KR102163737B1 - 다파장 표면 플라즈몬 레이저 - Google Patents

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Abstract

다수의 파장을 갖는 표면 플라즈몬을 동시에 방출할 수 있는 다파장 표면 플라즈몬 레이저를 개시한다. 개시된 실시예에 따른 다파장 표면 플라즈몬 레이저는, 위치에 따라 서로 다른 파장의 빛이 발생하도록, 위치에 따라 두께가 달라지는 활성층, 및 위치에 따라 길이가 달라지는 금속 캐비티를 포함할 수 있다. 활성층에서 발생한 서로 다른 파장의 빛은 금속층과 반도체층의 계면에서 서로 다른 파장의 표면 플라즈몬을 발생시킬 수 있다. 이렇게 발생한 다수의 파장을 갖는 표면 플라즈몬을 위치에 따라 길이가 달라지는 금속 캐비티로 공진시켜 외부로 방출할 수 있다.

Description

다파장 표면 플라즈몬 레이저 {Multi-wavelength surface plasmon laser}
개시된 실시예들은 표면 플라즈몬 레이저에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 간단한 구조로 다수의 파장을 갖는 표면 플라즈몬을 동시에 방출할 수 있는 다파장 표면 플라즈몬 레이저에 관한 것이다.
광전자 집적 회로(optoelectronic integrated circuit)는 발광, 광검출, 광증폭, 광변조 등과 같은 다양한 작업을 수행하는 여러 가지 광학 소자들 및 전자 소자들을 하나의 동일 기판 위에 집적한 회로이다. 이러한 광전자 집적 회로는, 예를 들어, 광기록/재생 장치, 광통신 장치, 디스플레이 장치, 광 컴퓨터 등의 분야에서 다양하게 적용될 수 있다.
광전자 집적 회로에서 광원으로서 주로 사용되는 것은 레이저이다. 레이저는 출력, 발진 파장 및 발진 방식에 따라 매우 다양한 종류가 개발되어 사용되고 있다. 광전자 집적 회로의 집적도를 높이기 위해서는 레이저에서 방출되는 레이저 빔의 광 스폿(light spot)의 크기를 매우 작게(예를 들어, 1㎛ 이하) 집속할 필요가 있으며, 레이저 장치 자체의 크기도 소형화할 필요가 있다.
이러한 요구를 충족시킬 수 있는 레이저로서, 예를 들어, 표면 플라즈몬 레이저가 있다. 표면 플라즈몬 레이저는 서브-마이크론 이하의 광집속 특성을 가지며 일반적인 반도체 공정을 통해 미세하게 제작이 가능하다. 이에 따라, 광전자 집적 회로의 광원으로서 표면 플라즈몬 레이저를 사용하려는 시도가 이루어지고 있다.
다수의 파장을 갖는 표면 플라즈몬을 동시에 방출할 수 있는 다파장 표면 플라즈몬 레이저를 제공한다.
일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 레이저는, 금속층; 상기 금속층의 상부 표면에 배치된 것으로, 상기 금속층의 상부 표면에 평행한 제 1 방향을 따라 두께가 변화하는 활성층을 구비하는 반도체층; 및 상기 금속층의 상부 표면으로부터 돌출하여 연장된 것으로, 상기 반도체층의 전면과 배면에 각각 대향하여 배치되는 제 1 반사기와 제 2 반사기;를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제 1 반사기와 제 2 반사기는 상기 금속층과 반도체층 사이의 계면에서 발생하는 표면 플라즈몬에 대한 공진 캐비티를 형성할 수 있으며, 상기 공진 캐비티의 길이가 상기 제 1 방향을 따라 변화하도록 구성될 수 있다.
상기 공진 캐비티의 길이는 상기 제 1 방향을 따른 상기 활성층의 두께 변화에 대응하여 변화할 수 있다.
상기 공진 캐비티의 길이는 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따른 상기 제 1 반사기와 제 2 반사기 사이의 간격에 의해 결정되며, 상기 제 1 반사기와 제 2 반사기 사이의 간격은 제 1 방향을 따라 변화할 수 있다.
상기 활성층의 두께는 제 1 방향을 따라 연속적으로 변화할 수 있다.
또는, 상기 활성층의 두께는 제 1 방향을 따라 계단의 형태로 단계적으로 변화할 수 있다.
상기 활성층은 두께가 서로 다른 다수의 영역들을 포함하며, 상기 다수의 영역들은 서로에 대해 이격되어 배치될 수 있다.
상기 활성층의 다수의 영역들은 각각 다수의 양자점들을 포함하고, 하나의 영역 내에 배치된 다수의 양자점들의 직경은 동일하며, 한 영역 내의 양자점들의 직경은 다른 영역 내의 양자점들의 직경과 상이할 수 있다.
또한, 상기 활성층의 두께 및 상기 공진 캐비티의 길이는 대칭적으로 변화할 수 있다.
