KR101587669B1

KR101587669B1 - 전기적으로 펌핑된 반도체 지그재그 확장된 캐비티 표면 방출 레이저 및 초발광 ｌｅｄ

Info

Publication number: KR101587669B1
Application number: KR1020107020564A
Authority: KR
Inventors: 마이클 잔센
Original assignee: 코닌클리케 필립스 엔.브이.; 필립스 루미리즈 라이팅 캄파니 엘엘씨
Priority date: 2008-02-14
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2016-01-21
Also published as: US20090207873A1; EP2245711A4; JP5406858B2; US20110002355A1; US7991034B2; WO2009103056A2; EP2245711A2; CN102089944B; WO2009103056A3; JP2011512681A; CN102089944A; KR20100133977A; US7801195B2

Abstract

반도체 표면 방출 광 증폭기 칩은 광 증폭기 칩 내의 지그재그 광 경로를 이용한다. 지그재그 광 경로는 2개 이상의 이득 엘리먼트들을 결합한다. 각 개별 이득 엘리먼트는 원형 애퍼처를 갖고 이득 영역 및 적어도 하나의 분포된 브래그 반사체를 포함한다. 하나의 구현에서 광 증폭기 칩은 서로 떨어져 있고 0.5 이하의 필 팩터를 갖는 적어도 2개의 이득 엘리먼트들을 포함한다. 그 결과 총 광학 이득은 증가될 수 있다. 광 증폭기 칩은 초발광 LED로서 작동될 수 있다. 다르게는, 광 증폭기 칩은 외부 광학 엘리먼트들과 함께 이용되어 확장된 캐비티 레이저를 형성할 수 있다. 개별 이득 엘리먼트들은 이득 스위칭 또는 모드 로킹을 지원하기 위해 역방향 바이어싱된 모드에서 작동될 수 있다.

Description

전기적으로 펌핑된 반도체 지그재그 확장된 캐비티 표면 방출 레이저 및 초발광 ＬＥＤ{ELECTRICALLY-PUMPED SEMICONDUCTOR ZIGZAG EXTENDED CAVITY SURFACE EMITTING LASERS AND SUPERLUMINESCENT LEDS}

[관련출원의 상호참조]

이 출원은 2008년 2월 14일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/065,817의 이익을 주장하며, 그 출원은 이로써 완전히 참고로 통합된다.

본 발명은 일반적으로 반도체 표면 방출 레이저에 관한 것이다. 특히 본 발명은 지그재그 구성을 이용함으로써 확장된 캐비티 표면 방출 반도체 레이저 구조의 성능을 개선하는 것에 지향된다.

광학적으로 펌핑된 솔리드 스테이트 Nd:YAG 슬랩 레이저들(optically pumped solid state Nd:YAG slab lasers)은 중요한 종류의 솔리드 스테이트 레이저들이다. Nd:YAG 슬랩 레이저들의 하나의 유형은 도 1에 도시된 지그재그 슬랩 구조(zigzag slab geometry)이다. 지그재그 슬랩 구조에서 Nd:YAG 슬랩은 직사각형 단면을 갖는다. 슬랩은 레이저 빔이 슬랩에 들어가고 슬랩에서 나가는 것을 허용하는 경사진 면들(tilted facets)을 포함한다. 슬랩은 2개의 큰 대향하는 면들(opposing faces)을 갖는다. 종래 기술인 도 1에 도시된 바와 같이, 슬랩은 대향하는 면들을 통하여 그것의 전체 길이에 걸쳐서 그것을 조명하는 것에 의해 광학적으로 펌핑된다. 경사진 면들의 각도로 인해 빔은 (스넬의 법칙 때문에) 비스듬히 슬랩에 들어가고 그 후 대향하는 면들에서 내부 전반사(total internal reflection)를 경험하게 된다. 경사진 면들의 각도 및 다른 설계 요소들(design factors)의 적당한 선택에 의해 빔은 내부 전반사 때문에 슬랩의 길이를 따라서 지그재그로 진행한다. 즉, 광 빔은 그 빔이 2개의 큰 대향하는 면들 사이에서 왔다갔다 바운싱하는 교호의 경로(alternating path)를 슬래브의 길이를 따라 갖도록 일련의 내부 반사들을 경험한다. 슬랩 레이저에 피드백을 제공하기 위해 추가적인 역반사체들(retro-reflectors)이 제공된다. 전통적인 지그재그 솔리드 스테이트 레이저 구조에 관한 배경 정보는 W. Koechner의, Solid State Laser Engineering, Springer Verlag Ed., 1976, p. 392-394, B.J. Comaskey 등의, "High average power diode pumped slab laser", IEEE 1. Quantum Electronics, vol. 28, no 4, April 1992, p. 992, 및 A.D. Farinas 등의, "Design and characterization of a 5.5-W, cw, injection-locked, fiber-coupled, laser-diode-pumped Nd:YAG miniature-slab laser, Optics Letters, vol 19, no. 2, January 15, 1994, p. 114에 설명되어 있고, 이들의 내용은 이로써 참고로 통합된다.

종래의 Nd:YAG 슬랩 지그재그 레이저의 하나의 특징은 그것은 슬랩의 전체 바디에 걸쳐서 광학적으로 펌핑된다는 것이다. 따라서, 빔은 그것이 슬랩을 가로지르는 전체 길이를 따라 광 이득을 경험한다. 게다가, 종래의 Nd:YAG 지그재그 슬랩 레이저는 솔리드 스테이트 레이저들의 굴절률 특성에서의 비교적 작은 변화 및 비교적 작은 이득 스펙트럼으로부터 이익을 얻는다. 그 결과, 종래의 Nd:YAG 슬랩 레이저는 고품질 레이저 출력을 제공하기 위해 이용될 수 있다.

이와 대비하여, 지그재그 레이저 구조는 바람직한 광학 모드 특성을 갖는 효율적인 고 전력 반도체 레이저를 구현하기에는 비실용적인 것으로 이전에 판명되었다. 반도체 레이저들은 비교적 넓은 이득 스펙트럼, 보다 높은 이득 계수들, 및 온도 및 펌핑 레벨에 대한 굴절률의 높은 민감도를 갖는다. 공간 및 길이의 모드들에서 다양한 광학적 불안정성을 일으키지 않고 큰 면적 및 체적의 이득 재료로부터 높은 전력 출력을 달성하는 것은 어렵다. 예를 들면, 큰 폭에 걸쳐서 펌핑되는 슬랩 구조 반도체 레이저는 다수의 횡방향 모드들(lateral modes)에서 레이징하는 경향을 갖는 것이 잘 알려져 있다. 즉, 전형적인 반도체들에서의 큰 이득 때문에 슬랩 구조 반도체 레이저들 및 증폭기들에서 기생 레이징(parasitic lasing)을 억제하기 위해 종종 특별한 노력들이 요구된다. 예를 들면, 그것을 우회하도록 방사체 스트립들(emitter stripes) 사이에 깊은 분리 트렌치들이 에칭되지 않는다면 높은 필 팩터 레이저 바들(high fill factor laser bars)에서 횡방향 레이징이 발생할 수 있다. 그 결과, 전형적인 반도체 재료들에서의 큰 이득 때문에, 기생 레이징을 억제하는 설계는 공통의 문제이다. 또한 그들의 큰 커패시턴스(큰 RC 시상수), 높은 변조 전류들에 대한 요구 및 다양한 모드 불안정성들(modal instabilities)의 발생으로 인해 대면적 반도체 레이저를 변조하는 데 있어서 실용적인 어려움들이 있다.

종래 기술에서 제안된 몇 개의 반도체 지그재그 레이저들이 있다. 그러나, 그것들 각각은 그것들을 다른 유형의 반도체 레이저들에 대한 실용적인 대안으로서 사용할 수 없게 만드는 상당한 결점들을 갖고 있다.

지그재그 반도체 레이저를 구현하는 하나의 방법은 Klimek에 의한 미국 특허 공개 2003/0012246, "Semiconductor ZigZag Laser and Optical Amplifier"에 개시되어 있다. 그러나, Klimek의 다수의 결함들은 그 설계를 안정된 대면적 광학 모드를 갖는 능률적인 전기적으로 펌핑된 레이저를 달성하는 데 사용할 수 없게 만든다. 미국 특허 공개 2003/0012246에 개시된 에피택셜 층 설계 방법은 종래의 솔리드 스테이트 슬랩 레이저들과 설계에서 아주 유사하다. 그 반도체 구조는 종래의 에지 방출 반도체 레이저와 유사하게, 2개의 클래딩 층들 사이에 끼어 있는 활성 영역을 포함한다. 그 활성 영역은 p-도핑된 및 n-도핑된 영역들을 포함한다. Klimek은 광학적 펌핑 및 전기적 펌핑 양쪽 모두를 설명하지만 능률적인 전기적 펌핑을 제공하는 실용적인 수단을 개시하고 있지 않다. 전기적 펌핑에 의한 실시예는 상부 및 하부 전기 콘택트들 사이에 p-n 레이저 다이오드를 형성하기 위하여 클래딩 층들 중 하나에 p-도핑 및 다른 클래딩 층에 n-도핑을 요구하는 것으로 이해될 것이다. 따라서, Klimek의 전기적으로 펌핑된 실시예들에서 광학 모드는 양쪽 n 및 p 도핑된 활성 영역들 및 n 및 p 도핑된 클래딩 영역들을 통하여 지그재그 경로를 가로지르고, 그 결과 상당한 광학적 손실이 생긴다. 또한, 지그재그 경로는 활성 영역을 따라서 일련의 노드들 및 안티노드들(antinodes; 파복)을 갖는다. 그 결과 이득이 효과적으로 이용되지 않는다.

게다가, Klimek에 개시된 전기적으로 펌핑된 실시예들에서는 또한 몇 개의 다른 실용적인 문제들이 있다. Klimek은 광학적 클래딩 층들이 에피택셜 방식으로 성장되는 것을 개시한다. 그러나, 도핑된 클래딩 층들이 높은 광학 및 재료 품질을 가지고 및 능률적인 설계와 일관된 합리적으로 낮은 전기 저항을 가지고 성장될 수 있는 두께에 실용적인 제한들이 있다. 필적하는 에지 방출 레이저 구조들에서 클래딩 영역들은 전기적 저항을 감소시키고 도핑된 층들에서의 바람직하지 않은 광학적 손실을 최소화하기 위해 전형적으로 두께가 수 미크론에 불과하다. 그러나, 만약 그러한 능률적인 레이저 구조가 Klimek에서 이용된다면 그것은 수직 모드를 치수에서 수 미크론으로, 즉, 두께가 겨우 수 미크론인 클래딩 층들을 갖는 레이저 구조 내에서 모드를 바운싱하는 것과 일관된 치수로 제한할 것이다. 따라서, Klimek의 능률적인 전기적으로 펌핑된 구현은 클래딩 두께들에 대한 제한 때문에 적어도 하나의 치수에서 작은 스폿 사이즈를 가질 것이다. Klimek은 또한 반도체 칩의 안으로 및 밖으로 광을 결합하는 실용적인 수단을 개시하고 있지 않다. Klimek은 경사진 면들을 갖는 하나의 실시예를 개시하고 있지만, 그러한 경사진 면들은 대부분의 반도체들에서 제어된 각도들로 제조하기가 어렵다. 특히, 대부분의 반도체들의 자연적인 분열 및 에칭 평면들은 슬랩 레이저를 위해 요구되는 동일한 각도들에서 일어나지 않는다. Klimek의 다른 실시예는 반도체 칩에 광을 결합하기 위해 마이크로-프리즘 엘리먼트들을 이용한다. 그러나, 그러한 마이크로-프리즘들은 그러한 작은 물리적 스케일로 구현하기가 어려울 것이고 바람직하지 않은 추가적인 정렬 및 패키징 공정들을 필요로 할 것이다. 게다가, Klimek은 슬랩이 큰 횡방향 사이즈를 갖는 것을 교시한다. 그러나, 이것은 대면적 에지 방출 레이저들에서 관찰되는 것과 유사하게, 레이저에서 다수의 횡방향 모드들의 발생으로 귀착하는 경향이 있거나, 또는 하나의 극단으로서 기생 횡방향 레이징으로 귀착할 것이다. Klimek에는 기생 레이징이 어떻게 억제될 것인지에 관한 어떠한 교시도 제공되어 있지 않다. Klimek은 또한 그것이 제안하는 구조들의 실용적인 치수들에 대한 지침을 제공하지 않고 레이저로부터의 열을 방산하고 제거하기 위한 및 에피택셜 주조에서의 응력들을 다루기 위한 어떠한 해결책도 제공하지 않는다. Klimek은 또한 진술된 재료들이 내부 전반사를 제공하기 위한 정확한 굴절률들을 갖지 않을 비효과적인(non-operative) 예들을 포함하는, 다수의 결함들을 갖고 있다.

