KR20170003560A - Vcsel 구조 - Google Patents

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일-성 청
알리레자 탁히자데
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덴마크스 텍니스케 유니버시테트
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Abstract

본 발명은 신규 격자 반사기에 기초한 VCSEL 구조에 관한 것이다. 격자 반사기는 격자 구조를 가진 인접한 코어 격자 영역을 가진 격자 층을 포함하며, 여기에서 격자 구조의 고-지수 섹션들의 굴절률은 적어도 2.5이며, 상기 격자 구조의 저-지수 섹션들의 굴절률은 2 미만이다. 상기 코어 격자 영역은 격자 층에 수직하는 방향으로 투사를 정의한다. 상기 격자 반사기는 격자 층에 인접한 캡 층을 추가로 포함하고, 캡 층으로의 코어 격자 영역의 투사 내에서 캡 층의 굴절률은 적어도 2.5이며, 코어 격자 영역의 투사 내에서, 상기 캡 층은 제 1 고체 유전체 저-지수 층에 의해 인접하게 되며, 상기 제 1 저-지수 층 또는 공기의 굴절률은 2 미만이며; 상기 코어 격자 영역의 투사 내에서, 상기 격자 층은 또한 제 2 저-지수 층에 의해 및/또는 공기에 의해 인접하게 되며, 상기 제 2 저-지수 층 또는 공기의 굴절률은 2 미만이다. VCSEL 구조는 뿐만 아니라 공동 및 증폭을 제공하기 위해 제 1 반사기 및 활성 영역을 포함한다.

Description

ＶＣＳＥＬ 구조{VCSEL STRUCTURE}
본 발명은 격자 반사기 및 상기 격자 반사기의 실시예들을 이용한 VCSEL 구조들에 관한 것이다.
파장-이하 고-지수-대비 격자들(high-index-contrast gratins; HCG들)은 광대역 고 반사 스펙트럼 및 초-고 Q 공진 효과와 같은 특별한 속성들로 인해 많은 관심을 받아왔다. 반사기로서, 그것은 종래의 분포 브래그 반사기(DBR)보다 대략 50배 더 얇을 수 있지만, 레이저들, 광검출기들, 필터들, 스플리터들, 결합기들 등을 포함한, 넓은 애플리케이션 범위에서 그것을 유용하게 하는 속성들인, 훨씬 상당히 더 넓은 스펙트럼 폭에 걸친 높은 반사율을 여전히 제공한다. 그것들은 종래의 DBR들 대신에 수직 공동 표면 방출 레이저들(vertical cavity surface emitting lasers; VCSEL들) 및 공진-공동-강화 광검출기들(RCEPD들)에 구현되어 왔다. 또한 강력한 단일-가로(transverse)-모드 동작, 넓은 파장 동조 가능성, 및 평면-내 실리콘 포토닉스 칩으로의 광 방출과 같은, VCSEL 구조들에서 HCG들의 여러 개의 고유 특성들이 도시되었다.
높은 Q 공진기로서 HCG를 사용하여, 초-고 품질 인자 레이저 발생 디바이스를 가진 매우 소형(작은 형식적 부피)이 보여지고 있다. 그것들이 심한 수학적 형식주의를 요구할지라도, RCWA로서 알려진 완전히 엄격한 전자기 솔루션들이 격자들을 위해 존재한다. 상이한 그룹들이 HCG들의 속성들 뒤에서 물리학을 조사하였다. HCG 미러들에 대한 문헌 모두에서, 격자는 저 지수 재료들에 의해 둘러싸여진다. 디바이스 기판이 고-지수 재료일지라도, 저-지수 재료를 가진 층이 HCG 속성들을 획득하기 위해 요구된다고 말하여진다.
미국 특허 제7,304,781 B2호는 HCG 미러들을 설명한 특허 종래 기술의 예이다. 다시, 고-지수 영역들은 비교적 낮은 굴절률을 가진 재료에 의해 둘러싸여진다.
국제 특허 출원 공보 WO 2013/110004A1은 "0-갭" HCG를 개시한다. 상기 0-갭 HCG는 단지 3개의 기하학 파라미터들, 즉 격자 기간, 격자 두께, 및 격자 듀티 사이클에 의해서만 정의된다. 입사 매질은 고 굴절률 재료(114)이다. 이러한 0-갭 HCG는 도 8에 따라 99.5%보다 높은 반사율을 제공하지 않으며, 반사율이 충분히 높은 대역폭은 0-갭 HCG들의 내재된 속성들로 인해 비교적 좁다.
WO 2013/110004A1에서의 구조들은 그러므로 몇몇 바람직하지 않은 속성들을 가진다.
본 발명은 이들 바람직하지 않은 속성들의 일부를 처리하며 더 많은 설계 유연성을 허용하는 대안적인 VCSEL 구조를 제공한다.
문헌에서 HCG들이 저-지수 재료에 의해 둘러싸인 고-지수 재료를 가진 격자 섹션들로 이루어진다는 사실에도 불구하고, 본 발명의 발명자들은 격자 구조에 인접해 있는, 고-지수 재료, "캡 층"을 갖고서도 유사한 속성들이 획득될 수 있다는 것을 인식하여 왔다. 결과적인 구조는 격자 반사기로서 불릴 것이다. 고-지수 재료의 비교적 두꺼운 층(격자의 두께의 몇 배)을 갖고서도, 이러한 구조는 특별하며 유리한 속성들을 가질 수 있다. 격자 반사기의 작동 메커니즘은 종래의 HCG 미러보다 더 복잡하며, 보다 중요하게는 더 유연할 수 있다. 실질적인 목적들을 위해, 캡 층은 1.5 마이크론 파장에서 300 nm 내지 1 마이크론 사이에서의 어딘가에 있지만, 그것은 또한 더 얇거나 또는 더 두꺼울 수 있다.
캡 층의 부가는 종래의 HCG들에 비해 몇몇 이점들을 제공한다. 그것은 반사 속성들 중 일부를 개선할 수 있으며, 예로서 대역폭을 넓힌다. 특히 활성 재료를 가진 디바이스들에 대해, 제작 관점으로부터, 그것은 격자 반사기 안에 활성 재료를 통합하는 가능성으로 인해 제작 프로세스를 용이하게 할 수 있다. 더욱이, 본 발명은 RCEPD들에서의 보다 작은 유효 공동 길이로 인해, 동조 레이트와 같은, 디바이스 성능을 개선할 수 있다.
본 발명에서 사용될 수 있는 재료들의 대부분은 재료에서 이동하는 광의 위상 속도가 광의 파장에 따라 달라지는 현상인, 색 분산을 가진다. 본 명세서에서, 특히 청구항들에서, 재료의 "굴절률(refractive index)" 또는 "굴절 지수(index of refraction)"는, 달리 특정되지 않는다면, 일반적으로 1.5 um의 자유-공간 파장에서 상기 재료에 대한 굴절률의 수용된 값들을 나타낸다. 표 1은 본 발명의 맥락에서 적용 가능한 흔한 고-지수 재료들에 대한 값들을 도시한다. 고 주파수들에서, 이들 재료들에 대한 굴절률들은 감소하는 파장을 갖고 빠르게 변하며, 통상적으로 처음에는 증가하며, 그 후 2.5보다 작은 값들로 감소한다. 표 1은 또한 이를 예시하기 위해 250 nm의 자유-공간 파장에서 굴절률들을 도시한다.
