KR20040093053A - 경사진 케비티 반도체 레이저 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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니콜라이 니콜라에비치 레덴트조프
비탈리 알렉산드로비치 슈후킨
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니콜라이 니콜라에비치 레덴트조프
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Abstract

새로은 "반도체 레이저" 또는 "경사진 케비티 레이저" 분야는 전류의 주입에 의한 광학 게인을 발생시키는 액티브 영역을 갖는 적어도 하나의 액티브 소자 및 미러를 포함한다. 액티브 소자는 케비티 속에 위치된다. 케비티는 공진 광학 모드의 광학 경로가 수직 방향 및 측방향 평면 모두에 대해 경사지도록 설계된다. 따라서, 수직 방향 및 측방향에서의 피드백이 공진 광학 모드에 제공된다. 특정 실시예에 따라, 레이저는 표면 발광 레이저 및 에지-발광 레이저로서 동작한다. 경사진 광학 모드의 사용은 종래의 레이저 보다 하부 및 상부 간섭 반사기에서 소수의 층 사용을 가능케한다. 이는 높은 반사율을 필요없게 한다. 또한, 파장-안정화 레이저는 에지-방출기로 구현된다. 파장 안정화는 상이한 굴절률을 갖는 층에서 경사진 광학 모드에 대한 분산 법칙의 회절로 인한 것이다.

Description

경사진 케비티 반도체 레이저 및 그의 제조 방법{TILTED CAVITY SEMICONDUCTOR LASER (TCSL) AND METHOD OF MAKING SAME}
반도체 레이저는 광섬유 전송 및 신호 증폭 시스템, 파장 분할 다중화 전송 시스템, 파장 분할 스위칭 시스템, 및 파장 교차-접속 시스템 및 광학 측정 분야에 있어 중요한 역할을 한다.
반도체 레이저가 갖는 주요한 문제점중 하나는 특히 높은 출력 전력 동작에 대해 방출된 광 파장의 바람직하지 않은 온도 의존성을 야기시키는 온도를 갖는 에너지 밴드 갭의 편차에 있다. 파장 안정화 방법중 하나는 분포-피드백 레이저를 사용하는 것이다. 이러한 방법의 예로는 1973년 9월 18일자로된 허여된 "INTEGRATED FEEDBACK LASER"란 명칭의 US 특허 제 3,760,292호, 및 1988년 4월 26일자로 허여된 "DISTRIBUTED-FEEDBACK LASER HAVING ENHANCED MODE SELECTIVITY"란 명칭의 US 특허 제 4,740,987호를 포함한다. 에지-발광 반도체 레이저에 대해, 분포 피드백은 통상적으로 반도체내의 굴절률의 측방 변조에 의해 또는 광섬유의 형상 변조에 의해 구현된다. 분포 피드백은 레이저 방사의 광학 모드의 선택성을 강화시킨다. 방출된 광의 파장은 장치 설계에 의해 고정되며, 그의 온도 의존성은 굴절률의 온도 변차로 인한 것으로, 이는 에너지 밴드 갭 보다 상당히 작다. 그러나, 이러한 방법은 통상적인 레이저의 에피텍셜 성장에 비교해 볼 때 매우 복잡한 기술 단계를 요구한다.
또다른 방법으로 수직 케비티 표면 발광 레이저(VCSEL;vertical cavity surface emitting laser)가 사용된다. 통상적으로 상기 방법은 한쌍의 교번식 높고 낮은 굴절률층에 의해 형성된 n-타입 및 p-타입 모두의 다층 브래그-스택 미러를 이용한다. 미러의 높은 반사율은 날카로운 공진(sharp resonance)을 유도하고, 선택된 파장은 케비티 두께에 의해 결정된다. 파장의 온도 의존성은 굴절률의 온도 편차에 의한 것이다. VCSEL 설계의 주안점은 상이한 굴절률을 갖는 층들이 기판에 격자 정합(lattice-matched)되어야 한다는 것이다. 이러한 요구조건은 브래그 미러에서 사용될 수 있는 재료의 수를 감소시킨다. 전형적인 브래그 미러는 GaAs-기재 레이저를 위한 상이한 조성의 GaAlAs의 교번층 또는 GaAlAs 및 GaAs의 교번층을 포함한다. InP 기재 레이저에서는, 상이한 조성의 GaInAs, AlInAs, GaAlInAs 또는 GaInAsP의 교번층이 사용된다. 층들은 결정의 광 파장에 대해 λ/2 주기성을 제공하도록 조절된다. 교번층들 사이에 굴절률 차는 다소 작기 때문에, 레이저 동작을 위해 요구되는 높은 반사율을 달성하기 위해서, 전형적인 미러는 브래그 반사기의 제조를 위해 통상적으로 사용되는 상이한 물질에 대해 대략 20 내지 100개 사이의 층을 요구한다. 종래의 브래그-스택 미러 구성의 주요한 문제점은 20 내지 200개 사이의 고품질 층들이 완벽한 VCSEL을 제조하는데 요구된다는 것이다.
따라서, 미러를 제조하는데 있어 요구되는 층들의 수를 감소시키는 기술이 요구된다. 이러한 분야의 종래 기술로는 2000년 11월 28일자로 허여된 "VERTICAL CAVITY LASER AND LASER ARRAY INCORPORATING GUIDED-MODE RESONANCE EFFECTS AND METHOD FOR MAKING THE SAME"이란 명칭의 US 특허 제 6,154,480호에 개시된 레이저 통합 가이드-모드 공진 효과가 있다. 상기 특허에서, 하나(또는 둘)의 브래그 미러는 측방향에 있는 광학 모드에 대한 도파관(wave guide)을 형성하는 회절격자(grating)로 교체된다. 회절격자의 회절로 인해, 소정 파장에서 방출된 광은 도파관 모드와 결합되어 레이저를 발생시키기 위해 요구되는 회절격자층으로부터 높은 반사를 제공한다. 이러한 설계의 심각한 문제점은 측방 주기로 한개 또는 두개의 그레이팅을 제조하는데 불가피하게 리소그래피 단계가 있으며, 이는 단일 에피택셜 프로세스에서 레이저를 제조할 수 없게 한다. 또한, 단지 하나의 상부 그레이팅만이 사용되는 실제적으로 허용가능한 상항에서, 하부 브래그 반사기는 여전히 제한을 갖고 있으며 통상적인 VCSEL의 문제점을 갖고 있다.
따라서, 다층의 브래그 미러를 방지하는 표면 발광 레이저, 특히 단일 에피텍셜 프로세스에서 파장-안정화 레이저의 완성 표면을 제조하는 방법을 제조하는 기술이 요구된다.
본 발명은 반도체 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 표면 발광 레이저 및 파장-안정화 에지-발광 레이저에 관한 것이다.
도 1은 종래 기술의 수직 케비티 표면 발광 레이저의 개략도;
도 2는 2개의 다층 간섭 반사기에 의해 둘러싸인 케비티의 경사진 모드의 개략도;
도 3은 광이 반사기로부터의 전반사를 나타내고, 각각의 단일 층을 갖는 반사기가 사용되는 케비티의 경사진 모드의 개략도;
도 4는 다층 반사기의 선택적인 일부 제거에 의해 형성된 광학 개구부가 수직 방향으로 광출력을 제공하는, 본 발명에 따른 일 실시예의 개략도;
도 5는 다층 간섭 반사기 상부의 추가 증착층에 의해 형성된 광학 개구부가 수직 방향으로 광 출력으로 제공하는, 본 발명에 따른 일 실시예의 개략도;
도 6은 케비티, 3-주기 하부 간섭 반사기, 및 3-주기 상부 간섭 반사기를 포함하는 본 발명에 따른 특정 구조의 개략도;
도 7은 도 6의 구조에 대해 계산된 경사진 광학 모드 대 경사각(θ)에 대한 방사 손실을 나타내는 도면;
도 8은 방출된 방사의 파장에 따라 도시된 도 6의 구조에 대해 계산된 경사진 광학 모드에 대한 방사 손실의 개략도;
도 9는 케비티의 두개층중 하나에 액티브층이 위치되는 상이한 굴절률을 갖는 두개층을 포함하는 케비티의 개략도;
도 10은 두개층 사이의 경계에 액티브층이 위치되는 상이한 굴절률을 갖는 두개층을 포함하는 케비티의 개략도;
도 11은 파장에 따라 도 10의 케비티내에서 경사진 광학 모드에 대해 계산된 방사 손실을 나타내는 도면;
도 12은 도 10의 케비티에 대하여 상이한 측방 광학 모드에 대해 계산된 방사 손실을 나타내는 도면;
도 13은 도 3의 구조에 대해 계산된 경사진 광학 모드 대 경사각(θ)에 대한 방사 손실을 나타내는 도면;
도 14는 방출된 방사의 파장에 따라 도시된 도 3 구조에 대해 계산된 경사진 광학 모드에 대한 방사 손실의 개략도;
도 15는 흡수 영역을 포함하는 흡수 소자가 상부 반사기의 상부에 위치되는, 본 발명의 또다른 실시예의 개략도;
도 16은 상부 다층 간섭 반사기가 경사진 광학 모드에 대해 측방향으로 피드백을 제공하도록 부분적으로 에칭된, 본 발명의 또다른 실시예의 개략도;
도 17은 경사진 광학 모드에 대해 측방향으로의 피드백을 제공하도록 상부 다층 간섭 반사기의 상부에서 회절결자가 제조되는, 본 발명의 또다른 실시예의 개략도;
도 18은 케비티가 스타르크 변조기(Stark modulator)를 포함하는 액티브 소자 및 위상 제어 소자를 포함하는, 본 발명의 또다른 실시예의 개략도;
도 19는 케비티가 스타르크 변조기를 포함하는 액티브 소자 및 위상 제어 소자를 포함하고 상부 다층 간섭 반사기의 상부의 광학 개구부가 광출력을 제공하는, 본 발명의 또다른 실시예의 개략도;
도 20은 상부 반사기의 상부에 위치된 흡수 소자를 포함하는, 본 발명의 또다른 실시예의 개략도;
도 21은 케비티가 액티브 소자 및 위상 제어 소자를 포함하는, 본 발명의 또다른 실시예의 개략도;
도 22는 케비티가 액티브 소자 및 전력 변조 소자를 포함하는, 본 발명의 또다른 실시예의 개략도;
도 23은 케비티가 액티브 소자, 위상 제어 소자 및 전력 변조 소자를 포함하는, 본 발명의 또다른 실시예의 개략도;
도 24는 케비티가 액티브 소자 및 방출된 광 파장의 강화된 온도 안정화를 제공하는 변조기를 포함하는, 본 발명의 또다른 실시예의 개략도;
도 25는 변조기를 사용함으로써 온도 편차에 대한 파장 안정화의 원리를 나타내는 도면;
도 26은 경사진 케비티 장치가 수직 방향으로 들어오는 입사광을 검출하는 파장-선택 광검출기로서 동작하는, 본 발명의 또다른 실시예의 개략도;
도 27은 경사진 케비티 장치가 측방향으로 들어오는 광을 검출하는 파장-선택 광검출기로서 동작하는, 본 발명의 또다른 실시예의 개략도;
도 28은 경사진 케비티 장치가 파장-선택 증폭기로서 동작하는, 본 발명의 또다른 실시예의 개략도.
