JP2006173562A - Surface-emitting laser device for optical communication wavelength using antimony-based material, its image forming apparatus and information relay system - Google Patents

Surface-emitting laser device for optical communication wavelength using antimony-based material, its image forming apparatus and information relay system Download PDF

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直克 山本
Koichi Akaha
浩一 赤羽
Shinichiro Ushito
信一郎 牛頭
Naoki Otani
直毅 大谷
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a surface-emitting laser device of a long wavelength oscillating an optical communication wavelength band, its image forming device and an information relay system. <P>SOLUTION: In a surface-emitting laser device provided with: a resonator comprising a distributed Bragg reflector comprising a lower semiconductor multilayer film and a distributed Bragg reflector comprising an upper semiconductor multilayer film in a pair; and an active layer arranged between the lower semiconductor multilayer film distributed Bragg reflector and the upper semiconductor multilayer film distributed Bragg reflector, the active layer comprises quantum dots using an antimony-based semiconductor. On a GaAs semiconductor substrate connected with electrodes, a lower GaAs semiconductor multilayer film distributed Bragg reflector is laminated. For the antimony-based semiconductor of the active layer, InGaSb is used. For the upper semiconductor multilayer film distributed Bragg reflector, AlAs or AlGaAs connected with the electrodes may be used. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体の積層面に対して垂直方向に、通信波長1.3から1.55ミクロン帯の光を出射する発光素子と、それを用いた画像生成装置及び情報中継装置に関する。   The present invention relates to a light emitting element that emits light having a communication wavelength of 1.3 to 1.55 micron band in a direction perpendicular to a semiconductor lamination surface, and an image generating apparatus and an information relay apparatus using the light emitting element.

従来のレーザ発光素子は、その基板の側方へ光を出射するので、レーザ発光素子の作製工程において、基板を数百ミクロンの幅で劈開する必要があった。
それに対して、面発光レーザ素子(Vertical Cavity Surface Emitting Laser、Surface Emitting Laser)は、半導体基板に垂直に光を出射するので、劈開する工程が不要であり、シンプルな製作工程で得られる。
Since the conventional laser light emitting element emits light to the side of the substrate, it has been necessary to cleave the substrate with a width of several hundred microns in the manufacturing process of the laser light emitting element.
On the other hand, a surface emitting laser element (Vertical Cavity Surface Emitting Laser, Surface Emitting Laser) emits light perpendicularly to a semiconductor substrate, so that a cleaving process is unnecessary and it can be obtained by a simple manufacturing process.

面発光レーザは、活性領域の両側を2つの反射鏡によって挟み込んで、光共振器(Optical Resonator) を形成することを基本とする。
光共振器としては、2枚の反射鏡を向かい合わせたファブリ・ペロー共振器が一般的であるが、面発光レーザでは、分布ブラッグ反射鏡(Distributed Bragg Reflector)を用いることが多い。
分布ブラッグ反射鏡は、1/4波長の厚みをもつ屈折率の異なる層を積み重ねて構成される。薄膜材料を周期構造にすることによって光を干渉させ、ブラッグ反射により各層での反射波を強め合わせて、高い反射率を得るようにしている。
例えば、GaAs系では、GaAsとAlAsの材料などが用いられ、30対程度の層数が用いられる。
A surface emitting laser basically has an optical resonator formed by sandwiching both sides of an active region between two reflecting mirrors.
As an optical resonator, a Fabry-Perot resonator in which two reflecting mirrors face each other is generally used. However, in a surface emitting laser, a distributed Bragg reflector is often used.
The distributed Bragg reflector is formed by stacking layers having different refractive indexes having a thickness of 1/4 wavelength. By making the thin film material have a periodic structure, light is interfered, and reflected waves in each layer are strengthened by Bragg reflection to obtain a high reflectance.
For example, in the GaAs system, GaAs and AlAs materials are used, and the number of layers is about 30 pairs.

面発光レーザは、半導体基板と、一対の半導体多層膜反射鏡と、その一対の半導体多層膜反射鏡の間に位置する活性層とを基本的な構成要素とするが、活性層には、量子井戸構造または量子ドット構造が利用できる。
量子ドット構造は、直径が数ナノメートルから数十ナノメートル程度の人工的な微小半導体で構成される。ここに閉じ込められた電子は、量子ドットの大きさによって性質が変わるので、人工的に電子の特徴を制御することができる。レーザの発光部分に量子ドットを入れると、消費電力の省力化や発光波長の揺らぎの低減にもつながる利点がある。
A surface-emitting laser basically includes a semiconductor substrate, a pair of semiconductor multilayer film reflectors, and an active layer positioned between the pair of semiconductor multilayer film mirrors. A well structure or a quantum dot structure can be used.
The quantum dot structure is composed of an artificial minute semiconductor having a diameter of several nanometers to several tens of nanometers. Since the properties of the electrons confined here vary depending on the size of the quantum dots, the characteristics of the electrons can be artificially controlled. Inserting quantum dots in the light emitting part of the laser has the advantage of reducing power consumption and reducing fluctuations in the emission wavelength.

このような面発光レーザは、共振器体積が小さいことから、発振閾値電流を0.1ミリアンペアまでに低くでき、高速変調が可能である。
また、レーザの直径を1ミクロン〜数ミクロンの大きさにできるので、ビームの広がりが小さく、他の光学デバイスとの結合性が良好で、2次元配列も容易であり、光伝送や光インターコネクションのアレイ光源としても期待されている。
Since such a surface emitting laser has a small cavity volume, the oscillation threshold current can be lowered to 0.1 milliamperes, and high-speed modulation is possible.
In addition, since the diameter of the laser can be made from 1 micron to several microns, the beam spread is small, the connectivity with other optical devices is good, two-dimensional arrangement is easy, optical transmission and optical interconnection It is also expected as an array light source.

