KR100456670B1 - 광 모드 크기 변환기와 분포 궤환형 레이저 다이오드가일체화된 분포 반사형 레이저 다이오드 - Google Patents

광 모드 크기 변환기와 분포 궤환형 레이저 다이오드가일체화된 분포 반사형 레이저 다이오드 Download PDF

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Abstract

본 발명의 분포 반사형 레이저 다이오드는, 제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역을 구비하는 분포 반사형 레이저 다이오드에 있어서, 기판 위의 하부 클래드층과, 하부 클래드층 위에 형성된 회절 격자와, 회절 격자 위에 형성된 하부 클래드층과 굴절율이 다른 광도파로층과, 광도파로층 위에 형성되며 제3 영역에서 빔을 전송시키는 수동 도파층과, 수동 도파층 위에 형성된 중간 클래드층과, 중간 클래드층 위에 형성되며 제1 영역에서 광 이득을 발생시켜 제2 영역에서 수동 도파층으로 빔을 천이시키는 활성층과, 활성층 위에 형성된 상부 클래드층, 및 상부 클래드층의 일부 표면 위에 형성되되, 제1 영역의 단부에서 가장 큰 폭을 갖고 제3 영역의 단부의 광 출력단에서 가장 작은 폭을 가지며, 제1 영역에서 제3 영역으로 갈수록 점점 폭이 감소되는 테이퍼 구조를 갖도록 형성된 리지를 포함한다. 따라서 이와 같은 테이퍼 구조의 리지와 동시에, 회절 격자를 갖는 분포 궤환형 레이저 다이오드를 함께 집적시킨 구조를 가지게 된다.

Description

광 모드 크기 변환기와 분포 궤환형 레이저 다이오드가 일체화된 분포 반사형 레이저 다이오드{Distributed Bragg reflector laser diode having distributed feedback laser diode and optical spot size converter on the same substrate}
본 발명은 분포 반사형 레이저 다이오드에 관한 것으로서, 보다 상세하게는광 모드 크기 변환기와 분포 궤환형 레이저 다이오드가 일체화된 분포 반사형 레이저 다이오드에 관한 것이다.
분포 궤환형(Distributed FeedBack; 이하 DFB) 레이저 다이오드는 활성층 상단 혹은 하단에 굴절율 혹은 손실이 주기적으로 반복되는 회절 격자(grating)층이 배치되는 구조를 갖는다. 이와 같은 DFB 레이저 다이오드는 타 구조에 비해 외부조건에 대해 매우 안정적이며, 우수한 발진 특성을 얻을 수 있다. 또한 고속 변조시에도 단일 축 모드(Single Longitudinal Mode ; 이하 SLM) 특성을 나타냄으로 인하여 각종 아날로그 및 디지털 광 통신 시스템에서 각광을 받고 있다.
그런데 일반적인 대칭 거울면 구조를 갖는 DFB 레이저 다이오드의 경우, 기본적으로 정지 밴드(stop band) 측면에 축방향 모드가 축퇴(degenerate) 되는 현상이 나타난다. 따라서 양단면의 반사율이 0이거나 회절격자 위상이 0도 일 경우는 2개 모드가 발진하고, 위상차가 있거나 반사율이 있는 경우에는 둘 중 하나가 우세한 모드가 발진하게 되며, 이와 같은 특성으로 인하여 대칭 거울면 구조를 갖는 DFB 레이저 다이오드의 단일모드 수율이 매우 좋지 않게 된다.
이를 해결하기 위한 그 중 일 예로서 비대칭 반사 거울면 구조, 위상 시프트 구조, 및 이득형/복합형 회절 격자 구조 등이 있다. 그러나 높은 광결합 특성의 회절 격자 구조를 갖는 종래의 비대칭 및 위상시프트 및 이득형/복합형 구조를 갖는 DFB 레이저 다이오드의 경우, 소자의 광출력-전류 특성 곡선에서 선형성을 벗어나는 킹크(Kink) 현상이 발생하게 되고, 이로 인하여 좁은 채널을 요구하는 파장 분할 다중(WDM; Wavelength Division Multiplexing) 방식의 광통신 시스템에 적용하는데 애로가 되고 있다. 이러한 킹크 현상은 빔의 진행방향(이하 ; 축방향)으로의 불 균일한 광 분포로 인하여 공진기(cavity) 내의 굴절율이 변함으로써 고차 모드가 발생하는데, 이러한 특성은 DFB 레이저 다이오드의 동작특성에 매우 민감한 영향을 미치게 되므로 바람직하지 않게 된다.
