KR100542836B1

KR100542836B1 - 곡면 반사형 표면광 레이저

Info

Publication number: KR100542836B1
Application number: KR1020030001108A
Authority: KR
Inventors: 이용희; 이금희; 김규상
Original assignee: 옵티시스 주식회사
Priority date: 2003-01-08
Filing date: 2003-01-08
Publication date: 2006-01-20
Also published as: KR20040063624A

Abstract

레이저 발진을 위한 능동매질층과, 능동매질층 상,하부에 형성되는 상부 반사기 및 하부 반사기를 구비하며, 상부 반사기 및 하부 반사기 중 적어도 어느 하나가 평면 반사기와 곡면 반사기의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 곡면 반사형 표면광 레이저가 개시되어 있다.

개시된 곡면 반사형 표면광 레이저에 의하면, 곡면 반사기가 단일 횡모드를 제외한 고차모드를 제한하여, 넓은 구동전류범위에서 고출력 단일 횡모드를 얻어낼 수 있다.

Description

곡면 반사형 표면광 레이저{Curved mirror vertical-cavity surface emitting laser device}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 곡면 반사형 표면광 레이저를 개략적으로 보인 단면도,

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 곡면 반사형 표면광 레이저를 개략적으로 보인 단면도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10,10'...기판 20,150...평면 반사기

30...능동매질층 40...전류 제한층

50...상부 반사기 60,160...곡면 반사기

71,171...상부 전극 75,175...하부 전극

본 발명은 표면광 레이저(vertical-cavity surface emitting laser)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 넓은 범위에서 높은 구동전류를 주입해서도 최적의 고출력 단일 횡모드 만의 출력광을 얻어낼 수 있는 곡면 반사형 표면광 레이저에 관한 것이다.

표면광 레이저는 대략적으로 원형의 레이저빔을 출사함에 따른 광섬유와의 높은 결합 효율(coupling efficiency), 어레이(array) 제작의 용이성 등으로 인해, 광연결(optical interconnection) 등에 있어서의 핵심 소자로서 각광을 받고 있으며, 통신 시장에서의 수요가 가히 폭발적으로 증가하고 있는 실정이다.

통신정보 처리량의 증가 속도는 이미 예상을 뛰어 넘고 있으며 이러한 대용량의 빠른 정보처리를 위해서 가장 절실하게 요구되고 있는 광소자가 바로 고출력 단일 횡모드를 갖는 광원이다. 이러한 단일 횡모드 광원을 이용하면 광섬유를 통하여 고차모드를 갖는 광원에 비해 보다 많은 광 정보량을 먼거리까지 손실없이 고속변조로 빠르게 보낼 수 있다.

이러한 고출력 단일 횡모드를 갖는 광원의 요구에 부응하기 위해, 단일 횡모드 출력 특성을 갖는 표면광 레이저를 개발하기 위한 노력이 행해져 왔다.

종래에는 단일 횡모드 출력 특성을 갖는 표면광 레이저를 실현하기 위해, 평면경을 상부 반사기와 하부 반사기으로 사용하고, 전류 제한층의 개구 크기를 작게 하고 낮은 구동전류범위에서 전류를 주입하여 고차 횡모드의 발진을 억제하였다. 하지만, 상,하부 반사기으로 평면경을 사용하였기 때문에 전류 제한층의 크기가 커지거나, 주입 전류가 높아지면 단일 횡모드 발진이 아닌 고차 복합 횡모드 발진을 피할 수가 없었다. 레이저 공진 이론에 따르면, 평면경의 경우 그 크기가 아주 작은 경우를 제외하고는 단일 횡모드의 획득이 매우 어렵다고 알려져 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 넓은 구동전류범위에서 최적의 고출력 단일 횡모드 출력광을 얻어낼 수 있는 곡면 반사형 표면광 레이저를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 레이저 발진을 위한 능동매질층과, 상기 능동매질층 상,하부에 형성되는 상부 반사기 및 하부 반사기를 구비하는 표면광 레이저에 있어서, 상기 상부 반사기 및 하부 반사기 중 적어도 어느 하나는 평면 반사기와 곡면 반사기의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 곡면 반사기는 렌즈 곡면 상에 적어도 하나의 유전체 박막층을 형성한 구조로 되어 있다.

