KR100358354B1 - 다파장 반도체 레이저 어레이 모듈 및 그 제작방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파장분할다중 방식의 광통신시스템에서 필요로 하는 여러 파장의 빛을 방출하는 단일칩 다파장 반도체 레이저 어레이 광원모듈 및 그 제작방법에 관한 것이다.
이러한 파장 분할 다중화 방식의 광 통신시스템에서 필요로 하는 여러 파장의 빛을 방출하는 다파장 반도체 레이저 어레이는, 모듈기판에 정렬되어 파장별 광 출력의 세기가 일정하고 발산각이 작은 광을 방출하는 다수의 반도체 광 증폭기와, 상기 반도체 광 증폭기에서 방출되는 출력광에서 원하는 파장을 선별하여 궤환시키는 다수의 브래그 광섬유를 포함한다. 반도체 광 증폭기의 빛이 도파되는 활성층의 횡방향 폭은 활성층의 후방면에서부터 출사면으로 갈수록 점점 좁아지게 형성되며, 활성층의 후방면에는 고반사막이 형성되고, 활성층의 출사면에는 무반사막이 형성된다.

Description

다파장 반도체 레이저 어레이 모듈 및 그 제작방법 {Multiwavelength Semiconductor Laser Array and its Fabrication Method}
본 발명은 다파장 반도체 레이저 어레이 모듈 및 그 제작방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면 파장분할다중 방식의 광통신시스템에서 필요로 하는 여러 파장의 빛을 방출하는 단일칩 다파장 반도체 레이저 어레이 광원모듈 및 그 제작방법에 관한 것이다.
종래에는 파장분할다중화 방식의 광통신시스템에 사용하는 다파장 광원으로서 DFB(Distributed Feedback) 레이저 어레이를 이용하였다. 이 DFB 레이저 어레이는 주기가 다른 여러 개의 회절격자를 필요한 파장의 수만큼 활성층에 구성한 소자로서, 각각의 회절격자를 통해 각기 다른 파장의 빛이 궤환되어 출력된다. 이와 같은 구조의 다파장 레이저 어레이는 동일 웨이퍼에 주기가 다른 각각의 회절격자를 형성하기 위하여 고가의 정밀한 전자빔 리쏘그라피장비 또는 고도로 정확한 광학 간섭계를 회절격자 수만큼 형성시켜야 하기 때문에 제작 후 소자 동작의 성공률이 극도로 낮아진다. 또한, 성공하더라도 단일칩 반도체 레이저 어레이에서 사용하는 이득 매질의 이득 특성이 파장별 분포에 따라 다르기 때문에 방출되는 각각의 빛의 세기가 달라진다. 이로써, 동일 세기의 각각 다른 파장을 필요로 하는 파장분할 다중화 방식의 광통신 시스템에 적용하기에는 어려움이 많다.
또한, 반도체 레이저 어레이에 집적되는 단위 DFB 레이저의 활성층 폭이 동일하기 때문에 발산각이 기존의 반도체 레이저처럼 매우 커서 광섬유에 직접 결합할 경우 단일 칩 다파장 레이저 어레이와 광섬유 사이에 결합되는 빛의 효율은 극도로 낮아진다. 따라서, 다파장 어레이 칩과 광섬유 사이에서 빛의 결합효율을 높이기 위해서는 반드시 광학 렌즈를 이용하여야 하므로 제작 단가가 매우 높아지는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 출력광 세기가 일정하고 발산각이 작은 고효율의 광 증폭기와 단일 파장 선별을 위한 브래그 광섬유를 사용하여, 파장분할다중 방식의 광통신 시스템에서 필요로 하는 여러 파장의 빛을 방출하는 고효율의 다파장 반도체 레이저 어레이 모듈 및 그 제작방법을 제공하기 위한 것이다.
도 1a는 본 발명의 한 실시예에 따른 반도체 레이저 어레이 모듈을 도시한 도면,
도 1b는 도 1a 에 도시된 반도체 광 증폭기의 상세 구조도,
도 2a는 본 발명의 한 실시예에 따른 활성층의 구조도,
도 2b는 다중양자 우물 이득 매질의 특성도,
도 2c는 본 발명의 이득특성을 도시한 그래프도이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다파장 반도체 레이저 어레이 모듈은, 파장다중분할 광 통신시스템에서 필요로 하는 여러 파장의 빛을 방출하는 다파장 반도체 레이저 어레이에 있어서, 모듈기판에 정렬되어 파장별 세기가 일정하고 발산각이 작은 광을 방출하는 다수의 반도체 광 증폭기와, 상기 반도체 광 증폭기에서 방출되는 출력광에서 원하는 파장을 선별하여 분리하는 다수의 파장 선별기능 및 광 궤환 특성을 갖는 브래그 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 한다.
