KR100472822B1 - 표면 발광 레이저 - Google Patents

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Abstract

레이저빔이 생성 및 증폭되도록 공진시키는 공진기 밖으로 출력되는 레이저빔의 일부를 반사시켜 공진기 내부로 되먹임시키며 공진기에 대해 오목거울로서 기능을 하는 되먹임 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 표면 발광 레이저가 개시되어 있다.
개시된 표면 발광 레이저에 의하면, 단일 기본 횡모드가 압도적으로 발진되어 중심에서의 강도가 가장 센 광출력을 얻을 수 있다. 또한, 개시된 표면 발광 레이저는, 지금까지 제안된 방법들에 비해 제조공정이 간단하여 재현성이 우수하다.

Description

표면 발광 레이저{Vertical cavity surface emitting laser}
본 발명은 표면 발광 레이저에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단일 기본 횡모드가 압도적으로 발진될 수 있는 표면 발광 레이저에 관한 것이다.
표면 발광 레이저(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)는 원형 레이저빔을 출사함에 따른 광섬유와의 높은 결합 효율(coupling efficiency), 어레이(array) 제작의 용이성 및 웨이퍼 상태에서의 에러 여부 및 특성 측정 가능성 등으로 인해 광통신 및 광연결 등에 유망한 광원으로 주목받고 있다. 특히, 선택적 산화(selective oxidation)에 의해 전류가 통과하는 개구를 제한하는 index-guided 표면 발광 레이저는 문턱 전류 및 소비전력이 매우 낮으며 효율이 높고 전류-광출력의 선형성이 뛰어나 근거리 통신용 송수신기 모듈, 컴퓨터와 디지털 디스플레이 장치들간의 광연결 등에 채용될 수 있으며, 일부 상품화가 진행중에 있다.
그런데, index-guided 표면 발광 레이저는 산화된 부분과 그렇지 않은 부분의 굴절율 차이가 매우 크기 때문에 원리적으로 다수의 횡방향 모드 발진이 가능할 뿐만 아니라, 또한 산화된 부분이 전류 주입을 제한하는 구조이기 때문에 산화된 영역에 의해 둘러싸인 개구의 바깥쪽으로 전류 주입이 용이해, 결과적으로 낮은 광출력에서 고차 횡모드로 발진하는 경향이 있다. 물론, 산화된 영역에 의해 둘러싸인 개구를 보다 작게 만들면 단일 횡모드 발진 효율을 어느 정도 증가시킬 수는 있지만, 그럴 경우 표면 발광 레이저 소자의 저항이 지나치게 커질 뿐만 아니라 레이저 발진을 위한 단면적이 감소됨으로써 전체적인 광출력이 저하되어 광통신용 소자 등에 적용하기 곤란해진다. 따라서, index-guided 표면 발광 레이저의 다중 횡모드 발진을 억제하고, 단일 횡모드 발진 출력을 향상시키기 위한 여러 방안이 제안된 바 있다. 단일 횡모드 발진 출력을 향상시키기 위해 제안된 방법으로는, 발진된 레이저빔이 출사되는 윈도우의 외곽 일부를 이온 빔을 이용하여 식각하는 방법, 선택적 산화 공정에 이온 주입 공정을 병행하는 방법, 활성층이 포함된 공진기를 보다 길게 형성하는 방법 등이 있다. 그러나, 지금까지 제안된 방법들은 공정이 다소 까다롭고 재현성이 떨어지는 단점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 점을 고려하여 안출된 것으로, 단일 기본 횡모드가 압도적으로 발진될 수 있으며, 제작 공정이 간단하고 재현성이 우수한 표면 발광 레이저를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 표면 발광 레이저는, 레이저빔이 생성 및 증폭되도록 공진시키는 공진기 밖으로 출력되는 레이저빔의 일부를 반사시켜 공진기 내부로 되먹임시키는 되먹임 부재;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 되먹임 부재는, 상기 공진기에 대해 오목 거울로서 작용하도록 된 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 표면 발광 레이저 구조의 구성 물질은 GaAs, GaSb, GaN, InP, ZnSe 중 어느 하나를 근간으로 하는 것이 바람직하다.
상기 되먹임 부재는, 레이저 발진 파장에 대해 투명하면서도 기판이나 기판 상부의 박막구조 물질과 격자 정합을 이루는 반도체 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 되먹임 부재는, 레이저 발진 파장에 대해 투명한 유기물이나 무기물 중 어느 한 물질로 이루어질 수도 있다.
상기 되먹임 부재는 상부반사기층의 윗면 및 기판 아래면 중 적어도 일 면에 위치될 수 있다.
