KR20140059288A

KR20140059288A - 수직 캐비티 표면 발광 레이저

Info

Publication number: KR20140059288A
Application number: KR1020147009080A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 에이. 파탈; 마이클 르네 타이 탄; 레이몬드 쥐. 뷰솔레일
Original assignee: 휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘.피.
Priority date: 2011-09-15
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2014-05-15
Also published as: US20140211822A1; CN103907251A; TW201312885A; EP2756564A1; WO2013039503A1; TWI475773B; EP2756564A4

Abstract

수직 캐비티 표면 발광 레이저(VCSEL) 및 VCSEL 어레이가 개시된다. 일특징으로, 표면 발광 레이저는, 발광층으로부터 방출될 광의 파장에 대한 반사층을 갖는 공진 캐비티를 형성하기 위해 서브 파장 격자를 갖는 격자층과, 공진 캐비티 내에 위치된 애퍼처층을 포함한다. VCSEL은 격자층과 발광층 사이에 위치된 전하 캐리어 수송층을 포함한다. 전하 캐리어 수송층은, 서브 파장 격자에 인접한 갭과, 갭과 발광층 사이의 스페이서 영역을 갖는다. 스페이서 영역과 갭은 파장에 대해 실질적으로 투과성을 나타내도록 치수가 정해진다. 애퍼처층은 전하 캐리어를 애퍼처층의 애퍼처에 인접한 발광층의 영역에 진입하도록 지향시키고, 애퍼처는 발광층으로부터 방출될 광학 모드를 제한한다.

Description

수직 캐비티 표면 발광 레이저{VERTICAL-CAVITY SURFACE-EMITTING LASERS}

본 발명은 수직 캐비티 표면 발광 레이저에 관한 것이다.

반도체 레이저는 몇 가지만 예를 들어 말하자면 디스플레이, 솔리드 스테이트 조명, 센서, 프린터, 및 전화통신을 포함한 다양한 시스템에 사용될 수 있기 때문에 현재 사용되는 레이저의 가장 중요한 부류 중의 하나이다. 주로 사용되는 2가지 유형의 반도체 레이저는 에지 발광 레이저와 표면 발광 레이저이다. 에지 발광 레이저는 실질적으로 발광층에 평행한 방향으로 이동하는 광을 생성한다. 한편, 표면 발광 레이저는 발광층에 법선으로 이동하는 광을 생성한다. 표면 발광층은 전형적인 에지 발광 레이저 이상의 다수의 장점을 가지며, 이러한 장점의 예로, 표면 발광 레이저는 광을 보다 효율적으로 발광하고, 2차원의 발광 어레이로 배열될 수 있다.

전형적인 표면 발광 레이저의 발광층은 2개의 반사기들 사이에 끼워져 위치되며, 이러한 레이저는 수직 캐비티 표면 발광 레이저(VCSEL)로 지칭된다. 통상적으로, 반사기는 이상적으로는 광학 피드백을 위해 99%보다 높은 반사율을 갖는 공진 캐비티를 형성하는 분산 브래그 반사기(distributed Bragg reflector, DBR)이다. DBR은 주기적인 굴절률 변동을 갖는 교번하는 복수의 유전체층 또는 반도체층으로 구성된다. DBR 내의 2개의 인접한 층들은 상이한 굴절률을 갖고, "DBR 쌍"으로 지칭된다. DBR 반사율 및 대역폭은 각각의 층의 구성 재료의 비굴절률차(refractive-index contrast) 및 각각의 층의 두께에 좌우된다. DBR 쌍을 형성하기 위해 사용되는 재료는 통상적으로 유사한 조성을 가지며, 그에 따라 비교적 작은 굴절률 차이를 갖는다. 그러므로, 99%보다 큰 캐비티 반사율을 달성하고, 좁은 미러 대역폭을 제공하기 위해, DBR은 어떠한 곳에서도 약 15개 내지 약 40개 또는 그 이상의 DBR 쌍을 갖는다. 그러나, 99%보다 큰 반사율을 갖는 DBR을 제조하는 것은, 특히 전자기 스펙트럼의 청록색(blue-green) 부분 및 장적외선(long-infrared) 부분의 파장을 갖는 광을 방출하도록 설계된 VCSEL에 대해서는, 곤란한 것으로 입증되었다.

물리학자 및 엔지니어들은 VCSEL 설계, 작동 및 효율에서의 개선을 지속적으로 추구하고 있다.

본 발명의 실시예에 따라, 표면 발광 레이저는, 발광층으로부터 방출될 광의 파장에 대한 반사층을 갖는 공진 캐비티를 형성하기 위해 서브 파장 격자(sub-wavelength grating)를 갖는 격자층과, 상기 공진 캐비티 내에 위치되고, 애퍼처를 갖는 애퍼처층과, 상기 격자층과 상기 발광층 사이에 위치된 전하 캐리어 수송층을 포함하며, 상기 전하 캐리어 수송층이, 상기 서브 파장 격자에 인접한 갭과, 상기 갭과 상기 발광층 사이의 스페이서 영역을 가지며, 상기 스페이서 영역 및 상기 갭이 상기 파장에 대해 실질적으로 투과성을 나타내도록 치수가 정해지며, 상기 애퍼처층이 전하 캐리어를 상기 애퍼처에 인접한 상기 발광층의 영역에 진입하도록 지향시키며, 상기 애퍼처가 상기 발광층으로부터 방출될 광학 모드를 제한(confine)하는 것을 특징으로 한다.

도 1a와 도 1b는 각각 일례의 VCSEL의 등각 투상도와 등각 투상 분해도이다.
도 2는 도 1에 도시된 VCSEL의 라인 Ⅰ-Ⅰ을 따라 절취한 횡단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 VCSEL의 격자층의 등각 투상 분해도이다.
도 4는 1차원 서브 파장 격자(sub-wavelength grating)를 위한 파장의 범위에 걸친 반사율과 위상 시프트의 플로트를 도시하는 도면이다.
도 5는 전압 소스에 접속된 도 1에 도시된 VCSEL의 횡단면도이다.
도 6은 도 1에 도시된 VCSEL의 공진 캐비티에서의 정재 전자기파(standing electromagnetic wave)의 표시를 나타내는 도면이다.
도 7은 출력 빔의 표시를 갖는 도 1에 도시된 VCSEL의 횡단면도이다.
도 8a는 도 1에 도시된 VCSEL의 공진 캐비티에서의 3가지 가로 모드(transverse mode)의 일례의 세기 프로파일을 나타내는 도면이다.
도 8b 및 도 8c는 VCSEL의 애퍼처층의 애퍼처 직경에 대한 공진 파장 및 퀄리티 팩터(quality factor)의 플로트를 도시하는 도면이다.
도 9는 도 1에 도시된 VCSEL의 발광층의 일례의 세기 프로파일 대 파장 플로트를 도시하는 도면이다.
도 10a는 일례의 VCSEL의 횡단면도이다.
도 10b는 일례의 VCSEL의 횡단면도이다.
도 11a와 도 11b는 각각 일례의 VCSEL 어레이의 등각 투상도와 횡단면도이다.
도 12는 도 11에 도시된 VCSEL 어레이의 발광층으로부터 방출된 광의 일례의 세기 프로파일 대 파장 플로트를 도시하는 도면이다.

