JP2007531263A - 低消費電力ディスプレー素子用の光量子リングレーザー - Google Patents
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Abstract
低消費電力ディスプレー素子用の3次元光量子リング(PQR)レーザーは、その半導体材料の利得プロファイルに属するエンベロープ波長領域で離散的に多波長発振する発振モード間の間隔(IMS)を調節してIMSが最大値を有するようにし、発振モードの数が最小となるように半径を有する。PQRレーザーは3次元トロイダルキャビティ構造に起因した多波長発振特性を示し、発光波長帯で発振させることで、LEDよりも低い閾値電流及び数nm乃至数十nmのエンベロープ波長領域で多波長モードを有するように設計される。PQRレーザーはその多波長発振特性及びIMSの調節によって色感及び高輝度はLEDのように維持されながらより電力を少なく消耗する。
【選択図】 図1
【選択図】 図1
Description
本発明は半導体レーザーに関し、より詳しくは低消費電力ディスプレー素子用の多波長発振特性を有する光量子リング(PQR:Photonic Quantum Ring)レーザーに関する。
ディスプレー素子分野において今最も注目を浴びている発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)は、優れた耐振動性、高信頼性、低消費電力などのような優秀な特性を有する。かかるLEDは広範囲にわたる輝度(brightness)や放出波長の変化のような特性改善及び量産に裏付けられ、モバイルディスプレーのバックライト光源、高速道路の案内標識、空港の案内標識、株式相場表示板、地下鉄案内板、自動車の内部発光装置など、産業全般に亙ってその応用範囲が広がっている。特に、近年はLEDを交通信号灯などに応用することで省エネを図っている。かかるLEDはInGaN、GaAsP、InGaAsPなどのような使用される利得物質による発光波長領域の拡大に起因した3原色の発光が可能であるが、LEDの強度(intensity)分布グラフに示すように、半値幅(FWHM:Full Width Half Maximum)が、通常数十nm〜100nmの広い波長分布を有するという短所がある。
基本的な構造のLEDに低い反射度を有する共振器を更に追加することで、光の直進性、強さ、及び温度の安定性を改善したり、FWHMを数nmまで減らすことにより電力の消耗を低減するとともに、輝度を維持しようとするRCLED(Resonant Cavity LED)に関する研究が報告されていた。
しかし、RCLEDは、品質係数(Q値:Quality factor)の低い共振器のため、他のレーザーとは比較できないほどに大きいFWNM値を有するという短所を有する。
従って、希望する色感及び高輝度はLEDのように維持されるとともに、より低電力を消耗する新たな低消費電力ディスプレー素子が求められている。
従って、本発明の目的は所望の色感及び輝度がLEDのように維持されつつ、LEDよりも低い閾値電流を有する低消費電力ディスプレー素子に好適なPQRレーザーを提供することにある。
本発明の好適な一実施形態によれば、低消費電力ディスプレー素子に好適な3次元光量子リング(PQR)レーザーが提供され、前記PQRレーザーは、その半導体材料の利得プロファイルに属するエンベロープ波長領域で離散的に多波長発振する発振モード間の間隔(IMS)が最大値を有するように前記IMSを調節するために十分に小さな半径を有することを特徴とする。
本発明の他の実施形態によれば、低消費電力ディスプレー素子用の3次元PQRレーザーが提供され、前記PQRレーザーは、その半導体材料の利得プロファイルに属するエンベロープ波長領域で離散的に多波長発振する発振モード数が1となるようにする十分に小さな半径を有する。
以下、添付図面を参照して本発明による低消費電力ディスプレー素子用のPQRレーザーの好適な実施形態を詳細に説明する。
図1及び図2は本発明による低消費電力ディスプレー素子で用いるのに好適な環状の垂直キャビティ表面放出型レーザー構造を用いた3次元ささやきの回廊光量子リングレーザーの断面図及び部分拡大図である。
図1及び図2に示された3次元PQRレーザーは、2003年2月11日付けで許与された米国特許第6,519,271号に詳細に開示されており、本願明細書において参考文献として引用されている。
