KR20120117032A - 수직 공진 표면광 레이저 - Google Patents

수직 공진 표면광 레이저 Download PDF

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황인각
조두호
김진태
이숙희
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전남대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 수직 공진 표면광 레이저에 관한 것으로, 기판, 기판 상에 적층 형성된 하부 브랙반사경, 하부 브랙반사경 상에 형성되며 광을 생성하는 이득층, 이득층 상에 형성되며 전류 및 광이 통과하는 개구를 갖는 산화구경, 산화구경 상에 적층 형성된 상부 브랙반사경을 포함하며, 상부 브랙반사경의 상부면에 일정 깊이로 복수의 미세기공이 형성되어 단일 횡모드를 갖고 문턱 전류가 낮으며 광출력이 향상된 수직 공진 표면광 레이저를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

수직 공진 표면광 레이저{Vertical cavity surface emitting laser}
본 발명은 수직 공진 표면광 레이저에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단일 횡보드를 갖고 문턱전류가 낮으며 광출력이 높은 고성능 수직 공진 표면광 레이저에 관한 것이다.
수직 공진 표면광 레이저(Vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)은 반도체 레이저의 일종으로 구조의 특성 상 수평 방출 레이저에 비해 많은 장점을 가지고 있다.
VCSEL은 저전력 소자로서 순수한 단일 파장 및 싱글 모드 광섬유에 쉽게 결합할 수 있으며, 기존의 실리콘 웨이퍼 기술에 접목하여 저렴한 가격에 생산될 수 있다. 짧은 파장 대역에서의 근거리 통신망에서는 VCSEL이 시장을 지배하고 있으며, 각종 센서에도 응용되고 있다.
VCSEL이 기존의 도파로형 레이저와 크게 다른 점은 반도체 기판 상에서 길이 방향으로 빛이 공진하는 대신 기판의 두께 방향으로 빛이 공진한다는 점이다. 그로 인해 공진 길이가 매우 짧고 따라서 낮은 문턱전류를 갖는다. 또한 한 기판에 다수의 레이저를 바둑판 모양으로 배열할 수 있어 대량 생산이 가능해진다.
특히 기존의 레이저는 빛이 나오는 면을 정밀하게 절단할 필요가 있었던 것에 반해 VCSEL은 그런 공정이 필요 없게 된다. 그러므로 비교적 저출력, 저가의 레이저로 많이 활용되어왔다. 예를 들어 컴퓨터의 광마우스, 레이저 프린터에 들어가는 광원을 VCSEL로 대체함으로써 고성능을 구현할 수 있게 되었다.
기술적으로 표면광 레이저를 제작하기 위해서는 높은 반사율을 갖는 브랙반사경이 필요하고 높은 광학이득(optical gain) 물질이 요구되며 효과적인 전류감금 기술 등이 요구된다. 특히 레이저 빛을 이용하는 레이저의 경우 응용 분야에 따라서 파장을 달리해야 하며, 따라서 응용 파장에 따라서 효과적인 물질의 조합을 고려하여야 한다.
그러나 고성능 VCSEL은 그것을 구성하는 물질 뿐만 아니라 물리적 구조에 많이 의존하므로 구조의 최적화가 필수적이다.
지금까지 알려온 노하우들은 대부분 다양한 구조 변경에 따른 실험 결과의 추이로부터 이끌어낸 결론이 대부분이다. 따라서 기존의 경험적 지식들은 해석적 이론이나 예측적인 능력이 결여되어 있다.
따라서 단일 횡모드를 갖고 문턱전류가 낮으며 광출력이 높은 고성능의 수직 공진 표면광 레이저를 구현하기 위해 정확하고 구체적인 전산모사 기법을 이용하여 일반화에 가까운 구조를 얻는 것이 필요하다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 기판, 기판 상에 적층 형성된 하부 브랙반사경, 하부 브랙반사경 상에 형성되며 광을 생성하는 이득층, 이득층 상에 형성되며 전류 및 광이 통과하는 산화구경을 갖는 가이드층 및 산화구경 상에 적층 형성된 상부 브랙반사경을 포함하며, 상부 브랙반사경의 상부면에 일정 깊이로 복수의 미세기공이 형성되어 단일 횡모드를 갖고 문턱 전류가 낮으며 광출력이 높은 고성능 수직 공진 표면광 레이저를 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 수직 공진 표면광 레이저는 기판, 상기 기판 상에 적층 형성된 하부 브랙반사경, 상기 하부 브랙반사경 상에 형성되며 광을 생성하는 이득층, 상기 이득층 상에 형성되며 전류 및 광이 통과하는 산화구경을 갖는 가이드층 및 상기 산화구경 상에 적층 형성된 상부 브랙반사경을 포함하며, 상기 상부 브랙반사경의 상부면에 일정 깊이로 복수의 미세기공이 형성될 수 있다.