상기 반도체층은, 상기 금속층 위에 배치된 제 1 클래드층, 상기 제 1 클래드층 위에 배치된 상기 활성층, 및 상기 활성층 위에 배치된 제 2 클래드층을 포함할 수 있다.
상기 제 1 클래드층의 적어도 일부는 상기 금속층의 내부에 매립될 수 있다.
상기 표면 플라즈몬 레이저는, 상기 제 2 클래드층 위에 배치된 전극층, 및 상기 금속층이 상기 제 2 클래드층과 전기적으로 접촉하지 않도록 상기 제 2 클래드층의 둘레에 적어도 부분적으로 배치된 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 공진 캐비티의 길이는 제 1 방향을 따라 연속적으로 변화할 수 있다.
상기 제 1 반사기와 제 2 반사기는 평판의 형태를 가지며, 상기 제 1 반사기와 제 2 반사기 사이의 간격이 연속적으로 변화하도록 상기 제 1 반사기와 제 2 반사기가 서로에 대해 비평행하게 배치될 수 있다.
상기 제 1 반사기와 제 2 반사기 중에서 적어도 하나는 상기 반도체층의 전면 또는 배면에 대해 경사지게 배치될 수 있다.
상기 공진 캐비티의 길이는 제 1 방향을 따라 계단의 형태로 단계적으로 변화할 수 있다.
상기 제 1 반사기와 제 2 반사기 중에서 적어도 하나는 계단 형태로 절곡된 다수의 영역들을 포함할 수 있다.
상기 제 1 반사기와 제 2 반사기 중에서 적어도 하나는 서로 평행하게 배치된 다수의 수직 반사막들을 포함할 수 있다.
상기 표면 플라즈몬 레이저는 상기 금속층과 반도체층의 상부 표면을 덮는 투명한 커버층을 더 포함할 수 있다.
또한, 다른 실시예에 따른 광전자 집적 회로는 상술한 구조를 갖는 표면 플라즈몬 레이저를 포함할 수 있다.
개시된 실시예에 따른 다파장 표면 플라즈몬 레이저는 위치에 따라 두께가 달라지는 활성층을 구비하는 반도체층을 포함한다. 따라서 활성층의 위치에 따라 서로 다른 파장의 빛이 발생할 수 있다. 또한, 활성층에서 발생한 서로 다른 파장의 빛은 금속층과 반도체층의 계면에서 서로 다른 파장의 표면 플라즈몬을 발생시킬 수 있다. 이렇게 발생한 다수의 파장을 갖는 표면 플라즈몬을 금속 캐비티 내에서 공진시킴으로써 외부로 방출할 수 있다. 여기서, 금속 캐비티의 길이를 위치에 따라 변화시킴으로써 다수의 파장을 갖는 표면 플라즈몬 중에서 원하는 파장을 갖는 일부의 표면 플라즈몬만을 외부로 방출할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 위치에 따라 두께가 달라지는 활성층과 위치에 따라 길이가 달라지는 금속 캐비티를 이용하기 때문에, 다수의 파장을 갖는 표면 플라즈몬을 동시에 방출하는 다파장 표면 플라즈몬 레이저를 용이하게 제작할 수 있다. 이러한 다파장 표면 플라즈몬 레이저는 다수의 파장을 빛을 이용하는 광 연결(optical interconnect) 구조, 3D 홀로그램 장치 등의 광전자 집적 회로의 광원으로서 사용될 수 있으며, 이 경우 광전자 집적 회로의 구성을 매우 간단하게 할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 다파장 표면 플라즈몬 레이저의 구조를 개략적으로 보이는 정단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 다파장 표면 플라즈몬 레이저의 공진 캐비티 구조를 개략적으로 보이는 측단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 다파장 표면 플라즈몬 레이저의 구조를 개략적으로 보이는 절개 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 다파장 표면 플라즈몬 레이저의 공진 캐비티 구조를 보이는 횡단면도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 다파장 표면 플라즈몬 레이저의 구조를 개략적으로 보이는 측단면도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 다파장 표면 플라즈몬 레이저의 구조를 개략적으로 보이는 측단면도이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 다파장 표면 플라즈몬 레이저의 공진 캐비티 구조를 보이는 횡단면도이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 다파장 표면 플라즈몬 레이저의 구조를 개략적으로 보이는 정단면도이다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 다파장 표면 플라즈몬 레이저의 구조를 개략적으로 보이는 정단면도이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 다파장 표면 플라즈몬 레이저의 구조를 개략적으로 보이는 정단면도이다.
