KR101021726B1 - 헤테로구조, 주입레이저, 반도체 증폭소자 및 반도체 광증폭기 - Google Patents

헤테로구조, 주입레이저, 반도체 증폭소자 및 반도체 광증폭기 Download PDF

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Abstract

헤테로구조는, 광섬유통신 및 데이터통신 시스템, 광초고속 연산 및 스위칭 시스템, 의료기기, 레이저 산업설비, 주파수 배가 레이저의 개발에서 사용되는 주입레이저, 반도체 증폭소자, 반도체 광증폭기 등의 반도체 주입발광원의 제조, 및 고체상태의 섬유 증폭기 및 레이저의 펌핑에 사용된다. 헤테로구조, 주입레이저, 반도체 증폭소자 및 반도체 광증폭기를 제안하는데, 이들의 기본적인 특징은 헤테로구조의 활성영역 및 누입영역의 현대화에 있고, 또한 헤테로구조층의 위치, 조성, 굴절율 및 두께를 조합 선택하여 활성층으로부터의 발광누출을 제어 가능하게 형성할 수 있는 과도영역에 주입레이저, 반도체 증폭소자 및 반도체 광증폭기의 효과적인 작용을 제공하는데 있다.
헤테로구조, 반도체 화합물, 주입레이저, 반도체 증폭소자, 및 반도체 광증폭기, 활성층, 누입층, 반사층, 주조정층

Description

헤테로구조, 주입레이저, 반도체 증폭소자 및 반도체 광증폭기 {Heterostructure Injector Laser, Semiconductor Amplifying Element and a Semiconductor Optical Amplifier}
본 발명은 양자전자공학의 주요 구성요소에 관한 것으로서, 즉 반도체 화합물에 기초한 헤테로구조, 주입레이저, 반도체 증폭소자, 및 반도체 광증폭기에 관한 것이다.
헤테로구조는 좁은 원시야상(far-field pattern)을 갖는 효율적이고 고출력의 컴팩트한 반도체 주입발광원(이하, "IES"라고 함)을 제조하기 위한 기본요소이다.
좁은 원시야상을 누설발광하는 반도체 IES용 헤테로구조는 [미합중국 특허 제 4063189호, 1977, H01S 3/19 331/94.5], [러시아 특허 제 2142665호, 10.08. 1988, H01S 3/19]에 공지되어있다.
이런 해결하여야 할 기술적 문제점의 관점에서, 예로서의 헤테로구조가 [러시아 특허 제 2197049호, V.I. Shveikin, 18. 02. 2002, H01S 5/32]에 제안되어있다. 상기 헤테로구조의 원형은 반도체 화합물에 기초하는 것으로서, 적어도 하나의 부층으로 구성되는 적어도 하나의 활성층과; 누입영역 속으로 발광 누입되도록 투명하게 만들어진 누입영역(leak-in region)을 포함하고, 이 누입영역은 활성층의 적어도 일 측면상에 위치하며, 이 누입영역은 적어도 하나이며; 이 누입영역은 적어도 하나의 부층으로 구성되는 적어도 하나의 누입층을 갖는다. 상기 헤테로구조는 누입층의 굴절율(nin)에 대한 헤테로구조의 유효굴절율(neff)의 비율에 의해 특징 지워진다. 여기서, 이 헤테로구조는 적어도 두 개의 반사층이 활성층의 각 측면에 적어도 하나씩 추가적으로 배치되며; 상기 반사층은 neff보다 작은 굴절율을 가지며 적어도 하나의 부층으로 형성된다. 이 누입영역은 활성층과 그 대응 반사층 사이에 위치한다. 상기 누입영역에는 두 개의 추가층, 즉 활성층의 표면에 인접한 누입영역의 경계층으로서, 적어도 하나의 부층으로 형성되고 활성층의 밴드갭을 초과하는 밴드갭을 갖는 반도체로 만들어지는 경계층과, 상기 경계층의 표면에 인접한 누입영역의 조정층으로서, 적어도 하나의 부층으로 형성되는 조정층이 형성된다. 또한 누입층은 누입영역에 위치한다. nin에 대한 neff의 비율은 1-Δ 내지 1+Δ의 범위내에서 결정되는데, 여기서 Δ는 1보다 훨씬 작은 크기이다.
이 원형 헤테로구조는 다수의 중요한 이점을 갖는다. 이 제조기술은 간단하게 되어있는데, 즉 발광이 누설되는 이 헤테로구조에 기초한 IES의 동작에서, 분할 광학면의 캐비티에 대략 수직한 출력발광이 얻어지며, 출력발광강도는 증가하며, 수직면에서의 발광면적의 크기가 증가하고 따라서 발광 분산각이 감소한다. 동시에 상기 헤테로구조는 이를 기초로 제조된 IES의 높은 에너지 및 공간 특성의 획득 가능성을 제한한다.
누설발광이 있고 좁은 원시야상을 갖는 주입레이저는 [미합중국 특허 제 4063189호, 1977, H01S 3/19, 331/94.5 H], [러시아 특허 제 2142665호, 10.08. 1998, H01S 3/19]에 공지되어있다.
해결하여야 할 기술적 특징 및 기술적 문제점의 관점에서 예로서의 모범 주입레이저가 [러시아특허 제 2197048호, V.I. Shveikin, 18.02.2002, 7 H01S 5/32]에 제안되어있다. 상기 모범 주입레이저는 반도체 화합물에 기초한 헤테로구조를 포함한다. 상기 헤테로구조는 적어도 하나의 부층으로 구성되는 적어도 하나의 활성층과, 누입영역으로 발광이 누입되도록 투명하게 만들어진 누입영역을 포함하는데, 상기 누입영역은 적어도 하나이며, 누입영역은 적어도 하나의 부층으로 구성되는 적어도 하나의 누입층을 갖는다. 상기 헤테로구조는 누입층의 굴절율(nin)에 대한 헤테로구조의 유효굴절율(neff)의 비율을 특징으로 한다. 헤테로구조 외에, 상기 모범 주입레이저는 광공진기 뿐만 아니라 광학면, 반사체, 오옴접점도 포함하며, 그 매체의 적어도 일부는 누입영역의 적어도 일부와 활성층의 적어도 일부로 만들어진다. 상기 헤테로구조에서, 활성층의 각 측면에 적어도 하나씩 적어도 두 개의 반사층이 추가로 배치되며, 상기 반사층은 neff보다 작은 굴절율을 가지며 적어도 하나의 부층으로 형성된다. 누입영역은 활성층과 그 대응 반사층 사이에 위치한다. 상기 누입영역에는 두 개의 추가의 층, 즉 활성층의 표면에 인접한 누입영역의 경계층으로서, 적어도 하나의 부층으로 형성되고 활성층의 밴드갭을 초과하는 밴드갭을 갖는 반도체로 만들어지는 경계층과; 상기 경계층의 표면에 인접하며 적어도 하나의 부층으로 형성되는 조정층이 형성된다. 또한, 상기 누입층은 상기 누입영역 내에 위치하는데, 상기 반사층의 적어도 일부는 광공진기의 추가 매체로서 작용한다. nin에 대한 neff의 비율은 1-Δ 내지 1+Δ의 범위내에서 결정되는데, 여기서 Δ는 1보다 훨씬 작은 크기로 결정된다. 임계전류를 초과하는 소정전류치에 대한 모범 주입레이저의 동작에서, 활성층 내에 한정되고 헤테로구조층의 조성 및 두께에 의해 정해지는 레이저발광의 강도는 레이저발진 임계치를 유지하는데 필요한 값 이상이다.
상기 모범 주입레이저의 주된 이점은 레이저출력의 증가, 수직면에서의 발광면의 크기의 확대, 및 이에 따른 발광 발산각의 감소, 주입레이저의 제조기술의 단순화, 분할 광학면의 캐비티에 대략 수직한 발광출력의 실현이다. 동시에, 상기 모범 주입레이저는 낮은 레이저발진 임계전류와 높은 효율 및 출력의 레이저발광 및 높은 공간특성이 획득을 어느 정도 제한한다.
반도체 증폭소자(SAE)는 [Laser Focus World, 2001년 9월, 73-79페이지]에 공지되어있다.
해결하여야 할 기술적 문제점의 관점에서, 예로서의 모범 반도체 증폭소자는 [러시아 특허 제 2197047호, V.I. Shveikin, 18.02.2002, 7 H01S 5/32]에 제안되어있다. 상기 SAE는 반도체 화합물에 기초한 헤테로구조를 포함하는데, 이는 적어도 하나의 부층으로 구성된 적어도 하나의 활성층과, 누입영역으로 발광이 누입되도록 투명하게 만들어진 누입영역을 포함하며, 상기 누입영역은 활성층의 적어도 일측면 에 위치하며, 상기 누입영역은 적어도 하나이며, 상기 누입영역은 적어도 하나의 부층으로 구성된 적어도 하나의 누입층을 갖는다. 상기 헤테로구조는 누입층의 굴절율(nin)에 대한 헤테로구조의 유효굴절율(neff)의 비율을 특징으로 한다. 상기 헤테로구조 외에, 모범 SAE는 또한 광학면, 반사체, 오옴접점 및 적어도 하나의 광학면상의 투명막을 포함한다. 이 반도체 증폭소자의 동작에서, 증폭발광의 전파매체는 누입영역의 적어도 일부와 활성층의 적어도 일부이다. 상기 헤테로구조에는 활성층의 각 측면에 적어도 하나씩 적어도 두 개의 반사층이 추가로 배치되며, 상기 반사층은 neff보다 작은 굴절율을 가지고 적어도 하나의 부층으로 형성된다. 누입영역은 활성층과 그에 대응하는 반사층 사이에 위치한다. 누입영역에는 두 개의 추가층, 즉 활성층의 표면에 인접한 누입영역의 경계층으로서, 적어도 하나의 부층으로 형성되고 활성층의 밴드갭을 초과하는 밴드갭을 갖는 반도체로 만들어지는 경계층과, 상기 경계층의 표면에 인접한 누입영역의 조정층으로서, 적어도 하나의 부층으로 형성되는 조정층이 형성된다. 또한, 누입영역에는 누입층이 위치한다. nin에 대한 neff의 비율은 1-Δ 내지 1+Δ의 범위내에서 결정되는데, 여기서 Δ는 1보다 훨씬 작은 크기로 결정된다. 반도체 증폭소자의 동작에서, 증폭발광의 추가매체는 상기 반사층의 적어도 일부인 한편 헤테로구조층의 조성 및 두께와 투명막의 반사율에 의해 정해지는 상기 활성층에 한정된 증폭발광 강도는 자체여기 전류의 임계밀도에서의 크기보다 작게 선택된다.
상기 모범 SAE의 주된 이점은 제조기술의 단순화, 분할면에 대략 수직한 발 광출력, 큰 입구 및 출구, 소음지수 감소, 입력 주발광의 편광에 대한 감도 감소, 발광분산각 감소이다. 동시에 모범 SAE는 입력신호에 대한 불충분한 감도 및 작은 신호증폭계수의 크기에 대한 일정한 제한을 갖는다.
