KR100490803B1 - High-power single-mode vertical-cavity surface-emitting laser - Google Patents

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Abstract

표면방출 레이저는 광배선 및 광통신용 광원으로 사용되고 있는데, 특히 고출력 단일모드 표면방출 레이저는 단/근거리 통신용 광원 및 고속 데이터 통신용 광원으로 필요성이 빠르게 증가되고 있다. 본 발명은 고출력 단일모드 표면방출 레이저에 관한 것으로, 전류 제한 및 광모드의 유도 영역을 독립적으로 조절하여 큰 직경의 고출력 특성을 갖는 단일모드 표면방출 레이저의 구조 및 제조 방법이다.Surface emitting lasers are used as light sources for optical wiring and optical communication. In particular, high power single mode surface emitting lasers are rapidly increasing in need as light sources for short / near field communication and high speed data communication. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high power single mode surface emitting laser, and is a structure and a manufacturing method of a single mode surface emitting laser having a high diameter and high power characteristic by independently adjusting current limiting and optical mode induction regions.

Description

고출력 단일모드 표면방출 레이저 소자 및 제조 방법 {High-power single-mode vertical-cavity surface-emitting laser}High power single mode surface emitting laser device and manufacturing method {High-power single-mode vertical-cavity surface-emitting laser}

본 발명은 단일모드 표면방출 반도체 레이저 소자에 관한 것으로서, 특히 전류제한층과 광유도층 영역의 독립적 조절을 통한 대구경의 단일모드 표면방출 레이저 구조 및 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a single mode surface emitting semiconductor laser device, and more particularly, to a large diameter single mode surface emitting laser structure and a manufacturing method through independent control of a current limiting layer and a light guide layer region.

표면방출 레이저는 단/근거리 통신용 광원으로 활용되고 있으며, 광연결, 광센서 등에 활용이 빠르게 증가되고 있다. 특히 표면방출 레이저가 갖는 높은 광섬유 커플링 효율(fiber-coupling efficiency), 웨이퍼 단위의 제작 공정에 의한 낮은 단가, 낮은 실장 비용, 이차원 어레이(two-dimensional array) 특성 등으로 인하여 차세대 광통신 및 신호 처리용 광원으로 빠르게 자리를 잡을 것으로 예측된다. 그러나 현재 상용화되고 있는 850 nm 대역의 표면방출 레이저는 주로 다중 횡모드(multiple transverse mode)의 특성을 지님으로 인해서, 초고속 광통신 및 데이터 통신에 있어서 색분산(chromatic dispersion) 등으로 인한 전송 거리 한계가 있으므로 이를 극복하기 위한 단일 횡모드(single transverse mode) 광원에 대한 개발 노력이 이루어지고 있다. 그리고 더 나아가 시장의 수요가 증대되고 있는 단일 모드 광섬유를 이용한 초고속 데이터 통신과 자유공간 광연결(optical interconnection), 광 센서 등에 활용하기 위해 단일 모드 출력의 안정된 표면방출레이저의 개발이 필요하다.Surface-emitting lasers are used as light sources for short- and short-range communication, and their applications are rapidly increasing. Especially for the next generation optical communication and signal processing due to the high fiber-coupling efficiency of surface emitting laser, low unit cost by wafer-based manufacturing process, low mounting cost, and two-dimensional array characteristics It is expected to settle quickly as a light source. However, the commercially available surface-emitting lasers in the 850 nm band are mainly characterized by multiple transverse modes, and thus have limited transmission distance due to chromatic dispersion in high speed optical and data communications. In order to overcome this problem, development efforts for a single transverse mode light source have been made. Furthermore, there is a need for the development of stable surface emission lasers with single mode outputs for use in high speed data communication, optical interconnection, and optical sensors using single mode optical fibers, which are in increasing market demand.

표면방출 레이저는 공진 거리가 파장 정도로 종방향으로는 단일 모드 특성을 지니나, 횡방향으로 전류에 따라 다중 모드의 특성을 보인다. 따라서 전류의 변화에 의해 광의 발진 방사각이 변하여 광섬유와의 결합 효율이 변하는 단점을 지닌다. 단일 횡모드 특성을 얻기 위하여서는 현재 널리 사용되고 있는 proton-implanted VCSEL과 oxide-confined VCSEL의 경우 각각 직경이 ∼ 5 ㎛ 이하와 ∼ 3 ㎛이하가 되어야 하므로 재현성 있는 소자의 제작에 어려움이 많다. 또한 소자의 직경이 작으므로 출력 특성이 나쁘고, 빔의 퍼짐도 증가하여 광섬유 결합 및 자유공간 광연결 등에 어려움이 있다.Surface-emitting lasers have a single mode characteristic in the longitudinal direction with a resonance distance of a wavelength, but exhibit a multi-mode characteristic in the transverse direction depending on the current. Therefore, the oscillation emission angle of the light is changed by the change of the current, and thus the coupling efficiency with the optical fiber is changed. Proton-implanted VCSELs and oxide-confined VCSELs, which are widely used in order to obtain single lateral mode characteristics, have to have a diameter of less than or equal to 5 µm and less than or equal to 3 µm, respectively. In addition, since the diameter of the device is small, the output characteristics are poor, and the spread of the beam is also increased, which causes difficulties in optical fiber coupling and free space optical connection.

