KR20030031204A - 분포귀환형 반도체 레이저 - Google Patents

분포귀환형 반도체 레이저 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따라 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 형성되며 소정 굴절률을 갖는 제1 및 제2 클래드층과, 상기 제1 및 제2 클래드층 사이에 개재되며 광을 그 내부로 도파시키는 가이드층을 구비하는 분포귀환형 반도체 레이저는, 상기 반도체 레이저의 소정 부분을 차지하고, 상기 제1 클래드층과 가이드층 사이에 개재되며 소정 파장의 광을 발진시키기 위한 발진부 활성층과 상기 소정 영역에 걸쳐 상기 가이드층의 하부면을 이루는 제1 격자를 구비하는 레이저 발진부와; 상기 반도체 레이저의 나머지 부분을 차지하고, 상기 제1 클래드층과 가이드 층 사이에 개재되며 상기 광을 고정된 이득으로 증폭하기 위한 증폭부 활성층과 상기 나머지 영역에 걸쳐 상기 가이드층의 하부면을 이루는 제2 격자를 구비하는 레이저 증폭부를 포함한다.

Description

분포귀환형 반도체 레이저{DISTRIBUTED FEEDBACK SEMICONDUCTOR LASER}
본 발명은 반도체 레이저에 관한 것으로서, 특히 분포 귀환형 반도체 레이저에 관한 것이다.
통상적으로 분포 귀환형 반도체 레이저는 반도체 기판 상에 형성되며 광의 진행 경로가 되는 가이드층을 구비하며, 상기 가이드층의 하부면에 격자가 형성된다.
도 1은 종래에 따른 분포귀환형 반도체 레이저의 구성을 나타내는 단면도이다. 상기 분포귀환형 반도체 레이저는 반도체 기판(110)과, 제1 및 제2 클래드층(clad layer, 120 및 160)과, 가이드층(guide layer, 140)과, 활성층(active layer, 150)과, 제1 및 제2 상부 전극(170 및 180)과, 하부 전극(190)과, 제1 및 제2 반사층(200 및 210)으로 구성된다. 또한, 상기 분포귀환형 반도체 레이저는 중심선(220)을 기준으로 제1 레이저 발진부(230)와 제2 레이저 발진부(240)로 나누어진다.
상기 반도체 기판(110) 상에 형성된 제1 클래드층(120)은 그 상부면에 격자(130)가 형성되어 있고, 상기 격자(130)는 소정 주기를 가지며 상기 격자 주기에 따라서 분포귀환 파장이 결정된다. 또한, 상기 활성층(150)은 다중양자 우물 구조(multiple quantum well)를 가지며, 상기 분포귀환형 반도체 레이저는 2전극 구조를 가진다. 직류 동작 시에 상기 제1 전극(170)에 일정한 전류 I1을 인가하고 상기 제2 전극(180)에 일정한 전류 I2를 인가하면, 종래의 1전극 구조의 분포귀환형 반도체 레이저의 경우와 마찬가지로 상기 활성층(150)에 의해 소정 이득을 얻으며 분포귀환 파장을 가지는 광이 발진하게 된다. 교류 동작시에 상기 제1 전극(170)에 일정한 전류 I1을 인가하고 상기 제2 전극(180)에 변조된 전류(I1+ΔI2)를 인가하면, 낮은 전류 레벨에서 생기는 이득 감소를 일정한 전류 I1의 인가로 발생된 이득으로 보상함으로써 일정 레벨 이상의 미분 이득을 얻는다.
도 2는 분포귀환 반도체 레이저의 캐리어 밀도별 이득 특성을 나타내는 도면이다. 도시된 캐리어 밀도별 이득 그래프를 보면, 캐리어 밀도(carrier density))가 증가함에 따라서 이득이 증가함을 알 수 있다. 또한, 캐리어 밀도가 증가함에 따라서 캐리어 밀도의 미소 증가량 대 이득의 미소 증가량의 비로 정의되는 미분 이득이 감소함을 알 수 있다.
그러나, 도 1에 도시된 바와 같은 종래의 분포 귀환형 반도체 레이저는 상기 가이드층(140) 및 활성층(150) 내에서 상당한 광손실이 발생하게 되므로, 상기 분포 귀환형 반도체 레이저가 발진하기 위해서는 상기 활성층(150)에 약 1018[㎝-3] 이상의 캐리어가 필요하게 된다. 한편, 상기 활성층(150) 내의 캐리어 밀도가 증가하면, 미분 이득이 감소하고 광손실이 증가하게 된다. 도 2를 참조하면, 상기 활성층(150) 내의 캐리어 밀도가 N2로 표시되어 있으며, 이에 따른 미분 이득을 나타내는 직선이 도시되어 있다. 이러한 미분 이득의 감소를 보상하기 위해 인가하는 전류의 레벨을 증가시키면 비복사 재결합률(nonradiative recombination rate)이 증가하고, 이로 인한 발열 현상때문에 상기 분포 귀환형 반도체 레이저의 온도 특성이 악화되며 고온 동작이 불가능해진다는 문제점이 있다.
