KR20230048048A - 작은 발산각을 갖는 vcsel 레이저 장치, 칩 및 lidar 시스템용 광원 - Google Patents

작은 발산각을 갖는 vcsel 레이저 장치, 칩 및 lidar 시스템용 광원 Download PDF

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쳉 장
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Abstract

본 출원의 실시예는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치, 칩 및 LIDAR 시스템용 광원을 개시하고, 레이저 장치는, 활성층, 및 활성층의 대향하는 양측에 위치하는 하부 브래그 반사층과 상부 브래그 반사층을 포함하되; 여기서, 하부 브래그 반사층과 활성층 사이 및 상부 브래그 반사층과 활성층 사이의 적어도 한 측에 광저장층이 배치되고, 광저장층은 정재파 광 필드 에너지를 저장하는데 사용되며; 광저장층과 활성층 사이에 반사 감소 계면을 구비하는 반사 감소층이 배치되고, 반사 감소층은 광저장층의 광 필드 강도의 피크값을 활성층의 광 필드 강도의 피크값보다 높게 증가시키는데 사용된다.

Description

작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치, 칩 및 LIDAR 시스템용 광원
본 출원의 실시예는 레이저 장치 기술분야에 관한 것으로서, 예를 들면, 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치, 칩 및 LIDAR 시스템용 광원에 관한 것이다.
본 출원은 2021년 09월 29일에 제출한 임시 특허출원 시리얼번호가 63/249,976인 미국 임시 출원의 우선권을 주장하고, 2021년 11월 11일에 중국 특허청에 제출한 출원번호가 202111333713.6인 중국 특허출원의 우선권을 주장하는 바, 상기 출원의 전부 내용은 참조로서 본 출원에 포함된다.
상호 참조 및 우선권 설명
본 특허 출원은 2021년 09월 29일에 제출한 임시 특허출원 시리얼번호가 63/249,976인 미국 임시 출원 “Small divergence angle VCSEL with anti-reflection interface, anti-reflection layer or anti-reflection region”의 우선권을 주장하는 바, 상기 미국 임시 출원의 전부 내용은 참조로서 본 출원에 포함된다.
작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치(vertical cavity surface emitting laser, 수직 공동 표면 방사 레이저 장치)는 발광 다이오드(light-emitting diode, LED) 또는 기타 비간섭성 광원보다 발산각이 더 작은 광빔을 생성할 수 있으므로, 3차원 센서, 레이저 레이더, 광통신 및 조명 등에 널리 응용되고, 다양한 응용에 소형, 콤팩트, 고출력의 레이저 광원을 제공할 수 있다.
기존의 VCSEL의 전체 발산각은 일반적으로 약 20~30도이고, 이러한 발산각은 일부 기존의 응용을 만족시킬 수 있지만, 새로운 응용 장면의 경우 여전히 상대적으로 크기 때문에, 3차원 센서 및 레이저 레이더의 감지 거리, 해상도 및 신호 대 잡음비를 제한하게 된다. 실제 응용에서 VCSEL의 광빔 발산각을 추가로 압축하는 것이 매우 절실히 필요하다.
본 출원의 실시예는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치, 칩 및 LIDAR 시스템용 광원을 제공한다.
본 출원의 실시예는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치를 제공하고, 해당 VCSEL 레이저 장치는,
하부 브래그 반사층;
상기 하부 브래그 반사층의 일측에 위치하는 활성층;
상기 하부 브래그 반사층으로부터 멀어지는 상기 활성층의 일측에 위치하는 상부 브래그 반사층;을 포함하되,
여기서, 상기 활성층의 내측 또는 외측에 발광 영역을 정의하는 전류 제한층이 배치되고; 상기 하부 브래그 반사층과 상기 활성층 사이 및 상부 브래그 반사층과 상기 활성층 사이의 적어도 한 측에 광저장층이 배치되고, 상기 광저장층은 광 필드 에너지를 저장하는데 사용되며; 상기 광저장층과 상기 활성층 사이에 반사 감소 계면을 구비하는 반사 감소층이 배치되고, 상기 반사 감소층은 상기 광저장층의 광 필드 강도의 피크값을 활성층의 광 필드 강도의 피크값보다 높게 증가시키는데 사용된다.
제2 측면에 따르면, 본 출원의 실시예는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치 칩을 개시하고, 해당 칩은 제1 측면 중 어느 하나에 따른 복수의 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치를 포함하고, 복수의 상기 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치는 평면 어레이 배열을 구성하며; 상기 평면 어레이 배열은 규칙적인 배열, 또는 랜덤 배열, 또는 어드레싱(Addressing)을 위한 복수의 서브 어레이이다.
제3 측면에 따르면, 본 출원의 실시예는 LIDAR 시스템용 광원을 개시하고, 해당 광원은 제1 측면 중 어느 하나에 따른 적어도 하나의 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치 또는 제2 측면에 따른 적어도 하나의 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치 칩을 포함한다.
도 1은 관련 기술에서 제공한 VCSEL 레이저 장치의 구조 개략도이다.
도 2는 본 출원의 실시예에서 제공한 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치의 구조 개략도이다.
도 3은 본 출원의 실시예에서 제공한 다른 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치의 구조 개략도이다.
도 4는 본 출원의 실시예에서 제공한 다른 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치의 구조 개략도이다.
도 5는 본 출원의 실시예에서 제공한 다른 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치의 구조 개략도이다.
도 6은 본 출원의 실시예에서 제공한 다른 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치의 구조 개략도이다.
도 7은 본 출원의 실시예에서 제공한 한층의 반사 감소 계면의 작용하에서의 광 필드 강도 분포도 및 대응하는 굴절률 분포도이다.
도 8은 본 출원의 실시예에서 제공한 다른 한층의 반사 감소 계면의 작용하에서의 광 필드 강도 분포도 및 대응하는 굴절률 분포도이다.
도 9는 본 출원의 실시예에서 제공한 두층의 반사 감소 계면의 작용하에서의 광 필드 강도 분포도 및 대응하는 굴절률 분포도이다.
도 10은 본 출원의 실시예에서 제공한 다른 두층의 반사 감소 계면의 작용하에서의 광 필드 강도 분포도 및 대응하는 굴절률 분포도이다.
도 11은 본 출원의 실시예에서 제공한 다층의 반사 감소 계면의 작용하에서의 광 필드 강도 분포도 및 대응하는 굴절률 분포도이다.
도 12는 본 출원의 실시예에서 제공한 다른 다층의 반사 감소 계면의 작용하에서의 광 필드 강도 분포도 및 대응하는 굴절률 분포도이다.
도 13은 본 출원의 실시예에서 제공한 다른 다층의 반사 감소 계면의 작용하에서의 광 필드 강도 분포도 및 대응하는 굴절률 분포도이다.
도 14는 본 출원의 실시예에서 제공한 광 필드 강도 분포도 및 굴절률 분포도이다.
도 15는 본 출원의 실시예에서 제공한 다른 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치의 구조 개략도이다.
이하, 첨부된 도면과 실시예를 결합하여 본 출원을 추가로 상세히 설명하도록 한다. 여기서 설명되는 구체적인 실시예는 본 출원을 해석하기 위한 것일 뿐, 본 출원을 한정하려는 것이 아님을 이해할 수 있을 것이다. 이외, 추가로 설명해야 할 것은, 설명의 편의를 위해, 도면에서는 전부 구조가 아닌 본 출원과 관련된 부분만을 도시하였다.
관련 기술에서, VCSEL의 광빔 발산각을 압축하기 위한 통상적인 수단은 캐비티 길이를 길게 늘려, VCSEL의 발광홀 내외의 유효 굴절률의 차이를 감소시킴으로써, 고차 모드의 발생을 억제하는 것이다. 고차 모드의 광빔은 보다 큰 발산각을 갖기 때문에, 고차 모드의 광빔을 억제한 후, 나머지 저차 모드의 광빔이 보다 작은 발산각을 구현할 수 있다. 도 1은 관련 기술에서 제공한 VCSEL 레이저 장치의 구조 개략도이고, 도 1을 참조하면, 기판(1)의 동일측에 하부 브래그 반사층(2), 활성층(4) 및 상부 브래그 반사층(6)이 배치되어 있고, 여기서 상부 브래그 반사층(6) 또는 활성층(4)에는 알루미늄 함유 성분이 높은 AlGaAs(여기서, Al의 성분은 일반적으로 97% 이상, 심지어 100%일 수 있고, 즉 순수한 AlAs일 수 있음)가 포함되고, AlGaAs를 산화시켜 전류 제한층을 형성할 수 있다. 해당 층은 고온 수증기 환경에서 산화알루미늄 소재를 생성한다. 주상 플랫폼 구조로 에칭하여, 측면으로부터 산화시켜 절연된 산화알루미늄을 형성하고, 산화되지 않은 부분은 여전히 전도 가능한 AlGaAs이다. 이러한 구조는 전류가 중간 전도성 부분만을 통과하도록 제한할 수 있다. 이러한 방식으로 형성된 전류 제한층(5)을 일반적으로 산화층이라고도 한다. 개구 위치는 산화홀로 칭하고, 레이저 장치의 발광홀이다. 산화홀 중간의 AlGaAs와 외측의 산화알루미늄의 굴절률은 다르다. 따라서, VCSEL의 발광홀 내외의 유효 굴절률에 차이가 발생하게 된다.
유효 굴절률은 다음 공식에 따라 결정된다:
Figure pct00001
여기서,
Figure pct00002
는 유효 굴절률이고, n(z)는 z축 방향에서의 굴절률이며,
Figure pct00003
는 z축 방향(즉, 광출사 방향)에서의 광 필드 강도이다. 적분 범위는 레이저 장치에 광 필드가 존재하는 범위이다.
VCSEL의 발광홀 내외의 유효 굴절률의 차이값은 다음 공식에 따라 결정된다:
Figure pct00004
여기서,
Figure pct00005
는 발광홀 내외의 유효 굴절률의 차이값이고,
Figure pct00006
는 발광홀이 위치하는 영역의 유효 굴절률이며,
Figure pct00007
는 발광홀 외부의 유효 굴절률이고,
Figure pct00008
은 알루미늄 함유 성분이 높은 재료(예를 들면, Al0.98Ga0.02As)의 굴절률이며,
Figure pct00009
는 산화알루미늄의 굴절률이다.
Figure pct00010
는 산화층의 광 제한 요소이고, 다음 공식에 따라 결정된다:
Figure pct00011
여기서, l 은 z축 방향에서의 전류 제한층의 두께이고, p는 z축 방향에서의 전체 광 필드의 두께이며,
Figure pct00012
는 z축 방향에서의 산화알루미늄의 굴절률이고, 하나의 고정된 값으로 간주될 수 있으며, 예를 들면,
Figure pct00013
는
Figure pct00014
와 같다.
