KR101170178B1 - 레이저 및 검출기 장치 - Google Patents

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쿠퍼 에셋 엘티디. 엘.엘.씨.
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Abstract

검출기가 레이저의 패시브 사이드 상에 배치되어 패시브 사이드 미러를 통해 이루어지는 광자 누출을 검출하고, 쇼트키 접촉부를 경유하여 검출기 내에서 생성되는 전류로서 측정한다.
수직 공동 표면 방출 레이저, 검출기, 쇼트키 접촉부, 미러

Description

레이저 및 검출기 장치{LASER AND DETECTOR DEVICE}
본 발명은 광학 장치에 관한 것으로, 특히 레이저 및 광검출기에 관한 것이다.
전형적인 레이저는 두 개의 미러와 하나의 액티브 영역 공동으로 이루어져 있다. 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)의 경우, 두 개의 미러가 제공되는데, 그중 한 개는 하부 미러(더 큰/더 많은 반사가 이루어지는 미러)이고, 다른 하나는 상부 미러로서, 광선이 출력되는 미러이다. 그 밖에, 이들 두 개의 미러 사이에 액티브 영역이 제공되는데, 여기서 광선이 발생한다. 이들 미러는 전형적으로 "도핑(doped)"되어 있다. "도핑"되어 있다는 것은 불순물이 전기적인 전도성을 띠도록 재료 안에 삽입되어 있다는 것을 의미한다. 액티브 영역은 전형적으로 "인트린직(intrinsic) 상태"의 영역이다. "인트린직 상태"라는 것은 현저한 전도성을 얻기 위하여 불순물이 도핑 되어 있지 않은 것을 의미한다.
전기적으로 펌핑된 레이저는 입력 전류를 취하여 광 파워 출력으로 변환한다. 얼마나 많은 전류가 입력되는가에 대한 함수로서 레이저가 얼마나 많은 광선을 방출하는가 하는 것은 여러 가지 매개 변수에 좌우된다. 첫 번째는 레이저의 구조이다. 레이저 구조는 출력 파워를 높이기 위하여 최적화될 수 있지만, 이 경 우에는 높은 입력 전류가 필요하다. 또한, 레이저 구조는 낮은 전류에서 동작할 수 있도록 최적화될 수 있지만, 이 경우에는 다량의 광선이 출력되지 않는다.
레이저 동작과 관련된 또 다른 주요 매개 변수가 세 가지 있는데, 이들 세 가지 변수는 문턱 전류, 미분 양자 효율, 최대 출력 파워 포인트이다. 레이저의 특성 곡선(100)의 일례를 보여주는 도 1에 도시한 바와 같이, 문턱 전류(102)는 레이저가 "레이저 광선을 방출"하기 시작하는 최소 전류이다. 문턱 전류 이하의 영역(104)에서는, 장치가 발광 다이오드(LED)로서의 기능을 수행한다. 미분 양자 효율(106)은 입력 전류 변화에 대한 출력 파워의 변화의 비율이다. 최대 출력 파워 포인트(108)는 레이저가 출력할 수 있는 최대 파워로서, 이 파워 출력에 도달하는데 필요한 입력 전류와 관련이 있다.
레이저 동작에 영향을 미치는 기타 구조 외적인 조건들로는 1) 레이저의 온도, 2) 레이저의 자연적인 노화, 3) 환경적인, 기계적인 또는 전기적인 충격으로 인한 레이저의 열화가 있다.
모든 반도체 레이저는 입력 전류와 레이저의 출력 파워 사이의 관계를 설명하는 동작 특성 곡선을 갖는다. 그러한 곡선의 대표적인 일례가 도 2에 도시되어 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 레이저가 동작할 때, 전형적으로 두 개의 전류가 설정되는데, 하나는 "오프" 또는 "0" 로직 상태(Ibias)에 대응하고, 다른 하나는 "온" 또는 "1" 로직 상태(Ibias + Imod)에 대응한다. 여기서, Ibias 는 바이어스 전류이고, Imod 는 변조 전류이다. 구조 외적인 조건 중 하나 이상의 조건이 변경되면, 레 이저의 출력 파워와 입력 전류 특성의 관계가 변한다. 그 결과, 레이저 특성 곡선은 "평평(flattening)"해지는데, 이하에서는 이를 "열화" 상태라고 칭한다.
도 3은 열화 상태에 있는 동일한 장치의 곡선의 일례를 보인 것으로, 비교를 위해 도 2의 곡선이 함께 도시되어 있다. 도 3에 도시한 바와 같이, 열화 상태의 결과로서 Ibias 레벨은 레이저가 단지 LED인 영역에 놓이게 된다. 그 결과, 도 3에 도시한 바와 같이, Ibias 및/또는 Imod 의 설정치는 동일한 또는 허용 가능한 출력 파워 성능을 달성하기 위하여 변경되어야 한다.
물론, 몇몇 경우에는 시간의 경과에 따라, 레이저가 매우 심하게 열화 되어 바이어스 전류 및 변조 전류가 모두 변경되더라도 원래의 (또는 적어도 최소한도로 요구되는) 출력 파워에 도달할 수 없게 된다. 이때, 레이저는, 실제로는 그렇지 않더라도, 사실상 수명을 다한 것이라고 할 수 있다.
레이저의 열화를 설명하고 구조 외적인 변화에 적응하기 위하여, 전형적으로 레이저 출력이 측정됨으로써, 그러한 변화가 설명될 수 있도록 Ibias 및/또는 Imod 의 설정치가 규칙적으로 조정될 수 있게 된다. 이를 위해, 설계자들은 레이저 출력 파워를 정확하게 샘플링하려고 노력하며, 실제로, Ibias 및/또는 Imod 의 설정치의 변경이 이루어져야 할 때를 계속해서 확인하여, 전기 회로에서의 피드백 보상과 유사한 처리가 수행될 때 이를 조정한다.
이러한 처리가 송신기 어셈블리에서 수행된 한 가지 방법이 도 4에 도시되어 있다. 분리되어 있는 검출기(402)가, 적어도 하나의 레이저(406)를 포함하고 있 는, 패키지(404) 내에 장착되어 있다. 패키지(404)는 핀(408)의 형태로 도시된 연결부를 포함하고 있는데, 이들 연결부는 레이저(406)(한 개 또는 그 이상, 이하 동일) 및 검출기(402)로의 파워, 접지 및 외부 신호 접근을 제공한다. 레이저(406) 및 검출기(402)가 내장된 패키지(404)는 레이저(406)와 검출기(402) 위에 위치하고 있는 반투명 창(412)을 구비하고 있는데, 이 반투명 창(412)은 레이저(406) 및 검출기(402)와 충분한 거리를 두고 떨어져 있어서 레이저(406)에서 방출된 광선의 일부가 검출기(402)로 반사된다. 검출기(402)는 출력된 광선을 샘플링하는데 사용되며, 검출된 광선의 양에 기초하여, Ibias 및/또는 Imod 의 설정치가 조정되어야 할 때 및/또는 Ibias 및/또는 Imod 의 설정치가 더 이상 조정될 수 없는 때를 확인하여 레이저가 사용이 불가능할 정도로 열화 되었거나 "수명이 다한" 것으로 판단함에 있어 일조를 한다.
상기한 장치가 작동을 하는 동안, 장치의 사용은 전형적으로는 검출기에 공통으로 사용되는 레이저의 수가 작은 경우로 한정된다 (그 이유는 검출기가 집단을 샘플링하게 되며, 레이저를 개별적으로 구별할 수는 없기 때문이다). 이상적으로는, 하나의 레이저에 대해서 하나의 검출기가 사용된다. 그러나, 레이저가 수가 12 개 이상으로 증가하게 되면 이러한 기술은 실현이 불가능하다. 이는, 이 기술을 사용하게 되면 장치의 수가 증가하는데, 이는 장치의 수의 증가에 따라 크기가 증가하고, 공간이 증가하고, 더욱더 복잡해지고, 더 많은 연결이 이루어지고, 파워 소모가 증가하고, 평균 무고장 시간(MTBF)이 감소하게 된다는 것을 의미하게 때문 이다.
또 다른 방법은 공동내 (intracavity) 광검출기를 사용하는 것이다. 그러나, 이 방법은, 공동내 광검출기의 설계가 전반적인 레이저 설계의 일부가 됨에 따라 복잡성이 더해지고 비용이 증가하기 때문에, 바람직하지 않다.
또 다른 방법은 검출기 구조를, 예를 들어, 박형 또는 반투과형 쇼트키 접촉부(Schottky contact)(쇼트키 다이오드를 사용하는 경우) 또는 격자(금속-반도체-금속(MSM) 검출기 장치를 사용하는 경우)를 레이저의 출력 부근에 위치시킴으로써 레이저의 출력에서 나가는 광선이 (다시 말해서, 다른 미러에 비해 상대적으로 낮은 반사율을 갖는 레이저 구조의 미러를 통해 나가는 광선이) 레이저에서 방출될 때 검출기를 통과하도록 하는 것이다.
