KR100860696B1 - 수직 공진형 표면 방출 레이저 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 수직 공진형 표면 방출 레이저는 레이저 광이 출사되는 면에 형성되며 그 중심에 개구가 형성된 환형의 상부 전극과; 상기 상부 전극의 개구 중앙에 위치되며 출사되는 레이저 광의 일부를 차단하기 위한 광 차단층을 포함한다. 광 차단층은 횡 방향의 반사율 차이를 인가함으로써 용이하게 단일 모드를 얻을 수 있다.
수직 공진형 표면 방출 레이저, 개구, 단일 모드

Description

수직 공진형 표면 방출 레이저{VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER}
도 1 및 도 2 각각은 종래 수직 공진형 표면 방출 레이저의 단면을 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 수직 공진형 표면 방출 레이저의 단면을 도시한 도면,
도 4는 도 3의 접촉 층 상에 상부 전극 및 광 차단 층이 형성된 평면 상태를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 수직 공진형 표면 방출 레이저의 단면을 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 수직 공진형 표면 방출 레이저의 단면을 도시한 도면,
도 7은 도 6의 평면 상태를 도시한 도면,
도 8은 도 3에 도시된 접촉 층의 단면을 도시한 도면,
도 9a 내지 도 10은 종래 수직 공진형 표면 방출 레이저와 본 발명에 따른 수직 공진형 표면 방출 레이저의 출사 형태를 비교하기 위한 그래프,
도 11은 광 차단 층의 존재에 따른 출사 광의 반사 율을 비교하기 위한 그래프,
도 12의 (a)와 (b)는 본 발명에 따른 수직 공진형 표면 방출 레이저와 종래 수직 표면 방출 레이저의 비교 실험한 결과의 그래프.
본 발명은 수직 공진형 표면 방출 레이저에 관한 발명으로서, 특히 개구를 포함하는 수직공진형 표면 방출 레이저에 관한 발명이다.
종래 측면 방향으로 방출되는 형태의 발광 레이저는 소자의 적층면과 평행 방향으로의 공진 구조를 가지고 적층면과 평행한 방향으로 레이저 광을 발진시키는 형태인 반면에, 수직 공진형 표면 방출 레이저는 적층면에 수직한 방향으로의 공진 구조를 가지고 적층면과 수직한 방향으로 레이저 광을 발진시킨다.
상술한 수직 공진형 표면 방출 레이저는 구동 전류 값이낮고, 발진 광의 발산(Beam divergence)이 대칭적이다. 또한, 2차원 어레이(array) 제작이 용이하고, 수동 광 도파로와 함께 광전 회로로 집적시키기에 유리하여, 광 컴퓨터, 광 통신, 광 교환기 등에 널리 이용될 수 있다.
수직 공진형 표면 방출 레이저의 방사각을 좁게하기 위한 수단으로는 개구의 크기 및 산화막의 크기 및 위치를 제어하는 구조 및 방법 등이 제안되고 있다.
도 1과 도 2는 종래 수직 공진형 표면 방출 레이저의 단면을 도시한 도면이다. 도 1및 도 2를 참조하면, 종래의 수직 공진형 표면 방출 레이저(100,200)는 반 도체 기판(101,201)과, 상기 기판(101,201) 상에 순차적으로 성장된 하부 반사 미러(110,210)와, 발진 영역(151,251)과, 상부 반사 미러(120,220)와, 접촉 층(130,230) 및 상부 전극(103,203)을 포함한다. 상기 반도체 기판(201)의 하부에는 하부 전극(102,202)이 형성된다.
상기 발진 영역(151,251) 상부의 양 측면 부분에는 불순물의 도핑에 의해 산화된 전류 차단층(140,240)이 형성되며, 상기 발진 영역(151,251)은 클래드의 사이에 레이저 발진을 위한 활성층으로 형성된다. 상기 전류 차단 층(140,240)의 중앙에는 전류가 통할 수 있고, 발진된 레이저 광이 출사될 수 있는 개구(152,252)가 있다.
