KR100900320B1 - 다중 영역 ｄｆｂ 레이저 소자를 이용하는 테라헤르츠파 발생 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 각 영역에 회절격자를 포함하는 두 개의 DFB 영역과 위상 변조 영역으로 구성된 다중 영역 DFB 레이저 소자를 이용하는 테라헤르츠파 발생 방법에 관한 것이다.
기판 상에 하부 도파로, 상기 하부 도파로 상부에 활성층 및 상기 활성층 상부에 상부 도파로를 포함하는 제1 DFB 영역에 제1 회절 격자를 형성하는 단계, 상기 기판 상에 형성된 상기 하부 도파로, 상기 활성층 및 상기 상부 도파로를 포함하며 상기 제1 DFB영역과 이격 거리에 위치된 제2 DFB 영역에 제2 회절 격자를 형성하는 단계, 상기 제1 회절 격자가 형성된 제1 DFB영역과 상기 제2 회절 격자가 형성된 제2 DFB영역 사이에 위상 변조 영역을 형성하는 단계, 상기 제1 회절 격자가 형성된 제1 DFB 영역에 제1 전류를 공급하고, 상기 제2 회절 결자가 형성된 제2 DFB 영역에 제2 전류를 공급하여 상기 제1 DFB 영역 및 상기 제2 DFB 영역에서 제1 발진파 및 제2 발진파를 발생시키는 단계, 상기 위상 변조 영역에 위상 조정 전류를 공급하여 상기 제1 발진파 및 제2 발진파의 위상을 조정하는 단계 및 상기 위상이 조정된 제1 발진파 및 제2 발진파를 포토믹싱하는 단계를 포함하되, 상기 제1 발진파 및 제2 발진파의 브래그 파장 차이에 비례하여 상기 제1 발진파의 발진파장은 감소하고 상기 제2 발진파의 발진파장은 증가하는 것을 특징으로 하는 테라 헤르츠파를 발생하는 방법을 제공할 수 있다.
전술한 바와 같은 방법으로 생성되는 테라헤르츠파는 , 각각 회절격자의 주 기 차이를 변화시킴으로써 다중 영역 DFB 레이저에서 방출하는 두 모드의 주파수 차이를 매우 낮은 주파수에서 THz 영역까지 변화시킬 수 있다.
다중 영역 DFB LD, 테라헤르츠파 생성, 회절격자

Description

다중 영역 ＤＦＢ 레이저 소자를 이용하는 테라헤르츠파 발생 방법{Method For Generation Of Terahertz Waves using Distributed Feedback Laser Device}
본 발명은 다중 영역 DFB 레이저 소자를 이용하는 테라헤르츠파 발생 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 각 영역에 회절격자를 포함하는 두 개의 DFB 영역과 위상 변조 영역으로 구성된 다중 영역 DFB 레이저 소자를 이용한 테라헤르츠파 발생 방법에 관한 것이다.
광통신의 전송거리 증가에 필수적인 좁은 발진 스펙트럼을 가진 DFB (Distributed Feedback) LD를 비롯하여 WDM(wavelength division multiplexer) 네트워크에서 특정 파장을 선택하는 기능성 광소자들은 기본적으로 회절격자를 이용하여 파장 필터링을 하고 있으며, 이에 의해, 다양한 형태의 회절격자 구조가 발표 및 개발되고 있다.
반도체 기반 광소자에서 파장 필터링은 광소자 내에 진행되는 광파가 주기적인 굴절률 변화에 의해 브래그 파장에 해당되는 특정 파장만 반사되어 이득영역으로 귀환되어 특정 파장만 발진하는 것이다. 이러한 기능을 갖는 반도체 광소자는 크게 반도체 결정성장 및 재성장, 회절격자 형성, 건/습식 식각 과정, 그리고 전극 형성 등의 과정을 거쳐 제작된다. 최근에는 광통신용 광원 개발에서 반도체 광소자의 고유 장점인 저가형, 대량생산이 가능하고 소형 시스템 구성에 적합하다는 장점과 다중 영역 DFB 구조를 사용하여 파장이 다른 두 모드의 모드 비팅(beating) 현상을 이용하여, 밀리미터파 및 테라헤르츠파 생성을 위한 외부 여기 광원 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
특히, 테라헤르츠파 생성 및 검출 기술과 영상시스템 구현에 관한 많은 연구는 전파 천문학 관측과 유기 분자들을 검출하는 분광학 응용에서부터 생체내 의학적 이미징 작업과 보안 검사에 사용되어질 테라 헤르츠파를 이용한 영상 시스템까지 많은 응용 분야를 가지고 있기 때문에 미국, 일본과 유럽 각국에서 활발히 진행되고 있다.
