KR20030081918A - 수직공진 표면발광 레이저 - Google Patents

수직공진 표면발광 레이저 Download PDF

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Abstract

광인도관로들로 형성된 광도파형 수직공진 표면발광 레이저에 관하여 개시한다. 본 발명에 따른 수직공진 표면발광 레이저는; 기판 하면에 하부전극을 형성하고 기판 상에 하부 브래그 반사경층, 활성층, 상부 브래그 반사경층, 상기 상부 브래그 반사경층, 및 상부전극을 순차적으로 적층하며, 자신의 내에 중앙부를 중심으로 하여 둘러싸고 있는 주변부에 복수 개의 광인도관로를 마련하여 광도파로 구조를 형성하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 종래와 같이 물성을 변화시키지 않고도 광인도관로들로 유효 굴절율을 변화시킬 수 있는 광도파로 구조를 형성하여 다양한 광 모드 조절이 가능하므로 반도체 산업 발전에 지대한 영향을 줄 것며, 이러한 광인도관로들은 물질계에 관계없이 반도체 레이저에 형성 가능하고 종래의 산화막 형성과는 달리 쉬운 재현성으로 간단한 공정만으로도 형성 가능하다.

Description

수직공진 표면발광 레이저{Vertical-cavity surface-emitting laser}
본 발명은 수직공진 표면발광 레이저에 관한 것으로서, 특히 코어부와 클래드부의 유효 굴절률 차이를 이용한 광도파로 구조로 이루어진 수직공진 표면발광 레이저에 관한 것이다.
수직공진 표면발광 레이저는 광통신에 사용되는 능동소자의 대표적인 것으로서, 광출력이 기판에 수직인 방향으로 나오는 특성이 있으며 저렴한 비용, 낮은 임계 전류, 고속 변조가 기대되는 소자로 광통신 분야에서 특히 활발히 연구가 진행되고 있다.
종래, 수직공진 표면발광 레이저에 있어서 산화막층(oxide layer)이 도입되면서 광도파로 역할 및 전류 제한을 동시에 수행하게 되었고, 이것으로써, 수직공진 표면발광 레이저의 문턱 전류를 낮추고 50% 이상의 높은 소비전력효율(wall pulg efficiency)을 보여 주어서 광소자의 특성을 향상시켰다. 그러나, 이러한 산화막층을 형성시키기 위해서는 주로 습식 산화(wet oxidation)법을 이용하므로 그 방법적 특성상 좋은 재현성을 갖기 어려운 단점이 있다. 여기서, 습식 산화법으로 형성된 산화막층은 공진기 내에 위치하여 굴절률의 차이를 크게 발생시키는 광도파로를 형성하기 때문에 다중 횡모드로 동작하기 쉬워짐으로써, 최근에 중요한 연구 주제가 되고 있는 광통신뿐만 아니라 광학적 스케닝(optical scanning), 광학적 이미지(optical image), 광학적 접속(optical interconnect) 등 다양한 분야에 응용 가능한 단일 광모드 제어에 있어서는 사용되기 어려운 단점이 있게 된다. 그러므로, 단일 광모드를 포함하여 다양한 광모드로 제어 가능한 수직공진 표면발광 레이저의 필요성이 절실히 요구되고 있는 것이다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상술한 종래의 문제점을 해결하여 원하는 광모드를 선택할 수 있는 수직공진 표면발광 레이저를 제공하는 데 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예 1에 따라 형성된 수직공진 표면발광 레이저의 개략도;
도 1b는 도 1a에 따라 형성된 수직공진 표면발광 레이저의 사진;
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 복수의 광인도관로들로 이루어진 광도파 구조를 설명하기 위한 개략도들;
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 광도파로 구조에 관하여 나타내기 위한 평면도들;
도 4a는 본 발명에 따른 광도파로 구조에 있어서 광인도관로들의 길이에 따른 유효 굴절률의 변화를 나타내기 위한 유효 굴절률 변화곡선 그래프;
도 4b는 본 발명에 따른 광도파로 구조에 있어서 광인도관로들의 단면적 크기 및 길이에 따른 광모드 제어를 나타내기 위한 개략도;
