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KR102646790B1 - 레이저 공진기 및 레이저 공진기 어레이 - Google Patents

레이저 공진기 및 레이저 공진기 어레이 Download PDF

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KR102646790B1
KR102646790B1 KR1020170016849A KR20170016849A KR102646790B1 KR 102646790 B1 KR102646790 B1 KR 102646790B1 KR 1020170016849 A KR1020170016849 A KR 1020170016849A KR 20170016849 A KR20170016849 A KR 20170016849A KR 102646790 B1 KR102646790 B1 KR 102646790B1
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South Korea
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gain medium
laser resonator
medium layer
metal body
laser
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박연상
김효철
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삼성전자주식회사
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Abstract

외부로부터 에너지를 흡수하여 레이저 광을 발생시키는 레이저 공진기가 개시된다. 개시된 레이저 공진기는 금속체 및 상기 금속체에 마련되는 환형 구조의 이득 매질층을 포함한다. 상기 환형 구조의 이득 매질층은 금속체에 마련되어 플라즈모닉 효과에 의해 레이저 광을 발생시킬 수 있다.

Description

레이저 공진기 및 레이저 공진기 어레이{Laser resonator and laser resonator array}
레이저 공진기 및 공진기 어레이에 관한 것이다.
반도체 레이저 소자에서 반도체 레이저 공진기는 광 이득을 얻기 위한 가장 핵심적인 부분으로서, 그 이득 매질은 일반적으로 원형의 디스크 형상 또는 직육면체 형상을 가지고 있다. 한편, 최근에는 플라즈모닉 효과(plasmonic effect)를 이용하여 레이저 광의 파장보다 작은 크기의 반도체 레이저 공진기를 구현하는 기술이 개발되고 있다.
예시적인 실시예는 환형 구조의 이득 매질층을 포함하는 레이저 공진기 및 이를 이용하여 멀티 파장을 구현할 수 있는 공진기 어레이를 제공한다.
일 측면에 있어서,
외부로부터 에너지를 흡수하여 레이저 광을 발생시키는 레이저 공진기에 있어서,
금속체(metal body); 및
반도체 물질을 포함하고, 상기 금속체에 마련되어 플라즈모닉 효과(plasmonic effect)에 의해 상기 레이저 광을 발생시키는 환형 구조의(ring-shaped) 이득 매질층(gain medium layer);을 포함하는 레이저 공진기가 제공된다.
상기 금속체에는 상기 이득 매질층이 마련되는 트렌치(trench)가 형성될 수있다.
상기 이득 매질층의 외반경과 내반경의 차이로 정의되는 상기 이득 매질층의폭은 50nm 이상이 될 수 있다.
상기 이득 매질층의 단면 형상을 조절함으로써 상기 레이저 광의 특정 모드(mode)를 선택하거나 분리할 수 있다. 상기 금속체와 상기 이득 매질층 사이에는 유전체층이 더 마련될 수 있다.
상기 레이저 공진기는 상기 이득 매질층에 마련된 적어도 하나의 흡수체를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 이득 매질층은 베이스부와 상기 베이스부의 상부에 돌출되게 마련되는 적어도 하나의 돌출부를 포함할 수 있으며, 상기 적어도 하나의 흡수체는 상기 적어도 하나의 돌출부 사이에 마련될 수 있다.
상기 적어도 하나의 흡수체는 금속 물질을 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 흡수체의 개수 및 위치 중 적어도 하나를 조절함으로써 상기 레이저 광의 특정 모드를 선택하거나 분리할 수 있다.
다른 측면에 있어서,
외부로부터 에너지를 흡수하여 레이저 광들을 발생시키는 레이저 공진기 어레이에 있어서,
금속체; 및
반도체 물질을 포함하고, 상기 금속체에 마련되어 플라즈모닉 효과에 의해 서로 다른 파장의 상기 레이저 광들을 발생시키는 환형 구조의 이득 매질층들;을 포함하는 레이저 공진기 어레이가 제공된다.
상기 금속체에는 상기 이득 매질층들이 마련되는 트렌치들이 형성될 수 있다.
상기 이득 매질층의 외반경과 내반경의 차이로 정의되는 상기 이득 매질층의폭은 50nm 이상이 될 수 있다.
상기 이득 매질층들의 단면 형상을 조절함으로써 상기 레이저 광들의 특정 모드를 선택하거나 분리할 수 있다. 상기 금속체와 상기 이득 매질층들 사이에는 유전체층이 더 마련될 수 있다.
상기 이득 매질층들 각각에는 적어도 하나의 흡수체가 마련될 수 있다. 이 경우, 상기 이득 매질층 각각은 베이스부와 상기 베이스부의 상부에 돌출되게 마련되는 적어도 하나의 돌출부를 포함하고, 상기 적어도 하나의 흡수체는 상기 적어도 하나의 돌출부 사이에 마련될 수 있다.
