KR20050120483A

KR20050120483A - 고효율 면발광 반도체 레이저 소자, 상기 레이저 소자용레이저 펌핑부, 그리고 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20050120483A
Application number: KR1020040045847A
Authority: KR
Inventors: 김택
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-06-19
Filing date: 2004-06-19
Publication date: 2005-12-22
Also published as: US20050281309A1

Abstract

본 발명은 1차 광펌핑용 빔을 반사시키는 미러를 구비함으로써 광펌핑 효율을 향상시킨 VECSEL 소자 및 그 제조 방법을 개시한다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 소정의 파장을 갖는 광을 발생시키는 레이저 펌핑부; 및 상기 레이저 펌핑부에 1차 광펌핑용 레이저빔을 제공하는 펌프 레이저;를 포함하는 반도체 레이저 소자에 있어서, 상기 레이저 펌핑부는, 상기 1차 광펌핑용 레이저빔을 흡수하여 소정의 파장을 갖는 광을 발생시키는 활성층; 상기 활성층에서 발생된 광을 반사시키는 제 1 반사기; 및 상기 활성층에 의해 흡수되지 않고 상기 제 1 반사기를 통과한 1차 광펌핑용 레이저빔을 상기 활성층을 향해 반사시키는 제 2 반사기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고효율 면발광 반도체 레이저 소자, 상기 레이저 소자용 레이저 펌핑부, 그리고 그 제조 방법{High efficient surface emitting laser device, laser pumping unit for the laser device and method for fabricating the laser pumping unit}

본 발명은 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(Vertical External Cavity Surface Emitting Laser; VECSEL) 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 1차 광펌핑용 빔을 반사시키는 미러를 구비함으로써 광펌핑 효율을 향상시킨 VECSEL 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 레이저에는, 발진되는 빔이 기판에 수평한 방향으로 방출되는 측면 발광 레이저(Edge Emitting Laser)와 발진되는 빔이 기판에 수직한 방향으로 방출되는 면발광 레이저(또는, 수직 공진기형 면발광 레이저)(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL)가 있다. 이들 중에서 수직 공진기형 면발광 레이저(VCSEL)는 매우 좁은 스펙트럼의 단일 종모드 발진을 할 뿐 아니라, 빔의 방사각이 작아 접속효율이 높고, 구조상 다른 장치의 집적이 용이한 장점이 있다. 그러나, 종래의 VCSEL은 단일 횡모드 발진이 측면 발광 레이저에 비해 매우 어려우며, 단일 횡모드 동작을 위해서는 발진 영역의 면적이 좁아야 하고, 따라서 출력이 약하다는 문제가 있다.

상술한 VCSEL의 장점을 살리고 동시에 고출력 동작을 구현하기 위하여 제안된 새로운 레이저 소자가 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(Vertical External Cavity Surface Emitting Laser; VECSEL)이다. 상기 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(VECSEL)는 VCSEL의 상부 분산 브래그 반사기(distributed brag reflector; DBR)를 외부의 미러(External Mirror)로 대체하여 이득(Gain) 영역을 증가시킴으로써 수~수십W 이상의 고출력을 얻도록 하였다.

도 1은 이러한 일반적인 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(VECSEL) 소자(10)의 개략적인 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, VECSEL 소자(10)는, 일반적으로, 히트싱크(11) 위에 연속적으로 형성는 기판(12), 분산 브래그 반사기(DBR)와 같은 고반사층(13), 및 RPG(Resonant Periodic Gain) 구조를 갖는 다중 양자우물 이득 영역과 같은 활성층(14)을 포함한다. 상기 히트싱크(11)는 활성층(14)에서 발생하는 열을 방출하여 상기 활성층(14)을 냉각시키는 역할을 한다. 또한, VECSEL 소자(10)는 상부 DBR 대신에 오목한 외부 미러(16)를 포함한다. 따라서, 공진 캐비티(cavity)는 활성층(14) 하부의 고반사층(13)과 상기 외부 미러(16) 사이에 형성된다.

