KR20240011783A - 면 발광 레이저, 레이저 디바이스, 검출 디바이스, 이동 대상체 및 면 발광 레이저 구동 방법 - Google Patents

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가즈히로 하라사카
나오토 지쿠타니
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가부시키가이샤 리코
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Abstract

면 발광 레이저는, 활성 층; 상기 활성 층을 사이에 두고 서로 마주하는 다수의 반사기; 및 전원 디바이스에 커플링되며 상기 활성 층에 전류를 주입하도록 구성된 전극 쌍을 포함한다. 상기 면 발광 레이저는, 레이저 빔을 발진시키지 않도록, 상기 전원 디바이스에 의해 전류가 주입되는 전류 주입 기간; 및 상기 전류 주입 기간 후의 전류 감소 기간으로서, 레이저 빔을 발진시키도록, 상기 활성 층에 주입되는 전류의 전류 값이 상기 전류 주입 기간 동안 주입된 전류의 전류 값보다 낮은, 상기 전류 감소 기간을 갖는다.

Description

면 발광 레이저, 레이저 디바이스, 검출 디바이스, 이동 대상체 및 면 발광 레이저 구동 방법
본 개시는 면 발광 레이저, 레이저 디바이스, 검출 디바이스, 이동 대상체 및 면 발광 레이저 구동 방법에 관한 것이다.
사람의 눈에 대한 레이저의 안전 기준은 눈 안전(eye-safe) 등급에 따라 분류되며, IEC 60825-1 Ed. 3(일본 산업 표준(JIS) C 6802에 해당함)에서 결정된다. 거리 측정 디바이스를 다양한 환경에서 사용하기 위해서는, 안전 조치 또는 경고가 요구되지 않는 클래스 1의 표준을 만족시키는 것이 바람직하다. 클래스 1의 표준 중 하나로서 평균 전력의 상한이 결정된다. 펄스 광의 경우, 펄스 광의 피크 출력, 펄스 폭, 및 듀티 비(duty ratio)가 평균 전력으로 변환되고 평균 전력이 표준 값과 비교된다. 광학 펄스의 펄스 폭이 감소함에 따라 허용가능한 피크 출력이 증가하므로, 높은 피크 출력 및 짧은 펄스 폭을 갖는 레이저 빔 소스는, 눈 안전을 만족시키면서, TOF(time of flight) 센서에 있어서 정밀도 증가 및 거리 증가 둘 다에 유용하다.
펄스의 폭을 1 ns 이하로 감소시키기 위한 수단은 이득 스위칭, Q 스위칭, 및 모드 로킹(mode-locking)을 포함한다. 이득 스위칭은 완화 진동(relaxation oscillation) 현상을 사용함으로써 100 ps 이하의 펄스 폭을 제공하는 수단이다. 펄스 전류를 제어하는 것만으로 그러한 펄스 폭을 제공할 수 있고, 따라서 가이드 스위칭을 위한 구성은 Q 스위칭 또는 모드 로킹을 위한 구성보다 간단하다.
그러나, 이득 스위칭은 완화 진동 현상을 사용하기 때문에, 선두 펄스(leading pulse) 후에 다수의 펄스 트레인들이 출력될 가능성이 높다. 또다른 상황에서, 완화 진동이 가라앉은 후에 넓은 펄스 폭을 갖는 테일 광(테일링(tailing))이 출력될 가능성이 높다. 이들 현상은 응용에 바람직하지 않다. 예를 들어, 가이거(Geiger) 모드의 검출을 수행하기 위해 단일 광자 애벌란치 다이오드(SPAD; single photon avalanche diode)가 사용될 때, 최고 피크 출력이 감지 타겟이고, 타겟 펄스 이외의 다수의 펄스는 노이즈를 초래한다. 또한, 테일 광은 불필요한 에너지이며, 이는 눈 안전 측면에서 불리하다.
US-8934514-B
감소된 테일링을 갖는 짧은 펄스 광을 생성할 수 있는 면 발광 레이저에 대한 연구의 여지가 있다.
본 개시의 목적은 감소된 테일링을 갖는 짧은 펄스 광을 획득할 수 있는 면 발광 레이저, 레이저 디바이스, 검출 디바이스, 이동 대상체 및 면 발광 레이저 구동 방법을 제공하는 것이다.
개시된 기술의 양상에 따르면, 면 발광 레이저는, 활성 층; 활성 층을 사이에 두고 서로 마주하는 다수의 반사기; 및 전원 디바이스에 커플링되며 활성 층에 전류를 주입하도록 구성된 전극 쌍을 포함한다. 면 발광 레이저는, 레이저 빔을 발진시키지 않도록, 전원 디바이스에 의해 전류가 주입되는 전류 주입 기간; 및 전류 주입 기간 후의 전류 감소 기간으로서, 레이저 빔을 발진시키도록, 활성 층에 주입되는 전류의 전류 값이 전류 주입 기간 동안 주입된 전류의 전류 값보다 낮은, 전류 감소 기간을 갖는다.
개시된 기술의 다른 양상에 따르면, 면 발광 레이저는, 피크 값의 1/e2의 시간 폭이 광학 펄스 폭으로서 정의될 때, 110 ps 이하의 광학 펄스 폭을 갖는 단일 광학 펄스를 방출하도록 구성된다.
개시된 기술의 또다른 양상에 따르면, 레이저 디바이스는, 위에 기재된 면 발광 레이저; 및 전극 쌍에 커플링되며 면 발광 레이저에 전류를 주입하도록 구성된 전원 디바이스를 포함한다.
개시된 기술의 또 다른 양상에 따르면, 검출 디바이스는, 위에 기재된 레이저 디바이스; 및 면 발광 레이저로부터 방출되며 대상체에 의해 반사되는 광을 검출하도록 구성된 검출기를 포함한다.
또한, 이동 대상체는 위에 기재된 검출 디바이스를 포함한다.
또한, 면 발광 레이저에 의해 수행되는 면 발광 레이저 구동 방법에 있어서, 면 발광 레이저는, 활성 층, 활성 층을 사이에 두고 서로 마주하는 다수의 반사기, 및 전원에 커플링되며 활성 층에 전류를 주입하도록 구성된 전극 쌍을 포함하고, 방법은, 전원 디바이스에 의해 전류가 주입되는 전류 주입 기간 동안 레이저 빔을 발진시키지 않는 단계; 및 전류 주입 기간 후의 전류 감소 기간으로서, 활성 층에 주입되는 전류의 전류 값이 전류 주입 기간 동안 주입된 전류의 전류 값보다 낮은, 전류 감소 기간 동안, 레이저 빔을 발진시키는 단계를 포함한다.
개시된 기술을 이용해, 감소된 테일링을 갖는 짧은 펄스 광이 획득될 수 있다.
첨부 도면은 본 발명의 예시적인 실시예를 도시하기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 첨부 도면은 명시적으로 언급되지 않는 한 실축척대로 도시된 것으로 간주되지 않는다. 또한, 동일하거나 유사한 참조 번호는 여러 도면들 전반에 걸쳐 동일하거나 유사한 컴포넌트를 지칭한다.
도 1은 제1 실시예에 따른 면 발광 레이저를 예시하는 단면도이다.
도 2는 제1 실시예에 따른 산화 협착 층(oxidized confinement layer) 및 그 근방을 예시하는 단면도이다.
도 3은 비교 예에 따른 산화 협착 층 및 그 근방을 예시하는 단면도이다.
도 4는 실제 측정에 사용되는 회로를 예시하는 등가 회로도이다.
도 5a는 비교 예의 실제 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5b는 비교 예의 실제 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5c는 비교 예의 실제 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6a는 제1 실시예의 실제 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6b는 제1 실시예의 실제 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6c는 제1 실시예의 실제 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7a는 비교 예에 따른 구조에 따른 전계 강도 및 등가 굴절률의 분포의 차이를 나타내는 그래프이다.
도 7b는 실시예에 따른 구조에 따른 전계 강도 및 등가 굴절률의 분포의 차이를 나타내는 그래프이다.
도 8a는 시간 경과에 따른 전계 강도 및 등가 굴절률의 분포의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8b는 시간 경과에 따른 전계 강도 및 등가 굴절률의 분포의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 참조 예에 따른 캐리어 밀도 및 임계 캐리어 밀도에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 참조 예에 따른 광학 출력에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 제1 실시예에 따른 시뮬레이션에서 사용되는 함수의 예를 나타내는 그래프이다.
도 12는 제1 실시예에 따른 광학 출력에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 13a는 제1 실시예에 따른 캐리어 밀도, 임계 캐리어 밀도 및 광자 밀도에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 13b는 제1 실시예에 따른 측방향(lateral direction)의 광학 구속 계수(optical confinement factor)에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 14a는 도 13a의 부분적으로 확대된 그래프이다.
도 14b는 도 13b의 부분적으로 확대된 그래프이다.
도 15a는 광학 펄스의 실제 측정 결과의 예를 나타내는 그래프이다.
도 15b는 광학 펄스의 시뮬레이션 결과의 예를 나타내는 그래프이다.
도 16은 시뮬레이션에 사용되는 제1 모델을 예시하는 단면도이다.
도 17a는 기본 모드의 전계 강도 분포의 단면 프로파일을 예시한다.
도 17b는 기본 모드의 전계 강도 분포의 단면 프로파일을 예시한다.
도 18은 광학 구속 계수, 산화 협착 층의 두께 및 비산화(non-oxidized) 영역의 직경 사이의 관계의 계산 결과를 나타내는 그래프이다.