일반적으로 단일 모드 수율 특성은 단면 반사율과 공진기 내의 축방향 광 분포에 의해 결정되며, 이 단면 반사율과 축방향 광 분포는 빔 출사면의 회절 격자 위상에 크게 좌우된다고 알려져 있다. 따라서, 단면 반사율이 높을수록, 축방향 광분포가 불균일 할수록 회절격자의 위상에 의한 영향이 커져 단일모드 수율이 급격히 떨어지게 된다.
도 1은 비대칭 반사 거울면 구조를 갖는 매립형(Buried Heterostructure) DFB 레이저 다이오드를 나타내 보인 부분 절개 사시도이다. 그리고 도 2는 도 1의 절단면을 A 방향에서 바라본 것을 나타내 보인 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, InP 기판(100) 위에 n형으로 도핑된 InP 하부 클래드층(110)이 배치되고, 그 위에 굴절율 혹은 손실이 다른 InGaAsP층(130), InGaAsP 활성층(140), p형으로 도핑된 InP층(150) 및 전극(160)이 순차적으로 형성된다. 그리고 하부 클래드층(110)의 일정 영역에서부터 상부 클래드층(150)에 이르기까지 수직상으로 전류 차단층(170)이 형성된다. 한편 비대칭 반사 거울면 구조를 위하여, 도 2의 좌측면은 높은 반사율(이하, HR; High Reflectivity)을 갖는 구조로, 우측면은 낮은 반사율(이하, AR; Anti Reflectivity)을 갖는 구조로 코팅된다.
한편, 도 2에서 참조 부호 "192"는 HR 부분에서 빔의 반사를 나타내고 참조부호 "194"는 수직 방향의 광 분포를 나타낸다.
도 3은 비대칭 반사 거울면 구조를 갖는 리지형(Ridge type) DFB 레이저 다이오드를 나타내 보인 부분 절개 사시도이다.
도 3을 참조하면, 리지형 DFB 레이저 다이오드는, InP 하부 클래드층(110), InGaAsP층(130), InGaAsP 활성층(140) 및 p형으로 도핑된 InP 상부 클래드층(150)이 형성되며, 상부 클래드층(150) 위에 보다 좁은 폭의 리지(300)가 형성되고, 전극(160)은 리지(300) 위에 형성된다. 이 경우에는, 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, AR 단면(184)에서는 HR 단면(182)에서 보다 더 많은 광이 출사된다. 한편, 참조 부호 "310"은 출사시 AR 단면에서의 광 모양을 나타낸다.
도 1 및 도 3의 비대칭 거울면 구조의 DFB 레이저 다이오드는 각각의 반사율 조정으로 축퇴된 모드들을 이동시킬 수 있으므로 대칭 거울면 구조에 비해 상대적으로 높은 단일 모드 수율을 얻을 수 있으나, HR 단면(182)의 반사율이 증가 할수록 HR 단면에서의 회절 격자 위상 변화에 의해 광분포가 급격히 변형되며, 이는 공진기내 축 방향 광 분포의 불균형을 초래하므로 수율 특성이 감소하게 된다.
한편, 도 4는 종래의 매립형 분포 반사형 레이저 다이오드를 나타내 보인 부분 절개 사시도이다. 그리고 도 5는 도 4의 매립형 분포 반사형 레이저 다이오드의 절단면을 B 방향에서 바라본 것을 나타내 보인 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 매립형 분포 반사형 레이저 다이오드는, 활성(active) 영역(Ⅰ) 및 수동(passive) 영역(Ⅱ)을 포함한다. 활성 영역(Ⅰ)은,높은 반사율을 갖는 거울면(482)이 배치되며, 회절 격자가 없는 FP(Fabry-Perot) 레이저 다이오드 구조로 이루어진다. 수동 영역(Ⅱ)은 전극이 없는 대신에 회절 격자(420)가 배치된다. 보다 구체적으로 설명하면, 활성 영역(Ⅰ)에서, InP 기판(400) 위에 n형으로 도핑된 InP 하부 클래드층(410)이 배치되고, 그 위에 InGaAsP 활성층(440)이 배치된다. 수동 영역(Ⅱ)에서는 InP 기판(400) 위에 재성장된 InP 하부 클래드층(412)이 형성되고, 그 위에 회절 격자가 형성된다. 회절 격자(420) 위로는 InGaAsP층(430)이 형성되고, 그 위에 InGaAsP 도파층(440')이 형성된다. 활성층(440) 및 재성장된 도파층(440') 위에는 p형으로 도핑된 InP 상부 클래드층(450) 및 전극(460)이 순차적으로 형성된다. 그리고 하부 클래드층(410) 또는 재성장된 하부 클래드층(412)의 일정 영역에서부터 상부 클래드층(450)에 이르기까지 수직상으로 전류 차단층(470)이 형성된다. 상기 활성층(440)은 가운데의 양자 우물층 양쪽에 각각 SCH가 배치된 구조를 갖는다. 한편 참조 부호 "494"는 수직 방향의 광 분포를 나타낸다.