상기 상부반사기층의 윗면에 위치되는 되먹임 부재의 유효 곡률 반경은 200 ∼ 500μm일 수 있다.
레이저 발진을 위한 이득 면적이 넓어지도록 레이저 발진 구경, 되먹임 부재의 유효 직경, 되먹임 부재의 곡률 반경 중 적어도 어느 한가지를 크게 하여 고출력이면서 기본 횡모드 발진이 가능하도록 될 수 있다.
발진되는 광의 회절력이 약하도록, 레이저 발진 구경, 상기 되먹임 부재의 유효 직경 중 적어도 어느 한 가지를 크게 하여, 상기 되먹임 부재가 공진기 외부로 출력된 광의 일부를 반사시켜 공진기 내부로 되먹임시키는 동시에, 공진기 외부로 출력되어 진행하는 광에 대해 렌즈로서 역할을 하여 집속광, 발산광이나 평행광이 출력되도록 마련될 수 있다.
전류 주입에 의해 레이저 발진이 일어나도록 될 수 있다.
이 경우, 선택적 산화나 이온 주입 방법에 의해 형성되어 전류 흐름을 제한하는 전류제한 구조를 더 구비하는 것이 바람직하다.
외부로부터 입력되는 광에 의한 펌핑에 의해 레이저 발진이 일어나도록 될 수도 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명에 따른 표면 발광 레이저의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 표면 발광 레이저를 개략적으로 보인 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 되먹임 부재 일체형 표면 발광 레이저는, 기판(100)과, 기판(100) 하면에 형성된 하부 전극(170)과, 기판(100) 상에 순차로 형성된 하부 반사기층(lower DBR(distributed Bragg reflector):110), 활성층(120), 전류 제한층(130) 및 상부 반사기층(upper DBR:140)과, 상부 반사기층(140) 상에 형성된 되먹임(feedback) 부재(150)와, 되먹임 부재(150) 주변의 상부 반사기층(140) 상에 형성된 상부 전극(160)을 포함하여 구성된다.
상기 기판(100)은 화합물 반도체 물질로 이루어진다. 예를 들어, 상기 기판(100)은 n+형으로 도핑된 갈륨-아세나이드(GaAs) 기판일 수 있다.
상기 하부 반사기층(110)과 상부 반사기층(140)은 상기 활성층(120)에서 광이 유도 방출되고 증폭될 수 있도록 하는 공진기를 구성한다. 상기 하부 반사기층(110)은 상기 기판(100)과 같은 형 예컨대, n형으로 도핑된다. 상기 상부 반사기층(140)은 상기 하부 반사기층(110)과 반대형 예컨대, p형으로 도핑된다.
상기 하부 반사기층(110)과 상부 반사기층(140)은 서로 다른 굴절율을 갖는 화합물 반도체 물질을 교대로 적층하여 형성된다. 이때, 도 1에 도시된 바와 같이 발생된 레이저빔이 상부 반사기층(140)을 통하여 출사되는 구조인 경우, 상부 반사기층(140)은 상대적으로 낮은 반사율을 갖고, 하부 반사기층(110)은 상부 반사기층(140)보다 높은 반사율을 갖도록 형성된다. 이러한 반사율은 화합물 반도체 물질의 적층수에 따라 달라지므로, 상기 상부 반사기층(140)이 하부 반사기층(110)보다 작은 적층수를 갖도록 형성하면 상부 반사기층(140)의 반사율을 하부 반사기층(110)보다 작게 할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 상부 반사기층(140)과 하부 반사기층(110)은 상,하부 전극(160)(170)을 통해 인가된 전류에 의하여 전자와 정공의 흐름을 유도하며, 활성층(120)에서 발생된 광을 반사시켜 그 공진 조건에 맞는 광만이 상기 상부 반사기층(140)을 통하여 출사되도록 한다.
상기 활성층(120)은 상기 상,하부 반사기층(140)(110)에서 제공된 정공과 전자의 재결합으로 인한 에너지 천이에 의하여 광을 생성하는 영역으로 예컨대, 다중 양자-우물 구조를 가진다.
상기 활성층(120) 상부에는 상기 상부 전극(160)을 통해 인가된 전류 흐름을 가이드하여 그 전류가 활성층(120)의 중앙부로 흐르도록 안내하는 전류 제한층(130)이 더 구비된 것이 바람직하다. 이 전류 제한층(130)은 활성층(120) 상부에 예비산화층을 적층하고, 이 예비산화층을 산화분위기에 노출시켜 그 외측부로부터 산화시키는 선택적 산화에 의해 형성될 수 있으며, 이 경우 전류 제한층(130)은 산화 영역(133)과, 그에 의해 둘러싸인 개구(131)로 이루어진다. 개구(131)는 산화되지 않은 영역으로 전류 및 광을 통과시킨다.
