KR100738530B1 - 광 모드 변환기를 구비한 반도체 레이저 및 그 제조방법 - Google Patents

광 모드 변환기를 구비한 반도체 레이저 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

광 모드 변환기를 가지는 반도체 레이저는 기판과 상기 기판 상에 형성되어 레이저가 방출되는 이득영역과 상기 기판 상에 형성되어 방출된 상기 레이저의 광 모드를 변환시키는 SSC 영역 및 상기 이득영역과 상기 SSC 영역을 매립하되, 상기 SSC 영역에서의 두께가 상기 이득영역에서의 두께보다 더 두꺼운 상부층을 포함한다. 이로써 레이저가 SSC 영역을 진행하면서 두꺼워진 상부층을 통해 수직 방향으로 충분히 확장되어 NFP이 커지고 FFP가 작아져 광섬유와의 결합 손실을 최소화할 수 있다.
광통신, 반도체 레이저, 광 모드 변환기, 선택영역성장

Description

광 모드 변환기를 구비한 반도체 레이저 및 그 제조방법{semiconductor laser with spot-size converter and method for fabricating the same}
도 1은 종래 기술에 의한 SSC를 가지는 반도체 레이저를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 SSC를 가지는 반도체 레이저를 도시한 사시도이다.
도 3a 내지 3c는 본 발명의 실시예에 따른 SSC를 가지는 반도체 레이저의 제조방법을 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저와 종래 기술에 의한 반도체 레이저의 FFPV을 비교한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 SSC를 가지는 반도체 레이저의 마스크를 도시한 평면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 SSC를 가지는 반도체 레이저의 마스크를 도시한 평면도이다.
** 도면의 주요부분의 부호에 대한 설명 **
120 : 도파로
130a, 130b : 마스크
140 : 상부층
본 발명은 반도체 레이저 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광 모드 변환기를 구비한 반도체 레이저 및 그 제조방법에 관한 것이다.
광통신에 사용되는 광원 모듈은 반도체 레이저를 광섬유(optical fiber)를 결합시켜 제조된다. 근래에 광원 모듈의 생산 비용을 낮추기 위한 다양한 방법이 연구되고 있으며, 특히 저가의 광원 모듈을 생산하기 위해서는 반도체 레이저와 광섬유를 손실없이 최소의 비용으로 결합시키는 것이 요구된다.
일반적으로 반도체 레이저를 광섬유와 결합시킬 때 큰 결합 손실(insertion loss)을 갖는데, 이는 반도체 레이저와 광섬유의 광 모드(optical mode)가 심한 불일치를 가지기 때문이다. 통상적인 반도체 레이저의 광 모드는 약 1μm 이고, 수직 방향과 수평 방향으로 크기가 다른 타원형의 형태를 갖는 반면, 단일모드(single mode) 광섬유의 광 모드는 약 10μm이고 원형의 형태를 갖는다.
상기와 같은 광 모드의 불일치를 해소하기 위해 반도체 레이저의 광 모드를 증가시켜 광섬유의 광 모드와 일치시키는 광 모드 변환기(spot-size converter; 이하 SSC)가 제안되고 있다. SSC를 이용함으로써 반도체 레이저와 광 섬유 사이에 직접적인 광결합이 가능하고, 결합 손실을 줄일 수 있고, 큰 광 정렬 오차 등을 얻을 수 있다.
SSC를 가지는 반도체 레이저의 구조에 대하여 고려되어야 할 점은 다음과 같 다. 첫째로, 반도체 레이저의 고성능 동작을 위해 레이저가 방출되는 이득영역(gain region)에서는 레이저가 도파로(waveguide)에 잘 속박되어(confine) 있어야 한다. 도파로의 광 가둠 계수(optical confinement factor)가 클수록 광 모드의 크기는 작아지고 임계전류(threshold current)가 낮아지며, 발광 효율(luminous efficiency)은 높아진다. 둘째로, 광 모드가 변환되는 SSC 영역에서는 이득영역에서 속박된 광 모드를 점차적으로 방출시켜 출력 계면(output facet)에서 광 모드의 크기가 충분히 증가되도록 해야 한다. 셋째로, SSC 영역은 레이저의 방사 손실(radiation loss) 없이 광 모드를 변화시켜 주어야 한다.
