KR100663588B1 - 레이저 다이오드 - Google Patents

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KR100663588B1
KR100663588B1 KR1020050000578A KR20050000578A KR100663588B1 KR 100663588 B1 KR100663588 B1 KR 100663588B1 KR 1020050000578 A KR1020050000578 A KR 1020050000578A KR 20050000578 A KR20050000578 A KR 20050000578A KR 100663588 B1 KR100663588 B1 KR 100663588B1
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Abstract

본 발명은 레이저 다이오드에 있어서, 광신호가 출사되는 환경이 공기인 상태에서 그 출력단의 반사율을 27 ~ 32% 범위 이내로 설정하는 3 층 코팅(coating)을 실시함으로써, 인덱스 매칭 젤(index matching gel) 도포 전후의 반사율 차가 5% 이내로 설정되는 레이저 다이오드를 개시한다. 상기와 같이 구성된 레이저 다이오드는 광신호 출력단에 3개 층의 코팅막을 형성하여 인덱스 매칭 젤 도포 전후의 출력단 반사율 변화를 억제함으로써, 인덱스 매칭 젤 도포 전 진행되는 동작 특성 측정에 대한 신뢰성을 향상시키게 되었다. 또한, 레이저 다이오드의 동작 특성 측정에 대한 신뢰도가 향상되므로, 최종적으로 제작하고자 하는 광소자 모듈 팩키지의 설계가 용이하고 수율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
레이저, 다이오드, 무반사, 반사율, 인덱스 매칭 젤

Description

레이저 다이오드{LASER DIODE}
도 1은 종래 기술에 따른 인덱스 매칭 젤 도포 전후 레이저 다이오드 출력단의 반사율 변화를 나타내는 그래프,
도 2는 종래 기술에 따른 인덱스 매칭 젤 도포 전후 레이저 다이오드 검출단의 반사율 변화를 나타내는 그래프,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저 다이오드를 나타내는 도면,
도 4는 도 3에 도시된 레이저 다이오드의 칩-테스트 과정을 나타내는 도면,
도 5는 도 3에 도시된 레이저 다이오드의 동작 특성을 측정하는 과정을 나타내는 도면,
도 6은 도 3에 도시된 레이저 다이오드를 포함하는 광소자 모듈 패키지를 나타내는 도면,
도 7은 도 3에 도시된 레이저 다이오드에 인덱스 매칭 젤을 도포하기 전후 출력단의 반사율 변화를 나타내는 그래프,
도 8은 도 3에 도시된 레이저 다이오드에 인덱스 매칭 젤을 도포하기 전후 검출단의 반사율 변화를 나타내는 그래프.
<도면의 주요 부분의 부호에 대한 설명>
100 : 레이저 다이오드 111 : 활성층
112 : 클래드 층 115 : 출력단 코팅층
116 : 검출단 코팅층
본 발명은 광통신 소자에 관한 것으로서, 특히 광신호 출력단을 코팅함에 있어서 인덱스 매칭 젤 도포 전후의 굴절율 차이가 일정 범위 이내로 억제된 레이저 다이오드에 관한 것이다.
최근 인터넷 망의 급속한 확산은 대형 건물이나 주택 단지 뿐만 아니라 일반 가정에서도 고속 정보통신망의 접속을 가능하게 하고 있다. 이러한 정보통신망의 발전에 힘입어 사용자들은 단순한 정보통신망 접속 이상의 기능, 예를 들면 대용량 정보 전송 등에 대한 관심이 점차 확대되고 있다. 이러한 대용량 정보 전송의 예로는 실시간 화상 정보 전송 등이 있으며, 이러한 실시간 화상 정보 전송과 같은 대용량 정보 전송에는 빠른 신호 처리와, 대용량 / 고속 전송이 가능한 단말 장치 및 통신망이 요구된다.
일반적인 유, 무선 통신망은 그 신호 처리 속도의 한계와 통신망의 대역폭 제한으로 정보 전송의 용량을 증가시키는데 상당한 어려움이 따르고 있다.
이러한 유, 무선 통신망과 비교할 때, 광통신망은 그 신호 처리 속도와 정보 전송 용량에 있어서 대용량 / 고속 전송에 더 적합할 것으로 기대된다.