지그재그 같은 경로를 갖는 반도체 레이저를 구현하는 다른 방법은 "Optically-pumped external cavity laser"라는 표제가 붙은 Aram Mooradian에 의한 미국 특허 5,131,002(이하 "Mooradian 특허")에 설명되어 있다. Mooradian 특허는 광학적 펌핑 소스들의 어레이를 이용하여 반도체 웨이퍼의 일련의 활성 영역들에서 반도체 재료를 광학적으로 펌핑하는 것을 개시하고 있다. 각 활성 영역은 AlGaAs의 클래딩 층들의 사이에 끼어 있는, GaAs와 같은, 활성 반도체 레이저 재료를 포함한다. 에피택셜 구조는 수 미크론 또는 수십 미크론의 두께를 갖는 것으로 설명되어 있다. 그러나, Mooradian 특허는 내부 전반사를 이용하지 않는다. 대신에, 지그재그 경로는 2개의 추가적인 미러들을 이용하는 것에 의해 생성된다. 하부 미러는 기판의 하부에 형성된다. 따라서, Mooradian에서의 광학 모드는 하부 미러에서 반사하기 위하여 모든 반도체 층들 및 기판을 가로질러야 한다. 제2 (상부) 미러는 웨이퍼의 위쪽에 배치된다. Mooradian 특허에는 활성 영역들이 어떻게 전기적으로 펌핑될 것인지에 관한 어떠한 설명도 제공되어 있지 않다. 더욱이, Mooradian 특허는 또한 안정된 광 빔을 갖는 능률적인 레이저를 만들기 위해 필요한 다양한 다른 상세에 관하여 침묵하고 있다. Mooradian 특허의 결함들 중 일부는 Mefferd 등에 의한 미국 특허 공개 번호 2006/0251141에서 설명되어 있고, 그것은 [0008]-[0009] 단락들에서 Mooradian 특허는 확장된 펌핑된 영역을 냉각하는 것의 문제점들, 칩 위의 평탄성의 변화들로 인한 잠재적인 정렬 불량(misalignment), 및 능률적인 공진기를 달성하기 위해 4배까지 활성 영역들의 면적들을 변경할 필요와 같은 결함들로 고생한다는 것을 설명하고 있다. 미국 특허 공개 번호 2006/0251141는 사실상 이러한 문제들을 해결하기 위해 다수의 개별 칩들 및 외부 폴드 미러들(fold mirrors)을 갖는 복잡한 구조를 이용하는 것을 제안하고 있다.

Wasserbauer에 의한 미국 특허 공개 번호 2006/0176544는 광이 광 증폭기의 길이를 따라서 지그재그 경로로 이동하는 광 증폭기 구조를 개시하고 있다. 이 광 증폭기는 균일하게 펌핑되고 리지 웨이브가이드(ridge waveguide)와 같은 가로 웨이브가이드(transverse waveguide)를 구비하는 것으로 설명되어 있다. 활성 영역은 상부 및 하부 분포된 브래그 반사체 미러들 사이에 끼어 있다. 광 빔은 증폭기에 들어가서 하부 반사체에 부딪치고, 이득 영역을 통과하고, 상부 미러에서 바운싱하고, 그 후 하부 미러로 아래쪽으로 유도되고 그렇게 광학 모드가 증폭기의 전체 길이를 통하여 이동할 때까지 계속된다. 그러나, 이 증폭기 설계는 다수의 결점들을 갖고 있다. 첫째, 전체 증폭기가 펌핑되는 반면 지그재그 경로로 인해 이득 경로를 따라서 일련의 노드들 및 안티노드들이 생길 것이기 때문에, 광학 이득의 이용은 잠재적으로 비능률적이다. 둘째, 스폿 사이즈는 비교적 작은 스폿 사이즈로 제한될 것이다. 횡방향 치수에서 스폿 사이즈는 가로 횡방향 가이드에 의해 약 수 미크론 정도의 치수들로 제한될 것이다. 둘째, 수직 치수에서 스폿 사이즈는 또한 에피택셜 미러들의 두께와 일관된, 수 미크론 정도로 제한될 것이다. 이러한 다양한 고려 사항들에 비추어서, 증폭기는 큰 스폿 사이즈를 갖는 능률적인 고전력 레이저의 기초로서 이용될 수 없다.

따라서, 종래 기술은 바람직한 빔 특성을 갖는 지그재그형 반도체 레이저를 오랫동안 필요로 느껴온 것을 암시하지만, 그 목적은 충족되지 않았다. 종래 기술에서 제안된 해결책들은 큰 스폿 사이즈를 갖고 이득 스위칭되는(gain-switched) 또는 모드 로킹되는(mode-locked) 구성으로 효과적으로 이용될 수 있는, 능률적인 고전력 출력이 가능한 전기적으로 펌핑된 반도체 레이저를 달성하는 것과 일관되지 않는다.

[발명의 개요]

하나의 실시예에 따르면 분포된 및 스케일링 가능한(scalable) 반도체 이득 엘리먼트들의 세트가 공통의 기판 상에 형성되고 전기적으로 펌핑되고, 각 이득 엘리먼트는 증폭을 제공한다. 각 이득 엘리먼트는 재생 유형(regenerative type)일 수 있다. 광 빔이 비수직 입사 각도(non-normal angle of incidence)(즉, 지그재그 광 경로)로 이득 엘리먼트에 들어가고 이득 엘리먼트에서 나간다. 미러들 없이 또는 하나의 반사 엘리먼트만을 가지고 그 구조는 고전력 증폭된 초발광 방출(superluminescent emission)을 달성하기 위해 이용될 수 있다.

미러들 또는 반사 표면들이 상기 광 빔 경로의 양쪽 단부들에 배치되는 경우, 그것들은 전기적으로 펌핑된 지그재그 반도체 레이저를 위한 레이저 공진기를 형성한다. 전기적으로, 상기 레이저는 단면 또는 양면 콘택트들(single-sided or double-sided contacts)을 갖도록 만들어진다. 상기 레이저는 독립형 레이저(stand-alone laser), 마스터-발진기 전력 증폭기(master-oscillator power amplifier; MOPA)일 수 있고 캐비티 내에 격자 엘리먼트들(grating elements) 또는 에탈론들(etalons)을 추가하는 것에 의해 단일 종방향 모드(longitudinal mode)에서 동작하도록 만들어질 수 있다.

단면 레이저들은 이득 엘리먼트들 중 하나 이상 이득 엘리먼트 상의 전기 극성을 반전시키고 레이저 캐비티에 손실을 도입하는 것에 의해 이득 스위칭되거나 모드 로킹될 수 있다. 그 구조는 사실상 일반적이고 폭넓은 수의 반도체 재료 구성들로 구현될 수 있고, 따라서 넓은 파장 대역을 커버할 수 있다.

상기 레이저는 캐비티 내부(intra-cavity) 또는 캐비티 외부(external-cavity) 비선형 변환을 이용하여 배가(double)될 수 있다.

본 발명은 첨부 도면들과 함께 취해진 다음의 상세한 설명과 관련하여 더 충분히 이해된다.
도 1은 종래 기술에 따른 종래의 Nd:YAG 슬랩 솔리드 스테이트 지그재그 레이저를 도시한다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 정션-다운 구조(junction-down geometry)를 갖는 반도체 지그재그 외부 캐비티 표면 방출 레이저의 개략 측면도 및 전기적으로 펌핑된 이득 엘리먼트들 중 하나의 단면이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 정션-업 구조(junction-up geometry)를 갖는 반도체 지그재그 외부 캐비티 표면 방출 레이저의 개략 측면도 및 전기적으로 펌핑된 이득 엘리먼트들 중 하나의 단면이다.
도 4는 모드가 이득 엘리먼트에 들어가고 분포된 브래그 반사체로부터 캐비티 내로 반사될 때 칩 내의 공간 가우시안 모드 프로파일을 도시하는 증폭기 칩의 단면을 통한 개략도이다.
도 5는 초발광 LED 실시예의 개략 측면도이다.
도 6은 캐비티에서 손실을 생성하고 이득 스위칭 또는 모드 로킹을 허용하기 위해 하나 이상의 이득 엘리먼트들에 대한 순방향 바이어싱 및 하나 이상의 이득 엘리먼트들에 대한 독립된 역방향 바이어싱을 허용하는 정션-다운 실시예의 개략 측면도이다.
도 7은 캐비티에서 손실을 생성하고 이득 스위칭 또는 모드 로킹을 허용하기 위해 하나 이상의 이득 엘리먼트들에 대한 순방향 바이어싱 및 하나 이상의 이득 엘리먼트들에 대한 독립된 역방향 바이어싱을 허용하는 정션-업 실시예의 개략 측면도이다.
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 ZECSEL의 캐비티 내부 주파수 배가에 대한 개략 측면도이다.
도 9는 본 발명의 캐비티 외부 배가된 실시예의 개략 단면도이고 ZECSEL 레이저가 이득 스위칭된 또는 모드 로킹된 구성에서 단일 주파수 레이저로서 동작하는 이 발명의 실시예를 나타낸다.
도 10은 ZECSEL과 종래 기술 반도체 레이저들의 휘도의 비교이다.
같은 참조 번호들은 도면들 중 몇 개의 도들에 걸쳐서 대응하는 부분들을 지시한다.

본 발명의 실시예들은 낮은 광학 손실 기판 내의 지그재그 광 경로에 의해 서로 광학적으로 결합된 복수의 전기적으로 펌핑된 반도체 이득 엘리먼트들을 갖는 단일 칩 광 증폭기를 이용하는 새로운 유형의 고휘도 표면 방출 반도체 레이저들 및 초발광 LED들에 지향된다. 상기 광 증폭기 칩은 청색 및 자외선을 포함하는, 상이한 파장들에서의 광범위하고 다양한 상이한 반도체 재료들의 이용 및 고전력 증폭기 또는 레이저 동작을 지원하는, 개별 이득 엘리먼트로 가능한 것보다 더 높은 누적 광학 이득을 허용한다. 게다가, 개별 이득 엘리먼트들은 이득 스위칭 또는 모드 로킹에 대한 광학 손실을 조절하기 위해 역방향 바이어싱된 p-n 접합 변조기들로서 개별적으로 변조될 수 있다. 상기 광 증폭기 칩은 표면 방출 레이저, 초발광 LED(SLED), 캐비티 내부 주파수 배가된 레이저, 또는 캐비티 외부 주파수 배가된 레이저로서의 그것의 이용을 포함하는 응용들을 갖는다.

도 2는 예시적인 광 증폭기 칩(200), 예시적인 재생 반도체 이득 증폭기 엘리먼트들(1), 및 광 증폭기 칩(200) 내부의 광학 캐비티의 부분의 지그재그 광 경로(205)를 도시하는 본 발명의 실시예의 도면이다. 광 증폭기 칩은 공진기 캐비티를 형성하기 위해 외부 역반사체들(210)이 이용되는 확장된 캐비티 레이저와 같은 확장된 캐비티 레이저를 형성하기 위해 하나 이상의 외부 역반사체들(210) 또는 다른 외부 엘리먼트들과 함께 이용될 수 있다. 따라서 레이저 구성에서 광 빔 경로(11)는 광 증폭기 칩(200) 내의 지그재그 광 경로(205) 및 또한 공진기 캐비티의 외부 부분의 광 빔 경로(11)의 부분을 포함한다. 추가적인 역반사체들(210)을 갖는 레이저 구성에서 이 구성은 이하에서 지그재그 확장된 캐비티 표면 방출 레이저(Zigzag Extended Cavity Surface Emitting Laser; ZECSEL)로서 기술된다.

광 칩(200)은 상이한 굴절률들과 같은 상이한 재료 특성들을 갖는 일련의 일반적으로 평행의 층들 및 층들 사이의 관련 경계들을 포함한다. 광 칩(200)은 광 증폭기 칩(200)의 안으로 및 밖으로 광을 결합하기 위해 기판 층(25)의 제1 경계(32) 상에 표면 영역들(31)을 포함한다. 이러한 표면 영역들(31)은 바람직하게는 광학 이득 증폭기의 안으로 및 밖으로 광을 능률적으로 결합하기 위해 반사 방지(anti-reflection; AR) 코팅(30)을 포함한다. AR 코팅(30)은 광 칩이 광학 이득을 제공하는 파장 범위에 관하여 저반사율을 갖는다. 그러나, AR 코팅(30)은 또한 다른 파장 대역들에서 이색성(dichroic)이고 고도로 반사하는(highly reflective; HR) 것일 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들면, 만약 광 칩이 외부 캐비티 내의 광학 주파수 배가 엘리먼트(optical frequency doubler element)와 함께 이용된다면 AR 코팅(30)은 주파수 배가된 파장에서 고도로 반사하는 것이 바람직할 수 있다.