상기 적어도 하나의 흡수체의 개수 및 위치 중 적어도 하나를 조절함으로써 상기 레이저 광의 특정 모드를 선택하거나 분리할 수 있다.
실시예에 의하면, 플라즈모닉 효과에 의해 레이저 광을 발생시킬 수 있는 환형 구조의 이득 매질층을 포함하는 레이저 공진기를 구현할 수 있다. 또한, 환형 구조의 이득 매질층에서 이득 매질층의 단면 형상을 변화시키거나 또는 이득 매질층에 특정 모드의 레이저 광을 흡수하는 흡수체를 마련함으로써 원하는 단일 모드의 레이저 광만을 용이하게 선택할 수 있다. 또한, 원하지 않는 공진모드들을 제거하거나 또는 원하는 공진 모드를 다른 공진 모드들로부터 효과적으로 분리할 수 있다. 이에 따라, 레이저 공진기의 Q-factor도 향상시킬 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 레이저 공진기를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 레이저 공진기의 평면도이다.
도 3은 도 2의 A-A'선을 따라 본 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 레이저 공진기의 금속체를 도시한 것이다.
도 5는 도 1에 도시된 레이저 공진기의 이득 매질층을 도시한 것이다.
도 6a 및 도 6b는 도 1에 도시된 레이저 공진기의 이득 매질층 내부에서 발생되는 레이저광의 전기장의 세기 분포를 xy 평면에서 본 모습을 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 7a 및 도 7b는 도 1에 도시된 레이저 공진기의 이득 매질층 내부에서 발생되는 레이저광의 전기장의 세기 분포를 xz 평면에서 본 모습을 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 8은 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저 공진기를 도시한 단면도이다.
도 9는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저 공진기를 도시한 단면도이다.
도 10은 도 9에 도시된 레이저 공진기의 이득 매질층 내부에서 발생되는 레이저광의 전기장의 세기 분포를 xz 평면에서 본 모습을 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 11은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저 공진기를 도시한 사시도이다.
도 12는 도 11에 도시된 레이저 공진기의 이득 매질층 및 흡수체를 도시한 사시도이다.
도 13은 도 11에 도시된 레이저 공진기의 이득 매질층을 도시한 사시도이다.
도 14는 예시적인 실시예에 따른 레이저 공진기 어레이를 도시한 평면도이다.
도 15는 도 14의 B-B'선을 따라 본 단면도이다.
도 16은 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저 공진기 어레이를 도시한 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 물질층이 기판이나 다른 층 에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 아래의 실시예에서 각 층을 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 물질이 사용될 수도 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 레이저 공진기(100)를 도시한 사시도이다. 도 2는 도 1에 도시된 레이저 공진기(100)의 평면도이고, 도 3은 도 2의 A-A'선을 따라 본 단면도이다. 그리고, 도 4는 도 1에 도시된 레이저 공진기(100)의 금속체(110)를 도시한 사시도이며, 도 5는 도 1에 도시된 레이저 공진기(100)의 이득 매질층(120)을 도시한 사시도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 레이저 공진기(100)는 금속체(metal body, 110) 및 이 금속체(110)에 마련된 이득 매질층(gain medium layer, 120)를 포함한다. 이러한 레이저 공진기(100)는 외부로부터 에너지를 흡수하여 레이저광을 발생시킬 수 있다.
금속체(110)는 예를 들면, 귀금속(noble metal)을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 금속체(110)는 Al, Ag, Au 또는 Cu 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로 이외에도 다른 다양한 금속 물질을 포함할 수 있다. 금속체(110)는 이득 매질층(120)에서 발생되는 레이저 광을 이득 매질층(120)의 내부에 효과적으로 구속시키는 역할을 할 수 있다.
이득 매질층(120)은 금속체110)에 마련되어 광 펌핑 또는 전기적 펌핑에 의해 에너지를 흡수하여 레이저 광을 발생시키는 것으로, 반도체 물질을 포함할 수 있다. 이러한 이득 매질층(120)은 환형 구조를 가질 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 금속체(110)의 일면(예를 들면, 상면)에는 이득 매질층(120)의 형상에 대응하는 환형의 트렌치(110a)가 소정 깊이로 형성될 수 있으며, 이득 매질층(120)은 이 트렌치(110a) 내에 마련될 수 있다.