여기에서 사용된 굴절률의 이러한 정의는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 정의는 본 발명의 양상들의 실시예들에서 유리한 다수의 재료들이 다양한 파장들에서 특정한 간격 내에서의 굴절률들을 갖기 때문에 사용된다. 참조로서 특정한 파장에서 굴절률을 사용하여, 이들 엔티티들이 청구항 발명에 관련되는 것이므로 굴절률 또는 굴절 지수에 대한 개념은 분명하다.
표 1: 고-지수 재료들의 굴절률
Figure pct00001
표 2: 저-지수 재료들의 굴절률
Figure pct00002
참조 문헌들:
[1] Handbook of Optics, 3rd edition, Vol.4. McGraw-Hill 2009
[2] D.E. Aspnes and A. A. Studna. Dielectric functions and optical parameters of Si, Ge, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, and InSb from 1.5 to 6.0 eV, Phys. Rev. B 27, 985-1009 (1983)
[3] http://www.filmetrics.com/refractive-index-database/Si3N4/Silicon-Nitride-SiN
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[5] Gorachand Ghosh. Dispersion-equation coefficients for the refractive index and birefingence of calcite and quartz crystals Opt. Commun. 163, 95-102 (1999)
[6] SOPRA N&K Database
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본 발명의 제 1 양상은 새로운 유형의 VCSEL을 제공한다. 이러한 VCSEL은 다음을 포함한다:
본 발명의 제 1 양상은 새로운 유형의 격자 반사기를 제공한다. 상기 격자 반사기는:
- 제 1 반사기,
- 격자 반사기로서, 상기 격자 반사기는 상기 제 1 반사기를 갖고 광학 공동(optical cavity)을 형성하는, 상기 격자 반사기, 및
- 광자들을 발생시키거나 또는 흡수하기 위해 상기 격자 반사기의 캡 층에 위치된 제 1 활성 영역을 포함한다.
상기 캡 층은 상기 격자 반사기의 중요한 부분이다. 일반적으로, 상기 격자 반사기는:
- 제 1 측면을 가지며 상기 제 1 측면의 반대편에 제 2 측면을 갖고 격자 구조를 가진 인접한 코어 격자 영역을 포함한 격자 층으로서, 상기 격자 구조의 고-지수 섹션들의 굴절률은 적어도 2.5이며, 상기 격자 구조의 저-지수 섹션들의 굴절률은 2 미만이고, 상기 코어 격자 영역은 상기 격자 층에 수직하는 방향으로 투사를 정의하는, 상기 격자 층,
- 제 1 측면을 가지며 상기 제 1 측면의 반대편에 있는 제 2 측면을 갖는 캡 층으로서, 상기 캡 층의 상기 제 1 측면은 상기 격자 층의 상기 제 2 측면에 인접해 있으며, 상기 캡 층으로의 상기 코어 격자 영역의 상기 투사 내에서 상기 캡 층의 굴절률은 적어도 2,5인, 상기 캡 층을 포함하며,
- 상기 코어 격자 영역의 상기 투사 내에서, 상기 캡 층의 제 2 측면은 제 1 고체 유전체 저-지수(low-index) 층에 의해 인접하게 되고, 상기 제 1 저-지수 층의 굴절률은 2 미만이며,
- 상기 코어 격자 영역의 투사 내에서, 상기 격자 층의 상기 제 1 측면은 제 2 유전체 저-지수 층에 의해 및/또는 공기에 의해 인접하게 되고, 상기 제 2 저-지수 층 또는 공기의 굴절률은 2 미만이다.
층의 "측면"은 또 다른 층의 또 다른 평면-내 배향 면을 충족시키거나, 또는 격자를 충족시키는 층, 또는 공기의 평면-내 배향 면을 나타낸다. 도면들로부터, 본 발명에서 참조된 바와 같이 "격자 층"에서, 고-지수 섹션들 및 저-지수 섹션들은 평면-내 방향으로 교번한다는 것이 명백하다.
예로서, WO 2013/110004 A1에 비교하여, 제 1 반사기 및 격자 반사기는 D1에서 공동(60)보다 상당히 더 짧을 수 있는 광학 공동을 형성한다.
격자의 보다 강력한 효과를 획득하기 위해, 코어 격자 영역 내에서 격자 층은 적어도 3개의 고-지수 섹션들을 포함하는 것이 유리할 수 있다.
상기 격자 영역의 고-지수 영역들은 예를 들면 Si로 구성되거나 또는 InP-기반 또는 GaAs-기반일 수 있다.
제 2 저-지수 층은 예를 들면 SiNx, SiO2, 또는 AlOx, 또는 제 2 저-지수 층에 대한 조건들을 이행하는 등가 재료를 포함하거나 또는 그것으로 이루어질 수 있다.
상기 캡 층은 제 1 활성 영역을 포함하며 광자들을 발생시키거나 또는 상기 제 1 활성 영역의 흡수를 변경하기 위해 전압이 상기 제 1 활성 영역에 걸쳐 인가되도록 허용하기 위해 배치된 적어도 두 개의 접촉들을 포함할 수 있다.
상기 캡 층은 그 사이에 개재된 상기 제 1 활성 영역을 갖고, 제 1 클래딩 층 및 제 2 클래딩 층을 포함할 수 있다.
특정한 바람직한 실시예들에서, 상기 캡 층의 두께는 최대 3 마이크론들, 예를 들어 최대 1.5 마이크론들, 예를 들어 최대 0.6 마이크론들이다. 바람직하게는, 캡 층의 두께는 간격 300 nm 내지 1.5 마이크론들에 있다.
몇몇 실시예들에서, VCSEL 구조는 제 1 저-지수 층이 상기 제 1 활성 영역 및 제 2 활성 영역 사이에 위치되도록 배열된 상기 제 2 활성 영역을 추가로 포함한다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제 1 반사기는 분포 브래그 반사기이다. 대안적으로, 그것은 적어도 99%와 같은, 적어도 99.5%와 같은, 적어도 99.8%, 또는 훨씬 더 높은과 같은, 높은 반사율을 갖도록 설계된 격자 반사기이다. 대안적으로, 그것은 고-대비 격자(HCG), 금속 반사기, 또는 상기 언급된 높은 반사율을 가진 임의의 다른 반사기일 수 있다.
적어도 두 개의 제 2 활성 영역 접촉들을 부가함으로써, 제 2 활성 영역에 걸친 순-바이어스 전압 또는 역-바이어스 전압의 인가가 가능하게 된다. 그 후, 광학 공동로부터의 광학 출력은 충분한 및 시변(time-varying) 역 또는 순 바이어스 전압이 상기 제 2 활성 영역에 걸쳐 인가될 때 변조될 수 있다. 바람직하게는, 상기 제 1 활성 영역 접촉들은 제 1 저-지수 층의 일 측면 상에 위치되며, 상기 제 2 활성 영역 접촉들은 상기 제 1 활성 영역 접촉들의 측면의 반대편에 있는 제 1 저-지수 층의 측면 상에 위치된다. 접촉들은 통상적으로 제 1 저-지수 층과 직접 접촉하지 않으며, 이것은 도면들에서 명확하게 도시할 것이다. 제 1 저-지수 층은 통상적으로 부-전도이거나 또는 적어도 높은 저항을 가지며, 그에 의해 제 1 활성 영역에 걸친 전압의 인가는 제 2 활성 영역에 걸친 전압의 인가에 의해 영향을 받지 않는다.
