KR101160246B1 - Resonator of Hybrid LASER Diode - Google Patents
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Abstract
하이브리드 레이저 다이오드의 공진기가 제공된다. 이 공진기는 하이브리드용 도파로, 다중 모드 도파로 및 단일 모드 도파로가 직렬로 연결되어 이루어진 반도체층을 포함하는 기판, 반도체층의 하이브리드용 도파로 상에 제공되되, 다중 모드 도파로의 일부와 중첩되는 테이퍼 진 형태의 커플링 구조체를 일단에 포함하는 화합물 반도체 도파로, 및 단일 모드 도파로의 일단에 제공된 반사부를 포함한다. 다중 모드 도파로는 하이브리드용 도파로보다 좁은 폭을 갖고, 단일 모드 도파로는 다중 모드 도파로보다 좁은 폭을 갖는 것을 특징으로 한다.A resonator of a hybrid laser diode is provided. The resonator is provided on a hybrid waveguide, a substrate including a semiconductor layer consisting of a multimode waveguide and a single mode waveguide in series, and a hybrid waveguide of the semiconductor layer, the tapered form overlapping a portion of the multimode waveguide. And a compound semiconductor waveguide comprising a coupling structure at one end, and a reflecting portion provided at one end of the single mode waveguide. The multimode waveguide has a narrower width than the hybrid waveguide, and the single mode waveguide has a narrower width than the multimode waveguide.
레이저, 다이오드, 공진기, 하이브리드, 단일 모드 Laser, diode, resonator, hybrid, single mode
Description
본 발명은 하이브리드 레이저 다이오드에 관한 것으로, 더 구체적으로 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid laser diode, and more particularly to a resonator of a hybrid laser diode.
본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-004-03, 과제명: 실리콘 기판 초고속 광인터커넥션 IC].The present invention is derived from a study conducted as part of the IT source technology development project of the Ministry of Knowledge Economy and the Ministry of Information and Telecommunication Research and Development. [Task management number: 2006-S-004-03, Title: Silicon substrate ultra-high speed optical interconnection IC] .
실리콘(silicon)과 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체의 이종 결합를 이용한 하이브리드 레이저 다이오드(hybrid LASER diode)가 광 소자과 전자 소자를 융합하는 실리콘 포토닉스(silicon photonics) 기술을 위한 광원으로 주목받고 있다.Hybrid laser diodes using heterogeneous coupling of silicon and group III-V compound semiconductors have attracted attention as a light source for silicon photonics technology in which optical devices and electronic devices are fused.
이러한 하이브리드 레이저 다이오드가 정보 전송을 위한 광원으로 사용되는 경우, 전송 품질의 향상을 위해서는 단일 모드(single mode)로 동작하는 레이저 다이오드를 구현하는 것이 요구된다.When such a hybrid laser diode is used as a light source for information transmission, it is required to implement a laser diode operating in a single mode in order to improve transmission quality.
SOI(Silicon On Insulator) 기판의 등장으로 실리콘 광 도파로의 구성이 가능해졌다. 이에 따라, 실리콘 기판의 전자 소자에 광 소자가 집적될 수 있게 되었다. 이러한 새로운 연구 분야를 실리콘 포토닉스라 한다. 그러나 실리콘 자체가 광 통신용 파장 대역에서 이득을 가질 수 없어, 외부 광원의 사용이 불가피하다. 이러한 난점을 극복하기 위해서 근래에 화합물 반도체와 실리콘 사이의 웨이퍼 본딩(wafer bonding)을 이용한 하이브리드 레이저 다이오드가 연구되고 있다.The emergence of Silicon On Insulator (SOI) substrates allows the construction of silicon optical waveguides. Accordingly, the optical device can be integrated into the electronic device of the silicon substrate. This new field of research is called silicon photonics. However, since silicon itself cannot gain in the wavelength band for optical communication, the use of an external light source is inevitable. In order to overcome these difficulties, hybrid laser diodes using wafer bonding between compound semiconductors and silicon have recently been studied.
하이브리드 레이저 다이오드의 경우, 웨이퍼 본딩 기술을 통해 제작되기 때문에, 화합물 반도체 레이저 다이오드에서 이용되는 재성장 방식으로 다양한 형태의 구조를 만드는 기술이 하이브리드 레이저 다이오드에서는 사용될 수 없다.In the case of hybrid laser diodes, they are manufactured through wafer bonding technology, and thus, a technique for creating various types of structures by the regrowth method used in compound semiconductor laser diodes cannot be used in hybrid laser diodes.
