KR101778016B1 - Distributed feedback laser diode diode and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

A distributed feedback laser diode according to an embodiment of the present invention includes an InP substrate; a diffraction grating layer, a lower separate confinement heterostructure (SCH) layer, an active layer, an upper SCH layer, a p-InP layer, and a p-InGaAs layer which are sequentially grown and crystallized from the upper part of the InP substrate; an injection current blocking layer buried around the side surface of a mesa formed to have a predetermined width from the p-InP layer to a lower direction; an n-electrode and a p-electrode respectively formed on the lower part of the InP substrate and the upper part of the p-InGaAs layer; and an anti-reflection film and a high reflection film respectively formed on the front output face of one side and the rear output face of the other side. The diffraction grating layer includes a plurality of diffraction gratings along a longitudinal direction defined in a direction from the front output face to the rear output face. The cross-sectional area of the diffraction grating and a distance between the diffraction grating and the active layer are varied by a selective region nodule growth method. It is possible to provide a new DFB laser structure that reduces the generation of spatial hole burning.

Description

분포궤환형 레이저 다이오드 및 이의 제조 방법{DISTRIBUTED FEEDBACK LASER DIODE DIODE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a distributed feedback laser diode and a method of manufacturing the same. [0002] DISTRIBUTED FEEDBACK LASER DIODE DIODE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF [

본 발명은 광통신용 고속 변조 광원으로 사용되는 단일 파장 반도체 레이저 다이오드의 구조에 관한 것으로서, 구체적으로 spatial hole burning 현상을 완화할 수 있는 분포궤환형(Distributed Feedback: DFB) 레이저 다이오드에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a structure of a single-wavelength semiconductor laser diode used as a high-speed modulation light source for optical communication, and more particularly, to a distributed feedback (DFB) laser diode capable of mitigating spatial hole burning phenomenon.

종래의 경우, 광통신용 직접 변조 광원으로서 1260nm ~ 1630nm 파장 대역중 지정된 단일 파장으로 발진하는 DFB 레이저가 사용되어 왔다. 특히 최근 광통신 시스템의 전송 용량 증가 추세에 따라 직접 변조 DFB 레이저의 변조 속도는 기존 1.25Gbps 또는 2.5Gbps에서 10Gbps 또는 25Gbps 등으로 고속화가 요구되고 있다.In the conventional case, a DFB laser oscillating at a designated single wavelength in the wavelength band of 1260 nm to 1630 nm has been used as a direct modulation light source for optical communication. Especially, as the transmission capacity of the optical communication system is increasing, the modulation speed of the direct modulation DFB laser is required to be increased from the existing 1.25 Gbps or 2.5 Gbps to 10 Gbps or 25 Gbps.

한편, DFB 레이저의 경우 spatial hole burning 현상이 문제될 수 있는데, 이러한 spatial hole burning 현상은 레이저 공진기 길이 방향으로 광자 밀도가 균일하지 않고 일부 영역에서 peak를 이룰 때 이 영역의 전하가 과소비되는데 반해 인접 공진기 영역으로부터의 전하 보충이 원활하지 못하여 발생하는 것으로 특히 이동도가 낮은 hole의 과부족 상태를 의미한다. On the other hand, in the case of DFB laser, spatial hole burning phenomenon may be a problem. In the spatial hole burning phenomenon, the photon density in the longitudinal direction of the laser resonator is not uniform, This is caused by insufficient charge replenishment from the region, which means that the hole has a small excess or a small degree of mobility.

특히 직접 변조 DFB 레이저의 변조 속도의 확대는 spatial hole burning 현상을 심화시키고 이로 인하여 발생되는 영향이 극대화된다. 예를 들어 uniform grating(회절격자)를 가지는 DFB 레이저에서, k*L(k는 회절격자의 광궤환 계수, L은 공진기 길이)을 1.5 이하로 하고, 전면 출력면 및 후면 출력면에 각각 반사율 1% 내외의 무반사막 및 반사율 ~90% 내외의 고반사막을 형성한 경우, 공진기 내부의 광자 밀도는 후면 출력면에서 최소가 되며 공진기 중심으로부터 전면 출력면 사이에서 최대가 되어, 결국 공진기 내부의 광자 밀도의 최대/최소 비율은 2가 넘게 된다.Especially, the increase of the modulation speed of the direct modulation DFB laser deepens the spatial hole burning phenomenon and maximizes the effect caused thereby. For example, in a DFB laser having a uniform grating (diffraction grating), k * L (where k is the optical feedback coefficient of the diffraction grating and L is the length of the resonator) is 1.5 or less and reflectance 1 The photon density inside the resonator becomes minimum at the rear output surface and becomes maximum between the center of the resonator and the front output surface, and consequently, the photon density inside the resonator becomes maximum The maximum / minimum ratio of " 2 "

즉, 광자 밀도 곡선은 역상(상하반전)의 전하(hole) 밀도 곡선을 유발하며 전하 밀도 곡선 중 평균보다 현저히 낮은 영역이 spatial hole burning 영역이 되며, 공진기 길이 방향으로 상술한 spatial hole burning 영역이 발생하게 되면 직접 변조 속도가 감소하고 변조 선폭(chirping)이 증가하며 변조 파형의 distortion이 커지며 단일 파장 안정도가 낮아지는 문제점이 발생하게 된다. That is, the photon density curve induces a hole density curve of a reversed phase (a vertical inversion), and a region that is significantly lower than the average of the charge density curves is a spatial hole burning region, and the spatial hole burning region described above occurs in the longitudinal direction of the resonator The direct modulation speed decreases, the modulation line chirping increases, distortion of the modulated waveform becomes large, and single wavelength stability becomes low.

이러한 spatial hole burning 현상을 완화시키기 위하여, DFB 레이저 다이오드에 90도 phase shift 영역을 삽입하여, 회절격자의 duty를 연속적으로 가변시킨 방식(미국 특허 US 6,577,660 B1)과 회절격자 주기를 변화시킨 방식(미국 특허 US 2014/0211823 A1)이 연구되고 있으나, 모두 본 발명의 uniform 회절격자형 DFB 레이저에는 적용하기 어려우며, 나아가 이를 구현하기 위하여 고가의 전용 e-beam lithography 장비를 사용해야만 하는 단점이 있다.In order to mitigate such spatial hole burning phenomenon, a 90-degree phase shift region is inserted in a DFB laser diode to change the duty of the diffraction grating continuously (U.S. Patent No. 6,577,660 B1) and the diffraction grating period Patent US 2014/0211823 A1) has been studied, but it is difficult to apply to the uniform diffraction grating type DFB laser of the present invention, and further, there is a disadvantage that expensive exclusive e-beam lithography equipment must be used to realize this.

미국 등록특허공보 6,577,660B1US Patent No. 6,577,660 B1 미국 공개특허공보 2004/0211823A1United States Patent Application Publication 2004/0211823 A1

본 발명의 일 실시예에 따른 분포궤환형 레이저 다이오드 및 이의 제조 방법은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 다음과 같은 해결과제를 목적으로 한다.Disclosed is a distributed feedback laser diode and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention to solve the above-mentioned problems.