몇몇 실시예들에서, 상기 VCSEL 구조는 격자 층에서 출력 도파관을 포함하며, 상기 출력 도파관은 상기 격자 층으로의 상기 광학 공동의 제 1 에지의 투사로부터 시작하며 그것을 넘어 연장되는 외부 도파관을 포함한다. 이러한 출력 도파관은 수직 방향(제 1 반사기를 통해서와 같은)에서보다는 측방향으로 광학 공동으로부터의 광을 결합시키는 것을 가능하게 한다. 바람직하게는, 이것은 적어도 99.8%의 조합된 수직-입사 반사율들을 가진 격자 반사기 및 제 1 반사기와 조합된다. 바람직하게는, 제 1 반사기의 수직-입사 반사율은 격자 반사기의 수직-입사 반사율을 초과한다. 결과는 광학 전력의 대부분이 제 1 반사기에 수직하는 방향으로보다는 출력 도파관을 통해 결합된다는 것이다.
바람직하게는, 외부 도파관은 길이가 적어도 10 마이크론들이다.
몇몇 실시예들에서, VCSEL 구조는 조합된 캡 층 및 격자 층의 수직-입사 반사율이 적어도 99.8%와 같은, 적어도 99%인 코어 섹션을 포함한다.
몇몇 실시예들에서, 코어 섹션은 외부 도파관의 시작으로 연장된다.
몇몇 실시예들에서, VCSEL 구조는 적어도 99.8%와 같은, 적어도 99%의 조합된 캡 층 및 격자 층의 수직-입사 반사율을 야기하는 격자 파라미터들을 가진 코어 섹션을 포함한다. VCSEL 구조는 뿐만 아니라 코어 섹션 및 외부 도파관 사이에서 결합 섹션을 포함하며, 상기 결합 섹션은 코어 섹션의 격자 파라미터들과 상이한 격자 파라미터들을 가진다.
몇몇 실시예들에서, 결합 섹션에서의 격자 층은 코어 섹션 내에서 저-지수 섹션들의 최소 폭의 간격(35 내지 65%)에서의 폭을 갖는 좁은 저-지수 섹션을 포함하며, 상기 좁은 저-지수 섹션은 외부 도파관에 인접해 있다. 몇몇 실시예들에서, 결합 섹션 내에서의 격자 층은 단지 좁은 저-지수 층으로 이루어진다.
몇몇 실시예들에서, 외부 도파관은 결합 섹션에서 넓은 고-지수 섹션과 일체형이며, 상기 넓은 고-지수 영역은 코어 섹션 내에서 고-지수 섹션들의 최고 폭을 초과하는 폭을 가진다.
몇몇 실시예들에서, VCSEL 구조는 뿐만 아니라 코어 섹션의 격자 파라미터들과 상이한 격자 파라미터들을 가진 감금 섹션(confinement section)을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 상기 감금 섹션에서 수직 공진 파장은 코어 섹션에서의 수직 공진 파장과 상이하다. 그 후 코어 섹션에서 수직 공진 파장 모드에 매칭되는 감금 섹션에서의 모드는 없으며 그에 따라 코어 섹션으로부터의 광은 감금 섹션으로 전파될 수 없다.
몇몇 실시예들에서, 감금 섹션에서의 격자 층은 코어 섹션의 수직 공동 공진 파장 주위에서 저지 대역을 갖는 브래그 반사기(Bragg reflector) 또는 등가 구조이다. 몇몇 실시예들에서, 그것은 그 각각이 코어 섹션의 수직 공진 파장의 1/4의 광학 폭을 갖는 고-지수 및 저-지수 섹션들을 교대로 포함한다. 일반적으로, 폭들은 또한 코어 섹션의 수직 공진 파장의 1/4의 +/- 25% 내에 있을 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 외부 도파관은 외부 도파관의 초반에 제 1 폭에서, 보다 좁은 폭으로 테이퍼링한다.
몇몇 실시예들에서, 제 1 반사기의 수직-입사 반사율은 코어 섹션에서 조합된 캡 층 및 격자 층의 수직-입사 반사율과 같거나 또는 그것을 초과한다. 이것은 광학 공동으로부터의 광학 전력의 외부 도파관으로의 보다 높은 결합을 보장한다.
몇몇 실시예들에서, 상기 VCSEL 구조는:
- 광자들을 발생시키거나 또는 제 1 활성 영역의 흡수를 변경하기 위해 전압이 상기 제 1 활성 영역에 걸쳐 인가되도록 허용하기 위해 배치된 적어도 두 개의 제 1 활성 영역 접촉들을 포함하며,
상기 적어도 두 개의 제 1 활성 영역 접촉들 사이에서의 최단 거리는 외부 도파관의 초반에 상기 외부 도파관의 폭의 적어도 80%이다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제 1 반사기에 수직하는 방향으로 보여질 때, 상기 제 1 활성 영역 접촉들은 코어 섹션에 대해 북쪽 위치 및 남쪽 위치에 위치되며 상기 외부 도파관은 코어 섹션에 대해 동쪽 위치에 위치된다.
본 발명에 따른 캡 층의 부가는 종래의 HCG들에 비해 몇몇 이점들을 제공한다. 그것은 반사 속성들 중 일부를 개선할 수 있으며, 예로서 대역폭을 넓힌다. 특히 활성 재료를 가진 디바이스들에 대해, 제작 관점으로부터, 그것은 격자 반사기 안에 활성 재료를 통합하는 가능성으로 인해 제작 프로세스를 용이하게 할 수 있다. 더욱이, 본 발명은 RCEPD들에서의 보다 작은 유효 공동 길이로 인해, 동조 레이트와 같은, 디바이스 성능을 개선할 수 있다.
도 1a, 도 1b, 도 1c 및 도 1d는 본 발명의 양상에 따른 격자 반사기의 실시예들의 단면도들이다.
도 2a 및 도 2b는 격자 반사기에 대한 대표적인 1-차원 격자 구조들의 상면도들이다.
도 2c는 격자 반사기에 대한 2-차원 격자 구조의 예의 상면도이다.
도 2d는 격자 반사기에 대한 원형 격자 구조의 예의 상면도이다.
도 3a는 종래 기술의 고-지수-대비 격자를 위한 반사 스펙트럼의 예이다.
도 3b는 본 발명의 양상에 따른 격자 반사기의 반사 스펙트럼의 예이다.
도 4a는 반사기로서 또는 통합된 강도 변조기로서 동작 가능할 수 있는 격자 반사기를 가진 VCSEL 구조의 개략적인 예시이다.
도 4b는 도 4a로부터의 VCSEL 구조를 이용하는 VCSEL의 실시예이다. 격자 반사기는 통합된 강도 변조기로서 동작 가능하다.
도 5a는 광을 발생시키는 하이브리드 격자 반사기를 가진 VCSEL 또는 광을 흡수하는 하이브리드 격자 반사기를 가진 공진-공동-강화 광검출기(RCEPD)의 개략적인 예시이다.
도 5b는 도 5a에서 예시된 VCSEL 또는 RCEPD 구조의 실시예이다.
도 5c는 도 5a에 예시된 VCSEL 또는 RCEPD 구조의 실시예이다.
도 6a: 평면-내 도파관으로 광을 방출한 VCSEL 구조의 실시예.
