KR100594108B1 - 단일 모드 분포 귀환 레이저 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 단일 모드의 광을 생성하는 분포 귀환 레이저는 반도체 기판과, 일정한 주기로 이격되게 배열된 복수의 격자들을 구비하며 상기 반도체 기판 상에 위치된 하부 클래드와, 상기 하부 클래드 상에 성장되어 상기 격자들이 배열된 방향에 대해서 수직한 방향으로 만곡지게 형성되며 상기 광을 발진시키는 도파로와, 상기 도파로 상에 성장된 상부 클래드와, 상부 및 하부 전극을 포함한다.
분포 귀환 레이저, 단일 모드, 격자

Description

단일 모드 분포 귀환 레이저{SINGLE MODE DISTRIBUTED FEEDBACK LASER}
도 1은 종래의 분포 귀환 레이저를 나타내는 도면,
도 2는 메사 폭에 따른 유효 굴절률 변화를 관계를 나타내는 그래프,
도 3은 종래 스트라이프 엔지니어드 구조의 분포 귀환 레이저에서 발생하는 전류에 따른 출력의 킨크를 설명하기 위한 그래프,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 분포 귀환 레이저를 나타내는 도면,
도 5는 도 4에 도시된 분포 귀환 레이저의 도파로 부분을 절단해서 도시한 도면,
도 6은 도파로의 틸트 각도와 발진 모드들의 파장 변화의 관계를 설명하기 위한 그래프,
도 7은 브래그 파장과 결합 계수 분포를 설명하기 위한 그래프,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 격자 및 도파로 구조만을 나타내는 도면,
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 격자 및 도파로 구조를 나타내는 도면.
본 발명은 반도체 레이저에 관한 발명으로서, 특히 격자를 포함하는 분포 귀환 레이저에 관한 것이다.
분포 귀환 레이저(Distributed feedback laser)는 도파로 상에 형성된 브래그 격자를 포함하며, 상술한 분포 귀환 레이저는 단일 모드의 광을 생성하기 위한 광원으로서 광통신에 널리 사용되고 있다.
도 1은 종래의 분포 귀환 레이저를 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 종래의 분포 귀환 레이저(100)는 반도체 기판(110)과, 격자(121)가 형성된 하부 클래드(120)와, 상기 하부 클래드(120) 상에 성장된 도파로(130)와, 상기 도파로(130) 상에 성장된 상부 클래드(140)와, 하부 및 상부 전극(151, 152)과, 진공 증착된 무반사 및 고반사 층(161, 162)을 포함한다.
상기 도파로는(130)는 상기 하부 클래드(120) 상에 순차적으로 성장된 하부 도파로(131), 다중 양자 우물층(132), 상부 도파로(133)로 이루어진다. 상기 도파로(130)는 상기 격자(121)에 의해서 브래그 파장을 중심으로 좌우 대칭 되는 한 쌍의 피크(Peak)들을 갖는 광을 생성하고, 상기 광을 이루는 피크 중 상기 무반사 층(161)과 상기 고반사 층(162) 사이에서 위상이 일치되는 피크를 레이저 광으로 발진시킨다. 상기 무반사 층(161)은 상기 고반사 층(162)에 비해서 높은 출력을 얻을 수 있음으로, 상기 분포 귀환 레이저(100)에서 발진된 레이저 광은 상기 무반사 층 (161)을 통해서 출력된다.
광통신에 사용되는 일반적인 800 ~ 1600㎚ 파장 대역의 레이저 광을 생성하기 위해서 상기 분포 귀환 레이저(100)는 InP, GaAs 계의 반도체 물질을 갖는 하부 클래드(120)에 100 ~ 250 ㎚의 주기를 갖는 격자(121)가 형성된다. 상기 분포 귀환 레이저(100)는 상기 무반사 및 고반사 층(161, 162) 사이의 길이와 격자의 위상 관계에 따라서 그 내부의 전기장 분포(Electric Field Distribute)가 변화되고, 전기장 분포의 변화는 발진되는 레이저 광의 단일 모드 특성 또한 변화시킨다. 분포 귀환 레이저(100)에서 발진된 레이저 광의 단일 모드 특성은 공정 상에서 통제 불가능한 상기 격자(121)와 상기 무반사 및 고반사 층(161, 162)이 형성된 벽계면 간 위상의 통계적인 분포에 근거하게 됨으로, 일반적인 분포 귀환 레이저(100)는 단일 모드 특성에 관한 수율이 크게 저하되게 된다.
