KR100216959B1 - 레이저 구조 - Google Patents

Abstract

회절 격자를 이용하지 않고 결합 도파관 구성에서 단일 주파수 레이저 동작을 얻기 위한 장치가 기술되어 있다. 더욱 상세하게 말하면, 본 발명은 단일 세로 모드로 빛을 발전시키기 위한 레이저 구조에 관한 것이다. 이러한 구조는 결합되어 있지만, 서로 유사하지 않은 한 쌍의 도파관들을 구비하며, 이들 도파관은 서로 동일선상에 있으며, 상기 도파관들의 각각에 접촉하고 있는 미러에 의해 분리된다. 상기 도파관들의 길이는 도파관들 사이의 주파수 선택적 결합이 서로 다른 세로 모드들에 대응하는 파장들을 구별할 수 있도록 조정된다.

Description

레이저 구조

본 발명은 결합 도파관 구성에서 회절 격자(diffraction grating)를 사용하지 않고 단일 주파수 레이저 동작을 얻는 레이저 구조에 관한 것이다.

단일 주파수 고체상태 레이저 소오스는 많은 응용분야에서 필요하다. 예를들어, 장거리용 파이퍼(fiber)에 의해 고속 신호들이 광적으로 전송되는 파이버 통신(fiber communications)에서는, 서로 다른 레이저 모드들이 서로 다른 속도로 파이버를 통해 전파되어 나가고, 이에 따라 여러 파장을 포함하는 신호펄스가 시간의 흐름에 따라 퍼져나가게 되며, 따라서 채널의 대역폭이 제한된다. 단거리에서는 여러 모드에서의 상대적인 출력이 변동하여 과도한 노이즈를 발생시킨다.

종래의 파블리-페로우(Fabry-Perot;F-P) 레이저들은 다중-모드 스펙트럼(multi-mode spectrum)을 갖기 때문에, 통신용으로 사용하기에 부적절하다. 이들의 도파관은 통상적으로 약 300의 길이를 가지며, 수 Å 마다 파블리-페로우 모드가 존재한다. 유일한 주파수 종족 파라미터는 도파관 재료의 이득 곡선의 스펙트럼 형상이다. 이득은 여러 세로 모드들(longitudinal modes)에 대해 비교적 균일하기 때문에, 이러한 F-P 레이저들은 통상적으로 동시에 여러 모드로 방사된다. 단일 주파수 레이저들이 존재하지만, 이들은 F-P 레이저 보다 제조하기 어렵고 고가이다. 이러한 분포궤환형(Distributed Feedback; DFB) 레이저들은 그들의 구조 내에 회절 격자를 포함하며, 따라서 회절 격자가 반사되는 파장에서만 방사된다. DFB 레이저는 통상적으로 두 단계의 성장(growth) 및 홀로그래픽이나 전자비임 리소그래피(holographic or electron-beam lithography)에 의해 제조된다. 불행히도, 이러한 레이저는 복잡하기 때문에, 제조하기 어렵고 간단한 F-P 레이저에 비해 더 비싸다. 따라서, 미세한 격자와 성장 중단(fine gratings and growth interrupts)을 필요로 하지 않고 레이저의 출력 스펙트럼을 안정화시키는 간단한 프로세스가 요구된다.

더욱이, 이러한 레이저에 의해 생성되는 빛은 광 파이버에 쉽게 결합될 수 없다. 반도체의 높은 굴절률과 도파 영역의 비대칭 단면은 레이저에 의해 생성되는 빛이 타원형이고 흔히 비점수차(astigmatic)를 갖는다는 것을 의미한다. 광 파이버에 대한 양호한 결합을 얻기 위해서는, 원통형 렌즈와 프리즘 쌍과 같은 광소자를 사용하여 빔(beam)을 교정할 필요가 있으며, 이 때문에 전체 비용이 더욱 증가한다. 종종 원하지 않는 빔 형상이 교정되지 않고 남아 있게 되며, 이 경우에 삽입 손실이 높아진다. 신호대잡음비(signal to noise ratio)는 파이버내의 빛의 양에 의해 결정되기 때문에, 결합이 불량하다는 것은 중대한 제한요소가 될 수 있다.