테라헤르츠파를 영상 시스템에 활용하기 위해서는 테라헤르츠파의 발진 특성이 연속적이고, 주파수가 가변가능하며 매우 좁은 대역폭을 가지는 테라헤르츠파 생성 소자 혹은 시스템이 필요하다. 현재까지 활용되고 있는 테라헤르츠파 생성 방법으로는 주파수배가법, 후진파 발진기(Backward wave Oscillator), 포토믹싱(Photomixing) 방법, CO2 pumped 가스레이저, 양자 폭포 레이저(Quantum cascade laser), 자유 전자 레이저(Free electron laser) 등 매우 다양한 기술 등이 있다.
발진 특성이 연속적이고, 주파수가 가변 가능하며 매우 좁은 대역폭을 가지는 테라헤르츠파를 생성하기 위하여, 서로 다른 파장을 가지는 두 개의 레이저 빔을 캐리어의 수명 시간이 매우 짧은 광전도 재료 또는 단일 주행 캐리어 광다이오 드(uni-travelling-carrier-photodiode;UTC-PD)에 공간적으로 결합시켜 두 레이저 빔의 파장 차이에 해당하는 테라헤르츠파를 생성시키는 포토믹싱 방법이 사용되고 있다.
포토믹싱 방법을 사용하는 경우에 생성되는 테라헤르츠 파의 특성은, 파장이 다른 두 레이저 빔의 간섭에 의하여 테라헤르츠 파가 생성되므로, 두 레이저 빔의 특성과 상호 간의 코히어런스 특성에 의해 결정된다. 따라서 발진특성이 연속적이며 안정적인 테라헤르츠파를 발생시키는 저가이며 작은 크기를 가지는 시스템을 구현하기 위해서는 매우 안정적이고 상호 코히어런트한 특성을 가지며 파장 차이 조정이 가능한 파장이 다른 두 개의 모드를 방출하는 LD를 단일 집적하여 소형으로 구현하는 것이 매우 중요하다.
포토믹싱 방법에서 활용하는 기술은 대부분 두 개의 고출력 고체레이저나 반도체의 두 개의 종 모드 간격을 제어하여 두 모드의 주파수 차이가 테라헤르츠(THz)가 되도록 하는 방법들을 활용하고 있다. 예를 들어, "광학 테라헤르츠 생성기/수신기(Optical Terahertz generator/ receiver)"라는 제목의 미국특허(0242287A1)에서는 테라헤르츠 도파로에 두 개의 여기 광원을 주입하여 고출력 테라헤르츠파원 및 수신기 제작에 관한 것이지만, 두 모드의 파장 간 위상 변조가 되지 않아 테라헤르츠파 발생 효율과 안정성과 크기 등에 문제점이 발생할 수 있다.
또한, IEEE Photonics Technology Letters.(vol. 7, no. 9, 1995)에는 "Two-Longitudinal-Mode Laser Diodes"라는 제목으로 두 개의 종모드를 활용한 반도체 레이저 광원에 대한 관련 기술이 소개되어 있는데, 이 역시 광 통신용 다 파장 레이저 개발이 주목적이고 두 개의 모드가 하나의 활성 영역에서 발진되므로 두 모드의 주파수 차이 범위가 매우 작고, 동작 주입 전류의 영역이 매우 작으며 또한 불 안정된 동작 특성을 가지기 때문에, 포토믹싱 방법을 활용한 테라헤르츠파 발생 효율 측면에서는 효과적이지 않다.
또한, 기존의 상용화되어 되어 있는 DFB LD는 대부분 회절격자가 굴절률의 실수 부위만 변화시켜 필터링 특성을 얻는 인덱스-커플(index-coupled) 형태의 회절 격자를 사용하기 있기 때문에, 회절격자의 단면 위상, 즉, 단면에 위치하는 회절 격자의 위상이 달라짐에 따라 광출력 특성의 변화가 매우 심하여 높은 단일 모드 발진 수율을 얻기 어렵다는 단점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점들을 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명의 목적은 다중 영역 DFB 레이저 소자를 이용하는 테라헤르츠파 발생 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 포토믹싱 방법을 이용하여 테라헤르츠파 생성 효율을 높일 수 있는 DFB 레이저 소자 및 그 제조방법과 테라헤르츠파 발생 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 파장을 달리하여 복소 결합 회절격자의 주기 차이를 변화시킴으로써, 각각의 파장 차이를 매우 낮은 주파수에서 테라헤르츠(THz) 영역까지 변화시켜 테라헤르츠파 발생법 중 하나인 포토믹싱 방법에 사용되는 외부 여기 광원 기술을 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일측면에 따르면, 본 다중 영역 DFB(Distributed Feedback) 레이저 소자는 기판 상부에 형성되는 활성층; 상기 활성층의 상부 및 하부 중 일영역에 형성되며 복수의 제1 회절격자를 포함하는 제1 DFB 영역; 상기 제1 DFB 영역과 이격된 위치에 형성되며, 상기 활성층의 상부 및 하부 중 일 영역에 형성되는 복수의 제2 회절격자를 포함하는 제2 DFB영역; 및 상기 제1 DFB영역과 상기 제2 DFB영역 사이에 형성된 위상 변조 영역을 포함한다.