도 5는 본 발명의 수직공진 표면발광 레이저에 관한 실시예 2에 따른 개략도;
도 6은 본 발명의 수직공진 표면발광 레이저에 관한 실시예 3에 따른 개략도;
도 7은 본 발명의 수직공진 표면발광 레이저에 관한 실시예 4에 따른 개략도;
도 8은 본 발명의 수직공진 표면발광 레이저에 관한 실시예 5에 따른 개략도;
도 9는 본 발명의 수직공진 표면발광 레이저에 있어서의 구동 전류에 따른 광 모드를 나타낸 그래프 및 광모드 사진; 및
도 10은 본 발명의 수직공진 표면발광 레이저 있어서의 광모드 스펙트럼이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 수직공진 표면발광 레이저는:
기판 하면에 하부전극을 형성하고 기판 상에 하부 브래그 반사경층, 활성층, 상부 브래그 반사경층, 상기 상부 브래그 반사경층, 및 상부전극을 순차적으로 적층하며, 자신의 내에 중앙부를 중심으로 하여 둘러싸고 있는 주변부에 복수 개의 광인도관로를 마련하여 광도파로 구조를 형성하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 광인도관로들로 이루어진 광도파로 구조는, 상기 상부 브래그 반사경층, 활성층 및 상기 하부 브래그 반사경층 중에서 선택된 적어도 하나의 층에서 이루어지며, 상기 주변부인 클래드부에 형성된 상기 광인도관로들을 하나의 상기 광인도관로의 중심에서 인접하는 다른 상기 광인도관로들의 중심까지의 거리값, 즉 광인도관로 중심 거리값 Λ들이 일정한 값을 이루도록 일정한 형상으로 배열하고, 상기 중앙부인 코어부의 직경 a는 0.1Λ∼0.9Λ으로 이루어진다.
나아가, 상기 광인도관로 중심 거리값 Λ은, 발진 파장의 1∼50배로 이루어지며, 상기 광인도관로들의 상기 배열의 형상은 원, 타원 또는 다각형의 형상으로 이루어져도 좋고, 상기 광인도관로들의 상기 배열은 방사 대칭으로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 광인도관로들의 단면은, 원, 타원 또는 다각형으로 이루어지며, 상기 광인도관로들의 단면의 크기는, 상기 중앙부에서 멀어질수록 커진다.
또한, 상기 광인도관로들 각각 길이를, 동일한 길이로 형성하고, 또는, 상기광인도관로들 각각 길이를, 상기 중심부에서 멀어질 수록 길게 형성한다.
여기서, 상기 광인도관로들 각각의 길이는, 0.0001㎛∼400㎛인 것이다.
나아가, 상기 광인도관로들은 자신의 내부에 공기, Au, AuZn, 또는 AuSn 등의 금속, GaAs, AlGaAs, AlAs, InP, InGaAsP, InGaAs, 또는 InAlAs 등의 반도체 물질, 에폭시 또는 폴리이미드 등의 유기물질 등으로 채워도 좋다.
이하에서, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예들을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
[실시예 1]
도 1a는 본 발명의 실시예 1에 따라 형성된 수직공진 표면발광 레이저의 개략도이고, 도 1b는 도 1a에 따라 형성된 수직공진 표면발광 레이저의 사진이다. 이때, 도 1b의 (1)은 복수 개의 광인도관로들이 형성된 단면의 광학 현미경 사진이고, 도 1b의 (2)는 도 1b의 (1)의 일부분의 측면을 확대하여 나타낸 전자 현미경 사진이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명에 따른 수직공진 표면발광 레이저는 n형 기판(100) 상에 n형 브래그 하부반사경(310), 활성층(400), 복수 개의 광인도관로(600)들이 형성된 p형 브래그 상부반사경(320), 및 p형 상부전극(220)이 순차로 적층되어 있으며, 기판(100)의 후면에 형성된 n형 하부전극(210)으로 이루어진다. 이때, 상부 전극(220)은 기판(100)의 소정영역에서 형성되어 상부로 광자 방출이일어나게 된다. 또한, 활성층(400), 상부반사경(320) 또는 하부반사경(310)에 이온 주입 또는 산화막층을 형성하여 전류를 제한하는 것도 가능한 데, 본 실시예에서는 p형 브래그 상부반사경(100)에 이온 주입(500)으로 전류를 제한한다.
