KR20070018340A - 고출력 수직외부공진형 표면발광 레이저 - Google Patents

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Abstract

양자우물층에서의 이득효율이 증대되어 레이징 효율이 향상된 수직외부공진형 표면발광 레이저(VECSEL) 소자가 개시된다. 본 발명에 따른 VECSEL 소자는, 기판 위에 형성된 하부 DBR미러, 상기 하부 DBR미러 위에 형성된 RPG층, 상기 RPG층 위에 형성된 캡핑층, 상기 캡핑층의 표면에 펌핑광을 조사하는 광학펌프 및 상기 하부 DBR미러에 대향하여 외부에 설치되는 외부 공진미러를 구비하고, 상기 RPG층은, 정상파의 마디(node) 위치에 주기적으로 마련되는 것으로 상기 펌핑광의 밴드갭 보다 더 큰 에너지 밴드갭 폭을 가지는 물질로 형성된 제1 배리어층과 상기 제1 배리어층간에 개재되는 것으로 InGaAs 물질로 형성되는 복수의 양자우물층과 상기 각각의 양자우물층의 상하부에 마련되는 제2 배리어층을 포함하는 이득층을 구비한다.

Description

고출력 수직외부공진형 표면발광 레이저{High power vertical external cavity surface emitting laser}
도 1은 종래 920nm VECSEL 소자의 개략적 단면도이다.
도 2는 도 1의 VECSEL 구조에서 에너지 밴드다이어그램의 개략도이다.
도 3은 도 1의 VECSEL 구조에서 펌핑파워(pumping power)의 증가에 따른 PL(photoluminescence) 강도(Intensity)변화를 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 VECSEL소자의 개략적 단면도이다.
도 5는 도 4의 VECSEL 구조에서 에너지 밴드다이어그램의 개략도이다.
도 6은 도 4의 VECSEL 구조에서 펌핑파워의 증가에 따른 PL 강도변화를 보여주는 그래프이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
110:기판 120:하부 DBR미러
130:RPG층 132:제1 배리어층
136:이득층 136a:양자우물층
136b:제2 배리어층 140:캡핑층
160:광학펌프 170:외부 공진미러
본 발명은 VECSEL 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양자우물층에서의 이득효율이 증대되어 레이징 효율이 향상될 수 있도록 그 구조가 개선된 수직외부공진형 표면발광 레이저에 관한 것이다.
수직 공진기형 면발광 레이저(VCSEL : Vertical Cavity Surface Emitting Laser)는 매우 좁은 스펙트럼의 단일 종모드(Single Longitudinal) 발진을 할 뿐 아니라 빔의 방사각(Projection Angle)이 작아 접속효율(Coupling Efficiency)이 높고 면발광의 구조상 다른 장치의 집적(Monolithic Intergration)이 용이한 특징이 있어, 펌핑용 광원(Pump LD)에 적합하다.
그러나, 종래의 VCSEL에서 통상의 단일 횡모드 동작을 위해서는 발진 영역의 면적이 10㎛ 이하로 되어야 하며, 이러한 경우조차 광출력의 증가에 따른 열적 렌즈 효과(Thermal Lens Effect) 등의 영향으로 인해 다중 모드 상태로 바뀌게 되기 때문에, 단일 횡모드로써 최대출력은 일반적으로 5mW 이상을 넘지 못한다.
상술한 VCSEL의 장점을 살리고 동시에 고출력 동작을 구현하기 위하여 제시된 새로운 장치가 VECSEL(Vertical External Cavity Surface Emitting Laser)이다. 상기 VECSEL은 상부 반사층(Upper DBR)을 외부반사장치(External Mirror)로 대체함으로써 이득(Gain)영역을 증가시킬 수 있기 때문에, 100mW 이상의 출력을 얻을 수 있다. 근래에는, 표면 발광 레이저(Surface Emitting Laser)가 측면 발광(Edge Emitting Laser)에 비해 이득체적(gain volume)이 작아서 충분한 이득(gain)을 얻 기가 어렵다는 단점을 최대한 보완하기 위해, 주기적으로 QW(quantum well)이 배치되는 주기적 이득(Periodic gain) 구조의 VECSEL 소자가 개발되었다. 또한, 전기적 펌핑(Electric pumping)으로는 큰 면적에 균일한 캐리어 주입(carrier injection)을 하는데 한계가 있기 때문에, 고출력을 얻기 위해서 광학적 펌핑(Optical pumping)을 통하여 넓은 면적을 균일하게 펌핑하는 구조의 VECSEL 소자가 개발되었다.
