KR100333902B1 - 레이저 다이오드 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 레이저 다이오드 모듈은 동일 기판 위에 레이저 다이오드 및 상기 레이저 다이오드에서 방출되는 광을 검출하기 위한 포토 다이오드가 동일한 적층 구조를 갖는 일체형으로 형성되어 있으며, 특히, 포토 다이오드는 5% 이하의 저반사율을 갖는 반사 방지막이 코팅되어 있는 레이저 출력면의 측면에 배치해 있는 점에 그 특징이 있다. 이에 따라, 별도의 포토 다이오드 설치 공정이 필요없어지므로, 레이저 다이오드 모듈의 제작 공정이 간단해지며, 원가가 절감된다.

Description

레이저 다이오드 모듈{Laser diode module}
본 발명은 레이저 다이오드 모듈(laser diode module)에 관한 것으로서, 상세하게는 레이저의 출력을 모니터하기 위한 포토 다이오드와 레이저 다이오드가 일체화된 레이저 다이오드 모듈에 관한 것이다.
도 1에는 일반적인 레이저 다이오드의 수직 단면 구조도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드는 n-기판(11) 위에 n-크래드층(12)이 성장되어 형성되며, 그 위에 레이저 광파를 가이드 해주는 n-광도파층(13), 레이저가 발진되는 활성층(14), n-광도파층(13)과 함께 활성층(14)를 둘러싸며 레이저 광파를 가이드 해주는 p-광도파층(15), n-크래드층(12)과 함께 활성층(14) 내의 캐리어 밀도를 높여주는 p-크래드층(16), 금속 증착을 원활하게 하기 위한 p-캡층(17), 및 전류의 흐름을 공간적으로 제한시키는 전류 차단층(18)이 순차적으로 적층 형성되어 있다.그리고, 전류 차단층(18)과 p-캡층(17)의 상부 및 n-기판(11)의 하부에는 소자에 전류를 공급하기 위한 전극층(19)(10)이 각각 마련되어 있다.
도 2에는 이와 같은 구조를 갖는 레이저 다이오드가 광원으로서 채용된 종래의 레이저 다이오드 모듈의 단면이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 종래의 레이저 다이오드 모듈은 기판(21)과, 이 기판(21) 상면에 설치되는 레이저 다이오드용 섭마운트(submount)(22)과, 이 레이저 다이오드용 섭마운트(22)의 상면에 설치되는 레이저 다이오드(23)와, 레이저 다이오드(23)의 출력면에서 방출되는 광을 수광하여 전송하는 광섬유(24)와, 이 광섬유(24)를 지지하기 위한 지지대(25)와, 레이저 다이오드(23)의 출력 반대면에서 방출되는 광을 모니터하기 위한 포토 다이오드(26)와, 이 포토 다이오드(26)를 지지하는 포토 다이오드용 섭마운트(submount) (27)를 포함하여 구성된다.
그런데, 이와 같은 종래의 레이저 다이오드 모듈은, 레이저 다이오드(23) 및 포토 다이오드(25)가 별도록 장착되어 있으므로 그 부피를 소형화시키는데 한계가 있다. 또한, 종래의 레이저 다이오드 모듈을 제작하기 위한 공정 중에는, 포토 다이오드(25)를 포토 다이오드용 섭마운트(27)에 다이 본딩(Die Bonding)하는 공정과, 이 포토 다이오드용 섭마운트(27)를 기판(21)에 다이 본딩하는 공정이 포함되므로, 그 제작 공정이 복잡해지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 레이저 출력을 모니터하기 위한 포토 다이오드 및 레이저 다이오드가 일체화된 레이저 다이오드 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 일반적인 레이저 다이오드의 수직 단면도,
도 2는 도 1의 레이저 다이오드가 채용된 종래의 레이저 다이오드 모듈의 단면도,
도 3a는 본 발명에 따른 레이저 다이오드 모듈의 형상을 개략적으로 나타내 보인 사시도,
도 3b는 도 3a의 수직 단면 구조도,
도 4a는 도 3의 레이저 다이오드 모듈에서 AR 코팅막이 형성된 레이저 출력면의 일측 가장자리에서 관찰된 스펙트럼을 나타낸 그래프,
도 4b는 도 3의 레이저 다이오드 모듈에서 HR 코팅막이 형성된 출력 반대면의 일측 가장자리에서 관찰된 스펙트럼을 나타낸 그래프,
도 5은 도 3a의 동작을 설명하기 위한 등가 회로도,
그리고 도 6a 내지 도 6g는 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 단계별 수직 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 30...n-전극층 11, 31...n-기판
12, 32...n-크래드층 13, 33...n-광도파층
14, 34...활성층 15, 35...p-광도파층
16, 36...p-크래드층 17, 37...p-캡층
18, 38...전류 차단층 19, 39...p-전극층
21...기판 22...레이저 다이오드용 섭마운트
23, 51...레이저 다이오드 24...광섬유
25...지지대 26, 40, 51...포토 다이오드
41...포토 다이오드용 섭마운트 61, 62, 63...포토 레지스트
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 레이저 다이오드 모듈은, 동일 기판 위에 레이저 다이오드 및 상기 레이저 다이오드에서 방출되는 광을 검출하기 위한 포토 다이오드가 동일한 적층 구조를 갖는 일체형으로 형성되되, 상기 포토 다이오드는 5% 이하의 저반사율을 갖는 반사 방지막이 코팅되어 있는 레이저 출력면의 일측 가장자리의 상부에 배치된 것에 그 특징이 있다.
