KR100388823B1

KR100388823B1 - Laser diode

Info

Publication number: KR100388823B1
Application number: KR1019960028608A
Authority: KR
Inventors: 유준상; 송계휴
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 1996-07-15
Filing date: 1996-07-15
Publication date: 2004-05-31
Also published as: KR980012744A

Abstract

PURPOSE: A laser diode is provided to lengthen the lifetime by reducing the operational current, improving a single transverse mode characteristic, and stabilizing a thermal characteristic under the high output. CONSTITUTION: A laser diode includes a substrate(1) and a laser oscillation layer. The laser oscillation layer includes an active layer, a second clad layer, and a first clad layer. The active layer(4) is formed on an upper surface of the substrate. The second clad layer(6) and the first clad layer(2) are formed on an upper surface and a lower surface of the active layer. A projected ridge is formed on a center of an upper surface of the second clad layer. The projected ridge is formed with a first part and a second part. A front portion of the first part is wider than a rear portion of the first part. The second part is formed at a rear side of the first part.

Description

Laser diode

본 발명은 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, 상세하게는 고출력에서도가우시안 형태의 단일 횡모드 특성이 우수한 광출사특성을 갖는 레이저 다이오드에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor laser diode, and more particularly, to a laser diode having a light emission characteristic excellent in a single transverse characteristic of a Gaussian type even at a high output.

일반적으로, 레이저 다이오드는 정보처리기기, 광통신, 광측정기기 등의 광원으로서 널리 이용되고 있다.In general, laser diodes are widely used as light sources in information processing devices, optical communications, optical measuring devices, and the like.

광통신용으로 이용되는 펌핑(pumping) 레이저 다이오드는 광섬유를 통해 전송되는 광신호가 전송거리에 비례해 감쇠됨에 따라, 이 감쇠되는 광신호를 증폭하기 위해 사용되는 것으로서, 980nm의 파장을 갖는 광을 출사한다.A pumping laser diode used for optical communication is used to amplify the attenuated optical signal as the optical signal transmitted through the optical fiber is attenuated in proportion to the transmission distance, and emits light having a wavelength of 980 nm. .

이러한 용도로 사용되는 레이저 다이오드는 출사되는 광의 횡모드가 단일하여야만 광신호를 왜곡시키지 않으면서 효과적으로 커플링(coupling)된다.Laser diodes used for this purpose need to have a single lateral mode of emitted light so that they can be effectively coupled without distorting the optical signal.

낮은 문턱전류에서 횡모드 특성이 우수한 출사광을 얻기 위해 종래에는 활성층의 양측에, 그 활성층과 다른 종류의 결정체를 접합시키고, 전류의 흐름을 공간적으로 제한시킨 이중헤테로접합의 스트라이프(stripe)형 레이저 다이오드가 사용되었다.In order to obtain outgoing light having excellent lateral mode characteristics at a low threshold current, a double-heterojunction stripe type laser is conventionally bonded to both sides of the active layer and other kinds of crystals and spatially restricts the flow of current. Diodes were used.

도 1에 일반적인 이중헤테로접합의 스트라이프형 레이저 다이오드의 수직단면도를 도시하였다.1 is a vertical cross-sectional view of a typical double heterojunction striped laser diode.

도시된 바와 같이 종래의 이중헤테로접합의 스트라입형 레이저 다이오드에서는, 기판(1) 상부에 제1클래드층(2), 제1광도파층(3), 캐리어의 결합에 의해 광이 생성되는 활성층(4), 제1광도파층(3)과 함께 활성층(4)을 둘러싸며 레이저 광파를 가이드 해주는 제2광도파층(5), 제1클래드층(2)과 함께 활성층(4)내의 캐리어 밀도를 높여주는 제2클래드층(6), 전류의 흐름을 공간적으로 제한시키는전류제한층(7), 상기 제2클래드층과 전류제한층의 상면에 콘택트층(8), 상부 금속층(9)이 순차적으로 마련된다. 상기 기판(1)의 저면에는 도시되지 않은 하부 금속층이 형성된다.As shown, in the conventional double heterojunction stripe type laser diode, the active layer 4 in which light is generated by the combination of the first cladding layer 2, the first optical waveguide layer 3, and the carrier on the substrate 1 is formed. ), Together with the first optical waveguide layer 3, to increase the carrier density in the active layer 4 together with the second optical waveguide layer 5 and the first cladding layer 2 to guide the laser light waves. The second cladding layer 6, the current limiting layer 7 which spatially restricts the flow of current, and the contact layer 8 and the upper metal layer 9 are sequentially provided on the upper surfaces of the second cladding layer and the current limiting layer. do. A lower metal layer, not shown, is formed on the bottom of the substrate 1.

