KR20050107439A - 주파수 변환장치 및 변환방법 - Google Patents

주파수 변환장치 및 변환방법 Download PDF

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Abstract

광의 주파수 변환장치는 제1 주파수를 가지는 광을 발광하는 발광장치를 포함한다. 이 발광장치는 확장 도파로의 기본 횡방향 모드가 낮은 빔 발산을 특징으로 하도록 선택된 확장 도파로를 구비하는 단면 발광형 반도체 발광 다이오드이다. 상기 장치는 상기 광이 상기 발광장치 및 광반사체 사이에 형성된 외부 캐비티를 통해 복수회 통과함과 동시에 상기 제1 주파수를 가지는 레이저 광을 발생하기 위한 피드백을 제공하도록 구성 및 설계된 광반사체를 더 포함한다. 상기 장치는 상기 외부 캐비티 내에 배치됨과 동시에 상기 제1 주파수를 가지는 레이저 광이 비직선형 결정을 통해 복수회 통과할 때 상기 제1 주파수가 이 주파수와 다른 제2주파수로 변화되도록 선택된 비직선형 광학 결정을 더 포함한다.

Description

주파수 변환장치 및 변환방법{APPARATUS FOR AND METHOD OF FREQUENCY CONVERSION}
본 발명은 비직선 광학 및 특히 다이오드 레이저 구조에 기초한 광의 주파수 변환장치에 관한 것이다.
반도체 레이저는 광파이버 송신 시스템, 신호 증폭 시스템, 파장 분할 다중 시스템, 파장 분할 스위칭 시스템, 파장 크로스커넥션 시스템 등에 있어서 중요한 역할을 담당한다. 또 반도체 레이저는 광측정 분야에 있어서 유용하다.
반도체 레이저(1959년에 최초로 제안됨)는 반전분포(population inversion) 및 레이징(lasing)을 달성하기 위한 충분한 모달 게인(modal gain)을 얻기 위한 반도체 활성 매체에 대한 비평형 캐리어의 전류 주입에 기초한다.
도 1a 및 1b에는 최근의 레이저 시장을 주도하는 두 종류의 반도체 레이저를 도시한 것이다. 도 1a는 면 발광형 반도체 레이저(Vertical Cavity Surface-Emitting Laser)로서, 광자들이 수직방향(도 1a의 상향)으로 고 파인스 캐비티(high finesse cavity)에서 아크 사이클(arc cycled)된다. 이 레이저에 있어서 상기 캐비티는 극히 짧고, 사이클 당 게인이 극히 낮다. 따라서, 각각의 반사시 손실을 극히 낮은 상태로 유지하는 것이 매우 중요하다. 그렇게 하지 않으면, 레이징(lasing)이 불가능할 뿐 아니라 레이징을 위해서는 극대의 전류밀도가 요구되므로 연속파 동작에 부적합하다. 1962년에 최초로 제안된 이래, 이 면 발광형 레이저는 매우 대중화되었다. 이 면 발광형 레이저는 소형으로 제작할 수 있고, 낮은 역치 전류에서 가동할 수 있고, 생산에 적합한 평면기술에 의해 생산된다.
다른 형태의 반도체 레이저는 도 1b에 도시된 단면 발광형 레이저(edge-emitting laser)이다. 이 레이저에 있어서, 활성 매체(예, 일종의 박막층)는 주변의 피착층(cladding layers)에 비해 큰 굴절률을 가지는 도파로 내에 배치되어 그 도파로 내에 레이저 광을 구속시킨다. 발생 된 광은 상기 장치의 단면 출구에서 보통 30-60도의 큰 각도로 회절된다. 단면 발광형 레이저의 이점은 높은 광출력을 실현한 콤팩트한 출력 개구에 있다. 상기 면 발광형 레이저에 대비되는 단면 발광형 레이저의 결점은 원형의 출력 개구를 사용한 경우에 종종 발생하는 비점수차 현상(astigmatism phenomenon)이다. 또, 면 발광형 레이저와는 달리 상기 단면 발광형 레이저에 있어서는 온도 증가에 의해 발생하는 밴드갭 축소(bandgap narrowing)에 의해 상당한 파장 시프트가 유발된다.
반도체 레이저의 여러 가지 결점들 중의 하나는 출사 광의 파장(또는 주파수)이 반도체 재료의 에너지 밴드 갭의 값에 의해 주어지는 값에 제한된다는 점이다. 또, 양자 우물, 양자 와이어, 또는 양자 도트 헤테로 구조(quantum dot heterostructures)로 알려진 여러 가지의 구조에 의한 캐리어의 국부화에 기인 되어 파장이 크게 시프트(소위, 적색편이)한다. 상기 반도체 레이저 기술은 III-V족 화합물 반도체 및 600 nm 이상의 파장에 대해 개발되어 있다. 현재 600 nm 이하(예, 자외선에서 녹색까지의 스펙트럼 영역)의 반도체 레이저는 개발이 불충분하다.
반도체 레이저의 다른 결점은 비임의 질이 불량하고, 광범한 스펙트럼 및 파장의 온도 불안정성 등이다.
기본적으로 반도체 레이저로부터 출사 되는 광의 파장을 변환하는 비직선형 광학 기술을 이용하여 600 nm 이하의 광을 발생하는 몇 가지 방법이 제안되어 있다. 이들 광학 기술에 의하면, 예로써 중간 적외선(mid-IR)에서부터 가시광선에 이르는 넓은 스펙트럼 범위에서 광을 발생할 수 있다. 주파수 변환 기술의 예에는 합계 주파수 발생법(SFG), 이 SFG의 특별한 경우인 주파수 배증법(doubling), 차분 주파수 발생법(DFG) 및 광학 파라메터 발생법이 포함된다.
과거 10년에 걸쳐, 주파수 변환 방법은 멀티 와트(multi-Watt) Ar+ 이온 레이저 및 방위용 고성능 중간-적외선(id-IR)을 발생하는 광학 파라메터 오실레이터를 대체하는 주파수 2배화 된 녹색 광원과 같은 제품의 제조시에 상업적으로 이용할 수 있게 되었다.
예로써, 본 명세서에 참고로 도입된 미국특허 US5,175,741에는 단일의 비선형 광학(NLO) 결정을 이용한 파장 변환방법이 개시되어 있다. 고체상태의 레이저는 반도체 레이저에 의해 펌핑 되어 상기 고체상태의 레이저에 의해 진동되는 레이저 빔을 발생한다. 그러면, 상기 비선형 광학 결정은 레이저 빔의 파장 및 펌핑 레이저 빔의 파장을 상기 레이저 빔의 주파수의 합의 주파수를 가지는 파의 파장으로 변환시킨다.
주파수 변화과정에 있어서 고체상태의 레이저는 일반적으로 몇 가지 이유로 인해 필요하다. 첫째, 고체 상태의 레이저는 상당이 낮은 빔의 발산 및 낮은 비점수차를 가지는 고품질의 레이저를 제공한다. 둘째, 상기 레이저 빔의 스펙트럼 폭은 비선형 광학 결정의 최대 파장 변환 효율을 허용하도록 충분히 작다. 예로써, KNb03 결정에 대한 변환 효율의 피크의 반치전폭(full width at half maximum)은 통상 약 0.5 nm이다. 따라서, 0.1 nm 이하의 스펙트럼 폭을 가지는 고체상태의 레이저는 KNb03에 의한 주파수 변환에 적합하다.
그러나 전술한 기술은 다음과 같은 비효율적인 한계가 있다. 반도체 다이오드 레이저로부터 고체상태 레이저로의 광 변환에 대한 최대 전력 변환 효율은 30% 이하이다. 반면, 고체상태 레이저로부터 비선형 광학 결정을 이용한 제2 고조파로의 주파수 변환 효율은 70%에 이른다. 따라서, 공정의 비효율은 다이오드 레이저 (또는 램프) 광을 고체상태의 레이저 광으로 변환하는 단계에서 발생한다.
본 명세서에 참고로 도입한 미국특허 US5,991,317 및 US6,241,720에는 효율 개선 방법이 개시되어 있다. 이들 기술은 캐비티 내 변환(intra-cavity conversion) 개념을 이용한다. 예를 들면, 미국특허 US5,991,317에는 2개 이상의 미러에 의해 형성된 공명 캐비티가 개시되어 있다. 상기 공명기 캐비티 내에는 레이저 결정 및 몇 개의 비선형 광학 결정이 배치되어 있다. 다이오드 펌프 소스(pump source)는 레이저 결정에 펌프 빔을 가하여 상기 비선형 광학 결정에 충돌하여 주파수 2배화 된 출사 빔을 발생하는 복수의 축 방향 모드를 가지는 레이저 빔을 발생한다.
그러나 이들 기술의 변환 효율은 여전히 다소 낮다. 낮은 변환 효율로 인해 고출력 다이오드 레이저를 사용해야 하는데, 이는 반드시 냉각시켜 주어야 한다. 따라서, 총 에너지의 적어도 90%에 해당하는 가열에 따른 에너지 손실에 의해 비효율 문제는 더욱 악화 된다.
또한, 변환 효율을 위한 비선형 광학 결정의 최적의 파장은 온도에 의존한다(예, KNbO3에 대한 최적의 파장은 0.28 nm/°K이다). 이것은 파장이 안정된 고체상태 레이저와 정반대이다. 효과적인 동작을 위해 비선형 광학 결정의 온도를 정밀 제어하기 위해 시스템에 복수의 부품을 추가하게 되므로 디자인이 더욱 복잡해진다.
다른 결점은 고체상태 레이저는 엄밀하게 확정된 파장을 구비함으로써 임의의 주파수 변환된 파장을 얻을 수 있는 가능성이 제한된다는 점이다.
전술한 기술에 있어서, 펌핑을 위해 다이오드 레이저를 이용하는 한편 주파수 변환은 고체상태의 레이저를 이용하여 간접적으로 실시된다. 주파수 변화의 효율을 개선하기 위한 다른 해결방법은 직접 주파수 변환을 위해 단면 발광형 다이오드 레이저를 사용하는 것이다. 그러나 이들 레이저의 파장과 최적 비선형 광학 결정 파장 사이의 매칭이 극히 곤란한데, 이는 첫째 발생 된 광의 넓은 스펙트럼 때문이며, 둘째 레이징 파장이 온도에 의존하기 때문이다.
다른 결점은 다이오드 레이저의 극히 높은 빔의 발산이다. 이 발산에 의해 레이저 빔은 소정의 결정학적 방향으로부터 크게 편이하고, 또 장치의 성능이 더욱 훼손된다.
빔의 발산을 수정하기 위해서는 통상 비선형 광학 결정 표면상에 펌프 방사(pump radiation)를 집중시키기 위해 설치하는 몇 개의 렌즈를 포함하는 복잡한 설비가 필요하다[이를 위해, Simon, U. 등의 "Difference-Frequency Generation in AgGaS2 by Use of Single-Mode Diode-Laser Pump Sources", Optics Letters, 18, No. 13: 1062-1064, 1993 및 미국특허 U.S.5,912,910, US 6,229,828, 및 US 6,304, 585 참조]. 그러나 레이저 출사를 평행 빔으로 변환하기 위해 사용되는 추가의 렌즈는 빔의 직경을 상당히 확대하는 원인이 됨으로써 효과적인 파장의 변환에 주요한 요구사항이 되는 출력의 밀도를 감소시키는 것으로 알려져 있다. 이러한 문제들로 인해, 단면 발광형 다이오드 레이저는 직접 주파수 변환을 위해 상업적으로 이용되지 않고 있으며, 대부분 고체상태 레이저의 펌프 소스(pumping sources)로서 사용되고 있다.
미국특허 US 6,097,540에는 직접 주파수 변환을 위한 반도체 다이오드 레이저를 이용한 또 다른 시스템이 개시되어 있다. 이 시스템에 있어서, 복수의 레이저에 의해 발생 된 빔은 렌즈 및 미러 시스템에 의해 단일 빔으로 합쳐져서 비선형 광학 결정의 표면에 조사된다. 그러나 이 방법은 제시된 시스템이 매우 복잡하고 고가인데다, 다수의 레이저를 포함하고, 엑스트라 캐비티 변환만(extra-cavity conversion)을 제공하고, 또 파장이 불안정하므로 전술한 기술에 비해 이점이 크지 않다.
따라서, 전술한 결점을 회피하는 주파수 변환장치에 대한 수요가 매우 크고, 또 이러한 주파수 변환장치를 구비하는 것은 매우 유리할 것이다.
도 1a는 종래의 면 발광형 반도체 레이저(면 발광형 레이저)의 도식도;
도 1b는 종래의 단면 발광형 레이저의 도시도;
도 2는 면 발광형 레이저에 기초한 종래의 주파수 변환장치의 도식도;
도 3은 본 발명에 따른 광의 주파수 변환장치의 도식도;
도 4는 본 발명에 따른 발광장치의 다른 면에 형성된 반사방지 코팅 및 고반사 코팅을 포함하는 주파수 변환장치의 도식도;
도 5는 본 발명에 따른 광 밴드갭 결정(photonic bandgap crystal)을 포함하는 발광장치에 있어서의 주파수 변환장치의 도식도;
도 6은 본 발명에 따른 1차 광의 발생을 위해 사용된 누설 레이저에 있어서의 주파수 변환장치의 도식도;
도 7은 본 발명에 따른 평행 빔 및 평평한 광반사체를 제공하기 위한 렌즈를 포함하는 주파수 변환장치의 도식도;
본 발명에 따른 발광장치 및 광반사체 상에 추가의 복수 층의 코팅을 포함하는 주파수 변환장치의 도식도;
도 9는 본 발명에 따른 광의 주파수 변환방법의 흐름도;
도 10은 본 발명에 따른 주파수 변환장치의 제작방법의 흐름도이다.
