二維光子晶體面發射雷射器的製作方法

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本發明涉及半導體雷射器，特別是涉及使用二維光子晶體對光進行放大的二維光子晶體面發射雷射器。

背景技術：

半導體雷射器具有小型、廉價、低功耗、長壽命等眾多優點，在光記錄用光源、通信用光源、雷射顯示器、雷射印表機、雷射指示器等廣泛領域得到普及。另一方面，在雷射加工的領域中，需要光輸出至少超過1W的雷射，但當前實用化的半導體雷射器由於後述的理由，並未達到該輸出。因此，就現狀而言，在雷射加工的領域中並未使用半導體雷射器，而是使用二氧化碳雷射器等氣體雷射器。

當前已經實用化的半導體雷射器的光輸出小的理由如下。為了提高半導體雷射器的光輸出，從元件射出的雷射束的剖面積(出射面積)較大為好。另一方面，為了提高加工精度，向被加工物照射的雷射束的剖面積(光斑面積)較小為好。因此，理想而言，期望的是從雷射源射出的雷射束不擴散而維持原狀地到達被加工物。但是，對於半導體雷射器而言，越增大出射面積，雷射束的擴散角就越大，而且，雷射的波面紊亂。若雷射的波面紊亂，則即使使用光學系統進行聚光，也難以縮小光斑面積。因此，對於當前實用化的半導體雷射器而言，難以在縮小擴散角的同時使光輸出成為1W以上。

最近，由作為本發明的一部分發明者的野田、梁(Liang)等開發出了一種二維光子晶體面發射雷射器，其具有如下特性，即，光輸出為1.5W，並且光束擴散角為3°以下(非專利文獻1以及2)。二維光子晶體面發射雷射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域的二維光子晶體和活性層。在二維光子晶體面發射雷射器中，通過向活性層注入電流從而由該活性層產生的光當中，只有與異折射率區域的周期對應的給定波長的光被放大而產生雷射振蕩，在與二維光子晶體垂直的方向上作為雷射束而射出。二維光子晶體面發射雷射器由於從二維光子晶體中的一定範圍內發光(面發光)，因此與端面發光型的半導體雷射器相比，其出射面積較大，能夠容易提高光輸出，並且也能夠縮小擴散角。關於二維光子晶體，以往已知異折射率區域的平面形狀(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1以及2所記載的二維光子晶體面發射雷射器中，通過將平面形狀為直角三角形的異折射率區域配置在與它們的正交邊平行的正方格子的格子點上，從而相比於現有的二維光子晶體面發射雷射器，能夠提高光輸出。

在先技術文獻

非專利文獻

非專利文獻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量光子晶體雷射器)，Nature Photonics(自然光子學)，(英國)，第8卷，第406～411頁，2014年4月13日發行

非專利文獻2：國立大學法人京都大學，浜松Photonics株式會社著，」瓦級高輸出光子晶體雷射器：領先於全球而實現-世界首次由面發光型雷射器以高光束質量達成瓦級的高輸出化-」，[online]，國立大學法人京都大學Web Page，[2014年8月11日檢索]，網際網路，2014年4月10日

技術實現要素：

發明要解決的課題

為了提高二維光子晶體面發射雷射器的特性，一直以來都只專注於二維光子晶體的構成。但是，半導體雷射器通過活性層中的發光與二維光子晶體中的放大的共同作用而生成。以往，並沒有進行著眼於該關係的研究。

本發明要解決的課題在於，著眼於活性層中的發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射雷射器。

用於解決課題的手段

本發明者著眼於在二維光子晶體面發射雷射器中，向活性層注入電荷的電極的構成。然後，有如下發現而完成了本發明：通過在活性層的電荷(載流子)密度中形成基於面內位置的分布，從而在二維光子晶體中，產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成的本發明所涉及的二維光子晶體面發射雷射器具有：在板狀的母材上將折射率與該母材不同的異折射率區域周期性地配置為二維狀而成的二維光子晶體；設置於所述二維光子晶體的一側的活性層；和夾著所述二維光子晶體以及所述活性層而設置的、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電極更大的範圍的第2電極，該二維光子晶體面發射雷射器的特徵在於，

將該第1電極形成為以根據所述第1電極的面內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射雷射器中，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置的2枚電極將發光側設為透明電極，將另一方設為不透明(反射)電極，或者將發光側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置於與這些電極(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範圍。因此，在兩電極間流動的電流(電荷)被注入到活性層當中的一部分區域(以下稱為「電荷注入區域」)。另外，在一個電極小於另一個電極的情況下，電荷注入區域雖然也依賴於電極的面積以及電極間的距離，但一般來說接近於較小一方的電極。

