KR100832381B1 - 레이저 다이오드 칩을 구비하는 레이저 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 패시브 인트라-캐비티 테이퍼형 도파관에 연결된 레이저 다이오드를 갖는 레이저를 제공한다.
레이저, 다이오드, 레이저 다이오드 칩, 도파관, 패시브, 인트라-캐비티, 테이퍼형 도파관

Description

레이저 다이오드 칩을 구비하는 레이저{LASER DIODE CHIP WITH WAVEGUIDE}
본 발명은 레이저 다이오드에 사용하는 도파관에 관한 것이다.
고전력 레이저 다이오드는, 예컨대 광통신용 애플리케이션, 인쇄용 애플리케이션, 2차 고조파 발생 방법에 의한 광 발생에의 애플리케이션, 의료용 애플리케이션 등에 사용될 수 있다. 고전력 레이저 다이오드는 광섬유에 연계하여 자주 사용된다. 대부분의 애플리케이션의 경우, 레이저는 싱글 횡(橫)방향 광 모드로 동작하도록 요구된다. 싱글 횡방향 모드 레이저 다이오드는, 예컨대 1㎛ ×5㎛ 폭의 출력 개구를 가질 수 있고, 통상적으로 최대 약 0.4W의 출력 전력을 제공할 수 있다. 싱글 횡방향 광 모드를 생성하기 위해서는 좁은 개구가 필요하다. 그러나, 개구에는 초고전력 밀도가 존재하고, 이것은 싱글 횡 모드 레이저 다이오드의 제한 요인이다. 이와 달리, 멀티 모드 레이저 다이오드는, 예컨대 1㎛ ×100㎛ 폭의 출력 개구를 가질 수 있고, 최대 약 4W의 출력 전력으로 동작한다. 그러나, 멀티 모드 레이저 다이오드는 단일의 광 "스포트"를 생성하지 않는 대신에, 스포트 열(列)을 생성한다. 이 때문에 광섬유의 단부와 같은 작은 면적에 집속(集束)하기가 어 렵다. 일반적으로, Heterostructure Lasers, Part B: Materials and Operating Characteristics, H.C. Casey, Jr., and M.B. Panish, Academic Press, 1978, pp. 252-254를 참조할 수 있다.
레이저 다이오드가 신뢰성 있게 제공할 수 있는 최대 출력 전력은, 광 캐비티의 높은 광전력 밀도에 의해서 생기는 반도체 재료에의 손상에 의해서 제한되는 것이 일반적이다. 대개의 경우, 이러한 손상은 우선 면거울(facet mirror)에서 발생하고, 이것을 COD(Catastrophic Optical Damage: 광학 손상)이라고 부른다. COD가 레이저 다이오드면의 전력 밀도를 제한할 수 있다는 것은 공지되어 있다. 일반적으로, Reliability and Degradation of Semiconductor Lasers and LEDs, Mitsuo Fukuda, Artech House, 1991, pp. 128-136을 참조할 수 있다. 여기에서, COD는 면에서의 결정 결함부에서는 레이저 작동 중에 광을 흡수하고, 그 결과, 면을 가열하기 때문에 생긴다. 레이저 다이오드를 구비하는 반도체가 가열되는 경우, 밴드갭 에너지는 감소되어, 그 흡수는 더욱 강해지며, 이어서 면을 더욱 더 가열하고, 런어웨이 효과(runaway effect)가 발생하며, 그 결과, COD가 생기게 된다. 통상은 이것에 의해서, 면에 가까이 있는 재료가 용해되거나 제거되고 또는 용해되어 제거된다. 이 런어웨이 효과를 최소화하는 공지의 방법에는 면을 피복하는 기술(미국 특허 번호 제5,144,634호 참조), 알루미늄 함유 재료(예컨대, AlGaAs) 이외의 반도체를 이용하는 기술, 예컨대 알루미늄이 없고 덜 산화하여 면에 결함이 적게 되는 GaInP을 이용하는 기술(미국 특허 번호 제5,389,396호 참조) 등의 복잡한 기술이 있다. 그러나, 출력 전력이 높은 경우에는 신뢰성은 여전히 타협의 대상이 되어, 출력 전력을 100㎛ 폭의 멀티 모드 레이저에 있어서는 약 4W로 제한하고 싱글 횡방향 모드 레이저 다이오드에 있어서는 400㎽로 제한한다.
열적 효과도 또한, 싱글 횡방향 모드 레이저 다이오드의 출력 전력을 제한할 수 있다. 입력 전류의 레벨이 높은 경우에, 레이저의 액티브 스트립 영역을 가열하면 인접 영역에 비해 굴절율이 높아진다. 통상은 이것에 의해서, 레이저 도파관이 고차 광 모드로 동작하게 되고, 이것은 대부분의 애플리케이션에서는 수용할 수 없다.
본 발명의 적어도 하나의 양태는 레이저 다이오드의 고전력 밀도에 관련된 문제에 관한 것이다. 본 발명의 한 가지 양태는 패시브 인트라-캐비티 테이퍼형 도파관에 연결된 반도체 레이저 다이오드를 구비하는 레이저를 제공하는 것이다. "패시브"란 도파관에 광학 이득이 없는 것을 의미한다. "인트라-캐비티"란 광학 캐비티 내부를 의미한다. 도파관은 높은 출력 전력에서 신뢰성 있는 싱글 횡방향 모드 동작을 제공할 수 있다. 도파관은 높은 광학 손상 임계치를 갖는 재료를 구비할 수 있다. 이 재료는 큰 밴드갭 에너지를 갖는 반도체를 구비할 수도 있고, 유리를 구비할 수도 있으며, 결정 재료, 예컨대 단결정일 수도 있다. 결정 재료는 (주기율표 상의) Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체일 수도 있고 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체일 수도 있다.
레이저 다이오드 칩과 도파관 칩간의 계면에서의 반사는 최소화될 수 있다. 이러한 최소화는 계면에서 레이저 다이오드 칩 위에 반(反)반사성 코팅을 마련함으 로써[또한, 레이저 다이오드 칩과 도파관 칩 사이에 굴절율 정합 유체(fluid)를 마련함으로써] 행해질 수 있다. 이와 달리, 반반사성 코팅은 레이저 다이오드 칩과 도파관 칩의 계면에서 이들 칩 모두 위에 마련되어도 좋다.
