KR100937759B1 - 광학적 위상 공액 레이저 다이오드 - Google Patents

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조셉 라이드 헨리히스
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오피씨 레이저 시스템즈, 엘.엘.씨.
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Abstract

역-반사 육각형 구경의 육면체 모양의 코너-큐브 프리즘들(168)의 위상-공액 배열, 전기적 및/또는 광학적으로 펌핑된 이득-영역(160, 161, 162), 분산 브래그 반사 거울-적층(165), 가우시안 모드 제공 반구 모양의 레이저-방출-출력 금속화된 거울(164)로 이루어진 반도체 레이저 다이오드 기구를 포함하는 위상-공액 공진기를 제공한다. 여기서, 광학적 위상 공액은 본 발명의 위상-공액 공진기 내에서 증폭하는 발진을 겪도록 만들어진 유도 방출(169)을 일반적으로 불안정화시키는 자발 방출, 음향적 포논들, 양자-노이즈, 이득-포화, 회절, 및 다른 내부 공동 수차 및 뒤틀림의 위상 섭동 기여(phase perturbating contribution)를 중화하는 데 사용된다. 결과적으로 단일 낮은 차수 기본 횡 공간 공동 모드로의 안정한 고전력 레이저 방출 출력 및 약 20-Gigabits/ps의 데이터 전송이 가능한 고속 내부 변조를 제공하는 내부 공동 떨림 현상의 반전을 얻을 수 있다.

Description

광학적 위상 공액 레이저 다이오드{Optical Phase Conjugation Laser Diode}
본 발명은 반도체 "레이저 다이오드"(LD) 장치에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 광역(broad-area) "측면-발광 레이저" (EEL) 다이오드와 광역 "표면-발광 레이저" (SEL) 다이오드 장치에 대한 것이다.
반도체 레이저 다이오드는 단일 파장(single wavelength) 광원으로서, 예를 들어 "기가비트 이더넷 근거리 통신망" (Gigabit Ethernet Local Area Network, GELAN) 응용들에서의 사용 등 상당히 짧은 시간 내에 매우 다양한 응용분야들에서 채택되어 왔다. 거의 대부분의 반도체 레이저 다이오드는 오늘날 일반적으로 두 개의 주된 디자인 카테고리로 나눌 수 있다:
(i) "측면 발광 레이저" (Edge-Emitting Laser, EEL) 다이오드 디자인, 및
(ii) "표면 발광 레이저" (Surface-Emitting Laser, SEL) 다이오드 디자인.
최근 시장에서의 성공에도 불구하고, 반도체 레이저 다이오드는 일반적으로 고도의 '비균질 확장(Inhomogeneous Broadening)'을 나타내기 때문에 여러 고가치 시장에의 응용에 있어서 불분명한 전망을 가지고 있다. 이것은 특히 예를 들어 "수직 공진형 표면 방출 레이저"(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)와 같이 SEL에 기초한 레이저 다이오드 구성에 있어서 그러하다. 더욱이, 비균질 확장 은 발광 샘플 내의 입자의 환경이나 특징이 동일하지 않을 때 발생한다. 더욱이 모든 반도체-기초 물질들에 있어서, 결정 구조 내의 불완전함이나 불순물의 존재는 하나의 격자 위치로부터 다른 격자 위치로 결정 구조를 형성해나가는 원자들의 물리적 환경을 바꾼다. 격자점 환경들의 무작위 분포는 궁극적으로 입자들 분포의 중심 주파수가 레이저 다이오드 장치(특히 레이저 다이오드의 이득-영역)의 제조에 사용되는 반도체 물질의 결정 격자를 통하여 무작위로 변경되도록 야기하며, 이는 레이저 다이오드 이득-매질(gain-medium)의 비균질적으로 확장되는 이득을 초래한다.
부가적으로, 분자 구조가 결정인 어느 특정한 반도체 물질이 전자기장에 도입되었을 때(즉, 전기적 펌핑 동안), 반도체 물질을 이루는 결정학적 구성 분자들이 발진(oscillate)하기 시작하며, 이것은 이번에는 불연속 에너지 준위(discrete energy)의 어쿠스틱 패킷(acoustic packets)(포논(phonon)이라 불림)의 형성을 야기한다. 더욱이, 포논과 반도체의 기초가 되는 결정 격자를 이루는 입자와의 충돌은 동일 물질 내에 존재하는 예를 들어, "자발-방출" (Spontaneous-Emission, SE)과 "유도-방출" (Stimulated-Emission, STE)과 같은 들뜬 준위 방출들(excited emissions)의 위상에 섭동(perturbation)을 초래한다.
결과적으로, 포논이 반도체 내에 존재하는 SE와 충돌하였을 때, 위상에 섭동을 겪게 되고, 이는 레이저 필드(유도 방출)에 대해 임의적으로 분산되도록 야기하며, 이것은 연이어 레이저 다이오드의 공동(cavity) 내에서 (공진을 통하여) 증폭을 겪는 발진하는 STE가 불안정해지도록 야기한다; 이에 의해 모든 종류의 불안정 성이 레이저-방출-출력에 나타나도록 야기한다.
결과적으로, '낮은 문턱 전류'(low threshold current)와 '기울기 효율'(slope efficiency)과 같은 매개 변수들이 레이저 다이오드 설계자들이 어느 특정 레이저 다이오드 장치 내에 존재하거나 존재할지도 모르는 불안정성의 정도를 측정하는 것을 돕기 위한 성능 지표(performance indicators)로서 일반적으로 사용된다. 더욱이, 낮은 문턱 전류는 그것이 레이저 발광으로 변환되지 않는 총 주입 전력을 줄여주기 때문에 반도체 레이저 다이오드에 있어서 얻으려고 노력하고 주시하여야 할 특별히 중요한 매개 변수이다; 여기서 문턱 전류 밀도는 두 가지에 의존한다:
(i) 레이저 다이오드 공진기의 구성(configuration)(즉, 거울 및/또는 패싯(facet) 반사율들, 공동 길이, 제한 요소(confinement factor), 및 활성-층 두께를 통한), 및
(ii) 레이저 다이오드의 이득 영역의 구성과 사용되는 제조 물질(즉, 이득 계수, 투과에 있어서 캐리어-밀도(carrier-density), 캐리어 붕괴율들(carrier decay rates)을 통한). 후자와 관련하여, 양자-우물(quantum-well)로 이루어진(comprised) 이득 매질이 벌크(bulk)로 이루어진 이득 매질보다 더 나으며(즉, 더 효율적이며), 반면 변형-층(strain-layer) 양자-우물로 이루어진 이득 매질이 변형되지 않은 것보다 훨씬 더 효율적이다.
더욱이, 문턱(threshold)을 넘는데 필요한 주입 전력을 제외한 레이저 효율인 기울기 효율은 다른 타입의 레이저들과 비교할 때 반도체 레이저에서 일반적으 로 높다. 예를 들어, 양자-우물 레이저 기울기 효율은 일반적으로 약 50% 이다. 이것은 문턱에 다다른 후에, 매 2-주입 전자마다 1-광자(photon)가 생산된다는 것을 의미한다. 이것은 반도체 레이저 다이오드가 많은 광-전자적 응용들에 있어서 경쟁적일 수 있게 하는 인상적인 숫자이다. 그것은 레이저 필드가 본질적으로 전체 캐리어 분산과 상호 작용할 수 있을 때에 오직 가능한 전력의 효율적인 추출을 가리키기 때문에 또한 흥미있는 숫자이다. 다시 말해, 양자-우물을 포함하는 반도체 이득-매질은, 그 밴드 구조(band structure)가 큰 비균질 확장에 기여함에도 불구하고 다소 균질적으로 포화된다.
더욱이, 양자-우물 이득-매질로 이루어진 높은 주입 전류 반도체 레이저 다이오드는 현저한 이득 전복(gain roll-over)를 보인다는 것에 주목해야 한다. 전복의 정도가 펄스 기간(pulse duration)에 비례하기 때문에, 즉 펄스 기간이 길수록 이득 전복에 대한 문턱이 낮아지기 때문에, 레이저 다이오드의 가열이 이 특수한 성능 저하(degradation)의 원인인 것으로 보인다. 레이저 성능은 또한 증가하는 주위 온도와 함께 저하될 수 있다.
더욱이, 증가하는 주위 온도와 관련하여, 성능 저하는 명확하게 레이저 동작 임계치(lasing threshold)의 증가에 있다. 따라서, 우리는 반도체 레이저 다이오드의 온도 민감도를 T 0 매개 변수에 의하여 아래와 같이 정량화할 수 있다.
Figure 112007070208053-pct00001
여기서, I th (T 1 )과 I th (T 2 )는 각각 T 1 과 T 2 온도에서의 문턱 전류를 말한다. 오늘날, 높은 T 0 레이저 다이오드들은 단일 "굴절률 분포"(Graded-Index, GRIN) 양자-우물로 이루어진 레이저 다이오드 장치들로 형성되는 경향이 있다. 더욱이, 상기 언급한 굴절률 분포 구조는 레이저 다이오드의 활성-영역(active-region) 안에 주입된 캐리어들을 붙잡아 가두는 것을 도우며, 이것은 주입 전자들이 상온일 때보다 평균적으로 훨씬 더 에너지가 높은(energetic) 고온 레벨들에서 특히 중요하다. 결과적으로, 양자-우물 구조 자체는 이차원 밴드 구조로 인하여 T 0 증가를 도우며, 이것은 벌크-영역 반도체 이득 매체에서 일반적으로 나타나는 삼차원 구조보다 레이저 성능이 온도에 따른 캐리어 에너지 분포 변화에 대하여 덜 민감하게 한다. 부가적으로, T 0 값은 벌크 영역으로 이루어진 반도체 레이저 다이오드들에 대하여는 약 70℃부터, 그리고 양자-우물로 이루어진 반도체 레이저 다이오드들에 대하여는 250℃ 이상까지 변화할 수 있다.
부가적으로, 높은 경사 효율이 반도체 레이저 다이오드가 균질적으로 포화한다는 것을 의미한다는 것은 분광 데이터는 다르게 나타난다는 점을 제외하고는 놀랄 일이 아니다. 반도체 레이저 다이오드에 대한 분광 데이터는 주입 전류의 증가량이 문턱에 근접한 다중 모드 방출을 야기할 것이라는 것을 보여준다. 더욱이 다중 모드 방출은 높은 비율의 반도체 자발 방출이 레이저 다이오드의 레이저 동작 임계치(lasing threshold) 이하에서 발생하는 상대적으로 높은 강도의 "증폭된 자발 방출(ASE)" 모드를 야기할 때 초래된다.
반면에, 이와 반대로, 모드 경쟁으로 인하여 더 높은 전류 레벨에서는 레이저 다이오드의 스펙트럼은 단일 모드가 된다. 레이저 다이오드의 스펙트럼이 더 높은 전류 레벨에서 다중 모드 방출 출력으로 다시 되돌아간다는 것은 흥미로운 일이다. 이 다중-종 모드 움직임(multi-longitudinal mode behavior)은 당업자들에 의해서 분광학적 모드 호핑(spectral mode hopping)으로 불리며, 이는 비균질적으로 확장되는 이득-매질의 경우에만 오직 가능하다.
더욱이, 이러한 타입의 움직임은 VCSEL 다이오드에는 일어나지 않는다. VCSEL 다이오드는, 그것이 HQC (High-Q Cavity)로 형성된 레이저라는 사실에도 불구하고, (즉, VCSEL은 그들의 에피택시(epitaxially)한 다중-층 구조로 인하여, 일반적으로 매우 짧은 공진 길이를 가질 것이며, 보통 하나의 방출 파장 길이이다) 다른 모든 반도체에 기초한 레이저 다이오드들과 마찬가지로, 비균질하게 확장되는 이득-매질로 이루어졌지만, 단일 종 레이저-방출-출력을 나타내기 때문에 불안정성은 다른 종류의 움직임으로 나타난다. 더욱이, VCSEL 다이오드에 있어서, 비균질하게 확장된 이득은 대신에 레이저-방출-출력에 대한 불안정한 상태의 극성을 야기한다.
더욱이, 극성 스위칭 움직임(polarity switching behavior)이 서로 다른 입력 전류 레벨들에서 발생한다; 이를 통하여, 레이저 방출 극성의 나타난 상태가 하나의 특정한 선형 극성(linear polarity) 상태로부터 반대 상태로의 변화와 같은 플립/플롭(flip/flop) 스위치를 겪게 된다. 이것은 VCSEL 다이오드가 자기-광학적 고-밀도 데이터 저장(magneto-optic high-density data storage)과 같이 극성에 민 감한 응용들에 사용되는 것을 실제로 불가능하게 한다.
대부분의 레이저 타입들이 균일하게 확장되는지 또는 비균일하게 확장되는지로 명백하게 분류되기 때문에, 반도체 레이저 다이오드들에 의해서 나타나는 이원적인(dual) 특징이 그들의 특정 물리적 현상을 흥미롭게 그리고 약간은 복잡하게 만든다. 또한, 어떠한 반도체 레이저 다이오드의 궁극적인 선폭(linewidth)을 알기 위하여, 우리는 레이저의 공진 공동(resonant cavity) 내의 자발적-방출의 존재에 의하여 레이저 필드 내에 발생하게 만들어진 변동들(fluctuations)을 고려해야 한다.
레이저-필드의 위상에 대하여 임의의 위상을 갖는, 자발적으로 방출된 광자의 부가는 레이저-필드 벡터의 팁(tip)에 무작위 워크-오프(random walk-off)를 초래한다. 위상은 결국 0과 2π사이의 모든 값을 나타내며 자유롭게 변동하는 반면, 필드 진폭은 본질적으로 광자 개수의 제곱수로 남는다. 위상의 발산(diffusion)은 레이저 필드-벡터의 합계가 영이 되도록 만들며, 필드-벡터 전체 평균의 붕괴율은 레이저 다이오드의 자발-방출 선폭의 척도가 된다. 이러한 상황에 따라, 레이저 선폭은 아래와 같은 샬로우-타운스 공식(Schawlow-Townes formula)에 의해서 주어진다.
Figure 112007070208053-pct00002
여기서, A는 레이징 모드로의 자발적-방출 계수이며, n ss는 레이징 모드의 정상-상태(steady-state) 광자 개수이다.
게다가, 반도체 레이저 다이오드의 선폭은 캐리어-밀도의 변동(fluctuation)에 의해 야기되는 굴절률 변동에 의해 영향을 받는다. 더욱이, 이득-고정(gain-clamping)으로 인하여, 세기 변동들이 선폭에 직접적으로 끼치는 영향은 무시해도 좋다; 그러나, 세기의 변동은 캐리어 밀도에 변동을 가져온다. 반도체 이득 매질 내에서 이득 피크에서의 캐리어 밀도에 기인한 굴절률 변동은 크기 때문에, 밀도 변동은 상당한 굴절률 변동을 가져오며, 이것은 연이어 위상에 변화를 초래한다. 또한, 아래와 같이 주어지는 기본 레이저 선폭의 뒤이은 증가를 초래한다.
Figure 112007070208053-pct00003
여기서 α는 레이저 다이오드 이득 내에 대응하는 변화에 대한 매질 굴절률 내의 변화의 척도인 선폭-상승 인자(linewidth-enhancement factor)이다. 따라서, 세기 변동은, 그들의 직접적인 기여도는 무시할 만한 것임에도 불구하고, 선폭에 비간접적으로 기여한다. 또한, 이차원 매질에서는 굴절률의 변화가 이득 최대치에서 제로 값을 통과하므로, 비간접적 기여도 또한 무시할 만하다. 따라서, 제로는, 레이저 다이오드가 이득-최대치로부터 멀리서 작동하도록 강제되지 않는 이상, 세기 변동들에 의해 야기되는 포화 상태(saturation)에서의 변화를 증가시킨다.
EEL 다이오드에 있어서, 레이저 필드는 횡(tranverse)(
Figure 112007070208053-pct00004
) 방향에서 다이오드의 헤테로 구조에 의해서 인덱스 유도(index guided)된다. 여기서, 광 도파로(optical guide)는 일반적으로 오직 하나의 횡 모드만을 유지할 수 있을 정도로 좁게 만들어진다. 요구되는 도파로(guide) 두께는 약 1-㎛이기 때문에, 횡 방향 빔 발산은 약 30°크기이다. 그러나 레이저 필드가 이 방향으로 회절 제한(diffraction limited)된다면, 원칙적으로 일반적인 렌즈들을 가지고 어떠한 희망하는 모양으로 시준, 확장, 집광 등이 될 수 있다는 것을 기억하여야 한다. 물론, 요구되는 광학 요소들은 레이저 다이오드보다 상당히 크기 때문에 그렇게 하는 것은 비실용적일 것이다.
측면(lateral) 방향(
Figure 112007070208053-pct00005
)에서, 광-필드 제한(optical-field confinement)은 대개 약하며, 이는 레이저 방출 출력에 있어서 상당한 비점수차(astigmatism)를 야기한다. 단일-모드 작동은 좁은 이득 또는 인덱스 띠 폭(index stripe width)을 가지고도 여전히 가능하다. 그러나 고 전력 작동에서, 측면 넓이는 광학 세기로 인한 물질적 피해를 막기 위하여 넓어야 한다. 측면 모드 프로파일은 횡방향 모드 프로파일에서보다 이득 매질에 더 의존적이며, 넓은 띠 레이저 다이오드는 일반적으로 다중 모드로 작동한다. 더욱이, 다중 모드 작동의 개시는 캐리어-유도 굴절률 변화의 포화에 의해서 야기되는, 자기-집광(self-focusing)에 의해서 촉진되다.
더욱이, 자기-집광 효과의 더 나은 이해를 위하여, 우리는 주입 전류 분포를 따르도록 만들어진 캐리어 분포를 제공하는, 이득-포화의 부족 상태에서, 낮은 레이저 세기 프로파일이 대신 초래되는, 그 역(reverse)을 먼저 살펴보아야 한다. 더 간명하게 하기 위하여, 캐리어-유도 굴절률이 증가하는 캐리어 밀도와 함께 감소하는 경우, 결과적인 굴절률 분포는 레이저 필드의 초점이 흐려지는 경향을 보이며, 이는 일반적으로 안티-가이딩 효과(anti-guiding effect)라 불리운다.
반대로, 이득-포화의 더욱 전형적인 발생으로 인하여, 공간 홀(spatial hole)이 레이저 필드에 의한 분산의 중심에 버닝하게 된다(burned into the center). 이것은 이득-포화의 직접적인 결과로서, 굴절률 분포에 있어서 동심원적(concentric) 변화의 형성을 초래하며, 이것은 연이어 레이저 필드의 자기 집광을 야기한다. 따라서, 결과적으로 얻어진 집광된 레이저 필드는 캐리어 분포에서 더 깊은 홀을 버닝하게 되고(burns a deeper hole), 이것은 연이어 일반적으로 자기-집광 효과라 불리는 더 큰 집광을 야기한다. 결과적으로 자기-집광은 여러 좁은 '범프들'(bumps)(즉, 일반적으로 필라멘트(filaments)라고 불리우는)로 이루어진 최종 세기 프로파일을 제공하도록 회절과 이득에 의해 균형이 잡히게 된다.
일반적으로 필라멘테이션(filamentation)은 레이저 다이오드가 최근의 응용 분야에 사용되는 것을 어렵게 만드는 노이즈(noise)를 만드는데 기여한다. 그러나 넓은 영역 이득-부피(large area gain-volume)를 가지는 레이저 다이오드에 있어서, 매우 높은 세기의 광학 필드를 가지도록 이루어진, 필라멘테이션을 일으키는 자기 집광 효과는 레이저 다이오드의 분자 구조에 완전한 실패를 야기하는 소위 "재앙적 광훼손"(Catastrophic Optical Damage, COD)을 일으킬 가능성이 크다. 필라멘테이션은 자발적-방출이 공진하는 레이저 필드에 위상 섭동을 만들 때 발생하도록 만들어진 오직 하나의 불안정성일 뿐이다.
선행 기술은 어느 하나의 특정한 불안정성을 완전히 중화하는(neutralize) 데 실패한 수백 개의 반도체 레이저 다이오드 공진기들을 보여주고 있으며, 그 이유는 단순히 공진기들이 자발적-방출에 기인한 불안정한 위상 섭동(phase perturbation) 효과들을 그들 내에 여전히 가지고 있기 때문이다. 일부가 이하에서 매우 자세하게 묘사될 이러한 공진기 디자인들은 그들이 불안정화의 원인을 다루기보다, 하나 또는 두 개의, 특정 불안정성만을 다루도록 디자인되었기 때문에 실패하였다.
반대로, 본 발명의 "광학적 위상 공액 레이저 다이오드" (Optical Phase Conjugation Laser Diode)는 '광학적 위상 공액'(Optical Phase Conjugation)을 사용하여, 자발 방출과 어쿠스틱 포논(acoustic phonon) 모두가 공진 증폭을 겪는 유도-방출에 기여하는 위상 섭동에 의한 불안정성을 중화하였다. 따라서, 본 발명의 OPCLD는, 선행기술과 달리, 반도체 레이저 다이오드 이득의 균질적 확장에 성공적으로 영향을 미치기 위하여 불안정성의 원인을 제거하였다.
이하의 단락에서는 최근의 레이저 다이오드들의 공진 안정도에 어느 정도 영향을 미치는 공진기 디자인들의 여러 가지 예를 보여주는 관련 선행기술들이 포함된다. 그러나 이러한 접근들은 모든 반도체 레이저 다이오드들 내에서 발생하는 어쿠스틱 포논과 자발적-방출에 의한 임의적인 위상 불안정성을 극복하는 데 실패하기 때문에, 내부 공동(intracavity) 유도-방출의 증폭된 공진을 안정화하는데 실패하며, 이것은 최근의 레이저 다이오드들의 성능을 심각하게 저해한다.
예를 들어, 전형적인 VCSEL의 공진기는 이득-영역이 측면 방향을 따라 물리적으로 길게 재구성되고, 반면에 횡 방향을 따라 물리적으로 짧게 재구성되며(예를 들어, 직사각형 또는 타원 모양의 이득-영역을 형성하는), 이는 이론적으로 다른 극성 방향에 비하여 하나의 반대 극성 방향에 더 많은 이득을 제공한다. 더욱 자세 한 내용을 위하여는, Krassimir Panajotov et al.의 "타원형의 표면 양각(surface relief)을 가지는 수직 공진형 표면 방출 레이저(VCSEL)의 분극화 움직임과 모드 구조", VCSEL VII 발행, Proceedings of SPIE, Vol. 4994, pp 127-138 (2003)를 참조한다.
불행하게도, 안정한 극성을 나타내는 레이저 방출 출력을 제공하도록 재설계된 후에도, VCSEL은 여전히 재설계 전에 가졌던 극성 스위칭 불안정성 문제를 겪고 있다. VCSEL이 유도 방출의 극성을 안정화하는데 실패하는 진정한 이유는 재설계된 레이저 다이오드 공진기가 잘못 해석되었다기보다는 내부 공동(intracavity) 자발 방출의 임의적인 위상 기여에 있다고 할 것이다. VCSEL에 의해서 경험되는 극성 스위칭 문제에 대한 자세한 내용을 위해서는, R. P. van Extor의 "VCSEL 극성 노이즈의 특성과 이해"(Proceedings of SPIE, Vol. 3946, pp 58-68, 26-28 Jan. (2000))를 참조한다.
더욱이, 반도체 레이저 다이오드들의 성능 저하에 책임이 있는 불안정성의 근본적인 원인을 수립하고 확인한 이상, 관련 선행 기술에 대하여 더욱 자세하게 살펴보자. 선행 기술들은, 예를 들어 반도체 기판 웨이퍼의 위로 향한 표면에 에피택시하게(epitaxially) 형성된 양자-우물 반도체 이득 구조와 같은, 반도체로 이루어진 이득 매질을 가지는 것으로 기술된, 측면 발광에 기초한 레이저 다이오드 설계의 예들로 가득 차 있다. 선행기술들에 의하면, 두 개의 공동 형성 거울들은 개개의 EEL이 구성요소 패키징을 위하여 절단될 때 생성되며, 에피택시하게 성장하지 않는다(즉, 내부 광 반사 절단면들은 개개의 EEL 장치들로 절단되는 전체 웨이퍼의 결과로서 결정을 함유하는 줄무늬들(crystalligerous striations)을 따라 형성한다).
일반적으로, 두 개의 총 내부 반사 단면들(edge facets)은 기판 웨이퍼의 가장 바깥쪽 표면에 수직인 각을 따라 반도체로 이루어진 이득 영역의 반대 면들에 위치하며, 이것은 다 함께 공진-공동(resonant cavity)을 형성한다. 이득-매질의 전기적 및/또는 광학적 펌핑(pumping)은 증폭된 광자 방출을 생성하고, 이것은 기판 웨이퍼의 면을 따라 평행한 방향으로 전송된다(즉, 내부 공동 광자 방출은 공진하며 증폭된 레이저-방출-출력을 형성하도록 만드는 발진을 겪게 된다).
더욱이, 단면-발광 레이저 다이오드들은 최근에 생산되는 가장 일반적인 반도체 레이저 다이오드들 중에 하나이다. 상업적으로 사용 가능한 레이저 다이오드들은 개별적인 레이저 다이오드들로서 트랜스시버 패키지(transceiver package)와 결합된 레이저 다이오드들과(즉, 결합된 광 탐지기와 내부적으로 변조된 레이저 다이오드 트랜스미터에 기초한 반도체로 이루어진 집적 회로 구조), 선형-막대 레이저 다이오드 배열(linear-bar laser diode arrays)들로서이다. 예를 들어 선형 막대 레이저 다이오드 배열들은 수백 밀리와트보다 훨씬 큰 고 전력 레이저 방출 출력 레벨(예를 들어, 1 내지 100 Watts)을 제공하기 위하여, 고체 상태의 레이저들을 펌핑하기 위한 광학 펌프원으로서 사용한다. 많은 단면-발광 레이저의 적용 형태들은 일반적으로 높은 차수의 공간 모드와 다중 주파수에서 작동한다. 이것은 단일 주파수에서 단일 횡 공간 공동 모드로의 고 전력 레이저 방출 출력을 요구하는 응용들에 있어서의 이용을 어렵게 만든다.
더욱이, EEL은 고도의 비점수차(astigmatism)와 빔 영상비(aspect ratio)를 나타내며 이것은 일반적으로 빔을 작은 점에 집광시키는 것을 어렵게 만들어 EEL이 집광된 빔 출력을 요구하는 응용들에 사용되는 것을 막는다. 더욱이, EEL의 낮은 빔 품질은, 비선형 광학 물질들을 사용하여, 레이저-방출-출력의 이차 고조파 생성(frequency doubling)을 어렵고 비효율적으로 만든다. 더욱이, EEL은, 그들의 매우 긴 공동 길이들과 상당히 큰 이득-부피들 때문에, 분산적인 펄스 확장 효과(dispersive pulse broadening effects)를 상당히 겪게 되기 전까지, 오직 약 2, 3 Gbits/ps 정도에서 내부적으로 모듈화될 수 있으며, 이는 데이터 신호들의 레이저-방출-출력 전송을 위한 고도의 내부 모듈화(modulation)를 요구하는 응용들에 사용되는 것을 막아 왔다.
다른 한편으로, VCSEL은 감소한 문턱 전류, 원형의 출력 빔, 저렴한 큰-부피 제조 및 내부 모듈화의 높은-비율(일반적으로 초당 > 5-Gbits)들로 인하여 오늘날의 "지역 정보 통신망"(Local Area Networks, LANs)을 포함하는 다중 모드 광 섬유에 특히 적합하다. LAN에 널리 적용되는 것은 선택적 산화된(selectively oxidized) VCSEL 다이오드이며, 이것은 강한 전기적 그리고 광학적 제한(confinement)을 생성하기 위하여 수직 공동 내에 위치한 산화물 구경(aperture)을 사용하며, 이것은 높은 전-광(electrical to optical) 변환 효율을 가능하게 하지만, 다중 횡방향 공간 모드로 방출되는 것을 허용하는 최소한의 모드 선별성(modal discrimination)만을 제공하는 설계 전략이다.
오늘날의 많은 기업에서 사용되는 LAN 과 데이터-센터 토포로지들(Data-Center topologies)에서 사용되는 종류와 같이, 다중 모드로 형성된 섬유 길이는 절대 수백 미터를 초과하지 않도록 형성되기 때문에, 그들이 전송하는 다중 모드 신호는 신호 감쇠(attenuation)나 데이터 손실이 일어나지 않는다. 따라서 전형적인 다중-모드 VCSEL 다이오드는 이러한 다중 모드 LAN 토포로지를 위한 이상적인 단일 파장 광원을 만든다; 더욱이, 이것은 결과적으로 VCSEL이 데이터컴 응용들(Datacom applications)에 사용되는 반도체 레이저 다이오드의 총 시장 점유율 70% 이상을 사로잡게 만들었다. 그러나, 아래와 같이 신흥 고가치 응용들을 위해서 단일 횡 공간 모드로 방출하는 VCSEL이 점점 요구되고 있다:
(i) 단일 모드 광섬유를 이용한 데이터 커뮤니케이션;
(ii) 바코드 스캐닝;
(iii) 레이저 프린팅;
(iv) 광 읽기/쓰기 데이터 헤드(Optical read/write data-heads);
(v) 긴 거리(Long-Haul) 텔레커뮤니케이션과 데이터컴 트랜스미션;
(vi) 모듈레이션 분광학(Modulation Spectroscopy); 및
(vii) "가정용 광통신망"(Fiber to the Home, FTTH) 규격 트랜스미터들.
그러나, 선택적 산화에 기초한 VCSEL 다이오드 디자인들은 고도의 인덱스 제한(index confinement)를 나타내기 때문에, 선택적 산화된 VCSEL에서 안정한 단일 낮은 차수(low-order) 횡방향 공간 모드 작동은 기껏해야 해결해볼 만한 과제이다. VCSEL은 요구되는 레이저-방출-출력의 대략 하나의 파장 길이의 광 공동 길이를 가지도록 일반적으로 설계 및 제조된다(즉, VCSEL를 'High-Q Cavity' 레이저 다이오드 설계로 만들며). 이러한 짧은 공동 길이는 연이어 넓은 간격을 두는(wildly spaced) 공진 노드들(nodes)을 생성하며, VCSEL 다이오드가 매우 요구되는 단일 종방향 광-모드 내에서 작동하도록 야기한다(즉, VCSEL에 대하여 균질하게 확장하는 이득을 가지는 외관을 나타내며).
그러나, 공동 직경 거리들(즉, 5-㎛ 내지 20-㎛)은 공동 길이와 비교하여 상대적으로 크기 때문에, 이러한 레이저 다이오드들은 보통 (즉, VCSEL의 공진하는 광 공동의 직경 크기는 장치에 의한 레이저-방출-출력의 단일 파장보다 약 12배가 큰 13-㎛를 넘지 않는다) 다중 횡 공간 모드들에서 작동한다(즉, 일반적으로 다중 모드 작동이라 불리는); 더욱이, 각각의 부가적인 횡방향 공간 모드는 고유의 파장, 극성, 및 소위 횡방향 공간 프로파일(즉, 일반적으로 종종 빔 세기 패턴이라 불리우는)을 가진다. 작은 스폿 크기와 높은 분광학적 순도를 요구하는 응용들에 있어서, 일반적으로 가장 낮은 차수의 (lowest-order) 기본 모드(즉, TEM00)인, 단일 횡방향 공동 모드로의 레이징이 필요하다.
일반적으로, 선택적으로 산화된 VCSEL에 대한 낮은-차수의 기본 횡방향 공동 모드 레이저-방출 출력은 높은-차수의 횡방향 공동 모드들에 광학적 손실을 제공함으로써 얻어진다. 높은-차수(higher-order) 모드들에 선택적으로 광학적 손실을 선택적으로 생성함으로써, 우리는 모드 선별성(modal discrimination)을 제공하며, 이것은 결과적으로 단일 횡방향 공동 모드에서 VCSEL이 작동하도록 야기한다. 단일 횡방향 공동 모드에서 작동하는 VCSELs을 생산하는 전략들이 개발되어 왔다.
그러나, 이러한 방법들은 높은-차수의 공동 모드들에서 상대적으로 더 크도 록 만들어진 손실의 도입에 기초하기 때문에, 이를 통하여 낮은-차수의 기본 횡방향 공동 모드들에 증가된 이득을 제공할 것이다. 또한, 높은 차수의 진공기 모드에 손실을 제공하는 것과 낮은 차수의 기본 횡 공진 모드에 직접적으로 이득을 제공하는 대안적인 접근이 있다.
더욱이, 높은-차수의 공동 모드들에 공급되는 증가된 모드 손실(modal loss)은 세 가지의 서로 다른 설계 접근들을 사용하여 성공적으로 설명되며, 첫 번째는 높은-차수 광학적 모드들에 대한 윗 거울(top mirror)의 반사율을 선택적으로 줄여주는 윗면(top facet)의 주변(periphery) 상에 위치한 에칭된-표면 양각(etched-surface relief)을 이용하는 모드 선별성 기술(modal discrimination technique)을 포함한다. 이러한 기술의 장점은 윗 사분의 일-위상 거울 적층 어셈블리(top quarter-wave mirror stack assembly)에 에칭되는, 공동 주위에 위치한 링(ring)이 통상적인 건식-에칭(dry-etching)을 통하여 VCSEL의 최초 제조 과정 동안 생성되거나 또는 집광된 이온-빔 에칭을 이용하여 완전한 VCSEL 형판(die)에 추후 처리될 수 있다는 것이다. 그러나, 단점은 에칭된 양각이 산화물 구경(oxide aperture)에 대한 세심한 배열을 필요로 하거나 또는 지금까지 보고된 상대적으로 낮은(즉, 4-mW보다 낮은) 단일-모드 레이저-방출 출력 전력에 의해서 명백하게 나타났듯이, 기본 횡방향 공동 모드들에 대한 광학적 흩트림 손실(optical scattering loss)의 증가를 상당히 야기할 수 있다는 것이다.
결과적으로, 추가적인 제조 과정 단계들과 자기-정렬(self-alignment) 문제점들을 피하기 위하여 에피택시 증착(epitaxial deposition) 동안에 VCSEL의 구조에 모드 선택적인-손실을 도입하는 것이 더욱 바람직하다. 두 가지 그러한 기술들은 각각 VCSEL 레이저 다이오드 내부에 테이퍼된(tapered) 산화물 전류 구경들(oxide current apertures)과 확장된 광 공동들(extended optical cavities)을 사용한다. 산디아 내셔널 연구소(즉, Albuquerque, New Mexico)에서 광범위하게 연구된 첫 번째 접근법은 높은 차수의 횡 공간 공동 모드들의 손실을 선택적으로 증가시키도록 산화물 구경 팁(oxide aperture tip)의 프로파일을 디자인하는 데 입각한 것이다.
더욱이, 구경-팁 프로파일(aperture-tip profile)은 "알루미늄-갈륨-비화물" (AlGaAs) 층들의 조성을 조절함으로써 생성되며, 이들은 상기 언급된 VCSEL 내부에 위치한 구경을 생성하기 위하여 제조공정 동안에 산화된다. 더욱이, 팁(tip)이 종 방향의 광 정재파(longitudinal optical standing wave) 내의 눌(null)(즉, 정재파의 노드)에 수직으로 위치하는 테이퍼된 산화물을 포함하는 VCSEL은 3-㎽보다 더 큰 단일 모드 출력, 및 30-dB보다 더 큰 주변 모드 억제(sidemode suppression)를 생성할 것이다. 그러나, 이러한 구조를 생성하는 것은 산화 공정의 자세한 이해를 필요로 하며, 매우 요구되는 기본 횡 공진 모드에 대한 추가적인 손실을 생산한다.
더욱이, 모드 선별성을 증가시키기 위하여 사용되는 또 다른 방법은 VCSEL 광학적 공동의 길이 자체를 증가시키는 것이고 따라서, 높은-차수의 횡 공간 공동 모드들에 대한 회절 손실을 증가시키는 것이다. 울름 대학교(즉, Ulm, Germany)의 연구자들은 VCSEL의 광학적 공동 내부에 삽입된 4-㎛ 두께의 공동 스페이서(spacer)와 함께 제조된 VCSEL을 사용하여 5-mW까지의 단일-모드 작동을 보고하였다. 그러나, 여기서 문제는 더 긴 공동 스페이서를 사용하는 것은 반도체 레이저 다이오드 응용에 VCSEL의 최대 기여를 무효로 만드는 다중 종방향 공진 모드 (즉, 일반적으로 공간 홀 버닝이라 불리는)를 도입할 수 있다는 것이지만, 그러나 거의 7-mW까지의 단일 횡 공진 모드 작동을 가져올 수 있다. 다중 파장 공동들로 이루어진 VCSEL들이 어떠한 전기적 부작용도 겪지 않는 것으로 보인다는 것은 흥미로운 일이지만, 그러나 횡 방향의 모드 선별성과 분광학적 종 방향 공동 모드들 사이의 교환(trade-off)의 균형을 맞출 수 있도록 세심한 설계가 요구된다.
그러나, 이것은 모두 다소 이론적이며, 왜냐하면, 낮은 차수의 단일 기본 횡 공동 모드로의(즉, 바람직하게 TEM00) 레이저-방출-출력에 대한 안정성을 획득하기 위하여, 원하는 모드를 구별해내기 위하여 요구되는 손실 양은 궁극적으로 너무 많은 손실을 도입하여, 레이저 방출 출력 레벨이 전형적인 13㎛ 직경의 이득 영역에서 몇 밀리와트를 초과하지 못하게 되고, 이는 장치들이 현실의 응용들에 다소 적합하지 않도록 만들기 때문이다. 더욱이, VCSEL의 이득 영역에 사용되는 직경 크기는 이득을 증가시키기 위하여 13㎛을 초과할 수 없으며, 왜냐하면 그것이 그들을 제거하기 위해 사용되는 어떠한 특정한 손실 메카니즘에도 불구하고 문턱 아래의 높은-차수의 횡 공간 공동 모드들의 개시를 가져올 것이기 때문이다.
더욱이, 선행 기술은 모드 손실(modal loss)보다 모드 이득(modal gain)을 조절하는 것 또한 단일-모드 VCSEL을 생산할 수 있다는 것을 보여준다. 그러한 하나의 기술이 산화물 구경과 관계없이 공간적으로 레이저 이득을 구경화하기 위하여 내셔널 연구소(Sandia Natioanal Laboratories)에서 개발되어졌다. 이 VCSEL 설계 접근의 본질적인 면은 리소그래피하게(lithographically) 정의된 이득 영역에 있으며, 이는 VCSEL의 레이저 공동의 측면 주위에 양자-우물 활성-영역들을 혼합함으로써 생성된다.
흥미롭게도, 모드 손실과 모드 이득 설계 접근들은 모두 그들이 어느 정도 적당한 성공을 거두었음에도 불구하고, 그들이 원인이 아닌 오직 불안정성의 증상들만을 다루고 있기 때문에 VCSEL의 다중-모드 작동 문제를 완전히 해결하지 못하고 있다. 더욱 분명하게는, 통상적인 거울들의 사용과 같은 일반적인 공진기 디자인 환경 하에서, 고-전력의 단일 기본 횡 공동 모드 레이저-방출-출력이 가능한 레이저 다이오드는 실질적으로 모순적이다. 그러나 선행기술은 단일 기본 횡 공동 모드로의 고 전력 레이저-방출-출력을 효과적으로 얻을 수 있는 안정한 공진기 설계들의 여러 예들을 보여주고 있다.
더욱이, 선행 기술은 VCSEL의 제조 과정 동안에 형성되는 손실 제공 구조로서 이온 임플란트(implants)의 사용을 또한 보여준다. 여기서, VCSEL의 바닥 전-반사(bottom total-reflection) "분포 브래그 반사기"(distributed bragg reflector, DBR) 사분의 일-위상 거울-적층 어셈블리(top quarter-wave mirror-stack assembly)가 기판 웨이퍼에 에피택시하게 성장된다. 그 이후, VCSEL의 활성-영역은 이전에 증착된 바닥 전-반사 DBR의 위쪽 가장 바깥쪽 표면(즉, 첫 번째 사분의 일 위상 거울-적층 어셈블리)에 에피택시하게 형성되며, 일반적으로 두 개의 GRIN으로 이루어진 스페이서 층들 사이에 끼워져 있는 최소한 하나의 "다중 양자-우물"(Multiple Quantum-well, MQW)을 가지도록 구성된다. 그 이후, VCSEL의 윗쪽 부분-반사 DBR(즉, 두 번째 사분의 일-위상 거울-적층 어셈블리)이 VCSEL의 MOQ로 이루어진 활성-영역의 위쪽 가장 바깥쪽 표면 위에 에피택시하게 형성된다.
더욱이, 선행 기술은 VCSEL의 MQW 이득-영역을 포함하는 다양한 광학 및/또는 반도체 물질들의 에피택시 증착이 완료되면, 이득-영역이 이온-주입 공정(ion-implantation process)을 통하여 전형적으로 균일화되거나, 또는 대안적으로, 윗면 부분 반사 DBR 거울 중첩 어셈블리를 생성하는데 사용되었던 마스크 영역들(masked regions) 주변에서 일어나도록 만들어진, 이온 주입 공정을 통하여 균일화된다는 것을 보여준다. 결과적으로 생성된 VCSEL은 단일의 낮은 차수의 기본 횡 공간 공동 모드에 대한 이득을 우선적으로 제공하는, 중심의 양자우물로 이루어진 활성 영역 구조를 갖는다.
결과적으로, 40-dB보다 큰 주변 모드 억제율을 가진 단지 수 밀리와트 가량의 단일-모드 출력만이 이러한 접근법에 의해서 얻어진다. 이러한 접근법은 또한 큰 제조 공정 복잡성을 요구하지만, 공정 요인들을 더욱 제한함으로써 더 높은 성능에 다다를 수 있을 것이라고 예상된다. 더욱이, 낮은 차수의(즉, 바람직하게 TEM00) 단일 기본 횡 공동-모드로의 레이저-방출-출력에 대한 안정성을 획득하기 위하여, 희망하는 공동 모드를 분별해내기 위해 필요한 손실 양은 궁극적으로 너무 많은 손실을 도입하여 레이저 방출 출력 레벨은 직경 13㎛의 이득-영역에서 겨우 수 밀리와트의 출력 전력을 초과하지 못하게 되고, 이러한 장치들의 현실적인 응용 을 불가능하게 만든다.
더욱이, VCSEL에 기초한 응용들의 새롭고 더 큰 요구들 때문에, 새로운 타입의 단일-모드 VCSEL이 최근 수많은 전세계 연구실에서 개발 중에 있다. 이러한 기술들은 높은-차수 모드들에 광학적 손실을 증가시켜 모드 선별성(modal discrimination)을 도입하거나, 기본 광 횡 모드의 상대적인 이득을 증가시켜 모드 선별성을 도입한다. 여기서 자세히 기술되지 않은 다수의 부가적인 기술들이 VCSEL 장치들이 단일 횡 공진 모드에서 작동하게 하기 위하여 사용되어 왔다.
또한, 선행 기술은 이하의 기술들을 더욱 보여주고 있다: 공간 필터링(Spatial Filtering) - R.A. Morgan et al., "수직-공진형-표면-방출 레이저(Vertical-Cavity Top-Surface-Emitting Lasers)의 횡 모드 조절", IEEE Photon., Tech. Lett., Vol.4, pp.374-376 (1993) 참조, 안티 가이딩 기술(Anti-guiding Techniques) - Y. A. Wu et al., "수직 공진형 표면 방출 레이저 수동 안티-가이딩 영역(Passive Anti-guiding Region)으로부터의 단일-모드 방출", Electronics Lett., pp. 1861-1863 (1993) 참조, 외부 공동 기술들(External Cavity Techniques) - B. Koch et al., "굴절률 분포형 렌즈들(Graded Index Lens) 공간 필터링에 의한 단일-모드 수직 공진형 표면 방출 레이저", Appl. Phys, Lett., Vol. 70, pp.2359-2361 (1997) 참조, 상부 거울 구조 변경(Altering the Top Mirror Structure) - H. Martinson et al., "얇은 표면 양각(Shallow Surface Relief)을 이용한 광역 산화막(Large Area Oxide Confined) 수직 공진형 표면 방출 레이저의 횡모드 선택", IEEE Photon. Tech. Lett., Vol. 11, pp. 1536-1538 (1999)과 B. Koch et al., "단일 모드 VCSEL", Digest of the Conference on Lasers and Electro-Optics - CLEO 2000, San Francisco, Calif., May 1 (2000) 참조.
또한, 선행기술은 이러한 기술들이 5-mW 이하에 한정된 레이저 방출 출력을 가진다는 것을 보여준다. 분명히 현존하는 VCSEL 설계의 주요 약점은 일반적으로 단일 모드 장치의 매우 작은 레이저-방출-출력 레벨 성능에 있다. 또한, 설계자들이 레이저-방출-출력 레벨의 성능을 향상시키기 위한 시도로서 VCSEL 다이오드의 이득-영역의 측면 크기를 증가시킬 때(즉, 13㎛과 90㎛ 사이), 전력 레벨에는 상당한 증가가 있지만, 결과적으로 다중 모드 횡 움직임을 보이는 레이저-방출-출력이 얻어진다.
또한, 선행 기술은 VCSEL 다이오드가 광학적 피드백을 제공하기 위하여 에피택시얼하게 증착된 다중층 사분의 일 위상 거울-적층 어셈블리들(가끔 분포 궤환형 반사기들(distributed feedback reflectors)라고 불리는)을 사용한다는 것을 보여준다. 이러한 구조는 VCSEL의 활성-영역 제조에 사용된 물질에 격자 정합된(lattice-matched) 광학 및/또는 반도체 물질을 이용함으로써 제조된다.
만약 VCSEL 활성-영역이 비-가시 방출 스펙트라(예를 들어, 1.3-㎛ 내지 1.6-㎛의 비가시 장파장과 500-㎛ 내지 300-㎛의 비-가시 단파장)를 제공하는 물질 체제(material regime)를 사용하여 제조된다면, 이전에 증착된 이득 영역에 격자 정합되는 유일하게 이용 가능한 거울 제조 물질은 그들 사이에 매우 낮은 대비 굴절률(contrasting refractive indices)을 가지며, 그 결과 거의 반사율을 가지지 않는 저-대비 굴절률들의 물질들을 이용하여 제조된 VCSEL 거울 증착 어셈블리들이 얻어진다. 이것은 최근 시장에서 상업적으로 유용한 인듐-인화물(Indium Phosphide) 기초 장파장 1.550㎛ VCSEL 다이오드들을 볼 수 없는 이유이다. 더 나아가, VCSEL 다이오드가 비독점적 저전력, 다중 모드 및 가시 파장 작동에 응용되는 것을 제한하는, 아직 풀어야 할 여러 개의 주요한 성능상의 문제점들을 가진 것은 명백하다.
통상적인 VCSEL 다이오드들은, 공동 거울들이 반도체로 이루어진 활성-매질의 반대 면들 상에 위치한다. 첫 번째 거울은 반도체 기판 위에 에피택시하게 성장한다. 반도체로 이루어진 활성-매질이 첫 번째 거울 구조 위에 에피택시하게 성장한다. 그 후 두 번째 거울이 이미 성장된 이득-매질 위에 에피택시하게 성장한다.
전기적 또는 광학적 펌핑은 기판 면에 수직한 방향으로 방출되는 레이저-방출-출력을 가진 레이저 빔을 생산한다. 통상적인 VCSELs은 광학적인 데이터컴(Datacom)이나 광학적 상호 연결 시스템들에 응용된다. VCSEL 다이오드들은 일반적으로 낮은 차수의 기본 횡 진공 모드인 TEM00으로 특징 지워지며, 여기서 2-mW이상의 레이저 방출 출력 레벨들은 극성 스위칭 다중-모드 출력 방출로 축퇴(degenerate)된다.
더욱이, 선행 기술은 예를 들어 "수직 공진형 표면 방출 레이저"(VCSEL)에서 사용되는 것들과 같이 수직방향(즉, 성장된 반도체 층들과 그들의 성장 기판 웨이퍼들에 수직인 레이저 방출)의 공진 광 공동(resonating optical cavity) 또는 예를 들어 EEL 다이오드에서 사용되는 것과 같이 측면 방향(즉, 성장된 반도체 층들과 그들의 성장 기판 웨이퍼들에 평행한 레이저 방출)의 공진 광 공동을 가지는, BALD에 기초한 공진기 설계의 제조와 이용을 보여준다.
더욱이, 100-am과 동일하거나 그보다 큰 빔 직경을 가진 광역 VCSEL 이미터(emitter)들은, 100-mW cw 내지 2-W 이상의 펄스 레이저 방출 출력과 동일한 레이저 방출 출력 레벨을 보인다. 그러나, 그러한 큰 이득-영역 직경을 가지는 VCSEL 다이오드의 작동은 일반적으로 높은-차수 횡 공동 모드들과 이와 관련된 다중 주파수들을 나타내는 레이저 방출 출력 빔의 문제점을 겪게 되며, 1 밀리미터를 초과하는 이득 영역 직경을 가지는 장치들은 궁극적으로 재앙적 광 훼손(COD)을 초래하는 필라멘테이션(filamentation) 문제점을 겪게 된다.
더욱이, 선행 기술은 또한 외부의 반사기가 출력 결합기(coupler)로서 사용되는, 일반적으로 "수직 외부 공진형 표면 방출 레이저(Vertical External Cavity Surface Emitting Laser)"로 일컬어지는 외부 공동 VCSEL 다이오드의 이용을 보여준다. 외부 공진형 VECSEL 장치들은 통상적인 VCSEL 다이오드들에 비하여 상당히 높은 전력 레벨의 낮은 차수 기본 횡 공진 모드 레이저 방출 출력을 제공할 수 있다. 외부 공진형 수직 방출 반도체 레이저들에 대한 이전의 연구는 일반적으로 낮은 출력 전력의 결과를 가져왔다.
예를 들어, Sandusky와 Brueck의 연구는 낮은 레이저 방출 출력을 생성하였고, 반도체 이득 매질을 여기시키기(excited) 위하여 광학적 펌핑을 사용했다. 더욱 상세한 내용을 위하여, J.V. Sandusky, "cw 외부 공진형 표면 방출 레이저", Photonics Technology Letters, vol., pp 313-315 (1996)을 참조한다. 부가적으로 Hadley et al.에 의한 연구에서, 외부 공동 구성을 가진 전기적으로 여기된 VCSEL은 120-㎛의 이득 영역 및 방출 범위를 이용하여 낮은 차수 기본 횡 공진 모드로의 2.4-mW cw 및 100-mW 펄스 레이저 방출 출력을 생성하였다. 더욱 상세한 내용을 위하여, M.A. Hadley, G.C. Wilson, K.Y. Lau, 및 J.S. Smith, "외부 공진형 표면 방출 레이저 다이오드로부터의 높은 단일 횡 모드 출력", Applied Phys. Letters, vol. 63, pp. 1607-1609 (1993)을 참조한다.
또한, VECSEL 접근의 변형이지만, 단일 기본 횡 공진 모드로 매우 높은-전력의 레이저-방출-출력을 생산할 수 있는, NECSEL이라 일컬어지는 VECSEL 다이오드에 대한 자세한 내용을 알기 위하여 Mooradian 외의 연구를 참조한다. 더욱이, 확장된 수직 공동 표면 방출 공진기를 이용하여, 회절, 위치, 크기, 열 렌즈 효과(thermal lensing effect)(즉, 굴절률 및 이득 포화의 캐리어 유도 변화에 의해 야기되는)의 이용, 수많은 양자-우물들로 이루어진 이득 영역(즉, 필라멘테이션 및 COD의 가능성을 매우 줄이는), 공동 길이, 레이저 방출 출력 결합 거울의 곡률 반경 사이에 세심한 균형을 이루게 함으로서 작용하도록 설계된, NECSEL 다이오드 설계는 단일 기본 횡 공동 모드로의 고-전력의 레이저-방출-출력을 제공할 수 있다.
더욱 상세한 내용을 위하여, A.V. Shchegrov, A.Mooradian, "확장된 공동의 표면 방출 다이오드 레이저의 내부 공동 주파수 배가(frequency doubling)에 의한 488-nm 간섭성(coherent) 방출", Proceedings of SPIE, Vol. 4994, pp. 197-205, 29-30 January (2003)과 A.V. Shchegrov, A.Mooradian, "확장된 결합 공동들을 진 수직 공동 레이저를 사용한 새로운 980-nm 및 480-nm 광원", VCSEL VII 발행, Proceedings of SPIE, Vol. 4994, pp. 21-31, 29-30 January (2003)을 참조한다.
더욱이, NECSEL 설계 접근이 단일 기본 횡 공진 모드의 고전력 레이저 방출 출력을 생산할 수 있는 반면, 전기통신과 데이터통신이 아닌 응용(즉, 광섬유 신호 재생 펌핑에서의 사용)에 사용되는 데 한계를 갖게 하는 두 가지의 주요한 단점을 가진다.
(i) NECSEL가 광학적 피드백을 제공하기 위하여 DBR 다중-층 거울 구조를 사용하기 때문에, 장치가 오직 근 적외선 및 가시 파장 응용에 제한되어 있다.
(ii) NECSEL 공진기는 높은 레이저-방출 출력 전력에서 단일 기본 횡 공동 모드로 레이징하는 안정한 공진을 제공하기 위하여 내부 열 렌즈 효과(큰 반도체 이득-부피에서 일어나는 이득 포화와 굴절률의 캐리어 유도 변화로부터 유래하는)를 이용하도록 구성되기 때문에, 약 2.3-Gigabits/ps의 - 곧 현재와 가까운 미래에 저가의 섬유광학 응용(예를 들어, 수동광통신망(Passive Optical Networks), FTTH(Fiber-To-THe-Home) 및 FTTP(Fiber-To-THe-Premises)와 같은)을 위해 일반적으로 요구되는 10 Gigabits/ps를 초과할 - 내부 모듈레이션 속도를 제공할 수 없다.
더욱이, 이러한 문제점을 더욱 알아보기 위해서, 이온 주입된 VCSELs을 간단하게 살펴보자; 그들은 1-μsec 또는 그 이상의 내부 모듈레이션 지연을 일반적으로 겪는다; 더욱이, 이러한 장치들의 레이저 턴-온 지연(turn-on delay)은 내부 공동 열 렌즈 형성에 의해서 야기된다. 더욱 자세한 내용을 위하여, K. L. Lear, R. P. Schneider, Jr., K. D. Choquette 및 S.P. Kilcoyne의 Photon, Tech. Lett. 8, 740 (1996)과 N. K. Dutta, L. Tu, G. Hasnain, G. Zydzik, H. Wang 및 A. T. Cho의 Electron, Lett. 27, 208 (1990)을 참조한다.
또한, 선행 기술은 고품질의 레이저 빔을 방출하지만 고가치 응용들에 사용되는데 있어서 제한을 갖게 하는 여러 가지 단점들을 가지는 좁은-줄무늬(narrow-stripe) EEL 다이오드들의 많은 예들을 보여주고 있다. 예를 들어, 이득의 비균질 넓어짐(inhomogeneous broadening) 때문에 EEL 반도체 레이저 다이오드들에 대한 실제적인 출력 전력은 기껏해야 약 50-mW 내지 300-mW이다. 이것에 대한 주요 이유는 고 출력 전력과 단일 모드 작동이 서로 모순되는 설계 조건들을 가지기 때문에 발생하는 횡 모드 불안정성에 있다.
더욱이, 고 전력 작동을 위하여, 약 10 MW/ cm 2 의 물질 훼손 문턱(material damage threshold)을 피하기 위하여 넓은 광 모드 횡단면이 필요하다. 다른 한편으로, 횡 모드의 넓이는, 주된 목적이 캐리어 제한(carrier confinement)인, 헤테로구조에 의하여 결정되기 때문에, 누구도 횡(즉, p-n 작용면에 수직인) 모드 수치를 완전히 자유롭게 변화시킬 수 없다.
또한, 일반적인 헤테로구조는 오직 가장 낮은 횡 공동 모드 만을 지원한다. 이것은 측면 모드 수치가 유일한 횡(즉, p-n 접합면에 평행한) 자유도(degree of freedom)가 되게 한다. 횡 모드 수치는 약한 횡 광도파를 가진 넓은 채널을 가짐으로써 증가한다. 광역 측면-발광 레이저 다이오드(broad area edge-emitting laser diodes)라고 일컬어지는, 이러한 레이저 다이오드들 내의 약한 광학적 제한(optical confinement)은 보통 다중 측면 모드 작동을 야기한다. 우리는 다중 측면 모드 작동이 측 방향 필드 분산 내에 분광학적 확장과 높은 공간 주파수들을 일으키기 때문에, 다중 측면 모드 작동을 불안정성으로 간주한다. 레이저 방출 출력이 상당한 효율을 가진 다중 모드 광섬유와 여전히 결합할 수 있기 때문에, 많은 응용들에서 이 불안정성에 의해 영향 받지 않는다. 그러나, 응용의 범위를 예를 들어, 자유-공간 통신을 포함하도록 넓힐 때는, 고전력 반도체 레이저 다이오드가 단일 공진 모드에서 작동하는 것이 필수적은 않지만 바람직하다.
더욱이, 횡 모드 안정성에 영향을 주는 여러 가지 요소들이 있다. BALD에 기초한 장치들에 있어서, 이득-매질은 필라멘테이션을 통해서 중요한 역할을 한다. 필라멘테이션은 이득-포화에 기인한 자기-집광으로부터 유래한다. 더욱 분명하게는, 레이저 전이(laser transition)의 비균질 특징(inhomogeneous character)과, 피크 이득-주파수에 대한 밀도 반전(population inversion)의 비대칭 전자 모멘텀 분포가, 증가하는 캐리어 농도와 함께 감소하는 감지 가능한 캐리어-유도 굴절률 δn s 을 야기할 때, 필라멘테이션이 결과적으로 생긴다.
캐리어 농도가 레이저 빔의 중심으로부터 멀어질수록 감소하는, 문턱 근처에서, δn s 는 이득-유도된 레이저 다이오드의 굴절률이 빔 중심으로부터 멀어질수록 증가하도록 야기한다. 결과적으로 생기는 굴절률 분포는 발산 렌즈(안티-가이딩)로써 작용한다. 안티 가이딩과 회절의 최종 결과는 발산하는 파면인데 반해, 레이저 다이오드는 이득 가이딩으로 인하여 여전히 유한한 정상-상태 빔을 가진다.
문턱 이상에서는, 더 높은 레이저 피크 세기는 이득-포화로 인하여 캐리어 밀도 내에 딥(dip)을 형성한다. 더욱이, δn s 로 인하여, 최종 굴절률은 중앙에 범프(bump)를 가진다. 결과적으로, 도파로가 레이저 빔을 집광하여 높은 피크 세기를 얻게 되며, 이것은 연이어 강한 도파로를 형성하게 된다. 더욱이, 레이저 다이오드에 있어서 이러한 자기-집광 현상은 필라멘테이션으로 일컬어진다. 여기서, 자기 집광이 회절과 캐리어 확산에 의해서 균형이 이루어질 때 정상-상태 필라멘트 크기에 도달하게 된다. 더욱이, 필라멘트는 전극 폭보다 상당히 좁고, 평평한 파면을 가지며, 이것은 일반적으로 전형적인 인덱스-유도된 모드이다.
더욱이, 필라멘테이션은 문턱에 매우 가깝게 일어나며, 높은 들뜸 상태에서, 필라멘트 폭은 전극 폭과 무관한 점근값(asymptotic value)에 도달할 것이다. 점근하는 필라멘트 크기는 δn s , 캐리어 확산 및 레이저 파장(즉, 회절을 통한)에 의하여 조절된다. 더욱이, 더 높은 들뜸 상태에서, 정상 상태로 고정되지 않는 하나 이상의 필라멘트가 횡 필드 분포에 나타날 것이다. 필라멘테이션의 불리한 효과는 증가된 피크-세기로 인한 물질 손상과, 레이징 광 필드와 이득-영역 사이의 감소한 겹침으로 인한 자발 방출을 통한 증가된 손실이다.
게다가, 선행 기술은 공간적으로 단일 파장 레이저 광(즉, 단일 횡 모드들) 의 방출이 가능한 반도체 레이저 다이오드를 현실화할 수 있도록 생성된 많은 레이저 다이오드 설계들을 보여주고 있지만, 아직 수 와트 내지 수십 와트 정도의 레이저 방출 출력 전력만을 가지고 있다. 더욱 상세한 내용을 위하여, 고품질의 레이저-방출-출력을 실현할 모놀리식(monolithic) 레이저 다이오드 구조와 상기 반도체로 이루어진 구조를 생산할 공정을 기술한, Botez와 Schifres의 "다이오드 레이저 배열", Cambridge Press (1994)를 참조한다.
더욱이, 통상적인 전류 주입 형식 반도체 레이저 다이오드의 단점을 극복하기 위하여, 미국 특허 제5,461,637호와 미국 특허 제5,627,853호에서 광역 표면-방출 반도체를 포함하는 레이저 다이오드가 공동 외부의 단일 파장 레이저 광원에 의하여 광학적으로 여기되는(excited) 것을 제시하고 있다.
그러나, 이러한 반도체 레이저 다이오드들은 온도 변화로 굴절률 증가에 영향을 미치기 위하여 열 렌즈 효과를 이용하므로, 온도가 반드시 증가하여야 한다. 이러한 반도체 레이저 다이오드 장치들은 그러나 온도 분포에 매우 예민하며, 이는 그들의 공간 공진 모드의 불안정을 야기할 수 있다(즉, 이러한 불안정성은 때때로 당업자에 의해 공간 모드 호핑(spatial mode hoping)으로 불리운다).
더욱이, 지금까지 독자에게 명백한 것은 단일 낮은-차수 기본 횡 공동 모드 발진과 통상적인 반도체 레이저 다이오드 장치들에서의 고-전력 레이저-방출-출력 모두를 얻는 것이 얼마나 어려운가 하는 것이다. 예를 들어, 선행기술은 상기에서 기술한 반도체 레이저 다이오드 장치가 단일 횡 공동 모드로 높은 방출 전력을 가진 레이저 광을 방출하기 어려운 설계 구성을 가진다는 것을 보여준다.
더욱 상세한 내용을 위하여는 InGaN에 기초한 단-파장 반도체 레이저 다이오드 장치를 게시하고 있는, Nakamura et al.의 "기본 횡 모드를 가진 GaAs 기판 위에 성장된 InGaN/GaN/AlGaN 기초 레이저 다이오드", Japanese Journal of Applied Physics, Part 2 Letters, vol. 37, pp. L1020,(1998)를 참조한다. 부가적으로, 선행기술은 높은 품질의 고-전력 레이저-방출-출력 반도체 레이저 다이오드를 보여주고 있다; 자세한 내용은 AlGaInP 기초한(즉, 가시 스펙트라 방출 파장이 가능한 물질로 이루어진) 반도체 레이저 다이오드 디자인을 기술한, B. Pezeshki et al.의 "400-mW 단일-주파수 660-nm 반도체 레이저" IEEE Photonics technology Letters 발행, vol.11, pp. 791,(1999)의 요약 부분에 상세히 기술되어 있다.
게다가, 선행기술은 소위 위상 배열(phased array) 반도체 레이저 다이오드를 포함하는 불안정한 저-전력 다중 모드 레이저-방출-출력의 상기 기술한 문제점들을 해결하기 위한 BALD 설계 접근들을 보여준다. 더욱이, BALD 디자인 접근은 하기의 두 가지 종류들로 나타난다:
(i) 측면-발광 위상 배열 반도체 레이저 다이오드, 및
(ii) 표면-발광 위상 배열 반도체 레이저 다이오드.
또한, 측면-발광 위상 배열 반도체 레이저 다이오드는 다중-방출 또는 광역 방출 능력들을 가지도록 구성되며, 특별히 "IID"(Impurity Induced Disordering)를 이용하는 구조 설계를 가진 바람직한 기본 슈퍼 모드 작동을 갖는 위상 배열 레이저 다이오드(phased array laser diode) 또는 위상 고정 배열 레이저 다이오드(phased locked array laser diode)로 형성된다.
더욱이, 선행 기술은 편면-방출 위상 배열 반도체 레이저 다이오드가 동일한 전체 구조 또는 기판 상에 가깝게 결합하여 있거나 또는 간격이 떨어져 있는 다수의 이미터들을 포함하고 있다는 것을 보여준다. 그러한 위상 배열 레이저 다이오드들의 예들은 미국 특허 제 4,225,717호, 특허 제 Re. 31,806호에서 상세하게 기술하고 묘사되어 있으며, 또한 William Streifer et al.의 1984년 6월에 발행된 '레이저 포커스 월드'와 '전기 광학' 잡지의 발행물인 "위상 배열 다이오드 레이저"라는 제목의 기사에 기술되어 있다. 여기서, 그러한 레이저 다이오드들의 레이저 이미터들은 주기적으로 간격을 둔 전류 제한 수단들(current confinement means)(예를 들어, 전류 펌핑에 사용되고, 이들 레이저 다이오드의 활성 이득-영역 내에 간격을 두고 위치한 광 공동들(optical cavities)을 형성하기 위한 접촉 줄무늬들(contact stripes))에 의해서 표현된다.
더욱이, 선행기술은 전류 제한 수단들(current confinement means)이 각각의 전류 제한 아래의 레이징 공동내에 생성되는 광 모드들이 인접한 광 모드들과 결합할 정도로, 즉 사라져가는 파장들(evanescent waves)이 인접한 광 레이징 공동과 겹쳐질 수 있을 정도로, 서로 연결되거나 가깝게 간격을 두고 위치한다는 것을 보여주고 있다. 더욱이, 생산된 광 필드의 배열은 동일 위상으로 고정되어(locked in phase) 있는 것처럼 보이며, 인접한 전류 제한 사이의 위상 차가 제로라면, 원거리 필드에서의 측면 방사 패턴은 매우-요구되는 단일 로브(lobe)를 포함하게 될 것이다.
그러나, 선행 기술은 또한 위상 배열 다이오드가 단일 모드에서 작동하지 못 하고 원거리장 패턴에서는 두 개 이상의 로브들을 가지고 작동할 것이라는 것을 보여준다. 결과적으로 인접한 광 모드들 사이의 위상 관계는 독립적으로 조절되는 것이 아니며 위상은 레이저 문턱 전류를 최소화하는 방식으로 스스로 조절될 것이다.
대부분의 경우, 바람직한 레이징 모드는 슈퍼 모드인 것으로 보이며, 이는 인접한 광 이미터들 사이에 위치하는 광 필드가 제로를 통과하는 직접적인 결과로서 얻어진다. 이것은 많은 이득-유도된 레이저 다이오드들과 마찬가지로, 대부분의 현실의 굴절률-유도 레이저 다이오드들에서, 전체적으로 줄어든 전류 펌핑을 요구하며 펌핑이 레이저 이미터들 사이에 놓인 위치에서 줄어들기 때문이다.
