JP2021504976A - 波長可変レーザー - Google Patents

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Abstract

実施例は、利得領域および波長可変領域を含み、前記波長可変領域は、下部クラッド層;前記下部クラッド層上に配置される手動光導波路;前記手動光導波路上に配置される上部クラッド層;前記上部クラッド層上に配置される駆動電極;前記駆動電極上に配置される電流遮断層;前記電流遮断層上に配置されるヒーター;および前記手動光導波路を挟んで互いに向かい合うように配置される第1断熱溝と第2断熱溝を含む波長可変レーザーを開示する。

Description

本発明の一実施例は波長可変レーザーに関する。
一般的に単一の波長を出力するレーザー光源を使用する場合、各チャネルの数だけレーザー光源の数が要求されるため、光通信システムで波長資源を効率的に使用することができない。したがって、DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)などのような光通信システムでは波長資源を効率的に使用するために波長可変レーザーが要求される。
一般的に、波長可変レーザーは一つのチップに波長可変レーザーを構成する単一集積方式と2つ以上のチップをそれぞれ製作した後、チップを結合する外部共振方式とがある。
単一集積方式の波長可変レーザーは一つのチップで構成されるため小型化と低電力化が可能である反面、外部共振方式の波長可変レーザーは大きな電力が必要であり体積が大きくなる短所がある。
波長可変レーザーの場合、光を生成する利得領域と波長可変のための波長可変領域を含むことができる。半導体レーザーの波長を可変させるための方法で電流を印加する方式とマイクロヒーター(micro−heater)を利用した熱印加方式とがある。
このうち熱印加方式の場合、単一波長帯の光を所望の波長に調整するために大きな電圧を印加しなければならないため、波長可変のための熱効率が低い短所がある。
波長可変のための熱効率を増加させるために、半導体レーザーチップ内に食刻防止層(例、InGaAs層)を挿入した後、波長可変領域には食刻防止層まで選択的に食刻して断熱溝を形成することができる。しかし、レーザー内のすべての領域(特に利得領域)に食刻防止層が存在するため、レーザーの特性が低下する問題がある。
また、従来の構造では波長を可変する方法で電流を印加する方式と熱を印加する方式のうち、いずれか一つのみが選択的に可能であるため選択の幅が狭い問題がある。
実施例は断熱溝を形成するための食刻防止層がない波長可変レーザーを提供する。
実施例は熱印加方式と電流印加方式のいずれも適用可能な波長可変レーザーを提供する。
実施例で解決しようとする課題はこれに限定されず、下記で説明する課題の解決手段や実施形態から把握され得る目的や効果も含まれると言える。
本発明の一実施例に係る波長可変レーザーは、利得領域および波長可変領域を含み、前記波長可変領域は、下部クラッド層;前記下部クラッド層上に配置される手動光導波路;前記手動光導波路上に配置される上部クラッド層;前記上部クラッド層上に配置される駆動電極;前記駆動電極上に配置される電流遮断層;前記電流遮断層上に配置されるヒーター;および前記手動光導波路を挟んで互いに向かい合うように配置される第1断熱溝と第2断熱溝を含む。
前記下部クラッド層は前記第1断熱溝と第2断熱溝が連結されて形成される突起部を含み、前記突起部は第2方向に行くほど幅が狭くなる第1突起部を有し、前記第2方向は前記上部クラッド層で前記下部クラッド層方向であり得る。
前記突起部は前記第2方向に行くほど幅が広くなる第2突起部を有することができる。
前記第2突起部は前記第1突起部の下部に配置され得る。
前記第1突起部の面積は前記第2突起部の面積より大きくてもよい。
前記突起部は、最も幅が広い第1領域と最も幅が狭い第2領域の幅の比が1:0.1〜1:0.5であり得る。
前記手動光導波路は、前記第1電極によって電流が注入されるか前記ヒーターによって熱が注入される場合、屈折率が変化し得る。