여기서, 바람직하게는 상기 레이저 다이오드 및 상기 포토 다이오드는 각각 상기 기판 위에 제1 크래드층, 광도파층, 활성층 및 제2 크래드층을 구비하되, 상기 제2 크래드층에 레이저용 리지와 광검출용 리지가 일정한 간격으로 이격되어 형성되어 있다. 또한, 상기 레이저용 리지 위에 캡층 및 레이저용 전극이 더 형성되고, 상기 광검출용 리지 위에 포토 다이오드용 전극층이 더 형성되어 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 레이저 다이오드와 포토 다이오드가 동일 기판상에서 일체화되어 있으므로, 포토 다이오드용 섭마운트 제작, 다이 본딩등과 같은 별도의 포토 다이오드 설치 공정이 필요 없으며, 이에 따른 조립 시간 단축 및 비용 절감이 이루어진다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 레이저 다이오드 모듈의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 3a에는 본 발명에 따른 레이저 다이오드 모듈의 개략적인 형상이 도시되어 있으며, 도 3b에는 그 수직 단면 구조가 도시되어 있다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명에 따른 레이저 다이오드 모듈은, 레이저 다이오드가 형성된 기판(31)과 동일한 기판상에 포토 다이오드(40)가 일체형으로 형성되어 있는 점에 그 특징이 있다. 즉, 레이저 다이오드 및 포토 다이오드(40)는 각각 기판(31) 위에 n-크래드층(32), n-광도파층(33), 활성층(34), p-광도파층(35) 및 p-크래드층(36)을 구비하며, 특히, p-크래드층(36)에 레이저용 리지와 광검출용 리지가 일정한 간격으로 이격되어 형성되어 있다.
한편, 포토 다이오드(40)에 전류를 공급하기 위한 포토 다이오드용 전극층(41)이 광검출용 리지 위에 형성되어 있으며, 레이저용 리지 위에는 레이저 다이오드에 전류를 공급하기 위한 레이저 다이오드용 전극층이 형성되어 있다. 그리고, n-기판(31)에는 n-전극층(30)이 형성되어 있다.
이와 같은 구조를 갖는 레이저 다이오드 모듈에서, 상기 포토 다이오드(40)는 레이저 다이오드에서 방출되는 광을 검출한다. 이를 위하여, 포토 다이오드(40)는 광검출이 용이하도록 저반사율을 갖는 반사 방지막(Anti-Reflective막;이하, AR막)이 코팅된 면의 가장자리의 상부, 즉 도 3a에 도시된 바와 같이, AR면 쪽의 일측 가장자리 상부에 위치시킨다.
그 이유를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
일반적으로, 레이저 다이오드의 광출력 효율을 향상시키기 위한 방법으로서 광학적 코팅(optical coating)을 수행하는 방법이 있다. 즉, 레이저가 출사되는 출력면(이하, 전경면)에는 5％ 이내의 반사율을 갖는 AR막을 코팅하고, 그 반대면(이하, 후경면)에는 90％ 이상의 반사율을 갖는 HR(high-reflective)막을 코팅한다. 이와 같이 광학적 코팅이 이루어진 레이저 다이오드의 활성층에서는, 유도 방출되어진 광파가 후경면의 HR막에 의해 대부분 반사되어 공진됨으로써 증폭된다. 그리고, 이 증폭된 광파는 전경면의 AR막을 통해 대부분 투과된다. 이와 같이, 레이저 다이오드의 레이저 출력면 및 그 반대면에 AR막 및 HR막을 각각 코팅함으로써, AR막 및 HR막이 없는 경우보다 1.5배정도의 광출력을 얻을 수 있다.
한편, 이와 같은 AR막 및 HR막에서 방출되는 레이저 광의 스펙트럼을 파이버 팁(fiber tip)을 이용하여 측정한 결과가 도 4a 및 도 4b에 각각 도시되어 있다. AR막이 코팅된 부분의 일측 모서리 부분에서 방출되는 스펙트럼을 관찰하면 유도 방출(stimulated emission) 현상이 나타남을 알 수 있다(도 4a 참조). 따라서, 포토 다이오드(40)를 이 부분에 위치시키면, 효과적으로 레이저 출력을 모니터할 수 있다. 그러나, HR막이 코팅된 부분의 일측 모서리에서 방출되는 스텍트럼을 관찰하면, 평이한 자연 방출(spontaneous emission)만 나타난다(도 4b 참조). 이와 같은 특성은 대부분 문턱 전류(threshold current) 이하의 특성이므로 레이저 출력을 모니터하기에는 적합하지 않다. 따라서, 레이저 출력을 효과적으로 모니터하기 위해서는 AR막이 코팅된 레이저 출력면의 일측 가장자리 상부에 포토 다이오드를 형성시키는 것이 바람직하다.
