KR20200027245A - 나노구조체 리플렉터를 구비하는 수직 공진형 표면 발광 레이저 및 이를 채용한 광학 장치 - Google Patents

나노구조체 리플렉터를 구비하는 수직 공진형 표면 발광 레이저 및 이를 채용한 광학 장치 Download PDF

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한승훈
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Abstract

나노구조체 리플렉터(nanostructure reflector)를 구비하는 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL) 및 이를 채용한 광학 장치에 관해 개시되어 있다. 개시된 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)는 광을 생성하는 이득층, 상기 이득층의 제1면에 배치된 분산 브래그 리플렉터(distributed Bragg reflector) 및 상기 이득층의 제2면에 배치된 나노구조체 리플렉터(nanostructure reflector)를 포함할 수 있다. 상기 나노구조체 리플렉터는 서브파장의 형상 치수를 갖는 복수의 나노구조체를 구비할 수 있다. 상기 복수의 나노구조체는 복수의 비등방성 나노요소를 구비할 수 있고, 상기 복수의 비등방성 나노요소의 분포 및 배열 방향에 의해 상기 나노구조체 리플렉터를 통해 원편광 레이저가 방출될 수 있다.

Description

나노구조체 리플렉터를 구비하는 수직 공진형 표면 발광 레이저 및 이를 채용한 광학 장치{Vertical cavity surface emitting laser including nanostructure reflector and optical apparatus adopting the vertical cavity surface emitting laser}
개시된 실시예들은 나노구조체 리플렉터를 구비하는 수직 공진형 표면 발광 레이저 및 이를 적용한 광학 장치에 관한 것이다.
수직 공진형 표면 발광 레이저(Vertical cavity surface emitting laser; 이하 VCSEL)는 측면 발광 레이저(Edge emitting laser; 이하 EEL)와 비교하여 광 이득 길이(gain length)가 짧아 저전력화가 가능하고 수직 발광으로 인해 이차원 어레이로 제작할 수 있어 고밀도 집적화 및 대량 생산에 유리하다. 기존 EEL은 광 출력이 비대칭적인데 반해, VCSEL은 원형 대칭적인 출력 모드를 제공하므로 효율적으로 광섬유에 연결하여 저잡음으로 안정적인 고속 변조가 가능하다.
VCSEL은 약 98% 이상의 높은 반사율을 갖는 분산 브래그 반사체(distributed Bragg reflector; 이하 DBR)를 레이저 공진기를 구성하기 위해 구비하고 있다. 굴절률이 서로 다른 두 물질의 쌍들로 구성된 DBR은, 높은 반사율을 얻기 위해, 통상 수십 쌍의 적층 구조가 요구된다. 또한, DBR은 두 물질의 경계에서 발생하는 포톤 산란(phonon scattering)에 의해 낮은 열전도도(또는, 높은 열저항)를 갖는다. DBR의 단점들을 보완하면서, 광의 제어 및 발광 특성을 개선할 수 있는 기술 및 방법이 요구된다.
발광 특성 및 광의 제어 특성을 개선할 수 있는 수직 공진형 표면 발광 레이저를 제공한다.
서브파장(subwavelength)의 치수를 갖는 나노구조체 리플렉터(nanostructure reflector)를 구비하는 수직 공진형 표면 발광 레이저를 제공한다.
상기한 수직 공진형 표면 발광 레이저를 적용한 광학 장치를 제공한다.
일 측면(aspect)에 따르면, 광을 생성하는 이득층; 상기 이득층의 제1면에 배치된 분산 브래그 리플렉터(distributed Bragg reflector); 및 상기 이득층의 제2면에 배치되고, 서브파장의 형상 치수를 갖는 복수의 나노구조체를 구비하는 나노구조체 리플렉터(nanostructure reflector);를 포함하고, 상기 복수의 나노구조체는 복수의 비등방성 나노요소(anisotropic nanoelements)를 구비하고, 상기 복수의 비등방성 나노요소의 분포 및 배열 방향에 의해 상기 나노구조체 리플렉터를 통해 원편광 레이저를 방출하도록 구성된, 수직 공진형 표면 발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser)가 제공된다.
상기 복수의 비등방성 나노요소 각각의 배열 방향은 상기 나노구조체 리플렉터의 중앙부에서 가장자리로 가면서 점진적으로 변화될 수 있다.
상기 복수의 비등방성 나노요소의 분포 및 배열 방향에 따라 상기 수직 공진형 표면 발광 레이저는 우선회 원편광 레이저 또는 좌선회 원편광 레이저를 발진하도록 구성될 수 있다.
상기 복수의 비등방성 나노요소는 상기 수직 공진형 표면 발광 레이저의 발진 파장(λ)의 약 1/2 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 복수의 비등방성 나노요소는 상기 수직 공진형 표면 발광 레이저의 발진 파장(λ)의 약 1/2 이하의 배치 간격을 가질 수 있다.
상기 나노구조체 리플렉터가 상기 이득층에 대하여 오목 거울로 작용하도록 상기 복수의 비등방성 나노요소의 크기 분포 및 배열 규칙이 설계될 수 있다.
상기 복수의 비등방성 나노요소의 폭은 상기 나노구조체 리플렉터의 중앙부에서 소정 거리만큼 멀어질수록 증가할 수 있다.
상기 나노구조체 리플렉터는 중앙부에서 멀어지는 방향으로 거리에 따라 복수의 영역으로 분할될 수 있고, 상기 복수의 영역 각각에서 상기 복수의 비등방성 나노요소의 폭은 상기 중앙부에서 멀어질수록 증가할 수 있다.
상기 나노구조체 리플렉터는 중앙부에서 멀어지는 방향으로 거리에 따라 복수의 영역으로 분할될 수 있고, 상기 복수의 영역은 제1 영역 및 제2 영역을 포함할 수 있고, 상기 제1 영역에서 상기 복수의 비등방성 나노요소의 폭의 평균값과 상기 제2 영역에서 상기 복수의 비등방성 나노요소의 폭의 평균값은 서로 다를 수 있다.
상기 나노구조체 리플렉터는 지지층을 더 포함할 수 있고, 상기 지지층은 상기 수직 공진 표면 발광 레이저의 발진 파장(λ)의 약 1/5 이상의 두께를 가질 수 있으며, 상기 지지층 상에 상기 복수의 비등방성 나노요소가 배치될 수 있다.
상기 지지층은 상기 비등방성 나노요소의 굴절률보다 작은 굴절률을 가질 수 있다.
상기 분산 브래그 리플렉터의 반사율은 상기 나노구조체 리플렉터의 반사율보다 높을 수 있다.
상기 이득층은 활성층; 상기 활성층의 제1면에 구비된 제1 클래드층; 및 상기 활성층의 제2면에 구비된 제2 클래드층;을 포함할 수 있다.
상기 활성층, 상기 제1 클래드층 및 상기 제2 클래드층 중 적어도 하나는, 예컨대, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질 또는 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 물질을 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 전술한 수직 공진형 표면 발광 레이저를 하나 또는 복수 개 포함하는 광학 장치가 제공된다.
상기 광학 장치는 제1 수직 공진형 표면 발광 레이저 및 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저를 포함할 수 있다.
상기 제1 수직 공진형 표면 발광 레이저는 제1 배열 규칙을 갖는 복수의 제1 나노구조체를 포함할 수 있고, 제1 원편광 레이저를 발진하도록 구성될 수 있다.
상기 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저는 제2 배열 규칙을 갖는 복수의 제2 나노구조체를 포함할 수 있고, 제2 원편광 레이저 또는 선편광 레이저를 발진하도록 구성될 수 있다.
상기 제1 원편광 레이저 및 제2 원평광 레이저 중 하나는 우선회 원편광 레이저일 수 있고, 다른 하나는 좌선회 원편광 레이저일 수 있다.
상기 광학 장치는 복수의 상기 제1 수직 공진형 표면 발광 레이저 및 복수의 상기 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저의 어레이 구조를 포함할 수 있다.