광통신망의 종단에 설치되는 단말 장치에는 전기 신호를 광신호로 전환하여 광섬유를 통해 송신하는 레이저 다이오드, 수신된 광신호를 전기 신호로 전환하여 단말 장치로 전달하는 포토 다이오드 등이 설치되고, 광통신망 상에는 다중화기, 광필터, 분기기 등이 설치되어 단말 장치들 상호간을 연결시키게 된다.
한편, 광통신망의 종단에 설치되는 다양한 광통신 소자들을 각각 별도 패키지화 하여 최종 정렬하는 경우, 조립 공정에 소요되는 시간과 비용이 상승하게 됨은 쉽게 예측된다. 따라서, 일반 가정에까지 광통신망을 구성하기 위해서는 단말 장치의 가격을 낮추는 것이 요구되며, 이러한 대안으로 평면 광도파로 소자 상에 레이저 다이오드, 포토 다이오드 등을 집적화하여 그 가격을 절감하는 것이 바람직하다.
레이저 다이오드와, 포토 다이오드 등을 평면 광도파로 소자 상에 집적한 후, 이들의 동작 특성을 시험한다. 레이저 다이오드 등의 동작이 적절하게 이루어지는 것으로 판단되면, 레이저 다이오드의 출력단, 포토 다이오드의 수신단과 광도파로 사이에서 간섭 등에 의한 손실을 방지하기 위하여 인덱스 매칭 젤(index matching gel)을 그들 사이에 도포하게 된다. 일반적으로 인덱스 매칭 젤은 평면 광도파로 소자의 광도파로의 굴절율과 같은 굴절율을 갖는 물질을 의미한다.
인덱스 매칭 젤 도포 후, 레이저 다이오드 출력단의 외부의 굴절율이 변화되고, 이는 레이저 다이오드 출력단의 반사율 변화를 초래하게 된다.
레이저 다이오드 출력단의 반사율(R)은 다음의 [수학식 1]에 의해 정의된다.
Figure 112005000380910-pat00001
여기서, nin은 레이저 다이오드의 굴절율을 의미하고, nout은 레이저 다이오드 외부의 굴절율을 의미한다.
이러한 레이저 다이오드 출력단의 반사율 변화는 인덱스 매칭 젤 도포 전의 동작 특성 시험에서 레이저 다이오드의 특성이 적합하게 판정되더라도 실제 집적화된 모듈 패키지에서는 레이저 다이오드의 특성이 정확하게 구현되지 못하는 문제점을 야기할 수 있다.
도 1은 인덱스 매칭 젤 도포 전후 광신호가 출사되는 레이저 다이오드의 출력단 반사율의 변화를 나타내는 그래프(10)이다. 도 1에서 참조번호 11은 인덱스 매칭 젤 도포 전 공기 분위기 하에서의 레이저 다이오드 출력단의 반사율을, 참조번호 12는 인덱스 매칭 젤 도포 후 레이저 다이오드 출력단의 반사율을 각각 나타낸다. 레이저 다이오드의 출력 파장이 1320nm인 경우 출력단의 반사율은 대략 28% 정도를 나타내고 있으나, 인덱스 매칭 젤을 도포한 이후에는 15% 정도로 변화됨을 알수 있다.
도 2는 인덱스 매칭 젤 도포 전후 광신호가 출사되는 레이저 다이오드의 검 출단 반사율의 변화를 나타내는 그래프(20)이다. 도 1에서 참조번호 21은 인덱스 매칭 젤 도포 전 공기 분위기 하에서의 레이저 다이오드 검출단의 반사율을, 참조번호 22는 인덱스 매칭 젤 도포 후 레이저 다이오드 검출단의 반사율을 각각 나타낸다.
도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 인덱스 매칭 젤 도포 전후의 레이저 다이오드 출력단과 검출단에서는 그 반사율의 변화가 발생하고, 특히 출력단의 반사율은 10% 이상의 현저한 차이가 발생함을 알수 있다.
이러한 레이저 다이오드 출력단의 반사율 변화는 레이저 다이오드의 문턱 이득(threshold gain)과 출력 효율(slope efficiency)에 영향을 미치기 때문에 집적화된 광소자 모듈 패키지에서 레이저 다이오드의 동작 특성이 인덱스 매칭 젤 도포 전후에 차이가 발생하게 된다.
레이저 다이오드의 문턱 이득(gth)과 출력효율(SE)는 다음의 [수학식 2]와 [수학식 3]에 의해 각각 정의된다.