본 발명의 레이저는 광증폭기에 사용될 수 있다. 광증폭기는 희토류 금속, 예컨대 에르븀 및/또는 툴륨으로 도핑될 수 있다. 이 예에서, 본 발명의 레이저는 약 980㎚ 또는 1480㎚의 출력 파장을 가질 수 있다. 증폭기는 라만 증폭기일 수 있다. 이 예에서, 본 발명의 레이저는 약 1365㎚ 내지 약 1530㎚의 출력 파장을 가질 수 있다.
본 발명의 레이저는 레이저 인쇄 시스템에도 사용될 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예의 이점은 전력 밀도에 대한 근본적인 제약을 극복하여, 싱글 횡방향 모드에서 고출력 전력이 가능해진다는 것이다.
다른 이점은 고전력 폭 개구형 레이저 다이오드를 제조하는 데 사용되는 공지의 기술을 사용할 수 있다는 것이다.
이 애플리케이션에 사용될 때, "손상 임계치"는 더 이상 의도한 대로 기능이 작동하지 않을 정도로 재료가 손상되는 최소 광학 전력 밀도를 가리키고, "큰 밴드갭"은 밴드갭 에너지가 레이저 광의 광자(photon) 에너지보다 매우 큰, 바람직하게는 광자 에너지의 두 배보다 큰 반도체를 설명하는데 사용된다.
도 1은 본 발명에 따라서 레이저 다이오드 칩에 밀착 연결된 평판형 도파관 칩을 도시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 연결된 도파관 칩과 레이저 다이오드 칩의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 테이퍼형 도파관의 굴절율치의 모델을 나타내는 그래프 사진이다.
도 4는 본 발명의 테이퍼형 도파관 내부의 광밀도 계산 모델이다.
도 5는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 도파관 단면을 도시하는 도면이다.
도 6은 산질화규소 도파관 단면을 도시하는 도면이다.
본 발명의 일 양태는 패시브 인트라-캐비티 테이퍼형 도파관에 광학적으로 연결된 반도체 레이저 다이오드 칩을 구비하는 레이저를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 양태는 패시브 도파관의 적어도 일부가 싱글 횡방향 광 모드만을 지원하도록 설계되는 것이다. 본 발명의 적어도 하나의 양태는 페이퍼형의 인트라-캐비티 플래너 도파관을 사용하여 넓은 개구(예컨대, 20㎛ 이상의 폭을 포함하는 10㎛ 이상의 폭)형 반도체 레이저 다이오드 칩의 출력부를 좁은 싱글 모드 도파관에 연결하고, 이것에 의해서 레이저 다이오드 칩을 포함하는 광학 캐비티를, 레이저 다이오드 칩이 도파관 없이 다중 모드로 동작하는 경우에도, 싱글 횡방향 모드로만 동작하게 하는 것이다. 이것은 테이퍼형 도파관이 좁은 단부에서 싱글 횡방향 모드만을 지원하기 때문에 달성되는 것이다. 본 발명의 이 양태는 도 1에 도시되어 있고, 도 1은 레이저 다이오드 칩(12)과 도파관 칩(14)이 밀착된 모습의 윗면도를 도시하는 것으로서, 이것에 의해서, 레이저 다이오드 칩(12)에서 발생된 광이 테이퍼형 도파관(14a) 중 가장 넓은 부분에 입사한다. 이어서, 테이퍼형 도파관(14a) 의 테이퍼 형상에 의해서, 광 모드는 산란 세그먼트(16)가 위치하고 있는 도파관의 반대쪽 단부에 도달할 때까지 좁은 싱글 횡방향 모드 도파관부에 갇히게 된다.
본 발명의 일 양태는 레이저 다이오드 칩과 도파관 칩의 계면에서의 반사를 최소화하는 것을 포함하는 것이다. 도 2는 레이저 다이오드 칩(12)과 도파관 칩(14) 모두의 접경부에 반반사성 코팅(18, 20)을 제공함으로써 전술한 반사 최소화를 달성하는 일 실시예의 측면도를 도시하고 있다. 대안의 실시예에서는 반반사성 코팅이 레이저 다이오드 칩 측에만 피복된다. 반반사 코팅의 역할은 레이저 다이오드 칩과 패시브 도파관 칩 사이에 효율적인 광 커플링을 제공하는 것이다. 즉, 그 계면에서의 반사를 최소화하여 원하는 광학 캐비티 모드에서의 광학적 손실을 최소화하며 레이저 다이오드 칩 자체의 패브리-페로(Fabry-Perot) 모드를 제거하는 것이다. 반반사성 코팅을 입히는 기술은 당해 기술 분야에서 공지되어 있다. 가장 간단한 형태에서는, 반반사성 코팅은 적용되는 칩의 광 모드의 유효 굴절율의 약 제곱근인 굴절율을 갖는 재료이다. 이어서, 적절한 두께는 (코팅 재료의) 해당 광파장의 4분의 1이다.
본 발명의 다른 양태는 도파관 칩(14)이 테이퍼형 도파관(14a)의 외부에서 저손실의 슬랩 도파 모드를 지원하지 않는 것을 보증하는 것이다. 이것은 비접속된 도파관 세그먼트, 예컨대 도 1에 도시하는 바와 같이 슬랩 모드에서 어떤 광을 산란시키는 산란 세그먼트(16)를 마련함으로써 달성된다.
일반적으로, 도 2에서 도시하는 바와 같이, 도파관 칩(14)은 기판(22), 하측 클래드층(24), 코어층(26), 상측 클래드층(28) 및 본딩층(30)을 포함하는 슬랩 도 파관을 구비한다. 이들 층에는 레이저 다이오드 칩의 대응하는 층, 즉 기판(32), 하측 클래드층(34), 코어층(36), 상측 클래드층(38) 및 본딩층(40)이 정렬된다. 일부 실시예에서는, 레이저 다이오드 칩(12)과 도파관 칩(14)은 땜납층(42)(예컨대, 인듐)을 거쳐서 서브마운트(44), 예컨대 박막 실리콘 웨이퍼 위에 실장된다. 이러한 실장 처리에 의해서, 레이저 다이오드 칩의 광 모드와 테이퍼형 도파관의 광 모드간의 커플링이 양호해질 수 있다. 제조된 소자의 광 모드는 통상 약 1㎛의 수직방향 치수(FWHM)를 갖기 때문에 땜납의 균일성과 평탄성은 양호한 수직방향 정렬에 중요하다. 서브마운트(44)는 작동 기간 중에 레이저 다이오드 칩에서 발생하는 과잉 발열을 제거하기 위해서 방열기 또는 열전자 냉각기(도시하지 않음)에 부착되는 것이 바람직하다.
