KR100244821B1 - 발광소자와 외부변조기의 집적소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 안정하고, 칩이 작은 변조기와 레이저의 집적소자를 제공한다.
본 발명에 있어서, 반절연성 InP기판(1＆quot; )의 제1주면 상에는 GCL(50)이 형성되어 있다. 즉, InP기판(1＆quot; )의 제1주면 상에는 InGaAsP활성층(2), InGaAsP도파로(3), 2개의 위상시프트부를 갖춘 2차의 스트라이프형상 그레이팅(10)이 각각 형성되어 있다. 반절연성 InP기판(1＆quot; )의 제2주면 상에는 EA변조기(60)가 형성되어 있다. InP기판(1＆quot; )의 제2주면 상에는 p-InP층(7), 100층의 MQW구조(8), n--InP층(9) 및 n+-InP층(10)이 각각 형성되어 있다. InP기판(1＆quot; )의 제1주면과 제2주면은 서로 몇도정도 기울어져 있다.

Description

발광소자와 외부변조기의 집적소자
본 발명은 발광기능, 수광기능 및 변조기능을 갖추고, 광을 이용한 신호전송에 이용되는 반도체소자에 관한 것이다.
광통신의 분야는, 광섬유를 이용한 초고속의 장거리 대용량의 고급 통신시스템으로부터 중거리 통신, 단거리 데이터 통신까지 그 응용이 넓다.
이들에 있어서는, 신호전송용의 발광 · 수광 및 변조장치가 중요한 구성요소이다. 구동IC나 앰프도 필요하지만, 이들은 전자장치로서 일반적으로 별도의 기술범주이고, 광에 관계하는 어떤 장치를 어떻게 제작하는가가 중요한 기술이다.
(1) 이들 소자는 각각 개별 반도체소자로서 거의 독립적으로 제작된다. 이 때문에, 이들 소자를 광학얼라인먼트나 전기배선의 수고를 들이면서 조립하여 1개의 기능유닛으로 짜는 것은 상당한 비용이 든다.
예컨대, 직접 변조에 의해 신호를 구동하는 송신유닛에 이용하는 발광소자의 대표적인 것으로 반도체 레이저(이하, LD)가 있다. 이를 가장 기본적인 유닛으로 짜기 위해서는 광섬유에 대한 광결합부는 물론이고, 레이저 안정화를 위한 피드백에 이용하는 모니터용의 수광소자인 PIN포토다이오드(이하, PD)와 그에 대한 광결합기도 별도로 필요하게 된다.
또한, 송신기와는 별도로 포토다이오드를 중심으로 수신유닛을 만들 필요가 있다. 이 때문에, 송신기와 수신기는 1개의 광섬유를 공유할 수 없어 경제적이지 못하다.
이 원인은 다음과 같다.
결국, PD는 반도체기판의 표면에 플래너로 형성되고, 광신호의 입사방향은 그 표면에 수직이다. 이에 대하여, LD에서는 공진기를 표면에 대해 수평으로 형성하고, 반도체 웨이퍼를 벽개(劈開)하여 가능한한 기판 표면에 수직인 결정면으로부터 광신호를 출력한다. 결국, 광의 출사는 표면에 대해 수평하게 된다.
LD의 벽개에 의한 단면형성의 필요성은, 그 공정을 번거롭게 하는 원인에도 있다.
또한, PD는 전계동작형의 소자인 것에 대해, LD는 전류주입형 소자이고, 외부회로의 구성도 공통화 하기 어렵다.
상기 이유 때문에, 복수의 기능을 갖는 광소자를 동일 기판에 집적하기 어렵다.
표면발광소자로서, 기판에 수직으로 공진기를 형성하는, 소위 면발광 레이저가 고려되고 있다. 그러나, 이들은 실용화 되어 있지 않다. 왜냐하면, 작은 체적의 활성영역에 전류를 고밀도로 주입하기 때문에 발열하기 쉽고, 파워도 작기 때문이다. 또한, 신뢰성도 확인되어 있지 않다.
(2) 고속, 장거리의 송신모듈에 이용되는 발광소자로서 DFB(Distributed Feed back)레이저가 있다. DFB레이저는 다종모드 발진하는 FP(Fabry-Perot)레이저와 달리, 단일종모드, 즉 1개의 발진선으로 발진한다.
DFB레이저에는 도파로(공진기) 방향에 걸쳐 일정한 주기를 갖는 회절격자가 형성되어 있으며, 이 주기에 대응한 종모드가 1개만 선택적으로 발진한다. 마찬가지로, 회절격자를 이용한 소자로 DBR(Distributed Bragg Reflector)레이저가 있다. DBR레이저의 단일종모드 선택의 원리는, DFB레이저와 아주 유사하다. 따라서, 파장분산이 있는 광섬유를 통해도 신호파형이 흐트러지지 않고 멀리까지 전송된다.
그러나, 전류형 소자인 DFB-LD의 광출력의 직접변조는 그 고속동작의 한계에 이르고 있다. 전류에 의해 발생시킨 캐리어와 광의 상호작용에 의해 대역이 제한되기 때문이다. 또한, 그 복잡한 동적인 특성과 그 불안정성은, 겨우1개의 발진선으로 동작하고 있어도 발진파장의 흔들림을 촉진한다. 결국, 파장칠프(chirp)를 일으킨다. 따라서, 파이버(fiber)의 파장분산에 의한 신호파형의 열화가 제거되지 않기 때문에, 보다 먼 거리의 전송에는 적당하지 않다.
상기의 문제를 해결하기 위하여 외부변조기를 이용하는 방식이 최근 주목되고 있다. 이 방식에서는 LD를 변조시키지 않고 직류(DC)동작시켜 두고, 별도의 변조장치로 출력광을 변조한다. 이 외부변조기에는 마하젠더(Mach-Zender)형도 있지만, 최근에는 집적에 적합한 전계흡수형(EA형: Electro-absorption)이 주가 되고 있다.