레이저 공진기 내부의 광자 밀도 분포를 완만하게 변화하도록 조정하여 그에 상응하는 전하 밀도의 분포 또한 완만하게 변화시킴으로써 spatial hole burning의 발생을 완화하는 새로운 DFB 레이저의 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a novel DFB laser structure that mitigates the occurrence of spatial hole burning by moderately changing the photon density distribution inside the laser resonator and moderately changing the distribution of the charge density corresponding thereto.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.The solution to the problem of the present invention is not limited to those mentioned above, and other solutions not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 실시예에 따른 분포궤환형 레이저 다이오드는, InP 기판; 상기 InP 기판의 상부로부터 각각 순차적으로 결정성장되는 회절격자층, 하부 SCH(Seperate Confinement Heterostructure)층, 활성층, 상부 SCH층, p-InP층 및 p-InGaAs층; 상기 p-InP층으로부터 하향 방향으로 미리 설정된 폭을 갖도록 형성된 메사(mesa)의 측면 주위에 매립되는 주입 전류 차단층; 상기 InP기판의 하부 및 상기 p-InGaAs층의 상부에 각각 형성되는 n-전극 및 p-전극; 및 일측의 전면 출력면 및 타측의 후면 출력면에 각각 형성되는 무반사막 및 고반사막;을 포함하고, 상기 회절격자층은 상기 전면 출력면으로부터 상기 후면 출력면까지의 방향으로 정의되는 길이방향을 따라 복수 개의 회절격자를 포함하되, 상기 회절격자는 그 단면적 및 상기 활성층과의 거리가 선택 영역 결절성장 방법에 의하여 가변된다.A distributed feedback laser diode according to an embodiment of the present invention includes an InP substrate; A diffraction grating layer, a bottom SCH, an active layer, an upper SCH layer, a p-InP layer, and a p-InGaAs layer, which are sequentially grown from the top of the InP substrate; An injection current blocking layer buried around the side surface of the mesa formed so as to have a predetermined width in the downward direction from the p-InP layer; An n-electrode and a p-electrode respectively formed on the lower portion of the InP substrate and the upper portion of the p-InGaAs layer; And an anti-reflection film and a high reflection film respectively formed on a front output face of one side and a rear output face of the other side, wherein the diffraction grating layer is formed along a longitudinal direction defined by a direction from the front output face to the rear output face Wherein a cross-sectional area of the diffraction grating and a distance between the diffraction grating and the active layer are varied by a selective region nodule growth method.

상기 후면 출력면 및 상기 전면 출력면 사이의 거리는 L로 정의되고, 상기 회절격자에 의한 광궤환 계수는 후면 출력면 근처에서 최대가 되고, 상기 후면 출력면으로부터 상기 전면 출력면 방향으로 0.5L 내지 0.6L 중 어느 한 부분에서는 최소가 되는 것이 바람직하다.Wherein the distance between the rear output surface and the front output surface is defined as L, the optical feedback coefficient by the diffraction grating is maximized near the rear output surface, and the distance from the rear output surface to the front output surface is from 0.5L to 0.6 It is preferable that it is the minimum in any one of the portions.

상기 활성층은 InGaAsP 또는 InGaAlAs 조성의 배리어층 및 InGaAsP 또는 InGaAlAs 조성의 양자 우물층을 포함하되, 상기 배리어층 및 상기 양자 우물층이 5 내지 10회 반복적으로 적층된 다중 양자 우물 구조인 것이 바람직하다.Preferably, the active layer is a multiple quantum well structure including a barrier layer of InGaAsP or InGaAlAs composition and a quantum well layer of InGaAsP or InGaAlAs composition, wherein the barrier layer and the quantum well layer are repeatedly deposited five to ten times.

상기 후면 출력면에 인접한 영역에는 회절격자가 형성되지 않고, n-InP층이 채워지는 것이 바람직하다.The diffraction grating is not formed in the region adjacent to the rear output surface, and the n-InP layer is filled.

상기 주입 전류 차단층은 p-InP층 및 n-InP층을 포함하는 것이 바람직하다.The injection current blocking layer may include a p-InP layer and an n-InP layer.

상기 주입 전류 차단층은 Fe 또는 Ru를 도핑(doping)하여 반절연 특성을 갖는 InP층인 것이 바람직하다.It is preferable that the injection current blocking layer is an InP layer having semi-insulating properties by doping Fe or Ru.

상기 회절격자층의 밴드갭 에너지는 상기 활성층의 밴드갭 에너지보다 0.1eV 이상 높도록 조정되는 것이 바람직하다.The band gap energy of the diffraction grating layer is preferably adjusted to be 0.1 eV or more higher than the band gap energy of the active layer.

상기 회절격자층의 밴드캡 에너지는 상기 활성층의 밴드갭 에너지보다 작거나 또는 0.1eV 이하로 크도록 조정되는 것이 바람직하다.The band cap energy of the diffraction grating layer is preferably adjusted to be smaller than or equal to 0.1 eV or less than the band gap energy of the active layer.

상기 회절격자층은 벌크(Bulk)형 또는 다중 양자 우물형으로 형성되는 것이 바람직하다.It is preferable that the diffraction grating layer is formed in a bulk type or a multiple quantum well type.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 분포궤환형 레이저 다이오드는 n-InP 기판 상에 회절격자층, 하부 SCH층, 활성층, 상부 SCH층, p-InP층, p-InGaAs층이 결정성장 되고 uniform grating을 가지는 1310nm 파장 발진 DFB 레이저 다이오드에 관한 것으로, 상기 DFB 레이저 다이오드는 폭 1~2um의 메사(mesa) 주위를 주입 전류 차단용 p-InP층과 n-InP층으로 매립한 후 p-InP층, p-InGaAs층으로 평탄화한 PBH 구조를 가지며, 상기 DFB 레이저에서 활성층은 InGaAsP 또는 InGaAlAs 조성의 barrier 층과 양자 우물층이 5~10회 반복 적층된 다중 양자 우물 구조로서 광이득 파장은 1310nm 부근이며 InGaAsP 조성의 회절격자층은 밴드갭 에너지가 1.08eV 부근으로서 활성층보다 0.1eV 이상 높은 밴드갭 에너지를 가지며, 상기 DFB 레이저 다이오드에는 전면 출력면에 반사율이 5% 이하인 무반사막과 후면 출력면에 반사율이 90% 이상인 고반사막이 각각 형성되고, n-InP 기판 하부에 n-전극과 p-InGaAs 층 상부에 p-전극이 각각 구비되어 있고, 상기 DFB 레이저 다이오드는 공진기 길이 L이 300um 부근이고 후면 출력면에서 전면 출력면쪽으로 가는 공진기 길이 방향으로 1900nm 부근의 주기를 가지는 회절격자의 단면적과 활성층과의 거리가 선택 영역 결정성장(SAG) 방법에 의해 가변되어 회절격자에 의한 광궤환 계수가 후면 출력면 부근에서는 100/cm로 최대가 되고 공진기의 중간(0.5L) 또는 0.6L 부근에서는 25/cm로 최소가 되며 다시 전면 출력면 부근에서는 50/cm로 연속적으로 가변한다.In addition, a distributed feedback laser diode according to an embodiment of the present invention includes a diffraction grating layer, a lower SCH layer, an active layer, an upper SCH layer, a p-InP layer, and a p-InGaAs layer on the n- InP doped p-InP layer and n-InP layer are formed on the p-InP layer and the p-InP layer, respectively. and a p-InGaAs layer. In the DFB laser, the active layer is a multi-quantum well structure in which a barrier layer and a quantum well layer of InGaAsP or InGaAlAs composition are repeatedly laminated five to ten times. The optical gain wavelength is about 1310 nm The diffraction grating layer of the InGaAsP composition has a band gap energy of about 1.08 eV and a band gap energy of 0.1 eV or more higher than that of the active layer. The DFB laser diode has an anti-reflection film having a reflectance of 5% And a p-electrode is provided above the n-InP substrate and the p-InGaAs layer, respectively. The DFB laser diode has a resonator length L of about 300 [mu] m, The cross sectional area of the diffraction grating having a period of about 1900 nm in the length direction of the resonator from the output face to the front output face is varied by the selective area crystal growth (SAG) method and the optical feedback coefficient by the diffraction grating is changed to the rear output The maximum is 100 / cm in the vicinity of the surface, 25 / cm in the middle (0.5L) or 0.6L of the resonator, and continuously changes to 50 / cm in the vicinity of the front output surface.