여기서, 본 발명의 수직공진 표면발광 레이저는 자신의 내부에서 코어부를 둘러싸고 있는 클래드부에 복수의 광인도관로들을 형성하는 것이 주요 특징부인 바, 다음에서는 본 발명에 따른 복수의 광인도관로들을 형성한 광도파로 구조에 관하여 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 복수의 광인도관로들로 이루어진 광도파 구조를 설명하기 위한 개략도들이다. 이때, 도 2a는 본 발명에 따른 복수의 광인도관로들로 형성된 광도파로 구조의 평면도이고, 도 2b는 도 2a의 k-k' 선에 따른 복수의 광인도관로들로 형성된 광도파로 구조의 단면도이다. 여기서, 도 2a에서 중심부 영역을 달리 표현한 것은 물질 구성의 차이가 아닌 단지 코어 영역임을 나타내기 위한 것이고, 점선은 광인도관로들이 이루는 배열의 형상을 명확하게 나타내기 위한 것이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명에 따른 광인도관로(600)들은 코어부를 둘러싸고 있는 주변 영역인 클래드부에서 방사 대칭으로 배열되고 전체적인 배열은 육각형을 이룬다. 그러므로, 광인도관로(600)들이 형성된 코어부의 형상은 육각 격자를 포함하는 형상으로 이루어지게 된다. 이때, 하나의 광인도관로(600)와 인접하는 광인도관로(600)들 각각은 동일한 간격으로 배치되어 있으며, 하나의 광인도관로(600)의 중심에서 인접하는 다른 하나의 광인도관로(600)의 중심까지는 일정한거리값(이하, '광인도관로 중심 거리값' 이라 한다) Λ을 갖게 되고, 본 실시예에서는 각각의 거리값(Λ)들이 동일하게 이루어지고 있다.
광도파로 구조에서는 코어부와 클래드부에서의 유효 굴절률의 차이가 광모드 도파를 좌우하게 되는 데, 본 발명의 코어부는 광인도관로(600)가 형성되지 않기 때문에 복수 개의 광인도관로(600)들이 배열된 주변 영역의 클래드부에서 보다 코어부의 유효 굴절률이 커지게 되어서, 코어부와 클래드부에서의 유효 굴절률의 차이가 발생하게 되는 것이다.
이러한 복수 개의 광인도관로(600)들 배열 형상에 의한 광인도관로 중심 거리값 뿐 아니라 광인도관로(600)들 각각의 단면의 크기, 또는 광인도관로(600)들 각각의 길이를 조절함으로써 클래드부의 유효 굴절률을 조절하여, 광모드 도파 제어가 가능하게 되는 데 이것은 후술하는 바와 같고, 이때, 도파되는 광모드의 수는 다음의 수학식 1에서 나타내는 것과 같은 V값에 의해서 결정되는 데, V값은 광모드 수를 확인하기 위한 광도파 파라미터이다.
이때, ncore와 nclad는 각각 코어부와 클래드부의 유효 굴절률이며, ρ는 코어부의 반지름이다.
수학식 1에서와 살펴보면, 광모드의 수는 코어부의 단면적, 코어부와 클래드부의 유효 굴절률의 차이로 좌우됨을 확인할 수 있는 데, 이때 코어부에서 단일 모드만을 도파하기 위해서는 V가 2.405보다 작아야 하며, 이보다 크게 되면 다중 모드가 도파된다.
클래드부와 코어부의 유효 굴절률의 차이는 클래드부와 코어부의 종 방향의 공진 파장의 차이와 비례하지만, 광인도관로(600)들로 형성된 광도파로 구조에서는 코어부와 클래드부의 물질이 동일하여 종 방향의 공진 파장은 같으므로 종 방향의 공진 파장으로는 클래드부와 코어부의 유효 굴절률의 차이를 알 수 없게 된다. 이때, 본 발명에서는 광인도관로(600)들에 의해 횡 방향으로 광모드 형성이 제한되므로 코어부와 클래드부에서의 공진 모드의 파장의 차이가 발생하는 데, 이는 클래드와 코어부의 유효 굴절률 차이와 비례하게 된다. 그러므로, 코어부과 클래드부에서의 공진 모드의 파장 차이에 의하여 클래드부와 코어부의 유효 굴절률의 차이를 알 수 있는 것이다.
