KR0144943B1 - 수직 공동 면 발광 레이저 다이오드를 이용한 광원과 광검출기 조합체 - Google Patents

수직 공동 면 발광 레이저 다이오드를 이용한 광원과 광검출기 조합체

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KR0144943B1
KR0144943B1 KR1019940024005A KR19940024005A KR0144943B1 KR 0144943 B1 KR0144943 B1 KR 0144943B1 KR 1019940024005 A KR1019940024005 A KR 1019940024005A KR 19940024005 A KR19940024005 A KR 19940024005A KR 0144943 B1 KR0144943 B1 KR 0144943B1
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Abstract

수직 공동 면 발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser:이하 VCSEL)를 이용한 광원과 광검출기 조합체가 개시되어 있다.
VCSEL 다이오드를 이용한 광원(22)의 출력 광량을 조절하기 위하여 이 광량의 일부를 수광하거나 이 출력광량과 비례하는 광량을 수광하여 전기신호로 변환한후 광원의 출력 제어용 전기 신호로 이용한다. 상기 VCSEL 다이오드 광원(22)의 측면으로 방향성이 없이 발산하는 자발광을 이용하여 모니터용 광량을 검출한다. 그 수단으로 상기 광원(22)의 둘레에 소정 간격 이격되게 모니터용 광검출기(24)를 마련하였다. 상기 광원(22)과 마주보는 면은 상기 자발광을 흡수하도록 원형으로 되어 있고, 그 외부면은 복수개의 모서리를 가지는 다각형으로 되어 있다. 그러므로, 이 광검출기(24)에 흡수된 자발광이 외부면을 통과하지 않고 내부로 전반사되어 흡수된 자발광의 광검출기 내의 경로가 늘어나게 되어 전기적 신호로 변환되는 광량이 증가된다.

