KR100991068B1 - 회절에 의한 도파용 포토닉 결정미러를 가진 면발광 레이저 - Google Patents

회절에 의한 도파용 포토닉 결정미러를 가진 면발광 레이저 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의하면, 포토닉결정층의 기판측계면에 저굴절률 매체를 배치하지 않아도 되는, 신규한 구성의 면발광 레이저를 제공한다. 다층막미러(1300), 활성층(1200), 및 주기적으로 굴절률이 변화하는 굴절률 주기구조층(1020)이 기판(1500)과 수직인 방향으로 적층된다. 상기 굴절률 주기 구조층은 상기 굴절률 주기 구조층에 수직으로 입사한 파장 λ의 광을 적어도 투과광과 회절광으로 분리되도록 구성한다. 상기 다층막미러는 상기 투과광에 대한 반사율보다 상기 회절광에 대한 반사율이 높아지도록 구성한다. 상기 굴절률 주기구조층과 상기 다층막미러로 구성되는 도파로 내에 공진모드를 실현한다.

Description

회절에 의한 도파용 포토닉 결정미러를 가진 면발광 레이저{VCSEL WITH PHOTONIC CRYSTAL MIRROR FOR WAVEGUIDING BY DIFFRACTION}
본 발명은 면발광 레이저에 관한 것이다.
최근, 포토닉결정을 사용한 광디바이스에 관한 연구가 활발하게 행해지고 있다. 문헌 "APPLIED PHYSICS LETTERS 88, 081113 (2006)"에는, 2차원 포토닉결정과 다층막미러로 구성되는 면발광 레이저에 관한 기술이 개시되어 있다.
보다 구체적으로는, 도 5에 도시된 바와 같이, Si기판 상에 교대로 적층된 Si층(3110)과 SiO2층으로 이루어진 브래그미러(Bragg mirror)(3100)가 형성되어 있다. 2차원 포토닉결정슬랩(3300)이 SiO2의 접합층을 개재하여 상기 브래그미러 위에 전체적으로 형성되어 있다. 상기 2차원 포토닉결정 슬랩은 In0.53Ga0.47As, INP의 장벽층, 및 INAs0.65P0.35의 양자우물층으로 구성된다. 이러한 구성에 있어서, 해당 슬랩(3300)의 평균 굴절률은 약 3.2로 추정된다.
굴절률 1.0의 공기가 기판과 반대측의 2차원 포토닉결정 슬랩계면을 형성한다. 굴절률이 약 1.4인 접합층(3200)(SiO2)에 의해 기판측에 2차원 포토닉결정 슬랩 계면을 형성한다.
이와 같이 상기 슬랩의 양측에 상기 슬랩보다 저굴절률 매체인 공기와 접합층(3200)이 형성되어 있기 때문에, 상기 슬랩 내에서 발생한 광은 상기 슬랩 내에 갇힌다. 그 결과, 상기 슬랩의 면내방향으로 공진모드(레이저 발진을 위해서 증폭되는 모드)가 실현된다. 또한, 면내방향의 공진모드와 함께, 면내방향과 수직인 방향의 방사모드도 존재하기 때문에, 면발광 레이저가 실현되게 된다.
또한, 실제로는 상기 슬랩(3300)으로부터 누출되는 광도 있으며, 기판측으로 누출된 광을 브래그미러에 의해 되돌림으로써, Q값이 높아진다고 기재되어 있다.
그러나, 상술한 바와 같이 포토닉결정 슬랩 내에 공진모드를 실현하는 구성에서는, 계면에 있어서 슬랩의 상하에서 상기 슬랩보다 굴절률이 낮은 매체를 배치하는 것이 필요하게 된다. 이것은 상기 슬랩을 상기 슬랩보다 저굴절률의 매질로 사이에 끼워두지 않으면 슬랩 내에 도파로모드가 실현되지 않기 때문이다.
특히, 포토닉결정 슬랩의 기판측의 계면에 저굴절률의 매체를 형성하는 것은, 제조 프로세스상의 제약이 된다. 상술된 공지 문헌에 있어서, Si나 SiO2 상에 직접 InP를 성장시킬 수 없기 때문에, 적층기술을 채용하고 있다.