하이브리드 레이저 다이오드에서 그 성능을 결정하는 부분은 화합물 반도체 도파로의 구조이다. 이러한 화합물 반도체 도파로의 구조로 사용 가능한 구조로는 리지 도파로(ridge waveguide)와 슬랩 도파로(slab waveguide)가 있다. 화합물 반도체 도파로의 구조가 리지 도파로인 경우, 실리콘 도파로의 단면적이 작은 경우에도 단일 모드 도파로가 구성될 수 있으며, 높은 전류 속박(carrier confinement) 특성을 갖는 장점이 있다. 하지만, 외부로 드러나는 화합물 반도체 도파로의 표면에서의 표면 결합(surface recombination) 효과에 의한 누설 전류(leakage current)가 큰 단점이 있다. 이와는 달리, 화합물 반도체 도파로의 구조가 슬랩 도파로인 경우, 슬랩 도파로는 기본적으로 다중 모드를 지원하는 도파로이고, 전류 속박 특성을 높이기 위해서는 이온 주입 기술을 사용하여 전류를 속박하는 불순물 영역을 형성하여야 하나, 불순물 영역의 폭을 작고 정확하게 형성하는 것이 어렵기 때문에, 안정적인 기본 모드(fundamental mode) 발진이 어렵다는 단점이 있다.The part of the hybrid laser diode that determines its performance is the structure of the compound semiconductor waveguide. Structures that can be used as the structure of the compound semiconductor waveguide include a ridge waveguide and a slab waveguide. In the case where the structure of the compound semiconductor waveguide is a ridge waveguide, a single mode waveguide can be formed even when the cross-sectional area of the silicon waveguide is small, and there is an advantage of having a high current confinement characteristic. However, the leakage current due to the surface recombination effect on the surface of the compound semiconductor waveguide exposed to the outside has a big disadvantage. On the other hand, when the structure of the compound semiconductor waveguide is a slab waveguide, the slab waveguide is basically a waveguide that supports multiple modes, and in order to increase the current binding characteristic, an impurity region that binds the current must be formed using ion implantation technology. Since it is difficult to form the width of the impurity region accurately and accurately, there is a disadvantage that stable fundamental mode oscillation is difficult.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 공진기(resonator)의 화합물 반도체 도파로에서 발생하는 표면 결합에 의한 효과를 최소화하면서, 안정적으로 기본 모드 발진이 가능한 하이브리드 레이저 다이오드를 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a hybrid laser diode capable of stable basic mode oscillation while minimizing the effect of surface coupling generated in a compound semiconductor waveguide of a resonator.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기한 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기를 제공한다. 이 공진기는 하이브리드용 도파로, 다중 모드 도파로 및 단일 모드 도파로가 직렬로 연결되어 이루어진 반도체층을 포함하는 기판, 반도체층의 하이브리드용 도파로 상에 제공되되, 다중 모드 도파로의 일부와 중첩되는 테이퍼 진 형태의 커플링 구조체를 일단에 포함하는 화합물 반도체 도파로, 및 단일 모드 도파로의 일단에 제공된 반사부를 포함할 수 있다. 다중 모드 도파로는 하이브리드용 도파로보다 좁은 폭을 갖고, 단일 모드 도파로는 다중 모드 도파로보다 좁은 폭을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.In order to achieve the above object, the present invention provides a resonator of a hybrid laser diode. The resonator is provided on a hybrid waveguide, a substrate including a semiconductor layer consisting of a multimode waveguide and a single mode waveguide in series, and a hybrid waveguide of the semiconductor layer, the tapered form overlapping a portion of the multimode waveguide. The compound semiconductor waveguide including a coupling structure at one end, and a reflecting portion provided at one end of the single mode waveguide. The multimode waveguide may have a narrower width than the hybrid waveguide, and the single mode waveguide may have a narrower width than the multimode waveguide.
화합물 반도체 도파로는 5㎛ 이상의 폭을 가질 수 있다.The compound semiconductor waveguide may have a width of 5 μm or more.
화합물 반도체 도파로는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체를 포함할 수 있다.The compound semiconductor waveguide may include a III-V compound semiconductor.
기판은 기저 반도체층, 기저 반도체층 상의 절연체층 및 절연체층 상의 반도 체층을 포함하는 SOI(Silicon-On-Insulator) 기판일 수 있다. 화합물 반도체 도파로는 기판의 반도체층과의 본딩에 의해 형성될 수 있다.The substrate may be a silicon-on-insulator (SOI) substrate comprising a base semiconductor layer, an insulator layer on the base semiconductor layer, and a semiconductor layer on the insulator layer. The compound semiconductor waveguide may be formed by bonding with the semiconductor layer of the substrate.
다중 모드 도파로와 단일 모드 도파로 사이에 제공되는 모드 선택부를 더 포함할 수 있다. 모드 선택부는 다중 모드 간섭 도파로일 수 있다.The apparatus may further include a mode selector provided between the multimode waveguide and the single mode waveguide. The mode selector may be a multimode interference waveguide.
반사부는 회절 격자가 형성된 도파로 또는 면(facet) 반사를 이용할 수 있다.The reflector may use a waveguide or facet reflection in which a diffraction grating is formed.
하이브리드용 도파로, 다중 모드 도파로 및 단일 모드 도파로가 직렬로 연결되는 것은 이들 사이에 각각 제공되는 전이 영역 도파로들에 의한 것일 수 있다. 전이 영역 도파로는 하이브리드용 도파로로부터 다중 모드 도파로로, 그리고 다중 모드 도파로로부터 단일 모드 도파로로 갈수록 좁아지는 폭을 가질 수 있다.The hybrid waveguide, the multimode waveguide and the single mode waveguide may be connected in series by the transition region waveguides provided therebetween. The transition region waveguide may have a width that narrows from the hybrid waveguide to the multimode waveguide and from the multimode waveguide to the single mode waveguide.