도 6b: 본 발명의 실시예에 따른 VCSEL 구조의 상면도.
도 6c: 평면-내 도파관으로 광을 방출하는 VCSEL 구조의 실시예.
도 6d: 평면-내 도파관으로 광을 방출하는 VCSEL 구조의 실시예.
도 6e: 평면-내 도파관으로 광을 방출하는 VCSEL 구조의 실시예.
도 6f: 평면-내 도파관으로 광을 방출하는 VCSEL 구조의 실시예.
본 발명은 이제 수반되는 도면들을 참조하여 예시될 것이다. 청구항들에서의 참조 부호를 포함한, 본 명세서에서의 참조 부호들은 본 발명의 범위를 제한하는 것으로서 해석되지 않을 것이다. 도면들은 반드시 일정한 비율로 그려지는 것은 아니다.
격자 반사기의 격자 층에서 사용된 1-차원 격자는 예를 들면, SiO2와 같은, 제 2 재료에 의해 또는 공기 또는 다른 기체 물질에 의해 분리되며 균일하게 이격된, 제 1 재료의 평행 바들로 구성될 수 있다. 제 1 재료는 예를 들면 Si 또는 InP 또는 GaAs 또는 다른 고-지수 재료일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 격자는 아포다이즈드(apodized) 또는 처프(chirped) 또는 개주기적 또는 준주기적과 같은 비-주기적이거나 또는 상이한 격자 기간들 및/또는 격자 폭을 가진 여러 개의 섹션들로 이루어진다. 이러한 옵션들은 이 기술분야의 숙련자에 의해 잘 알려져 있으며 본 발명의 실시예들에서 격자들로서 적용 가능하다. 격자의 선택은 원하는 속성들에 의존한다. 도 2a 및 도 2b는 격자들의 예들이다. 도 2a는 주기적 격자를 도시하며 도 2b는 비-주기적 격자를 도시한다.
도 2b는 정사각형 홀들을 가진 2-차원 격자를 도시한다. 상기 홀들은 또한 원형 또는 다른 형태일 수 있으며, 격자 구조는 원형 홀들 또는 재료를 갖고, 삼각형 또는 흑연-형-격자일 수 있으며; 다른 형태들의 홀들이 사용될 수 있다. 1-차원 경우에서 논의된 바와 같이 동일한 고- 및 저-지수 재료들이 적용 가능하다. 격자 구조에 대한 이러한 설계 옵션들은 이 기술분야의 숙련자에 의해 잘 알려져 있다. 도 2c는 원형 설계를 도시하며, 이것은 또한 잘-알려진 격자 패턴이다. 도 2a 내지 도 2c에서의 패턴들은 종종 표면 수직 구성에서, 즉 층들의 평면에서 격자를 갖고 사용되지만, 층 평면에 대하여 비스듬히 격자 층에서의 격자를 정렬시키는 것이 또한 가능하다. 1-차원 경우에서처럼, 격자들은 예를 들면, 변하는 피치, 듀티 사이클 등을 갖고, 비-주기적일 수 있다.
도 1a, 도 1b, 도 1c 및 도 1d는 본 발명에 따른 다양한 격자 반사기들을 예시한다. 하이브리드 격자 반사기(40)는 격자 층(20) 및 "캡 층"(30)으로 이루어진다. 격자 층(20) 및 캡 층(30)은 종종 2 재료 시스템들, 예를 들면, III-V 족 및 IV 족으로부터의 재료로 구성되며, 상기 경우에 격자 반사기는 "하이브리드 격자 반사기"로서 불리울 수 있다. 예를 들면, 격자 층(20)은 Si로 구성되며 InP-기반 재료들로 구성된 캡 층(30)과 조합된다. 본 명세서에서, 용어("격자 반사기")가 일반적으로 사용된다.
도 1a는 격자 반사기의 구성요소들을 예시한다: 캡 층(30), 격자 층(20) 및 인접 층들(10 및 50). 고-지수 섹션들(21)은 예를 들면 1.5-㎛(자유 공간) 파장에서 약 3.48(표 1 참조)의 굴절률을 가진 Si로 구성될 수 있다. 저-지수 섹션들(22)은 공기(또는 다른 가스 또는 가스들의 혼합)일 수 있다. 대안적으로, 애플리케이션에 의존하여, SiNx(실리콘 질화물 화합물), SiO2, 또는 AlOx(알루미늄 산화물 화합물)과 같은 재료들이, 이전에 논의된 바와 같이, 사용될 수 있다. 동일한 재료들이 캡 층, 섹션들(10 및 50) 주위에서 사용될 수 있다. 상기 섹션들(10 및 50)은 공기가 또 다른 대안적인 재료이지만, 고체가 아니기 때문에, 파선 박스들로 표시되며, 이들 섹션들의 정도는 격자 반사기의 주변에 의존한다. 섹션들(10 및 50)은 동일한 재료로 만들어질 필요는 없다. 몇몇 경우들에서, 그것들은, 그러나 상이한 재료들을 사용하여, 훨씬 더 많은 설계 유연성을 제공한다. 캡 층은 통상적으로, III-V-족 기반, 예를 들면, InP-기반이지만, 상기 논의된 바와 같이, 다른 선택들이 이용 가능하다.
본 발명에 따른 캡 층은 단지 제한된 영역에서, 즉 이전에 설명된 코어 격자 영역에 의해 정의된 코어 격자 영역 투사 내에서 고-지수 재료로 이루어질 필요가 있다는 것을 주의하는 것이 중요하다. 도 1d는 도 1c에서의 것과 유사한 구조이지만, 전류 감금을 제공하기 위해 산화물 영역들(60)을 갖고 예시한다. 파선 박스(70)는 도 1d에서의 구조가 캡 층이 또한 저-지수 영역들, 즉 산화물 영역들(60)을 가질지라도 코어 격자 영역을 갖는다는 것을 명확히 예시한다. 다시 말해서, 섹션(70)은 본 발명에 따른 격자 반사기를 구성하는 부분이다. 이 예에서, 격자 반사기는 또한 그것들 아래에 산화물(60)을 가진 격자 섹션들(파선 박스 바깥쪽에 있는)을 갖지만, 전체로서 구조는 코어 격자 영역(70)의 존재로 인해 본 발명에 따른다.
도 1a에서, 캡 층(30)은 단일 재료로 구성된다. 상기 재료는 도핑되거나 또는 도핑되지 않을 수 있다. 상기 캡 층(30)이 수동형이면, 격자 반사기(40)는 단지 반사기로서 동작한다.
많은 실시예들에서, 그러나, 캡 층(30)은 활성이며, 활성 재료 층(32) 및 두 개의 클래딩 층들(31 및 33)과 같은 서브층들을 갖고, 도 1b에 도시된 바와 같이 통상적으로 복합 층일 수 있다. 상기 클래딩 층들은 또한 서브층들을 가진 복합 층들일 수 있다. 활성 재료(32)는 벌크 재료일 수 있거나 또는 하나 이상의 양자 우물들, 하나 이상의 양자점 층들, 하나 이상의 양자선 층들, 하나 이상의 양자 대시 층들, 매립형 헤테로구조(BH) 등, 또는 이러한 재료들 및 재료 구조들의 조합을 포함할 수 있다. 이러한 활성 캡 층은 캡 층 조성, 입사 광의 파장, 전기 접촉들의 사용 등에 의존하여, 광 발생 또는 광 흡수 또는 광 강도 변조를 위해 사용될 수 있다. 접촉들은 도 1a 및 도 1b에서 도시되지 않는다. 이것들은, 층(32)의 활성 동작이 요구된다면, 필요에 따라 공급된다. 접촉들이 도 1c에 예시된다. 역방향 또는 순방향인, 바이어스 방향에 의존하여, 활성 영역은 증가된 흡수를 제공하거나 또는 광자들을 발생시킬 수 있다.