광을 지그재그 경로로 방향 전환(redirect)하기 위해 제1 경계(32) 상에 반사 표면(41)이 제공된다. 반사 표면들은 (내부 전반사에 의한 반사를 생성하기 위한) 감소된 굴절률 n1을 갖는 층, 유전체 층 고반사율 코팅, 분포된 브래그 반사체, 또는 금속 코팅을 포함할 수 있다.

반사 경계들(32, 33), 및 DBR들(3 및 4)에서 반사하는 상이한 편광들에 대한 반사 계수들의 차이에 의하여 편광 식별(polarization discrimination)이 달성될 수 있다. 출력 광의 선형 편광을 갖는 것은 많은 응용들에서 바람직할 수 있다. 또한 부분 편광 식별을 제공하기 위해 반사 표면(41)에 대한 재료들, 반사 표면(41)에서의 반사의 수, 및 반사 표면(41) 상의 입사 각도의 선택이 선택될 수 있다. 하나의 실시예에서, 이러한 파라미터들은 단일 선형 편광에 유리하고 따라서 개별 편광 성분에 대한 요건을 제거하도록 선택된다.

기판 층(25)은 제2 (내부) 경계(33)를 갖는다. 일련의 에피택셜 방식으로 성장된 반도체 층들(27)이 제2 경계(33)에 부착된다. 일부 실시예들에서 기판 층(25)은 반도체 기판이고 기판 층(25) 위에 에피택셜 방식으로 성장된 반도체 층들(27)이 성장된다. 그러나, 더 일반적으로 기판 층(25)은 증착 기법들을 이용하여 또는 기판 부착 기법에 의해 형성될 수 있다. 예를 들면, 일부 실시예들에서 기판 층(25)은 글라스, 스핀-온 글라스(spun-on glass), 또는 광학적으로 투명한 폴리머로부터 형성된다.

기판 층(25)은 광 증폭기 칩(200)의 동작의 의도된 파장에서 실질적으로 광학적으로 투명하다. 하나의 예로서, 기판 층(25)을 통한 광 경로의 동작 부분의 의도된 파장에서의 총 광학 손실은 광학 이득과 비교하여 낮을 수 있다. 다른 예로서, 절대 광학 손실은 낮도록 선택될 수 있다. 다르게는, 기판 층(25)은 정상 동작 중의 광학 손실이 다른 광학 손실들과 비교하여 낮도록 포화 가능한 광학 손실을 가질 수 있다.

적어도 2개의 개별 반도체 재생 이득 엘리먼트들(1)의 세트가 에피택셜 방식으로 성장된 반도체 층들(27) 내에 형성된다. 도 2는 2개의 재생 이득 엘리먼트들(1)을 도시하지만, 2, 3, 4 등과 같은 적어도 2인 임의의 수 N과 같은 보다 일반적으로 다른 수의 이득 엘리먼트들(1)이 포함될 수 있고, 여기서 재생 이득 엘리먼트들의 수 N은 요구되는 특정한 응용을 위하여 증가(scale up)되는 것이 고려되는 것을 이해할 것이다. 각 재생 이득 엘리먼트(1)는 직경 d를 갖는다. 이웃하는 이득 엘리먼트들은 중심간 거리(center-to-center distance) S만큼 분리된다. 필 팩터(fill factor) d/S는 바람직하게는 0.5 이하이다. 약 0.5 이하의 필 팩터를 선택하는 것은 개별 재생 이득 엘리먼트들(1) 사이의 열 누화(thermal cross-talk)를 감소시킴으로써 광 증폭기 칩의 열 특성을 개선하고 능률적인 열 추출을 허용한다(즉, 칩의 적절한 열 관리를 제공한다). 게다가, 이 배열에는 다른 이익들이 있다. 나중에 설명되는 바와 같이, 개별 재생 이득 엘리먼트들은 각 개별 이득 엘리먼트(1)의 이득 영역에 광학 안티노드들(고강도 광학 강도)을 갖는 우세하게 가우시안 공간 모드를 유지하기에 충분한 거리만큼 떨어져 분리된다.

도 2의 아래 부분은 예시적인 개별 재생 이득 엘리먼트(1)를 더 상세히 도시한다. 개별 재생 이득 엘리먼트(1)는 증폭기로서 기능하기에 충분한 이득을 제공하지만 개별 레이저로서 기능하기에 충분한 이득을 갖지 않는다. 예시적인 재생 이득 엘리먼트는 활성 이득 영역(10) 및 지그재그 광 경로(205)로 광을 반사하는 적어도 하나의 분포된 브래그 반사체(distributed Bragg reflector; DBR)(3)를 포함한다. 재생 이득 엘리먼트는 전류 감금(current confinement)을 제공하고 공간 모드 식별을 제공하기 위해 메사 구조(mesa structure)를 이용할 수 있다. 둥근 메사(round mesa) 구조가 에칭되어 직경이 5 내지 250 ㎛일 수 있는 광학 애퍼처(optical aperture)를 형성할 수 있다. 직경 d의 선택은 많은 트레이드오프들을 수반했다. 만약 메사 직경이 너무 작다면 전력 출력이 감소할 수 있다. 그러나, 약 200 미크론보다 더 큰 직경들에 대하여 공간 모드 제어를 달성하는 데 있어서 더 많은 어려움이 있을 수 있다. 그러므로, 이러한 트레이드오프에 비추어서, 고전력 동작을 위한 더 전형적인 범위들은 약 20 내지 100 ㎛의 범위에 있다. 메사는 활성 영역에서 기생 횡방향 레이징을 막도록 설계되어야 한다. 하나의 방법은 메사들에 각진 벽들(angled walls)을 에칭하는 것이다. 전류는 양자들(protons)의 주입, 횡방향 산화 또는 다른 동등한 수단을 이용하는 것에 의해 감금되고 메사의 중앙에 전기적으로 펌핑된 영역을 허용한다. 메사는 패시베이팅 유전체층(12)으로 커버된다. 칩에의 전기 콘택트들은 유전체 층에 개구들을 패터닝하고 p 및 n 금속 콘택트들(5 및 6)을 증착하는 것에 의해 형성된다.

본 발명에서는, 적어도 2개의 재생 이득 엘리먼들이 이용되고 지그재그 광 경로는 광이 비수직 입사 각도에서 각 DBR에 들어가고/각 DBR에서 나오는 것으로 귀착한다.

본 발명은 개별 표면 방출 레이저들을 위하여 이전에 개발된 웨이퍼-레벨 프로세싱 기법들을 이용하는 웨이퍼 레벨 제조 기법을 이용하여 구현될 수 있다. 이득 영역 및 적어도 하나의 DBR을 갖는 메사형 반도체 이득 구조들은 광이 수직 입사 각도에서 각 DBR에 부딪치는 단일 이득 영역을 갖는 수직 확장된 캐비티 표면 방출 레이저들(vertical extended cavity surface emitting lasers; VECSELs)에 관련해서 공지되어 있고 다음의 미국 특허 번호들: 7,189,589; 6,404,797; 6,778,582; 7,322,704; 및 6,898,225에서 설명되어 있고, 그 각각의 내용들은 메사 구조들, 이득 구조들, 메사 구조와 외부 광학 엘리먼트들의 조합을 이용한 공간 모드 제어, 및 확장된 캐비티 설계에 관하여 참고로 통합된다. 특히, VECSEL 기술에서는 우세하게 가우시안 공간 모드를 지원하는 약 5 미크론 내지 250 미크론 사이의 직경을 갖는 메사 구조들이 형성될 수 있고, 5 미크론 내지 200 미크론이 선호되는 범위인 것이 공지되어 있다. 그러나, 종래 기술에서의 VECSEL 구조들은 많은 파장 범위들에서 레이징하기에 충분한 총 광학 이득이 없었고 또한 지원되는 파장 범위들에서조차 특정한 응용들에 대하여 충분히 밝지 않았다.

재생 증폭 구조를 갖는 예시적인 개별 레이저 이득 엘리먼트(1)는 하부 분포된 브래그 반사체(DBR)(3), 활성 영역(10) 및 (옵션의) 상부 DBR 반사체(4)를 갖는다. 재생 증폭에서 2개의 DBR 반사체들(3 및 4)은 개별 레이저 이득 엘리먼트가 추가적인 외부 피드백 없이 스스로 레이징하기에 충분한 피드백을 제공하지 않는다. 상부 DBR 반사체(4)의 반사율의 선택은 재생 증폭 특성 및 광학 손실을 제어한다.

하부 DBR 반사체(3)는 바람직하게는 높은 반사율을 갖고, 예를 들면, 99%보다 큰 반사율을 생성하기 위해 충분한 수의 높은 인덱스/낮은 인덱스 λ/4 쌍들을 갖는 것에 의해 구현될 수 있다. 재료는 반도체, 유전체 또는 하이브리드 반도체/금속 또는 유전체/금속일 수 있다. 유전체 DBR은, 유전체 재료에서 달성될 수 있는 보다 큰 명암비(contrast ratio) 때문에, 보다 적은 수의 쌍들을 가질 것이다. 그 선택은 또한 열전도율에 대한 최적화를 수반하고, 그것이 반도체 선택이 선호되는 점이다.

본 발명에서 고반사율 DBR 미러들은 반도체 재료 내부의 입사 빔들의 각도를 고려하도록 설계된다. 아래에 더 상세히 설명된 바와 같이 지그재그 경로는 스넬의 법칙으로부터 및 각 계면에서 수직인 표면에 관한 입사 각도를 고려함으로써 결정될 수 있다. 예로서, θ3는 GaInAlN/GaAlN 재료 시스템의 경우에 13 내지 25도의 범위일 것이다. θ3는 AlGaAs 시스템에 대해서는 대략 13 내지 16도, GaP 기판에 대해서는 8.5 내지 16도 및 GaAs에 대해서는 10 내지 16도이다. 고반사율 DBR 미러들은 모든 경우에 최대 반사율을 위해 최적화될 수 있다.

상부 DBR 반사체(4)는, 만약 이용된다면, 0 내지 60%의 반사율을 생성하기 위해 충분한 수의 높은 인덱스/낮은 인덱스 λ/4 쌍들을 갖는 것에 의해 구현될 수 있다. DBR 반사체(4)의 DBR은 반도체 재료로부터 형성될 것 같다. 상부 DBR 반사체(4)는 옵션이고 일부 재료 시스템들에서는 구현하기 어려울 수 있다. 지그재그 레이저는 그것 없이 동작하기에 적절한 이득을 갖는다. 예를 들면, 하나의 실시예에서는 GaInAlN/GaAlN 재료 시스템이 아니라 GaAs 기반 재료 시스템들에서 그것을 사용하는 것이 고려된다.

하나의 실시예에서 활성 층(10)은 양자 우물들 또는 양자점(quantum dot) 재료로 만들어진다. 이 실시예에서는 양자 우물들이 도핑되지 않는다고 가정된다. 우물들의 수 및 그들의 두께는 현재의 에지 방사체 설계들에서 이용되는 것들과 유사하다(1개 내지 4개의 양자 우물). 이것은 왕복 이득(round trip gain)이 제한되는 VECSEL 디바이스들(전형적으로 10 이상)에서보다 현저히 더 적은 수의 양자 우물들을 나타낸다.

활성 영역은 n 및 p 도핑된 반도체 층들(8 및 9)에 의해 각각 둘러싸인다. 이 실시예에서는 n 타입 기판들 상에 에피택시가 성장된다고 가정된다. p 타입 기판들이 이용되는 경우에는 n 및 p 층들이 반전될 수 있다. 표준 p-n 접합 구성에 대한 대안으로서 레이저가 2개의 n 타입 전극들을 갖도록 p 층 옴 콘택트를 대체하기 위해 p+/n+ 터널 접합들이 이용될 수도 있다. 예를 들면, n 및 p GaN 층들 사이에 끼어 있는 p+/n+ 터널 접합을 이용함으로써 GaN 재료에 제2 콘택트가 만들어질 수 있다. 이 경우 n GaN 층에 전기 콘택트가 만들어질 수 있다.

