KR20100008577A - 도파로 렌즈를 구비하는 반도체 레이저 - Google Patents

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Abstract

도파로 렌즈를 구비하는 반도체 레이저가 제공된다. 이 반도체 레이저는 좁은 폭을 갖는 적어도 하나의 제 1 도파로, 넓은 폭을 갖는 적어도 하나의 제 2 도파로, 및 제 1 도파로로부터 제 2 도파로로 갈수록 넓어지는 폭을 가지면서 제 1 및 제 2 도파로들을 연결하는 적어도 하나의 도파로 렌즈를 포함한다. 제 1 및 제 2 도파로들을 연결하는 도파로 렌즈의 측벽들은 곡선 형태로 형성될 수 있으며, 상기 제 2 도파로는 광학적 이득을 제공하는 도파로일 수 있다.

Description

도파로 렌즈를 구비하는 반도체 레이저{Semiconductor Laser Diode Having Waveguide Lens}
본 발명은 반도체 레이저에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 도파로 렌즈를 구비하는 반도체 레이저에 관한 것이다.
단일 모드의 구현을 위해, 그 도파로의 폭이 대략 수 μm 이내인, 반도체 레이저들이 제안되어 왔다. 하지만, 이처럼 좁은 도파로를 구비하는 반도체 레이저의 경우, 고출력에 의한 도파로 단면의 손상 및 광 출력의 포화 등에 의해, W급 이상의 출력 향상을 기대하기가 어렵다.
도 1은 이러한 기술적 문제를 해결하기 위해 제안된 종래의 기술을 설명하기 위한 평면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 레이저 반도체의 공진기(10)는 좁은 폭의 이득 도파로(1)(이하, 좁은 도파로) 및 증가하는 폭을 갖는 이득 도파로(2)(이하, 테이퍼진 도파로)를 포함한다. 상기 테이퍼진 도파로(2)는 선형적으로 증가하는 폭을 가지면서 상기 좁은 도파로(1)로부터 연장된다. 종래의 기술에 따르면, 상기 좁은 도파로(1)의 폭은 대략 1~2μm일 수 있으며, 상기 테이퍼진 도파로(2)의 최대 폭은 대략 수십 내지 백 μm 대까지 넓어질 수 있다.
상기 테이퍼진 도파로(2)가 이처럼 백 μm 대까지 증가되기 때문에, 상기 좁은 도파로(1)로부터 상기 테이퍼진 도파로(2)로 입사되는 빔의 출력은 수 μm의 폭을 갖는 반도체 레이저에서의 그것에 비해 크게 증가될 수 있다. 하지만, 종래의 레이저 반도체의 경우, 상기 테이퍼진 도파로(2)는 도 1에 도시된 것처럼 직선 형태의 테이퍼진 경계를 갖기 때문에, 상기 테이퍼진 도파로(2)로부터 상기 좁은 도파로(1)로 진행하는 빔을 유효하게 가이드하지 못한다. 이에 따라, 상기 테이퍼진 도파로(2)로부터 상기 좁은 도파로(1)로 진행하는 빔의 일부 만이 레이저 발진에 참여하고, 이러한 빔 손실은 레이저 발진 문턱 전류 및 전류 입력에 대한 출력의 효율 향상을 제약하는 결과를 가져온다.
한편, 통상의 반도체 레이저의 경우, 그것으로부터 출력되는 빔은 외부 렌즈를 통해 광섬유 등과 같은 외부 장치로 집속된다. 또한, 도 1에 도시된 레이저 반도체의 경우, 상기 좁은 도파로(1)에 비하여 상기 테이퍼진 도파로(2)의 단면에서 광출력이 높게 나타나게 되어 이를 외부 렌즈를 통해 광섬유 등과 같은 외부 장치로 집속하게 된다. 이때, 상기 빔의 초점 거리가 상기 테이퍼진 도파로(2)의 수평 방향 및 수직 방향에서 서로 달라짐으로써 나타나는, 비점수차(astigmatism)의 문제를 갖는다. 구체적으로, 상기 좁은 도파로(1)에서 생성된 단일 모드 빔이 상기 테이퍼진 도파로(2)를 진행할 때, 상기 테이퍼진 도파로(2)의 상부면과 교차하는 상기 빔의 파면은 곡선을 형성한다. 하지만, 상기 테이퍼진 도파로(2)의 두께는 그것의 길이 또는 폭에 비해 훨씬 작기 때문에, 상기 테이퍼진 도파로(2)의 상부면에 수직한 평면과 교차하는 상기 빔의 파면은 실질적으로 평면에 가깝다. 즉, 전자에서의 초점이 후자에서의 초점보다 상기 외부 렌즈로부터 더 먼 위치에 형성된다. 이러한 비점수차의 문제 때문에, 종래의 레이저 반도체의 경우, 제품 단가의 상승을 유발하는 복잡한 구조의 렌즈가 필요하다.