이득 매질층(120)은 반도체 물질을 포함하는 활성층(active layer)를 포함할 수 있다. 활성층은 예를 들면, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질 또는 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 물질을 포함할 수 있다. 또한, 활성층은 양자점(Quantum Dots)를 포함할 수도 있다. 구체적인 예로서, 활성층은 InGaAs, AlGaAs, InGaAsP 또는 AlGaInP 등을 포함하는 복수개의 양자 우물(multi-quantum wall) 등을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 이득 매질층(120)은 활성층의 상부 및 하부에 마련되는 상부 및 하부 클래드층을 더 포함할 수도 있다. 상부 및 하부 클래드층은 각각 n형 또는 p형 반도체 물질을 포함할 수 있다.
금속체(110)에 마련된 환형 구조의 이득 매질층(120)은 플라즈모닉 효과(plasmonic effect)에 의해 레이저 광을 발생시킬 수 있다. 플라즈모닉 효과는 금속과 유전체의 계면에서 전자기파와 플라즈몬(plasmon)이 결합하여 광흡수가 일어나면서 국소적으로 매우 증가된 전기장이 발생되는 현상을 의미한다. 여기서, 플라즈몬이란 금속 내의 자유전자들이 집단적으로 진동하는 유사 입자를 말한다.
환형 구조의 이득 매질층(120)은 플라즈모닉 효과를 발생시키기 위해 레이저 광의 파장 보다 작은 폭을 가질 수 있다. 여기서, 이득 매질층(120)의 폭은 이득 매질층의 외반경(out-radius, R)과 내반경(in-radius, r) 사이의 차이로 정의될 수 있다. 예를 들면, 플라즈모닉 효과를 발생시키기 위한 이득 매질층(120)의 폭은 대략 수십 nm 이상, 보다 구체적으로 50nm 이상이 될 수 있다. 또한, 이득 매질층(120)의 폭은 레이저 광의 파장의 1/2 이하가 될 수 있다. 예를 들어, 레이저 광의 파장이 대략 600nm 인 경우에 이득 매질층(120)의 폭은 대략 50nm ~ 300nm가 될 수 있다. 하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이득 매질층(120)의 외경(2R)은 예를 들어, 수백 nm ~ 수 ㎛ 정도가 될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 또한, 이득 매질층(120)의 두께(t)는 수십 nm ~ 수백 nm 정도가 될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
이득 매질층(120)의 단면은 도 3에 도시된 바와 같이 예를 들면, 사각형 형상을 가질 수 있다. 이 경우, 이득 매질층(120)의 양측은 금속체(110)의 상면에 대해 수직으로 형성될 수 있다. 한편, 후술하는 바와 같이, 이득 매질층(120)의 단면 형상을 조절하게 되면 원하는 특정 모드(mode)의 레이저 광만 선택적으로 추출할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 도 1에 도시된 레이저 공진기(100)의 이득 매질층(120) 내부에서 발생되는 레이저 광의 전기장의 세기 분포를 xy 평면에서 본 모습을 도시한 시뮬레이션 결과이다. 그리고, 7a 및 도 7b는 도 1에 도시된 레이저 공진기(100)의 이득 매질층(120) 내부에서 발생되는 레이저 광의 전기장의 세기 분포를 xz 평면에서 본 모습을 도시한 시뮬레이션 결과이다. 여기서, 이득 매질층(120)에서 발생되는 레이저 광의 전기장의 세기는 어두운 부분으로 갈수록 증가하는 것으로 나타내었다. 금속체(110)로는 Ag를 사용하였으며, 이득 매질층(120)으로는 양자점을 사용하였다. 그리고, 이득 매질층(120)의 외반경(R)은 1.5㎛ 이었으며, 이득 매질층(120)의 폭은 300nm 이었다. 이득 매질층(120)의 두께(t)는 250nm 이었다.
도 6a에는 플라즈모닉 효과에 의해 발생되는 플라즈모닉 모드(plasmonic mode)의 레이저 광이 도시되어 있으며, 도 6b에는 포토닉 모드(photonic mode)의 레이저 광이 도시되어 있다. 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 도 1에 도시된 레이저 공진기(100)의 이득 매질층(120) 내부에서는 플라즈모닉 모드의 레이저 광 및 포토닉 모드의 레이저 광이 형성되었음을 알 수 있다. 여기서, 플라즈모닉 모드의 레이저 광과 포토닉 모드의 레이저 광은 각각 서로 다른 단일 파장을 가지고 있다. 구체적으로, 플라즈모닉 모드의 레이저 광은 616.869nm의 파장을 가지고 있으며, 포토닉 모드의 레이저 광은 624.029nm의 파장을 가지고 있다.
도 7a에는 플라즈모닉 모드의 레이저 광이 도시되어 있으며, 도 7b에는 포토닉 모드의 레이저 광이 도시되어 있다. 도 7a를 참조하면, 플라즈모닉 모드에서는 이득 매질층(120)의 하부에서 전기장의 세기가 최대로 되었으며, 포토닉 모드에서는 이득 매질증(120)의 중심부에서 전기장의 세기가 최대로 되었음을 알 수 있다.
