Comparative analysis of methods used to sup-press higher-order transverse modes in vertical-cavity surface-emitting diode lasers

• Autorzy: Nakwasaki W.

Warianty tytułu

PL

Analiza porównawcza metod stosowanych do tłumienia w laserach VCSEL poprzecznych modów wyższych rzędów

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Various methods used to suppress higher-order transverse modes in VCSELs are described and their effectiveness is compared. Small-aperture devices without any modification offer guite high single-mode output but their series resistance is often too high. Currently an application of inverted shallow surface relief seems to be the simplest and the most effective method. The deep etched holey structure or the ARROW structure enable obtaining slightly higher single-mode output powers but they may be used in special cases only because of their complex technology. Photonic crystals may probably enable more advance mechanisms of suppressing higher-order modes in future.

PL

W pracy opisano i porównano skuteczność różnych metod tłumienia poprzecznych modów wyższych rzędów w laserach VCSEL. Przyrządy z małymi obszarami czynnymi oferują całkiem wydajną emisję promieniowania jednomodowego, ale ich oporność szerega jest często zbyt wysoka. Aktualnie najbardziej efektywną wydaje się prosta metoda odwrotnego płytkiego trawienia (inverted shallow surface relief) powierzchni zwierciadeł laserów. Struktury ze skomplikowanym układem głębokich otworów (deep etched holey) oraz typu ARROW (Antiresonant-Reflecting Optical Waveguide) umożliwiają otrzymanie nieco wyższych mocy promieniowania skupionego w modzie podstawowym, ale mogą być stosowane jedynie w specjalnych przypadkach z uwagi na niezwykle skomplikowaną technologię. Kryształy fotoniczne umożliwią prawdopodobnie w przyszłości stosowanie bardziej zaawansowanych metod tłumienia modów wyższych rzędów.

Słowa kluczowe

EN

vertical-cavity surface-emitting lasers; VCSEL lasers; LPp modes; higher-order transverse modes; single fundamental-mode operation

PL

lasery o emisji powierzchniowej z poprzeczną wnęką optyczną; VCSEL; mody LP; mody poprzeczne wyższych rzędów; praca na pojedynczym modzie podstawowym

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 51, nr 10
• Strony: 138--141
• Opis fizyczny: Bibliogr. 39 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Nakwasaki W.

