KR101118351B1 - 면발광 레이저 및 레이저 투사 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 반도체 기판(2a) 상에 형성된 활성층(3)과, 상기 활성층(3)에 캐리어를 주입하는 일련의 상부 전극(5) 및 하부 전극(6)을 갖는 면발광 레이저(100a)에 있어서, 해당 하부 전극(6)의 평면 형상을, 해당 하부 전극(6)으로부터 상기 활성층(3)으로의 전류의 주입이, 해당 하부 전극(6)의 중심 부분에서는 높은 전류 밀도로, 그 주변 부분에서는 낮은 전류 밀도로 행해지도록 별형 형상으로 한 것이다. 이 면발광 레이저(100a)에서는 면발광 레이저의 활성층에 주입하는 캐리어의 밀도 분포가, 활성층 내에서의 광의 파워 분포에 따른 분포로 되고, 이에 따라, 활성층의, 전극 주변부에 대응하는 영역에서의 전류 밀도의 증대에 의한 홀 버닝의 발생을 피하여, 고출력시의 횡 모드 안정성을 대폭 증대시켜 고출력 특성의 향상을 도모할 수 있다.

Description

면발광 레이저 및 레이저 투사 장치{SURFACE-EMITTING LASER AND LASER PROJECTOR}
본 발명은 면발광 레이저 및 레이저 투사 장치에 관한 것으로, 특히, 안정되게 고출력으로 동작하는 면발광 레이저, 및 이것을 광원으로서 이용한 레이저 투사 장치에 관한 것이다.
면발광 레이저는 저 임계값에서 레이저 발진을 행하는, 우수한 빔 품질을 갖는 반도체 레이저이며, 출력광을 고속으로 변조 가능하다는 변조 특성을 이용한 광 통신 분야로의 응용이 실현되어 있다. 그러나, 면발광 레이저의 과제로서 고출력화가 어렵다고 하는 문제가 있었다.
면발광 레이저는 박막에 의해 구성되어 있기 때문에, 그 구조상, 공진기 길이가 매우 짧다. 이 때문에, 공진기 길이를 증대하여 충분한 이득을 얻는 것은 어렵다.
한편, 면발광 레이저의 구동 전류를 증대하여 고출력화를 도모하는 것도 생각되지만, 면발광 레이저에서는, 활성층 내의 캐리어 밀도가 지나치게 높은 경우, 공간적 홀 버닝(hole burning)에 의한 이득 포화에 의해 광 출력이 포화하여, 높은 광 출력 동작이 저해된다.
이러한 것으로부터, 공진기 길이를 증대하거나 구동 전류를 증대하거나 하지 않고 면발광 레이저의 고출력화를 도모하기 위해서는, 면발광 레이저에 있어서의 빔 단면적을 증대시키는 것이 유효하다고 생각된다.
그런데, 이러한 공진기 길이가 짧은 구조의 면발광 레이저에서는, 레이저의 고출력화를 도모하기 위해 빔 단면적을 증대시키면, 공진기 내에서의 횡 모드가 멀티모드화되어 버려, 빔 품질이나 발진 효율을 현저히 저하시킨다고 하는 문제가 발생하고 있었다.
이것에 비하여, 이러한 빔 품질이나 발진 효율의 저하를 없애도록 한 면발광 레이저는 이미 개발되어 있고, 예컨대, 특허문헌 1에는, 면발광 레이저에 있어서, 횡 모드의 멀티화를 억제하면서, 빔 단면적을 증대시킨 것이 개시되어 있다.
도 14는 특허문헌 1에 개시된 면발광 레이저를 설명하는 도면이며, 도 14(a)는 그 단면 구조, 도 14(b)는 그 하부 전극의 형상을 나타내고 있고, 또한, 도 14(c)는, 이 면발광 레이저의 활성층의, 하부 전극에 대향하는 영역에서의 광의 강도 분포를 나타내고 있다.
도 14(a)에 나타내는 면발광 레이저(200)는, 반도체 기판(2)과, 해당 반도체 기판(2)의 한쪽의 면에 형성된 활성층(3)과, 해당 활성층(3) 상에 형성된 반사층(4)을 갖고 있다. 여기서, 해당 반사층(4)은, 굴절률이 다른 재료(4a, 4b)를 교대로 적층하여 이루어지는 분산형 브랙반사층이며, 이하, DBR(Distributed Bragg Reflector)층이라고도 한다. 또한, 상기 면발광 레이저(200)는, 상기 DBR층(4)의 표면 상에 형성된 원형의 하부 전극(600)과, 상기 기판(2)의 또 한 쪽의 면상에 해당 하부 전극(600)에 대향하는 영역을 둘러싸도록 형성된, 링형상의 상부 전극(5)을 갖고 있다.
또한, 이 면발광 레이저(200)는, 상기 표면 전극(5)의 윗쪽에, 그 내측의 기판 표면에 대향하도록 배치된 외부 미러(1)를 갖고 있고, 이 면발광 레이저(200)에서는, DBR층(4)과 외부 미러(1)에 의해, 활성층(3)에서 발생한 광을 레이저 발진이 생기도록 증폭하는 공진기가 구성되어 있다. 여기서, DBR층(4)은 전반사층(全反射層)이며, 외부 미러(1)는 일부 투과 미러이다.
다음에 동작에 대하여 설명한다.
이 면발광 레이저(200)에서는, 상부 전극(5) 및 하부 전극(600)의 사이에 구동 전압이 인가되어, 활성층(3) 내에 전류가 주입되면, 활성층(3) 내에서는 광이 발생하고, 발생한 광은 공진기에 의해 증폭된다. 그리고, 이 주입 전류의 크기가 일정값, 즉 레이저 발진 임계값보다 커지면, 공진기 내에서 레이저 발진이 발생하여, 레이저광(8)이 외부 미러(1)를 거쳐서 외부에 출사된다. 이 때, 레이저광(8)은 면발광되고, 레이저광의 출사 방향은 기판(2)의 표면에 대하여 수직인 방향으로 되어 있다.
이와 같이 상기 특허문헌 1에 개시된 면발광 레이저에서는, 공진기를 구성하는 한쪽의 미러를 외부 미러(1)로서 기판으로부터 이격하여 배치해서, 공진기 길이의 증대를 도모하고 있다. 즉, 이러한 외부 미러(1)를 이용하는 것에 의해, 빔 단면적이 큰 값의 것으로 되더라도, 공진 모드를 단일화하는 것이 가능해져, 고출력 특성을 실현하고 있다.
또한, 특허문헌 2에는, 면발광 레이저에 있어서 활성층 내의 캐리어 밀도를 균일화하는 전극 구조가 개시되어 있다.
이 특허문헌 2에 개시되어 있는 면발광 레이저에서는, 이면 전극을 복수로 분할함으로써, 활성층 내로 주입하는 전류의 분포를 제어 가능하게 하고, 이에 따라 대구경의 면발광 레이저를 실현하고 있다.
[특허문헌 1] 미국특허 제 6404797호 명세서
[특허문헌 2] 일본특허공개평성 제 11-233889호 공보
그러나, 특허문헌 1에 개시된 면발광 레이저(200)에서는, 고출력 특성을 실현하는 데에 있어서, 활성층 내에서의 캐리어 밀도 분포가 문제로 된다. 즉, 이 문헌에 기재된 면발광 레이저(200)에서는, 활성층(3)의, 하부 전극(600)에 대응하는 영역에서의 광의 강도 분포는, 도 14(c)에 도시하는 바와 같이, 가우스 분포에 가까운 분포로 되어, 활성층의 발광 중심 부분에서 광 강도 Lp가 피크로 되어 있다. 한편, 면발광 레이저(200)의 활성층(3)의, 하부 전극(600)에 대응하는 영역에서는, 그 중심부와 그 주변부에서는 광 강도 분포에 큰 치우침이 있음에도 불구하고, 활성층(3) 내에 주입되는 캐리어 밀도 Cd는 똑같다. 이 때문에, 활성층(3)의 하부 전극(600)에 대응하는 영역의 중심부의 주변 부분에서는, 활성층 내에 존재하는 캐리어의 밀도가 커서, 캐리어가 과잉 상태로 되고 있고, 한편, 상기 영역의 중심 부분에서는, 캐리어 부족의 상태가 발생하고 있다. 이러한 캐리어의 불균일한 분포에 의해, 활성층(3)에서는 굴절률 분포가 발생하여, 공진 모드가 멀티화하는 것으로 된다. 또한, 이득 포화의 발생도 걱정된다.
이 현상은, AlGaAs계 반도체 재료(AlxGa1 - xAs(0≤x≤1))로 이루어지는 적외 반도체 레이저나, AlGaInP계 반도체 재료(AlxGayIn1 -x- yP(0≤x≤1, 0≤y≤1))로 이루어지는 적색 반도체 레이저와 비교해서, 이득 포화가 생기는 임계 캐리어 밀도가 지극히 높고, 게다가 미분 이득이 높은 질화물계 반도체 레이저에서 특히 현저해진다.
또한, 특허문헌 2에 개시된 면발광 레이저에서는, 복수의 전극을 분할하는 부분의 저항 분리층에 의해, 활성층에 주입되는 전류에 손실이 발생하여 효율이 저하한다고 하는 문제가 있다.
본 발명은, 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결한 것이며, 안정한 횡 모드로 레이저 발진을 할 수 있고, 또한 활성층으로의 전류 주입을 효율적으로 실행할 수 있는 고출력의 면발광 레이저, 및 이러한 고출력의 면발광 레이저를 광원으로서 이용한 레이저 투사 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 청구항 1에 기재된 면발광 레이저는, 레이저광의 면발광을 행하는 면발광 레이저로서, 반도체 기판 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층에 캐리어를 주입하는 한 쌍의 전극을 갖고, 상기 한 쌍의 전극은, 그 한쪽이 하나의 전극층으로 이루어지고, 해당 한쪽의 전극으로부터 상기 활성층으로의 전류의 주입을, 해당 한쪽의 전극의 중심 부분과 그 주변 부분에서 상이한 전류 밀도로 행하는 것인 것을 특징으로 하는 것이다.
이에 따라, 활성층 내에 주입되는 캐리어의 밀도 분포를, 활성층 내에서의 광 강도 분포에 맞춰 조정하여, 활성층 내에서의 캐리어 분포를 균일하게 할 수 있고, 그 결과, 고출력시의 횡 모드 안정성이 대폭 증대한, 우수한 고출력 특성을 갖는 면발광 레이저를 실현할 수 있다.
본 발명의 청구항 2에 기재된 면발광 레이저는, 청구항 1에 기재된 면발광 레이저에 있어서, 상기 반도체 기판 상에 복수의 반도체층을 적층하여 이루어지는, 상기 활성층을 포함하는 반도체층 적층체를 갖고, 상기 전극층과 상기 반도체층 적층체가 접촉하는 면밀도는, 상기 전극층의 중심 부분과 그 주변 부분에서 상이한 것을 특징으로 하는 것이다.
이에 따라, 활성층 내에 주입되는 캐리어의 밀도 분포를, 전극층과 반도체층 적층체가 접촉하는 면적에 의해 조정할 수 있어, 광 강도 분포를 갖는 활성층 내에서의 캐리어 분포의 균일화를, 전극층의 형상을 바꾸는 등의 간단한 방법으로 실현할 수 있다.
본 발명의 청구항 3에 기재된 면발광 레이저는, 청구항 1에 기재된 면발광 레이저에 있어서, 상기 한쪽의 전극은, 이것을 구성하는 전극층에 복수의 미소 구멍을, 상기 미소 구멍의 점유 밀도가 해당 한쪽의 전극의 중심 부분과 그 주변 부분에서 상이하도록 형성한 것인 것을 특징으로 하는 것이다.
이에 따라, 활성층 내에 주입되는 캐리어의 밀도 분포를, 전극층에 형성하는 복수의 미소 구멍의 배치나 미소 구멍의 크기를 바꾸는 것에 의해 조정할 수 있어, 광 강도 분포를 갖는 활성층 내에서의 캐리어 분포의 균일화를, 전극층의 구조의 간단한 개변에 의해 실현할 수 있다. 또한, 반도체층 상에서의 전극층 전체의 넓이를 크게 하여, 전극층으로부터 히트싱크로의 방열 효과를 보다 높일 수 있고, 보다 우수한 고출력 특성을 갖는 면발광 레이저를 실현할 수 있다.
본 발명의 청구항 4에 기재된 면발광 레이저는, 청구항 1에 기재된 면발광 레이저에 있어서, 상기 한쪽의 전극은, 이것을 구성하는 전극층의 저항치가 해당 한쪽의 전극의 중심 부분과 그 주변 부분에서 상이한 것을 특징으로 하는 것이다.
이에 따라, 전극층의 재료나 성분을 바꿔 전극층의 저항치를 바꾸는 것에 의해, 활성층에 주입되는 캐리어의 밀도 분포를, 활성층 내에서의 광 강도 분포에 따라 보다 정밀히 조정할 수 있다.
본 발명의 청구항 5에 기재된 면발광 레이저는, 청구항 1에 기재된 면발광 레이저에 있어서, 상기 반도체 기판 상에 복수의 반도체층을 적층하여 이루어지는, 상기 활성층을 포함하는 반도체층 적층체와, 해당 반도체층 적층체와, 상기 한쪽의 전극을 구성하는 전극층과의 사이에 형성된 저항층을 갖고, 상기 저항층의 저항치는, 상기 한쪽의 전극의 중심부에 대응하는 부분과 그 주변부에 대응하는 부분에서 상이한 것을 특징으로 하는 것이다.