(3) 지금까지는 종래기술의 일반적 배경에 대해 기술해 왔다. 본 발명은 DFB레이저 등의 발광소자와 외부변조기의 집적에 그 주안점을 두고 있다. 이제부터는 구체적으로 문헌을 인용하여 도면을 이용하면서, 본 발명의 골자를 이해하기 쉽도록 설명을 진행한다.
도 9는 문헌1(K. Wakita, et al, IEEE Photonics Technology Letter, vo1. 5, NO. 8, p. 899, 1993)의 DFB레이저와 EA변조기의 모놀리식(monolithic)한 집적소자를 나타낸 것이다.
도 10은 문헌2(1. Kotaki, et al, IEEE Photonics Technobgy Letter, vo1. 5, NO. 1, p. 62, 1993)의 DFB레이저와 EA변조기의 모놀리식한 집적소자를 나타낸 것이다.
도 11은 문헌3(M. Aoki, et al, Electronics Letter, vol 27, NO. 23, p. 621, 2138, 1991)의 DFB레이저와 EA변조기의 모놀리식한 집적소자를 나타낸 것이다.
도 12는 문헌4(U. Koren, et al, Electronics Letter, vol 23, NO. 12, p. 621, 1987)의 EA변조기를 나타낸 것이다.
3개의 문헌1∼3의 집적소자의 특징은 도파로 방향에 DFB레이저와 EA변조기를 각각 집적하고 있는 것이다.
최근의 다중양자정호(MQW: multi-quantum well 구조의 활성층을 갖는 DFB레이저는 구동용의 전극을 갖추고, DC동작에 의해 일정한 출력으로 발진한다. 이 광은 도파모드광으로서 변조영역의 도파로에 결합된다. 변조영역은, 도파에 필요한 층에서만 활성영역이나 회절격자는 제거되어 있다.
변조영역에 역바이어스 전압을 신호로서 인가하면, Stark효과나 Franz-Keldysh효과 등의 전계효과에 의해 도파로의 흡수단이 장파장으로 길어진다. 이 흡수에 의해 변조기 출력측의 광출력이 대폭 감쇠하고, 이에 의해 펄스동작이 가능해진다. 전계효과는 고속이기 때문에, DFB레이저의 복잡한 동적인 특성에 영향받지 않고, 쉽게 지름 10Gbps 이상의 초고속동작이 원리적으로 가능하다. 파장칠프(chirp)도 거의 존재하지 않는다.
그러나, 이와 같은 이상적인 상태를 실현하기 위해서는 극복해야 할 곤란한 기술과제가 존재하고 있다.
예컨대, 전기적 분리(isolation)이다. 충분히 양쪽 소자의 거리를 떨어뜨릴 필요가 있다. 심각한 문제는 광학적 분리이다. DFB레이저나 DBR레이저는, 일반적으로 잔류반사에 의한 되돌아온 광에 약하고, 공진기를 왕복하는 광파의 위상조건이 변화한다. 그 때문에, 그 발진파장이나 출력이 흔들려 최악의 경우는 발진이 불안정해진다.
따라서, DFB레이저의 출력측에는 아이솔레이터(isolator)를 세트하는 등반사에는 공기를 이용한다. 변조기와 공통 도파로로 한 DFB레이저는, 잔류하는 불필요한 반사에 더 민감하다. 결국, 변조기로부터의 동적인 되돌아온 광은 파장칠프(chirp)의 원인으로 된다. 그러므로, 외부변조기를 이용하는 의미도 없어진다.
또한, 기본적으로는 광출력은 단면으로부터 취출하기 때문에, 플래너기술을 이용하기 어려워 제작이 곤란하거나, 포토다이오드(PD)와의 집적 등의 문제는 여전히 해결하고 있지 않다.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 발명된 것으로, 도파로형 단면출력의 DFB레이저와 EA변조기의 집적소자의 결점을 극복해야 하기 때문에, 표면발광형일것, 벽개가 불필요할 것, 포토다이오드(PD)와의 공통화가 가능할 것, 모놀리식의 집적이 용이할 것, 변조기로부터 되돌아온 광에 강하고 안정동작이 가능할것, 칠프(chirp)가 극히 작을 것 등을 각각 달성할 수 있는 반도체 발광소자와 외부변조기의 집적소자를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
또한, 상기 반도체 발광소자와 외부변조기의 집적소자를, 발광기능과 수광기능의 양기능을 갖는 데이터 통신용의 고속어레이 소자로 확장하는 것에 그 목적이 있다.
