KR20010079633A - 주입형 레이저 - Google Patents

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KR20010079633A
KR20010079633A KR1020017001793A KR20017001793A KR20010079633A KR 20010079633 A KR20010079633 A KR 20010079633A KR 1020017001793 A KR1020017001793 A KR 1020017001793A KR 20017001793 A KR20017001793 A KR 20017001793A KR 20010079633 A KR20010079633 A KR 20010079633A
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바실리 이바노비치 쉬베이킨
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바실리 이바노비치 쉬베이킨
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Abstract

본 발명은 광 공진기가 특수한 구조를 갖는 주입형 레이저에 관한 것이다. 광 공진기 매질의 볼륨은 방사선 입사 영역(7)에 대한 패시브 볼륨은 물론 강렬한 출사 증폭에 대한 증폭 영역 액티브 볼륨을 포함한다. 상기 볼륨은 레이저 이종 구조물(2)을 형성하는 복수의 층들을 포함하고 다양한 조성물과 이에 대응하여 결정되는 두께를 갖는다. 상기 레이저 입사 영역(7)의 광 단면들(8, 9)은 상이한 구성을 가지며, 상기 레이저는 또한 저항성 접촉(15, 16)을 이용한다. 따라서, 불평형 캐리어와 그들의 여기 재결합의 주입 영역은 물론 레이저 방사 모드의 형성 영역을 반드시 결정할 수 있다. 또한 레이저 방사선의 전력 증가, 임계 전류 밀도의 감소, 레이저 효율의 증가 및 상기 방사선의 2개의 상호 수직한 출사 방향에 대해 회절각에 가까운 감소된 발산각을 얻을 수 있다. 단일 모드 발생 과정의 정규성(regularity) 증가, 공간적 및 스펙트럼 특성의 개선, 펌핑 전류 크기에서 발생되는 레이저 방사선의 파장 의존도의 실질적 감소와 작동 신뢰도 및 서비스 내구성을 추가로 향상시킬 수 있다. 본 발명은 또한 액티브층의 평면에 수직한 레이저 방사 출력을 갖는 고효율의 레이저에 관한 것임은 물론 자가 작동(autonomous activation)을 하는 강력한 레이저 빔을 갖는 레이저에 관한 것이다.

Description

주입형 레이저{INJECTION LASER}
주입형 레이저(이하, "상기 레이저"라 함.)는 전기 에너지를 좁은 스펙트럼 성분을 갖는 방사선 에너지로 변환시키는 장치이다.
다양한 유형의 레이저들이 공지되어 있는데, Lasers with a strip-type active region and with radiation output through the mirror of an optical resonator(S. S. Ou et. al., Electronic letters(1992), Vol. 28, No. 25, pp 2345-2346), distributed-feedback Lasers(Handbook of Semiconductor Lasers and Photonic Intergrated Circuits, edited by Y. Suematsu and A. R. Adams, Chapman-Hill, London, 1994, pp. 44-45 and 393-417), Laser amplifiers, including a master oscillator power amplifier(MOPA)(IEEE J. of Quantum Electronics(1993), Vol. 29, No. 6, pp.2052-2057) 및 Lasers with curved resonator and radiation output through a surface(Electronics Letters(1992), Vol. 28, No. 21, pp. 3011-3012) 등이 그것이다. 단독 모드(monomode) 레이저방출에 관한 상황을 포함하여, 불충분한 방사 전력, 효율성, 동작 수명 및 신뢰도로 인해 상기 레이저들의 추가적인 응용범위의 확장에 어려움이 있다.
D. R. Scifres 등이 기술한 레이저(U.S. Patent 4,063,189, 1977, H01S 3/19, 331/94.5 H)가 상기 레이저에 가장 가깝다. 상기 레이저는 광학적으로 균일한 2개의 도금층(cladding layer) 사이에 위치한 GaAs 액티브층을 포함하는 레이저 이종 구조물(laser heterostructure)(이하, "이종 구조물"이라 함.)을 포함한다. 길이 LGR인 작동 레이저의 이득 영역(gain region)(이하, "GR"이라 함.)은 실제로 불평형 캐리어(nonequilibrium carrier)가 저항성 접촉(ohmic contact)의 의해 주입되는 액티브층(active layer)과 일치한다. GR은 광 공진기(optical resonator)의 매질(medium)이다. 세로 이득 축(longitudinal gain axis)을 따른 GR의 길이는 반사기로서 작용하는 평탄 끝단부(flat end surface)에 의해 경계가 구별된다. 광 공진기(Farby-Perot)의 길이LOR는 길이 LGR와 일치한다. 즉, 비율은 1이 된다.
mu = LOR/LGR(1)
1에 가까운 반사 계수를 갖는 반사 코팅층(이하, "반사 코팅층"이라 함.)을 광 공진기의 반사기에 도포한다. GaAs 기판을 사용하는 방사선 입사 영역(radiation inflow region)(이하, "RIR"이라 함.)은 액티브층과는 이격한 금속층 중 하나와 인접한다. RIR의 내부면 영역은 GR의 영역과 일치하고, 상기 RIR에 인접한 도금층 상에 위치한다. RIR의 평탄 광 단면은 광 공진기의 반사기 평면의 연속이면서 GR의 세로 이득 축에 수직이다. 반사 계수가 거의 영(0)인 코팅층(이하, "무반사 코팅층(antireflective coating)"이라 함.)을 광 단면(이하, "단면(facet)"이라 함.)의 한 쪽에 도포하고 반사 코팅층을 다른 쪽 단면에 도포한다. 무반사 코팅층을 도포한 단면이 출력면이다. RIR은 전기적인 도전체로 이루어지고, 저항성 접촉은 외부 표면에 구성되어 내부면과 대향(opposite)한다. 또다른 저항성 접촉은 이종 구조물의 방향으로 구성된다. 액티브층, 도금층 및 RIR의 조성물 및 두께는, 액티브층에서 RIR로의 방사선 출사 조건이 만족되도록 선택되어져야 하고, 특히 RIR의 굴절률(n RIR)이 이종 구조물과 RIR(7) 또는 (J.K.Buttler et al., IEEE Journ. of Quant. Electron. (1975), Vol.QE-11, p.402)의 유효 굴절률(n eff)을 초과하도록 선택되어져야 한다.
φ = arccos(n eff/n RIR)〉 0 (2)
직류 전류를 상기 레이저에 인가할 경우, 불평형 캐리어가 액티브층에 주입되고, 소정 파장( λ )의 방사선 생성과 모드 조성물(mode composition)이 광 공진기의 매질(medium)에서 발생한다. 동시에, 앞서 기술한 출사 조건의 만족으로 GR로부터 레이저 방사선의 일부가 RIR을 통과하여 상기 레이저를 방출한다. 액티브층과 RIR(모두 GaAs로 구성됨.)에 대해 동일한 조성물을 사용하여 neff/nRIR의 비율 범위를 0.9986 이상 내지 1로, 출사각 φ 의 범위를 각각 3°내지 0°로 제한하였음을 유의하여야 한다.
D. R. Scifres 등을 비롯하여 전술한 발명가들(D. R. Scifres et al., U.S. Patent 4,063,189, H01S 3/19, 331/94.5 H)은 완성된 레이저에 대해 다음의 기초적인 파라미터, 즉 7.7 kA/㎠의 임계 전류 밀도(j thr) , 400㎛ 길이(LOR)에 대해 7.0A의 임계 전류(Jthr), 3W의 단펄스(short pulse) 출력 전력, 35-40% 정도의 차동 효율(differential efficiency), 단면을 통과하는 레이저 방사선 출력에 대해 수직면(vertical plane)에서 2°의 발산각(Θ1)을 얻었다. 세로 이득 축을 관통하고 액티브층에 수직인 평면을 이하에서는 수직면이라 한다. 수평면(horizontal plane)은 수직면과 수직이다.
본 발명은 양자 전자공학(quantum electronic) 기술에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 좁은 방사 패턴을 구비한 고전력의 효율적이고 조밀한(compact) 반도체 방사선 주입원(injection source)에 관한 것이다.
본 발명은 도 1 내지 도 26으로부터 이해할 수 있다.
도 1 내지 도 7은 단방향 방사선 출력을 갖는, 대응 단면의 평면들을 연장시키는 평면들의 형태로 형성되는 GR의 끝단면(end surface)을 갖는 제안된 상기레이저의 상이한 설계들의 세로 부분(GR의 광 이득 축을 따라서)을 개략적으로 도시한 도면이고, 특히,
도 1 내지 도 3은 광 공진기의 반사기로서 구현된 RIR의 단면을 갖는 상기 레이저의 개략도이고,
도 1은 φ 와 동일한 양의 경사각 ψ 를 갖는 2개의 경사진 단면을 갖는 상기 레이저의 개략도이며,
도 2는 상기 경사진 단면 중 하나에 평면 거울의 형태로 외부 반사기를 갖는 상기 레이저의 개략도이며,
도 3은 영(0)의 경사각( ψ )을 갖는 한 단면을 상기 레이저의 개략도이며,
도 4 내지 도 7은 상기 공진기의 반사기로서 구현되는 RIR의 외부면의 일부분을 갖는 상기 레이저의 개략도이고,
도 4는 ( π /4 - φ /2)와 동일한 음의 경사각( ψ )을 갖는 RIR의 2개의 경사진 단면을 갖는 상기 레이저의 개략도이며,
도 5는 상기 경사진 단면 중 하나에 회절 격자의 형태로 외부 반사기를 갖는 상기 레이저의 개략도이며,
도 6은 영의 경사각( ψ )을 갖는 다른 쪽 단면을 갖는 상기 레이저의 개략도이며,
도 7은 한 쪽은 양의 경사각, 다른 쪽은 음의 경사각을 갖는 RIR을 구비한 상기 레이저의 개략도이다.
도 8 내지 도 9는 광 공진기의 반사기들로서 구현되는 이종 구조물의 외부면의 일부분에 관한 설계의 세로 부분을 개략적으로 도시한 도면이고,
도 8은 ( π /4 + φ /2)와 동일한 경사각( ψ )을 갖는 경사진 단면을 구비한 상기 레이저의 개략도이며,
도 9는 한 쪽 단면의 경사각은 ( π /4 + φ /2)와 동일하고, 다른 쪽 단면의 경사각은 영(0)인 상기 레이저의 개략도이다.
도 10은 두 단면의 경사각이 모두 영(0)이고 평면 거울의 형태로 외부에 경사진 반사기를 구비한 제안된 상기 레이저에 관한 설계의 세로 부분을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11 내지 도 13은 RIR이 위치하는 방향으로부터 저항성 접촉의 상이한 구현에 따른 제안된 상기 레이저에 관한 일부 설계의 개략적인 단면도이고,
도 11은 RIR의 외부면 상에 위치하는 저항성 접촉의 개략적인 단면도이며,
도 12는 RIR에 인접하는 도금층의 전기 도전성인 서브층 상에 위치하는 저항성 접촉의 개략적인 단면도이며,
도 13은 이종 구조에 인접하는 RIR의 전기 도전성인 부분(층)에 위치하는 저항성 접촉의 개략적인 단면도이다.
도 14 내지 도 15는 단일 RIR과 함께 전기적으로 직병렬로 접속된, 6개의 GR을 갖는 제안된 상기 레이저들의 세로 부분(도 14) 및 단면도(도 15)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 16 내지 도 19는 3개의 상이한 GR의 시퀀스에 대해 별개의 RIR들을 갖는, 전기적으로 독립하여 제어할 수 있는 복수의 GR들을 갖는 제안된 상기 레이저의 세로 부분(도 16 내지 18) 및 단면도(도 19)를 개략적으로 도시한 도면이고,
도 16은 액티브층의 평면에 수직인 방향에서 레이저 방사선의 출력과 양(+)의 경사각(도 9 참조)을 갖는 RIR의 2개의 경사진 단면을 갖는 레이저의 개략도이며,
도 17은 액티브층의 평면에 수직인 방향에서 레이저 방사선의 출력과 양의 경사각을 갖는 광 공진기의 제1 단면 및 음(-)의 경사각(도 8 참조)을 갖는 제2 단면을 갖는 레이저의 개략도이며,
도 18은 액티브층의 평면에 각( φ )으로 레이저 방사선 출력과 양의 경사각(도 1 참조)을 갖는 RIR의 2개의 경사진 단면을 갖는 레이저의 개략도이다.
