KR20140046419A - 공진기가 향상된 광전자 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본원의 광 공진기(optical resonators)는 광루미네선스 포스퍼(photoluminescent phosphors)로 향상되었고, 입력/펌프 광에 기초한 1개 이상의 파장에서 광을 출력하게 설계 및 구성되었으며, 시스템과 장치는 그런 공진기로 제조된다. 특정 실시예에서, 공진기는 1개 이상의 광루미네선스 포스퍼 층 또는 다른 구성체와 조합된 복합 광 공진기 공동(multiple optical resonator cavities)을 포함한다. 다른 실시예에서, 공진기는 입력/펌프 및 출력 파장에서 동시적으로 공진하도록 설계된다. 광루미네선스 포스퍼는 적당한 광루미네선스 물질이며, 그 중에서도 양자 웰(quantum wells) 및 양자 점(quantum dots)과 같은 양자-한정 구성체(quantum-confining structures)에서 반도체 및 다른 물질을 포함할 수 있다.

Description

공진기가 향상된 광전자 장치 및 그 제조 방법{RESONATOR-ENHANCED OPTOELECTRONIC DEVICES AND METHODS OF MAKING SAME}
이 출원은: 2011년 5월 16일 출원된 미국 가특허출원 번호 61/518,989호(발명의 명칭 "광전자 장치의 효율성을 높이기 위한 새로운 방법"); 2011년 9월 14일 출원된 미국 가특허출원 번호 61/573,872호(발명의 명칭 "광전자 장치의 효율성을 높이기 위한 새로운 방법"); 2011년 11월 10일 출원된 미국 가특허출원 번호 61/628,955호(발명의 명칭 "광전자 장치의 효율성을 높이기 위한 새로운 방법"); 2011년 12월 29일 출원된 미국 가특허출원 번호 61/631,135호(발명의 명칭 "광전자 장치의 효율성을 높이기 위한 새로운 방법")를 우선권으로 주장한다. 상기 출원들의 각각은 그 전체 내용이 본원에 참고로 포함되었다.
본 발명은 일반적으로 광전자 장치의 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 공진기가 향상된 광전자 장치 및 그 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다.
연구 및 기술자들은 저렴한 비용의 발광장치를 생성할 뿐만 아니라, 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD) 및 기타 다른 발광장치 등의 광전자 장치와, 예를 들어 그린-광-발광 반도체-기반 LED 및 LD에 존재하는 소위 "그린 갭(green gap)"을 가진, 현실적으로 고 품질, 저 비용 방안이 결여된 전자기 스펙트럼의 부분에서 방출하는 장치들의 성능, 효율성, 품질 등도 함께 향상시키기 위해 지속적으로 노력을 하고 있다.
각종 발광장치에 대한 광 이득 매체(optical gain media)로서 광루미네선스(photoluminescent) 물질이 사용되어왔다. 그러나, 이러한 장치의 여러 부위에서 사용되는 재료의 양 및 여러 장치에서 늘어난 복잡함이 이들을 원하는 비용보다 비싸게 만든다. 또한, 종래 인광(phosphorescent) 물질의 사용은 상술한 그린 갭 등의 존재로 이어지는 문제가 해결되지 않았다.
일례의 실시예에서, 본 발명은 광학적으로 펌핑되는 시스템에 관한 것이다. 시스템은 입력 광에 응답하는 광 공진기(optical resonator)를 포함하고, 광 공진기는: 복합 층의 각기 다른 층이 서로 다른 물질로 구성되는 복합 층의 스택과; 상기 다른 층의 일부는 복합 공진기를 한정하도록 설계되고, 형성되어, 배치되며, 상기 복합 반사체는 복합 공진기 공동(cavity)을 한정하게 배치되며; 적어도 1개의 공진기 공동에 배치된 적어도 1개의 광루미네선스 층을 포함하며, 적어도 1개의 광루미네선스 층은 입력 광의 입사 시에 광발광이 나타나게(to photoluminesce) 설계된다.
다른 실시예에서, 본 발명은 제1파장의 입력 광과 제2파장의 출력 광을 수신하게 구성된 광 공진기 시스템을 형성하는 방법에 관한 것이며, 여기서 제1파장과 제2파장은 서로 다르다. 상기 방법은 복수의 공진기를 배치하여 입력 광과 출력 광에 따라서 구성된 복수의 광 공진기 공동을 한정하는 단계와; 1쌍의 복수의 반사체 사이에 광루미네선스 층을 배치하는 단계를 포함하며, 광루미네선스 층은 입력 광의 입사 시 광발광이 나타나게 선택된다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 광학적으로 펌핑되는 시스템에 관한 것이다. 시스템은 입력 광에 응답하는 공진기를 포함하고, 공진기는: 양자 점(quantum dot)을 가진 포스퍼(phosphor)와, 상기 양자 점은 외부 면을 갖고, 상기 포스퍼는 입력 광의 입사 시 광발광이 나타나게 선택되며; 광 공진기 공동을 한정하게 양자 점의 외부 면에 적용되는 반사체를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 제1파장의 입력 광 및 제2파장의 출력 광을 수신하게 설계되어 구성되는 광 공진기를 제조하는 방법에 관한 것이며, 여기에서 제1파장과 제2파장은 서로 다르다. 상기 방법은 입력 광의 입사 시 광발광하도록 선택된 양자 점을 포함하는 포스퍼를 제공하는 단계와, 상기 양자 점은 외부 면을 갖고; 광 공진기 공동을 형성하도록 반사체를 양자 점의 외부 면에 적용하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명에 따라 제조된 발광 시스템의 하이-레벨 개략도이다.
도 2는 직렬로 배치된 3개의 광 공진기 공동을 가진 멀티-공동 공진기(multi-cavity resonator)를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3a는 550nm에서, 물리적 두께 약 114nm, 굴절률 2.42 및 k값 0.04를 가진 예시적인 광루미네선스 물질에 대한 흡수율 대 파장의 그래프이다.
도 3b는 적당하게 설계된 공진기 공동의 내부에 배치된 경우의 도 3a의 광루미네선스 물질의 흡수율 대 파장의 그래프이다.
도 4a는 1개의 광 공진기 공동을 가진 단일 공동 공진기에 대한 투과율 대 파장의 그래프이다.
도 4b는 3개의 광 공진기 공동을 가진 멀티-공동 공진기에 대한 투과율 대 파장의 그래프이다.
도 5는 도 2의 멀티-공동 공진기를 생성하는 데 사용할 수 있는 방법의 흐름도이다.
도 6a 내지 도 6d는 도 5의 방법의 다양한 단계를 나타낸 도면이다.
도 7은 저 굴절률 물질을 보유하는 공동을 가진 단일-공동 광 공진기에 대한 전계세기(평방) 대 로케이션(electric field intensity squared versus location)의 그래프이다.
도 8은 고 굴절률 물질을 보유하는 공동을 가진 단일-공동 광 공진기에 대한 전계세기(평방) 대 로케이션의 그래프이다.
도 9는 2회 설계 파장의 공동 길이를 가진 단일-공동 광 공진기에 대한 전계세기(평방) 대 로케이션의 그래프이다.
도 10은 단일-공동 광 공진기에 대한 흡수율 대 파장의 그래프이며, 광루미네선스 포스퍼는 공진기에서 최대 전계 위치에 배치된다.
도 11은 멀티-공동 광 공진기에 대한 흡수율 대 파장의 그래프이며, 광루미네선스 포스퍼는 1개 이상의 공동의 최대 전계 로케이션에 위치된다.
도 12는 불균일한 두께의 포스퍼 층을 포함하는 광 공진기 공동의 도면이다.
도 13은 입력 광 및 출력 광의 파장에서 동시적으로 공진하게 구성된 다대역(multiband) 공진기의 도면이다 ;
도 14는 420nm의 입력/펌프 파장에서 도 13의 다대역 공진기의 투과 프로파일을 나타내는 투과율 대 파장의 그래프이다.
도 15는 420nm의 입력/펌프 파장에서 도 13의 다대역 공진기에 대한 전계세기(평방) 대 로케이션의 그래프이다.
도 16은 630nm의 출력 파장에서 도 13의 다대역 공진기의 투과 프로파일을 나타내는 투과율 대 파장의 그래프이다.
도 17은 630nm의 출력 파장에서 도 13의 다대역 공진기에 대한 전계세기(평방) 대 로케이션의 그래프이다.
도 18은 도 13의 다대역 공진기를 생성하는 데 사용할 수 있는 방법의 흐름도이다.
도 19a 내지 도 19g는 도 18의 방법의 다양한 단계를 나타낸 도면이다.
도 20은 예시적인 멀티-공동 공진기(제1설계)에 대한 투과율 및 흡수율 대 파장의 그래프이다.
도 21은 다른 예시적인 멀티-공동 공진기(제2설계)에 대한 투과율 및 흡수율 대 파장의 그래프이다.
도 22는 다른 예시적인 멀티-공동 공진기(제3설계)에 대한 투과율 및 흡수율 대 파장의 그래프이다.
도 23은 다른 예시적인 멀티-공동 공진기(제4설계)에 대한 투과율 및 흡수율 대 파장의 그래프이다.
도 24는 도 23의 그래프(제4설계)에 대응하는 예시적인 멀티-공동 공진기에 대한 반사율 대 파장의 그래프이다.
도 25는 통합된 반사체를 가진 양자 점의 도면이다.
도 26은 본 발명에 따라 제조된 적색-녹색-청색(RGB) 발광 시스템의 하이 레벨의 개략도이다.
도 27은 본 발명에 따라 제조된 다른 RGB 발광 시스템의 하이 레벨의 개략도이다.
도 1을 참조하여 본 발명의 일 측면을 설명하면 다음과 같다. 본 발명은 적어도 1개의 광 공진기(104)(도면에서는 편의상 1개 만을 도시했고, 아래의 예에서는 복합 공진기를 나타내었음)와, 입력 광(112)을 펌프 또는 광 공진기(104)에 제공하여 각각의 광 공진기가 출력 광(116)을 출력하게 하는 적어도 1개의 광원(108)을 포함하는 발광 시스템(100)에 관한 것이다. 광 공진기(104)의 특징적인 구조는 복합 광 공진기의 공동(120) 및 적어도 1개의 광루미네선스 물질(124)을 가진 것을 포함하는 것이다. 본원의 전체 기술내용을 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 복합 광 공진기 공동(120)은 일반적으로 서로 일렬로, 즉 각각의 공동이 다른 공동에 인접하거나 2개의 공동 사이에 배치된다.
광루미네선스 물질(124)은 입력 광(112)의 입사 시 광발광하고 원하는 효과를 발생하는 사실상 특정 재료로 구성될 수 있다. 광루미네선스 물질(124)은 문제의 특정 설계에 따라 다양한 방식으로 어느 하나 이상의 광 공진기 공동(120)에 위치시킬 수 있다. 예를 들어, 어느 하나의 공동(120) 내의 광루미네선스 물질(124)은 전체 공동을 한정하거나 다르게 충전하는 층으로 제공될 수 있다. 다른 예에서, 광루미네선스 물질(124)은 예를 들어 공동 길이보다 작은 균일한 두께를 갖는 단일 층에 제공되는 것과 같이 단일 공동(120)을 부분적으로 채우도록 제공될 수 있고, 단일 층은 공동 내에서 다양한 두께를 갖고, 그리고 공동 내의 복합 층은 1개 이상의 다른 물질에 의해 분리되어 있다. 또한, 문제의 특별한 설계에 따라서, 일 유형의 광루미네선스 물질(124)이 단일 공동(120) 및/또는 멀티 공동 내에 사용될 수 있음에 유의한다.