도 11은 도 10에 도시된 다파장 표면 플라즈몬 레이저의 공진 캐비티 구조를 보이는 횡단면도이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 다파장 표면 플라즈몬 레이저의 구조를 개략적으로 보이는 정단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 다파장 표면 플라즈몬 레이저에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 다파장 표면 플라즈몬 레이저(100)의 구조를 개략적으로 보이는 정단면도이다. 예를 들어, 도 1의 정단면도는 다파장 표면 플라즈몬 레이저(100)를 Y-축 방향으로 보는 경우를 도시하고 있으며, Z-축 방향은 두께 방향이고 X-축 방향은 측면 방향이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 다파장 표면 플라즈몬 레이저(100)는, 금속층(110), 상기 금속층(110)의 상부 표면에 배치된 반도체층(120), 및 상기 금속층(110)과 반도체층(120)을 덮는 커버층(130)을 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 금속층(110)의 상부 표면은 X-축과 Y-축에 평행하고 Z-축에 수직하다.
금속층(110)은 반도체층(120)과의 계면에서 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance)을 일으키는 역할을 한다. 이를 위하여, 금속층(110)은 예를 들어 은(Ag)이나 금(Au)과 같이 표면 플라즈몬 공명을 일으키기 쉬운 재료로 이루어질 수 있다. 상기 재료 외에도 구리(Cu), 납(Pb), 인듐(In), 주석(Sn), 카드뮨(Cd) 등과 같은 전도성 금속을 금속층(110)으로서 사용할 수도 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 금속층(110)의 일부는 반도체층(120)의 측면의 적어도 일부를 둘러싸도록 연장될 수 있다.
반도체층(120)은 광학적으로 또는 전기적으로 펌핑되어 빛을 발생시키고 빛을 금속층(110)에 제공하는 역할을 한다. 이를 위해, 반도체층(120)은 금속층(110) 위에 배치된 제 1 클래드층(121), 제 1 클래드층(121) 위에 배치된 활성층(122), 및 상기 활성층(122) 위에 배치된 제 2 클래드층(123)을 포함할 수 있다. 제 1 클래드층(121)과 제 2 클래드층(123)은 활성층(122)에 전자와 정공을 제공하고 전자와 정공을 활성층(122) 내에 가두기 위한 장벽층의 역할을 한다. 활성층(122)은 전자와 정공을 재결합시켜 빛을 발생시키는 양자우물의 역할을 한다. 활성층(122)으로는 예를 들어, InP, InGaN, GaAs, InGaAs, InGaAlAs, InGaAsP 등과 같은 반도체 재료를 사용할 수 있으며, 제 1 및 제 2 클래드층(121, 123)으로는 예를 들어 GaN, InGaAsP, AlGaAs, InGaAlAs, InGaAsP 등과 같은 반도체 재료를 사용할 수 있다. 예컨대, 상술한 반도체 재료들 중에서, 제 1 및 제 2 클래드층(121, 123)의 에너지 준위가 활성층(122)의 에너지 준위보다 높은 조합을 선택하여 반도체층(120)을 구성할 수 있다.
커버층(130)은 금속층(110)과 반도체층(120)을 보호하는 역할을 한다. 반도체층(120)이 광학적으로 펌핑되는 경우, 펌핑용 광이 반도체층(120)에 제공될 수 있도록 커버층(130)은 예를 들어 유리나 PMMA(Polymethylmethacrylate)와 같은 투명한 재료로 이루어질 수 있다.
본 실시예에 따르면, 활성층(122)에서 다양한 파장의 빛이 동시에 발생할 수 있도록, 도 1에 도시된 바와 같이, 활성층(122)의 두께가 위치에 따라 변화할 수 있다. 예컨대, 도 1을 참조하면, X-축 방향을 따라 좌측에서 우측으로 활성층(122)의 두께가 점진적으로 작아지고 있다. 즉, 활성층(122)의 좌측단의 두께가 가장 두꺼우며 활성층(122)의 우측단의 두께는 거의 0에 가까울 수 있다. 그러나, 도 1은 활성층(122)의 두께가 변화하는 일 예이며, 본 실시예는 도 1에 도시된 구성에만 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 활성층(122)의 두께는 우측에서 좌측 방향으로 점진적으로 작아질 수 있다. 또한, 좌측단과 우측단 사이에서 활성층(122)의 두께 차이는 발생하고자 하는 빛의 파장에 따라 적절하게 선택될 수 있으며, 가장 얇은 부분의 두께가 반드시 0에 접근할 필요가 있는 것은 아니다.
상술한 구조에서, 활성층(122)의 두께에 따라 광자 에너지(photon energy)가 달라지기 때문에, 활성층(122)의 두께에 따라 서로 다른 파장의 빛이 발생할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 활성층(122)의 두께가 연속적으로 변화하는 경우, 연속적인 파장을 갖는 빛이 활성층(122)에서 발생할 수 있다.
