KR101100424B1 - 펌프 레이저가 일체로 결합된 수직 외부 공진기형 면발광레이저 - Google Patents

펌프 레이저가 일체로 결합된 수직 외부 공진기형 면발광레이저 Download PDF

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Abstract

본 발명은 펌프 레이저가 일체로 결합된 수직 외부 공진기형 면발광 레이저에 관한 것이다. 본 발명에 따른 수직 외부 공진기형 면발광 레이저는, 제 1 파장을 갖는 광을 발생시키는 양자우물 구조의 제 1 활성층; 상기 제 1 활성층의 일면 상에 형성된 반사층; 상기 제 1 활성층의 타면에 소정의 거리만큼 이격되어 위치하며, 상기 제 1 활성층에서 발생한 광의 일부를 투과시켜 외부로 출력하고, 나머지 일부를 제 1 활성층에서 재흡수되도록 반사하는 외부 미러; 및 제 1 파장 보다 짧은 제 2 파장의 광펌핑용 광을 상기 제 1 활성층에 제공하기 위하여 상기 반사층 상에 일체로 형성된 펌프 레이저;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

펌프 레이저가 일체로 결합된 수직 외부 공진기형 면발광 레이저{Pump laser integrated vertical external cavity surface emitting laser}
도 1은 종래의 광펌핑 방식의 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(vertical external cavity surface emitting laser; VECSEL)의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 펌프 레이저가 일체로 결합된 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(vertical external cavity surface emitting laser; VECSEL)의 구조를 도시하는 단면도이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
100.....VECSEL 110.....펌프 레이저부
111.....p-콘택 112.....p-클래드층
113.....제 2 활성층 114.....n-클래드층
115.....n-콘택 116.....고반사 미러
117.....경사 미러 120.....면발광 레이저부
121.....반사층 122.....제 1 활성층
123.....기판 124.....외부 미러
125.....SHG 결정
본 발명은 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(vertical external cavity surface emitting laser; VECSEL)에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 펌프 레이저가 일체로 결합된 수직 외부 공진기형 면발광 레이저에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 레이저에는, 발진되는 빔이 기판에 수평한 방향으로 방출되는 측면 발광 레이저(Edge Emitting Laser)와 발진되는 빔이 기판에 수직한 방향으로 방출되는 면발광 레이저(또는, 수직 공진기형 면발광 레이저)(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL)가 있다. 이들 중에서 수직 공진기형 면발광 레이저(VCSEL)는 매우 좁은 스펙트럼의 단일 종모드 발진을 할 뿐 아니라, 빔의 방사각이 작아 접속효율이 높고, 면발광의 구조상 다른 장치의 집적이 용이한 장점이 있다. 그러나, VCSEL은 단일 횡모드 발진이 측면 발광 레이저에 비해 매우 어려우며, 단일 횡모드 동작을 위해서는 발진 영역의 면적이 좁아야 하고, 따라서 출력이 약하다는 문제가 있다.
상술한 VCSEL의 장점을 살리고 동시에 고출력 동작을 구현하기 위하여 제안된 레이저 소자로서 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(Vertical External Cavity Surface Emitting Laser; VECSEL)가 있다. 상기 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(VECSEL)는 VCSEL의 상부 미러를 외부의 미러(External Mirror)로 대체하여 이득 영역(Gain Region)을 증가시킴으로써 수~수십W 이상의 고출력을 얻도록 하고 있다.
도 1은 종래의 광펌핑 방식의 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(VECSEL)의 개략적인 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 광펌핑 방식의 VECSEL(10)은, 히트싱크(Heat sink)(11) 위에 순차적으로 형성된 분산 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector; DBR)층(12)과 활성층(13), 상기 활성층(13) 위에 소정의 간격을 두고 배치된 외부 미러(14), 및 상기 활성층(13)을 여기시키기 위한 펌프 레이저(16)를 포함한다. 또한, 상기 활성층(13)과 외부 미러(14) 사이에는 광의 주파수를 2배로 만드는 2차 조화파 발생(Second Harmonic Generation; SHG) 결정(15)을 배치할 수 있다. 활성층(13)은, 예컨대, RPG(Resonant Periodic Gain) 구조를 갖는 다중 양자우물 구조이고, 소정의 파장을 갖는 광을 방출한다. 히트싱크(12)는 상기 활성층(13)에서 발생하는 열을 방출하여, 상기 활성층(13)을 냉각시키는 역할을 한다. 공진 캐비티(cavity)는 상기 DBR층(12)과 오목한 외부 미러(14) 사이에 형성된다. 또한, 펌프 레이저(16)는 상기 활성층(13)에서 방출되는 광의 파장 보다 짧은 파장의 광을 렌즈 어레이(17)를 통해 활성층(13)에 입사시켜, 상기 활성층(13)을 여기시킨다.