도 19는 제1 모델에 대한 산화 협착 층의 두께와 광학 구속 계수 사이의 관계의 계산 결과를 나타내는 그래프이다.
도 20은 시뮬레이션에 사용되는 제2 모델을 예시하는 단면도이다.
도 21은 비교 예에 따른 시뮬레이션에 사용되는 제3 모델을 예시하는 단면도이다.
도 22는 제2 모델 및 제3 모델에 대한 굴절률 감소량과 광학 구속 계수 사이의 관계의 계산 결과를 나타내는 그래프이다.
도 23a는 시뮬레이션에 사용되는 제4 모델의 단면도이다.
도 23b는 도 23a의 일부의 확대도이다.
도 24는 제4 모델에 대하여 경계로부터 바깥쪽으로 3 ㎛ 떨어진 위치에서의 산화 영역의 두께와 광학 구속 계수 사이의 관계의 계산 결과를 나타내는 그래프이다.
도 25는 전류 협착 면적과 피크 광학 출력 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 26은 제2 실시예에 따른 면 발광 레이저를 예시하는 단면도이다.
도 27은 제3 실시예에 따른 레이저 디바이스를 예시한 도면이다.
도 28은 듀티 비와 광학 펄스의 피크 출력 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 29는 제4 실시예에 따른 거리 측정 디바이스를 예시하는 도면이다.
도 30은 제5 실시예에 따른 이동 대상체를 예시하는 도면이다.
여기에서 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 기재하고자 하는 목적인 것이며 본 발명을 한정하는 것으로 의도되지 않는다. 여기에서 사용될 때, 단수 형태 "a", "an" 및"the"는, 문맥상 명백하게 달리 나타내지 않는 한, 복수 형태도 포함하도록 의도된다.
도면에 예시된 실시예를 설명하는데 있어서, 명확성을 위해 특정 용어가 채용된다. 그러나, 본 명세서의 개시는 그리 선택된 특정 용어에 한정되도록 의도되지 않으며, 각각의 특정 요소는, 유사한 기능을 갖고 유사한 방식으로 동작하며 유사한 결과를 달성하는 모든 기술적 등가물을 포함한다는 것을 이해해야 한다.
첨부 도면을 참조하여 본 개시의 실시예가 아래에 기재된다. 명세서 및 도면에서, 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 컴포넌트는 동일한 참조 부호로 표시되고, 중복 기재는 생략될 수 있다.
[제1 실시예]
먼저 제1 실시예가 기재된다. 제1 실시예는 면 발광 레이저에 관한 것이다. 도 1은 제1 실시예에 따른 면 발광 레이저(100)를 예시하는 단면도이다.
제1 실시예에 따른 면 발광 레이저(100)는 예를 들어, 산화 협착(oxidation confinement)을 사용하는 수직 공동 면 발광 레이저(VCSEL; vertical cavity surface emitting laser)이다. 면 발광 레이저(100)는 n형 GaAs 기판(110), n형 분산 브래그 반사기(DBR; distributed Bragg reflector)(120), 활성 층(130), p형 DBR(140), 산화 협착 층(150), 상부 전극(160) 및 하부 전극(170)을 포함한다.
본 실시예에서, 광은 n형 GaAs 기판(110)의 표면에 수직인 방향으로 방출된다. 이하에서, n형 GaAs 기판(110)의 표면에 수직인 방향은 수직 방향으로 지칭될 수 있고, n형 GaAs 기판(110)의 표면에 평행한 방향은 측방향 또는 면내(in-plane) 방향으로 지칭될 수 있다.
n형 DBR(120)은 n형 GaAs 기판(110) 상에 있다. n형 DBR(120)은, 예를 들어 서로 적층된 다수의 n형 반도체 막들을 포함하는 반도체 다층막 반사 미러이다. 활성 층(130)은 n형 DBR(120) 상에 있다. 활성 층(130)은, 예를 들어 다수의 양자 우물 층들 및 다수의 배리어 층들을 포함한다. 활성 층(130)은 공진기에 포함된다. p형 DBR(140)은 활성 층(130) 상에 있다. p형 DBR(140)은, 예를 들어 서로 적층된 다수의 p형 반도체 막들을 포함하는 반도체 다층막 반사 미러이다. 공진기에서, 활성 층(130)은 발진 광의 정재파의 마디(node)와 배(antinode) 사이의 중간에 대해 배 측에 있는 위치에 제공된다. 활성 층(130)이 정재파의 배에 대응하는 위치에 제공될 때, 방출 효율이 가장 높다.
상부 전극(160)은 p형 DBR(140)의 상부 표면과 접촉한다. 하부 전극(170)은 n형 GaAs 기판(110)의 하부 표면과 접촉한다. 상부 전극(160)과 하부 전극(170)의 쌍은 전극 쌍의 예이다. 그러나, 전극의 위치는 이에 한정되지 않고, 전극이 활성 층에 전류를 주입할 수 있는 한 임의의 위치일 수 있다. 예를 들어, 전극이 DBR을 통하는 것이 아니라 공진기의 스페이서 층에 직접 배치되는 인트라캐비티 구조가 채용될 수 있다.
p형 DBR(140)은, 예를 들어 산화 협착 층(150)을 포함한다. 산화 협착 층(150)은 Al을 함유한다. 산화 협착 층(150)은 광이 방출되는 방향(이하, 광의 방출 방향으로 지칭됨)에 수직인 평면 내에 산화 영역(151) 및 비산화 영역(152)을 포함한다. 산화 영역(151)은 환형(annular) 평면 형상을 가지며, 비산화 영역(152)을 둘러싼다. 비산화 영역(152)은 p형 AlAs 층(155) 및 p형 AlAs 층(155)을 수직 방향으로 샌드위치시키는 2개의 p형 Al0.85Ga0.15As 층(156)을 포함한다. 산화 영역(151)은 AlOx로 제조된다. 산화 영역(151)의 굴절률은 비산화 영역(152)의 굴절률보다 낮다. 예를 들어, 산화 영역(151)의 굴절률은 1.65이고, p형 AlAs 층(155)의 굴절률은 2.96이며, p형 Al0.85Ga0.15As 층(156)의 굴절률은 3.04이다. 평면도에서, 산화 영역(151)의 내측 에지 안쪽의 메사(180)의 부분은 고굴절률 영역의 예이고, 산화 영역(151)의 내측 에지 바깥쪽의 메사(180)의 부분은 저굴절률 영역의 예이다. 하나의 예에서, p형 Al0.85Ga0.15As 층(156) 대신에 p형 AlxGa1-xAs 층(0.70≤x≤0.90)이 제공될 수 있다. 본 실시예에서, p형 DBR(140), 활성 층(130) 및 n형 DBR(120)은 메사(180)를 구성한다. 그러나, 전류 협착 영역이 산화 협착에 의해 형성되는 본 실시예에서, 적어도 산화 협착 층(150) 및 산화 협착 층(150) 위에 위치된 반도체 층이 메사 형상으로 형성된다. 적어도 활성 층이 메사에 포함되도록 형성될 때, 활성 층에서 생성된 광이 측방향으로 누설되는 것을 방지할 수 있다.
산화 협착 층(150)이 상세하게 기재된다. 도 2는 제1 실시예에 따른 산화 협착 층 및 그 근방을 예시하는 단면도이다.
도 2에 예시된 바와 같이, 산화 영역(151)은 평면도에서 환형 외부 영역(153) 및 환형 내부 영역(154)을 갖는다. 외부 영역(153)은 메사(180)의 측면으로부터 노출된다. 외부 영역(153)은, 단면도에서 표면의 접촉면이 산화 영역(151)의 외측 섹션에 위치하도록 두께가 변경되는 영역이다. 내부 영역(154)은, 단면도에서 표면의 접촉면이 산화 영역(151)의 내측 섹션에 위치하도록 두께가 변경되는 영역이다. 내부 영역(154)은 외부 영역(153) 안쪽에 위치된다. 내부 영역(154)의 두께는 외부 영역(153)과의 경계에서 외부 영역(153)의 두께와 일치하고, 메사(180)의 중심을 향해 감소한다. 내부 영역(154)은, 단면도에서 내측 에지로부터 외부 영역(153)과의 경계로 점진적으로 두꺼워지는 테이퍼(tapered) 형상을 갖는다. 비산화 영역(152)은 외부 영역(153) 안쪽에 위치된다. 비산화 영역(152)의 일부는 수직 방향으로 내부 영역(154)을 샌드위치시킨다. 비산화 영역(152)의 다른 부분은 평면도에서 내부 영역(154)의 내측 에지 안쪽에 위치된다. 예를 들어, 비산화 영역(152)의 두께는 35 nm 이하이다. 외부 영역(153)의 두께는 비산화 영역(152)의 두께보다 클 수 있다. 본 개시의 실시예에서, 비산화 영역(152)의 두께는, 산화 영역(151)의 내측 에지(내부 영역(154)의 내측 에지)보다도 메사(180)의 중심측에 있는 부분의 두께이다. 예를 들어, 메사(180)의 측면으로부터 산화 영역(151)의 내측 에지까지의 거리는 약 8 ㎛ 내지 약 11 ㎛ 범위 내에 있다.