VCSEL의 광빔 발산각을 압축하기 위해, 중간 브래그 반사층(3)을 추가로 배치하는 방식으로 캐비티 길이를 길게 늘려, p의 값을 크게 하고,
Figure pct00015
의 값을 작게 함으로써, 발광홀 내외의 유효 굴절률의 차이값을 감소시키고, 나아가 고차 모드의 발생을 억제한다. 고차 모드의 광빔은 보다 큰 발산각을 갖기 때문에, 고차 모드의 광빔을 억제한 후, 나머지 저차 모드의 광빔이 보다 작은 발산각을 구현할 수 있다. 그러나 캐비티 길이를 길게 늘리는 방법은 새로운 문제를 야기시킨다. 캐비티 길이를 길게 늘리면, 레이저의 종방향 모드의 간격도 감소되고, VCSEL의 방출 스펙트럼에서 복수의 종방향 모드, 즉, 복수의 스펙트럼 피크가 나타난다. 이러한 복수의 스펙트럼 피크 중에서 설계된 발진 파장(lasing wavelength) 이외에 나타나기를 원하지 않았던 기타 스펙트럼 피크도 설계된 발진 파장의 일측 또는 양측에 나타나게 된다. 이러한 나타나기를 원하지 않았던 스펙트럼 피크를 일반적으로 종모드라고 한다.
또한, 종모드가 나타남으로 인해 일부 잠재적인 문제가 발생하게 되고, 예를 들면, 광원의 온도 드리프트 계수가 증가되고, 온도 안정성이 떨어지며; 또 예를 들면, 3차원 센서와 레이저 레이더의 수신단이 이러한 종모드로 인한 효율 저하 및 크로스토크를 식별하지 못한다.
이를 감안하여, 본 출원의 실시예는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치를 제공하고, 도 2는 본 출원의 실시예에서 제공한 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치의 구조 개략도이고, 도 3은 본 출원의 실시예에서 제공한 다른 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치의 구조 개략도이며, 도 4는 본 출원의 실시예에서 제공한 다른 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치의 구조 개략도이고, 도 5는 본 출원의 실시예에서 제공한 다른 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치의 구조 개략도이며, 도 6은 본 출원의 실시예에서 제공한 다른 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치의 구조 개략도이고, 도 2 내지 도 6를 참조하면, 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치는,
하부 브래그 반사층(20);
하부 브래그 반사층(20)의 일측에 위치하는 활성층(30);
하부 브래그 반사층(20)으로부터 멀어지는 활성층(30)의 일측에 위치하는 상부 브래그 반사층(40);을 포함하되,
여기서, 활성층(30)의 내측 또는 외측 부근에 발광 영역을 정의하는 전류 제한층(70)이 배치되고; 하부 브래그 반사층(20)과 활성층(30) 사이 및 상부 브래그 반사층(40)과 활성층(30) 사이의 적어도 한 측에 활성층(30)과 평행되는 광저장층(50)이 배치되고, 광저장층(50)은 광 필드 에너지를 저장하는데 사용되며, 광저장층(50)과 활성층(30) 사이에 반사 감소 계면을 구비하는 반사 감소층(60)이 배치되고, 반사 감소층(60)은 광저장층(50)의 광 필드 강도의 피크값을 활성층(30)의 광 필드 강도의 피크값보다 높게 증가시키는데 사용된다. 이러한 광저장층(50)은 광 필드 에너지를 보다 효과적으로 저장하는 역할을 함으로써, 보다 짧은 캐비티로 보다 작은 광한정 요소를 구현하게 된다.
예를 들면, 하부 브래그 반사층(20)은 광학 두께가 1/4 발진 파장인 복수의 반사경을 포함하고, 복수의 반사경은 고저굴절률에 따라 번갈아 배치되며; 상부 브래그 반사층(40)은 광학 두께가 1/4 발진 파장인 복수의 반사경을 포함하고, 복수의 반사경은 고저굴절률에 따라 번갈아 배치된다. 여기서, 상부 브래그 반사층(40) 및 하부 브래그 반사층(20)의 재료는 유전체 재료일 수 있고, 전기 절연성을 구비하며, 예를 들면, 질화규소, 산화규소, 산화알루미늄 또는 산화티타늄 등을 포함할 수 있다. 상부 브래그 반사층(40) 및 하부 브래그 반사층(20)의 재료는 반도체 재료일 수 있고, 예를 들면, GaAs 및 AlGaAs 등일 수 있다. 도 3, 도 5 또는 도 6을 참조하면, 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치는 기판(10)을 더 포함할 수 있고, 기판(10)은 활성층(30)으로부터 멀어지는 하부 브래그 반사층(20)의 일측에 위치하며, 해당 기판(10)은 레이저 장치 형성에 적합한 임의의 재료일 수 있고, 기판(10)의 재료는 GaAs 또는 Si 등 재료일 수 있다. 도 4를 참조하면, 해당 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치에는 투명 탑기판(10')이 더 배치될 수 있고, 투명 탑기판(10')을 형성하는 동시에 기판(10)을 제거하고, 투명 탑기판(10')은 활성층(30)으로부터 멀어지는 상부 브래그 반사층(40)의 일측에 위치하며, 투명 탑기판(10')의 재료는 사파이어, 석영, 유리 또는 투명 폴리머를 포함할 수 있다.
활성층(30)의 일측에 가까운 층의 가장자리에 전류 제한층(70)이 포함되거나 활성층(30)의 내부에 전류 제한층(70)이 배치된다. 일정한 온도 조건하에서 고 도핑 알루미늄(highly doped aluminum)을 습식 산화시키는 방식으로, 전류 제한층(70)이 위치하는 반도체층(예를 들면, 재료는 알루미늄 갈륨 비소 재료임)의 측벽을 산화시켜 산화층을 형성함으로써, 전류 제한층(70)을 형성할 수 있다. 전류 제한층(70)은 개구를 구비하고, 개구는 산화되지 않은 반도체층이며, 개구는 레이저 장치의 발광 영역을 정의하는데 사용된다. 산화되어 형성된 산화알루미늄은 저항이 비교적 높고, 전류 제한층(70)의 개구 위치는 여전히 고 도핑 알루미늄의 알루미늄 갈륨 비소 재료이기 때문에, 전류가 흐르게 되면, 전류는 전류 제한층(70)의 개구를 통해 활성층(30)으로 흐르게 된다. 활성층(30)은 적어도 하나의 양자 우물을 포함하고, 이는 적층된 양자 우물 복합 구조를 포함할 수 있으며, GaAs 및 AlGaAs, InGaAs 및 GaAsP, 또는 InGaAs 및 AlGaAs 재료가 적층 배열되어 구성되고, 전기 에너지를 광 에너지로 변환시켜 레이저를 생성한다. 예를 들면, 양자 우물 세트에는 2~5 개의 양자 우물이 있고, 양자 우물 사이에는 퍼텐셜 장벽이 존재하며, 양자 우물 세트의 외측에도 퍼텐셜 장벽이 존재한다. 여기서, 활성층(30)에 수직되는 방향을 따른 각 양자 우물의 중심과, 정재파 광 필드의 가장 가까운 파복(antinode)의 광로 거리는 1/5 발진 파장보다 작다. 양자 우물이 하나보다 많을 경우, 한 세트의 양자 우물 전체의 중심 위치와 정재파 광 필드의 가장 가까운 파복의 광로 거리는 1/10 발진 파장보다 작다. 예를 들면, 양자 우물의 중심 위치와 전기장 피크값이 정렬된다. 양자 우물은 레이저 이득 증폭을 발생시키는 부분이기 때문에, 양자 우물의 중심 위치와 광 필드가 가장 강한 위치를 정렬하면, 보다 큰 증폭 효과를 달성할 수 있다. 여기서, 하부 브래그 반사층(20)과 활성층(30) 사이 및 상부 브래그 반사층(40)과 활성층(30) 사이의 적어도 한 측에 활성층(30)과 평행되는 광저장층(50)이 배치된다. 도 2 내지 도 4에서는 하부 브래그 반사층(20)과 활성층(30) 사이에 활성층(30)과 평행되는 광저장층(50)이 배치되는 것을 도시하였다. 도 5에서는 상부 브래그 반사층(40)과 활성층(30) 사이에 활성층(30)과 평행되는 광저장층(50)이 배치되는 것을 도시하였다. 도 6에서는 하부 브래그 반사층(20)과 활성층(30) 사이 및 상부 브래그 반사층(40)과 활성층(30) 사이에 모두 활성층(30)과 평행되는 광저장층(50)이 배치되는 것을 도시하였다. 광저장층(50)과 활성층(30) 사이에 반사 감소 계면을 구비하는 반사 감소층(60)이 배치되고, 반사 감소층(60)은 광저장층(50)의 광 필드 강도의 피크값을 활성층(30)의 광 필드 강도의 피크값보다 높게 증가시키는데 사용된다. 여기서, 반사 감소층(60) 및 광저장층(50)의 재료는 유전체 재료일 수 있고, 반사 감소층(60) 및 광저장층(50)의 재료는 반도체 재료 일 수도 있다.
상기 공식으로부터 알 수 있듯이, 계수
Figure pct00016
의 값을 감소시켜 VCSEL의 발광홀 내외의 유효 굴절률의 차이값을 감소시킬 수 있고, 계수
Figure pct00017
의 값의 감소는 분자의 감소 및 분모의 증가 중 적어도 하나의 방식으로 구현될 수 있다. 전류 제한층(70)의 두께가 비교적 작기 때문에, 분모에서의 캐비티 길이(p)를 증가시키면 종모드가 발생하게 된다. 본 출원의 실시예는 분모에서의 전기장 강도E2를 증가시켜, 즉 광저장층(50)에서의 광 필드 강도를 증가시켜, VCSEL의 발광홀 내외의 유효 굴절률의 차이를 감소시킴으로써, 고차 모드의 발생을 억제하고, 발산각을 감소시킨다. 아울러, 광저장층(50)의 내부의 광 필드 강도를 증가시켜, 종래 기술에 비해, 캐비티 길이가 증가되는 폭을 감소시킬 수 있으므로, VCSEL의 방출 스펙트럼에서 복수의 종방향 모드가 나타나는 문제를 개선할 수도 있어, 발산각을 대폭 감소시키는 동시에, 단일 종모드 발진을 유지할 수 있다. 광원의 온도 드리프트 계수가 증가되고, 온도 안정성이 떨어지며, 3차원 센서와 레이저 레이더의 수신단이 이러한 다파장에 인한 효율 저하 및 크로스토크를 식별하지 못하는 등 문제가 나타나는 것을 방지한다.