面発光レーザでは、共振器の光学長を変えることで、発振波長を変化させることができる。
近年、10Gbpsを超える光伝送速度を持つシステムとして、波長分割多重(WDM)通信が注目され研究開発が行われている。伝送速度10Gbpsのファーストギガビットイーサとして4波長のWDM通信が提案され、将来的には更に波長分割数を増やしたシステムが必要とされる。このような波長分割多重通信では、微少な波長間隔で発振波長を制御する必要があり、波長可変機構を有する面発光レーザも求められている。
In the surface emitting laser, the oscillation wavelength can be changed by changing the optical length of the resonator.
In recent years, wavelength division multiplexing (WDM) communication has been attracting attention and research and development as a system having an optical transmission rate exceeding 10 Gbps. As a first gigabit ethernet with a transmission rate of 10 Gbps, four-wavelength WDM communication has been proposed. In the future, a system with a further increased number of wavelength divisions will be required. In such wavelength division multiplexing communication, it is necessary to control the oscillation wavelength at a minute wavelength interval, and a surface emitting laser having a wavelength variable mechanism is also required.

面発光レーザに関する従来技術としては、特許文献1〜3などがある。
特開2001-230500号 特開2001-223439号 特開平08-213712号
As prior art regarding the surface emitting laser, there are Patent Documents 1 to 3 and the like.
JP 2001-230500 A JP 2001-223439 JP 08-213712

特許文献1は、GaN系発光ダイオードまたは半導体レーザ装置などの量子井戸構造を有する半導体レーザ装置に関する発明であり、GaN/AlGaNまたはAlGaN /AlGaN量子井戸構造の活性層の結晶成長において、キャリアガスとして窒素を使用すること、Inを含む物質を同時供給することにより活性層に圧縮性歪みを付与制御し、活性層の厚さをコントロールすることなく、量子井戸構造の結晶性や、対称性、光学特性を改善する技術に関する。   Patent Document 1 is an invention related to a semiconductor laser device having a quantum well structure such as a GaN-based light emitting diode or a semiconductor laser device. , The simultaneous supply of In-containing materials to control compressive strain on the active layer, and without controlling the thickness of the active layer, the crystallinity, symmetry, and optical properties of the quantum well structure Related to improving technology.

特許文献2は、量子ドットを透光性のある絶縁材料で隔てた構造とすることにより、高特性の発光素子を作製する方法に関する発明であり、量子ドットのサイズ、形状および配列の形態をコントロールするとともに、量子ドット間を透明絶縁体で隔てるものである。量子ドットの形状、サイズ、位置および個数を制御して、量子ドット充填用穴をマトリックス上に作成し、その穴に成分を充填して量子ドットを形成し、量子ドットの位置と、導光体およびキャリア生成体のサイズおよび位置を制御して多層構造を得る技術に関する。   Patent Document 2 is an invention related to a method of manufacturing a high-performance light-emitting element by separating quantum dots with a light-transmitting insulating material, and controls the size, shape, and arrangement of quantum dots. In addition, the quantum dots are separated by a transparent insulator. By controlling the shape, size, position, and number of quantum dots, a quantum dot filling hole is created on the matrix, and the quantum dots are formed by filling the holes with components. Further, the present invention relates to a technique for obtaining a multilayer structure by controlling the size and position of a carrier generator.

特許文献3は、垂直共振器面発光レーザ、共振器発光ダイオード、共振器垂直型光学装置に関する発明であり、ブラッグ反射型多層下部ミラーが形成された基板と、半導体下部スペーサ領域と、活性領域と、下部ミラーおよび活性領域ならびに下部スペーサ領域を囲む誘電体領域とを有し、上部ミラーは、金属端子が設けられた開ロ部を有し、端子はインジウム錫酸化物などの透明かつ導電性を有する酸化物から形成されている上部スペーサ領域と直接接触している構成を開示する技術に関する。   Patent Document 3 is an invention related to a vertical cavity surface emitting laser, a cavity light emitting diode, and a cavity vertical optical device, and includes a substrate on which a Bragg reflection type multilayer lower mirror is formed, a semiconductor lower spacer region, an active region, A lower mirror and an active region, and a dielectric region surrounding the lower spacer region, the upper mirror has an open portion provided with a metal terminal, and the terminal is transparent and conductive such as indium tin oxide. The present invention relates to a technique for disclosing a structure in direct contact with an upper spacer region formed from an oxide having the same.

上述のように、半導体の表面から垂直に光を発する面発光レーザは、シンプルに製造でき、低い消費電力で動作する特徴がある。そのため、多数の研究機関で、実用化に向けた研究開発が進められている。既に、可視光領域から900ナノメートル周辺の波長域では実用の段階にある。
しかし、光通信波長帯である1.3〜1.55ミクロンにおいては、依然として研究途上である。
As described above, a surface emitting laser that emits light perpendicularly from the surface of a semiconductor can be manufactured simply and operates with low power consumption. Therefore, research and development for practical use is being promoted at many research institutions. Already in the wavelength range around 900 nanometers from the visible light region, it is in the practical stage.
However, research is still underway in the optical communication wavelength band of 1.3 to 1.55 microns.

そこで、本発明は、光通信波長帯を発振する長波長の面発光レーザ素子と、それを用いた画像生成装置及び情報中継装置を提供することを課題とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a long-wavelength surface emitting laser element that oscillates in an optical communication wavelength band, and an image generation apparatus and an information relay apparatus using the same.

上記課題を解決するために、本発明のアンチモン系材料を用いた光通信波長用面発光レーザ素子は、下部半導体多層膜から成る分布ブラッグ反射鏡と、上部半導体多層膜から成る分布ブラッグ反射鏡との一対で構成される共振器と、その下部半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡と上部半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡との間に配置された活性層とを備え、光通信波長を発振する面発光レーザ素子において、活性層を、アンチモン系半導体を用いた量子ドットで構成することを特徴とする。   In order to solve the above problems, a surface emitting laser device for optical communication wavelength using an antimony material of the present invention includes a distributed Bragg reflector made of a lower semiconductor multilayer film, a distributed Bragg reflector made of an upper semiconductor multilayer film, A surface-emitting laser that oscillates an optical communication wavelength, and includes an active layer disposed between the lower semiconductor multilayer distributed Bragg reflector and the upper semiconductor multilayer distributed Bragg reflector In the device, the active layer is formed of quantum dots using an antimony semiconductor.