도 1은 원시야상(遠視野像; Far-Field pattern)을 개선하기 위한 수단으로서, 상기 전류 차단 층(140)의 폭을 레이저 광의 기본 모드(fundamental mode)만 출사될 수 있을 정도로 좁게 형성된 형태의 수직 공진형 표면 방출 레이저(100)를 도시한 도면이다. 도 2는 상부 전극(203)의 개구를 레이저 광의 발진 모드들 중 고차 모드를 차단할 수 있을 정도로 좁게 형성된 수직 공진형 표면 방출 레이저(200)를 도시한 도면이다.
도 1과 도 2에 도시된 수직 공진형 표면 방출 레이저(100,200) 이외에도, 접촉 층 상에 횡방향의 부분 표면 식각을 통하여 기본 모드와 고차 모드와의 반사율 차이를 통한 임계 이득 차를 유발함으로써 원시야상을 개선시키기 위한 층을 형성한 구조의 수직 공진형 표면 방출 레이저도 제안되고 있다.
그러나, 도 1에 도시된 수직 공진형 표면 방출 레이저는 단일 모드의 레이저 광 발진이 가능하지만, 출력이 감소되고 저항이 증가하는 반면에 공정상의 허용 가능한 공차의 범위가 좁아지는 문제가 있다. 즉, 정밀한 수치로 제조되어야 하므로, 공정 상의 불량률 발생 증가와 그로 인한 수율 감소 등의 부차적인 문제를 유발할 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 수직 공진형 표면 방출 레이저와 같이 상부 전극의 개구가 좁게 형성되면, 출사되는 광의 양이 차단되므로 원하는 세기의 출력을 얻기 위해서 인가되는 임계 전류가 증가되고, 그로 인해 효율이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 전류 차단 층 또는 상부 전극의 개구 크기를 유지하고도 원시야상이 단일 돌출부(single-lobe; 단일 모드)의 형태의 레이저 광을 출력할 수 있는 수직 공진형 표면 방출 레이저를 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명에 따른 수직 공진형 표면 방출 레이저는,
레이저 광이 출사되는 면에 형성되며 그 중심에 개구가 형성된 환형의 상부 전극과;
상기 상부 전극의 개구 중앙에 위치되며 출사되는 레이저 광의 일부를 차단하기 위한 광 차단층을 포함한다. 상기 광 차단층은 표면 식각을 실시하지 않고도 횡 방향의 반사율 차이를 인가함으로써 기본 모드와 고차 모드와의 임계 이득 차이를 유도하고, 또한, 근시야상의 모양을 환의 형태로 형성함으로써 간섭을 통하여 원시 야상에서의 단일 모드를 구현할 수 있다.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 수직 공진형 표면 방출 레이저(300)의 단면을 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 실시 예에 따른 수직 공진형 표면 방출 레이저(300)는 반도체 기판(302)과, 상기 반도체 기판(302)의 하부에 형성된 하부 전극(301)과, 상기 반도체 기판(302) 상에 순차적으로 성장된 하부 반사 미러(310)와, 발진 영역(331)과, 상부 반사 미러(350) 및 접촉 층(340)과, 상부 전극(303a) 및 광 차단 층(303b)을 포함한다.
상기 발진 영역(331)은 상부의 양 측면에 전류 차단 층(320)이 형성되며, 상기 전류 차단 층(320)의 중앙에는 전류 및 발진된 광이 통할 수 있는 개구(332)가 있다. 상기 발진 영역(331)은 클래드(clad)들의 사이에 형성된 활성층을 구비하며, 상술한 활성층은 다중 양자 우물 구조로서 광을 생성할 수 있다. 생성된 광은 상기 상부 및 하부 반사 미러(310,350)의 사이에서 다수에 걸쳐서 공진된 광은 레이저 광으로 발진된다.