양호하게는, 상기 반도체 광 증폭기는, 빛이 도파되는 활성층의 횡방향 폭은 활성층의 후방면에서부터 출사면으로 갈수록 점점 좁아지게 형성된 것을 특징으로 한다.
보다 양호하게는, 상기 반도체 광 증폭기는, 활성층의 후방면에는 고반사막이 형성되고, 활성층의 출사면에는 무반사막이 형성된 것을 특징으로 한다.
보다 더 양호하게는, 상기 반도체 광 증폭기의 활성층은 InGaAsP/InGaAsP 다중양자 우물구조를 매질로 사용하며, 각 우물층의 두께가 서로 다른 것을 특징으로 한다.
양호하게는, 상기 파장 선별기는 파장선별 및 광궤환 기능을 갖는 회절격자가 형성된 브래그 광섬유인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 다파장 반도체 레이저 어레이 모듈의 제작방법은, 파장분할다중화 방식의 광 통신시스템에서 필요로 하는 여러 파장의 빛을 방출하는 다파장 반도체 레이저 어레이의 제작방법에 있어서, 모듈기판에 파장별 세기가 일정하고 발산각이 작은 광을 방출하는 다수의 반도체 광 증폭기를 정렬하는 제 1 단계와, 상기 반도체 광 증폭기에서 방출되는 출력광에서 원하는 파장을 선별하여 분리하고 광궤환 기능이 있는 브래그 광섬유를 정렬하는 제 2 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
양호하게는, 상기 제 1 단계의 광 증폭기 제작과정은, n-InP기판에 광 구속층, 활성층과, p-InP 클래드층을 단계적으로 성장하는 단계와, 절연층을 이용하여 상기 활성층을 출사면 쪽으로 가면서 폭이 테이퍼된 형상으로 패턴닝하고 상기 활성층 단면을 메사 에칭하는 단계, 및 상기 활성층 위에 p-InP 클래드층과 p+-InGaAs층, 및 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
보다 양호하게는, 상기 제 1 단계는, 활성층의 후방면에는 고반사막을 형성하고 활성층의 출사면에는 무반사막을 형성하는 단계를 더 포함한 것을 특징으로 한다.
보다 더 양호하게는, 상기 활성층은 InGaAsP/InGaAsP 다중양자 우물구조를 매질로 사용하며, 각 우물층의 두께를 서로 다르게 형성한 것을 특징으로 한다.
양호하게는, 상기 제 2 단계는, 파장선별 및 광 궤환을 위한 회절격자가 형성된 브래그 광섬유를 정렬하는 단계인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 다파장 반도체 레이저 어레이는 반도체 광 증폭기 어레이와 브래그 광섬유로 이루어진다. 반도체 광 증폭기 어레이의 활성층은 횡방향의 폭이 후방으로부터 전방으로 갈수록 점점 좁아지게 형성되며, 활성층의 이득 매질로서 사용되는 다중 양자우물구조에서 우물층의 두께를 변화시킴으로써 이득범위가 넓어지고, 후방 단면에는 고반사 거울면이 형성되고 출사면에는 무반사막이 형성된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 "다파장 반도체 레이저 어레이 모듈 및 그 제작방법"을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1a 내지 도 1b는 본 발명의 한 실시예에 따른 다파장 반도체 레이저 어레이 모듈을 도시한 도면이다. 다파장 반도체 레이저 어레이는 모듈기판(101)에 형성된 반도체 광 증폭기 어레이(112)와 각각의 반도체 광 증폭기(111)에서 방출되는 빛을 파장별로 선별하고 궤환시키는 브래그 광섬유 어레이 모듈(120)로 이루어진다.
반도체 광 증폭기(111)는 도 1b 에 상세하게 도시되어 있다.
반도체 광 증폭기(111)의 활성층(201)의 횡방향 폭은 도 2a에 도시된 바와 같이 활성층 후방으로부터 전방으로 점점 좁아진다. 즉, 이 활성층의 횡방향 폭이 빛의 출사방향으로 갈수록 점점 좁아지도록 형성한다. 이로써 방출되는 빛의 빔 크기는 커지면서 방사각은 기존의 반도체 레이저보다 훨씬 작은 특성을 얻을 수 있다. 또한, 반도체 광 증폭기의 활성층 매질로 사용되는 다중 양자우물 구조에서우물층의 두께가 다른 층을 복합 성장하여, 우물층 내에서의 양자 에너지 레벨간의 천이 띠가 여러 개가 생기게되고, 그 결과 이득 특성이 넓어지도록 한다. 이로써, 활성층(201)에서 세기가 일정하고 넓은 파장의 빛을 얻을 수 있다.