후술되는 예시된 실시예로부터 알 수 있는 바와 같이, 특별한 광 공진기(104)를 다양한 방법으로 이행하여 새로운 장치 및 시스템을 생성하고, 종래의 장치 및 시스템의 효율을 높일 수 있다. 일 예를 들면, 전류 발생 녹색 발광 LED와 LD의 단점을 갖지 않는 고품질, 고휘도 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD) 기반 녹색 광을 생성하는 다운컨버터(downconverter)로서 공진기(104)를 설계할 수 있다. 본 명세서에 기재된 기술을 사용하는 양호한 설계는 또한 대응하는 종래의 장치와 시스템의 비용보다 적은 비용으로 장치 및 시스템을 생성하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 종래의 반도체-기반 발광 장치에 다양한 광루미네선스 물질(이것은 고가일 수 있음)을 사용하는 것이 알려져 있지만, 상기 물질은 전형적으로 광 공진기 공동의 외부에 비교적 두터운 층(예, 대략 수백(100s) 마이크로미터)에 제공된다. 그러나, 본원에 개시된 바에 따르면, 매우 얇은 포스퍼 층(예, 대략 수십(10s) 나노미터 이하)이 1개 이상의 공진기 공동 내부에 배치되는 경우, 사용할 수 있다. 본원에 개시된 기술 및 구조의 장점 및 다른 장점들은 아래에 설명되는 예시된 실시예로부터 명백해질 것이다.
광루미네선스 물질(124)에 사용할 수 있는 광루미네선스 재료의 예로는: 희토류 도펀트 활성제의 매크로-, 마이크로-, 나노-분말(양자 분말); 벌크 반도체 물질(매크로-, 마이크로-, 나노-분말); 양자-한정 구조(quantum-confining structures), 예: 양자 웰(well), 양자 선(wire), 양자 점, 양자 나노튜브(중공 실린더), 양자 나노선(중실 실린더), 양자 나노벨트(중실 직사각형 단면), 양자 나노쉘(nanoshell), 양자 나노파이버, 양자 나노로드(nanorod), 양자 나노리본, 양자 나노시트, 등.; 금속 나노점, 유사 금 나노점, 은 나노점, 알루미늄 나노점 등이다. 광루미네선스 물질은 다음과 같은 호스트 재료에 매립될 수 있다: 크리스탈, 유리, 유리 유형의 조성물, 솔(sol) 젤, 반고체-젤, 반도체, 절연 재료: 산화물, 질화물, 옥시 질화물, 황화물 등. 선택적으로, 유기 호스트 재료(organic host materials)도 선택할 수 있다. 호스트 재료는 비정질, 나노 결정질, 마이크로 결정질, 폴리 결정질(poly crystalline), 질감 또는 형태의 단결정(textured or single crystal in morphology)일 수 있다. 광루미네선스 물질(124)은 외부(ex-situ)에서 제조된 후, 광학 공동의 반사체 코팅부의 상부에 접합/증착될 수 있고, 선택적으로, 광루미네선스 물질은 내부(in-situ)에서 제조/성장될 수 있다. 광 공진기(104)에 제공된 각각의 광루미네선스 물질(124)에 관련된 광루미네선스 재료와 기술의 추가적인 예는, 예를 들어 2011년 12월 29일 출원된 발명의 명칭 "광전자 장치의 효율을 향상시키는 새로운 신 방법"의 상술된 미국 가특허 출원번호 61/631,135호의 11쪽 ~ 14쪽에 기재되어 있으며, 본원의 명세서에 광루미네선스 물질 및 그 용도와 관련한 기술 내용이 참고로 포함되었다. 아래의 예에서 볼 수 있는 바와 같이, 광루미네선스 물질(124)은 1개 또는 그 이상의 광 공진기 공동(120)에 제공될 수 있다.
각각의 광 공진기 공동(120)은 예를 들어 다음과 같은 형태의 임의적인 형상으로 이루어질 수 있다. 즉, 평면 평행형(또한, "파브리 페로(Fabry Perot)"로도 칭함); 동심형(구형); 공초점(confocal); 반구형; 요철형; 기레스-투르노이스 간섭기(Gires-Tournois interferometer), 또는 다른 적당한 공진기 형태로 이루어질 수 있다. 각각의 광 공진기(120)는 2개의 반사체(도시되지 않음)에 의해 한정될 수 있으며, 상기 반사체는 적당한 유형의 반사체일 수 있다. 반사체는 균일(같은 반사율)하거나, 비균일(다른 반사율)하게 할 수 있다. 2개의 반사체는 통합될 수 있거나 또는 1개의 반사체가 포스퍼 구성체에 밀착(통합)될 수 있고, 반면에 다른 반사체는 광 공진기(104) 내의 포스퍼 구성체에 밀착되지 않을 수 있다. 광 공진기(104)는 기본 모드(최소: λ/2 미러 간격, 여기서 λ는 특정 설계된 공진 파장)에서 작동하거나 또는 임의의 고차 모드(0이 아닌 정수 > λ/2 미러 간격의 1 배수)에서 작동할 수 있다. 광 공진기 공동(120)이 직렬로 배치되었을 때, 공동은 서로 결합 되거나 또는 서로 결합 되지 않는다. 공진기 공동(120) 사이의 결합 층(들)(도시되지 않음)은 제1오더(λ/4 조건) 또는 하이 오더(홀수 정수 > λ/4의 1 배수) 해법을 가질 수 있다.
각각의 광 공진기(104)를 생성하기 위한 다른 기술이 사용될 수 있다. 예를 들어 광자 결정(photonic crystals), 광자 공동, 서브-파장 격자, 높은 반사율을 위한 다른 특정 구조의 사용을 포함한다. 또한, 당업자는 각각의 광 공진기(104)가 마이크로 전자-기계 시스템, 마이크로 광전자-기계 시스템, 나노 전자-기계 시스템, 나노 광전자-기계 시스템 제조기술을 사용하여 생성될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
온(on)-공진 주파수(파장)의 전계세기는 하이 Q-인수 광 공진기 공동에서 매우 높은(확대) 값을 얻을 수 있다. 차례로 이런 확대된 전계 세기는 흡수기(온-공진 파장에서 흡수)가 공진기 공동 내부에 배치될 때 온-공진 파장의 매우 높은(증가된) 흡수를 초래한다. 도 3a 및 도 3b는 광 공진기 공동이 광루미네선스 물질에 의한 광 흡수 효능을 설명한다. 도3a의 그래프(300)를 먼저 참조하면, 이 그래프는 약 114nm의 물리적 두께, 550nm에서 2.42의 굴절률, 및 550nm에서 0.04의 k 값을 가진 예시적인 광루미네선스 물질에 대한 파장범위에 걸친 광 흡수율의 플롯(304)을 도시한다. 플롯(304)으로부터 알 수 있는 바와 같이, 550㎚에서의 광 흡수율은 약 10% 이다. 그러나, 도 3b의 플롯(354)으로부터 알 수 있는 바와 같이, 동일한 재료가 적당하게 설계된 광 공진기 공동에 배치되면, 550nm에서의 광 흡수율은 약 40%로 증가한다.
도 1의 각각의 공진기 공동(120)과 같은 본 발명의 광 공진기 공동을 한정하는데 반사체 층이 사용되었을 때, 당업자는 전계 세기의 피크/최대값이 공진기 공동 및 반사체 스택의 실제 설계에 따라, 공진기 공동의 내부 또는 공동을 한정하는 반사 층 중 어느 하나에 배치될 수 있음을 이해할 것이다. 이것은 차례로 최대 전계 피크 또는 어떤 다른 서브-종축 피크(사이드 로브(side lobes))가 광루미네선스 물질(124)에서 원하는 필요한 흡수량을 조정하는데 사용될 수 있음을 의미한다. 공동 내부에 배치된 경우, 전계 세기의 피크/최대값은 광학 공동의 물리적인 중심에 있거나 있지 않을 수 있다. 실질적으로, 전계 세기의 최대값/최소값은 공간적으로 양호한 설계로 광학 공동의 특정 장소에 위치할 수 있다. 광 공진기 공동(120)의 설계의 더 자세한 사항은 그 기술내용이 모두 본원에 참고로 포함된 '135호의 명세서에서 확인할 수 있다.
입력 광(112)은 시스템(100)의 의도된 작용에 적당한 임의의 파장(들)일 수 있다. 입력 광(112)에 포함될 수 있는 파장의 예는 전자기 스펙트럼의 적외부(예를 들어, 근처), 가시성, 및 자외부(근처 및 딥(deep)) 클래스에서의 파장을 포함한다. 이에 대응하여, 각각의 광원(108)은 상기 클래스 내에 속하고 광 공진기(들)(104)의 설계에 상응하는 1개 이상의 파장에서 전자기 방사선을 발생하는 장치일 수 있다. 그런 장치의 예로는 한정적이지 않은 기재로, 발광 다이오드, 레이저(예를 들면, 반도체, 고체상태, 기체, 광학 결정, 착화합물(exiplex), 화학물 등), 램프 등을 포함한다. 각각의 광원(108)용으로 사용될 수 있는 장치의 일부 특정한 예가 예시된 실시예를 통해 아래에 제공되었다. 그러나, 당업자는 예시한 실시예가 설명을 목적으로 제공되었으며, 따라서, 첨부된 청구범위에 한정한 바와 같이 발명의 범위에 대하여 제한하는 것으로 간주 되지 않음을 이해할 것이다.
마찬가지로, 출력 광(116)은 광 공진기(들)(104)가 입력 광(112)에 기초하여 출력될 수 있는 파장(들)을 가질 수 있다. 출력 광(116)에 포함될 수 있는 파장의 예는 전자기 스펙트럼의 적외부(예를 들어, 근처), 가시성, 및 자외부(근처 및 딥(deep)) 클래스에서의 파장을 포함한다. 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 광 공진기(들)(104)의 설계는 1개 이상의 원하는 파장을 출력하도록 및/또는 특정한 편광(polarization)의 광을 출력하도록 조정될 수 있다. 아래에서 확인할 수 있는 바와 같이, 그런 조정(tuning)은 예를 들어, 사용된 각 포스퍼(124)용으로 적절한 재료를 적당하게 선택하고, 각각의 포스퍼 구성체(예를 들면, 양자-한정 구성체)를 적당하게 위치시켜 배치하고, 그리고 다른 것들 중에서, 광 공진기 공동(120)을 적당하게 위치시켜 배치하여 달성할 수 있다. 특정 예를 아래에 기재하여, 각각의 광 공진기(104)를 생성하는데 사용할 수 있는 설계 방법을 설명하고, 그런 광 공진기의 특별히 유용한 적용을 설명한다.