바람직하게, 상기 제1 DFB영역 및 상기 제2 DFB영역은, 상기 기판 상에 형성 된 도파로; 상기 활성층 하부의 상기 도파로 상에 형성된 제1 SCH(Separate confinement hetero)층; 및 상기 활성층 상에 형성된 제2 SCH(Separate confinement hetero)층을 포함한다. 상기 제1 회절격자 및 상기 제2 회절격자는 상호 동일한 주기 또는 각각 상이한 주기를 갖는다. 상기 제1 회절격자 및 제2 회절 격자 중 적어도 하나는 복소 결합(complex coupled) 회절격자이다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 다중 영역 DFB(Distributed Feedback) 레이저 소자의 제조방법은 기판 상에 하부 도파로, 상기 하부 도파로 상부에 활성층 및 상기 활성층 상부에 상부 도파로를 포함하는 제1 DFB 영역에 제1 회절 격자를 형성하는 단계; 상기 기판 상에 형성된 상기 하부 도파로, 상기 활성층 및 상기 상부 도파로를 포함하며 상기 제1 DFB영역과 이격 거리에 위치된 제2 DFB 영역에 제2 회절 격자를 형성하는 단계; 및 상기 제1 회절 격자가 형성된 제1 DFB영역과 상기 제2 회절 격자가 형성된 제2 DFB영역 사이에 위상 변조 영역을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 제1 DFB 영역에 제1 회절격자를 형성하는 단계는, 상기 하부 도파로 또는 상기 상부 도파로 상에 클래딩층을 형성하는 단계; 상기 클래딩층 상에 SiNx층을 형성하는 단계; 상기 SiNx층 상에 정현파 형태의 포토레지스터를 형성하는 단계; 상기 포토레지스터를 마스크로 이용하여 상기 SiNx층을 패터닝하는 단계; 상기 패터닝된 SiNx층을 이용하여 상기 클래딩층과 상기 하부 도파로 또는 상기 상부 도파로층을 식각하는 단계; 및 상기 제1 DFB 영역 내에 형성된 제1 회절 격자를 남기 는 단계를 포함한다.
상기 제2 DFB 영역에 제2 회절격자를 형성하는 단계는, 상기 하부 도파로 또는 상기 상부 도파로 상에 클래딩층을 형성하는 단계; 상기 클래딩층 상에 SiNx층을 형성하는 단계; 상기 SiNx층 상에 정현파 형태의 포토레지스터를 형성하는 단계; 상기 포토레지스터를 마스크로 이용하여 상기 SiNx층을 패터닝하는 단계; 상기 패터닝된 SiNx층을 이용하여 상기 클래딩층과 상기 하부 도파로 또는 상기 상부 도파로층을 식각하는 단계; 및 상기 제2 DFB 영역 내에 형성된 제2 회절 격자를 남기는 단계를 포함한다. 상기 제1 및 제2 회절 격자에 p타입 이온을 도핑하는 단계를 더 포함한다. 상기 포토레지스터를 마스크로 이용하여 상기 SiNx층을 패터닝하는 단계에서는 홀로그래피법 또는 전자선 리소그래피법을 이용한다.
상기 하부 도파로 또는 상기 상부 도파로를 식각하는 단계는 홀로그래피법 또는 전자선 리소그래피법을 이용한다. 상기 제1 회절격자 및 제2 회절 격자 중 적어도 하나는 복소 결합(complex coupled) 회절격자이다. 상기 위상 변조 영역을 형성하는 단계는 상기 상부 도파로 및 상기 활성층을 제거하는 단계를 포함한다. 상기 활성층을 제거하는 단계는 리소그래피 방법과 식각법을 이용한다.
본 발명의 또 다른 일측면에 따르면, 본 발명의 테라 헤르츠파를 발생하는 방법은 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항의 다중 영역 DFB 레이저 소자의 제조방법에 따라 제조된 다중 영역 DFB 레이저 소자를 외부 여기 광원으로 활용한다.