산화 영역(151)은, 예를 들어 p형 AlAs 층 및 p형 Al0.85Ga0.15As 층의 산화 협착에 의해 형성된다. 예를 들어, 산화 영역(151)은 고온 수증기 환경에서 p형 AlAs 층 및 p형 Al0.85Ga0.15As 층을 산화시킴으로써 형성될 수 있다. 동일한 p형 AlAs 및 동일한 p형 Al0.85Ga0.15As 층이 산화되는 경우에도, 산화 조건에 따라 p형 AlAs 층 및 p형 Al0.85Ga0.15As 층으로부터 획득되는 산화 협착 층의 구조는 달라질 수 있다. 따라서, 산화에 의해 산화 협착 층(150)이 될 층, 예를 들어 p형 AlAs 층 및 p형 Al0.85Ga0.15As 층의 산화 전의 구조가 동일하더라도, 산화 조건에 따라 산화 영역(151) 및 비산화 영역(152)을 포함하는 산화 협착 층(150)이 일부 경우에 획득되지 않는다.
제1 실시예의 유리한 효과가 참조 예와 비교하여 기재된다. 도 3은 참조 예에 따른 산화 협착 층(150) 및 그 근방을 예시하는 단면도이다.
참조 예에서, 산화 협착 층(150)은 산화 영역(151) 및 비산화 영역(152) 대신에 산화 영역(951) 및 비산화 영역(952)을 포함한다. 산화 영역(951)은 환형 평면 형상을 가지며, 비산화 영역(952)을 둘러싼다. 비산화 영역(952)은 p형 AlAs 층(955) 및 p형 AlAs 층(955)을 수직 방향으로 샌드위치시키는 2개의 p형 Al0.85Ga0.15As 층(956)을 포함한다. 산화 영역(951)은 AlOx로 제조된다. 산화 영역(951)은 평면도에서 환형 외부 영역(953) 및 환형 내부 영역(954)을 갖는다. 외부 영역(953)은 메사(180)의 측면으로부터 노출된다. 외부 영역(953)의 두께는 면내 방향으로 일정하다. 내부 영역(954)은 외부 영역(953) 안쪽에 위치된다. 내부 영역(954)의 두께는 외부 영역(953)과의 경계에서 외부 영역(953)의 두께와 일치하고, 메사(180)의 중심을 향해 감소한다. 내부 영역(954)은, 단면도에서 내측 에지로부터 외부 영역(953)과의 경계로 점진적으로 두꺼워지는 테이퍼 형상을 갖는다. 비산화 영역(952)은 외부 영역(953) 안쪽에 위치된다. 비산화 영역(952)의 일부는 수직 방향으로 내부 영역(954)을 샌드위치시킨다. 비산화 영역(952)의 다른 부분은 평면도에서 내부 영역(954)의 내측 에지 안쪽에 위치된다. 예를 들어, 메사(180)의 측면으로부터 산화 영역(951)의 내측 에지까지의 거리는 약 8 ㎛ 내지 약 11 ㎛ 범위 내에 있다. 산화 영역(951) 및 비산화 영역(952)의 두께는 산화 협착 층(150)의 두께와 동일하다.
먼저 제1 실시예 및 참조 예에 따른 실제 측정 결과가 기재된다. 도 4는 실제 측정에 사용되는 회로를 예시하는 등가 회로도이다.
이 회로에서, 전류를 모니터링하기 위한 저항기(12)가 제1 실시예 또는 참조 예에 대응하는 면 발광 레이저(11)에 직렬로 커플링된다. 전압계(13)가 저항기(12)에 병렬로 커플링된다. 면 발광 레이저(11)로부터 출력된 광은 광대역 고속 포토다이오드에 의해 수신되어 전압 신호로 변환되었다. 전압 신호는 오실로스코프로 관찰되었다.
도 5a 내지 도 5c는 참조 예의 실제 측정 결과를 나타내는 그래프이다. 도 5a는 펄스 전류의 폭이 약 2 ns일 때의 실제 측정 결과를 나타낸다. 도 5b는 펄스 전류의 폭이 약 9 ns일 때의 실제 측정 결과를 나타낸다. 도 5c는 펄스 전류의 폭이 약 17 ns일 때의 실제 측정 결과를 나타낸다. 도 5a 내지 도 5c에서의 실제 측정에서, 바이어스 전류의 크기 및 펄스 전류의 진폭은 공통이다. 도 5a 내지 도 5c는 각각 저항기(12)를 통해 흐르는 전류 및 고속 포토다이오드에 의해 측정된 광학 출력을 나타낸다. 저항기(12)를 통해 흐르는 전류는 전압계(13)를 사용하여 계산될 수 있다.
도 5a 내지 도 5c에 나타낸 바와 같이, 참조 예에서, 펄스 전류의 폭의 크기에 관계없이, 펄스 전류가 주입된 직후에 광학 펄스가 출력되고, 그 다음 펄스 전류의 주입이 중단될 때까지 평형 상태가 확립되며, 일정한 테일 광이 출력된다. 선두 광학 펄스는 완화 진동에 의해 야기되며, 이는 이득 스위칭에 의한 통상적인 구동이다. 펄스 폭이 변경될 때에도, 광학 펄스가 생성되는 타이밍은 변경되지 않는다. 이는, 완화 진동에 의해 생성된 광학 펄스는 레이저 공진기의 캐리어 밀도가 임계 캐리어 밀도를 초과한 직후에 생성되기 때문이다. 테일 광의 출력을 감소시키기 위해, 광학 펄스가 출력된 직후 전류 주입이 중단될 수 있다. 그러나, 완화 진동에 의해 야기되는 광학 펄스의 시간 폭은 100 ps 이하이기 때문에, 전류의 크기가 10 A 이상만큼 클 때, 광학 펄스가 출력된 직후 100 ps 이하의 기간에 전류의 주입을 중단하는 것은 어렵다.
도 6a 내지 도 6c는 제1 실시예의 실제 측정 결과를 나타내는 그래프이다. 도 6a는 펄스 전류의 폭이 약 0.8 ns일 때의 실제 측정 결과를 나타낸다. 도 6b는 펄스 전류의 폭이 약 1.3 ns일 때의 실제 측정 결과를 나타낸다. 도 6c는 펄스 전류의 폭이 약 2.5 ns일 때의 실제 측정 결과를 나타낸다. 도 6a 내지 도 6c에서의 실제 측정에서, 바이어스 전류의 크기 및 펄스 전류의 진폭은 공통이다. 도 6a 내지 도 6c는 각각 저항기(12)를 통해 흐르는 전류 및 고속 포토다이오드에 의해 측정된 광학 출력을 나타낸다. 저항기(12)를 통해 흐르는 전류는 전압계(13)를 사용하여 계산될 수 있다.
도 6a 내지 도 6c에 나타낸 바와 같이, 제1 실시예에서, 광학 출력은 펄스 전류가 주입되는 상태에서 생성되지 않고, 펄스 전류의 주입이 감소한 직후에 광학 펄스가 출력된다. 또한, 광학 펄스가 출력된 후의 테일 광은 거의 관찰되지 않는다. 이득 스위칭에 의한 광학 출력의 경우, 펄스 전류의 폭이 변경되더라도 광학 펄스가 생성되는 타이밍은 변하지 않는다. 대조적으로, 제1 실시예에 따르면, 광학 펄스는 펄스 전류의 주입이 감소할 때 출력된다. 따라서, 제1 실시예에 따른 광학 출력은 완화 진동 현상을 사용한 통상의 이득 스위칭에 기초하지 않는다.
위에 기재된 바와 같이, 제1 실시예와 참조 예는 광학 출력의 메커니즘 및 방식에 있어서 서로 명확하게 상이하다. 차이는 다음과 같이 기재된다.
면 발광 레이저에서, 레이저 빔은 공진기 내에서 산화 협착 층에 수직인 방향으로 전파된다. 따라서, 산화 협착 층이 두꺼울수록, 굴절률의 차이에 의존하는 등가 도파관 길이가 증가하고, 측방향의 광학 구속 효과가 증가한다. 산화 협착 층을 포함하는 DBR이 등가 도파관 구조로서 간주될 때, 도 7a에 나타낸 바와 같이 등가 굴절률의 차이가 클 때 레이저 빔의 전계 강도 분포는 중심 주위에 집중된다. 대조적으로, 도 7b에 나타낸 바와 같이 등가 굴절률의 차이가 작을 때, 레이저 빔의 전계 강도 분포는 주변부의 산화 영역으로 확장된다. 제1 실시예가 참조 예와 비교될 때, 제1 실시예에서 산화 협착 층(150)이 내부 영역(154)을 포함하기 때문에, 제1 실시예에서는 등가 굴절률의 차이가 감소한다. 따라서, 참조 예에서서는 도 7a에 나타낸 바와 같이 레이저 빔의 전계 강도 분포가 중심 주위에 집중된다. 대조적으로, 제1 실시예에서는 도 7b에 나타낸 바와 같이 레이저 빔의 전계 강도 분포가 산화 영역(151)으로 확장된다.
이 경우, 측방향의 광학 구속 계수는 "면 발광 레이저 소자의 중심을 통과하는 측방 단면에서의 전계의 적분 강도"에 대한 "전류 통과 영역과 동일한 반경을 갖는 영역에서의 전계의 적분 강도"의 비율로서 정의되며, 이는 식 (1)에 의해 표현된다. 이 경우, a는 전류 통과 영역의 반경에 대응하고, Φ는 기판에 수직인 방향의 회전 축을 중심으로 회전 방향을 나타낸다.
다음으로, 펄스 전류의 주입이 중단될 때 발생하는 현상의 모델이 기재된다. 펄스 전류가 주입되는 상태에서, 전류 경로는 산화 협착 층에 의해 메사의 중심 주위에 집중되고, 캐리어 밀도는 높다. 이 때, 높은 캐리어 밀도를 갖는 비산화 영역에서의 캐리어 플라즈마 효과에 의해 굴절률을 감소시키는 효과가 발생된다. 캐리어 플라즈마 효과는 자유 캐리어 밀도에 비례하여 굴절률이 감소하는 현상이다. 예를 들어, Kobayashi, Soichi, et al., "Direct Frequency Modulation in AlGaAs Semiconductor Lasers", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Volume 30, Issue 4, 1982, pp. 428-441를 참조하며, 굴절률의 변화량은 식 (2)에 의해 표현된다. 이 경우, N은 캐리어 밀도이다.
