KR100743944B1 - 면발광 반도체 레이저 어레이 및 이를 이용한 광전송시스템 - Google Patents

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야스아키 미야모토
마사히로 요시카와
고타로 한다
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후지제롯쿠스 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명은 각 발광부의 출사 니어필드 패턴을 조정한 멀티 스폿형 VCSEL 어레이를 제공하는 것을 과제로 한다.
VCSEL 어레이는 1 차원 또는 2 차원 어레이 형상으로 배열된 발광부 S1 및 S2를 포함하고, 각 발광부 S1 및 S2는 기판(30) 위에 제 1 반사 미러(31), 제 2 반사 미러(34), 제 1 반사 미러와 제 2 반사 미러 사이에 형성된 활성 영역(32) 및 전류 협착층(33), 제 2 반사 미러 상방의 출사 개구(36)를 갖고, 각 발광부 S1 및 S2는 동시에 구동되어 출사 개구(36)로부터 레이저광을 출사한다. 발광부 S1의 니어필드 패턴은 발광부 S2를 향하여 비대칭으로 편심되고, 발광부 S2의 니어필드 패턴은 발광부 S1을 향하여 비대칭으로 편심된다.
NFP, 발광부, 미러, 비대칭, 편심, 패턴, 레이저광

Description

면발광 반도체 레이저 어레이 및 이를 이용한 광전송 시스템{SURFACE EMITTING SEMICONDUCTOR LASER ARRAY AND OPTICAL TRANSMISSION SYSTEM USING THE SAME}
도 1의 (a)는 1 차원으로 발광부가 배열된 VCSEL 어레이를 나타낸 평면도, 도 1의 (b)는 2 차원으로 발광부가 배열된 VCSEL 어레이를 나타낸 도면.
도 2는 멀티 스폿형(multi-spot type) VCSEL의 구동 회로의 구성을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 멀티 스폿형 VCSEL의 구성을 설명한 도면.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 멀티 스폿형 VCSEL의 구성을 설명한 도면.
도 5의 (a)는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 멀티 스폿형 VCSEL의 구성을 나타낸 단면도, 도 5의 (b)는 제 3 실시예의 변형예를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 멀티 스폿형 VCSEL의 구성을 설명한 도면.
도 7은 싱글스폿(single-spot) VCSEL에서의 콘택트 메탈(contact metal) 직경비와 FFP 변화를 나타낸 실험 결과.
도 8은 싱글스폿 VCSEL에서의 산화 어퍼처(aperture) 직경을 중심으로 콘택트 메탈 중심을 편심(偏心)시켰을 때의 FFP 변화를 나타낸 실험 결과.
도 9는 멀티 스폿형 VCSEL 어레이가 형성된 반도체 칩을 모듈화한 패키지의 구성을 나타낸 개략 단면도.
도 10은 다른 패키지의 구성을 나타낸 개략 단면도.
도 11은 본 실시예에 따른 VCSEL 어레이를 적용한 슬릿-집광 렌즈 광학계를 나타낸 도면.
도 12는 본 실시예에 따른 VCSEL 어레이를 적용한 빔 분리-포토다이오드 입사 광학계를 나타낸 도면.
도 13은 도 8에 나타낸 패키지를 이용한 광송신 장치의 구성을 나타낸 단면도.
도 14는 도 9에 나타낸 패키지를 공간 전송 시스템에 이용했을 때의 구성을 나타낸 도면.
도 15는 광전송 시스템의 구성을 나타낸 블록도.
도 16은 광전송 장치의 외관 구성을 나타낸 도면.
도 17은 광전송 장치의 내부 구성을 나타낸 것으로서, (a)는 상면을 잘라냈을 때의 내부 구조를 나타낸 도면, (b)는 측면을 잘라냈을 때의 내부 구조를 나타낸 도면.
도 18은 도 15의 광전송 장치를 이용한 영상 전송 시스템을 나타낸 도면.
도 19는 도 15의 영상 전송 시스템을 후방(後方)으로부터 나타낸 도면.
도 20은 종래의 멀티 스폿형 VCSEL의 발광 패턴을 나타낸 도면.
도 21은 종래의 멀티 스폿형 VCSEL의 발광 구멍을 나타낸 도면.
도 22는 종래의 멀티 스폿형 VCSEL의 과제를 설명한 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10, 12, 50 : VCSEL 어레이
102, 104, 106 : 포스트
110 : n-GaAs 기판
111 : 버퍼층
112 : 하부 DBR 미러층
113 : 활성 영역
114 : 상부 DBR 미러층
109 : 콘택트층
115 : AlAs층(전류 협착층(狹窄層))
116 : 산화 영역
117 : 산화 어퍼처(aperture)
118 : 출사(出射) 개구
119 : 콘택트 메탈
120 : 층간절연막
121 : p측 전극
122 : n측 전극
본 발명은 광 인터커넥션(optical interconnection), 광메모리, 광교환, 광정보처리, 레이저빔 프린터, 복사기 등의 광원 등에 이용되는 면발광형 반도체 레이저 어레이 및 이를 이용한 광전송 시스템에 관한 것이다.
면발광형 반도체 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser diode: 이하 적절히 VCSEL이라고 칭함)는 반도체 기판과 수직 방향으로 공진기를 구성하고, 광을 기판과 수직 방향으로 출사하는 광디바이스이며, 1 차원 또는 2 차원 어레이 형상으로 고밀도 집적을 행할 수 있는 병렬(竝列) 광원으로서 주목받고 있다.
VCSEL에 있어서, 효율적으로 레이저를 발진시키기 위해, 수직 공진 기간에서 캐리어와 광의 폐쇄가 실행된다. 기판의 수평 방향의 협착(狹窄) 구조를 실현하는 수단으로서, 기판 위에 가느다란 포스트를 제조하고, 포스트 자체를 전류 경로로 하는 에어 포스트형(air post type), 포스트 구조를 형성한 후에 컨트롤층이라고 부르는 AlAs층의 일부를 산화하여 전류 경로를 제한하는 선택 산화형, 프로톤을 주입(proton implantation)에 의해 절연 영역을 형성하여 전류 경로를 제한하는 프로톤 조사형 등이 있다. 이들 중에서 선택 산화형 VCSEL이 임계 전류값도 낮고, 전류-광특성도 우수하다는 특성이 있어, 실용화가 추진되고 있다.