제1실시예로 돌아와서, 도 2는 서로 일렬로 배치된 3개의 광 공진기 공동(204A, 204B, 204C)을 가진 멀티-공동 공진기(200)를 도시하며, 각 공진기 공동은 이격된 반사체 스택(212)의 대응 쌍(208A, 208B, 208C)으로 한정된다. 각 반사체 스택(212)은 두께가 서로 다른 복합 층으로 구성될 수 있다. 각 반사체 스택(212)은 예를 들어 다수의 박막 코팅층, 다수의 후막 코팅층, 또는 양쪽 박막 및 후막 코팅층의 조합으로 구성될 수 있다. 명세서 및 청구범위를 설명하기 위해 기재된 용어 "박막(thin film)" 및 그 유사 표현은 2㎛ 미만의 물리적 두께를 가진 필름을 의미하고, 용어 "후막(thick film)" 및 그 유사 표현은 2㎛ 이상의 두께를 가진 필름을 의미한다.
일반적으로, 상술 한 바와 같이, 공진기 공동(204A, 204B, 204C)은 필요에 따라 결합 또는 비결합될 수 있다. 단일-공동 공진기보다 많이 도 2의 공진기(200) 와 같은 멀티-공동 공진기를 사용하기 위한 한 계기는 멀티 공동이 공진기의 스펙트럼 프로파일을 협폭-피크 프로파일(예를 들어 도4a의 그래프(404)에서 피크(400)를 참조)로부터 평방-피크 프로파일(예를 들어 도4b의 그래프(454)에서 피크(450)를 참조)로 변경하는데 사용될 수 있다는 것이다. 이것은 예를 들어 온도의 영향을 완화시키는데 유용할 수 있으며, 상기 온도는 광 공진기의 길이의 변화, 또는 온-공진 파장의 흡수를 초래하는 것이다. 도 4a의 그래프(404)는 오레곤, 포틀랜드의 소프트웨어 스펙트라 인코포레이티드사의 TFCALC™ 박막 설계 소프트웨어에 의해 생성되는 단일 공진기 공동을 가진 광 공진기의 출력 스펙트럼의 그래프이다. 도 4b의 그래프(454)는 유사하게 도 2의 멀티-공동 공진기(200)와 유사한 방식으로 서로 일렬로 배치된 3개의 결합된 공진기 공동을 가진 광 공진기의 출력 스펙트럼의 그래프이다. 멀티-공동 공진기를 사용하기 위한 다른 계기는 예를 들어 멀티-공동 공진기 내의 각각의 공진기 공동에 대응하는 각각의 색상의 혼합물인 광 출력을 생성하기 위해, 특정한 다른 파장의 광을 출력하는 발광 시스템을 생성하는 것이다.
도 5 및 아래의 표 1은 도 2의 멀티-공동 공진기(200)를 제조하는데 사용할 수 있는 방법(500)을 예시한다. 방법(500)의 다수의 단계는 도 6a 내지 도 6d의 대응하는 각각의 도면이 예시한 것이다.
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당업자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 수많은 변화가 도 2의 공진기(200)와 유사한 멀티-공동 공진기를 생성하는 방법(500)으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 추가로 위에서 언급한 다양한 선택적 단계를 이행 또는 비수행하여, 즉, 다수 공동 중 1개 이상이 필수적으로 도 5 및 표 1의 단계(520)에서 생성된 포스퍼 층을 포함하는데 필요하지 않고; 개시 기판은 유리보다는, 필요한 파장(들)/스펙트럼 대역에서 투과율을 가진 임의의 다른 적절한 재료일 수 있고; 단계(515, 520, 525) 및 선택적 단계(530)는 필요한 만큼의 횟수로 수회 반복되어 원하는 수의 광 공진기 공동을 생성할 수 있다. 또한, 시작 기판의 재료(유리 웨이퍼(600)(도 6a)가 이 예에서는 사용됨)에 따라, 예를 들어, 영구 기판이 마지막에 생성된 외부 반사체 스택에 부착되거나 또는 그 반사체 스택에 형성된 열흡수(heat-sink) 층에 부착되는 경우, 필요에 따라 제거될 수 있다. 당업자는 상기 단계를 수행하는데 사용되는 기술이 당업자에게는 잘 알려져 있는 기술이어서, 반사체 코팅 스택(608, 616)을 형성하는 단계를 포함하는 표 1 및 도 5의 방법(500)의 다양한 단계를 수행하는 방법을 잘 이해할 것이다. 또한, 방법(500)에 관련한 기술 및 다른 정보의 추가적인 정보는 그 기술 및 정보를 모두 참고로 본원에 포함된 미국특허출원 '135호에 기재된 기술내용을 참조할 수 있다. 단계(545)에서 더해진 광원(도시되지 않았지만, 도 1의 광원(들)(108)을 참조함)은 많은 가운데서 예를 들어 1개 이상의 LED 또는 LD와 같은 원하는 펌프/입력 파장(들)에서 발광하는 적절한 광원일 수 있다.
이 예에서 도 2를 참조하여 설명하면, 대응하는 광 공진기 공동(204A, 204B, 204C)의 길이를 한정하는 각각의 반사체 쌍(208A, 208B, 208C) 사이의 공간은 예를 들어, 도 6c의 포스퍼 층(612)과 같은 포스퍼 층을 포함한다. 각각의 포스퍼 층은 저 굴절률 스페이서, 고 굴절률 스페이서, 또는 중간 굴절률 스페이서를 형성하는 포스퍼를 포함할 수 있다. 각각의 포스퍼 층(612)은 대응하는 광 공동의 전체 길이를 점유하거나, 또는 원하는/필요에 따른 특정 설계에 적합하도록 선택적으로, 광 공동의 길이의 일부만을 점유할 수도 있다. 포스퍼 층(612)이 광 공동 길이의 일부만을 점유하는 경우, 층은 공동 내의 원하는/필요한 영역에 위치할 수 있으며, 반드시 공동 길이의 중간 지점에 있을 필요는 없다.
도 7은 단일-공동 공진기(도시되지 않았지만, 기본적으로 도 6c에 도시한 단일 공동이 될 수 있음) 내에서의 전계세기(평방) 대 로케이션의 그래프(700)이다. 이 공진기는 유리 기판("S"로 표시)에 도포되고 공기("M"으로 표시)에 노출된 11개의 층(그래프의 x-축을 따라 "1" 내지 "11"로 표시)으로 구성된다. 당업자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 층(1-5)은 제1반사체를 형성하는 고 및 저 굴절률 물질의 교차 층이고, 층(7-11)은 마찬가지로 제2반사체를 형성하는 고 및 저 굴절률 물질의 교차 층이다. 이 예에서의 층(5, 7)은 고 굴절률 물질로 구성된다. 층(6)은 공진기 공동의 층이며, 저 굴절률 물질로 구성된다. 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 전계세기의 피크(704)는 층(6)의 중앙(공동)에 위치하며, 주 사이드 로브(708A, 708B)가 각각 제1반사체 층(4, 5)과 제2반사체 층(7, 8)의 계면에서 피크 점을 갖는다. 도 7의 그래프(700)에 상당하는 공진기 설계가 광루미네선트 물질을 포함하지 않았지만, 도면은 상기 광루미네선스 물질이 위치하기에 바람직한 위치, 즉 피크(704)가 위치하는 층(6)에서의 위치를 나타내었다.
도 8은 단일-공동 공진기(도시되지 않았지만, 기본적으로 도 6c에 도시한 단일 공동이 될 수 있음) 내에서의 전계세기(평방) 대 로케이션의 그래프(800)이다. 이 공진기는 유리 기판("S"로 표시)에 도포되고 공기("M"으로 표시)에 노출된 13개의 층(그래프의 x-축을 따라 "1" 내지 "13"으로 표시)으로 구성된다. 당업자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 층(1-6)은 제1반사체를 형성하는 고 및 저 굴절률 물질의 교차 층이고, 층(8-13)은 마찬가지로 제2반사체를 형성하는 고 및 저 굴절률 물질의 교차 층이다. 이 예에서의 층(6, 8)은 저 굴절률 물질로 구성된다. 층(7)은 공진기 공동의 층이며, 고 굴절률 물질로 구성된다. 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 전계세기는 각각 제1반사체 층(6)을 가진 공동 층(7)과 제2반사체 층(8)을 가진 공동 층(7)과의 사이의 계면에 위치한 2개의 피크(804A, 804B)를 갖는다. 주 사이드 로브(808A, 808B)는 도 7의 그래프에서와 같은 위치에서, 즉 각각 제1반사체 층(4, 5)과 제2반사체 층(7, 8)의 계면에서 피크 점을 갖는다. 도 7에 대응하는 공진기 설계와 마찬가지로, 도 8의 그래프(800)에 대응하는 공진기 설계는 광루미네선트 물질을 포함하지 않았다. 제공된 그래프(800)는 서로 다른 공진기 설계가 서로 다른 전계세기 프로파일을 발생할 수 있음을 나타내는 것이 목적이다. 설계자가 특별한 용도에 적합하게 하는데 원하는/필요한 것으로 공진기 공동의 전계세기 프로파일을 조절할 수 있게, 도 7 및 도 8의 그래프(700, 800)를 각각 대비하여 분명히 나타나야 한다. 도 8에 대응하는 공진기에서, 광루미네선스 물질을 위치시키기 위한 바람직한 선택은 층(6, 7)의 계면과 층(7, 8)의 계면, 즉 대응하는 각각의 피크(804A, 804B) 근처에 있을 것이다.
각각의 광 공진기 공동 내의 재료(들)의 굴절률(들)의 변화 이외에, 공동의 길이가 특정 설계에 적당하게 변경될 수 있다. 예를 들어, 공동 길이는 설계 또는 공진 파장의 1/2 또는 λ/2의 0이 아닌 정수 배수일 수 있다. 도 9는 공동 길이, 즉 도 9의 그래프(900)에서의 층(7)의 두께가 설계 또는 공진 파장의 4배 λ/2 또는 2배인 예를 나타내었다. 그래프(900)에 나타낸 바와 같이, 이런 배치는 광학 공동(즉, 층(7)) 내의 3개의 피크(904A, 904B, 904C)와, 반사체 층(6, 8)과 광학 공동의 대응 계면에서의 2개의 피크(908A, 908B)를 가진 전계세기를 초래한다. 도 9에 나타낸 공진기가 특정 광루미네선스 물질을 포함하지 않았더라도, 당업자는 1개 이상의 광루미네선스 층을 추가하는 이점을 인식하여, 각각이 1개 이상의 피크(904A, 904B, 904C, 908A, 908B)와 일치하거나 적어도 바로 인접한 근처에 있어서 이들의 위치에서 높은 전계의 장점을 취할 수 있을 것이다. 일례의 실시예에서, 광루미네선스 물질의 매우 얇은 층, 예를 들면 양자 층이 광학 공동, 여기서는 층(7) 내에 각각의 피크(904A, 904B, 904C)에 위치될 수 있다. 물론, 다른 층 구조와 배치가 가능하고, 당업자는 그런 대안을 이해할 것이다.
도 7 내지 도 9의 전술한 설명으로부터 분명히 확인되는 바와 같이, 공진기의 광학 공동 내부에 1개 이상의 광루미네선스 층의 삽입은, 포스퍼 층의 두께(및 비용)의 감소뿐만 아니라 포스퍼의 맞춤/최적한 흡수 및 그에 따른 포스퍼의 출력 프로파일의 조정을 할 수 있다.