이에 따라, 저항층의 재료나 성분을 바꾸는 것에 의해, 활성층에 주입되는 캐리어의 밀도 분포를, 활성층 내에서의 광 강도 분포에 따라 보다 정밀히 조정할 수 있다.
본 발명의 청구항 6에 기재된 면발광 레이저는, 청구항 1에 기재된 면발광 레이저에 있어서, 상기 반도체 기판 상에 복수의 반도체층을 적층하여 이루어지는, 상기 활성층을 포함하는 반도체층 적층체를 갖고, 해당 활성층에서 발생한 광을 레이저 발진이 생기도록 증폭하는 공진기는, 상기 반도체층 적층체에 포함되는 반사층과, 해당 반사층과 대향하도록 해당 반도체층 적층체로부터 이격하여 배치한 외부 미러로 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.
이에 따라, 면발광 레이저에 있어서의 공진기 길이를 크게 할 수 있어, 공진기 내의 횡 모드가 멀티모드화하는 것을 억제하면서, 빔 단면적을 크게 할 수 있어, 면발광 레이저의 고출력 특성을 비약적으로 향상시킬 수 있다.
본 발명의 청구항 7에 기재된 면발광 레이저는, 청구항 6기재의 면발광 레이저에 있어서, 상기 외부 미러는 그 양면을 오목면 형상으로 한 일부 투과 미러인 것을 특징으로 하는 것이다.
이에 따라, 면발광 레이저로부터 면발광시키는 레이저광의 넓이각이 커져, 면발광 레이저를 광파이버 등에 결합하는 광학계에는, 구경이 크고 초점거리가 짧은 범용타입의 렌즈를 이용하는 것이 가능해져, 해당 광학계를, 염가이고 또한 광로 길이가 짧은 조밀한 것으로 할 수 있다.
본 발명의 청구항 8에 기재된 면발광 레이저는, 청구항 1에 기재된 면발광 레이저에 있어서, 상기 반도체 기판 상에 복수의 반도체층을 적층하여 이루어지는, 상기 활성층을 포함하는 반도체층 적층체를 갖고, 해당 반도체층 적층체는, 상기 활성층의 근방에 배치되고, 해당 활성층 내의 과포화 캐리어를 흡수하는 과포화 흡수체를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이에 따라, 면발광 레이저의 발진 상태를, 과포화 캐리어를 흡수하는 현상을 이용한 자려 발진 상태, 즉 직류 전류를 흘리고 있음에도 불구하고, 펄스 형상으로 레이저광을 방출하는 발진 상태로 할 수 있어, 스펙클 노이즈를 저감할 수 있다.
본 발명의 청구항 9 기재의 면발광 레이저는, 청구항 1에 기재된 면발광 레이저에 있어서, 면발광된 레이저광의 발진 파장이 430-455㎚의 범위내의 파장인 것을 특징으로 하는 것이다.
이에 따라, 필요 파워의 저감에 의한 저소비 전력화와, 높은 색 재현성을 실현한 청색 면발광 레이저를 얻을 수 있다.
본 발명의 청구항 10에 기재된 면발광 레이저는, 청구항 1에 기재된 면발광 레이저에 있어서, 면발광된 레이저광의 발진 파장이 630~650㎚의 범위내의 파장인 것을 특징으로 하는 것이다.
이에 따라, 고출력화를 실현한 적색 면발광 레이저를 얻을 수 있다.
본 발명의 청구항 11에 기재된 면발광 레이저는, 청구항 1에 기재된 면발광 레이저에 있어서, 면발광된 레이저광의 발진 파장이 510~550㎚의 범위내의 파장인 것을 특징으로 하는 것이다.
이에 따라, 높은 신뢰성을 구비한 녹색 면발광 레이저를 실현할 수 있다.
본 발명의 청구항 12에 기재된 면발광 레이저는, 청구항 6기재의 면발광 레이저에 있어서, 상기 외부 미러와 상기 활성층 사이에 배치된, 레이저광의 파장을 변환하는 비선형 광학 재료를 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.
이에 따라, 단파장 광을 발생 가능한 고출력의 레이저 광원을 실현할 수 있다.
본 발명의 청구항 13에 기재된 면발광 레이저는, 청구항 1에 기재된 면발광 레이저에 있어서, 상기 반도체 기판의 표면 상에 복수의 반도체층을 적층하여 이루어지는, 상기 활성층을 포함하는 반도체층 적층체를 갖고, 상기 반도체 기판은, 그 이면의 일부를 상기 활성층의 표면 근방까지 에칭하여 오목부를 형성한 것인 것을 특징으로 하는 것이다.
이에 따라 반도체 기판 내에서의 레이저광의 흡수를 저감할 수 있어, 고출력화를 도모할 수 있다.
본 발명의 청구항 14에 기재된 반도체 레이저 장치는, 레이저광을 출력하는 반도체 레이저와, 해당 반도체 레이저로부터의 레이저광을 파장 변환하는 파장 변환 소자를 구비한 반도체 레이저 장치로서, 상기 반도체 레이저는 청구항 1에 기재된 면발광 레이저인 것을 특징으로 하는 것이다.
이에 따라, 상기 면발광 레이저로부터의 레이저광을 파장 변환하여 출력하는, 단파장 광을 발생 가능한 고출력의 반도체 레이저 장치를 실현할 수 있다.
본 발명의 청구항 15에 기재된 레이저 모듈은, 복수의 반도체 레이저를 하나의 패키지 내에 집적화하여 이루어지는 레이저 모듈로서, 상기 각 반도체 레이저는 청구항 1에 기재된 면발광 레이저인 것을 특징으로 하는 것이다.
이에 따라, RGB 광원 등의 다파장 광원을 실현할 수 있고, 또한 이러한 다파장 광원과 집광 광학계를 이용하는 것으로 초소형의 레이저 조사 장치를 실현할 수 있다.
본 발명의 청구항 16에 기재된 레이저 모듈은, 청구항 15에 기재된 레이저 모듈에 있어서, 상기 복수의 반도체 레이저는, 상기 각 반도체 레이저가, 중심이 상기 패키지의 중심과 일치한 정다각형의 정점에 위치하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
이에 따라, 패키지 구조를 단순화하여 저비용화를 도모할 수 있고, 또한, 레이저 모듈의 고출력화와 장기 수명화를 실현할 수 있다.
본 발명의 청구항 17에 기재된 레이저 투사 장치는, 레이저광을 출력하는 반도체 레이저와, 해당 반도체 레이저로부터 출력된 레이저광을 투사하는 투사 광학계를 구비한 레이저 투사 장치로서, 상기 반도체 레이저는 청구항 1에 기재된 면발광 레이저인 것을 특징으로 하는 것이다.
이에 따라, 고출력시의 횡 모드 안정성이 대폭 증대한, 고출력화가 가능한 초소형의 레이저 투사 장치를 실현할 수 있다.
본 발명의 청구항 18에 기재된 레이저 투사 장치는, 청구항 17에 기재된 레이저 투사 장치에 있어서, 상기 면발광 레이저는, 종 모드 스펙트럼이 멀티모드인 레이저광을 출사하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이에 따라, 레이저광의 코히어런트(coherent)성이 저감하는 것으로 되어, 스펙클 노이즈의 저감을 도모할 수 있다.
본 발명의 청구항 19에 기재된 레이저 투사 장치는, 청구항 17에 기재된 레이저 투사 장치에 있어서, 상기 면발광 레이저는, 종 모드 스펙트럼의 실질적인 폭이 1㎚ 이상 넓어진 레이저광을 출사하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이에 따라, 스펙클 노이즈를 대폭 저감한 레이저 투사 장치를 실현할 수 있다.
본 발명의 청구항 20에 기재된 면발광 레이저는, 레이저광의 면발광을 행하는 면발광 레이저로서, 반도체 기판 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층에 캐리어를 주입하는 한 쌍의 전극을 갖고, 상기 한 쌍의 전극의 한쪽은 복수의 전극 부분으로 분할한 것이며, 해당 복수의 전극부의 적어도 한편에는, 고주파 성분을 중첩한 레이저 구동 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이에 따라, 각 전극부에 인가하는 구동 전압에 의해, 각 전극부로부터 활성층에 주입되는 캐리어의 밀도를 조정하는 것이 가능해져, 면발광 레이저 활성층 내에서의 광 강도 분포에 관계없이, 활성층 내에서의 캐리어 밀도를 균일하며 고출력시의 횡 모드 안정성이 대폭 증대한, 우수한 고출력 특성을 갖는 면발광 레이저를 실현할 수 있다. 또한, 전극부에 고주파 성분을 중첩한 레이저 구동 전압을 인가하기 때문에, 레이저 발진의 상태가 변화되어 레이저광의 시간적인 코히어런트성이 저하하게 되고, 이에 따라 복귀광에 의한 노이즈를 저감할 수 있다.
본 발명의 청구항 21에 기재된 면발광 레이저는, 청구항 20에 기재된 면발광 레이저에 있어서, 상기 분할된 복수의 전극 부분은 레이저광의 발광 중심의 주위에 실질적으로 균일하게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
이에 따라, 발광 중심로부터의 거리가 같은 전극부에 동일 레벨의 구동 전압을 인가함으로써, 간단히, 광 강도 분포가 다른 활성층 내에서의 캐리어 밀도를 균일하게 하는 것이 가능해진다.
본 발명의 청구항 22에 기재된 면발광 레이저는, 청구항 20에 기재된 면발광 레이저에 있어서, 상기 각 전극 부분으로부터 활성층으로의 전류의 주입을, 해당 활성층의 발광 중심에 가까운 영역일수록 전류 밀도가 높아지도록 실행하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이에 따라, 광 강도의 피크가 발광 중심에 위치하는 광 강도 분포를 갖는 활성층에서, 광 강도 분포에 적합한 주입 캐리어의 밀도 분포를 실현할 수 있다.
본 발명의 청구항 23에 기재된 면발광 레이저는, 청구항 20에 기재된 면발광 레이저에 있어서, 상기 복수의 전극 부분의 적어도 하나에 변조된 레이저 구동 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이에 따라, 발진 파장이 변동하는 처핑(chirping) 현상을 완화하면서, 코히어런트성의 저하에 의해 스펙클 노이즈를 억제할 수 있다.
본 발명의 청구항 24에 기재된 면발광 레이저는, 청구항 20에 기재된 면발광 레이저에 있어서, 상기 각 전극 부분이 형성하는 각 반도체 레이저부를, 다른 주입 전류로 구동하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이에 따라, 각 반도체 레이저에 대응하는 활성층에서는, 광 강도 분포에 대응한 캐리어 주입 밀도를 실현하는 것이 가능해져, 면발광 레이저의 고출력화를, 공간적인 홀 버닝(hole burning)을 억제하면서 도모할 수 있다.
본 발명의 청구항 25에 기재된 면발광 레이저는, 청구항 20에 기재된 면발광 레이저에 있어서, 상기 반도체 기판의 표면 상에 복수의 반도체층을 적층하여 이루어지는, 상기 활성층을 포함하는 반도체층 적층체를 갖고, 상기 반도체 기판은 그 이면의 일부를 상기 활성층의 표면 근방까지 에칭하여 오목부를 형성한 것인 것을 특징으로 하는 것이다.
이에 따라 반도체 기판 내에서의 레이저광의 흡수를 저감할 수 있어, 고출력화를 도모할 수 있다.
본 발명에 의하면, 면발광 레이저에 있어서, 면발광 레이저의 활성층에 주입하는 캐리어의 밀도 분포를, 활성층 내에서의 광의 파워 분포에 따른 분포로 하는 것에 의해, 활성층의, 전극 주변부에 대응하는 영역에서의 전류 밀도의 증대에 의한 홀 버닝의 발생을 피해서, 고출력시의 횡 모드 안정성을 대폭 증대시켜 고출력 특성의 향상을 도모할 수 있다.
이 결과, 안정한 횡 모드로 레이저 발진을 할 수 있고, 또한 활성층으로의 전류 주입을 효율적으로 실행할 수 있는 고출력의 면발광 레이저, 및 이러한 고출력의 면발광 레이저를 광원으로서 이용한 레이저 투사 장치를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 면발광 레이저를 설명하는 도면이며, (a) 그 단면 구조, (b) 하부 전극의 형상, 및 (c) 활성층의 발광 영역에서의 광 강도 분포를 나타내는 도면,
도 2는 상기 실시예 1의 면발광 레이저에 있어서의 하부 전극 형상의 다른 예((a), (b))를 도시하는 도면,
도 3은 상기 실시예 1의 면발광 레이저에 있어서의 하부 전극 구조의 다른 예((a), (b))를 도시하는 도면,
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 면발광 레이저를 설명하는 도면이며, (a) 그 단면 구조, (b) 하부 전극의 형상, 및 (c) 활성층의 발광 영역에서의 광 강도 분포를 나타내는 도면,
도 5는 상기 실시예 2의 면발광 레이저의 응용예를 설명하는 (a) 평면도 및 (b) 단면도,
도 6은 본 발명의 실시예 3에 따른 레이저 투사 장치를 설명하는 도면,
도 7은 본 발명의 실시예 4에 따른 면발광 레이저를 설명하는 도면,
도 8은 본 발명의 실시예 5에 따른 레이저 모듈의 일례를 설명하는 (a) 측면도 및 (b) 평면도,
도 9는 상기 실시예 5에 관한 면발광 레이저의 변형예를 설명하는 (a) 측면도 및 (b) 평면도,
도 10은 본 발명의 실시예 6에 따른 반도체 레이저 장치를 설명하는 도면,
도 11은 상기 실시예 6에 따른 반도체 레이저 장치의 변형예를 설명하는 도면,
도 12는 본 발명의 실시예 7에 따른 레이저 투사 장치에 필요한 파장과 출력의 관계를 도시하는 도면,
도 13은 상기 실시예 7의 레이저 투사 장치의 출력 파장을 설명하는 도면이 며, 청색 광원파장과 필요한 출력의 관계를 나타내는 도면,
도 14는 종래의 면발광 레이저의 일례를 도시하는 도면이다.
