KR102319348B1 - 메타 구조 리플렉터를 구비하는 수직 공진형 표면 발광 레이저 및 이를 포함하는 광학 장치 - Google Patents
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Abstract
수직 공진형 표면 발광 레이저는 광을 생성하는 이득층; 상기 이득층의 하부에 배치된 분산 브래그 리플렉터; 상기 이득층의 상부에 배치되며, 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 나노 구조물을 구비하는 메타 구조 리플렉터;를 포함한다.
Description
본 개시는 메타 구조를 포함하는 수직 공진형 표면 발광 레이저에 대한 것이다.
수직 공진형 표면 발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; 이하 VCSEL)는 측면 발광 레이저(Edge Emitting Laser; 이하 EEL)와 달리 광 이득 길이(gain length) 짧아 저 전력 이 가능하고 수직 발광으로 인한 이차원 어레이로 제작이 가능해 고밀도 집적화 및 대량 생산에 용이하다. 기존 EEL은 광 출력이 비대칭적인 반면, VCSEL은 원형 대칭적인 출력 모드를 제공하므로 효율적으로 광섬유에 연결하여 저 잡음, 안정적인 고속 변조가 가능하다.
VCSEL은 약 98%이상의 높은 반사도를 가지는 분산 브래그 반사기(distributed Bragg reflector; 이하 DBR)를 레이저 공진기를 구성하기 위해 구비하고 있다. 굴절률이 서로 다른 두 물질의 쌍들로 구성된 DBR은 높은 반사도를 얻기 위해서는 통상 수십 쌍의 적층이 필요하다. DBR은 두 물질간 경계에서 발생하는 포톤 산란(Phonon scattering)에 의해 낮은 열 전도도(thermal conductivity)(또는, 높은 열저항)을 가진다. 이로 인해 발진을 위해 전류 인가 시 내부에서 발생하는 열(self-heating)이 효과적으로 방출되지 않고, 발진 효율을 감쇄시킬 수 있다.
내부에서 발생하는 열이 효율적으로 방출될 수 있는 수직 공진형 표면 발광 레이저를 제공한다.
수직 공진형 표면 발광 레이저를 광원으로 사용하는 광학 장치를 제공한다.
일 유형에 따르는 수직 공진형 표면 발광 레이저는 광을 생성하는 이득층; 상기 이득층의 하부에 배치된 분산 브래그 리플렉터; 상기 이득층의 상부에 배치되며, 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 나노 구조물을 구비하는 메타 구조 리플렉터;를 포함한다.
상기 메타 구조 리플렉터는 제1지지층을 더 포함하며, 상기 복수의 나노 구조물이 상기 제1지지층 상에 배치될 수 있다.
상기 제1지지층의 두께는 상기 수직 공진 표면 발광 레이저의 발진 파장의 1/5 이상일 수 있다.
상기 제1지지층은 상기 나노 구조물의 굴절률보다 작은 굴절률을 가질 수 있다.
상기 수직 공진형 표면 발광 레이저는 상기 제1지지층 상에, 상기 복수의 나노 구조물의 형상에 대응하는 복수의 관통홀이 구비된 제2지지층을 더 포함하며, 상기 복수의 나노 구조물이 상기 복수의 관통홀 내에 배치될 수 있다.
상기 제2지지층의 굴절률은 상기 복수의 나노 구조물의 굴절률보다 작을 수 있다.
상기 복수의 나노 구조물의 두께, 폭, 배치 간격 중 적어도 어느 하나는 상기 수직 공진형 표면 발광 레이저의 발진 파장의 반 이하일 수 있다.
상기 메타 구조 리플렉터가 오목 거울로 작용하도록 상기 복수의 나노 구조물들의 크기 분포가 정해질 수 있다.
상기 메타 구조 리플렉터가 볼록 거울로 작용하도록 상기 복수의 나노 구조물들의 크기 분포가 정해질 수 잇다.
상기 메타 구조 리플렉터가 빔 디플렉터로 작용하도록 상기 복수의 나노 구조물들의 크기 분포가 정해질 수 있다.
상기 메타 구조 리플렉터가 편광 빔 스플리터로 작용하도록 상기 복수의 나노 구조물들의 형상 분포가 정해질 수 있다.
상기 복수의 나노 구조물들은 비대칭성을 가지는 형상일 수 있다.
상기 복수의 나노 구조물들은 제1방향의 폭과, 상기 제1방향의 폭과 수직인 제2방향의 폭의 비가 위치에 따라 다르도록 형상과 배치가 정해질 수 있다.
상기 분산 브래그 리플렉터의 반사율은 상기 메타 구조 리플렉터의 반사율보다 높을 수 있다.
상기 이득층은 활성층; 상기 활성층의 상, 하부에 각각 배치된 상부 클래드층과 하부 클래드층;을 포함할 수 있다.
상기 활성층, 상부 클래드층, 하부 클래드층은 반도체 물질을 포함할 수 있다.
상기 수직 공진형 표면 발광 레이저는 상기 이득층에서 발생하는 열의 방출을 위한 힛 싱크를 더 포함할 수 있다.
