KR20010054750A - 흡수 파장 대역이 다른 다수개의 모니터 광검출기가집적된 단일파장 반도체 레이저 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파장 분할 다중화 방식의 광통신 시스템에서 사용되는 광원에 파장 흡수 영역이 다른 2개의 모니터 광검출기를 단일 칩 집적화하여 각각의 파장에서 나오는 광의 출력을 집적된 2개의 광검출기로써 상대적인 각각의 광전류를 모니터 함으로써 파장의 흔들림을 검지하고 그 결과를 반도체 레이저의 구동부 및 온도 제어부로 궤환시켜 파장 안정화의 기능을 갖는, 파장 별 광 세기를 측정할 수 있는 모니터 검출기가 집적된 반도체 레이저에 관한 것이다.

Description

흡수 파장 대역이 다른 다수개의 모니터 광검출기가 집적된 단일파장 반도체 레이저{Single frequency semiconductor laser diode integrated with two monitor photodiodes having different absorption layers}
본 발명은 모니터 광검출기가 집적된 반도체 레이저에 관한 것으로, 특히 출력광의 파장별 상대적 광 세기를 측정가능한 모니터 검출기가 집적된 반도체 레이저에 관한 것이다.
도1은 통상적인 DFB (Distributed Feedback) 반도체 레이저 구조를 나타내는 단면도이다. 도1에 도시된 바와 같이, DFB 반도체 레이저는 n-InP 기판(2)에 회절격자층(3), 다중양자 우물 구조의 InGaAsP/InGaAsP 활성층(4), 분리 광 가둠층(5), p-InP 클래드층(6), 및 p-InGaAs층(7)이 적층되고, n-InP 기판(2)에 n-메탈전극(1)이 형성되며 p-InGaAs층(7)에 p-전극(8)이 형성되는 구조를 갖는다.
종래에는 이러한 통상의 DFB 레이저의 웨이퍼 구조에 도2에 도시된 바와 같이, 격리층(9)을 형성하여 반도체 레이저를 2부분으로 분리함으로써, 전면은 단일파장 반도체 레이저가 구성되고 자연적으로 후면은 PIN 형의 모니터 광검출기가 구성되는 모니터 광검출기가 집적된 반도체 레이저를 구성하였다.
따라서 DFB 레이저에 구성되는 PIN 모니터 광검출기는 DFB 레이저의 활성층과 같은 흡수 파장 대역을 갖는다. 이러한 장파장대의 InP계 레이저는 주로 통신용 광원으로서 이용되고 있고, 특히 광통신 시스템에 탑재되어 구동될 때 외부 온도의 변화, 구동 전류 주입시 발생되는 주울 열, 및 주입전류에 의한 활성층 내부의 굴절율 변화로 인한 파장의 흔들림으로 연결되어서 전송특성의 저하를 가져온다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 반도체 레이저의 모듈 내부에는 항상 반도체 레이저의 출력을 감지하는 광검출기를 하이브리드로 내장하든지 아니면 도2와 같이 단일 칩 집적화하여 항시 반도체 레이저의 출력을 감시하여 출력이 떨어지면 레이저의 냉각 장치를 구동시켜 반도체 레이저의 구동에 따른 온도 상승을 보상하여 줌으로써 일정한 출력을 유지할 수 있도록 하였다.
그러나 이와 같은 종래의 출력 모니터 광검출기 집적형 레이저는 단일파장 반도체 레이저의 출력 만을 감시함으로서 파장 분할 다중화 광통신 방식에서 가장 큰 문제인 파장의 변화는 측정할 수 없는 결과를 초래하여, 궁극적으로는 파장 분할 다중화 방식의 광통신용 광원으로서는 사용할 수 없는 결과를 초래하게 된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 특히 파장 분할 다중화 방식의 광통신용 광원으로서 사용 가능한 모니터 광검출기가 집적된 반도체 레이저를 제공하는데 그 목적이 있다.
도1은 통상적인 DFB (Distributed Feedback) 반도체 레이저 구조를 나타내는 단면도.
도2는 모니터 광검출기가 집적된 종래의 단일파장 반도체 레이저의 구조를 나타내는 단면도.
도3은 본 발명의 일실시예에 따라 흡수 파장 대역이 다른 2개의 모니터 광검출기가 함께 집적화된 상태의 단일파장 반도체 레이저 구조를 도시한 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : n-전극 2 : n-InP 기판 3 : 회절격자층
4 : 다중양자 우물 구조의 InGaAsP/InGaAsP 활성층
5 : 분리 광 가둠층
6 : p-InP 클래드층 7 : p-InGaAs 층 8 : p-전극
9 : 레이저와 광검출기의 격리층
10 : p-InGaAs 오믹층
11 : p-InP 클래드층
12 : λ2의 밴드갭을 갖는 다중양자우물 구조의 InGaAsP/InGaAs층
13 : λ2의 광전류를 측정하기 위한 n-전극
14 : n-InGaAsP층
15 : 반절연 InP층
16 : λ3의 광전류를 측정하기 위한 p-전극
17 : p-InGaAsP 오믹층
18 : λ3의 밴드갭을 갖는 다중양자우물 구조의 InGaAsP/InGaAs층
파장분할 다중화 광통신 시스템에서 광원으로 사용하기 위해서는 먼저 파장 변화에 따른 특성을 감지할 수 있는 기능이 갖고 있어서 파장분할 다중화 광통신 시스템에서 레이저 구동시 레이저의 열화에 의한 출력 파장의 왜곡을 사전에 감지할수 있어야 하고, 이에 의해 온도를 보상함으로써 원래 전송 용량을 유지시켜 줄 수 있어야 한다.