특허 문헌 1은 메사(mesa) 구조에 포함되는 콘택트층, 상부 다층막 반사경, 전류 협착부의 측면이 메사 최상부의 금속 콘택트층에 정합된 VCSEL을 개시하고 있다. 이것에 의해, 출사창(出射窓)을 갖는 금속 콘택트층과 전류 협착부의 위치 결정 정밀도를 향상시키고, 기본 횡모드 발진이지만 광출력을 개선하고 있다.
또한, 공간 전송 등의 광원은 비교적 큰 출력을 필요로 한다. 이 때문에, 병렬 광원으로서 복수의 발광부(멀티 스폿)를 기판 위에 구비한 멀티 스폿형 VCSEL이 이용된다. 복수의 발광부는 구동 회로로부터의 동일 구동 신호에 의해 구동되고, 각 발광부의 레이저광이 출력되어 합성된 레이저광으로 된다.
특허 문헌 2는 상부 및 하부의 반도체 다층 반사막 중 적어도 한쪽이 기판면 내의 일 방향에 대해서 다른 방향보다도 길어지도록 구성되며, 발광 빔의 강도(强度) 패턴이 방향성을 갖도록 구성된 VCSEL을 개시하고 있다. 예를 들어 도 20에 나타낸 바와 같이, 사각형 형상 또는 타원 형상 발광 패턴(p)의 단축(短軸)을 n방향으로 정렬시키도록 VCSEL을 1 차원 또는 2 차원으로 배열함으로써, 균일한 광조사를 행하는 것이 가능한 레이저 장치를 제공하고 있다.
또한, 특허 문헌 3은, 예를 들어 도 21에 나타낸 바와 같이, 주(主)주사 방향 Y의 중앙의 광원으로부터 양단부의 광원에 걸쳐 발광 구멍(니어필드 패턴(near-field pattern)의 직경)이 작아지는 구성의 광원을 개시하고 있다. 중앙의 광원으로부터 출사된 광빔은 감광체면 위의 초점에서 결상(結像)되고, 단부(端部)의 광원으로부터 출사된 광빔은 감광체 앞의 초점에서 결상된 후, 서서히 굵어져, 결과적으로, 감광체면 위에서는 중앙의 스폿 직경과 동일한 스폿 직경이 형성된다.
[특허 문헌 1] 일본국 공개 특허 공보 2004-23087호
[특허 문헌 2] 일본국 공개 특허 공보 평10-65266호
[특허 문헌 3] 일본국 공개 특허 공보 평10-52941호
그러나, 상기 종래의 멀티 스폿형 VCSEL에는 다음과 같은 과제가 있다. 도 22는 종래의 멀티 스폿형 VCSEL에서의 인접하는 2 개의 발광부의 개략 구성을 나타낸다. n형 반도체 기판(910) 위에 n형 하부 반사 미러(911), 활성층(912), p형 전류 협착층(913), p형 상부 반사 미러(914)가 적층되고, 그 위에 p측 전극층(915)이 형성되어 있다. 기판 위에는 원통 형상의 포스트(또는 메사)(916)가 형성되고, 포스트(916)는 상부 반사 미러(914), 전류 협착층(913), 활성층(912), 및 하부 반사 미러(911)의 일부를 포함한다. 전류 협착층(913)의 외주(外周)에는 포스트 형상을 반영한 선택 산화 영역(913a)이 형성되고, 산화되지 않고 남은 원형의 도전성 영역인 산화 어퍼처(913b)가 형성된다. 전극층(915)에는 산화 어퍼처(913b)의 축방향 중심 C1 및 C2와 정합하도록 원형의 출사 개구(917)가 형성되어 있다. 또한, 각 포스트(발광부)에 공통되는 n측 전극(918)이 기판의 이면(裏面)에 형성되어 있다.
VCSEL을 구동하면, 산화 어퍼처(913b)의 직경 및 전극층(915)의 출사 개구(917)의 직경에 따라, 중심축 C1 및 C2에 관하여 발산각(發散角) θ의 레이저광이 기판으로부터 수직 방향으로 출사된다. 이 때, 각각의 포스트(916)의 출사 개구(917)에서의 니어필드 패턴(NFP)(920)은 대칭적인 단봉성(單峯性)을 갖고, 합성된 레이저광의 FFP의 빔 프로파일(profile)(921)은 중앙부에 출력이 저하된 부분(922)을 포함한다. 이것은 제조상의 한계 때문에 포스트(916)의 간격을 일정 이상으로 좁히는 것이 곤란하기 때문이다. 이것은 광신호를 전송하는 광학계에서는 바람직 하지 않다.
또한, 광슬릿, 렌즈, 수광(受光) 소자에 레이저광을 입사시킬 경우, 레이저광의 발산 각도가 안정되고, 또한 좁은 것이 바람직하다. 싱글스폿 VCSEL의 경우에는, 이러한 요구를 만족시키는 것이 용이하지만, 멀티 스폿형 레이저 어레이의 경우, 상기한 바와 같이 제조상의 한계로부터 포스트의 간격을 일정 이상으로 좁히는 것이 곤란하기 때문에, 각 레이저광의 발광점이 공간적으로 확장되고, 합성된 레이저광의 발산 각도도 싱글스폿과 같이 좁히는 것이 어렵다는 과제가 있다. 특히, 어레이 중심의 주변부에 위치하는 포스트(발광부)로부터의 레이저광은 렌즈 등의 광학 부재에서 차폐(遮蔽)되기 쉽기 때문에, 어레이 중심의 주변부의 레이저광의 발산 각도를 좁히는 것이 필요했다.
한편, 특허 문헌 2에서의 출사 니어필드 패턴은 기본적으로 동일하고, 특허 문헌 3에서는, 발광 구멍의 사이즈는 다르지만 니어필드 패턴이 대칭이기 때문에, 합성된 레이저광의 니어필드 패턴 또는 빔 프로파일에는 여전히 중앙에 출력 저하 부분이 생기게 되어, 상술한 과제를 해결할 수는 없었다.