이상과 같이, 환형 구조의 이득 매질층(120)이 사각형의 단면을 가지는 경우에는 서로 다른 파장을 가지는 플라즈모닉 모드의 레이저 광과 포토닉 모드의 레이저 광이 발생되는 것을 알 수 있다. 한편, 후술하는 바와 같이, 이득 매질층(120)의 단면 형상을 조절하게 되면, 플라즈모닉 모드와 포토닉 모드 중 어느 하나를 선택하여 특정 파장을 가지는 단일 모드(single mode)의 레이저 광을 발생시킬 수 있다.
도 8은 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저 공진기(100')를 도시한 단면도이다. 도 8에 도시된 레이저 공진기(100')는 금속체(110)와 이득 매질층(120) 사이에 유전체층(150)이 마련되어 있는 점을 도 1에 도시된 레이저 공진기(100)와 동일하다.
도 8을 참조하면, 레이저 공진기(100')는 금속체(110)와 이득 매질층(120) 사이에 유전체층(150)이 마련되어 있다. 여기서, 유전체층(150)은 예를 들면 대략 10nm 이하의 두께를 가지도록 마련될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 이 유전체층(150)은 이득 매질층(120)으로부터 발생되는 레이저 광이 금속체(110)에 흡수되는 것이 방지할 수 있으며, 이에 따라 발광 효율이 향상될 수 있다.
도 9는 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저 공진기(200)를 도시한 단면도이다. 도 9에 도시된 레이저 공진기(200)는 이득 매질층(220)의 단면 형상을 제외하면 도 1에 도시된 레이저 공진기(100)와 동일하다.
도 9를 참조하면, 환형 구조의 이득 매질층(220)은 삼각형의 단면을 가지고 있다. 이 경우, 이득 매질층(220)의 양측(220a)은 금속체(210)의 상면에 대해 경사지게 형성될 수 있다. 이와 같이, 이득 매질층(220)의 단면을 삼각형으로 형성하게 되면 단일 모드의 레이저 광을 발생시킬 수 있다. 한편, 발광 효율의 향상을 위해 금속체(210)와 이득 매질층(220) 사이에는 유전체층(미도시)이 더 마련될 수도 있다.
도 10은 도 9에 도시된 레이저 공진기(200)의 이득 매질층(220) 내부에서 발생되는 레이저광의 전기장의 세기 분포를 xz 평면에서 본 모습을 도시한 시뮬레이션 결과이다. 도 10에는 단일 모드, 구체적으로 플라즈모닉 모드의 레이저 광이 도시되어 있다. 도 10을 참조하면, 이득 매질층(220)의 단면을 삼각형으로 형성하면 특정 파장(즉, 616.869nm의 파장)을 가지는 플라즈모닉 모드의 레이저 광만을 발생시킬 수 있다.
이와 같이, 레이저 공진기(100,200)에서 환형 구조를 가지는 이득 매질층(120,220)의 단면 형상을 조절함으로써 서로 다른 파장을 가지는 복수의 공진 모드 중 특정 모드 만을 선택적으로 추출함으로써 하나의 파장을 가지는 단일 모드의 레이저 광을 발생시킬 수 있다.
도 11은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저 공진기(300)를 도시한 사시도이다. 도 12는 도 11에 도시된 레이저 공진기(300)의 이득 매질층(320) 및 흡수체(330)를 도시한 사시도이며, 도 13은 도 11에 도시된 레이저 공진기(300)의 이득 매질층(320)을 도시한 사시도이다.
도 11 내지 도 13을 참조하면, 레이저 공진기(300)는 금속체(310), 이 금속체(310)에 마련된 이득 매질층(320) 및 이 이득 매질층(320)에 마련된 적어도 하나의 흡수체(330)를 포함한다.
이득 매질층(320)은 금속체(310)에 마련되어 광 펌핑 또는 전기적 펌핑에 의해 에너지를 흡수하여 레이저 광을 발생시키는 것으로, 반도체 물질을 포함할 수 있다. 이러한 이득 매질층(320)은 환형 구조를 가질 수 있다. 금속체(310)의 일면(예를 들면, 상면)에는 환형의 트렌치(미도시)가 소정 깊이로 형성될 수 있으며, 이 트렌치 내에 이득 매질층(320)이 배치될 수 있다. 한편, 금속체(31)와 이득 매질층(320) 사이에는 유전체층(미도시)이 더 마련될 수도 있다.