도 8a는 펄스 전류가 주입되는 기간에서의 등가 굴절률 및 전계 강도 분포를 개략적으로 나타낸다. 도 8b는 펄스 전류의 주입이 중단되고 펄스 전류가 감소하는 기간에서의 등가 굴절률 및 전계 강도 분포를 개략적으로 나타낸다. 펄스 전류가 주입되는 기간에서 산화 협착 층에 의해 발생되는 등가 굴절률 차이(n1-n0)를 상쇄시키는 방향으로 캐리어 플라즈마 효과가 작용하며, 따라서 등가 굴절률 차이는 (n2-n0)이다. 이 상태에서 펄스 전류의 주입이 감소할 때, 캐리어 플라즈마 효과는 더 이상 작용하지 않으며, 등가 굴절률 차이는 (n1-n0)로 돌아간다. 따라서, 메사의 주변 부분으로 확산된 광자가 메사의 중심 부분에 집중되고, 비산화 영역에서의 광자 밀도가 증가한다. 즉, 상태는 측방 광학 구속이 강한 상태로 변한다. 펄스 전류의 주입이 중단될 때, 공진기에 축적된 캐리어는 캐리어 수명 시간에 걸쳐 감소한다. 그러나, 캐리어 밀도가 완전히 감쇠되기 전에 측방 광학 구속이 증가할 때, 유도 방출이 시작되고, 축적된 캐리어가 한 번에 소비되며, 광학 펄스가 출력된다. 펄스 전류가 주입되는 기간은 전류 주입 기간의 예이고, 펄스 전류의 주입이 중단되고 펄스 전류가 감소하는 기간은 전류 감소 기간의 예이다.
시뮬레이션을 통한 위에 기재된 모델의 검증 결과가 아래에 기재된다. 캐리어 밀도와 광자 밀도의 레이트 식이 식 (3) 및 식 (4)에 표현된다.
식 (3) 및 식 (4)에서 각 문자가 나타내는 내용은 다음과 같다. N은 캐리어 밀도[1/cm3]를 나타내고, S는 광자 밀도[1/cm3]를 나타내고, i(t)는 주입 전류[A]를 나타내고, e는 원소 전하[C]를 나타내고, V는 공진기 체적[cm3]을 나타내고, τn(N)은 캐리어 수명[s]을 나타내고, vg는 그룹 속도[cm/s]를 나타내고, g(N, S)는 이득[1/cm]을 나타내고, Γa는 광학 구속 계수를 나타내고, τp는 광자 수명[s]을 나타내고, β는 자연 방출 결합 계수를 나타내고, g0은 이득 계수[1/cm]를 나타내고, ε는 이득 억압 계수를 나타내고, Ntr은 투명 캐리어 밀도[1/cm3]를 나타내고, ηi는 전류 주입 효율을 나타내고, αm은 공진기 미러 손실[1/cm]을 나타내고, h는 플랑크(Planck) 상수[Js]를 나타내고, ν는 광의 주파수[1/s]를 나타낸다.
이득 g(N, S)는 식 (5)에 의해 표현된다.
식 (6)에 표현된 바와 같이, 광학 구속 계수 Γa는 측방향의 광학 구속 계수 Γr와 수직 방향의 광학 구속 계수 Γz의 곱에 의해 정의된다.
임계 캐리어 밀도 Nth는 식(7)에 의해 표현된다.
임계 전류 Ith와 임계 캐리어 밀도 Nth는 식(8)에 의해 표현되는 관계를 갖는다.
공진기로부터 출력되는 광학 출력 P와 광자 밀도 S는 식 (9)에 의해 표현되는 관계를 갖는다.
참조 예에 따른 시뮬레이션 결과가 기재된다. 참조 예의 경우, 측방향의 광학 구속 계수 Γr이 1인 동안, 도 5a 내지 도 5c에 나타낸 전류 모니터 파형의 입력으로 시뮬레이션이 수행되었다. 도 9는 캐리어 밀도 N 및 임계 캐리어 밀도 Nth에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 10은 광학 출력에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 9 및 도 10에 나타낸 바와 같이, 펄스 전류가 주입되는 약 5 ns의 시점에서, 그 직후에 캐리어 밀도 N은 임계 캐리어 밀도 Nth을 초과하고, 완화 진동에 의해 야기되는 광학 펄스가 출력된다. 이어서, 평형 상태가 확립되고 일정한 테일 광이 출력된다. 위에 기재된 바와 같이, 시뮬레이션에서, 도 5a 내지 도 5c에 제시된 실제 측정 결과에 가까운 결과가 획득된다.
다음으로, 제1 실시예에 따른 시뮬레이션의 결과가 기재된다. 제1 실시예의 경우, 도 6a 내지 도 6c에 나타낸 전류 모니터 파형의 입력으로 시뮬레이션이 수행되었으며, 측방향의 광학 구속 계수 Γr이 1 미만이고 측방향의 광학 구속 계수 Γr은 캐리어 밀도 N이 증가함에 따라 감소하는 함수였다. 측방향의 광학 구속 계수 Γr이 위에 기재된 함수인 이유는, 캐리어 플라즈마 효과로 인한 굴절률의 변화의 영향을 받기 때문이다. 도 11은 함수의 예를 나타내는 그래프이다. 도 12는 광학 출력에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 펄스 전류의 주입이 중단되는 타이밍에서 광학 펄스 출력이 획득된다. 위에 기재된 바와 같이, 시뮬레이션에서, 도 6a 내지 도 6c에 나타낸 실제 측정 결과에 가까운 결과가 획득된다.
결과를 상세히 분석하기 위해, 도 13a 및 도 13b는, 펄스 폭이 2.5 ns인 조건 하에서 캐리어 밀도 N, 임계 캐리어 밀도 Nth, 광자 밀도 S, 및 측방향의 광학 구속 계수 Γr의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 13a는 캐리어 밀도 N, 임계 캐리어 밀도 Nth 및 광자 밀도 S의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 13b는 측방향의 광학 구속 계수 Γr의 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
측방향의 광학 구속 계수 Γr은 캐리어 밀도 N의 함수이기 때문에, 펄스 전류가 주입되는 3 ns 내지 5.5 ns 범위에서 측방향의 광학 구속 계수 Γr이 감소한다. 이 범위에서는, 임계 캐리어 밀도 Nth가 측방향의 광학 구속 계수 Γr의 감소와 함께 증가하고, N < Nth가 확립된다. 따라서 유도 방출이 발생할 가능성이 적고, 광자 밀도 S는 증가하지 않는다. 약 5.5 ns의 시점에서 펄스 전류의 주입이 감소하기 시작할 때, 측방향의 광학 구속 계수 Γr이 다시 증가하고, 그 과정에서 광자 밀도 S가 펄스 형태로 나타난다. 도 14a 및 도 14b는, 도 13a 및 도 13b에서의 5 ns 내지 6 ns 범위의 시간 축이 확장되는 그래프이다.
약 5.5 ns의 시점에서 펄스 전류의 주입이 감소하기 시작할 때, 캐리어 밀도 N은 감소하기 시작한다. 동시에, 측방향의 광학 구속 계수 Γr이 증가하고, 임계 캐리어 밀도 Nth가 감소한다. 임계 캐리어 밀도 Nth의 감소는 캐리어 밀도 N의 감소보다 빠르기 때문에, 캐리어 밀도 N이 감소하는 과정에서 N > Nth가 확립되는 기간이 있다. 이 기간 동안, 광자 밀도 S는 먼저 자연 방출로 인해 증가하고, 광자 밀도 S가 어느 정도 증가할 때, 유도 방출이 지배적이 되며, 광자 밀도 S가 급격히 증가한다. 동시에, 캐리어 밀도 N은 급격히 감소하고, 다시 N < Nth가 확립될 때, 광자 밀도는 급격히 감소한다.
위에 기재된 바와 같이, 트리거로서 펄스 전류의 주입이 중단될 때 광학 펄스가 출력되는 현상이 시뮬레이션에 의해 재현될 수 있다.
임계 캐리어 밀도 Nth가 캐리어 수명보다 빠르게 감소함에 따라 광학 펄스의 상승 시간이 감소한다. 즉, 식 (6)에 기초하여, 측방 광학 구속 계수 Γr의 증가가 빠를수록 상승 시간이 감소한다. 광학 펄스의 감쇠 시간은 광자 수명에 따라 달라진다. 도 15a 및 도 15b는 광학 펄스의 실제 측정 결과 및 시뮬레이션 결과의 예를 나타내는 그래프이다. 도 15a는 실제 측정 결과를 나타낸다. 도 15b는 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
본 명세서에서, 광학 펄스 폭은 피크 값의 1/e2인 시간 폭으로서 정의된다. 획득된 광학 펄스 폭은, 도 15a에서의 실제 측정 결과에서 86 ps이고, 도 15b에서의 시뮬레이션 결과에서 81 ps이다. 이 경우, e는 자연 로그이다. 이 모델로, 광학 펄스의 폭은 주입될 펄스 전류보다 짧고, 주입될 펄스 전류의 시간 폭에 의해 한정되지 않고 감소될 수 있다.
