KR100219593B1 - 광검출기 일체형 표면광 레이저 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광출력 특성을 개선한 광검출기 일체형 표면과 레이저에 관한 것이다.
이 표면광 레이저는 외부 전원이 연결되는 제1전극층과, 이 제1전극층 상에 마련된 기판과, 이 기판상에 적층되고 입사광을 흡수 할수 있도록 된 진성 버퍼층과, 진성 버퍼층 상에 고반사율을 가지는 다층의 반도체 물질이 적층된 하부 반사기층과, 이 하부 반사기층 상의 일부면에 적층되어 레이저 광을 생성하는 활성층과, 하부 반사기층 상의 다른 면에 형성된 제2전극층과, 활성층 상에 다층의 반도체 물질이 적층된 상부 반사기층과, 활성층에서 생성된 광이 출사되도록 된 공동을 가지며 상부 반사기층 상에 형성된 제3전극층을 구비하며,
활성층은 공동과 마주하는 영역에서 대부분의 레이저 광이 생성되도록 그 내부의 공동과 마주하지 않는 부분에 고저항 영역이 형성되며, 활성층에서 출사된 자발 방출광의 흡수를 억제하도록 진성 버퍼층 내부의 공동과 마주하지 않는 부분에 고저항 영역이 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

광검출기 일체형 표면광 레이저
제1도는 종래 광검출기 일체형 표면광 레이저의 일 형태에 따른 개략적인 구성을 보인 단면도.
제2도는 종래 광검출기 일체형 표면광 레이저의 다른 형태에 따른 개략적인 구성을 보인 단면도.
제3도는 제2도에 의한 표면광 레이저에서 출사광량과 검출광량을 비교하여 나타낸 그래프.
제4도는 본 발명에 따른 광검출기 일체형 표면광 레이저의 개략적인 구서을 보인 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
40 : 기판 41 : 제1전극층
44 : 진성버퍼층 45 : 하부 반사기층
46 : 제2전극층 49 : 활성층
51 : 상부 반사기층 52 : 제3전극층
53 : 공동 53 : 공동
34 : 활성층 36 : 제2반사기층
38 : 고저항부 40 : 전극층
42 : 저반사층 44 : 금속층
본 발명은 광검출기 일체형 표면광 레이저(VCSEL: vertical cavity surface emitting lsser)에 관한 것으로, 더 상세하게는 모니터용으로 검출되는 광출력 검출 오차를 줄여 광출력이 안정화 되도록 된 구조를 갖는 광검출기 일체형 표면광 레이저에 관한 것이다.
일반적으로 표면광 레이저는 모서리 발광 레이저와는 달리 적층된 반도체 물질에 대하여 수직한 방향으로 광을 출사한다. 또한, 모서리 발광레이저에 비하여 원형광에 가까운 가우시안 빔을 출사하므로 출사광의 형상 보정을 위한 광학게가 불필요하다. 그리고, 그 크기를 작게 할 수 있고, 일 반도체 웨이퍼 상에 복수개의 표면광 레이저가 직접가능하므로 이차원 배열이 용이하다. 따라서, 전자게산기, 음향 영상기기, 레이저 프린터, 레이저 스캐너, 의료장비 및 통신분야등 광응용 분야에서 널리 응용될 수 있다.
그러나, 이 표면광 레이저는 종래의 모서리 발광 레이저와는 다르게 기판에 대하여 수직 방향으로 광이 출사되고, 그 출사면중 일면이 기판에 결합되어 있으므로, 출사광을 조절하기 위해 사용되는 모니터용 광검출기의 설치가 곤란하였다.
이와 같은 감안한 광검출기 일체형 표면광 레이저의 일 형태가 미합중국 특허번호 제5,136,603호를 통하여 개시된 바 있다. 이개시된 광검출기 일체형 표면광 레이저는 제1도에 도시된 바와 같은 구조를 가진다.
이 광검출기 일체형 표면광 레이저는 광원(10)과, 상기 광원(10)의 상부에 진성층(21)과 N형 도핑층(23)이 성장 구비된 PIN형 광검출기(20)로 대별된다.
상기 광원(10)은 n-GaAs형 기판(12)과, 이 기판(12) 상에 다수의 n형 미러들이 적층 형성된 하부 반사기층(13)과, 이 하부 반사기층(13)상에 마련된 활성층(14)과, 이 활성층(14)의 상부에 p형 미러들이 적층 형성된 상부 반사기층(15)과, 상기 기판(12)의 외부에 결합된 하부전극(11)과, 상기 상부 반사기층(15)의 상부에 결합되며 그 중앙부에 공동(17)을 갖는 상부전극(16)으로 이루어져 있다. 상기 하부전극(11)에 VLD가 인가되고 상기 상부전극(16)이 접지되면, 인가된 전압에 의해 상기 활성층(14)에서 레이저 빔이 생성된다. 이 생성된 레이저 빔은 고반사율을 갖는 상기 상부 및 하부반사기층(13,15)에서 반사되면서 증폭되어 소정 파장이 되면, 두 반사기층을 통과하여 적층방향에 대해 수직한 양 방향으로 출사한다.