부호의 설명
1, 10, 21 : 외부 미러 2, 2a, 22 : 반도체 기판
3, 23 : 활성층 4, 24 : DBR층
5, 25 : 상부 전극 6, 6a, 6b, 26, 60, 600 : 하부 전극
7a, 7b, 7c, 7d : 미세 구멍 8 : 레이저광
9, 29 : 오목부 11 : 절연막
11a, 11b, 11c, 12a, 12b : 구멍 26a, 60a : 내측 전극부
26b, 60b : 외측 전극부 61 : 저항 분리부
62 : 절연 분리층 62a : 분리층
100a, 100b, 100d, 200 : 면발광 레이저
101, 106 : 적색 면발광 레이저
101a, 102a, 103a, 104a, 105a, 106a, 107a : 리드 단자
102, 104, 105 : 녹색 면발광 레이저 103, 107 : 청색 면발광 레이저
110 : 반도체층 적층체 120, 160, 160a : 반도체 레이저 장치
130, 170 : 레이저 투영 장치 132 : 렌즈
133 : 공간 변조기 134 : 투영 렌즈
135, 173 : 스크린 150, 150a : 레이저 모듈
151 : 베이스 부재 161, 161a : 파장 변환 소자
172 : 투영 광학계
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
(실시예 1)
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 면발광 레이저를 설명하는 도면이며, 도 1(a)는 그 단면 구조를, 도 1(b)은 그 하부 전극의 형상을 나타내고, 도 1(c)는, 활성층의 발광 영역에서의 광 강도 분포를 나타내고 있다. 또, 도 1 중, 도 14와 동일 부호는, 종래의 면발광 레이저에서의 것과 동일한 것이다.
본 실시예 1의 면발광 레이저(100a)는, 반도체 기판(2a)의 표면 상에 활성층(3) 및 반사층(4)을 적층하여 이루어지는 반도체층 적층체(110)와, 해당 반사층(4) 상의 소정 영역에 형성된 하부 전극(6)과, 상기 반도체 기판(2a)의 이면측에 형성된 평면 링형상의 상부 전극(5)을 갖고 있다.
여기서, 상기 반도체 기판은 GaN을 주성분으로 하는 질소 화합물로 이루어지고, 상기 활성층(3)은 GaN을 주체로 하는 질화물 반도체로 이루어진다. 상기 반사층(4)은, 상기 활성층(3) 상에 굴절률이 다른 재료(4a, 4b)를 교대로 적층하여 이루어지는 분산형 브랙반사층(이하, DBR층이라고 함)이다.
그리고, 본 실시예 1의 면발광 레이저(100a)에서는, 상기 하부 전극(6)은, 정팔각형의, 그 각 변을 저변으로 하는 이등변 삼각형의 영역을 잘라내어 얻어지는 별형(星型)형상을 갖고 있다. 따라서, 해당 하부 전극(6)과 DBR층(4)의 접촉하는 부분의 면밀도는, 해당 하부 전극(6)의 중심 부분에서 크고, 해당 하부 전극(6)의 주변 부분에서 작아지고 있다. 여기서, 해당 하부 전극(6)은, 그 중심이 상기 링형상의 상부 전극(5)의 중심과 일치하도록 배치되어 있고, 그 최대폭이 상기 링형상의 상부 전극(5)의 내경보다 크고, 그 외경보다 작은 것이다. 또한, 반도체 기판(2a)의, 상부 전극(5)의 내측에 노출하는 부분은 활성층(3)의 표면 근방까지 에칭되어 있고, 다른 부분에 비해서 얇아지고 있다.
또한, 본 실시예 1의 면발광 레이저(100a)는, 상기 링형상의 상부 전극(5)의 윗쪽에 배치된 외부 미러(1)를 갖고 있고, 해당 외부 미러(1)와 상기 DBR층(4)에 의해, 활성층(3)에서 발생한 광을 레이저 발진이 생기도록 증폭하는 공진기가 구성되어 있다. 여기서, 외부 미러(1)의, 기판측의 표면은 오목면 형상으로 되어 있다.
다음에 작용 효과에 대하여 설명한다.
우선, 본 실시예 1의 면발광 레이저(100a)의 레이저 발진 동작에 대하여 간단히 설명한다.
이 면발광 레이저(100a)에서는, 상부 전극(5)과 하부 전극(6) 사이에 레이저 구동 전압이 인가되면, 활성층(3) 내에 전류가 주입된다. 이 주입 전류의 크기가 일정값, 즉 레이저 발진 임계값보다 커지면, 공진기 내에서 레이저 발진이 발생하여, 레이저광(8)이 외부 미러(1)를 거쳐서 외부에 사출된다. 이 때, 레이저광(8) 은 면발광되고, 레이저광의 출사 방향은 반도체 기판(2a)의 표면에 대하여 수직인 방향으로 되어 있다.
다음에, 본 실시예 1의 면발광 레이저의 특성을, 종래의 것과 비교하여 설명한다.
종래의 면발광 레이저에서는, 하부 전극은, DBR층(4) 상에 원형의 도전체층을 형성하여 이루어지는 전극 구조로 되어 있었다. 이 때문에, 높은 파워를 얻기 위해 주입 전류를 크게 하면, 전극 주변부에서의 전류 밀도가 증대하여, 홀 버닝의 발생에 의해, 이득이 저하하거나 횡 모드가 불안정한 상태로 되거나 하여, 주입 전류의 증대가 출력의 저하나 불안정한 동작의 원인으로 된다. 한편, 전극의 중심부 근방에서는, 광의 파워 밀도의 증대에 의한 주입 캐리어 부족이 발생한다. 이와 같이 종래의 면발광 레이저에서는, 고출력시에는 횡 모드의 멀티화나 모드의 불안정화가 발생하여, 안정한 횡 모드를 실현하는 것이 어려웠다.
이것에 비하여, 본 실시예 1의 면발광 레이저(100a)에서는, 하부 전극(6)의 형상을, 도 1(b)에 나타내는 별형형상으로 한 것에 의해, 활성층(3)에 주입하는 캐리어의 밀도 분포를, 활성층 내에서의 광의 강도 분포에 접근시키는 것이 가능해진다.
즉, 활성층(3)에 있어서의 광의 강도 분포는, 도 1(c)에 도시하는 바와 같이, 광 강도 Lp가 발광 중심에서 가장 높고, 주변으로 가는 것에 따라 저하하고 있어, 광 강도 분포는 가우스 분포에 가까운 것으로 되어 있다. 따라서, 하부 전극(6)의 평면형상을, 도 1(b)에 나타내는 별형형상으로 하는 것에 의해, 해당 하부 전극(6)과 DBR층(4)의 접촉하는 부분의 면밀도가, 해당 하부 전극의 중심으로부터 주변부에 걸쳐서 감소한다. 환언하면, 하부 전극(6)으로부터 활성층(3)에 주입되는 전류(캐리어)의 밀도는, 도 1(c)에 도시하는 바와 같이, 하부 전극(6)의 중심 부분에서 최대로 되고, 주변 부분으로 가는 것에 따라 저감하는 것으로 된다. 그 결과, 활성층(3) 내에 주입되는 전류의 밀도 분포가 활성층(3) 내에서의 광의 강도 분포에 따른 것으로 되어, 고출력시의 횡 모드 안정성을 대폭 향상시킨, 우수한 고출력 특성을 갖는 면발광 레이저를 실현할 수 있다.
또한, 종래, 전극을 복수로 분할한 구조로서, 주입 캐리어 밀도의 분포를 조정 가능하게 한 면발광 레이저가 이미 제안되어 있다. 그런데, 면발광 레이저의 전극을 분할하면, 전극을 분할하는 부분에 위치하는 저항 분리층에 의해, 활성층으로의 주입 전류에 손실이 발생하여 효율이 저하한다고 하는 문제가 있었다. 또한, 이러한 분할된 복수의 전극에서는, 주입 캐리어 밀도 분포를 이산적으로밖에 변화시킬 수 없기 때문에, 주입 캐리어의 밀도 분포와 광 강도 분포의 정합이 충분하지 않다. 또한, 분할된 복수의 전극에는, 각각의 전극으로부터는 다른 전류 밀도로 활성층에 전류가 주입되도록 레이저 구동 전압을 인가하는 것이 되기 때문에, 레이저의 구동 회로가 복잡하게 되는 등의 문제가 있었다.
이것에 비하여, 본 실시예 1의 면발광 레이저(100a)에서는, 하부 전극(6)의 평면형상을, 하부 전극(6)과 DBR층(4)의 접촉하는 부분의 면밀도가, 해당 하부 전극(6)의 중심 부분에서 크고, 해당 하부 전극(6)의 주변 부분에서 작아지도록, 별형형상으로 하고 있기 때문에, 주입 캐리어 밀도 분포를 연속적으로 변화시킬 수 있고, 또한, 종래의 면발광 레이저에 있어서의, 전극을 분리하는 저항 분리층을 필요로 하지 않기 때문에, 주입 전류 손실이 적고, 효율이 좋은 레이저 발진이 가능하다.
이와 같이 본 실시예 1에서는, 반도체 기판(2a) 상에 형성된 활성층(3)과, 상기 활성층(3)에 캐리어를 주입하는 한 쌍의 상부 전극(5) 및 하부 전극(6)을 갖고, 해당 하부 전극(6)의 평면형상을, 해당 하부 전극(6)으로부터 상기 활성층(3)으로의 전류의 주입이, 해당 하부 전극(6)의 중심 부분에서는 높은 전류 밀도로, 그 주변 부분에서는 낮은 전류 밀도로 행해지도록 별형형상으로 했기 때문에, 면발광 레이저의 활성층(3)에 주입하는 캐리어의 밀도 분포를, 활성층 내에서의 광의 파워 분포에 따른 분포로 할 수 있다. 이에 따라, 활성층의, 전극 주변부에 대응하는 영역에서의 전류 밀도의 증대에 의한 홀 버닝의 발생을 피하여, 고출력시의 횡 모드 안정성을 대폭 증대한, 우수한 고출력 특성을 갖는 면발광 레이저를 실현할 수 있다.
또한, 본 실시예 1에서는, 반도체 기판(2a)의, 하부 전극(6)에 대향하는 영역을, 활성층(3)의 표면 근방까지 에칭하여 얇게 하고 있기 때문에, 활성층(3)의, 하부 전극(6)에 대향하는 부분에서 발생한 레이저광이 반도체 기판(2a)에서 흡수되는 것을 저감할 수 있어, 반도체 기판(2a)의 이면측으로부터 레이저광을 효율적으로 취출할 수 있다.
또한, 이와 같이 반도체 기판(2a)의 이면측으로부터 레이저광을 취출하는 구조에서는, 활성층(3) 상의 DBR층(4)의 표면 상이라고 하는, 활성층에 가까운 위치 에 열전도가 높은 금속 전극층을 형성할 수 있다. 또한, 면발광 레이저를, 상기한 바와 같은 금속 전극층을 히트싱크상에 밀착시켜 배치한 구성으로 하는 것에 의해, 활성층(3)에서 발생한 열을 효율 좋게 외부에 내보낼 수 있고, 그 결과, 활성층(3)에서의 온도 상승을 억압할 수 있어, 면발광 레이저의 한층더 고출력화가 가능해진다.
또한, 본 실시예 1에서는, 면발광 레이저(100a)의 공진기를, 반도체 기판(2a) 상에 형성한 DBR층(4)과, 반도체 기판(2a)으로부터 이격하여 배치한 외부 미러(1)에 의해 구성하고 있기 때문에, 공진기 길이를 충분히 확보할 수 있다. 이에 따라, 공진기의 횡 유행의 안정성을 증대시켜, 하부 전극(6) 근방의 활성층(3)에 있어서의 광 강도 분포를 크게 할 수 있다.
예컨대, 활성층 내에서의 광 강도 분포의 범위는, 공진기 길이에 대략 비례관계에 있어, 외부 미러(1)를 이용하는 것에 의해 공진기 길이를 10배 이상으로 할 수 있고, 이에 따라 유효한 활성층 면적을 크게 할 수 있다. 그 결과, 면발광 레이저에서는, 유효한 활성층 면적에 비례하여 증대하는 것인 고출력 특성을 비약적으로 향상시킬 수 있다.
또한, 공진기를 외부 미러를 이용하여 구성한, 유효 활성층 면적이 넓은 면발광 레이저에서는, 활성층(3)에 있어서의 광 강도 분포와 주입 캐리어 분포와의 정합성의 문제가 현저해지지만, 본 실시예 1에서는, 면발광 레이저의 하부 전극(6)의 평면형상을 별형형상으로 하고 있기 때문에, 외부 미러형의 면발광 레이저에 있어서의 캐리어 밀도 분포와 광 강도 분포의 부정합 문제는 해소되어 있고, 면발광 레이저는 고출력 특성을 대폭 개선한 것으로 되어 있다.
또한, 본 실시예 1의 면발광 레이저에서는, 과포화 흡수를 이용한 자려 발진 상태, 즉 반도체 레이저로의 인가 전류는 직류 전류임에도 불구하고, 출력으로서는 펄스 형상으로 레이저광을 방출하는 발진 상태에 의해 발진 파장을 변동시켜, 스펙클 노이즈를 저감하는 것이 가능하다.