후면 출력면에 인접한 20~30um 영역에 회절격자를 형성하지 않고 n-InP 층으로 채울 수 있다. The n-InP layer can be filled without forming a diffraction grating in the 20 to 30 um region adjacent to the rear output surface.

활성층과 회절격자층의 밴드갭 에너지를 조정하고 회절격자의 주기를 조정하여 발진 파장을 1260~1630nm 사이로 조정할 수 있다. The oscillation wavelength can be adjusted between 1260 and 1630 nm by adjusting the band gap energy of the active layer and the diffraction grating layer and adjusting the period of the diffraction grating.

공진기 길이를 200~300um 사이로 조정할 수 있다. The resonator length can be adjusted between 200 and 300 μm.

주입 전류 차단용 p-InP층과 n-InP층 대신에 Fe 또는 Ru을 doping하여 반절연 특성을 가지는 InP층으로 대체할 수 있다.Instead of the p-InP layer for injecting current blocking and the n-InP layer, Fe or Ru may be doped to replace the InP layer having semi-insulating properties.

회절격자층의 밴드갭 에너지를 활성층의 밴드갭 에너지 보다 작거나 0.1eV 이하로 크도록 조정하여 complex coupled grating 특성이 나타나도록 할 수 있다.The bandgap energy of the diffraction grating layer may be adjusted to be less than or equal to 0.1 eV below the band gap energy of the active layer to exhibit complex coupled grating characteristics.

회절격자층을 bulk형 또는 다중 양자 우물형으로 제작할 수 있다.The diffraction grating layer can be fabricated in a bulk or multiple quantum well structure.

PBH의 단면 구조에서 공진기를 중심으로 좌우 10um 이하의 폭 부분만 남기고 나머지 영역을 p-전극부터 n-InP 기판 상부의 일부까지 식각, 제거할 수 있다.In the cross-sectional structure of the PBH, the remaining region can be etched and removed from the p-electrode to a portion of the upper portion of the n-InP substrate while leaving only a width of less than 10 .mu.m left and right around the resonator.

본 발명의 일 실시예에 따른 분포궤환형 레이저 다이오드의 제조 방법은 (a) InP 기판 상에 SiO2 또는 Si3N4 유전체로 형성되고 그 폭이 가변하도록 형성된 박막마스크 2개를 미리 설정된 간격(G)만큼 상호 이격하여 배치하는 단계; (b) 선택 영역 결정 성장(Selective Area Growth; SAG) 방법을 이용하여 상기 박막 마스크의 폭에 기초하여 InGaAsP층, n-InP층 및 InGaAsP층을 결정 성장시키는 단계; (c) 광학적 홀로그램 방법을 이용하여 상기 InGaAsP층을 부분 식각하여 상호 다른 두께를 갖는 복수 개의 회절격자를 형성하는 단계; (d) 상기 회절격자를 n-InP층으로 매립하여 평탄화하는 단계; 및 (e) 상기 n-InP층 위에 하부 SCH(Separate Confinement Heterostructure)층, 활성층, 상부 SCH층 및 p-InP층의 일부를 순차적으로 형성하는 단계;를 포함한다.A method of manufacturing a distributed feedback laser diode according to an embodiment of the present invention comprises the steps of: (a) forming two thin film masks formed of SiO 2 or Si 3 N 4 dielectric on an InP substrate so as to have a variable width, G; (b) crystal growth of an InGaAsP layer, an n-InP layer and an InGaAsP layer based on a width of the thin film mask using a selective area growth (SAG) method; (c) partially etching the InGaAsP layer using an optical hologram method to form a plurality of diffraction gratings having different thicknesses; (d) filling the diffraction grating with an n-InP layer to planarize the diffraction grating; And (e) sequentially forming a lower SCH (Separate Confinement Heterostructure) layer, an active layer, an upper SCH layer, and a part of the p-InP layer on the n-InP layer.

상기 (e) 단계 이후에는, (f) 상기 p-InP층으로부터 하향 방향으로 미리 설정된 폭을 갖는 메사(mesa)를 식각으로 형성하는 단계; 및 (g) 상기 메사(mesa)의 측면 주변을 주입 전류 차단층으로 매립한 후, 상측에 p-InP층 및 p-InGaAs층을 결정성장시켜 평탄화하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.(F) forming a mesa having a predetermined width in a downward direction from the p-InP layer by etching; And (g) planarizing the p-InP layer and the p-InGaAs layer by crystallizing the p-InP layer and the p-InGaAs layer on the upper side after filling the periphery of the mesa with the injection current blocking layer.

상기 (g) 단계 이후에는, (h) 상기 InP 기판의 하부 및 상기 p-InGaAs층의 상부에 각각 n-전극 및 p-전극을 형성시키고, 전면출력면 및 후면출력면에 각각 반사율 5% 이하의 무반사막 및 반사율 90% 이상의 고반사막을 증착하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.In step (g), (h) an n-electrode and a p-electrode are formed on the lower portion of the InP substrate and the p-InGaAs layer, respectively, and a reflectance of 5% or less And a high reflective film having a reflectance of 90% or more.

본 발명의 일 실시예에 따른 분포궤환형 레이저 다이오드 및 이의 제조 방법은 공진기 길이 방향의 광자 밀도 분포와 전하 밀도 분포를 최대한 평탄화시킴으로써 전/광 변환 효율이 높고 일정하여 고속 변조에 유리하고, 고속 변조시에도 변조 선폭(chirping)이 좁고 변조 파형의 distortion이 작아 장거리 전송에 유리하며, 단일 파장 발진 안정성도 높은 이점이 있다.The distributed feedback laser diode and the method for fabricating the same according to an embodiment of the present invention are advantageous for high-speed modulation because the photon density distribution and the charge density distribution in the length direction of the resonator are maximally planarized, It is advantageous for long-distance transmission because the modulation line width is narrow and the distortion of the modulation waveform is small, and the single wavelength oscillation stability is also high.

또한, 90도 phase shift 영역 없이 격자 주기가 일정한 uniform grating은 광학적 hologram 방식으로 제작할 수 있어 제작 장비가 간단하고 DFB 레이저 다이오드의 양산에 적합한 경제적 이점이 있다.In addition, uniform grating with constant grating period without 90 ° phase shifting region can be manufactured by optical hologram method, so it is simple to manufacture and it is economically advantageous for mass production of DFB laser diode.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned may be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 일반적인 uniform 회절격자의 분포궤환형 레이저 다이오드의 수직 구조도이다.
도 2는 일반적인 PBH(Planar Burried Heterostructure)형 분포궤환형 레이저 다이오드의 단면도이다.
도 3(a)는 일반적인 분포궤환형 레이저 다이오드의 공진기 길이 방향에 따른 광궤환계수(k)를 도시한 그래프이고, 도 3(b)는 공진기 길이 방향에 따른 광자밀도 및 전하밀도를 도시한 그래프이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 분포궤환형 레이저 다이오드의 일 구현예의 수직 구조도이다.
도 5(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 분포궤환형 레이저 다이오드의 공진기 길이 방향에 따른 광궤환계수(k)를 도시한 그래프이고, 도 5(b)는 공진기 길이 방향에 따른 광자밀도 및 전하밀도를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분포궤환형 레이저 다이오드의 일 구현예의 수직 구조 제작 방법을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 분포궤환형 레이저 다이오드의 다른 구현예의 수직 구조도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 분포궤환형 레이저 다이오드의 다른 구현예의 수직 구조 제작 방법을 도시한 도면이다.
1 is a vertical structure view of a distributed feedback laser diode of a general uniform diffraction grating.
2 is a cross-sectional view of a general PBH (Planar Buried Heterostructure) type distributed feedback laser diode.
3 (a) is a graph showing the optical feedback coefficient k in accordance with the longitudinal direction of the resonator of a general distributed feedback type laser diode. FIG. 3 (b) is a graph showing the photon density and the charge density along the length direction of the resonator to be.
4 is a vertical structure view of an embodiment of a distributed feedback laser diode according to an embodiment of the present invention.
5 (a) is a graph showing the optical feedback coefficient k along the longitudinal direction of the resonator of the distributed feedback laser diode according to the embodiment of the present invention, and Fig. 5 (b) And charge density.
6 is a diagram illustrating a vertical structure fabrication method of an embodiment of a distributed feedback laser diode according to an embodiment of the present invention.
7 is a vertical structure view of another embodiment of a distributed feedback laser diode according to an embodiment of the present invention.
8 is a view illustrating a vertical structure manufacturing method of another embodiment of the distributed feedback laser diode according to the embodiment of the present invention.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the like elements throughout.