상기 광검출기(20)는 상기 광원(10)의 공동(17)상에 적층되어 있으며 진성버퍼층(21)과, N형 도핑층(23) 및 광검출용 전극(25)으로 이루어진다. 이 광검출기(20)는 상기 상부전극(16)과 VPD전압이 인가되는 광검출용 전극(25)과의 상호작용에 의해 상기 광원(10)에서 그 상부로 출사된 레이저 빔의 일부를 흡수한다. 상기 광검출용 전극(25)은 그 중앙부에 공동이 형성되어 상기 광원에서 출사된 빔의 대부분을 통과시킨다. 통과된 빔이 표면광이 레이저의 출력광으로 이용된다.
이 발명은 상기 광원의 하면으로 출사된 레이저빔은 광검출용 또는 레이저 출력광으로 이용하지 않고, 무시하였다.
이와 같이 구비된 종래의 광검출기 일체형 표면광 레이저는 이 레이저를 광디스크용 광픽업의 광원으로 사용할 경우 디스크에서 반사된 광이 상기 광검출기로 재입사하여 광출력 안정화 회로에 잡음으로 작용할 뿐만 아니라 자발방출에 의한 옵셋이 발생할 우려가 있었다.
제2도는 종래 광검출기 일체형 표면광 레이저의 다른 형태를 나타낸 개략도이다.
이 광검출기 일체형 표면광 레이저는 모니터용 광을 검출하는 층이 적층되고, 그 상부에 레이저 광을 생성하는 층이 적층된 구조로 레이징되어 수직한 상하방향으로 출사되는 광중 수직 상방으로 출사되는 광은 그 본래 출사광으로 사용되고, 수직 하방으로 출사되는 광은 모니터용으로 수광되어 외부로 출사되는 광의 광출력을 제어할 수 있도록 되어 있다.
광원은 인가전원에 따라 전자를 생성하고 그 표면에 입사되는 광을 대부분 반사시키고 일부를 투과시키도록 다층의 N형 반도체 물질로 된 하부 반사기층(34)과, 이 하부 반사기층(34) 상에 위치하고 전자와 정공의 재결합에 의해 레이저 광을 생성하는 활성층(36)과, 상기 활성층(36) 상에 위치하고 다층의 P형 반도체 물질로 된 상부 반사기층(37)을 구비하였다. 여기서, 상기 활성층(36)은 수직 상,하방향으로 광을 출사할 뿐만 아니라 그 측방향으로도 자발 방출되는 광을 출사한다.
또한, 광검출기는 상기 하부 반사기층(34)을 공유하며, 그 하면에 진성버퍼층(33)과 P형 기판(32)이 마련된 PIN형 구조로 되어 있다.
이와 같이 적층된 광검출기와 광원을 구동하기 위해 상기 P형 기판(32)의 하면에 광검출기용 전압 VPD가 인가되는 제1전극층(31)이 형서되고, 상기 상부 반사기층(37) 상에 상기 화성층(36)에서 생성된 광이 출사되도록 고동(39)을 가지며, 광원 구동용 전압 VLD가 인가되는 제2전극층(38)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 광원과 광검출기의 접지전극(35)은 상기 기판 상에 적층 형성된 하부 반사기층(34)의 일부, 활성층(36) 및 상부 반사기층(37)을 식각한후 확보된 상기 하부 반사기층(34) 상의 여백에 금속층을 증착하여 형성하였다.
이와 같이 구비된 광검출기 일체형 표면광 레이저는 광원에서 수직방향으로 출사된 광중 그 상방으로 출사된 광을 외부 방사광으로 이용하고, 그 하방으로 출사된 광을 모니터용 광검출기에서 수광하여 표면광 레이저의 광출력을 제어할 수 있도록 하였다. 따라서, 제1도를 참조하여 언급한 문제점을 극복할 수 있었다. 그러나, 광검출기의 면적이 넓게 형성되므로, 상기 광원에서 출사된넓은 확산각을 갖는 자발 방출을 이 광검출기에서 대향 흡수하게 되어 옵셋이 더욱 커지게된다. 이 옵셋량은 온도에 따라 변화하는 속성이 있으므로, 주위 온도 변화시 출사되는 레이저 광의 출력을 일정하게 유지할 수 없었다.
