KR100324203B1 - 순수 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 순수 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 반도체 기판 상에 결정 성장된 활성층, 완충층, 회절격자가 형성된 이득 결합층 및 클래드층을 포함하여 수직 구조를 이루는 이득 결합형 분포 궤환 반도체 레이저에 있어서, 활성층보다 밴드갭 에너지가 낮은 이득 결합층에 회절격자를 형성 한 후, 격자 사이를 굴절률 보상층으로 메워 기존의 회절격자 구조를 변화 시킴으로써, 회절격자가 형성되어 주기적인 광이득/손실을 주는 이득 결합층에서 발생하는 굴절률 변조를 굴절률 보상층으로 상쇄시킨다. 따라서 본 발명의 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저는 단일모드 수율이 높을 뿐만 아니라 높은 측모드 억제율 특성을 갖는다.
Description
본 발명은 분포 궤환형 반도체 레이저(DFB-LD: Distributed Feedback Laser Diode) 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 굴절률 결합 효과가 배제된 순수한 이득결합 회절격자를 가지는 분포 궤환형 반도체 레이저 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 장거리 대용량 광통신 시스템에 사용되는 반도체 레이저는 단일 광파장으로 동작하는 분포 궤환형 반도체 레이저가 사용된다. 분포 궤환형 반도체 레이저는 공진기 길이 방향으로 주기적인 굴절률 변조 또는 광이득/손실을 유발하는 회절격자를 활성층에 인접하여 형성시킴으로써 회절격자의 주기에 비례하는 특정 파장의 레이저 광을 공진기 내에서 분포 궤환 하도록 한다. 이러한 분포 궤환형 반도체 레이저는 회절격자에 의해 발진 광파장을 선택 할 수 있는 장점을 가지고 있다.
그러나 회절격자에 의해 분포 궤환을 받아 레이저 광으로 출력되는 빛의 파장은 주기적인 광이득/손실을 유발하는 이득 결합형의 경우 한 개 이지만, 주기적인 굴절률 변조를 유발하는 굴절률 결합의 경우 다수 개로 구성되는 경향이 있다. 그래서 개발된 것이 주기적인 광이득 또는 손실을 유발하는 회절격자를 공진기 내부에 형성시키는 방법으로서, 획기적인 단일 광파장 모드 수율 향상 뿐만 아니라측모드 억제율의 향상, 외부 궤환광의 영향에 의한 발진모드의 불안정을 억제할 수 있게 되었다.
이와 같은 이득 결합형 회절격자를 제작하기 위해서 일반적으로 사용되는 방법으로서 활성층의 위나 아래에 발진파장보다 낮은 밴드갭 에너지를 가지는 물질로 회절격자를 형성하여 광을 주기적으로 흡수하는 구조가 대표적으로 사용되고 있는데, 이득결합보다는 굴절률 차의 변화에 의한 영향이 훨씬 커서 순수한 이득 결합형 분포 궤환형 반도체 레이저를 얻을 수 없다. 이는 반도체 고유의 특징인 물질의 밴드갭 에너지와 굴절률의 반비례 관계에 의해 주기적인 이득 결합 효과에는 굴절률 결합 효과가 수반되기 때문이다.
또 다른 방법으로는 활성층의 일부를 회절격자 주기와 동일하게 식각하여 이득변화를 주는 경우인데, 이 때는 식각에 의한 활성층 내부의 손상으로 비발광 재결합 중심이 형성되어 내부 손실이 증가하여 발진임계전류가 증가하고 양자효율이 감소하는 문제점이 있고, 이 구조에서도 식각된 부분과 남은 부분 사이의 굴절률차에 의한 효과가 지배적이어서 이상적인 이득결합을 하지 못하게 된다. 이러한 굴절률 차에 의한 영향을 완화 시키기 위하여 식각된 활성층과 회절격자 사이를 굴절률 차를 완화 시킬 수 있는 층을 삽입하는 방법 등이 사용되고 있으나 효과적이지 못하고 있다.
종래의 이득 결합층에 회절격자가 형성된 분포 궤환형 반도체 레이저의 제작 순서도를 도 1에 도시하였다.
도 1의 (a)에서는 InP 반도체 기판(10) 상에 이종 접합 구조의 활성층(11)과 InP 완충층(12) 및 이득 결합층(13)을 액상결정성장 장비나 유기금속화학증착 장비를 이용하여 성장시킨다. 여기서 이득 결합층(13)은 활성층(11)에서 발진하는 레이저 광을 흡수하기 위해 활성층(11)보다 낮은 밴드갭 에너지를 가진다. 레이저 홀로그래피 또는 전자빔 리소그래피(electron-beam lithography) 방법으로 원하는 주기의 회절격자를 이득 결합층(13)에 도 1의 (b)와 같이 형성시킨 후 InP 클래드층(14)을 재성장 시킴으로써 이득 결합형 회절격자를 구비한 분포 궤환형 반도체 레이저의 수직 구조가 도 1의 (c)와 같이 완성된다.