상기와 같은 구조에서 상부금속층과 하부금속층을 통해 순방향 바이어스를 인가하면, 전자와 정공에 의한 캐리어들이 활성층(4)으로 주입된다. 이 때 활성층(4)은 밴드갭이 작기 때문에 양쪽의 클래드층이 에너지 장벽을 형성하게 되어 주입된 캐리어들은 활성층(4)내에 갇히는 효과가 있게 된다. 따라서 폭이 얇은 활성층(4)내의 캐리어의 밀도는 대단히 커지게 되고, 대부분의 발광 재결합이 활성층(4)내에서 이루어진다. 여기서, 활성층(4)에서 생생된 광이 제1 및 제2 클래드층(2)(6)과의 경계면에서 전반사 되도록 활성층(4)의 굴절율을 제1 및 제2 클래드층(2)(6)의 굴절률보다 높도록 조성된다.In the above structure, when forward bias is applied through the upper metal layer and the lower metal layer, carriers by electrons and holes are injected into the active layer 4. At this time, since the band gap of the active layer 4 is small, both clad layers form an energy barrier, so that the injected carriers are trapped in the active layer 4. Therefore, the density of the carrier in the thin active layer 4 becomes very large, and most of the light emission recombination is performed in the active layer 4. Here, the refractive index of the active layer 4 is adjusted to the first and second cladding layers 2 and 6 so that the light generated in the active layer 4 is totally reflected at the interface with the first and second cladding layers 2 and 6. It is formulated to be higher than the refractive index of.

또한, 제2클래드층(6)의 양측 어깨부(6a)에서 리지의 높이로 개재되는 전류제한층(7)에 의해 콘택트층(8)에서부터 제2클래드층(6)사이로 형성된 통전채널을 따라 활성층(4) 내로 유입되는 캐리어의 통로가 공간적으로 제한된다. 그 결과 활성층(4)내에 주입되는 캐리어의 밀도가 커지고, 문턱치 전류는 작게된다.In addition, along the energization channel formed between the contact layer 8 and the second cladding layer 6 by the current limiting layer 7 interposed at both shoulders 6a of the second cladding layer 6 at the height of the ridges. The passage of the carrier flowing into the active layer 4 is spatially limited. As a result, the density of carriers injected into the active layer 4 becomes large, and the threshold current becomes small.

이와 같은 특징을 갖는 이중헤테로접합의 스트라이프형 레이저 다이오드의 종래 리지구조를 도 2에 도시하였다.FIG. 2 shows a conventional ridge structure of a double-heterojunction striped laser diode having such characteristics.

종래의 리지구조는 도시된 바와 같이 발진된 광이 출사되는 전면부(A)와 후면부(B)를 연결하는 광출사방향으로 동일한 리지의 폭(W)을 갖는다.The conventional ridge structure has the same width W of the ridge in the light emission direction connecting the front portion A and the rear portion B from which the oscillated light is emitted.

상기와 같은 구조는 100mW이하의 저출력에서는 낮은 문턱전류와 횡모드특성이 우수하지만, 100mW이상으로 고출력화 할경우에는 출사광의 횡모드가 불안정해져 다차수의 모드로 발진된다. 그 결과 이와 같은 다차수 모드를 갖는 발진광은 광신호와의 커플링 효율을 급격히 저하시키게 된다.The above structure is excellent in low threshold current and lateral mode characteristics at low output of 100mW or less, but when high output is 100mW or higher, the lateral mode of the emitted light becomes unstable and oscillates in multiple orders of mode. As a result, the oscillating light having such a multiple order mode sharply reduces the coupling efficiency with the optical signal.

따라서, 단일 횡모드를 갖는 출사광의 출력이 제한됨에 따라, 미약한 광신호를 일정레벨로 유지시키는 전송거리에 제한이 따르게 된다.Thus, as the output of the emitted light having a single transverse mode is limited, there is a restriction on the transmission distance for maintaining the weak optical signal at a constant level.

고출력시의 횡모드를 단일보드로 안정시키기 위한 방법으로서, 광공진기를 얇게 설계하는 방법이 있으나, 문턱전류가 상승됨으로써, 열적으로 안정되지 않는 단점을 안고있다.As a method for stabilizing the lateral mode at high power with a single board, there is a method of thinly designing an optical resonator, but it has a disadvantage in that it is not thermally stabilized due to an increase in the threshold current.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 고출력에서도 낮은 문턱전류를 갖고, 단일 횡모드 특성이 우수한 광을 출사하는 레이저 다이오드를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a laser diode having a low threshold current even at a high output and emitting light having excellent single lateral mode characteristics.