도 20 내지 21은 자신의 이득 축을 따라 배치되고 별개의 RIR에 전기적으로 직렬 연결된 GR들을 갖는, 제안된 상기 레이저의 세로 부분을 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 20은 RIR의 한 쪽 단면 상에 3개의 GR들의 배치를 갖는 레이저의 개략도이며,
도 21은 상기 RIR의 2개의 대향 단면 상에 4개의 GR들의 배치를 갖는 레이저의 개략도이다.
도 22는 φ 와 동일한 양의 경사각 β 를 갖는 RIR의 제2 층에 대해 2개의 경사진 측면 광 단면을 구비하도록 형성되는 2층 RIR을 갖는 레이저들(상기 레이저의 세로 부분을 도 1 내지 10에 도시)의 설계에 관한 단면도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 23 내지 도 26은, 도 23 및 도 24에서는 (3 π /2 - φ /2)와 동일하고, 도 25 및 도 26에서는 ( π /2 - φ )와 동일한 내부면으로서의 기저면을 갖는 원뿔대의 측면의 모면의 경사각 γ 를 갖는 직 원뿔대로서 RIR을 구현하는 레이저들에 대하여, 대칭 평면(도 23 및 도 25) 부분과 평면도(도 24 및 도 26) 부분을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 목적은 보다 낮은 전류 밀도 임계값, 증가된 차동 효율, 감소된 비점 수차(astigmatism) 및 수직면과 수평면에서 출력 방사선의 발산각, 레이저 방사선의 증가된 스펙트럼 특성, 레이저 방사선 출력의 확장된 지향성 범위 그리고 광 공진기의 증가된 유효 길이를 구비한 레이저를 제조하는 것이고, 전체적으로 그에 의해 레이저를 제조하는 기술을 단순화함과 더불어 멀티빔(multibeam) 레이저를 포함하는 레이저의 전력, 효율성, 동작 수명 및 신뢰도를 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따라서, 상기한 목적은, 이득 영역을 형성할 수 있는 액티브층과 도금층을 포함하는 레이저 이종 구조물을 포함하고, 또한 반사기, 광 공진기, 저항성 접촉과 액티브층의 적어도 한 쪽에 내부면이 대응하는 도금층에 인접하는 방사선 입사 영역을 포함하는 주입형 레이저를 제안하는 사실로 달성되며, 여기서 액티브층에서 방사선 입사 영역으로의 방사선 출사 조건은, 방사선 입사 영역의 굴절률(nRIR)이 레이저 이종 구조물과 이와 인접한 방사선 입사 영역으로 구성되는전체의 유효 굴절률(neff)을 초과하면 만족되고, 특히 arccos(neff/nRIR)은 영(0)보다 크고, 광 공진기의 매질의 적어도 일부분은 입사 영역의 적어도 일부분 및 이득 영역의 적어도 일부분으로 이루어지며, 광 공진기(optical cavity)의 반사기 중 적어도 하나는 영(0) 이상 1 이하의 범위에서 선택되는 반사 계수를 갖도록 구성되면 만족되고, 레이저 방사선을 투과시키는 적어도 하나의 입사 영역이 있으며, 상기 하나의 입사 영역에 형성되는 적어도 하나의 이득 영역의 액티브층에서 입사 영역으로 출사되는 방사선의 이득 Goutflow(cm-1)을 특징으로 하고, 입사 영역은 도입된 임계 손실 계수 αRIR-thr(cm-1)를 특징으로 하고, 이득(Goutflow)(cm-1)은 계수( αRIR-thr)보다 크도록 선택되며, 액티브층에서 방사선 입사 영역으로의 방사선 출사 조건은 또한 다음의 관계식으로 정의된다.
arccos(neff/nRIR) ≤ arccos(neff-min/nRIR)
여기서, neff-min은 nmin이상이고 실제적인 값을 갖는 방사선 입사 영역을 구비한 여러 레이저 이종 구조물에 대해 가능한 모든 neff중에서 최소값이고, nmin은 이종 구조물 도금층의 굴절률 중에서 최소값이다. 제안된 레이저의 특징은 RIR의 적어도 일부분과 GR의 적어도 일부분으로 이루어지는, 광 공진기 매질의 신규하고 비자명한 선택이다. 음의 광 궤환(negative optical feedback)은, 노출된, 예를 들면, RIR의 단면 중 하나에 광 공진기의 반사기 중 적어도 하나가 영(0) 이상 1 이하의 범위에서 선택되는 반사 계수를 갖도록 구성되는 사실로 보장할 수 있다. 작동 레이저에서 이종 구조물과 RIR의 층과 서브층(sublayer)의 조성물, 두께 및 수의 선택은, 제안된 광 공진기에서 레이저 방출(lasing) 조건을 만족시키기에 충분한 강도를 가지고 액티브층(또는 GR)에서 RIR로 지향성의 즉각적인 방사선을 출사할 수 있게 한다. 이러한 조건은 임의의 레이저나 제안된 레이저 모두에 이득이 손실을 초과하는 조건이다. 액티브층에서 RIR로 출사하는 방사선의 이득값(Goutflow)(cm-1)이, 레이저 방출 임계값에서 광 공진기의 모든 방사선 손실을 특징으로 하는 임계 손실 계수( αRIR-thr)를 초과하는 경우, 사전에 도입한 항목들로 상기 레이저의 레이저 방출 임계값을 달성하기 위한 이러한 조건을 실현시킬 수 있다. 레이저 방출 임계(lasing-threshold) 조건은 다음과 같이 쓸 수 있다.
Goutflow-thr= αRIR-thr= ( mu · αRIR) + αout+ αdiffr(3)
여기서, Goutflow-thr(cm-1)은 레이저 방출 임계값에서의 이득 Goutflow의 값이고, αRIR은 RIR에서 레이저 방사선의 광 손실 계수(흡수, 산란)이며, αout은 광 공진기로부터의 레이저 방사선 출력과 관계된 순 손실 계수(net loss factor)이며 다음과 같고,
αout= (LOR)-1·ln(R1·R2)-1(4)
αdiffr는 광 공진기로부터의 출력측(exit)에서 레이저 방사선의 회절 손실계수로서 다음과 같으며,
αdiffr= (LOR)-1·ln〔1-( λ ·LOR/nRIR·Srefl)〕-1(5)
Srefl는 광 캐비티의 반사기의 영역이고, ( mu ·LGR)과 동일한(식 (1) 참조) LOR은 광 공진기의 길이이며, R1및 R2는 광 공진기의 반사기에 대한 반사 계수이다.
상기 레이저의 실시예에 따라서, 식 (1)의 비율( mu )은 약 0.8 내지 3.0의 범위일 수 있다. 식 (3)을 만족시키면서 상기 레이저를 통과하는 전류 밀도는 임계 전류 밀도j thr이다.
상기 제안된 레이저에서, D. F. Scifres 등[의 상기 레이저](U.S. Patent 4,063,189, 1977, H01S 3/19, 331/94.5)과 다른 공지의 레이저 모두에서 광 공진기의 매질인 GR에서는 레이저 방출이 발생하지 않음을 유의하여야 한다. 이것은 강력한 출사 모드를 선택하여 쉽게 달성할 수 있고, 출사 모드에서 Goutflow(cm-1)의 값을 GR에서 전파되는 방사선의 전체 이득 GGR(cm-1)의 값에 가깝도록, 보다 상세하게는 다음의 조건, 즉 이득 차(GGR- Goutflow)가 GR에서 전파되는 방사선의 전체 손실 계수 αGR-thr(cm-1)보다 작도록 선택한다. 더욱이, 강력한 출사 모드는 효율을 증가시키므로 상기 제안된 레이저에서 바람직하다. GR로부터의 강력한 방사선 출사모드에 부가하여, 상기 제안된 레이저의 또다른 특징은 넓은 범위의 출사각( φ )(식 (2) 참조)과 그에 따른 큰 비율(neff/eRIR)에 대해 출사 방사선 모드를 구현할 수 있다. 정해지지 않은 출사각의 상한선( φmax)을 다음과 같이 정의하자고 제안한다.
arccos(neff/nRIR) ≤ arccos(neff-min/nRIR) = φmax(6)
이 때, neff-min〉nmin(7)
여기서, neff-min은 nmin이상이고 실제적인 값을 갖는 방사선 입사 영역을 구비한 여러 레이저 이종 구조물에 대해 가능한 모든 neff중에서 최소값이고, nmin은 이종 구조물 도금층의 굴절률 중에서 최소값이다. 0.92 내지 1.16㎛의 파장을 방출하는 GaAs의 RIR과 함께 InGaAs/GaAs/AlGaAs 화합물에 기초한 이종 구조물에 대해 수치 계산을 이용하면, 최대 출사각 φmax가 대략 30°임을 알 수 있다.
앞서 설명한 중요 특징을 구비한 상기 레이저는 자명하지 않다. 상기 레이저의 비자명성은 GR에서의 세로 이득 축에 대한 각도로 향하는 즉각적인 방사와 이어지는 증폭 및 상기 제안된 비표준 광 공진기에서의 레이저 방출에 있다. 이러한 공진기에서의 레이저 방사선의 경로는 방사선의 즉각적인 증폭과 더불어 "휨(bending)"("굴절(refraction)")을 겪게되고, 여기서 RIR의 이득 영역 방향에서의 방사선 출사각( φ )은, 광 공진기의 반사기에서 반사되고 RIR 후방에서 GR로 향하는 레이저(그리고 즉각적인) 방사선의 입사각( xi )과 동일하게 구성된다. 앞서 설명한 광 방사선(optical-ray)의 전파(propagation) 특성은 상기 레이저의 제안된 모든 설계에 사용되었으며, 광 시스템에서 공지된 방사선 경로의 역행 가능성의 광학 원리에 기초하였고, RIR과 함께 전체적으로 멀티층(multilayer) 레이저 이종 구조물에 적용하였다.
청구범위에 따른 필수적인 특징의 집합은 제안된 상기 레이저의 기능의 특질 및 장점을 결정한다. 레이저 방사선이 균일하고 거의 RIR의 볼륨에서 흡수되지 않고 전파하면서, RIR의 단면에서 반사된 레이저 방사선이 국지적인 증폭(local amplification)을 위해 이종 구조물(일반적으로 비대칭인)에 입사된 이후에만 그리고 방사선 전체가 내부 반사가 일어난 이후에만 레이저 방출 및 광 공진기의 대응 모드의 발생 과정이 대부분 일어난다. 공지된 레이저에서, 레이저 방사선의 대응 모드는 근본적으로 상이한 방식으로 형성된다. 레이저 방출은 광 공진기의 종단(end) 반사기들로 경계지워 지는 GR의 박막 활성 유전체 도파관(thin active dielectric waveguide)에서 전부 일어나는 반면, 증폭은 GR에서의 전체 전파 경로를 따라서 일어난다. 상기한 관점에서, 제안된 상기 레이저는 "공명하는 공진기(resonant cavity)를 갖는 주입형 레이저(또는 다이오드 레이저)"로 불릴 수 있다.
앞서 설명한 중요한 특징은 제안된 상기 레이저들의 근본적인 장점을 정한다. 상기 레이저들에서 임계 전류 밀도(j thr)가 감소할 수 있다. 이것은, 순 손실(net loss)이 계수( αout)(식 (4)참조)로 정해지는 방사선 출력과 동일하다면, 균일한 RIR(조성물은 이종 구조물의 반도체 층들의 조성물과 다르게 선택될 수 있음)의 볼륨에서의 광 손실은 계수( mu· αRIR)로 특징되고, 멀티층 이득 영역(계수 αGR)에서 내부 광 손실보다 작게 만들어 질 수 있으며, 1 보다 훨씬 크도록 프레넬수(Fresnel number) N(= λ·LOR/nRIR·Srefl)을 선택함으로써 공지된 회절 손실을 무시할 정도로 작게 할 수 있다(식 (5) 및 A. Meitland and M. Dann, Introduction to Laser Phusics[in Russian], Nauka Publishers, 1978, pp.102-118 참조).
제안된 상기 레이저에서, 작은 출사각( φ )(D. R. Scifres et al., U.S. Patent 4,063,189, 1977, H01S 3/19, 331/94.5 H)을 갖는 레이저의 임계 전류와 비교하여서는 물론, 양자 차원 액티브층(quantum-dimensional active layer), 예로서 S. S. Ou 등(Electronics Letters(1992), Vol.28, No.25, pp. 2345-2346)을 갖는 현대적인 레이저들의 임계 전류와 비교하여서도, 임계 전류 밀도를 감소시키기 위한 부가적인 2개의 가능성이 있다. 제1 가능성은 식 (2), (6) 및 (7)로 결정되는 출사각( φ)을 훨씬 크게 선택하면 결과적으로 광 방사 국지화 계수(optical radiation localization coefficient)( γ)를 증가시키고, 이후 필연적으로 임계 전류 밀도를 추가로 감소시킨다(예를 들면, T. M. CocKerill et al., Appl. Phys. Lett.(1991), Vol.59, pp.2694-2696 참조).