반도체 광증폭기(SOA)는 [IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 11, No. 9, September 1999, pp. 1099-1101]에 공지되어있다.
해결하여야 할 기술적 문제점의 관점에서, 모범 광증폭기는 [러시아 특허 제 2197047호, V.I. Shveikin, Russia, 18.02.2002, 7 H01S 5/32]에 제안되어있다.
모범 SOA는 광학적으로 연결된 입력발광 주공급원과 [러시아 특허 제 2197047호, V.I. Shveikin, Russia, 18.02.2002, 7 H01S 5/32]에서 제안하고 상기 3-4페이지에 나타낸 모범 SAE를 포함한다.
모범 SOA의 주된 이점은 제조기술은 단순화, 분할면에 대하여 대략 수직한 발광출력, 근시야 및 원시야에서의 발광분포의 개선, 출력변수의 개량된 온도의존성이다. 동시에 모범 SOA는 입력발광의 증폭계수치와 출력증폭강도의 값 및 높은 발광공간특성에 일정한 제약을 갖는다.
본 발명의 기술적 과제는 헤테로구조의 설계, 특히 헤테로구조에 기초하여 제조된 IES의 에너지 및 공간적 특성의 개량을 위해, 즉 공간 및 각도 특성이 개량되고 출력발광의 발산각이 작고, 온도의존성이 향상되고 오옴 및 열적 저항이 감소되고 기계적 응력이 감소된 고출력, 고효율 및 고신뢰성의 반도체 주입발광원을 제조하기 위해 발광영역 및 활성층에서의 설계를 현대화하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 레이저발진 임계전류를 더욱 감소시키고 단일모드, 단일주파수의 주입레이저를 포함한 레이저 발광의 높은 공간특성과 함께 주입레이저의 효율, 출력 및 신뢰도를 향상시키고, 오옴저항 및 열적 저항을 줄이고, 압축기계응력의 정도를 감소시키고, 발광의 근시야 및 원시야 분포를 개량시키며, 출력변수의 온도의존성을 향상시키고, 발광의 비선형 변형을 줄여서 고출력강도를 얻는데 뿐만 아니라 발광스펙트럼선의 폭의 감소, 주파수이동의 감소, 고주파수 및 고속 변조특성의 개량에 기여하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 입력신호에 대한 민감성을 증가시키고, 반도체 증폭소자의 소신호증폭치를 증가시키며, 비선형 발광변형을 더욱 감소시켜서, 출력발광의 분산각이 작고, 발광의 근시야 및 원시야의 분포가 개량되고, 입력발광의 편광에 대한 민감성이 감소되고, 온도의존성이 향상되고, 오옴 및 열적 저항이 감소되고, 기계적 응력 정도가 감소된 고출력, 고효율, 고신뢰성, 저소음, 고주파수, 고개구(high-aperture) 반도체 광증폭기를 제조하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 높은 증폭발광 공간특성, 고효율, 고신뢰도를 가지며 입구 및 출구 면적이 크고 오옴저항 및 열적저항이 감소되고 기계응력의 정도가 감소된 단일모드, 단일 주파수(입력발광의 주공급원에 의존) 반도체 광증폭기 등의 반도체 광증폭기의 입력발광 증폭계수 및 출력을 증가시키는 것이다.
본 발명의 일 특징은, 반도체 화합물계 헤테로구조로서, 누입층의 굴절율(nin)에 대한 헤테로구조의 유효굴절율(neff)의 비율, 즉 nin에 대한 neff의 비율은 1+Δ 내지 1-Δ의 범위내에서 결정되는데, 여기서 Δ는 1보다 훨씬 작은 크기로 결정되는 것을 특징으로 하는 헤테로구조이다. 상기 헤테로구조는 적어도 하나의 활성층, 상기 활성층의 각 측면에 적어도 하나씩 적어도 두 개의 반사층을 포함하며, 상기 반사층은 적어도 하나의 부층으로 형성되어 상기 헤테로구조의 유효굴절율(neff)보다 작은 굴절율을 갖는다. 상기 헤테로구조는 상기 활성층과 그 대응 반사층 사이에 위치하는 누입영역 발광용 투명부를 포함한다. 상기 누입영역은 상기 활성층의 적어도 일측면에 위치하며, 상기 누입영역은 적어도 하나이며, 상기 누입영역은 굴절율(nin)을 가지고 적어도 하나의 부층으로 구성되는 적어도 하나의 누입층을 포함한다. 상기 누입영역은 적어도 하나의 부층으로 구성된 적어도 하나의 경계층을 갖는다. 이 경우, 상기 누입영역 속에는 주조정층이 추가로 도입되는데, 이 주조정층은 적어도 하나의 부층으로 구성되고 그 부층 중의 적어도 하나의 부층은 상기 누입층의 굴절율(nin) 이상의 굴절율을 가지며 주조정층의 한 표면은 상기 활성층에 인접하는 한편 상기 주조정층의 반대측면에는 상기 주조정층의 굴절율보다 작은 굴절율을 갖는 상기 경계층이 위치한다.
본 발명의 헤테로구조(HS)의 특징은 누입영역에서의 활성층의 설계, 조정층의 위치 및 경계층의 위치가 변경된 모범 HS의 누입영역 및 활성층의 현대화에 있다. 본 발명의 HS의 활성층은 부층을 포함하지 않으며 적어도 하나가 될 수 있다. 이 경우, 하나의 활성층이 형성될 때, 추가로 도입된 누입영역의 주조정층의 일측면이 활성층에 인접하는 한편 주조정층의 타측면에는 누입영역의 경계층이 인접해있다. 이 경우, 두 개 이상의 활성층이 HS에 형성될 때는, 주조정층과 동일하거나 유사한 특성을 갖는 중앙의 주조정층이 활성층 사이에 도입된다.
본 발명의 헤테로구조에 기초한 반도체 IES의 작용은 활성층으로부터 발광이 누설되어 누입영역 속으로 누입되고 누입영역에 인접한 반사층의 일부 속으로 누입되는 과도공정의 부근에서 일어난다. 본 발명의 HS에서의 누설공정은 그 층의 조성 및 두께에 의해 정해지며, 누입층의 굴절율(nin)에 대한 헤테로구조의 유효굴절율(neff)의 비율에 의해 제어된다. 누입공정의 전이점(transition point)은 nin에 대한 neff의 비율이 1.0과 같아진다. 동작전류 범위에서, 이 비율은 1+Δ 내지 1-Δ의 크기범위 내에서 결정되는데, 여기서 Δ의 크기는 약 0.01이다. 동작하는 소자에서 neff/nin의 비율은 HS를 통해 흐르는 전류가 증가함에 따라서 감소한다.
선택된 neff/nin의 비율 및 IES를 통해 흐르는 주어진 전류밀도에서 IES의 효율은 활성층에서의 발광증폭 결과치에 일정 정도까지 의존한다. 그 결과의 증폭은 활성층에서의 발광의 공진손실 및 HS층에서의 광학적 손실이 없는 최종증폭이 된다는 것을 이해할 수 있다.
계산에 의해 나타내고 실험데이터에 의해 확인한 바와 같이, 활성층에서의 상기 결과 증폭의 최대치는 주조정층(또는 그 부층)의 두께 및 굴절율의 선택 및 위치에 의해 정확히 얻어진다. 따라서, 본 발명의 HS 속에 추가로 도입된 주조정층은 neff/nin의 비율을 제어하는데 필요할 뿐만 아니라 IES의 에너지 및 공간 특성을 본질적으로 향상시킬 수 있게 한다.
활성층에서의 결과로서의 발광증폭의 증가 및 IES의 에너지특성의 향상을 위한 바람직한 실시예에서, 적어도 두 개의 활성층이 HS 속에 도입되고, 이들 두 개의 활성층 사이에는 도입된 중앙 주조정층 또는 그 부층의 하나가 배치된다.
어떤 HS는, 주조정층의 두께 증가에 제약이 있을 때, 누입영역의 주조정층과 함께, 적어도 한 측면이 경계층의 표면에 인접하고 적어도 하나의 부층으로 만들어진 보조 조정층을 형성하는 것이 바람직하다.
HS의 효과적인 현대화를 보장하기 위해, 주조정층, 중앙 주조정층 및 보조 조정층은 누입층의 굴절율(nin) 이상의 굴절율을 갖도록 만들어지는 한편, 상기 조정층의 두께는 약 0.005μm 내지 약 1.0μm의 범위내에서 선택된다.
활성층 내에 전자 및 정공을 효과적으로 감금하고 따라서 IES의 온도의존성의 향상 및 효율증대를 위해 경계층은 약 0.01μm 내지 약 0.30μm의 범위 내에서 선택되는 두께를 갖도록 만들어진다.
IES의 발광 분산각을 줄이기 위해, 누입영역의 누입층의 두께는 1.0μm 내지 10μm 이상의 범위 내에서 선택되고, 대부분 누입층에 인접한 반사층의 부층 중의 적어도 하나는 누입층의 굴절율에 가까운 굴절율을 갖도록 만들어진다.
제조기술공정을 단순하게 하기 위해, HS의 일부 실시예에서는 적어도 하나의 누입층이 경계층의 굴절율과 동일한 굴절율을 갖도록 만들어진다.
본 발명의 HS로 만들어진 IES의 효율을 결정하는 내부광손실의 감소를 위한 바람직한 실시예에서, 중간의 주조정층은 성장중에 첨가되지 않으며, 보조 조정층(있는 경우), 누입층 및 누입층에 인접한 적어도 하나의 반사층의 일부는 대략 1015cm-3 내지 1017cm-3의 낮은 정도의 적절한 도핑불순물로 첨가되며, 경계층은 대략 1017cm-3 내지 2·1018cm-3의 일정 레벨의 적절한 도핑불순물이 첨가된다.
누입영역 또는 누입층의 개수 및 위치에 따라서, 두 종류의 HS, 즉 대칭형 HS 및 비대칭형 HS를 제조할 수 있다. 대칭형 HS에 있어서, 누입영역은 활성층의 각 측면에 위치하며 대부분은 관련층의 굴절율과 두께가 동일하다. 비대칭형 HS에서는 하나의 누입영역이 활성층의 일측면상에, 대부분은 n형 도핑측에 위치한다.
바람직한 실시예에서, 일정 파장에서 발광하도록 된 본 발명의 HS에서는 누입층의 조성(또는 굴절율)을 헤테로구조가 성장하는 반도체 기판의 조성(또는 굴절율)과 동일하거나 가깝게 발광용으로 투명하게 선택할 수 있다. 기판은 대체로 2원 반도체 화합물(예를 들어, GaAs, InP, GaN, GaSb)이며, 누입층의 두께는 통상 전체 HS층의 두께의 많은 부분을 형성하며, HS에서의 압축기계응력도 상당히 줄어들 것이며, 오옴저항 및 열적저항이 감소하여, 결국 본 발명의 HS에 기초하여 효율 및 출력강도가 증가하고 동작수명 및 IES의 신뢰도 증가가 이루어진다.
