KR19990050455A - 버트-커플링 구조의 디에프비 레이저와 광변조기 집적소자 및 그 제조방법 - Google Patents

버트-커플링 구조의 디에프비 레이저와 광변조기 집적소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분포궤환 레이저 (DFB laser)와 전계 흡수형 (electro-absorption) 광변조기의 집적화소자를 제작함에 있어서 응력이 가해진 다중양자우물구조의 버트커플링 (Butt-coupling) 결정성장시 발생하는 결정결함을 제거하기 위하여, 결정결함이 발생된 부분을 반응성 이온 식각 혹은 습식식각으로 제거하고 반절연 InGaAsP 도파로층 및 InP 클래드(clad)층의 성장을 통하여 결정결함을 제거함으로써 소자의 신뢰성과 광결합 특성을 높이는 제조 방법 및 그 방법으로 제작된 광변조기 집적소자에 관한 것이다.

Description

버트-커플링 구조의 디에프비 레이저와 광변조기 집적소자 및 그 제조방법
본 발명은 분포궤환 레이저(DFB laser)와 전계 흡수형 (electro-absorption) 광변조기의 집적화소자에 관한 것으로, 특히, 결정결함이 발생된 부분을 반응성 이온 식각 혹은 습식식각으로 제거하고 반절연 InGaAsP 도파로층 및 InP 클래드(clad)층의 성장을 통하여 결정결함을 제거함으로써 소자의 신뢰성과 광결합 특성을 높이도록 한 DFB 반도체 레이저와 광변조기 집적소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
광통신 시스템의 전송속도와 전송거리가 증가함에 따라 광원은 변조속도와 변조광선폭등에서 더욱 고성능이 요구된다. 1997년 이후 장거리 국간 전송은 10Gbps 이상의 비트 레이트(bit rate)가 사용될 예정이다. 따라서 반도체 레이저의 직접변조 방식은 그 한계를 가지고 있는 것으로 판단된다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 변조하지 않는 협선폭의 반도체레이저 광을 외부 광변조기를 사용하여 전송신호로 변조하는 것이 있다. 이러한 방법은 직접변조 반도체레이저에 비하여 변조광선폭을 크게 줄일 수 있는 장점이 있다. 특히 어븀이 도핑된 광섬유 증폭기 (EDFA ) 기술의 발전에 따라 광통신의 전송거리는 신호의 감쇄 보다는 분산에 의한 신호의 왜곡에 더 지배를 받고 있으므로 광통신의 무중계 전송거리 증가를 위해서는 광원의 변조광선폭 감소가 필수적 이다.
그러나 이러한 외부 광변조기의 사용을 위해서는 두 차례의 광섬유와 외부 광변조기 사이의 광결합 과정이 필요하며 따라서 10 dB 정도의 광결합 손실이 발생한다. 또 일반적인 외부 광변조기는 편광의존성 문제를 가지고 있으며 레이저와 변조기의 2개의 모듈을 사용함으로서 시스템제작에 불편한 문제점도 가지고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 세계적으로 분포궤환 레이저(Distributed Feedback (DFB) laser)와 광변조기를 단일칩에 집적화 하는 연구가 시도되고 있다. 이러한 DFB 레이저와 광변조기를 집적화하는 방법으로는 크게 선택적 성장을 이용하여 평면상에서의 밴드갭 변환방법, 레이저 구조 밑에 광변조기 구조를 성장한 후 레이저 부분을 부분적으로 식각해내는 테이퍼 커플링 방법 그리고 먼저 DFB 레이저를 성장한 후 광변조기 부분을 식각해 내고 다시 광변조기 부분을 선택적으로 재성장하는 버트-커플링(butt-coupling)방법이 있다.
도 1은 종래 버트-커플링 방법에 의한 DFB 레이저 광변조기의 구성을 보인 단면도로서, DFB레이저 부분은 DFB 레이저를 위한 회절 격자층(2)의 상부에 다층 양자 우물 구조로 이루어진 DFB레이저의 활성층(1)이 형성되고, 그 위에 DFB레이저 부분의 InGaAsP 광도파로층(3)과 InP 버퍼층 및 선택적 성장을 위한 절연막(4)이 형성된다. 이러한 DFB 레이저의 광변조를 위한 부분은, 상기 회절격자층(2)과 접하는 광변조기 부분의 InGaAsP 광도파로층(5)이 형성되고, 그 광도파로층(5) 위에 InGaAsP/InGaAsP 다층 양자우물 구조층(8)이 형성되며, 그 위에 InP 버퍼층(9)이 형성된 구조로 구성된다.