도 5는 레이저 출력 부근에 위치한 쇼트키 접촉부를 이용하는 상부 방출형 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)(500)를 간략하게 보인 도면이다.
레이저(500)는 상부 미러(502)와, 액티브 영역(504)과, 하부 미러(506)를 구비하고 있다. 하부 미러(506)는 장치의 기판(508)과 접하고 있다. 이 수직 공동 표면 방출 레이저는 상부 방출형이기 때문에, 광선의 출력(510)은 상부 미러(502)를 통해 이루어진다. 레이저(500)의 방출 표면(514) 상에 놓인 쇼트키 접촉부(512)는 레이저(500) 출력에 비례하는 전류 출력을 제공한다.
도 6은 레이저 출력 부근에 위치한 쇼트키 접촉부를 또한 이용하는 하부 방출형 수직 공동 표면 방출 레이저(600)를 간략하게 보인 도면이다.
레이저(600)는 상부 미러(602)와, 액티브 영역(604)과, 하부 미러(606)를 구 비하고 있다. 하부 미러(606)는 장치의 기판(608)과 접하고 있다. 이 수직 공동 표면 방출 레이저는 하부 방출형이기 때문에, 광선의 출력(510)은 기판(608)을 통해 이루어진다. 레이저(600)의 방출 표면(614) 상에 놓인 쇼트키 접촉부(612)는 (또한, 레이저 미러(602, 606) 및 액티브 영역(604)이 존재하는 표면에 대향 하는 기판(608)의 표면은) 레이저(600) 출력에 비례하는 출력 전류를 제공한다.
도 7은 레이저 출력 부근에 위치한 격자(grating)를 이용하는 상부 방출형 수직 공동 표면 방출 레이저(700)를 간략하게 보인 도면이다.
도 7의 방식은 도 5의 방식과 동일하지만, 쇼트키 접촉부를 이용하는 대신에, 격자(702)와 박형 또는 반투과형 금속-반도체-금속 접촉부(704)를 이용하는 점에서 차이가 있다.
도 8은 레이저 출력 부근에 위치한 격자를 이용하는 하부 방출형 수직 공동 표면 방출 레이저(800)를 간략하게 보인 도면이다.
도 8의 방식은 도 6의 방식과 동일하지만, 쇼트키 접촉부를 이용하는 대신에, 격자(802)와 박형 또는 반투과형 금속-반도체-금속 접촉부(804)를 이용하는 점에서 차이가 있다.
도 5 내지 도 8의 방식은 공동내 방식보다 쉽게 실현할 수 있고, 레이저 출력을 정확히 판독할 수 있다. 그러나, 이들 각각의 방식 역시 모드 품질은 물론 방출되는 광선의 양에 불리한 영향을 미친다.
현재, 레이저 출력이 특정 문턱 값을 넘어설 정도로 열화 된 때를 확인하거나, 레이저 출력을 방해하지 않는, 그렇지 않으면 레이저 출력에 불리한 영향을 미 치게 되는, 기존의 또는 이미 확립되어 있는 반도체 레이저 설계가 포함된 반도체 장치에서 레이저가 사실상 그 수명이 다하였음을 확인할 수 있는 방법이 제시되어 있지 않다.
본 발명자들은 장치에 검출기 기능을 통합함으로써 별도의 분리된 레이저 및 검출기 장치를 필요로 하지 않는 방법을 창안하였다. 이 방법은 (제삼자로부터 판매되고 있는 반도체 레이저를 포함하여) 기존의 반도체 레이저에 사용될 수 있으며, 레이저의 출력을 열화 시키지도 않고 출력 빔의 모드에 영향을 미치지도 않는다.
개략적으로 설명하면, 본 발명자들은 레이저의 방출이 일어나지 않는 쪽에서 레이저 구조에 파워 관측 구조를 통합시켰다. 이 파워 관측 구조는, 예를 들어, 일정한 파워 출력을 유지하기 위하여 및/또는 보상이 요구되는 시점까지, 즉 레이저가 고장 나거나 열화 되어서 레이저가 사용되는 분야에 대해서 레이저가 사실상 "수명이 다하게 되는" 시점까지 개개의 레이저 출력이 감소하는 때를 정확히 검출하기 위하여, 시간의 경과에 따른 레이저의 관측을 가능케 한다.
레이저의 방출이 일어나지 않는 쪽에 위치한 구조를 통해 샘플링을 수행하게 되면 여러 가지 이점을 제공하게 되는데, 예를 들어 다음의 이점 중 하나 이상을 제공하게 된다. 상부 방출형 (레이저 기판에서 멀리 떨어지도록 방출이 이루어지는) 레이저 및 하부 방출형 (레이저 기판을 향하여 방출이 이루어지는) 레이저 양쪽에서 쉽게 사용이 가능하며, 레이저 바깥쪽으로부터의 피드백이 적으며, 그 구조가 레이저 출력을 방해하지 않으며, 레이저의 기본적인 구조 설계가 사실상 동일하게 유지되며, 다른 전자 통합 회로를 포함하는 칩과 레이저의 통합/혼성화가 가능하고, 레이저 장치의 고밀도 통합이 가능하다.
여기에서 설명된 이점 및 특징들은 본 발명의 대표적인 실시예들로부터 얻을 수 있는 많은 이점 및 특징 중 일부분이며, 단지 본 발명의 이해를 돕기 위해 설명된 것이다. 이들 이점 및 특징이 청구의 범위에 의해 한정되는 본 발명을 제한하거나 청구의 범위에 대한 균등물을 제한하는 것으로 간주 되어서는 아니 된다는 점에 주목할 필요가 있다. 예를 들어, 이들 이점 중 일부는, 단일 실시예에서 동시에 얻어질 수 없다는 점에서, 상호 모순된다. 마찬가지로, 일부 이점은 본 발명의 일양상에는 적용이 될 수 있지만, 다른 양상들에서는 적용이 불가능하다. 따라서, 이와 같이 요약된 본 발명의 특징 및 이점들은 균등물을 결정함에 있어 영향을 미치는 것으로 고려되어서는 아니 된다. 본 발명의 그 밖의 다른 특징 및 이점들은 이하의 설명, 도면, 그리고 청구의 범위로부터 명백히 밝혀진다.
도 1은 레이저의 일반적인 특성 곡선의 일례를 보인 도면이다.
도 2는 특정 레이저의 특성 곡선의 일례를 보인 도면이다.
도 3은 정상 상태 및 열화 상태에서의 도 2에 도시한 레이저의 특성 곡선의 일례를 보인 도면이다.
도 4는 적어도 하나의 레이저 및 검출기를 포함하는 종래 기술에 따른 패키지의 일례를 보인 도면이다.
도 5는 레이저 출력 부근에 위치한 쇼트키 접촉부(Schottky contact)를 이용하는 상부 방출형 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)를 간략하게 보인 도면이다.
도 6은 레이저 출력 부근에 위치한 쇼트키 접촉부를 또한 이용하는 하부 방출형 수직 공동 표면 방출 레이저를 간략하게 보인 도면이다.
도 7은 레이저 출력 부근에 위치한 격자(grating)를 이용하는 상부 방출형 수직 공동 표면 방출 레이저를 간략하게 보인 도면이다.
도 8은 레이저 출력 부근에 위치한 격자를 이용하는 하부 방출형 수직 공동 표면 방출 레이저를 간략하게 보인 도면이다.
도 9는 종래의 하부 방출형 수직 공동 표면 방출 레이저를 간략하게 보인 도면이다.
도 10은 종래의 상부 방출형 수직 공동 표면 방출 레이저를 간략하게 보인 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 장치(1100)의 일실시예를 매우 개략적으로 보인 도면이다.
도 12는 도 11의 장치와 유사한 더욱 현실적인 장치의 일례를 보인 밴드 선도이다.
도 13은 1 미크론 두께를 갖는 흡수 영역을 포함하는 도 12의 쇼트키 배리어의 밴드 선도이다.
도 14는 본 발명에 따른 레이저 장치(1400)의 일실시예를 개략적으로 보인 도면이다.
도 15 및 도 16은 도 12 및 도 13과 유사한 밴드 선도로서, p-도프 GaAs 패시브 사이드 미러를 구비하며 도 14의 장치(1400)에서 도시한 바와 같이 구성된 일실시예를 보인 밴드 선도이다.
도 17 및 도 18은 도 15 및 도 16과 유사한 밴드 선도로서, 도 14의 장치(1400)에서 도시한 바와 같이 구성된 다른 실시예를 보인 밴드 선도이다.
도 19 내지 도 21은 본 발명에 따른 상부 방출형 레이저 장치의 실예들을 매우 개략적으로 보인 도면이다.
