KR100668329B1 - 변조기 내장형 광펌핑 반도체 레이저 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 변조기 내장형 반도체 레이저 소자를 개시한다. 본 발명에 따른 변조기 내장형 반도체 레이저 소자는, 기판; 상기 기판 위에 형성된 하부 분산 브래그 반사층; 상기 하부 분산 브래그 반사층 위에 형성된 것으로, 다수의 장벽층 및 상기 장벽층 사이에 개재되는 다수의 양자우물층을 구비하는 활성층; 및 상기 활성층의 상방에 소정의 간격을 두고 배치된 것으로, 상기 활성층에서 발생한 광의 일부를 투과시켜 출력하고, 나머지 일부를 활성층으로 반사하는 외부 미러;를 포함하며, 상기 활성층 내의 적어도 하나의 양자우물층과 접하는 적어도 두 개의 장벽층이 각각 상이한 타입으로 도핑된 것을 특징으로 한다.

Description

변조기 내장형 광펌핑 반도체 레이저 장치{Modulator integrated semiconductor laser device}
도 1은 레이저 빔의 직접 변조방식의 원리를 도시하는 그래프이다.
도 2는 광 방출부에 변조기가 부착된 종래의 측면 발광 레이저를 도시하는 부분 절개도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2에 도시된 레이저의 동작 원리를 도시하는 에너지 밴드 그래프이다.
도 4는 공진기 내부에 변조기가 내장된 종래의 면발광 레이저를 도시하는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(Vertical External Cavity Surface Emitting Laser; VECSEL)를 이용한 변조기 내장형 반도체 레이저 소자의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 레이저 소자의 동작 원리를 도시하는 에너지 밴드 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 변조기 내장형 반도체 레이저 소자의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 변조기 내장형 반도체 레이저 소자 의 구성을 도시하는 단면도이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
60.....기판 61.....하부 분산 브래그 반사층
62.....활성층 63.....양자우물층
64.....장벽층 65a....제 1 도핑 장벽층
65b....제 2 도핑 장벽층 65c.....변조층
66.....변조기 67.....윈도우층
68.....제 1 전극 69.....제 2 전극
70.....펌프 레이저 71.....외부 미러
72.....SHG 결정
본 발명은 변조기 내장형 광펌핑 반도체 레이저 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 장벽층의 일부를 도핑하여 적어도 하나의 양자 우물을 변조층과 공통으로 사용하도록 한 변조기 내장형 반도체 레이저 장치에 관한 것이다.
레이저는 프린터, 스캐너, 의료장비, 광통신 장비 및 레이저 TV(LTV) 등과 같은 다양한 응용분야에서 광출력 장치로서 널리 이용되고 있다. 이러한 분야에서 사용되는 레이저는 그 출력을 주기적으로 변화시킴으로써 소정의 디지털 신호를 발생시킬 필요가 있다. 이러한 동작을 변조라고 부르며, 특히 광통신 분야에서는 고 주파 변조에 많은 관심을 두고 있다.
일반적으로, 상기 레이저의 광출력을 고주파로 변조하는 방법에는 레이저 소자에 인가되는 전류량을 변화시키는 직접 변조방식과 레이저 광은 연속적으로 발진시키면서 광변조를 위한 별도의 변조기(modulator)를 설치하여 광을 변조하는 방식이 있다.
도 1은 직접 변조방식의 원리를 도시하는 그래프이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 직접 변조방식은 레이저에 인가되는 전류를 소정의 구간(I1~I2) 내에서 변화시켜, 레이저의 출력이 소정의 값(P1, P2)을 갖도록 하는 방식이다. 디지털 광통신의 경우, 예컨대, 레이저의 출력이 기준 값(P0)을 넘으면 신호는 "1"이 되며, 넘지 못하면 신호는 "0"이 된다. 이러한 직접 변조방식에 의하면, 출력 값의 기울기가 충분히 클 경우, 전류를 작은 구간 내에서 변화시켜도 되기 때문에 수십 GHz의 매우 빠른 고주파 변조가 가능하며, 변조 회로가 비교적 간단하게 구성될 수 있다는 장점이 있다.
그러나, 레이저 TV와 같은 응용분야에서는, 단위 시간 동안 레이저가 "온(ON)" 되어 있는 비율에 따라 그레이스케일(Grayscale)을 조절하기 때문에, 변화시켜야 할 전류 구간이 넓어 직접 변조방식을 적용하기가 어렵다. 즉, 레이저 TV에서는 레이저의 최저출력과 최대출력 사이에서 레이저의 광출력을 변조한다. 예컨대, 수백 mW 내지 수 W 의 고출력을 사용하는 레이저 TV용 레이저는 10A 이상의 높은 전류를 사용하기 때문에, 직접 변조방식에 의할 경우 전류 변화 구간이 10A 이상이 되어 고속 변조는 불가능하다. 따라서, 이 경우에는 레이저 소자에 별도의 변조기를 설치하여 사용하고 있다.