본 발명은 상기 종래의 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 각 발광부의 출사 니어필드 패턴을 조정하고, 광전송용 광원에 적합한 멀티 스폿형의 면발광형 반도체 레이저 어레이를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 멀티 스폿형의 면발광형 반도체 레이저 어레이를 광원에 포함하고, 광전송에 적합한 빔 프로파일을 갖는 광전송 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 면발광형 반도체 레이저 어레이는, 1 차원 또는 2 차원 어레이 형상으로 배열된 복수의 발광부를 포함하고, 각 발광부는 기판 위에 제 1 반사 미러, 제 2 반사 미러, 제 1 반사 미러와 제 2 반사 미러 사이에 형성된 활성 영역 및 전류 협착층, 제 2 반사 미러 상방(上方)의 복수의 출사 개구를 갖고, 각 발광부는 동시에 구동되어 각 출사 개구로부터 레이저광을 출사하며, 적어도 1 개의 발광부의 레이저광의 니어필드 패턴이 다른 발광부의 레이저광의 니어필드 패턴과 상이한 것이다. 이것에 의해, 합성된 레이저광의 빔 프로파일을 원하는 패턴으로 할 수 있다.
바람직하게는, 적어도 1 개의 발광부는 어레이 중심의 주변부에 위치하고, 그 레이저광의 니어필드 패턴이 중앙을 향하여 비대칭으로 편심(偏心)되어 있다. 이것에 의해, 합성된 빔 프로파일의 중앙부의 출력 저하를 억제한 레이저광을 얻을 수 있다. 레이저광은 고출력을 갖는 멀티모드 발진인 것이 바람직하다.
바람직하게는, 복수의 발광부가 2 차원 어레이 형상으로 배열(예를 들어 3×3 배열)되어 있을 때, 주변부에 위치하는 8 개 발광부의 레이저광의 니어필드 패턴이 중앙의 발광부를 향하여 편심되어 있다. 이것에 의해, 동일한 니어필드 패턴을 배열시킨 종래 구성의 면발광형 반도체 레이저 어레이와 비교하여, 합성된 레이저광의 발산 각도가 억제되고, 또한 중앙부에 큰 출력 저하가 없는 레이저광을 얻을 수 있다. 이러한 레이저광을 광신호로서 이용함으로써, 정확한 광전송을 실현시키는 것이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 면발광형 반도체 레이저 어레이는, 1 차원 또는 2 차원 어레이 형상으로 배열된 복수의 발광부를 포함하고, 각 발광부는 기판 위에 제 1 반사 미러, 제 2 반사 미러, 제 1 반사 미러와 제 2 반사 미러 사이에 형성된 활성 영역 및 전류 협착층, 제 2 반사 미러 상방의 복수의 출사 개구를 갖고, 각 발광부는 동시에 구동되어 기판과 수직 방향으로 각 출사 개구로부터 레이저광을 출사하며, 적어도 1 개의 발광부의 출사 개구 중심이 대응하는 전류 협착층의 산화 어퍼처 중심으로부터 편심되어 있다.
바람직하게는, 적어도 1 개의 발광부는 어레이 중심의 주변부에 위치하고, 어레이 중심의 주변부에 위치하는 발광부의 출사 개구 중심은 어레이 중심을 향하도록 산화 어퍼처 중심으로부터 편심되어 있다. 예를 들어 발광부가 1 차원 형상으로 배열되어 있으면, 그 양단의 출사 개구를 중심을 향하여 편심시킬 수도 있고, 한쪽 출사 개구만을 중심을 향하여 편심시킬 수도 있다. 2 차원 형상이면, 주변부의 모든 출사 개구를 편심시킬 수도 있고, 적어도 1 개를 편심시킬 수도 있다. 이 경우에도 편심시키는 방향은 어레이의 중앙으로 배향되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 복수의 발광부는 기판 위에 형성된 복수의 포스트를 포함하며, 출사 개구는 포스트 최상부에 형성되고, 산화 어퍼처는 포스트 내의 전류 협착층에 형성된다. 포스트의 형상은 원통 형상 또는 사각형 형상일 수도 있고, 포스트는 메사와 동일한 의미이다. 또한, 전류 협착층은 AlAs층을 포함하고, AlAs층을 선택적으로 산화함으로써 산화 어퍼처가 형성된다. 이 경우, 포스트의 측면으로부터 산화시킴으로써, 포스트의 형상을 반영한 산화 어퍼처를 얻을 수 있다. 또한, 출사 개구는 포스트 최상부의 전극층에 형성될 수도 있고, 단층 또는 다층의 반사막에 형성할 수도 있다.
이하, 본 발명의 멀티 스폿형 VCSEL에 대해서 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 VCSEL의 모식적인 평면도이다. 도 1의 (a)는 발광부(1-1, 1-2, …, 1-n(n은 2 이상의 양의 정수))를 1 차원 어레이 형상으로 배열시킨 VCSEL 어레이(10)이고, 도 1의 (b)는 발광부(1-1, 1-2, …, 1-n)를 m열(m은 2 이상의 양의 정수) 배열시킨 2차원 어레이 형상의 VCSEL 어레이(12)를 나타낸다. 이들 발광부(1-1, 1-2, …, 1-n)는 후술하는 바와 같이 반도체 기판 위에 형성되는 것이며, 각 발광부는 구동 회로로부터의 동일 구동 신호에 의해 동시에 발광되고, 각 발광부로부터 출사된 레이저광은 합성되어 고출력의 레이저광이 얻어진다.
도 2는 멀티 스폿형 VCSEL 어레이를 구동하는 회로의 구성을 나타낸 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 레이저 다이오드 드라이버(LDD)(20)는 마이크로컴퓨터 등으로부터의 구동 제어 신호를 입력하고, 이것에 응답하여 발광부(1-1, 1-2, …, 1-n)에 대하여 동일한 구동 신호(22)를 공급한다. 각 발광부(1-1, 1-2, …, 1-n)는 동일한 구동 신호(22)에 의해 구동되고, 레이저광을 출사하여, 전체적으로 1 개의 광신호가 광섬유 등에 입사된다.