단일-공동 광 공진기가 공진기 내에 1개 이상의 광루미네선스 물질/층을 위치시켜 유익한 것이지만, 본원에 개시된 새로운 멀티-공동 공진기는 훨씬 더 바람직한 결과를 얻을 수 있는 것이다. 예를 들어, 도 10 및 도 11은 공동이 광루미네선스 포스퍼를 포함하는 단일-공동 광 공진기(도 10)와 다수 광루미네선스 포스퍼 층을 가진 다수 공동을 포함하는 멀티-공동 광 공진기(도 11) 사이의 흡수율의 차이의 예를 나타낸다. 단일-공동 공진기에 대한 도 10의 흡수율 대 파장의 그래프(1000)에 나타낸 바와 같이, 흡수율 곡선(1008)의 피크(1004)는 약 35% 흡수율에 있다. 그러나, 4개-공동 공진기에 대한 도 11의 흡수율 대 파장의 그래프(1100)에서, 흡수율 곡선(1108)의 피크(1104)는 약 84% 흡수율에 있다. 도 10 및 도 11의 흡수율 곡선(1008, 1108)의 비교에서 알 수 있는 바와 같이, 멀티-공동 광 공진기는 상당히 넓은 흡수율 영역을 가지면서, 또한 흡수율의 크기도 더 높다. 포스퍼가 펌프 소스(LED, LD, 등)를 사용하는 다운컨버터로서 사용될 때, 멀티-공동 공진기는 이상적으로 펌프 파장에서 최대 흡수율을 갖고 그리고 또한 하향 변환된/출력 파장(들)에서 최대 전달을 하게 설계되었다.
광 공진기에 포스퍼 층을 배치하는 구성은 알려져 있으며, 본원에서는 포스퍼 층이 "광학 이득 매체"로 지칭되거나 또는 전체 장비가 특히 "광 증폭 장비"로 지칭되는 것에 유의한다. 그러나, 발명자가 아는 한, 광루미네선스 포스퍼는 다양한 이유로 상기 장비에 사용된 적은 없다. 예를 들어, LED 광원이 종래의 포스퍼를 함유하는 광학 장비를 펌핑하는데 사용되는 경우, 단일-공동 공진기는 LED 입력 광원에 대한 공진으로 있을 파장의 매우 좁은 범위만을 지원할 것이다. 따라서, LED 입력의 중요한 스펙트럼은 단순히, 높은 효율 손실로 분명히 이어질 포스퍼 층에 흡수되도록 단일-공동 공진기에 들어가지 않는다. 이런 상황은 공진기의 Q-인수가 높을수록 더 악화 된다. 높은 Q-인수는 공진기의 대역폭(대역)의 감소/축소가 되게 한다. 유사한 방식으로, LD가 종래의 단일-공동 포스퍼-함유 공진기를 "펌핑"하는데 사용하는 경우, LD는 파장이 안정될 필요가 있을 것이다(열흡수기와 센서에 드는 추가 비용). LD 파장의 다른 작은 변화(shift)는 포스퍼 층의 흡수에 상당한 변화를 초래하고, 광범위한 변동을 하는 출력 파장 및 진폭을 초래할 것이다.
상기 실시예는 균일한 두께로 있는 포스퍼-함유 층을 나타내었다. 그러나, 다른 실시예에서, 각각의 광 공진기 내의 1개 이상의 포스퍼-함유 층의 각각, 일부, 또는 전부는 불균일한 두께를 가질 수 있다. 이 실시예를 도 12에 나타냈으며, 도 12는 제1 및 제2반사체(1204, 1208)에 의해 한정된 단일 광 공진기 공동(1200)을 나타내었으며, 불균일한 두께를 가진 광루미네선스 포스퍼 층(1212)을 포함하며, 여기에서 두께는 쐐기 형상을 갖는 층을 초래하는 일정한 변화율을 가진다. 포스퍼 층(1212) 내부의 다른 두께 영역은 균일한 입력 광(1220)을 받는 다른 영역에 대응하는 다수의 파장(λ1, λ2, λ3)을 가진 출력 광(1216)을 초래할 수 있다. 광루미네선스 포스퍼 층(1212)의 두께는 도12에 나타낸 바와 같이 단조로운 기울기를 가질 필요는 없음에 유념한다. 사실상, 다른 형상, 예를 들면 계단지거나 다양한 곡률을 가진 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 멀티-공동 광 공진기에 대해, 상기 형상은 다수의 광 공동의 사이에서 서로 동일 할 수 있고, 또는 다수의 공동 사이에서 다를 수 있다.
불균일한 두께의 포스퍼 층을 생성하기 위한 다양한 기술이 존재한다. 예를 들어, 대체로 균일한 두께의 포스퍼 층이 필요한 층 두께의 변화를 생성하도록 바람직하게 에칭/마멸될 수 있다. 이온 빔 에칭, 화학적 에칭, 레이저를 이용한 에칭, 광-마멸(photo-ablation), 직접 플라즈마 에칭 등에 의한 직접 에칭이 수행될 수 있고, 그레이 스케일 리소그래피 및 마이크로/나노 임프린팅과 같은 기술이 포토레지스트에 원하는 패턴을 생성하는데 사용될 수 있다. 상기 패턴은 이어서 등방성 또는 이방성 에칭 기법을 사용하여 포스퍼 층으로 변경되어 원하는 층 두께의 변화를 생성할 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 광 공진기의, 도 6c의 층(612)과 같은, 각각의 광루미네선스 포스퍼 층은 단일 포스퍼 재료로 구성되거나, 또는 다수의 포스퍼 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 여러 활성 종의 물질은 동일한 호스트 또는 여러 호스트에 내장된 후, 광 공진기 공동에 삽입될 수 있다. 다양한 크기 및 조성물의 양자 점이 함께 혼합되거나 또는 상호 간의 상부에 적층된 후, 광 공진기 공동에 삽입될 수 있다. 마찬가지로, 다양한 크기 및 조성물의 양자 웰과 다른 양자-한정 구조가 함께 혼합되거나 또는 상호 간의 상부에 적층된 후, 광 공진기 공동에 삽입될 수 있다. 다양한 두께 및 조성물의 다수-층 반도체 필름이 함께 혼합되거나 또는 상호 간의 상부에 적층된 후, 광 공진기 공동에 삽입될 수 있다.
박막 형태의 많은 다른 반도체 재료는 본 발명에 따라 제조된 장치에서 광루미네선스 포스퍼 층으로 사용될 수 있다. 이 코팅 층은 양자를 한정할 필요가 없다. 제시된 이러한 반도체 박막은, 예를 들어, '135호 출원의 41-43쪽에 기재된 바와 같은 특정 물질로 구성될 수 있으며, 상기 기재 내용은 본 발명에 따라 제조된 광 공진기의 포스퍼 층의 모든 예시적인 재료 및 배치를 위해 참고로 본원에 포함되었다. 상기 막은 단결정, 다결정, 우선적 지향, 질감, 마이크로 또는 나노 결정 또는 비정질 형태일 수 있다. 광루미네선스 포스퍼 층에서 사용하기에 특히 관심이 가는 재료는 광대역 갭 Ⅱ-Ⅵ재료가 될 수 있다. Ⅱ-Ⅵ 반도체는 직접 에너지 갭 및 큰 유효 질량을 가지고 있기 때문에, 그들은 빛을 흡수 및 방출하는데 매우 효율적이다. Ⅱ-Ⅵ재료는, 그 중에서, ZnS, ZnSe, ZnSSe, ZnTe, ZnSTe, ZnSeTe, CdS, CdSe, CdTe, CdSSe, CdSTe, CdSeTe, HgS, HgSe, HgTe, 등의 2진, 3진, 또는 4진 조합으로 구성될 수 있다.
상술한 실시예에서, 공동-한정 반사체(cavity-defining reflectors)는 온(on)-공진 입력/펌프 파장에 대한 고 반사율을 위해 최적화된다. 그러나, 그들이 온-공진 입력/펌프 파장에 대한 고 반사율을 위해 최적화될 뿐만 아니라, 그들은 또한 출력 광을 광루미네선스 포스퍼 층(들)으로부터 반사 및 바람직하게 재지향(redirect)하도록 높은 반사율도 갖게 반사체를 설계하는 것이 유익할 것이다. 예를 들어, 도 6d에 도시한 바와 같이 입사하는 입력 광(620)을 가진 도6d에 나타낸 단일 공동(204A)의 상황에서, 제1반사체 스택(608)은 출력 광(624)에 대한 고 반사성으로 되고, 반면에 제2반사체 스택(616)은 출력 광(624)에 대해 가능한 전송을 하게 이루어진다. 이런 유형의 공진기 구조는 특정 방향을 갖는다. 이 같은 설계에서, 입력 광(620)이 도 6d에 도시된 바와 같이 하부로부터 입사하는 것은 필수적이다. 만일 입력 광(620)이 상부로부터 입사되었다면, 출력 광(624)은 쉽게 입력 광의 방향으로 다시 반사될 것이다. 다른 반사체는 조립체에 더해져 출력 광을 분리 및 재-방향지게 할 것이다. 그러나, 이것은 단지 광학적 레이아웃의 복잡성을 추가할 뿐이다.
상술한 예시적인 실시예는 입력 광 파장(들)의 온-공진 흡수를 위해 최적화된 광 공진기를 포함한다. 그러나, 멀티-공동의 설계는 입력 파장(들)과 동시적으로 출력 광의 파장(들)에서 공진에 대해 최적화되게 이행할 수 있다. 이러한 새로운 공진기는 "다대역 공진기(multiband resonators)"로 지칭될 수 있다. 도 13은 다양한 재료와 두께의 5개의 층으로 구성된 일례의 다대역 공진기(1300)를 나타낸다. 본 발명자는 아래의 표 Ⅱ의 입력 매개변수 및 표 Ⅲ의 코팅 설계를 사용하여 상술된 TFCALC™ 소프트웨어를 사용하는 다대역 공진기를 모델로 한다.
Figure pct00002
Figure pct00003
이 설계에서, 층(4, 12)은 입력/펌프 파장 및 출력 파장 양쪽에 대한 광 공진기 공동이 된다. 이것은 아래에 기술된 도 15 및 도 17에 도시되었다.
먼저, 도 14로 돌아와서 보면, 이 도면은 420㎚의 입력/펌프 파장의 대략 중앙이 되는 어느 정도 사각형을 벗어난(squared-off) 2중 피크된 프로파일(1404)을 나타낸 입력/펌프 광에 대한 투과율 대 파장의 그래프(1400)이다. 도 15는 도 13의 다대역 공진기(1300) 내의 평방의 정상적 전계세기 대 로케이션(normalized electric field intensity squared versus location)의 그래프(1500)이다. 상술된 내용 및 피크(1504, 1508)의 로케이션에 의해 도 15에 도시된 바와 같이, 층(4, 12)은 이 설계에서는 공진기 공동으로 기능을 한다. 층(1 ~ 3) 및 층(5 ~ 7)은 공진기 공동 층(4)에 대한 반사체 쌍으로 기능을 하고, 마찬가지로 층(9 ~ 11) 및 층(13 ~ 15)은 공진기 공동 층(12)에 대한 반사체 쌍으로 기능을 한다.