본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 하부 반사기는 평면 반사기와 곡면 반사기의 조합으로 이루어져 있으며, 상기 렌즈 곡면은 기판에 형성되어 있다.

이때, 상기 렌즈 곡면은 상기 기판에 브롬을 이용한 습식식각에 의해 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 기판은 도핑 정도가 1×10¹⁸ cm^-3보다 작게 되어, 기판에서의 광흡수에 의한 손실을 최소화할 수 있도록 된 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 상부 반사기는 평면 반사기와 곡면 반사기의 조합으로 이루어져 있으며, 상기 평면 반사기 상에 중간층이 구비되고, 상기 렌즈 곡면은 이 중간층에 형성되어 있다.

이때, 상기 렌즈 곡면은 상기 중간층에 브롬을 이용한 습식 식각에 의해 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 곡면 반사기의 반사율은 상기 유전체 박막층 수에 따라 변화된다.

상기 곡면 반사기는 볼록경인 것이 바람직하다.

레이저가 발진하는 중앙부분으로만 전류를 흐르게 하는 전류 제한층;을 더 구비하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명에 따른 곡면 반사형 표면광 레이저의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 곡면 반사형 표면광 레이저를 개략적으로 보인 단면도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 곡면 반사형 표면광 레이저는, 기판(10)과, 레이저 발진을 위한 능동매질층(30)과, 능동매질층(30) 상,하부에 형성되는 상부 반사기(50) 및 하부 반사기와, 상,하부 전극(71)(75)을 구비하며, 상기 하부 반사기가 평면 반사기(20)와 곡면 반사기(60)의 조합으로 이루어진 구조로 되어 있다.

상기 기판(10)은 화합물 반도체 물질로 이루어진다. 예를 들어, 상기 기판(10)은 n+형으로 도핑된 갈륨-아세나이드(GaAs) 기판을 구비할 수 있다.

상기 능동매질층(30)은 정공과 전자의 재결합으로 인한 에너지 천이에 의해 광이 생성되는 영역으로 다중 양자-우물 구조를 가진다. 상기 능동매질층(30)은 상 기 상부 반사기(50) 및 하부 반사기로 이루어진 공진기 내부에 형성되는 전기장 세기 최대 극점 위치에 존재하며, 그 하부과 상부에는 각각 하부 클래드층(31)과 상부 클래드층(35)이 위치된다.

상기 능동매질층(30)의 상부 바람직하게는, 상부 클래드층(35)과 상부 반사기(50)층 사이에는 상,하부 전극(71)(75)을 통해 인가된 전류 흐름을 가이드하여 그 전류가 능동매질층(30)의 중앙부로 흐르도록 안내하는 전류 제한층(40)이 더 구비된 것이 바람직하다. 상기 전류 제한층(40)은 표면광 레이저의 중앙부분으로만 전류가 흘러 레이저 발진이 일어나도록 한다.

상기 전류 제한층(40)은 측면산화법에 의해 형성되는 산화막층인 것이 바람직하다. 산화막층은 상부 클래드층(35) 상에 예비산화층을 적층하고, 이 예비산화층의 외측부를 산화분위기에 노출시켜 그 외측부로부터 산화시켜 형성될 수 있다. 전류 제한층(40) 즉, 산화막층의 가운데 부분에는 개구(40a)가 형성되는데, 측면산화시간을 조절하면 개구(40a)의 크기를 조절할 수 있다. 측면산화에 의해 형성된 전류 제한층(40)의 경우, 개구(40a)는 예비산화층 물질이 산화되지 않고 남아 있는 영역이다. 전류는 상기 개구(40a)를 통해서만 흐른다.

여기서, 상기 전류 제한층(40)은 측면산화방법 이외에 양성자 주입 방식 등에 의해서도 형성될 수 있다.

상기 상부 반사기(50)과 하부 반사기는 상기 능동매질층(30)에서 광이 유도 방출되고 증폭될 수 있도록 하는 공진기를 구성한다.

상기 상부 반사기(50)는 DBR(distributed Bragg Reflector) 구조로 된 평면 반사기로, 서로 다른 굴절율을 갖는 화합물 반도체 물질을 교대로 적층하여 형성된다.