본 발명의 일 관점에 따라 광의 주파수 변환장치가 제공된다. 이 광의 주파수 변환장치는 (a) 확장 도파로의 기본 횡방향 모드가 낮은 빔 발산을 특징으로 하도록 선택된 확장 도파로를 구비하는 단면 발광형 반도체 발광 다이오드로 구성된 제1 주파수를 가지는 광을 발광하는 발광장치; (b) 상기 광이 상기 발광장치 및 광반사체 사이에 형성된 외부 캐비티를 통해 복수회 통과함과 동시에 상기 제1 주파수를 가지는 레이저 광을 발생하기 위한 피드백을 제공하도록 구성 및 설계된 광반사체; 및 (c) 상기 외부 캐비티 내에 배치됨과 동시에 상기 제1 주파수를 가지는 레이저 광이 비직선형 결정을 통해 복수회 통과할 때 상기 제1 주파수가 이 주파수와 다른 제2 주파수로 변화되도록 선택된 비직선형 광학 결정을 포함한다.
후술하는 본 발명의 바람직한 실시예들의 특징에 따라, 본 장치는 적어도 하나의 추가의 발광장치를 더 포함한다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 적어도 하나의 추가의 발광장치의 적어도 하나는 상기 확장된 도파로를 가지는 단면 발광형 반도체 발광 다이오드이다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 장치는 상기 제2 주파수를 가지는 광이 상기 발광장치와 충돌하는 것을 방지하기 위해 설치된 스펙트럼 선택 필터를 더 포함한다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 장치는 상기 발광장치 및 비직선형 광학 결정의 사이의 상기 외부 캐비티 내에 위치된 하나의 렌즈를 더 포함한다.
본 발명의 다른 관점에 따라 광의 주파수 변환방법이 제공된다. 이 방법은 (a) 확장 도파로의 기본 횡방향 모드가 낮은 빔 발산을 특징으로 하도록 선택된 확장 도파로를 가지는 단면 발광형 반도체 발광 다이오드인 발광장치를 이용하여 제1 주파수를 가지는 광을 발광하는 단계; (b) 상기 광을 상기 제1 주파수를 가지는 레이저 광을 발생시키기 위한 피드백을 제공하기 위해 상기 발광장치와 상기 광반사체 사이에 형성된 외부 캐비티 내에서 복수회 통과시키기 위해 반사체를 이용하는 단계; 및 (c) 상기 제1 주파수를 이 주파수와 다른 제2 주파수로 변환시켜 상기 제2 주파수를 가지는 레이저 광을 제공하기 위해 상기 외부 캐비티 내에 위치한 비직선형 광학 결정을 이용하는 단계를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 방법은 상기 확장 도파로를 주입 전류에 노출시킴에 의해 이루어지는 발광단계를 더 포함한다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 방법은 렌즈를 이용하여 약하게 발산하는 광의 빔을 평행한 광의 빔으로 변환하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 관점에 따라 광의 주파수 변환장치의 제작방법이 제공된다. 이 방법은 (a) 확장 도파로의 기본 횡방향 모드가 낮은 빔 발산을 특징으로 하도록 선택된 확장 도파로를 가지는 단면 발광형 반도체 발광 다이오드인 제1 주파수를 가지는 광을 발광하기 위한 발광장치를 제공하는 단계; (b) 상기 광을 상기 발광장치와 광반사체 사이에 형성된 외부 캐비티를 통해 복수회 통과시켜 상기 제1 주파수를 가지는 레이저 광을 발생시키기 위한 피드백을 제공하도록 구성 및 설계된 광반사체를 제공함과 동시에 상기 광반사체를 상기 발광장치에 대향하는 위치에 위치시키는 단계; 및 (c) 상기 제1 주파수를 가지는 상기 레이저 광이 비직선형 광학 결정을 통해 복수회 통과할 때 상기 제1 주파수가 이 주파수와 다른 제2 주파수로 변화되도록 선택되는 비직선형 광학 결정을 제공함과 동시에 상기 비직선형 광학 결정을 상기 외부 캐비티 내에 위치시키는 단계를 포함한다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 방법은 적어도 하나의 추가의 발광장치를 제공하는 단계를 더 포함한다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 확장 도파로는 주입 전류에 노출되었을 때 발광이 가능하다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 발광장치 및 주입 전류의 스트라이프의 길이는 상기 주입 전류에 의해서만 비정합광이 발생되고 상기 주입 전류 및 피드백의 조합에 의해서 상기 제1 주파수를 가지는 레이저 광이 발생되도록 선택된다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 외부 캐비티는 상기 제1 주파수를 구비하는 상기 레이저 광이 실질적으로 상기 기본 횡방향 모드 내에서 발생되도록 설계된다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 광반사체는 상기 제2 주파수 이외의 다른 하나의 주파수를 가지는 광을 반사함과 동시에 상기 제2 주파수를 가지는 광을 전송하도록 선택된다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 발광장치는 복수의 층으로 형성된다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 발광장치는 상기 확장된 도파로의 제1 측의 인접부에 n-이미터를 상기 확장된 도파로의 제2 측의 인접부에 p-이미터를 포함한다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 확장된 도파로는 n-불순물에 의해 도핑 된 제1 확장 도파로 영역과 p-불순물에 의해 도핑 된 제2 확장 도파로 영역의 사이에 형성된 활성 영역을 구비하고, 상기 제1 확장 도파로 영역과 제2 확장 도파로 영역은 광송신이 가능하다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 활성 영역은 적어도 하나의 층을 포함한다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 활성 영역은 양자 우물 시스템, 양자 와이어 시스템, 양자 도트 시스템, 및 이들의 임의의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 시스템을 포함한다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 n-이미터의 두께는 10 마이크로미터 이상이다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 발광장치의 전면은 반사방지 코팅에 의해 코팅된다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 발광장치의 후면은 고반사 코팅에 의해 코팅된다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 고반사 코팅은 복수의 층을 포함한다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 고반사 코팅은 상기 기본 횡방향 모드의 고반사성 및 고차 횡방향 모드의 저반사성을 제공하기 위해 충분히 좁은 소정의 스톱밴드를 특징으로 한다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 광반사체는 복수의 층을 포함한다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 광반사체는 상기 기본 횡방향 모드의 고반사성 및 고차 횡방향 모드의 저반사성을 제공하기 위해 충분히 좁은 소정의 스톱밴드를 특징으로 한다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 고반사 코팅 및 광반사체는 각각 독립적으로 상기 기본 횡방향 모드의 고반사성 및 고차 횡방향 모드의 저반사성을 제공하기 위해 충분히 좁은 소정의 스톱밴드를 특징으로 한다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 비직선형 광학 결정은 주파수 변환 효율을 특징으로 하고, 상기 고반사 코팅의 스톱밴드의 온도의존성은 상기 주파수 변환 효율의 온도 의존성과 동일하다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 비직선형 광학 결정은 주파수 변환 효율을 특징으로 하고, 상기 광반사체의 스톱밴드의 온도의존성은 상기 주파수 변환 효율의 온도 의존성과 동일하다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 고반사 코팅의 스톱밴드의 온도 의존성은 상기 주파수 변환 효율의 온도 의존성과 동일하다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 제2 주파수를 가지는 광이 상기 발광장치와 충돌하는 것을 방지하기 위해 스펙트럼 선택 필터를 제공하는 단계 및 설치하는 단계를 더 포함한다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 스펙트럼 선택 필터는 상기 발광장치에의 대면측 상에서 상기 비직선형 광학 결정상에 형성된다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 확장 도파로는 적어도 두 개의 부재를 포함하고, 각 부재는 상기 확장 도파로가 가변 회절 지수를 특징으로 하도록 다양한 회절 지수를 가진다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 확장 도파로의 적어도 두 부재는 중간 회절 지수를 가지는 제1 부재와 고 회절 지수를 구비하는 제2 부재를 포함하고, 상기 제1 부재와 제2 부재는 상기 기본 횡방향 모드가 상기 제1 부재에서 발생되고, 상기 제2 부재 내로 누설되고, 상기 광발생 장치의 전면을 통해 소정의 각도로 출사되도록 설계 및 구성된다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 확장 도파로의 적어도 일부는 광자 밴드갭 결정을 포함한다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 광자 밴드갭 결정은 주기적으로 변조된 회절 지수를 가지는 구조를 포함하고, 상기 구조는 복수의 층을 포함한다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 발광장치는 상기 광자 밴드갭 결정의 일층 내에 위치된 광흡수가 가능한 적어도 하나의 흡수층을 포함한다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 발광장치는 상기 복수의 흡수층의 각 하나가 상기 광자 밴드갭 결정의 다른 층에 위치되도록 복수의 흡수층을 포함한다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 확장 도파로의 적어도 일부는 상기 광자 밴드갭 결정의 제1 측에 인접하는 결함을 포함하고, 상기 결함 및 상기 광자 밴드갭 결정은 상기 기본 횡방향 모드가 상기 결함에 위치되도록 함과 동시에 모든 다른 모드가 상기 광자 밴드갭 결정상에 연장되도록 선택된다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 결함은 n-측과 p-측을 가지는 활성 영역을 포함하고, 상기 활성 영역은 주입 전류에 노출되었을 때 발광이 가능하다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 광자 밴드갭 결정 및 상기 결함의 총 두께는 상기 낮은 빔 발산을 허용하도록 선택된다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 발광장치는 상기 광자 밴드갭 결정의 제2 측의 인접부에 n-이미터를 포함하고, 상기 결함의 인접부에서 상기 결함에 의해 상기 광자 밴드갭 결정으로부터 이격 된 p-이미터를 포함한다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 발광장치는 가변 회절 지수를 가지는 p-도핑 된 층 구조를 포함하고, 상기 p-도핑 된 층 구조는 상기 p-이미터 및 상기 결함의 사이에 위치한다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 n-이미터는 상기 기지의 제1 측 상에 형성되고, 상기 기지는 III-V족 반도체이다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 III-V족 반도체는 GaAs, InAs, InP 및 GaSb으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 활성 영역은 상기 기지의 에너지 밴드갭 보다 좁은 에너지 밴드갭을 특징으로 한다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 발광장치는 상기 기지와 접촉하는 n-콘택트와 상기 p-이미터와 접촉하는 p-콘택트를 포함한다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 가변 회절 지수는 상기 기본 횡방향 모드가 상기 n-콘택트 및/또는 p-콘택트까지 연장하는 것을 방지하도록 선택된다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 p-이미터는 상기 확장 도파로와 접촉하는 적어도 하나의 p-도핑 된 층과 상기 p-콘택트와 접촉하는 적어도 하나의 p+-도핑 된 층을 포함한다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 결함은 상기 n-측 상에 위치함과 동시에 제1의 추가층의 쌍 사이에 개재된, 전자를 위한 제1 터널 장벽 박막 층과 상기 p-측 상에 위치함과 동시에 제2의 추가층의 쌍 사이에 개재된, 공공을 위한 제2 터널 장벽 박막 층을 포함한다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 제1 터널 장벽 박막 층은 약하게 도핑 된 n-층과 도핑 되지 않은 층으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 형성된다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 제2 터널 장벽 박막 층은 약하게 도핑 된 p-층과 도핑 되지 않은 층으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 형성된다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 결함은 상기 활성 영역으로부터 이격 된 상기 제1의 추가층의 쌍 중의 하나와 인접하는 두꺼운 n-도핑 된 층과; 상기 활성 영역으로부터 이격 된 상기 제2의 추가층의 쌍에 인접하는 p-도핑 된 층을 포함한다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 제1의 추가층의 쌍 중의 적어도 하나는 약하게 도핑 된 n-층 및 도핑 되지 않은 층으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 형성된다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 제2 추가층의 쌍의 적어도 하나는 약하게 도핑 된 n-층 및 도핑 되지 않은 층으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 형성된다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 발광장치 및 비직선형 광학 결정의 사이의 상기 외부 캐비티 내에 하나의 렌즈를 제공하는 단계 및 상기 렌즈를 위치시키는 단계를 더 포함한다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 렌즈는 약하게 발산되는 광의 빔을 평행한 광의 빔으로 변환시키도록 설계 및 구성된다.
상기 바람직한 실시예들의 추가의 특징에 따라, 상기 광반사체는 상기 평행 빔의 반사가 가능한 평평한 광반사체이다.
본 발명은 종래의 기술을 능가하는 주파수 변환장치를 제공함으로써 주지의 개념 및 구성상의 단점에 성공적으로 대처한다.