상기 힛 싱크의 영역은 상기 분산 브래그 리플렉터와 상기 이득층이 적층된 방향과 나란한, 상기 수직 공진형 표면 발광 레이저의 측면을 둘러싸는 제1영역과, 상기 제1영역과 연결되며 상기 이득층의 상부에 위치하는 제2영역을 포함할 수 있다.
상기 이득층에서 발생한 열이 상기 힛 싱크를 향하는 방출 경로는 상기 이득층 내의 적어도 어느 한 위치에서, 상기 제2영역을 향하는 경로가 상기 제1영역을 향하는 경로보다 짧을 수 있다.
일 유형에 따르면, 피사체를 향해 광을 조사하는 제1항의 수직 공진형 표면 발광 레이저; 상기 피사체로부터 반사된 광을 수광하는 센서부; 상기 센서부에서 수광한 광을 분석하여 피사체의 물성, 형상, 위치, 동작 중 적어도 어느 하나를 분석하는 분석부;를 포함하는 광학 장치가 제공된다.
상술한 수직 공진형 표면 발광 레이저는 서브 파장 치수를 가지는 메타 구조 리플렉터를 구비하여 저 전력, 고속 동작, 소형화에 유리하며, 다른 광학 장치의 광원으로 용이하게 적용될 수 있다.
상술한 수직 공진형 표면 발광레이저는 메타 구조 리플렉터가 추가적인 광학 작용을 하도록 나노 구조물의 형상, 배열이 조절될 수 있어 출사광의 빔 직경, 방향, 수렴/발산 형태, 편광 등의 광학 성능이 조절될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 2는 도 1의 수직 공진형 표면 발광 레이저에 구비된 메타 구조 리플렉터의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
도 3은 비교예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 4는 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저에 채용될 수 있는 다른 예의 메타 구조 리플렉터의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
도 5 내지 도 8은 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저의 메타 구조 리플렉터에 구비될 수 있는 나노 구조체의 다른 예시적인 형상들을 보이는 사시도이다.
도 9는 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저에 채용될 수 있는 다른 예의 메타 구조 리플렉터의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 10은 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저에 채용될 수 있는 또 다른 예의 메타 구조 리플렉터의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 11은 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저에 채용될 수 있는 또 다른 예의 메타 구조 리플렉터의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 12는 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저에 채용될 수 있는 또 다른 예의 메타 구조 리플렉터에서 나노 구조물들의 예시적인 형상 및 배열 형태를 보이는 평면도이다.
도 13은 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저에 채용될 수 있는 또 다른 예의 메타 구조 리플렉터에서 나노 구조물들의 예시적인 형상 및 배열 형태를 보이는 평면도이다.
도 14는 실시예에 따른 광학 장치의 개략적인 구조를 보이는 블록도이다.
도 2는 도 1의 수직 공진형 표면 발광 레이저에 구비된 메타 구조 리플렉터의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
도 3은 비교예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 4는 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저에 채용될 수 있는 다른 예의 메타 구조 리플렉터의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
도 5 내지 도 8은 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저의 메타 구조 리플렉터에 구비될 수 있는 나노 구조체의 다른 예시적인 형상들을 보이는 사시도이다.
도 9는 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저에 채용될 수 있는 다른 예의 메타 구조 리플렉터의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 10은 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저에 채용될 수 있는 또 다른 예의 메타 구조 리플렉터의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 11은 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저에 채용될 수 있는 또 다른 예의 메타 구조 리플렉터의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 12는 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저에 채용될 수 있는 또 다른 예의 메타 구조 리플렉터에서 나노 구조물들의 예시적인 형상 및 배열 형태를 보이는 평면도이다.
도 13은 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저에 채용될 수 있는 또 다른 예의 메타 구조 리플렉터에서 나노 구조물들의 예시적인 형상 및 배열 형태를 보이는 평면도이다.
도 14는 실시예에 따른 광학 장치의 개략적인 구조를 보이는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저(100)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이고, 도 2는 도 1의 수직 공진형 표면 발광 레이저(100)에 구비된 메타 구조 리플렉터(MR)의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
수직 공진형 표면 발광 레이저(100)는 광을 생성하는 이득층(130), 이득층(130)의 하부에 배치된 분산 브래그 리플렉터(120), 이득층(130)의 상부에 배치되는 메타 구조 리플렉터(MR)를 포함한다.
이득층(120)은 에너지를 흡수하여 광을 생성하는 층이다. 이득층(130)은 예를 들어 전류 주입에 의해, 또는 펌핑 광에 의해 광을 생성할 수 있다. 이득층(130)은 반도체 물질을 포함하는 활성층(active layer)(133)를 포함할 수 있다. 활성층(133)은 예를 들면, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질 또는 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 물질을 포함할 수 있다. 활성층(133)은 InGaAs, AlGaAs, AlGaN, InGaAsP, InGaP 또는 AlGaInP 등을 포함하는 다중 양자 우물 구조(multi-quantum well structure)를 포함할 수 있다. 활성층(133)은 양자점(Quantum Dots)를 포함할 수도 있다. 활성층(133)의 재질에 예시된 재질에 한정되지는 않는다.
