KR100861719B1 - Transverse Magnetic Mode Laser Diode - Google Patents

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최중선
권용환
이명현
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Abstract

본 발명은 TM 모드 발진을 안정적으로 제공하는 TM 모드 레이저 다이오드에 관한 것으로, 본 TM 모드 레이저 다이오드는 기판 상에 형성되는 n형 도핑층, 상기 n형 도핑층 상에 형성되는 활성층, 및 상기 활성층 상에 형성되는 p형 도핑층을 포함하는 광 도파로; 상기 n형 도핑층, 상기 활성층 및 상기 p형 도핑층이 적층된 상기 광도파로의 양단부 중 적어도 일단부에 형성되어 횡자기파(TM; transverse magnetic) 모드를 반사시키는 광결정으로 이루어진 광결정 거울; 상기 기판 하부에 형성되는 n형 전극; 및 상기 p형 도핑층 상에 형성되는 p형 전극을 포함하되,상기 광결정은 주기적으로 형성된 다수의 공기홀을 포함하는 반도체막 또는 공기층 내에 다수의 반도체 막대가 주기적으로 배치된 형태이고 상기 광결정의 TM 모드는 상기 광결정의 전체 면적 중 상기 공기홀 또는 상기 반도체 막대가 차지하는 면적과 상기 광결정을 통과하는 주파수에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, TM 모드는 반사하고 TE 모드는 투과시키는 광결정을 거울로 사용하여, TE 모드가 큰 거울 손실로 인해 높은 문턱 이득을 가지도록 하여 안정적으로 TM 모드를 발진시킬 수 있다. The present invention relates to a TM mode laser diode that stably provides a TM mode oscillation, the TM mode laser diode is an n-type doped layer formed on a substrate, an active layer formed on the n-type doped layer, and on the active layer An optical waveguide including a p-type doping layer formed on the optical waveguide; A photonic crystal mirror formed of at least one end of both ends of the optical waveguide in which the n-type doped layer, the active layer, and the p-type doped layer are stacked to reflect a transverse magnetic mode; An n-type electrode formed under the substrate; And a p-type electrode formed on the p-type doping layer, wherein the photonic crystal is a semiconductor film or a plurality of semiconductor bars periodically disposed in an air layer including a plurality of air holes formed periodically, and the TM of the photonic crystal The mode is determined by the area occupied by the air holes or the semiconductor rods of the total area of the photonic crystal and the frequency passing through the photonic crystal. Accordingly, a photonic crystal that reflects the TM mode and transmits the TE mode can be used as a mirror so that the TE mode can have a high threshold gain due to large mirror loss, thereby stably oscillating the TM mode.

레이저 다이오드, TM 모드, 광결정, 광결정 거울 Laser Diode, TM Mode, Photonic Crystal, Photonic Crystal Mirror

Description

TM 모드 레이저 다이오드{Transverse Magnetic Mode Laser Diode}TM mode laser diode {Transverse Magnetic Mode Laser Diode}

도 1a는 본 발명의 레이저 다이오드에 채용될 2차원 광결정 구조의 일 실시예 도면이고, 도 1b는 본 발명의 레이저 다이오드에 채용될 2차원 광결정 구조의 다른 일실시 예 도면이다.FIG. 1A is a diagram of one embodiment of a two-dimensional photonic crystal structure to be employed in the laser diode of the present invention, and FIG. 1B is a diagram of another embodiment of a two-dimensional photonic crystal structure to be employed in the laser diode of the present invention.

도 2a는 일반적인 레이저 다이오드의 개략적인 구조를 나타내는 측단면도이고, 도 2b는 일반적인 레이저 다이오드의 편광 방향을 나타내기 위한 도면이다. FIG. 2A is a side cross-sectional view illustrating a schematic structure of a general laser diode, and FIG. 2B is a view for illustrating a polarization direction of a general laser diode.

도 3은 도 1b의 광결정 구조에 포함된 전체 공기홀의 넓이에 따른 광 밴드갭 다이어그램이다. 3 is an optical bandgap diagram according to the width of the entire air hole included in the photonic crystal structure of FIG.