상기 내용을 종합하면, 본 출원의 실시예에서 제공하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치는 광저장층과 활성층 사이에 반사 감소 계면을 구비하는 반사 감소층을 배치하고, 반사 감소층은 광저장층의 광 필드 강도의 피크값을 활성층의 광 필드 강도의 피크값보다 높게 증가시키는데 사용된다. 따라서, 광저장층의 내부의 광 필드 강도를 증가시켜, VCSEL의 발광홀 내외의 유효 굴절률의 차이를 감소시킴으로써, 고차 모드의 발생을 억제하고, 발산각을 감소시키며; 아울러, 광저장층의 내부의 광 필드 강도를 증가시켜, 레이저 장치의 유효 캐비티 길이를 효과적으로 감소시킬 수도 있기 때문에, 인접하는 종모드 간의 파장 차이를 증가시키므로, 단일 종모드 발진을 구현하여, 복수의 파장의 출력을 방지하게 된다.
예를 들어, 광저장층은 캐비티 길이를 증가시키는데 사용된다.
예를 들어, 작은 발산각은 발산각이 20도보다 작은 것을 나타낼 수 있다.
일 실시예에서, 하부 브래그 반사층(20)은 N형 반도체층일 수 있고, 상부 브래그 반사층(40)은 P형 반도체층일 수 있으며; 또는, 하부 브래그 반사층(20)은 P형 반도체층일 수 있고, 상부 브래그 반사층(40)은 N형 반도체층일 수 있다. 상부 브래그 반사층(40)과 활성층(30)이 직접 접촉되는 경우, 전류 제한층(70)은 상부 브래그 반사층(40)의 내부에 위치할 수 있고; 활성층(30)과 상부 브래그 반사층(40) 사이에 광저장층(50)이 이격되어 있으면, 전류 제한층(70)은 광저장층(50)의 내부에 위치한다. 또는, 하부 브래그 반사층(20)과 활성층(30)이 직접 접촉되는 경우, 전류 제한층(70)은 하부 브래그 반사층(20)의 내부에 위치하고; 활성층(30)과 하부 브래그 반사층(20) 사이에 광저장층(50)이 이격되어 있으면, 전류 제한층(70)은 광저장층(50)의 내부에 위치한다. 도 2 내지 도 4에서는 모두 전류 제한층(70)이 활성층(30)의 외측 위치에 있는 것을 예시적으로 도시하였다. 발광 영역을 보다 잘 한정하기 위해, 전류 제한층(70)은 활성층(30)에 수직되는 방향을 따라, 활성층(30)의 일측으로부터 2 개의 파장 범위 내에 위치한다. 도 3을 참조하면, 전류 제한층(70)이 활성층(30)의 외부에 위치하고, 활성층(30)의 일측에만 광저장층(50)이 있는 경우, 예를 들어, 전류 제한층(70)과 광저장층(50)이 활성층(30)의 대향하는 양측에 위치하면, 전류 제한층(70)의 광 제한 요소를 더욱 감소시킬 수 있다.
전류 제한층(70)은 활성층(30)의 내부에 위치할 수도 있고, 여기서 활성층에 수직되는 방향(예를 들어, z축 방향)을 따른 전류 제한층(70)의 중심과, 정재파 광 필드의 가장 가까운 노드(node)의 광로 거리가 1/10 발진 파장보다 작기 때문에, 발광 영역을 제한하는 효과를 보장할 뿐만 아니라, 전류 제한층(70)이 있는 위치의 광 필드 강도가 작도록 보장할 수도 있고, 전류 제한층(70)의 광 제한 요소를 더욱 감소시켜, 파필드(far field)의 발산각을 감소시킨다. 설명해야 할 것은, 전류 제한층(70)의 개수는 적어도 하나이다. 상이한 전류 제한층(70)의 개구 크기는 동일하거나 상이할 수 있고, 개구가 가장 작은 전류 제한층(70)에 의해 한정된 발광 영역을 레이저 장치의 발광 영역으로 한다. 도 5 내지 도 6 및 도 15에서는 모두 전류 제한층(70)이 활성층(30)의 내부 위치에 있는 것을 예시적으로 도시하였다. 발광 영역을 보다 잘 한정하기 위해, 활성층(30)에 수직되는 방향을 따른 전류 제한층(70)의 중심과 정재파 광 필드의 가장 가까운 노드의 광로 거리는 1/10 발진 파장보다 작다.
일 실시예에서, 활성층(30)으로부터 광저장층(50)을 향하는 방향을 따라, 반사 감소 계면은 광저장층(50)과 활성층(30) 사이의 저굴절률로부터 고굴절률로 되는 계면에 위치하는 제1 반사 감소 계면(61), 및/또는 광저장층(50)과 활성층(30) 사이의 고굴절률로부터 저굴절률로 되는 계면에 위치하는 제2 반사 감소 계면을 포함하되;
여기서, 제1 반사 감소 계면과 정재파 광 필드의 가장 가까운 파복의 광로 거리는 1/10 발진 파장보다 작고; 제2 반사 감소 계면과 정재파 광 필드의 가장 가까운 노드의 광로 거리는 1/10 발진 파장보다 작다.
예를 들어, 하부 브래그 반사층(20)과 활성층(30) 사이에 활성층(30)과 평행되는 광저장층(50)을 배치한 구조를 예로 들고, 도 7은 본 출원의 실시예에서 제공한 한층의 반사 감소 계면의 작용하에서의 광 필드 강도 분포도 및 대응하는 굴절률 분포도이고, 도 8은 본 출원의 실시예에서 제공한 다른 한층의 반사 감소 계면의 작용하에서의 광 필드 강도 분포도 및 대응하는 굴절률 분포도이며, 도 9는 본 출원의 실시예에서 제공한 두층의 반사 감소 계면의 작용하에서의 광 필드 강도 분포도 및 대응하는 굴절률 분포도이고, 도 10은 본 출원의 실시예에서 제공한 다른 두층의 반사 감소 계면의 작용하에서의 광 필드 강도 분포도 및 대응하는 굴절률 분포도이며, 도 11은 본 출원의 실시예에서 제공한 다층의 반사 감소 계면의 작용하에서의 광 필드 강도 분포도 및 대응하는 굴절률 분포도이고, 도 7 내지 도 11을 참조하면, 광 필드가 강해지는 방향 Y는 활성층(30)으로부터 광저장층(50)을 향하는 방향이고, 이 방향을 따라, 반사 감소층(60) 내의 저굴절률층으로부터 고굴절률층으로 진입하는 계면(제1 반사 감소 계면(61))을 정재파 광 필드의 가장 가까운 파복과의 광로 거리가 1/10 발진 파장보다 작은 위치에 배치하고; 반사 감소층(60) 내의 고굴절률층으로부터 저굴절률층으로 진입하는 계면(제2 반사 감소 계면(62))을 정재파 광 필드의 가장 가까운 노드와의 광로 거리가 1/10 발진 파장보다 작은 위치에 배치한다. 상기 배치 규칙에 따라 고저굴절률층의 두께 및 계면의 위치를 조정함으로써, 반사 감소층(60)의 광 필드가 강해지는 방향이 활성층(30)으로부터 광저장층(50)을 향하는 방향이 되도록 보장할 수 있다.
일 실시예에서, 반사 감소층(60) 내의 저굴절률층으로부터 고굴절률층으로 진입하는 계면을 정재파 광 필드 강도의 파복에 배치하고; 반사 감소층(60) 내의 고굴절률층으로부터 저굴절률층으로 진입하는 계면을 정재파 광 필드 강도의 노드에 배치함으로써, 반사 감소층(60)의 투과율을 더욱 향상시키고, 광저장층(50)의 내부의 광 필드 강도를 증가시킬 수 있다. 나아가 VCSEL의 발광홀 내외의 유효 굴절률의 차이를 감소시킴으로써, 고차 모드의 발생을 억제하고, 레이저의 발산각을 감소시킨다.
일 실시예에서, 활성층의 광학 두께는 1/4 발진 파장의 기수배이다.
예를 들어, 도 7을 참조하면, 반사 감소 계면과 이득 양자 우물의 거리는 반파장의 정수배이고, 활성층(30)도 반파장의 정수배이다. 도 8을 참조하면, 반사 감소 계면과 이득 양자 우물의 거리는 1/4 파장의 기수배이고, 활성층(30)도 1/4 파장의 기수배이다. 도 7과 도 8에서의 직선 L과 피크의 위치 관계를 비교하면, 활성층(30)의 광학 두께가 1/4 발진 파장의 기수배일 때의 반사 감소 계면의 반사 감소 효과가 활성층(30)의 광학 두께가 반파장의 정수배일 때의 반사 감소 계면의 반사 감소 효과보다 높은 것을 알 수 있다. 또한, 활성층(30)의 광학 두께를 1/4 파장의 기수배로 설정하면, 활성층(30) 내의 광 필드 강도가 관련 기술의 활성층(30)의 광 필드 강도보다 상대적으로 작으므로, 활성층(30)의 일측에 가까운 전류 제한층(70)의 전기장 강도를 감소시킬 수 있어, 계수 의 값을 더욱 감소시킬 수 있음으로써, VCSEL의 발광홀 내외의 유효 굴절률의 차이값을 감소시키고, 레이저의 발산각을 감소시킨다.
도 7에서, 물결선과 위쪽의 가로선이 각각 나타내는 물리량은 광 필드 강도와 굴절률이다.
일 실시예에서, 도 7 및 도 8을 참조하면, 반사 감소층(60)은 하나의 반사 감소 계면을 포함하고, 반사 감소 계면은 제1 반사 감소 계면(61) 또는 제2 반사 감소 계면(62)이며;
반사 감소 계면은 광저장층(50)과 활성층(30)의 접촉 계면이거나, 광저장층(50)과 활성층(30) 사이의 굴절률 그라데이션층의 굴절률 중점이 위치하는 계면이다.
