KR102657006B1 - 레이저 장치 - Google Patents

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KR102657006B1
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Abstract

본 발명은 레이저 장치를 개시한다. 그의 장치는, 리세스를 갖는 기판과, 상기 리세스 상의 하부 공진기를 갖는 하부 도파로 층과, 상기 하부 공진기 상에 배치된 발광 층을 구비한 펌프 광 소스와, 상기 하부 공진기 외곽의 하부 도파로 층 상에 배치된 유전체 층과, 상기 하부 공진기 상에 배치되어 상기 펌프 광을 이용하여 레이저 광을 생성 및 공진시키는 상부 공진기를 갖고, 상기 유전체 층 상에 배치되는 상부 도파로를 포함한다.

Description

레이저 장치{laser device}
본 발명은 레이저 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 펌프 광을 이용하여 레이저 광을 생성하는 레이저 장치에 관한 것이다.
광통신 기술은 레이저 광에 근거하여 비약적으로 발전하고 있다. 레이저 광은 가시광 파장 및 적외선 파장을 가질 수 있다. 그 중에 적외선 파장의 레이저 광은 광통신에 주로 사용될 수 있다. 레이저 장치는 수직공진 표면방출레이저(VCSEL), 광섬유 결합 레이저 다이오드, 및 반도체 레이저 다이오드를 포함할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 복수개의 광원들의 집적도를 증가시키고, 레이저 광의 세기를 증가시킬 수 있는 레이저 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명은 레이저 장치를 개시한다. 그의 장치는 리세스를 갖는 기판; 상기 리세스 상의 하부 공진기를 갖는 하부 도파로 층; 상기 하부 공진기 상에 배치된 발광 층을 구비한 펌프 광 소스; 상기 하부 공진기 외곽의 하부 도파로 층 상에 배치된 유전체 층; 및 상기 하부 공진기 상에 배치되어 상기 펌프 광을 이용하여 레이저 광을 생성 및 공진시키는 상부 공진기를 갖고, 상기 유전체 층 상에 배치되는 상부 도파로를 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 장치는 펌프 광 소스의 발광 층 상에 상부 공진기를 갖는 상부 도파로를 이용하여 복수개의 광원들의 집적도를 증가시킬 수 있다. 또한, 레이저 장치는 펌프 광을 이용하여 레이저 광의 세기를 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 개념에 따른 레이저 장치의 일 예를 보여주는 사시도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 I-I' 및 II-II' 선상을 각각 절취하여 보여주는 단면도들이다.
도 4는 도 1의 하부 공진기의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 5는 도 1의 펌프 광 소스의 일 예를 단면도이다.
도 6은 도 1의 펌프 광 소스의 일 예를 단면도이다.
도 7은 도 1의 상부 도파로의 일 예를 사시도이다.
도 8은 도 1의 상부 도파로의 일 예를 사시도이다.
도 9는 본 발명의 개념에 따른 레이저 장치의 일 예를 사시도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다.
도 1은 본 발명의 개념에 따른 레이저 장치(100)의 일 예를 보여준다. 도 2 및 도 3은 도 1의 I-I' 및 II-II' 선상을 각각 절취하여 보여준다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 레이저 장치(100)는 광통신용 레이저 광원일 수 있다. 일 예로, 본 발명의 레이저 장치(100)는 기판(10), 하부 도파로 층(20), 펌프 광 소스(30), 유전체 층(40), 및 상부 도파로(50)를 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 기판(10)은 실리콘 산화물 기판, 또는 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기판일 수 있다. 일 예로, 기판(10)은 리세스(12)를 가질 수 있다. 리세스(12)는 기판(10)의 일측 상에 배치될 수 있다.