즉, 본 실시예 1의 면발광 레이저에서는, 하부 전극(6)의 평면형상을, 해당 하부 전극(6)으로부터 상기 활성층(3)으로의 전류의 주입이, 해당 하부 전극(6)의 중심 부분에서는 높은 전류 밀도로, 그 주변 부분에서는 낮은 전류 밀도로 행하여지는 형상으로 하고 있기 때문에, 활성층에 있어서의, 주입 전류 밀도를 작게 하도록 하고 있는 하부 전극(6)의 주변에 대응하는 부분에, 과포화 흡수체를 마련하는 것에 의해, 고출력 면발광 레이저에 의해, 과포화 흡수를 이용한 자려 발진에 의해 스펙클 노이즈를 저감하는 것이 가능해진다.
또, 본 실시예 1에서는, 하부 전극(6)의 평면형상을, 해당 하부 전극(6)과 DBR층(4)의 접촉하는 부분의 면밀도가, 해당 하부 전극(6)의 중심 부분으로부터 그 주변 부분에 걸쳐서 연속적으로 변화되도록, 별형형상으로 했지만, 하부 전극(6)의 구조는 이러한 평면 별형형상의 것에 한정되는 것이 아니다.
예컨대, 하부 전극(6)은, 이것과 DBR층(4)과의 접촉하는 부분의 면밀도가, 해당 하부 전극(6)의 중심부와 그 주변부에서 다르도록, 미세한 구멍을 복수 형성한 것이라도 좋다.
도 2는 이러한 미세한 구멍을 형성한 하부 전극의 구조의 예를 설명하는 도 면이다.
도 2(a)에 나타내는 하부 전극(6a)은 해당 전극을 구성하는 단일의 전극층에 미세한 구멍을 복수 형성한 것이다. 이 하부 전극(6a)에서는, 그 중심부에 형성한 미세 구멍(7a)의 직경은 주변부에 형성한 미세 구멍(7c)의 직경보다 작다. 또한, 하부 전극(6a)의 중심부와 주변부 사이의 중간부에 형성한 미세 구멍(7b)의 직경은, 중심부에 형성한 미세 구멍(7a)의 직경보다 작고, 주변부에 형성한 미세 구멍(7c)의 직경보다 크다.
이와 같이 복수의 미세 구멍을 형성한 하부 전극(6a)은, 상기 실시예 1의 하부 전극(6)과 마찬가지로, 해당 하부 전극(6a)과 DBR층(4)의 접촉하는 부분의 면밀도가 그 중심부에 가까울수록 커지고 있고, 이에 따라 면발광 레이저의 활성층에 주입하는 캐리어의 밀도 분포를, 활성층 내에서의 광의 파워 분포에 따른 분포로 할 수 있다.
또한, 도 2(b)에 나타내는 하부 전극(6b)은, 도 2(a)에 나타내는 하부 전극(6a)과 같이 해당 전극을 구성하는 단일의 전극층에 미세한 구멍을 복수 형성한 것이다. 이 하부 전극(6b)에서는, 그 주변부에 가까울수록, 미세 구멍(7d)의 배치 밀도가 커지고 있다.
이와 같이 복수의 미세 구멍을 형성한 하부 전극(6b)은, 상기 실시예 1의 하부 전극(6)과 같이 해당 하부 전극(6b)과 DBR층(4)의 접촉하는 부분의 면밀도가 그 중심부에 가까울수록 커지고 있고, 이에 따라 면발광 레이저의 활성층에 주입하는 캐리어의 밀도 분포를, 활성층 내에서의 광의 파워 분포에 따른 분포로 할 수 있 다.
이 도 2(a)에 나타내는 하부 전극(6a), 또는 도 2(b)에 나타내는 하부 전극(6b)은, 하부 전극을 구성하는 금속층 등을, 마스크를 이용한 선택적인 에칭 처리에 의해 간단히 형성할 수 있다.
또한, 이러한 미세한 구멍을 복수 갖는 하부 전극은, 그 배치 가능한 영역의 전면으로 넓게 형성함으로써, 히트싱크로의 방열 효과를 향상할 수 있다.
또한, 본 실시예 1에서는, 하부 전극의 평면형상에 의해, 활성층에 주입되는 전류의 밀도 분포를 활성층 내에서의 광 강도 분포와 정합하도록 조정한 것을 나타내고 있지만, 활성층에 주입되는 전류의 밀도 분포는, 예컨대, 종래의 면발광 레이저에 있어서의 하부 전극(600)과 DBR층(4) 사이에 부분적으로 전류 정지층을 배치함으로써 조정하더라도 좋다.
도 3은 이러한 전류 정지층의 구체적인 예를 설명하는 도면이다.
도 3(a)에 나타내는 전류 정지층은, 하부 전극(600)과 DBR층(4) 사이에 형성된, 복수의 구멍을 형성한 절연층(11)으로 이루어진다.
이 절연층(11)에는, 하부 전극(600)의 중심부에 대응하는 부분에 대구경의 구멍(11a)이 형성되고, 이 대구경의 구멍(11a)의 주위를 따라 이것보다 구경이 작은 중구경의 구멍(11b)이 복수 형성되어 있고, 또한, 이 중구경의 구멍(11b)의 외측에, 구경이 더 작은 소구경의 구멍(11c)이 복수 형성되어 있다.
이와 같이 복수의 구멍을 형성한 절연막(11)을, 하부 전극(600)과 DBR층(4) 사이에 배치함으로써, 상기 실시예 1과 마찬가지로, 해당 하부 전극(600)과 DBR 층(4)의 접촉하는 부분의 면밀도가 그 중심부에 가까울수록 커지고, 이에 따라 면발광 레이저의 활성층에 주입하는 캐리어의 밀도 분포를, 활성층 내에서의 광의 파워 분포에 따른 분포로 할 수 있다.
도 3(b)에 나타내는 전류 정지층은, 하부 전극(600)과 DBR층(4) 사이에 형성된, 복수의 구멍을 형성한 절연층(12)으로 이루어진다.
이 절연층(12)에는, 상기 하부 전극의 중심부에 대응하는 부분에 대구경의 구멍(12a)이 형성되고, 이 대구경의 구멍(12a)의 외측에는, 구경의 작은 복수의 소구경의 구멍(12b)이, 하부 전극(600)의 중심에서 멀어질수록, 해당 구멍(12b)의 밀도가 작아지도록 형성되어 있다.
이와 같이 복수의 구멍을 형성한 절연막(12)을, 하부 전극(600)과 DBR층(4) 사이에 배치함으로써, 상기 실시예 1과 마찬가지로, 해당 하부 전극(600)과 DBR층(4)의 접촉하는 부분의 면밀도가 그 중심부에 가까울수록 커지고, 이에 따라 면발광 레이저의 활성층에 주입하는 캐리어의 밀도 분포를, 활성층 내에서의 광의 파워 분포에 따른 분포로 할 수 있다.
또한, 도 3(a) 및 도 3(b)에 도시하는 바와 같이, 하부 전극과 DBR층 사이에 전류 정지층을 배치하여 이루어지는 전극 구조는, 하부 전극의 형성이 간단하며, 또한, 하부 전극의 면적을 크게 취하기 때문에, 하부 전극이 땜납을 거쳐서 외부의 히트싱크에 접합하는 접촉 면적도 커진다. 따라서, 도 3(a) 또는 도 3(b)에 나타내는, 전류 정지층을 이용한 전극 구조는 방열 효과가 우수하고, 고출력화가 우수한 것이다.
또한, 도 3(a) 또는 도 3(b)에 나타내는 전극 구조는 상기 전류 정지층 대신, 저항치의 면내 분포를 갖게 한 저항층을 갖는 것이라도 좋다.
이 경우, 전극 구조에 있어서의 저항층의 저항 분포는, 하부 전극의 중심에서 멀어질수록, 저항치가 작아지는 것으로 한다. 이에 따라 면발광 레이저의 활성층에 주입하는 캐리어의 밀도 분포를, 활성층 내에서의 광의 파워 분포에 따른 분포로 할 수 있다.
또한, 상기 하부 전극과 DBR층을 접속하는 전극 구조는, 상기 전류 정지층이나 저항층을 갖는 것에 한정되지 않고, 하부 전극 자체에 저항치의 면내 분포를 갖게 한 것이라도 좋다. 이 경우, 상기 하부 전극의 저항 분포는, 그 중심에서 멀어질수록, 저항치가 작아지는 것으로 한다. 이에 따라 면발광 레이저의 활성층에 주입하는 캐리어의 밀도 분포를, 활성층 내에서의 광의 파워 분포에 따른 분포로 할 수 있다.
또한, 본 실시예 1에서는, 면발광 레이저를 구성하는 반도체 기판은, GaN을 주성분으로 하는 질소 화합물로 이루어지는 반도체로 이루어지는 것으로 하고 있지만, 면발광 레이저의 반도체 기판은, 예컨대, SiC 기판 등, Ⅲ-V족 질화물계 반도체 재료를 그 위에 에피텍셜 성장할 수 있는 것이라도 좋다.
또한, 본 발명의 면발광 레이저는, 상술한 Ⅲ-V족 질화물계 반도체 재료로 이루어지는 것에 한정되는 것이 아니다. 예컨대, 면발광 레이저의 구성 재료는, AlGaAs계나 AlGaInP계 반도체 재료, 또는 ZnSe계 반도체 재료이더라도 좋고, 이러한 반도체 재료를 이용한 경우도, 안정한 기본 횡 모드로 레이저 발진하는 고출력 면발광 레이저를 실현할 수 있다. 특히, AlGaInP계 반도체 재료는, 기판면 방위가 (100)으로부터 [0-11] 또는 [011] 방향으로 경사진 GaAs 기판 상에 형성하면, 결정의 질서화에 의한 밴드갭 변동도 일어나지 않기 때문에, AlGaInP계 반도체 재료를 이용하는 것에 의해, 안정한 고출력 동작이 가능한 면발광 레이저를 실현할 수 있다.
또한, 본 실시예 1에서는, 반도체 기판(2a)의 하부 전극(6)에 대향하는 영역을, 그 이면측으로부터, 기판 표면측의 활성층(3)의 근방까지 에칭하여 오목부(9)를 형성하고, 해당 오목부(9)를 둘러싸도록 링형상의 상부 전극(5)을 기판의 이면에 형성하고 있지만, 상기 상부 전극(5)은, 반도체 기판(2a)의 이면측에 형성한 링형상의 것에 한정되지 않고, 예컨대, 오목부(9)의 저면에 형성한 투명 전극이더라도 좋다. 이러한 투명 전극을 이용하면, 활성층과 상부 전극이 가까이 가기 때문에, 활성층 내에의 주입 전류의 손실을 보다 효과적으로 감소시킬 수 있다.
또한, 본 실시예 1에서는, 반도체 기판(2a)의 하부 전극(6)에 대향하는 영역을, 그 이면측으로부터, 기판 표면측의 활성층(3)의 근방까지 에칭하여 오목부(9)를 형성하고 있지만, 상기 면발광 레이저의 반도체 기판의 재료로서, 도전성이 높고, 레이저광에 대하여 투명한 것을 이용한 경우는, 상기 오목부(9)를 형성할 필요는 없다.
또한, 본 실시예 1에서는, 면발광 레이저로서, 공진기를, 반도체 기판(2a) 상에 적층한 복수의 반도체층의 하나인 DBR층(4)과, 반도체 기판(2a)으로부터 이격하여 배치한 외부 미러(1)에 의해 구성한 것을 나타냈지만, 면발광 레이저는, 반도체 기판 상에 적층한 반도체층에 의해 공진기를 구성한, 통상의 박막 면발광 레이저이더라도 좋고, 이 박막 면발광 레이저에 있어서도, 상기 실시예 1과 마찬가지로, 하부 전극(6)의 평면형상을, 해당 하부 전극(6)으로부터 상기 활성층으로의 전류의 주입이, 해당 하부 전극의 중심 부분에서는 높은 전류 밀도로, 그 주변 부분에서는 낮은 전류 밀도로 행하여지는 것 같은 형상으로 하는 것에 의해, 고출력 특성을 비약적으로 향상시키는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시예 1에서는, 면발광 레이저는 하나의 면발광 부분을 갖는 하나의 레이저 소자이지만, 하나의 레이저 소자인 면발광 레이저는, 복수의 면발광 부분을 갖는 멀티빔형의 면발광 레이저이더라도 좋다. 이 경우, 면발광 레이저의 각 면발광 부분에 있어서의 활성층에 주입하는 캐리어의 밀도 분포를, 활성층 내에서의 광의 파워 분포에 따른 분포로 하는 것에 의해, 각 면발광 부분에서의 이득의 포화가 완화되어, 레이저광의 면발광을 행하는 것보다 큰 출력의 반도체 레이저를 실현할 수 있다.
(실시예 2)
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 면발광 레이저를 설명하는 도면이며, 도 4(a)는 그 단면 구조를 나타내고, 도 4(b)은 그 하부 전극의 형상을 나타내며, 도 4(c)는 활성층의 발광 영역에서의 광 강도 분포를 나타내고 있다. 또, 도 4 중, 도 1과 동일 부호는, 실시예 1의 면발광 레이저에 있어서의 것과 동일한 것이다.
본 실시예 2의 면발광 레이저(100b)는, 상기 실시예 1의 면발광 레이 저(100a)에 있어서의, 별형형상의 하부 전극(6) 대신에, 2분할한 하부 전극(60)을 구비한 것이다. 또한, 이 면발광 레이저(100b)에서는, 반도체 기판(2a)의 이면측에 형성된 오목부(9)의 표면에는, 공진기 내에서의 광의 손실이 저감하도록 무 반사코팅이 실시되어 있다.
