KR100642628B1 - Single mode vertical resonant surface emitting laser - Google Patents

Single mode vertical resonant surface emitting laser Download PDF

Info

Publication number
KR100642628B1
KR100642628B1 KR20040099099A KR20040099099A KR100642628B1 KR 100642628 B1 KR100642628 B1 KR 100642628B1 KR 20040099099 A KR20040099099 A KR 20040099099A KR 20040099099 A KR20040099099 A KR 20040099099A KR 100642628 B1 KR100642628 B1 KR 100642628B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
mode
light absorbing
light
surface emitting
Prior art date
Application number
KR20040099099A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20060060187A (en
Inventor
주영구
Original Assignee
경북대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 경북대학교 산학협력단 filed Critical 경북대학교 산학협력단
Priority to KR20040099099A priority Critical patent/KR100642628B1/en
Publication of KR20060060187A publication Critical patent/KR20060060187A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100642628B1 publication Critical patent/KR100642628B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/185Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only horizontal cavities, e.g. horizontal cavity surface-emitting lasers [HCSEL]
    • H01S5/187Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only horizontal cavities, e.g. horizontal cavity surface-emitting lasers [HCSEL] using Bragg reflection
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/16Window-type lasers, i.e. with a region of non-absorbing material between the active region and the reflecting surface
    • H01S5/168Window-type lasers, i.e. with a region of non-absorbing material between the active region and the reflecting surface with window regions comprising current blocking layers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18361Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors
    • H01S5/18363Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors comprising air layers
    • H01S5/18366Membrane DBR, i.e. a movable DBR on top of the VCSEL
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18386Details of the emission surface for influencing the near- or far-field, e.g. a grating on the surface

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

횡 방향으로 선택적인 광 흡수층과 이온 주입층의 동시적 사용과 그 상대적 크기 차이에 의해 수직 공진 표면방출 레이저의 단일 모드 특성을 향상하였다. 광흡수층이 모드 가장 자리에 있는 빛을 흡수함으로써 고차 횡모드의 광 손실을 증가시키고, 고차 횡모드의 레이저 발진을 막는다. 특히 광 흡수층은 가운데가 패터닝(patterning) 및 에칭(etching) 공정에 의하여 제거되었기 때문에 기본 모드에는 작은 광 손실을 고차 모드에는 더 큰 광 손실을 일으킨다. 광 흡수층의 직경이 이온 주입층 직경에 비해 약간 작을 때 기본 모드가 훨씬 넓은 범위에서 단일 모드로 동작한다.The single - mode characteristics of vertical cavity surface emitting lasers were improved by the simultaneous use of the selective light absorbing layer and the ion implanted layer in the transverse direction and their relative size differences. The light absorbing layer absorbs the light at the edge of the mode, thereby increasing the light loss in the higher order transverse mode and preventing laser oscillation in the higher order transverse mode. In particular, since the center of the light absorbing layer is removed by the patterning and etching processes, a small light loss occurs in the basic mode and a larger light loss occurs in the high-order mode. When the diameter of the light absorbing layer is slightly smaller than the diameter of the ion implanted layer, the basic mode operates in a single mode in a much wider range.

VCSEL, 표면방출, 레이저(laser), 단일모드(single mode), semiconductor, 횡모드, 이온 주입(ion implant) VCSEL, surface emission, laser, single mode, semiconductor, transverse mode, ion implant,

Description

단일 모드 수직 공진 표면방출 레이저{Single mode Vertical Cavity Surface Emitting Lasers} Single mode vertical cavity surface emitting lasers

도 1 은 본 발명의 실시 예에 따른 단일 모드 수직 공진 표면 방출 레이저 구조를 나타내 보인 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a single mode vertical cavity surface emitting laser structure according to an embodiment of the present invention.

도 2는 종래의 수직 공진 표면 방출 레이저 구조(A)와 본 발명의 실시예에 따른 수직 공진 표면 방출 레이저 구조(B)를 비교한 비교 단면도이다. 2 is a comparative cross-sectional view comparing a conventional vertical resonant surface emitting laser structure (A) with a vertical resonating surface emitting laser structure (B) according to an embodiment of the present invention.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*Description of the Related Art [0002]

10...반도체 기판20...하부 브래그 반사경10 ... semiconductor substrate 20 ... lower Bragg reflector

30...레이저 활성층40...스페이서30 ... laser active layer 40 ... spacer

50...이온 주입층50 ... ion implanted layer

60...전기 전도층70...광흡수층60 ... electric conductive layer 70 ... light absorbing layer

80...전극80 ... electrode

90...상부 브래그 반사경90 ... upper Bragg reflector

본 발명은 단일 모드 수직 공진 표면방출 레이저에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수직공진 표면방출 레이저에 흡수층을 두고 특정 구경 안에서는 흡수가 일어나지 않도록 하며 흡수 구경이 전류 주입 구경보다 작도록 하여 높은 동작 전류까지 단일모드를 유지할 수 있도록 하는 단일 모드 수직 공진 표면방출 레이저에 관한 것이다. The present invention relates to a single mode vertical resonance surface emitting laser, and more particularly, to a single mode vertical resonance surface emitting laser, in which an absorption layer is placed in a vertical resonance surface emitting laser so that absorption does not occur in a specific diameter, Mode vertical resonant surface emitting lasers that are capable of sustaining the mode.

