KR101381235B1 - 이중 모드 반도체 레이저 및 이를 이용한 테라헤르츠파 장치 - Google Patents

이중 모드 반도체 레이저 및 이를 이용한 테라헤르츠파 장치 Download PDF

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Abstract

이중 모드 반도체 레이저 및 이를 이용한 테라헤르츠파 장치가 제공된다. 이중 모드 반도체 레이저는 기판 상의 제 1 회절 격자를 가지는 분포 귀환 레이저 구조부 및 기판 상의 제 2 회절 격자를 가지는 분포 브래그 반사 레이저 구조부를 포함하되, 분포 귀환 레이저 구조부가 발진하는 제 1 파장과 분포 브래그 반사 레이저 구조부가 발진하는 제 2 파장은 서로 다르며, 상기 분포 귀환 레이저 구조부와 상기 분포 브래그 반사 레이저 구조부는 동일한 이득 매질을 공유한다.

Description

이중 모드 반도체 레이저 및 이를 이용한 테라헤르츠파 장치{DUAL MODE SEMICONDUCTOR LASER AND TERAHERTZ WAVE APPARATUS USING THE SAME}
본 발명은 반도체 레이저에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이중 모드 반도체 레이저 및 이를 이용한 테라헤르츠파 장치에 관한 것이다.
최근 0.1 THz ~ 10 THz 의 주파수를 갖는 테라헤르츠(THz) 파에 대하여 많은 연구가 진행되고 있다. 테라헤르츠파는 낮은 에너지로 인해 인체에 무해하고, 많은 분자들이 이 대역에서 고유의 스펙트럼을 가지고 있는 등의 고유한 특성을 가지고 있다. 테라헤르츠파 발생 장치로서, 펨토초(fs) 레이저를 이용한 시간 영역 분광 (Time-domain spectroscopy: TDS) 시스템이 주로 사용되어 왔다.
TDS 시스템은 펨토초 레이저를 이용하여 포토믹서(Photomixer)의 포토컨덕티브 스위치(Photoconductive switch)에서 캐리어(carrier)를 여기 시킨다. 포토컨덕티브 스위치는 캐리어 수명시간(carrier lifetime)이 매우 짧은 물질로 만들어지며, 이를 이용하여 안테나에 펨토초 급의 펄스형 전류를 흐르게 하는 역할을 수행한다. 집적된 안테나에 펄스 형의 전류가 흐르게 되면 광대역의 THz 파가 생성되어 공기 중으로 전파하게 된다. 그러므로 TDS 시스템은 기본적으로 펄스 형의 테라헤르츠(THz) 파를 사용하는 것이다. 하지만 펨토초(fs) 레이저의 경우 그 크기가 크고, 고가인 단점이 있다. 또한 현장에서 사용되는 많은 응용 분야의 경우, 시스템이 작고, 휴대 가능하며 시간 영역 분광이 아닌 THz 연속파 (CW THz)를 이용한 주파수 대역에서의 결과를 얻을 수 있는 시스템이 유용하다.
이러한 이유로 포토컨덕티브 (Photoconductive) 안테나 또는 포토믹서 (Photomixer)와 두 개의 서로 다른 파장을 갖는 레이저를 이용한 포토믹싱 (Photomixing) 방법이 현장 응용이나 초소형 시스템 구현을 위하여 많이 연구되고 있다.
포토믹싱 방법은 기본적으로 두 개의 서로 다른 레이저가 만드는 비팅 신호를 이용한다. 두 개의 서로 다른 파장을 갖는 레이저 신호로 테라헤르츠(THz) 주파수의 비팅 신호를 만들고 이를 이용하여 포토믹서에 THz 주파수의 교류 전류를 생성한다. 이 때, 포토믹서에 집적되어 있는 안테나가 THz파를 만드는 것이다. 그러므로 발생되는 THz파의 주파수는 비팅 신호의 주파수와 같으며, 결국 두 레이저의 파장 차이와 같다. 그러므로 이를 이용하여 두 개의 레이저 파장 중 하나를 조절하여 주파수 튜닝이 가능한 THz파 발생기를 만들 수 있다.
현재 상업용으로 판매되고 있는 연속파(CW THz) 발생/검출기의 경우 두 개의 독립된 분포 귀환(distributed-feedback: DFB) 레이저를 사용한다. 서로 다른 파장에서 동작하는 두 개의 DFB 레이저의 출력은 광섬유 혹은 공간상에서 오버랩(overlap)하면 비팅이 생기게 되어 이를 THz파 발생에 이용하는 것이다. 둘 혹은 하나의 레이저의 동작 파장을 가변하여 발생하는 THz파의 주파수를 변조하여 주파수 가변형 THz파 발생기를 제작한다.