따라서, 본 발명은 주기적으로 굴절률이 변화하는 굴절률 주기구조층(이하, 포토닉결정층, 또는 Phc층으로 칭하는 경우도 있음)의 기판측 계면에, 상기 Phc층보다 저굴절률의 매체를 반드시 형성할 필요가 없는, 신규한 구성의 면발광 레이저를 제공한다.
제1측면에 있어서의 본 발명은 다층막미러, 활성층, 및 주기적으로 굴절률이 변화하는 굴절률 주기 구조층으로 구성되는 발진파장 λ의 면발광 레이저를 제공한다. 상기 다층막미러, 활성층, 및 굴절률 주기 구조층이 기판과 수직인 방향으로 적층된다. 상기 굴절률 주기 구조층은 상기 굴절률 주기 구조층에 수직으로 입사한 파장 λ의 광을 적어도 투과광과 회절광으로 분리한다. 상기 다층막미러는 상기 투과광에 대한 반사율보다 높은 상기 회절광에 대한 반사율을 가진다. 상기 굴절률 주기구조층과 상기 다층막미러로 구성되는 도파로는 공진모드를 가진다.
본 발명에 의하면, Phc층의 기판측 계면에, 상기 Phc층보다 저굴절률의 매체를 반드시 형성할 필요가 없는, 신규한 구성의 면발광 레이저가 제공된다.
본 발명의 다른 특징은 첨부도면을 참조한 다음의 전형적인 실시형태의 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명을 설명하기 위한 포토닉결정층의 모식적 단면도;
도 2는 본 발명을 설명하기 위한 면발광 레이저에 대한 모식적 단면도;
도 3은 본 발명에 의한 전형적인 실시형태를 설명하기 위한 모식적 단면도;
도 4는 본 발명에 의한 전형적인 실시형태를 설명하기 위한 모식적 단면도;
도 5는 배경기술을 설명하기 위한 도면.
[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]
도 1 및 도 2를 참조하면서 본 발명을 설명한다. 도 1은 본 발명에 적용되는 포토닉결정층을 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 있어서, 이차원의 포토닉결정층(1020)은 주기적으로 설치된 미세공(1010) 및 미세공(1010)을 분리하는 영역(1000)으로 구성된다. 이차원의 포토닉결정층이란 이차원의 주기적인 굴절률 변화를 가지는 층을 의미한다.
클래드층(1100)은 포토닉결정층에 인접한다. 포토닉결정층에 대해서 수직 방향으로 입사하는 입사광(1030)은 투과광(1040) 및 회절광(1050)으로 된다.
본 발명에 있어서는, 회절광(1050)으로서, 으로서 발진파장 λ를 가지고 포토닉결정층에 입사한 입사광이 각도 θ(θ는 0도 또는 90도는 아님)로 회절해서 얻어진 회절광을 이용한다. 이러한 회절을 실현하기 위한 포토닉결정층의 상세한 것에 대하여는 후술한다. 상기 투과광은 상기 입사광(1030)의 입사 방향에 대해서 0 도의 각도를 형성한다.
도 2는 본 발명에 의한 면발광 레이저를 설명하기 위한 모식적 단면도이다.
기판(1500)에는 다층막미러(DBR, Distributed Bragg Reflector)(1300)가 형성되어 있다. 또한, 상기 다층막미러(1300) 상에는 하부클래드층(1105), 활성층(1200), 상부클래드층(1100), 및 포토닉결정층(1020)이 형성되어 있다. 다층막미러(1300)의 적층 방향은, 기판(1500)과 수직인 것에 유의한다.
일반적으로, 다층막미러(1300)는 해당 미러에 수직 방향으로 입사한 광의 반사율이 가장 높아지도록 설계된다.