또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail. It is to be noted that the accompanying drawings are only for the purpose of facilitating understanding of the present invention, and should not be construed as limiting the scope of the present invention with reference to the accompanying drawings.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 분포궤환형 레이저 다이오드 및 분포궤환형 레이저 다이오드 제조 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다. 분포궤환형(Distributed Feedback) 레이저의 발진 파장은 회절격자의 주기에 의해 결정되는데 본 발명에서는 1310nm를 기준으로 설명하고자 하며 다른 파장의 DFB 레이저 제작에도 본 발명의 기술이 동일하게 적용될 수 있다.Hereinafter, a distributed feedback laser diode and a distributed feedback laser diode manufacturing method according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The oscillation wavelength of the distributed feedback laser is determined by the period of the diffraction grating. In the present invention, the description is made on the basis of 1310 nm, and the technique of the present invention can be similarly applied to fabrication of DFB lasers of different wavelengths.

도 1은 일반적인 uniform 회절격자를 가지는 분포궤환형 레이저의 공진기 길이 방향의 수직 구조도이며, n-InP 기판(11) 상에 결정성장된 회절격자층, 하부 SCH(separate confinement heterostructure)층(14), 활성층(17), 상부 SCH층(18), p-InP층(19), p-InGaAs층(20)을 보여준다. 1 shows a vertical structure of a distributed feedback laser having a general uniform diffraction grating in the longitudinal direction of a resonator. The diffraction grating layer, the lower SCH (separate confinement heterostructure) layer 14, The active layer 17, the upper SCH layer 18, the p-InP layer 19, and the p-InGaAs layer 20 are shown.

1310nm 파장에 대해 광 이득 매질의 역할을 하는 활성층(17)은 10nm 이하의 두께를 갖는 InGaAsP 또는 InGaAlAs 배리어(barrier)층(15)과 5nm 이하의 두께를 갖는 InGaAsP 또는 InGaAlAs 양자 우물층(16)이 5~10회 반복 적층된 다중 양자 우물 구조를 가지며 각각 n형, p형이며 50~100nm 두께를 가지는 InGaAsP 또는 InGaAlAs의 하부, 상부 SCH층(14)(18)과 함께 공진기의 광도파로 코어를 구성한다. The active layer 17 serving as an optical gain medium with respect to the 1310 nm wavelength is formed of an InGaAsP or InGaAlAs barrier layer 15 having a thickness of 10 nm or less and an InGaAsP or InGaAlAs quantum well layer 16 having a thickness of 5 nm or less The optical waveguide core of the resonator is constituted together with the lower SCH layer 14 (18) of InGaAsP or InGaAlAs having n-type, p-type and 50-100 nm thick layers each having a multiple quantum well structure repeated five to ten times do.

회절격자층은 n-InP 기판(11)에 n-InP층(12)과 밴드갭 에너지가 1.08eV 부근인 InGaAsP층(13)을 성장시킨 후, 광학적 hologram 방식을 이용하여 주기가 190nm 부근이 되도록 InGaAsP층(13)을 부분 식각하고, 다시 n-InP층(12)으로 덮은 것이다. In the diffraction grating layer, an n-InP layer 12 and an InGaAsP layer 13 having a band gap energy of about 1.08 eV are grown on the n-InP substrate 11, and then an optical hologram system is used to set the period to about 190 nm The InGaAsP layer 13 is partly etched and covered with the n-InP layer 12 again.

회절격자층에는 복수 개의 회절격자가 형성되는데, 이러한 회절격자(13)의 두께는 일반적으로 20~50nm이며, 회절격자 상부의 n-InP 층(12)의 두께는 100~200nm이다. 특히, 회절격자(13)는 광학적 hologram 방식을 사용하여 제작되는데, 이 경우 간단한 장비로 회절격자의 제작이 가능하여 양산성 측면에서 우수한 점이 있으나, phase shift 영역의 삽입 또는 회절격자의 세기의 가변은 불가하다. A plurality of diffraction gratings are formed in the diffraction grating layer. The thickness of the diffraction grating 13 is generally 20 to 50 nm, and the thickness of the n-InP layer 12 on the diffraction grating is 100 to 200 nm. Particularly, the diffraction grating 13 is manufactured using an optical hologram method. In this case, it is possible to fabricate a diffraction grating with simple equipment, which is superior in terms of mass production. However, the insertion of the phase shift region or the variation of the intensity of the diffraction grating It is impossible.

수직 구조 성장이 완료된 분포궤환형 레이저 다이오드는 n-전극(21)과 p-전극(22)를 형성한 후 전면 출력면에 반사율 5% 이하의 무반사막(23)과 후면 출력면에 반사율 90% 이상의 고반사막(24)을 증착함으로써 DFB 레이저의 광출력이 대부분 전면 출력면을 통하여 출력되도록 한다. After the formation of the n-electrode 21 and the p-electrode 22, the distributed feedback laser diode having the vertical structure growth has a reflectance of 90% at the front output face and an anti-reflection film 23 having a reflectance of 5% The high reflection film 24 is vapor deposited so that the optical output of the DFB laser is mostly output through the front output surface.

도 2는 일반적인 PBH(planar buried heterostructure)형 분포궤환형 레이저 다이오드의 단면도로서 n-전극(21)과 p-전극(22)를 통해 주입된 전하가 좁은 폭(W)의 활성층(17)으로만 주입될 수 있도록 주위를 p-InP 층(31)과 n-InP 층(32)으로 매립한 것을 보여준다. 참고로, 도 1에 도시된 일반적인 uniform 회절격자를 가지는 분포궤환형 레이저 다이오드의 공진기 길이 방향의 수직 구조도는 도 2의 A-A’ 면에 해당한다. 2 is a cross-sectional view of a general planar buried heterostructure (PBH) type distributed feedback laser diode, in which only the active layer 17 with a narrow width W injected through the n-electrode 21 and the p- InP layer 31 and n-InP layer 32 are buried so as to be injected. For reference, a vertical structure of a distributed feedback laser diode having a general uniform diffraction grating shown in FIG. 1 in the longitudinal direction of the resonator corresponds to the plane A-A 'in FIG.

일반적인 PBH형 분포궤환형 레이저 다이오드의 제작 순서는 1차 결정 성장으로 회절격자(13)을 형성하고 2차 결정 성장으로 p-InP 층(19) 일부까지 제작한 후 1~2um 폭(W)을 가진 메사(mesa)를 식각으로 형성한다. 3차 결정 성장으로 메사 주위를 p-InP 층(31)과 n-InP 층(32)으로 매립한 후 4차 결정 성장시 p-InP 층(19)와 p-InGaAs 층(20)으로 평탄화(planar)한다. 여기에서 주입 전하 차단용 p-InP 층(31)과 n-InP 층(32)은 반절연(semi insulating) InP 층으로 대체될 수 있다. A general PBH type distributed feedback laser diode is fabricated by forming a diffraction grating 13 by primary crystal growth and fabricating up to a portion of the p-InP layer 19 by secondary crystal growth, The mesa is formed by etching. The mesa is buried with the p-InP layer 31 and the n-InP layer 32 by the third crystal growth, and then the p-InP layer 19 and the p-InGaAs layer 20 are planarized planar). Herein, the p-InP layer 31 and the n-InP layer 32 for injecting charge blocking can be replaced with semi-insulating InP layers.