도 4는 일 측면에 TM 모드에 대한 광 밴드갭을 갖는 광결정 구조의 광결정 거울이 채용된 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 다이오드의 개략적인 측단면도이다. 4 is a schematic side cross-sectional view of a laser diode according to an embodiment of the present invention in which a photonic crystal mirror of a photonic crystal structure having an optical bandgap for a TM mode is employed on one side.

도 5는 양 측면에 TM 모드에 대한 광 밴드갭을 갖는 광결정 구조의 광결정 거울이 채용된 본 발명의 다른 실시 예에 따른 레이저 다이오드의 개략적인 측단면도이다. FIG. 5 is a schematic side cross-sectional view of a laser diode according to another embodiment of the present invention in which a photonic crystal mirror of a photonic crystal structure having an optical bandgap for a TM mode on both sides is employed.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 **** Explanation of symbols on the main parts of the drawing **

11: 공기층 12: 반도체 막대11: air layer 12: semiconductor rod

13: 반도체 매질 14: 공기홀13: semiconductor medium 14: air hole

20, 40, 50: 반도체 레이저 다이오드20, 40, 50: semiconductor laser diode

21, 41: n형 전극 22, 42: 기판21, 41: n-type electrode 22, 42: substrate

23, 43: n형 도핑층 23a: n-도파로층23, 43: n-type doped layer 23a: n-waveguide layer

23b; n-클래드층 24, 44: 활성층23b; n-clad layers 24 and 44: active layer

25, 45: p형 도핑층 25a: p-도파로층25, 45 p-type doped layer 25a: p-waveguide layer

25b: p-클래드층 26: p형 전극25b: p-clad layer 26: p-type electrode

a: TM 모드의 전기장 진동 방향a: electric field vibration direction in TM mode

b: TE 모드의 전기장 진동 방향 b: Electric field vibration direction in TE mode

c: TM 모드 광 밴드갭 d: TE 모드 광 밴드갭c: TM mode optical bandgap d: TE mode optical bandgap

47, 51, 53: 광결정 거울 48, 52, 54: 무반사 코팅층47, 51, 53: photonic crystal mirrors 48, 52, 54: antireflective coating layer

본 발명은 TM 모드 레이저 다이오드에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 광결정을 이용하여 안정적으로 횡자기파(TM; transverse magnetic) 모드의 광출력을 내는 TM 모드 레이저 다이오드에 관한 것이다.The present invention relates to a TM mode laser diode, and more particularly, to a TM mode laser diode that stably outputs light in a transverse magnetic (TM) mode using a photonic crystal.

정보 통신 환경의 발달로 광소자가 다방면에 이용되고 있으며, 특히, 레이저 다이오드는 비교적 소형이면서 레이저 발진을 위한 임계 전류가 일반 레이저 장치에 비해 작다는 점 등의 특징 때문에 통신 분야나 광 디스크가 사용되는 플레이어에서 고속 데이터 전송이나 고속 데이터 기록 및 판독을 위한 광소자로 널리 사용되고 있다. 게다가, 금속 도파로에 장주기 표면 플라즈몬을 발생시켜서 신호를 전송시키는 경우에는 플라즈몬을 여기 시키기 위한 수단으로 레이저 다이오드가 사용된다.Due to the development of information and communication environment, optical devices are used in various fields. Especially, laser diodes are relatively small and the threshold current for laser oscillation is smaller than that of general laser devices. It is widely used as an optical device for high speed data transmission and high speed data writing and reading in the field. In addition, a laser diode is used as a means for exciting the plasmon when generating a long period surface plasmon in the metal waveguide to transmit the signal.

이때, 레이저 다이오드의 광 출력의 편광은 TM 모드에서만 표면 플라즈몬이 발생되는데, TM 모드를 만들어내기 위해서는 레이저 다이오드의 활성층을 인장 응력을 갖는 양자 우물로 사용한다. 양자우물이 인장 응력을 받으면 헤비-홀(heavy-hole)에 의한 에너지 전이(transition)가 라이트-홀(light-hole)에서 보다 크게 전이(transition)되어 전이 확률이 작아지게 되고, 따라서 라이트-홀 전이가 지배적으로 발생해서 TM 모드로 레이저 다이오드가 동작하게 된다.At this time, the surface plasmon is generated only in the TM mode of the polarization of the light output of the laser diode, the active layer of the laser diode is used as a quantum well having a tensile stress to produce the TM mode. When the quantum well is subjected to tensile stress, the energy transition by the heavy-hole is larger than that in the light-hole, so that the probability of transition is reduced, and thus the light-hole The transition predominantly causes the laser diode to operate in TM mode.