이득층(120)은 활성층(133)의 상부 및 하부에 마련되는 상부 클래드층(135) 및 하부 클래드층(131)을 더 포함할 수 있다. 상부 클래드층(135), 하부 클래드층(131)은 각각 N형 또는 P형 또는 intrinsic 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상부 클래드층(135), 하부 클래드층(131)은 활성층(133)과 같은 반도체 물질로 이루어지며, 각각 N형 도펀트, P형 도펀트를 더 포함할 수 있다.
이득층(130)의 상부, 하부에 배치된 메타 구조 리플렉터(MR), 분산 브래그 리플렉터(Distributed Bragg Reflector)(120)는 이득층(130)에서 생성된 광을 발진시켜 특정 파장 대역의 광이 증폭되어 출사되도록 마련되는 것이다. 이를 위하여, 분산 브래그 리플렉터(120), 메타 구조 리플렉터(MR)의 반사율은 대략 90% 이상으로 설정될 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(120)의 반사율을 메타 구조 리플렉터(MR)의 반사율보다 높게 할 수 있으며, 예를 들어, 약 98% 이상으로 하여, 메타 구조 리플렉터(MR)를 통해 광이 출사되도록 할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 분산 브래그 리플렉터(120), 메타 구조 리플렉터(MR)의 반사율을 조절하여 광이 출사되는 방향을 반대로 조절하는 것도 가능하다.
메타 구조 리플렉터(MR)는 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 나노 구조물(NS)을 포함한다. 여기서, 서브 파장의 형상 치수라 함은 나노 구조물(NS)의 형상을 정의하는 치수인 두께(t)나 폭(D)이, 메타 구조 리플렉터(MR)의 동작 파장보다 작음을 의미한다. 메타 구조 리플렉터(MR)의 동작 파장은 이득층(130)에서 생성되는 광의 파장 대역 내에 존재할 수 있으며, 이득층(130)에서 생성되는 광 중, 분산 브래그 리플렉터(120), 메타 구조 리플렉터(MR) 사이에서 발진하며 출사되는 광(Lo)의 파장을 의미한다. 이하에서는 이를 '발진 파장'으로도 지칭할 것이다.
나노 구조물(NS)은 주변 물질(예를 들어, 공기)보다 높은 굴절률을 가지는 물질로 이루어지며, 서브 파장의 형상 치수, 구체적인 형상, 배열 형태 등에 의해 소정 파장 대역의 광을 반사시키는 역할을 할 수 있다. 나노 구조물(NS)의 두께, 폭, 배치 간격 중 적어도 어느 하나는 발진 파장의 반 이하일 수 있다. 일반적으로 나노 구조물(NS)의 폭이 발진 파장의 반 이하일 때 메타구조를 이루는 강한 산란 단위로 동작할 수 있으며, 배치 간격이 파장보다 작아질수록, 고차 회절이 없이 입사한 빛을 원하는 형태로 제어할 수 있게 된다. 나노 구조물(NS)의 두께가 발진 파장의 반 이하일 때 높은 반사 특성을 가지는 메타 구조 리플렉터(MR)로 동작할 수 있으며, 다만, 요구되는 두께가 이에 한정되지는 않는다.
나노 구조물(NS)은 도시된 바와 같이, 원기둥 형상을 가질 수 있고, 다만, 이에 한정되지 않는다. 나노 구조물(NS)은 일정한 크기를 가지며, 일정한 간격을 갖는 것으로 도시되어 있으나, 이는 예시적이며, 이에 한정되지 않는다. 나노 구조물(NS)은 이득층(130)과 동일한 종류의 반도체 물질로 형성될 수 있으며, 다만, 이에 한정되지 않는다. 나노 구조물(NS)은 예를 들어, 단결정 실리콘, 다결정 실리콘(Poly Si), 비정질 실리콘(amorphous Si), Si3N4, GaP, TiO2, AlSb, AlAs, AlGaAs, AlGaInP, BP, ZnGeP2 중 어느 하나를 포함하는 물질로 형성될 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 메타 구조 리플렉터(MR)는 복수의 나노 구조물(NS)을 지지하는 지지층(SU)을 포함할 수 있다. 지지층(SU)은 나노 구조물(NS)의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, SiO2, TCO(transparent conductive oxide), 또는 PC, PS, PMMA와 같은 폴리머로 이루어질 수 있다. 지지층(SU)의 재질은 이에 한정되지 않으며, 예를 들어, 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 지지층(SU)과 나노 구조물(NS)이 모두 동일한 반도체 물질로 형성될 수 있고, 예를 들어, 모두 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 화합물로 이루어질 수 있다. 또한, 화합물의 조성비를 조절하여, 지지층(SU)의 굴절률이 나노 구조물(NS)의 굴절률 보다 작게 할 수 있다. 지지층(SU)과 나노 구조물(NS)의 굴절률 차는 약 0.5 이상일 수 있다.
지지층(SU)의 두께는 발진 파장의 1/5 이상으로 설정될 수 있다. 지지층(SU)의 두께가 발진 파장의 1/5 보다 작은 경우 반도체 물질로 된 하부층에 지지층(SU) 위의 나노 구조물(NS)에서 공진하는 빛이 커플링 될 수 있어서 메타 구조로서 원하는 동작이 이루어지지 않을 수 있다.