Figure 112005000380910-pat00002
Figure 112005000380910-pat00003
여기서, αi는 레이저 다이오드 내부 손실, Rfront는 레이저 다이오드의 광신호가 출사되는 출력단의 반사율, Rrear는 광신호 중 일부가 출사되는 상기 출력단과 대향되는 검출단의 반사율을 각각 의미한다.
상기와 같이 인덱스 매칭 젤 도포 전후의 레이저 다이오드 출력단과 검출단 반사율의 변화는 레이저 다이오드의 동작 특성 시험에 대한 신뢰성을 저하시키면서, 레이저 다이오드 광소자를 집적시킨 광소자 모듈 패키지의 설계를 어렵게 하는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명은 인덱스 매칭 젤 도포 전후의 반사율 변화를 억제할 수 있는 레이저 다이오드를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 레이저 다이오드에 있어서,
광신호가 출사되는 환경이 공기인 상태에서 그 출력단의 반사율을 27 ~ 32% 범위 이내로 설정하는 3 층 코팅(coating)을 실시함으로써, 인덱스 매칭 젤(index matching gel) 도포 전후의 반사율 차가 5% 이내로 설정되는 레이저 다이오드를 개시한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저 다이오드(100)를 나타내는 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저 다이오드(100)는 활성층(111) 하부와 상부에 N형 전극(113)과 P형 전극(114)이 각각 설치되고, 상기 활성층(111)과 전극들(113, 114) 사이에 각각 하부, 상부층(112)이 형성된 구성이다. 상기 레이저 다이오드(100)의 일단은 출력단으로 구성되고 타단은 검출단으로 구성된다. 상기 레이저 다이오드(100)로부터 생성되는 광신호의 대부분은 출력단으로 출사되고, 일부의 광신호는 검출단을 통해 출사된다. 출력단으로 출사된 광신호는 광통신망으로 진행되고, 검출단으로 출사된 광신호는 모니터 포토 다이오드(monitor photodiode)에 의해 검출되어 상기 레이저 다이오드(100)의 정상 동작 여부를 감시하는데 이용된다.
상기 레이저 다이오드(100)는 1280nm ~ 1360nm 범위의 출력 파장을 갖는 패브리-페롯 레이저 다이오드(Fabry-Perot LD)이다.
도 4와 도 5는 도 3에 도시된 레이저 다이오드(100)의 동작 특성을 시험하는 과정을 각각 나타내는 도면이다. 도 4는 상기 레이저 다이오드(100)를 전극(193) 위에 올려놓고, 상부 전극, 즉 P형 전극(114)에 프로브(191)로 누르는 상태에서 출력단으로부터 출사되는 광신호를 검출기(119)로 감지하는 칩-테스트(chip-test)를 나타낸다.
도 5는 상기 레이저 다이오드(100) 등을 평면 광도파로 소자(197) 상에 집적화하는 과정에서 평면 광도파로 소자(197)의 기판 온도 변화 등 동작 조건의 변화에 따른 상기 레이저 다이오드(100)의 동작 특성을 시험하는 모습을 개략적으로 도시한다.
상기 평면 광도파로 소자(197)의 플랫폼에 상기 레이저 다이오드(100)와 모니터 포토 다이오드(195)가 부착된다.
상기 레이저 다이오드(100)의 N형 전극(113)은 상기 평면 광도파로 소자(197)의 플랫폼 상의 전극(193)에 솔더(solder)에 의해 부착되고, 상기 P형 전극(114)은 상기 평면 광도파로 소자(197) 상에 부착된 전극 패드(199)와 와이어 본딩에 의해 접속된다.
상기와 같이 구성된 상태에서, 상기 전극 패드(199)와 평면 광도파로 소자(197)의 플랫폼 상의 전극(193)에 전원이 인가되면, 상기 레이저 다이오드(100)로부터 광신호가 출사된다. 상기 레이저 다이오드(100)로부터 출사된 광신호는 상기 평면 광도파로 소자(197)에 형성된 광도파로들을 통해 상기 평면 광도파로 소자(197)의 일단으로 출력되며, 이를 검출기(119)로 감지하여 상기 레이저 다이오드 (100) 및 집적화된 광소자 모듈 패키지의 특성을 시험하게 된다. 이러한 과정에서 진행되는 동작 특성 측정은 온도 특성, 상한 구동 온도 이상의 온도에서 상한 이상의 구동 전류가 인가된 상태로 수~수십 시간동안 방치한 후 초기 안정화 경향을 조사하는 초기화 테스트(purge test), 고온에서 수십 시간동안 정해진 출력을 내기위한 구동 전류의 변화를 측정하는 통전 테스트(burn-in test) 등이 있다.