상술한 바와 같이, 본 발명의 과제 해결 수단에 따르면 공진기의 반도체층이 하이브리드용 도파로, 다중 모드 도파로, 단일 모드 도파로로 구성되어 고차 모드를 제거하고 기본 모드만을 전파 및 증폭함으로써, 기본 모드만이 발진될 수 있다. 이에 따라, 화합물 반도체 도파로가 넓은 폭을 가지더라도, 기본 모드 발진이 가능한 하이브리드 레이저 다이오드가 제공될 수 있다.As described above, according to the problem solving means of the present invention, the semiconductor layer of the resonator is composed of a waveguide for hybrid, multi-mode waveguide, single-mode waveguide to eliminate the higher-order mode, propagating and amplifying only the basic mode, so that only the basic mode oscillates Can be. Accordingly, even if the compound semiconductor waveguide has a wide width, a hybrid laser diode capable of basic mode oscillation can be provided.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단에 따르면 공진기의 화합물 반도체 도파로가 넓은 폭을 가짐으로써, 표면 결합에 의한 효과가 최소화되어 문턱 전류가 낮아질 수 있다. 이에 따라, 누설 전류가 최소화됨으로써, 안정성이 향상된 하이브리드 레이저 다이오드가 제공될 수 있다.In addition, according to the problem solving means of the present invention, since the compound semiconductor waveguide of the resonator has a wide width, the effect of the surface coupling is minimized, the threshold current can be lowered. Accordingly, by minimizing leakage current, a hybrid laser diode having improved stability may be provided.
이에 더하여, 본 발명의 과제 해결 수단에 따르면 공진기의 반도체층은 넓은 폭을 갖는 하이브리드용 도파로 및 다중 모드 도파로를 포함하고, 그리고 화합물 반도체 도파로는 넓은 폭을 가짐으로써, 반도체층과 화합물 반도체 도파로 사이의 광 커플링(coupling)을 위한 정밀한 공정이 요구되지 않을 수 있다. 이에 따라, 정밀도가 낮은 수월한 공정으로 제조 가능한 하이브리드 레이저 다이오드가 제공될 수 있다.In addition, according to the problem solving means of the present invention, the semiconductor layer of the resonator includes a hybrid waveguide and a multi-mode waveguide having a wide width, and the compound semiconductor waveguide has a wide width, so that between the semiconductor layer and the compound semiconductor waveguide Precise processing for optical coupling may not be required. Accordingly, a hybrid laser diode which can be manufactured in an easy process with low precision can be provided.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 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 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention and the manner of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in different forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosure may be made thorough and complete, and to fully convey the spirit of the invention to those skilled in the art, and the invention is defined only by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다. 이에 더하여, 본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. As used herein, the terms 'comprises' and / or 'comprising' mean that the stated element, step, operation and / or element does not imply the presence of one or more other elements, steps, operations and / Or additions. In addition, since they are in accordance with the preferred embodiment, the reference numerals presented in the order of description are not necessarily limited to the order. In addition, in the present specification, when it is mentioned that a film is on another film or substrate, it means that it may be formed directly on the other film or substrate or a third film may be interposed therebetween.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.In addition, the embodiments described herein will be described with reference to cross-sectional and / or plan views, which are ideal exemplary views of the present invention. In the drawings, the thicknesses of films and regions are exaggerated for effective explanation of technical content. Accordingly, shapes of the exemplary views may be modified by manufacturing techniques and / or tolerances. Accordingly, the embodiments of the present invention are not limited to the specific forms shown, but also include variations in forms generated by the manufacturing process. For example, the etched area shown at right angles may be rounded or may have a shape with a certain curvature. Accordingly, the regions illustrated in the figures have schematic attributes, and the shape of the regions illustrated in the figures is intended to illustrate a particular form of region of the device and not to limit the scope of the invention.
도 1은 일반적인 하이브리드 레이저 다이오드에서 실리콘층의 두께에 따른 활성층의 광 속박 계수 변화를 설명하기 위한 그래프이다.1 is a graph illustrating a change in light binding coefficient of an active layer according to a thickness of a silicon layer in a general hybrid laser diode.
도 1을 참조하면, 실리콘 슬랩 도파로와 화합물 반도체 리지 도파로로 이루어진 하이브리드 레이저 다이오드에서 실리콘 슬랩 도파로의 두께에 따른 기본 모드와 상하 방향(수직적 분포)으로의 첫번째 고차 모드(first higher mode)의 활성층에서의 광 속박 계수가 보여지고 있다.Referring to FIG. 1, in a hybrid laser diode including a silicon slab waveguide and a compound semiconductor ridge waveguide, the active layer of the first higher mode in the basic mode and the vertical direction according to the thickness of the silicon slab waveguide is shown. The light bond coefficient is shown.