최근에 생산비가 저가이고 단일 주파수인 새로운 종류의 레어저가 발명되었지만, 통신용에 적합한 만큼의 광 출력을 생성하지 못하기 때문에 통신용으로는 부적절하다. 이러한 수직 공동 표면-방사 레이저(Vertical Cavity Surface-Emitting Laser; VCSEL)는 새로운 대안으로서 소개되어 왔다. 이들 구조에 있어서, 빛은 에피택셜층에 수직으로 전파되고 1/4 파장 두께의 여러 층으로 제조된 다층 미러에서 반사된다. 이들 구조에서는 단일 모드로 작동이 가능한데, 그것은 분산 미러의 파장 선택성 때문이라기 보다는 공동 길이(the cavity length)가 극히 짧기 때문이다. 따라서 반도체의 이득 대역폭 내에는 유일하게 하나의 세로 모드가 존재한다. 이러한 분산 미러는 도파관 DFB 레이저의 리소그래피법에 의한 회절 격자보다도 제조하기가 더욱 간단하다. 에피택셜 성장법에 의하여 수직층 구조는 원자층의 정밀도로 간단히 제어된다. 더욱이 이러한 1/4 파장 미러는 성장 중단과 재성장을 필요로 하지 않는다.

또한, VCSEL에서 단일 모드 동작을 가져오는 동일한 짧은 공동과 높은 반사율을 갖는 미러들은 그 장치로부터의 광 출력을 제한한다. 그러한 짧은 공동을 통한 왕복 이득(round trip gain)은 단지 1정도이므로, 미러 반사율은 매우 높아야 한다. 실제로 이러한 소자들은 단지 12mW의 단일 모드 출력을 제공할 수 있을 뿐이고, 이는 여러 어플리케이션에 있어서 충분치 않다. 출력의 세기는 소자 직경이나 구동 전류에 따라 증가하지만, 이들은 모두 가로 모드(lateral modes)를 여기(excite)시키고 출력을 떨어뜨리는 경향이 있다. VCSEL의 실제적인 하나의 장점은 광 파이버내로의 결합을 용이하게 하는 비교적 큰 원형 애퍼쳐(aperture)를 갖는다는 것이다.

비대칭 도파관 사이의 결합에 근거하여 동작하는 주파수 선택적 필터는 B. 브론버그, B.S. 린드그렌, M.G. 오버그와 H. 지앙의 InGaAsP-InP에 있어서의 새로운 집적 광학 필터, 저널 라이트웨이브 테크놀로지, LT-4권(1986), 196페이지에 설명되어 있다(이하 참고문헌 1이라 함).

또한, 반도체의 얇은 층이 기판으로부터 제거되어 대체 물질상에 형성될 수 있는 기술이 E. 야블로노비치, T.J. 미터, J.P. 하비슨과 R. 바트의 응용 물리학회 논문지, 제51권(1987), 2222페이지에 기술되어 있다(이하 참고문헌/ Ⅱ이라 함).

옥사이드 유전층이 활성 반도체 물질 하부에 형성될 수 있는 기술이 M.H. 맥도걸, P.D. 다프커스, V. 푸디코프, H. 자오와 G.M. 양의 AlAs Oxide-GaAs 분산형 브라그 반사기를 갖는 극소 드레숄드 수직-공동 표면-방사 레이저, IEEE 포토닉스 테크놀로지 레터스, 제7(3)권(1995), 229페이지에 기술되어 있다(이하 참고문헌 Ⅲ이라 함).

미국중국 특허 제4,715,672호에는 빛을 도파관내에 한정시키기 위하여 반-공진층을 이용하는 도파관의 형태를 개시하고 있다(이하 참고문헌 Ⅳ이라 함).

미합중국 특허 제5,343,542호에는 비대칭 결합기 구성에서 반-공진 도파관을 이용하는 다중-파장 광 디멀티플렉서를 개시하고 있다(이하 참고문헌 Ⅴ이라 함).

J.A. 카쉬, D.W. 키스커, B. 페제쉬키와 F. 통에 의한 미합중국 특허출원 제 08/145,259호(93.10.29)테이퍼진 파블리-페로우 다파장 광 소오스에는 광 소오스로 구성된 구조에 대해 기술하고 있다(이하 참고문헌 Ⅵ이라 함).

J.A. 카쉬, D.W. 키스커, B. 페제쉬키와 F. 통의 파장 선택 요소로서의 수직공동 소자, 저널 라이트웨이브 테크놀로지, 12(4)권(1994), 1791페이지에는 반-공진 반사층을 이용하는 상이한 도파관내 파장 선택 결합을 위한 수학적 모델을 제시하고 있다(이하 참고문헌 Ⅶ이라 함).