그러면, 도 5에 도시된 등가 회로도를 참조하여 본 발명에 따른 레이저 다이오드 모듈의 동작을 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 레이저 다이오드 모듈의 레이저 다이오드(51) 부분은 정 바이어스가 인가된 상태에서 전류를 공급받는다. 이 공급받은 전류량이 문턱 전류보다 커지면, 레이저가 발진하게 된다. 레이저 발진에 의해 방출되는 광은 대부분 출력면으로 방출되지만, 일부는 포토 다이오드(52) 부분으로 도파된다. 포토 다이오드(52)는 역 바이어스가 걸려 있으므로, 도파되는 광을 흡수하여 전류로 변화시킨다. 이 변화된 전류를 검출함으로써 레이저 출력을 모니터할 수 있다.
또한, 이 전류를 피드백으로 이용하면 자동 출력 제어가 가능하며, 수광 부분의 조성과 발광 부분의 조성이 동일하여 발진되는 파장을 선택적으로 흡수할 수 있고 양자 우물(quantum well)로 되어 있어 효율이 매우 높다.
도 6a 내지 도 6h는 본 발명에 따른 레이저 다이오드 모듈의 제조 방법에 따라 레이저 다이오드 모듈을 제조하는 과정을 단계별로 나타내 보인 것이다.
먼저, 도 6a를 참조하면, 우선 n-기판(31) 위에 n-크래드층(32), 레이저 광파를 가이드 해주는 n-광도파층(33), 레이저가 발진되는 활성층(34), 레이저 광파를 가이드 해주는 p-광도파층(35), p-크래드층(36) 및 p-캡층(37)을 순차적으로 적층한다. 이와 같은 적층을 위해, MBE(Molecular Beam Epitaxy)나 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 등의 에피택셜(epitaxial) 기법이 사용될 수 있다.
상기 MBE 법 또는 MOCVD 법에 의한 1차 성장이 완료되면, 레이저용 리지(LDR) 및 광검출용 리지(PDR)를 형성하기 위하여, 도 6b에서와 같이 p-캡층(37) 위의 소정 부근에 포토 레지스터(61)(62)를 각각 도포하고, 그 위에 소정 패턴의 마스크(미도시)를 위치시킨 후 노광 및 현상한다.
이와 같은 방법에 의해, 도 6c에 나타난 바와 같이 레이저용 리지(LDR) 및 광검출용 리지(PDR)가 형성되면, 도 6d에서와 같이, 포토 레지스터(61)(62)를 제거한다. 그리고, 절연막을 도포하여 전류 차단층(38)을 형성한다. 이때, 절연막의 재료로서, SiO2나 Si3N4등의 물질을 사용한다. 그리고, 전류 차단층(38)은 PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)법을 이용하여 증착한다.
전류 차단층(38)의 형성 후, 도 6e에서와 같이 전류 차단층(38) 위에 포토 레지스터(63)를 도포하고, 레이저용 리지(LDR) 및 광검출용 리지(PDR)가 형성되어 있는 부분에 개구를 갖도록 마스크(M)를 위치시킨다. 그리고, 노광 및 현상한 후, 에칭을 사용하여 소정 부분을 식각해낸다. 이와 같은 공정에 의하면, 도 6f에 도시된 바와 같이 레이저용 리지(LDR) 및 p-크래드층(36)의 저면 상에 전류 차단층(38)이 형성된다. 이와 같이, 전류 차단층(38)이 형성된 후, 도 6g에 도시된 바와 같이, 레이저용 리지(LDR)와 광검출용 리지(PDR) 상의 p-캡층들(37) 및 전류 차단층(38) 상에 전극층을 증착시킨다. 그리고, 증착된 전극층을 선택적으로 식각하여 레이저 다이오드용 전극(39) 및 포토 다이오드용 전극(41)을 각각 형성한다. 이와 같이, 레이저 다이오드용 전극(39) 및 포토 다이오드용 전극(41)의 형성은 리프트-오프(lift-off) 기법에 의해 이루어지며, 재료로서 TiPtAu나 AuZn 등의 물질을 사용한다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 레이저 다이오드 모듈은 포토 다이오드와 레이저 다이오드가 동일 기판 상에 일체화되어 있으므로, 별도의 포토 다이오드 설치 공정이 필요없어진다. 이에 따라, 레이저 다이오드 모듈의 제작 공정이 간단해지며, 원가가 절감된다.

Claims (3)

  1. 동일 기판 위에 레이저 다이오드 및 상기 레이저 다이오드에서 방출되는 광을 검출하기 위한 포토 다이오드가 동일한 적층 구조를 갖는 일체형으로 형성되되, 상기 포토 다이오드는 5% 이하의 저반사율을 갖는 반사 방지막이 코팅되어 있는 레이저 출력면의 일측 가장자리의 상부에 배치된 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드 및 상기 포토다이오드는 각각 상기 기판 위에 제1 크래드층, 광도파층, 활성층 및 제2 크래드층을 구비하되, 상기 제2 크래드층에 레이저용 리지와 광검출용 리지가 일정한 간격으로 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 모듈.
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