수직공진 표면방출 레이저(Vertical_Cavity Surface-Emmitting Lasers, VCSEL)는 단/근거리 광 통신 시스템, 광 연결, 광 저장장치, 레이저 프린팅 등을 위한 광원으로 활용되고 있다. 특히 표면방출 레이저가 갖는 높은 광섬유 커플링 효율(fiber-coupling efficiency), 웨이퍼 단위의 제작 공정에 의한 낮은 단가, 낮은 실장 비용, 이차원 어레이(two-dimensional array) 특성 등으로 인하여 차세대 광통신 및 신호 처리용 광원으로 빠르게 자리를 잡을 것으로 예측된다. Vertical_Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs) are used as light sources for short / near-field optical communication systems, optical connections, optical storage devices, and laser printing. In particular, due to the high optical fiber coupling efficiency of surface emitting lasers, low unit cost due to wafer fabrication process, low mounting cost, and two-dimensional array characteristics, It is predicted that it will be quickly positioned as a light source.

그러나 지금까지의 표면방출 레이저는 주로 다중 횡모드(multiple transverse mode)의 특성을 지님으로 인해서, 초고속 광통신 및 데이터 통신에 있어서 색분산(chromatic dispersion) 등으로 인한 전송 거리 한계가 있으므로 이를 극복하기 위한 단일 횡모드(single transverse mode) 광원에 대한 개발 노력이 이루어지고 있다. However, since the conventional surface emitting lasers have a characteristic of multiple transverse mode, there is a transmission distance limitation due to chromatic dispersion in ultra-high speed optical communication and data communication. Therefore, Development efforts are being made on single transverse mode light sources.

종래의 표면방출 레이저는 전류 제한을 위해 이온 주입(ion implantation)을 도입하거나 산화막 구경(oxide apeture)을 사용한다. 이온 주입은 VCSEL 개발 초기에 사용되었으며 상용 소자 생산에도 사용된 안정된 기술이다. 그러나 이 구조의 단점은 전류가 증가함에 따라 레이저 공진기 중심부에 열이 발생하여 광 모드 크기가 바뀌는 단점이 있다. 이것을 열 렌즈 효과라 하고 특별한 굴절률 변동 구조가 없는 이온 주입형 레이저에서는 광 특성에 영향을 많이 준다. Conventional surface emitting lasers employ either ion implantation or oxide apeture for current limiting. Ion implantation has been used in the early days of VCSEL development and is a stable technology used in commercial device manufacturing. However, the disadvantage of this structure is that as the current increases, heat is generated in the center of the laser resonator and the size of the optical mode is changed. This is called a thermal lens effect, and it has a large influence on optical characteristics in an ion implantation type laser having no special refractive index fluctuation structure.

이에 반해 산화막 레이저는 AlAs 층을 산화하여 AlxOy 로 구성된 절연막을 형성함으로써 전류 제한과 굴절률 제어를 함으로써 안정된 광 모드 특성을 얻게 된다. 그러나 AlAs와 AlxOy의 굴절률 차이가 크기 때문에 단일 모드를 얻기 위해서는 매우 작은 직경 2-3 μm 까지 산화막 구경을 제어해야 하는 어려움이 있어, 대부분 산화막 직경이 큰 다중 모드 출력을 사용하고 있다. 또한 근본적으로 작은 직경 산화막 에서는 소자의 수명이 짧아져 공정상 어려움과 함께 근본적인 약점을 가지고 있다.On the other hand, the oxide laser oxidizes the AlAs layer to form an insulating film composed of AlxOy, thereby achieving stable optical mode characteristics by controlling current and refractive index. However, since the refractive index difference between AlAs and AlxOy is large, it is difficult to control the oxide film diameter to a very small diameter of 2-3 μm in order to obtain a single mode. Therefore, a multi-mode output having a large oxide film diameter is mostly used. In addition, the lifetime of a device is basically short in a small-diameter oxide film, which has a fundamental weakness in addition to a difficulty in the process.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 단순한 구조를 통해 넓은 동작 전류 영역에서 단일 모드 출력이 유지되는 수직 공진 표면방출 레이저를 제공하는 것을 목적으로 한다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a vertical cavity surface emitting laser in which a single mode output is maintained in a wide operating current range through a simple structure.

또한 본 발명은 이온 주입 구조가 갖고 있는 동작시 모드 불안정성을 없애고 단일 모드 산화막 레이저의 수명 단축을 피할 수 있는 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
It is another object of the present invention to provide a structure capable of eliminating the mode instability during operation of the ion implantation structure and avoiding shortening of the lifetime of the single mode oxide film laser.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 본 발명은 반도체 기판 상에 수직으로 적층된 하부 브래그 반사경과 상부 브래그 반사경 사이에 활성층을 포함하는 수직 공진 표면방출 레이저에 있어서, 상기 상부 브래그 반사경 상부측으로부터 도입되는 전류를 횡 방향으로 제한하여 상기 활성층의 중심부에 공급하기 위한 전류 감금 구조(current confinement structure); 및 상기 전류 감금 구조에 인접하도록 상기 상부 브래그 반사경 하부에 배열되며, 일정 직경을 경계로 바깥쪽 광 손실이 안쪽보다 크도록 형성되고, 상기 활성층의 중심부에 전류를 공급하도록 하며 동시에 상기 활성층으로부터 발진되는 광의 일부를 흡수하여 선택적 손실을 일으키는 광 흡수층;을 포함하는 수직 공진 표면방출 레이저를 제공한다. As a constituent means for achieving the above object, the present invention is a vertical resonant surface emitting laser including an active layer between a lower Bragg reflector vertically stacked on a semiconductor substrate and an upper Bragg reflector, wherein the upper Bragg reflector upper side A current confinement structure for horizontally limiting the current introduced from the current confinement structure to the center of the active layer; And an upper Bragg reflector disposed adjacent to the current confinement structure and having an outer light loss greater than the inner diameter at a boundary with a predetermined diameter, for supplying a current to the central portion of the active layer and being oscillated from the active layer And a light absorbing layer absorbing a part of light to cause selective loss.