3가지 경우(a, b 및 c)에 대한 도파 모드의 형태를 보면, 실리콘 슬랩 도파로의 두께가 얇아질수록 도파 모드의 분포가 화합물 반도체 리지 도파로 쪽으로 넘어간다. 이때, 첫번째 고차 모드는 실리콘 슬랩 도파로의 두께가 아주 얇을 경우에는 존재하지 않는다(c의 경우). 하지만, 실리콘 슬랩 도파로의 두께가 두꺼워질수록 전체 도파로가 고차 모드를 가이드(guide) 하고, 화합물 반도체 리지 도파로로의 광 속박 계수가 증가된다(b의 경우). 이때, 실리콘 슬랩 도파로가 기본 모드를 가이드 하지만, 실리콘 슬랩 도파로로의 광 속박 계수는 감소된다(a의 경우).In the form of the waveguide mode for the three cases (a, b and c), the thinner the thickness of the silicon slab waveguide, the more the waveguide mode distribution shifts toward the compound semiconductor ridge waveguide. At this time, the first higher order mode does not exist when the thickness of the silicon slab waveguide is very thin (in case of c). However, as the thickness of the silicon slab waveguide becomes thicker, the entire waveguide guides the higher order mode, and the optical bond coefficient of the compound semiconductor ridge waveguide increases (in the case of b). At this time, the silicon slab waveguide guides the basic mode, but the light binding coefficient of the silicon slab waveguide is reduced (in case of a).
이러한 경향은 실리콘 도파로가 리지 도파로일 때에도, 동일하게 나타난다. 즉, 기본 모드가 발진되기 위해서는 실리콘 도파로의 두께가 얇아야 한다. 이는 좌우 방향의 도파 모드의 분포가 화합물 반도체 리지 도파로의 폭에 의해 결정된다는 것을 의미하고, 단일 모드만을 가이드하기 위해서는 화합물 반도체 리지 도파로의 폭이 1㎛ 근처의 작은 값이 되어야 한다.This tendency is the same when the silicon waveguide is a ridge waveguide. In other words, the silicon waveguide must be thin in order for the basic mode to be oscillated. This means that the distribution of the waveguide modes in the left and right directions is determined by the width of the compound semiconductor ridge waveguide, and in order to guide only the single mode, the width of the compound semiconductor ridge waveguide should be a small value around 1 μm.
이와 같이 화합물 반도체 리지 도파로가 1㎛ 근처의 좁은 폭을 가질 경우, 재성장 방식의 이용이 불가능한 하이브리드 레이저 다이오드에서는 외부로 드러나는 화합물 반도체 리지 도파로의 표면에서의 표면 결합 효과에 의한 누설 전류가 매우 큰 문제가 된다.As described above, when the compound semiconductor ridge waveguide has a narrow width of about 1 μm, in a hybrid laser diode that cannot use the regrowth method, the leakage current due to the surface coupling effect on the surface of the compound semiconductor ridge waveguide exposed to the outside is very large. do.
상기한 문제인 누설 전류를 발생시키는 표면 결합을 최소화하기 위한 방법으로 화합물 반도체 리지 도파로의 폭을 넓히고, 화합물 반도체 리지 도파로에서 기본 모드와 중첩되는 영역을 제외한 부분에 불순물을 주입하여 고차 모드의 발진을 억제할 수 있다. 하지만, 불순물 영역과 이득 영역의 경계면은 수직적인 방향 및 수평적인 방향 모두에서 분명하게(discretely) 정의되기 어렵다는 정밀성에 대한 문제가 있기 때문에, 3㎛ 정도의 폭을 갖는 이득 영역을 설정하는 것이 어렵다.As a method for minimizing the surface coupling that causes the leakage current, which is the problem described above, the compound semiconductor ridge waveguide is widened and impurities are injected into the compound semiconductor ridge waveguide except the region overlapping with the basic mode to suppress oscillation in the higher order mode. can do. However, it is difficult to set a gain region having a width of about 3 μm because of the problem of precision that the interface between the impurity region and the gain region is difficult to be clearly defined in both the vertical direction and the horizontal direction.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기를 설명하기 위한 평면도이고, 그리고 도 2b는 도 2a의 Ⅰ-Ⅰ' 선을 따라 절단한 단면도이다.2A is a plan view illustrating a resonator of a hybrid laser diode according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line II ′ of FIG. 2A.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기는 기저 실리콘층(112), 절연체층(114) 및 실리콘층(116)을 포함하는 기판(110), 기판(110)의 실리콘층(116) 상에 제공된 화합물 반도체 도파로(210), 및 실리콘층(116)의 일 단부에 제공된 반사부(128)를 포함한다.2A and 2B, a resonator of a hybrid laser diode includes a
하이브리드 레이저 다이오드의 공진기는 동일한 위상의 광이 증폭될 수 있도록 특정 파장의 광이 왕복할 수 있는 광학적 경로를 제공하도록 구성된다. 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기의 광학적 경로는 기판(110)의 실리콘층(116), 실리콘층(116) 상에 제공된 화합물 반도체 도파로(210) 및 실리콘층(116)의 일 단부에 제공된 반사부(128)로 구성될 수 있다. The resonator of the hybrid laser diode is configured to provide an optical path through which light of a particular wavelength can reciprocate so that light of the same phase can be amplified. The optical path of the resonator of the hybrid laser diode according to the embodiment of the present invention is the