제1도는 본 발명의 제1실시예에 관한 집적소자를 나타낸 도면,
제2도는 본 발명의 제2실시예에 관한 집적소자를 나타낸 도면,
제3도는 본 발명의 제3실시예에 관한 집적소자를 나타낸 도면,
제4도는 본 발명의 제4실시예에 관한 집적소자를 나타낸 도면,
제5도는 본 발명의 제5실시예에 관한 집적소자를 나타낸 도면,
제6도는 본 발명의 제6실시예에 관한 집적소자를 나타낸 도면,
제7도는 본 발명의 제7실시예에 관한 집적소자를 나타낸 도면,
제8도는 본 발명의 제8실시예에 관한 집적소자를 나타낸 도면,
제9도는 종래의 집적소자를 나타낸 도면,
제10도는 종래의 집적소자를 나타낸 도면,
제11도는 종래의 집적소자를 나타낸 도면,
제12도는 종래의 EA변조기를 나타낸 도면,
제13도는 종래의 InGaAsP/InP계 GCL 및 공진기 방향의 도파광과 방사모드광의광강도분포 프로파일을 나타낸 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : n-InP층 1' : n-InP기판
1＆quot;: 반절연성 InP기판 2 : 언도프 InGaAsP활성층
3 : 언도프 InGaAsP도파로층 4 : p-InP층
5 : p-InGaAsP오믹·콘택트층 6 : InGaAs흡수층
7 : p-InP층 8,8' : MQW층 구조
9 : n--InP층 10 : n+-InGaAsP층
11 : 반절연성(SI)-InP매립층 12 : InP창 구조 매립층
15 : 2차 그레이팅(grating) 15' : 1차 그레이팅
15＆quot;: 2차 측면그레이팅 16,16' : 3λ/8위상시프트부
20 : p전극 21 : n전극
22 : SiO2막 25 : 본딩용 패드
30 : 광취출창 50 : GCL(grating-coupled DFB laser)
50' : 측면형 GCL 51 : DFB레이저
55 : 가운데 볼록형상 렌즈 56 : 고반사 다층막(반사거울)
57 : 경사진(凹면)거울 60 : 면형 EA변조기
61 : 모니터용 PIN-PD 62 : 도파로형 EA변조기
100 : 강하게 만난 방사모드광 빔
101: 통상의 방사모드광 빔 102 : 그대로 진행한 방사모드광 빔
103 : 반사하여 반전한 방사모드광 빔
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 발광소자와 외부변조기의 집적소자는, 반도체기판의 제1주면 상에 형성되고 광의 방사방향이 상기 반도체기판의 내부방향인 표면발광형의 발광소자와, 상기 반도체기판의 제2주면 상에 형성되고 상기 발광소자에 대향하는 영역에 배치되는 1개 이상의 외부변조기를 구비하고 있다.
본 발명의 발광소자와 외부변조기의 집적소자는, 반도체기판의 제1주면 상에 형성되고 광의 방사방향이 상기 반도체기판의 내부방향인 표면발광형의 복수의 발광소자와, 상기 반도체기판의 제2주면 상에 형성되고 각각의 발광소자에 대향하는 영역에 배치되는 복수의 외부변조기를 구비하고 있다.
본 발명의 발광소자와 외부변조기의 집적소자는, 표면발광형의 발광소자와, 상기 발광소자의 광의 방사방향에 배치되는 1개 이상의 외부변조기 및, 상기 발광소자와 상기 외부변조기의 사이에 배치되고 상기 발광소자와 상기 외부변조기를 전기적으로 분리함과 동시에 상기 발광소자의 광의 파장에 대해 투명한 층을 구비하고 있다.
본 발명의 발광소자와 외부변조기의 집적소자는, 표면발광형의 복수의 발광소자와, 각각의 발광소자의 광의 방사방향에 배치되는 복수의 외부변조기 및, 상기 복수의 발광소자와 상기 복수의 외부변조기의 사이에 배치되고 상기 복수의 발광소자와 상기 복수의 외부변조기를 전기적으로 분리함과 동시에 상기 복수의 발광소자의 광의 파장에 대해 투명한 층을 구비하고 있다.
상기 발광소자는 도파로의 표면측에 걸쳐 2차의 회절격자를 갖춘 그레이팅 결합형 표면발광 DFB레이저와, DBR레이저 및 경사진 반사거울 이용형 표면발광 레이저중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 외부변조기는 전계에 의해 흡수특성이 변화하는 반도체층의 성질을 이용한 소자이다.
상기 복수의 발광소자는 각각 다른 단일종모드 파장으로 발진하도록 설계되어 있다.
상기 외부변조기는 상기 발광소자의 광에 대해 변조기로서 기능하고 있지않을 경우에 수광소자로서 기능하고 있다.
상기 복수의 외부변조기의 일부를 상기 발광소자의 광에 대한 모니터용의 수광소자로서 기능시킨다.
상기 반도체기판의 제2주면 상에 있어서, 상기 외부변조기가 배치되는 영역 이외의 영역을 덮어, 상기 발광소자의 광을 차폐하는 기능을 갖는다.
상기 발광소자의 도파로의 양단면 부근의 광강도는, 상기 외부변조기가 배치되는 영역의 바로 아래영역의 광강도 보다도 작게 조정되어 있다.
상기 발광소자의 도파로의 광강도 분포는, 상기 외부변조기가 배치되는 영역의 바로 아래영역에서 최대이다.
상기 외부변조기가 배치되는 영역의 바로 아래영역의 광강도는, 방사모드광끼리가 강하게 만나는 간섭에 의해 최대로 설정한다.
상기 외부변조기에 많은 광을 닿게하기 위해, 상기 발광소자의 광의 퍼짐각을 좁게하는 수속(收束)기구를 구비한다.
상기 반도체기판의 제2주면은, 상기 반도체기판의 제1주면에 대해 소정의 각도만큼 기울어져 있다.
본 발명의 발광소자와 외부변조기의 집적소자는, 반도체기판의 제1주면 상에 형성되고 방사모드의 광의 간섭에 의해 면발광의 광강도가 증가한 출력광을 취출 가능하도록 그레이팅의 위상의 시프트량을 가진 그레이팅 결합형 표면발광 DFB레이저와, 상기 제1주면과는 몇도의 각도를 이루는 상기 반도체기판의 제2주면 상에 형성되고 상기 그레이팅 결합형 표면발광 DFB레이저의 강하게 만나는 간섭에 의한 출력광에 대응하는 부분예 MQW(Multi Quantum Wel1)층을 갖춘 변조기를 구비하고 있다.
상기 시프트량은 도파 파장의 3/8이고, 상기 몇도의 각도는 3도이다. 상기 그레이팅 결합형 표면발광 DFB레이저는 릿지(ridge)형 도파로 구조를 갖고, 그 양단에는 무반사 코팅이 시행되어 있다.
상기 그레이팅 결합형 표면발광 DFB레이저의 양단면 부근의 광강도가 약해지도록 구성되어 있다.