많은 실시예들에서, 격자 층의 고-지수 섹션들(21)은 통상적으로 Si로 구성된, IV-족 기반이다. 동시에, 캡 층은 통상적으로 III-V-족 기반이다. 상기 경우에, 격자 반사기는 이러한 하이브리드화 특징을 표시한, 하이브리드 격자 반사기로서 불리운다.
격자(21) 및 캡 층(30) 양쪽 모두의 굴절률들은 몇몇 실시예들에서 범위가 2.9에서 3.7에 이를 수 있다. 논의된 바와 같이, 주변 미디어(10 및 50) 및 격자 갭들(22)의 굴절률들은 낮으며, 예로서 1.0 및 1.8 또는 2 사이에 있다. 격자 층(20)의 두께는 이에 제한되지 않지만, 격자 섹션들(21)의 굴절률로 나누어진 해당 파장의 약 1 내지 1.2배일 수 있다. 예를 들면, 이것은 해당 파장이 1550 nm일 때 Si 격자에 대해 500 nm일 수 있으며; 여기에서 해당 파장은 격자 반사기(40)가 높은 반사율 값들을 갖는 파장 범위의 중심 파장일 수 있다. 캡 층(30)의 두께는 범위가 캡 층(30)의 굴절률로 나누어진 해당 파장의 0.02에서 2.2배까지에 이를 수 있지만, 이것은 설계의 문제이며 제한으로서 고려되지 않는다. 예를 들면, 이것은 캡 층이 InP로 구성되며 해당 파장이 1550 nm이면 10 nm 내지 1 ㎛일 수 있다. 상기 제공된 굴절률들 및 두께들은 예시적인 값들이며; 다른 값들이 또한 논의된 바와 같이, 설계들에 의존하여 사용될 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 종래의 고-지수-대비 격자는 넓은 파장 범위에 걸쳐 높은 반사율을 제공할 수 있다.
본 발명은 격자 반사기가 종래의 HCG들보다 상당히 더 높은 대역폭을 갖도록 설계될 수 있다는 사실에 부분적으로 기반한다. 격자 반사기의 몇몇 실시예들에서, 수직-입사 반사율은 적어도 99%, 예를 들어 적어도 99.8%이다. 이들 실시예들에서, 격자 반사기는, 종래 기술이 넓은 범위에 걸쳐 높은 반사율을 갖는 것을 가능하게 하는 HCG 및 캡 층의 놀랄만큼 효과적인 조합을 개시하지 않았으므로, 새롭고 창의적이다. 종래 기술에서, 고-지수 층은 넓은 범위에 걸쳐 높은 반사율을 획득하기 위해 설계되지 않는다. 캡 층의 제 2 측면 상에서의 저-지수 층의 존재는 놀랄만한 효과를 제공한다. 바람직하게는, 캡 층의 두께는 최대 3 마이크론들이다. 1.5 마이크론들보다 작은 캡 층을 갖고 약 1550 nm의 넓은 대역폭을 달성하는 것이 가능하다. 이것은 유리하게는 200 nm 및 700 nm 사이에서의 두께를 가진 격자 층과 조합될 수 있다.
도 3b는 본 발명에 따른 격자 반사기에 대한 산출된 반사 스펙트럼 및 투과 스펙트럼을 도시한다. 격자 층(20)은 Si 섹션들(21) 및 공기 섹션들(22)로 만들며, 고-지수 섹션들(21)을 위해 사용된 굴절률은 3.48이고, 저-지수 섹션들(22)을 위해 사용된 굴절률은 1이고, 격자 층의 두께는 497 nm이고, 격자 기간은 735 nm이고, 듀티 사이클은 0.45(즉, Si(고-지수) 섹션(21)은 331 nm 폭이며 공기(저 지수) 섹션(31)은 404 nm 폭이다)이고, 캡 층(30)은 InP이며 310 nm의 두께 및 3.166의 굴절률을 가진다. 상기 산출들은 격자 반사기의 캡 층 측면으로부터 표면-수직 방향으로 공기로부터 입사된 TM 편광된 광에 기초한다.
도 3a 및 도 3b의 스펙트럼들을 비교하면, 본 발명은 종래의 HCG들 뿐만 아니라 0-갭 HCG들을 포함하여, 종래 기술의 고-지수-대비 격자들(HCG들)에 비교하여 더 넓은 파장 범위에 걸쳐 높은 반사율을 제공할 수 있다는 것이 명백하다.
격자 반사기는 상기 설명된 "캡 층"을 포함한다는 것이 주요 양상이다. 하이브리드 반사기는 4개의 기하학적 파라미터들, 즉 격자 기간, 격자 두께, 격자 듀티 사이클, 및 캡 층 두께에 의해 정의된다. 이전 논의된 WO2013/110004 A1에서, 단지 3개의 이용 가능한 파라미터들이 있다. 격자 반사기에서의 캡 층과 유사한 위치에 위치된 WO 2013/110004A1에서의 고-지수 층은 동일한 역할을 수행하지 않는다. 이것에 대한 중요한 이유는 본 발명에서의 입사 매질이 저 굴절률 재료(50)라는 것이다. 종래 기술에서, 공동(60)은 고-지수 재료로 구성되지만, 본 발명에서, 공동은 저-지수 재료로 구성되며, 이것은 기본적으로 상이한 광학 모드들을 이끈다.
통합 변조기로서 동작하는 하이브리드 격자 반사기를 가진 VCSEL
도 4a는 본 발명의 양상에 따른 VCSEL에 대한 층 구조를 도시한다. 그것은 하이브리드 격자 반사기(40) 및 또 다른 반사기(210)를 가진다. 이들 두 개의 반사기들은 광학 공동을 형성한다. 두 개의 활성 영역들이 있다. 제 1 활성 영역(32)은 하이브리드 격자 반사기(40)의 부분이며 클래딩 층들(31 및 33)을 가진다. 제 2 활성 영역(102)은 광학 공동의 부분이며 클래딩 층들(101 및 103)을 가진다. 광학 공동은 또한 하이브리드 격자 반사기의 캡 층에 인접해 있는 저-지수 층(50)을 포함한다. 격자 층(20)은 이 예에서, Si로 구성된 고-지수 섹션들(21)을 가진다(그것이 본 예에서 하이브리드 격자 반사기이므로). 격자의 저-지수 섹션들(22)은, 이 예에서 공기로 구성된다.
활성 영역(102)은 격자 반사기의 층(32)에 관하여 상기 설명된 바와 같이 재료들 및 구성을 갖고 만들어질 수 있으며, 즉: 그것은 벌크 재료이거나 또는 하나 이상의 양자 우물들, 하나 이상의 양자점 층들, 하나 이상의 양자선 층들, 하나 이상의 양자 대시 층들, 매립형 헤테로구조(BH) 등, 또는 이러한 재료들 및 재료 구조들의 조합을 포함할 수 있다. 층(101 및/또는 103)은 광학 감금 구조 및/또는 전기 감금 구조를 포함할 수 있다. 이것은 설계의 문제이며 디바이스 효율 및 광학 및 전기적 속성들에 영향을 미친다. 예시된 설계는 간단하며 효율적이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 VCSEL 구조를 사용한 VCSEL을 예시한다. 격자 반사기는 통합 강도 변조기로서 동작 가능하다.