본 명세서에 사용된 기술용어 및 과학용어는 별도의 정의가 없는 한 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가에 의해 통상적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 가진다. 본 명세서에 설명된 것들과 동일하거나 유사한 방법 및 재료들도 본 발명의 실시나 실험에 이용될 수 있으나, 이하에서는 적합한 방법 및 재료에 대해 기술한다. 불일치가 발생한 경우, 정의들을 포함한 본 명세서가 조정될 것이다. 또, 재료, 방법 및 실시예들은 설명을 위한 것일 뿐 발명을 제한하려는 의도는 없다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대해 기술한다. 특히 도면은 본 발명의 바람직한 실시예의 도식적인 설명을 위해 첨부된 것으로서, 본 발명의 원리 및 개념을 용이하게 이해시키고 최상의 유용성을 가지는 것으로 생각되는 실시예를 제공하기 위한 것이다. 따라서, 본 발명의 기초적인 이해에 필요한 정도 이상의 상세한 구조는 도시되어 있지 않고, 본 기술분야의 전문가는 도면과 함께 기술된 설명을 통해 본 발명의 다양한 실시형태를 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 레이저 주파수의 변환에 이용할 수 있는 주파수 변환장치 및 변환방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 넓은 스펙트럼 범위를 가지는 레이저 광을 제공하는데 이용할 수 있다. 특히, 본 발명은 예로써 사이즈를 감소시킴에 의해 저장된 정보의 밀도를 증가시키기 위해 단파장이 요구되는 광학적 저장 용도나 완전컬러(full color)를 위해 녹색 레이저 및 청색 레이저가 요구되는 프로젝션 디스플레이에 이용할 수 있다. 본 발명은 또 상기 장치의 제작방법에 관한 것이다.
도 3-8에 도시된 본 발명의 이해를 돕기 위해, 먼저 도 2에 도시된 종래의 주파수 변환장치의 구조 및 작동을 참조한다.
도 2는 면 발광형 레이저(Vertical Cavity Surface-Emitting Laser; 면 발광형 레이저)에 기초한 종래기술의 주파수 변환장치를 도시한 것이다.
따라서, 상기 종래기술의 장치는 기지(102) 상에 에피텍시얼 성장(grown epitaxially)에 의해 형성된 다층구조로서 제작된 면 발광형 레이저형 구조(101)를 구비한다. 면 발광형 레이저형 구조(101)는 하부의 분포 브래그 반사체(Distributed Bragg Reflector(DBR); 103)와 반도체 캐비티(104) 내에 위치하는 활성 영역(106)을 구비한다. 본 장치에 있어서, 면 발광형 레이저형 구조(101)는 상부의 분포 브래그 반사체는 구비하지 않는다. 또 하부 분배 브래그 반사체(103)에 비해 낮은 등급의 상부 분배 브래그 반사체를 포함하는 장치도 종래기술에 주지되어 있다.
사용시, 면 발광형 레이저형 구조(101)는 외부 레이저빔(109)에 의해 광펌핑(photo-pumped)되어 광을 발생하고, 이 광은 외부 미러(114)에 의해 면 발광형 레이저형 구조(101)로 되반사된다. 면 발광형 레이저형 구조(101) 및 레이저 빔(109)의 출력은 면 발광형 레이저형 구조(101)가 미러(114)로부터 반사된 광으로부터 추가의 출력이 없는 상태에서 레이저를 발생시키지 않는 출력이 되도록 선택된다. 미러(114) 및 면 발광형 레이저형 구조(101)는 반도체 캐비티(104) 및 외부 캐비티(112)를 포함하는 유효 캐비티를 형성한다. 상기 유효 캐비티는 레이저 광(111)을 발생하는데 충분한 광의 피드백을 제한한다. 외부 캐비티(112)에 위치하는 비선형 광학 결정(113)은 레이저 광(111)의 주파수를 다른 주파수(주로 레이저 광(111)의 주파수보다 높은 주파수)를 가지는 레이저 광(115)으로 변환한다. 이 레이저 광(115)는 외측 미러(114)를 통해 외부로 출사된다.
면 발광형 레이저형 구조는 통상 100 μm 정도의 넓은 1차 비임의 개구를 가지는 것으로 알려져 있다. 넓은 개구의 이점은 레이저 빔의 발산이 낮고 큰 손실이 발생함이 없이 면 발광형 레이저 개구에 광을 용이하게 집속시킬 수 있다는 점에 있다. 외부 미러를 사용하면 종래의 엑스트라 캐비티 직접 다이오드 펌핑의 경우의 저효율 싱글패스 증폭과 달리 캐비티 내에서 광학적 출력의 축적을 실현할 수 있다.
그러나 면 발광형 레이저 구조의 광 출사 개구가 열소산(heat dissipation) 면과 동일하므로 이 구조에 의해 높은 출력밀도를 얻는 것을 극히 어렵다.
또, 면 발광형 레이저 구조의 광여기(photo-excitation)의 필요성에 의해 면 발광형 레이저의 낮은 출력 밀도에 의해 이미 감소된 상기 장치의 전체적인 변환 효율은 더욱 감소된다. 전문가는 상기 면 발광형 레이저가 상부의 접촉 층의 고저항에 의해 주입 전류에 의한 균일한 펌핑이 불가능하다는 사실을 알고 있다. 따라서, 전술한 장치 및 그와 유사한 종래기술의 장치에 있어서, 광펌핑식 면 발광형 레이저의 사용에 의해 변환 효율은 악화된다.
전술한 한계를 극복하기 위한 하나의 해결방법은 면 발광형 레이저 대신 단면 발광형 반도체 레이저(상기 도 1b 참조)를 사용하는 것이다. 면 발광형 레이저에 대한 단면 발광형 레이저의 이점은 다음의 2가지이다. (i) 단면 발광형 레이저의 물리적 치수는 효율적인 열소산을 위해 충분하고, 이는 고 출력 밀도를 촉진한다. (ii) 단면 발광형 레이저를 이용하면 광펌핑만을 사용할 수 있는 면 발광형 레이저과 달리 직접 전류 펌핑을 사용할 수 있다.
그러나 주지의 단면 발광형 레이저는 마이크로미터 이하의 범위의 매우 좁은 도파로를 가진다. 도파로가 협소하므로 미러에 의해 도파로로 되반사되는 광을 큰 출력손실이 없이 집속하기가 어렵다. 또, 단면 발광형 레이저는 높은 빔 발산을 특징으로 한다. 이 발산은 레이저 광을 상기 비선형 광학 결정의 결정학적 방향에 대해 정밀지향시키는 것을 방해한다.
본 발명은 개량된 단면 발광형 레이저를 가지는 주파수 변환장치(본 명세서에서는 단면 발광형 반도체 발광 다이오드라 칭함)를 제공함으로써 전술한 문제들에 대한 성공적인 해결방법을 제공한다.
따라서, 본 발명의 일관점에 따라 광의 주파수 변환장치(10)가 제공된다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예에 대해 상세히 설명하기 전에, 본 발명은 후술되거나 도면에 도시된 부품의 구조 및 배열에 적용되는 것으로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 발명은 다른 실시예가 가능하고 다양한 방법으로 실시 또는 수행될 수 있다. 또, 본 명세서에서 사용한 표현 및 용어는 본 발명을 기술하기 위한 목적을 위한 것이고 본 발명을 제한하기 위한 것은 아님을 이해해야 한다.
다시 도면을 참조하면, 도 3은 장치(10)의 도식도로서, 이 장치는 제1 주파수를 가지는 광을 발광하기 위한 발광장치(201)를 포함한다. 발광장치(201)는 확장 도파로(204)를 가지는 단면 발광형 반도체 발광 다이오드로 구성된다. 상기 확장 도파로는 이 도파로(204)의 기본 횡방향 모드가 낮은 빔 발산을 특징으로 하도록 선택된다. 상기 장치(10)는 또 광반사체(214) 및 발광장치 및 광반사체 사이에 형성된 외부 캐비티(212)에 배치된 비선형 광학 결정(213)을 포함한다. 상기 비선형 광학 결정은 소정의 주파수 변환 효율을 특징으로 하는 KNbO3 또는 LiNb03와 같은 임의의 주지의 비선형 광학 결정으로 구성할 수 있다. 그러나 상기 물질에 제한되지는 않는다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 도파로(204)는 예로써 순방향 바이어스(forward bias; 218)를 이용한 주입 전류에 노출되었을 때 전면(210)을 통해 광을 방출할 수 있다. 발광장치(201)와 주입 전류의 스트라이프(stripe)의 길이는 상기 주입 전류가 레이징(lasing)에 대한 최소조건을 제공하지 않고 비정합상태의 1차 광을 발생하는 길이가 되도록 선택되는 것이 바람직하다.
외부 캐비티(212)와 도파로(204)는 광반사체(214)와 도파로(204)의 후면(269) 사이에 형성된 유효 캐비티를 형성한다. 상기 장치(10)의 작동 모드에 있어서, 상기 유효 캐비티는 1차 방출 광에 추가의 피드백을 제공하여 레이저 광(211)을 발생한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 충분히 좁은 스톱밴드의 광반사체(214)를 신중히 선택함으로써 광반사체(214)로부터 레이저 광(211)의 기본 횡 모드의 고반사율이 제공된다. 상기 광반사체는 도 8에 도시된 바와 같이 다층구조로 구성하는 것이 바람직하다. 이에 대해서는 후술한다. 본 기술분야의 전문가는 광반사체(214)의 소정의 좁은 스톱밴드는 또한 고차의 횡방향 모드의 낮은 반사율을 제공함으로써 레이저 광(211)의 불필요한 모드를 필터링하는 기능도 가진다는 것을 알고 있다.
따라서, 레이저 광(211)은 상기 비선형 광학 결정(213)을 복수회 통과하게 되고, 이 비선형 광학 결정은 레이저 광(211)을 상기 제1 주파수와 다른 제2 주파수를 가지는 레이저 광(215)으로 변환시킨다. 상기 광반사체(214)는 제2 주파수 이외의 주파수를 가지는 광(예, 광(211))을 반사함과 동시에 상기 제2 주파수를 가지는 광(광(215))을 전송하도록 선택되는 것이 바람직하다. 또, 상기 장치(10)의 최적의 변환 효율을 달성하기 위해 상기 광반사체(214)의 스톱밴드는 비선형 광학(213)의 주파수 변환 효율과 동일하거나 유사한 온도 의존성을 가지는 것이 바람직하다. 따라서, 비선형 광학 결정(213)의 형식, 방향성, 기하학적 형상 및 치수에 의존하여 상기 장치(10)는 실질적으로 낮은 파장을 가질 수 있고, 후술하는 바와 같은 고품질의 레이저 광을 제공한다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따른 상기 장치(10)에 대한 상세한 설명에 앞서, 본 발명에 의해 얻어지는 이점에 주목한다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시예의 특별한 이점은 상기 확장 도파로(204)가 싱글모드 레이저 광(211)을 제공하도록 하는 발광장치(201)의 구조에 있다. 확장 도파로를 사용하면 통상 레이저 광의 복수의 횡방향 광학 모드를 생성하게 된다.
다음, 기본 광학 모드는 도파로의 방향을 따라 전파되고, 발광장치(201)의 전면(210)에 수직한 일 방향에 중심을 둔 협소한 파필드 다이어그램(far-field diagram)을 나타낸다. 고차의 횡방향 광학 모드의 전파는 상기 방향에 대해 어떤 각도를 가지고 발생하는 것으로 설명할 것이다.
통상, 고차 모드의 파필드 패턴은 기본 모드의 파필드 패턴에 비해 상당히 넓고, 종종 사이드 로브(lobe)를 포함한다. 광반사체(214)에 의해 전면(210)으로 되반사되었을 때, 고차 광학 모드의 상기 광은 광반사체(214)의 구성이 최적화되는 기본 모드의 광과는 정반대로 캐비티로부터 부분적으로 회절된다. 따라서, 이들 회절 손실은 고차 모드에 있어서는 상당히 크고, 기본 모드에서는 무시할 수 있을 정도로 작다. 바꾸어 말하면, 광반사체(214)에 의해 제공된 피드백은 기본 모드에 대해서는 강하고, 고차 모드에 대해서는 약하다.
이에 의해 주입 전류, 레이저 스트라이프의 길이, 외부 미러의 형상 및 위치 등의 조건이 충족되어 레이징(lasing)이 기본 횡방향 모드에서만 발생하게 된다.
본 기술분야의 전문가는 상기의 내용이 사용된 발광장치의 갯수에 무관한 일반적인 이점임을 이해한다. 특히, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 하나 이상의 발광장치를 사용할 수 있다. 여기서 추가의 발광장치에 의해 발생된 광은 별도의 광학 시스템을 통해 비선형 광학 결정(213) 상에 조사할 수 있다. 다음, 발광장치의 적어도 하나가 발광장치(201)와 유사하게 제작되고 이와 유사하게 동작한다면, 합계 주파수 발생 또는 차분 주파수 발생 또는 임의의 주파수의 다른 조합도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 발광장치(201)는 기지(202) 상에 성장되고, 임의의 III-V족 반도체 물질이나 예로써, InAs, InP, GaSb 등과 같은 III-V족 반도체 합금으로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 기지(202)는 GaAs로 제조하는 것이 더 바람직하다.
