KR970007142B1 - 전류 주입 레이저 - Google Patents

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KR970007142B1 KR1019890701678A KR890701678A KR970007142B1 KR 970007142 B1 KR970007142 B1 KR 970007142B1 KR 1019890701678 A KR1019890701678 A KR 1019890701678A KR 890701678 A KR890701678 A KR 890701678A KR 970007142 B1 KR970007142 B1 KR 970007142B1
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텔스트라 코오포레이숀 리미티드
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Abstract

내용없음

Description

전류 주입 레이저
페이브리-페롯(Fabry-Perot) 분배식 궤환 또는 분배식 브래그 반사타입(Bragg reflection type) 공진기를 갖고 있는 전류 주입 레이저가 공지되었는데, 그것은 일반적으로 클리빙(Cleaving) 또는 에칭(etching)에 의해서 반사경 면의 필요한 화성(formation)을 형성하는데 있어서 불편한 점을 갖고 있다.
본 발명의 목적은 단일 결정 기판 어디에서도 배치될 수 있으며, 용이하게 형성될 수 있는 전류 주입레이저를 제공하는데 있다.
본 발명의 한 특징을 보면, 본 발명은 몇가지 굴절율을 갖고 있는 단일 결정기판을 형성하는 구조물을 구비하며, 그 기판상에는 제1세트의 에피택셜 단일 결정층으로 형성된 내부 반사기, 공진층, 제2세트의 에피택셜 단일 결정층으로 형성된 외부 반사기층으로 일속 배치되는데, 상기 구조물의 적어도 한 부분은 하나 이상의 내부 반사기와 기판 및 공진층으로 구성되고, 그것은 전기 전도성으로서 P-타입 또는 N-타입 전도율을 가지며, 상기 구조물의 적어도 다른 부분은 하나 이상의 외부 반사기와 공진층으로 구성되고, 그것은 전기 전도성으로서 n-타입 또는 p-타입 전도율을 갖지만, 상기한 부분과는 서로 다른 타입의 전도율을 갖는다. 또한 상기 구조물은 그 구조물의 상기한 부분과 다른 부분 각각에 대해 옴 접촉(ohmic contact)을 형성하는 제1 및 제2 전기 전도 수단을 추가로 구비함으로써 상기 전기 전도 수단에 전위를 가함에 의해 전류가 상기 구조물을 통해 흘러서 그 구조물은 레이저 작용으로 코히어펀트광을 발생하는데 상기층은 λ/2의 광학적 두께 또는 그 기수배를 갖는 구성 주기성이 이루어 지도록 한 반사기를 포함하며, 여기서 λ는 발생된 광선의 파장이며, 상기 공진기층의 두께 d는 다음의 관계로 정의된다.
Figure kpo00001
m=0,1,2………
여기서 λm은 가능한 동작파장 Nr(It)는 레이징의 임계시 레이저를 통과한 전류인 전류 It에서의 공진층의 굴절율이며, ψ1과 ψ2는 다음의 식으로 정의된다.
ri= r1exp(jψ1)
여기서 r1은 내부 반사기에 포함된 층의 반사율의 량이며, ψ1은 그 반사율에 의한 위상 이동이며,
r0= r2exp(jψ2)
인 경우에, r2는 외부 반사기층의 반사율의 량이며, ψ2는 그 반사율에 의한 위상 이동이며, 그 레이저는 m=0애서 10범위의 값을 갖고, 그 m은 레이저 특성과 최적 부합하도록 상기 범위에 걸쳐 변화하는데, 특정 활용의 경우에 임계전류 밀도 및 응답시간이라 칭한다. 상기 주어진 식에 대한 m의 가장 적당한 값은 사용된 물질 물리적 치수, 클래딩(cladding) 패시베이숀(Passivation) 외부 유도회로의 설계 및 동작 온도를 포함하는데 레이저 장치 실시예의 설명에 따른다.
상술한 범위에서 m을 선택함으로써 효과적인 동작이 행해질 수 있음을 알 수 있다.
한 실시예에 있어서, 상술한 구성적 주기성은 사실상 1/4λ의 적당한 두께와, 교번성 고, 저 굴절율로서 반사기의 층을 적절히 선택함으로써 얻어진다. 다른 실시예에 있어서, 반시기의 구성과 굴절율은 연속적 혹은 불연속적으로 변화될 수 있다.