더욱이, 선행 기술은 앞으로의 설명이 다음과 같이 예시될 수 있다는 것을 보여준다. Nth 결합된 이미터를 가진 배열 레이저 다이오드는 "슈퍼모드"라고 불리는 Nth 가능한 결합 모드를 가진다. 슈퍼모드는 Nth - 배열 레이저 다이오드의 광 이미터 또는 팔라멘트의 협동하는 레이징을 말한다. Nth - 광 이미터들이 있으므로, 이들 모든 이미터들이 광학적으로 결합하기 때문에 Nth 가능한 슈퍼모드들이 있다.
각각의 슈퍼모드들은 1st 와 Nth 가 동일한 세기 패턴과 포락선(envelope)을 가지며, 2nd 와 (N-1)th 가 같은 세기 포락선을 가지고, 일반적으로 ith 와 (N-i)th 가 동일한 세기 포락선을 가지는 특성을 가지고 있다. 1st 또는 기본 슈퍼모드는 사인 곡선 절반(half a sinusoidal cycle)의 진폭 분포 전형을 가진 동일 위상(in phase)으로 레이징하는 모든 이미터들은 가진다. 이것은 모든 이미터들이 동일 위상(in phase)에 있기 때문에 원거리 패턴에서 단일 중심 로브로 방출하는 유일한 슈퍼모드 패턴이다.
따라서, 동일한 이미터들의 일정하게 간격을 둔 배열에 있어서, 1st 와 Nth 슈퍼모드 포락선들은 절반의 사인 곡선 주기이고, 두 번째와 (N-i)th 슈퍼모드 포락선들은 두 개의 절반 사인 곡선 주기 등이다. Nth 슈퍼모드에서 개별적인 이미터들 사이에 위상 관계는 서로 다르다. 더욱 자세하게는, 1st 슈퍼모드에서는, 모든 이미터들이 동일 위상에 있고, Nth 슈퍼모드에서는, 위상이 제로와 π 사이를 교차한다.
일반적으로 1st 와 Nth 슈퍼모드는 그들의 세기 포락선이, 전하 농도가 레이저 다이오드 배열의 활성 영역의 전류 퍼짐과 전하 확산으로 인하여 훨씬 큰, 배열의 중심 근처에서 눌(null)을 나타내지 않기 때문에 모든 다른 슈퍼모드들과 비교하여 가장 낮은 전류 문턱값을 가진다. 그러나, 이미 지적하였듯이, 두 개의 로브로 방사하는 Nth 슈퍼모드는 1st 슈퍼모드보다 더 낮은 전류 문턱에서 작동한다. 더욱이, 위상 배열 레이저 다이오드들은 그들의 고전력 방출 때문에 높은 유용성을 가진다. 전력이 단일 로브, 즉 1st 슈퍼모드로 집중되는 것이 선호된다. 그 이유는 레이저 응용들의 상당 부분이 단일 원거리장 필드 로브의 전력을 요구하기 때문이다. 더욱이, 만약 레이징이 하나 이상의 로브에서 작동한다면, 원거리장 패턴에서 다른 작동 로브들을 줄이거나 아니면 제거하거나 막기 위한 시도로서 조치가 취하여져야 한다.
더욱이, 선행기술은 기본 슈퍼 모드 선택을 위해 슈퍼 모드들을 구별하기 위한 노력들이 행하여진, 위상 고정 배열 레이저 다이오드나 위상 배열 레이저 다이오드와 관련한 많은 연구들이 있었음을 보여준다. 그러한 하나의 제안으로 1984년 7월 브라질의 IEEE 9차 회의에서 J. Katz et al.은 개별적인 접촉(separate contact)을 각각의 레이저 다이오드 배열 구조에 삽입하고 배열 레이저 다이오드 구조 자체를 통한 전류를 조절함으로써, 레이징 구조 면을 따라 조절된 측면 이득 분포를 통한 슈퍼 모드 선별(supermode discrimination)에 대해 발표하였다. 또한, 그 발표의 요약문은 Proceedings of the Conference - pages 94, 95의 "반도체 레이저 배열의 위상-고정(phased-locked) 배열에서의 슈퍼 모드 선별"이라는 제목에서 확인할 수 있다.
더욱이, 더욱 최근에는 Twu et al.의 "고전력 결합된 리지 도파로(ridge waveguide) 반도체 레이저 배열들", Applied Physics Letters, Vol. 45(7), pp.709-711, Oct. 1 (1984), 및 S.Mukai et al.의 "매장된 리지 도파로 레이저 배열의 기본 모드 발진", Applied Physics Letters, Vol.45(8), pp.834-835, Oct. 15 (1984)의 논문들이 있었다. 이 논문들은, 레이저 다이오드가 구조의 리지 영역에 주로 한정된 광학적 필드로 균일하게 펌핑되는, 인덱스 유도된 리지 도파로 구조를 채용함으로써 단일 로브 기본 슈퍼 모드를 얻기 위한 슈퍼 모드들간의 선별을 제안하며, 반면에 밸리(valley)나 결합(coupling) 영역들에서는 동일 위상 작동(0°위 상)과 기본 슈퍼모드 작동의 촉진을 유도하기 위하여 더 높은 이득을 겪게 된다.
더욱이, 선행기술은 1984년 11월 1일에 출원된 US 특허 출원 제667,251호에서 슈퍼모드 선별에 사용되는 유사한 기술들을 보여주고 있다. 또한, 선행기술은 미국 특허 제4,624,000호에서 기본 슈퍼모드를 다른 가능한 모드들보다 우선되도록 하기 위하여, 전체 배열에 걸친 각 레이징 구조들의 광 필드 겹침을 공간적으로 조절함으로써, 레이징 구조의 인접한 광 공동들 사이 영역에서 얻어지는 이득의 양을 향상시키기 위한, 레이저 다이오드에 결합된 구조적 수단의 사용에 관한, "단일 로브로의 우선되는 방출을 가진 위상 배열 반도체 레이저"라는 제목의 기술을 보여주고 있다.
부가적으로, 선행기술은 US 특허 제4,949,350에서 Jewell et al.에 의해 최초로 게시되었던 상당한 크기의 VCSEL 배열을 포함하는 위상 배열 반도체 레이저 다이오드 설계 접근을 보여주고 있다. 또한, 상기 특허는 측면으로 한정되지 않은 기판 위에 수직 공진형 패브리-페로(Fabry-Perot) 공진기 구조의 성장을 기술하고 있다. 수직 방향으로는 레이징 파장과 동일한 광 거리만큼 분리되어 있는 윗면 아랫면 간섭 거울들로 이루어져 있다. 거울들은 전류가 통과할 때 레이징 파장에서 발광하는 여러 양자-우물을 포함하는 활성층을 중간에 끼고 있는 것으로 기술되어 있다.
모든 층들은 도핑된 GaAs 기판 웨이퍼 위에 "분자 빔 증착법"(Molecular Beam Epitaxy, MBE)에 의해 에피택시하게 증착된 III-V 기초한 반도체를 사용하여 제조되는 것으로 기술되어 있다. 여기서 활성층 아래에 증착된 층들은 레이저 다이 오드를 형성하기 위하여 n-타입인데 반해, 활성층 위에 증착된 층들은 p-타입이다.그 다음 금(gold) 층이 접촉면으로 윗면 거울에 증착된다.
또한, 레이저 다이오드 배열은 그 다음, 화학적으로 보완된 이온-빔 에칭이 뒤따르는 의도된 레이저들 상의 니켈 마스크의 포토리소그래픽 디피니션 (photolithographic definition)에 의해 측면 방향으로 정의된다. 상기 이온-빔 에칭은 5-㎛ 이상의 높이를 갖는 기둥들의 배열을 생성하기 위하여, 전체 수직-공동 구조를 통하여 수행된다. 각각의 기둥은 별개의 레이저이고 각각의 기둥의 꼭대기에서 금속과 접촉함으로써 전기적으로 선택된다. 전도성 기판이 일반적인 반대 전극(counter electrode)으로서 이용된다. 빛은 기판을 통하여 방출된다. Jewell et al.은 2-㎛이하 범위의 직경을 갖는 레이저들에 대한 발명을 설명하고 있다. 따라서 레이저들의 매우 밀집한 배열을 제작하는 것이 가능하다.
더욱이, Jewell et al.의 기둥 레이저들은 여러 가지 문제점을 가지며, 예를 들어 높은 영상-비(aspect-ratio) 기둥들의 윗쪽에 전기적 컨택이 형성될 필요가 있으며, 이는 제조 과정상의 문제점을 갖는다. 또한, 작은 기둥 레이저 다이오드들에 있어서, 상대적으로 큰 측벽은 지나친 재결합(recombination)을 야기한다. 결과적으로, 열이 기둥 레이저 구조들로부터 효율적으로 발산되지 못하여 레이저 방출 출력 성능의 저하를 가져온다. Jewell et al.의 복잡한 과정은 제조 가능성의 의문점을 불러일으킨다.
예를 들어, Jewell et al.은 폴리이미드를 이용한 평탄화가 상기 기둥들의 굴절률 유도 광 도파 기능 및 전류 한정 기능을 유지하고 접촉 문제점(contacting problem)을 덜어준다고 제안한다. 이러한 접근 및 절연 AlGaAs를 이용한 재성장에 대한 연구가 진행 중이며, 이것은 재결합 및 열 발산 문제점들을 해결하는데 도움을 주겠지만, 최근까지 결과는 만족스럽지 못하다.
게다가, 선행기술은 수직 공진형 표면 방출 레이저들의 평탄화된 배열을 보여주며, 이것은 1990년 2월 14일에 출원된 Orenstein et al.의 미국 특허 제480,117호; 또한, "평면 유지 이온 주입 공정(planarity preserving ion implantation processes)에 의한 고성능 표면 방출 레이저의 측면 디피니션(lateral definition)"이라는 제목의 요약문, Conference Proceedings, CLEO, pp.504-505, May 21-25 (1990); 또한 "평면의 측면 디피니션을 가진 수직 공진형 표면 방출 InGaAs/GaAs 레이저"라는 제목의 요약문, Applied Physics Letters, volume 56, pages 2384-2386 (1990)에 개시되어 있다.
한편, Orenstein et al.은 Jewell et al.의 위상 배열과 동일한 수직 공진형 표면-방출 위상 고정 구조를 제조하였다. 그러나, 그들은 의도된 레이저 기둥들 주변 영역들에 양자의 이온 주입을 통하여 측면 디피니션을 수행하며, 이것은 활성-영역 층 바로 위까지 확장되어 내려간다. 양자들은 주입된 영역의 전도율을 감소시키며; 따라서 전류가 성공적으로 레이저의 이득-영역을 통해서 이득-유도(gain-guided)된다.
그러나, 상기-언급한 접근을 사용하여 Orenstein et al.은 Jewell et al.의 전류 이득-유도를 유지할 수 있겠지만, 그러나 그 결과로 양자들이 주입 지역의 굴절률에 상당한 영향을 주지 못하기 때문에, 인덱스 유도 장점들을 희생하게 된다. 결과적으로, 상기 기술의 깊은 이온 주입은 레이저들의 크기 및 인접한 레이저 다이오드 기둥들의 분리에 낮은 한계를 두게 된다.
VCSEL이 매우 작은 영역 및 낮은 문턱 전류를 가지는 레이저의 장점을 제공함에도 불구하고, 몇몇의 응용들은 높은 광 전력을 요구한다. 원칙적으로 SEL은 일정한 전류 밀도를 가지고 레이징 이득-영역의 단면의 단순한 증가를 통하여 고-전력을 얻을 수 있다. 최근 연구들은 그러나 이러한 기술이 작용하지 않음을 보여준다.
큰 크기의 표면-방출 레이저들에 있어서, 생성된 레이저 광은 불규칙하게 그리고 아마도 분리된 레이징 영역들로 필라멘트된다. 유사한 필라멘테이션이 편면 발광 "광역 레이저 다이오드"(Broad Area Laser Diodes, BALD)에서 관찰되었으며, 이것은 SEL 다이오드와 BALD 장치 모두에 대하여 이전에 설명하였던 이유인, 이득의 불균일과 결과적인 광 도파로의 굴절률 분포 때문이다.
더욱이, VCSELs에 있어서, 필라멘테이션은 거울 굴절률의 공간적인 변동들로부터 부가적으로 발생할 수 있으며, 이것은 분명이 99%이상 그들의 짧은 이득 길이 및 높은 공동 예리도(cavity finesse) 때문임이 틀림없다. 상기 언급한 공간 변동들은 일부 영역들에서 선택적인 레이징을 유도하기에 충분하지만 다른 영역에서는 그러하지 아니하다. 효율성과 열 문제점들을 제쳐놓고, 드문드문 연결된 필라멘트들은 위상-고정(phase-locked)이 되지 않을 것이며, 심지어 동일한 주파수를 가지지도 않을 것이다. 따라서, 광역 표면-방출 레이저는 레이저 특징들을 잃게 되기 쉽다. 더욱이, 중간 크기의 레이저(즉, 5-㎛ 내지 40-㎛ 직경의 이득 영역들을 포 함하는 레이저들)는 분포가 조절 불가능한, 수많은 횡 공동 모드들로 발진하게 된다.
더욱이, 선행기술은 Yoo et al.이 Applied Physics Letters 발행, volume 56, pp 1198-1200, (1990)의 "수직-공진형 표면-방출 레이저의 2차원 위상 배열의 제조"라는 제목의 요약문에서 작은 위상-고정 레이저들의 배열을 개시하고 있다는 것을 보여준다. 이것은 Jewell et al.의 기술을 개선한 것으로서, 그들은 25-㎛2 의 표면적 내에 형성된 160개 이상의 레이저 다이오드들을 가진 직사각형의 배열을 제조하였다. 각각의 레이저 다이오드 구조는 1.3-㎛2 의 표면적을 가지고 있으며, 0.1-㎛ 정도의 간격으로 인접하는 레이저 다이오드들과 분리되어 있다. 원형의 배열은 폴리이미드(polyimide)와, 배열 내에 위치한 모든 LD들과 붙어 있는 공동 상부 전극(common upper electrode)에 의해 평탄화된다. 원거리 광 세기의 각 분포는 완벽하지는 않지만 모든 레이저 다이오드 사이에 상당한 위상 고정(phase locking)을 보여준다.
더욱이, Yoo et al.은 Jewell et al.의 기둥 디자인의 강한 도파(waveguiding) 사이에서 위상 고정을 얻을 수 있지만, 오직 기둥들 사이의 매우 작은 간격과 기둥들 자체의 작은 영역에 의해서만 가능하다. Quantum Electronics의 IEEE Journal, volume 26, pp 1039-1051, (1990)의 "수직 공진형 표면 방출 레이저들의 이차원 위상 배열의 배열 모드 분석"에서 Yoo et al.의 계산은 강한 도파 구조들을 위한 작은 레이저 공간적 배치(spacing) 요건을 보여준다. 그러나, 그러 한 구조 및 연합된 공정은 큰 비표면적(surface-to-volume ratio)으로 인하여 기둥들의 측면에 매우 높은 표면 재결합을 생산하다. 그 결과로, 그들의 위상-고정 배열은 낮은 효율과 문턱 전류를 보이며, 위상 고정은 완전하지 못하다.
부가적으로, 선행기술은 다르지만 유사한 위상-고정 표면-방출 레이저 다이오드 배열을 이용한 Deppe et al.의 접근을 보여주고 있으며, 이는 Applied Physics Letters, volume 56, pp 2089-2091 (1990)의 "위상-결합 2차원 AlxGa1 -xAs/GaAs 수직-공진형 표면-방출 레이저 배열"이라는 표제의 요약문에 자세하게 게시되어 있다. 여기서, 그들은 상부 스페이서 층(upper spacer layer)으로 수직형 공동의 에피택시 성장을 멈춘다. 그 후, 상부 스페이서 층의 위에 2-㎛ 너비의 Mn-Al 금속화 그리드(metallization grid)를 형성하고, 절연 InP 직접 밴드갭 반도체 적층(insulating Inp direct-bandgap semiconductor stack)이 그리드로 덮인 스페이서 층의 맨 위에 증착된다. 그러나, 레이징은 그리드 아래에서는 발생하도록 형성되지 않는다.
더욱이, 상기 기술한 것과 같이, 위상-고정 레이저 다이오드 배열들은 여러 가지 특이한 응용들에 적용될 수 있다. 레이저 구조들이 제로가 아닌 위상 차이를 가지고 위상 고정된다면, 원-거리 필드 세기는 구조들의 개수와 그 구조들 사이의 상대적인 위상 차이에 의존하는, 패턴의 디테일를 가지는 다중 로브 또는 적어도 축에서 벗어난 패턴을 갖게 된다. 그러나 만약 위상 차이가 조절된다면, 세기 패턴도 조절될 수 있다.
결과적으로, EEL 다이오드와 VCSEL 다이오드에 기초한 설계들의 2차원 위상 배열은, 자발 방출에 의한 위상 섭동으로 인하여, 인접한 레이저 다이오드 영역들에 의해 나타나는 위상 차이가 언제나 제로가 아니라는 여전히 하나의 큰 미해결 과제를 가지며, 상기 배열을 포함하는 대다수의 레이저 다이오드들에 있어서 레이저 방출-출력은 위상이 달라(out of phase)(즉, 위상 고정이 되지 않은) 결합된 레이저 방출 출력의 원거리장 패턴에서 다중 로브가 나타나도록 야기한다(즉, 다중 모드 높은 차수 횡 공진 모드 세기 패턴의 원 거리장 버전). 이것은 이들 반도체 레이저 다이오드가 고가치 응용, 즉, 텔레커뮤니케이션, 데이터컴 및 수렴하는 "수동광통신망"(Passive Optical Networks, PONs)과 같은 응용들에 사용되는 것을 어렵게 하는 고도의 신호 노이즈를 초래한다.
또한, 선행 기술은 새로운 종류의 레이저 다이오드 설계 접근법을 보여준다; 최근 들어 이 레이저 다이오드 설계는 "양자 폭포"(Quantum Cascade, QC)라 불리며, 이 글 속에서 전체로 참고 문헌으로 인용되는 미국 특허 제5,457,709호에서 처음으로 기술되었다. 더욱 자세한 내용을 위하여는 모두가 이 글 속에서 전체로 참고 문헌으로 인용되는 미국 특허 제5,509,025호, 제5,901,168호, 제6,055,257호를 참조한다. 일반적인 반도체 레이저 다이오드와 다르게, QC 반도체 레이저는 단극(unipolar), 즉 한 가지 타입의 캐리어(즉, 일반적으로 전도 띠에 위치한 전자들)에 기초하고 있으며, 이것은 양자 제한에 의해 생성된 에너지 레벨들 사이에 서브-밴드 간 전이(inter-subband transitions)를 만든다. 더욱이, 단극 반도체 레이저에서, 전도 띠 상태들 사이의 전기적 전이는 헤테로구조의 활성 이득-영역에서 발생하도록 만들어진 크기 양자화(size quantization)로부터 발생한다. 서브밴드간 전이는, 공진 터널링(resonant tunneling)이 펌핑 메카니즘인, 결합된 양자-우물의 여기된(excited) 상태들 사이에 위치한다.
더욱이, 단일 이득-영역 단극 반도체 레이저가 가능하지만, 다중 이득-영역도 역시 사용될 수 있다. QC 레이저는 종종 "방사 전이"(Radiative Transition, RT) 영역이라고 일컬어지는, 본질적으로 동일한 도핑되지 아니한 여러 개의(예를 들어, 일반적으로 25개)레이저 활성 반도체 기반 층을 가지는 활성 이득 영역을 포함하고 있다. 각각의 활성(RT)영역은 많은 반도체 층들로 이루어지며, 두 개 이상의 결합된 양자-우물을 제공하기 위하여, 장벽 영역들(barrier regions)이 삽입된 양자-우물 영역들을 가진다.
또한, 선행기술은 이러한 결합된 양자-우물이 하전된 캐리어들(즉, 전하)에 대하여 적어도 두 번째와 세 번째 결합 에너지 상태를 제공한다는 것을 보여준다. 더욱이, 두 번째 에너지 상태는 세 번째 에너지 상태보다 낮은 에너지를 포함하며, 이것은 각각 두 번째와 세 번째 파장 기능들에 대응한다. 세 번째와 두 번째 에너지 상태간의 에너지 차이가 레이저-방출-출력의 파장을 결정한다. 두 번째와 세 번째 에너지 상태의 에너지 차이는 연이어 활성 영역의 모든 결합된 양자-우물들의 배열에 의하여 결정된다. 상기 배열은 양자-우물의 개수, 각각의 양자-우물의 두께, 에너지 높이 및 두 개의 이웃하는 양자-우물들 사이에 위치하는 각각의 에너지 경계층의 두께를 포함한다.
더욱이, 종종 "주입/완화"(injection/relaxation, I/R) 또는 "에너지 완 화"(energy relaxation) 영역이라고 일컬어지는, 다중층 캐리어 인젝터 또는 인젝션 영역은 두 개의 인접하는 활성 영역들 사이에 배치된다. 따라서, 일정한 활성 영역은 인접한 활성 영역과 I/R 영역에 의해서 분리되어 있다. 활성 영역처럼, I/R 영역은 수많은 반도체 층들을 일반적으로 포함한다. 각각의 활성 영역-I/R 영역 쌍은 또한 '반복 유니트'(repeat unit)라고 일컬어진다. 적어도, 각각의 I/R 영역에 일부 층들은 도핑이 되고, 많은 경우에는, I/R 영역은 활성 영역들처럼 단극이다.
상기 언급한 US 특허 제5,457,709는 결합된 양자-우물 구조와 디지털하게 나누어진 에너지 갭 구조를 가진 I/R 영역의 에너지 레벨들 간에 위치한 서브밴드 간 전이를 사용하는 QC를 설계하기 위한 기술을 게시하고 있고, QC 레이저의 공칭 구조는 상기 언급한 미국 특허 제5,509,025호에 게시되어 있다. 다이오드 레이저와 다르게, 다중층 반도체 QC 레이저 구조의 층들은 도핑되지 아니하거나, 또는 도핑되었다면 실리콘과 같은 n-타입 도펀트(dopant)를 포함하는 모두 동일한 타입이다.
더욱이, 작동 전압은 QC 레이저의 다중층 반도체 구조 전역에 공급된다. 또한 이것은 반대로 I/R 영역의 하전된 캐리어(예를 들어, 전자)의 상당한 에너지 완화를 야기하고, 이들 중 일부는 인접한 활성 영역으로부터 I/R 영역으로 도입된다. 이러한 주입 캐리어는 레이징으로 이끄는 방사 전이를 겪는다.
더욱이, 선행기술은 QC 반도체 레이저의 최초의 개시 이후로 QC 반도체 레이저의 많은 개량품들을 보여주고 있다. 더욱 상세한 내용을 위하여, 미국 특허 제5,457,709호; 및 J. Faist et al.의 "상온 이상에서 작동하는 고전력 중앙-적외선 영역의(λ0 약 5㎛) 양자 폭포 레이저" Appl. Phys, Lett. 발행, vol.68, pp.3680- 3682 (1996); 및 C. Sirtori et al.의 Appl. Phys, Lett. 발행, vol.68, pp.1745 (1996)를 참조한다. 더욱이, 여러 타입의 응용들에 대하여, 특히 대기 중의 미량의 가스를 위해 설정된 광 센서의 영역에 있어서, 레이저가 단일 주파수에서 단일 횡 모드로 작동하는 것이 유리하다.
더욱이, 이러한 목적의 분포궤환형(DFB) QC 레이저의 사용은, J. Faist et al.의 "분포궤환형 양자 폭포 레이저" Appl. Phys, Lett. 발행, vol.70, No. 20, pp.2670-2672 (1997); 및 C. Gmachl et al.의 IEEE Photonics Techno. Lett. 발행, vol. 9, p.1090 (1997); 및 C. Gmachl et al.의 Appl. Phys, Lett. 발행, vol.72, p.1430 (1998)에 게시되어 있듯이, 널리 연구되었다.
더욱이, 레이저 다이오드와 같은 다른 반도체 레이저들과 다르게, QC 반도체 레이저의 레이징 파장은 활성 영역 물질의 밴드갭에 의해서 결정된다기보다, 본질적으로 양자 제한(quantum confinement)에 의해 결정된다(즉, 활성-영역 층들의 두께에 의해서 결정된다). 따라서, 레이징 파장은 동일한 반도체 물질을 사용하는 전형적인 EEL 다이오드에서 가능한 것보다 더 넓은 범위에 걸쳐 조절될 수 있다. 예를 들어, InAlAs/InGaAs 활성 영역을 포함하는 QC 반도체 레이저들은 3.5-㎛ 내지 13-㎛ 범위의 다양한 mid-IR 파장에서 작동하도록 조절된다.
선행 기술은 또한 회절 격자(diffraction grating)의 사용이 반도체 레이저들의 작동 주파수를 더욱 조절하기 위한 하나의 방법이라는 것을 보여준다. 더욱이, QC 반도체 레이저는 DFB 배열, DBR 배열, 또는 "격자 결합된 표면 방출 레이저"(GCSEL)에 의해 제공되는 피드백을 가질 수 있다. 예를 들어, GCSEL은 A.J.Lowery의 "이득-결합되고(gain-coupled) 인덱스-결합된(index-coupled) DFB 반도체 레이저의 성능 비교", IEEE J. Quantum Electronics 발행, vol. 30, no. 9, pp. 2051-2063 (1994); A. Kock의 "표면 모드 방출에 기초한 표면 방출 레이저 다이오드로부터의 단일-모드 및 단일-빔 방출", Appl. Phys, Lett., vol. 69(24), pp. 3638-3640 (1996); A. Rast et al의 "λ=1.55-㎛에서의 접촉면 격자를 가진 새로운 콤플렉스-결합 DFB 레이저", IEEE Proceedings Optoelectronics 발행, vol. 142, no. 3, pp. 162-164 (1995)를 참조한다.
더욱이, 회절 격자를 사용할 때, 활성 영역 층들의 두께와 회절 격자 모두가 다음과 같이 레이징 파장을 결정한다. QC 반도체 레이저에서, 활성 영역의 특징(즉, 결합된 양자-우물들의 개수 및 층 두께)은 레이저 방출 파장 범위를 결정하기 위하여 다양해질 수 있다. 회절 격자는 여기서 활성 영역 층 두께에 의해서 이전에 결정된 범위 내에서 훨씬 더 좁은 파장을 정확하게 고르는데 사용된다.
더욱 명확하게는 격자는 오직 층 두께에 의하여 결정되는 레이징 파장 범위보다 더 정확하게 레이징을 조절한다. 그러나, 회절 격자에 의해서 선택된 레이징 파장은 층 두께 및 전체 레이저 구조에 의해서 결정되는 가능한 레이저 파장 범위를 초과할 수 없다. 따라서, QC 레이저와 같은, 단극 주입 레이저는 양극 반도체 레이저에 비하여 여러 가지 이점들을 제공한다. 양극 반도체 레이저와 비교하여, 이러한 QC 레이저들은 전자/홀 재결합, 선폭 향상 요소의 이론적 제로로 인한 좁은 방출 선폭, 및 레이징 문턱의 약한 온도 의존성에 의해서 제한되지 않는다.
부가적으로, 상기에서 언급하였듯이, 적절히 설계된 QC 반도체 레이저들은 mid-IR 부터 서브 밀리리터 영역까지의 스펙트럼 영역의 방출 파장을 가지며, 이것은 완전히 양자 제한(quantum confinement)에 의하여 결정된다. 고전력, 단일 모드 레이저를 제조하기 위한 대안적인 접근법은 소위 '곡선 격자'(curved grating)를 이용하는 것이다. 그러한 레이저에서, 역전파(counter-propagating) 발산 빔으로 만들어진 모드로, 회절 격자의 룰링(ruling)이 하나의 진행파를 다른 진행파로 반사하기 위하여 구부러져 있다. Lang, R. J.의 "수차-교정 곡면 거울 및 곡면 격자 불안정-공진기 다이오드 레이저의 설계", IEEE J. Quantum Electron, vol.30, p.31 (1994)를 참조한다. DFB 반도체 레이저를 위한 격자를 제조하는 방법은 S. Macomber et al.의 "표면 방출 분포 궤환형 반도체 레이저", Appl. Phys. Lett. 발행, 51(7), pp. 472-474, (August 1987)에 게시되어 있다.
더욱이, 선행 기술로서 이 논문은 금 코팅을 반도체 레이저의 p-면에 에칭된 격자에 증착하는 기술을 게시하고 있다. 금 코팅은 또한 레이저의 p-접촉면으로써 사용된다. 그러나, 이러한 접근법은 편면 발광 레이저 구조를 사용하고 레이저 표면에 수직인 방향으로 큰 빔 발산각(즉, 종종 회절 각으로 일컬어지는)을 가질 뿐만 아니라 재앙적 거울 훼손(catastrophic mirror damage)을 받기 쉬운 레이저 단면에 훨씬 더 높은 광전력 밀도를 가진다. 편면 발광 반도체 레이저는 또한 일반적으로 원형에 대립하는 것으로서, 타원형 레이저 빔 단면을 가진다. 이것은 고가이거나 또는 비실용적인 또는 바람직하지 않을 수 있는, 교정 및 시준(collimating)을 필요로 한다.
부가적으로, 선행 기술은 곡면 격자의 본성으로 인하여, 레이저-방출-출력 빔이 광학적 빔의 질을 줄이는, 공간 위상-차 분포를 가진다는 것을 보여주고 있다. 많은 응용들이 또한 mid-IR 스펙트라 범위(즉, 3-㎛과 13-㎛ 사이)에서 작동할 수 있는 레이저들을 필요로 한다. 그러한 응용들은 다음을 포함한다:
(i) 원격 화학적 검출(Remote chemical sensing),
(ii) 오염 모니터링(pollution monitoring),
(iii) "레이저 적외선 검출 및 탐지"(LIDAR)
(iv) 적외선 카운터-측정(Infrared counter-measure), 및
(v) 분자 분광학(Molecular spectroscopy)
불행하게도, 통상적인 레이저 광원은 mid-IR 스펙트럼 영역에서 거의 작동하지 않는다. 예를 들어, 상기에서 언급하였듯이 양자-우물 레이저 다이오드를 포함하는,양극 반도체 레이저 다이오드는 불가능하지는 않지만, mid-IR 파장에서 레이저 작동을 얻는 것을 어렵게 만드는 너무 큰 밴드갭을 가진다. 일부 반도체 레이저 다이오드는 이 파장 범위에서 작동할 수 있지만, 매우 낮은 온도로 특별한 냉각(cooling)을 필요로 하며, 이는 비용이 많이 들 수 있다. 그러나, 상기에서 언급하였듯이, QC 레이저는 이러한 단점들을 겪지 않으며, mid-IR 범위에서의 레이저 방출을 포함하는 상당히 넓은 스펙트럼 영역에서 실질상 어느 요구되는 파장으로 발광하도록 설계될 수 있다.
따라서, 선행 기술은 QC 레이저가 mid-IR 범위 응용들에 바람직하다는 것을 보여준다. 예를 들어, QC 레이저는, 적어도 일부 QC 레이저들은 상온에서, 그리고 상대적으로 고출력 전력을 가지고, 관련 파장 영역으로 작동할 수 있기 때문에, 가 스 및 오염 물질의 흡수 분광학에 대한 방사원으로 유리하게 사용될 수 있다. 더욱 상세한 내용을 위해서, J. Faist et al.의 Applied Physics Lett., Vol. 68, pp.3680-3682 (1996); C. Sirtori et al.의 "상온에서의 mid-IR(8.5-㎛) 반도체 레이저 작동"; IEEE Photonic Technol. Lett., vol. 9(3), pp.294-296 (1997)을 참조하며, 둘 다 이 글 속에서 전체가 참고 문헌으로 인용된다.
더욱이, 선행 기술은 일부 응용들이 단일 기본 횡 공진 모드로의 고전력 레이저 방출 출력을 필요로 한다는 것을 더욱 보여준다. 예를 들어, LIDAR, "차등 흡수 LIDAR"(Differential Absorption LIDAR, DIAL) 및 다른 원격 화학적 감지 시스템에 있어서, 적절한 파장 범위를 가지는 공간적 간섭성, 단일 모드, 고전력 레이저 방출 출력 빔은 감지 범위를 상당히 증가시킬 수 있다. QC 레이저들로부터의 단일-모드 방출은, 각각의 공명 레이저 다이오드 공진 구조를 형성하기 위하여 "분포 궤환형"(DFB) 또는 "분포 브래그 반사"(DBR) 반사 격자를 혼합함으로써 얻어질 수 있다.
그러나 mid-IR 방사의 광원으로서, 통상적인 편면-발광 QC 레이저 구조들을 사용하여 공간적 간섭성, 단일 모드, 고전력 레이저 방출 출력을 얻는 것은 어렵다. 편면-발광 QC 레이저를 가지고 고출력 전력을 얻기 위하여, 좁은 줄무늬 레이저 배열로 매우 높은 주입 전류 밀도를 사용하거나 또는 레이징 영역을 증가시키기 위한 광역 레이저를 사용하여야 한다. 높은 주입 전류 밀도는 심한 장치 가열을 야기할 것이며, 따라서 최대치 레이저-방출-출력 전력을 제한하고, 레이저 수명 기간을 줄이게 된다.
더욱이, 선행 기술은 사용되는 반도체 이득-영역의 종류와 관계없이, BALD 장치에 대해서, 상기에서 언급하였듯이, 다중 모드 레이징의 개시를 촉진하는 필라멘테이션 문제를 야기하는 캐리어 유도 굴절률 변화로 인하여, 높은 전류 주입 작동 하에서 단일 모드 작동을 유지하는 것이 매우 힘들다. 더욱 상세한 내용을 위하여, G.P.Agrawal & N.K. Dutta의 "반도체 레이저"(2nd edition; New York: Van Nostrand Reinhold, 1993)를 참조한다.
더욱이, 자기-유도 필라멘테이션 효과는 레이저의 전력 및 성능을 감소시키는, 다중-공간 공동 모드 레이저 방출 출력을 생산한다. 다중-모드 레이저 방출은 집광하기 매우 어려우며, 이것은 특히 긴 전파 거리나 매우 작은 집광 빔 크기가 필요한 때에 문제가 된다. 결과적으로 다중-모드 레이저 방출은 덜 간섭성을 띠게 되고, 따라서 텔레커뮤니케이션과 같은 여러 가지 고-가치 응용들에서의 사용을 매우 어렵게 한다.
부가적으로, 선행 기술은 EEL 다이오드의 출력 빔이 레이저 다이오드의 윗 표면에 수직 방향으로 큰 발산각을 가진다는 것을 보여준다. 대조적으로, 표면 발광 QC 레이저들은 안정한 고전력 레이저-방출-출력을 요구하는 응용들에 있어서 상당한 전망을 보여주고 있다. 표면-방출 DFB에 기초한 반도체 레이저 다이오드는, 넓은 레이징 영역이 사용될 수 있고 레이저 구조의 내부 손실들이 감소할 수 있기 때문에, EEL 다이오드보다 더 높은 전력의 레이저 방출 출력을 생산할 수 있는 더 많은 가능성을 가진다.
더욱이, 최근의 기술하에서, 레이징 영역의 너비 또는 측면 크기가 약 5-㎛ 로 제한된다면, SEL으로부터의 레이저-방출-출력은 공간적으로 간섭성을 띨 수 있다. 그러나, 높은 레이저 방출 출력 전력을 얻기 위하여, 50-㎛ 또는 그 이상의 너비를 가진 레이징 이득 영역을 제공하는 것이 유리하다. 불행하게도, 이득 영역의 너비를 증가시키는 것은 일반적으로 높은 전류 주입 레벨에서 공간적으로 비간섭성 작동을 이끈다. 따라서, 넓은 레이징 영역과 공간적으로 간섭성을 띠는 레이저 방출 출력 빔을 모두 가지는 표면 방출 QC 레이저를 제조하는 기술이 필요하다.
선행기술은 광역 QC 반도체 레이저에서 일어나는 필라멘테이션 문제를 방지하기 위한 수단으로서 제안된 여러 가지 접근법들을 보여주고 있다. 더욱이, 전형적인 해결책은 레이저 다이오드 장치 내의 (즉, 불안정하게 공진하는 공동(resonant cavity) 또는 불안정한 공진기(resonator)라고도 일컬어지는) 소위 불안정한 공진 공동(resonance cavity)을 생산하는 것이다. 고전력 레이저 다이오드 배열을 위한 이러한 종류의 공동을 생성하기 위한 여러 가지 방법들이 있다.
더욱이, 연속적인 불안정한 공진 공동을 가지는 반도체 레이저 다이오드는 S. Guel-Sandoval et al.의 "불안정한 공진 공동을 가지는 새로운 고전력 및 간섭성 반도체 레이저"라는 제목의 논고의 Appl. Phys. Lett., vol. 66 (1995), pp. 2048-2050에 게시되어 있으며, 이것은 이 글 속에서 전체로 참고 문헌으로 인용된다. 더욱이, 이 논문은 빔 발산과 레이저 다이오드 장치의 간섭성 작용에 대한 조절을 도입하기 위하여, 넓은 줄무늬(wide-stripe) 반도체 레이저 다이오드의 측면 전체에 걸쳐 2차적으로 변화하는 굴절률을 유도하기 위한 수단들을 자세히 기술하고 있다.
부가적으로, 선행 기술은 상기의 Lang의 참고 문헌에서 기술하였던 곡면 격자를 사용하는 접근법을 또한 보여주고 있다. 더욱이, 불안정한 공진 공동을 가지는 격자-결합된 표면-방출 레이저 다이오드를 제조하기 위한 새로운 방법이 상기 언급한 미국 특허 제5,727,016호에 게시되어 있다. 상기 특허는 그 안에 대략 포물선 모양의 골(parabolic-trough)을 가지는 다양한 굴절률 층의 사용을 기술하고 있다. 상기 굴절층은 활성 레이징 영역에 인접하게 위치하고 있다. 일직선의 톱니 모양의(straight-toothed), 2-차의 회절 격자는 넓고 공간적으로 간섭성의 출력 빔을 생산하기 위하여 굴절층과 접촉하고 있다. 더욱 상세한 내용을 위하여, A. Kastalsky의 "다중-양자-우물 인터밴드(interband) 레이저에서 유도된 적외선 인트라밴드(intraband) 레이저", IEEE J. Quantum Electronics, vol. 29, no. 4, pp. 1112-1115 (1993)을 참조한다.
따라서, 선행기술은 작은 발산각을 갖는 고전력, 공간적 간섭성, 단일 모드 출력 빔을 생산하는, 향상된 표면-방출 QC 레이저에 대한 요구가 있다는 것을 보여준다. 그러한 장치는 특히 예를 들어 원격 화학적 감지 및 LIDAR 응용들에서 유용하다. 밀집성, 저가, 및 확실한 고전력, 공간적 간섭성, 단일모드, mid-IR 반도체 레이저는 시스템 비용 및 이러한 응용들의 신뢰도를 상당히 줄일 수 있다.
더욱이, 선행기술이 제안하듯이, 격자 결합, 표면-방출 및 불안정 공동 구조들을 혼합한 QC 레이저는 mid-IR 단일 파장 광원을 필요로 하는 기술들에서 응용될 수 있다. 본 발명의 격자 결합, 표면 방출 구조는 작은 발산각을 가지는 좁은 스펙트럼 너비 레이저 출력의 장점을 제공하고, 불안정한 공진 캐비티 구조는 높은 주 입 전류 하에서 다중 모드 레이징을 야기하는 필라멘테이션 효과를 방지하는 장점을 제공한다. 이 두 가지 구조들의 결합은 레이저가 좁은 스펙트럼, 단일 모드, 및 높은 주입 전류에서의 작은 회절 출력을 유지할 수 있도록 해준다. 단일극 QC 레이저에서의 이러한 결합은 또한 레이징 방출이 mid-IR 범위에서의 파장을 포함하는 넓은 스펙트럼 영역에 걸쳐 얻어질 수 있도록 해준다.
부가적으로, 선행 기술은 GCSEL이 표면 방출이기 때문에 원형의 레이저-방출-출력 빔과 작은 발산 각을 나타내며, 따라서 일부 응용들에서 EEL 다이오드보다 더 매력적일 수 있다는 것을 보여준다. 일반적인 QC 레이저는 일반적으로 인듐 인화물인 반도체 기판 위에 에피택시얼하게 성장된 다중층 적층 구조를 가진 단극 반도체 레이저 설계이며, 그 안에 광 도파로 구조를 형성한다. 광 도파로 구조는 상대적으로 작은 유효 굴절률(즉, 3.1 굴절률)의 클래딩 영역들(cladding-regions) 사이에 코어 또는 상대적으로 큰 유효 굴절률(즉, 3.3 굴절률)의 활성 영역을 포함한다. 더욱이, 클래딩 영역은 또한 '제한 영역'(confinement region)으로서, 여기에서 일컬어질 것이다.
더욱이, 선행 기술은 코어-영역이 다수의 반복 유니트를 포함하고, 각각의 유니트는(종종 이득 영역 또는 이득 매질이라고 불리는) 본질적으로 동일한 활성 영역 및 상기에서 기술한 캐리어 주입/이완(I/R) 영역을 가진다는 것을 보여준다. 코어-영역은 전력이 전극을 통해 구조에 가해지면 레이징을 생성한다. 레이징 광은 코어 영역을 포함하는 광 도파로 내에서 공동의 종방향으로 전파하며, 여기서 레이징 작동에 의해 증폭된다.
더욱이, 선행 기술은 QC 레이저의 이러한 면의 공칭 구조는 상기 언급한 미국 특허 제5,509,025호에 의해 기술된 것과 유사하다는 것을 보여준다. 상기에서 언급하였듯이, 회절 격자는 레이저 다이오드 구조 그 자체에 의하여 정해진 주파수 범위 내에서 좁은 레이징 주파수 범위를 선택하는 것을 도움으로써, 반도체 레이저 다이오드들의 작동 주파수를 조절하기 위하여 사용된다. 예를 들어, 격자 결합형 DFB 구조는 미리 선택된 파장을 가지는 단일 모드 레이저를 생산하기 위하여 기본 QC 레이저 구조에 적용된다. 부가적으로, DFB 배열을 사용하는 QC 레이저 구조는 오직 일차 격자를 이용할 것이다.
예를 들어, 선행 기술은 일차 격자는 레이저 공동의 종 방향(즉, 편면 발광)으로 빛을 결합하는데 사용된다는 것을 보여준다. 격자는 당업자에 의해 예상될 수 있듯이, 높은 결합 차수의 사용을 위하여 또한 만들어질 수 있다. SEL QC 레이저를 제조하기 위하여, 예를 들어, 2차 격자를 격자 결합형 SEL을 생산하기 위해 레이저 구조에 혼합할 필요가 있다. 더욱이, 격자 결합형 표면 방출 구조들을 가진 레이저 다이오드들은 잘 알려져 있다. 예를 들어, 윗 클래딩 층에 2차 격자를 가지는 표면 방출 양극 레이저 다이오드, 레이저 공진 모드의 슈퍼 모드로의 격자 촉진 결합을 게시하고 있는 상기 언급한 Kock 참고 문헌을 살펴본다. 2차 격자는 공진 종 방향 대신에, 수직 커플링을 일으킨다.
그럼에도 불구하고, 선행 기술은 표면 결합 레이저의 주된 이점이 레이저 방출 출력 빔이 통상적인 EEL 다이오드보다 훨씬 더 작은 발산 각을 가지며, EEL 다이오드의 경우에서처럼 타원형보다는 원형 단면이 될 수 있다는 점임을 보여준다. 작은 발산 각과 원형 단면을 가진 레이저-방출-출력 빔은 더 작은 점 크기로 집광하거나 빔이 긴 거리를 진행한 후 작은 점을 유지할 수 있는 레이저 빔으로 시준하기 쉬우며, 섬유 또는 다른 광 수신 장치로 결합하기 쉽다.
더욱이, 본 발명의 QC 레이저는 작은 발산 각(예를 들어, 1°)을 가진 좁은 스펙트럼 선폭(예를 들어, MHz) 레이저 출력을 제공하기 위하여, 격자-결합, 표면-방출 구조를 이용한다. 결론적으로, 선행 기술은 결론적으로 QC 반도체 레이저가 얼마간 안정하게 만들어질 수 있다는 것을 보여주는 반면에, 그들은 여전히 개량과 상관없이 모든 다른 반도체 레이저들이 겪는 자발 방출에 의한 동일한 위상 섭동 문제를 겪는다.
게다가, 선행 기술은 통상적인 공진 공동들이 거시적인 광 시스템과 미시적인 광 시스템에서 횡 공간 공동 모드들을 어떻게 그리고 왜 조절하는지를 보여준다. 더욱이, 단일 모드 광섬유, 반도체 이득 매질, 및 "마이크로-광-전기적-역학적-시스템"(Micro-Opto-Electro-Mechanical-System, MOEMS) 장치들을 포함하는, 미시적 광 시스템과 관련한 스케일에서, 횡 공간 공동 모드 조절은 많은 시스템 설계 변수들을 지시할 수 있다.
일반적으로, 낮은-차수 기본 횡 모드 작동은 장 거리 핌 전파에 대한 광학적 빔 공간 프로파일 조건들, 레이저 방출 출력 빔의 작은 점으로의 집광, 및 단일 모드 전송 섬유로의 레이저-방출-출력 빔 결합 때문에, 레이저 다이오드 장치들에서 요구된다
더욱이, 선행 기술은 광 공진기의 서로 다른 횡 공간 공동 모드들이 일반적 으로 다른 공진 광 주파수를 가지게 될 것이며, 이것은 분광학적 순도를 요구하는 능동적 및 수동적 공동(active and passive cavity)의 응용들에 있어서 특히 불리하다. 공진기 작동의 분광학적 순도를 요구하는 일반적인 응용은, 조정 가능한 패브리-페로 필터들(Fabry-Perot filters)을 사용하여, "파장-분할-다중화" (Wavelength-Division-Multiplexed, WDM) 광 전송 장치에 의해 조작되는 광학적 통신 신호의 분광학적 감시의 응용이다.
더욱이, 선행 기술은 EEL 반도체 레이저 다이오드와 같은 능동적 공동 장치들에 있어서, 횡 공간 공동 모드 문제는 오직 단일 기본 횡 공동 모드만을 제공하는 것을 확실하게 하기 위하여 레이저 도파로를 적절하게 설계함으로써 처리된다는 것을 보여준다.
게다가, 선행 기술은 VCSEL에 있어서 산화물 제한층들(oxide confining layers) 및 다른 경구 기술들(aperturing techniques)이 작은 경구 장치들에서 단일 횡 공진 모드 작동을 얻는데 사용된다는 것을 보여준다. 그러나 고전력 레이저 방출 출력이 가능한 VCSEL을 설계하려고 할 때 문제가 발생한다; 여기서, 모드 볼륨(modal volume) 및 빔 직경 크기를 증가시키려는 요구와 높은 차수 횡 공진 모드의 발진을 억제하려는 요구 사이에 모순적인 경합이 일어난다.
일반적으로 설계자들과 엔지니어들에게 모순점은 마찬가지이다. 더욱이, 선행 기술은 수동적 공진 장치들에 있어서, 이득 매질 설계에 연합된 높은 자유도가 존재하기 않기 때문에, 횡 공간 모드 문제가 더욱 처리하기 어렵다. 한가지 해결법은 단일 모드 광 섬유를 설계에 결합시키는 것이다. 그러나, 광섬유의 포함은 복잡 한 장치 집적화를 야기하며, 섬유 결합 조건들을 만들고, 모든 공간 공진 모드 문제점들을 해결하지 못한다.
또한, 선행 기술은 횡 "사이드 모드 억제 비율"(Side Mode Suppression Ratio, SMSR)을 조절하는 해결법을 보여주며, 이는 내부 공동 구경 또는 공간 필터들의 사용을 계획한다. 더욱이, 높은-차수 공간 공동 모드들은 일반적으로 TEM00 과 같이 낮은-차수 기본 횡 모드들보다 더 큰 모드 필드 직경들을 가진다. 여기서, 광학적 연결장치(optical train)에 있어서 구경은 높은 차수 횡 공진 모드에 대한 손실을 유도할 수 있으며, 레이저 다이오드의 사이드 모드 억제를 향상시키는데 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 공간 필터들은 기본 횡 공간 모두들에도 역시 손실을 도입할 수 있으며, 따라서 정확한 정렬(precise alignment)이 필요하다.
또한, 선행 기술은 공동(cavity) 설계와 관련한 또 다른 해결법을 보여준다. 이에 의해 공초점의 패브리-페로 공동에서, 공동 길이는 거울 곡률 반경과 동일하며, 모든 횡 모드들은 종 모드 주파수들과 같이 또는 종 모드 주파수가 절반의 분광 주기마다 변동된 종 모드 주파수들과 같이, 축퇴되고, 즉 모든 횡 공간 모드들은 같은 주파수들, 또는 파장들에 공존한다.
더욱이, MOEMS은 오직 수십 마이크로 미터의 작은 공동 길이에 대응하여, 일반적으로 큰 자유 분광학적 범위들, 또는 분광학적 주기들을 가지는 미세-광 공동들을 포함한다. 따라서, 선행 기술이 보여주듯이, 공초점 MOEMS 미세 공동 배열은 대응하는 작은 곡률 반경(즉, 수십 마이크로미터)을 가지는 거울들을 필요로 하며, 이것은 제조하기 어렵고, 일치시키기 어려운 작은 공동 모드 크기들을 가진다. 더욱이, MOEMS에 의해서 사용되는 더욱 일반적인, 그리고 아마도 더욱 가능한 배열은 반구상 공동 배열을 이용하는, 조정 가능-필터(tunable-filter)에 기초한 패브리-페로 공동일 것이다.
더욱이, 그러한 공동들에 있어서, 두 반사기 중 하나는 평면에 가깝고 다른 하나의 반사기는 구형의 모양이다. 여기서의 장점은 감소한 정렬 임계(alignment criticalities)이다; 이것은 거의 평면인 반사기에 의한 일반적인 방사 균일성때문이다. 더욱이 그러한 배열에서, 공간 모드 분광학적 축퇴는 존재하지 않으며, 어떠한 높은 차수 횡 공진 모드들도 매우 적은 부적절한 피크들(spurious peaks)을 보이며, 이는 필터 전송 스펙트럼에서 관찰된다.
더욱이, 선행기술은 이러한 문제점들이 레이저 다이오드 공동으로 보내지는 빛의 정확한 조절에 의해서 높은 차수 모드들의 들뜸을 최소화하는데 집중하는 해결 방법들을 이끌었다는 것을 보여준다. 예를 들어, 부분적으로, 주위의 광학적 연결장치(optical train)에 대한 조절 가능한 필터의 조정에 대하여 게시하고 있는, Jeffrey A. Korn의 2000년 9월 21일 출원된 미국 특허 출원 제09/666,194호와 Walid A. Atia et al.의 2000년 12월 22일 출원된 미국 특허 출원 제09/747,580호를 살펴본다.
더욱 상세한 내용을 위하여, 부분적으로, 발진 광모드(launch light mode)와 필터의 낮은-차수 공간 횡 공동 모드 사이의 모드 필드 정합(mode field matching)을 게시하고 있는, Jeffrey A. Korn의 2001년 3월 15일 출원된 미국 특허 출원 제 09/809,667호를 살펴본다. 더욱이, 그러한 설계 접근법들은 높은-차수의 횡 공간 공동 모드들의 여기(excitation)를 최소화하며, 따라서 더 나은 사이드-모드 억압 비율들을 가진 시스템을 만든다.
결론적으로, 선행 기술은 상기에서 기술하였듯이, 포함된 자료와 기재들에서 언급하였듯이, SEL에 기초한 반도체 레이저 다이오드들이, 일부 경우에 낮은-차수의 기본 횡 공간 공동 모드 레이저 방출 출력을 제공하지만, 그들 모두 일반적으로 하기의 세 가지 주요 성능상의 문제점들을 겪고 있다는 것을 명확히 보여준다:
(i) 자발 방출이 공진에 기여하는 위상 섭동을 중화하지 못하기 때문에, 레이저-방출-출력은 불안정하게 남아 있으며, 여러 가지 불안정한 성질들을 나타낸다. (예를 들어, 공간 모드 호핑, 분광학적 모드 호핑, 극성 스위칭, 높은 문턱 전류, 필라멘테이션, 문턱에서의 다중-횡 작동, 문턱에서의 다중-종 작동, 공간 홀 버닝, 분광학적 홀 버닝, 저-전력 레이저-방출-출력, 레이저 다이오드 성능의 전체적인 저하, 및 넓은 범위의 전력 레벨에서 실질적으로 얻을 수 없는 단일 낮은-차수 기본 횡 공간 공동 모드);
(ii) 상기에서 언급된 해결 방법들과 인용된 참고 문헌들의 해결 방법들이 높은-차수의 횡 공간 공동 모드들에 대한 손실을 도입하는데 중점을 두고 있기 때문에, 레이저 다이오드의 전체적인 전력 성능은 오직 약 2-mW 내지 3-mW만을 생산할 정도로 심하게 저하되어, 최근의 고 가치 응용들, 예를 들어 광학적 텔레커뮤니케이션 및 데이터 전송과 같은 응용들에 적용하기 어렵다; 및
(iii) 이러한 장치들은(주로 EELs) 내부 공동 펄스-확장 분산(intra-cavity pulse-broadened dispersion)(즉, 떨림 현상(chirp))을 겪기 때문에, 그들은 데이터 모듈레이션(data modulation)에 대한 내부 한계에 도달하며, 따라서 불과 몇 Gigabits/ps 보다 더 빠르게 데이터를 전송하지 못한다. 결과적으로, 이것은 그들을 저가치 응용들 예를 들어, 다중 모드 섬유 광학 LANs, 섬유 채널 상호 연결, 및 그 밖에 비독점적 데이터컴 및 엔터프라이즈에 기초한 응용과 같은 응용들에 한정시킨다.
결과적으로, 본 발명의 OPCLD는, VCSELs, VECSELs, EELs, 및 BAID 장치들에서 일반적으로 사용되는 더 통상적인 "쪼개진 패싯"(Cleaved Facet, CF), "분포 브래그 반사기"(Distributed Bragg Reflection, DBR), 및 "분포궤환형"(Distributed Feed-Back, DFB) 거울 설계들 대신에 광학적 "위상 공액 거울"(Phase Conjugation Mirror, PCM)을 사용함으로써, 모든 최근의 반도체 레이저 다이오드들에 있어서, 높은 문턱 전류, 저전력 레이저 방출 출력, 불안정한 공간 공진 모드들, 불안정한 분광학적 공진 모드들, 레이저 방출 출력에 대한 극성의 불안정성, 필라멘테이션, 및 COD를 정기적으로 나타내는 성능 저하 및 레이저 방출 출력 불안정성들의 근본적인 원인이 되는 위상 섭동들을 성공적으로 없앤다.
따라서, 상기에서 언급하였던 광학적 위상 공액 레이저 다이오드의 목적과 장점 외에도 본 발명의 OPCLD의 장점들은 아래와 같다:
(a) 목적들을 얻기 위하여, 그리고 여기에서 구체화되고 명백히 기술되는 본 발명의 OPCLD 발명의 한 국면에 따라, 반도체 레이저 다이오드로부터 레이저 빔을 생산하기 위한 레이저 시스템이 제공되며, 이것은 광역 이득 반도체 레이저 다이오 드의 전체적인 빔 품질을 향상시키고 증가시키며, 더욱 자세하게는 공간 모드 불안정성, 분광학적 모드 불안정성, 필라멘테이션, 및 COD로부터 자유로운 고전력 레이저 방출 출력을 생성하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다;
(b) 본 발명의 OPLCD의 또 다른 목적은 최근의 "수직 확장 공진형 표면 방출 레이저"(VECSEL) 다이오드에 있어서 광학적 피드백을 제공하는 데 사용되는 다양한 통상적인 외부 공진 거울들 및 렌즈들의 제조 및 어셈블리에 관련된 비용 및 어려움들을 감소시키는, 모놀리식하게 제조된 반도체 레이저 다이오드 시스템을 제공하는 것이다;
(c) 본 발명의 OPLCD의 또 다른 목적은 단일 기본 횡 공간 공동 모드로 고전력 레이저 방출 출력을 제공하기 위한, 광학적 위상 공액 공동(optical phase conjugating resonate cavity)를 제공하는 것이다;
(d) 본 발명의 OPLCD의 또 다른 목적은 이득-영역으로부터 정해진 거리에 모놀리식하게 형성된, 공초점, 볼록, 또는 구형 모양과 같은, 곡선 모양의 가우시안 프로파일 촉진 기하학적 구조(curved Gaussian profile promoting geometry)를 가지는 레이저-방출-출력 거울을 제공하는 것이다. 더욱이, 본 발명은 주된 반사기로 PCM을 이용하기 때문에, 곡선 모양의 가우시안 프로파일 촉진 출력 거울은 무한한 숫자의 가능한 공동 모드들로부터 어느 하나의 특별한 레이징을 위한 횡 공동 모드를 선택하도록 디자인된, 부분적 가우시안, 근사-가우시안, 또는 슈퍼-가우시안의 어떠한 구조로도 모놀리식하게 형성될 수 있다. 결과적으로, PCM에 기초한 공진 캐비티들은 공동 길이, 레이저 방출 출력 거울의 곡률 반경, 모양, 또는 직경과 관계 없이, 불안정 공동 모드와 같은 것이 없으며, 특정한 횡 공동 모드의 위상은 각각의 레이저 방출 출력 거울의 반사 표면과 본 발명의 OPCLD 공진기를 통한 매 회 진행에서 충분히 복사(replicate)될 수 있다;
(e) 본 발명의 OPLCD의 또 다른 목적은 공동 길이가 모든 횡 공간 공동 모드들이 축퇴되기 위하여 거울 곡률 반경과 동일할 필요가 없는, 공초점 패브리-페로 공동을 제공하는 것이다. 더욱 명확하게는, OPCLD에서, 모든 횡 공간 공동 모드는 OPCLD에서 선택된 공동 길이와 상관없이, 종 방향의 분광학적 공동 모드 주파수들, 또는 종 모드 주파수들이 절반의 분광학 주기마다 변경될 때, 동일한 주파수, 또는 파장에서 공존할 것이다;
(f) 본 발명의 OPLCD의 또 다른 목적은 본 발명의 OPCLD 반도체 이득-영역에 인접하고 그 중심에 에칭된 위치를 갖는 디지털 프레넬(Fresnel) 거울 및/또는 프레넬 렌즈로서 본 발명의 OPCLD에 모놀리식하게 결합하는, 가우시안 프로파일 촉진 레이저-방출 출력 거울을 제공하는 것이다. 여기서, 디지털 프레넬 거울 및/또는 프레넬 렌즈는 레이저 다이오드의 이득-영역에 인접하게 층을 이루는 가우시안 프로파일 촉진 표면-양각 영역을 가지며, 이를 통과하는 레이저-방출-출력은 실질적으로 가우시안의 형태를 갖는 세기 프로파일을 가진다. 더욱이, 가우시안 프로파일 촉진 표면-양각 영역이, 그레이 스케일 마스킹(grey-scale masking)과 화학적 리소그래피(chemical lithography)(예를 들어, 그레이 스케일의 마스크 제조와 리소그래픽 에칭의 두 가지 버전이 미국 특허 제5,480,764호 및 제6,071,652호에 기술되어 있다)를 이용하여, 증착된 물질의 에피층 또는 본 발명의 OPCLD 기판 웨이퍼를 반도체 물질로부터 희망하는 표면 양각 영역을 에칭하여 형성된다;
(g) 본 발명의 OPLCD의 또 다른 목적은 내부 공동 자발 방출의 위상 섭동을 중화할 수 있는, 광학적 위상 공액 레이저 다이오드 공진 공동을 제공하는 것이다. 상기 광학적 위상 공액 공동은 적어도 하나의 활성 이득-영역, 전체 역-반사 위상-반전 PCM, 부분 반사 DBR, 및 부분 전송 가우시안 프로파일 촉진 레이저-방출-출력 거울을 가지는 반도체 레이저 다이오드 구조를 포함할 것이다. 여기서, 입사하는 기본 내부 공동 레이저 방출의 역-반사된 위상 공액 펄스는 레이저 방출 출력 반사기로 향하게 되며, 결과적으로 실질적으로 가우스 곡선 모양의 낮은 차수 기본 횡 공진 모드(즉, 바람직하게 TEM00) 세기 프로파일을 가지는 필라멘트가 없는 레이저 방출 출력이 얻어진다;
(h) 본 발명의 OPLCD의 또 다른 목적은 레이저 방출 출력 내에 필라멘테이션이 형성되도록 야기할 수 있는 임의적인 내부 공동 위상 섭동들을 중화시키는 내부 공동 광학적 위상 공액 방법을 제공하는 것이며, 이것은 연이어 20-mW 내지 2-W 사이 범위의 출력 레벨을 가진 안정한 고전력 레이저 방출 출력을 제공한다;
(i) 본 발명의 OPLCD의 또 다른 목적은 COD를 야기할 수 있는 임의적인 내부 공동 위상 섭동들을 없애는 내부 공동 광학적 위상 공액 방법을 제공하는 것이며, 이것은 연이어 단일 낮은 차수 기본 횡 공동 모드의 안정한 고전력 레이저 방출 출력을 제공한다;
(j) 본 발명의 OPLCD의 또 다른 목적은 레이저 방출 출력 내에 분광학적 모드 불안정성이 형성되도록 야기할 수 있는 임의적인 내부 공동 위상 섭동들을 중화하는 내부 공동 광학적 위상 공액의 방법을 제공하는 것이며, 이것은 연이어 균질하게 넓어지는 이득 및 레이저 방출 출력에 대한 매우 좁은 선폭을 제공한다;
(k) 본 발명의 OPLCD의 또 다른 목적은 레이저 방출 출력 내에 공간 모드 불안정성이 형성되도록 야기할 수 있는 임의적인 내부 공동 위상 섭동들을 중화하는 내부 공동 광학적 위상 공액의 방법을 제공하는 것이며, 이것은 연이어 단일 기본 횡 공간 공동 모드의 안정한 고전력 레이저 방출 출력을 제공한다;
(l) 본 발명의 OPLCD의 또 다른 목적은 레이저 방출 출력 내에 극성 불안정성이 형성되도록 야기할 수 있는 임의적인 내부 공동 위상 섭동들을 중화하는 내부 공동 광학적 위상 공액의 방법을 제공하는 것이며, 이것은 연이어 안정하게 선형으로 편광된 고전력 레이저 방출 출력을 제공한다;
(m) 본 발명의 OPLCD의 또 다른 목적은 떨림 현상(chirp)(즉, 종종 펄스 확장 분산이라 불리는)이 공진에 미칠 수 있는 영향을 전환할 수 있는 내부 공동 광학적 위상 공액의 방법을 제공하는 것이며, 이것은 연이어 광섬유 케이블에 걸친 내부적으로 조정된 데이터 전송에 있어서 적어도 20-Gigabits/ps의 밴드폭(즉, 최근의 VCSELs이 제공하는 것의 두 배)이 가능한 떨림 전환 공진 공동 디자인 해결법을 제공한다;
(n) 본 발명의 OPLCD의 또 다른 목적은 격자 정합된 굴절률 차이가 있는 반도체 물질로부터 제조된 수백 개의 교차하는 사분의 일 위상판들로 일반적으로 이루어진 주된 전반사 사분의 일 위상 DBR 거울-적층의 제조와 관련된 고비용의 에피 택시 증착을 제거하고, 이것을 그레이 스케일 리소그래피를 이용하여, 증착된 반도체 물질의 단일 에피층으로부터 동시에 제조되거나 또는 본 발명의 OPCLD 기판 웨이퍼를 포함하는 반도체 물질로부터 제조된 다면체 모양의 프리즘들의 역-반사 위상-전환 배열로 대체한 반도체 레이저 다이오드를 제공하는 것이다;
(o) 본 발명의 OPLCD의 또 다른 목적은 본 발명의 활성 영역에 주입된 캐리어들과 여기된 방출 광자들의 제한(confinement)을 제공하기 위하여 기울기가 있도록 도핑된(gradiently doped) 스페이서-층들(spacer-layers)을 사용한 반도체 레이저 다이오드를 제공하는 것이며, 이것은 연이어 매우 좁은 선폭을 나타내는 레이저 방출 출력을 증가시킨다;
(p) 본 발명의 OPLCD의 또 다른 목적은 일반적으로 이득 영역을 끼고 있는 저항 접촉, 저항 접촉면, 및 N 또는 P 도핑된 분리층들 사이에 일반적으로 놓인 물질 인터페이스에서의 연속적인 전기 저항에 의해 생성되는 열을 낮추기 위하여 두 개의 기울기가 있도록 도핑된 분리층들을 사용함으로써, 더욱 효율적인 출력 이득을 생성하는 반도체 레이저 다이오드를 제공하는 것이다;
(q) 본 발명의 OPLCD의 또 다른 목적은 독립적으로 주소 매김이 가능한(addressable) 레이저 장치로서 형성되고 사용될 수 있는 반도체 레이저 다이오드를 제공하는 것이다;
(r) 본 발명의 OPLCD의 또 다른 목적은 레이저 다이오드들의 배열로 형성되고 사용될 수 있는 반도체 레이저 다이오드를 제공하는 것이며, 이것은 각각 개별적으로 주소 매김이 가능하거나 또는, 예를 들어 모두 다 함께 단일 기본 횡 공진 모드로 고-전력 레이저-방출-출력을 할 수 있는 OPCLD 장치의 위상 고정 배열에서와 같이, 다 함께 그룹으로(레이저 다이오드 배열) 주소 매김이 가능한 다수의 개별적인 레이저 다이오드들을 가지도록 이루어진다;
(s) 본 발명의 OPLCD의 또 다른 목적은 모두 단일 회로 장치 패키지에 집적되는, 레이저 전송, 내부 데이터-모듈레이션, 신호 처리 및 증폭, 및 광-검출, 데이터-수신 드라이버 회로 소자를 제조하는데 사용되는 동일한 반도체 물질로부터 제작되는, 반도체 레이저 다이오드 및/또는 레이저 다이오드 배열 및 집적된 회로 패키지를 제공하는 것이다;
(t) 본 발명의 OPLCD의 또 다른 목적은 본 발명의 OPCLD의 역-반사 위상-전환 PCM을 포함하는 모든 개별적인 프리즘 요소를 보완하고 보호하는 전체 내부 반사 광학적 클래딩 장벽을 제조하기 위하여 "리튬-플로라이드"(Lithium-Fluoride, LiF)와 같은 광 물질을 사용하는 반도체 레이저 다이오드를 제공하는 것이다;
(u) 본 발명의 OPLCD의 또 다른 목적은 내부 공동에서 생산된 레이저 방출을 이전에 여기되지 아니한 이득 영역의 범위로 횡적으로 다시 향하게 하기 위한 다면체 모양의 프리즘 도파로 배열(즉, PCM)를 사용하여, 광학적 공동 길이를 확장함으로써 모드 선별성(modal discrimination)을 증가시킬 수 있는 반도체 레이저 다이오드를 제공하는 것이다;
(v) 본 발명의 OPLCD의 또 다른 목적은, 전체 내부 반사 과정을 이용하여 내부 공동에서 생산된 노멀 종방향 전파의 빛을 첫 번째 횡 전파로 다시 향하게 하고, 그 다음 두 번째 횡 전파로, 그 다음 세 번째 횡 전파로, 마지막에 종 방향의 역전된 전파로 다시 향하게 하여 모드 선별성을 증가시킬 수 있는 반도체 레이저 다이오드를 제공하는 것이며, 이는 효과적으로 높은-차수 횡 모드 빛의 회절 손실을 증가시키며, 반면에 단일 기본 횡 공진 모드에 대한 이득을 레이저-방출-출력으로서 증폭하게 하여 충분히 증가시킨다.