이러한 구조에서, 펌프 레이저(pump laser)(16)에서 방출된 비교적 짧은 파장의 광이 렌즈(17)를 통해 활성층(13)에 입사하면, 상기 활성층(13)이 여기되면서 특정 파장의 광을 방출한다. 이렇게 발생한 광은, 활성층(13) 하부의 DBR층(12)과 외부 미러(14) 사이에서 반사를 되풀이하면서, 활성층(13)을 왕복한다. 이러한 과정을 통해 활성층(13) 내에서 증폭된 광의 일부는 상기 외부 미러(14)를 통해 레이저빔으로서 외부로 출력되며, 나머지는 다시 반사되어 활성층(13)에서의 광펌핑에 사용된다.
그러나, 상술한 구조의 VECSEL(10)의 경우, 활성층(13) 부분과 펌프 레이저(16) 부분을 별도로 제작한 후 결합하여야 한다. 또한, 펌프 레이저(16)에서 방출된 광이 활성층(13)에 적절한 각도로 입사될 수 있도록 펌프 레이저(16)를 배치하여야 하고, 펌프 레이저(16)와 활성층(13) 사이에 렌즈 어레이(17)를 배치하여야 한다. 따라서, 레이저 소자를 대량으로 생산하기가 어려울 뿐만 아니라, 레이저 소자의 전체적인 크기가 증가할 수밖에 없다. 이로 인해, 제조 시간 및 제조 비용 역시 증가하게 된다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 개선하기 위한 것이다. 따라서, 본 발명의 목적은, 단일한 공정으로 펌프 레이저와 활성층을 한꺼번에 제조함으로써, 펌프 레이저의 배치를 위한 별도의 공정을 필요로 하지 않으며, 저렴한 비용으로 대량 생산이 가능한 소형의 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(VECSEL)를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 양호한 실시예에 따른 수직 외부 공진기형 면발광 레이저는, 제 1 파장을 갖는 광을 발생시키는 양자우물 구조의 제 1 활성층; 상기 제 1 활성층의 일면 상에 형성된 반사층; 상기 제 1 활성층의 타면에 소정의 거리만큼 이격되어 위치하며, 상기 제 1 활성층에서 발생한 광의 일부를 투과시켜 외부로 출력하고, 나머지 일부를 제 1 활성층에서 재흡수되도록 반사하는 외부 미러; 및 제 1 파장 보다 짧은 제 2 파장의 광펌핑용 광을 상기 제 1 활성층 에 제공하기 위하여 상기 반사층 상에 일체로 형성된 펌프 레이저;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 펌프 레이저는 측면 발광형 레이저(edge emitting laser)의 구조를 가지며, 상기 펌프 레이저에서 발생한 제 2 파장의 광을 상기 제 1 활성층에 제공하기 위한 경사 미러가 상기 펌프 레이저의 일측에 형성되어 있다.
예컨대, 상기 펌프 레이저는, 상기 반사층 상에 순차적으로 적층된 n-콘택층, n-클래드층, 제 2 파장의 광을 발생시키는 제 2 활성층, p-클래드층 및 p-콘택층을 구비하며, 적어도 상기 n-클래드층, 제 2 활성층 및 p-클래드층의 일측은 상기 경사 미러가 부착될 수 있도록 경사지게 형성되어 있고, 타측에는 상기 경사 미러를 향해 제 2 파장의 광을 반사하기 위한 반사 미러가 수직으로 형성되어 있는 구조이다.
이때, 상기 반사층은 상기 제 2 활성층에서 발생한 제 2 파장의 광의 일부를 통과시켜 제 1 활성층에 제공하고, 나머지 일부를 상기 경사 미러를 통해 반사 미러로 반사한다. 이를 위하여, 상기 반사층은 상기 제 1 파장 및 제 2 파장의 광에 대해 최고의 반사율을 갖는 분산 브래그 반사기(DBR)인 것이 바람직하다.
따라서, 상기 제 1 파장을 위한 공진기(cavity)는 상기 반사층과 외부 미러 사이에 형성되고, 상기 제 2 파장을 위한 공진기는 상기 반사 미러와 반사층 사이에 형성되며 상기 경사 미러에 의해 실질적으로 직각으로 절곡되어 있다.