도 2는 광 방출부에 변조기가 부착된 종래의 측면 발광 레이저를 도시하는 부분 절개도이다. 도 2를 참조하면, 측면 발광 레이저(11)의 광 방출부에 변조기(15)가 일체로 형성되어 있다. 상기 측면 발광 레이저(11)와 변조기(15)는 동일한 기판(10) 위에 형성되어 있으며, 예컨대, InGaAsP와 같이 동일한 재료로 된 층(12 및 17)을 공통으로 가지고 있다. 그러나, 측면 발광 레이저(11)에 있는 층(12)은 광을 발생시키는 양자우물층으로서 역할을 하며, 변조기(15)에 있는 층(17)은 광흡수층으로서 역할을 하게 된다.
도 3a 및 도 3b는 도 2에 도시된 측면 발광 레이저에서 변조 동작의 원리를 설명하기 위한 에너지 밴드 그래프이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 변조기(15)가 측면 발광 레이저(11) 보다 폭이 좁기 때문에, 평상시에는 광흡수층(17)이 양자우물층(12) 보다 약간 넓은 밴드갭(band gap)을 가지고 있다. 이 상태에서, 측면 발광 레이저(11)를 발진시키면 양자우물층(12)에서 발생한 광이 넓은 밴드갭을 갖는 광흡수층(17)을 그대로 통과한다. 그런데, 상기 변조기(15)에 역 바이어스를 가하면, 도 3b에 도시된 바와 같이, 양자 속박 효과(quantum confined stark effect; QCSE)에 따라 광흡수층(17)의 밴드갭이 좁아지면서 광흡수층(17)에서 흡수된다. 따라서, 상기 변조기(15)에 인가되는 역 바이어스를 주기적으로 조절하면, 레이저의 광출력을 빠른 속도로 변조하는 것이 가능해진다. 그러나, 이렇게 변조기가 레이저의 외부에 설치되어 있는 경우에는, 레이저에서 출력되는 광을 변조기가 100% 흡수 하지는 못한다. 즉, 방출되는 레이저 빔을 완전히 온/오프 시키지 못한다는 단점이 있다.
이에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이, 공진기 내부에 변조기가 내장된 수직 공진기형 면발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser; VCSEL)가 제안되었다(미국 특허 제6,026,108호). 도 4를 참조하면, n-GaAs 기판(20) 위에 n-도핑된 분산 브래그 반사층(n-doped distribued Bragg reflector; n-DBR)(21)이 형성되어 있으며, 그 위에 양자우물층(22a)과 장벽층(22b)으로 구성된 활성층(22)이 형성되어 있다. 활성층(22) 위에는 p-DBR층(24)이 형성되어 있으며, p-DBR층(24) 내에는 전류 주입을 일정 영역으로 제한하기 위한 산화물층(25)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 p-DBR층(24) 위에는 스페이서층(27b)과 광흡수층(27a)으로 구성된 변조층(27)이 형성되어 있으며, 상기 변조층(27) 위에는 n-DBR층(28)이 형성되어 있다. 즉, 미국 특허 제6,026,108호에 개시된 VCSEL은 상부 미러 내에 변조층(27)이 삽입된 구조이다.
여기서, 상기 변조층(27) 내의 광흡수층(27a)의 밴드갭은 양자우물층(22a)의 밴드갭 보다 크게 형성되어 있다. 따라서, 기판(20) 하부의 전극(도시되지 않음)과 p-DBR층(24) 위의 p-전극(26)을 통해 순방향으로 전압을 인가하면, 레이저는 정상적으로 발진하여 화살표 방향으로 레이저 빔이 방출된다. 이때, n-전극(29)과 p-전극(26)을 통해 역방향으로 변조층(27)에 바이어스를 걸어주면, 양자 속박 효과에 따라 변조층(27) 내의 광흡수층(27a)에서 광흡수가 일어난다. 그 결과, 레이저 내부의 발진 조건이 변화하면서 광방출이 중단된다. 따라서, 레이저 빔의 완전한 온/ 오프가 가능하다.