상기 광학 장치는, 예컨대, 3차원 이미징 장치, 3차원 프로젝터, 3차원 센서 및 깊이 센서(depth sensor) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
발광 특성 및 광의 제어 특성을 개선할 수 있는 수직 공진형 표면 발광 레이저를 구현할 수 있다. 서브파장 치수를 갖는 나노구조체 리플렉터(nanostructure reflector)를 구비하는 수직 공진형 표면 발광 레이저를 구현할 수 있다. 이러한 수직 공진형 표면 발광 레이저는 저전력화, 동작속도 향상, 소형화에 유리하고, 다양한 광학 장치에 용이하게 적용될 수 있다.
상기한 수직 공진형 표면 발광 레이저를 적용하여 우수한 성능을 갖는 광학 장치를 제조할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 나노구조체 리플렉터(nanostructure reflector)를 구비하는 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)를 보여주는 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 나노구조체 리플렉터의 평면적 구조를 보여주는 평면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 나노구조체 리플렉터에 적용될 수 있는 복수의 나노구조체의 일부를 보여주는 평면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 나노구조체 리플렉터에 적용될 수 있는 나노구조체를 보여주는 사시도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 나노구조체 리플렉터에 적용될 수 있는 나노구조체를 보여주는 평면도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 나노구조체 리플렉터에 적용될 수 있는 나노구조체를 보여주는 평면도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)에 적용될 수 있는 나노구조체 리플렉터를 보여주는 단면도이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 것으로, 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)에 적용될 수 있는 나노구조체 리플렉터를 보여주는 단면도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 것으로, 나노구조체 리플렉터가 오목 거울로 작용하는 경우, 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)의 구성요소들의 광학적 배치 관계를 개략적으로 보여주는 개념도이다.
도 10은 일 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)에 채용될 수 있는 나노구조체 리플렉터의 개략적인 구조를 보여주는 단면도이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)에 채용될 수 있는 나노구조체 리플렉터의 개략적인 구조를 보여주는 단면도이다.
도 12는 다른 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)에 채용될 수 있는 나노구조체 리플렉터의 평면 구조를 설명하기 위한 평면도이다.
도 13은 도 12에 도시된 나노구조체 리플렉터의 각 영역에서 나노구조체들의 폭이 어떻게 변화되는지를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 14는 일 실시예에 따른 것으로, 나노구조체 리플렉터의 복수의 영역에서 나노구조체의 폭의 평균값이 어떻게 변화되는지를 보여주는 그래프이다.
도 15는 다른 실시예에 따른 것으로, 나노구조체 리플렉터의 복수의 영역에서 나노구조체의 폭의 평균값이 어떻게 변화되는지를 보여주는 그래프이다.
도 16은 일 실시예에 따른 나노구조체 리플렉터를 구비하는 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)가 가질 수 있는 구체적인 구성을 보여주는 단면도이다.
도 17은 일 실시예에 따른 것으로, 광학 장치에 적용될 수 있는 복수의 수직 공진형 표면 발광 레이저를 보여주는 단면도이다.
도 18은 다른 실시예에 따른 것으로, 광학 장치에 적용될 수 있는 복수의 수직 공진형 표면 발광 레이저를 보여주는 단면도이다.
도 19는 다른 실시예에 따른 것으로, 광학 장치에 적용될 수 있는 복수의 수직 공진형 표면 발광 레이저를 보여주는 단면도이다.
도 20은 일 실시예에 따른 것으로, 레이저 어레이를 포함하는 광원부를 보여주는 평면도이다.
도 21은 다른 실시예에 따른 것으로, 레이저 어레이를 포함하는 광원부를 보여주는 평면도이다.
이하, 실시예들에 따른 나노구조체 리플렉터를 구비하는 수직 공진형 표면 발광 레이저 및 이를 채용한 광학 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 나노구조체 리플렉터(nanostructure reflector)를 구비하는 수직 공진형 표면 발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser)(VCSEL)를 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)(500)는 광을 생성하는 이득층(gain layer)(200), 이득층(200)의 제1면(예컨대, 하면)에 배치된 분산 브래그 리플렉터(distributed Bragg reflector)(DBR)(100) 및 이득층(200)의 제2면(예컨대, 상면)에 배치된 나노구조체 리플렉터(nanostructure reflector)(300)를 포함할 수 있다. 나노구조체 리플렉터(300)는 서브파장(subwavelength)의 형상 치수를 갖는 복수의 나노구조체(N10)를 구비할 수 있다. 복수의 나노구조체(N10)는 복수의 비등방성 나노요소(anisotropic nanoelements)이거나 복수의 비등방성 나노요소를 포함할 수 있다. '비등방성 나노요소'라는 용어는 원이나 정사각형과 같이 사방으로 동일한 방향성(등방성)을 갖는 요소에 대비되는 용어로서 직사각형이나 타원과 같이 방향에 따라 비등방 특성을 갖는 나노구조를 의미한다. 위에서 볼 때, 복수의 나노구조체(N10)는 직사각형이나 타원 또는 그와 유사한 비등방 형상을 가질 수 있다. 이러한 복수의 나노구조체(N10)의 분포 및 배열 방향에 의해, 본 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저(500)는 나노구조체 리플렉터(300)를 통해 원편광 레이저(Lc)를 방출할 수 있다.
이득층(200)은 에너지를 흡수하여 광을 생성하는 층이다. 이득층(200)은, 예컨대, 전류 주입에 의해, 또는, 펌핑(pumping) 광에 의해 광을 생성할 수 있다. 이득층(200)은 반도체 물질을 포함하는 활성층(active layer)을 포함할 수 있다. 상기 활성층은, 예를 들면, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질 또는 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 물질을 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 상기 활성층은 InGaAs, AlGaAs, AlGaN, InGaAsP, InGaP 또는 AlGaInP 등을 포함하는 다중양자우물(multi-quantum well)(MQW) 구조를 포함할 수 있다. 또한, 상기 활성층은 양자점(quantum dot)을 포함할 수도 있다. 활성층의 물질이나 구성은 예시된 바에 한정되지 않고 달라질 수 있다.
이득층(200)의 제1면(하면) 및 제2면(상면)에 각각 배치된 분산 브래그 리플렉터(100) 및 나노구조체 리플렉터(300)는 이득층(200)에서 생성된 광을 공진시켜 특정 파장 대역의 광을 증폭시켜 출사하도록 마련될 수 있다. 이를 위해, 분산 브래그 리플렉터(100) 및 나노구조체 리플렉터(300)의 반사율은 대략 90% 이상으로 설정될 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(100)의 반사율을 나노구조체 리플렉터(300)의 반사율보다 높게 할 수 있으며, 예컨대, 약 98% 이상으로 하여, 나노구조체 리플렉터(300)를 통해 광이 출사되도록 할 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(100)와 나노구조체 리플렉터(300) 사이에서 발진하며 출사되는 광(Lc), 즉, 원평광 레이저(Lc)의 파장(λ)은 '발진 파장(λ)'이라 할 수 있다. 경우에 따라서는, 분산 브래그 리플렉터(100) 및 나노구조체 리플렉터(300)의 반사율을 조절하여 광이 출사되는 방향을 반대로 조절하는 것도 가능하다.
분산 브래그 리플렉터(100)는 굴절률이 서로 다른 제1 물질층(10) 및 제2 물질층(20)을 원하는 발진 파장의 약 1/4 두께로 교대로 반복 적층하여 형성할 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(100)는 반도체 기판(미도시) 상에 형성될 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(100)의 두 물질층(10, 20)의 굴절률 차이 및 두 물질층(10, 20)의 쌍이 반복 적층된 회수를 조절하여 분산 브래그 리플렉터(100)의 반사율을 원하는 값으로 설정할 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(100)는 이득층(200)을 구성하는 반도체 물질과 동일하거나 유사한 계열의 물질을 포함하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 물질층(10)은 AlxGa(1-x)As층(여기서, x는 0≤x≤1)일 수 있고, 제2 물질층(20)은 AlyGa(1-y)As층(여기서, y는 0≤y≤1, x≠y)일 수 있지만, 이에 한정되지 않고, 물질은 달라질 수 있다. 굴절률 차를 형성할 수 있는 다양한 물질들이 제1 물질층(10) 및 제2물질층(20)에 사용될 수 있다.