IES를 통해 흐르는 동일한 전류에서, 출력강도를 대략 두 개 또는 세 개 이상의 인자만큼 증가시키기 위해서, 본 발명에서는 각각 두 개 또는 세 개 이상의 활성층이 만들어지며, 그 캐비티는 서로 평행하며, 그 사이에는 p형 및 n형의 고농도 첨가된 두 개의 얇은 부층으로 구성된 중간 주조정층이 배치되어 IES의 동작중에 하나의 활성층으로부터 다른 활성층으로 전류의 터널통로를 제공하게 된다.
본 발명에서 제안하는 독특한 헤테로구조의 핵심은 그 누입영역 및 활성층의 현대화에 있는데, 이런 현대화는 누입영역 속에 도입된 주조정층으로 구성되며, 또한 누입영역의 층의 위치가 변하며, 부층을 포함하지 않는 활성층이 도입된다. 이들 모든 것은 주 특성 중의 두 개, 즉 IES의 발광 공간특성 및 최대출력이 얻어질 때 활성층에서의 결과증폭치와 neff/nin의 비율값의 최적 조합을 얻기 위해 HS의 두께 및 조성을 적절히 선택함으로써 만들어진다.
이런 모든 특징들을 갖는 상술한 신규의 현대화된 HS는 본 발명에서 제안하는 개수의 양자전자공학 핵심활성요소, 즉 주입레이저, 반도체 증폭소자, 및 반도체 광증폭기에 포함된다.
본 발명의 다른 특징은, 반도체 화합물계 헤테로구조로서, 누입층의 굴절율(nin)에 대한 헤테로구조의 유효굴절율(neff)의 비율, 즉 nin에 대한 neff의 비율은 1+Δ 내지 1-Δ의 범위내에서 결정되는데, 여기서 Δ는 1보다 훨씬 작은 크기로 결정되는 것을 특징으로 하는 헤테로구조이다. 상기 헤테로구조는 적어도 하나의 활성층, 상기 활성층의 각 측면에 적어도 하나씩 적어도 두 개의 반사층을 포함하며, 상기 반사층은 적어도 하나의 부층으로 형성되어 상기 헤테로구조의 유효굴절율(neff)보다 작은 굴절율을 갖는다. 상기 헤테로구조는 상기 활성층과 그 대응 반사층 사이에 위치하는 누입영역 발광용 투명부를 포함한다. 상기 누입영역은 상기 활성층의 적어도 일측면에 위치하며, 상기 누입영역은 적어도 하나이며, 상기 누입영역은 굴절율(nin)을 가지며 적어도 하나의 부층으로 구성되는 적어도 하나의 누입층을 포함한다. 상기 누입영역은 적어도 하나의 부층으로 구성된 적어도 하나의 경계층을 갖는다. 주입레이저는 또한 광학면, 반사체, 오옴접점, 광공진기도 포함하는데, 그 매체의 적어도 일부는 누입영역의 적어도 일부, 활성층의 적어도 일부 및 반사층의 적어도 일부로 만들어진다. 광공진기 반사체의 반사율과 헤테로구조층의 조성 및 두께는 상기 주입레이저의 동작중에 활성층에서의 발광증폭이 동작전류의 전체범위에 걸쳐서 레이저발진 임계치를 유지할 수 있을 정도로 충분하게 되도록 선택된다. 이 경우 주조정층이 누입영역 속에 추가로 도입되며, 상기 주조정층은 적어도 하나의 부층으로 구성되고, 그 부층의 적어도 하나가 누입층의 굴절율(nin) 이상의 굴절율을 가지고 일 표면이 활성층에 인접하는 반면, 주조정층의 반대측면에는 주조정층의 굴절율보다 작은 굴절율을 갖는 경계층이 배치된다. 레이저발진 임계전류장에서의 neff/nin의 비율은 1+Γ 내지 1-Γ의 범위내에서 결정되는데, 여기서 Γ의 크기는 Δ보다 작은 크기로 결정된다.
본 발명의 주입레이저(이하 레이저라고 한다)의 주된 특징은 HS의 누입영역 및 활성층의 현대화에 있는데, 이에 기초하여 레이저가 제조된다. 이 경우, 누입영역 속에는 주조정층이 도입되며, 누입영역의 층들의 위치는 변화한다. 본 발명의 HS에서 활성층은 부층을 포함하지 않으며 적어도 하나일 수 있다. 하나의 활성층이 형성되는 경우, 누입영역의 추가로 도입된 주조정층은 그 일측면이 활성층에 인접하는 반면, 주조정층의 타측면에는 누입영역의 경계층이 인접한다. HS에 두 개 이상의 활성층이 형성되는 경우, 이 활성층 사이에는 주조정층과 동일하거나 유사한 특성을 갖는 중앙 주조정층이 배치된다. 본 발명의 헤테로구조에 기초한 레이저의 작용은 활성층으로부터의 발광누설 및 누입영역속으로의 그 누설의 과도공정의 부근에서 일어난다.
특정 전류치에서의 발광이 지나치게 누설되면 진동이 소멸된다. 이를 피하기 위해, 광공진기의 반사기의 반사율과 HS층의 조성 및 두께는 이런 레이저 동작에서 활성층의 결과로서의 발광증폭이 동작전류의 범위 전체에 걸쳐서 레이저발진임계치를 유지할 수 있을 정도로 충분하도록 선택된다.
레이저 HS에서 누설공정은 HS층의 조성 및 두께에 따라서 결정되며, 누입층의 굴절율(nin)에 대한 헤테로구조의 유효굴절율(neff)의 비율에 의해 제어된다. 누설공정의 전이점(transition point)은 nin에 대한 neff의 비율이 1과 같아지는 조건이다. 동작전류범위에서, 이 비율은 1+Δ 내지 1-Δ의 범위에서 선택되는데, 여기서 Δ의 크기는 약 0.01이다. 이 동작소자에서 neff/nin의 비율은 HS를 통해 흐르는 전류가 증가함에 따라서 감소한다는 것을 알아야 한다.
레이저의 낮은 레이저발진 임계전류를 얻기 위해서는 neff/nin의 비율을 상기 범위 1.01 내지 0.99 보다 좁은 범위에서 선택하여야 한다. 초기(임계)전류의 영역에서 neff/nin의 비율은 양측면에서 1에 아주 가깝게, 즉 1+Γ 내지 1-Γ의 범위에서 선택되는데, 여기서 Δ보다 작은 값으로 결정되는 ΔΓ의 크기는 약 0.005이다. 선택된 neff/nin의 비율값에서 레이저의 레이저임계전류는 일정 정도까지는 활성층에서의 결과로서의 발광증폭치에 의존한다. 계산에 의해 나타나고 본 발명의 레이저에 대한 실험데이터의 계산에 의해 확인되는 바와 같이, 1.005 내지 0.995의 범위에서 선택된 neff/nin의 비율에서 주조정층의 굴절율을 선택하고 두께를 선택함에 의해 그리고 위치에 의해 레이저발진 임계전류의 최소치가 얻어진다. 따라서, 본 발명의 HS에 추가적으로 도입된 특별하게 위치한 주조정층은 neff/nin의 비율을 제어할 필요가 있을 뿐만 아니라, 초기의 기술적 문제점들을 해결할 수 있게, 즉 무엇보다도 레이저의 출력변수(임계전류, 효율, 출력강도) 및 공간특성(근시야에서의 발광분포, 원시야에서의 발광분산각)을 개량할 수 있게 한다.
레이저발진 임계전류를 감소시키기 위한 바람직한 실시예에서, 적어도 두 개의 활성층을 HS 속에 도입하는 것이 제안되며, 이들 두 개의 활성층 사이에는 도입된 중앙 주조정층 또는 그 부층의 하나가 배치된다.
주조정층의 두께 증가에 제약이 있는 일부 레이저에서는, 누입영역의 주조정층과 함께, 적어도 일측면이 경계층의 표면에 인접하고 적어도 하나의 부층으로 만들어진 보조 조정층을 형성하는 것이 바람직하다.
레이저의 고출력변수 및 공간특성을 제공하기 위해서는 누입층의 굴절율(nin) 이상의 굴절율을 갖도록 중앙 주조정층 및 보조 조정층이 만들어지며, 상기 조정층의 두께는 약 0.005μm 내지 약 1.0μm의 범위로부터 선택된다.
활성층 내에 전자 및 정공을 효과적으로 감금하고 따라서 레이저의 온도의존성의 향상 및 효율증대를 위해 경계층은 약 0.01μm 내지 약 0.30μm의 범위 내에서 선택되는 두께를 갖도록 만들어진다.
수직면에서의 발광 분산각을 줄이고 레이저의 효율을 증가시키기 위해, 누입영역의 누입층의 두께는 약 1.0μm 내지 약 10μm 이상의 범위 내에서 선택되고, 대부분 누입층에 인접한 반사층의 부층 중의 적어도 하나는 누입층의 굴절율에 가까운 굴절율을 갖도록 만들어진다.
제조기술공정을 단순하게 하기 위해, 레이저의 일부 실시예에서는 적어도 하나의 누입층이 경계층의 굴절율과 동일한 굴절율을 갖도록 만들어진다.
레이저의 효율을 결정하는 내부광손실의 감소를 위한 바람직한 실시예에서, 주조정층 및 중간 주조정층은 성장중에 첨가되지 않으며, 보조 조정층(있는 경우), 누입층 및 누입층에 인접한 적어도 하나의 반사층의 일부는 대략 1015cm-3 내지 1017cm-3의 낮은 정도의 적절한 도핑불순물로 첨가되며, 경계층은 대략 1017cm-3 내지 3·1018cm-3의 일정 레벨의 적절한 도핑불순물이 첨가된다.
누입영역(또는 누입층)의 개수 및 위치에 따라서, 두 종류의 레이저, 즉 대칭형 레이저 및 비대칭형 레이저를 제조할 수 있다. 대칭형 레이저에 있어서, 누입영역은 활성층의 각 측면에 위치하며 대부분은 관련층의 굴절율과 두께가 동일하다. 비대칭형 레이저에서는 누입영역이 하나일 수 있고, 활성층의 일측면상에, 대부분은 n형 도핑측에 위치한다.
바람직한 실시예에서, 일정 파장에서의 본 발명의 레이저에서는, 누입층의 조성(또는 굴절율)을 발광을 위해 투명한 반도체 기판(그 상면에 헤테로구조가 성장)의 조성(또는 굴절율)과 동일하거나 유사하게 선택할 수 있다. 기판은 대체로 2원 반도체 화합물(예를 들어, GaAs, InP, GaN, GaSb)이며, 누입층의 두께는 통상 전체 HS층의 두께의 많은 부분을 형성한다. 이 경우, 압축기계응력의 정도가 상당히 감소되며, 오옴저항 및 열적저항이 감소하여, 결국 본 발명의 레이저의 효율 및 출력강도가 증가하고 동작수명 및 신뢰도가 증가할 것이다.