本発明の他の特徴に係る波長可変レーザーは、利得領域および波長可変領域を含み、前記波長可変領域は、下部クラッド層;前記下部クラッド層間に配置される手動光導波路;前記手動光導波路上に配置される上部クラッド層;前記上部クラッド層上に配置されるヒーター;および前記下部クラッド層上に配置される第1断熱溝と第2断熱溝を含み、前記第1断熱溝と第2断熱溝は前記手動光導波路を挟んで互いに向かい合うように配置され、前記下部クラッド層は前記第1断熱溝と第2断熱溝が連結されて形成される突起部を含み、前記突起部は前記手動光導波路と遠くなるほど幅が狭くなり得る。
前記突起部の下部角の角度は50度〜70度であり得る。
本発明の実施例によると、別途の食刻停止層を必要とせずに断熱溝を形成することができる。したがって、波長可変レーザーの性能が低下することなく低電力波長可変が可能となる長所がある。
また、食刻停止層が省略されるためエピタキシャル成長が簡単になり、断熱溝を形成するための工程が簡単になる長所がある。
また、半導体物質の食刻率のみを調節して断熱溝を形成するため、チップの均一性が保障される長所がある。
また、熱または電流の選択的注入によって波長を調節できる長所がある。
本発明の多様かつ有益な長所と効果は前述した内容に限定されず、本発明の具体的な実施形態を説明する過程でより容易に理解され得るであろう。
本発明の一実施例に係る波長可変レーザーの平面図。 本発明の一実施例に係る波長可変レーザーの断面図。 図2の変形例。 図1のB−B方向断面図。 図1のC−C方向断面図。 下部クラッド層に断熱溝を形成する過程を示した図面。 下部クラッド層に断熱溝を形成する過程を示した図面。 従来の波長可変レーザーの波長可変領域の断面図。 図8の変形例。 従来の波長可変レーザーの利得領域の断面図。 図5の変形例。 本発明の他の実施例に係る波長可変レーザーの平面図。 図12のD−D方向断面図。
本実施例は他の形態に変形されたり多様な実施例が互いに組み合わせられ得、本発明の範囲は下記で説明するそれぞれの実施例に限定されるものではない。
特定の実施例で説明された事項が他の実施例で説明されていなくても、他の実施例でその事項と反対または矛盾する説明がない限り、他の実施例に関連した説明と理解され得る。
例えば、特定の実施例で構成Aに対する特徴を説明し、他の実施例で構成Bに対する特徴を説明したのであれば、構成Aと構成Bが結合された実施例が明示的に記載されていなくても、反対または矛盾する説明がない限り、本発明の権利範囲に属するものと理解されるべきである。
実施例の説明において、いずれか一つのelementが他のelementの「上(うえ)または下(した)(on or under)」に形成されるものと記載される場合において、上(うえ)または下(した)(on or under)は2つのelementが互いに直接(directly)接触されたり、一つ以上の他のelementが前記2つのelementの間に配置されて(indirectly)形成されるものをすべて含む。また「上(うえ)または下(した)(on or under)」で表現される場合、一つのelementを基準として上側方向だけでなく下側方向の意味も含むことができる。
以下では、添付した図面を参照して本発明の実施例について、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。
本実施例では単一集積波長可変レーザーの構成に基づいて本発明の技術的思想を説明するが、本発明の思想は単一集積波長可変レーザーに限定されるものではなく、他の形態の波長可変レーザーにも適用され得ることは言うまでもない。
図1は本発明の一実施例に係る波長可変レーザーの平面図であり、図2は本発明の一実施例に係る波長可変レーザーの断面図であり、図3は図2の変形例であり、図4は図1のB−B方向断面図であり、図5は図1のC−C方向断面図であり、図6および図7は下部クラッド層に断熱溝を形成する過程を示した図面である。
図1および図2を参照すると、実施例に係る波長可変レーザーは下部電極15、上部クラッド層120b、下部クラッド層120a、光導波路130、および第1電極13aを含むことができる。