ここで、活性層のアンチモン系半導体を、GaAs中に埋め込まれたInGaSbの量子ドットで構成してもよい。   Here, the antimony semiconductor of the active layer may be composed of InGaSb quantum dots embedded in GaAs.

或いは、活性層のアンチモン系半導体を、AlGaSbやAlGaAsSbなどのSb系III-V族半導体材料中に埋め込まれ、格子歪の緩和を受けたInAs量子ドットで構成してもよい。   Alternatively, the antimony semiconductor of the active layer may be composed of InAs quantum dots embedded in an Sb group III-V semiconductor material such as AlGaSb or AlGaAsSb and subjected to relaxation of lattice distortion.

活性層の積層面における量子ドットの形状を非等方形状にして、その非等方的な方位に応じて、発振するレーザの偏光方向を制御してもよい。  The shape of the quantum dots on the active layer stacking surface may be made anisotropic, and the polarization direction of the oscillating laser may be controlled in accordance with the anisotropic orientation.

活性層の積層面におけるアンチモン系量子ドットの形状を、[1−10]方向に長い略楕円形状とし、その方位に偏向された直線偏光を発振するように制御してもよい。  The shape of the antimony quantum dots on the stacked surface of the active layer may be controlled to be a substantially elliptical shape that is long in the [1-10] direction and to oscillate linearly polarized light that is deflected in that direction.

このようなアンチモン系材料を用いた光通信波長用面発光レーザ素子は、付設電極からの電流注入か、光照射による活性層の励起によって、波長1.3から1.55ミクロン帯で動作する。
電流注入の場合には、電極の接続されたGaAs半導体基板に、下部GaAs半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡を積層してもよい。
An optical communication wavelength surface emitting laser element using such an antimony material operates in a wavelength range of 1.3 to 1.55 microns by current injection from an attached electrode or excitation of an active layer by light irradiation.
In the case of current injection, a lower GaAs semiconductor multilayer distributed Bragg reflector may be stacked on a GaAs semiconductor substrate to which electrodes are connected.

上部半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡としては、電極の接続されたAlAsまたはAlGaAsが有用である。   As the upper semiconductor multilayer distributed Bragg reflector, AlAs or AlGaAs to which electrodes are connected is useful.

光照射による活性層の励起の場合には、下部半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡と上部半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡の一方または両方を、誘電体多層膜で構成し、上部半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡に、活性層を励起する外部光の照射手段を設けてもよい。  In the case of excitation of the active layer by light irradiation, one or both of the lower semiconductor multilayer film distributed Bragg reflector and the upper semiconductor multilayer film distributed Bragg reflector are made of a dielectric multilayer film, and the upper semiconductor multilayer film distributed Bragg reflector is used. The mirror may be provided with external light irradiation means for exciting the active layer.

誘電体多層膜は、屈折率の異なる誘電体材料の組みで構成し、SiO2/TiO2などが有効である。 The dielectric multilayer film is composed of a combination of dielectric materials having different refractive indexes, and SiO 2 / TiO 2 or the like is effective.

また、活性層を、量子ドットを1個から数個だけ含むピラー構造とし、電流または光励起によって量子ドット内に生成する電子と正孔の対が、量子ドット内で再結合する際に生じる発光を、単一光子源として供するようにしてもよい。   In addition, the active layer has a pillar structure including one to several quantum dots, and emits light generated when electron-hole pairs generated in the quantum dots by current or photoexcitation recombine in the quantum dots. It may be provided as a single photon source.

面発光レーザの発振波長は、下部半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡と上部半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡との間のキャビティの光学距離によって決まる。
下部半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡と上部半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡との間のキャビティの光学距離を、所望発振波長÷材料の屈折率の整数倍として、その所望波長で発振するようにしてもよい。
The oscillation wavelength of the surface emitting laser is determined by the optical distance of the cavity between the lower semiconductor multilayer distributed Bragg reflector and the upper semiconductor multilayer distributed Bragg reflector.
The optical distance of the cavity between the lower semiconductor multilayer film distributed Bragg reflector and the upper semiconductor multilayer film distributed Bragg reflector is set to the desired oscillation wavelength divided by an integral multiple of the refractive index of the material, so that oscillation occurs at the desired wavelength. Good.

このような光通信波長用面発光レーザ素子を複数並列されて、素子構造体を形成してもよい。   A plurality of such surface emitting laser elements for optical communication wavelengths may be arranged in parallel to form an element structure.

すると、キャビティの光学距離が異なる素子を設けると、多波長発振させられる。   Then, if elements having different optical distances of the cavities are provided, multi-wavelength oscillation is performed.

素子の間隔は、近接させると高集積化できるが、近すぎると光の染み出しが影響するから、互いの素子が干渉しない程度の発振波長の約1/4〜1/2が好ましい。  The device spacing can be highly integrated if close, but if it is too close, the light oozes out, and therefore it is preferably about 1/4 to 1/2 of the oscillation wavelength that does not interfere with each other.

素子を2次元的に配置し、各素子を信号変調して出力することで、素子によって出力周波数を変えてもよい。  The output frequency may be changed depending on the element by arranging the elements two-dimensionally, and modulating and outputting each element.

素子から出力される信号経路は、光ファイバも自由空間も自在に利用できる。  The signal path output from the element can use both optical fiber and free space.

変調信号を2次元画像情報として生成することで、画像生成装置として供してもよい。  You may use as an image generation apparatus by producing | generating a modulation signal as two-dimensional image information.

また、変調信号を2次元画像情報として情報を中継することで、情報中継装置として供してもよい。  Further, the information may be provided as an information relay device by relaying information using the modulated signal as two-dimensional image information.

本発明によると、簡易な構成でありながら、例えば波長1.34ミクロン程度で室温連続発振する長波長の面発光レーザ素子が得られるので、光通信での利用に供することが可能である。   According to the present invention, a long-wavelength surface-emitting laser element that continuously oscillates at room temperature at a wavelength of about 1.34 microns can be obtained with a simple configuration, and can be used for optical communication.

