KR20070052059A - 펌프 빔의 재활용이 가능한 외부 공진기형 면발광 레이저 - Google Patents

펌프 빔의 재활용이 가능한 외부 공진기형 면발광 레이저 Download PDF

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Abstract

본 발명은 펌프 빔을 재활용함으로써 활성층에 의한 펌프 빔의 흡수를 증가시킨 전방 광펌핑 방식의 외부 공진기형 면발광 레이저를 개시한다. 본 발명에 따른 외부 공진기형 면발광 레이저는, 소정의 파장을 갖는 신호광을 방출하는 활성층; 상기 활성층의 상면과 이격되어 대향하는 것으로, 상기 활성층에서 발생한 신호광의 일부는 투과시켜 외부로 출력하고, 일부는 활성층으로 반사하는 외부 미러; 상기 활성층을 여기시키기 위한 펌프 빔을 상기 활성층의 상면을 향해 방출하는 펌프 레이저; 및 상기 활성층의 하면과 접하는 것으로, 상기 활성층에서 발생한 신호광과 상기 활성층에서 흡수되지 않고 투과된 펌프 빔을 모두 반사할 수 있는 다중 대역 반사기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

펌프 빔의 재활용이 가능한 외부 공진기형 면발광 레이저{Vertical external cavity surface emitting laser capable of recycling pump beam}
도 1은 종래의 전방 광펌핑 방식의 외부 공진기형 면발광 레이저(Vertical external cavity surface emitting laser; VECSEL)의 구조를 개략적으도 도시한다.
도 2는 종래의 후방 광펌핑 방식의 외부 공진기형 면발광 레이저의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 3은 종래의 외부 공진기형 면발광 레이저에서 사용되는 분산 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector; DBR)층의 파장에 따른 반사도 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 4는 다중 대역 반사기를 사용하여 펌프 빔의 재활용이 가능한 본 발명에 따른 외부 공진기형 면발광 레이저의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 외부 공진기형 면발광 레이저의 활성층과 다중 대역 반사기의 예시적인 구조를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 외부 공진기형 면발광 레이저에서 펌프 빔의 재활용에 의한 펌프 빔 흡수의 증가 효과를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다중 대역 반사기의 파장에 따른 반사도 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 외부 공진기형 면발광 레이저의 출력 증가를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다중 대역 반사기의 파장에 따른 반사도 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 외부 공진기형 면발광 레이저의 출력 증가를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
30.....외부 공진기형 면발광 레이저 31.....히트 싱크
32.....기판 33.....다중 대역 반사기
34.....활성층
본 발명은 외부 공진기형 면발광 레이저에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 펌프 빔을 재활용함으로써 활성층에 의한 펌프 빔의 흡수를 증가시킨 전방 광펌핑 방식의 외부 공진기형 면발광 레이저에 관한 것이다.
발진되는 빔이 기판에 수직한 방향으로 방출되는 면발광 레이저(또는, 수직 공진기형 면발광 레이저)(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL)는 좁은 스펙트럼의 단일 종모드 발진이 가능하고, 빔의 방사각이 작다는 장점이 있다. 또한, 면발광의 구조상 다른 장치에의 집적이 용이하다. 그러나, VCSEL은 단일 횡모 드 발진이 측면 발광 레이저에 비해 매우 어려우며, 출력이 약하다는 문제가 있다.
상술한 VCSEL의 장점을 살린 고출력 레이저 소자로서, 외부 공진기형 면발광 레이저(Vertical External Cavity Surface Emitting Laser; VECSEL)가 있다. 상기 외부 공진기형 면발광 레이저(VECSEL)는 VCSEL의 상부 미러를 외부의 미러로 대체하여 이득 영역(Gain Region)을 증가시킴으로써 수~수십W 이상의 고출력을 얻도록 하는 레이저 소자이다.