在本發明所涉及的二維光子晶體面發射雷射器中，較小一方(範圍較窄的一方)的第1電極以根據其面內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區域中的電荷密度也成為根據面內位置而不同的值。由此，在活性層中的發光的強度中，形成基於面內位置的分布。然後，通過該發光的強度分布，從而在二維光子晶體中，產生與活性層中的電荷密度一樣的情況不同的放大作用。

作為用於提高二維光子晶體面發射雷射器的光輸出的方法之一，能夠採用如下這樣的構成，即，將第1電極形成為以在第1電極的面內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區域中，產生具有中心最大的強度分布的發光。若這樣的發光在二維光子晶體中被放大，則容易產生基本模式的雷射振蕩，能夠抑制高次模式的不必要的雷射振蕩。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雷射器振蕩的情況等下，也可以以在第1電極的面內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。

為了以根據第1電極的面內位置而不同的密度向活性層供給電流，第1電極能夠採用將導電體形成為網格狀這樣的構成。在由這樣的網格狀導電體構成的第1電極中，通過例如使網格的線的粗度、間隔根據位置而不同，從而將導電體在網格內的面積比設為根據位置而彼此不同的值，由此能夠形成基於第1電極的面內位置的電流密度的分布。

為了通過網格狀的第1電極來形成遍及該第1電極的整體的大範圍的電流分布，期望不形成與網格的線的粗度、間隔對應的局部的電流分布。因此，將網格的線的間隔設為所述活性層中的電流分散範圍Lc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，也可以將網格的線的間隔設為大於1.4倍。在此活性層中的電流分散範圍Lc是表示從第1電極中的1點朝向第2電極流動的電流在活性層的面內擴散的區域的大小的數值，由從該區域的中心到端部的距離來規定。電流分散範圍Lc與活性層中的載流子擴散長度大致相等。

網格狀的第1電極中的基於面內位置的電流密度的差異，例如，能夠通過具有所述導電體在網格內的面積比不同的多個區域的網格來形成。在該情況下，通過將網格形成為隨著從第1電極的面內位置的中心遠離，所述多個區域各自的所述面積比逐漸減小，從而在活性層的電荷注入區域中產生具有中心最大的強度分布的發光，該發光在二維光子晶體中被放大，由此容易產生基本模式的雷射振蕩。進一步在該情況下，包含所述中心的區域能夠僅由導電體構成。

或者，網格狀的第1電極中的基於面內位置的電流密度的差異，能夠通過使網格的線的粗度、間隔根據位置而不同以使得所述導電體在網格內的面積比根據位置而連續性地變化來形成。在該情況下，通過將網格形成為隨著從第1電極的面內位置的中心遠離，所述導電體在所述網格內的面積比逐漸減小，從而在活性層的電荷注入區域中產生具有中心最大的強度分布的發光，該發光在二維光子晶體中被放大，由此容易產生基本模式的雷射振蕩。

在這些網格狀的第1電極中，在選擇性地使高次模式的雷射器振蕩的情況等下，也可以將第1電極的面內位置的中心以外的位置上的導電體的面積比設為最大。

作為用於以根據面內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環狀導電體、和將環狀導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電體的空間，也可以配置非環狀(典型而言圓形)的導電體。在該形式的情況下，通過根據距中心的距離將環狀導電體的寬度以及/或者間隔設為不同的值，從而能夠形成同心圓狀的電流密度分布。為了容易產生基本模式的雷射振蕩，隨著從第1電極的面內位置的中心遠離而縮小環狀導電體的寬度以及/或者擴大間隔即可，在選擇性地使高次模式振蕩的情況等下，可以設為除此以外的寬度以及/或者間隔。此外，與網格狀的第1電極中的網格的線的間隔同樣地，環狀導電體的間隔為了形成遍及第1電極整體的大範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。

作為用於以根據面內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電極分割成多個區域，並分別由彼此電絕緣的子電極構成的形式。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後，調整在與第2電極之間分別施加的電壓，從而能夠控制每個區域的電流密度。

發明效果

根據本發明，將第1電極形成為以根據其面內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區域中的電荷中也形成根據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後向外部射出的雷射的特性，特別是能夠提高光輸出。