이러한 동작 특성 측정 과정을 통해 레이저 다이오드(100)의 동작 특성이 적합한 것으로 판정되면, 상기 전극 패드(199)와 P형 전극(114) 사이의 와이어 본딩을 제거한 후, 실제로 사용될 기타 소자를 배치하고, 모든 전극에 와이어 본딩(198)을 실시하고 인덱스 매칭 젤(121)을 도포하게 된다. 이러한 과정에 따라 평면 광도파로 소자(197) 상에 레이저 다이오드(100) 등 광소자들이 집적화된 광소자 모듈 패키지가 도 6에 도시되어 있다.
한편, 상기 레이저 다이오드(100)의 출력단에는 3개 층으로 구성된 코팅막(115)이, 검출단은 5개 층으로 구성된 코팅막(116)이 각각 형성되어 있다. 이하에서는 상기 3개 층의 코팅막(115)은 '출력단 코팅막', 5개 층의 코팅막(116)은 '검출단 코팅막'이라 칭하기로 한다.
상기 출력단 코팅막(115)은 상기 레이저 다이오드(100)의 출력단으로부터 Al2O3, Si, Al2O3가 순차적으로 코팅되며, 순차적으로 Al2 O3층은 188.3nm, Si층은 28.1nm, Al2O3층은 219.5nm의 두께로 코팅되었다.
상기와 같이 출력단 코팅막(115)이 형성된 레이저 다이오드(100)에 인덱스 매칭 젤(121)을 도포하기 전과 후의 반사율이 도 7의 그래프(30)에 비교되어 있다. 참조번호 31은 인덱스 매칭 젤(121) 도포 전 공기 분위기 하에서 상기 레이저 다이오드(100) 출력단의 반사율을 나타내고, 참조번호 32는 인덱스 매칭 젤(121) 도포 후 출력단의 반사율을 나타내고 있다.
상기 레이저 다이오드(100)의 출력 파장 범위 1280nm ~ 1360nm 이내에서 인덱스 매칭 젤(121) 도포 전 상기 레이저 다이오드(100) 출력단의 반사율은 27 ~ 32% 범위에 있고, 도포 후의 반사율은 도포 전의 반사율과의 차가 5% 이내로 제한됨을 알수 있다.
인덱스 매칭 젤 도포 전후 종래의 레이저 다이오드 출력단 반사율의 변화가 10% 이상이었음은 앞서 비교된 바 있다. 즉, 종래의 레이저 다이오드는 그 자체의 광신호 출력 효율을 고려한 무반사 코팅만을 고려하였기 때문에 인덱스 매칭 젤 도포 전후의 반사율 변화가 10% 이상 크게 나타나며, 이는 인덱스 매칭 젤 도포 전의 동작 특성 시험에 대한 신뢰성을 저하시키게 되는 것이다.
본 발명에 따른 레이저 다이오드(100)는 그의 출력단에 3개 층의 코팅막(115)을 형성함으로써 인덱스 매칭 젤(121) 도포 전후의 반사율 차이를 절반 이하로 줄이게 된 것이다.
한편, 상기 출력단 코팅막(115)을 3개 층으로 형성한 경우 1320nm 파장에서 30%정도의 반사율을 나타낸다. 이때, 패브리-페롯 레이저 다이오드와 같은 비냉각 방식 소자의 경우 1℃의 온도변화에 0.5nm 정도의 출력 파장 변화를 나타낸다. 따라서, 상온(25℃)에서 1320nm 출력의 파장을 갖는 비냉각 방식의 소자는 상한 구동 온도인 80℃에서의 출력 파장은 1350nm 정도이다. 인덱스 매칭 젤(121) 도포 전후의 반사율 변화를 살펴보면, 1350nm 파장에서의 굴절율 변화는 거의 없음을 알수 있다. 따라서, 레이저 다이오드(100) 동작 특성 시험에서 고온 테스트, 고온 동작 후 초기화 테스트, 통전 테스트에 대한 신뢰성이 확보된다. 또한, 레이저 다이오드(100)의 동작 온도 범위인 -40℃ ~ 80℃ 범위에서 출력 파장의 변화 범위(60nm)에서도 반사율 변화는 5% 이내로 감소되어 기타 동작 특성 시험에 대한 신뢰성도 높다. 즉, 인덱스 매칭 젤(121) 도포 전후, 상기 레이저 다이오드(100)를 장착한 광소자 모듈 패키지의 동작 특성 변화가 작게 나타나는 것이다.