도 1은 일반적인 외부 공진기형 면발광 레이저(VECSEL)의 개략적인 구조를 도시하는 것으로, 도 1에 도시된 외부 공진기형 면발광 레이저는 전방에 비스듬하게 배치된 펌프 레이저에 의해 광펌핑 되는 전방 광펌핑 방식(front pumping)의 레이저이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 전방 광펌핑 방식의 VECSEL(10)은 일반적으로 히트 싱크(Heat sink)(11) 위에 순차적으로 적층된 분산 브래그 반사층(Distributed Bragg Reflector; DBR)(13)과 활성층(14), 상기 활성층(14)과 소정의 간격을 두고 대향하는 외부 미러(17), 및 상기 활성층(14)의 상면을 향해 비스듬하게 배치된 펌프 레이저(pump laser)(15)를 포함한다. 그리고, 활성층(14)의 상면에는 활성층(14)에서 발생하는 열을 확산시키기 위한 열확산소자(Heat spreader)(12)가 더 배치될 수 있고, 상기 활성층(14)과 외부 미러(17) 사이에는 출력되는 광의 주파수를 2배로 만드는 2차 조화파 발생(Second Harmonic Generation; SHG) 결정(18)이 더 배치될 수 있다. 또한, 펌프 레이저(15)에서 방출되는 펌프 빔을 평행광으로 만드는 콜리메이팅 렌즈(16)가 배치된다. 여기서, 상기 활성층(14)은, 예컨대, RPG(Resonant Periodic Gain) 구조를 갖는 다중 양자우물 구조이고, 펌프 빔 에 의해 여기되어 소정의 파장(λ2)을 갖는 광을 방출한다. 펌프 레이저(15)는 상기 활성층(14)에서 방출되는 광의 파장 보다 짧은 파장(λ1)의 펌프 빔을 상기 활성층(14)에 입사시켜 활성층(14)을 여기시키는 역할을 한다.
이러한 구조에서, 펌프 레이저(15)에서 방출된 비교적 짧은 파장(λ1)의 펌프 빔이 활성층(14)에 입사하면, 상기 활성층(14)이 여기되면서 특정 파장(λ2)의 광을 방출한다. 이렇게 발생한 광은, DBR층(13)과 외부 미러(17) 사이에서 반사를 되풀이하면서, 활성층(14)을 왕복한다. 이 과정을 통해 상기 활성층(14) 내에서 증폭된 광의 일부는 외부 미러(17)를 통해 외부로 출력된다. 이때, 활성층(14)과 외부 미러(17) 사이에 SHG 결정(18)이 배치될 경우, 예컨대, 활성층(14)에서 방출되는 적외선 영역의 광을 가시광선 영역의 광으로 변환하여 출력할 수 있다.
한편, 도 2는 후방 광펌핑 방식(end pumping)의 일반적인 외부 공진기형 면발광 레이저의 구조를 개략적으로 도시하고 있다. 도 1에 도시된 전방 광펌핑 방식의 경우에는, 활성층에서 펌프 빔의 입사면과 출력 광의 방출면이 동일하다. 즉, 활성층의 상면을 통해 펌프 빔이 입사하고, 활성층의 상면을 통해 출력 광이 방출된다. 반면, 도 2에 도시된 바와 같이, 후방 광펌핑 방식의 외부 공진기형 면발광 레이저(20)는 활성층의 저면을 통해 펌프 빔이 입사하고, 활성층의 상면의 통해 출력 광이 방출된다. 이를 위하여, 예컨대, 다이아몬드(Diamond)나 실리콘 카바이드(SiC) 등으로 이루어진 광투과성 열확산소자(21) 위에 DBR층(22)과 활성층(23)이 순차적으로 적층되며, 펌프 레이저(24)는 상기 광투과성 열확산소자(21)를 사이에 두고 상기 활성층(23)과 대향한다. 따라서, 펌프 레이저(24)에서 방출된 펌프 빔은 상기 광투과성 열확산소자(21)를 통과하여 활성층(23)의 저면에 입사한다.
그런데, 지금까지 개발된 외부 공진기형 면발광 레이저의 경우, 펌프 레이저에서 방출된 펌프 빔이 활성층에서 완전히 흡수되지 못하고, 펌프 빔의 일부가 히트 싱트에 의해 소산되거나 활성층을 통과하여 방출되는 문제가 있다. 예컨대, 전방 광펌핑 방식의 경우, 활성층에서 모두 흡수되지 못한 펌프 빔의 일부는 DBR층을 통과하여 소멸된다. 도 1의 외부 공진기형 면발광 레이저(10)에서, 예컨대, 활성층(14)이 1060nm의 파장을 갖는 신호광을 방출하는 경우, 808nm의 발진 파장을 갖는 펌프 레이저를 일반적으로 사용한다. 이 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 1060nm에서 최대의 반사율을 갖도록 설계된 DBR층(13)은 808nm의 펌프 빔에 대해서는 반사율이 최저가 된다. 따라서, 종래의 전방 광펌핑 방식 외부 공진기형 면발광 레이저에서는 활성층을 통과한 펌프 빔이 DBR층도 통과하여 히트 싱크에 입사하게 된다.