코어층, 하측 클래드층, 상측 클래드층 및 임의의 추가 층의 적절한 혼합 및 두께는 수치 모델링을 통해서 설계될 수 있다. 잘 알려진 한 가지 도파관 모델링 기술에는 "전달 행렬" 방식이 있다(예컨대, Guided-Wave Optoelectronics, Theodor Tamir(Ed.), 2nd Edition, Springer-Verlag 참조). 이와 달리, 캐나다 온타리오주 오타와에 소재하는 OptiWave Corporation의 OptiBPM을 비롯한 상용의 도파관 모델링 도구를 사용하여도 좋다.
레이저 다이오드 칩과 테이퍼형 도파관간의 효율적인 커플링을 가능하게 하기 위해서, 레이저 다이오드 칩의 광 모드와 테이퍼형 도파관의 광 모드는 거의 동일한 수직방향 사이즈 및 프로파일을 갖는 것이 바람직하다. 이들 모드의 사이즈가 큰 경우(즉, 코어의 두께가 예컨대 0.5㎛-3㎛인 경우)에는 정렬이 용이하지만, 코어가 두꺼우면 레이저 다이오드 칩의 임계 전류 밀도가 높아질 수 있다.
본 발명의 도파관 칩은, 통상 종래 기술의 사진식각 기술을 포함한 여러 가지 기술 중 임의의 기술을 이용하여 측방향 테이퍼를 형성하도록 패턴화될 수 있다. 테이퍼형 도파관을 패턴화하는 한 가지 방법에서는 패턴화되지 않은 슬랩 도파관에서부터 시작해서, 상측 클래드층에 증착된 포토레지스트를 이용하여 원하는 형상의 테이퍼형 도파관을 형성한다. 이어서, 상측 클래드층 중 노출된 부분은 습식 화학 식각법, 반응성 이온 식각법, 스퍼터링법 또는 이온 빔 식각법을 포함하는 적절한 기술(재료에 따라서 결정됨)을 이용하여 식각 처리되어 제거될 수 있다. 옵션에 따라서는, 이어서, 도파관 구조는 식각된 영역에 충진재를 증착함으로써 평탄화될 수 있다. 본 발명의 이 양태는 도 5의 릿지(ridge)형 도파관(62) 및 충진재(60)로써 도시되어 있다. 통상, 충진재는 (측방향 광집중을 제공하기 위해서) 상측 클래드층보다 굴절율이 낮다.
본 발명의 적어도 하나의 양태는 비교적 저렴하고 쉽게 사용할 수 있는 넓은 개구형의 멀티 모드 반도체 레이저 칩을 사용하여 싱글 횡방향 모드에서 동작하는 고전력 레이저를 제조할 수 있는 도파관 설계를 포함하는 것이다. 적합한 반도체 재료에는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체와, GaInP-GaInAs(예컨대, 미국 특허 번호 제5,389,396호 참조), AlGaAs-InGaAs, GaInAsP-InP[예컨대, "High power operation of GaInAsP/GaInAs MQW rigde lasers emitting at 1.48㎛," B.S. Bumbra, et al., Electronics Letters vol. 26, pp. 1755-1756(1990) 참조] 또는 AlGaInAs-InP를 포함하는 합금 등이 있지만 이들에 한정되지 않는다.
바람직하게는, 도파관 제조에 사용되는 재료는 다음의 특성, 즉 도파관 파장의 투명성, 높은 광학 손상 임계치, 패턴화될 수 있는 가능성, 테이퍼형 도파관에 요구되는 것보다 길이가 긴 부분품의 이용 가능성, 쪼개거나 연마하여 면을 형성할 수 있는 가능성, 및 그 도파관의 기판과 비슷한 열팽창을 갖는다. 또한, 코어층의 굴절율은 인접하는 층보다 높아야 한다.
패시브 도파관 칩은 하나 이상의 투명한 재료, 예컨대 ZnSe(및 다른 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 및 합금), Ⅲ-Ⅴ족 반도체 및 합금, 및 실리카 또는 비실리카 유리로 만들어질 수 있다. 이들 재료의 밴드갭 에너지는 작동 기간 중에 광학적 흡수가 거의 없도록 레이저 광자 에너지보다 매우 클 수 있다. 바람직하게는, 비선형 흡수를 최소화하기 위해서는 밴드갭이 레이저 광자 에너지의 두 배보다 커야 한다. 일반적으로, 이들 재료의 굴절율은 조합을 변경시킴으로써 조정될 수 있다.
일반적으로, Ⅱ-Ⅵ족 화합물의 성질은 도파관에 적합하다. Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 및 합금은 결정 재료이다. GaAs와 같은 단결정 기판 위에서 성장되는 경우, 이들 재료는 단결정의 형태인 것이 바람직하고, 또한 쪼갬으로써 고품질의 면(이것은 제조하기가 매우 용이하다)을 형성할 수 있는 추가의 이점을 갖는 것이 바람직하다. 적합한 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 패시브 도파관의 일 예에는 BeZnSe 클래드층을 갖는 BeZnTe 코어 등이 있다. 이들 합금은 GaAs 기판 위에 분자 빔 에피택시(MBE)법을 이용하여 성장되고 (예컨대) 이온 빔 식각법을 이용하여 패턴화될 수 있다. 적합한 Ⅱ-Ⅵ족 합금의 다른 예에는 GaAs 기판 또는 ZnSe 기판 위에 성장된 MgZnSSe 또는 BeMgZnSe 및 InP 기판 위에 성장된 MgZnCdSe 등이 있다.