종래의 단일모드 표면방출 레이저 기술로는 proton-implanted VCSEL과 oxide-confined VCSEL에 있어서 고차 횡모드의 발진이 일어나지 않도록 소자의 직경은 작게하는 방법이 있다. 따라서 고출력 특성을 얻는데 어려움이 있으며 작은 직경의 빔 방출 window 제작에 따른 재현성 및 수율 확보에 어려움이 있다. 또한 작은 직경으로 인한 divergence angle이 큰 단점을 가지고 있다. 그리고 그 외에 antiguided, surface-reliefed, metal-filtered, oxidized/implanted 등 다양한 구조가 제안되고 있다. 이와같은 구조들은 기본적으로 기본 횡모드와 고차 횡모드 간의 손실(modal loss) 또는 이득(modal gain) 차이를 크게 하는 방법으로 고차횡모드의 유도 손실을 크게 하거나, 광유도를 약하게 하거나, 또는 이득과 기본 횡모드 분포와의 광커플링을 크게 하여 이득을 크게 하는 구조들이다. 그러나 이와같은 구조들은 제작 공정이 복잡하고 그에 따른 재현성 확보에 어려움이 있다. Surface-relief, oxidized/implanted 표면방출 레이저와 같은 구조는 각각 표면 층의 식각, implantation 및 oxidation 공정이 모두 필요한 점 등 제작 공정이 복잡한 단점을 갖고 있으며, antiguide 구조의 경우 비정질 GaAs 물질과 같은 고굴절율 물질의 선택 및 재성장/증착에 어려움이 있다. 그리고 그 외의 metal-filtered 방법은 빔을 방출하는 window를 작게하여 고차 횡모드의 발진을 억제하는 방법으로 레이저 발진효율의 저하 등의 단점을 갖고 있다.Conventional single-mode surface-emitting laser technology has a method of reducing the diameter of the device so that high-order transverse oscillation does not occur in proton-implanted VCSEL and oxide-confined VCSEL. Therefore, it is difficult to obtain high output characteristics, and it is difficult to secure reproducibility and yield according to the fabrication of small diameter beam emission window. In addition, the divergence angle due to the small diameter has a big disadvantage. In addition, various structures such as antiguided, surface-reliefed, metal-filtered, and oxidized / implanted have been proposed. Such structures basically increase the induced loss of the higher-order transverse mode, weaken the light induction, or increase the gain and modulus between the basic transverse mode and the higher-order transverse mode. These structures are designed to increase the gain by increasing the optical coupling with the basic lateral mode distribution. However, these structures have a complicated manufacturing process and thus have difficulty in securing reproducibility. Structures such as surface-relief and oxidized / implanted surface emitting lasers have complex drawbacks, such as the need for etching, implantation and oxidation of the surface layer, respectively.In the case of antiguide structures, high refractive index materials such as amorphous GaAs materials Difficulties in selection and regrowth / deposition. In addition, other metal-filtered methods have a disadvantage of lowering the laser oscillation efficiency as a method of suppressing high-order transverse oscillation by reducing the beam emitting window.

본 발명에서는 간단한 제작 공정으로 전류제한층과 광유도층 영역의 독립적조절을 통하여 재현성 있고 대구경의 단일모드 표면방출 레이저 구조 및 제조 방법을 제안한다.The present invention proposes a reproducible and large-diameter single mode surface emitting laser structure and a manufacturing method through independent control of the current limiting layer and the light guide layer in a simple fabrication process.

본 발명은 고출력 단일모드 표면방출 반도체 레이저에 관한 것으로서, 이중 산화막을 동시에 형성하여 전류제한 및 광모드 유도를 독립적으로 조절하여, 재현성있는 간단한 공정으로 고출력 단일모드 표면방출 레이저 소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.The present invention relates to a high power single mode surface emitting semiconductor laser, which simultaneously forms a double oxide film and independently regulates current limit and optical mode induction, thereby providing a high power single mode surface emitting laser device and a method of manufacturing the same in a reproducible and simple process. The purpose is to.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고출력 단일모드 표면방출 레이저 어레이 소자는, 반도체 기판 상에 차례로 적층된 n형 도핑된 반도체 DBR(distributed Bragg reflector)로 구성된 하부거울층 및 양자우물층으로 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 광모드 크기를 조절하기 위한 광유도층; 광유도층 상에 차례로 적층된 p형 도핑된 반도체 DBR로 구성되어 상부거울의 일부가 되는 제1상부거울층; 제1상부거울층 상에 전류 흐름 영역의 조절을 위한 전류제한층 그리고 그 위에 차례로 적층된 p형 도핑된 반도체 DBR로 구성되어 상부거울의 일부가 되는 제2상부거울층으로 이루어진다. 여기서 광유도층과 전류제한층은 서로 두께나 조성을 다르게 하여 한번의 산화막 형성 공정을 이용하여 서로 독립적으로 전류제한 및 광유도 영역이형성된다. 전류제한층에서 형성된 전류 흐름 영역이 광유도층에 의하여 형성된 광모드 영역에 비하여 작게하므로서 기본 횡모드의 이득이 크게 증가하여 기본 횡모드의 발진만 일어나고, 이득이 작은 고차 횡모드의 발진을 억제하게 되어 대구경의 고출력 단일모드 표면방출 레이저 발진이 이루어진다.A high power single mode surface emitting laser array device of the present invention for achieving the above object, the active layer formed of a lower mirror layer and a quantum well layer consisting of n-type doped semiconductor distributed Bragg reflector (DBR) sequentially stacked on a semiconductor substrate; A light induction layer for adjusting an optical mode size on the active layer; A first upper mirror layer composed of a p-type doped semiconductor DBR sequentially stacked on the light induction layer to become part of the upper mirror; A second upper mirror layer is formed of a current limiting layer for controlling the current flow region on the first upper mirror layer and a p-type doped semiconductor DBR sequentially stacked thereon to be part of the upper mirror. Here, the light induction layer and the current limiting layer are different in thickness or composition from each other to form the current limiting and light inducing regions independently of each other using a single oxide film forming process. Since the current flow region formed in the current limiting layer is smaller than the optical mode region formed by the light guide layer, the gain of the basic transverse mode is greatly increased so that only the oscillation of the basic transverse mode occurs, and the oscillation of the higher-order transverse mode with small gain is suppressed. Large diameter, high power single mode surface emitting laser oscillation is achieved.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. do.