이러한, 본 실시예에서와 같이, 복수 개의 광인도관로들이 각각 같은 직경을 갖고 동일한 길이로 이루어지는 구조에 있어서, 하나의 광인도관로와 인접하는 다른 하나의 광인도관로 사이의 간격을 형성하여 하나의 광인도관로의 중심에서 인접하는 다른 하나의 광인도관로의 중심까지 일정한 거리값, 즉 광인도관로 중심 거리값을 갖게 되는 데, 여기서는 광인도관로들 각각의 광인도관로 중심 거리값(Λ)들을 동일한 값으로 하고 있다. 이때, 광인도관로들의 각각의 광인도관로 중심 거리값들을 동일하게 형성하였으나, 이에 한하는 것은 아니고 광인도관로 중심 거리값들이 서로 다른 값들로 이루어져도 좋고, 일부의 광인도관로 중심 거리값들만 달라져도 좋다.
여기서, 코어부의 반지름 ρ은 ~Λ정도가 되므로 광인도관로 중심 거리값들이 모두 동일한 값으로 이루어지고 광인도관로들의 길이가 일정한 경우, 결국 광인도관로들 중심 거리값 Λ으로 클래드부의 유효 굴절률 및 코어부의 반지름을 조절하여 광모드를 제어하게 되는 것이다.
이러한 광인도관로(600)의 중심 거리값 Λ은 발진 파장의 1∼50배로 이루어지며, 광인도관로(600) 각각의 단면이 이루는 직경 a는 광인도관로 중심 거리값 Λ의 0.1∼0.9배로 이루어진다. 여기서, Λ의 범위는 0.1㎛∼100㎛정도가 되므로, 직경 a의 범위는 0.01㎛∼90㎛로 이루어지는 것이다. 예를 들면, 발진 파장이 850nm인 경우에 광인도관로 중심 거리값 Λ는 0.85㎛∼42.5㎛ 정도이며, 발진 파장이 1.5㎛의 장파장인 경우에 광인도관로 중심 거리값 Λ는 1.5㎛∼75㎛ 정도가 되는 것이다.
도 3a는 본 발명에 따른 광인도관로들의 정육각형 배열로 형성된 광도파로 구조를 나타내기 위한 평면도이다. 이때, 도 3a의 (1)은 본 발명에 따라 넓은 면적의 단일 광모드를 발생하는 광인도관로들의 정육각형 배열로 형성된 광도파로 구조이고, 도 3a의 (2)는 본 발명에 따라 편광의 단일 광모드를 광인도관로들의 정육각형 배열로 형성된 광도파로 구조이다.
도 3a를 참조하면, 정육각형 배열로 형성된 광인도관로(600)들은 방사 대칭인 것은 물론 균일한 방향성을 갖는 광도파로 구조이다. 도 3a의 (1)에서와 같이, 중심에서 가까운 광인도관로(600)들 모두의 단면을 줄여서 단일 광모드의 면적을넓게 하는 것이 가능하고, 도 3a의 (2)에서와 같이 중심에서 가까운 광인도관로(600)들의 일부의 단면을 줄여서 방향을 균형을 조절하여 편광을 조절할 수 있게 된다.
도 3b는 본 발명의 광인도관로들의 배열 형상에 따른 광도파로 구조를 나타내기 위한 평면도이다. 이때, 도 3b의 (1)은 본 발명에 따라 정사각형 배열로 형성된 광도파로 구조이고, 도 3a의 (2)는 본 발명에 따라 편광을 제어하기 위한 일방향성을 갖는 육각형 배열로 형성된 광도파로 구조이다.
도 3b를 참조하면, 본 실시예 1에서와 같이 광인도관로(600)들로 형성된 배열이 정육각형 뿐 아니라 도 3b의 (1)에서와 같이, 정사각형 배열로 형성하는 것도 가능하고, 도 3b의 (2)에서와 같이 광모드의 방향성을 제어하기 위해 일방향을 갖는 육각형 배열을 이루어 편광을 조절할 수 있게 된다.
도 3c는 본 발명의 광도파로 구조에 있어서의 광인도관로(600)들의 단면의 형상을 설명하기 위한 평면도이다. 이때, 도 3c의 (1)은 본 실시예 1의 광도파로 구조에서 정육각형 배열로 형성된 광인도관로들의 단면이 타원으로 이루어지며, 도 3c의 (2)는 본 실시예 1의 광도파로 구조에서 정육각형 배열로 형성된 광인도관로들의 단면이 정사각형으로 이루어지며, 도 3c의 (3)은 본 실시예 1의 광도파로 구조에서 정육각형 배열로 형성된 광인도관로들의 단면이 직사각형으로 이루어진다.