일부 실시예의 경우, 테이퍼형 패시브 도파관은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 또는 합금을 구비할 수 있다. 패시브 테이퍼형 도파관 칩에 적합한 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 재료에는, 예컨대 GaAs 기판 위에 성장된 AlGaAs 또는 AlGaInP, 또는 사파이어 기판 위에 성장된 AlGaInN 등이 있다. 이들 재료는, 공지되어 있으면서도 고품질이라는 이점이 있다. 이들 반도체는 이들 패시브 도파관에 대해서 도핑되지 않은 채 성장될 수 있기 때문에, 광흡수는 낮을 수 있다. 고전력 작동의 경우, 패시브 테이퍼형 도파관에 사용되는 반도체의 밴드갭은 레이저 광자 에너지의 두 배보다 큰 것이 바람직하다. 이들 Ⅲ-Ⅴ족 합금은 분자 빔 에피택시(MBE)법 또는 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD)법을 이용하여 성장될 수 있고, (예컨대) 습식 식각법 또는 반응성 이온 빔 식각법을 이용하여 패턴화될 수 있다.
실리카, 도핑된 실리카(Al, Ge, P, Ti, Ta, Hf, Zr, B 또는 F 등으로 도핑된 실리카를 포함한다) 및 다른 유리로 제조된 광학 도파관은 공지되어 있다. 중요한 일 예에는 산질화규소(SiOxNy)가 있고, 이 경우, 산질화규소의 굴절율은 질소 함유량으로 조절된다. 이들 도파관은 실리콘 웨이퍼를 포함하는 여러 가지 상이한 기판 위에 증착될 수 있다. 기판이 실리콘 웨이퍼인 일 실시예의 경우, 하측 클래드는 실리카이고, 코어는 산질화규소이며, 상측 클래드는 실리카이다. 도파관의 패터닝은 상측 클래드를 증착하기 이전에 코어를 반응성 이온 식각함으로써 달성될 수 있다[예컨대, "Silicon Oxynitride Layers for Optical Waveguide Applications," R. Germann et al., Journal of the Electrochemical Society, 147(6), pp. 2237-2241 (200) 참조].
대안의 유리 도파관을 패터닝하는 실시예의 기술은 도 6에 도시하는 바와 같이, 코어층(78)에 인접해 있고 원하는 테이퍼형 도파관 영역(82) 외측에 있는 광집중 부재(76)를 증착하고 패터닝하는 것을 포함한다. 광집중 부재(76)의 굴절율이 인접한 클래딩층(74)보다 낮은 경우에는 측방향의 광집중이 달성된다.
본 발명의 다른 양태는 브래그 격자를 이용하여 광을 피드백시켜서 레이저의 방출 파장을 안정화시키는 것이다. 브래그 격자는 테이퍼형 도파관의 일부 구역에 형성될 수 있다. 이 브래그 격자는, 예컨대 도파관층을 성장시키기 이전에 기판에 얕은 홈을 식각함으로써, 또는 도파관층 자체에 얕은 홈을 식각함으로써, 또는 광집중 부재(예컨대, MgF2)에 브래그 격자를 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 이와 달리, (테이퍼형 도파관을 갖는) 레이저의 출력은 광섬유 브래그 격자를 포함하는 광섬유 피그테일(pigtail)에 결합될 수 있다.
패시브 인트라-캐비티 테이퍼형 도파관을 갖는 레이저 다이오드의 고전력 작동은 광증폭기의 설계 및 디자인을 상당히 개선할 수 있다. 적합한 광증폭기에는 에르븀으로 도핑한 것 및 툴륨과 같은 다른 재료로 광학적으로 도핑한 것과 같은 희토류 도핑형 광섬유 증폭기를 포함한다[예컨대, "Multi-stage erbium-doped fiber amplifier designs", J-M.P. Delavaux, J.A. Nagel, Journal of Lightwave Technology, Volume: 13 Issue: 5, (1995) Pages: 703-720 참조]. 이들 타입의 증폭기의 경우, 레이저 다이오드는 980㎚ 및/또는 1480㎚ 펌프 레이저로서 사용된다.
인트라-캐비티 테이퍼형 도파관을 갖는 레이저 다이오드는 라만 광섬유 증폭기 시스템에 이용되는 것도 가능하다. 이들 타입의 증폭기의 경우, 레이저 다이오드는 1365㎚ 내지 1530㎚ 펌프 레이저로서 사용된다[예컨대, "Ultrabroad-band Raman amplifiers pumped and gain-equilized by wavelength-division-multiplexed high-power laser diodes," by S. Namiki and Y. Emori, IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 7, p. 3 (2001) 참조].
패시브 인트라-캐비티 테이퍼형 도파관을 갖는 레이저 다이오드는 인쇄 시스템에도 사용하기에 적합하다. 예컨대 융제(融除) 작용 또는 발열 산화 작용을 이용하여 이미지를 생성하는 인쇄 시스템의 경우, 레이저 스캐닝 시스템의 광학적 설계가 최적화될 수 있기 때문에, 고전력 밀도를 갖는 싱글 모드 레이저 소스는 유리하다. 고전력 소형 개구 레이저 소스에서부터 시작함으로써, 빔 직경의 확대를 이용할 수 있고, 이 빔 직경 확대의 결과, 초점 깊이가 더욱 깊어지면서도 필요한 전력 밀도를 달성하게 된다. 초점 깊이가 깊으면 인쇄 시스템에서 동적 포커싱을 행할 필요가 없어진다.
패시브 인트라-캐비티 테이퍼형 도파관을 갖는 레이저 다이오드의 적합한 다른 애플리케이션에는 2차 고조파 발생(SHG) 레이저 시스템에서의 주(主) 빔이 있다. 이 2차 고조파 발생(SHG) 레이저 시스템은 파장이 주 빔의 2분의 1인 광을 발생하는데 사용된다[예컨대, "3.6㎽ blue light by direct frequency doubling of a diode laser using an aperiodically poled lithium niobate crystal," D.J.L. Birkin, et al., Applied Physics Letters, vol. 78. p. 3172, (2001) 참조]. 이 들 비선형 소자의 경우, 변환 효율은 싱글 모드 입력 전력과 함께 증가한다. 따라서, 본 발명은 다이오드 레이저의 직접 주파수를 증배시키는 SHG 시스템의 성능에 있어서 상당한 이점을 제공한다.