상기 장치(10)의 특징은 전술한 바와 같이 기본 횡방향 모드가 낮은 빔 발산을 가지는 광을 제공하는 확장 도파로(204)에 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 도파로(204)는 n-이미터(203)과 p-이미터(220)의 사이에 형성된다. 상기 n-이미터(203)는 기지(202) 상에 직접 성장시켜 도파로(204)의 일측에 인접하도록 하는 것이 바람직하고, p-이미터는 도파로(204)의 타측에 인접하도록 형성하는 것이 바람직하다.
확장 도파로(204)는 n-불순물에 의해 도핑(doped) 된 제1 도파로 영역(205)과 p-불순물에 의해 도핑 된 제2 도파로 영역(207)의 사이에 형성시키는 것이 바람직하다. 상기 제1 도파로 영역(205)과 제2 도파로 영역(207)은 모두 광전송이 가능하다.
상기 제1 도파로 영역(205)과 제2 도파로 영역(207)은 상기 기지(202)에 격자부합(lattice-matched)되거나 거의 격자부합되는 물질로 구성된 층구조 또는 다층구조로 구성하는 것이 바람직하다.
상기 제1 도파로 영역(205)에 도입되는 불순물은 S, Se 및 Te와 같은 도너(donor) 불순물이다. 그러나, 이들 불순물에 제한되는 것은 아니다. 또는, 상기 제1 도파로 영역(205)은 Si, Ge 및 Sn과 같은 양성(amphoteric) 불순물로 도핑 시킬 수 있다. 그러나, 이들 불순물에 한정되는 것은 아니다. 상기 불순물은 양이온 하부격자(cation sub-lattice)내에 지배적으로 결합하여 도너 불순물의 역할을 하게 되는 조건하에서 도입된다. 따라서, 제1 도파로 영역(205)은 분자선 에피텍시 성장법(molecular beam epitaxy)에 의해 성장시킨 다음 약 2xl017cm- 3킨의 농도를 가지는 Si 불순물로 도핑시킨 예로써 GaAs 층 또는 GaAlAs 층으로 구성할 수 있다.
상기 "약" 이라는 용어는 ±50%를 나타낸다.
상기 제2 도파로 영역(207)에 도입되는 불순물은 Be, Mg, Zn, Cd, Pb 및 Mn과 같은 억셉터(acceptor) 불순물이다. 그러나, 이들 불순물에 제한되는 것은 아니다. 또는 상기 제2 도파로 영역(207)은 Si, Ge 및 Sn과 같은 양성 불순물로 도핑시킬 수 있다. 그러나, 이들 불순물에 제한되는 것은 아니다. 상기 불순물은 음이온 하부격자(anion sub-lattice)내에 지배적으로 결합하여 억셉터 불순물의 역할을 하게 되는 조건하에서 도입된다. 따라서, 제2 도파로 영역(207)은 분자선 에피텍시 성장법(molecular beam epitaxy)에 의해 성장시킨 다음 약 2xl017cm- 3킨의 농도를 가지는 Be 불순물로 도핑시킨 예로써 GaAs 층 또는 GaAlAs 층으로 구성할 수 있다.
활성 영역(206)은 기지(202)의 에너지 밴드 갭보다 좁은 에너지 밴드 갭을 가지는 임의의 삽입물에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 활성 영역(206)은 예로써 양자 우물, 양자 와이어, 양자 도트, 도는 이들의 임의의 조합에 의해 구성된 시스템으로 형성할 수 있다. 상기 활성 영역(206)은 단일층 시스템이나 복수층 시스템의 어느 것으로 구성해도 된다. 상기 기지(202)을 GaAs로 제조한 바람직한 실시예에 있어서, 활성 영역(206)은 예로써 InAs, In1 - xGaxAs, InxGa1 -x- yAlyAs, InxGa1 - xAs1 - yNy 또는 유사 물질로 이루어진 삽입체로 구성된 시스템으로 형성할 수 있다. 여기서, x 및 y는 합금의 조성을 나타낸다.
n-이미터(203)는 상기 기지(202)에 격자부합되거나 거의 격자부합되는 물질, 예로써 Ga1 - xAlxAs 합금물질로 구성하는 것이 바람직하다. 또, 상기 n-이미터(203)는 발생된 광에 투명하고, 후술하는 바와 같이 제1 도파로 영역(205)의 도핑과 유사하게 도너 불순물에 의해 도핑시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, p-이미터(220)는 적어도 하나의 p-도핑 층(208) 및 적어도 하나의 p+-도핑층(209)를 포함한다. 상기 p-도핑층(208)은 도파로(204)과 p+-도핑층(209)의 사이에 위치한다. p-도핑층(208)과 p+-도핑층(209)의 양 층은 모두 광송신이 가능하고, 상기 기지(202)에 격자부합되거나 거의 격자부합되는 물질로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 양 도핑층(208, 209)은 제2 도파로 영역(207)의 도핑과 유사하게 억셉터 불순물로 도핑되어 있다. 이들 양 도핑층(208, 209)의 차이는 도핑 레벨에 있다. 제2 도파로 영역(207)의 도핑 레벨과 p-도핑층(208)의 도핑 레벨은 유사하지만 p+-도핑층(209)의 도핑 레벨은 더 높은 것이 바람직하다. 예로써, 제2 도파로 영역(207)의 도핑 레벨이 약 2xlO17cm-3인 실시예에 있어서, p+-도핑층(209)은 분자선 에피텍시 성장법에 의해 성장시킨 다음, 약 2x1019cm- 3농도의 불순물로 도핑시킨 GaAlAs층으로 구성할 수 있다.
발광장치(201)의 두께는 10μm 이상으로 하는 것이 바람직하고, 스트라이프의 폭은 약 7μm 내지 약 10μm 이상이 바람직하고, 발광장치(201)의 길이는 약 100μm 이상으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 발광장치(201)은 도파로(204)이 단일 모드의 레이저 광(211)을 제공하도록 설계 및 구성된다. 이것은 예로써 n-이미터(203) 및 p-도핑층(208)의 회절 지수를 도파로(204)의 회절 지수보다 낮게 선택함으로써 달성될 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면 레이저 광의 기본 횡방향 모드가 도파로(204) 내에 제한되고, n-이미터(203) 및 p-도핑층(208) 내에서 확실히 붕괴된다.
순방향 바이어스(218)는 기지(202)과 접촉해 있는 n-콘택트(216) 및 p-이미터(220)(또는 p+-도핑층(209))와 접촉해 있는 p-콘택트(217)를 통해 발광장치(201)에 저속하는 것이 바람직하다. 상기 양 콘택트(216 및 217)는 다층 금속구조와 같은 임의의 주지의 구조를 이용하여 구현할 수 있다. 그러나, 콘택트의 구조가 다층 금속구조에 한정되는 것은 아니다. 예로써, n-콘택트(216)는 Ni-Au-Ge로 구성된 3층구조로서 형성할 수 있고, p-콘택트(217)는 Ti-Pt-Au로 구성된 3층구조로서 형성할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 장치(10)는 광(215)이 발광장치(201)에 충돌하는 것을 방지하기 위해 스펙트럼 선택 필터(260)을 더 포함한다. 일실시예에 있어서, 상기 필터(260)는 발광장치(201)와 반대측의 비선형 광학 결정(213) 상에 형성된다. 이 실시예에 있어서, 상기 필터(260)는 예로써 Si02, MgF2 또는 ZnS와 같은 유전체 피착물로서 형성할 수 있다. 그러나, 상기 유전체 피착물에 제한되는 것은 아니다.
도 4의 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 발광장치(201)의 전면(210) 및 후면(269)는 각각 반사방지 코팅(320) 및 고반사 코팅(319)으로 코팅시킨다.
고반사 코팅(319)는 후면(269)을 통한 손실을 최소화하는 역할을 한다. 이것은 예로써 반사율에 스톱밴드를 가지는 코팅을 형성함으로써 구현될 수 있다. 코팅(319)의 스톱밴드는 상기 기본 횡방향 모드의 고반사율 및 고차 횡방향 모드의 저반사율을 충분히 제공할 수 있는 정도의 소폭으로 설계할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 상기 코팅(319)은 협폭의 스펙트럼 영역 내에서 고반사율을 제공하도록 설계된 다층 유전체 구조로 형성된다. 후술하는 바와 같이, 본 실시예(도 8 참조)에 있어서 기본 횡방향 광학 모드에 대한 반사율은 더욱 높아지고, 손실은 더욱 낮아지는 한편 고차 모드에 대한 손실은 상당히 높아진다. 따라서, 본 실시예에 의하면 추가의 모드 선택이 가능하고, 단일모드 레이징을 용이하게 달성할 수 있다.
반사방지 코팅(320)에 의하면 레이징이 추가의 피드백을 통해서만 그리고 기본 횡방향 광학 모드에 대해서만 발생하게 된다. 이에 대해서는 후술한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 코팅(319 및 320)의 스톱밴드는 상기 비선형 광학(213)의 주파수 변환 효율의 온도 의존성과 동일하거나 유사한 온도 의존성을 가진다. 상기 코팅(319 및 320) 각각은 예로써 Si02, MgF2, 또는 ZnS와 같은 유전체 피착물과 같은 본 기술분야에 주지된 적절한 물질로 형성된 복수의 층을 포함하는 것이 바람직하다.
도 5는 광자 밴드갭 결정 레이저의 개념을 채용한 바람직한 실시예의 장치(10)의 도식도이다. 후술하는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 더욱 잘 인식하기 위해 상기 발광장치 및 도파로를 각각 참조번호 401 및 404로 표시하였다.
따라서, 본 실시예에 있어서, 확장 도파로(440)의 적어도 일부는 광자 밴드갭 결정(광자 밴드갭 결정; 430)의 n 주기(431)를 포함한다. 광자 밴드갭 결정(431)의 각 주기(431)는 저회절지수 및 고회절지수로 이루어진 2개의 n-도핑층으로 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 발광장치(401)는 광자 밴드갭 결정(430)과 p-도핑층(208)의 사이에 개재된 결함(432)을 포함한다. 상기 결함(432)은 예로써 바이더스(218)를 이용하여 주입 전류에 노출되었을 경우에 광을 발광하는 n-측(433) 및 p-측(435)을 가지는 활성 영역(434)을 포함하는 것이 바람직하다. 후술하는 바와 같이, 광의 일차 발생을 위해 상기 광자 밴드갭 결정(430)을 사용하면 매우 큰 폭의 도파로를 가지는 광의 고효율 저역치 전류밀도 소스가 얻어진다.
광자 밴드갭 결정 레이저의 개념은 Ledentsov, N.N.과 Shchukin, V.A.의 논문에서 최초로 소개되었다("Long Wavelength Lasers UsingGaAs-Based Quantum Dots", published in Photonics and Quantum Technologies for Aerospace Applications IV, Proceedings of SPIE, Donkor, E. et al., editors, 4732:15-26,2002.). 넓게 말하면, 광자 밴드갭 결정은 주기적 회절지수 변조를 특징으로 하는 다차원 구조이다. 간단히 하기 위해 하나의 방향 즉 z방향의 회절지수의 주기적 변조를 가지는 구조를 고려해보자. 무한대의 완전주기 광자 밴드갭 결정(perfectly periodic 광자 밴드갭 결정)에 있어서, 전자기파 또는 광자는 전기장(E) 또는 자기장(H)의 x 및 y 공간좌표 상에서의 모든 성분의 공간 의존성이 하나의 평면파로서 기술되도록 하는 x방향의 파동 벡터 k x 와 y방향의 파동 벡터 k y 를 특징으로 한다.
E, H~ exp(ik x x)exp(ik y y), (식 1)
반면에 Bloch의 이론에 따르면 z좌표 상에서의 의존성은 평면파로서 기술되지 않고 평면파와 회절지수의 변조와 동일한 주기를 가지는 주기함수 u(z)의 곱(product)으로 기술된다. 라서, 전기장 및 자기장의 전체 공간 의존성은 다음과 같다.
E, H~exp(ik x x)exp(ik y y)exp(ik z z)u(z). (식 2)
전자기파 또는 광자 에너지의 주기의 특성 밴드는 주기적 전자기파가 결정을 통해 전파되는 허용 밴드와 전자기파의 전파가 불가능한 금지 밴드갭을 포함한다.
상기 광자 밴드갭 결정의 완전 주기성은 층(삽입체)의 적층 중단이나 회절 지술의 주기성을 방해하는 임의의 형식의 결함에 의해 의도적으로 깰 수 있다. 이와 같은 결함은 전자기파를 로컬라이징(localize) 또는 디로컬라이징(delocalize)시킬 수 있다. 로컬라이징 결함의 경우에 있어서, (i) 상기 결함에 로컬라이징되고, 상기 결함에서 소실되는 파 및 (ii) 확장 파의 공간 형상이 결함에 의해 혼란해지는 상기 광자 밴드갭 결정의 전체를 통해 연장하는 파의 2가지 형식의 전자기파가 가능하다.