예를 들어, 반사 감소 계면은 광저장층(50)과 활성층(30)의 접촉 계면일 수 있다. 하나의 반사 감소 계면만을 포함하는 반사 감소층(60)의 경우, 광저장층(50)과 활성층(30)의 접촉 계면을 반사 감소층(60)으로 사용하는 것으로 이해할 수 있고, 이때 반사 감소층(60)의 두께는 0이다. 반사 감소 계면은 광저장층(50)과 활성층(30) 사이의 굴절률 그라데이션층의 굴절률 중점이 위치하는 계면일 수 있고, 여기서 굴절률 그라데이션층은 활성층(30)으로부터 광저장층(50)을 향하는 방향을 따라 굴절률이 활성층(30)의 가장자리 부위로부터 광저장층(50)에서 활성층(30)에 가장 가까운 부위를 향해 점차 변화되는 필름층으로 이해될 수 있으며, 굴절률 그라데이션층을 배치함으로써 이질접합에 의한 저항을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 굴절률 그라데이션층의 두께 범위는 10~20nm로 설정될 수 있고, 재료는 Al0.1GaAs 내지 Al0.8GaAs의 그라데이션층이며, 상응하는 굴절률도 점차 변화되게 분포된다. 굴절률 그라데이션층의 굴절률 중점이 위치하는 계면을 반사 감소층(60)으로 사용하는 것으로 이해할 수 있고, 이때 반사 감소층(60)의 두께는 0이다. 반사 감소 계면이 제1 반사 감소 계면(61)인 경우, 반사 감소 계면의 일측의 활성층(30)의 굴절률은 반사 감소 계면의 타측의 광저장층(50)의 굴절률보다 작고, 반사 감소 계면이 제2 반사 감소 계면(62)인 경우, 반사 감소 계면의 일측의 활성층(30)의 굴절률은 반사 감소 계면의 타측의 광저장층(50)의 굴절률보다 크다.
일 실시예에서, 도 9 및 도 10을 참조하면, 반사 감소층(60)은 2 개의 반사 감소 계면을 포함하고, 2 개의 반사 감소 계면은 각각 제1 반사 감소 계면(61) 및 제2 반사 감소 계면(62)이며;
그중 하나의 반사 감소 계면은 광저장층(50)과 반사 감소층(60)의 접촉 계면이거나, 광저장층(50)과 반사 감소층(60) 사이의 굴절률 그라데이션층의 굴절률 중점이 위치하는 계면이고; 다른 하나의 반사 감소 계면은 활성층(30)과 반사 감소층(60)의 접촉 계면이거나, 활성층(30)과 반사 감소층(60) 사이의 굴절률 그라데이션층의 굴절률 중점이 위치하는 계면이다.
예를 들어, 하나의 반사 감소 계면은 광저장층(50)과 반사 감소층(60)의 접촉 계면이고, 다른 하나의 반사 감소 계면은 활성층(30)과 반사 감소층(60)의 접촉 계면이며, 이때, 2 개의 반사 감소 계면 사이의 영역은 반사 감소층(60)이 위치하는 영역이고, 반사 감소층(60)의 2 개의 계면은 반사 감소 계면이며, 반사 감소층(60)의 두께는 0보다 큰 것을 이해할 수 있다. 또는, 하나의 반사 감소 계면은 광저장층(50)과 반사 감소층(60) 사이의 굴절률 그라데이션층의 굴절률 중점이 위치하는 계면이고; 다른 하나의 반사 감소 계면은 활성층(30)과 반사 감소층(60) 사이의 굴절률 그라데이션층의 굴절률 중점이 위치하는 계면이다. 광저장층(50)과 반사 감소층(60) 사이의 굴절률 그라데이션층은 광저장층(50)과 반사 감소층(60) 사이의 이질접합에 의한 저항을 감소시키는데 사용되고; 활성층(30)과 반사 감소층(60) 사이의 굴절률 그라데이션층은 활성층(30)과 반사 감소층(60) 사이의 이질접합에 의한 저항을 감소시키는데 사용된다. 이때, 2 개의 반사 감소 계면 사이의 영역은 반사 감소층(60)이 위치하는 영역을 포함하는 외에, 일부분의 굴절률 그라데이션층을 더 포함하고, 반사 감소층(60)의 2 개의 계면은 반사 감소 계면이 아니다. 이해의 편의를 위해, 본 출원의 실시예 및 이하의 실시예에서는 2 개의 반사 감소 계면 사이의 필름층을 반사 감소층(60)으로 한다.
예를 들어, 광저장층(50)과 반사 감소층(60) 사이의 굴절률 그라데이션층은 광저장층(50)과 반사 감소층(60)에 독립적으로 존재하는 층일 수 있거나, 광저장층(50)과 반사 감소층(60)에 종속되는 층일 수도 있으나(예를 들어, 굴절률 그라데이션층의 절반은 광저장층(50)에 속하고, 굴절률 그라데이션층의 나머지 절반은 반사 감소층(60)에 속함), 이에 한정되지 않는다.
예를 들어, 활성층(30)과 반사 감소층(60) 사이의 굴절률 그라데이션층은 활성층(30)과 반사 감소층(60)에 독립적으로 존재하는 층일 수 있거나, 활성층(30)과 반사 감소층(60)에 종속되는 층일 수도 있으나(예를 들어, 굴절률 그라데이션층의 절반은 활성층(30)에 속하고, 굴절률 그라데이션층의 나머지 절반은 반사 감소층(60)에 속함), 이에 한정되지 않는다.
여기서, 2 개의 반사 감소 계면은 각각 제1 반사 감소 계면(61)과 제2 반사 감소 계면(62)이고, 활성층(30)으로부터 광저장층(50)을 향하는 방향을 따라, 제1 반사 감소 계면(61)은 광저장층(50)과 활성층(30) 사이의 저굴절률로부터 고굴절률로 되는 계면이고, 제2 반사 감소 계면(62)은 광저장층(50)과 활성층(30) 사이의 고굴절률로부터 저굴절률로 되는 계면이기 때문에, 반사 감소층(60)의 굴절률은 광저장층(50) 및 활성층(30)과 반사 감소층(60)이 접촉하는 부분(예를 들어, 활성층(30)은 복수의 상이한 층으로 구성되고, 활성층(30)과 반사 감소층(60)이 접촉하는 부분은 활성층(30)에서의 반사 감소층(60)과 접촉하는 일부분을 의미함)과 구별된다. 반사 감소층(60)은 단층 필름이고, 반사 감소층(60)의 굴절률은 모두 광저장층(50) 및 활성층과 반사 감소층(60)이 접촉하는 부분의 굴절률보다 클 수 있거나, 모두 광저장층(50) 및 활성층과 반사 감소층(60)이 접촉하는 부분의 굴절률보다 작을 수 있다. 반사 감소층(60)의 굴절률이 모두 광저장층(50) 및 활성층(30)과 반사 감소층(60)이 접촉하는 부분의 굴절률보다 큰 경우, 활성층(30)의 일측에 가까운 반사 감소 계면은 제1 반사 감소 계면(61)이고, 광저장층(50)의 일측에 가까운 반사 감소 계면은 제2 반사 감소 계면(62)이다. 반사 감소층(60)의 굴절률이 모두 광저장층(50) 및 활성층(30)과 반사 감소층(60)이 접촉하는 부분의 굴절률보다 작은 경우, 활성층(30)의 일측에 가까운 반사 감소 계면은 제2 반사 감소 계면(62)이고, 광저장층(50)의 일측에 가까운 반사 감소 계면은 제1 반사 감소 계면(61)이다. 본 출원의 실시예에서의 반사 감소층(60)은 2 개의 반사 감소 계면을 포함하기 때문에, 반사 감소층(60)의 투과율을 더욱 향상시키고, 광저장층(50)의 내부의 광 필드 강도를 증가시킬 수 있다. 따라서 VCSEL의 발광홀 내외의 유효 굴절률의 차이를 감소시키고, 고차 모드의 발생을 억제하며, 레이저의 발산각을 감소시킨다.
또한, 활성층(30)에 수직되는 방향을 따라, 제1 반사 감소 계면(61)과 제2 반사 감소 계면(62) 사이의 광학 두께를 1/4 발진 파장의 기수배로 설정한다. 정재파는 주파수가 같고, 전송 방향이 반대되는 2 개의 파가 전송 경로를 따라 형성되는 한 가지 분포 상태를 의미한다. 그중 하나의 파는 다른 하나의 파의 반사파이다. 양자가 가산된 점에서 파복이 나타나고, 양자가 감산된 점에서 파절이 형성된다. 정재파의 파형에서, 파절과 파복의 위치는 항상 변하지 않지만, 이의 순간값은 시간에 따라 변화된다. 이러한 2 개의 파의 폭값이 같으면, 파절의 폭값은 0이다. 본 출원의 실시예에서, 레이저 장치에서의 광은 파절의 폭값이 0인 정재파이다. 정재파의 필드는 고정되어 있기 때문에, 동일한 필름층을 임의의 방향으로 1/4 파장의 기수배만큼 이동하면, 반대 효과가 나타나고, 반사 증가를 실현할 수 있거나 반사 감소를 실현할 수 있다. 관련 기술에서의 활성층(30)을 향해 반사하는 상황에 대하여, 광학 두께가 1/4 발진 파장의 기수배인 반사 감소층(60)을 배치하는 것은 1/4 파장의 기수배만큼 이동한 것에 해당되기 때문에, 활성층(30)을 향해 반사하는 상황을 반사 감소 효과로 변화시키고, 즉 해당 효과는 광저장층(50)을 향해 반사하는 효과에 해당된다. 본 출원의 실시예에서의 반사 감소층(60)은 광저장층(50)을 향하는 반사경에 해당하고, 활성층(30)에 대해서는, 광 필드 에너지를 추출하여 활성층(30)의 광 필드 에너지를 활성층(30) 이외의 광저장층(50) 구조에 가압하는 것에 해당한다. 일 실시예에서, 제1 반사 감소 계면(61)과 제2 반사 감소 계면(62) 사이의 광학 두께를 1/4 발진 파장으로 설정함으로써, 반사 감소 효과를 보장하는 동시에, 레이저 장치의 비용 및 두께를 감소시킬 수 있다.
일 실시예에서, 반사 감소층(60)이 2 개의 반사 감소 계면을 포함하는 경우, 2 개의 반사 감소 계면은 모두 제1 반사 감소 계면(61)이거나 모두 제2 반사 감소 계면(62)일 수 있다. 마찬가지로, 그중 하나의 반사 감소 계면은 광저장층(50)과 반사 감소층(60)의 접촉 계면이거나, 광저장층(50)과 반사 감소층(60) 사이의 굴절률 그라데이션층의 굴절률 중점이 위치하는 계면이고; 다른 하나의 반사 감소 계면은 활성층(30)과 반사 감소층(60)의 접촉 계면이거나, 활성층(30)과 반사 감소층(60) 사이의 굴절률 그라데이션층의 굴절률 중점이 위치하는 계면이다. 반사 감소층(60)은 단층 필름이고, 반사 감소층(60)의 굴절률 크기는 광저장층(50)과 활성층이 그와 접촉하는 부분의 굴절률 크기의 사이에 있을 수 있다. 설명해야 할 것은, 2 개의 반사 감소 계면이 모두 제1 반사 감소 계면(61)이면, 활성층(30)에 수직되는 방향을 따라, 2 개의 반사 감소 계면 사이의 광학 두께는 1/2 발진 파장의 정수배이다. 또는, 2 개의 반사 감소 계면이 모두 제2 반사 감소 계면(62)이면, 활성층(30)에 수직되는 방향을 따라, 2 개의 반사 감소 계면 사이의 광학 두께는 1/2 발진 파장의 정수배이다. 이때 반사 감소층(60)의 광학 두께가 1/2 발진 파장의 정수배인 것으로 이해할 수 있다.