수직 캐비티 표면 발광 레이저(VCSEL) 및 VCSEL 어레이가 개시된다. 각각의 VCSEL은 독립적 VCSEL이든 또는 VCSEL 어레이의 VCSEL이든 간에 유전체 애퍼처층 및 서브 파장 격자(SWG)를 포함한다. SWG는 VCSEL 공진 캐비티의 반사성 표면들 중의 하나이다. SWG 패턴은 광의 빔이 요구된 파장으로 VCSEL로부터 출력되도록 선택된다. 각각의 VCSEL의 애퍼처층에서의 애퍼처는 광학 모드 및 전기 전류를 가로 방향으로 제한(confine)한다. 일반적으로, 각각의 VCSEL은 작은 모드 체적 및 대략적으로 단일의 공간 출력 모드를 갖고, 좁은 파장 대역에 걸쳐 광을 방출하고, 단일 편광으로 광을 방출할 수 있다.

이하의 설명에서, "광"이라는 표현은 전자기 스펙트럼의 적외선 및 극자외선 부분을 포함하는 전자기 스펙트럼의 가시 부분 및 비가시 부분(non-visible portion)에서의 파장을 갖는 전자기 방사선을 지칭한다.

서브 파장 격자를 갖는 VCSEL

도 1a와 도 1b는 각각 일례의 VCSEL(100)의 등각 투상도와 등가 투상 분해도를 도시하고 있다. VCSEL(100)은 n-타입 컨택(106) 상에 위치된 분산 브래그 반사기(DBR)(104) 상에 위치된 발광층(102)을 포함한다. VCSEL(100)은 또한 발광층(102) 상에 위치된 애퍼처층(108), 애퍼처층(108) 상에 위치된 전하 캐리어 수송층(110), 전하 캐리어 수송층(110) 상에 위치된 격자층(112), 및 격자층(112) 상에 위치된 링 형상의 p-타입 컨택(114)을 포함한다. 도 1a의 예에 나타낸 바와 같이, p-타입 컨택(114)은 격자층(112)의 SWG(118)를 노출시키는 원형 개구부(116)를 포함한다. 개구부(116)는 VCSEL(100)에 의해 생성된 광이 방향 화살표(120)에 의해 나타낸 바와 같이 층들의 xy-평면에 실질적으로 수직하게 방출되도록 한다(즉, 광이 VCSEL(100)로부터 개구부(116)를 통해 z-방향으로 방출된다). 도 1b의 등각 투상 분해도는 전하 캐리어 수송층(110)이 리세스 영역과 SWG(118) 사이에 아래에 설명되는 갭 또는 에어 갭(120)을 형성하는 디스크 형상의 리세스 영역을 포함한다는 것을 보여주고 있다. 전하 캐리어 수송층(110)은 또한 애퍼처층(108)의 개구부 또는 애퍼처(124)를 채우는 디스크 형상부(122)를 포함한다. 본 발명의 실시예는 개구부(116, 124)가 원형인 것으로 한정되지 않는다는 것에 유의하기 바란다. 다른 실시예에서, 개구부(116, 124)는 정사각형, 타원형 또는 임의의 다른 적합한 형상으로도 될 수 있다.

층(102, 108, 110, 112), DBR(104), 및 컨택(106, 114)은 화합물 반도체 재료의 다양한 조합으로 구성된다. 화합물 반도체는 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체 및 Ⅱ-Ⅵ 화합물 반도체를 포함한다. Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체는 질소(N), 인(P), 비소(As) 및 안티몬(Sb)으로부터 선택된 Ⅴa열 원소(column Va element) 조합되는 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 및 인듐(In)으로부터 선택된 Ⅲa열 원소로 구성된다. Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체는 2원 화합물 반도체, 3원 화합물 반도체 및 4원 화합물 반도체와 같은 Ⅲ족 원소와 Ⅴ족 원소의 상대량에 따라 분류된다. 예컨대, 2원 반도체 화합물은 이러한 것으로 한정되지는 않지만 GaAs, GaAl, InP, InAs 및 GaP를 포함하며, 3원 화합물 반도체는 이러한 것으로 한정되지는 않지만 In _y Ga _y _-1As 또는 GaAs _y P₁ _- _y 를 포함하며, 여기서 y는 0과 1 사이의 범위에 있으며, 4원 화합물 반도체는 이러한 것으로 한정되지는 않지만 In _x Ga₁ _- _x As _y P₁ _- _y 를 포함하며, 여기서 x와 y 둘 모두가 독립적으로 0과 1 사이의 범위에 있다. Ⅱ-Ⅵ 화합물 반도체는 이러한 것으로 한정되지는 않지만 CdSe, ZnSe, ZnS, 및 ZnO를 포함하며, 이들은 2원 Ⅱ-Ⅵ 화합물 반도체의 예이다.

VCSEL(100)의 층들은 화학적 기상 증착, 물리적 기상 증착, 또는 웨이퍼 본딩을 이용하여 형성될 수 있다. SWG(118)는 반응성 이온 에칭, 포커싱 빔 밀링(focusing beam milling), 또는 나노임프린트 리소그래피를 이용하여 격자층(112)에 형성될 수 있으며, 격자층(112)은 전하 캐리어 수송층(110)에 웨이퍼 본딩된다.

본 명세서에 설명된 예에서, DBR(104) 및 컨택 106은 n-타입 불순물로 도핑되는 한편, 컨택 114는 p-타입 불순물로 도핑된다. 이와 달리, DBR(104) 및 컨택 106은 p-타입 불순물로 도핑되는 한편, 컨택 114는 n-타입 불순물로 도핑될 수 있다. 전자 에너지 레벨에서 "정공"으로 지칭되는 베이컨시(vacancy)를 제공하는 p-타입 불순물은 반도체 래티스(semiconductor lattice)에 통합되는 원자이다. 이들 도펀트(dopant)는 또한 "전자 액셉터(electron acceptor)"로도 지칭되며, 정공은 이동이 자유롭다. 한편, 가전자 에너지 레벨에 전자를 제공하는 n-타입 불순물은 반도체 래티스에 통합되는 원자이다. 이들 도펀트는 "전자 도너(electron donor)"로 지칭된다. Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체에서, Ⅵ열 원소가 Ⅲ-Ⅴ 래티스의 Ⅴ열 원자를 대체하고, n-타입 도펀트로서 작용하며, Ⅱ열 원소가 Ⅲ-Ⅴ 래티스에서의 컬럼 Ⅲ열 원자를 대체한다. 자유 전자 및 정공은 전하 캐리어로서 지칭되며, 관례적으로 전자는 음의 전하를 갖는 한편 정공은 양의 전하를 갖는다.

