KR100663424B1 - Current blocking type complex coupled laser diode - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 전류 차단형 복합 격자를 갖는 레이저 다이오드는, n형의 불순물을 함유하는 n형 반도체층과; 상기 n형 반도체층 상에 적층되며, 단일 모드의 광을 발진하는 활성층과; 상기 활성층 상에 적층되며, p형의 불순물을 함유하는 p형 반도체층과; 상기 p형 반도체층 내에 광 전파축을 따라 주기적으로 배치된 n형의 불순물을 함유하는 격자를 포함하며, 상기 격자의 밴드갭 에너지는 상기 활성층의 발진 파장에 해당하는 에너지보다 작고, 상기 p형 반도체층의 밴드갭 에너지는 상기 활성층의 발진 파장에 해당하는 에너지보다 크다.A laser diode having a current blocking complex lattice according to the present invention comprises: an n-type semiconductor layer containing n-type impurities; An active layer stacked on the n-type semiconductor layer and emitting light in a single mode; A p-type semiconductor layer stacked on the active layer and containing p-type impurities; A lattice containing n-type impurities periodically disposed along an optical propagation axis in the p-type semiconductor layer, wherein a band gap energy of the lattice is less than an energy corresponding to an oscillation wavelength of the active layer, and the p-type semiconductor layer The bandgap energy of is greater than the energy corresponding to the oscillation wavelength of the active layer.
전류 차단, 복합 결합, 레이저 다이오드, 격자, 밴드갭 에너지Current blocking, complex coupling, laser diodes, gratings, bandgap energy
Description
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전류 차단형 복합 결합 방식의 레이저 다이오드를 나타내는 도면.1 is a view showing a laser diode of the current-blocking complex coupling method according to a preferred embodiment of the present invention.
본 발명은 단일 모드 레이저 다이오드(single mode laser diode)에 관한 것으로서, 특히 전류 차단형 복합 결합(current blocking type complex coupled) 방식의 레이저 다이오드에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a single mode laser diode, and more particularly to a laser diode of a current blocking type complex coupled method.
통신용으로 사용되는 레이저 다이오드는 광섬유(optical fiber)를 통과할 때 발생하는 색분산(chromatic dispersion)에 의한 신호 왜곡(signal distortion) 현상을 막기 위해 단일 모드 발진이 요구되는 경우가 많다. 통신용 레이저 다이오드에서는 통상적으로 격자(grating)를 이용하여 단일 모드를 구현하는데, 이러한 격자의 종류에 따라 레이저 다이오드의 동작 특성, 단일 모드 수율(single mode yield), 반사광에 대한 내성 등이 달라지게 된다. Laser diodes used for communications often require single-mode oscillation to prevent signal distortion due to chromatic dispersion that occurs when passing through optical fibers. Communication laser diodes typically implement a single mode using a grating, and according to the type of the grating, the operating characteristics, single mode yield, and resistance to reflected light of the laser diode vary.
통상적인 분포귀환 레이저 다이오드(distributed feedback laser diode: DFB-LD)는 서로 다른 굴절률들을 갖는 두 종류의 성분들을 주기적으로 교번하여 배치한 굴절률 격자(refractive index grating)를 구비함으로써 단일 모드를 구현하지만, 이러한 형태의 분포귀환 레이저 다이오드는 SMSR(side mode suppression ratio)이 절단면들(cleaved facet) 및 굴절률 격자의 위치에 대한 의존도가 크다는 심각한 문제점을 갖고 있다. Conventional distributed feedback laser diodes (DFB-LDs) implement a single mode by having a refractive index grating that periodically alternates two kinds of components with different refractive indices. The distributed feedback laser diode of the type has a serious problem that the side mode suppression ratio (SMSR) is highly dependent on the cleaved facet and the position of the refractive index grating.
이러한 굴절률 격자를 구비한 분포귀환 레이저 다이오드의 문제점을 해결하기 위해 여러가지 방법들이 제안되고 있으며, 그 중에 하나로서 광을 흡수하는 성분들과 광을 흡수하지 않는 성분들을 주기적으로 교번하여 배치한 이득 격자(gain grating)가 공지된 바 있다. In order to solve the problem of the distributed feedback laser diode having the refractive index grating, various methods have been proposed, and one of them is a gain grating which alternately arranges components that absorb light and components that do not absorb light ( gain grating).