도1a는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고출력 단일모드 표면방출 레이저 소자 구조의 단면도를 나타낸다. 도면에서 21은 n형의 반도체기판, 22는 n층의 반도체 DBR로 구성된 하부 거울층, 23은 이득을 주기 위한 다층 양자 우물의 이득 층과 공간층으로 이루어진 활성층, 24는 광유도를 위한 광유도층, 25는 p형 반도체 DBR로 구성되어 상부거울의 일부를 구성하는 제1상부거울층, 26은 전류 흐름의 조절을 위한 전류제한층, 27은 p형 반도체 DBR로 구성되어 상부거울의 일부를 구성하는 제2상부거울층을 각각 나타낸다. 그리고 28은 24 광유도층의 일부를 산화하여 형성된 낮은 굴절율의 광유도산화막층, 29는 26 전류제한층의 일부를 산화하여 형성된 절연의 전류제한산화막층, 30, 32, 33은 각각 레이저 소자에 전류를 주입하기 위한 p형 전극, 전극 패드, n형 전극을 나타낸다. 그리고 31은 소자의 절연을 위한 절연층이다.1A illustrates a cross-sectional view of a high power single mode surface emitting laser device structure in accordance with a preferred embodiment of the present invention. In the figure, 21 is an n-type semiconductor substrate, 22 is a lower mirror layer composed of n-layer semiconductor DBR, 23 is an active layer composed of a gain layer and a space layer of a multilayer quantum well for gain, and 24 is a light induction for light induction. Layer, 25 is a first upper mirror layer composed of a p-type semiconductor DBR to form part of the upper mirror, 26 is a current limiting layer for controlling current flow, and 27 is composed of a p-type semiconductor DBR to form part of the upper mirror. The 2nd upper mirror layer which comprises is shown, respectively. 28 is a low refractive index photo-induced oxide layer formed by oxidizing a part of the 24 light-induced layer, 29 is an insulating current-limiting oxide layer formed by oxidizing a part of the 26 current limiting layer, and 30, 32, and 33 are respectively The p-type electrode, electrode pad, and n-type electrode for injecting electric current are shown. And 31 is an insulating layer for insulating the device.

도1b는 도1a중 전류제한층(26), 전류제한산화막층(29), 광유도층(24), 광유도산화막층(28)을 도시화하여 표시한·전류 흐름 영역과 광모드를 확대 비교한 단면도이다. 전류제한산화막층(29)와 광유도산화막층(28)을 각각 조절하여 직경 d1의 전류 흐름영역을 직경 d0의 광모드유도영역 보다 작게 형성하여 모드 영역 중 가운데에 이득이 크게 되도록하면, 가운데에 모드의 세기가 큰 기본 횡모드의 이득이 크게 증가하고, 가장자리에서 모드의 세기가 큰 고차 횡모드의 이득은 크게 감소하여 기본 횡모드 만이 발진하게 된다. 따라서 기본 황모드만 발진하는 단일모드 발진의 표면방출 레이저 특성을 갖게 된다.FIG. 1B is an enlarged comparison of the current flow region and the light mode of the current limiting layer 26, the current limiting oxide layer 29, the light guide layer 24, and the light guide oxide layer 28 shown in FIG. One cross section. When the current limiting oxide layer 29 and the photo-induced oxide layer 28 are respectively adjusted to form a current flow region having a diameter d 1 smaller than the optical mode induction region having a diameter d 0 so that the gain is large in the middle of the mode regions, In the middle, the gain of the basic transverse mode with the large intensity of the mode is greatly increased, and the gain of the higher order transverse mode with the large intensity of the mode at the edge is greatly reduced, so that only the basic transverse mode is oscillated. Therefore, it has the surface emission laser characteristic of the single mode oscillation which oscillates only basic sulfur mode.

