KR100420587B1

KR100420587B1 - 나팔 모양의 도파로를 이용한 전자-흡수 변조기 레이저

Info

Publication number: KR100420587B1
Application number: KR10-1999-0017358A
Authority: KR
Inventors: 유준상
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 1999-05-14
Filing date: 1999-05-14
Publication date: 2004-03-02
Also published as: KR20000073816A

Abstract

본 발명은 변조기와 레이저가 하나의 칩으로 되어있는 전자-흡수 변조기 레이저(EML; Electro-absorption modulator laser)를 기재한다. 본 발명에 따른 전자-흡수 변조기 레이저는 변조기에 나팔 모양의 광도파로를 채용하여 나팔 모양의 끝단이 레이저 영역과 접속되도록 함으로써, 광귀환(optical feedback)을 줄이면 AR coating 조건을 완화시키거나 고속 동작(high speed operation)이 가능하다.

Description

나팔 모양의 도파로를 이용한 전자-흡수 변조기 레이저{Electro-absorption modulator laser}

본 발명은 변조기와 레이저가 하나의 칩으로 되어있는 전자-흡수 변조기 레이저(EML; Electro-absorption modulator laser)에 관한 것이다.

도 1은 종래의 전자-흡수 변조기 레이저의 평면도이다. 도시된 바와 같이, 전자-흡수 변조기 레이저(EML; Electro-absorption modulator laser)는 변조기(modulator)와 레이저(laser)가 하나의 칩(one chip)으로 형성되어 있어 종래의 외부 변조기(External modulator)를 사용하는 방식 보다 가격면에서 매우 유리하다. 그러나, 도 1에 도시된 바와 같이, 변조기와 레이저가 일체형이어서 귀환(feedback)된 빛이 레이저 쪽으로 결합(coupling)되기 쉽다. 이는 처핑(chirping)을 유발시켜 변조 속도(modulation speed)를 저하시키게 된다. 이를 막기 위해 0.01% 미만의 AR 코팅(coating)이 필요하다. 그리하여 윈도우 구조(window structure) 또는 TiO2/SiO2 다중층 코팅(multilayer coating) 등의 고난도의 기술을 적용하지 않으면 안되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, 나팔 모양의 광도파로를 채용하여 광귀환(optical feedback)을 줄임으로써, AR 코팅 조건을 완화시키거나 고속 동작(high speed operation)이 가능한 전자-흡수 변조기 레이저를제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 전자-흡수 변조기 레이저의 평면도,

도 2는 본 발명에 따른 전자-흡수 변조기 레이저의 평면도,

도 3은 도 2의 전자-흡수 변조기 레이저를 제조함에 있어서 레이저 영역 쪽에만 그레이팅을 만들고 변조기 영역 쪽에는 그레이팅이 없는 베이스 웨이퍼(base wafer) 제작 후 선택 영역 성장(Selective Area Growth)을 시킨 전자-흡수 변조기 레이저의 수직 단면도,

도 4는 도 2의 전자-흡수 변조기 레이저를 제조함에 있어서 2단 성장(Two step growth)으로 버트 접합(butt joint; 굵은쪽 끝 결합) 방식으로 만들어진 전자-흡수 변조기 레이저의 수직 단면도,

그리고 도 5는 도 2의 전자-흡수 변조기 레이저가 완성된 후의 부분 절개부를 보여주는 사시도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10. 재성장(regrowth)층 20. 레이저의 전극