도 3은 본 실시예에 따른 VCSEL 어레이의 발광부의 구성을 나타낸 단면도이다. 도 3은 일례로서 2 개의 발광부가 형성된 VCSEL 어레이를 나타낸다. 도 3에 나타낸 바와 같이, n형 반도체 기판(30) 위에 n형 하부 반사 미러(31), 활성 영역(32), p형 전류 협착층(33), p형 상부 반사 미러(34)가 적층되고, 그 위에 p측 전극층(35)이 형성되어 있다. p측 전극층(35)에는 레이저광을 출사하기 위한 출사 개구(36)가 형성되어 있다. 또한, 기판(30)의 이면에는 n측 전극층(37)이 형성되어 있다.
2 개의 발광부 S1 및 S2는, 예를 들어 기판(30) 위에 형성된 원통 형상의 포스트 또는 메사 내에 형성된다. 각 포스트는, 바람직하게는 상부 반사 미러(34)로부터 하부 반사 미러(31)의 일부에 이르기까지 에칭에 의해 형성되어 있다. 그리고, 포스트 내의 전류 협착층(33) 외주에는 포스트 형상을 반영하여 선택적으로 산화된 산화 영역(33a)이 형성되고, 산화되지 않고 남은 원형의 도전성 영역인 산화 어퍼처(33b)가 형성된다.
본 실시예의 VCSEL에 있어서, 특징적인 점은 포스트 최상부의 p측 전극층(35)에 형성된 출사 개구(36)의 축방향 중심 E1 및 E2가 산화 어퍼처(33b)의 축방향 중심 C1 및 C2로부터 거리 d만큼 편심되어 있는 것이다. 즉, 발광부 S1의 출사 개구(36)는 A방향, 즉, 발광부 S2를 향하도록 편심되는 한편, 발광부 S2의 출사 개구(36)는 B방향, 즉, 발광부 S1을 향하도록 편심된다. 바람직하게는, 출사 개구(36)의 둘레 P는 산화 어퍼처(33b)의 둘레와 일치한다. 또는, 바람직하게는, 편심거리 d는 산화 어퍼처(33b) 직경의 약 최대 20 %이다. 또한, 포스트가 원통 형상일 때, 포스트의 축방향 중심과 산화 어퍼처(33b)의 중심은 대략 일치한다.
출사 개구(36)를 편심시킴으로써, 활성 영역(32)으로부터 발광된 레이저광은 출사 개구(36)의 둘레 P에서 내부로 반사되고, 둘레 P와 대향하는 둘레 Q에서 출사가 조장된다. 이 때문에, 발광부 S1로부터 출사된 레이저광은 포스트의 축방향 중심 C1 또는 산화 어퍼처 중심에 관하여 둘레 P 측의 발산각 θ1이 억제되고, 둘레 Q 측의 발산각 θ2가 조장된 비대칭 니어필드 패턴으로 된다. 환언하면, 발산각 θ2는 발광부 S2를 향하여 보다 경사진 니어필드 패턴으로 된다. 한편, 발광부 S2로부터 출사된 레이저광은 P부 측의 발산각 θ1이 억제되고, Q부 측의 발산각 θ2가 조장된 비대칭 니어필드 패턴으로 된다.
그 결과, 발광부 S1과 발광부 S2의 빔이 중복되는 영역이 많아지고, 발광부 S1과 발광부 S2의 중앙에서의 합성이 보다 많아진다. 이것에 의해, 합성된 빔 프로파일(38)은 도시한 바와 같이 중앙의 출력 저하 부분이 억제된 레이저광으로 된다. 또한, 합성된 빔 프로파일 반경(半徑) R(피크 강도의 1/e2에서의 반경)은 종래의 도 22에 나타낸 합성된 빔 프로파일의 반경보다도 작아져, 어레이로부터 출사되는 합성된 레이저광의 발산 각도 또는 빔 직경을 축소시킬 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는 출사 개구를 p측 전극층에 형성하고, p측 전극층의 이면에서 발진된 레이저광을 반사시키도록 했지만, 이것에 한정되지 않아, 다른 도전층 또는 반도체층에 의해, 발진하는 레이저광을 포스트 내에 반사시키는 광반사층을 형성하도록 할 수도 있다. 또한, 발광부 S1과 S2의 편심거리 d를 동일하게 했지만, 반드시 동일하지 않아도 된다.
다음으로, 본 발명의 제 2 실시예에 대해서 설명한다. 제 1 실시예는 출사 개구의 형상을 산화 어퍼처의 형상과 상사형(相似形)(양쪽 모두 평면 형상은 원형)으로 했지만, 제 2 실시예는 도 4에 나타낸 바와 같이 출사 개구(40)를 사각형 형상으로 하고 있다. 출사 개구(40)의 형상을 제외한 다른 구성은 제 1 실시예와 동일하며, 제 2 실시예의 경우에도 니어필드 패턴을 비대칭으로 하고, 또한 서로 접근하는 방향으로 편심시킴으로써, 합성된 빔 프로파일(38)은 중앙부의 우묵한 부분(출력 저하)이 억제되고, 또한 패턴 반경 R이 축소된 레이저광으로 된다.
다음으로, 본 발명의 제 3 실시예에 대해서 설명한다. 도 5는 제 3 실시예의 VCSEL의 단면 구조를 나타낸다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 제 3 실시예에서는 기판 위에 3 개의 발광부 S1, S2, S3을 형성하고 있다. 이 경우, 중앙에 위치하는 발광부 S2의 출사 개구 중심은 포스트의 축방향 중심 C2 또는 산화 어퍼처 중심과 일치한다. 한편, 발광부 S1의 출사 개구 중심은 산화 어퍼처 중심 C1로부터 A방향, 즉, 발광부 S2를 향하여 편심되고, 발광부 S3의 출사 개구 중심은 산화 어퍼처 중심 C3으로부터 B방향, 즉, 발광부 S2를 향하여 편심된다.
