KR0117860Y1 - Optical source and detector using vertical cavity surface emitting laser diode - Google Patents

Optical source and detector using vertical cavity surface emitting laser diode

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KR0117860Y1 KR2019940024552U KR19940024552U KR0117860Y1 KR 0117860 Y1 KR0117860 Y1 KR 0117860Y1 KR 2019940024552 U KR2019940024552 U KR 2019940024552U KR 19940024552 U KR19940024552 U KR 19940024552U KR 0117860 Y1 KR0117860 Y1 KR 0117860Y1
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Abstract

수직 공동 면 발광 레이저(VCSEL : vertical cavity surface emitting laser) 다이오드를 이용한 광원과 광검출기 조합체가 개시되어 있다.A light source and photodetector combination using a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) diode is disclosed.

이 VCSEL 다이오드를 이용한 광원과 광검출기 조합체는The light source and photodetector combination using this VCSEL diode

반도체 기판과, 상기 기판상에 집적되고 적어도 하나의 P층과 적어도 하나의 N층을 포함하는 복수개의 수평층들의 적층 구조의 수직 스택(stack)으로 된 수직 공동 면 발광 레이저(VCSEL : vertical cavity surface emitting laser) 다이오드(32)와, 소정 직경의 동공부(37)가 그 중심부에 형성된 속이 빈 원통형으로 상기 광원의 상부면에 구비되어 모니터용 광을 수광하는 광검출기로 이루어져 있다.Vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) consisting of a vertical stack of a semiconductor substrate and a stacked structure of a plurality of horizontal layers integrated on the substrate and including at least one P layer and at least one N layer emitting laser) A diode 32 and a pupil portion 37 having a predetermined diameter are formed in a hollow cylindrical shape formed at a central portion thereof, and are provided on an upper surface of the light source to receive a monitor light.

Description

수직 공동 면 발광 레이저(VCSEL) 다이오드를 이용한 광원과 광검출기 조합체Light source and photodetector combination using a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) diode

제1도는 종래의 VCSEL 다이오드를 광원으로 이용하는 경우의 모니터용 광검출기의 일 예를 나타낸 사시도이다.1 is a perspective view showing an example of a photodetector for a monitor when a conventional VCSEL diode is used as a light source.

제2도는 종래의 VCSEL 다이오드를 광원으로 이용하는 경우의 모니터용 광검출기의 다른 예를 나타낸 사시도이다.2 is a perspective view showing another example of a photodetector for a monitor when a conventional VCSEL diode is used as a light source.

제3도는 본 고안에 따른 VCSEL 다이오드를 이용한 광원과 광검출기 조합체를 나타낸 사시 단면도이다.3 is a perspective cross-sectional view showing a light source and a photodetector combination using a VCSEL diode according to the present invention.

제4도는 본 고안에 따른 VCSEL 다이오드를 이용한 광원과 광검출기 조합체를 나타낸 사시도이다.4 is a perspective view showing a combination of a light source and a photodetector using a VCSEL diode according to the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

30 ... 반도체 기판32 ... VCSEL 다이오드30 ... semiconductor substrate 32 ... VCSEL diode

34 ... 광검출기37 ... 동공부34 ... photodetector 37 ... pupil

본 고안은 수직 공동 면 발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser: 이하 VCSEL로 기술함) 다이오드를 이용한 광원과 광검출기 조합체에 관한 것으로, 상세하게는 수직으로 발산되는 광을 제어하는데 사용되는 광량을 검출하기 위한 모니터용 광검출기를 개량한 VCSEL 다이오드를 이용한 광원과 광검출기 조합체에 관한 것이다.The present invention relates to a combination of a light source and a photodetector using a vertical cavity surface emitting laser (hereinafter referred to as VCSEL) diode, which specifically detects the amount of light used to control the vertically emitted light. The present invention relates to a light source and a photodetector combination using a VCSEL diode, which is an improved photodetector for a monitor.