한편, 상기 제 1 활성층을 지지하는 기판은 상기 제 1 활성층의 타면 상에 배치된다. 여기서, 상기 기판은, 상기 제 1 활성층에서 발생한 제 1 파장의 광이 진행하는 광경로와 대응하는 기판 부분이 절개되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 수직 외부 공진기형 면발광 레이저는, 상기 제 1 파장을 갖는 광의 주파수를 2배로 만드는 SHG 결정을 상기 제 1 활성층과 외부 미러 사이에 더 포함할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 양호한 실시예에 따른 수직 외부 공진기형 면발광 레이저의 구조 및 동작에 대해 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 펌프 레이저가 일체로 결합된 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(VECSEL)의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 양호한 실시예에 따른 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(100)는 펌프 레이저부(110)와 면발광 레이저부(120)로 구성되어 있다. 종래의 VECSEL의 경우, 별도로 제조된 펌프 레이저가 VECSEL의 외부에 배치되어 상기 VECSEL의 활성층에 약 45°의 각도로 광펌핑용 레이저빔을 제공하였다. 그러나, 본 발명의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 외부 미러(124)를 포함하는 면발광 레이저부(120) 위에 펌프 레이저부(110)를 일체로 형성하였다. 따라서, 본 발명에 따른 VECSEL은 단일한 공정을 통해 펌프 레이저와 함께 일체로 제작될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 면발광 레이저부(120)는 기판(123) 위에 순차적으로 형성된 제 1 활성층(122)과 반사층(121)을 구비하고 있으며, 도면 상에서 상기 기판(123)의 아래 쪽으로 상기 제 1 활성층(122)에 소정의 거리만큼 이격되어 외부 미러(124)가 형성되어 있다. 기판(123)은, 예컨대, n-GaAs 와 같은 n-도핑된 반도체 기판을 사용할 수 있다. 제 1 활성층(122)은 상기 펌프 레이저부(120)로부터 제 공된 레이저빔에 의해 여기되어 소정의 파장을 갖는 광을 방출하는 것으로, 예컨대, 복수의 양자우물과 장벽이 반복적으로 적층되어 이루어지는 다중 양자우물 구조일 수 있다.
반사층(121)은 상기 제 1 활성층(122)에서 방출된 광을 상기 외부 미러(124)로 반사하는 역할을 한다. 따라서, 상기 제 1 활성층(122)에서 방출된 광에 대한 공진기는 상기 반사층(121)과 외부 미러(124) 사이에 형성된다. 이러한 반사층(121)은, 예컨대, 복수의 고굴절률층과 저굴절률층이 교호하여 복층 구조로 구성되는 분산 브래그 반사기(distributed brag reflector; DBR)일 수 있다. 일반적으로, 고굴절률층으로는, 예컨대, GaAs와 같은 화합물 반도체를 사용하고, 저굴절률층으로는 AlAs와 같은 화합물 반도체를 사용할 수 있다. 또는, 상기 반사층(121)으로서 DBR 대신에 SiO2와 같은 유전체를 사용할 수도 있다.
또한, 상기 면발광 레이저부(120)는 상기 제 1 활성층(122)에서 발생된 광의 주파수를 2배로 만드는 SHG 결정(125)을 상기 제 1 활성층(122)과 외부 미러(124) 사이에 더 포함할 수 있다.
한편, 펌프 레이저부(110)는, 상기 반사층(121) 위에 형성된 n-콘택(115), 상기 n-콘택(115) 위에 형성된 n-클래드층(114), 상기 n-클래드층(114) 위에 형성된 제 2 활성층(113), 상기 제 2 활성층(113) 위에 형성된 p-클래드층(112) 및 상기 p-클래드층(112) 위에 형성된 p-콘택(111)을 포함한다. 여기서, n-콘택(115)과 p-콘택(111)은 상기 제 2 활성층(113)을 여기시킬 전류를 인가하기 위한 것이며, 상기 제 2 활성층(113)은 상기 제 1 활성층(122)을 여기시킬 광펌핑용 광을 방출시키기 위한 것이다. 따라서, 상기 제 2 활성층(113)에서 방출되는 광의 파장은 상기 제 1 활성층(122)에서 방출되는 광의 파장 보다 짧아야 한다. 또한, 상기 n-클래드층(114)과 p-클래드층(112)은 각각 상기 제 2 활성층(113)에 전자와 정공을 공급한다.