층들의 주기적 배열순서에 기초한 보다 전통적인 형식의 레이저에 있어서, 광은 회절 지수 변조축, 즉 z축에 평행한 방향으로 전파되고, 반면에 파동 벡터의 x축 성분 및 y축 성분은 kx = 0, and ky = 0를 충족시킨다. 이는 면 발광형 레이저에 대해 전형적인 상황이다. 이와 같은 형식의 레이저에 있어서, 층들의 주기적인 배열순서는 몇 가지 임계파장에서 고반사성 스펙트럼 범위를 제공하도록 설계된다. 상기 "결함"층은 상기 스톱밴드 내에 한정된 모드를 제공하도록 설계되어 있다.
Ledenstov 등에 의해 제시된 상기 광자 밴드갭 결정 레이저의 중요한 이점은 상기 레이저가 광자 밴드갭 결정의 특성으로부터 얻는 이점으로서, 이는 특정 파장의 반사와는 무관하다. 이 연구방법에 있어서, 상기 광자 밴드갭 결정는 회절 지수의 주기 변조가 z방향에서 발생하도록 하는 한편 상기 광의 주 전파가 x방향에서 발생하도록 설계된다. 상기 주기성은 횡방향 기본 모드의 광이 상기 결함에서 z방향으로 로컬라이징되고 상기 z방향 내에서 상기 결함으로부터 소실됨으로써 파괴된다. 이 경우 상기 스톱밴드의 특정 스펙트럼 위치의 반사성이나 주어진 파장에 대한 외부 캐비티의 두께에 대한 일반적인 요구조건은 존재하지 않는다. 상기 광자 밴드갭 결정의 주기성이 전파하는 광의 파장에 직접적인 관련성이 없으므로 상기 장치(10)은 예로써 1μm, 0.9μm 및 0.8μm와 같이 넓은 범위의 파장에 대해 동시에 사용할 수 있다. 상기 장치(10)는 설계 및 제조의 양 면에서 극히 높은 공차를 제공함을 알 수 있다. 상기 공차는 직접 주파수 변환에 대해 특히 이점이 있다.
레이저 광의 모드를 로컬라이징하는 결함(432)의 능력은 2개의 파라메터에 의해 조절된다. 제1 파라메터는 결함(432)의 회절 지수들과 상기 광자 밴드갭 결정의 기준층 사이의 차이(Δn)이다. 제2 파라메터는 상기 결함의 체적이다. 회절 지수가 일방향으로만 변조되는 일차원 광자 밴드갭 결정에 있어서, 상기 제2 파라메터는 결함(432)의 두께에 해당한다. 일반적으로 일정한 결함의 두께에서 Δn의 값이 증가함에 따라 결함에 의해 로컬라이징되는 모드의 갯수도 증가한다. Δn의 값이 일정할 때, 상기 결함의 두께가 증가하면 상기 결함에 의해 로컬라이징되는 모드의 갯수도 증가한다. 이들 2개의 파라메터 즉 Δn 및 결함의 두께는 레이저 광의 하나 및 단일 모드가 결함(432)에 의해 로컬라이징되는 파라메터가 되도록 선택할 수 있다. 다른 모드들은 상기 광자 밴드갭 결정에 걸쳐 확장된다.
그러므로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 결함(432) 및 광자 밴드갭 결정(430)는 상기 회절 지수 변조축에 수직 한 방향으로 전파하는 기본 광학 모드가 결함(432)에서 로컬라이징되고 상기 결함(432)으로부터 소실되는 한편 모든 다른 광학 모드(고차 광학 모드)들은 전체 광자 밴드갭 결정에 걸쳐 확장되도록 선택된다. 다음에 게인 영역(gain region)은 상기 광자 밴드갭 결정의 결함에 직접 배치하거나 인접 배치할 수 있다.
전체 구조를 통해 요구되는 회절 지수들은 다음과 같이 산정한다. 모델 구조를 취한다. 파동식에 대한 고유벡터(eigenvector) 문제의 해(solution)로부터 기본 TE모드 및 고차 TE모드를 얻는다. 상기 기본 모드가 연산되면, 예로써 H.C. Casey, Jr. 및 M.B. Panish에 의해 제안된 방법(Semiconductor Lasers, Part A, Academic Press, N. Y., 1978, Chapter 2)을 이용하여 파필드 패턴(far field pattern)을 연산한다. 최적화 결과로 요구되는 구조가 얻어진다. 최적화에 의해 최저 빔 발산, 상기 활성 영역에서의 기본 모드의 최대 진폭, 및 상기 활성 영역에서의 최고 모드의 진폭 대 기본 모드의 진폭의 최저의 비율 사이에서 바람직한 상호작용이 제공된다.
전술한 바와 같이, 활성 영역(434)은 레이저 광의 기본 모드가 로컬라이징되는 결함(432) 내에 배치하는 것이 바람직하다. 상기 기본 모드의 요구되는 로컬라이제이션(localization) 길이는 2가지 경향의 상호작용에 의해 결정된다. 한편에 있어서는 상기 로컬라이제이션 길이는 낮은 파필드 빔 발산을 제공하는데 충분한 긴 길이로 할 필요가 있고, 다른 한편으로는 상기 로컬라이제이션 길이는 상기 광자 밴드갭 결정의 길이보다 충분히 짧은 길이가 되어야 한다. 이것에 의해 상기 광자 밴드갭 결정의 총 두께의 척도로 상기 기본 모드의 효과적인 로컬라이제이션이 얻어지고 따라서 다른 모드들에 비해 기본 모드의 전기장의 강도가 크게 개선된다. 예로써, 일실시예에 있어서 상기 광자 밴드갭 결정 레이저는 4°의 빔 발산을 달성하고, 그 제한 인자(confinement factor)는 0.8μm GaAs 캐비티 및 Ga1 - xAlxAs 피착층(여기서, x = 0.3)을 가지는 표준 이중 헤테로구조(heterostructuree) 레이저의 제한 인자의 0.11에 해당한다.
이와 같은 구성에 의해 확장 도파로(440)으로부터 단일 횡방향 모드의 레이징이 촉진되고, 그 결과 상기 장치(10)에 의해 효과적인 광의 주파수 변환을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 콘택트 층(216 및 217)의 제작용 재료는 확장된 고차 모드들만이 상기 콘택트 층(216 및 217)에 의해 산란되는 반면 상기 결함(432)에 의해 로컬라이징된 기본 모드는 상기 콘택트 영역에 미치지 않음으로써 산란되지 않도록 하는 조건에 부합하게 선택된다. 상기 콘택트 층(216 및 217)을 위한 적절한 재료에는 예로써 합금 금속이 포함된다.
또, 발광장치(401)는 모든 확장 고차 모드를 흡수하는 한편 로컬라이징된 기본 모드는 영향을 받지 않은 상태로 유지되도록 상기 결함(432)으로부터 이격 배치된 상기 광자 밴드갭 결정(430)의 제1 층(431)의 하나의 층 내에 위치하는 하나 이상의 흡수층(420)을 더 포함한다. 상기 흡수층(420)은 또 상기 광자 밴드갭 결정(430)의 다른 층(431) 내에 배치할 수도 있다.
상기 광자 밴드갭 결정는 기지(202)에 대해 격자부합되거나 거의 격자부합됨과 동시에 상기 출사된 광에 대해 투명한 재료로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 실시예의 GaAs기지 상의 장치에서 바람직한 실시예는 알루미늄 조성(x)을 조절한 합금 Gal- xAlxAs이다. 주기(period)의 수(n), 각 층의 두께, 및 각 층의 합금의 조성은 레이저 광의 하나 및 단일 모드의 로컬라이제이션을 제공하는 조건이 되도록 선택하는 것이 바람직하다.
발광장치(401)의 층의 수 및 활성 영역의 위치는 상기 장치(10)의 제작공정 및 상기 장치(10)의 용도에 따라 변화시킬 수 있다. 따라서, 일실시예는 도 5와 유사하게 흡수층을 도입한 그러나 활성 영역은 결함의 외측에 위치하는 구조를 포함한다. 다른 실시예는 활성 영역이 상기 결함의 외측에 위치하고, 각 등급의 회절 지수 층들은 저 회절 지수를 가지는 각 층과 고 회절 지수를 가지는 인접층의 사이에 도입되는 구조를 포함한다. 상기 활성 영역이 상기 결함의 외측에 위치하는 다른 실시예는 상기 활성 영역을 둘러싸는 캐리어에 대한 박막의 터널장벽을 포함한다. 상기 활성 영역이 상기 결함의 외측에 위치하고, 예로써 흡수층과 같은 일부의 구성요소 또는 전체의 구성요소, 각 등급의 회절 지수층 및 캐리어에 대한 박막의 터널 장벽이 포함되는 다른 실시예도 가능하다. 본 발명의 다른 실시예는 상기 결함이 활성 영역의 n-측 또는 p-측에 위치하는 구조를 포함한다.
상기 장치(401)의 바람직한 두께는 약 10μm 이상이고, 상기 광자 밴드갭 결정(430)의 주기(431)의 바람직한 갯수는 약 5 내지 10개 이상이고, 바람직한 스트라이프 폭은 약 7 μm 내지 약 10 μm 이상이고, 상기 장치(401)의 바람직한 길이는 약 100 μm 이상이다.
전술한 바와 같이 기지(202) 또는 콘택트층(216 및 217)에 미치지 않고 누설 손실이 발생하지 않는 상기 기본 모드와는 반대로 모든 확장 고차 모드들이 기지(202) 또는 콘택트 층(216 및 217) 내로 누설 및 침투하는 발광장치(401)의 적절한 누설 설계에 의해 상기 장치(10)의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 6은 바람직한 실시예의 장치(10)을 도시한 것으로서, 여기서는 1차광을 발생하기 위해 누설 레이저를 이용하고 있다.
따라서, 본 실시예에 있어서, 도파로(204)는 2개의 부재를 포함한다. 제1 부재(539)는 중간 회절 지수를 가지고, 제2 부재(540)는 고 회절 지수를 가지는 것이 바람직하다. 활성 영역(206)은 층(205 및 207) 사이에 개재되어 있고, 각 층은 중간 회절 지수의 특징을 가진다. 상기 활성 영역(206)에서 발생 된 광은 상기 중간 회절 지수를 가지는 제1 부재(539)로부터 고 회절 지수를 가지는 제2 부재(540)로 누출되고, 경로(541)를 관통하여 전파되고, 전면(210)을 통해 출사되어 외부 캐비티(512) 내의 경로(511)를 따라 전파된다. 광(511)은 상기 캐비티 내에서 상기 전면(210)의 수직선에 대해 경사를 이루는 방향으로 전파된다. 이와 같이 어떤 각도로 전파됨으로써 피드백이 단일 횡방향 누설 모드에서만 선택적으로 존재하게 된다. 단일 모드 광이 형성되므로 상기 광(511)이 비선형 광학 결정(213) 내로 진입하면 효과적인 주파수 변환이 발생하여 변환된 광(515)이 발생된다. 상기 광(515)은 후술하는 바와 같이 광반사체(214)를 통해 출사된다.
상기 기본 모드의 누설이 발생하는 제2 부재(540)는 상기 기지(202)에 격자부합하거나 거의 격자부합하고, 방출된 광에 대해 투명하고, n-도핑되고, 고 회절 지수를 가지는 물질로 형성하는 것이 바람직하다. 도핑 불순물의 형식 및 도핑 레벨은 후술하는 바와 같이 층(203)과 동일하게 하는 것이 바람직하다. 일실시예의 GaAs기지 상의 장치에 있어서의 바람직한 물질은 Ga1 - xAlxAs로서, 여기서 알루미늄 조성(x)은 회절 지수의 요구조건에 따라 선택된다.
1차광을 발생시키기 위한 누설 레이저는 도파로(204)에 제2 부재(540)는 포함되지 않고 제1 부재(539)만이 포함되도록 제작하는 것도 가능하고 또 바람직하다. 이 실시예에 있어서, 발생된 광은 상기 기지(202) 내로 직접 침투한다.
도 7의 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 장치(10)는 약하게 발산하는 빔(611)을 평행 빔(651)으로 변환하기 위한 렌즈(650)를 더 포함한다. 본 실시예에 있어서, 집속광 반사체 대신 평평한 광반사체(614)가 사용된다. 본 실시예의 특별한 이점은 평평한 광반사체의 구조가 집속광 반사체의 구조에 비해 대체로 간단하다는 점이다. 상기 렌즈(650)는 유리 또는 석영 유리와 같은 본 기술분야에 주지된 적절한 재료로 제작할 수 있다. 그러나 렌즈의 재료는 이에 한정되지 않는다.
도 8은 복수의 코팅을 포함하는 장치(10)의 다른 바람직한 실시예를 도시한 것이다. 따라서, 전술한 바와 같이, 발광장치(201)는 전면(210) 상의 반사방지 코팅(320), 및 후면(269) 상의 다층의 유전체 구조로 형성된 고반사 코팅(719)을 포함한다. 본 실시예에 있어서, 광반사체로서 고반사 코팅(714)을 추가로 사용할 수 있다. 또는 상기 고반사 코팅(714)을 광반사체(214 또는 614) 상에 형성할 수도 있다. 상기 코팅(714)의 두께, 형상 및 갯수는 상기 코팅(714)의 선택 반사, 흡수 및/또는 전송 특성을 촉진하도록 설계하는 것이 바람직하다. 특히, 코팅(714)은 상기 기본 횡방향 모드(211, 511 또는 651)의 고반사성 및 저손실, 상기 변환된 광(215)에 대한 고전송계수 및 저손실, 및 불필요한 상기 고차 모드에서의 높은 손실을 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명의 범위는 당연히 전술한 코팅의 모든 조합을 포함하는 것을 목적으로 한다. 예로써, 어떤 실시예에 있어서 하나 이상의 코팅을 단일층이나 복수층의 코팅으로서 독립적으로 구현할 수 있다. 또, 다른 실시예에 있어서 코팅(714)은 코팅(320) 및/또는 코팅(319)과 함께 포함될 수도 있다.
