KR100526999B1 - 다영역 ｄｆｂ 레이저 다이오드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자발적 펄스를 발생하는 다영역 DFB 레이저 다이오드에 굴절 변화층을 부가시켜 이들 굴절 변화층의 유효 굴절율의 차이에 의해 두 DFB 영역의 브라그 파장에 차이를 쉽게 조절함과 동시에 변조지수의 향상을 도모하는 것이다.

Description

다영역 ＤＦＢ 레이저 다이오드{Multi DFB Laser Diode}
본 발명은 다영역 DFB(distributed feedback) 레이저 다이오드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원활한 자기 펄스 발생 작용을 갖도록 개선된 다영역 DFB 레이저 다이오드에 관한 것이다.
광 통신 시스템에서 3R 재생(re-timing, re-shaping, re-amplifying)을 위한 클럭 추출은 광펄스 소자를 통해 구현하고 있다.
종래에 광펄스 발생은 큐-스위칭 방식, 또는 상대적 위상이 고정된 2 모드 이상의 빛을 발진하여 간섭시키는 페이즈락 방식이 이용되고 있으며, 큐-스위칭 방식은 변조 대역폭에 따라 속도상의 제약을 받기 때문에 고속 광통신에는 적합하지 않은 것으로 평가되고 있고, 페이즈락 방식은 모드 간의 간격에 의해 펄스의 반복율이 정해지는 것이므로 제약 없이 이용할 수 있는 장점을 갖춘 것으로 평가되고 있으며, 특히 페이즈락 방식에 해당하는 모드락 레이저 다이오드와 다영역 DFB 레이저 다이오드는 광통신 시스템에 널리 사용되는 소자이다.
상기 모드락 다이오드경우 40GHz 이상의 비트율(bit rate)에서 injection locking이 어렵고 파워가 일반적으로 수 밀리와트로 매우 낮다는 문제점을 안고 있다. 이러한 연유로 다영역 DFB 레이저 다이오드가 연구되어 지지만 이 경우 또한 몇가지 문제점을 안고 있다. 우선 회절격자의 주기를 두 DFB 영역 간에 정확하게 일치시켜 주지 않으면 빛의 강도 차가 비대칭으로 되어 비팅 시 발생하는 펄스의 변조지수가 저하되는 문제가 생기게 되는 것이다.
상기 문제를 해결하기 위하여 e-beam 리소그라피 공정을 통해 회절격자의 주기를 조절해 왔으나 이 방법은 비용이 많이 들고 대량 생산에 적합치 않은 단점이 있다. 그리고, DFB 레이저 다이오드에서의 근본적인 문제인 단일모드생성의 문제는 공정수율상에 큰 문제가 된다.
본 발명의 목적은 두 DFB 영역들의 상호 모드간의 위치를 조정할 수 있는 보다 손쉽고 정확한 방법을 다영역 DFB 레이저 다이오드에 적용하여 상술한 문제를 해결하고자 함이다. 이러한 방법은 보다 대칭적인 구조를 가능하게 하여 변조지수 또한 크게 향상될 수 있다.
상술한 목적을 구현하기 위한 본 발명은 자발적 펄스를 발생하는 다영역 DFB 레이저 다이오드는, 회절격자를 포함하는 n-InP층의 상면에 비도핑 InGaAsP 활성층을 피복하고, 그 상면에 크레드층으로서 적층되는 p-InP층의 내측에는 식각홈에 의해 전극층과 함께 절연 구획되는 굴절 변화층을 포함시켜진다. 굴절변화층은 소자의 양쪽에 설정된 2개의 DFB 영역간에 브라그 파장 차이를 결정한다. 그리고, 두 DFB 영역사이에 설정된 Fabry-Perot 영역은 양 DFB에서 나오는 빛을 증폭하여 상대 DFB 영역으로 입사되어 상대 DFB 영역의 페이즈를 조절하고 다시 증폭되어 원래의 DFB 영역으로 돌아오게 된다. 이러한 과정은 양 DFB 영역의 stop band를 정확히 위치선정을 하여주면 optical feedback에 의해 각 DFB영역에서 단일모드발진을 유도할 수 있고, 증폭을 통해 상대방 DFB로 들어가는 광세기를 조절할 수 있어 원활한 상호 페이즈락을 도출할 수 있다.
이러한 구성에 의해 본 발명은 자발적인 펄스를 발생하는 다영역 DFB 레이저 다이오드의 대칭적 두 모드 발진을 원활히 이루어 변조지수와 공정수율이 현저하게 향상된다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면에 따라 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 초고속 광신호 처리장치에 관련된 구조를 개략적으로 나타내는 단층도로서 PBH형(planar buried heterostructure type)의 다영역 DFB 레이저 다이오드를 공진기 방향으로 절단하여 도시한 단면을 보여 주고 있다.
n-InP 기판(2) 상에 n-InP층(4)이 적층 형성되고 이 n-InP층(4)의 내부에는 회절격자(6)가 설치된 다음, 상기 n-InP층(4)의 상면은 비도핑 InGaAsP 활성층(8)으로 위치한다. 그리고 상기 비도핑 InGaAsP 활성층(8)의 상면에 p-InP층(10)이 크레드층으로서 적층 형성된 다음, 그 상면은 식각홈(12)에 의해 절연 구획되는 전극층(14a, 14b)이 적층 형성된다.
또한, 상기 p-InP층(10)에서 구획 절연된 양측방의 전극층(14a, 14b)에 해당되는 부분으로 굴절 변화층(16a, 16b)이 포함되는 바, 이들 양 굴절 변화층(16a, 16b)은 서로 다른 굴절율을 갖도록 설정된다. 상기와 같이 적층된 다층구조는 증착, 에칭, 도핑, 확산 등 일반적으로 알려진 공정을 통해 형성되는 것이며, 그 층 구조의 외측 양면은 무반사 박막(18)으로 실드된다.
상술한 n-InP기판(2)에서 전극(14a, 14b) 까지의 단층 구조를 공진기의 직교 방향으로 절단하여 보면 도 2에 나타낸 바와 같은 단층도로 된다.
도 2에서 비도핑 InGaAsP 활성층(8)의 양측부에는 n-InP층(4)에 포함된 내측 회절격자(6)의 양측을 식각하는 형태로 n-InP층(20)과 p-InP층(22)이 순차 적층되어 그 상방의 p-InP층(10) 및 하방의 n-InP층(4) 사이에서 p-n-p 블록킹 구조를 이루게 되어 있다.
그리고 상측방의 전극(14a, 14b)은 p-InP층(10)의 상면과 SiNx층(24)에 의해 분리된 상태로 적층되어 있고, 다만 비아홀을 통해 접촉되는 구조로 되어 있다.
상기 SiNx층(24)은 전극(14a, 14b)에 인가되는 전류를 p-n-p 블록킹 구조의 활성층으로 인도하는 기능을 하게 된다.
한편, n-InP층(4)의 내부에 존재하는 회절격자층의 두께와 폭, 그리고 물질조성에 의해 순방향 진행파와 역방향 진행파간의 상호작용을 나타내는 결합정수(coupling coefficient)를 결정하는 요소가 된다.
상술한 구성의 본 발명을 시영역 모델에 의한 계산의 결과는 도 3 및 도 4의 도시와 같이 나타났다.
도 3은 파장에 따른 광세기를 보여주는 것으로서 1.547GHz 부근에서 1.548GHz 부근을 경계로하여 명확하게 위상이 고정된 두 빛이 간섭현상에 의해 펄스를 발생하는 것을 알 수 있다. 이러한 작용은 상기 굴절 변화층(16a, 16b)이 상호 다른 굴절율을 가지고 있기 때문에 발생하는 것이며, 이것에 의해 브라그 파장의 차이가 생겨 변조지수를 향상할 수 있는 것이다. 그리고, 두 DFB 영역의 stop band가 겹치는 부분에서 두 모드가 발진을 한다.
또, 도 4는 시간에 따른 광세기의 변화를 보여 주는 것으로, 발생되는 펄스의 모듈레이션 인덱스([최고값-평균값]/평균값)가 1에 가깝게 안정된 상태로 나타남을 알 수 있다. 두 stop band가 겹치는 부분이 없을 경우 4개 이상의 모드가 발진하면서 변조지수가 아주 낮아진다.
또, Fabry-Perot 영역의 인가전류를 변화시킴으로서 수십 GHz 이상의 펄스반복율의 변화를 이룰 수 가 있다. 이는 실제 사용에 있어서 편리성이 향상을 의미한다.
비록 본 발명이 가장 실제적이며 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 상기 개시된 실시예에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위 내에 속하는 다양한 변형 및 등가물들도 포함한다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 관련된 다영역 DFB 레이저 다이오드는 두 DFB 영역에 간단히 굴절율이 다른 층을 포함시키는 것에 의해 다영역 DFB 레이저 다이오드의 변조지수와 공정수율의 향상을 보다 쉽게 하는 발명이다.
도 1은 본 발명에 관련된 레이저 다이오드의 개략적 구성을 나타내는 단층도이다.
도 2는 도 1의 측단면도이다.
도 3은 본 발명 장치의 출력을 시영역 모델로 계산하여 얻어진 광 스펙트럼.
도 4는 시영역 모델로 계산하여 얻어진 출력값이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>
2 : n-InP 기판 4 : n-InP층
6 : 회절격자 8 : 비도핑 InGaAsP 활성층
10 : p-InP층 12 : 식각홈
14a, 14b : 전극층 16a, 16b : 굴절 변화층
18 : 무반사 박막 20 : n-InP층
22 : p-InP층 24 : SiNx층