이렇게 발생한 빛은 금속층(110)에 제공되어 금속층(110)과 반도체층(120) 사이의 계면, 더욱 구체적으로는 금속층(110)과 제 1 클래드층(121) 사이의 계면에서 표면 플라즈몬을 발생시킨다. 표면 플라즈몬이란 금속과 유전체의 계면에서 발생하는 표면 전자기파이다. 표면 플라즈몬은, 금속에 특정 파장의 빛이 입사할 때, 금속의 표면에서 일어나는 전자들의 집단적인 진동(charge density oscillation)에 의해 발생하는 것으로 알려져 있다. 표면 플라즈몬은 세기가 매우 강하지만 유효 거리가 짧은 소산파(evanescent wave)로서, 금속의 표면을 따라 진행할 수 있다. 표면 플라즈몬의 파장은 금속에 입사한 빛의 파장, 금속의 재료 및 유전체의 굴절률에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 금속층(110)에 입사한 다양한 파장의 빛에 의해 다양한 파장을 갖는 표면 플라즈몬이 금속층(110)과 제 1 클래드층(121) 사이의 계면에서 발생할 수 있다. 본 실시예에 따른 다파장 표면 플라즈몬 레이저(100)는 금속층(110)과 제 1 클래드층(121) 사이의 계면에서 발생한 표면 플라즈몬을 공진 캐비티 내에서 공진시킴으로써 원하는 파장의 표면 플라즈몬을 증폭시켜 외부로 출력할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 다파장 표면 플라즈몬 레이저(100)의 공진 캐비티 구조를 개략적으로 보이는 측단면도이다. 도 2의 측단면도는 다파장 표면 플라즈몬 레이저(100)를 X-축 방향으로 보는 경우를 도시하고 있으며, Z-축 방향은 두께 방향이고 Y-축 방향은 정면 방향이다. 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 다파장 표면 플라즈몬 레이저(100)는 반도체층(120)의 전면과 배면에 각각 대향하여 배치된 제 1 반사기(111)와 제 2 반사기(112)를 더 포함할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 반사기(111, 112)는 금속층(110)의 상부 표면으로부터 수직하게 돌출하여 연장된 것으로, 금속층(110)과 동일한 재료로 이루어질 수 있다. 제 1 반사기(111)와 제 2 반사기(112)는 금속층(110)과 반도체층(120) 사이의 계면에서 발생한 표면 플라즈몬에 대한 공진 캐비티(C)를 형성한다. 따라서, 표면 플라즈몬은 제 1 반사기(111)와 제 2 반사기(112) 사이에서 반복적으로 반사되어 공진할 수 있다. 그 결과, 다양한 파장의 표면 플라즈몬 중에서 공진 조건을 만족하는 일부 파장의 표면 플라즈몬이 다파장 표면 플라즈몬 레이저(100)로부터 출력될 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 다파장 표면 플라즈몬 레이저(100)의 구조를 개략적으로 보이는 절개 사시도이다. 도 3의 절개 사시도에서는 반도체층(120)의 구조를 보이기 위하여 반도체층(120)의 좌측면을 둘러싸는 금속층(110)의 일부가 절개되어 있다. 도 3을 참조하면, 제 1 반사기(111)와 제 2 반사기(112) 사이에서 공진하는 표면 플라즈몬의 일부가 제 2 반사기(112)를 통과하여 금속층(110)의 표면을 따라 출력될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 출력된 표면 플라즈몬은 Y-축 방향으로 진행할 수 있다. 또한, X-축 방향을 따라 활성층(122)의 두께가 변화하므로, X-축 방향을 따라 서로 다른 파장(λ1, λ2, λ3)의 표면 플라즈몬이 Y-축 방향으로 각각 출력될 수 있다. 도 3에는 예시적으로 3개의 파장(λ1, λ2, λ3)을 갖는 표면 플라즈몬을 도시하고 있으나, 출력되는 표면 플라즈몬의 파장의 개수 및 파장의 길이는 공진 조건에 따라 다양하게 선택될 수 있다.
공진 조건은 공진 캐비티(C)의 길이에 의해 조절될 수 있다. 여기서, 공진 캐비티(C)의 길이는 제 1 반사기(111)와 제 2 반사기(112) 사이의 Y-축 방향의 간격으로 정의될 수 있다. 예를 들어, X-축 방향을 따른 표면 플라즈몬의 연속적인 파장 변화를 고려하여, 원하는 파장의 표면 플라즈몬이 출력될 수 있도록 공진 캐비티(C)의 길이를 X-축 방향으로 위치에 따라 변화시킬 수 있다. 즉, X-축 방향을 따른 활성층(122)의 두께 변화에 대응하여 공진 캐비티(C)의 길이도 X-축 방향을 따라 변화시킬 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 다파장 표면 플라즈몬 레이저(100)의 공진 캐비티 구조를 보이는 횡단면도로서, 공진 캐비티(C)의 길이가 X-축 방향으로 연속적으로 변화하는 것을 도시하고 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 반사기(111)와 제 2 반사기(112)는 평판 형태로 형성되어 있으며, 공진 캐비티(C)의 길이가 연속적으로 변화하도록 서로에 대해 비평행하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 1 반사기(111)와 제 2 반사기(112)가 모두 반도체층(120)의 전면과 배면에 대해 경사지게 배치될 수 있다. 또는, 제 1 반사기(111)와 제 2 반사기(112) 중에서 어느 하나만이 반도체층(120)의 전면과 배면에 대해 경사지게 배치되고, 다른 하나는 반도체층(120)의 전면과 배면에 대해 평행하게 배치될 수도 있다.