30. 변조기의 전극 40. HR 코팅면

50. AR 코팅면 60. 분리 에칭 부분

70. 나팔 모양 도파로(flared waveguide) 부분

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전자-흡수 변조기 레이저는, 레이저 및 변조기가 연속적으로 접속되어 형성된 전자-흡수 변조기 레이저에 있어서, 상기 레이저 및 변조기는,하부 크래드층의 역할을 하는 반도체 기판;상기 반도체 기판 상에 형성된 다중 양자 우물 구조; 및상기 다중 양자 우물 구조 상에 형성된 상부 크래드층;을 각각 구비하며,상기 레이저의 다중 양자 우물 구조는 하부에 선택적으로 그레이팅이 형성되고, 상기 변조기의 다중 양자 우물 구조는 가장자리가 평면적으로 나팔 모양으로 형성되어 상기 레이저의 다중 양자 우물 구조와 접속되는 굴절율 도파로용 메사 구조인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 반도체 기판 및 상부 크래드층은 각각 InP로 형성되고, 상기 나팔 모양의 메사 구조는 길이가 150μm 미만이고 최대폭이 18μm 미만이며, 상기 다중 양자 우물 구조에 있어서, 상기 레이저의 활성 영역의 파장은 1550nm이고, 변조기 영역의 파장은 1490nm로 60nm 정도 작게 만들어지게 된 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 전자-흡수 변조기 레이저를 상세하게 설명한다.

본 발명은 ELM 소자의 레이저 영역(laser section)과 변조기 영역(modulator section) 사이의 광도파로(waveguide)를 나팔 모양(flared type)으로 만들어준다.AR 코팅면에서 반사되어오는 빛은 이 나팔 모양 광도파로(flared waveguide)를 지남으로서 퍼지게 되어 레이저 영역(laser section) 쪽으로 결합(coupling)되는 빛의 양을 감소시킨다. 즉, 레이저 영역으로의 광귀환(optical feedback)이 줄어들게 된다. 그러므로 결합(coupling)된 빛에 의해서 발생하는 처핑(chirping)을 줄여서 고속 변조(high speed modulation)가 가능하게 된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 영역 쪽에만 그레이팅(grating)을 만들고 변조기 영역(modulator) 쪽에는 그레이팅(grating)이 없는 베이스 웨이퍼(base wafer) 제작 후 선택 영역 성장(Selective Area Growth)을 하거나, 도 4에 도시된 바와 같이 2단 성장(Two step growth)으로 버트 접합(butt joint; 굵은쪽 끝 결합) 방식으로 만들면 다중 양자 우물(quantem well) 활성 영역(active region)의 파장(wavelength)은 1550nm이고 밴드갭(bandgap)이 변조기 영역(modulator region)의 파장(wavelength)은 1490nm로 60nm 정도 작게 만들어진 기본 구조(base epitaxial structure)가 완성된다.

측방 굴절율 도파 구조(Lateral index guiding structure)를 만들기 위해 메사 에칭(mesa etching)을 해준다. 이 때 보통의 경우에는 도 1에 도시된 바와 같이 메사(mesa) 폭을 일정하게 하였으나, 본 발명에 따른 전자-흡수 변조기 레이저에서는, 도 2에 도시된 바와 같이 변조기와 레이저 사이의 150μm정도의 영역(region) 중 일부를 메사 에칭(mesa etching)시 나팔(flare) 모양으로 만들어준다. 나팔(flare)의 최대 길이는 150μm이고 좁은 쪽의 폭은 변조기와 일치하고 넓은 폭은 6μm 이내가 된다.

이후 공정들은 매립 헤테로구조(buried heterostructure)를 만들어 주는 재성장(regrowth), 변조기(modulator)와 레이저(laser)를 분리해주는 분리 에칭(iosolation etching) 및 전극 형성(electrode formation) 등이 있다. 그리고 칩(chip) 앞에는 반-반사 코팅(anti-reflection coating), 뒤에는 고반사 코팅(high reflection coating)을 하여 마무리 된다. 이는 도 5에 잘 도시되어 있다.

즉, 도 5는 도 2의 전자-흡수 변조기 레이저가 완성된 후의 부분 절개부를 보여주는 사시도이다. 부재번호 10은 매립 헤테로구조(buried heterostructure)를 형성하기 위한 재성장(regrowth)층이고, 부재번호 20은 레이저의 전극이며, 부재번호 30은 변조기의 전극이다. 부재번호 40은 HR 코팅면이고, 부재번호 50은 AR 코팅면이다. 그리고, 부재번호 60은 레이저 영역과 변조기 영역을 분리하기 위하여 에칭된 부분이고, 부재번호 70은 보이지는 않지만 나팔 모양으로 벌어지는 도파로(flared waveguide) 부분이다.