상기 상부 및 하부 반사 미러(350,310)는 일종의 공진기(Cavity)를 형성하며 상기 발진 영역(331)에서 생성된 광을 공진시키는 기능을 제공한다. 850㎚ 발진 파장을 갖는 수직 표면 방출형 레이저를 예로 들면, 상기 반도체 기판(302)은 n-GaAs 재질로 형성될 수 있으며, 상기 하부 반사 미러(310)는 n 형의 조성이 다른 AlGaAS 쌍들을 성장시킴으로써 형성될 수 있다. 또한, 상기 상부 반사 미러(350)는 p형의 조성이 다른 AlGaAs 쌍을 적층으로 성장시킴으로써 구성될 수 있다.
도 4는 도 3의 접촉 층(340) 상에 상부 전극(303a) 및 광 차단 층(303b)이 형성된 평면 상태를 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 상기 상부 전극(303a)은 레이저 광이 출사되는 면 상에 형성되며 그 중심에는 개구가 형성된 환(ring) 형태이다. 상기 상부 전극(303a) 개구의 중앙에는 출사되는 레이저 광의 일부를 차단하기 위한 원 형태의 광 차단 층(303b)이 형성된다.
상기 광 차단 층(303b)은 금속과 같은 레이저 광을 반사시킬 수 있는 재질로 형성될 수 있으며, 표면 식각을 통하지 않고도 횡 방향의 반사율 차이를 형성함으로써 발진된 레이저 광의 기본 모드와 고차 모드 간의 임계 이득 차이를 유도하고, 또한 근시 야상의 모양을 환(ring) 형태로 형성함으로써 간섭에 의한 단일 모드의 원시 야상을 구현할 수 있다.
본 발명은 광이 출사되는 중앙 부분에 반사율이 높은 광 차단 층(303b)을 형성함으로 인한 레이저 광의 위상 변화를 보상하기 위해서 도 8에 도시된 바와 같은 위상 보상을 위한 별도의 위상 정합을 위한 층을 더 구비한 형태로 형성될 수 있다. 상기 광 차단 층(303b)는 금속 물질 등에 의해 형성될 수 있다.
도 8에 도시된 상기 접촉 층(340)은 제1 및 제2 접촉 층(341,342)을 포함하며, 상기 제2 접촉 층(342)은 발진되는 레이저 광의 파장에 대해 하기의 수학식 1을 만족시킬 수 있는 두께로 상기 제1 접촉 층(341) 상에 성장된다.
Figure 112006066543903-pat00001
위의 수학식 1에서 d는 제2 접촉 층의 물리적인 두께를 의미하고, λ는 레이저 광의 파장을 의미한다. n은 제2 접촉 층의 굴절률을 의미한다.
도 11은 광 차단 층의 존재에 따른 출사 광의 반사율을 비교하기 위한 그래프로서, p형의 DBR 26쌍과, n형의 DBR 35쌍을 적층한 수직 공진형 표면 방출 레이저에 대한 결과이다. 도 11의 점선은 광 차단 층이 없는 부분의 접촉 층의 두께에 따른 반사율 변화를 나타내고, 실선은 광 차단 층이 있는 부분의 수직 공진형 표면 방출 레이저의 접촉 층의 두께에 따른 반사율 변화를 나타낸다. 도 11을 참조하면, 접촉층의 두께에 따라서 반사율 패턴이 변화됨을 알 수 있다.
따라서, 위의 수학식 1에 따라서 별도의 접촉 층을 더 형성함으로써 횡 방향으로의 반사율 차이를 극대화시킬 수 있다.
850㎚ 발진 파장을 갖는 수직 표면 방출형 레이저를 예로 들면, 상기 제2 접촉층(342)의 두께가 55.8㎚일 경우에 광 차단 층(303b)과, 광을 출사시킬 수 있는 외부에 노출된 접촉 층(340)의 일부 면의 반사율 차이가 가장 크게 된다. 즉, 중앙 부분의 반사율이 주변보다 크도록 접촉 층(340)의 두께를 조절함으로써 고차 모드의 임계 이득을 높이게 됨으로써 안정적인 기본 모드의 발진이 가능하다.