상술한 분포 귀환 레이저(100)의 브래그 파장은 상기 격자(121)의 주기와 상기 도파로(130)의 유효 굴절률 관계에 따라서 결정되며, 분포 귀환 레이저(100)의 단일 모드 특성을 향상시키기 위한 방법으로서 상기 도파로(130)의 메사 선폭을 다르게 형성하는 스트라이프 엔지니어드(stripe engineered) 구조, 주기가 다른 다수의 격자들로 구성된 첩드 격자(Chirped grating) 등이 제안되고 있다.
상술한 첩드 격자는 다른 주기를 갖는 복수의 격자들이 형성된 구조로서, 첩드 격자가 형성된 분포 귀환 레이저에 관해서 G.P. Agrawal and A.H. Bonbeck 등에 의해 "IEEE Journal of quantum Electronics, vol. 24, No. 12, pp. 2407~2414, December, 1988"에 발표된 "Modeling of Distributed Feedback Semisonductor Laser with Axially-Varying Parameters"[참고 문헌 1]에 자세하게 개시되어 있다. 일반적으로 첩드 격자 구조의 분포 귀환 레이저는 기존의 홀로그램 리소그라피(Hologram litography) 방법 대신에 이-빔 리소그라피(Electron-Beam Lithography)을 사용한다. 그러나, 첩드 격자를 형성하기 위한 이-빔 리소그라피 공정은 공정이 복잡하고, 원하는 정도로 격자 간격을 정밀하게 제어하는 것이 용이하지 않을 뿐더러 제작 비용이 많이 소요되는 문제가 있다.
일반적인 반도체 레이저는 횡방향의 단일 모드를 얻기 위해서 리지(ridge)나 매립 헤테로(Buried hetero) 구조의 도파로를 형성하는 방법이 사용되고 있다. 상술한 바와 같은 구조에서 도파로의 스트라이프(Waveguide stripe) 선폭을 변화시켜서 유효 굴절률(neff)을 바꿔주는 방법을 스트라이프 엔지니어드 격자(Strip engineered grating)라고 한다. 상술한 스트라이프 엔지니어드 이-빔 리소그라피 등에 의해 제작되는 첩드 격자 구조의 분포 귀환 레이저를 대체하는 방법으로 제안되고 있다.
하기 수학식 1은 격자의 브래그 파장과 유효 굴절률 및 격자 주기와의 관계를 나타낸다.
Figure 112005003736042-pat00001
상기의 수학식 1에서 λB는 격자의 브래그 파장을 나타내고, Λ는 격자의 주기를 나타낸다. neff는 도파로의 유효 굴절률을 나타낸다. 도 2는 도파로의 메사 폭 과 그에 따른 유효 굴절률 변화를 설명하기 위한 그래프이다. 도 2를 참조하면 메사 폭과 유효 굴절률은 비례하게 됨을 알 수 있다.
상술한 스트라이프 엔지니어드 격자 구조는 도파로의 폭이 광의 진행 방향에 따라서 변화되는 구조로서, 상술한 스트라이프 엔지니어드 격자 구조에 관해서는 F.Grillot, B. Thedrez, F. Mallecot, C. Chaumont, S. Hubert, M. F. Martineau, A. Pinquier, and L. Roux 등에 의해 "IEEE Photonics Technology Letters, vol. 14, No. 8, pp. 1040~1042, August 2002"에 발표된 "Analysis, Fabrication, and Characterization of 1.55-㎛ Selection-Free Tapered Stripe DFB lasers"[인용 문헌 2]와, F.Grillot, B. Thedrez, F. Mallecot, G.-H. Duan 등에 의해 "IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 40, No. 3, pp. 231~240, March 2004"에 발표된 " Feedback sensitvity and coherence collapse threshold of semiconductor DFB lasers with complex structures"의 [인용 문헌 3]에 자세하게 개시되고 있다.