VCSEL 다이오드를 이용한 광원은 모서리 발광 레이저 다이오드와는 다르게 기판 상에 적층된 반도체 물질로 이루어진 스택(stack)에 대하여 수직 방향으로 광을 발산한다. 이 광원에서 발산된 광은 원형광에 가깝고, 높은 광밀도를 가지며 단일 종모드로 동작하는 특징을 가진다. 상기 VCSEL 다이오드는 단일 반도체 기판상에 광원과 이 광원에서 출사된 광을 이용하여 검출된 광신호중 에러신호에 대한 정보 검출수단인 광검출기를 집적 가능하므로, 광픽업용 광원등 광응용 분야에서 관심을 끌고 있다. 그러나, 종래의 모서리 발광 레이저 다이오드는 대응되는 양측면에서 광이 출사되어 그 일면에서 출사된 광은 광원으로 사용하고, 나머지 면에서 출사된 광은 모니터용으로 사용하므로 모니터용 광검출기를 통하여 광원의 광량 조절에 어려움이 없는 것에 비하여, 상기 VCSEL 다이오드는 광이 수직한 방향으로 출사되고 그 출사되는 면중 일면이 반도체 기판상에 결합되어 있으므로, 모니터용 광검출기를 설치하기 위한 대응 방안을 마련하여야 한다.A light source using a VCSEL diode emits light in a vertical direction with respect to a stack made of a semiconductor material stacked on a substrate, unlike a corner light emitting diode. Light emitted from this light source is close to circular light, has a high light density, and operates in a single longitudinal mode. Since the VCSEL diode can integrate a photodetector, which is an information detection means for an error signal among optical signals detected by using a light source and light emitted from the light source, on a single semiconductor substrate, the VCSEL diode may be of interest in an optical application such as a light pickup light source. Is dragging. However, in the conventional edge-emitting laser diode, the light emitted from both sides thereof is used as the light source, and the light emitted from the other side is used for the monitor, and thus the amount of light of the light source through the monitor photodetector is used. Compared with no difficulty in adjusting, since the VCSEL diode is emitted in a vertical direction and one surface of the VCSEL diode is coupled on the semiconductor substrate, a countermeasure for installing a photodetector for a monitor must be prepared.

종래에는 모니터용 광검출기를 설치하기 위한 수단으로 광원으로 이용되는 VCSEL 다이오드의 상면에 평판형의 광검출기를 마련하거나, 상기 VCSEL 다이오드가 구동시 측면으로 방향성이 없이 발산되는 자발광을 수광하도록 상기 VCSEL 다이오드 주변을 둘러싼 광검출기를 마련하였다.Conventionally, a flat type photodetector is provided on an upper surface of a VCSEL diode that is used as a light source as a means for installing a photodetector for a monitor, or the VCSEL is configured to receive self-emitted light emitted without direction to the side when the VCSEL diode is driven. A photodetector around the diode was prepared.

제1도는 종래의 VCSEL 다이오드를 광원으로 이용하는 경우의 모니터용 광검출기의 일 예를 나타낸 사시도이다. 이 도면을 참조하여 그 구조와 동작 원리를 설명하면, 다음과 같다.1 is a perspective view showing an example of a photodetector for a monitor when a conventional VCSEL diode is used as a light source. The structure and principle of operation will be described with reference to this figure.

VCSEL 다이오드 기판(10)과, 이 기판(10)상에 집적되어 광을 발산하도록 순방향 바이어스 전압의 인가등 전기적 수단을 포함한 VCSEL 다이오드 광원(12)과, 상기 광원의 측면으로 발산하는 자발광을 흡수하도록 상기 광원 주변을 감싸도록 된 고리형상이고 역방향 바이어스 전압 또는 전압이 인가되지 않는 전기적 수단을 포함하는 VCSEL 다이오드로 된 광검출기(14)로 이루어져 있다.Absorbs the VCSEL diode substrate 10, the VCSEL diode light source 12 including electrical means such as the application of a forward bias voltage so as to be integrated on the substrate 10 and to emit light, and the self-emitting light emitted to the side of the light source It consists of a photodetector 14 made of a VCSEL diode which is shaped so as to enclose a periphery of the light source and comprises an electrical means with no reverse bias voltage or voltage applied thereto.