이상, 전술에 따르면, 본 발명은 두 개의 복소 결합 DFB 영역과 위상 변조 영역으로 구성된 다중 영역 복소 결합 DFB 레이저에서 방출되는 매우 안정적이며 상호 코히어런트한 특성을 가지고 연속 발진하는 파장이 다른 두 개의 모드를 외부 여기 광원으로 활용하여, 저가형 및 소형의 테라헤르츠파원 및 수신기를 개발할 수 있다.
또한, 본 발명은 비교적 쉽게 제작할 수 있으며 소형이고 실온에서 안정적이며 연속 발진을 하는 고출력의 테라헤르츠파를 생성시킬 수 있는 외부 여기 광원 기술을 제공할 수 있다.
본 발명은 코히어런트한 특성을 가지고 파장이 다른 두 개의 모드를 연속적으로 방출하며 복소 결합 회절격자의 주기 차이를 변화시킴으로써, 다중 영역 DFB 레이저에서 방출하는 두 모드의 주파수 차이를 매우 낮은 주파수에서 THz 영역까지 변화시킬 수 있다.
본 발명은 발진 모드가 다른 DFB 영역의 금지대역에 놓이지 않는 경우, 발진되는 모드는 다른 DFB 영역으로 큰 반사 없이 진행하여 두 모드들 사이의 상호작용이 크게 발생하여 IC 회절격자를 가지는 다중 영역 DFB 레이저와는 달리 변조 지수가 매우 큰 출력을 얻을 수 있어, 포토믹싱(Photomixing) 방법을 사용하여 테라헤르츠 파를 생성할 때 테라헤르츠파 생성 효율이 매우 높다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명 의 가장 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1a 내지 도 1k는 본 발명에 따른 다중 영역 DFB(distributed feedback) 레이저 소자(LD)의 제조 공정을 순서대로 도시한 공정 순서도이다.
도 1a를 참조하면, 다중 영역 DFB LD를 제조하기 위해서는, 우선, 기판(101) 상에 제1 회절 격자층이 형성될 하부 도파로(102)를 형성한다. 기판(101)은 n형 InP 반도체 기판으로 형성하고, 하부 도파로(102)는 InGaAsP(λPL = 1.3㎛)를 100Å 내지 500Å 두께로 형성한다. 하부 도파로(102) 상에는 클래딩층으로 n형 InP층(103)을 형성한다. n형 InP층(103)은 0 보다 크고 200Å이하의 두께 범위로 형성하며, 가장 일반적으로는 100Å정도의 두께로 형성한다. 상기 n형 InP층(103) 상에는 제1 회절 격자층 제작을 위한 SiNx층(104)이 형성된다. SiNx층(104)은 300 ~ 500Å 정도의 두께로 증착된다.
도 1b를 참조하면, SiNx층(104)상에는 포토레지스트 물질층이 도포되고, 상기 포토레지스트 물질층은 홀로그래피 시스템을 통해 정현파 형태의 다수의 포토레지스터(105)로 형성된다. 본 실시 예에서는 포토레지스터(105)를 형성하기 위하여, Ar 이온 레이저로 구성된 홀로 그래피 시스템을 활용한다. 이때, 정현파 형태의 포토레지스터(105) 주기는 사용한 Ar 이온 레이저의 두 빔의 각도에 의해 결정된다. 일반적으로, DFB 레이저 소자의 경우에는 형성될 활성층의 구조 및 물질 조 성과 관계가 있으며, 제작하고자 하는 레이저 소자의 발진 파장이 광통신 시스템의 전송로(광섬유)의 전파 손실이 가장 적은 1.55㎛ 근방에서 이루어지게 하려면, 약 240㎚ 주기로 형성하여 이용한다.
도 1c를 참조하면, 다음 공정에서는 포토레지스터(105)를 식각장벽으로 활용하여 SiNx층(104)을 먼저 식각한다. SiNx층(104)을 마스크 형태로 패터닝하기 위해서는, 자장 강화 반응성 이온 에칭(magnetically enhanced reactive ion etching :MERIE)을 사용하여 SiNx층(104)을 식각하는 것이 바람직하다.
다음, 도 1d를 참조하면, 마스크 형태로 패터닝된 SiNx층(104)을 이용하여 비선택성 식각액을 이용하여, SiNx층(104) 하부에 형성된 층들을 식각한다. 식각 공정을 수행하면, n형 InP층(103)과 하부 도파로(102)와 반도체 기판(101)의 상부 일부가 식각된다. 반도체 기판(101)의 상부 표면 일부가 식각되는 이유는 재성장 및 회절 격자 특성을 부여하기 위한 것으로, 성장된 InGaAsP층에 회절격자를 전사하기 위하여 n형 InP층(103)과 하부도파로(102)인 InGaAsP층의 두께보다 100~200Å 정도 더 식각한다.