상기 미세기공이 형성되지 않은 상기 상부 브랙반사경의 일부에 형성된 상부 전극 및 상기 기판의 하부면에 형성된 하부 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 가이드층 및 상부 브랙반사경의 가장자리부분이 식각되어 상기 이득층의 상부면이 노출될 수 있다.
상기 가이드층 및 상부 브랙반사경은 원통 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 미세기공은 최내각에 6개가 형성될 수 있다.
상기 최내각에 형성된 6개의 미세기공의 간격은 4 내지 6㎛일 수 있다.
상기 복수의 미세기공의 깊이는 2 내지 2.5㎛일 수 있다.
상기 복수의 미세기공의 직경은 2.5 내지 3.5㎛일 수 있다.
상기 산화구경의 직경은 7 내지 10㎛일 수 있다.
본 발명에 따르면, 기판, 기판 상에 적층 형성된 하부 브랙반사경, 하부 브랙반사경 상에 형성되며 광을 생성하는 이득층, 이득층 상에 형성되며 전류 및 광이 통과하는 산화구경을 갖는 가이드층 및 산화구경 상에 적층 형성된 상부 브랙반사경을 포함하며, 상부 브랙반사경의 상부면에 일정 깊이로 복수의 미세기공이 형성되어 단일 횡모드를 갖고 문턱 전류가 낮으며 광출력이 향상된 수직 공진 표면광 레이저를 제공할 수 있는 효과가 있다.
이때, 정밀 시뮬레이션에 의해 상부 브랙반사경 상에 6개의 미세기공을 형성하고, 미세기공의 간격, 깊이, 직경, 산화구경의 크기를 최적화함으로써 효과적으로 고출력, 저문턱전류, 단일모드 레이저를 구현할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수직 공진 표면광 레이저(VCSLE)의 구조를 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 VCSEL의 단면을 포함하는 사시도.
도 3은 도 2의 미세기공 및 산화구경을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 산화구경의 크기에 따른 모드별 광손실 및 공진파장 변화를 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 미세기공 간격에 따른 모드별 광손실 및 공진파장 변화를 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 미세기공 깊이에 따른 모드별 광손실 및 공진파장 변화를 나타내는 그래프.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 미세기공 깊이에 따른 광세기 분포를 나타내는 도면.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수직 공진 표면광 레이저(VCSLE)의 구조를 나타내는 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 VCSEL의 단면을 포함하는 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수직 공진 표면광 레이저(VCSEL, 100)는 단일 횡모드를 갖고 문턱전류가 낮으며 광출력이 높은 레이저를 구현하기 위한 것으로, 기판(110), 하부 브랙반사경(120), 이득층(130), 가이드층(140), 상부 브랙반사경(150)을 포함하여 구성되고, 가이드층(140)에는 산화구경(141)가 형성되고 상부 브랙반사경(150)에는 미세기공(151)이 형성된다. 그리고 상부 브랙반사경(150)의 일부와 기판(110)의 하부면에는 각각 상부 전극(153) 및 하부 전극(111)이 형성된다.
VCSEL(100)은 짧은 공진기 거리에 의해 발진 가능한 종모드는 하나로 제한되나, 비교적 넓은 공진면적 때문에 다수의 횡모드(또는 공간모드)가 발진하기 쉽다.
여기서는 특히, 종모드로서는 같지만, 횡모드가 다른 2개의 저차 모드를 고려하며, 이를 각각 주 공진모드, 부 공진모드라고 일컫는다.
이때, 단일 모드 발진이란 주 공진모드(발진모드)와 부 공진모드(고차모드)의 출력 즉 광세기 차가 20dB 이상 차이가 나는 것을 의미하며, 20dB을 일반적인 배율로 환산하면 100배이므로 다시 말해 주 공진모드와 부 공진모드의 출력 차이가 100배 이상 차이가 나는 경우를 일컫는다.
구체적으로 VCSEL(100)에 대하여 살펴보면, 기판(110)은 n형, p형 또는 도펀트가 도핑되지 않은 GaAs나 InP로 이루어질 수 있다.
하부 브랙반사경(Distributed Bragg Reflector; DBR, 120)은 기판(110) 상에 적층 형성되고 기판(110)이 n형인 경우 n형 도펀트가 도핑되는 것이 바람직하고, 기판(110)이 p형인 경우 p형 도펀트가 도핑되는 것이 바람직하다. 또한 기판(110)이 도핑되지 않은 경우 n형 또는 p형의 적절한 도펀트를 사용할 수 있다.