레이저에서 발생된 빛이 변조기를 통해 AR 면으로 방출되어 신호를 보내게 된다. 통상적으로 변조기 파장이 레이저 보다 작으므로 흡수가 되지 않고 투과하지만 변조기에 역바이어스(reverse bias)를 충분히 걸어주면 흡수 밴드 에지(absorption band edge) 장파장 쪽으로 움직여서 흡수되고 빛이 방출되지 못한다. 이렇게 ELM 소자는 변조기의 바이어스(bias)로 방출되는 빛의 세기(intensity)를 조절하여 변조(modulation)한다.

그러나 AR 코팅(coating)면에서 빛의 일부가 반사되어 레이저 쪽으로귀환(feedback)되면 레이저는 한쪽면의 반사율이 달라진 것으로 느끼게되며 발진되는 빛의 세기와 파장을 흩뜨려 놓게된다. 이 귀환 유도 처프(feedback induced chirp)를 줄이기 위해 나팔 모양 광도파로(flared waveguide)를 채택하게 되면, 도 6에 도시된 바와 같이, AR 면에서 반사된 빛이 레이저에 들어가기전에 나팔 모양(flare)의 도파로를 따라 퍼지게 된다. 그리하여 레이저 내부로 귀환되어 들어가는 빛의 비율(portion)이 줄어들게 되고, 처프(chirp)도 감소하게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전자-흡수 변조기 레이저는 변조기에 나팔 모양의 광도파로를 채용하여 나팔 모양의 끝단이 레이저 영역과 접속되도록 함으로써, 광귀환(optical feedback)을 줄이면 AR coating 조건을 완화시키거나 고속 동작(high speed operation)이 가능해진다. 따라서, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

1. 소자의 처프(chirp)가 줄어들어 변조 속도(modulation speed)가 증가한다.

2. AR 코팅 조건을 완화시켜 칩 제작이 쉬워지고 수율 증가가 기대된다.

Claims

레이저 및 변조기가 연속적으로 접속되어 형성된 전자-흡수 변조기 레이저에 있어서,

상기 레이저 및 변조기는,

하부 크래드층의 역할을 하는 반도체 기판;

상기 반도체 기판 상에 형성된 다중 양자 우물 구조; 및

상기 다중 양자 우물 구조 상에 형성된 상부 크래드층;을 각각 구비하며,

상기 레이저의 다중 양자 우물 구조는 하부에 선택적으로 그레이팅이 형성되고, 상기 변조기의 다중 양자 우물 구조는 가장자리가 평면적으로 나팔 모양으로 형성되어 상기 레이저의 다중 양자 우물 구조와 접속되는 굴절율 도파로용 메사 구조인 것을 특징으로 하는 전자-흡수 변조기 레이저.
제1항에 있어서,

상기 반도체 기판 및 상부 크래드층은 각각 InP로 형성된 것을 특징으로 하는 전자-흡수 변조기 레이저.
제1항에 있어서,

상기 나팔 모양의 메사 구조는 길이가 150μm 미만이고 최대폭이 6μm 미만인 것을 특징으로 하는 전자-흡수 변조기 레이저.
제1항에 있어서,

상기 다중 양자 우물 구조에 있어서, 상기 레이저의 활성 영역의 파장은 1550nm이고, 변조기 영역의 파장은 1490nm로 60nm 정도 작게 만들어지게 된 것을 특징으로 하는 전자-흡수 변조기 레이저.
제1항에 있어서,

상기 변조기 영역에서 상기 나팔 구조의 굴절율 도파로용 메사 구조는 소정 길이 이하도 짧게 형성되어 광 피드백 경로를 줄여 고속 변조 특성을 향상시킨 것을 것을 특징으로 하는 전자-흡수 변조기 레이저.