복수층의 코팅 구조를 이용하면, 비선형 광학 결정의 광학 주파수 변환의 최대 효율긔 스펙트럼 위치와 동일한 방식으로 온도변화에 따라 협폭의 스톱밴드(들)의 스펙트럼 위치를 변위시키도록, 조성 물질을 선택할 수 있게 된다. 이것에 의해 장치(10)의 주파수 변환 효율의 극히 높은 온도 안정성을 달성할 수 있다.
코팅(714 및 719)은 예로써 Si02, MgF2, 또는 ZnS 등의 교류 유전체 피착물과 같은 특수한 반사성, 흡수성 및/또는 전송특성을 가지는 주지의 적절한 물질로 형성할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 관점에 따른 광 주파수 변환방법을 도시한 흐름도로서, 이 변환방법은 후술하는 단계들을 포함한다.
블록(802)으로 표시한 제1 단계에 있어서, 발광장치로부터 제1 주파수를 가지는 광이 출사된다. 상기 발광장치는 후술하는 바와 같이 예로써 발광장치(201) 또는 발광장치(401)로 구성할 수 있다. 블록(804)으로 표시한 제2 단계에 있어서, 외부 캐비티 내측 및 비선형 광학 결정을 통해 광이 복수회 통과할 수 있도록 하기 위해 광반사체가 사용된다. 상기 외부 캐비티는 예로써 외부 캐비티(212) 또는 외부 캐비티(512)와 같이 설계할 수 있고, 상기 비선형 광학 결정은 후술하는 바와 같이 예로써 코팅(260)을 가지거나 가지지 않는 비선형 광학 결정(213)과 같은 적절한 광 변환특성을 가지는 임의의 주지의 비선형 광학 결정으로 구성할 수 있다. 상기 외부 캐비티 내에서 광을 복수회 통과시킴에 의해 제1 주파수를 가지는 레이저 광을 발생하는데 충분한 피드백이 형성된다. 블록(806)으로 표시한 제3단계에 있어서, 상기 제1 주파수를 가지는 레이저 광은 비직선형 광학 결정을 복수회 통과한다. 상기 비직선형 광학 결정은 상기 레이저 광의 제1 주파수를 이 제1 주파수와 다른 제2 주파수로 변환시킨다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 상기 광반사체는 광반사체(214, 614, 714) 또는 이와 유사한 것 중의 임의의 하나로 구성할 수 있다. 상기 광반사체는 후술하는 바와 같이 단일층 코팅이나 복수층 코팅으로 코팅할 수 있고, 또 코팅하는 것이 바람직하다. 선택적으로 상기 방법은 블록(808)으로 표시한 추가의 단계를 더 포함할 수 있다. 이 단계에서 약하게 발산하는 광은 렌즈(650)과 같은 렌즈를 이용하여 평행 빔으로 변환된다.
본 발명의 추가의 관점에 따르면, 광의 주파수 변환장치의 제작방법이 제공된다.
도 10은 상기 주파수 변환장치의 제작방법의 각 단계의 흐름도로서, 블록(902)으로 표시한 제1 단계에 있어서, 예로써 발광장치(201) 또는 발광장치(401)와 같은 발광장치가 제공된다. 블록(904)으로 표시한 제2 단계에 있어서, 광반사체가 상기 발광장치의 대향측에 설치되고, 블록(906)으로 표시한 제3단계에 있어서, 상기 발광장치 및 광반사체 사이에 형성된 외부 캐비티 내에 비선형 광학 결정이 설치된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 발광장치, 광반사체 및 비직선형 광학 결정은, 상기 광이 상기 비선형 광학 결정을 복수회 통과하도록 함과 동시에 후술하는 바와 같이 변환된 주파수를 가지는 레이저 광을 발생하기 위한 피드백을 제공하도록, 구성 및 설계된다.
명확히 하기 위해 별도의 실시예들과 관련하여 설명한 본 발명의 특정의 특징들은 단일 실시예와의 조합에서도 제공될 수 있다. 반대로, 간결히 하기 위해 단일의 실시예와 관련하여 설명한 본 발명의 다양한 특징들은 독립적으로 또는 임의의 적절한 하위 조합에 의해서도 제공될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 특별한 실시예에 관하여 설명한 것으로서, 본 기술분야의 전문가는 많은 대안, 변경, 개조가 가능함을 명백히 알 수 있다. 따라서, 상기 대안, 변경, 개조가 첨부한 청구범위의 정신 및 넓은 범위 내에 포함되는 것을 목적으로 한다. 본 명세서에 언급된 모든 특허공개, 특허, 및 특허출원은 특별히 및 개별적으로 참조로서 도입된 것이다. 또, 본 명세서에서의 임의의 참조의 인용이나 식별은 그 참조가 본 발명에 대한 선행기술로서 이용할 수 있음을 승인하는 것으로 해석해서는 안된다.

Claims (170)

  1. 광의 주파수 변환장치에 있어서, (a) 확장 도파로의 기본 횡방향 모드가 낮은 빔 발산을 특징으로 하도록 선택된 확장 도파로를 구비하는 단면 발광형 반도체 발광 다이오드로 구성된 제1 주파수를 가지는 광을 발광하는 발광장치; (b) 상기 광이 상기 발광장치 및 광반사체 사이에 형성된 외부 캐비티를 통해 복수회 통과함과 동시에 상기 제1 주파수를 가지는 레이저 광을 발생하기 위한 피드백을 제공하도록 구성 및 설계된 광반사체; 및 (c) 상기 외부 캐비티 내에 배치됨과 동시에 상기 제1 주파수를 가지는 레이저 광이 비직선형 결정을 통해 복수회 통과할 때 상기 제1 주파수가 이 주파수와 다른 제2 주파수로 변화되도록 선택된 비직선형 광학 결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 추가의 발광장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 추가의 발광장치의 적어도 하나는 상기 확장된 도파로를 가지는 단면 발광형 반도체 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 확장된 도파로는 주입 전류에 노출되었을 때 발광이 가능한 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 발광장치 및 주입 전류의 스트라이프의 길이는 상기 주입 전류에 의해서만 비정합광이 발생되고 상기 주입 전류 및 피드백의 조합에 의해서 상기 제1주파수를 가지는 레이저 광이 발생되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 외부 캐비티는 상기 제1주파수를 구비하는 상기 레이저 광이 실질적으로 상기 기본 횡방향 모드 내에서 발생 되는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 광반사체는 상기 제2주파수 이외의 다른 하나의 주파수를 가지는 광을 반사함과 동시에 상기 제2주파수를 가지는 광을 전송하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 발광장치는 복수의 층으로 형성된 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 발광장치는 상기 확장된 도파로의 제1측의 인접부에 n-이미터를 상기 확장된 도파로의 제2측의 인접부에 p-이미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 n-이미터는 기지의 제1측 상에 형성되고, 상기 기지는 III-V족 반도체인 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 III-V족 반도체는 GaAs, InAs, InP 및 GaSb로 구성된 그룹에서 선택된 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 발광장치는 상기 기지와 접촉하는 n-콘택트 및 상기 p-이미터와 접촉하는 p-콘택트를 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 p-이미터는 상기 확장된 도파로에 접촉하는 적어도 하나의 p-도핑 된 층 및 상기 p-콘택트와 접촉하는 적어도 하나의 p+-도핑 된 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  14. 제10항에 있어서, 상기 확장된 도파로는 n-불순물에 의해 도핑 된 제1확장 도파로 영역과 p-불순물에 의해 도핑 된 제2확장 도파로 영역의 사이에 형성된 활성 영역을 구비하고, 상기 제1 확장 도파로 영역과 제2 확장 도파로 영역은 광송신이 가능한 구성인 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 활성 영역은 상기 기지의 에너지 밴드갭 보다 좁은 에너지 밴드갭을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  16. 제14항에 있어서, 상기 활성 영역은 적어도 하나의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  17. 제14항에 있어서, 상기 활성 영역은 양자 우물 시스템, 양자 와이어 시스템, 양자 도트 시스템, 및 이들의 임의의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  18. 제9항에 있어서, 상기 n-이미터의 두께는 10 마이크로미터 이상인 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  19. 제1항에 있어서, 상기 발광장치의 전면은 반사방지 코팅에 의해 코팅된 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  20. 제1항에 있어서, 상기 발광장치의 후면은 고반사 코팅에 의해 코팅된 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  21. 제19항에 있어서, 상기 발광장치의 후면은 고반사 코팅에 의해 코팅된 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  22. 제20항에 있어서, 상기 고반사 코팅은 복수의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  23. 제20항에 있어서, 상기 고반사 코팅은 상기 기본 횡방향 모드의 고반사성 및 고차 횡방향 모드의 저반사성을 제공하기 위해 충분히 좁은 소정의 스톱밴드를 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  24. 제1항에 있어서, 상기 광반사체는 복수의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  25. 제24항에 있어서, 상기 광반사체는 상기 기본 횡방향 모드의 고반사성 및 고차 횡방향 모드의 저반사성을 제공하기 위해 충분히 좁은 소정의 스톱밴드를 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  26. 제20항에 있어서, 상기 고반사 코팅 및 광반사체는 각각 독립적으로 상기 기본 횡방향 모드의 고반사성 및 고차 횡방향 모드의 저반사성을 제공하기 위해 충분히 좁은 소정의 스톱밴드를 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  27. 제23항에 있어서, 상기 비직선형 광학 결정은 주파수 변환 효율을 특징으로 하고, 상기 고반사 코팅의 스톱밴드의 온도의존성은 상기 주파수 변환 효율의 온도 의존성과 동일한 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  28. 제25항에 있어서, 상기 비직선형 광학 결정은 주파수 변환 효율을 특징으로 하고, 상기 광반사체의 스톱밴드의 온도의존성은 상기 주파수 변환 효율의 온도 의존성과 동일한 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  29. 제26항에 있어서, 상기 고반사 코팅의 스톱밴드의 온도 의존성은 상기 주파수 변환 효율의 온도 의존성과 동일한 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  30. 제29항에 있어서, 상기 광반사체의 스톱밴드의 온도 의존성은 상기 주파수 변환 효율의 온도 의존성과 동일한 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  31. 제1항에 있어서, 상기 제2주파수를 가지는 광이 상기 발광장치와 충돌하는 것을 방지하기 위해 설치된 스펙트럼 선택 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  32. 제31항에 있어서, 상기 스펙트럼 선택 필터는 상기 발광장치에의 대면측 상에서 상기 비직선형 광학 결정 상에 형성된 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  33. 제1항에 있어서, 상기 확장 도파로는 적어도 두 개의 부재를 포함하고, 각 부재는 상기 확장 도파로가 가변 회절 지수를 특징으로 하도록 다양한 회절 지수를 가지는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  34. 제33항에 있어서, 상기 확장 도파로의 적어도 두 부재는 중간 회절 지수를 가지는 제1부재와 고 회절 지수를 구비하는 제2부재를 포함하고, 상기 제1부재와 제2부재는 상기 기본 횡방향 모드가 상기 제1부재에서 발생되고, 상기 제2부재내로 누설되고, 상기 광발생 장치의 전면을 통해 소정의 각도로 출사되도록 설계 및 구성된 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  35. 제1항에 있어서, 상기 확장 도파로의 적어도 일부는 광자 밴드갭 결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  36. 제35항에 있어서, 상기 광자 밴드갭 결정은 주기적으로 변조된 회절 지수를 가지는 구조를 포함하고, 상기 구조는 복수의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  37. 제36항에 있어서, 상기 발광장치는 상기 광자 밴드갭 결정의 일층 내에 위치된 광흡수가 가능한 적어도 하나의 흡수층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  38. 제36항에 있어서, 상기 발광장치는 상기 복수의 흡수층의 각 하나가 상기 광자 밴드갭 결정의 다른 층에 위치되도록 복수의 흡수층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  39. 제35항에 있어서, 상기 확장 도파로의 적어도 일부는 상기 광자 밴드갭 결정의 제1측에 인접하는 결함을 포함하고, 상기 결함 및 상기 광자 밴드갭 결정은 상기 기본 횡방향 모드가 상기 결함에 위치되도록 함과 동시에 모든 다른 모드가 상기 광자 밴드갭 결정 상에 연장되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  40. 제39항에 있어서, 상기 결함은 n-측과 p-측을 가지는 활성 영역을 포함하고, 상기 활성 영역은 주입 전류에 노출되었을 때 발광이 가능한 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  41. 제39항에 있어서, 상기 광자 밴드갭 결정 및 상기 결함의 총 두께는 상기 낮은 빔 발산을 허용하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  42. 제41항에 있어서, 상기 발광장치는 상기 광자 밴드갭 결정의 제2측의 인접부에 n-이미터를 포함하고, 상기 결함의 인접부에서 상기 결함에 의해 상기 광자 밴드갭 결정으로부터 이격된 p-이미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  43. 제42항에 있어서, 상기 발광장치는 가변 회절 지수를 가지는 p-도핑 된 층구조를 포함하고, 상기 p-도핑 된 층구조는 상기 p-이미터 및 상기 결함의 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  44. 제42항에 있어서, 상기 n-이미터는 상기 기지의 제1측 상에 형성되고, 상기 기지는 III-V족 반도체인 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  45. 제44항에 있어서, 상기 III-V족 반도체는 GaAs, InAs, InP 및 GaSb으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  46. 제44항에 있어서, 상기 발광장치는 상기 기지와 접촉하는 n-콘택트와 상기 p-이미터와 접촉하는 p-콘택트를 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  47. 제46항에 있어서, 상기 발광장치는 가변 회절 지수를 가지는 p-도핑 된 층구조를 포함하고, 상기 p-도핑 된 층 구조는 상기 p-이미터와 상기 결함의 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  48. 제47항에 있어서, 상기 가변 회전 지수는 상기 기본 횡방향 모드가 상기 n-콘택트 및/또는 p-콘택트까지 연장하는 것을 방지하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  49. 제46항에 있어서, 상기 p-이미터는 상기 확장 도파로와 접촉하는 적어도 하나의 p-도핑 된 층과 상기 p-콘택트와 접촉하는 적어도 하나의 p+-도핑 된 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  50. 제40항에 있어서, 상기 결함은 상기 n-측 상에 위치함과 동시에 제1의 추가층의 쌍 사이에 개재된, 전자를 위한 제1 터널 장벽 박막층과 상기 p-측 상에 위치함과 동시에 제2의 추가층의 쌍 사이에 개재된, 공공을 위한 제2 터널 장벽 박막층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  51. 제50항에 있어서, 상기 제1 터널 장벽 박막층은 약하게 도핑 된 n-층과 도핑되지 않은 층으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  52. 제50항에 있어서, 상기 제2 터널 장벽 박막층은 약하게 도핑 된 p-층과 도핑 되지 않은 층으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  53. 제50항에 있어서, 상기 결함은 상기 활성 영역으로부터 이격 된 상기 제1의 추가층의 쌍 중의 하나와 인접하는 두꺼운 n-도핑 된 층과; 상기 활성 영역으로부터 이격 된 상기 제2의 추가층의 쌍에 인접하는 p-도핑 된 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  54. 제50항에 있어서, 상기 제1의 추가층의 쌍 중의 적어도 하나는 약하게 도핑 된 n-층 및 도핑 되지 않은 층으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  55. 제50항에 있어서, 상기 제2 추가층의 쌍의 적어도 하나는 약하게 도핑 된 n-층 및 도핑되지 않은 층으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  56. 제1항에 있어서, 상기 발광장치 및 비직선형 광학 결정의 사이의 상기 외부 캐비티 내에 위치된 하나의 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  57. 제56항에 있어서, 상기 렌즈는 약하게 발산되는 광의 빔을 평행한 광의 빔으로 변환시키도록 설계 및 구성된 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  58. 제57항에 있어서, 상기 광반사체는 평평한 광반사체이고, 상기 평행 빔을 반사시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치.