이러한 구조에서, 펌프 레이저(pump laser)(15)에서 방출된 1차 펌핑용 레이저빔(λ1)이 콜리메이팅 렌즈(17)를 통해 활성층(14)으로 입사되면, 상기 레이저빔(λ1)에 의해 활성층(14)이 여기되면서 특정 파장(λ2)의 빛을 내어 놓는다. 이렇게 발생한 빛은, 활성층(14) 하부의 DBR(13)과 외부 미러(16) 사이에서 반사를 되풀이하면서 활성층(14)을 왕복한다. 이러한 과정을 통해 활성층(14) 내에서 증폭된 특정 파장(λ2)의 빛의 일부는 상기 외부 미러(16)를 통해 레이저빔으로서 외부로 출력되며, 나머지는 다시 반사되어 활성층(14)으로 입사하여 광펌핑에 사용된다.

한편, 도 2는 또 다른 형태의 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(VECSEL) 소자(20)의 개략적인 단면도이다. 이 경우의 VECSEL 소자(20)는, 다른 구조는 모두 동일하며, 펌프 레이저(25)에서 방출된 1차 펌핑용 레이저빔(λ1)이 외부 미러(26)를 통과하여 수직으로 활성층(24)에 입사된다는 점에서 차이가 있다. 활성층(24)에서 발생하여 외부 미러(26)를 통해 방출되는 레이저빔(λ2)은, 예컨대, 빔 스플리터(beam splitter)(28)를 통해 반사되어 1차 펌핑용 레이저빔(λ1)과 분리될 수 있다.

그런데, 상기와 같은 종래의 VECSEL 소자(10,20)의 경우, 1차 펌핑용으로 사용되는 단파장의 레이저빔(λ1)은 활성층(14,24)에서 일부분만이 흡수된다. 그리고, 흡수되지 않은 나머지 레이저빔은 하부 DBR(12,22)을 통과하여, 예컨대, GaAs와 같은 재료로 이루어진 기판(11,21)에 그대로 흡수되어 버린다. 따라서, 활성층(14,24)에서 흡수되지 못하고 남은 레이저빔은 광펌핑에 다시 사용되지 못하는 문제가 있으며, 이로 인해 펌프 레이저에 의한 광펌핑 효율이 제한된다는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 활성층에서 미처 흡수되지 못하고 남은 1차 광펌핑용 레이저빔을 다시 활성층으로 반사시켜 활성층에서 다시 흡수되도록 함으로써 레이저 소자의 광펌핑 효율을 향상시키기 위한 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 1차 광펌핑용 레이저빔을 반사시키는 미러를 구비함으로써 광펌핑 효율을 향상시킨 VECSEL 소자 및 상기 VECSEL 소자용 레이저 펌핑부를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 VECSEL 소자용 레이저 펌핑부의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 소정의 파장을 갖는 광을 발생시키는 레이저 펌핑부; 및 상기 레이저 펌핑부에 1차 광펌핑용 레이저빔을 제공하는 펌프 레이저;를 포함하는 반도체 레이저 소자에 있어서, 상기 레이저 펌핑부는, 상기 1차 광펌핑용 레이저빔을 흡수하여 소정의 파장을 갖는 광을 발생시키는 활성층; 상기 활성층에서 발생된 광을 반사시키는 제 1 반사기; 및 상기 활성층에 의해 흡수되지 않고 상기 제 1 반사기를 통과한 1차 광펌핑용 레이저빔을 상기 활성층을 향해 반사시키는 제 2 반사기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제 2 반사기는 유전체형 분산 브래그 반사기 또는 금속 반사기일 수 있다. 또한, 상기 제 1 및 제 2 반사기는 하나의 유전체형 분산 브래그 반사기일 수도 있다.