또한, 제3도에 도시된 바와 같이 인가되는 전원의 변화와 온도 변화등의 외적 요소에 의해 외부 출사광에 비례하지 않는 자발 방출광량의 영향으로, 자발 방출을 대향 흡수하는 구조를 갖는 광검출기는 상기 광원에서 출사된 외부 방사광량을 정확히 검출할 수 없었다.
따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 점들을 감안하여 안출된 것으로 자발 방출이 광검출기에서 검출되는 것을 최소로하여 광출력을 안정적으로 유지하도록 된 광검출기 일체형 표면광 레이저를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광 검출기 일체형 표면광 레이저는,
외부 전원이 연결되는 제1전극층과, 이 제1전극층 상에 마련된 기판과, 이 기판상에 적층되고 입사과을 흡수 할 수 있도록 된 지성버퍼층과, 상기 진성 버퍼층 상에 고반사율을 가지는 다층의 반도체 물질이 적층된 하부 반사기층과, 이 하부 반사기층 상의 일부면에 적층되어 레이저 광을 생성하는 활성층과, 상기 하부 반사기층 상의 다른면에 형성된 제2전극층과, 상기 활성층 상에 다층의 반도체 물질이 적층된 상부 반사기층과, 상기 활성층에서 생성된 광이 출사되도록 된 공동을 가지며 상기 상부 반사기층 상에 형성된 제3전극층이 구비된 광검출기 일체형 표면광 레이저에 있어서,
상기 활성층은 상기 공동과 마주하는 영역에서 대부분의 레이저광이 생성되도록 그 내부의 상기 공동과 마주하지 않는 부분에 고저항 영역이 형성되며,
상기 활성층에서 출사된 자발 방출광의 흡수를 억제하도록 상기 진성 버퍼층 내부의 상기 공동과 마줘하지 않는 부분에 고저항 영역이 형성된 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 광검출기 일체형 표면광 레이저를 상세히 설명한다.
제4도는 본 발명에 따른 광검출기 일체형 표면광 레이저의 일 실시예를 보인 개략적인 단면도이다.
도시된 바와 같이, 기판(40)이 준비되고, 이 기판(40)상에 진성버퍼층(44), 하부 반사기층(45), 활성층(49) 및 상부 반사기층(51)이 순차로 적층 구비되고, 외부 전원이 공급되는 다수의 전극층이 소정 위치에 구비되어 있다.
상기 기판(40)은 n형 불순물을 함유하는 반도체물질 에를 들면, n형 GaAs등으로 도핑된 반도체 기판이다. 이 기판(40)의 저면에 외부의 일 전압이 공급되도록 된 제1전극층(41)이 마련되어 있으며, 이 제1전극층(41)에 VPD전압이 인가된다.
상기 진성버퍼층(44)은 불순물을 포함하지 않는 반도체층으로 상기 활성층(49)에서 생성되어 상기 하부 반사기층(45)을 통과하여 입사되는 빔을 흡수할 수 있도록 된 부재이다.
상기 하부 반사기층(45)은 상기 기판(40)과 다른 형의 불순물 예를 들면, N형 AlxGa1-xAs와 AlAs가 수십쌍 교대로 적층되어 이루어진다. 이 하부 반사기층(45)은 전체저거으로 대략 99.9% 이상의 높은 반사율을 가지며, 상기 활성층(49)에서 레이징 된 광중 일부 광을 투과시킨다. 이 하부 반사기층(45)은 그 구조에 있어, 소정 높이로 적층한후 그 일부를 소정 깊이로 식각한다. 식각되지 않은 부분에 상기 활성층(49) 및 상부 반사기층(51)이 적층되며, 식된 상면에 금속층을 중착하여 형성된 제2전극층(46)이 마련된다. 이 제2전극층(46)과 상기 제1전극층(41)에 인가되는 전원에 의해 상기 진성버퍼층(44)에서 광을 수광하고, 상기 제2전극층(46)과 상기 상부 반사기층(51) 상에 증착 형성된 제3전극층(52)에 인가되는 전원에 의해 상기 활성층(49)에서 광이 레이징된다.
상기 활성층(49)은 전자와 정공의 재결합으로 인한 에너지 천이에 의하여 광을 발생시키는 영역으로 양자-우물(quantum well)구조 또는 슈퍼래티스(superlattice) 구조일 수 있으며, 단일 반도체물질 또는 비전도체물질일 수 있다.
상기 상부 반사기층(51)은 상기 하부 반사기층(45)과 같은 반도체 물질로 이루어진 층이며, 상기 하부 반사기층(45)과 반대의 반도체형을 가지는 불순물 반도체물질로 되어있다. 즉, P형 AlxGa1-xAs와 AlAs가 적층 도핑 되어 있으며, 상기 활성층(49)에서 레이징 된 광의 일부를 투사시키도록 반사율이 낮은 대략 99.9% 내외의 반사율을 가진다.