그러면, 제 1 반사기(111)와 제 2 반사기(112) 사이의 간격이 X-축 방향으로 연속적으로 변화함으로써 공진 캐비티(C)의 길이가 X-축 방향으로 연속적으로 변화할 수 있다. 이에 따라, X-축 방향으로 공진 조건이 변화함으로써 X-축 방향을 따라 서로 다른 파장을 갖는 표면 플라즈몬이 출력될 수 있다. 도 4에서는 예시적으로 공진 캐비티(C)의 좌측 길이(L)가 우측 길이(L')보다 큰 것으로 도시되어 있으나, 이는 단순한 예로서 본 실시예가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 도 4에는 공진 캐비티(C)의 길이 변화를 다소 과장하여 보이고 있으나, 실제로 공진 캐비티(C)의 좌측 길이(L)와 우측 길이(L')의 차이는 표면 플라즈몬의 출력 파장에 따라서는 매우 작을 수도 있다.
상술한 본 실시예에 따르면, 위치에 따라 두께가 달라지는 활성층(122)과 위치에 따라 길이가 달라지는 공진 캐비티(C)를 이용하기 때문에, 다수의 파장을 갖는 표면 플라즈몬을 동시에 방출하는 다파장 표면 플라즈몬 레이저(100)를 용이하게 제작할 수 있다. 이러한 다파장 표면 플라즈몬 레이저(100)는 다수의 파장을 빛을 이용하는 광 연결(optical interconnect) 구조, 3D 홀로그램 장치 등의 광전자 집적 회로의 광원으로서 사용될 수 있으며, 이 경우 광전자 집적 회로의 구성을 매우 간단하게 할 수 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 다파장 표면 플라즈몬 레이저(200)의 구조를 개략적으로 보이는 측단면도이다. 도 2에는 평평한 금속층(110)의 상부 표면 위에 반도체층(120)이 배치된 것으로 도시되어 있으나, 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 클래드층(121)의 적어도 일부가 금속층(110)의 내부에 매립될 수도 있다. 이를 위해, 금속층(110)의 상부에는 제 1 클래드층(121)을 수용하기 위한 홈이 형성될 수 있다. 도 5에 도시된 다파장 표면 플라즈몬 레이저(200)의 경우, 빛을 발생시키는 활성층(122)과 금속층(110) 사이의 거리를 가깝게 하여 활성층(122)에서 발생한 빛이 금속층(110)에 도달하는 동안의 손실을 줄이는 동시에, 제 1 클래드층(121)을 원하는 두께로 충분히 두껍게 형성할 수 있다.
또한, 도 6은 또 다른 실시예에 따른 다파장 표면 플라즈몬 레이저(300)의 구조를 개략적으로 보이는 측단면도이다. 도 2에 도시된 실시예의 경우, 제 1 반사기(111)와 제 2 반사기(112)는 각각 하나의 반사막으로 형성되어 있으나, 도 6에 도시된 바와 같이, 제 1 반사기(111)와 제 2 반사기(112)는 다수의 수직 반사막들을 각각 포함할 수도 있다. 여기서, 제 1 반사기(111)의 다수의 반사막들이 서로 평행하도록 배치되며, 제 2 반사막(112)의 다수의 반사막들이 서로 평행하게 배치될 수 있다. 또한, 공진 캐비티(C)의 길이를 조절하기 위하여 제 1 반사기(111)의 다수의 반사막들과 제 2 반사기(112)의 다수의 반사막들은 서로 평행하지 않을 수 있다. 도 6에는 예시적으로 제 1 반사기(111)가 4개의 반사막을 포함하고 제 2 반사기(112)가 3개의 반사막을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 이에 반드시 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제 1 반사기(111)와 제 2 반사기(112)는 동일한 개수의 반사막을 가질 수도 있다. 또한, 제 1 반사기(111)와 제 2 반사기(112) 중에서 어느 하나만이 다수의 반사막들을 포함할 수도 있다.
도 6에 도시된 실시예에서, 다수의 반사막들은 각각의 반사막에서 반사된 표면 플라즈몬이 다른 반사막에서 반사된 표면 플라즈몬과 보강 간섭을 하도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 인접한 두 반사막들 사이의 광학적 거리 및 각각의 반사막들의 광학적 두께는 출력 표면 플라즈몬 파장의 대략 λ/4일 수 있다. 그러면, 제 1 반사기(111)와 제 2 반사기(112)의 반사율을 높여서 표면 플라즈몬의 출력 세기를 증가시킬 수 있다.