이러한 기능을 갖게 하기 위해서는 흡수 파장 대역이 다른 다수의 모니터 광검출기를 단일파장 반도체 레이저에 단일 칩 집적화하여 그 기능을 구현할 수 있도록 하면 되는바, 본 발명은 흡수 파장 대역이 다른 다수개의 모니터 광검출기가 함께 집적화된 단일파장 반도체 레이저를 제공하는데 그 특징이 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 도면에서 종래기술과 동일한 도면부호에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하였다.
도3은 본 발명의 일실시예에 따라 흡수 파장 대역이 다른 2개의 모니터 광검출기가 함께 집적화된 상태의 단일파장 반도체 레이저 구조를 도시하고 있다.
도3을 참조하면, DFB 레이저와 모니터 광검출기가 반절연 InP층의 격리층(9)에 의해 격리되어 n-InP 기판(2)에 함께 집적화되어 있다. 모니터 광검출기는 λ3의 흡수층을 갖는 제1광검출기와 λ2의 흡수층을 갖는 제2광검출기로 이루어진다. 제1광검출기는 λ3의 밴드갭을 갖는 다중양자우물 구조의 InGaAsP/InGaAs층(18)과 그 상부에 적층된 p-InGaAsP층(17), 및 λ3에 의해서 생성된 광전류 측정을 위하여 상기 p-InGaAsP층(17) 상에 형성된 p-전극(16)으로 실시 구성되어 있다. 제2광검출기는 λ2의 밴드갭을 갖는 다중양자우물 구조의 InGaAsP/InGaAs층(12)과 그 하부에 형성된 n-InGaAsP층(14) 및 λ2에 의해서 생성된 광전류 측정을 위하여 상기 n-InGaAsP층(14)) 상에 형성된 n-전극(13)으로 실시 구성되어 있다. p-InGaAsP층(17)과 n-InGaAsP층(14) 사이에는 제1광검출기와 제2광검출기 간의 전기적 격리를 위하여 반절연 InP층(15)이 형성되어 있다. 그리고, λ2의 밴드갭을 갖는 다중양자우물 구조의 InGaAsP/InGaAs층(12) 상에는 p-InP클래드층(11)과 p-InGaAs 오믹층(10)이 형성되어 있다. DFB 레이저는 종래기술과 그 구성이 동일하므로 여기서 그 설명을 생략하고, 이 레이저는 파장이 λ1으로 고정되도록 회절 격자가 구성되어 있다. λ3은 λ1에 비해 단파장이며 λ2는 λ1에 비해 장파장이다.
도3과 같은 구조를 갖는 본 실시예의 장점을 살펴본다.
단일파장 반도체 레이저에 단일 칩으로 집적되는 모니터 광검출기의 위치가 일단 단일파장 반도체 레이저의 뒷면에 단일칩 집적 구조로 제작되기 때문에, 통상의 반도체 레이저 모듈과 같은 하이브리드 집적화의 경우 처럼 반도체 레이저의 빛이 방출되는 광축과 일치시키기 위한 반도체 레이저와 모니터 PIN 광검출기의 정렬 공정을 제외할 수 있다.
그리고 제안된 단일파장 반도체 레이저의 경우의 모니터 PIN 광검출기는 흡수파장이 2개인 흡수영역을 갖음으로써 반도체 레이저의 구동시 파장이 흔들림을 예측할 수 있다. 즉 반도체 레이저의 파장이 λ1으로 고정되도록 회절 격자가 구성되었다고 가정하자. 이 경우 레이저에 전류가 주입되어 직접 구동될 경우 전류 주입에 의한 활성층의 온도가 상승됨으로써 파장이 장파장 λ2쪽으로 천이하게 되고, 냉각의 경우는 단파장 λ3 쪽으로 천이하게 됨으로써 전체 구동 파장은 단일파장 λ1이 아니고 실제적으로 λ3 <λ < λ2 의 범위를 갖는 구동 파장 λ가 됨으로써 자연히 파이버의 분산특성과 맞물려 전송 대역폭의 제한을 가져오게 된다.