나노구조체 리플렉터(300)는 서브파장(subwavelength)의 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조체(N10)를 포함한다. 여기서, 서브파장의 형상 치수라 함은 나노구조체(N10)의 형상을 정의하는 치수인 두께나 폭 등이, 나노구조체 리플렉터(300)의 동작 파장보다 작음을 의미한다. 나노구조체 리플렉터(300)의 동작 파장은 이득층(200)에서 생성되는 광의 파장 대역 내에 존재할 수 있으며, 이득층(200)에서 생성되는 광 중에서, 분산 브래그 리플렉터(100)와 나노구조체 리플렉터(300) 사이에서 발진하며 출사되는 광(Lc), 즉, 원평광 레이저(Lc)의 파장(즉, 발진 파장)(λ)을 의미할 수 있다.
복수의 나노구조체(N10)는 주변 물질(예컨대, 공기)보다 높은 굴절률을 가지는 물질로 이루어지며, 서브파장의 형상 치수, 구체적인 형상, 배열 형태 등에 의해 소정 파장 대역의 광을 반사시키는 역할을 할 수 있다. 복수의 나노구조체(N10)는 일종의 메타구조(meta-structure)를 구성한다고 할 수 있다. 나노구조체(N10)의 두께, 폭, 배치 간격(즉, pitch) 중 적어도 어느 하나는 발진 파장(λ)의 1/2 이하일 수 있다. 나노구조체(N10)의 폭이 발진 파장(λ)의 1/2 이하일 때, 메타구조(meta-structure)를 이루는 강한 산란 단위로 동작할 수 있고, 배치 간격이 발진 파장(λ)보다 작아질수록, 고차 회절 없이 입사한 빛을 원하는 형태로 제어할 수 있다. 나노구조체(N10)의 두께가 발진 파장(λ)의 1/2 이하일 때, 높은 반사 특성을 갖는 나노구조체 리플렉터(300)로 동작할 수 있다. 그러나, 요구 두께가 이에 한정되지는 않는다.
복수의 나노구조체(N10)는 유전체나 반도체 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 나노구조체(N10)는 단결정 실리콘(single crystal silicon), 다결정 실리콘(poly-crystalline Si), 비정질 실리콘(amorphous Si), Si3N4, GaP, TiO2, AlSb, AlAs, AlGaAs, AlGaInP, BP, ZnGeP2 중 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다. 또는, 나노구조체(N10)는 전도성 물질로 이루어질 수도 있다. 전도성 물질로는 표면 플라즈몬 여기(surface plasmon excitation)가 일어날 수 있는 도전성이 높은 금속 물질이 채용될 수 있다. 예컨대, Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, Ru, Rh, Pd, Pt, Ag, Os, Ir, Pt, Au 중에서 선택된 적어도 어느 하나가 채용될 수 있고, 이들 중 어느 하나를 포함하는 합금으로 이루어질 수도 있다. 또한, 그래핀(graphene)과 같이 전도성이 좋은 이차원 물질, 또는, 전도성 산화물이 채용될 수도 있다. 또는, 복수의 나노구조체(N10) 중 일부는 고굴절률의 유전체 물질로 이루어지고, 다른 일부는 전도성 물질로 이루어지는 것도 가능하다.
나노구조체 리플렉터(300)는 복수의 나노구조체(N10)를 지지하는 지지층(SL10)을 더 포함할 수 있다. 지지층(SL10)은 나노구조체(N10)의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 지지층(SL10)은 SiO2, TCO(transparent conductive oxide) 등으로 형성되거나, PC(polycarbonate), PS(polystyrene), PMMA(polymethyl methacrylate)와 같은 폴리머로 이루어질 수 있다. 지지층(SL10)의 물질은 이에 한정되지 않으며, 경우에 따라, 반도체 물질로 이루어질 수도 있다. 지지층(SL10)과 나노구조체(N10)가 동일하거나 유사한 반도체 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 지지층(SL10)과 나노구조체(N10)가 모두 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 화합물로 이루어질 수 있다. 또한, 화합물의 조성비를 조절하여, 지지층(SL10)의 굴절률이 나노구조체(N10)의 굴절률보다 작게 만들 수 있다. 지지층(SL10)과 나노구조체(N10)의 굴절률 차이는 약 0.5 이상일 수 있다.
지지층(SL10)의 두께는 발진 파장(λ)의 약 1/5 이상으로 설정될 수 있다. 지지층(SL10)의 두께가 발진 파장(λ)의 1/5 보다 작은 경우, 반도체 물질로 된 하부층에 지지층(SL10) 위의 나노구조체(N10)에서 공진하는 빛이 커플링 될 수 있어서, 메타 구조로서 원하는 동작이 이루어지지 않을 수 있다. 다시 말해, 지지층(SL10)의 두께가 너무 얇으면, 나노구조체(N10)와 지지층(SL10) 아래의 구조 사이에 원치 않는 광학적 커플링이 발생할 가능성이 있다.
복수의 나노구조체(N10)는 복수의 비등방성 나노요소(anisotropic nanoelements)이거나 복수의 비등방성 나노요소를 포함할 수 있고, 상기 복수의 비등방성 나노요소의 분포 및 배열 방향에 의해, 수직 공진형 표면 발광 레이저(500)는 나노구조체 리플렉터(300)를 통해 원편광 레이저(Lc)를 방출할 수 있다. 이를 위해, 예컨대, 상기 복수의 비등방성 나노요소 각각의 배열 방향은 나노구조체 리플렉터(300)의 중앙부에서 가장자리로 가면서 점진적으로 변화될 수 있다. 이에 대해서는, 도 2 및 도 3을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 2는 일 실시예에 따른 나노구조체 리플렉터(nanostructure reflector)의 평면적 구조를 보여주는 평면도이다.
도 2를 참조하면, 나노구조체 리플렉터(300)는 지지층(SL10) 및 지지층(SL10) 상에 형성된 복수의 나노구조체(N10)를 포함할 수 있다. 복수의 나노구조체(N10)는 복수의 비등방성 나노요소일 수 있다. 이때, 복수의 나노구조체(N10) 각각의 배열 방향은 나노구조체 리플렉터(300)의 중앙부에서 가장자리로 가면서 점진적으로 변화될 수 있다. 다시 말해, 복수의 나노구조체(N10)는 중심부에서 가장자리로 가면서 조금씩 회전된 배열 방향을 가질 수 있다. 여기서는, 편의상, 중앙부를 기준으로 십자형 영역에서 나노구조체들(N10)의 배열 방향이 어떻게 변화될 수 있는지를 예시적으로 도시하였다. 상기 십자형 영역 이외에 나머지 영역에서는 나노구조체들(N10)을 도트(dot) 형태로 간략화하여 도시하였지만, 상기 나머지 영역에서도 나노구조체들(N10)의 배열 방향의 변화는 유사한 경향성을 가질 수 있다. 그러나, 여기에 도시한 나노구조체들(N10)의 배열 방향의 변화는 예시적인 것이고, 달라질 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 나노구조체 리플렉터에 적용될 수 있는 복수의 나노구조체의 일부를 보여주는 평면도이다. 도 3은 도 2에 도시된 복수의 나노구조체(N10)의 일부에 해당할 수 있다.
