KR100757878B1 - 모드 크기 변환기를 갖는 레이저 다이오드 - Google Patents

Abstract

모드 크기 변환기를 갖는 레이저 다이오드는 기판 및 상기 기판상에 순차적으로 형성된 이득영역, SSC 영역, 보상영역에 걸쳐서 형성되는 도파로를 포함한다. 상기 도파로는 상기 이득영역에서 레이저광을 방출하고, 상기 SSC 영역에서 출력계면 방향으로 갈수록 폭이 좁아져 상기 레이저광의 모드 크기를 변환시키며, 상기 보상영역에서 폭이 넓어진다.

광통신, 레이저 다이오드, 모드 크기 변환기, SSC

Description

모드 크기 변환기를 갖는 레이저 다이오드{laser diode having spot-size converter}

도 1은 종래 기술에 따른 SSC를 갖는 레이저 다이오드를 나타낸 평면도이다.

도 2는 정렬 오차가 발생한 경우 FFP를 나타낸 그래프이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 다이오드를 나타낸 절개 사시도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SSC를 갖는 레이저 다이오드를 나타낸 평면도이다.

도 5a는 종래 기술에 따른 SSC를 갖는 레이저 다이오드의 FFP를 나타낸 그래프이다.

도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 SSC를 갖는 레이저 다이오드의 FFP를 나타낸 그래프이다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 SSC를 갖는 레이저 다이오드를 나타낸 평면도이다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 SSC를 갖는 레이저 다이오드를 나타낸 평면도이다.

** 도면의 주요부분의 부호에 대한 설명 **

110 : 기판

120 : 도파로

본 발명은 레이저 다이오드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 모드 크기 변환기를 구비한 레이저 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

근래 들어, 보다 빠르고 많은 정보에 대한 처리를 위해 광섬유를 각 가입자까지 연결하는 FTTH(fiber to the home)와 같은 광 통신망이 사용되고 있다. 광 통신망을 구축하는 데 있어, 디지털화된 전기적 신호를 임의의 파장 대의 광신호로 변환하여 광섬유로 전송하는 광 송신기 및 임의의 파장 대의 광신호를 검출하여 디지털화된 전기적 신호로 역변환하는 광 수신기가 필수적으로 요구된다.

광통신에 사용되는 광 송수신기는 광 소자(레이저 다이오드 또는 포토 다이오드)를 광섬유(optical fiber)에 결합시켜 제조한다. 경제적인 광 송수신기를 생산하기 위해서는 광 소자 내에서 신호를 전달하는 도파로(waveguide)와 광섬유를 손실없이 최소의 비용으로 결합시키는 것이 요구된다. 결합 효율(coupling efficiency)이 높을수록 경제적이기 때문이다.

도파로는 굴절률이 상대적으로 큰 코어와 그 주위를 둘러싸는 상대적으로 굴절률이 작은 클래드층으로 구성된다. 이러한 도파로의 내부 굴절률 차이에 의한 전반사 현상에 의해 빛이 코어를 통해 전파된다.

이때 여러 파장의 빛 중에서 특정 조건을 만족하는 빛만이 전파가 가능하다. 이와 같이 전파 조건이 만족되는 빛을 모드(mode)라고 하며, 모드의 크기는 코어와 클래드층의 굴절률차이에 반비례한다. 광 통신에 사용되는 광섬유는 신호 전달용으로 단일 모드(single mode) 광섬유를 주로 사용하는 데, 단일 모드 광섬유의 경우 일반적으로 약 10μm 내외의 모드를 갖는다.

광 송신기에서 광원으로 사용되는 레이저 다이오드는 약 1μm 내외의 모드를 갖는다. 따라서 레이저 다이오드와 광섬유 사이의 모드를 일치시키기 위해서는 레이저 다이오드의 근시야 상(near field pattern; 이하 NFP)을 크게 하고, NFP의 회절된 상(diffracted pattern)인 원시야 상(far field pattern; 이하 FFP)은 작게 해야 한다.

일반적인 단일 모드 레이저 다이오드의 FFP는 수평으로 24도, 수직으로 32도 정도이다. 이 경우 비구면 렌즈(aspherical lens)를 사용할 경우 결합 효율은 약 30% 정도가 된다. 그러나 비구면 렌즈는 고가이어서 경제적이지 못한다. 비교적 저가인 구면 렌즈를 사용할 경우 결합 효율이 약 15%에 불과하여 고출력을 내기가 어려워 장거리 전송에 사용하기 어려운 문제가 있다. 따라서 구면 렌즈를 사용하면서도 레이저 다이오드의 고출력이 가능하게 하기 위해서는 방출되는 레이저광의 방사각 즉 FFP를 수평방향으로 10도, 수직 방향으로 10도 정도 줄여야 한다. 이를 위해 다양한 방법이 시도되고 있다.