도 2a 및 도 2b는 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기의 일부를 도시한 것이다. 이는 설명의 편의성을 위한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 실제 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기는 도시된 도면들의 오른쪽에 대해 거울 대칭된 부분을 더 포함하는 온전한 형태의 구조일 수 있다. 이러한 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기의 구조는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자인 당업자에게는 당연한 것으로 받아들여진다.2A and 2B show part of a resonator of a hybrid laser diode. This is for convenience of description, and the resonator of the actual hybrid laser diode according to the embodiment of the present invention may be an intact structure further including a mirror symmetrical portion with respect to the right side of the drawings. The structure of the resonator of such a hybrid laser diode is taken for granted to those skilled in the art having ordinary skill in the art.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기는 기저 실리콘층(112), 절연체층(114) 및 실리콘층(116)을 포함하는 기판(110), 기판(110)의 실리콘층(116) 상에 제공된 화합물 반도체 도파로(210), 및 실리콘층(116)의 양 단부에 제공된 반사부들(128)을 포함한다.That is, the resonator of the hybrid laser diode according to the exemplary embodiment of the present invention may include a
기판(110)은 SOI 기판일 수 있다. 실리콘층(116)은 하이브리드용 도파로(120h), 다중 모드 도파로(122) 및 단일 모드 도파로(126)가 직렬로 연결되어 이루어질 수 있다. 다중 모드 도파로(122)는 하이브리드용 도파로(120h)보다 좁은 폭을 갖고, 단일 모드 도파로(126)는 다중 모드 도파로(122)보다 좁은 폭을 가질 수 있다.The
하이브리드용 도파로(120h), 다중 모드 도파로(122) 및 단일 모드 도파로(126)가 직렬로 연결되는 것은 이들 사이에 각각 제공되는 전이 영역 도파로들에 의한 것일 수 있다. 전이 영역 도파로는 하이브리드용 도파로(120h)로부터 다중 모드 도파로(122)로, 그리고 다중 모드 도파로(122)로부터 단일 모드 도파로(126)로 갈수록 점진적으로(gradually) 좁아지는 폭을 가질 수 있다.The
화합물 반도체 도파로(210)는 기판(110)의 실리콘층(116)의 하이브리드용 도파로(120h) 상에 제공될 수 있다. 화합물 반도체 도파로(210)의 일단은 실리콘층(116)의 다중 모드 도파로(122)의 일부와 중첩되는 테이퍼 진 형태(tapered shape)의 커플링 구조체(210t)일 수 있다. 테이퍼 진 형태의 커플링 구조체(210t)가 제공된 영역은 광 커플링 영역(f)이라 불릴 수 있다.The
화합물 반도체 도파로(210)는 기판(110)의 실리콘층(116)과의 본딩에 의해 형성될 수 있다. 화합물 반도체 도파로(210)를 형성하는 것은 기판(110)의 실리콘층(116)을 사진 식각 공정으로 패터닝(patterning)하여, 실리콘층(116)이 직렬로 연결된 하이브리드용 도파로(120h), 다중 모드 도파로(122) 및 단일 모드 도파로(126)를 포함하도록 형성하는 것, 기판(110) 상에 패터닝된 화합물 반도체 도파로(210)를 포함하는 다른 기판을 기판(110)의 실리콘층(116)의 하이브리드용 도파로(120)와 다른 기판의 화합물 반도체 도파로(210)가 서로 마주보도록 본딩하는 것, 그리고 화합물 반도체 도파로(210)를 제외한 다른 기판을 제거하는 것을 포함할 수 있다.The
화합물 반도체 도파로(210)는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 화합물 반도체 도파로(210)는 InP, InGaAs, InGaAsP, AlGaInAs 등을 포함할 수 있다. 이에 따라, 하이브리드용 도파로(120h) 및 화합물 반도체 도파로(210)는 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기의 이득 영역(h)을 구성할 수 있다. 화합물 반도체 도파로(210)는 5㎛ 이상의 폭을 가질 수 있다. 하이브리드용 도파로(120h)는 화합물 반도체 도파로(210)와 동일한 폭을 갖거나, 또는 더 넓은 폭을 가질 수 있다. 이는 기판(110)의 실리콘층(116)의 하이브리드용 도파로(120h)에 화합물 반도체 도파로(210)를 본딩하는 공정에서 충분한 오정렬 마진(misalign margin)을 확보하기 위한 것일 수 있다.The
화합물 반도체 도파로(210)의 일단인 테이퍼 진 형태의 커플링 구조체(210t)는 광 커플링 영역(f)에서 실리콘층(116)의 다중 모드 도파로(122)의 일부에 중첩됨으로써, 고차 모드를 포함하는 도파 모드가 실리콘층(116)의 다중 모드 도파 로(122)로 용이하게 전파될 수 있다.The tapered
반사부(128)는 회절 격자가 형성된 도파로인 분산 브래그 반사경(Distributed Bragg Reflector : DBR)일 수 있다. 또는 반사부(128)는 면(facet) 반사를 이용할 수 있다. 면 반사를 이용하는 반사부(128)는 실리콘층(116)의 단일 모드 도파로(126)의 일 단부의 면이 경면 상태로 제작된 것일 수 있다. 이에 따라, 단일 모드 도파로(126)에 의해 전파된 기본 모드가 반사부(128)에 의해 하이브리드용 도파로(120h) 및 화합물 반도체 도파로(210)로 구성된 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기의 이득 영역(h)으로 귀환(feedback)될 수 있다.The
본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기의 동작은 다음과 같다. 하이브리드용 도파로(120h) 및 화합물 반도체 도파로(210)는 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기의 이득 영역(h)에서 생성된 고차 모드를 포함하는 도파 모드는 광 커플링 영역(f)에서 화합물 반도체 도파로(210)의 테이퍼 진 커플링 구조체(210t)를 통해 실리콘층(116)의 다중 모드 도파로(122)로 전파되고, 고차 모드를 포함하는 도파 모드는 다중 모드 도파로(122)를 거쳐 단일 모드 도파로(126)로 전파되고, 그리고 단일 모드 도파로(126)로 전파된 도파 모드에 포함된 고차 모드는 단일 모드 도파로(126)를 거치면서 극심한 손실을 겪게 되어 제거되고, 도파 모드에 포함된 기본 모드만이 단일 모드 도파로(126)의 일 단부에 제공된 반사부(128)로 전파되고, 그리고 반사부(128)에 의해 반사된 기본 모드만을 포함하는 도파 모드가 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기의 이득 영역(h)으로 귀환된다.Operation of the resonator of the hybrid laser diode according to the embodiment of the present invention is as follows. The
