KR20070060209A - 수직 외부 공동 면발광 레이저 - Google Patents

수직 외부 공동 면발광 레이저 Download PDF

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Abstract

수직 외부 공동 면발광 레이저가 개시된다.
개시된 면발광 레이저는 소정 파장의 빔을 방출하는 활성층과, 상기 활성층에서 발생한 빔을 외부로 반사하는 반사층을 가지는 반도체 칩; 상기 활성층에 대향되게 배치되어 활성층으로부터 방출된 빔을 상기 반사층으로 반복적으로 반사시켜 빔을 증폭시키고, 증폭된 빔을 외부로 출력하는 외부 미러; 상기 활성층을 여기시키기 위한 펌프 빔을 공급하는 펌프 레이저; 상기 반도체 칩과 외부 미러 사이에 배치되어 활성층으로부터 방출된 빔의 파장을 변환시키는 2차 조화파 발생 소자; 및 상기 2차 조화파 발생 소자에 접합된 반도체 필터 또는 유전체 필터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 수직 외부 공동 면발광 레이저는 파장 선택성이 높고 제조가 용이한 반도체 필터 또는 유전체 필터를 구비하여 광변환 효율을 높이고, 레이저 구조를 단순화하며, 제조 단가를 감소시킨다.

Description

수직 외부 공동 면발광 레이저{Vertical external cavity surface emitting laser}
도 1은 종래의 수직 외부 공동 면발광 레이저를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수직 외부 공동 면발광 레이저를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수직 외부 공동 면발광 레이저에 사용된 반도체 필터의 일예를 나타낸 것이다.
도 4는 도 3의 반도체 필터를 사용하여 시뮬레이션 한 결과를 파장에 대한 투과율로 나타낸 것이다.
<도면 중 주요 부분에 대한 설명>
100...면발광 레이저, 101...반사층
102...활성층, 103...반도체칩
105...펌프 레이저, 110...반도체 필터
115...2차 조화파 발생 소자, 120...외부 미러
111...기판, 112a,112b...반도체층
본 발명은 수직 외부 공동 면발광 레이저에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구조가 간단하고 제조 단가가 감소된 수직 외부 공동 면발광 레이저에 관한 것이다.
발진되는 빔이 기판에 수직한 방향으로 방출되는 수직 공동 면발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL)는 좁은 스펙트럼의 단일 종모드(single longitudinal mode) 발진이 가능하고, 빔의 방사각이 작아 결합 효율(coupling efficiency)이 높다. 그리고, 면발광의 구조상 다른 장치에의 집적이 용이하여 펌핑용 광원으로 적합하다. 그러나, VCSEL은 광출력의 증가에 따른 열적 렌즈 효과 등으로 인해 다중 모드 상태로 바뀌기 때문에 단일 횡모드 발진이 측면 발광 레이저에 비해 매우 어려우며, 단일 횡모드 출력이 약하다는 단점이 있다.
상술한 VCSEL의 장점을 살리고 동시에 고출력을 구현하기 위한 레이저 소자로서, 외부 공동을 가지는 면발광 레이저(Vertical External Cavity Surface Emitting Laser; VECSEL)가 있다. 상기 외부 공동 면발광 레이저(VECSEL)는 VCSEL의 내부에 있는 상부 미러를 외부의 미러로 대체하여 이득 영역(Gain Region)을 증가시킴으로써 수~수십W 이상의 고출력을 얻도록 하는 레이저 소자이다.
도 1은 일반적인 외부 공동 면발광 레이저(이하, VECSEL이라고 함)의 개략적인 구조를 도시하는 것으로, 반도체 칩(13)의 전방에서 펌프 빔을 공급하는 펌프 레이저(15)를 구비한 전방 광펌핑 방식(front optical pumping)의 레이저이다. 상기 전방 광펌핑 방식의 VECSEL(10)은 히트 싱크(Heat sink)(14) 위에 순차적으로 적층된 분산 브래그 반사층(Distributed Bragg Reflector; DBR)(11)과 활성층(12)을 가지는 반도체 칩(13), 상기 반도체 칩(13)과 소정의 간격을 두고 대향하는 외부 미러(20)를 포함한다. 상기 펌프 레이저(15)와 반도체 칩(13) 사이에는 펌프 레이저(15)에서 방출되는 펌프 빔을 집광시키는 렌즈(16)가 배치된다.
