KR0170180B1 - 편광조절 수직 공진형 표면방출 반도체 레이저 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 물질의 전광효과를 이용하여 반도체 DBR 거울층의 굴절율을 전기장을 이용하여 변화시키므로서 편광에 따라 공진파장을 다르게 이동하여 레이저 발진 빔의 편광을 조절한 편광조절 수직 공진형 표면방출 레이저 소자의 발명에 관한 것이다.
본 발명은 소정 도전형의 반도체 DBR(distributed Brag reflector)거울층에 전기장을 인가하여 반도체의 편광별 굴절율을 변화시키기 위한 전극들로 구성되고 전기장이 균일하고 효과적으로 거울층에 걸리고 정공의 유입이 이루어지도록 상기 거울층들이 n형의 반도체 DBR, p형의 반도체 DBR, 및 도핑되지 않은 반도체 DBR 등으로 이루어진 것 등으로 구성된다.
Description
제1도는 본 발명에 의한 편광조절 수직 공진형 표면방출 반도체 레이저의 구조를 도시한 단면도이다.
제2도는 본 발명의 편광조절 수직 공진형 표면방출 반도체 레이저에서 전압 변화에 따른 편광별 공진 파장의 변화를 나타내는 반사율의 파장 의존성을 요약 도시한 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 기판 3 : 활성층
2 : n형의 반도체 DBR로 구성된 하부 거울층
4 : p형 반도체 DBR로 구성된 제 1 상부 거울층
5 : 제 2 상부 거울층
6 : n형 반도체 DBR로 구성된 제 3상부 거울층
7 : 후면 전극 8 : 중간 전극
9 : 전면 전극 10 : 이온주입영역
11 : 전류주입을 위한 전압원 12 : 전기장을 인가하기 위한 전압원
본 발명은 갈륨비소(GaAs)등의 반도체가 갖고 있는 전광 (electro-optic)효과를 이용한 수직 공진형 표면방출 반도체 레이저에 관한 것으로서, 특히 거울층의 굴절율을 전기장을 이용하여 편광에 따라 다르게 변화시켜 레이저 공진파장이 편광에 의존하게 하여 편광조절을 가능하게 하는 편광조절 수직 공진형 표면방출 레이저에 관한 것이다.
수직 공진형 표면방출 레이저 소자는 광통신 및 병렬 광 정보 처리등에 있어서 광 섬유와의 효과적 커플링 가능성과 이차원 어레이 제작의 용이성 등의 장점으로 인하여 활발히 연구가 진행되고 있다.
표면방출 반도체 레이저는 기존의 레이저 다이오드와 달리 구조상 빛의 방출면에서 대칭적인 구조를 갖고 있으므로 편광특성을 보이지 않아야 하지만, 공정상에서 발생되는 비대칭성 및 응력효과, 그리고 전류주입을 위한 전기장 효과등에 의하여 편광특성을 보이고 있다.
그러나, 이와 같은 효과들은 인위적이지 않고 일정한 특성을 보이지 않아, 소자별 그리고 출력별로 편광의 변화가 각기 다르게 나타나고 있다.
종래의 편광조절을 위한 표면방출 레이저 구조는 이방성 횡공진기 구조를 통한 편광조절 표면방출 레이저와 거울층 일부를 편광판으로 구성한 편광조절 표면방출 레이저가 있다. 일반적으로 표면 방출 레이저는 p-타입 도핑되어 반도체 DBR로 이루어진 상부 거울층과 이득층을 포함하고 종방향의 공진기내부를 구성하는 활성층 , 그리고 n-타입으로 도핑되어 반도체 DBR로 구성된 하부 거울층과 활성층에 전류를 인가하기 위하여 상부거울층의 상부와 하부거울층의 하부에 각각 형성된 n형과 p형 전극층으로 구성된다.
그런데, 식각한 공진기 구조가 이방성 구조로 두개의 수직방향 중 특정한 방향으로만 레이저 발진이 이루어지는 구조이거나 또는 거울층 일부를 편광판으로 구성하여 편광에 따른 공진 파장 및 손실을 다르게 하므로서 두개의 수직 방향 중 특정한 방향으로 만 레이저 발진이 이루어지는 구조이다.