애퍼처층(108)은 SiO₂ 또는 Al₂O₃와 같은 유전체 재료 또는 VCSEL(100)의 다른 층들보다 상대적으로 더 큰 전자 밴드갭을 갖는 또 다른 재료로 구성될 수 있다.

도 2는 도 1a에 도시된 라인 Ⅰ-Ⅰ을 따라 절취한 VCSEL(100)의 횡단면도이다. 횡단면도는 개개의 층들의 구조를 보여주고 있다. DBR(104)은 발광층(102)에 평행하게 지향된 DBR 쌍(202)의 스택으로 구성된다. 실제로, DBR(104)은 약 15개 내지 약 40개 또는 그보다 많은 DBR 쌍으로 구성될 수 있다. 확대도(204)는 DBR(104)의 샘플 부분을 나타내고 있고, DBR(104)의 층들이 각각 약 λ/4n 및 λ/4n'의 두께를 갖는다는 것을 보여주며, 여기서 λ는 발광층(102)으로부터 방출된 광의 진공 파장이고, n은 DBR 층 206의 굴절률이고, n'은 DBR 층 208의 굴절률이다. 어두운 음영 층(208)은 제1 반도체 재료로 구성된 DBR 층을 나타내고, 밝은 음영 층(206)은 제2 반도체 재료로 구성된 DBR 층을 나타내며, 층 206과 208은 상이한 관련 굴절률을 갖는다. 예컨대, 층 208은 GaAs로 구성될 수 있고, 3.6의 대략적인 굴절률을 가지며, 층 206은 AlAs로 구성될 수 있고, 2.9의 대략적인 굴절률을 갖는다.

도 2는 장벽층(214)에 의해 분리된 3개의 별도의 양자 우물층(QW)(212)으로 구성된 발광층(102)의 확대도(210)를 포함한다. QW(212)는 제한층(216)들 사이에 위치된다. QW(212)를 포함하는 반도체 재료는 장벽층(214) 및 제한층(216)보다 작은 전자 밴드갭을 갖는다. 층들(212, 214, 216)은 상이한 진성 반도체 재료로 구성된다. 예컨대, QW(212)는 InGaAs(예컨대, In₀ _.2Ga₀ _.8As)으로 구성될 수 있으며, 장벽층(214)은 GsAs으로 구성될 수 있으며, 제한층(216)은 GaAlAs로 구성될 수 있다. 본 발명의 실시예는 3개의 QW를 갖는 발광층(102)으로 한정되지 않는다. 다른 실시예에서, 발광층(102)은 1개의 QW, 2개의 QW, 또는 3개보다 많은 QW를 가질 수 있다.

도 2는 또한 VCSEL(100)의 중앙 부분의 확대도(218)를 포함한다. 도 1b에 도시되고 이 도면을 참조하여 위에서 설명한 바와 같이, 전하 캐리어 수송층(110)은 SWG(118) 아래에 갭(120)을 형성하는 디스크 형상의 리세스를 포함한다. 도 1b에 도시되고 이 도면을 참조하여 위에서 설명된 전하 캐리어 수송층(110)의 디스크 형상 부분(122)은 실질적으로 애퍼처층(108)의 애퍼처(124)를 채운다. 갭(120)과 발광층(102) 사이에 위치되고, 점선(222, 224)에 의해 범위가 정해진 바와 같이 애퍼처(124)에 의해 xy-평면에서 경계가 정해진 전하 캐리어 수송층(110)의 부분은 스페이서 영역(220)을 규정한다. 도 2의 예에서, 갭(120), 스페이서 영역(220), 및 발광층(102)의 두께는 t_gap, t_spacer 및 t_LE로 표시되어 있다. 두께 t_gap, t_spacer 및 t_LE는 갭(120), 스페이서 영역(220) 및 발광층(102)이 VCSEL(100)의 세로 모드(longitudinal mode)에 대해 투과성을 나타내도록 아래에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이 선택될 수 있다.

서브 파장 격자( SWG )

도 3은 격자층(112)을 p-타입 컨택층(114)과 전하 캐리어 수송층(110)로부터 분리하여 도시한 VCSEL(100)의 등각 투상 분해도이다. SWG(118)는 선택된 파장의 광에 대해서는 평탄 미러처럼 동작한다. SWG(118)는 홈(groove)에 의해 분리된 "라인"으로 지칭되는 격자층(112)의 규칙적으로 이격된 와이어형 부분으로 구성된 1차원 격자일 수 있다. 1차원 SWG(118)는 광을 특정한 편광으로 반사한다. 도 3은 y-방향으로 연장하고 x-방향으로 주기적으로 이격된 라인을 보여주는 SWG(118)의 영역의 확대도(302)를 포함한다. 도 3은 또한 두께 t, 폭 w, 및 주기 p로 홈(308)에 의해 주기적으로 분리된 라인(306)의 확대도(302)의 횡단면도(304)를 포함한다. 라인 폭 w는 대략 10 nm 내지 대략 300 nm의 범위로 될 수 있고, 주기 p는 입사광의 파장에 따라 대략 20 nm 내지 대략 1 ㎛의 범위로 될 수 있다. SWG(118)로부터 반사된 광의 파장은 라인 두께 및 아래와 같이 정의된 듀티 사이클 ŋ에 의해 결정된다:

DC = w/p

SWG(118)로부터 반사된 광은 또한 라인 두께 및 듀티 사이클에 의해 결정된 위상 시프트를 획득한다.

1차원 SWG(118)는 SWG(118)의 라인 두께 및 듀티 사이클에 좌우되어 TM 또는 TE 편광된 광을 반사한다. TE 편광은 SWG(118)의 라인에 평행하게 지향되는 입사 전자기파의 전기장 성분에 대응하고, TM 편광은 SWG(118)의 라인에 수직으로 지향된 입사 전자기파의 전기장 성분에 대응한다. 특정한 라인 두께 및 듀티 사이클은 TM 편광된 광을 반사하지 않고 TE 편광된 광을 반사하기에 적합할 수도 있는 한편, 상이한 라인 두께 및 듀티 사이클은 TE 편광된 광을 반사하지 않고 TM 편광된 광을 반사하기에 적합할 수도 있다.