이하, 상세한 구성을 설명한다. 멀티 스폿형 VCSEL 어레이(50)는 n형 GaAs 기판(110) 위에 n형 버퍼층(111), n형 하부 DBR(Distributed Bragg Reflector: 분포 브랙형 반사경)층(112), 비도핑(undoped) 하부 스페이서층과 비도핑 양자 우물 활성층과 비도핑 상부 스페이서층을 포함하는 활성 영역(113), p형 상부 DBR층(114)을 차례로 적층한다. 기판 위에 적층된 복수의 반도체층을 소정의 깊이까지 이방성 에칭함으로써, 기판 위에 포스트(102, 104, 106)가 형성된다. 포스트(102, 104, 106)는 각각 원통 형상을 갖고, 그 외형은 대략 동일한 사이즈이다.
포스트(102, 104, 106)의 상부 DBR층(108)의 최하층(最下層)에는 p형 AlAs층(115)이 형성되어 있다. 또한, 상부 DBR층(108)의 최상층(最上層)은 p형 콘택트층이 형성되도록 할 수도 있다. AlAs층(115)은 포스트(102, 104, 106)의 측면으로부터 일부가 산화된 산화 영역(116)과, 산화 영역(116)에 의해 둘러싸인 원형의 산화 어퍼처(도전 영역)(117)를 갖는다. AlAs층(115)은 산화 영역(116)에 의해 둘러싸인 산화 어퍼처(117) 내에 광 및 캐리어를 폐쇄하는 전류 협착층으로서 기능한다. 포스트(102, 104, 106)에 형성된 각 산화 어퍼처(117)의 직경은 동일하며, 각각 예를 들어 약 12 ㎛이다. 여기서, 산화 어퍼처의 직경은 상기 산화 어퍼처를 기판과 수평 방향의 면내에서 측정했을 때의 직경이다.
포스트(102, 104, 106)의 최상부에는 원형의 출사 개구(118)가 형성된 콘택트 메탈(119)이 패턴 형성되어 있다. 또한, 포스트(102, 104, 106)의 측벽 및 상면은 층간절연막(120)에 의해 덮이고, 층간절연막(120)에는 콘택트 메탈(119)을 노출시키기 위한 콘택트 홀이 형성되어 있다. 이 콘택트 홀을 통하여 p측 전극층(121)이 패턴 형성되어 있다. 또한, 기판의 이면에는 n측 전극(122)이 형성되어 있다.
발광부 S1의 포스트(102)에 있어서, 콘택트 메탈(119)의 출사 개구(118)는 산화 어퍼처(117)의 축방향 중심 C1로부터 A방향, 즉, 발광부 S2를 향하여 오프셋(offset)된다. 발광부 S3의 포스트(106)에 있어서, 출사 개구(118)는 산화 어퍼처(117)의 축방향 중심 C3으로부터 B방향, 즉, 발광부 S2를 향하여 오프셋된다. 중앙의 발광부 S2의 포스트(104)에 있어서, 출사 개구(118)의 중심은 산화 어퍼처(117)의 축방향 중심 C2와 일치한다.
제 3 실시예에 의하면, 양측에 위치하는 발광부 S1 및 S3으로부터의 레이저광의 니어필드 패턴을 중앙의 발광부 S2를 향하게 함으로써, 합성된 레이저광의 발산 각도를 축소할 수 있다. 동시에, 빔 프로파일에서 국소적인 출력 저하도 방지할 수 있다.
또한, 제 3 실시예에서는 전류 협착층을 형성하는 수단으로서 AlAs층을 선택 산화하도록 했지만, 이것에 한정되지 않아, 도 5의 (b)에 나타낸 바와 같이 프로톤을 주입하여 확산 영역(130)을 형성함으로써 도전성 어퍼처(131)를 형성하도록 할 수도 있다. 이 경우에는 발광부 S1, S2, S3을 형성하는 포스트 또는 메사를 반드시 형성할 필요는 없다.
다음으로, 본 발명의 제 4 실시예에 대해서 설명한다. 제 4 실시예는 광반사막에 의해 발광부의 출사 개구를 형성한다. 도 6은 제 4 실시예의 멀티 스폿형 VCSEL 어레이에 이용되는 1 개의 발광부의 단면도이며, 도면 중에서 제 3 실시예(도 5)와 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조번호가 첨부되어 있다. 제 4 실시예에서는 포스트 최상부의 상부 DBR층(최상부에 p형 콘택트층을 포함하는 것일 수도 있음)(108) 위에 단층 또는 다층의 반사막층(140)이 형성되어 있다. 반사막층(140)에는 상부 DBR층(108)을 노출시키기 위한 콘택트 홀(141)이 형성되고, 콘택트 홀(141)을 통하여 p측 전극층(121)이 상부 DBR층(108)에 전기적으로 접속되어 있다.
반사막층(140)의 중앙에는 출사 개구(142)가 형성되어 있다. 이 출사 개구(142)의 위치는 상기한 바와 같이 어레이 형상의 발광부 위치에 따라 편심시킬 수 있다. 도 6의 예는 출사 개구(142)의 중심이 포스트의 축방향 중심 C, 즉, 산화 어퍼처(131)의 중심과 일치하고 있는 예를 나타낸다. 반사막층(140)은 포스트 내에서 발진된 레이저광을 포스트 내로 반사시키기 위해, 출사 개구(142)의 위치를 조정함으로써, 출사 개구의 니어필드 패턴을 조정할 수 있다.
도 7은 싱글스폿 VCSEL에서의 콘택트 메탈 직경비와 FFP(파필드(far-field) 패턴) 변화를 나타낸 실험 결과이다. 제 3 실시예에 있어서, 콘택트 메탈에 형성된 출사 개구의 직경을 φA로 하고, 산화 어퍼처의 직경을 φB로 했을 때, 횡축(橫軸)에 콘택트 메탈/산화 직경(φA/φB), 종축(縱軸)에 FFP 변화율을 나타낸 것이다. FFP는 피크 강도의 1/e2에서의 반경 변화율이다. FFP 변화율이 1일 때, FFP 또는 발산 각도에는 변화가 없음을 나타내고 있으며, 콘택트 메탈 직경/산화 어퍼처 직경의 값이 커짐에 따라 FFP의 변화가 둔화(鈍化)되어, 1에 근접함을 알 수 있다. 즉, 콘택트 메탈 직경이 산화 어퍼처 직경보다도 커지면 커질수록 FFP의 변화가 작아진다. 따라서, 어레이 중심의 주변부 상에 위치하는 발광부일수록 콘택트 메탈 직경/산화 어퍼처 직경의 값을 작게 하고, 보다 중심으로 니어필드 패턴이 편심되도록 하는 것이 바람직하다.