附圖說明

圖1是表示本發明所涉及的二維光子晶體面發射雷射器的實施例的立體圖。

圖2是表示本實施例的二維光子晶體面發射雷射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是將本實施例的二維光子晶體面發射雷射器的活性層中的電荷注入區域與二維光子晶體對比表示的示意圖。

圖4是表示第1實施例的二維光子晶體面發射雷射器中的第1電極的構成的俯視圖。

圖5是表示第1實施例中的活性層的(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實施例中的閾值增益差Δα計算得到的結果的曲線圖，(a)表示第1電極的1邊的長度L＝200μm的情況下的基於第1導電區域的1邊的長度Li相對於L的比Li/L的差異，(b)表示Li/L＝0.5的情況下的基於L的差異。

圖8是表示對第1實施例中基於第1電極的網格的線的間隔L2的活性層的電荷密度分布的差異計算得到的結果的曲線圖。

圖9是表示對第1實施例中基於第1電極的網格的線的寬度L1的活性層的電荷密度分布的差異計算得到的結果的曲線圖。

圖10是表示第1實施例中的第1電極的3個變形例的俯視圖。

圖11是表示第1實施例中的第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計算得到的結果的曲線圖，(a)表示第1電極的1邊的長度L＝200μm的情況下的基於電荷密度的高斯分布的寬度wp相對於L的比wp/L的差異，(b)表示wp/L＝0.25的情況下的基於L的差異。

圖13表示第1實施例中的第1電極的另一變形例的俯視圖。

圖14是表示第2實施例的二維光子晶體面發射雷射器中的第1電極的構成的俯視圖。

圖15是表示第3實施例的二維光子晶體面發射雷射器中的第1電極的構成的俯視圖。

圖16是表示第3實施例的二維光子晶體面發射雷射器中的第1電極的變形例的俯視圖。

具體實施方式

使用圖1～圖16來說明本發明所涉及的二維光子晶體面發射雷射器的實施例。以下，大致分為3個實施例來進行說明，最初說明各實施例共同的構成，然後，以第1電極的構成為中心，對每個實施例中特有的構成進行說明。

實施例

[各實施例共同的構成]

各實施例的二維光子晶體面發射雷射器10X都具有如下構成，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、將第2電極16作為下側進行了表示，但各實施例的二維光子晶體面發射雷射器10X的使用時的朝向並不限定於該圖所示的朝向。以下，說明各層以及電極的構成。

活性層11通過從第1電極15X以及第2電極16注入電荷，從而發出具有給定波長帶的光。活性層11的材料在本實施例中使用了InGaAs/AlGaAs多量子阱(發光波長帶：935～945nm)，但本發明並不限定於該材料。活性層11是厚度為約2μm的正方形狀，該正方形的1邊與後述的第2電極16或16A相同或者相比稍大。但是，關於活性層11，本發明並不限定於該尺寸，此外，也能夠設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域122而成。母材121的材料在本實施例中為GaAs，但本發明並不限定於該材料。異折射率區域122在本實施例中為空孔(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。在本實施例中，將平面形狀為直角三角形的異折射率區域122配置在與它們的正交邊平行的正方格子的格子點(lattice point)上。正方格子的周期長a，考慮二維光子晶體層12內的折射率，設為了與活性層11中的發光波長帶內的波長對應的287nm。其中，異折射率區域122的形狀也可以採用圓形、正三角形等其他結構，異折射率區域122的配置也可以採用三角格子狀等其他結構。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中將異折射率區域122在縱向和橫向上各描繪了6個，但實際上設置有比這更多的異折射率區域122。

間隔層13雖然並非本發明中的必須的構成要素，但是為了對材料不同的活性層11與二維光子晶體層12進行連接而被設置。間隔層13的材料在本實施例中為AlGaAs，但可根據活性層11以及二維光子晶體層12的材料適當變更。

第1電極15X具有每個實施例特有的構成。第1電極15X的構成的詳情在各實施例的說明中敘述。另外，在圖1中，第1電極15X的詳細的構成進行抽象，僅描繪了外形。在此僅說明各實施例共同的第1電極15X的材料以及整體的大小。第1電極15X的材料在本實施例中為p型半導體，對於從二維光子晶體面發射雷射器10X放出的雷射(本實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之間隔著絕緣體設置有由對於雷射不透明的金屬構成的反射層(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射雷射器10X產生的雷射，使其從第2電極16側向外部放出。