반도체 레이저의 새로운 분야, 또는 "경사진 케비티 레이저(tilted cavity laser)"는 전류의 주입에 의해 광학 게인을 발생시키는 액티브 영역을 갖는 적어도하나의 액티브 소자 및 미러들을 포함한다. 액티브 소자는 케비티 속에 위치된다. 케비티는 수직 방향 및 측방 평면 모두에 대해 공진 광학 모드의 광학 경로가 경사지도록 설계된다. 따라서, 수직 및 측방향에서의 피드백이 공진 광학 모드에 제공된다. 특정 실시예에 따라, 레이저는 표면 발광 레이저 및 에지-발광 레이저로서 동작한다. 경사진 광학 모드의 사용은 종래의 레이저 보다 하부 및 상부 간섭 반사기에서 소수의 층을 사용하게 한다. 이는 높은 반사율 조건을 유지한다. 또한, 파장 안정화 레이저는 에지-발광기에 대해 구현된다. 파장 안정화는 상이한 굴절률을 갖는 층에서 경사진 광학 모드에 대한 분산 법칙의 차로 인한 것이다.
도 1은 종래의 표면 발광 레이저, 또는 보다 상세하게는, 수직 케이비 표면 발광 레이저(VCSEL)를 도시한다. 표면 발광 레이저에서, 통상적으로 액티브 영역은 케비티속에 위치된다. 도핑되지 않은 또는 저농도(weakly) 도핑 액티브 영역은 n- 및 p- 콘택층들에 의해 둘러싸이며, 통상적으로는 미러에 의해 둘러싸인다. 구조는 기판(10)상에서 에피텍셜 성장된다. 브래그 반사기는 하부 미러(102)에 사용된다. VCSEL의 레스트(rest)는 액티브 소자에 있다.
전류 개구부(13)는 액티브 영역(17)을 둘러싸는 저농도로 도핑된 제한층(16)으로부터, 제 1 금속 콘택(15)을 갖는 n-도핑 전류 확장층(14)을 분리한다. 제 2 전류 개구부(13)는 제 2 금속 콘택(19)을 갖는 p-도핑 전류 확장층(18)으로부터 저농도로 도핑된 제한층(16)을 분리한다. n-도핑 전류 확장층(14)은 하부 미러(102)의 바로 위에 위치된다. 액티브 소자는 순방향 바이어스(11)하에서 동작한다. 액티브 영역(17)은 광을 발생시킨다. 제한층(16)은 액티브 영역에 트랩된 캐리어에 대한 전자 제한을 제공하는 역할을 한다. 광은 상부 미러(110)를 통해 방출된다(112).
기판(10)은 GaAs, InP, GaSb와 같은 임의의 Ⅲ-Ⅴ 반도체 물질 또는 Ⅲ-Ⅴ 반도체 합금으로 형성될 수 있다. 통상적으로 GaAs 또는 InP는 레이저 방사의 원하는 방출 파장에 따라 사용된다. n-도핑층(14)은 기판(10)에 대해 격자-정합된 또는 거의 격자-정합된 물질로부터 형성되어, 발생된 광을 투과시키고, 도너 불순물에 의해 도핑된다. n-도핑층(10)은 바람직하게 기판(10)과 동일한 물질, 예를 들어 GaAs이다. 가능한 도너 불순물로는 제한되지 않고, S, Se, Te 및 Si, Ge, Sn과 같은 양쪽성 불순물을 포함하며, 여기서 후자의 경우는 그들이 대체로 양이온 서브격자속으로 주입되고 도너 불순물로서 작용하는 기술적 조건하에서 주입된다.
p-도핑층(18)은 기판(10)에 대해 격자-정합된 또는 거의 격자-정합된 물질로 형성되어, 발생된 광을 투과시키며, 억셉터 불순물에 의해 도핑된다. p-도핑층(18)은기판(10)과 동일한 물질, 예를 들어 GaAs인 것이 바람직하다. 가능한 억셉터 불순물로는 제한되지 않고, Be, Mg, Zn, Cd, Pb, Mn 및 Si, Ge, Sn과 같은 양쪽성 불순물을 포함하며, 여기서 후자의 경우는 그들이 대체로 음이온 서브격자속에 통합되고 억셉터 불순물로서 작용하는 기술 조건하에서 주입된다.
바람직하게 금속 콘택(15, 19)은 다층 금속 구조로 형성된다. 바람직하게 금속 콘택(15)은 제한되지 않고, Ni-Au-Ge 구조를 포함하는 구조로 형성된다. 바람직하게 금속 콘택(19)은 제하되지 않고, Ti-Pt-Au 구조를 포함하는 구조로 형성된다.
제한층(16)은 기판(10)에 대해 격자-정합된 또는 거의 격자-정합된 물질로형성되어, 방출된 광을 투과시키며, 도핑되지 않거나 또는 저농도로 도핑된다. 바람직하게 제한층은 기판(10)과 동일한 물질로 형성된다.
제한층(16)내에 위치되는 액티브 영역(17)은 바람직하게 임의의 삽입(insertion)에 의해 형성되며, 에너지 밴드갭은 기판(10)의 것보다 약간 좁다. 가능한 액티브 영역(17)은 제한되지 않으며, 양자 우물, 양자선, 양자점, 또는 이들의 조합의 단일층 또는 다층의 시스템을 포함한다. GaAs-기판 상의 장치의 경우에, 액티브 영역(17)의 예로는, 제한되지 않으며, InAs, In1-xGaxAs, InxGa1-x-yAlyAs, InxGa1-xAs1-yNy또는 유사한 물질의 삽입 시스템을 포함한다.
각각의 층은 전류 차단일층으로서 작용하는 전류 개구부(13)에 의해 이웃하는 층과 분리되며 제한되지 않고, Al(Ga)O 층 또는 양자 충격층을 포함하는 물질로 형성될 수 있다.
하부 미러(102) 및 상부 미러(102)에 대한 상이한 설계는, 예를 들어, D.G.Deppe,Optoelectonic Properties of Semiconducutors and Superlattices(Vol. 10,Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers:Technology and Applications, edited by J.Cheng and N.K.Dutta, Gordon and Breach Science Publishers, 2000, pp 1-61)에 개시된 것을 사용할 수 있다. 그러나 제한되지 않고, 전형적인 설계는 GaAs 기판 상의 장치에 대해 GaAs/Ga1-xAlxAs의 다층 반도체 미러를 포함하거나 또는 InP 기판 상의 장치에 대해 교번 조성을 갖는 InxGa1-x-yAlyAs의 4개 원소의 합금의 다층 구조를 포함한다.
이러한 설계의 문제점은 상당한 수의 층들을 갖는 브래그 미러가 제조되어야 하며, 이는 브래그 미러층들을 형성하기에 적합한 물질들의 선택은 매우 제한되기 때문이다. 모든 층들은 기판에 대해 격자-정합된 또는 거의 격자-정합되어야 한다. GaAs-기재 VCSEL에 대해, 이들 층들은 AlAs 및 Ga1-xAlxAs 합금이다. 방출된 파장 λ=0.98㎛에 대해, GaAs와 AlAs 간에 굴절률차는 다소 작으며(△n=0.57), 99.5% 반사율에 도달하기 위해서는 브래그 미러에서 약 30 주기(60개 층)가 요구된다(USP 6,154,480 참조). InP 기재 VCSEL에 대해, 적합한 격자-정합 물질로는 Ga0.47In0.53As 합금 및 x=1-0.47(1-y) 관계식을 따르는 (x,y)조성을 갖는 4원소 합금 InxGa1-xAs1-yPy또는 x=0.53 및 미정의 y 조성을 갖는 4원소 합금 InxGa1-x-yAlyAs 이 있다. 층들 사이의 굴절률의 차는 이경우 매우 작고(△n0.3), 브래그 미러에서 약 100주기(200개 층)가 요구된다.
본 발명은 공진 광학 모드가 미러에 대해 경사지게 설계된 액티브 소자를 사용함으로써 다수의 층에 대하 요구조건의 문제를 해결한다. 입사광의 반사율은 두개 층 사이의 단일 경계로부터 광이 반사되는 경우 경사각에 따라 증가하기 때문에, 예를 들어 0.995의 필수적인 높은 반사율은 종래의 VCSEL에서 보다 상당히 작은 수의 층을 갖는 다층 공진 미러로부터 달성된다. 특히, 입사각이 두개 층 사이의 경계에서 전반사각을 초과하는 경우, 반사기는 케비티 보다 낮은 굴절률을 갖는 단일층을 포함할 수 있다. 본 발명의 레이저는 본 명세서에서 "경사진 케비티 레이저"라 칭한다. 이러한 설계를 사용하는 반도체 장치의 특정예로는 광검출기 및증폭기를 포함한다.
케비티가 상이한 굴절률을 갖는 적어도 두개층을 포함하는 경우, 두개 물질에서 공진 조건은 방출된 광 파장 및 광학 모드의 경사각 모두를 안정화시킨다. 선택적으로, 파장 안정화는 케비티가 다층 간섭 미러에 의해 둘러싸인 단일층인 경우 구현된다. 케비티 및 상기 케비티와 상이한 굴절률을 갖는 다층 미러의 층에서의 공진 조건은 방출된 광 파장 및 광학 모드의 경사각도 모두를 안정화시킨다. 또다른 실시예에서, 광학 모드는 두개의 반도체층 사이의 경계에서 전반사를 나타내는데 사용된다. 한편, 하부 및 상부 미러를 통한 방사 손실 및 다른 한편으로 측표면을 통한 반사 손실간의 상호작용은 방출된 광 파장을 안정화시킨다.
일 실시예에서, 레이저 발생 파장으로부터 단파장 측면상에 강하고 좁은 광학 흡수 피크를 나타내는 변조기를 포함하는 위상 제어 소자가 레이저에 부가된다. 파장 제어는 전기-광학 특성을 사용함으로써 구현된다. 역방향 바이어스가 인가되는 경우, 흡수 최대치는 스타르크 효과로 인해 보다 긴 파장으로 이동된다. 순방향 바이어스가 인가되는 경우, 전류가 주입되어 피크 흡수의 감소 및 브레칭(bleaching)이 야기된다. 이들 경우에 있어, 위상 제어 소자에서 굴절률의 강한 변조가 발생된다. 이러한 효과는 케비티 모드의 파장을 조절한다.
또다른 실시예에서, 레이저 발생 파장으로부터 단파장 측면 상에서 적절한 또는 약한 광학 흡수 피크를 나타내는 흡수체를 포함하는 전력 변조 소자가 레이저에 부가된다. 전력 변조는 전기-광학 특성을 사용함으로써 구현된다. 역방향 바이어스가 인가되는 경우, 흡수 최대치는 스타르크 효과로 인해 보다 긴 파장으로이동된다. 이는 광학 모드의 내부 손실을 증가시키며 출력 전력을 감소시킨다. 순방향 바이어스가 인가되는 경우, 전류가 주입되어 피크 흡수의 감소 및 브레칭을 야기시켜, 광학 모드의 내부 손실을 감소시키고 출력 전력을 증가시킨다.
도 2는 경사진 광학 모드를 사용하는 레이저 원리를 개략적으로 도시한다. 장치(200)는 하부 반사기(202) 및 상부 반사기(210)에 의해 둘러싸인 케비티(220)를 포함한다. 케비티(220)는 저농도로 도핑된 또는 도핑되지 않은 제한층(106)으로 둘러싸인 액티브 영역(107)을 포함한다. 기판, 전류 확장층, 금속 콘택, 및 바이어스는 간략화를 위해 본 도면에 도시되지 않는다. 하부 반사기(202) 및 상부 반사기(210)는 소정 범위의 각도 및 파장에서 높은 반사율을 나타내는 다층 공진 구조이다. 각각의 반사기(202, 210) 내의 층 수는 가변적이다. 각각의 반사기(202, 210)는 본 도면에서 다층이지만, 반사기 하나 또는 둘 모두는 단일층만을 포함할 수 있다(도 3 참조). 층들 사이의 경계상에서 입사광의 경사각도(θ)가 정의된다.