또한, 후방 광펌핑 방식의 경우에도, 활성층에서 모두 흡수되지 못한 펌프 빔의 일부는 활성층의 상면을 통해 방출되어 버린다. 따라서, 종래의 외부 공진기형 면발광 레이저는 펌프 빔의 에너지를 충분히 이용하지 못하여 효율이 작게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 펌프 레이저에서 방출된 펌프 빔을 재활용함으로써 활성층에 의한 펌프 빔의 흡수를 증가시킨 전방 광펌핑 방식의 외부 공진기형 면발광 레이저를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 양호한 실시예에 따른 외부 공진기형 면발광 레이저는, 소정의 파장을 갖는 신호광을 방출하는 활성층; 상기 활성층의 상면과 이격되어 대향하는 것으로, 상기 활성층에서 발생한 신호광의 일부는 투과시켜 외부로 출력하고, 일부는 활성층으로 반사하는 외부 미러; 상기 활성층을 여기시키기 위한 펌프 빔을 상기 활성층의 상면을 향해 방출하는 펌프 레이저; 및 상기 활성층의 하면과 접하는 것으로, 상기 활성층에서 발생한 신호광과 상기 활성층에서 흡수되지 않고 투과된 펌프 빔을 모두 반사할 수 있는 다중 대역 반사기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 다중 대역 반사기는 신호광의 파장과 펌프 빔의 파장에 대해 가장 높은 반사율을 갖는 것을 특징으로 한다. 예컨대, 상기 다중 대역 반사기는 신호광의 파장과 펌프 빔의 파장에 대해 적어도 30% 의 반사도를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 다중 대역 반사기에 의해 반사된 신호광은 상기 다중 대역 반사기와 외부 미러 사이에서 공진하며, 상기 다중 대역 반사기에 의해 반사된 펌프 빔은 상기 활성층에서 재흡수되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 다중 대역 반사기는, 굴절률이 상대적으로 높은 고굴절률 반도체층(H), 굴절률이 상대적으로 낮은 저굴절률 반도체층(L) 및 스페이서층(S)을 소정의 순서로 반복하여 적층함으로써 형성된 복층 구조의 반도체 분산 브래그 반사기일 수 있다. 이 경우, 상기 스페이서층(S)은 고굴절률 반도체층(H) 및 저굴절률 반도체층(L) 중 어느 하나와 동일한 재료로 이루어질 수 있다.
상기 스페이서층(S) 하나의 두께(T)는, (λ/4)×M×0.5 ≤ T ≤ (λ/4)×M×1.5 이며, 여기서 M은 1 이상의 자연수이고, λ는 신호광의 파장과 펌프 빔의 파장의 평균값인 것을 특징으로 한다.
예컨대, 상기 다중 대역 반사기의 복층 구조는 [(HL)DS]N 또는 [(LH)DS]N 의 형태이며, 여기서, D와 N은 1 이상 100 이하의 자연수이다.
한편, 상기 다중 대역 반사기는, 굴절률이 상대적으로 높은 고굴절률 반도체층(H)과 굴절률이 상대적으로 낮은 저굴절률 반도체층(L)을 소정의 순서로 반복하여 적층함으로써 형성된 복층 구조의 반도체 분산 브래그 반사기일 수도 있다.
예컨대, 상기 다중 대역 반사기의 복층 구조는 [(2H)D1(LH)D2(2L)D3(LH)D4]N 또는 [(2L)D1(HL)D2(2H)D3(HL)D4]N 의 형태일 수 있이며, 여기서, D1, D2, D3, D4 및 N은 1 이상 100 이하의 자연수이다.
또는, 상기 다중 대역 반사기의 복층 구조는, 예컨대, [(LH)D1(HL)D2]N 또는 [(HL)D1(LH)D2]N 의 형태일 수 있으며, 여기서, D1, D2 및 N은 1 이상 100 이하의 자연수이다.
본 발명에 따르면, 상기 각각의 고굴절률 반도체층(H)과 저굴절률 반도체층(L)의 두께는 λ/4 이며, 여기서, λ는 신호광의 파장과 펌프 빔의 파장의 평균값인 것이 바람직하다.
상기 고굴절률 반도체층(H)과 저굴절률 반도체층(L)은 각각 AlxGa1-xAs (0≤x<1) 과 AlyGa1-yAs (0<y≤1)(여기서, x < y) 일 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 활성층은 신호광을 생성하는 복수의 양자우물층과 상기 복수의 양자우물층 사이에 형성된 복수의 장벽층을 포함하며, 각각의 양자우물층은 상기 외부 미러와 다중 대역 반사기 사이에서 신호광이 공진하여 발생하는 정상파의 안티노드에 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 활성층에서 발생하는 열을 발산하기 위한 히트 싱크가 상기 다중 대역 반사기의 하면에 더 배치될 수 있다.