또한, 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기의 이득 영역(h)으로 귀한된 기 본 모드만을 포함하는 도파 모드는 도시된 도면들의 오른쪽에 대해 거울 대칭된 부분에 포함된 다중 모드 도파로(미도시), 단일 모드 도파로(미도시) 및 반사부(미도시)를 통해 전파 및 귀환됨에 따라, 그 모달 이득(modal gain)이 상대적으로 증대될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기는 상대적으로 모달 이득이 증대된 기본 모드만을 발진할 수 있다.In addition, the waveguide mode including only the fundamental mode precious to the gain region h of the resonator of the hybrid laser diode is a multimode waveguide (not shown), a single mode waveguide included in a mirror symmetrical part with respect to the right side of the drawings. As propagated and returned through the (not shown) and the reflector (not shown), its modal gain can be relatively increased. Accordingly, the resonator of the hybrid laser diode according to the embodiment of the present invention can oscillate only the basic mode in which the modal gain is relatively increased.
도파 모드에 포함된 고차 모드가 단일 모드 도파로(126)를 거치면서 손실을 겪게 되어 제거되지만, 이는 단일 모드 도파로(126)가 충분한 길이를 가질 때 가능할 수 있다. 즉, 더욱 작은 크기의 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기를 형성하기 위해서는 단일 모드 도파로(126)의 길이를 줄이는 것이 필요하다.Although the higher order modes included in the waveguide mode are lost as they pass through the
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기는 다중 모드 도파로(122)와 단일 모드 도파로(126) 사이에 제공되는 모드 선택부(124)를 더 포함할 수 있다. 모드 선택부(124)는 다중 모드 간섭(MultiMode Interference : MMI) 도파로일 수 있다. 다중 모드 간섭 도파로는 도파 모드에 포함된 기본 모드 및 고차 모드 각각의 모드 굴절률에 따라 서로 상이한 위치에 초점을 가지게 할 수 있다. 즉, 도파 모드에 포함된 기본 모드의 초점이 맺히는 다중 모드 간섭 도파로의 지점에 단일 모드 도파로를 배치함으로써, 도파 모드에 포함된 기본 모드만이 단일 모드 도파로(126)로 전파되도록 할 수 있다.Accordingly, the resonator of the hybrid laser diode according to the exemplary embodiment of the present invention may further include a
이러한 모드 선택 기능을 갖는 모드 선택부(126)를 다중 모드 도파로(122)와 단일 모드 도파로(126) 사이에 배치함으로써, 하이브리드용 도파로(120h) 및 화합물 반도체 도파로(210)로 구성된 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기의 이득 영 역(h)이 기본 모드만을 포함하는 도파 모드를 발생시키지 못하더라도 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기는 기본 모드의 모달 이득을 상대적으로 증대시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기는 기본 모드의 발진을 원활하게 할 수 있다.By arranging the
결과적으로, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기는 넓은 폭을 갖는 화합물 반도체 도파로(210)를 포함할 수 있기 때문에, 표면 결합에 의한 효과를 줄일 수 있다. 이에 따라, 하이브리드 레이저 다이오드의 문턱 전류를 낮출 수 있다.As a result, since the resonator of the hybrid laser diode according to the embodiment of the present invention may include the
또한, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기는 충분한 폭을 갖는 다중 모드 도파로(122)와 화합물 반도체 도파로(210) 사이의 광 커플링이기 때문에, 화합물 반도체 도파로(210)의 테이퍼 진 형태의 커플링 구조체(210t)를 형성하기 위한 공정이 서브 마이크론(submicron) 정도의 정밀도를 필요로 하지 않는다. 이에 따라, 하이브리드 레이저 다이오드를 제조하기 위한 공정이 보다 수월해 질 수 있다.In addition, since the resonator of the hybrid laser diode according to the embodiment of the present invention is an optical coupling between the
상기한 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기는 하이브리드용 도파로, 다중 모드 도파로, 단일 모드 도파로로 구성되어 고차 모드를 제거하고 기본 모드만을 전파 및 증폭하는 실리콘층을 가짐으로써, 기본 모드만이 발진될 수 있다. 이에 따라, 화합물 반도체 도파로가 넓은 폭을 가지더라도, 기본 모드 발진이 가능한 하이브리드 레이저 다이오드가 제공될 수 있다.The resonator of the hybrid laser diode according to the embodiment of the present invention is composed of a hybrid waveguide, a multimode waveguide, a single mode waveguide, and has a silicon layer that removes the higher-order mode and propagates and amplifies only the basic mode. Can be oscillated. Accordingly, even if the compound semiconductor waveguide has a wide width, a hybrid laser diode capable of basic mode oscillation can be provided.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기는 넓 은 폭의 화합물 반도체 도파로를 가짐으로써, 표면 결합에 의한 효과가 최소화되어 문턱 전류가 낮아질 수 있다. 이에 따라, 누설 전류가 최소화됨으로써, 안정성이 향상된 하이브리드 레이저 다이오드가 제공될 수 있다.In addition, the resonator of the hybrid laser diode according to the embodiment of the present invention has a wide compound semiconductor waveguide, thereby minimizing the effect due to surface coupling, thereby lowering the threshold current. Accordingly, by minimizing leakage current, a hybrid laser diode having improved stability may be provided.