다음의 식으로부터 얻을 수 있는 차동 효율 또한 제안된 상기 레이저에서 증가할 수 있다.
ηd= η1·η2(8)
여기서 η1은 GR에서 RIR로 출사되는 방사선 출력의 효율이며, 다음과 같다.
η1= Goutflow/(Goutflow+ αGR-thr) (9)
여기서 η2는 RIR로부터의 레이저 방사선 출력 효율이며, 다음과 같다.
η2= αout/( αout+ ( mu ·αRIR) + αdiffr) (10)
식 (9)에서 계수 αGR-thr는 GR에서의 전체 방사선 손실을 결정하고, GR에서의 광 방사선 손실(계수 αGR)과 GR의 시작부와 종단부에서 방사선 출력의 손실(계수 αface)로 구성되고, 특히
αGR-thr= αGR+ αface(11)
이득 Goutflow를 αGR-thr보다 상당히 크게 선택함으로써, 효율 η1(식 (9) 참조)을 1에 가깝게 얻는다. D. R. Scifres 등(U.S. Patent 4,063,189, 1977, H01S 3/19, 331/94.5H)에서는 이득 Goutflow의 증가가 레이저 방출 임계 전류의 증가로 인해 제한됨을 유의하여야 한다. 제안된 상기 레이저에 대해서는 이러한 제한은 존재하지 않는다. 만약 αout을 (( mu ·αRIR) + αdiffr)보다 훨씬 크게 선택하면, 효율 η2는 거의 1이 될 수 있다(식 (10) 참조). η 를 전기 저항에 의한 손실을 고려하지 않고 상기 레이저의 전체 효율로 정의하고, 다음과 같이 얻는다.
η= ηd·ηthr(12)
이 때,
ηthr= (1 -j thr/j oper) (13)
j oper은 상기 레이저를 통과하는 작동 전류 밀도이다. 식 (12) 및 (13)으로부터, η1및 η2의 증가와 동시에j thr이 감소하여 효율 η 를 증가시킨다.
제안된 상기 레이저에서, 레이저 방사선의 공간적 및 스펙트럼 특성을 또한 개선시킬 수 있다. 이것은 레이저 방사선 모드가 RIR 내에 불평형 다수 캐리어가 없을 때 RIR의 균일한 볼륨(또는 RIR의 균일한 부분들)에서 기본적으로 발생하는, 광 공진기의 원래의 설계에 기인한다. 통상의 레이저에서, 주입되는 캐리어의 농도와 광 이득은 지향성(directional) 방사선 도파관 모드의 굴절률 값에 영향을 미치고, 그 값은 주입형 레이저(M. Osinski et al., IEEE Journ. of Quant. Electronics, Vol.23, 1987, pp.9-29)의 공간적 및 스펙트럼 특성의 불안정성에 중대한 역할을 한다. 제안된 상기 레이저에서, 전술한 이득 및 주입 과정은 분산되며, 전체 광 경로 길이의 아주 적은 부분에서만 일어난다. 따라서, 레이저 이종 구조물의 층들에 평행한 방향으로(수평면에서 발산각( THη2)이 대응하여 감소하는) 가로 지수(transverse index)에 관하여 하나의 공간 모드의 레이저 방출 모드는 통상의 레이저보다 상당히 큰 스트립(strip)의 차원으로 보존시킬 수 있다. 결과적으로, 수직면은 물론 수평면에서도 출력측 방사선의 발산은 상당히 감소할 것이다. 수평면을 수직면에 수직하고 출력면에 위치하는 평면으로 정의한다. 일반적인 경우에 있어서, 상기 출력면을 상기 레이저의 방사선 출력면으로 정의한다. 또한, 제안된 상기 레이저에서 안정적인 단일 주파수 레이저 방사선을 발생시킬 수 있고(보다 큰 전류 범위에서), 수 많은 응용에 적절하지 않으면서 펌핑 전류(pumπng-current) 크기의 변경과 더불어 발생되는 레이저 방사선의 주파수 시프트(frequency shift)를 결정하는 소위 "처프 효과(chirp effect)"(T. L. Koch and J. E. Bowers, Electronic Letters, Vol.20, 1984, pp.1038-1039)를 상당히 감소시킬 수 있다.
또한 제안된 상기 레이저는 상기 레이저의 제조 기술을 상당히 단순화시키는 특징을 가지고 있음을 유의하여야 한다. D. R. Scifres 등[의 발명]에서, 바람직하지 않은 손실을 제거하기 위하여, 광 공진기의 하나의 반사기는 반사 코팅을 갖도록 제조되어야 하고, 자신의 연장부인 RIR의 광 단면은 대조적으로 무반사 코팅을 갖도록 제조되어야 한다. 마이크로 차원의 반사기에서는 이렇게 하기 어렵다. 제안된 상기 레이저에서 강렬한 출사 모드(Goutflow≒GGR)를 구현하고 GR에서는 레이저 방사선이 발생되지 않기 때문에, RIR 단면의 입사각( ψ )과 반사 계수를 동일하게 함으로써 출력 특성에 거의 영향을 미치지 않고 상기 레이저 제조 기술을 단순화시킬 수 있다.
전술한 목적은 또한 액티브층을 적어도 하나의 서브층으로 형성하는 사실로달성되며, 상기 액티브층은 장벽 서브층(barrier sublayer)에 의해 서로 분리되는 양자 차원의 두께를 갖는 서브층을 포함하는 하나 이상의 액티브 서브층으로 구현될 수 있다.
액티브층의 제1 면 및 거기에 대향하는 제2 면의 각각에 위치하는 도금층은 도금 서브층 Ⅰi및 Ⅱj으로부터 형성되고, 여기서i= 1,2,...,k및j= 12...,m은 도금 서브층의 연속적인 수를 지정하는 정수로 정해지고, 액티브층에서부터 계수되며, 각각 굴절률 nⅠ i 및 nⅡ j 그리고 밴드갭(bandgap) EⅠ i 및 EⅡ j 를 가지고, 도금 서브층의 적어도 하나는 각각의 도금층 내에 만들어진다. 액티브층이 서브층들로 구성되는 경우, 도금층은 통상적으로 액티브층 각 면에 2 이상의 서브층들로 형성된다. 액티브층이 두께 약 50nm 이상의 단일 서브층으로 구성되는 경우, 각 도금층은 하나의 서브층으로 구성될 수 있다. 각각의 경사층(gradient layer)을 적층하여 얻어지는 대응 nⅠ i 및 nⅡ j 과 함께 도금층의 서브층들의 최종 숫자가 되도록 사용되는 경사층을 고려한다. 여기서 일반적으로 도금층의 굴절률은 액티브 서브층의 굴절률보다 작다. 전술한 도금 및 액티브층의 변형(version)을 선택함으로써 또한 효율과 임계 전류 밀도를 개선하는 효과와 식 (2), (6) 및 (7)의 neff의 필요값을 확보할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 직교면(normal plane)이라 불리는 세로 이득 축에 수직한 평면에 관하여 RIR 단면의 입사각( ψ ) 중 적어도 하나는 절대값이 영(0)보다 크고, 내부면에 대해(또는 액티브층에 대해 그리고 출력면과 액티브층이 서로평행하므로 원칙적으로 동일하다.) 단면이 예각을 이루면 양(+)의 입사각( ψ )으로, 내부면에 대해 단면이 둔각을 이루면 음(-)의 입사각( ψ )으로 임의로 지칭한다. 소정 입사각( ψ )을 갖는 도입된 경사진 단면(inclined facet)은 간단한 기술적인 해법으로, 레이저 방사선 출력의 음의 궤환은 물론 상이한 방향을 갖는 광 공진기를 효율적으로 설계할 수 있도록 한다. 일부 레이저 설계에 있어서는 장벽 영역을 이종 구조물에 도입한다. 장벽 영역을 도입하면 멀티 빔 및 발산(spreading) 레이저에서 주입 전류의 손실이 적으면서 스트립 이득 영역(즉, 폭W GR의 스트립 형태로)을 갖는 상기 레이저들을 제조할 수 있다.
GR의 세로 이득 축을 따라 결정되는 RIR의 내부면 길이(LIRIR)의 전류 손실을 제거하는 것은 당연하고, RIR의 폭(W RIR)은 각각 GR의 길이(LGR)와 폭(W GR)의 최소가 되도록 형성된다. RIR의 두께(dRIR)의 선택은 출사각( ψ ), 길이(LGR) 및 광 단면의 경사각(angle of inclination)에 달려 있고, 2㎛ 내지 50,000㎛ 이상의 넓은 범위에 걸쳐 변경될 수 있다.
RIR은 실제로 패시브 볼륨(passive volume)이므로, RIR의 투과성(transparency)은 제안된 상기 레이저의 기능에 필수 조건이다. 상기 레이저의 고효율을 얻기 위하여, RIR(또는 RIR의 일부분)은 광학적으로 균일한 재료로 만들어져야 하고, 그의 광 방사선 손실(흡수 및 산란)은 광 공진기로부터의 레이저 방사선 출력에 대한 순 손실보다 훨씬 적어야 하고, 특히, 조건( αRIR≪ αout)을만족시켜야 한다. 즉,
αRIR≪ (2 μ ·LGR)-1·ln(R1·R2)-1(14)
RIR이 균일성의 요건 외에 반도체 재료로 형성될 경우, 식 (14)를 만족시키기 위하여, RIR은 레이저 방사선의 파장( λ )을 결정하는, 액티브층에 대해 밴드갭(Ea)보다 큰 밴드갭(ERIR)을 가져야만 한다. 흡수로 인한 손실은 거의 지수적으로 감소하고, ERIR과 Ea의 차이에 좌우된다고 알려져 있다(H. C. Huang et al., Journ. Appl. Phys.(1990), Vol.67, No.3, pp.1497-1503). 광 손실 계수( αRIR)를 감소시키고 이에 따른 본 발명의 목적들 중의 하나(출력 방사선 전력의 증가)(그 결과 광 공진기의 유효 길이의 증가)를 달성하기 위하여(부가적으로 높은 차동 효율( ηd)과 낮은j thr), ERIR이 적어도 0.09eV 만큼 Ea를 초과하는 것이 바람직하다. 이 경우 흡수로 인한 광 손실 계수는 0.1cm-1이하의 값에 도달할 수 있다. 일반적인 경우에 있어서, RIR은 반도체 재료만으로 형성되는 것은 아니다. 그의 특성, 특히, 굴절률(nRIR)과 흡수 및 산란으로 인한 광 손실 계수( αRIR)가 필요 조건 식 (2), (6), (7) 및 (14)를 만족시키는 것만이 중요하다.
상기 레이저를 제조하는 기술을 단순하게 하기 위하여, RIR을 이종 구조물이 성장하는 도입된 기판으로 형성할 수 있다. 또한, RIR은 전기 도전성으로 형성될 수 있고, 이 경우 저항성 접촉은 RIR의 표면과 함께 형성된다.
RIR이 비도전성인 경우, 낮은 값의 αRIR(cm-1)을 얻고 광 공진기의 유효 길이(LOR) 및 출력 방사선 전력 P(W)를 증가시키기 위하여, 이종 구조물에 인접하고,W GR이하의 두께(㎛)인 RIR의 볼륨의 일부분은 전기 도전적으로 만들어지고, 나머지 볼륨은 광 손실 계수( αRIR)가 0.1cm-1인 재료로 만들어진다.
이하에서는 이종 구조물에 인접하고 소정의 두께를 갖는 RIR의 볼륨의 일부분을 간단하게 RIR의 제1 층이라 지칭한다. RIR의 나머지 부분들은 상기 제1 층에 인접한 제2 층, 제3 층 및 연속층일 수 있다. 자신의 내부면과 평행한 층들인 RIR의 부분들은 상이한 굴절률을 갖는 재료로 형성된다고 제안한다. 이 경우, 상기한 RIR의 층들의 특성 차이가 전기 도전성은 물론 굴절률의 차이에도 있는 경우, RIR의 층들에서 출사각( φ )(식 (2))을 조절할 수 있고, 따라서 RIR의 두께 및 층들도 조절할 수 있다. 굴절률 nRIRi을 갖는 제i 층에서의 출사각( φ i )(여기서,i=2,3,..,s는 정수)이 arccos(neff/nRIRi)(식 (2) 참조)과 동일함을 보이는 것은 어렵지 않다. 따라서, 예를 들면, 제1 층의 굴절률(nRIR1)이 제2 층의 굴절률(nRIR2)보다 작다면, 제2 층의 두께는 제1 층의 두께보다 작게 형성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다. 두께(dRIR)를 감소시키면 RIR 제조 기술을 단순화하고 제조 원가를 낮출 수 있다. 두 경우에 있어서, 저항성 접촉은 RIR의 두께를 GR의 폭(W GR) 이하로 형성하는 것이 바람직한 RIR의 전기 도전성인 부분과 함께 형성된다.