• Politechnika Łódzka, Zespół Fizyki Komputerowej, Instytut Fizyki

Bibliografia

• [1] Nakwaski W., R. P Sarzała: Transverse Modes in Nitride Vertical- Cavity Surface- Emitting Diode Lasers. Chapter 6 [in] T. O. Hard- well (Ed.) „Solid-State Lasers: Properties and Applications”, Nova Science Publishers, New York, 2008, pp. 155-195.
• [2] Nakwaski W., R. P. Sarzała, M. Kuc: Mody laserów złączowych z poprzecznym rezonatorem (typu VCSEL). VIII Krajowa Konferencja Elektroniki, Darłówko Wschodnie 7-10 Czerwiec, 2009, Materiały Konferencyjne ss. 473-478.
• [3] Kuc M., R. P. Sarzała, W. Nakwaski: Physics of VCSEL mode selectivity, submitted to Journal of Applied Physics.
• [4] Morgan R. A., G. D. Guth, M. W. Foch, M. T. Asom, K. Kojima, L. E. Rogers, S. E. Callis: Transverse mode control of vertical-cavity top-surface-emitting lasers. IEEE Photon. Techn. Lett., vol. 4, pp. 374-376, 1993.
• [5] Dziura T. G., Y. J. Yang, R. Fernandez, S. C. Wang: Singlemode surface emitting laser using partial mirror disordering. Electron. Lett., vol. 29, pp. 1236-1237, 1993.
• [6] Morgan R. A., M. K. Hibbs-Brenner, J. A. Lehman, E. L. Kalweit, R. A. Walterson, T. M. Marta, T. Akinwande: Hybrid dielectric/Al-GaAs mirror spatially filtered vertical cavity top-surface emitting laser. Appl. Phys. Lett., vol. 66, pp. 1157-1159, 1995.
• [7] Floyd P. D., M. G. Peters, L. A. Coldren, J. L. Merz: Suppression of higher-order transverse modes in vertical-cavity lasers by impurity-induced disordering. IEEE Photon. Techn. Lett., vol. 7, pp. 1388-1390, 1995.
• [8] Jung C., R. Jäger, M. Grabherr, P. Schnitzer, R. Michalzik, B. Weigl, S. Müller, K. J. Ebeling: 4.8 mW singlemode oxide confined top-surface-emitting vertical-cavity laser diodes. Electron. Lett., vol. 33, pp. 1790-1791, 1997.
• [9] Grabherr M., R. Jäger, R. Michalzik, B. Weigl, G. Reiner, K. J. Ebeling: Efficient single-mode oxide-confined GaAs VCSEL’s emitting in the 850-nm wavelength regime. IEEE Photon. Techn, Lett., vol. 9, pp. 1304-1306, 1997.
• [10] Dowd P., L. Raddatz, Y. Sumaila, M. Asghari, I. H. White, R. V. Penty, P. J. Heard, G. C. Allen, R. P. Schneider, M. R. T. Tan, S. Y. Wang: Mode control in vertical-cavity surface-emitting lasers by post-processing using focused ion-beam etching. IEEE Photon. Techn. Lett., vol. 9, pp. 1193-1195, 1997.
• [11] Wu Y. A., G. S. Li, W. Yuen, C. Caneau, C. J. Chang-Hasnaln: High-yield processing and single-mode operation of passive antiguide region vertical-cavity lasers. IEEE J. Sei. Topics Quantum Electron., vol. 3, pp. 429-434, 1997.
• [12] Ueki N., A. Sakamoto, T. Nakamura, H. Nakayama, J. Sakurai, H. Otoma, Y. Miyamoto, M. Yoshikawa, M. Fuse: Single-transverse- mode 3.4-mW emission of oxide-confined 780-nm VCSEL’s. IEEE Photon. Techn. Lett., vol. 11, pp. 1539-1541, 1999.
• [13] Choquette K. D., K. M. Geib, R. D. Briggs, A. A. Allerman, J. J. Hindi: Single transverse mode selectively oxidized vertical cavity lasers. Proc. SPIE, vol. 3946, pp. 230-233, 2000.
• [14] Martinsson H., J. A. Vukusic, A. Larsson: Sinle-mode power dependence on surface relief size for mode-stabilized oxide-confined vertical-cavity surface-emitting lasers. IEEE Photon. Techn. Lett., vol. 12, pp. 1129-1131, 2000.
• [15] Unold H. J., S. W. Z. Mahmoud, F. Eberhard, R. Jäger, M. Kicherer, F. Mederer, M. C. Riedl, K. J. Ebeling: Large-area single-mode selectively oxidized VCSELs: Approaches and experimental. Proc. SPIE, vol. 3946, pp. 207-218, 2000.
• [16] Unold H. J., S. W. Z. Mahmoud, R. Jäger, M. Grabherr, R. Michalzik, K. J. Ebeling: Large-area single-mode VCSELs and the self-aligned surface-relief. IEEE J. Sei. Topics Quantum Electron., vol. 7, pp. 386-392, 2001.
• [17] Chen C. C., S. J. Liaw, Y. J. Yang: Stable single-mode operation of an 850-nm VCSELs with a higher order mode absorber formed by shallow Zn diffusion. IEEE Photon. Techn. Lett., vol. 13, pp. 266-268, 2001.
• [18] Young E. W., K. D. Choquette, S. L. Chuang, K. M. Geib, A. J. Fischer, A. A. Allerman: Single-transverse-mode vertical-cavity lasers under continuous and pulsed operation. IEEE Photon. Techn. Lett., vol. 13, pp. 927-929, 2001.
• [19] Zhou D., L. J. Mawst: High-power single-mode antiresonant reflecting optical waveguide-type vertical-cavity surface-emitting lasers. IEEE J. Quantum Electron., vol. 38, pp. 1599-1606, 2002.