또한, 본 발명에 따른 레이저 소자는, 상기 레이저 펌핑부의 외부에 위치하며, 상기 레이저 펌핑부에서 발생한 광의 일부를 투과시켜 레이저빔으로서 출력하고, 나머지 일부를 레이저 펌핑부에서 재흡수되도록 반사하는 외부 미러를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 펌프 레이저로부터 방출된 1차 광펌핑용 레이저빔을 흡수하여 소정의 파장을 갖는 광을 발생시키는 면발광 반도체 레이저 소자용 레이저 펌핑부의 제조 방법은, 기판 위에 희생층을 형성하는 단계; 상기 희생층 위에 분산 브래그 반사기를 적층하는 단계; 상기 1차 광펌핑용 레이저빔을 흡수하여 소정의 파장을 갖는 광을 발생시키는 활성층을 상기 분산 브래그 반사기 위에 적층하는 단계; 상기 활성층 위에 광투과성 히트싱크를 적층하는 단계; 상기 희생층을 식각하여 분산 브래그 반사기로부터 기판을 분리하는 단계; 및 상기 활성층에 의해 흡수되지 않고 상기 분산 브래그 반사기를 통과한 1차 광펌핑용 레이저빔을 상기 활성층을 향해 반사시키는 제 2 반사기를 상기 분산 브래기 반사기의 하부에 부착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 광펌핑 효율을 향상시킨 VECSEL 소자 및 그 제조 방법에 대해 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(Vertical External Cavity Surface Emitting Laser; VECSEL) 소자의 예시적인 구조를 개략적으로 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 VECSEL 소자(30)는, 소정의 파장을 갖는 광을 발생시키는 레이저 펌핑부(40), 상기 레이저 펌핑부(40)에 1차 광펌핑용 레이저빔 제공하는 펌프 레이저부(33,35) 및 상기 레이저 펌핑부(40)에서 발생한 레이저 광의 일부를 투과시켜 외부로 출력하고 나머지 일부를 레이저 펌핑부(40)에서 재흡수되도록 반사하는 외부 미러(37)를 포함한다.

펌프 레이저부(33,35)는 1차 광펌핑용 레이저빔(λ1)을 방출하는, 예컨대, 레이저 다이오드(33)와 상기 레이저빔(λ1)을 평행광으로 만들어 상기 레이저 펌핑부(40) 상에 입사되도록 하는 콜리메이팅 렌즈(35)를 포함한다. 그러나, 1차 광펌핑용 레이저빔(λ1)을 발생시키는데 반드시 레이저 다이오드를 사용할 필요는 없으며, 적절한 다른 광원을 이용하더라도 무방하다. 또한, 상기 1차 광펌핑용 레이저빔(λ1)은 반드시 간섭성(coherent)일 필요도 없다. 다만, 상기 1차 광펌핑용 레이저빔(λ1)의 파장은 상기 레이저 펌핑부(40)에서 발생되는 광의 파장(λ2) 보다는 짧아야 한다.

레이저 펌핑부(40)는, 상기 1차 광펌핑용 레이저빔(λ1)을 흡수하여 소정의 파장을 갖는 광을 발생시키는 활성층(45), 상기 활성층(45)에서 발생된 광을 외부 미러(37)를 향해 반사시키는 제 1 반사기(43), 및 상기 활성층(45)에 의해 흡수되지 않고 상기 제 1 반사기(43)를 통과한 1차 광펌핑용 레이저빔(λ1)을 상기 활성층(45)을 향해 다시 반사시키는 제 2 반사기(41)를 포함한다.

상기 활성층(45)은, 예컨대, In_xGa_1-xAs_yP_1-y, In_xGa_1-xAs, In_xGa_1-xN_yAs_1-y, In_xGa_1-xAs_ySb(여기서, 0.0<x<1.0, 0.0<y<1.0) 등과 같은 반도체 재료로 구성된 양자우물층(도시되지 않음)과 장벽층(도시되지 않음)이 서로 교호하도록 구성된 복층 구조이다. 그리고, 상기 제 1 반사기(43)는, 예컨대, 복수의 고굴절률층(도시되지 않음)과 저굴절률층(도시되지 않음)이 교호하여 구성되는 복층 구조인 분산 브래그 반사기(distributed brag reflector; DBR)일 수 있다. 일반적으로, 고굴절률층은, 예컨대, Al_xGa_1-xAs와 같은 화합물 반도체를 포함하고, 저굴절률층은 Al_yGa_1-yAs와 같은 화합물 반도체를 포함하는데, 이때 x<y 이다. 여기서, 각 층의 간격은 상기 활성층(45)에서 발생되는 광파장(λ2)의 1/4, 즉, λ2/4이 된다. 이러한 화합물 반도체형 분산 브래그 반사기인 제 1 반사기(43)는 상기 외부 미러(37)와 함께 레이저 공진기(laser-resonator)를 형성한다.