(w) 본 발명의 OPLCD의 또 다른 목적은 단일 낮은-차수 기본 횡 공진 모드로 필라멘트가 없는 고-전력 레이저-방출-출력(즉, 20-mW 와 2-Watts 사이에서 양자-우물들의 이득 영역 볼륨 크기인 l x h x N th 에 의해 결정되는)을 생산할 수 있는 반도체 레이저 다이오드를 제공하는 것이다.
(x) 본 발명의 OPLCD의 또 다른 목적은 오직 세-단계의 그레이-스케일 리소그래피에 기초한 모놀리식 에칭을 이용하여, 제조하기 더 단순해진 더욱 유선형(streamline)의 구조적 형성을 이용하면서, 요구되는 기본 슈퍼모드 작동을 제공하는 향상된 위상 배열 반도체 레이저 다이오드를 제공하는 것이다.
(y) 본 발명의 OPLCD의 또 다른 목적은 VCSEL 다이오드와 다른 유사 레이저 다이오드들에 의해 아직 실현화되지 아니한 레이저 방출 파장들을 제공하기 위하여 이득 영역에 매우 다른 종류의 반도체 레이저 활성 물질들을 사용할 수 있는 광역 표면 방출 레이저 다이오드 기구들을 제공하는 것이다.
그 이상의 목적 및 이점들이 OPCLD 기술에 제공될 것이며, 여기서 OPCLD의 이득 영역, 역-반사 코너-큐브 프리즘 배열에 기초한 PCM, 다중층의 사분의 일 위상 거울-적층 어셈블리, 및 가우시안 모드 제공 곡선 모양의 레이저 방출 출력 거 울의 제조에 있어서 사용되는 다른 물질들에 대한 하나의 반도체 및/또는 광학적 물질의 선택은 특정 파장의 레이저 방출 출력에 대한 특수한 응용의 요구에 의하여 결정되는 것이며, 공동 구조 또는 어느 다른 구조적 기준에 의하여 결정되지 아니한다.
따라서, 본 발명의 OPCLD의 제조에 있어서 다른 물질들에 대하여 어느 하나의 반도체 및/또는 광학적 물질을 사용하는 선택은 오직 예로서 표현되는 것이다. 본 발명의 OPCLD 는 VCSEL에서 일반적으로 사용되는 주된 DBR을 PCM을 이루는 역-반사 코너-큐브 프리즘들로 대체하기 때문에, 에피층 증착에 유용하도록 만들어진 물질의 어떠한 반도체 체제(regime)도 사용할 수 있다.
본 발명의 OPCLD에 따라, 역-반사 육각형 구경의(hexagon apertured) 육각형(hexagonal) 모양의 코너-큐브 프리즘들의 배열로부터 형성된 PCM에 기초한 첫 번째 반사기 수단, 다수의 양자-우물과 장벽 층들로 형성된 첫 번째 이종 접합 형성 이득 영역, 다수의 사분의 일-위상 거울-쌍들로부터 형성된 DBR 기초 두 번째 반사기 수단들, 반도체 또는 광학적 물질의 단일 층으로부터 반구 곡선 모양의 레이저-방출-출력 말단 거울로 형성된 가우시안 모드 기초 세 번째 반사기 수단들을 포함하는 반도체 레이저 다이오드 구조들을 제공한다. 본 발명의 OPCLD는, PCR 내에 증폭하는 발진을 겪는 유도 방출을 모두 불안정화시키는 자발 방출, 음향적 포논들, 양자-노이즈, 이득-포화, 회절, 및 다른 내부 공동 수차 및 뒤틀림에 의한 위상 섭동들을 제거하는, 광학적 위상 공액을 제공하기 위하여 PCM을 이용하는 PCR을 포함한다. 결과적으로 단일 낮은 차수 기본 횡 공간 공동 모드로의 안정한 고전력 레이저 방출 출력 및 최근의 단일 모드 VCSEL이 제공할 수 있는 밴드 폭의 두 배인, 약 20-Gigabits/ps의 데이터 신호를 생산하는 고속 내부 모듈레이션을 초래하는 내부 공동 떨림 현상의 반전이 가능한 레이저 다이오드 구조를 얻을 수 있다.
그 외의 목적 및 이점들이 뒤이은 도면 설명들과 도면들을 참작하여 더욱 분명해질 것이다. 도면들에서, 밀접하게 연관된 도면들은 동일한 숫자를 갖지만 다른 알파벳 접미사를 가진다.
도면 1은 도핑되지 아니한 기판 부재(member), 가우시안 모드를 제공하는 곡선 모양의 레이저 방출 출력 거울, 도핑되지 아니한 에피층의 사분의 일-위상 기초 DBR 거울-적층 어셈블리, 도핑된 에피층의 이득 영역, 첫 번째 도넛 모양의 금속 접촉, 및 코너-큐브 배열에 기초한 PCM을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 첫 번째 설계 구성의 섹션 A-A의 측면도이다.
도면 2는 두 개의 금속 접촉 런 및 코너-큐브 배열에 기초한 PCM을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 첫 번째 설계 구성의 평면도(top plan view)이다.
도면 2A는 전체적으로 네모 모양의 구조, 두개의 금속 접촉 런을 더한 두개의 금속 접촉 패드, 및 코너-큐브 배열에 기초한 PCM을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 첫 번째 설계 구성의 보조 평면도이다.
도면 3은 기판 부재, 및 가우시안 모드 제공 곡선 모양의 레이저 방출 출력 거울을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 첫 번째 설계 구성의 저면도(bottom plan-view)이다.
도면 3A는 가우시안 모드를 제공하는 곡선 모양의 레이저 방출 출력 거울을 가지도록 그레이-스케일 리소그래피를 사용하여 에칭된 기판 부재를 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 첫 번째 설계 구성의 보조 저면도이다.
도면 4는 부재의 바닥 표면의 바로 바깥으로 그레이 스케일 리소그래피를 이용하여 에칭된 코너-큐브 배열에 기초한 PCM을 가지는 도핑된 반구 모양의 기판 부재, 에피층의 이득-영역, 에피층의 부분 반사 사분의 일-위상 기초 DBR 거울-적층 어셈블리, 고도로 도핑된 전류 가이딩 부재, 도넛 모양의 트렌치된(trenched) 금속 접촉, 주변의 둘러싸는 금속 접촉 고리, 및 가우시안 모드를 제공하는 곡선 모양의 레이저-방출-출력 거울을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 두 번째 설계 구성의 섹션 A-A의 측면도이다.
도면 5은 한 개의 도넛 모양의 금속 접촉, 및 가우시안 모드를 제공하는 곡선 모양의 레이저 방출 출력 거울을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 두 번째 설계 구성의 평면도이다.
도면 5A는 둥근 모양의 구조, 도넛 모양의 금속 접촉, 및 가우시안 모드를 제공하는 곡선 모양의 레이저 방출 출력 거울을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 두 번째 설계 구성의 보조 평면도이다.
도면 6은 코너-큐브 배열에 기초한 PCM을 포함하는 것을 보여주는, 본 발명 의 OPCLD의 두 번째 설계 구성의 저면도이다.
도면 6A는 둥근 모양의 구조, 주변의 둘러싸는 금속 접촉, 및 반구 모양의 코너-큐브 배열에 기초한 PCM을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 두 번째 설계 구성의 보조 저면도이다.
도면 7는 도핑되지 아니한 기판 부재, 도핑되지 아니한 프레넬 모양의 레이저 방출 출력 거울, 도핑되지 아니한 에피층의 사분의 일-위상 기초 DBR 거울-적층 어셈블리, 도핑된 에피층의 이득-영역, 첫 번째 도넛 모양의 금속 접촉, 두 번째 도넛 모양의 금속 접촉, 및 도핑되지 아니한 코너-큐브 배열에 기초한 PCM을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 세 번째 설계 구성의 섹션 A-A의 측면도이다.
도면 8은 두 개의 금속 접촉 런, 및 도핑되지 아니한 코너-큐브 배열에 기초한 PCM을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 세 번째 설계 구성의 평면도이다.
도면 8A는 전체적으로 네모(square) 모양의 구조, 두 개의 금속 접촉 런에 더한 두 개의 금속 접촉 패드 및 도핑되지 아니한 코너-큐브 배열에 기초한 PCM을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 세 번째 설계 구성의 보조 평면도이다.
도면 9는 도핑되지 아니한 기판 부재, 도핑되지 아니한 기판 부재, 프레넬 모양의 레이저 방출 출력 거울을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 세 번째 설계 구성의 저면도이다.
도면 9A는 전체적으로 네모 모양의 구조, 도핑되지 아니한 기판 부재, 프레넬 모양의 레이저 방출 출력 거울을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 세 번째 설계 구성의 보조 저면도이다.
도면 10은 도핑된 기판 부재, 도핑되지 아니한 코너-큐브 배열에 기초한 PCM, 도핑된 에피층의 이득-영역, 도핑되지 되지 아니한 에피층의 부분-반사 사분의 일-위상 기초 DBR 거울-적층 어셈블리, 고도로 ++ 도핑된 전류 가이딩 부재, 고도로 ++ 도핑된 전류 가이딩 도넛 부재, 시준 렌즈들, 트렌치 증착된 도우넛 모양의 금속 접촉, 주변의 둘러싸는 금속 고리 접촉, 및 프레넬 모양의 레이저 방출 출력 거울을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 네 번째 설계 구성의 섹션 A-A의 측면도이다.
도면 11은 도넛 모양의 금속 접촉, 및 가우시안 모드를 제공하는 프레넬 기초 레이저 방출 출력 거울을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 네 번째 설계 구성의 평면도이다.
도면 11A는 전체적으로 둥근 모양의 구조, 트렌치 증착된 도넛 모양의 금속 접촉, 및 도핑되지 아니한 가우시안 모드를 제공하는 프레넬 기초 레이저 방출 출력 거울을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 네 번째 설계 구성의 보조 평면도이다.
도면 12는 주변의 둘러싸는 금속 고리 접촉, 및 도핑되지 아니한 코너-큐브 배열에 기초한 PCM를 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 네 번째 설계 구성의 저면도이다.
도면 12A는 전체적으로 둥근(round) 모양의 구조, 도핑된 기판 부재, 및 도핑되지 아니한 코너-큐브 배열에 기초한 PCM을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 네 번째 설계 구성의 보조 저면도이다.
도면 13은 도핑된 기판 부재, 도핑된 가우시안 모드를 제공하는 프레넬 기초 레이저 방출 출력 거울, 도핑된 에피층의 활성 영역, 도핑된 에피층의 사분의 일 위상 기초 DBR 거울-적층 어셈블리, 도넛 모양의 금속 접촉, 주변의 둘러싸는 금속 접촉 고리, 및 도핑되지 아니한 코너-큐브 배열에 기초한 PCM을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 다섯 번째 설계 구성의 섹션 A-A의 측면도이다.
도면 14은 도넛 모양의 금속 접촉, 및 도핑되지 아니한 코너-큐브 배열에 기초한 PCM을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 다섯 번째 설계 구성의 평면도이다.
도면 14A는 전체적으로 둥근 모양의 구조, 도넛 모양의 금속 접촉, 주변의 둘러싸는 금속 접촉 고리 및 도핑되지 아니한 코너-큐브 배열에 기초한 PCM을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 다섯 번째 설계 구성의 보조 평면도이다.
도면 15는 도핑된 기판 부재, 주변의 둘러싸는 금속 접촉 고리, 및 도핑된 가우시안 모드를 제공하는 프레넬 기초 레이저 방출 출력 거울을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 다섯 번째 설계 구성의 저면도이다.
도면 15A는 전체적으로 둥근 모양의 구조, 주변의 둘러싸는 금속 접촉 고리, 도핑된 가우시안 모드를 제공하는 프레넬 기초 레이저 방출 출력 거울 및 하나의 금속 접촉를 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 다섯 번째 설계 구성의 보조 저면도이다.
도면 16은 도핑된 기판 부재, 도핑되지 아니한 코너-큐브 배열에 기초한 PCM, 도핑된 에피층의 이득 영역, 도핑되지 아니한 가우시안 모드를 제공하는 볼록 렌즈 모양의 DBR 기초 레이저 방출 출력 거울, 고도로 ++ 도핑된 전류 가이딩 부재, 고도로 ++ 도핑된 전류 가이딩 도넛 부재, 시준 렌즈들, 트렌치 증착된 도넛 모양의 금속 접촉, 주변의 둘러싸는 금속 접촉 고리를 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 여섯 번째 설계 구성의 섹션 A-A의 측면도이다.
도면 17은 도넛 모양의 금속 접촉, 및 도핑되지 아니한 가우시안 모드를 제공하는 볼록렌즈 모양의 DBR 기초 레이저 방출 출력 거울을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 여섯 번째 설계 구성의 평면도이다.
도면 17A는 도넛 모양의 금속 접촉, 파라미터 주변 금속 접촉 고리, 및 도핑되지 아니한 가우시안 모드를 제공하는 볼록렌즈 모양의 DBR 기초 레이저 방출 출력 거울을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 여섯 번째 설계 구성의 보조 평면도이다.
도면 18은 코너-큐브 배열에 기초한 PCM을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 여섯 번째 설계 구성의 저면도이다.
도면 18A는 코너-큐브 배열에 기초한 PCM, 및 파라미터 주변 금속 접촉 고리를 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 여섯 번째 설계 구성의 저면도이다.
도면 19는 도핑된 기판 부재, 도핑되지 아니한 코너-큐브 배열에 기초한 PCM, 도핑된 에피층의 이득 영역, 도핑되지 아니한 에피층 부-반사 사분의 일 위상 파 기초 DBR 거울-적층 어셈블리, 고도로 ++ 도핑된 반구 모양의 전류 가이딩 부재, 고도로 ++ 도핑된 전류 가이딩 도넛 모양 부재, 도핑되지 아니한 시준 렌즈들, 트렌치 증착된 도넛 모양의 금속 접촉, 주변의 둘러싸는 금속 접촉 고리, 및 가우시안 모드를 제공하는 곡선 모양의 레이저 방출 출력 거울을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 일곱 번째 및 바람직한 설계 구성의 섹션 A-A의 측면도이다.
도면 20은 도넛 모양의 금속 접촉, 및 가우시안 모드를 제공하는 곡선의 레이저 방출 출력 거울을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 일곱 번째 및 우선되는 설계 구성의 평면도이다.
도면 20A는 전체적인 원형 모양, 도넛 모양의 금속 접촉, 주변의 둘러싸는 금속 접촉 고리, 및 가우시안 모드를 제공하는 곡선의 레이저 방출 출력 거울을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 일곱 번째 및 우선되는 설계 구성의 보조 평면도이다.
도면 21은 코너-큐브 배열에 기초한 PCM을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 일곱 번째 및 바람직한 설계 구성의 저면도이다.
도면 21A는 도핑된 기판 부재, 도핑되지 아니한 코너-큐브 배열에 기초한 PCM, 도핑된 에피층의 이득 영역, 첫 번째 도핑되지 아니한 DBR 기초 거울-적층 어셈블리, 볼록 렌즈 모양의 프로파일을 갖도록 형성된 두 번째 도핑되지 아니한 DBR 에 기초한 거울-적층 어셈블리, 고도로 ++ 도핑된 반구 모양의 전류 가이딩 부재, 고도로 ++ 도핑된 전류 가이딩 도넛 모양 부재, 도핑되지 아니한 시준 렌즈들, 트렌치 증착된 도넛 모양의 금속 접촉, 주변의 둘러싸는 금속 접촉 고리, 및 가우시안 모드를 제공하는 곡선 모양의 레이저 방출 출력 거울을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 일곱 번째 및 우선되는 설계 구성의 저면도이다.
도면 22는 도핑된 기판 부재, 도핑되지 아니한 코너-큐브 배열에 기초한 PCM, 도핑된 에피층의 이득 영역, 도핑되지 아니한 에피층 평면 모양의 DBR 거울-적층 어셈블리, 프레넬 모양의 빛 발산 오목 렌즈 부재, 프레넬 모양의 빛 시준 볼록 렌즈 부재, 트렌치 증착된 도넛 모양의 금속 접촉, 주변의 둘러싸는 금속 접촉 고리, 및 가우시안 모드를 제공하는 곡선 모양의 레이저 방출 출력 거울을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 여덟 번째 설계 구성의 섹션 A-A의 측면도이다.
도면 23은 도넛 모양의 금속 접촉, 및 가우시안 모양의 모드를 제공하는 곡선 모양의 레이저 방출 출력 거울을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 여덟 번째 설계 구성의 평면도이다.
도면 23A는 도넛 모양의 금속 접촉, 주변의 둘러싸는 금속 접촉 고리, 및 가우시안 모드를 제공하는 곡선 모양의 레이저 방출 출력 거울을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 여덟 번째 설계 구성의 보조 평면도이다.
도면 24는 코너-큐브 배열에 기초한 PCM을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 여덟 번째 설계 구성의 저면도이다.
도면 24A는 주변의 둘러싸는 금속 접촉 고리, 및 코너-큐브 배열에 기초한 PCM을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 여덟 번째 설계 구성의 보조 저면도이다.
도면 25는 이득-유도된 DFB EEL 다이오드 배열, 도핑된 기판 부재, 도핑된 에피층 이득 영역, 분포 궤환을 제공하는 격자 부재, 두 개의 금속 접촉 층, 코너-큐브 배열에 기초한 PCM, 두 개의 양자 주입 영역, 및 부분-반사 편면 발광 쪼개진 단면 레이저 방출 출력 거울을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 아홉 번째 설계 구성의 측면도이다.
도면 25A는 이득-유도된 DFB EEL 다이오드 배열, 도핑된 기판 부재, 두 개의 금속 접촉 층, 코너-큐브 배열에 기초한 PCM을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 아홉 번째 설계 구성의 좌 측면도이다.
도면 25B는 도핑된 에피층의 이득 영역, 분포 궤환을 제공하는 격자 부재, 두 개의 금속 접촉 층, 두 개의 양자 주입 영역, 및 부분-반사 편면 발광 쪼개진 단면 레이저 방출 출력 거울을 포함하는 것으로 보여지는, 본 발명의 OPCLD의 아홉 번째 설계 구성의 우 측면도이다.
도면 26은 고체 구조를 설명하기 위하여 사용되는 수학적 심벌과 함께 보여지는, 단일 육각형(hexagon) 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘의 섹션 A-A의 측면도이다.
도면 26A는 각이 있는 표면 구조를 정의하는 꼭지점의 상대적으로 높고 상대적으로 낮은 위치와 함께 보여지는, 단일 육각형 모양의 코터-큐브 역-반사 프리즘 의 삼차원 입체도이다.
도면 26B는 각이 있는 표면 구조를 정의하는 꼭지점의 상대적으로 높고 상대적으로 낮은 위치와 함께 보여지는, 단일 육각형 모양의 코터-큐브 역-반사 프리즘의 평면도이다.
도면 27은 일곱 개의 육각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘들을 포함하는 것으로 보여지는, 코터-큐브 배열의 평면도이다.
도면 27A는 입사 파면의 가우시안 모양의 포락선과 함께 보여지는, 여덟 개의 육각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘들의 종방향 구조의 섹션 측면도이다.
도면 27B는 입사 파면의 가우시안 모양의 포락선과 나가는 위상-전환 유사-공액(pseudo-conjugate)이 함께 보여지는, 여덟 개의 육각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘들의 종방향 기하학적 구조의 섹션 측면도이다.
도면 28은 축을 중심으로 레이저-빔 세기 허리밴드(waistband) 분배 프로파일 및 위치와 함께 보여지는, 모두 OPCLD의 PCM을 구성하는데 사용되는 육각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘들의 고-밀도 배열의 평면도이다.
도면 29는 내부 공동 파면 2차원 평면을 OPCL의 PCM을 가로질러 전파시키고, 평탄화시키고, 시준하며, 분포시키기 위하여, OPCLD의 공동 내에 형성되도록 만들어진, 오목 열 렌즈 및 볼록 열 렌즈의 상대적인 위치와 함께 보여지는, 여덟 개의 육각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘들의 종방향 구조의 섹션 측면도이다.
도면 30은 고체 구조를 설명하기 위하여 수학적 심벌과 함께 보여지는, 단일 돔(dome) 모양의 역-반사 거울의 섹션 A-A 측면도이다.
도면 30A는 단일 돔 모양의 역-반사 구조의 3차원 입체도이다.
도면 30B는 단일 돔 모양의 역-반사 거울의 평면도이다.
도면 31은 일곱 개의 돔 모양의 역-반사 거울들을 포함하는 것을 보여주는 돔 모양의 반사기들 배열의 평면도이다.
도면 31A는 들어오는 파면의 가우시안 모양의 포락선과 함께 보여지는, 여덟 개의 돔 모양의 역-반사 거울들의 종방향 구조의 섹션 측면도이다.
도면 31B는 들어오는 파면의 가우시안 모양의 포락선 및 나가는 위상-전환 유사-공액(pseudo-conjugate)이 함께 보여지는, 여덟 개의 돔 모양의 역-반사 거울들의 종방향 구조의 섹션 측면도이다.
도면 32는 축을 중심으로 레이저-빔 세기 허리밴드 분배 프로파일 및 위치와 함께 보여지는, 모두 OPCLD의 PCM의 교차하는 버전을 이루는데 사용되는 돔 모양의 역-반사 거울들의 고밀도 배열의 평면도이다.
도면 33는 OPCLD의 공동 내에 형성되도록 만들어지고, 내부 공동 파면 2차원 평면을 OPCL의 PCM을 가로질러 전파시키고, 평탄화시키고, 시준하며, 분포시키는 데 사용되는, 오목 모양의 열 렌즈 및 볼록 모양의 열 렌즈의 상대적인 위치와 함께 보여지는, 여덟 개의 돔 모양의 역-반사 거울들의 종방향 구조의 섹션 측면도이다.
도면 34는 구조를 설명하기 위하여 사용되는 수학적 심벌과 함께 보여지는, 단일 지붕(roof) 모양의 역-반사 프리즘의 섹션 A-A 측면도이다.
도면 34A는 단일 지붕 모양의 역-반사 프리즘의 3차원 입체도이다.
도면 34B는 단일 지붕 모양의 역-반사 거울의 평면도이다.
도면 35는 열 다섯 개의 지붕 모양의 역-반사 프리즘들로 이루어진, 지붕 모양의 역-반사 배열의 평면도이다.
도면 35A는 들어오는 파면의 가우시안 모양의 포락선과 함께 보여지는, 여섯 개의 지붕 모양의 역-반사 프리즘들 배열의 종방향 구조를 설명하는데 사용되는 섹션 측면도이다.
도면 35B는 들어오는 파면의 가우시안 모양의 포락선 및 나가는 위상-전환 유사-공액(pseudo-conjugate)이 함께 보여지는, 여섯 개의 지붕 모양의 역-반사 프리즘들 배열의 종방향 구조를 설명하는데 사용되는 섹션 측면도이다.
도면 36은 축을 중심으로 레이저-빔 세기 허리밴드 분배 프로파일 및 위치와 함께 보여지는, OPCLD의 PCM의 교차하는 버전을 구성하는데 사용되는 지붕 모양의 역-반사 프리즘들의 고밀도 배열의 평면도이다.
도면 37는 OPCLD의 공동 내에 형성되도록 만들어지고, 내부 공동 파면 2차원 평면을 OPCL의 PCM을 가로질러 전파시키고, 평탄화시키고, 시준하며, 분포시키는 데 사용되는, 오목 모양의 열 렌즈 및 볼록 모양의 열 렌즈의 상대적인 위치와 함께 보여지는, 여덟 개의 돔 모양의 역-반사 배열의 종방향 구조의 섹션 측면도이다.
도면 38은 고체 구조를 설명하기 위하여 사용되는 수학적 심벌과 함께 보여지는, 단일 사각형(tetragon) 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘의 섹션 A-A 측면도 이다.
도면 38A는 단일 사각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘의 3차원 입체도이다.
도면 38B는 여섯 개의 사각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘들의 평면도이다.
도면 39는 사십 이 개의 사각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘들 배열의 평면도이다.
도면 39A는 들어오는 파면의 가우시안 모양의 포락선과 함께 보여지는, 여덟 개의 사각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘들 배열의 종방향 구조를 설명하는 섹션 측면도이다.
도면 39B는 들어오는 파면의 가우시안 모양의 포락선 및 나가는 위상-전환 유사-공액(pseudo-conjugate)이 함께 보여지는, 여덟 개의 사각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘들 배열의 종방향 구조를 설명하는 섹션 측면도이다.
도면 40은 축을 중심으로 레이저-빔 세기 허리밴드 분배 프로파일 및 위치와 함께 보여지는, OPCLD의 PCM의 교차 버전을 이루는데 사용되는 사각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘들의 고밀도 배열의 평면도이다.
도면 41은 OPCLD의 공동 내에 형성되도록 만들어지고, 내부 공동 파면 2차원 평면을 OPCL의 PCM을 가로질러 전파시키고, 평탄화시키고, 조준하며, 분포시키는 데 사용되는, 오목 모양의 열 렌즈 및 볼록 모양의 열 렌즈의 상대적인 위치와 함께 보여지는, 여덟 개의 사각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘들의 종방향 구조의 섹션 측면도이다.
도면 42는 고체 구조를 설명하기 위하여 사용되는 수학적 심벌과 함께 보여지는, 단일 원뿔(cone) 모양의 역-반사 프리즘의 섹션 A-A 측면도이다.
도면 42A는 단일 원뿔 모양의 역-반사 프리즘의 3차원 입체도이다.
도면 42B는 단일 원뿔 모양의 역-반사 프리즘의 평면도이다.
도면 43은 일곱 개의 원뿔 모양의 역-반사 프리즘들 배열의 평면도이다.
도면 43A는 들어오는 파면의 가우시안 모양의 포락선과 함께 보여지는, 여덟 개의 원뿔 모양의 역-반사 프리즘들 배열의 종방향 구조를 설명하는 섹션 측면도이다.
도면 43B는 들어오는 파면의 가우시안 모양의 포락선 및 나가는 위상-전환 유사-공액(pseudo-conjugate)이 함께 보여지는, 여덟 개의 원뿔 모양의 역-반사 프리즘들 배열의 종방향 구조를 설명하는 섹션 측면도이다.
도면 44는 축을 중심으로 레이저-빔 세기 허리밴드 분배 프로파일 및 위치와 함께 보여지는, OPCLD의 PCM의 교차 버전을 이루는데 사용되는 원뿔 모양의 역-반사 프리즘들의 고밀도 배열의 평면도이다.
도면 45는 OPCLD의 공동 내에 형성되도록 만들어지고, 내부 공동 파면 2차원 평면을 OPCL의 PCM을 가로질러 전파시키고, 평탄화시키고, 시준하며, 분포시키는 데 사용되는, 오목 모양의 열 렌즈 및 볼록 모양의 열 렌즈의 상대적인 위치와 함께 보여지는, 여섯 개의 원뿔 모양의 역-반사 프리즘들의 종방향 구조의 섹션 측면도이다.
도면 46은 고체 구조를 설명하기 위하여 사용되는 수학적 심벌과 함께 보여지는, 단일 사각형(tetragon) 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘의 섹션 A-A 측면도이다.
도면 46A는 단일 사각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘의 3차원 입체도이다.
도면 47은 고체 구조를 설명하기 위하여 사용되는 수학적 심벌과 함께 보여지는, 단일 육각형(hexagon) 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘의 섹션 B-B 측면도이다.
도면 47A는 단일 육각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘의 3차원 입체도이다.
도면 48은 열 두개의 사각형(tetragon) 모양과 일곱 개의 육각형(hexagon) 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘들의 결합된 비열의 평면도이다.
도면 48A는 한 개의 육각형 모양의 코너-큐브 및 여섯 개의 사각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘들의 평면도이다.
도면 48B는 열 개의 사각형 코너-큐브 역-반사 프리즘들의 섹션 측면도이다.
도면 49는 축을 중심으로 레이저-빔 세기 허리밴드 분배 프로파일 및 위치와 함께 보여지는, 모두 OPCLD의 PCM의 위상-고정 교차 버전을 구성하는데 사용되는, 사각형 모양의 코너-큐브 및 육각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘들의 결합된 배열 평면도이다.
도면 50은 고체 구조를 설명하기 위하여 사용되는 수학적 심벌과 함께 보여 지는, 단일 사각형(tetragon) 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘의 섹션 A-A 측면도이다.
도면 50A는 단일 사각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘의 3차원 입체도이다.
도면 51은 고체 구조를 설명하기 위하여 사용되는 수학적 심벌과 함께 보여지는, 단일 육각형(hexagon) 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘의 섹션 B-B 측면도이다.
도면 51A는 단일 육각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘의 3차원 입체도이다.
도면 52는 서른 여섯 개의 사각형(tetragon) 모양의 코너-큐브 및 한 개의 육각형(hexagon) 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘들의 결합된 배열의 평면도이다.
도면 52A는 한 개의 육각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘을 둘러싸고 있는, 열여덟 개의 사각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘들의 평면도이다.
도면 52B는 열여섯 개의 사각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘들의 섹션 측면도이다.
도면 53은 축을 중심으로 레이저-빔 세기 허리밴드 분배 위치 프로파일과 함께 보여지는, 모두 OPCLD의 PCM의 위상-고정 교차 버전을 구성하는데 사용되는, 사각형 모양의 코너-큐브 및 육각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘들의 결합된 배열 평면도이다.
도면 54는 고체 구조를 설명하기 위하여 사용되는 수학적 심벌과 함께 보여 지는, 단일 육각형(hexagon) 구경 피라미드 모양의 역-반사 프리즘의 섹션 A-A 측면도이다.
도면 54A는 단일 육각형(hexagon) 구경 피라미드 모양의 역-반사 프리즘의 3차원 입체도이다.
도면 55는 고체 구조를 설명하기 위하여 사용되는 수학적 심벌과 함께 보여지는, 단일 육각형(hexagon) 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘의 섹션 B-B 측면도이다.
도면 55A는 단일 육각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘의 3차원 입체도이다.
도면 56은 네 개의 육각형(hexagon) 모양의 코너-큐브 역반사 프리즘들, 및 세 개의 육각형(hexagon) 구경 피라미드 모양의 역-반사 프리즘들의 결합된 배열의 평면도이다.
도면 56A는 한 개의 육각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘 및 두 개의 육각형 구경 피라미드 모양의 역-반사 프리즘들의 평면도이다.
도면 56B는 열 개의 육각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘들의 섹션 측면도이다.
도면 57은 축을 중심으로 레이저-빔 세기 허리밴드 분배 프로파일 및 위치와 함께 보여지는, 모두 OPCLD의 PCM의 위상-고정 교차 버전을 구성하는데 사용되는, 결합된 육각형 구경 피라미드 모양의 역-반사 프리즘들과 육각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘들의 평면도이다.
도면 58은 고체 구조를 설명하기 위하여 사용되는 수학적 심벌과 함께 보여지는, 단일 사각형(tetragon) 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘의 섹션 A-A 측면도이다.
도면 58A는 단일 사각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘의 3차원 입체도이다.
도면 59는 고체 구조를 설명하기 위하여 사용되는 수학적 심벌과 함께 보여지는, 단일 육각형(hexagon) 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘의 섹션 B-B 측면도이다.
도면 59A는 단일 육각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘의 3차원 입체도이다.
도면 60은 세 개의 육각형(hexagon) 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘들 및 스물네 개의 사각형(tetragon) 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘들의 결합된 배열의 평면도이다.
도면 60A는 육각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘 및 열두 개의 사각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘들의 평면도이다.
도면 60B는 열 개의 육각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘들의 섹션 측면도이다.
도면 61은 축을 중심으로 레이저-빔 세기 허리밴드 분배 프로파일 및 위치와 함께 보여지는, 모두 OPCLD의 PCM의 위상-고정 교차 버전을 구성하는데 사용되는, 사각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘들과 육각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프 리즘들이 결합된 매우 큰 배열의 평면도이다.
도면 62는 고체 구조를 설명하기 위하여 사용되는 수학적 심벌과 함께 보여지는, 단일 육각형(hexagon) 구경 피라미드 모양의 역-반사 프리즘의 섹션 A-A 측면도이다.
도면 62A는 단일 육각형 구경 피라미드 모양의 역-반사 프리즘의 3차원 입체도이다.
도면 63은 고체 구조를 설명하기 위하여 사용되는 수학적 심벌과 함께 보여지는, 단일 사각형(hexagon) 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘의 섹션 B-B 측면도이다.
도면 63A는 단일 사각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘의 3차원 입체도이다.
도면 64는 세 개의 육각형(hexagon) 구경 피라미드 모양의 역-반사 프리즘들 및 스물네 개의 사각형(tetragon) 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘들의 결합된 배열의 평면도이다.
도면 64A는 단일 육각형 구경 피라미드 모양의 역-반사 프리즘 및 열두 개의 사각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘들의 평면도이다.
도면 64B는 열 개의 사각형 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘들의 섹션 측면도이다.
도면 65A는 패턴이 형성된 위상-격자 또는 회절-격자의 평면도이다.
도면 65B는 프레넬 도파로 근원에 대한 블록선도(block-diagram) 및 수학적 수식의 결합도이다.
도면 65C는 패턴이 형성된 위상-격자 또는 회절-격자의 측면도이다.
도면 66은 OPCLD의 PCM 및 레이저 방출 출력 거울 모두를 화학적으로 에칭하는 그레이-스케일 마스킹 및 광-리소그래피를 이용하여, OPCLD의 PCM 및 가우시안 모드를 제공하는 곡선 모양의 레이저 방출 출력 거울을 생성하기 위하여 이용되는 첫번째 단계를 설명하는 블록선도이다.
도면 67은 OPCLD의 PCM 및 가우시안 모드를 제공하는 곡선 모양의 레이저 방출 출력 거울을 생성하기 위하여 이용되는 두번째 단계를 설명하는 블록선도이다; 더욱이 두번째 단계는 OPCLD의 기판 웨이퍼의 표면에 존재하는 포토레지스트 물질의 마스킹되지 않은 영역을 노출시키는데 이용되는, "자외선"(Ultra Violet, UV) 광원의 사용을 포함한다.
도면 68은 OPCLD의 PCM 및 가우시안 모드를 제공하는 곡선 모양의 레이저 방출 출력 거울을 생성하기 위하여 이용되는 세번째 단계를 설명하는 블록선도이다; 더욱이 세번째 단계는 OPCLD의 PCM 및 가우시안 모드를 제공하는 곡선 모양의 레이저 방출 출력 거울을 포함하는 복잡한 삼차원의 코너-큐브 및 곡선 모양의 구조들을 형성하는 데 사용되는, 화학적 에칭의 사용을 포함한다.
도면 69는 외부 하우징(housing), 서스펜딩 및 포지션닝 렌즈들(suspending and positioning optics), 송수신 모듈, 시준 렌즈들, 빛에서 섬유로의 결합렌즈, 빛 광검출기 결합 렌즈들, 회절 렌즈들, 회로 포스트, 및 연결된 섬유 피그테일(pigtail)을 위한 내부 하우징을 포함하는, "포토 다이오드"(Photo Diode, PD)와 "광학적 위상 공액 레이저 다이오드"(Optical Phase Conjugation Laser Diode, OPCLD) 송수신기 패키지 결합의 단면 측면도이다.
도면 70은 동일한 에피택시 증착 물질로부터 함께 모노리식하게 제조된 PIN 광 검출기 및 OPCLD 송수신기 모듈 결합의 단면 측면도이다.
도면 71은 동일한 에피택시 증착 물질로부터 함께 모노리식하게 제조된 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistor) 및 OPCLD 송수신기 모듈 결합의 단면 측면도이다.
도면 72는 동일한 에피택시 증착 물질로부터 함께 모노리식하게 제조된 PIN 광 검출기 및 OPCLD 송수신기 모듈 결합의 평면도이다.
도면 73은 동일한 에피택시 증착 물질로부터 함께 모노리식하게 제조된, 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor) 및 OPCLD 송수신기 모듈 결합의 단면 측면도이다.
도면 74는 동일한 에피택시 증착 물질로부터 함께 모놀리식하게 제조되고, 도면 69의 패키지에서의 사용을 위해 최종 집적화된 회로 패키지를 형성하도록 리소그래피하게 에칭된, PIN 광 검출기, "고 전자 이동도 트랜지스터"(High Electron Mobile Transistor, HEMT), 및 OPCLD 송수신기 모듈 결합의 단면 측면도이다.
도면 75는 동일한 에피택시 증착 물질로부터 함께 모놀리식하게 제조되고, 도면 69의 패키지에서의 사용을 위해 최종 집적화된 회로 패키지를 형성하도록 리소그래피하게 에칭된, PIN 광 검출기, HEMT, 및 OPCLD 송수신기 모듈의 결합 평면도이다.
도면 19, 20, 20A, 21, 및 21A에서 보여지듯이, "광학적 위상 공액 레이저 다이오드"(OPCLD)는 본 발명의 바람직한 실시예를 보여준다. OPCLD는 OPCLD의 다중층 구조의 에피택시 성장 동안 성장 매질로서 이용되는, 상업적으로 얻어지는 반도체 기판 웨이퍼로 그 제조를 시작한다. 본 발명의 OPCLD의 바람직한 버전에서, 그레이-스케일 마스킹과 리소그래피가 OPCLD를 이루게 될 다양한 층들의 에피택시 증착을 위한 웨이퍼를 준비하는데 이용된다.
OPCLD의 이득-영역을 제조하는데 사용되는 물질로서 선택된 물질 체제에 의존하여, OPCLD를 성장시키는데 사용되는 방법은 두 개의 잘 알려진 에피택시 성장 방법들의 어느 하나가 될 것이다. 예를 들어, "금속-유기 화학 기상 증착"(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)가 상업적으로 얻어지는 인듐-포스파이드 또는 갈륨-포스파이드 기판 웨이퍼들 위에 InP 기초 에피구조들을 성장시키는데 일반적으로 사용되는 반면, "분자 빔 에피택시"(Molecular Beam Epitaxy, MBE)는 상업적으로 얻어지는 실리콘-카바이드 또는 Al2O3 기판 웨이퍼들 위에 GaN 에 기초한 에피구조들을 성장시키는데 일반적으로 사용된다.
스페이서-층들인 160 및 162 (도 19)는 그들이 어떻게 기울기가 있도록 도핑되었는가를 보여주기 위한 수단으로서 기울기가 있도록 채워졌다. 이러한 스페이서-층들에서, 밟게 칠해진 영역에서 도핑이 제일 적은데 반해, 어둡게 칠해진 영역에서 도핑이 가장 많다. 도면 19는 단일 OPCLD의 섹션 A-A 측면도이며, 이는 다음의 순서대로 증착되고 형성되는 다수의 에피층 구조를 가지는 것으로 일반적으로 구성된다.
1.) 상업적으로 얻어지는 n-도핑된 반도체 기판 층 159 (도 19)의 선택
2.) 웨이퍼는 웨이퍼의 위로 향한 표면에 Nth 개수의 반구 모양의 홈 170A(도 19, 20, 및 21)를 형성하기 위하여 그레이-스케일 마스킹과 리소그래피를 이용하여 첫번째로 에칭될 필요가 있다. 반면에 절반의 도넛 모양의 홈 170B (도 19, 20A, 및 21A)의 두번째 그룹이 웨이퍼의 아래 표면에 그레이-스케일 마스킹과 리소그래피를 이용하여 형성될 필요가 있다.
3.) 그 다음, 이미 에칭된 홈 170A, 170B는 MOCVD를 이용하여 고도로 ++ 도핑되었다는 점을 제외하고는 웨이퍼 자체를 구성하는데 사용된 물질과 동일한 반도체 물질로 채워진다.
4.) 그 후, 부풀어오름(bulges), 융기(bumps), 또는 그 외 다른 불규칙들(irregularities)이 에칭 및/또는 폴리싱을 이용하여 평평하게 매끄러워진다.
5.) 다음으로, 상기에서 처리된 기판 웨이퍼의 뒤집힌 두번째 표면 위에 소수의 고도로 도핑된 표면이 매끄러운 버퍼 층들(도면 미기재)이 에피택시 증착한다. 증착 후에, 버퍼 층들은 모두 백 옴스트롱의 전체 두께를 가지게 될 것이다.
6.) 다음으로, 첫번째 스페이서-층 160(도 19)이 에피택시 증착하며, 이는 상기 증착된 버퍼층들의 위로 향한 표면에 형성되도록 만들어지며, N 또는 P 첨가물 물질을 이용하여, 예를 들어, P 스페이서-층은 보론이나 아연과 같이 전자 받개(electron accepting) 물질을 사용하는 반면, N 스페이서-층은 실리콘이나 탄소와 같은 전자 주개(electron donating) 물질을 사용하여, 기울기가 있도록 또는 기울기가 없도록 도핑되어 증착된 구조를 가지도록 구성될 것이다.
7.) 상기 형성된 스페이서-층 160의 위로 향한 두번째 표면 위에 이득 영역 161 (도 19)이 에피택시 증착되며, 이는 단일 층 격자 정합된 P-도핑, N-도핑, 또는 도핑되지 아니한 벌크 반도체 층에 기초한 이득 영역 161, 단일 또는 다중층 구조의 응력 변형된 또는 응력 변형되지 아니한(strained or unstrained) 양자 점에 기초한 이득 영역 161, 단일 또는 다중층 구조의 응력 변형된 또는 응력 변형되지 아니한 양자 슈퍼-격자에 기초한 이득 영역 161, 단일 또는 다중층 구조의 응력 변형된 또는 응력 변형되지 아니한 양자-폭포에 기초한 이득 영역 161, 예를 들어, TAD(TAD는 트리페닐/다이아민에 통상적이다)의 30-nm 층, NAPOXA(NAPOXA는 2-naphtyl-4,5,-bis(4-methoxyphenyl)-1,3,-oxazole)의 15-nm 층, Alq의 15nm 층(Alq는 8-hydroxyquinolinato aluminum에 통상적이다) 증착으로부터 구성되며, 합성 정보를 위하여 1995년 9월 13일 출원된 A.Dodabalapur et al.의 미국특허출원 제08/673,864호를 살펴볼 수 있는, 단일 또는 다중층 구조의 "유기 발광 다이오드"(Organic-Light-Emitting-Diode, OLED)에 기초한 이득 영역 161, 또는 단일 또는 다중층 구조의 응력 변형된 또는 응력 변형되지 아니한 양자-우물에 기초한 이득 영역 161을 가지도록 구성될 것이다.
8.) 상기 형성된 이득 영역 161의 위로 향한 두번째 표면에 두번째 격자 정합된 반도체 스페이서-층 162(도 19)이 에피택시 증착되며, N 또는 P 첨가물 물질을 이용하여 기울기가 있도록 또는 기울기가 없도록 도핑된 구조를 가지도록 구성될 것이다.
9.) 상기 형성된 두번째 스페이서-층 162의 위로 향한 두번째 표면에 두번째 반사기 165 (도 19 및 도 20)가 에피택시 증착될 것이며, 이는 부분 반사를 제공하는 도핑되지 아니한 다중층의 DBR에 기초한 거울-적층 어셈블리를 가지도록 구성될 것이다.
10.) 상기 증착된 DBR에 기초한 거울-적층 어셈블리 165의 위로 향한 두번째 표면 위에 방출 층 163(도 19, 20, 및 20A)이 에피택시 증착되며, 이는 후에 리소그래피하게(즉, 그래이 스케일 마스킹과 리소그래피를 이용하여) 166 반구 모양의 164(도 19, 20, 및 20A) 가우시안 모드를 제공하는 세번째 반사기 164로 형성된다.
11.) 상업적으로 제공되는 기판 159의 첫번째 표면을 이용하여, 첫번째 반사기 168(도 19, 21, 및 21A)이 OPCLD의 광학적 위상-공액이 가능한 PCM을 제공하는, 역-반사 다면체 프리즘들 168(도 19, 21, 및 21A)의 배열로 형성된다(즉, 그레이-스케일 마스킹과 리소그래피를 이용하여).
12.) 적절한 금속 합금이 세번째 반사기의 구조층 164와 DBR에 기초한 두번째 반사기 층 165를 모두 관통하도록 이미 에칭된 원형 모양의 트렌치로 증착될 때, 첫번째 N 또는 P 저항 접촉 167 (도 19, 20 및 20A)이 형성되며, 이것은 OPCLD의 두번째 스페이서-층 162의 윗 가장 바깥쪽의 n++ 또는 p++ 도핑된 표면과 전기적 접촉을 만들어주게 될 것이다. 적절한 금속 합금이 OPCLD의 도핑된 기판 159의 바닥 가장 바깥쪽의 n++ 또는 p++ 도핑된 표면 가장자리의 전체 주변을 둘러싸도록 증착될 때, 두번째 N 또는 P 저항 접촉 170 (도 19, 20, 20A, 21 및 21A)이 형성된다.
13.) 여기서, 세번째 반사기의 가우시안 모드 164를 제공하는 형태 166 (도 19, 20), 및 첫번째 반사기의 광학적 위상-공액을 제공하는 PCM 168은, 본 발명의 OPCLD의 고전력 레이저 방출 출력(즉, 60-㎛이상의 직경을 가지는 이득 영역에서 100-mW 이상의 cw 출력을 가지는)을 가지는 낮은 차수 기본 횡 공진 모드 169 (도 19)(즉, 바람직하게 횡 모드 TEM00)를 제공하는 반구 레이저 공동을 특징짓는다.
부가적으로, 본 발명의 OPCLD를 제조하는데 사용되는 물질 구성 요소의 선택은 본 발명의 거울 구조들 또는 그 외 다른 구조들에 의하여 결정되는 것이 아니며, 대신에 응용에 특수한 어느 특정 파장에 의하여 결정된다. 이하에서, 1.310-㎛, 1.490-㎛, 및 1.550-㎛ 레이저 방출 출력을 제공하도록 특별히 조절된 물질의 InGaAsP/InP 체제를 이용하여, 본 발명의 OPCLD의 장파장 버전을 생성하기 위하여 필요한 모든 특수한 층들의 에피택시 증착 및 구조 형성 공정들을 오름 순서로 열거하였다.
더욱이, 물질 증착과는 거의 완전히 무관하게, 구조 형성은 때때로 다양한 비연속적 순서의 공정을 나타낸다. 이와 무관하게, 바람직한 본 발명의 실시예의 생성을 가장 잘 설명하는 공정의 순서를 이용하여, OPCLD를 제조하는데 필요한 구조-형성 공정들을 이하에서 열거하였다. 본 발명의 OPCLD의 장파장 버전을 제조하는데 사용되는 단계들은 특수하고, 제조 물질로써 InGaAsP, InP, GaP를 이용하여 다수의 층들을 에피택시 증착하기 위하여 MOCVD의 사용을 필요로 할 것이며, 부가적으로 상기 증착된 InGaAsP, InP, GaP 층들을 레이저를 생성하는 "위상 공액 공진기"(Phase Conjugation Resonator)에 기초한 공동 구조로 에칭하기 위하여 그레이-스케일 포토-마스킹과 리소그래피의 사용을 필요로 할 것이다. 이러한 단계들은 이하 열거한 단계들을 포함한다:
1.) 상업적으로 얻어지는 도핑된 InP 기판-웨이퍼 59(도19); InP와 동일한 이원(binary) 반도체 조성, 본 발명의 OPCLD를 형성하도록 결합될 때 다양한 층들의 에피택시 성장을 촉진하는 큰 격자-정합된 표면 성장 영역, <100>의 결정학적 방향을 나타내는 표면-영역, 대략 3.0-in, 5.0-in 또는 8.0-in의 웨이퍼 직경, 대략 625-㎛의 웨이퍼 두께, 300K에서 1.35eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/ Eg =0.92-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 3.17의 높은 굴절률을 제공한다.
2.) 주입된 캐리어 유도 열 렌즈를 가진 OPCLD를 제공하기 원한다며, N 도핑된 InP 기판-웨이퍼 159 (도 19)에 세가지 에칭을 수행할 필요가 있을 것이다. 더욱이, 그레이-스케일 마스킹과 리소그래피를 이용하여, 첫번째 에칭은 첫번째 반구 모양의 렌즈 프로파일 170A (도 19)를 제공하기 위하여 N 도핑된 InP 기판-웨이퍼 159 (도 19)의 위로 향한 표면에 수행되며, 두번째 에칭은 두번째 반구 모양의 렌즈 프로파일 170C (도 19)를 제공하기 위하여 N 도핑된 InP 기판-웨이퍼 159 (도 19)의 아래로 향한 표면에 수행되고, 세번째 에칭은 도넛 모양의 렌즈 프로파일 170B (도 19)를 제공하기 위하여 N 도핑된 InP 기판-웨이퍼 159 (도 19)의 아래로 향한 표면에 다시 수행된다.
3.) 주입된 캐리어 유도 열 렌즈를 가진 OPCLD를 제공하기 원한다면, 고도로 n++ 도핑된 InP 포함 물질을 첫번째 반구 모양의 렌즈 프로파일 170A (도 19), 및 도넛 모양의 렌즈 프로파일 170B (도 19)에, 상기 에칭된 프로파일이 모두 고도로 n++ 도핑된 InP 물질로 완전히 채워질 때까지, 에피택시 증착할 필요가 있을 것이다. 또한, 도핑되지 아니한 InP 물질을 상기 에칭된 두번째 반구 모양의 렌즈 프로파일 170C (도 19)에 에피택시 증착할 필요가 있을 것이며, 한편 모든 세 개 프로파일에 있어서, 어떠한 증착 물질 초과량이 당업자에 의해 잘 알려진 방법을 이용하여 2차원의 평탄한 표면을 형성하기 위하여 에칭되거나 폴리싱되어 제거될 수 있다.
4.) 그러나, 비-열렌즈(non-thermal lens) 솔루션을 가지는 OPCLD 를 제공하기 원한다면, N 도핑된 InP 기판-웨이퍼 171 (도 22)에 두 가지의 에칭을 수행할 필요가 있을 것이다. 더욱이, 그레이-스케일 마스킹과 리소그래피를 이용하여, 첫번째 에칭은 첫번째 프레넬 모양의 렌즈 프로파일 183 (도 22)를 제공하기 위하여 N 도핑된 InP 기판-웨이퍼 171 (도 22)의 위로 향한 표면에 수행되며, 반면에 두번째 에칭은 두번째 프레넬 모양의 렌즈 프로파일 182 (도 22)를 제공하기 위하여 N 도핑된 InP 기판-웨이퍼 171 (도 22)의 아래로 향한 표면에 수행된다.
5.) 그러나, 비-열렌즈(non-thermal lens) 솔루션을 가지는 OPCLD를 제공하는 것을 계속하기 원한다면, 그 다음으로 도핑되거나 또는 도핑되지 아니한 InP 물질을 첫번째 상기 에칭된 프레넬 모양의 렌즈 프로파일 183 (도 22), 및 두번째의 상기 에칭된 프레넬 모양의 렌즈 프로파일 182 (도 22)에, 양 에칭된 프로파일이 모두 도핑되거나 또는 도핑되지 아니한 InP 물질로 완전히 채워질 때까지, 에피택시 증착할 필요가 있을 것이며, 한편 양 렌즈 프로파일에 있어서, 어떠한 초과된 증착 물질도 당업자에 의해 잘 알려진 방법을 이용하여 두 개의 평행한 2차원의 평탄한 표면을 형성하기 위하여 에칭되거나 폴리싱되어 제거될 수 있다.
6.) 모두 100 옴스트롱 두께의 단일 층을 이루게 될, 여러개의 N 도핑된 InP 버퍼 층들이 에피택시 증착된다.
7.) 첫번째 N 도핑된 InP 스페이서-층 160 (도 19)의 에피택시 증착; InP의 이원 반도체 조성, 300-nm의 증착 두께, (n+)1-3E18 에서 (N)1-3E16 까지 선형 기울기를 가지는 실리콘 첨가물, 300K에서 1.35eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/ E g =0.92-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 3.17의 높은 굴절률을 제공한다.
8.) 첫번째 도핑되지 아니한 InGaP 장벽 층의 에피택시 증착; MQW 포함 이득 영역 161(도 19), In0 .9Ga0 .1P의 신장성 있는 응력 변형된 3원 반도체 조성, 및 7-nm의 증착 두께를 제공한다.
9.) 도핑되지 아니한 InrGa1 - rAs1 - sP 양자-우물 층의 에피택시 증착; MQW 포함 이득 영역 161 (도 19)에 증착된 첫번째 에피층, In0 .76Ga0 .24As0 .82P0 . 18 의 4원 반도체 조성, 7-nm의 증착 두께, 1% 압축 변형도(compressive strain); 300K에서 1.1eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/ E g =1.548-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 3.23의 굴절률을 제공한다.
10.) 도핑되지 아니한 InrGa1 - rAs1 - sP 장벽 층의 에피택시 증착; MQW 포함 이득 영역 161 (도 19)에 증착된 두번째 에피층, In0 .80Ga0 .20As0 .43P0 .57의 응축 변형되지 아니한 4원 반도체 조성, 7-nm의 증착 두께, 300K에서 1.1eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/E g =1.180-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 3.23의 굴절률을 제공한다.
11.) 도핑되지 아니한 InrGa1 - rAs1 - sP 양자-우물 층의 에피택시 증착; MQW 포함 이득 영역 161 (도 19)에 증착된 세번째 에피층, In0 .76Ga0 .24As0 .82P0 .18의 4원 반도체 조성, 7-nm의 증착 두께, 1%의 압축 변형도, 300K에서 1.1eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/ E g =1.548-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 3.23의 굴절률을 제공한다.
12.) 도핑되지 아니한 InrGa1 - rAs1 - sP 장벽 층의 에피택시 증착; MQW 포함 이득 영역 161 (도 19)에 증착된 네번째 에피층, In0 .80Ga0 .20As0 .43P0 .57의 응축 변형되지 아니한 4원 반도체 조성, 7-nm의 증착 두께, 300K에서 1.1eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/E g =1.180-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 3.23의 굴절률을 제공한다.
13.) 도핑되지 아니한 InrGa1 - rAs1 - sP 양자-우물 층의 에피택시 증착; MQW 포함 이득 영역 161 (도 19)에 증착된 다섯번째 에피층, In0 .76Ga0 .24As0 .82P0 .18의 4원 반도체 조성, 7-nm의 증착 두께, 1%의 압축 변형도, 300K에서 1.1eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/ E g =1.548-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 3.23의 굴절률을 제공한다.
14.) 도핑되지 아니한 InrGa1 - rAs1 - sP 장벽 층의 에피택시 증착; MQW 포함 이득 영역 161 (도 19)에 증착된 여섯번째 에피층, In0 .80Ga0 .20As0 .43P0 .57의 응축 변형되지 아니한 4원 반도체 조성, 7-nm의 증착 두께, 300K에서 1.1eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/ E g =1.180-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 3.23의 굴절률을 제공한다.
15.) 도핑되지 아니한 InrGa1 - rAs1 - sP 양자-우물 층의 에피택시 증착; MQW 포함 이득 영역 161 (도 19)에 증착된 일곱번째 에피층, In0 .76Ga0 .24As0 .82P0 .18의 4원 반도체 조성, 7-nm의 증착 두께, 1%의 압축 변형도, 300K에서 1.1eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/ E g =1.548-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 3.23의 굴절률을 제공한다.
16.) 도핑되지 아니한 InrGa1 - rAs1 - sP 장벽 층의 에피택시 증착; MQW 포함 이득 영역 161 (도 19)에 증착된 여덟번째 에피층, In0 .80Ga0 .20As0 .43P0 .57의 응축 변형되지 아니한 4원 반도체 조성, 7-nm의 증착 두께, 300K에서 1.1eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/ E g =1.180-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 3.23의 굴절률을 제공한다.
17.) 도핑되지 아니한 InrGa1 - rAs1 - sP 양자-우물 층의 에피택시 증착; MQW 포함 이득 영역 161 (도 19)에 증착된 아홉번째 에피층, In0 .76Ga0 .24As0 .82P0 .18의 4원 반도체 조성, 7-nm의 증착 두께, 1%의 압축 변형도, 300K에서 1.1eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/ E g =1.548-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 3.23의 굴절률을 제공한다.
18.) 도핑되지 아니한 InrGa1 - rAs1 - sP 장벽 층의 에피택시 증착; MQW 포함 이득 영역 161 (도 19)에 증착된 열번째 에피층, In0 .80Ga0 .20As0 .43P0 .57의 응축 변형되지 아니한 4원 반도체 조성, 7-nm의 증착 두께, 300K에서 1.1eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/E g =1.180-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 3.23의 굴절률을 제공한다.
19.) 도핑되지 아니한 InrGa1 - rAs1 - sP 양자-우물 층의 에피택시 증착; MQW 포함 이득 영역 161 (도 19)에 증착된 열한번째 에피층, In0 .76Ga0 .24As0 .82P0 .18의 4원 반도체 조성, 7-nm의 증착 두께, 1%의 압축 변형도, 300K에서 1.1eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/ E g =1.548-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 3.23의 굴절률을 제공한다.
20.) 도핑되지 아니한 InrGa1 - rAs1 - sP 장벽 층의 에피택시 증착; MQW 포함 이득 영역 161 (도 19)에 증착된 열두번째 에피층, In0 .80Ga0 .20As0 .43P0 .57의 응축 변형되지 아니한 4원 반도체 조성, 7-nm의 증착 두께, 300K에서 1.1eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/ E g =1.180-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 3.23의 굴절률을 제공한다.
21.) 도핑되지 아니한 InrGa1 - rAs1 - sP 양자-우물 층의 에피택시 증착; MQW 포함 이득 영역 161 (도 19)에 증착된 열세번째 에피층, In0 .76Ga0 .24As0 .82P0 .18의 4원 반도체 조성, 7-nm의 증착 두께, 1%의 압축 변형도, 300K에서 1.1eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/ E g =1.548-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 3.23의 굴절률을 제공한다.
22.) 두번째 도핑되지 아니한 InGaP 장벽 층의 에피택시 증착; MQW 포함 이득 영역 161(도 19), In0 .9Ga0 .1P의 신장성 있는 응력 변형된 3원 반도체 조성, 및 7-nm의 증착 두께를 제공한다.
23.) 두번째 도핑된 InP 스페이서-층 162 (도 19)의 에피택시 증착; InP의 이원 반도체 조성, 300-nm의 증착 두께, (P)2-4E16 에서 (p+)2-4E20 까지 선형 기울기를 가지는 탄소 첨가물, 300K에서 1.35eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/ E g =0.92-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 3.17의 높은 굴절률을 제공한다.
24.) 도핑되지 아니한 AlxGayInzAs 거울-적층-층 165 (도 19)의 에피택시 증착; Al0 .05Ga0 .42In0 .53As의 3원 반도체 조성, DBR 포함 두번째 반사기에 증착된 첫번째 에피층, λ/(4n)s=102-nm의 증착 두께, 300K에서 1.35eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/E g =0.92-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 1.68의 낮은 굴절률을 제공한다.
25.) 도핑되지 아니한 InP 거울 적층 층 165 (도 19)의 에피택시 증착; DBR 포함 두번째 반사기에 증착된 두번째 에피층, λ/(4n)s=122-nm의 증착 두께, 300K에서 1.35eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/ E g =0.92-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 3.17의 높은 굴절률을 제공한다.
26.) 도핑되지 아니한 AlxGayInzAs 거울 적층 층 165 (도 19)의 에피택시 증착; Al0 .05Ga0 .42In0 .53As의 3원 반도체 조성, DBR 포함 두번째 반사기에 증착된 세번째 에피층, λ/(4n)s=102-nm의 증착 두께, 300K에서 1.35eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/E g =0.92-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 1.68의 낮은 굴절률을 제공한다.
27.) 도핑되지 아니한 InP 거울 적층 층 165 (도 19)의 에피택시 증착; DBR 포함 두번째 반사기에 증착된 네번째 에피층, λ/(4n)s=122-nm의 증착 두께, 300K에서 1.35eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/ E g =0.92-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 3.17의 높은 굴절률을 제공한다.
28.) 도핑되지 아니한 AlxGayInzAs 거울 적층 층 165 (도 19)의 에피택시 증착; Al0 .05Ga0 .42In0 .53As의 3원 반도체 조성, DBR 포함 두번째 반사기에 증착된 다섯번째 에피층, λ/(4n)s=102-nm의 증착 두께, 300K에서 1.35eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/E g =0.92-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 1.68의 낮은 굴절률을 제공한다.
29.) 도핑되지 아니한 InP 거울 적층 층 165 (도 19)의 에피택시 증착; DBR 포함 두번째 반사기에 증착된 여섯번째 에피층, λ/(4n)s=122-nm의 증착 두께, 300K에서 1.35eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/ E g =0.92-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 3.17의 높은 굴절률을 제공한다.
30.) 도핑되지 아니한 AlxGayInzAs 거울 적층 층 165 (도 19)의 에피택시 증착; Al0 .05Ga0 .42In0 .53As의 3원 반도체 조성, DBR 포함 두번째 반사기에 증착된 일곱번째 에피층, λ/(4n)s=102-nm의 증착 두께, 300K에서 1.35eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/E g =0.92-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 1.68의 낮은 굴절률을 제공한다.
31.) 도핑되지 아니한 InP 거울 적층 층 165 (도 19)의 에피택시 증착; DBR 포함 두번째 반사기에 증착된 여덟번째 에피층, λ/(4n)s=122-nm의 증착 두께, 300K에서 1.35eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/ E g =0.92-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 3.17의 높은 굴절률을 제공한다.
32.) 도핑되지 아니한 AlxGayInzAs 거울 적층 층 165 (도 19)의 에피택시 증착; Al0 .05Ga0 .42In0 .53As의 3원 반도체 조성, DBR 포함 두번째 반사기에 증착된 아홉번째 에피층, λ/(4n)s=102-nm의 증착 두께, 300K에서 1.35eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/E g =0.92-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 1.68의 낮은 굴절률을 제공한다.
33.) 도핑되지 아니한 InP 거울 적층 층 165 (도 19)의 에피택시 증착; DBR 포함 두번째 반사기에 증착된 열번째 에피층, λ/(4n)s=122-nm의 증착 두께, 300K에서 1.35eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/ E g =0.92-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 3.17의 높은 굴절률을 제공한다.
34.) 도핑되지 아니한 AlxGayInzAs 거울 적층 층 165 (도 19)의 에피택시 증착; Al0 .05Ga0 .42In0 .53As의 3원 반도체 조성, DBR 포함 두번째 반사기에 증착된 열한번째 에피층, λ/(4n)s=102-nm의 증착 두께, 300K에서 1.35eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/E g =0.92-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 1.68의 낮은 굴절률을 제공한다.
35.) 도핑되지 아니한 InP 거울 적층 층 165 (도 19)의 에피택시 증착; DBR 포함 두번째 반사기에 증착된 열두번째 에피층, λ/(4n)s=122-nm의 증착 두께, 300K에서 1.35eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/ E g =0.92-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 3.17의 높은 굴절률을 제공한다.
36.) 도핑되지 아니한 AlxGayInzAs 거울 적층 층 165 (도 19)의 에피택시 증착; Al0 .05Ga0 .42In0 .53As의 3원 반도체 조성, DBR 포함 두번째 반사기에 증착된 열세번째 에피층, λ/(4n)s=102-nm의 증착 두께, 300K에서 1.35eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/E g =0.92-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 1.68의 낮은 굴절률을 제공한다.
37.) 도핑되지 아니한 InP 거울 적층 층 165 (도 19)의 에피택시 증착; DBR 포함 두번째 반사기에 증착된 열네번째 에피층, λ/(4n)s=122-nm의 증착 두께, 300K에서 1.35eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/ E g =0.92-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 3.17의 높은 굴절률을 제공한다.
38.) 도핑되지 아니한 AlxGayInzAs 거울 적층 층 165 (도 19)의 에피택시 증착; Al0 .05Ga0 .42In0 .53As의 3원 반도체 조성, DBR 포함 두번째 반사기에 증착된 열다섯번째 에피층, λ/(4n)s=102-nm의 증착 두께, 300K에서 1.35eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/E g =0.92-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 1.68의 낮은 굴절률을 제공한다.
39.) 도핑되지 아니한 InP 거울 적층 층 165 (도 19)의 에피택시 증착; DBR 포함 두번째 반사기에 증착된 열여섯번째 에피층, λ/(4n)s=122-nm의 증착 두께, 300K에서 1.35eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/ E g =0.92-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 3.17의 높은 굴절률을 제공한다.
40.) 도핑되지 아니한 AlxGayInzAs 거울 적층 층 165 (도 19)의 에피택시 증착; Al0 .05Ga0 .42In0 .53As의 3원 반도체 조성, DBR 포함 두번째 반사기에 증착된 열일곱번째 에피층, λ/(4n)s=102-nm의 증착 두께, 300K에서 1.35eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/E g =0.92-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 1.68의 낮은 굴절률을 제공한다.
41.) 도핑되지 아니한 AlxGayInzAs 방출 거울 층 165 (도 19)의 에피택시 증착; Al0 .05Ga0 .42In0 .53As의 3원 반도체 조성, 가우시안 모드 방출을 제공하는 세번째 반사기로서 사용되기 위하여 증착된 에피층, λ/(4n)s=300-nm의 증착 두께, 300K에서 1.35eV의 에너지 밴드갭, λ=ch/ E g =0.92-㎛ 방출, 1.550-㎛의 진공 파장, 및 1.68의 낮은 굴절률을 제공한다.
42.) 그레이 스케일 마스킹과 리소그래피를 이용하여, 다음으로 "위상 공액 거울"(PCM) 168 (도 19, 21, 및 21A)이라고 불리우며, 수백개의 개별적인 코너-큐브 프리즘 구성요소들 198 (도 26, 26A, 26B, 및 27)을 포함하게 될, 육각형 구경의 코너-큐브 모양의 역 반사 프리즘 구성요소들(예를 들어, 바람직하게 각각의 프리즘 구성요소는 요구되는 레이저 방출 파장에서 각각의 요소를 제조하는데 사용되는 물질의 굴절률을 뺀 값과 동일하거나 약간 작은 구경 직경을 갖는다)의 간섭성 배열을 형성하게 될 것이다.