일 실시예에서, 도 11을 참조하면, 반사 감소층(60)에 포함된 반사 감소 계면의 개수는 3 개 이상이고, 반사 감소층(60)은 m 개의 제1 반사 감소 계면(61), n 개의 제2 반사 감소 계면(62)을 포함하되; m은 1보다 크거나 같은 정수이고, n은 1보다 크거나 같은 정수이며; 첫 번째 반사 감소 계면 및 제m+n 번째 반사 감소 계면 중 하나는 제1 반사 감소 계면(61)이고, 다른 하나는 제2 반사 감소 계면(62)이며, 반사 감소층(60)의 광학 두께는 1/4 발진 파장의 기수배이며;
활성층(30)으로부터 광저장층(30)을 향하는 방향을 따라, 첫 번째 반사 감소 계면은 활성층(30)과 상기 반사 감소층(60)의 접촉 계면이거나, 활성층(30)과 반사 감소층(60) 사이의 굴절률 그라데이션층의 굴절률 중점이 위치하는 계면이고; 제2 내지 m+n-1 번째 반사 감소 계면은 반사 감소층(60) 중에서 인접하는 2 개의 고저굴절률 서브층의 접촉 계면이거나 고저굴절률 서브층 사이의 굴절률 그라데이션층의 굴절률 중점이 위치하는 계면이며; 제m+n 번째 반사 감소 계면은 상기 광저장층(30)과 반사 감소층(60)의 접촉 계면이거나, 광저장층(30)과 반사 감소층(60) 사이의 굴절률 그라데이션층의 굴절률 중점이 위치하는 계면이다.
예를 들어, 반사 감소층(60)은 굴절률이 상이한 복수의 서브층을 포함할 수 있고, 인접하는 2 개의 서브층 사이에는 하나의 반사 감소 계면이 존재한다. 제1 반사 감소 계면(61)은 m 개이고, 제2 반사 감소 계면(62)은 n 개이며; m은 1보다 크거나 같은 정수이고, n은 1보다 크거나 같은 정수이다. m과 n은 같거나 다를 수 있다. 첫 번째 반사 감소 계면과 제m+n 번째 반사 감소 계면은 각각 반사 감소층(60)의 양측의 가장 바깥쪽의 반사 감소 계면이다. 첫 번째 반사 감소 계면은 활성층(30)과 반사 감소층(60)의 접촉 계면이거나 활성층(30)과 반사 감소층(60) 사이의 굴절률 그라데이션층의 굴절률 중점이 위치하는 계면일 수 있고; 제m+n 번째 반사 감소 계면은 광저장층(50)과 반사 감소층(60)의 접촉 계면이거나, 광저장층(50)과 반사 감소층(60) 사이의 굴절률 그라데이션층의 굴절률 중점이 위치하는 계면이다. 첫 번째 반사 감소 계면과 제m+n 번째 반사 감소 계면에서, 그중 하나는 제1 반사 감소 계면(61)이고, 다른 하나는 제2 반사 감소 계면(62)이며, 첫 번째 반사 감소 계면과 제m+n 번째 반사 감소 계면 사이의 광학 두께는 1/4 발진 파장의 기수배이고, 즉 반사 감소층(60)의 광학 두께는 1/4 발진 파장의 기수배이다. 도 11에서는 제1 반사 감소 계면(61)이 2 개이고, 제2 반사 감소 계면(62)이 2 개이며, 첫 번째 반사 감소 계면이 제2 반사 감소 계면(62)이고, 네 번째 반사 감소 계면이 제1 반사 감소 계면(61)인 것을 예시적으로 도시하였다.
제2 내지 m+n-1 번째 반사 감소 계면은 반사 감소층(60) 중에서 인접하는 2 개의 고저굴절률 서브층의 접촉 계면이거나 고저굴절률 서브층 사이의 굴절률 그라데이션층의 굴절률 중점이 위치하는 계면이다. 그중에서 임의의 2 개의 제1 반사 감소 계면(61) 또는 임의의 2 개의 제2 반사 감소 계면(62) 사이의 간격은 1/2 발진 파장의 정수배이고; 그중에서 어느 하나의 제1 반사 감소 계면(61)과 어느 하나의 제2 반사 감소 계면(62) 사이의 간격은 1/4 발진 파장의 기수배이다. 제1 반사 감소 계면(61)과 제2 반사 감소 계면(62)은 번갈아 배치되거나 연속적으로 배치될 수 있다. 인접하는 2 개의 반사 감소 계면에서 그중 하나는 제1 반사 감소 계면(61)이고, 다른 하나는 제2 반사 감소 계면(62)일 수 있으며, 이때, 해당 인접하는 2 개의 반사 감소 계면에 의해 형성된 서브층의 두께는 1/4 발진 파장의 기수배이고, 굴절률은 모두 그의 양측에 위치하는 서브층의 굴절률보다 작거나 큰 것으로 이해할 수 있다. 인접하는 2 개의 반사 감소 계면은 모두 제1 반사 감소 계면(61)이거나 모두 제2 반사 감소 계면(62)일 수 있으며, 이때, 해당 인접하는 2 개의 반사 감소 계면에 의해 형성된 서브층의 두께는 1/2 발진 파장의 정수배이고, 굴절률의 크기는 그의 양측의 서브층의 굴절률 사이에 있다. 본 출원의 실시예에서의 반사 감소층(60)은 적어도 3 개의 반사 감소 계면을 포함하기 때문에, 반사 감소층(60)의 투과율을 더욱 향상시키고, 광저장층(50)의 내부의 광 필드 강도를 증가시킬 수 있다. 나아가, VCSEL의 발광홀 내외의 유효 굴절률의 차이를 감소시키고, 고차 모드의 발생을 억제하며, 레이저의 발산각을 감소시킨다.
일 실시예에서, 도 12는 본 출원의 실시예에서 제공한 다른 다층의 반사 감소 계면의 작용하에서의 광 필드 강도 분포도 및 대응하는 굴절률 분포도이고, 도 13은 본 출원의 실시예에서 제공한 다른 다층의 반사 감소 계면의 작용하에서의 광 필드 강도 분포도 및 대응하는 굴절률 분포도이다. 도 12 내지 도 13을 참조하면, 상기 반사 감소층(60)에 포함된 반사 감소 계면의 개수는 3 개 이상이고; 반사 감소층(60)이 m 개의 제1 반사 감소 계면(61), n 개의 제2 반사 감소 계면(62)을 포함하는 경우, 첫 번째 반사 감소 계면 및 제m+n 번째 반사 감소 계면을 모두 제1 반사 감소 계면(61) 또는 제2 반사 감소 계면(62)으로 배치하고, 이때, 반사 감소층(60)의 광학 두께는 1/2 발진 파장의 정수배이다. 제2 내지 m+n-1 번째 반사 감소 계면의 배치 방식은 상기 실시예를 참조할 수 있기 때문에, 여기서 반복하여 설명하지 않는다. 여기서 도 13에서는 중간의 인접하는 2 개의 반사 감소 계면이 모두 제1 반사 감소 계면(61)인 것을 예시적으로 도시하였다. 설명해야 할 것은, 이때, m은 0보다 크거나 같은 정수이고, n은 0보다 크거나 같은 정수이다. 다시 말해서, 반사 감소층(60)에 포함된 반사 감소 계면은 모두 제1 반사 감소 계면(61)이거나 모두 제2 반사 감소 계면(62)일 수 있다.
일 실시예에서, 계속하여 도 11을 참조하면, 반사 감소층(60)은 m 개의 제1 반사 감소 계면(61) 및 n 개의 제2 반사 감소 계면(62)을 포함하고; 제1 반사 감소 계면(61) 및 제2 반사 감소 계면(62)은 번갈아 배치되고, 인접하는 2 개의 반사 감소 계면 사이의 광학 두께는 1/4 발진 파장이고, 도 11에서는 n과 m가 모두 2인 경우를 예시적으로 도시하였다.
예를 들어, 반사 감소층(60)은 굴절률이 상이한 복수의 서브층을 포함할 수 있고, 인접하는 2 개의 서브층 사이에는 하나의 반사 감소 계면이 존재한다. 인접하는 2 개의 반사 감소 계면 사이의 광학 두께는 1/4 발진 파장의 기수배이다. 일 실시예에서, 인접하는 2 개의 반사 감소 계면 사이의 광학 두께를 1/4 발진 파장으로 설정한다. 반사 감소층(60)이 한 세트의 두께가 1/4 파장인 고저반사율의 서브층이 번갈아 분포된 브래그 반사층인 것으로 이해할 수 있고, 해당 세트의 브래그 반사층의 위상이 1/4 파장만큼 이동되는 것은 광저장층(50)으로부터의 광을 반사하는 것에 해당하고, 활성층(30)에 대하여 반사 감소의 효과를 달성할 수 있다. 제1 반사 감소 계면(61)과 제2 반사 감소 계면(62)을 번갈아 배치하고, 인접하는 2 개의 반사 감소 계면의 두께가 1/4 발진 파장이 되도록 하기 때문에, 동일한 두께의 반사 감소층(60)에 대하여, 반사 감소층(60)에 포함되는 반사 감소 계면의 개수를 최대화할 수 있어, 반사 감소층(60)의 투과율을 더욱 향상시킬 수 있고, 광저장층(50)의 내부의 광 필드 강도를 증가시킬 수 있다. 나아가 VCSEL의 발광홀 내외의 유효 굴절률의 차이를 감소시키고, 고차 모드의 발생을 억제하며, 레이저의 발산각을 감소시킨다.