도 1은 종래 920nm VECSEL 소자의 개략적 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 VECSEL은 기판(10), 상기 기판(10) 위에 순차적으로 형성된 DBR 미러(20), 다중양자우물(MQW) 활성영역(30) 및 캡핑층(52)을 구비하고, 펌핑광(pump beam)을 공급하는 광학펌프(optical pump, 60), 그리고 상기 DBR 미러(20)에 대향하여 외부에 설치되는 외부 공진미러(external cavity mirror, 70)를 구비한다. 상기 DBR 미러(20)는 반복적층된 저굴절률층(20a)과 고굴절률층(20b)을 포함하며, 상기 MQW 활성영역(30)은 반복적층된 GaAs 배리어층(30a)과 InGaAs 양자우물층(QW, 30b)을 포함한다.
도 2는 도 1의 VECSEL 구조에서 에너지 밴드다이어그램의 개략도이고, 도 3은 도 1의 VECSEL 구조에서 펌핑파워(pumping power)의 증가에 따른 PL(photoluminescence) 강도(Intensity)변화를 보여주는 그래프이다.
도 2 및 도 3을 함께 참조하면, 펌핑파워가 증가함에 따라 배리어영역에서 전자-정공의 재결합(recombination)이 InGaAs QW에 의한 재결합 보다 우세한 것을 관찰할 수 있다. 따라서, 노이즈광이 상기 VECSEL 소자로부터 얻고자 하는 920nm 파장의 레이저광과 함께 혼재하여 발생하기 때문에, 920nm VECSEL 소자의 레이징 효율을 떨어뜨릴 수 있다. 따라서, 레이징 효율이 향상될 수 있는 구조를 갖는 VECSEL 소자의 개발이 요구되었다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 종래기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로 양자우물층에서의 이득효율이 증대되어 레이징 효율이 향상될 수 있도록 그 구조가 개선된 수직외부공진형 표면발광 레이저를 제공함에 있다.
본 발명에 따른 VECSEL 소자는,
기판 위에 형성된 하부 DBR미러(bottom DBR mirror);와
상기 하부 DBR미러 위에 형성된 RPG(Resonant Periodic Gain)층;과
상기 RPG층 위에 형성된 캡핑층(capping layer);과
상기 캡핑층의 표면에 펌핑광(pump beam)을 조사하는 광학펌프; 및
상기 하부 DBR미러에 대향하여 외부에 설치되는 외부 공진미러(external cavity mirror);를 구비하고,
상기 RPG층은,
정상파(standing wave)의 마디(node) 위치에 주기적으로 마련되는 것으로 상기 펌핑광의 밴드갭 보다 더 큰 에너지 밴드갭 폭을 가지는 물질로 형성된 제1 배리어층;과
상기 제1 배리어층간에 개재되는 것으로, InGaAs 물질로 형성되는 복수의 양 자우물층과 상기 각각의 양자우물층의 상하부에 마련되는 제2 배리어층을 포함하는 이득층;을 구비한다.
상기 제1 배리어층은 InGaAs 물질 보다 더 큰 에너지 밴드갭 폭을 가지는 물질로 형성된다. 바람직하게, 상기 제1 배리어층은 AlxGa(1-x)As(0.08≤x≤1)물질층과 GaAs(1-y)Py(0.1<y<1)물질층 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 이와 같은 상기 제1 배리어층은 조성구배(composition gradient)를 갖도록 형성될 수 있다. 상기 제1 배리어층은 2㎚ 내지 40㎚의 두께범위로 형성되는 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 이득층은 정상파의 파복(antinode) 위치에 마련된다. 바람직하게, 상기 이득층은 2개 내지 7개의 양자우물층을 포함하는 다중양자우물층 구조로 마련될 수 있다.
상기 제2 배리어층은 AlxGa(1-x)As(0≤x≤0.08)물질층과 GaAs(1-y)Py(0≤y≤0.1)물질층 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 여기에서 상기 제2 배리어층은 상기 양자우물층의 스트레인을 완화시키는 스트레인보상층(strain compensation layer)의 기능을 수행할 수 있다.
상기 하부 DBR미러는 AlAs 물질층과 Al0.2GaAs 물질층이 교번적층되어 형성되며, 상기 캡핑층은 AlxGa(1-x)As(0≤x<1) 물질로 형성될 수 있다.