상기 광검출기(14)는 상기 광원(12)에서 발산되는 자발광을 흡수한후 전기적 신호로 변환하여 상기 광원(12)의 전극에 피드백하여 인가함으로써 광량을 제어할 수 있는 장점이 있지만, 그 측면으로 방출되는 자발광이 수직으로 발산되는 광량에 정확히 비례하지 않을 뿐 아니라 수직으로 발산되는 광량에 비하여 그 출사량이 현저히 적고, 발산된 자바광의 대부분이 광검출기를 통하여 흡수되지 않고 외부로 통과하므로 수직 발산 광량을 제어하기 위한 신호로 사용하는데 어려움이 있었다.The photodetector 14 has an advantage of controlling the amount of light by absorbing the self-luminous emitted from the light source 12 and converting it into an electrical signal to be fed back to the electrode of the light source 12 to control the amount of light. Not only is the self-emission emitted by the light not directly proportional to the amount of light emitted vertically, but its output is remarkably small compared to the amount of light emitted vertically. Difficult to use as a signal for controlling the amount of light.

제2도는 종래의VCSEL 다이오드를 광원으로 이용하는 경우의 모니터용 광검출기의 다른 예를 나타낸 사시도이다.2 is a perspective view showing another example of a photodetector for a monitor when a conventional VCSEL diode is used as a light source.

자발광을 이용할때의 검출되는 출력걍을 증가시키기 위하여 측면 자발광을 이용하지 않고 수직으로 발산되는 광량을 이용하였다. 그 이용 수단으로 반도체 기판(20)과, 이 기판(20)상에 적어도 하나의 P층과 적어도 하나의 N층을 포함하는 복수개의 수평층들의 적층구조의 스택(stack)으로 이루어진 VCSEL 다이오드 광원(22)과, 상기 광원(22)의 상면에 광검출기(24)를 위치하였다. 이 광검출기(24)는 상기 VCSEL 다이오드 광원(22)의 상면에 소정 두께로 마련되어 있어 입사된 일부 광은 흡수하고 나머지 광은 투과하도록 되어 있다. 이때 흡수되는 광을 이용하여 모니터용 광을 검출한다. 이 경우 모니터용으로 검출되는 광량은 충분하여 그 기능을 수행하는데 문제가 없으나 그 모니터를 투과하여 광 기록 재생 매체에 입사되는 광량이 감소하는 단점이 있었다.In order to increase the output power detected when using the self-luminescence, the amount of light emitted vertically was used instead of the side self-luminescence. VCSEL diode light source consisting of a stack of a semiconductor substrate 20 and a stack of a plurality of horizontal layers including at least one P layer and at least one N layer on the substrate 20. 22) and a photodetector 24 on the upper surface of the light source 22. The photodetector 24 is provided on the upper surface of the VCSEL diode light source 22 in a predetermined thickness so as to absorb some incident light and transmit the remaining light. At this time, the light for the monitor is detected using the absorbed light. In this case, the amount of light detected for the monitor is sufficient, and there is no problem in performing its function, but there is a disadvantage in that the amount of light penetrating the monitor and incident on the optical recording / reproducing medium decreases.

