KR100275520B1 - Radial Angle Adjustable Planar Embedded Semiconductor Laser Device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 방사각 조절 평면 매립형 반도체 레이저 장치에 관한 것으로, 반도체 레이저의 활성영역을 형성하기 위하여 에피 결정성장 후 방사각 조절영역의 광흡수 억제를 위한 식각 및 결정성장 없이 활성층 영역을 정의하기 위한 메사식각 공정에서 방사각 조절 광도파로를 제작함으로써 방사각 조절 광도파로를 통하여 작은 방사각을 얻어 광섬유와의 높은 광결합 효율을 얻을 수 있다.The present invention relates to a planar embedded semiconductor laser device having a radiation angle control, comprising a mesa for defining an active layer region without etching and crystal growth for suppressing light absorption of the radiation angle control region after epitaxial growth to form an active region of the semiconductor laser. By manufacturing the radiation control optical waveguide in the etching process, it is possible to obtain a small radiation angle through the radiation control optical waveguide to obtain a high optical coupling efficiency with the optical fiber.
Description
본 발명은 광통신용 반도체 레이저에 관한 것으로, 특히 방사각 조절 평면 매립형 이종 접합 구조를 갖는 반도체 레이저 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor laser for optical communications, and more particularly to a semiconductor laser device having a radiation angle control plane buried heterojunction structure.
광통신에 사용되는 반도체 레이저는 일반적으로 낮은 발진 임계전류, 높은 양자효율 등의 특성을 갖는 평면 매립형 반도체 레이저가 사용된다. 현재 광통신 분야에서 최종적으로 도달해야 하는 목표는 가입자까지 광통신이 가능하도록 하는 것으로서, 이 경우에 사용되는 광송신기는 고성능 뿐만 아니라 저가격화를 동시에 만족시켜야 한다. 따라서 가입자망에 사용될 광송신기 모듈은 반도체 레이저에 광섬유를 부착할 때 렌즈계를 사용하지 않고 모듈 제작 공정을 단순화시킨 방법이 사용되는데, 통상의 평면 매립형 반도체 레이저에서의 출사광의 형태는 활성층과 수직한 방향과 수평한 방향의 비가 다른 타원형을 이루게 되고, 이를 원형의 수광 단면적을 가지는 광섬유와 직접 광결합을 할 경우에 많은 광손실을 가져오게 된다.BACKGROUND ART Semiconductor lasers used in optical communication generally use planar embedded semiconductor lasers having characteristics such as low oscillation threshold current and high quantum efficiency. The final goal in the current optical communication field is to enable optical communication to subscribers, and the optical transmitter used in this case must satisfy not only high performance but also low cost. Therefore, the optical transmitter module to be used in the subscriber network uses a method that simplifies the module manufacturing process without using a lens system when attaching an optical fiber to a semiconductor laser. The shape of the emitted light in a conventional planar embedded semiconductor laser is perpendicular to the active layer. The ratio of the horizontal direction to the horizontal direction is different from the elliptical shape, which causes a lot of light loss when directly optically coupled to the optical fiber having a circular light receiving cross-sectional area.
또한 원시야상의 방사각도가 크기 때문에 광섬유와의 광정렬시 허용오차가 작다는 문제점을 가지고 있다.In addition, since the radiation angle of the primitive field is large, the tolerance of optical alignment with the optical fiber is small.
도 1은 종래의 방사각 조절 평면 매립형 반도체 레이저의 구조이다.1 is a structure of a conventional radiation angle control plane buried semiconductor laser.
도 1(a)는 종래의 방사각 조절 평면 매립형 반도체 레이저의 평면도로서, 활성영역(10) 앞에 방사각 조절을 위한 수동영역인 광도파로(11)를 좁게 함으로써 도파로내의 광가둠계수를 적게 하여 방사각을 적게 만드는 경우의 도파로 모양을 나타낸 것이다. 이 경우에는 도파로의 폭 또는 두께를 출사면에서 작게 하여 줌으로써 광가둠계수가 작아 도파광이 광도파로 주위로 넓게 퍼진 형태를 이루게 되어 출사면에서의 방사각은 작아지게 된다.FIG. 1 (a) is a plan view of a conventional radiation angle-controlled buried semiconductor laser. The optical waveguide 11, which is a passive region for adjusting the radiation angle, is narrowed in front of the active region 10 to reduce the optical confinement coefficient in the waveguide. It shows the shape of waveguide in case of making less square. In this case, by reducing the width or thickness of the waveguide at the emission surface, the light confinement coefficient is small, so that the waveguide light spreads around the optical waveguide and the radiation angle at the emission surface is reduced.