그러나, 일반적으로 VCSEL은 출력이 수 mW 정도로 약하기 때문에, 광통신 분야에서 주로 이용되고 있으며, 적어도 수백 mW 의 출력이 요구되는 레이저 TV 분야에서는 사용하기가 어렵다. 또한, 공진기 내부에 있는 변조층(27)은 레이저의 발진에 전혀 기여하지 못하기 때문에, 레이저의 효율을 전체적으로 저하시킬 뿐만 아니라, 레이저의 발진을 어렵게 하여 레이저 발진 조건을 만족시키도록 구성하기가 매우 까다롭다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 개선하기 위한 것이다. 따라서, 본 발명의 목적은 변조기가 내장된 고출력 레이저 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 변조층이 레이저의 발진에 실질적으로 기여하도록 함으로써 레이저의 발진 조건을 만족시키 용이하며 발진 효율이 우수한 변조기 내장형 반도체 레이저 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 유형에 따른 변조기 내장형 반도체 레이저 소자는, 기판; 상기 기판 위에 형성된 하부 분산 브래그 반사층; 상기 하부 분산 브래그 반사층 위에 형성된 것으로, 다수의 장벽층 및 상기 장벽층 사이에 개재되는 다수의 양자우물층을 구비하는 활성층; 및 상기 활성층의 상방에 소정의 간격을 두고 배치된 것으로, 상기 활성층에서 발생한 광의 일부를 투과시켜 출력하고, 나머지 일부를 활성층으로 반사하는 외부 미러;를 포함하며, 상기 활성층 내의 적어도 하나의 양자우물층 과 접하는 적어도 두 개의 장벽층이 각각 상이한 타입으로 도핑된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 도핑된 장벽층을 통한 역 바이어스의 인가시, 상기 도핑된 장벽층 사이의 적어도 하나의 양자우물층이 광을 흡수함으로써, 레이저 발진을 억제한다.
본 발명의 다른 유형에 따른 변조기 내장형 반도체 레이저 소자는, 기판; 상기 기판 위에 형성된 하부 분산 브래그 반사층; 상기 하부 분산 브래그 반사층 위에 형성된 것으로, 적어도 하나의 장벽층과 적어도 하나의 양자우물층이 서로 하나씩 번갈아 적층된 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 제 1 도핑 장벽층, 상기 제 1 도핑 장벽층 위에 형성된 변조층 및 상기 변조층 위에 형성되며 상기 제 1 도핑 장벽층과 상이한 타입으로 도핑된 제 2 도핑 장벽층을 구비하는 변조기; 및 상기 변조기의 상방에 소정의 간격을 두고 배치된 것으로, 상기 활성층에서 발생한 광의 일부를 투과시켜 출력하고, 나머지 일부를 활성층으로 반사하는 외부 미러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 레이저 소자에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 도핑 장벽층은 상기 활성층의 장벽층과 동일한 재료로 구성되며, 상기 변조층은 상기 활성층의 양자우물층과 동일한 재료로 구성되는 것을 특징으로 한다. 따라서, 상기 변조층의 에너지 밴드 갭은 상기 양자우물층의 에너지 밴드 갭과 동일하다.
본 발명에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 도핑 장벽층을 통하여 상기 변조기에 역 바이어스가 인가될 경우, 상기 제 1 및 제 2 도핑 장벽층 사이의 변조층이 광을 흡수함으로써, 레이저 발진을 억제한다. 만약 상기 변조기에 역 바이어스가 인가되지 않을 경우, 상기 변조층은 상기 활성층의 양자우물층과 동일한 이득영역으로서 기능한다. 이를 위해, 상기 변조층에 인접한 양자우물층과 상기 변조층 사이의 간격은 방출 파장의 1/2 인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 상기 변조기 위에 형성된 것으로 상기 장벽층 보다 에너지 밴드 갭이 큰 물질로 이루어지는 윈도우층을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 변조층은 상기 제 1 도핑 장벽층 상면의 중심부에 부분적으로 형성된다. 이 경우, 상기 제 1 도핑 장벽층에 전압을 인가하기 위한 제 1 전극이 상기 제 1 도핑 장벽층 상면의 가장자리를 따라 형성되고, 상기 제 2 도핑 장벽층에 전압을 인가하기 위한 제 2 전극이 상기 윈도우층의 가장자리를 따라 형성된다.