이득 매질층(320)은 반도체 물질을 포함하는 활성층(active layer,122)를 포함할 수 있다. 활성층은 예를 들면, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질, Ⅱ-Ⅵ족 반도체 물질 또는 양자점 등을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 그리고, 이득 매질층(320)은 활성층의 상부 및 하부에 마련되는 상부 및 하부 클래드층을 더 포함할 수도 있다.
금속체(310)에 마련된 환형 구조의 이득 매질층(320)은 플라즈모닉 효과(plasmonic effect)에 의해 레이저 광을 발생시킬 수 있다. 이를 위해, 이득 매질층(320)의 외반경과 내반경의 차이로 정의되는 이득 매질층(320)의 폭은 레이저 광의 파장 보다 작을 수 있다. 예를 들면, 플라즈모닉 효과를 발생시키기 위한 이득 매질층(320)의 폭은 대략 수십 nm 이상, 보다 구체적으로 50nm 이상이 될 수 있다. 또한, 이득 매질층(320)의 폭은 레이저 광의 파장의 1/2 이하가 될 수 있다. 여기서, 이득 매질층(320)의 외경은 도 1에 도시된 레이저 공진기의 이득 매질층의 외경 보다 클 수 있다. 또한, 이득 매질층(320)의 두께는 수십 nm ~ 수백 nm 정도가 될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
이득 매질층은 도 13에 도시된 바와 같이, 베이스부(321)와, 이 베이스부(321)의 상면에 마련되는 적어도 하나의 돌출부(322)를 포함할 수 있다. 여기서, 돌출부(322)의 개수 및 위치는 후술하는 흡수체(330)의 개수 및 위치에 따라 다양하게 변형될 수 있다. 그리고, 도 12에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 돌출부(322) 사이에는 적어도 하나의 흡수체(330)가 마련되어 있다. 이러한 흡수체(330)는 다양한 모드의 레이저 광 중 원하지 않는 모드의 레이저 광을 흡수하는 역할을 할 수 있다. 이러한 흡수체(330)는 예를 들면, 금속 물질을 포함할 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로 이외에도 흡수체(330)는 다른 다양한 물질을 포함할 수 있다. 이 흡수체(330)는 금속체(310)와 일체로 형성될 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고 흡수체(330)는 금속체(310)와 별도로 마련될 수도 있다. 이러한 적어도 하나의 흡수체(330)는 선택하고자 하는 특정 모드에 따라 그 개수 및 위치 중 적어도 하나를 다양하게 변화시킬 수 있다.
도 1에 도시된 환형 구조의 이득 매질층(120)에서는 각각 단일 파장을 가지는 포토닉 모드 및 플라즈모닉 모드의 레이저 광이 발생되는 경우가 설명되었다. 한편, 도 1에 도시된 이득 매질층(120) 보다 큰 외경을 가지는 환형 구조의 이득 매질층(220)에서는 포토닉 모드 및 플라즈모닉 모드 각각이 서로 다른 파장들을 가지는 다양한 모드들을 포함할 수 있다. 이 경우, 본 실시예에서와 같이 이득 매질층(220)에 적어도 하나의 돌출부(221)를 형성하고, 이 적어도 하나의 돌출부(221) 사이에 적어도 하나의 흡수체(222)를 마련하게 되면 특정 파장을 가지는 단일 모드의 레이저 광만을 선택적으로 발생시킬 수 있다. 즉, 적어도 하나의 돌출부(322) 사이에 마련된 적어도 하나의 흡수체(330)가 원하는 않는 모드의 레이저 광들을 흡수하면서 이득 매질층(320)의 돌출부(322) 내부에서는 특정 파장을 가지는 단일 모드의 레이저 광만이 발생될 수 있다. 여기서, 이러한 적어도 하나의 흡수체(330)의 개수 및 위치 중 적어도 하나를 조절하게 되면 원하는 특정 모드의 레이저 광을 선택할 수 있다.
도 14는 예시적인 실시예에 따른 레이저 공진기 어레이(400)를 도시한 평면도이다. 그리고, 도 15는 도 14의 B-B'선을 따라 본 단면도이다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 레이저 공진기 어레이(400)는 금속체(410)와 이 금속체(410)에 마련되는 복수의 이득 매질층(421,422,423,424)을 포함한다. 금속체(410)는 예를 들면, 귀금속을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 금속체(410)는 Al, Ag, Au 또는 Cu 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로 이외에도 다른 다양한 금속 물질을 포함할 수 있다.