RIR이 0.1cm-1이하인 광 손실 계수( αRIR)를 갖도록 형성되는 레이저에서, RIR에서 레이저 방사 손실이 적은 액티브 GR(LGR을 대략 1cm 증가시킴으로써)에 대해 대 용량의 볼륨과 출력 방사선 전력에 대해 큰 값을 얻을 수 있다.
마이크로 차원의 폭(W GR)을 갖는 레이저에 있어서, 제조 기술을 단순하게 하기 위하여, RIR의 방향으로부터의 저항성 접촉은 액티브층과 RIR 사이에 위치하는 전기 도전성의 도금층들 중 하나를 갖도록 형성되고, 바람직하게는 최소 밴드갭을 갖는 전기 도전성의 서브층을 갖도록 형성된다.
LGR의 값이 큰 경우, 두께(dRIR)(㎛)가 두꺼운 것은 바람직하지 않은 상기의 레이저 설계에 있어서, 도금 서브층들 중 최소한 하나는 nRIR이상의 굴절률을 갖도록 형성되는 것을 제안한다. 이렇게 함으로써, neff값의 증가와 이로 인한 출사각( φ )(식 (2)) 및 dRIR를 감소시킬 수 있다.
레이저 제조 기술을 단순하게 하기 위하여, GR의 적어도 한 쪽면은, RIR의 인접한 광 단면과 동일한 경사각( ψ )과 동일한 반사 계수를 갖도록 형성되는 것을 제안한다. 앞서 지적한 바와 같이, 이것은 상기 레이저의 파라미터의 질을 실질적으로 저하시키지 않는다.
주입형 레이저에 관한 다른 실시예를 제안한다.
식 (2), (6) 및 (7)에서 전체 내부 반사각( sigma )보다 큰 출사각( φ )의값을 포함하는 φmax까지 전 범위를 관통하는 출사각( φ )을 갖는 제안된 상기 레이저를 제조하는 능력을 배양시켜, 임계 전류 밀도의 감소, 효율과 전력의 증가, 수직면에서 발산각의 감소와 방사선이 광단면에 수직으로 입사할 경우 RIR의 광 단면을 통과하는 레이저 방사선 출력을 달성하기 위하여, arccos(neff/nRIR)와 동일한 출사각( φ )과 일치하는 양의 경사각( ψ )을 갖도록 형성되며 광 공진기의 반사기 형태로, RIR의 광 단면 중 적어도 하나를 형성하는 것을 제안한다.
동일한 목적이지만 액티브층의 평면에 수직한 레이저 방사선 출력을 구현할 목적으로, 적어도 하나의 광 단면은 ( π /4)-( φ /2)와 동일한 음의 경사각( ψ )을 갖도록 형성되고, RIR의 외부면(outer surface)은 상기 형성된 RIR의 광 단면의 외부면 상에 투사(projection)되는 적어도 하나의 지점에서, 광 공진기의 반사기 형태로 형성되고 또는 RIR의 적어도 하나의 광 단면은 ( π /4)+( φ /2)와 동일한 양의 경사각( ψ )을 갖도록 형성되고, RIR에 대향하는 상기 레이저 표면의 적어도 일부분은 상기 형성된 RIR의 광 단면의 외부면 상에 투사되는 적어도 하나의 지점에서, 광 공진기의 반사기 형태로 형성된다. 첫 번째 경우에 있어서, 방사선 출력은 RIR의 외부면을 통과하여 발생하고, 두 번째 경우에는 정반대의 방향에서 발생한다.
다른 많은 경우에 있어서, 제안된 상기 레이저의 전술한 실시예에서, RIR의 나머지 광 단면은 영(0)의 경사각( ψ )을 갖도록 형성된다. 반사 코팅층은 상기한 RIR의 광 단면 상에 형성된다(외부면에서 출사각( φ )이 전체 내부 반사각(sigma )보다 작을 경우). 이렇게 함으로써, 레이저 방사선은 단방향 출력이 되게 하고, 또한 수직면에서 출력 레이저 방사선의 길이(LGR)와 발산각( THη 1)을 감소시킨다.
상기 레이저의 공간적 및 스펙트럼 특성을 강화시키기 위하여, 광 공진기의 반사기들 중 적어도 하나는 외부 반사기(external reflector)의 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
출사각( φ )이 전체 내부 반사각( sigma )보다 작을 경우, 외부 반사기(RIR의 외부)를 사용하여 RIR의 양 단면 모두가 영(0)의 경사각( ψ )을 갖는 레이저를 형성할 수 있다. 이것은 RIR의 단면을 경사지게 만들 필요가 없으므로, 상기 레이저를 제도하는 기술을 단순화시킨다. 이 경우, 대응하는 경사각을 갖도록 형성된 외부 반사기(또는 반사기들)를 이용하여 음의 궤환을 발생시킨다.
외부 반사기, RIR의 외부면이나 이종 구조물 중 하나에 형성되는 광 공진기의 반사기 중 하나를, 평면 거울, 원통형 거울, 구형(spherical) 거울 또는 회절 격자(diffraction grating)의 형태로 형성할 수 있다. 레이저 방출 여기(excitation) 과정의 진행 중에 즉각적인 방사를 좀 더 완전하게 이용하여 추가적으로 임계 전류를 감소(효율( η )의 대응 증가로 인한)시킨 제안된 상기 레이저의 실시예가 또한 가능하다. 많은 경우에 있어서, 이것은 방사선 입사 영역의 도입된 측면 광 단면(이하, "측단면(side facet)"이라 함.) 중 적어도 하나를, 액티브층에 수직하고 세로 이득 축을 관통하는 수직면에 대해 경사각( β )을 갖도록경사지게 형성하는 사실로 달성될 수 있고, 경사각( β )은 측단면이 내부면과 예각을 이루면 양(+), 내부면과 둔각을 이루면 음(-)이라고 한다.
더 큰 효과를 얻기 위하여, 반사 코팅층은 RIR의 적어도 하나의 측단면 상에 형성되고, 상기 단면은 출사각( φ )과 동일한 양의 경사각( β )을 갖도록 형성되거나 RIR의 적어도 하나의 측단면은 각( π /4 - φ /2)과 동일한 음의 경사각( β )을 갖도록 형성되고, 반사 코팅층은 RIR의 외부면의 적어도 일부분 상에서 상기 형성된 RIR의 측단면에 외부면에 투사되는 적어도 일부분에 형성되고, 또는 RIR의 적어도 하나의 측면은 각( π /4 + φ /2)과 동일한 양의 경사각( β )을 갖도록 형성되고, 반사 코팅층은 RIR에 대향하는 상기 레이저의 표면의 적어도 일부분 상에 상기 형성된 RIR의 측단면의 외부면에 투사되는 적어도 일부분에 형성된다.
발광 링(luminous ring)이나 그의 일부분의 형태로, 임계 전류 밀도를 감소시키는 효과 및 근거리 필드 방사선의 신규한 형태를, RIR은 적어도 하나의 직 원뿔대(truncated right circular cone)로서 형성되고, RIR의 기저부(base) 중 하나는 내부면이며, 광 공진기의 반사기는 외부면의 적어도 일부분에 배치한 제안된 상기 레이저에서 얻을 수 있다. 여기서, 반사 코팅층을 출력면의 적어도 일부분에 형성할 경우, 근거리 필드 방사선의 크기(size)를 감소시킬 수 있다.
상기 원뿔대의 측면의 모면(generatrices)의 내부면에 대한 경사각( γ )을 ( π /2 - φ )가 되게 선택할 경우, 출력 레이저 방사선은 액티브층의 평면에 대해 각( φ ) 만큼 경사진다.
상기 원뿔대의 측면의 모면(generatrices)의 내부면에 대한 경사각( γ )을(3 π /4 - φ /2)가 되게 선택할 경우, 레이저 방사선은 액티브층의 평면에 대한 직각(right angle)으로 RIR의 외부면을 통과하여 출사된다.
상기 원뿔대의 측면의 모면(generatrices)의 내부면에 대한 경사각( γ )을 ( π /4 - φ /2)가 되게 선택할 경우, 레이저 방사선은 액티브층의 평면에 대한 직각(right angle)으로 출사되지만 방향이 반대이다.
2개의 반 평면(일단면과 내부면)의 교선상의 한 지점에서 내린 두 평면의 수선(垂線)의 각으로서 두 평면 사이에 형성되는 경사각( ψ , β )을 측정하는 것은 일반적인 통념(I. I. Bronshtein and K. A. Semendyayev, Handbook of Mathematics[in Russian], p.170, 1953)임을 유의하여야 한다. RIR을 직 원뿔대로 형성할 경우, 경사각( γ )은, 상기 원뿔대의 모면 및 상기 모면과의 교점에서 내부면 상에 내린 수선 사이에서 측정된다. 여기서, 상기 각( γ )은 내부면에서 계산된다.
경사각( ψ , β , γ )을 정확하게 형성하는 것은, 발산 중 분산각(dispersion angle of divergence)()(발산 중 회절각은 분산각()에 비해 작으므로 무시할 수 있다.) 및 즉각적인 방사에 대해 스펙트럼 밴드()의 전 범위에 걸쳐 변화하는 파장( λ )의 함수로서 출사각( φ )의 분산에 의해 결정된다. 범위내의 λ 에서 공지된 neff및 nRIR의 종속 변수로 식 (2)를 사용한 수치 계산으로 상기 각()을 결정한다. 상기 계산으로부터 20 내지 50nm의를 갖는 가장 빈번하게 사용되는 이종 구조물에 대해, 상기 각()이 0.5°내지 1.5°범위에 있음을 알 수 있다.
상기 레이저의 설계가 2 이상의(복수의) 이득 영역을 포함하는 상기 레이저의 실시예들을 제안한다.
멀티빔 레이저의 일 실시예의 특징은 적어도 하나의 RIR의 내부면 상에 동일한 출사각( φ )을 갖도록 적어도 2개의 이득 영역을 형성한다는 것이다. 종종(그러나 반드시 필요한 것은 아닌) 사각형을 갖는 이득 영역들은, 상호 수직한 방향의 피리어드(period)를 포함하는 소정의 피리어드를 가지면서 위치한다. 많은 경우에 있어서, 독립적인 저항성 접촉은 RIR의 위치에 대향하는 방향으로부터의 각각의 GR과 함께 형성된다. RIR의 출력측 반사기를 이용하는 레이저는 공간적으로 서로 분리되고 작동 전류에 의해 독립적으로 턴 온(turn on)될 수 있는 빔들을 포함하는 복수의 레이저 빔을 갖는다.
멀티빔 레이저의 또다른 실시예에서, 복수의 레이저 빔들은 각각의 빔들이 독립적으로 작동 전류에 의해 조절되는 2차원 매트릭스(two-dimensional matrix)를 형성한다. 이득 영역들은, 각 시퀀스(sequence)에서 각 GR의 이득 축이 서로 평행하고 GR의 각 시퀀스에 대해 공통적인 RIR 단면의 평면의 연장면과 액티브층의 교선에 대해 직각에 위치하도록 적어도 2개의 GR을 배치한 각 시퀀스에 적어도 2개의 GR 시퀀스로부터 형성된다. 또한, RIR의 방향으로부터, 상기한 공통의 RIR의 외부면의 적어도 일부분 상에, 저항성 접촉과 금속층(mηllization layer)을 상기한 GR의 시퀀스 각각에 대한 금속층의 최소한인 스트립의 형태로 형성한다. RIR의 위치에 대향하는 방향으로부터, 독립적인 저항성 접촉에 대한 금속층은, 서로 절연되고GR의 이득 축에 평행하게 위치되는 스트립의 형태로 형성된다.