이와 같은 구조의 분포 반사형 레이저 다이오드에 있어서, 회절 격자가 있는 수동 영역(Ⅱ)은 반사율이 낮은 거울면(484)이므로 거울면 회절 격자 위상변화에 의한 영향이 적으며, 더욱이 광 이득이 발생하는 활성 영역(Ⅰ)에서는, 비록 높은 반사율을 갖는 거울면(482)이지만, 회절 격자가 없으므로, 결국 회절 격자 위상변화로 인한 발진 모드에 미치는 영향은 거의 없다. 그러나 수동 영역(Ⅱ)의 회절 격자 제작을 위해 선택 식각 (Selective Area Etching)작업과 재성장 (Re-growth)공정을 수행하여야 하며, 이 과정에서 활성 영역(Ⅰ)과 수동 영역(Ⅱ) 사이의 인터페이스가 열악해지고, 모드가 일치하지 않게 되어 광 출력이 낮아진다는 단점을 갖고 있다.
도 6은 리지형 구조를 갖는 종래의 분포 반사형 레이저 다이오드를 나타내 보인 부분 절개 사시도이다.
도 6을 참조하면, InP 하부 클래드층(410), 재성장된 InP 하부 클래드층(412), 회절 격자(420), InGaAsP층(430), InGaAsP 활성층(440), 재성장된 InGaAsP 활성층(440') 및 p형으로 도핑된 InP 상부 클래드층(140)이 형성되며, 상부 클래드층(450) 위에 보다 좁은 폭의 리지(600)가 형성되고, 전극(460)은 리지(600) 위에 형성된다. 상기 구조 또한 그 동작 특성에 따른 장점 및 문제점도 도 2를 참조하여 설명한 바와 동일하다. 한편 참조 부호 "610"은 출사시 단면에서의 광 모양을 나타낸다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 단일 모드 수율 특성이 단면의 회절 격자의 위상에 의해 영향 받지 않으면서 동시에 높은 광출력을 갖도록 광 모드 변환기와 분포 궤환형 레이저 다이오드가 일체화된 분포 반사형 레이저 다이오드를 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 분포 궤환형 레이저 다이오드의 일 예를 나타내 보인 부분 절개 사시도이다.
도 2는 도 1의 분포 궤환형 레이저 다이오드의 절단면을 A 방향에서 바라본 것을 나타내 보인 단면도이다.
도 3은 종래의 분포 궤환형 레이저 다이오드의 다른 예를 나타내 보인 부분 절개 사시도이다.
도 4는 종래의 분포 반사형 레이저 다이오드의 일 예를 나타내 보인 부분 절개 사시도이다.
도 5는 도 4의 분포 반사형 레이저 다이오드의 절단면을 B 방향에서 바라본 것을 나타내 보인 단면도이다.
도 6은 종래의 분포 반사형 레이저 다이오드의 다른 예를 나타내 보인 부분 절개 사시도이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 리지형 분포 반사형 레이저 다이오드를 나타내 보인 부분 절개 사시도이다.
도 7b는 도 7a의 리지형 분포 반사형 레이저 다이오드를 C 방향에서 바라본 단면도이다.
도 7c는 도 7a의 리지형 분포 반사형 레이저 다이오드의 도파 영역(Ⅱ')에서의 광 출력 특성을 나타내 보인 도면이다.
도 8a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 매립형 분포 반사형 레이저 다이오드를 나타내 보인 사시도이다.
도 8b는 도 8a의 매립형 분포 반사형 레이저 다이오드를 "D" 방향에서 바라본 단면도이다.
도 8c는 도 8a의 매립형 분포 반사형 레이저 다이오드의 수동 도파층과 활성층의 폭을 나타내 보인 평면도이다.
도 9a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 매립형 분포 반사형 레이저 다이오드를 나타내 보인 사시도이다.
도 9b는 도 9a의 매립형 분포 반사형 레이저 다이오드를 "D'" 방향에서 바라본 단면도이다.