한편, 상기 제 2 반사기(41)는 상기 1차 광펌핑용 레이저빔(λ1)에 대해 높은 반사율을 갖는다. 즉, 제 1 반사기(43)는 λ2 파장의 광을, 제 2 반사기(41)는 λ1 파장의 광을 반사한다. 이러한 제 2 반사기(41)는 유전체 DBR(dielectric DBR; D-DBR)을 사용할 수도 있으며, Al 또는 Ag와 같은 일반적인 금속으로 된 반사기를 사용할 수도 있다. 유전체 DBR을 사용하는 경우, 상기 제 2 반사기(41)는, 예컨대, SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, HfO₂ 등과 같은 유전체 물질을 사용하여 복층 구조로 구성된다. 즉, 상기 제 2 반사기(41)는, 제 1 반사기(43)와 마찬가지로, 상기 유전체 물질들 중 비교적 굴절률이 높은 유전체와 비교적 굴절률이 낮은 유전체가 서로 교호하는 복층 구조로 이루어진다. 이때, 각 층의 간격은 상기 1차 광펌핑용 레이저빔의 파장(λ1)의 1/4, 즉, λ1/4이 된다.이러한 재료는 1차 광펌핑용 레이저빔(λ1)의 파장에 따라 적절하게 선택할 수 있다.

레이저 펌핑부(40)는, 또한, 활성층(45)에서 발생하는 열을 방출시켜 상기 활성층(45)을 냉각하기 위한 히트싱크(heat sink)(31)를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 히트싱크(31)는 상기 제 2 반사기(41)의 하부에 위치한다. 또한, 실시예에 따라 상기 활성층(45) 위에 상부층(47)을 더 형성할 수도 있다. 이때, 상기 상부층(47)은 반사방지층(anti-reflection layer)일 수도 있고, 반대로 반사 미러일 수도 있다. 상기 상부층(47)이 반사방지층인 경우, 펌프 레이저(33)로부터 레이저 펌핑부(40)로 입사되는 레이저빔이 반사되는 것을 방지하거나, 또는 활성층(45)으로부터 외부 미러(37)로 진행하는 광이 활성층(45) 표면의 계면에서 반사되는 것을 방지한다. 또한, 외부 미러(37)로부터 활성층(45)을 향해 진행하는 광이 상기 활성층(45)과의 계면에서 반사되는 것을 방지한다. 만약, 상기 상부층(47)이 반사 미러인 경우, 본 발명에 따른 VECSEL 소자는 두 개의 공진기가 제공된다. 즉, 제 1 공진기는 제 1 반사기(43)와 반사 미러(47) 사이, 즉, 활성층(45)에 위치한다. 그리고, 제 2 공진기는 제 1 반사기(43)와 외부 미러(37) 사이에 위치한다. 이렇게 동시에 두 개의 공진기를 제공함으로써 레이저의 발진 효율을 보다 높일 수 있다. 이러한 반사 미러(37)도 역시 제 1 반사기(43)와 같은 화합물 반도체형 분산 브래그 반사기일 수 있다.

이러한 구조를 갖는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 VECSEL 소자는 다음과 같이 동작한다. 먼저, 펌프 레이저(33)에서 방출된 1차 광펌핑용 레이저빔(λ1)이 콜리메이팅 렌즈(35)를 통해 평행광이 된 후, 레이저 펌핑부(40)로 입사한다. 그러면, 상기 레이저빔(λ1)에 의해 레이저 펌핑부(40) 내의 활성층(45)이 여기되면서 소정의 파장을 갖는 광(λ2)이 발생한다. 활성층(45) 내에서 발생하는 파장의 크기는 상기 활성층(45)의 구조 및 재료에 따라 결정된다.