도 1를 참조하면, n형의 GaAs 반도체 기판(21) 위에 하부 거울층(22)으로서 n형의 반도체 DBR층이 AlxGa1-xAs/ AlyGal-yAs (0 ≤ x, y ≤ 1)등으로 형성되어 있고, 그 위에 레이저 이득을 위한 GaAs에 거의 격자 정합된 구조로 AlGaAs/GaAs 양자우물층 및 공간층으로 구성된 활성층(23)이 형성되어 있다. 활성층(23) 상에는 광유도를 위한 광유도층(24)이 형성되는데, 일부가 산화막(28)등으로 형성되어 광유도가 가능하도록 한다. 그리고 그 위에 제1상부거울층(25)과 제2상부거울층(27)은 각각 p형의 반도체 DBR AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs (0 ≤ x, y ≤ 1)등으로 형성되어 있고 그 사이에 전류유도를 위한 전류제한층(26)으로 형성되는데, 일부가 산화막(29)등으로 형성되어 절연이 되므로서 원하는 영역만 전류가 흐르도록 되어있다.Referring to FIG. 1, the n-type semiconductor DBR layer as the lower mirror layer 22 on the n-type GaAs semiconductor substrate 21 is Al x Ga 1-x As / Al y Ga ly As (0 ≦ x, y ≦ 1) and the like, and an active layer 23 composed of an AlGaAs / GaAs quantum well layer and a space layer is formed in a lattice matched structure to GaAs for laser gain thereon. The light induction layer 24 for light induction is formed on the active layer 23, and a part of the light induction layer 28 is formed to form an oxide film 28. The first upper mirror layer 25 and the second upper mirror layer 27 are p-type semiconductors DBR Al x Ga 1-x As / Al y Ga 1-y As (0 ≤ x, y ≤ 1, respectively). And a current limiting layer 26 for inducing current, between which a portion is formed by an oxide film 29 or the like to insulate so that current flows only in a desired region.

전류가 흐르는 영역은 광유도 영역에 비하여 작은 직경을 갖고 있어 광유도영역의 가운데 부분만 전류가 흐르도록하여, 가운데에 있는 광만이 이득을 크게 얻도록 한다.The current flowing area has a smaller diameter than the light inducing area so that only the middle part of the light inducing area flows, so that only the light in the center gets a large gain.

표면방출 레이저의 상부거울층(25, 27)과 하부거울층(22)을 구성하는 반도체 DBR층은 GaAs에 격자 정합된 구조로 AlxGa1-xAs/ AlyGa1-yAs (0 ≤ x, y ≤ 1)등과 같이 굴절률이 다른 반도체 박막층을 교대로 성장하여 제작하는데 한 주기의 두께가 광학길이 (물질의 두께x발진파장에서의 굴절률)로 레이저 발진 파장의 반이 되도록 구성한다. 그리고 활성층(23)은 양자우물 및 공간층 구조로 구성되어 있으며 전체두께가 광학길이로 발진파장 반의 정수배가 되도록 구성한다. 그리고 광유도층(24)과 전류제한층(26) 등은 레이저의 구조에 따라 p형의 AlxGa1-xAs (0 ≤ x ≤ 1)으로 하며, 광유도를 위한 산화된 영역인 광유도산화막층(28), 전류 제한을 위한 산화된 영역인 전류제한산화막층(29)등을 포함하여 구성한다.The semiconductor DBR layers constituting the upper mirror layers 25 and 27 and the lower mirror layer 22 of the surface-emitting laser are lattice matched to GaAs and have Al x Ga 1-x As / Al y Ga 1-y As (0). The semiconductor thin film layers having different refractive indices, such as ≤ x, y ≤ 1), are alternately grown, and the thickness of one cycle is configured to be half of the laser oscillation wavelength at an optical length (thickness x refractive index at the oscillation wavelength). The active layer 23 is composed of a quantum well and a space layer structure, and is configured such that the total thickness is an integer multiple of half the oscillation wavelength with an optical length. The light guide layer 24 and the current limiting layer 26 are p-type Al x Ga 1-x As (0 ≤ x ≤ 1) according to the structure of the laser, and mineral oil which is an oxidized region for the light induction. And the current limiting oxide layer 29, which is an oxidized region for limiting the current.

도2는 AlxGa1-xAs (0 ≤ x ≤ 1)의 Al 조성에 따른 산화막 형성 깊이를 나타내는 실험 결과이다. Al 조성에 따라 같은 시간을 산화시켜도 산화막 형성 깊이가 다르게 된다. 그러므로 전류제한층(26)의 Al 조성과 광유도층(24)의 Al 조성을 다르게 하면 다른 깊이의 전류제한산화막층(29), 광유도산화막층(28)을 동시에 형성가능하다. 즉 예를 들어 40 ㎛ 직경의 포스트를 사용하고, 전류제한층(26)과 광유도층(24)의 Al 조성을 각각 99.5%와 99.1%를 사용할 경우 29분 동안 산화막 형성 공정을 수행하면 측면에서부터 각각 약 16 ㎛ 과 15 ㎛ 의 전류제한산화막층(29)와 광유도산화막층(28)을 형성하여 각각 dI ∼ 8 ㎛, d0 ∼ 10 ㎛ 의 전류 제한 영역 및 광유도영역을 형성하게 된다. 그리고 그 외에도 전류제한층(26)과 광유도층(24)의 두께를 다르게하여도 상기와 같은 방법으로 전류제한 영역 및 광유도 영역의 독립적 조절이 가능하게 된다.2 is an experimental result showing an oxide film formation depth according to Al composition of Al x Ga 1-x As (0 ≦ x ≦ 1). Depending on the Al composition, even if the same time is oxidized, the oxide film formation depth is different. Therefore, when the Al composition of the current limiting layer 26 and the Al composition of the light inducing layer 24 are different, the current limiting oxide layer 29 and the light inducing oxide layer 28 of different depths can be formed simultaneously. In other words, for example, when the posts having a diameter of 40 μm are used and the Al compositions of the current limiting layer 26 and the light inducing layer 24 are 99.5% and 99.1%, respectively, an oxide film forming process is performed for 29 minutes. The current confined oxide film layer 29 and the photo-induced oxide film layer 28 of about 16 μm and 15 μm are formed to form a current limiting region and a light inducing region of d I to 8 μm, d 0 to 10 μm, respectively. In addition, even if the thickness of the current limiting layer 26 and the light induction layer 24 is different, the current limiting region and the light induction region can be independently controlled in the same manner as described above.