또한, 활성층(12)과 외부 미러(20) 사이에는 출력되는 광의 주파수를 2배로 만드는 2차 조화파 발생(Second Harmonic Generation; SHG) 소자(18)와, 2차 조화파 발생 효율을 높이기 위한 복굴절 필터(17)가 배치된다. 상기 복굴절 필터(17)는 선폭(line width)이 좁은 단일 파장의 선택성을 만족시켜 광변환 효율을 증대시킨다.
한편, 상기 활성층(14)은, 예컨대, RPG(Resonant Periodic Gain) 구조를 갖는 다중 양자우물 구조이고, 펌프 빔에 의해 여기되어 소정의 파장(λ2)을 갖는 빔을 방출한다. 펌프 레이저(15)는 상기 활성층(12)에서 방출되는 빔의 파장 보다 짧은 파장(λ1)의 펌프 빔을 상기 활성층(12)에 입사시켜 활성층(12)을 여기시키는 역할을 한다.
이러한 구조에서, 펌프 레이저(15)에서 방출된 상대적으로 짧은 파장(λ1)의 펌프 빔이 활성층(12)에 입사하면, 상기 활성층(12)이 여기되면서 특정 파장(λ2)의 빔을 방출한다. 이렇게 발생한 빔은, DBR층(11)과 외부 미러(20) 사이에서 반사를 되풀이하면서, 활성층(12)을 왕복한다. 이 과정을 통해 상기 활성층(12) 내에서 증폭된 빔의 일부는 외부 미러(20)를 통해 외부로 출력된다. 상기 활성층(12)으로 부터 방출된 빔은 다중 종모드 빔으로 상기 복굴절 필터(17)를 통해 선폭이 좁은 단일 모드의 빔으로 필터링된다. 이렇게 필터링된 빔의 파장은 상기 SHG 결정(18)을 통해 변환된다. 예를 들어, 적외선 영역의 빔이 가시광선 영역의 빔으로 변환되어 출력된다.
복굴절 필터(17)를 사용하는 경우 공진하는 빛의 편광 상태와 파장을 선택하여 사용하기 위해서, 필연적으로 진행 빛의 주 경로에 대해서 일정 각도를 유지한 상태로 필터를 설치해야 하므로, 설치 공간을 많이 차지한다. 또한, 복굴절 필터(17)는 제조 단가가 비싸고 제조 공정이 복잡하며, 편광에 따른 정렬을 해야 하기 때문에 정렬을 위한 지그가 필요하므로 VESCEL의 전체적인 부피가 커지는 문제점이 있다. 또한, SHG 결정(18)은 온도에 민감하여 온도 제어를 해야 하는데, SHG 결정의 온도에 맞추어 복굴절 필터(17)의 온도도 제어해야 하므로 온도 제어 작업이 복잡한 단점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 제조 단가를 낮추고, 구조가 단순하며, 정렬이 간편한 수직 외부 공동 면발광 레이저를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 수직 외부 공동 면발광 레이저는, 소정 파장의 빔을 방출하는 활성층과, 상기 활성층에서 발생한 빔을 외부로 반사하는 반사층을 가지는 반도체 칩; 상기 활성층에 대향되게 배치되어 활성층으 로부터 방출된 빔을 상기 반사층으로 반복적으로 반사시켜 빔을 증폭시키고, 증폭된 빔을 외부로 출력하는 외부 미러; 상기 활성층을 여기시키기 위한 펌프 빔을 공급하는 펌프 레이저; 상기 반도체 칩과 외부 미러 사이에 배치되어 활성층으로부터 방출된 빔의 파장을 변환시키는 2차 조화파 발생 소자; 및 상기 2차 조화파 발생 소자에 접합된 반도체 필터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 수직 외부 공동 면발광 레이저는, 소정 파장의 빔을 방출하는 활성층과, 상기 활성층에서 발생한 빔을 외부로 반사하는 반사층을 가지는 반도체 칩; 상기 활성층에 대향되게 배치되어 활성층으로부터 방출된 빔을 상기 반사층으로 반복적으로 반사시켜 빔을 증폭시키고, 증폭된 빔을 외부로 출력하는 외부 미러; 상기 활성층을 여기시키기 위한 펌프 빔을 공급하는 펌프 레이저; 상기 반도체 칩과 외부 미러 사이에 배치되어 활성층으로부터 방출된 빔의 파장을 변환시키는 2차 조화파 발생 소자; 및 상기 2차 조화파 발생 소자에 접합된 유전체 필터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 반사층은 굴절률이 서로 다른 두 개의 반도체층을 교대로 반복하여 적층한 복층 구조의 분산 브래그 반사층일 수 있다.
상기 반도체층들의 각각의 두께는 발진 빔의 파장의 1/4 일 수 있다.