하부 도파로 층(20)은 기판(10) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 하부 도파로 층(20)은 결정 실리콘을 포함할 수 있다. 일 예로, 하부 도파로 층(20)은 하부 공진기(22)를 가질 수 있다. 하부 공진기(22)는 리세스(12) 상에 배치될 수 있다. 하부 공진기(22)는 하부 도파로일 수 있다. 하부 공진기(22)는 제 1 방향(X)으로 배열될 수 있다. 하부 공진기(22)는 기판(10)과 펌프 광 소스(30) 사이에 배치될 수 있다. 하부 공진기(22)는 펌프 광(31)을 공진시킬 수 있다. 하부 공진기(22)는 포토닉 크리스탈 공진기일 수 있다. 하부 공진기(22)는 펌프 광(31)을 제 3 방향(Z)으로 방출시킬 수 있다. 또한, 하부 공진기(22)는 펌프 광(31)의 중심 파장의 세기를 증가시킬 수 있다. 펌프 광(31)이 약 600 nm 내지 약 700 nm의 파장을 가질 때, 하부 공진기(22)는 약 650nm의 중심 파장의 세기를 증가시킬 수 있다.
도 4는 도 1의 하부 공진기(22)의 일 예를 보여준다.
도 4를 참조하면, 하부 공진기(22)는 하부 공진 홀들(24), 제 1 하부 미러 홀들(26) 및 제 2 하부 미러 홀들(28)을 포함할 수 있다.
하부 공진 홀들(24)은 펌프 광 소스(30)의 펌프 광(31)의 중심 파장을 공진시킬 수 있다. 예를 들어, 하부 공진 홀들(24)은 약 200nm 이하의 직경을 가질 수 있다. 하부 공진 홀들(24)의 직경은 변화될 수 있다. 하부 공진 홀들(24)의 직경은 제 1 하부 미러 홀들(26) 및 제 2 하부 미러 홀들(28)로부터 멀어질수록 감소할 수 있다. 하부 공진 홀들(24) 사이의 거리는 그들 각각의 직경보다 작을 수 있다.
제 1 하부 미러 홀들(26)은 하부 공진 홀들(24) 상에 배치될 수 있다. 제 1 하부 미러 홀들(26)은 펌프 광(31)을 하부 공진 홀들(24)에 반사할 수 있다. 제 1 하부 미러 홀들(26)은 하부 공진 홀들(24)보다 클 수 있다. 예를 들어, 제 1 하부 미러 홀들(26)은 약 400nm 이상의 직경을 가질 수 있다.
제 2 하부 미러 홀들(28)은 하부 공진 홀들(24)의 타측에 배치될 수 있다. 제 2 하부 미러 홀들(28)은 펌프 광(31)을 하부 공진 홀들(24)에 반사할 수 있다. 예를 들어, 제 2 하부 미러 홀들(28)은 제 1 하부 미러 홀들(26)의 크기와 동일한 크기를 가질 수 있다.
도 1 내지 도 3을 다시 참조하면, 펌프 광 소스(30)는 하부 도파로 층(20)의 하부 공진기(22) 상에 배치될 수 있다. 펌프 광 소스(30)는 펌프 광(31)을 생성할 수 있다. 펌프 광(31)은 가시광 파장(ex, 400nm 내지 700nm)을 가질 수 있다. 일 예로, 펌프 광 소스(30)는 발광 층(32) 및 상부 전극들(34)을 포함할 수 있다.
발광 층(32)은 하부 공진기(22) 상에 배치될 수 있다. 발광 층(32)은 제 2 방향(Y)으로 배열될 수 있다. 발광 층(32)은 2차원물질 층(two dimensional material layer)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 발광 층(32)은 그래핀을 포함할 수 있다. 발광 층(32)은 펌프 광(31)을 생성할 수 있다. 하부 공진기(22)는 펌프 광(31)을 공진시킬 수 있다.
상부 전극들(34)은 하부 공진기(22) 및 상부 도파로(50) 외곽의 발광 층(32)의 양측들 상에 배치될 수 있다. 상부 전극들(34)은 발광 층(32)에 전원 전압을 제공할 수 있다. 전원 전압이 상부 전극들(34)에 제공되면, 발광 층(32)은 펌프 광(31)을 생성할 수 있다.
도 5는 도 1의 펌프 광 소스(30)의 일 예를 보여준다.
도 5를 참조하면, 펌프 광 소스(30)는 층간 절연 층(36) 및 하부 전극(38)을 더 포함할 수 있다. 기판(10), 하부 도파로 층(20), 상부 전극(34) 및 상부 도파로(50)는 도 3과 동일하게 구성될 수 있다.