도 16은 약 622㎚의 파장의 대략 중앙이 되는 어느 정도 사각형을 벗어난 2중-피크된 프로파일(1604)을 나타낸 출력 광에 대한 투과율 대 파장의 그래프(1600)이다. 도 17은 약 630㎚의 출력 파장에 대한 도 13의 다대역 공진기(1300) 내의 평방의 정상적 전계세기 대 로케이션의 그래프(1700)이다. 피크(1704, 1708)의 로케이션으로 도 17에 도시된 바와 같이, 420nm의 입력 광의 파장에 대한 공진기 공동으로 기능을 하는 층(4, 12)은 또한 출력 광 파장에 대한 공진기 공동으로도 기능을 한다. 상술한 바와 같이, 층(1 ~ 3) 및 층(5 ~ 7)은 공진기 공동 층(4)에 대한 반사체 쌍으로 기능을 하고, 마찬가지로 층(9 ~ 11) 및 층(13 ~ 15)은 공진기 공동 층(12)에 대한 반사체 쌍으로 기능을 한다. 당업자가 용이하게 예견할 수 있는 바와 같이, 도 13의 공진기(1300)의 성능은 공진기 공동 층(4, 12) 중 1개의 층, 다른 1개의 층, 또는 2개 층 모두에 1개 이상의 광루미네선스 재료를 배치하여 향상시킬 수 있다.
도 18 및 표 Ⅳ은 도 19에 도시된 바와 같이 다대역 공진기(1900)를 제조하는 데 사용할 수 있는 방법(1800)을 예시한다. 일반적으로, 방법(1800)은 단일 광 공진기를 형성하는 것에 관한 것이지만, 그러나 멀티-공동 공진기는 적당한 방식으로 도 19g에 도시된 초기 공동에(양자 웰 스택(1920)에 대응) 1개 이상의 광 공진기 공동을 더하여 제조될 수 있다. 방법(1800)의 단계의 수는 도19a 내지 도19g의 각각의 하나에 대응하여 설명된다.
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당업자는 방법(1800)이 단지 예시적인 것이고, 한정적이지 않은 것임을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 실질적으로, 예시된 실시예에 제공된 단계 및 재료들은 여러 변화를 할 수 있는 것이다. 그 변화 중 일부를 당업자가 선택적으로 실행할 수 있다는 확신을 주기 위해서 아래에 기재한다. GaAs 캐리어 기판(1904)은 Si, Ge, SiGe, InP, GASb, 또는 그 밖의 적당한 재료로 제조된 기판과 같은 다른 적당한 캐리어 기판으로 대체될 수 있으며, 상기 재료는 '135호의 출원에서 공개된 재료이고, 캐리어 기판 재료의 공개를 위해 본원에 참고로 포함되었다.
만일 캐리어 기판이 투명한(예를 들어, 입력/펌프 파장의 흡수가 없는 광대역 갭 기판) 것이면, 단계(1835)에서 제거될 필요가 없을 것임에 유념한다. 또한, 시작 캐리어 기판(1904)은 기판 선택 및 설계에 따라서 완전하게 다시 얇게 되거나 또는 부분적으로만 다시 얇게 될 수 있다. 양자 웰(1912)은 다른 양자-한정 층으로 대체될 수 있다. 또한, 양자 웰, 양자 점 등의 조합은 필요에 따라 함께 혼합될 수 있다. 또한, 장치 구조에 사용되는 양자 웰 또는 양자-한정 층의 수는 1개 또는 1개보다 많은 수로 할 수도 있다.
II- VI 재료가 사용되는 경우, II-VI 코팅층 구성체는 아연광 또는 우르자이트 일 수 있다. 예를 들어, CdS는 배리어 층(1912)에 사용할 수 있으며, CdSe는 양자-웰 층(1908)에 사용할 수 있다. 각 배리어 층은 반도체 또는 절연체 재료로 구성될 수 있다. 양자 한정 층에 사용될 수 있는 다른 III-V 재료는, 예를 들어 GaN, AlGaN, InGaN, BN, 및 '135호에서 양자-한정 재료로 지칭된 그외 다른 재료를 포함하며, 상기 출원에 기재된 재료들은 참고로 본원에 포함되었다.
청색과 보라색 LED 및 LD를 광범위하게 사용할 수 있는 것인데도, 현재 산업에서는 적당한 녹색 LED와 LD가 부족한 실정이다. 상기 도시된 바와 같은 도 19의 광 공진기(1900)의 구조는 펌프 청색/보라색 LED 또는 LD를 다운컨버트(downconvert) 하여 녹색 또는 적색 또는 심지어 청색 LED 및 LD를 생성하는데 사용할 수 있다. InGaN-기반의 녹색 LED를 실현하는 데 있어 가장 크게 당면한 과제 중 하나는 장치를 처리하는 데 사용되는 고온 하의 양자 웰로부터의 인듐의 이동이다. 명확히, 본 발명의 실시예의 광루미네선스-포스퍼-기반의 다운컨버젼 방식은 종래의 전자루미네선스(electroluminescent) 장치에서 사용되는 것과 같은 InGaN을 경계하는 p- 및 n-타입 층을 필요로 하지 않는다. 그래서, 본 발명의 실시예는 본원에 개시된 광 공진기 설계에 확립된 기반과 처리공정을 사용하여 이미 실현할 수 있는 InGaN 양자 웰을 간단히 구현하여, 오래 지속되는 고품질의 녹색 LED와 LD를 실현할 수 있다.
입력/펌프 파장이 양자 웰 층 또는 배리어 층에만 흡수 되도록, 양자 웰 재료(들)와 배리어 층 재료(들)의 대역 갭이 선택될 수 있다. 양자 웰(1개보다 많은 경우)은 모두 동일한 두께 또는 다른 두께 및/또는 복합물일 수 있다. 마찬가지로, 배리어 층은 모두 동일한 두께 또는 다른 두께 및/또는 복합물일 수 있다. 각각의 양자 웰은 공진기 공동에서 정재파(standing wave)의 파복(anti-node)에 위치할 수도 있고, 위치하지 않을 수도 있다.
열흡수 층(1932)의 열흡수 또는 열확산 재료는 '135호 출원 건의 캐리어 기판 재료의 목록에 열거된 물질로 구성할 수 있으며, 상기 목록은 참고에 의해 본원에 포함되었다. 특정 실시예에서, 상기 재료는 코팅 안된 사파이어, 실리콘 카바이드, 다이아몬드, 다이아몬드-형 코팅, 흑연, 그래핀, 운모, 등 일수 있다.
도 19c 및 도 19g의 반사체 코팅 스택(1924, 1944) 등의 반사체 코팅 스택은 금속, 반도체 또는 절연체(유전체) 층으로 구성될 수 있다. 일례의 실시예에서, 각각의 반사체 코팅 스택은 절연 또는 광대역 갭 반도체(즉, 입력/펌프 파장의 흡수 없음)로 이루어진다.
상술 한 바와 같이, 최대 전계 피크 또는 어떤 다른 서브-종축 피크(사이드 로브)를 사용하여 양자-웰 광루미네선스 포스퍼 재료에 필요한 요청된 흡수율을 맞출 수 있다. 출력 파장(들)은 청색, 녹색, 적색, 또는 근적색의 파장이 될 수 있다. 출력 파장은 또한, 전자기 스펙트럼의 가시성 및 근적외부 영역에서 필요에 따른, 청색과 녹색의 조합, 청색과 적색의 조합, 또는 녹색과 적색의 조합, 또는 청색, 녹색 및 적색(백색 광) 또는 그 밖의 다른 조합일 수 있다. 기본적으로, 펌프/입력 파장(들)은 초극 자외선, 극 자외선, 자외선, 가시선으로부터, 근적외선까지의 파장일 수 있고 그리고 출력 파장(들)은 초극 자외선, 극자외선, 자외선, 가시선으로부터, 근적외선 또는 포스퍼와 설계의 선택에 의해 좌우되는 것으로 1개의 파장(들)보다 많은 파장의 조합된 선까지의 파장이 될 수 있다. 또한, 출력 파장은 양자 한정 층/배리어 층의 적합한 설계를 선택하여 파장 및 대역폭의 측면에서 맞추어서 특정한 복합 굴절율을 발생할 수 있다. 출력 파장은 특정한 편광을 위해 설계될 수 있다. 알려진 구조를 사용하여 새로운 광학적 펌프의 VCSEL, VECSELs, OPS-VECSELs, VCSOAs, OPSL, SDL 등을 생성할 수 있다. 또한, 초방사(superradiance), 초형광(superfluorescence), 일관된 휘도, 증폭된 자연적 방출, 광학 이득 등의 현상의 효율성을 향상하는 데도 사용할 수 있다.
상술된 바와 같이, 표 II 및 III은 위에서 언급한 TFCALC™ 소프트웨어에 대한 매개변수의 관점에서 도 13의 광 공진기(1300)의 특별한 제1예를 정의했다. 아래에 표 V 및 VI은 광 공진기(1300)의 특별한 제2예를 나타내며; 아래에 표 VII 및 VIII은 광 공진기(1300)의 특별한 제3예를 나타내며; 아래에 표 IX 및 X은 광 공진기(1300)의 특별한 제4예를 나타낸다. 알 수 있는 바와 같이, 이들의 서로 다른 설계는 입력 및 출력 파장을 다르게 하기 위한 것이다.
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본 발명자는 도 13과 관련하여 상술된 다대역 공진기 구조가 폴라리톤-기반 LED 또는 LD 타입의 광전자 장치를 생성하는데 최적화될 수 있음을 알았다. 도 13의 다대역 공진기와 관련하여 상세하게 나타낸 바와 같이, 광 공진기 공동에 대한 반사체 코팅 스택은, 장치 완성 시, 광 공진기가 입력 펌프뿐만 아니라, 동시에 출력 파장(들)에 대해서도 구조적으로 공진하게 설계될 수 있다. 따라서, 구성체는 여기자(excitons)와 광자(photons)의 공동-위치화를 할 수 있다. 여기자는 양자 한정층(예, 도 19b의 양자 웰(1908)) 내에 흡수된 입력/펌프 파장에 의해 생성되고 그리고 (출력 파장(들)의) 광자는 동일한 양자 한정 층에서 최대로 공진된다. 이것은 여기자와 광자의 공동-위치화 시나리오를 생성한다.
표 II 및 III, 표 V 및 VI, 표 VII 및 VIII, 표 IX 및 X의 매개변수를 각각 사용하는 TFCALC™ 소프트웨어에서 모델로 된 도 13의 광 공진기(1300)의 상술된 4개의 특별한 예에 더하여, 다음과 같이 본원의 발명자는 TFCALC™ 소프트웨어를 사용하는 것을 모델로 하는 4개의 추가적인 특정한 예의 공진기 설계를 했다.
제1설계
이 설계는 펌프 파장에서의 고 흡수율과 출력 파장에서의 고 전송율을 가진 예시적인 멀티-공동 광 공진기를 나타낸다. 이 타입의 공진기 구조는 예를 들어, 다운컨버트의 LED에 사용될 수 있다. 이 설계는 두께가 약 3㎚인 CdSe의 단일 광루미네선스 포스퍼 흡수층 만을 사용한다. 이 얇은 층은 전형적인 양자-웰 두께(대략적인 크기) 이득(gain) 매체를 나타낸다. 전형적으로 이득 매체에 대해서는, 매체로부터의 방출과 마찬가지로 흡수도 있다. 이 설계는 또한 절연체(유전체) 재료를 사용하지만, 당업자가 용이하게 인식할 수 있는 바와 같이, 구성체는 LED, LD, 등을 제조하는데 사용되는 전형적인 반도체까지 연장될 수 있는 것이다. 모든 반사율 계산은 코팅이 ~ 1.5의 굴절률을 갖는 유리기판 위에 증착되는 것으로 가정했다.