상기 활성층은 빔을 생성하는 복수의 양자우물층을 포함하며, 각각의 양자우물층은 상기 외부 미러와 반사층 사이에서 빔이 공진하여 발생하는 정상파의 안티노드에 위치할 수 있다.
상기 반도체 필터는 선택 파장에서 30% 이상의 투과율을 가지며, 선폭은 0 보다 크고 10nm 이하의 범위를 가질 수 있다.
상기 유전체 필터는 선택 파장에서 30% 이상의 투과율을 가지며, 선폭은 0보다 크고 10nm 이하의 범위를 가질 수 있다.
상기 반도체 필터는 기판 상에 굴절률이 다른 제1 및 제2 반도체층을 교대로 반복하여 적층한 구조를 가진다.
상기 제1반도체층은 상대적으로 낮은 굴절률을 가지는 AlAs 층이고, 제2반도체층은 상대적으로 높은 굴절률을 가지는 Al0.2GaAs 층일 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수직 외부 공동 면발광 레이저에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에 도시된 층이나 영역 들의 두께나 크기는 설명의 편의와 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
본 발명에 따른 면발광 레이저(100)는 도 2를 참조하면 소정 파장의 빔을 방출하는 반도체 칩(103)과, 상기 반도체 칩(103)에 펌프 빔을 공급하는 펌프 레이저(105)와, 상기 반도체 칩(103)의 외부에 배치되어 반도체 칩(103)으로부터 방출된 빔을 반도체 칩(103)쪽을 향해 되반사시키는 외부 미러(120)를 포함한다.
상기 반도체 칩(103)과 외부 미러(120) 사이에는 반도체 칩(103)으로부터 방출된 빔의 파장을 변환시키기 위한 2차 조화파 발생 소자(115)가 배치된다. 2차 조화파 발생 소자(115)는 예를 들어 반도체 칩(103)으로부터 방출된 적외선 영역의 빔을 가시광선 영역의 빔으로 변환시킨다. 상기 2차 조화파 발생 소자(115)에는 광 변환 효율을 증대시키기 위해 파장 선택성이 높은 반도체 필터(110)가 접합된다. 상기 반도체 필터(110)는 반도체 칩(103)으로부터 방출된 빔이 2차 조화파 발생 소자(115)로 들어가기 전에 필터링되도록 2차 조화파 발생 소자(115)의 하부에 접합되는 것이 바람직하다.
한편, 반도체 필터(110)는 유전체 필터로 대체 가능하며, 유전체 필터는 2차 조화파 발생 소자(115)의 상부 및 하부 중 어느 한 곳에 접합될 수 있다.
상기 반도체 칩(103)은 소정 파장의 빔을 방출하는 활성층(102)과, 상기 활성층(102)에서 발생한 빔을 외부로 반사하는 반사층(101)을 포함한다. 활성층(102)은 주지된 바와 같이 양자 우물층을 포함하고, 양자 우물층은 다수의 양자 우물과 양자 우물 사이의 장벽층들로 구성되는 RPG(Resonant Periodic Gain) 구조를 갖는다. 활성층(102)은 펌프 레이저(105)에서 방출되는 펌프 빔을 흡수함으로써 여기되어 빔을 방출한다. 이득을 얻기 위해, 각각의 양자 우물은 활성층(102)에서 발생하는 빔이 외부 미러(120)와 반사층(101) 사이에서 공진하여 발생하는 정상파(standing wave)의 안티노드(anti-node)에 위치한다. 활성층(102)에서 발생한 빔은 외부 미러(120)와 반사층(101) 사이에서 반복적으로 왕복되면서 증폭된다.
이러한 구조의 활성층(102)이 펌프 빔에 의해 여기되기 위해서는, 펌프 빔의 파장이 활성층(102)에서 발생하는 빔의 파장 보다 짧아야 한다. 예컨대, 활성층(102)이 920nm 또는 1060nm의 적외선 영역의 빔을 방출하는 경우, 펌프 빔의 파장(λ1)은 약 808nm 정도인 것이 적당하다. 전기적 펌핑으로는 큰 면적에 균일한 캐리어 주입을 하는데 한계가 있기 때문에 고출력을 얻기 위해서는 광학적 펌핑을 하는 것이 유리하다. 한편, 상기 펌프 레이저(105)와 반도체 칩(103) 사이에는 펌프 레이저(105)에서 방출되는 펌프 빔을 집광시키는 렌즈(107)가 배치된다.