이득 영역들의 비교적 큰 직경들 및 비교적 높은 전류 밀도와 함께 재료 내의 굴절률의 열 의존성으로 인해 반도체 재료 내에 전형적으로 열 렌즈(thermal lens)(7)가 형성될 것이다. 열 렌즈(7)는 비교적 느린 개시(onset), 즉, 대략 수십 마이크로초 또는 그보다 길 수 있는, 열 시간 상수에 의존하는 개시를 갖는다. 열 렌즈(7)는 종래의 VECSEL을 빠르게 변조하는 것을 어렵게 만들기 때문에 종래의 VECSEL에서는 바람직하지 않다. 즉, 단일 이득 엘리먼트를 갖고 DBR들의 평면에 수직의 광을 방출하는 VECSEL에서는, 디바이스가 온 되고 가열될 때 열 렌즈가 형성되고 따라서 MHz 범위의 주파수들에서 종래의 VECSEL의 전류를 직접 변조하면서 전력 및 빔 품질을 유지하는 것은 어렵다.

이와 대비하여, 본 발명의 지그재그 구조는 지그재그 경로가 2개 이상의 열 렌즈들(7)의 세트에 걸쳐서 포커싱 효과들을 평균하기 때문에 출력 빔에 대한 열 렌즈(7)의 영향을 감소시킨다. 즉, 각 개별 렌즈(7)는 하나의 방향으로 들어가는 광에 대해서는 수렴하고(converging) 다른 방향으로 들어가는 광에 대해서는 발산한다(diverging). 게다가, 지그재그 경로는 약간 상이한 렌즈 특성들을 갖는 2개 이상의 이득 엘리먼트들을 포함한다. 그 결과 순(net)(평균) 포커싱은 Nd:Yag 슬랩 레이저들과 유사한 방식으로 결국 평균에 달하도록(average out), 즉, 실질적으로 상쇄되도록(cancel) 선택될 수 있다. 예를 들면, Kane 등에 의한 논문, "Reduced Thermal Focusing and Birefringence in Zig-Zag Slab Geometry Crystalline Lasers", IEEE Journal of Quantum Electronics, pp. 1351-1354, Vol. QE-19, No. 9, 1983(그 내용들은 이로써 참고로 통합됨)을 참조한다. 본 발명에서, 이것은 열 렌즈의 느린 개시가 ZECSEL 디바이스들의 직접 변조에 최소의 영향을 갖는다는 것을 의미한다.

도 2의 윗 부분은 또한 예시적인 구조를 구성하는 상이한 층들 사이의 광 빔의 지그재그 경로(205)를 도시한다. 이 구조는 층들(20, 25, 및 27)로서 표시된, 굴절률들 n1, n2 및 n3을 갖는 3개의 기본 층들의 스택으로서 스넬의 법칙을 이용하여 분석될 수 있다. 설명적인 예로서, 층(25)은 저손실 기판 또는 스핀-온 층과 같은, 높이 h1을 갖는 낮은 광학 손실 층일 수 있고, 층(27)은 그 안에 개별 이득 엘리먼트들이 형성되는 높이 h2를 갖는 에피택셜 반도체 층에 대응할 수 있고, 층(20)은 공기 또는 하나 이상의 추가적인 제조된 층들일 수 있다. 바람직한 실시예에서 n3>n2>n1이다. 빔들은 상부 반사체 계면(41)에서 반사한다. 상부 반사체 계면(41)은 유전체 코팅, 금속 코팅 또는 조합일 수 있다. 높은 인덱스 재료의 경우에는 내부 전반사를 이용하는 것이 가능할 수 있다. 구조는 바람직하게는 층들(20 및 25) 사이의 저손실 투과를 허용하기 위한 반사 방지(AR) 코팅들(30)을 갖는다. 따라서, 예시적인 구조는 평면 입구 및 출구 창 영역들을 갖는다. 설계에 따라서, 층(20)은 공기일 수 있고 또는 다른 기판 재료일 수 있다.

지그재그 빔 경로는 굴절된 광 빔들의 각도들을 계산하기 위해 상이한 굴절률들을 갖는 층들 사이의 각 경계에서 스넬의 법칙을 이용하여 분석될 수 있다. 스넬의 법칙은:

n1 sin(θ1) = n2 sin(θ2)

이고 상이한 굴절률들을 갖는 재료들 사이의 각 경계에서 적용될 수 있다.

예시적인 이득 엘리먼트 직경 d는 20 내지 100 ㎛의 범위에 있다. 2개의 이득 엘리먼트들 사이의 최적의 분리 S는 열적 고려 사항들에 의해 또한 안정된 단일 공간 모드를 더 유지하기 위해 기술된다. 특히, S가 너무 작다면, 이득 엘리먼트들은 열 누화 및 증가된 열 저항을 겪을 수 있다. 게다가, S는 기본적인 가우시안 공간 모드에 유리하도록 공간 모드 식별을 제공하도록 선택될 수 있다. 고전력 레이저들 및 SLED들에 대하여 중심간 간격은 바람직하게는 200 ㎛보다 크다. 중심간 간격 S는 낮은 광학 손실 층(25)의 두께를 선택하는 것에 의해 제어될 수 있다. 특히, 분리 S는 열 누화를 감소시키고 및/또는 열 저항을 감소시키도록 각 이득 엘리먼트의 직경 d에 관하여 선택될 수 있다. 게다가, S는 단일 공간 모드를 지원하도록 선택된다. 하나의 예로서, 특정한 응용에서는 d/S의 비율을 열 누화 및 열 저항의 이유로 어떤 최대 수가 되도록 선택하는 것이 바람직할 수 있다. 설명적인 예로서, 만약 S가 200 미크론이고 d가 100 미크론이라면 비율 d/S=0.5이다. 이 예에서, 이득 엘리먼트들 사이의 에지간 분리(edge-to-edge separation)는 100 미크론일 것이다. 본 발명의 실시예에 따르면 이득 블록으로의 빔의 입사 각도 및 층들의 두께는 S 및 S/d가 제어되는 것을 허용하도록 선택된다.

도 2에 도시된 예에서 h1 > h2이고 지그재그 경로의 대부분은 저손실 기판 층(25)을 포함하는 낮은 광학 손실 기판 영역을 통하고 있다. 따라서 빔은 AR 창(30)을 통하여 들어가고, 각 이득 엘리먼트(1)에서 광학 이득을 받고 저손실 기판(25)의 지그재그 경로의 각 구간(leg)을 따라서 약간 감쇠된다. 그러나, 본 발명에 따르면 기판(25)의 재료 구성 및 두께의 선택은 바람직하게는 이득 엘리먼트들(1)의 누적 이득과 비교하여 낮은 광학 손실을 달성하도록 선택된다.

이 기술의 숙련자는, 이 개념이 다수의 재료 시스템들에서 구현될 수 있고 프로세싱 용이 및 저비용의 제조를 위해 최적화될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 제1 예에서는, GaInAlN/GaAlN 재료 시스템을 생각해보자. 이 경우 GaN 기반 재료에 대하여 n3=2.3이고, 사파이어(Al₂O₃)에 대하여 n2=1.77이고, 공기에 대하여 n1=1이다. 이 경우 우리는 30 내지 75도의 입사 각도들 θ1에 각각 대응하는 340 ㎛ 내지 154 ㎛의 사파이어 두께 h1에 대하여 200 ㎛보다 더 큰 이득 엘리먼트 분리를 얻는다. 이것은 이 재료 시스템에 대하여 큰 동작 공간이다. 따라서 필 팩터는 사파이어 두께의 합리적인 선택으로 열 부하를 분산시키도록 선택될 수 있다. 다른 실시예에서, 공기에 대하여 n1=1이고, 스핀-온 글라스 또는 PMMA에 대하여 n2=1.5이고, GaAs 기반 재료 시스템에 대하여 n3=3.6이다. 이 경우 h1은 40 내지 75도의 입사 각도들 θ1에 대하여 211 ㎛에서 119 ㎛까지 변화한다. 제2 예에서는 기판 재료가 GaAlAs 또는 GaP에 기초하고 공기에 대하여 n1=1이고, AlGaAs에 대하여 n2=3.4이고, GaP에 대하여 n2=3.2이고, GaAs에 대하여 n3=3.6인 것을 생각해보자. n2=3.4의 경우에 기판 두께 h1의 유용한 범위는 604 ㎛ 내지 506 ㎛의 범위에 있다. 이것은 55 내지 75도의 입사 각도들 θ1에 대응한다. 이것은 이용 가능한 기판들의 실용적인 범위이고 그것은 개별 칩들의 소잉(sawing)을 고려한다. n2=3.2의 경우에 대하여, 기판 두께 h1의 범위는 596 ㎛ 내지 315 ㎛의 범위에 있다. 이것은 32 내지 75도의 입사 각도들에 각각 대응한다.

광 증폭기 칩(200)은 열 전도성 히트싱크(2) 상에 설치된다. 하나의 실시예에서 히트싱크 재료는 전기 절연성(BeO, AlN, 다이아몬드 등)이고 반도체 칩 상의 전기 콘택트들과 부합하도록 패터닝된다. 이 경우, n 및 p 콘택트들 양쪽 모두가 칩의 하부에 있다. 이득 엘리먼트들은 전기적으로 직렬 또는 병렬로 접속될 수 있다. 우리는 이것을 "단면"(single sided) 구성이라고 부른다. 이 설치 구성은 이득 엘리먼트들의 p-n 접합이 히트 싱크에 근접하여 설치된다는 점에서 "정션-다운"(junction-down) 구성이다.

다른 실시예에서는, 칩의 상부 및 하부 양쪽 모두가 금속으로 피복된다. 이것은 "양면"(double-sided) 전기 콘택트이다. 상부 금속 층 내의 개구들은 광 빔들이 통과하는 것을 허용한다. 이 경우 히트싱크는 전기 전도성일 수 있고 이득 엘리먼트들은 전기적으로 병렬로 접속될 것이다.

광 증폭기 칩(200)은 웨이퍼 스케일 프로세싱과 양립할 수 있고, 이것은 저비용의 제조를 의미한다. 이득 블록들은 웨이퍼 레벨에서 스크리닝될 수 있고, 이것도 제조 비용에 상당한 영향을 갖는다. 다이 부착 및 조립은 대량(high volume) 레이저 다이오드 제조에서 전형적으로 이용되는 자동화 장비를 이용하여 행해질 수 있다. 이것은 이 방법을 저비용 상업 응용들에 대하여 뛰어나게 제조 가능하게 만든다.

광 증폭기 칩(200)은 또한 초발광 LED의 기초로서 이용될 수 있다. 디스플레이 및 조명을 위한 LED들은 최근에 특히 스펙트럼의 청색 및 녹색 영역들에서 보다 높은 전력 및 효율들을 달성하였다. 열 및 이득 고려 사항들은 전력을 증가시키는 데 있어서 주요한 제한 요인들이었다. 게다가 디바이스들은 임의로 편광된 출력 빔들을 갖는 큰 연장 램버시안(etendue Lambertian) 소스들이었다. 여기에 제안된 지그재그 광학 이득 블록(1)은, 훨씬 더 밝은(보다 작은 입체각에서 보다 높은 전력), 잘 편광된 초발광 LED 소스들을 가능하게 하는, 보다 좁은 방출 및 편광된 스펙트럼들을 갖는 큰 이득으로 귀착할 수 있다. 우리는 이것을 지그재그 초발광 LED(zigzag superluminescent LED) 개념 ZSLED라고 부른다.

지그재그 광 경로(205)는 지그재그 광 경로를 따라서 모든 개별 이득 엘리먼트들(1)을 결합한다. 설계 파라미터들은 레이징 모드에서 각 개별 이득 엘리먼트의 이득 영역에 안티노드(높은 광 강도)가 있도록 선택된다. 따라서, 광은 하나의 재생 이득 엘리먼트(1)에 들어가서, 증폭되고, (DBR 반사체들로부터) 반사 표면(41) 쪽으로 반사되고 그 후 다른 재생 이득 엘리먼트(1) 쪽으로 방향 전환되고 그렇게 계속된다. 광 증폭기 칩(200)의 길이를 통하여 지그재그 광 경로(205)를 따라 모든 개별 이득 엘리먼트들의 지그재그 결합의 결과로 총 이득은 이득 엘리먼트들을 추가함으로써 조절 가능하다.