그러므로 종래의 기술은 한번 제작한 후 표면방출 레이저의 편광특성이 한방향으로 고정되는 구조이다.
따라서 본 발명은 종래 문제점을 개선하여 전기장의 세기와 방향을 외부에서 조절하므로서 인위적으로 두 편과 방향중 한 방향으로 조절할 수 있으며, 편의에 따라 편광을 스위칭할 수 있는 능동적 편광조절 표면방출 레이저를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 편광조절 표면방출 레이저는 상기의 목적을 이루기 위하여 상부 거울층을 n형의 반도체 DBR, 도핑되지 않은 반도체 DBR, 그리고 p형 반도체 DBR로 이루어지게 하고, 전기장을 가해주기 위한 전극을 상부거울층 하부와 하부 거울층 상부의 전류를 주입하기 위한 전극과 별도로 상부거울층의 상부와 하부에 하부거울층 상부의 전류를 주입하기 위한 전극과 별도로 상부거울층의 상부와 하부에 형성하여 구성되어진 것을 특징으로 한다.
그러므로 본 발명은 능동적으로 편광을 스위칭 할 수 있는 구조로 일반적인 표면방출 레이저에서 초고속 광변조시 발생되는 운반자의 이동속도 및 출력 스펙트럼의 처핑(chirping)등의 문제없이 편광만을 조절하므로 초고속의 출력변조가 가능하여 광교환 및 광컴퓨터의 초고속 광원으로 응용에 유리하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
반도체 물질중에서 갈륨비소 등과 같이 반전 대칭을 갖고 있지 않은 물질들에서는 전광효과에 의하여 굴절율이 변화되는 특성을 나타낸다.
일반적으로, 전광효과는 전광텐서로 표시되는데 갈륨비소 등과 같은 III-V족 화합물 반도체가 속한 섬아연광(zinc-blende) 결정구조에서의 전광텐서는 다음과 같이 나타난다.
그러므로 z 방향으로 전기장이 Eo가 가하지면, 편광방향에 따른 굴절율은 다음과 같이 변화된다.
Nx = No - No3rEo/2
Ny = No - No3rEo/2
Nz = No
여기서, No는 전기장을 가하기 전의 굴절율이고, 이때 주축선(princ - ipalaxes) x , y 는 각각 (110)와 ()방향으로 주어진다.
그러므로 수직 공진형 표면방출 반도체 레이저 소자의 거울층을 이루는 반도체 DBR (distributed Bragg reflector)층에 전기장을 가하여주면 위에 나타난 것과 같이 (110)와 ()의 서로 수직한 방향이 주축선이 되고 서로 다른 굴절율을 갖고 있으므로, 레이저 공진파장이 두 편광에 따라 서로 다르게 나타난다.
따라서, 활성층에서 이득층의 이득이 크고, 거울손실이 작은 파장을 공진파장으로 갖는 편광만 발진이 되며, 그에 수직한 다른 편광은 발진이 억제된다.
그리고, 전기장의 방향을 반대로 바꾸어주면 굴절율 변화방향이 반대방향으로 바뀌므로 다른 편광이 발진하게 된다.
그러므로, 전기장의 세기 및 방향변화를 통하여 발진 빔의 편광을 능동적으로 변화할 수 있게 된다.
제1도는 이와 같은 원리를 이용하여 제작되는 편광조절 수직 공진형 표면방출 반도체 레이저 소사의 종단면도이다.
수직 공진형 표면방출 반도체 레이저에서 위쪽 도는 아래쪽 거울에 전기장을 가하여, 거울층을 구성하고 있는 섬아연광(zinc blende)구조의 반도체 물질의 굴절율이 (110)와 () 방향을 주축선으로 갖으며 두 방향의 편광에 따라 거울층의 위상 및 반사율이 각각 반대방향으로 변화되어 두 편광의 공진파장이 다르게 나타난다.
그러므로 전기장의 세기와 방향에 따라 발진편광을 조절할 수 있다.