도 9c는 도 9a의 매립형 분포 반사형 레이저 다이오드의 수동 도파층과 활성층의 폭을 나타내 보인 평면도이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 분포 반사형 레이저 다이오드는, 제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역을 구비하는 분포 반사형 레이저 다이오드에 있어서, 기판 위의 하부 클래드층; 상기 하부 클래드층 위에형성된 회절 격자; 상기 회절 격자 위에 형성된 하부 클래드층과 굴절율이 다른 광도파로층; 상기 광도파로 위에 형성되며 상기 제3 영역에서 빔을 전송시키는 수동 도파층; 상기 수동 도파층 위에 형성된 중간 클래드층; 상기 중간 클래드층 위에 형성되며 상기 제1 영역에서 광 이득을 발생시켜 상기 제2 영역에서 상기 수동 도파층으로 빔을 천이시키는 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 상부 클래드층; 및 상기 상부 클래드층의 일부 표면 위에 형성되되, 상기 제1 영역의 단부에서 가장 큰 폭을 갖고 상기 제3 영역의 단부의 광 출력단에서 가장 작은 폭을 가지며, 상기 제1 영역에서 상기 제3 영역으로 갈수록 점점 폭이 감소되는 테이퍼 구조를 갖도록 형성된 리지를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 상부 클래드층은, 상기 제1 영역에서 가장 큰 두께를 갖고 상기 제2 영역에서 중간 두께를 가지며, 그리고 상기 제3 영역에서 가장 작은 두께를 갖는 계단식 구조로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 제1 영역에서의 상기 리지의 폭은 상기 제1 영역 내에서의 광이 상기 활성층 내에 수직 및 수평 방향의 단일 모드를 형성하도록 결정되고, 상기 제2 및 제3 영역에서의 상기 리지의 폭은 광이 상기 활성층에서 상기 수동 도파층으로 원활하게 천이되도록 결정되는 것이 바람직하다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 다른 실시예에 따른 분포 반사형 레이저 다이오드는, 광 이득이 발생하는 제1 영역, 빔 천이가 되는 제2 영역 및 낮은 반사율을 갖는 거울면을 포함하는 제3 영역을 구비하는 분포 반사형 레이저 다이오드에 있어서, 기판 위의 하부 클래드층; 상기 하부 클래드층 위에 형성된 회절 격자; 상기 회절 격자 위에 형성된 InGaAsP층; 상기 InGaAsP층 위에서 형성되되, 상기 제1 영역의 단부에서 가장 작은 폭을 갖고 상기 제3 영역의 단부의 광 출력단에서 가장 큰 폭을 가지며, 상기 제1 영역에서 상기 제3 영역으로 갈수록 점점 폭이 증가되는 구조로 이루어진 수동 도파층; 상기 수동 도파층 위에 형성된 증간 클래드층; 상기 중간 클래드층 위에 형성되되, 상기 제1 영역의 단부에서 가장 큰 폭을 갖고 상기 제3 영역과 접하는 상기 제2 영역의 단부에서 가장 작은 폭을 가지며, 상기 제1 영역에서 상기 제2 영역으로 갈수록 점점 폭이 감소되는 구조로 이루어진 활성층; 및 상기 활성층 위에 형성된 상부 클래드층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 수동 도파층은, 상기 제1 영역의 단부에서 가장 작은 두께를 갖고 상기 제3 영역의 단부의 광 출력단에서 가장 큰 두께를 가지며, 상기 제1 영역에서 상기 제3 영역으로 갈수록 점점 두께가 증가되는 구조인 것이 바람직하다.
상기 활성층은, 상기 제1 영역의 단부에서 가장 큰 두께를 갖고 상기 제3 영역과 접하는 상기 제2 영역의 단부에서 가장 작은 두께를 가지며, 상기 제1 영역에서 상기 제2 영역으로 갈수록 점점 두께가 감소되는 구조인 것이 바람직하다.