이 때에 중요한 물리적 특성 중 하나로는, 발생하는 THz파의 주파수 안정도는 비팅 신호를 만드는 두 개의 레이저의 파장 안정도에 의존한다는 것이다. 그러므로, 각각의 레이저가 갖는 파장의 떨림과 같은 노이즈는 그대로 THz파 주파수의 떨림으로 나타난다. 만약, 이 때에 두 개의 독립된 레이저가 외부 변수(온도, 전기적 특성, 혹은 역학적 진동)에 의해 떨리는 정도와 방향이 정확히 일치한다면, 오히려 두 개의 레이저의 특성이 안정적이지 못한다 하더라도, 발생하는 THz파의 주파수는 안정적이게 되는 것이다.
두 개의 독립된 레이저를 사용하는 경우에 포토믹싱 방법을 통하여 발생하는 THz파의 주파수가 불안해 지는 것을 최소화하기 위하여, 현재 상업용 시스템의 경우 고가의 파장 안정기를 사용하여야 하는 문제를 갖는다.
본 발명의 목적은 동작 특성이 안정화된 이중 모드 반도체 레이저 및 이를 이용한 테라헤르츠파 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 이중 모드 반도체 레이저는 기판 상의, 제 1 회절 격자를 가지는 분포 귀환 레이저 구조부 및 상기 기판 상의, 제 2 회절 격자를 가지는 분포 브래그 반사 레이저 구조부를 포함하되, 상기 분포 귀환 레이저 구조부가 발진하는 제 1 파장과 상기 분포 브래그 반사 레이저 구조부가 발진하는 제 2 파장은 서로 다르며, 상기 분포 귀환 레이저 구조부는 상기 분포 브래그 반사 레이저 구조부와 동일한 이득 매질을 공유한다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 분포 귀환 레이저 구조부와 상기 분포 브래그 반사 레이저 구조부 사이에 개재된 위상 조절부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 제 1 회절 격자의 주기는 상기 제 2 회절 격자의 주기와 동일할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 분포 귀환 레이저 구조부는 상기 제 1 회절 격자가 제공되는 상부 클래드층, 및 상기 이득 매질을 포함하는 능동 광도파로를 포함하며, 상기 분포 브래그 반사 레이저 구조부는 상기 제 2 회절 격자가 제공되는 수동 광도파로를 포함하되, 상기 능동 광도파로의 유효 굴절률은 상기 수동 광도파로의 유효 굴절률과 서로 다를 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 분포 귀환 레이저 구조부는 상기 상부 클래드층 상에 배치되는 제 1 마이크로 히터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 제 1 마이크로 히터는 상기 능동 광도파로의 유효 굴절률 및 상기 제 1 파장을 변화시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 분포 브래그 반사 레이저 구조부는 상기 수동 광도파로 상에 배치되는 제 2 마이크로 히터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 제 2 마이크로 히터는 상기 수동 광도파로의 유효 굴절률 및 상기 제 2 파장을 변화시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 제 1 회절 격자의 주기는 상기 제 2 회절 격자의 주기와 서로 다를 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 분포 귀환 레이저 구조부는 상기 기판 상의 하부 클래드층, 상기 하부 클래드층 상의, 상기 이득 매질을 포함하는 능동 광도파로, 및 상기 능동 광도파로 상의, 상기 제 1 회절 격자를 가지는 상부 클래드층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 분포 브래그 반사 레이저 구조부는 상기 기판 상의 상기 하부 클래드층, 상기 하부 클래드층 상의, 상기 제 2 회절 격자를 가지는 수동 광도파로, 및 상기 수동 광도파로 상의 상기 상부 클래드층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 테라헤르츠파 장치는 기판 상의 제 1 파장을 발진하는 분포 귀환 레이저 구조부, 상기 기판 상의 제 2 파장을 발진하는 분포 브래그 반사 레이저 구조부를 포함하는 이중 모드 반도체 레이저 및 상기 이중 모드 반도체 레이저로부터 발진하는 광을 이용하여 테라헤르츠파를 생성하는 포토믹서를 포함하되, 상기 분포 귀환 레이저 구조부와 상기 분포 브래그 반사 레이저 구조부는 동일한 이득 매질을 공유한다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 분포 귀환 레이저 구조부는 제 1 회절 격자를 포함하며, 상기 분포 브래그 반사 레이저 구조부는 제 2 회절 격자를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 분포 귀환 레이저 구조부는 상기 기판 상의 하부 클래드층, 상기 하부 클래드층 상의, 상기 이득 매질을 포함하는 능동 광도파로, 및 상기 능동 광도파로 상의 상기 제 1 회절 격자를 가지는 상부 클래드층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 분포 브래그 반사 레이저 구조부는 상기 기판 상의 상기 하부 클래드층, 상기 하부 클래드층 상의, 상기 제 2 회절 격자를 가지는 수동 광도파로 및 상기 수동 광도파로 상의 상기 상부 클래드층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, DFB 모드와 DBR 모드는 동일한 이득 매질(또는 능동 광도파로)을 사용하며 공진기를 공유하므로 단일 공진기 내에서 공존한다. 분포 귀환 레이저 구조부와 분포 브래그 반사 레이저 구조부는 외부 변수에 의해 떨리는 정도와 방향이 일치될 수 있다. 따라서, 이중 모드 반도체 레이저는 테라헤르츠파의 비팅 소스로서 적합할 수 있으며, 테라헤르츠파의 주파수가 안정화될 수 있다.