동일한 동작전류에서, 출력강도를 대략 두 개 또는 세 개 이상의 인자만큼 증가시키기 위해서, 본 발명의 레이저에서는 각각 두 개 또는 세 개 이상의 활성층이 만들어지며, 그 캐비티는 서로 평행하며, 그 사이에는 p형 및 n형의 고농도 첨가된 두 개의 얇은 부층으로 구성된 중간 주조정층이 배치되어 동작중에 레이저는 하나의 활성층으로부터 다른 활성층으로 전류의 터널통로를 제공하게 된다.
본 발명의 레이저에서 레이저 비임의 공간안정도에 기여하여 고출력 주입레이저의 출력을 한정하게 되는 비선형 변형이 상당히 감소됨을 알아야 한다[P.G. Eliseev, Yu.M. Popov, Kvantovaya elektronika, 24, No. 12 (1997), 1067-1079]. 이는 본 발명의 레이저에서 레이저방출의 유량의 대부분은 투명한 누입층(선형매체)을 통해 전파되며, 유량의 아주 작은 부분(약 0.01% 이하)은 비선형 활성매체를 통해 전파된다는 사실에 기인하는 것이다. 이는 본 발명의 레이저의 단일주파수 레이저 발진을 포함한 고출력의 획득 및 스펙트럼선의 폭의 감소, 주파수이동의 감소, 고주파수 및 고속 변조특성의 향상을 결정하는데, 이는 현대의 섬유연결 및 그 외의 용도에 사용하는 대단한 사실적인 중요성을 갖는다.
본 발명에서 제안하는 독특한 레이저의 핵심은 HS의 그 누입영역 및 활성층의 현대화에 있는데, 이에 기초하여 레이저가 만들어진다. 이 경우, 부층을 포함하지 않는 활성층의 표면에 인접한 추가의 원래 위치하는 주조정층이 누입영역 속에 도입되고, 주조정층 및 보조 조정층, 경계층, 누입층 및 그 부층, 반사층 및 그 부층의 그 외의 원래의 특성(도핑의 위치, 조성, 두께, 레벨)을 제안하여 HS의 층의 두께 및 조성을 적절히 선택함으로써 주요 특성 중에 두 개, 즉 레이저의 최상의 에너지 및 공간 특성이 얻어지는 활성층에서의 증폭 및 초기(임계)전류장에서의 neff/nin의 비율의 최적 조합을 실현할 수 있다.
본 발명의 다른 특징은, 반도체 화합물에 기초한 헤테로구조를 포함하는 반도체 증폭소자(이하 SAE라고 한다)로서, 누입층의 굴절율(nin)에 대한 헤테로구조의 유효굴절율(neff)의 비율, 즉 nin에 대한 neff의 비율은 1+Δ 내지 1-Δ의 범위내에서 결정되는데, 여기서 Δ는 1보다 훨씬 작은 크기로 결정되는 것을 특징으로 하는 반도체 증폭소자이다. 상기 헤테로구조는 적어도 하나의 활성층, 상기 활성층의 각 측면에 적어도 하나씩 적어도 두 개의 반사층을 포함하며, 상기 반사층은 적어도 하나의 부층으로 형성되어 상기 헤테로구조의 유효굴절율(neff)보다 작은 굴절율을 갖는다. 상기 헤테로구조는 상기 활성층과 그 대응 반사층 사이에 위치하는 누입영역 발광용 투명부를 포함한다. 상기 누입영역은 상기 활성층의 적어도 일측면에 위치하며, 상기 누입영역은 적어도 하나이며, 상기 누입영역은 굴절율(nin)을 가지며 적어도 하나의 부층으로 구성되는 적어도 하나의 누입층을 포함한다. 상기 누입영역은 적어도 하나의 부층으로 구성된 적어도 하나의 경계층을 갖는다. SAE는 또한 광학면, 오옴접점 및 적어도 하나의 광학면상의 투명막을 포함한다. 광학면상의 투명막의 반사율과 헤테로구조층의 조성 및 두께는 전체 동작전류범위를 걸친 활성층의 발광증폭치가 동작 반도체 증폭소자의 자체여기를 일으키기 위한 상기 증폭치를 초과하지 않는 방식으로 선택되는데, 증폭발광의 전파매체는 누입영역의 적어도 일부, 활성층의 적어도 일부 및 누입층에 인접한 활성층의 적어도 일부로 이루어진다. 이 경우 주조정층이 누입영역 속에 추가로 도입되며, 상기 주조정층은 적어도 하나의 부층으로 구성되고, 그 부층의 적어도 하나가 누입층의 굴절율(nin) 이상의 굴절율을 가지고 일 표면이 활성층에 인접하는 반면, 주조정층의 반대측면에는 주조정층의 굴절율보다 작은 굴절율을 갖는 경계층이 배치된다.
본 발명의 SAE의 주된 특징은 HS의 누입영역 및 활성층의 현대화에 있는데, 이에 기초하여 SAE가 제조된다. 이 경우, 누입영역 속에는 주조정층이 도입되며, 누입영역의 층들의 위치는 변화한다. 본 발명의 HS에서 활성층은 부층을 포함하지 않으며 적어도 하나일 수 있다. 하나의 활성층이 형성되는 경우, 누입영역의 추가로 도입된 주조정층은 그 일측면이 활성층에 인접하는 반면, 주조정층의 타측면에는 누입영역의 경계층이 인접한다. 두 개 이상의 활성층이 형성되는 경우, 이 활성층 사이에는 주조정층과 동일하거나 유사한 특성을 갖는 중앙 주조정층이 배치된다. 본 발명의 헤테로구조에 기초한 SAE의 작용은 활성층으로부터의 발광누설 및 누입영역속으로의 그 누설의 과도공정의 부근에서 일어난다.
SAE에서 누설공정은 HS층의 조성 및 두께에 따라서 결정되며, 누입층의 굴절율(nin)에 대한 헤테로구조의 유효굴절율(neff)의 비율에 의해 제어된다. 동작전류범위에서, neff/nin의 비율은 약 1.01 내지 약 0.99의 범위에서 결정된다.
주어진 동작전류에서 그리고 neff/nin의 선택 비율값에서의 소음레벨, 증폭계수, 출력강도 뿐만 아니라 입력신호에 대한 SAE의 감도는 활성층에서의 결과 증폭값에 일정 정도까지 의존한다. 본 발명의 SAE에 대한 계산으로 나타낸 바와 같이, 주조정층(또는 그 부층)의 두께 및 굴절율의 선택 및 위치에 의해 정확히 선택된 neff/nin의 비율에서 일정한 동작전류가 얻어진다. 따라서 본 발명의 HS 속에 추가로 도입된 원래 위치하는 주조정층이 상기 기술적 문제점을 해결할 수 있게, 즉 입력신호에 대한 감도, 소음레벨, 증폭계수, 출력 등의 SAE의 주 변수를 본질적으로 향상시킬 수 있게 하고, 입구 및 출구의 사이즈를 증가시켜서 원시야장에서의 발광분산각 및 편광감도를 줄일 수 있게 한다.
SAE의 증폭모드를 안정화시키기 위해, 광학면상의 투명막의 반사율과 헤테로구조층의 조성 및 두께는 동작전류에서 활성층의 발광증폭 결과치가 동작하는 반도체 증폭소자의 자체여기를 일으키는 상기 증폭치를 초과하지 않도록 선택된다.
입력신호에 대한 감도의 증대 및 증폭계수의 증대를 위한 바람직한 실시예에서, 적어도 두 개의 활성층을 HS 속에 도입할 것이 제안되는데, 두 개의 활성층 사이에 도입형 중앙 주조정층 또는 그 부층의 하나가 배치된다.
주조정층의 두께 증가에 제약이 있는 일부 SAE에서는, 누입영역의 주조정층과 함께, 적어도 일측면이 경계층의 표면에 인접하고 적어도 하나의 부층으로 만들어진 보조 조정층을 형성하는 것이 바람직하다.
SAE의 주 변수를 제공하기 위해서는, 누입층의 굴절율(nin) 이상의 굴절율을 갖도록 중앙 주조정층 및 보조 조정층이 만들어지며, 상기 조정층의 두께는 약 0.005μm 내지 약 1.0μm의 범위로부터 선택된다.
SAE 변수의 온도의존성을 개량하기 위해, 경계층은 약 0.01μm 내지 약 0.30μm의 범위 내에서 선택되는 두께를 갖도록 만들어진다.
소음지수를 줄이고 SAE의 증폭발광 분산각을 감소시키기 위해서, 누입영역의 누입층의 두께는 약 1.0μm 내지 약 10μm 이상의 범위 내에서 선택되고, 바람직하게는 누입층에 인접한 반사층의 부층 중의 적어도 하나는 누입층의 굴절율에 가까운 굴절율을 갖도록 만들어진다.
제조기술공정을 단순하게 하기 위해, SAE의 일부 실시예에서는 누입영역의 적어도 하나의 누입층이 경계층의 굴절율과 동일한 굴절율을 갖도록 만들어진다.
SAE의 효율을 결정하는 내부광손실의 감소를 위한 바람직한 실시예에서, 주조정층 및 중간 주조정층은 성장중에 첨가되지 않으며, 보조 조정층(있는 경우), 누입층 및 누입층에 인접한 적어도 하나의 반사층의 일부는 대략 1015cm-3 내지 1017cm-3의 낮은 정도의 적절한 도핑불순물로 첨가되며, 경계층은 대략 1017cm-3 내지 3·1018cm-3의 일정 레벨의 적절한 도핑불순물이 첨가된다.
누입영역(또는 누입층)의 개수 및 위치에 따라서, 두 종류의 레이저, 즉 대칭형 SAE 및 비대칭형 SAE를 제조할 수 있다. 대칭형 SAE에 있어서, 누입영역은 활성층의 각 측면에 위치하며 대부분은 관련층의 굴절율과 두께가 동일하다. 비대칭형 SAE에서는 하나의 누입영역이 활성층의 일측면에, 대부분은 n형 도핑측에 위치한다.
바람직한 실시예에서, 일정 파장에서의 본 발명의 SAE에서는, 누입층의 조성(또는 굴절율)을 발광을 위해 투명하고 헤테로구조가 상면에서 성장하게 되는 반도체 기판의 조성(또는 굴절율)과 동일하거나 유사하게 선택할 수 있다. 기판은 대체로 2원 반도체 화합물(예를 들어, GaAs, InP, GaN, GaSb)이며, 누입층의 두께는 통상 전체 HS층의 두께의 많은 부분을 형성하며, 압축기계응력의 레벨이 상당히 감소하고, 오옴저항 및 열적저항이 감소하여, 결국 본 발명의 SAE의 효율 및 출력강도가 증가하고 동작수명 및 신뢰도가 증가할 것이다.