도 1은 일반적인 레이저 다이오드의 수직 단면도.1 is a vertical cross-sectional view of a typical laser diode.

도 2는 도 1의 레이저 다이오드의 종래 리지구조를 설명하기 위한 부분 발췌 사시도.FIG. 2 is a fragmentary perspective view illustrating a conventional ridge structure of the laser diode of FIG. 1.

도 3은 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 리지구조를 설명하기 위한 부분 발췌 사시도.Figure 3 is a partial perspective view for explaining the ridge structure of the laser diode according to the present invention.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>

1, 11: 기판 2, 12: 제1클래드층1, 11: substrate 2, 12: first cladding layer

3: 제1광도파층 4, 14: 활성층3: first optical waveguide layer 4, 14: active layer

5: 제2광도파층 6, 16: 제2클래드층5: 2nd optical waveguide layer 6, 16: 2nd cladding layer

7, 17: 전류제한층 8, 18: 콘택트층7, 17: current limiting layer 8, 18: contact layer

9: 상부 금속층 10: 제1부분9: upper metal layer 10: first portion

11: 제2부분11: part 2

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레이저 다이오드는 기판, 상기 기판의 상부에 활성층과 활성층 상 하부에 제2클래드층, 제1클래드층을 포함하는 레이저 발진층과 상기 레이저 발진층에 전류를 공급하는 전류공급수단을 구비하는 레이저다이오드에 있어서, 상기 제2클래드층은 그 상면 중앙에 소정 높이 돌출된 리지가 형성되고, 상기 리지는 전방부가 후방부에 비해 넓은 제1부분과 상기 제1부분의 후방에 일정한 폭으로 연속 형성되는 제2부분을 갖는 것을 그 특징으로 한다.The laser diode of the present invention for achieving the above object is a substrate, a laser oscillation layer including a second cladding layer, a first cladding layer on the active layer and the upper and lower active layer on the substrate and supplying a current to the laser oscillating layer In the laser diode having a current supply means for forming, the second clad layer is formed in the center of the upper surface of the ridge protruding a predetermined height, the ridge of the first portion is wider than the rear portion of the first portion and the first portion It is characterized by having a second portion continuously formed at a constant width behind.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 레이저 다이오드를 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, a laser diode according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 리지구조를 설명하기 위한 부분 사시도이다. 동일기능을 하는 요소에 대해서는 동일부호로 표기하고, 적층된 수직단면도는 도 1을 참조한다.3 is a partial perspective view illustrating the ridge structure of the laser diode according to the present invention. Elements having the same function are denoted by the same reference numerals and refer to FIG. 1 for stacked vertical cross-sectional views.

도시된 레이저 다이오드는 기판(1) 상부에 결정성장을 용이하게 하기 위한 버퍼층, 레이저 발진층으로서 제1클래드층(2), 제1광도파층(3), 활성층(4), 제2광도파층(5), 제2클래드층(6)과 레이저 발진층의 상면에 콘택트층(8), 상부금속층(9)이 순차적으로 마련되고, 제2클래드층의 양측에 전류제한층(7)이 개재된다. 상기 기판(1)의 저면에는 도시되지 않은 하부 금속층이 형성된다.The illustrated laser diode includes a buffer layer for facilitating crystal growth on the substrate 1, a first cladding layer 2, a first optical waveguide layer 3, an active layer 4, and a second optical waveguide layer as a laser oscillation layer ( 5), the contact layer 8 and the upper metal layer 9 are sequentially provided on the upper surfaces of the second cladding layer 6 and the laser oscillation layer, and the current limiting layer 7 is interposed on both sides of the second cladding layer. . A lower metal layer, not shown, is formed on the bottom of the substrate 1.

상기 제2클래드층(6)은 그 상면 중앙에 소정 높이 돌출된 리지가 형성되고, 리지는 전방부(10a)가 후방부(10b)에 비해 넓은 제1부분(10)과 제1부분(10)의 후방에 일정한 폭으로 연속 형성되는 제2부분(11)을 갖는다.The second clad layer 6 has a ridge protruding a predetermined height at the center of the upper surface thereof, and the ridge has a first portion 10 and a first portion 10 having a wider front portion 10a than a rear portion 10b. ) Has a second portion 11 continuously formed at a constant width.