도 1e를 참조하면, 다음 공정에서는 기판(101) 상부의 전 영역에 회절 격자로 이용되기 위해, 즉, 식각 공정을 통해 형성된 하부 도파로(102)의 패턴 중 다중 영역 DFB LD 또는 특별한 용도의 광소자 제작을 위해 기판(101) 상부 일 영역에 형 성된 패턴을 남기고 나머지 패턴 영역은 제거한다. 일부 하부 도파로(102) 패턴 중 제1 회절 격자로 이용되지 않는 부분을 제거하기 위해서는 리소그라피 공정을 수행하며, 리소그라피 공정을 통해 패턴 일부가 제거되면, 기판(101)의 일영역에만 제1 회절 격자로 이용될 도파로 패턴이 존재한다.
도 1f를 참조하면, 기판(101)의 일측 영역에 제1 회절 격자(102; 하부 광도파로)가 형성된 기판(101) 상에는 상기 제1 회절 격자(102)를 덮는 n형 InP층(107)이 형성된다. n형 InP층(107)은 유기 금속 화학 증착법(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD)으로 증착되어 평탄화한다. 본 실시 예에서는, n형 InP층(107)이 반도체 기판(101)과 동일한 재료이기 때문에, 기판(101)에 편입되어 동일한 층으로 간주될 수 있어 추후 도면 번호를 생략할 수 있지만, n형 InP층(107)에 도핑 등을 수행하여 인위적으로 평탄화 작업을 수행하는 경우에는 기판(101)과 별도의 층으로 구별할 수 있도록 개시한다.
도 1g를 참조하면, 그 다음 단계에서는 n형 InP(107)층상에 광소자의 도파층인 InGaAsP층(108)을 형성한다. InGaAsP층(108)은 0.1㎛ 내지 0.3㎛의 두께로 성장시키며, 성장 조건을 조절하여 다양한 파장(λPL)을 이용할 수 있으며, 본 실시 예에서는 1.2 ~ 1.3㎛의 파장을 이용한다. InGaAsP층(108)상에는 제1 SCH층(109a), 활성층(110) 및 제2 SCH층(109b)이 증착된다. 제1 SCH층(109a) 및 제2 SCH층(109b)은 각각 파장(λPL)이 1.3㎛ 정도인 InGaAsP가 0.1㎛의 두께로 형성된다. 활성층(110)은 InGaAsP가 우물 형태로 구성된 MQW(multi quantum well) 또는 InGaAsP(λPL = 1.45~1.55㎛) 자체로만 구성된 벌크층이며, 활성층(110)의 파장은 제작이 완료된 DFB 레이저 소자의 발진 파장과 관련되는 것으로, 원하는 발진 파장값에 따라 다양하게 변화할 수 있는 것으로, 본 실시 예에서는 1.45~1.55㎛의 파장을 갖는다.
다음, 제2 SCH층(109b) 상에는 p형 클래드층(111)이 형성된다. p형 클래드층(111)은 p형 InP층으로 0.1㎛ 정도의 두께로 증착된다. 상기 (108)층에서부터 (111)층은 활성층으로 이용할 수 있는 구조가 된다. 다음, 클래드층(111) 상에는 제2 회절 격자의 형성을 위한, 언도프된 또는 p형 InGaAsP층(λPL = 1.3㎛)(112)이 100Å 내지 500Å 두께로 형성되고, p형 InGaAsP층(112) 상에는 클래드층(111)과 동일한 p형 InP층(113)을 100Å두께로 형성한다. 다음, p형 InP층(113) 상에는 제2 회절 격자층 제작을 위한 SiNx층(114)이 형성된다. SiNx층(114)은 제2 회절 격자층을 제작하기 위한 층으로, 300 ~ 500Å 정도의 두께로 증착하며, SiNx층(114)상에는 포토레지스터 물질층을 도포한 후, 홀로그래피 시스템을 활용하여 정현파 형태의 포토레지스터(115)를 형성한다.