따라서, 본 발명의 목적은 회절 격자, 재성장(regrowth) 혹은 다른 엄격한 리소그래피 공정을 이용하지 않고 반도체 레이저에서 단일 주파수 동작을 얻는 간단한 방법을 제공하는 것이다. 본 발명은 종래의 단일 주파수 레이저보다 진보된 것이며, 그 이유는 제조가 훨씬 간단하고 생산단가를 낮게 하였기 때문이다. 더욱 이 본 발명의 레이저는 높은 출력의 세기를 갖고 광 파이버의 모드와 정합하는 완전히 대칭적인 빔을 낮은 굴절율을 갖는 물질(a low index material)로부터 방사한다.

본 발명은 레이저 구조에 낮은 굴절률의 클래드층 또는 반-공진 반사층을 구성하므로써, 세로 파블리-페로우 모드(longitudinal F-P mode)들을 구별하기에 충분할 만큼 높은 파장 분해능(wavelength resolution)을 갖는 매우 비대칭적인 도파관 결합기를 제공한다. 적절한 펌핑(pumping) 구조는 두 도파관 사이에서 결합되는 모드만이 이득을 얻게하고, 이에 따라 레이저를 발생하도록 한다. 전체적인 구조는 두 도파관 사이에 위치한 미러에 의해 유전물질로 구성된 낮은 굴절률의 수동(passive) 도파관이 능동(active) 반도체 도파관에 결합되어 구성된다. 이들 도파관은 그 도파관들 사이의 주파수 선택적 결합이 상이한 세로모드의 파장들을 구별할 수 있을 정도의 길이를 갖는다. 반도체는 일측면에서는 펌핑되어 이득을 발생하고 타측면에서는 손실상태로 남는다. 능동 반도체로부터 저유전체 도파관에 결합할 수 있는 파장만이 손실 영역을 피할 수 있고 레이저를 발생할 수 있다. 단부 미러는 요구되는 피드백을 위해 양 단부에 형성된다.

제1도는 두 개의 도파관, 결합을 제어하는 미러, 단부 미러 및 광 피드백 경로를 개략적으로 도시하는 단면도.

제2도는 레이저에 대해 요구되는 펌핑 구조도.

제3도는 D-형상 광 파이버와 함께 소자가 사용될 수 있는 방법을 보여주는 구조도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 하부 반도체 도파관 102 : 하부 미러

104 : 기판 106 : 중앙 미러

108 : 상부 유전체 도파관 110 : 상부 미러

112,114 : 단부 미러 118 : 비-펌핑 영역

제1도에는 수직으로 결합된 단일 주파수 레이저가 도시되어 있으며, 이 레이저는 반도체와 유전체층으로 구성되어 있다. 이러한 레이저 구조의 반도체 부분은 분자 빔 에피택시(MBE)나 유기금속 화학 증착법(OMCVD)과 같은 방법에 의해 제조될 수 있다. 반면, 유전체 물질은 노력이 적게드는 다양한 프로세서에 의해 증착될 수 있다. 레이저 구조는 기본적으로 두 개의 도파관들로 구성되는데, 하나는 능동 반도체 물질로 구성되며 다른 하나는 수동 유전체나 폴리머로 구성된다. 하부 반도체 도파관(100)은 두 개의 미러들에 의해 한정된다. 하부 미러(102)는 빛이 기판(104)내로 손실되는 것을 방지하며, 중앙 미러(106)는 반도체 도파관(100)과 상부 유전체 도파관(108) 사이의 결합을 결정한다. 또한, 유전체 도파관(108) 위에 있는 상부 미러(110)는 빛을 상부 도파관내로 한정시키기 위해 필요하다. 미러들(102,106,110)은 빛이 미러내로 사라져 가서 전적으로 내부 반사에 의해 반사하도록 굴절률이 낮은 물질로 제조되거나, 또는 다층 반-공진층으로 제조될 수 있다. 현재에는 반도체 도파관 아래에 굴절률이 매우 낮은 물질을 형성하는 간단한 방법이 없기 때문에, 상기 미러를 반-공진층으로 제조하는 것이 더 간단하다. 또한, 중앙 미러(106)가 반-공진형이라면, 상부 도파관은 고차 모드에 대해 손실이 있게 되며, 또한 그 물질과 대기와의 경계면이 미러(110)로서 적절하게 되어, 단일 모드 동작을 유지하기 위해 부가적인 층을 필요로 하지 않게 된다. 레이저를 발생하는 공동을 형성하기 위하여 상기 구조의 양 단부에 미러가 제공되는데, 미러(112)는 상부 도파관(108)의 우측에 형성되고 미러(114)는 하부 도파관(100)의 좌측에 형성된다. 이들 미러는 단순히 절개된 한 단면(cleaved facet)이 될 수 있으며, 혹은 반사율을 향상하기 위해 부가적인 코팅층을 가질 수 있다. 이러한 결합 도파관 구조는 반도체 도파관(100)의 좌측 영역(116)에서 이득을 나타내고 우측 영역(118)에서 손실을 나타내도록 펌핑된다. 따라서, 단지 두 도파관 사이에서 결합되는 광 필드(120)만이 이득을 나타내고, 레이저를 발생하기 위해 손실 영역을 피할 수 있다. 전기적으로, 중앙 미러(106)는 p형으로 도핑되고, 하부 미러(102)는 n형으로 도핑되며, 반도체 도파관 코어(100)는 본래의 상태로 유지된다. 다음에 양자웰과 같이 광 이득이 가능한 물질이 도파관 코어(100)에 배치된다. p형 및 n형 측면으로부터의 전류 주입에 의해, 이득에 필요한 전자와 홀들이 제공된다.