도 1은 통상적인 두 개의 독립적인 레이저를 가지는 테라헤르츠파 장치를 설명하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이중 모드 반도체 레이저를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 DFB 모드와 DBR 모드가 서로 다른 파장을 발진하는 것을 설명하는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이중 모드 반도체 레이저를 설명하기 위한 사시도이다.
도 5a 내지 5c는 본 발명의 실시예들에 따른 파장의 튜닝 동작을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 테라헤르츠파 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
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. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
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 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 1은 통상적인 두 개의 독립적인 레이저를 가지는 테라헤르츠파 장치를 설명하는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 테라헤르츠파 장치(10)는 독립적인 제 1 분포 귀환 레이저 다이오드(20) 및 제 2 분포 귀환 레이저 다이오드(30), 그리고 포토믹서(40)를 포함한다. 상기 제 1 및 제 2 분포 귀환 레이저 다이오드들(20, 30)은 연속 테라헤르츠파(CW THz) 발생을 위한 비팅 소스로 사용될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 분포 귀환 레이저 다이오드들(20, 30) 중 어느 하나 또는 두 개의 동작 파장을 조절하여, 두 파장(λ1, λ2)에 의하여 생성되는 비팅 신호의 주파수를 튜닝(tuning)하는 것이 가능하다.
상기 제 1 및 제 2 분포 귀환 레이저 다이오드들(20, 30)에 의하여 생성된 비팅 신호는 포토믹서(40)에 입사되어, 테라헤르츠파 대역 주파수를 가지는 교류전류를 생성한다. 상기 포토믹서(40)에서 생성된 교류전류는 포토믹서(40)에 집적된 안테나(미도시)에 의하여 테라헤르츠파를 생성한다.
하지만, 상기 테라헤르츠파 장치(10)는 독립적인 제 1 및 제 2 분포 귀환 레이저 다이오드들(20, 30)을 사용하므로, 각각의 제 1 및 제 2 분포 귀환 레이저 다이오드들(20, 30)이 가지는 파장의 떨림과 같은 노이즈는 테라헤르츠파 주파수의 떨림으로 나타나는 문제점이 있다. 따라서, 상기 테라헤르츠파 장치(10)의 안정성이 저하될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이중 모드 반도체 레이저를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 이중 모드 반도체 레이저는 분포 귀환 레이저 구조부(A) 및 분포 브래그 반사 레이저 구조부(C)를 포함한다. 상기 분포 귀환 레이저 구조부(A)는 기판(100) 상에 제공되는, 제 1 회절 격자(145)를 가진다. 상기 분포 브래그 반사 레이저 구조부(C)는 상기 기판(100) 상에 제공되는, 제 2 회절 격자(135)를 가진다. 상기 분포 귀환 레이저 구조부(A)가 발진하는 제 1 파장(λ1)은 상기 분포 브래그 반사 레이저 구조부(C)가 발진하는 제 2 파장(λ2)과 다르며, 상기 분포 귀환 레이저 구조부(A)와 상기 분포 브래그 반사 레이저 구조부(C)는 동일한 이득 매질을 공유한다.
상기 제 1 회절 격자(145)는 광을 선택적으로 반사시키는 필터로서 동작한다. 상기 분포 귀환 레이저 구조부(A)는 능동 광도파로(120)을 포함한다. 상기 분포 귀환 레이저 구조부(A)는 상기 능동 광도파로(120)가 포함하는 상기 이득 매질에서 이득을 얻으며, 상기 제 1 회절 격자(145)에 의하여 선택된 제 1 파장(λ1)을 발진한다. 이하에서, 분포 귀환 레이저 구조부(A)에서 발진하는 모드는 DFB 모드라고 칭하기로 한다.
상기 분포 브래그 반사 레이저 구조부(C)는 상기 능동 광도파로(120)가 포함하는 상기 이득 매질에서 이득을 얻으며, 상기 제 2 회절 격자(135)에 의하여 선택된 제 2 파장(λ2)을 발진한다. 즉, 상기 분포 브래그 반사 레이저 구조부(C)는 상기 분포 귀환 레이저 구조부(A)와 동일한 이득 매질을 공유하며, 상기 능동 광도파로(120)에서 이득을 얻지만, 발진되는 제 2 파장(λ2)은 상기 제 2 회절 격자(135)에 의하여 결정된다. 이하에서, 분포 브래그 반사 레이저 구조부(C)에서 발진하는 모드는 DBR 모드라고 칭하기로 한다.