본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이, 적어도 상기 n-클래드층(114), 제 2 활성층(113) 및 p-클래드층(112)의 일측 가장자리에는 상기 제 2 활성층(113)에서 발생한 광을 반사시키기 위한 고반사 미러(116)가 수직으로 형성되어 있다. 상기 고반사 미러(116)는 제 2 활성층(113)에서 발생한 광에 대해 가장 높은 반사율을 갖도록 설계될 수 있으며, 예컨대, SiO2와 같은 유전체 미러를 사용할 수 있다. 또한, 적어도 상기 n-클래드층(114), 제 2 활성층(113) 및 p-클래드층(112)의 타측 가장자리는 대략 45° 각도로 경사지게 형성되어 되어 있다. 이렇게 형성된 상기 n-클래드층(114), 제 2 활성층(113) 및 p-클래드층(112)의 경사면 위에는 상기 제 2 활성층(113)에서 발생한 광을 반사층(121)으로 반사하기 위한 경사 미러(117)가 경사지게 부착된다. 여기서, 상기 경사 미러(117)는 고반사 미러(116)와 동일한 재질을 갖는 미러일 수 있다.
이러한 구조에서, 상기 제 2 활성층(113)에서 발생한 광은, 상기 고반사 미러(116)와 경사 미러(117) 사이에서는 상기 제 2 활성층(113)과 나란하게 진행한다. 따라서, 상기 펌프 레이저부(110)는 기본적으로 측면 발광형 레이저(edge emitting laser)와 같은 구조를 가진다. 그러나, 경사 미러(117)에 의해 제 2 활성층(113)에 수직하게 광이 방출되기 때문에 면발광형 레이저라고 볼 수 있다.
이하에서는, 상기와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(100)의 동작에 대해 상세하게 설명한다.
먼저, 펌핑 레이저부(110)의 n-콘택(115)과 p-콘택(111)을 통해 전압을 인가하면, n-클래드층(114)과 p-클래드층(112)에서 각각 공급된 전자와 정공이 제 2 활성층(113)에서 재결합하면서 광이 발생한다. 상기 제 2 활성층(113)에서 발생한 광은 상기 경사 미러(117)를 통해 고반사 미러(116)와 반사층(121) 사이에서 반복적으로 반사되면서 제 2 활성층(113)에서 증폭된다. 반사층(121)은 상기 제 2 활성층(113)에서 발생한 광의 일부를 통과시켜 제 1 활성층(122)에 제공하며, 나머지 일부를 반사시켜 경사 미러(117)를 통해 고반사 미러(116)를 향하게 한다. 따라서, 제 2 활성층(113)에서 발생한 광을 위한 공진기는 상기 고반사 미러(116)와 반사층 (121) 사이에 형성되며, 상기 경사 미러(117)에 의해 실질적으로 직각으로 절곡되어 있다. 이를 위해, 상기 반사층(121)은 제 1 활성층(122)에서 발생한 광에 대해서 뿐만 아니라, 제 2 활성층(113)에서 발생한 광에 대해서도 최고의 반사율을 갖는 다중 대역 반사기일 필요가 있다. 이러한 다중 대역 반사기는, 이미 공지된 바와 같이, 파장에 따라 분산 브래그 반사기의 구조로 만들거나 SiO2와 같은 유전체를 사용하여 만들 수 있다.
반사층(121)을 통과한 광은 광펌핑용 광으로서 제 1 활성층(122)에 입사하게 된다. 그러면, 상기 제 1 활성층(122)이 여기되면서 소정의 파장을 갖는 광을 방출하게 된다. 제 1 활성층(122)에서 발생한 광은 상기 반사층(121)과 외부 미러(124) 사이를 반복하면서, 상기 제 1 활성층(122)에 의해 증폭된다. 그 결과, 증폭된 일부의 광이 상기 외부 미러(124)를 통해 레이저빔으로서 출력된다. 이때, 상기 제 1 활성층(122)과 외부 미러(124) 사이에 SHG 결정(125)을 배치하면 보다 짧은 파장의 광이 레이저빔으로서 방출될 수 있다. 예컨대, 활성층으로서 질화물 반도체소자를 이용하는 VECSEL의 경우, 주로 900nm 내지 1300nm 의 적외선 영역의 광이 발생하는데, 상기 SHG 결정(125)을 사용함으로써 450nm 내지 650nm 의 청색 영역에서 적색 영역에 이르는 가시광을 방출시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 경우 제 1 활성층(122)과 외부 미러(124) 사이에 기판(123)이 존재한다. 따라서, 상기 기판(123)에 의한 광 출력의 감소를 방지하기 위해, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 활성층(122)에서 발생한 광이 진행하는 광경로와 대응하는 상기 기판(123)의 일부분을 절개할 수도 있다. 그러나, 실시예에 따라 달리 구성할 수도 있을 것이다. 예컨대, 본 실시예의 경우, 기판(123) 위에 제 1 활성층(122), 반사층(121), n-콘택(115), n-클래드층(114), 제 2 활성층(113), p-클래드층(112) 및 p-콘택(111)을 연속하여 적층한 구조를 예시적으로 도시하였지만, 기판 위에 p-콘택부터 제 1 활성층까지 반대의 순서로 적층하는 것도 가능할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(VECSEL)에 따르면, 펌프 레이저부와 면발광 레이저부가 단일한 공정을 통해 한꺼번에 제조될 수 있다. 따라서, 펌프 레이저 및 상기 펌프 레이저에서 방출된 광을 포커싱하는 렌즈 어레이의 배치를 위한 별도의 복잡한 공정을 필요로 하지 않는다. 그 결과, 레이저 소자의 제조 시간을 크게 단축시킬 수 있으며, 레이저 소자를 저렴한 비용으로 대량 생산하는 것이 가능하다. 또한, 종래에 비해 매우 작은 크기의 레이저 소자를 제조할 수 있다.