몇 개의 GR들을 갖는 레이저에 관한 다음 실시예의 특징은 상기 GR들이 통합 광 공진기에 성공적으로 연결된 것이다. 이 경우, GR들은 GR들의 세로 이득 축에 평행한 적어도 하나의 라인(line)을 따라 형성되며, GR들의 시작부들 사이의 간격(spacing)은 2dRIR/tan φ 로 선택되고, 외부면은 출사각( φ )에서 이득 영역의 외부면에 투사되는 지점들에서 최소한으로 광학적으로 반사되도록 형성된다. 또한, 대향면(opposite surface) 상에, 동일한 출사각( φ )을 갖는 적어도 하나의 GR에 대하여, GR들의 세로 이득 축 및 서로에 평행한 2개의 라인을 따라 RIR들을 형성할 수 있다. 여기서, RIR의 대향면 상의 GR의 시작부들 사이에 최단거리를 dRIR/sin φ 가 되도록 선택한다. 상기 변경례는 방사선 출력 전력을 증가시킴과 동시에 RIR의 두께를 감소시키고 열 방출(heat removal) 조건을 개선시킬 수 있다.
하나 또는 그 이상의 이득 영역을 갖는 레이저에서, 이득 영역 또는 적어도 2개의 인접 GR들이 RIR의 볼륨 중 비도전성인 부분과 항상 전기적으로 절연되고, 상기 이득 영역의 저항 접촉부들은 금속층에 의해 전기적으로 커플링(coupling) 되는 것을 제안한다. 이렇게 함으로써 인가 전압을 증가시키고 전원에 제안된 상기 레이저의 효과적인 정합(matching)을 수행할 수 있다.
본 발명의 핵심은, 광 공진기의 볼륨(벌크(bulk))이 액티브층은 물론, 강렬한 출사 방사선을 갖는 이득 영역의 볼륨, 적절하게 형성되는 조성물, 두께, 레이저 이종 구조물의 층들의 수, 방사선 입사 영역의 구성을 갖도록 형성되는 방사선입사 영역의 패시브 볼륨 그리고 레이저 방사 모드의 발생 영역과 불평형 캐리어의 주입 및 여기 재결합(stimulated recombination)의 영역의 실질적인 한계를 결정할 수 있는 광 단면, 저항 접촉부 및 금속층을 포함하는 독창적인 설계이다.
청구범위에 따른 제안된 상기 레이저의 중요한 특질 전체는 주요 장점을 정한다. 임계 전류 밀도의 감소, 효율(차동 효율 포함)의 증가, 비점 수차 및 단독 모드 레이저 방출의 안정성을 포함하는 출력 방사선의 2개의 상호 수직인 방향에 대해 회절각에 가까운 작은 발산각의 생성의 개선, 펌핑 전류 크기(pumping-current amplitude)에서 발생되는 레이저 방사선의 파장에 대한 의존도 감소 및 광 공진기의 유효 길이와 방사선 출력 전력을 증가시키는 능력 모두는 제안된 상기 레이저(설명한 도파관 모드를 발생시키는 레이저 방출 모드로서 내부에 액티브층을 갖는 종래의 유전체 도파관을 사용하지 않음.)의 주요 특징 때문이다. 제안된 상기 레이저들의 추가적인 장점은, 증가된 서비스 수명과 작동 신뢰도 및 높은 제조 가능성(manufacturability)은 물론, 액티브층의 평면에 수직한 것을 포함하는 레이저 방사의 상이한 방향을 획득하는 능력이다. 상기한 것 외에, 복수의 이득 영역을 갖는 제안된 상기 레이저의 장점은 상기 레이저를 제조하는 집적된 기술이다.
본 발명의 기술적 구현은 지금까지 잘 발전되고 레이저 제조에 광범위하게 사용되는 공지된 기본 생산 공정에 기초한다. 현재까지 사용되어온 상기 레이저의 방사선 파장의 범위는 적외선부터 자외선까지 확장된다. 파장에 따라서 파장 범위의 상이한 부분에 적절한 이종 구조물을 이용한다. 예를 들면, AlGaN/GaN/GaInN 시스템 그리고 또한 ZnCdSSe/GaAs 시스템의 반도체 화합물에 기초한 이종 구조물은자외선, 청색 및 녹색 방사선(0.36㎛ ＜ λ ＜0.58㎛)에 가장 효과적이고, AlGaInP/GaAs 시스템의 반도체 화합물에 기초한 이종 구조물은 적색 및 노란색 방사선(0.58㎛ ＜ λ ＜0.69㎛)에 AlGaAs/GaAs 시스템과 InGaAs/GaAs/AlGaAs 시스템의 화합물에 기초한 이종 구조물은 적외선(0.77㎛ ＜ λ ＜1.2㎛)에, GaInAsP/InP 시스템의 화합물에 기초한 이종 구조물은 적외선(1.2㎛ ＜ λ ＜2.0㎛)에, ALGaInSbAs/GaAs 시스템의 화합물에 기초한 이종 구조물은 적외선(2.0㎛ ＜ λ ＜4.0㎛)에 가장 효과적이다. 상기한 각각의 범위에서, 식 (2),(6),(7) 및 (14)를 만족시키는 RIR에 대한 재료를 이용되는 파장( λ )과 선택되는 이종 구조물에 따라서 적절하게 선택하여야 한다. 반도체 재료 중에서, AlGaN/GaN/GaInN 시스템에 대해 GaN, ZnCdSSe/GaAs 시스템에 대해 ZnSe, AlGaInP/GaAs 시스템에 대해 GaP, AlGaAs/GaAs 시스템에 대해 GaP, AlGaInSbAs/GaAs 시스템에 대해 Si 및 GaAs를 RIR에 대한 재료로 제안한다. 이러한 제안은 최근에 개발된 웨이퍼 본딩(wafer bonding) 기술(H. Wada et al., IEEE Photon. Technol. Lett., Vol.8, p.173(1966) 참조)을 이용하여 쉽게 구현될 수 있다. 효율적인 주입형 레이저에 대한 본 발명에 제안된 상기 설계는 상기한 모든 방사선 파장 범위와 이종 구조물 시스템에 적용할 수 있다.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여, 소정 실시예를 통하여 본 발명을 설명한다. 상기 레이저(Radiator)의 설계에 관해 인용된 예들은 유일한 것이 아니며, 청구범위의 특징들의 전체로 반영되는 다른 실시예들의 특징들이 존재함을 의미한다.
제안된 상기 레이저(1)(도 1 및 도 11 참조)는 서브층 Ⅰi및 Ⅱj(도 1에 도시하지 않음)을 각각 갖는 2개의 도금층(4, 5) 사이에 위치하는 액티브층(3)을 포함하는 이종 구조물(2)을 포함한다. 액티브층(3)은 2개의 액티브 서브층과 이들을 분리시키는 장벽 서브층(도 1에 도시하지 않음)으로 구성된다. LGR의 길이는 4000㎛이다. 광 공진기의 길이(LOR)의 길이는 3760㎛(식 (1) 참조)이고 비율( μ )은 0.9397이다. 장벽 영역(6)에 의해 측면(side)에 경계지워 지는 스트립의 형태(또는 메사 스트립(mesa strip))에서 폭(W GR)은 400㎛이다. 레이저 크리스탈(laser crystal)의 전체 폭은 1000㎛이다. 단면들(8, 9)에 의해 끝단면 상에 경계지워 지고 광 공진기의 반사기로서 구현되는 반도체 RIR(7)은 액티브층(3)과 이격하고 도금층(5)의 서브층(Ⅱ m ) 표면 상에 위치한다. RIR(7)은 필요한 형태를 분배한기판(10)으로서 구현된다. RIR(7)의 2개의 단면(제1 단면(8)과 제2 단면(9))은 20°의 출사각( φ )과 동일한 양의 경사각( ψ )을 갖도록 경사지게 형성된다. 상기 각은 GR의 세로 이득 축에 수직인 직교 평면에서 계산할 수 있다. 경사각( ψ )이 양(+)이면, 단면들(8, 9)은 액티브층(3)과 예각을 이룬다. 0.999의 반사 계수(R1)를 갖는 반사 코팅층(11)을 제1 단면(8) 상에 형성하고, 0.01의 반사 계수(R2)를 갖는 부분 반사 코팅층(12)을 제2 단면(9) 상에 형성한다. 이득 영역의 길이(LGR)의 길이를 결정하는 끝단면(13)은 경사진 단면들(8, 9)의 대응 평면의 연장면이고 단면들(8, 9)과 동일한 경사와 동일한 반사 계수를 갖는다. 이것은 제조 기술을 단순화시킨다. 강력한 출사가 제안된 상기 레이저(1)에서 실현되고, 끝단면(13)을 통과하는 레이저 방사선이 실제로 없기 때문에, 이러한 단순화는 상기 레이저(1)의 파라미터에 어떠한 영향도 미치지 않는다. 정확하게 경사진 단면들(8, 9)을 17.7° 내지 18.4°의 범위에서 유지하였다. RIR(7)의 두께(dRIR)는 다음의 식을 만족하며, 1,286㎛이다.
dRIR≥(LIRIRtan φ /(1+tan2φ )) (15)
접촉층(14)은 도금층(4)의 서브층(Ⅰk)의 표면에 형성되고, 저항성 접촉(15)은 접촉층(14) 상에 형성된다. 저항성 접촉(16)은 RIR(7)의 대향면이면서 RIR(7)의 외부면(17) 상에 형성된다(이 경우, 기판(10)의 표면 상에). 내부면(18)은 이종 구조물(2)에 인접하고 액티브층(3)의 평면에 평행하다.
접촉층(14)과 함께, 많은 반도체층들과 서브층들(19 내지 27)로 구성되는 이종 구조물(2)을 전기 도전성인 GaAs로부터 기판(10) 상에 공지된 모스 하이브리드 에피택시(MOS-hybrid eπtaxy) 방법으로 성장시켰다. 이종 구조물(2), 접촉층(14) 및 RIR(7)의 층들(19 내지 27)의 조성물, 두께, 굴절률, 유형, 도핑 농도 및 흡수 계수를 표에 나타내었다. 이러한 이종 구조물(2)을 또한 다음 실시예(별개의 실시예들에 대해 소정의 변경을 갖는)에 사용하였다. 이러한 이종 구조물(2)에 대한 방사선 파장은 980nm이다. 도 1 및 2 내지 10, 14, 16 내지 18, 20 내지 23 및 25에서, 화살표는 RIR(7) 내와 그의 외부에서 레이저 방사선의 전파 방향을 나타낸다. 상기 레이저(1)를 저항성 접촉(15)의 측면을 갖는 열전도성 슬라브(slab)(도 1 내지 도 26에서는 도시하지 않음)에 장착하였다. 필요한 전력을 저항성 접촉(15, 16)에 인가하였다.
상기 레이저인 본 레이저(1)와 이후의 그 변형예들에 대한 기본 파라미터들을, 멀티층 레이저 이종 구조물에서 대응 경계 조건으로 맥스웰 방정식을 해결하는 매트릭스 방법(J. Chilwall and I. Hodkinson, Journ. Opt. Soc. Amer., A(1984), Vol.1, pp.742-753)인 특수한 기초 프로그램에 따라 수행된 수치 모델링으로 획득하였다. 상기 계산은 다음의 초기 파라미터를 사용하였다. 즉, 반전(inversion)을 달성하는 데 필요한 액티브층(3)에서의 재료 이득은 200cm-1이고, 액티브층(3)에서 상기 이득과 주입 전자 농도 사이의 비례 가능 계수(proportionality factor)는 3 내지 5×10-16㎠이며, 액티브층(3)에서 불평형 전자의 수명은 1ns이다.
상기 계산은 또한, 예를 들어 H. C. Huang 등(Journ. Appl. Phys. (1990),Vol.67. No.3, pp.1497-1503)에 따라서 GR에서의 광 손실 계수 3cm-1(D. Z. Garbuzo v et al., IEEE Journ. of Quant. Electr. (1997), Vol.33, No.12, pp.2266-2276)와 RIR(7)에서의 레이저 방사선의 광 손실 계수( αRIR) 0.1cm-1의 값을 갖는다고 가정하였다. 상기 계산에서 이득 영역의 끝단면(13)을 통과하는 즉각적인 방사선의 출력 손실은 크기가 작아 고려하지 않았고, αGR-thr(식 (11))이 3cm-1가 되게 하였다. 상기 파라미터에 적용된 값들은 InGas/GaAsAlAaAs에 기초하는 본 이종 구조물(2)에 전형적인 것이다. 이종 구조물(2)에 GaInPAs/InP와 같은 다른 화합물을 사용할 경우, 상기 파라미터들 약간 변경시킬 수 있다.
수치 계산으로 다음의 결과를 획득하였다.