이에 더하여, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기는 넓은 폭을 갖는 하이브리드용 도파로 및 다중 모드 도파로를 포함하는 실리콘층, 그리고 넓은 폭의 화합물 반도체 도파로를 가짐으로써, 실리콘층과 화합물 반도체 도파로 사이의 광 커플링을 위한 정밀한 공정이 요구되지 않을 수 있다. 이에 따라, 정밀도가 낮은 수월한 공정으로 제조 가능한 하이브리드 레이저 다이오드가 제공될 수 있다.In addition, the resonator of the hybrid laser diode according to the embodiment of the present invention has a silicon layer including a wide waveguide for hybrid and a multimode waveguide, and a wide compound semiconductor waveguide, thereby providing a silicon layer and a compound semiconductor waveguide. Precise processes for optical coupling between may not be required. Accordingly, a hybrid laser diode which can be manufactured in an easy process with low precision can be provided.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기의 기본 모드 발진 특성을 알아보기 위해 변형되어진 장치 구조의 평면도이고, 그리고 도 3b 및 도 3c는 각각 도 3a의 장치에서의 기본 모드 및 고차 모드의 전파 특성을 보여주는 도면들이다.FIG. 3A is a plan view of a device structure modified to examine the fundamental mode oscillation characteristics of a resonator of a hybrid laser diode according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 3B and 3C are respectively the basic mode and the higher order in the device of FIG. 3A. Figures showing the propagation characteristics of the mode.
도 3a를 참조하면, 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기의 기본 모드 발진 특성으로 알아보기 위한 장치는 도 2a에 도시된 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기 구조를 갖는 2개의 장치가 거울 대칭되도록 단일 도파로 영역(126)에 의해 서로 연결되어 단일 도파로 영역(126)을 공유하는 2개의 장치들로 구성될 수 있다. 이 2개의 장치들은 각각 제 1 장치 및 제 2 장치로 구성될 수 있으며, 제 1 장치 및 제 2 장치는 도 2a에 도시된 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기 구조에서 반사부(도 2a의 128 참조)가 생략된 구조를 가질 수 있다. 또한, 제 1 장치 및 제 2 장치는 도 2a에 도시된 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기 구조에서 모드 선택부(도 2a의 124 참조)가 생략된 구조를 가질 수 있다.Referring to FIG. 3A, the device for recognizing the fundamental mode oscillation characteristics of the resonator of the hybrid laser diode is defined by a
제 1 장치는 제 1 하이브리드용 도파로(120ha) 및 제 1 화합물 반도체 도파로(210a)로 구성된 제 1 이득 영역, 제 1 하이브리드용 도파로(120ha)에 전이 영역 도파로에 의해 직렬 연결된 제 1 다중 모드 도파로(122a), 및 제 1 다중 모드 도파로(122a)에 전이 영역 도파로에 의해 직렬 연결된 단일 도파로 영역(126)을 포함할 수 있다. 그리고 제 1 화합물 반도체 도파로(210a)의 테이퍼 진 형태의 커플링 구조체(210ta)는 제 1 다중 모드 도파로(122a)에 일부 중첩될 수 있다.The first apparatus includes a first multi-mode waveguide connected in series by a transition region waveguide to a first gain region consisting of a first hybrid waveguide 120ha and a first
제 2 장치는 제 2 하이브리드용 도파로(120hb) 및 제 1 화합물 반도체 도파로(210b)로 구성된 제 2 이득 영역, 제 2 하이브리드용 도파로(120hb)에 전이 영역 도파로에 의해 직렬 연결된 제 2 다중 모드 도파로(122b), 및 제 2 다중 모드 도파로(122b)에 전이 영역 도파로에 의해 직렬 연결된 단일 도파로 영역(126)을 포함할 수 있다. 그리고 제 2 화합물 반도체 도파로(210b)의 테이퍼 진 형태의 커플링 구조체(210tb)는 제 2 다중 모드 도파로(122b)에 일부 중첩될 수 있다.The second device includes a second gain region composed of a second hybrid waveguide 120hb and a first
도 3b 및 도 3c를 참조하면, 제 1 이득 영역에서 도파 모드가 생성되는 경우를 가정하여, 제 1 이득 영역으로 도파 모드를 인가하였을 때, 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기의 기본 모드 발진 특성으로 알아보기 위한 장치에서의 기본 모드 및 고차 모드 각각의 전파 특성을 측정한 결과가 보여진다. 제 2 이득 영역으로 도파 모드를 인가하는 경우에는 도 3b 및 도 3c의 상하가 뒤바뀐 결과가 보여질 수 있다.3B and 3C, on the assumption that the waveguide mode is generated in the first gain region, when the waveguide mode is applied to the first gain region, the fundamental mode oscillation characteristics of the resonator of the hybrid laser diode are described. The results of measuring the propagation characteristics of the basic mode and the higher order mode in the device are shown. When the waveguide mode is applied to the second gain region, a result of inverting the top and bottom of FIGS. 3B and 3C may be seen.