반사기(202, 210)는 종래의 미러(102,110)와 동일한 물질의 층 구조를 포함하나, 소수의 층을 포함한다. 또한, 한편으로는 높은 굴절률을 갖는 층들 및 다른 한편으로는 낮은 굴절률을 갖는 층들의 두께는 약간 상이할 수 있다. 경사진 모드(213)의 광학 경로는 폐라인으로 도시된다. 수직 방향으로의 피드백은 하부 반사기(202) 및 상부 반사기(210)에 의해 제공된다. 이러한 특정 실시예에 대해, 측방향으로의 피드백은 케비티(220)의 측면 미러(221)에 의해 제공된다.
도 3은 하부 및 상부 반사기로부터 전반사의 조건하에서 동작하며 경사진 광학 모드를 사용하는 레이저의 원리를 개략적으로 도시한 것이다. 장치(300)는 반사기(302, 310)에 의해 둘러싸인 케비티(320)를 포함한다. 케비티(320)는 도핑되지 않은 또는 저농도로 도핑된 제한층(106)으로 둘러싸인 액티브 영역(107)을 포함한다. 기판, 전류 확장층, 금속 콘택, 및 바이어스는 간략화를 위해 본 도면에 도시하지 않는다. 경사진 모드(313)의 광학 경로는 폐쇄 라인으로 도시된다. 하부 반사기(302) 및 상부 반사기(310)는 광학 모드의 현저한 감쇠를 제공하는 단일층이다.
각각의 층(302, 310)은 바람직하게 기판에 대해 격자-정합된 또는 거의 격자-정합되며, 방출된 광을 투과시키며, 케비티(320)의 굴절률(n1)보다 낮은 굴절률(n2)을 갖는다. 레이저를 발생시키는 경사진 광학 모드는 표면 발광 레이저로서 동작하도록 수직 방향으로 그리고 에지-발광 레이저로 동작하도록 측방향으로 광을 방출시킬 수 있다.
보다 상세한 사항은 액티브 영역의 측방 치수(L)가 수직 두께(D)보다 큰 특정 조건에서 이루어질 수 있다, 즉, 도 2 및 도 3에 도시된 것처럼
L≫ D, (1).
도 3의 보다 간단한 경우, 구조는 3-층 슬래브 도파관으로서 처리될 수 있다. 다음, TE 광학 모드에서 전계는 다음과 같이 설명된다(H.C. Casey, Jr. and M.B. Panish, Heterostructure Lasers, Part A, Academic Press, New York, 1978, pp.34-57).
Ey=C1cos(kxx)exp[-k┃z┃], z<0 이면 ; (2a)
Ey=cos(kxx)[Acos(kzz) +Bsin(kzz)], 0<z<D 이면; (2b)
Ey=C2cos(kxx)exp[-k(z-D)], z>D 이면 ; (2c)
파수 벡터(kx, kz)의 성분은 액티브 영역에서의 분산관계에 의해 결정된다:
(3)
그리고 감쇠 계수(k)는 반사기에서의 분산관계에 의해 결정된다 :
(4)
여기서, λ는 진공내에서 방출된 광의 파장이다. 허용된 파수 벡터(kx)는 z=0 및 z=D의 경계 조건이 주어지는 경우 표준 절차에 의해서 구해진다.
케비티에서 상이한 타입의 광학 모드를 분석하기 위해서는, 도 2에 도시된 것처럼 파장(λ)과 각도(θ)에 의해 이들을 특징화시키는 것이 바람직하다. kx= 2πn1sinθ/λ이다. 액티브 영역과 이웃하는 층들(302, 310) 사이의 경계에서 전반사 조건은,
sinθ> n2/n1(5)인 경우 만족된다.
파장 λ= 0.98㎛에 대해, 본 발명자는 (GaAs의) 굴절률 n1=3.52 및 (AlAs의)굴절률 n2=2.95를 사용하여, θ>57˚를 얻었다. 광학 모드가 식(5)를 만족시키는 경우, 도 3의 구조는 반사기로부터 높은 반사율 및 케비티에서 광학 모드의 제한을 허용한다.
보다 작은 경사 각도에 대해
sinθ< n2/n1(6),
광은 굴절률(n2)을 갖는 층으로 전파된다. 다층 간섭 반사기를 갖는 도 2의 구조는 광학 모드의 제한을 허용한다. 경사진 광학 모드에 대해, 공칭 입사 모드에 비해 반사기내에 소수의 층이 요구된다.
반사기를 통해 방출되는 공진 광학 모드는 경사각도(θ)가 "반도체-진공" 경계에서 전반사 각도를 초과하는 경우, 진공으로부터 방출되지 않는다, 즉,
1/n1< sinθ (7).
GaAs에 대해 θ> 17˚이다. 보다 작은 입사각에 대해, 종래의 VCSEL에 비해서는 장점이 거의 없다. 따라서, 경사진 광학 모드에 대해 수직 방샹으로의 광 출력을 제공하는 방법이 요구된다.
케비티가 하나의 측면으로부터 다층 간섭 반사기에 의해 둘러싸이고, 또다른 측면으로부터 단일층 반사기에 의해 둘러싸이는 본 발명의 또다른 실시예가 가능하다. 다층 간섭 반사기는 교번식으로 굴절률(n1)과 굴절률(n2)을 갖는 시퀀스 층을 포함하며, 경사진 광학 모드의 입사각도(θ)은, sinθ< n2/n1로 선택되어, 다층 반사기를 포함하는 층들 사이의 경계에서는 전반사가 발생하지 않는다. 단일층 반사기는 sinθ> n3/n1인 굴절률(n3)을 갖는 층이며, 굴절률(n1)을 갖는 케비티와 굴절률(n3)을 갖는 반사기 사이의 경계에서 전반사가 발생한다. 제한되지 않고, 가능한 실시예로는 케비티가 GaAS층이고, 다층 반사기가 GaAs 및 Ga1-x2Alx2As의 시퀀스 층이고, 단일층 반사는 Ga1-x3Alx3As이고 x3>x2인 구조를 포함한다. 이러한 장치에서, 하부 반사기는 다층 간섭 반사기 일 수 있고, 상부 반사기는 단일층 반사기일 수 있다. 선택적으로, 하부 반사기는 단일층 반사기일 수 있고, 상부 반사기는 다층 반사기일 수 있다.
도 4는 광학 개구부(414)가 상부 반사기(410)의 몇개 층을 선택적으로 부분 제거함으로써 형성되는, 본 발명의 실시예를 도시한다. 액티브 영역을 형성하기 위해, 전류 개구부(103)는 액티브 영역(107)을 둘러싸는 저농도로 도핑된 또는 도핑되지 않은 제한층(106)으로부터, 제 1 금속 콘택(105)을 갖는 n-도핑 전류 확장층(104)을 분리한다. 제 2 전류 개구부(103)는 제 2 금속 콘택(109)을 갖는 p-도핑 전류 확장층(108)으로부터 저농도로 도핑된 또는 도핑되지 않은 제한층(106)을 분리한다. 액티브 소자는 순방향 바이어스(111)하에서 동작한다. 액티브 영역(107)은 광을 발생시킨다. 제한층(106)은 액티브 영역(107)에 트랩된 캐리어에 대한 전자 제한을 제공하는 역할을 한다.
기판(101)은 임의의 Ⅲ-Ⅴ 반도체 물질 또는 Ⅲ-Ⅴ 반도체 합금, 예를 들어 GaAs, InP, GaSb로 형성될 수 있다. 통상적으로 GaAs 또는 InP는 통상적으로 레이저 방사의 원하는 방출 파장에 따라 사용된다. 바람직하게 n-도핑층(104)은 기판(101)에 대해 격자-정합된 또는 거의 격자-정합된 물질로 형성되어, 발생된 광을 투과시키며, 도너 불순물로 도핑된다. n-도핑층(104)은 기판(101)과 동일한 물질, 예를 들어, GaAs이다. 가능한 도너 불순물은, 제한되지는 않고, S, Se, Te 및 Si, Ge, Sn과 같은 양쪽성 불순물을 포함하며, 후자의 경우 주로 양이온 서브격자 속에 통합되며 도너 불순물 역할을 하는 기술적 조건하에서 주입된다.
p-도핑층(108)은 바람직하게 기판(101)에 대해 격자-정합된 또는 거의 격자-정합된 물질로 형성되어, 발생된 광을 투과시키며 억셉터 불순물에 의해 도핑된다. 바람직하게 p-도핑층(108)은 기판(101)과 동일한 물질, 예를 들어 GaAs이다. 가능한 억셉터 불순물로는 제한되지 않고, Be, Mg, Zn, Cd, Pb, Mn 및 Si, Ge, Sn과 같은 양쪽성 불순물을 포함하며, 후자의 경우는 주로 음이온 서브격자 속으로 통합되며 억셉터 불순물로서 기능하는 기술적 조건하에서 주입된다.
금속 콘택(105, 109)은 바람직하게 다층 금속 구조로 형성된다. 금속 콘택(105)은 제한되지 않고, 바람직하게는 Ni-Au-Ge 구조를 포함하는 구조로 형성된다. 바람직하게 금속 콘택(109)은 제한되지 않고, Ti-Pt-Au 구조를 포함하는 구조로 형성된다.
제한층(106)은 바람직하게 기판(101)에 대해 격자-정합된 또는 거의 격자-정합된 물질로 형성되어, 방출된 광을 투과시키며, 도핑되지 않거나 또는 저농도로 도핑된다. 바람직하게 제한층(106)은 기판(101)과 동일한 물질로 형성된다.
액티브 영역(107)은 바람직하게 임의의 삽입에 의해 형성되며, 에너지 밴드갭은 기판(101) 보다 폭이 좁다. 가능한 액티브 영역(107)은 제한되지 않으며, 양자 우물, 양자선, 양자점, 또는 임의의 이들의 조합의 다층 또는 단일층 시스템을 포함한다. GaAs-기판상의장치의 경우, 예를 들어 액티브 영역(107)은 제한되지 않고, InAs, In1-xGaxAs, InxGa1-x-yAlyAs, InxGa1-xAs1-yNy또는 유사한 물질의 삽입 시스템을 포함한다.
각각의 층은 전류 차단일층으로서의 역할을 하는 전류 개구부(103)에 의해 이웃하는 층들과 분리되며, 제한되지 않고 Al(Ga)O층 또는 양자 충격층을 포함하는 물질로 형성될 수 있다.
경사진 케비티(420)는 층(103, 104, 105, 106, 107, 108)을 포함한다. 경사진 케비티(420)는 수직 방향으로 하부 반사기(202) 및 상부 반사기(410)에 의해 형성된다. 경사진 케비티(402)는 측방 평면의 전류 개구부(103)에 의해 형성된다. 공진 광학 모드(413)는 상부 반사기(410)를 통해 광을 방출한다. 광학 개구부(414)를 사용하지 않고, 진공을 이용한 경계로부터의 전반사로 인해, 광은 상기 구조로부터 방출되지 않는다. 광학 개구부(414)는 광의 회절을 야기시켜, 회절된 광 성분 일부가 방출된다(412). 특정한 구조의 실시예는 예를 들어, R.D.Meade 등에 의해 개시된 방법(Accurate theoretical analysis of photonic band-gap materials(Phys.Rev. B 48:11, 1993, pp.8434-8437))을 사용함으로써 비동질 매체에서 광 전파의 3차원 문제를 해결함으로써 추정된다. 특히, 전형적인 실시예는, 제한되지 않고, 액티브 영역(107)이 경사진 광학 모드(413) 세기의 최대치에 위치되는 구조를 포함한다.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예로, 광학 개구부(514)가 상부 다층 반사기(210)의 상부에 도입되는 것을 나타낸다. 케비티(520)는 층(103, 104, 105, 106, 107, 108)을 포함한다. 공진 광학 모드(513)의 광은 상부 반사기(210)로부터 방출된다. 소정 회절된 광 성분의 일부는 수직방향으로 광출력(512)을 제공한다.