도 3은 개별 이득 엘리먼트들(1)이 광 칩의 표면 상에 위치하고 기판 층이 히트 싱크에 부착되는 정션-사이드 업 구조(junction-side up geometry)로 동작하도록 설계된 광 칩의 실시예를 도시한다. 게다가, 이 구성은 초발광 LED를 위해 바람직하다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 층들 중 다수는 도 2의 것과 동일하다. 그러나, 지그재그 경로는 약간 더 길다. 도 2 및 도 3을 비교할 때, 정션 업 구성은 반사 표면에서의 2개의 추가적인 반사를 필요로 한다는 것을 알 수 있다. 즉, 정션 업 구성에서는, 광이 AR 창(30)을 통해 들어가서 이득 엘리먼트에 도달하기 전에 먼저 반사 표면(41)에서 반사되어야 한다.

본 발명의 하나의 양태는 정션-업 구성에서 분리 S 및 필 팩터 d/S는, 예를 들면, 도 2에 대하여 설명된 설계와 유사한 기판 층(25)의 두께 h1 및 입사 각도 θ1의 선택에 의해 변경될 수 있다는 것이다. 이것은 이득 엘리먼트들의 간격이 히트싱크(2)를 통하여 능률적으로 열을 추출하도록 허용한다. 이 구성은 기판 재료(25)가 사파이어, GaN 또는 GaAlN(이들 모두가 양호한 열 전도성을 가짐)일 수 있는 GaN 재료 시스템에서 효과적으로 구현될 수 있다. 정션-업 구성에서는 n 및 p 콘택트들 양쪽 모두가 칩의 상부에 위치한다. 이 구성은, 전극들이 웨이퍼 레벨에서 프로브될 수 있고 방출이 비스듬하기 때문에, 웨이퍼 레벨 테스팅을 허용한다. 더욱이, 사파이어 기판 상에 성장된 GaN 디바이스들과 같은 일부 재료 시스템들에서는 어려운, 클리빙(cleaving)이 요구되지 않는다.

도 4는 레이저 공간 모드들의 양태들을 도시한다. 전술한 바와 같이, 각 이득 엘리먼트는 이득을 제공하고 또한 반사체로서 기능한다. 그 설계는 광 빔이 하나의 이득 엘리먼트에서 광학 이득을 받고, 반사 표면(41) 쪽으로 반사되고 그 후 빔이 다음 이득 엘리먼트(1)로 편향되고 그렇게 빔이 광 증폭기 칩의 길이를 통하여 그의 지그재그 경로를 완료할 때까지 계속된다. 본 발명에서 광학 설계는 바람직하게는 가우시안 TEMOO 모드에 유리하도록 및 이용 가능한 광학 이득을 능률적으로 이용하도록 선택된다. 본 발명에서 기판 층(25)의 두께 h1, 직경 d, 및 분리 거리 S의 선택은 광 칩 내에서 전파하고 지그재그 경로를 따라서 재생 이득 엘리먼트들(1) 각각으로 방향 전환되는 우세하게 가우시안 횡방향 공간 모드들의 전파를 허용하도록 선택된다. 전술한 바와 같이, 층들(25 및 27)은 레이징 파장에서 낮은 광학 손실을 갖는다. 공간 모드는, 대부분, 개별 재생 이득 엘리먼트들의 직경 및 이득/손실 특성에 의해 결정될 것이지만 바람직하게는 가우시안 TEMOO 모드에 유리하도록 추가적인 외부 광학 엘리먼트들(210)이 또한 선택된다.

광 칩 내에서 공간 광학 모드는 바람직하게는 개별 이득 엘리먼트(1)의 활성 이득 영역(10)에서 이득을 능률적으로 이용하고 하부 DBR(3)에서 지그재그 경로로 반사하도록 선택된다. 이 예에서, 광학 모드는 개별 이득 엘리먼트(1) 내에서 이용 가능한 이득을 능률적으로 이용하고 활성 이득 영역(10)에서 안티노드(높은 강도)를 더 갖는 직경을 갖는다. 따라서, 예를 들면, 설계는 이득 영역(10)에서 안티노드를 갖는 이득 영역(10)의 이득 제공 부분들로 공간 모드를 포커싱하는 열 렌즈(7)와 함께 동작하도록 선택될 수 있다.

도 4에서 알 수 있는 바와 같이 광 경로는 열 렌징(thermal lensing)이 입력 및 출력 경로들에 걸쳐서 평균되도록 선택될 수 있다. 특히, 설명적인 예에서 공간 모드는 그것이 열 렌즈(7)를 통해 이득 엘리먼트(1)에 들어갈 때 수렴하고 그 후 그것이 이득 엘리먼트(1)에서 나갈 때 동등하게 발산한다.

이 설계의 중요한 이점은 큰 모드 직경들이 지원되어, 상당한 전력으로 귀착한다는 것이다. 레이저에 의해 지원되는 모드 사이즈는 메사 직경 d에 크게 의존한다. 가우시안 빔들은, z, 전파의 거리에 함수 의존성을 갖는, 빔 스폿사이즈 W에 의해 특징지어진다. 가우시안 빔들의 속성들은, J.T. Verdeyen, Laser Electronics, Prentice Hall ed., 1981, p. 61에서 설명된 바와 같이, 잘 이해된다. 우리의 경우에 ~ 2W의 직경을 갖는 가우시안 빔이 빔 사이즈(2W)와 치수에서 유사한 전기적으로 펌핑된 애퍼처(aperture) d를 갖는 이득 엘리먼트에 들어가고 레이저 캐비티의 나머지를 통하여 지그재그 방식으로 계속 전파한다. 만약 d가 100 ㎛라면, 그러한 레이저는 100 ㎛에 접근하는 직경들을 갖는 큰 가우시안 빔들을 지원할 수 있을 것이다. 빔 품질은 잘 보존되고, 따라서 그 후의 빔은 거의 회절 제한되고(diffraction-limited)(TEMOO) 매우 고전력이어서, 훨씬 더 크고 복잡한 솔리드 스테이트 레이저들과 성능에서 필적하는, 매우 고휘도의 레이저로 귀착한다.

도 5는 초발광 LED 구성에서 정션-업 광 칩에 단일 미러(64)가 추가되는 예를 도시한다. 초발광 LED 구성에서 레이징은, 예를 들면, 외부 미러들 중 하나를 제거하는 것에 의해 외부 광학 피드백의 양을 감소시킴으로써 억제된다.

도 6은 광학 캐비티의 순 광학 이득의 제어를 제공하기 위해 적어도 하나의 이득 엘리먼트가 다른 이득 엘리먼트들로부터 전기적으로 분리되는 정션-다운 실시예를 도시한다. 도 7은 필적하는 정션-업 구성을 도시한다. 광 빔은 비수직 입사 각도에서 개별 이득 엘리먼트에 들어가고/개별 이득 엘리먼트에서 나간다. 반사체들(62 및 72)은 빔 형성 옵틱들(beam forming optics)(61 및 71)과 협력하여 외부 레이저 캐비티를 형성하기 위해 제공된다. 레이저 빔(80)은 캐비티의 하나의 단부로부터 추출된다. 전술한 바와 같이, ZECSEL 구조에서 개별 이득 엘리먼트들은 분리 거리 S만큼 서로로부터 분리된다. 개별 이득 엘리먼트들은 또한 병렬로 또는 상이한 바이어스들을 가지고 구동될 수 있는 전기적으로 개별적인 엘리먼트들이도록 설계될 수 있다. 도 6-7은 ZECSEL이 이득 엘리먼트의 p-n 접합에 대한 역 방향 바이어스를 변경하는 것에 의해 제어되는 변조된 광학 손실을 제공하기 위해 역방향 바이어싱된 모드에서 작동되는 적어도 하나의 재생 이득 엘리먼트를 포함하는 실시예를 도시한다. 순방향 바이어싱된 영역(90)은 광학 이득을 제공하는 순방향 바이어싱된 p-n 접합을 갖는 적어도 하나의 재생 이득 엘리먼트를 포함한다. 영역(91)은 개별적인 전기 콘택트들을 갖고 전극들(5 및 6)에 역 전압을 인가하는 것에 의해 독립적으로 역방향 바이어싱될 수 있도록 영역(90)으로부터 전기적으로 분리된다. 광 칩에서의 광학 손실은 영역(91)에서 역방향 바이어스를 변경하는 것에 의해 빠르게 변조될 수 있다. 이것은 피코초 이하의(sub-picosecond) 시간 프레임들에서 이득을 온 및 오프로 스위칭하는 것(즉, 이득 스위칭 또는 모드 로킹)을 허용한다. 그러한 동작 조건 하에서 높은 피크 전력들이 생성될 것이다.

외부 캐비티를 형성하기 위해 이용될 수 있는 동등한 기능을 수행하는 광학 컴포넌트들에 대한 다수의 변형들이 가능하다. 예를 들면, 반사체들(62) 및 옵틱들(optics)(61)은 곡면 반사 표면들로 대체될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 캐비티의 단부들 중 하나를 형성하기 위해 비스듬한 표면이 투명한 기판 재료(25)로 에칭되어 HR 코팅될 수 있다. 게다가, 광학 피드백을 제공하기 위해 및/또는 종방향 모드 식별을 제공하기 위해 하나 이상의 외부 격자 엘리먼트들이 이용될 수 있다.

도 8은 캐비티 내부 주파수 배가를 갖는 ZECSEL을 도시한다. 이 예에서, 광 칩은 이득 스위칭 또는 모드 로킹을 지원하는 도 6의 실시예와 유사하다. 그러나, 외부 광학 컴포넌트들은 캐비티 내부 주파수 배가를 제공하도록 배열된다. 빠른 변조를 생성하는 능력은 기본적인 전력에서 높은 피크 전력을 달성하는 데 있어서 상당한 이점을 제공하고, 이것은 주파수 배가된 광의 출력을 개선한다. 주파수 배가 처리들의 효율은 펌프 광의 강도에 강한 의존성을 갖는다. 특히, 주파수 배가 처리들의 효율은 펌프 광의 강도에 강하게 의존하고 일반적으로 펌프 광의 강도의 제곱에 비례한다. 이것은 면 손상(facet damage) 없이 높은 피크 강도들이 생성될 수 있고 청색-녹색에 대한 비선형 변환 처리가 적외선(IR) 강도의 제곱으로서 진행하기 때문에 이러한 레이저들이 제2 고조파 광 방출을 생성하기 위해 이용되는 경우에 특히 유용하다. 이 캐비티 내부 방법은 비선형 변환이 강도의 제곱에 비례하기 때문에 보다 긴 파장 강도의 증강을 허용하고 따라서 통상적으로 보다 높은 배가된 전력들을 생성할 수 있다. 비선형 옵틱(non linear optic; NLO) 재료(95)는 주파수 배가를 제공한다. NLO는 PPLN, KTP, PPLT와 같은 종래의 비선형 광학 재료일 수 있다. 보다 짧은 파장(UV) 응용들에서는 PPLT가 선호될 것이다. 미러(93)는 캐비티를 닫는다. 그것은 보다 긴 파장의 모든 방출을 이득 칩 안으로 반사하고, 그것은 배가된 빔에 대한 아웃커플링(outcoupling)을 제공한다. 또한 능률적인 배가를 위해 이득 칩 방출 파장을 좁히는 노치 필터(94)가 포함된다. 다르게는, 필터 대신에 에탈론이 이용될 수 있고, 또는 레이저 미러들 중 하나를 대체하기 위해 볼륨 브래그 격자(volume Bragg grating; VBG)가 이용될 수 있다. 다이크로익 빔 분할기/편광기(dichroic beam splitter/polarizer)(96)는 VECSEL들에서의 배가를 위한 적당한 편광을 보증하지만, 편광 기능은 아마 ZECSEL들에서는 필요하지 않을 것이다. 전방 빔들(forward beams)(97) 및 후방 빔들(backward beams)(98) 배가된 빔들 양쪽 모두가 캐비티로부터 추출된다. 후자는 미러(92)로부터 반사되어 출력된다. 가시 빔 경로에 λ/4 판을 추가하고 제2(후방) 빔 반사체(92)를 제거하는 것에 의해 단일 교차 편광된(cross-polarized) 빔이 달성될 수 있다.

도 9는 캐비티 외부 주파수 배가를 갖는 ZECSEL을 도시한다. 많은 수의 광학 컴포넌트들이 이전에 설명된 것들과 유사하다. 그러나, 도 9의 예에서 NLO는 레이저 캐비티의 외부에 배치된다. 레이저 자체는 독립형 단일 주파수 레이저이다. 캐비티에서 격자 엘리먼트들(63)을 이용하는 것에 의해 단일 주파수가 달성될 수 있다. 다르게는, 캐비티 내부 에탈론(intra-cavity etalon)이 이용될 수 있고, 또는 레이저가 단일 주파수 외부 마스터 발진기(master oscillator; MO)를 이용하는 MOPA 구성으로 작동될 수 있다. 이 바람직한 실시예에서 레이저는 높은 피크 전력들을 생성하기 위하여 이득 스위칭된 또는 모드 로킹된 동작으로 작동된다.