第2電極16在圖1(a)所示的例子中為n型半導體，由作為對於上述雷射透明的材料的銦錫氧化物(ITO)形成，但本發明並不限定於該材料，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具有由對於雷射不透明的金屬構成的正方形的板狀構件的中央呈正方形狀被挖空的構成。將板狀構件被挖空的部分稱為窗部161A，將板狀構件殘留的部分稱為框部162A。板狀構件(框部162A的外側)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射雷射器10X生成的雷射通過窗部161A向外部放出。

第1包覆層141以及第2包覆層142雖然並非本發明中的必須的構成要素，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進行連接，並且使得從第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型半導體，而第2包覆層142的材料使用了n型半導體。第1包覆層141從第1電極15X側起依次具有由p-GaAs構成的層和由p-AlGaAs構成的層的2層結構，同樣地，第2包覆層142從第2電極16側起依次具有由n-GaAs構成的層和由n-AlGaAs構成的層的2層結構(均未圖示2層結構)。在這些第1包覆層141以及第2包覆層142中，本發明也不限定於上述材料。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遠比第2電極16更靠近活性層11。因此，活性層11內的電荷注入區域111(圖3)成為與第1電極15X的平面形狀以及大小接近的區域。此外，二維光子晶體123因為大於第1電極15X，所以也大於活性層11的電荷注入區域111(圖3)。

說明二維光子晶體面發射雷射器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施例的第1電極15X的形態而各異，因此其詳情在各實施例中進行說明。由此，從兩電極向活性層11的電荷注入區域111注入電流。由此，向電荷注入區域111注入電荷，從電荷注入區域111產生具有給定波長帶內的波長的發光。關於電荷注入區域111中的電荷的密度分布以及發光的強度分布，在各實施例中進行說明。這樣產生的發光在二維光子晶體123內，與正方格子的周期長a對應的波長的光被選擇性地放大，進行雷射振蕩。振蕩得到的雷射從第2電極16側向外部射出。

以下，關於各實施例，以特有的構成為中心進行說明。

[第1實施例-網格狀電極]

在第1實施例的二維光子晶體面發射雷射器中，使用具有圖4所示的構成的第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導電區域15A11、和形成在第1導電區域15A11的周圍的第2導電區域15A12這2個區域。第1導電區域15A11由一樣的導電體(p型半導體)形成。相對於此，在第2導電區域15A12，導電體形成為網格狀，網格的線15A2之間利用由絕緣體構成的線間區域15A3來填充。線間區域15A3的材料使用了SiN。第1導電區域15A11的導電體和構成第2導電區域15A12的網格的線15A2的導電體由於是一體的並且電連接，因此等電位。這樣的網格狀電極能夠使用通常的光刻法來製作。

在本實施例中，作為第1導電區域15A11的平面形狀的正方形的1邊的長度Li設為了100μm。此外，活性層11中的載流子擴散長度通過計算而估計為2.5μm，電流分散範圍LC的大小設為與該載流子擴散長度大致相等，第2導電區域15A12中的網格的線15A2的間隔L2設為了LC的約1.2倍的3.0μm。網格的線15A2的寬度L1設為了1.25μm。

在第1實施例的二維光子晶體面發射雷射器中，對在活性層11的電荷注入區域111形成的電荷密度的分布進行計算的結果在圖5中示出。在這些計算中，電流分散範圍LC設為了與載流子擴散長度相同的2.5μm。因此，網格的線15A2的間隔L2為LC的1.2倍。圖5(a)示出電荷注入區域111內與第1導電區域15A11對應的中央部1111(參照圖6)的電荷密度的分布，(b)示出與第2導電區域15A12對應的周圍部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的中心的位置設為x軸，並對縱軸進行了標準化使得中央部1111的中心((a)的曲線圖中的x軸的原點)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，就電荷注入區域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，從而從電荷注入區域111，產生具有中央部1111最大的強度分布的發光，該發光在二維光子晶體123中被放大，由此容易產生基本模式的雷射振蕩。因此，能夠抑制高次模式的不必要的雷射振蕩，能夠提高作為整體的光輸出。

為了對容易產生基本模式的雷射振蕩的情況加以確認，通過計算來求出第1實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，減去在基本模式之後振動的波腹以及波節的數量較少的次高次模式的振動的閾值增益之後得到的值。各振動模式的閾值增益是表示基於該振動模式的雷射振蕩的強度的值，閾值增益差Δα越大，意味著基本模式的雷射振蕩越容易產生。