도 8은 싱글스폿 VCSEL에서의 산화 어퍼처 직경을 중심으로 콘택트 메탈 중심을 편심시켰을 때의 FFP(발산 각도)의 변화를 나타낸 실험 결과이다. 횡축은 편심거리 d와 산화 어퍼처 반경(φB/2)의 비, 종축에 FFP 변화율을 나타낸다. 이 실험 결과로부터, 산화 어퍼처의 반경에 대한 편심거리 d가 커지고, 1.3에 근접하면, FFP 변화율이 1에 근접함을 알 수 있다. 따라서, 편심거리 d와 산화 어퍼처의 반 경은 1.1 이하로 하는 것이 바람직하다. 즉, 편심거리 d는 산화 어퍼처의 약 20 % 이하로 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 제 3 실시예에 따른 VCSEL의 제조 방법에 대해서 설명한다. 유기 금속 기상 성장(MOCVD)법에 의해, n형 GaAs 기판(110)에 캐리어 농도가 1×1018㎝-3, 막 두께가 0.2 ㎛ 정도인 n형 GaAs 버퍼층(111)을 적층한다. 그 위에 각층의 두께가 λ/4nr(단, λ는 발진 파장, nr은 매질(媒質)의 굴절률)인 Al0 .9Ga0 .1As과 Al0.3Ga0.7As를 번갈아 40.5 주기 적층한 하부 n형 DBR층(112)을 형성한다. 하부 n형 DBR층(112)은 캐리어 농도는 1×1018㎝-3이다. 그 위에 비도핑 하부 Al0 .5Ga0 .5As 스페이서층과 비도핑 양자 우물 활성층과 비도핑 상부 Al0 .5Ga0 .5As 스페이서층으로 구성된 활성 영역(113)이 형성된다.
활성 영역(113) 위에 Al0 .9Ga0 .1As과 Al0 .3Ga0.7As을 각각의 막 두께가 매질내 파장의 1/4로 되도록 번갈아 30 주기 적층된 상부 DBR층(114)이 형성된다. 캐리어 농도는 1×1018㎝-3이다. 또한, 상부 p형 DBR층(113)의 최하층에는 저(低)저항의 p형 AlAs층(115)이 포함되어 있다. 또한, 상부 DBR층(114)의 최상부에 캐리어 농도가 1×1019㎝-3로 되는 막 두께 10 ㎚ 정도의 p형 GaAs 콘택트층이 적층된다.
각각의 포스트(102, 104, 106)는 소정의 마스크를 이용하여 반응성 이온 에칭에 의해 하부 n형 DBR층(112)의 도중까지 에칭한다. 이것에 의해, 동일한 외경( 外徑)의 원기둥 또는 각기둥의 포스트(102, 104, 106)가 형성된다. 포스트의 간격은 약 50 ㎛ 정도이다.
포스트 내의 전류 협착층(AlAs층)은 산화 공정에서 산화된다. 이 때, Al 조성이 높은 AlGaAs과 AlAs층이 알루미늄 산화물(AlxOy)로 변화하지만, AlAs이 AlGaAs에 비하여 산화 속도가 압도적으로 더 빠르기 때문에, AlAs만이 선택적으로 포스트 측벽 단부로부터 포스트 중심부를 향한 산화가 진행되고, 최종적으로 메사의 외형을 반영한 산화 영역(116)이 형성된다. 산화 영역(116)에 의해 둘러싸인 산화 어퍼처(도전 영역)(117)의 직경은 각각의 포스트에서 대략 동일하다. 산화 영역(117)은 도전성이 저하되어 전류 협착부로 되지만, 동시에 주위의 반도체층에 비하여 광학 굴절률이 반분(半分) 정도(∼1.6)이기 때문에, 광 폐쇄 영역으로서도 기능하고, 광 및 캐리어가 산화 어퍼처(117) 내에 폐쇄된다.
포스트의 저부(底部), 측부, 및 최상부의 일부는 SiN 또는 SiON 등의 층간절연막(120)에 의해 덮인다. p측 전극층(121)의 재료로서 Au 등이 이용된다. 또한, 기판 이면의 n측 전극(122)으로서 Au/Ge이 이용된다.
도 9는 멀티 스폿형 VCSEL 어레이가 형성된 반도체 칩을 모듈화했을 때의 패키지의 단면 구성을 나타낸 도면이다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 패키지(300)는 멀티 스폿형 VCSEL을 포함하는 칩(310)을 도전성 접착제(320)를 통하여 원반 형상의 금속 스템(stem)(330) 위에 고정시킨다. 도전성 리드(lead)(340, 342)는 스템(330)에 형성된 관통 구멍(도시 생략) 내에 삽입되며, 한쪽 리드(340)는 칩(310)의 이면에 형성된 n측 전극에 전기적으로 접속되고, 다른쪽 리드(342)는 칩(310)의 표면에 형성된 p측 전극에 본딩 와이어 등을 통하여 전기적으로 접속된다.
칩(310)을 포함하는 스템(330) 위에 사각형 형상의 중공(中空) 캡(350)이 고정되고, 캡(350)의 중앙 개구 내에 볼 렌즈(ball lens)(360)가 고정되어 있다. 볼 렌즈(360)의 광축(光軸)은 칩(310)의 대략 중심과 일치하도록 위치 결정된다. 리드(340, 342) 사이에 순(順)방향의 전압이 인가되면, 칩(310)의 각 메사로부터 레이저광이 출사된다. 칩(310)과 볼 렌즈(360)의 거리는 칩(310)으로부터의 레이저광의 방사 각도 θ 내에 볼 렌즈(360)가 포함되도록 조정한다. 또한, 캡 내에 VCSEL의 발광 상태를 모니터하기 위한 수광 소자를 포함시키도록 할 수도 있다.