상부 브랙반사경(150)은 하부 브랙반사경(120)과 반대형의 불순물을 함유하는 동일 종류의 불순물 반도체 물질로 이루어진다. 즉, 하부 브랙반사경(120)이 n형 반도체 물질이므로 상부 브랙반사경(150)은 p형 반도체 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상부 브랙반사경(150)은 20 이상의 서로 다른 굴절율을 가진 반도체 물질이 주기적으로 반복되어 있고, 하부 브랙반사경(120)은 30개 이상의 서로 다른 굴절율을 가진 반도체 물질이 주기적으로 반복되어 있다.
상부 브랙반사경(150)과 하부 브랙반사경(120)은 상부 및 하부 전극(153, 111)을 통해 인가된 전류에 의해 전자와 정공의 흐름을 유도하여 이득층(130)에 전류주입을 위한 전극 역할과 우수한 열특성에 의한 열방출기능을 수행한다.
이득층(130)은 하부 브랙반사경(120) 상에 형성되며 인가된 전류에 의해 유도되는 전자와 정공의 재결합으로 인한 에너지 천이에 의하여 광을 생성하는 영역으로 단일 또는 다중 양자 우물 구조, 초격자(super lattice) 구조를 갖는다.
이득층(130)은 GaAs, AlGaAs, InGaAs, InGaAsSb, InGaAlAs, InGaAsN, GaAsP, InGaP, InP 및 상기 물질들의 조합으로 이루어질 수 있다.
이득층(130)에서 생성된 광은 상부 및 하부 브랙반사경(150, 120)에서 각각 반사를 반복하면서 이득을 얻고 기판(110)의 표면에 수직한 방향으로, 도시된 도면 상에서 위쪽 방향으로 단일 파장으로 방출되어 레이저로 동작을 하게 된다.
가이드층(140)은 이득층(130) 상에 형성되며 중앙에 전류 및 광이 통과하는 산화구경(oxide aperture, 141)이 형성되는데, 산화구경(141)의 직경의 크기를 조절함으로써 전류의 밀도 및 횡모드의 크기와 형태를 효과적으로 조절할 수 있다.
가이드층(140)은 일반적으로 AlGaAs로 이루어질 수 있는데 이를 400℃ 이상의 습식산화 분위기에 노출시키면 Al 성분이 측면쪽에서부터 산화되어 측면부(143)는 산화되고 중앙부는 산화되지 않고 동그란 모양으로 존재한다.
이때, 산화구경(141)은 상기와 같은 측면 산화방식 대신에 이온주입 방식으로도 형성될 수 있다.
전류는 산화된 측면부(143)를 통해서는 흐르지 못하고 중앙부의 동그란 부분인 산화구경(141)을 통해 흐르게 된다. 또한, 산화된 측면부(143)의 낮은 굴절율 때문에 이측층(130)에서 생성된 광 또는 대부분 산화구경(141)의 안쪽에 존재하게 된다.
가이드층(140) 상에는 상부 브랙반사경(150)이 적층 형성되는데, 상부 브랙반사경(150)의 상부면에는 일정 깊이(H)로 복수의 미세기공(151)이 형성된다. 산화구경(141)의 직경의 조절만으로는 두 공진 모드 사이에 큰 광 손실차를 얻기가 어렵다.
미세 기공(151)은 산화구경(141)에 비해 훨씬 많은 파라미터를 갖고 있으며, 광손실에 직접적인 영향을 주므로 모드 별 특성을 효과적으로 제어할 수 있고, 따라서 단일모드를 구현하기 용이하다.
도 1 및 도 2는 세로 방향으로 절단한 모습을 나타내는 도면으로, 미세기공(151)은 상부 전극(153)이 형성되지 않은 반원 부분에 2개, 절단된 면에 2개, 도시되지 않은 부분에 2개가 형성되어 최내각에 총 6개가 형성된다.
전자기파의 기작을 지배하는 맥스웰(Maxwell) 방정식을 수치적으로 추적하는 방법인 FDTD(finite-difference time-domain) 전산모사 기법을 사용하여 최적화된 결과를 얻은 결과 미세기공(151)의 수는 6개가 가장 적합한 것으로 확인되었다.