펌프 광 소스(30)의 발광 층(32)은 금속 칼코게나이드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 발광 층(32)은 MoS2, MoSe2, WS2, WSe2, MoTe2, 또는 WTe2를 포함할 수 있다.
층간 절연 층(36)은 발광 층(32)과 하부 전극(38) 사이에 배치될 수 있다. 층간 절연 층(36)은 발광 층(32)을 하부 전극(38)으로부터 절연시킬 수 있다. 예를 들어, 층간 절연 층(36)은 육방정 질화 붕소(hexagonal boron nitride)를 포함할 수 있다.
하부 전극(38)은 기판(10)과 층간 절연 층(36) 사이에 배치될 수 있다. 하부 전극(38)은 플레이트 전극일 수 있다. 여기 전압(exciting voltage)이 하부 전극(38)에 제공되고, 전원 전압(source voltage)이 상부 전극들(34)에 제공되면, 발광 층(32)은 상기 여기 전압 및 상기 전원 전압을 이용하여 펌프 광(31)을 생성할 수 있다. 여기 전압은 하부 전극(38)과 상부 전극들(34) 사이에 제공될 수 있다. 펌프 광(31)의 중심 파장은 발광 층(32)의 종류에 따라 달라질 수 있다. 발광 층(32)이 WSe2일 경우, 펌프 광(31)은 약 600nm의 파장을 가질 수 있다. 발광 층(32)이 MoSe2일 경우, 펌프 광(31)은 약 700nm의 파장을 가질 수 있다.
도 6은 도 1의 펌프 광 소스(30)의 일 예를 보여준다.
도 6을 참조하면, 펌프 광 소스(30)의 발광 층(32)은 제 1 발광 층(33) 및 제 2 발광 층(35)을 포함할 수 있다. 기판(10), 하부 도파로 층(20) 및 상부 도파로(50)는 도 3과 동일하게 구성될 수 있다.
제 1 발광 층(33)은 기판(10)과 상부 전극들(34) 중의 하나 사이에 배치될 수 있다. 또한, 제 1 발광 층(33)은 기판(10)과 상부 도파로(50) 사이에 배치될 수 있다. 제 1 발광 층(33)은 WSe2를 포함할 수 있다.
제 2 발광 층(35)은 기판(10)과 상부 전극들(34) 중의 나머지 하나 사이에 배치될 수 있다. 또한, 제 2 발광 층(35)은 제 1 발광 층(33)과 상부 도파로(50) 사이에 배치될 수 있다. 제 2 발광 층(35)은 MoS2를 포함할 수 있다. 제 1 발광 층(33) 및 제 2 발광 층(35)은 복수개의 상부 전극들(34) 사이에 적층(stacked)될 수 있다. 적층된 제 1 발광 층(33)과 제 2 발광 층(35)은 PN 접합을 형성할 수 있다. 전원 전압이 상부 전극들(34)에 제공되면, 펌프 광(31)은 적층된 제 1 발광 층(33)과 제 2 발광 층(35)의 PN 접합에서 생성될 수 있다.
도 1 및 도 2를 다시 참조하면, 유전체 층(40)은 펌프 광 소스(30) 외곽의 하부 도파로 층(20) 상에 배치될 수 있다. 유전체 층(40)은 하부 공진기(22) 및 펌프 광 소스(30)를 노출시킬 수 있다. 유전체 층(40)은 펌프 광 소스(30) 보다 두꺼울 수 있다. 유전체 층(40)은 하부 도파로 층(20)의 굴절률보다 작은 굴절률을 가질 수 있다. 유전체 층(40)은 고분자를 포함할 수 있다.
상부 도파로(50)는 유전체 층(40), 발광 층(32), 및 하부 공진기(22) 상에 배치될 수 있다. 상부 도파로(50)는 유전체 층(40)에 의해 발광 층(32) 상에 에어 브리지 형태를 가질 수 있다. 상부 도파로(50)는 제 1 방향(X)으로 배열될 수 있다. 상부 도파로(50)는 펌프 광(31)을 이용하여 레이저 광(51)을 생성할 수 있다. 예를 들어, 상부 도파로(50)는 III-V족 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상부 도파로(50)는 InP를 포함할 수 있다.