이에 더하여, 상기 테이퍼진 도파로(2)가 선형적으로 증가하는 폭을 갖는 경우, 빔의 세기가 증가할 때, 반송자 밀도와 빔의 세기 사이의 상호 작용에 의한 공간 홀 버닝(Spatial-hole burning: SHB), 자기초점(self-focusing) 및 섬사(filamentation) 현상 등이 발생할 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 고출력 및 고휘도 반도체 레이저를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 수W 이상의 단일 모드 출력을 제공할 수 있는 반도체 레이저를 제공하는 데 있다.
상기 일 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 도파로 렌즈를 구비하는 반도체 레이저를 제공한다. 이 반도체 레이저는 좁은 폭을 갖는 적어도 하나의 제 1 도파로; 넓은 폭을 갖는 적어도 하나의 제 2 도파로; 및 상기 제 1 도파로로부터 상기 제 2 도파로로 갈수록 넓어지는 폭을 가지면서 상기 제 1 및 제 2 도파로들을 연결하는 적어도 하나의 도파로 렌즈를 포함한다. 이때, 상기 제 1 및 제 2 도파로들을 연결하는 상기 도파로 렌즈의 적어도 한 측벽은 곡선 형태로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 도파로 렌즈의 적어도 한 측벽은 상기 제 1 도파로로부터 상기 제 2 도파로로 갈수록 연속적으로 증가하는 곡률 반경을 갖도록 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 도파로 렌즈는 상기 제 1 도파로로부터 상기 제 2 도파로로 입사되는 빔을 실질적으로 평행 빔으로 만드는 측벽 모양을 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 도파로 렌즈의 측벽 모양은 포물선 모양일 수 있다.
또한, 상기 도파로 렌즈는 상기 제 1 도파로로부터 상기 제 2 도파로로 입사되는 빔이 상기 도파로 렌즈의 최대 폭보다 좁은 영역으로 수렴되도록 만드는 측벽 모양을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 도파로 렌즈의 측벽 모양은 타원 모양일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 2 도파로는 상기 도파로 렌즈보다 넓은 폭을 갖는 슬랩 도파로일 수 있다. 또는, 상기 제 2 도파로는 다중 모드 도파로를 구성할 수 있다. 이 경우, 상기 제 2 도파로는 상기 도파로 렌즈의 최대폭과 실질적으로 같은 폭을 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 제 1 도파로는 서로 이격된 한 쌍의 제 1 도파로들을 포함하고, 상기 적어도 하나의 도파로 렌즈는 서로 이격된 한 쌍의 도파로 렌즈들을 포함할 수 있다. 이때, 상기 한 쌍의 도파로 렌즈들은 각각 상기 한 쌍의 제 1 도파로들 각각과 상기 제 2 도파로 사이에 배치될 수 있다. 이에 더하여, 상기 한 쌍의 제 1 도파로들 및 상기 한 쌍의 도파로 렌즈는 상기 제 2 도파로를 기준으로 거울 대칭적으로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 제 1 도파로는 분포 브래그 반사(Distributed Brag Reflector: DBR) 회절 격자를 포함할 수 있다. 또는, 상기 적어도 하나의 제 2 도파로는 분포귀환(Distributed Feedback: DFB) 회절 격자를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 도파로 및 상기 도파로 렌즈는 III/V족 화합물의 수동 도파로를 구성하고, 상기 제 2 도파로는 III/V족 화합물로 형성되면서 이득 매질로 사용될 수 있다. 이때, 상기 제 2 도파로를 위한 III/V족 화합물은 상기 제 1 도파로 및 상기 도파로 렌즈를 위한 III/V족 화합물과 동일한 물질일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 2 도파로는 상기 제 1 도파로 및 상기 도파로 렌즈와 동일한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 도파로, 상기 제 2 도파로 및 상기 도파로 렌즈는 III/V족 화합물로 형성되면서 이득 매질로 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 도파로 및 상기 도파로 렌즈는 유전체로 형성된 수동 도파로를 구성하고, 상기 제 2 도파로는 III/V족 화합물로 형성되면서 이득 매질로 사용될 수 있다. 이때, 상기 제 1 도파로 및 상기 도파로 렌즈를 위한 유전체는 실리카 및 폴리머 물질들 중의 적어도 한가지를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 좁은 도파로, 넓은 도파로 및 이들 사이에 배치되는 도파로 렌즈를 구비하는 반도체 레이저가 제공된다. 일 실시예들에 따르면, 상기 도파로 렌즈는 포물선 또는 타원 모양을 갖도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 좁은 도파로에서 생성된 단일 모드 빔은 상기 넓은 도파로로 실질적으로 평행하게 입사될 수 있다. 본 발명에 따른 반도체 레이저는 증가된 이득을 얻을 수 있어 고출력의 레이저 빔을 생성할 수 있다. 이에 더하여, 상기 넓은 도파로로 입사되는 빔이 평행하기 때문에, 종래 기술에서의 비점수차 문제 및 광섬유와의 광학적 연결을 위한 모듈화 공정에서의 기술적 어려움들은 크게 감소될 수 있다.