또한, 상기 윈도우층이 상기 제 2 도핑 장벽층 상면의 중심부에 부분적으로 형성될 수도 있다. 이 경우, 상기 제 1 도핑 장벽층에 전압을 인가하기 위한 제 1 전극이 상기 제 1 도핑 장벽층 상면의 가장자리를 따라 형성되고, 상기 제 2 도핑 장벽층에 전압을 인가하기 위한 제 2 전극이 상기 제 2 도핑 장벽층 상면의 가장자리를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
또한, 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자는 상기 활성층에 펌핑용 에너지를 제공하는 펌프 레이저를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 유형에 따른 변조기 내장형 반도체 레이저 소자는, 기판; 상기 기판 위에 형성된 하부 분산 브래그 반사층; 상기 하부 분산 브래그 반사층 위에 형성된 제 1 도핑 장벽층, 상기 제 1 도핑 장벽층 위에 형성된 변조층 및 상기 변조층 위에 형성되며 상기 제 1 도핑 장벽층과 상이한 타입으로 도핑된 제 2 도핑 장벽층을 구비하는 변조기; 상기 변조기 위에 형성된 것으로, 적어도 하나의 양자우물층과 적어도 하나의 장벽층이 서로 하나씩 번갈아 적층된 활성층; 및 상기 활성층의 상방에 소정의 간격을 두고 배치된 것으로, 상기 활성층에서 발생한 광의 일부를 투과시켜 출력하고, 나머지 일부를 활성층으로 반사하는 외부 미러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 변조층은 상기 제 1 도핑 장벽층 상면의 중심부에 부분적으로 형성되고, 상기 활성층은 상기 제 2 도핑 장벽층 상면의 중심부에 부분적으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
이 경우, 상기 제 1 도핑 장벽층에 전압을 인가하기 위한 제 1 전극이 상기 제 1 도핑 장벽층 상면의 가장자리를 따라 형성되고, 상기 제 2 도핑 장벽층에 전압을 인가하기 위한 제 2 전극이 상기 제 2 도핑 장벽층 상면의 가장자리를 따라 형성된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 변조기 내장형 반도체 레이저 소자의 구성 및 동작에 대해 상세히 설명한다.
앞서 설명한 바와 같이, 도 4에 도시된 VCSEL은 출력이 수 mW 정도로 약하기 때문에, 적어도 수백 mW 의 출력이 요구되는 레이저 TV 분야에서는 사용하기가 어렵다. 또한, 공진기 내부의 변조기가 레이저의 발진에 전혀 기여하지 못하기 때문에, 레이저의 효율을 전체적으로 저하시킬 뿐만 아니라, 레이저의 발진을 어렵게 한다.
이에 따라, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명은 고출력의 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(Vertical External Cavity Surface Emitting Laser; VECSEL)를 이용하여 변조기 내장형 반도체 레이저를 구성한다. 일반적으로 VECSEL은 외부 미러를 통해 이득 영역을 증가시킴으로써 최소 수백 mW 이상의 고출력을 얻도록 한 것이다. 본 발명은, 레이저의 발진에 기여할 수 있도록 구성한 변조기를 이러한 고출력의 VECSEL에 내장함으로써 상술한 종래의 문제를 개선한다.
도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 변조기 내장형 반도체 레이저 소자를 보다 구체적으로 설명하면, 상기 레이저 소자는, 기판(60), 상기 기판(60) 위에 형성된 하부 분산 브래그 반사층(distributed Bragg reflector; DBR)(61), 상기 하부 DBR층(61) 위에 형성된 활성층(62), 상기 활성층(62) 위에 형성된 변조기(66) 및 외부 미러(71)를 포함한다. 또한, 상기 활성층(62)을 외부로부터 보호하고, 활성층(62) 내에 전자와 정공을 가두기 위하여 상기 활성층(62) 보다 에너지 밴드 갭이 큰 물질로 이루어지는 윈도우층(67)을 상기 변조기(66) 위에 더 형성할 수 있다. 그리고, 활성층(62)에서 발생한 광의 주파수를 2배로 만드는 2차 조화파 발생(Second Harmonic Generation; SHG) 결정(72)을 상기 외부 미러(71)와 윈도우층(67) 사이에 더 포함할 수도 있다.
여기서, 기판(60)으로는, 예컨대, GaAs와 같은 재료를 사용하여 형성한다. 하부 DBR층(61)은 발진 파장에 대해 높은 반사율을 얻기 위하여 저굴절률층과 고굴절률층을 번갈아 적층한 복층 구조로서, 예컨대, 고굴절률층으로서 GaAs를 사용하고, 저굴절률층으로서 AlAs를 사용할 수 있다. 이때, 하부 DBR층(61) 내부의 각 층 사이의 간격은 발진 파장의 1/4 인 것이 바람직하다. 활성층(62)은 적어도 하나의 장벽층(64)과 적어도 하나의 양자우물층(63)이 서로 하나씩 번갈아 가면서 적층된 복층 구조이다. 상기 양자우물층(63)은 전자와 정공이 재결합하여 특정 파장의 광이 발생하는 층으로서, 예컨대, InGaAs 또는 InGaAsN 와 같은 재료를 이용할 수 있으며, 장벽층(64)으로는 도핑되지 않은 (Al)GaAs를 사용하여 형성할 수 있다. 이때, 상기 양자우물층(63) 사이의 간격은 발진 파장의 1/2 인 것이 바람직하다.