本発明による3次元PQRレーザーは、VCSELと類似しているが、レーザーが発振し始める閾値電流がLEDやVCSELよりも格段に低いμA〜nAの範囲である特徴を有する。3次元PQRレーザーは、発振スペクトル特徴によって3次元のレイリーファブリーペロー(RFP:Rayleigh−Fabry−Perot)WGモードレーザーに分類される。
図1及び図2に示したように、3次元PQRレーザーは、n型の分布型ブラッグレフレクター(n−type DBR:n−type Distributed Bragg reflector)16と、p型の分布型ブラッグレフレクター(p−type DBR)20との間に、複数個、例えば4つの量子井戸(quantum well)を有する活性領域18を基板12上にエピタキシャル成長させる段階と、ドライエッチングを用いて円形メサを生成する段階と、ポリイミドの平坦化を用いて円形メサを取り囲む段階と、円形メサの上端にストライプ型又はマルチセグメント型のp電極26を蒸着させ、基板12の下端に一つのn電極10を蒸着させる段階とを経て形成される。
特に、基板12は、例えばガリウムヒ素(GaAs)、窒化ガリウムインジウム(GaInN)などの何れかの好適な物質からなり、通常n+型にドープされてn+型にドープして後続する多重層が容易に基板上にエピタキシャル成長されるようになる。また、必要な多重層を構成するために、分子線エピタキシー法(MBE:molecular beam epitaxy)、有機金属化学気相蒸着法(MOCVD:metal organic chemical vapor deposition)などの何れか好適なエピタキシャル成長法が用いられる。これらの方法は、物質層、例えばアルミニウムヒ素(AlAs)、アルミニウムガリウムヒ素(AlGaAs)などのエピタキシャル成長を可能にする。多重層を生成するにエピタキシャル成長が広く使用されている。
n+GaAs基板12上にn+GaAsバッファー層14を0.3μmの厚さに蒸着させた後、2つの異なる屈折率を有する複数の層を交互に積層してn型DBR16を形成する。つまり、図2に示したように、41重のAlxGa1−xAsからなる下層16−Lと、40重のAlyGa1−yAsからなる上層16−Hとを交互に蒸着させることで、n型DBR16を形成する。ここで、x及びyは0≦x、y≦1を満足し、例えば、それぞれ0.9及び0.3の値を有することが好ましい。AlxGa1−xAsが多少低い屈折率を有し、AlyGa1−yAsが多少高い屈折率を有するので、低い屈折率を有する下層16−Lを活性領域18に近接させることが望ましい。n−型DBR16の各層は、λn/4の厚さを有するが、ここで、λn(=λ/n)はVCSELモードで放射されたレーザー光の各層内での波長をいう。また、λはレーザー光の自由空間内の波長であり、nは各層の構成物質であるAlxGa1−xAs及びAlyGa1−yAsの夫々の屈折率である。
n型DBR16上には、活性領域18が下部AlGaAsスペーサ層17と上部AlGaAsスペーサ層19との間に介在される。それぞれの下部及び上部AlGaAsスペーサ層17及び19は850Åの厚さを有する。活性領域18は、図2に示したように、相対的に低いバンドギャップエネルギーを有するAlzGa1−zAs層18−Lと、相対的に高いバンドギャップエネルギーを有するAlxGa1−xAs層18−Hとが交互に4重に積層される構造であり、活性領域18内には低エネルギー帯域であるAlzGa1−zAs層18−Lからなる4つの量子井戸が形成される。ここで、z及びx夫々は0.11及び0.3であることが望ましい。夫々の層AlzGa1−zAs層18−L及びAlxGa1−xAs層18−Hは80Åの厚さであるのが望ましい。
2つのAlGaAsスペーサ層17、19及び活性領域18の全ての垂直厚さは、VCSELモードレーザー光の1波長程度の厚さに相当する値であるから、2つのAlGaAsスペーサ層17、19及び活性領域18の夫々の厚さは、各々の屈折率を考慮した上決定されなければならない。上部AlGaAsスペーサ層19の上には2つの相異なる屈折率を有する物質が一層ずつ交互に複数層に積層されて、実質的に高い屈折率を有するp型DBR20が形成される。つまり、30重のAlxGa1−xAsからなる下層20−Lと30重のAlyGa1−yAsからなる上層20−Hとが交互に蒸着されて、図2に示したようなp型DBR20を形成する。ここで、x及びyは0.9及び0.3であることが望ましい。また、p型DBR20の各層は、λn/4の厚さを有することが望ましい。p型DBR20の上端にはp+型GaAsキャップ層22を蒸着させる。