도 1은 대한민국 특허공개공보 제2000-0019294호에 개시된 종래 기술에 의한 SSC를 가지는 반도체 레이저를 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 기판(11) 상에 도파로(18)가 형성되고, 제1 전류차단층(12) 및 제2 전류차단층(13)이 순차적으로 형성된다. 일반적으로 제1 전류차단층(12)은 n형 InP 재질이고, 제2 전류차단층(13)은 p형 InP 재질이다. 기판(11)의 배면에는 n형 전극(15)이 형성되고, 도파로(18)의 상부에는 p형 전극(16)이 형성된다. p형 전극(16)은 이득영역에는 형성되나 SSC 영역에는 형성되지 않는다. 도파로(18)는 이득영역에서는 일정한 두께를 유지하다가, SSC 영역에서는 테이퍼져 그 두께가 점점 작아진다.
이득영역에 비해 SSC 영역에서는 레이저가 더 약하게 속박되어, 광 모드가 확산된다. 따라서 근시야 상(near field pattern; 이하 NFP)은 커지고, NFP의 회절된 상(diffracted pattern)인 원시야 상(far field pattern; 이하 FFP)은 작아진다 (contract). 결론적으로 출력계면에서의 레이저의 방사각이 작아져 광 섬유와의 결합을 용이하게 한다.
그러나 상기의 방법은 제1 전류차단층(12)에서의 손실이 많고 제조 비용이 많이 든다. 반도체 레이저의 제조 비용을 줄이기 위해 키타무라(kitamura)는 미국특허 제5,657,338호에 "Tapered Thickness Waveguide Integrated Semiconductor Laser"라는 제목으로 선택적 영역 성장법(selective area growth)에 의해 테이퍼진 도파로를 일체로 형성한 반도체 레이저를 개시하고 있다.
도파로의 두께를 줄여 SSC 영역을 형성하는 방법은 수직 방향으로 광 모드의 크기를 증가시킬 수 있으나 도파로의 두께가 두꺼운 부분과 얇은 부분에서 조성이 일치하지 않아 성장층이 응력을 받게 된다. 상기 응력이 일정 수준을 넘으면 결정 특성이 저하되는 문제점이 있다.
상기의 문제를 해결하기 위해 도파로의 두께를 점차 감소시키지 않고, 도포로의 폭을 점차로 감소시켜 수평 방향으로 광 모드의 크기를 크게 하는 방법이 대한민국 특허공개번호 제2002-0077567호에 개시되고 있다. 이는 제작 공정이 비교적 간단하여 제조 비용을 낮출 수 있다.
그러나 도파로의 폭을 감소시켜 SSC를 가지는 반도체 레이저를 제조하는 방법에는 이하의 문제점이 있다.
첫째로, SSC 영역에 해당하는 만큼 반도체 레이저의 길이가 길어지므로 공급되는 전류의 밀도가 낮아져 임계전류가 증가한다. SSC 영역은 이득영역의 활성층과 같은 구성의 다중 양자 우물(multi-quantum well; 이하 MQW) 구조를 가지므로 두 영역의 밴드 갭(band gap)이 같다. SSC 영역에 전류가 공급되지 않으면 이득영역에서 전달된 레이저의 흡수가 발생하여 레이저의 광 출력이 낮아진다. 따라서 MQW 구조에서 발생한 레이저가 손실없이 SSC 영역을 진행하기 위해서는 SSC 영역에도 전류를 공급해 주어야 한다.
둘째로, SSC 영역은 광 가둠 계수가 작기 때문에 레이저의 이득이 작아서 외부 양자 효율이 감소한다.