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為L＝200μm、Li為包含上述的100μm在內的0～200μm的範圍內的不同的多個值的情況計算閾值增益差Δα得到的結果。該曲線圖的橫軸以Li/L表示。在該曲線圖中，Li/L＝1的數據並非本實施例的數據，而是第1電極整體為一樣的導體板的現有的二維光子晶體雷射器的數據。此外，Li/L＝0的數據示出了第1電極由導電體的密度一樣的網格狀電極構成。從該曲線圖可以得知，在具有由一樣的導電體構成的第1導電區域和網格狀的第2導電區域的Li/L≠0以及1的情況下，閾值增益差Δα全都比現有的Li/L＝1的情況大，可以說容易產生基本模式的雷射振蕩。此外，在圖7(a)所示的數據當中的Li/L＝0.5的情況下，即上述的Li＝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Li/L設為0.5、L的值不同的多個情況計算閾值增益差Δα得到的結果。從該曲線圖可知，在L的值大於300μm的範圍內，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，因而在提高雷射輸出這一點上有利。因此，在圖7(b)所得到的Δα的計算值中，針對(a)中的現有例(Li/L＝1)的Δα的值以上的計算值當中L最大的L＝600μm(Li＝300μm)的情況計算了雷射的光輸出，結果得到了2.4W這樣的值。該光輸出的計算值高於非專利文獻1以及2所記載的二維光子晶體雷射器的實驗值(雖然計算值和實驗值存在差異)。

至此對第1電極15A的第2導電區域15A12中的網格的線15A2的間隔L2為3.0μm的情況進行了說明，針對該間隔L2不同的多個示例，計算了活性層11中的周圍部1112的電荷密度，結果在圖8中示出。網格的線15A2的寬度L1都設為0.50Lcμm，間隔L2在圖8(a)中設為0.50Lcμm，在(b)中設為0.80Lcμm，在(c)中設為1.20Lcμm(因此，(c)再次示出了圖5(b))，在(d)中設為1.40Lcμm，在(e)中設為了2.00Lcμm。根據這些計算，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格的線15A2的周期對應的微小的周期性變動，但其變動幅度被抑制為小於5％。相對於此，在該間隔L2大於電流分散範圍Lc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，在網格的線15A2的寬度L1相同的情況下，越擴大間隔L2則電荷密度變得越小。

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

如上所述，由於第1電極15A中的網格的線15A2的間隔L2以及/或者寬度L1的差異，導電體(線)在網格內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的設定，從而能夠決定對應的活性層11內的位置上的電荷密度。

第1導電區域15A11也可以取代如上述示例那樣設為一樣的導電體，而例如由與第2導電區域15A12相比網格的線的寬度L1更寬(圖10(a))或者寬度L1相同且間隔L2較窄的、導電體的面積比大於第2導電區域15A12的網格構成。或者，也可以從第1電極15A的中心朝向周圍，設置3個以上的導電區域(第1導電區域15A11、第2導電區域15A12、第3導電區域15A13…)使得導電體的面積比逐漸變小(圖10(b))。作為另一例，也能夠採用如下構成，即，將導電體的面積比最大的正方形的第1導電區域15A11設置於第1電極15A的中央，與第1導電區域15A11的正方形的邊相接，設置導電體的面積比其次大的第2導電區域15A12，與第1導電區域15A11的正方形的頂點相接，設置導電體的面積比小於這2個導電區域的第3導電區域15A13(圖10(c))。

如圖11所示，也可以從第1電極15A的面內位置的中心朝向外側，使各線間區域15A3的面積逐漸增大。在該例中，網格的線15A2的間隔L2無論面內位置如何都設為相同值，寬度L1按照隨著從面內位置的中心遠離而逐漸減小的方式連續變化。在面內位置的中心，寬度L1與間隔L2相同，並未設置線間區域15A3。通過這些構成，從而第1電極15A內的導電體的面積比按照隨著從面內位置的中心遠離而逐漸減小的方式大致連續地變化。對於從這樣的第1電極15A注入電流的活性層11的電荷注入區域111而言，形成從面內位置的中心朝向外側逐漸減小的電荷密度，由此，發光的強度也同樣地從面內位置的中心朝向外側逐漸減小。這種基於發光的位置的強度分布與之前列舉的其他例子的情況相比更接近於高斯分布，因此變得更容易產生基本模式的雷射振蕩。