다음은 본 발명을 설명하는 실시예이다.
실시예
시뮬레이션 결과
캐나다 온타리오주 오타와에 소재하는 OptiWave Corporation에서 시판하는 상용의 도파관 모델링 도구 OptiBPM을 이용하여 수행한 모델링은 도파관의 테이퍼 프로파일이 다음의 상승 사인형(raised sine) 공식으로 되는 것이 바람직함을 보여준다.
Figure 112003050317777-pct00001
여기서, w(z)는 z(광전파 방향의 거리) 함수로 된 테이퍼형 도파관의 폭이고, L은 테이퍼형 도파관의 길이이며, w1과 w2는 양쪽 단부에서의 도파관 폭이다. 도 3 및 도 4는 테이퍼형 도파관을 모델링하여 얻은 시뮬레이션 결과이다. 시뮬레이션 목적상, 도파관의 거울 이미지를 이용하여, 테이퍼형 도파관에 입력되는 100㎛ 폭의 싱글 모드를 발생하였다. 이것은 레이저 캐비티 내부에서의 왕복을 효과적으로 나타내었다. 도 3은 도파관 구조를 굴절율의 값으로 보여주고(도파관 굴절율=2.5, 클래딩 굴절율=2.495), 도 4는 광학 필드 크기를, 도파관을 따르는 전파 방향인 z의 함수로서 나타내고 있다. 출력 필드와 입력 필드의 전력 중첩 총합은 저력의 97%를 유지하는 것으로 나타났다. 다시 말하면, 0.13㏈의 왕복 전파 손실이 있었다.
다른 모델링에서는, 상승 사인형이 테이퍼를 사용하는 경우, 그 테이퍼의 필요한 길이는 넓은 단부에서 도파관 넓이의 제곱에 의존하는 것으로 나타났다(다른 모든 파라미터는 일정하게 유지됨). 예컨대, 주어진 테이퍼형 도파관의 설계가 100㎛ "폭"의 면에 있어서 2㎝를 필요로 하면, 50㎛ "폭"의 면에서는 0.5㎝ 테이퍼가 필요할 것이다. 다른 테이퍼 프로파일, 예컨대 선형 테이퍼도 사용 가능하지만, 이들은 테이퍼 영역이 더욱 길어질 필요가 있다.
실시예 1: 980㎚ 레이저
이 실시예에서는 AlGaAs-GaInAs 레이저 다이오드 칩, BeZnSe-BeZnTe 테이퍼형 도파관 및 실리콘 서브마운트를 포함하는 980㎚ 레이저에 관하여 설명한다.
AlGaAs-GaInAs 레이저 다이오드 칩
이 실시예에서, 레이저 다이오드 칩은 (100)GaAs:Si 반도체 웨이퍼 위에 분자 빔 에피택시(MBE)법을 이용하여 성장된다. 하측 클래딩은 AlxGa1-xAs:Si(x=0.2, n=1017㎝-3), 1㎛ 두께이다. 액티브 영역(레이저 도파관 코어)은 중앙에 3 개의 GayIn1-yAs 양자 우물(y=0.8)을 갖는 1㎛ 두께의 비도핑 GaAs이다. 이들 3 개의 우물은 서로 20㎚의 GaAs에 의해서 분리되어 있다. 이들 양자 우물의 두께(성장 시간)는 원하는 레이저 파장(980㎚)을 제공하도록 조정되고, 약 7㎚이다. 상측 클래 딩은 AlxGa1-xAs:Be(x=0.2, p=1017㎝-3), 1㎛ 두께이다. 접촉층은 GaAs:Be(p=1019㎝-3, 50㎚ 두께)이다.
레이저 다이오드 칩의 제작은 20㎚ Pd, 100㎚ Au 및 2㎚ Ti로 이루어진 p오믹 접촉 금속을 접촉층 위에 증착시키는 것에서부터 시작한다. Ti는 다음 단계에서 포토레지스트의 접착을 용이하게 한다. p오믹 접촉 금속 위에 75㎛ 폭의 포토레지스트 스트립을 패턴화하고, <110> 축에 대해서 주의깊게 정렬한다. 이어서, 웨이퍼를 이온 빔 식각(500eV Xe+ 이온)법으로 패턴화하여, p오믹 접촉 금속을 반도체 안으로 0.25㎛ 들어가도록 식각한다. 이어서, 식각된 웨이퍼를 진공 증발 건조기로 즉시 이송하고, 이곳에서 전자빔 증착법을 이용하여 0.37㎛의 Al2O3를 증착한다. 이어서, 포토레지스트 스트립을 아세톤으로 벗겨내고, 식각되지 않은 스트립에서 Al2O3를 들어 내어 평탄한 표면이 되게 한다. 다음에, 포토레지스트를 다시 상부 표면에 입히고 패턴화한 후, 본딩 금속(100㎚ Ti 및 300㎚ Au)을 증착하고 1000㎛ 폭의 스트립으로 드러냄(리프트-오프)으로써 패턴화하고, 75㎛ 폭의 액티브 영역 위에 중심을 잡는다. 이 시점에서 윗면의 처리가 완료된다. 웨이퍼는 왁스와 함께 연마 도구 위에 실장되고, 뒷면을 연마하여 거울면이 되게 한다. 연마 도구로부터 이탈시킨 후, 웨이퍼의 뒷면을 청정 처리하고 나서 미세하게 식각한다. 포토레지스트를 다시 입힌 후 패턴화하고, 뒷면의 n오믹 접촉 금속(10㎚ Pd, 25㎚ Ge 및 300㎚ Au)을 진공 증착법으로 증착하며, 리프트-오프법으로 1000㎛ 스트립이 되게 패턴화한다. 이 스트립은 적외선 현미경을 사용하여 GaAs 기판을 통해서 액 티브 스트립을 볼 수 있는 "윈도우"를 형성할 수 있도록 웨이퍼 앞면의 액티브 스트립에 대해서 정렬된다.
이어서, 웨이퍼를 잘라서 길이 1000㎛의 바(bar)로 만든 후, 앞면에는 반반사성 코팅(12.7㎚의 Al2O3)을 입히고 뒷면에는 고반사율의 코팅(Al2O3 와 MgF2의 4분의 1 파장 적층)을 입힌다. 이어서, 바를 다이스 처리하여 칩(1500㎛의 폭)을 만들어 어셈블리할 준비를 한다. 각 칩은 광 모드의 중앙이 본딩 금속의 윗면으로부터 2.0㎛에 있다.