도3a 내지 도3e는 도1의 구조를 갖는 고출력 단일모드 표면방출 레이저의 제조 방법을 보여주는 단면도이다.3A to 3E are cross-sectional views showing a method of manufacturing a high power single mode surface emitting laser having the structure of FIG.

먼저, 도3a를 참조하면 n형의 반도체기판(41), n형의 DBR로 구성된 하부거울층(42), 양자우물 및 공간층으로 구성된 활성층(43), 산화막형성을 통한 광유도를 위한 광유도층(44), p형의 DBR로 구성된 제1상부거울층(45), 산화막형성을 통한 전류제한을 위한 전류제한층(46), p형의 DBR로 구성된 제2상부거울층(47) 등을 순차적으로 성장한다.First, referring to FIG. 3A, an n-type semiconductor substrate 41, a lower mirror layer 42 composed of n-type DBRs, an active layer 43 composed of quantum wells and a space layer, and mineral oil for mineral induction through oxide film formation A coating layer 44, a first upper mirror layer 45 composed of a p-type DBR, a current limiting layer 46 for limiting current through oxide film formation, and a second upper mirror layer 47 composed of a p-type DBR. Grow sequentially.

도 3b에서 나타난 것과 같이 표면방출 레이저 소자간의 isolation을 위하여 건식식각 방법으로 레이저 포스트를 형성한다. 즉 포토레지스터(48)를 이용하여 패턴을 형성한 후 포토레지스터(48)를 마스크로 하여 Cl2:Ar mixturte를 이용한 건식식각 방법으로 제2상부거울층(47), 전류제한층(46), 제1상부거울층(45), 광유도층(44)의 일부를 식각하여 레이저 포스트를 제작한다.As shown in FIG. 3B, the laser post is formed by a dry etching method for isolation between the surface emitting laser devices. That is, after the pattern is formed using the photoresist 48, the second upper mirror layer 47, the current limiting layer 46, and the dry etching method using the Cl 2 : Ar mixturer using the photoresist 48 as a mask. A portion of the first upper mirror layer 45 and the light guide layer 44 are etched to produce a laser post.

그리고 계속하여 도2c에 도시된 바와 같이 포토레지스터(48)를 제거한 후 습식산화공정을 이용하여 전류제한층(46), 광유도층(44)의 일부를 산화시켜 각각 전류제한산화막층(50), 광유도산화막층(49)을 형성한다. 전류제한층(46), 광유도층(44) 성장시 전류제한층(46)의 두께나 Al 조성이 광유도층(44) 보다 크도록 조절하여 전류제한산화막층(50) 형성 깊이가 광유도산화막층(49) 보다 크도록 한다. 즉 전류제한산화막(50)에 의해 제한된 전류 흐르는 영역의 직경(dI)이 광유도산화막(49)에 의해 제한된 광유도 영역의 직경(d0) 보다 작게 형성하도록 한다. 습식산화공정은 H2O를 통과한 N2가 흐르는 분위기에서 약 380∼450℃ 열처리하는 방법으로 수행한다.Subsequently, as shown in FIG. 2C, after removing the photoresist 48, a portion of the current limiting layer 46 and the light guide layer 44 are oxidized using a wet oxidation process, respectively. The light guide oxide film layer 49 is formed. When the current limiting layer 46 and the light inducing layer 44 are grown, the thickness or Al composition of the current limiting layer 46 is adjusted to be larger than that of the light inducing layer 44 so that the depth of forming the current limiting oxide layer 50 is light induced. It is larger than the oxide film layer 49. That is, the diameter d I of the current flowing region limited by the current limiting oxide film 50 is formed to be smaller than the diameter d 0 of the light inducing region limited by the photo-induced oxide film 49. The wet oxidation process is performed by heat treatment at about 380-450 ° C. in an atmosphere where N 2 passing through H 2 O flows.

그리고 계속하여 도3d에 도시된 바와 같이 절연층(51)으로 SiNx, SiOx등의 유전체 박막을 증착한 후 포토레지서 패턴을 형성하여 레이저 포스트 위의 절연층을 식각하여 제거한 후 레이저 포스트 위에 링 형태의 p형 전극(52)을 증착한다.Subsequently, as shown in FIG. 3D, a dielectric thin film of SiN x , SiO x, etc. is deposited on the insulating layer 51, and then a photoresist pattern is formed to etch away the insulating layer on the laser post, and then, on the laser post. A p-type electrode 52 in the form of a ring is deposited.