상기 DFB 모드와 상기 DBR 모드는 동일한 능동 광도파로(120)을 사용하며 공진기를 공유하므로 단일 공진기 내에서 공존한다고 해석할 수 있다. 따라서, 상기 능동 광도파로(120)의 상기 이득 매질에서의 이득이 외부 요인(온도, 전기적 특성, 역학적 진동)에 의하여 떨리는 현상이 상기 DFB 모드와 상기 DBR 모드에서 동일하게 나타나게 된다. 상기 DFB 모드와 상기 DBR 모드에서 떨리는 정도와 방향이 일치되어, 상기 분포 귀환 레이저 구조부(A) 및 상기 분포 브래그 반사 레이저 구조부(C)의 특성이 안정적이지 못하더라도, 테라헤르츠파 발생에 사용되는 비팅 소스로서 적합할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 비팅 소스을 만드는 두 개의 레이저 광이 단일 소자에서 출력되는 것으로 해석될 수 있다. 외부 변수에 의한 파장 떨림은 두 개의 레이저 광들에서 정확하게 일치하게 되고, 결국 발생하는 테라헤르츠(THz)파의 주파수는 안정화될 수 있다. 이를 공통형 노이즈 제거 효과(common-mode noise rejection effect)라고 말할 수 있다.
상기 분포 귀환 레이저 구조부(A)와 상기 분포 브래그 반사 레이저 구조부(C) 사이에 위상 조절부(B)가 개재될 수 있다. 상기 위상 조절부(B)는 상기 제 2 파장(λ2)을 결정할 수 있다. 상기 위상 조절부(B)는 위상 조절 전극(170)에 의하여 공급되는 위상 전류에 의하여 상기 제 2 회절 격자(135)로부터의 귀환을 조정할 수 있다.
상기 분포 귀환 레이저 구조부(A)는 상기 기판(100) 상의 하부 클래드층(110), 상기 하부 클래드층(110) 상의 상기 능동 광도파로(120), 상기 능동 광도파로(120) 상의 제 1 회절 격자(145)를 가지는 상부 클래드층(140) 및 상기 상부 클래드층(140) 상의 제 1 전류 주입 전극(150)을 포함할 수 있다. 상기 제 1 전류 주입 전극(150) 상에 절연층(155) 및 제 1 마이크로 히터 전극(180)이 더 배치될 수 있다.
상기 분포 브래그 반사 레이저 구조부(C)는 상기 기판(100) 상의 상기 하부 클래드층(110), 상기 하부 클래드층(110) 상의 상기 제 2 회절 격자(135)를 가지는 수동 광도파로(130), 상기 수동 광도파로(130) 상의 상부 클래드층(140) 및 상기 상부 클래드층(140) 상의 제 2 전류 주입 전극(160)을 포함할 수 있다. 상기 제 2 전류 주입 전극(160) 상에 상기 절연층(155) 및 제 2 마이크로 히터 전극(190)이 더 배치될 수 있다.
상기 위상 조절부(B)는 상기 기판(100) 상의 상기 하부 클래드층(110), 상기 하부 클래드층(110) 상의 상기 수동 광도파로(130), 상기 수동 광도파로(130) 상의 상기 상부 클래드층(140)을 포함할 수 있다.
상기 기판(100)은 n형 인듐인(InP)을 포함할 수 있다. 상기 기판(100)의 하부면에는 n형 전극(미도시)이 배치될 수 있다. 상기 하부 클래드층(110)은 n형 인듐인(InP)을 포함할 수 있다. 상기 능동 광도파로(120) 및 수동 광도파로(130)는 인듐갈륨비소인(InGaAsP)을 포함할 수 있다. 상기 상부 클래드층(140)은 p형 인듐인(InP)을 포함할 수 있다. 상기 제 1 전류 주입 전극(150), 상기 제 2 전류 주입 전극(160), 제 1 마이크로 히터 전극(180) 및 제 2 마이크로 히터 전극(190)은 도전성 물질, 예를 들면 금속을 포함할 수 있다.
상기 제 1 회절 격자(145)의 제 1 주기(Λ1)는 상기 제 2 회절 격자(135)의 제 2 주기(Λ2)와 동일할 수 있다. 여기서, 상기 제 1 및 제 2 회절 격자들(145, 135)의 주기(Λ1, Λ2)는 인접한 피크 사이의 거리를 의미한다. 상기 제 1 주기(Λ1)와 상기 제 2 주기(Λ2)가 동일한 경우, 상기 능동 광도파로(120)의 유효 굴절률은 상기 수동 광도파로(130)의 유효 굴절률과 다르다. 상기 능동 광도파로(120)의 유효 굴절률과 상기 수동 광도파로(130)의 유효 굴절률이 서로 다르기 때문에, 상기 제 1 파장(λ1)과 상기 제 2 파장(λ2)은 서로 다를 수 있다. 한편, 상기 제 1 주기(Λ1)와 상기 제 2 주기(Λ2)가 서로 다른 경우, 상기 제 1 파장(λ1)과 상기 제 2 파장(λ2)은 서로 다를 수 있다.
