KR100886935B1 - 표면광 레이저 - Google Patents

Abstract

표면광 레이저가 개시된다. 개시된 표면광 레이저는, 기판과, 기판 상에 하부 반사기, 레이저 발진을 위한 능동 매질층 및 상부 반사기와, 레이저가 발진하는 중앙 부분으로만 전류를 흐르게 하는 전류 제한층을 구비하며, 전류 제한층은, 그 중심에 12μm 또는 그 이하 크기의 전류가 흐르는 개구를 가지도록 형성된다.

Description

표면광 레이저{Vertical cavity surface emitting laser}

도 1은 광원으로 표면광 레이저를 사용하는 일반적인 광통신 시스템의 개념도를 보여준다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면광 레이저를 개략적으로 보인 단면도이다.

도 3은 인가 전류에 따른 표면광 레이저의 광출력 변화를 보인 그래프이다.

도 4는 온도 변화에 따른 전류-광 기울기의 변화를 보여주는 그래프이다.

도 5는 온도 변화에 따른 문턱 전류의 변화를 보여주는 그래프이다.

도 6은 표면광 레이저의 상온과 고온에서의 광-전류 특성을 보여주는 그래프이다.

도 7은 문턱 전류가 낮은 표면광 레이저의 상온과 고온에서의 광-전류 특성을 보여주는 그래프이다.

도 8은 산화막 구경의 직경과 문턱 전류와의 관계를 보여주는 그래프이다.

도 9는 산화막 구경의 직경과 ESD 임계 전압과의 관계를 보여주는 그래프이다.

도 10은 본 발명에 따른 표면광 레이저를 사용하는 광통신 모듈의 개념도를 보여준다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10...기판 20,50...하부 및 상부 반사기

30...능동매질층 40...전류 제한층

71,75...상,하부 전극

본 발명은 표면광 레이저(VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 근거리 광통신에 적합한 표면광 레이저에 관한 것이다.

발광 소자에 대한 소형, 고성능, 저비용화가 진행됨에 따라, 소자 재료(예를 들어 반도체 에피 기판 등)의 표면으로 광을 방출하는 표면광 레이저(VCSEL) 혹은 수직공진 LED(RCLED: Resonant Cavity Light Emitting Diode) 등이 주목을 받고 있다. 이들은 기존의 에지 방출 레이저(edge-emitting laser diode)에 비해 소형, 고효율 소자의 제작이 용이하며 패키지 비용도 크게 낮출 수 있다.

현재 상용화된 표면광 레이저는 크게 이득유도(gain-guide)형과 굴절률유도(index guide)형의 두 부류로 나눌 수 있다. 이득유도형은 수소나 듀테론(Deuteron) 원자 등의 임플란트(implant) 공정으로 이득매질에 흘러 들어가는 전류의 주입경로를 제한하여 레이저 면적을 정의하는 임플란트 방식 표면광 레이저(implant VCSEL)가 일반적이며, 굴절률유도형은 습식산화(wet oxidation of high-Al layer) 공정으로 산화층 구멍(aperture)을 정의하여 전류를 제한하고 광을 유도하는 산화 방식 표면광 레이저(oxidation VCSEL)가 일반적이다. 임플란트 방식 표면광 레이저 및 산화 방식 표면광 레이저에 대해서는 각각 미국특허 5,115,442와 5,493,577에 개시되어 있다.

표면광 레이저는 온도에 따라 이득매질의 특성이 변화하며 이에 따라 같은 전류에서 출력광량이 변화하게 된다. 또한, 표면광 레이저에서는 온도에 따라 출력광의 파장도 같이 변화되며 이에 따라서도 광량이 변화하게 된다. 일반적인 표면광 레이저의 경우 0-70도 동작 온도 범위에서 출력 광량은 대략 20-50% 정도 변화하게 된다.