그러나, 본 발명에 있어서는, 기판 상에 수직 방향에 대해서 각도 θ(예를 들면, 20도 내지 80도의 범위에서 설정)로 입사하는 광(도 1의 (1050)에 대응)의 반사율(제2반사율)이, 기판 상에 수직으로 입사하는 광의 반사율(제1반사율)보다 높아지도록 다층막미러의 각층의 두께를 설계한다. 예를 들면, 제2반사율이 99퍼센트 이상 100퍼센트 이하로 되도록 설계를 행한다. 바람직하게는 제2반사율이 99.9퍼센트 이상, 더욱 바람직하게는 제2반사율이 99.99 퍼센트 이상이 되도록 설계를 행한다. 제2반사율이 100 퍼센트에 더 근접할 수록 바람직하다.
또한, 포토닉결정층(1020)의 공기측 계면과 다층막미러(1300)간의 거리(d)는 이하와 같이 설계한다.
즉, 다층막미러(1300)에 대해서 각도(θ)로 입사하는 광의 광로(1051)와 해당 다층막미러로 반사되어 미세공간의 간격('a')만큼 어긋난 위치로 돌아오는 광의 광로(1052)를 합한 광로길이가 발진 파장λ의 정수배가 되도록 한다.
다음에, 실제로 본 발명과 관련되는 면발광 레이저를 설계하는 경우의 일례를 설명한다.
우선, 발진 파장λ을 결정한다. 그리고, 포토닉결정층을 기판과 수직인 방향으로부터 그 평면도를 보는 경우에, 정방 격자형상으로 형성된 포토닉결정의 미세공 간의 간격(격자 간격)(a)을 결정한다. 포토닉결정의 격자구조는 정방격자에 한정하는 것이 아니고, 예를 들어, 삼각격자구조이어도 된다.
어느 미세공의 위치로부터 다층막미러에 대해서, 각도(θ)로 입사한 광(1051)이 해당 미러에 의해 반사되어 간격(a)만큼 어긋난 위치로 돌아오는 때에 위상정합 조건을 만족시키도록 설계한다.
포토닉결정층에 수직 방향으로 입사한 광이 각도(θ)로 회절하기 위한 조건은, n·a·sinθ = mλ이고, 여기서 n은 도 2에 있어서의 클래드층(1100)의 유효 굴절률이다. 유효 굴절률(n)은, 경우에 따라서는, 활성층(1200)과 기판측의 클래드층(1105)의 고려되어야 할 영향을 포함한다.
m은 자연수이지만, 이하에서는, m=1인 것으로 가정해서 설명한다. 상술의 회절 조건에 있어서, λ및 'a'가 정해지면, θ가 정해지게 된다. θ의 범위는 포토닉결정층과 공기 사이의 계면에서의 전반사의 임계각을 초과하는 것이 바람직하다. θ가 졀정되면, 기하학적으로 d가 정해진다.
ｄ가 결정되면, 광로(1051) 및 광로(1052)의 합인 광로길이가 결정된다. 광로길이가 발진파장의 정수배의 조건(위상정합조건)을 만족시키는 지의 여부를 확인한다. 해당 조건을 만족하지 않으면, 'a'를 변화시키고, 해당 위상정합조건을 만족하도록 설계를 행한다.
실제로는, 두께 ｄ에 대해서, 구스-헨셴시프트(Goose-Haenchen shift) 및 포토닉결정층의 굴절률을 고려한 실효적 두께로 설계를 하는 것이 바람직하다. 또, 미세공의 직경(미세공의 상기 기판의 면내방향에 있어서의 단면이 원일 때에는, 이러한 직경은 그 원의 직경을 의미함)는, 격자간격의 40%정도로 한다. 실제로는, 미세공의 직경은, 해당 격자 간격의 20%로부터 60%의 범위로 설계한다. 포토닉결정층의 두께는, 예를 들면, 격자간격(a)의 반으로 한다. 어떤 미세공으로부터 간격(a)만큼 어긋난 위치에, 광이 돌아올 때에 상기 위상정합조건을 만족시키는 것을 전제로 했지만, 예를 들면, 'a'의 정수배만큼 어긋난 위치에서 위상정합조건을 만족시 키는 전제조건으로 할 수도 있다.