43.) 그레이 스케일 마스킹과 리소그래피를 이용하여, 다음으로 반구 모양의 가우시안 모드를 제공하는 레이저 방출 출력 거울 164과 166 (도 19, 20, 및 20A)를 제공하기 위하여 사용될, 도핑되지 아니한 AlxGayInzAs 레이저 방출 출력 거울 층 165 (도 19, 20, 및 20A)을 형성하게 될 것이다.
44.) OPCLD의 반구 모양의 가우시안 모드를 제공하는 레이저 방출 출력 거울 164 및 166 (도 19, 20, 및 20A)의 윗 가장 바깥쪽 표면에 Al/Pt/Ag/Au 어느 하나를 전자 빔 증발 증착(E-Beam evaporated deposition)하며, 이것은 낮은 차수 기본 횡 공간 공동 모드 (즉, TEM00) 고전력 레이저 방출 출력의 부분 반사와 부분 전송을 제공하는 부분 반사하는 얇은 금속 층 164 (도 19, 20, 및 20A) 를 형성할 것이다.
45.) Ti/Ni/Au 전극 층 167 및 170 (도 19, 20, 20A, 21, 및 21A)의 전자 빔 증발 증착; 150-Å의 증착 두께, OPCLD의 기판 층 159 (도 19), 171 (도 22)의 전체 바닥 주변의 표면 영역을 둘러싸게 증착된 N 저항 접촉 층 170, 및 OPCLD의 P 도핑된 두번째 스페이서-층 162 (도 19)의 윗 가장 바깥쪽 표면을 드러내기 위하여, OPCLD의 두번째와 세번째 거울 모두를 통과하도록 이전에 에칭된 원형의 트렌치에 증착된 P 저항 접촉 층 167을 제공한다; 여기서, N과 P 저항 접촉 층 170, 167은 OPCLD의 이득 영역 160, 161, 162 (도 19), 172, 173, 174 (도 22)의 전기적 펌핑을 제공할 것이다.
이하에서 기술되는 바람직한 실시예는 위상 섭동 및 파면 왜곡을 보상하고 수정하는데 사용되는 PCM 168 (도 19, 21, 및 21A)을 포함하는, PCR에 기초한 광역 반도체 레이저 다이오드를 일반적으로 포함한다. 더욱이, 바람직하게는 반사하는, 그리고 대안적으로 전달하는, PCR의 광학적 구성 요소 163 (도 19, 20, 및 20A)은, 입사 빔에 대한 가우시안 모드를 제공하도록 바람직하게 형성된 평면이 아닌 표면 윤곽을 가진다. 본 발명의 OPCLD의 조절 가능한 버전의 경우, 그러한 요소는 밴드폭을 재형성하기 위하여 조정될 수 있다. 더욱 상세한 내용을 위하여는, 하기의 '부가적인 실시예들' 부분을 살펴본다.
더욱이, 바람직한 실시예는 바람직하게는 그 중심이 요구되는 하나의 레이저 방출 파장에서 각각의 요소를 제조하는데 사용되는 물질의 굴절률을 뺀 것과 동일하거나 약간 더 작은 직경에 의해서 분리되는, 육각형 모양의 구경을 가지는, 코터-큐브 구성 요소들의 역-반사 간섭성 배열의 이용을 기술한다. 바람직하게는, 각각의 코너-큐브 역-반사 프리즘 구성요소들은, 요구되는 레이저 방출에서 각각의 코너-큐브 구성 요소를 제조하는데 사용되는 물질의 굴절률을 뺀 것과 동일하거나 약간 더 작은 육각형 구경 직경 수치를 가진다.
더욱이, 역-반사 코너-큐브 배열은 동일한 곡률 110 (도 4)을 가지거나, 또는 바람직하게는 2차원의 평평한 모양 168 (도 19)을 가진다. 더욱 바람직한 2차원의 평평한 모양의 PCM에서, 빔 확장기 170A (도 19)과 183 (도 22)은 역-반사 코너-큐브 배열 168 이전에 파면 곡률을 줄이는데 사용된다. 더욱이, 역-반사 코너-큐브 배열은 개조할 수 있는 MOEMS에 기초한 가우시안 모드를 제공하는 레이저 방출 출력 거울 164 (도 19)과 관련하여 과도 파면 왜곡(transient wavefront distortion)을 수정하는데 사용된다. 여기서, 프로세서와 탐지기 및 바람직하게는 분광계를 포함하는 피드백 루프는, 예를 들어 MEMS 또는 MOEMS 기술을 사용하여 구성요소 164의 표면 외곽 또는 곡률을 조절함으로써, 개조할 수 있는 광학적 구성요소 164 (도 19)의 파면 왜곡 수정을 조절하는데 사용된다.
더욱이, 이러한 바람직한 실시예들이 비록 반도체 광역 수직 공진형 표면 방출 레이저 다이오드의 유리한 사용에 계획된 것이기는 하지만, 다른 반도체 레이저 다이오드에의 적용도 이들 바람직한 실시예들을 이용하여 이득을 얻을 것이다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 파면 보정을 제공하는 세 가지 일반적인 방법들이 있으며, 이것들은 도면 19, 20, 20A, 21, 및 21B에서 보여지는 세 가지의 반사 요소들에 의해서 설명된다. 그것들은 (a) MOEMS에 강화된 변형가능한(즉, 두 개의 나머지 반사기 배열들인 (b) 또는 (c)와 협력사여 사용되는) 거울 164 , 166과 같은 적응 가능한 광학적 구성요소들을 사용한다.
게다가, MOEMS에 강화된 변형가능한 거울 164는 요구되는 거울 곡률을 가진 고체 물질의 말단을 형성하고 그 말단을 HR 코팅함으로써 제조된다. 그러한 경우, 전체 거울 곡률은 양 거울들 사이에서 분배될 수 있다. 말단 사이에 광학적 거리는 예를 들어 기계적으로 또는 열적으로 조절된다. 더욱이, 평평한 첫번째 거울 구조 및/또는 굴절 거울 구조 164는 예를 들어, 조절 가능한 패스 밴드를 가진 조절가능한 필터를 제공하기 위하여, MOEMS 기술을 이용하여 Z축 방향으로 구부러지거나 움직일 수 있다.
일반적으로, 모드의 세기 1/e2 직경에 의해 정의되는 가장 낮은 차수 모드에 대한 모드 필드 직경은 일반적으로 거울의 중심 부분 내에 일반적으로 일치한다. 일반적으로, 모드 필드 1/e2 직경의 거울 FWHM의 직경 w에 대한 비율은 약 0.5보다 약간 더 크며, 일반적으로 0.7보다 더 크다. 더욱이, 단일 모드 공진기들에 대하여, 비율은 일반적으로 0.9 내지 1.2보다 크며, 또는 그 이상이다.
반대로, 더 높은 차수 모드의 모드 필드 직경은 안정할 때 마이너스 곡률 부분까지 확장되며, 광학적 곡률을 가진 영역을 둘러싸고 있는 평평한 부분까지 확장할 수 있다. 이것은 결국 그 모드에 대해서 공동을 불안정하게 한다. 이러한 방식으로 발명은 위상 프로파일링 또는 위상 구경을 이용한다. 더욱이, 높은 차수 모드를 불안정하게 만드는 반면, 가장 낮은 차수의 모드를 우선적으로 보존하기 위하여 위상 편차가 횡 평면에 걸쳐 도입된다.
일반적으로, FP 필터 내에 스페이서 장치는 페브리-페로(FP) 필터 광 공동을 특징짓기 위하여 멤브레인 장치로부터 거울 장치를 분리한다. 더욱이, 광학적 멤브레인 장치는 지지(support)로서 작용하는 핸들 물질(handle material)을 포함한다. 더욱이, 광학적 멤브레인 또는 장치 층은 상기 기술한 지지 물질에 더해져야 할 필요가 있다. 반면에, 상기 기술한 멤브레인 구조는 상기 기술한 광학적 멤브레인 층 내에 형성될 필요가 있다. 또한, 절연 층은 광학적 멤브레인 층을 지지 물질로부터 분리할 필요가 있다.
또한, 제조하는 동안, 상기 기술한 절연 층은, 상기 언급한 멤브레인 구조를 상기기 언급한 지지 물질로부터 놓아주기(release) 위하여 부분적으로 제거된, 희생/방출 층 (sacrificial/ release layer)으로서 또한 작용한다. 더욱이, 절연 층은 상기 언급한 멤브레인 구조와 핸들 웨이퍼 사이에 정전기적 공동(electrostatic cavity)을 특징짓는다. 또한, 전기장이 상기 공동에 걸쳐 형성될 때, 빛을 반사하는 멤브레인 면 외(out of plane)를 구부리는데 필요한 힘을 제공하며, 따라서 광학적 공동 크기의 조정을 통하여 (FP) 필터를 조절한다.
더욱이, 도 19, 20, 및 20A에서 볼 수 있듯이, 역-반사기 배열 (b) 은 도 19, 21, 21A, 22, 24 및 24A에서 나타난 것들과 같이, 평면 고정된 역-반사 코터-큐브 배열에 기초한 PCM 168, 181을 사용한다. 반면에, 역-반사기 배열(c)는 도 4에 나타난 것과 같이, 구부러진 비평면에 고정된 역-반사 코터-큐브 배열에 기초한 PCM 110을 사용한다. 부가적으로, 통상적인 거울, 위상-공액 거울, 또는 유사(pseudo) 위상-공액 역-반사 배열에 기초한 PCM 어느 하나에 의해 반사되어질 때, 반사가 입사 파면에 미치는 효과는 H.H. Barrett과 S.F. Jacobs의 Opt. Lett. 4, (1979), 190에서 자세히 기술되어 있다. 더욱이, 역-반사 배열이 사용된다면, 균일한 곡률 110 (도 4)을 가지거나 또는 그렇지 않다면 평면 형태 168 (도 19, 21, 및 21A)를 갖게 될 것이다. 이러한 경우, 역-반사 배열은 과도 파면 왜곡(transient wavefront distortion)을 수정하는데 사용될 때, 빔 확장기 170A (도 19), 183 (도 22)은 역-반사 배열 이전에 입사 파면 곡률을 줄이는데 사용된다. 더욱이, 프로세서와 탐지기를 포함하는 피드백 루프는, 예를 들어 구성요소 164의 표면 외곽 또는 곡률을 조절함으로써, 어댑터블 광학적 구성요소 163, 164 (도 19)의 파면 왜곡 수정을 조절하는데 사용될 수 있다.
더욱이, 도 27A 및 27B에서 나타나듯이, 유사 위상-공액 역-반사 배열에 기초한 PCM에 있어서, 입사 파면 202에서는, 즉, 유사 위상-공액 거울 200으로부터의 반사 이전에, 파고점이 베이스를 이끄는 반면, 동일 위상의 반사된 파면에서 파면의 베이스가 반사된 파면의 파고점(crest)을 이끈다. 더욱이, 도 27B는 역-반사 배열 200에서의 파면 입사 202(역 반사 배열 200을 향하게 가리키는 화살표 201에 의해 표시된), 및 (역 반사 배열 200으로부터 멀어지도록 가리키는 화살표 206에 의해 표시된) 역 반사 배열 200으로부터의 반사 후 파면 205를 더욱 보여준다.
또한, 반사된 파면의 단편 204는 통상적인 거울로부터 반사되면, 파면 단편 204와 관련되어 있는 것으로 보이는 커브 205에서 나타나듯이, 일반적으로 상관성 있게 파면의 모양에 합치되는 반면, 도 27A에서 나타나듯이, 파면의 단편 204는 역-반사 배열 200의 대응하는 육각형 구경의 코너-큐브들 198 (도 26, 26A, 및 26B)로부터 발생하는 트리플-반사로 인하여 위상 공액된다. 더욱이, 그와 같이, 입사 파면 207에서, 즉 역-반사 배열 200으로부터 반사되기 이전에, 파면 베이스가 파면 파고점을 이끄는 것과 대략 동일한 위상으로 반사된 파면 205에서 파면의 베이스가 파면의 파고점을 이끈다.
더욱 자세하게는, 유사 위상-공액 역-반사 코너-큐브 배열에 있어서, 각각의 인접하는 208 (도 27B) 코너-큐브 단편 168 (도 19), 181 (도 22)는 실질상 평면인 기판 159 (도 19), 174 (도 22)를 따라 배열된다. 여기에서, 도 27A 및 27B 모두 입사 파면 202, 207 (거울 200을 향하여 오른쪽을 가리키는 화살표 206에 의해서 표시되는)과 반사된 파면 205(거울 200으로부터 멀어지도록 왼쪽을 가리키는 화살표에 의해서 표시되는)를 각각 나타내고 있다. 또한, 도 27B에서 나타나듯이, 입사 207와 반사된 파면 205 을 따라 접점 208(즉, 각각의 한정된 코너-큐브 프리즘 203의 상대적인 광학적 경계 208)의 상대적인 위상 204는 PCM 200으로부터 반사에 의하여 동일하게 교란되지 아니한다. 더욱이, 상세하게 설명하기 위하여, 간단하게, kout=-kin으로 기술될 수 있는, 진정한 위상 공액 거울로부터의 반사에서 반사된 파면 207의 베이스가 반사된 파면 207의 파고점을 이끄는 반면에, 입사 파면 202의 파고점이 입사 파면 202의 베이스를 이끌 때 보여질 수 있는, 진정한 광학적 위상 공액을 먼저 살펴본다. 통상적인 거울에서의 파면 반사는
Figure 112007070208053-pct00006
과
Figure 112007070208053-pct00007
로 기술될 수 있다.
택일적으로, 비평면 거울 164 (도 19)는 MEMS 및/또는 MOEMS를 사용하여 조정될 수 있으며, 여기서 비평면 거울 164의 선택된 외형은 이 글 속에서 참고문헌으로서 인용되는 Tyson의 Principles of Adaptive Optics에서 기술된 바와 같은 광학적 탐지 및 피드백 조절 기술에 기초한다. 또한, 비평면 역 반사 배열 110 (도 4)에서의 입사 파면과 비평면 역 반사 배열 110으로부터의 반사 후 파면은 비평면 역반사 배열 110의 각각의 대응하는 코너-큐브 198 (도 26, 26A, 및 26B)에서 일어나는 전체적으로 세 개의 내부 반사들로 인하여 위상 공액되며, 반면에 반사된 파면의 단편 204 그 자체는 PCM 110으로부터 반사된 파면의 모양에 상관성 있게 일치한다. 그와 같이, 파면의 베이스와 입사 파면의 파고점 사이의 위상 차이와 비교하여 훨씬 작은 위상으로 파면의 베이스가 반사된 파면의 파고점을 이끈다.
또한, 도 4, 6, 6A, 19, 21, 및 21A 에서, 역-반사 코너-큐브 배열 200을 통한 근사(approximate) 위상-공액의 사용이 나타나 있다. 그러한 근사 위상-공액은 여기에서 참고문헌으로서 인용되는, H. H. Barrett과 S. F. Jacobs의 Opt. Lett. 4, (1979), 190에서 기술되어 있다. 또한, 바람직한 역-반사 코터-큐브 배열 200은 도 4, 6, 6A, 19, 21, 21A 및 28에 나타나있듯이, 수백 개의 인접하여 형성된 육각형 구경의 육각형 모양의 코너-큐브들을 가지고 있다. 더욱이, 반구 모양의 역-반사 코너-큐브 배열 110은 반구 모양의 곡률로 처음으로 형성되는(즉, 그레이-스케일 마스킹과 리소그래피를 이용하여) 것으로서 도 4에서 나타나있다; 여기서, 역-반사 코너-큐브 배열 110은 많은 단편들 203 (도 27B)에서 파면들을 절단한다; 여기서, 각각의 단편 204는 원래의 위상 낱낱과 평행하게, 좋은 근사치로 원래의 파면에 들어맞는다.
상기에서 이미 언급한 Barrett et al.에 따라, 코너-큐브 배열 200으로부터 역 반사된 파면과 '진정한' 능동 PCM (예를 들어, DFWM 공정 동안에 형성된 PCM과 같은)으로부터 역-반사된 파면은 입사 파면 202가 전체적인 코너-큐브의 정규 평면 입구에 걸쳐 분포된 평면 파에 의하여 거의 같아질 수 있다면 동일할 것이다. 더욱이, 도 19, 21, 및 21A에서 나타나듯이, 역-반사 코너-큐브 배열을 사용하여, 비평면 반구 거울 및 비평면 능동 위상-공액 거울에 대하여 약간의 이점을 가질 수 있다. 더욱이, 역-반사 육각형 구경의 육각형 모양의 코너-큐브 배열에 기초한 PCM은, OPCLD를 오직 낮은 밴드폭의 내부 조정 응용에 한정시키는, 감지 및 조절 시스템이 반사기의 외형을 조정하는데 발생하는 것과 같은, 어떠한 시간 지연이 없이 파면 왜곡을 수정하기 위한 수동적 광학적 요소로서 효과적으로 사용된다.
더욱이, 상기 언급하였듯이, 평면 입사파에 대하여, 코너-큐브 배열로부터의 역-반사된 파면은 정확히 위상-공액된다. 이것은 입사파의 파면 곡률이 "근사" 위상-공액의 질을 결정한다는 것을 의미한다. 따라서, 정확하게 위상-공액된 파면에 대하여 역-반사된 파면의 위상 편차 ΔΦ 를 최소화하는 것이 매우 요구된다. 또한, 이러한 편차에 주된 기여가 Taylor expansion의 2차 항(상기 이 항을 포함하는 것을 무시한 Barrett et al.을 참조)에 의해 주어진다. 여기서, 곡률반경 R을 가지는 구형 모양의 입사 파면에 대하여 위상 편차는 아래와 같이 예측될 수 있다.
Figure 112007070208053-pct00008
여기서 d는 배열 168 (도 19) 내에 존재하는 각각의 코너-큐브 요소의 '직경' 수치 199 (도 27)이다. 또한 위상-편차는 평면 파 (R -> ∞)에서 제로이며, 이는 상기의 내용과 일치한다. 따라서, ΔΦ << 2π로 맞추면, 아래와 같다.
Figure 112007070208053-pct00009
원하는 값을 얻기 위하여 곡률반경을 증가시키기 위하여, 빔은 예를 들어, 약 M=12 또는 그 이상의 인자에 의하여 빔을 확장시키기 위하여 역-반사 코터-큐브 배열 168 (도 19) 이전에 배치된 하나 이상의 빔 확장 열 또는 프레넬 렌즈를 사용하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 유리하게 확장될 수 있다. 또한, D로 표현되는 수치에 걸쳐 역-반사된 파면의 위상-공액된 파면에의 좋은 근사치를 얻기 위하여, 여기서 nth 개의 배열의 개별적인 역-반사 코너-큐브 요소들은 모두 198(도 26, 26A, 26B, 및 27)로 나타나는, 식은 아래와 같이 변형된다.
Figure 112007070208053-pct00010
방정식 (4)과 (R -> ∞)과 일치하는 시스템을 얻기 위하여, 바람직한 실시예에 따른 레이저 다이오드 시스템은 다음의 하나 또는 그 이상에 따라 변형될 수 있다:
(i) d의 감소, 고품질의 코너-큐브 배열을 위하여, d는 일반적으로 배열을 제조하는데 사용된 물질의 λ/n2 보다 작거나 같아야 한다,(≤λ/n2)
(ii) 배율(magnification) M의 증가, 상한은 코너-큐브 배열 자체의 전체 거리에 의하여 결정되며, 예를 들어 Barrett et al.은 150-㎛ 내지 1-mm 직경을 예상했지만, 바람직한 실시예는 2-㎛ 내지 80-㎛ 직경을 예상한다, 그리고
(iii) 주입된 캐리어 유도 열 렌즈 구조(즉, 열 렌즈는 오목 파면 확장 열 렌즈를 제공하는데 사용되는 고도로 n++ 또는 p++ 도핑된 반구 모양의 구조 170A, 및 도핑되지 아니한 볼록렌즈 모양의 구조 170C와 협력하여 모두 시준 파면 평탄화 열 렌즈를 제공하는데 사용되는 고도로 n++ 또는 p++ 도핑된 도넛 모양의 구조 170B를 포함하는 열 렌즈)의 어느 하나를 사용하여 주입 파면을 먼저 확장시킴으로써 코너-큐브 배열 표면을 입사 파면에 대략적으로 맞춘다.
도 22에서 나타나듯이, 주입된 캐리어 유도 열 렌즈에 대안은 순수한 광학적 솔류션을 제공하는 것이며, 여기서 첫번째 프레넬 렌즈 프로파일 183을 에칭에 의해 기판의 두번째 면을 따라 형성하고, 그 다음 파면 확장 프레넬 렌즈 183을 제공하기 위하여 적절한 격자-정합된 반도체 물질로 프레넬 프로파일 183을 채우며, 한편 두번째 프레넬 렌즈 프로파일 182을 에칭에 의하여 기판의 첫번째 표면을 따라 형성하고, 그 다음 파면 시준 프레넬 렌즈를 제공하기 위하여 적절한 격자-정합된 반도체 물질로 프레넬 프로파일을 채우며, 이들 모두는 도 19, 21, 및 21A에서 나타나듯이, 일반적으로 수백개의 코너-큐브 요소들 200(도 28)으로 이루어져 있는, 전체 코너-큐브 배열의 전체 직각-입구(normal-entrance)에 걸쳐 입사 파면의 2차원의 평평한 분포를 제공할 수 있는 방정식 (4)와 일치하는 렌즈 시스템을 제공하는데 사용된다.
도 19, 21, 21A, 22, 24, 및 24A에 나타나듯이, 바람직한 실시예에 따라, 뒤이은 절차는 파면 보정을 제공하는 역-반사 코너-큐브 배열을 사용하며, 역-반사 코너-큐브 배열 168 (도 19), 184 (도 22) 이전에 빔 확장기 170A, 170B, 및 170C (도 19)를 포함함으로써 곡률반경을 증가시키기 위하여 인자 M에 의하여 입사 파면을 확장하는 절차가 유리하게 뒤이어질 수 있다. 또한, 부가적인 시간 의존적인 파면 왜곡(평균 파면으로부터의 편차)이 근사 위상 공액을 이용하여 수정될 수 있다.
도 19, 20, 20A, 21, 21A, 22, 23, 23A, 24, 및 24A에 나타나듯이, PCR에 기초한 광역 레이저 다이오드는 바람직한 실시예에 따른 파면 보정을 만들기 위하여 개조 가능한 광학적 반사기 168과 역-반사 코너-큐브 배열로 형성된 PCM 168을 바람직하게 포함할 수 있다. 또한, 도 19 및 22에서 나타난 레이저 다이오드 공진기 는 파면 보정 역-반사 코너-큐브 배열로 형성된 PCM 168, 181, 비평면 고정된 또는 변형 가능한 거울 164, 166, 177, 179, 및 입사 파면을 확장하는 빔 확장기 170A, 183, 및 역-반사 코너-큐브 배열 168, 181의 전체 직각 입구(normal entrance)에 걸쳐 입사 파면 2차원 평면을 평탄화하기 위한 시준기(collimator) 170B, 170C, 182를 포함한다.
더욱이, 도 19, 20, 20A, 22, 23, 및 23A에 나타나듯이, 레이저-방출-출력 결합 거울 163, 164, 166은 레이저-방출-출력 빔을 아웃-커플링(out-coupling) 하기 위한 것이다. 고정된 외형 또는 조정가능한 외형 어느 하나를 가지는 비평면 거울을 사용한다(즉, 거울의 외형은 적절한 감지 및 조절 시스템을 제공하기 위한 탐지기 및 처리기를 포함하는 피드백 루프를 통하여 조절될 것이다). 역-반사 코너-큐브 배열 168, 181의 사용은 역-반사 코너-큐브 배열 168, 181 (도 19 및 22)를 가로질러 입사되는 광파에 대하여 파면 곡률의 감소를 제공하기 위하여 적절한 빔 확장기 170A, 170B, 170C, 183, 및 182의 사용을 요구한다.
더욱이, 적절한 빔 확장기(beam expander) 170A, 170B, 170C, 183, 및 182를 포함하는 요소들은 에피택시 증착, 그레이-스케일 마스킹과 리소그래피, 및 웨이퍼 폴리싱을 이용하여 생성되며, 따라서 입사 레이저 빔의 평균 파면에 맞도록 특별히 고정된 위치에 모노리식하게 형성된다. 여기서, 역-반사 코너-큐브 배열에 기초한 PCM 168, 181(도 19 및 22)은 버스트 모드(burst mode)에서 작동하는 및/또는 버스트 간에 일어나는 길거나 및/또는 짧은 버스트 멈춤(burst pauses)(즉, PONs는 시간 공유 베이스에서 공유 광섬유를 가로질러 데이터를 주고 받기 위한 시간 도메인 멀티플렉스를 사용하고, 2.3-Gigabit/ps의 최대값으로 광섬유를 거쳐 데이터를 전송하기 위하여 페브리-페로 또는 DFB에 기초한 EEL 다이오드를 내부 조정하기 위하여 버스트 모드 레이저 다이오드 드라이버 회로를 사용하는 텔레콤 응용이다)을 갖는 레이저 다이오에 의해서 생산되는 것과 같은, 과도 파면 왜곡을 수정하는데 사용된다.
더욱이, 매크로 기초 광학적 시스템 (macro based optical system)에서 발생하는 섭동을 제거하는 능력의, 진정한 위상 공액기(예를 들어, 축퇴된 4 파장 혼합의 광 위상 공액 거울)의 이점들의 일부를 얻기 위한, 역-반사 코너-큐브 배열(즉, 유사 위상-공액기)의 이용은 Jacobs 와 O'Meara에 의해서 도입되었다. 그러나, 선행 기술은 PCR 형성된 레이저 기구 또는 시스템에서의 사용을 위한 PCM으로서 역-반사 코너-큐브 배열을 사용하는 것과 관련하여 어떠한 정보도 보여주거나, 논의하거나, 암시하거나 또는 게시하지 않고 있다. 또한, 수동적인 유사 위상-공액기로서, 역-반사 코너-큐브 배열은 다양한 응용들에서 파면 보정에 효과적이다.
더욱이, T. R. O'Meara의 Opt. Eng. 21, 271 (1982)의 "유사공액을 통한 파면 보정(Wavefront compensation with Pseudoconjugation)"이라는 제목의 문서 섹션 II는 역-반사 코너-큐브 배열과 유사 위상-공액에 대해 일반적으로 소개하고 있다. 더욱이, 이상적인 역-반사 코너-큐브 배열에 나타나는 행동이 통상적인 거울에 의해 나타나는 행동, 및 이상적인 능동 위상-공액기에 의해 나타나는 행동과 비교되고 있으며, 더욱 상세한 내용을 위하여는, T. R. O'Meara의 Opt. Eng. 21, 271, (1982)의 "유사공액을 통한 파면 보정"이라는 제목의 요약문을 참조한다.
여기서, 역-반사 유사(pseudo) 위상-공액 시스템 전에 볼록 렌즈 모양의 시준 렌즈를 삽입함으로써 어떻게 이미지의 질이 향상되는지 기술한다. 상기 문서의 섹션 IV는 다양한 실험에서 적용되는 코너-큐브 배열들의 특징들을 기술한다. 더욱이, T. R. O'Meara의 Opt. Eng. 21, 271 (1982)의 "유사공액을 통한 파면 보정 (Wavefront compensation with Pseudoconjugation)"에서 나타나듯이, 일련의 유사 위상-공액 이미징 실험들은 이론적인 예측들을 확인시켜주고 있으며, 뒤틀린 매체들을 통한 더블-패스 전송에 있어서 파면 보정을 얻기 위한 여러 가지 방법들을 보여준다.
도 38, 38A, 38B, 및 39에서 나타나듯이, T. R. O'Meara는 역-반사 코너-큐브 배열에 기초한 PCM에서 사용되는 각각의 역-반사 코너-큐브 요소 226이, 서로에 대하여 인접하는 직각의 위치(right-angle location)에 결집된 적어도 세 개의 광자 반사 표면들을 포함하는, 사각형 구경의 사면체 모양의 기하학적 구조 226를 가지는 것을 그의 논문에서 일반적으로 기술하고 있다. 더욱이, 사각형 구경의 4면체 모양의 코너-큐브 요소들 226 (도 38, 38A, 38B, 및 39)은 적어도 세 개의 외부 광자-반사 표면들을 가지는 속이 빈 외부 반사기이거나, 또는 사각형 구경의 4면체 모양의 코너-큐브 요소들 226 (도 38, 38A, 38B, 및 39)은 대신에 적어도 세 개의 내부 광자-반사 표면들을 가지는 고체 내부 반사기일 수 있다.
더욱이, 상대 굴절율 n2/n1=n 이 1보다 클 때, 반사를 외부반사 (external)라고 나타낸다. 반대로, 상대 굴절율 n2/n1=n 이 1보다 작을 때, 반사를 내부반사 (internal)라고 나타낸다. 더욱이, 내부 반사에 있어서는, 입사 광파는 큰 굴절율을 가지는 전송 매체 측으로부터 경계면에 접근하는 반면에, 외부 반사에 있어서는 입사 광파가 더 작은 굴절율을 가지는 전송 매질 면으로부터 경계면에 접근한다. 더욱이, 고체 코너-큐브의 비반사 앞면 표면에 직각으로 입사하는 광파는 일반적으로 "전체 내부 반사"(Total Internal Reflection, TIR)라고 일컬어지는 프로세스를 받기 쉽다; 여기서, 광파는 앞면 표면 직각(front-face surface normal)의 뒤쪽으로 빠져나가기 전에 세 개의 전체 내부 반사를 겪게 된다.
Snell 법칙을 사용하여 아래와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007070208053-pct00011
우리는 어느 특정한 광학적 시스템 내에서 발생하는 반사된 빛과 굴절된 빛 모두의 진폭을 풀기 위한 방정식을 세울 수 있다. 더욱이, 개별적인 역-반사 코너-큐브 구조들에 의하여 나타나는 광학적 특성들과, 역-반사 코너-큐브 배열에 기초한 PCM을 구성하는데 사용되는 다수의 역-반사 코너-큐브 구조들 226 (도 39)에 의하여 나타나는 광학적 특성들을 측정하기 위한 실험들이 철저히 수행되고 결과도 널리 공개되었다.
한층 더한 분석하에서 이러한 실험들로부터 나온 데이터들이 현 이론과 일치하였다. 그러나 연구자들은 그들의 가설을 뒷받침할 만한 실체적인 기록 데이터를 가지고 있지 않아 오직 추측할 수밖에 없는, 두 가지 중요한 비판적인 부분을 언급 하였으며, 연구자들에 의해 언급된 두 가지 비판적인 부분은 아래의 사항을 포함한다:
(i) 굴절 손실 - 더욱 자세하게는, 개별적인 코너-큐브 요소들을 PCM의 섭동 포획 해상도(perturbation capturing resolution)를 증가시키기 위한 시도로서 작게 만들 경우, 상당한 양의 굴절 손실이 초래될 수 있다. 연구자들이 추측하듯이, 그 손실의 정도는 매우 크며, 따라서 공진기에서 어떠한 레이징도 허용되지 않게 된다. 그러나, A. Lohmann, R. R. A. Syns, Member, IEEE에 의하여 쓰여진 논문에서 기술된 것들과 같이, 외부 수직 공진형 표면 방출 레이저에서의 '블레이즈 회절 격자' 거울의 연구, 개발, 생산 및 사용에 의하여 증명되었듯이, 회절 손실의 양, 및 그것이 비-레이징에 어떻게 기여하는지는 T. R. O'Meara의 Opt. Eng. 21, 271, (1982)의 "유사공액을 통한 파면 보정"에서 과장되었으며, 사실은 무관하다. 무관한 이유는 단순히 PCM에 의하여 제공되는 공액 반사가 들어오는 입사 파면에 의하여 겪게 되는 모든 회절 손실을 전환하기 때문이다, 그리고
(ii) 매우 작은 구성요소 크기 - 더욱 자세하게는 T. R. O'Meara는 Opt. Eng. 21, 271, (1982)의 "유사공액을 통한 파면 보정"이라는 제목의 논문에서 배열 226 (도 38B 및 39)을 이루는 각각의 코너-큐브 요소 225(도 38, 38A, 38B, 및 39)에 대한 요구되는 구경 크기가 1 밀리리터라면 간섭성 역-반사 코너-큐브 구성요소 225 (도 39)를 생성하는 것이 문제가 있다고 언급하였다. 그러나, 그레이-스케일 마스킹, 리소그래피, 및 에칭을 이용하여, 제작자는 다수의 개별적인 코너-큐브 요소들 200(도 27 및 28)을 가지도록 이루어지고, 2.0-㎛, 더욱 바람직하게는 배열 200 (도 28)를 제조하는데 사용되는 물질의 λ/n2 보다 작거나 같은 (≤λ/n2) 구경 직경 크기 199를 가지도록 이루어진, 간섭성 육각형 구경 육면체 모양의 코너-큐브 198 (도 26, 26A, 26B 및 27) 배열 200 (도 28)을 효율적으로 생산할 수 있다.
더욱이, T. R. O'Meara에 의해 쓰여진 Opt. Eng. 21, 271, (1982)의 "유사공액을 통한 파면 보정"이라는 제목의 논문에서 언급한 실험들은 속이 빈(hollow) 것과 고체 사각형 구경의 사면체 모양 코너-큐브 요소들 223 (도 38, 38A, 38B, 및 39)을 모두 사용하여 수행되었다. 실험들에서 사용된 모든 코너-큐브 구조들은 세 개의 인접하게 연결된 삼각 모양의 앞 표면 223을 가진 사각형 구경 사면체 모양의 코너-큐브 요소들 226 (도 38, 38A, 38B, 및 39)이다. 여기서, 모든 배열들에 사용된 모든 코너-큐브의 앞면은 단일 평면을 따라 평행하게 배열되어 있다. 또한, 배열 226 (도 39A과 39B)에서 사용된 코너-큐브들 223, 225가 사각형 구경 사면체 모양의 코너-큐브 구조를 나타낸다면, 이러한 사각형 모양의 코너-큐브 226의 앞 표면 227에 입사하는 모든 빛이 역-반사된 빔의 부분이 되지는 않을 것이다.
빛이 코너-큐브 227에 입사하는 장소에 의존하여, 빛의 일부는 오직 하나 또는 두 개의 반사를 하게 되고 세번째 반사를 완료하기 전에 앞 표면을 빠져나가게 며, 따라서 역-반사된 빔의 부분이 되지 못한다. 역반사된 빔의 공간적 범위는 그것이 앞 표면을 빠져나가기 때문에 표면보다 작다. 이것에 대한 이유는 실험에서 사용된 사각형 구경 사면체 모양의 코너-큐브 구조가 사면체 모양의 코너-큐브의 전체 표면 직각 영역의 오직 약 30%의 구경 크기를 가지기 때문이다.
한편, 본 발명의 OPCLD의 바람직한 실시예는 PCM 168 (도 19)를 이루는 육각형 구경 육면체 모양의 코너-큐브 프리즘 요소들 198 (도 26, 26A, 26B, 및 27)의 바람직한 이용하며, T. R. O'Meara의 Opt. Eng. 21, 271 (1982)의 "유사공액을 통한 파면 보정"에 기술된 것과는 벗어나 있다. 이러한 변화의 이유는 단순하며, 육각형 구경 육면체 모양의 코너-큐브 프리즘 구성요소들 198 (도 26, 26A, 26B 및27)이 육면체 모양의 코너-큐브의 전체 직각 표면 영역(normal surface area)의 99% 이상의 구경 크기를 제공하기 때문이며, 이는 결과적으로 T. R. O'Meara 실험들에서 언급된 사각형 구경의 사면체 모양의 코너-큐브 구조들 223, 225 (도 38, 38A, 및 38B)에 의해 포획되고 역-반사될 수 있는 것보다 70% 이상의 빛의 포획과 역반사를 얻을 수 있다. 이것은 본 발명의 전체적인 이득을 향상시킬 뿐만 아니라, 본 발명의 PCM 200 (도 28)에 의해서 나타나는 유사 위상-공액 반사의 성능을 매우 향상시킨다.
게다가, 역반사된 빔에 의하여 나타나는 공간적 범위는 코너-큐브 198 (도 26, 26A, 및 26B)의 출사동(exit pupil)으로서 고려되어야 하며, 구경 함수 acc(x,y)로 나타낼 수 있으며, 이는 역반사된 빔 205 (도 27B)에서의 전송된 빛의 진폭을 정의한다. 그러나 이상적인 구경 함수는 1 값은 출사동 이내로 보고, 0 값은 출사동 바깥으로 보는, 1-0 함수이다. 실제적으로, 출사동 내의 acc(x,y)값은 반사 손실로 인하여 1보다 작고, 파면 수차로 인하여 복소수 값(complex-valued)을 나타낸다.
게다가, 굴절 반사 또는 전체 내부 반사로 인한 편파 효과(polarization effects)는 입사광의 상당 부분을 직교 편파 상태(orthogonal polarization state)로 결합한다. 이러한 편파 효과는 이미지화와 간섭계 응용들에 있어서 코너-큐브 200 (도 27)의 작동에 영향을 미친다. 더욱이, 코너-큐브 자체의 더 자세한 수학적 특징화는 이러한 편파 효과를 다루게 된다. 결과적으로, 이것은 스칼라 진폭 전송 acc(x,y)을 편파 커플링(polarization coupling)을 포함하는 공간적으로 변화하는 Jones 편파 매트릭스(즉, 편파 수차 함수) Jcc(x,y)로 일반화함으로써 달성될 수 있다.
더욱이, 배열 200 (도 28)으로 거의 직각으로(normal) 입사하는 빛은 배열된 구조를 이루는 각각의 코너-큐브에 대한 출사동의 모양은[acc(x,y)의 제로 이외의 부분] 마주보는 평행한 사이드 경계선을 가지는 불규칙한 육각형 모양의 구조를 나타낸다. 출사동의 모양은 코너-큐브의 자세한 모양과 입사광의 방향에 의존한다. 더욱 상세한 내용을 위해서는, 1 August 1988/ Vol. 27, No. 15/APPLIED OPTICS 3203을 참조한다. 더욱이, 상기에서 언급하였듯이 편파 효과는 미미하며, 따라서 결과적으로 육각형 구경 육면체 모양의 코너-큐브 프리즘 구성요소들 198 (도 26, 26A, 26B 및 27) 또는 역-반사 코너-큐브 배열에 기초한 PCM 200 (도 28)의 작동에 영향을 미치지 않는다.
게다가, 사각형 구경 사면체 모양의 코너-큐브 구조 223, 225 (도 38, 38A 및 38B)가 사용된다며, 결과적으로 큰 입사각을 나타내는 어떠한 들어오는 빛에 대해서, 출사동의 모양은 평행 사변형 또는 삼각형이 된다. 따라서, 삼각의 앞 표면의 영역에 대한 출사동 영역은 구조의 효율 인자를 구성하며, 이는 역 반사된 빔에서 돌
아온 입사 에너지의 비율에 상한을 둔다.
더욱이, 사각형 구경의 사면체 모양의 코너-큐브 구조 223, 225 (도 38, 38A, 및 38B)와 같은, 삼각의 앞 표면이 사용되는 경우, 기하학적 효율은 언제나 2/3보다 작다. 단일 코너-큐브 반사기에 의하여 입사 파면에 대하여 수행되는 공간적 변환은 출사동 중심에 대한 전환이다. 따라서 다음으로 아래와 같은 코너-큐브 CC 배열에 입사하는 파면을 살펴보자.
Figure 112007070208053-pct00012
반면에 역-반사된 필드는 아래와 같은 형식을 가질 것이다.
Figure 112007070208053-pct00013
비교를 위하여, 통상적인 거울에서의 직각으로 입사된 빛의 반사된 파면은 아래와 같은 형식을 가진다.
Figure 112007070208053-pct00014
여기서, am(x,y)는 거울의 공간 범위를 정의하는 구경 함수이다. 더욱이, 입 사광 fi(x,y)의 복소 진폭(complex amplitude)은 역-반사된 빔을 생성함에 있어서, 위상-공액 거울 pc의 효과를 표현하기 위하여, 그 진폭과 위상으로 분해될 것이다.
Figure 112007070208053-pct00015
위상-공액된 반사 필드는 아래와 같다.
Figure 112007070208053-pct00016
여기서, apc(x,y)는 이 시스템에 대한 영역, 효율, 및 파면 수차를 묘사하는 구경 함수이다. 더욱이, 이러한 세 가지의 역반사된 빔 ECC(x,y,z), Em(x,y,z), 및 Epc(x,y,z)는 일반적으로 서로 완전히 다르다. 더욱 상세한 내용을 위해서는, T. R. O'Meara, "유사공액을 통한 파면 보정", Opt. Eng. 21, 271 (1982)를 참조한다. 더욱이, 도 27A 및 27B에서 나타나듯이, 코너-큐브 배열 200으로부터의 역-반사를 따라갈 때 빛의 전파 파면 (즉, 2차원의 가우시안 모양의 점선 타입) 202 에 있어서, 그 파면 204의 각 섹션 203은 위상-공액된 대응물(counterpart) 207의 파면 섹션과 거의 같아질 것이다.
더욱이, 도 27 B에서 나타나듯이, 코너-큐브 배열 200으로부터 역-반사된 파면 205(즉, 2차원의 가우시안 모양의 단일-대시 이중-도트 선 타입)은 프레넬 렌즈 또는 회절 격자에서의 파면 구획화(sectioning)와 유사하게, 구획 208들로 절단되 고, 전파 방향 206을 따라 움직이는 것으로 보여진다. 더욱이, 도 27B에서 나타나듯이, 파면 205의 각각의 섹션 204이 동일한 진폭과 위상 기함수(odd phase function)를 가진다면, 코너-큐브 배열 200과 위상-공액 거울로부터 역-반사된 파면 205는 동일할 것이다.
더욱이, 역-반사된 파면 207이 코너-큐브 배열로부터 전파하는 유일한 실제적인 경우는, acc(x,y)=0 가 진정한 위상-공액 거울로부터 전파하는 파면 207과 동일한 모양 207 (도 27B)를 갖게 되는 영역들로 인하여 파면의 차이를 무시한다 하더라도, 코너-큐브 배열 200에 직각으로 202 입사하도록 만들어진 전파 파면 201, 202가 평면 파 분포와 모양을 가졌을 때이다. 더욱이, 역-반사 코너-큐브 배열 200에 기초한 PCM은, 입사 파면 202이 배열 200 (도 28)을 이루는데 사용되는 각각의 역-반사 코너-큐브 요소들에 걸쳐 2차원으로 평평하게 만들어진다면, 좋은 유사 위상-공액기로서 작용한다.
일반적으로, 역-반사 코너-큐브 배열 200 (도 28)은 입사 파면의 모든 단편들의 경로를 전환함으로써 유사 위상-공액기로서 행동한다; 여기서, 입사 파면을 이루는 광선은 원래의 지점을 향하여 되돌아가기 위하여 거꾸로 전파되도록 방향을 바꾸게 된다. 유사 위상-공액기는 서로 다른 코너-큐브 구조들로부터의 광학적 경로 길이가 동일하지 아니하며, 따라서, 구조와 구조 사이에 큰 차이점을 나타낸다 다는 점에서 진정한 위상-공액기와 다르다. 동일한 대상점으로부터 시작한 코너-큐브 배열 200 (도 28)의 서로 다른 구조들로의 두 개의 광선에 있어서 광학적 경로 길이 차이 Δ를 생각해보라.
결과적으로, 포인트 대상(point object)으로부터 역-반사 코너-큐브 배열 200 (도 28)A까지의 출발과 포인트 대상 부근까지 되돌아가는 완전한 역반사 경로에 있어서 경로 길이 차이는 2Δ가 될 것이다. 유사 위상-공액기와 다르게, 진정한 위상 공액에 대한 경로 길이 차이 Δ는 효과적으로 제로이다. 유사 위상-공액에 있어서, 빛은 정확한 이미지 위치로 되돌아오지만 파면 단편들에 있어서 상당한 위상 차이들을 나타낸다. T. R. O'Meara에 의하여 행하여진 실험들에서 사용된 시준 렌즈(collimating lens)의 목적은 대상으로부터 역-반사 코너-큐브 배열까지의 경로 길이 차이 Δ를 최소화하고, 따라서 이미지에서의 위상 에러를 최소화하기 위한 것이다.
더욱이, 곡률 반경 R을 가지고 코너-큐브 배열 200 (도 28)에 입사된 파면 201, 202 (도 27A)를 살펴보자. 어떠한 입사 파장 λ에 있어서, 근축광선 근사(paraxial approximation)에서의 직경 h를 가지는 어느 코너-큐브 구조에 걸친 2차의 위상-변화 δ는 하기의 식을 이용하여 풀 수 있다.
Figure 112007070208053-pct00017
더욱이, 이 연구에서 사용되는 코너-큐브 구조 226 (도 40)에 대한, h 값은 대략 300λ, δ≪2π 정도이다.
결과적으로, 매우 작은 매우 작은 비균질성(즉, 파면 단편들 203 사이에 불 연속)(도 27B)이 위상-공액 기준이 충족된 개별적인 코너-큐브들 198 (도 26, 26A, 26B, 및27)에 의해서 입사 파면 202의 위상에 도입된다. 파면 단편들 203 사이의 어떠한 작은 불연속성도 전체 배열 200으로부터의 비협력 반사를 보증한다. 또한, 최종 이미지 해상도는 본 발명의 PCM 200을 이루는데 사용되는 전체 코너-큐브 배열 200에 걸친 전체적인 광학 경로 길이 편차에 의존하지만, 그 정도는 단일 코너-큐브 198의 점 분포 함수(point spread function)와 본 발명의 PCM 200 (도 28)을 형성하는데 사용되는 코너-큐브들 200의(도 27) 간섭성 (위상) 그룹의 점 분포 함수 사이의 어딘가에 위치한다.
더욱이, PCM 200에 존재하는 모든 코너-큐브 구조들로부터의 협동적인 (간섭성) 이미지화를 얻기 위하여, 모든 코너-큐브 구조들 200에 의하여 반사된 파면들 204 사이에서 오직 매우 작은 위상 변화만이 일어날 것을 필요로 한다. 반경 R을 가진 구형 파면에 의하여 방사된 N 구조들의 선형 배열에 있어서, 하기의 관계는 회절 한계점 근처에서 협동적인 회절 이미지 형성을 만족하여야 한다.
Figure 112007070208053-pct00018
이 관계를 만족시키는 한가지 방법은, 조준 렌즈 170B, 170C (도 19), 183, 182 (도 22)를 가지고 배열로의 입구에서 파면 201, 202 (도 27A)를 평면파로 전환하는 것이다. 그러나, 자유-공간 전파 동안 축척된 단일 대상점으로부터 기인하는 파면에 걸친 어떠한 2차의 위상 편차도 방정식 (14)의 조건을 만족시키지 못하며, 따라서, 파면 분열 효과(wavefront disrupting effect)가 뒤따르는 역-반사 205를 가지게 된다. 유사 위상-공액 시스템의 성능은, 미리 정해질 수 있는, 어떠한 결정론적인 (2차) 위상(deterministic phase)에 대한 수정으로 향상될 수 있다. 더욱이, 이것은, 조준 렌즈 170C (도 19) 또는 182 (도 22)를 삽입함으로써 이루어지며, 이 렌즈는 더 전형적인 구형 모양의 전파 파면 200 B, 200D (도 29)를 훨씬 더 요구되는 평면 모양의(중산모) 200A (도 28) 파면으로 바꾸는 데 이용되며, 부가적으로 전체 역-반사 배열 200 (후반 부분에서 더 자세히 기술되는)에 걸쳐 평면 모양의 파면을 균등하게 분산시키는데 이용된다.
더욱이, 오목 렌즈 170A (도 19) (즉, 파면 발산 열 렌즈), 183 (도 22)(즉, 파면 발산 열 렌즈), 200F (도 29)(즉, 6각형 모양의 코너-큐브 배열 PCM을 가지도록 형성된 OPCLD에 의해 사용되는 오목 렌즈의 그래픽 표현)의 목적은 입사 파면 202를, 입사 파면이 OPCLD 조준 렌즈 200C (도 29)가 모든 입사 파면 200E를 OPCLD의 PCM 168, 181, 및 200의 전체 직각 표면에 걸쳐 동일하게 분산시킬 수 있을 정도로 충분히 확장될 때까지, 횡적으로 그리고 측면적으로, 발산시키는 것이라고 말하면 충분하다. 반면에 볼록 렌즈 170B, 170C (도 19)(즉, 파면 시준 열 렌즈) 182 (도 22)(즉, 파면 시준 프레넬 렌즈), 및 200C (도 29)(즉, 6각형 모양의 코너-큐브 배열 PCM을 가지도록 형성된 OPCLD에 의해 사용되는 볼록 렌즈의 그래픽 표현)의 목적은 입사 파면 202 (도 27A), 200E (도 29)를, 입사 파면이 OPCLD의 PCM 으의 직각 표면에 걸쳐 충분히 2차원으로 평평하게 될 때까지, 횡적으로 그리고 측면적으로, 시준하는(collimate) 것이다. 여기서, 양 렌즈는 대상으로부터 역-반사 배 열 200 (예를 들어, 코너-큐브 배열)까지의 제로 길이 경로 차 Δ=0에 영향을 주고 따라서 이미지에서의 위상 에러를 없애기 위하여 조합하여 사용된다.
더욱이, 역-반사 코너-큐브 배열 200 (도 28)의 유사 위상-공액 특징들은 코너-큐브 크기를 줄임으로서 향상되는 것으로 보인다. 구조가 작을수록, 역반사된 광선은 원래 경로를 더 가깝게 되돌아간다. 파면을 작은 구획으로 나누는 것은 또한 파면 단편의 가장자리에서의 파면 불연속성을 줄인다. 서로 다른 크기의 코너-큐브들이 서로 다른 응용들에서 최적이다. 예를 들어, 위상 왜곡 매질을 통하여 전송된 파면은, 왜곡의 내적인 스케일이 각각의 결합된 역-반사 구조 198 (도 26)에 의해 나타나는 구경 크기 199 (도 27)보다 훨씬 더 크다면, 상당히 복원될 것이다. 그러나, 이러한 조건이 충족되면, 결합된 역-반사 구조들의 크기를 줄일 아무런 이유도 없게 된다.
반도체 광역 레이저 다이오드인 본 발명의 OPCLD에서, 자발 방출에 의한 어떠한 위상 섭동도 효과적으로 작아질 것이다; 따라서, 각각의 육각형 모양의 코너-큐브 구성요소들의 육각형 구경 크기는 본 발명의 OPCLD를 전기적 펌핑하는 동안 다중 필라멘트로부터 보호하기 위하여 필요한 기준만큼 충분히 작게(예를 들어, 구경은 바람직하게 코너-큐브 배열을 제조하는데 사용되는 물질의 λ/n2보다 작거나 같은 크기의 직경을 가진다) 만들어질 수 있다.
게다가, 편파 커플링(polarization coupling)으로 인하여 개별적인 구조들의 동공을 가로지른 간섭무늬 가시성(fringe visibility)에 약간의 편차가 있다. 편파 커플링 효과는 코너-큐브 배열들에 선형으로 편광된 빛을 비추고, 교차 편광계(crossed polarizer)를 통해 배열을 관찰함으로써 측정된다. 큐브의 여섯 개의 서브-구경들 각각은 서로 다른 입사각과 서로 다른 입사 면 방향을 가진다. 출사동에서의 빛의 편파 상태는 여섯 개의 서브-구경들 각각에서 여섯 개의 서로 다른 상태를 가지며, 이들 상태들은 입사 편파 상태에 강하게 의존한다.
더욱이, 향후 응용들에 있어서, 얇은 막 스퍼터 코팅(예를 들어, LiF)은 편파 커플링 효과들을 줄이기 위하여 사용될 수 있다. 큐브 디자인을 최적화하는 것(즉, 사각형 모양의 코너-큐브들 대신에 육각형 모양의 코너-큐브들의 사용)은 역반사된 빔의 부분이 되지 아니하는, 상대적으로 큰 에너지 비율을 줄이게 된다. 이러한 손실된 에너지는 주로 각각의 코너-큐브 구조의 삼각의 앞면의 전체 영역의 약 2/3밖에 감싸지 못하는, 입사동(entrance pupil) 영역에 기인한다. 그러나, 이러한 논의들은 돌아온 공액 빔이 상호적이므로(reciprocal), 다소 학술적인 것으로 보인다.
게다가, 횡 고유 모드(eigenmode)의 기본 특성들과 관련하여, 광 공진기의 진동 특성(modal property)은, 통상적인 공진기에서든지 또는 위상-공액 공진기에서든지, 공진기 축에 수직인 평면에 걸친 필드의 진폭과 위상 편차를 가리키는 횡 고유 모드, 및 공진기 축에 따른 필드 진폭과 위상에 본질적으로 의존적이지 않은 변수들을 가리키는 축방향 또는 종방향 고유 모드들 및 공진 주파수로 거의 언제나 나누어질 수 있다. 이러한 분리는 위상-공액기에 기초한 공진기의 횡방향과 종방향의 행동들 모두에 나타나는 고유한 특성들에 대한 현재의 논의에 적용된다.
더욱이, 광 공진기의 횡 고유 모드들은 일반적으로 구경과 회절 효과들을 포함하는, 공진기를 돌아 1 순환(round trip)한 후 횡 방향 형식에 있어서 정확히 자기 자신을 재생산하는 횡 필드 패턴(즉, 횡 진폭과 위상 분포)으로서 일반적으로 정의된다. 그러나, 공진기를 돌아 1 순환 후의 전체 파장 진폭은 보통 순환(round trip) 위상 변동 및 회절 손실을 나타내는 유니티(1) 보다 작은 크기의 복소수 고유값(complex eigenvalue)에 의해 곱해지게 된다. 우리는 고유모드들과 PCM 공진기를 위한 고유값을 둘 다 찾기를 바란다.
거울 반사 계수들은 보통 횡-모드 분석에 있어서 유니티 크기를 가지는 것으로 가정된다. 충분한 세기의 펌프 필드를 가지는 4 파장 혼합에 의하여 생산되는 위상-공유 반사기들은 물론 유니티 보다 큰 반사 계수를 가진다. 그러나, 간단하게 하기 위하여, 우리는 공동 내에 존재하는 어떠한 이득 또는 손실 메카니즘이 횡적으로 일정하고, 따라서 모드 모양을 바꾸지 않는 한 무시하며, 본 발명의 공진기의 통상적인 거울들과 위상-공액 거울들이 모두 유니티 크기의 반사 계수들을 가지는 것으로 다룰 것이다.
더욱이, 통상적인 레이저 공진기에서와 같이, 손실이 많은(lossy) 또는 유한한-반사율의 광학적 구성요소들, 회절 손실들, 레이저 이득-매질, 및 위상-공액 거울의 진폭 반사율(amplitude reflectivity)의 조합에 의하여 생성되는 전체 순환(round trip) 진폭 이득 또는 손실은 발진 문턱 레벨, 또는 공동 내의 공진 필드의 시간에 따른 전체 성장 또는 붕괴를 결정할 것이다. 그러나, 공동 내에 위치한 하드 또는 소프트 구경(hard or soft apertures)과 연결된 회절 손실만이 횡 고유 모드들에 대한 손실 계산에 포함될 필요가 있다.
게다가, 일반적인 위상-공액 거울의 반사 특성들과 관련하여, 입사광의 역-반사를 제공한다. 우리는 구경들, 임의의 파면 섭동 스크린들, 및 일반적인 근축광선 시스템의 다양한 조합을 통해서 볼 때, 이상적인 위상-공액 거울로부터의 반사에 대한 몇 가지 유리한 결과들을 먼저 수립하여야 한다. 예를 들어, 기판 층 159 (도 19)의 두번째 표면이 될 수도 있는, 기준면에 수직으로 전파하며, 이상적인 위상-공액기에 도달하여 동일한 시스템을 통하여 반사되어 되돌아오기 전에, 복소 진폭 전송(complex amplitude transmission)
Figure 112007070208053-pct00019
를 갖는 일반 위상- 또는 진폭-섭동 스크린(general phase- or amplitude-perturbing screen)을 처음으로 통과하며, 그 다음 임의의 일련의 직렬적 근축 광학적 구성요소들(cascaded paraxial optical elements)(예를 들어, 렌즈들, 인터페이스들, 덕트 등)을 통과하는 필드 분포
Figure 112007070208053-pct00020
를 가정해 보자.
더욱이, 이러한 일련의 광학적 구성 성분들을 통한 전체적 전파에 대한 단순한 식을 살펴보면, 직렬의 통상적인 근축 광 요소들의 세트는 전체 광선 매트릭스(overall ray matrix) 또는 ABCD 매트릭스로 기술될 수 있다. 이 매트릭스의 구성요소들은 가우시안 횡 이득 또는 손실 편차가 존재한다면 일반적으로 복소수(complex)일 것이나, 그렇지 않은 경우에는 실수(real)이다. 그러한 근축 시스템을 통한 파면 전파에 대한 호이겐스 적분(Huygens' integral)은 프레넬 또는 근축 근사 내에서 일반 형식으로 나타내질 수 있다(Collins, 1970).
Figure 112007070208053-pct00021
여기서, 2ｗ 0 는 (만약 있다면)입사 평면(input plane)에서의 구경의 너비이며,
Figure 112007070208053-pct00022
는 입력 파(input wave)이다. 우리는 이 섹션 내의 모든 필드들의 기초를 이루는 편차들에 대한 형식 exp[j(ωt- kz)]을 가정한다. 대부분의 실제적인 광 공진기에서, x와 y 횡 좌표에서의 필드 편차는 광학적 시스템이 비점수차(astigmatism)를 가지지만 이미지 회전을 가지지는 않는 것으로 가정하여, 분리될 수 있다. 더욱이, 명확하게 하기 위하여, 오직 횡 차원으로만 식 (15)를 표현하였다; 그리고 우리는 오직 횡 파면 편차들에만 주로 관심이 있기 때문에, 축상(on-axis) 또는 평면파 위상-변화 조항 exp(-jkL)을 지금부터 무시할 것이다. 그러나,
Figure 112007070208053-pct00023
에서
Figure 112007070208053-pct00024
까지 전체 반사를 고려할 것이다.
게다가, 일반적인 경우, 대부분의 PCM 장치들은 전형적으로 예를 들어, '브릴루앙 산란'(Brillion Scattering) 또는 '4 파장 혼합'(Four Wave Mixing)과 같은비선형 과정인, '능동 비-선형 파장-산란(wave-scattering) 또는 파장-혼합(wave-mixing) 과정들을 기초로 하고 이를 이용하며, 이는 물질이 광학적으로 펌핑될 때 후방-산란 공액 제공 격자들을 생성하는데 사용되는 비-선형 3차 감수율(non-linear third-order susceptibility)을 나타내는 물질과 함께 사용된다. 본 발명의 OPCLD는 수동 광대역 PCM을 사용하며, 따라서 펌프 빔을 제공하기 위한 외부 레이 저 원의 사용을 필요로 하지 않는다.
그러나, 필요에 따라 모델이 축퇴되고(degenerate), 축퇴 수동 장치들(degenerate passive devices)에도 잘 작동하는 한, 모델로서 능동 PCM을 사용하는 일반적인 설명을 할 것이다. 예를 들어, 입사 필드
Figure 112007070208053-pct00025
(즉, 종종 프로브 빔이라고 불리우는)는 ω1=ω0 + Δω의 주파수를 나타내며, 위상-공액 거울로부터 반사된 신호(즉, 종종 공액된 또는 되돌아온 빔이라고 불리우는)는 ω2=ω0 - Δω의 주파수를 나타내는 데 반면, 능동 축퇴 PCR(active degenerate PCR)은 일반적으로 축퇴 주파수 ω0에서 광학적 펌핑된(비-선형 네 개 파장 혼합 기술을 이용하여) 위상-공액기를 제공한다.
더욱이, 섭동 스크린 바로 지나서 PCMRK지 수직으로 전파하는 주파수 ω1 의 신호에 대하여 A1,B1,C1,D1 를 근축 ABCD 매트릭스 요소들로 한다. 통상적인 광학적 시스템을 통하여 직각으로 진행하는 파장에 대하여 통상적인 근축 ABCD 매트릭스를 지칭하기 위하여, 실수이든 복소수이든, 매트릭스 요소들이 평가되는 주파수를 가리키는 아래첨자를 가진, 대분자를 사용할 것이다; 더욱이,
Figure 112007070208053-pct00026
심볼은 위상-공액 시스템에서 발생하는 특별한 종류의 ABCD 매트릭스를 지칭하기 위하여 추후 사용될 것이다.
더욱이, 주파수 ω2의 동일한 요소들을 통하여, PCM으로부터, 기판 층 159 (도 19)의 두번째 표면일 수도 있는, 기준면으로 돌아가는 진행파에 대한 근축 매 트릭스는 D2,C2,B2,A2,가 될 것이다. 더욱이, A1,B1,C1,D1와 D2,C2,B2,A2 사이의 작은 차이들은 결과적으로 오직 ω1과 ω2 사이의 작은 주파수 차이에 기인한다. 특히, 두 개의 매트릭스는 ω1=ω2인 축퇴 경우에 동일해진다. 부가적으로, 섭동 스크린을 통하여 PCM으로 전파되고, PCM에서 반사되어 나와, 스크린을 통해 다시 돌아온 후 기준 면으로부터 나오는 반사된 필드
Figure 112007070208053-pct00027
는 이중 적분에 의해서 주어질 것이다.
Figure 112007070208053-pct00028
여기서, 2ｗ cm은 일반적인 거울 또는 기준 면에서의 어느 구경 너비를 말하며, 2ｗ pcm은 위상-공액 거울 끝의 어느 구경의 너비이고,
Figure 112007070208053-pct00029
는 주파수 ω2에서의 파면이다. 일반 거울 끝에서의 구경은
Figure 112007070208053-pct00030
로 설정함으로써, 스크린 함수
Figure 112007070208053-pct00031
에 물론 흡수될 수 있으며, 그 후 적분의 대응 한계점은 무한까지 확장될 수 있다.
게다가, 무한 위상-공액 거울과 관련하여, 이상적인 경우는 (ｗ pcm -> ∞)인 무한한 "위상-공액 거울"(Phase-Conjugating Mirror, PCM)이다. 부가적으로 적분의 순서를 바꾸고, dx pc 에 대해 적분함으로써, 식 (16)을 줄여서 아래의 식을 얻을 수 있다.
Figure 112007070208053-pct00032
더욱이, 상기 적분에서 나타나는 복소수
Figure 112007070208053-pct00033
는 하기에서 주어진, 더블-패스(double-passed) 시스템에서의 "등가 위상-공액 광선 매트릭스"(equivalent phse-conjugate ray matrix) 또는 등가 ABCD 매트릭스의 요소들이다.
Figure 112007070208053-pct00034
k1=k2인 축퇴 케이스에 있어서, 이 매트릭스의 대각 행렬을 벗어난 구성요소인
Figure 112007070208053-pct00035
과
Figure 112007070208053-pct00036
은 순 허수가 되며,
Figure 112007070208053-pct00037
이다. 더욱이, PCM으로 그리고 PCM에서 돌아오는 두 방향 진행은 분명히 입력 필드
Figure 112007070208053-pct00038
의 복소 공액(complex conjugate)과 같으며, 그 다음 주파수 ω2 의 상기 공액 필드를 방정식 (15)의 일반 호이겐스 적분을 적용함으로써 전파시키며, 다만 수식 (18)에서 주어진 위상-공액 등가
Figure 112007070208053-pct00039
매트릭스를 사용한다.
게다가, 근축 광학적 요소들이 축퇴되며(ω1 =ω2=ω0 ), 또한 순 실수이지만(즉, 아무런 횡 손실 또는 이득 편차들이 없지만)이지만, 위상-공액기는 -ωpcm 에서ωpcm 까지 확장하는 유한한 너비를 가지는 것을 가정해보자. dx pc에 대한 방정식 (16)의 유한 적분은 여전히 수행될 수 있으며, Lam and Brown et al.(1980)에 의해 최초로 주어진 방정식에 이르게 한다.
Figure 112007070208053-pct00040
더욱이, 상기 방정식의 커널(kernel)은 일반적인 호이겐스의 커널과 흥미로운 방식으로 다르다. 상기 방정식은 위상 공액기 바로 앞의 날카로운 구경의 회절 효과가
Figure 112007070208053-pct00041
형식의 필터를 가진 일반적인 호이겐스 커널의 필터링과 같은 것으로 보인다는 것을 말해준다.
게다가, 위상 섭동을 겪고 있는 무한 위상-공액 거울에 있어서, 위상 공액기의 너비만이 매우 크며, ｗ pcm -> ∞ 사인 함수는 효과적으로 디랙 δ 함수(Dirac δ function)이되며, 방정식 (19)는 결과적으로 하기와 같이 줄어든다.
Figure 112007070208053-pct00042
더욱이, 섭동 스크린이
Figure 112007070208053-pct00043
이 되도록 오직 위상만을 포함하며 진폭 섭동을 포함하지 않는다고 가정해보자. 결과적으로 이러한 결과는 단순히
Figure 112007070208053-pct00044
가 되도록 한다. 더욱이, 이것은 오직 임의의 위상 섭동만을 포함하는 어느 광학적 시스템을 통하여 본 이상적인 위상-공액 거울은 여전히 이상적인 위상-공액 거울이라는 거의 명백한 결론을 수학적으로 증명한다. 더욱이, 어떠한 횡 진폭 편차들도, 그러나, 그들이 ABCD 요소들에서 발생하든지 또는 섭동 스크린
Figure 112007070208053-pct00045
에서 일어나든 간에, 이상적인 위상 공액을 줄이거나 파괴하게 될 것이다.
게다가, 무한한 위상-공액 공진기와 관련하여, 임의적인 표면 외형을 가지는 무한한 100% 반사하는 일반 거울이 막 기술되었던 무한한 위상-공액 시스템과 마주하도록 배치되었다고 잠시 가정해보자. 임의적인 구부러진 말단의 거울은 일반적인 거울의 표면 굴곡에 비례하는 위상 섭동을 가진 적절한 위상-섭동 스크린을 가진 이상적인 평면 거울로 대체될 수 있다. 평면 거울을 가로지르는 필드 편차
Figure 112007070208053-pct00046
는 구부러진 말단 거울의 표면 위의 필드 프로파일에 대응한다. 말단 거울에서의 어떠한 위상 왜곡도 따라서 전체 섭동 요소
Figure 112007070208053-pct00047
에 흡수될 수 있다.
그러나, 축퇴 신호들, 실수 광 요소들 및 순수 위삽 섭동들만의 한계 케이스에 있어서, 공진기 고유값 방정식은 단순히 아래와 같다.
Figure 112007070208053-pct00048
여기서, γ은 공진기 고유값이며,
Figure 112007070208053-pct00049
는 일반 말단 거울의 표면 위의 필드이다. 더욱이, 방정식 (20)은 일정한 위상을 가지지만 임의적인 진폭 편차들을 가지는 즉,
Figure 112007070208053-pct00050
with θ 1 = cont .인 어떠한 필드 분포에 의해서도 명백히 만족된다. 부가적으로, 결합된 고유값은
Figure 112007070208053-pct00051
이 되도록,
Figure 112007070208053-pct00052
이다.