여기서, 본 발명에 따른 표면 발광 레이저에는 선택적 산화에 의해 전류 제한층(130)을 형성하는 대신에 이온 주입 등의 방법에 의해 전류 흐름을 제한하는 전류제한 구조를 형성할 수도 있다.
상기 되먹임 부재(150)는 상부 반사기층(140)을 투과하여 공진기 외부로 나온 출력 레이저광의 일부분을 도 2에 도시된 바와 같이 공진기 내부로 되먹임시킨다. 상기 되먹임 부재(150)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 볼록렌즈 형상의 렌즈 곡면(150a)을 구비하여, 상부 반사기층(140)과 하부 반사기층(110)에 의해 구성되는 공진기 측면에서 보면 오목 거울로서 역할을 하도록 된 것이 바람직하다.
이 경우, 상부 반사기층(140)을 투과하여 공진기 외부로 나온 출력 레이저광의 일부분은 도 2에 도시된 바와 같이, 이 오목 거울에 의해 반사되어 공진기 내부로 되먹임(feedback)된다. 일단 되먹임을 통해 공진기 내부로 들어온 빛은 공진기를 구성하고 있는 상부 반사기층(140)과 하부 반사기층(110) 즉, 상부 거울과 하부 거울을 만날 때마다 반사에 의해 그 진행 경로가 접히게 된다. 이와 동시에 되먹임된 빛은 되먹임 부재의 오목 거울 작용에 의해 공진기 내부를 왕복하면서 점차 작은 스폿으로 집속된다. 이때 광 집속작용에 의한 초점거리 즉, 최소 빔 웨이스트(minimum beam waist)의 위치는 오목 거울의 곡률 반경에 의해 결정된다.
본 실시예에 있어서, 오목거울로서 작용하는 상기 되먹임 부재(150)의 표면 즉, 렌즈 곡면(150a) 부분의 유효한 곡률 반경은 후술하는 바에서 알 수 있는 바와 같이 200 ~ 500μm 범위, 보다 바람직하게 대략 250 ~ 300μm 범위일 수 있다. 또한, 상기 되먹임 부재(150)는 레이저 발진이 일어나는 위치와 아주 근접(활성층(120)으로부터 대략 상부 반사기층(140) 및 일부 층을 포함하는 두께 만큼 떨어짐)되어 있으므로, 오목 거울로서 역할을 하는 되먹임 부재(150)의 유효 직경을 아주 작게 할 수 있다. 즉, 예를 들어 전류 제한층(130)의 개구(131)의 크기가 15μm라면, 상기 되먹임 부재(150)의 유효 직경은 30μm 정도의 크기로 할 수 있다.
상기와 같이 공진기 외부로 출력되는 레이저광의 일부를 공진기 내부로 되먹임시키는 오목 거울로서 역할을 하는 되먹임 부재(150)는 상부 반사기층(140) 상에, 상부 반사기층(140)을 이루는 물질과 격자 정합(lattice matching)되는 동시에, 그 상부 반사기층(140)을 투과하여 출사되는 레이저광을 흡수하지 않고 투과시키도록 본 발명에 따른 표면 발광 레이저에서 발진되는 파장보다 상대적으로 밴드갭이 큰 반도체 물질을 이용하여 형성될 수 있다.
예를 들어, 본 발명에 따른 표면 발광 레이저의 파장이 예컨대, 850 nm 파장의 레이저광을 출사하도록 되어 있고, 상기 기판(100)이 갈륨-아세나이드(GaAs)로 이루어진 경우, 상기 되먹임 부재(150)는 갈륨-아세나이드 격자와 크기가 거의 유사하여 격자 정합될 수 있는 인듐-갈륨-포스파이드(InGaP)로 이루어질 수 있다. 기판(100)을 이루는 갈륨-아세나이드와 격자 정합되는 인듐과 갈륨의 조성비는 대략 49%와 51%이다.
여기서, 본 발명에 의한 단일 횡방향 모드 발진을 위한 되먹임 부재(150)가 결합된 표면 발광 레이저 구조의 구성 물질은 위에서 예시로 든 갈륨-아세나이드 이외에도 다른 반도체 물질 예를 들어, 갈륨-안티모나이드(GaSb), 갈륨-질소(GaN), 인듐-포스파이드(InP), 아연-셀레나이드(ZnSe) 등을 근간으로 하는 구조일 수 있으며, 상기 되먹임 부재(150)는 이에 격자 정합될 수 있는 반도체 물질로 이루어질 수 있다.