다층막미러(1300)를 구성하는 각층에 대해서는, 다음과 같이 설계한다. 즉, 개개의 층의 굴절률을 ni로 했을 경우에, 그 층의 층두께를 λ／(4·ni·cosθi)로 설정하는 것이다. 여기서, θｉ은, 엄밀하게는, 각층의 계면과 광의 진행 방향이 이루는 각도이지만, 클래드층(1105)으로부터 다층막미러에의 입사각으로서 일률적으로 규정할 수도 있는 경우가 있다.
이 방법으로, 수직방향에 대해서 θ의 각도로 다층막미러에 입사하는 광에 대해서 개개의 층에서의 반사율을 최대로 할 수 있거나 또는 최대에 근접할 수 있다. 보다 구체적으로는, 해당 미러에 대해서 수직방향으로 입사하는 광의 반사율보다, θ의 각도로 입사하는 광의 반사율을 크게할 수 있다. 또, θ이외의 각도(예를 들면, θ로부터 ±20도)로 다층막미러에 입사하는 광의 반사율이, 각도 θ로 입사하는 경우의 반사율보다 낮아지기 때문에, 광이 θ 이외의 각도로 다층막미러에 입사할 때의 다른 도파로 공진모드의 감금효율이 저하된다. 그 결과, 멀티 모드 발진을 억제할 수 있다.
활성층측으로부터 포토닉결정층의 격자점에 입사하는 광은 기판의 면내방향과 수직인 축과 입사광의 광로가 이루는 각도를 유지하고, 해당 수직인 축에 대해서 그 입사광의 광로를 0°,±90°, 180°만큼 회전시킨 방향의 기판측으로 회절된다. 포토닉결정층에 입사한 광은 이러한 회절 및 다층막 반사경(1300)에서의 반사를 복수회 반복해서 원래의 입사광로로 돌아오기 때문에 공진작용이 발생된다. 또, 공진기중에서 증폭된 광은, 포토닉결정층으로부터 기판에 대해서 수직방향으로 회 절되어, 즉 회절광(1060)과 마찬가지 방식으로 회절되어 면발광 기능을 가진다. 모든 격자점에서 동일한 현상이 생기기 때문에, 전체영역에서 커히렌트인 레이저 발진이 가능하다.
활성층으로서는, 캐리어 주입에 의해 발광하는 것, 광펌프에 의한 발광하는 것 등을 선택할 수 있다. 구체적인 예로서는 반도체의 다중양자 우물구조가 있다.공진기 중의 정재파의 전자장 강도가 큰 위치에 활성층을 배치함으로써, 레이저에 큰 게인을 부여할 수 있다.
이 방식으로, 포토닉결정층(1020)과 다층막미러(1300)에 의해 구성되는 도파로내를 다층막미러의 적층방향에 대해서, 사선방향으로 공진하는 면발광 레이저를 실현할 수 있다.
본 발명에 있어서는, 상술한 바와 같이 포토닉결정층(1020)과 다층막미러(1300)로 구성되는 도파로 내에 공진모드가 존재하도록 구성한다. 그 결과, 포토닉결정층 내에 광을 감금할 필요가 없어지므로, 포토닉결정층의 기판측 계면에 저굴절률 매체의 배치가 필수적인 것은 아니다.
본 발명은 상술의 공진 모드가 실현되는 한, 포토닉결정층의 기판측 계면에 저굴절률 매체를 배치하여도 된다. 본 발명은 그러한 저굴절률 매체의 배치가 필수가 아닌 것이 특징이다.
상기 기판과 상기 다층막미러 사이에 상기 투과광에 대한 반사율이 상기 회절광에 대한 반사율보다 높고, 상기 다층막미러와는 다른 반사경(예를 들면, 다층막미러)을 설치할 수도 있다. 이에 의해, 기판측에의 발광을 활성층측으로 반사시 켜서, 기판 반대측에의 면발광 추출효율을 높일 수도 있다.
또, 본 발명에 적용할 수 있는 포토닉결정층이란, 예를 들면, 굴절률이 면내 방향의 2차원적으로 그리고 주기적으로 변화하는 굴절률 주기 구조이다. 상기 구조는 정방격자구조 또는 삼각격자구조이다.
