KR102196386B1 - 레이저 다이오드, 광 집적 소자, 및 이의 제조 방법 - Google Patents

레이저 다이오드, 광 집적 소자, 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

광 집적 소자는 기판, 상기 기판 상의 TM 모드(transverse magnetic mode)로 발진하는 제1 레이저 다이오드, 및 상기 기판 상의 TE 모드(transverse electric mode)로 발진하는 제2 레이저 다이오드를 포함하되, 상기 제1 레이저 다이오드는 원판 형상의 제1 바디 및 상기 제1 바디를 관통하는 관통홀들을 포함할 수 있다.

Description

레이저 다이오드, 광 집적 소자, 및 이의 제조 방법{Laser Diode, Optic Integrated Device, and a method for fabricating the same}
본 발명은 레이저 다이오드, 광 집적 소자, 및 이의 제조 방법으로서, 보다 상세하게는 변환 광학을 이용하는 레이저 다이오드를 포함하는 광 집적 소자 및 이의 제조 방법에 대한 것이다.
변환 광학은 공간상의 물질상수(예를 들어, 유전율, 투과율, 굴절률) 분포를 조절하여 빛의 흐름을 임의로 조절하려는 연구분야이다. 이는 나노 광학 연구의 새로운 패러다임이 되고 있으며, 기초 연구뿐 아니라 여러 응용 가능성이 제시된다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 성능이 개선된 레이저 다이오드 및 광 집적 소자를 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 광 집적 소자는 기판, 상기 기판 상의 TM 모드(transverse magnetic mode)로 발진하는 제1 레이저 다이오드, 및 상기 기판 상의 TE 모드(transverse electric mode)로 발진하는 제2 레이저 다이오드를 포함하되, 상기 제1 레이저 다이오드는 원판 형상의 제1 바디 및 상기 제1 바디를 관통하는 관통홀들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 제2 레이저 다이오드는 원판 형상의 제2 바디를 포함하되, 상기 기판의 상면으로부터 상기 제1 바디의 상면까지의 거리는 상기 기판의 상면으로부터 상기 제2 바디의 상면까지의 거리와 동일할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 제1 바디는 곡률이 상이할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 제1 바디의 단위 면적당 상기 관통홀들의 면적비가 상이할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 제1 바디의 단위 면적당 상기 관통홀들의 개수가 상이할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 제1 바디의 단위 면적당 상기 관통홀의 직경이 상이할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 제1 바디의 적어도 일부는 비균질 유전율을 가질 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 기판 상에, 상기 제1 및 제2 레이저 다이오드들 사이에 배치된 광 도파로를 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 제1 바디는 곡률이 상이하되, 상기 제1 바디의 상기 광 도파로와 인접한 일 부분의 곡률은 상기 제1 바디의 상기 광 도파로와 이격되는 다른 부분의 곡률보다 작을 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 제1 및 제2 바디들의 각각은 상부 및 하부 클래드 층들 및 상기 상부 및 하부 클래드 층들 사이에 개재된 이득 물질(gain medium)을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 관통홀의 직경은 입사되는 입사광의 파장의 길이보다 작을 수 있다.
본 발명에 따른 원판 형상의 바디를 갖는 레이저 다이오드에 있어서, 상기 바디의 곡률이 상이하고, 상기 바디 내의 굴절률 분포에 따라 TM 모드 및 TE 모드를 선택적으로 발진할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 바디의 적어도 일부는 비균질 유전율을 갖고, TM 모드로 발진할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 바디는 상부 및 하부 클래드 층들 및 상기 상부 및 하부 클래드 층들 사이에 개재된 이득 물질(gain medium)을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 바디를 관통하는 관통홀들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 바디의 단위 면적당 상기 관통홀들의 면적비가 상이할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 관통홀의 직경은 입사되는 입사광의 파장의 길이보다 작을 수 있다.
본 발명에 따른 광 집적 소자의 제조 방법은 기판 상에 제1 반도체 층, 제2 반도체 층, 상기 제1 반도체 층과 상기 제2 반도체 층 사이에 개재된 이득 물질 층을 형성하는 것, 상기 제2 반도체 층 상에 마스크 층을 형성하는 것, 상기 마스크 층을 패터닝하여 제1 및 제2 마스크 패턴들을 형성하는 것, 상기 제1 마스크 패턴을 이용하여 상기 제2 반도체 층, 상기 게인 층, 및 상기 제1 반도체 층을 패터닝하여 TM 모드로 발진하는 제1 레이저 다이오드를 형성하는 것 및 상기 제2 마스크 패턴을 이용하여 상기 제2 반도체 층, 상기 게인 층, 및 상기 제1 반도체 층을 패터닝하여 TE 모드로 발진하는 제2 레이저 다이오드를 형성하는 것을 포함하되, 상기 제1 레이저 다이오드를 형성하는 것은, 상기 제2 반도체 층, 상기 게인 층, 및 상기 제1 반도체 층을 관통하는 관통홀들을 형성하여 상기 패터닝된 상기 제2 반도체 층, 상기 게인 층, 및 상기 제1 반도체 층의 굴절률을 제어하는 것을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 제1 레이저 다이오드를 형성하는 것은, 상기 패터닝된 상기 제2 반도체 층, 상기 게인 층, 및 상기 제1 반도체 층의 유전율을 제어하여, 상기 패터닝된 상기 제2 반도체 층, 상기 게인 층, 및 상기 제1 반도체 층 내에 입사되는 입사광의 경로를 제어하는 것을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 상기 유전율을 제어하는 것은, 상기 제1 마스크 패턴의 단위 면적당 상기 관통홀들의 면적비를 제어하여 상기 유전율을 제어하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 개념에 따르면, 변환 광학을 이용하여 레이저 다이오드(일 예로, TM 모드로 발진하는 레이저 다이오드)를 구현할 수 있다. 이에 따라, 레이저 다이오드를 형성할 때(예를 들어 레이저 다이오드용 웨이퍼를 성장시킬 때) 외력(일 예로, 인장 응력 등)을 가할 필요가 없어, 이득(gain) 저하 및 수명 단축 등을 방지할 수 있다. 또한, 단일 칩 상에서 TM 모드 및 TE 모드의 레이저 다이오드들을 구현할 수 있어, 동시에 TM 모드 및 TE 모드를 발진시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 광 집적 소자를 광 통신 분야에 적용할 경우, 단일 파장에 대해 두 가지 다른 편광 모드(TM 모드, TE 모드)를 사용할 수 있으므로, 데이터 전송 속도가 향상될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 도면으로, 레이저 다이오드를 도시한다.