분산 브래그 리플렉터(120)는 굴절률이 서로 다른 제1물질층(122), 제2물질층(124)을 원하는 발진 파장의 약 1/4 두께로 교대로 반복하여 적층하여 형성될 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(120)는 반도체 기판(110) 상에 형성될 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(120)는 두 물질층(122)(124)의 굴절률 차, 두 물질층(122)(124)의 쌍이 반복 적층된 회수를 조절하여 분산 브래그 리플렉터(120)의 반사율을 원하는 값으로 설정할 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(120)는 이득층(130)을 구성하는 반도체 물질과 동일한 물질을 포함하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1물질층(122)은 AlxGa(1-x)As (0≤x≤1)층이고 제2물질층(124)은 AlyGa(1-y)As (0 ≤y≤1, x ≠ y)층일 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(120)는 하부 클래드층(131)과 동일한 반도체 형(type)을 갖도록 도핑될 수 있다. 예를 들어, 하부 클래드층(131)이 P형인 경우, P형으로 도핑되고, 하부 클래드층(131)이 N형인 경우, N형으로 도핑될 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(120)의 재질은 이에 한정되지 않으며, 굴절률 차를 형성할 수 있는 다양한 물질들이 제1물질층(122), 제2물질층(124)에 사용될 수 있다.
수직 공진형 표면 발광 레이저(100)는 발진되는 광의 모드 조절이나 빔 크기를 조절하기 위한 산화물 개구층(oxide aperture)(140)을 더 포함할 수 있다. 산화물 개구층(140)의 위치는 이득층(130) 상부로 도시되었으나, 이에 한정되지 않으며, 예를 들어, 분산 브래그 리플렉터(120) 층 내에 배치될 수 있다. 또한, 산화물 개구층(140)은 복수개가 구비될 수도 있고, 생략될 수도 있다.
수직 공진형 표면 발광 레이저(100)는 이득층(130)에 전류 주입을 위해, 이득층(130)을 사이에 두고 이격 배치된 제1전극(150), 제2전극(160)을 포함할 수 있다. 제1전극(150)은 이득층(130)의 하부에, 제2전극(160)은 이득층(130)의 상부에 배치될 수 있다.
분산 브래그 리플렉터(120)는 제1전극(150)의 배치를 위해, 도시된 바와 같이 메사형으로 식각될 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이며, 제1전극(150)은 분산 브래그 리플렉터(120) 혹은 기판(110)의 하면에 형성될 수도 있다.
수직 공진형 표면 발광 레이저(100)는 이득층(130)에서 발생하는 열의 방출을 위한 힛 싱크(heat sink)(180)를 더 포함할 수 있다. 힛 싱크(180)는 열전도성이 좋은 금속 물질, 예를 들어, 구리(Copper), 금(gold), 알루미늄(aluminum) 등으로 이루어질 수 있다.
힛 싱크(180)는 수직 공진형 표면 발광 레이저(100)를 둘러싸는 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 광이 방출되는 영역을 제외한 위치의 상면으로부터, 분산 브래그 리플렉터(120), 이득층(130)의 적층 방향과 나란한 측면을 따라 연장되게 형성될 수 있다.
힛 싱크(180)와 제1전극(150), 상기 측면, 제2전극(160) 사이에는 절연층(170)이 더 마련될 수 있다.
이득층(130)에서 발생하는 열은 힛 싱크(180)를 통해 외부로 방출될 수 있다.
힛 싱크(180)의 영역은 제1영역(R1), 제2영역(R2)으로 나눌 수 있는데, 제1영역(R1)은 수직 공진형 표면 발광 레이저(100)의 측면을 둘러싸는 영역, 제2영역(R2)은 제1영역(R1)과 연결되며 이득층(130)의 상부에 위치하는 영역이다. 제2영역(R2)은 즉, 수직 공진형 표면 발광 레이저(100)의 상면 중 광이 방출되는 영역을 제외한 위치의 영역이다.
이득층(130)에서 발생한 열이 힛 싱크(180)를 향하는 방출 경로는 제1영역(R1)을 향하는 제1경로(H1), 제2영역(R2)을 향하는 제2경로(H2)로 나누어 볼 수 있고, 실시예의 수직 공진형 표면 발광 레이저(100)는 이득층(130)의 상부에, 두께가 두꺼운 분산 브래그 리플렉터 대신, 얇은 메타 구조 리플렉터(MR)을 배치하고 있기 때문에, 제1경로(H1), 제2경로(H2)의 경로 길이가 대체로 유사하며, 따라서 열저항이 유사하다. 이득층(130) 내의 적어도 어느 한 위치에서는, 제2영역(R2)을 향하는 제2경로(H2)가 제1영역(R1)을 향하는 제1경로(H1)보다 짧게 형성될 수도 있다. 따라서, 이득층(130)에서 발생한 열은 제1경로(H1)와 제2경로(H2)를 따라 효율적으로 분산되어 방출될 수 있다.
상술한 바와 같이, 수직 공진형 표면 발광 레이저(100)는 이득층(130)에서 생성되는 광 중 특정 파장 대역의 광이 발진, 출사하게 하는 리플렉터로서 얇은 두께로 구현될 수 있는 메타 구조 리플렉터(MR)를 도입하고 있어, 전체적인 소형화를 구현하고 있으며, 또한, 발진에 의해 발생하는 열 방출이 효율적으로 이루어질 수 있다.