以下に、図面を基に本発明の実施形態を説明する。
図1は、GaAs中に埋め込まれたInGaSb量子ドットのPL発光スペクトルであり、2つのInGaSb量子ドットの表面原子間力顕微鏡像を併せて示してある。図では、活性層の積層面の方位に相当する面を、InGaSb量子ドットの直交する[110]及び[1−10]方向に設定している。
面発光レーザの活性層の量子ドットにアンチモン系半導体化合物を用いた例として、InGaSb量子ドットをあげた。GaAs中に埋め込まれたInGaSb量子ドットは、図示のように、1.3から1.55ミクロン帯で発光することが示される。
なお、Siを照射することによって、量子ドットを高密度化できると共に、発光強度を上げることができる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a PL emission spectrum of InGaSb quantum dots embedded in GaAs, and also shows a surface atomic force microscope image of two InGaSb quantum dots. In the figure, the plane corresponding to the orientation of the laminated surface of the active layer is set in the [110] and [1-10] directions orthogonal to the InGaSb quantum dots.
As an example of using an antimony semiconductor compound for the quantum dots of the active layer of the surface emitting laser, InGaSb quantum dots are given. InGaSb quantum dots embedded in GaAs are shown to emit in the 1.3 to 1.55 micron band as shown.
Irradiation with Si can increase the density of the quantum dots and increase the emission intensity.

図2は、この材料を用いた例の面発光レーザ素子の基本構造を示す断面説明図であり、図3は、その発光スペクトル図である。
半導体基板の上に、下部半導体多層膜から成る分布ブラッグ反射鏡、活性層、上部半導体多層膜から成る分布ブラッグ反射鏡が順に積層され、半導体基板と上部半導体多層膜は、電極に接続される。
電流が導通されることによって、下部半導体多層膜から成る分布ブラッグ反射鏡と、上部半導体多層膜から成る分布ブラッグ反射鏡とは共振器として作用し、干渉によって得られたレーザ光が、上部半導体多層膜から垂直に出射される。
FIG. 2 is an explanatory cross-sectional view showing a basic structure of an example of a surface emitting laser element using this material, and FIG. 3 is an emission spectrum diagram thereof.
A distributed Bragg reflector composed of a lower semiconductor multilayer film, an active layer, and a distributed Bragg reflector composed of an upper semiconductor multilayer film are sequentially laminated on the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate and the upper semiconductor multilayer film are connected to electrodes.
When the current is conducted, the distributed Bragg reflector made of the lower semiconductor multilayer film and the distributed Bragg reflector made of the upper semiconductor multilayer film act as a resonator, and the laser light obtained by the interference is transmitted to the upper semiconductor multilayer film. The light is emitted vertically from the film.

本実施例では、半導体基板に、安価なGaAsを用いた。基板には、SiやInP等の半導体結晶や石英ガラス等の非晶質なども利用できる。
下部半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡にもGaAsを用い、上部半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡にはAlGaAsを用いた。上部半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡はAlAsでもよい。
In this embodiment, inexpensive GaAs is used for the semiconductor substrate. As the substrate, a semiconductor crystal such as Si or InP or an amorphous material such as quartz glass can be used.
GaAs was also used for the lower semiconductor multilayer distributed Bragg reflector, and AlGaAs was used for the upper semiconductor multilayer distributed Bragg reflector. The upper semiconductor multilayer distributed Bragg reflector may be AlAs.

GaAs上で長波長発光する材料を作成することは従来困難であったが、活性層に、アンチモン系半導体の量子ドットを用いることでこの問題を解決した。
活性層のアンチモン系半導体としては、InGaSbが有用に利用できる。
Although it has been difficult to produce a material that emits long wavelength light on GaAs, this problem has been solved by using quantum dots of antimony semiconductors in the active layer.
InGaSb can be used effectively as an antimony semiconductor for the active layer.

この素子を用いて室温で連続発振が確認され、図2の発振スペクトル図に示したように、波長約1.34ミクロンにピークが現れた。
これによって、従来利用されなかったアンチモンという材料が、面発光レーザの長波長化に有効であることが示された。
Using this device, continuous oscillation was confirmed at room temperature, and a peak appeared at a wavelength of about 1.34 microns as shown in the oscillation spectrum diagram of FIG.
As a result, it has been shown that a material called antimony, which has not been conventionally used, is effective for increasing the wavelength of a surface emitting laser.

また、本素子は、例えば、GaAsの(001)面にGaAsのバッファー層をエピタキシャル成長させるなど、従来公知の容易な結晶成長方法で作成できるため、製造コストの低減にも有効である。   In addition, since the present device can be formed by a conventionally known easy crystal growth method, for example, by epitaxially growing a GaAs buffer layer on the (001) surface of GaAs, it is also effective in reducing the manufacturing cost.

活性層の材料としては、量子ドットの周囲の化合物に、アンチモンが添加された材料も使用できる。
図4は、そのタイプの面発光レーザ素子を例示する断面説明図であり、図5は、その発光スペクトル図である。
活性層が、AlGaSbやAlGaAsSbなどのSb系III-V族半導体材料に埋め込まれ、格子歪の緩和を受けた量子ドットで構成されている。AlGaSbのAlとGaの組成を変化させることによって、発光波長を1.3から1.7ミクロンの間で変化させることができる。
As the material of the active layer, a material obtained by adding antimony to a compound around the quantum dot can also be used.
FIG. 4 is an explanatory cross-sectional view illustrating a surface emitting laser element of that type, and FIG. 5 is an emission spectrum diagram thereof.
The active layer is composed of quantum dots embedded in an Sb group III-V semiconductor material such as AlGaSb or AlGaAsSb and subjected to relaxation of lattice distortion. By changing the composition of Al and Ga in AlGaSb, the emission wavelength can be changed between 1.3 and 1.7 microns.