여기서, 상기 하부 전극(60)은, 도 4(b)에 도시하는 바와 같이, 그 중심부에 위치하는 원형의 내측 전극부(60a)와, 해당 내측 전극부(60a)를 둘러싸도록 배치된 링형상의 외측 전극부(60b)로 이루어진다. 또한, 이 2분할된 하부 전극(60)의, 상기 외측 전극부(60b)와 내측 전극부(60a) 사이의 부분은, 저항치가 높은 저항 분리부(61)로 되어 있다. 이와 같이 하부 전극(60)을 2분할한 구조로 함으로써 활성층(3) 내에 주입하는 전류의 밀도 분포를, 활성층(3) 내에서의 광의 강도 분포에 맞춰 조정하는 것이 가능해진다.
즉, 활성층(3)에 있어서의 광의 강도 분포는, 도 4(c)에 도시하는 바와 같이, 광 강도 Cd2가 발광 영역의 중심부, 즉 활성층(3)의, 하부 전극에 대향하는 영역의 중심부에서 가장 높고, 중심에서 멀어질수록 저하한다고 하는 가우스 분포에 가까운 것으로 되어 있다. 따라서, 본 실시예 2의 면발광 레이저(100b)에서는, 활성층(3)에 주입되는 전류의 밀도 분포가 광 강도 분포에 대응한 것으로 되도록, 내측 전극부(60a)에 인가하는 레이저 구동 전압을, 외측 전극부(60b)에 인가하는 레이저 구동 전압보다 높게 하고 있다. 또한, 이 면발광 레이저(100b)에서는, 외측 전극부(60b)에 인가하는 레이저 구동 전압은, 발생하는 레이저광의 코히어런스가 완화되도록, 직류 성분에 고주파 성분을 중첩한 것으로 하고 있다.
다음에 작용 효과에 대하여 설명한다.
본 실시예 2의 면발광 레이저(100b)의 기본적인 레이저 발진 동작은 실시예 1의 면발광 레이저(100a)와 같이 행해진다.
그리고, 본 실시예 2에서는, 2분할된 하부 전극(60)의 외측 전극부(60b)에는, 고주파 성분이 중첩된 레이저 구동 전압이 인가되기 때문에, 활성층(3)의, 외측 전극부(60b)에 대향하는 부분에서는 캐리어 밀도가 변동한다. 이 때문에, 공진기 전체에서의 레이저 발진 상태가 변동하는 것으로 되어, 시간적인 코히어런스가 완화된다.
다음에, 본 실시예 2의 면발광 레이저의 특성을 종래의 것과 비교하여 설명한다.
종래의 면발광 레이저에서는, 상술한 바와 같이, 하부 전극은 단일의 전극 구조로 되어 있었기 때문에, 고출력시에는 횡 모드의 멀티화나 모드가 불안정화가 발생하여, 안정한 횡 모드를 실현하는 것이 어려웠다.
이에 비하여, 본 실시예 2의 면발광 레이저(100b)에서는, 하부 전극(60)을, 도 4(b)에 도시하는 바와 같이, 2분할한 구조로 한 것에 의해, 활성층에 주입하는 캐리어의 밀도 분포를, 활성층 내에서의 광의 강도 분포에 접근시키는 것이 가능해지고, 이에 따라 고출력시의 횡 모드 안정성을 대폭 향상시킨, 우수한 고출력 특성을 갖는 면발광 레이저를 실현할 수 있다.
또한, 본 실시예 2에서는, 면발광 레이저(100a)의 공진기를, 반도체 기판(2a) 상에 형성한 DBR층(4)과, 반도체 기판(2a)으로부터 이격하여 배치한 외부 미러(1)에 의해 구성하고 있기 때문에, 실시예 1과 마찬가지로, 공진기 길이를 충분히 확보할 수 있다. 이에 따라, 공진기의 횡 모드의 안정성을 증대시켜, 하부 전극(60) 근방의 활성층(3)에 있어서의 광 분포를 크게 할 수 있다.
또한, 공진기를 외부 미러를 이용하여 구성한, 유효 활성층 면적이 넓은 면발광 레이저에서는, 활성층(3)에 있어서의 광 강도 분포와 주입 캐리어 분포와의 정합성의 문제가 현저해지지만, 본 실시예 2에서는, 면발광 레이저의 하부 전극을 2분할 구조로 하고 있기 때문에, 외부 미러형의 면발광 레이저에 있어서의 캐리어 밀도 분포와 광 강도 분포의 부정합 문제는 해소되어 있고, 면발광 레이저는 고출력 특성을 대폭 개선한 것으로 되어 있다.
또한, 하부 전극을 복수로 분할한 면발광 레이저라도, 유효 활성층 면적이 작은 것에서는, 하부 전극을 분할한 것에 의한 주입 캐리어 밀도 분포의 형성이 어렵고, 분리된 전극간의 저항 분리층의 부분에서는 주입 전류 손실도 문제로 되지만, 본 실시예 2에서는, 상술한 바와 같이, 외부 미러(1)를 이용하는 것으로 활성층 면적이 충분히 큰 것으로 되어 있고, 이 때문에, 저항 분리층에 의한 주입 전류 손실의 문제도 거의 무시할 수 있기 때문에, 하부 전극의 2분할 구조는 유효한 것으로 되어 있다.
또한, 본 실시예 2에서는, 분할한 각각의 전극부에 주입하는 전류의 특성을 바꿈으로써 특성을 대폭 개선하고 있다. 특히, 종래의 면발광 레이저에서는, 100㎽ 이상의 큰 출력으로 사용하는 경우에, 안정하게 구동하는, 레이저광을 변조하거나, 또는 레이저 구동 전류에 고주파 성분을 중첩한다고 한 것이 곤란했지만, 이들 문제도 본 실시예 2의 면발광 레이저에서는 해결되어 있다.
여기서, 본 실시예 2의 면발광 레이저에 있어서의, 복귀광에 의한 노이즈 발생이 방지되는 메커니즘에 대하여 설명한다.
복귀광 노이즈란, 반도체 레이저가 출사한 광이 활성층에 귀환하는 것으로 노이즈가 대폭 증대하는 현상이다. 이것을 방지하기 위해, 통상, 광의 코히어런스를 저감하는 방법이 채용되고 있다. 그 하나로서, 구동 전류에 수 100㎒ 정도의 RF 신호를 중첩하는 방법이 있다. 그러나, 종래의 고출력 반도체 레이저에서는, 구동 전류가 증대하기 때문에, 필요한 RF 파워가 대폭 증대한다고 하는 문제가 있었다. 그리고, 이러한 RF 파워의 증대는, 소비 전력의 증대, 또한 방열 대책이나 방사 대책 등의 필요성으로부터, 시스템 전체의 비용이 대폭 증대한 것으로 된다.
본 실시예 2의 면발광 레이저(100b)는, 이러한 고출력 레이저에 있어서의 고주파 중첩의 문제를 해결한 것이다.
즉, 고주파 중첩은, 반도체 레이저의 캐리어 밀도의 상태를 변화시킴으로써 광의 발진 상태를 시간적으로 변화시켜, 시간적 코히어런스를 저하시키는 것이다. 따라서, 활성층에 주입되는 캐리어의 밀도에 대한 변화율의 크기가 중요하다.
종래의 단일 전극 구조의 면발광 레이저에서는, 주입되는 전류는 전극 전체에 분산되기 때문에, 주입 캐리어 밀도를 크게 변화시키기 위해서는, 주입하는 전류에 대하여, 고주파로 변화시키는 전류의 비율을 크게 잡을 필요가 있어, 레이저 구동 전류에 중첩하는 고주파 성분의 RF 진폭이 커지고 있었다.
이것에 비하여, 본 실시예 2의 면발광 레이저(100b)에서는, 하부 전극(60)을 복수의 전극부로 분할하고, 일부의 전극부에만 RF 중첩하도록 하고 있다. 이러한 구성의 면발광 레이저(100b)에서는, 하부 전극을 복수로 분할하고 있기 때문에, 각 전극부에 의한 주입 전류는 하부 전극 전체에 의한 주입 전류에 비해 대폭 저하한다. 즉, 하부 전극의 분할에 의해 얻어지는 복수의 전극부의 일부에 RF 신호를 중첩하는 경우의 RF 진폭은, 단일의 하부 전극에 RF 신호를 중첩하는 경우의 RF 진폭에 비하여 몇 분의 1인지로 저감 가능해지고, 이에 따라 고주파 중첩의 파워를 대폭 저감할 수 있다. 또한, 일부의 전극부에 FT 신호를 중첩한 경우에도, 해당 전극부에 의한 주입 캐리어의 밀도의 변동은 충분히 얻어지기 때문에, 공진기 전체의 발진 상태가 변화되어 시간적 코히어런스를 낮출 수 있다.
또한, 본 실시예 2의 면발광 레이저(100b)에서는, 도 4(c)의 광의 강도 분포도에 도시하는 바와 같이, 고출력을 얻는 경우, 발광 영역의 중심 근방에 위치하는 전극부(60a)에 큰 전류를 공급해야 하지만, 발광 영역의 중심에서 떨어진 주변부의 전극부(60b)에서는, 광의 파워 밀도에 따른 작은 전류밖에 필요로 되지 않는다. 이 때문에, 발광 영역의 주변부 근방에 위치하는 전극부에 공급하는 레이저 구동 전류에 RF 신호를 중첩함으로써, 낮은 RF 파워로 효율 좋게 코히어런스를 저하시킬 수 있고, 그 결과, 시스템의 소형화, 저비용화, 저소비 전력화가 가능해진다.
또한, 본 실시예 2의, 전극을 분할한 구조는 GaN 레이저에 특히 유효하며, 이하 간단히 설명한다.
GaN 기판을 베이스로 하는 반도체 레이저는, 완화 진동이 크게 고주파 중첩을 하면, 스파이크 노이즈가 발생한다. 이것은, 반도체 레이저로 주입하는 전류를 고주파 신호로 변조하면 완화 진동에 의해 출력광 파형이 스파이크 형상으로 변화되어, 변조도의 몇배 높은 펄스 출력이 발생하는 현상이다. GaN 레이저를 이용한 광디스크 시스템에서는, 광디스크의 재생시에 복귀광에 의해 레이저의 노이즈가 증대하는 것을 방지하기 위해, 레이저 구동 전류에 고주파 신호를 중첩한다. 그런데, GaN 레이저에서는, 재생시의 평균 파워가 낮은 상태에서도, 피크값이 높은 스파이크 형상의 출력이 나와 있기 때문에, 이것이 원인으로 되어, 재생시에 기록한 데이터가 열화하는 재생광 열화의 문제가 발생한다.
이것에 비하여, 전극을 복수로 분할하여 일부의 전극부에 고주파 신호를 중첩하는 구성에서는, 레이저의 복귀광 노이즈를 저감한 상태에서, 스파이크 형상 출력의 피크값을 절반 이하로 대폭 저감할 수 있는 것을 알 수 있었다.
따라서, 본 실시예 2의, 하부 전극을 복수로 분할한 면발광 레이저(100b)는 광디스크 장치 등에의 응용에 바람직하다.
또한, GaN계 레이저 이외의 레이저, 예컨대, AlGaAs계 반도체 재료나 AlGaInP계 반도체 재료를 이용한 반도체 레이저이더라도, 전극을 분할한 구조로서, 레이저 구동 전류에 고주파 신호를 효율적으로 중첩하는 것은 가능하다.
또한, 본 실시예 2의, 하부 전극을 복수로 분할한 구성은, 면발광 레이저의 출력을 변조하는 경우에도 유효한 역할을 한다.
현재, 반도체 레이저의 출력을 변조하는 경우, 레이저의 구동 전류 전체를 변조한다. 그런데, 반도체 레이저의 구동 전류 전체를 변화시키면, 소비 전력의 증대에 의해 반도체 레이저의 온도가 변화되어 발진 파장이 변동하는 처핑 현상이 발생한다. 예컨대, 광디스크 등의 미디어에 대한 기록을 행하는 경우, 광원광을 변조하면서 기록을 행하지만, 이 때에, 처핑에 의해 광원광의 파장이 변동하면, 색수차의 영향으로 집광 스폿의 크기가 변화한다. 이 현상은, 광학계의 분산 특성이 현저하게 되는 단파장 영역에서 특히 현저하게 된다.
본 실시예 2의 면발광 레이저(100b)는, 이러한 처핑 현상을 억제하는 데에 있어서 유효한 것이며, 하부 전극을 2개의 전극부로 분할한 구조로서, 한쪽의 전극부에 주입하는 전류를 변조함으로써, 주입 전류의 변조에 따라, 레이저 전체에서의 주입 전류의 변동이 작아져, 처핑을 작게 억제할 수 있다.
이와 같이 본 실시예 2에서는, 하부 전극(60)을 내측 전극부(60a)와 외측 전극부(60b)의 2개로 분할한 구조로 하고, 발광 영역의 중심으로부터 먼 외측 전극부에 고주파 신호를 중첩한 레이저 구동 전압을 인가하기 때문에, 면발광 레이저의 활성층에 주입하는 캐리어의 밀도 분포를, 활성층 내에서의 광의 강도 분포에 따른 분포로 할 수 있다.