Description

수직 공동 면 발광 레이저(VCSEL) 다이오드를 이용한 광원과 공검출기 조합체
제1도는 종래의 수직 공동 면 발광 레이저 다이오드를 이용한 광원과 공검출기 조합체를 나타낸 사시도.
제2도는 본 발명에 따른 수직 공동 면 발광 레이저 다이오드를 이용한 광원과 광검출기 조합체를 나타낸 사시도.
제3도는 본 발명에 따른 수직 공동 면 발광 레이저 다이오드를 이용한 광원과 광검출기 조합체를 나타낸 평면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
20:반도체 기판22:광원
24:광검출기26:광원용 전극
본 발명은 동일 기판상에 동일 스택 구조로 형성된 수직 공동 면 발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser: 이하, VCSEL로 기술함.)를 이용한 광원과 광검출기 조합체에 관한 것이다.
VCSEL 다이오드는 모서리 발광 레이저(edge emitting laser)다이오드와는 달리 웨이퍼 상에 적층된 반도체 물질로 이루어진 스택(stack)에 대하여 수직 방향으로 광을 발산한다. 이 VCSEL 다이오드에서 발산된 광은 원형광에 가깝고, 단일 횡모드로 동작하는 특징을 가진다. 이 VCSEL 다이오드는 단일 반도체 기판상에 광원과 이 광원에서 출사된 광을 이용하여 검출된 광신호증 에러신호에 대한 정보 검출수단인 광검출기를 집적 가능하므로, 광픽업용 광원등 광응용 분야에서 관심을 끌고 있다. 그러나, 종래의 모서리 발광 레이저 다이오드는 대응되는 양측면에 광이 출사되어 그 일면에서 출사된 광은 광원으로 사용하고, 나머지 면에서 출사된 광은 모니터용으로 사용하므로 모니터용 광검출기를 통하여 광원의 광량 조절에 큰 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.
이 대응 방안으로 미합중국 특허번호 제5,285,466호를 통하여 수직 공동 면 발광 레이저(VCSEL)용 피드백 메커니즘이 개시된바 있다.
이 개시된 VCSEL 다이오드는 기판에 대하여 수직 방향으로 발산되는 광량을 제어하기 위하여 측면으로 발산되는 방향성이 없는 자발적인 광을 이용하였다. 측면으로 방출된 자발광은 상기 VCSEL 다이오드의 주변을 감싸도록 마련된 다른 VCSEL 다이오드를 통하여 수광된다. 그리고, 이 수광된 신호를 전기적 수단에 의하여 상기 광원부에 피드백(feedback)시키므로서 광원에서 발산되는 광량을 제어하도록 하였다. 즉, 측면으로 발산되는 자발광을 수광하도록 VCSEL 다이오드에 전압을 인가하지 않거나 역방향 바이어스 전압을 인가함으로써 광검출기로 이용가능하다.
제1도는 종래의 VCSEL 다이오드를 이용한 광원과 광검출기 조합체를 나타낸 사시도이다. 이 도면을 참조하여 그 구조와 동작 원리를 설명하면, 다음과 같다.
VCSEL 다이오드를 이용한 광원과 광검출기 조합체는 반도체기판(10)과, 이 반도체 기판(10)상에 집적되어 광을 발산하도록 순방향 바이어스 전압의 인가등 전기적 수단을 포함한 VCSEL 다이오드 광원(12)과, 상기 광원의 스택(stack)구조의 측면으로 발산하는 자발광을 흡수하도록 상기 광원 주변을 감싸도록 된 고리형상이고 역방향 바이어스 전압 또는 전압이 인가되지 않는 전기적수단을 포함하는 VCSEL 다이오드로 된 광검출기(14)로 이루어져 있다. 이와 같이 이루어진 광검출기(14)는 상기 광원(12)에서 발산되는 자발광을 흡수한 후 전기적 신호로 변환하여 상기 광원(12)의 전극에 피드백하여 인가함으로써 광량을 제어 할 수 있는 장점이 있다.
하지만, 상기 광검출기(14)는 그 형상이 고리 모양으로 되어 있어, 내부로 흡수된 광중 바깥 원주면에 도달한 광은 대부분 그대로 투과되어 그 광경로가 매우 짧아 광 흡수 효율이 낮았다. 그러므로, 상기 광원(12)의 광량제어를 수행하기 위한 신호로 사용하는데 어려움이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같이 난점을 극복하기 위하여 안출된 것으로서 상기 광검출기의 형상을 변형함으로써, 흡수되는 광의 효율을 높이고, 이 흡수된 광을 전기적 신호로 변형하여 광원에서 발산되는 광량을 정확히 제어하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
반도체 기판과,
상기 기판상에 집적되고 적어도 하나의 P층과 적어도 하나의 N층을 포함하는 복수개의 수평층들의 적층구조로 이루어진 수직스택(stack)에서 수직 축방향과 수평 축방향으로 광을 발산하는 수직 공동 면 발광 레이저(VCSEL:vertical cavity surface emitting laser) 다이오드와,
상기 VCSEL 다이오드 측면에 인접한 상기 기판상에 집적되고 상기 VCSEL 다이오드로 부터의 측면광을 수광하는 모니터용 광검출기로 이루어진 VCSEL를 이용한 광원과 광검출기 조합체에 있어서,
상기 광검출기는 적어도 하나의 P층과 적어도 하나의 N층을 포함하는 복수개의 수평층들을 포함하는 스택(stack)으로 되며, 이 스택의 상기 광원측에 인접한 면이 원통형이고, 그 외측면이 복수개의 모서리를 가지는 다각형으로 된 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 제2도는 본 발명에 따른 VCSEL 다이오드와 광검출기 조합체를 나타낸 사시도이다.
