KR910009909B1 - 고체 레이저 - Google Patents

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아메리칸 텔리폰 앤드 텔레그라프 캄파니
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Abstract

내용 없음.

Description

고체 레이저
제1도는 본 발명에 따라 구성된 반도체 레이저의 도시도.
제2도 및 제3도는 희토류 이온을 사용하는 반도체 물질의 종래 기술의 불순물 첨가 작동을 설명하기 위한 전자 에너지 다이어그램 및 이득 도면.
제4도 내지 제9도는 본 발명의 작동을 설명하기 위한 에너지 다이어그램, 광학 이득 도면 및 다른 곡선도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100 : 레이저 102 : n형 인듐 포스파이드층
105 : 실리콘 이산화물층
본 발명은 희토류가 첨가된 반도체 레이저에 관한 것이다.
희토류 이온은, 레이저 작동을 위해 이득 매체로서 결정을 절연시키는데 사용되었다. 이 이온은 종래 기술의 레이저 시스템에 이득 매체를 제공하기 위해 III-V 반도체 물질 및 실리콘에 역시 사용되었다. 이러한 시스템에서, 3가 희토류 이온의 결정 필드 분할 스핀 궤도 레벨 사이의 내부 중심 4f-4f 변이로부터 나타나는 광 휘도 대역은 77K이하나 같은 낮은 온도에서 관찰되었다. 관찰된 방사 파장은 주 반도체 물질의 대역 간격 에너지에 의존하는 것이 아니고, 도펀트(dopant)로 사용되는 특정 희토류 이온에 의존한다는 것이 알려졌다.
모든 종래 기술의 시스템에서, 희토류 이온은 항상 주 반도체 물질의 대역 간격 방사 파장보다 긴 주 방사 파장을 갖도록 선택된다. 종래 기술에서 연구된 일부 화합물은, GaAs, GaP, InP 및 si 내의 에르븀; GaP내의 네오디뮴, 사마륨 및 유로퓸; Inp, GaP 및 GaAs 내의 이테르븀이 있다. 이 종래 기술의 시스템은 제2도에 도시된 전자 에너지 다이어그램으로 묘사될 수 있다. 제2도는 희토류 원소가 도펀트로 사용된 종래 기술의 희토류 반도체 물질에 대한 전자 에너지 대 상태 밀도 다이어그램이다. 제2도에 도시된 바와 같이, 희토류 이온에 대한 에너지 변이(203 내지 204)는 반도체 물질의 대역 간격에 대한 에너지 차(205 내지 206)보다 작다. 따라서, 희토류 변이에 대한 방사 파장은 반도체 물질의 대역 간격에 대응하는 파장보다 길다. 1980년 3월 11일자 씨.에이.모리슨등의 미합중국 특허 제4,193,044호에 기술된 바와같이, 희토류 반도체 레이저내 주 반도체 물질은 "레이징 이온에 의해 방사된 빛에 투명한 충분히 넓은 대역 간격을 갖도록" 요구된다.
희토류 에너지 레벨은 반도체 대역 간격 내에 놓여 있기 때문에, 4f-4f 레벨 사이의 전자 변이는, 전도대역으로부터 희토류 이온의 상부 레벨로, 방사 변이(201)에 의해서 희토류 이온의 하부 레벨로, 그리고 결국 이완에 의해서 반도체 물질의 가전자 대역으로 이완시키는 전자를 포함한다. 그러한 다중 처리 변이는, 일반적으로 제2도에서 (202)로 표시된 직접 대역 대 대역 변이보다 가능성이 적다. 결국 희토류 변이의 휘도 효율은 극도로 낮고 따라서 이 변이는 제3도에 도시된 바와같이 광학 이득을 별로 발생하지 않는다. 따라서, 희토류 이온 변이 파장에서 비레이징 작용은 그러한 종래 기술 시스템에서 실제로 발생된다. 또한 제3도에 나타난 바와같이, 희토류 변이에 대한 이득 및 대역 대 대역 변이에 대한 이득은 뚜렷이 구별된 파장에 있다.