前記のような構造を有するエピタキシャル層を蒸着させた後、活性領域18と2つのスペーサ層17、19の側面部を科学的イオンビームエッチング(CAIBE:chemically assisted ion beam etching)のようなドライエッチング法によりエッチングを行うことで、すべすべした円形メサを形成する。CAIBEを用いてエッチングした側面部の表面は、他のエッチング法、例えば反応性イオンエッチング法(RIE:reactive ion etching)を用いてエッチングしたものより更に均一である。円形メサの直径は数μm乃至数十μmの範囲内である。
エッチングされた円形メサはポリイミドの平坦化(polyimide planarization)技法によりポリイミドチャンネル24により取り囲まれる。ポリイミドチャンネル24は後述するようにストライプ型(striped)又はマルチセグメント型(multi−segmented)のp型電極26を支持し、トロイダルキャビティで生成されたPQRモードの光を伝送するための通路を提供する。
AuGe/Ni/Auからなるn型電極10をn型基板12の下面に蒸着させ、ストライプ型又はマルチセグメント型のp型電極26は前記p+GaAsキャップ層22上に蒸着させる。金属であるn型電極10或いはp型電極26は高速熱アニール(rapid thermal annealing)処理工程を行うことで、それぞれGaAs基板12及びp+GaAs層22にオーム接触する。
PQRレーザーは多重量子井戸(MQR:Multi−Quantum−Well)活性層の上下に配列されたDBR層16、20によって光子を上下に閉じ込め、マイクロディスクレーザーと同様にPQRレーザーディスク(登録商標)の側方境界面に沿って生じる全反射によって光子を水平方向で閉じ込めることで、3次元RFP条件のトロイダルキャビティ型のWGモードを形成する。トロイドに定義されたリング内に位置したMQW活性面のキャリアは光量子囲い効果(PQCE:Photonic Quantum Corral Effect)によって量子細線(QWR:Quantum wire)の同心円を再分布することにより電子・正孔(electron−hole)再結合で光子を生成する。
だけ減少させることができることがわかった。即ち、本発明のPQRレーザーは、LEDの広い半値幅及びPQRレーザーの狭い半値幅を有するn個のモードの比率合計分だけ消費電力が減少する。
本発明によれば、PQRレーザーの発振モード波長及び発振モード間の間隔はPQRレーザーのディスク半径を減らすことで調節可能である。PQRレーザーの半径(R)を小さくすることにより、数nm〜数十nmのPQRレーザーの所定の半導体物質の利得プロファイルに属するエンベロープ波長領域で離散的に多波長発振するPQRレーザーの発振モード間の間隔(inter−mode spacing:IMS)を調節することができる。更に、発振モード間の間隔調節によって、PQRレーザーの全てのエンベロープ内で発振するモード数を決定することができる。その結果、PQRレーザーで消耗される電力量をコントロールすることができる。本発明において、PQRレーザーの半径(R)は、PQRレーザーの構造及び形状(例えば、三角形又は四角形)、そして使用された半導体材料によって15μm乃至2μm、好ましくは約3μmの範囲である。更に、PQRレーザーにおけるモード数(n)は1であることが望ましい。
前述したPQRレーザーはレーザー光源であって、次のような発振特性及び長所をもっている。第一、電流特性を察してみれば、PQRレーザーは3次元のトロイダルRFPキャビティ内でMQWディスクの周縁に沿ってレイリーリング(Rayleigh ring)が規定される。PQRレーザーはレイリーリング内で一定量のQWR同心円の再結合過程を誘導しながら、PQRの閾値電流が超低電流である状態で駆動される。その結果、PQRレーザーの中央部分では自己遷移型(self−transition type)LEDの発光性能を凌ぐ。また、QWR特性のおかげでPQRレーザーの出力波長を安定的に保つことができるというメリットをも有している。
図3、図4、図5は、PQRレーザーの3次元トロイダルキャビティ構造と、直径15μmのPQRレーザーへの12μAの電流注入時にレイリーリングから発散するPQRモードと、12mA電流注入時にPQRレーザーの中央部から発振するVCSELモードとを夫々示している。
次に、波長特性を察してみれば、PQRレーザーは3次元トロイダルキャビティ構造に基づく多波長発振特性を有する。図6には、直径40μmのPQRレーザーに7mAの電流を注入した場合の多波長発振スペクトルが示されている。図6から、PQRレーザーの利得領域に形成される共振モードは845nmから850nmに至る全スペクトルのエンベロープ領域で約0.2nm/modeの平均発振モード間の間隔(IMS)Δλで離散的にレーザー発振モードを形成できることが分かる。