波長可変レーザーは利得領域10と波長可変領域20を含むことができる。光導波路130は利得領域10に配置される光導波路(以下、能動光導波路)と波長可変領域20に配置される光導波路(手動光導波路)に区分され得、能動光導波路130aと手動光導波路130bは光学的に連結され得る。例示的に能動光導波路130aと手動光導波路130bはButt−Joint方式またはIntegrated twin guide方式で結合され得るが、必ずしもこれに限定しない。
利得領域10は複数個の半導体層をエピタキシャル成長を通じて製作することができる。複数個の半導体層の構成は特に限定しない。例示的に利得領域10の半導体層は所望の波長帯の光を生成するために、適切な組成比およびドーピング濃度が調節され得る。例示的に利得領域10の能動光導波路130aは井戸層と障壁層が交互に積層されたMQW(Multi Quantum well)構造であり得る。井戸層と障壁層の組成はInAlGaAsまたはInGaAsPを含むことができるが、必ずしもこれに限定しない。
波長可変領域20は利得領域10で生成された光の波長を変化させることができる。波長可変領域20は波長を可変させるために波長可変フィルターが必要であり、例示的にDBR(distributed bragg reflector)構造122を有することができる。DBR(distributed bragg reflector)構造122は、熱または電流が注入されると回折格子の屈折率が変化して波長が可変し得る。
この時、DBR構造122は利得領域10の前端にのみ配置されたもので図示したが、必ずしもこれに限定されず、利得領域10の前端と後端にそれぞれSG−DBR(sampled−grating distributed bragg reflector)が配置されてもよい。
第1断熱溝211と第2断熱溝212は手動光導波路130bを挟んで互いに向かい合うように配置され得る。すなわち、平面上で手動光導波路130bは、第1断熱溝211と第2断熱溝212の間に配置され得る。第1断熱溝211と第2断熱溝212は複数個に配置され得るが、必ずしもこれに限定しない。
光導波路130は下部クラッド層120a上に配置され得、上部クラッド層120bは光導波路130上に配置され得る。上部クラッド層120bと下部クラッド層120aはInPを含むことができるが、必ずしもこれに限定しない。
上部クラッド層120b上には第1電極13aが配置され得る。第1電極13aは利得領域10に電流を印加して光を生成することができる。ヒーター22は手動光導波路130bに熱を印加して屈折率を変化させることによって、光の波長を調節することができる。
図3を参照すると、実施例に係る波長可変レーザーは、能動光導波路130aが手動光導波路130b上に配置されるIntegrated twin guide構造を有してもよい。また、DBR構造122は手動光導波路130bの上部に配置されてもよい。また、サブ電極13bをさらに具備してもよい。サブ電極13bは位相の制御、熱の制御、光の制御のうち少なくとも一つのための電極であり得る。
図4を参照すると、上部クラッド層120bは能動光導波路130aの一部の領域上に配置され得る。すなわち、上部クラッド層120bは食刻過程を通じて導波路モード221上にのみ配置され得る。実施例によると、利得領域で食刻防止層がないため、レーザーの光学的および/または電気的特性が改善し得る。
図5を参照すると、波長可変領域で第1断熱溝211と第2断熱溝212は、下部電極15に近づくほど幅が増加する逆メサ形状を有することができる。また、第1断熱溝211と第2断熱溝212は下部クラッド層120aで互いに連結されて、手動光導波路130bを囲む一つの溝を形成することができる。第1断熱溝211と第2断熱溝212には別途の断熱材(図示されず)が配置されてもよいが、必ずしもこれに限定しない。
第1断熱溝211と第2断熱溝212は下部電極15に近づくほど次第に面積が増加する第1区間C1、および下部電極15に近づくほど次第に面積が減少する第2区間C3を有することができる。第1区間C1と第2区間C3の深さおよび面積などは食刻溶液の種類によって変わり得る。また、第1断熱溝211と第2断熱溝212の下部面は平坦面C2を有することができる。