바람직하게는 상기 광 흡수층은 상기 전류 감금 구조와 상기 상부 브래그 반사경 사이에 형성될 수 있으며, 또는 상기 활성층과 상기 전류 감금 구조 사이에 형성될 수 있다. Preferably, the light absorbing layer may be formed between the current confinement structure and the upper Bragg reflector, or may be formed between the active layer and the current confinement structure.

또한 바람직하게는 상기 광 흡수층의 경계부분 직경은 상기 전류 감금 구조의 전류 제한부분 직경보다 작은 것을 특징으로 한다. Preferably, the boundary portion diameter of the light absorbing layer is smaller than the current confined portion diameter of the current confinement structure.

또한 바람직하게는 상기 활성층 상부에는 상기 활성층에 전류를 공급하기 위한 전기전도층이 형성되고, 상기 전류 감금 구조는 상기 전기전도층에 이온을 주입하여 그 중심부에 소정직경의 비저항 영역과 그 외측의 저항영역을 형성하도록 하는 이온주입층인 것을 특징으로 한다. Preferably, the current confinement structure is formed by injecting ions into the current confinement structure to form a resistive region having a predetermined diameter in a central portion thereof and a resistive region Is an ion-implanted layer for forming a region.

또한 바람직하게는 상기 광 흡수층은 광 흡수물질을 상기 전류 감금 구조 상부면에 코팅하거나, 상기 전류 감금 구조 상부면에 GaAs를 성장하는 것에 의해 형성될 수 있다. Also preferably, the light absorbing layer may be formed by coating a light absorbing material on the upper surface of the current confinement structure, or by growing GaAs on the current confinement structure upper surface.

또한 바람직하게는, 상기 광 흡수층은 패턴형성 후 에칭에 의하여 중심부를 소정 직경으로 제거하여 중심부에서 광 흡수가 일어나지 않도록 하는 것을 특징으로 한다. Preferably, the light absorbing layer is formed by removing the central portion of the light absorbing layer to a predetermined diameter by etching after the pattern formation so that light absorption does not occur at the central portion.

또한 바람직하게는 상기 활성층 상부에는 상기 활성층에 전류를 공급하기 위한 전기전도층이 형성되고, 상기 전류감금구조는 그 중심부에 소정직경의 비저항 영역과 그 외측의 저항영역을 형성하도록 하는 산화막을 형성하는 것이 가능하다. Preferably, the current confinement structure is formed with an oxide layer for forming a resistivity region of a predetermined diameter and a resistance region outside the current confinement structure at a central portion of the current confinement structure It is possible.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

표면 방출 레이저는 반도체 기판 면에 수직인 광선을 그 기판의 하면 또는 상면으로 방출시킨다. VCSEL은 웨이퍼 표면과 평행하게 배치된 반사경을 가지며 그 사이에 광공동(optical cavity)이 형성된 표면 방출 레이저이다. 일반적으로, VCSEL은 하부 브래그 반사경과 상부 브래그 반사경이 배열되고, 그 사이에 양자우물 활성영역을 갖는 기판을 포함한다. 브래그 반사체(Distributed Bragg Reflector: DBR)는 일반적으로 반사율 99%이상을 갖게 된다. The surface emitting laser emits light rays perpendicular to the surface of the semiconductor substrate to the lower surface or the upper surface of the substrate. A VCSEL is a surface emitting laser having a reflector disposed parallel to the wafer surface and an optical cavity formed therebetween. In general, a VCSEL includes a substrate having a lower Bragg reflector and an upper Bragg reflector arranged therebetween and having a quantum well active region therebetween. Distributed Bragg Reflectors (DBRs) typically have reflectance above 99%.

도 1에서 본 발명에 의한 수직 공진 표면방출 레이저는 반도체 기판(10) 위에 하부 브래그 반사경이 있고 그 위에 스페이서(spacer)(40) 사이에 끼워진 레이저 활성층(30)이 있다. 반도체 기판(10)은 적절한 반도체 물질(예를 들면, 갈륨 아세나이드(GaAs), 인듐 포스파이드(InP) 또는 상기 물질의 조합 등)로 형성된 기판이 된다. 도시하지는 않았지만, 상기 반도체 기판(10)의 하부면에는 적절한 금속성 또는 다른 전도성 물질로 형성되는 후면 접촉부가 형성된다. 1, a vertical cavity surface emitting laser according to the present invention includes a laser active layer 30 having a lower Bragg reflector on a semiconductor substrate 10 and a spacer 40 interposed therebetween. The semiconductor substrate 10 is a substrate formed of a suitable semiconductor material (e.g., gallium arsenide (GaAs), indium phosphide (InP), or a combination of such materials). Although not shown, a lower contact portion is formed on the lower surface of the semiconductor substrate 10, which is formed of a suitable metallic or other conductive material.