도 22는 하부 방출형 레이저에 의해 레이저 어레이를 구성한 장치의 일부분을 보인 개략적인 도면이다.
도 23은 상부 방출형 레이저에 의해 레이저 어레이를 구성한 장치의 일부분을 보인 개략적인 도면이다.
도 24는 유니트의 일부를 도시한 것으로, 특히 칩이 전자 칩에 연결된 후의 도 21의 칩의 단일 레이저를 도시한 도면이다.
도 25는 본 발명에 따른 하나 이상의 광전자 유니트를 갖춘 시스템에서의 제어 알고리즘을 보인 흐름도이다.
레이저 구조는 설계 및 조립에 있어서 매우 민감하다. 현재 사용되고 있는 레이저의 설계는 충분한 기능을 얻기 위하여 여러 해에 걸쳐 최적화되었다. 따라서, 이들 레이저를 사용하고자 하는 사람들은 올바르게 작동하지 않는 장치를 개발할 수도 있다는 두려움 때문에 이들 설계로부터 벗어나거나 이들 설계를 변경하는 것을 꺼린다. 더구나, 본 발명자들은 레이저의 출력을 방해할 수 있는 구조를 채용하지 않으면서 그러한 장치들을 사용할 수 있다는 사실을 깨달았다.
설명을 쉽게 하기 위하여, 이하에서는 동작 중에 레이저가 방출되는 미러에 대응하는, 낮은 반사율을 갖는 미러를 갖춘 레이저의 한쪽을 "액티브 사이드"라고 칭한다. 그리고, 레이저가 방출되는 쪽(즉, 액티브 사이드)에 대향하는 다른 한쪽을 레이저의 "패시브 사이드"라고 칭한다. 이 패시브 사이드에 있는 미러는 패시브 사이드 미러 라고 칭한다.
도 9는 종래의 하부 방출형 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)(900)를 간략하게 보인 도면이다. 하부 방출형 수직 공동 표면 방출 레이저(900)는 한 쌍의 미러(902, 904)와, 두 미러(902, 904) 사이에 배치된 액티브 영역(906)과, 레이저가 형성된 기판(908)을 포함하고 있다. 이 레이저는 하부 방출형 수직 공동 표면 방출 레이저이기 때문에, 기판(908)을 통해 방출이 이루어진다. 그 결과, 패시브 사이드(910)는 상부 미러(902)의 외표면(912)에 대응한다.
도 10은 종래의 상부 방출형 수직 공동 표면 방출 레이저(1000)를 간략하게 보인 도면이다. 상부 방출형 수직 공동 표면 방출 레이저(1000)는 한 쌍의 미러(1002, 1004)와, 두 미러(1002, 1004) 사이에 배치된 액티브 영역(1006)과, 레이저가 형성된 기판(1008)을 포함하고 있다. 이 레이저는 상부 방출형 수직 공동 표면 방출 레이저이기 때문에, 기판(1008)으로부터 먼 쪽으로 방출이 이루어진다. 그 결과, 패시브 사이드(1010)는 상부 방출형 수직 공동 표면 방출 레이저(1000)의 기판(1008) 쪽에 대응한다.
개략적으로 설명하면, 이상적이지 않은 반도체 레이저의 경우 패시브 사이드로부터 광자가 소량 누출되기 때문에, 레이저의 패시브 사이드 상에 작은 흡수 영 역이 배치된다. 광자 누출은, 매우 정확한 순간 보상 측정 목적에 충분하지 않음에도 불구하고, 레이저 출력에 충분히 비례하는 신호를 만들어내기 때문에, 예를 들어, (시 단위 또는 그 이상의 단위에 의한) 시간 경과에 따른 열화로 인한 레이저 보상과, 사실상 또는 실제로 수명이 다한 레이저의 확인이 가능해진다.
이 층은 누출된 소량의 광자를 다시 전류의 형태로 된 전기로 변환하며, 이 전기는 레이저 장치의 외부에서 측정될 수 있다. 레이저의 총 출력 파워가 증가하면, 누출된 광자의 흡수량의 절대치는 증가한다. 이와 유사하게, 총 출력 파워가 감소하면, 누출된 광자의 흡수량의 절대치는 감소한다.
이 방법은 여러 가지 이점을 제공한다. 출력 쪽에는 아무것도 배치되어 있지 않기 때문에, 출력 빔의 강도 및/또는 품질은 직접적인 영향을 받지 않는다. 이 밖에, 기본적인 레이저 구조가 변형되지 않기 때문에, 이 방법은 진부한 또는 양호하게 설정된 설계에 사용하기에 적절하다. 또한, 이 방법은 레이저를 전자 집적 회로에 혼성하기 위하여 사용되는 기술과 양립할 수 있다. 더욱이, 레이저가 별도의 결과 영역을 취하지 않기 때문에, 이 방법은 고밀도 집적 기술과도 양립할 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 장치(1100)의 일실시예를 매우 개략적으로 보여주고 있다. 도 11에 도시한 바와 같이, 장치(1100)는 그 위에 수직 공동 표면 방출 레이저타입 (예를 들어, p-I-n 타입) 레이저(1104)가 성장된 기판(1102)을 포함하고 있다. 수직 공동 표면 방출 레이저(1104)는 기판(1102)과 접하고 있는 미러(1106)와, 미러(1106)의 상부에 위치한 액티브 영역(1108)과, 액티브 영역(1108)의 반대 쪽과 접하고 있는 제 2 미러(1110)를 포함하고 있다. 액티브 영역(1108)의 폭(1112)(이하에서는, 메사 폭(mesa width)이라고 칭한다)은 장치의 액티브 사이드 상에 위치한 미러의 폭(1113)보다 작다. 각각의 미러 상에 배치된 접촉부(1114, 1116)는 회로(도시 안됨)를 적절히 구동 및/또는 제어할 수 있도록 레이저를 전기적으로 연결하는 역할을 한다. 기판에 형성된 (선택 사양인) 개구부(1118)(접근 통로라고 칭할 수도 있음)에 의해, 기판이 레이저의 출력 표면에 걸쳐 충분히 얇게 또는 존재하지 않는 것처럼 배치될 수 있어서 원하는 출력을 얻을 수 있다.
전형적으로 2 미크론의 두께보다 작은 얇은 재료 층(1120)이, 예를 들어 1 미크론 두께의 층이, 패시브 사이드 미러(1110) 상에 배치되어 있다. 재료 층(1120)의 상부에는 쇼트키(Schottky) 금속 접촉부(1122)가 형성되어 있는데, 이 쇼트키 금속 접촉부는 누출된 광자에 의해 재료 내에서 생성되는 전류를 검출하는 용도로 사용된다. 많은 레이저 구조의 설계 결과를 보면 자동으로 패시브 사이드 미러로부터 약간의 광자 누출이 있지만, 특정 설계에 있어서 충분한 누출이 없는 경우에, 패시브 사이드 미러의 반사율을 약간 변경하면 레이저의 동작에 큰 영향을 미침이 없이 누출을 증가시킬 수 있다는 점에 주목할 필요가 있다.
재료 층(1120)은 레이저가 동작하는 파장에서 흡수 재료 층이 되도록 선택되며, 약간 도핑 될 수도 있고, 도핑 되지 않을 수도 있지만, 도핑 레벨이 커지면, 쇼트키 접촉부에 의해 영역이 적게 "고갈"된다. 이러한 고갈의 부족은 광선을 흡수하는 동안에 발생하는 캐리어(carrier)를 제거하는데 사용될 수 있는 재료 층(1120)에 걸쳐 전계를 생성하게 된다.
표 1은 장치(1100)를 더욱 상세히 보여주고 있다. 레이저는 다양한 레이저들로 이루어져 있는데, 예시된 바와 같이, 레이저의 p 타입 미러를 형성하는 탄소-도프 알루미늄-갈륨-비소 (Al(x)GaAs) 레이저와, 레이저의 n 타입 미러를 형성하는 실리콘-도프 알루미늄-갈륨-비소 및 갈륨-비소 레이저와, 레이저의 액티브 영역을 형성하는 도핑 되지 않은 알루미늄-갈륨-비소 및 갈륨-비소 인트린직 레이저로 이루어져 있다.
층 재료 타입/불순물 비고
"25" 금속 n/a 쇼트키 접촉부
24 GaAs 없음 흡수 영역 검출기
23 Al(x)GaAs P/탄소




 하부 (패시브) 미러



 레이저
22 Al(x)GaAs
21 Al(x)GaAs
20 Al(x)GaAs
19 Al(x)GaAs
18 Al(x)GaAs
17 Al(x)GaAs 없음





 인트린직 액티브 영역
16 Al(x)GaAs
15 GaAs
14 Al(x)GaAs
13 GaAs
12 Al(x)GaAs
11 Al(x)GaAs
10 Al(x)GaAs N/실리콘








 상부 (방출) 미러
9 Al(x)GaAs
8 Al(x)GaAs
7 Al(x)GaAs
6 Al(x)GaAs
5 Al(x)GaAs
4 Al(x)GaAs
3 GaAs
2 Al(x)GaAs 에칭 중지
1 GaAs 버퍼 층
0 GaAs Si 3" 625 미크론 기판
표 1에서 "층 24"를 구성하며 도핑 되지 않은 반절연성 재료인 재료(1120)는, 예를 들어, 갈륨-비소(GaAs)이다. 이는 단지 예시하기 위한 용도로 제공된 것이다.