이와 같은 구성을 가지는 상기 VECSEL 소자는 870㎚ 내지 950㎚ 파장범위의 레이저광을 방출한다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명으로부터, 양자우물층에서의 이득효율이 증대되어 레이징 효율이 향상된 VECSEL 소자를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 VECSEL 소자의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 VECSEL소자의 개략적 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 VECSEL 소자는 GaAs 기판(110) 위에 순차적으로 적층된 하부 DBR미러(bottom Distributed Bragg Reflector mirror, 120), RPG층(Resonant Periodic Gain layer, 130), 캡핑층(capping layer, 140)과 상기 캡핑층(140)의 표면에 펌핑광(pump beam)을 조사하는 광학펌프(optical pump, 160), 그리고 상기 하부 DBR미러(120)에 대향하여 외부에 설치되는 외부 공진미러(external cavity mirror, 170)를 구비한다. 상기 실시예에서, 상기 RPG층(130)은 정상파(standing wave)의 마디(node) 위치에 주기적으로 마련되는 제1 배리어층(132)과 상기 제1 배리어층(132)간에 개재되는 이득층(gain layer, 136)을 포함하는 것을 특징으로 하며, 특히, 상기 제1 배리어층(132)은 상기 펌핑광의 밴드갭 보다 더 큰 밴드갭 폭을 가지는 물질로 형성되는 것을 특징으로 한다. 이에 더하여, 상기 제1 배리어층(132)은 InGaAs 물질 보다 더 큰 밴드갭 폭을 가지는 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 제1 배리어층(132)은 AlxGa(1-x)As(0.08≤x≤1) 물질층 또는 GaAs(1-y)Py(0.1<y<1) 물질층을 포함할 수 있으며, 또는 이들 두 물질층을 모두 포함할 수 있다. 바람직하게, 상기 제1 배리어층(132)은 조성구배(composition gradient)를 갖도록 형성될 수 있으며, 2㎚ 내지 40㎚의 두께범위로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 이득층(136)은 InGaAs 물질로 형성되는 복수의 양자우물층(QW;quantum well, 136a)과 상기 각각의 양자우물층(136a)의 상하부에 마련되는 제2 배리어층(136b)을 포함하며, 정상파의 파복(antinode) 위치에 마련된다. 바람직하게, 상기 이득층(136)은 2개 내지 7개의 양자우물층(136a)을 포함하는 다중양자우물층 구조로 마련될 수 있으며, 이러한 다중양자우물층 구조는 VECSEL 소자의 광추출 효율을 보다 증가시킬 수 있을 것이다.
상기 제2 배리어층(136b)은 AlxGa(1-x)As(0≤x≤0.08)물질층과 GaAs(1-y)Py(0≤y≤0.1)물질층 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 이와 같은 제2 배리어층(136b)은 상기 양자우물층(136a)의 스트레인을 완화시키는 스트레인보상층(strain compensation layer)의 기능을 수행할 수 있도록 그 두께가 제어될 수 있다.
상기 하부 DBR미러(120)는 AlAs 물질층과 Al0.2GaAs 물질층이 교번으로 적층되어 형성될 수 있으며, 상기 캡핑층(140)은 AlxGa(1-x)As(0≤x<1) 물질로 형성될 수 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 VECSEL 소자에서, 상기 제1 배리어층(132)이 양자우물층(136a)의 양자제한효과(quantum confinement effect)를 상승시킬 수 있으며, 따라서, 상기 양자우물층(136a)에서의 광추출 효율이 향상될 수 있다. 특히, 상기 제1 배리어층(132)은 에너지 밴드갭 폭이 큰 물질로 형성되기 때문에, 제1 배리어층(132) 내에서 전자-정공의 재결합이 발생되기가 어렵다. 종래 배리어영역에서 전자-정공의 재결합으로 인해 870nm 이하의 파장을 갖는 노이즈광이 발생되어 문제되었으나, RPG층(130) 내에 이러한 제1 배리어층(132)을 개재함으로써, 전자-정공의 재결합 발생을 억제할 수 있으며, 따라서 VECSEL 소자로부터 870nm 이하의 파장을 갖는 노이즈광의 발생을 줄일 수 있다. 이러한 구조의 VECSEL 소자는 870㎚ 내지 950㎚ 파장범위를 갖는 우수한 특성의 레이저광을 방출할 수 있다. 또한, 본 발명의 VECSEL 소자에서, 상기 각각의 이득층(136)은 다중양자우물층 구조로 마련되기 때문에, VECSEL 소자의 광추출 효율이 보다 증가될 수 있다.