상술한 PBH형 분포궤환형 레이저 다이오드의 구조는 활성층(17)에 대한 전류 주입 효율이 좋고 레이저의 단일 횡모드 동작 안정성이 높아, 광학적 hologram 방식에 의한 회절격자 제작과 더불어 통상의 광통신용 분포궤환형 레이저 다이오드의 제작에 많이 사용되고 있으며 본 발명에서도 동일한 구조와 방식을 채용한다.The structure of the above-described PBH type distributed feedback type laser diode has good current injection efficiency for the active layer 17 and high stability of the single transverse mode operation of the laser. In addition to the fabrication of the diffraction grating by the optical hologram method, Is widely used in the fabrication of laser diodes and adopts the same structure and method in the present invention.

도 3은 일반적인 uniform 회절격자를 가지는 분포궤환형 레이저 다이오드에서 공진기 길이 방향에 따른 회절격자의 광궤환 계수(k), 광자 밀도 및 전하 밀도의 분포 곡선을 보여준다. FIG. 3 shows a distribution curve of the optical feedback coefficient (k), photon density and charge density of a diffraction grating along the longitudinal direction of the resonator in a distributed feedback laser diode having a general uniform diffraction grating.

고반사막(24)과 무반사막(23) 사이의 거리를 L로 정의하면 이것이 레이저 공진기 길이가 된다. 일반적인 분포궤환형 레이저 다이오드와 같이, 공진기 길이 L = 300um, 고반사막(24)의 반사율 = 90%, 무반사막(23)의 반사율 = 1%, k*L(회절격자의 광궤환 계수(k)에 공진기 길이(L)를 곱한 값) = ~1.5인 조건으로 제작되는 것을 고려하면, 회절격자의 광궤환 계수 k는 공진기 길이 L 전체에 걸쳐 50/cm의 일정한 값을 갖는다. When the distance between the high reflection film 24 and the anti-reflection film 23 is defined as L, this is the length of the laser resonator. The reflectance of the high reflection film 24 = 90%, the reflectivity of the reflection-free film 23 = 1%, k * L (the optical feedback coefficient k of the diffraction grating) (L)) = ~ 1.5, the optical feedback coefficient k of the diffraction grating has a constant value of 50 / cm over the length L of the resonator.

공진기 내부의 광자밀도 분포는 고반사막(24)과 무반사막(23) 때문에 0.6L 부근에서 최대가 되고 고반사막(24)이 있는 L=0에서 최소가 되어 최대/최소 비율이 2가 넘는다. 공진기 내부의 전하 밀도는 주입된 전하가 유도 방출에 의해 소모된 후의 잔량을 의미하며 유도 방출이 광자 밀도에 비례하므로 항상 광자 밀도 분포 곡선의 역상(상하 반전)의 분포 곡선을 가진다. The photon density distribution inside the resonator becomes maximum at around 0.6 L due to the high reflection film 24 and the anti-reflection film 23, becomes minimum at L = 0 with the high reflection film 24, and the maximum / minimum ratio exceeds 2. The charge density inside the resonator means the residual amount after the injected charge is consumed by the induced discharge, and since the induced emission is proportional to the photon density, it always has the distribution curve of the reverse phase (upside down) of the photonic density distribution curve.

따라서, 0.6L 부근의 최대 광자 밀도 분포는 이 영역에서 전하의 과소모를 유발하는데 반해 인접 공진기 영역으로부터의 전하 보충이 원활하지 못하고 특히 이동도가 낮은 hole(전공)의 보충이 지연되어 hole 과부족 영역인 spatial hole burning(SHB) 영역을 유발하는 것을 확인할 수 있다.Therefore, the maximum photon density distribution near 0.6L induces a small amount of charge in this region, but the charge replenishment from the adjacent resonator region is not smooth, especially the filling of the hole with a low mobility is delayed, and the spatial hole burning (SHB) region.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분포궤환형 레이저 다이오드의 일 구현예의 수직 구조도가 도시되어 있으며, 공진기 길이 방향으로 회절격자(43)의 광궤환 계수가 가변되도록 회절격자의 세기를 조정하는 것을 특징으로 한다. 즉, 종래의 uniform 회절격자를 구비하는 분포궤환형 레이저 다이오드에서 발생하는 광자 밀도 분포 곡선을 기준으로 역상의 광궤환 계수 곡선을 가지도록 함으로써 광자 밀도 분포와 전하 밀도 분포를 평탄화하여 spatial hole burning의 발생을 완화시키는 원리이다.4 is a vertical structural view of an embodiment of a distributed feedback laser diode according to an embodiment of the present invention and shows an example of adjusting the intensity of the diffraction grating so that the optical feedback coefficient of the diffraction grating 43 varies in the longitudinal direction of the resonator . That is, by making the optical feedback coefficient curve of the reverse phase based on the photon density distribution curve generated in the distributed feedback laser diode having the conventional uniform diffraction grating, the photon density distribution and the charge density distribution are flattened, .

여기서 회절격자의 광궤환 계수를 결정하는 회절격자의 세기는 회절격자의 유효 굴절률 변화량과 회절격자와 활성층 사이의 간격을 조정함으로써 가변할 수 있다. 회절격자의 유효 굴절률 변화량은 굴절률이 낮은 n-InP층(42)에 매립된 회절격자 형상의 굴절률이 높은 InGaAsP층(43)의 단면적에 비례하므로 단면적을 크게 하거나 회절격자(43)와 활성층(17) 사이의 간격을 좁힘으로써 회절격자의 세기를 크게 할 수 있으며 이로 인하여 광궤환 계수 또한 증가시킬 수 있다. 반대로 회절격자(43)의 단면적을 작게 하거나 또는 회절격자(43)와 활성층(17) 사이의 간격을 넓힌 구간에서는 광궤환 계수가 작아지게 된다.Here, the intensity of the diffraction grating for determining the optical feedback coefficient of the diffraction grating can be varied by adjusting the effective refractive index variation of the diffraction grating and the interval between the diffraction grating and the active layer. The effective refractive index variation of the diffraction grating is proportional to the cross sectional area of the InGaAsP layer 43 having a high refractive index in the form of a diffraction grating buried in the n-InP layer 42 having a low refractive index, so that the sectional area is increased or the diffraction grating 43 and the active layer 17 The intensity of the diffraction grating can be increased and the optical feedback coefficient can also be increased. Conversely, in a section where the cross-sectional area of the diffraction grating 43 is reduced or the interval between the diffraction grating 43 and the active layer 17 is widened, the optical feedback coefficient becomes small.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분포궤환형 레이저 다이오드의 공진기 길이 방향에 따른 광궤환 계수 k, 광자 밀도 및 전하 밀도 분포 곡선을 도시하고 있으며 일반적인 uniform 회절격자를 구비하는 분포궤환형 레이저 다이오드에서 발생하는 광자 밀도 분포 곡선에 대해 역상의 광궤환 계수 곡선을 가지는 것이 특징이다. 구체적으로, 광자 밀도가 최소인 후면 고반사면에서는 k = 100/cm, 광자 밀도가 최대인 0.6L에서는 k = 25/cm이고 저반사면에서는 k = 50/cm로서 완만한 곡선을 그리게 하여 평균적인 k 값이 종래와 동일하게 50/cm 부근을 유지하도록 한다. FIG. 5 is a graph showing the optical feedback coefficient k, the photon density, and the distribution of charge density according to the longitudinal direction of the resonator of the distributed feedback laser diode according to an embodiment of the present invention. In FIG. 5, a distributed feedback laser diode And has an optical feedback coefficient curve of a reverse phase with respect to a photon density distribution curve generated in the optical fiber. Specifically, k = 25 / cm at the maximum photon density of 0.6L and k = 50 / cm at the lowest photon density, k = 100 / Value is maintained at about 50 / cm as in the conventional case.