Claims (9)

  1. 제 1 파장을 갖는 광을 발생시키는 양자우물 구조의 제 1 활성층;
    상기 제 1 활성층의 일면 상에 형성된 반사층;
    상기 제 1 활성층의 타면에 소정의 거리만큼 이격되어 위치하며, 상기 제 1 활성층에서 발생한 광의 일부를 투과시켜 외부로 출력하고, 나머지 일부를 제 1 활성층에서 재흡수되도록 반사하는 외부 미러;
    제 1 파장 보다 짧은 제 2 파장의 광펌핑용 광을 상기 제 1 활성층에 제공하기 위하여 상기 반사층 상에 일체로 형성된 펌프 레이저; 및
    상기 펌프 레이저에서 발생한 제 2 파장의 광을 상기 제 1 활성층에 제공하기 위하여 상기 펌프 레이저의 일측에 경사지게 형성된 경사 미러;를 구비하며,
    상기 반사층은 상기 제 1 활성층에서 발생한 제 1 파장의 광을 상기 외부 미러로 반사하고, 상기 펌프 레이저에서 발생한 제 2 파장의 광의 일부를 통과시켜 제 1 활성층에 제공하며 나머지 일부를 상기 경사 미러로 반사하는 것을 특징으로 하는 수직 외부 공진기형 면발광 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프 레이저는 측면 발광형 레이저(edge emitting laser)의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 수직 외부 공진기형 면발광 레이저.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 펌프 레이저는, 상기 반사층 상에 순차적으로 적층된 n-콘택층, n-클래드층, 제 2 파장의 광을 발생시키는 제 2 활성층, p-클래드층 및 p-콘택층을 구비 하며,
    적어도 상기 n-클래드층, 제 2 활성층 및 p-클래드층의 일측은 상기 경사 미러가 부착될 수 있도록 경사지게 형성되어 있고, 타측에는 상기 경사 미러를 향해 제 2 파장의 광을 반사하기 위한 반사 미러가 수직으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 수직 외부 공진기형 면발광 레이저.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사층은 상기 제 1 파장 및 제 2 파장의 광에 대해 최고의 반사율을 갖는 분산 브래그 반사기(DBR)인 것을 특징으로 하는 수직 외부 공진기형 면발광 레이저.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 파장을 위한 공진기(cavity)는 상기 반사층과 외부 미러 사이에 형성되고,
    상기 제 2 파장을 위한 공진기는 상기 반사 미러와 반사층 사이에 형성되며 상기 경사 미러에 의해 실질적으로 직각으로 절곡된 것을 특징으로 하는 수직 외부 공진기형 면발광 레이저.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 5 항, 또는 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 활성층을 지지하는 기판이 상기 제 1 활성층의 타면 상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 수직 외부 공진기형 면발광 레이저.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 활성층에서 발생한 제 1 파장의 광이 진행하는 광경로와 대응하는 상기 기판 부분이 절개되어 있는 것을 특징으로 하는 수직 외부 공진기형 면발광 레이저.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 5 항, 또는 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 활성층과 외부 미러 사이에 위치하는 것으로, 상기 제 1 파장을 갖는 광의 주파수를 2배로 만드는 SHG 결정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 외부 공진기형 면발광 레이저.
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