따라서, 이상적인 축퇴 위상-공액 공진기(degenerate phase-conjugate resonator)(즉, 무한 위상 공진기와 임의적 위상 섭동을 가졌으나 횡 진폭 편차가 없는 공진기)에 있어서, 일반 거울 표면에 정합된 위상 표면을 가졌으나, 어느 임의적인 진폭 프로파일을 가진 파면은 공진기를 통해 1 순환 후 자기-재생산된다는 결론을 내릴 수 있다. 더욱이, 그러한 이상적인 PCM 공진기는 따라서, 특정
Figure 112007070208053-pct00053
관점에 의존하여, 무한하게 다양한 횡 모드들을 가지거나 또는 전혀 특이한 고유모드들을 가지지 않는다.
부가적으로, 내려질 수 있는 두번째 결론은 구조적으로 안정한 주기적 포커싱 시스템과 불안정한 주기적 포커싱 시스템 사이의 차이는 일반 광학적 공진기에서는 중요하나, 위상-공액 공진기에서는 완전히 사라진다. 예를 들어, 위상-공액 거울은 발산하는 일반 거울로부터의 발산 빔을, 매 순환(round trip)마다 아무런 최종 배율 없이, 동일한 거울 표면으로 다시 되돌아가도록 반사할 수 있다. 만약 일반 거울과 PCM이 모두 횡적으로 무한하다면, 임의적인 횡 진폭 편차를 가지고, 위상 파면(phase front)이 일반 거울 표면과 정합하는(match), 어떠한 필드 분산도 공진기를 통한 단일 순환 후에 자기-재생산될 것이다.
따라서, 레이징 공동이 위상-공액 공진기를 포함한다면, 비록 강하게 발산되는 일반 말단 거울을 사용한다 할지라도, 공진 모드의 발산 파면은, 일반적인 불안정 공진기의 경우와 같이 연속적인 순환(round trip) 동안 발산되거나 확대되기보다, 단순히 거울에 집광되어 돌아올 것이다. 결과적으로 "불안정" 위상-공액 공진기와 같은 것은 본질적으로 없게 된다. 이러한 특성이 본 발명의 OPCLD가, 필라멘테이션이 없는 모드 안정 'High-Q Cavity' 단색성의 레이저 다이오드를 제공하는 반면, 고전력의 기본 횡 공간 공동 모드 레이저 방출 출력에 대한 큰 모드 볼륨을 가지면서도, 여전히 간단한 모노리식 구조를 유지하는 방법이다.
또한, 세번째 결론이 두 번의 완전한 순환을 통하여 방정식 (20)을 단계적으로 실행함으로써,
Figure 112007070208053-pct00054
을 얻을 수 있다는 점에서 이끌어질 수 있다. 여기서
Figure 112007070208053-pct00055
은 두 번의 순환 후의 출력이다. 더욱이,
Figure 112007070208053-pct00056
이 유일한 위상 편차라면, 이상적인 위상-공액 공진기(즉, 존재하는 아무런 구경도 가지지 않는)에서, 어느 진폭과 위상 패턴은, 위상 파면이 레이저-방출-출력 거울 164 (도 19) 표면과 정합되든 아니든 간에, 두 번의 완전한 순환(round trip) 후에 자기-재생산된다. 이러한 행동은, 두 번째 순환은 공액 거울의 반대 면에 걸쳐 접혀지는 것으로 묘사될 수 있는, 접힌 공동 구성(folded cavity configuration)을 가지는 공진기에 비유된다. 이러한 결과가 더블-패스 파면이 따라서 횡 공간 모드라는 것을 의미하지는 않는다는 것을 주의한다. 오히려, 이러한 상황은 공진기를 통하여 교차하는 순환에서 서로 다른 파장과의 횡 모드 맥놀이(transverse modes beating)의 혼합으로 보아야 한다.
더욱이, 이상적인 위상-공액 공진기의 일반적인 특성들과 행동들은 능동 PCM에 기초한 공진기에 있어서, 그들이 내부 공동 레이저 이득을 사용하는지 또는 최종 이득을 가지는, 즉 1보다 큰 반사 효율을 가지는 위상-공액 거울을 사용하는지와 관련이 있다. 대부분의 광학적 공진기들은 내부 공동 요소들에서 또는 일반적인 레이저-방출-출력 말단 거울에서 약간의 광학적 위상 수차 또는 그 밖의 것으로 겪게 된다. 만약 내부 공동 뒤틀림이 순전히 위상 뒤틀림이라면, 이러한 뒤틀림이 얼마나 '두꺼운'지와 상관없이, 위상-공액 거울은 일반적인 레이저-방출-출력 거울의 표면에 일정한 파면을 형성할 것이다.
더욱이, 이것은 본질적으로 이러한 공진기의 좌원(left-hand) 또는 일반적인 거울 말단으로부터 나오는 회절-제한된(diffraction-limited) 레이저-방출-출력 빔을 의미한다(레이저 빔의 회절 발산이 진폭 프로파일보다 위상 프로파일에 훨씬 더 민감하다). 결과적으로, 광학적 구성 요소들에서의 심각한 위상 뒤틀림이 효과적으로 제거될 수 있다. 공동은 레이저-방출-출력 빔 품질에 있어서의 심각한 감소나 내부 공동 위상 섭동들이 일반적으로 생산하는 심각한 전력 손실을 경험하지 않을 것이다(Siegman, 1977).
더욱이, 일반적인 레이저-방출-출력 거울 164 (도 19)가 그 자체로 매우 주름진 표면을 가진다면, 공진기는 여전히 적은 손실을 가지고 발진할 것이다; 그러나 일반적인 레이저-방출-출력 거울을 통한 출력 빔은 거울의 주름들을 정확히 재생산할 것이고, 따라서 열등한 빔 품질을 가지게 된다. 더욱이, PCM에 기초한 광역 레이저 다이오드가 레이징에 있어서 하나의 횡 공간 공동 모드와 다른 모드들에 대한 선택과 관련한 매우 많은 유연성을 가지고 제공되는 이유와 방법은 이 점에서 명백하다. 횡 레이저 방출에 대한 이러한 종류의 유연성은 전례가 없으며, 어떠한 알려진 일반적인 반도체 레이저 다이오드(즉, PCM이 없는 일반적인 반도체 레이저 다이오드들)에 있어서 최근에 존재하지 않는 것이다.
게다가, 한정된 구경을 가지는 위상-공액 공진기와 관련하여, 무한한 위상-공액 공진기에서 가능한 무한하게 다양한 횡 진폭 패턴은 어느 한정된 구경, 또는 어느 다른 횡 이득 또는 손실 편차가 공진기에 더해지자마자 파괴된다. 횡 이득 편차 또는 구경은 위상-공액 공진기 내부에 발진하는 광파에 대하여 회절 효과를 가져온다. 이러한 회절 효과는 공액기가 일반적으로 모드 빛을 차단하지는 못하기 때무에 위상-공액 거울에 의해서 완전히 제거되지는 못한다. 더욱이, 예리한(sharp-edged) 구경은 특별히 PCM에 의하여 보상될 수 없는 손실과 가장자리 회절 효과를 가져올 것이다.
그러나, 위상 공액 공진기에 소프트(즉, 가우시안) 또는 하드 구경을 더하는 것이 가능한 횡 진폭 패턴들의 연속적인 분산을 낮은 차수와 높은 차수의 횡 고유모드들의 분리된 세트로 전환한다고 말할 수는 없다. 이러한 모드들은 일반적으로 일반적인 레이저-방출 출력 말단-거울의 표면과 가깝게, 그러나 정확하지는 않게 정합하는 위상 파면을 계속하여 가진다. 그들은 또한 구경에 의하여 생성되는 횡 고유 모드들에 회절 회절 손실을 일반적으로 최소화하는 진폭 패턴을 가진다. 광 공진기는 일반적으로 파동 방정식의 제약 내에 머물면서, 그들의 모드 패턴을 그들의 회절 손실들을 최소화하도록 조절하는 놀라운 능력을 가진다. 유한한 구경을 가지는 위상-공액 공진기는 대개 훨씬 더 효율적인 일을 하기 위하여 위상-공액의 특성들을 이용한다.
게다가, 일반적인 광 공진기 또는 렌즈 도파로의 에르미트-가우시안 (Hermite-Gaussian) 횡 고유 모드들은 아래와 같은 한 에르미트-가우시안 함수에 의하여 가깝게 근사치를 구할 수 있다:
(i) 공진기는 구조적으로 안정하다, 그리고
(ii) 2차보다 큰 차수의 횡 이득 또는 위상-변동 편차들을 가진 광학적 구성요소들이 존재하지 않는다(Kogelnik and Li, 1996; Siegman, 1971).
더욱이, 위상-공액 공진기에 대한 횡 고유모드들은 유사하게 아래와 같다면 결국 에르미트-가우시안 형식이 될 것이다.
(i) 하드-에지의(hard-edged) 회절 효과가 작다; 그리고
(ii) 공진기가 위상-공액 거울에 부가하여 오직 일반적인(아마 복잡할지라도) 2차 근축 요소들만을 포함한다.
일반적인 공진기 센스에서, 기하학적 안정성은 PCM의 경우 요구되지 않으며 또는 심지어 의미도 없다. 더욱이, 에르미트-가우시안 솔루션들은 수차가 존재하는 PCM에 기초한 공진기들의 행동에 대하여 말해주지 않는다. 그러나 솔루션들은 단순한 근축 PCM 공진기들에서의 기본 모드 형태들을 알려줄 것이다.
게다가, 에르미트-가우시안 모드 전파와 관련하여, 먼저 가장 일반적인 복소 에르미트-가우시안 모드들의 전파 특성들을 살펴보아야 한다. 더욱이, Au Yeung et al.,(1979)에서 행하여졌듯이, 일반적인 레이저-방출 출력-거울의 표면에 직접적으로 위치한 기준면을 이용하여, 복소 곡률반경(complex radius of curvature)
Figure 112007070208053-pct00057
와 "복소 스폿 크기(complex spot size)"
Figure 112007070208053-pct00058
를 가지는 주파수 ω에서의 일반적인 에르미트-가우시안 횡 모드는 아래와 같이 쓸 수 있다.
Figure 112007070208053-pct00059
여기서, αm는 복소 진폭 계수이며, Hm는 차수 m의 에르미트 다항식이다. 복소 곡률반경
Figure 112007070208053-pct00060
은 아래의 식으로 정의되고 사용된다.
Figure 112007070208053-pct00061
R은 실수 곡률반경이고 ｗ는 실수 가우시안 스폿 크기이며, 그래서 필드는 exp(-x2/ｗ 2)와 같은 횡 진폭 편차를 가진다. 가장 높은 차수의 에르미트 함수들에서만 나타나는, 매개변수
Figure 112007070208053-pct00062
는 말단 스폿 크기 ｗ의 복소 일반화(complex generalization)이다. 이 매개변수는 보통 실수이며 기본 가우시안 빔 이론에서의 ｗ과 동일하다. 그러나, 이것은 일반적으로 독립한 복소 양(independent complex quantity)이 될 수 있으며, 특별히 복소 ABCD 매트릭스가 포함되었을 때 그러하다.
더욱이, 매개변수
Figure 112007070208053-pct00063
및
Figure 112007070208053-pct00064
를 가지는 방정식 (22)의 일반 형식에서 에르미트-가우시안 모드를 방정식 (17)의 순환 전파 적분으로 대체하여 보자. 다른 말로 하면, 이 모드는 평면 거울 표면 내에 직각으로 전파하는 입력 파장이 될 것이다. 한 순환 이후에 주파수 ω2에서 이 동일 면에서 반사된 필드는 동일 차수의 또 다른 에르미트-가우시안 함수가 될 것이며, 방정식 (22)와 동일한 형식이 될 것이나, 방정식 (18)의 위상-공액
Figure 112007070208053-pct00065
매트릭스 요소들에 의하여 주어지는 변형된 수치들인
Figure 112007070208053-pct00066
및
Figure 112007070208053-pct00067
을 아래와 같이 가진다.
Figure 112007070208053-pct00068
상기에 표현된 식들은 PCR을 통한 한번의 순환에서 에르미트-가우시안 빔에 일어나는 것들을 요약하여 준다. 더욱이, αm에 대한 변환 규칙은 PCM에서의 반사로 인한 순환 축 위상-변동을 무시한다. 동시에, 방정식 (24)는 일반적인 광 시스템에서의 가우시안 빔에 대해서 언급되는 전파 규칙들과 매우 유사하지만, 복소 공액
Figure 112007070208053-pct00069
에서의 마이너스 부호와 특별한 위상-공액
Figure 112007070208053-pct00070
매트릭스가 다르다.
게다가, 에르미트-가우시안 공진기 고유 모드들에 대하여, PCR에 대한 일관 성 있는 에르미트-가우시안 고유 모드들은 일반적인 거울에서, 방정식 (24)를 따르는,
Figure 112007070208053-pct00071
와
Figure 112007070208053-pct00072
값들이며, 이들은 ω1=ω2인 축퇴 경우에 일 순환 후 자기-재생산하며, 비-축퇴 경우에 두 번 순환 후 자기-재생산한다. 더욱이, 우리는 곧 전형적인 PCM에 기초한 공진기에 대한 이러한 에르미트-가우시안 고유 모드들을 살펴볼 것이다. 여기서, 결과적으로 얻어지는 일관적인
Figure 112007070208053-pct00073
값들은 아래와 같이 정의되는 x와 y 축들을 가진 복소 1/
Figure 112007070208053-pct00074
평면(실제적으로 1/
Figure 112007070208053-pct00075
＊평면)에서 포인트들이나 궤적들(points or loci)로 편리하게 표현될 수 있다.
Figure 112007070208053-pct00076
더욱이, 윗쪽 반 평면 (y > 0)의 포인트들은 제한된 에르미트-가우시안 모드들, 즉 횡 필드 편차 exp(-x2/ｗ 2)가 무한 각으로 성장한다기보다 쇠퇴하는 모드들에 대응한다. 물리학적으로 중요하게, 에르미트-가우시안 공진기 고유 모드들은 (ｗ cm 2 > 0)에 제한될 뿐만 아니라, 섭동 안정(pertubation stable)하다(Casperson et al., 1974). 섭동 안정성은 일관적 고유 모드들
Figure 112007070208053-pct00077
과
Figure 112007070208053-pct00078
에 대한 작은 섭동들 δ
Figure 112007070208053-pct00079
또는 δ
Figure 112007070208053-pct00080
이 연속적인 순환들에 대해서 기하급수적으로 성장하기보다 쇠퇴하여야 한다. 더욱이, 복소 ABCD 매트릭스에 있어서, 모든 제한된 고유 솔루션들이 반드시 섭동 안정적일 필요는 없으며, 그 반대도 마찬가지이다.
게다가, PCM에 기초한 공진기 내에 존재하는 실수 근축 요소들(real paraxial elements)에 대한 에르미트-가우시안 고유 솔루션들은, 특별히 ω1=ω2=ω0인 축퇴 경우에 있어서 이하와 같이 발견된다. 방정식 (18)에서 주어진 PCM 공동에 대한
Figure 112007070208053-pct00081
매트릭스 요소들은 일반적으로 하기의 편리한 형식으로 쓰여질 수 있다.
Figure 112007070208053-pct00082
여기서
Figure 112007070208053-pct00083
이다. 더욱이, 이러한 복소 매트릭스 요소들의 크기를 위하여
Figure 112007070208053-pct00084
을 사용할 것이며,
Figure 112007070208053-pct00085
의 실수와 허수 부분을 위하여
Figure 112007070208053-pct00086
와
Figure 112007070208053-pct00087
를 사용할 것이다. 결과적으로 한 번의 순환에서 1/
Figure 112007070208053-pct00088
값의 변환은 아래와 같이 주어진다.
Figure 112007070208053-pct00089
여기서,
Figure 112007070208053-pct00090
은 한 번의 순환 이전 값이며,
Figure 112007070208053-pct00091
은 한 번의 순환 이후 값이다.
Figure 112007070208053-pct00092
과
Figure 112007070208053-pct00093
을 의미하는, 순 실수 ABCD 요소들로, 이 식은 일관적인 고유 솔루션들을 가지는, 1/
Figure 112007070208053-pct00094
=-1/q1 ＊이 될 것이다.
Figure 112007070208053-pct00095
더욱이, 실수 ABCD 요소들에 대한 솔루션들의 집단은 복소 1/
Figure 112007070208053-pct00096
평면의 y-축상의 어딘가에 위치한 자기-재생산 솔루션들의 궤적으로 표시될 것이다. 이러한 솔루션들은 물리적으로 말단 거울(즉, Rcm=∞) 위의 단일 위상 파면과 임의의 가우시안 스폿 크기 ｗ cm 에 물리적으로 일치한다. 이것은 이상적인 PCM 공진기에 있어서, PCM에 발생하는 어떠한 필드-패턴도 어느 특정한 파면의 진폭 프로파일과 관계없이, 레이저-방출 출력 말단-거울과 정합하는 위상 파면을 나타낼 것이라는 이전의 결론을 단순히 다시 반복한다.
방정식 (27)은 또한 유한한 최초 곡률 R1과 스폿 크기 ｗ 1를 가진, 그러한 시스템 내의 어느 최초 포인트 1/
Figure 112007070208053-pct00097
으로부터 시작된 가우시안 빔은 단순히 각각의 순환 후에 1/
Figure 112007070208053-pct00098
평면에 허수 축에서 반사된다는 것을 말해준다. 빔은 일 순환 후에 동일한 스폿 크기 ｗ 1를와 뒤집힌 곡률 R2=-R1를 가지고 거울로 되돌아온다.
따라서, 실수-매트릭스 PCM 공진기에 대한 가우시안 빔은 섭동 안정하며, 움직임은 두 번의 순환 후에 자동적으로 일관성 있게 된다고 결론 내릴 수 있다. 공진기의 일반적인 레이저-방출 출력 말단-거울에서 측정되는 1/
Figure 112008060846051-pct00099
에 대한 일관적인 궤적(locus)은 적절한 ABCD 매트릭스와 가우시안 빔 전파에 대한 규칙들을 이용함으로써 PCR 내에서 어느 다른 면으로 변환될 수 있다. 예를 들어, 위상-공액 거울 말단에서의 동등한 궤적 위치는 다음과 같이 주어진다.
Figure 112007070208053-pct00100
더욱이, 이것은 1/
Figure 112007070208053-pct00101
평면에서의 공형 변환(conformal transformation)을 표현한다. 순수하게 실수 ABCD 요소들로서, 방정식 (29)는 일반적인 레이저-방출 출력 말단 거울에서의 직선의 y-축 궤적을 PCM 말단에서의 원으로 변환하며, 이 주제에 대한 더욱 자세한 내용을 위해서는 (Belanger et al.)을 참조한다. 심지어 횡적으로 변화하는 손실들(transversely varying losses)을 가진 복소 근축 시스템에 있어서도, ABCD 요소들의 허수 부분은 일반적으로 작으며, 동일한 해석이 대체로 정확하다.
게다가, 복소-값의 ABCD 근축 요소들(즉, 횡적으로 변화하는 손실 또는 이득을 가진)과 관련하여, 방정식 (27)의 일관적인 솔루션들은 아래의 근(roots)으로서 주어진다.
Figure 112007070208053-pct00102
더욱이, 이 방정식은 아래의 두 부분으로 나누어질 수 있다.
Figure 112007070208053-pct00103
만약
Figure 112007070208053-pct00104
과
Figure 112007070208053-pct00105
가 같은 기호를 가진다면, 아래와 같이 주어지는 1/
Figure 112007070208053-pct00106
평면 내의 두 개의 고유 일관적인 포인트가 있을 것이다.
Figure 112007070208053-pct00107
또는 축합된 형식은 아래와 같다.
Figure 112007070208053-pct00108
더욱이, 이러한 두 근들 중에서, 물론, 오직 ycm > 0이고 따라서 ｗ cm 2 > 0 인 한정된 솔루션만이 물리적으로 의미가 있다.
게다가, 순 실수 근축 시스템들에 있어서, 각 θ m은 사라지는 작은 값을 가질 것이며, 그 크기 비율
Figure 112007070208053-pct00109
/
Figure 112007070208053-pct00110
은 부정의 값(indeterminate)을 가지게 될 것이다. 이러한 한계 내에서, 방정식 (32)는 방정식 (28)의 연속적인 y-축 궤적으로 바뀐다. 더욱이, 일반적인 상황인, 축 상에 전송 최대치를 갖지만 너무 빠른 횡 편차를 가지지는 않는, 복소 시스템에 있어서, 각 θ m은 보통 너무 작을 것이다. 방정식 (32) 또는 (33)에 의하여 주어진 두 개의 이산(discrete) 고유 솔루션들은 곧 설명할 것처럼, x 축의 위와 아래로 동일한 거리에 y 축에 가깝게 위치하게 될 것이다. x 축 아래의 포인트는 물론 공진기 축에서 멀어질수록 감소하기보다는 증가하는 필드를 가진 물리적이지 않은 솔루션을 나타낸다.
게다가, 횡 모드 안정성과 관련하여, 잠시 가우시안 빔이, 정확한 일관성 있는 수치
Figure 112007070208053-pct00111
≡
Figure 112007070208053-pct00112
와 작은 섭동
Figure 112007070208053-pct00113
만큼 다른 최초 가우시안 빔 매개변수를 가지고 일반적인 레이저-방출 출력 거울-말단 바로 안쪽의 위상-공액 공진기로 입사되었다고 가정해보자. 더욱이,
Figure 112007070208053-pct00114
≡
Figure 112007070208053-pct00115
라고 지칭할, 한 번의 순환 후의 이 빔에 대한 가우시안 곡률 매개변수는 아래와 같은 형식으로 쓸 수 있다.
Figure 112007070208053-pct00116
작은 섭동
Figure 112007070208053-pct00117
에서 이 식을 1 차로 전개하고,
Figure 112007070208053-pct00118
를 이용함으로써, 공진기를 통한 한 번의 순환 후 섭동에 대한 성장 비율을 아래와 같이 얻을 수 있다.
Figure 112007070208053-pct00119
여기서,
Figure 112007070208053-pct00120
는 방정식 (32)의 일관성있는 솔루션들의 하나 또는 그 밖의 다른 값이다.
더욱이, 각각의 이러한 일관성 있는 솔루션들은 작은 섭동
Figure 112007070208053-pct00121
이 연속적인 순환에서 쇠퇴하는지 또는 커지는지에 의존하여 섭동 안정이거나 아닐 것이다. 따라서,
Figure 112007070208053-pct00122
가 1보다 크거나 또는 작은 크기를 가지는지 여부를 알아봐야 한다. 플러스와 마이너스 부호의 적절한 트랙을 유지하면서, 방정식 (33)으로부터 나온 축퇴한 일관적인 결과를 방정식 (35)에 대입하여 아래와 같은 결과를 얻는다.
Figure 112007070208053-pct00123
더욱이,
Figure 112007070208053-pct00124
이 아래와 같이 주어지고 기술되는 배율 M을 정의하도록 이끈다.
Figure 112007070208053-pct00125
더욱이, 이 매개변수는 일반적인 불안정 공진기에서 통상적으로 정의되는 배율 M과 막연히 유사하다. 분명히, 적어도
Figure 112007070208053-pct00126
과
Figure 112007070208053-pct00127
이 같은 부호를 가지는 경우에 있어서는, M은 1보다 크며, 어떠한 일관적인 솔루션들이 존재한다면 반드시 그러해야 한다. 더욱이, 섭동에 대한 성장 비율은 그 다음에 이하의 어느 하나 또는 다른 값이 될 것이다.
Figure 112007070208053-pct00128
Figure 112007070208053-pct00129
> 0이거나 방정식 (32)와 (33)의 위쪽 사인이 선택되거나, 또는 이러한 조건들 모두가 뒤집힌 경우에는 첫번째 경우가 적용된다.
그렇지 않다면, 두번째 경우가 적용되며, 그러한 경우, 섭동은 공진기를 통한 연속적인 순환에서 성장한다. 그러나 물리적으로 유용하기 위하여는, 횡 고유모드들은 한정되고 (y > 0) 섭동-안정(
Figure 112007070208053-pct00130
하여야 한다. 더욱이, 이것은 방정식 (32)와 (33)의 위쪽 부호가 선택되어야만 하는 경우로서,
Figure 112007070208053-pct00131
과
Figure 112007070208053-pct00132
[방정식(26)의 표시된]이 모두 0보다 크거나(> 0), 또는 아래쪽 부호가 선택되어야만 하는 경우로서,
Figure 112007070208053-pct00133
과
Figure 112007070208053-pct00134
이 모두 0보다 작아야지만(< 0) 결국 발생할 수 있다.
더욱이, 이것을 표현하는 축합된 버전이 아래와 같이 주어진다.
Figure 112007070208053-pct00135
이것은 마침 이전의 분석에서 행하여졌던 것(Belange et al., 1980a)과 일반적으로 동일하지만, 여기서 주어졌듯이
Figure 112007070208053-pct00136
과
Figure 112007070208053-pct00137
의 정의는 매우 다르다. 더욱이, 이것을 만족하지 않는 대부분의 경우, 제한된 가우시안 솔루션은 섭동 불안정할 것이며, 섭동 안정 솔루션은 방사상 발산할 것이고 따라서 물리적이지 않다.
게다가, 공진기 고유값 모드 손실들과 관련하여, 차수 m과 복소 곡률
Figure 112007070208053-pct00138
의 축퇴 에르미트-가우시안 파장에 대한 복소 진폭 계수는 다음의 비율로 매 순환 후 감소한다.
Figure 112007070208053-pct00139
더욱이,
Figure 112007070208053-pct00140
이 방정식 (32)와 (33)의 한정되고 섭동-안정된 고유 솔루션과 일치한다면, 이 비율은 아래와 같이 된다.
Figure 112007070208053-pct00141
더욱이, 매개변수 M은 따라서 섭동 안정성을 정의하지 못할 뿐만 아니라, 에르미트-가우시안 모드에 의해 겪게 되는 경로마다 모드 손실(mode losses per-pass) 또한 정의하지 못한다. 이러한 손실들은 물론 이차 횡 손실 편차 또는 복소 근축 위상-공액 공진기의 "소프트 구경들"(soft apertures)에 의하여 생성될 수 있다.
더욱이, 흥미로운 관찰은 낮은 차수와 높은 차수 횡 모드들간에 모드 분별(mode discrimination)이 PCR이 형성된 공진기에 있어서, 오직 배율 M에만 의존하며, 따라서 오직 낮은 차수 모드의 손실 값에만 의존하고, 공진기 매개변수들과 횡 고유 모드들의 모드 직경과는 완전히 무관하다는 것이다. 이러한 특성은 또한 일반적인 복소 근축 공진기들에 있어서 사실이다(더욱 상세한 내용을 위해선, Casperson and Lunnam, 1975; Ganiel and Hardy, 1976을 참조한다).
게다가, 높은 차수 횡 공진 모드들의 복소
Figure 112007070208053-pct00142
매개변수와 관련하여, 축퇴의 위상-공액 공진기에서의 복소 스폿 크기
Figure 112007070208053-pct00143
는 공진기를 통한 한 번의 완전한 순환 후에 변환되며, 아래와 같이 주어지고 기술된다.
Figure 112007070208053-pct00144
더욱이,
Figure 112007070208053-pct00145
의 결과로서
Figure 112007070208053-pct00146
=
Figure 112007070208053-pct00147
이 일반적인 레이저-방출-출력 거울 말단에서의 한정된 섭동-안정 고유 솔루션이 되도록 하면, 방정식 (42)는 하기와 같이 되도록 변형된다.
Figure 112007070208053-pct00148
일반적인 레이저-방출-출력 거울 말단에서의 복소 스폿 크기에 대한 자기-재생산 수치
Figure 112007070208053-pct00149
는 여기서 아래와 같이 주어진다.
Figure 112007070208053-pct00150
게다가, 복소 근축 시스템에 있어서,
Figure 112007070208053-pct00151
매개변수는 분명히 일반적인 레이저-방출 출력 거울-말단에서 복소 값을 나타낼 것이다. 더욱이, 이것은 에르미트 다항식에서 복소 체계(complex argument)를 가리킨다. 더욱이, 그리고 다른 것들 중에서, 이것은 차수 m ≥ 2의 모든 에르미트-가우시안 모드들에 있어서 일반적인 레이저-방출 출력 거울-말단에 약간의 비 구형의 위상 파면을 생성할 것이다.
결과적으로,
Figure 112007070208053-pct00152
관계를 이용하여, 방정식 (44)는 아래와 같이 또한 바뀔 수 있다.
Figure 112007070208053-pct00153
여기서, ｗ cm 과 Rcm 은 이전에 주어진 가우시안 공유 솔루션들이다. 더욱이, 일반적인 레이저-방출 출력 거울-말단에서의 복소 스폿 크기
Figure 112007070208053-pct00154
는 동일한 거울 말단에서의 실수 스폿 크기 ｗ cm 과 결과적으로 다르게 될 것이다; 본질적으로 I/Rcm이 결과적으로 제로와 다른 것과 동일한(작은) 정도, 또는 일반적인 레이저-방출 출력 말단-거울에서의 위상-파면 곡률이 거울-말단 그 자체와의 정확한 일치와 다른 것과 동일한 정도이다.
더욱이, 공진기의 위상-공액 거울-말단으로 변환되었을 때, 복소 스폿 크기
Figure 112007070208053-pct00155
는 실수가 되고 동일한 거울 말단의 실수 스폿 크기 ｗ pcm 과 완전히 동일하게 될 것이다; 즉,
Figure 112007070208053-pct00156
이다. 더욱이, 이것은 Belanger et al., 1980b에 의한 PCR 이 형성된 공진기의 PCM 말단에서 행하여진
Figure 112007070208053-pct00157
매개변수의 이전 분석과 일치한다.
게다가, 전체 내부 반사하는 위상 공액 거울과 부분-반사하는 일반적인 레이저-방출 출력 가우시안 모드 제공 곡선 모양의 말단-거울로 구성된 PCR과 관련하여; 여기서, 임의의 곡률 반경 R0을 가진 일반적인 레이저-방출 출력 말단-거울은 (코너-큐브 프리즘 요소들의 매우 큰 배열로 구성된) 위상-공액 거울로부터 거리 L만큼 떨어져 있다; 즉, 빛은 오목 모양의 렌즈 및 조준 볼록 모양의 렌즈로 전파된다. 어느 경우에도, PCM의 실제 위치는 가우시안 구경(즉, 소프트 구경 렌즈 시스템) 바로 뒤에 위치를 차지하도록 앞쪽으로 변형될 수 있다는 것을 주의한다.
더욱이, 실제적인 경우에서, 가우시안 구경이 위상 공액기 그 자체의 고유의 특징일 수 있다; 예를 들어, 수동 광대역 광학적 위상 공액을 제공하기 위하여 유한한-너비의 코너-큐브 배열을 사용하거나 또는 비선형 4-파장 혼합(Trebino and Siegman, 1980)으로 알려진 능동 광학적 위상-공액 절차를 제공하기 위하여 두 개의 유한-너비의 가우시안 펌프-빔을 사용하는 것이다.
게다가, 두번째 예는 구부러진 거울로부터의 반사에 대한 초점 길이 f≡ 1/R0을 가지는 얇은 렌즈가 더해진 평면 거울로 대체된, 곡률 반경 R0을 가진 구부러진 말단-거울을 가진다. 우리는 R > 0이 거울이 오목 또는 수렴하는 타입의 거울임을 지칭하는 것인데 반해, R > 0은 파장이 발산하는 구형의 파면임을 지칭하는 부호 협정을 사용한다는 것을 주의한다. 더욱이, 가우시안 구경의 싱글-패스 전압 전송은 아래와 같이 쓸 수 있다.
Figure 112007070208053-pct00158
ｗ α 는 구경을 통한 진폭 전송에 대한 1/e 반경이다. 아래의 식을 사용하여 PCM 공동의 길이에 대한 가우시안 구경 크기를 특징짓는, 프레넬 숫자를 정하는 것이 편리하다.
Figure 112007070208053-pct00159
또한 일반적인 광학적 공진기에서 사용되는 일반적인 g 매개변수와 동일한, g 매개변수를 아래와 같이 정의하는 것이 또한 편리하다.
Figure 112007070208053-pct00160
더욱이, 이 공동에 대한 일반적인 한 방향 ABCD 요소들은 아래와 같이 주어지고 기술되며, 여기서 결과적으로
Figure 112008060846051-pct00161
이다.
Figure 112007070208053-pct00162
부가적으로, 개별적인 매트릭스는 빔에 의해 마주치도록, 역 순서로 정렬되며 이에 의해 가우시안 구경은 복소 C 요소를 가진 매트릭스로 표현된다.
더욱이, 방정식 (18)에 의하여 정의되는 위상-공액
Figure 112007070208053-pct00163
매트릭스는 다음과 같은 요소들을 가진다.
Figure 112007070208053-pct00164
일반적인 레이저-방출-출력 거울 표면의
Figure 112007070208053-pct00165
매개변수에 대한 일관성 있는 솔루션들은 아래와 같이 주어지고 기술된다.
Figure 112007070208053-pct00166
여기서,
Figure 112007070208053-pct00167
이다.
더욱이, 이것은 정면을 향해 안쪽으로 전파하는, 일반적인 레이저-방출 출력-거울 표면에 발산하는 파면에 대한 가우시안
Figure 112007070208053-pct00168
매개변수라는 것을 다시 한번 강조하여야 한다. 더욱이, 방정식 (51)의 위쪽 부호만이 물리적으로 의미있는 한정되고 섭동-안정 솔루션과 일치한다는 것을 주의한다.
한편, 일반적인 레이저-방출 출력-거울 말단에서의 거울 말단-표면 위의 일관성 있는 반경 및 스폿 크기는 아래와 같이 주어지고 기술된다.
Figure 112007070208053-pct00169
Figure 112007070208053-pct00170
여기서,
Figure 112007070208053-pct00171
일 때 근사치가 유효하다. 결과적으로, 이러한 근사치는 기본적으로 가우시안 구경은 구경에서의 공진 모드의 스폿 크기와 비교할 때 크다는 것을 기본적으로 의미한다. 더욱이, 가우시안 모드-손실 요소 - 즉, PCR을 통한 일 순환 후 공진 모드 진 폭에 있어서의 감소 - 는 실질적으로 동일한 비율을 포함하며, 아래와 같이 주어지고 기술된다.
Figure 112007070208053-pct00172
α1와 α2는 PCR을 통한 일 순환 전과 후의 모드 증폭(mode amplification)이다. 더욱이, 일반적인 레이저-방출-출력 거울 말단 표면에서의 파면 반경 Rcm은 언제나 ≫L이다; 여기서, 파면은, │R0│ -> 0 값을 포함하는, 매우 고도의 발산 또는 수렴 말단 거울이 사용된 경우를 제외하고는, 거울 말단 표면에 매우 가깝게 부합된다.
더욱이, g 와 Nα값의 일반적인 쌍에 있어서, 임의의 초기
Figure 112007070208053-pct00173
0 값으로 개시된 가우시안 빔이 PCR을 통한 연이은 순환들에서 적절한 일관성 있는 궤적 포인트 위치를 향하여 수렴할 것이다. 또한, 1/
Figure 112007070208053-pct00174
값을 나타내는 유한-너비의 소프트 구경은 더 이상 연속적인 궤적의 반대 측 상의 두 포인트들 간에 앞뒤로 발진하지 않을 것이며, 대신에 최종 이산 고유 솔루션으로 천천히 수렴할 것이다.
게다가, 공동 모드 스폿 크기 감도(sensitivity)와 관련하여, 위상-공유 공진기들이 모두 일반적으로 가지는 한 가지 기본 특성은 공동 설계 매개변수들에 있어서 발생하는 섭동에 대한 모드 매개변수들의 매우 감소한 감도이다. 더 자세히 설명하기 위하여, 동일한 공진기의 일반적인 순환 ABCD 매트릭스에서의 어느 기준 면에서의 가장 낮은 차수의 가우시안 모드 스폿 크기 ｗ은 아래의 형식을 갖는다.
Figure 112007070208053-pct00175
여기서, g≡(A+D)/s, ｗ 0 2≡Bλ/π, 및 ABCD 요소들은 동일한 기준 면으로부터 시작하는 하나의 완전한 순환에 대한 일반전일 요소들이다. 더욱이, 일반적인 공진기에서의 매개변수 B는 종종 레이저 공동의 물리적인 길이에 비교된다. 더욱이, '공초점 스폿 크기'
Figure 112007070208053-pct00176
는 보통 큰-직경의 레이저 매질로부터 효율적인 에너지 추출을 얻기 위하여 희망되는 것보다 보통 훨씬 더 작다.
더욱이, 큰 스폿 크기 ｗ와 그에 따른 레이저 공동 내의 큰 모드 볼륨은; 보통 구조적 안정 경계 g2 -> 1 에 가깝게 (또는 넘어서는)작동하는 공동 설계를 필요로 한다. 이러한 제한 내에서, 공진기 구조 매개변수들 내의 작은 변동 δg 에 대한 공동 모드 스폿-크기의 감도는 매우 커진다. 더욱이 우리는 일반적인 안정한 공진기에 대한 이러한 감도를 예를 들어 방정식 (56)을 미분하여 아래와 같은 형식으로 쓸 수 있다.
Figure 112007070208053-pct00177
g의 변동은 매우 큰 비율 (ｗ/ｗ 0)4에 의해서 곱해진다. 큰 모드 직경들을 가진 일반적인 안정한 공진기들은 따라서 그들의 물리적 치수들에 있어서의 매우 작은 섭동들에 지나치게 민감하다. 더욱이, 방정식 (54)와 (57)로부터 얻어진 결과는 위상-공액 공진기에서 우리가 대신 아래와 같은 식을 얻는다는 것을 보여준다.
Figure 112007070208053-pct00178
더욱이, PCM에 기초한 공진기들에서의 스폿 크기는 공진기 매개변수들 내의 작은 변화에 매우 덜 민감하다. 더욱이, 더 큰 모드 볼륨들이 구조적으로 안정한 시스템과 불안정한 시스템들 사이에 경계에서 작동함 없이 얻어질 수 있으며, 동시에 좋은 횡 공진 모드 분별이 예를 들어 PCM 공동 내에 위치한 약한 가우시안 구경에 더하여 적절한 발산 말단 거울을 사용함으로써 여전히 얻어질 수 있다.
게다가, 가우시간 구경의 위상-공액 거울에 기초한 공진기 구성들과 관련하여 예를 들어, 그러한 하나의 구성은 가우시안-구경의 위상-공액 거울에 더하여 거리 L만큼 떨어진 가우시안 구경 평면 거울을 포함한다. 더욱이, 이러한 PCR의 예는 일반적인 레이저-방출 출력 거울이 지금은 다양한 "실수 곡률"(real curvature)라기보다 "허수 곡률"(imaginary curvature)를 가진다는 점을 제외하고, 상기에서 기술한 PCR에 대한 개념과 비슷하다. 우리는 두 가우시안 구경들의 세기가
Figure 112007070208053-pct00179
과
Figure 112007070208053-pct00180
에 의해서 표시되도록 한다. 방정식 (18)의 매트릭스 요소들은 따라서 아래와 같이 주어진다 .
Figure 112007070208053-pct00181
더욱이, α 또는 β가, 가우시안 구경의 하나 또는 다른 것이 반경과 함께 증가하는 전송을 가질 수도 있다는 것을 의미하는, 음의 값이 될 수도 있다는 가능성을 허용한다면, 이러한 공진기의 공동 모드 특성들은 매우 복잡해진다. 음의 구경 경우를 분석하는 것은 명백히 어떠한 실제 구경도 증가하는 반경과 함께 막연히 증가하는 전송 함수를 가질 수 없기 때문에, 특별히 유용하다.
그러나, 축으로부터, 적어도 축에서 일부 한정된 거리에 대하여, 반경 거리와 함께 이득이 증가하는 레이저 이득 매질이 있을 수 있다. 적어도 거울의 한정된 직경에 걸쳐서, 반경에 대하여 반전된 굴절 함수(inverted inflection function)를 가지는 가우시안 다양한 반사율 거울들을 또한 합성할 수 있다. 이상적인 음의 가우시안 구경들의 이해는 우리가, 적어도 가우시안 모드 자체가 그러한 시스템의 유한한 가장자리를 넘어 펼쳐지는 지점까지, 그러한 시스템들의 가능한 행동들을 평가하도록 해준다.
더욱이, 이러한 공진기 예에 대한 다소 복잡한 결과들을 오직 간단하게 요약할 것이다. 또한, 방정식 (32) 또는 (33)에서 기술되었듯이, 물리적으로 의미 있는 그리고 일관성 있는 솔루션들은 오직 α=0축과
Figure 112007070208053-pct00182
곡선 사이에 위치한, 오직
Figure 112007070208053-pct00183
인 경우에만 존재할 수 있다. 부가적으로, 방정식 (32), (33), 및 (36)의 위쪽 또는 아래쪽 부호들의 선택을 강요하는,
Figure 112007070208053-pct00184
는 αL=-1/2βL에 의해 정의되는 경계 곡선상에서 양의 값으로부터 음의 값으로 변화한다. 섭동 안정성을 결정하기 위하여
Figure 112007070208053-pct00185
와 결합되는,
Figure 112007070208053-pct00186
의 부호는 α의 부호와 동일하다는 것을 또한 주의한다.
게다가, 상기 예로부터의 다양한 결합과 결과들은 그래픽하게 및/또는 수학적으로 α 및 β 구성의 매트릭스를 사용하여 표시될 수 있다(당업자에게 그 사용이 잘 아려진 α 및 β 구성의 매트릭스의 다이아그램을 여기서 보여줄 필요는 없다). 예로 α 및 β 구성의 매트릭스의 1 사분면(first quadrant)(α > 0, β > 0) 내의 어딘가의 분석적인 기준에 따라 존재할 수 있는, 일반적인 레이저-방출-출력 거울 말단에서의 제한되고 섭동-안정된 솔루션들(confined and pertubation-stable)을 든다.
일반적인 레이저-방출-출력 거울 말단에서의 제한되고, 섭동-안정한 솔루션들의 또 다른 예는 α 및 β 구성의 매트릭스의 아랫쪽-오른편 사분면(α > 0, β < 0)의 바깥 쪽 부분 내에, 분석적인 기준에 따라, 명백히 또한 존재할 수 있다. 또한, 일반적인 레이저-방출-출력 거울 말단에서의 제한되고, 섭동-안정한 솔루션들의 또 다른 예는 α 및 β 구성의 매트릭스의 윗쪽-왼편 사분면(α < 0, β < 0)의 바깥 쪽 부분 내에, 분석적인 기준에 따라, 명백히 또한 존재할 수 있다. 더욱이, 위쪽-왼편 사분면의 명목상 허용되는 영역과 또한 아래쪽-오른편 사분면 내의 허용되는 영영의 부분 내에서,
Figure 112007070208053-pct00187
에 대한 솔루션은 일반적인 레이저-방출 출력 거울-말단에서 실제로 섭동-안정하고 제한된다.
게다가, 횡 공진 모드들의 행동과 그들이 하드-엣지(hard-edged)의 모드-조절 구경을 포함하는 PCR에서 어떻게 일어나는지가 다음으로 고려된다. 여기서, 하드-엣지 구경을 가지도록 구성된 위상-공액 공진기들은 프레넬 회절 효과를 나타낼 것이며, 이는 일반적인 광 공진기에서만큼 하드 광 회절 표면 엣지(hard light dffracting surface edges)를 가지는 구경의 내부 공동 존재에 의해 야기된다. 일반적인 공진기에서와 같이 PCM내의 이러한 효과들은 일반적으로 복잡하고 분석적으로 고치기 어렵다. 결과적으로, 하드-엣지의 구경을 사용하는 정확한 모드 특성들은 잘 알려진 Fox, Li, and Prony 방법들(Fox and Li, 1961; Siegman and Miller, 1970)과 같은, 수치 계산 방법들에 의해서만 일반적으로 결정될 수 있다.
더욱이, 상기 언급한 숫자로 나타낸 모드 계산들과 관련하여, 단순한 PCM 기초 공진기에서의 순환 전파에 적합한 적분 방정식은, 분리가능한 직교 횡 좌표들과PCM 말단에서의 유한한 2ｗ pcm 구경-너비를 가정하여, 방정식 (19)에 의해 주어지고 기술된다. 반면에, 일반적인 레이저-방출-출력 거울 말단에서의 유한-너비 2ｗ cm 의 유사한 구경이 섭동 함수
Figure 112007070208053-pct00188
내에 혼합될 수 있으며, 또한 ±ｗ pcm에서의 적분을 버림(truncating)으로써 설명될 수 있다. 공동 내의 어느 다른 구경에 조절시키기 위한 또는 원기둥 좌표들에서 표현하기 위한, 이러한 적분 방정식의 확장은 간단한 연습이다.
더욱이, 적분 방정식의 이러한 타입의 고유 솔루션들은 빠른 Fourier 또는 빠른 Hankel 변환 방법들(Sziklas and Siegman, 1974, 1975; Siegman, 1977b; Sheng and Siegman, 1980)의 사용에 의해서 매우 효과적으로, 일반적인 공진기 이론에서 일반적으로 계산된다. 더욱이, 이러한 방법들은 높은 차수의 고유모드들이 추출되다면(Siegman and Miller, 1970; Murphy and Bernabe, 1978) Prony 방법과 결합될 수 있다. 방정식 (19)에서의 커널(kernel)은 일반적인 공진기들에서 사용되는 더욱 일반적인 커널과 흥미로운 방법으로 다르다는 것을 주의한다. 그러나, 적분은 여전히 중첩적분(convolution integral)의 형태, 즉,
Figure 112007070208053-pct00189
으로 남아있으며, 따라서 빠른 변환 방법들이 여전히 이용될 수 있다.
더욱이, 유한-너비 거울에 유한-너비 PCM이 더해진 간단한 경우에, 중요한 매개변수들은 프레넬 숫자들이며, 이는 다음과 같이 정의될 수 있다 .
Figure 112007070208053-pct00190
여기서, 매개변수 B는 거울 표면과 PCM 사이에 아무런 렌즈들이나 다른 구성 요소들이 없다면 단순히 공동 길이 L이다. 더욱이, 이러한 프레넬 숫자들이 모두 ≫1이라면, 이전 섹션의 에르미트-가우시안 분석이 적용될 수 있을 것이다. 프레넬 숫자들 중 하나 또는 모두가 구경이 에르미트-가우시안 솔루션에 작용하기에 충분할 정도로 작아지면, 상당한 회절 효과가 발생하는 것이 예상될 수 있다. 일반적으로, 하드 구경을 가진 공진기 내의 횡 모드들은, 광파 방정식을 계속하여 따르면서, 구경에서의 회절 손실들을 최소화하기 위하여 뒤틀린 그들의 진폭 패턴들과 위상 프로파일들에 상당한 독특함을 보일 것이다.
더욱이, 유한-너비 구경을 가진 위상-공액 공진기 내의 횡 모드들의 수치 계산들은 Lam 과 Brown(1980)(1980b)에 의해서 벌써 수행되었다; 여기서, 그들은 빠른 Fourier 변환을 분석 방법으로 이용하여 오직 하나의 횡 좌표(공진기에 대한 줄 무늬 구성(stripe configuration)을 사용하여)를 고려하였다. 더욱이, 그들의 결과는 적당히 강한 구경(Ncm=1)을 나타내는 두 개의 기본 위상-공액 공진기 구성들(g=0 및 g=2)에 대한 일반적인 거울 말단에서의 모드 패턴들을 보여준다. 결과적으로 얻어지는 모드 패턴들은 기대되는 프레넬 리플들(Fresnel ripples)과 기초를 이루는 가우시안 근사들(underlying Gaussian approximations)에 대한 회절 섭동(diffractive perturbation)을 나타낸다.
더욱이, R0=L 또는 g=0의 반구 경우에, 모드는 일반적인 레이저-방출-출력 거울 말단에서 가장 많이 구경화(apertured)되며, PCM은 일반적인 거울에서 대부분의 회절 리플들(diffraction ripples)을 잘 제거하는 것으로 보인다. 그러나, R0=-L 또는 g=2의 발산하는 불안정한 경우에, 모드는 PCM 말단에서 가장 날카롭게 구경화되며, 이것은 일반적인 거울 말단에서 강한 회절 리플들을 보이게 될 것이다. 부가적으로, 발산하는 불안정한 경우, 위상 분산 프로파일은 예상되는 일반적인 거울 표면에서가 아닌, 공진 축에 수직인 횡 평면에 위치하게 될 것이다. 이러한 프로파일은 개략적으로 정방형의 모양인 포개진 리플들을 나타내게 될 것이며, 이는 일반적인 말단 거울의 표면으로 수렴하여 돌아가는 위상 파면에 대응한다.
결과적으로, 반구 기초 PCM 공진기 상의 말단 거울 뒤틀림의 효과는 일반적인 거울 표면에 걸쳐 분산된 위상 뒤틀림 패턴으로 기술된다. 더욱이, 이러한 위상 프로파일은 프레넬 숫자들 Ncm=Npcm=2/π 및 15/π와 각각 대응한다. 낮은 프레넬 숫자에서, 일반적인 거울 표면에서의 파면은 이전에 기술한 거울 뒤틀림에 의해 상당 히 뒤틀린 채로 남아 있다.
그러나, 큰 프레넬 숫자에서, 위상-공액기 거울은 위상 수차를 해결하고 거의 전부 수정할 수 있다. 게다가, 더 복잡한 PCM 공진기들에 대한 수치 계산들이 Hardy(1981)에 의하여 수행되었다. 더욱이, 광 위상-공액기는 명백히 평면 중앙의 구경으로부터의 거의 모든 회절 효과를 없애줌으로써 공진기 손실들을 매우 줄여줄 수 있다.
더욱이, Nα=1.875을 가진 PCM 경우에, 계산된 모드 패턴들은 에르미트-가우시안 분석에 의해 예상되는 가우시안 프로파일과 매우 가깝게 일치한다. 분석적으로 예상되는 에르미트-가우시안 모드가 평면 중앙 구경에 의해서 매우 많이 잘라지게 되는(clipped), Nα=0.3인 경우에도, 구경과 일반적인 거울 사이의 모드는 소수의 작은 사이드 로브들(lobes)을 가지고 가우시안에 매우 근접한다. 위상-공액 반사기는 평면중앙 구경으로부터의 회절 흩뿌림(diffraction scattering)을 잡아내고 많이 제거한다. 반대로, 일반적인 말단 거울 결과는 매우 큰 모드 손실들과 마찬가지로 보통의 회절 리플들(diffractive ripples)을 보여준다.
더욱이, 내부 공동 위상 섭동이 언급된 공진기의 다음 타입에 가지는 영향은 Hardy, 1981에 의해서 연구되었다. 이를 통해, 가장 낮은 차수 모드는 순환하는 파장이 양 방향으로 진행하면서 격자를 통과하도록 공진기 평면중앙(즉, 위상-공액 거울의 구경 평면 내)에 삽입된 위상 격자를 가진 공진기에 대해서 계산되었다. 더욱이, 격자는 구경을 가로질러 Δφ(x)=Δφd cos(2πx/T)의 위상 편차를 가진다. 실험 결과는 상기 공진기 구성에 대해서, 회절 손실 및 빔 품질 모두가 일반적인 거울 경우에서보다 PCM의 경우에 내부 공동 위상 격자에 의해 훨씬 덜 영향을 받는다는 것을 보여준다(즉, 더 자세한 내용은 Hardy, 1981 참조).
게다가, PCM 기초 공진기의 횡-모드 직교성 특성(orthogonality properties)들을 고려해보자. 예들 들어 하드-엣지(hard-edged)의 구경을 가지거나, 또는 에르미트-가우시안 근사로부터 약간 다른 방식으로 떨어져 있는 위상-공액 공진기는 거의 확실히 높은 차수의 횡 모드들을 또한 가질 것이다. 이러한 높은 차수 모드 패턴들의 어느 하나도 그러한 계산들이 (Hardy, personal communication) 진행 중인데도 불구하고, 에르미트-가우시안 경우 외에는 아직 발표되지 않은 것으로 보인다.
더욱이, 이러한 높은 차수의 횡 모드들의 직교 특성들은 그러나 일반적인 광 공진기들의 횡 모드들의 직교 특성들과 유사하게(Siegman, 1979), 일반적인 형식으로 세워질 수 있다. 여기서는 별개의 간행물(Hardy et al., 1982)에 남겨진 증거들과 함께, 최종 결과만이 언급될 것이다. 다음으로, 위상 공액기로부터의 반사가 위상이 아니라 크기에 있어서 임의의 횡 편차를 갖는 일반적인 위상-공액 공진기 구성을 고려해보자.
Figure 112007070208053-pct00191
여기서,
Figure 112007070208053-pct00192
는 위상-공액 반사 필드를 기술하는 데 반해,
Figure 112007070208053-pct00193
는 PCM을 치는 입사 필드이며, Ψ는 횡 좌표들의 함수가 아니다(즉, 공액기는 구경화될 수 있으나 그렇지 않은 것이 이상적이다). 더욱이, PCM 에 기초한 공진기의 나머지에 위치한 일반적인 렌즈들은 근축 요소들, 섭동 스크린들, 및/또는 일부 종류 또는 그밖의 유한한 구경들을 포함하며, 임의적이다. 부가적인 인덱스 m 또는 n가 PCM 공진기내에 서로 다른 차수의 횡 고유모드들을 구별하는데 사용된다. (적절한 표준화를 가진) 매우 일반적인 조건 하에서 우리는 아래와 같이 보여줄 수 있다.
Figure 112007070208053-pct00194
더욱이, 이러한 계산은 위상-공액기에 입사 평면에서 처음에 만들어질 수 있다. 그러나, 매우 일반적인 조건 하에서(Arnaud, 1976) 두번째 적분은, 그것을 아래와 같은 형식으로 쓸 수 있다면, 공진기내의 어느 다른 평면에서 유지될것이라는 것을 또한 보여준다.
Figure 112007070208053-pct00195
Figure 112007070208053-pct00196
는 평면에서 앞 방향으로 전파하는 것을 표현하며,
Figure 112007070208053-pct00197
은 평면에서 뒷 방향으로 전파하는 것을 표현한다. 일반적인 광 공진기들에서와 같이, PCM공진기 내의 가장 일반적인 조건들하에서, 앞 방향으로 나아가는 횡 고유모드들,
Figure 112007070208053-pct00198
이나 같은 평면에서 뒷 방향으로 나아가는 동일한 모드들,
Figure 112007070208053-pct00199
중 어느 것도, 복소 공액을 갖거나 갖지 않고, 별개의 직교 세트를 형성하지 못한다(PCM이 이상적이지 않다면, 아무런 횡 편차없이). 오히려, 주어진 횡 평면에서 한 방향으로 나아가는 각각의 횡 고유 모드는 복소 공액 없이 같은 평면에 반대 방향으로 나아가는 패밀리 내의 모든 고유 모드들에 직교한다.
더욱이, 이것은 일반적인 광 공진기들에 대한 직교 관계들과 본질적으로 동일하다(Siegman, 1979). 이것은 페이저(phasor) 공식에서 쓰인 호이겐 적분이 복소 대칭(complex symmetric)을 가지지만 에르미트 커널(Hermitian kernel)을 가지지 않는다는 사실을 다시 한번 보여준다. 다르게는, 이것은 광 공진기 문제가 기본적으로 에르미트 연산자(Hermitian operator)를 따르지만, 회절 손실이 존재할 때마다 수반행렬 경계 조건들을 가지지 않는다는 사실로부터 발생하는 것으로 볼 수 있다.
게다가, 일반적인 레이저-방출-출력 거울 말단에서의 가우시안 빔 매개변수들은 일반적인 매트릭스 매개변수들인 A=1-L/ R 0 , B=L, C=-1/ R 0 , 및 D=1을 사용하여, 가우시안 구경 바로 안의 위상-공액 거울 말단으로 변환될 수 있다. 더욱이, PCM 말단에서 가우시안 구경에 이르기 바로 전의 빔 매개변수들은 아래와 같다.
Figure 112007070208053-pct00200
Figure 112007070208053-pct00201
더욱이, 보편적인 법칙은
Figure 112007070208053-pct00202
로 나타냄을 주의한다. 게다가, 이러한 타입의 PCM 공진기에 대한 가우시안 모드는, 대부분의 경우 일반적인 말단 거울의 반경의 중심에 매우 가까운 빛살 허리(beam waist) 위치와 또한 관련이 될 것이다. 사실 이러한 허리에 대한 z0의 위치는, z0가 말단 거울의 정면에 대하여 양의 값으로 측정되며, 아래와 같이 주어지고 기술된다.
Figure 112007070208053-pct00203
모드 허리의 스폿 크기는 아래와 같을 것이다.
Figure 112007070208053-pct00204
게다가, PCM 공진기의, 여기서 일반적인 공진기는 PCM 대신에 2차원의 평평한 일반 거울을 가지는, 기본적인 특성들과 관련하여, 오직 안정한 영역 0 < g < 1에서만 한정된 가우시안 모드들을 가지며, 바깥에서는 불안정 모드들을 가진다. PCM 공진기의 가우시안 모드 행동은 일반적인 공진기에 의해서 나타나는 행동과 상당히 다르다. 더욱이, 무한한 PCM (즉, Nα -> ∞)에 임의의 약한 가우시안-구경 효과를 더함으로써 g의 모든 값들에 대하여 분리된, 불연속적인, 한정된, 섭동 안정한 가우시안 고유모드들을 야기한다. 이러한 스폿 크기들과 모드 프로파일들은 더욱이 Nα >> 1인 한, 구경 세기와 본질적으로 무관하다.
상기에서 기술하였던 바로부터, PCM 공진기 모드 행동은 하기의 중요한 수 개의 이점들을 포함하며, 이것은 본 발명의 OPCLD 에 있어서 명백해지며, 하기와 같이 열거된다:
(a) 본 발명의 OPCLD의 또 다른 목적은 "발산" 레짐(divergent regime) g > 1, 또는 R0 < 0(일반적인 공진기에서의 양-영역(positive-branch) 불안정 레짐)를 제공하는 것이며, 여기서, PCM 공진기는 PCM 말단에서 발산하는 스폿 크기 및 CM 말단에서의 작은 스폿 크기의 행동을 나타낸다. 더욱이, 이러한 행동은 결국, PCM 스폿 크기가 약한 가우시안 구경에 의해 영향을 받도록 되어 있는 지점까지 확장되는 때인, 큰 g 에 결국 제한될 것이다.
(b) 본 발명의 OPCLD의 또 다른 목적은 평면 포인트 g=1, 또는 R0 → ∞ 를제공하는 것이며, 여기서 PCM 모드는, 평면 거울 말단에서
Figure 112007070208053-pct00205
의 허리 스폿 크기와, PCM 말단에서
Figure 112007070208053-pct00206
더 큰 스폿 크기를 가지는, 형식적으로 반 공초점(half confocal)이다.
(c) 본 발명의 OPCLD의 또 다른 목적은 포인트
Figure 112008060846051-pct00207
또는
Figure 112008060846051-pct00208
에서 평면 포인트 g=1과 g=0 를 제공하는 것이며, 이것은 ｗcm=ｗpcm이 공진 공동의 정확한 중심에서의 얇은 허리 스폿 크기를 제공할 "대칭 포인트 1"(symmetric point 1)이다.
(d) 본 발명의 OPCLD의 또 다른 목적은 공진기가 반구 포인트 g =0, 또는 R0 =L에 접근하도록 만드는 증가된 거울 반경을 제공하는 것이다. 더욱이, 반대로 일반적인 레이저-방출-출력 말단 거울 표면에서의 스폿 크기는, PCM 스폿 크기가 제로 값을 향해 가는 반면에, 유한한 구경과 만날 때까지 확장할 것이다.
(e) 본 발명의 OPCLD의 또 다른 목적은 0과 -1 사이에 있는 g 값을 제공하는 것이다; 더욱이, 공진기가 "과수렴"(oveerconvergent)하고, 높은 차수 횡 모드들에 명목상 불안정(즉, 음-영역(negative-branch) 센스 내)해지도록 야기한다. 더욱이, 여기서의 모드 행동들은, PCR내에서 더 깊은 허리 스폿 크기를 나타낸다는 것을 제외하고, g=0과 g=+1 사이의 영역의 거울 이미지가 될 것이다. 특히 모드 행동은 대칭 포인트 2가 될 것이며, 이것은 하기에 위치한다.
Figure 112007070208053-pct00209
이를 통해, 공동 모드는 대칭 포인트 1에서 그러했듯이, 그러나 공진기 중심에 위치한 상당히 깊은 허리 스폿 크기를 가지고, ｗcm=ｗpcm의 값을 다시 나타낼 것이다.
(f) 본 발명의 OPCLD의 또 다른 목적은 과수렴하는 공진 모드가 g > +1에 대 한 발산 공진 모드와 매우 같아지는, 그러나 일반적인 레이저-방출-출력 말단 거울 표면의 바로 앞에 매우 빈틈이 없는 내부 집광이 존재하는 경우를 제외하고(g -> +∞에서 일어나듯이, 그 바로 뒤보다는), PCM 말단에서 큰 스폿 크기를 가지는, g < -1, 또는 R0 < L/2을 제공하는 것이다.
(g) 본 발명의 OPCLD의 또 다른 목적은 CM 말단에서 모드 곡률이 거울 표면에 정합하도록 유지하면서, 가우시안 구경에서의 가우시안 스폿 크기를 최소화하는 (즉, 가능한 무한한 숫자들 중으로부터) 허리 위치를 항상 선택하는 공진기를 제공하는 것이다.
(h) 본 발명의 OPCLD의 또 다른 목적은 가우시안 구경을 공진기 내의 어느 다른 평면 위치로 옮기는 것이 새로운 구경 위치에서의 스폿 크기를 최소화하기 위하여 공동 모드를 결과적으로 바꾸는 공진기를 제공하는 것이다.
더 많은 목적과 장점들이 광대역 공액기에 있어서(즉, 본 발명의 OPCLD의 코너-큐브 배열 기초한 PCM은 광대역이다), 떨림 전환(chirp reversal)에 대한 의미가 명백한 OPCLD 기술을 제공할 것이다. 또한, h(z, -iΩ)가 공액 파장 형태들을 수치적으로 계산하는데 사용되는, 방정식 (8)의 상수로서 취해지면, 아래와 같은 형식으로 주어진다.
Figure 112007070208053-pct00210
여기서, 공액 펄스의 떨림(chirp)(즉, 시간에 따른 순간 주파수의 변화 비 율)은 주입 펄스의 그것과 정확히 반대이다. 더욱이, 이것은 1978년 Marburger에 의해서 처음으로 지적되었다. 부가적으로, Yarive et al.,(1979)는 분산하는 발산을 겪는 펄스는 떨림 전환이 분산 요소의 리트래버설(retraversal) 상에 연이은 분산적인 좁아짐(dispersive narrowing)을 야기하도록 적절한 광대역 공액기와 결합될 수 있다는 것을 보여주었다.
더욱이, 공진에 있어서 유니티(1)로 맞추어진, DFWM이 형성된 게르마늄 기초 PCM에 대한 공액 반사율과, PCM을 제조하는데 사용되는 게르마늄의 물리적 두께는 다양하다(예를 들어, 0.1-, 1.0-, 또는 2.0-cm). 여기서, 밴드너비가 비-조정된 프로브 펄스(probe pulse)의 두 배가 되도록, 가우시안 모양의 프로브 레이저 펄스가 사용되지만, 그러나 양의 선형 떨림(positive linear chirp)이 그 위에 부여된다. 입력 펄스의 피크에서, 순간 주파수는 펌프 파장의 주파수이다. 더욱이, 순간 주파수 변동은 입력 과 위상-공액 펄스들 모두에 있어서 시간의 함수로서 플롯된다. 세가지 다른 경우들이 공액기 두께 0.1-cm, 1.0-cm, 및 2.0-cm를 가지고 고려된다.
여기서, t=0은 프로브 펄스의 피크가 공액기의 입사면을 치는 시간이다. 반면에, 가장 얇은 공액기에 있어서(L=0.1-cm), 장치의 밴드너비는 거의 완벽한 떨림 전환을 생성하기에 충분하지만, 큰 두께에 있어서, 떨림 전환은 명백히 불완전하다. 더욱이, 모든 세가지 경우에 있어서, 떨림은(주파수 대 시간 커브의 평탄화에서 보여지듯이) 공액 펄스의 일시적인 피크에서 다소 뚜렷한 사라짐을 보인다. 따라서, 쳐프 펄스(chirped pulse)는 이 좁은-밴드 너비 한계에서 상대적으로 떨림이 없는 펄스로서 공액된다.
유사하게 연관된 계산에서, κL은 π/4와 동일하도록 맞추어지고, 공액기 두께는 2-cm와 동일하도록 맞추어진다. 입력 펄스 상의 떨림을 증가시키는 것은 결과적으로 공액 펄스의 지속 기간을 감소시킨다. 이것은 떨림이 심해질 수록 펄스가 공액기의 고-반사율 중심 주파수를 더 빠르게 지나간다는 것을 고려함으로써 쉽게 이해될 수 있다.
더욱이, 고정된 길이 L에서 감소하는 κ는 그러나 완전한 떨림-전환을 생성하지 못한다. 더욱이, 그 이유는, κL을 줄일수록, δ-함수 반응은 공액기의 순환 기간동안 평평한-지붕(flat-topped)의 함수가 되고, 함수의 지속기간은 물리적으로 두꺼운 공액기로서 오직 L에만 의존하기 때문이다. 더욱이, 입력 펄스 떨림의 전환은 찍어진 격자에 의하여 쉽게 이해될 수 있다; 여기서, 격자에 존재하는 라인의 숫자가 해상도(resolution)을 결정한다. 따라서, 약한 커플링 혼자서는(κL≪π/2) 충실한 떨림 전환을 보장하기에 불충분하다; 더욱이, 전환 함수는 충분히 넓어야만 한다.
더욱이, Pepper and Yariv (1980)은 정상 상태(steady state)에서, 1의 반사율을 가지는 공액기가 재앙적 자기-집광(catastrophic self-focusing)이 그 안에서 일어나지 않는 한, 약한 비선형 수차의 삽입(interposition)을 보상할 것이라는 것을 보여준다. 명백히, 상기 내용을 고려할 때, 입력 펄스의 지속 기간보다 훨씬 적도록 공액기의 통과 시간을 제한하기 위한 단계들이 취해질 것이며, 그렇지 않으면, 시간에 따라 변화하는 발산(떨림, the chirp)이 충분히 전환되지 못한다.
더욱이, 어떻게 떨림 전환이 DFWM PCM 구성 시스템을 사용함으로써 달성되는 지 살펴본 바에 의하면, 본 발명의 OPCLD와 관련하여, PCM이 충분히 광대역인지 아닌지에 대한 문제는 명백하다. 본 발명의 OPCLD는 더욱 일반적인 DFWM에 기초한 PCM 을 코너-큐브 모양의 반사 요소들의 매우 큰 배열로 형성된 PCM(이 코너-큐브가 형성된 PCM은 상기 레이저 광의 kout=kin을 더욱 제공하기 위하여 입사 레이저-광의 전체 내부 반사를 통하여 위상-이동을 제공한다)으로 교체함으로써, 광대역 위상-공액 반사의 L=0 레벨을 달성한다. 상기에서 언급하였듯이, t=0은 프로브 펄스의 피크가 공액기의 입사면을 치는 시간임을 상기한다.