따라서, 광원으로 표면광 레이저를 사용하는 일반적인 광통신 모듈에서는, 도 1에서와 같이, 레이저 출력광의 광량을 조절하기 위해 자동광량 조절장치(Automatic Power Control)를 사용한다. 광통신 모듈에서는, 예를 들어, 표면광 레이저(1)로부터의 출력광이 지나가는 면에 부분 반사경(2)을 위치시키고, 부분 반사된 광량을 표면광 레이저(1)와 같은 면에 놓여진 모니터 광검출기(3)로 측정한다. 모니터 광검출기(3)의 전류를 전체출력광의 일정비율이라고 가정하고, 이를 구동 회로(driver IC:5)에 다시 피드백시켜 입력전류를 조절한다. 이 방법을 통해 광섬유(7)에 결합되는 광량을 일정하게 유지시킨다.

하지만, 광통신 모듈에 자동광량 조절장치를 사용하는 방식은 복잡한 광학부품들을 사용하고 또한 여러 번의 조립 과정을 거치게 되어 비용이 증가하게 된다.

일반적인 광통신 모듈에서 레이저 출력광의 광량은 일반적으로 온도 변화에 따라 최대 10%의 변화가 허용될 수 있다. 이러한 변화폭은 특수한 시스템 안에서는 넓게 변화시킬 수 있다. 광량 변화폭을 넓게 수용하는 시스템에서는 위와 같은 자동광량 조절장치를 사용하지 않고 표면광 레이저의 온도에 따른 광량 변화를 개선해 사용하는 것이 효율적이다.

한편, 근거리 광통신에 사용되는 모듈은 낮은 원가로 제조하는 것이 중요한 목표인데, 낮은 원가로 제조하기 위해서는 간단한 구조를 갖도록 각 부품들의 성능을 최적화시키는 것이 필요하다. 출력광량을 일정하게 유지시키는 자동 광량 조절장치를 제고하면 간단한 구조의 모듈을 구현할 수 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 근거리용 광통신 모듈에 사용시 자동광량 조절장치를 배제할 수 있도록, 온도에 따른 광량 변화가 개선된 표면광 레이저를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판과; 상기 기판 상에 하부 반사기, 레이저 발진을 위한 능동 매질층 및 상부 반사기와; 레이저가 발진하는 중앙부분으로만 전류를 흐르게 하는 전류 제한층;을 구비하는 표면광 레이저에 있어서, 상기 전류 제한층은, 그 중심에 12μm 또는 그 이하 크기의 전류가 흐르는 개구를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 전류 제한층의 개구는 7μm보다 크게 형성된 것이 바람직하다.

상기 전류 제한층은 산화에 의해 형성될 수 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명에 따른 표면광 레이저 및 이를 채용한 광통신 모듈의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면광 레이저를 개략적으로 보인 단면도이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 표면광 레이저는, 기판(10)과, 레이저 발진을 위한 능동매질층(30)과, 능동매질층(30) 상,하부에 형성되는 상부 반사기(50) 및 하부 반사기(20)와, 상,하부 전극(71)(75)과, 상,하부 전극(71)(75)을 통해 인가된 전류 흐름을 가이드하여 그 전류가 능동매질층(30)의 중앙부로 흐르도록 안내하는 전류 제한층(40)을 구비한다.

상기 기판(10)은 화합물 반도체 물질로 이루어진다. 예를 들어, 상기 기판(10)으로는 n형으로 도핑된 갈륨-아세나이드(GaAs) 기판을 구비할 수 있다.

상기 능동매질층(30)은 정공과 전자의 재결합으로 인한 에너지 천이에 의해 광이 생성되는 영역으로 다중 양자-우물 구조를 가진다. 상기 능동매질층(30)은 상기 상부 반사기(50) 및 하부 반사기로 이루어진 공진기 내부에 형성되는 전기장 세기 최대 극점 위치에 존재하며, 그 하부와 상부에는 각각 하부 클래드층(31)과 상부 클래드층(35)이 위치될 수 있다.