  59. 광의 주파수 변환방법에 있어서, (a) 확장 도파로의 기본 횡방향 모드가 낮은 빔 발산을 특징으로 하도록 선택된 확장 도파로를 가지는 단면 발광형 반도체 발광 다이오드인 발광장치를 이용하여 제1주파수를 가지는 광을 발광하는 단계; (b) 상기 광을 상기 제1주파수를 가지는 레이저 광을 발생시키기 위한 피드백을 제공하기 위해 상기 발광장치와 상기 광반사체 사이에 형성된 외부 캐비티 내에서 복수회 통과시키기 위해 반사체를 이용하는 단계; 및 (c) 상기 제1주파수를 이 주파수와 다른 제2주파수로 변환시켜 상기 제2주파수를 가지는 레이저 광을 제공하기 위해 상기 외부 캐비티 내에 위치한 비직선형 광학 결정을 이용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  60. 제59항에 있어서, 상기 발광단계는 상기 확장 도파로를 주입 전류에 노출시킴에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  61. 제60항에 있어서, 상기 발광장치 및 주입 전류의 스트라이프 길이는 상기 주입 전류에 의해서만 비정합광이 발생되고 상기 주입 전류 및 피드백의 조합에 의해서 상기 제1주파수를 가지는 레이저 광이 발생되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  62. 제59항에 있어서, 상기 외부 캐비티는 상기 제1주파수를 구비하는 상기 레이저 광이 실질적으로 상기 기본 횡방향 모드 내에서 발생되는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  63. 제59항에 있어서, Z상기 광반사체는 상기 제2주파수 이외의 다른 하나의 주파수를 가지는 광을 반사함과 동시에 상기 제2주파수를 가지는 광을 전송하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  64. 제59항에 있어서, 상기 발광장치는 복수의 층으로 형성된 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  65. 제59항에 있어서, 상기 발광장치는 상기 확장된 도파로의 제1측의 인접부에 n-이미터를 상기 확장된 도파로의 제2측의 인접부에 p-이미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  66. 제65항에 있어서, 상기 n-이미터는 기지의 제1측 상에 형성되고, 상기 기지는 III-V족 반도체인 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  67. 제66항에 있어서, ㅍ상기 III-V족 반도체는 GaAs, InAs, InP 및 GaSb로 구성된 그룹에서 선택된 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  68. 제66항에 있어서, 상기 발광장치는 상기 기지와 접촉하는 n-콘택트 및 상기 p-이미터와 접촉하는 p-콘택트를 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  69. 제68항에 있어서, 상기 p-이미터는 상기 확장된 도파로에 접촉하는 적어도 하나의 p-도핑 된 층 및 상기 p-콘택트와 접촉하는 적어도 하나의 p+-도핑 된 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  70. 제66항에 있어서, 상기 확장된 도파로는 n-불순물에 의해 도핑 된 제1확장 도파로 영역과 p-불순물에 의해 도핑 된 제2확장 도파로 영역의 사이에 형성된 활성 영역을 구비하고, 상기 제1 확장 도파로 영역과 제2 확장 도파로 영역은 광송신이 가능한 구성인 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  71. 제70항에 있어서, 상기 활성 영역은 상기 기지의 에너지 밴드갭 보다 좁은 에너지 밴드갭을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  72. 제70항에 있어서, 상기 활성 영역은 적어도 하나의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  73. 제70항에 있어서, 상기 활성 영역은 양자 우물 시스템, 양자 와이어 시스템, 양자 도트 시스템, 및 이들의 임의의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  74. 제65항에 있어서, 상기 n-이미터의 두께는 10 마이크로미터 이상인 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  75. 제59항에 있어서, 상기 발광장치의 전면은 반사방지 코팅에 의해 코팅된 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  76. 제59항에 있어서, 상기 발광장치의 후면은 고반사 코팅에 의해 코팅된 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  77. 제75항에 있어서, 상기 발광장치의 후면은 고반사 코팅에 의해 코팅된 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  78. 제76항에 있어서, 상기 고반사 코팅은 복수의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  79. 제76항에 있어서, 상기 고반사 코팅은 상기 기본 횡방향 모드의 고반사성 및 고차 횡방향 모드의 저반사성을 제공하기 위해 충분히 좁은 소정의 스톱밴드를 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  80. 제59항에 있어서, 상기 광반사체는 복수의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  81. 제80항에 있어서, 상기 광반사체는 상기 기본 횡방향 모드의 고반사성 및 고차 횡방향 모드의 저반사성을 제공하기 위해 충분히 좁은 소정의 스톱밴드를 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  82. 제76항에 있어서, 상기 고반사 코팅 및 광반사체는 각각 독립적으로 상기 기본 횡방향 모드의 고반사성 및 고차 횡방향 모드의 저반사성을 제공하기 위해 충분히 좁은 소정의 스톱밴드를 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  83. 제79항에 있어서, 상기 비직선형 광학 결정은 주파수 변환 효율을 특징으로 하고, 상기 고반사 코팅의 스톱밴드의 온도의존성은 상기 주파수 변환 효율의 온도 의존성과 동일한 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  84. 제81항에 있어서, 상기 비직선형 광학 결정은 주파수 변환 효율을 특징으로 하고, 상기 광반사체의 스톱밴드의 온도의존성은 상기 주파수 변환 효율의 온도 의존성과 동일한 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  85. 제82항에 있어서, 상기 고반사 코팅의 스톱밴드의 온도 의존성은 상기 주파수 변환 효율의 온도 의존성과 동일한 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  86. 제85항에 있어서, 상기 광반사체의 스톱밴드의 온도 의존성은 상기 주파수 변환 효율의 온도 의존성과 동일한 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  87. 제59항에 있어서, 상기 제2주파수를 가지는 광이 상기 발광장치와 충돌하는 것을 방지하기 위해 설치된 스펙트럼 선택 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  88. 제87항에 있어서, 상기 스펙트럼 선택 필터는 상기 발광장치에의 대면 측 상에서 상기 비직선형 광학 결정상에 형성된 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  89. 제59항에 있어서, 상기 확장 도파로는 적어도 두 개의 부재를 포함하고, 각 부재는 상기 확장 도파로가 가변 회절 지수를 특징으로 하도록 다양한 회절 지수를 가지는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  90. 제89항에 있어서, 상기 확장 도파로의 적어도 두 부재는 중간 회절 지수를 가지는 제1부재와 고 회절 지수를 구비하는 제2부재를 포함하고, 상기 제1부재와 제2부재는 상기 기본 횡방향 모드가 상기 제1부재에서 발생되고, 상기 제2부재내로 누설되고, 상기 광발생 장치의 전면을 통해 소정의 각도로 출사되도록 설계 및 구성된 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  91. 제59항에 있어서, 상기 확장 도파로의 적어도 일부는 광자 밴드갭 결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  92. 제91항에 있어서, 상기 광자 밴드갭 결정은 주기적으로 변조된 회절 지수를 가지는 구조를 포함하고, 상기 구조는 복수의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  93. 제92항에 있어서, 상기 발광장치는 상기 광자 밴드갭 결정의 일층 내에 위치된 광흡수가 가능한 적어도 하나의 흡수층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  94. 제92항에 있어서, 상기 발광장치는 상기 복수의 흡수층의 각 하나가 상기 광자 밴드갭 결정의 다른 층에 위치되도록 복수의 흡수층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  95. 제91항에 있어서, 상기 확장 도파로의 적어도 일부는 상기 광자 밴드갭 결정의 제1측에 인접하는 결함을 포함하고, 상기 결함 및 상기 광자 밴드갭 결정은 상기 기본 횡방향 모드가 상기 결함에 위치되도록 함과 동시에 모든 다른 모드가 상기 광자 밴드갭 결정상에 연장되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  96. 제95항에 있어서, 상기 결함은 n-측과 p-측을 가지는 활성 영역을 포함하고, 상기 활성 영역은 주입 전류에 노출되었을 때 발광이 가능한 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  97. 제95항에 있어서, 상기 광자 밴드갭 결정 및 상기 결함의 총 두께는 상기 낮은 빔 발산을 허용하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  98. 제95항에 있어서, 상기 발광장치는 상기 광자 밴드갭 결정의 제2측의 인접부에 n-이미터를 포함하고, 상기 결함의 인접부에서 상기 결함에 의해 상기 광자 밴드갭 결정으로부터 이격된 p-이미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  99. 제98항에 있어서, 상기 발광장치는 가변 회절 지수를 가지는 p-도핑 된 층구조를 포함하고, 상기 p-도핑 된 층구조는 상기 p-이미터 및 상기 결함의 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  100. 제98항에 있어서, 상기 n-이미터는 상기 기지의 제1측 상에 형성되고, 상기 기지는 III-V족 반도체인 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  101. 제100항에 있어서, 상기 III-V족 반도체는 GaAs, InAs, InP 및 GaSb으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  102. 제100항에 있어서, 상기 발광장치는 상기 기지와 접촉하는 n-콘택트와 상기 p-이미터와 접촉하는 p-콘택트를 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  103. 제102항에 있어서, 상기 발광장치는 가변 회절 지수를 가지는 p-도핑 된 층구조를 포함하고, 상기 p-도핑 된 층구조는 상기 p-이미터와 상기 결함의 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  104. 제103항에 있어서, 상기 가변 회절 지수는 상기 기본 횡방향 모드가 상기 n-콘택트 및/또는 p-콘택트까지 연장하는 것을 방지하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  105. 제102항에 있어서, 상기 p-이미터는 상기 확장 도파로와 접촉하는 적어도 하나의 p-도핑 된 층과 상기 p-콘택트와 접촉하는 적어도 하나의 p+-도핑 된 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  106. 제96항에 있어서, 상기 결함은 상기 n-측 상에 위치함과 동시에 제1의 추가층의 쌍 사이에 개재된, 전자를 위한 제1 터널 장벽 박막층과 상기 p-측 상에 위치함과 동시에 제2의 추가층의 쌍 사이에 개재된, 공공을 위한 제2 터널 장벽 박막층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  107. 제106항에 있어서, 상기 제1 터널 장벽 박막층은 약하게 도핑 된 n-층과 도핑되지 않은 층으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  108. 제106항에 있어서, 상기 제2 터널 장벽 박막층은 약하게 도핑 된 p-층과 도핑되지 않은 층으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  109. 제106항에 있어서, 상기 결함은 상기 활성 영역으로부터 이격된 상기 제1의 추가층의 쌍 중의 하나와 인접하는 두꺼운 n-도핑 된 층과; 상기 활성 영역으로부터 이격된 상기 제2의 추가층의 쌍에 인접하는 p-도핑 된 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  110. 제106항에 있어서, 상기 제1의 추가층의 쌍 중의 적어도 하나는 약하게 도핑 된 n-층 및 도핑 되지 않은 층으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  111. 제106항에 있어서, 상기 제2 추가층의 쌍의 적어도 하나는 약하게 도핑 된 n-층 및 도핑되지 않은 층으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  112. 제59항에 있어서, 렌즈를 이용하여 상기 약하게 발산하는 광의 빔을 평행 광의 빔으로 변환하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  113. 제112항에 있어서, 상기 광반사체는 평평한 광반사체이고, 상기 평행 빔을 반사시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환방법.