일 실시예에서, 활성층(30)으로부터 광저장층(50)을 향하는 방향을 따라, 반사 감소층(60)의 제1 반사 감소 계면(61)과, 상부 및 하부 브래그 반사층(20, 40) 중의 활성층(30)에 대하여 광저장층(50)의 반대측에 위치하는 브래그 반사층 중 어느 하나의 저굴절률에서 고굴절률로 진입하는 계면 사이의 광학 거리는 반파장의 정수배이고, 상부 및 하부 브래그 반사층(20, 40) 중의 활성층(30)에 대하여 광저장층(50)의 동일측에 위치하는 브래그 반사층 중 어느 하나의 저굴절률에서 고굴절률로 되는 계면 사이의 광학 거리는 1/4 발진 파장의 기수배이며;
반사 감소층(60)의 제2 반사 감소 계면(62)과, 상부 및 하부 브래그 반사층(20, 40) 중의 활성층(30)에 대하여 광저장층(50)의 반대측에 위치하는 브래그 반사층 중 어느 하나의 고굴절률에서 저굴절률로 진입하는 계면 사이의 광학 거리는 반파장의 정수배이고, 상부 및 하부 브래그 반사층(20, 40) 중의 활성층(30)에 대하여 광저장층(50)의 동일측에 위치하는 브래그 반사층 중 어느 하나의 고굴절률에서 저굴절률로 되는 계면 사이의 광학 거리는 1/4 발진 파장의 기수배이다.
예를 들어, 활성층(30)으로부터 광저장층(50)을 향하는 방향을 따라, 반사 감소층(60) 중 어느 하나의 저굴절률에서 고굴절률로 진입하는 계면과, 상부 및 하부 브래그 반사층(20, 40) 중의 활성층(30)에 대하여 광저장층(50)의 반대측에 위치하는 브래그 반사층 중 어느 하나의 저굴절률에서 고굴절률로 진입하는 계면 사이의 광학 거리는 반파장의 정수배이고, 상부 및 하부 브래그 반사층(20, 40) 중의 활성층(30)에 대하여 광저장층(50)의 동일측에 위치하는 브래그 반사층 중 어느 하나의 저굴절률에서 고굴절률로 되는 계면 사이의 광학 거리는 1/4 발진 파장의 기수배이다. 활성층(30)으로부터 광저장층(50)을 향하는 방향을 따라, 반사 감소층(60) 중 어느 하나의 고굴절률에서 저굴절률로 진입하는 계면과, 상부 및 하부 브래그 반사층(20, 40) 중의 활성층(30)에 대하여 광저장층(50)의 반대측에 위치하는 브래그 반사층 중 어느 하나의 고굴절률에서 저굴절률로 진입하는 계면 사이의 광학 거리는 반파장의 정수배이고, 상부 및 하부 브래그 반사층(20, 40) 중의 활성층(30)에 대하여 광저장층(50)의 동일측에 위치하는 브래그 반사층 중 어느 하나의 고굴절률에서 저굴절률로 되는 계면 사이의 광학 거리는 1/4 파장의 기수배이다. 이러한 설정 관계에 따르면, 광저장층(50)의 광학 두께는 반파장의 정수배로 설정되고, 활성층(30)의 광학 두께는 1/4 파장의 기수배로 설정된다.
예시적으로, 도 14는 본 출원의 실시예에서 제공한 광 필드 강도 분포도 및 굴절률 분포도이다. 도 14를 참조하면, 광저장층(50)은 하부 브래그 반사층(20)과 활성층(30) 사이에 배치되고, 반사 감소층(60)은 단층 필름이며, 반사 감소층(60)의 굴절률은 모두 두층의 광저장층(50) 및 활성층(30)보다 낮은 구조를 예로 들고, 반사 감소층(60)의 제1 반사 감소 계면(61)과 활성층(30)에 대하여 광저장층(50)의 반대측에 위치하는 상부 브래그 반사층(40) 중 어느 하나의 저굴절률에서 고굴절률로 진입하는 계면 사이의 광학 거리(D2)는 반파장의 정수배이고, 즉 1/4 발진 파장의 우수배이며; 반사 감소층(60)의 제1 반사 감소 계면(61)과 활성층(30)에 대하여 광저장층(50)의 동일측에 위치하는 하부 브래그 반사층 중 어느 하나의 저굴절률에서 고굴절률로 되는 계면 사이의 광학 거리(D1)는 1/4 발진 파장의 기수배이다. 반사 감소층(60)의 제2 반사 감소 계면(62)과 활성층(30)에 대하여 광저장층(50)의 반대측에 위치하는 상부 브래그 반사층(40) 중 어느 하나의 고굴절률에서 저굴절률로 진입하는 계면 사이의 광학 거리(D4)는 반파장의 정수배이고, 즉 1/4 발진 파장의 우수배이며; 반사 감소층(60)의 제2 반사 감소 계면(62)과 활성층(30)에 대하여 광저장층(50)의 동일측에 위치하는 하부 브래그 반사층(20) 중 어느 하나의 고굴절률에서 저굴절률로 되는 계면 사이의 광학 거리(D3)는 1/4 발진 파장의 기수배이다. 설명해야 할 것은, 계면 간의 위치 관계를 반영하기 위해, 도 14에서는 광저장층(50)의 광학 두께가 반파장이고, 활성층(30)의 광학 두께가 1/4 발진 파장의 5 배인 것만을 예시적으로 도시하였다.
일 실시예에서, 도 8, 도 10 또는 도 11을 참조하면, 활성층(30)에 수직되는 방향을 따라, 광저장층(50)의 굴절률은 균일하게 분포된다. 광저장층(50)의 광학 두께가 반파장의 정수배로 설정되는 경우, 광저장층(50)이 반파 공진 캐비티와 등가일 수 있기 때문에, 양측에 위치하는 하부 브래그 반사층(20)과 반사 감소층(60)의 반사 방향이 반대되도록 하여, 모두 광저장층(50)의 방향으로 반사되도록 함으로써, 공진 캐비티 내의 광 필드가 레이저 장치에서 가장 강하도록 할 수 있고, 나아가 VCSEL의 발광홀 내외의 유효 굴절률의 차이를 감소시키고, 고차 모드의 발생을 억제하며, 레이저의 발산각을 감소시킨다.
예를 들어, 균일하게 분포된다는 것은 해당 영역의 굴절률이 하나의 고정된 값인 것으로 이해될 수 있다. 예를 들어, 광저장층(50)은 한층의 일정한 굴절률을 갖는 재료만을 포함한다.
일 실시예에서, 도 7 또는 도 9를 참조하면, 활성층(30)에 수직되는 방향을 따라, 광저장층(50)의 굴절률은 고굴절률, 저굴절률이 번갈아 분포된다. 광저장층(50)은 중간 브래그 반사층으로 이해될 수 있다. 중간 브래그 반사층은 광학 두께가 1/4 발진 파장인 복수의 반사경을 포함하고, 복수의 반사경은 고저굴절률에 따라 번갈아 배치된다. 광저장층(50)의 굴절률을 고굴절률, 저굴절률이 번갈아 분포되게 하고, 광저장층(50) 중의 저굴절률층에서 고굴절률층으로 진입하는 계면을 정재파 광 필드 강도의 파복에 배치하고; 광저장층(50) 내의 고굴절률층에서 저굴절률층으로 진입하는 계면을 정재파 광 필드 강도의 노드에 배치하여, 광저장층(50)이 자체 내부의 광 필드 강도를 증가시킬 수 있도록 한다. 나아가 VCSEL의 발광홀 내외의 유효 굴절률의 차이를 감소시키고, 고차 모드의 발생을 억제하며, 레이저의 발산각을 감소시킨다.
일 실시예에서, 중간 브래그 반사층의 각 반파장 주기 내의 굴절률 콘트라스트는 하부 브래그 반사층(20) 및/또는 상부 브래그 반사층(40)의 대응하는 각 반파장 주기 내의 굴절률 콘트라스트보다 낮다.
예를 들어, 중간 브래그 반사층의 각 반파장 주기 내의 굴절률 콘트라스트는 상부 및 하부 브래그 반사층(20, 40)의 대응하는 각 반파장 주기 내의 굴절률 콘트라스트보다 낮고, 중간 브래그 반사층에서의 각 반파장 주기 내의 고굴절률과 저굴절률의 차이값 또는 비율값이 하부(상부) 브래그 반사층에서의 각 반파장 주기 내의 고굴절률과 저굴절률의 차이값 또는 비율값보다 작은 것으로 이해할 수 있다. 중간 브래그 반사층의 각 반파장 주기 내의 굴절률 콘트라스트가 비교적 낮기 때문에, 콘트라스트가 지나치게 높아 쌍수가 비교적 적은 반사경으로 광저장층(50) 내의 광 필드를 강하게 할 수 있는 것을 방지할 수 있다. 즉 중간 브래그 반사층의 각 반파장 주기 내의 굴절률 콘트라스트가 비교적 낮으므로, 중간 브래그 반사층이 쌍수가 비교적 많은 반사경을 포함하도록 할 수 있고, 나아가 중간 브래그 반사층의 두께가 단일 종모드 발진을 구현할 수 있는 것을 만족하는 동시에, 발산각을 대폭 감소시키는 요구를 실현하도록 보장할 수 있다.
일 실시예에서, 레이저의 발광면 또는 주요 발광면은 활성층(30)으로부터 멀어지는 하부 브래그 반사층(20)의 일측에 위치하고, 상부 브래그 반사층(40)의 반사율은 하부 브래그 반사층(20)의 반사율보다 크며;
또는, 레이저의 발광면 또는 주요 발광면은 활성층(30)으로부터 멀어지는 상부 브래그 반사층(40)의 일측에 위치하고, 하부 브래그 반사층(20)의 반사율은 상부 브래그 반사층(40)의 반사율보다 크다.
예를 들어, 레이저의 발광면 또는 주요 발광면이 활성층(30)으로부터 멀어지는 하부 브래그 반사층(20)의 일측에 위치하는 경우, 상부 브래그 반사층(40)에 포함된 반사경의 총 반사율은 하부 브래그 반사층(20)에 포함된 반사경의 총 반사율보다 크므로, 상부 브래그 반사층(40)은 전반사를 구현할 수 있고, 하부 브래그 반사층(20)은 광을 투과할 수 있도록 하며, 레이저 장치의 발광 방향은 활성층(30)으로부터 하부 브래그 반사층(20)을 향하는 방향이고, 즉 레이저 장치는 백라이트이다. 레이저의 발광면 또는 주요 발광면이 활성층(30)으로부터 멀어지는 상부 브래그 반사층(40)의 일측에 위치하는 경우, 하부 브래그 반사층(20)에 포함된 반사경의 총 반사율은 상부 브래그 반사층(40)에 포함된 반사경의 총 반사율보다 크므로, 하부 브래그 반사층은 전반사를 구현할 수 있고, 상부 브래그 반사층(40)은 광을 투과할 수 있도록 하며, 레이저 장치의 발광 방향은 활성층(30)으로부터 상부 브래그 반사층(40)을 향하는 방향이고, 즉 레이저 장치는 탑라이트이다. 상부 브래그 반사층(40) 및 하부 브래그 반사층(20) 중 매 쌍의 반사경(예를 들어, 매 쌍의 반사경은 상부 반사경 및 하부 반사경을 포함함)의 굴절률 콘트라스트(예를 들어, 굴절률 콘트라스트는 상부 반사경의 굴절률과 하부 반사경의 굴절률 사이의 차이값의 절대값일 수 있슴)가 동일하면, 레이저의 발광면이 상기 활성층(30)으로부터 멀어지는 하부 브래그 반사층(20)의 일측에 위치하는 경우, 상부 브래그 반사층(40)에 포함된 반사경의 쌍의 수를 하부 브래그 반사층(20)에 포함된 반사경의 쌍의 수보다 크게 설정하고; 레이저의 발광면이 상기 활성층(30)으로부터 멀어지는 상부 브래그 반사층(40)의 일측에 위치하는 경우, 하부 브래그 반사층(20)에 포함된 반사경의 쌍수를 상부 브래그 반사층(40)에 포함된 반사경의 쌍수보다 크게 설정한다. 일 실시예에서, 마이크로렌즈를 더 배치할 수 있고, 마이크로렌즈는 상기 발광면의 일측에 통합되어, 파필드의 발산각을 더욱 감소시킨다.