또한 최내각의 6개의 미세기공(151) 외에 그 외각에도 미세기공(151)이 형성될 수 있는데 도면에는 상부 전극(153)이 형성된 반원 부분에 5개, 절단된 면에 2개, 도시되지 않은 부분에 5개가 형성될 수 있으므로 총 12개가 형성된 것을 도시하였으나, 최내각의 외각에 형성된 추가의 미세기공(151)은 FDTD 전산모사 결과 VCSEL(100)의 성능에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다.
이때, 가이드층(140) 및 상부 브랙반사경(120)은 가장자리부분이 식각되어 이득층(130)의 상부면이 노출되며, 원통형상으로 형성된다. 따라서 상부 브랙반사경(120) 상에 형성되는 상부 전극(153) 역시 원형상을 갖게 된다.
도 3은 도 2의 미세기공 및 산화구경을 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 산화구경의 크기에 따른 모드별 광손실 및 공진파장 변화를 나타내는 그래프이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 미세기공 간격에 따른 모드별 광손실 및 공진파장 변화를 나타내는 그래프이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 미세기공 깊이에 따른 모드별 광손실 및 공진파장 변화를 나타내는 그래프이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 미세기공 깊이에 따른 광세기 분포를 나타내는 도면이다.
FDTD 전산모사 결과 VCSEL(100)에 영향을 미치는 인자는 미세기공(151)의 개수, 미세기공(151)의 직경(A), 간격(C), 깊이(도 2의 H), 산화구경(141)의 직경(B)으로 나타낼 수 있다.
미세기공(151)의 개수는 최내각에 6개가 형성되는 것이 가장 적합하고, 최내각이 아닌 그 바깥의 미세기공(151)은 VCSEL(100)의 성능에 영향을 미치지 않는다는 것을 확인하였다. 또한, 미세기공(151)의 직경(A) 역시 2.5 내지 3.5㎛의 크기를 가질 수 있으나 미세기공(151) 사이의 직경에 비해 그 효과가 미미한 것으로 나타났으므로 본 발명의 실시예에서는 3㎛로 고정하였다.
FDTD 전산모사 기법은 비교적 긴 계산시간이 필요하다는 단점이 있으나 그 정확도는 다른 전산모사 기법에 비해 매우 뛰어나다.
전산모사의 결과로부터 다양한 정보를 얻어낼 수 있는데, 본 발명의 실시예에서는 각 횡모드의 광손실, 공진파장, 광세기 분포에 중점을 두었다.
특히 횡모드의 광손실은 단일모드 특성이나 문턱전류, 광출력을 결정하는 핵심요소이다.
먼저, 횡모드의 광손실차가 클수록 단일모드 발진이 용이하다. 또한, 산화구경(141)의 직경이 작고 발진모드의 광손실이 낮을수록 문턱전류가 낮아진다. 높은 광출력을 얻기 위해서는 모드의 직경이 크고 발진모드의 광손실이 낮아야 한다.
즉, 손실의 측면만을 보았을 때는 주 공진모드(LP01 모드)의 광손실은 낮고, 부 공진모드(LP11 모드)의 광손실은 높을수록 유리하다는 것을 알 수 있다.
먼저, 산화구경(141)의 직경(B)을 최적화하기 위해 산화구경(141)의 직경을 변화시켜가면서 주 공진모드와 부 공진모드의 모드별 광손실 및 공진파장 변화를 조사하였다. 이때, 미세기공(151) 사이의 간격은 5㎛로 고정하고, 깊이는 2.2㎛로 고정하였다.
이때, 미세기공(151) 사이의 간격(C)은 4 내지 6㎛이고, 깊이는 2 내지 2.5㎛일 수 있으나 가장 바람직한 값으로 고정하고 전산모사하였다.
도 4를 참조하면, 손실의 측면에서 산화구경(141)의 직경이 10㎛ 이상으로 커지는 경우 두 모드 간의 손실차가 급격히 커지는 것을 확인할 수 있다. 두 모드 간의 손실차가 클수록 단일모드 발진이 용이하나 산화구경(141)이 커짐에 따라 문턱전류가 증가하므로 결론적으로 산화구경(141)의 직경은 7 내지 10㎛의 값을 가질 수 있고 가장 바람직하게 8㎛일 수 있다.
다음으로 미세기공(151) 사이의 간격을 최적화하기 위해 미세기공(151) 사이의 간격을 변화시키면서 주 공진모드와 부 공진모드의 모드별 광손실 및 공진파장 변화를 조사하였다.
도 5를 참조하면, 미세기공(151)의 간격이 좁아질수록 주 공진모드 및 부 공진모드의 손실이 다 증가하지만 부 공진모드의 증가가 훨씬 더 크게 나타난다.