도 3을 참조하면, 복수의 나노구조체(도 2의 N10)가 배열되는 평면에 평행한 제1축(X1)을 따라서 제1 그룹의 비등방성 나노요소(N10a)가 하나의 열을 이루도록 배치될 수 있다. 상기 제1 그룹의 비등방성 나노요소(N10a) 중 n번째 나노요소는 n-1번째 나노요소에 대하여 각도 θ만큼 회전된 방향을 가질 수 있다. 다시 말해, n-1번째 나노요소가 제1축(X1)에 평행한 배열 방향을 갖는다면, n번째 나노요소는 제1축(X1)에 대하여 θ만큼 회전된 방향을 가질 수 있다. 또한, n+1번째 나노요소는 n번째 나노요소에 대하여 θ만큼 회전된 방향을 가질 수 있다. 여기서, n-1번째 나노요소는 도 2의 나노구조체 리플렉터(300)의 중심에 위치하는 나노구조체에 대응될 수 있다. 이와 같이, 복수의 나노구조체(N10)의 배열 방향이 나노구조체 리플렉터(300)의 중심에서 가장자리로 갈수록 점진적으로 변화될 수 있다.
이때, 상기 θ는 약 45° 미만 또는 약 35° 미만의 조건을 만족할 수 있다. 나노구조체 리플렉터(300)에 입사되는 광의 파장, 편광, 위상 등의 조건에 따라서, 상기 θ의 크기가 적절히 제어될 수 있다. X축 방향 및 Y축 방향으로도 상기 θ의 조건은 유사하게 적용될 수 있다. 또는, X축 방향 및 Y축 방향으로 서로 다른 θ 조건이 적용될 수도 있다. 또한, 나노구조체 리플렉터(300)의 영역에 따라서, 서로 다른 θ 조건이 적용될 수도 있다. 이러한 나노구조체 리플렉터(300)를 통해 원편광 레이저가 발진될 수 있다.
도 1 내지 도 3에서 설명한 바와 같이, 나노구조체 리플렉터(300)를 구성하는 복수의 나노구조체(즉, 비등방성 나노요소)(N10)의 분포 및 배열 방향을 조절함으로써, 원편광 레이저(Lc)를 발진할 수 있다. 복수의 나노구조체(즉, 비등방성 나노요소)(N10)의 분포 및 배열 방향에 따라 수직 공진형 표면 발광 레이저(500)는 우선회 원편광(right-handed circularly polarized) 레이저 또는 좌선회 원편광(left-handed circularly polarized) 레이저를 발진하도록 구성될 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 나노구조체 리플렉터에 적용될 수 있는 나노구조체의 구조를 보여주는 사시도이다.
도 4를 참조하면, 나노구조체(N1)는 XY 평면 상에 제1 방향, 예컨대, X축 방향으로 장축을 가질 수 있고, 제2 방향, 예컨대, Y축 방향으로 단축을 가질 수 있다. 장축 방향으로의 치수를 길이(L)라 할 수 있고, 단축 방향으로의 치수를 폭(W)이라 할 수 있다. 한편, Z축 방향으로의 치수는 두께(T) 또는 높이(H)라 할 수 있다. 길이(L)는 폭(W)보다 클 수 있고, XY 평면 상에서 나노구조체(N1)는 직사각형 또는 그와 유사한 형태를 가질 수 있다. 이러한 나노구조체(N1)는 비등방성 구조를 갖는다고 할 수 있다.
나노구조체(N1)의 폭(W), 길이(L) 및/또는 두께(T)는 발진 파장(λ)의 1/2 이하일 수 있다. 또한, 복수의 나노구조체(N1)가 규칙적으로 배열될 때, 인접한 두 개의 나노구조체(N1) 사이의 간격(중심 사이의 간격)도 발진 파장(λ)의 1/2 이하일 수 있다.
나노구조체(N1)의 비등방성 구조는 다양하게 변화될 수 있다. 예컨대, XY 평면 상에서 나노구조체(N1)는 직사각형 모양이 아닌 다른 형태의 비등방성 구조를 가질 수 있다. 그 예들이 도 5 및 도 6에 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 나노구조체(N1')는 대체로 직사각형 모양을 가지면서 그 모서리들이 라운드진 형태를 가질 수 있다.
도 6을 참조하면, 나노구조체(N1")는 타원형 또는 그와 유사한 형태를 가질 수 있다. 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명한 나노구조체(N1, N1', N1")의 형태는 예시적인 것이고 다양하게 변화될 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)에 적용될 수 있는 나노구조체 리플렉터(nanostructure reflector)를 보여주는 단면도이다.
도 7을 참조하면, 나노구조체 리플렉터(300)는 지지층(SL10) 및 지지층(SL10) 상에 구비된 복수의 나노구조체(N10)를 포함할 수 있다. 지지층(SL10) 및 나노구조체(N10)의 물질, 특성, 치수(사이즈) 및 배열 구조 등은 도 1을 참조하여 설명한 바와 동일할 수 있으므로, 반복 설명을 배제한다.
도 8은 다른 실시예에 따른 것으로, 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)에 적용될 수 있는 나노구조체 리플렉터를 보여주는 단면도이다.
도 8을 참조하면, 나노구조체 리플렉터(300')는 지지층(SL10) 상에 복수의 홀(hole)(H10)이 구비된 소정의 물질층(ML10)을 더 포함할 수 있다. 복수의 나노구조체(N10)는 복수의 홀(H10) 내에 각각 배치될 수 있다. 물질층(ML10)의 굴절률은 복수의 나노구조체(N10)의 굴절률보다 작을 수 있다. 물질층(ML10)은 지지층(SL10)과 다른 재질 또는 같은 재질로 형성될 수 있다. 물질층(ML10)은 복수의 나노구조체(N10)의 주위에서 이들과 콘택될 수 있으므로, '인접층' 또는 '콘택층'이라 할 수 있다.
본원의 실시예에 따르면, 나노구조체 리플렉터는 이득층에 대하여 오목 거울로 작용하도록 설계될 수 있다. 다시 말해, 나노구조체 리플렉터를 구성하는 복수의 나노구조체(비등방성 나노요소)의 크기 분포 및 배열 규칙은 나노구조체 리플렉터가 오목 거울로 작용하도록 설계될 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 것으로, 나노구조체 리플렉터가 오목 거울로 작용하는 경우, 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)의 구성요소들의 광학적 배치 관계를 개략적으로 보여주는 개념도이다.
도 9를 참조하면, 이득층(200a)을 사이에 두고 분산 브래그 리플렉터(100a)와 나노구조체 리플렉터(300a)가 이격하여 배치될 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(100a)와 나노구조체 리플렉터(300a)는 이득층(200a)을 사이에 두고 공진 캐비티를 구성한다고 할 수 있다. 나노구조체 리플렉터(300a)는 이득층(200a)에 대하여 곡면 거울(curved mirror), 예컨대, 오목 거울과 같이 작용할 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(100a)는 이득층(200a)에 대하여 평판 거울과 같이 작용할 수 있다. 나노구조체 리플렉터(300a)가 오목 거울과 같이 작용하는 경우, 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)로부터 발진되는 출사광, 즉, 원편광 레이저(Lc)의 세기를 강화할 수 있고, 파면 프로파일을 제어할 수 있다. 나노구조체 리플렉터(300a)를 구성하는 복수의 나노구조체의 크기 분포 및 배열 규칙 등을 조절함으로써, 나노구조체 리플렉터(300a)의 광학적 특성을 제어할 수 있고, 결과적으로, 출사광(Lc)의 beam forming 및 beam shaping이 가능할 수 있다.
도 10은 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)에 채용될 수 있는 나노구조체 리플렉터의 개략적인 구조를 보여주는 단면도이다.