다음 단계에서는, 전술한 도 1c 내지 도 1e을 참조하여, 도 1h를 설명한다. 우선, 포토레지스터(115)를 식각 장벽으로 활용하여 SiNx층(114)을 식각한다. 이 때, 자장 강화 반응성 이온 에칭(magnetically enhanced reactive ion etching:MERIE)을 사용하여 식각하면, SiNx층(114)을 마스크 형태로 패터닝할 수 있다. 다음 공정에서는, 마스크 형태로 패터닝된 SiNx층(114)을 이용하여 비선택성 식각액으로 SiNx층(114) 하부에 형성된 층들을 식각한다. 식각 공정을 수행하면, n형 InP층(113)과 p형 InGaAsP층(112) 및 클래드층(111)의 상부 표면 일부가 식각된다. 클래드층(111)의 상부 표면 일부가 식각되는 이유는 재성장 및 회절 격자 특성을 부여하기 위한 것이다. 다음 단계에서는, 형성된 전체 회절 격자 중 다중 영역 DFB LD 또는 특별한 용도의 광소자 제작을 위하여 일영역의 회절 격자만을 남기고 나머지 회절 격자를 제거한다. 일부 회절 격자의 제거를 위해, 리소그라피 공정을 수행하면, 도 1e에 개시된 바와 같이, 클래드층(111)상의 일영역에만 패터닝된 p형 InGaAsP층(112, 제2 회절 격자층)으로 형성된 제2 회절 격자가 존재한다.
도 1i를 참조하면, 다음 단계에서는 다중 영역 DFB LD의 위상 변조 영역(P; phase tuning section)을 형성한다. 다중 영역 DFB LD의 경우 위상 변조 영역(P)은 전류 주입에 의하여 광파의 위상을 제어하는 영역이므로, 클래드층(111)부터 활성층(110)까지 제거하는 것이 광소자의 특성에 유리하다. 활성층(110)을 제거하기 위해서는 리소그래피 방법과 식각법을 이용한다. 한편, 본 실시 예에서는 활성층(110) 하부에 제1 SCH층(109a)과 도파층인 InGaAsP층(108)이 형성되어 있으나, 위상 변조 영역(P)에 도파로층만 남겨 놓으려면 InGaAsP층(108)과 SCH층(109a) 사이에 InP층을 삽입하여 식각 저지층으로 활용할 수 있다.
제1 및 제2 회절 격자층(102, 112) 및 위상 변조 영역(P)의 형성이 완료된 다음, 도 1j를 참조하면, 클래딩층(111) 상에는 p형 InP로 형성된 p형 클래드층(116)이 증착된다. p형 InP층(116)은 유기 금속 화학 증착법으로 성장하여 평탄화한다. 본 실시 예에서는, p형 InP층(116)이 클래드층(111)과 동일한 재료이기 때문에 기판에 편입되어 동일한 층으로 간주될 수 있다. 이후, 전류 속박을 위한 구조를 성장하기 위해, 공진기를 위한 도파로를 형성시킨 후, PBH(planar buried hetero structure)형 광소자를 제작하기 위해서는 전류 차단층인 p-InP, n-InP, p-InP를 도파로가 형성된 기판위에 MOCVD를 이용하여 순차적으로 재성장한다. 다음 단계에서는, p형 클래딩층(116) 상에는 InGaAs층(117)을 형성하여, 전기 전도도를 높인다.
다음 단계에서, 도 1k를 참조하면, InGaAs층(117) 상에 실리콘 질화막(118)을 증착시킨후, 리소그래피법 및 식각법을 이용하여 활성층(110)에만 전류가 주입되로록 활성층(110)이 형성되지 않은 부분이 전기적으로 단락되도록 InGaAs층(117)의 일영역을 식각하고 실리콘 질화막(118)으로 다른 부분의 전류를 차단한다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 다중 영역 DFB레이저 소자의 제1 내지 제3 실시 예이다. 도 2a를 참조하면, 본 실시 예에는 활성층(110)의 하부 일부 영역 및 활성층(110)의 상부 일부 영역에 각각 회절 격자(102, 112)가 형성되어 있는 형태이고, 도 2b를 참조하면, 위상 변조 영역을 제외한 활성층 상부 영역에 회절격자가 각각 형성되어 있는 형태이며, 도 2c를 참조하면, 위상변조 영역을 제외한 활성층 하부 영역에 각각 회절 격자가 형성되어 있는 형태이다.