이에 더하여, 상기 도파로 렌즈에 의해, 상기 넓은 도파로로부터 입사되는 평행광은 상기 좁은 도파로로 유효하게 집속될 수 있고, 그 결과 본 발명에 따른 반도체 레이저는 빔의 진행 방향에 상관없이 감소된 도파 손실 특성을 갖는다.
일 실시예에 따르면, 상기 좁은 도파로 및 상기 도파로 렌즈가 수동 도파로로 사용될 수 있다. 이 경우, 출력 세기의 증가에 의해 유발되는 비선형 현상 및 섬사 현상 등이 예방되어, 증가된 출력 및 개선된 단일 모드의 빔이 생성될 수 있다. 또한, 상기 좁은 도파로의 단면에 무반사 박막 증착을 하고, 상기 넓은 도파로 단면에 고반사 박막 증착을 하게 되면 대부분의 출력을 좁은 도파로에서 얻을 수 있어 기존의 구조에 비하여 비점수차(astigmatism)의 문제가 작은 고출력 및 고휘도의 출력 광을 얻을 수 있게 된다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 도파로는 상기 도파로 렌즈의 경사진 일 측 벽을 향해 기울어진 각도로 상기 도파로 렌즈에 연결되어, 상기 도파로 렌즈의 경사진 일 측벽 만이 상기 제 1 도파로로부터 상기 도파로 렌즈로 입사되는 빔의 평행시준화에 사용될 수 있다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 또한, 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막을 다른 영역 또는 막과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에의 제1막질로 언급된 막질이 다른 실시예에서는 제2막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다.
본 발명에 따른 반도체 레이저는 좁은 폭을 갖는 적어도 하나의 제 1 도파로, 넓은 폭을 갖는 적어도 하나의 제 2 도파로 및 이들을 연결하는 적어도 하나의 도파로 렌즈를 포함할 수 있다. 이때, 상기 도파로 렌즈는 상기 제 1 도파로로부터 출력되는 빔이 상기 제 2 도파로로 실질적으로 평행하게 입사되거나 상기 도파로 렌즈의 최대 폭보다 좁은 영역으로 수렴적으로 입사되도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 상기 도파로 렌즈의 측벽은 연속적으로 증가하는 곡률 반경을 갖는 모양(예를 들면, 포물선 또는 타원)으로 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 도파로 렌즈(50)를 설명한다. 이 실시예에 따른 도파로 렌즈(50)는 포물선 형태의 경계를 가질 수 있다. 예를 들면, 도 2에 도시된 것처럼, 상기 도파로 렌즈(50)의 측벽들은 식 y2=4ax에 의해 주어지는 곡선형의 경계를 형성할 수 있으며, 상기 도파로 렌즈(50)의 양단은 좌표 (a, 0) 및 (L, 0)에서 각각 상기 좁은 폭을 갖는 제 1 도파로(20) 및 상기 넓은 폭을 갖는 제 2 도파로(30)에 연결될 수 있다. 도시된 것처럼, 상기 도파로 렌즈(50)는 초점(focus)을 지나는 단면을 갖는 잘려진 포물선(truncated parabola)일 수 있으며, 상기 포물선의 꼭지점(vertex)(즉, 좌표 (0,0))는 상기 제 1 도파로(20) 상에 위치할 수 있다.