상기 반도체기판의 제2주면측에는, 상기 그레이팅 결합형 표면발광 DFB레이저의 출력광을 흡수하는 흡수층이 설치되면서, 상기 흡수층에는 상기 그레이팅 결합형 표면발광 DFB레이저의 강하게 만나는 간섭에 의한 출력광에 대응하는 부분에 개구가 설치되어 있다.
상기 변조기는 원통형의 메사형을 갖추고 있다. 상기 그레이팅 결합형 표면발광 DFB레이저는 릿지형 도파로 구조를 갖고, 상기 변조기는 상기 그레이팅 결합형 표면발광 DFB레이저에 걸쳐 복수개 배치되어 있다.
상기 그레이팅 결합형 표면발광 DFB레이저와 상기 변조기의 사이에는 상기 그레이팅 결합형 표면발광 DFB레이저의 출력광을 상기 변조기에 수속하는 렌즈가 설치되어 있다.
상기 그레이팅 결합형 표면발광 DFB레이저 상의 일부에는 반사거울이 설치되고, 상기 반도체기판의 내부방향에 직접 방사되는 출력광과 상기 반사거울에 의해 반사하여 상기 반도체기판의 내부방향으로 방사되는 출력광이 간섭에 의해 광강도를 강하게 하도록 구성되어 있다.
[실시예]
이하, 예시도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명에서는 기본적으로, 발광소자 그것은 동적인 특성을 필요로 하지 않는 면발광소자를 이용한다. 즉, TFT-LCD(Thin film transistor-Liquid crystal display)와 같이 고속의 변조, 수광의 기능을 갖는 소자의 집적 화면에 대해 발광소자가 공통의 백라이트라는 컨셉트를 중시한다.
그 때문에, 그레이팅(회절격자) 결합형의 DFB레이저 또는 DFB레이저를 백라이트로서 이용한다.
그레이팅 결합형 소자(GCL: Grating-coupled laser)의 광출력은 도파로 모드가 아니고 방사모드이기 때문에, 그 광선이 퍼지는 각은 회절격자 방향에서는 몇도로 극히 좁다. 따라서, 약간 반사되어 되돌아오는 광의 각도를 벌리는 것만으로, GCL의 공진기로는 되돌아오기 어렵다.
또한, 45도로 기울어진 반사거울을 DFB레이저의 도파로 광출력측에 설치하는것에 의해서도 고출력의 의사면(疑似面)발광레이저를 실현할 수 있다.
면발광 LED를 백라이트로서 이용하는 것도 단거리 통신에서는 가능하지만, 스팩틀 폭이 넓기 때문에, 변조기의 파장의 다이나믹 범위가 크지 않으면 안된다. 장파장측 또는 단파장측의 파장성분을 컷트하는 필터를 사이에 삽입할 수도 있다.
외부변조기도, 도파로형이 아니라 면형을 이용하는 EA변조기는 역바이어스로 동작시키는 전계형 디바이스이다. 수광소자인 PIN포토다이오드(PD)도 마찬가지이다. 원리적으로 면형의 EA변조기는 PIN-PD로서도 동작할 수 있다. 따라서, 출력과 입력을 공통의 디바이스로 실현할 수 있게 된다. 이 결과, 1개의 파이버로 간단히 쌍방향통신이 가능해진다. 입출력신호의 증폭과 함께 공통의 파이버·앰프를 이용할 수도 있다.
면형 디바이스는, 일반적으로 집적화가 용이하다. 플래너기술을 적용할 수 있기 때문이다.
EA변조기겸 PD의 집적군과 GCL 등의 발광소자군을 전기적으로 분리하면서 광학적으로는 투과성이 있는 면영역에서 사이를 두면, 각각의 디바이스군의 제작공정이 통합되기 쉬워 제조하기 쉬워진다. 특히, 이 사이를 둘 격벽층을 반절연성 기판 그것으로 하면, 제작은 더욱 용이해진다.
DC동작에서 양호한 전류형의 발광소자를 기판의 편측에 집적하고, 고속성등이 요구되는 전계형 소자를 더 한쪽측에 집적하면, 각각의 면에서 플래너기술을 적용하기 쉽고, 제작상 극히 형편이 좋다.
입출력면을 렌즈형상으로 가공하는 등의 고성능화를 용이하게 실현할 수 있는 것도, 플래너기술 적용가능한 면형집적방식에서만의 장점이다.
이와 같이, 본 발명은 단순히 종래기술의 조합에 그치지 않고, 혁신적인 효과를 산출할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 외부변조기도 EA변조기로 한정하지 않고 새로운 원리에 기초한 디바이스도 제안하고 있다. 즉, GCL로부터 상하로 발생되는 방사모드광의 간섭을 이용한 것이다.
또한, 기본적인 요건으로서 면형 집적소자에 상관하지 않고, 단순히 광원으로서 도파로의 측면에 회절격자가 있는 GCL이나 45도 반사거울을 출력측에 갖추고, 기판면에 평행한 출력을 이용하는 발광소자를 사용하는 것도 본 발명은 포함하고 있다. 신규성이 있고, 집적의 경우에 고밀도화 하기 쉽다는 장점이 있기 때문이다.
본 발명은 이들을 폭넓게 망라한 기본구성을 나타내고 있다. 예컨대, 발광소자군과 변조기군은 모노리식으로 집적하는 것도 물론 포함하지만, 2개의 군이 각각의 기판에 집적화 되고, 분위기층을 매개로 적절하게 위치맞춰진다는 구성을 포함하는 것도 막을 수 없다.
GCL의 동작을 설명한다.
GCL, 즉 2차 이상의 회절격자를 이용한 그레이팅 결합형 표면발광 DFB레이저는, 통상의 DFB레이저와 마찬가지로, 표면에 평행한 방향의 공진기에서 발진한다. 다만 다른것은, 그 광출력이 단면 방향으로부터 나오는 도파로 모드광이외에, 그레이팅(회절격자) 전체로부터 나오는 방사모드광도 사용할 수 있는점이다.