상기 제1 영역에서의 상기 수동 도파층 및 활성층의 폭은 상기 제1 영역 내에서의 광이 상기 활성층 내에 구속된 상태로 전파될 수 있는 범위 내에서 결정되는 것이 바람직하다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며,본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 리지형 분포 반사형 레이저 다이오드를 나타내 보인 부분 절개 사시도이다. 그리고 도 7b는 도 7a의 분포 반사형 레이저 다이오드를 C 방향에서 바라본 단면도이다. 또한 도 7c는 도 7a의 분포 반사형 레이저 다이오드의 도파 영역(Ⅱ')에서의 광 출력 특성을 나타내 보인 도면이다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 상기 리지형 분포 반사형 레이저 다이오드는, InP 기판(700) 위에 형성된 활성 영역(Ⅰ'), 도파 영역(Ⅱ') 및 수동 영역(Ⅲ')을 포함한다. 상기 활성 영역(Ⅰ'), 도파 영역(Ⅱ') 및 수동 영역(Ⅲ')에서, InP 기판(700) 위에 InP 하부 클래드층(710)이 형성되고, 그 위에 회절 격자(720)가 형성된다. 회절 격자(720) 위에는 InGaAsP층(730), InGaAsP 수동 도파층(740), InP 중간 클래드층(750) 및 활성층(760)이 순차적으로 적층된다. 활성층(760)은 양자 우물층이 가운데 배치되고, 양자 우물층 위 및 아래에 각각 SCH가 배치된 구조를 갖는다. 활성층(760) 위에는 InP 상부 클래드층(770)이 형성된다.
상부 클래드층(770)은 계단식 구조로 이루어진다. 즉 상부 클래드층(770)은, 활성층(760) 위에서 순차적으로 적층된 제1 상부 클래드층(771), 제2 상부 클래드층(772) 및 제3 클래드층(773)을 포함하여 구성된다. 제1 상부 클래드층(771)은 활성 영역(Ⅰ'), 도파 영역(Ⅱ') 및 수동 영역(Ⅲ')에 걸쳐서 배치된다. 제2 상부 클래드층(772)은 활성 영역(Ⅰ') 및 도파 영역(Ⅱ')에 걸쳐서 배치되고, 수동 영역(Ⅲ') 내에는 배치되지 않는다. 그리고 제3 상부 클래드층(773)은 활성 영역(Ⅰ') 내에만 배치되고, 도파 영역(Ⅱ') 및 수동 영역(Ⅲ') 내에는 배치되지 않는다. 도면에 나타내지는 않았지만, 계단식 구조의 상부 클래드층(770)을 형성하기 위하여, 제1 상부 클래드층(771)과 제2 상부 클래드층(772) 사이 및 제2 상부 클래드층(772)과 제3 클래드층(773) 사이에 식각 저지막(미도시)이 형성될 수도 있다. 또한 본 실시예에서 상기 상부 클래드층(770)은 3개의 계단식 구조를 갖는 것으로 기술하였지만, 이는 단지 예시적인 것으로서 더 많은 개수의 계단식 구조를 가질 수도 있다는 것은 당연하다.
상부 클래드층(770) 위에는 리지(780)가 형성되고, 활성 영역(Ⅰ')의 리지(780) 표면 위에는 전극(790)이 형성된다. 즉 전극(790)은 활성 영역(Ⅰ') 내에만 배치된다. 활성 영역(Ⅰ') 내에서 상기 리지(780) 및 전극(790)은 제1 폭(W)을 갖는다. 그러나 도파 영역(Ⅱ') 내에서 상기 리지(780)는 수동 영역(Ⅲ')을 향할수록 점점 폭이 작아지는 테이퍼(taper) 구조를 갖는다. 마찬가지로 수동 영역(Ⅲ') 내에서도 상기 리지(780)는 발진 표면을 향할수록 점점 폭이 작아지는 테이퍼 구조를 갖는다.
이와 같은 구조의 분포 반사형 레이저 다이오드에 있어서, 활성 영역(Ⅰ')은 높은 반사율을 갖는 거울면(704)을 포함하지만, 하부에 위치한 회절 격자(720)의 영향을 거의 받지 않는 FP 레이저 다이오드로서 동작한다. 즉 활성층(760)과 회절 격자(720) 사이의 충분한 간격이 확보될 경우, 활성 영역(Ⅰ')에서 발생한 광은 등가 굴절율이 상대적으로 높은 활성층(760)에 구속되게 되고, 따라서 수동 도파층(740) 아래의 회절 격자(720)로부터 영향을 받지 않은 상태에서 도파 영역(Ⅱ')으로 전파된다. 상기 광이 활성층(760)에 구속되도록 상기 활성층(760)의 등가 굴절율을 상대적으로 높게 유지하기 위해서는, 활성 영역(Ⅰ')에서의 리지(780)의 제1 폭(W)이 소정 값, 예컨대 2㎛ 이상이 되어야 한다.