TFCALC™ 소프트웨어의 용어체계에 따른 설계는 유리/H2LHL H4LHL H1.9L 0.2365H(CdSe-3nm) 0.2365H 1.85L HLH2LH/공기, 상태: 고 굴절률(H) 재료는 굴절률 ~2.3633 @ 600㎚ 및 k ~ 10-6 을 가진 ZnS이며; 저 굴절률(L) 재료는 굴절률 ~ 1.345 @ 600㎚ 및 k ~ 10-6 을 가진 빙정석이며; CdSe의 흡수층은 굴절률 ~2.7501 및 k ~0.347이다. 이 설계의 기준 파장은 600㎚이다.
도 20은 제1설계에 대한 투과율 스펙트럼 플롯(2004)과 흡수율 스펙트럼 플롯(2008)을 나타낸 투과율 및 흡수율 대 파장의 그래프(2000)이다. 쉽게 확인할 수 있게 도시된 바와 같이, 투과율 스펙트럼 플롯(2004)은 약 610nm에서 중앙이 되는 출력 광 파장 대역으로 3중 피크(2004A)를 갖고, 흡수율 스펙트럼 플롯(2008)은 입력/펌프 파장인 약 497nm에서 피크(2008A)를 갖는다.
제2설계
이 설계는 펌프 파장에서의 고 흡수율과 출력 파장에서의 고 전송율을 가진 예시적인 멀티-공동 광 공진기를 나타낸다. 이 타입의 공진기 구조는 예를 들어, 다운컨버트의 LED에 사용될 수 있다. 이 설계는 두께가 약 3㎚인 CdSe의 단일 광루미네선스 포스퍼 흡수층 만을 사용한다. 이 얇은 층은 전형적인 양자-웰 두께(대략적인 크기) 이득 매체를 나타낸다. 전형적으로 이득 매체에 대해서는, 매체로부터의 방출과 마찬가지로 흡수도 있다. 이 설계는 또한 절연체(유전체) 재료를 사용하지만, 당업자가 용이하게 인식할 수 있는 바와 같이, 구성체가 LED, LD, 등을 제조하는데 사용되는 전형적인 반도체까지 연장될 수 있다. 모든 반사율 계산은 코팅이 ~ 1.5의 굴절률을 갖는 유리기판 위에 증착되는 것으로 가정했다.
TFCALC™소프트웨어의 용어체계에 따른 설계는 유리/H2LHL H2LHL H2LHL H 0.5429L 0.2633H(CdSe-3nm) 0.2633H 0.5L 0.7HLH2LH/공기, 상태: 고 굴절률(H) 재료는 굴절률 ~2.3633 @ 600㎚ 및 k ~ 10-6 을 가진 ZnS이며; 저 굴절률(L) 재료는 굴절률 ~ 1.345 @ 600㎚ 및 k ~ 10-6 을 가진 빙정석이며; CdSe의 흡수층은 굴절률 ~2.7501 및 k ~0.347이다. 이 설계의 기준 파장은 545㎚이다.
도 21은 제2설계에 대한 투과율 스펙트럼 플롯(2104)과 흡수율 스펙트럼 플롯(2108)을 나타낸 투과율 및 흡수율 대 파장의 그래프(2100)이다. 쉽게 확인할 수 있게 도시된 바와 같이, 투과율 스펙트럼 플롯(2104)은 약 550nm에서 중앙이 되는 출력 광 파장 대역으로 3중 피크(2104A)를 갖고, 흡수율 스펙트럼 플롯(2108)은 입력/펌프 파장인 약 492nm에서 피크(2108A)를 갖는다. 도 20의 그래프(2000)에 대한 도 21의 그래프(2100)를 대비하여, 제2설계의 펌프 파장 피크(2108A)와 출력 파장 피크(2104A)(도 21)가 제1설계의 펌프 파장 피크(2008A)와 출력 파장 피크(2004A)(도 20)보다 서로 얼마나 더 가까이 있는지를 알 수 있게 나타내었다. 따라서, 제2설계는 제1설계와 대비하여 훨씬 적은 스토크 이동 손실(Stokes shift loss)이 있다.
제3설계
이 설계는 펌프 파장에서의 고 흡수율과 출력 파장에서의 고 전송율을 가진 예시적인 멀티-공동 광 공진기를 나타낸다. 이 타입의 공진기 구조는 예를 들어, 다운컨버트의 LED에 사용될 수 있다. 이 설계는 각각 두께가 약 5㎚인 CdSe의 2개의 광루미네선스 포스퍼 흡수층을 사용한다. 이들 층의 각각의 얇은 층은 전형적인 양자-웰 두께(대략적인 크기) 이득 매체를 나타낸다. 전형적으로 이득 매체에 대해서는, 매체로부터의 방출과 마찬가지로 흡수도 있다. 이 설계는 또한 절연체(유전체) 재료를 사용하지만, 당업자가 용이하게 인식할 수 있는 바와 같이, 구성체가 LED, LD, 등을 제조하는데 사용되는 전형적인 반도체까지 연장될 수 있는 것이다. 모든 반사율 계산은 코팅이 ~ 1.5의 굴절률을 갖는 유리기판 위에 증착되는 것으로 가정했다.
TFCALC™소프트웨어의 용어체계에 따른 설계는 유리/H2LHL H2LHL H2LHL H 0.0083L 0.1445H(CdSe-5nm) 0.1445H(CdSe-5nm) 0.1445H L 1.85H/공기, 상태: 고 굴절률(H) 재료는 굴절률 ~2.3633 @ 600㎚ 및 k ~ 10-6 을 가진 ZnS이며; 저 굴절률(L) 재료는 굴절률 ~ 1.345 @ 600㎚ 및 k ~ 10-6 을 가진 빙정석이며; CdSe의 흡수층은 굴절률 ~2.7501 및 k ~0.347이다. 이 설계의 기준 파장은 650㎚이다.
도 22는 제3설계에 대한 투과율 스펙트럼 플롯(2204)과 흡수율 스펙트럼 플롯(2208)을 나타낸 투과율 및 흡수율 대 파장의 그래프(2200)이다. 쉽게 확인할 수 있게 도시된 바와 같이, 투과율 스펙트럼 플롯(2204)은 대략적으로 출력 광에 대해 약 660nm에서 중앙이 되는 3중 피크(2204A)를 갖고, 흡수율 스펙트럼 플롯(2208)은 각각 약 385nm와 535nm에서 2개의 걸출한 피크(2208A)를 갖고, 입력/펌프 파장에 피크(2208B)가 있다.
제4설계
이 설계는 펌프 파장에서의 고 흡수율과 출력 파장에서의 고 전송율을 가진 예시적인 멀티-공동 광 공진기를 나타낸다. 이 타입의 공진기 구조는 예를 들어, 다운컨버트되는 LED에 사용될 수 있다. 이 설계는 두께가 약 3㎚인 CdSe의 단일 광루미네선스 포스퍼 흡수층 만을 사용한다. 이 얇은 층은 전형적인 양자-웰 두께(대략적인 크기) 이득 매체를 나타낸다. 전형적으로 이득 매체에 대해서는, 매체로부터의 방출과 마찬가지로 흡수도 있다. 이 설계는 또한 절연체(유전체) 재료를 사용하지만, 당업자가 용이하게 인식할 수 있는 바와 같이, 구성체는 LED, LD, 등을 제조하는데 사용되는 전형적인 반도체까지 연장될 수 있는 것이다. 모든 반사율 계산은 코팅이 ~ 1.5의 굴절률을 갖는 유리기판 위에 증착되는 것으로 가정했다.
TFCALC™ 소프트웨어의 용어체계에 따른 설계는 유리/H2LHL H2LHL H 0.85L HLH 0.5828L 0.2633H(CdSe-3nm) 0.2633H 0.5L 0.3H LH 0.85L/공기, 상태: 고 굴절률(H) 재료는 굴절률 ~2.3633 @ 600㎚ 및 k ~ 10-6 을 가진 ZnS이며; 저 굴절률(L) 재료는 굴절률 ~ 1.345 @ 600㎚ 및 k ~ 10-6 을 가진 빙정석이며; CdSe의 흡수층은 굴절률 ~2.7501 및 k ~0.347이다. 이 설계의 기준 파장은 545㎚이다.
도 23은 제4설계에 대한 투과율 스펙트럼 플롯(2304)과 흡수율 스펙트럼 플롯(2308)을 나타낸 투과율 및 흡수율 대 파장의 그래프(2300)이다. 도 23의 그래프(2300)로 도시된 바와 같이, 제4설계는 약 477nm의 입력/펌프 파장에서 흡수율 피크(2308A)를 갖지만, 투과율 스펙트럼 플롯(2304)은 약 525nm 내지 약 610nm의 출력 광 파장 대역의 영역(2304A)에서는 오히려 평탄한 것이다. 그러나, 도 24의 그래프(2400)로부터 알 수 있는 바와 같이, 제4설계는 반사율 스펙트럼 플롯(2404)의 넓은 피크(2404A)로 표시된 바와 같이 출력 광 파장 대역에서는 높은 반사율을 갖는 것이다.
상술 한 바와 같이, 본원에 개시된 광 공진기 구조의 다양한 실시예는 광루미네선트 흡수 구조물로서 양자-한정 구성체를 사용하며, 양자 점을 포함한다. 양자 점이 이들 실시예에서 사용되는 경우, 일반적으로 양자 점들은 그들의 초기 형태, 즉 어떠한 표면 코팅도 하지 않은 형태로 사용되는 것이 고려된다. 그러나, 다른 실시예에서, 본 발명자들은 그 표면에 적용된 통합된 반사체를 갖는 특정하게 처리된 양자 점의 사용을 제안했다. 도 25는 이것을 예시한 반사성(reflectorized) 양자 점(2500)을 나타낸다.
도 25에 도시된 바와 같이, 반사성 양자 점(2500)은 대략 구형(spherical)의 양자 점(2504)과 양자 점의 표면(2504A)에 적용된 반사체(2508)를 포함한다. 양자 점(2504)은 임의의 적당한 재료로 구성될 수 있으며, 적당한 재료는 한정적이지 않은 기재로 예를 들어 특허출원 '135호의 41쪽과 42쪽에 열거되어 있는 것이며, 상기 특허출원에 기재된 적당한 양자 점 재료에 관한 기재 및 양자 점을 형성하기 위한 기술은 참고로 본원에 포함되었다. 이 예에서, 반사체(2508)는 복수의 층을 포함하는 DBR이며, 여기의 층(2512A 내지 2512C)은 다른 굴절률을 갖는다. 당업자는 용이하게 층(2512A 내지 2512C)에 사용하는 재료를 결정할 수 있을 것이며, 그 일부는 상술한 특정 예에 개시되었다. 층(2512A 내지 2512C)은 적당한 방식으로 양자 점(2504)에 적용되어 반사성 양자 점(2500)을 생성할 수 있다. 당업자가 용이하게 인식할 수 있는 바와 같이, 양자 점(2504)을 둘러싸고 있는 구형 반사체(2508)는 효과적으로 양자 점의 체적을 통해 모든 방향으로 무한 개수의 직경방향으로 마주하는 거울 쌍으로 작용하여, 전방위 광 공진기 공동 내에 양자 점(즉, 펌핑 광의 파장에 따른 광루미네선스 재료)을 배치한다.