일반적으로 말해서, 최대광학 이득은 동작파장 g에서 동작하는데, 그 파장은 공진층이 형성된(레이징의 임계치 이하로 상승하는) 물질로부터 루미니센트 강도의 피이크 점이 발생하는 파장값에 근사하며 다음과 같다.
λm
Figure kpo00002
λg
공진층과 인접한 내부 반사기층의 굴절율 Nb와 상기 공진층 바로 결의 외부 반사기층의 굴절율 Na'은 레이징의 임계시에 발생하는 레이저를 통과한 전류에서의 공진층 굴절율 Nr(It)과 관련을 가져야 하는데
NbNr(It) ; NaNr(It) 인 경우
또는
NbNr(It) ; NaNr(It) 인 경우
또한, 이 경우에 통상적으로
ψ1+ψ2=2π
또는
ψ1+ψ2=0
λm, m Nr(It)d와 관련한 상기 방정식은 다음과 같이 간소화 된다.
Figure kpo00003
여기서
Figure kpo00004
따라서, 본 발명에 따라 이 경우에 m'는 값 1,………10으로 변화된다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 실시예와 관련하여 기술되는데, 그 한장의 도면은 본 발명에 따른 구성의 레이저에 대한 투시도를 나타낸다.
도면의 레이저(10)는 굴절율 Ns를 갖는 하나의 결정 형태로 기판(12)을 포함한다. 그 기판은 레이저의 동작 파장에서 그 비피복값으로 부터 후면의 반사율을 줄이도록 의도된 물질로 된 하나 이상의 층으로 그 후면상에 제공될 수 있으며, 그 장치에 접촉을 형성하도록 의도된 금속화 영역을 가질 수 있다. 이 경우에, 금속화층(14)이 도시되어 있다.
기판의 상부에는 함께 내부 반사기(18)를 구성하는 제1세트의 에피택셜 단일 결정층(16)이 도시되어 있으며, 층의 성분, 두께 및 수는 전류 주입레이저와 박막 필름 렌즈에 대한 공지된 팩터에 따라 소정의 반사율 특성, 전기전도, 투명도, 안정성 및 결정 성장 파라미터를 제공할 수 있도록 선택된 변화를 구성한다.
내부 반사기는 그 복잡한 굴절폭 ri때문에 다음 부분의 특징을 갖는데,
ri=r1exp(jψ1)
여기서 r1은 굴정량을 나타낸다.
내부 반사기(18) 바로 위에 배치되고, 그와 접촉하는 공진층은 그 층을 통하는 정상 입사에서 빛의 행로에 대해 두께 d와 굴절율 Nr(I)을 갖는다.
여기서, I는 레이저를 통과하여 흐르는 전류이다.
상기 굴절율은 다음 둘중 하나의 특성을 가져야 한다.
NbNr(It) ; NaNr(It) 인 경우
NbNr(It) ; NaNr(It) 인 경우
여기서 Nb는 공진층과 인접한 내부 반사기층(18)의 굴절율이며, Na는 공진층(20)과 바로 인접하여 접촉하지만 내부 반사기(18)쪽으로 그 대향측에 있는 이하 기술하는 여러층(22)중 해당 하나의 굴절율이 It는 임계치(레이징 동작중)에서 레이저를 통과하는 전류이다.
기판 및 그에 이어지는 물질층은 임의의 합성물 또는 주기표 요소의 합금 또는 소수 요소로 구성된 단일 결점이 그 목적에 부합된다. 예를 들자면, 기판 및 연속층은 특정층에서 특정 비율로 합성된 갈륨, 알루미늄, 아르세닉(Arsenic)의 합성물로 구성될 수 있다.
이와는 다르게, 기판 및 연속층은 특정층에서 특정 비율로 합성된 갈륨, 인듐, 아르세닉 및 포스포러스(Phosphorous)의 합성물로 구성될 수 있고, 또한, 갈륨, 인듐, 알루미늄, 아르세닉 및 안티모니의 합성물로도 구성될 수 있으며, 상기와는 달리 더큐리(Mercury), 카드뮴(Cadmium), 망간(Manganese) 및 템루르(Tellurium)의 합성물로도 될 수 있고, 또한, 납, 설퍼 텔루르(Sulphur Tellurium) 및 세레늄(sele-nium)의 합성물로도 될 수 있다.
본 분야에 일반적인 지석을 소유한 자라면 다른 물질로 된 시스템 가능함을 알 수 있을 것이다.