도 1b는 도 1a의 바디의 곡률을 보여주는 도면이다.
도 1c는 일 실시예에 따른 바디의 단위 면적당 관통홀들의 면적비를 보여주는 도면이다.
도 1d는 일 실시예에 따른 바디의 단위 면적당 관통홀들의 면적비를 보여주는 도면이다.
도 2a 내지 도 2h는 변환 광학을 적용하여 본 발명의 실시예에 따른 바디 형상을 도출하는 것을 보여주는 도면들이다.
도 3a는 상술한 도 1a의 레이저 다이오드를 포함하는 광 집적 소자를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3b는 도 3a의 광 집적 소자를 상부에서 바라본 평면도이다.
도 4는 광 도파로와 제1 레이저 다이오드의 커플링을 보여주는 도면이다.
도 5a 내지 도 5d는 도 3a의 광 집적 소자를 형성하는 과정을 보여주는 도면들이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 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. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 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, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 도면으로, 레이저 다이오드(10)를 도시한다. 도 1b는 도 1a의 바디(12)의 곡률을 보여주는 도면이다.
본 발명의 실시예들에 따른 레이저 다이오드(10)는 변환 광학(Transformation optics)을 적용하여 형성될 수 있다. 변환 광학은 공간 상의 물질상수(굴절률) 분포를 조절하여 빛의 흐름을 제어할 수 있는 것을 의미한다. 다시 말해서, 특정 형상을 갖는 공진기가 굴절률(예를 들어, 유전율 및/또는 투자율)에 따라 각각 다른 유효 형상의 공진기처럼 작동할 수 있다.
레이저 다이오드(10)는 바디(12) 내의 굴절률(Refractive Index) 분포에 따라, TM 모드(Transverse magnetic mode) 및 TE 모드(Transverse electric mode)를 선택적으로 발진할 수 있다. 일 예로, 본 명세서에서는 바디(12) 내의 투자율(Magnetic permeability)을 고정하고, 유전율(Dielectric permittivity)을 제어하여 TM 모드로 발진하는 TM 모드 레이저 다이오드를 예로 들어 설명한다.
레이저 다이오드(10)는 바디(12)를 포함한다. 바디(12)는 원판 형으로 제공될 수 있다. 일 예로, 바디(12)는 마이크로 디스크(micro disk) 형상일 수 있다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 바디(12)는 상이한 곡률(curvature)을 가질 수 있다. 다시 말해서, 바디(12)의 평면은 일정한 곡률을 갖는 완전한 원(circle)이 아닐 수 있다. 곡률이란 곡선의 곡선의 구부러지는 정도를 나타내는 것으로서, 해당 부분의 원호의 반지름이 R인 경우에는 1/R로 정의될 수 있다. 도 1b의 바디(12)의 일 부분(A)의 제1 곡률(1/(R1))은 바디(12)의 다른 부분(B)의 제1 곡률(1/(R2))과 다를 수 있다. 바디(12)의 일 부분(A)의 제1 곡률(1/(R1))은 바디(12)의 다른 부분(B)의 제1 곡률(1/(R2))보다 작을 수 있다.
다시 도 1a를 참조하면, 바디(12)는 하부 클래드 층(14a), 상부 클래드 층(14b), 및 이득 물질(16)을 포함할 수 있다.
하부 클래드 층(14a)은 반도체 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 하부 클래드 층(14a)은 n형 또는 p형의 반도체 물질을 포함할 수 있다. 하부 클래드 층(14a)은 일 예로 InGaAsP, InGaAs, AlGaAsP, AlGaAs 중 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상부 클래드 층(14b)은 하부 클래드 층(14a)과 대응되는 크기 및/또는 형상을 가질 수 있다. 상부 클래드 층(14b)은 반도체 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 상부 클래드 층(14b)은 n형 또는 p형의 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상부 클래드 층(14b)은 일 예로, InGaAsP, InGaAs, AlGaAsP, AlGaAs 중 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상부 클래드 층(14b)은 하부 클래드 층(14a)과 다른 도전형을 가질 수 있다.