반도체 기판(10) 상부에 배열되는 하부 브래그 반사경(20)은 저굴절율과 고굴절율의 물질이 번갈아 나타나고 n도핑될 수 있다. 하부 브래그 반사경(20) 상부에는 레이저 활성층(30)이 형성된다. 활성층(30)은 다수의 양자 우물층 및 공간층으로 구성될 수 있고, 전류가 주입되어 빛으로 변환되는 부분이 된다. The lower Bragg reflector 20 arranged on the semiconductor substrate 10 alternately exhibits a low refractive index and a high refractive index material and can be n-doped. A laser active layer 30 is formed on the lower Bragg reflector 20. The active layer 30 may be composed of a plurality of quantum well layers and a space layer and is a portion into which current is injected and converted into light.

활성층(30) 상부에는 전류를 공급하기 위한 전기 전도층(60)이 형성된다. 전기 전도층은 횡 방향으로 전류를 제한하여 중심부에만 전류를 공급하기 위한 전류 감금 구조(current confinement structure)가 형성된다. 전기 전도층(60) 상에는 광 흡수층(70) 및 그 상부측에 전극(80)이 형성된다. 광 흡수층의 전극(80) 위에는 상부 반사경(90)이 형성되며, 이는 하부 반사경(20)과 함께 레이저 공진기를 형성하게 된다. 상부 반사경(90)은 여러 가지 다양한 방법에 의해 제작이 가능하게 되며, 바람직하게는 유전체 증착에 의한 방법으로 제조할 수 있다. An electrically conductive layer 60 for supplying an electric current is formed on the active layer 30. The electrically conductive layer has a current confinement structure for limiting the current in the lateral direction and supplying the current only to the center portion. On the electrically conductive layer 60, a light absorbing layer 70 and an electrode 80 are formed on the upper side thereof. An upper reflector 90 is formed on the electrode 80 of the light absorbing layer to form a laser resonator together with the lower reflector 20. The upper reflector 90 can be manufactured by a variety of different methods, preferably by a dielectric deposition method.

또한, 상기 광 흡수층은 상술한 바와 같이 상기 전류 감금 구조와 상기 상부 브래그 반사경 사이에 형성될 수 있으며, 또는 상기 활성층과 상기 전류 감금 구조 사이에 형성될 수 있다. In addition, the light absorption layer may be formed between the current confinement structure and the upper Bragg reflector as described above, or may be formed between the active layer and the current confinement structure.

본 발명의 표면방출 레이저 구조에 있어서, 전류 감금구조는 바람직하게는 이온 주입층(50)이 된다. 이온 주입층(50)은 전기전도층(60)에 수소, 중수소(deutron) 또는 여러 가지 이온을 주입(implant)하여, 주입된 영역의 결정만 파괴되어 주입되지 않은 영역으로만 전류가 흐르게 되는 저항층을 형성하는 것에 의해 형성된다. In the surface emitting laser structure of the present invention, the current confinement structure is preferably an ion implanted layer (50). The ion implantation layer 50 is formed by implanting hydrogen, deutron, or various ions into the electrically conductive layer 60 to form a resistive layer in which only crystals in the implanted region are destroyed, To form a layer.

광 흡수층(70)은 그 상부의 전극(80)에서 출발한 전류가 이온주입층을 통하여 깔대기 모양으로 모아져 레이저 활성층(30) 중심부에 전류를 공급하도록 하는 역할을 한다. 또한 동시에 그로부터 발진되는 광의 선택적 광손실을 일으키기 위한 구조이다. 따라서 광 흡수층은 상기 이온주입층에 인접하여 배열되는 것이 가장 바람직하게 되며, 그 배열 위치는 이온주입층의 상부측 또는 하부측이 될 수 있다. 본 발명에 의한 광 흡수층은 활성층에서 발진하는 광을 흡수하기 위한 것이며, 예를 들어 850nm 에서의 광을 흡수하기 위한 흡수물질인 Si와 같은 물질을 코팅하는 것이 가능하며, 또한 에피 성장시 GaAs와 같은 물질을 사용하여 흡수층을 성장하는 것도 가능하다. 이와 같은 광 흡수층은 그 중심부에 상기 전류 감금구조의 중심 직경보다 작은 직경으로 패턴 형성하여 이를 식각(etching)하여 제거하게 된다. 본 발명에 의한 광 흡수층은 이에 제한되는 것은 아니며 광을 흡수할 수 있는 다른 어떠한 구조도 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 충분히 이해할 수 있을 것이다. The light absorption layer 70 functions to supply current to the central part of the laser active layer 30 by gathering the current starting from the upper electrode 80 on the funnel through the ion implantation layer. And at the same time a selective optical loss of the light oscillated therefrom. Therefore, it is most preferable that the light absorption layer is arranged adjacent to the ion implantation layer, and the arrangement position thereof may be the upper side or the lower side of the ion implantation layer. The light absorbing layer according to the present invention absorbs light emitted from the active layer. For example, it is possible to coat a material such as Si, which is an absorbing material for absorbing light at 850 nm, It is also possible to grow the absorbent layer using a material. Such a light absorption layer is patterned at a central portion thereof with a diameter smaller than the center diameter of the current confinement structure, and is etched and removed. The light absorbing layer according to the present invention is not limited to this, and any other structure capable of absorbing light can be understood by those skilled in the art.

본 발명에서는 전류 감금 구조로서 이온주입층(50)을 사용함과 동시에 발진되는 광을 흡수하기 위한 광 흡수층(70)을 사용하였다. 이온주입층(50)은 전류를 제한하도록 하는 구조일 뿐 아니라, 전류 진행로에서 열을 발생시켜 굴절율을 증가시키는 작용을 한다. In the present invention, the light absorbing layer 70 is used for absorbing the oscillation light while using the ion-implanted layer 50 as the current confinement structure. The ion implantation layer 50 functions not only to limit the current but also to increase the refractive index by generating heat in the current path.