도 9a부터 도 10은 종래 수직 공진형 표면 방출 레이저와 본 발명에 따른 수직 공진형 표면 방출 레이저의 출사 형태를 비교하기 위한 그래프이다. 도 9a는 종 래의 수직 공진형 표면 방출 레이저의 출사면에서의 레이저 광 패턴을 도시한 도면이고, 도 9b는 본 발명에 따른 레이저 광의 출사면에서의 레이저 광 패턴을 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 레이저 광은 광 차단 층에 의해 제한되므로, 출사 직후의 근접한 레이저 광은 링 형태로서, 레이저 광의 원시야상은 간섭 현상에 의해서 도 10에 도시된 바와 같이 약한 사이드 로브(side lobe)를 갖게되나, 중앙 부분은 더 좁아짐을 알 수 있다. 도 10에 도시된 실선은 종래 기술에 의한 수직 공진형 표면 방출 레이저에서 출사되는 레이저 광의 패턴을 나타내고, 점선은 본 발명에 따른 수직 공진형 표면 방출 레이저에서 출사되는 레이저 광의 패턴을 나타낸다.
도 12는 산화 막의 개구가 16㎛인 경우에, 출력 세기가 1㎽인 40개의 연속된 레이저 광들의 실험 결과이다. 도 12의 (a)는 추가적으로 성장된 접촉층과 광 차단층을 구비한 경우이고, 도 12의 (b)는 추가 접촉 층 및 차단층이 없는 경우에 해당된다. 광 차단층이 있는 경우 산화막의 개구 크기가 16㎛로 단일 로브를 얻을 수 없을 정도로 큼에도 불구하고, 단일 모드에 유사한 원시야상을 나타냄을 알 수 있다. 또한, 40개의 연속된 레이저 광의 균일도도 우수함을 나타낸다. 도 12의 (b)는 실험에 사용된 검출기가 0도 부근에서 포화 상태가 되어서 최대 값 부분이 일부 도시되지 않았지만, 전체체인 특성을 이해가 가능하다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 수직 공진형 표면 방출 레이저(400)의 단면을 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 본 실시 예에 따른 수직 공진형 표면 방출 레이저(400)는 반도체 기판(402)과, 상기 반도체 기판(402)의 하부에 형성된 하부 전극(401)과, 상기 반도체 기판(402) 상에 순차적으로 성장된 하부 반사 미러(410)와, 발진 영역(431)과, 상부 반사 미러(440) 및 접촉 층(450)과, 상부 전극(403a) 및 광 차단 층(403b)과 전류 차단 층(420)을 포함한다. 상기 전류 차단 층(420)이 형성되지 않은 상기 발진 영역(431)의 상부에는 발진되는 레이저 광 및 전류가 통할 수 있는 일종의 개구(432)가 있다.
본 실시 예의 수직 공진형 표면 방출 레이저(400)는 중앙 부분 보다 레이저 광이 출사되는 부분의 반사율을 낮게 형성하기 위해서, 상기 광 차단 층(403b)과 상기 상부 전극(403a) 사이는 접촉 층(450)으로부터 상기 상부 반사 미러(440)의 일 부분까지 홈(441)을 형성한다. 상기 홈(441)은다른 부분에 비해서 반사 미러를 구성하는 DBR 쌍의 수가 적기 때문에 반사율이 작게되고, 이는 고차 모드의 발진의 임계 이득 치를 높임으로써 발진을 억제하게 된다.
그 외에 구성 및 구조는 본원 발명의 제1 실시 예와 동일하며, 이하 동일한 구성에 관한 중복되는 부분의 설명은 생략한다.