도3e는 제작된 구조에 전극 패드(53)와 n형 전극(54)을 p형 전극을 일부 포함한 영역과 기판(41)의 뒷면에 각각 증착하여 고출력 단일모드 표면방출 레이저를 제작한다.FIG. 3E deposits an electrode pad 53 and an n-type electrode 54 on a region including a portion of the p-type electrode and the back surface of the substrate 41 in the fabricated structure to fabricate a high power single mode surface emitting laser.

도 4는 본 발명의 고출력 단일모드 표면방출 레이저의 다른 실시 예인 구조의 단면도를 나타낸다. 광유도층(64)을 활성층(63)의 아래에 위치하도록 하고 따라서 광유도산화막층(68)도 활성층 아래에 위치하여 광유도 영역을 결정하여 주는 구조로 본 발명의 광제한 영역과 전류 제한 영역의 독립적 조절을 통한 고출력 단일모드 표면방출 레이저 구조의 다른 실시 예를 나타낸다.4 is a cross-sectional view of a structure that is another embodiment of the high power single mode surface emitting laser of the present invention. The light guide layer 64 is positioned below the active layer 63, and thus the light guide oxide layer 68 is also positioned below the active layer to determine the light guide region. Another embodiment of a high power single mode surface emitting laser structure through independent regulation of is shown.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.

본 발명의 고출력 단일모드 표면방출 레이저는 전류 흐름 영역과 광유도 영역을 서로 독립적으로 조절하여 기본 횡모드 만이 발진하도록하는 대구경의 표면방출 레이저 구조로 고출력의 단일모드 표면방출 레이저 구조 및 제작 방법으로 활용될 수 있다.The high power single mode surface emitting laser of the present invention is a large-diameter surface emitting laser structure in which only the basic transverse mode is oscillated by independently controlling the current flow region and the light induction region to be used as a high power single mode surface emitting laser structure and manufacturing method. Can be.

도1a 내지 도1b는 본 발명의 고출력 단일모드 표면방출 레이저 구조의 단면도와 전류 흐름과 광유도를 나타낸다.1A-1B show a cross-sectional view, current flow and light induction of a high power single mode surface emitting laser structure of the present invention.

도2는 Al 조성에 따른 산화막의 형성 깊이 차이를 나타낸 실험 결과이다.2 is an experimental result showing a difference in the formation depth of the oxide film according to the Al composition.

도3a 내지 도3e는 본 발명의 고출력 단일모드 표면방출 레이저 제조 방법을 나타낸다.3A-3E illustrate a method of manufacturing a high power single mode surface emitting laser of the present invention.

도4는 본 발명의 고출력 단일모드 표면방출 레이저의 다른 실시 예를 나타내는 단면도이다.4 is a cross-sectional view showing another embodiment of the high power single mode surface emitting laser of the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

21 : n형의 반도체기판 (n-type substrate)21: n-type substrate

22 : n층의 반도체 DBR로 구성된 하부 거울층 (bottom mirror)22: bottom mirror consisting of n-layer semiconductor DBR

23 : 활성층 (active region)23 active layer

24 : 광 유도(optical guide)를 위한 광유도층24: Light guide layer for optical guide

25 : p층의 반도체 DBR로 구성된 제1상부거울층 (bottom mirror)25: first mirror layer composed of p-layer semiconductor DBR

26 : 전류 제한(current confinement)를 위한 전류제한층26: current limiting layer for current confinement

27 : p층의 반도체 DBR로 구성된 제2상부거울층 (bottom mirror)27: second top mirror layer composed of p-layer semiconductor DBR

28 : 광 유도를 위한 광유도산화막층28: light guide oxide layer for light induction

29 : 전류 제한을 위한 전류제한산화막층29: current limiting oxide layer for current limiting

30 : p형 전극30: p-type electrode

31 : 절연층31: insulation layer

32 : 전극 패드32: electrode pad

33 : n형 전극33: n-type electrode

d0 : 광유도산화막에 의해 제한된 광가이드 영역의 직경d 0 : diameter of the light guide region limited by the photo-induced oxide film

d1 : 전류제한산화막에 의해 제한된 전류 흐르는 영역의 직경d 1 : diameter of the current flowing region limited by the current-limiting oxide film

Claims (8)