되먹임 부재(150)를 본 발명에 따른 표면 발광 레이저에서 발진되는 파장보다 상대적으로 밴드갭이 큰 반도체 물질을 이용하여 형성하는 경우에는, 되먹임 부재(150)는 다음과 같이 제조될 수 있다.
즉, 표면 발광 레이저 제조를 위한 공정 중에 되먹임 부재 형성을 위한 반도체 물질층을 적층한 다음, 이 반도체 물질층을 습식 확산 제어식각 프로세스(diffusion-limited wet-etching process)에 의해 식각하면 렌즈면이 형성된다. 이외에도, 되먹임 부재(150)를 앞서 설명한 바와 같은 반도체 물질을 이용하여 형성하기 위해 다양한 방법이 이용될 수 있다..
여기서, 상기 되먹임 부재(150)는 반드시 반도체 물질로 이루어질 필요는 없다. 즉, 상기 되먹임 부재(150)는 본 발명에 따른 표면 발광 레이저에서 발진된 파장을 흡수하지 않고 투과시킬 수 있는 유기물질 예컨대, 폴리머나 무기물질 예컨대, 실리카 등의 다양한 물질을 이용하여 형성될 수 있다. 즉, 상기 되먹임 부재(150)는 동일한 효과를 얻을 수만 있다면, 어떤 물질, 어떤 제작 방법을 이용해서 형성된다해도 상관이 없다. 예를 들어, 상기 되먹임 부재(150)를 형성하기 위한 층을 상부 반사기층(140) 상부에 적층한 다음 식각 공정을 통해 렌즈 곡면을 형성하여 되먹임 부재(150)를 얻는 대신에, 되먹임 부재(150)를 별도로 제작하고, 이를 상부 반사기층(140) 상부에 부착시키는 것도 가능하다.
본 실시예에서는 되먹임 부재(150)가 전류 주입에 의한 표면 발광 레이저에 적용되는 것으로 설명 및 도시하고 있으나, 외부 광원 예컨대, 외부로부터 입력되는 다른 레이저 빔에 의한 광펌핑 (optical pumping)에 의해 2차적으로 발진하는 표면 발광 레이저에 대해서도 적용이 가능하다. 즉, 본 발명에 따른 표면 발광 레이저는 외부 광에 의한 펌핑에 의해 레이저 발진이 일어나도록 된 것일 수도 있다.
상기한 바와 같이 공진기에 대해 오목 거울로서 기능을 하는 되먹임 부재(150)를 구비한 본 발명에 따른 표면 발광 레이저는 도 3 및 도 4의 비교에서 알 수 있는 바와 같이, 단일 기본 횡모드 출력이 크게 향상된다. 도 3은 종래의 표면 발광 레이저의 광출력 1.5 mW에서 측정한 전형적인 원접장 패턴(Far Field Pattern)을 보인 그래프이다. 도 4는 본 발명에 따른 표면 발광 레이저가 도 3의 결과를 얻는데 적용된 종래의 표면 발광 레이저와 동일한 구경의 선택적 산화에 의해 형성된 개구(131)를 가질 때, 도 3의 경우와 동일 광출력에서 측정한 본 발명에 따른 표면 발광 레이저의 전형적인 원접장 패턴을 보인 그래프이다. 도 4에서 알 수 있는 것처럼, 본 발명에 따른 표면 발광 레이저는 종래의 표면 발광 레이저에 비해 가우시안 빔 패턴을 가지는 단일 기본 횡모드 출력이 크게 향상된다.
따라서, 본 발명에 따른 표면광 레이저에 의하면, 종래와는 달리 높은 광출력의 단일 기본 횡모드 레이저를 얻을 수 있다.
본 발명자들은 상기한 바와 같이 광의 일부를 공진기 내로 되먹임시키는 오목 거울로서 기능을 하는 되먹임 부재(150)를 구비한 본 발명에 따른 표면 발광 레이저에서 단일 기본 횡모드 출력이 압도적으로 발진될 수 있음을 이론적인 계산을 통해서도 확인하였다.
표면 발광 레이저에는 구조에 따라 몇 개의 횡방향 모드 (transverse mode)가 존재하게 된다. 상기 되먹임 부재(150)의 존재에 기인하여 각각의 횡방향 모드들의 되먹임된 부분에서는 위에서 설명한 광집속 효과에 의해 스폿의 크기가 점차 줄어들게 된다.