상기 하부 반사기는 평면 반사기(20)와 곡면 반사기(60)의 조합으로 이루어진다. 상기 하부 반사기를 이루는 평면 반사기(20)는 상기 상부 반사기(50)와 마찬가지로 DBR 구조를 가진다.

여기서, 상기 하부 반사기의 평면 반사기(20)는 상기 기판(10)과 같은 형 예컨대, n형으로 도핑된다. 상기 상부 반사기(50)는 상기 하부 반사기의 평면 반사기(20)와 반대형 예컨대, p형으로 도핑된다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 기판 하면을 통하여 레이저광을 방출시키는 하부 출사형(bottom emitting type)인 경우, 상기 상부 반사기(50)의 반사율이 하부 반사기의 반사율보다 높게 형성된 것이 바람직하다. 상부 반사기(50)의 반사율 및 하부 반사기의 평면 반사기(20)의 반사율은 화합물 반도체 물질층의 적층 수에 따라 달라진다.

여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면광 레이저는 상부 반사기(50)의 반사율이 하부 반사기의 반사율보다 작도록 하여 상방으로 레이저광을 방출시키는 상부 출사형(top emitting type)으로 변형될 수도 있다. 물론, 이 경우에는 상부 전극(71)이 광을 방출시키기 위한 윈도우 영역이 개구된 구조로 형성되거나, 투명 전극으로 형성되어야 한다.

본 실시예에 있어서, 상기 곡면 반사기(60)는 기판(10)에 렌즈 곡면(61)을 형성하고, 이 렌즈 곡면(61) 상에 유전체 박막층(65)을 형성하여 제작할 수 있다. 상기 곡면 반사기(60)는 볼록경인 것이 바람직하다.

상기 렌즈 곡면(61)은 기판(10)에 습식 식각 특히, 브롬을 이용한 습식 확산제어 식각(diffusion-limited wet-etching process)에 의해 형성될 수 있다.

즉, 기판(10) 하면에 원형 패턴을 형성한 시료를 예컨대, 브롬산 첨가 화합물 (HBr : H₃PO₄ : K₂Cr₂O₇ 등의 화합물) 용액 내에 담그면, 브롬(Br₂)의 작용에 의해 시료의 원형패턴 안이 식각되고, 이에 의해 볼록한 렌즈 곡면(61)이 형성된다. 그 렌즈 곡면(61) 위에 적어도 하나의 유전체 박막층(65)을 형성하면 상기 곡면 반사기(60)를 제작할 수 있다.

상기와 같은 곡면 반사기(60)의 반사율은 유전체 박막층(65)의 수에 따라 변화될 수 있다.

상기와 같이, DBR구조의 평면 반사기(20)와 곡면 반사기(60)의 조합으로 이루어진 하부 반사기에 있어서, 평면 반사기(20)는 하부 반사기의 반사율의 80%정도를 차지하고, 곡면 반사기(60)는 하부 반사기의 반사율의 20% 정도를 차지하도록 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우, 브롬산 첨가 화합물 용액에 의해 기판(10)이 습식 식각되어 만들어진 렌즈 곡면(61)의 표면 상태의 영향을 줄일 수 있는 이점이 있다.

상기와 같이 DBR구조의 평면 반사기(20)와 곡면 반사기(60)의 조합으로 이루어진 하부 반사기를 구비한 본 발명의 일 실시예에 따른 표면광 레이저에서는, 곡면 반사기(60)가 단일횡모드를 제외한 고차모드를 제한하는 역할을 하므로, 단일 횡모드의 고출력광이 출력될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서와 같이, 기판(10)에 곡면 반사기(60)를 형성하여, 공진기로 사용되는 하부 반사기가 능동매질층(30)과 기판(10) 사이에 위치된 DBR 구조의 평면 반사기(20)와 기판(10)에 형성된 곡면 반사기(60)의 조합으로 이루어진 경우에는, 기판(10)에서의 광흡수에 의한 손실을 최소화할 수 있도록, 상기 기판(10)은 도핑 정도가 1×10¹⁸ cm^-3보다 작게 된 것이 바람직하다.