従って、本発明によるPQRレーザーは、かかる波長分布特性をLEDのような低消費電力素子の赤色(R)、緑色(G)、青色(B)に対応する波長領域で発振させることで、低消費電力ディスプレー素子に応用することができる。更に、青色PQRにイットリウムアルミニウムガーネット(YAG:yttrium aluminum garnet)を塗布するか、そのほかの方法で白色の色感を有するPQRスペクトルを得ることができる。
全てのスペクトル上のモード数n及びIMSΔλは、単にPQRレーザー素子のサイズに依存するようになるが、かかる波長特性はオフノーマルファブリーペロー(off−normal Fabry−Perrot)共振とWG共振との境界条件を3次元トロイダルマイクロキャビティに適用することにより分析し得る。
図7は、円筒座標系を用いて半径R、厚さdの3次元トロイダルキャビティを示す図である。一方、円筒型キャビティ内に存在する可能性のある光波(light wave)の一般的な形態は下記の式1のように構成することができる。
ここで、mは整数(=0、±1、±2、±3、…)を意味し、Jmはm次ベッセル関数であり、kz及びkt(=krΦ)はそれぞれキャビティ内における波数ベクトル(wave vector)の縦方向(longitudinal)成分及び横方向(transverse)成分を示す。
前記式1に3次元トロイダルマイクロキャビティの境界条件を適用すると、PQRレーザーの発振モードを求めることができる。図7に示したように、任意の進行波が1波長(つまり、1−λ)に対応する厚さdを有するキャビティにθinの角度で入射してその上下反射面で透過/反射の過程を経ながら進行する場合、縦及び横方向の波数ベクトル成分は下記の式2及び式3のように定義される。
ここで、自由空間内の波長がλであり、キャビティ内に与えられた波長に対する屈折率がnとするとき、キャビティ内の波動数kは(2π/λ)n(つまり、k=2π/λ)n)のように表現される。
また、入射角θinの光波が空気中へ放出されるときの角度θとはsinθ=nsinθinの関係にある。また、λ0が縦方向(z方向)で自由空間へ放出する光の波長であり、n0をλ0に対する屈折率であるとすると、縦方向の波数ベクトル成分(kz)は(2π/λ0)n0(つまり、kz=(2π/λ0)n0)のように表現される。このような条件を式2にそれぞれ代入し、半径がRであるディスクはR=rである地点において、ベッセル関数Jm(ktr)=0と仮定してから、
αはそれぞれのモードによる屈折率の変化に依存する変数であって、ここでは定数と仮定した。その詳細は“Spectrum of three−dimensional photonic quantum−ring microdisk cavities:comparison between theory and experiment”(Joongwoo, Bae et al.,Opt.Lett. Vol 28(20) pp 1861〜18633, October2003)を参照できる。
前記式5の結果からモード次数mが増加することにつれてIMSが次第に広がる現象が認められ、PQRレーザー素子の半径Rの二乗に反比例することが分かる。例えば、直径が40μmである素子に7mAの電流を注入した場合を示す図6に前記の式4及び式5を適用すると、PQRレーザー素子の実際に測定された離散的な波長分布と、計算によって得た多波長の発振位置とが正確に一致していることが分かる。短波長領域に行くほどIMSが大きくなるものの、平均IMSは約0.2nm/モードである。また、半値幅(FWHM)はそれぞれの発振波長によって異なるが、大略半値幅の平均値(FWHMm)に等しく、その値は約0.4nmである
上記のような結果から、PQR素子のサイズを逆に調節する(つまり、小さくする)ことで、LEDの半値幅とは比較できないほどに遥かに小さい数nmにわたる発振領域で離散的な波長の分布を調節することができる。かかる原理は適切な色感及び輝度を保ちながら発振されるモード数nをコントロールすることで、消耗される電力量を減らすことができることを意味する。
現在商用化されている高出力用を除いたLEDは、通常、20mAの電流注入を基準として赤色(R)、緑色(G)、青色(B)の発光波長帯を有するAlGaAs、InGaAsP、GaP、InGaNのような利得物質を励起させるために略2〜4V程度の電圧で駆動される。すなわち、LEDは40mW〜80mWの駆動電力を消耗し、R、G、Bに応じて大略700nm〜400nmの波長領域内において、LEDの製作仕様によって半値幅が最小で数nmから100nm程度に広い発光波長分布を有する。