또한, 상기 활성층을 냉각시키기 위한 광투과성 열확산소자가 상기 활성층의 상면에 더 배치될 수 있다. 상기 광투과성 열확산소자는 다이아몬드(Diamond), 실리콘 카바이드(SiC), 질화알루미늄(AlN) 및 질화갈륨(GaN)을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 활성층에서 방출된 신호광의 주파수를 2배로 만드는 SHG 결정이 상기 활성층과 외부 미러 사이에 더 배치될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 외부 공진기형 면발광 레이저(VECSEL)의 구조 및 동작에 대하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 전방 광펌핑 방식의 외부 공진기형 면발광 레이저의 구조를 개략적으로 도시하고 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 양호한 실시예에 따른 전방 광펌핑 방식의 외부 공진기형 면발광 레이저 (30)는, 소정의 파장(λ2)을 갖는 신호광을 방출하는 활성층(34), 상기 활성층(34)의 상면과 이격되어 대향하는 외부 미러(37), 상기 활성층(34)을 여기시키기 위한 펌프 빔(λ1)을 상기 활성층(34)의 상면을 향해 방출하는 펌프 레이저(35), 및 상기 활성층(34)의 하면과 접하며 상기 활성층(34)에서 발생한 신호광과 활성층(34)에서 흡수되지 않고 투과된 펌프 빔을 모두 반사할 수 있는 다중 대역 반사기(double band mirror; DBM)(33)를 포함한다. 상기 다중 대역 반사기(33)와 활성층(34)은, 예컨대, GaAs 기판(32) 위에서 차례로 성장하여 형성될 수 있다. 여기서, 외부 미러(37)는 활성층(34)에서 발생하여 입사하는 신호광의 대부분을 공진을 위해 반사하고, 일부를 투과시켜 외부로 출력하는 역할을 한다.
그리고, 상기 활성층(34)과 외부 미러(37) 사이에는 활성층(34)에서 방출된 신호광의 주파수를 2배로 만드는 SHG 결정(38)이 더 배치될 수도 있다. 활성층(34)과 외부 미러(37) 사이에 SHG 결정(38)이 배치될 경우, 예컨대, 상기 활성층(34)에서 방출되는 적외선 영역의 광을 가시광선 영역의 광으로 변환하여 출력할 수 있게 된다.
또한, 도 4에 도시되지는 않았지만, 도 1에 도시된 종래의 경우와 마찬가지로, 상기 활성층(34)에서 발생하는 열을 외부로 방출하기 위한 열확산소자가 상기 활성층(34)의 상면에 더 배치될 수 있다. 이 경우, 펌프 레이저(35)에서 방출된 펌프 빔과 활성층(34)에서 발생한 신호광이 모두 열확산소자를 통과할 수 있어야 하므로, 상기 열확산소자는 광투과성이 있어야 한다. 이러한 광투과성 열확산소자로 서, 예컨대, 다이아몬드(Diamond), 실리콘 카바이드(SiC), 질화알루미늄(AlN) 및 질화갈륨(GaN) 등을 사용할 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 활성층(34)에서 발생하는 열을 외부로 발산하기 위한 히트 싱크(31)가 상기 다중 대역 반사기(33)의 하부에 배치될 수 있다.
따라서, 본 발명의 양호한 실시예에 따른 외부 공진기형 면발광 레이저(30)는, 도 1에 도시된 전방 광펌핑 방식의 외부 공진기형 면발광 레이저(10)와 거의 동일한 구조를 가지며, 다만 종래의 경우와 달리, 활성층에서 발생한 신호광 뿐만 아니라 펌프 레이저에서 발생한 펌프 빔도 반사하는 다중 대역 반사기(33)를 사용한다는 점에서 차이가 있다. 즉, 종래의 전방 광펌핑 방식의 외부 공진기형 면발광 레이저(10)의 경우, DBR층(13)은 활성층(14)에서 발생한 신호광만을 반사하고 펌프 레이저(15)에서 발생한 펌프 빔은 그래로 투과시켰다. 따라서, 종래의 경우에는, 활성층에서 완전히 흡수되지 않고 남은 펌프 빔이 재활용되지 않고 그대로 버려졌다. 그러나, 본 발명에 따른 외부 공진기형 면발광 레이저(30)의 경우, 다중 대역 반사기(33)를 사용함으로써, 도 4에 도시된 바와 같이, 활성층(34)을 통과하는 펌프 빔이 반사되어 다시 활성층(34)에 입사하게 된다. 따라서, 활성층(34)에서 흡수되지 않고 남은 펌프 빔을 활성층(34)을 여기시키는데 다시 사용할 수 있다.