도 7은 도 1의 상부 도파로(50)의 일 예를 보여준다.
도 2 및 도 7을 참조하면, 상부 도파로(50)는 상부 공진기(52)를 가질 수 있다. 상부 공진기(52)는 상부 전극들(34) 사이의 발광 층(32) 상에 배치될 수 있다. 상부 공진기(52)는 상부 공진 도파로일 수 있다. 상부 공진기(52)는 펌프 광(31)을 이용하여 레이저 광(51)을 생성 및/또는 공진시킬 수 있다. 레이저 광(51)의 세기는 펌프 광(31)의 세기에 비례하여 증가할 수 있다. 일 예로, 상부 공진기(52)는 상부 공진 홀들(54), 제 1 상부 미러 홀들(56) 및 제 2 상부 미러 홀들(58)을 포함할 수 있다. 상부 공진 홀들(54), 제 1 상부 미러 홀들(56) 및 제 2 상부 미러 홀들(58)은 제 1 방향(X)으로 배열될 수 있다.
상부 공진 홀들(54)은 발광 층(32) 상에 배치될 수 있다. 상부 공진 홀들(54)은 펌프 광(31)을 흡수하여 레이저 광(51)을 생성할 수 있다. 상부 공진 홀들(54)의 각각은 약 200nm 내지 300nm의 직경을 가질 수 있다. 상부 공진 홀들(54) 사이의 거리는 그들 각각의 직경보다 작을 수 있다. 상부 공진 홀들(54)의 직경들은 제 1 상부 미러 홀들(56)과 제 2 상부 미러 홀들(58)로부터의 거리에 따라 변화될 수 있다. 상부 공진 홀들(54)의 직경들은 제 1 상부 미러 홀들(56)과 제 2 상부 미러 홀들(58)로부터 멀어질수록 감소할 수 있다.
제 1 상부 미러 홀들(56)은 상부 공진 홀들(54)의 일측에 배치될 수 있다. 일 예로, 제 1 상부 미러 홀들(56)은 전반사 미러 홀들일 수 있다. 제 1 상부 미러 홀들(56)은 레이저 광(51)을 상부 공진 홀들(54)에 반사할 수 있다. 제 1 상부 미러 홀들(56)은 상부 공진 홀들(54) 보다 클 수 있다. 예를 들어, 제 1 상부 미러 홀들(56)은 약 400nm 내지 약 450nm의 직경을 가질 수 있다. 제 1 상부 미러 홀들(56) 사이의 거리는 그들 각각의 직경보다 작을 수 있다.
제 2 상부 미러 홀들(58)은 상부 공진 홀들(54)의 타측에 배열될 수 있다. 제 2 상부 미러 홀들(58)은 반투과 미러 홀들일 수 있다. 제 2 상부 미러 홀들(58)은 레이저 광(51)의 일부를 투과하거나 반사할 수 있다. 제 2 상부 미러 홀들(58)은 제 1 상부 미러 홀들(56)의 직경과 동일한 직경을 가질 수 있다. 제 2 상부 미러 홀들(58) 사이의 거리는 그들 각각의 직경보다 작을 수 있다. 제 2 상부 미러 홀들(58)의 개수는 제 1 상부 미러 홀들(56)의 개수보다 작을 수 있다. 예를 들어, 제 2 상부 미러 홀들(58)은 약 3개이하이고, 제 1 상부 미러 홀들(56)은 약 4개 이상일 수 있다.
제 2 상부 미러 홀들(58)에 인접하는 상부 도파로(50)의 말단(end)은 테이퍼(tapered)질 수 있다. 상부 도파로(50)의 테이퍼진 말단은 하부 도파로 층(20)에 결합(coupled)될 수 있다. 레이저 광(51)은 상부 도파로(50)의 테이퍼진 말단을 통해 하부 도파로 층(20)에 전달될 수 있다.
도 8은 도 1의 상부 도파로(50)의 일 예를 보여준다.
도 8을 참조하면, 상부 도파로(50)는 하부 층(53), 활성 층(55), 및 상부 층(57)을 포함할 수 있다. 하부 층(53), 활성 층(55), 및 상부 층(57)은 적층(stacked)될 수 있다. 상부 공진기(52)는 도 2 및 도 7과 동일하게 구성될 수 있다.