그레이팅이 마침 2차의 경우는, 공진기 방향에 수직으로 방사되기 때문에, 면발광출력하게 된다. 방사모드의 빔은 그레이팅에 대해 수직으로 상하 두방향으로 출사된다. 그 중 한쪽을 면발광출력으로서 사용할 수 있다. 다른쪽은 흡수시켜 이용하거나, 또는 반사시켜 출력광선과 강하게 만나는 간섭을 시켜 이용할 수 있다. 조정이 부적당하면 약하게 만나는 간섭이 되어 형편이 좋지않다. 도파로 모드의 단면출력도 불필요하기 때문에, 약하게 두는 쪽이 좋다.
또한, 방사모드광은 도파로를 왕복하는 2개 방향의 도파로광으로부터 각각 방사된다. 따라서, 방사모드광은 이 2개의 방향로부터 얻어진 2개의 성분으로 나누어진다. 따라서, 이 2개의 성분이 강하게 만나는 간섭을 하는지, 약하게 만나는 간섭을 하는지로 출력을 제어할 수 있다.
이것이 가능하면, 공진기 방향에서 분포를 갖게할 수 있다. 결국, 외부변조기에 결합시키는 부분의 출력을 선택적으로 크게할 수도 있다.
이를 실현하는 하나의 수단은 다음과 같다. GCL의 중앙부근의 2개 장소에 도파 파장의 3/8정도의 위상을 시프트 하는 기구(3λ/8 위상시프트)를 설치한다. 그렇게 하면, 그들간의 방사모드가 강하게 만나는 간섭에 의해 파워가강해진다.
이 구조는 단소자로서 발명자가 이미 출원하고 있다. (일본특허출원 제 63-317818호, 미국특허 제4, 958, 357호, 유럽특허출원 제88312036. 2호, 대한민국 특허 제058391호, 논문으로서는 J. Kinoshita, p. 407, IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. QE-26, NO. 3, 1990[6]).
이 기구를 도 13을 이용하여 간단히 설명한다.
이 도면은 2개의 3λ/8 위상시프트를 갖는 InGaAsP/InP계 그레이팅 결합형 표면발광 DFB레이저의 공진기 방향의 종횡단면도(a)와 공진기 방향의 도파광과 방사모드광의 광강도 분포 프로파일(b)이다.
n형 InP(1)의 위에 InGaAsP활성층(2), 그보다 밴드갭이 큰 InGaAsP도파로층(3)을 적층하고, 그 위에 2차의 그레이팅(15)을 형성한다. 이 그레이팅(15)에는 공진기 중앙을 끼운 2개의 3λ/8 위상시프트(16, 16' )가 형성되어 있다.
이 위에 p-InP층(4) 및 p-InGaAsP 오믹·콘택트층(5)을 포개어 쌓는다. 이 후, 스트라이프형상으로 콘택트층(5), p-InP층(4)을 메사 에칭하여, 릿지형도파로 구조로 했다. 더욱이, 상하 양면에 전극(20,21)을 형성한다. 2개의 3λ/8 위상시프트(16, 16' )의 사이에 대응하는 p전극(20)의 부분에는 출력용의 창(30)이 설치되어 있다.
도파로를 왕복하는 2개의 진행파(R, S)의 일부는 2차의 그레이팅(10)에 의해 방사모드 특유의 날카로운 빔(100)으로서, 기판에 수직으로 상하 방향에 방사된다.
아래로 방사된 성분은 간단을 위해, 기판 저면에서 산란되는 것으로 생각하지 않는 것으로 한다. 이 때, R파와 S파로부터 회절된 2개의 방사모드는 3λ/8 위상시프트 사이에서는 위상변화에 의해 강하게 만나는 간섭을 일으켜, 강도가 증대한다(도 13(b)의 그래프의 실선).
이를 출력으로서 취출한다. 이상이 원리이다. λ/8 위상시프트를 이용하면, 강하게 만나는 간섭으로 출력은 극히 작아진다. 더욱이, 횡단면 방향의 방사모드빔(110)의 방사각은 공진기 방향만큼 좁지 않게 30°정도의 반치전각(FWHM: ful1 width at half maximum)을 갖는다.
발명자의 앞선 출원에서는 이 위상시프트량을 변화시키는 것으로, 출력을 변조하는 것을 제안했다. 그러나, 이 경우는 시프트량의 변화로 파장도 변화하기 때문에, 칩을 작게한 경우는 적당하지 않다. 또한, 전류에 의한 변조를 실시예로 하고 있고, 완전히 변조와 발광의 분리가 이루어져 있지 않다. 따라서, 서로의 상호작용이나 크로스토크의 염려가 있다.
본 발명은 앞선 출원을 기본으로 두고 있지만, 상당한 생각이 진행된 것이다. 결국, 위상시프트량을 변조하는 것이 아니라, 외부변조기를 이용하는 것이 지나친 비약이고, 또 독특한 포인트라고 위치지울 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 관한 반도체 발광소자와 외부변조기의 집적소자를 나타내고 있다.
반절연성 InP기판(1＆quot;:semi-insulating InP substrate) 한쪽의 주면상에는 n-InP층(1), InGaAsP활성층(2) 및, InGaAsP도파로층(3)이 적층되어 있다. InGaAsP도파로층(3)은 InGaAsP활성층(2) 보다도 밴드갭이 커지도록 설정되어 있다.
InGaAsP도파로층(3) 상에는 2차의 스트라이프형상의 그레이팅(10)이 형성되어 있다.
그레이팅(10)은 전자빔으로 포토레지스트를 묘화노광한 후, 에칭으로 홈을 새김으로써 형성할 수 있다. 그레이팅(10)에는 공진기의 중앙부를 끼우도록 배치되는 2개의 (3λ/8) 위상시프트부(16, 16' )가 설치되어 있다.