굴절율이 증가하는 직경과 이온 주입 구조의 직경은 거의 같다고 볼 수 있는데, 온도가 증가할 수록 중심부 굴절율과 주변 굴절율의 차이는 커지게 된다. 굴절율의 차이가 커지면 광학적 인덱스 가이딩(index guiding) 효과가 커져서 광 손실은 줄어들게 되고, 고차 휭 모드(transverse mode)가 발생하게 되므로 단일 모드 동작이 어려워지게 된다. The diameter at which the refractive index increases and the diameter at the ion implantation structure are almost the same. As the temperature increases, the difference between the central refractive index and the peripheral refractive index increases. As the refractive index difference increases, the optical index guiding effect becomes larger, so that the optical loss is reduced, and the transverse mode is generated, so that the single mode operation becomes difficult.

이를 막기 위해 광 흡수층(70)이 모드 가장자리에 있는 빛을 흡수함으로써 고차 횡 모드의 광 손실을 증가시키게 되고, 이에 따라 고차 횡 모드의 레이저 발진을 막게 된다. 특히 이를 위해 광 흡수층은 일정 직경을 경계로 하여 바깥쪽 광 손실이 안쪽의 광손실보다 크도록 형성된다. 즉, 광 흡수층은 가운데 부위가 페터닝 및 에칭 공정에 의해 제거되어 형성되며, 이에 의해 고차 횡 모드의 광손실을 증가시키고 기본 모드의 광 손실은 줄여주게 되는 효과를 제공한다. To prevent this, the light absorbing layer 70 absorbs the light at the edge of the mode, thereby increasing the light loss in the higher order transverse mode, thereby preventing laser oscillation in the higher order transverse mode. In particular, the light absorbing layer is formed such that the outer light loss is larger than the inner light loss with a certain diameter as a boundary. That is, the light absorbing layer is formed by removing the middle portion by the patterning and etching process, thereby increasing the light loss in the high-order transverse mode and reducing the light loss in the basic mode.

본 발명과 달리 전류감금구조를 산화막 구조로 형성하게 되면, 굴절율 차이가 커져서 존재하는 모드의 개수가 많아지게 되는 문제가 있다. 즉, 산화막 구조로 AlAs을 사용하는 경우 가운데 부분의 굴절율은 2.8 정도가 되며, 산화된 AlOx의 굴절율은 1.6 정도가 된다. 따라서 그 굴절율 차이가 상당히 크게 된다. In contrast to the present invention, when the current confinement structure is formed in an oxide film structure, there is a problem that the difference in refractive index increases and the number of existing modes increases. That is, when AlAs is used as the oxide film structure, the refractive index of the center portion is about 2.8, and the refractive index of the oxidized AlOx is about 1.6. Thus, the refractive index difference is significantly increased.

이에 반해 본 발명에서와 같이 전류감금구조로 이온주입층을 사용하게 되면 물질 고유의 굴절율 차이를 거의 없앨 수 있다. 다만, 이온주입층은 열에 의해 발생하는 유효 굴절율의 차이가 생기게 되며 이 값은 0.02 이하가 된다. 따라서 내측과 외측의 굴절율 차이가 작을 수록 단일모드 유지가 쉬워지는 원리에 따라 기존 산화막 구조는 이온주입구조에 비해 단일 모드 발진에 있어 보다 불리한 조건을 갖게 되는 것이다. On the other hand, if the ion confinement structure is used as the current confinement structure as in the present invention, the refractive index difference inherent to the material can be substantially eliminated. However, the ion implantation layer has a difference in effective refractive index generated by heat, and this value is 0.02 or less. Therefore, according to the principle that the difference in the refractive index between the inner side and the outer side is smaller, it is easier to maintain the single mode. Thus, the oxide film structure has a more unfavorable condition than the ion implantation structure in the single mode oscillation.

또한, 본 발명에서는 전류감금구조로 이온주입층을 사용함과 동시에 이온주입층의 중심부를 통과하여 발진하는 다중모드를 흡수하기 위한 광 흡수층을 사용하였다. In the present invention, a light absorption layer is used for absorbing the multi-mode oscillation that passes through the center of the ion implantation layer while using the ion implantation layer as the current confinement structure.

이온 주입 구조에서 직경이 10 micron 정도 되면 다중 모드가 발생하여 광 출력이 여러 횡 모드 사이를 천이하는 현상이 나타나 잡음을 일으킨다. 그러나 단일 모드로 되면 이런 모드 천이가 발생하지 않아 안정된 출력을 얻을 수 있다. 산화막 레이저가 단일 모드를 얻기 위해서는 2 micron 내외의 직경을 가져야 하는데, 이렇게 작은 산화막 수직 공진 표면광 레이저의 수명은 매우 단축된다. When the diameter is about 10 microns in the ion implanted structure, multimode occurs and the optical output transitions between the various transverse modes, causing noise. However, in a single mode, such a mode transition does not occur and a stable output can be obtained. In order to obtain a single-mode oxide laser, a diameter of about 2 microns is required, and the life time of such a small oxide vertical cavity surface-emitting laser is greatly shortened.