도 1(b)는 종래의 다른 방사각 조절 평면 매립형 반도체 레이저의 평면도로서, 활성영역(20) 앞에 방사각 조절을 위한 수동영역인 광도파로(21)를 넓게 함으로써 방사각을 적게 만드는 경우의 도파로 모양을 나타낸 것이다. 이 경우에는 넓은 광도파로를 따라 도파광이 분포하게 되어 출사면에서의 방사각이 작아지게 된다.FIG. 1 (b) is a plan view of another conventional radiation angle control plane buried semiconductor laser, and the waveguide in the case where the radiation angle is reduced by widening the optical waveguide 21, which is a passive region for adjusting the radiation angle, in front of the active region 20. FIG. It shows the shape. In this case, the guided light is distributed along the wide optical waveguide, and the radiation angle at the exit surface becomes small.
이와 같이 종래의 방사각의 조절에 있어서는 광도파로의 폭 뿐만 아니라 두께의 변화로도 똑 같은 효과를 얻을 수가 있다. 출사면 쪽의 수동 광도파로는 일반적으로 활성영역보다 밴드갭이 큰 물질을 사용함으로써 광도파시 흡수에 의한 손실이 최소가 되도록 하고 있다.Thus, in the conventional adjustment of the radiation angle, the same effect can be obtained not only by the width of the optical waveguide but also by the change of the thickness. Passive optical waveguides on the exit surface side generally use a material with a larger bandgap than the active region to minimize the loss due to absorption during optical waveguide.
도 1(c)는 종래의 방사각 조절 평면 매립형 반도체 레이저의 단면도이다.1 (c) is a cross-sectional view of a conventional radiation angle control plane buried semiconductor laser.
도 1(c)에 도시된 바와 같이 반절연 화합물 반도체기판(30) 위에 활성층(31) 및 p형 InP 크레드(32)층을 차례로 성장시킨 후, 활성층(31)의 전류 및 광을 가두기 위하여 p형 InP 전류 차단층(33)과 n형 InP 전류 차단층(34)을 재성장 시킨다. 이어서, 도 1(c)에 나타내지 않았지만 메사 식각을 위해 사용된 절연막을 제거한 후 p형 InP 크래드층(35)과 p형 오옴 접촉층(36)을 성장시킨 후 금속층을 증착시켜 최종적인 반도체 레이저의 제작이 완료된다.As shown in FIG. 1 (c), the active layer 31 and the p-type InP clad 32 layers are sequentially grown on the semi-insulating compound semiconductor substrate 30, and then p is used to trap the current and light of the active layer 31. The type InP current blocking layer 33 and the n type InP current blocking layer 34 are regrown. Subsequently, although not shown in FIG. 1C, after removing the insulating film used for mesa etching, the p-type InP clad layer 35 and the p-type ohmic contact layer 36 are grown, and then a metal layer is deposited to form a final semiconductor laser. The production of is complete.
도 1(a) 및 1(b)에 도시된 바와 같이, 종래의 방사각 조절 평면 매립형 반도체 레이저는 출사단면 쪽은 무반사막(AR coating)(13, 23) 코팅을 하고 반대쪽은 전반사막(HR coating)(12, 22) 코팅을 하여 출사면쪽의 광출력을 높이게 된다. 또한 방사각 조절 부분의 밴드 갭을 크게 하여 광흡수를 작게 할 필요가 있으므로 활성영역과 방사각 조절을 위한 수동영역은 따로 결정성장을 하여 한번 더 결정성장을 하거나 밴드 갭 및 두께를 조절할 수 있는 선택결정성장을 하여야 한다.As shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), the conventional radiation-controlled planar embedded semiconductor laser is coated with AR coatings 13 and 23 on the emission cross section and the total reflection film on the opposite side. coating (12, 22) The coating increases the light output on the exit surface. In addition, it is necessary to reduce the light absorption by increasing the band gap of the radiation angle control part. Therefore, the active area and the passive area for radiation angle control have to be grown separately, so that the crystal growth can be performed once more or the band gap and thickness can be adjusted. Crystal growth must be done.