이와같이 DFB 광레이저 부분과 광변조기 부분을 별도로 구성하여 버트-커플링 방법으로 DFB 광레이저 변조기를 구성한다. 이러한 버트-커플링(butt-coupling)방법은 DFB 레이저와 광변조기 부분을 독립적으로 최적화 설계 및 제작할 수 있고 광결합 효율도 높으므로 10 Gbps 용 광변조기 집적소자의 제작에 적합하다. 10Gbps 광통신 시스템용 광변조기 집적소자에서는 광변조기 흡수층의 특성을 향상시키기 위하여는 전도띠 차이(conduction band discontinuity) 의 증가가 필요하며 또 1.5μm의 파장에서 최적의 우물층 폭과 장벽층의 높이를 얻기 위해서는 응력 상쇄(strain compensated) InGaAsP/InGaAsP 다중양자우물구조가 광변조기의 흡수층으로 사용되어야 한다.
그런데 버트-커플링 성장에서는 평면에서의 성장과 달리 결정면의 특성과 원료의 확산효과에 의하여 불균일한 조성과 두께를 갖게 되며 이러한 경우 종래의 선택적 비평면 성장방법으로 (InP buffer 층에 의한 (011)결정면과 (100)결정면의 생성 없이) 결정성이 불안정한 응력이 가해진(strain compensated) InGaAsP/InGaAsP 다중양자우물구조를 성장할 경우, 도 1과 같이 DFB 레이저와 광변조기의 흡수층이 버트-커플링 되는 부분에 결정결함(6)이 발생한다. 이러한 결정결함은 광결합 효율을 감소시키며 또 소자의 신뢰성에 문제를 일으키는 원인이 된다.
따라서 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 응력이 가해진 다중양자우물구조의 버트커플링 (Butt-coupling) 결정성장시 발생하는 결정결함층을 제거하고 전기적 저항이 큰 반절연 InGaAsP 도파로층을 성장하여 소자의 신뢰성을 높이고 광결합 특성을 향상시켜 광출력을 증가시키는 것을 목적으로 한다.
또 레이저와 광변조기 사이의 분리저항을 증가시키며 레이저와 광변조기 구조의 광모드 차이에 의한 결합손실을 보상하기 위한 광모드 변환기의 기능을 가지게 하는 목적도 있다.
본 발명은 분포궤환 레이저(DFB laser)와 전계 흡수형 (electro-absorption) 광변조기의 집적화소자를 제작함에 있어서, 응력이 가해진 다중양자우물구조의 버트커플링(Butt-coupling) 결정 성장시 발생하는 결정결함을 제거하기 위하여, 결정결함이 발생된 부분을 반응성 이온 식각 혹은 습식식각으로 제거하고 반절연 InGaAsP 도파로층 및 InP 클래드(clad)층의 성장을 통하여 결정결함을 제거한다.
이에따라 소자의 신뢰성과 광결합 특성을 높이는 제조 방법 및 그 방법으로 제작된 광변조기 집적소자를 제공할 수 있게 된다.
본 발명은 식각의 깊이와 반절연 InGaAsP 도파로층의 두께 그리고 InP 클래드(clad)층의 두께는 레이저와 도파로 그리고 광변조기와의 광결합을 고려하여 설계된다. 또 레이저와 광변조기의 사이에 전기적 저항이 큰 반절연 InGaAsP 도파로층과 InP 클래드(clad)층을 성장하여 결정결함이 발생할 수 있는 부분에 전류의 주입을 억제하여 소자의 신뢰성을 높인다. 이러한 반절연층은 성장은 결정결함에 의한 문제점들의 해결뿐 아니라 레이저와 광변조기 사이의 분리저항을 증가시켜 변조기 전압변화에 의한 레이저의 동작전류 변동과 그에 따른 선폭증가를 감소시키는 역할도 한다.
반절연 InGaAsP 도파로층은 위에서 서술한 기능 외에 레이저와 광변조기의 광모드 차이에 의한 결합손실을 보상하기 위한 광모드 변환기의 기능도 겸하게 된다.
독립적으로 설계된 레이저 구조와 광변조기 구조는 광모드의 모양에 많은 차이가 있으며 이를 완화시키기 위하여 반절연 InGaAsP 도파로층의 두께와 굴절율은 레이저와 광변조기의 중간값을 갖도록 설계한다.
도 1은 종래의 DFB 레이저와 광변조기의 버트 커플링 집적소자의 결정결함을 나타보이기 위한 단면도.
도 2는 본 발명에 의한 버트커플링 (Butt-coupling) 구조의 집적소자의 개략 구조를 보인 단면도.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 의한 버트 커플링 구조의 DFB레이저와 광변조기의 집적소자 제조 공정도.