도 3은 스트라이프 엔지니어드 격자를 포함하는 분포 귀환 레이저에서 발생된 킨크(Kink) 현상을 나타내는 그래프이다. 즉, 스트라이프 엔지니어드 구조를 갖는 분포 귀환 레이저는 도파로의 특정 위치에서 메사 선폭이 변하는 테이퍼(taper) 형태로서, 실제 전압은 일정하게 인가되더라도 도 3의 그래프에 도시된 바와 같이 반도체 레이저가 문턱 전류의 부근에서 인가되는 전류가 급격하게 변화되는 것과 같은 동작 특성을 갖는 킨크(Kink) 현상이 나타나는 문제가 있다.
상술한 킨크 현상은 도파로의 선폭을 다르게 형성할 경우에 도파로의 폭에 따라서 흐르는 전류의 차가 발생하게 되어, 레이저 발진 전후에 전류의 흐름이 급 격하게 변화되는 문제가 발생하기 때문이다.
본 발명은 제작이 용이하고 단일 모드 특성이 향상된 분포 귀환 레이저를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 단일 모드의 광을 생성하는 분포 귀환 레이저는,
반도체 기판과;
일정한 주기로 이격되게 배열된 복수의 격자들을 구비하며 상기 반도체 기판 상에 위치된 하부 클래드와;
상기 하부 클래드 상에 성장되어 상기 격자들이 배열된 방향에 대해서 수직한 방향으로 만곡지게 형성되며 상기 광을 발진시키는 도파로와;
상기 도파로 상에 성장된 상부 클래드와;
상기 상부 클래드 상에 형성된 상부 전극과;
상기 반도체 기판의 하부에 형성된 하부 전극을 포함한다.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 분포 귀환 레이저를 나타내는 도 면이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 분포 귀환 레이저(200)는 반도체 기판(210)과, 일정한 주기로 이격되게 배열된 복수의 격자들(221)을 구비하며 상기 반도체 기판(210) 상에 성장된 하부 클래드(220)와, 상기 격자들(221)이 배열된 방향에 대해서 수직한 방향으로 만곡지게 상기 하부 클래드(220) 상에 성장되며 광을 발진시키기 위한 도파로(230)와, 상기 도파로(230) 상에 성장된 상부 클래드(240)와, 상기 분포 귀환 레이저(200)에 전류를 인가시키기 위해 형성된 상부 및 하부 전극들(251, 252)와, 무반사 층들(261, 262)를 포함한다.
상기 하부 클래드(220)는 상기 반도체 기판(210) 상에 성장되며, 그 내부에 복수의 격자들(221)이 일정한 주기(Λ)로 이격되게 형성된다. 상기 도파로(230)는 상기 하부 클래드(220) 상에 순차적으로 적층된 하부 도파로(231)와, 다중 양자 우물층(232)과, 상부 도파로(233)를 포함한다.
도 5는 도 4에 도시된 분포 귀환 레이저의 도파로(230)를 절단해서 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 상기 도파로(230)는 상기 격자들(221)이 배열된 방향으로 직선 형태로 형성된 제1 영역(230a)과, 상기 제1 영역(230a)으로부터 연장되며 상기 격자들(221)이 배열된 방향에 대해서 수직한 방향으로 기설정된 각도로 만곡진 제2 영역(230b)으로 이루어 진다.
상기 도파로(230)는 상기 하부 클래드(220)로부터 일정한 높이를 갖도록 성장되며, 성장 후에 메사 식각(Mesa etching) 또는 리지(ridge) 식각을 통해서 상기 제1 영역(230a)으로부터 연장된 제2 영역(230b)을 형성할 수 있다.
상기 도파로(230)의 제2 영역(230b)이 상기 격자들(221)의 배열 방향에 대해 서 수직한 방향으로 기 설정된 각도를 갖도록 만곡지게 형성됨으로써 상기 격자들(221)의 물리적인 실제 주기 간격(Λ)은 일정하지만, 상기 제2 영역(230b) 하부에 위치된 해당 격자들(221)의 유효 격자 주기는 상기 제2 영역(230b)의 만곡진 각도(θ)에 따라서 변화된다. 즉, 상기 격자들(221)은 첩드 격자 형성에 일반적으로 이용되는 이-빔 리소그라피 공정을 사용하지 않고도 형성될 수 있다.
즉, 상기 제2 영역(230b)에 형성된 해당 격자들(221)은 유효 주기가 길어진 것과 동일한 동작 특성을 갖게 됨으로, 상기 제2 영역(230b)에서 생성되는 광의 브래그 파장(Bragg)은 장파장 측으로 이동하게 된다.