제2도에는 펌핑 방법 및 필요한 가로방향 구조가 도시되어 있다. 중앙 미러(106)는 가로 방향 굴절률을 변화시키기 위하여 510의 좁은 스트라이프를 제외하고 약간 에칭된다. 저굴절률의 도파관(108)이 에칭되지 않은 영역 상부에 형성되고, 도파관의 길이 방향의 한 부분으로 전류를 주입하기 위해 도파관의 양쪽에 금속 콘택 패드(200)들이 형성된다. 이 펌핑된 영역(116)에서는 이득이 얻어지고, 펌핑되지 않은 영역(118)에서는 손실이 있게 된다. 양자 주입, 폴리이미드(202)와 같은 전기적 절연층, 또는 메사 에칭 등의 다양한 기술들이 전기적 절연과 캐리어 집중(carrier funneling)을 위해 이용될 수 있다. 이러한 기술들은 모두 당업계에 잘 알려져 있으며, 도파관과 표면-방사 레이저 양쪽에 모두 이용된다. 모든 층들이 일정한 두께를 갖는다면, 소자 길이는 대략 한 결합 길이(coupling length)가 되어야 한다. 만일 소자가 너무 길면 빛이 반도체 도파관내로 다시 결합하기 시작하며, 반면에 너무 짧으면 도파관 사이의 이동이 불완전하게 된다. 대안으로, 도파관을 테이퍼형으로 만들 수 있는데, 예를들어, 제2도에 도시된 것처럼, 코어 도파관 영역(108)의 두께 혹은 폭을 테이퍼형으로 만들 수 있다.

소자상에 별도의 도파관(108)을 형성하는 대신에, 제3도에 도시된 바와 같이 변형된 광 파이버(300)를 이용할 수도 있다. 파이버 코어가 D자의 편평한 면에 근접해 있는 D자-형상의 파이버가 상업상 이용가능하다. 이러한 파이버를 반도체 상부에 직접 위치시킴으로써, 빛이 이미 광 파이버 모드에 있는 결합 도파관 구조가 실현된다. 단부면 미러(end facet mirror)(112)를 형성하기 위해, 자외선-기록 브라그(Bragg) 미러, 부분적 에칭 또는 단순히 파이버를 절개하는 것과 같이 잘 알려진 많은 기술을 이용할 수 있다.

참고문헌 Ⅰ은 동조가능 필터로 이용되는 결합 도파관 구조를 설명하고 있으며, 여기서 주파수 선택적 결합은 상이한 도파관 사이에서 얻어진다. 여기에서는 양 도파관으로 반도체를 이용하는 것을 설명하고 있기 때문에, 주파수 선택도가 제한된다. 이 주파수 선택도는 소자의 길이 및 비대칭 정도에 비례하여 증가한다. 도파관을 매우 비대칭적으로 제조함으로써, 소자 길이가 짧은 경우에도 높은 선택도를 얻을 수 있다. 따라서 세로 파블리-페로우 모드들을 구별할 수 있다. 이는 레이저 구조에서 단일 주파수 동작을 가능하게 한다.