한편, 변조기(66)는, 상기 활성층(62) 위에 형성된 제 1 도핑 장벽층(65a), 상기 제 1 도핑 장벽층(65a) 위에 형성된 변조층(65c) 및 상기 변조층(65c) 위에 형성되며 상기 제 1 도핑 장벽층과 상이한 타입으로 도핑된 제 2 도핑 장벽층(65b)으로 구성된다. 이때, 상기 제 1 및 제 2 도핑 장벽층(65a 및 65b)은 활성층(62)의 장벽층(64)과 동일한 재료로 구성되며, 상기 변조층(65c)은 활성층(62)의 양자우물층(63)과 동일한 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 예컨대, 변조층(65c)은 InGaAs 또는 InGaAsN 와 같은 재료를 이용하여 형성될 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 도핑 장벽층(65a 및 65b)은 (Al)GaAs를 사용하여 형성할 수 있다. 차이점이 있다면, 활성층(62)의 경우에는 도핑되지 않은 재료를 사용하지만, 변조기(66)의 경우에는 도핑된 재료를 사용한다는 것이다. 예컨대, 제 1 도핑 장벽층(65a)으로서 p-AlGaAs를 사용하고, 제 2 도핑 장벽층(65b)으로서 n-AlGaAs를 사용할 수 있다. 따라서, 활성층(62) 내의 양자우물층(63)과 변조기(66) 내의 변조층(65c)은 동일한 에너지 밴드 갭을 갖는다.
이렇게, 본 발명에서는, 변조기(66)와 활성층(62)이 그 구조가 동일하고 사 용하는 재료 역시 동일하기 때문에, 변조기(66)를 활성층(62)의 일부로 볼 수도 있다. 즉, 활성층(62) 내에서 장벽층의 일부를 도핑함으로써 변조기(66)를 형성하는 것이 가능하다. 이러한 본 발명의 구성에 따르면, 변조기(66) 내의 변조층(65c) 역시 양자우물층(63)과 마찬가지로 레이저 발진에 기여하는 이득 영역으로서 동작할 수 있다. 이를 위해, 상기 변조층(65c)에 가장 인접한 양자우물층(63)과 상기 변조층(65c) 사이의 간격은, 양자우물층(63)들 사이의 간격과 마찬가지로, 방출 파장의 1/2 인 것이 바람직하다.
한편, 상기 제 1 및 제 2 도핑 장벽층(65a 및 65b)을 통해 상기 변조기(66) 에 역 바이어스 전압을 인가하기 위한 전극 형성 구조가 도 5에 도시되어 있다. 먼저, 변조층(65c)은 제 1 도핑 장벽층(65a) 상면의 중심부에 부분적으로만 형성되어 있으며, 상기 제 1 도핑 장벽층(65a)에 전압을 인가하기 위한 제 1 전극(68)이 상기 제 1 도핑 장벽층(65a) 상면의 가장자리를 따라 형성된다. 비록, 도 5의 단면도에는, 두 개의 제 1 전극(68)이 제 1 도핑 장벽층(65a)의 양쪽 가장자리에 각각 형성되어 있는 것으로 보이나, 사실은 고리 형태의 하나의 전극이다. 또한, 상기 제 2 도핑 장벽층(65b)에 전압을 인가하기 위한 제 2 전극(69)이 상기 윈도우층(67)의 가장자리를 따라 형성되어 있다. 상기 제 2 전극(69)도 마찬가지로, 예컨대, 고리의 형태를 갖는 하나의 전극이다.
이하, 상술한 구조를 갖는 본 발명에 따른 변조기 내장형 반도체 레이저 소자의 동작에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 도 5에 도시된 바와 같이, 활성층(62)에서 발생하는 광의 파장(λ2) 보다 짧은 파장(λ1)의 광을 방출하는 펌프 레이저(pump laser)(70)를 통해, 활성층(62)에 광빔을 입사시켜 상기 활성층(62)을 여기시킨다. 일반적으로, VECSEL에서 활성층을 여기시키는 방법에는, 펌프 레이저를 이용하여 활성층에 광에너지를 인가하는 광펌핑 방법과, 금속 콘택을 통해 활성층에 전기 에너지를 인가시키는 전기펌핑 방법이 있다. 본 발명의 경우, 활성층(62)의 일부로 볼 수도 있는 변조기(66)에 역 바이어스 전압를 용이하게 인가할 수 있도록, 광펌핑 방법을 사용하는 것이 적당하다.