새로운 ZECSEL은 반도체 레이저들에 대한 완전히 새로운 설계 공간을 제공하기 때문에, 그것은 광범위의 방출 파장들에서 고전력, 고휘도 및 회절 제한된 빔을 가능하게 한다. 특히 ZECSEL은 반도체 레이저들 및 LED들을 제조하기 위해 이용되는 광범위의 재료 시스템들에서 제조될 수 있다. ZECSEL은 양자 우물(quantum well; QW) 또는 양자점 활성 영역 재료들 및 인접한 투명한 영역들을 조절함으로써 넓은 파장 범위(UV 내지 원적외선(far IR))에 걸쳐서 이용될 수 있다. 이것은 GaInAlN/GaAlN(0.3-0.5 ㎛ 방출 파장), ZnSSe/ZnMgSSe(0.45-0.55 ㎛ 방출 파장), GaAlInP/GaAs(0.63-0.67 ㎛ 방출 파장), GaAlAs/GaAs(0.78-0.88 ㎛ 방출 파장), GaInAs/GaAs(0.98-1.2 ㎛ 방출 파장), GaInNAs/GaAs(1.2-1.3 ㎛ 방출 파장), GaInAsP/InP 및 AlGaInAs/InP(1.3-1.6 ㎛ 방출 파장)을 포함하는 GaN 기반 재료들을 포함한다. 파장 범위는 또한 다른 재료 시스템들(예를 들면 Pb-염(Pb-salt) 재료)을 갖는 동일한 구조를 이용함으로써 2-10 ㎛ 범위에서 확장될 수 있다. GaInAlN/GaAlN 재료 시스템에서 이것은 스펙트럼의 UV, 청색 및 녹색 영역들에서 직접 방출을 허용한다.

본 발명의 하나의 이점은 그것은 GaN 재료 시스템에서 표면 방출 레이저들을 달성하기 위해 이용될 수 있다는 것이다. GaN 재료 시스템은 가시 및 UV 파장 레이저들을 달성하기 위해 중요하다. 종래에 이러한 재료들은 고전력 표면 방출 레이저를 달성하기에는 불충분한 광학 이득을 제공한다. 그러나, 본 발명에서, 개별 재생 이득 엘리먼트들의 수는 ZECSEL이 GaN 재료 시스템에서 원하는 파장에서의 레이징을 지원할 때까지 증가될 수 있다.

표 1은 GaN 기반 ZECSEL에 특유한 예시적인 설계 고려 사항들을 설명한다.

	엘리먼트	GaN 기반 구현
1	이득 엘리먼트 - 처리된(에칭된, 금속화된 등) 반도체 구조를 포함한다	GaN 재료들에 특유하지 않음
2	히트싱크 - 웨이퍼가 땜납 또는 동등한 재료를 이용하여 히트싱크에 부착된다. 단면 구조에 대하여 히트싱크는 (+) 및 (-) 전기 접속들을 위한 금속 패드들로 패터닝된 전기 절연 재료이다.	정션 업 구조에 대하여 히트싱크는 전기 전도성일 수 있다(예를 들면 Cu 또는 CW와 같은 금속).
3	고도로 반사하는 DBR 층 - 반도체 또는 유전체 재료	유전체 DBR은 예를 들면 Ta₂O₅/SiO₂ 또는 HfO₂/SiO₂로 이루어질 수 있다. 반도체 DBR은 AlGaN/GaN 또는 AlN/GaN일 수 있다
4	재생 이득을 개발하기 위해 광 빔을 부분적으로 반사하기 위해 부분 DBR 반사체가 이용된다	유전체 DBR은 예를 들면 Ta₂O₅/SiO₂ 또는 HfO₂/SiO₂ 또는 ZrO₂/SiO₂로 이루어질 수 있다. 반도체 DBR은 AlGaN/GaN 또는 AlN/GaN일 수 있다
5	n 도핑된 기판 재료 상에 성장된 구조들에 대한 p 금속 층(p 도핑된 반도체 기판 재료 상에 성장된 구조들에서는 p 및 n이 반전될 수 있다)	예를 들면 p 타입 GaN 상의 Pd/Au. 만약 유전체 미러가 이용된다면 유전체를 위한 개구를 갖는 링 콘택트(도 3(a)). 도 3(b)에 도시된 구성에서 반도체 재료를 피복한다
6	n 도핑된 기판 재료 상에 성장된 구조들에 대한 n 금속 층(p 도핑된 반도체 기판 재료 상에 성장된 구조들에서는 p 및 n이 반전될 수 있다)	예를 들면 GaN 상의 Al/Ti/Au
7	재료에서의 굴절률의 열 의존성으로 인해 반도체 재료에 열 렌즈가 형성된다	GaN 재료들에 특유하지 않음
8	하나의 실시예에서 n 도핑된 반도체 층	GaN 및 AlGaN 클래딩 층
9	하나의 실시예에서 p 도핑된 반도체 층	GaN 및 AlGaN 클래딩 층. 다른 실시예에서 p+/n+ GaN 기반 터널 접합으로 대체될 수 있다
10	활성 영역 - 도핑된 또는 도핑되지 않은 양자 우물 또는 양자점 영역	InGaN/GaN 기반 양자 우물들 또는 점들
11	광 빔 경로	GaN 재료들에 특유하지 않음
12	유전체 패시베이션 층	예를 들면 ZrO₂
20	굴절률 n1을 갖는 재료	이 실시예에서 공기
25	굴절률 n2를 갖는 재료. 예를 들면 기판 재료일 수 있다	예를 들면 사파이어 또는 GaN 또는 GaAlN. 기판은 GaN에 대하여 극성 또는 비극성 결정 방위를 가질 수 있다
27	굴절률 n3을 갖는 재료	이것은 GaN/AlGaN p 및 n 타입 클래딩 층들 및 InGaN/GaN 양자 우물들
30	반사 방지(AR) 코팅 층	이용되는 재료들에 대하여 맞추어짐
31	광 빔 투과를 위한 제1 표면 개구	GaN 재료들에 특유하지 않음
32	층(25)의 제1 경계	GaN 재료들에 특유하지 않음
33	층(25)의 제2 (내부) 경계	GaN 재료들에 특유하지 않음
41	상부 반사체. 유전체, 금속, 또는 조합일 수 있다. 일부 높은 인덱스 재료들에서 내부 전반사를 가질 수 있다	GaN 재료들에 특유하지 않음
61	빔 정형 옵틱들	GaN 재료들에 특유하지 않음
62	외부 미러 M1 - 고반사율 코팅	GaN 재료들에 특유하지 않음
63	격자 기반 반사체	GaN 재료들에 특유하지 않음
64	싱글-엔디드(single-ended) SLED 방출을 생성하기 위해 이용되는 반사 옵틱들	GaN 재료들에 특유하지 않음
71	빔 정형 옵틱들	GaN 재료들에 특유하지 않음
72	아웃커플링 미러 M2 - 부분적으로 반사하는 코팅	GaN 재료들에 특유하지 않음
80	출력 광 빔	GaN 재료들에 특유하지 않음
90	순방향 바이어싱된 엘리먼트들이 이득을 생성한다	GaN 재료들에 특유하지 않음
91	역방향 바이어싱된 엘리먼트들이 손실을 도입하고 레이저를 이득 스위칭 또는 모드 로킹하기 위해 이용될 수 있다	GaN 재료들에 특유하지 않음
92	반사체	GaN 재료들에 특유하지 않음
93	아웃커플링 미러	GaN 재료들에 특유하지 않음
94	노치 필터	GaN 재료들에 특유하지 않음
95	NLO 재료	GaN 재료들에 특유하지 않음
96	다이크로익 빔 분할기/편광기	GaN 재료들에 특유하지 않음
97	전방 제2 고조파 빔	GaN 재료들에 특유하지 않음
98	후방 제2 고조파 빙	GaN 재료들에 특유하지 않음
97	출력 배가된 빔	GaN 재료들에 특유하지 않음
99	포커싱 옵틱들	GaN 재료들에 특유하지 않음
200	광 칩	GaN 재료들에 특유하지 않음
205	지그재그 광 경로	GaN 재료들에 특유하지 않음
210	곡면 반사체 옵틱들	GaN 재료들에 특유하지 않음

(단파장 GaN 기반 ZECSEL에 대한 예시적인 설계 고려 사항)

본 발명의 ZECSEL 실시예들은 종래 기술에 비하여 다수의 이점들을 제공한다. 첫째, 재생 이득 엘리먼트들의 수는 총 광학 이득을 증가시키도록 선택될 수 있다. 이것은, 예를 들면, 단일 이득 엘리먼트를 갖는 종래의 VECSEL 레이저 구조들에서는 실용적이지 않은, GaN 기반 재료들과 같은, 보다 낮은 이득 반도체 재료들의 이용을 허용한다. 따라서, 본 발명은 종래의 VECSEL 구조들보다 더 큰 범위의 반도체 재료들(및 따라서 방출 파장들에서 더 큰 범위)을 허용한다. 둘째, 본 발명의 실시예들은 VECSEL 타입 레이저들에서는 실용적인 방식으로 구현하기가 어려운 것으로 판명된 이득 스위칭 및 모드 로킹을 지원한다. 특히, ZECSEL 구조는 보다 높은 피크 전력들을 위한 이득 스위칭 또는 모드 로킹을 지원하기 위해 캐비티에서 광학 손실을 제어하기 위해 역방향 바이어싱된 모드에서 동작 가능한 하나 이상의 재생 이득 엘리먼트들을 포함할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 종래의 VECSEL들에서 가능한 것보다 더 큰 범위의 파장들에 걸쳐서 표면 방출 레이저 구조를 지원한다. 더욱이, 높은 전력 동작을 개선하기 위해 및 높은 피크 전력들을 위한 이득 스위칭 또는 모드 로킹을 더 지원하기 위하여 이득 엘리먼트들의 수를 증가시키는 능력은 ZECSEL이 대단히 넓은 범위의 파장들에 걸쳐서 능률적인 주파수 배가를 할 수 있게 만든다.

ZECSEL 구성은 또한 고도로 스케일링 가능하다. 지그재그 경로를 따르는 이득 엘리먼트들의 수는 잠재적인 광 전력을 증가시키기 위해 2개를 초과하여 증가될 수 있다. 다수의 ZECSEL들은 도 10에 도시된 바와 같이 광 칩 상에 레이저들의 1차원 어레이들로 배열될 수 있고 매우 큰 전력까지 증가(scale up)될 수 있다.

도 10은 ZECSEL과 다른 유형의 반도체 레이저들, 예를 들면, 에지 방출 레이저, VECSEL, 및 수직 캐비티 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser; VCSEL)의 휘도의 비교를 도시한다. 도 10은 잠재적인 휘도의 비교만을 도시한다. 그러나, 다른 성능 지수들(figures of merit)도 ZECSEL에서 잠재적으로 더 우수하다.

종래의 에지 방출 반도체 레이저들(EESL들)은 보다 낮은 전력들에서 높은 휘도를 갖지만, 또한 비점 수차의 타원 빔들(astigmatic elliptical beams)을 갖고 높은 강도들에서 면 손상(facet damage)된다. EESL들은 면들(facets)에 입사하는 높은 광 강도들로 인해 레이저 면들에서 파국적인 광학 손상을 입기 쉽다. 이것은 높은 피크 전력 동작을 제한하고 그것은 연속파(continuous wave; CW) 동작 하의 디바이스들의 신뢰도에 나쁜 영향을 준다. EESL들의 다른 결점은 빔 품질이다. 고전력 EESL들은 전형적으로 다수의 횡방향 모드들을 지원하는 넓은 면적 방출 애퍼처를 이용한다. 즉, 다중 모드 출력 빔들은 회절 제한된 빔에 대하여 1의 이상적인 M2보다 적어도 한 자릿수 더 큰(an order of magnitude larger) 큰 빔 파라미터 M2를 갖는다. 광학적으로 감금하는 웨이브가이드는 전형적으로 직사각형이어서, 빠른 축에서 넓은 방출 각도들을 갖는 고도로 비대칭적인 타원 출력 빔들로 귀착한다. 전형적인 EESL 빔들은 종종 또한 비점 수차이다. 주로 이러한 이유들 때문에, 에지 방출 레이저들은 피크 전력 및 휘도에서 제한되었고 회절 제한된 빔들에서 몇 자릿수 더 큰 전력들을 생성할 수 있는 다이오드 펌핑된 솔리드 스테이트 레이저들과 경쟁할 수 없었다.