이 굴절률 주기구조에 결함을 도입해도 된다. 이러한 결함을 도입함으로써, 결함에서의 광추출의 효율을 변조할 수도 있다. 포토닉결정층을 구성하는 격자는, 반드시 미세공일 필요는 없고, 해당 미세공에, 그 주위와는 다른 굴절률을 가지는 재료, 예를 들면, 수지로 충전되어 있어도 된다.
포토닉결정층의 재료는, 예를 들면, 반도체, 보다 구체적으로는, Al0.5Ga0.5As 또는 Al0.6Ga0.4N이어도 된다.
다층막미러의 재료는, 예를 들면, 반도체다층막, 보다 구체적으로는, Al0.5Ga0.5As/GaAs 또는 Al0.6Ga0.4N/GaN이어도 된다.
(실시예1)
우선, 본 발명에 의한 실시예1에 대해서, 도 3을 참조하면서 설명한다.
GaAs기판(2500) 상에, 59nm 두께의 n-Al0.93Ga0,07As층과 52nm 두께의 n-Al0.5Ga0.5As층의 페어 70조로 구성되는 다층막 반사경(2300)을 성장시킨다. 성장 방법은, 예를 들면, MOCVD법이다.
이 다층막 반사경은 파장 670nm의 광에 대해서, n-Al0.93Ga0.07As 클래드층으로부터의 입사각이 약 24° 일때에 반사율이 최대가 되도록 설계된다.
상기 다층막 반사경 위에, 공진기를 구성할 수 있는 n-Al0.93Ga0.07As 클래드층(2105), GaInP/AlGaInP 다중양자 우물층(2200), p-Al0.93Ga0,07As 클래드층 (2100), 및 p-Al0.5Ga0.5As 슬랩층(2000)을 성장시킨다.
슬랩층(2020) 상부 표면에 레지스트를 도포한다. 전자빔 노광에 의해, 반경 100nm, 격자간격 500nm의 이차원 정방격자 원형패턴을 레지스트에 형성한다.
레지스트를 현상한 후, SiCl4/Ar 플라스마에 의한 반응성 이온에칭을 이용하여 p-Al0.5Ga0.5As 슬랩층에 이차원 홀의 열(2025)을 형성한다. 이 홀열을 형성한 후에, 레지스트를 제거한다.
하부전극(2805)을 기판(2500) 하부에, 상부전극(2800)을 슬랩층(2020) 상에 형성한다.
이와 같이 제작한 레이저에 대해서 전류주입을 실시하면, 활성층이 발광하고, 레이저 발진에 의해 기판과 수직인 방향으로 파장 670nm의 레이저광이 방출될 수 있다.
(실시예2)
본 발명에 의한 실시예2는, 도 4에 그 주요부를 나타낸 바와 같이, 실시예1에 있어서의 기판(2500)과 다층막 반사경(2300)(제1다층막반사경)와의 사이에 제2 다층막반사경(2350)를 가지고 있는 점이 특징이다.
제2다층막반사경는 상기 반사경에 수직으로 입사하는 레이저발진의 파장을 가진 광의 반사율이, 경사 입사하는 광의 반사율보다 높은 것을 특징으로 한다.
보다 구체적으로는, 기판(2500)상에 54nm 두께의 n-Al0.93Ga0.07As층과 49nm 두께의 n-Al0.5Ga0.5As층의 페어 70조로 구성되는 제2다층막반사경(2350)를 성장시켜서, 그 위에 제1다층막반사경(2300)를 실시예1과 마찬가지의 형상으로 성장시킨다.
상기 제2다층막반사경의 반사율은, 제1다층막반사경의 경우와는 달리, 파장 670nm의 광에 대해서 입사각도가 직각을 이룰때에 최대가 된다.
이 때문에, 제2다층막반사경는 제1다층막반사경(2300), 포토닉결정층(2020), 및 활성층(2200)으로 구성되는 레이저 공진기로부터 기판과 수직인 방향으로 기판측으로의 발광(2065)을 다시 활성층 측으로 되돌리는 역할을 가진다.