도 3은 비교예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저(10)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
비교예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저(10)는 이득층(130)의 하부에도 분산 브래그 리플렉터(120)가 배치되며, 이득층(130)의 상부에도 굴절률이 다른 두 물질층(192)(194)이 교번 적층된 분산 브래그 리플렉터(190)가 배치되는 점에서 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저(100)와 차이가 있다.
분산 브래그 리플렉터(120)(190)는 통상 90% 이상의 높은 반사율을 나타내기 위해 굴절률이 다른 두 물질층의 쌍이 수십회 이상 적층되어 이루어진다. 따라서, 이득층(130)에서 발생하는 열이 외부로 방출함에 있어, 적층 방향과 수직인 방향으로의 열 저항은 매우 크게 나타난다. 이득층(130)에서 발생하는 열은 경로가 짧아 상대적으로 열저항이 작은 경로, 예를 들어, 도면에 표시한 제1경로(H1)로 대부분 방출되고, 경로가 길어 열 저항이 큰 제2경로(H2)로는 잘 방출되지 않는다.
이득층(130)의 상부에 분산 브래그 리플렉터(190)를 사용하지 않고 메타 구조 리플렉터(MR)를 도입한 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저(100)의 열 방출 효율이 비교예의 수직 공진형 표면 발광 레이저(10)에 비해 높음을 알 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저에 채용될 수 있는 다른 예의 메타 구조 리플렉터(MR2)의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
메타 구조 리플렉터(MR2)는 지지층(SU) 상에, 복수의 나노 구조물(NS)의 형상에 대응하는 복수의 관통홀(TH)이 구비된 제2지지층(SU2)을 더 포함할 수 있다. 복수의 나노 구조물(NS)은 복수의 관통홀(TH) 내에 각각 배치될 수 있다.
상기 지지층(SU2)의 굴절률은 복수의 나노 구조물(NS)의 굴절률보다 작을 수 있다. 제2지지층(SU2)은 지지층(SU)과 같은 재질로 형성될 수도 있다.
도 2, 도 4에서는 수직 공진형 표면 발광 레이저(100)에 구비되는 나노 구조물(NS)의 형상이 원기둥 형상인 것으로 도시되었으나 이에 한정되지 않으며, 다양한 형상을 가질 수 있다.
도 5 내지 도 8은 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저의 메타 구조 리플렉터(MR)(MR2)에 구비될 수 있는 나노 구조물(NS)의 다른 예시적인 형상들을 보이는 사시도이다.
도 5을 참조하면, 나노 구조물(NS)은 두께가 t인 사각 기둥 형상을 가질 수도 있다. 단면 사각형의 형상은 한 변의 길이가 D인 정사각형일 수 있으며, 이에 한정되지 않고, 직사각형일 수도 있다. 나노 구조물(NS)로 다른 다각 기둥 형상으로 변형될 수도 있다.
도 6을 참조하면, 나노 구조물(NS)은 단면 형상이 별 형상일 수 있다. 대칭적인 형태로 도시되었으나, 이는 예시적이며 비대칭적인 형상으로 변형될 수도 있다.
도 7을 참조하면, 나노 구조물(NS)은 비대칭성을 가지는 형상으로, 타원 기둥 형상일 수 있다. 나노 구조물(NS)에 장축의 길이(DL)와 단축의 길이(DS)가 다른 타원 형상을 도입하여, 장축 방향과 나란한 편광, 단축 방향과 나란한 편광에 대해 서로 다른 광학 작용을 나타낼 수 있다.
도 8을 참조하면, 나노 구조물(NS)은 비대칭성을 가지는 형상으로, 세로 길이(Dx)와 가로 길이(Dy)가 직사각형의 단면을 가지는 직육면체 형상일 수 있다. 이와 같은 형상도, 도 7의 경우와 유사하게, 특정 방향의 편광에 대해 광학 작용을 나타낼 수 있다.
메타 구조 리플렉터(MR)는 나노 구조물(NS)의 형상, 크기 및 배열 규칙들을 적절히 조절하여, 이득층(130)에서 생성되고 메타 구조 리플렉터(MR), 분산 브래그 리플렉터(120) 사이에서 반사되며 발진되어 출사되는 광의 형태를 추가적으로 조절할 수 있다.
이하, 다양한 예의 배열 규칙이 적용되어 추가적인 광학 기능을 가지는 메타 구조 리플렉터들을 살펴보기로 한다.