이와 같이 구조된 레이저 다이오드는 상기와 같은 리지형상을 갖기 위해 통상적인 식각방법에 의해 쉽게 제작된다.The laser diode structured as described above is easily manufactured by a conventional etching method in order to have the ridge shape as described above.

즉, 기판(1)으로부터 버퍼층, 제1클래드층(2), 제1광도파층(3), 활성층(4), 제2광도파층(5), 제2클래드층(6)을 순차적으로 결정성장시킨 후에, 리지의 폭에 해당하는 보호층으로서 SiO₂와 같은 마스크층을 형성시키고, 마스크층에 의해 보호된 부위는 에칭되지 않도록 하여 리지형상으로 만든 다음, 식각된 부위에 전류제한층(7)을 형성하고 나서, 콘택트층(8) 및 상부금속층(9)을 재결정성장시키면 된다.That is, crystal growth of the buffer layer, the first cladding layer 2, the first optical waveguide layer 3, the active layer 4, the second optical waveguide layer 5, and the second cladding layer 6 is sequentially performed from the substrate 1. After forming, a mask layer such as SiO ₂ is formed as a protective layer corresponding to the width of the ridge, and the portion protected by the mask layer is etched so as not to be etched, and then the current limiting layer 7 After the formation, the contact layer 8 and the upper metal layer 9 may be recrystallized.

980nm의 파장대의 광을 출사하기 위해, 버퍼층으로서 GaAs층, 제1 및 제2클래드층(2)(6)으로서 AlGaAs층, 제1 및 제2광도파층(3)(5)으로서 AlGaAs층, 활성층(4)으로서 InGaAs층, 콘택트층(8)으로서 GaAs층으로 조성된다. 여기서 AlGaAs층의 Al과 Ga의 상대적인 몰비는 제1 및 제2클래드층(2)(6)이 제1 및 제2광도파층(3)(5) 보다 밴드갭에너지가 크도록 조절된다.To emit light in the wavelength range of 980 nm, an GaAs layer as a buffer layer, an AlGaAs layer as the first and second cladding layers 2 and 6, an AlGaAs layer as the first and second optical waveguide layers 3 and 5, and an active layer (4), an InGaAs layer and a contact layer (8) are composed of a GaAs layer. The relative molar ratio of Al and Ga of the AlGaAs layer is adjusted such that the band gap energy of the first and second cladding layers 2 and 6 is greater than that of the first and second optical waveguide layers 3 and 5.

상기의 파장대역을 얻기 위한 각 층의 조성물은 다양하게 구현될 수 있다. 이와 같은 방법으로서, 동일 밴드갭 에너지를 갖는 조성물로 활성층(4)을 구성하고, 제1 및 제2광도파층(3)(5)과 제1 및 제2클래드층(2)(6) 순서로 굴절률이 낮고, 밴드갭 에너지는 큰 값을 갖도록 조성하면 동일 파장대역을 구현할 수 있다.The composition of each layer to obtain the wavelength band can be implemented in various ways. In this way, the active layer 4 is composed of a composition having the same bandgap energy, and the first and second optical waveguide layers 3 and 5 and the first and second cladding layers 2 and 6 are in order. When the refractive index is low and the band gap energy is formed to have a large value, the same wavelength band can be realized.

상기와 같이 조성된 레이저 다이오드의 상, 하부 전극층(9)을 통해 캐리어를 주입하게 되면, 전면부(A)와 후면부(B)를 통해 광이 출사된다.When the carrier is injected through the upper and lower electrode layers 9 of the laser diode formed as described above, light is emitted through the front part A and the rear part B.