활성 영역(Ⅰ')으로부터 전파된 광은, 도 7c에 도시된 바와 같이, 도파 영역(Ⅱ')을 지나면서 점점 활성층(760)으로부터 수동 도파층(740) 쪽으로 천이되면서 수동 영역(Ⅲ')을 향해(Z 방향으로) 전파된다. 이와 같이 도파 영역(Ⅱ')에서 광이 천이되면서 전파되는 이유는, 도파 영역(Ⅱ')에서 광이 전파되는 방향쪽으로(Z 방향으로) 리지(780)의 폭이 점점 줄어들기 때문이다. 즉 리지(780)의 폭이 점점 감소하면서 리지(780)를 둘러싸는 공기층의 폭이 점점 증가하고, 이에 따라 굴절율이 상대적으로 낮은 공기(굴절율=1)의 영향에 의해 활성층(760)의 등가 굴절율이 점점 낮아진다. 이와 같이 활성층(760)에서의 등가 굴절율이 점점 낮아짐에 따라 광이 활성층(760)에 구속되는 힘은 점점 감소되기 때문이다.
도파 영역(Ⅱ')으로부터 전파된 광은, 수동 영역(Ⅲ')에서 수동 도파층(740)을 중심으로 광을 출력시키는데, 이 출력 광(700a)은 수동 도파층(740)의 두께(d)를 조절함으로써 그 모드 크기를 증가시킬 수 있다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 증가된 모드 크기를 갖는 광(700a)을 출력시키기 위해서는, 수동 도파층(740)의 두께(d)가 대략 0.1㎛ 이하가 되도록 한다. 출력 광(700a)의 모드 크기가 증가하는 경우, 광 섬유와의 광 결합 효율도 또한 증가시킬 수 있다.
도 8a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 매립형 분포 반사형 레이저 다이오드를 나타내 보인 사시도이다. 그리고 도 8b는 도 8a의 매립형 분포 반사형 레이저다이오드를 "D" 방향에서 바라본 단면도이며, 도 8c는 도 8a의 매립형 분포 반사형 레이저 다이오드의 수동 도파층과 활성층의 폭을 나타내 보인 평면도이다.
도 8a, 도 8b 및 도 8c를 참조하면, 상기 매립형 분포 반사형 레이저 다이오드는, InP 기판(800) 위에 형성된 활성 영역(Ⅰ"), 도파 영역(Ⅱ") 및 수동 영역(Ⅲ")을 포함한다. 활성 영역(Ⅰ")은 높은 반사율을 갖는 거울면(802)을 포함하고, 반대로 수동 영역(Ⅲ")은 낮은 반사율을 갖는 거울면(804)을 포함한다. 상기 활성 영역(Ⅰ"), 도파 영역(Ⅱ") 및 수동 영역(Ⅲ")에서, InP 기판(800) 위에 InP 하부 클래드층(810)이 형성되고, 그 위에 회절 격자(820)가 형성된다. 회절 격자(820) 위에는 InGaAsP 광도파로(830), InGaAsP 수동 도파층(840), InP 중간 클래드층(850) 및 활성층(860)이 순차적으로 적층된다. 단 활성층(860)은 수동 영역(Ⅲ")에는 배치되지 않는다. 활성 영역(Ⅰ")의 상부 클래드층(870) 표면 위에는 전극(890)이 형성된다. 즉 전극(890)은 활성 영역(Ⅰ") 내에만 배치된다.
상기 수동 도파층(840)은, 활성 영역(Ⅰ")의 단부에서 가장 작은 폭을 갖고, 활성 영역(Ⅰ"), 도파 영역(Ⅱ") 및 수동 영역(Ⅲ")을 지나면서 광의 출사면에 이르러서는 가장 큰 폭을 갖도록 형성된다. 이와 반대로 활성층(860)은, 활성 영역(Ⅰ")의 단부에서 가장 큰 폭을 갖고, 활성 영역(Ⅰ") 및 도파 영역(Ⅱ")을 지나면서 도파 영역(Ⅱ")의 단부에 이르러서는 가장 작은 폭을 갖도록 형성된다.
이와 같은 구조의 매립형 분포 반사형 레이저 다이오드에 있어서, 활성 영역(Ⅰ")은 높은 반사율을 갖는 거울면(802)을 포함하지만, 하부에 위치한 회절 격자(820)의 영향을 거의 받지 않는 FP 레이저 다이오드로서 동작한다. 즉 이 영역에서 활성층(860)의 폭이 가장 크므로, 활성층(860)과 회절 격자(820) 사이의 충분한 간격이 확보될 경우, 활성 영역(Ⅰ")에서 발생한 광은 등가 굴절율이 상대적으로 높은 활성층(860)에 구속되게 되고, 따라서 수동 도파층(840) 아래의 회절 격자(820)로부터 영향을 받지 않은 상태에서 도파 영역(Ⅱ")으로 전파된다.