도 3c를 참조하면, 본 실시예 1에서와 같이 광인도관로(600)의 단면이 원형뿐 만아니라 도 3c에서와 같이, 타원형, 정사각형, 직사각형으로 형성하는 것도 가능하며, 나아가, 이에 한하는 것은 아니어서, 다양한 다각형으로 이루어도 좋다.여기서, 특히도 3c의 (1) 또는 도 3c의 (1)에서와 같이, 정육각형 배열의 방향성을 제어하기 위해, 광인도관로(600)들의 단면이 타원 또는 직사각형으로 이루어져 일방향성을 갖게 되므로 각 일방향의 광 손실 차이로 편광을 조절할 수 있다.
상술한 바와 같이, 단일 광 모드의 넓이를 조절하기 위해서는, 균일한 방향성을 갖는 광인도관로(600)들로 이루어진 광도파로 구조에서 코어부 중심에 가깝게 위치한 전체적인 광인도관로(600)들의 단면적을 작게 형성하여 전체적으로 볼록렌즈와 같은 효과를 이용한다. 또한, 편광으로 단일 편광 모드를 얻기 위해서는, 일정한 방향을 갖도록 광모드의 전체적인 배열의 형상, 광인도관로(600)들의 단면의 형상, 또는 균일한 배열에서의 일부 광인도관로(600)들의 크기 조절을 이용할 수 있지만, 여기에 한하지 않고 균일하게 배열된 광인도관로(600)들 중 일부가 제거된 형상, 즉 광인도관로(600)들이 형성되어야 할 영역에 광인도관로(600)들을 형성하지 않아, 원하는 단일 편광 모드를 얻는 것도 가능하다. 여기서, 전체적인 광인도관로(600)들의 배열은 균일한 방향성을 갖는 정육각형 뿐 아니라 정사각형으로 이루어져도 좋음을 상기에서 설명하였고, 이에 한하는 것이 아니라 원 또는 일방향성을 갖는 다각형, 타원형 배열로 이루어져도 좋다.
도 4a는 본 발명에 따른 광도파로 구조에 있어서 광인도관로들의 길이에 따른 유효 굴절률의 변화를 나타내기 위한 유효 굴절률 변화곡선 그래프이다. 이때, 기호 A는 코어부의 직경 a와 광인도관로 중심 거리값 Λ의 비율 a/Λ이 0.3인 경우이고, B는 a/Λ이 0.4인 경우이고, C는 a/Λ이 0.5인 경우이고, D는 a/Λ이 0.6인 경우이며, E는 a/Λ이 0.7인 경우이다. 이때, 광인도관로들의 길이는 26쌍으로 이루지는 반사경의 상대적 깊이로 나타낸다.
도 4a를 참조하면, 각각의 a/Λ 값을 가진 A, B, C, D 또는 E의 광도파로 구조에서 광인도관로의 길이가 길어지면 유효 굴절률이 지수 함수적으로 감소하는 것을 볼 수 있다. 이때, 광인도관로들의 길이로 유효 굴절률을 조절함으로써 3차원적인 광 모드를 제어할 수 있게 되는 것이다.
도 4b는 본 발명에 따른 광도파로 구조에 있어서 광인도관로들의 단면적 크기 및 길이에 따른 광모드 제어를 나타내기 위한 개략도이다.
도 4b를 참조하면, 일정한 형상의 광인도관로(600)들이 균일한 방향성을 갖도록 일정한 형상의 배열로 이루어지는 광도파로 구조에 있어서, 코어부의 중심에서 가까운 광인도관로(600)들의 단면의 크기 및 길이를 보다 줄여서 코어부의 중심에서 먼 광인도관로(600)들에 의해 광인도 효과를 얻어 광인도 효과가 확장되고, 이로 인해 넓은 면적의 단일 광모드를 얻게 된다. 이때, 고차 모드는 작은 광인도관로(600)들에 의한 광학적 손실로 발진 불가능하게 되어 보다 효율적인 단일 모드 발진이 이루어지게 되는 것이다. 이때, 본 발명에서의 광인도관로(600)들의 길이는 0.0001㎛∼400㎛에서 이루어지는 것이 좋다.