종래 기술에서는 2개의 주요한 유형의 표면 방출 레이저들, 수직 캐비티 표면 방출 레이저들(VCSEL들) 및 VECSEL들이 있었다. VCSEL들 및 VECSEL들 양쪽 모두는 단일 이득 영역을 갖고 내부 DBR 반사체들의 표면에 수직인 광을 방출한다. 이러한 유형의 레이저들에 대한 설계 제약들은 전기 캐리어 감금, 열 관리, 이득 및 캐비티 손실로부터 발생한다. 통상적으로 그러한 디바이스들은 매우 높은 미러 반사율들을 생성하기 위해 충분한 수의 높은/낮은 인덱스 1/4 파장 쌍들을 구비함으로써 구현되는 분포된 브래그 반사체들(DBR들)을 채용한다. 일반적으로, 반도체 DBR 미러들은 유전체 미러들보다 더 낮은 콘트라스트(2개의 굴절률들 사이의 차이)를 갖고, 따라서 많은 수의 쌍들을 필요로 한다(즉, 이것은 에피택셜 성장 동안에 매우 정확한 제어를 요구하고 상당한 반응기 시간(reactor time)을 차지한다). 종종, 구조의 나머지와 양립할 수 있는 DBR 반도체 층들 및 층 조성의 선택은 특히 스펙트럼의 적색(~630 nm), 청색 및 UV 영역들에서 매우 제한된다.

VCSEL들은 VCSEL 내의 피드백에만 의지한다. 그 결과, VCSEL들은 전형적으로 작은 애퍼처 및 낮은 전력을 갖는다.

VECSEL들은 단일 표면 방출 이득 엘리먼트 및 추가적인 피드백을 제공하는 외부 미러를 갖는다. (상부 엘리먼트에 의해 도시된) 외부 미러는 또한 보다 큰 빔 직경들을 용이하게 하기 위해 공간 모드들에 대하여 추가적인 제어를 제공한다. 그러나, VECSEL에서의 총 이득은 제한된다. 예를 들면 VECSEL 디바이스들은 대략 1 내지 2%의 왕복 이득들을 갖는다. 비교로서, 에지 방출 반도체 레이저는 VECSEL보다 100 내지 500배 더 큰 왕복 이득들을 가질 수 있다. VECSEL에서의 낮은 총 이득은 이용될 수 있는 재료(및 따라서 방출 파장)의 선택을 제한하고 또한 지원하는 파장 범위들에서조차 높은 전력 출력을 달성하는 데에 다양한 장애를 부과한다. 실용적인 VECSEL 디바이스들은 GaInAs/GaAs 재료 시스템에서만 성공적으로 만들어졌고 ~0.98 내지 ~1.2 ㎛ 범위에서 동작한다.

VECSEL들과 같은 종래의 표면 방출 레이저들에 대한 제한은 레이저 이득 영역의 매우 짧은 길이(즉, 캐비티에서의 작은 왕복 이득)였다. 캐비티 손실을 극복하기 위해, 그것들은 고반사율 공진기 미러들을 필요로 한다. 이러한 레이저들은 원형 빔들을 갖고 에지 방출 레이저들보다 훨씬 더 나은 빔 품질을 갖는다. 그러나, 제한된 이용 가능한 왕복 이득은 최대 출력 전력에 제한을 부과한다. VECSEL들은 큰 애퍼처들(전형적으로 ~ 100 ㎛ 이상)을 이용하고 거의 회절 제한된 빔들을 생성하지만, 출력 전력은 이용 가능한 왕복 이득에 의해 제한된다.

ZECSEL은 VECSEL보다 더 높은 광학 이득을 허용하면서도 고품질 회절 제한된 빔과 같은 VECSEL의 바람직한 특성들 중 다수를 계속 유지한다. 게다가, ZECSEL은 VECSEL들에 비하여 편광 제어 및 열 렌즈 효과의 감소 또는 제거와 같은 이점들을 더 제공한다. ZECSEL은 휘도가 EESL들 및 VECSEL들 양쪽 모두보다 잠재적으로 크도록 다수의 이득 엘리먼트들의 이득이 조합되는 것을 허용하는 광 칩 내의 지그재그 경로를 갖는다. 그러나, ZECSEL은 또한 여전히 비교적 큰 빔 직경 및 우세하게 TEMOO 가우시안 모드 및 거의 회절 제한된 빔을 갖는 표면 방출 레이저 구조이다. 더욱이, ZECSEL은 출력 전력을 더 증가시키기 위해, 원한다면, 어레이로서 설계될 수 있다. 게다가, ZECSEL은 이득 스위칭되거나 모드 로킹될 수 있다. 그 결과, ZECSEL은 이전에 알려진 유형들의 반도체 레이저들보다 더 큰 잠재적인 휘도를 갖는다. ZECSEL들은 (회절 제한된) 1에 가까운 M2를 갖는 원형 빔을 생성하면서, 에지 방출 레이저들과 필적하는 왕복 이득들을 달성하도록 스케일링될 수 있다. 그러므로 IR에서 레이저당 20W보다 큰 전력들 및 가시 영역에서 10W보다 큰 전력들이 가능할 것이라고 기대된다. 동일한 구조는 또한 높은 피크 펄스 강도들의 실현을 위한 이득 스위칭 및 모드 로킹된 동작을 가능하게 한다. 게다가, 이러한 레이저들은 한층 더 큰 전력들을 위해 1차원 어레이들에서 스케일링될 수 있다.

따라서 ZECSEL 레이저는 많은 새로운 가시 및 UV 레이저 파장들에 대하여 높은 전력 및 휘도의 실현을 위한 폭넓은 설계 공간을 제공한다. 이것은 직접 레이저 방출에 의해, 및 KTP, LBO, BBO, PPLN, PPLT, PPKTP 등과 같은 종래의 비선형 광학(NLO) 재료들을 이용하여 배가하는 것에 의해 달성될 수 있다. 레이저의 높은 강도 및 그것의 우수한 빔 품질 때문에 그러한 비선형 배가는 캐비티 내부 및 캐비티 외부 구성들 양쪽 모두에서 능률적으로 행해질 수 있다. 이것은 단일 회절 제한된 빔으로부터 10W보다 큰 평균 전력을 생성하는 잠재력을 갖는 고휘도 레이저로 귀착한다.

VECSEL 레이저들에 비하여 하나의 현저한 개선은 ZLASER 레이저는 훨씬 더 높은 왕복 이득을 갖고 훨씬 더 높은 IR 강도들을 생성할 수 있다는 것이다. 그러므로 배가 응용들에서 훨씬 더 짧고 더 작은 NLO 결정들을 이용할 수 있다. 이것은 레이저를 더 싸게 만들 뿐만 아니라, NLO 결정의 정렬 및 열 제어를 더 용이하게 만들고 캐비티에 대한 스펙트럼 폭 요건들을 낮추는 가시 대역폭을 개방한다.

다른 반도체 레이저들과 다르게, ZECSEL은 스펙트럼의 UV 및 청색 영역에서 동작할 수 있고 깊은 UV 영역으로 배가될 수 있는 첫 번째 반도체 레이저이다. 짧은 펄스 동작 및 높은 피크 전력들은 이 구조를 구현하는 데 도움이 된다. 이 재료 시스템에서의 방출 파장은 스펙트럼의 UV로부터 청색 영역까지 확장한다. 스펙트럼의 적색 및 근적외선(near IR) 영역들에서의 다른 파장들은 GaAs 및 GaP에 기초한 재료 시스템들을 이용하여 달성될 수 있다.

ZECSEL은 또한 고도로 제조 가능하다. 광 증폭기 칩(200)은 웨이퍼 레벨 프로세스를 이용하여 제조될 수 있다. 광 증폭기 칩(200)은 패키징된 ZECSEL을 형성하기 위해 이용되는 추가적인 컴포넌트들 및 결정적인 정렬 공정들의 수를 최소화하도록 구현될 수 있다. 더욱이, 다양한 실시예들은 웨이퍼 레벨 테스팅과 양립할 수 있다.

ZECSEL의 하나의 잠재적인 응용은 다이오드 펌핑된 솔리드 스테이트 레이저들(diode pumped solid state lasers; DPSSs)과 같은 솔리드 스테이트 레이저들의 다른 유형들을 대체하는 것이다. 목표 시장들은 디스플레이, 조명, 의료, 재료 프로세싱, 및 그래픽 아트를 포함한다. 이러한 시장들에서의 고휘도 응용들은 다이오드 펌핑된 솔리드 스테이트(DPSS) 레이저들에 의해 지배되어 왔다. 그러나, 사이즈, 비용, 효율, 다중 파장 선택 및 변조 요건들은 DPSS 해결책들보다 직접 반도체 또는 파장 배가된 반도체 레이저들을 지지한다. 본 발명의 ZECSEL 실시예들은 이러한 시장들에 대한 중요한 요건들을 다룬다. 그것들은 콤팩트하고, 능률적이고, 저비용이다. 게다가 그것들은 거의 회절 제한된 빔들에서 다중 와트(multiple watts)의 파장 선택 가능한 방출을 생성할 수 있고 그것들은 높은 피크 전력 응용들을 위해 직접 변조되고, 이득 스위칭되고, 모드 로킹될 수 있다.

전술한 설명은, 설명의 목적으로, 본 발명의 철저한 이해를 제공하기 위해 특정한 명명법을 이용하였다. 그러나, 이 기술의 숙련자들에게는 본 발명을 실시하기 위해 특정한 상세들이 필요하지 않다는 것이 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 특정한 실시예들에 관한 전술한 설명들은 예증 및 설명을 위해 제시된다. 그것들은 총망라하거나 또는 본 발명을 개시된 바로 그 형태들로 제한하기 위해 의도되지 않았고; 명백히, 상기 교시들에 비추어 많은 수정들 및 변형들이 가능하다. 실시예들은 본 발명의 원리들 및 그의 실용적인 응용들을 가장 잘 설명하기 위해 선택되고 설명되었고, 그에 따라 그것들은 이 기술의 다른 숙련자들이 고려되는 특정한 용도에 적합한 다양한 수정들과 함께 본 발명 및 다양한 실시예들을 가장 잘 이용할 수 있게 한다. 다음의 청구항들 및 그의 동등물들은 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도된다.