더욱이, 상술한 바와 같이 광강도는 이 위상시프트부(16, 16' )의 사이에서 강하게 된다.
활성층(2)은 양자효과에 의해 고성능화 할 수 있는 MQW(Multi-quantum well)층 구조, 왜곡된(strained) MQW층 구조로 치환 가능하다. 여기에서는 간단하게 하기 위하여 단순히 활성층이라는 말로 총칭하고 있다.
그레이팅(10) 상에는 p-InP층(4) 및 스트라이프형상의 p-InGaAsP 오믹·콘택트층(5)이 형성되어 있다. 오믹·콘택트층(5) 및 p-InP층(4)은 메사 에칭되고, 릿지형 도파로 구조의 GCL(50)을 구성하고 있다.
더욱이, 상하 2개 방향으로 방출되는 방사모드빔중, 릿지(31)측에 방사된 성분은 오믹층(5)에 흡수되거나 릿지 구조에서 산란되기 때문에 고려하지 않는다.
GCL의 공진기 양단에는 무반사(AR: anti-reflection)코팅이 시행되어 있다. 도파로 모드의 양면반사를 억제하지 않으면, 종모드가 싱글로 되기 어렵게 되거나 위상시프트(16, 16' )의 효과가 나타나지 않기 때문이다.
또한, GCL의 공진기의 양단면으로부터의 방사는 불필요함과 더불어 유해하다. 이들 양단면으로부터의 방사를 피하기 위해서는, 양단면에서의 광강도를 약하게 하는 것이 유효하다.
예컨대, 양단면 부근에 회절격자를 만들지 않거나, 또는 양단면 부근을 비여기영역으로 하여 도파로 손상을 크게하거나, 또는 활성층을 없게하여 InP층(12)만으로 하는, 소위 창구조로 하기도 함으로써 양단면에서의 광강도를 약하게 할 수 있다.
다음에, 전극에 대하여 설명한다.
n측 전극(21)은 n-InP층(1) 상에 형성되어 있다. n측 전극(21)은 p측 전극(20)과 전기적으로 분리되어 있다. 다만, 이들 전극은 다음에 기술하는 기판(1＆quot; )의 다른쪽의 주면에 형성되는 변조기겸 PD소자의 전극과 거의 동시에 형성된다. 릿지·스트라이프도 기판(1＆quot; )의 다른쪽의 주면에 있어서의 결정성장 후에 형성해도 된다.
반절연성 기판(1＆quot; )의 다른쪽의 주면은, GCL(50)의 공진기 방향에 몇도(예컨대, 3도)정도 기울어져 연마해 있다.
반절연성 기판(1＆quot; )의 다른쪽의 주면 상에는, InGaAs흡수층(6)이 형성되어있다. 이 흡수층(6)에는 GCL(50)로부터의 방사모드광이 강하게 만나는 간섭에 의해 가장 강해지는 2개의 (3λ/8) 위상시프트(16, 16' )의 사이로부터의 빔(100)이 방사되는 영역에 대응하여 개구(창)가 설치되어 있다. 이 개구는 여분의 방사모드광이 변조기 이외의 부분으로부터 밖으로 누설되는 것을 방지하기 위해 형성한 것이다.
개구부의 반절연성 기판(1＆quot; ) 상에는 p-InP층(7), 100층의 MQW구조(8), n-InP층(9), n+-InP층(10)이 형성되어 있다. 이들의 층(7∼10)은 원통형의 메사형을 갖고 있다. 이들의 층(7∼10)의 주위에는 SI(반절연성)-InP층(11)이 형성되어 있다.
n+-InP층(10)에 접하도록 링형상의 n전극(21' )이 형성되어 있다. p전극(20' )은 p-InP층(7) 상에 형성되어 있다. 즉, 반절연성 기판(1＆quot; ) 상의 다른쪽의 주면상에는 도 12(문헌4)에 나타내고 있는 표면형 EA변조기와 마찬가지인 구성의 변조기(60)가 형성되어 있다. 이 변조기는 기판측으로부터의 광을 온·오프하여 출력하는 것이다. 광의 출력면은 웨이퍼 표면인 것으로, 플래너기술을 이용하여 간단히 렌즈 형성이 가능하다. 이에 의해, 본 발명의 집적소자와 파이버의 결합이 용이해진다.
본딩와이어(32)는 전극(21', 25)에 설치된 본딩용 패드에 접속되어 있다.
상술한 바와 같은 집적소자는 전류에 의해 발열하는 레이저(GCL)측을 아래로 플립-칩(flip-chip) 실장된다.
상술한 집적소자에 있어서, GCL(50)이 DC동작하여 EA변조기(60)에 역바이어스 전압신호가 인가되면, 방사모드빔(100)이 MQW층 구조(8)로 흡수되어 출력이 오프로 된다. 이것이 송신모드이다.
이 때, GCL(50)의 위상시프트부(16, 16' )의 외측으로부터의 방사모드광(101)의 일부는 PD(61)로 흡수되어 모니터된다. PD(61)는 EA변조기(60)와 모든 구조가 같지만, 일정한 역바이어스를 걸어 PD로서 동작시킨다. 이 외부회로에 흐르는 포토커런트를 모니터 하여 GCL의 출력이 안정하도록 제어한다.
마찬가지로, 송신모드가 아닌 경우는 GCL(50)을 오프시켜 EA변조기(60)에 소정의 역바이어스를 인가하여 PD로서 동작시켜 수신모드로 할 수 있다. 이에 의해, 송수신유닛을 일체화 하기 쉬워진다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 관한 반도체 발광소자와 외부변조기의 집적 소자를 나타내고 있다.
본 실시예에서는 GCL이 긴 공진기에 걸쳐 방사모드를 출력할 수 있는 것을 이용하여 1개의 GCL(50)에 대해 복수의 EA변조기(60, ...)를 공진기에 걸쳐 복수개 집적하고 있다.