활성층(45)에서 발생한 소정의 파장의 광(λ2)은 외부 미러(37)에 도달한다. 상기 광(λ2)은 상기 외부 미러(37)에 의해 반사되어 다시 활성층(45)으로 입사되며, 다시 상기 활성층(45) 하부의 제 1 반사기(43)에 의해 반사되어 외부 미러(37)로 진행한다. 이렇게 활성층(45)에서 발생한 광(λ2)은 제 1 반사기(43)와 외부 미러(37) 사이에서 반사를 되풀이하면서, 활성층(45)을 왕복한다. 이러한 과정을 통해 활성층(45) 내에서 증폭된 광(λ2)의 일부는 외부 미러(37)를 통해 레이저빔으로서 외부로 출력된다.

한편, 상기 1차 광펌핑용 레이저빔(λ1)은 활성층(45) 내에서 모두 흡수되지 못하고, 일부가 제 1 반사기(43)로 진행한다. 그러나, 상기 제 1 반사기(43)는 활성층(45)에서 발생한 광(λ2)에 대해 최대 반사율을 갖도록 설계되었기 때문에, 상기 1차 광펌핑용 레이저빔(λ1)을 충분히 반사하지 못한다. 따라서, 상기 1차 광펌핑용 레이저빔(λ1)은 제 1 반사기(43)를 통과하여 제 2 반사기(41)에 도달한다. 그러면, 제 2 반사기(41)는 상기 1차 광펌핑용 레이저빔(λ1)을 반사하여 다시 활성층(45)을 향해 진행하도록 한다. 따라서, 상기 1차 광펌핑용 레이저빔(λ1)은 활성층(45)에 의해 다시 흡수되어 광펌핑에 기여하게 된다. 종래에는, 제 1 반사기(43)를 통과한 1차 광펌핑용 레이저빔(λ1)이 기판에서 그대로 흡수되었기 때문에, 광펌핑 효율의 향상에 한계가 있었을 뿐만 아니라, 열의 발생도 많아지게 된다. 그러나, 상술한 바와 같이, 본 발명에서는 활성층(45)에 흡수되지 않은 1차 광펌핑용 레이저빔(λ1)을 반사시켜 재사용하기 때문에 광펌핑 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 VECSEL 소자의 예시적인 구조를 개략적으로 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 VECSEL 소자는, 제 1 실시예와 비교할 때, 다른 구조는 모두 동일하며, 펌프 레이저(도시되지 않음)에서 방출된 1차 펌핑용 레이저빔(λ1)이 외부 미러(37)를 통과하여 수직으로 레이저 펌핑부(40)에 입사된다는 점에서 차이가 있다. 레이저 펌핑부(40)에서 발생하여 외부 미러(37)를 통해 방출되는 레이저빔(λ2)은, 예컨대, 빔 스플리터(beam splitter)(39)를 통해 반사되어 1차 펌핑용 레이저빔(λ1)과 분리될 수 있다. 빔 스플리터(39)는 특정 파장의 광을 반사시키거나 투과시키는 기능을 하는 광학소자이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 상기 빔 스플리터(39)는 1차 펌핑용 레이저빔(λ1)은 투과시키고 레이저 펌핑부(40)에서 발생한 레이저빔(λ2)은 반사시킨다.

도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 VECSEL 소자의 예시적인 구조를 개략적으로 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 VECSEL 소자는, 제 1 실시예와 비교할 때, 다른 구조는 모두 동일하며, 히트싱크(31)가 제 2 반사기(41)의 하부에 형성되지 않고, 활성층(45) 위에 형성되어 있다는 점에서만 다르다. 이렇게 히트싱크(31)와 활성층(45)이 직접 접촉함으로써 활성층(45)의 냉각 효율을 더 높일 수 있다. 이때, 펌프 레이저(33)에서 방출된 1차 광펌핌용 레이저빔(λ1)과 활성층(45)에서 발생하는 레이저빔(λ2)이 상기 히트싱크(31)를 통과할 수 있도록, 상기 히트싱크(31)는 광투과성 재료를 사용해야 한다. 이러한 투명 히트싱크의 재료로는, 예컨대, 다이아몬드, 실리콘 카바이드(silicon carbide), 사파이어(sapphire) 등을 사용할 수 있다.