또한, 상기 활성층(34)에서 발생한 신호광이 상기 다중 대역 반사기(33)와 외부 미러(37) 사이에서 공진할 수 있도록, 상기 다중 대역 반사기(33)는 활성층(34)에서 발생한 신호광 역시 반사할 수 있어야 한다. 이를 위하여, 상기 다중 대 역 반사기(33)는 신호광의 파장(λ2)과 펌프 빔의 파장(λ1)에 대해 가장 높은 반사율을 가질 필요가 있다. 예컨대, 상기 다중 대역 반사기(33)는 신호광의 파장과 펌프 빔의 파장 모두에 대해 적어도 30% 이상의 반사도를 갖는 것이 바람직하다.
일반적으로 반사기는 모든 대역의 파장에 대해 높은 반사율을 유지할 수 있는 것은 아니며, 통상 특정한 파장에 대해서만 높은 반사율을 가진다. 본 발명에 따른 다중 대역 반사기(33)의 경우, 적어도 두 개의 파장 영역, 즉, 신호광의 파장(λ2)과 펌프 빔의 파장(λ1)에서 가장 높은 반사율을 유지하도록 설계된다. 이러한 다중 대역 반사기(33)로서, 예컨대, 서로 다른 굴절률을 갖는 복수의 반도체층들이 소정의 순서에 따라 주기적으로 적층됨으로써 이루어지는 다중 대역 반도체 분산 브래그 반사기를 사용할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 다중 대역 반사기(33)는, 고굴절률 반도체층(H)과 저굴절률 반도체층(L)을 소정의 순서로 반복하여 적층함으로써 형성되거나, 고굴절률 반도체층(H), 저굴절률 반도체층(L) 및 스페이서층(S)을 소정의 순서로 반복하여 적층함으로써 형성될 수 있다. 여기서, 고굴절률 반도체층(H)은 AlxGa1-xAs (0≤x<1)로 이루어지며, 양호하게는 GaAs(즉, x=0)로 이루어진다. 반면, 저굴절률 반도체층(L)은 AlyGa1-yAs (0<y≤1)로 이루어지며, 양호하게는 AlAs(즉, y=1)로 이루어진다. 일반적으로 AlGaAs에서 Ga의 조성이 높을수록 굴절률이 높으며, Al의 조성이 높을수록 굴절률이 낮기 때문에, x < y 을 만족하여야 한다. 또한, 스페이서층(S)은 상기 고굴절률 반도체층(H)과 저굴절률 반도체층(L) 중 어느 하나와 동일한 재료로 이루어진다. 예컨대, 고굴절률 반도체층(H)이 GaAs이고 저굴절률 반도체층(L)이 AlAs 이면, 상기 스페이서층(S)은 GaAs 나 AlAs 중 어느 것을 사용할 수도 있다.
도 5는 본 발명에 따른 외부 공진기형 면발광 레이저(30)의 활성층(34)과 다중 대역 반사기(33)의 예시적인 복층 구조를 도시하고 있다. 먼저, 활성층(34)은, 공지된 바와 같이, 다수의 양자우물(34q)들과 상기 양자우물(34q)들 사이의 다수의 장벽층(34b)들로 구성되는 RPG(Resonant Periodic Gain) 구조를 가진다. 그리고, 활성층(34)의 최상부에는 양자우물(34q)을 보호하기 위한 윈도우층(34w)이 형성된다. 이득을 얻기 위해서는, 각각의 양자우물(34q)은 활성층(34)에서 발생하는 신호광이 외부 미러(37)와 다중 대역 반사기(33) 사이에서 공진하여 발생하는 정상파(standing wave)의 안티노드(anti-node)에 위치하게 된다. 따라서, 양자우물(34q)들은 활성층(34)에서 발생하는 신호광의 파장과 동일한 간격으로 배열된다. 상술한 구조의 활성층(34)에 입사한 펌프 빔은, 상기 활성층(34) 내부를 진행하면서 주로 양자우물(34q)들에서 흡수된다. 양자우물(34q)은 펌프 빔을 흡수함으로써 여기되어 신호광을 방출하는데, 상기 양자우물(34q)이 펌프 빔에 의해 여기되기 위해서는, 펌프 빔의 파장(λ1)이 신호광의 파장(λ2) 보다 짧아야 한다. 예컨대, 신호광의 파장이 920nm 또는 1060nm의 적외선 영역의 파장인 경우, 펌프 빔의 파장은 약 808nm 정도인 것이 적당하다. 이러한 펌프 빔은 신호광과는 달리 공진이 요구되지 않기 때문에, 양자우물(34q)이 펌프 빔의 파장의 안티노드에 위치할 필요는 없다.