셋째로, 도파로와 p형 전극 사이에 위치하는 상부층을 두껍게 하면 수직 방향으로 레이저가 충분히 확장되도록 할 수 있으나, 이로 인해 p형 전극과 도파로 간의 거리가 멀어지고 이에 비례하여 저항이 증가한다. 저항이 커지면 대역폭(band width)이 감소하여 반도체 레이저의 고속 동작에 어려움이 발생한다. 또한, 상부층이 두꺼워지면 열 저항이 커져 MQW 구조에서 발생한 열이 빠져나가지 못해 열 특성이 저하된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기의 문제점을 해결하기 위해 이득영역의 상부층의 두께보다 SSC 영역의 상부층의 두께를 선택적으로 더 두껍게 한 SSC를 가지는 반도체 레이저를 제공하는 데에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기의 문제점을 해결하기 위해 이득영역의 상부층의 두께보다 SSC 영역의 상부층의 두께를 선택적으로 더 두껍게 한 SSC를 가지는 반도체 레이저의 제조방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으 며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 양태에 의한 광 모드 변환기를 가지는 반도체 레이저는 기판과 상기 기판 상에 형성되어 레이저를 방출하는 이득영역과 상기 기판 상에 형성되어 상기 이득영역에서 방출된 레이저의 광 모드를 변환시키는 SSC 영역 및 상기 이득영역과 상기 SSC 영역의 상부에 형성되되, 상기 SSC 영역에서의 두께가 상기 이득영역에서의 두께보다 더 두꺼운 상부층을 포함한다.
상기 기판의 배면에 형성되는 제1 전극 및 상기 상부층의 상부에 형성되는 제2 전극을 포함하여 SSC 영역에도 전류가 공급할 수 있다. 이로써 SSC 영역에서 레이저가 손실없이 진행할 수 있다.
상기 기판 상에는 상기 상부층을 선택 영역 성장시키기 위해 형성된 마스크를 포함할 수 있고, 상기 마스크는 상기 SSC 영역에 형성될 수 있다. 이에 따라 상기 상부층은 상기 마스크의 상부에는 형성되지 않으며 선택적으로 SSC 영역에 해당하는 상부층의 두께를 더 두껍게 할 수 있다.
상기 상부층의 원하는 두께와 폭에 따라 상기 마스크의 폭은 2㎛ ~ 100㎛ 사이일 수 있고, 상기 마스크의 길이는 10㎛ ~ 20㎛ 사이일 수 있다. 또한 상기 마스크 둘 이상이 5㎛ ~ 100㎛ 사이의 간격으로 이격될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 양태에 의한 광 모드 변환기를 가지는 반도체 레이저는 기판과, 이득영역에서 레이저를 방출하고, SSC 영역에서 출력계면 방향으로 갈수록 폭이 좁아지게 테이퍼져 상기 이득영역에서 방출되는 레이저의 광 모드를 변환시키도록 상기 기판상에 형성되는 도파로와, 상기 이득영역의 상기 도파로 상부에 형성되는 제1 상부층 및 상기 제1 상부층보다 더 두껍게 상기 SSC 영역의 상기 도파로 상부에 형성되는 제2 상부층을 포함한다.
상기 기판의 배면에 형성되는 제1 전극 및 상기 제1 상부층의 상부에 형성되는 제2 전극을 더 포함할 수 있고, 상기 제2 전극은 상기 제2 상부층의 상부에도 형성될 수 있다.
상기 도파로의 양측에는 전류차단층(current block layer)이 형성될 수 있고, 상기 전류차단층 상에는 상기 제2 상부층을 선택 영역 성장시키기 위해 마스크를 형성할 수 있다.