상술한 바와 같이, 가변되는 광궤환 계수에 의해 공진기 내부의 광자 밀도 분포 곡선은 도 5의 (b)와 같이 최대와 최소 사이의 비율이 1.4배 이하가 되어 전하 밀도 곡선에서 spatial hole burning(SHB) 영역의 발생이 억제되거나 spatial hole burning 정도가 크게 완화되게 된다.As described above, the photon density distribution curve in the resonator due to the variable optical feedback coefficient has a spatial hole burning (SHB) in the charge density curve as the ratio between the maximum and minimum is 1.4 times or less as shown in FIG. 5 (b) Area generation is suppressed or spatial hole burning is greatly mitigated.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분포궤환형 레이저 다이오드의 제작 방법을 도시하고 있으며, 선택 영역 결정 성장(selective area growth; SAG) 방법을 이용한 가변 광궤환 계수를 가지는 회절격자(43)의 구현이 특징이다. 6 illustrates a method of fabricating a distributed feedback laser diode according to an embodiment of the present invention. The method includes forming a diffraction grating 43 having a variable optical feedback coefficient using a selective area growth (SAG) The implementation is characterized.

도 6의 (a)는 SAG를 위한 mask 형상의 수평도로서 InP 기판(11) 상에 형성된 100~300nm 두께의 SiO2 또는 Si3N4 유전체 박막 mask(51) 2개가 10~20um 간격(G)를 두고 배치되어 있으며 mask 폭(V)이 대칭적으로 가변하고 있다. SAG는 유기 금속 화학 증착 장비(MOCVD)를 사용하여 결정 성장을 할 때 mask(51) 사이의 개구부(G)에서의 성장 속도가 mask 폭(V)에 비례하여 증가하는 원리를 이용하는 것으로 (a)와 같은 mask는 (b)와 같은 가변 두께의 InGaAsP층(41), n-InP층(42) 및 InGaAsP층(43)의 성장을 유도한다. 6A is a horizontal view of a mask shape for the SAG. Two SiO 2 or Si 3 N 4 dielectric thin film masks 100 having a thickness of 100 to 300 nm formed on the InP substrate 11 are spaced apart at intervals of 10 to 20 μm (G ), And the mask width V is symmetrically variable. The SAG utilizes the principle that the growth rate in the opening G between the masks 51 increases in proportion to the mask width V when the crystal growth is performed using the metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) apparatus (a) Mask induces the growth of the InGaAsP layer 41, the n-InP layer 42 and the InGaAsP layer 43 of variable thickness as in (b).

mask 폭(V)의 최소값을 20um 부근으로 하고 최대값을 80um 부근으로 하여 각각 0.6L 위치와 L=0(후면 출력면) 위치에 배치할 경우 L=0(후면 출력면) 위치의 층 두께가 0.6L 위치의 층 두께보다 ~1.6배 커지며, mask 폭(V)의 최대값을 120um로 확대할 경우 두께 비는 ~2배가 된다. 여기서 (a)의 개구부(G) 사이의 점선은 폭 1~2um, 길이(L) 300um인 공진기 영역을 표시하며 회절격자가 형성될 InGaAsP층(43)의 밴드갭 에너지는 전술한 바와 같이 1.08eV 부근이다. When the minimum value of the mask width (V) is set to about 20um and the maximum value is set to about 80um and placed at positions 0.6L and L = 0 (rear output face), the layer thickness at the position L = 0 (rear output face) 0.6 times larger than the layer thickness at 0.6 L, and when the maximum value of the mask width (V) is increased to 120 μm, the thickness ratio is ~ 2 times. The dotted line between the openings G in (a) represents a resonator region having a width of 1 to 2 um and a length L of 300 um and the band gap energy of the InGaAsP layer 43 on which the diffraction grating is to be formed is 1.08 eV It is near.

도 6의 (c)는 광학적 hologram 방식을 이용하여 주기가 190nm 부근이 되도록 InGaAsP층(43)을 부분적으로 식각하여 회절격자를 형성한 것으로 0.6L 부근에서 두께가 20~50nm로 가장 얇으며 가장자리 쪽으로 갈수록 두꺼워 져서 회절격자의 단면적이 커진다. 6C shows a diffraction grating formed by partially etching the InGaAsP layer 43 so that the period becomes about 190 nm by using an optical hologram method. The diffraction grating is formed by thinning the InGaAsP layer 43 to a thickness of about 20 to 50 nm The cross section of the diffraction grating increases.

도 6의 (d)는 2차 결정 성장에 의해 회절격자(43)를 n-InP층(42)으로 매립, 평탄화하고 연속으로 하부 SCH층(14), 활성층(17), 상부 SCH층(18) 및 p-InP(19) 일부를 형성하는 것을 보여 준다. 여기서 회절격자(43)을 매립하고 표면을 평탄화하는 n-InP층(42)의 두께가 100~200nm이므로 L=0(후면 출력면) 위치에서의 회절격자의 세기를 강화하기 위해 가변 두께를 가지며 굴절률이 높은 InGaAsP층(41)을 부가하여 레이저 광의 횡모드 크기를 확대한다. 6D shows a state in which the diffraction grating 43 is buried and planarized by the n-InP layer 42 by the secondary crystal growth and the lower SCH layer 14, the active layer 17, the upper SCH layer 18 ) And p-InP (19). In this case, since the thickness of the n-InP layer 42 for embedding the diffraction grating 43 and planarizing the surface is 100 to 200 nm, it has a variable thickness to strengthen the intensity of the diffraction grating at the position of L = 0 (rear output surface) The InGaAsP layer 41 having a high refractive index is added to increase the transverse mode size of the laser light.

도 6의 (d)에서 표시된 2차 결정 성장 이후에는 메사(mesa) 형성, 전류 차단층의 3차 결정 성장 및 평탄화(planar) 4차 결정 성장 등이 이루어지며, 이러한 과정은 전술한 PBH 구조의 분포궤환형 레이저 다이오드의 제작과 동일하므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.After the secondary crystal growth shown in (d) of FIG. 6, mesa formation, third-order crystal growth of the current blocking layer, and planar fourth-order crystal growth are performed. The same as the production of the distributed feedback laser diode, so that a detailed description thereof will be omitted.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 분포궤환형 레이저 다이오드의 다른 구현예의 수직 구조도가 도시되어 있으며, 구체적으로 고반사막(24)이 형성된 후면 출력면에 인접한 영역에는 회절격자가 형성되지 않는 것을 특징으로 한다.7 is a vertical structural view of another embodiment of a distributed feedback laser diode according to an embodiment of the present invention. Specifically, a diffraction grating is not formed in a region adjacent to the rear output surface on which the high reflective film 24 is formed .

일반적으로 uniform 회절격자를 갖는 분포궤환형 레이저 다이오드의 경우, 발진 파장(DFB 모드)은 전, 후면 출력면에서의 회절격자의 위상의 조합에 의해 결정되는데 특히 고반사막이 형성된 후면 출력면에서의 회절격자의 위상에 따라 대부분 좌우되며, 이는 분포궤환형 레이저 다이오드를 양산할 때 동일한 제작 조건이라도 2개의 DFB 모드 발진, +1차 DFB 모드 발진, -1차 DFB 모드 발진 및 +1차와 -1차 사이의 gap 모드 발진 등으로 분산되는 되는 시험 결과로부터 알 수 있다. Generally, in the case of a distributed feedback laser diode with an uniform diffraction grating, the oscillation wavelength (DFB mode) is determined by the combination of the phases of the diffraction gratings on the front and rear output planes, It is mainly dependent on the phase of the grating, which can produce two distributed feedback laser diodes, two DFB mode oscillations, a first order DFB mode oscillation, a first order DFB mode oscillation, a first order DFB mode oscillation, A gap mode oscillation or the like.