그러나 전술한 바와 같이 인장 응력을 이용하여 light-hole의 에너지를 낮추더라도 양자우물 구조에서는 양자 효과에 의해 에너지가 변하게 되는데, 이 경우 유효 질량이 낮은 light-hole의 에너지 증가는 커지고 heavy-hole의 에너지 증가는 그 보다 작기 때문에, 인장 응력의 효과와 양자 효과의 에너지 변화 방향이 서로 반대인 경우가 발생할 수 있다. 이에 따라, 인장 응력의 효과가 큰 경우에는 TM 모드 동작이 가능하지만, 양자 효과가 더 큰 경우에는 TM 모드 동작을 수행하지 못할 수도 있다는 문제점을 가지고 있으며, 특히, 장파장 레이저 다이오드일 경우에 는 양자 효과가 더 커질 수 있기 때문에 TM 모드 동작을 수행하는 것이 용이하지 않다.However, as described above, even if the energy of the light-hole is lowered by using tensile stress, the energy is changed by the quantum effect in the quantum well structure. In this case, the energy increase of the light-hole having a low effective mass is increased and the energy of the heavy-hole is increased. Since the increase is smaller than that, it may occur that the direction of energy change of the effect of the tensile stress and the quantum effect is opposite to each other. Accordingly, the TM mode operation is possible when the effect of the tensile stress is large, but the TM mode operation may not be performed when the quantum effect is larger. In particular, in the case of a long wavelength laser diode, the quantum effect It is not easy to perform the TM mode operation because can be larger.

따라서, 본 발명은 전술함 문제점들을 해결하기 위해 고안된 발명으로, 본 발명의 목적은 광도파로를 포함하는 레이저 다이오드에서 광도파로의 적어도 일측단부에 사용되는 거울을 광결정으로 형성하여 TM 모드만 선택적으로 반사시켜 안정적인 TM 모드 동작을 수행하는 레이저 다이오드을 제공하는 것이다. Accordingly, the present invention is an invention devised to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to form a mirror used for at least one end of an optical waveguide in a laser diode including an optical waveguide, and selectively reflect only a TM mode. It is to provide a laser diode that performs a stable TM mode operation.

전술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 기판 상에 형성되는 n형 도핑층, 상기 n형 도핑층 상에 형성되는 활성층, 및 상기 활성층 상에 형성되는 p형 도핑층을 포함하는 광 도파로; 상기 n형 도핑층, 상기 활성층 및 상기 p형 도핑층이 적층된 상기 광도파로의 양단부 중 적어도 일단부에 형성되어 횡자기파(TM; transverse magnetic) 모드를 반사시키는 광결정으로 이루어진 광결정 거울; 상기 기판 하부에 형성되는 n형 전극; 및 상기 p형 도핑층 상에 형성되는 p형 전극을 포함하되, 상기 광결정은 주기적으로 형성된 다수의 공기홀을 포함하는 반도체막 또는 공기층 내에 다수의 반도체 막대가 주기적으로 배치된 형태이고 상기 광결정의 TM 모드는 상기 광결정의 전체 면적 중 상기 공기홀 또는 상기 반도체 막대가 차지하는 면적과 상기 광결정을 통과하는 주파수에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention for achieving the above object, the present invention is an n-type doping layer formed on a substrate, an active layer formed on the n-type doped layer, and p-type doping formed on the active layer An optical waveguide comprising a layer; A photonic crystal mirror formed of at least one end of both ends of the optical waveguide in which the n-type doped layer, the active layer, and the p-type doped layer are stacked to reflect a transverse magnetic mode; An n-type electrode formed under the substrate; And a p-type electrode formed on the p-type doping layer, wherein the photonic crystal has a form in which a plurality of semiconductor bars are periodically disposed in a semiconductor film or air layer including a plurality of air holes formed periodically and the TM of the photonic crystal The mode is determined by the area occupied by the air holes or the semiconductor rods of the total area of the photonic crystal and the frequency passing through the photonic crystal.