또한, 상기 각각의 층은 초격자(Superlattice) 또는 다수의 양자가 조화된(multi-quantum-well) 구조를 가질 수 있으며, 또한 상기층은 성분적으로 등급이져 연속 구성될 수 있다. 레이징에 대한 임계치 이하의 전류에서, 굴절율 Nr(I)은 공진층(20)을 통과해서 흐르는 전류의 몇가지 함수로서 변화할 수 있으며 그 이상에서 Nr(I)은 대략 매우 양호한 정도로 일정한데, 이는 자극된 방사는 재결합을 주도하여주입된 캐리어 밀도를 복원하려 하기 때문이다.
공진층의 두께에 대해서는 후에 기술한다.
공진층의 상수에는 각각 에피택셜 단일 결정의 형태로 전술한 세트의 층(22)이 제공되는데,이 층은 함께 외부 반사기(24)를 구성한다. 내부 반사기(18)와 더불어, 외부 반사기를 구성하는 장기층(22)은 전류 주입 레이저에 대한 공기된 팩터에 따라 바람직한 반사율 특성, 전기 전도성, 투명도, 안정성 및 결정성장 파라미터를 제공하도록 선택된다.
외부반사기(24)는 그 복잡한 반사율 진폭 r0에 따라 다음의 특징을 갖는다.
r0=r2exp(Jψ2)
여기서 r2는 반사율 진폭이다.
공진층(20)과 이격된 외부 방사기(24) 측면에서, 그 반사기(24)는 굴절율 Ni를 갖는 입사 매체와 접촉한다.
내부 반사기 및/또는 기판 및/또는 공진층의 몇 부분은 불순물 원자의 통합에 의해 전기적으로 전도될 수 있는 제1형태의 전도로 참조하는 이러한 전도의 전저(n-타입) 또는 홀(p-타입)으로 될 수 있다.
제1금속화 층(14)은 제1전도 타임으로 도프된 물질과 옴 접촉을 형성하며, 이것이 기판(12)상에 씌워지거나, 레이저 위에나 그 근처의 어디에도 씌워질 수 있는데, 이는 그 도프된 물질과만이 옴 접촉을 형성하기 위함이다.
외부 반사기(24) 및/또는 공진층(20)의 및 부분은 불순물 원자를 통합함으로써 전기 전도될 수 있다. 이러한 전도는 제2타입의 전도라 칭하는데, 전자(n-타입) 또는 홀(p-타입)으로 될 수 있다. 제1전도 타입이 n-타입인 경우에, 제2전도 타입은 p-타입으로 되며, 그 반대도 성립한다.
제2전도 타입으로 도프된 물질과 옴 접촉을 형성하는 적당한 제2금속화 층은 그 도프된 물질과만이 옴 접촉을 형성하도록 레이저 위에나 그 근처에 씌워진다. 이러한 금속화층은 공진층(20)으로부터 이격진 외부반사기(24)의 표면(24a)상에 형성된 금속화 루프(30)로서 도시된다.
기술한 금속화 층과 더블어 기판(12)와 내부 및 외부 반사기(18, 24), 공진층(20) 전체와, 상기 공진층 또는 반사기(18,24)의 한 측면에 대한 다른 코팅부를 물질의 구조물로서 논하는 것이 편리하다. 하나 이상의 레이저 또는 레이저 그룹은 에칭 또는 다른 절연 수단에 의해서 상기 물질 구조물상에 형성될 수 있으며, 순방향 바이어스 전압이 상기 물질 구조물의 도프 부분과 접촉을 이루는 금속화 층과 그와 인접한 특정 레이저 또는 레이저 그룹 사이에 인가되는 경우, 상기 방식으로 접속된 각 특성 레이저의 n-타입 및 p-타입 물질 사이의 곧은 통로를 따라 전류가 강하게 흐른다. 이러한 순방향 바이어스 전압은 n-타입 물질의 전위 위에 p-타입 물질의 전위를 부가시키는 통상의 방식으로 얻어질 수 있다.
기술하고 도면에 예시한 레이저 구조물은 패시베이숀을 제공하고, 표면 재결합을 감소 또는 향상시키며, 광학적 제한을 제공하거나 주위의 안정성을 증가시키도록 반도체(양자등의 에너지 입자 또는 다른 입자로 방사된) 중합체, 또는 유전체를 포함한 물질로 부분적으로나 완전히 둘러싸일 수 있다.
평면도(위로부터)에서, 레이저는 정사각형 원형 또는 타원형을 포함한 어떠한 형태로도 될 수 있다. 어떤 경우에 측벽 기판이 수직 또는 경사지거나 굴곡질 수 있다.
