Low-loss vertical-cavity surface-emitting lasers(VCSELs) operating at optical communication wavelengths are studied.
Long-wavelength VCSELs are realized by double-wafer-fusion techniques. The laser cavity consists of an $Al_xO_y$/GaAs mirror, a periodically distributed 17-QW spacer and a GaAs/AlAs bottom distributed Bragg reflector(DBR). The $Al_xO_y$/GaAs top DBR is introduced on top of the p-contact layer to minimize optical losses originating from p-type mirrors. The VCSEL structure has an oxide aperture just below the top $Al_xO_y$/GaAs mirror. The dielectric aperture is placed at the mid-point between a node and an antinode of the standing wave. By photo-pumping with a Nd-YAG laser, room temperature cw lasing at 1.54 ㎛ is achieved. Threshold pump power is as low as 1.4 mW for a 5-㎛ apertured VCSEL. A 16-㎛-aperture VCSEL operates in a cw mode up to 64℃. These low threshold pump power and high temperature operation show the effectiveness of the $Al_xO_y$/GaAs DBR for long-wavelength VCSELs.
Electrically-pulse-pumped long-wavelength VCSELs are also realized at room temperature by double fusion. VCSELs with 13.5-㎛ and 17-㎛ aperture show threshold currents of about 7.1 and 9.5 mA, respectively at room temperature. Single transverse mode operations are observed from small-aperture VCSELs (diameter 13.5 ㎛), while larger devices operate in multi-transverse modes from the onset of lasing. In this case, the dielectric aperture is placed at a node of the standing wave to minimize the guiding effect. Since this is a weakly-guided structure, even the large-apertured (13.5 ㎛) VCSEL operates in a single transverse mode and has a relatively large mode size of 12.5 ㎛.
Turn-on voltage of the electrically-pumped VCSEL is about 5.7 volts. This large turn-on voltage originates from the p-GaAs/p-InP fused interface. The voltage drop of 3~9 volts at the p-GaAs/p-InP fused interface prevents the double-fused VCSELs from lasing in a cw mode at room temperature. The voltage drop at the n-GaAs/n-InP interface is measured to be negligible. Transverse modes, temperature characteristics, and polarizations are also investigated for this VCSEL structure. To achieve cw operation at room temperature, further studies on the electrical properties at p-type heterointerfaces are needed.
광통신의 파장에서 동작하는 저손실 장파장 수직 공진 표면광 레이저를 연구하였다. 장파장 수직 공진 표면광 레이저는 기판 용융접합 방법으로 구현되었다.
레이저의 공진기는 $Al_xO_y$/GaAs 반사경과 주기적인 공간 이득 구조의 17개의 양자우물 그리고 GaAs/AlAs 반사경으로 구성되어 있다. P-형 반사경에서의 광손실을 최소화하기 위해서 p-접촉층 위에 $Al_xO_y$/GaAs 반사경을 출력경에 도입하였다. 그리고 산화막 구경을 공진기 내의 정상파의 중점에 위치시켰다. Nd-YAG 레이저로 광펌핑하여 1.54 ㎛ 파장에서 상온 연속 동작하였다. 산화막 구경의 직경이 5 ㎛인 소자에 대해서 문턱 펌핑 광강도는 1.4 mW로 낮은 값을 얻었다. 직경이 16 ㎛인 소자에 대해서는 64℃ 까지 연속 동작하였다. 이러한 낮은 문턱과 높은 온도 연속 동작은 출력경으로 사용된 $Al_xO_y$/GaAs 반사경의 장파장 수직 공진 표면광 레이저에서의 유용성을 증명하는 것이다.
전류 펄스 동작하는 장파장 수직 공진 표면광 레이저도 또한 상온에서 실현되었다. 산화막 구경이 13.5 ㎛ 와 17 ㎛ 인 소자에 대해서 각각 7.1 mA와 9.5 mA의 문턱 전류로 레이저 동작하였다. 13.5 ㎛ 직경보다 작은 소자의 경우 단일 횡 모드 동작하며, 이보다 큰 소자에 대해서는 문턱부터 고차의 횡 모드로 동작한다. 이 경우에 빛을 안내하는 작용(guiding effect)을 줄이려고 산화막 구경을 정상파의 최소 위치에 두었다. 약한 빛 안내로 인해서 훨씬 큰 구경(13.5 ㎛)의 소자에 대해서도 단일 횡 모드 동작을 하며, 비교적 큰 모드 크기(12.5 ㎛)를 보인다.
전기 펌핑형 수직 공진 표면광 레이저 소자에서의 켜짐 전압은 5.7 볼트이다. 이렇게 큰 값은 p-GaAs/p-InP 접합 계면에서의 전압 강하로부터 온 것이다. 약 3-9 볼트에 달하는 p-GaAs/p-InP 접합 계면에서의 전압 강하는 기판 용융 접합 방식으로 제작된 이 장파장 수직 공진 표면광 레이저의 상온 연속 동작을 어렵게 하고 있다. n-GaAs/n-InP 기판 용융접합 계면의 전압 강하는 무시할 만한 것으로 측정되었다. 이러한 구조의 장파장 수직 공진 표면광 레이저의 횡 모드 특성, 온도 특성, 편광 특성 등이 조사되었다. 상온 연속 전기 동작을 이루기 위해서 p-형 기판 용융 접합 계면의 전기적 특성에 관한 추가적인 연구가 요구된다.