도 8a 내지 도 8d는 이러한 제 3 실시예의 레이저 펌핑부(40)의 제조 과정을 도시하는 단면도이다.

먼저, 도 8a에 도시된 바와 같이, GaAs와 같은 기판(50) 위에 희생층(52)을 형성한다. 여기서, 희생층(52)은, 예컨대, AlAs나 InGaP와 같은 재료를 사용할 수 있다. 그리고, 상기 희생층(52) 위에 DBR과 같은 제 1 반사기(43)를 형성하고, 이어서 상기 제 1 반사기(43) 위에 활성층(45)을 형성한다. 그런 후, 도 8b에 도시된 바와 같이, 다이아몬드와 같은 광투과성 히트싱크(31)를 상기 활성층(45) 위에 적층한다.

다음에는, 도 8c에 도시된 바와 같이, 예컨대, 에칭 등을 이용하여 상기 희생층(52)을 제거한다. 희생층(52)을 제거하면 희생층(52)의 양면에 접촉해 있던 제 1 반사기(43)와 기판(50)이 서로 분리된다. 그런 후, 도 8d에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 반사기(43)의 표면에 제 2 반사기(41)를 증착하여 형성함으로써 제 3 실시예에 따른 레이저 펌핑부(40)가 완성된다.

또한, 도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 VECSEL 소자의 예시적인 구조를 개략적으로 도시한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 VECSEL 소자는, 제 3 실시예와 비교할 때, 다른 구조는 모두 동일하며, 펌프 레이저(도시되지 않음)에서 방출된 1차 펌핑용 레이저빔(λ1)이 외부 미러(37)를 통과하여 수직으로 레이저 펌핑부(40)에 입사된다는 점에서 차이가 있다. 제 2 실시예와 마찬가지로, 레이저 펌핑부(40)에서 발생하여 외부 미러(37)를 통해 방출되는 레이저빔(λ2)은, 예컨대, 빔 스플리터(beam splitter)(39)를 통해 반사되어 1차 펌핑용 레이저빔(λ1)과 분리될 수 있다.

한편, 지금까지의 실시예에서는, 활성층(45)에서 발생하는 광(λ2)을 반사하기 위한 제 1 반사기(43)와 1차 펌핑용 레이저빔(λ1)을 반사하기 위한 제 2 반사기(41)가 별개의 반사기로 구성되어 있었으나, 하나의 반사기를 이용하여 두 개의 빔(λ1,λ2)을 모두 반사하도록 구성할 수도 있다. 도 7은 이러한 본 발명의 제 5 실시예에 따른 면발광 레이저 소자의 예시적인 구조를 도시하는 개략적인 단면도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 활성층(45)의 하부에는 제 1 반사기(43)와 제 2 반사기(41) 대신 하나의 반사기(49)만이 있다. 이러한 통합형 반사기(49)로는, 일반적으로, 반사할 수 있는 파장의 대역이 넓은 유전체형 분산 브래그 반사기를 사용할 수 있다. 그러나, 두 빔(λ1,λ2)의 파장 대역에 대해 모두 반사율이 충분히 높다면(예컨대, 99% 이상) 반도체형 분산 브래그 반사기를 사용할 수도 있다.

지금까지 여러 가지 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 동작에 대해 설명하였다. 상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 활성층에서 미처 흡수되지 못하고 남은 1차 광펌핑용 레이저빔을 다시 활성층으로 반사시키는 제 2 반사기를 구비함으로써, 상기 1차 광펌핑용 레이저빔이 활성층에서 다시 흡수되므로 레이저 소자의 광펌핑 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(VECSEL)의 개략적인 단면도이다.

도 2는 또 다른 형태의 종래의 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(VECSEL)의 개략적인 단면도이다.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 면발광 레이저 소자의 개략적인 단면도이다.

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 면발광 레이저 소자의 개략적인 단면도이다.

도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 면발광 레이저 소자의 개략적인 단면도이다.

도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 면발광 레이저 소자의 개략적인 단면도이다.

도 7은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 면발광 레이저 소자의 개략적인 단면도이다.