圖12中，用曲線圖示出在圖11的示例中計算了閾值增益差Δα的結果。在此，假定在電荷注入區域111內形成具有寬度wp的電荷密度的高斯分布。在圖12(a)中將L固定為200μm並將曲線圖的橫軸設為wp/L，在(b)中將wp/L固定為0.25並將曲線圖的橫軸設為了L。此外，在(a)中，wp/L＝0的數據並非本實施例的數據，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有的二維光子晶體雷射器的數據。(a)所示的本實施例的數據可以說閾值增益差Δα全都比現有的wp/L＝0的情況大，容易產生基本模式的雷射振蕩。此外，根據(b)的曲線圖，在L的值大於400μm的範圍中，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，因此在提高雷射輸出這一點上有利。在(b)所得到的Δα的計算值中，針對(a)中的現有例的Δα的值以上的計算值當中的L最大的L＝2200μm的情況計算了雷射的光輸出，結果得到了8W這樣的值。該光輸出的計算值比使用前述的第1導電區域15A11以及第2導電區域15A12僅由2個值對電荷密度進行調整的情況下的計算值高。

圖13中示出用於選擇性地使高次模式的雷射器振蕩的第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個頂點當中的位於1條對角線上的2個頂點附近分別具有第1導電區域15A11，除此以外的區域設為了導電體的面積比小於第1導電區域15A11的第2導電區域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個頂點附近電流密度較高。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，使與上述對角線上的2個頂點對應的位置的附近成為波腹。

[第2實施例-同心圓狀電極]

在第2實施例的二維光子晶體面發射雷射器中，如圖14所示，使用具有如下構成的第1電極15B：呈同心圓狀地具有多個環狀的導電體15B1，由環狀絕緣體15B2對環狀導電體15B1彼此的邊界進行絕緣。在同心圓的中心，設置了圓形導電體15B0。圓形導電體15B0以及多個環狀導電體15B1彼此通過線狀導電體15B3電連接。環狀導電體的寬度15B1設為與環狀絕緣體15B2的寬度之比隨著從中心遠離而減小。由此，形成隨著從第1電極15B的中心遠離而減小這樣的電流密度分布。

[第3實施例-分割電極]

在第3實施例的二維光子晶體面發射雷射器中，使用具有圖15所示的構成的第1電極15C。第1電極15C整體為正方形狀，具有形成於中心附近的正方形狀的第1導電區域15C11、和形成於第1導電區域15C11的周圍的第2導電區域15C12這2個區域。在第1導電區域15C11與第2導電區域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成的絕緣區域15C21。由此，第1導電區域15C11和第2導電區域15C12分別作為前述的子電極而發揮作用。此外，第1電極15C具有由導電體構成的線狀的連接區域15C31，該連接區域15C31從第1導電區域15C11的正方形的1個頂點在第2導電區域15C12的正方形的對角線上延伸，到達第2導電區域15C12的1個頂點。在連接區域15C31的線的兩側也設置了絕緣區域15C21。該第1電極15C能夠使用通常的光刻法來製作。

在第3實施例的二維光子晶體面發射雷射器中，對第1導電區域15C11-第2電極16間施加第1電壓V1，並且對第2導電區域15C12-第2電極16間施加比第1電壓V1小的第2電壓V2。此時，第1導電區域15C11經由連接區域15C31而連接第1電源(未圖示)，第2導電區域15C12直接連接與第11電源不同的第2電源(未圖示)。第1導電區域15C11和第2導電區域15C12由於如上所述由絕緣區域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的電荷注入區域111，形成中央部1111高於周圍部1112這樣的電荷密度的分布。由此，從電荷注入區域111，產生具有中央部1111最大的強度分布的發光，該發光在二維光子晶體123中被放大，由此容易產生基本模式的雷射振蕩。因此，能夠抑制高次模式的不必要的雷射振蕩，能夠提高作為整體的光輸出。

第3實施例的第1電極15C也可以從中心朝向周圍具有3個以上的導電區域(第1導電區域15C11、第2導電區域15C12、第3導電區域15C13…)(圖16)。在設置3個以上的導電區域的情況下，在導電區域彼此的所有邊界設置絕緣區域15C21、15C22…。此外，在位於最外側的導電區域以外的導電區域，設置連接區域15C31、15C32…。各導電區域(子電極)分別連接不同的電源。

符號說明

10X…二維光子晶體面發射雷射器

11…活性層

111…電荷注入區域

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導電區域

15A12、15C12…第2導電區域

15A13、15C13…第3導電區域

15A2…網格的線

15A3…線間區域

15B0…圓形導電體

15B1…環狀導電體

15B2…環狀絕緣體

15B3…線狀導電體

15C21、15C22…絕緣區域

15C31、15C32…連接區域

16、16A…第2電極

161A…窗部

162A…框部