이득 물질(16)은 하부 클래드 층(14a)과 상부 클래드 층(14b) 사이에 개재될 수 있다. 이득 물질(16)은 하부 클래드 층(14a) 및/또는 상부 클래드 층(14b)의 각각과 대응되는 크기 및/또는 형상을 가질 수 있다. 이득 물질(16)은 에너지를 흡수하여 레이저 광을 발생시킬 수 있다. 이득 물질(16)은 복수 개의 양자 우물(multi quantum well)을 포함할 수 있다. 이득 물질(16)은 일 예로, InGaAsP, InGaAs, AlGaAsP, AlGaAs 중 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
바디(12)를 관통하는 관통홀들(18)이 제공될 수 있다. 관통홀들(18)의 각각은 상부 클래드 층(14b), 이득 물질(16), 및 하부 클래드 층(14a)을 관통하도록 형성될 수 있다. 관통홀(18)의 직경은 방출광의 파장의 길이보다 작을 수 있다. 일 예로, 관통홀(18)의 직경은 방출광의 파장 길이의 약 1/10보다 작을 수 있다. 바디(12)의 단위 면적당 관통홀들(18)의 면적비에 따라, 국부적인 유전율의 차이가 발생할 수 있다. 일 예로, 관통홀(18)을 포함하는 부분은 공기와 접촉 및/또는 공기를 포함하므로, 관통홀(18)의 비율에 따라 유전율을 제어할 수 있다. 일 예로, 도 2f를 참조하면, 단위 면적당 관통홀들(18)이 상대적으로 많이 형성된 일 부분은 단위 면적당 관통홀들(18)이 상대적으로 적게 형성된 부분보다 유전율이 작을 수 있다.
도 1c는 일 실시예에 따른 바디(12)의 단위 면적당 관통홀들(18)의 면적비를 보여주는 도면이다. 도 1c를 참조하면, 바디(12)의 단위 면적당 관통홀들(18)의 면적비는 상이할 수 있다. 도 1c은 동일한 직경을 갖는 관통홀들(18)이 형성된 것을 예로 들어 도시한다. 도 1c의 바디(12)의 일 부분(A)의 단위 면적(UA1)에 형성된 관통홀들(18)의 개수는 바디(12)의 일 부분(B)의 단위 면적(UA2)에 형성된 관통홀들(18)의 개수와 다를 수 있다. 바디(12)의 일 부분(A)의 단위 면적(UA1)에 형성된 관통홀들(18)의 개수는 바디(12)의 일 부분(B)의 단위 면적(UA2)에 형성된 관통홀들(18)의 개수보다 적을 수 있다. 일 예로, 바디(12)의 일 부분(A)의 단위 면적(UA1)에 형성된 관통홀들(18)의 개수는 1개이고, 바디(12)의 일 부분(B)의 단위 면적(UA2)에 형성된 관통홀들(18)의 개수는 4개일 수 있다. 따라서, 바디(12)의 일 부분(A)의 단위 면적(UA1)에 형성된 관통홀들(18)의 면적비는 바디(12)의 일 부분(B)의 단위 면적(UA2)에 형성된 관통홀들(18)의 면적비보다 작을 수 있다.
도 1d는 일 실시예에 따른 바디(12)의 단위 면적당 관통홀들(18)의 면적비를 보여주는 도면이다. 도 1d를 참조하면, 바디(12)의 단위 면적당 관통홀들(18)의 면적비는 상이할 수 있다. 도 1d은 바디(12) 내에서, 서로 다른 직경을 갖는 관통홀들(18)이 형성된 것을 예로 들어 도시한다. 도 1d의 바디(12)의 일 부분(A)의 단위 면적(UA3)에 형성된 관통홀들(18)의 개수는 바디(12)의 일 부분(B)의 단위 면적(UA4)에 형성된 관통홀들(18)의 개수와 같을 수 있다. 그러나, 바디(12)의 일 부분(A)의 단위 면적(UA3)에 형성된 관통홀(18)의 직경은 바디(12)의 일 부분(B)의 단위 면적(UA4)에 형성된 관통홀(18)의 직경보다 작을 수 있다. 따라서, 바디(12)의 일 부분(A)의 단위 면적(UA3)에 형성된 관통홀들(18)의 면적비는 바디(12)의 일 부분(B)의 단위 면적(UA4)에 형성된 관통홀들(18)의 면적비보다 작을 수 있다.
도 2a 내지 도 2f는 변환 광학을 적용하여 본 발명의 실시예에 따른 바디 형상을 도출하는 것을 보여주는 도면들이다. 변환 광학이 적용되는 것을 설명하기 위해, 이하 캐비티(cavity)를 예로 들어 설명한다. 캐비티란 도체 벽으로 감싸인 빈 공간으로서, 캐비티에 마이크로파(일 예로, 전자기파 또는 빛)로 여진(excitation)하면 특정한 주파수/파장(예를 들어, 주파수/파장은 도체 벽의 모양이나 크기로 규정될 수 있음)에 공진할 수 있다.