도 7은 다른 실시예에 따른 다파장 표면 플라즈몬 레이저(400)의 공진 캐비티 구조를 보이는 횡단면도이다. 도 4에 도시된 실시예의 경우, 공진 캐비티(C)의 길이가 X-축 방향을 따라 연속적으로 변화하였으나, 도 7에 도시된 실시예와 같이, 공진 캐비티(C)의 길이가 계단 형태로 단계적으로 변화할 수도 있다. 이를 위하여, 제 1 반사기(111)와 제 2 반사기(112)는 서로 간격이 상이한 다수의 영역(111a, 111b, 111c; 112a, 112b, 112c)들을 각각 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제 1 반사기(111)와 제 2 반사기(112)는 서로 평행하게 배치될 수 있다. 예컨대, 제 1 반사기(111)의 제 1 영역(111a)과 제 2 반사기(112)의 제 1 영역(112a)이 서로 대향하여 평행하게 배치되며, 제 1 반사기(111)의 제 2 영역(111b)과 제 2 반사기(112)의 제 2 영역(112b)이 서로 대향하여 평행하게 배치되고, 제 1 반사기(111)의 제 3 영역(111c)과 제 2 반사기(112)의 제 3 영역(112c)이 서로 대향하여 평행하게 배치될 수 있다.
여기서, 제 1 반사기(111)의 제 1 내지 제 3 영역(111a, 111b, 111c)들과 이에 각각 대향하는 제 2 반사기(112)의 제 1 내지 제 3 영역(112,a 112b, 112c)들 사이의 간격(L1, L2, L3)은 X-축 방향을 따라 계단 형태로 단계적으로 변화할 수 있다. 도 7에는 제 1 반사기(111)와 제 2 반사기(112)가 3개의 영역(111a, 111b, 111c; 112a, 112b, 112c)들을 각각 갖는 계단의 형태로 형성된 것으로 도시되어 있으나, 이에 반드시 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제 1 반사기(111)와 제 2 반사기(112)의 계단 영역(111a, 111b, 111c; 112a, 112b, 112c)들의 개수는 출력되는 표면 플라즈몬 파장의 개수에 맞도록 선택될 수 있다. 또한, 도 7에는 예시적으로 제 1 반사기(111)와 제 2 반사기(112)가 모두 계단 형태의 영역(111a, 111b, 111c; 112a, 112b, 112c)들 갖는 것으로 도시되어 있으나, 제 1 반사기(111)와 제 2 반사기(112) 중에서 어느 하나는 절곡되지 않은 평판 형태이고, 나머지 하나만이 계단 형태로 절곡된 다수의 영역들을 가질 수도 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 다파장 표면 플라즈몬 레이저(500)의 구조를 개략적으로 보이는 정단면도이다. 도 1에 도시된 실시예의 경우, 활성층(122)의 두께가 X-축 방향을 따라 연속적으로 변화하였으나, 도 8에 도시된 실시예와 같이, 활성층(122)의 두께가 X-축 방향을 따라 계단 형태로 변화할 수도 있다. 예를 들어, 활성층(122)은 두께가 서로 다른 다수의 영역(122a, 122b, 122c)들을 포함할 수 있다. 두께가 서로 다른 다수의 영역(122a, 122b, 122c)들에서는 각각 서로 다른 파장의 빛이 발생할 수 있으며, 어느 하나의 영역(122a, 122b, 122c)에서 발생하는 빛은 동일한 파장을 가질 수 있다. 도 8에는 활성층(122)이 두께가 서로 다른 3개의 영역(122a, 122b, 122c)들을 갖는 것으로 도시되어 있으나, 이는 단순한 예일 뿐이며, 본 실시예가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 출력하고자 하는 표면 플라즈몬의 파장의 개수에 맞추어 활성층(122)의 영역들의 개수와 각 영역들의 두께를 선택할 수 있다.