대신에, 주 반도체 물질의 대역 대 대역 변이(202)로부터 발생하는 더 높은 에너지 방사는, 희토류 이온의 낮은 레벨로부터 상부 레벨보다 더 높은 에너지로 전자를 광학적으로 펌프할 수 있다. 이러한 더 높은 에너지 레벨로부터 희토류 이온의 상부 레벨로의 전자 이완은, 상부 레벨로부터 하부 레벨로 방사 변이(207)를 발생하며 그에 따라서 더 긴 파장의 광자를 방사한다. 더 높은 에너지에서의 이러한 펌핑 처리는 직접 대역 대 대역 변이와 비교할 때 그것이 비공진 펌핑 처리이므로 비효율적이다. 희토류 레벨 사이의 변이로부터 방사를 발생하는 두 경우에서, 희토류 변이의 펌핑은 비공진형이다. 양자 효율 즉, 이 모든 종래 기술 시스템에서 성취된 출력 광 전력으로 입력 펌핑 전력의 변환 효율은 10-4정도이다.
본 발명은 향상된 효율 및 더 좁은 출력 파장 대역을 갖는 희토류가 첨가된 반도체에 관해 실시한다. 상기 희토류 이온은 반도체 주 물질의 도펀트로서 사용된다. 희토류 이온 변이로부터 지배적인 방사 파장은, 주 반도체 물질의 대역 간격 방사의 파장보다 짧다. 양호하게도, 희토류 물질 및 반도체 주 물질은, 재배적인 방사에 대응하는 희토류 에너지 레벨이 가장 높은 운송자 밀도저의 에너지에 정렬되도록 선택된다.
본 발명에 따라 구성된 특정한 실시예에서, 에르븀은 갈륨 인듐 아세나이드 포스파이드(GaInAsP)의 4원소층을 갖는 레이저에서 희토류 도펀트로서 선택된다. 상기 4원소층은 레이저 구조에서 과성장된 헤테로 에피텍셜내 인듐 포스파이드의 넓은 간격 클래딩층에 의해 에워싸인다.
상기 에르븀은 1.53㎛의 방사를 갖는 내부 중심 4I13/2-4I15/2를 갖으며, 4원소층의 GaInAsP의 물질은 1.55㎛ 방사에 대응하는 대역 간격을 갖도록 선택된다.
본 발명에 따라서, 희토류 원소 및 그것이 도펀트로 사용되는 반도체층의 성분은, 희토류 이온 변이로부터의 지배적인 방사 파장이 제4도 및 제5도에 표시된 바와같이, 주 반도체의 대역 간격에 대응하는 방사파장보다 짧도록 선택된다. 제4도에서, 활성층으로 운송자 주사를 위해 형성된 pn접합을 갖는 2중 헤테로 구조(DH)레이저는 주사 레벨 이하에서 도시된다. 그 결과, 전자(EEC) 및 (EEV)에 대해 유사한 페르미 레벨은, 제5도에 표시된 바와같이, 전도 대역 및 가전자 대역 내에 각각 놓인다. 도시된 실시예에서, 희토류 이온의 상부 레벨(401)(여기된 상태)은 주 반도체의 전도 대역 엣지(402)위에 놓여 있고, 반면에 희토류 이온의 하부 레벨(403)(바닥 상태)은 가전자 대역 엣지(404)의 바로 위 또는 아래에 놓여 있다.