먼저, 일반적인 좌표계에서의 원형 캐비티(도 2a의 C)을 좌표 변환하여, 변형된 형상을 갖는 캐비티(도 2b의 C')을 획득할 수 있다. 이 때, 원형 캐비티(도 2a의 C)는 원천 전하 또는 전류가 없는 선형 등방성 유전 매질이라고 가정한다. 등각사상(conformal mapping)을 좌표 변환으로 채택하면, 변형된 캐비티(C')는 일 예로, 리마송(limacon) 형상일 수 있으나, 이는 일 예일뿐 제한되지 않는다 변형된 형상(C')의 좌표계는 일 예로, 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112019070506518-pat00001
,
Figure 112019070506518-pat00002
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 좌표 변환이 등각 변환인 경우, 변형 전후의 캐비티들(C,C') 내에서의 광(L)의 반사각(reflection angle, X)가 동일하게 유지될 수 있다. 따라서, 도 2c를 참조하면, 변형된 캐비티(C') 내에서 전반사 조건이 유지될 수 있다. 예를 들어, 변형된 캐비티(C') 내에서 속삭임의 회랑 모드(Whispering Gallery Mode)가 유지될 수 있다. 속삭임의 회랑 모드란, 대칭성이 있는 공진기(일 예로, 구형)에서 경계면을 따라 전반사에 의해서 빛이 매우 오랜 시간 갇히는 공진 현상 또는 이에 해당하는 빛의 공진 파동(모드)을 의미한다.
도 2d를 참조하면, 변형된 캐비티(C')의 굴절률(refractive index)은 다음과 같이 얻어질 수 있다(이 때, 캐비티 외부의 굴절률은 1로 가정한다). 이 때, 변형된 캐비티(C')는 후술할 도 2g의 (a)와 대응될 수 있다.
Figure 112019070506518-pat00003
, n 0 =1.8
도 2e를 참조하면, 변형된 캐비티(C')를 다시 변환하여 일정한 굴절률을 갖도록 변형할 수 있다. 일 예로, 변형된 캐비티(C')를 복소 변환(일 예로, 다중 매핑)하여, 일정한 굴절률(일 예로, n4)을 가질 수 있다. 캐비티 내의 굴절률을 제어하기 위한 것으로, 복소 변환의 종류 및 횟수는 이에 제한되지 않을 수 있다.
일 예로, 리마송(limacon) 좌표변환을 실시하기 전에 다음과 같이 뫼비우스 변환을 실시할 수 있다.
Figure 112019070506518-pat00004
Figure 112019070506518-pat00005
뫼비우스 변환, 외형을 바꾸지 않고 원형 도형의 중심만 이동시키는 좌표 변환(도 2f 참조), 을 실시한 후 최종 복합 복소변환을 수행할 수 있다(도 2g의 (b) 참조).
Figure 112019070506518-pat00006
이를 통해, 하나의 변형된 캐비티 외형에 대하여 다양한 공간 굴절률 분포를 얻을 수 있다. 또한, 이렇게 중간 과정에서 적절한 합성함수(예를 들어, 뫼비우스 변환 등)를 도입하면 변환 캐비티를 설계할 때 요구되는 최대 굴절률과 최소 굴절률의 격차를 줄일 수 있다. 대부분의 반도체 재료들은 제한된 굴절률 값을 가지므로 설계에 있어서 요구되는 굴절률 차이를 줄이는 것은 변환 캐비티의 구현을 보다 용이하게 할 수 있다. 이 때, 원형 캐비티와 변형된 캐비티의 외형을 연결하는 등각좌표변환을 실시하기 위한 특정 함수식(예를 들어,
Figure 112019070506518-pat00007
의
Figure 112019070506518-pat00008
)을 반드시 알아야 하는 것은 아니다.
도 2h를 참조하면, 일정한 굴절률(일 예로, n4)을 갖도록 변형된 캐비티(C')에 관통홀들(18)을 형성함으로써, 변형된 캐비티(C')의 굴절률(refractive index)을 제어할 수 있다. 도 2e 및 도 2h를 비교하면, 변형된 캐비티(C')에 관통홀들(18)을 형성한 경우, 바디(12) 내의 굴절율 분포의 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 예를 들어, 단위 면적당 관통홀들(18)이 많은 일 부분들의 굴절율은 n4보다 작은 n3을 가질 수 있다. 또한, 다중 매핑으로 인해, 변형된 캐비티(C') 내의 굴절률 차이(도 2f의 n3-n4)는 도 2d의 변형된 캐비티(C') 내의 굴절률 차이(도 2d의 n1-n2)보다 작을 수 있다. 변환 광학을 TM 모드에 대해 선택적으로 적용하는 것에 대한 이론적 배경은 다음과 같다.
원형 캐비티(도 2a의 C)가 원천 전하 또는 전류가 없는 선형 등방성 유전 매질이라고 가정하고, 변환 광학을 적용하면 주파수 도메인에서 맥스웰 방정식은 일반적인 좌표변환에 의해 하기 [식 1]과 같이 변환된다.
[식 1]
Figure 112019070506518-pat00009
Figure 112019070506518-pat00010
여기서,
Figure 112019070506518-pat00011
=
Figure 112019070506518-pat00012
Figure 112019070506518-pat00013
=
Figure 112019070506518-pat00014
및
Figure 112019070506518-pat00015
는 좌표변환에 관련된 야코비안 행렬이다.