도 10은 다른 반도체 칩을 모듈화한 패키지의 구성을 나타낸 도면이다. 도 10의 패키지(302)는, 볼 렌즈(360) 대신에, 캡(350)의 중앙 개구 내에 평판 유리(362)가 고정되어 있다. 평판 유리(362)의 중심은 칩(310)의 매트릭스 형상으로 형성된 어레이의 대략 중심과 일치하도록 위치 결정된다. 리드(340, 342) 사이에 순방향의 전압이 인가되면, 칩(310)의 각 발광부로부터 레이저광이 출사된다. 칩(310)과 평판 유리(362)의 거리는 평판 유리(362)의 개구 직경이 칩(310)으로부터의 레이저광의 발산 각도 θ 이상으로 되도록 조정한다. 이 패키지(302)는, 바람직하게는 후술하는 공간 전송 시스템에 사용된다.
도 11은 도 9 또는 도 10에 나타낸 패키지를 이용한 슬릿-집광 렌즈 광학계를 나타낸 도면이다. 상기한 바와 같이, VCSEL 어레이를 포함하는 패키지(300)의 상면으로부터는 발산각 θ로 합성 레이저광이 출사된다. 이 발산각 θ의 레이저광 은 슬릿(380)을 통과함으로써 직경이 축소된 후에 집광 렌즈(390)에 입사된다. 이것에 의해, 고출력이면서 빔 직경이 작은 광전송을 행할 수 있다.
도 12는 도 9 또는 도 10에 나타낸 패키지를 이용한 빔 분리-포토다이오드 입사 광학계를 나타낸 도면이다. 패키지(300)의 상면으로부터 발산각 θ로 출사된 레이저광은 빔 분리기(beam splitter)(390) 또는 하프 미러(half-mirror)에 입사되고, 일부가 수광 포토다이오드(392)에 입사된다. 이것은, 예를 들어 VCSEL의 레이저광의 광량(光量)을 모니터하는 광학계에 이용된다.
도 13은 도 9에 나타낸 패키지 또는 모듈을 광송신 장치에 적용했을 때의 구성을 나타낸 단면도이다. 광송신 장치(400)는 스템(330)에 고정된 원통 형상의 하우징(housing)(410)과, 하우징(410)의 단면(端面)에 일체로 형성된 슬리브(sleeve)(420)와, 슬리브(420)의 개구(422) 내에 유지되는 페룰(ferrule)(430)과, 페룰(430)에 의해 유지되는 광섬유(440)를 포함하여 구성된다.
스템(330)의 원주 방향으로 형성된 플랜지(flange)(332)에는 하우징(410)의 단부가 고정된다. 페룰(430)은 슬리브(420)의 개구(422)에 정확히 위치 결정되고, 광섬유(440)의 광축이 볼 렌즈(360)의 광축에 정합된다. 페룰(430)의 관통 구멍(432) 내에 광섬유(440)의 심선(core line)이 유지되어 있다.
칩(310)의 표면으로부터 출사된 레이저광은 볼 렌즈(360)에 의해 집광되고, 집광된 광은 광섬유(440)의 심선에 입사되어 송신된다. 상기 예에서는 볼 렌즈(360)를 이용하고 있지만, 그 이외에도 양볼록렌즈나 평볼록렌즈 등의 다른 렌즈를 이용할 수 있다. 또한, 광송신 장치(400)는 리드(340, 342)에 전기 신호를 인가하 기 위한 구동 회로를 포함하는 것일 수도 있다. 또한, 광송신 장치(400)는 광섬유(440)를 통하여 광신호를 수신하기 위한 수신 기능을 포함하는 것일 수도 있다.
도 14는 도 9에 나타낸 패키지를 공간 전송 시스템에 이용했을 때의 구성을 나타낸 도면이다. 공간 전송 시스템(500)은 패키지(300)와, 집광 렌즈(510)와, 확산판(520)과, 반사 미러(530)를 포함한다. 공간 전송 시스템(500)에서는, 패키지(300)에 이용된 볼 렌즈(360)를 이용하는 대신에, 집광 렌즈(510)를 이용한다. 집광 렌즈(510)에 의해 집광된 광은 반사 미러(530)의 개구(532)를 통하여 확산판(520)에 의해 반사되고, 그 반사광이 반사 미러(520)를 향하여 반사된다. 반사 미러(520)는 그 반사광을 소정의 방향을 향하여 반사시켜 광전송을 행한다. 본 발명의 멀티 스폿형 VCSEL 어레이를 이용함으로써, 고출력이면서 단봉성인 레이저광을 광전송에 이용할 수 있다.
도 15는 VCSEL을 광원에 이용한 광전송 시스템의 일 구성예를 나타낸 도면이다. 광전송 시스템(600)은 멀티 스폿형 VCSEL이 형성된 칩(310)을 포함하는 광원(610)과, 광원(610)으로부터 방출된 레이저광의 집광 등을 행하는 광학계(620)와, 광학계(620)로부터 출력된 레이저광을 수광하는 수광부(630)와, 광원(610)의 구동을 제어하는 제어부(640)를 갖는다. 제어부(640)는 VCSEL을 구동하기 위한 구동 펄스 신호를 광원(610)에 공급한다. 광원(610)으로부터 방출된 광은 광학계(620)를 통하여 광섬유나 공간 전송용 반사 미러 등에 의해 수광부(630)로 전송된다. 수광부(630)는 수광한 광을 광검파기(photodetector) 등에 의해 검출한다. 수광부(630)는 제어 신호(650)에 의해 제어부(640)의 동작(예를 들어 광전송의 개시 타이 밍)을 제어할 수 있다. 본 발명에 의한 멀티 스폿 측의 VCSEL은 모든 영역에서 큰 출력 저하가 없는 빔 프로파일을 갖고 있기 때문에, 수광부(630)는 모든 영역에서 레이저광의 검출을 적절히 행할 수 있다.