선택적 산화에 의해 형성된 전류 제한층을 가지는 표면 발광 레이저(oxide-confined VCSEL) 구조에서의 횡모드의 필드 프로파일을 Ψm(ρ,φ)(m=모드 계수)라 하고, 되먹임된 횡모드의 필드 프로파일을 Ψ'm(ρ,φ)라 하자.
활성층(120)은 되먹임된 레이저 빔의 다중 패스의 결과로서 축적된 필드 프로파일 Ψ'm(ρ,φ)을 경험할 것이므로, 상기 되먹임된 횡모드의 필드 프로파일 Ψ'm(ρ,φ)은 수학식 1과 같이 나타내질 수 있다.
수학식 1에서, n은 정수로서 광이 공진기내로 반사되는 회수, rL, rU는 도 2에 나타낸 바와 같은 공진기를 구성하는 하부 거울과 상부 거울의 반사율, zn은 n번 반사후에 전파 축(propagation axis)을 따른 활성층(120)의 유효 위치를 나타내며, zn = L - (n-1/2)Lceff 이다.
여기서, 도 2를 참조하면, L은 상부 거울로부터 되먹임되는 광의 가우시안 빔 웨이스트(gaussian beam waist:가우시안 빔의 크기가 가장 작아지는 부분) 까지의 거리, Lceff는 유효 공진기 길이를 나타낸다. z축의 원점은 최소 빔 웨이스트(munimum beam waist) 즉, 오목 거울의 초점이 된다.
U(ρ,zn)은 광집속효과를 나타내는 가우시안 빔 진폭 함수(Gaussian beam amplitude function)를 나타낸다. 이때, 가우시안 빔 진폭 함수에 위상 요소가 필요하지 않은 이유는 Lceff의 위상이 2π의 배수이기 때문이다.
도 5는 표면 발광 레이저에서 원래 존재할 수 있는 가장 낮은 네 개의 횡방향 모드들 및 이에 대응하는 되먹임된 횡방향 모드들의 필드 프로파일을 보여준다. 도 5에서 실선과 점선 사이에는 180°의 위상차가 존재한다.
도 5에서 LPm 1은 필드 프로파일 Ψm(ρ,φ)에 대응하는 횡방향 모드(m=0,1,2,3), LP'm 1은 필드 프로파일 Ψ'm(ρ,φ)에 대응하는 되먹임된 횡방향 모드(m=0,1,2,3)를 나타낸다.
도 5에서 LP01 (기본 1차 모드), LP11(2차 모드), LP21(3차 모드), LP31 (4차 모드)은 표면 발광 레이저에서 본래 존재할 수 있는 가장 낮은 네 개의 횡방향 모드이고, LP'01, LP'11, LP'21, LP'31은 이에 대응하는 앞서 설명한 광집속효과에 의해 스폿의 크기가 축소된 되먹임된 횡방향 모드이다. 되먹임된 횡방향 모드들(LP'01, LP'11, LP'21, LP'31)에 대한 필드 프로파일 Ψ'm(ρ,φ)은 양자 우물 구조의 활성층(120)에 의해 느껴지는 유효한 필드 강도(strength)로서, 앞서 설명한 광집속 효과에 의해 원래의 횡방향 모드들에 비해 스폿의 크기가 줄어든다.
레이저 작용은 고도의 비선형 현상이기 때문에, 아주 작은 량의 광 피드백이 결과적인 레이징 행동(lasing behavior)에 크게 영향을 미칠 수 있음이 잘 알려져 있다. 따라서, 축소된 되먹임 모드들은 원래의 모드들에 영향을 미쳐 모드들간의 구조적인 선호도를 결정하게 되는데, 이에 대한 지표로서 사용할 수 있는 것이 원래 모드와 되먹임된 모드들 간의 중첩 적분 (overlap integral)이다.
수학식 2는 원래 모드의 필드 프로파일 Ψm(ρ,φ)와 되먹임된 횡방향 모드의 필드 프로파일 Ψ'm'(ρ,φ) 간의 중첩 적분(Imm ')을 보여준다.
도 6은 수학식 2에 따라 4×4 행렬 형태로 본래 모드 LPm 1와 되먹임된 모드LP'm'1 간의 모든 가능한 조합에 대한 중첩 적분(Imm')의 수적인 계산 결과를 정규화하여 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 같은 모드 계수들 끼리의 중첩 적분은 크게 나타나는 반면에, 모드 계수가 서로 다른 모드들 간(off-diagonal term)의 중첩 적분은 거의 제로가 된다.