Figure 112005003736042-pat00002
<수학식 2>에서 λB는 브래그 파장을 의미하고, neff는 상기 도파로(230)의 유효 굴절률을 나타내며, θ는 상기 제2 영역(230b)이 상기 격자들(221)의 배열 방향에 대해서 수직한 방향으로 만곡진 각도를 나타내고, Λ는 상기 격자(221)의 주기를 나타낸다.
상기 도파로(230)는 브래그 파장을 중심으로 좌우 대칭되는 한 쌍의 피크(Peak)들을 갖는 광을 생성하며, 상기 격자들(221)의 주기와 분포 귀환 레이저(200)의 위상이 결맞는 해당 피크가 레이저 광으로 발진된다. 상술한 바와 같이 단일 파장의 레이저 광을 발진시키는 분포 귀환 레이저(200)의 특성을 단일 모드 특성이라고 한다.
<수학식 2>를 참조하면, 상기 광의 브래그 파장은 상기 격자들(221)의 주기와, 상기 도파로(230)의 유효 굴절률과, 상기 제2 영역(230b)이 상기 격자들(221)이 배열된 방향에 대해서 만곡진 각도(θ)에 따라서 결정될 수 있음을 알 수 있다.
상기 제1 영역(230a)은 제1 브래그 파장을 갖는 제1 광을 생성하고, 상기 제2 영역(230b)은 상기 제1 브래그 파장에 대해서 기 설정된 파장 간격 이격된 제2 브래그 파장을 갖는 제2 광을 생성할 수 있다. 상기 제1 및 제2 광 각각은 해당 브래그 파장을 중심으로 좌, 우 대칭되는 한 쌍의 피크들로 이루어진다. 본원 발명에 따른 분포 귀환 레이저(200)는 발진시키고자 하는 레이저 광의 중심 파장과 동일한 파장을 갖는 상기 제1 및 제2 광의 피크들을 중첩시킴으로써, 단일 모드 특성이 향상된 레이저 광을 발진시킬 수 있다. 즉, 상기 제2 영역(230b)의 기울기 θ를 조절함으로써 상기 제1 및 제2 광의 특정 피크들을 발진시키고자 하는 레이저 광의 중심 파장과 중첩시킬 수 있다.
도 6은 도파로의 틸트 각도에 따른 파장 변화의 관계를 설명하기 위한 그래프이다. 도 6을 참조해서 상기 제2 영역(230b)의 θ가 각각 0°, 4°, 7°일 경우를 살펴 보면 4° 부근에서 형성된 브래그 반사 효과가 0°일 경우 보다 장파장 측 피크 특성을 크게 나타나며, 이로 인해서 첩드 격자 특성을 갖게됨을 알 수 있다. 반면에, 7°의 경우는 결합 계수가 이미 작아져서 더 이상의 첩드 격자와 같은 동작 특성을 갖지 않게 됨을 알 수 있다.
예를 들자면, 상기 제2 영역(230b)은 70 ~ 100㎛의 길이를 갖고, 5 ~ 10 ㎛이내의 범위에서 그 기울어진 각도가 0 ~ 7°이내인 것이 바람직하다. 보다 바람직 하게는 상기 제2 영역(230b)의 기울어진 정도(θ)는 상기 제2 영역(230b) 내에서 0 ~ 7°사이에서 연속적으로 변하게 하여 설계와 실제 제작된 소자간의 작은 변동에 둔감하게 하는 것이 보다 더 바람직하다.
도 7은 분포 귀환 레이저의 길이 방향으로 브래그 파장과 결합 계수의 변화를 도식적으로 정리한 도면이다. 도 7을 참조하면, 0°에서 약 4㎚ 정도의 스톱 밴드(Stop band)를 갖는 높은 결합 계수를 갖는 격자를 본원 발명에 따른 분포 귀환 레이저(200)에 적용하면 첩드 격자의 동작 특성을 구현 할 수 있음을 알 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 격자 구조의 다른 일 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 8에 적용된 격자(311)는 도파로(310)의 양 끝단에 윈도우 영역들(321, 322)을 포함하며, 상기 격자(311)의 윈도우 영역들(321, 322)은 상기 도파로(310)의 메사 에칭 과정에서 형성 가능하다.