바람직하게, 상기 광결정 거울의 노출면에 형성된 무반사 코팅층을 더 포함한다. 상기 n형 도핑층은 n-클래드층 및 n-도파로층을 포함하며, 상기 p형 도핑층은 p-클래드층 및 p-도파로층을 포함한다.Preferably, it further comprises an antireflective coating layer formed on the exposed surface of the photonic crystal mirror. The n-type doped layer includes an n-clad layer and an n-waveguide layer, and the p-type doped layer includes a p-clad layer and a p-waveguide layer.

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이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 개시한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention.

일반적으로, 광 결정(photonic crystal)은 유전 상수가 서로 다른 물질들을 주기적으로 배열하여 전자기파의 에너지 스펙트럼에 광자 밴드 갭(PBG; photon band gap)이 형성되도록 만든 인공 결정을 말한다. 광 결정에 빛이 반사되는 경우 대부분의 파장에 대해서 빛은 산란 없이 광 결정을 통과하지만, 특정한 파장(또는 주파수) 대역에서는 빛이 통과할 수 없는 반사 영역이 생기는데, 이를 광자 밴드 갭(또는 광 밴드갭)이라 한다.In general, a photonic crystal refers to an artificial crystal in which materials having different dielectric constants are periodically arranged to form a photon band gap (PBG) in the energy spectrum of electromagnetic waves. When light is reflected in a photonic crystal For most wavelengths, light passes through the photonic crystal without scattering, but at certain wavelengths (or frequencies) bands there is a reflecting region where the light cannot pass, which is called the photon band gap (or optical band). Gap).

광자 밴드 갭 내에 속하는 파장(또는 주파수)을 가지는 빛이 광결정 내로 입사되면 빛은 광결정 내로 전파되지 못하고 반사된다. 이러한 광자 밴드갭을 이용하여 빛을 공동(cavity) 안에 가둘 수도 있고, 도파로(waveguide) 안에 가둘 수도 있다. 광 결정은 유전물질을 주기적으로 배열하여 형성되는 것으로, 굴절률과 주기적인 구조에 따라 광자 밴드 갭의 크기나 위치가 가변된다. 상기와 같은 광 결 정의 특성을 이용하여 분기필터, 광도파로, 광지연 소자 및 레이저 등과 같은 광 소자에 응용할 수 있다.When light having a wavelength (or frequency) that falls within the photon band gap is incident into the photonic crystal, the light does not propagate into the photonic crystal and is reflected. This photon bandgap can be used to confine light into a cavity or into a waveguide. Photonic crystals are formed by periodically arranging dielectric materials, and the size or position of the photon band gap varies depending on the refractive index and the periodic structure. By using the optical crystal characteristic as described above, it can be applied to optical devices such as branch filters, optical waveguides, optical delay devices, and lasers.

도 1a는 본 발명의 레이저 다이오드에 채용될 2차원 광결정 구조의 일 실시예 도면이고, 도 1b는 본 발명의 레이저 다이오드에 채용될 2차원 광결정 구조의 다른 일실시 예 도면이다. 도 1a에 개시된 광결정 구조는 공기로 이루어진 매질(11) 안에 반도체 막대(12)가 주기적이고 반복적으로 배치되어 있는 구조이며, 도 1b에 개시된 광결정 구조는 반도체로 이루어진 매질(13) 내에 공기로 된 막대(14, 이하, 공기홀)이 주기적으로 배치되어 있는 구조이다. 상기 두 개의 광 결정 구조에서는 이차원상의 굴절률 주기 때문에, 특정 범위의 파장 대역의 빛이 특정 방향으로 진행하지 못하는 반사 영역이 생기는 광자 밴드 갭 현상을 보인다. FIG. 1A is a diagram of one embodiment of a two-dimensional photonic crystal structure to be employed in the laser diode of the present invention, and FIG. 1B is a diagram of another embodiment of a two-dimensional photonic crystal structure to be employed in the laser diode of the present invention. The photonic crystal structure shown in FIG. 1A is a structure in which semiconductor rods 12 are periodically and repeatedly arranged in a medium 11 made of air, and the photonic crystal structure shown in FIG. 1B is a bar made of air in a medium 13 made of semiconductor. (14, hereinafter, air holes) are arranged periodically. Since the two photonic crystal structures have two-dimensional refractive index periods, a photon band gap phenomenon occurs in which a reflection region in which light in a specific range of wavelength bands does not travel in a specific direction is generated.