下部クラッド層120aは第1断熱溝211と第2断熱溝212に囲まれた突起部123を含むことができる。波長可変領域は上部クラッド層120b、手動光導波路130b、および下部クラッド層120aの突起部123で構成される制御領域222を含むことができる。制御領域222は熱が注入されて屈折率が変化する領域であり得る。すなわち、制御領域222は波長を制御する領域であり得る。
ヒーター22は制御領域222上に配置され得る。ヒーター22はクロム(Cr)、チタン(Ti)、プラチナム(Pt)、ニッケル(Ni)、および金(Au)を含む金属のうち少なくとも一つを含むことができるが、必ずしもこれに限定しない。
制御領域222の突起部123が下部クラッド層120aと連結されていると、ヒーター22から注入される熱の一部が下部クラッド層120aに漏洩するため、手動光導波路130bに印加される熱効率が低下し得る。
しかし、実施例は突起部123に伝達された熱が第1断熱溝211と第2断熱溝212により遮断され得る。したがって、手動光導波路130bの屈折率の変化幅が大きくなるので波長可変範囲が広くなり得る。また、注入電流を低減させることもできる。
実施例によると、第1断熱溝211と第2断熱溝212は食刻溶液の露出時間を制御して形成することができる。下部クラッド層120aを食刻できる食刻溶液を選択し、該当食刻溶液による食刻角度が決定されると突起部123を形成できる食刻深さおよび食刻時間を算出することができる。食刻溶液はHbrなどが選択され得るが、必ずしもこれに限定しない。
図6を参照すると、食刻溶液を利用して第1時間の間食刻すると、第1大きさを有する第1、第2断熱溝R1、R2をそれぞれ形成することができる。その後、食刻時間を増加させると、図7のように第1、第2断熱溝R1、R2が次第に大きくなって、その結果互いに連結され得る。したがって、突起部123が形成され得る。食刻溶液は食刻角度が決定されるので突起部を作るための食刻時間を算出することができる。
実施例によると、食刻溶液の食刻率のみを調整して突起部123を形成するので食刻を終了するための食刻停止層(例:InGaAs層)を省略することができる。したがって、エピタキシャル成長時に簡単になりレーザー効率が改善し得る。
図8は従来の波長可変レーザーの波長可変領域の断面図であり、図9は図8の変形例であり、図10は従来の波長可変レーザーの利得領域の断面図であり、図11は図5の変形例である。
図8を参照すると、波長可変領域20の下部クラッド層120aには別途の食刻停止層16が配置され得る。この場合、食刻停止層16までクラッド層を食刻した後、さらに食刻停止層16を除去して最終的に断熱溝21を形成することができる。したがって、2段階の食刻が必要である。この時、図9のように断熱溝は逆メサ構造で形成してもよい。
しかし、単一集積構造では図10のように、利得領域10と波長可変領域20が同一のエピタキシャル構造を有するようになるため、必然的に利得領域10でも食刻停止層16を有するようになる問題がある。したがって、利得領域10に食刻停止層16が残っていることになるため、レーザー特性の低下の原因となり得る。また、エピタキシャル製造工程が複雑になる問題がある。
しかし、実施例によると、食刻溶液の食刻率のみを調節して制御領域222を形成するため、食刻を終了するための食刻停止層を省略することができる。したがって、エピタキシャル成長時に簡単になりレーザー効率が改善し得る。
再び図5を参照すると、実施例に係る突起部123は下部に行くほど幅が狭くなり得る。この時、突起部123の断面は三角状であり得るが、必ずしもこれに限定しない。
断面が三角状である突起部123は下部電極15と最も近い第1角222aを含むことができる。この時、第1角222aの第1角度θ1は30度〜70度であり得る。第1角の第1角度θ1と第2角度θ2は食刻溶液の食刻角度によって決定され得る。
しかし、食刻停止層を有する従来構造はクラッド層の一部のみを食刻し、後で再び食刻停止層を除去する構造であるため、制御領域222の下部面がシャープでなく平坦面を有することができる(図8および図9のB1)。このような平坦面は熱効率の観点から維持しなくてもよい。
図11を参照すると、実施例に係る第1断熱溝211と第2断熱溝212は下部クラッド層120aで互いに連結されなくてもよい。すなわち、制御領域222の突起部123は下部クラッド層120aと連結され得る。