또한 이러한 이득 격자의 개량된 형태로서, 전류 인가를 위한 전극(electrode)과 광 발진을 위한 활성층(active layer) 사이의 반도체층에 전류를 차단하는 기능을 하는 복수의 성분들을 주기적으로 이격되게 배치함으로써, 상기 활성층 내에 가상의 이득 격자(virtual gain grating)를 형성하는 방법이 공지된 바 있다. Also, as an improved form of this gain grating, by periodically disposing a plurality of components having a function of blocking current in a semiconductor layer between an electrode for current application and an active layer for photo oscillation. A method of forming a virtual gain grating in the active layer has been known.
카즈미어스키(Kazmierski) 등에 의해 발명되어 특허등록된 미국특허번호 제5,821,570호{Semiconductor structure having a virtual diffraction grating}는, n형 반도체 기판(semiconductor substrate) 상에 n형 반도체층(semiconductor layer), 활성층 및 p형 반도체층을 차례로 적층하고, 상기 p형 반도체층 내에 상기 활성층의 길이 방향을 따라 주기적으로 배치된 다수의 성분들로 구성되며 상기 n형 반도체층과 동일한 재질을 갖는 격자를 형성하는 방법을 개시하고 있다. 상기 격자는 상기 활성층으로 주입되는 전류를 공간적으로 변조하며(spatial modulation), 이러한 변조된 전류는 상기 활성층 내 캐리어들(carrier)의 밀도 변화를 야기하고, 이는 결과적으로 이득의 공간적 변조를 야기한다. 즉, 상기 활성층 내에 가상의 이득 격자가 생성된다. 또한, 상기 격자의 굴절률은 상기 제2 반도체층의 굴절률과 다르기 때문에, 상기 격자는 굴절률 격자로서 기능한다. US Patent No. 5,821,570, which was invented and patented by Kazmierski et al., Has a n-type semiconductor layer, an active layer, and an n-type semiconductor layer on an n-type semiconductor substrate. Laminating a p-type semiconductor layer in turn, and disclosed in the p-type semiconductor layer to form a grating composed of a plurality of components periodically arranged along the length direction of the active layer and having the same material as the n-type semiconductor layer Doing. The grating spatially modulates the current injected into the active layer, and this modulated current causes a change in density of carriers in the active layer, which in turn results in a spatial modulation of the gain. That is, a virtual gain grating is created in the active layer. Further, since the refractive index of the grating is different from that of the second semiconductor layer, the grating functions as a refractive index grating.
이와 같이, 이득 격자와 굴절률 격자를 복합적으로 사용하는 방식을 복합 결합 방식이라고 하고, 특히 위 특허와 같이 전류를 선택적으로 차단하여 활성층 내에 이득 격자를 형성하는 방식을 전류 차단형 복합 결합 방식이라고 칭한다. As described above, a method of using a gain grating and a refractive index grating in combination is called a composite coupling method, and a method of forming a gain grating in an active layer by selectively blocking current as described above is called a current blocking type complex coupling method.
그러나, 상술한 바와 같은 종래의 전류 차단형 복합 결합 방식의 레이저 다이오드는 전류 확산(current spreading)으로 인해 이득 주름(gain corrugation) 효과가 저하되고, 이득 결합 계수(gain coupling coefficient) 를 크게 하는 것이 어렵다는 문제점이 있다. However, as described above, the conventional current-blocking type complex coupling type laser diode has a reduced gain corrugation effect due to current spreading, and a gain coupling coefficient. There is a problem that it is difficult to enlarge.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 단일 모드 수율을 증가시키고, 반사광에 대한 민감도(reflection sensitivity)를 최소화하며, 이득 결합 계수를 최대화할 수 있는 전류 차단형 복합 결합 방식의 레이저 다이오드를 제공함에 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to increase single mode yield, minimize reflection sensitivity to reflected light, and maximize current coupling coefficients. It is to provide a laser diode of the type complex coupling method.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 전류 차단형 복합 격자를 갖는 레이저 다이오드는, n형의 불순물을 함유하는 n형 반도체층과; 상기 n형 반도체층 상에 적층되며, 단일 모드의 광을 발진하는 활성층과; 상기 활성층 상에 적층되며, p형의 불순물을 함유하는 p형 반도체층과; 상기 p형 반도체층 내에 광 전파축을 따라 주기적으로 배치된 n형의 불순물을 함유하는 격자를 포함하며, 상기 격자의 밴드갭 에너지는 상기 활성층의 발진 파장에 해당하는 에너지보다 작고, 상기 p형 반도체층의 밴드갭 에너지는 상기 활성층의 발진 파장에 해당하는 에너지보다 크다.