상기 제 1 도파로(20)로부터 상기 도파로 렌즈(50)로 입사되는 빔은 회절에 의해 다양한 방향으로 진행할 수 있다. 하지만, 상술한 포물선 형태의 도파로 렌즈(50)는 이러한 빔들의 평행시준(collimation)을 가능하게 한다. 구체적으로, 상 기 빔의 진행 경로가 상기 도파로 렌즈(50)의 측벽과 교차하는 경우, 해당 빔은 소정의 반사점(RP)에서 반사되어 새로운 경로를 따라 진행한다. 이때, 상술한 것처럼, 상기 도파로 렌즈(50)의 측벽이 포물선 형태일 경우, 상기 반사되는 빔의 새로운 경로는 상기 반사점(RP)의 위치에 상관없이 상기 제 1 도파로의 장축 방향에 평행하게 된다. 비록, 상기 빔의 일부는 상기 제 1 도파로의 측벽과 교차하지 않는 경로를 가질 수 있지만, 상기 도파로 렌즈(50)의 길이(즉, L-a)가 그 폭(2b)보다 충분히 클 경우, 상기 빔들은 실질적으로 평행시준(collimate)될 수 있다.
또한, 소정의 평행 빔이 상기 제 2 도파로(30)로부터 상기 도파로 렌즈(50)로 입사되는 경우, 동일한 기하광학적 원리에 의해, 상기 빔들은 상기 도파로 렌즈(50)의 측벽에서 반사된 후, 상기 포물선의 초점 좌표에 위치하는 상기 제 1 도파로(20)의 일단으로 집속될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 도파로 렌즈(50)는 타원형의 측벽을 갖도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 제 1 도파로(20)는 상기 타원의 일 초점에서 상기 도파로 렌즈(50)의 일단에 연결되고, 상기 제 2 도파로(30)는 상기 타원의 다른 초점과 상기 타원의 중심 사이에서 상기 도파로 렌즈(50)의 타단에 연결될 수 있다. 이 경우, 상기 제 1 도파로(20)로부터 상기 도파로 렌즈(50)로 입사되는 빔은 소정의 반사점에서 반사되어 상기 타원의 다른 초점을 향하는 진행 경로를 가질 수 있으며, 그 결과, 빔들은 상기 도파로 렌즈(50)의 최대폭보다 좁은 영역으로 수렴될 수 있다. 한편, 타원의 이심률이 클 경우, 상기 빔들은 실질적으로 평행광에 가까울 수 있다.
또한, 소정의 빔의 상기 제 2 도파로(30)로부터 상기 도파로 렌즈(50)로 입사되는 경우, 동일한 기하광학적 원리에 의해, 상기 빔들은 상기 도파로 렌즈(50)의 측벽에서 반사된 후, 상기 타원의 일 초점에 위치하는 상기 제 1 도파로(20)의 일단으로 집속될 수 있다.
도 3 내지 도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 레이저 반도체들을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 3 내지 도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 레이저 반도체(100)는 제 1 도파로(20), 제 2 도파로(30) 및 이들을 연결하는 도파로 렌즈(50)를 구비한다. 상기 제 1 도파로(20)는 단일 모드를 구현하도록 구성되고, 상기 제 2 도파로(30)는 높은 이득을 제공하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 상기 제 2 도파로(30)는 상기 제 1 도파로(20)보다 넓은 폭을 갖도록 형성될 수 있다.