SWG(118)는 1차원 격자로 한정되지 않는다. SWG(118)는 선택된 파장에 대해 편광 비반응 평탄 미러(polarization insensitive flat mirror)처럼 동작하는 2차원 격자로서 구현될 수 있다. 도 3은 2차원 서브 파장 격자 패턴을 갖는 SWG(118)의 부분을 표시하는 확대도(310)를 포함한다. 확대도(310)에서, SWG(118)는 x-방향과 y-방향에서 동일한 주기 및 듀티 사이클로 홈에 의해 분리된 라인이 아닌 포스트(312)로 구성된다. 이와 달리, 듀티 사이클은 x-방향과 y-방향에서 달라질 수 있다. 2차원 SWG(118)의 포스트는 정사각형, 직사각형, 원형, 타원형, 또는 임의의 다른 xy-평면 횡단면 형상으로 될 수 있다. 이와 달리, 2차원 SWG(118)는 포스트가 아닌 구멍으로 구성될 수 있다. 구멍은 정사각형, 원형, 타원형, 또는 특정 파장의 광을 반사하기에 적합한 임의의 다른 크기 및 형상으로 될 수 있다.

SWG(118)와 공기의 비굴절률차는 광의 동작을 SWG(118)와 SWG(118)를 둘러싸는 공기 사이에서 이동하는 광처럼 변화시킨다. 반사 계수는 SWG(118)와 공기 사이에서 이동하는 광의 동작의 특징을 정하고, 다음에 의해 제공된다:

여기서, R(λ)는 SWG의 반사율이고, φ(λ)는 SWG로부터 반사된 광의 위상 시프트이다. 도 4는 일례의 1차원 SWG에 대한 입사광 파장의 범위에 걸친 반사율 및 위상 시프트의 플로트를 도시한다. 실선 곡선(402)은 반사율 R(λ)에 해당하고, 점선 곡선(404)은 대략 1.2 ㎛ 내지 대략 2.0 ㎛의 파장 범위에서의 입사광에 대한 SWG에 의해 발생된 위상 시프트 φ(λ)에 해당한다. 반사율 및 위상 시프트가 도 4에 표시된 SWG는 파장 범위에 걸쳐 TM 편광된 광을 반사한다. 반사율 곡선(402) 및 위상 곡선(404)은 전자기 시스템을 모델링하기 위해 사용된 유한-차이 시간-도메인(FDTD) 시뮬레이션 소프트웨어인 MEEP를 이용하여 결정된다(http://ab-initio.mit.edu/meep/meep-1.1.1.tar.gz를 참조). SWG와 공기 간의 강한 비굴절률차로 인해, SWG는 점선 408과 410 사이에 높은 반사율의 넓은 스펙트럼 영역(406)을 갖는다. 그러나, 곡선(404)은 반사된 광의 위상이 전체적인 높은 반사율 스펙트럼 영역(406)을 가로질러 변경된다는 것을 보여주고 있다.

주기, 라인 두께 및 라인 폭의 공간적인 치수가 인자(factor) α에 의해 균일하게 변경된 때, 반사 계수 프로파일은 실질적으로 변경되지 않고 유지되지만, 파장축은 인자 α에 의해 스케일링된다. 즉, 격자가 자유 공간 파장 λ₀에서 특정한 반사 계수 R₀를 갖도록 설계되었을 때, 주기, 라인 두께 및 라인 폭과 같은 격자 파라미터 전부를 인자 α=λ/λ₀에 의해 승산함으로써 r(λ)=r₀(λ/α)=r₀(λ₀)를 제공하는, 상이한 파장 λ에서 동일한 반사 계수를 갖는 상이한 격자가 설계될 수 있다. 구체적으로, 높은 반사율을 갖는 파장 λ₀의 광을 반사하는 제1 SWG의 격자 파라미터가, 스케일 인자 α=λ/λ₀에 기초하여 상이한 파장 λ에 대해 거의 동일한 높은 반사율로 광을 반사하는 제2 SWG를 생성하기 위해 이용될 수 있다. 예컨대, 1.67 ㎛(410)와 거의 동일한 파장 λ₀(

)를 갖는 광을 반사하고, 각각 t, w 및 p로 표시된 라인 두께, 라인 폭, 및 주기를 갖는 제1의 1차원 SWG를 고려한다. 곡선 402 및 404는, 제1 SWG가 대략 1의 반사율을 갖고, 반사된 광에서 대략 3π rad의 위상 시프트를 발생한다는 것을 보여준다. 1.54 ㎛(412)와 거의 동일한 파장에 대해 대략 1의 반사율을 갖는 제2의 1차원 SWG가 요구되는 것으로 가정한다. 제2 SWG는 각각 αt, αw, 및 αp의 라인 두께, 라인 폭, 및 주기로 대략 1의 높은 반사율을 가지며, 여기서 α=λ/λ₀는 0.945와 거의 동일하다. 곡선 404에 따라, 제2 SWG는 반사된 광에서 대략 2.5π rad의 더 작은 위상 시프트를 발생한다.

VCSEL 작동

도 5는 전압 소스(502)에 접속된 VCSEL(100)의 횡단면도이다. 전압 소스(502)는 발광층(102)을 전자적으로 펌핑하기 위해 순방향 바이어스를 인가한다. VCSEL(100)에 바이어스가 인가되지 않을 때, 발광층(102)의 QW는 해당하는 전도대(conduction band)에서의 비교적 낮은 농도의 전자 및 해당하는 가전자대(valence band)에서의 비교적 낮은 농도의 빈 전자 상태 또는 정공을 갖는다. 그 결과, 실질적으로 발광층(102)으로부터 광이 방출되지 않는다. VCSEL 어레이(100)의 층을 가로질러 순방향 바이어스를 인가하기 위해, p-타입 컨택(114)은 전압 소스(502)의 양의 단자에 접속되고, n-타입 컨택(106)은 전압 소스(502)의 음의 단자에 접속된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 순방향 바이어스는 p-타입 컨택(114)에서의 h+로 표시된 정공과 n-타입 컨택(106)에서의 e-로 표시된 전자를 발광층(102)을 향해 드리프트하게 한다. 방향 화살표 504는 정공이 발광층(102)에 도달할 때에 취하는 경로를 나타낸다. p-타입 컨택(114)이 링 형상이기 때문에, 정공은 격자층(112) 및 전하 캐리어 수송층(110)의 둘레 영역 내로 드리프트한다. 애퍼처층(108)은 z-방향에서의 정공의 경로를 제한하여, 정공을 전하 캐리어 수송층(110)의 xy-평면에서 스페이서 영역(220)과 발광층(102)의 중앙 영역(506) 내로 드리프트하게 한다. 스페이서 영역(220) 및 중앙 영역(506) 내로 드리프트하는 정공에 의해 생성된 양의 전하는 n-타입 컨택(106) 및 DBR(104) 내로 주입된 전자를 방향 화살표 508에 의해 나타낸 바와 같이 중앙 영역(506)을 향해 드리프트하게 한다. 요약하면, 애퍼처층(108)은 전하 캐리어를 발광층(102)의 중앙 영역(506) 내로 드리프트하게 함으로써 전기 전류를 제한(confine)한다. 중앙 영역(506) 내에서는, 전자는 발광층(102) QW의 전도대 내에 주입되는 한편, 정공은 QW의 가전자대 내로 주입되어, "밀도 반전(population inversion)"으로 지칭되는 프로세스에서 과잉의 전도대 전자 및 과잉의 가전자대 정공을 생성한다. 전도대 내의 전자는 "전자-정공 재결합" 또는 "재결합"으로 지칭되는 라디에이티브 프로세스(radiative process)에서 가전자대 내의 정공과 자발적으로 재결합한다. 전자와 정공이 재결합할 때, 광은 최초에는 넓은 범위의 파장에 걸쳐 중앙 영역(506)으로부터 모든 방향으로 방출된다. 적합한 작동 전압이 순방향-바이어스 방향으로 인가되는 한, 전자와 정공 밀도 반전이 중앙 영역(506) 내에서 유지되고, 전자가 정공과 자발적으로 재결합하여 거의 모든 방향으로 광을 방출한다.