따라서 후면 출력면에 인접한 영역, 즉 후면 출력면에 인접한 길이(N) 20~30um 영역에 회절격자를 형성하지 않음으로써 후면 출력면에서의 회절격자의 위상값의 영향을 차단하여 레이저 발진 모드를 안정화시킬 수 있다. Therefore, the diffraction grating is not formed in the region (20 to 30 μm) of the length (N) adjacent to the rear output surface, that is, the rear output surface, thereby stabilizing the laser oscillation mode by blocking the influence of the phase value of the diffraction grating on the rear output surface .

여기서 회절격자가 형성되지 않는 부분의 길이(N)는 20~30um로서 전체 공진기 길이의 10% 이하이므로, 도 5에 도시된 광궤환 계수 k, 광자 밀도 및 전하 밀도 분포 곡선 특성은 유사하게 유지되어 SHB 완화 효과를 확보함과 동시에 레이저 발진 모드의 안정화 효과를 얻을 수 있다.Here, the length N of the portion where the diffraction grating is not formed is 20 to 30 um, which is 10% or less of the entire length of the resonator, so that the optical feedback coefficient k, photon density and charge density distribution curve characteristics shown in FIG. The SHB relaxation effect can be ensured and the stabilization effect of the laser oscillation mode can be obtained.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 분포궤환형 레이저 다이오드의 다른 구현예의 수직 구조 제작 방법이 도시되어 있으며, SAG에 의한 회절격자 수직 구조((41), (42), (43))의 결정 성장시 후면 출력면에 인접한 길이(N) 20~30um 영역에는 결정 성장을 차단하는 것을 특징으로 한다. 8 shows a vertical structure fabrication method of another embodiment of a distributed feedback laser diode according to an embodiment of the present invention. The vertical structure of a diffraction grating vertical structure (41, 42, 43) And the crystal growth is blocked in the region of 20 to 30 um in length (N) adjacent to the rear output surface during crystal growth.

도 8의 (a)는 SAG를 위한 mask 형상으로서 도 6의 (a)의 mask와 동일한 가변폭을 가지되 후면 출력면에 인접한 길이(N) 20~30um 영역이 서로 연결이 되어 있어 (b)에서 보인 바와 같이 결정 성장을 차단한다. 8A is a mask shape for the SAG, and has a variable width equal to the mask shown in FIG. 6A and has a length (N) of 20 to 30 μm adjacent to the rear output surface connected to each other (b) As shown in FIG.

도 8의 (b), (c), (d)의 제작 과정 및 원리는 후면 출력면에 인접한 길이(N) 20~30um 영역에 회절격자가 형성되지 않는 것을 제외하면 도 6의 (b), (c), (d)와 동일하다. The manufacturing process and principle of FIGS. 8B, 8C, and 8D are the same as those of FIGS. 6B and 6B except that a diffraction grating is not formed in a region of a length (N) (c) and (d).

본 발명의 spatial hole burning(SHB)이 완화된 분포궤환형 레이저 다이오드 및 이의 제조 방법에 대해서, 공진기 길이를 300um인 것으로 가정하여 설명하였으나, 다른 길이, 예를 들어 최근 고속용 분포궤환형 레이저 제작에 많이 사용되고 있는 250um, 200um에도 동일하게 적용될 수 있다. Although the distributed feedback type laser diode of the present invention in which the spatial hole burning (SHB) is relaxed according to the present invention and the method of manufacturing the same are described with the assumption that the resonator length is 300 μm, The same applies to 250um and 200um which are widely used.

아울러, 앞에서는 레이저의 발진 파장이 1310nm인 것을 기준으로 설명하면서 회절격차 층(43)의 밴드갭 에너지를 1.08eV 부근으로 설정함으로써 발진 파장 1310nm에 대한 회절격자의 광흡수가 없는 순수 굴절률 결합형(index coupled) uniform 회절격자형 분포궤환형 레이저 다이오드를 가정하여 설명하였으나, 회절격차층의 밴드갭 에너지를 1.0eV 이하로 설정할 경우 발진 파장 1310nm에 대한 회절격자의 광흡수가 존재하는 점을 고려하여야 하므로 굴절률+광흡수 복합형(complex coupled) uniform 회절격자형 분포궤환형 레이저 다이오드에서도 본 발명의 SHB 완화 원리가 그대로 적용될 수 있다. In addition, the bandgap energy of the diffraction gaps layer 43 is set to be around 1.08 eV and the refractive index of the pure refractive index combination type index coupled) uniform diffraction grating distributed feedback type laser diode. However, when the band gap energy of the diffraction gap layer is set to 1.0 eV or less, it is necessary to consider that the diffraction grating absorbs light at an oscillation wavelength of 1310 nm The principle of SHB relaxation of the present invention can be applied as it is to a refractive index + complex coupled uniform diffraction grating type distributed feedback laser diode.

여기서 회절격차층은 특정의 밴드갭 에너지를 가지는 bulk형 또는 다중 양자 우물형 결정 성장 층이 될 수 있다.Here, the diffraction gap layer may be a bulk or multi-quantum well type crystal growth layer having a specific band gap energy.

본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것이 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. The embodiments and the accompanying drawings described in the present specification are merely illustrative of some of the technical ideas included in the present invention. Therefore, it is to be understood that the embodiments disclosed herein are not intended to limit the scope of the present invention but to limit the scope of the present invention. It will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims and their equivalents. It should be interpreted.

11: n-InP 기판 14: 하부 SCH 층
15: barrier 층 16: 양자 우물 층
17: 다중 양자 우물 활성층 18: 상부 SCH 층
21: n-전극 22: p-전극
23: 무반사막 24: 고반사막
41: InGaAsP 층 42: n-InP 층
43: InGaAsP 회절격자 51, 52: SAG용 mask
11: n-InP substrate 14: lower SCH layer
15: barrier layer 16: quantum well layer
17: multiple quantum well active layer 18: upper SCH layer
21: n- electrode 22: p-electrode
23: antireflection film 24: highly reflective film
41: InGaAsP layer 42: n-InP layer
43: InGaAsP diffraction grating 51, 52: SAG mask

Claims (9)