도 9는 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저에 채용될 수 있는 다른 예의 메타 구조 리플렉터(MR3)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
메타 구조 리플렉터(MR3)는 지지층(SU)과, 지지층(SU) 상에 형성된 복수의 나노 구조물(NS)을 포함한다. 메타 구조 리플렉터(MR3)는 볼록 거울과 같은 역할을 하도록 나노 구조물(NS)의 형상과 배열 규칙이 설정될 수 있다. 나노 구조물(NS)들의 각 위치에서의 형상 치수는 메타 구조 리플렉터(MR)가 구현하고자 하는 광학적 기능에 따라 정해진다. 예를 들어, 나노 구조물(NS)의 위치(r)를 메타 구조 리플렉터(MR)의 중심으로부터 반지름 방향으로의 거리로 정의할 때, 그 위치에 있는 나노 구조물(NS)의 크기는 D(r)로 표시될 수 있다. 도면을 참조하면, 중심에서 반경 방향으로 갈수록 D의 값은 작아지고 있으며, 예시된 규칙이 반경 방향으로 반복될 수 있다. 반복되는 주기는 일정하지 않고 변할 수 있다. 메타 구조 리플렉터(MR3)의 설계에 따라 중심에서 반경 반향으로 갈 때에 반대 경향의 D값 분포도 가능하다. 메타 구조 리플렉터(MR3)가 구현하는 볼록 거울의 기능의 정도는 나노 구조물(NS)의 위치(r)에 따른 D(r)에 적용되는 수치에 의해 조절될 수 있다. D(r)을 설정함에 따라 광학 성능의 변화는 일어나도 물리적인 곡률 변화가 일어나는 것이 아니므로, 메타 구조 리플렉터(MR3)의 두께는 일정하게 유지될 수 있다.
도 10은 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저에 채용될 수 있는 또 다른 예의 메타 구조 리플렉터(MR4)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 10을 참조하면, 메타 구조 리플렉터(MR4)는 지지층(SU)과 지지층(SU) 상에 형성된 복수의 나노 구조물(NS)을 포함한다. 메타 구조 리플렉터(MR4)는 오목 거울과 같은 역할을 하도록 나노 구조물(NS)의 형상과 배열 규칙이 설정될 수 있다. 나노 구조물(NS)의 위치(r)를 메타 구조 리플렉터(MR4)의 중심으로부터 반지름 방향으로의 거리로 정의할 때, 그 위치에 있는 나노 구조물(NS)의 직경 D(r)은 메타 구조 리플렉터(MR4)가 오목 거울로 동작하도록 구체적인 값이 정해질 수 있다. 중심에서 반경방향으로 갈수록 D의 값은 커지고 있으며, 예시된 규칙이 반경 방향으로 반복될 수 있다. 반복되는 주기는 일정하지 않고 변할 수 있다. 또한, 메타 구조 리플렉터(MR3)의 설계에 따라 중심에서 반경 반향으로 갈 때에 반대 경향의 D값 분포도 가능하다.
도 11은 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저에 채용될 수 있는 또 다른 예의 메타 구조 리플렉터(MR5)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 11을 참조하면, 메타 구조 리플렉터(MR5)는 지지층(SU)과, 지지층(SU) 상에 형성된 복수의 나노 구조물(NS)을 포함한다. 본 실시예에서, 메타 구조 리플렉터(MR5)는 분산 브래그 리플렉터(120)와 함께 광을 발진시키며, 추가적으로 출사광을 편향(deflect)시키는 기능을 수행할 수 있도록 치수, 배열이 정해진 것을 예시적으로 보이고 있다. 나노 구조물(NS)들의 크기는 일 방향을 따라 점차적으로 작아지도록 형상, 배열이 정해질 수 있다. 또한, 해당 배열이 하나의 주기 단위가 되어 수평 방향으로 반복하여 배치될 수 있다
도 9 내지 도 11의 메타 구조 리플렉터(MR3)(MR4)(MR5)는 수직 공진형 표면 발광 레이저(100)에 채용되어 출사광의 빔 직경, 수렴/발산 형태, 방향 등의 광학 성능이 조절되도록 응용될 수 있다. 또한, 예시된 크기 분포 뿐 아니라, 다른 크기 분포로 변형될 수 있고, 예를 들어, 빔 성형의 추가 기능을 하도록 크기, 분포가 정해질 수도 있다.
도 9 내지 도 11의 메타 구조 리플렉터(MR3)(MR4)(MR5)에 구비된 나노 구조물(NS)의 형상으로 도 5 내지 도 8에서 예시한 다양한 형상이 채용될 수 있다. 비대칭성을 가지는 나노 구조물(NS) 형상이 채용되는 경우 비대칭성에 의해 정해지는 특정 방향의 편광에 대해 상기한 광학 작용이 수행될 수 있다.
비대칭성을 가지는 나노 구조물(NS) 배열 규칙을 방향에 따라 다르게 정함으로서, 편광 빔 스플리터의 기능을 수행하게 할 수도 있다.
도 12는 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저에 채용될 수 있는 또 다른 예의 메타 구조 리플렉터(MR6)에서 나노 구조물(NS)들의 예시적인 형상 및 배열 형태를 보이는 평면도이다.
도 12를 참조하면, 메타 구조 리플렉터(MR6)는 장축의 길이(DL)이 y 방향으로 형성되고 단축의 길이(DS)가 x 방향으로 형성된 나노 구조물(NS1)들과, 장축의 길이(DL)가 x 방향으로 형성되고 단축의 길이(DS)는 y방향으로 형성된 나노 구조물(NS2)들을 포함한다.
나노 구조물(NS1)들은 x 방향을 따라 크기가 감소하는 형태로 배열되고, 나노 구조물(NS2)들은 x 방향을 따라 크기가 증가하는 형태로 배열되어 있다. 이러한 나노 구조물(NS1)(NS2)의 x방향, y방향 크기가 변화하는 추세를 다양하게 구성함으로써, 발진된 광이 출사될 때, 서로 다른 편광의 광이 서로 다른 방향으로 디플렉팅(deflecting)되며, 서로 다른 편광의 광의 형상을 각각 독립적으로 조절할 수 있다.