동일한 동작전류에서, 증폭발광 출력강도를 대략 두 개 또는 세 개 이상의 인자만큼 증가시키기 위해서, 본 발명의 SAE에서는 각각 두 개 또는 세 개 이상의 활성층이 만들어지며, 그 캐비티는 서로 평행하며, 인접한 활성층 사이에는 p형 및 n형의 고농도 첨가된 두 개의 얇은 부층으로 구성된 중간 주조정층이 배치되어 SAE의 동작중에 하나의 활성층으로부터 다른 활성층으로 전류의 터널통로를 제공하게 된다.
SAE의 편광감도를 얻기 위해, 누입영역의 누입층은 전류가 흐르는 도입된 스트라이프(또는 메사스트라이프) 영역의 폭과 대략 동일한 두께를 갖도록 만들어진다.
본 발명의 SAE에 있어서, 전류가 흐르는 스트라이프 영역이 광학면의 캐비티측으로 적절한 각도로 기울어진다면 투명막에 대한 필요조건을 줄일 수 있다.
본 발명의 SAE의 각각의 실시예는 입구 및 출구가 광섬유의 구멍과 일치하게 형성된다. 이 경우, 입력신호의 입력과 증폭된 발광의 출력을 위해서는 SAE의 양측 광학면(투명막이 적층되어 있음)이 광결합소자를 사용함과 동시에 광섬유와의 직접 밀착접촉에 의해 광섬유와 광학적으로 연결된다. 입력에서 입력발광의 손실이 감소하면 SAE의 소음지수가 감소한다.
본 발명에서 제안하는 독특한 누설발광형 SAE의 핵심은 HS의 그 누입영역 및 활성층의 현대화에 있는데, 여기서, 활성층에 인접한 추가의 원래 위치하는 주조정층이 누입영역 속에 도입되고, 주조정층 및 보조 조정층, 경계층, 누입층 및 그 부층, 반사층 및 그 부층의 그 외의 원래의 특성(도핑의 위치, 조성, 두께, 레벨)을 제안하여, HS의 층의 주요 특성을 상당히 개량할 수 있었는데, 특히 입력신호에 대한 감도, 효율, 출력강도를 증대시키고, 증폭발광의 분산각을 감소시키고, 입력 및 출력에서 발광 광학손실을 감소시키며, 소음레벨을 감소키고, 정렬기술의 단순화화 함께 동작수명 및 신뢰도를 증대시킬 수 있다.
본 발명의 다른 특징은, 반도체 화합물에 기초한 헤테로구조를 포함하는 반도체 증폭소자 및 입력발광이 광학적으로 연결된 주공급원을 포합하는 반도체 광증폭기(이하 SOA라고 한다)로서, 누입층의 굴절율(nin)에 대한 헤테로구조의 유효굴절율(neff)의 비율, 즉 nin에 대한 neff의 비율은 1+Δ 내지 1-Δ의 범위내에서 결정되는데, 여기서 Δ는 1보다 훨씬 작은 크기로 결정되는 것을 특징으로 하는 반도체 증폭소자이다. 상기 헤테로구조는 적어도 하나의 활성층, 상기 활성층의 각 측면에 적어도 하나씩 적어도 두 개의 반사층을 포함하며, 상기 반사층은 적어도 하나의 부층으로 형성되어 상기 헤테로구조의 유효굴절율(neff)보다 작은 굴절율을 갖는다. 상기 헤테로구조는 발광 누입영역의 발광용 투명부를 포함한다. 상기 누입영역은 상기 활성층과 그 대응 반사층 사이에 위치하며, 상기 누입영역은 활성층의 적어도 일측면에 위치하며, 상기 누입영역은 적어도 하나이며, 상기 누입영역은 굴절율(nin)을 가지며 적어도 하나의 부층으로 구성되는 적어도 하나의 누입층을 포함한다. 상기 누입영역은 적어도 하나의 부층으로 구성된 적어도 하나의 경계층을 갖는다. 상기 SOA에 이용된 SAE는 또한 광학면, 오옴접점 및 적어도 하나의 광학면상의 투명막을 포함한다. 광학면상의 투명막의 반사율과 헤테로구조층의 조성 및 두께는 전체 동작전류범위에 걸친 활성층의 발광증폭치가 동작 반도체 증폭소자의 자체여기를 일으키는 상기 증폭치를 초과하지 않는 방식으로 선택되는데, 증폭발광의 전파매체는 누입영역의 적어도 일부, 활성층의 적어도 일부 및 누입층에 인접한 활성층의 적어도 일부로 이루어진다. 이 경우 주조정층이 누입영역 속에 추가로 도입되며, 상기 주조정층은 적어도 하나의 부층으로 구성되고, 그 부층의 적어도 하나가 누입층의 굴절율(nin) 이상의 굴절율을 가지고 일 표면이 활성층에 인접하는 반면, 주조정층의 반대측면에는 주조정층의 굴절율보다 작은 굴절율을 갖는 경계층이 배치된다.
본 발명의 SOA는 현대화된 SAE에 기초하는데, 그 주된 특징은 HS의 누입영역 및 활성층의 현대화에 있는데, 이에 기초하여 SAE가 제조된다. 이 경우, 누입영역 속에는 주조정층이 도입되며, 누입영역의 층들의 위치는 변화한다. 본 발명의 HS에서 활성층은 부층을 포함하지 않으며 적어도 하나일 수 있다. 하나의 활성층이 형성되는 경우, 누입영역의 추가로 도입된 주조정층은 그 일측면이 활성층에 인접하는 반면, 주조정층의 타측면에는 누입영역의 경계층이 인접한다. 두 개 이상의 활성층이 형성되는 경우, 이 활성층 사이에는 주조정층과 동일하거나 유사한 특성을 갖는 중앙 주조정층이 배치된다. 관련 SAE를 갖는 SOA의 작용은 활성층으로부터의 발광누설 및 누입영역속으로의 그 누설의 과도공정의 부근에서 일어난다.
누설공정은 HS층의 조성 및 두께에 따라서 결정되며, 누입층의 굴절율(nin)에 대한 헤테로구조의 유효굴절율(neff)의 비율에 의해 제어된다. 동작전류범위에서, neff/nin의 비율은 1+Δ 내지 1-Δ의 범위내에서, 즉 약 1.01 내지 약 0.99의 범위에서 결정된다.
선택된 neff/nin의 비율값에서의 소음레벨 뿐만 아니라, 증폭계수, 출력강도, 입력신호에 대한 본 발명의 SOA의 감도는 주어진 동작전류에 대하여 SAE HS의 활성층에서의 발광증폭 결과치에 따라서 의존한다. 본 발명의 SOA에 대한 계산으로 나타낸 바와 같이, 주조정층(또는 그 부층)의 두께 및 굴절율의 선택 및 위치에 의해 상기 결과증폭치의 최대값이 얻어진다. 따라서 본 발명의 HS 속에 추가로 도입된 원래 위치하는 주조정층은 상기 기술적 문제점을 해결할 수 있게, 즉 SOA의 상기 변수를 본질적으로 향상시키고 입구 및 출구의 사이즈를 증가시켜서 원시야장에서의 발광분산각 및 편광감도를 줄일 수 있게 한다.
SOA의 증폭모드를 안정화시키기 위해, SAE의 광학면상의 투명막의 반사율과 헤테로구조층의 조성 및 두께는 동작하는 SOA의 자체여기를 일으키는 상기 증폭값을 넘지 않도록 선택된다.
입력신호에 대한 감도의 증대 및 SOA의 증폭계수의 증대를 위한 바람직한 실시예에서, 적어도 두 개의 활성층을 SAE HS 속에 도입할 것이 제안되는데, 두 개의 활성층 사이에 도입형 중앙 주조정층 또는 그 부층의 하나가 배치된다.
SAE HS의 주조정층의 두께 증가에 제약이 있는 일부 SAE에서는, 누입영역의 주조정층과 함께, 적어도 일측면이 경계층의 표면에 인접하고 적어도 하나의 부층으로 만들어진 보조 조정층을 형성하는 것이 바람직하다.
SOA의 주 변수를 제공하기 위해서는, 누입층의 굴절율(nin) 이상의 굴절율을 갖도록 중앙 주조정층 및 보조 조정층이 만들어지며, 상기 조정층의 두께는 약 0.005μm 내지 약 1.0μm의 범위로부터 선택된다.
SOA 변수의 온도의존성을 개량하기 위해, SAE HS의 경계층은 약 0.01μm 내지 약 0.30μm의 범위 내에서 선택되는 두께를 갖도록 만들어진다.
소음지수를 줄이고 SOA의 증폭발광 분산각을 감소시키기 위해서, SAE HS의 누입영역의 누입층의 두께는 약 1.0μm 내지 약 10μm 이상의 범위 내에서 선택되고, 대부분 누입층에 인접한 반사층의 부층 중의 적어도 하나는 누입층의 굴절율에 가까운 굴절율을 갖도록 만들어진다.
제조기술공정을 단순하게 하기 위해, SOA의 일부 실시예에서는 SAE HS의 누입영역의 적어도 하나의 누입층이 경계층의 굴절율과 동일한 굴절율을 갖도록 만들어진다.
SOA의 효율을 결정하는 내부광손실의 감소를 위한 바람직한 실시예에서, SAE HS의 주조정층 및 중간 주조정층은 성장중에 첨가되지 않으며, 보조 조정층(있는 경우), 누입층 및 누입층에 인접한 SAE HS의 적어도 하나의 반사층의 일부는 대략 1015cm-3 내지 1017cm-3의 낮은 정도의 적절한 도핑불순물로 첨가되며, SAE HS의 경계층은 대략 1017cm-3 내지 3·1018cm-3의 일정 레벨의 적절한 도핑불순물이 첨가된다.
누입영역(또는 누입층)의 개수 및 위치에 따라서, 두 종류의 SOA, 즉 대칭형 SOA 및 비대칭형 SOA를 제조할 수 있다. 대칭형 SOA에 수반되는 SAE있어서, 누입영역은 활성층의 각 측면에 위치하며 대부분은 관련층의 굴절율과 두께가 동일하다. 비대칭형 SOA에 수반되는 SAE에서는 누입영역은 하나일 수 있으며, 활성층의 일측면에 위치하며 대부분은 n형 도핑측에 위치한다.
바람직한 실시예에서, 일정 레이저발진 파장에서의 본 발명의 SOA에서는, SAE HS의 누입층의 조성(또는 굴절율)을 발광을 위해 투명하고 헤테로구조가 상면에서 성장하게 되는 반도체 기판의 조성(또는 굴절율)과 동일하거나 유사하게 선택할 수 있다. 기판은 대체로 2원 반도체 화합물(예를 들어, GaAs, InP, GaN, GaSb)이며, 누입층의 두께는 통상 전체 HS층의 두께의 많은 부분을 형성하며, 이 경우 압축기계응력의 레벨이 상당히 감소하고, 오옴저항 및 열적저항이 감소하여, 결국 본 발명의 SOA의 효율 및 출력강도가 증가하고 동작수명 및 신뢰도가 증가할 것이다.