표면방출 레이저 소자에 있어서,In the surface emitting laser device, 반도체 기판 상에 차례로 적층된 n형 도핑된 하부거울층 및 양자우물층으로 형성된 활성층;An active layer formed of an n-type doped lower mirror layer and a quantum well layer sequentially stacked on the semiconductor substrate; 상기 활성층 상에 산화막 형성을 통하여 광유도 하기 위한 광유도층;A light induction layer for inducing light through forming an oxide film on the active layer; 광유도층 상에 차례로 적층된 p형 도핑된 반도체 DBR로 구성되어 상부거울의 일부가 되는 제1상부거울층;A first upper mirror layer composed of a p-type doped semiconductor DBR sequentially stacked on the light induction layer to become part of the upper mirror; 제1상부거울층 상에 전류 흐름 영역의 조절을 위한 전류제한층;A current limiting layer for regulating a current flow region on the first upper mirror layer; 상기 전류제한층 위에 차례로 적층된 p형 도핑된 반도체 DBR로 구성되어 상부거울의 일부가 되는 제2상부거울층으로 이루어져 있으며,It consists of a second upper mirror layer consisting of a p-type doped semiconductor DBR sequentially stacked on the current limiting layer to be part of the upper mirror, 상기 광유도층과 전류제한층은 서로 두께나 조성을 다르게 하여 한번의 산화막 형성 공정을 이용하여 서로 독립적으로 광유도산화막층과 전류제한산화막층이 형성 되는 것을 특징으로 하는 고출력 단일모드 표면방출 레이저 소자.The light guide layer and the current limiting layer is a high power single mode surface emission laser device, characterized in that the light guide oxide layer and the current limiting oxide layer are formed independently of each other by using a single oxide film forming process by varying the thickness or composition of each other. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1상부거울층과 제2상부거울층, 하부거울층을 구성하는 반도체 DBR층은 GaAs에 격자 정합된 구조로 AlxGa1-xAs/ AlyGa1-yAs (0 ≤ x, y ≤ 1)등과 같이 굴절률이 다른 반도체 박막층을 교대로 성장하여 제작하는데 한 주기의 두께가 광학길이로 레이저 발진 파장의 반이 되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 고출력 단일모드 표면방출 레이저 소자.The semiconductor DBR layer constituting the first upper mirror layer, the second upper mirror layer, and the lower mirror layer has a lattice matched structure to GaAs, and Al x Ga 1-x As / Al y Ga 1-y As (0 ≦ x, A high power single mode surface emitting laser device characterized in that the thickness of one cycle is made to be half of the laser oscillation wavelength by the optical length, when the semiconductor thin film layers having different refractive indices such as y ≤ 1) are alternately grown. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 활성층은 GaAs에 거의 격자 정합된 구조로 AlGaAs/GaAs등의 양자우물 및 공간층 구조로 구성되어 있으며 전체 두께가 광학길이로 발진파장 반의 정수배가 되도록 구성된 것을 특징으로 하는 고출력 단일모드 표면방출 레이저 소자.The active layer is a lattice matched structure to GaAs, which is composed of a quantum well and a space layer structure such as AlGaAs / GaAs, and has a high power single mode surface emitting laser device, characterized in that the total thickness is an integer multiple of half the oscillation wavelength. . 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광유도층과 전류제한층은 GaAs에 격자 정합된 구조의 AlxGa1-xAs (0 ≤ x ≤ 1)으로 하며, 전류제한층의 Al 조성이나 두께가 광유도층의 Al 조성 이나 두께보다 크게 하는 것을 특징으로 하는 고출력 단일모드 표면방출 레이저 소자.The light inducing layer and the current limiting layer are Al x Ga 1-x As (0 ≤ x ≤ 1) having a lattice matched structure to GaAs, and the Al composition or thickness of the current limiting layer is Al composition or thickness of the light inducing layer. A high power single mode surface emitting laser device characterized in that it is made larger. 반도체 기판 상에 차례로 적층된 n형 도핑된 하부거울층 및 양자우물층으로 형성된 활성층;An active layer formed of an n-type doped lower mirror layer and a quantum well layer sequentially stacked on the semiconductor substrate; 상기 활성층 상에 산화막 형성을 통하여 광유도 하기 위한 광유도층;A light induction layer for inducing light through forming an oxide film on the active layer; 광유도층 상에 차례로 적층된 p형 도핑된 반도체 DBR로 구성되어 상부거울의 일부가 되는 제1상부거울층;A first upper mirror layer composed of a p-type doped semiconductor DBR sequentially stacked on the light induction layer to become part of the upper mirror; 제1상부거울층 상에 전류 흐름 영역의 조절을 위한 전류제한층;A current limiting layer for regulating a current flow region on the first upper mirror layer; 상기 전류제한층 위에 차례로 적층된 p형 도핑된 반도체 DBR로 구성되어 상부거울의 일부가 되는 제2상부거울층으로 이루어져 있으며,It consists of a second upper mirror layer consisting of a p-type doped semiconductor DBR sequentially stacked on the current limiting layer to be part of the upper mirror, 상기 광유도층과 전류제한층은 서로 두께나 조성을 다르게 하여 한번의 산화막 형성 공정을 이용하여 서로 독립적으로 광유도산화막층과 전류제한산화막층이 형성 되는 것을 특징으로 하는 고출력 단일모드 표면방출 레이저 소자를 제조하는 방법에 있어서,The light guide layer and the current limiting layer have a high power single mode surface emitting laser device, characterized in that the light guide oxide layer and the current limiting oxide layer are formed independently of each other using a single oxide film forming process by varying the thickness or composition of each other. In the manufacturing method, 상기 광유도층을 일부 산화하여 광유도를 위한 광유도산화막층이 형성되는 것을 특징으로 하는 고출력 단일모드 표면방출 레이저 소자 제조 방법.And partially oxidizing the light guide layer to form a light guide oxide film layer for light induction. 