여기서 등각사상(conformal mapping)을 좌표변환으로 채택하면, 텐서량인
Figure 112019070506518-pat00016
와
Figure 112019070506518-pat00017
는 아래 [식 2]와 같이 될 수 있다.
[식 2]
Figure 112019070506518-pat00018
,
Figure 112019070506518-pat00019
[식 2]에 대해, TM 편광모드(
Figure 112019070506518-pat00020
) 의 경우에, 전기장
Figure 112019070506518-pat00021
에 대하여 아래 [식 3]과 같은 파동 방정식이 얻어진다.
[식 3]
Figure 112019070506518-pat00022
반면에, [식 2]에 대해, TE 편광모드(
Figure 112019070506518-pat00023
) 의 경우에, 자기장
Figure 112019070506518-pat00024
에 대하여 아래 [식 4]와 같은 파동 방정식이 얻어진다.
[식 4]
Figure 112019070506518-pat00025
여기서, 우리는 실제 변환광학에 기반한 유전체 공진기를 구현하기 위해, 자기 투자율을 진공에서의 값인
Figure 112019070506518-pat00026
로 고정시키고 전기 유전율
Figure 112019070506518-pat00027
만 위치에 따라 다른 값을 갖도록 조절할 수 있다. 이러한 경우,
Figure 112019070506518-pat00028
,
Figure 112019070506518-pat00029
텐서는 아래 [식 5]와 같이 주어진다.
[식 5]
Figure 112019070506518-pat00030
,
Figure 112019070506518-pat00031
위와 같이 주어지는
Figure 112019070506518-pat00032
,
Figure 112019070506518-pat00033
에 따라 TM/TE 편광모드에 대한 파동 방정식들을 각각 구해보면 아래와 같다.
TM 편광모드의 경우는 파동 방정식이 아래 [식 6]과 같다.
[식 6]
Figure 112019070506518-pat00034
이러한 [식 6]은 투자율과 유전율을 둘 다 변환한 완전한 변환 광학에서 얻어진 식인 [식 3]과 동일하다. 즉, TM 편광모드의 경우, 유전율만을 변환광학 규칙에 따라 변화시킨 경우에도 원래의 공간(원형 공진기; 균질 공동)에서의 TM모드가 품위값(Q)의 손실 없이 목표 공간(변환 공진기; 비균질 공동)으로 변환된다는 것을 의미한다.
그러나, TE 편광모드의 경우에는 파동 방정식은 아래 [식 7]과 같다.
[식 7]
Figure 112019070506518-pat00035
이러한 [식 7], 즉, TE 편광의 파동 방정식은 중간의 새로운 항에 의해, 완전한 변환 광학에서 얻은 파동 방정식인 [식 4]와는 상이하다. 이 결과는 투자율은 고정시키고 유전율만 공간에 따라 변화시킨 비균질 유전체 공동(변환 공진기) 내에 형성되는 TE 모드가 유전율과 투자율을 공간에 따라 동시에 변화시켜(완전한 변환 광학 적용) 얻은 TE 모드와 달라짐을 의미한다. 헬름홀츠(Helmholtz) 형태의 추가된 새로운 중간 항은, 변환 공진기 전 영역에서 노이즈처럼 작용하여 필연적으로 상당한 품위값(Q)의 감소를 가져 오게 된다.
종래의 일반적인 레이저 다이오드는 양자 우물 슬랩 간의 TE모드의 반사율이 TM모드보다 높고, 이득 물질의 에너지 이익도 TE 모드가 높아서 대개 TE 모드로 발진한다. 그러나, 투자율을 고정시키고 유전율만을 공간에 따라 변화시킨 변환 공진기의 경우, 상술한 바와 같이 TE 모드에서 광 손실이 발생하여 TE 모드의 광학 이득을 급격히 감퇴시킬 수 있다. 따라서, TE 편광모드는 TM 편광모드와의 레이저 발진을 위한 모드 경쟁(mode competition)에서 패하게 되어, 레이저 다이오드(10)는 TM 편광모드가 발진할 수 있다. 맥스월의 방정식은 전자기장과 자기장이 완벽히 대칭을 이루는 방정식이므로, 본 발명의 원리를 응용하여 앞서 기술한 것과 반대로 공진기를 이루는 물질의 유전율은 일정하게 고정시키고 투자율만 공간에 대하여 변화시켜 공진기를 제작하면 위 경우와 반대로 TE 모드에 대하여만 완벽하게 변환광학을 적용할 수 있다. 다시 말해서, TM 모드의 Q값만 선택적으로 떨어뜨리는 것도 원리적으로 가능하다.
도 3a는 상술한 도 1a의 레이저 다이오드(10)를 포함하는 광 집적 소자(1)를 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 3b는 도 3a의 광 집적 소자(1)를 상부에서 바라본 평면도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 광 집적 소자(1)는 기판(100) 상의 제1 레이저 다이오드(10), 제2 레이저 다이오드(20), 및 광 도파로(30)를 포함할 수 있다.