도 10을 참조하면, 나노구조체 리플렉터(310)는 지지층(SL11)과 지지층(SL11) 상에 형성된 복수의 나노구조체(N11)를 포함할 수 있다. 복수의 나노구조체(N11)는 복수의 비등방성 나노요소일 수 있다. 나노구조체 리플렉터(310)가 오목 거울과 같은 역할을 하도록 나노구조체들(N11)의 크기 분포와 배열 규칙이 설정될 수 있다. 예를 들어, 복수의 나노구조체(N11)의 폭(W)은 나노구조체 리플렉터(310)의 중심에서 소정 거리(d)만큼 멀어질수록 증가할 수 있다. 나노구조체(N11)의 위치를 나노구조체 리플렉터(310)의 중심으로부터 반지름 방향으로의 거리로 정의할 때, 주어진 위치에 있는 나노구조체(N11)의 폭(W)은 나노구조체 리플렉터(310)가 오목 거울로 동작하도록 구체적인 값으로 정해질 수 있다. 중심으로부터 소정 범위 내에서 반지름 방향으로 갈수록 나노구조체(N11)의 폭(W)은 커질 수 있다. 아울러, 복수의 나노구조체(N11)의 배열 방향은 나노구조체 리플렉터(310)의 중앙부에서 가장자리로 가면서 점진적으로 변화될 수 있고, 이는 도 2 및 도 3 등을 참조하여 설명한 바와 동일할 수 있다. 편의상, 도 10에서는 나노구조체(N11)의 폭(W)이 변화되는 경향만 도시하였다.
도 10에서 설명한 나노구조체(N11)의 폭(W)의 변화 규칙은 반지름 방향으로 가면서 반복될 수 있다. 그 일례가 도 11에 도시되어 있다.
도 11을 참조하면, 나노구조체 리플렉터(320)는 지지층(SL12)과 복수의 나노구조체(N12)를 포함할 수 있고, 복수의 나노구조체(N12)의 폭(W)은 나노구조체 리플렉터(320)의 중심에서 멀어질수록 소정 규칙에 따라 증가할 수 있다. 나노구조체 리플렉터(320)는 중심에서 멀어지는 방향으로 거리에 따라 복수의 영역으로 분할될 수 있고, 상기 복수의 영역 각각에서 상기 복수의 나노구조체(N12)의 폭(W)은 중심에서 멀어질수록 증가할 수 있다. 여기서는, 중심(d=0)에서 R1 위치까지 폭(W)이 증가하고, R1 위치에서 거리(d)가 증가할수록 다시 폭(W)이 증가하는 경우가 도시되어 있다. 폭(W)이 증가하는 규칙이 반복되는 주기는 일정하지 않고 변화될 수도 있다. 이러한 나노구조체 리플렉터(320)는 오목 거울로 작용할 수 있다.
도 10 및 도 11에서 나노구조체(N11, N12)의 폭(W)은 도 4를 참조하여 설명한 나노구조체(N1)의 폭(W)에 대응될 수 있다. 도 10 및 도 11에서 나노구조체(N11, N12)의 폭(W)이 변화됨에 따라, 그의 길이(L)도 변화될 수 있다. 경우에 따라, 도 10 및 도 11의 폭(W)은 도 4에서 설명한 길이(L), 즉, 장축 방향으로의 폭에 대응될 수도 있다. 필요한 경우, 폭(W)과 길이(L)의 비율인 종횡비(aspect ratio)가 나노구조체 리플렉터의 위치에 따라 달라지도록 만들 수 있다. 다양한 방식으로 나노구조체(N11, N12)의 치수를 적절히 조절함으로써, 나노구조체 리플렉터(310, 320)의 특성을 다양하게 제어할 수 있다.
도 12는 다른 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)에 채용될 수 있는 나노구조체 리플렉터의 평면 구조를 설명하기 위한 평면도이다.
도 12를 참조하면, 나노구조체 리플렉터(330)는 중심에서 멀어지는 방향으로 거리(d)에 따라 복수의 영역(A1, A2, A3)으로 분할될 수 있다. 제1 영역(A1)은 원형이고, 제2 및 제3 영역(A2, A3)은 환형이다. 복수의 영역(A1, A2, A3) 각각에서 복수의 나노구조체(비등방성 나노요소)(미도시)의 폭은 중심에서 멀어질수록 증가할 수 있다. 이는 도 11을 참조하여 설명한 폭(W) 변화와 유사할 수 있다. 복수의 영역(A1, A2, A3)의 개수, 크기, 배열 주기 등은 도시된 바에 한정되지 않고, 변화될 수 있다.
도 13은 도 12에 도시된 나노구조체 리플렉터의 각 영역에서 나노구조체들의 폭이 어떻게 변화되는지를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 13을 참조하면, 나노구조체 리플렉터의 각 영역에서 나노구조체들의 폭이 중심에서 멀어질수록 증가할 수 있다. 나노구조체 리플렉터의 중심(d=0)에서 r1 위치까지 제1 영역(도 12의 A1)에서 나노구조체의 폭(W)이 중심에서 멀어질수록 점차 증가할 수 있고, 이러한 경향은 r1∼r2 사이의 제2 영역(도 12의 A2) 및 r2∼r3 사이의 제3 영역(도 12의 A3)에서 유사하게 나타날 수 있다.
나노구조체 리플렉터(330)의 복수의 영역(A1, A2, A3)에서 나노구조체의 폭(W)의 평균값은 일정하거나 대체로 일정할 수 있다. 그 경우가 도 14의 그래프에 도시되어 있다.
도 14를 참조하면, 나노구조체 리플렉터의 제1 영역(A1)에서의 나노구조체의 폭(W)의 평균값, 제2 영역(A2)에서의 나노구조체의 폭(W)의 평균값 및 제3 영역(A3)에서의 나노구조체의 폭(W)의 평균값은 동일하거나 대체로 유사할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 복수의 영역(A1, A2, A3)에서 나노구조체들의 평균 폭은 서로 다를 수 있다. 그 일례가 도 15의 그래프에 도시되어 있다.
도 15를 참조하면, 제1 영역(A1)에서의 나노구조체의 폭(W)의 평균값, 제2 영역(A2)에서의 나노구조체의 폭(W)의 평균값 및 제3 영역(A3)에서의 나노구조체의 폭(W)의 평균값은 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 제1 영역(A1)에서 제2 영역(A2) 및 제3 영역(A3)으로 갈수록 나노구조체의 폭(W)의 평균값은 감소할 수 있다. 그러나 이러한 변화 경향은 예시적인 것이고, 필요에 따라, 변화될 수 있다.
도 16은 실시예에 따른 나노구조체 리플렉터를 구비하는 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)가 가질 수 있는 구체적인 구성을 보여주는 단면도이다.
도 16을 참조하면, 수직 공진형 표면 발광 레이저(550)는 광을 생성하는 이득층(250), 이득층(250)의 하부에 배치된 분산 브래그 리플렉터(150), 이득층(250)의 상부에 배치되는 나노구조체 리플렉터(350)를 포함할 수 있다.
이득층(250)은 반도체 물질을 포함하는 활성층(active layer)(220)을 포함할 수 있다. 활성층(220)은, 예컨대, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질 또는 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 물질을 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 활성층(220)은 InGaAs, AlGaAs, AlGaN, InGaAsP, InGaP 또는 AlGaInP 등을 포함하는 다중양자우물(multi-quantum well)(MQW) 구조를 포함할 수 있다. 또한, 활성층(220)은 양자점(quantum dot)를 포함할 수도 있다. 활성층(220)의 물질이나 구성은 예시된 바에 한정되지 않고 달라질 수 있다. 이득층(250)은 활성층(220)의 하부 및 상부에 마련되는 제1 클래드층(210) 및 제2 클래드층(230)을 더 포함할 수 있다. 제1 클래드층(210) 및 제2 클래드층(230)은 각각 n형 또는 p형 또는 진성(intrinsic) 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제1 클래드층(210) 및 제2 클래드층(230)은 활성층(220)과 같은 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, n형 도펀트 또는 p형 도펀트를 더 포함할 수 있다.
이득층(250)의 상부 및 하부에 배치된 나노구조체 리플렉터(350) 및 분산 브래그 리플렉터(150)는 이득층(250)에서 생성된 광을 발진시켜 특정 파장 대역의 광이 증폭되어 출사되도록 마련될 수 있다. 이를 위해, 분산 브래그 리플렉터(150) 및 나노구조체 리플렉터(350)의 반사율은 대략 90% 이상으로 설정될 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(150)의 반사율을 나노구조체 리플렉터(350)의 반사율보다 높게 할 수 있으며, 예컨대, 약 98% 이상으로 하여, 나노구조체 리플렉터(350)를 통해 광이 출사되도록 할 수 있다. 경우에 따라서는, 분산 브래그 리플렉터(150) 및 나노구조체 리플렉터(350)의 반사율을 조절하여 광이 출사되는 방향을 반대로 조절하는 것도 가능하다.