상기 제 1 전류 주입 전극(150)은 상기 능동 광도파로(120)의 이득 매질에 전류를 주입하여 레이저의 출력을 결정할 수 있다. 상기 제 1 마이크로 히터 전극(180)은 상기 능동 광도파로(120)의 유효 굴절률을 변화시킬 수 있다. 이에 의하여, 상기 제 1 파장(λ1)이 튜닝될 수 있다.
한편, 상기 제 2 전류 주입 전극(160)은 상기 수동 광도파로(130)의 유효 굴절률을 변화시킬 수 있다. 이는 자유 반송자 플라즈마 효과(free carrier plasma effect)를 이용하는 것이다. 또는 상기 제 2 마이크로 히터 전극(190)은 상기 수동 광도파로(130)의 유효 굴절률을 변화시킬 수 있다. 상기 제 2 전류 주입 전극(160) 및 상기 제 2 마이크로 히터 전극(190)에 의하여, 상기 제 2 파장(λ2)이 튜닝될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 DFB 모드와 DBR 모드가 서로 다른 파장을 발진하는 것을 설명하는 그래프이다.
도 3에서, 횡축은 파장(wavelength)을 나타내며, 종축은 레이저 출력 파워(laser output)를 나타낸다. DFB 모드에서 발진하는 파장은 λ1 이며, DBR 모드에서 발진하는 파장은 λ2 이다. 상기 DFB 모드의 제 1 파장(λ1)과 상기 DBR 모드의 제 2 파장(λ2)은 위에서 설명한 바와 같이, 격자 주기 또는 유효 굴절률에 의하여 결정될 수 있다. 상기 DFB 모드의 제 1 파장(λ1)과 상기 DBR 모드의 제 2 파장(λ2)은 단일 공진기에서 발진되므로, 본 발명의 실시예에 따른 이중 모드 반도체 레이저는 테라헤르츠파 장치의 비팅 소스로서 적합할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이중 모드 반도체 레이저를 설명하기 위한 사시도이다.
도 4를 참조하면, 이중 모드 반도체 레이저는 분포 귀환 레이저 구조부(A) 및 분포 브래그 반사 레이저 구조부(C)를 포함한다. 상기 분포 귀환 레이저 구조부(A)와 상기 분포 브래그 반사 레이저 구조부(C) 사이에 위상 조절부(B)가 개재될 수 있다.
상기 분포 귀환 레이저 구조부(A)는 기판(100) 상의 하부 클래드층(110), 상기 하부 클래드층(110) 상의 능동 광도파로(120), 상기 능동 광도파로(120) 상의 제 1 회절 격자(145)를 가지는 상부 클래드층(140) 및 상기 상부 클래드층(140) 상의 제 1 전류 주입 전극(150)을 포함할 수 있다. 상기 상부 클래드층(140) 상에 절연층(155)이 배치될 수 있으며, 상기 절연층(155) 상에 제 1 마이크로 히터 전극(180)이 배치될 수 있다. 상기 제 1 전류 주입 전극(150)은 상기 제 1 마이크로 히터 전극(180)과 수평적으로 이격되어 배치될 수 있다. 또는, 상기 제 1 전류 주입 전극(150)과 상기 제 1 마이크로 히터 전극(180) 사이에 절연층(155)이 개재되어 수직 방향으로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 능동 광도파로(120)는 레이저의 성능을 향상시키기 위하여 차례로 적층한 하부 운반자 배리어(122), 활성층(양자 우물과 같은 이득층)(124), 상부 운반자 배리어(126)으로 구성될 수 있다.
상기 분포 브래그 반사 레이저 구조부(C)는 상기 기판(100) 상의 상기 하부 클래드층(110), 상기 하부 클래드층(110) 상의 제 2 회절 격자(135)를 가지는 수동 광도파로(130), 상기 수동 광도파로(130) 상의 상부 클래드층(140) 및 상기 상부 클래드층(140) 상의 제 2 전류 주입 전극(160)을 포함할 수 있다. 상기 상부 클래드층(140) 상에 상기 절연층(155)이 배치되며, 상기 절연층(155) 상에 제 2 마이크로 히터 전극(190)이 배치될 수 있다. 이와 다르게, 상기 제 2 전류 주입 전극(160) 상에 상기 절연층(155)과 제 2 마이크로 히터 전극(190)이 차례로 적층될 수 있다.
상기 이중 모드 반도체 레이저에 전류 차단층(115)이 배치될 수 있다. 상기 전류 차단층(115)은 p-InP층, n-InP층 및 p-InP층이 순차적으로 적층된 구조일 수 있다.
상기 위상 조절부(B)는 상기 기판(100) 상의 상기 하부 클래드층(110), 상기 하부 클래드층(110) 상의 상기 수동 광도파로(130), 상기 수동 광도파로(130) 상의 상기 상부 클래드층(140)을 포함할 수 있다.