도 4는 본 발명에 의한 버트커플링 구조를 갖는 광변조기 집적소자의 개략도.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
1 : DFB ( Distributed Feedback) 레이저의 활성층
2 : DFB 레이저를 위한 회절격자층
3 : DFB 레이저 부분의 InGaAsP 광도파로층
4 : 선택적 성장을 위한 절연막
5 : 광변조기 부분의 InGaAsP 광도파로층
6 : 결정결함이 발생한 응력이 가해진 InGaAsP/InGaAsP 다층 양자우물 구조층
7 : 결정결함이 발생한 광변조기 윗부분의 InGaAsP 광도파로층
8 : 결정결함이 없는 버트-커플링에서 멀리 떨어진 부분의 응력이 가해진 InGaAsP/InGaAsP 다층 양자우물 구조층
9 : 광변조기 부분의 InP 클래드층
10 : 반절연 InP 성장층
11 : 반절연 InGaAsP 성장층
12 : 식각 및 재성장에 필요한 절연막 층
13 : 광변조기의 응력이 가해진 InGaAsP/InGaAsP 다층 양자우물 구조층
14 : 결정결함이 없는 광변조기 부분의 InGaAsP 광도파로층
15 : 광변조기를 성장하기 위하여 식각한 부분
16 : 결정결함 부위를 제거하기 위하여 식각한 부분
17 : Ti/Pt/Au 를 사용한 레이저의 옴 접촉 금속층
18 : 레이저와 광변조기의 전기적 분리를 위한 분리식각층
19 : Ti/Pt/Au 를 사용한 광변조기의 옴 접촉 금속층
20 : 유전체 박막 무반사 코팅층
본 발명에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명에서 제안한 향상된 버트커플링 구조를 나타내는 개략도이다.
DFB레이저 부분은, DFB 레이저를 위한 회절 격자층(2)의 상부에 다층 양자 우물 구조로 이루어진 DFB 레이저의 활성층(1)이 형성되고, 그 위에 DFB레이저 부분의 InGaAsP 광도파로층(3)과 InP 버퍼층 및 선택적 성장을 위한 절연막(4)이 형성된다. 이러한 DFB 레이저의 광변조 부분은, 상기 회절격자층(2)과 접하는 광변조기부분의 InGaAsP 광도파로층(5)이 형성되고, 그 광도파로층(5) 위에 InGaAsP/InGaAsP 다중양자우물구조 흡수층(13)이 형성되고, 그 위에 결정 결함이 없는 광변조기 부분의 InGaAsP 광도파로층(14)과 반절연 InP층 및 절연막층(12)을 형성한다. 그리고, 왼쪽의 DFB레이저 부분과 오른쪽의 광변조기 사이에, 격자상수가 InP와 같은 반절연 InGaAsP층(11)과 반절연 InP(10)층이 위치하게 된다.
본 발명에서 제안한 구조를 실현하기 위한 실시예가 도 3에 도시되어 있다.
먼저, 도 3a 와 같이, 광변조기층을 성장하기 위하여 DFB 레이저의 오른족 부분을 식각 한다. 그리고, 도 3b와 같이, 광변조기 부분의 InGaAsP 광도파로층(5)을 형성하고, 그 위에 응력이 가해진 InGaAsP/InGaAsP 다중양자우물구조 흡수층(8)을 성장하며, 그위에 광도파로층(7) 및 InP 클래드층(9)을 형성한다.
이와같은 구조(도 3b)는 종래의 구조(도 1)와 유사한 구조로서 응력이 가해진 다중양자우물구조 광흡수층(8)에 결정결함(6)이 발생된다.
따라서, 도 3c와 같이, DFB 레이저와 결합되는 광 변조기의 결정 결함 부분을 식각해내고, 그 식각부분(16)에 반절연 InGaAsP 도파로층(11)과 반절연 InP층(10)을 성장하여 도 2와 같은 구조를 형성한다. 이때 상기 결정결함이 발생된 부분의 식각은, 반응성 이온 식각 혹은 습식식각으로 제거한다.
위의 제작 방법을 이용하여 DFB 레이저와 광변조기를 버트-커플링 한 광변조기 집적소자의 구조가 도 4에 도시되어 있다. 먼저 그림 왼쪽 부분인 DFB 레이저를 1차로 성장한 후, 도 3a, 도 3b, 도 3c와 같이 응력이 가해진 InGaAsP/InGaAsP 다중양자우물구조를 성장하여 광변조기 부분을 형성하고, 그 광변조기 부분에서 결정 결함이 발생된 부분을 식각해 낸다. 이후, 그 식각된 부분에 반절연 InGaAsP 도파로층(11)과 반절연 InP층(10)을 성장하고, 반절연 InP 전류차단층과 p-InP 클래드층(12)을 성장하여 매립형의 광도파로를 형성하고, 레이저와 광변조기의 전기적 분리를 위한 분리 식각층(18)을 형성하고, Ti/Pt/Au를 사용한 레이저의 음 접촉 금속층(17)과 Ti/Pt/Au를 사용한 광변조기의 음 접촉 금속층(19)을 형성한다. 그리고 광변조기 부분의 앞면에 유전체 박막 무반사 코팅층(20)을 형성 한다.