一般に、GaAs中に埋め込まれたInAs量子ドットは1ミクロン程度で発光することが知られているが、これは通信波長での発光には相当しない。
InAsとGaAsの材料の格子定数(InAs:0.605nm, GaAs:0.565nm)が7%程度異なることにより、GaAs中に埋め込んだときにInAs量子ドットへ圧縮歪が印加されるため、発光波長が短波長化したことによると考えられている。アンチモン系化合物はGaAsの格子定数よりも大きいために、InAs量子ドットをアンチモン系半導体化合物で覆うことによって、量子ドットにかかる歪を緩和することできる。
つまり、量子ドットにアンチモン系化合物を用いた場合と、量子ドットの周囲にアンチモン系化合物を用いた場合は、ともに量子ドットからの通信波長1.3から1.55ミクロン帯の発光を実現することが可能である。ゆえに波長1.3から1.55ミクロン帯で動作する通信用面発光レーザ用の活性層材料として、これらのアンチモン材料と量子ドットの組み合わせは非常に有効である。
In general, it is known that InAs quantum dots embedded in GaAs emit light at about 1 micron, but this does not correspond to light emission at a communication wavelength.
Since the lattice constants (InAs: 0.605nm, GaAs: 0.565nm) of InAs and GaAs are different by about 7%, compression strain is applied to InAs quantum dots when embedded in GaAs, resulting in a short emission wavelength. This is thought to be due to the wavelength. Since the antimony compound is larger than the lattice constant of GaAs, the strain applied to the quantum dot can be alleviated by covering the InAs quantum dot with the antimony semiconductor compound.
In other words, when an antimony compound is used for the quantum dot and when an antimony compound is used around the quantum dot, it is possible to realize light emission in the 1.3 to 1.55 micron band from the quantum dot. . Therefore, a combination of these antimony materials and quantum dots is very effective as an active layer material for a surface emitting laser for communication that operates in a wavelength range of 1.3 to 1.55 microns.

他方、下部の半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡と上部の半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡の一方または両方を、誘電体多層膜で構成して、上部の半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡に、活性層を励起する外部光の照射手段を設けてもよい。
図6は、その光励起式の面発光レーザ素子の基本構造を示す断面説明図と、その光学配置を示す説明図である。
On the other hand, one or both of the lower semiconductor multilayer film distributed Bragg reflector and the upper semiconductor multilayer film distributed Bragg reflector are made of a dielectric multilayer film, and the upper semiconductor multilayer film distributed Bragg reflector is provided with an active layer. You may provide the external light irradiation means to excite.
FIG. 6 is an explanatory cross-sectional view showing the basic structure of the optically pumped surface emitting laser element and an explanatory view showing its optical arrangement.

GaAs基板上にAlAs/GaAs多層膜分布ブラッグ反射鏡を成長させ、その後、GaAsに埋め込まれたInGaSb量子ドットを3層積層した。キャビティの上部にアンチモン系量子ドットを配置し、キャビティ長を設計波長の半分とすることで、量子ドット層で光の電界強度が最大となるように設計した。上部に、ガラス基板上にSiO2/TiO2で構成された誘電体多層膜分布ブラッグ反射鏡を貼設した。
誘電体多層膜は、SiO2/TiO2をはじめとした屈折率の異なる誘電体材料の組みが利用できる。
An AlAs / GaAs multilayer distributed Bragg reflector was grown on a GaAs substrate, and then three layers of InGaSb quantum dots embedded in GaAs were stacked. An antimony quantum dot is arranged above the cavity, and the cavity length is set to half the design wavelength so that the electric field intensity of the light is maximized in the quantum dot layer. At the top, a dielectric multilayer distributed Bragg reflector made of SiO 2 / TiO 2 was pasted on a glass substrate.
As the dielectric multilayer film, a combination of dielectric materials having different refractive indexes such as SiO 2 / TiO 2 can be used.

800nmの励起光を、ガラスを透過させInGaSb量子ドット活性層に照射した。
量子ドットからの発光は、上部の誘電体多層膜反射鏡と下部の半導体多層膜反射鏡の間で閉じ込められる。
図7に、その発光特性を示す。励起光強度の増加にともない発光波長1.255ミクロンの発光強度は閾値をもつことがわかった。また、その閾値励起光強度で発光スペクトルの半値幅(FWHM)が減少することがわかり、光励起による面発光レーザの発振が観測された。
以上の結果より、反射鏡の一部を誘電体膜として、外部光照射による量子ドット活性層の励起によって、通信波長帯で動作する面発光レーザの実現性が確認された。
The InGaSb quantum dot active layer was irradiated with 800 nm excitation light through the glass.
Light emitted from the quantum dots is confined between the upper dielectric multilayer reflector and the lower semiconductor multilayer reflector.
FIG. 7 shows the light emission characteristics. It was found that the emission intensity at the emission wavelength of 1.255 microns has a threshold with the increase of the excitation light intensity. In addition, it was found that the half-value width (FWHM) of the emission spectrum decreased with the threshold excitation light intensity, and the oscillation of the surface emitting laser due to the optical excitation was observed.
From the above results, the feasibility of a surface emitting laser operating in the communication wavelength band was confirmed by exciting a quantum dot active layer by external light irradiation using a part of the reflector as a dielectric film.

図8は、別実施例の面発光レーザ素子の基本構造を示す断面説明図であり、図9は、その発光スペクトル図である。
本実施例では、InGaSb量子ドット活性層を、SiO2/Ta2O5から成る誘電体多層膜で挟み、キャビティ長を所望発振波長1.55ミクロンの半分に調整した。1.55ミクロン帯のレーザはアイセーフな光として利用可能である。
これに対し、上部から励起光を量子ドット活性層に照射したところ、図9に示すように、1.55ミクロン帯での発振が確認された。そのレーザ発振は、直線偏光であり、偏光方向が量子ドットの[1−10]方向であった。
FIG. 8 is an explanatory cross-sectional view showing a basic structure of a surface emitting laser element according to another embodiment, and FIG. 9 is an emission spectrum diagram thereof.
In this example, the InGaSb quantum dot active layer was sandwiched between dielectric multilayers made of SiO 2 / Ta 2 O 5 and the cavity length was adjusted to half of the desired oscillation wavelength of 1.55 microns. The 1.55-micron laser can be used as eye-safe light.
On the other hand, when the quantum dot active layer was irradiated from above, the oscillation in the 1.55 micron band was confirmed as shown in FIG. The laser oscillation was linearly polarized light, and the polarization direction was the [1-10] direction of the quantum dots.