도 2a는 일반적인 레이저 다이오드의 개략적인 구조를 나타내는 측단면도이고, 도 2b는 일반적인 레이저 다이오드의 편광 방향을 나타내기 위한 도면이다. 도 2a를 참조하면, 반도체 레이저 다이오드(20)는 기판(22), 기판(22) 상에 형성되며 n-클래드층(23b)과 n-도파로층(23a)을 포함하는 n-도핑층(23), n-도핑층(23) 상에 형성되는 활성층(24), 활성층(24) 상에 형성되며 p-도파로층(25a)과 p-클래드층(25b)을 포함하는 p-도핑층(25)을 포함하는 광도파로, 기판(22) 하부에 형성되는 n형 전극(21), 및 p-도핑층(25) 상에 형성되는 p형 전극(26)을 포함한다.FIG. 2A is a side cross-sectional view illustrating a schematic structure of a general laser diode, and FIG. 2B is a view for illustrating a polarization direction of a general laser diode. Referring to FIG. 2A, a semiconductor laser diode 20 is formed on a substrate 22, a substrate 22, and an n-doped layer 23 including an n-clad layer 23b and an n-waveguide layer 23a. ), an active layer 24 formed on the n-doped layer 23, a p-doped layer 25 formed on the active layer 24 and including a p-waveguide layer 25a and a p-clad layer 25b. ), An n-type electrode 21 formed under the substrate 22, and a p-type electrode 26 formed on the p-doped layer 25.

도 2b를 참조하면, 전술한 레이저 다이오드(20)는 광도파로, 즉, n-도파로층(23a), 활성층(24), 및 p-도파로층(25a)을 통과하는 전기장이 광도파로에 평행한 방향일 때는 횡전기파(TE; transverse electric) 모드(b)라 정의하고, 활성층(24)에 수직한 방향일 때는 횡자기파(TM) 모드(a)라 정의한다. 전기장(또는 자기장)의 방향이 다르면 광도파로 영역 내에 형성되는 모드의 형태뿐 아니라 빛이 진행하는 경로에 따른 굴절률의 변화에도 영향을 미치게 된다. 즉, 빛의 반사 또는 굴절 양상은 TE 모드(b) 또는 TM 모드(a)에 따라 차이가 난다. Referring to FIG. 2B, the above-described laser diode 20 has an optical waveguide, that is, an electric field passing through the n-waveguide layer 23a, the active layer 24, and the p-waveguide layer 25a is parallel to the optical waveguide. In the direction, the transverse electric wave (TE) mode (b) is defined. In the direction perpendicular to the active layer 24, the transverse electromagnetic wave (TM) mode (a) is defined. If the direction of the electric field (or magnetic field) is different, it affects not only the shape of the mode formed in the optical waveguide region but also the change of the refractive index according to the path of light propagation. That is, the reflection or refraction pattern of light differs depending on the TE mode (b) or the TM mode (a).

도 3은 도 1b의 광결정 구조에서 공기가 차지하는 면적 비율에 따른 광 밴드갭 다이어그램이다. 도 3을 참조하면, 가로축은 공기홀 팩터(air filling factor; %)를 나타내고, 세로축은 정규화된 주파수(normalized frequency; u =a/λ)를 나타낸다. 가로축에 나타난 공기홀 팩터는 광결정의 전체 면적에서 공기홀이 차지하는 비율을 나타내는 것이며, 세로축은 그에 따라 제공되는 특정 주파수 범위를 나타낸다. 도시된 그래프를 참조하면, 공기홀의 면적에 따라 광결정을 통과하지 못하는 빛의 진동수가 달라짐을 확인할 수 있는데, 조건에 따라 TM 모드(또는 TE 모드)에 대해서만 광 밴드갭을 보인다.3 is an optical bandgap diagram according to an area ratio of air in the photonic crystal structure of FIG. 1B. Referring to FIG. 3, the horizontal axis represents an air hole factor (%), and the vertical axis represents a normalized frequency (u = a / λ). The air hole factor shown on the horizontal axis represents the ratio of air holes to the total area of the photonic crystal, and the vertical axis represents the specific frequency range provided accordingly. Referring to the graph shown, it can be seen that the frequency of light that does not pass through the photonic crystal varies depending on the area of the air hole. The optical bandgap is shown only for the TM mode (or the TE mode) depending on the conditions.