InP 기판;
상기 InP 기판의 상부로부터 각각 순차적으로 결정성장되는 회절격자층, 하부 SCH(Seperate Confinement Heterostructure)층, 활성층, 상부 SCH층, p-InP층 및 p-InGaAs층;
상기 p-InP층으로부터 하향 방향으로 미리 설정된 폭을 갖도록 형성된 메사(mesa)의 측면 주위에 매립되는 주입 전류 차단층;
상기 InP기판의 하부 및 상기 p-InGaAs층의 상부에 각각 형성되는 n-전극 및 p-전극; 및
일측의 전면 출력면 및 타측의 후면 출력면에 각각 형성되는 무반사막 및 고반사막;
을 포함하고,
상기 회절격자층은 상기 전면 출력면으로부터 상기 후면 출력면까지의 방향으로 정의되는 길이방향을 따라 복수 개의 회절격자를 포함하되, 상기 회절격자는 그 단면적 및 상기 활성층과의 거리가 선택 영역 결정성장 방법에 의하여 가변되고,
상기 후면 출력면 및 상기 전면 출력면 사이의 거리는 L로 정의되고,
n-InP 기판과 상기 회절격자층의 사이에 형성되는 InGaAsP층의 두께, 그리고 상기 회절격자에 의한 광궤환 계수는, 후면 출력면 근처에서 최대가 되고, 상기 후면 출력면으로부터 상기 전면 출력면 방향으로 0.5L 내지 0.6L 중 어느 한 부분에서는 최소가 되는 것을 특징으로 하는 분포궤환형 레이저 다이오드.
InP substrate;
A diffraction grating layer, a bottom SCH, an active layer, an upper SCH layer, a p-InP layer, and a p-InGaAs layer, which are sequentially grown from the top of the InP substrate;
An injection current blocking layer buried around the side surface of the mesa formed so as to have a predetermined width in the downward direction from the p-InP layer;
An n-electrode and a p-electrode respectively formed on the lower portion of the InP substrate and the upper portion of the p-InGaAs layer; And
An antireflection film and a high reflection film respectively formed on a front output face of one side and a rear output face of the other side;
/ RTI >
Wherein the diffraction grating layer includes a plurality of diffraction gratings along a longitudinal direction defined in a direction from the front output face to the rear output face, the cross-sectional area of the diffraction grating and the distance from the active layer to the rear output face, Lt; / RTI >
The distance between the rear output surface and the front output surface is defined as L,
the thickness of the InGaAsP layer formed between the n-InP substrate and the diffraction grating layer and the optical feedback coefficient due to the diffraction grating are maximized near the rear output surface, and the distance from the rear output surface to the front output surface And a minimum value in any one of 0.5L to 0.6L.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 후면 출력면에 인접한 영역에는 회절격자가 형성되지 않고, n-InP층이 채워진 것을 특징으로 하는 분포궤환형 레이저 다이오드.
The method according to claim 1,
And an n-InP layer is filled in the region adjacent to the rear output surface without forming a diffraction grating.
청구항 1에 있어서,
상기 주입 전류 차단층은 p-InP/n-InP를 사용하지 않고, Fe 또는 Ru를 도핑(doping)하여 반절연 특성을 갖는 InP층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 분포궤환형 레이저 다이오드.
The method according to claim 1,
Wherein the injected current blocking layer is formed of an InP layer having semi-insulating properties by doping Fe or Ru without using p-InP / n-InP.
청구항 1에 있어서,
상기 회절격자층의 밴드캡 에너지는 상기 활성층의 밴드갭 에너지보다 작거나 또는 0.1eV 이하로 크도록 조정되어 상기 회절격자의 광결합효율을 높일 수 있는 것을 특징으로 하는 분포궤환형 레이저 다이오드.
The method according to claim 1,
Wherein the band cap energy of the diffraction grating layer is adjusted to be smaller than or equal to 0.1 eV than the band gap energy of the active layer to increase the optical coupling efficiency of the diffraction grating.
청구항 1에 있어서,
상기 회절격자층은 벌크(Bulk)형 또는 다중 양자 우물형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 분포궤환형 레이저 다이오드.
The method according to claim 1,
Wherein the diffraction grating layer is formed in a bulk or multiple quantum well structure.
(a) InP 기판 상에 SiO2 또는 Si3N4 유전체로 형성되고 그 폭이 가변하도록 형성된 박막 마스크 2개를 미리 설정된 간격(G)만큼 상호 이격하여 배치하는 단계;
(b) 선택 영역 결정 성장(Selective Area Growth; SAG) 방법을 이용하여 상기 박막 마스크의 폭에 기초하여 InGaAsP층, n-InP층 및 InGaAsP층을 결정 성장시키는 단계;
(c) 광학적 홀로그램 방법을 이용하여 상기 InGaAsP층을 부분 식각하여 상호 다른 두께를 갖는 복수 개의 회절격자를 형성하는 단계;
(d) 상기 회절격자를 n-InP층으로 매립하여 평탄화하여 회절격자층을 형성하는 단계; 및
(e) 상기 n-InP층 위에 하부 SCH(Separate Confinement Heterostructure)층, 활성층, 상부 SCH층 및 p-InP층의 일부를 순차적으로 형성하는 단계;
를 포함하고,
상기 회절격자층은 전면 출력면으로부터 후면 출력면까지의 방향으로 정의되는 길이방향을 따라 복수 개의 상기 회절격자를 포함하되, 상기 회절격자는 그 단면적 및 상기 활성층과의 거리가 선택 영역 결정성장 방법에 의하여 가변되고,
상기 후면 출력면 및 상기 전면 출력면 사이의 거리는 L로 정의되고,
n-InP 기판과 상기 회절격자층의 사이에 형성되는 InGaAsP층의 두께, 그리고 상기 회절격자에 의한 광궤환 계수는, 후면 출력면 근처에서 최대가 되고, 상기 후면 출력면으로부터 상기 전면 출력면 방향으로 0.5L 내지 0.6L 중 어느 한 부분에서는 최소가 되는 것을 특징으로 하는 분포궤환형 레이저 다이오드의 제조 방법.
(a) disposing two thin film masks formed of SiO 2 or Si 3 N 4 dielectric on the InP substrate so as to be variable in width and spaced apart from each other by a predetermined gap G;
(b) crystal growth of an InGaAsP layer, an n-InP layer and an InGaAsP layer based on a width of the thin film mask using a selective area growth (SAG) method;
(c) partially etching the InGaAsP layer using an optical hologram method to form a plurality of diffraction gratings having different thicknesses;
(d) filling the diffraction grating with an n-InP layer and planarizing the diffraction grating to form a diffraction grating layer; And
(e) sequentially forming a lower SCH (Separate Confinement Heterostructure) layer, an active layer, an upper SCH layer, and a part of a p-InP layer on the n-InP layer;
Lt; / RTI >
Wherein the diffraction grating layer includes a plurality of the diffraction gratings along a longitudinal direction defined by a direction from a front output surface to a rear output surface, wherein a cross-sectional area of the diffraction grating and a distance between the diffraction grating and the active layer Lt; / RTI >
The distance between the rear output surface and the front output surface is defined as L,
the thickness of the InGaAsP layer formed between the n-InP substrate and the diffraction grating layer and the optical feedback coefficient due to the diffraction grating are maximized near the rear output surface, and the distance from the rear output surface to the front output surface Wherein the minimum value is at least one of 0.5L to 0.6L.
청구항 7에 있어서, 상기 (e) 단계 이후에는,
(f) 상기 p-InP층으로부터 하향 방향으로 미리 설정된 폭을 갖는 메사(mesa)를 식각으로 형성하는 단계; 및
(g) 상기 메사(mesa)의 측면 주변을 주입 전류 차단층으로 매립한 후, 상측에 p-InP층 및 p-InGaAs층을 결정성장시켜 평탄화하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분포궤환형 레이저 다이오드의 제조 방법.
8. The method of claim 7, wherein after step (e)
(f) forming a mesa having a predetermined width in a downward direction from the p-InP layer by etching; And
(g) filling the periphery of the mesa with an injection current blocking layer, and planarizing a p-InP layer and a p-InGaAs layer by crystal growth on the upper side;
Further comprising the steps of: forming a laser diode on the substrate;
청구항 8에 있어서, 상기 (g) 단계 이후에는,
(h) 상기 InP 기판의 하부 및 상기 p-InGaAs층의 상부에 각각 n-전극 및 p-전극을 형성시키고, 전면출력면 및 후면출력면에 각각 반사율 5% 이하의 무반사막 및 반사율 90% 이상의 고반사막을 증착하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분포궤환형 레이저 다이오드의 제조 방법.
The method of claim 8, wherein after step (g)
(h) forming an n-electrode and a p-electrode on the lower part of the InP substrate and the upper part of the p-InGaAs layer, respectively, and forming an antireflection film having a reflectance of 5% Depositing a high reflective film;
Further comprising the steps of: forming a laser diode on the substrate;
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP3817074B2 (en) * 1998-08-21 2006-08-30 三菱電機株式会社 Manufacturing method of distributed feedback semiconductor laser

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