따라서, 본 고안은 상기한 바와 같은 단점들을 극복하기 위하여 안출된 것으로서 상기 광검출기의 형상을 변형함으로써, 흡수되는 광의 효율을 높임과 동시에 디스크에 입사되는 광의 효율을 좋게 하는데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to modify the shape of the photodetector to overcome the drawbacks as described above, thereby improving the efficiency of the absorbed light and improving the efficiency of the light incident on the disk.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 고안은,The present invention to achieve the above object,

반도체 기판과, 상기 기판상에 집적되고 적어도 하나의 P층과 적어도 하나의 N층을 포함하는 복수개의 수평층들의 적층 구조의 수직 스택으로 되어 수직방향으로 광을 출사하도록 된 VCSEL 다이오드와, 상기 VCSEL 다이오드의 주위에 마련되어 모니터용 광을 수광하는 광검출기로 이루어진 VCSEL 다이오드를 이용한 광원과 광검출기 조합체에 있어서,A VCSEL diode integrated with the semiconductor substrate and having a vertical stack of a stacked structure of a plurality of horizontal layers including at least one P layer and at least one N layer and emitting light in a vertical direction; In a light source and a photodetector combination using a VCSEL diode comprising a photodetector provided around a diode for receiving a monitor light,

상기 광검출기는 소정 직경의 동공부가 그 중심부에 형성된 속이 빈 원통형으로 상기 VCSEL 다이오드의 상부면에 결합 구비된 것을 특징으로 한다.The photodetector is a hollow cylindrical body having a predetermined diameter pupil formed in the center thereof, characterized in that the coupling to the upper surface of the VCSEL diode.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안에 따른 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

제3도는 본 고안에 따른 VCSEL 다이오드를 이용한 광원과 광검출기 조합체를 나타낸 사시 단면도이고, 제4도는 제3도의 사시도이다.3 is a perspective cross-sectional view showing a light source and a photodetector combination using a VCSEL diode according to the present invention, and FIG. 4 is a perspective view of FIG.

수직 공동 면 발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser:이하, VCSEL로 기술함) 다이오드인 광원(32)은 예를들면 N형 GaAs와 같은 반도체 기판(30)상에 형성되어 있으며, 적어도 하나의 N층과 적어도 하나의 P층을 포함하며, 하나의 층위에 다른 층이 적층되어 제1스택(stack:33)을 이룬다. 이 제1스택(33)은 N형 분포 브래그 반사기(distributed Bragg rdflector:이하, DBR로 기술함) 스택과 P형 DBR스택 사이에 형성된 양자-우물 활성 영역에 의해 발광하게 된다. 이 VCSEL 다이오드 전원을 포함하는 바이어스 회로에 의하여 순방향으로 바이어스 되며, 도시된 바와 같이 수직 방향으로 광을 발산한다. 동시에 측면으로도 방향성이 없는 자발광을 발산하지만, 이 자발광은 수직으로 발산되는 광에 비하여, 그 광량이 작으므로, 그 광량의 방출을 활용하지 않았다.A light source 32, which is a vertical cavity surface emitting laser (hereinafter referred to as VCSEL) diode, is formed on a semiconductor substrate 30 such as, for example, N-type GaAs, and includes at least one N layer. And at least one P layer, and another layer is stacked on one layer to form a first stack 33. The first stack 33 emits light by the quantum-well active region formed between the N-type distributed Bragg rdflector (hereinafter referred to as DBR) stack and the P-type DBR stack. It is forward biased by a bias circuit including the VCSEL diode power supply, and emits light in a vertical direction as shown. At the same time, the self-emission emitted without directivity is also emitted from the side, but since the light emission is small compared with the light emitted vertically, the light emission is not utilized.

상기 광원의 수직방향으로 출사되는 광량을 제어하기 위한 수단으로 모니터용 광검출기(34)를 상기 광원(32)의 상면에 마련하였다. 이 모니터용 광검출기(34)는 상기 광원(32)과 마찬가지로 적어도 하나의 N형 DBR층과 적어도 하나의 P형 DBR층을 적층하고 그 사이에 양자-우물 활성영역을 포함하는 제2스택(stack;35)으로 이루어져 있다. 상기 광검출기(34)는 상기 스택의 상하면에 마련된 전극층(미도시)에 역방향 바이어스 전압을 인가하거나 전압을 인가하지 않음으로써 상기 광원(32)에서 출사되는 광을 흡수하여 모니터용으로 이용하도록 되어 있다.A monitor photodetector 34 is provided on the upper surface of the light source 32 as a means for controlling the amount of light emitted in the vertical direction of the light source. This monitor photodetector 34, like the light source 32, stacks at least one N-type DBR layer and at least one P-type DBR layer and includes a second stack including a quantum-well active region therebetween. ; 35). The photodetector 34 absorbs the light emitted from the light source 32 to apply the reverse bias voltage to the electrode layers (not shown) provided on the upper and lower surfaces of the stack, or does not apply the voltage. .