반면에, 가장 얇은 공액기(L = 0.1-cm)에 있어서, 장치의 밴드너비는 거의 완전한 떨림 전환을 생성하기에 충분하지만, 더 큰 두께에 있어서는 떨림 전환이 명백히 불완전하다. 코너-큐브 배열에 기초한 PCM에 있어서, TIR 코너-큐브 배열 자체와 주위의 공기(코너-큐브를 제조하는데 사용된 물질보다 낮은 굴절율을 가지는 공기) 사이의 TIR 경계면 L은 OPCLD의 방출 파장 λ보다 작거나 같으므로(L≤λ), 따라서, L=0이라는 상기 기술한 기준을 완벽히 만족시킬 정도로 충분히 얇다.
도 70에서 보여지듯이, 본 발명의 OPCLD의 첫번째 부가 실시예는 다중 채널 광원을 포함하며, 이는 파장 분할 다중 송신 광 통신 시스템에서 사용된다. 더욱이, OPCLD, 밀폐되도록 봉인된 회로 패키지, 및 DWDM 시스템에서 사용되는 파장 기초 채널들의 원격 설계(remote provisioning)를 제공하도록 구성된 광섬유 피그테일이 게시되어 있다. 여기서, 파장 조절가능한 레이저 다이오드는 일반적인 DWDM 기초 통신 시스템에서 최근에 사용되는 레이저 다이오드들의 숫자를 상당히 줄이 며, 바람직하게는 단일 레이저 다이오드 광원으로 구성되고, 이는 WDM 응용들에 유용한 다중 주파수들의 레이저 빛을 방출하는데 사용된다.
유리하게도, 그러한 레이저 다이오드 장치는 사용되지 않은 따라서 사용에 유용한 많은 파장 채널들의 원격 스위칭을 제공하도록 전기적으로(즉, 원격으로) 설계될 수 있다. 더욱이, 그러한 레이저 다이오드 광원은 레이저-방출-출력의 다중 종 모드들과 그 길이가 형성된 종 모드들 사이에 발생하도록 만들어진 정해진 숫자의 주파수 간격(frequency spacings)을 제공하도록 바람직하게 조절된 광 공동(optical cavity)을 포함하는 PCR이 형성된 레이저 다이오드 공동을 포함한다.
더욱이, 도 19와 70에서 나타나듯이, 시스템은 대략 50-GHz 모드-락커, 전기적 또는 광학적 펌프원(pump source), 및 OPCLD 164의 반사 표면층을 제거하고, 외부 공동 반사기 284, 297로 대체함으로서 바람직하게 얻어지는 조절가능한 274 공동 284, 297을 가진 OPCLD 279를 포함한다. 외부 공동 반사기 284, 297은 바람직하게, 제거된 반사 표면 층이 위치한 164 (도 19)보다 층 구조 165 (도 19)의 남은 반사 표면으로부터 상당히 멀리 떨어진, 오목 반사 표면 297을 포함한다. 공동 288의 다중 주파수 출력 289(도 70)는 DWDM 응용을 위하여 펄스 발산 섬유 287을 통하여 에르븀-도핑된 섬유 증폭기(EDFA)와 285, 286 결합된다.
게다가, 레이저-방출-출력의 상대적인 진폭을 종 모드들의 상당한 비율에 바람직하게 고정하기 위한 수단, 및 종 모드들이 고정된 상대적인 진폭을 유지하는 분광학적 밴드너비를 바람직하게 최대화하기 위한 수단이 레이저 공동 288을 관심있는 방출 주파수 범위의 주파수를 가지고 굴절율의 최소 편차를 가지도록 설계하 기 위하여 제공된다. 부가적으로, 레이저 광원 279는 도 70에서 묘사되듯이, 장치를 위한 레이저-공동 288, 전기적 및/또는 광학적으로 이끌어지는 이득-영역 161 (도 19), 및 예를 들어 거울 표면 297을 가진 굴절률 분포형 렌즈 284를 이용하여, 형성된 외부 공진 레이징 광 공동 288을 포한한다.
더욱이, OPCLD의 이득-영역은 OPCLD의 이득-영역을 광학적으로 펌핑시키기 위하여 외부 레이저 다이오드(들)(도시되지 않음)를 사용하여 레이저-방출로 유도시킬 수 있다. 대안으로, OPCLD의 레이징 공동은 (최근의 레이저 다이오드들에 일반적인) 전기적으로도 펌핑될 수 있다. 이득 영역의 광-펌핑과 전기적-펌핑의 많은 대안 방법들이 당업계에 잘 알려져 있다; 예를 들어, 전체가 참고 문헌으로서 인용되는, Wilmsen, Temkin, 및 Coldren의 "수직 공진형 표면 방출 레이저들" 2nd edition (Cambridge Press)을 참고한다.
더욱이, 도 70에서 보여지듯이, 구조 296은 OPCLD의 이득-매질 구조에 적용되거나 또는 능동 모드 동기(active mode locking)를 제공하기 위하여 부가적으로 삽입된 손실 제공 광 흡수 구조(수동 모드 동기 기술)에 적용될 수 있는 발진 전기적 신호를 나타낸다. 더욱이, 부가적인 손실 구조는 OPCLD 장치에 부가적인 전계-흡수 변조기(electro-absorption modulator)일 수 있다. 상기에서 언급하였듯이, OPCLD의 전기적 펌핑이 사용될 수 있으며, 사용될 때 모드 동기 입력(mode locking input)과 동일한 포트에 바람직하게 공급되며, 외부 펌프 레이저 다이오드(도시되지 않음)에 대안으로서 사용된다.
더욱이, 입력 전기적 펌핑은 자체로 바람직하게 변조될 수 있으며 296, 따라 서 모드-동기(능동 모드 동기 기술)로서 사용될 수 있다. 결과적으로, 수동 모드 동기는 모드의 숫자를 증가시키는 일시적인 안정성과 모드들의 고정된 진폭 관계를 제공한다. 내부 변조와 관련된 더 나아간 논의는 도 19 및 70과 관련하여 아래에서 더 설명할 것이다. OPCLD를 내부적으로 변조하기 위하여 사용되는 신호는 약 50-mW 296이며, 50-GHz Gunn 발진기 296 (도 70)로써 Microwave Development Company로부터 얻어질 수 있다.
대안으로, OPCLD 기구는 능동-모드-동기- 메카니즘보다, 수동 모드 동기 메커니즘을 포함할 수 있다. 수동 모드 동기에 있어서, 포화 흡수체(saturable absorber)가, 고-주파수 변조가 장치가, 예를 들어 D.C.바이어스 신호 입력이 내부-공동 흡수의 세기를 변조하기 위하여 포화 흡수체에 적용되는 때와 같이, 수동-모드-동기 방식으로 작동할 때 포화 흡수체에 적용되지 않는 것을 제외하고는, 여기서 기술되는 전계-흡수 변조계와 유사하게 사용된다.
더욱이, OPCLD 기구는 능동 모드 동기가 선호됨에도 불구하고, 능동 모드 동기를 포함하지 않을 수 있다. 더욱이, 아무런 능동 모드 동기 없이, 종 모드들은 OPCLD의 공진 공동(resonating cavity)에 여전히 존재할 것이다. 그러나, 모드들의 진폭들은 줄어든 통제하에 있고, 결과적으로 상기 모드들 간에 앞 뒤 '슬로스'(slosh) 에너지들처럼 모드들 간에 큰 노이즈를 초래한다. 따라서, 능동 모드 동기 없이, 모드들의 진폭은 바람직한 능동 모드 동기가 사용되는 경우보다 더 작은 상대적 안정성을 가질 것이다. 능동 모드 동기는 모드들을 균질화하기 위하여 저-주파수 변조를 사용하며, 이것은 반대로 그들의 상대적인 진폭들을 안정화시킨다. 모드들의 상대적인 진폭들을 안정화시키기 위한 그러한 저-주파수 변조가 있거나 또는 없이, 실시예는 대안적인 실시예에 따라 모드 동기 없이 현실화될 수 있다.
게다가, 펄스 발산 섬유가 모드-동기 작동 하에서 OPCLD에 의하여 방출되는 펄스들의 피크 진폭을 감소시키기 위하여 도입된다. 여기서, 펄스 발산 섬유 287은 도 70에서 보여지듯이, OPCLD 전송기의 공동으로부터 다중 채널 신호들을 전송한다. 대부분의 타입의 광섬유와 연관된 분산 특성들로 인하여, 펄스 발산 섬유 287은 사용가능한 광 섬유의 사실상 어느 타입의 적절한 길이라도 포함할 수 있다. 결과적으로, 섬유 내에 분산이 더 높을수록, 바람직하게 사용되어야 하는 길이가 더 짧아진다.
더욱이, 도 70에서 보여지는 송수신기 장치에 대하여, OPCLD의 레이저-방출-출력 288, 289는 바람직하게 4와 128 분리된 파장 채널들 사이(그 이상이 될 수 있다)에 있으며, 채널마다 약 100-mW를 나타낸다. 도 70를 참조하여 아래에서 논의되듯이, 진폭 대 주파수의 포락선은 AM 모드-동기가 사용될 때 더욱 가우시안 모양을 나타내게 되며, 반면에 FM 모드-동기가 사용되는 경우에는 더 평탄한 모양을 나타내게 되며, 주파수 떨림이 허용된다면(OPCLD는 각각의 순환 내부-공동 떨림을 전환하는 공진 공동 구조를 가진다), FM 모드 동기가 더 바람직하도록 만든다. 모드 동기의 두가지 형식이 모두 유리하게 사용될 수 있음에도 불구하고, 선택은 특정 셋업이나 응용 설계서에 의하여 결정되어야 한다. 더욱이, 도 70에서 보여지듯이, 펌프 레이저와 같은 광-펌핑원, 전기정 발진 신호 생성기, 및 펄스 발산 섬유와 같은 구조들은 각각 모두 당업자에 의하여 잘 알려지고 이해되는 일반적인 항목들이다.
더욱이, 도 70, 75 및 76에서 보여지듯이, 이러한 OPCLD의 부가적인 실시예는, 각각 바람직한 실시예에 따라, 외부 공동 279, 284, 297, 집적된 OPCLD을 포함하며, 여기서 다수의 대안적인 설계들과 변형들이 도 70, 75, 및 76을 참조하여 아래에서 논의될 것이다. 일반적으로, 구조들 279, 284, 297을 포함하는, 시스템의 공동 길이는 일반적인 VCSEL 다이오드 장치들과 비교하여 매우 확장된다.
바람직하게는, 도 70에서 보여지듯이, 본 발명의 광학적 PCR이 형성된 공동의 너비는 50-GHz의 모드 간격에 대하여 약 2-mm 내지 3-mm의 물리적 길이이다. 예를 들어, 50-GHz에서 그리고 반사율 n≡1에 대하여(즉, 공기 또는 불활성 기체가 채워진 공동의 굴절율) 288, 본 발명의 물리적 공동 길이는 3-mm 가 될 필요가 있으며, 이는 요구되는 50-GHz에 대응하는 광 경로 길이를 제공한다. 더욱이, 유리와 같은 공동 물질에 대하여(예를 들어, n=1.5의 굴절율을 가지는) 281, 284, 공동의 물리적 길이는 2-mm x 1.5 = 3-mm의 광 경로 길이를 제공하기 위하여 약 2-mm가 될 필요가 있으며, 이는 다시 요구되는 50-GHz 모드 간격에 대응한다.
게다가, 본 발명의 광학적 공동 길이는 유용하게 만들어진 모드 간격을 줄이기 위하여 증가될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 공동 길이를 배가(doubling)함으로써, 예를 들어, 4-mm 에서 6-mm로, 모드 간격(mode spacing)은 이에 대응하여 25-GHz로 줄어들 것이며, 또한, 본 발명의 공동 길이를 다시 배가(doubling)함으로써, 예를 들어, 8-mm 에서 12-mm로, 모드 간격은 이에 대응하여 12.5-GHz로 줄어들 것이다. 더욱이, 모드 간격은, 요구된다면, 공동 길이를 줄임으로써 증가될 수 있 으며, 예를 들어, 본 발명의 공동을 원래 길이의 반으로 줄임으로써, 예를 들어 3-mm로부터 1.5-mm로 줄임으로서 모드 간격을 100-GHz으로 증가시킨다. 일반적으로 모드 간격은 본 발명의 레이저-방출-출력 거울 284, 297을 대응하는 공동 길이에 조정함으로써 유리하게 선택될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 OPCLD의 부가적인 실시예는 도 70, 75에서 보여지듯이, OPCLD의 두번째 거울 반사기 표면 297을 제공하며, 이것은 OPCLD의 모드 동기 버전에 있어서, 본 발명의 OPCLD의 모드 동기 버전(mode locking version)이 바람직한 실시예의 외부 공동과 함께 형성되도록, 본 발명의 제조 과정 동안에 OPCLD의 분분 반사 DBR 거울-적층 어셈블리 165 (도 19)에 모노리식하게 형성되지 않는다.
더욱이, 도 70에서 보여지듯이, 레이저-방출-출력 거울의 금속화된 (metalized) 바깥쪽 표면 297은 충분히 낮은 반사율을 가지도록 형성되며, 도 70의 외부 공동 구조 284, 297가 OPCLD의 공동 공진(resonace cavity)에 포함된다. 더욱이, 1.5-mm로부터 15-mm로의 OPCLD의 광학적 공동의 확장은 10-GHz에서 100-GHz까지의 모드 간격을 허용한다. 여기서, 본 발명의 공동은 공동 길이의 역(즉, c/2nL, 여기서 n은 공동 물질의 굴절율이며, L은 공동 길이이다)에 의존하는 간격을 가지는 수 개의 모드들을 보조할 것이다. 더욱이, 외부 공동을 가지는 OPCLD의 모드 동기(mode locking)는 바람직한 부가적인 실시예에 따라 다중 채널 신호 출력을 제공하도록 형성될 수 있으며, 따라서 약 1,550-nm의 텔레컴 밴드 내, 및 택일적으로 약 1,300-nm의 텔레컴 짧은 거리 밴드, 또는 매우 짧은 범위 850-nm 밴드를 가지고, 사용을 위하여 선택적으로 구성될 수 있다.
1.550-㎛의 파장에 대하여, 100-GHz, 50-GHz, 및 12.5-GHz 공동들이 그들이 표준 DWDM 채널 간격들에 일치하기 때문에 특별히 관심의 대상이 된다. OPCLD 발명 그 자체는 약 650-㎛ 높이이며, 바람직하게는, InGaAsP 또는 InGaAs의 MQW 이득-영역, 코너-큐브에 기초한 PCM, InGaAlAs 또는 InGaAsP 또는 InGaAs 로 형성된 DBR 거울(또는 예를 들어, Wilmsen, Temkin and Coldren, et al.의 "수직 공진형 표면 방출 레이저들", 2nd edition, Chapter 8에서 보여지듯이, 희망되는 파장에 따라 다른 물질들로 형성되는 거울들), 또는 모드 동기 OPCLD에 따라, EDFA에 신호를 출력하기 위하여 구조 287의 펄스 발산 섬와 결합하는, 단일 InGaAlAs 부분 반사 아웃-커플러 거울 284, 297를 포함한다. 요약하여, OPCLD의 모드-동기 버전은 어느 특정한 파장 설계에 맞도록 유리하게 변화할 수 있으며, 그 외부 공동 역시 장치의 모드 간격을 조절하기 위하여 유리하게 변화할 수 있다.
게다가, 도 70에서 보여지듯이, OPCLD 발명의 모드 동기 버전은 집적된 OPLCD 및 HEMT 광다이오드 및 pre-amp 회로 277, 278, 279, 회로 탑재 베이스 어셈블리(circuit mount base assembly) 273, 트리플렉스 다중렌즈(tri-plexing multilens) 및 외부 공동 레이저-방출-출력 거울 어셈블리 274, 280, 281, 282, 284, 285, 297, 청동 금속으로 이루어진 열수채(heat-sink) 서브-어셈블리 276, 밀폐되게 봉인된 바깥 쉘(outer shell) 275 및 섬유 피그테일 고정물 어셈블리(fiber pigtail fixture assembly) 285, 286, 287, 1,310-nm 상류(upstream), PON, EPON, FTTP, 및 FTTH 기초 네트워킹에 근래에 사용되고 있는 1,490-nm 및 1,550-nm의 하류 텔레콤 신호들의 광 분리(demuxing)를 제공하는 프레넬 렌즈 고정물 282, 및 프 랜스시버의 커넥티비티(transceiver's connectivity)를 제공하는 네 개의 프롱 커넥터(prong connector) 292, 293, 294, 295를 포함하는, 트리플렉스 트랜스시버 패키지 구성을 가지도록 더욱 구체화된다.
더욱이, 도 70에서 보여지듯이, 레이저-방출-출력 거울은, 공진기 반사기로서 OPCLD로부터 방출된 입사광을, 상기에서 언급하였듯이 텔레콤 밴드를 위해 바람직하게 약 1,550-nm으로, 효과적으로 반사시키도록, 멀리 떨어진 표면 297에 하나 또는 그 이상의 반사하는 금속 코팅을 가지는, 가우시안 모드 제공 볼록 모양의 렌즈 어셈블리(Gaussian mode providing convex shaped lens assembly)를 가진다. 더욱이, 부분-반사 DBR 기초 거울-적층 어셈블리 279가, 장치의 이득-영역에 격자 정합된 교차하는 높고 낮은 굴절율 반도체 물질로부터 바람직하게 형성된다. 그러나, 유용한 굴절율의 많은 양을 축적하기 위하여, TiO2/SiO2 또는 매우 대비되는 굴절율들을 내타내는 다른 물질들로부터 제조된 교차하는 사분의 일-위상(quarter-wave) 층들이 사용되며, 이는 모두 당업자에게 잘 알려져 있다.
도 70에서 나타나듯이, 렌즈 284 상의 코팅된 곡선 모양의 표면 297의 간단히 언급한 각각의 이유들 또는 기능들을 위하여, 코팅 297을 가지는 렌즈 284의 곡률 반경은 모드 동기 OPCLD의 외부 공동 길이 정도이다. 모드 동기 OPCLD로부터 나오는 레이저 방출은 OPCLD의 이득-영역으로부터 바깥쪽으로 발산할 것이며, 곡률 반경이 대략 장치의 공동 길이, 또는 50-GHz 모드-간격을 위하여 약 2-mm 내지 3-mm 일 때 이득-영역에 직접적으로 288 다시 반사되어 돌아올 것이다. 부가적으로, 렌즈 284가 형성된 공동은 렌즈 구성 요소 274와 공동의 길이 또는 공동의 손실을 변조하는데 사용되는 내부 공동 변조 구조 또는 공동 위상 변조기 279로 분리되어진다. 공동 길이를 조정하기 위해, 바람직하게는 50-GHz 신호 296이 영역 279에 적용되며, 한편 영역 279는 바람직하게 강한 전기-광학적 물질을 포함하고, 광경로 길이는 변조기 부분(modulator section)의 굴절율이 발진하는 전기장 296과 함께 변화하듯이 변화한다.
더욱이, 공동 길이 조정은 소위 FM 모드 동기(FM mode locking)룰 초래하며, 반면 공동 내 손실 조정은 소위 AM 모드 동기를 초래한다. 모드 동기의 AM과 FM 형태 모두 자시만의 분명하고 잠재적으로 유용한 일련의 특성들을 나타낸다. 더욱이, 모드 동기의 양 형태들은 광 위상 공액과 양립가능하며, OPCLD의 PCR을 모드 동기하는데 사용된다. 부가적으로, 레이저-방출-출력 거울 297 및 볼록 모양의 렌즈 284 및 시준 볼록 렌즈 281은 아루런 분산도 나타내지 아니하거나 적어도 매우 작은 분산만을 나타내는 물질로부터 형성된다. 이것은 모드 간격이 주파수와 함께 실질적으로 변화하지 않도록 하기 위함이다. OPCLD로부터의 분산은, 광대역 코너-큐브 기초 PCM으로 인하여, 무시할 만하며, OPCLD의 공동 내에 발생하는 모든 분산은 공진기를 통한 각각의 순환마다 완전히 풀어진다.
게다가, 도 19에서 보여지듯이, 모드 동기 삼다중 송수신기(mode locking trimuxed transceiver)는 전 반사 위상-공액 코너-큐브 배열로 형성된 PCM 168, 부분 반사 DBR로 형성된 거울-적층 165, 및 부분 반사 가우시안 모드 제공 곡선 모양의 금속화된 레이저-방출 출력 거울 163, 164, 166를 가지는 OPCLD를 포함하며, 이들 모두는 격자-정합된 InP 기초 물질의 효율적인 에피택시 증착 및 제조에 의존한다. 여기서, 도핑되지 아니한 거울-적층 165는 굴절율은 낮지만, 외부 공동 레이저-방출-출력 거울 163, 164, 및 166 (도 19)의 반사율에 의하여 보충되는 반사율을 가진다. 이러한 의미에서, OPCLD의 이득-영역 160, 161, 162에 걸쳐 반사율이 작거나 또는 없는 거울이나 층들은 없게 된다.
더욱이, 거울-적층 165는 바람직하게 InGaAsP 또는 InGaAlAs 물질로 만들어진다. 반면에, 위상-공액 거울 168 및 일반적인 거울 165 및 163, 164, 166 (도 19)사이에 보여지는 이득-영역 160, 161, 162는 원소 주기율표 - III-V 또는 II-VI 족 - 모두 정하여진 파장으로 광을 효과적으로 방출하고 증폭하는 발광 반도체 물질로부터 선택된 반도체 물질로 바람직하게 형성된다.
더욱이, 도 19의 바람직한 실시예에서 보여지듯이, PCM 168은 InP 기판 층 159의 첫번째 또는 아래쪽 표면으로부터 형성(제조방법으로서 그레이-리소그래피 마스킹 및 에칭을 사용하여)된다. 반면에, 이득-영역 160, 161, 162는 동일한 기판 층 159 (도 19)의 두번째 또는 윗쪽 표면에 에피택시 증착되고, 거울-적층 어셈블리 165는 OPCLD의 이전에 증착된 이득-영역 160, 161, 162 (도 19)의 두번째 또는 윗쪽 표면에 연이어 에피택시 증착되며, 레이저-방출-출력 거울 163, 164, 166 (도 19)은 일반적인 부분 반사 거울-적층 165 (도 19)의 두번째 또는 윗쪽 표면 위에 첫째로 에피택시 증착되고, 둘째로 제조 방법으로서 그레이-리소그래피 마스킹과 에칭을 사용하여 형태를 갖추도록 에칭되며, 셋째로 금, 은, 또는 알루미늄 또는 다른 적절한 반사율의 금속을 사용하여 금속화(metalized)된다. 여기서, 모드 록킹 장치(mode locker) 구조 및/또는 메커니즘은, 파장이 원격에서(remote site) 전기적으로 변조될 수 있는 레이저-방출 출력을 제공하며, 거울 168, 165 및 이득-영역 160, 161, 162를 포함하는 OPCLD 구조 전역에 걸쳐 접촉된다.
더욱이, 추가적인 전계-흡수 변조기(electro-absorption modulator)(도시되지 않음)가 모드 동기 OPCLD의 에피택시 구조에 바람직하게 포함될 수 있다. 여기서, p-타입 도핑 층은 이전에 증착된 DBR 거울-적층 어셈블리 165 위에 에피택시 증착된다(OPCLD의 모드 동기 손실 변조기 구성에 있어서, DBR 거울-적층 어셈블리 165는 전기적으로 전도성을 띠기 위하여u p-타입 도핑될 필요가 있다). 더욱이, 전계-흡수 변조기는 이전에 증착된 p-타입 층의 두번째 또는 위를 향한 표면에 그 다음으로 에피택시 증착되고, n-타입 도핑된 층이 이전에 증착된 변조기 층의 두번째 또는 위를 향한 표면에 에피택시 증착된다.
더욱이, 전계-흡수 변조기는 OPCLD의 이득-영역 160, 161, 162에 의해서 제공되는 OPCLD의 이득과 관계없이 손실 변조를 도입하기 위하여 여기서 사용된다. 더욱이, 전계-흡수 변조장치는 낮은 전기 용량 및 좋은 높은-주파수 반응을 갖도록 바람직하게 디자인된다. OPCLD의 공진하는 광 공동 내에 존재하는 전계-흡수 변조장치에 아무런 고-주파수 전기적 원천이 적용되지 않는 경우에도, 모드 동기는, 전계-흡수기가 높은 광 필드 세기에서 포화되고, 레이저가 펄스 모드 또는 모드-동기 방식으로 자연스럽게 발진하는, 소위 수동 모드 동기로 인하여, 여전히 발생할 것이다.
더욱이, 도 19, 70, 75, 및 76에서 보여지듯이, 외부 공동 모드 동기 OPCLD 장치는 예를 들어, 하기 사항을 포함하도록 구성되는 트리플렉서 구성(triplexer configuration)을 가질 수 있다:
1.) 결합 "평면-광파 회로"(Planar-Lightwave Circuit, PLC) 및 가우시안 모드 제공 레이저-방출-출력 거울 284, 285, 및 297을 제공하는 외부 공동 구성. 더욱이, PCL 282는 동심원의 원형 프레넬 모양 광 리디렉팅(redirecting) 구조 281 및 282를 포함한다. 반면에 가우시안 모드 제공 레이저-방출-출력 거울 284, 285 및 297은 각각 금속화된 반구 모양의 284 레이저-방출-출력 거울 297을 포함한다. 여기서 281 및 282는, "VoIP"(Voice over Internet Protocol) 보이스-통신 신호, 및 "TCP/IP"(Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 데이터 통신 신호를 포함하는 입사 나열된(serialized) 1.490-㎛ 단일-모드 광 전송, 및 입사 나열된 1.550-㎛ 단일-모드 아날로그 및/또는 디지털 비디오 신호의 스플리팅(splitting)과 리디렉팅(redirecting)을 제공한다. 반면에, 광학적 구성요소들 284 및 297은, 공진하는 유도-방출의 부분-반사 및 부분-전송을 모두 제공하며, OPCLD의 분광학적으로 그리고 공간적으로 섭동이 없는 고-전력 단일 횡 공동 모드 레이저-방출-출력 289 (도 70)을 제공한다,
2.) InP 기판 층 276 (도 70) 및 역-반사 위상-공액 요소들 168 (도 19)의 배열로부터 구성되는 PCM,
3.) 도핑되지 아니하거나 또는 고도로 도핑된 InP를 포함하는 광-발산(light-spreading) 오목 모양 소프트-구경(soft-apertured) 렌즈 170A (도 19),
4.) 도핑되지 아니하거나 또는 고도로 도핑된 InP를 포함하는 광-시 준(light-collimating) 볼록 모양 소프트-구경(soft-apertured) 렌즈 170, 170B, 및 170C (도 19),
5.) 적절히 도핑된 다중층 이중 헤테로-접합 반도체를 포함하는 광-발산 및 광-증폭 이득-영역 160, 161 및 162 (도 19),
6.) 내부 공동 생성 유도 방출 165 (도 19) 279 (도 70)의 부분 전송 및 부분 반사 모두를 제공하는 평면 모양의 사분의 일 위상 거울-적층 구성을 기본적으로 가지는, 도핑되지 아니하거나 또는 도핑된 DBR 형성 거울-적층(DBR configured mirror-stack) 어셈블리,
7.) OPCLD의 음극 편에 음으로 하전된 캐리어들(전자들)의 주입을 제공하는, 주변을 둘러싸는 도넛 모양의 저항 접촉 170(도 19, 20, 20A, 및 21A)를 형성하는데 사용되는 금속의 증발 증착(evaporated deposition),
8.) OPCLD의 양극 편에 양으로 하전된 캐리어들(홀들)의 주입을 제공하는, 도넛 모양의 저항 접촉 167(도 19, 20, 20A, 및 21A)를 형성하는데 사용되는 금속의 증발 증착,
9.) "버스트 레이저 드라이버"(Burst Laser Driver, BLD) 회로, 및 "자동 전력 조절 회로"(Automatic Power Control Circuit, APC), 양자 모두 나가는 나열된 전기적 신호의 전기적 조절을 제공하는 InP로 이루어진 HEMT로 형성된(InP comprised and HEMT configured) 회로 소자를 정의하며, 여기서 BLD(도시되지 않음)는 OPCLD의 레이저-방출 파장 289의 전기적으로 조절되는 모드 동기 선택과 OPCLD의 279 유도-방출 288의 전기적으로 조절되는 내부 변조를 제공하는 다중 HEMT 회로 구성을 포함하고, 이것은 반대로 OPCLD의 레이저-방출-출력 289의 나열화를 추가적으로 제공하며, 한편 APC(도시되지 않음)은 OPCLD의 레이저-방출-출력 전력 레벨 288의 피드백 조절 자동화(feedback controlled automation)을 제공하는 다중 HEMT 회로 구성을 포함한다,
10.) 포토트랜지스터 회로, "로우-패스 필터"(Low-Pass Filter, LPF) 회로, 및 "리미팅 증폭기"(Limiting Amplifier, LA), 이들 모두 1.490㎛의 파장을 가지는 시간-분할 다중화된(multiplexed) 나열된(serialized) 광 신호의 고-속 탐지, 및 신호 조절 및 증폭 수단으로서 LPF 및 LA를 사용한, 시간-분할(time-division) 다중화된 나열된 광 신호를 전기적으로 조절되고 증폭된 시리얼 데이터 신호 출력으로의 (즉, 나열된 광학적으로부터 나열된 전자적으로) 고-속 전환을 제공하는, InP로 이루어진 "고-전자 이동도 트랜지스터"(High-Electron Mobility Transisotr, HEMT)로 형성된 전기적 회로 소자를 정의한다.
11.) 포토트랜지스터 회로, 및 "비디오 리시버"(Video Receiver, VR) 회로, 이들 모두 1.550㎛의 파장을 가지는 시간-분할 다중화된 나열된 광 신호의 고-속 탐지, 및 신호 조절 및 증폭 수단으로서 VR을 사용한, 탐지된 시간-분할 다중화된 나열된 광 신호의 전기적으로 조절되고 증폭된 "라디오 주파수"(Radio Frequency, RF) 구성 비디오 신호 출력으로의 고-속 전환을 제공하는, InP로 이루어진 HEMT로 형성된 전기적 회로 소자를 정의한다,
12.) 청동 합금 열수채 구조 276,
13.) 외부 커버 275, 및 섬유 피그테일 커넥션 285,
14.) 외부 공동기를 형성하고 가우시안 모드를 제공하는 금속화된 반구 모양의 레이저-방출-출력 거울 어셈블리 OPCLD 163, 164, 및 166 (도 19), PLC 282, 및 OPCLD 277을 보호하는 베이스 구조,
15.) PLC 가 위치하는 프레임 어셈블리 274, 280 (도 70),
16.) 모드 동기 신호 생성기 296,
17.) 커먼 라인(common line) 파워, 데이터, 조절, 및 신호 연결을 제공하는, 메일(male) 핀 커넥터 295, 294, 293, 292,
더욱이, 파장 분할 다중화 시스템들의 조절 가능한 다중-채널 광원은 이하에서 설명할 부가적인 실시예들에 따라 OPCLD에 실현되며, 발명의 목적에 맞는다. 저절 가능한 다중-채널 트렌스미터인, 모드 동기 OPCLD는 다수의 부리된 그리고 정확히 조절되는 파장의 상당한 이점을 제공하며, OPCLD의 모드 동기가, "센트럴 오피스"(Central Office, CO)와 같이, 소비자에 의해서 요구되는 어느 파장 및/또는 비율의 데이터 변조를 제공하기 위하여 원격에서 전기적으로 준비될 수 있는 전기적으로 조절되는 전계-흡수 변조장치를 통해 달성된다는 사실 때문에, 이러한 파장들이 독립적인 고속 내부 변조된(OPCLD의 공진 공동 내로부터 발생하도록 만들어진) 데이터 전송에 유용하도록 만들 수 있다.
요약하면, 주파수 선택을 제공하는 조절가능한 광원은 바람직하게, 조절가능한 길이의 위상-공액 발산이 없는 외부-공동을 가지도록 형성된, 단일 "광학적 위상 공액 레이저 다이오드"(OPCLD)를 포함할 것이다. 더욱이, 이것은 DWDM 및/또는 WDM 네트워크를 준비하는데 필요한 여러 부분들, 부피, 무게, DWDM 시스템의 비용 을 크게 줄일 것이며, 결과적으로, 일반적으로 OPCLD와 같은 표면 방출 레이저 다이오드 디자인들보다 더 작은 웨이퍼 생산량 및 매우 높은 제조 비용을 나타내는, "페브리-페로"(FP) 및 "분산 피드백"(DFB) 레이저 다이오드들과 같은 매우 복잡한 EEL 다이오드 디자인들의 생성에 대한 DWDM 및PON 광 네트워킹 시스템의 의존성을 또한 줄일 것이다.
게다가, 도 71, 72, 73, 74, 75, 및 76에서 보여지듯이, OPCLD 발명의 추가적인 실시예는 다음에 설명된다. 여기서, 일반적인 EEL 다이오드들에서, 레이저 방출은 다이오드를 형성하는 p-n 접합면의 연속선상인 평면으로 방출된다. 이러한 레이저 다이오드 장치들과 다른 타입이 적외선 및 가시 파장 영역 내의 레이저 방사를 제공하기 위하여 널리 사용된다. 이러한 레이저 다이오드들은 상당한 상업적 성공을 이룬 반면, 그들은 상대적으로 크고, 따라서 다른 장치들과 결합되기 어렵다. 더 나아가기 전에, 참고문헌 목적으로만 본 발명에서 인용되는, Olbright et al.의 "연결가능한(cascadable) 레이저 로직 장치들: 표면 방출 레이저 다이오드들을 가진 포토트랜지스터의 개별 집적(discrete integration)", Electronic Letters, vol.27, No.3, Jan. 31, 1991, pp. 216-217를 참조한다.
더욱이, 1980년대 동안, 반도체 레이저 다이오드들의 새로운 클래스가 착상되고, 생성되고, 개발되고, 추후 상업화되었으며, 이 레이저 다이오드는 일반적으로 "수직 공진형 표면 방출 레이저"(VCSEL)이라고 불리웠다. 편면-방출 레이저 다이오드와 다르게, VCSEL 다이오드들은 레이저 다이오드에 형성된 p-n 접합면에 수직인 방향으로 레이저 광을 방출한다. 그러한 레이저 다이오드들의 구조 및 형성에 대한 상당한 정도가, 예를 들어, 모두가 본 발명의 참고문헌으로서 인용되는, 미국특허 제4,949,350호, J. Jewell et al.의 "마이크로레이저들", Scientific American. Vol.265, No.5, pp.86-94 November (1991); J. Jewell et al.의 "수직-공진형 표면-방출 레이저들: 디자인, 성장, 제조, 특징 부여", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.27, No.6, pp.1332-1346 (June 1991); G. R. Olbright et al.의 "연결가능한(cascadable) 레이저 로직 장치들: 표면 방출 레이저 다이오드들을 가진 포토트랜지스터의 개별 집적(discrete integration)", Electronic Letters, vol.27, No.3, pp. 216-217 (Jan. 31, 1991); J. Jewell et al.의 "낮은-문턱 전기적-펌핑된 수직 공진형 표면 방출 레이저들", Electronics, Lett., Vol.25, p.1123 (1989); 및 J. Jewell et al.의 "광학적 인터커넥트를 위한 수직 공진형 레이저들", SPIE Vol. 1389 International Conference on Advances in Interconnection and Packaging, pp. 401-407 (1990)을 참조한다.
더욱이, 상기 인용된 간행물들에서 설명되듯이, VCSEL 다이오드는 EEL 다이오드들에 비하여 수많은 이점들을 가지며, 그들 중 가장 중요한 일부는 그들이 극도로 작은 크기들(예를 들어, 1-㎛ 내지 13-㎛ 정도의 직경에서 - 높은 웨이퍼 생산량을 제공하는)로 제조될 수 있다는 것과 트랜지스터와 같은 다른 장치들과 쉽게 결합될 수 있다는 것이다. 본 발명의 추가적인 실시예는 수직-공진형 레이저들의 그러한 결합에 대한 것이다. 더욱이, 우리는 3-단자 트랜지스터와 같이, 전기적 반도체에 기초한 스위치들로 완전체로서 형성될 수 있는 OPCLD를 발명하였다.
도 71, 72, 73, 74, 75, 및 76에서 보여지듯이, 본 OPCLD 발명의 추가적인 실시예는 부분 반사 금속화된 가우시안 모드 제공 레이저-방출-출력 거울 105, 106 (도 71, 72, 73, 및 74) 324, 325, 326 (도 75 및 76), 부분 반사 DBR 거울 103 (도 71, 72, 73, 및 74) 323 (도 75 및 76), 및 코너-큐브 배열 기초 전체 내부 반사 PCM 110 (도 71 및 72) 320 (도 75) 사이에 끼여 있는 레이저 다이오드 공동을 포함한다. 반면에, 레이저 공동 자체는 장치 101 (도 71, 72, 73, 74, 및 75) 365 (도 75)의 활성 레이저 발광 물질로서 사용되는 하나 또는 그 이상의 레이저 활성 양자-우물 층 101을 둘러싸는 한 쌍의 스페이서-층 100, 102 (도 71, 72, 73, 및 74)를 포함한다. 레이저 공동의 두께는 mλ/2 n eff 이며, 여기서 m은 정수이고, λ는 레이저 발광의 파장이며, n eff 는 공동의 효과적인 굴절율이다.
더욱이, 레이저 다이오드의 전기적 펌핑은, PCM 포함 기판 층 99 (도 71 및 72)와 OPCLD의 첫번째 스페이서-층 100 (도 71, 72, 73, 및 74)의 영역들을 하나의 도전율(conductivity)-타입으로 매우 도핑함으로써, 그리고 OPCLD의 윗쪽 스페이서-층 102 (도 71, 72, 73, 및 74)의 영역들을 반대 도전율 타입으로 매우 도핌함으로써(그 안에 발광 다이오드 구조를 형성하며), 그리고 전기적으로 펌핑된 유도 방출을 제공하기 위하여 LED 구조 100, 101, 102 (도 71, 72, 73, 및 74)에 적절한 전압을 적용함으로써 얻어진다.
더욱이, 스위치는 어려가지 형태들을 취할 수 있으며, 본 발명의 OPCLD에 다양한 위치들에 위치할 수 있다. 스위치는 양극 트랜지스터 또는 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor)와 같은 전기적 스위치가 될 수 있다. 양극 트랜지 스터의 경우, 트랜지스터는 OPCLD의 아래, 위, 또는 포토트랜지스터 경우에서처럼, OPCLD와 나란히 위치할 수 있다. 전계 효과 트랜지스터의 경우, 트랜지스터는 도 72와 같이 OPCLD와 나란히 위치한다. 대안으로, 스위치는 도 72에서 나타나듯이, 회로의 OPCLD 부분과 나란히 위치한 포토트랜지스터와 같이 광학적 스위치가 또한 될 수 있다.
더욱이, 광학적으로 조절되는 스위치들과 전기적으로 조절되는 스위치들의 여러 가지 서로 다른 조합들이 OPCLD 발명에 따라서 사용될 수 있다. 본 OPCLD 발명의 집적된 스위치는 OPCLD로부터의 레이저 발광 출력을 광학 또는 전기적 신호 모두로 조절하기 위한 편리한 수단들을 제공한다. 부울 논리 함수들(Boolean logic functions)이 스위치들에 의해서 쉽게 사용될 수 있다; 이를 통해, 전-광(electrical to optical) 및/또는 광-전(optical to electrical)으로부터의 신호 증폭 및 전환이 쉽게 여기서 얻어진다.
도 71 및 72에서 보여지듯이, 제한 영역(confinement region) 300은 레이저 내의 전류 흐름을 중심의 수직 축 298 주위의 좁은 영역에 제한하기 위하여 양자 주입법에 의하여 양자-우물 층 101의 바깥둘레에 정의된다. 그 후 다수 층들의 에피택시 증착이, 금속화된 부분 반사 가우시안 모드 제공 레이저-방출-출력 거울 105, 106 (도 71, 72, 73, 및 74) 324, 325, 326 (도 75 및 76), 부분 반사 DBR 거울-적층 어셈블리 103 (도 71, 72, 73, 및 74) 323 (도 75 및 76)을 포함하는, 다수의 컬럼들을 형성하기 위하여 광 리소그래피와 에칭에 의해서 정의된다. 전기적 접촉들 302, 316 (도 71, 72, 73, 및 74) 329, 341, 351 (도 75 및 76)이 적절한 금속이, 두번째 스페이서-층 102 (도 71, 72, 73, 및 74) 364 (도 75 및 76)과, 본 OPCLD 발명의 도핑된 기판 층 99 (도 71, 72, 73, 및 74) 352 (도 76) 위에 증착될 때 형성되며, 그 다음 정하여진 모양으로 에칭된다.
여기서, 도 22에 나타나듯이, 각각의 컬럼은 분리된 레이저 다이오드를 포함하며, 컬럼을 통해 충분한 전류를 흐르게 하기 위하여 접촉 185와 접촉 180 사이에 적절한 전압을 적용함으로써 레이징하도록 만들어질 수 있다. 실례로서, 3 또는 4 인치의 직경(7.5-cm 또는 10-cm)을 가지는 p+ 또는 n+ 도핑된 InP, GaP, GaN, GaAs(기판 웨이퍼 EH는 층을 형성하는데 사용되는 어느 다른 적절한 반도체 물질)로 이루어진 기판 층 171을 사용한다. 더욱이, 포토리소그래피 과정동안, 각각의 OPCLD의 레이저-방출 출력 말단 거울들은 120㎛의 직경을 가지고, 두번째 스페이서-층 174의 표면 바로 위에 위치한 1.5-㎛ 에칭된 위치를 가지도록 동시에 에칭된다. 그 후, 웨이퍼는 다수의 개별적인 OPCLD 장치들로 잘라지며, 이것은 후에 전기적 송수신기 패키지에 결합된다.
도 22, 71, 72, 73, 74, 75, 및 76에서 보여지듯이, 레드-발광 OPCLD의 경우에 있어서, 두번째 거울 층 175 (도 22) 103 (도 71, 72, 73, 및 74) 323 (도 75 및 76)은 도핑되지 아니한 AlAs 및 AlGaAs의 교차 층들을 포함하며, 여기서 각각의 층은 각각의 교차 층을 제조하는데 사용되는 도핑되지 아니한 AlAs 및 AlGaAs의 굴절율에 의해 분리되는 OPCLD에 의해 방출되는 발광의 사분의 일-파장 두께를 가진다. 더욱이, 당업자에 의해 인식되듯이, 두번째 거울 층 175 (도 22) 103 (도 71, 72, 73, 및 74) 323 (도 75 및 76)의 제조는, AlAs는 낮은 굴절률을 가지는 층이 며, AlGaAs는 높은 굴절률을 가지는 층인 분산 브래크 반사기의 제조와 동일하다.두번째 거울 층 175 (도 22) 103 (도 71, 72, 73, 및 74) 323 (도 75 및 76)은 부분적으로 반사하고 부분적으로 전달되도록 디자인된다.
더욱이, 첫번째 스페이서-층 172 (도 22) 100 (도 71, 72, 73, 및 74) 359 (도 75 및 76)은 갈륨의 양이 양자-우물 층을 향하여 증가하도록 기울기가 있게 형성된 AlGaInP 층을 포함한다. 이러한 OPCLD의 중간-범위 파장 버전에 있어서, 다중-층 구조를 구성하는데 사용되는 모든 반도체 물질은 GaAs에 격자 정합된다. 두번째 스페이서-층 174 (도 22) 102 (도 71, 72, 73, 및 74) 364 (도 75 및 76)은 제조에 있어서 유사하며, 제조에 사용되는 AlGaInP는 갈륨의 양이 양자-우물 층을 향하여 증가하도록 기울기가 있게 형성된다.
게다가, 양자-우물 층 173 (도 22) 101 (도 71, 72, 73, 및 74) 365 (도 75 및 76)은, AlGaInP의 두 개의 대략 454-Å 두께의 장벽-층들에 의해서 분리되는 GaInP의 세 개의 대략 50-Å 두께 우물 층들을 포함한다. 첫번째 기울기가 있는 분리 -층 172 (도 22) 100 (도 71, 72, 73, 및 74) 359 (도 75 및 76), MQW 173 (도 22) 101 (도 71, 72, 73, 및 74) 365 (도 75 및 76), 및 두번째 기울기가 있는 스페이서-층 174 (도 22) 102 (도 71, 72, 73, 및 74) 364 (도 75 및 76) 모두 레이저 공동을 구성한다.
더욱이, 전형적으로 OPCLD의 레이저 공동의 일반적인 길이(즉, 층 172, 173, 및 174의 두께)는 mλ/2 n eff 이며, λ는 방출되는 레이저 발광의 자유 공간 파장이 며, m은 정수이고, n eff 는 공동의 효과적인 굴절율이다. 더욱이, 첫번째 거울 구조 184 (도 22) 110 (도 71, 72, 73, 및 74) 320 (도 75 및 76)는 코너-큐브 역-반사 반사기들(즉, PCM)의 매우 많은 배열들을 포함한다. 첫번째 거울 구조 184 (도 22) 110 (도 71, 72, 73, 및 74) 320 (도 75 및 76) 은 전체적 내부 역-반사 PCM이며, OPCLD의 이득-영역에 의하여 생성되는 방출의 고아학적 위상 공액을 제공할 것이다.
더욱이, OPCLD 발명의 추가적인 실시예에 따라, 집적화된 광전자 회로 장치들은 OPCLDs를 3-단자 트랜지스터들과 결합함으로써 형성된다. 부가적으로, OPCLD가 헤테로접합 포토 트랜지스터들과 새로운 조합으로 결합되는 집적된 회로들 역시 나타난다. 도 71, 72, 73, 74, 75, 및 76에서 보여지듯이, OPCLD는 집적화된 광전자 회로를 형성하기 위하여 "이종접합 바이폴라 트랜지스터"(Heterojunction Bipolar Transistor, HBT) 또는 "고-전자 이동도 트랜지스터"(High-Electron Mobility Transistor, HEMT)와 결합된다.
예를 들어, 도 72 및 74에서 보여지듯이, 집적화된 광전자 회로는 HBT가 기판 웨이퍼 99의 위쪽 표면에 형성되고, OPCLD가 그 안에 형성될 때, 기판 층 99의 첫번째 표면이 PCM 110을 제조하는데 사용되고, 기판 층 99의 위쪽 표면이 이득-영역 100, 101, 102, DBR 기초 거울 103 및 가우시안 모양 제공 레이저-방출-출력 거울 104, 105, 106, 및 HBT 트랜지스터의 p-n-p 구조를 제조하는데 사용될 때, 생성된다.
더욱이, 도 72와 74에서 보여지듯이, 집적화된 광전자 회로는, 첫째로, 동일한 기판 웨이퍼 99의 두번째 표면에 다수의 추가적인 층들을 에피택시 증착하면서, 기판층 99의 첫번째 표면의 바깥에 OPCLD를 형성함으로써, 둘째로, 이전에 형성된 OPCLD의 두번째 기울기가 있는 스페이서-층 102의 두번째 표면 상에 HBT를 형성하는데 함께 사용되는 다수의 추가적인 층들을 에피택시 증착하고 에칭함으로써, 기판 웨이퍼 99 위에 형성된다.
더욱이, 도 72 및 74에서 나타나듯이, 헤테로-접합 양극 트랜지스터는, n-타입 콜렉터 층 318, p-타입 베이스 층 317, 및 n-타입 이미터 층 316을 포함하는, p-n-p 트랜지스터 구조를 가진다. 회로는 더욱이 두번째 스페이서-층 102의 위쪽 표면에 고리 모양의 금속 접촉 302를 포함하며, 동시에 고리 모양의 금속 접촉 314는 베이스 층 317 위에 증착되고, n-타입 저항 접촉은 n++ 도핑된 기판 층 99위에 증착된다. 더욱이, 전체 광전자 회로는 층 100에서 시작하는 다른 층의 윗쪽에, 기판 99의 위쪽에 다수의 층들을 에피택시 증착함으로써 다함께 형성된다. 추가적인 구조 층들 101, 102는 예를 들어 미국특허 제 4,949,650 에서 기술된, 당업자에게 잘 알려진 에피택시 성장 기술을 사용하여 기판 층 99 위에 형성된다.
더욱이, DBR 거울 103을 포함하는데 사용되는 층들 또한 에피택시 증착된다. 그러나 도 72 및 74의 구조의 하나의 이점은 DBR 거울 103이 OPCLD를 바이어스하는(bias) 전기적 회로의 부분이 아니라는 것이다. 결과적으로, DBR 거울 103은 훨씬 다양한 물질들로 만들어질 수 있으며, 특히 유전체 물질들로도 만들어질 수 있다. 실례로, 기판 층 99가 n++ 도핑된 GaAs로 만들어지며, HBT 트랜지스터는 대략 0.2-㎛ 두께의 n-타입 AlGaAs의 이미터 층 316, 대략 0.25-㎛ 두께의 p-타입 GaAs의 베이스 층 317, 및 대략 0.5-㎛ 두께의 n-타입 InGaAs/GaAs 의 콜렉터 층으로 이루어진 GaAs 트랜지스터이다.
광전자 장치를 포함하는 다양한 층들의 증착에 뒤이어, 개별적인 집적화된 회로가 포토리소그래피와 에칭 기술들에 의하여 정의된다. 첫째로, 회로들의 위쪽 거울은 거울 층들의 원하지 않는 부분들을 두번째 스페이서-층 102의 위쪽 표면까지 제거함으로써 정의된다. 다음에, 금속 접촉 물질 302가 증착되고 금속 접촉은 증착된 금속 물질의 원하지 않는 부분들을 제거함으로써 정의된다. 개별적인 OPCLDs는 양 스페이서-층 100, 102, 양자-우물들 101, DBR 기초 거울 적층 103, 및 콜렉터 318, 이미터(emitter) 316, 및 베이스 층들 317의 원하지 않는 부분들을 제거함으로써 더욱 정의될 수 있다. 접촉 314를 형성하기 위하여 사용되는 금속 물질은 베이스 층 317의 노출된 표면에 그 후 증착된다. 마지막으로, 접촉 314는 증착된 금속 물질의 원하지 않는 부분들을 제거함으로써 더욱 정의된다.
더욱이, 적절한 전압 V0가 접촉 층 302와 기판 99 사이에 적용되었을 때, 회로는 전기적으로 스위치되는 레이저로서 작동하도록 형성된다. 살펴보았듯이, 전기적 회로는 HBT, OPCLD, 및 기판 층99의 전기적 저항인 레지스터 Rn을 포함한다. 충분한 전기적 전류(예를 들어, 수십 마이크로-암페어)가 HBT의 베이스 층 317에 공급되면, 트랜지스터는 전기 전도가 되고, 이것은 OPCLD를 통한 상당한 전류 흐름(즉, 수 밀리-암페어)을 야기한다. 이것은 OPCLD가 부분적으로 전달하는 DBR 거울 305 및 가우시안 모드 제공 곡선 모양의 레이저-방출-출력 거울 104, 105, 및 106을 통하여 레이징, 레이저 발광(즉, 약 1-mW와 동일한)을 하도록 야기한다.
유리하게는, 접촉 302는 OPCLD 발명의 베이스 316 주변을 둘러싸며 확장한다. 여기서, 접촉 302는 고리 모양이며, 부분적으로 전달하는 DBR 거울 305 및 가우시안 모드 제공 곡선 모양의 레이저-방출-출력 거울 104, 105, 및 106을 둘러싼다. 다양한 배열들이 전기적 커넥션을 위하여 만들어질 수 있으며, 예를 들어, 접촉 316은 바이어싱(biasing) 전압 V0가 배열내의 모든 OPCLD를 바이어스(bias) 하기 위하여 적용되는 커먼 버스(common bus)에 연결된다. 추가적으로, 각각의 접촉 302는, 개별적인 조절 신호들이 각각의 OPCLD에 적용될 수 있도록 하기위하여, 분리된 접착 패드(bonding pad)(도시되지 않음)에 개별적인 리드(lead)를 통하여 쉽게 연결될 수 있다.
마지막으로, 도 72 및 74에서 보여지듯이, 접촉-층들 302, 314, 315는 는 증착되고 정의되고, 동시에 부분적으로 전달하는 DBR 거울 305 및 가우시안 모드 제공 곡선 모양의 레이저-방출-출력 298 거울 104, 105, 및 106이 증착되고 정의되며, 이는 이미터 316, 베이스 317, 및 HBT 회로의 콜렉터 318 부분들을 형성하기 위하여 증착되는 반도체 물질 층들은 물론 절연층 299 을 또한 포함한다. 이것은 층 위치들 299, 303, 304, 및 305에서의 물질이 OPCLD로부터의 레이저 발광의 상당한 양을 흡수하지 아니하는 한 가능하다. 이러한 환경은 이러한 층들을 제조하는데 사용되는 반도체 물질이 레이저 방출 주파수보다 더 높은 밴드 갭 에너지를 나타내 는 경우에 만족된다.
대안으로서, 층 299, 303, 304, 및 305의 물질들은 부분적으로 전달하는 DBR 거울 305 및 가우시안 모드 제공 곡선 모양의 레이저-방출-출력 거울 104, 105, 및 106이 형성되게 될 표면 영역으로부터 완전히 제거될 수 있으며, 그 후에 적절한 제조 물질이 부분적으로 전달하는 DBR 거울 305 및 가우시안 모드 제공 곡선 모양의 레이저-방출-출력 거울 104, 105, 및 106을 형성하기 위하여 에피택시 증착되고 사용될 수 있다.
더욱이, 도 71 및 73에서 보여지듯이, 광전자 회로의 또 다른 예는 부분적으로 전달하는 DBR 거울 305 및 가우시안 모드 제공 곡선 모양의 레이저-방출-출력 거울 104, 105, 및 106, 기울기가 있도록 도핑된 p-타입 스페이서-층 102, 다중 양자-우물 영역 101, 기울기가 있도록 도핑된 n-타입 스페이서-층 100, 코너-큐브 배열에 기초한 PCM 110, n-타입 콜렉터-층 310을 포함하는 n-p-n 트랜지스터 구성을 가지는 "헤테로-접합 포토-트랜지스터"(HPT), p-타입 베이스-층 309, 및 n-타입 이미터-층 308을 포함한다. 집적화된 광전자 회로는 전기적 도전율을 콜렉터-층 310에 제공하는 투과성 접촉-층 311 및 전기적 도전율을 이미터-층 308에 제공하는 고리 구조의 접촉-층 302를 더욱 포함한다.
더욱이, 광전자 회로의 HPT 부분은 OPCLD의 에피층들 100, 101, 102 위의 위치들에서 에피택시 증착된 후 리소그래픽하게 에칭된다; 더욱이, 부분적으로 전달하는 DBR 거울-적층 어셈블리 305 및 금속화된 가우시안 모드 제공 곡선 모양의 레이저-방출-출력 거울 104, 105, 및 106와 나란히 형성된다. 더욱이, HBT는, 절연 층 313 및 이온-주입된 가드링(guardrings)들 300, 301, 306, 및 312를 통하여 OPCLD의 이득-영역(즉, 층들 104, 105, 및 106으로 이루어진 이득-영역)으로부터 전기적으로 고립되며, 레이징이 일어나는, OPCLD의 이득-영역 101에 대하여 상호 접촉(mutual contact) 302를 통하여 전기적으로 연결된다.
도 71 및 73에서 더욱 보여지듯이, 접촉-층 302는 두 개의 상호연결된 고리 접촉들로 이루어지며, 그들 중 첫째는 HPT 회로 어셈블리의 이미터-층 308의 주위를 둘러싸고, 동시에 다른 하나는 부분적으로 전달하는 DBR 거울-적층 어셈블리 305 및 금속화된 가우시안 모드 제공 곡선 모양의 레이저-방출-출력 거울 104, 105, 및 106의 주위를 둘러싼다. HPT 광전자 회로의 제조는 이전에 기술한 HBT 광전자 회로의 제조와 유사하다.
예를 들어, PCM 110을 제조하는데 사용되는 층들, 첫번째 스페이서-층 100, MQW 이득-영역 101, 두번째 스페이서-층 102, 및 HPT 형성트랜지스터(들)이 모두 성장 매질로서의 기판 웨이퍼 층 99로부터 시작하는 다른 층 위에 연이어 한 층을 에피택시 증착한다. 한편, 부분적으로 전달하는 DBR 거울-적층 어셈블리 305 및 금속화된 가우시안 모드 제공 곡선 모양의 레이저-방출-출력 거울 104, 105, 및 106은 OPCLD의 두번째 스페이서-층 102 위에 모두 에피택시 증착하며, 여기서 그들의 최종 구조가 포토리소그래픽 에칭이 이들 층들의 원하지 않는 부분들을 제거하기 위하여 사용될 때 정의될 것이다.
집적된 HPT 및 OPCLD 장치들의 2-차원 배열의 평면도인, 도 73에서 보여지듯이, 투과성의 접촉-층 311은 커먼 버스 라인에 연결되어 있지 아니하고, 대신에 독립적인 신호 버싱(signal busing)에 유용하도록 만들어진 것으로 보인다. HPT 어셈블리의 이미터-층 308은 커먼 버스 서킷 런 308을 제공하는 모양으로 형성되고 에칭되며, 이것은 배열 내에 존재하는 다른 HPTs들과 연결된다. HPT는 전기를 전도하도록 형성될 것이며, 충분한 세기의 빛 307이 광전자 회로의 HPT 부분에 입사되었을 때, OPCLD가 레이징하도록 야기한다. 대안으로, 집적화된 광전자 HPT 기초 회로는, 집적화된 광전자 회로의 HPT 및 OPCLD 부분들이 서로와 독립적으로 작동하도록 또한 형성될 것이다.
게다가, 불린 논리 함수(Boolean logic function)는 또한 HPT가 전자 전도성이 되는 문턱을 조절함으로써, 또는 HPT 위에 입사되도록 만들어지는 방사 307의 세기를 단순히 조절함으로써, 집적화된 광전자 회로 내에서 실행될 수 있으며, 이는 반대로 출력 논리 신호를 생성하는 장치의 HPT 부분을 시작하게 한다. 예를 들어, OR 논리 게이트는, 전도 문턱(conducting threshold)을 입사 방사(incident radiation) 307의 어떠한 빔도 입력(input)을 구성할 정도로 충분히 낮게 만듬으로써 실행될수 있으며, OR 논리 게이트는 결과적으로 회로의 HPT 부분 내에 전기적 전도를 제공함으로써 시작하게 된다. 또 다른 예는, AND 논리 게이트에 대한 입력 신호를 구성하는 방사 307의 모든 빔이, 전기적 전도를 일으키기 위하여 HPT 위에 입사하게 되도록 입력 세기에 대한 문턱을 조절함으로써 AND 논리 게이트를 실행하는 것이다.
도 75 및 76에서 보여지듯이, 본 OPCLD 발명의 추가적인 실시예의 약간 다른 버전은 InP로 형성된 OPCLD, 두 개의 고속의 InP로 형성된 포토트랜지스터, 및 두 개의 고속의 InP로 형성된 HEMT 프리-앰프(pre-amps)를 포함한다. 더욱이, 광전자 회로의 HEMT 부분은 HEMT로 형성된 집적화된 광전자 회로를 이루게 될 다수의 격자-정합된 층들을 에피택시 성장시키기 위한 성장 매질로서 650-㎛두께의 InP 기판 웨이퍼 층 99를 사용하여 제조된다. HEMTs를 형성하기 위하여 사용되는 격자-정합된 층들은 회로의 OPCLD 부분의 형성이 완료되면 에피택시 성장된다.
더욱이, 성장은, 물질 증착을 수행하기 위하여 MOCVD와 같은 유기 금속 증기 성장 방법을 사용하여, OPCLD의 두번째 스페이서-층 364의 두번째 가장 위쪽 표면 위에 에피택시 증착되는, InP 물질의 절연성의 도핑되지 않은 버퍼-층 352와 함께 시작한다. 더욱이, 에피층들 352, 361, 362, 366, 367, 및 368은, 그들이 HEMT 기초 프리-엠프 회로들 353, 357, 356, 346, 347, 및 348을 형성하는데 추후 사용되기 때문에 특별히 필요하다. 한편 에피층들 352, 361, 362, 366, 367, 및 368은 그들이 두 개의 INP로 형성된 포토다이오드 구조들 391 및 392를 형성하는데 사용되기 때문에 특히 필요하다.
더욱이, 도 75 및 76에서 보여지듯이, 에피층 352는 OPCLD의 이득-영역 365를 전기적으로 펌핑하기 위하여 사용되는 전류로부터 HEMT에 기초한 회로 소자를 보호하는 절연 층으로서 작용하며, 한편 에피층 353은 InP 기판 웨이퍼 층 99 내에 존재하는 어떠한 불순물이 그 위에 형성되는 에피택시 층들로 확산되는 것을 막는 버퍼-층으로서 작용한다.
더욱이, i-GaInAs로 형성된 에피층 366은 HEMT 383 (또는 388) 회로 내의 전자 전도층으로서 작용한다. 한편, 에피층 361은 전자들을 i-GaInAs로 형성된 활성 에피층 366으로 주입함으로써 작용한다. 더욱이, 에피층 361을 제조하는데 사용되는 다이렉트 밴드갭 반도체 물질은 전자 친화력에 있어서 전자 전도성의 에피층 366보다 작으며, HEMT의 PIN 구조는 이러한 에피택시 증착된 반도체 층들로부터 형성된다.
게다가, HEMT로 형성된 집적화된 광전자 회로의 포토다이오드 부분과 관련하여, n-GaInAs로 형성된 에피층 362는 포토다이오드 PIN 구조의 N-층부분을 형성하며, 한편 i-GaInAs로 형성된 층인 에피층 363은 포토다이오드 PIN 구조의 I-층부분을 형성하고, P-GaInAs로 형성된 층인, 에피층 369는 포토다이오드 PIN 구조의 P-층 부분을 형성한다. 더욱이, 에피층들 102 내지 109가 증착된 후에는, 에피층 102 내지 109의 어떠한 불필요한 영역들도 일반적인 포토리소그래피 및 화학적 에칭을 이용하여 제거된다.
더욱이, 두 개의 광 수신 포토다이오드 391 및 392를 제공하도록 요구되는 부분들만을 남기며, 두 개의 HEMT에 기초한 프리-엠프 회로 383 및 388, 및 두 개의 임피던스 정합 레지스터들 378 및 385, 이들 모두가 도 76에 나타나 있다. 더욱이, 포토다이오드 391 및 392의 물리적 수치들은 요구되어지는 것처럼 서로 서로 조금씩 다르다. 여기서, 음극 전극 332 및 339는 그들의 중심인 330, 340에서 광 수신 통로를 가지며, 이것들은 포토다이오드들의 P-GaInAs로 형성된 에피층 369로부터 에칭된다.
더욱이, 도 75 및 76에서 보여지듯이, HEMT 프리-앰프 회로 388와 383은 소스(source) 전극들 335와 346, 드레인(drain) 전극들 337 및 348, 및 게이트 전극들 336와 347을 각각 포함할 것이다. 한편, 두 개의 임피던스 정합 레지스터들 378과 375는 InP 기판 웨이퍼 층 99 내의 Si 이온-주입된 n-layers에 의해서 형성된다. 한편, 절연 층 342, 344, 349 및 358은 전극들 332, 333, 335, 336, 337, 338, 339, 346, 347, 및 348을 제외한 전체 집적화된 광전자 회로의 표면 영역에 걸쳐 형성되며, 한편 서킷 런 및 서킷 패드를 형성하는 금속들은 증기 증착되며, 모두 도 76에서 보여지듯이, 그들의 원하여지는 패턴들 334, 339, 341, 345, 351, 373, 374, 375, 376, 377, 379, 380, 381, 382, 384, 386, 387, 388, 389로 다함께 형성된다.
이하에서는 도 1, 2, 2A, 3, 3A, 4, 5, 5A, 6, 6A, 7, 8, 8A, 9, 9A, 10, 11, 11A, 12, 12A, 13, 14, 14A, 15, 15A, 16, 17, 17A, 18, 18A, 22, 23, 23A, 24, 24A, 25, 25A, 25B, 30, 30A, 30B, 31, 31A, 31B, 32, 33, 34, 35, 35A, 35B, 36, 36A, 36B, 37, 38, 39, 39A, 39B, 40, 40A, 40B, 41, 42, 43, 43A, 43B, 44, 44A, 44에서 보여지는 OPCLD 발명의 여러 가지 대안적인 변형들을 설명한다. 더욱이, OPCLD 발명의 수많은 적용 및 변형이 만들어 질 수 있다는 점에도 불구하고, 그러한 변형 및 적용이 본 발명의 범위 및 정신으로부터 벗어나지 않음을 유념하여야 한다.
따라서, 본 발명의 범위 및 정신 내에서, 본 발명은 상기 또는 이하에서 자세히 기록되는 것 외에도 실행될 수 있다는 점을 이해하여야 한다. 특히, 본 발명은 이상 및 이하의 단락에서 기술되는 설명들로부터 오는 한계 없이, 첨부된 청구 항들, 및 그 균등물에 따라 해석되어진다.
게다가, OPCLD의 다중-층 구조의 도핑은 다양한 첨가물(dopant) 물질들(예를 들어, 인(phosphorus)과 같은 N 타입의 전자를 주는 첨가물 물질 및 보론(Boron)과 같은 P 타입의 전자를 받아들이는 첨가물 물질)을 OPCLD를 구성하게 될 층들의 MBE 또는 MOCVD 에피택시 증착 동안 이용되는 다양한 제조 물질들에 더함으로써 에피택시 증착 동안에 달성된다. 더욱이, 본 OPCLD 발명은 반도체 레이저 다이오드 장치내에서 이전에 사용된 적이 없는 새로운 종류의 공진기 디자인이며, 서로 다른 많은 제조 물질들과 OPCLD의 다양한 다중-층 구조를 구성하는 여러 가지 서로 다른 반도체 층들 내의 특별한 첨가물 물질들의 첨가물 농도들을 사용할 수 있다.