일 실시예에서, 도 15는 본 출원의 실시예에서 제공한 다른 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치의 구조 개략도이고, 도 15를 참조하면, 활성층(30)은 적어도 2 개의 활성 서브층(도 15에는 3 세트가 예시적으로 도시되었고, 각각 31, 32, 33임)을 포함하고, 인접하는 2 개의 활성 서브층 사이는 터널 접합(80)에 의해 연결된다. 각각의 활성 서브층의 적어도 일측에 반사 감소층(60) 및 광저장층(50)을 구비하고, 각각의 활성층의 서브층에는 최대로 하나의 전류 제한층(70)이 존재한다. 여기서, 터널 접합(80)과 정재파 광 필드의 가장 가까운 노드의 광로 거리는 1/10 발진 파장보다 작다. 예를 들어, 터널 접합(80)은 정재파 광 필드의 노드에 배치된다. 터널 접합(80)은 매우 많은 불순물을 갖고, 이러한 불순물은 광 흡수 손실을 발생시키며, 발광 효율을 감소시키기 때문에, 이를 광 필드가 가장 작은 위치에 배치하여, 광 손실을 최소화할 수 있다.
각각의 활성 서브층에는 양자 우물(312/322/332)이 배치되어 있다. 또한, 활성 서브층에서, 양자 우물의 양측에는 N형 반도체층(313/323/333) 및 P형 반도체층(311/321/331)이 각각 배치되어 있다. 활성층(30)으로부터 멀어지는 기판(10)의 일측에 제1 전극층(90)이 배치되고, 활성층(30)으로부터 멀어지는 상부 브래그 반사층(40)의 일측에 제2 전극층(100)이 배치된다. 제1 전극층(90)과 제2 전극층(100)을 통해 외부의 전기 신호를 수신하여 전압차를 발생시켜, 활성층에 전류를 제공한다. 복수의 활성 서브층의 구조에서, 하나의 전류 제한층(70)만을 배치될 수도 있고, 해당 전류 제한층(70)은 상부 브래그 반사층(40)과 가장 가까운 활성 서브층(31)에 위치한다. 일 실시예에서, 하나의 전류 제한층(70)만을 배치함으로써, 발광 영역을 정의하는 것을 만족하는 동시에, 소자의 전류 제한층(70)의 유효 굴절률을 감소시킬 수도 있다. 설명해야 할 것은, 각각의 활성 서브층은 복수의 양자 우물을 포함할 수 있다.
본 출원의 실시예는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치 칩을 더 제공하고, 해당 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치 칩은 상기 실시예 중 어느 하나에 따른 복수의 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치를 포함하고, 복수의 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치는 어레이 배열 또는 랜덤 배열이다. 동일한 기술적 효과를 구비하므로, 여기서 반복하여 설명하지 않는다.
본 출원의 실시예는 LIDAR(Light Detection And Ranging, 레이저 레이더) 시스템용 광원을 더 제공하고, 해당 광원은 상기 임의의 실시예에 따른 적어도 하나의 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치 또는 상기 임의의 실시예에 따른 적어도 하나의 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치 칩을 포함한다. 동일한 기술적 효과를 구비하므로, 여기서 반복하여 설명하지 않는다.
일 실시예에서, 복수의 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치는 평면 어레이 배열을 구성할 수 있다.
일 실시예에서, 평면 어레이 배열은 어드레싱을 위한 복수의 서브 어레이일 수 있다. 어드레싱은 그중 하나 또는 복수의 서브 어레이가 독립적으로 점등될 수 있음을 의미한다.
예를 들어, VCSEL 레이저 장치는 600 개의 발광점을 갖고, 20×30의 발광점 어레이를 형성할 수 있다. 해당 VCSEL 레이저 장치는 나아가 20×30의 발광점 어레이를 서로 다른 서브 어레이, 예를 들면, 2×3 개의 서브 어레이로 구획할 수 있고, 각 서브 어레이는 10×10 개의 발광점을 갖는다. 각 서브 어레이는 단독적으로 제어될 수 있다.
주의해야 할 것은, 상기 내용은 단지 본 출원의 일부 실시예 및 적용된 기술 원리일 뿐이다. 본 분야의 당업자는 본 출원이 여기서 설명된 특정 실시예에 의해 한정되지 않고, 본 분야의 당업자가 본 출원의 보호 범위를 벗어나지 않는 상황에서 각종 명백한 변경, 재조정 및 교체를 진행할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 상기 실시예을 통해 본 출원을 상세하게 설명하였으나, 본 출원은 상기 실시예에만 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 구상을 벗어나지 않는 상황에서, 보다 많은 기타 등가적 실시예를 더 포함할 수 있으며, 본 출원의 범위는 첨부된 청구 범위에 의해 결정된다.

Claims (30)

  1. 하부 브래그 반사층(20);
    상기 하부 브래그 반사층(20)의 일측에 위치하는 활성층(30);
    상기 하부 브래그 반사층(20)으로부터 멀어지는 상기 활성층(30)의 일측에 위치하는 상부 브래그 반사층(40);을 포함하되,
    여기서, 상기 활성층(30)의 내측 또는 상기 활성층(30)의 외측에 발광 영역을 정의하는 전류 제한층(70)이 배치되고; 상기 하부 브래그 반사층(20)과 상기 활성층(30) 사이 및 상기 상부 브래그 반사층(40)과 상기 활성층(30) 사이의 적어도 한 측에 광저장층(50)이 배치되고, 상기 광저장층(50)은 광 필드 에너지를 저장하는데 사용되며; 상기 광저장층(50)과 상기 활성층(30) 사이에 반사 감소 계면을 구비하는 반사 감소층(60)이 배치되고, 상기 반사 감소층(60)은 상기 광저장층(50)의 광 필드 강도의 피크값을 활성층(30)의 광 필드 강도의 피크값보다 높게 증가시키는데 사용되는 것을 특징으로 하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 제한층(70)의 개수는 적어도 하나이고, 활성층(30)에 수직되는 방향을 따른 상기 전류 제한층(70)의 중심과 정재파 광 필드의 가장 가까운 노드의 광로 거리는 1/10 발진 파장보다 작으며; 상기 전류 제한층(70)은 상기 활성층(30)의 외측에 위치할 때, 상기 활성층(30)에 수직되는 방향을 따라, 상기 활성층(30)의 일측으로부터 2 개의 파장 범위 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    활성층(30)에 수직되는 방향을 따른 상기 전류 제한층(70)의 중심과 정재파 광 필드의 가장 가까운 노드는 정렬되는 것을 특징으로 하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 제한층(70)은 산화층을 포함하고; 상기 산화층은 에피택셜 성장되는 고 Al 성분의 AlGaAs이며, 상기 산화층에서의 외측의 산화된 영역에 절연된 산화알루미늄 필름층이 형성되고; 여기서, 상기 산화층에서의 산화되지 않은 영역에 효과적인 전류 주입을 위한 발광 영역이 형성되는 것을 특징으로 하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층(30)으로부터 상기 광저장층(50)을 향하는 방향을 따라, 상기 반사 감소 계면은 광저장층(50)과 활성층(30) 사이의 저굴절률로부터 고굴절률로 되는 계면에 위치하는 제1 반사 감소 계면(61), 및 광저장층(50)과 활성층(30) 사이의 고굴절률로부터 저굴절률로 되는 계면에 위치하는 제2 반사 감소 계면(62) 중 적어도 하나를 포함하되;
    여기서, 상기 제1 반사 감소 계면(61)과 정재파 광 필드의 가장 가까운 파복의 광로 거리는 1/10 발진 파장보다 작고; 상기 제2 반사 감소 계면(62)과 정재파 광 필드의 가장 가까운 노드의 광로 거리는 1/10 발진 파장보다 작은 것을 특징으로 하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 반사 감소 계면(61)은 정재파 광 필드의 파복에 배치되고; 상기 제2 반사 감소 계면(62)은 정재파 광 필드의 노드에 배치되는 것을 특징으로 하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    활성층(30)으로부터 광저장층(50)을 향하는 방향을 따라, 상기 반사 감소층(60)의 제1 반사 감소 계면(61)과, 상부 브래그 반사층(40) 및 하부 브래그 반사층(20) 중의 활성층(30)에 대하여 광저장층(50)의 반대측에 위치하는 브래그 반사층 중 어느 하나의 저굴절률에서 고굴절률로 진입하는 계면 사이의 광학 거리는 반파장의 정수배이고, 상부 브래그 반사층(40) 및 하부 브래그 반사층(20) 중의 활성층(30)에 대하여 광저장층(50)의 동일측에 위치하는 브래그 반사층 중 어느 하나의 저굴절률에서 고굴절률로 되는 계면 사이의 광학 거리는 1/4 발진 파장의 기수배이며;
    반사 감소층(60)의 제2 반사 감소 계면(62)과, 상부 브래그 반사층(40) 및 하부 브래그 반사층(20) 중의 활성층(30)에 대하여 광저장층(50)의 반대측에 위치하는 브래그 반사층 중 어느 하나의 고굴절률에서 저굴절률로 진입하는 계면 사이의 광학 거리는 반파장의 정수배이고, 상부 브래그 반사층(40) 및 하부 브래그 반사층(20) 중의 활성층(30)에 대하여 광저장층(50)의 동일측에 위치하는 브래그 반사층 중 어느 하나의 고굴절률에서 저굴절률로 되는 계면 사이의 광학 거리는 1/4 발진 파장의 기수배인 것을 특징으로 하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 반사 감소층(60)은 하나의 반사 감소 계면을 포함하고, 상기 반사 감소 계면은 제1 반사 감소 계면(61) 또는 제2 반사 감소 계면(62)이며;
    상기 반사 감소 계면은 상기 광저장층(50)과 상기 활성층(30)의 접촉 계면이거나, 상기 광저장층(50)과 상기 활성층(30) 사이의 굴절률 그라데이션층의 굴절률 중점이 위치하는 계면인 것을 특징으로 하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 반사 감소층(60)은 2 개의 반사 감소 계면을 포함하고;
    상기 2 개의 반사 감소 계면 중 하나의 반사 감소 계면은 상기 광저장층(50)과 상기 반사 감소층(60)의 접촉 계면이거나, 상기 광저장층(50)과 상기 반사 감소층(60) 사이의 굴절률 그라데이션층의 굴절률 중점이 위치하는 계면이고; 상기 2 개의 반사 감소 계면 중 다른 하나의 반사 감소 계면은 상기 활성층(30)과 상기 반사 감소층(60)의 접촉 계면이거나, 상기 활성층(30)과 상기 반사 감소층(60) 사이의 굴절률 그라데이션층의 굴절률 중점이 위치하는 계면인 것을 특징으로 하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    2 개의 반사 감소 계면은 각각 제1 반사 감소 계면(61) 및 제2 반사 감소 계면(62)이고; 상기 활성층(30)에 수직되는 방향을 따라, 2 개의 반사 감소 계면 사이의 광학 두께는 1/4 발진 파장의 기수배이며;