제1 레이저 다이오드(10)는 기판(100) 상의 일 측에 배치될 수 있다. 제1 레이저 다이오드(10)는 TM 모드로 발진하는 레이저 다이오드일 수 있다. 제1 레이저 다이오드(10)는 제1 바디(12)를 포함할 수 있다. 제1 레이저 다이오드(10)는 도 1a 내지 도 2e를 참조하여 설명한 레이저 다이오드(10)와 동일 또는 유사할 수 있고, 제1 바디(12) 또한 바디(12)와 동일 또는 유사할 수 있다. 따라서, 설명의 간이화를 위해 중복되는 설명은 생략한다.
제2 레이저 다이오드(20)는 기판(100) 상의 타 측에 배치될 수 있다. 제2 레이저 다이오드(20)는 TE 모드로 발진하는 레이저 다이오드일 수 있다. 제2 레이저 다이오드(20)는 원판 형상의 제2 바디(22)를 포함할 수 있다. 제2 바디(22)는 제1 바디(12)와 달리, 완전한 원형을 가질 수 있다. 일 예로, 제2 바디(22)는 제1 바디(12)와 달리, 동일한 곡률을 가질 수 있다. 제2 레이저 다이오드(20)는 제1 레이저 다이오드(10)와 달리, 변환 광학을 적용하지 않고 형성될 수 있다.
제2 바디(22)는 하부 클래드 층(24a), 상부 클래드 층(24b), 및 이득 물질(26)을 포함할 수 있다.
하부 클래드 층(24a)은 반도체 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 하부 클래드 층(24a)은 n형 또는 p형의 반도체 물질을 포함할 수 있다. 하부 클래드 층(24a)은 일 예로 InGaAsP, InGaAs, AlGaAsP, AlGaAs 중 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상부 클래드 층(24b)은 하부 클래드 층(24a)과 대응되는 크기 및/또는 형상을 가질 수 있다. 상부 클래드 층(24b)은 반도체 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 상부 클래드 층(24b)은 n형 또는 p형의 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상부 클래드 층(24b)은 일 예로, InGaAsP, InGaAs, AlGaAsP, AlGaAs 중 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상부 클래드 층(24b)은 하부 클래드 층(24a)과 다른 도전형을 가질 수 있다.
이득 물질(26)은 하부 클래드 층(24a)과 상부 클래드 층(24b) 사이에 개재될 수 있다. 이득 물질(16)은 하부 클래드 층(24a) 및/또는 상부 클래드 층(24b)의 각각과 대응되는 크기 및/또는 형상을 가질 수 있다. 이득 물질(26)은 에너지를 흡수하여 레이저 광을 발생시킬 수 있다. 이득 물질(26)은 복수 개의 양자 우물(multi quantum well)을 포함할 수 있다. 이득 물질(26)은 일 예로, InGaAsP, InGaAs, AlGaAsP, AlGaAs 중 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
광 도파로(30)는 기판(100) 상에, 제1 레이저 다이오드(10)와 제2 레이저 다이오드(20) 사이에 배치될 수 있다. 광 도파로(30)는 제1 레이저 다이오드(10)와 제2 레이저 다이오드(20)로부터 각각 동일한 거리를 갖도록 배치될 수 있다.
기판(100) 상에 제1 레이저 다이오드(10)를 지지하는 제1 지지부(112) 및 제2 레이저 다이오드(20)를 지지하는 제2 지지부(114)가 제공될 수 있다. 제1 및 제2 지지부들(112,114)로 인해, 제1 및 제2 레이저 다이오드들(10,20) 각각에 트랩되는 빛의 양이 증대될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 제1 레이저 다이오드(10)의 일 부분(P1)은 다른 부분(P2)보다 광 도파로(30)에 인접할 수 있다. 일 예로, 제1 바디(12)의 일 부분(P1)은 광 도파로(30)와 인접한 부분이고, 제1 바디(12)의 다른 부분(P2)은 광 도파로(30)로부터 이격된 다른 부분일 수 있다. 제1 바디(12)의 일 부분(P1)의 곡률은 제1 바디(12)의 다른 부분(P2)의 곡률보다 작을 수 있다. 이에 따라, 광 도파로(30)와 인접하는 일 부분(P1)은 선형(line)에 가까울 수 있다.
도 4는 광 도파로(30)와 제1 레이저 다이오드(10)의 커플링을 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하면, 광 도파로(30)와 인접하는 일 부분(P1)이 보다 선형(line)에 가까운 바, 일반적인 원형의 레이저 다이오드(일 예로, 제2 레이저 다이오드)보다 커플링 면적이 증대될 수 있다. 따라서, 광 전송 효율이 증가될 수 있다.
본 발명의 개념에 따르면, 변환 광학을 이용하여 레이저 다이오드(일 예로, TM 모드로 발진하는 레이저 다이오드)를 구현할 수 있다. 이에 따라, 레이저 다이오드를 형성할 때, 외력(일 예로, 인장 응력 등)을 가할 필요가 없어, 이득(gain) 저하 및 수명 단축 등을 방지할 수 있다. 또한, 단일 칩 상에서 TM 모드 및 TE 모드의 레이저 다이오드들을 구현할 수 있어, 동시에 TM 모드 및 TE 모드를 발진시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 광 집적 소자를 광 통신 분야에 적용할 경우, 단일 파장에 대해 두 가지 다른 편광 모드(TM 모드, TE 모드)를 사용할 수 있으므로, 데이터 전송 속도가 향상될 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 도 3a의 광 집적 소자(1)를 형성하는 과정을 보여주는 도면들이다. 이하, 도 5a 내지 도 5d, 및 도 3a를 참조하여 광 집적 소자(1)를 형성하는 과정을 설명한다.