従って、PQRレーザーの発振モード波長及び発振モード間の間隔の調節はPQRレーザーの半径Rを小さく調節することにより達成できる。より具体的には、PQRレーザーの半径が小さくなることでIMSを調節することができ、更にIMSの調節によりモード数nを最小に減らすことが可能である。
図8にはGaInN/GaN青色LED、GaInN/GaN緑色LED、及びAlGaInP/GaAs赤色LEDの一般的な発光波長分布を示している。これらのLEDの全スペクトル波長分布領域は150nmであり、半値幅は大略25nmであり、PQRの波長分布領域に比べて大きくは最大で30倍くらい(5nm×30=150nm)の広い波長分布を有する(After ToyotaGosei Corp.,2000を参照)。
ここで、nはPQRレーザーの全てのエンベロープ内における発振モードの数を示すもので、これは前述のようにPQRレーザーの半径Rに依存する。特に、nの値はPQRレーザーのエンベロープの半値幅(FWHM)に入る離散的なモードの数である。図6の場合nの値は7である。このようなnの値は最小値、つまり1であることが望ましく、この際、PQRレーザーは単一モードで動作される。
かかる電力利得はPQRレーザーの半径Rが小さくなるほど増加する。これはLEDと同じ色の光を発散するに当たってPQRレーザーに必要な電力がより少なく済むことを意味する。
図9及び図10は本発明の具体的な実施形態であって、850nmの波長帯域において、PQRレーザー及び高品質RCLED型素子の発振スペクトルを示すグラフである。特に、図10はn=1である場合にPQRレーザー及び高品質RCLED型素子の発振スペクトルを示している。共振器を用いてその半値幅(FWHM)をおおよそ数nmに減らしたRCLEDの場合でも、その素子のサイズに応じてDBRの直列抵抗に起因して抵抗値が増加される。しかし、PQRレーザーは閾値電流が数μAに相当する極小電流で発振するので、LEDに比して大きな抵抗に起因する電力消耗を十分に補償することができる。
図11は直径15μmである赤色PQRレーザーに300μAの電流を注入した場合の発振スペクトルを示すグラフであって、FWHMが35nmである全てのエンベロープ及び該エンベロープ領域内で発振する3nmのFWHMm値を有する2つの圧倒的なモードを示している。
本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、請求範囲に開示された本発明の技術的思想及び範疇内で当業者により多様に変更可能なものである。
前述したように本発明によるディスプレー素子は、LEDよりも低い閾値電流及び数nm乃至数十nmのエンベロープ波長領域で多波長モードを有するように設計されたPQRレーザーを利用し、PQRレーザーの多波長発振特性及びIMS調節によって色感及び高輝度はLEDのように維持されながらより低電力を消耗する。よって、本発明によるディスプレー素子はディスプレー素子として応用される既存の数十nm乃至100nmの発光波長半値幅を有する典型的なLEDを代替することができるという効果がある。
Claims (13)
- 低消費電力ディスプレー素子用の3次元光量子リング(PQR)レーザーにおいて、
前記PQRレーザーは、その半導体材料の利得プロファイルに属するエンベロープ波長領域で離散的に多波長発振する発振モード間の間隔(IMS)が最大値を有するように前記IMSを調節するために十分に小さな半径を有することを特徴とする3次元PQRレーザー。 - 前記IMSが最大値を有するように調節することにより、前記エンベロープ波長領域で発振するモード数が最小に調節されることを特徴とする請求項1記載の3次元PQRレーザー。
- 前記PQRレーザーの半径は、前記PQRレーザーの構造及び形状、そして前記半導体材料によって15μm乃至2μmの範囲を有することを特徴とする請求項2記載の3次元PQRレーザー。
- 前記PQRレーザーの半径は約3μmであることを特徴とする請求項1記載の3次元PQRレーザー。
- 前記PQRレーザーの発振モード数は1であることを特徴とする請求項3記載の3次元PQRレーザー。
- 前記PQRレーザーの発振モード数は1であることを特徴とする請求項4記載の3次元PQRレーザー。
- 前記PQRレーザーは赤色(R)、緑色(G)、及び青色(B)のうちいずれか一つの発光波長帯で発振することを特徴とする請求項1記載の3次元PQRレーザー。