도 1의 반도체 레이저는 회절격자가 형성된 방향으로 공진기가 형성되며 공진기의 횡방향으로는 주입된 전하와 레이저 광의 집속을 위해 활성층이 매립되거나 리지형 광도파로(ridge waveguide)의 형태를 가진다. 도 1에서 활성층에만 p-n접합이 형성되어 전하가 주입됨으로써 이득 결합층(13)은 전하를 공급 받지 못하기 때문에 자신의 밴드갭 에너지보다 큰 에너지를 가지는 활성층에서 발생한 빛을 흡수한다.
종래의 활성층에 회절격자가 형성된 분포 궤환형 반도체 레이저의 제작 순서도를 도 2에 도시하였다.
도 2의 (a)에서는 InP 반도체 기판(10) 상에 이종 접합 구조의 활성층(11)을 성장시킨다. 도 1과 마찬가지로 레이저 홀로그래피 또는 전자빔 리소그래피 방법으로 원하는 주기의 회절격자를 활성층(11)에 도 2의 (b)와 같이 식각으로 형성시킨다. InP 완충층(12)으로 활성층의 회절격자를 매립시킴으로써 활성층 자체에서 공진기 길이 방향으로 주기적인 광이득을 가지는 이득 결합형 회절격자를 구비한 분포 궤환형 반도체 레이저의 수직 구조가 도 2의 (c)와 같이 완성된다.
여기서도 활성층(11) 영역의 굴절률이 그 사이를 채우고 있는 완충층(12)의 굴절률보다 높기 때문에 굴절률 결합 효과가 동반된다. 또한 이 구조는 광이득을 담당하는 활성층의 일부를 식각, 제거하고 그 사이를 매립하는 재성장 공정이 추가되므로 이득 결합과 굴절률 결합 효과의 혼재에 의한 낮은 단일 광파장 수율 뿐만 아니라 광출력 효율이 활성층 식각이 없는 경우보다 매우 낮아지는 단점을 가진다.
이와 같이 분포 궤환형 반도체 레이저의 단일 광파장 수율을 높이고 측모드 억제율의 향상, 외부 궤환광의 영향에 의한 발진모드의 불안정을 억제 효과를 얻기 위해서는 주기적인 굴절률 결합 효과를 유발하는 회절격자 대신에 주기적인 광이득 또는 손실을 유발하는 이득 결합형 회절격자의 채용이 불가피하나, 기존의 이득 결합형 회절격자를 내장한 반도체 레이저는 굴절률 결합 효과가 항상 동반되기 때문에 순수한 이득 결합형 분포 궤환 레이저의 특성을 얻는 것이 불가능 하다.
본 발명은 상술한 바와 같이 종래 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 제조시 필연적으로 발생하는 굴절률 결합 효과를 제거 시킴으로써 단일모드 수율 뿐만 아니라 높은 측모드 억제율 특성을 가지는 순수 이득 결합형 분포 궤환 반도체 레이저 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 이득 결합층에 회절격자가 형성된 분포 궤환형 반도체 레이저의 제작 순서도
도 2는 종래의 활성층에 회절격자가 형성된 분포 궤환형 반도체 레이저 레이저의 제작 순서도
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 순수 이득결합 회절격자를 활성층 위에 형성시킨 분포 궤환형 반도체 레이저의 제작 순서도
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 순수 이득결합 회절격자를 활성층 아래에 형성시킨 분포 궤환형 반도체 레이저의 제작 순서도
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 반도체 기판 11 : 활성층
12 : 완충층 13 : 이득 결합층
14 : 클래드층 15 : 굴절률보상층
20 : 유전체막
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 순수 이득 결합형 분포 궤환 반도체 레이저는 반도체 기판 상에 결정 성장된 활성층, 완충층, 이득 결합층 및 클래드층을 포함하여 수직 구조로 구성되는 이득 결합형 분포 궤환 반도체 레이저에 있어서, 상기 활성층에 인접하고 회절격자가 형성된 이득 결합층에 의한 공진기 길이 방향의 굴절률 변조를 회절격자 사이를 채우는 굴절률 보상층으로 상쇄시킨 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 순수 이득결합 회절격자를 활성층 위에 형성시킨 분포 궤환형 반도체 레이저의 제작 순서를 보인 것으로, 다음의 일련의 공정을 거쳐 제조된다.