표 1은 도 6a 내지 도 6c에서의 실제 측정 결과에서 반치전폭(FWHM; full width at half maximum) 및 광학 펄스 폭(피크 값의 1/e2인 시간 폭)을 나타낸다. 어느 경우든, 40 ps 내지 60 ps의 FWHM 및 80 ps 내지 110 ps의 광학 펄스 폭이 획득되었다. 반치전폭에 대한 광학 펄스 폭의 비는(광학 펄스 폭/FWHM)는 약 1.7 내지 약 1.8이었다. 가우시안(Gaussian) 함수 공식의 정의에 기초하여, 반치전폭에 대한 광학 펄스 폭의 비는 1.70이고, 따라서 본 실시예에 따른 광학 펄스는 가우시안 함수에 가까운 파형을 갖는다. 대조적으로, 참조 예의 실제 측정 결과(도 5a 내지 도 5c)에 관하여, 펄스 광 후에 일정한 테일 광이 출력되기 때문에, 전류 주입이 중단될 때까지 광학 펄스 폭은 피크 값의 1/e2 이하가 아니다. 즉, 광학 펄스 폭(피크 값의 1/e2의 시간 폭)은 펄스 전류의 폭에 의존하기 때문에, 피코초 정도의 광학 펄스 폭을 획득하는 것은 어렵다.
도 6a 도 6b 도 6c
FWHM (ps) 57.8 49.2 50.0
1/e2 (ps) 103.9 85.2 85.9
비 1.80 1.73 1.72
본 실시예에서는, 광학 펄스 출력이 생성된 후에 연속적인 광학 펄스 트레인이 생성될 가능성이 적다. 이는 광학 펄스가 생성될 때 펄스 전류의 주입이 감소하고 완화 진동이 생성될 가능성이 적기 때문이다.
또한, 광학 펄스 출력이 생성된 후에 테일 광이 생성될 가능성이 적다. 이는 광학 펄스가 생성된 후에 펄스 전류의 주입이 감소하고 캐리어 밀도가 증가할 가능성이 적기 때문이다.
또한, 펄스 전류의 주입이 중단된 직후에 광학 펄스가 출력되기 때문에, 광학 펄스가 출력되는 타이밍이 바람직하게 제어될 수 있다.
또한, 제1 실시예에 따라 생성된 광학 펄스의 폭은 주입된 펄스 전류의 폭보다 작다. 전류가 증가되더라도, 펄스 전류 폭은 감소될 필요가 없으며, 따라서 펄스 전류 폭은 기생 인덕턴스에 의해 영향을 받을 가능성이 적다.
제1 실시예에 따른 다수의 면 발광 레이저(100)가 면 발광 레이저 어레이를 형성하도록 병렬로 배열될 수 있고, 광학 펄스는 동시에 출력될 수 있으며, 그에 의해 더 큰 광학 피크 출력을 획득할 수 있다. 면 발광 레이저 어레이에 주입된 전류는 하나의 면 발광 레이저(100)에 주입된 전류보다 크지만, 면 발광 레이저(100)로부터 출력되는 광학 펄스의 폭이 주입된 펄스 전류의 폭보다 작기 때문에, 작은 폭을 갖는 광학 펄스가 출력될 수 있다.
제1 실시예에 따른 면 발광 레이저(100)로부터의 광학 출력의 펄스 폭은 한정되지 않지만, 펄스 폭은 예를 들어 1 ns 이하, 바람직하게는 500 ps 이하, 더 바람직하게는 100 ps 이하이다.
제1 실시예에서, 내부 영역(154)의 내측 에지로부터 바깥쪽으로 3 ㎛ 떨어진 위치에서의, 즉, 비산화 영역(152)과 산화 영역(151) 사이의 경계의 팁 단부 부분으로부터 바깥쪽으로 3 ㎛ 떨어진 위치에서의, 산화 영역(151)의 두께는, 바람직하게는 비산화 영역(152)의 두께의 2배 이하이다. 예를 들어, 비산화 영역(152)의 두께가 31 nm일 때, 내부 영역(154)의 내측 에지로부터 바깥쪽으로 3 ㎛ 떨어진 위치에서의 두께는 바람직하게는 62 nm 이하이고, 54 nm일 수 있다. 메사(180)의 측면으로부터 산화 영역(151)의 내측 에지까지의 거리(산화 거리)가 8 ㎛ 내지 11 ㎛ 범위 내에 있을 때, 3 ㎛의 거리는 산화 거리의 28% 내지 38%에 대응한다. 위에 기재된 참조 예의 실제 측정에서 산화 영역(951)의 두께 및 비산화 영역(952)의 두께가 산화 영역(951)의 내측 에지로부터 바깥쪽으로 3 ㎛ 떨어진 위치에서 측정되었을 때, 산화 영역(951)의 두께는 79 nm였고, 비산화 영역(952)의 두께는 31 nm였다. 산화 영역(951)의 두께는 비산화 영역(952)의 두께의 2.55배였다. 산화 협착 구조를 갖는 다양한 소자들의 비교 평가의 결과로서, 본 발명자들은 비가 2 이하일 때 측방향의 광학 구속 계수 Γr가 감소하고, 높은 출력을 가지며 테일링이 없는 짧은 펄스 광이 획득될 가능성이 높다는 것을 발견하였다.
여기서 제1 실시예 및 참조 예의 실제 측정 값을 사용하여 광학 모드 시뮬레이션의 결과가 기재된다. 광학 모드 시뮬레이션에서, 각각의 영역의 굴절률은 고유 모드의 전계 강도 분포를 계산하기 위해 회전 대칭 다층 구조 모델로 설정된다. 계산은 본 광학 모드 시뮬레이션에서 에너지화에 의해 생성되는 열의 영향을 포함하지 않는 콜드 캐비티(cold cavity) 조건 하에 수행되었다.
도 16은 시뮬레이션에 사용되는 제1 모델을 예시하는 단면도이다. 제1 모델은 n형 DBR(20), 활성 층 영역(30) 및 p형 DBR(40)을 포함한다. 활성 층 영역(30)은 n형 DBR(20) 상에 있고, p형 DBR(40)은 활성 층 영역(30) 상에 있다.
활성 층 영역(30)은 하부 스페이서 층(31), 양자 우물 층(32) 및 상부 스페이서 층(33)을 포함한다. 하부 스페이서 층(31)은 n형 DBR(20) 상에 있고, 양자 우물 층(32)은 하부 스페이서 층(31) 상에 있고, 상부 스페이서 층(33)은 양자 우물 층(32) 상에 있다.
p형 DBR(40)은 다수의 저굴절률 층들(41), 다수의 고굴절률 층들(42) 및 산화 협착 층(50)을 포함한다. 최하부(lowermost) 저굴절률 층(41)(41A)은 상부 스페이서 층(33) 상에 있다. 산화 협착 층(50)은 저굴절률 층(41A) 상에 있다. 산화 협착 층(50)은 광의 방출 방향에 수직인 평면에 산화 영역(51) 및 비산화 영역(52)을 포함한다. 산화 영역(51)은 환형 평면 형상을 가지며, 비산화 영역(52)을 둘러싼다. 비산화 영역(52)은 AlAs로 제조된다. 하측으로부터 두 번째인 저굴절률 층(41)(41B)은 산화 협착 층(50) 상에 있다. 저굴절률 층(41B) 상에, 고굴절률 층들(42) 및 다른 저굴절률 층들(41)이 교대로 적층된다. 이 모델에서, 산화 영역(51)의 두께는 일정하고, 산화 영역(51)은 테이퍼 형상을 갖지 않는다.
활성 층 영역(30)의 광학 두께는 발진 파장(λ)이다. 저굴절률 층(41A), 산화 협착 층(50) 및 저굴절률 층(41B)의 두께의 합은 3λ/4이다. 고굴절률 층(42A)의 두께는 λ/4이다.
먼저 광학 구속 계수와 산화 협착 층(50)의 두께 사이의 관계가 기재된다. 도 17a 및 도 17b는 비산화 영역이 5 ㎛의 직경을 갖는 구조에서 기본 모드의 전계 강도 분포의 단면 프로파일을 예시한다. 도 17a는 산화 협착 층(50)의 두께가 20 nm일 때의 단면 프로파일을 예시한다. 도 17b는 산화 협착 층(50)의 두께가 40 nm일 때의 단면 프로파일을 예시한다. 광학 구속 계수는, 전체 영역 내의 전계 강도의 합에 대한, 산화 협착 층(50)에서의 전계 강도의 비로서 추정될 수 있다. 산화 협착 층(50)의 두께가 20 nm인 구조에서는, 산화 협착 층(50)의 두께가 40 nm인 구조에 비해, 전계 강도 분포가 측방향으로 확장되고, 비산화 영역(52) 외측에 존재하는 전계 강도 분포의 비율이 크며, 따라서 광학 구속 계수는 작다.
다음으로, 광학 구속 계수, 산화 협착 층(50)의 두께 및 비산화 영역(52)의 직경 사이의 관계가 기재된다. 도 18은 광학 구속 계수, 산화 협착 층의 두께 및 비산화 영역의 직경 사이의 관계의 계산 결과를 나타내는 그래프이다. 도 18에서의 수평 축은 비산화 영역(52)의 직경을 나타내고, 수직 축은 광학 구속 계수를 나타낸다. 도 18은, 산화 협착 층(50)의 두께가 20 nm 내지 60 nm 범위 내에 있고 비산화 영역(52)의 직경이 3 ㎛ 내지 9 ㎛의 범위 내에 있을 때 계산된 광학 구속 계수의 결과를 나타낸다. 산화 협착 층(50)의 두께가 40 nm 이상이고 비산화 영역(52)의 직경이 5 ㎛ 이상인 범위에서, 광학 구속 계수가 약 0.9 이상으로 포화되는 경향이 있다. 이러한 경향은, 광학 구속 계수가 포화 값보다 작은 범위에서 도 17a에 예시된 바와 같이 측방향의 전계 강도 분포의 확장이 증가하며 산화 영역 외측의 전계 강도의 비율이 큰 것에 대응한다.