도 1, 2, 2A, 3, 3A에서 보여지듯이, "광학적 위상 공액 레이저 다이오드"(OPCLD)는 도 19에서 보여지는 OPCLD 발명에 대한 대안적인 실시예를 보여준다. 여기서, 대안적인 OPCLD는 상업적으로 얻어지는 반도체 기판 웨이퍼로서 그 제조를 시작하며, 이것은 OPCLD의 다중층 구조의 에피택시 성장동안 성장 매질로서 이용된다. 본 OPCLD 발명의 대안적 버전과 관련하여 그리고 OPCLD의 이득-영역을 제조하는데 사용되는 물질로서 선택된 물질 체제에 의존하여, OPCLD를 성장시키는데 사용되는 방법은 아마도 두 가지의 잘 알려진 물질 성장의 에피택시 방법들 중 하나가 될 것이다; 예를 들어, "분자 빔 에피택시"(MBE)는 상업적으로 얻어지는 실리콘-카바이드 또는 Al2O3 기판 웨이퍼들 위에 GaN에 기초한 에피-구조들을 성장시키는데 일반적으로 사용되며, 한편 "금속 유기 화확적 증기 증착"(MOCVD)는 상업적으로 얻 어지는 인듐-포스파이드 EH는 갈륨-포스파이드 기판 웨이퍼들 위에 InP에 기초한 에피-구조들을 성장시키는데 일반적으로 사용된다. OPCLD의 스페이서-층들은 이들 층들이 어떻게 기울기가 있도록 도핑되었는지 보여주기 위하여 회색을 이용하여 어두운 색으로부터 밟은 색으로 또는 밝은 색으로부터 어두운 색으로 그려진다는 것을 유념다.
OPCLD의 스페이서-층들에 있어서, 도핑은 스페이서-층의 어두운 색깔 영역에서 가장 강하고, 한편 스페이서-층의 밝은 색깔 영역에서 가장 약하다는 것을 유념한다. 추가적으로 도 1은 OPCLD의 섹션A-A 측면도이며, 이는 다음의 순서대로 증착되고 그에 따라 형태가 갖춰진 다수의 에피층 구조들을 포함하는 것으로서 아래와 같이 기술된다;
1.) 상업적으로 얻어지는 p-도핑된 또는 n-도핑된 반도체 기판 웨이퍼 85 중 어느 하나의 선택 (도 1)
2.) 다음, MBE 또는 MOCVD를 이용하여, 기판 웨이퍼 85의 위로 향한 두번째 표면 위에 소수의 도핑되지 아니한 표면을 평탄하게 하는 버퍼-층들(도시되지 않음)이 증착된다. 더욱이 증착 후에 이들 버퍼-층들은 100-Å의 전체 두께를 일반적으로 가질 것이다.
3.) 이전에 형성된 버퍼-층들의 위로 향한 두번째 표면 위에, 내부 공동 유도 발광의 부분 반사/부분 전달을 제공하는 기울기가 있게 도핑된 DBR이 형성된 거울-적층 어셈블리를 가지는 것으로 구성된, 두번째 반사기 86 (도 1)이 에피택시 증착된다.
4.) 다음, 이전에 증착된 DBR 86의 위로 향한 표면 위에 일어나도록 만들어진, 그리고 P 또는 N 첨가물 물질들 중 어느 하나를 사용하여, 예를 들어, N-타입 스페이서-층에는 실리콘 또는 카본과 같은 전자를 내주는 물질을 사용하고, 한편 P-타입 스페이서-층에는 보론이나 아연과 같은 전자를 받아들이는 물질을 사용하여, 기울기가 있도록 또는 기울기가 없도록 도핑된 구조들 중 어느 하나를 가지도록 구성된, 첫번째 스페이서-층 87 (도 1)이 에피택시 증착된다.
5.) 이전에 형성된 스페이서-층 87의 위로 향한 두번째 표면 위에, 단일 층 격자-정합된 P-도핑된, N-도핑된, 또는 도핑되지 아니한 벌크 반도체 층 기초 이득-영역, 단일 또는 다중층 응축 변형된 또는 응축 변형되지 아니한 양자-점 기초 이득-영역, 단일 또는 다중층 응축 변형된 또는 응축 변형되지 아니한 양자 슈퍼-격자 기초 이득-영역 88, 단일 또는 다중층 응축 변형된 또는 응축 변형되지 아니한 양자-폭포 기초 이득-영역 88, 합성 정보를 위하여 A. Dodabalapur et al.의 1995년 9월 13일 출원된 미국특허출원 제08/673,864호를 참조하는, 예를 들어, TAD(TAD는 일반적으로 triphenyl/diamine이다)의 30-nm 층, NAPOXA(NAPOXA는 일반적으로 2-naphtyl-4,5-bis(4-methoxyphenyl)-1,3-oxazole이다)의 15-nm 층 Alq(Alq는 일반적으로 8-hydroxyquinolinato aluminum이다)의 15-nm 층의 증착으로부터 구성되는, 단일 또는 다중층 "유기 발광 다이오드"(OLED) 기초 이득-영역 또는 단일 또는 다중층의 응축 변형된 또는 응축 변형되지 아니한 양자-우물 기초 이득-영역 88 (도 1) 중 어느 하나를 가지는 것으로 구성되는, 이득-영역 88 (도 1)이 에피택시 증착된다.
6.) 이전에 형성된 이득-영역 88의 위로 향한 두번째 표면 위에, P-타입 또는 N-타입의 첨가물 물질을 사용하여 기울기가 있게 또는 기울기가 없도록 도핑된 구조 중 어느 하나를 가지는 것으로 구성된, 두번째 격자-정합된 반도체 스페이서-층 89 (도 1)가 에피택시 증착된다.
7.) 이전에 증착된 스페이서-층 89의 위로 향한 두번째 표면 위에, 코너-큐브 역-반사 요소들 90(도 1, 2, 및 2A)으로 리소그래피하게(즉, 그레이-스케일 마스킹 및 리소그래피를 사용하여) 형성되는, PCM 층 90(도 1, 2, 및 2A)이 에피택시 증착된다.
8.) 상업적으로 제공되는 기판 웨이퍼 85의 첫번째 표면을 이용하여, 첫번째 반사기 95(도 1, 3, 및 3A)가 레이저-방출-출력 거울 95로 형성(즉, 그레이-스케일 마스킹 및 리소그래피를 사용하여)되며, 이것은 단일 기본 횡 공간 공동 모드로의 가우시안 모양의 레이저-방출-출력을 제공한다.
9.) 첫번째 N-타입 또는 P-타입의 저항 접촉 93 (도 1, 2, 및 2A)이 OPCLD의 첫번째 스페이서-층 87의 이전에 에칭된 영역의 가장 바깥쪽의 위로 향한 n++ 또는 p++ 표면 위에 적절한 금속 합금이 증착될 때 형성되며, 다음에 희생적 절연 층이 에피택시 증착되고, 이것은 스텝 92를 드러내기 위하여 선택적으로 에칭되고, 이전에 증착된 금속합금은 다음으로 도넛 모양의 접촉 링 93, 접촉 서킷 트레이스, 및 접촉 서킷 패드 97로 형성될 수 있다. 한편 두번째 N-타입 또는 P-타입의 저항 접촉 91 (도 1, 2, 및 2A)이 OPCLD의 두번째 스페이서-층 89의 두번째 n++ 또는 p++ 도핑된 표면 위에 적절한 금속 합금이 증착될 때 형성되며, 추후 도넛 모양의 접촉 링 91, 접촉 서킷 트레이스, 및 접촉 서킷 패드 98로 형성된다.
여기서, 세번째 반사기의 가우시안 모드 제공 모양 95, 96 (도 1, 3, 및 3A)와 첫번째 반사기의 광학적 위상-공액 제공 PCM 90 (도 1, 2, 및 2A)이 다함께 OPCLD의 레이저 공동 94 내에 대칭적으로 중심에 있는 허리-밴드 위치와 함께 반구상의 제한된 광학적 필드 96을 정의하며, 더 나아가 낮은 차수의 기본 횡 공간 공동 모드(즉, 바람직하게 횡 공동 모드 TEM00)로 고전력의 레이저-방출-출력(즉, 60-㎛이상의 직경을 가지는 이득-영역에 있어서 100-mW 이상의 cw 출력)을 제공한다.
스페이서-층 87 및 89 (도 1)은 그들의 합금이 어떻게 그리고 어느 정도 기울기가 있도록 형성되었는지 보여주기 위한 수단으로서 기울기가 있게 채워진 직사각형들로 그려졌다는 것을 유념한다. OPCLD의 스페이서-층들에 있어서, 어둡게 칠해진 영역들은 그래픽적으로 반도체 합금이 낮은 밴드갭을 나타내는 곳을 보여주며, 한편 높은 밴드갭은 밝은 색의 영역들에 의해 그래픽적으로 보여진다.
게다가, 두번째 대안적인 OPCLD 실시예에 있어서, 특히 그 스페이서-층들에 있어서, 도핑이 스페이서-층의 어둡게 칠해진 영역들에서 가장 강하며, 한편 도핑은 스페이서-층의 밝게 칠해진 영역들에서 가장 약하는 것을 유념한다. 더욱이, 도 4, 5, 5A, 6, 및 6A에서 보여지듯이, OPCLD의 두번째 대안적인 버전은 다음의 순서대로 증착되고 그에 따라 형태가 갖춰진 다수의 에피층 구조를 가지는 것으로 구성된다;
1.) 상업적으로 얻어지는 p-도핑된 또는 n-도핑된 반도체 기판 웨이퍼 99 (도 4)
2.) 기판 웨이퍼 99는 먼저 기판 웨이퍼 99의 위로 향한 표면에 Nth 개수의 반구 모양의 홈들 108 (도 4)을 형성하기 위하여 그레이-스케일 마스킹 및 리소그래피를 사용하여 에칭될 필요가 있다. 한편 반구 모양의 익스프레션들(expressions) 110A (도 4)의 두번째 그룹이 기판 웨이퍼 99의 아래로 향한 표면의 바깥쪽으로, 그레이-스케일 마스킹과 리소그래피를 이용하여 형성된다.
3.) 다음, MOCVD를 이용하여, 홈 108은, 홈을 채우는데 사용되는 제조 물질은 고도로 n++ 또는 p++ 도핑되었다는 점만 제외하고는, 기판 웨이퍼 99를 구성하는데 사용된 반도체 물질과 동일한 물질로 채워지며, 첨가물(dopant) 극성의 선택은 커넥티비티의 요구되는 타입과 방향에 의존한다.
4.) 그 후, 어떠한 불룩한 부분(bulges), 범프(bumps), 또는 다른 불규칙한 것들이 화학적 에칭 및/또는 폴리싱 작용제 또는 기계적인 폴리싱을 이용하여 평탄화게 될 수 있다.
5.) 그 다음, 이전에 처리된 기판 웨이퍼 99의 위로 향한 두번째 표면 위에 소수의 고도로 도핑된 표면을 평탄하게 하는 버퍼-층들(도시되지 않음)이 에피택시 증착된다. 증착 후에 이들 버퍼-층들은 100-Å의 전체 두께를 다함께 가질 것이다.
6.) 그 다음, 이전에 증착된 버퍼-층들의 위로 향한 가장 바깥쪽 표면 위에 일어나도록 만들어진, 그리고 P-타입 또는 N-타입 첨가물 물질들 중 어느 하나를 사용하여, 예를 들어, N-타입 스페이서-층에는 실리콘 또는 카본과 같은 전자를 내 주는 물질을 사용하고, 한편 P-타입 스페이서-층에는 보론이나 아연과 같은 전자를 받아들이는 물질을 사용하여, 기울기가 있도록 또는 기울기가 없도록 도핑된 구조들 중 어느 하나를 가지도록 구성된, 첫번째 스페이서-층 100 (도 4)이 에피택시 증착된다.
7.) 이전에 형성된 스페이서-층 100의 위로 향한 두번째 표면 위에, 단일 층 격자-정합된 P-도핑된, N-도핑된, 또는 도핑되지 아니한 벌크 반도체 층 기초 이득-영역, 단일 또는 다중층 응축 변형된(strained) 또는 응축 변형되지 아니한 양자-점 기초 이득-영역, 단일 또는 다중층 응축 변형된 또는 응축 변형되지 아니한 양자 슈퍼-격자 기초 이득-영역 101, 단일 또는 다중층 응축 변형된 또는 응축 변형되지 아니한 양자-폭포 기초 이득-영역 101, 합성 정보를 위하여 A. Dodabalapur et al.의 1995년 9월 13일 출원된 미국특허출원 제08/673,864호를 참조하는, TAD(TAD는 일반적으로 triphenyl/diamine이다)의 30-nm 층, NAPOXA(NAPOXA는 일반적으로 2-naphtyl-4,5-bis(4-methoxyphenyl)-1,3-oxazole이다)의 15-nm 층 Alq(Alq는 일반적으로 8-hydroxyquinolinato aluminum이다)의 15-nm 층의 증착으로부터 구성되는, 단일 또는 다중층 "유기 발광 다이오드"(OLED) 기초 이득-영역 101 또는 단일 또는 다중층의 응축 변형된 또는 응축 변형되지 아니한 양자-우물 기초 이득-영역 101 중 어느 하나를 가지는 것으로 구성되는, 이득-영역 101 (도 4)이 에피택시 증착된다.
8.) 이전에 형성된 이득-영역 101의 위로 향한 두번째 표면 위에, P-타입 또는 N-타입의 첨가물 물질을 사용하여 기울기가 있게 또는 기울기가 없도록 도핑 된 구조 중 어느 하나를 가지는 것으로 구성된, 두번째 격자-정합된 반도체 스페이서-층 102 (도 4)가 에피택시 증착된다.
9.) 이전에 형성된 두번째 스페이서-층 102(도 4)의 위로 향한 두번째 표면 위에, 내부 공동 유도 발광의 부분 반사/부분 전달을 제공하는 도핑이 되지 아니한 DBR이 형성된 거울-적층 어셈블리 103를 가지는 것으로 구성된, 두번째 반사기 103 (도 4)이 에피택시 증착된다.
10.) 이전에 증착된 DBR이 형성된 거울-적층 어셈블리 103의 위로 향한 두번째 표면위에, 반구 모양의 105, 106 (도 4, 및 5) 가우시안 모드 및 부분 반사를 제공하는 금속화된 세번째 반사기로 리소그래픽하게(즉, 그레이-스케일 마스킹과 리소그래피를 이용한) 형성된, 레이저-방출-출력 층 104 (도 4, 5, 및 5A)가 에피택시 증착된다.
11.) 그레이-스케일 마스킹과 리소그래피를 사용하여 기판 웨이퍼 99의 아래로 향한 표면 바깥에 형성된 이전에 에칭된 반구 모양의 임프레션들 110A (도 4)의 가장 바깥쪽 표면을 이용하여, 첫번째 반사체(reflecting body) 110 (도 4, 6, 및 6A)이 역-반사 다면체 모양의 프리즘들 198 (도 26, 26A, 및26B)의 배열들로 주위에 형성되며(즉, 그레이-스케일 마스킹과 리소그래피를 이용한), 이는 OPCLD의 광학적 위상-공액 PCM 110을 제공할 것이다.
12.) 첫번째 N-타입 또는 P-타입의 저항 접촉 107 (도 4, 5, 및 5A)이,세번째 반사기의 증착된 구조 층 104와 이전에 증착된 DBR 로 형성된 거울-적층 어셈블리 103 모두를 통과하는 모든 길에 이전에 에칭된 원형 모양의 트렌치로 적절한 금 속 합금이 증착될 때 형성되며, 여기서 이것은 OPCLD의 두번째 스페이서-층 102의 윗쪽 가장 바깥의 n++ 또는 p++ 도핑된 표면에 전기적 커넥티비티를 제공하는 도넛 모양의 접촉 층으로 리소그래픽하게 형성될 것이다. 한편 두번째 N-타입 또는 P-타입의 저항 접촉 109 (도 4, 5A, 및 5A)는, OPCLD의 기판 웨이퍼 99의 바닥 가장 바깥의 n++ 또는 p++ 도핑된 표면 가장자리의 전체 바깥둘레의 위와 주변에 적절한 금속 합금이 증착될 때 형성되며, 여기서 이것은 사각형 모양의 접촉 층 109 (도 4, 5A, 및 6A)로 리소그래피하게 형성될 것이다.
여기서, 세번째 반사기의 가우시안 모드 제공 반구 모양의 구조 105, 106 (도 4, 6, 및 6A)와 첫번째 반사기의 광학적 위상-공액 반구 모양의 PCM 110 (도 4, 6, 및 6A)는 다함께 OPCLD의 레이저 공동 108 내에 대칭적으로 중심에 있는 허리-밴드 위치 108을 가진 공초점의 제한된 광 필드 111을 정의할 것이며, 더 나아가 다함께 낮은 차수의 기본 횡 공간 공동 모드(즉, 바람직하게 횡 공동 모드 TEM00)로 고전력의 레이저-방출-출력(즉, 60-㎛이상의 직경을 가지는 이득-영역에 있어서 100-mW 이상의 cw 출력)을 제공한다.
스페이서-층 100 및 102 (도 4)은 그들의 합금이 어떻게 그리고 어느 정도 기울기가 있도록 형성되었는지 보여주기 위한 수단으로서 기울기가 있게 채워진 직사각형들로 그려졌다는 것을 유념한다. OPCLD의 스페이서-층들에 있어서, 어둡게 칠해진 영역들은 그래픽적으로 반도체 합금이 낮은 밴드갭을 나타내는 곳을 보여주며, 한편 높은 밴드갭 존재는 밝은 색의 영역들에 의해 그래픽적으로 보여진다.
게다가, 세번째 대안적인 OPCLD 실시예에 있어서, 특히 그 스페이서-층들에 있어서, 도핑이 스페이서-층의 어둡게 칠해진 영역들에서 가장 강하며, 한편 도핑은 스페이서-층의 밝게 칠해진 영역들에서 가장 약하는 것을 유념한다. 더욱이, 도 7, 8, 8A, 9, 및 9A에서 보여지듯이, OPCLD의 세번째 대안적인 버전은 다음의 순서대로 증착되고 그에 따라 형태가 갖춰지는 다수의 에피층 구조를 가지는 것으로 구성된다:
1.) 상업적으로 얻어지는 p-도핑된 또는 n-도핑된 반도체 기판 웨이퍼 112 중 어느 하나의 선택 (도 7)
2.) 다음, MBE 또는 MOCVD를 이용하여, 기판 웨이퍼 112의 위로 향한 두번째 표면 위에 소수의 도핑되지 아니한 표면을 평탄하게 하는 버퍼-층들(도시되지 않음)이 증착된다. 더욱이 증착 후에 이들 버퍼-층들은 100-Å의 전체 두께를 일반적으로 가질 것이다.
3.) 이전에 형성된 버퍼-층들의 위로 향한 두번째 표면 위에, 내부 공동 유도 발광의 부분 반사/부분 전달을 제공하는 기울기가 있게 n-도핑되거나 또는 p-도핑된 DBR이 형성된 거울-적층 어셈블리를 가지는 것으로 구성된, 두번째 반사기 113 (도 7)이 에피택시 증착된다.
4.) 다음, 이전에 증착된 DBR 113의 위로 향한 표면 위에 일어나도록 만들어진, 그리고 P-타입 또는 N-타입 첨가물 물질들 중 어느 하나를 사용하여, 예를 들어, N-타입 스페이서-층에는 실리콘 또는 카본과 같은 전자를 내주는 물질을 사용하고, 한편 P-타입 스페이서-층에는 보론이나 아연과 같은 전자를 받아들이는 물질 을 사용하여, 기울기가 있도록 또는 기울기가 없도록 도핑된 구조들 중 어느 하나를 가지도록 구성된, 첫번째 스페이서-층 114 (도 7)이 에피택시 증착된다.
5.) 이전에 증착된 스페이서-층 114 (도 7)의 위로 향한 두번째 표면 위에, 단일 층 격자-정합된 P-도핑된, N-도핑된, 또는 도핑되지 아니한 벌크 반도체 층 기초 이득-영역, 단일 또는 다중층 응축 변형된 또는 응축 변형되지 아니한 양자-점 기초 이득-영역, 단일 또는 다중층 응축 변형된 또는 응축 변형되지 아니한 양자 슈퍼-격자 기초 이득-영역 115, 단일 또는 다중층 응축 변형된 또는 응축 변형되지 아니한 양자-폭포 기초 이득-영역 115, 합성 정보를 위하여 A. Dodabalapur et al.의 1995년 9월 3일 출원된 미국특허출원 제08/673,864호를 참조하는, 예를 들어, TAD(TAD는 일반적으로 triphenyl/diamine이다)의 30-nm 층, NAPOXA(NAPOXA는 일반적으로 2-naphtyl-4,5-bis(4-methoxyphenyl)-1,3-oxazole이다)의 15-nm 층 Alq(Alq는 일반적으로 8-hydroxyquinolinato aluminum이다)의 15-nm 층의 증착으로부터 구성되는, 단일 또는 다중층 "유기 발광 다이오드"(OLED) 기초 이득-영역 또는 단일 또는 다중층의 응축 변형된 또는 응축 변형되지 아니한 양자-우물 기초 이득-영역 115 (도 7) 중 어느 하나를 가지는 것으로 구성되는, 이득-영역 115 (도 7)이 에피택시 증착된다.
6.) 이전에 증착된 이득-영역 115의 위로 향한 두번째 표면 위에, P-타입 또는 N-타입의 첨가물 물질을 사용하여 기울기가 있게 또는 기울기가 없도록 도핑된 구조 중 어느 하나를 가지는 것으로 구성된, 두번째 격자-정합된 반도체 스페이서-층 116 (도 7)가 에피택시 증착된다.
7.) 이전에 증착된 스페이서-층 116의 위로 향한 두번째 표면 위에, 코너-큐브 모양의 역-반사 요소들 117 (도 7, 8, 및 8A)의 매우 큰 배열로 리소그래피하게(즉, 그레이-스케일 마스킹 및 리소그래피를 사용하여) 형성되는, PCM 층 117(도 7, 8, 및 8A)이 에피택시 증착된다.
8.) 상업적으로 제공되는 기판 웨이퍼 112의 첫번째 표면을 이용하여, 첫번째 반사기 122, 123 (도 7, 9, 및 9A)가 레이저-방출-출력 프레넬 모양의 디지털 거울 122로 형성(즉, 그레이-스케일 마스킹 및 리소그래피를 사용하여)되며, 이것은 단일 기본 횡 공간 공동 모드로의 가우시안 모양의 고전력 레이저-방출-출력을 제공한다.
9.) 첫번째 N-타입 또는 P-타입의 저항 접촉 120 (도 7, 8, 및 8A)이 OPCLD의 첫번째 스페이서-층 114의 이전에 에칭된 영역의 가장 바깥쪽의 위로 향한 n++ 또는 p++ 표면 위에 적절한 금속 합금이 증착될 때 형성되며, 다음으로 도넛 모양의 접촉 링 97, 접촉 서킷 트레이스, 및 접촉 서킷 패드 97으로 형성될 수 있다. 한편 두번째 N-타입 또는 P-타입의 저항 접촉 91 (도 1, 2, 및 2A)이 OPCLD의 두번째 스페이서-층 116의 두번째 n++ 또는 p++ 도핑된 표면과 접촉 차단 램프 (희생 층) 119 (도 7, 8, 및 8A) 위에 적절한 금속 합금이 증착될 때 형성되며, 추후 도넛 모양의 접촉 링 118 (도 7, 8, 및 8A), 접촉 서킷 트레이스 및 접촉 서킷 패드 98로 형성된다.
여기서, 첫번째 반사기의 가우시안 모드 제공 프레넬 모양의 디지털 거울 122, 123 (도 7, 9, 및 9A)와 세번째 반사기의 광학적 위상-공액 제공 PCM 117 (도 7, 8, 및 8A)이 다함께 OPCLD의 레이저 공동 121(도 7, 8, 및 9) 내에 대칭적으로 중심에 있는 허리-밴드 위치와 함께 반구상의 제한된 광학적 필드 121을 정의하며, 더 나아가 낮은 차수의 기본 횡 공간 공동 모드(즉, 바람직하게 횡 공동 모드 TEM00)로 고전력의 레이저-방출-출력(즉, 60-㎛이상의 직경을 가지는 이득-영역에 있어서 100-mW 이상의 cw 출력)을 제공한다.
스페이서-층 114 및 116 (도 7)은 그들의 합금이 어떻게 그리고 어느 정도 기울기가 있도록 형성되었는지 보여주기 위한 수단으로서 기울기가 있게 채워진 직사각형들로 그려졌다는 것을 유념한다. OPCLD의 스페이서-층들에 있어서, 어둡게 칠해진 영역들은 그래픽적으로 반도체 합금이 낮은 밴드갭을 나타내는 곳을 보여주며, 한편 높은 밴드갭 존재는 밝은 색의 영역들에 의해 그래픽적으로 보여진다.
게다가, 네번째 대안적인 OPCLD 실시예에 있어서, 특히 그 스페이서-층들에 있어서, 도핑이 스페이서-층의 어둡게 칠해진 영역들에서 가장 강하며, 한편 도핑은 스페이서-층의 밝게 칠해진 영역들에서 가장 약하는 것을 유념한다. 더욱이, 도 10, 11, 11A, 12, 및 12A에서 보여지듯이, OPCLD의 두번째 대안적인 버전은 다음의 순서대로 증착되고 그에 따라 형태가 갖춰진 다수의 에피층 구조를 가지는 것으로 구성된다;
1.) 상업적으로 얻어지는 p-도핑된 또는 n-도핑된 반도체 기판 웨이퍼 124 (도 10)
2.) 기판 웨이퍼 124는 먼저 기판 웨이퍼 124의 위로 향한 표면에 Nth 개수 의 반구 모양의 홈들 134A (도 10)을 형성하기 위하여 그레이-스케일 마스킹 및 리소그래피를 사용하여 에칭될 필요가 있다. 한편 반구 모양의 홈들(recessions) 133 (도 10)의 두번째 그룹이 기판 웨이퍼 124의 아래로 향한 표면의 바깥쪽으로, 그레이-스케일 마스킹과 리소그래피를 이용하여 형성된다. 한편 도넛 모양의 홈들 134B (도 10, 11A, 및 12A)이, 그레이-스케일 마스킹과 리소그래피를 사용하여, 기판 웨이퍼 124의 아래로 향한 표면의 바깥으로, 형성된다.
3.) 다음, MOCVD를 이용하여, 홈 134A는, 홈을 채우는데 사용되는 제조 물질은 고도로 n++ 또는 p++ 도핑되었다는 점만 제외하고는, 기판 웨이퍼 124를 구성하는데 사용되는 반도체 물질과 동일한 물질로 채워지며, 첨가물(dopant) 극성의 선택은 커넥티비티의 요구되는 타입과 방향에 의존한다.
4.) 다음, MOCVD를 이용하여, 홈 134B는, 홈을 채우는데 사용되는 제조 물질은 고도로 n++ 또는 p++ 도핑되었다는 점만 제외하고는, 기판 웨이퍼 124를 구성하는데 사용되는 반도체 물질과 동일한 물질로 채워지며, 첨가물(dopant) 극성의 선택은 커넥티비티의 요구되는 타입과 방향에 의존한다.
5.) 다음, MOCVD를 이용하여, 홈 133은, 격자-정합되었지만, 기판 웨이퍼 124를 제조하는데 사용되는 물질보다 낮은 굴절률을 가지는 반도체 물질로 채워지며, 그 안에 소프트-구경(soft-apertured) 렌즈를 형성한다.
6.) 그 후, 방금 채워진 내부 렌즈들 133, 134, 134A에의하여 나타나는 어떠한 불룩한 부분(bulges), 범프(bumps), 또는 다른 불규칙한 것들이, 화학적 에칭 및/또는 폴리싱 작용제 또는 기계적인 폴리싱을 이용하여, 기판의 두 개의 물질 경 계 표면들에서 평탄화게 될 수 있다.
7.) 그 다음, 이전에 처리된 기판 웨이퍼 124의 위로 향한 두번째 표면 위에 소수의 고도로 도핑된 표면을 평탄하게 하는 버퍼-층들(도시되지 않음)이 에피택시 증착된다. 증착 후에 이들 버퍼-층들은 100-Å의 전체 두께를 다함께 가질 것이다.
8.) 그 다음, 이전에 증착된 버퍼-층들의 위로 향한 가장 바깥쪽 표면 위에 일어나도록 만들어진, 그리고 P-타입 또는 N-타입 첨가물 물질들 중 어느 하나를 사용하여, 예를 들어, N-타입 스페이서-층에는 실리콘 또는 카본과 같은 전자를 내주는 물질을 사용하고, 한편 P-타입 스페이서-층에는 보론이나 아연과 같은 전자를 받아들이는 물질을 사용하여, 기울기가 있도록 또는 기울기가 없도록 도핑된 구조들 중 어느 하나를 가지도록 구성된, 첫번째 스페이서-층 125 (도 10)이 에피택시 증착된다.
9.) 이전에 형성된 스페이서-층 125의 위로 향한 두번째 표면 위에, 단일 층 격자-정합된 P-도핑된, N-도핑된, 또는 도핑되지 아니한 벌크 반도체 층 기초 이득-영역, 단일 또는 다중층 응축 변형된(strained) 또는 응축 변형되지 아니한 양자-점 기초 이득-영역, 단일 또는 다중층 응축 변형된 또는 응축 변형되지 아니한 양자 슈퍼-격자 기초 이득-영역 126, 단일 또는 다중층 응축 변형된 또는 응축 변형되지 아니한 양자-폭포 기초 이득-영역 126, 합성 정보를 위하여 A. Dodabalapur et al.의 1995년 9월 13일 출원된 미국특허출원 제08/673,864호를 참조하는, 예를 들어, TAD(TAD는 일반적으로 triphenyl/diamine이다)의 30-nm 층, NAPOXA(NAPOXA는 일반적으로 2-naphtyl-4,5-bis(4-methoxyphenyl)-1,3-oxazole이다)의 15-nm 층 Alq(Alq는 일반적으로 8-hydroxyquinolinato aluminum이다)의 15-nm 층과 같은 여러 가지 발광 폴리머들의 스퍼터(sputtered) 증착으로부터 구성되는, 단일 또는 다중층 "유기 발광 다이오드"(OLED) 기초 이득-영역 126 또는 단일 또는 다중층의 응축 변형된 또는 응축 변형되지 아니한 양자-우물 기초 이득-영역 126 중 어느 하나를 가지는 것으로 구성되는, 이득-영역 126 (도 10)이 에피택시 증착된다.
10.) 이전에 형성된 이득-영역 126 (도 10)의 위로 향한 두번째 표면 위에, P-타입 또는 N-타입의 첨가물 물질을 사용하여 기울기가 있게 또는 기울기가 없도록 도핑된 구조 중 어느 하나를 가지는 것으로 구성된, 두번째 격자-정합된 반도체 스페이서-층 127 (도 10)이 에피택시 증착된다.
11.) 이전에 증착된 두번째 스페이서-층 127(도 10)의 위로 향한 두번째 표면 위에, 내부 공동 유도 발광의 부분 반사/부분 전달을 제공하는 도핑이 되지 아니한 DBR이 형성된 거울-적층 어셈블리 128을 가지는 것으로 구성된, 두번째 반사기 128 (도 10)이 에피택시 증착된다.
12.) 이전에 증착된 DBR이 형성된 거울-적층 어셈블리 128의 위로 향한 두번째 표면 위에, 프레넬 모양의 130, 131 (도 10, 및 11) 가우시안 모드 및 부분 반사/부분 전달을 제공하는 디지털 거울 및 장치의 세번째 반사기로 리소그래픽하게(즉, 그레이-스케일 마스킹과 리소그래피를 이용한) 형성된, 레이저-방출-출력 층 129 (도 10, 11, 및 11A)가 에피택시 증착된다.
13.) 그레이-스케일 마스킹과 리소그래피를 사용하여 아래로 향한 표면 바깥에 형성된 이전에 증착된 도핑되지 아니한 낮은 굴절율 물질 층의 가장 바깥쪽 표 면을 이용하여, 다면체 모양의 역-반사 프리즘들 198 (도 26, 26A, 및 26B)의 배열은 모두 장치의 PCM 및 첫번째 반사기 135를 구성하게 되며, 이것은 OPCLD의 광학적 위상-공액 PCM 135를제공할 것이다.
14.) 첫번째 N-타입 또는 P-타입의 저항 접촉 132 (도 10 및 11)이, 세번째 반사기의 증착된 구조 층 129와 이전에 증착된 DBR 로 형성된 거울-적층 어셈블리 128 모두를 통과하는 모든 길에 이전에 에칭된 원형 모양의 트렌치로 적절한 금속 합금이 증착될 때 형성되며, 여기서 이것은 OPCLD의 두번째 스페이서-층 127의 윗쪽 가장 바깥의 n++ 또는 p++ 도핑된 표면에 전기적 커넥티비티를 제공하는 도넛 모양의 접촉 층 132으로 리소그래픽하게 형성될 것이다. 한편 두번째 N-타입 또는 P-타입의 저항 접촉 134 (도 10, 11A, 및 12A)는, OPCLD의 기판 웨이퍼 124의 바닥 가장 바깥의 n++ 또는 p++ 도핑된 표면 가장자리의 전체 바깥둘레의 위와 주변에 적절한 금속 합금이 증착될 때 형성되며, 여기서 이것은 짧은 실린더 모양의 접촉 층 134 (도 10, 11A, 및 12A)로 리소그래피하게 형성될 것이다.
여기서, 세번째 반사기의 가우시안 모드 제공 프레넬 모양의 거울 구조 130, 131 (도 10, 11, 및 11A)와 첫번째 반사기의 광학적 위상-공액 PCM 135 (도 10, 12, 및 12A)는 다함께 OPCLD의 레이저 공동 내에 대칭적으로 중심에 있는 허리-밴드 위치 136을 가진 반구상의 제한된 광 필드를 정의할 것이며, 더 나아가 다함께 낮은 차수의 기본 횡 공간 공동 모드(즉, 바람직하게 횡 공동 모드 TEM00)로 고전력의 레이저-방출-출력(즉, 60-㎛이상의 직경을 가지는 이득-영역에 있어서 100-mW 이상의 cw 출력)을 제공한다.
스페이서-층 125 및 127 (도 10)은 그들의 합금이 어떻게 그리고 어느 정도 기울기가 있도록 형성되었는지 보여주기 위한 수단으로서 기울기가 있게 채워진 직사각형들로 그려졌다는 것을 유념한다. OPCLD의 스페이서-층들에 있어서, 어둡게 칠해진 영역들은 그래픽적으로 반도체 합금이 낮은 밴드갭을 나타내는 곳을 보여주며, 한편 높은 밴드갭 존재는 밝은 색의 영역들에 의해 그래픽적으로 보여진다.
게다가, 다섯번째 대안적인 OPCLD 실시예에 있어서, 특히 그 스페이서-층들에 있어서, 도핑이 스페이서-층의 어둡게 칠해진 영역들에서 가장 강하며, 한편 도핑이 스페이서-층의 밝게 칠해진 영역들에서 가장 약하는 것을 유념한다. 더욱이, 도 13, 14, 14A, 15, 및 15A에서 보여지듯이, OPCLD의 다섯번째 대안적인 버전은 다음의 순서대로 증착되고 그에 따라 형태가 갖춰지는 다수의 에피층 구조를 가지는 것으로 구성된다:
1.) 상업적으로 얻어지는 p-도핑된 또는 n-도핑된 반도체 기판 웨이퍼 137 중 어느 하나의 선택 (도 13)
2.) 다음, MBE 또는 MOCVD를 이용하여, 기판 웨이퍼 137의 위로 향한 두번째 표면 위에 소수의 도핑되지 아니한 표면을 평탄하게 하는 버퍼-층들(도시되지 않음)이 증착된다. 더욱이 증착 후에 이들 버퍼-층들은 100-Å의 전체 두께를 일반적으로 가질 것이다.
3.) 이전에 형성된 버퍼-층들의 위로 향한 두번째 표면 위에, 내부 공동 유도 발광의 부분 반사/부분 전달을 제공하는 기울기가 있게 n-도핑되거나 또는 p-도핑된 DBR이 형성된 거울-적층 어셈블리를 가지는 것으로 구성된, 두번째 반사기 143 (도 13)이 에피택시 증착된다.
4.) 다음, 이전에 증착된 DBR 143의 위로 향한 표면 위에 일어나도록 만들어진, 그리고 P-타입 또는 N-타입 첨가물 물질들 중 어느 하나를 사용하여, 예를 들어, N-타입 스페이서-층에는 실리콘 또는 카본과 같은 전자를 내주는 물질을 사용하고, 한편 P-타입 스페이서-층에는 보론이나 아연과 같은 전자를 받아들이는 물질을 사용하여, 기울기가 있도록 또는 기울기가 없도록 도핑된 구조들 중 어느 하나를 가지도록 구성된, 첫번째 스페이서-층 138 (도 13)이 에피택시 증착된다.
5.) 이전에 증착된 스페이서-층 138 (도 13)의 위로 향한 두번째 표면 위에, 단일 층 격자-정합된 P-도핑된, N-도핑된, 또는 도핑되지 아니한 벌크 반도체 층 기초 이득-영역, 단일 또는 다중층 응축 변형된 또는 응축 변형되지 아니한 양자-점 기초 이득-영역, 단일 또는 다중층 응축 변형된 또는 응축 변형되지 아니한 양자 슈퍼-격자 기초 이득-영역 139, 단일 또는 다중층 응축 변형된 또는 응축 변형되지 아니한 양자-폭포 기초 이득-영역 139, 합성 정보를 위하여 A. Dodabalapur et al.의 1995년 9월 13일 출원된 미국특허출원 제08/673,864호를 참조하는, 예를 들어, TAD(TAD는 일반적으로 triphenyl/diamine이다)의 30-nm 층, NAPOXA(NAPOXA는 일반적으로 2-naphtyl-4,5-bis(4-methoxyphenyl)-1,3-oxazole이다)의 15-nm 층 Alq(Alq는 일반적으로 8-hydroxyquinolinato aluminum이다)의 15-nm 층의 증착으로부터 구성되는, 단일 또는 다중층 "유기 발광 다이오드"(OLED) 기초 이득-영역 또는 단일 또는 다중층의 응축 변형된 또는 응축 변형되지 아니한 양자-우물 기초 이 득-영역 139 (도 13) 중 어느 하나를 가지는 것으로 구성되는, 이득-영역 139 (도 13)이 에피택시 증착된다.
6.) 이전에 증착된 이득-영역 139의 위로 향한 두번째 표면 위에, P-타입 또는 N-타입의 첨가물 물질을 사용하여 기울기가 있게 또는 기울기가 없도록 도핑된 구조 중 어느 하나를 가지는 것으로 구성된, 두번째 격자-정합된 반도체 스페이서-층 140 (도 13)이 에피택시 증착된다.
7.) 이전에 증착된 스페이서-층 140의 위로 향한 두번째 표면 위에, 코너-큐브 모양의 역-반사 요소들 141 (도 13, 14, 및 14A)의 매우 큰 배열로 리소그래피하게(즉, 그레이-스케일 마스킹 및 리소그래피를 사용하여) 형성되는, PCM 층 141(도 13, 14, 및 14A)이 에피택시 증착된다.
8.) 상업적으로 제공되는 기판 웨이퍼 137의 첫번째 표면을 이용하여, 첫번째 반사기 145, 146 (도 13, 15, 및 15A)가 레이저-방출-출력 프레넬 모양의 디지털 거울 145, 146으로 형성(즉, 그레이-스케일 마스킹 및 리소그래피를 사용하여)되며, 이것은 단일 기본 횡 공간 공동 모드로의 가우시안 모양의 고전력 레이저-방출-출력을 제공한다.
9.) 첫번째 N-타입 또는 P-타입의 저항 접촉 142 (도 13, 14, 및 14A)가OPCLD의 두번째 스페이서-층 140의 가장 바깥쪽의 위로 향한 n++ 또는 p++ 표면 위에 적절한 금속 합금이 증착될 때 형성되며, 다음으로 도넛 모양의 접촉 링 142로 형성된다. 한편 두번째 N-타입 또는 P-타입의 저항 접촉 147 (도 13, 14A, 및 15A)이 OPCLD의 기판 층 137의 n++ 또는 p++ 도핑된 바깥쪽 주변 표면 위에 적절한 금 속 합금이 증착될 때 형성되며, 이것은 실린더 모양의 접촉 링 147로 형성된다.
여기서, 첫번째 반사기의 가우시안 모드 제공 프레넬 모양의 디지털 거울 145, 146 (도 13, 15, 및 15A)와 세번째 반사기의 광학적 위상-공액 제공 PCM 141 (도 13, 16, 및 16A)은 다함께 OPCLD의 레이저 공동 내에 대칭적으로 중심에 있는 허리-밴드 위치 144와 함께 반구상의 제한된 광학적 필드 145를 정의하며, 더 나아가 낮은 차수의 기본 횡 공간 공동 모드(즉, 바람직하게 횡 공동 모드 TEM00)로 고전력의 레이저-방출-출력(즉, 60-㎛이상의 직경을 가지는 이득-영역에 있어서 100-mW 이상의 cw 출력)을 제공한다.
스페이서-층 138 및 140 (도 13)은 그들의 합금이 어떻게 그리고 어느 정도 기울기가 있도록 형성되었는지 보여주기 위한 수단으로서 기울기가 있게 채워진 직사각형들로 그려졌다는 것을 유념한다. OPCLD의 스페이서-층들에 있어서, 어둡게 칠해진 영역들은 그래픽적으로 반도체 합금이 낮은 밴드갭을 나타내는 곳을 보여주며, 한편 높은 밴드갭 존재는 밝은 색의 영역들에 의해 그래픽적으로 보여진다.
게다가, 여섯번째 대안적인 OPCLD 실시예에 있어서, 특히 그 스페이서-층들에 있어서, 도핑이 스페이서-층의 어둡게 칠해진 영역들에서 가장 강하며, 한편 도핑은 스페이서-층의 밝게 칠해진 영역들에서 가장 약하는 것을 유념한다. 더욱이, 도 16, 17, 17A, 18, 및 18A에서 보여지듯이, OPCLD의 여섯번째 대안적인 버전은 다음의 순서대로 증착되고 그에 따라 형태가 갖춰진 다수의 에피층 구조를 가지는 것으로 구성된다;
1.) 상업적으로 얻어지는 p-도핑된 또는 n-도핑된 반도체 기판 웨이퍼 147 (도 16)
2.) 기판 웨이퍼 147은 먼저 기판 웨이퍼 147의 위로 향한 표면에 Nth 개수의 반구 모양의 홈들 157A (도 16)을 형성하기 위하여 그레이-스케일 마스킹 및 리소그래피를 사용하여 에칭될 필요가 있다. 한편 반구 모양의 홈들(recessions) 157C (도 16)의 두번째 그룹이 기판 웨이퍼 147의 아래로 향한 표면의 바깥쪽으로, 그레이-스케일 마스킹과 리소그래피를 이용하여 형성된다. 한편 도넛 모양의 홈들 157B (도 16)이, 그레이-스케일 마스킹과 리소그래피를 사용하여, 기판 웨이퍼 147의 아래로 향한 표면의 바깥으로 형성된다.
3.) 다음, MOCVD를 이용하여, 홈 157A는, 홈을 채우는데 사용되는 제조 물질은 고도로 n++ 또는 p++ 도핑되었다는 점만 제외하고는, 기판 웨이퍼 147을 구성하는데 사용되는 반도체 물질과 동일한 물질로 채워지며, 첨가물(dopant) 극성의 선택은 커넥티비티의 요구되는 타입과 방향에 의존한다.
4.) 다음, MOCVD를 이용하여, 홈 157B는, 홈을 채우는데 사용되는 제조 물질은 고도로 n++ 또는 p++ 도핑되었다는 점만 제외하고는, 기판 웨이퍼 147를 구성하는데 사용되는 반도체 물질과 동일한 물질로 채워지며, 첨가물(dopant) 극성의 선택은 커넥티비티의 요구되는 타입과 방향에 의존한다.
5.) 다음, MOCVD를 이용하여, 홈 157C는, 격자-정합되었지만, 기판 웨이퍼 147을 제조하는데 사용되는 물질보다 낮은 굴절률을 가지는 반도체 물질로 채워지 며, 그 안에 소프트-구경(soft-apertured) 렌즈를 형성한다.
6.) 그 후, 방금 채워진 내부 렌즈들 157A, 157B, 157C에의하여 나타나는 어떠한 불룩한 부분(bulges), 범프(bumps), 또는 다른 불규칙한 것들이, 화학적 에칭 및/또는 폴리싱 작용제 또는 기계적인 폴리싱을 이용하여, 기판의 두 개의 물질 경계 표면들에서 평탄화게 될 수 있다.
7.) 그 다음, 이전에 처리된 기판 웨이퍼 147의 위로 향한 두번째 표면 위에 소수의 고도로 도핑된 표면을 평탄하게 하는 버퍼-층들(도시되지 않음)이 에피택시 증착된다. 증착 후에 이들 버퍼-층들은 100-Å의 전체 두께를 다함께 가질 것이다.
8.) 그 다음, 이전에 증착된 버퍼-층들의 위로 향한 가장 바깥쪽 표면 위에 일어나도록 만들어진, 그리고 P-타입 또는 N-타입 첨가물 물질들 중 어느 하나를 사용하여, 예를 들어, N-타입 스페이서-층에는 실리콘 또는 카본과 같은 전자를 내주는 물질을 사용하고, 한편 P-타입 스페이서-층에는 보론이나 아연과 같은 전자를 받아들이는 물질을 사용하여, 기울기가 있도록 또는 기울기가 없도록 도핑된 구조들 중 어느 하나를 가지도록 구성된, 첫번째 스페이서-층 148 (도 16)이 에피택시 증착된다.
9.) 이전에 형성된 스페이서-층 148의 위로 향한 두번째 표면 위에, 단일 층 격자-정합된 P-도핑된, N-도핑된, 또는 도핑되지 아니한 벌크 반도체 층 기초 이득-영역, 단일 또는 다중층 응축 변형된(strained) 또는 응축 변형되지 아니한 양자-점 기초 이득-영역, 단일 또는 다중층 응축 변형된 또는 응축 변형되지 아니한 양자 슈퍼-격자 기초 이득-영역 149, 단일 또는 다중층 응축 변형된 또는 응축 변형 되지 아니한 양자-폭포 기초 이득-영역 149, 합성 정보를 위하여 A. Dodabalapur et al.의 1995년 9월 13일 출원된 미국특허출원 제08/673,864호를 참조하는, 예를 들어, TAD(TAD는 일반적으로 triphenyl/diamine이다)의 30-nm 층, NAPOXA(NAPOXA는 일반적으로 2-naphtyl-4,5-bis(4-methoxyphenyl)-1,3-oxazole이다)의 15-nm 층 Alq(Alq는 일반적으로 8-hydroxyquinolinato aluminum이다)의 15-nm 층과 같은 여러 가지 발광 폴리머들의 스퍼터(sputtered) 증착으로부터 구성되는, 단일 또는 다중층 "유기 발광 다이오드"(OLED) 기초 이득-영역 149 또는 단일 또는 다중층의 응축 변형된 또는 응축 변형되지 아니한 양자-우물 기초 이득-영역 149 중 어느 하나를 가지는 것으로 구성되는, 이득-영역 149 (도 10)이 에피택시 증착된다.
10.) 이전에 형성된 이득-영역 149 (도 16)의 위로 향한 두번째 표면 위에, P-타입 또는 N-타입의 첨가물 물질을 사용하여 기울기가 있게 또는 기울기가 없도록 도핑된 구조 중 어느 하나를 가지는 것으로 구성된, 두번째 격자-정합된 반도체 스페이서-층 150 (도 16)이 에피택시 증착된다.
11.) 이전에 증착된 두번째 스페이서-층 150 (도 16)의 위로 향한 두번째 표면 위에, 그레이-스케일 리소그래피과 마스킹을 이용하여, 다음에 증착될, OPCLD의 반구 모양 DBR 152를 에피택시 형성하기 위한 반구의 성장 영역을 제공할 반구 모양의 형상을 가지는 것으로 구성되는, 익스프레션 층(expression layer)이 에피택시 증착된다.
12.) 이전에 에칭된 반구 모양의 성장 영역과 이전에 증착된 두번째 스페이서-층 150 (도 16)의 위로 향한 두번째 표면 위에, 내부 공동 유도 발광의 부분 반사/부분 전달을 제공하는 도핑되지 아니한 구형 모양의 DBR로 형성된 거울-적층 어셈블리 152를 가지는 것으로 구성된, 두번째 반사기 152 (도 16)이 에피택시 증착된다.
13.) 그레이-스케일 마스킹과 리소그래피를 사용하여 이전에 증착된 도핑되지 아니한 낮은 굴절율 물질층의 가장 바깥쪽 표면이, OPCLD의 광학적 위상-공액 PCM 155를 제공할, 장치의 PCM 및 첫번째 반사기 155를 구성하는데 다함께 사용되는 다면체 모양의 역-반사 프리즘들 198 (도 26, 26A, 및 26B)의 배열로 에칭된다.
14.) 첫번째 N-타입 또는 P-타입의 저항 접촉 154 (도 16, 17 및 17A)이, 이전에 증착된 DBR로 형성된 거울-적층 어셈블리 152를 통과하는 모든 길에 이전에 에칭된 원형 모양의 트렌치로 적절한 금속 합금이 증착될 때 형성되며, 여기서 이것은 OPCLD의 두번째 스페이서-층 150의 윗쪽 가장 바깥의 n++ 또는 p++ 도핑된 표면에 전기적 커넥티비티를 제공하는 도넛 모양의 접촉 층 154로 리소그래픽하게 형성될 것이다. 한편 두번째 N-타입 또는 P-타입의 저항 접촉 157 (도 16, 17A, 및 18A)는, OPCLD의 기판 웨이퍼 147의 바닥 가장 바깥의 n++ 또는 p++ 도핑된 표면 가장자리의 전체 바깥둘레의 위와 주변에 적절한 금속 합금이 증착될 때 형성되며, 여기서 이것은 짧은 실린더 모양의 접촉 층 157 (도 16, 17A, 및 18A)로 리소그래픽하게 형성될 것이다.
여기서, 두번째 반사기의 반구 모양의 DBR 가우시안 모드 제공 거울-적층 어셈블리 152, 153 (도 16, 17, 및 17A)와 세번째 반사기의 광학적 위상-공액 제공PCM 155 (도 16, 18, 및 18A)는 다함께 OPCLD의 레이저 공동 내에 대칭적으로 중심에 있는 허리-밴드 위치 156을 가진 반구상의 제한된 광 필드 156을 정의하며, 더 나아가 다함께 낮은 차수의 기본 횡 공간 공동 모드(즉, 바람직하게 횡 공동 모드 TEM00)로 고전력의 레이저-방출-출력(즉, 60-㎛이상의 직경을 가지는 이득-영역에 있어서 100-mW 이상의 cw 출력)을 제공한다.
스페이서-층 148 및 150 (도 16)은 그들의 합금이 어떻게 그리고 어느 정도 기울기가 있도록 형성되었는지 보여주기 위한 수단으로서 기울기가 있게 채워진 직사각형들로 그려졌다는 것을 유념한다. OPCLD의 스페이서-층들에 있어서, 어둡게 칠해진 영역들은 그래픽적으로 반도체 합금이 낮은 밴드갭을 나타내는 곳을 보여주며, 한편 높은 밴드갭 존재는 밝은 색의 영역들에 의해 그래픽적으로 보여진다.
게다가, 일곱번째 대안적인 OPCLD 실시예에 있어서, 특히 그 스페이서-층들에 있어서, 도핑이 스페이서-층의 어둡게 칠해진 영역들에서 가장 강하며, 한편 도핑이 스페이서-층의 밝게 칠해진 영역들에서 가장 약하는 것을 유념한다. 더욱이, 도 22, 23, 23A, 24, 및 24A에서 보여지듯이, OPCLD의 일곱번째 대안적인 버전은 다음의 순서대로 증착되고 그에 따라 형태가 갖춰지는 다수의 에피층 구조를 가지는 것으로 구성된다:
1.) 상업적으로 얻어지는 p-도핑된 또는 n-도핑된 반도체 기판 웨이퍼 171 (도 22)
2.) 기판 웨이퍼 171은 먼저 기판 웨이퍼 171의 위로 향한 표면에 Nth 개수의 프레넬 모양의 홈들 182 (도 22)를 형성하기 위하여 그레이-스케일 마스킹 및 리소그래피를 사용하여 에칭될 필요가 있다. 한편 프레넬 모양의 홈들(recessions) 183 (도 22)의 두번째 그룹이 기판 웨이퍼 171의 아래로 향한 표면의 바깥쪽으로, 그레이-스케일 마스킹과 리소그래피를 이용하여 형성된다.
3.) 다음, 프레넬 홈 182는, MOCVD를 이용하여, 기판 웨이퍼 171을 구성하는데 사용되는 동일한 반도체 물질로 채워진다.
4.) 다음, 프레넬 홈 183은, MOCVD를 이용하여, 기판 웨이퍼 171을 구성하는데 사용되는 동일한 반도체 물질로 채워진다.
5.) 그 후, 방금 채워진 내부 렌즈들 182, 183에의하여 나타나는 어떠한 불룩한 부분(bulges), 범프(bumps), 또는 다른 불규칙한 것들이, 화학적 에칭 및/또는 폴리싱 작용제 또는 기계적인 폴리싱을 이용하여, 기판의 두 개의 물질 경계 표면들에서 평탄화게 될 수 있다.
6.) 그 다음, 이전에 처리된 기판 웨이퍼 171의 위로 향한 두번째 표면 위에 소수의 고도로 도핑된 표면을 평탄하게 하는 버퍼-층들(도시되지 않음)이 에피택시 증착된다. 증착 후에 이들 버퍼-층들은 100-Å의 전체 두께를 다함께 가질 것이다.
7.) 그 다음, 이전에 증착된 버퍼-층들의 위로 향한 가장 바깥쪽 표면 위에 일어나도록 만들어진, 그리고 P-타입 또는 N-타입 첨가물 물질들 중 어느 하나를 사용하여, 예를 들어, N-타입 스페이서-층에는 실리콘 또는 카본과 같은 전자를 내주는 물질을 사용하고, 한편 P-타입 스페이서-층에는 보론이나 아연과 같은 전자를 받아들이는 물질을 사용하여, 기울기가 있도록 또는 기울기가 없도록 도핑된 구조들 중 어느 하나를 가지도록 구성된, 첫번째 스페이서-층 172 (도 22)이 에피택시 증착된다.
8.) 이전에 형성된 스페이서-층 172의 위로 향한 두번째 표면 위에, 단일 층 격자-정합된 P-도핑된, N-도핑된, 또는 도핑되지 아니한 벌크 반도체 층 기초 이득-영역, 단일 또는 다중층 응축 변형된(strained) 또는 응축 변형되지 아니한 양자-점 기초 이득-영역, 단일 또는 다중층 응축 변형된 또는 응축 변형되지 아니한 양자 슈퍼-격자 기초 이득-영역 173, 단일 또는 다중층 응축 변형된 또는 응축 변형되지 아니한 양자-폭포 기초 이득-영역 173, 합성 정보를 위하여 A. Dodabalapur et al.의 1995년 9월 13일 출원된 미국특허출원 제08/673,864호를 참조하는, 예를 들어, TAD(TAD는 일반적으로 triphenyl/diamine이다)의 30-nm 층, NAPOXA(NAPOXA는 일반적으로 2-naphtyl-4,5-bis(4-methoxyphenyl)-1,3-oxazole이다)의 15-nm 층 Alq(Alq는 일반적으로 8-hydroxyquinolinato aluminum이다)의 15-nm 층과 같은 여러 가지 발광 폴리머들의 스퍼터(sputtered) 증착으로부터 구성되는, 단일 또는 다중층 "유기 발광 다이오드"(OLED) 기초 이득-영역 173 또는 단일 또는 다중층의 응축 변형된 또는 응축 변형되지 아니한 양자-우물 기초 이득-영역 173 중 어느 하나를 가지는 것으로 구성되는, 이득-영역 173 (도 22)이 에피택시 증착된다.
9.) 이전에 형성된 이득-영역 173 (도 22)의 위로 향한 두번째 표면 위에, P-타입 또는 N-타입의 첨가물 물질을 사용하여 기울기가 있게 또는 기울기가 없도록 도핑된 구조 중 어느 하나를 가지는 것으로 구성된, 두번째 격자-정합된 반도체 스페이서-층 174 (도 22)이 에피택시 증착된다.
10.) 이전에 증착된 두번째 스페이서-층 174 (도 22)의 위로 향한 두번째 표면 위에, 내부 공동 유도 발광의 부분 반사/부분 전달을 제공하는 도핑되지 아니한 DBR로 형성된 거울-적층 어셈블리 175를 가지는 것으로 구성된, 두번째 반사기 175 (도 22)가 에피택시 증착된다.
11.) 이전에 증착된 두번째 반사기 175 (도 22)의 위로 향한 두번째 표면 위에, 두번째 DBR 거울-적층 어셈블리 176의 연이은 증착을 위하여 다음에 사용되는 혼 모양을 가지도록, 그레이-스케일 리소그래피를 사용하여, 에칭되는, 도핑되지 아니한 거울 스페이서-층 174가 에피택시 증착되며, 그러나 이것은 요구되지 않는 높은 차수의 횡 공간 모드의 내부 유도-방출의 안티-가이드(anti-guided) 반사와 매우 요구되는 낮은 차수의 횡 공간 모드의 내부 유도방출의 부분 반사/부분 전달을 제공한다.
12.) 이전에 증착된 안티-가이딩 DBR로 형성된 거울-적층 어셈블리 176의 두번째 표면 위에, 가우시안 모드 제공 반구 모양의 부분-반사/부분 전달의 금속화된 거울 177, 179 및 장치의 네번째 반사 구조 177으로 리소그래픽하게(즉, 그레이-스케일 마스킹 및 리소그래피를 이용하여) 형성된, 레이저 방출 출력 층 177 (도 22, 23, 및 23A)가 에피택시 증착된다.
15.) 그레이-스케일 마스킹과 리소그래피를 사용하여, 이전에 증착된 도핑되지 아니한 낮은 굴절율 물질층의 가장 바깥쪽 표면이, OPCLD의 광학적 위상-공액 PCM 184를 제공할, 장치의 PCM 및 첫번째 반사기 184를 구성하는데 다함께 사용되는 다면체 모양의 역-반사 프리즘들 198 (도 26, 26A, 및 26B)의 배열로 에칭된다.
13.) 첫번째 N-타입 또는 P-타입의 저항 접촉 180 (도 22, 23 및 23A)이, 네 번째 반사기의 증착된 구조 층 178과 두 개의 이전에 증착된 DBR로 형성된 거울-적층 어셈블리 175, 176 모두를 통과하는 모든 길에 이전에 에칭된 원형 모양의 트렌치로 적절한 금속 합금이 증착될 때 형성되며, 여기서 이것은 OPCLD의 두번째 스페이서-층 174의 윗쪽 가장 바깥의 n++ 또는 p++ 도핑된 표면에 전기적 커넥티비티를 제공하는 도넛 모양의 접촉 층 180으로 리소그래픽하게 형성될 것이다. 한편 두번째 N-타입 또는 P-타입의 저항 접촉 185 (도 22, 23A, 및 24A)는, OPCLD의 기판 웨이퍼 171의 바닥 가장 바깥의 n++ 또는 p++ 도핑된 표면 가장자리의 전체 바깥둘레의 위와 주변에 적절한 금속 합금이 증착될 때 형성되며, 여기서 이것은 짧은 실린더 모양의 접촉 층 185 (도 22, 23A, 및 24A)로 리소그래픽하게 형성될 것이다.
여기서, 네번째 반사기의 가우시안 모드 제공 반구 모양의 출력-거울 177, 179 (도 22, 23, 및 23A)와 첫번째 반사기의 광학적 위상-공액 제공 PCM 181 (도 22, 24, 및 24A)는 다함께 OPCLD의 레이저 공동 내에 대칭적으로 중심에 있는 184 (도 22, 23, 및 24) 허리-밴드 위치를 가진 반구상의 제한된 광 필드 184를 정의할 것이며, 더 나아가 다함께 낮은 차수의 기본 횡 공간 공동 모드(즉, 바람직하게 횡 공동 모드 TEM00)로 고전력의 레이저-방출-출력(즉, 60-㎛이상의 직경을 가지는 이득-영역에 있어서 100-mW 이상의 cw 출력)을 제공한다.
스페이서-층 172 및 174 (도 22)는 그들의 합금이 어떻게 그리고 어느 정도 기울기가 있도록 형성되었는지 보여주기 위한 수단으로서 기울기가 있게 채워진 직사각형들로 그려졌다는 것을 유념한다. OPCLD의 스페이서-층들에 있어서, 어둡게 칠해진 영역들은 그래픽적으로 반도체 합금이 낮은 밴드갭을 나타내는 곳을 보여주며, 한편 높은 밴드갭 존재는 밝은 색의 영역들에 의해 그래픽적으로 보여진다.
게다가, 여덟번째 대안적인 OPCLD 실시예에 있어서, 특히 그 스페이서-층들에 있어서, 도핑이 스페이서-층의 어둡게 칠해진 영역들에서 가장 강하며, 한편 도핑이 스페이서-층의 밝게 칠해진 영역들에서 가장 약하는 것을 유념한다. 더욱이, 도 25, 25A, 25B에서 보여지듯이, OPCLD의 여덟번째 대안적인 버전은 OPCLD의 EEL 버전이며, 다음의 순서대로 증착되고 그에 따라 형태가 갖춰지는 다수의 에피층 구조를 가지는 것으로 구성된다:
1.) 상업적으로 얻어지는 p-도핑된 또는 n-도핑된 반도체 기판 웨이퍼 186 (도 25, 25A, 및 25B) 중 어느 하나의 선택.
2.) 다음, MBE 또는 MOCVD를 이용하여, 기판 웨이퍼 186의 위로 향한 두번째 표면 위에 소수의 도핑되지 아니한 표면을 평탄하게 하는 버퍼-층들(도시되지 않음)이 증착된다. 더욱이 증착 후에 이들 버퍼-층들은 100-Å의 전체 두께를 일반적으로 가질 것이다.
3.) 이전에 형성된 버퍼-층들의 위로 향한 두번째 표면 위에, n-도핑되거나 또는 p-도핑된 구성 중 어느 하나를 가지도록 구성된, 첫번째 제2-제한(secondary-confinement) 층 187이 에피택시 증착되며, 이것은 주입된 캐리어들의 향상된 제한 및 내부적으로 생성된 광자들의 TIR을 제공할 것이다.
4.) 다음, 이전에 증착된 첫번째 제2-제한(secondary-confinement) 층 187 (도 25, 25A, 및 25B)의 위로 향한 표면 위에 일어나도록 만들어진, 그리고 P-타입 또는 N-타입 첨가물 물질들 중 어느 하나를 사용하여, 예를 들어, N-타입 스페이서-층에는 실리콘 또는 카본과 같은 전자를 내주는 물질을 사용하고, 한편 P-타입 스페이서-층에는 보론이나 아연과 같은 전자를 받아들이는 물질을 사용하여, 기울기가 있도록 또는 기울기가 없도록 도핑된 구조들 중 어느 하나를 가지도록 구성된, 격자-정합된 첫번째 스페이서-층 188 (도 25, 25A, 및 25B)이 에피택시 증착된다.
5.) 격자-정합된 첫번째 스페이서-층 188 (도 25, 25A, 및 25B)의 위로 향한 두번째 표면 위에, n-도핑되거나 또는 p-도핑된 구성 중 어느 하나를 가지도록 구성된, 두번째 제2-제한(secondary-confinement) 층 189가 에피택시 증착되며, 이것은 주입된 캐리어들의 제2의 제한 및 내부적으로 생성된 광자들의 부수적인 TIR을 제공한다.
6.) 이전에 증착된 두번째 제2의 제한-층 189 (도 25, 25A, 및 25B)의 위로 향한 두번째 표면 위에, 단일 층 격자-정합된 P-도핑된, N-도핑된, 또는 도핑되지 아니한 벌크 반도체 층 기초 이득-영역, 단일 또는 다중층 응축 변형된 또는 응축 변형되지 아니한 양자-점 기초 이득-영역, 단일 또는 다중층 응축 변형된 또는 응축 변형되지 아니한 양자 슈퍼-격자 기초 이득-영역 190, 단일 또는 다중층 응축 변형된 또는 응축 변형되지 아니한 양자-폭포 기초 이득-영역 190, 합성 정보를 위하여 A. Dodabalapur et al.의 1995년 9월 13일 출원된 미국특허출원 제08/673,864호를 참조하는, 예를 들어, TAD(TAD는 일반적으로 triphenyl/diamine이다)의 30-nm 층, NAPOXA(NAPOXA는 일반적으로 2-naphtyl-4,5-bis(4-methoxyphenyl)-1,3-oxazole이다)의 15-nm 층 Alq(Alq는 일반적으로 8-hydroxyquinolinato aluminum이다)의 증 착으로부터 구성되는, 단일 또는 다중층 "유기 발광 다이오드"(OLED) 기초 이득-영역 또는 단일 또는 다중층의 응축 변형된 또는 응축 변형되지 아니한 양자-우물 기초 이득-영역 190 중 어느 하나를 가지는 것으로 구성되는, 이득-영역 190 (도 25 및 25B), 및 조절된 전기적 전류 분포에 대한 양자 주입(proton implantation) 197 (도 25, 25A, 및 25B)이 에피택시 증착된다.
7.) 이득-영역 190 (도 25, 25A, 및 25B)의 위로 향한 두번째 표면 위에, 내부적으로 생성된 광자들의 분산된 피드백을 제공하면서, n-도핑된 또는 p-도핑된 구성을 가지는 것으로 구성된, 주기적인 도파로-층(waveguid-layer) 191이 에피택시 증착된다.
8.) 이전에 증착된 주기적인 도파로-층 191의 위로 향한 두번째 표면 위에, P-타입 또는 N-타입의 첨가물 물질들을 사용하여 기울기가 있도록 또는 기울기가 없도록 도핑된 구조들 중 어느 하나를 가지도록 구성된, 두번째 스페이서-층 192 (도 25, 25A, 및 25B)가 에피택시 증착된다.
9.) 이전에 증착된 스페이서-층 192의 위로 향한 두번째 표면 위에, OPCLD 발명의 EEL 버전에 전기적 커넥티비티를 제공하는 첫번째 접촉-층 193 (도 25, 25A, 및 25B)가 에피택시 증착된다.
10.) 첫번째 N-타입 또는 P-타입의 저항 접촉 196 (도 25, 25A, 및 25B)가OPCLD의 기판-층 186의 가장 바깥쪽의 아래로 향한 n++ 또는 p++ 표면 위에 적절한 금속 합금이 증착될 때 형성된다. 한편 두번째 N-타입 또는 P-타입의 저항 접촉 194 (도 25, 25A, 및 25B)이 OPCLD의 첫번째 접촉-층 193의 n++ 또는 p++ 도핑된 가장 바깥쪽 표면 위에 적절한 금속 합금이 증착될 때 형성된다.
16.) 그레이-스케일 마스킹과 리소그래피를 사용하여, 이전에 증착된 도핑되지 아니한 격자-정합된 물질층의 가장 바깥쪽 표면 말단이, OPCLD의 광학적 위상-공액 PCM 195를 제공할, 장치의 PCM 및 첫번째 반사기 195를 구성하는데 다함께 사용되는 다면체 모양의 역-반사 프리즘들 195 (도 25, 25A, 및 25B)의 배열로 에칭된다.