도 6 및 수학식 2를 참조로 설명한 바와 같은, 선택적 산화법에 의해 형성된 전류제한층을 갖는 표면 발광 레이저 구조에 대한 모델 계산 결과 예에 의하면, 되먹임시 기본 모드는 2차, 3차, 4차등의 고차 모드에 비하여 상대적으로 4배, 17배, 67배 선호도가 크게 나타난다.
따라서, 결국 본 발명에 따른 표면 발광 레이저는 중심에서 광의 세기가 최대인 기본 모드를 구조적으로 선호하여 본 레이저 발진을 기본 모드로 로킹(locking)할 수 있다.
한편, 도 7은 되먹임 부재(150)의 렌즈 곡면(150a)의 곡율 반경 변화에 따른 2차, 3차 및 4차 모드들 간의 중첩 적분(I22, I33, I44)을 기본 모드들간의 중첩 적분(I11)으로 정규화하여 나타낸 그래프이다.
도 7에 보여진 바와 같이, 되먹임 부재(1040)의 곡율 반경에 따라 기본 모드들간의 중첩 적분에 대한 고차 모드들간의 중첩 적분의 비율이 변한다.
따라서, 중첩 적분 계산 결과를 이용하면 고차 모드를 억제하면서 기본 모드로 로킹을 최대화할 수 있는 최적의 되먹임 부재(150)의 곡률 반경을 구할 수 있다.
도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 되먹임 부재(150)의 유효 곡률 반경을 대략 200 ∼ 500μm 범위 예를 들어, 대략 300μm 크기로 하면, 기본 모드간의 중첩 적분에 비해 2차 모드 간의 중첩 적분이 최소화되므로, 2차 모드에 비해 기본 모드가 압도적으로 커서 레이저가 기본 모드로 발진할 가능성이 매우 높아진다.
여기서, 본 발명에 따른 표면 발광 레이저에서 되먹임 부재(150)의 곡률 반경은 200 ∼ 500μm 범위로 한정되는 것은 아니며, 표면 발광 레이저의 구조에 따라 달라질 수 있다.
이상에서는 본 발명에 따른 표면 발광 레이저가 상부 반사기층(140)을 통하여 레이저빔을 출사시키는 top emitting type 이고, 되먹임 부재가 상부 반사기층(140) 상부에 형성되는 것으로 설명 및 도시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
즉, 본 발명에 따른 표면 발광 레이저는 도 8에 도시된 바와 같이, top emitting type 이면서 레이저의 횡모드를 기본 모드로 로킹해주는 되먹임 부재(150)가 기판(100) 아래에 위치하는 구조로 될 수도 있다. 이때, 상부 전극(160)과 하부 전극(170)의 구조 및 재질은 적절히 변경될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 표면 발광 레이저는 기판(100)을 통하여 레이저빔을 출사시키는 bottom emitting type이면서, 레이저의 횡모드를 기본 모드로 로킹해주기 위한 되먹임 부재(150)는 도 2 및 도 8에 도시된 바와 같이, 상부 반사기층(140) 상부에 위치되거나 기판(100) 아래에 위치하는 구조로 될 수도 있다.
한편, 도 8에서와 같이, 기판(100)의 아랫면에 되먹임 부재(150)가 형성되는 경우, 활성층(120)과 되먹임 부재(150) 사이의 거리가 기판(100) 두께 만큼 늘어나므로, 되먹임 부재(150)의 곡률 반경이나 구경 (aperture) 크기 등 구조적인 변경이 수반되어야 하지만 기본 모드로 로킹하는 작동 원리는 되먹임 부재(150)가 상부 반사기층(140)의 상부에 형성될 때와 실질적으로 같다.
한편, 본 발명에 따른 표면 발광 레이저에서는, 표면 발광 레이저의 발진 구경, 되먹임 부재(150)의 유효 직경 및 되먹임 부재(150)의 곡률 반경 중 적어도 어느 한 가지를 레이저 발진에 기여하는 이득 (gain) 면적을 충분히 넓힐 수 있도록 수백 마이크로미터 이상으로 늘릴 수도 있는데, 이와 같이 이득 면적이 넓어지는 경우에는 고출력이면서 기본 횡모드 발진이 가능해진다. 즉, 본 발명에 따른 표면 발광 레이저는 이득 면적이 충분히 넓어지는 구조를 형성될 수도 있는데, 이 경우 본 발명에 따른 표면 발광 레이저는 기본 횡모드 발진이 가능한 고출력 레이저로 제작이 가능해지는 이점이 있다. 여기서, 상기 레이저 발진 구경은 예를 들어, 전류 제한층(130)의 개구(131)의 직경이 될 수 있다.