- 前記青色の発光波長帯で発振するPQRレーザーに所定の物質を塗布して白色の色感を有するPQRスペクトルを得ることを特徴とする請求項7記載の3次元PQRレーザー。
- 低消費電力ディスプレー素子用の3次元PQRレーザーにおいて、
前記PQRレーザーは、その半導体材料の利得プロファイルに属するエンベロープ波長領域で離散的に多波長発振する発振モード数が1となるようにする十分に小さな半径を有することを特徴とする3次元PQRレーザー。 - 前記PQRレーザーの半径は、前記PQRレーザーの構造及び形状、そして前記半導体材料によって15μm乃至2μmの範囲を有することを特徴とする請求項9記載の3次元PQRレーザー。
- 前記PQRレーザーの半径は約3μmであることを特徴とする請求項9記載の3次元PQRレーザー。
- 前記PQRレーザーは、赤色(R)、緑色(G)、及び青色(B)のうちいずれか一つの発光波長帯で発振してそれに該当する色感を放出することを特徴とする請求項10記載の3次元PQRレーザー。
- 前記青色の発光波長帯で発振するPQRレーザーに所定の物質を塗布して白色の色感を有するPQRスペクトルを得ることを特徴とする請求項12記載の3次元PQRレーザー。
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010535356A (ja) * | 2007-07-30 | 2010-11-18 | ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル.ピー. | 微小共振装置およびその製造方法 |
JP2011510497A (ja) * | 2008-01-21 | 2011-03-31 | ポステック・アカデミー‐インダストリー・ファウンデーション | 光量子リングレーザ及びその製造方法 |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100779170B1 (ko) * | 2005-08-16 | 2007-11-23 | 학교법인 포항공과대학교 | 광양자테 홀 발광소자의 버트 커플링 방법 |
US7502405B2 (en) * | 2005-08-22 | 2009-03-10 | Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte. Ltd. | Semiconductor system having a ring laser fabricated by expitaxial layer overgrowth |
US8073034B2 (en) * | 2007-06-01 | 2011-12-06 | Jds Uniphase Corporation | Mesa vertical-cavity surface-emitting laser |
KR20100133191A (ko) * | 2009-06-11 | 2010-12-21 | 삼성전자주식회사 | 반도체 레이저 다이오드, 이를 채용한 프린터 헤드 및 화상형성장치 |
DE102011015726B9 (de) * | 2011-03-31 | 2023-07-13 | OSRAM Opto Semiconductors Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Halbleiterchip, Display mit einer Mehrzahl von Halbleiterchips und Verfahren zu deren Herstellung |
US11658453B2 (en) * | 2018-01-29 | 2023-05-23 | Ronald LaComb | Concentric cylindrical circumferential laser |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH077223A (ja) * | 1993-04-22 | 1995-01-10 | Sharp Corp | カラー半導体装置 |
JPH1083149A (ja) * | 1996-06-18 | 1998-03-31 | Sony Corp | 自発光表示装置 |
JPH10150242A (ja) * | 1996-09-17 | 1998-06-02 | Toshiba Corp | グレーティング結合型面発光装置 |