Claims (4)

  1. 기판, 상기 기판위에 순차적으로 n-InP층, 활성층, p형 크레드층, 전극층을 포함하는 적층구조로서, 위상조절영역 및 증폭영역을 포함하는 공진기와 DFB 레이저 영역을 포함하여 자발적 펄스를 발생하는 다영역 DFB 레이저 다이오드에 있어서,
    상기 p형 크레드층은 식각홈에 의해 상기 전극층과 함께 절연 구획되는 굴절변화층을 포함하고, 제1 DFB 레이저 영역 및 제2 DFB 레이저 영역과 위상조절영역을 포함하여, 국소영역의 유효굴절률 변화로 두 DFB 레이저 영역들의 상호 모드간의 위치 및 모드비 조정으로 DFB 레이저의 발진 주파수 천이를 유도 및 제어하는
    다영역 DFB 레이저 다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 굴절 변화층은 서로 다른 유효 굴절율을 갖도록 설정된 다영역 DFB 레이저 다이오드.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기판은 InP로 조성되고,
    상기 n-InP층은 회절격자를 포함하는 다영역 DFB 레이저 다이오드.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 활성층은 InGaAsP로 조성되고,
    상기 활성층의 상면에는 크레드층으로서 p-InP층이 적층되는 다영역 DFB 레이저 다이오드.
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