이와 같이, 펌프 레이저(70)에서 방출된 광빔(λ1)이 콜리메이팅 렌즈(73)를 통해 윈도우층(67)으로 입사되면, 상기 광빔(λ1)에 의해 활성층(62)이 여기되면서 특정 파장(λ2)의 빛을 내어 놓는다. 이렇게 발생한 빛은 활성층(62) 하부의 DBR층(61)과 외부 미러(71) 사이에서 반사를 되풀이하면서 활성층(62)을 왕복한다. 이러한 과정을 통해 활성층(62) 내에서 증폭된 특정 파장(λ2)의 빛의 일부는 상기 외부 미러(71)를 통해 레이저빔으로서 외부로 출력되며, 나머지는 다시 반사되어 활성층(62)으로 입사하여 광펌핑에 사용된다. 외부 미러(71)와 윈도우층(67) 사이의 광 경로 내에 SHG 결정(72)을 배치시킬 경우, 상기 SHG 결정(72)에 의해 짧아진 파장(λ3)의 빛이 외부 미러(71)로 출력될 수 있다.
이때, 양자우물층(63)과 동일한 에너지 밴드 갭을 갖는 변조층(65c)은, 활성층(62) 내의 다른 양자우물층(63)과 마찬가지로, 전자와 정공의 재결합에 의한 광 방출 기능을 수행한다. 도 6a는 이 경우의 변조층(65c)의 동작을 설명하는 에너지 밴드 그래프이다. 도 6a의 에너지 밴드 그래프에 도시된 바와 같이, 변조층(65c)은 펌프 레이저에서 발생한 광 또는 다른 양자우물층에서 발생한 광에 의해 여기되며, 그 결과, 변조층(65c)의 전도대에 있는 전자가 가전자대에 있는 정공과 재결합을 위해 천이하고 광을 발생시킨다.
이렇게 펌프 레이저(70)에 의해 양자우물층(63)과 변조층(65c)이 여기되어 있는 동안, 제 1 및 제 2 도핑 장벽층(65a 및 65b)을 통해 변조기(66)에 역 바이어스 전압을 인가하면, 변조층(65c)의 에너지 밴드 그래프는 도 6b와 같이 변화한다. 즉, 역 바이어스 전압에 의해 변조기(66) 내부에 발생하는 전기장으로 인해, 변조기에서의 에너지 밴드가 도 6b와 같이 기울어지게 되며, 변조층(65c)의 에너지 밴드 갭이 좁아지게 된다. 그 결과, 전자와 정공이 변조층(65c)의 양자우물 내에 갇혀 있지 않고 흘러나가거나, 제 1 및 제 2 도핑 장벽층(65a 및 65b)에서 터널닝되어 빠져나가게 된다. 따라서, 변조층(65c)은 더 이상 이득 영역으로서의 기능을 수행하지 못하며, 오히려 광을 흡수하게 된다. 이로 인해, 레이저 소자 전체의 공진이 중단되며, 레이저 소자로부터의 광 방출 역시 중단된다.
이러한 원리에 따라, 예컨대, 고주파 발생기를 통해 변조기(66)에 인가되는 역 바이어스 전압을 매우 빠른 속도로 온/오프 하면, 레이저 소자의 광출력을 고주파로 변조하는 것이 가능해진다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 변조기 내장형 반도체 레이저 소자의 구성을 도시하는 단면도이다. 도 7에서는 외부 미러와 펌프 레이저의 도시는 생략하였다.
도 7에 도시된 반도체 레이저 소자와 도 5에 도시된 반도체 레이저 소자를 비교하면, 단지 제 2 전극의 위치만이 차이가 있음을 알 수 있다. 즉, 기판(40), 하부 DBR층(41), 활성층(42) 및 변조기(46)의 구성은 도 5에 도시된 실시예와 동일하다. 따라서, 양자우물층(43), 장벽층(44), 변조층(45c), 및 제 1 및 제 2 도핑 장벽층(45a 및 45b)의 구성도 역시 도 5에 도시된 실시예와 동일하다. 제 1 도핑 장벽층(45a)에 전압을 인가하기 위한 제 1 전극(48) 역시 도 5에 도시된 실시예와 마찬가지로 상기 제 1 도핑 장벽층(45a) 상면의 가장자리를 따라 형성되어 있다. 그러나, 도 7에 도시된 레이저 소자의 경우, 윈도우층(47)이 상기 제 2 도핑 장벽층(45b) 상면의 중심부에 부분적으로 형성되어 있다. 또한, 상기 제 2 도핑 장벽층(45b)에 전압을 인가하기 위한 제 2 전극(49)이 상기 제 2 도핑 장벽층(45b) 상면의 가장자리를 따라 형성되어 있다는 점에서 차이가 있다. 도 7의 경우, 상기 제 2 전극(49)이 상기 제 2 도핑 장벽층(45b) 상면과 직접 접촉하기 때문에, 역 바이어스 전압의 주입 효율이 보다 향상될 것이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 변조기 내장형 반도체 레이저 소자의 구성을 도시하는 단면도이다. 도 8에서도 역시 외부 미러와 펌프 레이저의 도시는 생략하였다.