따라서, 본 발명에서는 이온주입 구조를 사용하여 비교적 큰 직경으로 전류 감금 구조를 형성하였고, 이에 따른 다중 모드의 광 출력을 흡수하기 위하여 그 상부에 광 흡수층을 형성하게 된 것이다. 단일 모드 특성을 얻기 위해 본 발명의 구조를 사용하면 수명 단축의 문제를 해결할 수 있게 된다. Therefore, in the present invention, a current confinement structure is formed with a relatively large diameter using an ion implantation structure, and a light absorption layer is formed on the current confinement structure to absorb the multi-mode light output. The use of the structure of the present invention to obtain the single mode characteristic makes it possible to solve the problem of shortening the life time.

본 발명의 광 흡수층(70)은 일정 직경을 경계로 하여 바깥쪽 광 손실이 안쪽의 광손실보다 크도록 형성되며, 광 흡수층(70)의 직경이 이온주입층(50)의 직경에 비해 약간 작을 때 기본 모드가 훨씬 넓은 범위에서 단일모드로 동작하도록 할 수 있다. The light absorption layer 70 of the present invention is formed such that the outer light loss is larger than the inner light loss with a certain diameter as a boundary and the diameter of the light absorption layer 70 is slightly smaller than the diameter of the ion implantation layer 50 The base mode can be made to operate in a much wider range of single modes.

도 2에서, 구조 A는 선택적 광 손실 층 없이 이온 주입 직경(a)만 10 μm 인 구조이다. 구조 B는 본 발명에 따른 선택적 광 흡수층을 포함하고 있으며 이온 주입 직경(b)이 10 μm 이고, 선택적 광 손실 층 직경(c)이 6 μm 인 구조이다. In Fig. 2, Structure A is a structure with only a 10 占 퐉 ion implantation diameter (a) without a selective light loss layer. Structure B is a structure including a selective light absorbing layer according to the present invention, an ion implantation diameter (b) of 10 μm, and a selective light loss layer diameter (c) of 6 μm.

하기 표 1은 구조 A와 구조 B의 VCSEL의 기본 모드 선택 비율을 비교한 표이다. 여기서 기본 모드 선택 비율이란 기본 모드와 그 다음 고차 횡모드 사이의 광 출력의 비율을 나타낸다. 이 값이 크면 클 수록 단일 모드로 동작하는 특성이 좋아지게 된다. Table 1 below is a table comparing basic mode selection ratios of VCSELs of structure A and structure B. Here, the basic mode selection ratio represents the ratio of the light output between the basic mode and the next higher-order transverse mode. The larger this value is, the better the characteristic of operating in single mode.

기본 모드 선택 비율 = 광출력(LP01모드)/광출력(LP11모드)Basic mode selection ratio = optical output (LP01 mode) / optical output (LP11 mode)

∝(두 모드 간 광 이득 및 광 손실 차이)/(임계 광 이득 값)Α (difference between optical gain and optical loss between two modes) / (critical optical gain value)

이 값을 구조와 굴절률 변화 Δn에 따라 표로 나타내면 다음과 같다.This value is tabulated according to the structure and refractive index change Δn as follows.

ΔnΔn 구조 AStructure A 구조 BStructure B 0.00 (소자 온도가 상승하지 않았을 때에 해당)0.00 (when device temperature does not rise) 0.1260.126 1.801.80 0.01 (소자 온도 상승이 30~40 도에 해당)0.01 (device temperature rise corresponds to 30 to 40 degrees) 0.020.02 1.551.55

계산 결과 전류 감금을 위한 이온 주입 직경 10 μm 일 경우, 직경 6 μm 의 선택적 광 흡수층을 구조에 포함하게 되면, 광 흡수층을 포함하지 않은 경우에 비해 기본 모드 선택 비율이 70 배 정도 증가하였다. 이는 단일 모드 특성이 획기적으로 개선된다는 것을 입증하는 것이다. As a result of calculation, when the ion implantation diameter of 10 μm for current confinement was included in the structure with the selective light absorption layer having a diameter of 6 μm, the fundamental mode selection ratio increased by about 70 times as compared with the case without the light absorption layer. This is to prove that the single mode characteristic is drastically improved.

이때 선택적 흡수 영역은 반경 3 μm 이상에서만 흡수하고 그 안쪽에서는 흡수하지 않고 굴절률만 약간 증가(0.002)하는 구조로 가정하였다. 이것은 기본 모드의 광 분포가 안쪽에 모여 있고 고차 모드들이 바깥쪽에 약간 더 분포해 있으므로, 광 흡수층 직경을 이온 주입 직경 보다 약간 적게 해줄 경우 모드에 따라 다른 광 손실을 유발하기 때문이다. In this case, it is assumed that the selective absorption region absorbs only at a radius of 3 μm or more, does not absorb the inside of the selective absorption region, and only slightly increases the refractive index (0.002). This is because the light distribution of the fundamental mode is gathered in the inside and the higher order modes are slightly distributed outside, so that if the diameter of the light absorption layer is made slightly smaller than the diameter of the ion implantation, different modes are caused depending on the mode.

따라서 본 발명의 경우 고차 모드에서 더 큰 광 손실을 겪게 되므로 레이저 발진에 불리해 진다. 사실 선택적 광 손실 층의 직경이 이온 주입 직경과 같거나 커도 고차 횡 모드가 단일 모드에 비해 더 큰 광 손실을 겪게 되지만 광 손실 층 직경이 이온 주입 직경에 비해 약간 작게 되면 효과는 더 커진다.Therefore, the present invention suffers from laser oscillation because it experiences a larger optical loss in the higher-order mode. In fact, if the diameter of the selective light loss layer is equal to or greater than the diameter of the ion implantation, the higher order transverse mode will experience a larger light loss than the single mode, but the effect will be greater if the light loss layer diameter is slightly smaller than the ion implantation diameter.