• [20] Hsueh T.-H., H.-C. Kuo, F.-I. Lai, L.-H. Laih, S. C. Wang: Highspeed characteristics of large-area single-transverse-mode vertical-cavity surface-emitting lasers. Electron. Lett., vol. 39, 2003.
• [21] FurukawaA., S. Sasaki, M. Hoshi, A. Matsuzono, K. Moritoh, T. Baba: High-power single-mode vertical-cavity surface-emitting lasers with triangular holey structure. Appl. Phys. Lett., vol. 85, pp. 5161-5163, 2004.
• [22] Haglund Ä., J. S. Gustavsson, J. Vukosic, P. Modh, A. Larsson: Single fundamental-mode output power exceeding 6 mW from VCSELs with a shallow surface relief. IEEE Photon. Techn. Lett., vol. 16, pp. 368-370, 2004.
• [23] Haglund Ä., J. S. Gustavsson, P. Modh, A. Larsson: Dynamic mode stability analysis of surface relief VCSELs under strong RF modulation. IEEE Photon. Techn. Lett., vol. 17, pp. 1602-1604, 2005.
• [24] Yang H. P. D., F. I. Lai, Y. H. Chang, H. C. Yu, C. P. Sung, H. C. Kuo, S. C. Wang, S. Y. Lin, J. Y. Chi: Singlemode (SMSR>40dB) proton-implanted photonic crystal vertical-cavity surface-emitting lasers. Electron. Lett., vol. 41, 2005.
• [25] Yang H. P. D., Y. H. Chang, F. I. Lai, H. C. Yu, Y. J. Hsu, G. Lin, R. S. Hsiao, H. C. Kuo, S. C. Wang, J. Y. Chi: Singlemode InAs quantum dot photonic crystal VCSELs. Electron. Lett., vol. 41, pp. 1130-1132, 2005.
• [26] Yang H. P. D., I. C. Hsu, F. I. Lai, G. Lin, R. S. Hsiao, N. A. Maleev, S. A. Blokhin, H. C. Kuo, S. C. Wang, J. Y. Chi: Single-mode InGaAs submonolayer quantum dot photonic crystal VCSELs. Semicond. Sci. Technol., vol. 21, pp. 1176-1180, 2006.
• [27] Kroner A., F. Rinaldi, J. M. Ostermann, R. Michalzik: High-performance single fundamental mode AlGaAs VCSELs with mode-selective mirror reflectivities. Opt. Comm., vol. 270, pp. 332-335, 2007.
• [28] Rinaldi F., J. M. Ostermann, A. Kroner, R. Michalzik: High-per- formance AlGaAs-based VCSELs emitting in the 760 nm wavelength range. Opt. Comm., vol. 270, pp. 310-313, 2007.
• [29] Söderberg E., J. S. Gustavsson, P. Modh, A. Larsson, Z. Zhang, J. Berggren, M. Hammar: Suppression of higher-order transverse and oxide modes in 1.3-um InGaAs VCSELs by an inverted surface relief. IEEE Photon. Techn. Lett., vol. 19, pp. 327-329, 2007.
• [30] Lehman A. C., E. A. Yamaoka, C. W. Willis, K. D. Choquette, K. M. Geib, A. A. Allerman: Variable reflectance vertical cavity surface emitting lasers. Electron. Lett., vol. 43, 2007.
• [31] Kasten A. M., M. P. Tan, J. D. Sulkin, P. O. Leisher, K. D. Choquette: Photonic crystal vertical cavity lasers with wavelength-independent single-mode bahavior. IEEE Photon. Techn. Lett., vol. 20, pp. 2010-2012, 2008.
• [32] Yang H.-P. D., F. Lai, J. Y. Chi: Single-mode vertical-cavity surface-emitting lasers with a deep-etched half-ring-shaped holey structure. Appl. Phys. Express, vol. 1, p. 022004, 2008.
• [33] Liu A. J., W. Chen, H. W. Qu, B. Jiang, W. J. Zhou, M. X. Xing, W. H. Zheng: Single-mode holey vertical-cavity surface-emitting laser with ultra-narrow beam divergence. Laser Phys. Lett., pp. 1-5, 2010.
• [34] Hawkins B. M., R. A. Hawthorne III, J. K. Goenter, J. A. Tatum, J. R. Biard: Reliability of various size oxide aperture VCSELs. Proc. 52nd Electronic Components and Technology Conf., 2002, pp. 540-550.
• [35] Nakwaski W., M. Wasiak, P. Maćkowiak, W. Bedyk, M. Osiński, A. Passaseo, V. Tasco, M. T. Todaro, M. De Vittorio, R. Joray, J. X. Chen, R. R Stanley, A. Fiore: Oxidation kinetics of AlAs and (AlGa)As layers in arsenide-based diode lasers: Comparative analysis of available experimental data. Semicond. Sci. Technol., vol. 19, pp. 333-341, 2004.
• [36] Sarzała R. P., Nakwaski W.: Separate-Confinement-Oxidation (SCO) VCSEL structure. Journal of Applied Physics, vol. 99, pp. 123110-1 (9), 2006.
• [37] Czyszanowski T., M. Dems, K. Panajotov: Single mode condition and mode discrimination in photonic-crystal 1.3 um AlInGaAs/InP VCSEL. Opt. Express, vol. 15, pp. 5604-5609, 2007.
• [38] Czyszanowski T., R. P. Sarzała, M. Dems, H. Thienpont, W. Nakwaski, K. Panajotov: Strong modes discrimination and low threshold in cw regime of 1300 nm AlInGaAs/InP VCSEL induced by photonic crystal. Phys. Status Solidi A, vol. 206, pp. 1396-1403, 2009.
• [39] Czyszanowski T., R. P. Sarzała, M. Dems, W. Nakwaski, H. Thienpont, K. Panajotov: Optimal photonic-crystal parameters assuring single-mode operation of 1300 nm AlInGaAs vertical-cavity surfacee-emitting laser. J. Appl. Phys., vol. 105, pp. 093102 (10), 2009.