본 발명의 수직 공진형 표면방출 반도체 레이저는 제1도의 단면도에 도시된 바와 같이 , 소정기판(1)과, 상기 기판위에 하부 거울층(2), 활성층(3), 제1상부 거울층(4), 제 2상부 거울층(5), 및 제 3상부 거울층(6)들이 순차적으로 형성되어 있으며, 상기 활성층(3) 상부와 제 1 상부 거울층(4) 측면에는 소자간의 격리 (isolation)를 위한 이온주입여역(10)이 형성되어 있고, 상기 기판(1)의 하면에는 전자 주입을 위한 후면전극(7)이, 상기 제 1상부 거울층(4) 상부에는 정공주입 및 전기장을 인가하기 위한 중간전극(8)이, 그리고 상기 제 3상부 거울층(6) 상부에는 전기장을 인가하기 위한 전면전극(9)이 각각 형성되어있다.
그리고, 상기 후면전극(7)과 중간전극(8)사이에 전자 및 정공을 주입하기 위해 형성된 전압원(11)과 상기 중간전극(8)과 전면전극(9) 사이에 편광조절을 위한 전기장을 인가하기 위해 형성된 전압원(12)으로 구성된다.
이때, 상기 중간전극(8)은 기판에 형성된 후면전극(7)과 함께 레이저 발진을 위한 정공과 전자를 제공하여 주어야 하므로, 상기 중간전극(8) 아래의 제2 상부 거울층(4)은 p형의 반도체 DBR로 구성되어 있으며, 상기 하부 거울층(2)은 n형의 반도체 DBR로 구성되어 있다.
그리고 , 효율적인 전기장 분포를 위하여, 상기 전면전극(9)과 접촉되는 제 3상부 거울층(6)은 n형의 반도체 DBR로 이루어져 있다.
그리고, 상기 제 2상부 거울층(5)은 도핑되지 않은 반도체 DBR 로 이루어진다.
따라서, 상기 전압원 V1(11)을 통하여 중간전극 (8)과 후면전극(7)에 전류주입을 위한 전압을 인가하여 레이저를 발진시키고, 상기 전압원 V2(12)를 이용하여 상기 전면전극(9)과 중간전극(8) 사이에 전기장을 가하여 편광에 따라 공진파장을 변화시키면 이득이 크고 거울의 손실이 작은 파장을 공진파장으로 갖는 방향의 편광을 갖는 빛이 발진하게된다.
그리고, 상기 전압원 V2(12)의 방향 및 크기 조절에 의하여 편광특성을 인위적으로 또는 능동적으로 조절할 수 있다.
따라서 두 수직한 편광을 능동적으로 조절할 수 있으며, 또한 편광조절은 운반자 등의 분포에 변화없이 이루어질 수 있으므로 그 이외의 발진 특성의 변화 없이 초고속으로 스위칭이 가능하다.
제2도에 도시된 그래프는 제1도의 구조를 갖는 990nm 발진파장의 인듐갈륨비소(InGaAs)/갈륨비소/알루미늄 갈륨비소(AlGaAs)/알루미늄비소(AlAs)구조의 편광조절 수직 공진형 표면방출 레이저에서의 전기장에 따른 편광별 공진파장의 변화를 나타낸 반사율 계산 결과이다.
이때, 갈륨비소와 알루미늄 비소의 r값으로는 각각 1.2×10-12m/V와 0.8×10-12m/V를 사용하였다.
제2도에도시된 바와 같이 , 전기장 2×105m/cm를 상기 중간전극(8)관 전면전극(9) 사이에 가하면, 높은 투과율을 갖는 공진파장이 두 편광에 따라 약 0.47Å의 차이를 , 그리고 4×105V/cm의 경우 약 0.95Å의 차이를 각각 나타냄을 알 수 있다.
이와 같은 공진파장의 차이는 활성층(3)의 이득 및 하부거울층(2)의 반사율 등의 차이에 따라 방출 빛의 큰 차이를 야기할 수 있다.
그 결과, 편광을 조절할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서 제안한 편광조절 수직 공진형 표면방출 레이저 소자에 의하면, 능동적으로 편광을 서로 수직한 두 방향으로 조절할 수 있고, 또한 초고속 편광 스위칭의 가능성을 갖고 있으므로 광교환 및 광 컴퓨터등에 매우 유용하게 적용될 수 있는 효과를 발휘한다.