명백한 바와 같이, 도 11의 구성은 세 개의 단자 구성이다. 세 개의 단자 또는 접촉부는 a) 레이저의 양극 단자, b) 레이저의 음극 단자, c) 쇼트키 접촉부이다. 사용 시에, 레이저의 출력을 비례적으로 나타내는 전류 측정은 레이저 접촉부와 쇼트키 접촉부 사이에서 이루어진다.
이를 효과적으로 수행하기 위하여, 쇼트키 접촉부가 옴 접촉부에 대향하여 형성될 수 있도록 적절한 재료가 선택되어야 한다. 쇼트키 접촉부의 형성 공정은 공지되어 있기 때문에, 여기에서는 상세히 설명하기 않기로 한다. 그러나, 완벽을 기하기 위하여, 예를 들어 도 11과 관련하여 여기에서 설명되고 있는 장치에 사용하기 위한 쇼트키 접촉부의 일례의 형성과 관련된 상세한 내용에 대해 이하에서 간략히 설명하기로 한다. 이러한 설명을 통해, 다른 쇼트키 접촉부가 다른 재료들, 예를 들어, 티타늄(Ti), 금(Au), 니켈(Ni) 및 백금(Pt)을 사용할 수 있다는 사실을 이해할 수 있다.
이와 관련하여 설명하면, 도 12는 도 11의 장치(1100)와 유사한 더욱 현실적인 장치의 일례를 보인 밴드 선도이다. 도 12의 장치는 알루미늄(Al)으로 이루어진 쇼트키 접촉부와, 갈륨 비소로 이루어진 흡수 영역과, p 타입 갈륨 비소로 이루어진 패시브 사이드 미러를 포함하고 있다. 도면에서, Eo는 베이스 포텐셜 에너지를 나타내며, Ef는 페르미(Fermi) 레벨을 나타내며 (전자를 내보내기 위한 에너지는 Eo 및 Ef 사이의 차이이다), ΦM은 특정 금속의 일 함수를 나타내며, ΦS는 특정 반도체 재료의 일 함수를 나타내며, Eg는 밴드 갭 에너지 차를 나타내며, Ec는 전도 밴드의 에너지를 나타내며, Ev는 원자가 (valence) 밴드의 에너지를 나타낸다.
일반적으로, 패시브 사이드 미러가 p 타입일 때, 반도체의 일 함수가 금속의 일 함수보다 크도록, 그리고 패시브 사이드 미러가 n 타입일 때, 금속의 일 함수가 반도체의 일 함수보다 크도록, 재료가 선택되어야 한다.
도 13은 1 미크론 두께를 갖는 흡수 영역을 포함하는 도 12의 쇼트키 배리어(barrier)의 밴드 선도이다.
이 구성은 다음과 같이 동작한다. 레이저가 동작하면, 광자의 대부분은 레이저의 방출 사이드를 빠져나간다. 그러나, 발생한 광자의 작은 부분이 패시브 사이드로부터 누출되며, 누출된 광자는 레이저 방출 출력과 통계적으로 비례하는 상태로 누출된다. 이들 "누출된" 광자는 흡수 영역으로 유입되며, 여기서 광선 파워는 전기 파워로 변환된다. 전기 파워는 쇼트키 접촉부를 통해 쇼트키 검출기에 의해 측정되며, 측정 결과에 기초하여, 레이저가 사실상 또는 실제로 수명이 다하였는지에 대한 판단과 그에 따른 적절한 조정이 이루어진다.
그러나, 도 11의 구성은 적용 분야에 따라 적합하지 않을 수도 있다. 이는, 도 11의 구성의 동작이, 레이저 광선을 방출할 수 있도록 레이저를 바이어스 시키기 위하여, p 접촉부가 n 접촉부에 대해 양극 상태로 바이어스되어야 하기 때문이다. 그러나, 쇼트키 검출기의 경우, 쇼트키 접촉부는 a) 쇼트키 검출기의 다른 접촉부가 p 타입 층에 연결된 경우, 그 다른 접촉부에 대해 양극 상태로 바이어스되어야 하거나, b) 쇼트키 검출기의 다른 접촉부가 n 타입 층에 연결된 경우, 그 다른 접촉부에 대해 음극 상태로 바이어스되어야 한다. 그 밖에, 전반적인 전압 레벨을 가능한 한 낮게 유지하는 것이 바람직하다. 따라서, 이상적인 상황에서는, 레이저의 모든 전압을 사용할 수 있다. 그러나, 쇼트키 검출기 접촉부를 바이어스 시키기 위해서는 전압이 필요하고, 이로 인해 레이저 전압이 줄어들게 되어, 경우에 따라 레이저의 동작이 제한을 받을 수 있다.
예를 들어, 2.3 볼트의 동작 전압을 필요로 하는 레이저가 0.7 볼트의 전압 강하를 갖는 패스트 트랜지스터-기반 회로(fast transistor-based circuit)에 의해 바이어스되는 경우, 전체 전압 강하는 약 3.0 볼트이다. 반도체 레이저 장치가 작동을 하는 많은 시스템은 전형적으로 3.3 볼트 시스템이기 때문에, 최대 0.3 볼트의 전압이 검출기 사용 시에 이용가능하며, 몇몇 경우에, 이 전압은 불충분할 수도 있다.
n 타입 레이저 층이 기판에 가장 가까이 배치된 레이저의 경우에도 상황은 동일하다. 레이저를 신속히 스위칭하기 위한 요구 및 PMOS (및 PNP) 트랜지스터와 비교되는 NMOS (및 NPN) 트랜지스터의 고유한 속도 이점의 결과로서, 레이저의 p 접촉부는 일정하게 유지되고, n 접촉부는 레이저를 제어하기 위하여 변조된다. 이러한 상황에서, 예를 들어, 레이저의 p 접촉부는 3.3 볼트의 전압으로 유지될 수 있고, n 접촉부는 3.1 볼트 및 1 볼트 사이에서 움직일 수 있다. 이러한 경우, 레이저의 최대 범위를 확보하기 위하여 p 접촉부 층이 최대 공급 전압(이 경우에는, 3.3 볼트)으로 유지될 때, p 접촉부에 대해 쇼트키 접촉부를 전방으로 바이어스 시키는 데 이용될 수 있는 별도의 전압은 제공되지 않는다.
물론, 전류 스티어링 또는 전류 스위칭을 이용하는 회로의 경우에도 마찬가지이다. 그 이유는, 전압이 변조되지 않는 한, 레이저를 통해 전류를 끌어당기는 효과는 유사한 방식으로 레이저에 걸린 전압에 영향을 미치기 때문이다.
도 14는 위에서 설명한 상황에서 본 발명을 구현하는 레이저 장치(1400)의 일실시예를 개략적으로 보인 도면이다. 도 14에 도시한 바와 같이, n 타입 영역(1402)이 미러(1404)를 포함하는 상부 p 타입 영역의 상단에 성장되어 있다. 특정 실시 형태에 따라, n 타입 영역(1402)은 상부 미러(1404)에 추가될 수 있고, 미러 자체(도시 안됨)의 상단을 구성할 수도 있다. 흡수 영역(1408) 및 쇼트키 접촉부(1410)는 각각 n 타입 영역(1402) 상단에 배치되어 있다. 더욱이, n 타입 영역(1402)은 부유 상태로 유지될 수도 있고 (즉, 인가된 전압이 없음), p 타입 미러(1404)에 쇼트 될 수도 있다. 도 14에 도시한 바와 같이, n 타입 영역(1402)과 p 타입 미러(1404)는 상부 접촉부(1406)에 의해 연결되어 있다 (즉, 쇼트 된 상태로 구성되어 있다).
도 11의 실시예에서, 특히 n 타입 레이저 접촉부가 변조된 경우에서, 문제가 되었던 상황을 다시 참조하면, 도 14의 실시예의 경우, p 타입 영역(1404) 및 과성장 n 타입 영역(1402) 모두 3.3 볼트의 전압에서 유지될 수 있다. 그러나, 쇼트키 접촉부(1408) 층은 n 타입 흡수 영역(1402)(n 타입 쇼트키 다이오드)과 관계가 있다. 이는 쇼트키 접촉부(1410)가 n 접촉부 (따라서, 레이저의 p 접촉부)에 대해 음극 상태로 바이어스될 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, 레이저의 p 타입 영역(1404)은 3.3 볼트로 유지될 수 있고, 레이저의 n 타입 영역 접촉부(1412)는 위에서 설명한 바와 같이 변조될 수 있지만, 쇼트키 접촉부(1408)는, 예를 들어, 0 볼트의 전압으로 유지될 수 있어서, 쇼트키 다이오드(1402)에 최대 전계를 인가하는 것이 가능해지고, 따라서 광생성 캐리어의 대부분을 쇼트키 다이오드(1402) 밖으로 내보낼 수 있다.