도파관 사이에 높은 비대칭을 얻기 위해서는 시스템이 서로 다른 물질로 구성되어야 한다. 예를들어, 도파관 중 하나가 반도체이면, 다른 하나는 글래스와 같은 유전체로 만들어질 수 있다. 클래딩 영역 혹은 도파관(100,108) 사이와 어느 한 측면상의 미러(102,106)는 양 도파관 코어보다 굴절률이 낮은 물질로 만들어지거나 혹은 다층 반-공진 미러로 만드러져야 한다. 도파관이 상당히 비대칭적이라면, 훨씬 더 낮은 굴절률을 갖는 유전체층을 클래딩층이나 미러층으로 이용하는 것은 어렵다. 왜냐하면 미러가 반도체 도파관(100) 하부에 형성되어야 하기 때문이다. 이러한 매립된 클래딩 영역을 형성하기 위해 에피택셜 리프트-오프나 에피택셜 층의 선택적 산화를 이용하는 것이 가능하다해도, 이하의 바람직한 실시예에서 설명하는 것처럼 미러를 형성하기 위하여 다층 반-공진층을 이용하는 것이 더 용이할 수 있다. 이러한 다층 미러는 빔을 반사하고 빛을 도파관내로 한정시킨다. ARROW(Anti-Resonant Reflecting Optical Waveguides; 반-공진 반사형 광 도파관)으로 알려진 이러한 미러는 집적 광학 어플리케이션에 대한 클래딩 영역을 형성하기 위해 과거에 이용되었다(참고문헌 Ⅳ). 수직 공동 레이저와 달리, 본 발명은 긴 상호작용 거리 때문에 높은 출력의 세기를 가질 수 있는 에지-방사(edge-emitting)소자이다. 빛이 낮은 굴절률의 도파관(108) 밖에서 결합될 수 있기 때문에, 모드는 광 파이버와 거의 정합하고 결합이 간단해야 한다. 가장 중요한 것은 다층들 모두가 성장 공정에서 에피택셜 방식으로하게 제조되기 때문에, 소자는 격자를 만들기 위해 복잡한 리소그래피를 필요로 하지 않는다는 것이다.

방향성 결합기 구조는 일반적으로 두 개의 동일한 도파관을 서로 가까이 형성함으로써 만들어진다. 두께와 굴절률이 동일하기 때문에, 어떠한 파장의 빛도 하나의 도파관에서 다음 도파관으로 결합될 수 있다. 만일 도파관의 두께와 굴절률이 다른 경우에도 서로 다른 굴절률을 보상하도록 층 두께를 형성한다면, 어떤 특정한 파장에서 여전히 위상-정합이 일어날 수 있다. 이러한 보상은 단지 어떤 특정한 파장에서 일어나기 때문에 소자는 주파수 선택적이다. 두 개의 도파관의 두께와 굴절률이 다르면 다를수록 소자의 분해능은 더욱 예리해진다. 이러한 원리는 동조가능한 필터에 이미 이용되어 왔다(예를들어 참고문헌 Ⅰ). 일반적으로 이러한 비대칭적 결합기의 파장 분해능을 참고문헌 Ⅴ,Ⅶ과 같이 각 도파관의 1차 모드를 이용하여 정의할 수 있다. 즉,

여기서 β는 빛의 전달 모드이고, λ는 파장이며, n₁과 n₂는 두 도파관의 굴절률이고, L_c는 결합 길이이다. 레이저 구조가 유일한 단일 가로 모드를 선택하도록 하기 위해, 이러한 파장 분해능은 가로 모드 간격 Δλ_long과 거의 동등해야 한다. 물질내 분산을 무시하면 이러한 파블르-페로우 모드 사이의 간격은 다음과 같다.