도 2a에 개시된 제1 실시 예는 도 1a 내지 도 1k의 제조 공정을 그대로 이용하여 제조한 DFB LD를 나타내고 있으나, 도 2b 및 도 2c에 계시된 실시 예들은 한 번의 회절 격자 형성 공정을 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 제1 DFB영역에 상부 회절 격자를 형성하고, 제2 DFB영역에 하부 회절 격자를 형성할 수 있음은 물론이다. 각 영역에 형성되어 있는 회절 격자는 동일한 특성을 같는 회절 격자 또는 각기 다른 특성을 갖는 회절 격자로 형성할 수 있다. 예를 들면, 각각의 회절 격자를 모두 IP 복소 결합 회절 격자로 형성할 수도 있고, 그 중 하나만 IP 복소 결합 회절 격자로 형성할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 위상이 같은(In-phase;IP) 회절 격자는 갖는 다중 영역 DFB 레이저 소자의 각 DFB영역의 반사 스펙트럼을 나타내는 도면이다. 구체적으로, 도 3a 및 도 3b는 각각 문턱 전류 이상에서 In-phase(IP) 복소 회절 격자를 갖는 제1 및 제2 DFB 영역에서의 반사 스펙트럼이다.
도 3a는 반사 스펙트럼의 금지 대역폭이 서로 중첩되어 있는 경우(△λB〈△ )이고, 도 3b는 반사 스펙트럼의 금지 대역폭이 서로 중첩되지 않는 경우(△λB〉△ )의 스펙트럼을 나타내는 것으로, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 가로축은 파장을 나타내고, 세로축은 반사도를 나타내며, 제2 DFB 영역의 격자 주기를 제1 DFB 영역의 격자 주기 보다 크게 설정하면 제2 DFB 영역의 브래그 파장이 제1 DFB 영역의 브래그 파장 보다 크다. 여기서 △는 DFB영역의 금지 대역폭이고, △λB는 구 DFB영역의 브래그 파장 차이를 나타내는 것으로, IP 복소 결합 회절 격자를 갖는 CC DFB 영역에서는 장파장 모드인 +1 모드와 +2 모드가 발진한다.
따라서 IC(index coupled) DFB 구조를 사용한 경우와는 다르게 브래그 파장 차이(회절 격자 주기 차이)가 금지 대역폭 보다 큰 경우에도 각각의 CC(complex coupled) DFB 영역에서는 +1 모드와 +2 모드가 발진한다. 따라서, 각각의 CC DFB 영역에서는 IC DFB 구조를 사용하는 경우에 비해 안정된 모드가 발진하고 이에 따라 안정된 두 개의 모드를 방출하는 동작이 발생할 것이며, 단파장 모드와 장파장 모드 사이에 발생되는 모드 호핑에 의한 두 모드의 파장 차이의 급격한 변화도 발생하지 않을 것이다.
CC DFB 구조를 사용하는 다중 영역 DFB 레이저의 경우 +1 모드와 +2 모드의 모드 비팅에 의하여 발생되는 주파수(파장 차이에 의한 주파수)는 다음 수식과 같이 표현할 수 있다.
f=c△λB /λ2
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 따른 DFB 영역 각각의 회절 격자가 IP 복소 결합(complex-coupled) 구조를 갖는 경우의 특성 그래프들이다.
도 4a 내지 도 4f의 각 그래프들은 △λB에 따른 그래프들로, 도 4a는 발진하는 두 모드의 주파수 차이이고, 도 4b는 +1 모드와 +2 모드의 파장을 나타내고, 도 4c 및 도 4d는 각각 제2 DFB 영역 측에서의 평균 출력 파워와 +1 모드와 +2 모드의 출력 파워 및 출력 파워의 변조 지수를 나타내고, 도 4e 및 도 4f는 각각 제1 DFB 영역 측에서의 평균 출력 파워와 +1 모드와 +2 모드의 출력 파워 및 출력 파워의 변조 지수를 나타낸다. 도 4에 개시된 각 그래프들은 포토믹싱 방법을 사용하여 테라헤르츠파 생성시 생성 효율을 결정하는 중요 요소 중 하나인 외부 여기 광원의 출력파워에 대한 변조 지수 계산결과를 나타내고 있다.