BeZnSe-BeZnTe 테이퍼형 도파관
Ⅱ-Ⅵ족 도파관 재료의 성장은 분자 빔 에피택시 시스템 내에서 수행된다. 이러한 시스템은 통상, Ⅲ-Ⅴ족 기판의 상측 위에 Ⅲ-Ⅴ족 버퍼층을 성장시키기 위한 성장실, Ⅲ-Ⅴ족 버퍼층의 상측 위에 Ⅱ-Ⅵ족 도파관을 성장시키기 위한 성장실 및 두 개의 성장실을 잇는 이송실로 이루어지고, 이들 모두는 초고 진공 상태에 있다.
도 5는 BeZnTe 코어를 갖는 도파관(50)을 도시하고 있다.
Ⅲ-Ⅴ족(GaAs 포함) 버퍼층의 성장과 Ⅲ-Ⅴ족 퍼버층 위의 Ⅱ-Ⅵ족 재료의 성장 초기화는 미국 특허 번호 제5,879,962호 "Ⅲ-Ⅴ족/Ⅱ-Ⅵ semiconductor interface fabrication method"에 개시되어 있다. 이들 기술을 이용하여, 제1 성장실에서 GaAs 버퍼층(52)을 성장시키고, 이것을 ZnSe 버퍼층(도시되어 있지 않음)이 성장되는 제2 성장실로 초고 진공 상태에서 이송한다. ZnSe 버퍼층은 275℃의 기판 온도에서 30㎚의 두께로 성장된다.
ZnSe 버퍼층의 성장 후, 샘플은 동일한 성장실 안에서 도파관 구조를 성장시킬 준비를 마친다. 도파관 구조의 제1 층은 BexZn(1-x)Se 하측 클래드층(54)이다. GaAs에 대한 격자 정합의 경우, x=0.029이다. 이 층은 275℃의 성장 온도에서 약 1㎛/hr의 속도로 성장된다. Ⅵ/Ⅱ족의 선속비(flux ratio)는 RHEED 패턴이 (2x1)이 될 정도로 Ⅵ족이 충분히 많다. 이 층의 바람직한 두께는 도파관의 손실 요건에 의해서 지정되고, 통상 3㎛ 또는 그 이상이다. 일 실시예의 경우, BeZnSe층 위에 얇은(1㎚) BeTe층을 성장시켜서, 다음 층의 기판 온도를 상승시키기 이전에, Se의 과잉 아웃-디퓨젼(out-diffusion)을 방지한다.
다음층의 성장 이전에, 기판의 온도는 약 600℃로 상승한다. 기판의 온도가 안정화된 때에 BeyZn(1-y)Te 코어층(56)의 성장이 시작된다. GaAs에 대한 격자 정합의 경우, y=0.935이다. Ⅵ/Ⅱ족의 선속비(flux ratio)는 RHEED 패턴이 (2x1)이 될 정도로 Ⅵ족이 충분히 많다. 이 층의 성장 속도는 약 1㎛/hr이고, 총 두께는 광 모드와 레이저 다이오드 칩이 정합하도록 1.0㎛으로 한다.
BeZnTe층의 성장 후, 기판의 온도는 BeZnSe 상측 클래드층의 성장을 위해서 약 275℃로 낮추어진다. 하측 클래드층(58)의 성장에서와 동일한 성장 조건이 사용된다. 이 층의 두께는 광 모드의 위치를 레이저 다이오드 칩의 위치와 정합하도록 1.0㎛으로 한다. 샘플을 성장실에서 제거할 때 Be 함유 층을 산화로부터 보호하기 위해서 최종의 얇은(50㎚) ZnSe층(도시하고 있지 않음)을 성장시킨다.
테이퍼형 도파관을 제조하기 위해서, 포토레지스트(바람직하게는 미국 뉴저지주 프랭클린 소재의 Futurrex, Inc.에서 시판하는 NR7-1000PY)를 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 위체 적절하게 패턴화하고, 주의깊게 <110> 축에 대해서 정렬시킨다. 이 패턴은 넓은 단부측의 폭이 75㎛이고 좁은 단부측의 폭이 7.5㎛인 테이퍼형 도파관 및 산란 세그먼트를 포함한다. 테이퍼의 형태는 상승 사인형이고, 길이는 1㎝이다. 웨이퍼는 이온 빔 식각법(500eV Xe+ 이온)으로 패턴화되고, 상측 클래드층의 0.75㎛이 식각되어 없어진다. 이어서, 식각 처리된 웨이퍼를 진공 증발 건조기로 즉시 이송시키고, 이곳에서 0.75㎛의 MgF2를 전자빔 증착법으로 증착하여 "측방향 클래딩" 충진재(60)를 형성한다. 포토레지스트 스트립을 아세톤으로 벗겨내고, 식각되지 않은 영역 위의 MgF2를 들어낸 다음, 평판이 되게 한다. 이어서, 웨이퍼 전체면 위에 본딩 금속(100㎚ Ti, 300㎚ Au)을 진공 증착시키고, 웨이퍼를 바(1㎝ 길이)로 쪼갠다. 도파관의 넓은 단부측에는 반반사 코팅(16.8㎚의 SiO2)을 진공 증착한다. 도파관의 좁은 단부(출력측)는 피복되지 않는다. 이어서, 바를 개개의 도파관 칩(1500㎛ 폭)으로 쪼갠다. 이들 도파관은 광 모드의 중앙이 본딩 금속의 윗면에서부터 2.0㎛에 있다.
서브마운트
편의상, 서브마운트에는 얇은 (125㎛) 실리콘 웨이퍼를 사용한다. 열 전도도가 더욱 높은 다른 재료(예컨대, 다이아몬드)를 사용하는 것도 가능하다. 서브마운트의 윗면은 고진공 증착법을 이용하여 50㎚의 Pt 및 3㎛의 In으로 피복된다. Pt층은 용해시에 In이 서브마운트의 표면에서 융기(bead up)하는 것을 방지한다. 밑면도 역시 고진공 증착법을 이용하여 100㎚ Ti 및 300㎚ Au로 피복된다. 서브마운트는 폭이 3㎜이고 길이가 1.5㎝이다.