동일한 동작전류에서, 증폭발광 출력강도를 대략 두 개 또는 세 개 이상의 인자만큼 증가시키기 위해서, 본 발명의 SOA에서는 각각 두 개 또는 세 개 이상의 SAE HS의 활성층이 만들어지며, 그 캐비티는 서로 평행하며, 인접한 활성층 사이에는 p형 및 n형의 고농도 첨가된 두 개의 얇은 부층으로 구성된 SAE HS의 중간 주조정층이 배치되어 SOA의 동작중에 하나의 활성층으로부터 다른 활성층으로 전류의 터널통로를 제공하게 된다.
SOA의 편광감도를 얻기 위해, SAE HS의 누입영역의 누입층은 전류가 흐르는 도입된 스트라이프 영역의 폭과 대략 동일한 두께를 갖도록 만들어진다.
본 발명의 SOA에 있어서, 투명막에 대한 필요조건을 추가로 줄이기 위해, SAE의 전류가 흐르는 스트라이프(또는 메사스트라이프) 영역이 광학면의 캐비티측으로 적절한 각도로 기울어진다.
본 발명의 SOA의 개개의 실시예는 SAE의 입구 및 출구가 광섬유의 구멍과 일치하도록 형성된다. 이 경우 입력신호의 입력과 증폭발광의 출력을 위해, 투명막이 적층된 SAE의 양측 광학면은 공지의 광학결합소자를 사용함과 동시에 SAE와의 직접 밀착접촉에 의해 광섬유와 광학적으로 연결된다. 섬유 속의로의 입력중에 입력발광의 손실이 감소하면 SOA의 효율이 감소한다.
SOA 출력에서 고품질의 증폭된 발광을 얻기 위한 바람직한 실시예에서, 입력발광의 주공급원이 주입레이저로서 만들어진다. SOA의 효율 및 출력강도를 증대시키기 위해서는 본 발명에서 제안하고 상기 9-13페이지에서 고려한 레이저로서 매스터 주입레이저가 바람직하게 선택된다. SOA의 본 실시예는 매스터 레이저와 SAE의 효과적인 광결합을 광결합소자를 사용하지 않고 이들 사이가 긴밀하게 접촉한 상태로 얻을 수 있다. 이 경우, 매스터 레이저 및 SAE가 동일한 헤테로구조로 만들어지는 SOA 실시예가 바람직하다. SAE의 전류유동 도입 스트라이프영역의 폭이 매스터 레이저의 도입 스트라이프영역의 폭보다 크게 선택되거나 또는 SAE의 전류유동 스트라이프영역의 폭이 확장 가능하게 만들어지는 고출력 SOA의 실시예도 가능하다.
SOA에 수반된 매스터 레이저 및 SAE에서 누설발광이 존재하면 내부광손실이 상당히 감소하고(결국 SAE의 효율이 증가한다) 비선형 왜곡이 감소하여 증폭발광의 공간적 안정성에 기여하여 결국 고출력 SOA에서의 출력강도가 제한됨을 알아야 한다. 이는 본 발명의 SOA에서 증폭발광의 대부분(약 99.9% 이상)이 투명한 누입층(선형 매체)을 통해 전파되고 유량의 극소량(약 0.1 이하)이 비선형 활성매체를 통해 전파됨에 의해 일어난다. 이는 발광의 고출력강도의 획득을 결정할 뿐만 아니라 발광의 스펙트럼선의 폭의 감소, 주파수이동의 감소, SOA의 고주파 및 고속 변조특성의 개량을 결정한다.
본 발명에서 제안하고 입력발광의 주공급원(매스터 레이저) 및 SAE에 포함된 신규의 독특한 SOA의 핵심은 매스터 레이저 및 SAE의 헤테로구조의 누입영역 및 활성층의 현대화에 있는데, 여기서는 활성층에 인접한 원래 위치하는 추가의 주조정층이 누입영역에 도입되고, 주조정층 및 보조조정층, 경계층, 누입층 및 그 부층, 반사층 및 그 부층의 그외의 본래의 특성(도핑의 위치, 조성, 두께, 레벨)을 제안하여 정렬기술의 단순화와 함께 SOA의 필수적인 주요특성, 즉 효율, 출력강도, 증폭발광의 각도분산, 입력 및 출력시의 광손실, 동작수명 및 신뢰도를 향상시킬 수 있게 한다.
본 발명에서 제안하는 HS, 레이저, SAE, SOA의 기술적 실현은 지금까지 잘 개발되어 널리 사용된 공지의 기본 기술공정에 기초한다. 본 제안은 "산업상 이용가능성" 기준을 만족시킨다. 그 제조에서의 주요한 특징은 레이저 헤테로구조의 성장층의 다른 조성, 두께 및 위치에 있다.
이하 도 1 내지 도 10을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다:
도 1은 하나의 활성층, 두 개의 주조정층 및 활성층의 각 측면에 위치하는 두 개의 동일한 누입층을 갖는 본 발명의 대칭형 HS의 단면을 나타내는 개략도.
도 2는 하나의 활성층, 두 개의 주조정층 및 두 개의 보조 조정층을 갖는 본 발명의 대칭형 HS의 단면을 나타내는 개략도.
도 3은 하나의 활성층, 두 개의 주조정층 및 활성층의 각측면에 위치하는 서 로 다른 두께의 두 개의 누입층을 갖는 본 발명의 비대칭형 HS의 단면을 나타내는 개략도.
도 4는 두 개의 활성층, 두 개의 주조정층, 하나의 중간 주조정층 및 서로 다른 두께의 두 개의 누입층을 갖는 본 발명의 비대칭형 HS의 단면을 나타내는 개략도.
도 5는 광학면상에 반사피막을 갖고, 하나의 활성층, 두 개의 주조정층 및 활성층의 각 측면에 위치하는 두 개의 동일한 누입층을 갖는 본 발명의 대칭형 레이저의 종단면을 나타내는 개략도.
도 6은 광학면상에 반사피막을 갖고, 하나의 활성층, 두 개의 주조정층 및 두 개의 보조 조정층을 갖는 본 발명의 대칭형 레이저의 종단면을 나타내는 개략도.
도 7은 광학면상에 반사피막을 갖고, 하나의 활성층, 두 개의 주조정층 및 활성층의 각 측면에 위치하는 서로 다른 두께의 두 개의 누입층을 갖는 본 발명의 비대칭형 레이저의 종단면을 나타내는 개략도.
도 8은 광학면상에 반사피막을 갖고, 두 개의 활성층, 두 개의 주조정층 및 하나의 중앙 주조정층을 갖는 본 발명의 비대칭형 레이저의 종단면을 나타내는 개략도.
도 9는 광학면상에 투명막을 갖고 여기에 두 개의 광섬유가 연결되며, 하나의 활성층, 두 개의 주조정층 및 활성층의 각 측면에 위치하는 두 개의 동일한 누입층을 갖는 SAE의 종단면을 나타내는 개략도.
도 10은 하나의 광축선상에 독립적으로 위치하는 SOA, 즉 하나의 활성층, 두 개의 주조정층 및 활성층의 각 측면상에 위치하는 두 개의 동일한 누입층을 갖는 동일 대칭형 HS로 만들어지며, 광학면상에 반사피막을 갖는 매스터 레이저 및 광학면상에 투명막을 갖는 SAE의 종단면을 나타내는 개략도.
이하, 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 구체실시예의 설명에 의해 설명한다. HS, Laser, SAE 및 SOA의 실시예의 주어진 예는 유일한 것이 아니며, 특허청구범위에 따른 특징들의 요지에 특징이 반영되는 공지의 파장대를 포함한 그 외의 실현예도 가능하다고 가정한다.
본 발명의 헤테로구조(1)(도 1참조)는 하나의 활성층(2)을 포함하는데, 그 양측면에는 두 개의 누입(leak-in) 영역(3, 4)이 인접해있다. (활성층(2)에 대하여) 각 외측면상의 누입영역(3, 4)에는 두 개의 반사층(5, 6)이 인접해있다. 이 반사층(6)은 n형 GaAs의 기판(7)측에 위치한다. 누입영역(3, 4)은 각각 활성층(2)의 양측면에 인접하여 하나의 주조정층(8, 9)과, 주조정층(8, 9)에 각각 인접하는 경계층(10, 11)과, 경계층(10, 11)에 각각 인접하는 누입층(12, 13)을 포함한다. 활성층(2)은 두께가 0.008μm인 InGaAs에 의해 만들어진다. 이런 헤테로구조에서 레이저 파장은 980nm였다. 주조정층(8, 9)은 0.04μm의 동일한 두께를 가지며 GaAs에 의해 성장되어있다. 경계층(10, 11)은 Al0.38Ga0.62As의 동일한 조성 및 0.04μ의 동일한 두께를 갖는다. 누입층(12, 13)은 4.0μm의 동일한 두께를 가지고 Al019Ga0.81As에 의해 성장되어 있다. 양 반사층(5, 6)은 동일한 조성 및 두께를 갖는 두 개의 부층으로 구성된다. 대응하는 누입층에 인접하여 0.5μm의 두께를 갖는 제 1 부층(14, 15)은 Al0.20Ga0.80As에 의해 성장되고, 그 조성은 누입층의 조성과 가까우며, 두께가 0.6μm인 제 2 부층(16, 17)은 Al0.25Ga0.75As에 의해 성장되어있다. 이하 고정 발광파장에서 반도체층의 각 조성에 대하여 대응하는 특정의 굴절율이 있음을 알아야 한다. HS(1)를 성장시킬 때, 활성층(2) 및 주조정층(8, 9)은 첨가하지 않으며, 경계층(10)(p형) 및 경계층(11)(n형)은 각각 공지의 불순물을 6·1017cm-3 및 3·1017cm-3 까지 첨가하며, 각각 p형 및 n형인 반사층(5, 6)의 누입층(12, 13) 및 제 1 부층(14, 16)은 1·1017cm-3 까지 첨가하며, 각각 p형 및 n형인 반사층(5, 6)의 제 2 부층(15, 17)은 2·1018cm-3까지 첨가한다.
선택된 조성 및 두께의 HS(1)층은 0.3kA/cm2 및 10kA/cm2의 전류밀도에서 nin에 대한 neff의 비율의 계산치가 각각 1.000006 및 0.99964였다. 그 결과 0.35kA/cm2의 전류밀도에서 활성층에서의 증폭치는 7.8cm-1였다. 10kA/cm2의 전류밀도에서 수직면에서의 계산된 확산각(θㅗ)은 6.0°였다(이하, FWHM).