한편, 도 5에 예시적으로 도시된 다중 대역 반사기(33)는 기판(32)쪽에서부 터 고굴절률 반도체층(H), 저굴절률 반도체층(L), 고굴절률 반도체층(H), 저굴절률 반도체층(L) 및 스페이서층(S)이 3회 반복하여 적층된 구조이다. 이러한 구조를 간단하게 표현하면, [(HL)2S]3 으로 표현될 수 있다. 일반적으로, 각 층들의 적층 순서는 반사하고자 하는 광의 파장에 따라 시뮬레이션을 통해 적절하게 선택될 수 있으며, 적층 횟수가 증가할수록 원하는 파장에서의 반사율이 증가하게 된다. 예컨대, 펌프 빔의 파장이 808nm 이고 신호광의 파장이 920nm 또는 1060nm 인 경우, 상기 다중 대역 반사기(34)는 [(HL)DS]N, [(2H)D1(LH)D2(2L)D3(LH)D4]N, 또는 [(LH)D1(HL)D2]N 형태의 복층 구조를 가질 수 있다. 상기 구조에서, 고굴절률 반도체층(H)과 저굴절률 반도체층(L)의 위치는 서로 교환 가능하다. 즉, 상기 다중 대역 반사기(33)는, [(LH)DS]N, [(2L)D1(HL)D2(2H)D3(HL)D4]N 또는 [(HL)D1(LH)D2]N 형태의 복층 구조를 가질 수도 있다. 여기서, D, D1, D2, D3, D4 및 N은 모두 1 이상 100 이하의 자연수이며, D, D1, D2, D3, D4 및 N 값을 적절히 조절함으로써 원하는 파장 대역에서 원하는 반사율을 가질 수 있다.
상기와 같은 구조에서, 고굴절률 반도체층(H)과 저굴절률 반도체층(L)의 두께는 대략 λ/4 인 것이 적당하다. 여기서, λ는 신호광의 파장과 펌프 빔의 파장의 평균값(즉, λ = (λ1 + λ2)/2)이다. 또한, 스페이서층(S)의 두께는 λ/4 의 정수배가 되는 두께에서 약 50% 내의 변화를 가질 수 있다. 즉, 스페이서층(S)의 두께(T)는 (λ/4)×M×0.5 ≤ T ≤ (λ/4)×M×1.5 로 표현될 수 있다(여기서, M은 1 이상의 자연수). 이러한 각 층들의 보다 구체적인 두께 값은, 예컨대, 반사하고자 하는 파장 대역에 따라 시뮬레이션을 통해 적절하게 선택될 수 있다.
상술한 구조의 다중 대역 반사기(33)를 사용하여 신호광과 펌프 빔을 모두 반사함으로써, 종래와는 달리 활성층(34)에서 흡수되지 않고 남은 펌프 빔을 재활용하는 것이 가능하다. 도 6은 본 발명에 따른 다중 대역 반사기(33)에 의한 활성층(34)에서의 펌프 빔 흡수의 증가 효과를 예시적으로 보여주는 그래프이다. 도 6의 그래프 "A"를 통해 알 수 있듯이, 펌프 레이저(35)로부터 직접 입사한 펌프 빔은 활성층(34)의 표면에서부터 흡수되면서, 활성층(34)의 내부로 진행할수록 감쇠된다. 따라서, 활성층(34)의 표면에서부터 내부로 들어갈수록 펌프 빔의 흡수량이 점차 작아진다. 결국, 활성층(34)의 표면으로부터 약 1.5㎛ 깊이에서는 흡수되는 펌프 빔의 파워가 활성층(34)을 여기시키기 위한 문턱값 보다 작게 되어, 활성층(34)이 신호 광을 방출하지 않는다. 따라서, 이 경우에 활성층(34)의 두께는 약 1.5㎛ 정도가 되는 것이 적당하다. 그러면, 활성층(34)에서 완전히 흡수되지 않고 남은 펌프 빔은 활성층(34)의 하면을 통해 출사된다. 이때, 펌프 빔은 상기 활성층(34)의 하면에 형성된 다중 대역 반사기(33)에 의해 반사되어 다시 활성층(34)에 입사한다. 도 6의 그래프 "B"를 통해 알 수 있듯이, 반사된 펌프 빔은 활성층(34)의 하부 표면에서부터 다시 흡수된다. 그 결과, 활성층(34)에서의 펌프 빔 흡수량은 도 6의 그래프 "C"와 같이 전체적으로 증가하게 될 뿐만 아니라, 활성층(34) 내에서 깊이에 따른 펌프 빔 흡수량의 편차도 줄어들게 된다. 따라서, 활성층(34) 내의 캐리어 농도가 전체적으로 증가함으로써 레이저 소자의 출력이 높아지고, 깊이 에 따른 출력도 비교적 균일하게 되므로 레이저 소자의 특성이 보다 향상될 수 있다.