상기 기판(100)은 n형 인듐인(InP)을 포함할 수 있다. 상기 기판(100)의 하부면에는 n형 전극(미도시)이 배치될 수 있다. 상기 하부 클래드층(110)은 n형 인듐인(InP)을 포함할 수 있다. 상기 능동 광도파로(120) 및 수동 광도파로(130)는 인듐갈륨비소인(InGaAsP)을 포함할 수 있다. 상기 능동 광도파로(120)는 우물(well)과 장벽(barrier)을 포함하는 다중 양자우물 구조와 같은 이득 매질을 포함한다. 상기 상부 클래드층(140)은 p형 인듐인(InP)을 포함할 수 있다. 상기 제 1 전류 주입 전극(150), 상기 제 2 전류 주입 전극(160), 제 1 마이크로 히터 전극(180) 및 제 2 마이크로 히터 전극(190)은 도전성 물질, 예를 들면 금속을 포함할 수 있다.
상기 분포 귀환 레이저 구조부(A)의 상기 상부 클래드층(140)은 상기 제 1 회절 격자(145)를 가진다. 상기 분포 브래그 반사 레이저 구조부(C)의 상기 수동 광도파로(130)는 상기 제 2 회절 격자(135)를 가진다. 상기 분포 귀환 레이저 구조부(A)가 발진하는 제 1 파장(λ1)은 상기 분포 브래그 반사 레이저 구조부(C)가 발진하는 제 2 파장(λ2)과 다르다.
상기 분포 귀환 레이저 구조부(A)는 상기 능동 광도파로(120)의 이득 매질에서 이득을 얻으며, 상기 제 1 회절 격자(145)에 의하여 선택된 제 1 파장(λ1)을 발진한다. 이하에서, 분포 귀환 레이저 구조부(A)에서 발진하는 모드는 DFB 모드라고 칭하기로 한다.
상기 분포 브래그 반사 레이저 구조부(C)는 상기 능동 광도파로(120)의 상기 이득 매질에서 이득을 얻으며, 상기 제 2 회절 격자(135)에 의하여 선택된 제 2 파장(λ2)을 발진한다. 즉, 상기 분포 브래그 반사 레이저 구조부(C)는 상기 분포 귀환 레이저 구조부(A)와 동일한 능동 광도파로(120)에서 이득을 얻지만, 발진되는 제 2 파장(λ2)은 상기 제 2 회절 격자(135)에 의하여 결정된다. 이하에서, 분포 브래그 반사 레이저 구조부(C)에서 발진하는 모드는 DBR 모드라고 칭하기로 한다.
상기 DFB 모드와 상기 DBR 모드는 동일한 능동 광도파로(120)을 사용하며 공진기를 공유하므로 단일 공진기 내에서 공존한다고 해석할 수 있다. 따라서, 상기 능동 광도파로(120)에서의 이득이 외부 요인(온도, 전기적 특성, 역학적 진동)에 의하여 떨리는 현상이 상기 DFB 모드와 상기 DBR 모드에서 동일하게 나타나게 된다. 상기 DFB 모드와 상기 DBR 모드에서 떨리는 정도와 방향이 일치되어, 상기 분포 귀환 레이저 구조부(A) 및 상기 분포 브래그 반사 레이저 구조부(C)의 특성이 안정적이지 못하더라도, 테라헤르츠파 발생에 사용되는 비팅 소스로서 적합할 수 있다.
상기 제 1 회절 격자(145)의 제 1 주기(Λ1)는 상기 제 2 회절 격자(135)의 제 2 주기(Λ2)와 동일할 수 있다. 여기서, 상기 제 1, 제 2 회절 격자(145, 135)의 주기(Λ1, Λ2)는 인접한 피크 사이의 거리를 의미한다. 상기 제 1 주기(Λ1)와 상기 제 2 주기(Λ2)가 동일한 경우, 상기 능동 광도파로(120)의 유효 굴절률은 상기 수동 광도파로(130)의 유효 굴절률과 다르다. 상기 능동 광도파로(120)의 유효 굴절률과 상기 수동 광도파로(130)의 유효 굴절률이 서로 다르기 때문에, 상기 제 1 파장(λ1)과 상기 제 2 파장(λ2)은 서로 다를 수 있다. 한편, 상기 제 1 주기(Λ1)와 상기 제 2 주기(Λ2)가 서로 다른 경우, 상기 제 1 파장(λ1)과 상기 제 2 파장(λ2)은 서로 다를 수 있다.
상기 제 1 전류 주입 전극(150)은 상기 능동 광도파로(120)의 이득 매질에 전류를 주입하여 레이저의 출력을 결정할 수 있다. 상기 제 1 마이크로 히터 전극(180)은 상기 능동 광도파로(120)의 유효 굴절률을 변화시킬 수 있다. 이에 의하여, 상기 제 1 파장(λ1)이 튜닝될 수 있다.