FFP를 줄이기 위한 방안 중 대표적인 것이 모드 크기 변환기(spot size converter; 이하 SSC)이다. SSC는 도파로의 출력계면(output facet)과 가까운 일부를 출력계면 쪽으로 갈수록 폭이 좁아지게 한 것이다. 출력계면 쪽으로 가면서 도파로의 폭이 좁아지면, 도파로의 굴절률은 높고, 주변 클래드층의 굴절률은 낮기 때문에, 평균 유효 굴절률이 출력계면 쪽으로 가면서 작아진다. 빛은 굴절률이 높은 쪽으로 모이는 성질이 있으므로, 출력계면 쪽으로 레이저광이 진행하면서 도파로의 평균 유효 굴절률이 점차 감소함에 따라 점차 퍼지게 되어 NFP이 커진다. 따라서 도파로가 출력계면까지 균일한 폭을 가지는 일반 레이저 다이오드에 비해 SSC를 갖는 레이저 다이오드의 경우 NFP이 더 크다. 출력계면에서 충분히 먼거리에서 측정하는 FFP은 NFP의 크기에 반비례한다. 따라서 NFP이 큰 SSC를 갖는 레이저 다이오드는 FFP를 감소시킬 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 SSC를 갖는 레이저 다이오드를 나타낸 평면도이다.

도 1을 참조하면, 기판(10)에 도파로(20)가 형성된다. 도파로(20)는 이득영역에서 일정한 폭을 유지하다가 SSC 영역으로 갈수록 그 폭이 일정영역 줄어들고, 출력계면(15) 쪽으로 갈수록 일정영역 줄어든 폭을 유지한다.

도파로(20) 내에는 레이저광이 방출되는 활성단(25)이 배치된다. 활성단(25)에서 나오는 레이저광과 도파로(20)의 양쪽 벽에서 반사되어 나오는 레이저광이 서로 간섭을 일으켜, 간섭 패턴을 만들면서 출력계면(15)에서 방출되는 레이저광의 횡방향 폭이 좁아진다.

최대 효율을 얻기 위해서는 도파로(20)의 중심부에 활성단(25)이 위치해야 한다. 그런데 레이저 다이오드를 제조하는 동안 활성단(25)이 도파로(20)의 중심으로부터 어긋나 배치되는 경우가 종종 발생한다. 즉 활성단(25)의 중심과 도파로(20)의 중심 사이가 소정 간격(d)으로 이격되어 있는 경우이다.

도 2는 정렬 오차가 발생한 경우 FFP를 나타낸 그래프이다. 이는 SSC 영역의 길이가 50㎛이고, 활성단(25)과 도파로(20)의 중심선 사이의 간격(d)이 1㎛의 오차를 갖는 경우 FFP를 측정한 그래프이다.

도 2를 참조하면, FFP가 약 4.05도 정도 틀어지는 문제가 발생한다. 이는 레이저광이 한쪽 방향으로 치우치는 것을 의미한다. 도파로(20)의 폭은 수㎛ 내지 수십㎛에 불과하여 매우 좁기 때문에 활성단(25)에 약간의 정렬 오차가 있더라도 한쪽 방향으로 빛이 치우쳐져 반사되기 때문이다. 만약 SSC 영역의 길이가 70㎛인 경우, FFP가 약 3.5도 정도 한쪽 방향으로 틀어졌다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기의 문제점을 해결하기 위해 활성단의 정렬 오차를 보상하는 모드 크기 변환기를 갖는 레이저 다이오드를 제공하는 데에 있다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 모드 크기 변환기 영역의 말단에 폭을 더 넓게 한 도파로를 포함하는 모드 크기 변환기를 갖는 레이저 다이오드를 제공하는 데에 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 양태에 의한 모드 크기 변환기를 갖는 레이저 다이오드는 기판 및 상기 기판상에 순차적으로 형성된 이득영역, SSC 영역, 보상영역에 걸쳐서 형성되는 도파로를 포함한다. 상기 도파로는 상기 이득영역에서 레이저광을 방출하고, 상기 SSC 영역에서 출력계면 방향으로 갈수록 폭이 좁아져 상기 레이저광의 모드 크기를 변환시키며, 상기 보상영역에서 폭이 넓어진다.

일 실시예에서 상기 도파로는 상기 보상영역에서 상기 SSC 영역의 말단의 폭보다 더 넓은 폭을 갖는다. 또한, 상기 도파로는 상기 보상영역에서 상기 출력계면 방향으로 갈수록 폭이 넓어진다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 실시예가 이하에서 개시되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 다이오드를 나타낸 절개 사시도이다.

도 3을 참조하면, 기판(110) 상에 순차적으로 형성된 이득영역, SSC 영역, 보상영역에 걸쳐서 도파로(120)가 형성된다.