따라서, Δλ_long≥Δλ_res로 설정하고 소자길이 L을 결합길이 L_c와 같게하고, 그리고 효과적인 굴절률이 상부 도파관과 거의 정합한다고 가정하면, 도파관 사이의 비대칭은 다음과 같아야 하는 것을 알 수 있다. 즉,

비록 모든 반도체 물질에 대해 방정식(3)을 만족하는 것이 매우 어렵다 해도, 하나의 물질이 유전체이고 다른 물질이 반도체라면 가능성이 있다. 이러한 소자에서 결합의 파장 분해능은 세로 파블리-페로우 모드들을 구별하는데 적절하며, 그 결과로 단일 모드 레이저가 된다. 이러한 결합 도파관 구조를 제1도에 개략적으로 도시되어 있다.

이러한 물리적 특성은 수직 공동 공진기 및 결합 도파관에 의해 설명될 수 있다. 반-공진 미러를 갖는 점에 있어서, 상기 구조는 수직 공동 공진기와 유사하다. 그러나 자유 공간내의 층에 수직인 β=0 모드와 결합하는 대신에, 상부층에서 낮은 β값의 도파관 모드와 결합한다. 상부 도파관이 반도체층과 아주 상이한 경우, 높은 파장 선택도가 얻어진다. 또한, 상기 구조는 두 도파관을 형성하는 반도체 공진기와 유전체를 갖는다는 점에서 방향성 결합기와 유사하다.

다중 파장 소자에 대한 방향성 결합기 구조에 있어서 결합의 주파수 선택도가 참고문헌 Ⅶ에 나타나 있다. 굴절률이 3.5인 반도체와 1.6인 폴리머를 이용하는 경우, 0.5의 전폭 하프 최대(Full Width half Maximun; FWHM) 분해능이 대략 100의 결합길이로 얻어질 수 있다. 이러한 공진 공동에서의전달은 결합길이에 대해 1dB보다 적은 손실을 가질 수 있으며, 하나의 도파관에서 다른 도파관으로의 이동 과정은 거의 100의 효율을 가질 수 있다. 따라서, 이러한 레이저 구조에 필요한 모든 구성요소들은 독립적으로 검증되었다.

두 개의 도파관을 효율적으로 결합시키기 위하여, 소자길이 대 결합길이를 조절하거나, 또는 상기 구조에 테이퍼를 만들 수 있다. 층이 균일한 경우에, 빛은 한 결합 길이내에서 반도체 도파관으로부터 상부 도파관으로 이동하게 된다. 대안으로, 단방향으로 결합하기 위하여 구조를 길게 하거나 도파관에 테이퍼 구조를 형성할 수 있다. 이는 반도체층의 한쪽을 가늘게 하거나(Taper) 또는 상부 도파관의 폭을 리소그래피를 이용하여 테이퍼 형상으로 함으로써 얻어질 수 있다.

이상적으로는, 가로방향의 단일 모드로 동작하기 위해서는 반도체 도파관이 요구된다. 종래의 레이저에 있어서 릿지(ridge) 도파관이 만들어지는 것과 동일한 방식으로, 상부 도파관을 증착하기 전에 반도체층을 에칭함으로써, 단일 모드 도파관에 대해 요구되는 경미한 가로 굴절률 변조가 형성된다. 또한, 상부 도파관은 가로 굴절률 편차를 이용하여 단일 모드로 될 수 있다. 참고문헌 Ⅶ에 나타난 이전의 디멀티플렉서에서, 가로방향 한정은 자외선에 노출하여 폴리머내 굴절률을 변경함으로써 실현되었다. 또한, 코어를 클래드층으로 매립하거나 도펀트 확산과 같은 다른 기술도 효과적이다.

하부 반도체 도파관(100)에 이득 물질의 전기적 펌핑을 제공하기 위하여, 상기이득 물질은 제2도에 도시된 바와 같이 소자의 일측면에 배치된 p-i-n 구조 및 콘택 패드를 형성하도록 도핑될 수 있다. 주입이 도파관내에만 이루어지도록 금속 콘택 패드를 격리하기 위해 양자 주입이나 유전물질이 이용될 수 있다. 필요하다면, VCSEL 구조에서 보여준 것처럼 매립 주입에 의해 캐리어를 활성영역으로 직접 집중시킬 수 있다.

본 발명의 구조는 또한 집적 광학 어플리케이션에도 매우 유용할 수 있다. 예를들어, 상부 유전체가 비선형 광학 특성을 가지거나 혹은 레이저 빔을 주사하기 위한 음향-광학(Acousto-Optic; AO) 요소를 포함할 수 있다. 대안으로, 도파관을 광 파이버에 결합시키는 대신에, 제3도에 도시된 바와같이 소자의 상부에 D자-형 파이버를 이용할 수 있다. 이때 출력단 미러는 광 파이버내 유도(induced) 미러일 수 있다. 모드가 정확히 파이버와 정합할 뿐 아니라 파이버 대 소자 정렬 비용도 상당히 감소될 수 있다.