상기 상,하부 전극(71)(75)은 모드제한 및 전류공급을 위한 것이다. 상기 상부 전극(71)은 상기 상부 반사기(50) 상에 형성되고, 상기 하부 전극(75)은 상기 기판(10) 저면에 형성된다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면광 레이저가 기판(10)에 형성된 곡면 반사기(60)를 통해 광을 방출시키도록 된 경우, 하부 전극(75)은 광을 방출시키는 윈도우(W) 영역이 개구되도록, 상기 곡면 반사기(60)를 제외한 영역에 형성된 것이 바람직하다. 이 하부 전극(75)의 개구 크기는 모드 제한에 기여한다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면광 레이저를 개략적으로 보인 것으로, 도 1에 도시된 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면광 레이저와 비교해볼 때, 상부 반사기가 DBR 구조의 평면 반사기(150)와 곡면 반사기(160))의 조합으로 이루어지고, 하부 반사기(120)가 DBR 구조의 평면 반사기 구조인 점에 차이가 있다.

상기 상부 반사기의 평면 반사기(150)는 전류 제한층(40) 상에 서로 굴절율 이 다른 화합물 반도체 물질을 교대로 적층하여 형성되며, 상기 하부 반사기(120)와 반대형으로 도핑된다. 여기서, 상기 하부 반사기(120)는 상기 하부 반사기의 평면 반사기(150)와 마찬가지로 기판(10')상에 서로 굴절율이 다른 화합물 반도체 물질을 교대로 적층하여 형성되며 기판(10')과 같은 형으로 도핑된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면광 레이저가 상방을 통하여 레이저 광을 방출시키도록 된 경우, 상기 하부 반사기(120)가 상기 상부 반사기보다 높은 반사율을 가지도록 형성된다.

상기 곡면 반사기(160))는 평면 반사기(150) 상에 형성된 중간층(180)에 렌즈 곡면(161)을 형성하고, 이 렌즈 곡면(161) 상에 적어도 하나의 유전체 박막층(165)을 형성하여 제작할 수 있다. 물론, 이때에도 곡면 반사기(160))는 볼록경인 것이 바람직하며, 그 반사율은 유전체 박막층(165)의 수에 따라 변화될 수 있다.

상기 평면 반사기(150) 상에 중간층(180)을 형성하고, 이 중간층(180)의 상면에 원형 패턴을 형성한 시료를 예컨대, 브롬산 첨가 화합물 용액 내에 담그면, 볼록한 렌즈 곡면(161)을 형성되므로, 이 렌즈 곡면(161) 위에 유전체 박막을 형성하면 상기와 같은 곡면 반사기(160))를 제작할 수 있다.

앞선 실시예에서의 하부 반사기의 경우와 마찬가지로, 본 실시예의 상부 반사기에 있어서, 평면 반사기(150)는 상부 반사기의 반사율의 대략 80% 정도를 차지하고, 곡면 반사기(160))는 상부 반사기의 반사율의 20% 정도를 차지하도록 형성되어, 브롬산 첨가 화합물 용액에 의해 중간층(180)이 습식 식각되어 만들어진 렌즈 곡면(161)의 표면 상태의 영향을 줄일 수 있도록 된 것이 바람직하다.

한편, 본 실시예에 있어서, 상부 전극(171)은 곡면 반사기(160)) 영역을 제외한 중간층(180) 상에 광을 방출시킬 수 있는 윈도우(W) 영역이 개구되도록 형성되며, 하부 전극(175)은 기판(10') 하면에 전체적으로 형성될 수 있다.

이상에서는 본 발명에 따른 표면광 레이저가 상부 반사기 및 하부 반사기 중 어느 하나를 평면 반사기와 곡면 반사기가 조합된 구조로 형성하는 것으로 설명 및 도시하였는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

즉, 본 발명에 따른 표면광 레이저는 본 발명의 일 실시예에서의 하부 반사기와 본 발명의 다른 실시예에서의 상부 반사기를 모두 구비하여, 상부 반사기 및 하부 반사기가 모두 평면 반사기와 곡면 반사기가 조합된 구조로 형성되는 것도 가능하다.