외부 미러(120)는 활성층(102)에 대향되어 소정의 거리만큼 이격되어 있으며, 활성층(102)으로부터 입사하는 빔의 대부분을 공진을 위해 활성층(102)으로 되반사하고, 공진에 의해 증폭된 빔을 투과시켜 외부로 출력한다. 상기 외부 미러(120)의 반사면은 반사된 빔이 활성층(102)으로 수렴될 수 있도록 오목한 형태를 가진다.
상기 반사층(101)은 활성층(102)에서 발생한 빔을 외부 미러(120)를 향해 반사하여, 빔이 외부 미러(120)와 반사층(101) 사이에서 공진할 수 있도록 한다. 반사층(101)은 발진 빔의 파장(λ2)에서 최대의 반사율을 갖도록 설계된 분산 브래그 반사층(Distributed Bragg Reflector; DBR)인 것이 바람직하다. 반사층(101)은 굴절률이 서로 다른 두 개의 반도체층을 발진 빔의 파장의 약 1/4 두께(즉, λ2/4)로 교대로 반복하여 적층함으로써 형성될 수 있다. 예컨대, 발진 빔을 반사하고 펌프 빔을 투과시키는 DBR층은 AlxGa(1-x)As 층과 AlyGa(1-y)As 층(여기서, 0 ≤ x,y ≤1, x ≠ y)을 각각 약 λ2/4의 두께로 교대로 반복하여 얻을 수 있다.
한편, 상기 반도체 칩(103)의 하부에 활성층(102)으로부터 발생된 열을 방출시키기 위한 히트 싱크(104)가 구비된다.
도 3은 반도체 필터(110)의 구체적인 예를 도시한 것이다. 반도체 필터는 기판(111) 상에 상대적으로 굴절률이 낮은 제1반도체층(112a)과 상대적으로 굴절률이 큰 제2반도체층(112b)이 교대로 적층되어 구성된다. 반도체 필터는 반도체 공정에 의해 용이하게 제조 가능한 이점이 있다. 예를 들어, 기판(111)은 GaAs 재질로 형성되고, 제1 반도체층(112a)은 AlAs 재질로 형성되며, 제2 반도체층(112b)은 AlxGa(1-x)As(0≤ x ≤1) 재질로 형성될 수 있다. 제2 반도체층(112b)은 예를 들어, Al0.2Ga0.8As로 형성될 수 있다.
한편, 반도체 필터(110)는 최상층에 AlxGa(1-x)As(0≤ x ≤1)로 형성된 층(113)을 더 구비할 수 있다. 예를 들어 상기 층(113)은 GaAs로 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1반도체층(112a)과 제2반도체층(112b)을 가지는 제1페어층(A)과, 제1반도체층(112a)을 가지는 제2페어층(B)과, 제1반도체층(112a)과 제2반도체층(112b)을 가지는 제3페어층(C)은 1-100 회 범위 내에서 반복 적층되어 구성될 수 있다. 상기 반도체 필터(110)는 선택 파장에서 투과율이 30% 이상이고, 선폭이 10nm 이하의 값을 갖는다.
상기 기판(111)은 0보다 크고 10mm 이하의 두께를 가지며, 상기 최상층(113)은 0보다 크고 10mm 이하의 두께를 가지며, 제1반도체층(112a)과 제2반도체층(112b)은 발진 빔의 파장의 1/4 두께를 가질 수 있다.
도 3에 도시된 구조의 반도체 필터는 1064nm 필터로서 제2 조화파 발생 소자(115)를 통과한 빔은 532nm의 녹색 빔으로 된다. 도 4는 반도체 필터에서의 파장에 대한 투과율을 도시한 것으로 대략 1064nm 파장에서 투과율이 30% 이상이고, 선폭(∇λ)이 0.2nm 이하로 나옴을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는 반도체 필터를 구비하여 면발광 레이저의 구조를 단순화하면서 2차 조화파 발생 소자에 의한 광 변환 효율을 높인다. 한편, 위에서는 반도체 필터에 대해서 설명하였지만, 서로 다른 유전율을 가지는 유전층을 교대로 적층한 유전체 필터에 의해서도 반도체 필터와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 유전체 필터는 선택 파장에서 30% 이상의 투과율을 가지며, 선폭은 0보다 크고 10nm 이하의 범위를 가질 수 있다. 다만, 반도체 필터는 2차 조화파 발생 소자의 하부에 접합되는 것이 바람직하여, 유전체 필터는 2차 조화파 발생 소자의 상부 또는 하부에 접합될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 수직 외부 공동 면발광 레이저는 파장 선택성이 높고 제조가 용이한 반도체 필터 또는 유전체 필터를 구비하여 광변환 효율을 높이고, 레이저 구조를 단순화할 수 있다. 또한, 필터가 2차 고주파 발생 소자에 접합되어 설치되므로 지그와 같은 주변 기구가 불필요하여 부피를 줄이고 제조 단가를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 필터의 온도 제어를 위한 별도의 장치를 부가할 필요가 없다.