활성 영역(Ⅰ")으로부터 전파된 광은, 도파 영역(Ⅱ")을 지나면서 점점 활성층(860)으로부터 수동 도파층(840) 쪽으로 천이되면서 수동 영역(Ⅲ")을 향해 전파된다. 이와 같이 도파 영역(Ⅱ")에서 광이 천이되면서 전파되는 이유는, 도파 영역(Ⅱ")에서 광이 전파되는 방향쪽으로 활성층(860)의 폭은 점점 감소하는 반면에 수동 도파층(840)의 폭은 점점 증가하기 때문이다. 따라서 이 영역에서 활성층(860)의 등가 굴절율은 상대적으로 활성 영역(Ⅰ")에 비하여 줄어든다.
도파 영역(Ⅱ")으로부터 전파된 광은, 수동 영역(Ⅲ")에서 수동 도파층(840)을 중심으로 광을 출력시키는데, 앞서 설명한 바와 같이, 수동 도파층(840)의 두께를, 예컨대 대략 0.1㎛ 이하가 되도록 조절함으로써, 출력 광의 모드 크기를 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 광 섬유와의 광 결합 효율도 또한 증가시킬 수 있다.
도 9a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 매립형 분포 반사형 레이저 다이오드를 나타내 보인 사시도이다. 도 9b는 도 9a의 매립형 분포 반사형 레이저 다이오드를 "D'" 방향에서 바라본 단면도이다. 도 9c는 도 9a의 매립형 분포 반사형 레이저 다이오드의 수동 도파층과 활성층의 폭을 나타내 보인 평면도이다. 본 실시예에 따른 매립형 분포 반사형 레이저 다이오드는, 도 8a를 참조하여 설명한 매립형 분포 반사형 레이저 다이오드와 거의 동일하다. 따라서 이하에서는 차이점에관해서만 설명하기로 하고, 중복되는 내용에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 9a, 도 9b 및 도 9c를 참조하면, 본 실시예에 따른 매립형 분포 반사형 레이저 다이오드는, 수동 도파층(940) 및 활성층(960)의 폭 뿐만 아니라 두께 또한 변화되는 구조를 갖는다. 즉 수동 도파층(940)은, 활성 영역(Ⅰ")의 단부에서 가장 작은 폭을 갖고, 활성 영역(Ⅰ"), 도파 영역(Ⅱ") 및 수동 영역(Ⅲ")을 지나면서 광의 출사면에 이르러서는 가장 큰 폭을 갖도록 형성된다. 동시에 수동 도파층(940)은, 활성 영역(Ⅰ")의 단부에서 가장 작은 두께(d11)를 갖고, 활성 영역(Ⅰ"), 도파 영역(Ⅱ") 및 수동 영역(Ⅲ")을 지나면서 광의 출사면에 이르러서는 가장 큰 두께를 갖도록 형성된다. 이와 반대로 활성층(960)은, 활성 영역(Ⅰ")의 단부에서 가장 큰 폭을 갖고, 활성 영역(Ⅰ") 및 도파 영역(Ⅱ")을 지나면서 광의 출사면에 이르러서는 가장 작은 폭을 갖도록 형성된다. 동시에 활성층(960)은, 활성 영역(Ⅰ")의 단부에서 가장 큰 두께(d21)를 갖고, 활성 영역(Ⅰ") 및 도파 영역(Ⅱ")을 지나면서 수동 영역(Ⅲ")과 접하는 도파 영역(Ⅱ")의 단부에 이르러서는 가장 작은 두께(d22)를 갖도록 형성된다.
본 실시예에 따른 매립형 분포 반사형 레이저 다이오드의 경우, 수동 도파층(940) 및 활성층(960)의 폭 뿐만 아니라 두께까지 변화시킴으로써 광이 천이되는 조건이 보다 더 보강되며, 이에 따라 도파 영역(Ⅱ")의 길이를 감소시킬 수 있다. 기본적인 동작 메커니즘은, 도 8a의 매립형 분포 반사형 레이저 다이오드와 동일하다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능함은 당연하다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 분포 반사형 레이저 다이오드에 의하면, 비대칭 거울면 구조를 채용하더라도 높은 반사율을 갖는 거울면을 갖는 영역에서는 회절 격자의 위상차로부터의 영향을 받지 않고
활성층 내에 구속된 상태로 광이 전파되므로 단일 모드 수율을 증가시킬 수 있다는 이점을 제공한다. 또한 수동 도파층의 두께를 조절함으로써 광 모드 크기를 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 광섬유와의 광 결합 효율을 증가시킬 수 있다는 이점도 제공한다.