상기 마스크는 상기 출력계면 쪽으로 갈수록 그 폭이 점차 커질 수 있고, 또는 상기 출력계면의 반대쪽으로 갈수록 그 폭이 점차 작아질 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 양태에 의한 광 모드 변환기를 가지는 반도체 레이저는 기판과, 이득영역에서 레이저를 방출하고, SSC 영역에서 출력계면 방향으로 갈수록 폭이 좁아지게 테이퍼져 상기 이득영역에서 방출되는 레이저의 광 모드를 변환시키도록 상기 기판상에 형성되는 도파로, 상기 도파로의 양측에 형성되는 전류차단층과 상기 도파로를 중심으로 상기 전류차단층의 상부에 이격되어 형성된 둘 이상의 마스크 및 상기 도파로를 매립하되 상기 마스크를 통해 선택 영역 성장되어 상기 SSC 영역에서의 두께가 상기 이득영역에서의 두께보다 더 두꺼운 상부층을 포함한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 양태에 의한 광 모드 변환기를 가지는 반도체 레이저의 제조방법은 이득영역에서 레이저를 방출하고, SSC 영역에서 출력계면 방향으로 갈수록 폭이 좁아지게 테이퍼져 상기 레이저의 광 모드를 변환시키는 도파로를 기판 상에 형성하고, 상기 도파로를 매립하되 상기 SSC 영역에서의 두께가 상기 이득영역에서의 두께보다 더 두꺼운 상부층을 형성하는 것을 포함한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 공정 단계들, 잘 알려진 소자 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되어지는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 부호는 동일한 구성요소를 지칭한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 SSC를 가지는 반도체 레이저를 도시한 사시도이다.
도 2를 참조하면, 기판(110) 상에 이득영역에서는 폭이 일정하고 SSC 영역에서는 출력계면 방향으로 그 폭이 점차 감소하는 도파로(120)가 형성된다. 도파로 (120)는 MQW 구조를 가지고, 캐리어의 재결합에 의해 레이저가 발생한다. 도파로(120)의 좌우 측에는 제1 전류차단층(112)과 제2 전류차단층(114)을 형성하여 MQW 구조로만 전류가 공급되도록 한다. 상기의 도파로(120)의 구조는 당업자에게 잘 알려진바 이하 자세한 설명은 생략한다.
도파로(120)를 중심으로 도파로(120)의 상단 양측에는 선택 영역 성장을 위한 마스크(130a, 130b)가 형성된다. 마스크(130a, 130b)는 도파로(120)의 길이 방향으로 대칭되어 서로 일정한 간격으로 이격되도록 한다. 도 2에 도시된 마스크(130a, 130b)는 직사각형의 형상을 가지나 서로 일정한 간격으로 이격되기만 한다면 기타 다양한 형태를 가질 수 있다.
마스크(130a, 130b)를 형성한 후, 상부층(140)을 유기금속 화학 기상증착법(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD)이나 분자선 에피택시(molecular beam epitaxy; MBE)과 같은 에피택셜 방법(epitaxial method)으로 성장시킨다. 이로써 도파로(120)는 상부층(140)에 의해 매립되어 매립형 이종접합구조(buried-heterostructure)가 형성된다.
마스크(130a, 130b)에는 성장점(growth nucleus)이 없어 상부층(140)이 성장하지 않는다. 이에 따라 성장 원료는 마스크(130a, 130b)의 좌우로 퍼지게 되고, 마스크(130a, 130b)의 좌우에는 공급되는 성장 원료가 상대적으로 많아지므로 같은 성장 시간에 마스크(130a, 130b)의 좌우의 상부층(140)이 마스크(130a, 130b)가 없는 이득영역의 상부층(140)보다 더 두껍게 성장한다. 즉 마스크(130a, 130b)에 의해 선택적으로 상부층(140)을 성장시킴으로써 이득영역과 SSC 영역 사이의 두께가 달라지도록 한다.
마스크(130a, 130b) 사이의 간격(W1)은 원하는 상부층(140)의 두께와 폭에 따라 달라지나 5㎛ ~ 100㎛ 사이가 바람직하다. 간격(W1)이 커지면 상부층(140)의 두께는 얇아지나 폭은 커진다. 간격(W1)이 작아지면 상부층(140)의 두께는 두꺼워지고 폭은 작아진다.