도 15 및 도 16은 도 12 및 도 13와 유사한 밴드 선도로서, p-도프 GaAs 패시브 사이드 미러를 구비하며 도 14의 장치(1400)에서 도시한 바와 같이 구성된 일실시예를 보여주고 있다.
도 17 및 도 18은 도 15 및 도 16과 유사한 밴드 선도로서, p-도프 Al(x)GaAs 패시브 사이드 미러를 구비하며 도 14의 장치(1400)에서 도시한 바와 같이 구성된, 구체적으로는 Al0 .16Ga0 .84As를 이용하는, 또 다른 실시예를 보여주고 있다.
관련 양상으로 되돌아가서, 지금까지는 상기한 논의가 주로 하부 방출형 (또는 후방 방출형) 레이저에 초점을 맞추어 이루어졌다. 그러나, 본 발명은 상부 방출형 레이저에도 동일하게 적용될 수 있다. 더욱이, 상부 방출형 레이저의 경우, 일부 실시 형태에 있어서는, 후방 쪽 (즉, 기판 쪽) 쇼트키 접촉부를 사용하는 이점이 하부 방출형 레이저를 이용하여 달성할 수 있는 이점보다 더 크다. 그 이유는, 상부 방출형 레이저의 경우, 검출기 장치가 장치 메사(mesa) 상에 위치할 필요가 없기 때문이다. 그 결과로서, 접촉 크기 및 메사 크기와 관련한 장치의 처리 허용 오차가 완화될 수 있다. 이것은 일부 고성능 장치에서는 결정적으로 중요한 이점이다.
도 19 내지 도 21(포괄적)은 본 발명을 구현하는 상부 방출형 레이저 장치(1900, 2000, 2100)의 실시예들을 매우 간략히 보여주고 있다.
도 19는 본 발명에 따른 장치(1900)의 일실시예를 개략적으로 보인 도면이다. 하부 방출형 레이저를 사용하는 장치와 마찬가지로, 도 19의 장치는 기판(1904)과, 하부 (즉, 패시브 사이드) 미러(1906)와, 상부 (즉, 방출 사이드) 미러(1908)와, 하부 미러(1906) 및 상부 미러(1908) 사이에 배치된 액티브 영역(1910)으로 이루어진 레이저(1902)를 포함하고 있다. 기판(1904)은 레이저가 방출하는 파장을 흡수하는 재료이다. 도시한 바와 같이, 기판(1904)은 또한 반절연성 재료이다. 그 결과, 기판(1904) 내로의 광자 누출은 광 캐리어(photocarrier)를 발생시킨다. 기판(1904)이 그다지 두껍지 않으면 (즉, 광 캐리어의 수집을 허용할 수 있을 정도로 충분히 얇으면, 상기한 바와 같이 흡수 (즉, 쇼트키 다이오드) 재료로서 사용될 수 있다. 그 결과, 쇼트키 접촉부(1914)는 기판(1904)의 후방 쪽(1912)에 위치할 수 있다. 이후에, 이러한 장치는 하부 액티브 실시 형태와 동일한 방식으로 동작한다. 다시 말해서, 광자 누출은 쇼트키 접촉부(1914)에 의해 픽업된 출력에 대략 비례하는 전류를 발생시킨다.
몇몇 경우에 있어서, 기판이 너무 두꺼워서 흡수 영역으로서 직접 사용하기 어려울 수도 있다. 그럼에도 불구하고, 본 발명은, 예를 들어, 다음에 설명하는 두 가지의 방법 가운데 한 가지의 방법을 이용하여, 구현할 수도 있다. 첫 번째 방법은, 예를 들어, 화학적-기계적 공정(CMP), 에칭 등의 화학적 공정, 폴리싱 또는 그라인딩 등의 물리적 공정을 이용하여, 흡수 영역으로서의 기능을 할 수 있을 정도로 충분히 얇아질 때까지 (이상적으로, 수 미크론의 두께가 될 때까지) 기판의 전체 후방 쪽의 두께를 감소시키는 방법이다. 이 방법에 의하면, 쇼트키 접촉부가 충분히 근접한 상태로 배치될 수 있다. 두 번째 방법은, 예를 들어, 패터닝 및 (등방성 또는 이방성) 에칭 공정 등의 화학적 공정이나, 기계적 또는 레이저 드릴링 공정 등의 물리적 공정을 이용하여 레이저의 패시브 사이드 아래쪽 영역의 두께를 감소시키는 방법이다. 이 두 번째 방법에 의하면, 첫 번째 방법에서 언급된 적절한 깊이까지 기판의 관련 영역이 감소하게 된다. 명백히 밝혀지겠지만, 첫 번째 방법은, 전체 표면이 균일하게 처리되기 때문에, 처리 공정의 측면에서 매우 간단하다는 장점을 제공하는 반면에, 두 번째 방법은, 많은 기판이 매우 두껍게 유지되고, 또한/그렇지 않으면 벽을 피복 하게 되는 금속으로 (스퍼터링, 증착, 전기 또는 비전기 도금 등의 적절한 공정을 이용하여) 전체 표면이 피복될 수 있도록 기판 내에 패턴 에칭을 통해 홈이 형성될 수 있기 때문에, 또는 기판 내의 홈이 직접적으로 또는, 예를 들어, 화학적-기계적 공정 등의 후속 공정, 화학적 에칭 등의 순수한 화학적 공정, 또는 폴리싱 등의 순수한 기계적 공정을 통해 전기적인 도선이 될 수 있도록 홈을 채울 수 있기 때문에, 구조적인 강도가 크다는 이점을 제공한다.
도 20은 본 발명을 구현하는 장치(2000)의 일실시예를 간략하게 보인 도면으로, 도 20의 장치(2000)는 도 19의 장치(1900)와 사실상 동일하지만, 기판(2002)이 처음에는 흡수 영역으로서 사용하기에 너무 두껍다는 점이 다르다. 도시한 바와 같이, 기판(2002)은 안쪽으로 향하는 개구부를 형성하기 위하여 패터닝 및 등방성 에칭 공정을 이용하는 에칭에 의해 지정된 영역이 줄어들어 있다. 그런 다음, 쇼트키 접촉부(2004)가, 예를 들어 스퍼터 증착 또는 기타 적절한 공정을 이용하여 개구부 내측에 형성되거나 위치하게 된다.
상기한 설명은 기판이 반절연성이거나 도핑 되지 않은 상부 방출형 레이저의 경우에 관한 것이지만, 경우에 따라서는, 상부 방출형 레이저가 성장되는 기판이 도핑된 기판일 수도 있다. 이러한 경우, 도핑은 흡수 영역의 유효 크기를 제한할 수 있기 때문에, 본 발명을 구현함에 있어서 본질적으로 사용하기에는 별로 적절하기 않다. 그럼에도 불구하고, 기판이 도핑된 경우에도 본 발명의 구현이 이루어질 수 있다.
도 21은 기판(2102)이 도핑된 기판인 것을 특징으로 하는 장치(2100)의 일실시예를 간략히 보인 도면이다. 본 발명을 구현하기 위하여, 패시브 사이드 미러(2106)의 하부에 또는 패시브 사이드 미러(2106)의 일부로서 반절연성 층(2104)이 성장되어 있다. 반절연성 층(2104)은 장치의 흡수 영역으로서의 기능을 수행한다. 그런 다음, 반절연성 층(2104)의 적절한 영역을 노출시켜 기판(2102)의 후방 쪽(2110)으로부터 접근할 수 있도록 기판(2102)에 기판(2102)의 후방 쪽(2110)으로부터 개구부(2108)가 형성된다. 그런 다음, 위에서 언급한 바와 같이 쇼트키 접촉부(2112)가 형성되며, 이 쇼트키 접촉부(2112)는 기판(2104)의 개구부(2108)를 통해 흡수 영역(2104)과 연결되어 있다.
상기한 바와 같이, 도시되고 설명된 레이저는 모두 n-도프 미러가 항상 기판에 가장 가까이 배치되어 있는 p-i-n 타입 레이저이다. 그러나, 본 발명은 층 도핑이 반대로 이루어진 경우, 다시 말해서, p-도프 미러가 기판에 가장 가까이 배치되어 있는 n-i-p 타입 장치에도 적용될 수 있다. 따라서, 특정 구성이 도 14와 관련하여 설명한 또 다른 층을 추가하고 접촉부를 쇼트 시키는 것을 필요로 하는 경우에도, 상기한 방식을 사용할 수 있다.