각 그래프에 따르면, 변조지수 특성이 양호하다는 것을 확인할 수 있으며, 이에 의해 테라헤르츠파 생성 효율이 좋다는 것을 확인할 수 있다. 특히, 도 4의 그래프들은 복소 결합 회절격자의 주기 차이를 변화시킴으로써, IP(AP) 회절격자를 가지는 다중 영역 DFB 레이저에서 발생하는 두 모드의 파장 차이를 매우 낮은 주파수에서 약 3THz 까지 변화시킬 수 있다는 것을 나타낸다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시 예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상적인 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
도 1a 내지 도 1k는 본 발명에 따른 다중 영역 DFB레이저 소자의 제조 공정을 순서대로 도시한 공정 순서도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 다중 영역 DFB레이저 소자의 제1 내지 제3 실시 예이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 위상이 같은(In-phase;IP) 회절 격자를 갖는 다중 영역 DFB 레이저 소자의 각 DFB영역의 반사 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 따른 DFB 영역 각각의 회절 격자가 IP 복소 결합(complex-coupled) 구조를 갖는 경우의 특성 그래프들이다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 **
101: 기판 102: 하부 도파로(제1 회절 격자)
103: n형 InP층 104: SiNx층
105: 포토레지스터 107: n형 InP층
108: InGaAsP층 109a: 제1 SCH층
109b: 제2 SCH층 110: 활성층
111: p형 클래드층 112: p형 InGaAsP층
113: p형 InP층 114: SiNx층
115: 포토레지스터 116: p형 InP층
117: InGaAs층 118: 실리콘 질화막

Claims (9)

  1. 기판 상에 하부 도파로, 상기 하부 도파로 상부에 활성층 및 상기 활성층 상부에 상부 도파로를 포함하는 제1 DFB 영역에 제1 회절 격자를 형성하는 단계;
    상기 기판 상에 형성된 상기 하부 도파로, 상기 활성층 및 상기 상부 도파로를 포함하며 상기 제1 DFB영역과 이격 거리에 위치된 제2 DFB 영역에 제2 회절 격자를 형성하는 단계;
    상기 제1 회절 격자가 형성된 제1 DFB영역과 상기 제2 회절 격자가 형성된 제2 DFB영역 사이에 위상 변조 영역을 형성하는 단계;
    상기 제1 회절 격자가 형성된 제1 DFB 영역에 제1 전류를 공급하고, 상기 제2 회절 결자가 형성된 제2 DFB 영역에 제2 전류를 공급하여 상기 제1 DFB 영역 및 상기 제2 DFB 영역에서 제1 발진파 및 제2 발진파를 발생시키는 단계;
    상기 위상 변조 영역에 위상 조정 전류를 공급하여 상기 제1 발진파 및 제2 발진파의 위상을 조정하는 단계 및
    상기 위상이 조정된 제1 발진파 및 제2 발진파를 포토믹싱하는 단계;
    를 포함하되, 상기 제1 발진파 및 제2 발진파의 브래그 파장 차이에 비례하여 상기 제1 발진파의 발진파장은 감소하고 상기 제2 발진파의 발진파장은 증가하는 것
    을 특징으로 하는 테라 헤르츠파를 발생하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 DFB 영역에 제1 회절격자를 형성하는 단계는,
    상기 하부 도파로 상에 클래딩층을 형성하는 단계;
    상기 클래딩층 상에 SiNx층을 형성하는 단계;
    상기 SiNx층 상에 홀로그래피법을 이용하여 정현파 형태의 포토레지스터를 형성하는 단계;
    상기 포토레지스터를 마스크로 이용하여 상기 SiNx층을 패터닝하는 단계;
    상기 패터닝된 SiNx층을 이용하여 상기 클래딩층과 상기 하부 도파로를 식각하는 단계; 및
    상기 제1 DFB 영역 내에 형성된 제1 회절 격자를 남기는 단계
    를 포함하는 테라 헤르츠파를 발생하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 DFB 영역에 제2 회절격자를 형성하는 단계는,
    상기 상부 도파로 상에 클래딩층을 형성하는 단계;
    상기 클래딩층 상에 SiNx층을 형성하는 단계;
    상기 SiNx층 상에 홀로그래피법을 이용하여 정현파 형태의 포토레지스터를 형성하는 단계;
    상기 포토레지스터를 마스크로 이용하여 상기 SiNx층을 패터닝하는 단계;
    상기 패터닝된 SiNx층을 이용하여 상기 클래딩층과 상기 상부 도파로를 식각하는 단계; 및
    상기 제2 DFB 영역 내에 형성된 제2 회절 격자를 남기는 단계
    를 포함하는 테라 헤르츠파를 발생하는 방법.
  4. 삭제
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 포토레지스터를 마스크로 이용하여 상기 SiNx층을 패터닝하는 단계에서는 홀로그래피법 또는 전자선 리소그래피법을 이용하는 테라 헤르츠파를 발생하는 방법.
  6. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 하부 도파로 또는 상기 상부 도파로를 식각하는 단계는 리소그래피법을 이용하는 테라 헤르츠파를 발생하는 방법.
  7. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제1 회절격자 및 제2 회절 격자 중 적어도 하나는 복소 결합(complex coupled) 회절격자인 테라 헤르츠파를 발생하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 위상 변조 영역을 형성하는 단계는 상기 상부 도파로 및 상기 활성층을 제거하는 단계를 포함하는 테라 헤르츠파를 발생하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 활성층을 제거하는 단계는 리소그래피 방법과 식각법을 이용하는 포함하는 테라 헤르츠파를 발생하는 방법.
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