격자층(112)의 SWG(118)와 DBR(104)은 방향 화살표 510 및 512에 의해 나타낸 바와 같이 발광층(102)에 대략적으로 법선으로 방출되는 광을 위한 공진 캐비티를 형성한다. 발광층(102)으로 역반사된 광은 연쇄 반응(chain reaction)으로 발광층(102)으로부터의 더 많은 광의 방출을 자극한다. 발광층(102)이 자발적 방출을 통해 처음에는 넓은 범위의 파장에 걸쳐 모든 방향으로 광을 방출하지만, SWG(118)는 공진 파장 λ_res을 중심으로 하는 좁은 파장 범위의 광을 발광층(102) 내로 역반사하여, 파장 λ_res를 갖는 광의 z-방향으로의 자극 방출을 야기한다. 공진 파장 λ_res으로 z-방향으로 공진 캐비티에서 뒤쪽과 앞쪽으로 반사된 광은 또한 세로 모드(longitudinal mode), 축방향 모드, 또는 z-축 모드로서 지칭된다. 시간이 지남에 따라, 발광층(102)에서의 이득은 세로 모드에 의해 포화되며, 세로 모드는 발광층(102)으로부터의 광 방출을 주도하기 시작하는 한편, 다른 모드는 쇠퇴한다. 즉, 공진 파장 λ_res를 둘러싸는 좁은 범위의 파장에서 벗어난 파장을 갖는 전자기파는, SWG(118)와 DBR(104) 사이에서 뒤쪽과 앞쪽으로 반사되지 않고, VCSEL 어레이(100)의 밖으로 누설되어, 결국에는 공진 캐비티에 의해 지원된 세로 모드 또는 공진 파장이 주도하기 시작할 때에 쇠퇴한다.

도 6은 SWG(118) 및 DBR(104)에 의해 생성된 공진 캐비티 내에서 형성되는 정재 전자기파를 표시하는 도면이다. SWG(118)와 DBR(104) 간에 반사된 주도적 세로 모드는 전자기파가 발광층(102)을 가로질러 뒤쪽과 앞쪽으로 스윕(sewwp)할 때에 증폭되어, SWG(118) 내에서 종료되고 DBR(104) 내로 연장하는 파장 λ_res을 갖는 정재 전자기파(602)를 발생한다. 궁극적으로, 공진 파장 λ_res을 갖는 광(604)의 실질적으로 가간섭성의 빔(coherent beam)이 SWG(118)로부터 출현한다. 발광층(102)으로부터 방출된 광은 DBR(104) 및 SWG(118)를 침투하고, 공진 캐비티에서의 광의 라운드 트립 페이스(round trip phase)에 기여한다.

도 6은 또한 도 2를 참조하여 전술한 바와 같이 VCSEL(100)의 중앙 부분의 확대도(606)를 포함한다. 갭(120)의 두께 t_gap 및 스페이서 영역(220)의 두께 t_spacer는 층(120, 220)이 공진 파장 λ_res에 대해 투과성을 나타내도록 선택되고, 발광층(102)의 두께 tLE는 공진 파장 λ_res와의 공진을 달성하도록 선택된다. 층(120, 220)이 공진 파장 λ_res에 대해 투과성을 나타내도록 하고, 발광층(102)이 파장 λ_res와의 공진을 갖도록 하기 위해, 층(120, 220, 102)의 두께는 이하의 조건에 기초하여 선택될 수 있다:

및

여기서, α 및 β는 1보다 크거나 1과 동일한 실수이고, n_s는 전하 캐리어 수송층(110)의 굴절률이며, n_L은 발광층(102)의 굴절률이고, k는 양의 정수이다.

SWG(118)와 DBR(104) 사이에서 z-방향으로 제한된 광은 또한 애퍼처층(108)의 애퍼처(124)에 의해 xy-평면에 제한된다. 즉, 애퍼처(124)는 실질적으로 세로 모드가 SWG(118)의 중앙 영역(506)으로부터 멀리 퍼져가는 것을 방지한다. 그 결과, VCSEL(100)로부터 방출된 광의 빔은 애퍼처(124)에 의해 제한된다. 도 7은 출력 빔(702)을 갖는 VCSEL(100)의 횡단면도이다. 출력 빔(702)은 출력 빔(702)의 제한이 애퍼처(124)의 직경 D에 의해 결정되는 상태로 SWG(118)를 통해 출력된다. 출력 빔(702)은 직경 D보다 약간 큰 빔 직경으로 SWG(118)를 통과하고, 출력 빔(702)이 VCSEL(100)로부터 멀어지도록 이동함에 따라 확산된다. 애퍼처(124) 에지에서의 회절로 인한 출력 빔(702)의 열화 및 출력 빔(702)이 VCSEL(100)로부터 멀어져 제한된 채로 유지되는 정도는 직경 D에 의해 결정된다.

도 4를 참조하여 전술한 바와 같이, SWG(118)가 1차원 격자이면, SWG(118)는 TE 또는 TM 편광된 광을 공진 캐비티 내로 역으로 반사하고, VCSEL(100)로부터 방출된 출력 빔(702)은 TE 편광되거나 또는 TM 편광된다. 이득이 포화됨에 따라, SWG(118)에 의해 선택된 편광을 갖는 유일한 모드가 증폭된다. SWG(118)에 의해 선택된 편광을 갖지 않는 발광층(102)으로부터 방출된 전자기파는 현저한 증폭 없이 VCSEL(100)의 밖으로 누설된다. 즉, SWG(118)에 의해 선택된 편광이 아닌 편광을 갖는 세로 모드가 쇠퇴하고, 방출된 출력 빔(702)에 존재하지 않게 된다. 궁극적으로, SWG(118)에 의해 선택된 방향으로 편광된 세로 모드만이 출력 빔(702)에 방출된다.