파장 선별 및 궤환 특성을 얻기 위해 선별 파장에 해당하는 회절격자(123, 124)가 형성된 브래그 광섬유(122)를 이용한다. 이 브래그 광섬유(122)는 반도체 광 증폭기(112) 어레이 바에서 단위 광증폭기 사이의 간격과 일치하는 간격을 갖는 V 홈이 형성된 실리콘 그루브 기판(121)에 부착되며, 반도체 광 증폭기에서 방출되는 빛이 브래그 광섬유의 회절격자에서 궤환하게 되고, 그결과 증폭된 빛이 통과한다.
특히, 이러한 형태의 다파장 반도체 레이저 어레이 모듈은, 기존의 반도체 레이저 칩 내부에 회절격자를 형성하여 제작한 단일파장 반도체 레이저 어레이에 비하여 회절격자가 외부에 형성되어 있기 때문에 모듈 제작 성공률을 높일 수 있고, 활성층의 이득 매질을 구성하는 다중 양자우물 구조의 두께를 변화시켜 성장시키면 파장별 이득특성이 다른 여러 이득층을 형성할 수 있기 때문에 출력 파장대역의 광대역화를 쉽게 이룰 수 있을 뿐만 아니라 출력광의 파장별 세기도 동일하게 할 수 있다.
이를 상세하게 설명하면, 활성층을 구성하는 이득매질의 두께를 달리하면, 도 2b에 도시된 바와 같이 파장별 이득 분포대역이 λ1 중심인 이득매질과 λ2 중심인 이득매질을 활성층에 차례로 구성되어서 반도체 레이저 어레이에서 출력되는 파장대역은 도 2c에 도시된 바와 같이 λ1 영역에서 λ2 영역으로까지 크게 넓혀진다.
또한, 반도체 광 증폭기는 단순히 식각 공정만을 이용하여 활성층의 폭을 줄여주고 반도체 레이저의 협소화된 활성층 단면에는 무반사막(208)을 입히고, 다른 활성층 후방면에는 고반사막(205)을 입힌다. 이때, 반도체 광 증폭기가 이득매질로 사용되면, 출력되는 빛의 방사각을 획기적으로 줄일 수 있기 때문에 브래그 광섬유와의 결합효율을 증대시킬 수 있다.
상기한 구조의 반도체 레이저 어레이를 제작하는 공정을 살펴보면 다음과 같다. 이는 일반적인 반도체 레이저 제작방법과 유사하나, 개별 반도체 광 증폭기는 방출되는 빛의 공간적 크기를 크게 하고, 방사각을 줄여서 가능한한 평행광을 만들기 위해 활성층의 모양을 다르게 형성한다. 즉, 활성층의 양 단면의 폭이 후방면에서 전방으로 올수록 감소하는 구조로 형성한다.
제작 순서를 살펴보면, 먼저 n-InP기판(202)에 유기물 기상성장법(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)을 이용하여 광 구속층, 다중양자우물 InGaAsP/InGaAsP 활성층(201), p-InP 클래드층을 단계적으로 성장한다. 그리고, 절연층을 이용하여 성장된 웨이퍼 전체를 마스킹하고 활성층(201)을 패턴닝하는데, 활성층의 전면 폭이 1.5 μm, 후면 폭이 3 μm 가 되도록 설계된 활성층 형성 마스크 및 리쏘그라피 공정을 통하여 활성층 모양을 패턴닝하여, 활성층 부분의 절연층만을 남겨두고 나머지 절연층을 에칭한다. 다음, 건식식각방법(Reactive Ion Etching)을 이용하여 깊이 1 μm 정도로 에칭하고 다시 등방성 식각 용액인2HBr:2H3PO4:1K2Cr2O7:H2O를 이용하여 0.6 μm 정도를 에칭하여 활성층 전방부의 단면 폭이 0.3 μm 정도가 되도록 메사 에칭한다. 그 후 저전류 동작을 위한 전류 차단층으로써 반절연 InP층(203)을 메사 측면에 유기물기상성장법을 이용하여 성장한다. 최종적으로 충분한 광 구속을 위한 p-InP 클래드층(204), 및 p+-InGaAs층을 성장하여 에피결정구조를 완성한다. 어레이 바에 집적되는 단위 반도체 광 증폭기 칩 사이의 전기적 격리를 위하여 전극 부분이 형성되는 일부의 p+-InGaAs층만을 남기고 에칭하여 전체 구조를 완성한다. 리쏘그라피(lithography) 방법을 이용하여 n 및 p측에 각 전극(206, 207)을 부착한다.