반도체의 대역 엣지에 대한 희토류 에너지 레벨에서 상대적 위치에 대한 확실한 실험 데이터가 없음에도 불구하고 본 발명에서 중요한 것은 에너지의 차이이다. 상기 상대적 위치는 다음 관찰로부터 추론할 수 있다. 대부분의 희토류의 외곽 전자 형태가, ILA 그룹 원소 바륨, 5S25P66S2의 형태와 같으므로, 흐트러지지 않은 III 그룹 격자 원자 대신에 희토류 도펀트가 단일 억셉터로 작용해야 한다. 그러므로, 희토류 이온의 하부 레벨(403)은 주 반도체의 가전자 대역 엣지(404)로 근접해야 하며, 제5도에 도시된 바와같이 레이징시 높은 주사하의 EFV가 가전자 대역 엣지 이하에 있기 때문에, 전자에 의해 점유되지 않은 채로 남아 있다. 주 반도체의 구성은 제5도에 도시된 바와같이 희토류 이온의 상부 레벨(401)이 전도 대역 엣지(402) 윗쪽에 있으며 EFC에 근접하도록 조정한다. 희토류 도펀드 및 반도체 물질 구성의 그러한 결합은, 다음 두 개의 중요한 결과를 유도한다. (1) 전도 대역으로부터 희토류 이온의 여기된 상태까지 전자 전달은 공진 과정에 의해서 이루어지며, 상부 레벨(401)은 전자 밀도가 최대인 에너지에 가깝게 배치된다. 상기 하부 레벨(403)이 EFV이상이므로, 여기된 상태로부터 관자를 방출하는 바닥 상태로의 전자 변이는 가전자 대역에서 즉시 완화된다. (2) 회토류 변이로 인한 좁은 광학 이득은 제6도에 도시된 바와 같이 주 반도체의 넓은 이득의 상부위에 놓인다.
광학 궤환이 종래의 파브리-페로트 반도체 레이저에서와 같이 한쌍의 쪼개진 면에 의해 제공된다면, 희토류 이온 변이 파장에서의 이득은 먼저 공동 손실을 그리고 도달된 레이징 작용을 상쇄한다. 예를들면 1.55㎛ 파장에서의, 대강 250㎛ 길이의 반도체 레이저 공동에 있어서, 세로 모드 간격은 약 2nm이며, 단일 세로 모드 작동은, 제6도에 개략적으로 도시된 바와같이, 희토류 이온 변이 파장을 발생한다. 이 희토류 변이가 자연의 원자 레벨이므로, 정확히 동일한 레이징 파장 획득을 위한 재생 가능한 스케임은 웨이퍼 대 웨이퍼로, 그리고 희토류 변이 파장의 전체 이득이 가장 높게 제공된 소자 대 소자에서 달성될 수 있다. 또한, 이 라인의 파장은, 주 반도체의 물질 분포에 인해서만 0.1nm/℃의 느린 비율로 열 싱크 온도에 의해 이동됨을 알았다. 다른 중요한 결론은, 원자 레벨 변이 및 외부 광학 반사에 대한 면역으로 인해 라인폭 협소화가 포함된다.
본 발명의 한 실시예는 제1도에 도시된 형태의 GaInAsP 헤테로 에피택셜 리지 오버그로운 레이저(100)을 사용하여 구성된다. n형 인듐 포스파이드 물질(101)은 액상 에피택셜 성장 장치에 배치되었으며, n형 인듐 포스파이드 버퍼층(102)은 상기 물질상에서 성장된다. 이것은 n형 GaInAsP층(103)이 뒤따르며 여기서 인듐 용해는 에르븀 중량이 약 0.5퍼센트 첨가되었다. 4원소의 GaInAsP합성물은 그 대역 간격이 1.55㎛의 방사 파장에 대응하도록 선택된다. 층(103)에는 p형 GaInAsP 반 융해층(104)이 따른다. 상기 층(104)의 합성물은 그 대역 간격이 약 1.3㎛의 방사에 대응하도록 선택된다. 실리콘 이산화물 필름(105)은 층(104)상에서 성장되며, 채널은 실리콘 이산화물층(105)내에서 부식되며 그리하여 p-형 InP리지(106)가 상기 채널상에서 성장되도록 한다. 결국 상기 전체 구조는 상부에서는 저항 접촉(107)으로, 표준 저항 접촉 형태를 사용하는 물질의 바닥에서는 저항 접촉(108)으로 덮힌다. 표준 분할 과정을 사용하여 제1도에 도시된 형태의 공동 레이저 다이오드가 조립된다. 각각의 다이오드는 약 300㎛의 길이를 갖으며 그 특성은 초당 약 1000펄스의 반복 비율로 100ns펄스를 사용하여 실내 온도에서 검사된다. 유사한 형태의 헤테로-에 피택셜 리지 오버그로운 레이저는 1984년 더블유.티.짱과 알.에이.로간의, 응용 물리학 레터, 제45권, 제1025 내지 1027의 "새로운 고전력, 1.5㎛의 좁은 비임 횡단 모드 안정화 반도체 레이저:헤테로 에피택셜리지-오버그로운 레이저"에 설명된다.