도 7과 도 8은 펌프 빔의 파장이 808nm 이고 신호광의 파장이 920nm 인 제 1 실시예에서, 다중 대역 반사기(33)의 파장에 따른 반사도 변화와 레이저의 출력 증가를 각각 예시적으로 보여주는 그래프이다. 제 1 실시예의 경우, 상술한 구조식들 중 [(HL)DS]N을 이용하여 다중 대역 반사기(33)를 구성하였다. 여기서, D=7, N=7 이고, 고굴절률 반도체층(H)으로서 Al0.2GaAs를 617.5Å의 두께로 적층하였으며, 저굴절률 반도체층(L)으로서 AlAs를 714.7Å의 두께로 적층하였고, 스페이서층(S)으로서 Al0.2GaAs를 617.5Å의 두께로 적층하였다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제 1 실시예의 다중 대역 반사기(33)는 808nm의 파장과 920nm의 파장에서 거의 100%에 가까운 반사도를 가진다. 또한, 도 8의 그래프를 통해 알 수 있듯이, 본 발명에 따라 펌프 빔을 재활용한 경우에는, 펌프 빔을 재활용하지 않은 경우 보다 출력 파워가 증가하게 된다. 예컨대, 입력 파워가 20W인 경우, 출력은 종래에 비해 30% 이상 증가할 수 있다. 또한, 종래에 비해, 입력과 출력 사이의 관계를 보다 선형적으로 유지할 수 있다.
도 9와 도 10은 펌프 빔의 파장이 808nm 이고 신호광의 파장이 1060nm 인 제 2 실시예에서, 다중 대역 반사기(33)의 파장에 따른 반사도 변화와 레이저의 출력 증가를 각각 예시적으로 보여주는 그래프이다. 제 2 실시예의 경우, 상술한 구조식 들 중 [(LH)D1(HL)D2]N을 이용하여 다중 대역 반사기(33)를 구성하였다. 여기서, D1=4, D2=4, N=9 이고, 고굴절률 반도체층(H)으로서 Al0.2GaAs를 668Å의 두께로 적층하였으며, 저굴절률 반도체층(L)으로서 AlAs를 769Å의 두께로 적층하였다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제 2 실시예의 다중 대역 반사기(33)는 808nm의 파장과 1060nm의 파장에서 거의 100%에 가까운 반사도를 가진다. 또한, 도 10의 그래프를 통해 알 수 있듯이, 본 발명에 따라 펌프 빔을 재활용한 경우에는, 펌프 빔을 재활용하지 않은 경우 보다 출력 파워가 증가하게 된다. 예컨대, 펌프 빔을 재활용하지 않는 종래의 레이저에서 활성층 내의 양자우물의 개수가 15개인 경우의 출력과, 본 발명에 따라 펌프 빔을 재활용하는 레이저에서 양자우물의 개수가 7개인 경우의 출력이 거의 같음을 알 수 있다. 또한, 본 발명에 따라 펌프 빔을 재활용하는 레이저에서 양자우물의 개수가 11개인 경우에는, 펌프 빔을 재활용하지 않는 종래의 레이저에서 양자우물의 개수가 15개인 경우 보다 10% 이상 증가된 출력을 얻을 수 있다.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 외부 공진기형 면발광 레이저의 경우, 다중 대역 반사기를 이용함으로써, 활성층에서 완전히 흡수되지 않고 방출되는 펌프 빔을 재활용할 수 있다. 그 결과, 펌프 빔의 사용 효율이 증가하므로 보다 큰 출력의 레이저 소자를 제공하는 것이 가능하다. 또한, 출력이 동일한 경우, 활성층의 두께가 종래에 비해 얇고 소모 전력이 적은 레이저 소자를 제공할 수 있다. 또한, 입력의 변화에 따른 출력의 변화량이 종래에 비해 큰 기울기를 가지며, 입력과 출력 사이의 선형적인 관계가 향상된다.