突起部123は下部に行くほど幅が狭くなる第1突起部123aおよび下部に行くほど幅が広くなる第2突起部123bを含むことができる。このような構造によると、第2突起部123bが第1突起部123aを支持することによって制御領域222の安定した駆動が可能となり得る。特に、第1断熱溝211と第2断熱溝212に別途の断熱材が配置されていない場合、このような支持構造はさらに効果的であり得る。
第1突起部123aの面積は第2突起部123bより大きくてもよい。しかし、必ずしもこれに限定されず、第1突起部123aの面積は第2突起部123bより小さかったり同じでもよい。すなわち、第1突起部123aと第2突起部123bの面積および高さは食刻溶液の種類によって異なってもよい。
突起部123は最も幅が広い第1領域W1と最も幅が狭い第2領域W2の比(W1:W2)が1:0.1〜1:0.5であり得る。最も幅が広い第1領域W1は第1突起部123aの上面であり得、最も幅が狭い第2領域W2は第1突起部123aと第2突起部123bの境界124であり得る。
比が1:0.1より小さい場合には、第2領域W2の幅が過度に狭くなって第1突起部123aを安定的に支持し難い場合もある。また、比が1:0.5より大きい場合、第2領域W2を通じての熱損失が大きくなる問題がある。例示的に第2領域W2の幅は0.1μm〜0.5μmであり得るが、必ずしもこれに限定しない。
図12は本発明の他の実施例に係る波長可変レーザーの平面図であり、図13は図12のD−D方向断面図であり、図12およびは食刻時間が増加するにつれて反射層の食刻領域が広くなる状態を示した図面である。
図12および図13を参照すると、波長可変レーザーは利得領域10と波長可変領域20を含むことができる。光導波路130は利得領域10に配置される光導波路(以下、能動光導波路)と波長可変領域20に配置される光導波路(手動光導波路)に区分され得、能動光導波路130aと手動光導波路130bは光学的に連結され得る。例示的に能動光導波路130aと手動光導波路130bはIntegrated twin guideまたはButt−Joint方式で結合され得るが、必ずしもこれに限定しない。
図13を参照すると、波長可変領域20は、下部クラッド層120a上に配置される手動光導波路130b、手動光導波路130b上に配置される上部クラッド層120b、および上部クラッド層120b上に配置される第3電極23、第3電極23上に配置される電流遮断層24、電流遮断層24上に配置されるヒーター22、および手動光導波路130bを挟んで互いに向かい合うように配置される第1断熱溝211と第2断熱溝212を含むことができる。
実施例に係る第1断熱溝211と第2断熱溝212は下部クラッド層120aの一部の領域まで形成され得る。この時、第1断熱溝211と第2断熱溝212は下部クラッド層120aで互いに連結されなくてもよい。すなわち、制御領域222の突起部123は下部クラッド層120aと連結され得る。したがって、電流注入による屈折率の制御が可能となり得る。
突起部123は下部に行くほど幅が狭くなる第1突起部123aおよび下部に行くほど幅が広くなる第2突起部123bを含むことができる。このような構造によると、第2突起部123bが第1突起部123aを支持することによって制御領域の安定した駆動が可能となり得る。特に、第1断熱溝123aと第2断熱溝123bに別途の断熱材が配置されていない場合、このような支持構造はさらに効果的であり得る。第1突起部123aと第2突起部123bの高さは食刻溶液の種類によって異なってもよい。
第3電極(駆動電極、23)は上部クラッド層120b上に配置され得る。第3電極23と下部電極15に電流が注入されると手動光導波路130bの屈折率が変化して波長が可変され得る。電流遮断層24は第3電極23とヒーター22の間に配置され得る。
実施例によると、ヒーター23の熱を制御領域222に印加して手動光導波路130bの屈折率を変化させることによって波長を可変させてもよく、電流を注入して光導波路130bの屈折率を変化させることによって波長を可変させてもよい。