본 발명의 특징부로서, 제2클래드층(6)의 리지의 폭이 후면부(B)에서 전면부(A) 부근까지 이어지는 제2부분(11)은 일정폭(W2)으로 유지되고, 제1부분(10)으로 진입하면서 일정기울기로 점차 확대되어 전면부(A)의 전방부(10a)에 도달한다. 통상적인 레이저 다이오드의 광출사방향으로의 몸통길이(d1+d2)가 650 내지 800um일 때, 제2부분(11)의 리지의 폭(W2)을 2um 또는 그 이하로 유지하고, 제1부분(10)은 제2부분(11)과의 경계(10b)에서부터 리지의 폭을 점차 확대하여 전방부(10a)의 리지 폭(W1)이 3내지 4um정도로 유지 되는게 바람직하다. 여기서, 제2부분(11)의 리지거리 d2는 600 내지 750um, 제1부분(10)의 리지거리 d1은 50 내지 200um가 적당하다. 제2부분(11)에서 제1부분(10)으로 이어지는 경계(10b)의 리지의 폭이 급격하게 변화되면, 레이저빔이 공진기내에서 공진할 때, 커플링 손실이 크게 발생하기 때문에, 리지의 폭의 확대는 일정비율로 증가시키는 것이 바람직하다. 또한, 제1부분(10)의 리지의 거리(d1)가 200um이상이 되면, 고차모드가 발진되어 단일 횡모드의 광출사특성을 구현할 수 없게 된다.As a feature of the invention, the second portion 11, in which the width of the ridge of the second cladding layer 6 extends from the rear portion B to the vicinity of the front portion A, is maintained at a constant width W2, and the first portion As it enters the portion 10, it gradually expands to a constant slope to reach the front portion 10a of the front portion A. When the body length d1 + d2 in the light emission direction of the conventional laser diode is 650 to 800 um, the width W2 of the ridge of the second portion 11 is maintained at 2 um or less, and the first portion ( 10, it is preferable to gradually increase the width of the ridge from the boundary 10b with the second portion 11 so that the ridge width W1 of the front portion 10a is maintained at about 3 to 4um. Here, the ridge distance d2 of the second portion 11 is suitably 600 to 750 um, and the ridge distance d1 of the first portion 10 is 50 to 200 um. If the width of the ridge of the boundary 10b leading from the second portion 11 to the first portion 10 is changed rapidly, since the coupling loss is large when the laser beam resonates in the resonator, It is desirable to increase the width at a constant rate. In addition, when the distance d1 of the ridge of the first portion 10 is 200 μm or more, the higher-order mode is oscillated, so that the light output characteristics of the single transverse mode cannot be realized.

여기서, 제2부분(11) 리지의 폭이 일정하게 유지되다가, 제1부분(10)과의 경계(10b)로부터 전방부(10a)까지 리지의 폭이 일정비율로 점차 확대되면, 광출력밀도(optical power density)가 낮아지면서, 고출력에서도 안정된 단일 횡모드를 제공하게 된다. 따라서, 100mW이상의 고출력에서도 횡모드가 단일한 모드를 갖게 됨으로써, 광섬유를 통해 전송되는 광신호를 일정레벨 이상으로 증폭시키기 위한 커플링 효율이 향상된다. 그 결과 고출력에서도 단일 횡모드 특성이 우수하기 때문에, 펌핑 레이저 다이오드로서 사용될 경우 광신호의 전송거리가 확대된다.Here, when the width of the ridge of the second portion 11 is kept constant, and the width of the ridge gradually increases from the boundary 10b to the front portion 10a with the first portion 10 at a constant ratio, the light output density Lower optical power density provides a stable single transverse mode even at high power. Therefore, the horizontal mode has a single mode even at a high output of 100 mW or more, thereby improving the coupling efficiency for amplifying the optical signal transmitted through the optical fiber to a predetermined level or more. As a result, the single transverse mode is excellent even at high power, so that when used as a pumping laser diode, the transmission distance of the optical signal is extended.

지금까지 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 다이오드가 제공됨으로서, 고출력에서도 동작전류가 작고, 횡모드특성이 우수하여, 열적특성이 안정됨으로써, 수명이 길어진다.As described so far, by providing the laser diode according to the present invention, the operating current is small even at high output, the lateral mode characteristics are excellent, and the thermal characteristics are stabilized, thereby extending the life.

Claims

A laser diode comprising a substrate, a laser oscillation layer including an active layer on top of the substrate and a second cladding layer and a first cladding layer on and under the active layer.

The second clad layer has a ridge protruding a predetermined height at the center of the upper surface thereof, and the ridge has a first portion having a front portion wider than the rear portion and a second portion continuously formed at a constant width behind the first portion. It has a laser diode.

The laser diode according to claim 1, wherein the width of the ridge of the second portion is 2 um or less, and the width of the front ridge of the first portion is 3 to 4 um.

The laser diode of claim 2, wherein the first portion has a distance of 50 to 200 um.

The method of claim 1, wherein the laser oscillation layer

A first optical waveguide layer is further disposed between the active layer and the first cladding layer and a second optical waveguide layer is disposed between the active layer and the second cladding layer.

And the first cladding layer, the first optical waveguide layer, the second optical waveguide layer, and the second cladding layer are AlGaAs layers, and the active layer is an InGaAs layer.