탄소가 "P" 타입 불순물로서 언급되었지만, 공지된 다른 "P" 타입 불순물, 예를 들어, 베릴륨 또는 아연이 쉽게 사용될 수 있다. 마찬가지로, 실리콘이 "n" 타입 불순물로서 언급되었지만, 공지된 다른 "n" 타입 불순물, 예를 들어, 텔루르가 사용될 수 있다. 이는 레이저 구조를 (즉, 미러 및 액티브 영역을) 형성하는데 사용되는 특정 불순물도 특정 재료 또는 레이저도 본 발명을 구현하는데 매우 중요하기 때문이다.
본 발명의 대표적인 응용 형태
상기의 설명은 단일 반도체 레이저에 대해 본 발명을 구현하는 것에 중점을 둔 것이지만, 웨이퍼 스케일 공정 기술을 사용하게 되면, 레이저가 수십 내지 수만 개 단위로 동시에 집합적으로 형성될 수 있다. 그 결과, 둘 내지 수천의 레이저를 포함하는 레이저 어레이가 생성될 수 있어서, 이전에서 얻을 수 없었던 이점들을 달성할 수 있다. 예시의 목적으로, 본 발명을 구현하기 위한 응용 형태의 두 가지 예를 이하에서 설명하기로 한다. 이로부터, 단일 레이저로 구현되든지 아니면 레이저 어레이로 구현되든지, 다수의 다른 응용 형태가 본 발명의 사용으로부터 이점을 제공할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명을 구현하는 레이저 어레이가 집합적으로 펌핑 레이저로서 사용되는 경우, 시간의 경과에 따라 하나 또는 다수의 개별적인 레이저의 전반적인 파워가 열화되고, 이 열화가 동작 중에 신속히 확인될 수 있도록, 그리고, 예를 들어 레이저의 바이어스 및/또는 변조 전류를 조정함으로써 보상될 수 있도록, 개개의 레이저가 관측될 수 있다. 마찬가지로, 레이저가 사실상 또는 실제로 수명이 다하게 되는 경우, 본 발명의 사용을 통하여, 이러한 사실이 신속히 확인될 수 있으며, 실제 파워 출력에 대한 개별적인 파워의 1/(n-1) 추가분을 더하기 위하여 나머지 레이저의 출력 파워를 약간 증가시킴으로써 손실을 보상할 수 있도록 나머지 (n-1) 레이저를 조정할 수 있다.
여기에서 설명되는 발명으로부터 이익을 얻을 수 있는 분리된 다수의 낮은 파워의 반도체 레이저로부터 형성되는 매우 정확한 높은 파워의 레이저의 일례가 미국 특허 출원 제 10/180,367 호에 개시되어 있다 (이 특허 출원을 통해 개시된 내용은 참고 자료로서 본 발명에 포함된다). 개시된 발명을 사용하게 되면, 출력 파워가 매우 정확하게 제어됨으로써, 개개의 레이저 사이의 출력 변동과, 시간의 경과에 따른 열화로 인한 전반적인 장치의 변화와, 온도 변동 등을 설명할 수 있게 된다.
또 다른 예는 다중 파장 레이저 어레이를 사용하는 것인데, 이는 미국 특허 출원 제 10/180,603 호에 개시되어 있다 (이 특허 출원을 통해 개시된 내용은 참고 자료로서 본 발명에 포함된다). 개시된 발명을 사용하게 되면, 장치의 노화 또는 열화와 관련된 변화를 설명할 수 있게 된다.
그 밖에 과도한 레이저가 사용되는 경우에 (즉, 개별적으로 선택될 수 있고 그 사이에서 전환이 일어날 수 있는 과도한 액티브 영역을 갖는 레이저가 사용되거나, 하나의 레이저가 고장이 날 경우에 그 하나의 레이저를 다른 하나의 레이저가 대신할 수 있도록 둘 또는 그 이상의 분리된 개개의 레이저가 구성되어 있는 경우에), 발명의 사용을 통해, 레이저가 사실상 또는 실제로 수명이 다했는지를 확인할 수 있다. 즉, 자동 전환 (즉, 고장 회복(fail-over))이 수행될 수 있고, 및/또는 고장 경보를 발할 수 있다. 그 결과, 여분이 없는 상태로 사용자에게 완전히 투명한 방식으로 달성되는 것보다 많이 어레이에 대한 더욱 많은 평균 무고장 시간을 달성할 수 있다.
이 발명으로부터 이익을 얻을 수 있는 여분 레이저 장치의 일례가 미국 특허 출원 제 09/896,797 호에 개시되어 있다 (이 특허 출원을 통해 개시된 내용은 참고 자료로서 본 발명에 포함된다).
본 발명의 다른 응용 형태
본 발명이 사용되는 특정 응용 형태에 따라, 레이저를, 예를 들어, 레이저용 전자 구동 및 제어 회로를 포함하는 전자 칩에 혼성하는 것이 바람직할 수도 있다. 레이저를 전자 칩에 연결하는 것은, 예를 들어, 와이어 본딩을 통해, 또는 미국 특허 출원 제 09/896,189 호, 제 09/896,665 호, 제 09/896,983 호, 제 09/897,158, 제 09/897,160 호에 도시되고 설명된 바와 같은 기술을 사용하여 상기 레이저와 전자 칩을 함께 혼성함으로써 달성될 수 있다. 상기 각각의 특허 출원을 통해 개시된 내용은 참고 자료로서 본 발명에 포함된다.
혼성 방법을 사용할 경우, 몇몇 실시 형태에 있어서, 쇼트키 접촉부는 광학 집적 회로(IC)의 부분(즉, 레이저가 일부가 되는 칩)이 아니라 전자 집적 회로의 일부로서 시작될 수 있다. 이러한 방법이 도 22 및 도 23에 예시되어 있다.
도 22는 하부 방출형 레이저에서 상기한 방법을 이용하는 레이저 어레이를 포함하는 장치(2200)(도시 안됨)의 일부(2202)를 간략히 도시한 것이다. 도시된 레이저(2204)는, 도 11과 관련하여 상기한 바와 같이 구성되어 있지만, 흡수 영역(2206)이 레이저 지지 칩(2208)의 일부인 경우에는 쇼트키 접촉부를 구비하지 않는다는 점에 차이가 있다. 유전체(2210)가 레이저(2204)를 덮고 있으며, 흡수 영역(2206)의 가장 바깥쪽 표면(2212)과 함께 레이저 지지 칩(2208)의 나머지 부분을 "평탄"하게 하는데 사용된다. 장치 접촉부(2214)는, 예를 들어, 유전체(2210)를 통해 접촉부(2214)까지 에칭하고 구멍을 금속 또는 다른 전기 전도성 재료(2215)로 채움으로써, 유전체(2210)를 통해 레벨 표면(2212)까지 연장된다.
레이저 지지 칩(2208)이 혼성된 전자 칩(2216)은 장치 접촉부(2214)에 전기적으로 대응하는 한 세트의 접기 접촉부(2218)와, 칩(2208, 2216)이 함께 혼성될 때 흡수 영역(2206)에 적절히 연결될 수 있도록 위치하는 쇼트키 접촉부(2220)을 포함하고 있다.
본 발명을 이해하는데 결정적인 사항은 아니지만, 전자 칩 접촉부(2216)가 전자 칩(2216) 자체의 외표면 위로 연장될 경우, 두 칩(2208, 2216) 사이에서 최상의 접촉을 이루기 위하여 그 표면 또한 "평탄"해지는 것이 바람직할 수도 있다는 점에 유의할 필요가 있다.
도 23은 상부 방출형 레이저에 상기한 방법이 적용되는 것을 간략히 보인 것이다. 이 방법은 도 22와 관련하여 설명한 방법과 유사하지만, 상부 방출 레이저(2302)를 사용하는 점에 차이가 있다. 도 22와 마찬가지로, 도 23의 실시 형태에 있어서, 쇼트키 접촉부(2304)가, 레이저 지지 칩(2308)이 혼성되는 전자 칩(2306)의 일부이며, 장치 접촉부(2310)는, 예를 들어, 기판(2312)을 에칭하여 개구부(2314)를 형성하고, 증착 또는 다른 충전 공정을 사용하거나 개구부(2314)를 통해 와이어본드(2306)를 통과시켜 개구부(2314)를 전기적으로 전도되도록 함으로써, 기판(2312)을 통해 전자 칩(2306)과 접촉하게 된다. 물론, 선택적으로 평탄화 유전체(2318)를 또한 사용할 수 있다.
도 24는 유니트(2400)의 일부를 도시한 것으로, 특히 도 21의 칩(2100)의 단일 레이저를 도시한 것이다. 칩(2100)은 전자 칩(2402)에 연결되어 있다.