상기 도파로 렌즈(50)는 앞서 도 2를 참조하여 설명된 도파로 렌즈에서의 기술적 특징들을 갖도록 형성될 수 있다. 이때, 도 3, 도 6, 도 7, 도 9 내지 도 11은 상기 도파로 렌즈(50)가 포물선 형태의 측벽을 갖도록 구성되는 실시예들을 나타내는 평면도들이고, 도 4, 도 5 및 도 8은 상기 도파로 렌즈(50)가 타원 형태의 측벽을 갖도록 구성되는 실시예들을 나타내는 평면도들이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 3 내지 도 6 그리고 도 9 내지 도 11에 도시된 것처럼, 상기 제 1 도파로(20) 및 상기 도파로 렌즈(50)는 수동 도파로를 구성하고, 상기 제 2 도파로(30)는 이득 매질(gain medium)로 형성되는 슬랩 도파로(slab waveguide)를 구성할 수 있다. 상기 이득 매질은 레이저 내에서 광학 적 이득이 나타나는 매질로서, 이러한 이득은 높은 에너지 상태로부터 낮은 에너지 상태로의 전자적 또는 분자적 전이(electronic or molecular transitions)에서의 자극된 방출(stimulated emission)에 의해 얻어질 수 있다. 상기 슬랩 도파로는 상기 도파로 렌즈(50)보다 넓은 폭을 갖도록 형성된 코어층을 구비하는 도파로 구조일 수 있다. 상기 제 1 도파로(20) 및 상기 도파로 렌즈(50)의 코어층은 III/V족 화합물들 또는 유전체들 중의 적어도 한가지로 형성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 유전체는 실리카 및 폴리머 물질들 중의 적어도 한가지일 수 있다. 상기 제 2 도파로(30)의 코어층은 III/V족 화합물들 중의 한가지일 수 있으며, 그 상부에는 상기 광학적 이득을 위한 전류를 공급하는 전극(40)이 형성될 수 있다.
상기 제 1 도파로(20) 및 상기 도파로 렌즈(50)가 수동 도파로를 구성할 경우, 공간 홀 버닝(Spatial-hole burning: SHB) 현상이 나타나지 않기 때문에, 비선형 특성에 의한 섬사(filamentation) 현상은 예방될 수 있다. 이에 따라, 이러한 실시예에 따른 반도체 레이저는 더욱 증가된 출력 및 개선된 단일 모드의 빔을 생성할 수 있다.
이에 더하여, 상기 제 1 도파로(20), 상기 제 2 도파로(30) 및 상기 도파로 렌즈(50)는 모두 같은 물질로 형성될 수 있다. 이 경우, 공정 단계의 단순화를 통한 제조 비용의 절감이 가능하다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 도파로(20) 및 상기 도파로 렌즈(50)는 실질적으로 같은 두께로 형성될 수 있지만, 상기 제 2 도파로(30) 및 상기 도파로 렌즈(50)는 요구되는 광학적 특성들을 고려하여 실질적으로 같거나 다른 두께로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 7 및 도 8에 도시된 것처럼, 상기 제 1 도파로(20) 및 상기 도파로 렌즈(50) 역시, 상기 제 2 도파로(30)와 마찬가지로, 이득 매질로 사용될 수 있다. 이때, 상기 제 1 도파로(20), 상기 제 2 도파로(30) 및 상기 도파로 렌즈(50)는 III/V족 화합물로 형성될 수 있다. 이 실시예에 따르면, 별도의 수동 도파로를 형성하기 위한 공정 단계가 불필요하기 때문에, 제조 비용이 감소될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 6, 도 10 및 도 11에 도시된 것처럼, 상기 반도체 레이저(100)는 서로 이격된 한 쌍의 제 1 도파로들(20) 및 이들 사이에 배치되는 한 쌍의 도파로 렌즈들(50)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 한 쌍의 도파로 렌즈들(50) 사이에는 도시된 것처럼 하나의 제 2 도파로(30)가 배치될 수 있지만, 추가적인 제 2 도파로가 더 배치될 수 있다. 상기 한 쌍의 제 1 도파로들(20) 및 상기 한 쌍의 도파로 렌즈들(50)은 상기 제 2 도파로(30)를 기준으로 거울 대칭적으로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 9 및 도 10에 도시된 것처럼, 상기 제 2 도파로(30)는 분포귀환(Distributed Feedback: DFB) 회절 격자(35)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 분포귀환 회절 격자(35)는 잘 알려진 것처럼 회절 격자로서 기능하도록 구성된 도파로 내의 구조일 수 있으며, 상기 분포귀환 회절격자(35)에 의해 상기 빔은 단일 공간 주파수를 가질 수 있다.
이에 더하여, 도 11에 도시된 것처럼, 상기 제 1 도파로(20)는 분포 브래그 반사(Distributed Brag Reflector: DBR) 회절 격자(25)를 포함하도록 구성될 수 있 다. 상기 분포 브래그 반사 회절 격자(25)는 잘 알려진 것처럼 도파관 내에서 사용되는 고품질의 반사체로서, 굴절률이 다른 물질들이 교대로 배치되는 다중막들을 포함하는 구조일 수 있으며, 도파관 내에서 유효 굴절률에서의 주기적인 변화를 제공할 수 있다. 이러한 분포 브래그 반사 회절 격자(25)에 의해, 상기 빔은 단일 공간 주파수를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 2 도파로(30)는 도 3, 4, 6, 9, 10 및 11에 도시된 것처럼, 슬랩 도파로를 구성할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 상기 제 2 도파로(30)는 도 5에 도시된 것처럼, 소정의 다중 모드를 구현하도록 소정의 폭으로 패터닝될 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 반도체에서의 출력 손실을 시뮬레이션하기 위해 사용된 모형을 도시하는 평면도이고, 도 13은 시뮬레이션된 출력 손실 특성을 보여주는 그래프이다.