도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 제 3 및 제 4 실시예에서 사용되는 면발광 레이저 소자용 레이저 펌핑부의 제조 과정을 도시하는 단면도이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※

31.......히트싱크 33.......펌프 레이저

37.......외부 미러 39.......빔 스플리터

40.......레이저 펌핑부 41.......제 2 반사기

43.......제 1 반사기 45.......활성층

Claims

소정의 파장을 갖는 광을 발생시키는 레이저 펌핑부; 및 상기 레이저 펌핑부에 1차 광펌핑용 레이저빔을 제공하는 펌프 레이저;를 포함하는 반도체 레이저 소자에 있어서,

상기 레이저 펌핑부는:

상기 1차 광펌핑용 레이저빔을 흡수하여 소정의 파장을 갖는 광을 발생시키는 활성층;

상기 활성층에서 발생된 광을 반사시키는 제 1 반사기; 및

상기 활성층에 의해 흡수되지 않고 상기 제 1 반사기를 통과한 1차 광펌핑용 레이저빔을 상기 활성층을 향해 반사시키는 제 2 반사기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 소자.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 반사기는 복수의 고굴절률층과 저굴절률층이 교호하는 복층 구조의 화합물 반도체형 분산 브래그 반사기인 것을 특징으로 하는 레이저 소자.
제 1 항에 있어서,

상기 제 2 반사기는 유전체형 분산 브래그 반사기 또는 금속 반사기 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저 소자.
제 3 항에 있어서,

상기 유전체형 분산 브래그 반사기는 SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, TiO ₂ 및 HfO₂ 를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 소자.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 반사기와 제 2 반사기는, 상기 활성층에서 발생된 광과 상기 1차 광펌핑용 레이저빔에 대해 모두 소정의 값 이상의 반사율을 갖는 하나의 단일한 분산 브래그 반사기인 것을 특징으로 하는 레이저 소자.
제 1 항에 있어서,

상기 레이저 펌핑부는, 상기 활성층에서 발생하는 열을 방출하여 상기 활성층을 냉각시키기 위한 히트 싱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 소자.
제 6 항에 있어서,

상기 히트 싱크는 상기 제 2 반사기에 부착되는 것을 특징으로 하는 레이저 소자.
제 6 항에 있어서,

상기 히트 싱크는 상기 활성층의 레이저빔 입사면에 부착되며, 투명한 재질인 것을 특징으로 하는 레이저 소자.
제 1 항에 있어서,

상기 레이저 펌핑부의 외부에 위치하는 것으로, 상기 레이저 펌핑부에서 발생한 광의 일부를 투과시켜 레이저빔으로서 출력하고, 나머지 일부를 레이저 펌핑부에서 재흡수되도록 반사하는 외부 미러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 소자.
제 9 항에 있어서,

상기 외부 미러는 레이저 펌핑부와 펌프 레이저 사이의 광로에 위치하며, 상기 외부 미러와 펌프 레이저 사이에는 1차 광펌핑용 레이저빔과 상기 활성층에서 발생된 레이저빔을 분리하는 빔스플리터가 구비되는 것을 특징으로 하는 레이저 소자.
제 1 항에 있어서,

상기 레이저 펌핑부는, 상기 제 1 반사기에서 반사된 광빔을 활성층으로 반사시키기 위하여 활성층 표면에 제 3 반사기를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 소자.
제 11 항에 있어서,

상기 제 3 반사기는 화합물 반도체형 분산 브래그 반사기인 것을 특징으로 하는 레이저 소자.
제 1 항에 있어서,

상기 레이저 펌핑부는, 상기 활성층으로 입사하는 광빔이 반사되는 것을 방지하기 위하여 활성층 표면에 반사방지층을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 소자.
펌프 레이저로부터 방출된 1차 광펌핑용 레이저빔을 흡수하여 소정의 파장을 갖는 광을 발생시키는 면발광 반도체 레이저 소자용 레이저 펌핑부에 있어서,

상기 1차 광펌핑용 레이저빔을 흡수하여 소정의 파장을 갖는 광을 발생시키는 활성층;

상기 활성층에서 발생된 광을 반사시키는 제 1 반사기; 및

상기 활성층에 의해 흡수되지 않고 상기 제 1 반사기를 통과한 1차 광펌핑용 레이저빔을 상기 활성층을 향해 반사시키는 제 2 반사기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 펌핑부.
제 14 항에 있어서,