In order to solve the above problems, a laser diode having a current blocking complex grating according to the present invention comprises: an n-type semiconductor layer containing n-type impurities; An active layer stacked on the n-type semiconductor layer and emitting light in a single mode; A p-type semiconductor layer stacked on the active layer and containing p-type impurities; A lattice containing n-type impurities periodically disposed along an optical propagation axis in the p-type semiconductor layer, wherein a band gap energy of the lattice is less than an energy corresponding to an oscillation wavelength of the active layer, and the p-type semiconductor layer The bandgap energy of is greater than the energy corresponding to the oscillation wavelength of the active layer.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention; In describing the present invention, detailed descriptions of related well-known functions or configurations are omitted in order not to obscure the subject matter of the present invention.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전류 차단형 복합 결합 방식의 레이저 다이오드를 나타내는 도면이다. 상기 레이저 다이오드(100)는 기판(120)과, 하부 전극(lower electrode, 110)과, n형 반도체층(130)과, 활성층(140)과, p형 반도체층(150)과, 격자(160)와, 상부 전극(170)을 포함한다. 1 is a view showing a laser diode of the current-blocking complex coupling method according to a preferred embodiment of the present invention. The
상기 기판(120)은 n형 InP 계열의 화합물 반도체 재질로 이루어진다. The
상기 하부 전극(110)은 상기 기판(120)의 밑에 적층되며, 접지(ground)와 연 결되고, Ti, Pt, Au 등과 같은 도전성의 금속 재질로 이루어진다. The
상기 n형 반도체층(130)은 상기 기판(120) 위에 적층되며, n형 InGaAsP 계열의 화합물 반도체 재질로 이루어진다. The n-
상기 활성층(140)은 상기 n형 반도체층(130) 위에 적층되며, 전류 주입에 따라 광 이득을 발생시키는 InGaAsP/InGaAsP 재질의 양자 우물 구조(quantum well structure)를 갖는다. The
상기 p형 반도체층(150)은 상기 활성층(140) 위에 적층되며, 상기 n형 반도체층(130)과 함께 상기 활성층(140)에서 발진된 광을 상기 활성층(140) 내에 가두어두는 기능과, 상기 n형 반도체층(130)과 함께 p-n 접합(p-n junction)을 형성하는 기능을 하고, p형 InGaAsP 계열의 화합물 반도체 재질로 이루어진다. The p-
상기 상부 전극(upper electrode, 170)은 상기 p형 반도체층(150) 위에 적층되며, 전류(I)가 인가되고, Ti, Pt, Au 등과 같은 도전성의 금속 재질로 이루어진다. The
상기 격자(160)는 상기 p형 반도체층(150) 내에 광 전파축(light propagation axis)을 따라(다르게 말해서, 상기 활성층(140)의 길이 방향을 따라) 주기적으로 배치된 성분들로 이루어지며, n형 InGaAsP 계열의 화합물 반도체 재질로 이루어진다. 즉, 상기 격자(160)는 상기 p형 반도체층(150)에 상기 활성층(140)과 이격되도록 매설된다(embedded). 상기 격자(160)는 기설정된 격자 주기(grating period, Λ)를 가지며, 상기 활성층(140)은 상기 격자 주기에 의해 결정되는 발진 파장을 갖는다. 상기 격자(160)는 상기 활성층(140)으로 주입되는 전류를 공간적으 로 변조하며, 이러한 변조된 전류는 상기 활성층(140) 내 캐리어들(carrier)의 밀도 변화를 야기하고, 이는 결과적으로 이득의 공간적 변조를 야기한다. 즉, 상기 활성층(140) 내에 가상의 이득 격자가 생성된다. 또한, 상기 격자(160)의 굴절률은 상기 p형 반도체층(150)의 굴절률과 다르기 때문에, 상기 격자(160)는 굴절률 격자로서 기능한다. The