애퍼처층(108)의 애퍼처(124)는 공진 파장을 조정하고 출력 빔(702)에서의 가로 모드를 선택하는 역할을 갖는다. 각각의 가로 모드는 출력 빔(702) 축 또는 공진 캐비티에 수직한 평면 내에 놓이는 특정한 전자기장 패턴에 대응한다. 가로 모드는 TEM_nm으로 표시되고, 여기서 첨자 n과 m은 각각 x-방향과 y-방향에서의 가로 모드 라인의 정수의 개수이다. 도 8a는 SWG(118)과 DBR(104) 사이의 공진 캐비티에 형성된 3가지의 가로 모드에 연관된 3개의 xz-평면 세기 프로파일의 예를 도시한다. 도 8a에서, 곡선 802에 의해 표현된 TEM₀₀ 모드는 노드(node)를 갖지 않으며, 거의 전체적으로 애퍼처(124) 내에 놓여 있으며, 이것은 TEM₀₀ 모드에 연관된 전자기 방사선의 많은 부분이 공진 캐비티의 중앙 영역에 집중되어 있다는 것을 나타낸다. 곡선 804에 의해 표현된 TEM₁₀ 모드는 2개의 세기 피크(808, 810)를 분리하는 x-방향에서의 하나의 노드(806)를 가지며, 이것은 전자기 방사선 세기가 x-방향에서 2개의 세그먼트로 분할된다는 것을 나타낸다. 곡선 812에 의해 표시된 TEM₂₀ 모드는 2개의 모드 814 및 816을 가지며, 이것은 전자기 방사선 세기가 x-방향에서 3개의 세그먼트로 분할된다는 것을 나타낸다. 도 8b 및 도 8c는 공진 캐비티에 연관된 퀄리티 팩터(quality factor) 및 공진 파장이 애퍼처(124) 직경에 의해 어떻게 영향을 받을 수 있는지를 나타내는 플로트를 도시하고 있다. 도 8b 및 도 8c에서 제공된 결과는 MEEP를 이용하여 획득된 것이다. 도 8b에서, 곡선 801 내지 803은 애퍼처(124) 직경을 함수로 하여 각각 TEM₀₀, TEM₁₀, 및 TEM₂₀ 모드에 연관된 공진 파장을 표시한다. 곡선 801 내지 803은, 공진 캐비티에 의해 지원된 공진 파장이 TEM₀₀, TEM₁₀, 및 TEM₂₀ 모드에 대해 상이하고, TEM₀₀, TEM₁₀, 및 TEM₂₀ 모드에 연관된 공진 파장이 애퍼처(124)의 직경과 함께 증가한다는 것을 나타내며, 여기서 TEM₀₀ 모드가 가장 적은 양의 증가를 갖는다. 도 8c에서, 곡선 805 내지 807은 애퍼처(124)의 직경을 함수로 하여 TEM₀₀, TEM₁₀, 및 TEM₂₀ 모드에 연관된 공진 파장을 나타낸다. 곡선 805 내지 807은 공진 캐비티의 퀄리티 팩터 Q가 TEM₀₀, TEM₁₀, 및 TEM₂₀ 모드에 대해 상이하고, 공진 캐비티가 TEM₁₀ 및 TEM₂₀ 모드에 대해서보다 TEM₀₀ 모드에 대해 현저하게 더 큰 퀄리티 팩터를 갖는다는 것을 나타낸다. TEM₀₀, TEM₁₀, 및 TEM₂₀ 모드 간의 퀄리티 팩터에서의 극명한 차이는 TEM₁₀ 및 TEM₂₀ 모드가 애퍼처(124)를 지나 확산한 결과일 것이다. 다시 도 8a를 참조하면, TEM₀₀ 모드는 실질적으로 애퍼처(124) 내에 있는 한편, TEM₁₀ 및 TEM₂₀ 모드의 일부분이 애퍼처(124)의 직경을 지나 x-방향으로 확산된다는 것에 유의하기 바란다. 그 결과, 이득 포화 동안, TEM₀₀ 모드가 애퍼처(124) 내에 놓여 있기 때문에, TEM₀₀ 모드는 공진 캐비티에 의해 보다 강하게 지원되어 더 큰 퀄리티 팩터를 발생한다. 반대로, TEM₁₀ 및 TEM₂₀ 모드의 일부분은 애퍼처(124) 외측에 놓여 있어, 낮은 퀄리티 팩터 및 이득 포화의 감소를 발생한다.

전술한 바와 같이, 공진 캐비티 및 애퍼처(124) 직경은 VCSEL(100)로부터 방출될 세로 모드를 선택하기 위해 조합하여 이용될 수 있다. 도 9는 VCSEL(100)로부터 방출된 광과 발광층(102)에 연관된 일례의 세기 프로파일 플로트를 도시한다. 일례의 플로트 902에서, 세기 또는 이득 프로파일(904)은 발광층(102)으로부터 처음에 방출된 광의 넓은 범위의 파장을 나타낸다. 세기 프로파일 904는 파장 λ'을 중심으로 하고 있다. 일례의 플로트 906은 SWG(118) 및 DBR(104)에 의해 형성된 공진 캐비티와 애퍼처(124)의 직경에 의해 지원된 세로 공진 캐비티 모드 λ_res를 표시한다. 발광층(102)은 세기 프로파일 904에 의해 표현된 파장의 범위를 이용 가능하게 하며, 그 밖에서는 공진 캐비티 및 애퍼처(124)가 공진 파장 λ_res을 갖는 세로 모드를 선택한다. 일례의 플로트 908은 공진 파장 λ_res을 중심으로 하는 좁은 범위의 파장을 표시하는 세기 피크(910)를 보여준다. 이 좁은 범위 내의 광은 공진 캐비티 내에서 증폭되고, 궁극적으로는 SWG(118)을 통해 VCSEL(100)로부터 방출된다.

VCSEL(100)의 높이 및 캐비티 길이는 2개의 DBR을 갖는 종래의 VCSEL의 높이 및 캐비티 길이보다 현저하게 짧다는 것에 유의하기 바란다. 예컨대, 전형적인 VCSEL은 2개의 DBR을 가지며, 각각의 DBR이 약 15개 내지 약 40개 DBR 쌍을 가지며, 이것은 약 5 ㎛ 내지 약 6 ㎛의 두께를 갖는 각각의 DBR에 대응한다. 반대로, SWG는 약 0.2 ㎛ 내지 약 0.3 ㎛ 범위의 두께를 가지며, 동등하거나 또는 더 높은 반사율을 갖는다.