그러므로, 본 발명에 따라 광인도관로들을 형성하면, 광인도관로들 및 상·하부 반사경 부분과 겹치게 되는 클래드부 영역에서는 유효 반사율이 작아져서 광 손실이 커지므로 레이저로 발진하기 힘들게 되고, 효율적인 광도파로 효과 및 유효 반사율 감소에 의한 고차 모드의 억제로 인하여 단일 횡모드로 동작 가능하게 되는 것이다. 본 실시예에서는 단일 모드 제어에 관한 것을 설명하고 있지만, 이에 한정하지 않고 수학식 1에서와 같이 광 모드 수를 조절 가능한 것이다.
상기에서는 광인도관로들의 내부 각각을 진공 상태로 하여 설명하였으나, 다음에서는 본 발명에서의 광인도관로들의 내부를 공기 또는 여러 가지 다른 물질로 채운 경우를 설명한다.
기판에 형성된 반도체 물질보다 굴절률이 작은 공기나 다른 물질로 광인도관로들을 채우면 광인도관로들이 형성된 클래드부의 유효 굴절률은 낮아지게 되고, 이러한 현상은 산화막을 이용해 유효 굴절률을 조절하는 유효 굴절률 모델을 응용하여 다음 수학식 2에서 같이 간단히 나타낼 수 있다. 이때, 광인도관로들의 내부의 물질과 외부의 물질의 차이로 인해 클래드부와 코어부의 공진 파장의 차이를 가져온다.
λ0는 코어부에서의 공진 파장이고, ncore는 코어에서의 유효 굴절률이며, Δλ0는 코어부와 클래드부에서의 공진 파장의 차이를 나타내고, Δneff는 코어부와 클래드부에서의 유효 굴절률의 차이를 나타낸다. 수학식 2에서 보면 알 수 있듯이, 이러한 코어부와 클래드부의 공진 파장의 차이로 코어부와 클래드부의 유효 굴절률 차이를 알 수 있게 된다.
여기서, 복수 개의 광인도관로들 내부에 공기 등과 같이 주변 반도체 물질보다 굴절률이 작은 다른 물질을 채웠을 경우에는, 광인도관로들의 광인도 효과로 고차모드를 억제하게 되며, 또한, 광인도관로들 내에 주변 반도체 물질보다 굴절률이 높은 물질로 채웠을 경우에는 반광인도 효과(antiguiding effect)가 생기게 되는 데, 이때에도 기본 모드보다 고차 모드들의 회절 손실이 많아지게 되어 역시 단일 기본모드만으로 동작하는 할 수 있게 된다.
예를 들면, Au, AuZn, 또는 AuSn 등의 금속을 광인도관로들의 내부를 채우면, 공기를 이용한 경우 보다도 광인도관로들로 인한 광 손실을 줄일 수 있고, 원활한 열전달이 이루어질 수 있고, GaAs, AlGaAs, AlAs InP, InGaAsP, 또는 InGaAs, InAlAs 등의 반도체로 채우면, 광인도관로에서의 반사율은 크게 변하지 않으나 열전달 특성 및 전류 주입 특성을 향상된다. 그리고, 에폭시나 폴리이미드 같은 유기물질로 채우는 것도 가능하다.
더불어, 광인도관로들에 다른 물질들을 채운 경우에도 상술한 것과 같이 광인도관들의 배열 형상, 광인도관로들의 단면의 형상, 광인도관로의 단면의 크기, 또는 광인도관로들의 길이를 변화시킴으로써 얼마든지 광 모드를 자유롭게 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 광 모드 제어를 위한 광도파로 구조에 있어서의 광인도관로들은 코어부와 클래드부의 유효 굴절률에 변화를 일으키는 것 이외에도 광인도관로들을 상·하부 반사경에 형성시키면 각 반사경에서의 반사율을 떨어뜨리는 역할을 한다.