먼저, 도 3의 (a)에서와 같이 InP 반도체 기판(10) 상에 이종 접합 구조의 활성층(11)과 InP 완충층(12) 및 이득 결합층(13)을 액상결정성장 장비나 유기금속화학증착 장비를 이용하여 성장시킨다(제1 공정). 여기서 이득 결합층(13)은 활성층(11)에서 발진하는 레이저 광을 흡수하기 위해 활성층보다 낮은 밴드갭 에너지를 가지는 것이 바람직하다.
다음에, 레이저 홀로그래피 또는 전자빔 리소그래피 방법으로 원하는 주기의회절격자를 유전체막(20)을 식각 마스크로 사용하여 이득 결합층(13)에 도 3의 (b)와 같이 형성시킨다(제2 공정).
이어서, 도 3의 (c)와 같이 본 발명의 핵심인 회절격자 식각용 마스크로 사용된 유전체막(20)을 그대로 둔 채 회절격자의 식각한 후, 제거된 부분을 굴절률 보상층(15)으로 채운다(제3 공정).
이는 이득 결합 효과에 동반되는 굴절률 결합 효과를 배제하기위해 주기적인 광이득/손실을 유발하는 이득 결합층(13)의 회절 격자 영역의 단면적과 이득 결합층의 굴절률의 곱에 상응하는 단면적과 굴절률 곱을 가지는 굴절률 보상층(15)으로 격자 사이를 메워 줌으로써 공진기 길이 방향으로 주기적인 광손실은 유발되지만 굴절률 변조는 일어나지 않게 하기 위한 것이다. 이때 굴절률 보상층(15)은 광이득 또는 손실을 유발하지 않게 하기 위해 활성층(11)의 밴드갭 에너지보다 높게 설정되고, 따라서 굴절률은 이득 결합층(13)보다 낮아지므로 완전한 굴절률 보상을 위해서는 이득 결합층(13)의 회절 격자보다 넓은 단면적(길이 또는 높이)을 가진다.
끝으로, 유전체막(20)을 제거한 후 InP 클래드층(14)을 재성장 시킴으로써 굴절률 결합 효과가 배제된 순수 이득 결합형 회절격자를 활성층(11) 상부에 구비한 분포 궤환형 반도체 레이저의 수직 구조가 도 3의 (d)와 같이 완성된다(제4 공정).
상기와 같은 공정에 의해 제조되는 도 3의 반도체 레이저는 회절격자가 형성된 방향으로 공진기가 형성되며 공진기의 횡방향으로는 주입된 전하와 레이저 광의집속을 위해 활성층이 매립되거나 리지형 광도파로의 형태를 가진다. 도 3에서 활성층(11)에만 p-n접합이 형성되어 전하가 주입됨으로써 이득 결합층(13)은 전하를 공급 받지 못하기 때문에 자신의 밴드갭 에너지보다 큰 에너지를 가지는 활성층(11)에서 발생한 빛을 흡수하여 주기적인 광손실을 유발하고 굴절률 보상층(15)은 활성층(11)에서 발생한 빛보다 밴드갭 에너지가 크기 때문에 광이득 또는 손실 측면에서는 투명하다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 순수 이득결합 회절격자를 활성층 아래에 형성시킨 분포 궤환형 반도체 레이저의 제작 순서를 보인 것으로 다음의 공정을 거쳐 제조된다.
먼저, 도 4의 (a)와 같이 InP 반도체 기판(10) 상에 이득 결합층(13)을 성장시킨다(제1 공정).
다음에, 순수 이득결합 회절격자를 활성층 위에 형성시킬 때와 마찬가지로 유전체막(20)을 식각 마스크로 사용하여 회절격자를 도 4의 (b)와 같이 형성한 다음, 유전체막(20)을 그대로 둔 채 회절격자의 식각한 후, 제거된 부분을 굴절률 보상층(15)을 채운다(제2, 3 공정).
여기서 굴절률 결합 효과 배제를 위한 굴절률 보상층(15)의 단면적과 밴드갭 에너지는 도 3과 같이 순수 이득결합 회절격자를 활성층 위에 형성시킨 경우와 동일하다. 즉, 굴절률 보상층(15)은 광이득 또는 손실을 유발하지 않게 하기 위해 이후에 성장되는 활성층(11)의 밴드갭 에너지보다 높게 설정된다.