다음의 HS(1)의 실시예는 누입층(12, 13)의 두께가 2.5μm이라는 점에서 상기 실시예와는 다르다. 이 경우, 0.3kA/cm2의 전류밀도에서 nin에 대한 neff의 비율 의 계산치는 각각 0.99992 및 0.00033이었다. 그 결과 0.3kA/cm2의 전류밀도에서 증폭치는 10.0cm-1였다. 10kA/cm2의 전류밀도에서 수직면에서의 계산된 확산각(θㅗ)은 9.0°였다.
다음의 HS(1)(도 2 참조)의 실시예는 누입층(12, 13)이 Al0.05Ga0.95As에 의해 주조정층(8, 9)과 함께 누입영역 속으로 성장되고, GaAs에 의해 만들어져 경계층(10, 11)가 누입층(12, 13) 사이의 활성층의 양면에 위치하는 두 개의 보조 조정층(18, 19)이 추가로 도입된 점이 도 1에 개략 도시한 실시예와 다르다. 그 결과 얻어진 HS(1)는 층(12, 13) 및 (5, 6)에서 Al의 함량이 낮기 때문에 오옴저항 및 열저항과 압축기계응력이 감소하였다.
다음의 HS(1)의 실시예(도 3 참조)는 누입층(12, 13)의 두께가 각각 0.5μm 및 7.0μm이고 주조정층(8)의 두께가 0.06μm라는 점에서 도 1에 개략 도시한 실시예와 다르다. HS(1)의 본 실시예에서, 0.3kA/cm2 및 10kA/cm2의 전류밀도에서 nin에 대한 neff의 비율의 계산치는 각각 1.00004 및 0.99984였다. 그 결과 10kA/cm2의 전류밀도에서 수직면에서의 계산된 확산각(θㅗ)은 8.1°였다.
다음의 HS(1)의 실시예(도 4 참조)는 두 개의 동일한 활성층(2)이 형성되고, 이 활성층 사이에 두께가 0.012μm이고 GaAs로 이루어진 중앙의 주조정층(20)이 도입되고, 주조정층(8)의 두께가 0.03μm라는 점에서 상기 실시예와 다르다. HS(1) 의 본 실시예에서, 0.3kA/cm2 및 10kA/cm2의 전류밀도에서 nin에 대한 neff의 비율의 계산치는 각각 1.00002 및 0.99984였다. 그 결과 10kA/cm2의 전류밀도에서 수직면에서의 계산된 확산각(θㅗ)은 8.1°였다.
다음의 HS(1)의 실시예는 중앙의 주조정층(20)이 각각 텔루륨 및 탄소가 5·1019cm-3의 농도까지 첨가된 두 개의 n형 및 p형의 얇은 부층(각각 두께가 0.005μm)으로 구성된다는 점에서 도 4에 개략 도시한 실시예와 다르다. p형의 반사층 측면에는 n형의 부층이 놓여지며, n형의 반사층과 n형의 기판 측면에는 p형의 부층이 놓여진다.
다음의 HS(1)의 실시예는 누입층(12, 13)이 경계층(10, 11)과 동일한 조성(따라서 동일한 굴절율), 즉 Al0.38Ga0.62As으로 만들어지고 반사층(5, 6)(부층 없음)이 Al0.45Ga0.55As의 조성을 갖는 점이 도 1에 개략 도시한 실시예와 다르다. 본 HS의 실시예는 이전의 실시예들과 비교하여 층의 개수가 적지만, 오옴저항, 열저항 및 압축기계응력의 값이 증가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 레이저(30)(도 5 참조)는 도 1에 나타낸 대칭형 HS(1)의 실시예를 사용하여 만들었다. n형의 기판(7)과 그 반대측에 형성된 p형의 접촉층(도면에 도시하지 않음)에는 금속화층(도면에 도시하지 않음)을 적층하였다. 광학공진기의 길이(Lles)는 2000μm와 같게 선택하였다. 분할면(31)에는 반사율이 각각 R1=99% 및 R2=5%인 반사피막(32, 33)이 적층되었다. 전류가 흐르는 스트라이프 영역은 메사 스트라이프(mesa stripe) 폭이 10μm였다. 계산된 임계전류밀도(jthr)는 350A/cm2였고, 미분효율(ηd)은 약 88%였다. 임계치를 초과한 20kA/cm2이하의 전류치에서, 활성층의 증폭치는 임계전류밀도(jthr)에서보다 컸다. 이 경우 누설각이 0°에서 1.65°까지 변화하여 레이저(30)가 0.35kA/cm2 내지 20kA/cm2의 범위에서 단일 모드로(수직면에서) 조작되었다. 10kA/cm2의 전류밀도에서 활성층(2)에서 전파되는 레이저발광의 비율을 한정하는 공지의 계산된 한정인자(Γ)는 3·10-4였다. 수직면에서의 계산된 확산각(θㅗ)은 7.8°(0.35kA/cm2의 전류밀도에서)에서 6.0°(10kA/cm2에서)까지 감소하였다. 수직면에서 공진기의 출력광학면상의 0.13레벨에서의 발광면적의 크기는 5.7μm(0.35kA/cm2)에서 8.0μm(10kA/cm2)로 변화하였다.
본 발명의 레이저(30)(도 6 참조)는 도 2에 나타낸 대칭형 HS(1)의 실시예를 사용하여 만들었는데, 여기서 반사층(5, 6)의 제 1 부층(14, 16)뿐만 아니라 누입층(12, 13)은 각각 알루미늄함량이 낮은 Al0.05Ga0.95As 및 Al0.06Ga0.94As로 만들어졌다. 이 경우, 보조 조정층(18, 19)은 두께가 동일하게 0.24μm인 GaAs로 만들었다. 이 실시예의 레이저(30)는 효율, 출력 및 동작신뢰도가 향상되었다.
본 발명의 레이저(30)(도 7 참조)는 도 3에 나타낸 대칭형 HS(1)의 실시예를 사용하여 만들었는데, 여기서 조성이 동일한 누입층(12, 13)은 각각 두께가 0.5μm 및 7.0μm였다. 주조정층(8, 9)의 두께를 선택함으로써 0.3kA/cm2의 임계전류밀도가 얻어졌다. 수직면에서의 계산된 확산각(θㅗ)은 먼저 7.5°(0.3kA/cm2의 전류밀도에서)에서 7.2°(3kA/cm2에서)까지 감소한 후에 8.1°(10kA/cm2에서)까지 증가하였다. 이 경우, 수직면에서 공진기의 출력광학면상의 발광면적(0.13레벨에서)의 크기는 먼저 4.6μm에서 7.2μm로 증가한 후에 6.0μm로 감소하였다.
다음의 레이저(30)의 실시예는 누입층(12, 13)을 경계층(9, 10)과 동일한 조성, 즉 Al0.38Ga0.62As로 만들어지는 점에서 상기 실시예와 다르다. 반사층(5, 6)(부층 없음)은 Al0.45Ga0.55As로 만들었다. 본 실시예의 레이저(30)는 이전의 실시예와 비교하여 HS의 층수가 감소하였다.
본 발명의 레이저(30)(도 8 참조)는 도 4에 나타낸 비대칭형 HS(1)의 실시예를 사용하여 만들었는데, 여기서는 두 개의 동일한 활성층(2)을 만들고 그 사이에 두께가 0.012μm인 중앙 주조정층(20)을 놓았다. 이 실시예의 레이저(30)는 임계전류밀도가 0.25kA/cm2까지 감소하였다.
다음의 실시예의 레이저(30)는 중앙의 주조정층(20)이 각각 두께가 0.005μm이고 동일한 전류캐리어 농도 5·1019cm-3를 갖는 탄소 및 규소가 각각 첨가된 두 개 의 p형 및 n형의 부층으로 구성되는 점에서 상기 실시예와 다르다. 레이저(30)의 동작에서, 이런 부층들은 전류가 하나의 층에서 다른 층으로 통과하는 터널통로를 제공하며, 동일 전류 및 대략 두 배의 인가전압에서 출력은 제곱만큼 증가하였다.
SOA에서 역시 사용되는 본 발명의 SAE는 도 1에 나타낸 HS(1)의 실시예에 기초하여 만들었다. 본 실시예의 SAE(40) 및 그 제조방법은 도 5에 나타낸 레이저(30)의 실시예와 완전히 일치하지만, 다만 HS(1)의 분할면에 0.01%의 동일한 반사율(R1 , R2)을 갖는 투명막을 적층한 것이 다르다. 모든 전류치에서, 반사율(R1, R2)에 의해서 뿐만 아니라 헤테로구조층의 조성 및 두께에 의해서 정해진 활성층의 증폭치는 10kA/cm2 이상의 전류밀도 이하에서 자체여기(self-exitation)의 임계치보다 작다. 활성층에서 누입층으로의 발광누설의 조건(입력시에 신호가 있음)은 전류밀도가 0.3kA/cm2를 초과하는 경우에 만족되기 시작했다. 이 경우 누설각(ψ)은 0.3kA/cm2에서 0°로부터 10kA/cm2에서 1.53°까지 증가한다. 10kA/cm2에서 SAE(40)의 입구는 8×10μm였고, 개구각은 대략 6.0°×5.7°였다.
SOA에서 사용되는 SAE(40)의 다음의 실시예(도 9 참조)는, 전류가 흐르는 스트라이프 영역의 폭이 8μm이고, HS(1)층의 조성 및 두께가 1305nm의 발광파장에 대하여 설계된 것과, 투명막(41, 42)을 갖는 광학면(31)(R1 및 R2는 동일하며 0.01%이다)에 투명막(41)을 갖는 입력광학면(31)을 통하여 발광입력하기 위한 입력광섬유(43) 및 투명막(42)을 갖는 반대측 광학면(31)으로부터 발광출력하기 위한 출력 광섬유(44)가 연결되는 것이 상기 실시예와 다르다. SAE(40)의 입구 및 출구의 크기는 10×10μm2로서 공지의 광섬유의 구멍과 일치하며, 따라서 입력광섬유(43) 및 출력광섬유(44)를 대응 피막(41, 42)을 갖는 광학면(31)에 직접 연결하여 SAE(40)와 직접 접촉시킬 수 있다. 본 실시예의 SAE(40)는 현대의 광통신회선에서 출력증폭기, 광스위치, 광파장변환기로서 효율적으로 사용할 수 있다. 그 주된 이점은 SAE(40) 속으로 입력시에 입력발광의 손실이 작아져서 소음이 감소하는 것이다. 이 경우 소음지수는 섬유 및 라만 증폭기의 소음지수와 비교할만하다. 증폭발광 전파영역이 100μm2인 거의 사각형 형태에 의해 SAE(40)가 입력신호의 편광에 사실상 둔감하게 된다. 이런 SAE(40)에서의 신호는 35dB보다 크게 소신호증폭(small-signal amplication)될 수 있으며, 증폭된 발광출력은 포화 없이 1W이상에 이를 수 있다. 또한 SAE(40)의 이점은 그 증폭된 출력발광이 사실살 대칭형상이고 발광확산각이 작다는 것이다.