그 결과, 기판과 수직인 방향의 기판 반대측에의 발광(2060)은, 제2다층막반사경가 없는 경우와 비교해서 증강되기 때문에, 면발광 레이저의 기판과 반대측에의 광추출 효율을 높일 수 있다.
이상, 2개의 실시예를 이용하여, 본 발명을 설명했지만, 본 발명에 의한 면발광 레이저는 상기 실시예로 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 취지의 범위 내에서 여러가지로 변경할 수 있다.
본 발명을 전형적인 실시예를 참조하면서 설명하였지만, 본 발명은 상기 개시된 전형적인 실시예로 한정되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하 특허 청구범 위는 이러한 모든 변경과 등가의 구성 및 기능을 망라하도록 최광의로 해석되어야 한다.
특히, 반도체층, 포토닉결정, 다층막미러, 전극의 재료나, 포토닉결정의 격자 형상, 다층막미러의 구조 등은 적절하게 설정할 수 있다. 또, 상기 실시예에서는, 레이저발진 파장으로서 670nm의 것을 나타냈지만, 본발명은 그것에 한정되는 것은 아니고, 적절한 재료 및 적절한 구조의 선택에 의해 임의의 파장의 발진이 가능하다.
또, 포토닉결정층은, 슬랩층(1020, 2000, 2020)에 형성한 예를 나타냈지만, 상기 포토닉결정층은 상부 클래드층(1100), 활성층(1200), 하부 클래드층(1105), 또는 다층막미러(1300)에 형성할 수 있다. 또한, 이러한 복수의 층에, 굴절률 주기구조를 형성할 수도 있다.
본 발명을 전형적인 실시예를 참조하면서 설명하였지만, 본 발명은 상기 개시된 전형적인 실시예로 한정되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하 특허 청구범위는 이러한 모든 변경과 등가의 구성 및 기능을 망라하도록 최광의로 해석되어야 한다.
본 출원은 전체로서 참조하여 본 명세서에 포함된, 2006년 4월 12에 출원된 일본국 특허출원 제 2006-109913호의 권리를 주장한다.

Claims (4)

  1. 다층막미러;
    하부 클래드층;
    활성층;
    유효 굴절률 n을 갖는 상부 클래드층; 및
    기판과 평행한 평면 내에서 주기적으로 굴절률이 변화하는 포토닉 결정층을 포함하는 발진파장 λ의 면발광 레이저로서,
    상기 다층막미러, 상기 하부 클래드층, 상기 활성층, 상기 상부 클래드층 및 상기 포토닉 결정층이 이 순서대로 기판과 수직인 방향으로 적층되고,
    상기 포토닉 결정층은 상기 포토닉 결정층에 수직으로 입사한 파장 λ의 광을 적어도 상기 광의 입사방향에 대해 0도의 각도를 형성하는 투과광과, 상기 광의 입사 방향에 대해 0도 및 90도 이외의 각도 θ로 상기 다층막미러에 입사하는 회절광으로 분리하도록 λ/(n·sinθ)의 격자 간격을 가지고,
    상기 다층막미러가 상기 투과광에 대한 반사율보다 높은 상기 회절광에 대한 반사율을 갖도록, 상기 다층막미러의 각 층은 두께 λ/(4·ni·cosθi)를 가지며, 여기서 ni는 다층막 미러의 각 층의 굴절률이고 θi는 각 층의 계면과 다층막 미러에 입사하는 광의 진행 방향에 의해 형성된 각도이고,
    상기 포토닉 결정층과 상기 다층막미러를 포함하는 도파로는 공진모드를 가지고,
    상기 포토닉 결정층은 상기 기판에 수직인 방향으로 상기 공진모드의 광을 회절시키는 것을 특징으로 하는 면발광 레이저.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 포토닉 결정층은 삼각격자 또는 정방격자중의 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 면발광 레이저.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 상기 다층막미러의 사이에 상기 투과광에 대한 반사율이 상기 회절광에 대한 반사율보다 높고, 상기 다층막미러와는 다른 반사경이 설치되는 것을 특징으로 하는 면발광 레이저.
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