図10は、その量子ドットの大きさとSiの照射との関係を示すグラフである。
活性層の積層面における量子ドットの大きさはSiの照射によって漸減し、直交する[110]と[1−10]の方向のうち、[1−10]方向に長い略楕円状の形状となった。
このように、活性層の積層面における量子ドットの形状を非等方形状にして、その非等方的な方位に応じて、発振するレーザの偏光方向を制御してもよい。
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the size of the quantum dots and the irradiation of Si.
The size of the quantum dots on the active layer stacking surface is gradually reduced by irradiation with Si, and has a substantially elliptical shape that is long in the [1-10] direction among the orthogonal [110] and [1-10] directions. It was.
As described above, the shape of the quantum dots on the stacked surface of the active layer may be made anisotropic, and the polarization direction of the oscillating laser may be controlled in accordance with the anisotropic orientation.

面発光レーザの発振波長は、下部の半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡と上部の半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡との間のキャビティの光学距離によって決定される。すなわち、キャビティ長を変化させることで、所望の発振波長で動作する面発光レーザを作製することができる。
例えば、キャビティ長を1.3ミクロン÷材料の屈折率の整数倍とすると、波長1.3ミクロンで発振する面発光レーザを作製できる。
図11は、キャビティ長λ0に合わせて、透過スペクトルに共鳴ディップが現れ、その共鳴波長でレーザ発振が起こることを示している。
The oscillation wavelength of the surface emitting laser is determined by the optical distance of the cavity between the lower semiconductor multilayer film distributed Bragg reflector and the upper semiconductor multilayer film Bragg reflector. That is, by changing the cavity length, a surface emitting laser that operates at a desired oscillation wavelength can be manufactured.
For example, when the cavity length is 1.3 microns divided by an integral multiple of the refractive index of the material, a surface emitting laser that oscillates at a wavelength of 1.3 microns can be manufactured.
FIG. 11 shows that a resonance dip appears in the transmission spectrum in accordance with the cavity length λ 0 and laser oscillation occurs at the resonance wavelength.

このような光通信波長用面発光レーザ素子を複数並列されて、素子構造体を形成してもよい。
その場合、素子のキャビティ長が異なれば、その複数のキャビティ長に応じて異なる波長で発振する多波長発振素子を形成できる。
例えば、InGaSb量子ドットの場合には、発光スペクトルが、図1に示したように非常にブロードである。InGaSb量子ドットをキャビティ内に組み込んだ活性層を用いることで、さまざまな発振波長を同時に出力する面発光レーザを作製することができる。
図12は、異なるキャビティ長(λ0,λ1,λ2)のそれぞれに応じて、異なる波長のレーザ発振が起こる様子を示す説明図である。
A plurality of such surface emitting laser elements for optical communication wavelengths may be arranged in parallel to form an element structure.
In this case, if the cavity lengths of the elements are different, a multi-wavelength oscillation element that oscillates at different wavelengths according to the plurality of cavity lengths can be formed.
For example, in the case of InGaSb quantum dots, the emission spectrum is very broad as shown in FIG. By using an active layer that incorporates InGaSb quantum dots in the cavity, it is possible to fabricate surface-emitting lasers that simultaneously output various oscillation wavelengths.
FIG. 12 is an explanatory diagram showing how laser oscillation with different wavelengths occurs in accordance with different cavity lengths (λ 0 , λ 1 , λ 2 ).

また、複数の素子を2次元的に配置し、信号変調して出力するようにし、素子によって出力周波数を変えてもよい。
すると、その変調信号を2次元画像情報として生成する画像生成装置や、変調信号を2次元画像情報として情報を中継する情報中継装置を形成できる。例えば、ディスプレイの一部に、その2次元画像情報を窓表示して提示し、それを別のCCDカメラ等の画像入力装置で撮像するような構成にすることで、2次元画像情報が中継される。このとき中継される経路は光ファイバ中でも良いし、空間中でもよい。このように、本発明は、単なるレーザ発振装置以外にも、多様な用途に利用可能である。
Further, a plurality of elements may be arranged two-dimensionally, signal-modulated and output, and the output frequency may be changed depending on the element.
Then, an image generation device that generates the modulation signal as two-dimensional image information and an information relay device that relays information using the modulation signal as two-dimensional image information can be formed. For example, the 2D image information is relayed by displaying the 2D image information on a part of the display in a window and capturing it with an image input device such as another CCD camera. The The route relayed at this time may be in an optical fiber or in space. Thus, the present invention can be used for various purposes other than a simple laser oscillation device.

複数の素子は、その間隔を近接させるほど高集積化できるが、近すぎると光の染み出しが影響する危惧があるので、互いの素子が干渉しない程度の発振波長の約1/4〜1/2の間隔に設計することが好ましい。  Multiple elements can be highly integrated as the distance between them becomes close, but if they are too close, there is a risk of the light leaking out, so there is a risk that the elements will not interfere with each other. It is preferable to design at an interval of 2.

図13及び14は、活性層を、量子ドット1個を含むピラー構造とした場合の面発光レーザ素子の基本構造を示す断面説明図であり、図13は、電流注入式、図14は、光励起式のものを示す。
これによると、電流もしくは光励起によって、量子ドット内に電子と正孔の対、つまり励起子を1つ形成することができる。この励起子が量子ドット内で再結合すると、1個の光子が放出される。
また、上下を反射鏡ではさまれた面発光レーザと同構造とすることで、面内への光の取り出し効率を向上させることができる。ゆえに、アンチモン材料と量子ドットを組み合わせた活性層、さらに面発光レーザと同様の素子構造により、通信波長用の単一光子源が得られる。
13 and 14 are cross-sectional explanatory views showing the basic structure of a surface emitting laser device in which the active layer has a pillar structure including one quantum dot, FIG. 13 is a current injection type, and FIG. 14 is optical excitation. The formula is shown.
According to this, one pair of electrons and holes, that is, one exciton can be formed in the quantum dot by current or photoexcitation. When this exciton recombines in the quantum dot, one photon is emitted.
In addition, by using the same structure as that of the surface emitting laser sandwiched between the upper and lower surfaces, the light extraction efficiency in the surface can be improved. Therefore, a single photon source for a communication wavelength can be obtained by an active layer in which an antimony material and quantum dots are combined and an element structure similar to that of a surface emitting laser.