일단 광학 장치 지지 칩이 (혼성화, 와이어 본딩, 또는 기타 방법에 의해) 전자 칩에 연결되면, 연결된 장치는, 예를 들어, 다음과 같이 네트워크 또는 통신 시스템에 사용될 수 있다. 설명을 간단하게 하기 위하여, 이하에서는, 레이저 장치 및 전자 칩의 조합체를 "광전자 유니트(opto-electronic unit)"라고 칭한다. 광전자 유니트는, 예를 들어, 주기적으로 또는 지속적으로 (패시브 사이드 흡수 영역과 쇼트키 접촉부를 포함하는) 검출기에서 나오는 출력을 관측하고, 그 관측된 출력에 기초하여, 필요에 따라, 새로운 Ibias 및 Imod 설정치를 계산하도록 구성될 수 있다.
만일 전자 칩이 (유니트 내에서 칩과 분리되어 있거나 칩과 통합되어 있을 수도 있는) 관련 온도 센서를 구비하는 경우, 이 정보는 새로운 Ibias 및 Imod 설정치를 계산하는 데에 또한 사용될 수 있다.
더욱이, 여분 (즉, 백업) 레이저를 포함하는 설계 방식에 있어서는, 전자 칩이 로직을 추가로 포함하거나, 예를 들어, 레이저가 고장나거나 사실상 레이저의 수명이 다하면 (즉, 사양에 맞는 적절한 레벨로 레이저가 광선을 방출하기 위해 필요한 소정의 레벨로 파워를 얻기에 충분한 Ibias 및 Imod 를 설정하는 것이 불가능하면) 백업 레이저로의 전환을 결정하는 프로세서 구동 프로그램 코드를 갖출 수 있다.
본 발명에 따른 하나 이상의 광전자 유니트를 갖춘 시스템에서의 제어 알고리즘의 관련 부분이 도 25에 도시되어 있다. 제어 알고리즘의 특징 일부분은 상기에 설명되어 있다.
초기 레이저 바이어스 및 동작 전류가 (개별 장치 또는 군집 장치에 기반하는) 소정의 출력 파워에 기초하여 설정된다 (단계 2502). 그런 다음, 전류는 사용되는 각각의 레이저로 입력된다 (단계 2504). 패시브 사이드 광자 누출이 측정되고 (단계 2506), 실시 형태에 따라, 각각의 레이저 출력 파워가 패시브 사이드 콜렉터를 통해 측정된 누출 광자와 출력 파워 사이의 비례 관계에 기초하여 추정되거나 (임의 선택 단계로서의 단계 2507), 패시브 사이드의 측정 값이 출력 파워의 대용으로서 직접적으로 사용된다. 그런 다음, 측정되거나 추정된 파워는 설정치 (즉, 기준값이나 표준값 또는 기준범위나 표준범위)와 비교된다 (단계 2508). 만일 레이저 출력이 기준값이나 표준값과 일치하거나 기준범위나 표준범위 내에 있으면 (단계 2510), 동일한 입력 전류가 사용된다 (즉, 단계 2504로 복귀한다). 그렇지 않으면, 레이저가 "사실상 그 수명이 다하였는지"에 대해 (도시된 예에서는, 실제로 수명이 다한 레이저를 포함하고 있는지에 대해) 판단을 내린다 (단계 2512). 레이저가 사실상 그 수명이 다하지 않은 경우, 출력 및, 이용 가능하다면, 의미 있는 시간에 (즉, 단계 2506 내지 단계 2512를 수행하기 전에, 수행하는 동안, 또는 수행한 후에 특정 응용 분야에서 적절한 시간에) 취해진 온도 측정(단계 2500)을 통해 레이저의 새로운 바이어스 및/또는 변조 전류를 계산하며, 과정이 반복된다 (즉, 단계 2502로 복귀한다).
만일 레이저가 사실상 그 수명이 다했으면, 그리고 시스템이 고장 회복 특징을 포함하면, 고장 회복 공정이 수행된다 (단계 2516). 만일 고장 회복 옵션이 없다면, 채널 경보 신호 또는 중단 신호가 전송된다 (단계 2520). 고장 회복 기능이 이용 가능하다면, 그리고 시스템이 수동 및 자동 고장 회복 사이에서의 선택이 가능하다면, 예를 들어, 특정 설정치 또는 외부 조정에 기초하여 그러한 결정이 이루어질 수 있다 (단계 2518). 만일 수동 조정을 통해 고장 회복이 이루어질 필요가 있는 경우, 신호, 예를 들어, 채널 경보 신호 또는 중단 신호가 전송된다 (단계 2520). 만일 자동 고장 회복 기능이 사용되면, 백업 레이저의 이용 가능성에 대한 판단이 이루어진다 (단계 2522). 백업 레이저가 이용 가능하지 않으면, 경보 또는 중단 신호가 전송된다 (단계 2520). 백업 레이저가 이용 가능하다면, 백업 레이저로의 전환이 이루어지고 (단계 2524), 새로운 레이저에 대해 초기 바이어스 및 변조 전류가 설정되고 (단계 2514), 과정이 반복된다 (즉, 단계 2502로 복귀한다)
다수의 다른 실시예 및 응용 형태에 대해 설명하였지만, 예를 들어, 도 25의 흐름도의 경우에서 다양한 치환 및 조합이 직접적으로 이루어지고 및/또는 대체될 수 있으며, 온도 측정 및 고장 회복 등의 양상은 선택적인 사항이기 때문에, 한 가지 또는 두 가지 모두 특정 실시 형태에서는 생략될 수 있으며, 본 발명을 이용하는 다른 특징들이 추가되거나 대체될 수 있다.
상기한 설명은 본 발명의 대표적인 실시예들을 예로서 보여준 것임에 주목할 필요가 있다. 용이한 이해를 위해, 상기한 설명은 모든 가능한 실시예들을 대표하는 예로서, 본 발명의 원리를 보여주는 예에 초점을 맞추어서 이루어진 것이다. 상기한 설명에서는 모든 가능한 변형예를 철저히 열거하려고 하지는 않았다. 그러한 변형예들이 본 발명의 특정 부분을 위해 제시되지 않았다는 것이 또는 추가적으로 설명된 변형예들이 그러한 본 발명의 특정 부분에 이용 가능하다는 것이 이러한 변형예들에 대한 권리를 포기한다는 것으로 고려되어서는 아니 된다. 당해 기술의 통상적인 지식을 가진 사람이라면 상기에서 설명한 실시예의 다수가 본 발명의 동일한 원리를 포함하고 있으며, 다른 실시예들도 그에 상당한 것임이 이해되리라 본다.

Claims (32)

  1. 레이저 동작에 관한 피드백을 제공하기 위한 레이저 기반 장치에 있어서,
    광 방출 사이드(light-emitting side)와, 이 광 방출 사이드에 대향하는 비-방출 사이드(non-emitting side)를 구비하는 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL); 및
    상기 비-방출 사이드 상에 일체로(integrally) 형성되는 광검출기 유니트를 포함하고, 상기 광검출기 유니트는,
    상기 비-방출 사이드를 통해 상기 레이저에서 나가는 누출 광자를 수용하도록 구성되는 흡수 영역;
    상기 흡수 영역과 전기적으로 접속하도록 구성되는 쇼트키 접촉부(Schottky contact)로서, 상기 흡수 영역 내의 상기 누출 광자의 흡수에 의해 야기되는 전류는 상기 쇼트키 접촉부를 통해 측정될 수 있는 것인, 상기 쇼트키 접촉부; 및
    상기 쇼트키 접촉부 및 상기 흡수 영역 사이에 위치한 기판을 포함하는 것인, 레이저 기반 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 기판은 상기 광 방출 사이드와 접하는 것인, 레이저 기반 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 기판은, 상기 광 방출 사이드의 적어도 일부분 위에 있는 접근 통로(access way)를 포함하고, 레이저 방출은 이 접근 통로를 통해 이루어지는 것인, 레이저 기반 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 흡수 영역은,
    상기 레이저가 성장된 상기 기판을 포함하는 것인, 레이저 기반 장치.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 레이저는,
    상부 방출형 레이저인 것인, 레이저 기반 장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 레이저는,
    하부 방출형 레이저인 것인, 레이저 기반 장치.
  8. 청구항 1 내지 청구항 4, 청구항 6, 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저에 혼성된 전자 회로 칩을 또한 포함하는 것인, 레이저 기반 장치.