상기 전류 제한층(40)은 상기 능동매질층(30)의 상부 바람직하게는, 상부 클래드층(35)과 상부 반사기(50)층 사이에 위치된다. 상기 전류 제한층(40)은 표면광 레이저의 중앙부분으로만 전류가 흘러 레이저 발진이 일어나도록 한다.

본 발명에 따른 표면광 레이저에 있어서, 상기 전류 제한층(40)은 측면산화 법에 의해 형성되는 산화막층인 것이 바람직하다. 산화막층은 상부 클래드층(35) 상에 예비산화층을 적층하고, 이 예비산화층의 외측부를 산화분위기에 노출시켜 그 외측부로부터 산화시켜 형성될 수 있다. 전류 제한층(40) 즉, 산화막층의 가운데 부분에는 개구(40a)가 형성되는데, 측면산화시간을 조절하면 개구(40a)의 크기를 조절할 수 있다. 측면산화에 의해 형성된 전류 제한층(40)의 경우, 개구(40a)는 예비산화층 물질이 산화되지 않고 남아 있는 영역이다. 전류는 상기 개구(40a)를 통해서만 흐른다.

본 발명에 따른 표면광 레이저에 있어서, 상기 전류 제한층(40)은 그 개구(40a)가 12μm 또는 그 이하 크기(폭:D)가 되도록 형성된다. 이때, 상기 전류 제한층(40)은 그 개구(40a)의 크기(폭:D)가 최소한 7μm보다 크도록 형성된 것이 바람직하다.

상기 상부 반사기(50)와 하부 반사기(20)는 상기 능동매질층(30)에서 광이 유도 방출되고 증폭될 수 있도록 하는 공진기를 구성한다.

상기 상부 반사기(50)와 하부 반사기(20)는 DBR(distributed Bragg Reflector) 구조로 된 평면 반사기로, 서로 다른 굴절율을 갖는 화합물 반도체 물질을 교대로 적층하여 형성된다.

여기서, 상기 하부 반사기(20)는 상기 기판(10)과 같은 형 예컨대, n형으로 도핑된다. 상기 상부 반사기(50)는 상기 하부 반사기(20)와 반대형 예컨대, p형으로 도핑된다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 기판 상면을 통하여 레이저광을 방출시키는 top emitting type인 경우, 상부 반사기(50)의 적층수를 하부 반사기(20)의 적층수보다 작게 하여, 상기 상부 반사기(50)의 반사율이 하부 반사기의 반사율보다 작도록 형성된 것이 바람직하다. 상부 반사기(50)의 반사율 및 하부 반사기(20)의 반사율은 화합물 반도체 물질층의 적층 수에 따라 달라진다.

상기와 같은 구조의 표면광 레이저는 다음과 같이 형성될 수 있다. n형 도핑된 기저 기판(10) 위에 DBR 이라 불리는 다층 구조의 하부 반사기(20)층을 n형 도핑과 함께 에피 성장한 후, 전류에 따라 광을 증폭해주는 양자우물 등이 포함된 능동매질층(30) 즉, 이득 매질층과, p형 도핑된 DBR 구조의 상부 반사기(50) 층을 연속해서 성장하게 된다. 상기 상,하부 반사기(50)(20) 층의 반사율은 99.5% 이상인 것이 바람직하며, 광을 위로 인출하기 위해 상부 반사기(50)의 반사율이 하부 반사기(20)에 비해 낮게 형성된다. 외부 전류에 의해 능동 매질층(30)의 이득 매질에서 방출된 광은 상,하부 반사기(50)(20) 층에 의해 반사되고 계속해서 이득 매질에 의해 증폭되며 궁극적으로 레이저 발진을 하게 된다.