이와같이 구성된 DFB레이저 광변조기소자는, 소자 동작시 DFB 레이저에서 발생한 빛은 반절연 InGaAsP층을 통하여 광변조기 부분에 전달된다.
이 때 중간의 InGaAsP 도파로층(11)은 반절연층 이므로, 전기는 통과시키지 않는다. 이러한 구조에서는 종래의 구조에 비하여 다음과 같은 향상된 작용을 한다.
첫째 결정결함 부위의 식각을 통하여 버트커플링 (Butt-coupling) 결정성장시 발생하는 결정결함이 제거되었으며, 둘째 반절연 InGaAsP 도파로층(11) 및 InP 클래드(clad)층(10)에 의한 전류 차단과 그에 따른 소자의 신뢰도 향상, 셋째 레이저와 광변조기 사이의 분리저항을 증가시켜 변조기 전압변화에 의한 레이저의 동작전류 변동과 그에 따른 선폭증가를 감소시키는 역할 그리고 넷째로 레이저와 광변조기 구조의 광모드 차이에 의한 결합손실을 보상하기 위한 광모드 변환기의 기능이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 분포궤환 레이저 (DFB laser)와 전계 흡수형 (electro-absorption) 광변조기의 집적화를 위한 에피탁시 결정성장시 발생한 결정결함을 제거하여 소자의 신뢰성을 향상시키고 광결합 손실의 제거에 의하여 광출력을 증가시키는 효과가 있다. 또 레이저와 광변조기 사이의 분리저항을 증가시켜 변조기 전압변화에 의한 레이저의 동작전류 변동과 그에 따른 선폭증가를 감소시키는 효과도 있으며 광변조기 구조의 광모드 차이에 의한 결합손실을 보상하기 위한 광모드 변환에 의한 결합계수 증가의 효과가 있다.

Claims (4)

  1. DFB 레이저와 광변조기를 버터-커플링시킨 집적소자에 있어서,
    광변조기의 다층 양자 우물구조의 결정결함이 발생된 부분을 식각으로 제거하여 DFB 레이저와 광변조기 사이의 상기 식각된 부분에 반절연 InGaAsP 도파로층 및 InP 클래드층을 삽입 형성시켜 구성한 것을 특징으로 하는 버트 커플링 구조의 DFB 레이저와 광변조기 집적소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    레이저와 광변조기의 사이에 전기적 저항이 큰 반절연 InGaAsP 도파로층과 InP 클래드층이 형성된 구조의 상부에 반절연 InP 전류차단층과 p-InP 클래드층이 성장되어 광도파로가 매립형으로 구성되고,
    상기 p-InP 클래드층의 상단부에 레이저와 광변조기의 전기적 분리를 위한 분리 식각층(18)이 형성되고,
    Ti/Pt/Au를 사용한 레이저의 음 접촉 금속층(17)과 Ti/Pt/Au를 사용한 광변조기의 음 접촉 금속층(19)이 형성되며,
    광변조기 부분의 앞면에 유전체 박막 무반사 코팅층(20)을 형성되어 구성된 것을 특징으로 하는 버트 커플링 구조의 DFB 레이저와 광변조기 집적소자.
  3. 회절 격자층 위에 다층 양자우물 구조의 활성층과 레이저 부분의 광도파로층과 버퍼층 및 절연막을 차례로 형성하여 DFB레이저를 형성하는 과정과;
    그 DFB 레이저의 일측부분을 제거하여 광변조기를 형성하기 위한 영역을 형성하는 과정과;
    그 광변조기를 형성하기 위한 영역에 광도파로층, 다층 양자우물구조의 광흡수층, 광도파로층 및 클래드층을 형성하여 광변조기를 형성하는 과정과,
    상기 광변조기에서 결정 결함이 발생한 영역을 포함하여 DFB 레이저와 광변조기의 연결 부분을 식각하여 제거하는 과정과,
    그 식각된 부분에 반절연 InGaAsP 도파로층 및 InP 클래드층을 삽입 형성시키는 과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 버트 커플링 구조의 DFB 레이저와 광변조기 집적소자의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 결정결함이 발생된 부분의 식각은,
    반응성 이온 식각 혹은 습식식각으로 결정결함이 발생된 부분을 제거하는 것을 특징으로 하는 버트 커플링 구조의 DFB 레이저와 광변조기 집적소자의 제조방법.
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