주어진 임의의 실시예에서 선택된 공진 광학 모드를 계산하기 위해, 경사진 광학 모드(213)의 방사 손실을 고찰할 수 있다.
rad= bottom+ top+ side(8)
여기서, 도 2의 구조의 하부, 상부 및 측면을 통한 손실은 같다 :
하부 및 상부 브래그 미러(rbottom, rtop)로부터의 반사율 크기는 M.Born 및 E.Wolf의Principles of Optics(6th edition, Pergamon Press, (1980)pp.1-70)에 개시된 방법을 사용함으로써 계산될 수 있다.
측표면으로부터의 반사율 크기는 두꺼운 케비티의 경우에 쉽게 기록될 수 있으며, 여기서 광학 모드는 평면파에 의해 주어진 kz와 가까워질 수 있다. 다음,
여기서, k0=2π/λ는 진공에서 광의 파수 벡터이다. 식(10)은 H.C.Casey, Jr. 및 M.B. Panish의Heterostructure Lasers, Part A(Academic Press, New York, 1978,pp.71-79) 북에 개시된 방법을 적용함으로써 z-방향에 있는 광학 모드의 실제 프로파일로 연장될 수 있다. 상기 방법은 근사치에 기초한 것으로, 반도체 층들 사이의 굴절률 차는 반도체와 진공 사이의 차보다 작다, 즉,
┃n1-n2┃≪ n1-1 (11)
다음 반사율 크기에 대한 식(10)이 다음과 같이 일반화될 수 있다.
여기서,는, 평균치이며
그리고,는 광학 모드에서 전계 세기의 퓨리에 변환이다.
도 6은 방사 손실이 계산된, 케비티의 특정예를 도시한다. 하부 및 상부 브래그 반사기(202, 210)는 GaAs(굴절률 n1=3.52) 및 Ga0.75Al0.25As(굴절률 n2=3.38)의 교번층을 포함한다. 다층 반사기(202, 210)는 0.25λ/1.75λ의 3-층 구조로서 구성된다. 액티브 영역의 두께 D=964nm, 반사기내의 GaAs-층의 두께 H1=241nm이고, Ga0.75Al0.25As층의 두께 H2=2691nm이다. 케비티의 측방 치수 L=50㎛이다.
도 7은 각도(θ)에 따라 주어진 케비티에 대해 식(8),(9) 및 (12)에 의해 계산된 경사진 광학모드의 방사 손실을 나타낸다. 작은 각도 및 중간 경사 각도에서,손실은 주로 하부 및 상부 다층 반사기를 지나는 광 투과로 인한 것이다. 큰 경사 각도에서, 손실은 주로 케비티의 측표면을 지나는 광 투과로 인한 것이다. 도 7은 각도(72°)에서 방사 손실의 날카로운(sharp) 최소치를 나타낸다. 상기 최소치는 주어진 레이저 구조에 의해 형성되는 광학 모드의 효율적 선택을 제공한다.
도 8은 파장에 따른 rad의 최소치에 근접한 방사 손실을 나타낸다. 바(bar)는 케비티의 상이한 측방 모드에 대응한다. 도면은 스펙트럼 범위를 나타내며, 여기서,
이다.
14nm의 다소 좁은 스펙트럼 범위는 방출된 광 파장의 효율적 안정화의 가능성을 나타낸다.
도 9는 케비티가 액티브 영역(907)에 위치되는 층(906) 및 층(916)의 두개층을 포함하는 레이저(900)를 나타낸다. 이들 층은 각각 상이한 굴절률(n1, n2)을 갖는다. 예를 들어, 하나의 층(906)은 높은 굴절률을 갖는 반면 층(916)은 중간 굴절률을 갖는다. 선택적으로, 층(906)은 낮은 굴절률을 갖는 반면, 층(916)은 중간 굴절률을 갖는다. 액티브 영역(907)이 도면에서 층(906)내에 제공되지만, 층(906) 또는 층(916)중 하나에 위치될 수 있다. 이러한 예에서, 하부 반사기(202)의 최상부층과 상부 반사기(210)의 최하부층은 바람직하게 높은 굴절률을 갖는다.
경사진 광학 모드의 경로는 층(906) 내의 경로(913) 및 층(916) 내의 경로(915)를 포함하며, 광의 반사 및 투과는 두개 층 사이의 경계에서 이루어진다. 경사진 광학 모드는 두개층(906, 916)과 공진된다. 각각의 층(906, 916)은 바람직하게 기판에 대해 격자-정합된 또는 거의 격자-정합된 물질로 형성되어, 방출된 광을 투과시키며, 도핑되거나 또는 저농도로 도핑된다.
도 10은 케비티가 각각 상이한 굴절률(n1, n2)을 갖는 두개 층을 포함하는 레이저(1000)를 나타낸다. 경사진 광학 모드의 경로는 층(1006) 내의 경로(1013), 및 층(1016) 내의 경로(1015)를 포함한다. 액티브 영역(1007)은 층들(1006, 1016) 사이의 경계에 위치된다. 경사진 광학 모드는 두개층들(1006, 1016)과 공진된다.
도 10의 케비티의 방사 손실을 계산하기 위해, 본 발명자는 M.Born 및 E.Wolf의,Principles of Optics(6th edition, Pergamon Press, (1980)pp. 1-70)에개시된 방법을 사용하였으며,
를 얻었다. 여기서 r1및 r2는 각각 상부 및 하부 미러로부터의 반사율 크기이다. 손실(16)의 최소치는 ,
인 경우 발생된다. 여기서, m1및 m2는 정수이다. 식(17a)의 조건은 층(1006)의 굴절률이 하부 다층 반사기의 최상부층 보다 크고, 층(1016)의 굴절률이 상부 다층 반사기의 최하부층 보다 큰 경우 만족될 수 있다. 층(1006)의 굴절률을 n1이고, 층(1016)의 굴절률을 n2로 가정하고, 다층 반사기는 굴절률(n1, n3)을 갖는 층의 교번 시퀀스를 포함한다. n1>n3이고 n2>n3인 경우 식(17a)이 만족될 수 있다. 식(17b)의 조건은 층(1006)의 굴절률이 하부 다층 반사기의 최상부층보다 낮고, 층(1016)의 굴절률이 상부 다층 반사기의 최하부층보다 낮다면, 즉, n1<n3이고 n2<n3인 경우 만족될 수 있다. 굴절률의 이들 각각의 조합은 적절한 조성의 반도체 합금을 사용함으로써 구현될 수 있다. 예를 들어, GaAs-기재 장치에 대해, 파장(λ=980nm)에서 Ga1-xAlxAs의 격자-정합된 합금은 굴절률 n(x)3.52-0.57x을 갖는다. 따라서, 합금 조성 x를 조절함으로써, 굴절률의 요구 프로파일이 달성될 수 있다.
2개 층에서 파수 벡터의 z-성분은 이하의 관계식을 따른다.
여기서, kx는 주어진 광학 모드에 대해 두개 층에 있는 것과 동일한 파수 벡터의 x-성분이다. 이러한 성분은 상이한 측방 모드에 대해 상이하다. 식(17a) 또는 식(17b)의 공진 조건은 미정의 파수(λ) 및 파수 벡터 성분(kx)에 대한 2개 식을 산출한다. 따라서, 광학 모드는 독특하게 형성된다.
본 발명의 또다른 실시예는 상이한 굴절률을 갖는 3개 이상의 층을 포함하는 마이크로케비티를 포함하며, 액티브층은 두개의 상이한 층 사이의 경계 또는 층들중 하나의 층내에 모두 위치될 수 있다.
도 11은 식(16)에 따라, 경사진 모드에 대해 하부 및 상부 다층 반사기를 지나는 방사 손실의 모델 계산의 결과를 나타낸다. 본 예에서, 0.5λ-0.5λ케비티는 굴절률(n1=3.52)을 갖는 GaAs층 및 굴절률(n2=3.38)을 갖는 Ga0.75Al0.25As층을 포함한다. 선택된 경사 모드는 각도(θ72°)를 갖고, 두개의 반도체의 경계상에서 전반사의 각도(7.37°)와 가깝다. 층 두께 D1=451nm이고, D2=1051nm이다. 하부 및상부 다층 반사기의 반사율 크기는 0.995이다. 상기 구조는 파장( λ=0.98㎛)을 갖는 광학 모드에 대해 공진한다. 도 11은 Δλ=1.4nm 폭을 갖는 방사 손실에서 예를 들어 날카로운 공진을 나타낸다.
도 12는 도 10의 케비티의 경사진 광학 모드의 방사 손실을 나타내며, 여기서 상기 모드는 층(1006)과 정확하게 공진된다, 즉, kz (1)D1=π이고, 상이한 파장은 케비티의 상이한 측방 모드에 대응한다. 케비티의 측방 치수는 300㎛이다. 상기 케비티는 에지-발광 레이저에 대해 통상적이다. 도 12의 결과는 방사 손실의 최소치에 가까운 단일 측방 모드를 나타낸다. 이는 단지 단일 측방 모드를 발생시키는 레이저를 구성하는 것을 가능케한다.
도 13은 도 3의 케비티에 대한 경사진 광학 모드의 방사 손실을 나타내며, 광학 모드의 경사 각도는 케비티(320) 및 하부 반사기(302) 사이의 경계 뿐만 아니라 케비티(320)와 상부 반사기(310) 사이의 경계에서 전반사의 각도를 초과한다. 계산은 Ga0.7Al0.3As(굴절률 n=3.35)의 클래딩층들로 둘러싸인 GaAs 케비티(굴절률 n=3.52)에 대해 수행된다. 이 예에서, 케비티의 두께는 245nm이고, 각각의 클래딩층의 두께는 1400nm이고, 케비티의 길이 L=50㎛이다. 작은 각도 및 중간 경사 각도에서, 손실은 주로 하부 반사기(302)와 상부 반사기(310)를 지나는 광 투과에 의한 것이다. 큰 경사 각도에서, 손실은 주로 케비티의 측표면을 지나는 광 투과에 의한 것이다. 도 13은 각도(72°)에서 방사 손실의 날카로운 최소치를 나타낸다. 이러한 최소치는 광학 모드의 효율적 선택을 제공하며, 이는 주어진 레이저구조에 의해 발생된다.
도 14는 파장에 따라 rad의 최소치에 가까운 방사 손실을 나타낸다. 바는 케비티의 상이한 측방 모드에 대응된다.17nm 폭의 스펙트럼 범위는 광학 모드에 대응되며, 손실은 최소 손실의 두배를 초과하지 않는다. 케비티의 모든 고려된 설계에 대해, 경사진 광학 모드로부터의 광 출력은 상부(및 하부) 반사기를 지나서, 뿐만 아니라 측표면을 지나서 제공된다.
도 15는 흡수 소자(1517)가 상부 다층 반사기(210) 상부에 위치되고, 흡수 영역(1518)이 흡수 소자(1517)내에 위치되는, 본 발명의 또다른 실시예를 나타낸다. 따라서, 다층 반사기(210)는 손실이 최소인 파장의 선택을 제공한다. 상부 반사기(210)를 지나 투과된 광은 흡수 영역(1518)에 의해 흡수된다. 흡수 영역(1518)은 측방향의 광출력을 제공하기 위해 반사기(210)를 지나 투과된 광을 흡수한다. 광(1519)은 케비티의 측표면을 지나 레이저로부터 방출되어 레이저가 파장-안정화 에지-발광 레이저로서 동작한다.