마지막으로, 파장 선별 및 광궤환을 위해서 각 파장 별로 회절격자가 형성되어 있는 브래그 광섬유를 실리콘 V 그루브에 장착하고, 먼저 제작된 레이저 어레이 바에 정렬시킨다. 이로써, 출력광의 파장별 세기가 일정하고 출력광의 발산각이 작은 다파장 반도체 레이저 어레이모듈의 실제적 구현이 가능하게 된다.
위에서 양호한 실시예에 근거하여 이 발명을 설명하였지만, 이러한 실시예는 이 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이다. 이 발명이 속하는 분야의 숙련자에게는 이 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능함이 자명할 것이다. 그러므로, 이 발명의 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정될 것이며, 위와 같은 변화예나 변경예 또는 조절예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 다수의 반도체 광 증폭기와 단일 파장 선별 및 광궤환을 위한 다수의 브래그 광섬유를 사용함으로써 파장분할다중화 방식의 광통신 시스템에서 필요로 하는 여러 파장의 빛을 방출하는 고효율의 단일칩 다파장 반도체 레이저 광원이 제공될 수 있다.

Claims (9)

  1. 파장다중분할 광 통신시스템에서 필요로 하는 여러 파장의 빛을 방출하는 다파장 반도체 레이저 어레이 모듈에 있어서,
    파장별 세기가 일정하고 발산각이 작은 광을 방출하기 위하여, 빛이 도파되는 활성층의 횡 방향 폭이 활성층 후방면에서부터 출사면으로 갈수록 점점 좁아지게 형성된 다수의 반도체 광증폭기와,
    상기 반도체 광 증폭기에서 방출되는 출력광에서 원하는 파장을 선별하여 궤환시키기 위하여, 상기 반도체 광증폭기의 외부에 회절격자가 형성되어 있으며, 상기 광증폭기의 빔이 통과하도록 상기 광증폭기와 이격되어 배치되고 상기 광증폭기와 동일한 수로 구성된 브래그 광섬유를 포함하며;
    상기 반도체 광증폭기의 활성층은 다중양자 우물구조의 매질로 이루어지는 것을 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 어레이 모듈.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 광 증폭기는, 활성층의 후방면에는 고반사막이 형성되고, 활성층의 출사면에는 무반사막이 형성된 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 어레이 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 광 증폭기의 활성층은 InGaAsP/InGaAsP 다중양자 우물구조를 매질로 사용하며, 각 우물층의 두께가 서로 다른 것을 특징으로 하여 광대역 이득특성 및 동일 크기의 파장별 이득 세기를 갖는 활성층 구조를 갖는 다파장 반도체 레이저 어레이 모듈.
  5. 삭제
  6. 파장다중분할 광 통신시스템에서 필요로 하는 여러 파장의 빛을 방출하는 다파장 반도체 레이저 어레이의 제작방법에 있어서,
    모듈기판에 파장별 세기가 일정하고 발산각이 작은 광을 방출하는 다수의 반도체 광 증폭기를 정렬하는 제 1 단계와,
    상기 반도체 광 증폭기에서 방출되는 출력광에서 원하는 파장을 선별하여 분리하도록 파장 선별기를 정렬하는 제 2 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 어레이 모듈의 제작방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 단계의 광 증폭기 제작과정은, n-InP기판에 광 구속층과, 활성층과, p-InP 클래드층을 단계적으로 성장하는 단계와, 상기 절연층을 이용하여 상기 활성층을 출사면 쪽으로 테이퍼된 형상으로 패턴닝하고 상기 활성층 단면을 건식 및 등방성 습식 식각 방법으로 메사 에칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 어레이 모듈의 제작방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 단계는, 활성층의 후방면에는 고반사막을 형성하고 활성층의 출사면에는 무반사막을 형성하는 단계를 더 포함한 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 어레이 모듈의 제작방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 활성층은 InGaAsP/InGaAsP 다중양자 우물구조를 매질로 사용하며, 각 우물층의 두께를 서로 다르게 형성한 것을 특징으로 하는 다파장 반도체 레이저 어레이 모듈의 제작방법.
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