도 5a를 참조하면, 기판(100) 상에 희생층(110), 제1 반도체 층(124a), 이득 물질 층(126), 제2 반도체 층(124b)이 순차적으로 형성될 수 있다. 기판(100)은 반도체 기판일 수 있다. 일 예로, 기판(100)은 InP, InGaAsP, InGaAs, AlGaAsP, AlGaAs 중 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 희생층(110)은 InP, InGaAsP, InGaAs, AlGaAsP, AlGaAs 중 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이는 일 예일 뿐 이에 제한되지 않는다.
제1 반도체 층(124a)은 반도체 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 반도체 층(124a)은 n형 또는 p형의 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제1 반도체 층(124a)은 일 예로 InGaAsP, InGaAs, AlGaAsP, AlGaAs 중 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
제2 반도체 층(124b)은 제1 반도체 층(124a)과 대응되는 크기 및/또는 형상을 가질 수 있다. 제2 반도체 층(124b)은 반도체 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 제2 반도체 층(124b)은 n형 또는 p형의 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제2 반도체 층(124b)은 일 예로, InGaAsP, InGaAs, AlGaAsP, AlGaAs 중 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 제2 반도체 층(124b)은 하부 클래드 층(124a)과 다른 도전형을 가질 수 있다.
이득 물질 층(126)은 제1 반도체 층(124a)과 제2 반도체 층(124b) 사이에 개재될 수 있다. 이득 물질 층(126)은 제1 반도체 층(124a) 및/또는 제2 반도체 층(124b)의 각각과 대응되는 크기 및/또는 형상을 가질 수 있다. 이득 물질 층(126)은 에너지를 흡수하여 레이저 광을 발생시킬 수 있다. 이득 물질 층(126)은 복수 개의 양자 우물(multi quantum well)을 포함할 수 있다. 이득 물질 층(126)은 일 예로, InGaAsP, InGaAs, AlGaAsP, AlGaAs 중 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
제2 반도체 층(124b) 상에 레지스트 층(130)이 형성될 수 있다. 레지스트 층(130)은 PMMA를 포함할 수 있으나, 이는 일 예일 뿐 이에 제한되지 않는다.
도 5b를 참조하면, 레지스트 층(130)을 패터닝하여 제1 마스크 패턴(132) 및 제2 마스크 패턴(134)을 형성할 수 있다. 제1 마스크 패턴(132)은 상술한 제1 바디(12)와 동일한 형상을 갖고, 제2 마스크 패턴(134)은 상술한 제2 바디(22)와 동일한 형상을 가질 수 있다. 레지스트 층(130)을 패터닝하는 것은, e-beam 리소그라피 공정을 이용할 수 있다. 제1 마스크 패턴(132)은 개구들(133)을 포함할 수 있다.
도 5c를 참조하면, 제1 마스크 패턴(132)을 마스크로 하여 제2 반도체 층(124b), 이득 물질 층(126), 및 제1 반도체 층(124a)을 식각하여 제1 바디(12)를 형성할 수 있다. 제2 마스크 패턴(134)을 마스크로 하여 제2 반도체 층(124b), 이득 물질 층(126), 및 제1 반도체 층(124a)을 식각하여 제2 바디(22)를 형성할 수 있다. 제1 마스크 패턴(132)을 이용하여 제1 바디(12)를 형성하는 것과 제2 마스크 패턴(134)을 이용하여 제2 바디(22)를 형성하는 것은 동시에 수행될 수 있다. 제1 마스크 패턴(132)을 이용하여 제1 바디(12)를 형성하는 것과 제2 마스크 패턴(134)을 이용하여 제2 바디(22)를 형성하는 것은, 일 예로, 건식 식각을 이용하여 형성될 수 있다. 제1 바디(12) 및 제2 바디(22)를 형성한 후, 제1 마스크 패턴(132) 및 제2 마스크 패턴(134)을 제거할 수 있다.
도 5d를 참조하면, 희생층(110)을 식각하여 제1 바디(12)의 하부에 제1 지지부(112)를 형성할 수 있다. 마찬가지고, 희생층(110)을 식각하여 제2 바디(22) 각각의 하부에 제2 지지부(114)를 형성할 수 있다. 제1 지지부(112) 및 제2 지지부(114)로 인해, 제1 바디(12) 및 제2 바디(22)는 각각 기판(100)으로부터 이격될 수 있다. 일 예로, 제1 바디(12)의 상면은 기판(100)의 상면으로부터 제1 거리(H1)만큼 이격될 수 있고, 제2 바디(22)의 상면은 기판(100)의 상면으로부터 제2 거리(H2)만큼 이격될 수 있다. 이 때, 제1 거리(H1) 및 제2 거리(H2)는 서로 동일할 수 있다. 제1 및 제2 지지부들(112,114)로 인해, 제1 레이저 다이오드(10) 및 제2 레이저 다이오드(20)는 각각 갇히는 빛의 양이 증대될 수 있다.