도 26 및 도 27은 각각 본원에 개시된 멀티-공동 및/또는 다대역 공진기를 사용하여 제조될 수 있는 다색 발광 시스템(2600, 2700)을 나타낸다. 먼저, 도 26을 설명하면, 시스템(2600)은 공진기 구성체에 입력 펌핑 광(2612)을 제공하는 복합-파장 다운컨버팅 공진기 구성체(2604)와 광원(2608)을 포함한다. 펌핑 광(2612)에 응답하여, 공진기 구성체(2604)는 특정한 사전 결정된 파장, 즉, 다른 색상의 광으로 광(2616)을 출력한다. 이 예에서, 공진기 구성체(2604)는 각각 RGB 광(2616A, 2616B, 2616C)을 출력하는 적색, 녹색, 청색(RGB) 다운컨버터(2604A, 2604B, 2604C)를 포함한다. 물론, 다른 색상, 색상의 수, 색상 조합이 가능하다. 즉, RGB 다운컨버터(2604A, 2604B, 2604C)는 예를 들어 전자 디스플레이 및 기타 장치에서 RGB 광-이미터의 편재에 간단히 사용된다.
RGB 다운 컨버터(2604A, 2604B, 2604C)는 대응하는 각각의 개별적인 멀티-공동 및/또는 다대역 공진기(2620A, 2620B, 2620C)에서 실시될 수 있으며, 각각은 입력 광과 출력 광(2616A, 2616B, 2616C)의 특정 파장으로 조정된다. 이런 실시예에서, 각각의 멀티-공동 및/또는 다공동 공진기(2620A, 2620B, 2620C)는 상술된 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 다른 실시예에서, RGB 다운컨버터(2604A, 2604B, 2604C)는 예를 들어 도 12와 관련하여 전술된 바와 같이 가변 두께의 광루미네선스 층을 사용하는 관련된 기술을 이용하여, 공통 공진기 내의 일부분으로 수행될 수 있다.
특정 설계에 적합하도록 필요에 따라, 입력 광(2612)은 1개 이상의 파장이 될수 있다. 특정한 실시예에서, 광원(2608)은 펌핑 광(2612)이 단일 주 파장이 되도록 방출하는 LD 또는 LED 이다. 각 LD 또는 LED는, 예를 들어, 실질적으로 공진기 구성체(2604)의 영역에 해당하는 방출 영역을 가진 광영역원(wide-area source)이 될 수 있다. 광원(2604)이 공진기 구성체(2604)의 영역에 대해 비교적 좁은 광빔(도시되지 않음)을 방출하는 경우, 당 기술분야에서 공지된 바와 같이, 적당한 빔 익스팬더(도시되지 않음)를 사용할 수 있다. 다른 실시예에서, 광원(2604)은 RGB 다운컨버터(2604A, 2604B, 2604C)의 각각에 대한 1개 이상의 개별적인 광원(도시되지 않음)으로 구성될 수 있다. 이 실시예에서, 상기 광원은 모두 동일한 기본 파장으로 광을 방출하거나 또는 이들은 다른 파장으로 광을 방출할 수 있으며, 이때 각 파장은 대응하는 RGB 다운컨버터(2604A, 2604B, 2604C)의 설계에 기초하여 선택된다.
도 27을 참조하면, 예시된 다수 색상 발광 시스템(2700)은 도 27에서 다음과 같은 사항을 제외하고는 도 26의 발광 시스템(2600)과 유사한 것이다. 즉, 도 27에서, 복합-파장 다운컨버팅 공진기 구성체(2704)의 구조는, 펌핑 광(2612)에 대한 도 26의 RGB 다운컨버터(2604A, 2604B, 2704C)의 경우에서와 같이 서로 평행하게 있기보다는, (광원(2708)으로부터 펌핑 광(2712)의 지향성과 관련하여) 서로 일렬로 된 RGB 다운컨버터(2704A, 2704B, 2704C)를 갖는다. 도 27의 다수 색상 발광 시스템(2700)의 다른 면은 도 26의 시스템(2600)의 대응하는 면과 동일할 수 있다.
예를 들어, 펌핑 광(2712)에 대한 응답에서, 공진기 구조체(2704)는 특정한 소정의 파장, 즉 서로 다른 색상의 광으로 혼합된 RGB 광(2716)을 출력한다. 이 예에서는 공진기 구조체(2704)가 혼합된 RGB 광(2716)을 출력하는 적색, 녹색, 청색(RGB) 다운컨버터(2704A, 2704B, 2704C)를 포함한다. 물론, 다른 색상, 색상의 수, 색상의 조합이 가능하다. 즉, RGB 다운컨버터(2704A, 2704B, 2704C)는 예를 들어 전자 디스플레이 및 기타 장치에서 RGB 광-이미터의 편재에 간단히 사용된다.
RGB 다운컨버터(2704A, 2704B, 2704C)는 대응하는 각각의 개별적인 멀티-공동 및/또는 다대역 공진기(2720A, 2720B, 2720C)에서 수행될 수 있고, 각각은 입력 광과 출력 광의 특별한 파장으로 조정된다. 이 실시예에서, 각각의 멀티-공동 및/또는 멀티-공동 공진기(2720A, 2720B, 2720C)는 상술된 기술을 사용하여 제조될 수 있다.
특정 설계에 적합하도록 필요에 따라, 입력 광(2712)은 1개 이상의 파장이 될수 있다. 특정 실시예에서, 광원(2708)은 펌핑 광(2712)이 단일 주 파장이 되도록 방출하는 LD 또는 LED 이다. 각 LD 또는 LED는, 예를 들어, 실질적으로 공진기 구성체(2704)의 영역에 대응하는 방출 영역을 가진 광영역원(wide-area source)이 될 수 있다. 광원(2704)이 공진기 구성체(2704)의 영역에 대해 비교적 좁은 빔(도시되지 않음)을 방출하는 경우, 당 기술분야에서 공지된 바와 같이, 적당한 빔 익스팬더(도시되지 않음)를 사용할 수 있다. 다른 실시예에서, 광원(2704)은 RGB 다운컨버터(2704A, 2704B, 2704C)의 각각에 대한 1개 이상의 개별적인 광원(도시되지 않음)으로 구성될 수 있다. 이 실시예에서, 상기 광원은 모두 동일한 기본 파장으로 광을 방출하거나 또는 이들은 다른 파장으로 광을 방출할 수 있으며, 이때 각 파장은 대응하는 RGB 다운컨버터(2704A, 2704B, 2704C)의 설계에 기초하여 선택된다.
본 발명의 예시적인 실시예들이 상술되었으며, 첨부된 도면에 도시되었다. 당업자는 본 발명이 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 명세서에 개시되어 있는 기술내용의 다양한 변경, 생략 및 추가가 이루어질 수 있는 것임을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (95)

  1. 입력 광에 응답하는 광 공진기를 포함하는 광학적 펌핑 시스템에서, 상기 광 공진기는:
    a)복합 층의 스택과;
    b)공진기 공동 중 적어도 1개의 공동에 위치한 적어도 1개의 광루미네선스 층을 포함하며;
    a')상기 복합 층의 다른 층들이 다른 재료로 구성되고, 상기 다른 층의 일부는 복합 반사체를 한정하도록 설계되고, 구성되고, 배치되며;
    b')상기 적어도 1개의 광루미네선스 층은 입력 광의 입사 시 광발광(photoluminesce)하게 설계되는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복합 층은 서로 단일체(monolithic)인 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복합 층은 서로 단일체가 아닌 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    복합 반사체의 각각은 분산된 브래그(Bragg) 반사체를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    복합 반사체의 각각은 분산된 브래그 반사체를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    복합 반사체의 반사율은 서로 유사한 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    복합 반사체의 반사율은 서로 유사하지 않은 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복합 공진기 공동은 서로 간격을 두고 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복합 공진기 공동은 서로 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복합 공진기 공동은 박막 공동인 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복합 공진기 공동은 후막 공동인 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 복합 공진기 공동은 조정가능한 공동인 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 1개의 광루미네선스 층은 적어도 1개의 포스퍼 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 적어도 1개의 포스퍼 층은 적어도 1개의 양자 한정 층을 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 적어도 1개의 포스퍼 층은 적어도 1개의 비 양자 한정 층(non quantum confining layer)을 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 적어도 1개의 포스퍼 층은 적어도 1개의 양자 웰 층을 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 적어도 1개의 포스퍼 층은 적어도 1개의 양자 점 층을 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 공진기는 파복(antinode)을 갖는 내부 정재파를 발생하도록 조정되며, 상기 적어도 1개의 광루미네선스 층은 내부 정재파가 제공되었을 때 내부 정재파의 파복 중 적어도 1개에 각각 위치한 적어도 1개의 양자-한정 하위-층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 적어도 1개의 양자-한정 층은 양자-웰 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 적어도 1개의 양자-한정 층은 복합 반사체 중 1개의 구성요소로서 포함되는 배리어 층 근처에 위치하는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 적어도 1개의 양자 한정 층은 반도체 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 적어도 1개의 양자 한정 층은 II-VI 반도체 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  23. 제18항에 있어서,
    상기 적어도 1개의 양자 한정 층은 III-V 반도체 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 적어도 1개의 양자 한정 층은 인듐 갈륨 니트리드(InGaN)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  25. 제1항에 있어서,
    적어도 1개의 광루미네선스 층은 상기 복합 공진기 공동 중 적어도 1개의 내부에 위치되는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 복합 공진기 공동 중 적어도 1개는 특정 광루미네선스 재료를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  27. 제1항에 있어서,
    적어도 1개의 광루미네선스 층은 약 50nm 미만의 폭을 가진 파장의 대역에 걸쳐 출력 광루미네선스 광을 제공하게 선택된 균일한 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  28. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 1개의 광루미네선스 층은 약 50nm 보다 큰 파장의 대역에 걸쳐 출력 광루미네선스 광을 제공하게 선택된 가변 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  29. 제1항에 있어서,
    상기 복합 공진기 공동은 각각, 대체로 서로 동일한 두께로 이루어진 복합 광루미네선스 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  30. 제1항에 있어서,
    상기 복합 공진기 공동은 각각, 대체로 서로 다른 두께로 이루어진 복합 광 루미네선스 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  31. 제1항에 있어서,
    상기 복합 공진기 공동 중 적어도 1개의 근처에 위치한 광원을 추가로 포함하며, 상기 광원은 공진기를 광학적으로 펌핑하게 설계 및 형성되는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 복합 층의 스택은 단일체이고, 상기 광원은 복합 층의 스택과 단일체인 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  33. 제1항에 있어서,
    광학적 펌핑 시스템은 발광 다이오드의 광 출력에 대해 등가의 세기 및 품질의 광을 출력하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  34. 제33항에 있어서,
    광학적 펌핑 시스템은 가시광 발광 다이오드의 광 출력에 대해 등가의 세기 및 품질의 광을 출력하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  35. 제33항에 있어서,
    광학적 펌핑 시스템은 녹색 발광 다이오드의 광 출력에 대해 등가의 세기 및 품질의 광을 출력하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  36. 제1항에 있어서,
    광학적 펌핑 시스템은 레이저 다이오드의 광 출력에 대해 등가의 세기 및 품질의 광을 출력하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  37. 제36항에 있어서,
    광학적 펌핑 시스템은 가시광 레이저 다이오드의 광 출력에 대해 등가의 세기 및 품질의 광을 출력하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  38. 제36항에 있어서,
    광학적 펌핑 시스템은 녹색 레이저 다이오드의 광 출력에 대해 등가의 세기 및 품질의 광을 출력하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  39. 제1항에 있어서,
    광학적 펌핑 시스템은 폴라리톤(polariton) 발광 다이오드의 광 출력에 대해 등가의 세기 및 품질의 광을 출력하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  40. 제1항에 있어서,
    광학적 펌핑 시스템은 폴라리톤 레이저 다이오드의 광 출력에 대해 등가의 세기 및 품질의 광을 출력하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  41. 제1항에 있어서,
    광학적 펌핑 시스템은 수직 공동 면 방출 레이저의 광 출력에 대해 등가의 세기 및 품질의 광을 출력하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  42. 제1항에 있어서,