그래프에 개시된 바에 따르면, 공기홀 팩터의 범위는 0.2 ~ 0.6(즉, 전체 광결정 면적의 20 ~ 60%)이고, 주파수가 0.5이상인 경우에는 TM 모드 광 밴드갭(c)을 나타낸다. 사용자가 원하는 파장에서 상기 조건을 갖는 광결정을 거울로 사용하면 그 파장의 TM모드에 대해서 높은 반사율을 가지고 TE 모드는 투과시키는 모드 선택 형 거울이 된다. 물론, 공기홀 팩터 범위가 0.2 ~ 0.6(즉, 전체 광결정 면적의 20~ 60%)이고, 주파수가 0.4이하인 경우에는 TE 모드 광 밴드갭(d)을 나타내는데, 이 경우에는 사용자가 원하는 파장에서 상기 조건을 갖는 광 결정을 거울로 사용하면 그 파장의 TE모드에 대해서 높은 반사율을 가지고 TM 모드는 투과시키는 모드 선택형 거울이 된다. 도 3에 따르면, 사용파장이 0.8 ~ 1.5㎛이라고 전제할 때, 정규화된 주파수(u = a/λ)가 0.45 ~ 0.6 범위이고, TM 밴드갭이 공기홀 팩터 0.2 ~ 0.7 범위에 들어 있기 때문에, 공기홀 격자의 주기(a)는 0.36 ~ 0.9㎛범위이다.According to the graph, the air hole factor ranges from 0.2 to 0.6 (ie, 20 to 60% of the total photonic crystal area), and when the frequency is 0.5 or more, the TM mode optical bandgap c is shown. When a user uses a photonic crystal having the above conditions at a desired wavelength as a mirror, a mode-selective mirror having a high reflectance with respect to the TM mode of the wavelength and transmitting the TE mode is provided. Of course, when the air hole factor range is 0.2 to 0.6 (i.e., 20 to 60% of the total photonic crystal area) and the frequency is 0.4 or less, the TE mode optical bandgap (d) is represented. Using a photonic crystal with a condition as a mirror becomes a mode-selective mirror that has a high reflectance for the TE mode of that wavelength and transmits the TM mode. According to FIG. 3, since the normalized frequency (u = a / λ) is in the range of 0.45 to 0.6 and the TM bandgap is in the air hole factor of 0.2 to 0.7, assuming that the wavelength of use is 0.8 to 1.5 m, The period (a) of the air hole grating is in the range of 0.36 to 0.9 mu m.

도 4는 일 측면에 TM 모드에 대한 광 밴드갭을 갖는 광결정 구조의 광결정 거울이 채용된 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 다이오드의 개략적인 측단면도이다. 4 is a schematic side cross-sectional view of a laser diode according to an embodiment of the present invention in which a photonic crystal mirror of a photonic crystal structure having an optical bandgap for a TM mode is employed on one side.