끝으로, 도 4의 (d)와 같이 유전체막(20)을 제거한 후 완충층(12), 활성층(11), 클래드층(14)을 차례로 성장한다(제4 공정). 이로써 굴절률 결합 효과가 배제된 순수 이득 결합형 회절격자를 활성층 하부에 구비한 분포 궤환형 반도체 레이저의 수직 구조가 완성된다
상술한 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 레이저의 수직 구조에 있어서 활성층(11), 이득 결합층(13) 및 굴절률 보상층(15)이 완충층(12) 및 클래드층(14) 보다 굴절률이 높아서 광도파로의 기능을 수행하기 위해서는 완충층(12) 및 클래드층(14)의 밴드갭 에너지가 활성층(11), 이득 결합층(13) 및 굴절률 보상층(15) 보다 커야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 기존의 이득 결합형 분포 궤환 반도체 레이저 제작 시 회절격자가 형성되어 주기적인 광이득/손실을 주는 이득 결합층에서 필연적으로 발생하는 굴절률 변조를 굴절률 보상층으로 상쇄시키는 순수 이득 결합형 분포 궤환 반도체 레이저 구조를 제공함으로써 기존의 이득 결합과 굴절률 결합 효과가 혼재하는 반도체 레이저에 비해 높은 단일 광파장 모드 수율 뿐만 아니라 높은 측모드 억제율 및 낮은 외부 반사광 영향 등의 우수한 동작 특성을 가지는 효과가 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
Claims (7)
- 반도체 기판(10) 상에 결정 성장된 활성층(11), 완충층(12), 이득 결합층(13) 및 클래드층(14)을 포함하여 수직 구조로 구성되는 이득 결합형 분포 궤환 반도체 레이저에 있어서,상기 이득 결합층(13)에 회절격자를 형성하고, 회절격자가 형성된 이득 결합층(13)을 상기 활성층(11)에 인접하여 배치하며, 상기 이득 결합층(13)의 회절격자 사이를 굴절률 보상층(15)으로 채워 공진기 길이 방향의 굴절률 변조를 상쇄시킨 것을 특징으로 하는 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저.
- 제1항에 있어서,상기 이득 결합층(13)과 회절격자 사이를 채우는 굴절률 보상층(15)이 활성층(11)의 상부 또는 하부에 배치된 것을 특징으로 하는 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 이득 결합층(13)의 밴드갭 에너지는 상기 활성층(11) 보다 작거나 같고 상기 굴절률 보상층(15)의 밴드갭 에너지는 활성층(11) 보다 큰 것을 특징으로 하는 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 이득 결합층(13)의 회절격자의 단면적과 이득 결합층(13)의 굴절률의 곱이 굴절률 보상층(15)의 단면적과 굴절률의 곱과 같은 것을 특징으로 하는 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 완충층(12) 및 클래드층(14)의 밴드갭 에너지가 상기 활성층(11), 이득 결합층(13) 및 굴절률 보상층(15) 보다 큰 것을 특징으로 하는 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저.
- 반도체 기판(10) 상에 이종 접합 구조의 활성층(11)과 완충층(12) 및 이득 결합층(13)을 액상결정성장 장비나 유기금속화학증착 장비를 이용하여 성장시키는 제1 공정과;레이저 홀로그래피 또는 전자빔 리소그래피 방법으로 원하는 주기의 회절격자를 유전체막(20)을 식각 마스크로 사용하여 이득 결합층(13)에 형성시키는 제2공정과;회절격자 식각용 마스크로 사용된 상기 유전체막(20)을 그대로 둔 채 회절격자의 식각한 후, 제거된 부분을 굴절률 보상층(15)으로 채우는 제3 공정과;상기 유전체막(20)을 제거한 후 클래드층(14)을 재성장 시키는 제4 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 제조방법.
- 반도체 기판(10) 상에 이득 결합층(13)을 성장시키는 제1 공정과;레이저 홀로그래피 또는 전자빔 리소그래피 방법으로 원하는 주기의 회절격자를 유전체막(20)을 식각 마스크로 사용하여 상기 이득 결합층(13)에 형성하는 제2 공정과;상기 유전체막(20)을 그대로 둔 채 회절격자의 식각한 후, 제거된 부분을 굴절률 보상층(15)을 채우는 제3 공정과;상기 유전체막(20)을 제거한 후 완충층(12), 활성층(11), 클래드층(14)을 차례로 성장하는 제4 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 제조방법.
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| KR1019990040255A KR100324203B1 (ko) | 1999-09-18 | 1999-09-18 | 순수 이득결합 분포 궤환형 반도체 레이저 및 그 제조방법 |
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