도파로(120)의 양측에는 제1 전류차단층(112) 및 제2 전류차단층(114)이 순차적으로 형성된다. 제1 전류차단층(112)은 n형 InP 재질이고, 제2 전류차단층(114)은 p형 InP 재질이다.

도파로(120)의 상부에는 상부층(140)이 형성되어, 도파로(120)를 매립한다. 기판(110)의 배면에는 제1 전극(170)이 형성되고, 상부층(140)의 상부에는 제2 전극(180)이 형성된다. 제1 전극(170)과 제2 전극(180)은 도파로(120)로 전류를 공급한다. 제1 전극(170)은 n형 전극일 수 있고, 제2 전극(180)은 p형 전극일 수 있다. 또는 그 반대일 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SSC를 갖는 레이저 다이오드를 나타낸 평면도이다.

도 4를 참조하면, 도파로(120)는 이득영역에서 일정한 폭을 가지고, SSC 영역으로 진행될수록 그 폭이 일정영역만큼 좁아지도록 테이퍼지고, SSC 영역에서는 일정영역 좁아진 상태를 유지한다. 한편 도파로(120)의 보상영역은 출력계면(111) 방향으로 갈수록 폭이 일정영역 만큼 다시 넓어진다.

이득영역 상의 도파로(120) 내부에는 활성단(122)이 배치된다. 활성단(122)은 제1 전극(170)과 제2 전극(180)을 통해 전류를 받아 레이저광을 방출한다. 활성단(122)의 상부나 하부에는 그레이팅(grating; 미도시)을 더 형성할 수 있다.

SSC 영역 상의 도파로(120)는 이득영역에 비하여 그 폭이 줄어든 상태이다. 도면에는 도파로(120)의 이득영역이 테이퍼져 그 폭이 줄어든 것을 나타내고 있으 나 도파로(120)의 형상은 제한이 없다. 따라서 이득영역에 비해 SSC 영역에서는 레이저가 더 약하게 속박되어, 모드 크기가 더 커진다. 따라서 근시야 상(near field pattern; 이하 NFP)은 커지고, 원시야 상(far field pattern; 이하 FFP)은 작아진다.

보상영역에서 도파로(120)는 SSC영역에 비하여 그 폭이 다시 커진다. 즉 도파로(120)는 보상영역에서 SSC 영역의 말단의 폭보다 더 넓은 폭을 가진다. 도면에는 보상영역이 테이퍼져 그 폭이 커지는 것을 나타내고 있으나 보상영역의 형상은 제한이 없다.

본 발명에서는 SSC 영역 다음에 배치되는 보상영역에서 다시 도파로(120)의 폭을 크게 한다. 폭이 넓은 보상영역에서의 도파로(120)는 폭이 좁은 SSC 영역의 도파로(120)에 비해 레이저광의 반사를 완화시켜 레이저광의 편중 현상을 줄인다. 따라서 활성단(122)의 정렬 오차가 있더라도 안정적인 광 프로파일을 갖도록 한다.

일 실시예에서 도파로(120)는 InP, GaAs, InGaAsP, Si, Ge 등의 반도체를 증착시켜 형성한다. 이 경우 도파로(120)의 테이퍼진 형상은 포토리쏘그라피 공정을 통해 형성할 수 있다. 다른 실시예에서 도파로(120)는 SiO₂, SiNx, Al₂O₃ 등의 절연 물질을 코팅하여 형성할 수 있다. 또 다른 실시예에서 도파로(120)는 폴리머(polymer)를 중합시켜(polymerization) 형성할 수 있다.

SSC 영역의 말단에서 도파로(120)의 폭(W1)은 약 2㎛ ~ 12㎛ 사이이다. 이때 보상영역의 도파로(120)의 폭(W2)은 SSC 영역의 말단보다 크며 약 2㎛ ~ 20㎛ 사이 가 바람직하다.

SSC 영역의 길이(L1)는 수평 방향으로의 간섭이 충분히 일어나도록 하기 위해 20㎛ ~ 200㎛ 사이가 된다. 보상영역의 길이(L2)도 20㎛ ~ 200㎛ 사이일 수 있으며, 이는 SSC 영역의 길이(L1)와 정렬 오차에 따라 적절히 선택할 수 있다.

도 5a는 종래 기술에 따른 SSC를 갖는 레이저 다이오드의 FFP를 나타낸 그래프이고, 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 SSC를 갖는 레이저 다이오드의 FFP를 나타낸 그래프이다. 양자 모두 활성단(122)의 정렬 오차를 1㎛로 했을 때 FFP를 측정한 결과이다.