상기 상,하부 전극(71)(75)은 모드제한 및 전류공급을 위한 것이다. 상기 상부 전극(71)은 상기 상부 반사기(50) 상에 형성되고, 상기 하부 전극(75)은 상기 기판(10) 저면에 형성된다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면광 레이저가 상부 반사기(50)를 통해 광을 방출시키도록 된 경우, 상부 전극(71)은 광을 방출시키는 윈도우(W) 영역이 개구되도록 형성된 것이 바람직하다.

여기서, 본 발명에 따른 표면광 레이저는 상부 반사기(50)의 반사율이 하부 반사기의 반사율보다 크도록 하여 기판 하방으로 레이저광을 방출시키는 bottom emitting type으로 변형될 수도 있다. 물론, 기판 하방으로 광을 방출시키도록 된 경우에는, 하부 반사기(20)가 상부 반사기(50)보다 낮은 반사율을 갖도록 하고, 하부 전극(75)이 광을 방출시키는 윈도우 영역이 개구되거나 투명 전극으로 형성될 수 있는데, 이에 대해서는 도 2 및 위의 설명으로부터 충분히 유추할 수 있으므로, 이에 대한 보다 자세한 설명 및 도시는 생략한다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 표면광 레이저에 따르면, 전류 제한층(40)의 개구를 12μm 이하 크기 보다 바람직하게는, 7μm 이상 12μm 이하 크기로 형성한다. 전류 제한층(40)을 이와 같은 크기의 개구를 가지도록 형성하면, 온도에 따른 광량 변화가 적은 레이저를 얻을 수 있어, 본 발명의 표면광 레이저를 근거리용 광통신 모듈에 사용시 자동광량 조절장치를 배제할 수 있다. 따라서, 근거리 광통신용 모듈을 낮은 원가로 제조하는 것이 가능하게 된다.

여기서, 근거리 광통신에 사용되는 모듈은 낮은 원가로 제조하는 것이 중요한 목표인데, 낮은 원가로 제조하기 위해서는 간단한 구조를 갖도록 각 부품들의 성능을 최적화시키는 것이 필요하다. 출력광량을 일정하게 유지시키는 자동 광량 조절장치를 제거하면 간단한 구조의 모듈을 구현할 수 있는데, 본 발명에 따른 표면광 레이저는 온도 특성이 향상되므로, 이를 적용하면 자동 광량 조절장치가 필요 없는 모듈을 구현할 수 있게 된다.

이하에서는, 전류 제한층(40)의 개구(40a)의 크기(D)를 상기와 같이 설정할 때, 온도에 따른 광량 변화가 작은 표면광 레이저를 얻을 수 있는 근거에 대해 설 명한다.

도 3은 인가 전류에 따른 표면광 레이저의 광출력 변화를 보인 그래프이다. 표면광 레이저의 광출력은 도 3에서와 같이 인가 전류에 따라 변하게 된다. 입력전류가 문턱전류를 넘어서면 레이저의 특성을 나타내게 되는데, 문턱전류 이상으로 주입된 전류는 기울기(slope)의 비율만큼 광량으로 변환된다. 도 3에서 기울기는, 인가 전류(I)의 변화(dI)에 따른 광 파워(optical power:P)의 변화(dP)의 비율을 나타낸다.

고정된 전류 구동 상태에서 출력광량의 변화는 문턱전류의 변화와 전류-광 기울기의 변화가 합쳐져서 나타나게 된다. 도 4와 같이 온도가 증가함에 따라 전류-광 기울기가 감소하게 되고 이에 따라 출력광량이 감소하게 된다. 산화막 구경이 5μm이상인 소자의 경우, 이 온도에 따른 기울기 변화는 산화막 구경과는 무관한 특성이다.

문턱전류는 온도에 따라 변하게 되는데 일반적으로 문턱전류의 크기에 비례해 비율로 변하게 된다. 도 5와 같이 온도가 상온에서 70도(℃)까지 증가함에 따라 문턱전류도 증가하는 방향으로 움직인다.