각각의 변조기는, 예컨대 반절연층으로 매립하지 않은 원통형 메사구조를 갖추고 있다.
더욱이, 본 실시예에서는 GCL의 방사모드광이 균일한 것으로 판정하고 있지만, 각 변조기에 대응하는 장소에 적당한 위상시프트를 형성함으로써 공진기 축방향의 출력분포를 조정할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 관한 반도체 발광소자와 외부변조기의 집적 소자를 나타내고 있다.
본 실시예에서는 복수의 GCL(50, ...)을 갖추고, 각각의 GCL(50)에 대해 복수의 EA변조기(60, ...)를 공진기에 걸쳐 복수개 집적하고 있다.
각각의 변조기(60, ...)는, 예컨대 반절연층으로 매립하지 않은 원통형 메사구조를 갖추고 있다.
더욱이, 각각의 GCL(50, ...)의 회절격자의 주기를 조금씩 변화시키면, 발진파장이 그 변화에 따라 변화하기 때문에, 파장다중통신용 광원으로서 이용할 수 있다.
GCL에서는 출력이 방사모드로 그 빔 퍼짐각은 회절격자 방향에서는 몇도로 극히 좁다. 따라서, 약간 반사하여 되돌아 오는 광의 각도를 벌리는 것만으로 GCL의 공진기에는 광이 되돌아 오기 어려워진다.
도 1의 실시예에 있어서, 기판의 반사측의 변조기 집적면을 GCL의 공진기방향으로 몇도(예컨대, 3도)정도 기울어져 있는 것은 이 때문이다.
따라서, 변조기의 출력면이나 파이버로부터의 원·근단 반사광은 실제 거의 GCL로 되돌아 오지 않아 GCL의 극히 안정하게 동작하고 칩도 작아진다.
도 4는 본 발명의 제4실시예에 관한 반도체 발광소자와 외부변조기의 집적소자를 나타내고 있다.
GCL의 방사모드 출력은 공진기 방향에서는 빔 퍼짐이 몇도로 좁아지는 것을 상술했다. 그러나, 공진기를 횡절(橫切)하는 방향에서는 보통의 단면방사LD와 마찬가지로 방사모드빔(110)도 30도 정도의 방사각을 갖는다.
이를 효율이 좋게 변조기(60)에 집광시킬 필요가 있다. 이 때문에, GCL의 기판측에는 미리 완만한 커브를 갖는 홈을 형성해 두고, InP보다 굴절율이 큰 투명한 조성의 InGaAsP를 그 홈상에 성장한 볼록한 형상의 렌즈(55)를 형성하고 있다.
도 5는 본 발명의 제5실시예에 관한 반도체 발광소자와 외부변조기의 집적소자를 나타내고 있다.
본 실시예에서는 상술한 제1실시예에 있어서의 위상시프트에 의한 강하게 만나는 간섭을 고려하고 있지 않다. 그 대신에, 기판에 수직인 상하 방향으로 갈라진 방사모드 성분을 고려한다.
릿지측(p측)으로 진행한 성분은 산란, 흡수에 의해 출력에 기여하지 않는다. 그래서, 릿지측(p측)에 고반사다층막 또는 반사거울(56)을 설치한다. 그러면, 릿지측, 결국 아래쪽으로 향한 성분(103)은 반사하여 윗쪽의 변조기(60)측으로 방향을 바꾸기 때문에, 원래 윗쪽으로 향한 성분(102)과 간섭을 일으킨다.
이 때, 반사성분의 위상이 강하게 만나는 간섭을 일으키도록, 그레이팅(15: 회절격자)과 반사막(56)의 거리를 설정해 둔다. 이 결과, 변조기(60)에 큰 입력(100)이 인가되어 출력도 증대한다.
더욱이, 상술한 실시예에서는 기판의 양측에 디바이스를 형성했지만, 반절연성 기판 대신에 반절연성 성장층을 끼운 기판의 한쪽측에 형성할 수도 있다. 다만, 이 경우는 전극패드의 형성 등이 번잡해진다.
도 6은 본 발명의 제6실시예에 관한 반도체 발광소자와 외부변조기의 집적 소자를 나타내고 있다.
본 실시예는 경사진 반사거울형의 DFB레이저(51)를 이용하고 있다. 회절격자(15' )의 차수는 1차이다. 따라서, 방사모드는 발생하지 않는다. 이 DFB레이저의 출력을 경사진 반사거울(57)로 변조기(60)측으로 방향전환 시키면, 면형집적소자가 얻어진다. 이 경우는, GCL보다 큰 출력이 얻어지기 쉽다. 반사거울(57)을 凹면 거울로서 형성하면, 한층 파워를 변조기(60)에 결합할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제7실시예에 관한 반도체 발광소자와 외부변조기의 집적 소자를 나타내고 있다.
본 실시예에서는, EA변조기로는 다른 방식의 변조기를 이용하고 있다. 상술한 제5실시예와 같이, GCL로부터 상하로 방사되는 방사모드의 간섭을 이용한다. GCL쪽을 히트싱크(heat sink)에 대해 위에 설치한다.
아래쪽으로 방사된 방사모드광을 반사거울(56)에 의해 윗쪽으로 향해, 최초로부터 위로 향한 성분과 간섭시킨다. 이 때, 반사거울측(56)에 적층한 MQW층(8' )의 굴절율을 변조하여 간섭의 정도를 변조할 수 있다. 그 결과, 강하게 만나는 간섭으로 출력을 크게하고, 약하게 만나는 간섭으로 출력을 작게 할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제8실시예에 관한 반도체 발광소자와 외부변조기의 집적소자를 나타내고 있다.