도 3b에서 보여지는 것과 같이, 제 1 이득 영역으로 기본 모드가 인가되면, 기본 모드는 제 1 화합물 반도체 도파로(210a)의 테이퍼 진 커플링 구조체(210ta)를 통해 제 1 다중 모드 도파로(122a)로 전파되고, 기본 모드는 제 1 다중 모드 도파로(122a)를 거쳐 단일 모드 도파로(126)로 전파되고, 그리고 단일 모드 도파로(126)로 전파된 기본 모드는 제 2 다중 모드 도파로(122b)를 거쳐 제 2 화합물 반도체 도파로(210b)의 테이퍼 진 커플링 구조체(210ta)를 통해 제 2 이득 영역으로 전파되는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 3B, when the basic mode is applied to the first gain region, the basic mode passes through the tapered coupling structure 210ta of the first
이와는 달리, 도 3c에서 보여지는 것과 같이, 제 1 이득 영역으로 고차 모드가 인가되면, 고차 모드는 제 1 화합물 반도체 도파로(210a)의 테이퍼 진 커플링 구조체(210ta)를 통해 제 1 다중 모드 도파로(122a)로 전파되고, 고차 모드는 제 1 다중 모드 도파로(122a)를 거쳐 단일 모드 도파로(126)로 전파되지만, 고차 모드는 단일 모드 도파로(126)를 거치면서 극심한 손실을 겪게 되어 제거됨에 따라, 제 2 다중 모드 도파로(122b) 및 제 2 화합물 반도체 도파로(210b)의 테이퍼 진 커플링 구조체(210ta)로 전파되지 못해 제 2 이득 영역까지 도달하지 못하는 것을 알 수 있다.Alternatively, as shown in FIG. 3C, when a higher order mode is applied to the first gain region, the higher order mode passes through the tapered coupling structure 210ta of the first
결론적으로, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기는 하이브리드용 도파로(도 2a의 120h 참조) 및 화합물 반도체 도파로(도 2a의 210 참조)로 구성된 이득 영역에서 기본 모드 및 고차 모드를 함께 포함하는 도파 모드가 생성되더라도, 다중 모드 도파로(도 2a의 122 참조), 단일 모드 도파로(도 2a의 126 참조) 및 반사부(128)에 의해 기본 모드만이 전파될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기는 그 모달 이득이 증대된 기본 모드만을 원활하게 발진할 수 있다.In conclusion, the resonator of the hybrid laser diode according to the embodiment of the present invention includes a basic mode and a higher order mode in a gain region composed of a hybrid waveguide (see 120h of FIG. 2A) and a compound semiconductor waveguide (see 210 of FIG. 2A). Although the waveguide mode is generated, only the basic mode may be propagated by the multi-mode waveguide (see 122 of FIG. 2A), the single mode waveguide (see 126 of FIG. 2A), and the
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art to which the present invention pertains may implement the present invention in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof. You will understand that. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative and not restrictive in every respect.
도 1은 일반적인 하이브리드 레이저 다이오드에서 실리콘층의 두께에 따른 활성층의 광 속박 계수의 변화를 설명하기 위한 그래프;1 is a graph for explaining the change of the optical binding coefficient of the active layer according to the thickness of the silicon layer in a typical hybrid laser diode;
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기를 설명하기 위한 평면도이고, 도 2b는 도 2a의 Ⅰ-Ⅰ' 선을 따라 절단한 단면도;2A is a plan view illustrating a resonator of a hybrid laser diode according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line II ′ of FIG. 2A;
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 레이저 다이오드의 공진기의 기본 모드 발진 특성을 알아보기 위해 변형되어진 장치 구조의 평면도이고, 도 3b 및 도 3c는 각각 도 3a의 장치에서의 기본 모드 및 고차 모드의 전파 특성을 보여주는 도면들.3A is a plan view of a device structure modified to examine the fundamental mode oscillation characteristics of a resonator of a hybrid laser diode according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIGS. 3B and 3C are respectively a basic mode and a higher order mode in the apparatus of FIG. 3A. Figures showing the propagation characteristics of the.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
110 : SOI 기판 112 : 기저 실리콘층110: SOI substrate 112: base silicon layer
114 : 절연체층 116 : 실리콘층114: insulator layer 116: silicon layer
120h, 120ha, 120hb : 하이브리드용 도파로120h, 120ha, 120hb: Waveguide for Hybrid
122, 122a, 122b : 다중 모드 도파로 124 : 모드 선택부122, 122a, 122b: multi-mode waveguide 124: mode selector
126 : 단일 모드 도파로 128 : 반사부126: single mode waveguide 128: reflector
210, 210a, 210b : 화합물 반도체 도파로210, 210a, 210b: compound semiconductor waveguide
210t, 210ta, 210tb : 커플링 구조체210t, 210ta, 210tb: coupling structure
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