도 5는 도 4의 VECSEL 구조에서 에너지 밴드다이어그램의 개략도이고, 도 6은 도 4의 VECSEL 구조에서 펌핑파워의 증가에 따른 PL 강도변화를 보여주는 그래프이다. 상기 도 5 및 도 6을 함께 참조하면, 펌핑파워가 증가함에 따라 InGaAs 양자우물층에서 발생되는 광량이 크게 증가되는 것을 알 수 있다.
하기의 표 1은 본 발명의 일실시예에 따른 VECSEL 구조에서, 각각의 적층물의 종류, 조성 및 두께를 이해하기 쉽게 표로써 나타낸 것이다.
Figure 112005043951887-PAT00001
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 양자우물층에서의 양자제한효과(quantum confinement effect)가 상승되어, VECSEL 소자의 이득효율 및 레이징 효율이 종래보다 향상될 수 있다. 특히, 이와 같은 구조의 VECSEL 소자로부터, 특정한 파장의 레이저광, 예를 들어 870㎚ 내지 950㎚ 파장범위의 레이저광을 용이하게 얻을 수 있으며, 870㎚ 파장 이하의 노이즈광의 발생을 대폭 줄일 수 있다.
따라서, 이와 같은 VECSEL 소자의 구조에서, 양자우물층의 광추출 효율이 크 게 향상될 수 있으며, 상기 VECSEL 소자의 광출력이 더욱 높아질 수 있다.
이러한 본원 발명의 이해를 돕기 위하여 몇몇의 모범적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었으나, 이러한 실시예들은 단지 넓은 발명을 예시하고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이며, 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 구조와 배열에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이며, 이는 다양한 다른 수정이 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.

Claims (12)

  1. 기판 위에 형성된 하부 DBR미러(bottom DBR mirror);와
    상기 하부 DBR미러 위에 형성된 RPG(Resonant Periodic Gain)층;과
    상기 RPG층 위에 형성된 캡핑층(capping layer);과
    상기 캡핑층의 표면에 펌핑광(pump beam)을 조사하는 광학펌프; 및
    상기 하부 DBR미러에 대향하여 외부에 설치되는 외부 공진미러(external cavity mirror);를 구비하고,
    상기 RPG층은,
    정상파(standing wave)의 마디(node) 위치에 주기적으로 마련되는 것으로 상기 펌핑광의 밴드갭 보다 더 큰 에너지 밴드갭 폭을 가지는 물질로 형성된 제1 배리어층;과
    상기 제1 배리어층간에 개재되는 것으로, InGaAs 물질로 형성되는 복수의 양자우물층과 상기 각각의 양자우물층의 상하부에 마련되는 제2 배리어층을 포함하는 이득층;을 구비하는 것을 특징으로 하는 VECSEL 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이득층은 정상파의 파복(antinode) 위치에 마련된 것을 특징으로 하는 VECSEL 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 배리어층은 InGaAs 물질 보다 더 큰 에너지 밴드갭 폭을 가지는 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 VECSEL 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 배리어층은 AlxGa(1-x)As(0.08≤x≤1)물질층과 GaAs(1-y)Py(0.1<y<1)물질층 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 VECSEL 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 배리어층은 조성구배(composition gradient)를 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 VECSEL 소자.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 배리어층은 2㎚ 내지 40㎚의 두께범위로 형성된 것을 특징으로 하는 VECSEL 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 이득층은 2개 내지 7개의 양자우물층을 포함하는 다중양자우물층 구조로 마련된 것을 특징으로 하는 VECSEL 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 배리어층은 AlxGa(1-x)As(0≤x≤0.08)물질층과 GaAs(1-y)Py(0≤y≤0.1)물질층 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 VECSEL 소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제2 배리어층은 상기 양자우물층의 스트레인을 완화시키는 스트레인보상층(strain compensation layer)인 것을 특징으로 하는 VECSEL 소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 VECSEL 소자는 870㎚ 내지 950㎚ 파장범위의 레이저광을 방출하는 것을 특징으로 하는 VECSEL 소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 DBR미러는 AlAs 물질층과 Al0.2GaAs 물질층이 교번으로 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 VECSEL 소자.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡핑층은 AlxGa(1-x)As(0≤x<1) 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 VECSEL 소자.
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