마스크(130a, 130b)의 길이(L)는 SSC 영역의 길이와 같거나 50㎛ 이내에서 더 길 수 있다. 마스크(130a, 130b)의 길이(L)가 SSC 영역의 길이와 같으면 SSC 영역의 상부에 형성되는 상부층(140)의 두께만 이득영역의 상부에 형성되는 상부층(140)의 두께보다 더 두껍게 할 수 있다. 또는 마스크(130a, 130b)의 길이(L)를 SSC 영역보다 다소 길게 하여 SSC 영역에 근접하는 이득영역의 상부층(140)의 두께를 두껍게 하여 광 모드의 확산을 용이하게 할 수 있다.
마스크(130a, 130b)의 폭(W2)은 2㎛ ~ 100㎛ 사이일 수 있다. 마스크(130a, 130b)의 폭이 넓어지면 그 좌우에 성장하는 상부층(140)이 더 두꺼워진다. 그러나 마스크(130a, 130b)의 폭이 지나치게 크면 선택 영역 성장이 올바르게 진행되지 않을 수 있다. 따라서 선택 영역 성장에 따른 상부층(140)의 폭과 두께에 따라 마스크(130a, 130b)의 폭(W2)을 조절하여 광 모드가 확산되는 정도를 조절할 수 있다.
기판(110)의 배면에는 제1 전극(170)이 형성되고 상부층(140)의 상부에는 제2 전극(180)이 형성된다. 제1 전극(170)은 n형 전극일 수 있고, 제2 전극(180)은 p형 전극일 수 있다.
상부층(140)의 상부에 형성되는 제2 전극(180)은 이득영역의 상부에만 형성 될 수 있다. 또는, 제2 전극(180)은 이득영역 뿐만 아니라 SSC 영역의 상부에도 걸쳐서 형성할 수 있다. 이 경우 SSC 영역에도 전류가 공급될 수 있어 SSC 영역상의 도파로(120)에서도 레이저가 손실없이 진행할 수 있게 된다.
도 3a 내지 3c는 본 발명의 실시예에 따른 SSC를 가지는 반도체 레이저의 제조방법을 나타낸 사시도이다.
도 3a를 참조하면, 기판(110) 상에 MQW 구조를 형성한 후 광이 방출되는 이득영역에서는 폭이 일정하고 SSC 영역에서는 그 폭이 점점 감소하는 형태의 도파로(120)를 리쏘그라피 방법을 통해 형성한다. 도파로(120)를 형성한 후 식각된 도파로(120)의 양측에는 제1 전류차단층(112)과 제2 전류차단층(114)을 MOCVD 등을 통해 형성한다.
도 3b를 참조하면, 제2 전류차단층(114) 상부에 SiO2 이나 SixNx 재질로 유전체 막을 형성한다. 유전체 막은 열 CVD 방법 등을 이용하여 증착시킨다. 그 다음 SSC 영역의 테이퍼진 도파로(120)를 중심으로 그 좌우 양측에 리쏘그라피 방법을 이용하여 마스크(130a, 130b)를 형성한다.
도 3c를 참조하면, 상부층(140)을 MOCVD 등의 에피택셜 방법에 의해 성장시킨다. 이 경우 마스크(130a, 130b)의 상부에는 상부층(140)이 성장되지 않아, 테이퍼진 도파로(120) 상부의 영역이 상대적으로 더 두껍게 상부층(140)이 형성된다. 이로써 도파로(120)는 상부층(140)에 의해 매립된다.
상부층(140)의 성장이 종료된 후, 기판(110)의 배면에는 제1 전극(170)을 형 성하고 상부층(140)의 상부에는 제2 전극(180)을 각각 형성한다.
상기와 같이 구성된 SSC를 가지는 반도체 레이저의 동작을 이하에서 설명한다.