어셈블리 프로세스
완전한 레이저를 조립하기 위해서, 우선 레이저 다이오드 칩을 서브마운트의 한쪽 단부에 근접 배치시키고, 본딩 금속층을 서브마운트의 In 피복측과 접촉하게 한다. 레이저 다이오드 칩을 In측으로 약하게 가입하되, 부착할 수 있을 만큼 충분한 최초한의 힘으로 가입한다. 다음에, 테이퍼형 도파관 칩 위의 반반사성 코팅을 레이저 다이오드 칩 위의 반반사성 코팅과 접촉하도록 배치한다. 이어서, 테이퍼형 도파관 칩을 이송하여, 테이퍼형 도파관을 레이저 다이오드 칩의 액티브 스트립에 대해서 정렬시킨다. 이 정렬은 적외선 비디오 시스템을 갖고 레이저 다이오드 칩 및 테이퍼형 도파관 칩 모두의 기판을 통해서 이미지 처리하는 현미경을 이용하여 달성된다. 이들 칩이 정렬되면, 도파관 칩을 In측으로 부드럽게 가입한 후 해제한다. 다음에, In이 용해하여 본딩 금속과 함께 본드(결합)를 형성할 때까지 기체를 형성하도록 서브마운트, 레이저 다이오드 칩 및 테이퍼형 도파관 칩을 잠시 가열한다. 마지막으로, 서브마운트를 열-전기 냉각기에 부착된 방열기에 납땜한다. 레이저는 전류가 n오믹 접촉 금속 및 In에 본딩 결합된 배선을 통과함으로써 작동된다.
실시예 2: 1480㎚ 레이저
이 실시예에서는 AlGaInAs-InP 레이저 다이오드 칩, 산질화규소 테이퍼형 도 파관 칩 및 실리콘 서브마운트를 포함하는 1480㎚ 레이저에 관하여 설명한다.
AlGaInAs-InP 레이저 다이오드 칩
이 실시예에서는 레이저 다이오드 웨이퍼를 (100) InP:S 웨이퍼 위에 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD)법으로 성장시킨다. 모든 층은 InP 웨이퍼에 예정대로 격자 정합된다. 하측 클래드층은 0.8㎛ 두께의 InP:S(n=1018㎝-3)와 0.1㎛의 AlGaInAs:S(Eg=1.44eV, n=1018㎝-3)의 합이다. 액티브 영역(레이저 도파관 코어)은 그의 중앙에 5 개의 GaInAs 양자 우물이 있는 0.28㎛ 두께의 비도핑 AlGaInAs(Eg=1.1eV)이다. 이들 양자 우물은 서로 10㎚의 AlGaInAs(Eg=1.1eV)에 의해서 분리되어 있다. 각 양자 우물의 두께(성장 시간)는 원하는 레이저 파장(1480㎚)을 제공하도록 조정된다. 상측 클래드층은 0.1㎛의 AlGaInAs:Zn(Eg=1.44eV, p=1018㎝-3)과 1.3㎛의 InP:Zn(p=1018㎝-3)을 포함한다. p오믹 접촉층은 0.05㎛의 GaInAsP(Eg=0.95eV, p=2 ×1018㎝-3)와 0.2㎛의 GaInAs:Zn(p=1019 ㎝-3)이다.
레이저 다이오드 칩의 제작은 20㎚ Pd, 100㎚ Au 및 2㎚ Ti로 이루어진 p오믹 접촉 금속을 접촉층 위에 증착하는 것으로부터 시작한다. Ti는 다음 단계에서 포토레지스트의 접착을 용이하게 하였다. p오믹 접촉 금속 위에 100㎛ 폭의 포토레지스트 스트립을 패턴화하고, <110> 축에 대해서 주의깊게 정렬한다. 이어서, 웨이퍼를 이온 빔 식각(500eV Xe+ 이온)법으로 패턴화하여, p오믹 접촉 금속을 반 도체 안으로 0.25㎛ 들어가도록 식각한다. 이어서, 식각된 웨이퍼를 진공 증발 건조기로 즉시 이송하고, 이곳에서 전자빔 증착법을 이용하여 0.37㎛의 Al2O3를 증착한다. 이어서, 포토레지스트 스트립을 아세톤으로 벗겨내고, 식각되지 않은 스트립에서 Al2O3를 들어 내어 평탄한 표면이 되게 한다. 다음에, 포토레지스트를 다시 상부 표면에 입히고 패턴화한 후, 본딩 금속(100㎚ Ti 및 300㎚ Au)을 증착하고 1000㎛ 폭의 스트립으로 드러냄으로써 패턴화하고, 100㎛ 폭의 액티브 영역 위에 중심을 잡는다. 이 시점에서 윗면의 처리가 완료된다. 웨이퍼는 왁스와 함께 연마 도구 위에 실장되고, 뒷면을 연마하여 거울면이 되게 한다. 연마 도구로부터 이탈시킨 후, 웨이퍼의 뒷면을 청정 처리하고 나서 미세하게 식각한다. 포토레지스트를 다시 입힌 후 패턴화하고, 뒷면의 n오믹 접촉 금속(10㎚ Pd, 25㎚ Ge 및 300㎚ Au)을 진공 증착법으로 증착하며, 리프트-오프법으로 1000㎛ 스트립이 되게 패턴화한다. 이 스트립은 적외선 현미경을 사용하여 InP 기판을 통해서 액티브 스트립을 볼 수 있는 "윈도우"를 형성할 수 있도록 웨이퍼 앞면의 액티브 스트립에 대해서 정렬된다.
이어서, 웨이퍼를 잘라서 길이 1000㎛의 바로 만든 후, 앞면에는 반반사성 코팅(20.9㎚의 Al2O3)을 입히고 뒷면에는 고반사율의 코팅(MgF2와 Si의 4분의 1 파장 적층)을 입힌다. 이어서, 바를 다이스 처리하여 칩(1500㎛의 폭)을 만들어 어셈블리할 준비를 한다. 각 칩은 광 모드의 중앙이 본딩 금속의 윗면으로부터 2.14㎛에 있다.