Claims (18)

  1. 소정의 파장을 갖는 신호광을 방출하는 활성층;
    상기 활성층의 상면과 이격되어 대향하는 것으로, 상기 활성층에서 발생한 신호광의 일부는 투과시켜 외부로 출력하고, 일부는 활성층으로 반사하는 외부 미러;
    상기 활성층을 여기시키기 위한 펌프 빔을 상기 활성층의 상면을 향해 방출하는 펌프 레이저; 및
    상기 활성층의 하면과 접하는 것으로, 상기 활성층에서 발생한 신호광과 상기 활성층에서 흡수되지 않고 투과된 펌프 빔을 모두 반사할 수 있는 다중 대역 반사기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중 대역 반사기는 신호광의 파장과 펌프 빔의 파장에 대해 가장 높은 반사율을 갖는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 다중 대역 반사기는 신호광의 파장과 펌프 빔의 파장에 대해 적어도 30% 의 반사도를 갖는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 다중 대역 반사기에 의해 반사된 신호광은 상기 다중 대역 반사기와 외부 미러 사이에서 공진하며, 상기 다중 대역 반사기에 의해 반사된 펌프 빔은 상기 활성층에서 재흡수되는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 다중 대역 반사기는, 굴절률이 상대적으로 높은 고굴절률 반도체층(H), 굴절률이 상대적으로 낮은 저굴절률 반도체층(L) 및 스페이서층(S)을 소정의 순서로 반복하여 적층함으로써 형성된 복층 구조의 반도체 분산 브래그 반사기인 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 스페이서층(S)은 고굴절률 반도체층(H) 및 저굴절률 반도체층(L) 중 어느 하나와 동일한 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 스페이서층(S) 하나의 두께(T)는, (λ/4)×M×0.5 ≤ T ≤ (λ/4)×M×1.5 이며, 여기서 M은 1 이상의 자연수이고, λ는 신호광의 파장과 펌프 빔의 파장의 평균값인 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저 소자.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 다중 대역 반사기의 복층 구조는 [(HL)DS]N 또는 [(LH)DS]N 의 형태이며, 여기서, D와 N은 1 이상 100 이하의 자연수인 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 다중 대역 반사기는, 굴절률이 상대적으로 높은 고굴절률 반도체층(H)과 굴절률이 상대적으로 낮은 저굴절률 반도체층(L)을 소정의 순서로 반복하여 적층함으로써 형성된 복층 구조의 반도체 분산 브래그 반사기인 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 다중 대역 반사기의 복층 구조는 [(2H)D1(LH)D2(2L)D3(LH)D4]N 또는 [(2L)D1(HL)D2(2H)D3(HL)D4]N 의 형태이며, 여기서, D1, D2, D3, D4 및 N은 1 이상 100 이하의 자연수인 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 다중 대역 반사기의 복층 구조는 [(LH)D1(HL)D2]N 또는 [(HL)D1(LH)D2]N 의 형태이며, 여기서, D1, D2 및 N은 1 이상 100 이하의 자연수인 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  12. 제 5 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각각의 고굴절률 반도체층(H)과 저굴절률 반도체층(L)의 두께는 λ/4 이며, 여기서, λ는 신호광의 파장과 펌프 빔의 파장의 평균값인 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저 소자.
  13. 제 5 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고굴절률 반도체층(H)과 저굴절률 반도체층(L)은 각각 AlxGa1-xAs (0≤x<1) 과 AlyGa1-yAs (0<y≤1) 이고, 여기서, x < y 인 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  14. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성층은 신호광을 생성하는 복수의 양자우물층과 상기 복수의 양자우물층 사이에 형성된 복수의 장벽층을 포함하며,
    각각의 양자우물층은 상기 외부 미러와 다중 대역 반사기 사이에서 신호광이 공진하여 발생하는 정상파의 안티노드에 위치하는 것을 특징으로 하는 외부 공진기 형 면발광 레이저.
  15. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다중 대역 반사기의 하면에 배치된 것으로, 상기 활성층에서 발생하는 열을 발산하기 위한 히트 싱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  16. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성층의 상면에 배치된 것으로, 상기 활성층을 냉각시키기 위한 광투과성 열확산소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 광투과성 열확산소자는 다이아몬드(Diamond), 실리콘 카바이드(SiC), 질화알루미늄(AlN) 및 질화갈륨(GaN)을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  18. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성층에서 방출된 신호광의 주파수를 2배로 만드는 SHG 결정이 상기 활성층과 외부 미러 사이에 더 배치된 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
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