이득 매질층들(421,422,423,424) 각각은 펌핑 또는 전기적 펌핑에 의해 에너지를 흡수하여 레이저 광을 발생시키는 것으로, 반도체 물질을 포함할 수 있다. 이득 매질층들(421,422,423,424)은 반도체 물질을 포함하는 활성층을 포함할 수 있다. 활성층은 예를 들면, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질, Ⅱ-Ⅵ족 반도체 물질 또는 양자점 등을 포함할 수도 있다. 한편, 이득 매질층들(421,422,423,424)은 활성층의 상부 및 하부에 마련되는 상부 및 하부 클래드층을 더 포함할 수도 있다. 또한, 발광 효율을 향상시키기 위해 금속체(410)와 이득 매질층들(421,422,423,424) 사이에는 유전체층(미도시)이 더 마련될 수도 있다.
도 13 및 도 14에는 금속체(410)에 4개의 이득 매질층(421,422,423,424)이 순차적으로 마련된 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 금속체(410)에 마련되는 이득 매질층들(421,422,423,424) 의 개수는 다양하게 변형할 수 있다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 금속체(410)에 제1, 제2, 제3 및 제4 이득 매질층(421,422,423,424)이 순차적으로 마련되어 있다. 제1, 제2, 제3 및 제4 이득 매질층(421,422,423,424) 각각은 플라즈모닉 효과에 의해 소정 파장의 레이저 광을 발생시킬 수 있다. 이러한 이득 매질층들(421,422,423,424) 각각은 도 8에 도시된 이득 매질층(220)과 동일한 형태를 가질 수 있다. 제1, 제2, 제3 및 제4 이득 매질층(421,422,423,424)은 각각 환형 구조를 가질 수 있다. 한편, 금속체(410)의 상면에는 제1, 제2, 제3 및 제4 이득 매질층(421,422,423,424)이 마련되는 환형의 트렌치들(미도시)이 형성되어 있을 수 있다.
제1, 제2, 제3 및 제4 이득 매질층(421,422,423,424) 각각의 폭은 레이저 광들의 파장 보다 작을 수 있다. 예를 들면, 제1, 제2, 제3 및 제4 이득 매질층(421,422,423,424) 각각의 폭은 대략 수십 nm 이상, 보다 구체적으로 50nm 이상이 될 수 있다. 또한, 제1, 제2, 제3 및 제4 이득 매질층(421,422,423,424) (120) 각각의 폭은 레이저 광의 파장의 1/2 이하가 될 수 있다. 제1, 제2, 제3 및 제4 이득 매질층(421,422,423,424) 각각의 외경은 예를 들어, 수백 nm ~ 수 ㎛ 정도가 될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 또한, 제1, 제2, 제3 및 제4 이득 매질층(421,422,423,424) 각각의 두께는 수십 nm ~ 수백 nm 정도가 될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1, 제2, 제3 및 제4 이득 매질층(421,422,423,424) 각각은 하나의 파장을 가지는 단일 모드의 레이저 광을 발생시킬 수 있다. 이를 위해, 제1, 제2, 제3 및 제4 이득 매질층(421,422,423,424) 각각은 단일 모드의 레이저 광을 발생시킬 수 있는 단면 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 제1, 제2, 제3 및 제4 이득 매질층(421,422,423,424) 각각은 삼각형의 단면 형상을 가질 수 있다.
또한, 제1, 제2, 제3 및 제4 이득 매질층(421,422,423,424)은 서로 다른 λ1, λ2, λ3 및 λ4의 파장을 가지는 레이저 광들을 발생시킬 수 있다. 이와 같이, 제1, 제2, 제3 및 제4 이득 매질층(421,422,423,424)이 서로 다른 파장을 가지는 레이저 광들을 발생시키기 위해서 도 13에 도시된 바와 같이 제1, 제2, 제3 및 제4 이득 매질층(421,422,423,424)은 서로 다른 외경을 가질 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로, 이외에도 제1, 제2, 제3 및 제4 이득 매질층(421,422,423,424)의 폭이나 내경 등을 변화시킴으로써 서로 다른 파장의 레이저 광들을 발생시킬 수 있다.
이상과 같이, 금속체(410)에 각각이 단일 모드를 구현할 수 있는 환형 구조의 이득 매질층들(421,422,423,424)을 마련함으로써 서로 다른 파장의 레이저 광들을 방출시킬 수 있는 멀티 파장용 레이저 공진기 어레이(400)를 제작할 수 있다.
도 16은 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저 공진기 어레이(500)를 도시한 평면도이다.
도 16을 참조하면, 레이저 공진기 어레이(500)는 금속체(510)와, 이 금속체(510)에 마련되는 복수의 이득 매질층(521,522,523,524)과, 이 이득 매질층들(521,522,523,524) 각각에 마련되는 적어도 하나의 흡수체(531,532,533,534)를 포함한다.