본 발명에 따른 표면광 레이저에서는 문턱전류의 크기를 감소시켜 온도에 따라 문턱전류가 변하더라도 동작전류에 대한 문턱전류의 상대적인 변화량을 감소시킬 수 있는 전류 제한층(40)의 개구(40a)의 크기(D)를 제시한다.

도 5와 같이 문턱전류가 감소하면 온도에 대한 변화율이 같더라도 문턱전류의 변화량은 감소하게 된다. 고정된 전류에서 사용되는 레이저를 가정하면 문턱전 류가 낮은 레이저를 사용하는 경우가 광량의 변화가 작아지게 된다.

일반적인 표면광 레이저의 상온과 고온에서의 광-전류 특성은 도 6과 같다. 고정 전류에서 동작되는 레이저의 경우 도 7과 같이 문턱전류가 낮아지면 광량의 변화도 같이 줄어들게 된다.

도 8과 같이 산화막 구경 표면방출 레이저에서 문턱전류의 감소는 산화막 구경을 줄여서 쉽게 얻어질 수 있다. 일반적으로 사용되는 지름 16μm의 산화막 구경 대신에 지름 12μm이하의 산화막 구경을 사용하면 온도에 따른 광량 변화가 작은 레이저를 얻을 수 있다. 한편 산화막구경의 크기가 감소할수록 전류밀도가 증가해 장기신뢰성이 나빠지게 된다. 또한 ESD(electrostatic discharge) 임계전압도 감소하게 되어 조립공정이 어렵게 된다. 이 때문에 도 9에서와 같이 지름 7μm이하의 산화막 구경은 사용하기 어렵다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 표면광 레이저는 온도에 따른 광량변화가 작기 때문에, 이를 광원으로 사용하면 도 10에 보여진 바와 같은 자동광량 조절장치(APC) 없는 광통신 모듈을 구현할 수 있다. 도 10은 광원으로 본 발명에 따른 표면광 레이저를 사용하는 광통신 모듈의 개념도를 보여준다. 도 10에서 참조번호 100은 본 발명에 따른 표면광 레이저를 나타내며, 참조번호 110은 표면광 레이저(100)의 구동 전류를 조절하는 구동 회로(driver IC)를 나타내며, 참조번호 130은 광섬유를 나타낸다.

이때, 구동 회로(110)로는 온도에 따라 미리 정해진 양만큼 구동 전류를 변화시켜 주도록 마련된 것이 바람직하다.

상기와 같이, 광원으로 본 발명에 따른 표면광 레이저를 적용하면, 자동광량 조절장치 구조가 없으므로, 광결합 구조와 구동 회로 등이 간략해져 광통신 모듈의 제조비용 측면에서 큰 이익이 있게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 표면광 레이저를 광원으로 적용하면, 근거리 광통신에 사용되는 모듈을 낮은 원가로 제조하는 것이 가능하다.

상기한 바와 같이 온도에 따른 광량변화가 작은 표면광 레이저는 전류제한층의 개구 크기를 조절해 쉽게 얻을 수 있다. 이러한 표면광 레이저를 사용하면 출력광량 자동조절장치가 필요 없어, 근거리용 광통신 모듈의 광부품이 간단해지고 비용이 저렴해 진다.

Claims (5)

1. 기판과; 상기 기판 상에 하부 반사기, 레이저 발진을 위한 능동 매질층 및 상부 반사기와; 레이저가 발진하는 중앙부분으로만 전류를 흐르게 하는 전류 제한층;을 구비하는 표면광 레이저에 있어서,

   상기 전류 제한층은,

   그 중심에 7μm 보다 크고 12μm 이하인 지름의 전류가 흐르는 개구를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 전류 제한층은 산화에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 표면광 레이저.
5. 광원으로 청구항 1항 또는 4항의 표면광 레이저를 사용하며, 상기 표면광 레이저의 출력광량을 조절하기 위한 자동광량 조절장치가 배제된 것을 특징으로 하는 광통신 모듈.

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