다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 애퍼처층(108)은 전하 캐리어 수송층(110)과 발광층(102) 사이에 위치된다. 그러나, 본 발명의 VCSEL 실시예는 이러한 것으로 한정되지 않는다. 애퍼처층(108)은 발광층(102)과 DBR(104) 사이에 위치될 수 있다. 도 10a는 애퍼처층(108)이 발광층(102)과 DBR(104) 사이에 위치된다는 것을 제외하고는 VCSEL(100)과 유사한 일례의 VCSEL(1000)의 횡단면도이다. 다른 실시예에서, VCSEL은 2개 또는 그보다 많은 애퍼처층을 가질 수 있다. 예컨대, VCSEL은 VCSEL(100)과의 경우에서처럼 전하 캐리어 수송층과 발광층 사이에 위치된 제1 애퍼처층을 가질 수 있으며, VCSEL은 VCSEL(1000)의 경우에서처럼 발광층과 DBR 사이에 위치된 제2 애퍼처층을 가질 수 있다. 이와 달리, VCSEL은 전하 캐리어 수송층과 발광층 사이에 2개 이상의 애퍼처층을 갖거나, 또는 발광층과 DBR 사이에 2개 이상의 애퍼처층을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, DBR(104)은 제2 SWG 및 전하 캐리어 수송층에 의해 대체될 수 있다. 도 10b는 VCSEL(100)의 DBR(104)이 제2 전하 캐리어 수송층(1022) 및 격자층(1024)에 의해 대체되어 있다는 것을 제외하고는 VCSEL(100)과 동일한 p-타입 컨택(114), 격자층(112), 전하 캐리어 수송층(110), 애퍼처층(108), 발광층(102), 및 n-타입 컨택(106)을 갖는 일례의 VCSEL(1020)의 횡단면도이다. 전하 캐리어 수송층(1004)은 갭(1026)을 포함할 수 있고, 격자층(1024)은 격자층(112)의 SWG(118)와 실질적으로 동일한 격자 패턴을 갖는 SWG(1028)를 포함한다.

VCSEL 어레이

도 11a는 일례의 VCSEL 어레이(1100)의 등각 투상도이다. VCSEL 어레이(1100)는 4개의 분리된 VCSEL(1101∼1104)를 포함한다. 각각의 VCSEL은 전술한 바와 같이 구성되지만, 4개의 VCSEL(1101∼1104)은 DBR(1105) 및 n-타입 컨택(1106)을 공유한다. 도 11b는 도 11a의 라인 Ⅲ-Ⅲ을 따라 절취한 VCSEL 어레이(1100)의 VCSEL(1102, 1104)의 횡단면도이다. 도 11b는 VCSEL 어레이(1100)의 각각의 VCSEL이 전술한 VCSEL(100)과 유사하다는 것을 보여준다. 예컨대, VCSEL(1102)는 격자층(1109) 상에 위치된 링 형상의 컨택(1108)을 포함하고, 격자층(1109)이 전하 캐리어 수송층(1110) 상에 위치된다. VCSEL(100)의 전하 캐리어 수송층(108)과 유사하게, 전하 캐리어 수송층(1110)은, 갭(1111)을 형성하는 디스크 형상의 리세스 영역과, 애퍼처층(1113)의 애퍼처에 스페이서 영역을 형성하는 디스크 형상의 돌출부(1112)를 포함한다. 애퍼처층(1113)은 DBR(1105)의 일부분 상에 위치되는 발광층(1114) 상에 위치된다.

각각의 VCSEL의 격자층은 도 4를 참조하여 전술한 바와 같이 높은 반사율로 특정 파장을 반사하기 위해 SWG를 포함한다. 예컨대, 다시 도 11a를 참조하면, VCSEL(1101∼1104)은 각각 상이한 파장 λ₁, λ₂, λ₃ 및 λ₄을 반사하기 위해 SWG(1121∼1124)를 갖는 격자층을 포함한다. SWG(1121∼1124)은 DBR(1105)을 갖는 4개의 별도의 캐비티를 형성한다. 예컨대, 도 2b에 도시된 바와 같이, SWG(1122) 및 DBR(1105)는 VCSEL(1102)의 공진 캐비티를 형성하고, SWG(1124) 및 DBR(1105)은 VCSEL(1104)의 별도의 공진 캐비티를 형성한다. 각각의 VCSEL(1101∼1104)은 각각 공진 파장 λ₁, λ₂, λ₃ 및 λ₄을 갖는 광을 방출하기 위해 전술한 VCSEL(100)과 동일한 방식으로 작동된다.

VCSEL(1101∼1104)의 발광층은 동일한 범위의 파장에 걸쳐 광을 방출하기 위해 동일한 재료로 구성될 수 있지만, VCSEL(1101∼1104)의 각각의 SWG는 발광층으로부터 방출된 광의 상이한 세로 모드를 선택한다. 도 12는 VCSEL(1101∼1104)의 발광층으로부터 방출된 광의 세기 또는 이득 프로파일(1204)의 일례의 플로트(1202)를 도시한다. 도 12는 각각의 공진 캐비티 모드가 VCSEL 어레이(1100)의 상이한 VCSEL에 연관되는 4개의 상이한 공진 캐비티 모드의 일례의 플로트(1206)를 포함한다. 예컨대, 플로트(1206)에서의 피크는 각각 4개의 VCSEL(1101∼1104)에 연관된 단일 세로 캐비티 모드 λ₁, λ₂, λ₃ 및 λ₄를 표시한다. 각각의 VCSEL의 공진 캐비티는 플로트 1206에서 표시된 대응하는 세로 모드를 선택한다. 각각의 세로 모드는 연관된 VCSEL의 캐비티 내에서 증폭되며, VCSEL(100)에 대해 위에서 설명한 바와 같이 방출된다. 예컨대, 플로트 1208은 VCSEL 어레이(1100)의 4개의 VCSEL로부터 방출된 공진 파장의 세기 프로파일을 보여준다. 플로트 1208에 나타낸 바와 같이, 각각의 세로 모드는 실질적으로 동일한 세기로 방출될 수 있다.

VCSEL 어레이에서의 VCSEL의 구성 및 개수는 분리된 광빔의 요구된 개수 및 광빔의 구성에 좌우되어 변경될 수 있으며, 도 11에 도시된 4개의 VCSEL의 구성으로 한정되지 않는다. VCSEL 어레이를 각각의 VCSEL이 상이한 파장을 방출하는 것으로서 설명하였지만, 본 발명의 실시예는 이러한 것으로 한정되지 않는다는 것에 유의하기 바란다. 다른 실시예에서, VCSEL 어레이의 VCSEL의 전부를 포함하는 VCSEL의 어떠한 조합도 동일한 파장을 방출할 수 있다. 또한, SWG(1121∼1124)는 VCSEL(1101∼1104)이 광의 편광된 빔 및/또는 편광되지 않은 빔의 조합을 방출할 수 있도록 1차원 격자 및 2차원 격자의 어떠한 조합으로도 이루어질 수 있다.

설명을 목적으로 하는 전술한 기술 내용은 본 발명의 개시 내용의 완전한 이해를 제공하기 위해 구체적인 명명법을 이용하였다. 그러나, 당업자에게는 본 명세서에 설명된 시스템 및 방법을 실시하기 위해 구체적인 세부 구성이 요구되지 않는다는 것이 명백할 것이다. 구체적인 예에 대한 전술한 기술 내용은 예시 및 설명을 목적으로 제공된 것이다. 이러한 예시 및 설명은 본 발명의 모두를 나타내는 것도 아니고 본 발명을 설명된 특정한 형태로 한정하기 위한 것도 아니다. 상기한 교시 내용에 비추어 다수의 수정 및 변형이 가능하다는 것은 자명하다. 이러한 예는 본 발명의 원리 및 실시 가능한 응용예를 최상으로 설명하여, 당업자로 하여금 고려된 특정한 용도에 맞는 다양한 변형예와 함께 본 발명 및 각종 예를 최상으로 활용할 수 있도록 하기 위해 도시되고 설명된 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 이하의 청구범위 및 그 등가 구성에 의해 정해져야 한다.