도 12를 참조하면, 시뮬레이션에서 고려된 레이저 반도체는, 도 6을 참조하여 설명한 것처럼, 상기 제 2 도파로(30)를 기준으로 대칭적으로 배치되는 한쌍의 제 1 도파로들(20) 및 한쌍의 도파로 렌즈들(50)을 갖는 것으로 가정되었다. 상기 도파로 렌즈(50)는 포물선 모양의 측벽을 갖는 것으로 가정되었다. 이에 더하여, 상기 제 1 도파로(20) 및 상기 도파로 렌즈(50)의 굴절률은 3.22이고, 상기 제 2 도파로(30)의 굴절률은 3.55인 것으로 가정되었다. 상기 제 1 도파로(20)의 폭(W1) 및 길이(L1)는 각각 1.5μm 및 100μm이고, 상기 도파로 렌즈(50)의 최대폭(W2)은 35μm이고, 상기 제 2 도파로(30)는 500μm의 길이(L2)를 갖는 슬랩 도파로인 것으 로 가정되었다. 또한, 상기 도파로 렌즈(50) 및 상기 제 1 도파로들(20)은 그것의 코어층 및 그 하부의 하부 클래드층의 일부가 식각된 도파로 구조(즉, deep ridge 도파로)인 것으로 가정되었다.
도 13을 참조하면, 도 12를 참조하여 설명된 모형에서, 상기 제 1 도파로들(20) 사이를 진행하는 대한 빔의 도파 특성이 2차원 BPM(Beam propagation method)을 사용하여 시뮬레이션되었다. 도시된 것처럼, 빔은 실질적인 손실없이 두 제 1 도파로들(20) 사이를 진행하였으며, 이 과정에서 도파 손실은 대략 0.06dB이었다.
한편, 상기 제 2 도파로(30)의 길이가 1,000μm인 모형에 대해 실시된 또다른 시뮬레이션에 따르면, 상기 도파 손실은 대략 1.0dB였다. 결과적으로, 상기 도파로 렌즈(50)의 최대폭이 35μm이고, 상기 제 2 도파로(30)의 길이가 500 내지 1,000μm인 경우, 도파 손실은 1.0dB 이하로 감소될 수 있었다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 반도체를 설명하기 위한 평면도이다. 설명의 간결함을 위해, 앞서 설명된 실시예들과 중복되는 기술적 특징들은 생략된다.
도 14를 참조하면, 상기 제 1 도파로(20)로부터 입사되는 빔이 상기 도파로 렌즈(50)의 일 측벽으로 향하도록, 상기 제 1 도파로(20)는 기울어진 각도로 상기 도파로 렌즈(50)에 연결될 수 있다. 상기 도파로 렌즈(50)의 측벽은 포물선 또는 타원형의 모양을 갖도록 형성되기 때문에, 상기 제 1 도파로(20)로부터 입사된 빔은 상기 도파로 렌즈(50)의 일 측벽에서 전반사되어 평행시준화된 경로를 따라 진 행한다.
한편, 상기 제 1 도파로(20)가 상기 도파로 렌즈(50)에 기울어져 연결되기 때문에, 상기 제 1 도파로(20)로부터 입사되는 빔의 전부가 실질적으로 평행시준화될 수 있다. 그 결과, 이 실시예에 따른 반도체 레이저는 앞선 실시예들에 따른 반도체 레이저들보다 더욱 감소된 도파로 손실 특성을 가질 수 있다.
이에 더하여, 상기 도파로 렌즈(50)의 일 측벽만이 상기 빔의 평행 시준화에 사용되기 때문에, 도시된 것처럼, 상기 도파로 렌즈(50)는 상기 빔이 입사되는 측벽 만이 평행시준화를 위한 모양(예를 들면, 타원형 또는 포물선형)일 수 있다.