이어서, 다시 도 3a를 참조하면, 제1 레이저 다이오드(10) 및 제2 레이저 다이오드(20) 사이에 광 도파로(30)를 형성하여 광 집적 소자(1)가 제조될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 대한 이상의 설명은 본 발명의 설명을 위한 예시를 제공한다. 따라서 본 발명은 이상의 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.
1: 광 집적 소자 10: 제1 레이저 다이오드
12: 제1 바디 18: 관통홀
20: 제2 레이저 다이오드 22: 제2 바디
30: 광 도파로

Claims (20)

  1. 기판;
    상기 기판 상의 TM 모드(Transverse magnetic mode)로 발진하는 제1 레이저 다이오드; 및
    상기 기판 상의 TE 모드(Transverse electric mode)로 발진하는 제2 레이저 다이오드를 포함하되,
    상기 제1 레이저 다이오드는:
    원판 형상의 제1 바디; 및
    상기 제1 바디를 관통하는 관통홀들을 포함하는 광 집적 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 레이저 다이오드는 원판 형상의 제2 바디를 포함하되, 상기 기판의 상면으로부터 상기 제1 바디의 상면까지의 거리는 상기 기판의 상면으로부터 상기 제2 바디의 상면까지의 거리와 동일한 광 집적 소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 바디는 곡률이 상이한 광 집적 소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 바디의 단위 면적당 상기 관통홀들의 면적비가 상이한 광 집적 소자.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 바디의 단위 면적당 상기 관통홀들의 개수가 상이한 광 집적 소자.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 바디의 단위 면적당 상기 관통홀의 직경이 상이한 광 집적 소자.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 바디의 적어도 일부는 비균질 굴절률을 갖는 광 집적 소자.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판 상에, 상기 제1 및 제2 레이저 다이오드들 사이에 배치된 광 도파로를 더 포함하는 광 집적 소자.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 바디는 곡률이 상이하되,
    상기 제1 바디의 상기 광 도파로와 인접한 일 부분의 곡률은 상기 제1 바디의 상기 광 도파로와 이격되는 다른 부분의 곡률보다 작은 광 집적 소자.
  10. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 및 제2 바디들의 각각은:
    상부 및 하부 클래드 층들; 및
    상기 상부 및 하부 클래드 층들 사이에 개재된 이득 물질(gain medium)을 포함하는 광 집적 소자.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 관통홀의 직경은 방출되는 방출광의 파장의 길이보다 작은 광 집적 소자.
  12. TM 모드로 발진하는 레이저 다이오드에 있어서,
    곡률이 일정하지 않은 원판 형상의 바디를 갖고,
    상기 바디는:
    상부 및 하부 클래드 층들;
    상기 상부 및 하부 클래드 층들 사이에 개재된 이득 물질(gain medium); 및
    상기 상부 및 하부 클래드 층들 및 상기 이득 물질을 완전히 관통하는 관통홀들을 포함하고,
    상기 바디의 단위 면적당 상기 관통홀들의 면적비를 통해 유전율을 제어하는 레이저 다이오드.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 바디의 적어도 일부는 비균질 굴절률을 갖는 레이저 다이오드.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 청구항 12에 있어서,
    상기 관통홀의 직경은 입사되는 입사광의 파장의 길이보다 작은 레이저 다이오드.
  18. 기판 상에 제1 반도체 층, 제2 반도체 층, 상기 제1 반도체 층과 상기 제2 반도체 층 사이에 개재된 이득 물질 층을 형성하는 것;
    상기 제2 반도체 층 상에 마스크 층을 형성하는 것;
    상기 마스크 층을 패터닝하여 제1 및 제2 마스크 패턴들을 형성하는 것;
    상기 제1 마스크 패턴을 이용하여 상기 제2 반도체 층, 게인 층, 및 상기 제1 반도체 층을 패터닝하여 TM 모드로 발진하는 제1 레이저 다이오드를 형성하는 것; 및
    상기 제2 마스크 패턴을 이용하여 상기 제2 반도체 층, 상기 게인 층, 및 상기 제1 반도체 층을 패터닝하여 TE 모드로 발진하는 제2 레이저 다이오드를 형성하는 것을 포함하되,
    상기 제1 레이저 다이오드를 형성하는 것은, 상기 제2 반도체 층, 상기 게인 층, 및 상기 제1 반도체 층을 관통하는 관통홀들을 형성하여 상기 패터닝된 상기 제2 반도체 층, 상기 게인 층, 및 상기 제1 반도체 층의 굴절률을 제어하는 것을 포함하는 광 집적 소자의 제조 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 제1 레이저 다이오드를 형성하는 것은, 상기 패터닝된 상기 제2 반도체 층, 상기 게인 층, 및 상기 제1 반도체 층의 유전율을 제어하여, 상기 패터닝된 상기 제2 반도체 층, 상기 게인 층, 및 상기 제1 반도체 층 내에 입사되는 입사광의 경로를 제어하는 것을 포함하는 광 집적 소자의 제조 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 유전율을 제어하는 것은, 상기 제1 마스크 패턴의 단위 면적당 상기 관통홀들의 면적비를 제어하여 상기 유전율을 제어하는 것을 포함하는 광 집적 소자의 제조 방법.
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