분산 브래그 리플렉터(150)는 굴절률이 서로 다른 제1 물질층(110) 및 제2 물질층(120)을 원하는 발진 파장의 약 1/4 두께로 교대로 반복하여 적층하여 형성될 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(150)는 반도체 기판(101) 상에 형성될 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(150)의 두 물질층(110, 120)의 굴절률 차이 및 두 물질층(110, 120)의 쌍이 반복 적층된 회수를 조절하여 분산 브래그 리플렉터(150)의 반사율을 원하는 값으로 설정할 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(150)는 이득층(250)을 구성하는 반도체 물질과 동일하거나 유사한 계열의 물질을 포함하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 물질층(110)은 AlxGa(1-x)As층(여기서, x는 0≤x≤1)일 수 있고 제2 물질층(120)은 AlyGa(1-y)As층(여기서, y는 0≤y≤1, x≠y)일 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 분산 브래그 리플렉터(150)는 제1 클래드층(210)과 동일한 반도체 타입(type)을 갖도록 도핑될 수 있다. 예를 들어, 제1 클래드층(210)이 n형인 경우, n형으로 도핑되고, 제1 클래드층(210)이 p형인 경우, p형으로 도핑될 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(150)의 재질은 전술한 바에 한정되지 않고, 굴절률 차를 형성할 수 있는 다양한 물질들이 제1 물질층(110) 및 제2물질층(120)에 사용될 수 있다.
나노구조체 리플렉터(350)는 서브파장의 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조체(N15)을 포함한다. 여기서, 서브파장의 형상 치수라 함은 나노구조체(N15)의 형상을 정의하는 치수인 두께나 폭이, 나노구조체 리플렉터(350)의 동작 파장보다 작음을 의미한다. 나노구조체 리플렉터(350)의 동작 파장은 이득층(250)에서 생성되는 광의 파장 대역 내에 존재할 수 있으며, 이득층(250)에서 생성되는 광 중에서, 분산 브래그 리플렉터(150)와 나노구조체 리플렉터(350) 사이에서 발진하며 출사되는 광(Lc), 즉, 원평광 레이저(Lc)의 파장(λ)을 의미한다. 이는 '발진 파장(λ)'이라 할 수 있다.
복수의 나노구조체(N15)는 주변 물질(예를 들어, 공기)보다 높은 굴절률을 가지는 물질로 이루어지며, 서브파장의 형상 치수, 구체적인 형상, 배열 형태 등에 의해 소정 파장 대역의 광을 반사시키는 역할을 할 수 있다. 복수의 나노구조체(N15)의 두께, 폭, 배치 간격(즉, pitch) 중 적어도 어느 하나는 발진 파장(λ)의 1/2 이하일 수 있다. 나노구조체(N15)의 폭이 발진 파장(λ)의 1/2 이하일 때 메타구조를 이루는 강한 산란 단위로 동작할 수 있으며, 배치 간격이 파장보다 작아질수록, 고차 회절이 없이 입사한 빛을 원하는 형태로 제어할 수 있다. 나노구조체(N15)의 두께가 발진 파장(λ)의 1/2 이하일 때 높은 반사 특성을 가지는 나노구조체 리플렉터(350)로 동작할 수 있지만, 요구 두께가 이에 한정되지는 않는다.
복수의 나노구조체(N15)는 유전체나 반도체 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 나노구조체(N15)는 단결정 실리콘(single crystal silicon), 다결정 실리콘(poly-crystalline Si), 비정질 실리콘(amorphous Si), Si3N4, GaP, TiO2, AlSb, AlAs, AlGaAs, AlGaInP, BP, ZnGeP2 중 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다. 또는, 나노구조체(N15)는 전도성 물질로 이루어질 수도 있다. 전도성 물질로는 표면 플라즈몬 여기(surface plasmon excitation)가 일어날 수 있는 도전성이 높은 금속 물질이 채용될 수 있다. 예컨대, Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, Ru, Rh, Pd, Pt, Ag, Os, Ir, Pt, Au 중에서 선택된 적어도 어느 하나가 채용될 수 있고, 이들 중 어느 하나를 포함하는 합금으로 이루어질 수도 있다. 또한, 그래핀(graphene)과 같이 전도성이 좋은 이차원 물질, 또는, 전도성 산화물이 채용될 수도 있다. 또는, 복수의 나노구조체(N15) 중 일부는 고굴절률의 유전체 물질로 이루어지고, 다른 일부는 전도성 물질로 이루어지는 것도 가능하다.
나노구조체 리플렉터(350)는 복수의 나노구조체(N15)을 지지하는 지지층(SL15)을 포함할 수 있다. 지지층(SL15)은 나노구조체(N15)의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 지지층(SL15)은 SiO2, TCO(transparent conductive oxide) 등으로 형성되거나, PC(polycarbonate), PS(polystyrene), PMMA(polymethyl methacrylate)와 같은 폴리머로 이루어질 수 있다. 지지층(SL15)의 물질은 이에 한정되지 않으며, 경우에 따라, 반도체 물질로 이루어질 수도 있다. 지지층(SL15)과 나노구조체(N15)가 동일하거나 유사한 반도체 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 지지층(SL15)과 나노구조체(N15)가 모두 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 화합물로 이루어질 수 있다. 또한, 화합물의 조성비를 조절하여, 지지층(SL15)의 굴절률이 나노구조체(N15)의 굴절률보다 작게 만들 수 있다. 지지층(SL15)과 나노구조체(N15)의 굴절률 차이는 약 0.5 이상일 수 있다.
지지층(SL15)의 두께는 발진 파장(λ)의 약 1/5 이상으로 설정될 수 있다. 지지층(SL15)의 두께가 발진 파장(λ)의 1/5 보다 작은 경우, 반도체 물질로 된 하부층에 지지층(SL15) 위의 나노구조체(N15)에서 공진하는 빛이 커플링 될 수 있어서, 메타 구조로서 원하는 동작이 이루어지지 않을 가능성이 있다.
수직 공진형 표면 발광 레이저(550)는 발진되는 광의 모드 조절이나 빔 크기를 조절하기 위한 개구층(aperture layer)(270)을 더 포함할 수 있다. 개구층(270)은 소정의 산화물로 형성될 수 있다. 여기서는, 개구층(270)이 이득층(250)의 상부에 형성된 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 개구층(270)은 분산 브래그 리플렉터(150) 내에 배치될 수도 있다. 또한, 개구층(270)은 복수 개가 구비될 수 있고, 생략될 수도 있다. 개구층(270) 상에 이득층(250)과 콘택된 삽입층(280)이 더 구비될 수 있다. 삽입층(280)은 이득층(250)과 동일한 계열 또는 유사한 계열의 반도체 물질로 형성될 수 있다. 삽입층(280)은 소정의 불순물로 도핑될 수 있다.
수직 공진형 표면 발광 레이저(550)는 이득층(250)에 전류를 주입하기 위해, 이득층(250)을 사이에 두고 이격하여 배치된 제1 전극(130) 및 제2 전극(290)을 더 포함할 수 있다. 제1 전극(130)은 이득층(250)의 제1면에 전기적으로 연결되도록, 제2 전극(290)은 이득층(250)의 제2면에 전기적으로 연결되도록 배치될 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(150)의 일부는, 도시된 바와 같이, 메사형(mesa-type)으로 식각될 수 있고, 식각에 의해 노출된 분산 브래그 리플렉터(150)의 상면에 제1 전극(130)이 배치될 수 있다. 제2 전극(290)은 삽입층(280)의 가장자리 부분에 배치될 수 있고, 삽입층(280)을 통해서 이득층(250)에 전기적으로 연결될 수 있다. 그러나, 여기서 개시한 제1 및 제2 전극(130, 290)의 배치는 예시적인 것이고, 다양하게 변화될 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(130)은 분산 브래그 리플렉터(150)의 하면 또는 기판(101)의 하면에 형성될 수도 있다.