도 13은 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저에 채용될 수 있는 또 다른 예의 메타 구조 리플렉터(MR7)에서 나노 구조물(NS)들의 예시적인 형상 및 배열 형태를 보이는 평면도이다.
메타 구조 리플렉터(MR7)를 구성하는 나노 구조물(NS)은 비대칭성을 가지는 형상으로, 세로 길이(Dx)와 가로 길이(Dy)가 서로 다른 직사각형의 단면을 가지는 직육면체 형상일 수 있다. 나노 구조물(NS)들은 x 방향을 따라 배열되며, x 방향과 나란한 길이(Dx)는 점차적으로 감소하고, y방향에 나란한 길이(Dy)는 점차적으로 증가하는 형태로, 나노 구조물(NS)들의 형상, 배열이 정해질 수 있다. 이러한 형상에 따라, 발진된 광이 출사될 때, 서로 다른 편광의 광에 대해 다른 광학 작용이 나타날 수 있다.
상술한 메타 구조 리플렉터를 채용한 수직 공진형 표면 발광 레이저(100)는 소형화, 고속 동작, 저전력화에 유리하며, 또한, 출사광의 광학 성질을 다양화 할 수 있으므로, 광학 센서, 광 IC 시스템 등 다양한 분야에 채용될 수 있고, 또한, 다양한 광학 장치의 광원으로 활용될 수 있다.
도 14는 실시예에 따른 광학 장치(1000)의 개략적인 구조를 보이는 블록도이다.
광학 장치(1000)는 피사체(OBJ)를 향해 광을 조사하는 광원(1200), 피사체로부터 반사된 광을 수광하는 센서부(1400), 센서부(1400)에서 수광한 광을 분석하여 피사체의 물성, 형상, 위치, 동작 중 적어도 어느 하나를 분석하는 분석부(1600)를 포함한다.
광원(1200)으로는 전술한 다양한 형태의 메타 구조 리플렉터들이 적용된 수직 공진형 표면 발광 레이저가 사용될 수 있다.
광원(1200)과 피사체(OBJ) 사이에는 광원(1200)에서의 광의 방향을 피사체(OBJ)를 향하도록 방향을 조절하거나, 빔의 크기를 조절하거나, 패턴광으로 변조하는 등의 추가적인 기능을 위한 광학 소자들이 더 배치될 수 있다. 또는, 광원(1200)에 구비된 메타 구조 리플렉터가 이러한 기능에 알맞게 형상, 배열이 설정되는 경우, 이러한 광학 소자는 생략될 수도 있다.
센서부(1400)는 피사체(OBJ)에 의해 반사된 광(Lr)을 센싱한다. 센서부(1400)는 광 검출 요소들의 어레이를 포함할 수 있다. 센서부는 피사체(OBJ)로부터 반사된 광을 파장별로 분석하기 위한 분광 소자를 더 포함할 수도 있다.
분석부(1600)는 센서부(1400)에서 수광한 광을 분석하여 피사체의 물성, 형상, 위치, 동작 중 적어도 어느 하나를 분석할 수 있다. 피사체(OBJ)에 조사된 광(Li)의 패턴과 피사체(OBJ)로부터 반사된 광(SLr)의 패턴을 비교하여 피사체(OBJ)의 3차원 형상, 위치, 움직임등을 분석할 수 있고, 또는, 입사광에 의해 피사체(OBJ) 내에서 여기된 광의 파장을 분석하여 피사체의 물성을 분설할 수도 잇다.
광학 장치(1000)는 광원(1200)의 구동이나 센서부(1600)의 동작 등을 전반적으로 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있고, 또한, 분석부(1400)에서 수행할 3차원 정보 추출을 위한 연산 프로그램이 저장되는 메모리등을 더 포함할 수 있다.
분석부(1600)에서의 연산 결과, 즉, 피사체(OBJ)의 형상, 위치, 물성 등에 대한 정보는 다른 유닛으로 전송될 수 있다. 예를 들어, 광학 장치(1000)가 채용된 전자 기기의 제어부에 상기한 정보가 전송될 수 있다.