도 8에 도시된 변조기 내장형 반도체 레이저 소자의 경우, 변조기가 활성층의 하부에 있다는 점에서 다른 실시예와 차이가 있다. 즉, 기판(50) 위에 하부 DBR층(51), 변조기(56), 활성층(52) 및 윈도우층(57)이 연속하여 적층되어 있는 구조이다. 그러나, 활성층(52)과 변조기(56)의 구조 자체는 도 5에 도시된 실시예와 동일하다. 즉, 변조기(56)는 제 1 도핑 장벽층(55a), 상기 제 1 도핑 장벽층(55a) 위 에 형성된 변조층(55c) 및 상기 변조층(55c) 위에 형성되며 상기 제 1 도핑 장벽층(55a)과 상이한 타입으로 도핑된 제 2 도핑 장벽층(55b)을 구비한다. 또한, 상기 활성층(52)은 적어도 하나의 양자우물층(53)과 적어도 하나의 장벽층(54)이 서로 하나씩 번갈아 적층된 구조이다.
이때, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 변조층(55c)은 상기 제 1 도핑 장벽층(55a) 상면의 중심부에 부분적으로 형성되며, 상기 활성층(52)은 상기 제 2 도핑 장벽층(55c) 상면의 중심부에 부분적으로 형성되어 있다. 또한, 상기 제 1 도핑 장벽층(55a)에 전압을 인가하기 위한 제 1 전극(58)은 상기 제 1 도핑 장벽층(55a) 상면의 가장자리를 따라 형성되며, 상기 제 2 도핑 장벽층(55b)에 전압을 인가하기 위한 제 2 전극(59)은 상기 제 2 도핑 장벽층(55b) 상면의 가장자리를 따라 형성된다.
지금까지 본 발명에 따른 변조기 내장형 반도체 레이저 소자의 구성 및 동작에 대해 상세히 설명하였다. 상술한 설명을 통해 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 레이저 소자의 경우, 변조기가 레이저 소자의 반사층 내에 있는 것이 아니라 활성층 내에 있으며, 더욱이 활성층과 동일하게 이득 영역으로서의 기능을 수행할 수 있다. 따라서, 변조기가 레이저의 발진에 실질적으로 기여하도록 함으로써 발진 효율이 우수한 변조기 내장형 반도체 레이저 소자를 제공하는 것이 가능하다. 더욱이, 본 발명에 따르면, 레이저의 발진 조건을 만족시키가 쉽기 때문에 보다 용이하게 레이저를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명은 높은 출력을 갖는 VECSEL에 적용되었기 때문에, LTV 용 레이저의 변조에 적용이 가능하다.

Claims (25)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 형성된 하부 분산 브래그 반사층;
    상기 하부 분산 브래그 반사층 위에 형성된 것으로, 다수의 장벽층 및 상기 장벽층 사이에 개재되는 다수의 양자우물층을 구비하는 활성층; 및
    상기 활성층의 상방에 소정의 간격을 두고 배치된 것으로, 상기 활성층에서 발생한 광의 일부를 투과시켜 출력하고, 나머지 일부를 활성층으로 반사하는 외부 미러;를 포함하며,
    상기 활성층 내의 적어도 하나의 양자우물층과 접하는 적어도 두 개의 장벽층이 각각 상이한 타입으로 도핑된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 서로 상이한 타입으로 도핑된 두 장벽층을 통한 역 바이어스의 인가시, 상기 서로 상이한 타입으로 도핑된 두 장벽층 사이에 있는 양자우물층의 에너지 밴드 갭이 좁아지면서, 상기 서로 상이한 타입으로 도핑된 두 장벽층 사이에 있는 양자우물층이 광을 흡수하여 레이저 발진을 억제하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 활성층에 펌핑용 에너지를 제공하는 펌프 레이저를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 활성층 위에 형성된 것으로, 상기 활성층 보다 에너지 밴드 갭이 큰 물질로 이루어지는 윈도우층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  5. 기판;
    상기 기판 위에 형성된 하부 분산 브래그 반사층;
    상기 하부 분산 브래그 반사층 위에 형성된 것으로, 적어도 하나의 장벽층과 적어도 하나의 양자우물층이 서로 하나씩 번갈아 적층된 활성층;
    상기 활성층 위에 형성된 제 1 도핑 장벽층, 상기 제 1 도핑 장벽층 위에 형성된 변조층 및 상기 변조층 위에 형성되며 상기 제 1 도핑 장벽층과 상이한 타입으로 도핑된 제 2 도핑 장벽층을 구비하는 변조기; 및
    상기 변조기의 상방에 소정의 간격을 두고 배치된 것으로, 상기 활성층에서 발생한 광의 일부를 투과시켜 출력하고, 나머지 일부를 활성층으로 반사하는 외부 미러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 도핑 장벽층은 상기 활성층의 장벽층과 동일한 재료로 구성되며, 상기 변조층은 상기 활성층의 양자우물층과 동일한 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 변조층의 에너지 밴드 갭은 상기 양자우물층의 에너지 밴드 갭과 동일한 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 서로 상이한 타입으로 도핑된 제 1 및 제 2 도핑 장벽층을 통하여 상기 변조기에 역 바이어스가 인가될 경우, 상기 제 1 및 제 2 도핑 장벽층 사이에 있는 변조층의 에너지 밴드 갭이 좁아지면서 상기 변조층이 광을 흡수하여 레이저 발진을 억제하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 변조기에 역 바이어스가 인가되지 않을 경우, 상기 변조층은 상기 활성층의 양자우물층과 동일한 이득영역으로서 기능하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 변조층에 인접한 양자우물층과 상기 변조층 사이의 간격은 방출 파장의 1/2 인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  11. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변조기 위에 형성된 것으로, 상기 활성층 보다 에너지 밴드 갭이 큰 물질로 이루어지는 윈도우층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 변조층은 상기 제 1 도핑 장벽층 상면의 중심부에 부분적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 도핑 장벽층에 전압을 인가하기 위한 제 1 전극이 상기 제 1 도핑 장벽층 상면의 가장자리를 따라 형성되고, 상기 제 2 도핑 장벽층에 전압을 인가하기 위한 제 2 전극이 상기 윈도우층의 가장자리를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 윈도우층은 상기 제 2 도핑 장벽층 상면의 중심부에 부분적으로 형성되며, 상기 제 1 도핑 장벽층에 전압을 인가하기 위한 제 1 전극이 상기 제 1 도핑 장벽층 상면의 가장자리를 따라 형성되고, 상기 제 2 도핑 장벽층에 전압을 인가하기 위한 제 2 전극이 상기 제 2 도핑 장벽층 상면의 가장자리를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  15. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성층에 펌핑용 에너지를 제공하는 펌프 레이저를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  16. 기판;
    상기 기판 위에 형성된 하부 분산 브래그 반사층;
    상기 하부 분산 브래그 반사층 위에 형성된 제 1 도핑 장벽층, 상기 제 1 도핑 장벽층 위에 형성된 변조층 및 상기 변조층 위에 형성되며 상기 제 1 도핑 장벽층과 상이한 타입으로 도핑된 제 2 도핑 장벽층을 구비하는 변조기;
    상기 변조기 위에 형성된 것으로, 적어도 하나의 양자우물층과 적어도 하나의 장벽층이 서로 하나씩 번갈아 적층된 활성층; 및
    상기 활성층의 상방에 소정의 간격을 두고 배치된 것으로, 상기 활성층에서 발생한 광의 일부를 투과시켜 출력하고, 나머지 일부를 활성층으로 반사하는 외부 미러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 도핑 장벽층은 상기 활성층의 장벽층과 동일한 재료로 구성되며, 상기 변조층은 상기 활성층의 양자우물층과 동일한 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 변조층의 에너지 밴드 갭은 상기 양자우물층의 에너지 밴드 갭과 동일한 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  19. 제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 서로 상이한 타입으로 도핑된 제 1 및 제 2 도핑 장벽층을 통하여 상기 변조기에 역 바이어스가 인가될 경우, 상기 제 1 및 제 2 도핑 장벽층 사이에 있는 변조층의 에너지 밴드 갭이 좁아지면서 상기 변조층이 광을 흡수하여 레이저 발진을 억제하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 변조기에 역 바이어스가 인가되지 않을 경우, 상기 변조층은 상기 활성층의 양자우물층과 동일한 이득영역으로서 기능하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 변조층에 인접한 양자우물층과 상기 변조층 사이의 간격은 방출 파장의 1/2 인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  22. 제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성층 위에 형성된 것으로, 상기 활성층 보다 에너지 밴드 갭이 큰 물질로 이루어지는 윈도우층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  23. 제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변조층은 상기 제 1 도핑 장벽층 상면의 중심부에 부분적으로 형성되고, 상기 활성층은 상기 제 2 도핑 장벽층 상면의 중심부에 부분적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1 도핑 장벽층에 전압을 인가하기 위한 제 1 전극이 상기 제 1 도핑 장벽층 상면의 가장자리를 따라 형성되고, 상기 제 2 도핑 장벽층에 전압을 인가하기 위한 제 2 전극이 상기 제 2 도핑 장벽층 상면의 가장자리를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  25. 제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성층에 펌핑용 에너지를 제공하는 펌프 레이저를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
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