상기와 같은 본 발명에 따른 표면광 레이저에 의하면, 상부 반사기 및 하부 반사기 중 적어도 어느 하나가, 브롬을 이용한 간단한 습식 식각에 의해 렌즈 곡면을 형성하고 그 렌즈 곡면 위에 적어도 하나의 유전체 박막층을 형성하여 얻어진 곡면 반사기와 DBR 구조의 평면 반사기의 조합으로 이루어진 구성을 가진다.

이러한 본 발명에 따른 표면광 레이저는, 복잡한 작업 공정을 거치지 않으면서도 보다 큰 단일 횡모드 고출력 원형광을 손쉽게 얻을 수 있는 장점이 있다.

즉, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 곡면 반사형 표면광 레이저에 의하면, 예컨대, 브롬산 화합물 용액에서 습식 식각하여 만들어진 곡률을 지닌 렌즈 곡면에 유전체 박막층을 증착하여 얻어진 곡면 반사기를 도입함으로써, 곡면 반사기가 단 일 횡모드를 제외한 고차모드를 제한하여, 넓은 구동전류범위에서 출력광이 5㎛ 이상인 최적의 고출력 단일 횡모드를 얻어낼 수 있다.

이때, 평면 반사기와 곡면 반사기가 커플된 구조의 상부 반사기 및/또는 하부 반사기에 있어서, 평면 반사기를 그 반사율의 80%정도를 차지하고, 곡면 반사기를 그 반사율의 20% 정도를 차지하도록 함으로써, 첨가 화합물 용액에 의해 습식 식각되어 만들어진 렌즈 표면 상태의 영향을 줄일 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 표면광 레이저는 단거리 광통신 및 고속 대용량 정보처리 통신에서 능동소자로 사용하기에 적합하게 된다.

본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 상부 반사기 및 하부 반사기 중 적어도 하나가 DBR 구조의 평면 반사기와 곡면 반사기가 조합된 구조이므로, 곡면 반사기가 단일 횡모드를 제외한 고차모드를 제한하여, 넓은 구동전류범위에서 고출력 단일 횡모드를 얻어낼 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 곡면 반사형 표면광 레이저는, 곡면 반사기가 습식 식각에 의해 렌즈 곡면을 형성하고 그 위에 적어도 하나의 유전체 박막층을 증착하여 형성되므로, 복잡한 작업 공정을 거치지 않으면서도 보다 큰 단일 횡모드 고출력 원형광을 손쉽게 얻을 수 있다.

Claims

레이저 발진을 위한 능동매질층과, 상기 능동매질층 상,하부에 형성되는 상부 반사기 및 하부 반사기를 구비하는 표면광 레이저에 있어서,

상기 상부 반사기 및 하부 반사기 중 적어도 어느 하나는 평면 반사기와 곡면 반사기의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 곡면 반사형 표면광 레이저.
제1항에 있어서, 상기 곡면 반사기는 렌즈 곡면 상에 적어도 하나의 유전체 박막층을 형성한 구조로 된 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
제2항에 있어서, 상기 하부 반사기는 평면 반사기와 곡면 반사기의 조합으로 이루어져 있으며, 상기 렌즈 곡면은 기판에 형성되는 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
제3항에 있어서, 상기 렌즈 곡면은 상기 기판에 브롬을 이용한 습식식각에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
제3항에 있어서, 상기 기판은 도핑 정도가 1×10¹⁸ cm^-3보다 작게 되어, 기판 에서의 광흡수에 의한 손실을 최소화할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
제2항에 있어서, 상기 상부 반사기는 평면 반사기와 곡면 반사기의 조합으로 이루어져 있으며, 상기 평면 반사기 상에 중간층이 구비되고, 상기 렌즈 곡면은 이 중간층에 형성되는 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
제6항에 있어서, 상기 렌즈 곡면은 상기 중간층에 브롬을 이용한 습식 식각에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 곡면 반사기의 반사율은 상기 유전체 박막층 수에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
제8항에 있어서, 상기 곡면 반사기는 볼록경인 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 곡면 반사기는 볼록경인 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저가 발진하는 중앙부분으로 만 전류를 흐르게 하는 전류 제한층;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
제11항에 있어서, 상기 전류 제한층은 측면산화법에 의하여 형성되는 산화막층인 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.