광학 장치(1000)는 전방 객체에 대한 3차원 정보를 정밀하게 획득하는 센서로도 활용될 수 있어 다양한 전자 기기에 채용될 수 있다. 이러한 전자기기는 예를 들어, 무인자동차, 자율주행차, 로봇, 드론 등과 같은 자율 구동 기기, 이외에도, 증강현실(Augmented Reality) 기기, 이동 통신 기기 또는 사물 인터넷 기기일 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 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..수직 공진형 표면 발광 레이저
110.. 반도체 기판
120.. 분산 브래그 리플렉터
130.. 이득층
131.. 상부 클래드층
133.. 활성층
135.. 하부 클래드층
140.. 산화물 개구층
150.. 제1전극
160.. 제2전극
170.. 절연층
180.. 힛 싱크
MR, MR2, MR3, MR4, MR5, MR6, MR7.. 메타 구조 리플렉터
NS.. 나노 구조물
SU, SU2.. 지지층
110.. 반도체 기판
120.. 분산 브래그 리플렉터
130.. 이득층
131.. 상부 클래드층
133.. 활성층
135.. 하부 클래드층
140.. 산화물 개구층
150.. 제1전극
160.. 제2전극
170.. 절연층
180.. 힛 싱크
MR, MR2, MR3, MR4, MR5, MR6, MR7.. 메타 구조 리플렉터
NS.. 나노 구조물
SU, SU2.. 지지층
Claims (20)
- 광을 생성하는 이득층;
상기 이득층의 하부에 배치된 분산 브래그 리플렉터;
상기 이득층의 상부에 배치되며, 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 나노 구조물을 구비하는 메타 구조 리플렉터;를 포함하며,
상기 복수의 나노구조물은
상기 메타 구조 리플렉터가 90% 이상의 반사율을 나타내고, 상기 분산 브래그 리플렉터와 상기 메타 구조 리플렉터 사이에서 증폭된 광이 상기 복수의 나노구조물을 투과하여 출사되도록, 형상과 배열이 설정된, 수직 공진형 표면 발광 레이저. - 제1항에 있어서,
상기 메타 구조 리플렉터는
제1지지층을 더 포함하며,
상기 복수의 나노 구조물이 상기 제1지지층 상에 배치되는, 수직 공진형 표면 발광 레이저. - 제2항에 있어서,
상기 제1지지층의 두께는 상기 수직 공진 표면 발광 레이저의 발진 파장의 1/5 이상인, 수직 공진형 표면 발광 레이저. - 제2항에 있어서,
상기 제1지지층은
상기 나노 구조물의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는, 수직 공진형 표면 발광 레이저. - 제2항에 있어서,
상기 제1지지층 상에, 상기 복수의 나노 구조물의 형상에 대응하는 복수의 관통홀이 구비된 제2지지층을 더 포함하며,
상기 복수의 나노 구조물이 상기 복수의 관통홀 내에 배치되는, 수직 공진형 표면 발광 레이저. - 제5항에 있어서,
상기 제2지지층의 굴절률은 상기 복수의 나노 구조물의 굴절률보다 작은, 수직 공진형 표면 발광 레이저. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 나노 구조물의 두께, 폭, 배치 간격 중 적어도 어느 하나는 상기 수직 공진형 표면 발광 레이저의 발진 파장의 반 이하인, 수직 공진형 표면 발광 레이저. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 메타 구조 리플렉터가 오목 거울로 작용하도록 상기 복수의 나노 구조물들의 크기 분포가 정해진, 수직 공진형 표면 발광 레이저. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 메타 구조 리플렉터가 볼록 거울로 작용하도록 상기 복수의 나노 구조물들의 크기 분포가 정해진, 수직 공진형 표면 발광 레이저 - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 메타 구조 리플렉터가 빔 디플렉터로 작용하도록 상기 복수의 나노 구조물들의 형상 분포가 정해진, 수직 공진형 표면 발광 레이저. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 메타 구조 리플렉터가 편광 빔 스플리터로 작용하도록 상기 복수의 나노 구조물들의 형상 분포가 정해진, 수직 공진형 표면 발광 레이저. - 제11항에 있어서,
상기 복수의 나노 구조물들은 비대칭성을 가지는 형상인, 수직 공진형 표면 발광 레이저. - 제12항에 있어서,
상기 복수의 나노 구조물들은 제1방향의 폭과, 상기 제1방향의 폭과 수직인 제2방향의 폭의 비가 위치에 따라 다르도록 형상과 배치가 정해지는, 수직 공진형 표면 발광 레이저. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분산 브래그 리플렉터의 반사율은 상기 메타 구조 리플렉터의 반사율보다 높은, 수직 공진형 표면 발광 레이저. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 이득층은
활성층;
상기 활성층의 상, 하부에 각각 배치된 상부 클래드층과 하부 클래드층;을 포함하는, 수직 공진형 표면 발광 레이저. - 제15항에 있어서,
상기 활성층, 상부 클래드층, 하부 클래드층은 반도체 물질을 포함하는, 수직 공진형 표면 발광 레이저. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 이득층에서 발생하는 열의 방출을 위한 힛 싱크를 더 포함하는, 수직 공진형 표면 발광 레이저. - 제17항에 있어서,
상기 힛 싱크의 영역은
상기 분산 브래그 리플렉터와 상기 이득층이 적층된 방향과 나란한, 상기 수직 공진형 표면 발광 레이저의 측면을 둘러싸는 제1영역과,
상기 제1영역과 연결되며 상기 이득층의 상부에 위치하는 제2영역을 포함하는, 수직 공진형 표면 발광 레이저. - 제18항에 있어서,
상기 이득층에서 발생한 열이 상기 힛 싱크를 향하는 방출 경로는
상기 이득층 내의 적어도 어느 한 위치에서,
상기 제2영역을 향하는 경로가 상기 제1영역을 향하는 경로보다 짧은, 수직 공진형 표면 발광 레이저. - 피사체를 향해 광을 조사하는 제1항의 수직 공진형 표면 발광 레이저;
상기 피사체로부터 반사된 광을 수광하는 센서부;
상기 센서부에서 수광한 광을 분석하여 피사체의 물성, 형상, 위치, 동작 중 적어도 어느 하나를 분석하는 분석부;를 포함하는 광학 장치.
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-
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