본 실시예의 변형에서, 흡수 소자(1517)는 기판(101)과 하부 반사기(202) 사이에 샌드위치되고, 흡수층(1518)은 하부 반사기(202)를 지나 투과된 광을 흡수한다. 또다른 변형에서, 하부 반사기(202) 또는 상부 반사기(210)를 지나 투과된 광은 콘택층에 의해 흡수된다.
경사진 광학 모드(1513)의 측방향으로의 피드백은 일반적으로 굴절률에서 임의의 단계(step) 또는 단계들에 의해 제공될 수 있다. 예를 들어, 이는 케비티의표면, 케비티와 유전 코팅 사이의 인터페이스, 에칭된 반사기, 또는 상부 반사기의 상부에서 제조되는 회절격자일 수 있다.
도 16은 상부 다층 반사기(1610)가 선택적으로 에칭되어(1621) 경사진 광학 모드(1613)에 대해 측방향으로 추가의 피드백을 촉진시키는, 본 발명의 또다른 실시예를 나타낸다. 광(1619)은 케비티(420)의 측표면을 통해 레이저로부터 방출되어, 파장-안정화 에지-발광 레이저로서 동작한다. 본 실시예는 이하의 방법에서 도 4의 실시예와 상이하다. 선택적 에칭(1621)은 상부 다층 반사기(1610) 두께의 주기적 변조를 형성하여 방출된 광의 파장에서 선택성을 강화시키고 측방향에서의 추가적 피드백을 촉진시킨다. 이와 반대로, 도 4 실시예의 상부 개구부(414)는 수직 방향으로 광 출력을 조장하도록 설계된다. 수직 방향으로의 출력은 단일 개구부에 의해 구현될 수 있으며, 상부 반사기의 주기적 에칭은 필요없다.
도 17은 회절격자(1722)가 상부 다층 반사기(1710)의 상부에서 제조되는, 본 발명의 또다른 실시예를 나타낸다. 회절격자(1722)는 경사진 광학 모드(1713)에 대해 측방향으로 추가적 피드백을 촉진시킨다. 광(1719)은 케비티(420)의 측표면을 통해 레이저로부터 방출된다.
도 18은 본 발명의 또다른 실시예를 포함하며, 케비티(1820)는 액티브 소자 외에, 위상 제어 소자를 포함한다. 위상 제어 소자는 도핑되지 않거나 또는 저농도로 도핑된 층들에 의해 양쪽 측면상에 둘러싸인 변조기로, n- 및 p- 콘택층으로 둘러싸인다. 전계는 변조기의 굴절률을 조절하는데 사용된다. 변조기의 굴절률 변화는 공진 광학 모드(1813)의 파장을 변화시킨다. 따라서, 파장-조절가능한 경사진 케비티 반도체 레이저가 구현된다.
위상 제어 신호를 형성하기 위해, 변조기(1827)를 둘러싸는 두개의 저농도 도핑층(1826)은 제 3 전류 개구부(103)에 의해 p-도핑 전류 확장층(108)으로부터 분리된다. 제 4 전류 개구부(103)는 제 3 금속 콘택(1829)을 이용하여 제 2 n-도핑 전류 확장층(1828)으로부터 저농도 도핑층(1826)을 분리한다. 위상 제어 소자는 역방향 바이어스(1831) 하에서 동작한다.
저농도 도핑층(1826)과 n-도핑층(1828)의 물질은 기판에 대해 바람직하게 격자-정합된 또는 거의 격자-정합되어 방출된 광을 투과시킨다. 바람직하게 저농도 도핑층은 층(106)과 동일한 물질로 성장되며, n-도핑층(1828)은 바람직하게 n-도핑층(104)과 동일한 물질로 성장한다. 바람직하게 금속 콘택(1829)은 금속 콘택(105)과 동일한 구조로 형성된다.
변조기(1827)는 임의의 삽입에 의해 형성되며, 에너지 밴드갭은 기판(101) 보다 폭이 좁다. 가능한 물질 및 구조는 액티브 영역에 대해 동일하지만, 특정 설계는 변조기가 레이저 방사 파장으로부터 높은-에너지 측면 상의(짧은 파장 측면상의) 강한 흡수 피크를 나타내도록 해야 한다.
위상 제어 소자에 역방향 바이어스(1831)를 인가함으로써, 흡수 피크의 스펙트럼 위치는 스타르크 효과로 인해 이동된다. 이는 흡수 피크에 부근의 스펙트럼에서 변조기의 굴절률의 변화에 대응한다. 이러한 변화는 공진 광학 모드(1813)에 영향을 미치며 방출된 광의 파장 이동을 야기시킨다.
도 18의 경사진 케비티 레이저의 전형적 실시예는 제한되지 않으며, 액티브영역(107) 및 변조기(1827)가 경사진 케비티 모드(1827)의 세기의 국부적 최대치에 위치되는 구조를 포함한다. 특히, 바람직한 위치는 변조기(1827)의 흡수율 및 굴절률의 공진 편차를 고려함으로써, 즉, (M.Born 및 E. Wolf의Principles of Optics(6th edition, Pergamon Press, (1980)pp.1-70)에 개시된) 다층 구조에서의 광 전파를 위한 맥스웰 방정식을 정확히 계산함으로써 계산된다.
파장-조절가능 경사진 케비티 레이저의 또다른 실시예는 도 19에 도시된다. 상부 다층 반사기의 층을 선택적으로 일부 제거함으로써 형성된 광학 개구부(414)가 레이저에 부가된다. 광학 개구부(414)는 경사진 공진 광학 모드(1913)로부터 수직 방향으로 나오는(1912) 광을 제공한다.
파장-조절가능 경사진 케비티 레이저의 또다른 실시예는 도 20에 도시된다. 흡수 영역(1518)을 포함하는 흡수 소자(1517)는 상부 반사기(210)의 상부에 위치된다. 흡수층(1518)은 반사기를 통해 투과되는 광을 흡수하여 측방향으로 광출력을 제공한다.
파장-조절가능 경사진 케비티 레이저의 또다른 실시예는 도 21에 도시된다. 본 실시예는 변조기를 갖춘 액티브 소자 및 위상 제어 소자를 포함한다. 순방향 바이어스가 위상 제어 소자에 인가된다. 순방향 바이어스(2132)는 위상 제어 영역에서 캐리어의 주입, 금속 콘택(2129)으로부터 n-도핑층(2128)을 지나 저농도 도핑층(2126) 및 변조기(2127)로의 전자 주입, 금속 콘택(109)로부터 p-도핑층(108)을 지나 저농도 도핑층(2126) 및 변조기(2127)로의 정공 주입을 야기시킨다. 변조기(2127)의 굴절률 변화는 공진 광학 모드(2113)의 파장을 변화시킨다. 변조기(2127)에서 캐리어의 재조합은 배니싱(vanishing)에 이르는 여기 흡수 피크를 감소시키기 위한 브레칭(bleaching) 및 시스템에서 제 2 게인(gain) 영역을 형성한다.
저농도 도핑층(2126) 물질은 기판(101)에 대해 바람직하게 격자-정합된 또는 거의 격자-정합되어 방출된 광을 투과시킨다. 바람직하게 저농도 도핑층(2126)은 층(106)과 동일한 물질이다. n-도핑층(2128) 물질은 기판(101)에 대해 바람직하게 격자-정합된 또는 거의 격자-정합되어 방출된 광을 투과시킨다. n-도핑층은 바람직하게 n-도핑층(104)에 대해 동일한 물질이며 동일한 도너 불순물을 갖는다. 금속 콘택(2129)은 바람직하게 금속 콘택(105)과 동일한 구조를 갖는다.
변조기(2127)는 임의의 삽입에 의해 형성되며, 에너지 밴드갭은 기판(101) 보다 폭이 좁다. 가능한 물질 및 구조는 액티브 영역에 대해 동일하나, 특정 설계는 변조기가 레이저 방사의 파장으로부터 높은-에너지 측면상의(짧은 파장 측면상의) 강한 흡수 피크를 나타내도록 이루어져야 한다.
본 실시예의 변형에 있어, 상부 반사기의 상부상에 위치되고 수직 방향으로 광출력을 제공하는 광학 개구부가 포함된다. 또다른 변형은 측방향으로 광 출력을 제공하기 위해 상부 반사기의 상부에 위치된 흡수층을 갖는 흡수 소자를 포함한다.
케비티 내의 굴절률 프로파일이 수직 방향으로는 불균일한 것을 포함하는 파장-조절가능 경사진 케비티 레이저의 또다른 실시예는, 상이한 굴절률을 갖는 층을 포함하여 도 9 및 도 10의 실시예와 유사하게 방출된 파장의 높은 선택성을 제공한다. 일 실시예에서, 액티브 소자의 층들은 하나의 굴절률을 가지며, 위상 제어 소자의 층들은 상이한 굴절률을 갖는다. 또다른 실시예에서, 액티브 소자, 위상 제어 소자중 하나 또는 둘다는 상이한 굴절률을 갖는 하나 이상의 층을 포함한다.
파장-조절가능한 경사진 케비티 층의 또다른 실시예는 하부 반사기와 액티브 소자 사이에 샌드위치된 케비티내에 위상 제어 소자가 위치되는 것을 포함한다. 파장-조절가능한 경사진 케비티 레이저의 또다른 실시예는 위상 제어 소자가 하부 및 상부 반사기내에 위치되는 것을 포함한다.
도 22에 또다른 실시예가 도시되며, 마이크로케비티(2220)는 액티브 소자 및 전력 변조 소자를 포함한다. 전력 변조 소자는 도핑되지 않거나 또는 저농도 도핑층들에 의해 양쪽 측면으로부터 둘러싸인 흡수재이며, 이는 n- 및 p- 콘택층에 의해 둘러싸인다. 흡수층은 적절한 피크 흡수를 갖는 좁은 흡수 스펙트럼을 나타내는 층으로, 굴절률의 영향력은 무시할 정도로 작다. 흡수 피크의 스펙트럼 위치를 조절하여 방출된 광의 스펙트럼 라인에 가깝게 또는 멀리 이동시키기 위해 전계가 이용된다. 따라서, 공진 광학 모드의 내부 광학 손실이 변조되어, 출력 전력의 변조가 야기된다.
전력 변조 소자를 형성하기 위해, 변조기(2227)를 둘러싸는 2개의 저농도 도핑층(2226)은 제 3 전류 개구부(103)에 의해 p-도핑 전류 확장층(108)로부터 분리된다. 제 4 전류 개구부는 제 3 금속 콘택(2229)을 사용하여, 제 2 n-도핑 전류 확장층(2228)으로부터 저농도 도핑층(1116)을 분리시킨다. 전력 변조 조사는 역방향 바이어스(2231) 하에서 동작한다.
저농도 도핑층(2226)과 n-도핑층(2228)은 바람직하게 기판에 대해 격자-정합된 또는 거의 격자-정합되어 방출된 광을 투과시킨다. 저농도 도핑층은 바람직하게 층(106)과 동일한 물질로 성장되며, n-도핑층(2228)은 바람직하게 n-도핑층(104)과 동일한 물질로 성장된다. 바람직하게 금속 콘택(2229)은 금속 콘택(105)과 동일한 구조로 형성된다.
변조기(2227)는 임의의 삽입에 의해 형성되며, 에너지 밴드갭은 기판보다 폭이좁다. 가능한 물질 및 구조는 액티브 소자와 동일하나, 특정 설계는 변조기가 레이저 방사의 파장으로부터 높은-에너지 측면상의(짧은 파장 측면 상의) 적절한 또는 약한 흡수 피크를 나타내도록 이루어져야 한다.