  9. 레이저 동작에 관한 피드백을 제공하기 위한 레이저 기반 장치에 있어서,
    광 방출 사이드(light-emitting side)와, 이 광 방출 사이드에 대향하는 비-방출 사이드(non-emitting side)를 구비하는 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL);
    상기 레이저에 혼성된 전자 회로 칩;
    상기 전자 회로 칩의 적어도 일부분과 상기 레이저 사이에 위치한 평탄화 유전체; 및
    상기 비-방출 사이드 상에 일체로(integrally) 형성되는 광검출기 유니트를 포함하고, 상기 광검출기 유니트는,
    상기 비-방출 사이드를 통해 상기 레이저에서 나가는 누출 광자를 수용하도록 구성되는 흡수 영역; 및
    상기 흡수 영역과 전기적으로 접속하도록 구성되는 쇼트키 접촉부(Schottky contact)로서, 상기 흡수 영역 내의 상기 누출 광자의 흡수에 의해 야기되는 전류는 상기 쇼트키 접촉부를 통해 측정될 수 있는 것인, 상기 쇼트키 접촉부를 포함하는 것인, 레이저 기반 장치.
  10. 청구항 1 내지 청구항 4, 청구항 6, 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 방출 사이드는,
    액티브 사이드 미러를 포함하며, 이 액티브 사이드 미러는 p 타입이 되도록 도핑되는 것인, 레이저 기반 장치.
  11. 청구항 1 내지 청구항 4, 청구항 6, 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 방출 사이드는,
    액티브 사이드 미러를 포함하며, 이 액티브 사이드 미러는 n 타입이 되도록 도핑되는 것인, 레이저 기반 장치.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 흡수 영역은 반절연성 물질을 포함하는 것인, 레이저 기반 장치.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 반절연성 물질은 갈륨 비소(Gallium Arsenide)를 포함하는 것인, 레이저 기반 장치.
  14. 청구항 12에 있어서, 상기 반절연성 물질의 두께는 2 미크론 미만인 것인, 레이저 기반 장치.
  15. 청구항 12에 있어서, 상기 반절연성 물질의 두께는 1 미크론인 것인, 레이저 기반 장치.
  16. 청구항 1 내지 청구항 4, 청구항 6, 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 방출 사이드는,
    액티브 사이드 미러를 포함하며, 이 액티브 사이드 미러는 탄소 불순물(carbon dopant), 베릴륨 불순물(berrilium dopant), 아연 불순물(Zinc dopant) 중 적어도 하나의 불순물을 포함하는 것인, 레이저 기반 장치.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 액티브 사이드 미러는 알루미늄-갈륨-비소(Aluminum_Gallium_Arsenide)를 포함하는 것인, 레이저 기반 장치.
  18. 청구항 1 내지 청구항 4, 청구항 6, 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비-방출 사이드는,
    패시브 사이드 미러를 포함하며, 이 패시브 사이드 미러는 실리콘 불순물(silicon dopant), 텔루르 불순물(tellurium dopant) 중 적어도 하나의 불순물을 포함하는 것인, 레이저 기반 장치.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 패시브 사이드 미러는 알루미늄-갈륨-비소(Aluminum_Gallium_Arsenide)를 포함하는 것인, 레이저 기반 장치.
  20. 액티브 사이드 미러 및 이 액티브 사이드 미러에 대향하는 패시브 사이드 미러를 구비하는 VCSEL 유형의 레이저 - 이 레이저는 상기 액티브 사이드 미러를 통해 출력 신호를 방출하도록 구성됨 - 를 포함하는 장치에서 사용하기 위해 레이저 동작에 관한 피드백을 제공하는 방법에 있어서,
    상기 패시브 사이드 미러를 통해 상기 레이저 밖으로 누출되어, 광자를 전류로 변환하는 물질 내부로, 쇼트키 접촉부를 경유하여 유입되는 상기 광자를 측정 - 상기 전류는 상기 쇼트키 접촉부를 이용하여 측정될 수 있음 - 하는 단계;
    상기 측정 단계에서의 측정 결과가 보상 작용을 필요로 하는지의 여부를 판단하는 단계;
    상기 측정 단계에서의 측정 결과가 상기 레이저의 수명이 다한 것임을 나타내는 경우가 아니라면, 상기 보상 작용이 필요할 때 상기 보상 작용을 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 측정 단계 및 상기 보상 작용 수행 단계는 상기 레이저에 혼성화된 전자 회로 칩을 이용하는 단계를 포함하고, 상기 전자 회로 칩의 적어도 일부분 및 상기 레이저 사이에 평탄화 유전체가 위치하며, 상기 쇼트키 접촉부 및 상기 물질 사이에 기판이 위치하는 것인, 레이저 동작에 관한 피드백 제공 방법.
  21. 청구항 20에 있어서, 광자 누출과 상기 레이저의 출력 파워 사이의 비례 관계에 기초하여 상기 레이저의 출력 파워의 양을 결정하는 단계를 또한 포함하는, 레이저 동작에 관한 피드백 제공 방법.
  22. 청구항 20에 있어서, 상기 보상 작용을 수행하는 단계는, 상기 레이저를 위한 바이어스 전류를 조정하는 단계를 포함하는 것인, 레이저 동작에 관한 피드백 제공 방법.
  23. 청구항 20에 있어서, 상기 보상 작용을 수행하는 단계는, 상기 레이저를 위한 변조 전류를 조정하는 단계를 포함하는 것인, 레이저 동작에 관한 피드백 제공 방법.
  24. 청구항 20에 있어서, 상기 측정 단계에서의 측정 결과가 상기 레이저의 수명이 다한 것임을 나타낼 때, 상기 레이저를 여분의(redundant) 레이저로 교체하는 단계를 또한 포함하는, 레이저 동작에 관한 피드백 제공 방법.
  25. 레이저 동작에 관한 피드백을 제공하는 방법에 있어서,
    제 1 반사율을 갖는 제 1 미러와, 상기 제 1 반사율보다 낮은 제 2 반사율을 갖는 제 2 미러를 구비한 레이저를 형성하는 단계;
    상기 제 1 미러를 포함하는 상기 레이저의 한쪽과 접하는 상기 레이저의 바깥쪽에 있는 흡수 영역을 정의하는 단계; 및
    일체로 형성되는 쇼트키 접촉부를 기판의 한쪽에 접하게 하는 단계를 포함하고,
    상기 기판은 상기 쇼트키 접촉부 및 상기 흡수 영역 사이에 위치하는 것인, 레이저 동작에 관한 피드백 제공 방법.
  26. 청구항 25에 있어서, 상기 흡수 영역을 정의하는 단계는, 상기 제 1 미러 상에 반절연성 물질을 도포하는 단계를 포함하는 것인, 레이저 동작에 관한 피드백 제공 방법.
  27. 청구항 25에 있어서,
    상기 흡수 영역을 정의하는 단계는 상기 기판 상에 반절연성 물질을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 레이저를 형성하는 단계는 상기 반절연성 물질이 상기 기판과 상기 제 1 미러 사이에 놓이도록 상기 반절연성 물질 위에 상기 제 1 미러를 성장시키는 단계를 포함하는 것인, 레이저 동작에 관한 피드백 제공 방법.
  28. 청구항 25에 있어서,
    상기 제 1 미러는 p 타입 또는 n 타입 도핑을 가지며,
    상기 흡수 영역을 정의하는 단계는,
    상기 제 1 미러의 도핑과 정반대의 p 타입 또는 n 타입 도핑을 갖는 영역을 상기 제 1 미러 상에 형성하는 단계; 및
    상기 영역 상에 반절연성 물질을 도포하는 단계를 포함하는 것인, 레이저 동작에 관한 피드백 제공 방법.
  29. 청구항 28에 있어서, 상기 쇼트키 접촉부를 접하게 하는 단계는,
    상기 영역에 대향하며 상기 쇼트키 접촉부와 전자 집적 회로와의 접속을 허용하도록 위치하는 상기 반절연성 물질의 한쪽 상에 상기 쇼트키 접촉부를 형성하는 단계를 포함하는 것인, 레이저 동작에 관한 피드백 제공 방법.
  30. 청구항 25에 있어서, 상기 쇼트키 접촉부를 접하게 하는 단계는,
    칩과 혼성될 수 있도록 구성되는 전자 집적 회로 상에 상기 쇼트키 접촉부를 형성하는 단계로서, 상기 칩은 그 위에 상기 레이저를 구비하는 것인, 레이저 동작에 관한 피드백 제공 방법.
  31. 청구항 29 또는 청구항 30에 있어서,
    상기 레이저는, 다수의 레이저 가운데 하나의 레이저이며,
    상기 방법은, 상기 레이저를 상기 전자 집적 회로에 혼성하는 단계를 또한 포함하는 것인, 레이저 동작에 관한 피드백 제공 방법.
  32. 청구항 25 내지 청구항 30 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저는, 상부 방출형 레이저이며,
    상기 방법은,
    상기 흡수 영역과 접하는 상기 기판에 개구부를 형성하는 단계로서, 상기 쇼트키 접촉부를 접하게 하는 단계가 상기 개구부를 통해 이루어지도록 하는 것인, 상기 개구부 형성 단계를 또한 포함하는 것인, 레이저 동작 피드백 제공 방법.
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