구체적으로는, 종래의 단일 구조의 전극을 갖는 면발광 레이저에 비해서, 같은 주입 전류치이더라도, 발광 중심 부분에 더 많은 캐리어를 주입할 수 있고, 또한, 발광 중심으로부터 먼 전극부로부터 활성층에 주입되는 캐리어 밀도가 극단적으로 높아지는 현상을 완화할 수 있다. 그 결과, 슬로프 효율의 향상에 의해, 주입 캐리어 밀도의 저감, 및 광 출력의 포화 레벨의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 본 실시예 2의 면발광 레이저에 있어서의 복수로 분할된 전극 구조에 의한 높은 광 출력화의 효과는, 임계값 캐리어 밀도가 높고, 미분 이득이 높은 질 화 갈륨계의 면발광 레이저에 있어서 특히 유효하다.
또, 본 실시예 2에서는, 하부 전극(60)을 2분할 구조로 했지만, 하부 전극은 더 상세하게 분할한 구조로 해도 좋다. 이 때, 분할된 복수의 전극 부분은, 레이저광의 발광 중심의 주위에 실질적으로 균일하게 배치되도록 한다. 이에 따라, 간단히 광 강도 분포가 다른 활성층 내에서의 캐리어 밀도를 균일하게 할 수 있고, 또한, 보다 안정한 단일횡 모드 동작을 고출력시에 실현할 수 있다.
또한, 본 실시예 2의 면발광 레이저는, 상술한 Ⅲ-V족 질화물계 반도체 재료로 이루어지는 것에 한정되는 것이 아니다. 예컨대, 실시예 2의 면발광 레이저의 구성 재료는, AlGaAs계나 AlGaInP계 반도체 재료, 또는 ZnSe계 반도체 재료이더라도 좋고, 이러한 반도체 재료를 이용한 경우도, 하부 전극을 복수로 분할한 구조에 의해, 안정한 기본 횡 모드로 레이저 발진하는 고출력 반도체 레이저를 실현할 수 있다.
또한, 상기 실시예 1 또는 실시예 2에서는, 반도체 기판 상에 형성된 단일의 면발광 레이저에 대하여 설명했지만, 하나의 반도체 기판 상에는 실시예 1의 면발광 레이저(100a) 또는 실시예 2의 면발광 레이저(100b)를 복수 형성하더라도 좋다.
도 5는, 하나의 반도체 기판 상에 복수의 면발광 레이저를 형성한 반도체 레이저 장치의 구체예를 나타내는 도면이며, 도 5(a)는 그 하부 전극의 형상을 나타내고, 도 5(b)는 Vb-Vb 단면도를 나타내고 있다.
이 반도체 레이저 장치(120)는, 도 5(a)에 도시하는 바와 같이, 하나의 반도체 기판(22) 상에, 실시예 2의 면발광 레이저와 동일한 면발광 레이저(120b)를 복 수 형성하여 이루어지는 것이다.
구체적으로는, 도 5(b)에 도시하는 바와 같이, 상기 반도체 기판(22)의 표면에는, 활성층(23) 및 DBR층(24)이 적층되어 있다. 그리고, 반도체 기판(22)의 표면측에는, DBR층(24)의 표면측에서 기판 내부에 도달하는 분리홈(62a)이 형성되고, 해당 분리홈 내에는 절연 재료가 매립되어, 저항 분리 영역(62)으로 되어 있다. 이 분리홈(62a)은 세로 방향 및 가로 방향으로 복수 형성되어 있고, 분리홈(62a)에 의해 둘러싸인 영역 상에는, 실시예 2의 하부 전극과 마찬가지로 2분할한 하부 전극(26)이 배치되어 있다.
또한, 상기 반도체 기판(22)의 또 한쪽의 표면 상에는, 해당 하부 전극(26)에 대향하도록 링형상의 상부 전극(25)이 형성되고, 해당 기판(22)의 상부 전극(25)의 내측 부분에는, 에칭에 의한 오목부(29)가 형성되어 있다. 또한, 해당 상부 전극(25)의 윗쪽에는, 외부 미러(21)가 배치되어 있다.
이와 같이 면발광 레이저(120b)를 하나의 기판 내에 복수 형성하고, 해당 인접하는 면발광 레이저(120b) 사이를 저항 분리 영역(62)으로 분리함으로써, 고출력화를 도모하는 것이 가능해져, 인접하는 면발광 레이저(120b) 사이에서의 상호의 영향은 저항 분리 영역(62)에 의해 피할 수 있다.
(실시예 3)
도 6은 본 발명의 실시예 3에 따른 레이저 투사 장치를 설명하는 개략 구성도이다.
본 실시예 3의 레이저 투영 장치(130)는, 레이저 광원(131)과, 레이저 광원(131)으로부터 나간 레이저광을 평행화하는 렌즈(132)와, 평행화된 레이저광을 공간적으로 변조하는 공간 변조기(133)와, 변조된 레이저광을 스크린(135) 상에 투사하는 투영 렌즈(134)를 갖고 있다. 그리고, 본 실시예 3의 레이저 투영 장치(130)에서는, 레이저 광원에는, 하부 전극을 복수로 분할한 실시예 2의 면발광 레이저(100b)와 동일한 것을 이용하고 있다. 또한, 본 실시예 3의 레이저 광원인 면발광 레이저에서는, 하부 전극의, 분할한 복수의 전극부의 일부의 전극부로부터 활성층에 주입하는 전류를 변조하고, 또한, 상기 복수의 전극부의 일부에 주입하는 전류에 RF 신호를 중첩하도록 하고 있다. 특히, 본 실시예의 면발광 레이저에서는, 내측 전극부와 외측 전극부에는 다른 주파수의 고주파 신호를 중첩하도록 하고 있다.
다음에 작용 효과에 대하여 설명한다.
이하, 우선, 이러한 레이저 투사 장치의 일종인 레이저 디스플레이에 응용되는 반도체 레이저의 구성에 대하여 설명한다.
레이저 디스플레이는, RGB 레이저광을 이용한 디스플레이 장치이며, 레이저 출력으로서는 수 100㎽에서 수 W 이상의 큰 출력이 필요로 된다.
그래서 상기 실시예 1, 2의 면발광 레이저를, 상기 실시예 3의 레이저 투영 장치의 일종인 레이저 디스플레이에 응용하는 경우에 대하여 생각한다.
상기 실시예 1, 2의 면발광 레이저는 이하에 나타내는 특징을 갖는다.
제 1 특징은, 고출력화가 용이하며, 안정한 단일 횡 모드 발진을 할 수 있는 것이다.
또한, 제 2 특징은, 빔 형상이 이상적인 원형에 가깝고, 이 때문에, 정형 광학계를 필요로 하지 않고, 단순한 광학계로 레이저 디스플레이용의 집광 빔을 실현할 수 있는 점이다. 특히, 상기 실시예 2의 면발광 레이저(100b)는, 고출력의 광변조를 실행 가능한 것이다.
이러한 출력 특성을 갖는 면발광 레이저를 레이저 디스플레이에 응용하는 것은 매우 유효하지만, 레이저 디스플레이용의 광원으로서 이용하기 위해서는, 상술의 출력 특성에 덧붙여, 다음 특성이 요구된다.
우선, 파장의 안정성이 요구된다. 특히, 적색 레이저에 있어서는, 시감도의 파장변화가 크기 때문에, ±1㎚ 이하로 파장 변화를 억제할 필요가 있다.
또한, 스펙클 노이즈를 저감시키기 위해서는, 코히어런스의 저감이 중요하고, 파장 스펙트럼 폭을 수 ㎚로 확대해야 한다.
본 실시예 3에서는, 상기 2가지 과제, 즉 파장 변화를 억제하는 점과, 파장 스펙트럼 폭을 확대한 점은 해결된 것으로 되어 있고, 종래의 것과 비교하면서 설명한다.
우선, 파장의 안정화에 대하여 말한다.
레이저광에 의해 영상을 투사하는 경우, 레이저 출력 강도를 계조에 맞춰 변조해야 한다. 이 때 문제로 되는 것이, 출력 강도와 함께 모드의 안정성과 파장 변화이다. 즉, 레이저 디스플레이에서는, 레이저광을 100㎽ 이상으로부터 수 ㎽ 이하의 값에까지 변조해야 하는데, 이 때, 레이저 파장이 출력 강도와 함께 변화된 다. 따라서 종래의 고출력 반도체 레이저에서는, 고출력시와 저 출력시에는 구동 전류가 크게 다르기 때문에, 레이저의 온도의 차에 따라 발진 파장이 크게 다른 처핑이 발생한다.
이것에 비하여, 본 실시예 3의 레이저 투영 장치(130)의 레이저 광원인 면발광 레이저는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 하부 전극을 복수의 전극부로 분할하고, 일부의 전극부로부터 활성층에 주입하는 전류를 변조하도록 한 것으로, 주입 전류의 변화를 저감시킬 수 있어, 파장 변동이 적고, 또한 안정한 변조를 할 수 있다. 또한, 이 면발광 레이저에서는, 횡 모드의 안정화에 의해, 계조도의 증대화를 도모할 수 있다.
다음에, 스펙클 노이즈를 저감시키기 위한 파장 스펙트럼 폭의 확대에 대하여 설명한다.
레이저 디스플레이 광원으로서는, 고출력 특성을 필요로 하기 때문에, 평균 출력을 100㎽ 이상으로 유지한 상태에서 고주파 중첩을 하는 것이 필요하게 된다.
따라서, 종래의 반도체 레이저에서는, 수 100㎃의 전류를 주입한 상태에서 고주파 중첩을 할 필요가 있어, 수 100㎃의 전류 진폭을 가진 고주파 신호를 인가하는 하이파워(high-power)의 고주파 회로가 필요했다. 그러나, 매우 큰 소비 전력이 필요하여 지기 때문에, 소비 전력의 저감화, 및 외부 방사의 저감화가 문제로 된다.
이것에 비하여, 본 실시예 3의 레이저 광원으로서의 면발광 레이저에서는, 분할한 복수의 전극부의 일부에 주입하는 전류에 RF 신호를 중첩함으로써 RF 전류 를 저감할 수 있고, 또한, 활성층의, 발광 영역의 중심에서 떨어진 부분에서는, 전류 밀도를 저감할 수 있어, 이에 따라 주입 전류를 저감할 수 있다. 그 결과, 주입 전류에 의존하는, 중첩하는 RF 신호의 진폭을 대폭 저감하는 것이 가능해져, 시스템의 간이화, 소형화, 저소비 전력화를 실현할 수 있다.
다음에, 코히어런스의 가일층의 저감에 의한 스펙클 노이즈의 방지에 대하여 설명한다.
코히어런스의 저하는 스펙트럼 폭의 확대에 비례하기 때문에, 스펙트럼 폭을 크게 확대하면, 스펙클 노이즈를 보다 저감할 수 있다. 이것을 실현하기 위해서는, 반도체 레이저의 구동 전류에 중첩하는 고주파 전류의 파워를 증대하는 것이 유효하지만, 해당 중첩하는 고주파 전류의 파워 증대에 의한 스펙트럼 폭의 확대는 파장으로 수 mn 정도에 한정된다.
그래서, 본 실시예 3의 레이저 광원으로서의 면발광 레이저에서는, 스펙트럼 폭이 더 확대하도록, 분할한 내측 전극부와 외측 전극부에는 다른 주파수의 고주파 신호를 인가하도록 하고 있다.
예컨대, 내측 전극부와 외측 전극부의 한쪽에, 500㎒의 고주파 신호를 인가하고, 그 다른 쪽에 400㎒의 고주파 신호를 인가하면, 각 전극부로부터의 주입 전류에 의한 발진 상태의 상대적인 흐트러짐이 커져, 스펙트럼 폭의 넓이가 커진다. 이 때, 스펙트럼 폭의 증대는 주파수 의존성이 있지만, 스펙트럼 폭의 증대량을, 하나의 전극에 고주파 신호를 인가하는 경우에 비해서, 1.2~1.5배로 높일 수 있다.
본 실시예 3의 레이저 투사 장치(130)에서 이용하는, 실시예 2의 면발광 레 이저의 분할 전극 구조는, 100㎽ 이상의 고출력광의 코히어런스 저감에 특히 유효하다.
또한, 본 실시예 3의 레이저 투사 장치에서 이용하는 면발광 레이저에서는, 과포화 흡수를 이용한 자려 발진에 의해 발진 파장을 변동시켜, 스펙클 노이즈를 저감하는 것이 가능하다. 또, 자려 발진은, 반도체 레이저에 직류 전류를 흘리고 있음에도 불구하고, 펄스 형상으로 레이저광을 방출하고 있는 발진 상태이다.
즉, 자려 발진은 과포화 흡수를 이용하기 때문에, 고출력 반도체 레이저에 적용하는 것은 어렵지만, 본 실시예 3의 레이저 투사 장치에서 이용하는 면발광 레이저는, 하부 전극을 내측 전극부와 외측 전극부로 2분할한 구조로 되어 있기 때문에, 활성층에 있어서의, 주입 전류 밀도를 작게 하도록 하고 있는 하부 전극의 주변에 대응하는 부분에, 과포화 흡수체를 마련하는 것에 의해, 고출력 면발광 레이저에 있어서, 과포화 흡수를 이용한 자려 발진에 의해 스펙클 노이즈를 저감하는 것이 가능해진다.
이와 같이 본 실시예 3에서는, 레이저 투사 장치의 레이저 광원으로서, 실시예 2와 마찬가지로 하부 전극을 내측 전극부와 외측 전극부로 2분할한 구조의 면발광 레이저를 이용했기 때문에, 활성층에 주입되는 전류의 밀도를, 활성층 내에서의 광 강도 분포에 정합한 것으로 할 수 있고, 또한 활성층의, 발광 영역의 중심에서 떨어진 부분에서는, 전류 밀도를 저감할 수 있기 때문에, 주입 전류를 저감할 수 있다.