상기 윈도우 영역들(321, 322)은 무반사 층들(미도시)을 통해서 분포 귀환 레이저 내부로 광이 입력되는 것을 방지하는 역할을 수행할 수 있으며, 상기 윈도우 영역들(321, 322)은 20㎛ 내외의 길이를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
도 9는 본 발명에 따른 격자 구조의 또 다른 일 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 9를 참조하면, 도 9에 도시된 도파로(410)는 에칭 과정에서 모니터링 포토 다이오드(MPD; 420)와 기 설정된 간격 이격되도록 형성된다. 상기 도파로(410)와, 상기 모니터링 포토 다이오드(420) 상에 격자(411)가 더 형성된다. 상기 모니터링 포토 다이오드(420)는 상기 도파로(410)로부터 약 30㎛ 이격된 위치에 Fe 첨가된 InP 재성장 과정에 의한 전기적 절연에 의해서 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 분포 귀환 레이저는 스트라이프 엔지니어드 격자 구조와 같이 메사 선폭이 변화되는 도파로 구조를 형성하지 않고도, 분포 귀환 레이저의 단일 모드 특성을 얻을 수 있다. 즉, 본원 발명은 분포 귀환 레이저의 단일 모드 특성을 향상시키기 위해서 공정이 복잡하고, 생산비용이 많이 소요되는 스트라이프 엔지니어드 격자 또는 첩드 격자를 구현하지 않아도 되는 이점을 갖는다.
더욱이, 본원 발명은 스트라이프 엔지니어드 격자를 포함하지 않음으로서 메사 선폭의 차이로 인한 문턱 전류에서 발생되는 킨크(Kink) 현상의 발생을 억제할 수 있다.

Claims (10)

  1. 단일 모드의 광을 생성하는 분포 귀환 레이저에 있어서,
    반도체 기판과;
    일정한 주기로 이격되게 배열된 복수의 격자들을 구비하며 상기 반도체 기판 상에 위치된 하부 클래드와;
    상기 하부 클래드 상에 성장되어 상기 격자들이 배열된 방향에 대해서 수직한 방향으로 만곡지게 형성되며 상기 광을 발진시키는 도파로와;
    상기 도파로 상에 성장된 상부 클래드를 포함함을 특징으로 하는 단일 모드 분포 귀환 레이저.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 분포 귀환 레이저는,
    상기 광이 출력되는 제1 면과, 상기 제1 면에 대향되는 제2 면에 증착된 무반사 층들을 더 포함함을 특징으로 하는 단일 모드 분포 귀환 레이저.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 도파로는,
    상기 하부 클래드 상에 순차적으로 적층된 하부 도파로와, 다중 양자 우물층과, 상부 도파로를 포함함을 특징으로 하는 단일 모드 분포 귀환 레이저.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 도파로는 메사 구조로 식각됨을 특징으로 하는 단일 모드 분포 귀환 레이저.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 도파로에 접하도록 상기 하부 클래드 상에 성장된 전류 차단층을 더 포함함을 특징으로 하는 단일 모드 분포 귀환 레이저.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 도파로는 상기 격자들이 배열된 방향으로 직선 형태로 형성된 제1 영역과, 상기 제1 영역으로부터 연장되며 상기 격자들이 배열된 방향에 대해서 수직한 방향으로 기설정된 각도로 만곡진 제2 영역으로 이루어짐을 특징으로 하는 단일 모드 분포 귀환 레이저.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 영역의 길이는 200 ~ 300㎛의 범위 이내임을 특징으로 하는 단일 모드 분포 귀환 레이저.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 제2 영역은 광이 상기 제1 영역으로부터 광이 진행하는 방향으로 70 ~ 100㎛의 길이로 더 연장됨을 특징으로 하는 단일 모드 분포 귀환 레이저.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 제2 영역은 광의 진행 방향에 대해서 수직한 방향으로 5㎛ ~ 10㎛ 의 길이 내에서 만곡지게 형성됨을 특징으로 하는 단일 모드 분포 귀환 레이저.
  10. 제1 항에 있어서, 상기 분포 귀환 레이저는,
    상기 반도체 기판 하부에 형성된 하부 전극과;
    상기 상부 클래드 상에 형성된 상부 전극을 포함함을 특징으로 하는 단일 모드 분포 귀환 레이저.
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