상기 격자(160)의 밴드갭 에너지 Eg는 상기 활성층(140)의 발진 파장에 해당하는 에너지 Eλ보다 기설정된 차이 Δ1만큼 작고, 상기 p형 반도체층(150)의 밴드갭 에너지 Ep는 상기 활성층(140)의 발진 파장에 해당하는 에너지 Eλ보다 기설정된 차이 Δ2만큼 작다. 즉, 및 의 관계식들이 성립한다. 상기 에너지 차이 Δ1 및 Δ2는 5~100meV로 하는 것이 바람직하다. 이러한 조건을 만족함으로써, 종래에 비하여 이득 결합 계수 는 증가하고, 굴절률 결합 계수 는 감소하게 된다. 이와 같이, 이득 결합 계수 및 굴절률 결합 계수의 비 가 증가될 경우에 절단면들의 위치에 대한 의존도가 감소함으로써, 단일 모드 수율이 높아지고 반사광에 대한 민감도가 감소하게 된다. The bandgap energy E g of the
이러한 이득 결합 계수의 증가에 대해 살펴보면 아래와 같다. 상기 활성층(140)에서 발진된 광은 상대적으로 밴드갭 에너지가 큰 상기 p형 반도체층(150)을 손실없이 통과하고, 상대적으로 밴드갭 에너지가 작은 상기 격자(160)에서는 광흡수에 의한 손실을 겪게 된다. 이러한 광흡수 손실은 상기 가상 이득 격자에 의한 이득의 차이와 합쳐져서 결과적으로 이득 결합 계수를 크게 증가시킨다. The increase in the gain coupling coefficient is as follows. Light oscillated in the
다음으로, 굴절률 결합 계수의 감소에 대해 살펴보면 아래와 같다. 상기 격자(160)에서 흡수된 광은 상기 p형 반도체층(150)의 밴드갭 에너지 차이에 의해 형성된 양자 우물 내에 캐리어들(전자-정공 쌍)을 생성하게 되고, 상기 캐리어들은 열전자 방출(thermionic-emission)에 의해 상기 양자 우물에서 빠져 나가게 된다. 종래의 경우에, 상기 양자 우물이 깊어서 캐리어들이 상기 양자 우물에서 빠져나가는 시간이 오래 걸리므로 캐리어들이 상기 양자 우물에 갇히는 현상이 발생하고, 이러한 현상은 상기 흡수된 광의 세기가 강할 경우에 흡수 포화(absorption saturation) 현상을 야기하였다. 본 발명의 경우에, 상기 격자(160)와 상기 p형 반도체층(150)간의 밴드갭 에너지 차이는 10~200meV 이내에서 최소화되어 있으므로, 이러한 흡수 포화 현상이 크게 완화되고, 이러한 조건에서 상기 격자(160)와 상기 p형 반도체층(150)간의 굴절률 차이는 종래보다 감소되므로, 굴절률 결합 계수는 감소된다. Next, the reduction of the refractive index coupling coefficient is as follows. Light absorbed by the
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전류 차단형 복합 결합 방식의 레이저 다이오드는 상대적으로 작은 밴드갭 에너지를 갖는 격자와 상대적으로 큰 밴드갭 에너지를 갖는 p형 반도체층을 포함함으로써, 아래와 같은 이점들을 갖는다. As described above, the current cut-off complex-coupled laser diode according to the present invention has the following advantages by including a lattice having a relatively small bandgap energy and a p-type semiconductor layer having a relatively large bandgap energy. .
첫 째, 전류 차단에 의한 이득 차이와 격자에서의 광흡수 손실이 합쳐져서 이득 결합 계수를 크게 증가시킬 수 있다는 이점이 있다. First, there is an advantage that the gain coupling coefficient can be greatly increased by combining the gain difference due to the current blocking and the light absorption loss in the grating.
둘 째, 격자와 p형 반도체층간의 밴드갭 에너지 차이를 최소화하여 캐리어들이 양자 우물에서 쉽게 빠져나갈 수 있으므로, 흡수 포화 현상에 의한 출력광의 킹크(kink) 발생률을 크게 감소시킬 수 있다는 이점이 있다. Second, since the carriers can easily escape from the quantum well by minimizing the band gap energy difference between the lattice and the p-type semiconductor layer, there is an advantage that can significantly reduce the occurrence of kink of the output light due to absorption saturation phenomenon.
셋 째, 이와 같이, 이득 결합 계수 및 굴절률 결합 계수의 비를 증가시킴으로써, 절단면들의 위치에 대한 의존도를 감소시키고, 단일 모드 수율을 향상시키며, 반사광에 대한 민감도를 감소시킬 수 있다는 이점이 있다. Third, as such, by increasing the ratio of the gain coupling coefficient and the refractive index coupling coefficient, there is an advantage that the dependency on the positions of the cutting planes can be reduced, the single mode yield can be improved, and the sensitivity to the reflected light can be reduced.
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