전력 변조 소자에 역방향 바이어스(2231)를 인가함으로써, 흡수 피크의 스펙트럼 위치는 스타르크 효과로 인해 이동된다. 흡수 피크는 다소 약하기 때문에, 굴절률의 편차 및 방출된 광의 파장에 대한 효과는 무시된다. 방출된 광의 스펙트럼 위치와 가깝게 또는 멀리 흡수 피크의 이동은 각각 공진 광학 모드(2213) 내부 손실을 증가 또는 감소시킨다. 따라서, 광출력이 변조되고 전력-조절가능한 경사 케비티 레이저가 구현된다.
본 실시예의 변형은 상부 반사기의 상부에 광학 개구부를 포함하며, 수직 방향으로 광출력을 제공한다. 또다른 변형은 측방향 광출력을 제공하기 위해 상부 반사기의 상부에 위치된 흡수층을 갖는 제 2 흡수 소자를 포함한다.
전력-제어가능한 경사진 케비티 레이저의 또다른 실시예에서, 전력 변조 소자는 순방향 바이어스 하에서 동작한다. 이는 브렌칭을 야기시켜 여기 흡수 피크를 감소시키고 레이저의 출력 전력을 증가시킨다. 또다른 실시예에서, 전력 변조 소자는 상부 또는 하부 다층 반사기내에 위치된다.
도 23은 경사진 케비티 레이저의 또다른 실시예를 도시한다. 도 18의 실시예와의 차이점은 케비티(2320)가 활성 소자 및 위상 제어 소자와 함께, 위상 제어 소자와 상부 반사기 사이에 샌드위치된 전력 변조 소자를 포함한다는 것이다. 본 실시예에서, 전력 변조 소자는 순방향 바이어스(2331) 하에서 동작한다. 본 실시예는 방출광의 파장 및 출력 전력 모두 독립적인 변조를 구현한다.
전력 변조 소자는 저농도 도핑층(2226), 변조기(2227), 및 p-도핑 전류 확장층(2328)을 포함한다. p-도핑 전류 확장층(2328)은 바람직하게 기판에 대해 격자-정합된 또는 거의 격자-정합된 물질로 형성되어 방출된 광을 투과시킨다. 층(2328)은 바람직하게 p-도핑층(108)과 동일한 물질로 형성된다. 금속 콘택(2329)은 바람직하게 금속 콘택(109)과 동일한 구조로 형성된다.
위상 제어 소자에 바이어스(1831)를 인가하고, 전력 변조 소자에 바이어스(2331)를 인가함으로써, 방출된 광의 파장 및 출력 전력의 독립적 조절이 가능하다.
도 24는 경사진 케비티 레이저의 또다른 실시예를 도시한다. 케비티(2420)는 n-도핑 전류 확장층(104), 액티브 영역(107)을 포함하는 저농도로 도핑된 또는 도핑되지 않은 제한층(106), p-도핑 전류 확장층(108), 저농도로 도핑된 또는 도핑되지 않은층(2432, 2434), 및 변조기(2433)를 포함한다. 경사진 광학 모드(2413)에서 광은 액티브 영역(107)과 변조층(2433) 모두를 통과한다. 도 18-23의 실시예와는 달리, 변조기 상에 바이어스 인가는 필요없다. 도 25는 도 24의 실시예에 도시된 레이저의 동작 원리를 나타낸다. 변조기(2433)는 방출된 광(2535)보다 큰 광자 에너지에서 광(2536)의 공진 흡수를 나타내는 층이다(도 25(a)). 흡수 피크는 흡수 피크의 근처에서 굴절률의 강한 분산을 야기시킨다(도 25(b)). 전형적으로 레이저 동작은 레이저 구조의 온도 증가를 야기시키며 모든 반도체 층들의 굴절률의 상응하는 변화를 야기시킨다. 주요 원인은 온도를 갖는 에너지 밴드갭의 감소에 있다. 대응적으로, 변조기의 흡수 피크 위치는 낮은 광자 에너지(2537)를 향해 T2>T1에서 이동된다(도 25(c)). 레이저는 방출된 광(2535)의 스펙트럼 위치가 스펙트럼 영역에 놓이도록 설계되며, 변조기의 굴절률은 광자 에너지에 따라 감소된다. 방출된 광의 에너지에서 변조기(2433)의 굴절률은 온도 증가에 따라 감소된다(도 25(d)). 케비티(2420)를 포함하는 다른 모든 층들은 방출된 광과 공진으로부터 멀어지며, 이들의 굴절률은 온도 증가에 따라 증가한다. 따라서, 얇은 변조층(2433)의 굴절률의 공진 감소는 케비티(2420)의 다른 모든 층들의 굴절률의 비-공진 증가를 보상한다. 이는 방출된 광의 파장의 온도 안정성을 증가시킨다.
층(2432, 2434)은 바람직하게 기판에 대해 격자-정합된 물질로 형성되어, 방출된 광을 투과시킨다. 특정 실시예는 제한되지 않으나, 기판(101)과 동일한 물질로 형성된 층을 포함한다. 변조기층(2433)은 바람직하게, 삽입, 기판(101) 보다 좁은 에너지 밴드갭에 의해 형성된다. 가능한 변조기는, 제한되지 않고, 양자 우물, 양자선, 양자점 또는 이들의 임의의 조합의 단일층 또는 다층 시스템을 포함한다. GaAs-기판상의 장치에서, 변조기(2433)의 예로는, 제한되지 않고, InAs, In1-xGaxAs, InxGa1-x-yAlyAs, InxGa1-xAs1-yNy또는 유사한 물질을 포함한다.
본 발명의 또다른 실시예가 도 26에 도시된다. 경사진 케비티 장치의 개념은 광검출기에 사용된다. 도 4에 도시된 경사진 케비티 레이저와 달리, 도 26의 광검출기는 역방향 바이어스(2611) 하에서 동작한다. 외부 광(2638)은 개구부(2614)에서 회절된다. 하부(202) 및 상부(2610) 다층 공진 반사기는 케비티(2620)의 경사진 광학 모드(2613)를 형성한다. 이러한 설계는 광검출기를 부여하며 이는 경사진 광학 모드(2613)와 공진되는 외부광을 선택적으로 흡수한다. 흡수 영역(2607)에 의한 광 흡수는 마이크로전류계(2639)에 의해 측정되는 광전류의 발생을 야기시킨다.
흡수 영역(2607)의 가능한 구현은, 제한되지 않고, 양자 우물, 양자선, 양자점 또는 이들의 임의의 조합의 단일층 또는 다층 시스템을 포함한다. GaAs-기판 상의 장치 경우에, 흡수층(2607)의 예는 제한되지 않고, InAs, In1-xGaxAs, InxGa1-x-yAlyAs, InxGa1-xAs1-yNy또는 유사한 물질의 삽입 시스템을 포함한다.
도 27은 본 발명의 또다른 실시예를 나타내며, 외부광(2740)은 측표면을 통해 방출되어, 케비티(2720)의 경사진 광학 모드(2713)를 여기시키며, 흡수 영역(2607)에 의해 흡수되며, 마이크로전류계(2639)에 의해 측정되는 광전류를 발생시킨다.
도 28은 본 발명의 또다른 실시예를 나타낸다. 이는 경사진 케비티 광학 모드의 개념을 사용한 증폭기이다. 광학 케비티(2820)는 하부 다층 공진 반사기(2802) 및 상부 다층 공진 반사기(2810) 사이에 위치된다. 구조는 n-콘택(2805),n-도핑 기판(2801), n-도핑 하부 다층 공진 반사기(2802), n-도핑층(2804), 액티브 영역(2807)이 위치된 도핑되지 않은 또는 저농도로 도핑된 제한층(2806), p-도핑층(2808), p-도핑 상부 다층 공진 반사기(2810), 및 p-콘택(2809)의 시퀀스를 포함한다. 본 발명의 실시예와는 달리, 기판(2801) 및 하부 반사기(2802)는 n-도핑되며, 상부 반사기(2810)는 p-도핑되며, 콘택(2805, 2809)은 기판(2801) 아래 및 상부 반사기(2810) 위에 각각 위치된다. 순방향 바이어스(2811)가 콘택(2805, 2809)을 통해 액티브 영역(2807)에 인가된다. 케비티(2820), 하부 다층 반사기(2802) 및 상부 반사기(2810)는 경사진 광학 모드(2813)가 구조의 공진 모드가 되도록 설계된다. 상부 콘택(2809)은 공진 광학 모드에서 광의 전파의 측방향에 대해 측방향 평면에서 회전한다. 따라서 장치는 레이저로서 작동하지 않는다. 액티브 영역(2807)에 인가된 순방향 바이어스(2811)에 따라, 장치는 증폭기로서 동작한다. 입력광(2841)은 경사진 케비티 모드(2813)의 공진 속에서 변형되고 광은 증가된 세기를 갖고 방출된다(2842). 경사진 광학 모드(2813) 속으로의 입사광 변형 및 출력광(2842) 속으로 후자의 변형은 광의 파장내에서 높은 선택성을 갖는 증폭기를 산출한다.
기판(2801)은 본 발명의 또다른 실시예의 기판(101)과 동일한 물질로 바람직하게 형성되며 입사광을 투과시키나, 바람직하게 n-도핑된다. 하부 다층 반사기(2802)는 바람직하게 높고 낮은 굴절률의 물질, 입사광을 투과시키고, 기판에 대해 격자-정합된 또는 거의 격자-정합된 물질로 n-도핑된 물질의 교번층으로부터 형성된다. 전형적인 설계는 제한되지 않으며, InP 기판 상의 장치에 대해 교번 조성을갖는 InxGa1-x-yAlyAs의 4원자 합금의 다층 구조 또는 GaAs 기판 상의 장치에 대해 GaAs/Ga1-xAlxAs 다층 반도체 미러를 포함하며, 모든 층들은 n-도핑된다. 층(2804)은 바람직하게 기판에 대해 격자-정합된, 또는 거의 격자-정합된 물질로 형성되어, 입사광을 투과시키고 n-도핑된다.
제한층(2806)은 바람직하게 기판에 대해 격자-정합된 또는 거의 격자-정합된 임의의 물질로 형성되어, 입사광에 투과적이며 도핑되지 않거나 또는 저농도로 도핑된다. 바람직한 실시예에서, 제한층(2806)은 기판(2801)과 동일한 물질로 형성되나, 도핑되지 않거나 또는 저농도로 도핑된다. 층(2808)은 바람직하게 기판에 대해 격자-정합되거나 또는 거의 격자-정합된 물질로 형성되어, 입사광에 투과적이며, p-도핑된다.
상부 다층 반사기(2810)는 바람직하게 높고 낮은 굴절률을 갖고, 입사광에 투과적이고, p-도핑된 물질의 교번 층으로부터 형성된다. 전형적인 설계는 하부 반사기와 동일한 물질로 형성된 층을 포함하나, p-도핑된다.
액티브 영역(2807)은 바람직하게 임의의 삽입에 의해 형성되며, 에너지 밴드갭은 기판(2801)보다 폭이 좁다. 가능한 액티브 영역(2807)은 제한되지 않으며, 양자 우물, 양자선, 양자점, 또는 임의의 이들의 조합과 같은 단일층 또는 다층 시스템을 포함한다. GaAs-기판 상의 장치에서, 액티브 영역(2807)의 예는 제한되지 않고, InAs, In1-xGaxAs, InxGa1-x-yAlyAs, InxGa1-xAs1-yNy또는 유사한 물질의 삽입 시스템을 포함한다.
n-콘택(2805)은 바람직하게 본 발명의 또다른 실시예의 n-콘택과 동일한 물질로 구성된다. p-콘택(2809)은 본 발명의 또다른 실시예의 p-콘택(109)으로서, 바람직하게 동일한 물질로 구성된다.