상기 광검출기는 중앙부에 소정 직경의 공동이 형성된 원통형으로 상기 공동부(37)로 입사되는 광은 상기 광검출기(34)에 의한 손실이 발생하지 않고 투과되어 광 기록 재생 매체 등에 투사된다. 이 투사되는 광량을 제어하기 위한 광을 상기 공동의 주위에 마련된 제2스택구조(35)에서 흡수한다. 이 흡수된 광은 상기 공동을 통하여 투과한 광량에 선형 비례하므로, 이 광량을 이용하여 상기 동공을 통과한 광량을 제어하게 된다.The photodetector is a cylindrical shape having a cavity having a predetermined diameter in the center thereof, and the light incident on the cavity 37 is transmitted without being lost by the photodetector 34 and is projected onto an optical recording / reproducing medium or the like. Light for controlling this projected amount of light is absorbed by the second stack structure 35 provided around the cavity. Since the absorbed light is linearly proportional to the amount of light transmitted through the cavity, this amount of light is used to control the amount of light passing through the pupil.

이와 같이 이루어진 VCSEL을 이용한 광원 및 광검출기 조합체는 출사되는 광의 특성과 정밀한 광량 제어가 가능하므로 광 기록 장치와, 광통신, 컴퓨터 시스템 등 많은 분야에 다양하게 적용 가능한 매우 유용한 고안이다.The combination of the light source and the photodetector using the VCSEL made as described above is a very useful design that can be variously applied to many fields such as an optical recording device, an optical communication, and a computer system because the light characteristics and the precise amount of light can be controlled.

Claims (2)

반도체 기판(30)과, 상기 기판(30)상에 집적되고 적어도 하나의 P층과 적어도 하나의 N층을 포함하는 복수개의 수평층들의 적층 구조의 수직 스택으로 되어 수직방향으로 광을 출사하도록 된 VCSEL 다이오드(32)와, VCSEL 다이오드(32)의 주위에 마련되어 모니터용 광을 수광하는 광검출기로 이루어진 VCSEL 다이오드를 이용한 광원과 광검출기 조합체에 있어서,A vertical stack of a semiconductor substrate 30 and a stacked structure of a plurality of horizontal layers integrated on the substrate 30 and including at least one P layer and at least one N layer to emit light in a vertical direction. In the light source and photodetector combination using the VCSEL diode 32 which consists of the VCSEL diode 32 and the photodetector provided around the VCSEL diode 32 and receiving a light for monitors, 상기 광검출기는 소정 직경의 동공부(37)가 그 중심부에 형성된 속이 빈 원통형으로 상기 VCSEL 다이오드의 상부면에 결합 구비된 것을 특징으로 하는 VCSEL 다이오드를 이용한 광원과 광검출기 조합체.The photodetector is a light source and photodetector combination using a VCSEL diode, characterized in that the hollow portion (37) having a predetermined diameter is formed in the center of the hollow cylinder coupled to the upper surface of the VCSEL diode. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광검출기는 적어도 하나의 P층과 적어도 하나의 N층을 포함하는 스택구조로 된 것을 특징으로 하는 VCSEL 다이오드를 이용한 광원과 광검출기 조합체.The photodetector combination of a light source and a photodetector using a VCSEL diode, characterized in that the stack structure comprising at least one P layer and at least one N layer.
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