가능한 레이저 동작 파장 λm는 대략 다음 표현식으로 정의된다.
Figure kpo00005
여기서 공진층의 굴절율은 임계치 이상의 모든 전류값에 대해 Nr(It)이며, 최대 광학 이들은 파장값 λp'근처의 파장 λg에서 공진층으로부터 얻어질 수 있는데, 공진층 물질에 대한 피이크 루미니센트 강도가 임계치 이하고 되는 것을 볼 수 있다.
d와 m의 값은 다음의 관계를 갖도록 선택하는 것이 바람직하다.
λm
Figure kpo00006
λg
이는 그것이 임계전류를 최소로 하는 경향이 있기 때문이다. m의 값이 작은 경우에, 레이저는 단일세로 모드로 안정적으로 동작하는데, 이는 모든 다른 모드는 유효 이득 영역으로부터 멀어져 있기 때문이다.
최소 임계전류는 변수 m'(이하 정의됨)이 1로 선택된 경우에, 특정 물질의 시스템에 대해 얻어질 수 있다.
Nr(It), d, m, ψ1, ψ2와 관련한 상기 방정식 여러가지 목적하는 바에 의해서 다음과 같이 간소화 될 수 있다.
Figure kpo00007
여기서
Figure kpo00008
상기관계는 일반적으로 말했을 때
ψ1+ψ2=2π
ψ1+ψ2=0이 되기 때문에 성립한다.
갑 m'을 1에서 거의 10 범위로 선택함으로써 본 발명에 따라 구성된 레이저에 대한 매우 효과적인 동작이 이루어질 수 있다.
본 발명에 형성된 레이저는 클리빙이나 에칭등의 반사경면의 필요한 화성이 없이 형성될 수 있는 큰장점을 갖는다.
예를들면, 한 실시예에 있어서, 레이저는 약 10마이크로미터의 직경을 갖는 원통으로 될 수 있다. 따라서, 비-비점수차(non-astigmatic)출력 빔은 작은 이탈을 갖고 통상의 반도체 도파관 레이저와 비교된다. 출력면에서의 출력 밀도는 반도체 도파관 레이저에 비해 작게 되므로, 면의 손상없이 높은 출력의 동작이 가능하다. 작은 m값을 갖는 레이저는 단일한 세로 모드의 발진을 하며, 이러한 특성은 본 장치의 여러 다른 실시예에서도 볼 수 있는 것으로 광 파이버 통신 광학 데이타 기억 및 검색, 광학 컴퓨팅 및 다른 레이저의 광학 펌핑을 포함한 응용에서 장점으로 구현된다.
선형 또는 이차원적 배열로 차례로 배치된 레이저는 용이하게 구성될 수 있다.
지금까지의 설명은 단지 예시 목적이고 본 특허 청구범위 기재의 사상 및 영역은 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지의 수정 및 변경이 가능하다.

Claims (14)

  1. 전류 주입 레이저로서, 몇가지 굴절율을 갖고 있는 단일 결정기판을 형성하는 구조물을 구비하는데, 그 기판상에는 제1세트의 에피택셜 단일 결정층으로 형성된 내부 반사기, 공진층, 제2세트의 에피택셜 단일결정층으로 형성된 외부 반사기층으로 연속 배치되며, 상기 구조물의 한 부분은 적어도 하나 이상의 내부 반사기와 기판 및 공진층으로 구성되고, 그것은 전기 전도성으로서 P-타입 또는 N-타입 전도율을 가지며, 상기 구조물의 다른 부분은 적어도 하나 이상의 외부 반사기와 공진층으로 구성되고, 그것은 전기 전도성으로서 n-타입 또는 p-타입 전도율을 갖지만 상기 한 부분과는 서로 다른 타입의 전도율을 가지며, 상기 구조물은 또한 그 구조물의 상기한 부분과 다른 부분 각각에 대해 옴 접촉을 형성하는 제1 및 제2전기 전도 수단을 추가로 구비함으로써, 상기 전기 전도 수단에 전위를 가함에 의해 전류가 상기 구조물을 통해 흘러서 그 구조물은 레이저 작용으로 코히러 런트 광을 발생하도록 되어 있으며, 상기 제1내부 반사기층과 제2외부 반사기층은 λ/2의 광학적 두께 또는 그 기수배를 갖는 구성적 주기성이 이루어지도록 한 반사기로 구성되고, 여기서 λ는 발생된 광선의 파장이며, 상기 공진층의 두께 d는 다음식으로 정의 되며,
    Figure kpo00009
    여기서 m은 가능한 동작파장, Nr(It)는 레이징의 임계시 레이저를 통과한 전류인 전류 It'에서의 공진층의 굴절율이며, ψ1과 ψ2는 다음 식으로 정의되고, ri=r1exp(jψ1), 여기서, r1은 내부 반사에 포함된 층의 반사율의 량이며, ψ1은 그 반사율에 의한 위상 이동이며, r0=r2exp(jψ2)인 경우에 r2는 외부 반사기에 포함된 층의 반사율의 량이고 ψ2는 그 반사율에 의한 위상 이동이며, 상기 레이저는 0에서 10범위의 값을 갖는 m값을 가지는 특성이 있는 것을 특징으로 하는 전류 주입 레이저.