제1 전극(170)과 제2 전극(180)에 전류가 공급되면, 이득영역 상의 MQW 구조에서 캐리어들 간의 재결합에 의해 레이저가 방출된다. 이득영역에서는 상부층의 두께가 SSC 영역의 두께보다 상대적으로 더 얇다. 즉 제2 전극과 도파로 사이의 거리가 가까워 저항이 작아진다. 따라서 반도체 레이저에 공급되는 전류 중 이득영역에 주입되는 전류의 비가 상부층의 두께가 두꺼워 상대적으로 저항이 큰 SSC 영역에 공급되는 전류의 비에 비해 증가하기 때문에 임계전류가 낮아지고, 대역폭이 넓고, 열 특성도 좋아진다.
상부층은 SSC 영역에서 이득영역보다 더 두꺼워 저항이 커진다. 그러나 레이저는 SSC 영역을 진행하면서 두꺼워진 상부층을 통해 수직 방향으로 충분히 확장된다. 따라서 NFP이 커지고 FFP가 작아져 광섬유와의 결합 손실을 최소화할 수 있다. 또한, 레이저가 수직 방향으로 확장되면 출력계면에서 광모드가 보다 원형에 가깝게 되어 광섬유와 광모드 불일치가 줄어들어 모드 불일치로 인한 손실을 추가적으로 감소시킬 수 있다.
즉, 본 발명에서는 이득영역과 SSC 영역의 상부층의 두께를 선택 영역 성장을 통해 달리함으로써 이득영역에서는 작은 저항이 유지되도록 하면서도, SSC 영역에서는 광 모드가 충분히 확장되도록 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저와 종래 기술에 의한 반도체 레이저의 수직방향의 FFP(FFPV)을 비교한 그래프이다.
먼저, 선택 영역 성장을 위한 마스크가 없이 상부층을 형성시켜 이득영역과 SSC 영역의 두께가 일정한 제1 반도체 레이저를 제조하였다. 또한, 마스크 사이의 간격(W1)을 20㎛, 마스크의 폭(W2)을 20㎛로 하여 테이퍼진 도파로의 양측에 마스크를 형성한 후 선택 영역 성장을 통해 상부층을 형성하여 이득영역과 SSC 영역의 상부층의 두께를 달리한 제2 반도체 레이저를 제조하였다.
도 4를 참조하면, 선택 성장시킨 제2 반도체 레이저는 제1 반도체 레이저에 비해 약 2도 정도 FFPV가 작아졌다. 즉 제2 반도체 레이저는 SSC 영역에서 상부층의 두께가 두꺼워짐으로써 수직 방향으로의 광 모드의 확장이 일어나 NFP은 커지고 FFP는 작아졌다.
표 1은 상기의 제1 반도체 레이저와 제2 반도체 레이저의 전류-광효율의 특성을 비교한 표이다.
Ith [mA] SE1 [mW/mA] SE1 [mW/mA] Lin1 [%] Lin2 [%]
제1 반도체 레이저 9.38 0.394 0.378 96.0 91.5
제2 반도체 레이저 8.25 0.414 0.402 97.2 95.6
표 1을 참조하면, 마스크를 이용하여 상부층을 선택 성장시킨 제2 반도체 레이저는 제1 반도체 레이저보다 임계전류(Ith)가 작아졌다. 즉 제2 반도체 레이저의 효율이 향상되어 제1 반도체 레이저보다 작은 임계전류에서도 레이저가 방출된다.
전류가 5mW 일 때 측정한 경사효율(slope efficiency; SE1)과 전류가 10mW 일 때 측정한 경사효율(SE2)을 비교하면, 제2 반도체 레이저의 경사효율이 제1 반도체 레이저의 경사효율보다 더 크다. 또한, 임계전류(Ith)에서 5mW 사이의 광 효율의 직진도(linearity; Lin1)과 5mW에서 10mW 사이의 광 효율의 직진도(Lin2)를 비교하면, 역시 제2 반도체 레이저의 직진도가 제1 반도체 레이저의 직진도보다 더 크다. 즉 본 발명의 실시예에 따른 반도체 레이저에 의하면 종래 기술에 의한 반도체 레이저에 비해 전류-광효율의 특성이 보다 좋아진다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 SSC를 가지는 반도체 레이저의 마스크를 도시한 평면도이다.