상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.

Claims (15)

  1. 소정 파장의 빔을 방출하는 활성층과, 상기 활성층에서 발생한 빔을 외부로 반사하는 반사층을 가지는 반도체 칩;
    상기 활성층에 대향되게 배치되어 활성층으로부터 방출된 빔을 상기 반사층으로 반복적으로 반사시켜 빔을 증폭시키고, 증폭된 빔을 외부로 출력하는 외부 미러;
    상기 활성층을 여기시키기 위한 펌프 빔을 공급하는 펌프 레이저;
    상기 반도체 칩과 외부 미러 사이에 배치되어 활성층으로부터 방출된 빔의 파장을 변환시키는 2차 조화파 발생 소자; 및
    상기 2차 조화파 발생 소자에 접합된 반도체 필터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 외부 공동 면발광 레이저.
  2. 소정 파장의 빔을 방출하는 활성층과, 상기 활성층에서 발생한 빔을 외부로 반사하는 반사층을 가지는 반도체 칩;
    상기 활성층에 대향되게 배치되어 활성층으로부터 방출된 빔을 상기 반사층으로 반복적으로 반사시켜 빔을 증폭시키고, 증폭된 빔을 외부로 출력하는 외부 미러;
    상기 활성층을 여기시키기 위한 펌프 빔을 공급하는 펌프 레이저;
    상기 반도체 칩과 외부 미러 사이에 배치되어 활성층으로부터 방출된 빔의 파장을 변환시키는 2차 조화파 발생 소자; 및
    상기 2차 조화파 발생 소자에 접합된 유전체 필터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 외부 공동 면발광 레이저.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 반사층은 굴절률이 서로 다른 두 개의 반도체층을 교대로 반복하여 적층한 복층 구조의 분산 브래그 반사층인 것을 특징으로 하는 수직 외부 공동 면발광 레이저.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 반도체층들의 각각의 두께는 발진 빔의 파장의 1/4 인 것을 특징으로 하는 수직 외부 공동 면발광 레이저.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 활성층은 빔을 생성하는 복수의 양자 우물층을 포함하며, 각각의 양자우물층은 상기 외부 미러와 반사층 사이에서 빔이 공진하여 발생하는 정상파의 안티노드에 위치하는 것을 특징으로 하는 수직 외부 공동 면발광 레이저.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체 필터는 선택 파장에서 30% 이상의 투과율을 가지며, 선폭은 0 보다 크고 10nm 이하의 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 수직 외부 공동 면발광 레이저.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 유전체 필터는 선택 파장에서 30% 이상의 투과율을 가지며, 선폭은 0보다 크고 10nm 이하의 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 수직 외부 공동 면발광 레이저.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체 필터는 기판 상에 굴절률이 다른 제1 및 제2 반도체층을 교대로 반복하여 적층한 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 수직 외부 공동 면발광 레이저.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제1반도체층은 상대적으로 낮은 굴절률을 가지는 AlAs 층이고, 제2반도체층은 상대적으로 높은 굴절률을 가지는 AlxGa(1-x)As (0≤x≤1) 층인 것을 특징으로 하는 수직 외부 공동 면발광 레이저.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 반도체층들의 각각의 두께는 발진 빔의 파장의 1/4 인 것을 특징으로 하는 수직 외부 공동 면발광 레이저.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 기판의 두께는 0보다 크고 10mm 이하의 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 수직 외부 공동 면발광 레이저.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 반도체 필터는 상기 기판 위에 적층된 제1반도체층과 제2반도체층을 가지는 제1 페어층과, 상기 제1 페어층 위에 적층된 제1반도체층을 가지는 제2 페어층과, 상기 제2 페어층 위에 적층된 제1반도체층과 제2반도체층을 가지는 제3 페어층을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 외부 공동 면발광 레이저.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제1, 제2 및 제3 페어층이 1-100회 범위 내에서 반복적으로 적층되는 것을 특징으로 하는 수직 외부 공동 면발광 레이저.
  14. 제 8항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 필터는 최상층에 AlxGa(1-x)As (0≤x≤1)로 형성된 층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 수직 외부 공동 면발광 레이저.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 최상층의 두께는 0보다 크고 10mm 이하의 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 수직 외부 공동 면발광 레이저.
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