Claims

반도체 지그재그 외부 캐비티 표면 방출 광학 장치로서,
일련의 재료 층들을 갖는 칩 ― 상기 칩은 상기 칩의 내부 평면 층 경계에 근접하여 배치된 적어도 2개의 재생 반도체 이득 엘리먼트들(regenerative semiconductor gain elements)을 포함하고; 각 개별 재생 반도체 이득 엘리먼트는 상기 장치의 광학 모드에 이득을 제공하는 전기적으로 펌핑된 이득 영역(electrically pumped gain region) 및 적어도 하나의 분포된 브래그 반사체(distributed Bragg reflector)를 포함하고, 각 재생 이득 엘리먼트는 직경 d를 중심간 분리 거리 S로 나눈 것에 의해 정의되는 필 팩터(fill factor)가 1보다 작도록 선택된 각 이웃하는 재생 이득 엘리먼트 사이의 중심간 분리 거리 S와 함께, 직경 d를 갖는 둥근 구조를 갖고; 상기 칩은 적어도 하나의 층을 포함하는 기판 층 영역을 포함하고, 상기 기판 층 영역은 상기 광학 모드의 파장에서 실질적으로 투명하고, 상기 기판 영역은 상기 적어도 2개의 재생 이득 엘리먼트들과 관련된 상기 내부 평면 층 경계로부터 떨어져 있고 평행한 반사 표면을 포함함 ―;
상기 기판 영역의 상기 반사 표면과 각 재생 이득 엘리먼트의 상기 분포된 브래그 반사체들에 의해 교호로 행해지는 일련의 반사들을 통해 지그재그 경로로 상기 칩 안으로 광을 결합하는 상기 칩의 적어도 하나의 광학 입구/출구 표면 영역 ― 상기 지그재그 경로는 각 재생 이득 엘리먼트의 상기 이득 영역에서 광 강도에 대한 파복(antinode)을 더 가짐 ―;
상기 칩 안으로 광학 피드백을 제공하는 외부 캐비티를 형성하고, 기본적인 가우시안 공간 모드(fundamental Gaussian spatial mode)를 갖는 출력 빔을 형성하도록 상기 광학 모드의 가로 광학 모드(transverse optical mode) 특성을 제어하는 적어도 하나의 외부 광학 엘리먼트
를 포함하는 반도체 지그재그 외부 캐비티 표면 방출 광학 장치.
제1항에 있어서, 상기 필 팩터 d/S는 0.5보다 작은 반도체 지그재그 외부 캐비티 표면 방출 광학 장치.
제1항에 있어서, 각 재생 증폭기의 상기 직경 d는 5 내지 200 미크론의 범위 안에 있는 반도체 지그재그 외부 캐비티 표면 방출 광학 장치.
제3항에 있어서, 각 재생 증폭기는 전류 감금(current confinement) 및 공간 모드 식별(spatial mode discrimination)을 제공하는 둥근 메사(round mesa)를 포함하는 반도체 지그재그 외부 캐비티 표면 방출 광학 장치.
제1항에 있어서, 상기 기판 영역의 상기 반사 표면은 금속 코팅, 유전체 코팅, 고반사율 코팅, 내부 전반사(total internal reflection)를 생성하는 굴절률 스텝(refractive index step), 및 분포된 브래그 반사체로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 반도체 지그재그 외부 캐비티 표면 방출 광학 장치.
제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 분포된 브래그 반사체는 상기 기판 영역에 근접하여 상기 이득 영역의 한 측면에 배치된 제1 분포된 브래그 반사체 및 상기 이득 영역의 다른 측면에 배치된 제2 분포된 브래그 반사체를 포함하고, 상기 제2 분포된 브래그 반사체는 상기 제1 분포된 브래그 반사체보다 더 큰 반사율을 갖는 반도체 지그재그 외부 캐비티 표면 방출 광학 장치.
제1항에 있어서, 상기 광 빔은 상기 반사 표면에서 내부 전반사를 겪는 반도체 지그재그 외부 캐비티 표면 방출 광학 장치.
제1항에 있어서, s 및 p 편광들은 상기 반사 표면으로부터 상이한 각도들에서 반사하는 반도체 지그재그 외부 캐비티 표면 방출 광학 장치.
제1항에 있어서, 각 재생 이득 엘리먼트는 상기 이득 영역의 굴절률의 열 의존성 때문에 열 렌즈(thermal lens)를 형성하고, 상기 지그재그 경로는 레이징 모드(lasing mode)에서 각 열 렌즈의 효과들을 적어도 부분적으로 상쇄하도록 선택되는 반도체 지그재그 외부 캐비티 표면 방출 광학 장치.
제1항에 있어서, 상기 기판 영역은 방출 파장에서 실질적으로 광학적으로 투명한 반도체 영역을 포함하는 반도체 지그재그 외부 캐비티 표면 방출 광학 장치.
제1항에 있어서, 상기 기판 영역은 반도체, 사파이어, 글라스, 스핀-온 글라스(spin-on glass), 또는 광학적으로 투명한 폴리머 재료로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 반도체 지그재그 외부 캐비티 표면 방출 광학 장치.
제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 분포된 브래그 반사체는 각 재생 이득 엘리먼트가 추가적인 피드백 없이 스스로 레이징하기에 충분한 피드백을 제공하지 않는 반도체 지그재그 외부 캐비티 표면 방출 광학 장치.
제1항에 있어서, 캐비티 내부 주파수 배가기(intra-cavity frequency doubler)를 더 포함하는 반도체 지그재그 외부 캐비티 표면 방출 광학 장치.
반도체 지그재그 외부 캐비티 표면 방출 레이저로서,
일련의 재료 층들을 갖는 칩 ― 상기 칩은 상기 칩의 내부 평면 층 경계에 근접하여 배치된 적어도 2개의 재생 반도체 이득 엘리먼트들을 포함하고; 각 개별 재생 반도체 이득 엘리먼트는 전기적으로 펌핑된 이득 영역을 포함하는 p-n 접합 및 적어도 하나의 분포된 브래그 반사체를 갖고, 각 재생 이득 엘리먼트는 직경 d를 중심간 분리 거리 S로 나눈 것에 의해 정의되는 필 팩터가 1보다 작도록 선택된 각 이웃하는 재생 이득 엘리먼트 사이의 중심간 분리 거리 S와 함께, 직경 d를 갖는 둥근 구조를 갖고; 상기 칩은 적어도 하나의 층을 포함하는 기판 층 영역을 포함하고, 상기 기판 층 영역은 광학 모드의 파장에서 실질적으로 투명하고, 상기 기판 영역은 상기 적어도 2개의 재생 이득 엘리먼트들과 관련된 상기 내부 평면 층 경계로부터 떨어져 있고 평행한 반사 표면을 포함함 ―;
상기 기판 영역의 상기 반사 표면과 각 재생 이득 엘리먼트의 상기 분포된 브래그 반사체들에 의해 교호로 행해지는 일련의 반사들을 통해 지그재그 경로로 상기 칩 안으로 광을 결합하는 상기 칩의 적어도 하나의 광학 입구/출구 표면 ― 상기 지그재그 경로는 각 재생 이득 엘리먼트의 상기 이득 영역에서 광 강도에 대한 파복(antinode)을 더 가짐 ―;
상기 칩 안으로 광학 피드백을 제공하는 외부 캐비티를 형성하고, 우세하게 가우시안 공간 모드(predominantly Gaussian spatial mode)를 갖는 출력 빔을 형성하도록 상기 광학 모드의 가로 광학 모드 특성을 제어하는 적어도 하나의 외부 광학 엘리먼트를 포함하고;
상기 재생 이득 엘리먼트들 중 적어도 하나는 광학 이득을 제공하기 위해 순방향 바이어싱된 p-n 접합으로서 동작 가능하고 상기 재생 이득 엘리먼트들 중 적어도 하나는 상기 레이저의 손실을 변조하기 위해 역방향 바이어싱된 p-n 접합으로서 동작 가능한 반도체 지그재그 외부 캐비티 표면 방출 레이저.
제14항에 있어서, 상기 재생 이득 엘리먼트들 중 적어도 하나는 상기 레이저의 이득 스위칭(gain switching) 또는 모드 로킹(mode-locking) 중 하나를 제공하기 위해 역방향 바이이싱된 p-n 접합으로서 작동되는 반도체 지그재그 외부 캐비티 표면 방출 레이저.
제14항에 있어서, 캐비티 내부 주파수 배가기를 더 포함하는 반도체 지그재그 외부 캐비티 표면 방출 레이저.
반도체 지그재그 외부 캐비티 표면 방출 레이저로서,
일련의 재료 층들을 갖는 칩 ― 상기 칩은 상기 칩의 내부 평면 층 경계에 근접하여 배치된 적어도 2개의 전기적으로 펌핑된 재생 반도체 이득 엘리먼트들을 포함하고; 각 개별 재생 반도체 이득 엘리먼트는 전류 감금 및 공간 모드 제어를 제공하는 p-n 접합 메사, 이득 영역 및 적어도 하나의 분포된 브래그 반사체를 갖고, 각 재생 이득 엘리먼트는 직경 d를 중심간 분리 거리 S로 나눈 것에 의해 정의되는 필 팩터가 0.5보다 작고 d가 적어도 5 미크론이도록 선택된 각 이웃하는 재생 이득 엘리먼트 사이의 중심간 분리 거리 S와 함께, 직경 d를 갖는 둥근 메사 구조를 갖고; 상기 칩은 적어도 하나의 층을 포함하는 기판 층 영역을 포함하고, 상기 기판 층 영역은 광학 모드의 파장에서 실질적으로 투명하고, 상기 기판 영역은 상기 적어도 2개의 재생 이득 엘리먼트들과 관련된 상기 내부 평면 층 경계로부터 떨어져 있고 평행한 반사 표면을 포함함 ―;
상기 기판 영역의 상기 반사 표면과 각 재생 이득 엘리먼트의 상기 분포된 브래그 반사체들에 의해 교호로 행해지는 일련의 반사들을 통해 지그재그 경로로 상기 칩 안으로 광을 결합하는 상기 칩의 적어도 하나의 광학 입구/출구 표면 ― 상기 지그재그 경로는 각 재생 이득 엘리먼트의 상기 이득 영역에서 광 강도에 대한 파복(antinode)을 더 가짐 ―;
상기 칩 안으로 광학 피드백을 제공하는 외부 캐비티를 형성하고, 기본적인 가우시안 공간 모드를 갖는 출력 빔을 형성하도록 상기 광학 모드의 가로 광학 모드 특성을 제어하는 적어도 하나의 외부 광학 엘리먼트를 포함하고;
상기 반사 표면에서의 상기 일련의 반사들은 선형 편광을 생성하는 편광 식별(polarization discrimination)을 제공하고;
상기 재생 이득 엘리먼트들을 통한 상기 지그재그 경로는 개별 재생 이득 엘리먼트들 내의 열 렌징(thermal lensing)의 효과들을 실질적으로 상쇄하고;
각 개별 재생 이득 엘리먼트는 개별 레이저로서 동작하기에 충분한 이득 및 피드백이 없고 레이징 모드는 상기 재생 이득 엘리먼트들의 누적 이득으로부터 동작하는 반도체 지그재그 외부 캐비티 표면 방출 레이저.
제17항에 있어서, 캐비티 내부 주파수 배가기를 더 포함하는 반도체 지그재그 외부 캐비티 표면 방출 레이저.
단파장 반도체 지그재그 외부 캐비티 표면 방출 레이저로서,
일련의 재료 층들을 갖는 칩 ― 상기 칩은 내부 평면 층 경계에 근접하여 배치된 적어도 2개의 전기적으로 펌핑된 재생 반도체 이득 엘리먼트들을 포함하고; 각 개별 재생 반도체 이득 엘리먼트는 전류 감금 및 공간 모드 제어를 제공하는 p-n 접합 메사, 0.3-0.5 ㎛ 방출 파장의 범위 내의 미리 선택된 파장에서 이득을 제공하기 위해 GaN 기반 재료로부터 형성된 활성 이득 영역, 및 적어도 하나의 분포된 브래그 반사체를 갖고, 각 재생 이득 엘리먼트는 직경 d를 중심간 분리 거리 S로 나눈 것에 의해 정의되는 필 팩터가 0.5보다 작고 d가 적어도 5 미크론이도록 선택된 각 이웃하는 재생 이득 엘리먼트 사이의 중심간 분리 거리 S와 함께, 직경 d를 갖는 둥근 메사 구조를 갖고; 상기 칩은 사파이어 또는 GaN 기반 화합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 층을 갖는 기판 층 영역을 포함하고, 상기 기판 층 영역은 광학 모드의 파장에서 실질적으로 투명하고 상기 적어도 2개의 재생 이득 엘리먼트들과 관련된 내부 평면 층 경계로부터 떨어져 있고 평행한 반사 표면을 포함함 ―;
상기 기판 영역의 상기 반사 표면과 각 재생 이득 엘리먼트의 상기 분포된 브래그 반사체들에 의해 교호로 행해지는 일련의 반사들을 통해 지그재그 경로로 상기 칩 안으로 광을 결합하는 상기 칩의 적어도 하나의 광학 입구/출구 표면 ― 상기 지그재그 경로는 각 재생 이득 엘리먼트의 상기 이득 영역에서 광 강도에 대한 파복(antinode)을 더 가짐 ―; 및
상기 칩 안으로 광학 피드백을 제공하는 외부 캐비티를 형성하고, 기본적인 가우시안 공간 모드를 갖는 출력 빔을 형성하도록 상기 광학 모드의 가로 광학 모드 특성을 제어하는 적어도 하나의 외부 광학 엘리먼트를 포함하고;
상기 반사 표면에서의 상기 일련의 반사들은 선형 편광을 생성하는 편광 식별을 제공하고;
상기 재생 이득 엘리먼트들을 통한 상기 지그재그 경로는 개별 재생 이득 엘리먼트들 내의 열 렌징의 효과들을 실질적으로 상쇄하고;
각 개별 재생 이득 엘리먼트는 개별 레이저로서 동작하기에 충분한 이득 및 피드백이 없고 레이징 모드는 상기 재생 이득 엘리먼트들의 누적 이득으로부터 동작하는 단파장 반도체 지그재그 외부 캐비티 표면 방출 레이저.
제19항에 있어서, 상기 재생 이득 엘리먼트들 중 적어도 하나는 광학 이득을 제공하기 위해 순방향 바이어싱된 p-n 접합으로서 동작 가능하고 상기 재생 이득 엘리먼트들 중 적어도 하나는 이득 스위칭된 또는 모드 로킹된 레이저로서 상기 레이저의 손실을 변조하기 위해 역방향 바이어싱된 p-n 접합으로서 동작 가능한 단파장 반도체 지그재그 외부 캐비티 표면 방출 레이저.
제20항에 있어서, 주파수 배가기와 또한 조합되는 단파장 반도체 지그재그 외부 캐비티 표면 방출 레이저.