따라서 이러한 열화에 의한 파장의 왜곡 현상을 집적된 2개의 모니터 PIN 광검출기로써 예방할 수 있고 광원 고유의 전송 대역폭을 유지할 수 있다. 즉 모니터 광검출기 흡수층의 최대 흡수파장을 λ3 및 λ2으로 맞추어 놓으면 레이저의 구동시 파장이 중심파장에서 λ3 또는 λ2으로 이동될 경우 각 모니터 광검출기의 광 전류가 해당 파장에서 증감됨으로 이 증감량을 환산하면 실제 구동 파장의 이동량을 예측 할 수 있다. 이 예측량이 λ2로 이동되었을 경우 파장 이동 신호(광전류)를 반도체 레이저의 냉각 제어부에 궤환시켜 냉각시키고 반대의 경우는 온도를 올려 주면 항상 자기 중심파장에서 동작하는 단일파장 반도체 레이저가 된다.
다시 도3을 참조하여 도3의 구조를 구현하기 위한 구체적 공정을 살펴본다.
일반적으로는 단일파장 반도체 레이저 부분은 단일파장 반도체 레이저 제작 방법과 유사하고 다만 모니터 광검출기의 경우 흡수층이 2개임으로 선택적 MOCVD 방법을 이용하여 흡수층을 구성한다. 순서를 살펴보면 먼저 단일파장 반도체 레이저를 제작하기 위한 순서로서 먼저 n-InP기판(2)에 단일파장을 갖게하는 회절격자(3)를 홀로그라피(holographic) 노광(exposure) 방법을 이용하여 형성한다. 이어서, 다중양자우물 활성층(4), 광 가둠 층(5), p-InP 클래드층(6), 및 p-InGaAs층(7)을 단계적으로 성장시킨다. 그리고 레이저 영역을 마스킹하고 n-InP 기판(2)의 표면이 노출되도록 성장된 박막들을 모두 에칭한 다음, 모니터 PIN 광검출기를 다음의 순서에 의해서 성장한다. 먼저 λ3의 흡수층을 갖는 제1광검출기를 제작하기 위해서, 에칭에 의해 노출된 n-InP기판(2) 상에 λ3에서 최대 흡수를 하는 다중양자우물 구조의 InGaAsP/InGaAs층(18)을 성장하고 p-InGaAsP층(17)을 성장하여 제1광검출기를 완성한다. 이어서, 광검출기 간의 전기적 격리를 위한 반절연 InP층(15)을 성장하고, 다시 n-InGaAsP층(14)과 λ2에서 최대 흡수를 하는 다중양자우물 구조의 InGaAsP/InGaAs층(12), p-InP 클래드층(11), 및 p-InGaAs 오믹층(10)를 성장하여 제2광검출기를 완성한다. 이어서, 레이저 부분과 광검출기 부분의 전기적 격리를 위한 분리영역을 에칭하여 트렌치를 형성하고 반절연 InP를 채워넣어 격리층(9)을 형성한다. 마지막으로 리소그라피 공정에 의해 각 전극을 부착시킴으로 해서 2개의 흡수층이 있는 모니터 광검출기가 집적된 반도체 레이저를 완성한다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 반도체 레이저는 레이저 구동시 레이저의 열화에 의한 출력 파장의 왜곡을 사전에 감지할수 있기 때문에, 이에 의해 온도를 보상함으로써 원래 전송 용량을 유지시켜 줄 수 있도록 하여, 파장 분할 다중화 방식의 광통신용 광원으로서 사용 가능하다.

Claims (5)

  1. 제1파장의 광을 방출하는 레이저;
    상기 제1파장에 비해 단파장인 제2파장의 흡수층을 갖는 제1광검출기; 및
    상기 제1파장에 비해 장파장인 제3파장의 흡수층을 갖는 제2광검출기가 함께 집적화된 반도체 레이저.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1광검출기는,
    상기 제2파장의 밴드갭을 갖는 다중양자우물 구조의 제1 InGaAsP/InGaAs층;
    상기 제1 InGaAsP/InGaAs층 상에 형성된 p-InGaAsP층; 및
    상기 제2파장에 의해 생성된 광전류 측정을 위하여 상기 p-InGaAsP층 상에 형성된 p-전극으로 구성됨을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2광검출기는,
    상기 제3파장의 밴드갭을 갖는 다중양자우물 구조의 제2 InGaAsP/InGaAs층;
    상기 제2 InGaAsP/InGaAs층 하부에 형성된 n-InGaAsP층; 및
    상기 제3파장에 의해 생성된 광전류 측정을 위하여 상기 n-InGaAsP층 상에 형성된 n-전극으로 구성됨을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 p-InGaAsP층과 상기 n-InGaAsP층은 반절연성 InP층을 사이에 두고 접하여 상기 제1광검출기와 상기 제2광검출기는 서로 전기적으로 격리된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  5. 파장분할 다중화 광통신 시스템에서 레이저 구동시 레이저의 열화에 의한 출력 파장의 왜곡을 사전에 감지할 수 있도록, 흡수 파장 대역이 다른 다수의 모니터 광검출기를 단일파장 반도체 레이저에 단일 칩 집적한 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
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