또한, 본 실시예 3에서는, 분할한 복수의 전극의 일부로부터 활성층에 주입 하는 전류에 RF 신호를 중첩함으로써 RF 전류를 저감할 수 있다.
그 결과, 레이저 투사 장치의 간이화, 소형화, 저소비 전력화를 실현할 수 있다.
(실시예 4)
도 7은 본 발명의 실시예 4에 따른 면발광 레이저를 설명하는 도면이며, 면발광 레이저의 단면 구조를 나타내고 있다. 또, 도 7 중, 도 1과 동일 부호는 실시예 1의 면발광 레이저에 있어서의 것과 동일한 것이다.
본 실시예 4의 면발광 레이저(100d)는, 상기 실시예 1의 면발광 레이저(100a)에서의 외부 미러(1) 대신에, 그 양면을 오목면 형상으로 한 외부 미러(10)를 구비한 것이다.
다음에 작용 효과에 대하여 설명한다.
면발광 레이저는, 출사광의 넓이각이 작고 파이버 등의 광학계와의 결합이 용이한 것이다. 그러나, 외부의 렌즈 등을 이용한 대량 광학계의 소형화에는, 면발광 레이저의, 출사광의 넓이각이 작다고 하는 특성은 바람직하지 못하다. 이것은, 면발광 레이저로부터의 출사광을 렌즈계에 의해 콜리메이트(collimate) 또는 집광하는 경우, 렌즈의 유효직경까지 광을 확대하는 데 필요한 거리가 길게 되기 때문이다.
이것에 비하여, 본 실시예 4의 면발광 레이저(100d)는, 도 7에 도시하는 바와 같이, 외부 미러(10)의 양면을 오목면 형상으로 하여, 출사광(8)의 넓이각을 크 게 한 것이다. 따라서, 본 실시예 4의 면발광 레이저(100d)는, 그 출사광이 렌즈의 유효 직경까지 넓어지는 데 필요한 거리는 짧은 것이며, 대량 광학계의 소형화에 유효한 것이다.
(실시예 5)
도 8은 본 발명의 실시예 5에 따른 레이저 모듈의 일례를 도시하는 도면이고, 도 8(a)는 측면도, 도 8(b)는 평면도이다.
본 실시예 5의 레이저 모듈(150)은, 레이저 디스플레이에의 응용을 목적으로 한 소형의 RGB 광원으로서 유용한 것이다.
이 레이저 모듈(150)은, 패키지에 면발광 레이저를 실장하여 이루어지는 것이며, 패키지 베이스 부재(151) 상에 3개의 면발광 레이저(101~103)가 부착되어 있다. 해당 베이스 부재(151)의 이면이 방열면으로 되고 있고, 또한, 이 베이스 부재(151)의 이면측에는, 면발광 레이저(101, 102, 103)의 리드 단자(101a, 102a, 103a)가 취출되고 있다.
여기서, 각 면발광 레이저(101~103)는, 실시예 1 내지 4 중 어느 하나에서 설명한 면발광 레이저와 동일한 구성을 갖고 있고, 면발광 레이저(101)는 적색 면발광 레이저, 면발광 레이저(102)는 녹색 면발광 레이저, 면발광 레이저(103)는 청색 면발광 레이저이다. 그리고, 상기 베이스 부재(151) 상의 이들 3개의 면발광 레이저는, 패키지의 중심을 그 중심으로 하는 하나의 원주 상에 등 간격으로 배치되어 있다.
다음에 작용 효과에 대하여 설명한다.
소형의 레이저 디스플레이를 실현하기 위해서는, 광원의 소형화가 필수적이다. 이것을 실현하기 위해서는, 상기 실시예 1 내지 4에서 설명한 면발광 레이저를 광원으로서 이용하는 것이 유효하다.
상기 실시예 1 내지 4에서 든 면발광 레이저는, 외부 미러를 갖고 있기 때문에, 그 고출력화가 가능해진다. 또한, 이들 면발광 레이저는, 하부 전극 근방에 위치하는 활성층을 갖고 있기 때문에, 방열 특성이 우수하여, 고출력을 발생하는 데에 있어서 유리한 것이다. 또한, 면발광 레이저는, 기판측 단면에서의 광의 파워 밀도가 낮기 때문에, 단면열화가 없고, 신뢰성이 우수한 등의 특징을 갖는다. 특히, 상기 실시예 2의 면발광 레이저는, 전극 분할 구조에 의해 고출력 특성을 비약적으로 향상할 수 있는 것에서도 우위성을 얻을 수 있는 것이다.
또한, 면발광 레이저는 모듈화한 다파장 집적화 광원을 실현하는 데 유효하다. 구체적으로는, 면발광 레이저는, 저면 방열, 즉, 레이저광의 출사면과는 반대측의 면으로부터의 방열이 가능하기 때문에, 도 8에 도시하는 바와 같이, 다른 면발광 레이저를 단일 패키지에 실장하는 경우, 패키지 구조가 매우 단순해져 저비용화를 도모할 수 있다. 또한, 레이저 모듈인 다파장 집적화 광원에서는, 방열은 패키지 이면에서 실행할 수 있고, 레이저 출력은 패키지 전면으로부터 취출할 수 있다.
이와 같이 본 실시예 5에서는, 상기 어느 하나의 실시예에서 든 면발광 레이저와 동일 구성을 갖는, 적색, 녹색, 및 청색의 3개의 면발광 레이저(101, 102, 103)를 패키지 내에 실장하여 레이저 모듈을 구성했기 때문에, 소형의 집적 광원을 얻는 것이 가능해지고, 그 결과, 초소형의 레이저 조사 장치를 실현할 수 있다.
또, 상기 실시예 5에서는, 면발광 레이저를 패키지에 실장하여 이루어지는 레이저 모듈로서, 3파장의 레이저광을 출력하는 다파장 광원을 나타냈지만, 다파장 광원은 2개의 파장을 구비한 것이더라도, 4개 이상의 파장을 구비한 것이라도 좋다.
또한, 상기 레이저 모듈을 구성하는 면발광 레이저의 개수나, 패키지 내에서의 면발광 레이저의 배치는 상기 실시예 5의 것에 한정되는 것이 아니다.
도 9는 상기 실시예 5의 레이저 모듈에 있어서의 면발광 레이저의 개수나 배치를 변경한 것을 도시하는 도면이고, 도 9(a)는 측면도, 도 9(b)는 평면도이다.
도 9에 나타내는 레이저 모듈(150a)은, 도 8에 나타내는 레이저 모듈(150)과 마찬가지로 RGB 3파장의 레이저 광원을 실현한 것이다.
이 레이저 모듈(150a)은, 패키지에 4개의 면발광 레이저를 실장하여 이루어지는 것이며, 패키지 베이스 부재(151)의 중앙부에는, 2개의 녹색 면발광 레이저(106, 107)가 패키지 중심을 지나는 하나의 축선상에 위치하도록 근접시켜 배치되어 있다. 또한, 패키지 중심을 지나는, 상기 축선과 직교하는 또 하나의 축선 상에는, 상기 2개의 녹색 면발광 레이저를 사이에 두도록, 적색 면발광 레이저(104)와 청색 면발광 레이저(105)가 배치되어 있다. 여기서, 상기 각 면발광 레이저는, 실시예 1 내지 4 중 어느 하나의 면발광 레이저와 동일 구성을 갖고 있고, 베이스 부재 상에서의 4개의 면발광 레이저의 배치는 패키지 중심에 대하여 대칭인 배치로 되어 있다.
또, 상기 베이스 부재(151)의 이면은 방열면으로 되어 있고, 또한, 이 베이스 부재(151)의 이면측에는, 면발광 레이저(104, 105, 106, 107)의 리드 단자(104a, 105a, 106a, 107a)가 취출되고 있다.
이러한 적색, 녹색, 청색의 3파장 레이저광을 발생하는 RGB 광원으로서의 레이저 모듈에서는, 각각의 색의 면발광 레이저의 배치가 중요하다. 즉, 면발광 레이저에 의해 RGB 광원을 실현하는 경우, 특히 고출력화가 어려운 것이 녹색 광원이다. 녹색 광원은, 통상 ZnSe 레이저 재료에 의해 실현되어 있지만, 고출력시에 수명이 저하한다. 이것 때문에 비교적 저출력으로 사용해야 한다.
그래서, 도 9에 나타내는 레이저 모듈(150)에서는, 도 9(b)에 도시하는 바와 같이, 녹색 면발광 레이저(104, 105)는 2개 사용하여, 이들을 근접시켜 배치하고, 또한, 이들 녹색 면발광 레이저의 양측에 적색 면발광 레이저(106)와 청색 면발광 레이저(107)를 배치하고 있다. 이에 따라 레이저 광원의 고출력화와 장기 수명화를 실현할 수 있다.
또한, RGB 광원인, 도 8에 나타내는 실시예 5의 레이저 모듈(150)이나, 레이저 모듈(150)에 있어서의 면발광 레이저의 개수나 배치를 변경한 레이저 모듈(150a)은, 액정 패널, 또는 DLP(디지털 라이트 프로세싱)에서 이용하는 DMD(디지털 마이크로미러 장치) 등의 2차원 공간 변조 소자와 조합하는 것에 의해, RGB 광원으로부터 나간 광을 2차원 공간 변조 소자에 의해 변조하고, 그 이미지를 투사하는 레이저 조사 장치를 실현할 수 있어, 레이저 디스플레이로 응용할 수 있다.
(실시예 6)
도 10은 본 발명의 실시예 6에 따른 반도체 레이저 장치를 설명하는 도면이다.
이 반도체 레이저 장치(160)는, 레이저광을 면발광하는 면발광 레이저와, 해당 면발광 레이저의 공진기 내에 배치되고, 해당 면발광 레이저로부터의 레이저광을 파장 변환하는 파장 변환 소자(161)를 구비하고 있다.
여기서, 면발광 레이저는, 실시예 1의 면발광 레이저(100a)와 동일한 구성으로 되어 있다. 단, 이 반도체 레이저 장치에 있어서의 면발광 레이저는, 실시예 1의 면발광 레이저에 한정되지 않고, 실시예 2 내지 4 중 어느 하나에서 설명한 면발광 레이저이더라도 좋다.
또한, 상기 파장 변환 소자(161)는, 상기 공진기를 구성하는 외부 미러(1)와, 반도체 기판(2a) 상에 형성된 활성층(3)과의 사이에 배치된 비선형 광학 결정 부재로 이루어진다.
여기서, 비선형 광학 결정 재료로서는, KTiOPO4나 분극 반전 MgOLiNbO3가 바람직하다. 특히, 분극 반전 MgOLiNbO3는, 비선형 정수가 크기 때문에, 파장 변환 소자의 소자 길이를 짧게 할 수 있고, 외부 미러와의 거리가 비교적 짧은 공진기에 삽입하는 데에는 형편이 좋다.
다음에 작용 효과에 대하여 설명한다.
본 실시예 6의 반도체 레이저 장치(160)는, 면발광 레이저에서 발생된 레이 저광을, 상기 파장 변환 소자(161)에 의해 파장 변환함으로써, 단파장의 레이저광을 출력 가능한 것이다.
이하, 본 실시예의 반도체 레이저 장치(160)의 특징에 대하여 간단히 설명한다.
파장 변환 소자는, 일반적으로 변환 가능한 파장 허용도가 좁은 것이기 때문에, 레이저 발진하는 기본파의 파장 및 횡 모드의 안정성은 파장 변환 효율에 크게 영향을 미친다. 또한, 통상의 면발광 레이저에서는, 횡 모드의 단일 모드성이 열화 또는 변화되면, 변환 효율이 대폭 저하 또는 변동한다고 하는 문제점이 있었다.
이것에 비하여, 본 실시예 6의 반도체 레이저 장치에서는 우수한 안정성과 고효율화가 실현 가능하다.
즉, 공진기 내에 파장 변환 소자를 구성하는 비선형 광학 결정 부재를 배치하고 있기 때문에, 비선형 광학 결정 부재에 입사하는 광의 파워 밀도가 높게 되어, 파장 변환 소자에서의 고효율 변환이 가능해진다.
또, 상기 실시예 6에서는, 면발광 레이저와 파장 변환 소자를 조합한 반도체 레이저 장치로서, 파장 변환 소자를 면발광 레이저의 공진기 내에 배치한 것을 나타냈지만, 파장 변환 소자는 공진기의 외부에 배치하더라도 좋다.
도 11은 상기 실시예 6의 반도체 레이저 장치에 있어서의 파장 변환 소자의 배치를 변경한 것을 도시하는 도면이다.
도 11에 나타내는 반도체 레이저 장치(160a)는, 파장 변환 소자(161a)를 공진기의 외부에 배치한 것이고, 그 밖의 구성은 상기 실시예 6의 반도체 레이 저(160)와 동일하다.
또한, 도 10 및 도 11에 나타내는 반도체 레이저 장치에 있어서의 파장 변환 소자로서는, 도파로형의 소자이더라도, 또는 벌크형의 소자이더라도 좋다.
단, 파장 변환 소자에 있어서의 변환 효율은 기본파의 집광 특성에 크게 의존하기 때문에, 횡 모드의 단일화가 중요하다. 따라서, 면발광 레이저의 출력광을 파장 변환하여 단파장 광을 출력하는 반도체 레이저 장치는, 상기 실시예 6에서 나타낸 바와 같이, 횡 모드를 단일 모드로 제어 가능하고, 고출력의 파장 변환을 실행 가능하게 할 필요가 있다.