  2. 제1항에 있어서, 상기 구성적 주기성은 반사기내의 층을 사실상 1/4λ의 적합한 두께로 선택하고, 고, 저의 굴절율을 교번하도록 선택함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 전류 주임 레이저.
  3. 제1항에 있어서, 상기 구성적 주기성을 충족시키기 위해, 상기 반사기의 구성과 굴절율은 연속적 혹은 불연속으로 변화되는 것을 특징으로 하는 전류 주입 레이저.
  4. 전술한 항중 어느 한 항에 있어서, 공진층과 인접한 내부 반사기층의 굴절율 Nb와 상기 공진층 바로 곁의 외부 반사기층의 굴절율 Na'은 레이징의 임계시에 발생하는 레이저를 통과한 전류에서의 공진층 굴절율 Nr(It)와 다음의, NbN|r(It) ; (NaNr(It)인 경우 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 전류 주입 레이저.
  5. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 공진층과 인접한 내부 반사기층의 굴절율 Nb의 상기 공진층 바로 곁의 외부 반사기층의 굴절율 Na'는 레이징의 임계시에 발생하는 레이저를 통과한 전류에서의 공진층 굴절율 Nr(It)와 다음의, NbN|r(It) ; (NaNr(It)인 경우) 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 전류 주입 레이저.
  6. 제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사기의 구성과 굴절율은 λ/2 또는 그 몇 기수배의 광학적 두께를 갖고 있는 구성적 주기성이 이루어지도록 연속적 혹은 불연속적으로 변화되는 것을 특징으로 하는 전류 주입 레이저.
  7. 전술한 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판 및 연속 물질층은 특정층에서 특정 비율로 합성된 갈륨, 알루미늄 및 아르세닉을 포함한 그룹에서 선택된 단일 결정 물질인 것을 특징으로 하는 전류 주입 레이저.
  8. 제1항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판 및 연속 물질층은 특정층에서 특정 비율로 합성된 갈륨, 인듐, 아르세닉 및 포스포러스를 포함한 그룹에서 선택된 단일 결정 물질인 것을 특징으로 하는 전류 주입 레이저.
  9. 제1항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판 및 연속 물질층은 특정층에서 특정비율로 합성된 갈륨, 인듐, 알루미늄. 아르세닉 및 안티모니를 포함한 그룹에서 선택된 단일 결정 물질인 것을 특징으로 하는 전류 주입 레이저.
  10. 제1항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판 및 연속 물질층은 특정층에서 특정 비율로 합성된 머큐리, 카드뮴, 망간 및 텔루르를 포함한 그룹에서 선택된 단일 결정 물질인 것을 특징으로 하는 전류 주입 레이저.
  11. 제1항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판 및 연속 물질층은 특정층에서 특정 비율로 합성된 납, 설퍼텔루르 및 셀레늄을 포함한 그룹에서 선택된 단일 결정 물질인 것을 특징으로 하는 전류 주입 레이저.
  12. 제7항 내지 제11항중 어느 한 항에 있어서, 상기층은 초격자 또는 다수의 양자가 조화된 구조로된 정제층으로 연속 형성되는 것을 특징으로 하는 전류 주입 레이저.
  13. 제7항 내지 제11항중 어느 한 항에 있어서, 상기 층은 연속적으로 등급이져 구성되는 것을 특징으로 하는 전류 주입 레이저.
  14. 전술한 항중 어느 한 항에 있어서, 레이저의 동작 파장 λg는 임계치 이하의 공진층 물질에 대한 피이크 루미니 센트 강도가 발생하는 파장 값 λp와 근사한 값으로 되는 것을 특징으로 하는 전류 주입 레이저.
KR1019890701678A 1988-01-06 1988-12-20 전류 주입 레이저 KR970007142B1 (ko)

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