·전류 밀도를 만족시키는 임계 전류 밀도 89.3 A/㎠;
·출사각( φ ) 20°;
·출사하는 즉각적인 방사선(상기 계산에 사용된 30nm의)에 대하여 발산 분산각() 0.8°;
·유효 굴절률 3.3124;
·(레이저(1)를 통과하는 전류 밀도joper에 도달한)출사하는 방사선의 전체 이득 GGR및 이득 Goutflow320.80cm-1및 320.03cm-1, 여기서 그 차(GGR- Goutflow)는 0.73cm-1이고 3cm-1인 αGR-thr(식 (11))보다 작고, 이것은 강렬한 출사 모드를 선택하여 GR에서는 레이저 방출이 발생하지 않음을 뜻함;
·RIR(7)에서 출력 레이저 방사선에 대한 순 손실 계수( αout) 11.515cm-1;
· μ · αRIR로 정의되는 광 손실 계수 0.0937cm-1;
·합( αout+ ( μ ·cos φ ) + αdiff)으로 정의되는 RIR(7)에서의 임계 손실 계수( αRIR-thr) 11.609 및 식 (5)에서 계산한 α diff 는 작아서 무시 가능;
·이득 영역의 면적(SGR) 1.6×10-1cm-2;
·(j thr·SGR)로 정의되는 임계 전류J thr0.8A;
·차동 효율( ηd) 0.9827(식 (8 참조)) 및 그의 성분 η1(식 (9)), η2(식 (10)) 0.9907, 0.9919;
·2,500A의j oper에 대하여 임계 손실 계수( η )(식 (12)) 0.9643 및 레이저(1)의 효율( η ) 0.9476.
레이저 방사선의 출력 전력 P(W)는 다음과 같다.
P = η ·J·(hν ) (16)
여기서,J는 장치를 통과하는 동작 전류이며 40A이고, (hν )는 볼트 단위의 광자 에너지이고, 1.265V이다. P에 대해 얻은 값은 47.95W이다. (dap·W GR)로 정의되는 근거리 필드 방사선 영역(출력 구경(output aperture)) Sap는 0.51×10-2cm2이며, 여기서 dap는 LGR·sin φ 와 동일하고, 특히 1,368㎛이며,W GR은 400㎛이다. 출력 방사선의 발산각 THη1과 THη2는 각각 파장 λ 를 dap,W GR로 나눈 값으로 측정하였다. 수직면에서 THη1은 0.72mrad였다. 수평면에서 THη2는 단독 모드 레이저 방출을 유지하는 전류 범위에서 2.45mrad였다. P/Sap로 정의되는 출력 단면(9) 상의 레이저 방사선의 출력은 9402W/cm2이다.
레이저(1)의 제2 실시예(도 2 참조)는, 무반사 코팅층(28)을 단면(8)에 도포하고, 외부 반사기(29)를, 넓이 2,500×2,500㎛2, 반사 계수 0.999이고, 단면과 평행하며 그와 10,000㎛ 이격한 평면 거울로 구현하였다는 점에서 제1 실시예와 다르다.W GR의 폭은 1368㎛이고, 레이저 크리스탈의 전체 폭은 3,000㎛였다. 레이저(1)의 본 실시예의 기본 파라미터들은 제1 실시예와 다른 데 그것은 SGR,J thr,J oper, P(식 (16)) 및 Sap가 각각, 5.47×10-2cm2, 1.43A, 136.75A, 163.9W 및 1.87×10-2cm2이고, THη1과 THη2는 동일하며 약 0.72mrad이다.
레이저(1)의 실시예(도 10 및 11)와 이전 실시예의 차이점은 RIR(7)의 단면들(8, 9)이 영(0)의 경사각( ψ )을 갖도록 형성되었다는 것이다. 이종 구조물(2)의 층들(21, 25)의 두께를 감소시킨 결과(표 참조), 출사각( φ )이 각( sigma )보다 작은 12°로 감소하였다. 여기서, 음의 궤환을 제공하는 외부 반사기(29)는42.3°의 직교 평면에 비해 1.4°의 경사각()을 갖도록 조절되었다. 한 쪽 반사기는 0.999의 R1을 갖는 반사 코팅층(11)을, 다른 쪽 반사기는 0.05의 R2를 갖는 반사 코팅층(12)을 가지므로, 레이저(1)는 무방향성의 방사선 출력을 갖는다. 외부 반사기를 구비한 레이저에 내재한 공지된 장점(특히, 공간적 및 스펙트럼 특성) 외에, 또 다른 장점은 제조 기술의 단순화이다.
레이저(1)의 제3 실시예(도 4 및 도 11 참조)는, RIR의 양 단면(8, 9)이 ( π /4 - φ /2)와 동일한 음의 경사각을 갖는, 특히 35°를 갖도록 형성되었다는 점에서 제1 실시예와 다르다. 길이(LRIR)는 1,000㎛이고 폭(WGR)을 340㎛로 선택하였다. RIR(7)의 두께(dRIR)는 500㎛, 길이(LORIR)는 1,700㎛였다. 0.999의 반사 계수(R1)를 갖는 반사 코팅층(11)은 RIR(7)의 단면(8)에 투사되는 지점에서 외부면(17) 상에 형성되고, 0.02의 반사 계수(R2)를 갖는 무반사 코팅층(12)은 RIR(7)의 단면(9)에 투사되는 지점에서 외부면(17) 상에 형성된다. μ ·LGR(식 (1))로 정의되는 광 공진기의 길이(LOR)는 1,940㎛이고, 비율( μ )은 1.94였다. 레이저(1)의 본 실시예에 대한 다음 파라미터들을 얻었다.
·임계 전류 밀도(j thr) 42A/cm2;
·손실 계수 αout과 μ·αRIR각각, 3913cm-1및 0.914cm-1;
·식 (5)에서 계산한 αdiffr은 무시 가능하고, 따라서 αRIR-thr(식 (3))은 4.107cm-1;
·효율 η1, η2, ηd및 η 각각 0.9907, 0.958, 0.9439, 0.9832 및 0.9280;
·0.34×10-2cm2의 SGR에 대한 임계 전류J thr0.143A;
·8.5A의 작동 전류J oper8.5A, 단일 공간 모드(single spatial mode) 조건하에서 레이저(1)의출력 전력 P(식 (16)) 9.98W 및 발산각 THη1과 THη2는 동일하고 2.8mrad이다.
도 5 및 도 11에서, 레이저(1)의 실시예는, 광 공진기의 반사기 중 하나를 외부에(29) 그리고 반사 회절 격자로 구현한 것이 이전의 실시예와 다른 점이다. 이렇게 함으로써, 단일 주파수 레이저 방출 작동을 달성할 수 있다.
도 8 및 도 11의 레이저(1)에 관한 실시예는, 양 단면(8, 9)이 ( π /4 + φ /2)와 동일한 양의 경사각( ψ ), 특히 55°를 가지고, 출력 방사선은 이종 구조물(2)의 방향에서 활성층(3)의 평면에 직각 방향이다. 폭 15.3㎛, 길이 45㎛인 GR은, 폭(WIRIR) 25㎛, 길이(LIRIR) 135㎛인 내부면(18)의 중간에 위치한다. 코팅층들(11, 12)의 반사 계수는 각각 0.999 및 0.90이고, 단면들(8, 9)의 투사되는 지점에서 내부면(18)에 도포된다. 장벽 영역(6)은 내부면(18)의 나머지 영역에 형성되고, 이종 구조물(2)과 코팅층(11, 12)들과는 독립적이다. RIR(7)의 두께 23㎛, 외부면(17)의 길이 73.8㎛ 및 광 공진기의 길이(LOR) 129㎛이다. 상기한 설계는 소정의 다음 파라미터를 변경하였다.j thr은 125A/cm2, αout, αdiffr, μ및 ( μ · αRIR)은 각각 11.7cm-1, 4.22cm-1, 2.86 및 0.286mA이고, 따라서, αGR-thr은 16.2cm-1, 임계 전류(J)는 0.861mA이며, 작동 전류(J oper)를 13.8mA로 선택하였고, 레이저 방사선의 출력 전력(P)(식 (16))은 11.66mW, ηd(식 (8))는 0.7139, η (식 (12))는 0.6693이다. 이러한 레이저(1)는 단일 세로 모드(single longitudinal mode)를 발생하고, 그의 파장은 펌핑 전류의 전 범위에 걸쳐 상기 전류와 실제로 무관하며, 발산각( THη1, THη2)은 동일하고 6.4mrad(0.37°)이다. 그 외의 실시예(도 4 및 도 6 내지 9 참조)와 더불어 본 실시예는 지금부터 상세히 설명할 수직 공진기(B. Weigl et al., Electronics Letters, Vol.32, No.19, pp.1784-1786, 1996)를 구비한 레이저들과 어깨를 나란히 한다. 도 7 및 도 11의 실시예는, 양 단면(8, 9)의 부호는 다르지만 경사각( ψ )의 절대값이 동일하다는 점에서 이전의 다른 3개의 실시예와 차이가 있다. 이렇게 함으로써, 액티브층(3)의 평면에 대한 직각으로 향하는 출력을 얻을 수 있지만, 비율( μ )(식 (1))의 값은 이전 실시예들보다 작다.
도 3, 도 6 및 도 9의 레이저(1)에 관한 실시예들의 공통점은 RIR(7)의단면(8)의 경사각이 영(0)이라는 것이다. 도 1, 도 4 및 도 8에 따른 레이저에 관한 실시예에 대하여 이렇게 하면, 방사선 출력 구경의 선형 크기(linear size)를 두 배로 증가시키고, 이에 대응하여 수직면에서 발산각( Θ1)의 크기를 감소시킬 수 있다.
도 1 내지 도 10의 레이저에 관한 실시예에서, 메사 스트립(30)은 GR의 차원을 결정하고, 장벽 영역(6)(도 11 내지 도 13 참조)을 사용하여 소정의 폭으로 형성할 수 있다. 마이크로 크기 정도의 폭을 갖는 메사 스트립(30)을 구비한 레이저(1)에 대하여, 저항성 접촉(16)을 예를 들면 도 12에 도시한 바와 같이, 도금층(5)의 서브층(25)을 갖도록 형성할 수 있다. 이 경우 RIR(7)은 작은 계수( αRIR)를 갖는 RIR(7)을 선택을 수월하게 하는 절연성 영역(insulating region)일 수 있다. 전기 도전성인 제1 층(31)과 절연층인 제2 층(32)으로 구성되는 2층 RIR(7)이 있을 경우, 저항성 접촉(16)은 제1 층(31)(도 13)과 함께 형성된다. 이 경우, RIR(7)의 제2 층은 절연층임은 물론 제1 층과 조성물도 상이한 층이며, RIR(7)의 층들의 굴절률을 적절하게 선택한다고 가정할 경우, 작은 값의 αRIR2와 이에 대응하는 두께 dRIR2의 선택을 수월하게 한다.
상기에서 고려한(도 1 내지 도 10) 레이저 실시예에서, RIR(7)의 측단면(33)을 경사지게 형성하고 거기에 도포되는 반사 코팅층(11)을 갖는 경우,j thr의 추가적인 감소가 가능하다. 도 22는 양(+)이며 φ 와 동일한 가장 바람직한 경사각 β에 대한 이러한 레이저들(1)의 단면도를 도시한다.j thr의 감소는 좁게 배향된(narrow-directed) 즉각적인 출사 방사선(0.8°의)의 상당한 부분이 측단면(33)에 직접 충돌한 후, 측단면(33)에서 반사되고, GR로 회귀(RIR에서 흡수되는 약간의 부분을 제외하고 전부)한 후, 광 단면(도 1 내지 도 10 참조)에 출사각 φ 로 향하는 여기 방사선(stimulated radiation)을 증가시키는 데 참여하는 사실에 기인한다. 가장 큰 효과를 얻기 위하여, 경사각( β )을 ( β -/2) 내지 ( β +/2)의 범위에 배치하여야 한다. 본 실시예(도 22, 도 1 내지 10, 도 13)의 또 다른 특징은 전기 도전성이며, GaAs로 구성되는 2층의 RIR(7)이다. 저항성 접촉(16)은 제1 층(31)과 함께 형성된다. 이렇게 함으로써, 층(32)의 투과도(transparency)를 향상시켜, 소량 도핑된 GaAs를 형성할 수 있어서 RIR(7)에서의 레이저 방사선 손실을 감소시킬 수 있다.