[실시예 2]
도 5는 본 발명의 수직공진 표면발광 레이저에 관한 실시예 2에 따른 개략도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 수직공진 표면발광 레이저에 따른 실시예 2는 n형 기판(100) 상에 n형 브래그 하부반사경(310), 활성층(400), 복수의 광인도관로(600)들이 형성된 p형 브래그 상부반사경(320), 및 p형 상부전극(220)이 순차로 적층되어 있으며, 기판(100)의 후면에 형성된 n형 하부전극(210)으로 이루어진다. 이때, 하부전극(210)은 기판(100)의 소정영역에서 형성되어 하부로 광자 방출이 일어나게 된다. 본 실시예에서는 p형 브래그 상부반사경(320)에 이온 주입(500)으로 전류를 제한하고 있다. 여기서, 광인도관로(600)들이 형성된 광도파로 구조는 실시예 1과 같아서 생략한다.
[실시예 3]
도 6는 본 발명의 수직공진 표면발광 레이저에 관한 실시예 3에 따른 개략도이다.
도 6를 참조하면, 본 발명의 수직공진 표면발광 레이저에 따른 실시예 3은 n형 기판(100) 상에 n형 브래그 하부반사경(310), 활성층(400), p형 브래그 상부반사경(320), 및 p형 상부전극(220)이 순차로 적층되어 있으며, 기판(100)의 후면에 형성된 n형 하부전극(210)으로 이루어진다.
본 실시예에서는 하부전극(2100)은 기판의 소정영역에서 형성되어 하부로 광자 방출이 일어나게 되고, p형 브래그 상부반사경(320)에 이온 주입(500)으로 전류를 제한하고 있다. 또한, 광인도관로(600)들은 기판(100) 및 n형 브래그 하부반사경(310)에 형성되어 있다.
여기서, 광인도관로(600)들이 형성된 광도파로 구조는 실시예 1과 같아서 생략한다.
[실시예 4]
도 7은 본 발명의 수직공진 표면발광 레이저에 관한 실시예 4에 따른 개략도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 수직공진 표면발광 레이저에 따른 실시예 4는 n형 기판(100) 상에 n형 브래그 하부반사경(310), 활성층(400), p형 브래그 상부반사경(320), 및 p형 상부전극(220)이 순차로 적층되어 있으며, 기판(100)의 후면에 형성된 n형 하부전극(210)으로 이루어진다.
본 실시예에서는 상부 전극(220)은 기판의 소정영역에서 형성되어 상부로 광자 방출이 일어나게 되고, p형 브래그 상부반사경(320)에 이온 주입(500)으로 전류를 제한하고 있다. 또한, 광인도관로(600)들은 상부반사경(320), 활성층(400), 및 하부반사경(310)에 걸쳐서 형성되어 있다.
여기서, 광인도관로(600)들이 형성된 광도파로 구조는 실시예 1과 같아서 생략한다.
[실시예 5]
도 8은 본 발명의 수직공진 표면발광 레이저에 관한 실시예 5에 따른 개략도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 수직공진 표면발광 레이저에 따른 실시예 5는 n형 기판(100) 상에 n형 브래그 하부반사경(310), 활성층(400), p형 브래그 상부반사경(320), 및 p형 상부전극(220)이 순차로 적층되어 있으며, 기판(100)의 후면에 형성된 n형 하부전극(210)으로 이루어진다.
본 실시예에서는 상부 전극(220) 및 하부 전극(210)이 기판(100)의 소정영역에서 형성되고 활성층(400)에 광인도관로(600)들이 형성되어 있으며, 광인도관로(600)들이 형성된 활성층(100) 상에 혼성 반사경(700)을 더 증착하여 하부로 광자 방출이 일어나게 된다. 여기서, p형 브래그 상부반사경(320)에 이온 주입(500)으로 전류를 제한하고 있다.
여기서, 광인도관로(600)들이 형성된 광도파로 구조는 실시예 1과 같아서 생략한다.