도 5를 참조하면, 이득영역과 SSC 영역의 경계 부근에서 마스크(230a, 230b)의 폭이 작아지도록 형성한다. 마스크(230a, 230b)의 폭이 좁아지면 도파로(220)의 상부에서 성장하는 상부층의 두께가 얇아진다. 따라서 이에 의하면 이득영역과 SSC 영역의 경계에서 상부층의 두께가 급격한 차이가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 SSC를 가지는 반도체 레이저의 마스크를 도시한 평면도이다.
도 6을 참조하면, SSC 영역의 말단 즉 광이 방출되는 출력계면 쪽으로 갈수록 마스크(330a, 330b)의 폭이 커진다. 마스크(330a, 330b)의 폭이 클수록 그 상부층의 두께가 두꺼워지므로, 출력계면 측에서 광 모드가 더 확장되도록 할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 SSC를 가지는 반도체 레이저의 경우를 설명하고 있으나, 본 발명은 도파로 구조를 가지는 다양한 반도체 광 소자에 적용될 수 있다. 도파로 구조를 가지는 반도체 광 소자의 예로는 반도체 광 증폭기(semiconductor optical amplifier;SOA), 변조기(modulator), 광 검출기(photo detector), 파장 변환기(wavelength converter) 등이 있다.
상기에서 상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 이득영역의 상부층보다 SSC 영역의 상부층을 선택적으로 더 두껍게 형성시킴으로써 레이저가 SSC 영역을 진행하면서 두꺼워진 상부층을 통해 수직 방향으로 충분히 확장될 수 있다. 따라서 NFP이 커지고 FFP가 작아져 광섬유와의 결합 손실을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 이득영역에서는 작은 저항이 유지되도록 하여 반도체 레이저의 임계전류가 낮아지고 전류-광효율 특성도 향상된다.

Claims (26)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성되어 레이저를 방출하는 이득영역;
    상기 기판 상에 형성되어 상기 이득영역에서 방출된 레이저의 광 모드를 변환시키는 SSC 영역; 및
    상기 이득영역과 상기 SSC 영역의 상부에 형성되되, 상기 SSC 영역에서의 두께가 상기 이득영역에서의 두께보다 더 두꺼운 상부층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 모드 변환기를 가지는 반도체 레이저.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기판의 배면에 형성되는 제1 전극 및 상기 상부층의 상부에 형성되는 제2 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 모드 변환기를 가지는 반도체 레이저.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 기판 상에는 상기 상부층을 선택 영역 성장시키기 위해 형성된 마스크를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 마스크는 상기 SSC 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 상부층은 상기 마스크의 상부에는 형성되지 않는 것을 특징으로 하는 광 모드 변환기를 가지는 반도체 레이저.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 마스크의 폭은 2㎛ ~ 100㎛ 사이인 것을 특징으로 하는 광 모드 변환기를 가지는 반도체 레이저.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 마스크의 길이는 10㎛ ~ 20㎛ 사이인 것을 특징으로 하는 광 모드 변환기를 가지는 반도체 레이저.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 마스크는 둘 이상이 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 광 모드 변환기를 가지는 반도체 레이저.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 둘 이상의 마스크 이격 간격은 5㎛ ~ 100㎛ 사이인 것을 특징으로 하는 광 모드 변환기를 가지는 반도체 레이저.