산화 협착 층(50)의 두께, 비산화 영역(52)의 직경 및 광학 구속 계수 사이의 관계에 관한 계산 결과가 기재되었다. 다음으로, 산화 영역(51)의 팁 단부 근처의 굴절률이 의도적으로 감소될 때의 전계 강도 분포의 계산 결과가 기재된다
굴절률이 감소될 영역(60)은, 비산화 영역(52)(AlAs 층) 위로 p형 DBR(40)의 최하부 한 쌍에 대응하는 약 200 nm의 두께를 갖는 영역이었고, 비산화 영역(52)(AlAs 층) 아래로 상부 스페이서 층(33), 양자 우물 층(32) 및 하부 스페이서 층(31)을 포함하는 약 300 nm의 두께를 갖는 영역이었다. 하부 영역이 상부 영역보다 큰 이유는, 하부 측이 활성 층 영역(30)에 가까운 방향이고, 높은 캐리어 밀도를 갖는 영역이 클 것으로 예상되기 때문이다. 굴절률이 변경된 반경 방향 영역은 비산화 영역(52)과 동일한 범위를 갖는다.
도 19는 제1 모델에 대한 산화 협착 층의 두께와 광학 구속 계수 사이의 관계의 계산 결과를 나타내는 그래프이다. 산화 협착 층(50)의 두께는 30 nm 내지 60 nm 범위의 4개의 레벨을 포함하고, 굴절률(n)이 감소된 양(굴절률(n)의 감소량)은 0 내지 약 0.02 범위 내에 있었다. 도 19에서, 수평 축은 굴절률(n)의 감소량을 나타내고, 수직 축은 광학 구속 계수를 나타낸다. 굴절률(n)이 감소되는 양이 클수록, 영역(60)에서의 굴절률은 낮아진다. 산화 협착 층(50)의 두께가 60 nm인 경우, 굴절률이 현저히 감소된 경우에도 광학 구속 계수는 거의 감소되지 않지만, 산화 협착 층(50)의 두께가 감소될수록, 굴절률(n)의 감소량이 작을 때에도 광학 구속 계수가 감소되기 쉬운 것으로 밝혀졌다.
다음으로, 제1 실시예 또는 참조 예의 경우에 더 가까운 모델을 사용하는 시뮬레이션의 결과가 기재된다. 도 20은 시뮬레이션에 사용되는 제2 모델을 예시한다. 도 21은 시뮬레이션에 사용되는 제3 모델을 예시한다. 제2 모델은 제1 실시예의 경우에 더 가까운 모델이다. 제3 모델은 참조 예의 경우에 더 가까운 모델이다. 산화 영역의 팁 단부 근처의 굴절률이 의도적으로 감소되었을 때의 전계 강도 분포가, 제1 모델과 유사하게 제2 모델 및 제3 모델에 대해 계산되었다.
도 22는 제2 모델 및 제3 모델에 대한 굴절률 감소량과 광학 구속 계수 사이의 관계의 계산 결과를 나타내는 그래프이다. 굴절률(n)의 감소량은 0 내지 약 0.01의 범위 내에 있었다. 도 22에서 하측에 있는 수평 축은 굴절률(n)의 감소량을 나타내고, 수직 축은 광학 구속 계수를 나타낸다. 도 22에 나타낸 바와 같이, 제1 실시예를 모방하는 제2 모델(도 20)에서, 굴절률이 약 0.01로 감소될 때, 굴절률이 감소되기 전에 0.7이었던 광학 구속 계수는 0.1로 감소된다. 대조적으로, 참조 예를 모방하는 제3 모델(도 21)에서, 굴절률이 약 0.01로 감소될 때, 감소 전에 0.9였던 광학 구속 계수는 0.7로 감소된다. 따라서, 제2 모델에서, 굴절률의 감소에 대한 광학 구속 계수의 변화량은 크고, 따라서 광학 구속 계수의 급격한 변화로 인한 펄스 광 출력이 제공될 수 있다.
도 22에서 상부 수평 축에 의해 나타낸 바와 같이, 캐리어 플라즈마 효과를 추정하는 식 (2)로부터 변환될 때, 굴절률(n)의 감소량이 0.006인 것은 1.5×1018 [1/cm3]의 캐리어 밀도 N에 대응하고, 굴절률(n)의 감소량이 0.010인 것은 2.5×1018 [1/cm3]의 캐리어 밀도 N에 대응한다. 도 11은 5.0×1018 [1/cm3] 내지 1.5×1019 [1/cm3]의 캐리어 밀도 N의 범위에서 광학 구속 계수를 감소시키는 함수를 나타낸다. 도 11과 도 22 사이에 캐리어 밀도 N의 범위가 상이한데, 도 11에서는 양자 우물 층에서의 캐리어 밀도를 대상으로 하는 반면에, 도 22에서는 굴절률을 변화시키는 대상이 양자 우물 층의 상부 및 하부 부분을 포함하는 넓은 영역이기 때문이다. 양자 우물 층 위와 아래의 넓은 영역에서의 캐리어 밀도는, 예를 들어, 측방향의 확산으로 인해 확장할 것으로 예상된다. 감소된 굴절률을 갖는 영역의 캐리어 밀도가 양자 우물 층에서의 캐리어 밀도보다 약 한 자리수만큼 작다고 가정할 때, 도 11에 나타낸 캐리어 밀도의 범위는 도 22에 나타낸 캐리어 밀도의 범위와 동등한 것으로 간주될 수 있다.
다음으로, 제1 실시예에 따라, 비산화 영역(52)과 산화 영역(51) 사이의 경계로부터 3 ㎛ 위치에서의 산화 영역의 두께와 광학 구속 계수 사이의 관계의 시뮬레이션 결과가 기재된다. 도 23은 시뮬레이션에 사용되는 제4 모델을 예시하는 단면도를 제공한다. 제4 모델에서, 산화 영역(51)은 제1 영역(51A), 제2 영역(51B) 및 제3 영역(51C)을 포함한다. 제1 영역(51A), 제2 영역(51B) 및 제3 영역(51C)의 평면 형상은 환형이다. 제1 영역(51A)은 비산화 영역(52) 바깥쪽에 위치되고, 제2 영역(51B)은 제1 영역(51A) 바깥쪽에 위치되고, 제3 영역(51C)은 제2 영역(51B) 바깥쪽에 위치된다. 비산화 영역(52)은 AlAs 층(55) 및 AlAs 층(55)을 수직 방향으로 샌드위치시키는 2개의 AlGaAs 층(56)을 포함한다.
AlAs 층(55)의 두께는 30 nm이다. 제1 영역(51A)의 두께는 30 ㎛이고, 제3 영역(51C)의 두께는 T[㎛]이고, 제2 영역(51B)의 두께는 T/2[㎛]이다. 반경 방향으로 제1 영역(51A)과 제2 영역(51B)의 폭은 각각 1.5 ㎛이다. 비산화 영역(52)과 산화 영역(51) 사이의 경계로부터, 즉, 비산화 영역(52)의 AlAs 층(55)과 제1 영역(51A) 사이의 경계(59)로부터, 바깥쪽으로 3 ㎛ 떨어진 위치에서의 산화 영역(51)의 두께는 제3 영역(51C)의 두께이다.
도 24는 제4 모델에 대하여 경계로부터 바깥쪽으로 3 ㎛ 떨어진 위치에서의 산화 영역의 두께와 광학 구속 계수 사이의 관계의 계산 결과를 나타내는 그래프이다. 도 24는 굴절률이 감소하지 않을 때의 계산 결과 및 굴절률이 0.006만큼 감소할 때의 계산 결과를 나타낸다. 도 24에서의 수평 축은 경계(59)로부터 바깥쪽으로 3 ㎛ 떨어진 위치에서의 산화 영역(51)의 두께를 나타내고, 수직 축은 광학 구속 계수를 나타낸다.
도 24에 나타낸 바와 같이, 경계(59)로부터 바깥쪽으로 3 ㎛ 떨어진 위치에서의 산화 영역(51)의 두께가 60 nm 이하일 때, 광학 구속 계수의 감소량은 두께가 60 nm보다 큰 경우와 비교하여 큰 것으로 밝혀졌다. 즉, 경계(59)로부터 바깥쪽으로 3 ㎛ 떨어진 위치에서의 산화 영역(51)의 두께가 AlAs 층(55)의 두께의 2배 이하일 때, 광학 구속 계수의 감소량은 두께가 AlAs 층(55)의 두께의 2배 초과인 경우와 비교하여 큰 것으로 밝혀졌다. 따라서, 경계(59)로부터 바깥쪽으로 3 ㎛ 떨어진 위치에서의 산화 영역(51)의 두께가 AlAs 층(55)의 두께의 2배 이하인 영역에서, 굴절률의 변화량에 대한 광학 구속 계수의 변화는 크고, 따라서 제1 실시예에 따라 광학 구속 계수의 급격한 변화로 인한 펄스 광 출력이 제공될 수 있다. 제1 실시예에 따라 제조된 샘플의 내부 영역(154)의 내측 에지로부터 바깥쪽으로 3 ㎛ 떨어진 위치에서의 산화 영역(151)의 두께의 실제 측정 값은 54 nm이었다. 참조 예에 따라 제조된 샘플의 산화 영역(951)의 내측 에지로부터 바깥쪽으로 3 ㎛ 떨어진 위치에서의 산화 영역(951)의 두께의 실제 측정 값은 79 nm이었다.