이득 매질층들(521,522,523,524) 각각은 펌핑 또는 전기적 펌핑에 의해 에너지를 흡수하여 레이저 광을 발생시키는 것으로, 반도체 물질을 포함할 수 있다. 이득 매질층들(521,522,523,524)은 반도체 물질을 포함하는 활성층을 포함할 수 있다. 활성층은 예를 들면, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질, Ⅱ-Ⅵ족 반도체 물질 또는 양자점 등을 포함할 수도 있다. 한편, 이득 매질층들(521,522,523,524)은 활성층의 상부 및 하부에 마련되는 상부 및 하부 클래드층을 더 포함할 수도 있다. 또한, 금속체(510)와 이득 매질층들(521,522,523,524) 사이에는 유전체층(미도시)이 더 마련될 수도 있다.
도 16에는 금속체(510)에 4개의 이득 매질층(521,522,523,524)이 순차적으로 마련된 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 금속체(510)에 마련되는 이득 매질층들(521,522,523,524)의 개수는 다양하게 변형할 수 있다.
도 16을 참조하면, 금속체(510)에 제1, 제2, 제3 및 제4 이득 매질층(521,522,523,524)이 순차적으로 마련되어 있다. 제1, 제2, 제3 및 제4 이득 매질층(521,522,523,524) 각각은 플라즈모닉 효과에 의해 레이저 광을 발생시킬 수 있다. 제1, 제2, 제3 및 제4 이득 매질층(521,522,523,524)은 각각 환형 구조를 가질 수 있다. 또한, 제1, 제2, 제3 및 제4 이득 매질층(521,522,523,524) 각각의 폭은 레이저 광의 파장의 1/2 이하가 될 수 있다. 여기서, 제1, 제2, 제3 및 제4 이득 매질층(521,522,523,524) 각각은 전술한 도 14 및 도 15에 도시된 이득 매질층들(421,422,423,424) 보다 큰 외경을 가질 수 있다. 한편, 금속체(510)의 상면에는 제1, 제2, 제3 및 제4 이득 매질층(521,522,523,524)이 마련되는 환형의 트렌치들(미도시)이 형성되어 있을 수 있다.
제1, 제2, 제3 및 제4 이득 매질층(521,522,523,524) 각각은 도 13에 도시된 이득 매질층(320)과 동일한 형태를 가질 수 있다. 즉, 제1, 제2, 제3 및 제4 이득 매질층(521,522,523,524)은 각각 베이스부(미도시)와 이 베이스부의 상면에 적어도 하나의 돌출부(미도시)를 포함할 수 있다. 그리고, 적어도 하나의 돌출부 사이에는 적어도 하나의 흡수체(531,532,533,534)가 마련되어 있다. 구체적으로, 제1, 제2, 제3 및 제4 이득 매질층(521,522,523,524) 각각에는 적어도 하나의 제1, 제2, 제3 및 제4 흡수체(531,532,533,534)가 마련되어 있다. 이러한 제1, 제2, 제3 및 제4 흡수체(531,532,533,534)는 다양한 모드의 레이저 광 중 원하지 않는 모드의 레이저 광을 흡수하는 역할을 할 수 있다. 이러한 흡수체들(531,532,533,534)은 금속체(510)와 일체로 형성될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 안다.
제1, 제2, 제3 및 제4 흡수체(531,532,533,534) 각각은 선택하고자 하는 특정 모드에 따라 그 개수 및 위치 중 적어도 하나를 다양하게 변화시킬 수 있다. 이러한 제1, 제2, 제3 및 제4 흡수체(531,532,533,534) 각각의 개수 및 위치 중 적어도 하나를 조절함으로써 제1, 제2, 제3 및 제4 이득 매질층(521,522,523,524) 각각에서 하나의 파장을 가지는 단일 모드의 레이저 광을 발생시킬 수 있다. 더구나, 제1, 제2, 제3 및 제4 흡수체(531,532,533,534) 각각의 개수 및 위치 중 적어도 하나를 조절함으로써 제1, 제2, 제3 및 제4 이득 매질층(521,522,523,524)이 서로 다른 λ1', λ2', λ3' 및 λ4'의 파장을 가지는 레이저 광들을 발생시킬 수 있다.
이상과 같이, 금속체(510)에 환형 구조의 이득 매질층들(521,522,523,524) 과 이 이득 매질층들(521,522,523,524) 각각에 흡수체(531,532,533,534)를 마련함으로써 서로 다른 파장의 레이저 광들을 방출시킬 수 있는 멀티 파장용 레이저 공진기 어레이(400)를 제작할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 플라즈모닉 효과에 의해 레이저 광을 발생시키는 환형 수 있는 환형 구조의 이득 매질층에서 이득 매질층의 단면을 조절하거나 또는 이득 매질층에 흡수체를 마련함으로써 원하는 파장의 공진 모드를 용이하게 선택할 수 있다. 또한, 원하지 않는 공진모드들을 제거하거나 또는 원하는 공진 모드를 다른 공진 모드들로부터 효과적으로 분리할 수 있다. 이에 따라, 레이저 공진기의 Q-factor도 향상시킬 수 있다.