방출된 광의 파장 및 출력 전력의 독립적 조절을 이용한 경사진 케비티 레이저의 변형이 가능하며, 여기서 위상 제어 소자 및 전력 변조 소자는 역방향 및 순방향 바이어스 하에서 동작한다. 또다른 실시예에서, 광학 개구부는 수직 방향으로 광출력을 제공하기 위해 상부 반사기의 상부에 위치된다. 또다른 실시예는 측방향으로 광출력을 제공하기 위해 상부 반사기의 상부상에 위치된 흡수층을 포함하는 제 2 흡수 소자를 포함한다. 또다른 변형에서, 케비티는 상이한 굴절률을 갖는 하나 이상의 층을 포함한다.
본 발명의 또다른 실시예에서, 레이저 구조의 단지 일부는 경사진 케비티로부터 형성된다. 액티브 영역 및 경사진 케비티가 공간적으로 분포되고 레이저 구조의 상이한 부분 상에 위치되는 또다른 실시예는 본 발명에 의해 구성된다. 본 발명의 또다른 실시예는 다층 코팅을 갖는 광섬유를 포함한다. 다층 코팅은 파장의 소정 간격에서 광만이 전파될 수 있도록 설계되어, 파장-안정화 시스템을 제공한다.
본 발명의 선택적 실시예는 전반사의 물리적 특성에 관한 것이다. 2개의 매체 사이의 경계에서 광의 전반사는 제 1 매체로부터 경계로 들어오는 광이 동일한 제 1 매체로 다시 반사되고 제 2 매체내에서 전파되지 않는 것을 의미한다. 그러나, 이는 광이 사라지는 경우, 제 2 매체에서 먼 필드에만 관련된다. 경계에 가까운 근사한 필드 영역에서, 광은 사라져가는(evanescent) 전자기파 형태로 존재하며, 이는 경계로부터 지수형 감쇠 또는 진동 감쇠를 나타낸다. 상기 필드 영역 근처에서 광은 어떤 매체에 결합될 수 있고 경계로부터 멀리 가이드될 수 있다.
예를 들어, 단일층 또는 다층 코팅에 의해 경사진 케비티의 적어도 하나의 측표면을 커버하는 것이 가능하다. 이러한 커버리지는 경사진 케비티로부터 측면을 지나는 광의 투과를 변조시킨다. 코팅에서 다수층, 이들 두께 및 굴절률을 변화시킴으로써, 측방향의 광출력을 제어할 수 있다.
또다른 방법은 상부 또는 측면(facet) 반사기를 지나는 광출력에 관한 것이다. 상부 반사기의 상부 표면 근처에 또는 상부 표면에 또는 측면에 가깝게 하나 또는 소수의 광섬유를 부착함으로써, 경사진 케비티의 경사진 공진 광학 모드로부터의 광은 광섬유 개구부에서 회절을 거쳐 광섬유를 따라 전파된다.
경사진 케비티 반도체 레이저, 광검출기, 또는 증폭기의 개시된 실시예 각각에 대해, 바람직한 소자의 시퀀스, 각가의 층 두께, 케비티 설계, 반사기 및 변조기는 방출된 파장의 강한 안정화, 최대 출력 전력, 및 필요한 경우, 방출된 광의 파장 및 전력의 최대 조정력(tunability) 사이에 바람직한 상호작용을 제공하는 최적의 결과로서 얻어진다.
본 발명은 예시적인 실시예를 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 범주 및 정신을 이탈하지 않는 한, 다양한 변화, 생략 및 부가가 있을 수 있음을 당업자는 알것이다. 따라서, 본 발명은 상기 특정 실시예에 제한되는 것이 아니라 첨부된 청구항의 특징과 관련한 정신을 포함하는 등가의 범주내에서 모든 실시예가 가능하다.

Claims (90)

  1. a) 하부 반사기;
    b) 상부 반사기; 및
    c) 상기 하부 반사기와 상기 상부 반사기 사이에 위치되며 내부에 위치된 액티브 영역을 가지는 케비티를 포함하며,
    상기 케비티 및 상기 액티브 영역은 측방 평면에 수직이고 상기 측방 평면 자체에 대해 경사진 방향으로 상기 케비티내에서 광이 전파되도록 설계되는 반도체 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 반사기 아래에 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  3. 제 2 항에 있어서,
    a) 상기 액티브 영역은 순방향 바이어스가 인가되는 경우 주입 전류에 노출될 때 광을 방출하고;
    b) 상기 케비티는,
    ⅰ) 상기 액티브 영역 아래의 제 1 제한 영역;
    ⅱ) 상기 액티브 영역 위에 제 2 제한 영역;
    ⅲ) 상기 기판 위 및 상기 제 1 제한 영역 아래의 제 1 n-도핑 전류 확장 영역;
    ⅳ) 상기 제 2 제한 영역 위 및 상기 상부 반사기 아래의 제 1 p-도핑 전류 확장 영역;
    ⅴ) 각각의 이웃하는 영역 사이에 위치된 전류 개구부; 및
    ⅵ) 상기 제 1 n-도핑 전류 확장 영역과 상기 제 1 p-도핑 전류 확장 영역 사이의 바이어스 제어 장치를 더 포함하며,
    상기 액티브 영역 속으로 전류가 주입되어 광을 발생시키는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 액티브 영역은,
    a) 적어도 하나의 양자 우물;
    b) 적어도 하나의 양자선 시트;
    c) 적어도 하나의 양자점 시트; 및
    d) a) 내지 c)의 임의의 조합으로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  5. 제 4 항에 있어서,
    피드백 메커니즘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 반사기 및 상기 상부 반사기는 다층인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  7. 제 6 항에 있어서,
    a) 상기 케비티는 높은 굴절률을 갖는 적어도 하나의 층, 및 중간 굴절률을 갖는 적어도 하나의 층을 더 포함하며;
    b) 상기 하부 반사기는 높은 굴절률을 갖는 최상부층을 더 포함하며;
    c) 상기 상부 반사기는 높은 굴절률을 갖는 최하부층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 액티브 영역은 높은 굴절률을 갖는 상기 층 내에 위치되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 액티브 영역은 중간 굴절률을 갖는 상기 층내에 위치되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  10. 제 6 항에 있어서,
    a) 상기 케비티는 낮은 굴절률을 갖는 적어도 하나의 층, 및 중간 굴절률을 갖는 적어도 하나의 층을 더 포함하며;
    b) 상기 하부 반사기는 높은 굴절률을 갖는 최상부층을 포함하며;
    c) 상기 상부 반사기는 높은 굴절률을 갖는 최하부층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 액티브 영역은 낮은 굴절률을 갖는 층내에 위치되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 액티브 영역은 중간 굴절률을 갖는 층내에 위치되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 액티브 영역은 낮은 굴절률을 갖는 층과 중간 굴절률을 갖는 층 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저는 수직 방향으로 광을 방출하여, 상기 레이저는 표면 발광 레이저로서 작용하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 발생된 광이 구조로부터 나오도록 허용하는, 광학 개구부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 광학 개구부는 상기 상부 반사기의 몇개층을 부분적으로 선택적 제거함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 광학 개구부는 상기 상부 반사기의 상부에 위치된 추가의 층에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저는 상기 레이저가 에지-발광 레이저로서 동작하도록, 측방향에서 광을 방출하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 수직 방향에서 피드백은 다층 하부 및 상부 반사기들에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 반사기는 단일층을 포함하며, 상기 하부 반사기는 다층을 포함하며, 상기 반사기들이 수직 방향에서 피드백을 제공하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 반사기는 다층을 포함하며 상기 하부 반사기는 단일층을 포함하며, 상기 반사기들은 수직 방향으로 피드백을 제공하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 반사기 및 상기 하부 반사기 각각은 단일층을 포함하여, 수직 방향으로 피드백을 제공하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  23. 제 22 항에 있어서,
    경사진 광학 모드는 상기 케비티와 상기 상부 반사기 사이의 경계, 및 상기 케비티와 상기 하부 반사기 사이의 경계 모두에서 전반사의 각도보다 큰 각도에서층에 수직으로 경사지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 케비티는 측방향으로 피드백을 제공하는 상기 케비티의 각 측면상에서 적어도 하나의 미러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  25. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 반사기는 측방향으로 분산 피드백을 제공하도록 부분적으로 에칭되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  26. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 반사기 위에 제조되는 회절격자를 더 포함하며, 상기 회절격자는 측방향으로 분산 피드백을 제공하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  27. 제 3 항에 있어서,
    d) 상기 상부 반사기의 상부에 위치되는 흡수 소자를 더 포함하며,
    상기 흡수 소자는 상기 상부 반사기를 통해 투과되는 광을 흡수하는 흡수 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  28. 제 3 항에 있어서,
    d) 상기 기판과 상기 하부 반사기 사이에 샌드위치되는 흡수 소자를 더 포함하며,
    상기 흡수 소자는 상기 하부 반사기를 통해 투과되는 광을 흡수하는 흡수 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  29. 제 3 항에 있어서,
    d) 위상 제어 소자를 더 포함하며, 상기 위상 제어 소자는,
    ⅰ) 상기 제 1 p-도핑 전류 확장 영역 위에 위치된 변조 영역-상기 변조 영역은 광 파장을 변조시키기 위해 전기-광학 효과를 이용함-;
    ⅱ) 상기 변조 영역 위의 2 n-도핑 전류 확장 영역;
    ⅲ) 상기 위상 제어 소자의 각각의 이웃하는 영역 사이에 위치된 전류 개구부;
    ⅳ) 상기 제 2 n-도핑 전류 확장층과 상기 제 1 p-도핑 전류 확장 영역 사이의 위상 제어 소자 바이어스 제어 장치를 포함하며,
    상기 변조 영역에 대해 전계를 형성하여 상기 광파장을 변조시키는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 변조 영역은 역방향 바이어스가 인가될 때 전계에 노출되는 경우 상기 광 파장을 변조시키는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 발생된 광이 구조로부터 나오게 허용하는, 광학 개구부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 광학 개구부는 상기 상부 반사기의 몇개 층의 부분적인 선택적 제거에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  33. 제 31 항에 있어서,
    상기 광학 개구부는 상기 상부 반사기의 상부에 위치된 추가층에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  34. 제 30 항에 있어서,
    측방향에서의 광출력을 제공하기 위해 상기 상부 반사기의 상부에 위치된 흡수 영역을 포함하는 흡수 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  35. 제 29 항에 있어서,
    상기 변조 영역은 순방향 바이어스가 인가될 때 주입 전류에 노출되는 경우 광 파장을 변조시키는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 발생된 광이 구조로부터 나오도록 허용하는, 광학 개구부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 광학 개구부는 상기 상부 반사기의 몇개의 층을 부분적으로 선택적 제거함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  38. 제 36 항에 있어서,
    상기 광학 개구부는 상기 상부 반사기의 상부에 위치된 추가층에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  39. 제 36 항에 있어서,
    측방향으로의 광출력을 제공하기 위해 상기 상부 반사기의 상부에 위치되는 흡수 영역을 포함하는 흡수 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  40. 제 29 항에 있어서,
    e)전력 변조 소자를 더 포함하며, 상기 전력 변조 소자는,
    ⅰ) 상기 제 2 n-도핑 전류 확장 영역 위에 위치된 제 1 흡수 영역-상기 제 1 흡수 영역은 흡수된 전력을 변조시키기 위해 전기-광학 효과를 이용함-;
    ⅱ) 상기 제 1 흡수 영역 위의 제 2 p-도핑 전류 확장층;
    ⅲ) 상기 전력 변조 소자의 각각의 이웃하는 영역 사이에 위치된 전류 개구부;
    ⅳ) 상기 제 2 n-도핑 전류 확장 영역과 제 2 p-도핑 전류 확장 영역 사이의 전력 변조 소자 바이어스 제어 장치를 포함하며,
    상기 제 1 흡수 영역이 흡수 피크의 스펙트럼 위치를 이동시켜 방출된 광의 주어진 파장에서 스펙트럼 위치를 이동시키도록 전계가 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  41. 제 40 항에 있어서,
    상기 제 1 흡수 영역은 역방향 바이어스가 인가될 때 전계에 노출되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  42. 제 41 항에 있어서,