한편, 이 실시예는, 도 1 내지 13을 참조하여 설명된, 상기 제 1 및 제 2 도파로들(20, 30) 그리고 상기 도파로 렌즈(50)의 물질, 폭, 도파 모드 등과 관련된 기술적 특징들을 동일하게 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 1 및 제 2 도파로들(20, 30)은 도 9 내지 도 11을 참조하여 설명된 회절 격자와 관련된 기술적 특징들을 동일하게 포함할 수 있다.
도 1은 종래의 반도체 레이저를 설명하기 위한 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도파로 렌즈를 설명하기 위한 평면도이다.
도 3 내지 도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 레이저 반도체들을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 반도체에서의 출력 손실을 시뮬레이션하기 위해 사용된 모형을 도시하는 평면도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 손실 특성을 보여주는 시뮬레이션 그래프이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 반도체를 설명하기 위한 평면도이다.

Claims (20)

  1. 제 1 폭을 갖는 적어도 하나의 제 1 도파로;
    상기 제 1 폭보다 넓은 제 2 폭을 갖는 적어도 하나의 제 2 도파로; 및
    상기 제 1 도파로로부터 상기 제 2 도파로로 갈수록 넓어지는 폭을 가지면서, 상기 제 1 및 제 2 도파로들을 연결하는 적어도 하나의 도파로 렌즈를 포함하되,
    상기 제 1 및 제 2 도파로들을 연결하는 상기 도파로 렌즈의 적어도 한 측벽은 곡선 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파로 렌즈의 적어도 한 측벽은 상기 제 1 도파로로부터 상기 제 2 도파로로 갈수록 연속적으로 증가하는 곡률 반경을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파로 렌즈는 상기 제 1 도파로로부터 상기 제 2 도파로로 입사되는 빔을 실질적으로 평행 빔으로 만드는 측벽 모양을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 도파로 렌즈의 측벽 모양은 포물선 모양인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파로 렌즈는 상기 제 1 도파로로부터 상기 제 2 도파로로 입사되는 빔이 상기 도파로 렌즈의 최대 폭보다 좁은 영역으로 수렴되도록 만드는 측벽 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 도파로 렌즈의 측벽 모양은 타원 모양인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 도파로는 상기 도파로 렌즈보다 넓은 폭을 갖는 슬랩 도파로인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 도파로는 다중 모드 도파로를 구성하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 도파로는 상기 도파로 렌즈의 최대폭과 실질적으로 같은 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제 1 도파로는 서로 이격된 한 쌍의 제 1 도파로들을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 도파로 렌즈는 서로 이격된 한 쌍의 도파로 렌즈들을 포함하되,
    상기 한 쌍의 도파로 렌즈들은 각각 상기 한 쌍의 제 1 도파로들 각각과 상기 제 2 도파로 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 제 1 도파로들 및 상기 한 쌍의 도파로 렌즈는 상기 제 2 도파로를 기준으로 거울 대칭적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제 1 도파로는 분포 브래그 반사(Distributed Brag Reflector: DBR) 회절 격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제 2 도파로는 분포귀환(Distributed Feedback: DFB) 회절 격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 도파로 및 상기 도파로 렌즈는 III/V족 화합물의 수동 도파로를 구성하고,
    상기 제 2 도파로는 III/V족 화합물로 형성되면서 이득 매질로 사용되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 2 도파로를 위한 III/V족 화합물은 상기 제 1 도파로 및 상기 도파로 렌즈를 위한 III/V족 화합물과 동일한 물질인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 도파로는 상기 제 1 도파로 및 상기 도파로 렌즈와 동일한 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 도파로, 상기 제 2 도파로 및 상기 도파로 렌즈는 III/V족 화합물로 형성되면서 이득 매질로 사용되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 도파로 및 상기 도파로 렌즈는 유전체로 형성된 수동 도파로를 구성하고,
    상기 제 2 도파로는 III/V족 화합물로 형성되면서 이득 매질로 사용되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 도파로 및 상기 도파로 렌즈를 위한 유전체는 실리카 및 폴리머 물질들 중의 적어도 한가지를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 도파로는 상기 도파로 렌즈의 경사진 일 측벽을 향해 기울어진 각도로 상기 도파로 렌즈에 연결되어, 상기 도파로 렌즈의 경사진 일 측벽 만이 상기 제 1 도파로로부터 상기 도파로 렌즈로 입사되는 빔의 평행시준화에 사용되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
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