すなわち、波長可変のために第3電極23に電流を注入したり、ヒーター22に電圧を印加することができる。実施例によると、ヒーター22のみを制御して熱印加方式で波長を制御してもよく、第3電極23に電流を注入して電流印加方式で波長を制御してもよい。
しかし、必ずしもこれに限定されず、ヒーター22に電圧を印加するとともに第3電極23に電流を注入することによって、熱と電流を同時に印加してもよい。この場合、熱と電流によって同時に屈折率を制御できるため波長可変範囲が増加し得る。
突起部123は最も幅が広い第1領域W1と最も幅が狭い第2領域W2の比(W1:W2)が1:0.1〜1:0.5であり得る。比が1:0.1より小さい場合には第2領域W2の幅が過度に狭くなって第1突起部123aを安定的に支持し難い場合もある。また、第2領域W2の幅が過度に狭くなって第3電極23による電流印加時に抵抗が大きくなる問題がある。
比が1:0.5より大きい場合、第2領域W2を通じての熱損失が大きくなる問題がある。例示的に導波路モードが断熱溝の影響を受けないようにするために、第1領域W1は略10μm以上であり得る。また、第2領域124の幅は0.1μm〜0.5μmであり得るが、必ずしもこれに限定しない。
以上、実施例を中心に説明したがこれは単に例示に過ぎず、本発明を限定するものではなく、本発明が属する分野の通常の知識を有する者であれば、本実施例の本質的な特性を逸脱しない範囲で以上に例示されていない多様な変形と応用が可能であることが分かるであろう。例えば、実施例に具体的に示された各構成要素は変形して実施できるものである。そして、このような変形と応用に関係した差異点も添付された特許請求の範囲で規定する本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。

Claims (9)

  1. 利得領域および波長可変領域を含み、
    前記波長可変領域は、
    下部クラッド層;
    前記下部クラッド層上に配置される手動光導波路;
    前記手動光導波路上に配置される上部クラッド層;
    前記上部クラッド層上に配置される駆動電極;
    前記駆動電極上に配置される電流遮断層;
    前記電流遮断層上に配置されるヒーター;および
    前記手動光導波路を挟んで互いに向かい合うように配置される第1断熱溝と第2断熱溝を含む、波長可変レーザー。
  2. 前記下部クラッド層は前記第1断熱溝と第2断熱溝が連結されて形成される突起部を含み、
    前記突起部は第2方向に行くほど幅が狭くなる第1突起部を有し、
    前記第2方向は前記上部クラッド層で前記下部クラッド層方向である、請求項1に記載の波長可変レーザー。
  3. 前記突起部は前記第2方向に行くほど幅が広くなる第2突起部を有する、請求項2に記載の波長可変レーザー。
  4. 前記第2突起部は前記第1突起部の下部に配置される、請求項3に記載の波長可変レーザー。
  5. 前記第1突起部の面積は前記第2突起部の面積より大きい、請求項4に記載の波長可変レーザー。
  6. 前記突起部は、最も幅が広い第1領域と最も幅が狭い第2領域の幅の比が1:0.1〜1:0.5である、請求項3に記載の波長可変レーザー。
  7. 前記手動光導波路は、前記駆動電極によって電流が注入されたり前記ヒーターによって熱が注入される場合、屈折率が変化する、請求項1に記載の波長可変レーザー。
  8. 利得領域および波長可変領域を含み、
    前記波長可変領域は、
    下部クラッド層;
    前記下部クラッド層間に配置される手動光導波路;
    前記手動光導波路上に配置される上部クラッド層;
    前記上部クラッド層上に配置されるヒーター;および
    前記下部クラッド層上に配置される第1断熱溝と第2断熱溝を含み、
    前記第1断熱溝と第2断熱溝は前記手動光導波路を挟んで互いに向かい合うように配置され、
    前記下部クラッド層は前記第1断熱溝と第2断熱溝が連結されて形成される突起部を含み、
    前記突起部は前記手動光導波路と遠くなるほど幅が狭くなる、波長可変レーザー。
  9. 前記突起部の第1角の角度は30度〜70度である、請求項8に記載の波長可変レーザー。
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