도 6은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 수직 공진형 표면 방출 레이저의 단면을 도시한 도면이다. 도 6을 참조하면, 본 실시 예에 따른 수직 공진형 표면 방출 레이저(500)는 반도체 기판(502)과, 상기 반도체 기판(502)의 하부에 형성된 하부 전극(501)과, 상기 반도체 기판(502) 상에 순차적으로 성장된 하부 반사 미러(510)와, 발진 영역(531)과, 상부 반사 미러(540) 및 접촉 층(550)과, 상부 전극(503a) 및 광 차단 층(503b)과 전류 차단층(520)을 포함한다. 본 발명의 제1 실시 예와 중복되는 구성 및 관련 동작에 관한 설명은 이하 생략한다. 상기 발진 영역(531) 상 부의 상기 전류 차단층(520)이 형성된 양측의 일 부분들을 제외한 중앙에는 전류 및 발진된 광이 진행할 수 있는 일종의 개구(532)가 있다.
도 7은 도 6의 평면 상태를 도시한 도면이다. 도 7에 도시된 상기 광 차단 층(503b)은 상기 상부 전극(503a)와 전기적으로 연결되며, 본 실시 예와 같이 광 차단 층(503b)과 상부 전극(503a)이 연결됨으로써 주입되는 전류 분포가 균일해지므로 기본 모드의 레이저 광 발진이 보다 용이하다.
본 발명은 환 형의 상부 전극의 중앙에 원형의 광 차단층을 형성함으로서, 근시야상(near field pattern)로부터 기본 모드(fundamental mode)를 갖는 단일 돌출부의 원시야상(single-lobe) 형태의 레이저 광을 생성할 수 있다.
즉, 전류 차단 층이나, 상부 전극의 개구 크기를 조절하지 않아도 되므로, 공정 상의 허용 가능한 공차를 유지하고도 수직 공진형 표면 방출 레이저를 제작할 수 있고, 상부 전극의 개구 감소로 인한 임계 전류의 증가를 방지할 수 있다.

Claims (7)

  1. 수직 공진형 표면 방출 레이저에 있어서,
    반도체 기판과;
    상기 반도체 기판 상에 성장된 하부 반사 미러와;
    상기 하부 반사 미러 상에 성장된 발진 영역과;
    상기 발진 영역 상에 순차적으로 성장된 상부 반사 미러 및 접촉 층
    중심에 개구를 구비하며 상기 접촉 층 상에 형성된 환형의 상부 전극과;
    상기 상부 전극의 개구 중앙에 위치되며 출사되는 레이저 광의 일부를 차단하기 위한 광 차단층과;
    상기 광 차단 층과 상기 상부 전극 사이에 접촉 층으로부터 상기 상부 반사 미러의 일 부분까지 형성된 홈을 포함함을 특징으로 하는 수직 공진형 표면 방출 레이저.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 광 차단 층은 금속 재질로 형성됨을 특징으로 하는 수직 공진형 표면 방출 레이저.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 광 차단 층과 상기 상부 전극은 전기적으로 연결됨을 특징으로 하는 수직 공진형 표면 방출 레이저.
  5. 삭제
  6. 제1 항에 있어서, 상기 수직 공진형 표면 방출 레이저는,
    상기 발진 영역의 양 측면에 형성된 전류 차단 층을 더 포함함을 특징으로 하는 수직 공진형 표면 방출 레이저.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 접촉 층은,
    상기 상부 반사 미러 상에 성장된 제1 접촉 층과;
    상기 수직 공진형 표면 방출 레이저 발진되는 레이저 광의 파장에 대해서 하기의 수학식 2를 만족하는 제2 접촉 층을 더 포함함을 특징으로 하는 수직 공진형 표면 방출 레이저.
    Figure 112008032585577-pat00002
    (d : 상기 제2 접촉 층의 물리적 두께, λ : 레이저 광의 파장, n : 제2 접촉 층의 굴절률)
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