도 8에 도시된 실시예의 경우에 활성층(122) 내의 다수의 영역(122a, 122b, 122c)들이 서로 연결되어 있으나, 상기 다수의 영역(122a, 122b, 122c)들이 서로 분리되어 배치되는 것도 가능하다. 예를 들어, 도 9는 또 다른 실시예에 따른 다파장 표면 플라즈몬 레이저(600)의 구조를 개략적으로 보이는 정단면도이다. 도 9를 참조하면, 활성층(122)은 서로 분리된 다수의 영역(122a, 122b, 122c)들을 포함할 수 있다. 다수의 영역(122a, 122b, 122c)들은 서로 다른 두께를 가지며, 인접한 다른 영역(122a, 122b, 122c)들과 이격되어 배치될 수 있다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 다수의 영역(122a, 122b, 122c)들은 각각 서로 다른 직경을 갖는 다수의 양자점(quantum dot)(125, 126, 127)들을 포함할 수도 있다. 양자점(125, 126, 127)들은 양자 구속 효과를 갖는 크기의 입자로서, 예를 들어, CdTe, CdSe, ZnS, CdS 등과 같은 화합물 반도체로 이루어질 수 있다. 양자점(125, 126, 127)들에서 발생하는 빛의 파장은 양자점(125, 126, 127)들의 직경과 관련되어 있다. 따라서, 활성층(122)의 다수의 영역(122a, 122b, 122c)들에서 서로 다른 파장의 빛이 발생할 수 있도록, 각각의 영역(122a, 122b, 122c)마다 서로 다른 직경을 갖는 양자점(125, 126, 127)들이 배치되며, 어느 한 영역(122a, 122b, 122c) 내에 배치된 양자점(125, 126, 127)들은 실질적으로 동일한 직경을 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 영역(122a)에는 제 1 직경을 갖는 제 1 양자점(125)들이 배치되며, 제 2 영역(122b)에는 제 2 직경을 갖는 제 2 양자점(126)들이 배치되며, 제 3 영역(122c)에는 제 3 직경을 갖는 제 3 양자점(127)들이 배치될 수 있다. 도 9에는 X-축 방향을 따라 양자점(125, 126, 127)들의 직경이 점차 작아지는 것으로 도시되어 있으나, 이는 단순한 예일 뿐이고 본 실시예가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 활성층(122)의 두께가 좌우 대칭적으로 변화하는 것도 가능하다. 예를 들어, 도 10은 또 다른 실시예에 따른 다파장 표면 플라즈몬 레이저(700)의 구조를 개략적으로 보이는 정단면도이다. 도 10을 참조하면, 활성층(122)의 두께는 중심축을 기준으로 좌우 대칭일 수 있다. 즉, 활성층(122)의 두께는 중심 부분에서 가장 두껍고 양측 가장자리로 갈수록 점차 얇아질 수 있다. 또는, 그와 반대로, 중심 부분에서 가장 얇고 양측 가장자리로 갈수록 점차 두꺼워지도록 활성층(122)의 두께가 변화하는 것도 가능하다. 이 경우, 다파장 표면 플라즈몬 레이저(700)에서 방출되는 표면 플라즈몬의 파장 분포도 중심축을 기준으로 좌우 대칭일 수 있다.
또한, 도 11은 도 10에 도시된 다파장 표면 플라즈몬 레이저(700)의 공진 캐비티 구조를 보이는 횡단면도이다. 활성층(122)의 두께가 대칭적으로 변화하는 경우에, 도 11에 도시된 바와 같이, 공진 캐비티의 길이도 역시 대칭적으로 변화할 수 있다. 이를 위해, 제 1 반사기(111)와 제 2 반사기(112) 사이의 간격이 대칭적으로 변화할 수 있다. 예컨대, 제 1 반사기(111)와 제 2 반사기(112) 사이의 간격은 중심 부분에서 가장 크고 양측 가장자리로 갈수록 점차 작아질 수 있다. 또는, 그와 반대로, 제 1 반사기(111)와 제 2 반사기(112) 사이의 간격이 중심 부분에서 가장 작고 양측 가장자리로 갈수록 점차 커지는 것도 가능하다. 도 11에는 제 1 반사기(111)와 제 2 반사기(112)가 대칭적으로 경사진 형태를 갖는 것으로 도시되어 있으나, 제 1 반사기(111)와 제 2 반사기(112) 중에서 어느 하나는 평판 형태를 갖고, 다른 하나만이 대칭적으로 경사진 형태를 가질 수도 있다. 이러한 대칭 구조는 도 7 내지 도 9에 도시된 실시예에서도 적용될 수 있다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 다파장 표면 플라즈몬 레이저(800)의 구조를 개략적으로 보이는 정단면도이다. 도 17을 참조하면, 본 실시예에 따른 다파장 표면 플라즈몬 레이저(800)는 반도체층(120)의 제 2 클래드층(123) 위에 커버층(130) 대신에 전극층(140)을 포함할 수 있다. 이 경우, 반도체층(120)은 전기적으로 펌핑되어 빛을 발생시킬 수 있다. 여기서, 금속층(110)이 제 2 클래드층(123)과 전기적으로 접촉하지 않도록, 제 2 클래드층(123)의 둘레에는 적어도 부분적으로 절연층(150)이 더 배치될 수 있으며, 금속층(110)의 일부는 제 1 클래드층(121)의 측면만을 둘러싸도록 연장될 수 있다.