굴절률 변화 0.01은 소자에 전류를 흘릴 경우 소자 중심부의 굴절률 상승에 의한 효과이며 이온주입 VCSEL에서 전형적으로 나타나는 값이다. 이때 구조 A와 구조 B의 기본 모드 선택 비율을 비교해 보면 약 70 배 차이가 난다. 이것은 소자 동작 시 두 모드 간의 출력 비율(모드 억제 비율:mode suppression ratio)이 70 배 차이가 난다는 의미를 갖게 된다. The change in refractive index 0.01 is an effect due to an increase in the refractive index at the center of the device when a current is passed through the device and is a typical value in an ion-implanted VCSEL. At this time, the ratio of the basic mode selection ratio between the structure A and the structure B is about 70 times different. This means that the mode suppression ratio between the two modes is 70 times different in the device operation.

이상과 같이 본 발명에 의하면 넓은 동작 전류 영역에서 단일 모드 출력이 유지되도록 하는 효과를 제공한다. 또한, 본 발명은 이를 위해서 전류 감금 구조로서 이온주입층을 형성하고 이를 광 흡수층과 동시에 사용하도록 하고, 광 흡수층의 직경이 이온주입층의 직경에 비해 작도록 형성하여 고차 횡 모드의 레이저 발진을 방지하여 단일모드로서의 사용이 가능하도록 하는 효과를 제공한다. 또한 본 발명은 종래에 비해 보다 단순한 구조의 표면발광 레이저를 제공하여 보다 넓은 동작 전류 영역에서 단일 모드 출력이 유지되도록 하는 효과를 제공한다. As described above, according to the present invention, a single mode output is maintained in a wide operating current range. In order to achieve this, the present invention provides a current confinement structure in which an ion implantation layer is formed and used simultaneously with the photoabsorption layer, and the diameter of the photoabsorption layer is formed to be smaller than the diameter of the ion implantation layer to prevent laser oscillation in the high- So that it can be used as a single mode. The present invention also provides a surface emitting laser with a simpler structure than the prior art, so that the single mode output is maintained in a wider operating current range.

또한 본 발명은 이온 주입 구조가 갖고 있는 동작시 모드 불안정성을 없애고 단일 모드 산화막 레이저의 수명 단축을 피할 수 있는 효과를 제공한다. In addition, the present invention provides an effect of eliminating the mode instability during operation of the ion implantation structure and avoiding shortening of the lifetime of the single mode oxide film laser.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the following claims It will be understood by those skilled in the art that it is readily known.

Claims (9)

반도체 기판 상에 수직으로 적층된 하부 브래그 반사경과 상부 브래그 반사경 사이에 활성층을 포함하는 수직 공진 표면방출 레이저에 있어서, A vertical resonant surface emitting laser comprising an active layer between a vertically stacked lower Bragg reflector and an upper Bragg reflector on a semiconductor substrate, 상기 상부 브래그 반사경 상부측으로부터 도입되는 전류를 횡 방향으로 제한하여 상기 활성층의 중심부에 공급하기 위한 전류 감금 구조(current confinement structure); 및 A current confinement structure for limiting the current introduced from the upper side of the upper Bragg reflector in the lateral direction to supply the current to the center of the active layer; And 상기 전류 감금 구조에 인접하도록 상기 상부 브래그 반사경 하부에 배열되며, 일정 직경을 경계로 바깥쪽 광 손실이 안쪽보다 크도록 형성되고, 상기 활성층의 중심부에 전류를 공급하도록 하며 동시에 상기 활성층으로부터 발진되는 광의 일부를 흡수하여 선택적 손실을 일으키는 광 흡수층;을 포함하고, A current confinement structure arranged in the lower portion of the upper Bragg reflector so as to have a larger outside light loss at a boundary with a predetermined diameter and to supply a current to a central portion of the active layer, And a light absorbing layer absorbing a part of the light absorbing layer to cause selective loss, 상기 활성층 상부에는 상기 활성층에 전류를 공급하기 위한 전기전도층이 형성되고, 상기 전류 감금 구조는 상기 전기전도층에 이온을 주입하여 그 중심부에 소정직경의 비저항 영역과 그 외측의 저항영역을 형성하도록 하는 이온주입층인 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면방출 레이저.The current confinement structure is formed by injecting ions into the current conduction layer to form a resistivity region having a predetermined diameter and a resistance region outside the center region in the center of the current confinement structure, Wherein the ion-implanted layer is an ion-implanted layer. 제 1항에 있어서, 상기 광 흡수층은 상기 전류 감금 구조와 상기 상부 브래그 반사경 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면방출 레이저.The vertical cavity surface emitting laser according to claim 1, wherein the light absorbing layer is formed between the current confinement structure and the upper Bragg reflector. 제 1항에 있어서, 상기 광 흡수층은 상기 활성층과 상기 전류 감금 구조 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면방출 레이저.The vertical cavity surface emitting laser according to claim 1, wherein the light absorption layer is formed between the active layer and the current confinement structure. 제 1항에 있어서, 상기 광 흡수층의 경계부분 직경은 상기 전류 감금 구조의 전류 제한부분 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면방출 레이저. 2. The vertical cavity surface emitting laser according to claim 1, wherein a boundary portion diameter of the light absorbing layer is smaller than a current limiting portion diameter of the current confinement structure. 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 광 흡수층은 광 흡수물질을 상기 전류 감금 구조 상부면에 코팅하는 것에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면방출 레이저. The vertical cavity surface emitting laser according to claim 1, wherein the light absorbing layer is formed by coating a light absorbing material on the current confinement structure upper surface. 제 1항에 있어서, 상기 광 흡수층은 상기 전류 감금 구조 상부면에 GaAs를 성장하는 것에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면방출 레이저. The vertical cavity surface emitting laser according to claim 1, wherein the light absorbing layer is formed by growing GaAs on the upper surface of the current confinement structure. 제 1항에 있어서, 상기 광 흡수층은 패턴형성 후 에칭에 의하여 중심부를 소정 직경으로 제거하여 중심부에서 광 흡수가 일어나지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면방출 레이저.2. The vertical cavity surface emitting laser according to claim 1, wherein the light absorbing layer is formed by etching after the pattern formation to remove the central portion to a predetermined diameter so that light absorption is not caused at the center portion. 삭제delete
KR20040099099A 2004-11-30 2004-11-30 Single mode vertical resonant surface emitting laser KR100642628B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20040099099A KR100642628B1 (en) 2004-11-30 2004-11-30 Single mode vertical resonant surface emitting laser