한편, 상기 제 2 전류 주입 전극(160)은 상기 수동 광도파로(130)의 유효 굴절률을 변화시킬 수 있다. 이는 자유 반송자 플라즈마 효과(free carrier plasma effect)를 이용하는 것이다. 또는 상기 제 2 마이크로 히터 전극(190)은 상기 수동 광도파로(130)의 유효 굴절률을 변화시킬 수 있다. 상기 제 2 전류 주입 전극(160) 및 상기 제 2 마이크로 히터 전극(190)에 의하여, 상기 제 2 파장(λ2)이 튜닝될 수 있다.
상기 위상 조절부(B)는 상기 제 2 파장(λ2)을 결정할 수 있다. 상기 위상 조절부(B)는 위상 조절 전극(170)에 의하여 공급되는 위상 전류에 의하여 상기 제 2 회절 격자(135)로부터의 귀환을 조정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, DFB 모드와 DBR 모드가 단일 공진기 구조에서 발진될 수 있다. 상기 DFB 모드의 제 1 파장은 제 1 마이크로 히터 전극(180)에 의하여 튜닝될 수 있으며, DBR 모드의 제 2 파장은 제 2 마이크로 히터 전극(190) 및 제 2 전류 주입 전극(160)에 의하여 튜닝될 수 있다.
도 5a 내지 5c는 본 발명의 실시예들에 따른 파장의 튜닝 동작을 설명하기 위한 그래프들이다. 도 5a 내지 5c에서 횡축은 파장(wavelength)을 나타내고, 종축은 레이저 출력(laser output)을 나타낸다.
도 5a는 위에서 설명한 제 1 마이크로 히터 전극(180)을 이용하여 DFB 모드의 제 1 파장(λ1)을 튜닝하는 것을 보여준다. 상기 제 1 마이크로 히터 전극(180)은 제 1 파장(λ1)을 장파장 쪽으로 변화시키는 것이다. 상기 DFB 모드의 제 1 파장(λ1)은 조정되고, DBR 모드의 제 2 파장(λ2)은 고정되어 테라헤르츠파의 주파수가 조절될 수 있다.
도 5b는 위에서 설명한 제 2 전류 주입 전극(160)을 이용하여 DBR 모드의 제 2 파장(λ2)을 튜닝하는 것을 보여준다. 상기 제 2 전류 주입 전극(180)을 사용하여 제 2 파장(λ2)을 단파장 쪽으로 변화시키는 것이다. 상기 DFB 모드의 제 1 파장(λ1)은 고정되고, DBR 모드의 제 2 파장(λ2)은 조정되어 테라헤르츠파의 주파수가 조절될 수 있다.
도 5c는 위에서 설명한 제 2 마이크로 히터 전극(190)을 이용하여 DBR 모드의 제 2 파장(λ2)을 튜닝하는 것을 보여준다. 이는 상기 제 2 마이크로 히터 전극(190)을 사용하여 제 2 파장(λ2)을 장파장 쪽으로 변화시키는 것이다. 상기 DFB 모드의 제 1 파장(λ1)은 고정되고, DBR 모드의 제 2 파장(λ2)은 조정되어 테라헤르츠파의 주파수가 조절될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 테라헤르츠파 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6을 참조하면, 테라헤르츠파 장치(200)는 이중 모드 반도체 레이저(210) 및 포토믹서(220)를 포함한다. 상기 이중 모드 반도체 레이저(210)는 위에서 설명한 실시예들과 동일한 구성요소를 포함할 수 있다. 즉, 상기 이중 모드 반도체 레이저(210)는 기판 상의 제 1 파장(λ1)을 발진하는 분포 귀환 레이저 구조부, 상기 기판 상의 제 2 파장(λ2)을 발진하는 분포 브래그 반사 레이저 구조부를 포함한다. 상기 분포 귀환 레이저 구조부와 분포 브래그 반사 레이저 구조부는 동일한 이득 매질을 공유한다. 상기 이중 모드 반도체 레이저(210)는 테라헤르츠파(THz)의 비팅 소스를 발진한다. 상기 포토믹서(220)는 상기 이중 모드 반도체 레이저(210)로부터 발진하는 광을 이용하여 테라헤르츠파를 생성한다.
도 2에서 설명된 바와 같이, 상기 분포 귀환 레이저 구조부는 기판 상의 하부 클래드층, 상기 하부 클래드층 상의 능동 광도파로, 상기 능동 광도파로 상의 제 1 회절 격자를 가지는 상부 클래드층, 상기 상부 클래드층 상의 제 1 전류 주입 전극 및 제 1 마이크로 히터 전극을 포함할 수 있다.
상기 분포 브래그 반사 레이저 구조부는 상기 기판 상의 상기 하부 클래드층, 상기 하부 클래드층 상의 제 2 회절 격자를 가지는 수동 광도파로, 상기 수동 광도파로 상의 상부 클래드층, 상기 상부 클래드층 상의 제 2 전류 주입 전극 및 제 2 마이크로 히터 전극을 포함할 수 있다.