작동시에, 레이저(100)는 접촉부(107 및 108)상에 접속된, 밧데리(도시되지 않음) 같은 적당한 에너지원에 의해 순방향으로 바이어스된다. 에너지원에 의해 공급된 전류가 레이징 임계치를 초과할 때, 자극된 부착성 방사는 층(103)에서 홀 및 전자의 방사 재결합에 의해 발생된다. 이러한 방사는, 공동 공진기를 형성하기 위해 광학적으로 결합 또는 윤이 나는 한쪽 또는 양면으로부터 발사된다.
제7도는 제1도에 도시된 형태에서 양질의 Er이 첨가된 다이오드의 광 출력 대 펄스 전류를 도시한다. Er첨가는, Er농도가 균일층의 에피택셜 성장을 방해하기에 충분히 높지 않은 임계치 전류 또는 출력 전력에 영향을 주지 않는다. 제8도는 단일 세로 모드 작동에 의해 획득된 최상의 스펙트럼이 도시된다. 30dB 이상의 측면 모드 압력비를 얻을 수 있었다. 또한, 레이징 파장이 GaInAsP 4원소의 합성물로부터 예상된 1.55㎛에서 보다 1532.2nm로 상승 이동됨을 알았다. 두 개의 제어(Er이 아닌) HRO 레이저 웨이퍼 및 Er 첨가량이 0.5퍼센트인 두 개의 레이저는 여러 달의 기간에 거쳐서 성장되었다. 첨가가 없는 제어 웨이퍼는 1.55㎛의 보통 파장으로부터의 합성물 변동에 기인한 20nm의 전형적 파장 산란을 보여주었다. 한편, Er이 첨가된 양쪽 레이저 웨이퍼는 1.55㎛ 파장으로부터 1532.2nm로 상승 이동된 거의 정확한 동일 파장에서 레이즈되었다. LPE에 의한 GaInAsP 4원소층의 정확한 레이징 파장 재생은 제어 웨이퍼에 의해 확인된 바와같이 매우 다르다. 동일한 웨이퍼 내에서부터 Er첨가를 사용하는 여러소자 시험은 세 개의 세로 모드 간격에 해당하는 약 3.0nm정도의 변동을 발생한다. 파브리-페로트 반도체 레이저의 그러한 비특성 동작은 제4 및 제5도에 도시된 에너지 변이가 활성임을 강력히 제시했다. Er3+변이 시험은, 4I13/2-4I15/2변이가 주물질에 의존하는 1.53㎛ 및 1.54㎛ 사이에서 광자를 방출하는 것을 보여준다.
제8도 및 제9도는 1.5x 임계치 전류(Ith)의 전류 주사 레벨에서 각각 제어 HRO 레이저 및 Er이 첨가된 HRO 레니저에 대한 레이징 스펙트럼 비교를 도시한다. 대략 1.3 내지 1.7x Ith까지, Er이 첨가된 레이저는 투명한 단일 세로 모드 작동을 보여주며, 반면에 상기 제어 HRO 레이저는 임계치 바로 근처에서 전형적인 다중 세로 모드 패턴을 보여준다. 때때로, Er3+레이저 라인에 부가하여 다중 세로 모드 작동은, 불균일 Er첨가에 따라 작동 및 췌이퍼 내에서 발생된 합성물 변동과 같은 Er이 첨가된 다이오드에서 관찰되었다. 1.7x Ith(도시되지 않음)에서의 스펙트럼은, Er3+라인으로 인한 이득 피크가 높은 전류 주사하의 양쪽 피크 장소에서 동시에 레이징시키는 GaInAsP 주 반도체의 이득 피크로부터 떨어져 배치되도록 하였다.