本発明による面発光レーザ素子は、容易かつ安価に製造できながら、通信波長帯の面発光レーザとしては現在最も長波長な波長帯を有し、半導体レーザの従来性能を凌駕する産業上利用価値の高い発明である。更に、レーザ発振装置以外にも、2次元画像情報を生成して表示するディスプレイや、2次元画像情報を中継する通信装置など多様な用途に利用可能である。   The surface-emitting laser device according to the present invention can be easily and inexpensively manufactured, and has the longest wavelength band as a surface-emitting laser in the communication wavelength band, and has an industrial utility value that surpasses the conventional performance of a semiconductor laser. It is a high invention. Further, in addition to the laser oscillation device, it can be used for various purposes such as a display for generating and displaying two-dimensional image information and a communication device for relaying two-dimensional image information.

Si照射有無の各場合について、GaAs中に埋め込まれたInGaSb量子ドットのPL発光スペクトルと、InGaSb量子ドットの表面原子間力顕微鏡像を示す図Diagram showing PL emission spectrum of InGaSb quantum dots embedded in GaAs and surface atomic force microscope image of InGaSb quantum dots for each case with or without Si irradiation InGaSb量子ドットを活性層に含み、半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡で構成された面発光レーザ素子の基本構造を示す断面説明図Cross-sectional explanatory drawing showing the basic structure of a surface emitting laser device comprising InGaSb quantum dots in the active layer and composed of a semiconductor multilayer distributed Bragg reflector 同レーザによる発光スペクトル図Emission spectrum using the same laser InAs量子ドットの周りがアンチモン系化合物(AlGaSb)で覆われた構成の面発光レーザ素子の基本構造を示す断面説明図Cross-sectional explanatory drawing showing the basic structure of a surface-emitting laser device with a configuration in which the area around InAs quantum dots is covered with an antimony compound (AlGaSb) 同レーザによる発光スペクトル図Emission spectrum using the same laser 光励起式の面発光レーザ素子の基本構造を示す断面説明図と、その光学配置を示す説明図Cross-sectional explanatory diagram showing the basic structure of the optically pumped surface emitting laser element and explanatory diagram showing its optical arrangement 同レーザによる発光強度と発光半値幅の励起光強度依存性を示すグラフと、閾値励起光強度前後での発光スペクトル図A graph showing the excitation light intensity dependence of the emission intensity and emission half-width at the same laser, and emission spectra before and after the threshold excitation light intensity 別実施例の面発光レーザ素子の基本構造を示す断面説明図Sectional explanatory drawing which shows the basic structure of the surface emitting laser element of another Example 同レーザによる発光スペクトル図Emission spectrum using the same laser 同量子ドットの大きさとSiの照射との関係を示すグラフGraph showing the relationship between the size of the quantum dots and the irradiation of Si 単一のキャビティ長を示す面レーザ発光素子の断面説明図と、それによるレーザ発振を示すグラフCross-sectional explanatory drawing of a surface laser light emitting device showing a single cavity length, and a graph showing the laser oscillation thereby 複数のキャビティ長を示す面レーザ発光素子の断面説明図と、それによるレーザ発振を示す説明図Cross-sectional explanatory diagram of a surface laser light emitting device showing a plurality of cavity lengths, and an explanatory diagram showing the laser oscillation thereby 電力注入式の場合の単一光子源の面レーザ発光素子の断面説明図Cross-sectional explanatory drawing of a surface laser light emitting element of a single photon source in the case of power injection type 光励起式の場合の単一光子源の面レーザ発光素子の断面説明図Cross-sectional explanatory diagram of a single-photon source surface laser light-emitting device in the case of the photoexcitation type

Claims (20)