여기서, 표면 발광 레이저의 발진 구경이나 되먹임 부재(150)의 유효 직경을 예를 들어, 수백 마이크로미터 정도로 크게 하면 레이저 발진이 일어나는 이득 면적이 넓어짐은 당연하다. 또한, 예를 들어, 되먹임 부재(150)가 기판(100) 아래면에 위치시키되는 경우 구조적으로 공진기와 되먹임 부재(150) 사이의 거리가 기판(100) 두께만큼 늘어났으므로 오목 거울의 곡률 반경을 그에 대응되게 늘리게 되고, 이와 같이 늘어난 곡률 반경으로 인하여 가우시안 빔의 웨이스트가 매우 완만하게 줄어들기 때문에, 가우시안 빔이 활성층(120)의 상당한 면적을 커버할 수 있게 되어 이득면적이 자연스럽게 늘어나게 된다.
상기한 바와 같은 고출력 레이저용으로 적용되려면, 본 발명에 따른 표면 발광 레이저는 index-guided 보다는 상대적으로 적은 수의 횡방향 모드를 지원하는 gain-guided 구조로 되는 것이 보다 바람직하다.
본 발명에 따른 표면 발광 레이저로부터 출사되는 광의 회절이 약하도록, 레이저 발진 구경 및 되먹임 부재(150)의 유효 직경을 크게 하여, 레이저 빔이 출사되는 구경의 크기를 크게 하면, 되먹임 부재(150)는 공진기 외부로 출력된 광의 일부를 반사시켜 공진기 내부로 되먹임시키는 동시에, 공진기 외부로 출력되어 진행하는 광에 대해 렌즈로서 역할을 하여 집속광이나 발산광, 혹은 평행광으로 만들어 줄 수 있다.
여기서, 레이저 빔이 출사되는 구경이 너무 작으면 렌즈의 집속력이 발진되는 광의 회절력에 의해 상쇄되어 버리므로, 광이 렌즈에 의해 집속되기 어렵다. 반대로 레이저 빔이 방출되는 구경이 충분히 커서 발진되는 광의 회절력이 약하면, 발진되는 광은 렌즈의 집속력에 의해 집속광, 발산광 또는 평행광으로 만들어질 수 있다.
따라서, 레이저 발진 구경 및 되먹임 부재의 직경이 큰 구조의 본 발명에 따른 표면 발광 레이저를 광통신 등에 응용할 때에는, 광섬유와의 결합을 위한 집속렌즈 등을 없앨 수 있으며, 이에 따라 표면 발광 레이저에서 출사된 레이저빔과 집속렌즈를 광축 정렬시키는 과정을 생략시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명에 따른 표면 발광 레이저가 상부 반사기층(140) 상부 및 기판(100) 아랫면 중 어느 한면에만 되먹임 부재(150)를 구비하는 것으로 설명 및 도시하였는데, 본 발명에 따른 표면 발광 레이저는 상부 반사기층(140) 상부 및 기판(120) 아랫면 각각에 출력되는 광의 일부를 되먹임시키기 위한 되먹임 부재(150)를 구비할 수도 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 표면 발광 레이저는 공진기 외부로 출력되는 광의 일부를 반사시켜 공진기 내부로 되먹임 시키며, 공진기에 대해 오목 거울로서 기능을 하는 되먹임 부재를 구비하므로, 단일 기본 횡모드가 압도적으로 발진되어 중심에서의 강도가 가장 센 광출력을 얻을 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 표면 발광 레이저는, 지금까지 제안된 방법들에 비해 제조공정이 간단하여 재현성이 우수하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 발광 레이저를 개략적으로 보인 도면,
도 2는 본 발명에 따른 표면 발광 레이저에서 단일 횡모드가 향상된 레이저빔이 출력되는 원리를 설명하기 위한 도면,
도 3은 종래의 표면 발광 레이저의 광출력 1.5 mW에서 측정한 전형적인 원접장 패턴(Far Field Pattern)을 보인 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 일체형 표면 발광 레이저가 도 3에 적용되는 종래의 표면 발광 레이저와 동일한 구경의 선택적 산화에 의해 형성된 개구를 가질 때, 도 3의 경우와 동일 광출력에서 측정한 본 발명에 따른 표면 발광 레이저의 전형적인 원접장 패턴을 보인 그래프,
도 5는 표면 발광 레이저에서 원래 존재할 수 있는 가장 낮은 네 개의 횡방향 모드들 및 이에 대응하는 되먹임된 횡방향 모드들의 필드 프로파일을 보인 도면,
도 6은 수학식 2에 따라 4×4 행렬 형태로 본래 모드 LPm 1와 되먹임된 모드LP'm1 간의 모든 가능한 조합에 대한 중첩 적분(Imm')의 수적인 계산 결과를 정규화하여 도식적으로 나타낸 도면,