도 4를 참조하면, 본 레이저 다이오드(40)는 기판(42), n-도핑층(43), 활성층(44), p-도핑층(45)을 포함하는 광 도파로영역, n형 전극(41) 및 p형 전극(46)을 포함한다. 또한, 본 레이저 다이오드(40)는 레이저 다이오드(40)를 구성하는 광 도파로 영역의 일 측면에 형성되는 광 결정 거울(47)과, 광 결정 거울(47)의 노출면에 형성된 무반사 코팅층(48)을 더 포함한다. 본 광결정 거울(47)은 TM 모드 광 밴드 갭을 갖는 광결정으로 이루어져 TM 모드를 안정적으로 반사시킬 수 있으며, 무반사 코팅층(48)은 광결정으로 이루어진 광결정 거울(47)을 투과한 빛이 단면에서 반사되어 광도파로 영역 내부로 다시 입사되는 것을 막기 위한 구조이다. 무반 사 코팅층은 TiO2와 SiO2로 이루어질 수 있는 것으로, 반사가 거의 일어나지 않는 것으로, 0.0001 ~ 1% 범위 이하의 반사율을 갖는다. 본 실시 예 도면에는 개시되어 있지 않지만, 광 도파로 영역의 타측면에는 광 결정으로 이루어진 거울 또는 광결정으로 이루어지지 않은 반사면을 더 형성할 수 있다. Referring to FIG. 4, the laser diode 40 includes an optical waveguide region including an substrate 42, an n-doped layer 43, an active layer 44, and a p-doped layer 45, and an n-type electrode 41. ) And p-type electrode 46. In addition, the present laser diode 40 includes a photonic crystal mirror 47 formed on one side of an optical waveguide region constituting the laser diode 40 and an antireflective coating layer 48 formed on an exposed surface of the photonic crystal mirror 47. It includes more. The photonic crystal mirror 47 is composed of a photonic crystal having a TM mode optical band gap to stably reflect the TM mode, the anti-reflective coating layer 48 is the light transmitted through the photonic crystal 47 made of photonic crystal is reflected in the cross section It is a structure to prevent the incident again inside the optical waveguide region. The antireflective coating layer may be made of TiO 2 and SiO 2 , and hardly reflects, and has a reflectance of 0.0001 to 1% or less. Although not shown in the present exemplary embodiment, a mirror made of photonic crystal or a reflective surface not made of photonic crystal may be further formed on the other side of the optical waveguide region.

따라서 도 3에 도시된 바와 같이, 특정 파장에서 TM 모드만 광 밴드갭이 존재하도록 설계된 광 결정(거울)이라면 피드백이 약한 TE 모드는 TM 모드에 비해서 상대적으로 레이저 발진이 어렵다. 레이저가 발진하기 위한 조건은 하기 식과 같다.Therefore, as shown in FIG. 3, if the photonic crystal (mirror) is designed such that only the TM mode exists in the optical bandgap at a specific wavelength, the TE mode having a weak feedback is relatively harder to laser than the TM mode. The conditions for the laser to oscillate are as follows.

Figure 112007040935945-pat00001
…(식)
Figure 112007040935945-pat00001
… (expression)

(식)에서 αi는 내부 손실, L은 광도파로(공진기)의 길이이고, R1, R2는 각각 레이저 다이오드에 마련된 거울의 반사율을 나타낸다. 레이저가 발진하기 위해서는, 모드의 이득은 상기 식의 우변이 나타내고 있는 총 손실을 극복해야 한다. 도 4의 실시 예에서는 R1(또는 R2)가 모드에 따라서 크게 차이가 나는 거울을 광결정을 이용해서 만들어 페브리-페롯(Fabry-Perot)형 레이저 다이오드에 적용한 것이다. 전술한 대로 R1(또는 R2)이 TM 모드에서는 크고 TE 모드에서는 작다면, TM 모드일 때에는 우변 두 번째 항이 커지므로 더 낮은 이득에서 발진을 할 수 있게 된다.Α i is the internal loss, L is the length of the optical waveguide (resonator), and R 1 and R 2 represent the reflectances of the mirrors provided in the laser diode, respectively. In order for the laser to oscillate, the gain of the mode must overcome the total loss indicated by the right side of the equation. In the embodiment of FIG. 4, a mirror in which R 1 (or R 2 ) differs greatly depending on the mode is formed using a photonic crystal and applied to a Fabry-Perot laser diode. As described above, if R 1 (or R 2 ) is large in the TM mode and small in the TE mode, the second term on the right side becomes large in the TM mode, so that oscillation can be performed at a lower gain.

도 5는 양 측면에 TM 모드에 대한 광 밴드갭을 갖는 광결정 구조의 광결정 거울이 채용된 본 발명의 다른 실시 예에 따른 레이저 다이오드의 개략적인 측단면도이다.FIG. 5 is a schematic side cross-sectional view of a laser diode according to another embodiment of the present invention in which a photonic crystal mirror of a photonic crystal structure having an optical bandgap for a TM mode on both sides is employed.