    상기 발생된 광이 구조로부터 나오도록 허용하는, 광학 개구부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  43. 제 41 항에 있어서,
    측방향으로의 광출력을 제공하기 위해 상기 상부 반사기의 상부에 위치된 제 2 흡수 영역을 포함하는 흡수 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  44. 제 40 항에 있어서,
    상기 제 1 흡수 영역은 순방향 바이어스가 인가될 때 주입 전류에 노출되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  45. 제 44 항에 있어서,
    상기 발생된 광이 구조로부터 나오도록 허용하는, 광학 개구부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  46. 제 44 항에 있어서,
    측방향으로의 광출력을 제공하기 위해 상기 상부 반사기의 상부에 위치된 제 2 흡수 영역을 포함하는 흡수 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  47. 제 3 항에 있어서,
    d) 전력 변조 소자를 더 포함하며, 상기 전력 변조 소자는,
    ⅰ) 상기 제 1 p-도핑 전류 확장 영역 상에 위치된 제 1 흡수 영역-상기 흡수 영역은 흡수된 전력을 변조시키기 위해 전기-광학 효과를 사용함-;
    ⅱ) 상기 흡수 영역 상의 제 2 n-도핑 전류 확장 영역;
    ⅲ) 각각의 이웃하는 영역 사이에 위치된 전류 개구부; 및
    ⅳ) 상기 제 2 n-도핑 전류 확장층과 상기 제 1 p-도핑 전류 확장 영역 사이의 전력 변조 소자 바이어스 제어 장치를 포함하며,
    상기 흡수 영역이 흡수 피크의 스펙트럼 위치를 이동시켜 방출된 광의 주어진 파장에서 흡수를 변조시키도록 전계가 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  48. 제 47 항에 있어서,
    상기 제 1 흡수 영역은 역방향 바이어스가 인가되는 경우 전계에 노출될 때 상기 흡수된 전력을 변조시키는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  49. 제 48 항에 있어서,
    상기 발생된 광이 구조로부터 나오게 허용하는 광학 개구부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  50. 제 49 항에 있어서,
    상기 광학 개구부는 상기 상부 반사기의 몇개층을 부분적으로 선택적 제거함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  51. 제 50 항에 있어서,
    상기 광학 개구부는 상기 상부 반사기의 상부에 위치된 추가층에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  52. 제 48 항에 있어서,
    측방향으로의 광출력을 제공하기 위해 상기 상부 반사기의 상부에 위치된 제 2 흡수 영역을 포함하는 흡수 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  53. 제 47 항에 있어서,
    상기 흡수 영역은 순방향 바이어스가 인가되는 경우 주입 전류에 노출되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  54. 제 53 항에 있어서,
    상기 발생된 광이 구조로부터 나오도록 허용하는, 광학 개구부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  55. 제 54 항에 있어서,
    상기 광학 개구부는 상기 상부 반사기의 몇개층을 부분적으로 선택적 제거함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  56. 제 54 항에 있어서,
    상기 광학 개구부는 상기 상부 반사기의 상부에 위치된 추가층에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  57. 제 53 항에 있어서,
    측방향으로의 광출력을 제공하기 위해 상기 상부 반사기의 상부에 위치된 제 2 흡수 영역을 포함하는 흡수 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  58. 제 1 항에 있어서,
    하나의 반사기는 다층 반사기이고, 또다른 반사기는 단일층 반사기인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  59. 제 58 항에 있어서,
    상기 하부 반사기는 단일층 반사기이고, 상기 상부 반사기는 다층 반사기인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  60. 제 59 항에 있어서,
    상기 경사진 광학 모드는 상기 케비티와 상기 하부 반사기 사이의 경계에서 전반사의 각도보다 큰 각도에서 층에 수직으로 경사진 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  61. 제 58 항에 있어서,
    상기 하부 반사기는 다층 반사기이고, 상기 상부 반사기는 단일층 반사기인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  62. 제 61 항에 있어서,
    상기 경사진 광학 모드는 상기 케비티와 상기 상부 반사기 사이의 경계에서 전반사의 각도보다 큰 각도에서 층에 수직으로 경사진 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  63. 제 3 항에 있어서,
    상기 액티브 영역은 상기 경사진 공진 광학 모드의 세기의 국부적 최대치에 위치되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  64. 제 29 항에 있어서,
    상기 변조 영역은 상기 경사진 공진 광학 모드의 세기의 국부적 최대치에 위치되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  65. 제 29 항에 있어서,
    상기 액티브 영역 및 상기 변조 영역 모두는 상기 경사진 공진 광학 모드의 세기의 국부적 최대치에 위치되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  66. 제 47 항에 있어서,
    상기 흡수 영역은 상기 경사진 공진 광학 모드의 세기의 국부적 최대치에 위치되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  67. 제 47 항에 있어서,
    상기 액티브 영역 및 상기 흡수 영역 모두는 상기 경사진 광학 광학 모드의 세기의 국부적 최대치에 위치되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  68. 제 40 항에 있어서,
    상기 액티브 영역, 상기 변조 영역 및 상기 흡수 영역은 상기 경사진 공진 광학 모드의 세기의 국부적 최대치에 위치되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  69. 제 3 항에 있어서,
    상기 케비티는
    ⅶ) 상기 제 1 p-도핑 전류 확장 영역 위에 위치된 변조 영역; 및
    ⅷ) 상기 제 1 p-도핑 전류 확장 영역과 상기 변조 영역 사이에 위치된 전류 개구부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  70. 제 69 항에 있어서,
    상기 변조 영역은 상기 발생된 광의 스펙트럼 라인에 가까운 스펙트럼 영역에서 흡수 피크를 나타내는 변조층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  71. 제 70 항에 있어서,
    상기 변조층은 온도 증가에 따른 굴절률의 공진 감소가 상기 케비티의 유효 굴절률의 평균 비-공진 증가를 보상하여, 온도 편차에 대해 방출된 광의 라인폭의 추가적 안정화를 제공하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  72. 제 71 항에 있어서,
    상기 변조층은 공진 경사 광학 모드의 국부적 최대치에 위치되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  73. 제 71 항에 있어서,
    상기 액티브 영역 및 상기 변조층 모두는 상기 공진 경사 광학 모드의 국부적 최대치에 위치되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  74. a) 하부 반사기;
    b) 상부 반사기 ; 및
    c) 상기 하부 반사기와 상기 상부 반사기 사이에 위치되며 내부에 위치된 광 흡수 영역을 가지는 케비티를 포함하며,
    상기 케비티는 상기 케비티의 공진 광학 모드에서 광 전파 방향이 측방 평면에 수직이고 측방 평면 자체에 대해 경사지도록 설계되는 광검출기.
  75. 제 74 항에 있어서,
    상기 하부 반사기의 아래에 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광검출기.
  76. 제 75 항에 있어서,
    a) 상기 광 흡수 영역은 광이 흡수될 때 한쌍의 전자-정공 쌍을 발생시키며;
    b) 상기 케비티는,
    ⅰ) 상기 광 흡수 영역 아래의 제 1 제한 영역;
    ⅱ) 상기 광 흡수 영역 상의 제 2 제한 영역;
    ⅲ) 상기 기판 위 및 상기 제 1 제한 영역 아래의 제 1 n-도핑 전류 확장 영역;
    ⅳ) 상기 제 2 제한 영역 위 및 상기 상부 반사기 아래의 제 1 n-도핑 전류 확장 영역;
    ⅴ) 각각의 이웃하는 영역 사이에 위치된 전류 개구부; 및
    ⅵ) 상기 제 1 n-도핑 전류 확장영역과 상기 제 1 p-도핑 전류 확장 영역 사이의 바이어스 제어 장치를 더 포함하며,
    상기 광 흡수층에서 광 흡수에 의해 형성된 전자 및 정공이 외부 회로에 광전류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 광검출기.
  77. 제 76 항에 있어서,
    상기 광검출기는 수직 방향으로부터 나오는 광을 검출하는 것을 특징으로 하는 광검출기.
  78. 제 76 항에 있어서,
    상기 광 검출기는 측방향으로부터 나오는 광을 검출하는 것을 특징으로 하는 광검출기.
  79. a) 하부 반사기;
    b) 상부 반사기; 및
    c) 상기 하부 반사기 및 상기 상부 반사기 사이에 위치되며 내부에 위치된 액티브 영역을 가지는 케비티를 포함하며,
    상기 케비티는 상기 케비티의 공진 광학 모드의 광 전파 방향이 측방 평면에 수직이고 측방 평면 자체에 대해 경사지도록 설계되는 증폭기.
  80. 제 79 항에 있어서,
    상기 하부 반사기 아래의 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증폭기.
  81. 제 80 항에 있어서,
    a) 상기 액티브 영역은 순방향 바이어스가 인가될 때 주입 전류에 노출되는 경우 광을 증폭시키며;
    b) 상기 케비티는,
    ⅰ) 상기 액티브 영역 아래의 제 1 제한 영역;
    ⅱ) 상기 액티브 영역 상의 제 2 제한 영역;
    ⅲ) 상기 기판 위 및 상기 제 1 제한 영역 아래의 제 1 n-도핑 영역;
    ⅳ) 상기 제 2 제한 영역 위 및 상기 상부 반사기 아래의 제 1 p-도핑 영역; 및
    ⅴ) 상기 제 1 n-도핑 전류 확장 영역 및 제 1 p-도핑 전류 확장 영역 사이의 바이어스 제어 장치를 더 포함하며,
    상기 광 발생층으로 전류가 주입되어 광을 증폭시키는 것을 특징으로 하는 증폭기.
  82. 제 80 항에 있어서,
    상기 기판은 n-도핑되며, 상기 하부 반사기는 n-도핑되며, 상기 상부 반사기는 p-도핑되는 것을 특징으로 하는 증폭기.
  83. 제 82 항에 있어서,
    d) 상기 기판 아래에 배치된 n-콘택 ; 및
    e) 상기 상부 반사기 상에 위치된 p-콘택을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증폭기.
  84. 제 83 항에 있어서,
    상기 p-콘택은 상기 경사진 광학 모드의 전파 측방향에 대해 측방 평면에서 회전하며, 상기 증폭기는 레이저로서 동작하지 않는 것을 특징으로 하는 증폭기.
  85. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 구조의 일부만이 경사진 케비티로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  86. 제 1 항에 있어서,
    상기 경사진 케비티의 적어도 하나의 측표면은 단일층 코팅 및 다층 코팅으로 이루어진 그룹에서 선택된 코팅으로 커버되며,
    상기 코팅은 측방향의 광출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  87. 제 1 항에 있어서,
    상기 케비티의 측표면 부근의 전자기 필드의 필드 영역 부근에 적어도 하나의 광섬유가 부착되어 상기 광섬유와 상기 케비티의 공진 광학 모드의 결합을 제공하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  88. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 반사기의 상부 표면 부근의 전자기 필드의 필드 영역 부근에 적어도 하나의 광섬유가 부착되어, 상기 광섬유와 상기 케비티의 공진 광학 모드의 결합을 제공하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  89. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 반사기의 상부 표면의 상부에 전자기 필드의 필드 영역 부근에 적어도 하나의 광섬유가 부착되어, 상기 광섬유와 상기 케비티의 공진 광학 모드의 결합을 제공하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  90. a) 코어; 및
    b)파장의 소정 간격에서만 광이 전파되어, 파장-안정화 시스템을 제공하도록 설계된 다층 코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유.
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