17.) OPCLD의 EEL 버전이 다이싱(dicing)을 거칠 때, 한편 OPCLD의 EEL 버전은 절단된 내부 반사 면으로서 형성되는 레이저-방출-출력 거울을 가진다.
스페이서-층 188 및 192 (도 25 및 25B)는 그들의 합금이 어떻게 그리고 어느 정도 기울기가 있도록 형성되었는지 보여주기 위한 수단으로서 기울기가 있게 채워진 직사각형들로 여기서 그려진다는 것을 유념한다. OPCLD의 스페이서-층들에 있어서, 어둡게 칠해진 영역들은 반도체 합금이 낮은 밴드갭을 나타내는 곳을 그래픽적으로 보여주며, 한편 높은 밴드갭 존재는 밝은 색의 영역들을 사용하여 그래픽적으로 보여진다.
본 발명의 더욱 바람직한 육각형 구경의(hexagon apertured) 육면체 모양의 코너-큐브 배열로 형성된 PCM에 대한 네 개의 대안적인 실시예들이 있다. 더욱이, 도 30, 30A, 30B, 31A, 31B, 32, 및 33에서 보여지듯이, 첫번째 대안적인 실시예는 원형 구경의 돔 모양의 역-반사 요소들 209 (도 30, 30A, 및 30B)의 배열로 이루어진다. 더욱이, 도 31A 및 31B에서 보여지듯이, 유사(pseudo) 위상-공액 역-반사 배열에 기초한 PCM 211에 있어서, 파면의 베이스는, 입사 파면 213에서 베이스 219를 이끄는 것과 상관없이 즉, 유사 위상-공액 거울 211으로부터의 반사 이전에; 크레스트(crest) 216과 동일한 위상으로 반사된 파면에서 파면의 크레스트를 이끈다. 더욱이, 도 31B는 더욱이 역-반사 배열 211에서의 파면 입사 213(역-반사 배열 211을 향하여 가리키는 화살표 212에 의하여 표시되는 전파 방향)과, 역-반사 배열 211로부터의 반사 후 파면 216(역-반사 배열 211로부터 멀어지는 화살표 217에 의하여 표시되는 전파 방향)을 나타낸다.
더욱이, 도 31B에서 보여지듯이, 파면 216의 구획(segment) 219는, 역-반사 배열 211 이내의 각각의 반구 구경의 돔 모양의 역-반사 요소 209 (도 30, 30A, 및30B)에서 일어나는 전체 내부 반사의 비점수차 성질(astigmatismic kind)에 의해 야기되는 동상의 전체 이동(total shift in phase)으로 인하여 위상-공액되며, 한편, 반사된 파면 216의 구획 214, 219 자체들은 파면 구획들 219를 연결하는 것으로 보여지는, 포락선(envelope) 216에 의해서 보여지듯이, 일반적인 거울로부터 반사된다면 파면의 모양에 일반적으로, 상관적으로, 합치된다. 더욱이, 그러한 것으로서, 파면의 베이스는 오직, 위상 이동의 정도(in its degree of phase shift)에 있어서만, 파면의 크레스트를 이끌며, 이것은 베이스가 원래의 입사 파면 213의 파면 크레스트 215를 이끄는 즉, 역-반사 배열 211로부터의 반사 이전에; 진정한 공액된 파면과 가깝다.
더욱 자세하게는, 유사 위상-공액 역-반사 코너-큐브 배열에 있어서, 각각의 인접한 반구 구경의 돔 역-반사 요소 209 (도 30, 30A, 및30B)는 실질적으로 평면 기판을 따라 배열된다. 여기서, 도 31A 및 31B 모두 각각 입사 파면 213 (거울 211 을 향하여 오른쪽으로 가리키는 화살표 212에 의하여 표시되는 전파 방향)과 반사된 파면 216(거울 211으로부터 멀어지며 왼쪽을 가리키는 화살표 217에 의하여 표시되는 전파 방향)을 보여준다.
더욱이, 도 31B에서 보여지듯이, 입사된 213 및 반사된 216 파면들을 따라 포인트들 214의 상대적인 위상들 219(즉, 각각의 유한한 돔 모양의 역-반사 요소 209의 상대적인 광학적 경계 210, 218)는 일시적으로 PCM 211로부터의 반사에 있어서 동일하게 분산되지 않는다. 더욱이, 진정한 광학적 위상 공액은 단순히 kout=-kin으로 표시될 수 있으며, 이것은 입사 파면 213의 크레스트가 입사 파면 213의 베이스를 이끌고, 반면에 진정한 위상-공액 거울로부터의 반사에서 반사된 파면 215의 베이스가 반사된 파면 215의 크레스트를 이끌 때 보여진다. 반대로, 일반적인 거울로부터의 파면 반사는
Figure 112007070208053-pct00211
과
Figure 112007070208053-pct00212
로 표현될 수 있다.
더욱이, 모든 인접한 반구 구경 돔 모양의 역-반사 요소 209 (도 30, 30A, 및 30B)로부터 협력적인 (즉, 간섭성의) 이미징을 얻기 위하여, 모든 인접한 반구 구경 돔 모양의 역-반사 요소 209 (도 30, 30A, 및 30B)에 의해 반사되는 파면들 219 사이에 오직 매우 작은 위상 이동들만이 일어날 것이 요구된다. 반경 R을 가지는 구형 파면에 의하여 방사되는 N 구조들의 선형 배열에 있어서, 아래와 같이 보여지는 관계가 회절 한계 근처에서 협력적인 회절 이미지 형성을 위하여 만족되어야 한다.
Figure 112007070208053-pct00213
이 관계를 만족시키는 한가지 방법은, 시준 렌즈들 211C (도 33)을 이용하여 배열 입구에서 입사 파면 213 (도 31A)를 평면파로 변환시키는 것이다. 그러나, 자유 공간 전파하는 동안 축적되는 단일 대상 포인트로부터 나오는 파면에 걸친 어떠한 2차 위상 편차도 방정식 (70)의 조건을 만족시키지 못하며, 따라서 파면 왜곡 효과가 뒤따르는 역-반사 216을 가지게 된다. 유사 위상-공액 시스템의 성능은 미리 정해질 수 있는, 어떠한 결정적인(2차의) 위상을 수정함으로써 향상될 수 있다. 더욱이, 이것은 시준 렌즈들 211C (도 34)를 OPCLD의 공동에 삽입함으로써 행하여질 수 있으며, 이 렌즈들은 배열 211 위에 그리고 전역에 걸쳐 파면을 시준하는데 사용되며, 그 과정은 여러 개의 뒤이은 섹션들에서 매우 자세히 설명된다.
부가적으로, 오목 렌즈 211F (도 34)를 POCLD의 공동에 삽입하는 목적은(예를 들어, 파면 확산 및 증대 열 렌즈, 프레넬 렌즈, 또는 매끄럽고 포지티브하게 구경화된(smooth positive aperturing) 오목 모양의 렌즈들) 입사 211D 파면들 211B를, 그들이 OPCLD의 PCM 211의 전체 노멀 표면 영역에 걸쳐 입사하도록 만들어질 정도로 충분히 방사상으로 확대될 때까지, 횡적으로 그리고 측면적으로, 발산하고 증대시키는 것이다. 반면에 볼록 렌즈 211C (도 34)의 목적은(예를 들어, 파면 시준 및 평탄화 열 렌즈, 프레넬 렌즈, 또는 매끄럽고 포지티브하게 구경화된(smooth positive aperturing) 볼록 모양의 렌즈들) 입사 211D 파면들 211B 를, 그들이 OPCLD의 PCM 211의 전체 노멀 면적에 걸쳐 충분히 2차원 평면화될 때까지, 횡적으로 그리고 측면적으로, 평탄화(flattened)시키고 시준(collimate)하는 것이다. 여기서, 양 렌즈 211C, 211F는, 대상 이미지로부터 PCM 배열 내에 존재하는 모든 인접한 반구 구경의 돔 모양의 역-반사 요소들 209 (도 30, 30A, 및30B)까지의 제로 길이 경로 차(즉, Δ=0)에 영향을 주기 위하여 협력하여 사용된다; 따라서, 이미지에 위상 에러들을 제거한다.
부가적으로, 도 34, 34A, 34B, 35, 35A, 35B, 36, 및 37에서 보여지듯이, 대안적인 두번째 실시예는 직사각형 구경의 프리즘 모양의 역-반사 요소들 220, 221 (도 34, 34A, 및34B)의 배열로 보여진다. 더욱이, 도 35B에서 보여지듯이, 유사 위상-공액 역-반사 배열로 형성된 PCM 222에 있어서, 유사 위상-공액된 파면의 베이스는, 유사 위상-공액 거울 222로부터 역-반사 이전에, 오직 동일 위상 226 내에서, 크레스트 227을 이끈다. 더욱이, 도 35A에 의해 보여지듯이, 공동 전파 파면 224는 다수의 직사각형 구경의 프리즘 모양의 역-반사 요소들 220, 221에 입사하게 되는 것으로 보이며(화살표 223에 의해 표시되는 공동 전파의 방향), 반면 도 35B는 역-반사 배열 222로부터 역-반사 227을 거친 후 파면의 공동 전파(화살표 228에 의해 표시되는 공동 전파의 방향)를 보여준다.
더욱이, 도 35B에서 더욱 보여지듯이, 역-반사된 파면 227의 구획 226은, 다함께 결합되었을 때, 입사 파면 224의 근접한 위상-공액을 형성한다; 더욱이, 이것은 역-반사 배열 222 내에 존재하는 각각의 직사가형 구경의 프리즘 모양의 역-반사 요소 220, 221 (도 34, 34A, 및 34B)에 발생하도록 만들어진 두 개의 반사들에 의하여 야기되는 동일 위상의 결합된 전체 이동에 기인하며, 반면, 역-반사된 파면 227의 구획들 225 자체는, 파면 포락선 227에 의하여 보여지듯이, 일반적인 거울에 의하여 반사될 때에, 입사 파면의 모양에 일반적으로 그리고 상관적으로 합치한다. 더욱이, 역-반사된 파면은 다수의 파면 구획득 226을 연결하고 교차하고 있는 것으로 보인다. 더욱이, 그러한 것으로서, 역-반사된 파면 227의 베이스는 도 35B에서 오직 파면에 의하여 나타나는 위상 이동의 정도에 있어서만, 크레스트를 이끄는 것으로 보이며, 반면에 그 전파는 변하지 않는다. 이것은 베이스 230가 역-반사 배열 222에 의한 파면 전환 이전에, 파면의 크레스트를 이끄는, 진정한 위상 공액된 파면과 흡사하다.
부가적으로, 도 38, 38A, 38B, 39, 39A, 39B, 40, 및 41에서 보여지듯이, 대안적인 세번째 실시예는 유사 위상-공액 역-반사 육각형 구경의 사면체 모양의 코너-큐브 배열 226으로서 보이며, 여기서 각각의 육각형 구경의 사면체 모양의 역-반사 코너-큐브 요소 223 (도 38, 38A, 및 38B)은 여섯 개의 사면체 모양의 코너-큐브들로 이루어진 그룹들로 배열되는 것으로 보이며, 이것은 다수의 추가적인 그룹들(도 38B)과 함께 실질적으로 평면인 기판을 따라 큰 배열을 형성하는 것으로 보인다. 여기서, 도 39A, 및 39B에서 보여지듯이, 입사 파면 228(화살표 227에 의해 표시되는 전파 방향)과 역-반사된 파면 231(화살표 232에 의해 표시되는 전파 방향)이 있다. 도 39B에서 더욱 보여지듯이, 코너-큐브로 구성된 PCM 배열에 의한 그들의 결합된 역-반사 이전에, 구획된 역-반사된 231 파면 내에 존재하는 각각의 구획에 의하여 나타나는 상대적인 위상 230(즉, 각각의 구획은, 간섭성 배열 223 내에 존재하는 각각의 사각형 구경의 사면체 모양의 역-반사 코너-큐브 요소들에 의하여 형성되는 각각의 상대적인 광학적 경계 234를 표시한다)은, 입사 공동 전파 파면의 유사한 재생산으로 보인다. 그러나, 각각의 코너-큐브 요소 223에 일어나는 반사의 결과는, 역-반사된 파면의 포락선 231을 따라 발생하도록 공간적으로 만들어진 각각의 위상 구획에 대한 동일하지 않은 일시적인 분산이다. 더욱이, 진정한 광학적 위상 공액은 단순히 kout=-kin으로 표시될 수 있으며, 이것은 입사 파면 228의 크레스트가 그 베이스를 이끌고, 반면에 반대로 진정한 위상-공액 거울로부터의 역-반사에서 파면 233의 베이스가 그 크레스트를 이끌 때 보여진다. 반대로, 일반적인 거울로부터 발생하도록 만들어지는 일반적인 보통의 파면 반사는
Figure 112007070208053-pct00214
과
Figure 112007070208053-pct00215
로 표현될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 PCM 226을 구성하는데 사용되는 모든 사각형 구경의 사면체 모양의 역-반사 코너-큐브 요소들 223 (도 38, 38A, 및 38B)로부터 협력적인(즉, 간섭성의) 이미징을 얻기 위하여, 모든 인접한 사각형 구경 사면체 모양의 역-반사 코너-큐브 요소들 223 (도 38, 38A, 및 38B)에 의해 반사되는 입사 파면 구획들 229 사이에 위상 이동의 오직 매우 작은 차이만이 일어날 것이 요구된다. 반경 R을 가지는 구형 모양의 파면에 의하여 방사되는 N 구조들의 선형 배열에 있어서, 아래와 같이 보여지는 관계가 회절 한계 근처에서 협력적인 회절 이미지 형성을 위하여 만족되어야 한다.
Figure 112007070208053-pct00216
이 관계를 만족시키는 한가지 방법은, 시준 렌즈들 226C (도 41)을 이용하여 코너-큐브 배열 입구에서 입사 파면 226 (도 39A)를 평면파(인접한 구획들간에 일시적인 평평한 분산을 생성하면서)로 변환시키는 것이다. 그러나, 자유-공간 전파하는 동안 축적되는 단일 대상 포인트로부터 나오는 파면에 걸친 어떠한 2차 위상 편차도 방정식 (71)의 조건을 만족시키지 못하며, 따라서 파면 왜곡 효과(wavefront disrupting effect)가 뒤따르는 역-반사 227을 가지게 된다. 유사 위상-공액 시스템의 성능은 미리 정해질 수 있는, 어떠한 결정적인(2차의) 위상을 수정함으로써 향상될 수 있다. 더욱이, 이것은 시준 렌즈들 222C (도 37)를 삽입함으로써 행하여질 수 있으며, 이 렌즈들은 배열 222 위에 그리고 전역에 걸쳐 파면을 시준하기 위하여 선택되며, 이것은 아래의 추후 섹션들에서 자세히 설명된다.
부가적으로, 오목 렌즈 222F (도 37)의 목적은, 예를 들어, 파면 확산 열 렌즈, 파장 확산 프레넬 렌즈, 또는 매끄럽고 포지티브하게 구경화된(smooth positive aperturing) 오목 렌즈들의 목적은, 입사 222D 파면들 211B를, 그들이 OPCLD의 PCM 211, 222의 전체 노멀 표면 영역에 입사하도록 만들어질 정도로 충분히 확되될 때까지, 횡적으로 그리고 측면적으로, 발산시키는 것이다. 반면에 볼록 렌즈 222C (도 37)의 목적은(예를 들어, 파면 시준 열 렌즈, 프레넬 렌즈, 또는 매끄럽고-포지티브하게-구경화된(smooth positive aperturing) 볼록 렌즈들) 입사하는 구형 모양의 222D 파면들 222B를, 그들이 OPCLD의 PCM 222의 전체 노멀 면적에 걸쳐 충분히 2차원-평탄화될 때까지, 횡적으로 그리고 측면적으로, 시준(collimate)하는 것이다. 여기서, 양 렌즈 222C, 222F는, 대상 이미지로부터 PCM 222 내에 존재하는 모든 인접한 프리즘 구경의 프리즘 모양의 역-반사 요소들까지의 제로 길이 경로 차(즉, Δ=0)에 영향을 주기 위하여 협력하여 사용되며, 따라서, 이미지에 위상 에러들을 제거한다.
더욱이, 도 38, 38A, 38B, 39, 39A, 39B, 40, 및 41에서 보여지듯이, 대안적인 세번째 실시예는 사각형 구경의 사면체 모양의 역-반사 코너-큐브 요소들 223 (도 38, 38A, 및 38B)의 배열을 포함하는 것으로 보여진다. 도 39A 및 39B에서 더욱 보여지듯이, 유사 위상-공액 역-반사 배열로 형성된 PCM 226에 있어서, 입사 파면의 베이스는, 유사 위상-공액 거울 226으로부터 반사 이전에, 오직 입사 파면 228에 의해 보여지는 동일 위상 230에 의해서만, 역반사된 파면 233의 크레스트를 이끈다. 더욱이, 도 39B는 역-반사 배열 226에서 입사하도록 만들어진 228 파면(화살표 227에 의해 표시되는 공동 전파의 방향)과, 역-반사 배열 226으로부터 역-반사 231(도 39B) 후의 파면(화살표 232에 의해 표시되는 공동 전파의 방향)을 더욱 보여준다.
더욱이, 도 39B에서 보여지듯이, 역-반사된 파면 231의 구획들 230은, 세 개의 전체 내부 반사들 후에 일어나도록 만들어진 동일 위상내 전체 이동으로 인하여 위상-공액되며, 이것은 역-반사 배열 226 내에 존재하는 각각의 사가형 구경의 사면체 모양의 역-반사 코너-큐브 요소 223 (도 39, 39A, 및 39B)에 일어난다. 더욱이, 일반적인 거울에 의하여 반사될 때에, 반사된 파면 231의 각각의 구획 230은 입사 파면의 모양에 상관적으로 합치할 것이다. 더욱이, 역반사된 파면의 일반적인 포락선 231은 여기서 모든 파면 구획들 230을 연결하는 것으로 보인다. 그러한 것 으로서, OPCLD의 공동 내에 발생하도록 만들어진 전파 동안, 역-반사된 파면의 베이스는 일반적으로, PCM 226에 의한 반사 상에서 보여지게될, 위상 이동의 정도에 있어서만, 상기 파면의 크레스트를 이끌 것이다. 더욱이, 이것은, 포락선이 OPCLD의 공동 내의 상기 포락선의 전파 동안 상기 포락선의 크레스트 233을 이끄는 베이스 233을 나타내는, 위상-공액된 파면의 근사(approximation)를 제공한다; 이것은 간섭성 역-반사된 광학적 요소들 223의 매우 큰 배열 226으로 이루어진, 유사 위상-공액 거울 226에 의한 반사 이전이다.
더욱 자세하게는, 유사 위상-공액 역-반사 사각형 구경의 사면체 코너-큐브 배열에 있어서, 각각의 사각형 구경의 사면체 역-반사 코너-큐브 요소 223 (도 39, 39A, 및 39B)는 실질적으로 평면인 기판을 따라 배열된다. 여기서, 도 40A 및 40B는 모두 각각 입사 파면 228 (거울 226을 향하여 오른쪽으로 가리키는 화살표 227에 의하여 표시되는 전파 방향)과 반사된 파면 231(거울 226으로부터 멀어지며 왼쪽을 가리키는 화살표 232에 의하여 표시되는 전파 방향)을 보여준다.
더욱이, 도 40B에서 보여지듯이, 입사된 228 및 반사된 231 파면들을 따라 포인트들 229의 상대적인 위상들 230(즉, 각각의 유한한 사각형 구경의 사면체 코너-큐브 모양의 역-반사 요소 223의 상대적인 광학적 경계 234)은 일시적으로 PCM 226로부터의 반사에 있어서 동일하게 분산되지 않는다. 더욱이, 진정한 광학적 위상 공액은 관계 kout=-kin으로 표시될 수 있으며, 이것은 입사 파면 228의 크레스트가 그 베이스를 이끄는 것을 보이며, 반면 반대로 역-반사된 파면 231의 베이스가 진정한 위상-공액 거울로부터의 역-반사 이전에 크레스트를 이끄는 것을 보인다. 반대로, 일반적인 거울로부터의 파면 반사의 관계는
Figure 112007070208053-pct00217
과
Figure 112007070208053-pct00218
로 표현될 수 있다.
더욱이, 모든 인접한 사각형 구경의 사면체 코너-큐브 모양의 역-반사 요소들 223 (도 39, 39A, 및 39B)로부터 협력적인(즉, 간섭성의) 이미징을 얻기 위하여, 모든 인접한 사각형 구경의 사면체 코너-큐브 모양의 역-반사 요소들 223(도 39, 39A, 및 39B)에 의해 반사되는 파면들 230 사이에 오직 매우 작은 위상 이동들만이 일어날 것이 요구될 것이다. 반경 R을 가지는 구형 파면에 의하여 방사되는 N 구조들의 선형 배열에 있어서, 아래와 같은 관계가 회절 한계 근처에서 협력적인 회절 이미지 형성을 위하여 만족되어야 한다.
Figure 112007070208053-pct00219
이 관계를 만족시키는 한가지 방법은, 시준 렌즈들 226C (도 41)를 가지고 배열 226에 대한 입구에서 OPCLD의 C-축 226A (도 40)을 따라 전파하는 파면들 228 (도 40A)을 평면파(인접한 구획들간에 일시적인 평평한 분산을 생성하면서)로 변환시키는 것이다. 그러나, 자유-공간 전파 226A하는 동안 축적되는 단일 대상 포인트로부터 나오는 파면에 걸친 어떠한 2차 위상 편차도 방정식 (72)의 조건을 만족시키지 못하며, 따라서 파면 왜곡 효과(wavefront disrupting effect)가 뒤따르는 역-반사 231(도 39B)을 가지게 된다. 유사 위상-공액 시스템의 성능은 미리 정해질 수 있는, 어떠한 결정적인(2차의) 위상을 수정함으로써 향상될 수 있다. 더욱이, 이것은 시준 렌즈들 226C (도 41)를 OPCLD의 공동 내에 삽입함으로써 행하여질 수 있으며, 더욱이, 배열이 형성된 PCM 226의 전체 표면 노멀에 걸쳐 이전에 배가된 파면을 시준하는데 사용된다; 더욱이, 이것은 뒤이은 여러 섹션들에서 수학적으로 설명되는 광학적 절차이다.
부가적으로, 오목 렌즈 226F (도 42)의 목적은 (예를 들어, 열 오목 렌즈, 프레넬 오목 렌즈, 또는 매끄럽고 포지티브하게-구경화된(smooth positive aperturing) 오목 렌즈들) 입사하는 구형 모양의 파면들 226B를, 구형 모양 파면들이, OPCLD의 PCM 226의 전체 노멀 표면에 걸쳐 균등하게 분산되는 탑-햇(top-hat) 모양의 파면들로 귀착되게 될, 상기 파면들의 시준을 위한 준비로서 충분히 확대(파면의 반경 거리가 상대적으로 평평한 모양을 나타낼 때까지 확대된다)될 때까지, 횡적으로 그리고 측면적으로, 배가시키는 것이다. 반면에 볼록 렌즈 226C (도 41)의 목적은(예를 들어, 파면 시준 열 볼록 렌즈, 프레넬 볼록 렌즈, 또는 매끄럽고-포지티브하게-구경화된(smooth positive-aperturing) 볼록 렌즈들), 입사하는 구형 모양의 파면들 226B를, OPCLD의 PCM 226에 의해 나타나는 전체 노멀 면적에 걸쳐 충분히 2차원-평탄화될 때까지, 횡적으로 그리고 측면적으로, 시준(collimate)하는 것이다. 여기서, 양 렌즈 226C, 226F는, 단일 대상 포인트 이미지로부터 다함께 OPCLD의 PCM을 구성하는데 사용되는 다수의 사각형 구경의 사면체 코너-큐브 모양의 역-반사 요소들 223 (도 38, 38A, 및 38B)까지 이르는 경로 길이를 가지는 모든 광선들에 있어서 제로 길이 경로 차(즉, Δ=0)에 영향을 주기 위하 여 협력하여 사용되며, 결과적으로 이미지에 위상 에러들을 제거하게 된다.
더욱이, 도 43, 43A, 43B, 44, 44A, 44B, 45, 및 46에서 보여지듯이, 네번째 대안적인 실시예는 원형 구경의 원뿔 모양의 역-반사 요소들 235 (도 43, 43A, 및 43B)의 배열을 포함한다. 도 44A 및 44B에서 보여지듯이, 유사 위상-공액 역-반사 배열로 형성된 PCM 237에 있어서, 파면의 베이스는, 그것이 입사 파면 239, 즉 유사 위상-공액 거울 237로부터의 반사 이전에서 베이스를 이끄는 것과 관계없이, 오직 크레스트와 동일한 위상 241에 의해서만, 전파하는 반사된 파면 247에서 파면의 크레스트를 이끈다. 더욱이, 도 44B는 역-반사 배열 237에서 파면 입사 239 (역-반사 배열 237을 향하여 가리키는 화살표 238에 의해 표시되는 전파 방향)와, 역-반사 배열 237로부터의 반사 후의 파면 242(역-반사 배열 237로부터 멀어지도록 가리키는 화살표 243에 의해 표시되는 전파 방향)을 더욱 보여준다.
더욱이, 도 36A에서 보여지듯이, 파면 227의 구획들 226은, 역-반사 배열 237 이내에 존재하는 각각의 원형 구경의 원뿔 모양의 역-반사 요소 235 (도 43, 43A, 및43B)에 일어나는 일종의 전체 내부 반사에 의하여 야기되는 동일 위상 내 전체 이동으로 인하여 위상-공액되며, 반면에 반사된 파면 242의 구획들 240 자체는, 파면 구획들 241을 연결하는 것으로 보여지는, 포락선 242에 의하여 보여지듯이, 일반적인 거울로부터 반사되면 파면의 모양에 일반적으로 합치하게 된다. 더욱이, 그러한 것으로서, 파면의 베이스는, 위상 이동의 정도에 있어서만, 파면의 크레스트를 이끄며, 이것은, 베이스가 원래의 입사 파면, 즉 역-반사 배열 237로부터의 반사 이전의, 239의 파면 크레스트 247을 이끄는 진정한 공액된 파면과 근 사(approximation)하다.
더욱 자세하게는, 유사 위상-공액 역-반사 원형 구경의 원뿔 모양의 프리즘 배열에 있어서, 각각의 원형 구경의 원뿔 모양의 역-반사 요소 235 (도 43, 43A, 및 43B)는 실질적으로 평면인 기판을 따라 배열된다. 여기서, 도 44A 및 44B는 모두 각각 입사 파면 239 (거울 237을 향하여 오른쪽으로 가리키는 화살표 238에 의하여 표시되는 전파 방향)과 반사된 파면 242(거울 237으로부터 멀어지며 왼쪽을 가리키는 화살표 243에 의하여 표시되는 전파 방향)을 보여준다.
더욱이, 도 44B에서 보여지듯이, 입사된 239 및 반사된 242 파면들을 따라 포인트들 240의 상대적인 위상들 241(즉, 각각의 유한한 원형 구경의 원뿔 모양의 역-반사 요소 235의 상대적인 광학적 경계 246)은 일시적으로 PCM 237으로부터의 반사에 있어서 동일하게 분산되지 않는다. 더욱이, 진정한 광학적 위상 공액은 단순히 kout=-kin으로 표시될 수 있으며, 이것은 입사 파면 239의 크레스트가 입사 파면 239의 베이스를 이끌고, 반면 반대로 반사된 파면 247의 베이스가 진정한 위상-공액 거울로부터의 반사에서 반사된 파면 247의 크레스트를 이끌때 보여진다. 반대로, 일반적인 거울로부터의 파면 반사는
Figure 112007070208053-pct00220
과
Figure 112007070208053-pct00221
로 표현될 수 있다.
더욱이, 모든 인접한 원형 구경의 원뿔 모양의 역-반사 요소 235 (도 43, 43A, 및 43B)로부터 협력적인(즉, 간섭성의) 이미징을 얻기 위하여, 모든 인접한 원형 구경의 원뿔 모양의 사각형 구경의 역-반사 요소 235 (도 43, 43A, 및 43B)에 의해 반사되는 파면들 241 사이에 오직 매우 작은 위상 이동들만이 일어날 것이 요구될 것이다. 반경 R을 가지는 구형 파면에 의하여 방사되는 N 구조들의 선형 배열에 있어서, 아래와 같은 관계가 회절 한계 근처에서 협력적인 회절 이미지 형성을 위하여 만족되어야 한다.
Figure 112007070208053-pct00222
이 관계를 만족시키는 한가지 방법은, 시준 렌즈들 237C (도 46)를 가지고 배열에 대한 입구에서 파면 239(도 44A)를 평면파로 변환시키는 것이다. 그러나, 자유-공간 전파 동안 축적되는 단일 대상 포인트로부터 나오는 파면에 걸친 어떠한 2차 위상 편차도 방정식 (73)의 조건을 만족시키지 못하며, 따라서 파면 왜곡 효과(wavefront disrupting effect)가 뒤따르는 역-반사 242를 가지게 된다.
더욱이, 유사 위상-공액 시스템의 성능은 미리 정해질 수 있는, 어떠한 결정적인(2차의) 위상을 수정함으로써 향상될 수 있다. 또한, 이것은 시준 렌즈들 237C (도 46)를 OPCLD의 공동 내에 삽입함으로써 행하여질 수 있으며, 이것은 배열 237 상에 파면을 시준하기 위하여 선택되고, 아래의 추후 섹션에서 자세히 설명된다.
더욱이, 오목 렌즈 237F (도 46)의 목적, 즉, 예를 들어, 파면 발산 열 렌즈, 파면 발산 프레넬 렌즈, 또는 매끄럽고 포지티브하게-구경화된(smooth positive aperturing) 오목 렌즈들의 목적은, 입사하는 237D 파면들 237D를, 그들이 OPCLD의 PCM 237의 전체 노멀 표면 영역에 걸쳐 입사하게 만들어질 정도로 충분 히 확대될 때까지, 횡적으로 그리고 측면적으로, 발산시키는 237E 것이다. 반면에 볼록 렌즈 237C (도 46)의 목적은, 예를 들어, 파면 시준 열 렌즈, 파면 시준 프레넬 볼록 렌즈, 또는 파면을 시준하는 매끄럽고-포지티브하게-구경화된(smooth positive-aperturing) 볼록 렌즈들의 목적은, 입사하는 237D 파면들 237B를, OPCLD의 PCM 237의 노멀 면적에 걸쳐 충분히 2차원-평탄화될 때까지, 횡적으로 그리고 측면적으로, 시준(collimate)하는 것이다. 여기서, 양 렌즈 237C, 237F는, 대상 이미지로부터 PCM 내에 존재하는 모든 인접한 원형 구경의 원뿔 모양의 역-반사 요소 235 (도 43, 43A, 및 43B)까지의 제로 경로 차 △=0에 영향을 주기 위하여 협력하여 사용되며, 따라서 이미지에 위상 에러들을 제거하게 된다.
OPCLD 발명의 또 다른 대안적인 실시예는, 단일 고전력 기본 횡 공간 공동 모드 레이저-방출-출력(즉, 바람직하게 TEM00)을 얻기 위한 수단으로써 도 19, 20, 20A, 21 및 21A에서 보여지는 OPCLD의 위상 고정 배열을 결합시킨다. 더욱이, 도 47 내지 66은 5개의 서로 다른 위상-고정(phase-locking) PCM 디자인의 형성을 자세히 보여준다. 여기서, 위상 고정 OPCLD 배열은 단일 원거리 로브 빔(single far lobe beam)으로 결합되는 위상 고정 레이저-빔 출력을 방출하는 다수의 레이징 OPCLD 요소들을 포함한다.
더욱이, OPCLDs의 위상 고정 배열은 동일한 전체 구조 또는 기판 99 (도 19) 상에 다함께 형성된 다수의 가깝게 결합된 표면 발광 레이저 이미터들을 포함한다. 더욱이, OPCLD의 전류 제한 수단들(current confinement means)이, 전류 제한 아래 의 각각의 레이징 공동에 생성되는 광 모드들이 인접한 광 모드들과 결합할 수 있을 정도로, 즉 사라져가는 파장들이 인접한 광 레이징 공동과 겹칠 수 있을 정도로, 서로 연결되거나 가깝게 간격을 두고 위치한다. 부가적으로, OPCLD의 PCM 168은 모든 인접한 필드들에 대한 위상 차의 언제나 제로인 직접적인 결과로서 광 필드들의 위상-고정 배열을 생성할 것이다; 따라서 원거리-필드 내에 존재하는 측 방향의 방사 패턴이 매우 요구되는 단일 로브 레이저-방출 프로파일을 나타내도록 야기한다.
더욱이, 앞으로의 설명은 다음과 같이 예시될 수 있다. Nth 결합된 이미터들을 가진 OPCLD가 형성된 레이저 다이오드 요소들의 배열은 Nth 개의 가능한 결합 모드를 가지며, 이것은 여기서 "슈퍼모드들"로 불리운다. 슈퍼모드는 Nth 개의 광 이미터들 또는 OPCLD 배열에서 일어나도록 만들어진 필라멘트들의 협동하는 레이징이다. Nth 개의 광 이미터들이 있기 때문에, 역시 Nth 개의 가능한 슈퍼모드들이 있다.
결과적으로, 각각의 슈퍼모드들은 1st 와 Nth 숫자 슈퍼모드가 동일한 세기 패턴 및/또는 포락선(envelope) 프로파일을 가지며, 그리고 일반적으로 ith 와 (N-i)th 가 돌일한 세기 포락선 프로파일을 가지는 특성을 가지고 있다. 1st 또는 기본 슈퍼모드는 사인 곡선 절반의 진폭 분산 전형을 가진 동일 위상으로 레이징하는 모든 이미터들은 가진다. 더욱이, 이것은 모든 이미터들이 위상 고정된 결과로서 원 거리 장 패턴의 단일 중심 로브들로 방사하는 유일한 슈퍼모드 패턴이다.
따라서, 동일한 이미터들의 일정한 간격의 배열에 있어서, 1st 와 Nth 슈퍼모드 포락선들은 절반의 사인 곡선 주기이고, 두번째와 (N-i)th 슈퍼모드 포락선들은 두 개의 절반-사인 곡선 주기, 등이다. Nth 개의 슈퍼모드들에서 개별적인 이미터들 사이에 위상 관계는 서로 다르다. 더욱 자세하게는, 1st 슈퍼모드에서, 모든 이미터들이 동일 위상에 있고, Nth 슈퍼모드에서는 위상이 제로와 π 사이를 교차한다. 보통 1st 와 Nth 슈퍼모드들은, 그들의 세기 포락선이, 전하 농도가 동일한 OPCLD 배열의 활성 영역의 전류 퍼짐과 전하 확산으로 인하여 훨씬 큰, OPCLD 배열의 중심 근처에서 눌(nulls)을 나타내지 않기 때문에, 모든 다른 슈퍼모드들과 비교하여 가장 낮은 전류 문턱값을 가진다.
그러나, 이미 지적하였듯이, 두 개의 로브로 방사하는 Nth 슈퍼모드는 1st 슈퍼모드보다 작동의 더 낮은 전류 문턱을 가진다. 더욱이, OPCLDs의 위상 배열은 그들의 고전력 방출 때문에 높은 유용성을 가진다. 전력이 단일 원거리 로브 프로파일, 즉 1st 슈퍼모드로 집중되는 것이 바람직하다. 그 이유는 레이저 응용들의 상당 부분이 전력이 단일 로브로 집중되는 것을 요구하기 때문이다. 더욱이, 만약 레이징이 하나 이상의 로브에서 작동한다면, 원거리장 패턴에서 다른 작동 로브들을 줄이거나 아니면 제거하거나 막기 위한 시도로서 조치가 취하여져야 한다.
더욱이, 이것은, OPCLD의 PCM 249, 249A, 402, 402A, 252, 252A, 255, 255A, 258, 258A (도 49B, 50, 53B, 54, 57B, 58, 61B, 62, 65B, 및 66)에, 육각형 구경의 육면체 모양의 코너-큐브 역-반사 프리즘들 이외에, 서로 다른 기하학적 광 반사 구조들을 도입함으로써 달성된다. 이러한 다른 구조들은 서로 다른 구경 크기들, 서로 다른 위상-이동 정도, 및 서로 다른 Nth 개의 전체 내부 반사들을 나타낼 것이다.
첫번째 예는 도 47, 47A, 48, 48A, 49, 49A, 및 49B에서 보여지듯이, 이전에 언급한 원거리 장 패턴으로부터 다수의 높은 차수의 횡 공간 공동 모드들을 줄이고 제거하기 위하여 더 작은 구경의 사면체 코너-큐브 프리즘 구조 247 (도 47, 47A, 49, 49A, 및 49B)를 사용한다. 반면에, 더 큰 구경의 육면체 코너 큐브 프리즘 구조 248(도 48, 48A, 49, 49A, 및 49B)가 이전에 언급한 원거리 장 패턴 내에 단일 낮은 차수의 기본 횡 공간 공동 모드를 증가시키고 도입하기 위하여 사용된다.
두번째 예는 도 51, 51A, 52, 52A, 53, 53A, 및 53B에서 보여지듯이, 이전에 언급한 원거리 장 패턴으로부터 다수의 높은 차수의 횡 공간 공동 모드들을 줄이고 제거하기 위하여 더 작은 구경의 사면체 코너-큐브 프리즘 구조 400(도 51, 51A, 53, 53A, 및 53B)를 사용한다. 반면에, 더 큰 구경의 육면체 코너 큐브 프리즘 구조 401(도 52, 52A, 53, 53A, 및 53B)가 이전에 언급한 원거리 장 패턴 내에 단일 낮은 차수의 기본 횡 공간 공동 모드를 증가시키고 도입하기 위하여 사용된다.
세번째 예는 도 55, 55A, 56, 56A, 57, 57A, 및 57B에서 보여지듯이, 이전에 언급한 원거리 장 패턴으로부터 다수의 높은 차수의 횡 공간 공동 모드들을 줄이고 제거하기 위하여 손실이 많은 사각형 구경의 육면체 피라미드 모양의 역-반사 프리즘 250(도 55, 55A, 57, 57A, 및 57B)를 사용한다. 반면에, 적은 손실의 육각형 구경의 육면체 코너 큐브 프리즘 251(도 56, 56A, 57, 57A, 및 57B)가 이전에 언급한 원거리 장 패턴 내에 단일 낮은 차수의 기본 횡 공간 공동 모드를 증가시키고 도입하기 위하여 사용된다.
네번째 예는 도 59, 59A, 60, 60A, 61, 61A, 및 61B에서 보여지듯이, 이전에 언급한 원거리 장 패턴으로부터 다수의 높은 차수의 횡 공간 공동 모드들을 줄이고 제거하기 위하여 더 작은 구경의 사면체 코너-큐브 프리즘 253(도 59, 59A, 61, 61A, 및 61B)를 사용한다. 반면에, 더 큰 구경의 육면체 코너 큐브 프리즘 254(도 60, 60A, 61, 61A, 및 61B)가 이전에 언급한 원거리 장 패턴 내에 단일 낮은 차수의 기본 횡 공간 공동 모드를 증가시키고 도입하기 위하여 사용된다.
다섯번째 예는 도 63, 63A, 64, 64A, 65, 65A, 및 65B에서 보여지듯이, 이전에 언급한 원거리 장 패턴으로부터 다수의 높은 차수의 횡 공간 공동 모드들을 줄이고 제거하기 위하여 사각형 구경의 사면체 역-반사 코너-큐브 프리즘 256(도 63, 63A, 65, 65A, 및 65B)를 사용한다. 반면에, 육각형 구경의 육면체 역-반사 코너 큐브 프리즘 256(도 64, 64A, 65, 65A, 및 65B)가 이전에 언급한 원거리 장 패턴 내에 단일 낮은 차수의 기본 횡 공간 공동 모드를 증가시키고 도입하기 위하여 사용된다.
더욱이, 방금 기술한 것과 같은 위상-고정 OPCLD 배열들은, 여러 가지 특이 한 응용들을 보여준다. 만약 레이저 구조들이 제로가 아닌 위상 차들을 가지고 위상 고정된다면, 원거리 필드 세기는 다중-로브(multi-lobed)를 나타내거나 또는 적어도 구조들의 숫자 및 각각의 구조 사이에 상대적인 위상 차들에 의존하는 패턴 디테일을 가지는 축에서 벗어난 패턴을 나타낸다. 그러나, 만약 위상 차들이 조절된다면, 세기 패턴은 조절될 수 있다.
다행하게도, OPCLDs의 2-차원의 위상 고정 배열들은, PCM을 사용하기 때문에, 자발 방출에 의한 위상 섭동으로 인하여 인접한 레이저 다이오드 영역들에 의하여 나타나는 위상 차가 언제나 제로이지 않으며, 결합된 레이저-방출-출력의 원거리 장 패턴에서 다수의 로브들이 나타나도록 야기하며(즉, 다중모드 높은 차수의 횡 공동 모드 세기 패턴의 원거리 장 버전) 배열을 포함하는 다수의 레이저 다이오드들의 레이저-방출-출력이 위상이 다른(out of phase)(즉, 위상 고정이 아닌), 주요한 단점을 해결한다.
더욱이, 이러한 반도체 레이저 다이도드들이, 예를 들어, 텔레커뮤니케이션, 데이터컴, 및 발산하는 "수동적 광 네트워크"(PONs)과 같은 고-가치 응용들에 사용되는 것을 막는, 높은 정도의 신호 노이즈가 결과적으로 얻어진다. 그러나, OPCLD는 PCM이 형성된 PCR을 가지기 때문에, 자발 방출에 의한 위상 섭동을 중화시킬 수 있으며, 따라서 인접한 레이저 다이오드 영역들 사이에 제로 위상 차를 언제나 제공할 수 있다. 이것은 반대로 고-전력 단일 로브 원거리 필드 패턴으로의, 결합된 낮은 차수의 기본 횡 공간 공동 모드 레이저-방출-출력의 주입을 제공한다.
게다가, 역-반사 코너-큐브 배열은 만약 입사 파면이 배열에 사용되는 각각 의 역-반사 요소들을 가로질러 평평하게 만들어진다면, 진정한 위상-공액기로서 작용할 것이다. 이러한 기준은, 배열 내의 모든 역-반사 요소들이 원하는 방출의 물질 파장 λ보다 작거나 같은 구경 치수 크기를 가지도록 제조될 때, 달성될 수 있다. 결과적으로, 원하는 방출 λ보다 작거나 같은 코너-큐브 구경 크기들은 서브파장-크기(subwavelength-sized) 빔들의 회절성의 확장을 가져온다.
그러나, 다음의 섹션들에서 보여지게 되듯이, 서브파장-크기의 레이저 빔들의 회절성 확장은 본 OPCLD 발명 내의 이미 고유한 접근들을 사용하여 완전히 피해질 수 있다. 더욱이, 회절은 광 물리학의 기본 법칙들 중 하나이기 때문에, 예외없이 모든 고전 및 양자 물리적 필드들에 영향을 미친다. 그러나, 양자 물리학에서, 주어진 시간에서 물질 파-패킷의 위치와 그 방향을 임의적인 정확도로 정의하는 것은 불가능하다. 회절 현상으로 인하여, 빛은 그 파장보다 작은 슬릿을 통과한 후에 모든 방향으로 발산한다. 그것이 더욱 넓어질수록, 슬릿을 좁힘으로써 빔 횡 수치를 줄일려고 노력한다.
유사하게, 빔 너비는 슬릿으로부터의 거리가 증가할수록 극적으로 증가한다. 따라서, 회절은 구경으로부터의 주어진 거리에서 빔의 횡 치수에 기본적인 한계를 부여하며, 결과적으로 분해능들(resolution capabilities)에 한계를 가하고 "근거리-필드 스캐닝 광 마이크로스코프"(Near-field Scanning Optical Micro scopes, NSOM) 및 스펙트로스코프와 같은, 서브파장-빔 광 장치들의 위치 조건들을 더 어렵게 만든다. 더욱이, 회절성 확장이 없는 서브파장 크기 빔 전파는, 각각의 고-굴절률 도파로의 프레넬 소스로부터 오는 다중 빔들의 건설적 간섭을 통하여 자유 공간 에서 생성될 수 있다.
더욱이, 결과들은 이론적으로, 연속파와 초단파 펄스들 모두에 있어서 완전히 회절이 없는 서브파장 빔 광학의 가능성을 보여준다. 더욱이, 이 접근은 전체의 내부 반사 도파로들과 자유-공간 광학 사이의 최근에 세워진 관계를 포함한다. 그러나, 이러한 광학의 영역들은 너비가 파장 λ를 초과하는 높은 굴절률의 도파로에 의하여 제한된 필드들이 도파로의 프레넬 소스에 의하여 자유 공간에서 재생산될 수 있다는 것을 보여줌에도 불구하고, 서로와 연관이 없는 것처럼 일반적으로 보인다.
더욱이, 회절없는(diffraction-free) 빔의 프레넬 도파로 소스의 개념은 매우 단순하며, 전체 내부 반사를 나타내는 벽/공기 경계들을 가지는 평면-평행 도파로에 대하여 아래와 같이 수학적으로 보여진다. 이 접근에서, 도파로의 경계들은 가상의 소스들로 대체된다. 여기서 도파로에 의하여 한정된 회절 자유 빔 E'(x', z, t)은, 도파로의 프레넬 소스의 다중 빔들 E'n(x', z, t)의 건설적 간섭(constructive interference)에 의하여 포인트 (x', z)에서 자유 공간 내에서 지원된다.
Figure 112007070208053-pct00223
여기서 빔 E'n(x', z, t)의 숫자 2M+1 은 소스로부터의 거리 z에서의 그들의 너비에 의존한다; n =, ±1, ±2, ±M; z > 0, 및 │x'│ < a. 빔 E'n(x', z, t)는 아래와 같은 필드 분산을 가지는 프레넬 소스의 n-번째 지역으로부터 나온다.
Figure 112007070208053-pct00224
이것은 필드 E0(x, 0, t)의 주기적인 (xn=x±2na) 트랜스레이션(translation) 및 위상의 πn-변화에 의하여 얻어진다; E0(x, 0, t)는 입력 구경에서의 필드이다; z = 0, 및 │x│ < a. 아래의 프레넬-도파로는 주기적인 트렌스레이션 및 도파로 구경으로부터 나오는 빔 E0(x, 0, t)의 위상-변화에 의하여 세워진다.
Figure 112007070208053-pct00225
더욱이, Helmholtz-Kirchhoff integral 원리를 사용함으로써 처음으로 개발된, 상기-기술한 접근은, 도파로 너비가 장 λ에 가까울 때는 실패한다. 그럼에도 불구하고, 상기 기술한 접근은 여전히 서브파장 도파로들 문제에 대한 해답을 제공한다. 여기서, 프레넬 도파로 E'(x', z, t)는 단일 빔 E'0(x', z, t)의 트렌스레이션과 그 위상의 주기적인 변화에 의해서 세워진다. 도 66B를 참조하여, 단일 빔 E'0(x', z, t)는 완전한 전도성의 벽들을 가진 서브파장 도파로(즉, 두꺼운 슬릿 구 경)를 통한 평면 단색성 파장의 전달에 의하여 구성된다.
더욱이, 상기에서 제시된 방정식들은 서브파장-크기의 레이저-빔이 회절성 확장을 겪지 않고 전파하도록 만들어질 수 있으며, 각각의 높은 굴절률 도파로의 프레넬 소스의 다중 빔들 사이에 발생하는 건설적인 간섭을 통하여 자유 공간 내에 생성될 수 있다는 것을 보여준다. 따라서, 우리가, 그레이-스케일 마스킹과 리소그래피, 회절 격자, 또는 다중 회절 격자들 404(도 66A)를 사용하여, OPCLD의 PCM이 구성된 기판 층 405의 입력 면에 선택적으로 에칭을 한다면, 우리는 모든 입사 파면 407(도 66C)의 건설적인 간섭(constructive interference)을 제공할 수 있으며, 이 파면들은 또한 건설적인 간섭의 결과로서 OPCLD의 위상-공액 코너-큐브 배열이 형성된 PCM 405 (도 66C)로 다시 향해진다. 결과적으로, 이것은 OPCLD의 PCM을 회절 격자에서 건설적인 간섭을 겪던 입사 파면들에 발생하는 모든 회절 손실들을 원상태로 돌릴 수 있는 위상-공액 프레넬 도파로 소스 405로 효과적으로 변환할 것이며, 반면 서브파장 전파와 상관없이 완전히 회절이 없는 입력 파면의 섭동이 제거된 진정한 위상-공액 역-반사를 제공할 것이다.
본 OPCLD 발명이 구체적인 실시예들과 관련하여 자세히 기술되었음에도 불구하고, 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 다양한 변형들이 행하여질 수 있다. 예를 들어, 방출되는 빛의 광자당 파장을 감소하면서, 에너지를 증가시키기 위하여, 활성-영역 161 (도 19)은 "알루미늄-갈륨-비소-포스파이드"(AaGaAsP)와 같은 격자-정합된 4요소로 된 물질을 형성할 양의 '포스포러스'를 함유할 수 있으며, 반면에 또 다른 선택은 OPCLD의 사분의 일 위상파(quarter-wave) 거울 적층 어셈블리 165 (도 19)가 "알루미늄-비소"(AlAs) 및/또는 "인듐-갈륨-포스파이드"(InGaP)와 같은 2원 물질의 교차하는 층들로 구성되는 것일 수도 있다.
이를 통하여, OPCLD에 의하여 사용되는 사분의 일 위상파 거울 적층 어블리 165 (도 19)를 제조하는데 사용되기 위한, 다른 물질들에 대한 하나의 반도체 및/또는 광학적 물질사이의 선택은 구조적으로 선택된다기 보다 주파수로 결정된다. 더욱이, 그들의 분산 크기들과 함께, 다양한 반도체 및 광학적 물질들이, 파장 특이적이고, 이 설계 내에서 교환이 가능하다; 더욱이, OPCLD 디자인은 OPCLD 발명의 제조에 사용될 수 있거나 또는 사용되는 어떠한 특이한 종류의 물질 또는 공정과 무관한 신규성을 나타낸다는 것을 명백히 보여준다.
더욱이, 당업자는 여기의 실시예들이 본 발명의 범위나 본질에서 벗어나지 않고 수많은 적용들이나 변형들을 받도록 만들어질 수 있음을 인식할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위나 본질 내에서, 본 발명이 상기에서 자세하게 언급한 것들 외에도 실행될 수 있음을 이해할 수 있다. 특히, 본 발명은 상기 명세서의 기재에 의한 제한이 없이, 청구항들, 및 그 균등물에 따라 해석되어 진다.

Claims (86)

  1. 광학적 위상 공액 레이저 다이오드(optical phase conjugating laser diode)에 있어서,
    a) 상기 레이저의 광학적 위상 공액 공진-공동(resonant-cavity)에 대한 이득-매질(gain-medium)을 정의하는 광자들의 유도-방출원(stimulated-emission source);
    b) 광학적 위상 공액 반사를 제공하는 복수의 역반사 요소들을 포함하는 제 1 반사기인 의사(pseudo) 위상 공액 거울, 및 부분 반사를 제공하는 제 2 반사기인 종래의 거울을 포함하는 광학 피드백 반사기 어셈블리; 및
    c) 상기 레이저의 상기 이득-매질을 펌핑하는 에너지원을 정의하는 전기 펌핑원을 포함하고,
    상기 위상 공액 반사는 상기 공동의 단일 기본 횡 공간 모드로의 고-전력 레이저-방출 출력을 제공하고,
    상기 위상 공액 반사는 자발 방출(spontaneous emission)의 기여를 유도하는 섭동(perturbation)의 중화(neutralization)를 제공하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드.
  2. 광학적 위상 공액 레이저 다이오드에 있어서,
    위상 공액 배열을 포함하는 제 1 반사기 - 상기 배열은 광학 위상 공액을 제공하는데 사용되는 복수의 역반사 요소들을 포함함 - ;
    상기 제 1 반사기와, 유도-방출 및 증폭을 제공하는데 사용되는 제 2 반사기 사이에 개재된 이득-매질; 및
    부분 반사 및 레이저-방출 출력을 제공하는데 사용되는 상기 제 2 반사기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 반사기는 분산된 브래그 거울-적층 어셈블리(distributed bragg mirror-stack assembly)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드.
  4. 제 2 항에 있어서,
    가우시안 모드 레이저-방출 출력을 제공하는 제 3 반사기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 위상 공액 배열의 역반사 요소들은 코너-큐브 프리즘(corner-cube prism)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 코너-큐브 프리즘들은 사면체 모양의 코너-큐브들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 위상 공액 배열의 상기 역반사 요소들은 반구 모양의 반사 구조들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 위상 공액 배열의 역반사 요소들은 피라미드 모양의 반사기들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 위상 켤레 배열의 역반사 요소들은 사각형(tetragon) 모양의 반사기들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 위상 공액 배열의 역반사 요소들은 원뿔 모양의 반사기들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드.
  11. 제 2 항에 있어서,
    상기 위상 공액 배열의 역반사 요소들은 다면체 모양의 반사기들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 위상 공액 배열은 역반사 다면체 모양의 반사기들의 평면 배열을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드.
  13. 제 2 항에 있어서,
    상기 이득-매질과 상기 위상 공액 배열 사이에 개재된, 빔 확장기 및 시준 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드.
  14. 제 2 항에 있어서,
    상기 위상 공액 배열은 역반사 다면체 모양의 반사기들의 곡선화된 배열을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드.
  15. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 3 반사기는 변형가능한 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 3 반사기의 곡률을 제어하기 위해 프로세서 및 검출기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드.
  17. 제 2 항에 있어서,
    상기 이득-매질은 유기 발광 다이오드 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 유기 발광 다이오드 물질은 트리페닐디아민의 제 1 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 유기 발광 다이오드 물질은 2-나프틸-4.5-비스(4-메톡시페닐)-1,3-옥사졸의 제 2 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 유기 발광 다이오드 물질은 8-하이드록시퀴놀리나토 알루미늄 (hydroxyquinolinato aluminum)의 제 3 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드.
  21. 제 5 항에 있어서,
    상기 코너-큐브 프리즘들은 육각형 모양의 코너-큐브들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 코너-큐브들은 상기 광학적 위상 공액 레이저 다이오드의 원하는 레이저 방출 출력의 일 파장에서 역반사 코너-큐브들을 포함하는 물질의 굴절률을 뺀 값과 같거나 그보다 약간 작은 구경 직경 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드.
  23. 제 2 항에 있어서,
    전계-흡수 변조기(electro-absorption modulator)를 더 포함하고, 상기 제 2 반사기는 상기 이득-매질과 상기 변조기 사이에 개재되어 놓이는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 전계-흡수 변조기는 상기 이득-매질과 상기 제 2 반사기 사이에 개재되어 놓이는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드.
  25. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 역반사 요소들은:
    제 1 공동 길이를 제공하는 제 1 그룹의 역반사 요소들; 및
    상기 제 1 공동 길이와 상이한 제 2 공동 길이를 제공하는 제 2 그룹의 역반사 요소들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 1 그룹의 역반사 요소들은 제 1 공동 길이를 제공하고, 상기 제 2 그룹의 역반사 요소들은 상기 제 1 공동 길이보다 약간 짧은 제 2 공동 길이를 제공하여, 상기 제 1 그룹 및 상기 제 2 그룹의 역반사 요소들로부터 반사된 유도 방출들이 위상-고정되는(phase-locked) 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드.
  27. 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법에 있어서,
    반도체 기판 상에 부분 반사 거울을 증착하는 단계;
    상기 부분 반사 거울에 이득-영역을 증착하는 단계; 및
    반도체 물질로 위상 공액 거울을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 위상 공액 거울은 상기 이득-영역에 인접하여 위치되고 상기 부분 반사 거울에 대치(contrapose)되며, 상기 위상 공액 거울은 복수의 역반사 다면체 모양의 프리즘들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 부분 반사 거울은 분산된 브래그 거울-적층 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 위상 공액 거울은 그레이-스케일 리소그래피를 이용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  30. 제 27 항에 있어서,
    상기 부분 반사 거울 상에 전계-흡수 변조기를 증착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 이득-영역 상에 전계-흡수 변조기를 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  32. 제 27 항에 있어서,
    상기 이득-영역은 제 1 스페이서 층 및 제 2 스페이서 층으로 구성되고, 상기 제 1 스페이서 층과 상기 제 2 스페이서 층 사이에 이득-매질이 증착되는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  33. 제 27 항에 있어서,
    상기 이득-영역을 증착하기 이전에, 상기 이득-영역이 버퍼 층 상에 증착되도록, 상기 기판의 제 1 측면 상에 상기 버퍼 층을 증착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  34. 제 32 항에 있어서,
    상기 제 1 스페이서 층은 n-도핑된 또는 p-도핑된 반도체 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  35. 제 32 항에 있어서,
    상기 제 2 스페이서 층은 n-도핑된 또는 p-도핑된 반도체 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  36. 제 27 항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 n-도핑된 반도체인 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  37. 제 27 항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 p-도핑된 반도체인 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  38. 제 32 항에 있어서,
    저항 접촉(ohmic contact)들을 제공하기 위해 금속화된 상기 제 1 및 제 2 스페이서 층들을 에칭하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  39. 제 32 항에 있어서,
    상기 제 1 스페이서 층은 기울기가 있도록 도핑(gradiently doped)되는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  40. 제 32 항에 있어서,
    상기 이득-매질은 벌크(bulk) 반도체 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  41. 제 40 항에 있어서,
    상기 벌크 반도체 층은 p-도핑되거나 n-도핑되는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  42. 제 32 항에 있어서,
    상기 이득-매질은 양자-점(quantum-dot) 구성의 이득-매질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  43. 제 32 항에 있어서,
    상기 이득-매질은 다층화된 슈퍼-격자(super-lattice) 구성의 이득-매질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  44. 제 32 항에 있어서,
    상기 이득-매질은 양자-폭포(quantum-cascade) 구성의 이득-매질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  45. 제 32 항에 있어서,
    상기 제 2 스페이서 층은 기울기가 있도록 도핑되는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  46. 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법에 있어서,
    반도체 기판의 제 1 측면 상에 제 1 스페이서 층을 증착하는 단계;
    상기 제 1 스페이서 층 상에 이득-매질을 증착하는 단계;
    상기 이득-매질 상에 제 2 스페이서 층을 증착하는 단계;
    상기 제 2 스페이서 층 상에 부분 반사 거울을 증착하는 단계; 및
    상기 제 1 측면과 반대인 반도체 기판의 제 2 측면 상에, 위상 공액 거울을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 위상 공액 거울은 복수의 역반사 다면체 모양의 프리즘들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  47. 제 46 항에 있어서,
    상기 부분 반사 거울은 분산된 브래그 거울-적층 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  48. 제 46 항에 있어서,
    상기 위상 공액 거울은 그레이-스케일 리소그래피를 이용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  49. 제 46 항에 있어서,
    상기 부분 반사 거울 상에 전계-흡수 변조기를 증착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  50. 제 46 항에 있어서,
    상기 제 1 스페이서 층을 증착하는 단계 이전에, 상기 제 1 스페이서 층이 버퍼 층 상에 증착되도록, 상기 기판의 제 1 측면 상에 상기 버퍼 층을 증착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  51. 제 46 항에 있어서,
    상기 제 1 스페이서 층은 n-도핑된 또는 p-도핑된 반도체 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  52. 제 46 항에 있어서,
    상기 제 2 스페이서 층은 n-도핑된 또는 p-도핑된 반도체 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  53. 제 46 항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 n-도핑된 반도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  54. 제 46 항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 p-도핑된 반도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  55. 제 46 항에 있어서,
    상기 제 1 스페이서 층을 증착하는 단계 이전에,
    상기 반도체 기판의 제 1 측면 내에 1 이상의 후퇴부들을 에칭하는 단계;
    상기 반도체 기판의 제 2 측면 내에 1 이상의 후퇴부들을 에칭하는 단계; 및
    상기 반도체 기판의 상기 제 1 및 제 2 측면들 상의 두 후퇴부들을, 상기 반도체 기판보다 더 고도로 도핑된(highly doped) 반도체 물질로 채우는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  56. 제 46 항에 있어서,
    상기 제 1 스페이서 층은 기울기가 있도록 도핑되는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  57. 제 46 항에 있어서,
    상기 이득-매질은 벌크 반도체 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  58. 제 57 항에 있어서,
    상기 벌크 반도체 층은 p-도핑된 또는 n-도핑되는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  59. 제 46 항에 있어서,
    상기 이득-매질은 양자 점 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  60. 제 46 항에 있어서,
    상기 이득-매질은 다층화된 슈퍼-격자 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  61. 제 46 항에 있어서,
    상기 이득-매질은 양자-폭포 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  62. 제 46 항에 있어서,
    상기 제 2 스페이서 층은 기울기가 있도록 도핑되는 것을 특징으로 하는 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  63. 광전자 회로에 있어서,
    광학적 위상 공액 레이저 다이오드; 및
    상기 광학적 위상 공액 레이저 다이오드에 전기적으로 연결된 이종접합 트랜지스터(heterojunction transistor)를 포함하고, 상기 광학적 위상 공액 레이저 다이오드는:
    복수의 역반사 다면체 모양의 요소들을 포함하는 위상 공액 거울을 포함하는 제 1 반사기;
    제 2 반사기;
    광자들의 유도-방출원을 제공하는데 사용되며, 상기 제 1 반사기와 상기 제 2 반산기 사이에 개재된 이득-매질을 포함하고,
    상기 제 1 반사기는 광학적 위상 공액을 제공하며, 상기 제 2 반사기는 부분 반사를 제공하는 것을 특징으로 하는 광전자 회로.
  64. 제 63 항에 있어서,
    상기 제 2 반사기는 분산된 브래그 거울-적층 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 회로.
  65. 제 63 항에 있어서,
    레이저-방출 출력의 횡 공간 모드 제어를 제공하는 제 3 반사기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 회로.
  66. 제 63 항에 있어서,
    상기 이종접합 트랜지스터는 이종접합 바이폴라 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 회로.
  67. 제 63 항에 있어서,
    상기 이종접합 트랜지스터는 고-전자 이동도 트랜지스터(high-electron mobility transistor, HEMT)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 회로.
  68. 제 63 항에 있어서,
    상기 광학적 위상 공액 레이저 다이오드 및 상기 이종접합 트랜지스터는 격자 정합된(lattice matched) 반도체 물질을 이용하여 공통 반도체 기판 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 광전자 회로.
  69. 광학 트랜스시버(optical transceiver)에 있어서,
    트랜스시버 하우징;
    상기 하우징에 연결된 회로 탑재 베이스 어셈블리;
    상기 베이스 어셈블리에 연결된 광학적 위상 공액 레이저 다이오드 광전자 회로를 포함하고, 상기 광학적 위상 공액 레이저 다이오드 광전자 회로는:
    광검출기; 및
    광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 포함하며, 상기 광학적 위상 공액 레이저 다이오드는:
    복수의 역반사 요소들을 포함하는 위상 공액 거울을 포함하는 제 1 반사기; 제 2 반사기; 및 광자들의 유도-방출원을 제공하는데 사용되며, 상기 제 1 반사기와 상기 제 2 반사기 사이에 개재된 이득-매질을 포함하고, 상기 제 2 반사기는 부분 반사하며; 상기 하우징 내부에 위치된 먹스(mux)/디먹스(demux) 렌즈 어셈블리; 및 상기 하우징 안으로 연장된 광 섬유를 포함하고, 상기 먹스/디먹스 렌즈 어셈블리는 섬유 출력과 레이저-방출 출력 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 광학 트랜스시버.
  70. 에지-방출(edge-emitting) 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법에 있어서,
    반도체 기판 상에 제 1 스페이서 층을 증착하는 단계;
    상기 제 1 스페이서 층 상에 이득-매질을 증착하는 단계;
    상기 이득-매질 상에 제 2 스페이서 층을 증착하는 단계;
    부분 반사 엔드-패싯(end-facet) 거울을 분할시키는(cleaving) 단계;
    상기 레이저 다이오드 성장 면에 수직이고, 상기 이득-매질에 인접하게 위치되며, 상기 분할된 엔드-패싯 거울에 대치된 위상 공액 거울을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 위상 공액 거울은 복수의 역반사 다면체 모양의 프리즘들을 포함하는 것을 특징으로 하는 에지-방출 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  71. 제 70 항에 있어서,
    상기 위상 공액 거울에 대치된 분산된 브래그 거울-적층 어셈블리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에지-방출 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  72. 제 70 항에 있어서,
    상기 기판 상에 버퍼 층을 증착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에지-방출 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  73. 제 70 항에 있어서,
    상기 위상 공액 거울은 그레이-스케일 리소그래피를 이용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 에지-방출 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  74. 제 70 항에 있어서,
    상기 제 1 스페이서 층은 n-도핑된 또는 p-도핑된 반도체 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 에지-방출 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  75. 제 70 항에 있어서,
    상기 제 2 스페이서 층은 n-도핑된 또는 p-도핑된 반도체 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 에지-방출 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  76. 제 70 항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 n-도핑되는 것을 특징으로 하는 에지-방출 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  77. 제 70 항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 p-도핑되는 것을 특징으로 하는 에지-방출 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  78. 제 70 항에 있어서,
    저항 접촉을 제공하기 위해 금속화된 상기 제 1 및 제 2 스페이서 층들을 에칭하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에지-방출 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  79. 제 70 항에 있어서,
    상기 제 1 스페이서 층은 기울기가 있도록 도핑되는 것을 특징으로 하는 에지-방출 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  80. 제 70 항에 있어서,
    상기 이득-매질은 벌크 반도체 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 에지-방출 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  81. 제 80 항에 있어서,
    상기 벌크 반도체 층은 p-도핑되거나 n-도핑되는 것을 특징으로 하는 에지-방출 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  82. 제 70 항에 있어서,
    상기 이득-매질은 양자-점 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 에지-방출 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  83. 제 70 항에 있어서,
    상기 이득-매질은 다층화된 슈퍼-격자 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 에지-방출 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  84. 제 70 항에 있어서,
    상기 이득-매질은 양자-폭포 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 에지-방출 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  85. 제 70 항에 있어서,
    상기 제 2 스페이서 층은 기울기가 있도록 도핑되는 것을 특징으로 하는 에지-방출 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
  86. 제 70 항에 있어서,
    상기 위상 공액 거울과 상기 이득-매질 사이에 개재된 회절 필터를 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 필터는 입사 파면들의 보강 간섭(constructive interference)을 제공하며,
    위상 공액 배열이 서브-파장 구경 크기를 갖는 다면체 모양의 역반사 요소들로 구성되고, 상기 파면들이 상기 위상 공액 배열로부터 역반사될 때, 상기 필터는 무회절 반사(diffraction free reflection)를 제공하는 것을 특징으로 하는 에지-방출 광학적 위상 공액 레이저 다이오드를 제조하는 방법.
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