도 23 내지 도 26은 이전의 실시예에 비하여, RIR(7)을 직 원뿔대로 구현한 레이저(1)의 실시예를 나타낸다. 본 실시예에서, RIR(7)의 대칭축을 통과하는 임의의 수직면에서 좁게 배향된 즉각적인 방사선은 대부분 각( φ )으로 출사되고, 직각으로 출력면에 입사되어, 거의 최대로 가능한 효율을 가지고 여기 방사선의 생성에 참여한다. 레이저 방출 임계값을 일단 초과하면, 방사선의 공간 모드(또는 모드들)가(이) 공간적 및 스펙트럼 특성을 가지고 발생한다. 레이저(1)에 관한 본 실시예의 최대 에너지 특성(낮은i thr, 높은 효율의 η 및 방사선 전력 P(식 (16) )은 전류를 좁게 배향된 즉각적인 방사선으로 변환시키는 높은 효율 및 레이저 방사선의 공간 모드들과 즉각적인 방사선의 최대 동시입사(coincidence)에 기인한다. 도 23 및 24의 레이저(1)에 관한 실시예에 대하여, RIR(7)은 단일층 영역이고, φ 가 20°일 경우, 원뿔형 RIR(7)의 내부면(18)에 대해 측면(34)의 모면의 입사각( γ )은 (3 π /4 - φ /2), 특히 125°이다. 원뿔형 RIR(7)의 경우, 각( γ )은 내부면(18)으로부터의 방향에서 계산되고, 따라서 상기 각 γ 는 항상 부호가 동일, 즉 양(+)이다. 도금층(5)의 두께가 얇기 때문에, GR(또는 액티브층(3))의 원의 직경은 내부면(18)(상기 원뿔의 기저면)의 직경과 실제로 동일하다. 광 공진기에서 음의 광 궤환을 제공하는 부분 반사 코팅층(12)을 원주면(circular periphery)에 대한 외부면(17)에 도포한다. 회절 발산을 갖는 고 지향성의 레이저 방사선이 RIR(7)의 외부면(17)을 통과하여 액티브층(3)의 평면에 대해 직각으로 출사된다.
도 26과 도 27의 레이저(1)에 관한 실시예의 차이점은, 상기 원뿔대의 측단면(34)은 광 공진기의 반사기이고, RIR(7)은 2층 표면이라는 것이다. 제1 층(31)은 전기 도전성인 GaAs로 형성되고, 제2 층(32)은 소량 도핑된 p 형 GaP로 형성되며, 저항성 접촉은 제1 층(31)과 함께 형성된다. 반사 계수 0.32를 갖는 측면(34)은 코팅층(12)이 없이 형성된다. 이종 구조물(2)에 도입된 장벽 영역(6)은 RIR(7)의 제2 층(32)의 기저부(base)와 함께 동축인(coaxial) 원의 형태로 GR의 형태를 정한다. GR의 직경을 GR에 인접한 RIR의 제2 층(32)의 기저부의 직경보다 적도록 선택하였으며, 이렇게 함으로써, RIR(7) 층(31)의 유한 두께로 인해 발생하는 GR에서의 전류 캐리어의 바람직하지 않은 손실을 제거할 수 있다. 이종 구조물의 도금층들과 서브층들의 조성물을 레이저(1)의 유효 굴절률이 3.1475가 되도록 변경시켰다. 제1 층의 각( φ )은 26.75°로 변경되었고, 제2 층의 각( φ 2)은 5°로 변경되었다. RIR(7)의 제2 층에서 원뿔대의 측면(34)의 모면의 경사각( γ2)은 ( π /2 - φ ), 특히 85°였다. 도 25와 도 26의 실시예에서, RIR(7)에서 레이저 방사선의 광 손실은 0.98㎛의 λ 에 대해(여기서, 밴드갭 ERIR은 약 1.0eV 만큼 Ea를 초과함) GaP의 고투과성의 결과로 감소하였고, RIR(7)의 두께는 층(32)에서 각( φ2)의 감소로 인해 감소하였으며, 레이저(1)의 전기적 저항은 층(31)의 도핑이 증가된 결과 감소하였다. 상기 레이저(1)의 실시예에 있어서, 고 지향성의 레이저 방사선이 액티브층(3)의 평면에 대해 5°의 각으로 상기 원뿔대의 측면(34)을 통과하여 출사된다. 2층 RIR(7)은 또한 그 외의 실시예(도 1 내지 도 10)에 이용될 수 있음을 유의하여야 한다.
레이저(도 14 내지 도 21)의 실시예는, 2 이상(복수의) 이득 영역을 포함하는 점에서 이전의 실시예들과 다르다. 멀티빔 레이저(1)의 특징은 작동 전류로 직병렬(series-parallel) 커플링되는 32×30GR이 RIR(7)의 내부면(18)에 배치된다는 것이다. 각 GR의 길이 와 폭은 각각 290 및 85㎛이다. RIR(7)의 길이(LIRIR) 방향 및 횡단 간격(spacing)이 각각 300 및 100㎛인 사각형의 격자 형태로 배열된다. RIR(7) 내부면(18)의 폭(WIRIR)과 길이(LIRIR)는 각각 3,000 및 9,600㎛이고, RIR(7)의 두께는 3,214㎛이며, 광 공진기의 길이(LOR)는 10,216㎛이고, 단면(8, 9) 상의코팅층(11, 12)의 반사 계수는 각각 0.999 및 0.32이다. 각 GR로부터의 레이저 빔들에 대한 기본 파라미터들은,j thr, αout, μ , ( μ · αRIR)은 각각 182A/cm2, 19.95cm-1, 35.2 및 3.52cm-1를 가지며, 결과적으로 αRIR-thr은 23.47cm-1이고, 임계 전류J thr은 43.7mA이며, 작동 전류J oper를 600mA로 선택하였고, 레이저 단독 모드 방사선의 출력 전력 P(식 (16))는 592.6mW였으며, 여기서, ηd(식 (8))는 0.8421, η (식 (12))는 0.7808 및 발산각 Θ1및 Θ2는 각각 9.0mrad 및 8.28mrad이다. RIR 길이의 횡단으로 위치한 격자의 32개의 각 열(row)에 있는 30개의 GR들은 직렬로 전기적으로 상호접속되고 열 자체는 병렬로 접속된다. 상기한 GR들의 전기적 직렬 접속은, 전기 도전성인 RIR(7)의 제1 층(31)(캐리어 농도 1018cm-3를 갖는), 폭 15㎛의 절연 영역(35) 및 금속층(36)을 저항성 접촉(15)에 도입하여, RIR(7)의 층(32)(도 15 참조)과 함께 절연 영역에 인접하는(장벽 영역(6)과는 대조적으로) GR들 사이에, 그러한 2개의 인접 GR들에 저항성 접촉(15)을 접속하여 구현된다. 상기한 32개 GR 열들의 병렬 전류 접속을 또한 제공하는 상기 금속층(36)은 16개 라인의 180㎛ 폭과 9,600㎛ 길이로 구현된다. 작동 장치의 각각의 GR들에 대해서, 대응하는 근거리 필드 방사선과 부분 반사 코팅층(12)을 갖는 반사기 상의 출력 레이저가 있다. 차원, 즉 광 공진기 및 GR 자체의 길이가 적절하다면, 중복되지 않는다(도 14 참조). 레이저(1)를 통과하는 전체 작동 전류는 48V(각 GR에 대해 1.6V)에 대해 3.2A이고, 레이저 빔 전체의 출력 전력은 568.9W이다.
레이저(1)에 관한 실시예(도 16 내지 도 19 참조)의 특징은 공통의 단면(8, 9)을 갖는 공통의 RIR(7)을 GR의 선형 시퀀스(바(bar))로 형성한다는 것이다. 단면(8, 9)의 평면의 연장면과 액티브층(3)의 평면의 교차선은 상기한 바에서의 이득 영역의 이득 축과 직각을 이룬다. 상기 장치는 모든 바에 공통되는 장벽 영역(6)과 함께 이종 구조물(2)로 통합되는 수많은 상기 라인을 포함할 수 있다. 개별 레이저 빔은 상기한 각 GR들의 라인에서 각각의 GR에 대응한다. 상기 멀티빔 레이저(1)로부터의 방사선의 방향은 액티브층(3)에 수직하거나(도 16 및 17 참조) 각( φ )을 이룰 수 있다. 레이저(1)(도 14 및 15)와 대조적으로, 레이저(1)(도 16 내지 19)에서 RIR(7)의 두께를 상당히 감소시킬 수 있으며, 평방 센티미터 당 상기 레이저의 밀도를 상당히 증가시킬 수 있다.
도 16 및 19의 레이저(1)에 관한 실시예에서, 도 8 및 11의 레이저(1)에 관한 실시예와 동일한 차원과 파라미터를 갖는 30개의 GR들을 포함하는 32개 GR의 선형 시퀀스(바(bar))를 32개 RIR들(7)의 내부면(18)에 형성한다. 폭이 750㎛라는 것을 제외하고는 RIR(7)은 도 8 및 11의 레이저(1)에 관한 실시예와 동일한 차원과 특성을 갖는다. 4개의 각 부분에서, GR들은 장벽 영역(6)에 의해 전류가 분리되고, 접촉층(14)과는 독립적인 저항성 접촉(15)은 공지된 방법으로 형성된다. 상기 라인에서 GR들의 간격은 25㎛이고, 라인들 사이의 간격은 135㎛이다. 각각의 GR에 독립적인 작동 전류를 인가하기 위하여, 30개의 금속층(36)의 세로 스트립을 저항성 접촉(16)에 형성하고, GR의 광 이득 축에 가로 방향인 32개의 금속층(37)의 가로 스트립을 32개 RIR들 각각의 저항성 접촉(16)에 형성한다. 전기 신호를 2개의 상호 수직인 금속 스트립(36, 37)의 임의의 조합에 인가할 경우, 선택된 금속 스트립의 교차하는 스트립(36, 37) 사이에 배치된 상기 GR의 관여(involvement)로 인해 레이저 빔이 발생된다. 각 레이저 빔(모두 960개)은 도 9 및 11의 레이저(1)에 관한 실시예와 동일한 파라미터들을 갖는다.
레이저(1)(도 20 및 21 참조)의 실시예는 공통의 광 공진기에 직렬로 차례로 접속된 몇 개의 GR들을 포함한다. 이것은 RIR(7)의 외부의 광 표면(17)에서의 반사와 레이저 방사에 대응하는 이득과 함께, RIR(7)(도 21)의 두 표면에 배치된 이득 영역에서의 반사로 달성된다. 이러한 실시예들은 큰 출사각( φ )을 포함하여, RIR(7)의 더 작은 두께에 비해 광 공진기의 증가된 유효 길이를 제공할 수 있다. 더욱이, 이득 영역에서 열원(heat source)을 분산시키는 속성으로 인해 열 방출에 도움이 되는 조건을 제공한다.
또한 레이저(1)(도 14 내지 21 참조)에 관한 실시예에서, 금속층(36, 37)의 가로 및 세로 스트립의 일정한 전기적 접속은, 이득 영역의 직렬, 병렬 또는 직병렬 전기 접속을 얻기 위해 이용될 수 있음을 유의하여야 한다. 이렇게 함으로써, 고전력 멀티빔 레이저를 전원에 보다 효율적으로 정합시킬 수 있다.
따라서, 제안된 상기 레이저에서, 레이저 방사선의 출력 전력이 상당히 감소하고, 임계 전류 밀도가 상당히 증가하며 2개의 상호 교차된 방향에서 발산각이 감소하고, 효율(차동 효율 포함)의 최대 근처값을 얻을 수 있으며, 펌핑 전류 크기에서 레이저 방사선의 발생 파장의 의존도를 크게 감소시킨다. 액티브층의 평면과수직인 방향으로의 출력을 포함하여, 레이저 빔들의 출력을 갖는 고 효율 레이저와 독립적으로 턴 온되는 것을 포함하는 멀티빔 레이저를 제안한다.
주입형 레이저는, 광 섬유 통신과 데이터 전송 시스템, 초고속 광 컴퓨팅(optical computing)과 스위칭 시스템, 의료 장비의 설계, 레이저 공정 장비, 주파수 배율 레이저(frequency-doubled laser), 고체 상태 펌핑(pumπng of solid-state) 및 섬유 레이저에 사용된다.