상기 제 1 반사기는 복수의 고굴절률층과 저굴절률층이 교호하는 복층 구조의 화합물 반도체형 분산 브래그 반사기인 것을 특징으로 하는 레이저 펌핑부.
제 14 항에 있어서,

상기 제 2 반사기는 유전체형 분산 브래그 반사기 또는 금속 반사기 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저 펌핑부.
제 15 항에 있어서,

상기 유전체형 분산 브래그 반사기는 SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, TiO ₂ 및 HfO₂ 를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 펌핑부.
제 14 항에 있어서,

상기 제 1 반사기와 제 2 반사기는, 상기 활성층에서 발생된 광과 상기 1차 광펌핑용 레이저빔에 대해 모두 소정의 값 이상의 반사율을 갖는 하나의 단일한 분산 브래그 반사기인 것을 특징으로 하는 레이저 펌핑부.
제 14 항에 있어서,

상기 레이저 펌핑부는, 상기 활성층에서 발생하는 열을 방출하여 상기 활성층을 냉각시키기 위한 히트 싱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 펌핑부.
제 19 항에 있어서,

상기 히트 싱크는 상기 제 2 반사기에 부착되는 것을 특징으로 하는 레이저 펌핑부.
제 19 항에 있어서,

상기 히트 싱크는 상기 활성층의 레이저빔 입사면에 부착되며, 투명한 재질인 것을 특징으로 하는 레이저 펌핑부.
제 14 항에 있어서,

상기 레이저 펌핑부는, 상기 제 1 반사기에서 반사된 광빔을 활성층으로 반사시키기 위한 활성층 표면에 제 3 반사기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 펌핑부.
제 22 항에 있어서,

상기 제 3 반사기는 화합물 반도체형 분산 브래그 반사기인 것을 특징으로 하는 레이저 펌핑부.
제 14 항에 있어서,

상기 레이저 펌핑부는, 상기 활성층으로 입사하는 광빔의 반사를 방지하기 위해 활성층 표면에 반사방지층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 펌핑부.
펌프 레이저로부터 방출된 1차 광펌핑용 레이저빔을 흡수하여 소정의 파장을 갖는 광을 발생시키는 면발광 반도체 레이저 소자용 레이저 펌핑부의 제조 방법에 있어서,

기판 위에 희생층을 형성하는 단계;

상기 희생층 위에 분산 브래그 반사기를 적층하는 단계;

상기 1차 광펌핑용 레이저빔을 흡수하여 소정의 파장을 갖는 광을 발생시키는 활성층을 상기 분산 브래그 반사기 위에 적층하는 단계;

상기 활성층 위에 광투과성 히트싱크를 적층하는 단계;

상기 희생층을 식각하여 분산 브래그 반사기로부터 기판을 분리하는 단계; 및

상기 활성층에 의해 흡수되지 않고 상기 분산 브래그 반사기를 통과한 1차 광펌핑용 레이저빔을 상기 활성층을 향해 반사시키는 제 2 반사기를 상기 분산 브래기 반사기의 하부에 증착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 펌핑부 제조 방법.
제 25 항에 있어서,

상기 희생층은 AlAs 또는 InGaP 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 펌핑부 제조 방법.
제 25 항에 있어서,

상기 제 2 반사기는 유전체형 분산 브래그 반사기 또는 금속 반사기 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저 펌핑부 제조 방법.
제 27 항에 있어서,

상기 제 2 반사기는 SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂ 및 HfO₂ 를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 펌핑부 제조 방법.
제 25 항에 있어서,

상기 분산 브래그 반사기는 복수의 고굴절률층과 저굴절률층이 교호하는 복층 구조인 것을 특징으로 하는 레이저 펌핑부 제조 방법.
제 29 항에 있어서,

상기 고굴절률층은 Al_xGa_1-xAs 을 포함하고, 저굴절률층은 Al_yGa _1-yAs을 포함하며, x<y 인 것을 특징으로 하는 레이저 펌핑부 제조 방법.