따라서 단일모드 특성만을 고려한다면 미세기공(151)의 간격이 좁을수록 더 유리하나, 광출력이 낮아질 가능성이 있다.
도 6을 참조하면, 미세기공(151)의 깊이 변화에 따라 모드의 손실이 단순 증가하거나 단순 감소하지 않고 최고점을 갖는 것을 알 수 있다. 특히 최고점은 두 모드의 광손실 차가 커지는 유리한 지점임을 알 수 있다. 즉, 두 우수한 단일모드 특성을 얻기 위해서는 미세기공(151)의 깊이의 최적화가 매우 중요한 것을 확인할 수 있다.
미세기공(151)은 간격을 5㎛, 산화구경의 직경을 8㎛로 하여 전산모사한 결과 약 2.1 내지 2.3㎛의 깊이를 갖는 것이 최적인 것으로 확인되었다.
도 7을 참조하면, 미세기공(151)의 깊이가 변화하는 경우 두 모드, 즉 주 공진모드와 부 공진모드의 분포가 어떻게 주어지고 광손실이 얼마나 큰지 확인할 수 있다.
도 7의 (a)는 미세기공의 깊이가 1㎛인 경우, (b)는 1.8㎛인 경우, (c)는 2.6㎛인 경우, (d)는 3.4㎛인 경우를 나타낸다.
미세기공(151)의 깊이가 얕을 때에는 두 모드의 광세기는 비교적 넓게 퍼져있으며 이때 퍼짐 정도를 결정하는 것이 산화구경(141)의 크기이다. 또한 미세기공(151)의 바닥이 빛이 약한 부분에 맞닿아 있으므로 광손실도 적은 편이다.
반면, 미세기공(151)이 깊어져서 빛이 강한 영역에까지 도달하면 예상대로 광손실이 커지고, 도 7의 (c)에 도시된 바와 같이 너무 깊어지는 경우 두 모드의 광세기 분포는 좁아지는 것을 볼 수 있다. 이에 따라 광손실이 줄어들게 된다.
즉, 미세기공(151)이 깊어질수록 단순히 빛이 강한 영역으로 접근해 들어가는 뿐만 아니라 빛을 안쪽으로 모아주는 역할을 동시에 수행한다는 것을 의미한다.
결과적으로 본 발명의 수직 공진 표면광 레이저는 상부면에 6개의 미세기공을 도입함으로써 효과적으로 고출력, 저 문턱전류, 단일모드 레이저를 구현할 수 있고, 미세기공의 깊이와 간격, 산화구경의 크기를 최적화함으로써 위의 효과를 극대시킬 수 있다.
또한, 정말 시뮬레이션 기법인 FDTD 전산모사 기법을 사용하여 최적화 값이 갖는 물리적 의미를 도출함으로써 보다 정성적인 이해가 가능하고 향후 실험결과를 분석하거나 레이저 성능의 추가 향상에 용이한 수직 공진 표면광 레이저를 개발할 수 있다.
이상에서, 본 발명의 구성 및 동작을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.
100 : 수직 공진 표면광 레이저 110 : 기판
120 : 하부 브랙반사경 130 : 이득층
140 : 가이드층 141 : 산화구경
150 : 상부 브랙반사경 151 : 미세기공

Claims (9)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 적층 형성된 하부 브랙반사경;
    상기 하부 브랙반사경 상에 형성되며 광을 생성하는 이득층;
    상기 이득층 상에 형성되며 전류 및 광이 통과하는 산화구경을 갖는 가이드층; 및
    상기 산화구경 상에 적층 형성된 상부 브랙반사경;을 포함하며,
    상기 상부 브랙반사경의 상부면에 일정 깊이로 복수의 미세기공이 형성되는 수직 공진 표면광 레이저.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미세기공이 형성되지 않은 상기 상부 브랙반사경의 일부에 형성된 상부 전극; 및
    상기 기판의 하부면에 형성된 하부 전극;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면광 레이저.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가이드층 및 상부 브랙반사경의 가장자리부분이 식각되어 상기 이득층의 상부면이 노출되는 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면광 레이저.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가이드층 및 상부 브랙반사경은 원통 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면광 레이저.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 미세기공은 최내각에 6개가 형성되는 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면광 레이저.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 최내각에 형성된 6개의 미세기공의 간격은 4 내지 6㎛인 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면광 레이저.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 미세기공의 깊이는 2 내지 2.5㎛인 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면광 레이저.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 미세기공의 직경은 2.5 내지 3.5㎛인 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면광 레이저.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산화구경의 직경은 7 내지 10㎛인 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면광 레이저.
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