  114. 광의 주파수 변화장치의 제작방법에 있어서, (a) 확장 도파로의 기본 횡방향 모드가 낮은 빔 발산을 특징으로 하도록 선택된 확장 도파로를 가지는 단면 발광형 반도체 발광 다이오드인 제1주파수를 가지는 광을 발광하기 위한 발광장치를 제공하는 단계; (b) 상기 광을 상기 발광장치와 광반사체 사이에 형성된 외부 캐비티를 통해 복수회 통과시켜 상기 제1주파수를 가지는 레이저 광을 발생시키기 위한 피드백을 제공하도록 구성 및 설계된 광반사체를 제공함과 동시에 상기 광반사체를 상기 발광장치에 대향하는 위치에 위치시키는 단계; 및 (c) 상기 제1주파수를 가지는 상기 레이저 광이 비직선형 광학 결정을 통해 복수회 통과할 때 상기 제1주파수가 이 주파수와 다른 제2주파수로 변화되도록 선택되는 비직선형 광학 결정을 제공함과 동시에 상기 비직선형 광학 결정을 상기 외부 캐비티 내에 위치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변화장치의 제작방법.
  115. 제114항에 있어서, 적어도 하나의 추가의 발광장치를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변화장치의 제작방법.
  116. 제114항에 있어서, 상기 확장된 도파로는 주입 전류에 노출되었을 때 발광이 가능한 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  117. 제116항에 있어서, 상기 발광장치 및 주입 전류의 스트라이프의 길이는 상기 주입 전류에 의해서만 비정합광이 발생되고 상기 주입 전류 및 피드백의 조합에 의해서 상기 제1주파수를 가지는 레이저 광이 발생되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  118. 제114항에 있어서, 상기 외부 캐비티는 상기 제1주파수를 구비하는 상기 레이저 광이 실질적으로 상기 기본 횡방향 모드 내에서 발생되도록 설계된 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  119. 제114항에 있어서, 상기 광반사체는 상기 제2주파수 이외의 다른 하나의 주파수를 가지는 광을 반사함과 동시에 상기 제2주파수를 가지는 광을 전송하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  120. 제114항에 있어서, 상기 발광장치는 복수의 층으로 형성된 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  121. 제114항에 있어서, 상기 발광장치는 상기 확장된 도파로의 제1측의 인접부에 n-이미터를 상기 확장된 도파로의 제2측의 인접부에 p-이미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  122. 제121항에 있어서, 상기 n-이미터는 기지의 제1측 상에 형성되고, 상기 기지는 III-V족 반도체인 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  123. 제122항에 있어서, 상기 III-V족 반도체는 GaAs, InAs, InP 및 GaSb로 구성된 그룹에서 선택된 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  124. 제122항에 있어서, 상기 발광장치는 상기 기지와 접촉하는 n-콘택트 및 상기 p-이미터와 접촉하는 p-콘택트를 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  125. 제124항에 있어서, 상기 p-이미터는 상기 확장된 도파로에 접촉하는 적어도 하나의 p-도핑 된 층 및 상기 p-콘택트와 접촉하는 적어도 하나의 p+-도핑 된 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  126. 제122항에 있어서, 상기 확장된 도파로는 n-불순물에 의해 도핑 된 제1확장 도파로 영역과 p-불순물에 의해 도핑 된 제2확장 도파로 영역의 사이에 형성된 활성 영역을 구비하고, 상기 제1 확장 도파로 영역과 제2 확장 도파로 영역은 광송신이 가능한 구성인 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  127. 제126항에 있어서, 상기 활성 영역은 상기 기지의 에너지 밴드갭 보다 좁은 에너지 밴드갭을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  128. 제126항에 있어서, 상기 활성 영역은 적어도 하나의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  129. 제126항에 있어서, 상기 활성 영역은 양자 우물 시스템, 양자 와이어 시스템, 양자 도트 시스템, 및 이들의 임의의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  130. 제121항에 있어서, 상기 n-이미터의 두께는 10 마이크로미터 이상인 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  131. 제114항에 있어서, 상기 발광장치의 전면은 반사방지 코팅에 의해 코팅된 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  132. 제114항에 있어서, 상기 발광장치의 후면을 고반사 코팅에 의해 코팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  133. 제131항에 있어서, 상기 발광장치의 후면을 고반사 코팅에 의해 코팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  134. 제132항에 있어서, 상기 고반사 코팅은 복수의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  135. 제132항에 있어서, 상기 고반사 코팅은 상기 기본 횡방향 모드의 고반사성 및 고차 횡방향 모드의 저반사성을 제공하기 위해 충분히 좁은 소정의 스톱밴드를 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  136. 제114항에 있어서, 상기 광반사체는 복수의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  137. 제136항에 있어서, 상기 광반사체는 상기 기본 횡방향 모드의 고반사성 및 고차 횡방향 모드의 저반사성을 제공하기 위해 충분히 좁은 소정의 스톱밴드를 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  138. 제132항에 있어서, 상기 고반사 코팅 및 광반사체는 각각 독립적으로 상기 기본 횡방향 모드의 고반사성 및 고차 횡방향 모드의 저반사성을 제공하기 위해 충분히 좁은 소정의 스톱밴드를 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  139. 제135항에 있어서, 상기 비직선형 광학 결정은 주파수 변환 효율을 특징으로 하고, 상기 고반사 코팅의 스톱밴드의 온도의존성은 상기 주파수 변환 효율의 온도 의존성과 동일한 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  140. 제137항에 있어서, 상기 비직선형 광학 결정은 주파수 변환 효율을 특징으로 하고, 상기 광반사체의 스톱밴드의 온도의존성은 상기 주파수 변환 효율의 온도 의존성과 동일한 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  141. 제138항에 있어서, 상기 고반사 코팅의 스톱밴드의 온도 의존성은 상기 주파수 변환 효율의 온도 의존성과 동일한 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  142. 제141항에 있어서, 상기 광반사체의 스톱밴드의 온도 의존성은 상기 주파수 변환 효율의 온도 의존성과 동일한 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제방방법.
  143. 제114항에 있어서, 상기 제2주파수를 가지는 광이 상기 발광장치와 충돌하는 것을 방지하기 위해 스펙트럼 선택 필터를 제공하는 단계 및 상기 스펙트럼 선택 필터를 위치시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  144. 제143항에 있어서, 상기 스펙트럼 선택 필터는 상기 발광장치에의 대면측 상에서 상기 비직선형 광학 결정 상에 형성된 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  145. 제114항에 있어서, 상기 확장 도파로는 적어도 두 개의 부재를 포함하고, 각 부재는 상기 확장 도파로가 가변 회절 지수를 특징으로 하도록 다양한 회절 지수를 가지는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  146. 제145항에 있어서, 상기 확장 도파로의 적어도 두 부재는 중간 회절 지수를 가지는 제1부재와 고 회절 지수를 구비하는 제2부재를 포함하고, 상기 제1부재와 제2부재는 상기 기본 횡방향 모드가 상기 제1부재에서 발생되고, 상기 제2부재내로 누설되고, 상기 광발생 장치의 전면을 통해 소정의 각도로 출사되도록 설계 및 구성된 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  147. 제114항에 있어서, 상기 확장 도파로의 적어도 일부는 광자 밴드갭 결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  148. 제147항에 있어서, 상기 광자 밴드갭 결정은 주기적으로 변조된 회절 지수를 가지는 구조를 포함하고, 상기 구조는 복수의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  149. 제148항에 있어서, 상기 발광장치는 상기 광자 밴드갭 결정의 일층 내에 위치된 광흡수가 가능한 적어도 하나의 흡수층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  150. 제148항에 있어서, 상기 발광장치는 상기 복수의 흡수층의 각 하나가 상기 광자 밴드갭 결정의 다른 층에 위치되도록 복수의 흡수층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  151. 제147항에 있어서, 상기 확장 도파로의 적어도 일부는 상기 광자 밴드갭 결정의 제1측에 인접하는 결함을 포함하고, 상기 결함 및 상기 광자 밴드갭 결정은 상기 기본 횡방향 모드가 상기 결함에 위치되도록 함과 동시에 모든 다른 모드가 상기 광자 밴드갭 결정 상에 연장되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  152. 제151항에 있어서, 상기 결함은 n-측과 p-측을 가지는 활성 영역을 포함하고, 상기 활성 영역은 주입 전류에 노출되었을 때 발광이 가능한 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  153. 제151항에 있어서, 상기 광자 밴드갭 결정 및 상기 결함의 총 두께는 상기 낮은 빔 발산을 허용하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  154. 제153항에 있어서, 상기 발광장치는 상기 광자 밴드갭 결정의 제2측의 인접부에 n-이미터를 포함하고, 상기 결함의 인접부에서 상기 결함에 의해 상기 광자 밴드갭 결정으로부터 이격된 p-이미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  155. 제154항에 있어서, 상기 발광장치는 가변 회절 지수를 가지는 p-도핑 된 층구조를 포함하고, 상기 p-도핑 된 층구조는 상기 p-이미터 및 상기 결함의 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  156. 제154항에 있어서, 상기 n-이미터는 상기 기지의 제1측 상에 형성되고, 상기 기지는 III-V족 반도체인 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  157. 제156항에 있어서, 상기 III-V족 반도체는 GaAs, InAs, InP 및 GaSb으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  158. 제156항에 있어서, 상기 발광장치는 상기 기지와 접촉하는 n-콘택트와 상기 p-이미터와 접촉하는 p-콘택트를 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  159. 제158항에 있어서, 상기 발광장치는 가변 회절 지수를 가지는 p-도핑 된 층구조를 포함하고, 상기 p-도핑 된 층구조는 상기 p-이미터와 상기 결함의 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  160. 제159항에 있어서, 상기 가변 회전 지수는 상기 기본 횡방향 모드가 상기 n-콘택트 및/또는 p-콘택트까지 연장하는 것을 방지하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  161. 제158항에 있어서, 상기 p-이미터는 상기 확장 도파로와 접촉하는 적어도 하나의 p-도핑 된 층과 상기 p-콘택트와 접촉하는 적어도 하나의 p+-도핑 된 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  162. 제154항에 있어서, 상기 결함은 상기 n-측 상에 위치함과 동시에 제1의 추가층의 쌍 사이에 개재된, 전자를 위한 제1 터널 장벽 박막층과 상기 p-측 상에 위치함과 동시에 제2의 추가층의 쌍 사이에 개재된, 공공을 위한 제2 터널 장벽 박막층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  163. 제162항에 있어서, 상기 제1 터널 장벽 박막층은 약하게 도핑 된 n-층과 도핑되지 않은 층으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  164. 제162항에 있어서, 상기 제2 터널 장벽 박막층은 약하게 도핑 된 p-층과 도핑되지 않은 층으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  165. 제162항에 있어서, 상기 결함은 상기 활성 영역으로부터 이격 된 상기 제1의 추가층의 쌍 중의 하나와 인접하는 두꺼운 n-도핑 된 층과; 상기 활성 영역으로부터 이격 된 상기 제2의 추가층의 쌍에 인접하는 p-도핑 된 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  166. 제162에 있어서, 상기 제1의 추가층의 쌍 중의 적어도 하나는 약하게 도핑 된 n-층 및 도핑 되지 않은 층으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  167. 제162에 있어서, 상기 제2 추가층의 쌍의 적어도 하나는 약하게 도핑 된 n-층 및 도핑되지 않은 층으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  168. 제114항에 있어서, 상기 발광장치 및 비직선형 광학 결정의 사이의 상기 외부 캐비티 내에 하나의 렌즈를 제공하는 단계 및 상기 렌즈를 위치시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  169. 제168항에 있어서, 상기 렌즈는 약하게 발산되는 광의 빔을 평행한 광의 빔으로 변환시키도록 설계 및 구성된 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
  170. 제169항에 있어서, 상기 광반사체는 상기 평행 빔의 반사가 가능한 평평한 광반사체인 것을 특징으로 하는 광의 주파수 변환장치의 제작방법.
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