Claims

표면 발광 레이저에 있어서,
발광층으로부터 방출될 광의 파장에 대한 반사층을 갖는 공진 캐비티를 형성하기 위해 서브 파장 격자(sub-wavelength grating)를 갖는 격자층;
상기 공진 캐비티 내에 위치되고, 애퍼처를 갖는 애퍼처층; 및
상기 격자층과 상기 발광층 사이에 위치된 전하 캐리어 수송층
을 포함하며, 상기 전하 캐리어 수송층은, 상기 서브 파장 격자에 인접한 갭과, 상기 갭과 상기 발광층 사이의 스페이서 영역을 가지며, 상기 스페이서 영역 및 상기 갭은 상기 파장에 대해 실질적으로 투과성을 나타내도록 치수가 정해지며, 상기 애퍼처층은 전하 캐리어를 상기 애퍼처에 인접한 상기 발광층의 영역에 진입하도록 지향시키며, 상기 애퍼처는 상기 발광층으로부터 방출될 광학 모드를 제한(confine)하는,
표면 발광 레이저.
제1항에 있어서,
상기 애퍼처층은 상기 전하 캐리어 수송층의 일부분이 상기 애퍼처를 통해 상기 발광층과 접촉하게 되도록 상기 전하 캐리어 수송층과 상기 발광층 사이에 위치되는, 표면 발광 레이저.
제1항에 있어서,
상기 애퍼처층은 상기 반사층의 일부분이 상기 애퍼처를 통해 상기 발광층과 접촉하게 되도록 상기 발광층과 상기 반사층 사이에 위치되는, 표면 발광 레이저.
제1항에 있어서,
상기 반사층은 분산 브래그 반사기(distributed Bragg reflector. DBR)인, 표면 발광 레이저.
제1항에 있어서,
상기 격자층 상에 위치된 링 형상의 제1 컨택과, 상기 반사층 상에 위치된 제2 컨택을 더 포함하며, 상기 링 형상의 제1 컨택은 상기 서브 파장 격자를 노출시키는 개구부를 포함하며, 상기 링 형상의 제1 컨택은 p-타입(n-타입) 재료로 구성되고, 상기 제2 컨택은 n-타입(p-타입) 재료로 구성되는, 표면 발광 레이저.
제1항에 있어서,
상기 전하 캐리어 수송층은 상기 서브 파장 격자에 인접한 갭을 형성하는 리세스 영역을 포함하는, 표면 발광 레이저.
레이저 어레이에 있어서,
반사층; 및
다수의 표면 발광 레이저
를 포함하며, 각각의 상기 표면 발광 레이저가,
발광층;
상기 발광층으로부터 방출될 광의 파장에 대한 반사층을 갖는 공진 캐비티를 형성하기 위해 서브 파장 격자를 갖는 격자층;
상기 공진 캐비티 내에 위치된 애퍼처를 갖는 애퍼처층; 및
상기 격자층과 상기 발광층 사이에 위치된 전하 캐리어 수송층을 포함하며,
상기 애퍼처층 및 상기 전하 캐리어 수송층이 청구항 1에서와 같이 구성되는,
레이저 어레이.
표면 발광 레이저에 있어서,
공진 캐비티 내에 위치된 발광층으로부터 방출될 광의 파장과의 공진을 갖기 위한 공진 캐비티;
상기 공진 캐비티 내에 위치되고, 상기 발광층과 접촉하게 되는 전하 캐리어 수송층; 및
상기 발광층에 인접하여 위치되고, 애퍼처를 포함하는 애퍼처층
을 포함하며, 상기 전하 캐리어 수송층은, 상기 공진 캐비티의 제1 반사층에 인접한 갭과, 상기 갭과 상기 발광층 사이의 스페이서 영역을 가지며, 상기 스페이서 영역 및 상기 갭은 상기 파장에 대해 실질적으로 투과성을 나타내도록 치수가 정해지며, 상기 애퍼처층은 전하 캐리어를 상기 애퍼처에 인접한 상기 발광층의 영역에 진입하도록 지향시키며, 상기 애퍼처는 상기 발광층으로부터 방출될 광학 모드를 제한하는,
표면 발광 레이저.
제8항에 있어서,
상기 애퍼처층은 상기 전하 캐리어 수송층의 일부분이 상기 애퍼처를 통해 상기 발광층과 접촉하게 되도록 상기 전하 캐리어 수송층과 상기 발광층 사이에 위치되는, 표면 발광 레이저.
제8항에 있어서,
상기 애퍼처층은 상기 반사층의 일부분이 상기 애퍼처를 통해 상기 발광층과 접촉하게 되도록 상기 발광층과 상기 공진 캐비티의 반사층 사이에 위치되는, 표면 발광 레이저.
제8항에 있어서,
상기 제1 반사층은 상기 갭에 인접한 서브 파장 격자를 갖는 격자층인, 표면 발광 레이저.
제8항에 있어서,
상기 공진 캐비티는 제2 반사층으로서의 분산 브래그 반사기를 포함하는, 표면 발광 레이저.
제8항에 있어서,
격자층 상에 위치된 링 형상의 제1 컨택과, 상기 반사층 상에 위치된 제2 컨택을 더 포함하며, 상기 링 형상의 제1 컨택은 서브 파장 격자를 노출시키는 개구부를 포함하며, 상기 링 형상의 제1 컨택은 p-타입(n-타입) 재료로 구성되고, 상기 제2 컨택은 n-타입(p-타입) 재료로 구성되는, 표면 발광 레이저.
제8항에 있어서,
상기 전하 캐리어 수송층은 서브 파장 격자에 인접한 갭을 형성하는 리세스 영역을 포함하는, 표면 발광 레이저.
레이저 어레이에 있어서,
반사층; 및
다수의 표면 발광 레이저
를 포함하며, 각각의 상기 표면 발광 레이저가,
공진 캐비티 내에 위치된 발광층으로부터 방출될 광의 파장과의 공진을 갖기 위한 공진 캐비티;
상기 공진 캐비티 내에 위치되고, 상기 발광층과 접촉하게 되는 전하 캐리어 수송층; 및
상기 발광층에 인접하여 위치되고, 애퍼처를 포함하는 애퍼처층
을 포함하며, 상기 애퍼처층 및 상기 전하 캐리어 수송층이 청구항 1에서와 같이 구성되는,
레이저 어레이.