평면도에서 비산화 영역(152)의 면적(전류 협착 면적)은 바람직하게는 120 ㎛2 이하이다. 다르게 말하자면, 광의 방출 방향에 수직인 평면에서 저굴절률 영역과 고굴절률 영역 사이의 경계의 에지에 의해 둘러싸인 영역은 120 ㎛2 이하의 면적을 갖는다. 비산화 영역(152)의 다양한 소자들의 비교 평가의 결과로서, 본 발명자들은, 비산화 영역(152)이 120 ㎛2를 초과하는 면적을 가질 때, 펄스 전류의 주입이 중단된 직후 광학 펄스가 출력되는 현상이 발생할 가능성이 적다는 것을 발견하였다. 또한, 비산화 영역(152)이 더 작기 때문에 높은 피크 출력을 갖는 광학 펄스가 획득될 가능성이 높은 것으로 밝혀졌다. 도 25는 비산화 영역의 면적이 50 ㎛2 내지 120 ㎛2의 범위 내에 있는 샘플에 대한 피크 광학 출력의 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
[제2 실시예]
다음으로, 제2 실시예가 기재된다. 제2 실시예는 면 발광 레이저에 관한 것이다. 도 26은 제2 실시예에 따른 면 발광 레이저(200)를 예시하는 단면도이다.
제2 실시예에 따른 면 발광 레이저(200)는, 예를 들어 매립 터널 접합(BTJ; buried tunnel junction)에 의한 전류 협착 구조를 포함하는 VCSEL이다. 면 발광 레이저(200)는 n형 GaAs 기판(110), n형 DBR(120), 활성 층(130), p형 DBR(241), BTJ 영역(250), p형 DBR(242), 상부 전극(160) 및 하부 전극(170)을 포함한다.
p형 DBR(241)은 활성 층(130) 상에 있다. p형 DBR(241)은, 예를 들어 서로 적층된 다수의 p형 반도체 막들을 포함하는 반도체 다층막 반사 미러이다. BTJ 영역(250)은 p형 DBR(241)의 일부 상에 있다. BTJ 영역(250)은 p형 층(251) 및 n형 층(252)을 포함한다. p형 DBR(242)은 p형 DBR(241) 상에 있고 BTJ 영역(250)을 덮는다. p형 DBR(242)은, 예를 들어 서로 적층된 다수의 p형 반도체 막들을 포함하는 반도체 다층막 반사 미러이다. p형 DBR(242), p형 DBR(241), 활성 층(130) 및 n형 DBR(120)은 메사(280)를 포함한다. BTJ 영역(250)은 평면에서 메사(280)의 중심에 위치한다.
p형 층(251)은 p형 DBR(241) 상에 있다. n형 DBR(252)은 p형 층(251) 상에 있다. p형 층(251)은 p형 DBR(241)을 구성하는 p형 반도체 막의 농도보다 더 높은 농도의 p형 불순물을 함유한다. n형 층(252)은 n형 DBR(120)을 구성하는 n형 반도체 막의 농도보다 더 높은 농도의 n형 불순물을 함유한다. 예를 들어, p형 층(251)의 두께는 5 nm 내지 20 nm이고, n형 층(252)의 두께는 5 nm 내지 20 nm이다. 평면도에서, BTJ 영역(250)의 윤곽 안쪽의 메사(280)의 부분은 고굴절률 영역의 예이고, BTJ 영역(250)의 윤곽 바깥쪽의 메사(280)의 부분은 저굴절률 영역의 예이다.
상부 전극(160)은 p형 DBR(242)의 상부 표면과 접촉한다. 하부 전극(170)은 n형 GaAs 기판(110)의 하부 표면과 접촉한다. 상부 전극(160)과 하부 전극(170)의 쌍은 전극 쌍의 예이다.
제2 실시예에서, 역 바이어스가 인가되고, 따라서 p형 DBR(241)과 p형 DBR(242) 사이에 전류가 흐르지 않는다. p형 층(251)과 n형 층(252) 사이에는 매립 터널 접합부에 의해 전류가 흐른다. 따라서, 상부 전극(160)과 하부 전극(170) 사이의 전류 경로는 BTJ 영역(250)을 포함하는 메사(280)의 중심에 구속된다. 또한, BTJ 영역(250)이 단차(step)를 형성하고 p형 DBR(242)로 덮여 있기 때문에, 메사(280)의 평면에서의 굴절률은 중심에서 높고 주변부에서 낮다. 따라서, 면 발광 레이저(200)에서 측방향의 광학 구속 효과가 생성된다.
따라서, 또한 제2 실시예에 따르면, 제1 실시예에서의 경우와 유사한 펄스 전류를 주입함으로써 광학 펄스가 출력될 수 있다.
[제3 실시예]
다음으로, 제3 실시예가 기재된다. 제3 실시예는 레이저 디바이스에 관한 것이다. 도 27은 제3 실시예에 따른 레이저 디바이스(300)를 예시하는 도면이다.
제3 실시예에 따른 레이저 디바이스(300)는 제1 실시예에 따른 면 발광 레이저(100), 및 면 발광 레이저(100)의 상부 전극(160)과 하부 전극(170)에 커플링된 전원 디바이스(301)를 포함한다. 전원 디바이스(301)는 면 발광 레이저(100)에 전류를 주입한다.
전원 디바이스(301)로부터의 전류 주입의 듀티 비는 바람직하게는 0.5% 이하이다. 즉, 전류 주입 기간과 전류 감소 기간이 다수 회 반복되고, 전류 감소 기간에 대한 전류 주입 기간의 비는 0.5% 이하인 것이 바람직하다. 듀티 비는 단위 기간에 전류 펄스가 주입되는 기간의 비율이다. t[s]가 펄스 전류 폭을 나타내고 f[Hz]가 펄스 전류의 반복 주파수를 나타낼 때, 듀티 비는 f×t(%)에 대응한다. 도 28은 펄스 전류 폭이 2.5 ns일 때 듀티 비와 광학 펄스의 피크 출력 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 28에 나타낸 바와 같이, 듀티 비가 0.5%보다 클 때, 광학 피크 출력은 감소하는 경향이 있다. 이에 대하여 생각할 수 있는 이유로 다음의 모델들이 있다. 우선, 듀티 비가 증가될 때, 주입된 펄스 전류에 의해 전류 협착 영역(비산화 영역(152))에서 생성되는 열의 양이 증가한다. 따라서, 전류가 집중되는 중심 부분의 온도는 전류 협착 영역의 주변 부분에 대하여 상승하고, 온도 차이가 발생된다. 결과적으로, 전류 협착 영역의 중심 부분의 굴절률이 열 렌즈 효과에 의해 증가하고, 측방향의 광학 구속 계수가 증가한다. 열 렌즈 효과로 인해 측방향의 광학 구속 계수가 증가함에 따라, 펄스 전류의 증가 또는 감소에 의해 생성된 캐리어 플라즈마 효과로 인한 굴절률의 변화의 영향이 감소한다. 따라서, 펄스 전류의 주입이 중단된 직후에 광학 펄스가 출력되는 현상이 발생할 가능성이 적다. 대조적으로, 듀티 비가 0.5% 이하일 때, 열 렌즈 효과로 인한 굴절률의 변화의 영향은 충분히 작고, 협착 구조로부터 유래된 굴절률의 변화가 지배적이며, 따라서 피크 출력은 실질적으로 일정하고 변하지 않는 것으로 간주된다.
하나의 예에서, 제1 실시예에 따른 면 발광 레이저(100) 대신에, 제2 실시예에 따른 면 발광 레이저(200)가 사용될 수 있다.
[제4 실시예]
다음으로, 제4 실시예가 기재된다. 제4 실시예는 거리 측정 디바이스에 관한 것이다. 도 29는 제4 실시예에 따른 거리 측정 디바이스(400)를 예시한다. 거리 측정 디바이스(400)는 검출 디바이스의 예이다.
제4 실시예에 따른 거리 측정 디바이스(400)는 TOF(time of flight) 방법에 기초한 거리 측정 디바이스이다. 거리 측정 디바이스(400)는 발광 소자(410), 수광 소자(420) 및 구동 회로(430)를 포함한다. 발광 소자(410)는 거리 측정 대상체(450)에 방출 빔(조사 광(411))을 방출한다. 수광 소자(420)는 거리 측정 대상체(450)로부터 반사 광(421)을 수신한다. 구동 회로(430)는 발광 소자(410)를 구동하고, 방출 빔의 방출 타이밍과 수광 소자(420)에 의한 반사 광(421)의 수신 타이밍 사이의 시간 차이를 검출하여, 거리 측정 대상체(450)에 대한 왕복의 거리를 측정한다.
발광 소자(410)는 제1 실시예에 따른 면 발광 레이저(100) 또는 제2 실시예에 따른 면 발광 레이저(200)를 포함한다. 발광 소자(410)는 어레이로 배열된 제1 실시예에 따른 다수의 면 발광 레이저(100) 또는 제2 실시예에 따른 다수의 면 발광 레이저(200)를 포함할 수 있다. 펄스의 반복 주파수는, 예를 들어, 수 킬로헤르츠 내지 수십 메가헤르츠의 범위 내에 있다.