Claims (7)

  1. 제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역을 구비하는 분포 반사형 레이저 다이오드에 있어서,
    기판 위의 하부 클래드층;
    상기 하부 클래드층 위에 형성된 회절 격자;
    상기 회절 격자 위에 형성된 하부 클래드층과 굴절율이 다른 광도파로층; 상기 광도파로 위에 형성되며 상기 제3 영역에서 빔을 전송시키는 수동 도파층;
    상기 수동 도파층 위에 형성된 중간 클래드층; 상기 중간 클래드층 위에 형성되며 상기 제1 영역에서 광 이득을 발생시켜 상기 제2 영역에서 상기 수동 도파층으로 빔을 천이시키는 활성층;
    상기 활성층 위에 형성된 상부 클래드층; 및 상기 상부 클래드층의 일부 표면 위에 형성되되, 상기 제1 영역의 단부에서 가장 큰 폭을 갖고 상기 제3 영역의 단부의 광 출력단에서 가장 작은 폭을 가지며, 상기 제1 영역에서 상기 제3 영역으로 갈수록 점점 폭이 감소되는 테이퍼 구조를 갖도록 형성된 리지를 포함하는 것을 특징으로 하는 분포 반사형 레이저 다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 클래드층은, 상기 제1 영역에서 가장 큰 두께를 갖고 상기 제2 영역에서 중간 두께를 가지며, 그리고 상기 제3 영역에서 가장 작은 두께를 갖는 계단식 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 분포 반사형 레이저 다이오드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역에서의 상기 리지의 폭은 상기 제1 영역 내에서의 광이 상기 활성층 내에수 수직 및 수평 방향의 단일 모드를 형성하도록 결정되고, 상기 제2 및 제3 영역에서의 상기 리지의 폭은 광이 상기 활성층에서 상기 수동 도파층으로 원활하게 천이되도록 결정되는 것을 특징으로 하는 분포 반사형 레이저 다이오드.
  4. 광 이득이 발생하는 제1 영역, 빔 천이가 이루어지는 제2 영역 및 낮은 반사율을 갖는 거울면을 포함하는 제3 영역을 구비하는 분포 반사형 레이저 다이오드에있어서,
    기판 위의 하부 클래드층;
    상기 하부 클래드층 위에 형성된 회절 격자;
    상기 회절 격자 위에 형성된 InGaAsP층;
    상기 InGaAsP층 위에서 형성되되, 상기 제1 영역의 단부에서 가장 작은 폭을 갖고 상기 제3 영역의 단부의 광 출력단에서 가장 큰 폭을 가지며, 상기 제1 영역에서 상기 제3 영역으로 갈수록 점점 폭이 증가되는 구조로 이루어진 수동 도파층;
    상기 수동 도파층 위에 형성된 증간 클래드층;
    상기 중간 클래드층 위에 형성되되, 상기 제1 영역의 단부에서 가장 큰 폭을 갖고 상기 제3 영역과 접하는 상기 제2 영역의 단부에서 가장 작은 폭을 가지며, 상기 제1 영역에서 상기 제2 영역으로 갈수록 점점 폭이 감소되는 구조로 이루어진 활성층; 및
    상기 활성층 위에 형성된 상부 클래드층을 포함하는 것을 특징으로 하는 분포 반사형 레이저 다이오드.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 수동 도파층은, 상기 제1 영역의 단부에서 가장 작은 두께를 갖고 상기 제3 영역의 단부의 광 출력단에서 가장 큰 두께를 가지며, 상기 제1 영역에서 상기 제3 영역으로 갈수록 점점 두께가 증가되는 구조인 것을 특징으로 하는 분포 반사형 레이저 다이오드.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 활성층은, 상기 제1 영역의 단부에서 가장 큰 두께를 갖고 상기 제3 영역과 접하는 상기 제2 영역의 단부에서 가장 작은 두께를 가지며, 상기 제1 영역에서 상기 제2 영역으로 갈수록 점점 두께가 감소되는 구조인 것을 특징으로 하는 분포 반사형 레이저 다이오드.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제1 영역에서의 상기 수동 도파층 및 활성층의 폭은 상기 제1 영역 내에서의 광이 상기 활성층 내에 구속된 상태로 전파될 수 있는 범위 내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 분포 반사형 레이저 다이오드.
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