수직 공진형 표면 발광 레이저(550)는 이득층(250)에서 발생하는 열의 방출을 위한 히트 싱크(heat sink)(420)를 더 포함할 수 있다. 히트 싱크(420)는 열전도성이 우수한 금속 물질, 예컨대, Cu, Au, Al 등으로 이루어질 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 히트 싱크(420)는 수직 공진형 표면 발광 레이저(550)를 둘러싸는 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 광이 방출되는 영역을 제외한 위치의 상면으로부터, 분산 브래그 리플렉터(150), 이득층(250)의 적층 방향과 나란한 측면을 따라 연장되도록 형성될 수 있다. 히트 싱크(420)와 제1 전극(130), 상기 측면, 제2 전극(290) 사이에는 절연층(410)이 더 마련될 수 있다. 이득층(250)에서 발생하는 열은 히트 싱크(420)를 통해 외부로 방출될 수 있다.
본원에서는 이득층(250)과 제1 전극(130) 사이의 간격이 짧기 때문에, 제1 전극(130)을 거쳐 히트 싱크(420)를 통한 열의 방출이 용이하게 이루어질 수 있다. 이득층(250)의 상면 측에 두껍고 복잡한 구조의 DBR 미러를 사용하지 않고 얇고 컴팩트한 나노구조체 리플렉터(350)를 적용하기 때문에, 이득층(250)과 제1 전극(130) 사이의 간격이 짧아질 수 있고, 상면부를 통한 열의 방출이 용이하게 이루어질 수 있다. 또한, 이득층(250)의 측면 방향으로도 히트 싱크(420)를 통한 열의 방출이 용이하게 이루어질 수 있다. 이와 같이, 본원의 수직 공진형 표면 발광 레이저(550)는 이득층(250)에서 생성되는 광 중에서 특정 파장 대역의 광이 출사하게 하는 리플렉터로서 얇은 두께로 구현될 수 있는 나노구조체 리플렉터(350)를 사용하기 때문에, 소자의 소형화가 용이하고 열 방출이 효율적으로 이루어질 수 있다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이, 나노구조체 리플렉터(350)를 구성하는 복수의 나노구조체(N10)의 분포 및 배열 방향에 의해, 수직 공진형 표면 발광 레이저(550)는 나노구조체 리플렉터(350)를 통해 원편광 레이저(Lc)를 방출할 수 있다. 이때, 나노구조체 리플렉터(350)는 광학적으로 이득층(250)에 대하여 오목 거울이나 그와 유사한 광학적 특성을 가질 수 있고, 출사되는 원편광 레이저(Lc)의 세기를 강화하거나 파면 프로파일을 제어할 수 있다.
도 17은 일 실시예에 따른 것으로, 광학 장치에 적용될 수 있는 복수의 수직 공진형 표면 발광 레이저를 보여주는 단면도이다.
도 17을 참조하면, 광학 장치는 복수의 수직 공진형 표면 발광 레이저(500A, 500B)를 포함할 수 있다. 복수의 수직 공진형 표면 발광 레이저(500A, 500B)는 제1 수직 공진형 표면 발광 레이저(500A) 및 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저(500B)를 포함할 수 있다. 제1 수직 공진형 표면 발광 레이저(500A)는, 예컨대, 좌선회 원편광(left-handed circularly polarized) 레이저(L1c)를 발진할 수 있고, 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저(500B)는, 예컨대, 우선회 원편광(right-handed circularly polarized) 레이저(L2c)를 발진할 수 있다. 제1 및 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저(500A, 500B)는 도 1 등을 참조하여 설명한 나노구조체 리플렉터를 포함할 수 있고, 나노구조체 리플렉터를 구성하는 복수의 나노구조체(비등방성 나노요소)의 분포 및 배열 방향에 따라 원평광의 방향이 결정될 수 있다. 제1 및 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저(500A, 500B)를 포함하는 광학 장치는, 예를 들어, 3차원 이미징 장치, 3차원 프로젝터, 3차원 센서, 깊이 센서(depth sensor) 등에 적용될 수 있고, 그 밖에도 다양한 장치에 적용될 수 있다.
제1 및 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저(500A, 500B)는 서로 다른 기판에 별도로 제조되거나, 동일한 기판에 함께 제조될 수도 있다. 도 18은 두 종류의 레이저(501A, 502B)가 동일 기판(1001)에 형성된 경우를 보여준다.
도 18을 참조하면, 하나의 기판(1001) 상에 제1 및 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저(501A, 501B)가 구비될 수 있다. 제1 수직 공진형 표면 발광 레이저(501A)는 좌선회 원편광 레이저(L1c)를 발진할 수 있고, 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저(501B)는 우선회 원편광 레이저(L2c)를 발진할 수 있다.
도 18에서 두 개의 레이저(501A, 501B) 중 어느 하나는 원편광이 아닌 선평광 레이저를 발진하도록 구성될 수도 있다. 그 일례가 도 19에 도시되어 있다.
도 19를 참조하면, 기판(1002) 상에 제1 및 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저(502A, 502B)가 구비될 수 있다. 제1 수직 공진형 표면 발광 레이저(502A)는 원편광 레이저(L1c)를 발진할 수 있고, 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저(502B)는 선평광 레이저(L2)를 발진할 수 있다. 원편광 레이저(L1c)는 좌선회 원편광으로 도시되어 있지만, 우선회 원편광일 수도 있다. 선평광 레이저(L2)는 Z축에 평행한 방향으로 선평광된 레이저이거나, XY 평면에 수평한 방향으로 선편광된 레이저일 수 있다. 제1 수직 공진형 표면 발광 레이저(502A)는 도 1 등을 참조하여 설명한 바와 같은 나노구조체 리플렉터를 포함할 수 있고, 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저(502B)는 제1 수직 공진형 표면 발광 레이저(502A)의 나노구조체 리플렉터와 다른 구성을 갖는 나노구조체 리플렉터를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 하나의 기판 상에 적어도 두 종류의 레이저를 어레이로 구비시킬 수 있다. 그 예들이 도 20 및 도 21에 도시되어 있다.
도 20은 일 실시예에 따른 레이저 어레이를 포함하는 광원부를 보여주는 평면도이다.
도 20을 참조하면, 기판(1100) 상에 복수의 제1 수직 공진형 표면 발광 레이저(510A) 및 복수의 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저(510B)가 어레이를 이루도록 배치될 수 있다. 복수의 제1 수직 공진형 표면 발광 레이저(510A)가 복수의 열을 이루도록 배치될 수 있고, 복수의 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저(510B)도 복수의 열을 이루도록 배치될 수 있다. 제1 수직 공진형 표면 발광 레이저(510A)가 구성하는 열들과 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저(510B)가 구성하는 열들은 교대로 배치될 수 있다.
복수의 제1 수직 공진형 표면 발광 레이저(510A) 및 복수의 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저(510B)는 서로 독립적으로 제어될 수 있다. 따라서, 복수의 제1 수직 공진형 표면 발광 레이저(510A)만 광을 출사하고, 복수의 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저(510B)는 광을 출사하지 않도록 하거나, 복수의 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저(510B)만 광을 출사하고, 복수의 제1 수직 공진형 표면 발광 레이저(510A)는 광을 출사하지 않도록 동작할 수 있다. 복수의 제1 수직 공진형 표면 발광 레이저(510A)는 제1 방향의 원편광 레이저를 발진할 수 있고, 복수의 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저(510B)는 제2 방향의 원평광 레이저를 발진하거나 선평광 레이저를 발진할 수 있다. 경우에 따라서는, 복수의 제1 수직 공진형 표면 발광 레이저(510A)의 적어도 일부와 복수의 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저(510B) 중 적어도 일부를 동시에 구동시킬 수도 있다. 또한, 복수의 제1 및 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저(510A, 510B)의 어레이를 스캐닝 방식으로 순차 구동시키거나, 다른 형태로 순차 구동하는 것도 가능하다.