下部半導体多層膜から成る分布ブラッグ反射鏡と、上部半導体多層膜から成る分布ブラッグ反射鏡との一対で構成される共振器と、その下部半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡と上部半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡との間に配置された活性層とを備え、光通信波長を発振する面発光レーザ素子において、
活性層を、アンチモン系半導体を用いた量子ドットで構成する
ことを特徴とするアンチモン系材料を用いた光通信波長用面発光レーザ素子。
A resonator composed of a pair of a distributed Bragg reflector made of a lower semiconductor multilayer film and a distributed Bragg reflector made of an upper semiconductor multilayer film, and the lower semiconductor multilayer distributed Bragg reflector and the upper semiconductor multilayer distributed Bragg reflection In a surface emitting laser element that includes an active layer disposed between a mirror and oscillates an optical communication wavelength,
An active layer is composed of quantum dots using an antimony semiconductor. A surface emitting laser element for optical communication wavelengths using an antimony material.
活性層のアンチモン系半導体が、GaAs中に埋め込まれたInGaSbの量子ドットである
請求項1に記載のアンチモン系材料を用いた光通信波長用面発光レーザ素子。
The surface emitting laser device for optical communication wavelength using the antimony material according to claim 1, wherein the antimony semiconductor of the active layer is an InGaSb quantum dot embedded in GaAs.
活性層のアンチモン系半導体が、Sb系III-V族半導体材料中に埋め込まれ、格子歪の緩和を受けたInAs量子ドットである
請求項1に記載のアンチモン系材料を用いた光通信波長用面発光レーザ素子。
The surface for optical communication wavelengths using the antimony material according to claim 1, wherein the antimony semiconductor of the active layer is an InAs quantum dot embedded in an Sb group III-V semiconductor material and subjected to relaxation of lattice distortion. Light emitting laser element.
活性層の積層面における量子ドットの形状が非等方形状であり、その非等方的な方位に応じて、発振されるレーザの偏光方向が制御される
請求項1ないし3に記載のアンチモン系材料を用いた光通信波長用面発光レーザ素子。
The antimony system according to any one of claims 1 to 3, wherein the quantum dots on the active layer stack surface are anisotropic, and the polarization direction of the oscillated laser is controlled according to the anisotropic orientation. Surface emitting laser element for optical communication wavelength using a material.
活性層の積層面におけるアンチモン系量子ドットの形状が[1−10]方向に長い略楕円形状であり、その方位に偏向された直線偏光を発振する
請求項4に記載のアンチモン系材料を用いた光通信波長用面発光レーザ素子。
5. The antimony material according to claim 4, wherein the antimony quantum dot on the stacked surface of the active layer has a substantially elliptical shape that is long in the [1-10] direction, and oscillates linearly polarized light deflected in the direction. Surface emitting laser element for optical communication wavelength.
電極の接続されたGaAs半導体基板に、下部GaAs半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡を積層した
請求項1ないし5に記載のアンチモン系材料を用いた光通信波長用面発光レーザ素子。
6. A surface emitting laser element for optical communication wavelengths using an antimony material according to claim 1, wherein a lower GaAs semiconductor multilayer film distributed Bragg reflector is laminated on a GaAs semiconductor substrate to which electrodes are connected.
上部半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡が、電極の接続されたAlAsである
請求項1ないし6に記載のアンチモン系材料を用いた光通信波長用面発光レーザ素子。
The surface emitting laser element for optical communication wavelengths using an antimony-based material according to claim 1, wherein the upper semiconductor multilayer distributed Bragg reflector is AlAs to which electrodes are connected.
上部半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡が、電極の接続されたAlGaAsである
請求項1ないし6に記載のアンチモン系材料を用いた光通信波長用面発光レーザ素子。
The surface emitting laser element for optical communication wavelengths using the antimony-based material according to claim 1, wherein the upper semiconductor multilayer distributed Bragg reflector is AlGaAs to which electrodes are connected.
下部半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡と上部半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡の一方または両方が、誘電体多層膜であり、
多層膜分布ブラッグ反射鏡に、活性層を励起する外部光の照射手段が備わる
請求項1に記載のアンチモン系材料を用いた光通信波長用面発光レーザ素子。
One or both of the lower semiconductor multilayer distributed Bragg reflector and the upper semiconductor multilayer distributed Bragg reflector are dielectric multilayers,
The surface emitting laser device for optical communication wavelengths using the antimony material according to claim 1, wherein the multilayer distributed Bragg reflector includes an external light irradiation means for exciting the active layer.
誘電体多層膜が、屈折率の異なる誘電体材料の組みで構成される
請求項9に記載のアンチモン系材料を用いた光通信波長用面発光レーザ素子。
The surface emitting laser device for optical communication wavelengths using the antimony material according to claim 9, wherein the dielectric multilayer film is composed of a combination of dielectric materials having different refractive indexes.
活性層が、量子ドットを1個から数個だけ含むピラー構造であり、
電流または光励起によって量子ドット内に生成する電子と正孔の対が、量子ドット内で再結合する際に生じる発光を、単一光子源として供する
請求項1ないし10に記載のアンチモン系材料を用いた光通信波長用面発光レーザ素子。
The active layer has a pillar structure including only one to several quantum dots,
The antimony material according to any one of claims 1 to 10, wherein a pair of electrons and holes generated in the quantum dot by current or photoexcitation recombines in the quantum dot and serves as a single photon source. A surface emitting laser element for optical communication wavelengths.
下部半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡と上部半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡との間のキャビティの光学距離を、所望発振波長÷材料の屈折率の整数倍として、その所望波長で発振する
請求項1ないし11に記載のアンチモン系材料を用いた光通信波長用面発光レーザ素子。
2. The oscillator oscillates at the desired wavelength by setting the optical distance of the cavity between the lower semiconductor multilayer film distributed Bragg reflector and the upper semiconductor multilayer film distributed Bragg reflector as an integral multiple of the desired oscillation wavelength / the refractive index of the material. 11. A surface emitting laser element for optical communication wavelengths using the antimony material according to item 11.
請求項1ないし12の光通信波長用面発光レーザ素子が、複数並列されて、素子構造体を形成する光通信波長用面発光レーザ素子。  An optical communication wavelength surface emitting laser element, wherein a plurality of the optical communication wavelength surface emitting laser elements according to claim 1 are arranged in parallel to form an element structure. キャビティの光学距離が異なる素子を有して、多波長発振する
請求項13に記載のアンチモン系材料を用いた光通信波長用面発光レーザ素子。
The surface emitting laser element for optical communication wavelengths using the antimony-type material of Claim 13 which has an element in which the optical distances of a cavity differ, and carries out multiwavelength oscillation.
素子の間隔が、互いに干渉しない間隔(発振波長の約1/4〜1/2程度)で密に配置された
請求項13または14に記載のアンチモン系材料を用いた光通信波長用面発光レーザ素子。
The surface emitting laser for optical communication wavelengths using the antimony-based material according to claim 13 or 14, wherein the elements are closely arranged at intervals that do not interfere with each other (about ¼ to ½ of the oscillation wavelength). element.
素子が2次元的に配置され、各素子を信号変調して出力する
請求項13ないし15に記載のアンチモン系材料を用いた光通信波長用面発光レーザ素子。
The surface emitting laser element for optical communication wavelengths using the antimony material according to claim 13, wherein the elements are two-dimensionally arranged, and each element is signal-modulated and output.
レーザ素子から出力される信号経路が光ファイバ内である
請求項1ないし16に記載のアンチモン系材料を用いた光通信波長用面発光レーザ素子。
The surface emitting laser element for optical communication wavelengths using the antimony-type material of Claim 1 thru | or 16. The signal path | route output from a laser element is in an optical fiber.
レーザ素子から出力される信号経路が自由空間内である
請求項1ないし16に記載のアンチモン系材料を用いた光通信波長用面発光レーザ素子。
The surface emitting laser element for optical communication wavelengths using the antimony material according to claim 1, wherein a signal path output from the laser element is in a free space.
変調信号を2次元画像情報として生成する
請求項16ないし18に記載の光通信波長用面発光レーザ素子による画像生成装置。
The image generation apparatus according to claim 16, wherein the modulation signal is generated as two-dimensional image information.
変調信号を2次元画像情報として情報を中継する
請求項16ないし18に記載の光通信波長用面発光レーザ素子による情報中継装置。

The information relay device using the surface emitting laser element for optical communication wavelengths according to claim 16, wherein the information is relayed using the modulation signal as two-dimensional image information.

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