여기서, 상기 기판(40), 하부 반사기층(45) 및 상부 반사기층(51)의 반도체형은 언급한 바와는 달리 상기 기판(40)이 P형 반도체 물질로 되고, 상기 하부 반사기층(45)이 N형 반도체 물질로 그리고, 상기 상부 반사기층(51)이 P형 반도체 물질로 이루어져도 무방하다.
이 상부 반사기층(51)의 상부에 레이징용 전압 VLD가 인가될 수 있도록 된 제3전극층(52)이 형성되어 있다.
이 제3전극층(52)에는 상기 상부 반사기층(51)을 투과한 출사광이 통과할 수 있도록 된 공동(53)이 형성되어 있다.
또한, 상기 활성층(49)은 그 측면으로 출사되는 자발방출(spontaneous emission)광을 억제할 수 있도록 상기 공동(53)과 마주하는 영역(47)을 제외한 전영역에 고저항 영역(48)이 형성되어 있다. 이 고저항 영역(48)은 상기 제2 및 제3전극층(46,52)에 인가되는 전류의 흐름을 제한한다. 이 고저항 영역(48)은 이온주입을 통하여 형성되는 것이 바람직하다.
이 고저항 영역을 갖는 활성층(49)에서 그 하면으로 출사된 광을 수광하는 진성버퍼층(44)에도 상기 공동(53)과 마주하는 영역(42)을 제외한 영역에 걸쳐 고저항 영역(43)이 형성되어 상기 활성층(49)에서 출사된 자발 방출광의 흡수를 억제할 수 있도록 되어 있다. 이 진성버퍼층(44)의 고저항 영역(43)은 상기 활성층(49)의 고저항 영역(48)과 마찬가지로 이온주입에 의해 형성될 수 있다.
상기 활성층(49)의 전류가 집중되는 즉, 고저항 영역이 형성되지 않은 부분(47)과, 상기 진성버퍼층(44)의 고저항 영역이 형성되지 않은 부분(42)은 그 직경이 대략 5∼10㎛를 갖는다.
이와 같이 구비된 고저항 영역(48,43)을 갖는 활성층(49)과 진성버퍼층(44)을 일체로 적층 구비하므로써, 측면 자발 방출이 최대로 억제되므로 상기 진성버퍼층(44)에서 흡수되는 광량은 상기 활성층(49)에서 수직 상방향으로 상기 공동(53)을 통해 외부로 발사되는 출사빔의 광량에 비레한다.
따라서, 본 바렴에 따른 광검출기 일체형 표면광 레이저는 콤팩트한 구조의 광검출기 일체형 표면광 레이저를 구현하고, 출력되는 레이저 광에 비례하는 광을 수광하므로써, 레이저 광의 출력을 안정적으로 유지할 수 있는등 매우 유용하다.

Claims (4)

  1. 외부 전원이 연결되는 제1전극층과, 이 제1전극층 상에 마련된 기판과, 이 기판상에 적층되고 입사광을 흡수 할 수 있도록 된 진성 버퍼층과, 상기 진성 버퍼층 상에 고반사율을 가지는 다층의 반도체 물질이 적층된 하부 반사기층과, 이 하부 반사기층 상의 일부면에 적층되어 레이저 광을 생성하는 활성층과, 상기 하부 반사기층 상의 다른 면에 형성된 제2전극층과, 상기 활성층에서 생성된 광이 출사되도록 된 공동을 가지며 사기 상부 반사기층 상에 형성된 제3전극층이 구비된 광검출기 일체형 표면광 레이저에 있어서,
    상기 활성층은 상기 공동과 마주하는 영역에서 대부분의 레이저광이 생성되도록 그 내부의 상기 공동과 마주하지 않는 부분에 고저항영역이 형성되며,
    상기 활성층에서 출사된 자발 방출광의 흡수를 억제하도록 상기 진성 버퍼층 내부의 상기 공동과 마주하지 않는 부분에 고저항 영역이 형성된 것을 특징으로 하는 광검출기 일체형 표면광 레이저.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하부 반사기층은 상기 제2전극층이 증착된 부분이 상기 활성층의 적층된 부분 보다 그 두께가 얇도록 식각된 것을 특징으로 하는 광검출기 일체형 표면광 레이저.
  3. 제1항에 있어서, 상기 활성층과 진성버퍼층에 마련된 고저항 영역은 이온 주입에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 광검출기 일체형 표면광 레이저.
  4. 제1항에 있어서, 고저항 영역이 형성되지 않은 상기 활성층과 진성버퍼층의 영역이 대략 5∼10㎛의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 광검출기 일체형 표면광 레이저.
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