    또는, 2 개의 반사 감소 계면은 제1 반사 감소 계면(61)이고, 상기 활성층(30)에 수직되는 방향을 따라, 2 개의 반사 감소 계면 사이의 광학 두께는 1/2 발진 파장의 정수배이며;
    또는, 2 개의 반사 감소 계면은 제2 반사 감소 계면(62)이고, 상기 활성층(30)에 수직되는 방향을 따라, 2 개의 반사 감소 계면 사이의 광학 두께는 1/2 발진 파장의 정수배인 것을 특징으로 하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 반사 감소층(60)에 포함된 반사 감소 계면의 개수는 3 개 이상이고; 상기 반사 감소층(60)은 m 개의 제1 반사 감소 계면(61), n 개의 제2 반사 감소 계면(62)을 포함하며; m은 1보다 크거나 같은 정수이고, n은 1보다 크거나 같은 정수이며; 첫 번째 반사 감소 계면 및 제m+n 번째 반사 감소 계면 중 하나는 제1 반사 감소 계면(61)이고, 첫 번째 반사 감소 계면 및 제m+n 번째 반사 감소 계면 중 다른 하나는 제2 반사 감소 계면(62)이며, 상기 반사 감소층(60)의 광학 두께는 1/4 발진 파장의 기수배이고;
    상기 활성층(30)으로부터 상기 광저장층(50)을 향하는 방향을 따라, 첫 번째 반사 감소 계면은 상기 활성층(30)과 상기 반사 감소층(60)의 접촉 계면이거나, 상기 활성층(30)과 상기 반사 감소층(60) 사이의 굴절률 그라데이션층의 굴절률 중점이 위치하는 계면이고; 제2 내지 m+n-1 번째 반사 감소 계면은 반사 감소층(60) 중에서 인접하는 2 개의 고저굴절률 서브층의 접촉 계면이거나 고저굴절률 서브층 사이의 굴절률 그라데이션층의 굴절률 중점이 위치하는 계면이며; 제m+n 번째 반사 감소 계면은 상기 광저장층(50)과 상기 반사 감소층(60)의 접촉 계면이거나, 상기 광저장층(50)과 상기 반사 감소층(60) 사이의 굴절률 그라데이션층의 굴절률 중점이 위치하는 계면인 것을 특징으로 하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치.
  12. 제 5 항에 있어서,
    상기 반사 감소층(60)에 포함된 반사 감소 계면의 개수는 3 개 이상이고; 상기 반사 감소층(60)은 m 개의 제1 반사 감소 계면(61), n 개의 제2 반사 감소 계면(62)을 포함하며; m은 0보다 크거나 같은 정수이고, n은 0보다 크거나 같은 정수이며; 첫 번째 반사 감소 계면 및 제m+n 번째 반사 감소 계면은 모두 제1 반사 감소 계면(61)이거나 모두 제2 반사 감소 계면(62)이고, 상기 반사 감소층(60)의 광학 두께는 1/2 발진 파장의 정수배이며;
    상기 활성층(30)으로부터 상기 광저장층(50)을 향하는 방향을 따라, 첫 번째 반사 감소 계면은 상기 활성층(30)과 상기 반사 감소층(60)의 접촉 계면이거나, 상기 활성층(30)과 상기 반사 감소층(60) 사이의 굴절률 그라데이션층의 굴절률 중점이 위치하는 계면이고; 제2 내지 m+n-1 번째 반사 감소 계면은 반사 감소층(60) 중에서 인접하는 2 개의 고저굴절률 서브층의 접촉 계면이거나 고저굴절률 서브층 사이의 굴절률 그라데이션층의 굴절률 중점이 위치하는 계면이며; 제m+n 번째 반사 감소 계면은 상기 광저장층(50)과 상기 반사 감소층(60)의 접촉 계면이거나, 상기 광저장층(50)과 상기 반사 감소층(60) 사이의 굴절률 그라데이션층의 굴절률 중점이 위치하는 계면인 것을 특징으로 하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    임의의 2 개의 제1 반사 감소 계면(61) 또는 임의의 2 개의 제2 반사 감소 계면(62) 사이의 간격은 1/2 발진 파장의 정수배이고;
    어느 하나의 제1 반사 감소 계면(61)과 어느 하나의 제2 반사 감소 계면(62) 사이의 간격은 1/4 발진 파장의 기수배인 것을 특징으로 하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 반사 감소 계면(61)과 상기 제2 반사 감소 계면(62)은 번갈아 배치되고, 인접하는 2 개의 반사 감소 계면 사이의 광학 두께는 1/4 발진 파장인 것을 특징으로 하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층(30)의 광학 두께는 1/4 발진 파장의 기수배인 것을 특징으로 하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 브래그 반사층(40), 하부 브래그 반사층(20), 반사 감소층(60) 및 광저장층(50) 중 적어도 하나의 재료는 유전체 재료인 것을 특징으로 하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 브래그 반사층(40), 하부 브래그 반사층(20), 반사 감소층(60) 및 광저장층(50) 중 적어도 하나의 재료는 반도체 재료인 것을 특징으로 하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층(30)은 적어도 하나의 양자 우물을 포함하고, 여기서, 활성층(30)에 수직되는 방향을 따른 각 상기 양자 우물의 중심과 정재파 광 필드의 가장 가까운 파복의 광로 거리는 1/5 발진 파장보다 작고; 상기 활성층(30)이 하나보다 많은 양자 우물을 포함할 경우, 한 세트의 양자 우물 전체의 중심 위치와 정재파 광 필드의 가장 가까운 파복의 광로 거리는 1/10 발진 파장보다 작은 것을 특징으로 하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 활성층(30)은 적어도 2 개의 활성 서브층을 포함하고, 각각의 상기 활성 서브층은 적어도 하나의 상기 양자 우물을 포함하며; 인접하는 2 개의 활성 서브층 사이는 터널 접합(80)에 의해 연결되고; 상기 터널 접합(80)과 정재파 광 필드의 가장 가까운 노드의 광로 거리는 1/10 발진 파장보다 작은 것을 특징으로 하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    각각의 상기 활성 서브층의 적어도 일측에 반사 감소층(60) 및 광저장층(50)을 구비하고; 각각의 활성 서브층에는 최대로 하나의 전류 제한층(70)이 존재하며; 상기 터널 접합(80)은 정재파 광 필드의 노드에 배치되는 것을 특징으로 하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층(30)에 수직되는 방향을 따라, 상기 광저장층(50)의 굴절률은 균일하게 분포되는 것을 특징으로 하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층(30)에 수직되는 방향을 따라, 상기 광저장층(50)의 굴절률은 고굴절률, 저굴절률이 번갈아 분포되는 것을 특징으로 하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 광저장층(50)은 중간 브래그 반사층을 포함하고, 상기 중간 브래그 반사층은 광학 두께가 1/4 발진 파장인 복수의 반사경을 포함하며, 복수의 반사경은 고저굴절률에 따라 번갈아 배치되는 것을 특징으로 하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 중간 브래그 반사층의 각 반파장 주기 내의 굴절률 콘트라스트는 하부 브래그 반사층(20) 및/또는 상부 브래그 반사층(40)의 대응하는 각 반파장 주기 내의 굴절률 콘트라스트보다 낮은 것을 특징으로 하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치.
  25. 제 1 항에 있어서,
    기판(10)을 더 포함하되, 여기서, 상기 기판(10)은 활성층(30)으로부터 멀어지는 상기 하부 브래그 반사층(20)의 일측에 위치하고, 상기 기판(10)의 재료는 GaAs 또는 Si를 포함하는 것을 특징으로 하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치.
  26. 제 1 항에 있어서,
    투명 탑기판(10')을 더 포함하되, 여기서, 상기 투명 탑기판(10')은 활성층(30)으로부터 멀어지는 상기 상부 브래그 반사층(40)의 일측에 위치하고, 상기 투명 탑기판(10')의 재료는 사파이어, 석영, 유리 또는 투명 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치.
  27. 제 1 항에 있어서,
    레이저의 발광면 또는 주요 발광면은 상기 활성층(30)으로부터 멀어지는 상기 하부 브래그 반사층(20)의 일측에 위치하고, 상기 상부 브래그 반사층(40)의 반사율은 하부 브래그 반사층(20)의 반사율보다 크며;
    또는, 레이저의 발광면 또는 주요 발광면은 상기 활성층(30)으로부터 멀어지는 상부 브래그 반사층(40)의 일측에 위치하고, 상기 하부 브래그 반사층(20)의 반사율은 상부 브래그 반사층(40)의 반사율보다 큰 것을 특징으로 하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치.
  28. 제 27 항에 있어서,
    마이크로렌즈를 더 포함하되, 상기 마이크로렌즈는 상기 발광면의 일측에 통합되어, 파필드의 발산각을 감소시키는데 사용되는 것을 특징으로 하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치.
  29. 제 1 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 따른 복수의 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치를 포함하고, 복수의 상기 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치는 평면 어레이 배열을 구성하며; 상기 평면 어레이 배열은 규칙적인 배열, 또는 랜덤 배열, 또는 어드레싱을 위한 복수의 서브 어레이인 것을 특징으로 하는 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치 칩.
  30. 제 1 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치 또는 제 29 항에 따른 적어도 하나의 작은 발산각을 갖는 VCSEL 레이저 장치 칩을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 LIDAR 시스템용 광원.
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