인덱스 매칭 젤 도포 전후, 종래 기술의 상기 검출단의 반사율 변화는 5% 내외이며 그 출력단의 반사율 변화에 비해 상대적으로 작게 나타나고 있다. 따라서, 상기 레이저 다이오드(100)의 검출단은 종래의 방식을 따라 제작하여도 무방하며, 본 실시 예에서는 상기 레이저 다이오드(100)의 검출단에 5개 층으로 구성된 코팅막(116)을 형성하고 인덱스 매칭 젤(121) 전후의 반사율 변화를 계산하였다.
상기 검출단 코팅막(116)은 상기 레이저 다이오드(100)의 검출단으로부터 Al2O3, Si, Al2O3, Si, SiO2 층이 순차적으로 코팅되며, 순차적으로 Al2O3 층은 210.3nm, Si 층은 77.1nm, Al2O3 층은 210.3nm, Si 층은 77.1nm, SiO2 층은 698.1nm의 두께로 코팅되었다.
상기와 같이 검출단 코팅막(116)이 형성된 레이저 다이오드(100)에 인덱스 매칭 젤(121)을 도포하기 전, 후의 반사율이 도 8의 그래프(40)를 통해 비교되어 있다. 참조번호 41은 인덱스 매칭 젤(121) 도포 전 공기 분위기 하에서 상기 레이저 다이오드(100) 검출단의 반사율을 나타내고, 참조번호 42는 인덱스 매칭 젤(121) 도포 후 검출단의 반사율을 나타내고 있다.
인덱스 매칭 젤 도포 전후, 레이저 다이오드 검출단의 반사율 변화를 각각 나타내는 도 2와 도 8을 비교해 보면, 종래의 레이저 다이오드와 비교할 때 본 실시 예에 따른 레이저 다이오드(100) 검출단에서의 반사율 변화가 개선됨을 알 수 있다.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 다이오드는 광신호 출력단에 3개 층의 코팅막을 형성함으로써, 인덱스 매칭 젤 도포 전후의 출력단 반사율 변화를 억제하였다. 따라서, 상기 레이저 다이오드의 동작 특성의 변화가 억제되어 인덱스 매칭 젤 도포 전 진행되는 동작 특성 측정에 대한 신뢰성을 향상시키게 되었다. 또한, 레이저 다이오드의 동작 특성 측정에 대한 신뢰도가 향상되므로, 최종적으로 제작하고자 하는 광소자 모듈 팩키지의 설계가 용이하고 수율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (9)

  1. 레이저 다이오드에 있어서,
    광신호가 출사되는 환경이 공기인 상태에서 그 출력단의 반사율을 27 ~ 32% 범위 이내로 설정하는 3 층 코팅(coating)을 실시함으로써, 인덱스 매칭 젤(index matching gel) 도포 전후의 반사율 차가 5% 이내로 설정됨을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광신호는 1280~1360nm 대역의 파장임을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 광신호가 출사되는 출력단은 Al2O3, Si, Al2O3가 순차적으로 코팅됨을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 각 코팅 층의 두께는 188.3nm(Al2O3), 28.1nm(Si), 219.5nm(Al2O 3)임을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 인덱스 매칭 젤의 굴절율은 1.4임을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 광신호 중 일부가 상기 출력단과 대향되는 후방의 검출단을 통해 출사됨을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 광신호 중 일부가 출사되는 환경이 공기인 상태에서 상기 검출단의 반사율을 90%로 설정하는 5 층 코팅(coating)을 실시함으로써, 인덱스 매칭 젤(index matching gel) 도포 전후의 반사율 차가 5% 이내로 설정됨을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 광신호 중 일부가 출사되는 검출단은 Al2O3, Si, Al2O3, Si, SiO2 가 순차적으로 코팅됨을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 각 코팅 층의 두께는 210.3nm(Al2O3), 77.1nm(Si), 210.3nm(Al2O 3), 77.1nm(Si), 698.1nm(SiO2) 임을 특징으로 하는 레이저 다이오드.
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