GaAs/AlGaAs RTR laser was suggested as an integrable laser for optoelectronic integrated circuits (OEICs). Concept of the device was studied and the device was fabricated using GaAs material system. Effects of lateral inversion on the fundamental characteristics were investigated using beam propagation method. Monolithic integration processes using selective epitaxy technique were also studied.
A roof prism and a cube-corner prism are two-dimensional and three dimensional retroreflectors, respectively. These prisms are used as the alignment-insensitive cavity elements of the solid-state and gas lasers for adverse environments such as field operation and operation on a vibrating support. A roof prism can be formed in the compound semiconductors such as GaAs and InP taking advantage of the anisotropic wet chemical etching. For application of this prism to the semiconductor laser diode, the properties of the rooftop reflector(roof prism as a reflector) and its resonator are studied first.
Then, the operation of GaAs/AlGaAs RTR laser consisting of a cleaved facet and a GaAs rooftop reflector was demonstrated. The laser operation was confirmed by observing the narrowing of the spectral width as the injection current inceased. The TE modes were preferred to the TM modes and typical threshold current of the oxide-stripe laser with stripe width of 20 μm and cavity length of 200 μm was in the range 180-200 mA. The results also showed that the rooftop reflector with the reflectivity exceeding 0.9 could be readily obtained.
Next, the stripe-geometry GaAs/AlGaAs RTR laser was numerically studied. The axial beam incident upon the rooftop reflector of the laser is retroreflected by it and experiences lateral inversion and phase shift depending on the incident angle. This was modelled numerically and studied employing beam propagation method. From the results we can see that a perfect RTR acts as a plane mirror with power reflectivity 1.0 and other characteristics are similar to those of the conventional cleaved laser.
Finally, monolithic integration of the AlGaAs transmitter OEIC consisting of GaAs/AlGaAs RTR laser and GaAs power MESFET was attempted. Since the RTR laser structure is different from that of the conventional cleaved laser, it is needed to study integration processes first. Liquid phase epitaxy(LPE) and metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) systems were utilized. The results show that the laser structure growth using LPE followed by MESFET layer growth using selective MOCVD is a reliable process sequence.
Broad-stripe GaAs/AlGaAs lasers with RTR array were fabricated as an extended study and described in the Appendix A.
광전집적회로를 위한 집적형 레이저로서 GaAs/AlGaAs 지붕형 반사기 레이저를 제안하였다. 소자의 개념이 연구되었고 GaAs 를 재료로 하여 소자가 제작되었다. 반사기의 측면 방향으로의 역전 효과가 기본적인 특성에 미치는 영향을 BPM 방법을 이용하여 수치적으로 조사되었다. 또한 선택적 성장기술을 이용한 집적화 공정이 연구되었다.
지붕형 프리즘과 정육면체 모서리형의 프리즘은 각각 2차원과 3차원의 되반사기이다. 이러한 프리즘은 고체 또는 가스 레이저의 공명기 소자로 사용되며 정밀조정이 필요치 않기 때문에 야외 동작 또는 진동있는 곳에서의 동작에 적합하다. 지붕형 프리즘은 GaAs 또는 InP 와 같은 화합물 반도체의 비등방성 식각특성을 이용하여 이들 반도체내의 제작이 가능하다. 이 프리즘을 반도체 레이저에 응용하기 위하여 지붕형 반사기의 특성과 이를 이용한 공명기에 대해 먼저 연구하였다.
그리고 나서, 잘린 결정면과 GaAs 지붕형 반사기로 구성된 GaAs/AlGaAs 지붕형 반사기 레이저를 제작하여 동작시켰다. 주입 전류가 증가함에 따라 주파수 폭이 감소함을 관찰하므로써 레이저 동작을 확인하였다. TE 모드가 TM 모드 보다 우세하였으며, 전류 주입 띠의 폭이 20μm, 길이가 200$μ$m 일 때 동작개시 전류는 180-200mA 사이였다. 또한 반사율이 0.9 이상인 지붕형 반사기가 쉽게 제작될 수 있음을 알았다.
다음으로 띠 구조의 GaAs/AlGaAs 지붕형 반사기 레이저를 수치계산법에 의해 연구하였다. 축 방향의 레이저 빔이 지붕형 반사기에 입사하면 되반사되는데 이때 입사각에 따른 위상차와 측면 반전을 경험하게 된다. 이러한 현상이 수학적으로 모델화되었고 BPM 방법을 이용하여 분석되었다. 그 결과, 완전한 지붕형 반사기는 반사율 1.0 을 갖는 평판 반사기처럼 동작하며, 지붕형 반사기 레이저의 특성은 기존의 잘린 결정면으로 형성된 레이저나 유사함을 알았다.
끝으로 GaAs/AlGaAs 지붕형 반사기 레이저와 GaAs 전력 트랜지스터 (MESFET)로 구성된 AlGaAs 송신기용 집적회로의 제작을 시도하였다. 지붕형 반사기 레이저 구조가 기존의 레이저 구조와 다르므로, 집적화 공정이 우선 연구되었다. 액상성장장치 (LPE)와 기상성장장치 (MOCVD)가 활용되었다. 액상성장장치에 의해 레이저 구조를 형성하고, 다음에 기상성장장치에 의해 트랜지스터 구조를 형성하는 것이 신뢰성있는 공정순서임을 알았다. 지붕형 반사기 어레이를 갖는 넓은 띠 구조의 GaAs/AlGaAs 레이저의 제작도 시도되었으며 이는 부록에 기술되어 있다.