이러한 구조에서, 금속층(110)과 전극층(140)을 통해 반도체층(120)에 전압을 인가할 수 있다. 제 1 클래드층(121)과 제 2 클래드층(123)은 활성층(122)에 전류를 전달하기 위하여 도전성을 갖도록 도핑될 수 있다. 예를 들어, 금속층(110)에 음의 전압이 인가되고 전극층(140)에 양의 전압이 인가되면, 제 1 클래드층(121)은 n-형으로 도핑되고 제 2 클래드층(123)은 p-형으로 도핑될 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 다파장 표면 플라즈몬 레이저에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800.....다파장 표면 플라즈몬 레이저
110.....금속층 111, 112.....반사기
120.....반도체층 121, 123.....클래드층
125, 126, 127.....약자점 122.....활성층
130.....커버층 140.....전극층
150.....절연층

Claims (19)

  1. 금속층;
    상기 금속층의 상부 표면에 배치된 것으로, 상기 금속층의 상부 표면에 평행한 제 1 방향을 따라 두께가 변화하는 활성층을 구비하는 반도체층; 및
    상기 금속층의 상부 표면으로부터 돌출하여 연장된 것으로, 상기 반도체층의 전면과 배면에 각각 대향하여 배치되는 제 1 반사기와 제 2 반사기;를 포함하며,
    상기 제 1 반사기와 제 2 반사기는 상기 금속층과 반도체층 사이의 계면에서 발생하는 표면 플라즈몬에 대한 공진 캐비티를 형성하고,
    상기 공진 캐비티의 길이가 상기 제 1 방향을 따라 변화하도록 구성된 표면 플라즈몬 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진 캐비티의 길이는 상기 제 1 방향을 따른 상기 활성층의 두께 변화에 대응하여 변화하는 표면 플라즈몬 레이저.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진 캐비티의 길이는 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따른 상기 제 1 반사기와 제 2 반사기 사이의 간격에 의해 결정되며, 상기 제 1 반사기와 제 2 반사기 사이의 간격은 제 1 방향을 따라 변화하는 표면 플라즈몬 레이저.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층의 두께가 제 1 방향을 따라 연속적으로 변화하는 표면 플라즈몬 레이저.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층의 두께가 제 1 방향을 따라 계단의 형태로 단계적으로 변화하는 표면 플라즈몬 레이저.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층은 두께가 서로 다른 다수의 영역들을 포함하며, 상기 다수의 영역들은 서로에 대해 이격되어 배치되는 표면 플라즈몬 레이저.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 활성층의 다수의 영역들은 각각 다수의 양자점들을 포함하고, 하나의 영역 내에 배치된 다수의 양자점들의 직경은 동일하며, 한 영역 내의 양자점들의 직경은 다른 영역 내의 양자점들의 직경과 상이한 표면 플라즈몬 레이저.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층의 두께 및 상기 공진 캐비티의 길이가 대칭적으로 변화하는 표면 플라즈몬 레이저.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체층은, 상기 금속층 위에 배치된 제 1 클래드층, 상기 제 1 클래드층 위에 배치된 상기 활성층, 및 상기 활성층 위에 배치된 제 2 클래드층을 포함하는 표면 플라즈몬 레이저.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 클래드층의 적어도 일부가 상기 금속층의 내부에 매립되어 있는 표면 플라즈몬 레이저.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 클래드층 위에 배치된 전극층, 및 상기 금속층이 상기 제 2 클래드층과 전기적으로 접촉하지 않도록 상기 제 2 클래드층의 둘레에 적어도 부분적으로 배치된 절연층을 더 포함하는 표면 플라즈몬 레이저.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진 캐비티의 길이가 제 1 방향을 따라 연속적으로 변화하는 표면 플라즈몬 레이저.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 반사기와 제 2 반사기는 평판의 형태를 가지며, 상기 제 1 반사기와 제 2 반사기 사이의 간격이 연속적으로 변화하도록 상기 제 1 반사기와 제 2 반사기가 서로에 대해 비평행하게 배치되어 있는 표면 플라즈몬 레이저.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 반사기와 제 2 반사기 중에서 적어도 하나는 상기 반도체층의 전면 또는 배면에 대해 경사지게 배치되어 있는 표면 플라즈몬 레이저.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진 캐비티의 길이가 제 1 방향을 따라 계단의 형태로 단계적으로 변화하는 표면 플라즈몬 레이저.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 반사기와 제 2 반사기 중에서 적어도 하나는 계단 형태로 절곡된 다수의 영역들을 포함하는 표면 플라즈몬 레이저.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 반사기와 제 2 반사기 중에서 적어도 하나는 서로 평행하게 배치된 다수의 수직 반사막들을 포함하는 표면 플라즈몬 레이저.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속층과 반도체층의 상부 표면을 덮는 투명한 커버층을 더 포함하는 표면 플라즈몬 레이저.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 따른 표면 플라즈몬 레이저를 포함하는 광전자 집적 회로.
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