도 5를 참조하면, 본 실시 예에 따른 레이저 다이오드(50)는 양측 단부 영역에 TM 모드를 반사시키는 광결정으로 이루어진 광결정 거울(51, 53)과 각 거울(51, 53)의 노출면에 각각 형성되는 무반사 코팅층(52, 54)을 포함한다. 본 실시 예에 사용된 광결정 역시 도 3에 개시된 바와 같이, 특정 파장에서 TM 모드의 광 밴드갭이 존재하도록 설계된 광 결정이라면 피드백이 약한 TE 모드는 피드백 없이 레이저 다이오드의 광도파로 영역을 빠져 나가고, 대신 TM 모드는 높은 반사율에 의해 광도파로를 왕복하므로 더욱 안정한 TM 모드 레이저 다이오드를 달성할 수 있다.Referring to FIG. 5, the laser diode 50 according to the present embodiment is formed on the photonic crystal mirrors 51 and 53 made of photonic crystals reflecting the TM mode in both end regions and the exposed surfaces of the mirrors 51 and 53, respectively. Antireflective coating layers 52 and 54. As shown in FIG. 3, if the photonic crystal used in this embodiment is also a photonic crystal designed to have a TM band optical bandgap at a specific wavelength, the TE mode with weak feedback exits the optical waveguide region of the laser diode without feedback. TM mode reciprocates the optical waveguide with high reflectance, resulting in a more stable TM mode laser diode.

이상 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부한 실시 예 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 일실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다.Although the above has been described with reference to the accompanying drawings, the technical idea of the present invention is illustrative of the best embodiment of the present invention and is not intended to limit the present invention. In addition, any person having ordinary skill in the art may make various modifications without departing from the scope of the technical idea of the present invention.

이상 전술한 구성에 따르면, 본 발명은 레이저 다이오드에서 광도파로(공진기)의 한쪽 또는 양쪽 거울을 TM 모드에 대해서만 광 밴드갭을 갖는 광결정으로 제작함으로써, 안정적으로 TM 모드를 발진시킬 수 있다. According to the above-described configuration, the present invention can stably oscillate the TM mode by making one or both mirrors of an optical waveguide (resonator) in a laser diode into a photonic crystal having an optical bandgap only for the TM mode.

Claims (5)

기판 상에 형성되는 n형 도핑층, 상기 n형 도핑층 상에 형성되는 활성층, 및 상기 활성층 상에 형성되는 p형 도핑층을 포함하는 광 도파로;An optical waveguide including an n-type doped layer formed on a substrate, an active layer formed on the n-type doped layer, and a p-type doped layer formed on the active layer; 상기 n형 도핑층, 상기 활성층 및 상기 p형 도핑층이 적층된 상기 광도파로의 양단부 중 적어도 일단부에 형성되어 횡자기파(TM; transverse magnetic) 모드를 반사시키는 광결정으로 이루어진 광결정 거울; A photonic crystal mirror formed of at least one end of both ends of the optical waveguide in which the n-type doped layer, the active layer, and the p-type doped layer are stacked to reflect a transverse magnetic mode; 상기 기판 하부에 형성되는 n형 전극; 및An n-type electrode formed under the substrate; And 상기 p형 도핑층 상에 형성되는 p형 전극A p-type electrode formed on the p-type doping layer 을 포함하되,Including, 상기 광결정은 주기적으로 형성된 다수의 공기홀을 포함하는 반도체막 또는 공기층 내에 다수의 반도체 막대가 주기적으로 배치된 형태이고 상기 광결정의 TM 모드는 상기 광결정의 전체 면적 중 상기 공기홀 또는 상기 반도체 막대가 차지하는 면적과 상기 광결정을 통과하는 주파수에 의해 결정되는 TM 모드 레이저 다이오드.The photonic crystal has a form in which a plurality of semiconductor bars are periodically disposed in a semiconductor film or air layer including a plurality of periodically formed air holes, and the TM mode of the photonic crystal is occupied by the air holes or the semiconductor bars in the entire area of the photonic crystal. TM mode laser diode determined by area and frequency passing through the photonic crystal. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광결정 거울의 노출면에 형성된 무반사 코팅층을 더 포함하는 TM 모드 레이저 다이오드. TM mode laser diode further comprising an anti-reflective coating layer formed on the exposed surface of the photonic crystal mirror. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 n형 도핑층은 n-클래드층 및 n-도파로층을 포함하며, 상기 p형 도핑층은 p-클래드층 및 p-도파로층을 포함하는 TM 모드 레이저 다이오드.The n-type doped layer includes an n-clad layer and an n-waveguide layer, and the p-type doped layer includes a p-clad layer and a p-waveguide layer.
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