도 9는 본 발명의 수직공진 표면발광 레이저에 있어서의 구동 전류에 따른 광 모드를 나타낸 그래프 및 광모드 사진이다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따라 광인도관로들을 정육각형 배열로 형성한 광도파 구조에 있어서, 광인도관로 중심 거리값 Λ에 따른 코어부의 직경 a를 비율 , 즉 a/Λ로 표현하면 a/Λ 값이 0.6인 경우에서 보다 a/Λ 값이 0.7인 경우에 광인도관로의 면적의 크기가 상대적으로 크다는 것을 알 수 있다. 이때, 광인도관로의 단면적의 크기가 클수록 같은 구동 전류를 주입하면 출력값이 작아지는 것을 볼 수 있는 데, 이로써 광인도관로의 단면적의 크기로 출력되는 광모드를 제어 가능함을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 수직공진 표면발광 레이저 있어서의 광모드 스펙트럼이다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따라 광인도관로들을 정육각형 배열로 형성한 광도파 구조에 있어서, 광인도관로 중심 거리값 Λ에 따른 코어부의 직경 a를 비율 , 즉 a/Λ값을 0.7로 형성한 경우, 구동 전류에 따른 발진 파장이 850nm 근방에서 30dB 이상의 측면모드억제율(Side Mode Suppression Ratio)을 가지고 단일 모드로로 제어되는 것을 볼 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 종래와 같이 물성을 변화시키지 않고도 광인도관로들로 유효 굴절율을 변화시킬 수 있는 광도파로 구조를 형성하여 다양한 광 모드 조절이 가능하므로 반도체 산업 발전에 지대한 영향을 줄 것이다.
또한, 이러한 광인도관로들은 물질계에 관계없이 반도체 레이저에 형성 가능하고 종래의 산화막 형성과는 달리 쉬운 재현성으로 간단한 공정만으로도 형성 가능하다.
본 발명은 상기 실시 예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (13)

  1. 기판 하면에 하부전극을 형성하고 기판 상에 하부 브래그 반사경층, 활성층, 상부 브래그 반사경층, 상기 상부 브래그 반사경층, 및 상부전극을 순차적으로 적층하며,
    자신의 내에 중앙부를 중심으로 하여 둘러싸고 있는 주변부에 복수 개의 광인도관로를 마련하여 광도파로 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 광인도관로들로 이루어진 광도파로 구조는, 상기 상부 브래그 반사경층, 활성층 및 상기 하부 브래그 반사경층 중에서 선택된 적어도 하나의 층에서 형성되는 것을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 광인도관로들로 이루어진 광도파로 구조는, 상기 주변부인 클래드부에 형성된 상기 광인도관로들을 하나의 상기 광인도관로의 중심에서 인접하는 다른 상기 광인도관로들의 중심까지의 거리값, 즉 광인도관로 중심 거리값 Λ들이 일정한 값을 이루도록 일정한 형상으로 배열하고, 상기 중앙부인 코어부의 직경 a는 0.1Λ∼0.9Λ으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 광인도관로 중심 거리값 Λ은, 발진 파장의 1∼50배로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 광인도관로들의 상기 배열의 형상은 원, 타원 또는 다각형의 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저.
  6. 제 3항 또는 제 5항에 있어서, 상기 광인도관로들의 상기 배열은 방사 대칭으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 광인도관로들의 단면은, 원, 타원 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 광인도관로들의 단면의 크기는, 상기 중앙부에서 멀어질수록 커지는 것을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 광인도관로들 각각 길이를, 동일한 길이로 형성하는 것을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 광인도관로들 각각 길이를, 상기 중심부에서 멀어질수록 길게 형성하는 것을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 광인도관로들 각각의 길이는, 0.0001㎛∼400㎛인 것을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 광인도관로들은 자신의 내부를 공기, 금속, 반도체 물 질, 또는 유기물질로 채우는 것을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 금속은 Au, AuZn, 또는 AuSn이며, 상기 반도체 물질은 GaAs, AlGaAs, AlAs, InP, InGaAsP, InGaAs, 또는 InAlAs 이고, 상기 유기 물질은 에폭시 또는 폴리이미드인 것을 특징으로 하는 수직공진 표면발광 레이저.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5978408A (en) * 1997-02-07 1999-11-02 Xerox Corporation Highly compact vertical cavity surface emitting lasers
KR19980082331A (ko) * 1997-05-06 1998-12-05 윤종용 이차원 광자 밴드갭 구조를 가지는 수직공진형 반도체 레이저 장치 와 그 제조 방법
US6314118B1 (en) * 1998-11-05 2001-11-06 Gore Enterprise Holdings, Inc. Semiconductor device with aligned oxide apertures and contact to an intervening layer
US6577658B1 (en) * 1999-09-20 2003-06-10 E20 Corporation, Inc. Method and apparatus for planar index guided vertical cavity surface emitting lasers
US6515305B2 (en) * 2000-09-18 2003-02-04 Regents Of The University Of Minnesota Vertical cavity surface emitting laser with single mode confinement

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