소자내에 이러한 상이한 물질을 함께 구성하기 위해서는 에피택셜 리프트-오프나 매립층의 선택적 산화와 같은 새로운 공정 기술을 필요로 하거나, 혹은 대안으로 반-공진 미러의 이용을 필요로 한다. 지금까지, 다중-파장 소자에 있어서 유전체 도파관을 반도체 공진기와 결합하기 위해 반-공진 미러가 어떻게 이용될 수 있는지를 보여주었다. 복수의 도파관 중 하나의 도파관의 두께에 테이퍼를 형성함으로써, 서로 다른 파장들이 서로 다른 위치에서 파이버 밖에서 결합하도록 하였다(참고문헌 Ⅴ). 또한, 능동 소자에서, 동일한 필터 특성을 이용함으로써 소자로부터 협대역 방사를 생성할 수 있었다(참고문헌 Ⅵ). 본 발명에서는, 이러한 기술이 DFB 레이저에 대한 저가의 대체 레이저로서 유용한 단일 주파수 레이저를 제조하는데 어떻게 이용될 수 있는지를 설명하는 것이다.

이러한 레이저의 정확한 설계는 아주 간단하다. 이러한 구조의 다양한 성능 파라미터들은 앞에서 인용된 논문(참고문헌 Ⅶ)에서와 동일한 방정식을 이용하여 계산된다. 앞에서 설명된 단순한 디멀티플렉서에 레이저 동작을 위한 콘택, 격리 및 피드백이 부가되어야 한다. 이러한 기술들은 당업계에 이미 알려져 있다.

상부 도파관(108)에서 시작하여, 두께와 굴절률에 의하여 도파관 모드각이 계산될 수 있다. 본 발명자의 실험에서는 상부 도파관(108)으로서 낮은 굴절률의 폴리머를 이용하였다. 전형적으로, 이러한 폴리머는 약 1.6의 굴절률을 가지며 5의 두께로 광 파이버 모드에 거의 정합하게 한다. 이때 0.85의 파장에서, 모드각은 법선으로부터 대략 87가 된다. 따라서, 반도체층(100,116,118)에서의 각도는 스넬의 법칙으로부터 계산될 수 있고, 각 층에서 적절한 모드각으로 1/4 파장을 제공하도록 상기 층의 두께가 적절히 조정될 수 있다. AlAs(n=3.0)에 있어, 모드각은 대응하는 두께 81.7대해 32이다. Al_0.3Ga_0.7As에, 모드각은 대응하는 두께 67.8에 대해 28이다. Al_0.3Ga_0.7As의 1 파장 더 낮은 도파관이나 공동(100)은 266의 두께를 필요로 한다. AlAs/Al_0.3Ga_0.7As의 6-주기 중앙 미러는 0.99의 반사율, 200 미크론의 결합길이와 1보다 양호한 파장 분해능을 갖는다. 30.5의 주기(periods)를 갖는 하부 미러(102)는 99.99의 반사율을 갖는다. 하부 반도체 도파관(100)의 중앙에 있는 3개의 7.5의 GaAs 양자웰은 각각의 횡단시 α=600㎝^-1의 이득에 상당하는 약 3의 이득을 제공해야 한다(미러내 침투깊이를 포함해서 효과적인 공동길이는 약 930이며, 모드는 법선에 대해 약 30로 이동한다). 중앙 미러(106)와 하부 미러(102)는 약 3×10¹⁸/㎝³으로 각각 p형과 n형으로 도핑된다. 이러한 도핑은 약간의 광학 손실, 즉 계면에서의 산란과 함께, 단부 미러(112,114)에서의 손실과 상부 도파관(108) 손실등을 가져온다. 실험적으로, 본 발명자들은 200 미크론 소자에서 이러한 손실들을 극복하기 위해 3개의 양자웰로부터의 이득이 적절하다는 것을 발견했다. 상부 도파관에서 가로방향 한정(lateral confinement)은 릿지 구조에서 폴리머를 에칭함으로써 실현될 수 있다. 종래 도파관 방정식을 이용하면, 10의 폭과 5두께의 도파관은 에치 깊이가 약 1미크론인 경우에 단일 모드를 유지하게 된다. 반도체에서 가로방향 한정도 역시 중앙 미러(106)를 약간 에칭함으로써 실현될 수 있다. 5에칭함으로써 0.015의 효과적인 굴절률 차를 만들어서 적절함 이상의 한정을 제공한다.