도 21은 다른 실시예에 따른 것으로, 레이저 어레이를 포함하는 광원부를 보여주는 평면도이다.
도 21을 참조하면, 기판(1200) 상에 복수의 제1 수직 공진형 표면 발광 레이저(520A) 및 복수의 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저(520B)가 어레이를 이루도록 배치될 수 있다. 복수의 제1 수직 공진형 표면 발광 레이저(510A)와 복수의 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저(510B)가 복수의 열 및 복수의 행을 이루도록 배열될 수 있고, 각 열에서 제1 수직 공진형 표면 발광 레이저(520A)와 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저(520B)가 교대로 배치될 수 있다. 또한, 각 행에서도 제1 수직 공진형 표면 발광 레이저(520A)와 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저(520B)가 교대로 배치될 수 있다. 복수의 제1 수직 공진형 표면 발광 레이저(520A)는 제1 방향의 원편광 레이저를 발진할 수 있고, 복수의 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저(520B)는 제2 방향의 원평광 레이저를 발진하거나 선평광 레이저를 발진할 수 있다. 여기에 도시된 어레이 방식은 예시적인 것이고, 이는 다양하게 변화될 수 있다.
도 20 및 도 21에서는 VCSEL 레이저(510A, 510B, 520A, 520B)를, 위에서 볼 때, 원형으로 도시하였지만, 이는 예시적인 것이고, VCSEL 레이저(510A, 510B, 520A, 520B)의 평면 구조는 달라질 수 있다. 예를 들어, VCSEL 레이저(510A, 510B, 520A, 520B) 중 적어도 일부의 XY 평면 상의 평면 구조를 직사각형이나 타원 구조 또는 그와 유사한 비등방성 또는 비대칭적 구조로 만들 수 있고, 이를 통해서도, 광학적 특성을 제어할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 21을 참조하여 설명한 나노구조체 리플렉터(nanostructure reflector), 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL) 및 이를 포함하는 광학 장치의 구성은 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 구체적인 예로, 나노구조체의 단위 구조나 배열 규칙 등은 다양하게 변화될 수 있고, 분산 브래그 리플렉터의 구성도 다양하게 변화될 수 있으며, 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)를 적용한 광학 장치도 전술한 바에 한정되지 않고 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
10 : 제1 물질층 20 : 제2 물질층
100 : 분산 브래그 리플렉터 200 : 이득층
300 : 나노구조체 리플렉터 500, 500A, 500B : VCSEL
1001, 1002 : 기판 N10, N11, N12 : 나노구조체
SL10, SL11, SL12 : 지지층 ML10 : 물질층
Lc, L1c, L2c : 원평광 레이저 L2 : 선편광 레이저

Claims (19)

  1. 광을 생성하는 이득층;
    상기 이득층의 제1면에 배치된 분산 브래그 리플렉터(distributed Bragg reflector); 및
    상기 이득층의 제2면에 배치되고, 서브파장의 형상 치수를 갖는 복수의 나노구조체를 구비하는 나노구조체 리플렉터(nanostructure reflector);를 포함하고,
    상기 복수의 나노구조체는 복수의 비등방성 나노요소(anisotropic nanoelements)를 구비하고, 상기 복수의 비등방성 나노요소의 분포 및 배열 방향에 의해 상기 나노구조체 리플렉터를 통해 원편광 레이저를 방출하도록 구성된, 수직 공진형 표면 발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 비등방성 나노요소 각각의 배열 방향은 상기 나노구조체 리플렉터의 중앙부에서 가장자리로 가면서 점진적으로 변화되는 수직 공진형 표면 발광 레이저.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 비등방성 나노요소의 분포 및 배열 방향에 따라 상기 수직 공진형 표면 발광 레이저는 우선회 원편광 레이저 또는 좌선회 원편광 레이저를 발진하도록 구성된 수직 공진형 표면 발광 레이저.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 비등방성 나노요소는 상기 수직 공진형 표면 발광 레이저의 발진 파장(λ)의 1/2 이하의 두께를 갖는 수직 공진형 표면 발광 레이저.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 비등방성 나노요소는 상기 수직 공진형 표면 발광 레이저의 발진 파장(λ)의 1/2 이하의 배치 간격을 갖는 수직 공진형 표면 발광 레이저.
  6. 제 1 내지 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노구조체 리플렉터가 상기 이득층에 대하여 오목 거울로 작용하도록 상기 복수의 비등방성 나노요소의 크기 분포 및 배열 규칙이 설계된 수직 공진형 표면 발광 레이저.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 비등방성 나노요소의 폭은 상기 나노구조체 리플렉터의 중앙부에서 소정 거리만큼 멀어질수록 증가하는 수직 공진형 표면 발광 레이저.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 나노구조체 리플렉터는 중앙부에서 멀어지는 방향으로 거리에 따라 복수의 영역으로 분할되고,
    상기 복수의 영역 각각에서 상기 복수의 비등방성 나노요소의 폭은 상기 중앙부에서 멀어질수록 증가하는 수직 공진형 표면 발광 레이저.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 나노구조체 리플렉터는 중앙부에서 멀어지는 방향으로 거리에 따라 복수의 영역으로 분할되고,
    상기 복수의 영역은 제1 영역 및 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역에서 상기 복수의 비등방성 나노요소의 폭의 평균값과 상기 제2 영역에서 상기 복수의 비등방성 나노요소의 폭의 평균값은 서로 다른 수직 공진형 표면 발광 레이저.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노구조체 리플렉터는 지지층을 더 포함하고, 상기 지지층은 상기 수직 공진 표면 발광 레이저의 발진 파장(λ)의 1/5 이상의 두께를 갖고,
    상기 지지층 상에 상기 복수의 비등방성 나노요소가 배치되는 수직 공진형 표면 발광 레이저.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 지지층은 상기 비등방성 나노요소의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 수직 공진형 표면 발광 레이저.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 분산 브래그 리플렉터의 반사율은 상기 나노구조체 리플렉터의 반사율보다 높은 수직 공진형 표면 발광 레이저.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 이득층은,
    활성층; 상기 활성층의 제1면에 구비된 제1 클래드층; 및 상기 활성층의 제2면에 구비된 제2 클래드층;을 포함하는 수직 공진형 표면 발광 레이저.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 활성층, 상기 제1 클래드층 및 상기 제2 클래드층 중 적어도 하나는 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질 또는 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 물질을 포함하는 수직 공진형 표면 발광 레이저.
  15. 청구항 1에 기재된 수직 공진형 표면 발광 레이저를 하나 또는 복수 개 포함하는 광학 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 광학 장치는 제1 수직 공진형 표면 발광 레이저; 및 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저;를 포함하고,
    상기 제1 수직 공진형 표면 발광 레이저는 제1 배열 규칙을 갖는 복수의 제1 나노구조체를 포함하고 제1 원편광 레이저를 발진하도록 구성되고,
    상기 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저는 제2 배열 규칙을 갖는 복수의 제2 나노구조체를 포함하고 제2 원편광 레이저 또는 선편광 레이저를 발진하도록 구성된 광학 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1 원편광 레이저 및 제2 원평광 레이저 중 하나는 우선회 원편광 레이저이고, 다른 하나는 좌선회 원편광 레이저인 광학 장치.
  18. 제 16 항에 있어서,
    복수의 상기 제1 수직 공진형 표면 발광 레이저 및 복수의 상기 제2 수직 공진형 표면 발광 레이저의 어레이 구조를 포함하는 광학 장치.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 광학 장치는 3차원 이미징 장치, 3차원 프로젝터, 3차원 센서 및 깊이 센서(depth sensor) 중 적어도 하나를 포함하는 광학 장치.
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