그러나 선택결정성장시 활성영역의 결정성장 속도가 증가되므로 활성층의 밴드갭 조절이 어려울 뿐만 아니라 선택결정성장을 위한 절연막 공정과 사진식각 공정 등의 추가적인 공정을 필요로 하게 되어 이에 따른 수율 저하를 가져오게 된다.However, as the crystal growth rate of the active region increases during selective crystal growth, it is difficult to control the band gap of the active layer, and additional processes such as an insulating film process and a photolithography process for selective crystal growth are required, resulting in a decrease in yield. do.
상기와 같은 문제점을 해결 하기 위해 안출된 본 발명의 목적은 활성층 영역을 정의하기 위한 메사식각 공정에서 메사식각 패턴만을 변화시킴으로써 방사각 조절 광도파로를 활용하여 방사각을 조절하는 평면 매립형 반도체 레이저를 제공하는데 있다.An object of the present invention devised to solve the above problems is to provide a planar buried semiconductor laser to control the radiation angle by using a radiation angle control optical waveguide by changing only the mesa etching pattern in the mesa etching process for defining the active layer region. It is.
본 발명의 다른 목적은 반도체 레이저의 출사면 쪽에 방사각 조절을 위한 수동 광도파로를 제작하여 하려 한다.Another object of the present invention is to manufacture a passive optical waveguide for adjusting the radiation angle on the emission surface side of the semiconductor laser.
도 1은 종래의 방사각 조절 평면 매립형 반도체 레이저의 평면도 및 단면도.1 is a plan view and a cross-sectional view of a conventional radiation angle control plane buried semiconductor laser.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 방사각 조절 평면 매립형 반도체 레이저의 평면도.2 is a plan view of a radiation angle control plane buried semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention;
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 방사각 조절 평면 매립형 반도체 레이저의 평면도3 is a plan view of a radiation angle control plane buried semiconductor laser according to a second embodiment of the present invention;
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10, 20, 40, 50: 활성영역 11, 21 42, 53 : 광도파로10, 20, 40, 50: active region 11, 21 42, 53: optical waveguide
12, 22, 41, 51 : 전반사막 13, 23, 52 : 무반사막12, 22, 41, 51: total reflection film 13, 23, 52: anti-reflection film
31 : 활성층 32 : p형 InP 클래드층31 active layer 32 p-type InP cladding layer
33 : p형 InP 전류차단층 34 : n형 InP 전류차단층33: p-type InP current blocking layer 34: n-type InP current blocking layer
35 : p형 InP 클래드층 36 : p형 InGaAs 오옴접촉층35: p-type InP clad layer 36: p-type InGaAs ohmic contact layer
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 실시예에 따른 방사각 조절 평면 매립형 이종접합 반도체 레이저는 반도체 레이저의 동작을 위한 활성영역과, 활성영역에 방사각을 조절을 위한 기울어진 광도파로 및 활성영역에서 반도체 레이저의 동작을 시키기 위한 전반사막으로 구성됨을 특징으로 한다.According to a first embodiment of the present invention for achieving the above object, the radiation angle control plane buried heterojunction semiconductor laser includes an active region for operating a semiconductor laser and an inclined optical waveguide for adjusting the radiation angle in the active region. And a total reflection film for operating the semiconductor laser in the active region.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 실시예에 따른 방사각 조절 평면 매립형 이종접합 반도체 레이저는 반도체 레이저의 동작을 위한 "⊃" 형태의 활성영역과, 활성영역에 추가되어 방사각 조절을 위한 광도파로와, 활성영역에서 반도체 레이저의 동작을 시키기 위한 전반사막 및 광도파로에 높은 광출력을 얻기 위한 무사막으로 구성됨을 특징으로 한다.Radiation angle control plane buried heterojunction semiconductor laser according to a second embodiment of the present invention for achieving the above object is an active region of the "⊃" type for the operation of the semiconductor laser, and the radiation angle adjustment in addition to the active region And an optical waveguide for the optical waveguide, a total reflection film for operating the semiconductor laser in the active region, and an unshielded film for obtaining high light output in the optical waveguide.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 방사각 조절 평면 매립형 반도체 레이저의 평면도이다.2 is a plan view of a radiation angle control plane buried semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention.
먼저, 도 2에 나타내지 않았지만 화합물 반도체 기판위에 형성된 활성층과 p형 InP 클래드층을 연속적으로 1차 결정을 성장한다.First, although not shown in FIG. 2, primary crystals are successively grown on the active layer and the p-type InP clad layer formed on the compound semiconductor substrate.