Claims (3)
- 기판(1)위에 순차적으로 적충된 하부 거울층(2), 반도체 활성층(3) 및 그 활성층(3)의 상부와 측면부에 이온주입층(10)이 형성된 제 1상부 거울층(4)과, 그 제 1상부 거울층(4) 이온주입층(10)의 내측 상부에 순차적으로 적층된 제 2상부 거울층(5) 및 제 3상부 거울층 (6)과, 전자주입을 위하여 상기 기판(1) 하부에 형성된 후면전극(7)과, 정공주입 및 전기장을 인가하기 위하여 상기 제 1상부 거울층(4)의 노출된 상면에 형성된 중간전극(8), 및 전기장을 인가하기 위하여 상기 제 3상부 거울층(6) 상부에 형성된 전면전극(9)을 포함하며, 상기 후면전극(7)과 중간전극(8) 사이에 레이저 발진을 위한 전자와 정공을 주입하기 위하여 형성된 첫번째 전압원(11), 및 상기 중간전극(8) 과 전면전극 (9) 사이에 편광조절을 위하 전기장을 인가하기 위하여 형성된 두번째 전압원(12)으로 구성된 것을 특징으로 하는 편광 조절 수직 공진형 표면방출 반도체 레이저.
- 제1항에 있어서, 상기 전면 전극(9)과 중간 전극(8) 사이의 제 2 및 제 3 상부 거울층 (5)(6) 에 누설 전류 없이 강한 전기장이 인가될 수 있도록 상기 제 2 상부 거울층(5) 은 도핑되지 않은 높은 저항의 반도체 다층 구조인 DBR로 구성되고, 제 3상부 거울층(6)은 n형의 반도체 DBR로 이루어진 것을 특징으로 하는 편광조절 수직 공진형 표면방출 레이저.
- 제1항에 있어서, 상기 활성층(3)에 효과적으로 정공이 주입될 수 있도록 상기 하부 거울층(2)이 n형의 반도체 DBR로 이루어지고, 상기 제 1상부 거울층(4)은 p형의 반도체 DBR로 구성된 것을 특징으로 하는 편광조절 수직 공진형 표면 방출 반도체 레이저.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019940023651A KR0170180B1 (ko) | 1994-09-16 | 1994-09-16 | 편광조절 수직 공진형 표면방출 반도체 레이저 |
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| KR1019940023651A KR0170180B1 (ko) | 1994-09-16 | 1994-09-16 | 편광조절 수직 공진형 표면방출 반도체 레이저 |
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| KR0170180B1 true KR0170180B1 (ko) | 1999-03-30 |
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| KR1019940023651A KR0170180B1 (ko) | 1994-09-16 | 1994-09-16 | 편광조절 수직 공진형 표면방출 반도체 레이저 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR0170180B1 (ko) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100404043B1 (ko) * | 2001-10-19 | 2003-11-03 | 주식회사 비첼 | 수직으로 집적화된 고출력 면발광 반도체 레이저 장치 및그 제조 방법 |
| KR20040013569A (ko) * | 2002-08-07 | 2004-02-14 | 삼성전자주식회사 | 파장 가변형 면방출 반도체 레이저 |
| KR100475848B1 (ko) * | 2002-03-07 | 2005-03-18 | 주식회사 테라스테이트 | 수직공진형 표면 발광레이저 |
| KR20160141091A (ko) | 2015-05-28 | 2016-12-08 | 주식회사 레이칸 | 편광조절 레이저의 광신호 분리 모듈 |
-
1994
- 1994-09-16 KR KR1019940023651A patent/KR0170180B1/ko not_active IP Right Cessation
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| KR100475848B1 (ko) * | 2002-03-07 | 2005-03-18 | 주식회사 테라스테이트 | 수직공진형 표면 발광레이저 |
| KR20040013569A (ko) * | 2002-08-07 | 2004-02-14 | 삼성전자주식회사 | 파장 가변형 면방출 반도체 레이저 |
| KR20160141091A (ko) | 2015-05-28 | 2016-12-08 | 주식회사 레이칸 | 편광조절 레이저의 광신호 분리 모듈 |
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