이 투명한 단일 세로 모드가 Er3+변이 라인으로 인해 실체로 존재하면, 열 싱크 온도를 갖는 그 파장 이동은 물질 분산으로 인한 약 0.1nm/℃의 느린 비율이어야 한다. 한편, 그것이 주 반도체의 대역 엣지 변이로 인한 것이면, 그것은 온도를 갖는 대역 간격 변동으로 인해 약 0.5nm/℃의 비율로 이동해야 한다. 가장 설득력 있는 방식으로 이것을 보여주기 위해, 가정된 Er3+라인(단일 세로) 및 실내 온도의 광대역 엣지 변이(다중 세로)에서 동시에 레이징하며, 파장 이동의 각 비율은 열싱크 온도에 대해 관찰되도록 Er첨가 HRP 다이오드가 선택된다. 다중 세로 모드 그룹의 피크는, 약 0.65nm/℃의 평균 이동 비율을 갖는 4원소 반도체층의 특성 모드 호핑을 나타낸다. 한편, 단일 세로 모드는 약 20℃의 전체 온도 영약상에서 0.11nm/℃의 비율로 이동된다.
이상에서 설명된 것들은 본 발명의 실시예를 예시한다. 여러 가지 변형된 것들이 본 발명의 범위 및 이념에서 벗어나지 않는한 숙련된 사람에 의해서 가능하다. 예를들면, 상기 반도체 물질은 그 원소가 실리콘, 게르마늄 원소 주기율표의 II 및 VI족 또는 IV 및 VI족으로부터 선택된 합성물이 될 수 있다. II 및 VI족으로부터의 적당한 원소가, 아연, 카드뮴, 수은, 설퍼, 세레늄 및 텔투륨으로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다. 이에 더해서, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 유로퓸, 홀뮴, 투륨 또는 이테르븀과 같은 다른 희토류 원소가 에르븀 자리에 도펀트로 대치될 수 있다.

Claims (9)

  1. 파브리-페로트 공동에 배치되었으며, 가전자 대역과 전도 대역 사이의 대역 간격을 갖는 반도체 물질의 활성층을 포함하며, 상기 반도체 활성층을 전기적으로 펌핑하기 위한 레이저 전극을 포함하는 고체 레이저에 있어서, 상기 반도체 활성층(103)은 지배적인 방사 파장을 갖는 희토류 도펀트를 포함하며, 상기 반도체 물질은 상기 대역 간격이 상기 희토류 도펀트의 상기 방사 파장보다 긴 파장에 대응하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 고체 레이저.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반도체 물질은, 그 원소가 원소 주기율표의 III과 V족으로부터 선택되는 합성물인 것을 특징으로 하는 고체 레이저.
  3. 제2항에 있어서, 상기 반도체 물질의 갈륨, 인듐, 알루미늄, 아세닉, 안타모니 및 인으로 구성된 그룹위 원소인 것을 특징으로 하는 고체 레이저.
  4. 제3항에 있어서, 상기 희토류 이온이 에르븀인 것을 특징으로 하는 고체 레이저.
  5. 제1항에 있어서, 상기 반도체 물질은, 그 원소가 원소 주기율표의 II과 VI족으로부터 선택되는 합성물인 것을 특징으로 하는 고체 레이저.
  6. 제5항에 있어서, 상기 반도체 물질의 원소는 아연, 카드뮴, 수은, 설퍼, 셀레늄 및 텔투륨으로 구성된 그룹의 원소인 것을 특징으로 하는 고체 레이저.
  7. 제1항에 있어서, 상기 반도체 물질이, 그 원소가 원소 주기율표의 IV과 VI족으로부터 선택되는 합성물인 것을 특징으로 하는 고체 레이저.
  8. 제7항에 있어서, 상기 반도체 물질의 원소가 주석, 납, 셀레늄 및 텔투륨으로 구성된 그룹의 원소인 것을 특징으로 하는 고체 레이저.
  9. 제1항에 있어서, 상기 반도체 물질이 실리콘 또는 게르마늄인 것을 특징으로 하는 고체 레이저.
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