산질화규소 테이퍼형 도파관
도 6은 이 실시예의 테이퍼형 도파관(70)을 도시하는 것으로서, 이 테이퍼형 도파관은 (100) 실리콘 웨이퍼(72)의 양쪽 면을 연마하는 것에서부터 시작함으로써 형성된다. 웨이퍼의 윗면에 산화물을 적어도 3㎛의 두께로 성장시켜서 하측 클래드층(74)을 형성한다. 표준 기술을 사용하여, 하측 클래드층 위에서 포토레지스트를 패턴화하여 작은(10㎛ 평방형) 정렬 마크들을 형성하고, 이들 마크를 기판의 <110> 축으로 정렬한다. 이 웨이퍼를 진공 증착 시스템 안에 배치하고, 전자빔 증착법으로 얇은(100㎚) Ge층을 증착한다. 진공 증착 시스템으로부터 이탈시킨 후, 아세톤에서 포토레지스트를 제거(적절한 다른 용매를 사용하는 것도 가능)하고, 이것에 의해서 "리프트-오프"에 의해서 Ge를 작은 정렬 마스크에 패턴해 넣는다.
표준 기술을 사용하여, 포토레지스트(바람직하게는, 미국 뉴저지주 프랭클린 소재의 Futurrex, Inc.에서 시판하는 NR7-1000PY)를 다시 하측 클래드층에 패턴화하고, 원하는 도파관 패턴(및 산란 세그먼트)을 형성하여 이 패턴을 각 테이퍼형 도파관 패턴의 넓은 단부측 근처에 위치되어 있는 Ge 정렬 마크와 함께 정렬한다. 이 실시예에서, 도파관은 길이 2.0㎝에 걸쳐서 100㎛에서부터 7.5㎛으로 테이퍼된다. 이 테이퍼의 형태는 상승 사인형이다. 웨이퍼를 진공 증착 시스템 안에 배치하고, 얇은 MgF2[광집중 부재(76)]를 전자빔 증착법으로 증착한다(이와 달리, 열 증착법 또는 스퍼터링법 등을 포함하는 다른 증착 기술도 작용할 수 있다). 진공 증착 시스템으로부터 이탈시킨 후, 포토레지스트를 아세톤(적절한 다른 용매를 사용 하는 것도 가능)에서 제거함으로써, "리프트-오프"에 의해서 MgF2를 패턴화한다. 이 실시예에서, MgF2의 두께는 37.5㎚이다. 다음에, 웨이퍼를 플라즈마 기상 증착(PECVD) 시스템 안에 배치한다. 산질화규소 코어층(78)을 증착하고, 이어서 실리카 상측 클래드층을 증착한다. 이 실시예에서, 코어의 두께는 0.4㎛이고, PECVD 기체의 흐름은 코어 안에 1480㎚의 설계 파장에서 굴절율 1.668에 적절한 질소 함유량을 제공하도록 조정된다. 상측 클래드층(80)의 두께는 1.64㎛이다. 이들 층의 두께는 레이저 다이오드 칩의 광 모드의 사이즈 및 위치에 거의 정합하도록 선택된다. 이와 같이 하여 얻은 도파관의 구조는 평판에 매우 근사한 표면(서브마운트에 본딩하기에 적합한 정도)을 가지며 1480㎚의 설계 파장에서 싱글 횡방향 모드를 지원한다. 도파관 흡수 손실은 PECVD 층의 소수를 감소시키는 최종의 고온(예컨대, 1140℃) 어닐링에 의해서 최소화될 수 있다.
이어서, 전체 웨이퍼에 걸쳐서 본딩 금속(도시하지 않음)(100㎚ Ti, 300㎚ Au)을 진공 증착하고, 이 웨이퍼를 (2㎝ 길이의) 바로 쪼갠다. 도파관의 넓은 단부 위에서 반반사 코팅(26.8㎚의 MgF2)을 진공 증착한다. 이어서, 바를 개개의 도파관 칩(1500㎛의 폭)으로 쪼갠다. 이들 도파관에서, 광 모드의 중앙은 본딩 금속의 윗면으로부터 2.14㎛에 있다.
서브마운트 및 어셈블리 프로세스
서브마운트와 어셈블리 프로세서는 한 가지를 제외하고는 실시예 1과 같다. 이 실시예에서는, 얇은 MgF2층에 의해서 형성된 테이퍼형 도파관은 적외선 비디오 시스템을 갖는 현미경을 이용하여 Si 기판을 관찰해보기가 매우 어렵다. 그러나, Ge 정렬 마크를 쉽게 눈에 띄고, 따라서, 도파관의 위치는 정렬 마크에 대해서 잘 알려져 있기 때문에, 레이저 다이오드 칩을 테이퍼형 도파관과 정확하게 정렬시킬 수 있다.
본 발명은 레이저 다이오드 칩과 도파관 칩에 대한 재료 시스템의 다른 조합에도 마찬가지로 잘 작용할 것이다. 예컨대, 실시예 1의 AlGaAs-InGaAs 레이저 다이오드 칩은 층 두께의 미세 조정으로 코어층들의 양호한 정렬을 보증하는 경우라면 실시예 2의 산질화규소 도파관 칩과 효과적으로 결합될 수 있다. 마찬가지로, 실시예 2의 AlGaInAs-InP 레이저 다이오드 칩은 적절한 두께의 조정이 행해진다면 실시예 1의 BeZnTe 도파관 칩과 효과적으로 결합될 수 있다.
본 발명의 다양한 수정 및 변경은 본 발명의 범주 및 사상을 벗어나는 일 없이 당업자에게 명백해질 것이며, 본 명세서에 인용하는 예시적인 실시예들에 부당하게 한정되지 않아야 한다는 점을 이해하여야 한다.

Claims (22)

10 마이크로미터보다 큰 폭의 개구를 갖고, 패시브 인트라-캐비티 테이퍼형 도파관에 광학적으로 연결된 레이저 다이오드 칩을 구비하는 레이저.
제1항에 있어서, 상기 레이저는 싱글 횡방향 모드를 생성하도록 구성된 것인 레이저.
제1항에 있어서, 상기 도파관은 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 재료를 구비하는 결정 재료를 구비하는 것인 레이저.
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