상기 소자에 대한 프로세싱은 표면-방사 레이저에 대해 알려진 기술의 변형이다. 깊은 양자 주입은 상부 도파관 아래의 반도체층을 제외하고는 어디에서든 전류흐름을 제한하며 얕은 양자 주입은 소자를 격리한다. 상부 도파관의 양쪽에 있는 콘택은 상부 p형 미러를 통한 전류 주입을 제공하는 반면에, 기판 후면의 오믹 콘택은 n형 측면에 대한 콘택을 제공한다. 전류는 200 미크론 소자의 1/23/4를 따라서 주입되며, 반면에 소자의 나머지 부분은 손실상태로 남는다. 소자의 양쪽면에 있는 절개부는 출력 결합기로 작용한다. 원하는 경우에 소자의 임계값을 감소시키기 위하여 폴리머 반사기가 코팅될 수 있다.

결론적으로, 단일 모드 동작을 보장하는 공동내 주파수 선택적 요소를 갖는 신규한 레이저 구조를 기술하였다. 이러한 수직 회절격자는 DFB나 DBR 레이저에 이용되는 리소그래피에 의한 회절격자보다 제조하기가 더욱 간단하다. 더욱이 빛 출력은 광 파이버에 대한 혹은 집적 광학 어플리케이션에서의 결합 손실을 더욱 낮추는 두꺼운 대칭 도파관으로부터 방사한다.

Claims (6)

1. 단일 세로 모드(in a single logitudinal mode)로 빛을 발진(oscillating)시키기 위한 레이저 구조에 있어서, (a) 결합되어 있지만, 서로 유사하지 않은 한쌍의 도파관-여기서, 상기 도파관들은 서로 동일선상에 있으며, 상기 각각의 도파관들 사이의 결합을 허용하도록 위상-정합되어 있으며, 상기 도파관들은 상기 도파관 사이의 주파수 선택적 결합이 서로 다른 세로 모드들에 대응하는 파장들은 구별할 수 있도록 하는 그런 정도의 길이를 가지며, 상기 각각의 도파관은 전기적으로 여기될 때 광 이득을 제공하여 레이저 발생 매체를 형성할 수 있는 반도체 물질을 구비함-; (b) 상기 도파관들의 반대 단부에 있는 한 쌍의 단부 미러-여기서, 상기 도파관 중 하나는 그 좌측에 하나의 미러를 구비하고, 상기 도파관 중 다른 도파관은 그 우측에 하나의 미러를 구비하여, 레이저 발진을 위한 피드백을 제공함-; 및 (c) 상기 한 쌍의 도파관들 사이에 결합된 빛만이 순이득(net optical gain)을 얻게하도록, 상기 한 쌍의 도파관에 접촉되어 있으면서 상기 한 쌍의 도파관을 서로 분리시키는 하나의 미러를 포함하는 레이저 구조.
2. 제1항에 있어서, 상기 한 쌍의 도파관을 분리시키는 상기 미러는 반-공진층(anti-resonant layers)을 가진 다층 미러인 레이저 구조.
3. 제1항에 있어서, 상기 한 쌍의 도파관 중 한 도파관의 길이 방향의 일정 부분을 펌핑하기 위한 수단-여기서, 상기 한 도파관에서 상기 부분 이외의 부분에서 광손실이 발생함-을 더 포함하는 레이저 구조.
4. 제1항에 있어서, 상기 한 쌍의 도파관 중 하나의 도파관은 광 파이버인 레이저 구조.
5. 제1항에 있어서, 상기 한 쌍의 도파관 중 적어도 하나의 도파관의 길이방향을 따라 광의 전파 상수가 공간적으로 변화하도록 하기 위하여, 상기 적어도 하나의 도파관의 길이방향을 따라 테이퍼가 형성되어 있는 레이저 구조.
6. 제1항에 있어서, 상기 도파관 중 하나의 도파관은 비선형 광학 물질(non-linear optical material)인 레이저 구조.