수광 소자(420)는, 예를 들어, 포토다이오드(PD), 애벌란치 포토다이오드(APD; avalanche photodiode) 또는 단일 광자 애벌란치 다이오드(SPAD; single photon avalanche diode)이다. 수광 소자(420)는 어레이로 배열된 다수의 수광 소자를 포함할 수 있다. 수광 소자(420)는 검출기의 예이다.
TOF 방법에 의한 거리 측정에서, 거리 측정 대상체로부터의 신호와 노이즈를 서로 분리하는 것이 바람직하다. 더 먼 거리 측정 대상체가 측정될 때 또는 더 낮은 반사율을 갖는 거리 측정 대상체가 측정될 때, 보다 높은 감도를 갖는 수광 소자를 사용하여 대상체로부터 신호를 획득하는 것이 바람직하다. 그러나, 보다 높은 감도를 갖는 수광 소자가 사용될 때, 배경광 노이즈 또는 샷 노이즈를 잘못 검출할 가능성이 증가한다. 신호와 노이즈를 서로 분리하기 위해, 수광 신호의 임계값이 증가될 수 있지만, 수광 신호의 임계값이 증가되는 양만큼 방출 빔의 피크 출력이 증가되지 않는다면, 거리 측정 대상체로부터 신호 광을 수신하는 것은 어려울 수 있다. 그러나, 방출 빔의 출력은 레이저에 대한 안전 표준에 의해 한정된다.
제1 실시예에 따른 면 발광 레이저(100) 또는 제2 실시예에 따른 면 발광 레이저(200)는 약 100 ps의 펄스 폭을 갖는 광학 펄스를 출력할 수 있다. 이는 관련 기술의 면 발광 레이저로부터 출력된 광학 펄스 폭의 값 ns와 비교하여 약 1/10이다. 제4 실시예에 따르면, 광학 펄스의 펄스 폭이 감소할수록 안전 표준 하에 허용가능한 피크 출력이 증가하기 때문에, 눈 안전이 충족되면서 정밀도 증가 및 거리 증가 둘 다가 달성될 수 있다.
[제5 실시예]
다음으로, 제5 실시예가 기재된다. 제5 실시예는 이동 대상체에 관한 것이다. 도 30은 제5 실시예에 따른 이동 대상체의 예로서 자동차(500)를 예시한다. 제5 실시예에 따른 이동 대상체의 예로서 자동차(500)의 전면의 상부 부분(예를 들어, 전면 유리의 상부 부분)에, 제4 실시예에 기재된 거리 측정 디바이스(400)가 제공된다. 거리 측정 디바이스(400)는 자동차(500) 주위의 대상체(502)까지의 거리를 측정한다. 거리 측정 디바이스(400)의 측정 결과는 자동차(500)에 포함된 컨트롤러에 입력되고, 컨트롤러는 측정 결과에 기초하여 이동 대상체의 동작을 제어한다. 대안적으로, 컨트롤러는 거리 측정 디바이스(400)의 측정 결과에 기초하여 자동차(500)의 운전자(501)에게 자동차(500)에 제공된 디스플레이 상에 경고 표시를 제공할 수 있다.
위에 기재된 바와 같이, 제5 실시예에서, 거리 측정 디바이스(400)가 자동차(500)에 제공되기 때문에, 높은 정밀도로 자동차(500)의 주변에 있는 대상체(502)의 위치가 인식될 수 있다. 거리 측정 디바이스(400)의 설치 위치는 자동차(500)의 상부 및 전방 부분에 한정되지 않고, 자동차(500)의 측면 또는 후방 부분에 설치될 수 있다. 이 실시예에서, 거리 측정 디바이스(400)가 자동차(500)에 제공되지만, 거리 측정 디바이스(400)는 항공기나 선박에 제공될 수 있다. 하나의 예에서, 거리 측정 디바이스(400)는 드론 또는 로봇과 같이 운전자 없이 자율적으로 이동하는 이동 대상체에 제공될 수 있다.
위에 기재된 실시예는 예시적인 것이며 본 발명을 한정하지 않는다. 따라서 위의 교시에 비추어 다수의 추가 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 상이한 예시적인 실시예의 요소 및/또는 특징은 본 발명의 범위 내에서 서로 결합되고/되거나 서로 대체될 수 있다. 위에 기재된 동작들 중 임의의 동작이 다양한 다른 방식들로, 예를 들어 위에 기재된 것과는 상이한 순서로 수행될 수 있다.
본 특허 출원은, 일본 특허청에 2021년 7월 30일 출원된 일본 특허 출원 번호 2021-126011, 2022년 1월 27일 출원된 일본 특허 출원 번호 2022-010790, 및 2022년 2월 18일 출원된 일본 특허 출원 번호 2022-024125에 기초하고 35 U.S.C. §119(a)에 대한 우선권을 주장하며, 이들의 전체 개시는 참조에 의해 여기에 포함된다.
100, 200 면 발광 레이저
120 N형 DBR
130 활성 층
140, 241, 242 P형 DBR
150 산화 협착 층
151 산화 영역
152 비산화 영역
160 상부 전극
170 하부 전극
180, 280 메사
250 BTJ 영역
251 P형 층
252 N형 층
300 레이저 디바이스
400 거리 측정 디바이스
500 자동차 (이동 대상체)

Claims (14)

  1. 면 발광 레이저에 있어서,
    활성 층;
    상기 활성 층을 사이에 두고 서로 마주하는 다수의 반사기; 및
    전원 디바이스에 커플링되며 상기 활성 층에 전류를 주입하도록 구성된 전극 쌍
    을 포함하고,
    상기 면 발광 레이저는:
    레이저 빔을 발진시키지 않도록, 상기 전원 디바이스에 의해 전류가 주입되는 전류 주입 기간; 및
    상기 전류 주입 기간 후의 전류 감소 기간으로서, 레이저 빔을 발진시키도록, 상기 활성 층에 주입되는 전류의 전류 값이 상기 전류 주입 기간 동안 주입된 전류의 전류 값보다 낮은, 상기 전류 감소 기간
    을 갖는 것인, 면 발광 레이저.
  2. 청구항 1에 있어서,
    광의 방출 방향에 수직인 평면 내에:
    상대적으로 높은 굴절률을 갖는 고굴절률 영역; 및
    상기 고굴절률 영역을 둘러싸며, 상기 고굴절률 영역의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 저굴절률 영역
    을 더 포함하는, 면 발광 레이저.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 저굴절률 영역은 산화 협착(oxidation confinement)에 의해 형성되고,
    상기 고굴절률 영역은 35 nm 이하의 두께를 갖고,
    상기 저굴절률 영역은 상기 저굴절률 영역과 상기 고굴절률 영역 사이의 경계의 팁 단부 부분으로부터 3 ㎛의 위치에서 상기 고굴절률 영역의 두께의 2배 이하의 두께를 갖는 것인, 면 발광 레이저.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 광의 방출 방향에 수직인 평면 내에 상기 저굴절률 영역과 상기 고굴절률 영역 사이의 경계의 에지에 의해 둘러싸이는 영역은 120 ㎛2 이하의 면적을 갖는 것인, 면 발광 레이저.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 고굴절률 영역 및 상기 저굴절률 영역은 매립 터널 접합에 의해 형성되는 것인, 면 발광 레이저.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 면 발광 레이저는 상기 전류 주입 기간보다 짧은 시간 폭을 갖는 광학 펄스를 출력하는 것인, 면 발광 레이저.
  7. 면 발광 레이저에 있어서,
    피크 값의 1/e2의 시간 폭이 광학 펄스 폭으로서 정의될 때, 110 ps 이하의 광학 펄스 폭을 갖는 단일 광학 펄스를 방출하도록 구성되는, 면 발광 레이저.
  8. 레이저 디바이스에 있어서,
    청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 따른 면 발광 레이저; 및
    상기 전극 쌍에 커플링되며 상기 면 발광 레이저에 전류를 주입하도록 구성된 전원 디바이스
    를 포함하는, 레이저 디바이스.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 전류 주입 기간 및 상기 전류 감소 기간은 다수 회 반복되고,
    상기 전류 감소 기간에 대한 상기 전류 주입 기간의 비(ratio)는 0.5 % 이하인 것인, 레이저 디바이스.
  10. 청구항 7에 따른 면 발광 레이저를 포함하는 레이저 디바이스.
  11. 검출 디바이스에 있어서,
    청구항 8 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 따른 레이저 디바이스; 및
    상기 면 발광 레이저로부터 방출되며 대상체에 의해 반사되는 광을 검출하도록 구성된 검출기
    를 포함하는, 검출 디바이스.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 검출 디바이스는 상기 검출기로부터의 신호에 기초하여 상기 대상체까지의 거리를 계산하는 것인, 검출 디바이스.
  13. 청구항 12에 따른 검출 디바이스를 포함하는 이동 대상체.
  14. 면 발광 레이저에 의해 수행되는 면 발광 레이저 구동 방법에 있어서, 상기 면 발광 레이저는, 활성 층, 상기 활성 층을 사이에 두고 서로 마주하는 다수의 반사기, 및 전원에 커플링되며 상기 활성 층에 전류를 주입하도록 구성된 전극 쌍을 포함하고, 상기 방법은:
    전원 디바이스에 의해 전류가 주입되는 전류 주입 기간 동안 레이저 빔을 발진시키지 않는 단계; 및
    상기 전류 주입 기간 후의 전류 감소 기간으로서, 상기 활성 층에 주입되는 전류의 전류 값이 상기 전류 주입 기간 동안 주입된 전류의 전류 값보다 낮은, 상기 전류 감소 기간 동안, 레이저 빔을 발진시키는 단계
    를 포함하는, 면 발광 레이저 구동 방법.

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