전기 전류는 광 발생을 위해 클래딩 층들(101 및 103)을 통해 활성 재료(102)에 공급된다. 금속 접촉들(105 및 106)은 전기 전류를 공급하기 위해 사용된다. 산화물 애퍼처 및 터널 접합과 같은 전자 전류의 측방향 감금을 위한 구조들은 클래딩 층들(101 또는 103) 중 어느 하나에, 또는 그것들 양쪽 모두에 포함될 수 있다. 저-지수 층(50)은, 예를 들면, SiO2, 또는 AlO 또는 BCB이다.
반사기(210)는 예를 들면 분포 브래그 반사기, 종래의 고-지수-대비 격자, 또는 또 다른 격자 반사기 또는 하이브리드 격자 반사기, 또는 다른 유형의 적절한 미러일 수 있다.
활성 재료(32)에 역 바이어스 또는 순 바이어스를 공급함으로써, 활성 재료(32)의 반사율 및 흡수 계수는 변경될 수 있다. 금속 접촉들(35 및 36), 또는 금속 접촉들(35 및 105)은 이러한 공급을 위해 사용된다. 도 4b에서, 금속 접촉들(35 및 36)은, 금속 접촉들(105 및 106)이 광 발생을 위해 활성 재료(102)로의 전류의 공급에 전용되는 동안 강도 변조를 위해 활성 재료(32)로의 공급에 전용된다.
하이브리드 격자 반사기로부터의 광 발생을 가진 VCSEL
도 5a는 본 발명의 양상에 따른 VCSEL 구조의 또 다른 실시예를 도시하며, 도 5b 및 도 5c는 적절한 금속 접촉들을 포함하는 실시예들이다.
도 5a는 본 발명의 양상에 따른 VCSEL에 대한 층 구조를 도시한다. 그것은 하이브리드 격자 반사기(40) 및 또 다른 반사기(210)를 가진다. 도 4a에 도시된 VCSEL 구조와 대조적으로, 두 개의 반사기들(40 및 210)에 의해 형성된 광학 공동(50)은 활성 영역(도 4a에서 102)을 포함하지 않는다. 제 1 및 단지 활성 영역(32)은 하이브리드 격자 반사기(40)의 부분으로서 포함된다. 이것은 본질적으로 활성 영역이 그것이 유도된 방출을 강화하기 위해 광학 공동에서 강한 광 강도를 이용하도록 하는 방식으로 위치되는 종래의 VCSEL 구조들과 매우 상이하다. 본 VCSEL 구조에서, 하이브리드 격자 반사기(40)에 포함된 활성 재료(32)는 레이저 발생을 위해 광자들을 발생시킨다. 격자 반사기는 그러므로 반사기 및 광자 발생기 양쪽 모두로서 동작한다.
도 5a에서, 하이브리드 격자 반사기(40)의 캡 층(30)은 활성 재료(32) 및 클래딩 층들(31 및 33)로 이루어진다. 전기 전류는 광 발생을 위해 클래딩 층들(31 및 33)을 통해 활성 재료(32)에 공급될 수 있다. 산화물 애퍼처 및 터널 접합과 같은 전자 전류의 측방향 감금을 위한 구조들은 코어 격자 영역의 투사 밖에 포함될 수 있다. 코어 격자 영역 및 격자 반사기 부분의 캡 층으로의 그것의 투사 내에서, 캡 층의 굴절률들은 본 발명에 따라, 높아야 한다.
도 5b 및 도 5c에서, 금속 접촉들(35 및 36)은 광 발생을 위해 활성 재료(32)로 전류를 공급하기 위해 사용된다.
전류의 측방향 감금을 위해, 산화물 애퍼처 또는 터널 접합과 같은 구조가 예를 들면 클래딩(31 또는 33)에 포함될 수 있다. 대안적으로, 활성 재료(32)는 매립형 헤테로구조 내에 포함될 수 있다.
광이 하이브리드 격자 반사기(40)에 입사될 때, 그것은 격자 층(20) 및 캡 층(30)에서 여러 개의 모드들을 여기시킨다. 이들 여기된 모드들은 하이브리드 격자 반사기 내에서 정상파 강도 패턴을 총괄하여 형성한다. 캡 층(30) 내에서 정상파 패턴의 안티-노드 위치들 중 하나에서의 광 강도는 광학 공동 내에서의 안티-노드 위치들 중 하나에 맞먹거나 또는 그것보다 훨씬 더 높다. 따라서, 종래의 VCSEL 구조들에서처럼 동등하게 효율적인 유도 방출이 획득될 수 있다. 이것은 기본적으로 종래 기술의 원칙들과 상이하다.
종래의 VCSEL 구조들로부터의 분명한 구조적 차이는 광 발생을 위한 활성 재료가 광학 공동 자체에서가 아닌 반사기에 위치된다는 것이다. 그 결과, 광학 공동에 의해 형성된 광학 모드의 부피(V)는 종래의 VCSEL 구조들에서보다 도 5a에서 도시된 VCSEL 구조에서 상당히 더 작다. 이것은 부분적으로 광학 공동에서의 저-지수 층(50)이 매우 얇을 수 있으며, 예를 들면 250 및 600 nm 사이에 있을 수 있기 때문에 발생한다. 이것은 V-1/2에 어느 정보 비례하는 VCSEL의 진성 변조 속도에서 상당한 증가를 이끈다.
또 다른 결과는 등가 직렬 저항(R), 및 커패시턴스(C)가 상당히 더 작아서, RC 시간 고정 제한을 용이하게 하고, 외인성 변조 속도를 어느 정도 (RC)-1/2로서 스케일링하는 것이다..
도 5b에서의 구조는 보다 낮은 굴절률 층(10)을 형성하기 위해 희생 에칭을 요구하지 않는다. 층(10)은 보다 낮은 굴절률 재료로 구성되어야 한다.
격자 층(20)에서 격자 패턴을 형성한 후, 캡 층(30)은 격자 층(20)으로 웨이퍼-본딩된다.
저-지수 층(50)은 SiNx, SiO2, 또는 AlOx로 구성될 수 있다. SiNx 및 SiO2는 증착되어야 하며, AlOx는 에피택셜 성장되고 산화될 수 있으며, 공기는 희생 에칭에 의해 형성될 수 있다.
반사기(210)는 증착된 유전체 DBR, 에피택셜 성장된 DBR, 고-지수-대비 격자, 또는 또 다른 격자 반사기 또는 하이브리드 격자 반사기일 수 있다.
도 5c에서의 실시예의 제작은 보다 낮은 굴절률 부분(10)을 형성하기 위해 희생 에칭을 요구한다. 원래, 보다 낮은 굴절률 부분(10)일 영역은 높은 굴절률 재료로 구성될 수 있으며 그 후 상기 영역은 희생 에칭에 의해 제거된다. 격자 층(20)에서 격자 패턴을 형성한 후, 저-지수 부분(10)은 희생 에칭에 의해 형성된다. 그 후, 캡 층(30)은 격자(20)로 웨이어-본딩된다. 결과는 반도체 재료인 공기 섹션(12) 및 요소들(11)이다.