Claims (51)

  1. 이득 영역은 물론, 반사기, 광 공진기, 저항성 접촉(ohmic contacts) 및 액티브 영역의 적어도 한 쪽면 상에 내부면이 대응 도금층에 인접하는 방사선 입사 영역을 형성할 수 있는 액티브층과 도금층을 포함하는 레이저 이종 구조물(laser heterostructure)을 포함하는 주입형 레이저에 있어서,
    상기 방사선 입사 영역의 굴절률(nRIR)이 레이저 이종 구조물과 인접한 방사선 입사 영역으로 구성되는 전체에 대한 유효 굴절률(neff)을 초과하는 경우, 특히, arccos(neff/nRIR)이 영(0) 이상일 경우, 상기 액티브층에서 상기 방사선 입사 영역으로의 방사선 출사 조건을 충족시키고,
    상기 주입형 레이저가 상기 광 공진기의 매질의 적어도 일부분이 상기 입사 영역 및 이득 영역의 적어도 일부분으로 형성되고, 광 공진기의 반사기들 중 적어도 하나는 영(0) 이상 1 이하의 범위에서 선택되는 반사 계수를 갖도록 형성되며, 상기 주입형 레이저가 상기 광 공진기에서 발생되는 레이저 방출 동작에 있을 경우, 레이저 방사선을 투과하는 적어도 하나의 입사 영역이 형성되고, 상기 적어도 하나의 이득 영역이 적어도 하나의 부분으로부터 형성되고, 액티브층에서 방사선 입사 영역으로의 방사선 출사 조건이 다음의 관계식으로 추가로 정의되며,
    arccos(neff/nRIR) ≤ arccos(neff-min/nRIR),
    여기서, neff-min은 nmin보다 크고, neff-min는 실제로 관심있는 방사선 입사 영역들을 갖는 복수의 레이저 이종 구조물에 대한 가능한 모든 neff중에서 neff의 최소값이며, nmin은 상기 이종 구조물의 도금층들에서의 최소 굴절률인 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  2. 제1항에 있어서,
    작동 중인 주입형 레이저에서 레이저 방출을 일으키기 위하여,
    이득 영역을 특징짓는 이득값 Goutflow(cm-1)가 상기 방사선 입사 영역을 특징짓는 임계 손실 계수 αRIR-thr(cm-1)을 초과하도록 선택되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    액티브층이 적어도 하나의 서브층으로 형성되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한항에 있어서,
    상기 액티브층의 제1 면과 그에 대향하는 제2 면에 각각 배치되는 도금층이도금 서브층들 Ⅰ i 및 Ⅱ j 로 각각 형성되고, 여기서i= 1, 2,..,k및j= 1, 2,..,m은 도금 서브층의 연속적인 수를 나타내는 정수로 정의되고 액티브층에서부터 계수되며, 각각 굴절률 nⅠ i 및 nⅡ j 와 밴드갭 EⅠ i 및 EⅡ j 를 가지며, 적어도 하나의 도금 서브층이 각각의 도금층 내에 형성되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    세로 이득 축에 수직인 평면, 즉 직교 평면에 대해 방사선 입사 영역의 광 단면의 경사각( ψ )이 절대값에 있어서 영(0) 이상이고, 여기서 경사각( ψ )은 광 단면이 내부면과 예각을 이루면 양(+), 둔각을 이루면 음(-)이라 임의로 지칭하는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    장벽 영역이 상기 레이저 이종 구조물에 도입된 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이득 영역이 스트립 형태가 되도록 선택되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사선 입사 영역의 내부면의 길이(LIRIR)와 상기 방사선 입사 영역의 폭(W RIR)이 상기 이득 영역의 세로 이득 축을 따라 결정될 때, 각각 상기 이득 영역의 길이(LGR)와 폭(W GR) 이상인 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사선 입사 영역의 두께가 2㎛ 내지 50,000㎛ 범위에서 선택되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사선 출사 영역이 광학적으로 균일한 재료로 형성되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 방사선 입사 영역이 0.09eV 이상으로 액티브층의 밴드갭(Ea)(eV)을 초과하는 밴드갭(ERIR)(eV)을 갖는 반도체로 형성되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사선 입사 영역이 도입된 기판으로 형성되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사선 입사 영역이 전기 도전성을 갖도록 형성되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  14. 제13항에 있어서,
    저항성 접촉이 상기 방사선 입사 영역의 표면과 함께 형성되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    두께가 이득 영역(W GR)(㎛)의 이하이고, 레이저 이종 구조물에 접하는 상기 방사선 입사 영역의 볼륨 중 일부분은 전기 도전성을 갖도록 형성되고, 볼륨의 나머지는 광 손실 계수( αRIR)가 0.1cm-1이하인 재료로 형성되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    자신의 내부면에 평행한 층들인 상기 방사선 입사 영역의 부분은 상이한 굴절률을 갖는 재료들로 형성하는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    저항성 접촉이 상기 방사선 입사 영역의 전기 도전성인 부분과 함께 형성되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사선 입사 영역이 광 손실 계수( αRIR)가 0.1cm-1이하를 갖도록 형성되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  19. 제1항 내지 제12항, 제16항 및 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사선 입사 영역 방향에서의 저항성 접촉이 액티브층과 상기 방사선 입사 영역 사이에 배치되는 전기 도전성의 도금 서브층들 중 하나와 함께 형성되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  20. 제19항에 있어서,
    저항성 접촉이 최소 밴드갭 값을 갖는 전기 도전성의 도금 서브층과 함께 형성되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도금 서브층들 중 적어도 하나가 최소 굴절률(nRIR)을 갖도록 형성되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이득 영역의 적어도 한 쪽면 상의 끝단면(end surface)이 상기 방사선 입사 영역의 인접한 광 단면과 동일한 경사각과 동일한 반사 계수를 갖도록 형성되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    광 공진기의 반사기로서 구현되는 적어도 하나의 광 단면이, arccos(neff/nRIR)과 동일하고, 출사각( φ )과 동일한 양(+)의 경사각( ψ )을 갖도록 형성되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사선 입사 영역의 외부면의 적어도 일부분에, 상기 방사선 입사 영역 상의 상기 광 단면에 투사되는 최소한의 지점에서 광 공진기의 반사기로서 구현되는 적어도 하나의 광 단면이, ( π /4)-( φ /2)와 동일한 음(-)의 경사각( ψ )을 갖도록 형성되고, 점에 특징이 있는 장치.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사선 입사 영역에 대향하는 상기 주입형 레이저의 표면의 적어도 일부분에, 상기 방사선 입사 영역 상의 상기 광 단면에 투사되는 최소한의 지점에서 광 공진기의 반사기로서 구현되는 적어도 하나의 광 단면이, ( π /4)+( φ /2)와 동일한 양의 경사각( ψ )을 갖도록 형성되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  26. 제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    다른 쪽 광 단면이 영(0)의 경사각( ψ )을 갖도록 형성되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  27. 제26항에 있어서,
    도입된 반사 코팅층이 상기 광 단면 상에 형성되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  28. 제23항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 공진기의 반사기들 중 적어도 하나가 외부 반사기로 구현되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 방사선 입사 영역의 두 광단면이 영(0)의 경사각( ψ )을 갖도록 형성되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  30. 제28항 또는 제29항에 있어서,
    상기 광 공진기의 반사기들 중 적어도 하나가 평면 거울로 구현되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  31. 제23항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 공진기의 반사기들 중 적어도 하나가 원통형 거울로 구현되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  32. 제23항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 공진기의 반사기들 중 적어도 하나가 구형(spherical) 거울로 구현되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  33. 제23항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 공진기의 반사기들 중 적어도 하나가 회절 격자로 구현되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  34. 제23항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사선 입사 영역의 도입된 측면 광 단면들 중 적어도 하나가, 액티브층에 수직하고 세로 이득 축을 관통하는 수직면과 경사각( β )을 갖도록 경사지게 형성되고, 상기 경사각( β )은 상기 측면 광 단면이 내부면과 예각을 이룰 경우에는 양(+), 둔각을 이룰 경우에는 음(-)이라고 임의로 지칭하는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 광 단면 상에 형성되는 반사 코팅층을 갖는 적어도 하나의 측면 광 단면이 출사각( φ )과 동일한 양(+)의 경사각( β )을 갖도록 형성되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  36. 제34항 또는 제35항에 있어서,
    적어도 하나의 측면 광 단면이 ( π /4- φ /2)와 동일한 음(-)의 경사각( β )을 갖도록 형성되고, 상기 방사선 입사 영역의 외부면의 적어도 일부분 상에, 반사 코팅층이 상기 방사선 입사 영역 상의 측면 광 단면에 투사되는 적어도 일부분 상에 형성되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  37. 제34항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 측면 광 단면이 ( π /4+ φ /2)와 동일한 양(+)의 경사각( β )을 갖도록 형성되고, 상기 방사선 입사 영역 상의 측면 광 단면에 투사되는 적어도 일부분에, 반사 코팅층이 상기 방사선 입사 영역에 대향하는 상기 주입형 레이저의 표면의 적어도 일부분 상에 형성되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  38. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사선 입사 영역이 기저면들 중 하나는 내부면인 직 원뿔대(truncated right circular cone)로 형성되고, 상기 광 공진기의 상기 반사기는 상기 외부면의 적어도 일부분에 배치되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  39. 제38항에 있어서,
    반사 코팅층이 상기 외부면의 적어도 일부분 상에 형성되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  40. 제38항 또는 제39항에 있어서,
    상기 원뿔대의 내부면에 대한 측면의 모면(generatrices)의 경사각( γ )이 ( π /2- φ )가 되도록 선택되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  41. 제38항 또는 제39항에 있어서,
    상기 원뿔대의 측면의 모면의 내부면에 대한 경사각( γ )이 (3 π /4- φ /2)가 되도록 선택되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  42. 제38항 또는 제39항에 있어서,
    상기 원뿔대의 측면의 모면의 내부면에 대한 경사각( γ )이 ( π /4- φ /2)가 되도록 선택되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  43. 제1항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 방사선 입사 영역의 내부면 상에 동일한 출사각( φ )을 갖는 적어도 2개의 이득 영역이 형성되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  44. 제43항에 있어서,
    독립적인 저항성 접촉이 상기 방사선 입사 영역의 위치와 대향하는 방향에서 각각의 이득 영역을 갖도록 형성되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  45. 제22항 또는 제43항 또는 제44항에 있어서,
    상기 이득 영역들이 적어도 2개의 이득 영역을 배치한 적어도 2개의 시퀀스(sequence)로 형성되고, 각 시퀀스의 각 이득 영역의 세로 이득 축이 서로 평행하고, 이득 영역의 각 시퀀스에 대해 공통 방사선 입사 영역의 광 단면의 연장면과 액티브층의 교차선에 직각으로 배치되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  46. 제45항에 있어서,
    상기 저항성 접촉과 상기 저항성 접촉에 도입되는 금속층들이, 상기 공통 입사 영역의 외부면의 적어도 일부분 상에, 상기 방사선 입사 영역의 방향에서 이득 영역의 상기 각 시퀀스에 대해 최소한의 금속층의 스트립 형태로 형성되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  47. 제45항에 있어서,
    상기 공통의 방사선 입사 영역의 광 단면 상에, 독립적인 저항성 접촉에 대한 금속층이 상기 방사선 입사 영역의 배치에 대향하는 측면 상에, 서로 절연되고 이득 영역의 이득 축에 평행하게 위치되는 스트립의 형태로 형성되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  48. 제43항 또는 제44항에 있어서,
    상기 이득 영역들이 상기 이득 영역들의 세로 이득 축과 평행한 적어도 하나의 하나의 라인을 따라 형성되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  49. 제48항에 있어서,
    상기 이득 영역들이 상기 이득 영역들의 시작부들 사이에 2dRIR/tan φ 와 동일한 간격을 갖도록 형성되고, 상기 외부면은 출사각( φ )으로 상기 방사선 입사 영역 상의 이득 영역에 투사되는 최소한의 지점에서 광학적으로 반사되도록 형성되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  50. 제1항 내지 제44항 또는 제48항 중 어느 한 항에 있어서,
    동일한 출사각( φ )을 갖는 적어도 하나의 이득 영역이, 서로 평행하고 상기 이득 영역들의 세로 이득 축에 평행한 2개의 라인들을 따라 상기 방사선 입사 영역의 대향면 상에형성되고, 상기 방사선 입사 영역의 대향면 상의 이득 영역들의 시작부들 사이에 최단 거리가 dRIR/sin φ 인 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
  51. 제14항 내지 제20항 또는 제43항 내지 제45항 또는 제48항 내지 제50항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 2개의 인접한 이득 영역들이 상기 입사 영역의 볼륨 중 비도전성 부분과 항상 전기 절연되고, 상기 이득 영역들의 저항성 접촉은 금속층에 의해 전기적으로 커플링되는 점에 특징이 있는 주입형 레이저.
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