광원으로서의 수직 공동 면 발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser;이하, VCSEL로 기술함.)는 이를테면 N형 GaAs와 같은 반도체 기판(20)상에 형성되어 있으며, 적어도 하나의 N층과 적어도 하나의 P층을 포함하며, 하나의 층위에 다른 층이 적층되어 제1스택(stack)을 이룬다. 이 제1스택은 N형 분포 브래그 반사기(distributed Bragg reflector;이하, DBR로 기술함.) 스택과 P형 DBR 스택 사이에 형성된 양자-우물 활성영역에 의해 발광하게 되어 광원(22)으로서의 역할을 하게 된다. 이 VCSEL 다이오드는 전원을 포함하는 바이어스 회로에 의하여 순방향으로 바이어스 되며, 도시된 바와 같이 수직방향으로 광을 발산한다. 동시에 측면으로도 방향성이 없는 자발광이 발산된다. 이 자발광은 수직으로 발산되는 광에 비하여, 그 광량이 매우 작다. 상기 자발광을 흡수하여 수직으로 발산되는 광량을 제어하기 위한 수단으로 상기 광원으로 사용되는 VCSEL 다이오드 주위에 이 VCSEL 다이오드와 동일하게 N형 및 P형 DBR층을 적층하고 그 사이에 양자-우물 활성영역을 포함하는 제2스택(stack)을 형성하고 양전극층에 역방향 바이어스 전압을 인가하거나 전압을 인가하지 않음으로서 이 VCSEL 다이오드를 모니터용 광검출기(24)로 이용한다. 이 모니터용 광검출기(24)는 상기한 바와 같은 전기적 수단에 의하여 상기 제1스택에서 발산하는 자발광을 흡수하도록 되어 있다.
상기 광검출기(24)는 상기 VCSEL 다이오드 둘레를 감싸도록 중앙부가 비어있는 고리형으로 소정 간격 이격되어 배치되어 있고, 상기 VCSEL 다이오드와 마주보는 면은 원형으로 되어 있어서, 방향성이 없이 발산되는 자발광을 흡수하도록 되었다. 이 흡수된 광은 전기적 신호로 변환된 후 상기 VCSEL 다이오드와 전기적으로 결합된 수단에 의하여 전달되고 수직으로 발산되는 광량을 제어하게 된다. 상기 자발광은 상기 광검출기의 활성층을 지나는 중에 흡수가 일어나게 되므로 이 활성층을 지나는 광의 경로를 길게 하면 할수록, 흡수되어 전기적 신호로 이용되는 광량을 증가 시킬 수 있다. 이를 위하여 상기 광검출기(24)의 폭을 크게 할 수 있지만, 집적회로의 크기가 증가하는 단점이 있어서, 폭의 크기를 증가 시키는 데는 필요한 만큼의 흡수 광량과 비교해 볼 때 한계가 있다.
이를 극복하기 위한 수단으로 상기 광검출기의 상기 VCSEL 다이오드와 마주보지 않는 반대면이 복수개의 모서리를 가지는 다각을 이루는 형상이 되도록 하였다.
제3도는 VCSEL 다이오드를 이용한 광원과 광검출기 조합체를 나타낸 평면도로서 모니터용 광검출(24)의 형상을 구체적으로 나타내었으며 광원(22)에서 광이 방출되도록 외부에서 전기를 공급하는 전극(26)을 나타내었다.
상기 제2도 및 제3도를 통하여 도시된 실시예는 두 정사각형이 비스듬히 겹치도록 결합되어 이루어진 외형과 유사한 모니터용 광검출기(24)를 나타내었다. 이와같은 형상의 광검출기를 마련함으로써, 내부면을 통하여 흡수된 자발광은 상기와 같은 다각면에서 투과하지 않고 내부 전반사가 일어나게 된다. 이 전반사에 의하여 자발광의 광경로가 증가하게 되며 상기 활성층 영역을 통하여 흡수되는 광량 또한 증가하게 되어 상기 광원(22)에서 수직으로 발산되는 광량을 효과적으로 제어할 수 있다. 물론, 상기에서 언급한 형상외의 다양한 형태로 모서리의 수를 다르게 한 다각형을 이루게 할 수 있으며, 필요에 따라서는 상기 폭방향을 더 넓게 만들 수도 있다. 이와같은 구조로 상기 광검출기의 내부 전반사를 통하여 광경로가 3배가량 늘어나게 되면, 상기 자발광의 80%가량의 흡수가 가능하여, 상기 광원을 제어하기에 충분한 광량을 얻을 수 있다.
상기한 바와 같은 VCSEL 다이오드와 광검출 결합체는 동일 반도체 기판상에 동일 형상의 스택을 다중으로 적층하고, 동일 형상의 활성층 영역을 집적하므로써 광원과 광검출기를 별도로 결합시키기 위한 공정이 불필요하며, 공정 단축으로 시간 단축과 에러율 발생을 대폭 줄일 수 있을 뿐만 아니라 VCSEL 다이오드에 포함되어 있는 높은 반사율의 DBR로 인해 공진기의 공진 파장 근처에서 높은 광검출효율을 가지게 된다. 또한, 상기와 같이 다각 반사면을 통하여 광의 경로를 길게하므로서 광검출기에서의 광 흡수 효율이 대폭 증가되어 상기 VCSEL 다이오드와 상기 광검출기 사이의 간격으로 자발광의 일부가 손실됨에도 불구하고 상기 VCSEL 다이오드에서 수직으로 발산되는 광량을 제어하느데 충분한 전기신호를 제공하게 되는 등의 매우 유용한 발명이다.

Claims (1)

  1. 반도체 기판(20)과, 상기 기판(20)상에 집적되고 적어도 하나의 P층과 적어도 하나의 N층을 포함하는 복수개의 수평층들의 적층구조로 이루어진 수직스택(stack)에서 수직 축방향과 수평 축방향으로 광을 발산하는 수직 공동 면 발광 레이저(VCSEL:vertical cavity surface emitting laser) 다이오드를 이용한 광원(22)과,
    상기 광원(24)의 측면에 인접한 상기 기판상에 집적되고 상기 VCSEL 다이오드로 부터의 측면광을 수광하는 모니터용 광검출기(24);로 이루어진 VCSEL를 이용한 광원과 광검출기 조합체에 있어서, 상기 광검출기(24)는 적어도 하나의 P층과 적어도 하나의 N층을 포함하는 복수개의 수평층들을 포함하는 스택(stack)으로 되며, 이 스택의 상기 광원측에 인접한 면이 원통형이고, 그 외측면이 복수개의 모서리를 가지는 다각형으로 된 것을 특징으로 하는 VCSEL을 이용한 광원과 광검출기 조합체.
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