본 실시예에서는 면형 집적소자가 아니고, 단지 발광소자를 측면으로부터 방사모드광을 방출하는 GCL을 이용하고 있다. 또한, 매립형의 도파로 측면에 2차의 회절격자(15＆quot; )를 갖는 DFB레이저(50)가 배치되어 있다. 이 방식의 장점은 레이저 1개에 대해 많은 도파로형 EA변조기(62, ...)를 고밀도로 집적할수 있는 것이다. 또한, 방사모드광이 반사에 강한것은 상술한 바와 같다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 반도체 발광소자와 외부변조기의 집적소자에 의하면, 플래너기술에 의해 벽개가 불필요하고, 제작이 용이한 고밀도면형집적소자를 제공할 수 있다. 집적한 소자는 레이저와 변조기, 그리고 PD(포토다이오드)이다. GCL의 방사모드광을 이용하기 때문에, 되돌아 오는 광반사에 강하다. 변조기에 의한 10Gbps 이상의 고속동작의 용이함도 장점의 하나이다. 또한, 출력부에 있는 면형변조기는 PD도 겸할 수 있기 때문에, 모니터, 수신기능도 갖게 할 수 있다. 이것은 간편한 쌍방향 송수신유닛의구성에 상당히 유효하다. 또한, 그만큼 큰 출력파워를 필요로 하지 않는 데이터 통신의 단말용으로서는, 간단한 구성으로 고성능 및 고기능의 송수신기를 저비용으로 실현할 수 있다. 이에 의해, 광통신 방식의 가정으로의 보급이 확산되는 것이다.

Claims (22)

  1. 광이 발광되는 2차 이상의 그레이팅을 포함하는 적어도 하나의 발광소자와,
    이 발광소자의 발광면에 면하는 적어도 하나의 변조기를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 집적소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발광소자는 투명 반도체기판의 제1주면상에 제공되고, 상기 변조기는 제2주면상에 제공되는 것을 특징으로 하는 집적소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 발광소자에 따라 출력강도 프로파일을 제어하기 위해 상기 그레이팅의 적어도 하나의 위상시프트 또는 상기 그레이팅에 위상시프팅 효과를 생성하는 적어도 하나의 영역이 제공되는 것을 특징으로 하는 집적소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 발광소자는 도파로를 포함하고, 이 도파로의 양단면은 저반사영역 또는 무반사 코팅이 제공되는 것을 특징으로 하는 집적소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 변조기는 원통형의 메사형태를 갖는 것을 특징으로 하는 집적소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 변조기는 전계의 적용에 의해 가변의 흡수성을 갖는 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적소자.
  7. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 변조기는 상기 발광소자로부터 광신호출력을 모니터링 하거나 외부 광원으로부터 광입력을 검출하기 위한 수광소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적소자.
  8. 제7항에 있어서, 상기 수광소자는 PIN 포토다이오드인 것을 특징으로 하는 집적소자.
  9. 제7항에 있어서, 상기 발광소자는 활성층을 포함하지 않는 창부(window portion)를 갖춘 활성층을 포함하고, 상기 수광소자는 상기 창부에 면하는 위치에 형성된 것을 특징으로 하는 집적소자.
  10. 제7항에 있어서, 상기 수광소자가 위치되는 영역에서 광강도가 최대인 것을 특징으로 하는 집적소자.
  11. 제7항에 있어서, 상기 발광소자와 수광소자는 서로 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 집적소자.
  12. 제7항에 있어서, 상기 발광소자는 다중양자정호(MQW) 구조 또는 왜곡된(strained) MQW 구조를 갖춘 활성층을 포함하는 것을 특징으로 하는 집적소자.
  13. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 변조기가 위치되는 영역 이외의 영역에 상기 발광소자로부터의 광출력을 막기 위한 층을 더 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 집적소자.
  14. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 변조기가 위치되는 영역에서 광강도가 최대인 것을 특징으로 하는 집적소자.
  15. 제1항에 있어서, 상기 발광소자로부터의 광출력의 퍼짐각을 좁히고 상기 발광소자와 상기 적어도 하나의 변조기 사이에 위치되는 렌즈를 더 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 집적소자.
  16. 제1항에 있어서, 상기 발광소자와 상기 적어도 하나의 변조기는 서로 전기적으로 분리된 것을 특징으로 하는 집적소자.
  17. 제1항에 있어서, 상기 발광소자는 제1 및 제2방사모드빔과, 상기 변조기쪽으로 향하는 제1빔 및, 이 제1빔과 대향하는 방향의 제2빔을 방사하고, 상기 제2빔은 상기 변조기에 대향하는 측에 제공된 반사거울에 의해 상기변조기쪽으로 향하여 반사되는 것을 특징으로 하는 집적소자.
  18. 제1항에 있어서, 상기 발광소자는 대향하는 방향의 제1 및 제2방사모드빔을 방사하고, 제1빔은 상기 반사거울의 반사위상을 변경함으로써 변조기로서 기능하는 반사거울에 의해 제2빔과 같이 동일한 방향으로 반사되는 것을 특징으로 하는 집적소자.
  19. 제1항에 있어서, 상기 발광소자는 다중양자정호(MQW) 구조 또는 왜곡된 MQW 구조를 갖춘 활성층을 포함하는 것을 특징으로 하는 집적소자.
  20. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 변조기는 다중양자정호(MQW)구조를 갖춘 것을 특징으로 하는 집적소자.
  21. 제1항에 있어서, 상기 변조기와 상기 발광소자에 연결된 외부회로와,
    상기 집적소자가 설치된 히트싱크를 더 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 집적소자.
  22. 제1항에 있어서, 상기 2차 그레이팅은 상기 발광소자의 도파로 구조의 적어도 한측을 따라 제공되고, 상기 변조기는 상기 발광소자와 같이 동일결정면상에 제공된 상기 발광소자의 상기 도파로 구조와 방향이 수직인 다른도파로 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적소자.
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