이러한 공진 모드의 제어가 용이한 레이저 공진기나 레이저 공진기 어레이는 다양한 분야에 응용될 수 있다. 예를 들면, 광원을 나노 레이저 공진기로 구현함으로써 초고속, 저전력화 및 소형화된 온칩형 포토닉 IC(On-chip photonic IC)를 제작할 수 있다. 또한, 나노 레이저 공진기를 광신호 전달 수단으로 사용하게 되면 고속의 데이터 전송이 가능해지며, 또한 고속으로 신호를 전달할 수 있고 발열문제를 해결할 수 있는 광학적 TSV(Through-Silicon Via)를 실현할 수 있다. 그리고, 나노 레이저 공진기를 CMOS와 호환될 수 있는 고정밀 및 고속의 광학적 클럭 소스(clock source)로도 응용될 수 있다.
100,100',200,300.. 레이저 공진기
110,210,310,410,510.. 금속체
110a.. 트렌치
120,220,320.. 이득 매질층
150.. 유전체층
321.. 베이스부
322. 돌출부
330,530.. 흡수체
421,521.. 제1 이득 매질층
422,522.. 제2 이득 매질층
423,523.. 제3 이득 매질층
424,524.. 제4 이득 매질층
531.. 제1 흡수체
532.. 제2 흡수체
533.. 제3 흡수체
534.. 제4 흡수체

Claims (18)

  1. 외부로부터 에너지를 흡수하여 레이저 광을 발생시키는 레이저 공진기에 있어서,
    금속체(metal body);
    반도체 물질을 포함하고, 상기 금속체에 마련되어 플라즈모닉 효과(plasmonic effect)에 의해 상기 레이저 광을 발생시키는 환형 구조의(ring-shaped) 이득 매질층(gain medium layer); 및
    상기 이득 매질층에 마련된 적어도 하나의 흡수체;를 포함하는 레이저 공진기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속체에는 상기 이득 매질층이 마련되는 트렌치(trench)가 형성되어 있는 레이저 공진기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이득 매질층의 외반경(out-radius)과 내반경(in-radius)의 차이로 정의되는 상기 이득 매질층의 폭은 50nm 이상인 레이저 공진기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 이득 매질층의 단면 형상을 조절함으로써 특정 모드(mode)의 레이저 광을 선택하거나 분리하는 레이저 공진기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속체와 상기 이득 매질층 사이에는 유전체층이 더 마련되는 레이저 공진기.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 이득 매질층은 베이스부와 상기 베이스부의 상부에 돌출되게 마련되는 적어도 하나의 돌출부를 포함하는 레이저 공진기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 흡수체는 상기 적어도 하나의 돌출부 사이에 마련되는 레이저 공진기.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 흡수체는 금속 물질을 포함하는 레이저 공진기.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 흡수체의 개수 및 위치 중 적어도 하나를 조절함으로써 특정 모드의 레이저 광을 선택하거나 분리하는 레이저 공진기.
  11. 외부로부터 에너지를 흡수하여 레이저 광들을 발생시키는 레이저 공진기 어레이에 있어서,
    금속체;
    반도체 물질을 포함하고, 상기 금속체에 마련되어 플라즈모닉 효과에 의해 서로 다른 파장의 상기 레이저 광들을 발생시키는 환형 구조의 이득 매질층들; 및
    상기 이득 매질층들 각각에는 적어도 하나의 흡수체;를 포함하는 레이저 공진기 어레이.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 금속체에는 상기 이득 매질층들이 마련되는 트렌치들이 형성되어 있는 레이저 공진기 어레이.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 이득 매질층의 외반경과 내반경의 차이로 정의되는 상기 이득 매질층 의 폭은 50nm 이상인 레이저 공진기 어레이
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 이득 매질층의 단면 형상을 조절함으로써 특정 모드의 레이저 광을 선택하거나 분리하는 레이저 공진기 어레이.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 금속체와 상기 이득 매질층들 사이에는 유전체층이 더 마련되는 레이저 공진기 어레이.
  16. 삭제
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 이득 매질층 각각은 베이스부와 상기 베이스부의 상부에 돌출되게 마련되는 적어도 하나의 돌출부를 포함하고, 상기 적어도 하나의 흡수체는 상기 적어도 하나의 돌출부 사이에 마련되는 레이저 공진기 어레이.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 흡수체의 개수 및 위치 중 적어도 하나를 조절함으로써 특정 모드의 레이저 광을 선택하거나 분리하는 레이저 공진기 어레이.
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