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20040099099A KR100642628B1 (en) 2004-11-30 2004-11-30 Single mode vertical resonant surface emitting laser

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20060060187A KR20060060187A (en) 2006-06-05
KR100642628B1 true KR100642628B1 (en) 2006-11-10

Family

ID=37157072

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR20040099099A KR100642628B1 (en) 2004-11-30 2004-11-30 Single mode vertical resonant surface emitting laser

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100642628B1 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100860696B1 (en) * 2006-09-14 2008-09-26 삼성전자주식회사 Vertical cavity surface emitting laser
KR100795994B1 (en) * 2006-10-17 2008-01-21 주식회사 와이텔포토닉스 Single-mode vertical cavity surface emitting lasers and method for manufacturing thereof
DE112017005532T5 (en) * 2016-11-02 2019-07-25 Sony Corporation LIGHT-EMITTING ELEMENT AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF
CN117913659B (en) * 2024-03-18 2024-06-07 江西德瑞光电技术有限责任公司 VCSEL chip, preparation method thereof and VCSEL laser

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19980030384A (en) * 1996-10-29 1998-07-25 김광호 Optical output device
JP2000269598A (en) 1999-03-16 2000-09-29 Fuji Xerox Co Ltd Surface emitting semiconductor laser
JP2001210908A (en) 1999-11-16 2001-08-03 Furukawa Electric Co Ltd:The Surface-emitting semiconductor laser device
KR20030079433A (en) * 2002-04-04 2003-10-10 주식회사 옵토웰 Single mode vertical-cavity surface-emitting laser diode and fabrication method thereof

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19980030384A (en) * 1996-10-29 1998-07-25 김광호 Optical output device
JP2000269598A (en) 1999-03-16 2000-09-29 Fuji Xerox Co Ltd Surface emitting semiconductor laser
JP2001210908A (en) 1999-11-16 2001-08-03 Furukawa Electric Co Ltd:The Surface-emitting semiconductor laser device
KR20030079433A (en) * 2002-04-04 2003-10-10 주식회사 옵토웰 Single mode vertical-cavity surface-emitting laser diode and fabrication method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
KR20060060187A (en) 2006-06-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7678598B2 (en) Method for manufacturing surface-emitting semiconductor laser
KR102528763B1 (en) Controlling beam divergence in a vertical-cavity surface-emitting laser
JP4621393B2 (en) Surface emitting semiconductor laser and method for manufacturing surface emitting semiconductor laser
EP3226364B1 (en) Surface-emitting semiconductor laser
US7697586B2 (en) Surface-emitting laser
JP3697903B2 (en) Surface emitting laser and surface emitting laser array
US20070242715A1 (en) Mode and polarization control in vcsels using sub-wavelength structure
US5812577A (en) Surface-emitting laser
US20070030873A1 (en) Polarization control in VCSELs using photonics crystals
JP2007502029A (en) Defect structure of photonic crystal for single transverse mode vertical cavity surface emitting laser
JP4621263B2 (en) Surface emitting laser and image forming apparatus
WO2007116659A1 (en) Surface light-emitting laser
JP2005353623A (en) Surface emitting laser and light transmission system
CN112913094A (en) Vertical resonator type light emitting element
US6396865B1 (en) Vertical-cavity surface-emitting lasers with antiresonant reflecting optical waveguides
US7154927B2 (en) Surface emitting semiconductor laser and communication system using the same
JP4360806B2 (en) Optically pumped surface emitting semiconductor laser device and method for manufacturing the same
KR100642628B1 (en) Single mode vertical resonant surface emitting laser
JP5023595B2 (en) Surface emitting laser element
Chen et al. Stable single-mode operation of an 850-nm VCSEL with a higher order mode absorber formed by shallow Zn diffusion
JP2004119831A (en) Vertical cavity type surface emitting laser element
WO1998033249A1 (en) Laser device
KR100795994B1 (en) Single-mode vertical cavity surface emitting lasers and method for manufacturing thereof
JP2012231178A (en) Surface emitting laser element, surface emitting laser array having the same, electrophotographic system having surface emitting laser element or surface emitting laser array, and optical communication system having surface emitting laser element or surface emitting laser array
Gustavsson et al. Mode and polarisation control in VCSELs using shallow surface structures

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20111130

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130927

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140925

Year of fee payment: 9

LAPS Lapse due to unpaid annual fee