다음으로, 광전송 시스템에 이용되는 광전송 장치의 구성에 대해서 설명한다. 도 16은 광전송 장치의 외관 구성을 나타낸 도면이고, 도 17은 그 내부 구성을 모식적으로 나타낸 도면이다. 광전송 장치(700)는 케이스(710), 광신호 송신/수신 커넥터 접합부(720), 발광/수광 소자(730), 전기 신호 케이블 접합부(740), 전원 입력부(750), 동작중을 나타내는 LED(760), 이상(異常) 발생을 나타내는 LED(770), DVI 커넥터(780), 송신 회로 기판/수신 회로 기판(790)을 갖고 있다.
광전송 장치(700)를 이용한 영상 전송 시스템을 도 18 및 도 19에 나타낸다. 이들 도면에 있어서, 영상 전송 시스템(800)은 영상 신호 발생 장치(810)에 의해 발생된 영상 신호를 액정 디스플레이 등의 화상 표시 장치(820)에 전송하기 위해, 도 16 및 도 17에 나타낸 광전송 장치를 이용한다. 즉, 영상 전송 시스템(800)은 영상 신호 발생 장치(810), 화상 표시 장치(820), DVI용 전기 케이블(830), 송신 모듈(840), 수신 모듈(850), 영상 신호 전송 광신호용 커넥터(860), 광섬유(870), 제어용 전기 케이블 커넥터(880), 전원 어댑터(890), DVI용 전기 케이블(900)을 포함한다.
상기 영상 전송 시스템에서는 영상 신호 발생 장치(810)와 송신 모듈(840), 및 수신 모듈(850)과 화상 표시 장치(820) 사이를 전기 케이블(830, 900)에 의한 전기 신호의 전송으로 했지만, 이들 사이의 전송을 광신호에 의해 행하는 것도 가 능하다. 예를 들어 전기-광변환 회로 및 광-전기 변환 회로를 커넥터에 포함하는 신호 송신용 케이블을 전기 케이블(830, 900) 대신에 이용하도록 할 수도 있다. 또한, 제어 신호를 광신호에 의해 전송하는 구성으로 하여, 광섬유(870) 또는 다른 광섬유에 의해 전송할 수도 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 상세하게 설명했지만, 본 발명에 따른 특정 실시예에 한정되지 않아, 특허청구범위에 기재된 본 발명의 요지의 범위 내에서 다양한 변형 및 변경이 가능하다.
본 발명에 따른 멀티 스폿형 면발광 레이저는 프린터나 복사 장치의 광원이나 광통신, 광 네트워크 등의 광원으로서 널리 이용할 수 있다.
본 발명에 따른 면발광형 반도체 레이저 어레이에 의하면, 적어도 1 개의 발광부의 레이저광의 니어필드(근시야(近視野)) 패턴을 다른 발광부의 그것과 상이하게 함으로써, 합성된 레이저광의 빔 프로파일 중앙부의 출력 저하를 억제할 수 있다. 이러한 면발광형 반도체 레이저 어레이를 광전송용 광원에 이용함으로써, 보다 정확한 광전송을 실현할 수 있다.

Claims (19)

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  6. 1 차원 또는 2 차원 어레이 형상으로 배열된 복수의 발광부를 포함하고, 각 발광부는 기판 위에 제 1 반사 미러, 제 2 반사 미러, 제 1 반사 미러와 제 2 반사 미러 사이에 형성된 활성 영역 및 전류 협착층, 제 2 반사 미러 상방의 복수의 출사 개구를 갖고, 각 발광부는 동시에 구동되어 각 출사 개구로부터 레이저광을 출사하는 면발광형 반도체 레이저 어레이로서,
    적어도 1 개의 발광부의 출사 개구 중심이 대응하는 전류 협착층의 산화 어퍼처(aperture) 중심으로부터 편심되어 있는 면발광형 반도체 레이저 어레이.
  7. 제 6 항에 있어서,
    적어도 1 개의 발광부는 어레이 중심의 주변부에 위치하는 면발광형 반도체 레이저 어레이.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    어레이 중심의 주변부에 위치하는 발광부의 출사 개구 중심은 어레이 중심을 향하도록 산화 어퍼처 중심으로부터 편심되어 있는 면발광형 반도체 레이저 어레이.
  9. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    복수의 발광부는 기판 위에 형성된 복수의 포스트를 포함하며, 출사 개구는 포스트 최상부에 형성되고, 산화 어퍼처는 포스트 내의 전류 협착층에 형성되는 면발광형 반도체 레이저 어레이.
  10. 제 9 항에 있어서,
    전류 협착층은 AlAs층을 포함하고, AlAs층을 포스트 측면으로부터 선택적으로 산화함으로써 산화 어퍼처가 형성되는 면발광형 반도체 레이저 어레이.
  11. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    출사 개구는 발광부로 전류를 주입하는 전극층에 형성되어 있는 면발광형 반도체 레이저 어레이.
  12. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    출사 개구는 포스트 최상부에 형성된 단층 또는 다층 반사막에 의해 형성되어 있는 면발광형 반도체 레이저 어레이.
  13. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    복수의 발광부로부터 출사된 레이저광은 합성되어 1 개의 광신호로서 작용하는 면발광형 반도체 레이저 어레이.
  14. 제 6 항 또는 제 7 항에 기재된 면발광형 반도체 레이저 어레이의 반도체 칩과 상기 반도체 칩을 지지하는 기판을 갖는 모듈.
  15. 제 14 항에 기재된 모듈과, 상기 모듈 내에 설치된 상기 면발광형 반도체 레이저 어레이에 구동 신호를 공급하는 구동 회로를 구비한 면발광형 반도체 레이저 장치.
  16. 제 14 항에 기재된 모듈과, 상기 모듈로부터 발광된 레이저광을 송신하는 송신 수단을 구비한 광송신 장치.
  17. 제 14 항에 기재된 모듈과, 상기 모듈로부터 발광된 광을 공간 전송하는 전송 수단을 구비한 광공간 전송 장치.
  18. 제 14 항에 기재된 모듈과, 상기 모듈로부터 발광된 레이저광을 송신하는 송신 수단을 구비한 광송신 시스템.
  19. 제 14 항에 기재된 모듈과, 상기 모듈로부터 발광된 광을 공간 전송하는 전송 수단을 구비한 광공간 전송 시스템.
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