  10. 기판;
    이득영역에서 레이저를 방출하고, SSC 영역에서 출력계면 방향으로 갈수록 폭이 좁아지게 테이퍼져 상기 이득영역에서 방출되는 레이저의 광 모드를 변환시키도록 상기 기판상에 형성되는 도파로;
    상기 이득영역의 상기 도파로 상부에 형성되는 제1 상부층; 및
    상기 제1 상부층보다 더 두껍게 상기 SSC 영역의 상기 도파로 상부에 형성되는 제2 상부층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 모드 변환기를 가지는 반도체 레이저.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 기판의 배면에 형성되는 제1 전극 및 상기 제1 상부층의 상부에 형성되는 제2 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 모드 변환기를 가지는 반도체 레이저.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 제1 상부층 및 상기 제2 상부층의 상부에 형성되는 것을 특징으로 하는 광 모드 변환기를 가지는 반도체 레이저.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 도파로의 양측에 형성되는 전류차단층(current block layer)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 모드 변환기를 가지는 반도체 레이저.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 제2 상부층을 선택 영역 성장시키기 위해 상기 전류차단층 상에 형성된 마스크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 마스크는 상기 출력계면 쪽으로 갈수록 그 폭이 점차 커지는 것을 특징으로 하는 광 모드 변환기를 가지는 반도체 레이저.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 마스크는 상기 출력계면의 반대쪽으로 갈수록 그 폭이 점차 작아지는 것을 특징으로 하는 광 모드 변환기를 가지는 반도체 레이저.
  17. 제 14항에 있어서,
    상기 마스크는 둘 이상이 서로 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는 광 모드 변환기를 가지는 반도체 레이저.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 마스크는 상기 도파로를 중심으로 대칭으로 형성된 것을 특징으로 하는 광 모드 변환기를 가지는 반도체 레이저.
  19. 기판;
    이득영역에서 레이저를 방출하고, SSC 영역에서 출력계면 방향으로 갈수록 폭이 좁아지게 테이퍼져 상기 이득영역에서 방출되는 레이저의 광 모드를 변환시키도록 상기 기판상에 형성되는 도파로;
    상기 도파로의 양측에 형성되는 전류차단층;
    상기 도파로를 중심으로 상기 전류차단층의 상부에 이격되어 형성된 둘 이상의 마스크; 및
    상기 도파로를 매립하되 상기 마스크를 통해 선택 영역 성장되어 상기 SSC 영역에서의 두께가 상기 이득영역에서의 두께보다 더 두꺼운 상부층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 모드 변환기를 가지는 반도체 레이저.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 기판의 배면에 형성되는 제1 전극 및 상기 상부층의 상부에 형성되는 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 모드 변환기를 가지는 반도체 레이저.
  21. 제 19항에 있어서,
    상기 마스크는 상기 SSC 영역에 형성된 것을 특징으로 하는 광 모드 변환기를 가지는 반도체 레이저.
  22. 이득영역에서 레이저를 방출하고, SSC 영역에서 출력계면 방향으로 갈수록 폭이 좁아지게 테이퍼져 상기 레이저의 광 모드를 변환시키는 도파로를 기판 상에 형성하고,
    상기 도파로를 매립하되 상기 SSC 영역에서의 두께가 상기 이득영역에서의 두께보다 더 두꺼운 상부층을 형성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 모드 변환기를 가지는 반도체 레이저의 제조방법.
  23. 제 22항에 있어서,
    상기 기판의 배면에 제1 전극을 형성하고,
    상기 상부층의 상부에 제2 전극을 형성하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 모드 변환기를 가지는 반도체 레이저의 제조방법.
  24. 제 22항에 있어서,
    상기 도파로를 형성한 후,
    상기 도파로의 양측에 전류차단층을 형성하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 모드 변환기를 가지는 반도체 레이저의 제조방법.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 전류차단층의 상부에는 상기 상부층을 선택 영역 성장시키기 위한 마스크를 형성하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 모드 변환기를 가지는 반도체 레이저의 제조방법.
  26. 제 25항에 있어서,
    상기 마스크는 둘 이상이 상기 도파로를 중심으로 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 광 모드 변환기를 가지는 반도체 레이저의 제조방법.
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