상기 이중 모드 반도체 레이저(210)는 단일 공진기 내에 상기 분포 귀환 레이저 구조부와 분포 브래그 반사 레이저 구조부를 포함한다. 분포 귀환 레이저 구조부와 분포 브래그 반사 레이저 구조부는 외부 변수에 의해 떨리는 정도와 방향이 일치되어, 두 개의 레이저 구조부의 특성이 안정적일 수 있다. 따라서, 테라헤르츠파의 주파수가 안정화될 수 있다.
A: 분포 귀환 레이저 구조부 B: 분포 브래그 반사 구조부
100: 기판 110: 하부 클래드층
120: 능동 광도파로 130: 수동 광도파로
145: 제 1 회절 격자 135: 제 2 회절 격자
140: 상부 클래드층 150: 제 1 전류 주입 전극
160: 제 2 전류 주입 전극 180: 제 1 마이크로 히터 전극
190: 제 2 마이크로 히터 전극

Claims (15)

  1. 기판 상의, 제 1 회절 격자를 가지는 분포 귀환 레이저 구조부; 및
    상기 기판 상의, 제 2 회절 격자를 가지는 분포 브래그 반사 구조부를 포함하되,
    상기 분포 귀환 레이저 구조부는:
    상기 기판 상의 하부 클래드층;
    상기 하부 클래드층 상의, 이득 매질을 포함하는 능동 광도파로; 및
    상기 능동 광도파로 상의, 상기 제 1 회절 격자를 가지는 상부 클래드층을 포함하고,
    상기 분포 브래그 반사 구조부는:
    상기 기판 상의 상기 하부 클래드층;
    상기 하부 클래드층 상의, 상기 제 2 회절 격자를 가지는 수동 광도파로; 및
    상기 수동 광도파로 상의 상기 상부 클래드층을 포함하고,
    상기 분포 귀환 레이저 구조부가 발진하는 제 1 파장과 상기 분포 브래그 반사 구조부에 의해 발진되는 제 2 파장은 서로 다르며, 상기 제 1 및 제 2 파장들은 상기 능동 광도파로의 상기 이득 매질에서 이득을 얻는 이중 모드 반도체 레이저.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 분포 귀환 레이저 구조부와 상기 분포 브래그 반사 구조부 사이에 개재된 위상 조절부를 더 포함하는 이중 모드 반도체 레이저.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 회절 격자의 주기는 상기 제 2 회절 격자의 주기와 동일한 이중 모드 반도체 레이저.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 능동 광도파로의 유효 굴절률은 상기 수동 광도파로의 유효 굴절률과 서로 다른 이중 모드 반도체 레이저.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 분포 귀환 레이저 구조부는 상기 상부 클래드층 상에 배치되는 제 1 전류 주입 전극 및 제 1 마이크로 히터를 더 포함하는 이중 모드 반도체 레이저.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제 1 전류 주입 전극은 상기 능동 도파로의 상기 이득 매질에 전류를 주입하여 상기 제 1 및 제 2 파장들을 발진시키고,
    상기 제 1 마이크로 히터는 상기 능동 광도파로의 유효 굴절률 및 상기 제 1 파장을 변화시키는 이중 모드 반도체 레이저.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 분포 브래그 반사 구조부는 상기 상부 클래드층 상에 배치되는 제 2 전류 주입 전극 및 제 2 마이크로 히터를 더 포함하는 이중 모드 반도체 레이저.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제 2 전류 주입 전극 및 상기 제 2 마이크로 히터는 상기 수동 광도파로의 유효 굴절률 및 상기 제 2 파장을 변화시키는 이중 모드 반도체 레이저.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 회절 격자의 주기는 상기 제 2 회절 격자의 주기와 서로 다른 이중 모드 반도체 레이저.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 기판 상의 제 1 파장을 발진하는 분포 귀환 레이저 구조부 및 상기 기판 상의 제 2 파장을 발진하는 분포 브래그 반사 구조부를 포함하는 이중 모드 반도체 레이저; 및
    상기 이중 모드 반도체 레이저로부터 발진하는 광을 이용하여 테라헤르츠파를 생성하는 포토믹서를 포함하되,
    상기 분포 귀환 레이저 구조부는:
    상기 기판 상의 하부 클래드층;
    상기 하부 클래드층 상의, 이득 매질을 포함하는 능동 광도파로; 및
    상기 능동 광도파로 상의 제 1 회절 격자를 가지는 상부 클래드층을 포함하고,
    상기 분포 브래그 반사 구조부는:
    상기 기판 상의 상기 하부 클래드층;
    상기 하부 클래드층 상의, 제 2 회절 격자를 가지는 수동 광도파로; 및
    상기 수동 광도파로 상의 상기 상부 클래드층을 포함하고,
    상기 제 1 파장과 상기 제 2 파장은 상기 능동 광도파로의 상기 이득 매질에서 이득을 얻는 테라헤르츠파 장치.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
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