하이브리드 격자 반사기에서 광 흡수를 가진 RCEPD
도 5a 내지 도 5c에서의 구조들은 광 검출을 위해 사용될 수 있다. 역 바이어스는 광 흡수의 결과로서 활성 재료(32)에서 발생된 전자들의 추출을 용이하게 하기 위해 두 개의 클래딩 층들 사이에서 인가된다.
광 흡수의 양은 광-흡수 재료가 광학 공동에서 정상파 패턴의 광 강도 안티-노드들 중 하나에 위치된다면 강화될 수 있다. 도 5a 내지 도 5c에서의 구조들에서, 캡 층(30)에서의 안티노드가 사용될 수 있다. 100%에 가까운 매우 높은 광 흡수 효율 값이 획득될 수 있다. 광 흡수 효율은 입사된, 결합된 광에 대한 흡수된 광의 부분에 대해 계산한다.
평면-내 도파관으로의 측방향 방출
도 6a 내지 도 6f는 측방향으로 광학 전력(611)을 결합하기 위한 출력 도파관을 포함한 VCSEL 구조 실시예들을 예시한다. 수직 방출을 회피하기 위해, 제 1 반사기(210) 및 격자 반사기(40)는 높은 반사율들, 바람직하게는 적어도 99%를 가진다. 적어도 99.8%의 반사율들이 몇몇 경우들에서 유리하다. 이것은 측 방향으로 결합을 증가시킨다.
도 6a는 3개의 별개의 섹션들을 가진 실시예를 예시한다. 섹션(625)은 격자 층에서의 격자가, 특정한 피치들 및 듀티 사이클(들)을 가진, 고-지수 및 저-지수 섹션들의 수를 포함한, 특정한 구성을 갖는 코어 섹션이다. 격자 층은 또한 그것의 두께에 의해 특성화된다. 감금 섹션(626)은 섹션(626)을 통해 광학 전력의 결합을 방지하기 위해 레이저 발생 파장에서 또는 그것에 매우 가까이 평면-내 감금을 제공한다. 섹션(627)은 코어 섹션(625) 밖으로 및 외부 도파관으로 결합 효율을 개선하는 결합 섹션이다. 도 6a에서, 섹션(627)에서의 격자 파라미터들은 코어 섹션(625)에서의 것들과 상이하며, 본 발명자들은 이것이 외부 도파관으로의 광학 전력의 결합 효율을 상당히 개선할 수 있다는 것을 발견하였다.
도 6b는 상면도에서 보여진, 도 6a와 유사한 실시예를 예시한다. 두 개의 접촉들(36 및 36)이 활성 영역(32)에서 광학 증폭을 허용하기 위해 통합된다. 도 6b에서의 실시예에서, 두 개의 접촉들은 외부 도파관의 초반에 적어도 외부 도파관의 폭만큼 분리된다. 이것은 이러한 공동-내 접촉 기법(하나의 금속 접촉이 상부 미러 아래에 형성되며 또 다른 금속 접촉이 하부 미러 위에 형성되고, 두 개의 미러들이 광학 공동을 형성하며; 이러한 기법은 도 6a에 도시되지 않는다)에서 발생할 수 있는 캐리어 집중을 억제하도록 돕는다.
도 6c는 결합 섹션이 좁은 저-지수 섹션인 실시예를 예시한다. 바람직하게는, 이러한 섹션의 폭은 코어 섹션에서 저-지수 섹션들의 폭의 35 및 65% 사이에 있다. 폭들이 코어 섹션 내에서 서로 상이하다면, 좁은 저-지수 섹션의 폭은 코어 섹션에서 가장 가까운 저-지수 섹션의 폭의 35 및 65% 사이에 있다.
도 6d는 외부 도파관이 코어 섹션에서 고-지수 섹션들의 최대 폭을 초과하는 폭을 가진 고-지수 섹션에 인접해 있는 실시예를 예시한다. 이것은 또한 결합 효율을 개선할 수 있다.
도 6e는 도 6c와 유사하다. 그러나, 외부 도파관에 인접해 있는 저-지수 섹션은 코어 섹션에서 가장 가까운 저-지수 섹션의 폭과 동일하거나, 또는 적어도 대체로 동일한 폭을 가진다.
도 6f는 감금 섹션이 그것 위에 층(510 및 210)을 갖지 않는 실시예를 예시한다. 이것은 가로 방향 감금을 제공한다.
몇몇 실시예들에서, 감금 섹션(626)은 코어 섹션(625)과 상이한 격자 파라미터들을 가질 수 있어서, 감금 섹션(626)에서 상이한 공진 파장을 이끈다. 이것은 가로 방향 감금을 제공한다.
몇몇 실시예들에서, 감금 섹션(626)의 격자 층의 격자 파라미터들은 브래그 반사기를 형성하기 위해 선택될 수 있다. 이것은 가로 방향 감금을 제공한다.
몇몇 실시예들에서, 감금 섹션(626)의 캡 층은 브래그 반사기 패턴을 가진다. 이것은 가로 방향 감금을 제공한다.
외부 도파관은 대안적으로 도 2a 또는 도 2b에서의 것과 같은 격자의 경우에서 바들과 평행한 것과 같은, 격자 층에서의 격자 구조에 대해 또 다른 방향으로 연장될 수 있다. 임의의 각도가 가능하다. 도 6a 내지 도 6f에서 예시된 구조들은 감금 섹션(626), 코어 섹션(625), 및 결합 섹션(627)에서의 격자 파라미터들 사이에서의 차이들을 완전히 이용한다.