JPH10163573A (ja) * | 1996-12-03 | 1998-06-19 | Fujitsu Ltd | 光半導体装置とその製造方法 |
JPH11220219A (ja) * | 1998-01-19 | 1999-08-10 | Pohang Eng College | 光量子リングレーザダイオードおよび目標角度測定装置 |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CA2068899C (en) * | 1991-09-17 | 1997-06-17 | Samuel Leverte Mccall | Whispering mode micro-resonator |
JP3052552B2 (ja) * | 1992-03-31 | 2000-06-12 | 株式会社日立製作所 | 面発光型半導体レーザ |
US5345462A (en) * | 1993-03-29 | 1994-09-06 | At&T Bell Laboratories | Semiconductor surface emitting laser having enhanced polarization control and transverse mode selectivity |
JP3658194B2 (ja) * | 1998-07-10 | 2005-06-08 | キヤノン株式会社 | リング共振器型レーザ |
US6504171B1 (en) * | 2000-01-24 | 2003-01-07 | Lumileds Lighting, U.S., Llc | Chirped multi-well active region LED |
US6841802B2 (en) * | 2002-06-26 | 2005-01-11 | Oriol, Inc. | Thin film light emitting diode |
-
2004
- 2004-03-25 KR KR1020040020485A patent/KR100611055B1/ko not_active IP Right Cessation
-
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Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH077223A (ja) * | 1993-04-22 | 1995-01-10 | Sharp Corp | カラー半導体装置 |
JPH1083149A (ja) * | 1996-06-18 | 1998-03-31 | Sony Corp | 自発光表示装置 |
JPH10150242A (ja) * | 1996-09-17 | 1998-06-02 | Toshiba Corp | グレーティング結合型面発光装置 |
JPH10163573A (ja) * | 1996-12-03 | 1998-06-19 | Fujitsu Ltd | 光半導体装置とその製造方法 |
JPH11220219A (ja) * | 1998-01-19 | 1999-08-10 | Pohang Eng College | 光量子リングレーザダイオードおよび目標角度測定装置 |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010535356A (ja) * | 2007-07-30 | 2010-11-18 | ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル.ピー. | 微小共振装置およびその製造方法 |
JP2011510497A (ja) * | 2008-01-21 | 2011-03-31 | ポステック・アカデミー‐インダストリー・ファウンデーション | 光量子リングレーザ及びその製造方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2006004256A1 (en) | 2006-01-12 |
US20070081569A1 (en) | 2007-04-12 |
KR20050095231A (ko) | 2005-09-29 |
CN1957509A (zh) | 2007-05-02 |
KR100611055B1 (ko) | 2006-08-10 |
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