者宽度L₁相同且间隔L₂较窄的、导电体的面积比大于第2导电区域15A12的网格构成。或者，也可以从第1电极15A的中心朝向周围，设置3个以上的导电区域(第1导电区域15A11、第2导电区域15A12、第3导电区域15A13…)使得导电体的面积比逐渐变小(图10(b))。作为另一例，也能够采用如下构成，即，将导电体的面积比最大的正方形的第1导电区域15A11设置于第1电极15A的中央，与第1导电区域15A11的正方形的边相接，设置导电体的面积比其次大的第2导电区域15A12，与第1导电区域15A11的正方形的顶点相接，设置导电体的面积比小于这2个导电区域的第3导电区域15A13(图10(c))。

如图11所示，也可以从第1电极15A的面内位置的中心朝向外侧，使各线间区域15A3的面积逐渐增大。在该例中，网格的线15A2的间隔L₂无论面内位置如何都设为相同值，宽度L₁按照随着从面内位置的中心远离而逐渐减小的方式连续变化。在面内位置的中心，宽度L₁与间隔L₂相同，并未设置线间区域15A3。通过这些构成，从而第1电极15A内的导电体的面积比按照随着从面内位置的中心远离而逐渐减小的方式大致连续地变化。对于从这样的第1电极15A注入电流的活性层11的电荷注入区域111而言，形成从面内位置的中心朝向外侧逐渐减小的电荷密度，由此，发光的强度也同样地从面内位置的中心朝向外侧逐渐减小。这种基于发光的位置的强度分布与之前列举的其他例子的情况相比更接近于高斯分布，因此变得更容易产生基本模式的激光振荡。

图12中，用曲线图示出在图11的示例中计算了阈值增益差Δα的结果。在此，假定在电荷注入区域111内形成具有宽度w_p的电荷密度的高斯分布。在图12(a)中将L固定为200μm并将曲线图的横轴设为w_p/L，在(b)中将w_p/L固定为0.25并将曲线图的横轴设为了L。此外，在(a)中，w_p/L＝0的数据并非本实施例的数据，而是通过板状的第1电极而在活性层形成一样的电荷分布的现有的二维光子晶体激光器的数据。(a)所示的本实施例的数据可以说阈值增益差Δα全都比现有的w_p/L＝0的情况大，容易产生基本模式的激光振荡。此外，根据(b)的曲线图，在L的值大于400μm的范围中，L越大则阈值增益差Δα变得越小，但如前所述，L越大，第1电极整体的面积就越大，因此在提高激光输出这一点上有利。在(b)所得到的Δα的计算值中，针对(a)中的现有例的Δα的值以上的计算值当中的L最大的L＝2200μm的情况计算了激光的光输出，结果得到了8W这样的值。该光输出的计算值比使用前述的第1导电区域15A11以及第2导电区域15A12仅由2个值对电荷密度进行调整的情况下的计算值高。

图13中示出用于选择性地使高次模式的激光器振荡的第1电极15A的例子。在该例中，在正方形的第1电极15A中，在该正方形的4个顶点当中的位于1条对角线上的2个顶点附近分别具有第1导电区域15A11，除此以外的区域设为了导电体的面积比小于第1导电区域15A11的第2导电区域15A12。由此，形成如下这样的分布，即，在第1电极15A的平面形状的中心附近电流密度较低，在上述2个顶点附近电流密度较高。若这样的分布的电流被注入到活性层11，则由此由活性层11产生的光在二维光子晶体123中成为如下的高次模式的驻波，即，使中心附近成为波节，使与上述对角线上的2个顶点对应的位置的附近成为波腹。

[第2实施例-同心圆状电极]

在第2实施例的二维光子晶体面发射激光器中，如图14所示，使用具有如下构成的第1电极15B：呈同心圆状地具有多个环状的导电体15B1，由环状绝缘体15B2对环状导电体15B1彼此的边界进行绝缘。在同心圆的中心，设置了圆形导电体15B0。圆形导电体15B0以及多个环状导电体15B1彼此通过线状导电体15B3电连接。环状导电体的宽度15B1设为与环状绝缘体15B2的宽度之比随着从中心远离而减小。由此，形成随着从第1电极15B的中心远离而减小这样的电流密度分布。

[第3实施例-分割电极]

在第3实施例的二维光子晶体面发射激光器中，使用具有图15所示的构成的第1电极15C。第1电极15C整体为正方形状，具有形成于中心附近的正方形状的第1导电区域15C11、和形成于第1导电区域15C11的周围的第2导电区域15C12这2个区域。在第1导电区域15C11与第2导电区域15C12的边界处，具有如正方形的4边那样呈线状形成的由绝缘体构成的绝缘区域15C21。由此，第1导电区域15C11和第2导电区域15C12分别作为前述的子电极而发挥作用。此外，第1电极15C具有由导电体构成的线状的连接区域15C31，该连接区域15C31从第1导电区域15C11的正方形的1个顶点在第2导电区域15C12的正方形的对角线上延伸，到达第2导电区域15C12的1个顶点。在连接区域15C31的线的两侧也设置了绝缘区域15C21。该第1电极15C能够使用通常的光刻法来制作。

在第3实施例的二维光子晶体面发射激光器中，对第1导电区域15C11-第2电极16间施加第1电压V₁，并且对第2导电区域15C12-第2电极16间施加比第1电压V₁小的第2电压V₂。此时，第1导电区域15C11经由连接区域15C31而连接第1电源(未图示)，第2导电区域15C12直接连接与第11电源不同的第2电源(未图示)。第1导电区域15C11和第2导电区域15C12由于如上所述由绝缘区域15C21电隔离，因此能够施加彼此不同的电压。通过这样施加电压，从而在活性层11的电荷注入区域111，形成中央部1111高于周围部1112这样的电荷密度的分布。由此，从电荷注入区域111，产生具有中央部1111最大的强度分布的发光，该发光在二维光子晶体123中被放大，由此容易产生基本模式的激光振荡。因此，能够抑制高次模式的不必要的激光振荡，能够提高作为整体的光输出。

第3实施例的第1电极15C也可以从中心朝向周围具有3个以上的导电区域(第1导电区域15C11、第2导电区域15C12、第3导电区域15C13…)(图16)。在设置3个以上的导电区域的情况下，在导电区域彼此的所有边界设置绝缘区域15C21、15C22…。此外，在位于最外侧的导电区域以外的导电区域，设置连接区域15C31、15C32…。各导电区域(子电极)分别连接不同的电源。

符号说明

10X…二维光子晶体面发射激光器

11…活性层

111…电荷注入区域

1111…中央部

1112…周围部

12…二维光子晶体层

121…母材

122…异折射率区域

123…二维光子晶体

13…间隔层

141…第1包覆层

142…第2包覆层

15A、15B、15C、15X…第1电极

15A11、15C11…第1导电区域

15A12、15C12…第2导电区域

15A13、15C13…第3导电区域

15A2…网格的线

15A3…线间区域

15B0…圆形导电体

15B1…环状导电体

15B2…环状绝缘体

15B3…线状导电体

15C21、15C22…绝缘区域

15C31、15C32…连接区域

16、16A…第2电极

161A…窗部

162A…框部