도 7은 되먹임 부재의 렌즈 곡면의 곡율 반경 변화에 따른 2차, 3차 및 4차 모드들 간의 중첩 적분(I22, I33, I44)을 기본 모드들간의 중첩 적분(I 11)으로 정규화하여 나타낸 그래프,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면 발광 레이저를 개략적으로 보인 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100...기판 110,140...하부 및 상부반사기층
120...활성층 130...전류제한층
131...개구 150...되먹임 부재

Claims (12)

  1. 기판과;
    상기 기판의 일면 상에 형성된 제1반사기층과;
    광을 발생시키도록 상기 제1반사기층 상에 형성된 활성층과;
    상기 활성층 상에 형성되며, 상기 활성층에서 발생된 광으로부터 레이저빔을 발생시키도록 상기 제1반사기층과 함께 공진기를 형성하는 제2반사기층과;
    상기 제2반사기층의 상면 및 상기 기판의 바닥면 중 어느 한 곳에 형성되며, 상기 제1 및 제2반사기층 중 어느 하나를 통하여 상기 공진기로부터 출력되는 레이저빔을 수신하도록 위치된 되먹임 부재;를 구비하며,
    상기 되먹임 부재는, 상기 공진기 밖으로 출력되는 레이저빔의 일부를 반사시켜 상기 공진기 내부로 되먹임시키며, 상기 레이저빔의 파장에 대해 투명한 물질로 이루어지고,
    상기 공진기로부터 레이저빔이 출력되는 상기 제1 및 제2반사기층 중 어느 하나는 상기 제1 및 제2반사기층 중 나머지 하나의 반사율보다 상대적으로 낮은 반사율을 가지는 것을 특징으로 하는 표면 발광 레이저.
  2. 제1항에 있어서, 상기 되먹임 부재는, 상기 공진기에 대해 오목 거울로서 작용하도록 된 것을 특징으로 하는 표면 발광 레이저.
  3. 제1항에 있어서, 표면 발광 레이저 구조의 구성 물질은 GaAs, GaSb, GaN, InP, ZnSe 중 어느 하나를 근간으로 하는 것을 특징으로 하는 표면 발광 레이저.
  4. 제1항에 있어서, 상기 되먹임 부재는, 레이저 발진 파장에 대해 투명하면서도 기판이나 기판 상부의 박막구조 물질과 격자 정합을 이루는 반도체 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 발광 레이저.
  5. 제1항에 있어서, 상기 되먹임 부재는, 레이저 발진 파장에 대해 투명한 유기물이나 무기물 중 어느 한 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 발광 레이저.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 되먹임 부재는 상부반사기층의 윗면 및 기판 아래면 중 적어도 일 면에 위치되는 것을 특징으로 하는 표면 발광 레이저.
  7. 제6항에 있어서, 상기 상부반사기층의 윗면에 위치되는 되먹임 부재의 유효 곡률 반경은 200 ∼ 500μm인 것을 특징으로 하는 표면 발광 레이저.
  8. 제6항에 있어서, 레이저 발진을 위한 이득 면적이 넓어지도록 레이저 발진 구경, 되먹임 부재의 유효 직경, 되먹임 부재의 곡률 반경 중 적어도 어느 한가지를 크게 하여 고출력이면서 기본 횡모드 발진이 가능하도록 된 것을 특징으로 하는 표면 발광 레이저.
  9. 제6항에 있어서, 발진되는 광의 회절력이 약하도록, 레이저 발진 구경, 상기 되먹임 부재의 유효 직경 중 적어도 어느 한 가지를 크게 하여, 상기 되먹임 부재가 공진기 외부로 출력된 광의 일부를 반사시켜 공진기 내부로 되먹임시키는 동시에, 공진기 외부로 출력되어 진행하는 광에 대해 렌즈로서 역할을 하여 집속광, 발산광이나 평행광이 출력되도록 된 것을 특징으로 하는 표면 발광 레이저.
  10. 제6항에 있어서, 전류 주입에 의해 레이저 발진이 일어나도록 된 것을 특징으로 하는 표면 발광 레이저.
  11. 제10항에 있어서, 선택적 산화나 이온 주입 방법에 의해 형성되어 전류 흐름을 제한하는 전류제한 구조를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 표면 발광 레이저.
  12. 제6항에 있어서, 외부로부터 입력되는 광에 의한 펌핑에 의해 레이저 발진이 일어나도록 된 것을 특징으로 하는 표면 발광 레이저.
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