    상기 공진기는 일 구성체를 갖고, 그리고 상기 시스템은 추가로 적색 다운컨버터, 녹색 다운컨버터, 및 청색 다운컨버터를 포함하며, 각각은 상기 구성체를 갖는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  43. 제1항에 있어서,
    상기 공진기는 제1파장과는 다른 제2파장의 입력 광을 수신하여 응답하는 제1파장의 광을 출력하는 설계로 형성되며, 상기 공진기는 제1 및 제2파장의 각각이 동시적으로 공진하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  44. 제1파장의 입력 광과 제2파장의 출력 광을 수신하게 설계되고 형성된 광 공진기 시스템을 형성하는 방법에서, 제1파장과 제2파장은 서로 다르며, 상기 방법은:
    입력 광과 출력 광에 따라서 형성된 복수의 광 공진기를 한정하게 복수의 반사체를 배치하는 단계와;
    1쌍의 복수의 반사체 사이에 광루미네선스 층을 위치시키는 단계를 포함하며;
    상기 광루미네선스 층은 입력 광의 입사 시 광발광(photoluminesce)하게 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  45. 제44항에 있어서,
    복수의 반사체를 배치하고 광루미네선스 층을 위치시키는 단계는 복수의 반사체와 광루미네선스 층을 서로 단일체(monolithic)로 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  46. 제44항에 있어서,
    복수의 반사체를 배치하고 광루미네선스 층을 위치시키는 단계는 복수의 반사체와 광루미네선스 층을 서로 단일체로 형성하지 않는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  47. 제44항에 있어서,
    복수의 반사체를 배치하는 단계는 입력 광과 출력 광에 따라서 박막을 사용하는 복수의 분산된 브래그(Bragg) 반사체를 형성하고, 복수의 분산된 브래그 반사체를 구성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  48. 제44항에 있어서,
    복수의 반사체를 배치하는 단계는 입력 광과 출력 광에 따라서 박막을 사용하는 복수의 비분산된(non distributed) 브래그 반사체를 형성하고, 복수의 비분산된 브래그 반사체를 구성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  49. 제44항에 있어서,
    복수의 반사체를 배치하는 단계는 복수의 광 공진기 공동 중 적어도 1개가 제1파장에서 공진하고 제2파장에서 공진하지 않게 복수의 반사체를 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  50. 제44항에 있어서,
    복수의 반사체를 배치하는 단계는 복수의 광 공진기 공동 중 적어도 1개가 제2파장에서 공진하고 제1파장에서 공진하지 않게 복수의 반사체를 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  51. 제44항에 있어서,
    복수의 반사체를 배치하는 단계는 복수의 광 공진기 공동이 서로 간격을 두고 떨어져 있도록 복수의 반사체를 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  52. 제51항에 있어서,
    복수의 반사체를 배치하는 단계는 복수의 광 공진기 공동이 서로 직렬로 광학적으로 연결되도록 복수의 반사체를 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  53. 제44항에 있어서,
    복수의 광 공진기 공동의 각각을 박막 공동으로 만드는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  54. 제44항에 있어서,
    복수의 광 공진기 공동의 각각을 후막 공동으로 만드는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  55. 제44항에 있어서,
    복수의 반사체를 배치하는 단계는 광 공진기 공동 중 적어도 1개가 제1파장과 제2파장에서 동시적으로 공진하도록 복수의 반사체를 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  56. 제44항에 있어서,
    광루미네선스 층을 위치시키는 단계는 포스퍼 층을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  57. 제56항에 있어서,
    포스퍼 층을 위치시키는 단계는 양자 한정 층을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  58. 제57항에 있어서,
    양자 한정 층을 제공하는 단계는 II-VI 반도체 물질 층을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  59. 제57항에 있어서,
    양자 한정 층을 제공하는 단계는 III-V 반도체 물질 층을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  60. 제59항에 있어서,
    양자 한정 층을 제공하는 단계는 인듐 갈륨 니트리드(InGaN)를 포함하는 층을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  61. 제57항에 있어서,
    양자 한정 층을 제공하는 단계는 적어도 1개의 양자 웰 층을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  62. 제57항에 있어서,
    양자 한정 층을 제공하는 단계는 적어도 1개의 양자 점 층을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  63. 제44항에 있어서,
    광루미네선스 층을 제공하는 단계는 광 공진기가 복합 파장에서 광을 출력하도록 선택된 의도적인 가변 두께를 가진 광루미네선스 층을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  64. 제44항에 있어서,
    복수의 반사체를 배치하는 단계는 복수의 광 공진기 공동 중 적어도 1개가 복수의 광 공진기 공동 중 적어도 1개 내에 파복 로케이션을 가진 내부 정재파를 발생하게 조정되도록 복수의 반사체를 배치하는 단계를 포함하고, 그리고 광루미네선스 층을 위치시키는 단계는 파복 로케이션 중 적어도 1개에 적어도 1개의 양자-한정 하위 층을 위치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  65. 제64항에 있어서,
    적어도 1개의 양자-한정 하위 층을 위치시키는 단계는 양자-웰 층을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  66. 제64항에 있어서,
    복수의 반사체 중의 1개와 적어도 1개의 양자-한정 하위 층과의 사이에 배리어 층을 제공하는 단계를 부가로 포함하며, 배리어 층은 복수의 반사체 중 1개의 구성요소로서 포함되는 것을 특징으로 하는 방법.
  67. 제64항에 있어서,
    적어도 1개의 양자-한정 하위 층을 위치시키는 단계는 반도체 물질을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  68. 제64항에 있어서,
    적어도 1개의 양자-한정 하위 층을 위치시키는 단계는 II-IV 반도체 물질을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  69. 제64항에 있어서,
    적어도 1개의 양자-한정 하위 층을 위치시키는 단계는 III-V 반도체 물질을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  70. 제69항에 있어서,
    III-V 반도체 물질을 제공하는 단계는 인듐 갈륨 니트리드(InGaN)를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  71. 제44항에 있어서,
    약 50nm 미만의 폭을 가진 파장의 대역에 걸쳐 광루미네선스 광을 출력하게 선택된 대체로 균일한 두께를 가진 광루미네선스 층을 제공하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  72. 제44항에 있어서,
    약 50nm 보다 큰 폭을 가진 파장의 대역에 걸쳐 광루미네선스 광을 출력하게 선택된 가변 두께를 가진 광루미네선스 층을 제공하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  73. 제44항에 있어서,
    복수의 광 공진기 공동 내에 각각, 복수의 광루미네선스 층을 위치시키는 단계를 추가로 포함하며, 복수의 광루미네선스 층은 대체로 서로 동일한 두께로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.
  74. 제44항에 있어서,
    복수의 광 공진기 공동 내에 각각, 복수의 광루미네선스 층을 위치시키는 단계를 추가로 포함하며, 복수의 광루미네선스 층은 대체로 서로 다른 두께로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.
  75. 제44항에 있어서,
    복수의 광 공진기 공동 중 적어도 1개의 근처에 광원을 제공하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  76. 제44항에 있어서,
    서로 단일체이게 복수의 반사체와 광루미네선스 층을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  77. 제44항에 있어서,
    광 공진기 시스템을 발광 다이오드의 광 출력에 대해 등가의 세기 및 품질의 광을 출력하도록 조정하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  78. 제44항에 있어서,
    광 공진기 시스템을 가시광 발광 다이오드의 광 출력에 대해 등가의 세기 및 품질의 광을 출력하도록 조정하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  79. 제44항에 있어서,
    광 공진기 시스템을 녹색 발광 다이오드의 광 출력에 대해 등가의 세기 및 품질의 광을 출력하도록 조정하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  80. 제44항에 있어서,
    광 공진기 시스템을 레이저 다이오드의 광 출력에 대해 등가의 세기 및 품질의 광을 출력하도록 조정하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  81. 제44항에 있어서,
    광 공진기 시스템을 가시광 레이저 다이오드의 광 출력에 대해 등가의 세기 및 품질의 광을 출력하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  82. 제44항에 있어서,
    광 공진기 시스템을 녹색 레이저 다이오드의 광 출력에 대해 등가의 세기 및 품질의 광을 출력하도록 조정하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  83. 제44항에 있어서,
    광 공진기 시스템을 폴라리톤(polariton) 발광 다이오드의 광 출력에 대해 등가의 세기 및 품질의 광을 출력하도록 조정하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  84. 제44항에 있어서,
    광 공진기 시스템을 폴라리톤 레이저 다이오드의 광 출력에 대해 등가의 세기 및 품질의 광을 출력하도록 조정하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  85. 제44항에 있어서,
    광 공진기 시스템을 수직 공동 면 방출 레이저의 광 출력에 대해 등가의 세기 및 품질의 광을 출력하도록 조정하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  86. 제44항에 있어서,
    복수의 광 공진기 공동의 구조가 각각 적색 다운컨버터, 녹색 다운컨버터, 및 청색 다운컨버터로서 작용하도록 복수의 광 공진기 공동을 구성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  87. 제44항에 있어서,
    제1파장과는 다른 제2파장의 입력 광을 수신하여 응답하는 제1파장의 광을 출력하고 그리고 제1 및 제2파장의 각각에서 동시적으로 공진하도록 광 공진기 시스템을 구성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  88. 입력 광에 응답하는 공진기를 포함하는 광학적 펌핑 시스템에서, 상기 공진기는:
    양자 점을 가진 포스퍼와, 상기 양자 점은 외부 면을 갖고 그리고 상기 포스퍼는 입력 광의 입사 시 광발광하게 선택되고;
    광 공진기 공동을 한정하도록 상기 양자 점의 외부 면에 적용된 반사체를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  89. 제88항에 있어서,
    상기 반사체는 분산된 브래그 반사체를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  90. 제88항에 있어서,
    상기 포스퍼는 반도체 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  91. 제90항에 있어서,
    상기 포스퍼는 II-VI 반도체 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 펌핑 시스템.
  92. 제1파장의 입력 광을 수신하고 제2파장의 출력 광을 출력하게 설계되어 형성된 광 공진기를 제조하는 방법에서, 제1 및 제2파장은 서로 다르고, 상기 방법은:
    입력 광의 입사 시 광발광하게 선택되는 양자 점을 가진 포스퍼를 제공하는 단계와, 상기 양자 점은 외부 면을 갖고;
    광 공진기 공동을 한정하도록 상기 양자 점의 외부 면에 반사체를 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  93. 제92항에 있어서,
    양자 점을 제공하는 단계는 반도체 물질의 양자 점을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  94. 제93항에 있어서,
    양자 점을 제공하는 단계는 II-VI 반도체 물질의 양자 점을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  95. 제92항에 있어서,
    반사체를 제공하는 단계는 분산된 브래그 반사체를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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