이어서, 직선 형태의 활성영역(40)을 정의 하기 위한 메사식각 공정에서 방사각 조절 광도파로(42)를 전반사막(41)이 코팅된 거울면에 대하여 전반사가 일어나지 않도록 기울어진 형태의 마스크를 사용하여 메사식각을 수행한 후, 2차 결정성장을 통한 p형 InP 전류차단층, n형 InP 전류 차단층을 만든 후 절연막을 제거하고 p형 InP 클래드층과 p형 InGaAs 오옴 접촉층을 3차 결정성장을 통하여 제작한다.Subsequently, in the mesa etching process for defining the linear active region 40, a mask having a shape inclined so that total reflection does not occur on the mirror surface coated with the total reflection film 41 is used for the radiation angle adjusting optical waveguide 42. After the mesa etching, the p-type InP current blocking layer and the n-type InP current blocking layer through the second crystal growth were made, the insulating film was removed, and the p-type InP cladding layer and the p-type InGaAs ohmic contact layer were formed in the third crystal. Produce through growth.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 방사각 조절 평면 매립형 반도체 레이저의 평면도이다.2 is a plan view of a radiation angle control plane buried semiconductor laser according to a second embodiment of the present invention.
먼저, 도 2에 나타내지 않았지만 화합물 반도체 기판위에 형성된 활성층과 p형 InP 클래드층을 연속적으로 1차 결정을 성장한다.First, although not shown in FIG. 2, primary crystals are successively grown on the active layer and the p-type InP clad layer formed on the compound semiconductor substrate.
이어서, "⊃" 형태의 활성영역(50)과 방사각 조절도파로를 정의 하기 위한 메사식각 공정에서 방사각 조절 광도파로(53)를 일정한 직선 형태의 마스크를 사용하여 메사식각을 수행한 후, 2차 결정성장을 통한 p형 InP 전류차단층, n형 InP 전류 차단층을 만든 후 절연막을 제거하고 p형 InP클래드층과 p형 InGaAs 오옴 접촉층을 3차 결정성장을 통하여 제작한다.Subsequently, in the mesa etching process for defining the active region 50 having the “각” shape and the radiation angle control waveguide, the mesa etching is performed using a mask having a constant linear shape in the radiation angle control optical waveguide 53, and then 2 After making the p-type InP current blocking layer and the n-type InP current blocking layer through the difference crystal growth, the insulating film is removed and the p-type InP cladding layer and the p-type InGaAs ohmic contact layer are fabricated through the third crystal growth.
본 발명은 종래의 방사각 조절 평면 매립형 반도체 레이저와 달리 광흡수를 억제하기 위한 수동영역 없이 활성영역에서 광도파로를 추가하여 제작한다. 반도체 레이저의 동작을 위한 이득특성은 활성영역에서 충분하게 얻고 방사각의 조절은 추가된 광도파로인 방사각 조절 광도파로를 통하여 이루어 진다. 반도체 레이저의 단일모드 동작과 함께 충분한 이득특성을 얻기 위하여 활성영역의 폭은 1.5μm 이상으로 하며, 방사각 조절 광도파로는 0.5 μm 이하의 좁은 광도파로로 제작함으로써 광가둠계수가 작아 방사각을 줄여 줄 수가 있다.The present invention is manufactured by adding an optical waveguide in an active region without a passive region for suppressing light absorption, unlike a conventional radiation angle control plane buried semiconductor laser. Gain characteristics for the operation of the semiconductor laser are sufficiently obtained in the active region, and the adjustment of the radiation angle is made through the radiation angle control optical waveguide, which is an additional optical waveguide. In order to obtain sufficient gain characteristics with single mode operation of semiconductor laser, the width of the active area is over 1.5μm, and the radiation angle control optical waveguide is manufactured with narrow optical waveguide of 0.5 μm or less to reduce the radiation angle. I can give it.
본 발명의 방사각 조절 평면 매립형 반도체 레이저 장치는 방사각 조절 수동영역을 위한 선택결정성장 공정이 없으므로 이에 따른 수율 증가 뿐만 아니라 방사각 조절 광도파로를 활성영역과 별도로 사용함으로써 반도체 레이저의 방사각을 줄여주어 광섬유와의 결합효율을 크게 향상 시킬 수가 있다.Radiation-controlled planar-embedded semiconductor laser device of the present invention does not have a selective crystal growth process for the radiation-controlled passive region, thereby increasing the yield and reducing the radiation angle of the semiconductor laser by using the radiation-controlled optical waveguide separately from the active region. It can greatly improve the coupling efficiency with the optical fiber.
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