SOA에서 사용되는 다음의 SAE 실시예는 전류가 흐르는 메사스트라이프 영역이 광학면의 캐비티측으로 7°의 각도로 기울어진 점이 상기 실시예와 다르다. 이에 따라서 반사율(R1, R2)의 값에 대한 필요조건을 대략 한 자리수의 크기(10배)만큼 줄일 수 있다.
SOA에서 역시 사용하는 본 발명의 SAE(40)는 도 2에 나타낸 HS(1)의 실시예에 기초하여 만들었다. 본 실시예의 SAE(40) 및 그 제조방법은 도 6에 나타낸 레 이저(30)의 실시예와 완전히 동일하지만, 다만 HS(1)의 분할면에 반사율(R1, R2)이 0.01%로서 동일한 투명막을 적층한 것이 다르다.
SOA에서 역시 사용되는 본 발명의 SAE(40)은 도 3에 나타낸 HS(1)의 실시예에 기초하여 만들었으며, 도 7에 나타낸 레이저(30)의 실시예와 완전히 일치하지만, 다만 HS(1)의 분할면에 반사율(R1, R2)이 0.01%로서 동일한 투명막을 적층한 것이 다르다.
SOA에서 역시 사용되는 본 발명의 SAE(40)은 도 4에 나타낸 HS(1)의 실시예에 기초하여 만들었으며, 도 8에 나타낸 레이저(30)의 실시예와 완전히 일치하지만, 다만 HS(1)의 분할면에 반사율이 0.01%로서 동일한 투명막을 적층한 것이 다르다.
SOA에서 역시 사용되는 다음의 SAE(40)의 실시예는, 투명막(41, 42)의 반사율이 0.01%인 점만이, 두 개의 활성층을 가지며 그 사이에 전류 터널통로를 갖는 레이저(30)의 실시예와 다르다.
본 발명의 SOA(도 10을 참조)는 SAE(4)와 광학적으로 연결된 레이저(30)로서 만들어진 입력발광 주공급원을 포함한다. 레이저(30) 및 SAE(40)는 도 1에 개략적으로 나타내고 앞에서 설명한 HS(1)의 동일 실시예를 사용하여 만들었다. 레이저(30)는 도 5에 개략적으로 나타낸 상기 실시예와 일치한다. SAE(40)가 레이저(30)과 구별되는 점은 반사율이 0.01%로서 동일한 투명막(41, 42)이 분할면(31)에 적층된 것이다. 레이저(30) 및 SAE(40)의 전류유동 스트라이프 영역은 8μm의 동일한 폭을 갖도록 만들어진다. 레이저(30)의 출구와 SAE(40)의 입구는 서로 동일하며 8.0×8.0μm2이고, 10kA/cm2의 전류밀도에서 수직면에서의 계산된 확산각(θㅗ)은 6.0°이다. 두 개의 횡단지수(transverse index)에 대한 단일공간모드 동작에서의 레이저(30)의 출력은 0.5W이다. 마스터 레이저(30)의 출구와 SAE(40)의 입구가 크고 동일함에 의해, 마스터 레이저(30) 및 SAE(40)를 그 사이에 최단거리를 갖게 하나의 종방향 광축선에 충분히 정밀하고 그리고 발광손실이 작도록 정렬할 수 있다. 이런 SOA는 고품질 단일모드 및 단일주파수 레이저 발광에 대한 초고출력원이다.
본 발명의 헤테로구조는, 광섬유통신 및 데이터통신 시스템, 광초고속 연산 및 스위칭 시스템, 의료기기, 레이저 산업설비, 주파수 배가 레이저의 개발에서 사용되는 주입레이저, 반도체 증폭소자, 반도체 광증폭기 등의 반도체 주입발광원의 제조, 및 고체상태의 섬유 증폭기 및 레이저의 펌핑에 사용된다.

Claims (18)

  1. 반도체 화합물계 헤테로구조로서, 누입층의 굴절율(nin)에 대한 헤테로구조의 유효굴절율(neff)의 비율, 즉 nin에 대한 neff의 비율이 1+Δ 내지 1-Δ의 범위내에서 결정되며, 여기서 Δ는 1보다 훨씬 작은 크기로 결정되고,
    상기 헤테로구조는 적어도 하나의 활성층, 상기 활성층의 각 측면에 적어도 하나씩 적어도 두 개의 반사층을 포함하며,
    상기 반사층은 적어도 하나의 부층으로 형성되어 상기 헤테로구조의 유효굴절율(neff)보다 작은 굴절율을 가지며,
    상기 헤테로구조는 상기 활성층과 그 대응 반사층 사이에 위치하는 누입영역 발광용 투명부를 포함하며,
    상기 누입영역은 상기 활성층의 적어도 일측면에 위치하며, 적어도 하나 이상이며, 굴절율(nin)을 갖고 적어도 하나의 부층을 구비하는 적어도 하나의 누입층을 포함하며, 또한 상기 누입영역은 적어도 하나의 부층으로 구성된 적어도 하나의 경계층을 가지며,
    상기 누입영역 속에는 주조정층이 추가로 도입되고 여기서, 이 주조정층은 적어도 하나의 부층으로 구성되고 그 부층 중의 적어도 하나의 부층은 상기 누입층의 굴절율(nin) 이상의 굴절율을 가지며, 주조정층의 한 표면은 상기 활성층에 인접 하는 한편 상기 주조정층의 반대측면에는 상기 주조정층의 굴절율보다 작은 굴절율을 갖는 상기 경계층이 위치하는 것을 특징으로 하는 헤테로구조.
  2. 제 1 항에 있어서, 동작전류의 범위에서 전류의 증가에 따라서 감소하는 nin에 대한 neff의 비율은 1.01-0.99의 범위내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 헤테로구조.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 헤테로구조는 적어도 두 개의 상기 활성층을 포함하고 그 사이에는 상기 추가로 도입된 중앙 주조정층이 위치하는데, 이 중앙 주조정층은 적어도 하나의 부층으로 구성되고 상기 누입층의 굴절율(nin) 이상의 굴절율을 갖는 것을 특징으로 하는 헤테로구조.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 누입영역에는 상기 경계층의 표면에 인접한 보조 조정층이 도입되며, 상기 보조 조정층은 적어도 하나의 부층을 형성되고 상기 누입층의 굴절율(nin) 이상의 굴절율을 갖는 것을 특징으로 하는 헤테로구조.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 반사층의 부층 중의 적어도 하나는 상기 누입층의 굴절율에 가까운 굴절율을 갖는 것을 특징으로 하는 헤테로구조.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 누입영역의 적어도 하나의 상기 누입층은 상기 경계층의 굴절율과 동일한 굴절율을 갖는 것을 특징으로 하는 헤테로구조.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 누입영역의 상기 누입층의 적어도 하나의 부층은 상기 헤테로구조가 성장하는 기판의 조성과 동일하거나 가까운 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 헤테로구조.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 헤테로구조는 적어도 두 개의 상기 활성층을 포함하는데, 그 캐비티들은 서로 평행하며, 그들 사이에는 중앙 주조정층이 위치하는데, 이 중앙 주조정층은 고동도로 얇게 첨가된 두 개의 p형 부층 및 p형 부층으로 구성되어 주입발광원의 동작중에 상기 한 활성층으로부터 다른 활성층으로의 전류터널통로를 제공하는 것을 특징으로 하는 헤테로구조.
  9. 광학면, 반사체, 오옴접점, 광공진기 뿐만 아니라 헤테로구조를 포함하는 주입레이저로서, 상기 광공진기의 매체의 적어도 일부는 누입영역의 적어도 일부, 활성층의 적어도 일부 및 반사층의 적어도 일부를 형성하며, 상기 헤테로구조의 조성 및 두께 뿐만 아니라 상기 광공진기 반사체의 반사율은 상기 주입레이저가 그 동작중에 상기 활성층에서의 발광증폭을 동작전류의 전체범위에 걸쳐서 레이저발진 임계치를 유지하기에 충분하게 하도록 선택되며, 상기 헤테로구조는 청구항 1 내지 8 중의 어느 한 항에 정의된 것처럼 만들어지며, 레이저발진 임계전류장에서 nin에 대한 neff의 비율이 1+Γ 내지 1-Γ의 범위내에서 결정되는데, 여기서 Γ는 Δ보다 작은 크기로 결정되는 것을 특징으로 하는 주입레이저.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 레이저발진 임계전류장에서 상기 nin에 대한 neff의 비율은 1.005 내지 0.995의 범위에서 결정되는 것을 특징으로 하는 주입레이저.
  11. 적어도 하나의 광학면 상에 광학면, 오옴접점, 전류가 흐르는 스트라이프영역 및 투명막 뿐만 아니라 적어도 하나의 활성층, 반사층들 및 누입영역층들을 갖는 헤테로구조를 포함하는 반도체 증폭소자로서, 상기 반도체 주입발광원의 증폭발광을 전파하는 매체는 누입영역의 적어도 일부, 활성층의 적어도 일부 및 반사층의 적어도 일부이며, 상기 헤테로구조의 조성 및 두께 뿐만 아니라 상기 광학면 상의 상기 투명막의 반사율은 동작전류의 전체범위에 걸쳐서 상기 활성층에서의 발광증폭치가 상기 동작하는 반도체 증폭소자를 자체여기시키는 증폭치보다 작으며, 상기 헤테로구조는 청구항 1 내지 8 중의 어느 한 항에 정의한 바와 같이 만들어지는 것을 특징으로 하는 반도체 증폭소자.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 누입영역의 상기 누입층은 전류가 흐르는 스트라이프영역의 폭과 대략 같은 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 증폭소자.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 전류가 흐르는 상기 스트라이프영역은 상기 광학면의 캐비티측으로 상기 적절한 각도로 기울어지는 것을 특징으로 하는 반도체 증폭소자.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 투명막이 적층된 상기 광학면은 광섬유와 광학적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체 증폭소자.
  15. 광학적으로 연결된 입력발광 주공급원 및 반도체 증폭소자를 포함하는 반도체 광증폭기로서, 상기 반도체 증폭소자는 청구항 11 내지 14 중의 어느 한 항에 의해 정의된 바와 같이 만들어지는 것을 특징으로 하는 반도체 광증폭기.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 입력발광 주공급원은 입력레이저로서 만들어지는 것을 특징으로 하는 반도체 광증폭기.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 입력발광 주공급원은 청구항 9에 규정된 주입레이저로서 만들어지는 것을 특징으로 하는 반도체 광증폭기.
  18. 제 15 항에 있어서, 주입레이저로서 만들어지는 상기 입력발광 주공급원 및 상기 반도체 증폭소자는 동일한 헤테로구조로 만들어지고 이들은 직접 접촉에 놓이는 것을 특징으로 하는 반도체 광증폭기.
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