10, 50: 인접 층 20: 격자 층
30: 캡 층 31, 33: 클래딩 층
32: 활성 재료 층 40: 하이브리드 격자 반사기
50: 저 굴절률 재료 60: 산화물 영역
70: 코어 격자 영역 101, 103: 클래딩 층
102: 활성 영역 105, 106: 금속 접촉
210: 반사기 611: 광학 전력
625: 코어 섹션 626: 감금 섹션
627: 결합 섹션

Claims (25)

  1. VCSEL 구조에 있어서,
    - 제 1 반사기(210),
    - 격자 반사기(40)로서, 상기 격자 반사기는 상기 제 1 반사기를 갖고 광학 공동을 형성하는, 상기 격자 반사기(40)를 포함하며,
    상기 격자 반사기(40)는:
    - 제 1 측면을 가지며 상기 제 1 측면의 반대편에 있는 제 2 측면을 갖고 격자 구조(21, 22)를 가진 인접한 코어 격자 영역(70)을 포함한 격자 층(20)으로서, 상기 격자 구조의 고-지수 섹션들(21)의 굴절률은 적어도 2.5이며, 상기 격자 구조의 저-지수 섹션들(22)의 굴절률은 2 미만이고, 상기 코어 격자 영역은 상기 격자 층에 수직하는 방향으로 투사를 정의하는, 상기 격자 층(20),
    - 제 1 측면을 가지며 상기 제 1 측면의 반대편에 있는 제 2 측면을 갖는 캡 층(30)으로서, 상기 캡 층의 상기 제 1 측면은 상기 격자 층의 상기 제 2 측면에 인접해 있으며, 상기 캡 층으로의 상기 코어 격자 영역의 투사 내에서 상기 캡 층의 굴절률은 적어도 2.5이며; 상기 코어 격자 영역의 상기 투사 내에서, 상기 캡 층의 상기 제 2 측면은 제 1 고체 유전체 저-지수 층(50)에 의해 인접하게 되고, 상기 제 1 저-지수의 굴절률은 2 미만이며; 상기 코어 격자 영역의 상기 투사 내에서, 상기 격자 층의 상기 제 1 측면은 제 2 유전체 저-지수 층(10)에 의해 및/또는 공기에 의해 인접하게 되며, 상기 제 2 저-지수 층 또는 공기의 굴절률은 2 미만인, 상기 캡 층(30)을 포함하며,
    상기 VCSEL 구조는 광자들을 발생시키거나 또는 흡수하기 위해 상기 격자 반사기(40)의 상기 캡 층(30)에 위치된 제 1 활성 영역(32)을 더 포함하는, VCSEL 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어 격자 영역은 적어도 3개의 고-지수 섹션들(21)을 포함하는, VCSEL 구조.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 캡 층의 두께는 300 nm 및 1.5 마이크론들 사이에 있는, VCSEL 구조.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 격자 영역(20)의 상기 고-지수 영역들(21) 중 하나 이상은 Si로 구성되거나 또는 InP-기반 또는 GaAs-기반인, VCSEL 구조.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 저-지수 층은 SiNx, SiO2, 또는 AlOx를 포함하는, VCSEL 구조.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    광자들을 발생시키거나 또는 상기 제 1 활성 영역의 흡수를 변경하기 위해 전압이 상기 제 1 활성 영역에 걸쳐 인가되도록 허용하기 위해 배치된 적어도 두 개의 제 1 활성 영역 접촉들(35, 36)을 더 포함하는, VCSEL 구조.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 활성 영역은 충분한 순-바이어스 전압이 상기 제 1 활성 영역에 걸쳐 인가될 때 제 6 항의 상기 VCSEL 구조를 포함한 VCSEL에서 레이저 발생 상태를 지원하기 위해 광자들을 발생시키는, VCSEL 구조.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 VCSEL 구조는 상기 제 1 저-지수 층이 상기 제 1 활성 영역과 제 2 활성 영역 사이에 위치되도록 배열된 상기 제 2 활성 영역(102)을 더 포함하며, 상기 제 2 활성 영역은 충분하며 시변 역 또는 순 바이어스 전압이 그것에 걸쳐 인가될 때 상기 광학 공동으로부터의 광학 출력을 변조할 수 있는, VCSEL 구조.
  9. 제 8 항에 있어서,
    - 상기 제 2 활성 영역(102)에 걸쳐 순-바이어스 전압 또는 역-바이어스 전압의 인가를 가능하게 하기 위한 적어도 두 개의 제 2 활성 영역 접촉들(105, 106)을 더 포함하는, VCSEL 구조.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 반사기는 분포 브래그 반사기 또는 고-대비 격자 또는 격자 반사기 또는 상기 VCSEL 구조와 호환 가능한 다른 반사기인, VCSEL 구조.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 격자 층에서 출력 도파관을 더 포함하며, 상기 출력 도파관은 상기 격자 층으로 상기 광학 공동의 제 1 에지의 투사로부터 시작하여 그것을 넘어 연장된 외부 도파관(610)을 포함하는, VCSEL 구조.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 외부 도파관은 길이가 적어도 10 마이크론들인, VCSEL 구조.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 조합된 캡 층 및 격자 층의 수직-입사 반사율은 적어도 99.8%와 같은, 적어도 99%인 코어 섹션(625)을 포함하는, VCSEL 구조.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 코어 섹션은 상기 외부 도파관의 처음으로 연장되는, VCSEL 구조.
  15. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    - 상기 조합된 캡 층 및 격자 층의 수직-입사 반사율이 적어도 99.8%와 같은, 적어도 99%임을 초래한 격자 파라미터들을 가진 코어 섹션(625), 및
    - 상기 코어 섹션과 상기 외부 도파관 사이에서의 결합 섹션(627)으로서, 상기 코어 섹션의 격자 파라미터들과 상이한 격자 파라미터들을 갖는, 상기 결합 섹션(627)을 포함하는, VCSEL 구조.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 결합 섹션에서 상기 격자 층은 상기 코어 섹션 내에서 저-지수 섹션들(22)의 최소 폭의 간격(35% 내지 65%)에서의 폭을 갖는 좁은 저-지수 섹션(622)을 포함하며, 상기 좁은 저-지수 섹션은 상기 외부 도파관에 인접해 있는, VCSEL 구조.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 결합 섹션 내에서의 격자 층은 단지 상기 좁은 저-지수 층으로 이루어지는, VCSEL 구조.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 외부 도파관은 상기 결합 섹션에서 넓은 고-지수 섹션과 일체형이며, 상기 넓은 고-지수 영역은 상기 코어 섹션 내에서 고-지수 섹션들(21)의 최고 폭을 초과한 폭을 갖는, VCSEL 구조.
  19. 제 11 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코어 섹션의 격자 파라미터들과 상이한 격자 파라미터들을 가진 감금 섹션(626)을 더 포함하는, VCSEL 구조.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 감금 섹션에서 수직 공진 파장은 상기 코어 섹션에서 수직 공진 파장과 상이한, VCSEL 구조.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 감금 섹션은 상기 코어 섹션의 수직 공동 공진 파장 주위에서 저지 대역을 가진 브래그 반사기 또는 등가 구조이며, 바람직하게는 그것의 각각이 상기 코어 섹션의 상기 수직 공진 파장의 1/4와 같거나 또는 대체로 같은 광학 폭을 갖는 교번하는 고-지수 및 저-지수 섹션들을 포함하는, VCSEL 구조.
  22. 제 11 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외부 도파관은 상기 외부 도파관의 초반에 제 1 폭에서, 보다 좁은 폭으로 테이퍼링하는, VCSEL 구조.
  23. 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 반사기의 수직-입사 반사율은 상기 코어 격자 영역 내에서 상기 조합된 캡 층 및 격자 층의 수직-입사 반사율과 같거나 또는 그것을 초과하는, VCSEL 구조.
  24. 제 11 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 광자들을 발생시키거나 또는 상기 제 1 활성 영역의 흡수를 변경하기 위해 전압이 상기 제 1 활성 영역에 걸쳐 인가되도록 허용하기 위해 배치된 적어도 두 개의 제 1 활성 영역 접촉들을 더 포함하며,
    상기 적어도 두 개의 제 1 활성 영역 접촉들 사이에서의 최단 거리는 상기 외부 도파관의 초반에 상기 외부 도파관의 폭의 적어도 80%인, VCSEL 구조.
  25. 제 11 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 광자들을 발생시키거나 또는 상기 제 1 활성 영역의 흡수를 변경하기 위해 전압이 상기 제 1 활성 영역에 걸쳐 인가되도록 허용하기 위해 배치된 적어도 두 개의 제 1 활성 영역 접촉들을 더 포함하며, 상기 제 1 반사기에 수직하는 방향으로 보여질 때, 상기 제 1 활성 영역 접촉들은 상기 코어 섹션에 대해 북쪽 위치 및 남쪽 위치에 위치되며 상기 외부 도파관은 상기 코어 섹션에 대해 동쪽 위치에 위치되는, VCSEL 구조.
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