반도체 기판 상에 차례로 적층된 n형 도핑된 하부거울층 및 양자우물층으로 형성된 활성층;An active layer formed of an n-type doped lower mirror layer and a quantum well layer sequentially stacked on the semiconductor substrate; 상기 활성층 상에 산화막 형성을 통하여 광유도 하기 위한 광유도층;A light induction layer for inducing light through forming an oxide film on the active layer; 광유도층 상에 차례로 적층된 p형 도핑된 반도체 DBR로 구성되어 상부거울의 일부가 되는 제1상부거울층;A first upper mirror layer composed of a p-type doped semiconductor DBR sequentially stacked on the light induction layer to become part of the upper mirror; 제1상부거울층 상에 전류 흐름 영역의 조절을 위한 전류제한층;A current limiting layer for regulating a current flow region on the first upper mirror layer; 상기 전류제한층 위에 차례로 적층된 p형 도핑된 반도체 DBR로 구성되어 상부거울의 일부가 되는 제2상부거울층으로 이루어져 있으며,It consists of a second upper mirror layer consisting of a p-type doped semiconductor DBR sequentially stacked on the current limiting layer to be part of the upper mirror, 상기 광유도층과 전류제한층은 서로 두께나 조성을 다르게 하여 한번의 산화막 형성 공정을 이용하여 서로 독립적으로 광유도산화막층과 전류제한산화막층이 형성 되는 것을 특징으로 하는 고출력 단일모드 표면방출 레이저 소자를 제조하는 방법에 있어서,The light guide layer and the current limiting layer have a high power single mode surface emitting laser device, characterized in that the light guide oxide layer and the current limiting oxide layer are formed independently of each other using a single oxide film forming process by varying the thickness or composition of each other. In the manufacturing method, 상기 전류제한층을 일부 산화하여 전류 절연을 위한 전류제한산화막층이 형성되는 것을 특징으로 하는 고출력 단일모드 표면방출 레이저 소자 제조 방법.And partially oxidizing the current limiting layer to form a current limiting oxide film layer for current insulation. 반도체 기판 상에 차례로 적층된 n형 도핑된 하부거울층 및 양자우물층으로 형성된 활성층;An active layer formed of an n-type doped lower mirror layer and a quantum well layer sequentially stacked on the semiconductor substrate; 상기 활성층 상에 산화막 형성을 통하여 광유도 하기 위한 광유도층;A light induction layer for inducing light through forming an oxide film on the active layer; 광유도층 상에 차례로 적층된 p형 도핑된 반도체 DBR로 구성되어 상부거울의 일부가 되는 제1상부거울층;A first upper mirror layer composed of a p-type doped semiconductor DBR sequentially stacked on the light induction layer to become part of the upper mirror; 제1상부거울층 상에 전류 흐름 영역의 조절을 위한 전류제한층;A current limiting layer for regulating a current flow region on the first upper mirror layer; 상기 전류제한층 위에 차례로 적층된 p형 도핑된 반도체 DBR로 구성되어 상부거울의 일부가 되는 제2상부거울층으로 이루어져 있으며,It consists of a second upper mirror layer consisting of a p-type doped semiconductor DBR sequentially stacked on the current limiting layer to be part of the upper mirror, 상기 광유도층과 전류제한층은 서로 두께나 조성을 다르게 하여 한번의 산화막 형성 공정을 이용하여 서로 독립적으로 광유도산화막층과 전류제한산화막층이 형성 되며,The light guide layer and the current limiting layer may be formed independently of each other using a single oxide film forming process by varying the thickness or composition of the light guide layer and the current limiting oxide layer. 상기 광유도층과 전류제한층은 GaAs에 격자 정합된 구조의 AlxGa1-xAs (0 ≤ x ≤ 1)으로 하며, 전류제한층의 Al 조성이나 두께가 광유도층의 Al 조성 이나 두께보다 크게 하는 것을 특징으로 하는 고출력 단일모드 표면방출 레이저 소자를 제조하는 방법에 있어서,The light inducing layer and the current limiting layer are Al x Ga 1-x As (0 ≤ x ≤ 1) having a lattice matched structure to GaAs, and the Al composition or thickness of the current limiting layer is Al composition or thickness of the light inducing layer. In the method of manufacturing a high power single mode surface emitting laser device, characterized in that to further increase, 상기 광유도층과 전류제한층을 동시에 산화하여 각각 광유도산화막층과 전류제한산화막층을 형성하되 산화되지 않은 전류제한층 영역이 산화되지 않은 광유도층의 영역보다 작게하는 것을 특징으로 하는 고출력 단일모드 표면방출 레이저 소자 제조하는 방법.The light-induced layer and the current-limiting layer are simultaneously oxidized to form a photo-induced oxide layer and a current-limiting oxide layer, respectively, wherein the unoxidized current limiting layer area is smaller than that of the non-oxidized light inducing layer. Method of manufacturing a mode surface emitting laser device. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 광유도산화막층과 전류제한산화막층은 H2O를 통과한 N2가 흐르는 분위기에서 약 380∼450℃ 열처리하는 방법의 습식산화공정을 사용하여 각각 광유도층과 전류제한층을 일부 산화하여 형성하는 것을 특징으로 하는 고출력 단일모드 표면방출레이저 소자 제조하는 방법.The photo-induced oxide layer and the current-limiting oxide layer are partially oxidized in the light-induced layer and the current-limiting layer, respectively, by using a wet oxidation process in which a heat treatment is performed at about 380 to 450 ° C. under an atmosphere of flowing N 2 through H 2 O. A method of manufacturing a high power single mode surface emitting laser device, characterized in that it is formed.
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