도 5a 및 5b를 참조하면, 종래 기술에 따른 SSC를 갖는 레이저 다이오드는 보상영역없이 SSC 영역의 길이를 160㎛로 했을 경우 FFP가 약 4.35도 정도 한쪽 방향으로 틀어진다. 이와 비교하여 본 발명의 일 실시예에 따른 SSC를 갖는 레이저 다이오드는 SSC 영역의 길이(L1)를 70㎛, 보상영역의 길이(L2)를 90㎛으로 했을 때, FFP는 약 1.31도 틀어진다. 따라서 레이저광의 편중 현상이 대폭 완화되어 안정적인 특성을 갖는 것을 알 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 SSC를 갖는 레이저 다이오드를 나타낸 평면도이다.

도 6을 참조하면, 기판(210)에 도파로(220)가 형성된다. 도파로(220)는 이득영역에서 일정한 폭을 갖도록 진행되다가 SSC 영역으로 갈수로 그 폭이 일정영역 감소된다. 이후 SSC영역에서 줄어든 폭을 유지하다가 출력계면(211) 방향으로 갈수록 사각형 형태로 SSC 영역의 말단보다 더 큰 폭을 갖는 보상영역이 형성된다.

도 6의 실시예에 의하면 도파로(220)를 이득영역, SSC 영역, 보상영역에 걸쳐서 일체로 형성하는 것이 아닌, 보상영역에 해당하는 도파로(220)만을 별도로 제작하여 SSC 영역의 말단에 결합시켜 형성할 수 있다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 SSC를 갖는 레이저 다이오드를 나타낸 평면도이다.

도 7을 참조하면, 기판(310)에 도파로(320)가 형성된다. 도파로(320)는 이득영역에서 일정한 폭을 갖도록 진행되다가 SSC 영역으로 갈수로 그 폭이 일정영역 감소된다. 이후 SSC영역에서 줄어든 폭을 유지하다가 출력계면(311) 방향으로 갈수록 사각형 형태로 SSC 영역의 말단보다 더 큰 폭을 갖는 보상영역이 형성된다.

한편, SSC 영역과 보상영역의 경계에서 도파로(320)를 라운드 형상으로 처리하여 경계 부근에서의 레이저광의 급격한 변화를 막는다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 명세서에서 사용된 용어 및 표현들은 서술의 목적으로 사용된 것일 뿐 어떠한 제한을 가지는 것은 아니다. 즉 본 발명의 실시예에서는 SSC를 갖는 레이저 다이오드의 경우를 설명하고 있으나, 본 발명의 기술적 사상은 도파로 구조를 가지는 다양한 반도체 광 소자에 적용될 수 있다. 도파로 구조를 가지는 반도체 광 소자의 예로는 반도체 광 증폭기(semiconductor optical amplifier), 변조기(modulator), 광 검출기(photo detector), 파장 변환기(wavelength converter) 등이 있다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

상기에서 상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 보상영역에서 도파로의 폭을 넓어지게 한다. 폭이 넓은 도파로는 폭이 좁은 도파로에 비해 레이저광의 반사를 완화시켜 레이저광의 편중 현상을 줄인다. 따라서 활성단의 정렬 오차가 있더라도 이를 보상하여 레이저 다이오드의 신뢰성을 높일 수 있다.

Claims (5)

1. 이득영역, SSC 영역, 보상영역이 순차적으로 형성된 기판; 및

   상기 이득영역, 상기 SSC 영역, 상기 보상영역을 순차적으로 지나가도록 상기 기판에 형성되는 도파로를 포함하되,

   상기 도파로는 상기 이득영역에서 레이저광을 방출하고, 상기 SSC 영역에서의 폭이 상기 이득영역과 상기 보상영역의 폭보다 작도록 형성되어 상기 레이저광의 모드 크기를 변환시키는 도파로를 포함하는 것을 특징으로 하는 모드 크기 변환기를 갖는 레이저 다이오드.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 도파로는 상기 보상영역 전체영역의 폭이 상기 SSC 영역의 말단의 폭보다 더 넓게 형성되는 것을 특징으로 하는 모드 크기 변환기를 갖는 레이저 다이오드.
3. 제 1항에서 있어서,

   상기 보상영역 전체영역에서 상기 도파로의 폭은 상기 SSC 영역의 말단과 접합된 상기 보상영역의 일단으로부터 상기 출력계면과 접합된 타단을 따라 점차적으로 넓어지는 것을 특징으로 하는 모드 크기 변환기를 갖는 레이저 다이오드.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 보상영역의 길이는 20㎛ ~ 200㎛ 사이인 것을 특징으로 하는 모드 크기 변환기를 갖는 레이저 다이오드.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 보상영역 전체영역에서 상기 도파로의 폭은 2㎛ ~ 20㎛ 사이인 것을 특징으로 하는 모드 크기 변환기를 갖는 레이저 다이오드.

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