(실시예 7)
도 12는 본 발명의 실시예 7에 따른 레이저 투사 장치를 설명하는 개략 구성도이다.
본 실시예 7의 레이저 투영 장치(170)는, 레이저 광원(171)과, 레이저 광원(171)으로부터 나간 레이저광을 스크린(173) 상에 투사하는 투영 광학계(172)를 갖고 있다. 그리고, 본 실시예 7의 레이저 투영 장치(170)에서는, 레이저 광원으로서, 실시예 2의 면발광 레이저(100b)와 동일 구성의 것을 이용하고 있다. 단, 레이저 투영 장치(170)의 레이저 광원으로서 이용하는 면발광 레이저는 실시예 2의 것에 한정되지 않고, 그 밖의 실시예에서 나타낸 것이라도 좋다.
이하, 이러한 레이저 투사 장치의 일종인 레이저 디스플레이에 대하여 설명한다.
레이저 디스플레이는 RGB 광원 및 투사 광학계로 이루어지고, 레이저 광원으로부터의 광을 투사 광학계에 의해 스크린 등에 투사함으로써, 풀컬러의 영상을 투사하는 것이다. 투영 방식으로서는, 외부의 스크린이나 벽 등의 투사체에 투사하여, 그 반사광을 보는 타입과, 배면 투사형으로서 스크린의 배면으로부터 광을 조사하여 반사광을 보는 타입으로 분류되지만, 어느 쪽의 경우에도, 스크린 등에서 산란된 광에 의해, 색을 인식하고 있다.
그러나, 종래의 레이저 디스플레이에 있어서, 코히어런스가 높은 반도체 레이저를 이용하는 경우, 스크린에서 산란된 광이 간섭하여 스펙클 노이즈를 발생한다고 하는 문제가 발생한다. 스펙클 노이즈를 저감하는 유효한 방법으로서는, 레이저광의 코히어런스를 저감하는 방법이 있다. 레이저광의 코히어런스 저감에는, 종 모드를 멀티모드화하는 것이 유효하고, 특히 종 모드의 스펙트럼 폭을 확대함으로써, 스펙클 노이즈는 대폭 저감할 수 있다.
본 실시예 7의 레이저 투사 장치의 레이저 광원으로서 이용하는 면발광 레이저에서는, 상기 실시예 2에서 나타낸 바와 같이, 분할된 복수의 전극부의 일부에 고주파 신호를 중첩함으로써, 스펙트럼 폭을 확대하여, 코히어런스를 저감하는 것이 가능해진다. 스펙클 노이즈를 저감하기 위해서는, 종 모드 스펙트럼 폭을 파장으로 1㎚ 이상, 또한 바람직하게는 5㎚ 정도 이상으로 확대하는 것이 필요로 된다.
또한, 다른 전극부에 다른 주파수의 고주파 신호를 인가하는 방법을 이용함으로써, 종 모드 스펙트럼 폭의 가일층의 확대가 가능해진다.
레이저 디스플레이에 사용하는 파장과 시감도의 관계로부터, RGB 광원의 발 진 파장이 중요하게 된다. 시감도의 영향으로, 사용하는 파장과 필요한 광 강도가 결정된다. 또한 색도의 영향으로, 파장과 색 재현성의 넓이가 결정된다.
도 13에, 청색 광원의 파장과 필요한 출력의 관계를 나타낸다. 여기서는, 적색의 파장을 640㎚, 녹색은 532㎚에 고정했을 때, 스크린상에서 1000㏐의 밝기를 실현하기 위한, 청색의 파장과 필요한 출력의 관계를 나타내고 있다.
청색광은, 파장이 430㎚ 이하가 되면 시감도가 저하하기 때문에, 필요 파워가 급증한다. 또한 460㎚ 이상으로 되면 녹색의 영역에 가까이 가기 때문에, 표현 가능한 색범위가 좁게 되는 동시에 청색을 표현하기 위한 필요 파워가 증대한다. 동시에 적색의 파워도 증대하는 결과로 된다.
한편, GaN 반도체에 의한 청색 면발광 레이저는 통상 410㎚ 근방에서 고출력 레이저가 실현되어 있다. 이 파장을 장파장측에 시프트시키기 위해서는 In의 첨가량을 증대시킬 필요가 있지만, In의 첨가량을 증대시키면 In의 편석에 의해 결정 조성이 나빠져, 신뢰성, 고출력 특성이 열화한다. 따라서, GaN을 이용한 청색 레이저에서는 파장을 455㎚ 이하로 설정하는 것이 요망된다. 색 재현성의 관점으로부터도 파장이 짧은 청색 광원을 이용하는 쪽이 청색 영역에서 표현할 수 있는 색의 범위가 넓어지기 때문에, 바람직하다.
이상의 관점으로부터, 청색 면발광 레이저의 파장 영역으로서는, 430㎚~455㎚의 영역이 바람직하다. 더 바람직하게는, 파장 영역을 440~450㎚으로 하는 것이 요망된다. 이 경우, 필요 파워의 저감에 의한 저소비 전력화와, 높은 색 재현성을 실현할 수 있다.
적색 면발광 레이저는 AlGaAs계 반도체 재료 또는 AlGaInP계 반도체 재료에 의해 실현할 수 있다. 그러나 고출력화를 실현하기 위해서는, 파장 영역을 630~650의 영역으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 시감도 및 청색광의 사용 파장범위를 확대하는 의미로부터도, 파장 영역은 640㎚±5㎚의 범위가 가장 바람직하다.
녹색 면발광 레이저는 ZnSe계 반도체 재료에 의해 실현 가능하다.
즉, 패브리페로형(Fabry-Ferot type) 반도체 레이저에 있어서는 도파로 내의 광파워 밀도가 높기 때문에, ZnSe계 반도체 재료를 이용한 경우, 신뢰성을 얻는 것이 어려웠다. 그러나, 녹색 레이저를, 본 발명의 면발광 레이저의 구성으로 함으로써 결정 내에서의 광파워 밀도의 저감이 도모되어, 고신뢰성을 확보할 수 있다. 녹색 면발광 레이저의 색밸런스를 고려한 파장 영역으로서는, 510~550㎚의 파장 영역이 필요하다. 단, 면발광 레이저의 신뢰성을 고려하면, 파장 영역은 510~520㎚의 영역이 바람직하고, 이 영역에 있어서 높은 신뢰성과 고출력 특성을 실현할 수 있다. 또한, 녹색 면발광 레이저는, GaN에 In을 대량으로 도핑한 반도체 재료에서도 실현 가능하다. 이 경우에도 파장 영역으로서는 500~520㎚의 영역이 바람직하다.
이상과 같이, 본 발명의 면발광 레이저는, 발광 영역에서의 광 파워 밀도 분포에 의해 발생하는 홀 버닝을 억제하여, 횡 모드가 불안정화나 이득의 저하와 같 은 고출력 특성의 열화를 저감할 수 있는 것이며, 고출력인 반도체 레이저를 필요로 하는 광 기록 장치, 광 디스플레이 장치 등의 광원으로서 유용하며, 또한 그 외에 레이저 가공, 의학용 등으로의 응용에도 유용한 것이다.

Claims (25)

  1. 레이저광의 면발광을 행하는 면발광 레이저로서,
    활성층, 반도체 기판, 및 상기 반도체 기판 상에 적층된 복수의 반도체층을 포함하는 반도체층 적층체와,
    상기 활성층에 캐리어를 주입하는 한 쌍의 전극
    을 구비하되,
    상기 한 쌍의 전극 중 한쪽의 전극은 상기 반도체층 적층체와 접촉하여 접촉 영역을 규정하는 하나의 전극층을 구비하고,
    상기 접촉 영역은 중심 부분과, 상기 중심 부분을 적어도 부분적으로 둘러싸는 주변 부분을 가지며,
    상기 한쪽의 전극은 상기 활성층에 전류를 주입하도록 구성되고,
    상기 주변 부분은 외주(outer periphery)를 갖고,
    상기 접촉 영역은, 상기 중심 부분으로부터 상기 외주로 연속적으로 감소되는 면 밀도를 갖는 것에 의해, 상기 중심 부분과 상기 주변 부분에서의 전류 밀도가 상이한
    것을 특징으로 하는 면발광 레이저.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 한쪽의 전극은, 상기 전극층에 복수의 미소 구멍을, 상기 미소 구멍의 점유 밀도가 상기 중심 부분과 그 주변 부분에서 상이하도록 형성한 것을 특징으로 하는 면발광 레이저.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 한쪽의 전극은, 상기 전극층의 저항치가 상기 중심 부분과 상기 주변 부분에서 상이한 것을 특징으로 하는 면발광 레이저.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체층 적층체와, 상기 한쪽의 전극을 구성하는 전극층 사이에 형성된 저항층을 더 갖고,
    상기 저항층의 저항치는 상기 중심 부분에 대응하는 부분과 상기 주변 부분에 대응하는 부분에서 상이한
    것을 특징으로 하는 면발광 레이저.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층에서 발생한 광을 레이저 발진이 생기도록 증폭하는 공진기는, 상기 반도체층 적층체에 포함되는 반사층과, 상기 반사층과 대향하도록 상기 반도체층 적층체로부터 이격하여 배치한 외부 미러로 이루어지는
    것을 특징으로 하는 면발광 레이저.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 외부 미러는 그 양면을 오목면 형상으로 한 일부 투과 미러인 것을 특징으로 하는 면발광 레이저.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체층 적층체는, 상기 활성층의 근방에 배치되고, 상기 활성층 내의 과포화 캐리어를 흡수하는 과포화 흡수체를 포함하는
    것을 특징으로 하는 면발광 레이저.
  9. 제 1 항에 있어서,
    면발광된 레이저광의 발진 파장은 430~455㎚ 범위내의 파장인 것을 특징으로 하는 면발광 레이저.
  10. 제 1 항에 있어서,
    면발광된 레이저광의 발진 파장은 630~650㎚ 범위내의 파장인 것을 특징으로 하는 면발광 레이저.
  11. 제 1 항에 있어서,
    면발광된 레이저광의 발진 파장은 510~550㎚ 범위내의 파장인 것을 특징으로 하는 면발광 레이저.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 외부 미러와 상기 활성층 사이에 배치된, 레이저광의 파장을 변환하는 비선형 광학 재료를 갖는 것을 특징으로 하는 면발광 레이저.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 기판에는, 그 이면(裏面)의 일부를 상기 활성층의 표면 근방까지 에칭하여 오목부가 형성되는
    것을 특징으로 하는 면발광 레이저.
  14. 레이저광을 출력하는 반도체 레이저와, 상기 반도체 레이저로부터의 레이저광을 파장 변환하는 파장 변환 소자를 구비한 반도체 레이저 장치로서,
    상기 반도체 레이저는 청구항 1에 기재된 면발광 레이저인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 장치.
  15. 복수의 반도체 레이저를 하나의 패키지 내에 집적화하여 이루어지는 레이저 모듈로서,
    상기 각 반도체 레이저는, 청구항 1에 기재된 면발광 레이저인 것을 특징으 로 하는 레이저 모듈.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 복수의 반도체 레이저는, 상기 각 반도체 레이저가, 중심이 상기 패키지의 중심과 일치한 정다각형의 정점(頂点)에 위치하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 모듈.
  17. 레이저광을 출력하는 반도체 레이저와, 상기 반도체 레이저로부터 출력된 레이저광을 투사하는 투사 광학계를 구비한 레이저 투사 장치로서,
    상기 반도체 레이저는 청구항 1에 기재된 면발광 레이저인 것을 특징으로 하는 레이저 투사 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 면발광 레이저는 종(縱) 모드 스펙트럼이 멀티모드인 레이저광을 출사하는 것을 특징으로 하는 레이저 투사 장치.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 면발광 레이저는 종 모드 스펙트럼의 폭이 1㎚ 이상 넓어진 레이저광을 출사하는 것을 특징으로 하는 레이저 투사 장치.
  20. 레이저광의 면발광을 행하는 면발광 레이저로서,
    반도체 기판 상에 형성된 활성층과,
    상기 활성층에 캐리어를 주입하는 한 쌍의 전극
    을 구비하되,
    상기 한 쌍의 전극의 한쪽은 복수의 전극 부분으로 분할된 것이며,
    상기 복수의 전극 부분의 적어도 하나에는 고주파 성분을 중첩한 레이저 구동 전압을 인가하고,
    상기 각 전극 부분으로부터 활성층으로의 전류의 주입을 상기 활성층의 발광 중심에 가까운 영역일수록 전류 밀도가 높아지도록 행하며,
    상기 활성층의 발광 중심으로부터 떨어진 전극 부분에 고주파 성분을 중첩하여 인가하는
    것을 특징으로 하는 면발광 레이저.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 분할된 복수의 전극 부분은 레이저광의 발광 중심의 주위에 균일하게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 면발광 레이저.
  22. 삭제
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 복수의 전극 부분의 적어도 하나에, 변조된 레이저 구동 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 면발광 레이저.
  24. 제 20 항에 있어서,
    상기 각 전극 부분이 형성하는 각 반도체 레이저부를, 상이한 주입 전류로 구동하는 것을 특징으로 하는 면발광 레이저.
  25. 제 20 항에 있어서,
    상기 반도체 기판의 표면 상에 복수의 반도체층을 적층하여 이루어지는, 상기 활성층을 포함하는 반도체층 적층체를 갖고,
    상기 반도체 기판에는, 그 이면의 일부를 상기 활성층의 표면 근방까지 에칭하여 오목부가 형성되는
    것을 특징으로 하는 면발광 레이저.
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