하부 층(53)은 III-V족 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하부 층(53)은 InP를 포함할 수 있다.
활성 층(55)은 하부 층(53)과 상부 층(57) 사이에 배치될 수 있다. 활성 층(55)은 InGaAsP를 포함할 수 있다. 도시되지는 않았지만, 활성 층(55)은 양자 점들을 가질 수 있다. 양자 점들은 레이저 광(51)의 포톤을 제어할 수 있다. 예를 들어, 활성 층(55)은 싱글 포톤 소스로서 작용(operated)되어 양자 통신 또는 양자 컴퓨팅을 실현시킬 수 있다.
상부 층(57)은 활성 층(55) 상에 배치될 수 있다. 상부 층(57)은 하부 층(53)과 동일할 수 있다. 예를 들어, 상부 층(57)은 InP를 포함할 수 있다.
도 9는 본 발명의 개념에 따른 레이저 장치(100)의 일 예를 보여준다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 레이저 장치(100)의 하부 도파로 층(20)은 하부 도파로일 수 있다. 하부 도파로 층(20)은 제 1 방향(X)으로 연장할 수 있다.
하부 공진기이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (10)

  1. 리세스를 갖는 기판;
    상기 리세스 상에 배치되어 제 1 방향으로 연장하는 하부 공진기를 갖는 하부 도파로 층;
    상기 하부 공진기 상에 배치되고, 상기 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향으로 연장하는 발광 층을 구비한 펌프 광 소스;
    상기 하부 공진기 외곽의 하부 도파로 층 상에 배치된 유전체 층; 및
    상기 하부 공진기, 상기 펌프 광 소스, 및 상기 유전체 층 상에 배치되고, 상기 제 1 방향으로 연장하고, 상기 펌프 광을 흡수하여 레이저 광을 생성 및 공진시키는 상부 공진기를 갖는 상부 도파로를 포함하되,
    상기 상부 공진기는:
    상기 발광 층 상에 제공되는 상부 공진 홀들;
    상기 상부 공진 홀들 일측의 상기 상부 도파로 내에 제공되고, 상기 상부 공진 홀들의 직경보다 큰 직경을 갖는 제 1 상부 미러 홀들; 및
    상기 제 1 상부 미러 홀들에 대향하는 상기 상부 공진 홀들 타측의 상기 상부 도파로 내에 제공되고, 상기 제 1 상부 미러 홀들의 직경과 동일한 직경을 갖는 제 2 상부 미러 홀들을 포함하고,
    상기 하부 공진기는 상기 상부 공진기 아래에 정렬되고,
    상기 하부 공진기는:
    상기 발광 층 아래에 제공되고, 상기 상부 공진 홀들의 직경보다 작은 직경을 갖는 하부 공진 홀들;
    상기 하부 공진 홀들 일측의 상기 하부 도파로 층 내에 제공되고, 상기 하부 공진 홀들의 직경보다 큰 직경을 갖는 제 1 하부 미러 홀들; 및
    상기 제 1 하부 미러 홀들에 대향하는 상기 하부 공진 홀들 타측의 상기 하부 도파로 층 내에 제공되고, 상기 제 1 하부 미러 홀들의 직경과 동일한 직경을 갖는 제 2 하부 미러 홀들을 포함하는 레이저 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프 광 소스는 상기 상부 도파로 양측들의 상기 발광 층 상의 상부 전극들을 더 포함하는 레이저 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프 광 소스는:
    상기 발광 층과 상기 하부 도파로 층 사이의 하부 전극; 및
    상기 하부 전극과 상기 발광 층 사이의 층간 절연 층을 더 포함하는 레이저 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 발광 층은:
    상기 기판과 상기 상부 전극들 중의 하나 사이에 배치되어 상기 하부 도파로층으로 연장하는 제 1 발광 층; 및
    상기 기판과 상기 상부 전극들 중의 나머지 하나 사이에 배치되고, 상기 하부도파로 층 상에서 상기 제 1 발광 층 상에 적층되는 제 2 발광 층을 포함하는 레이저 장치.

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