또한, 상기 분포 귀환형 반도체 레이저를 높은 레벨의 전류로 고속 변조하게 되면 캐리어의 변동으로 인한 처핑(chirping) 현상의 심화로 주파수 대역폭이 제한되며, 이로 인해 상기 분포 귀환형 반도체 레이저의 전송 특성이 악화된다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 미분 이득을 최대화할 수 있는 분포귀환형 반도체 레이저를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 형성되며 소정 굴절률을 갖는 제1 및 제2 클래드층과, 상기 제1 및 제2 클래드층 사이에 개재되며 광을 그 내부로 도파시키는 가이드층을 구비하는 분포귀환형 반도체 레이저는,
상기 반도체 레이저의 소정 부분을 차지하고, 상기 제1 클래드층과 가이드층 사이에 개재되며 소정 파장의 광을 발진시키기 위한 발진부 활성층과 상기 소정 영역에 걸쳐 상기 가이드층의 하부면을 이루는 제1 격자를 구비하는 레이저 발진부와;
상기 반도체 레이저의 나머지 부분을 차지하고, 상기 제1 클래드층과 가이드 층 사이에 개재되며 상기 광을 고정된 이득으로 증폭하기 위한 증폭부 활성층과 상기 나머지 영역에 걸쳐 상기 가이드층의 하부면을 이루는 제2 격자를 구비하는 레이저 증폭부를 포함한다.
도 1은 종래의 분포귀환형 반도체 레이저의 구성을 나타내는 단면도,
도 2는 캐리어 밀도별 이득 그래프를 나타내는 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 분포귀환형 반도체 레이저의 구성을 나타내는 단면도,
도 4 내지 도 7은 도 3에 도시된 분포귀환형 반도체 레이저의 제작 방법을 설명하기 위한 도면.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 분포귀환형 반도체 레이저의 구성을 나타내는 단면도이다. 상기 분포귀환형 반도체 레이저는 반도체 기판(310)과, 제1 및 제2 클래드층(320 및 380)과, 가이드층(350)과, 발진부 활성층(360)과, 증폭부 활성층(370)과, 제1 및 제2 상부 전극(390 및 400)과, 하부 전극(410)과, 제1 및 제2 반사층(420 및 430)으로 구성된다. 또한, 상기 분포귀환형 반도체 레이저는 중심선(440)을 기준으로 레이저 발진부(450)와 레이저 증폭부(460)로 나누어진다.
상기 레이저 발진부(450)에는 제1 격자(330)가 형성되어 있고, 상기 제1 격자(330)는 소정값의 제1 주기를 가지며, 상기 제1 주기에 따라 제1 분포귀환 파장이 결정된다. 또한, 상기 레이저 증폭부(460)에는 제2 격자(340)가 형성되어 있고, 상기 제2 격자(340)는 소정값의 제2 주기를 가지며, 상기 제2 주기에 따라 제2 분포귀환 파장이 결정된다. 상기 제1 분포귀환 파장은 상기 제2 분포귀환 파장보다 길며, 이는 제1 주기를 상기 제2 주기보다 길게 만듦으로써 구현된다. 또한, 상기 증폭부 활성층(370)의 이득 파장, 즉 이득 피크치를 나타내는 광의 파장은 제1 분포귀환 파장에 근접하도록 설정하며, 이는 상기 증폭부 활성층(370)의 구성에 따라 구현된다.
상기 레이저 증폭부(460)는 그 내부로 입사된 외부 광에 의해 그 이득 및 캐리어 밀도가 변화하지 않는다. 따라서, 상기 레이저 발진부(450)에서 생성된 광이 상기 레이저 증폭부(460)를 거쳐서 발진하도록 하면, 상기 분포귀환 반도체 레이저는 일정한 이득으로 바이어스(bias)된다. 이로 인하여, 상기 분포귀환 반도체 레이저의 발진을 위해서는 상기 레이저 증폭부(460)의 이득 영역에서 소량의 캐리어만이 필요하게 된다. 따라서, 상기 분포귀환 반도체 레이저의 캐리어 밀도는 종래에 비하여 극히 낮은 값으로 제어될 수 있다. 도 2를 참조하면, 상기 분포귀환 반도체 레이저의 캐리어 밀도가 N1로 표시되어 있으며, 이에 따른 미분 이득을 나타내는 직선이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 종래의 분포귀환 반도체 레이저의 캐리어 밀도가 N2인 경우에 비하여 본 발명에 따른 분포귀환 반도체 레이저의 캐리어 밀도는 N1으로서 매우 감소됨을 알 수 있으며, 미분 이득 직선으로 표시되는 미분 이득 또한 매우 증가함을 알 수 있다.
도 4 내지 도 7은 도 3에 도시된 분포귀환형 반도체 레이저의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, n형 InP 재질의 반도체 기판(310) 상에 n형 InP 재질의 제1 클래드층(320)을 형성하고, 제1 주기를 가지는 제1 격자(330)를 레이저 발진부(450)에 해당하는 제1 클래드층(320)의 상부면에 형성한다. 이 때, 상기 제1 격자(330)를 형성하는 방법으로 포토리소그래피(photolithography) 공정을 이용할 수 있으며, 상기 제1 클래드층(320) 상에 포토레지스트층(photoresist layer, 미도시)을 형성한 후, 상기 제1 주기를 갖도록 위상 마스크(phase mask, 미도시)를 이용하여 상기 포토레지스트층을 노광시킨다. 또는, 자외선 레이저의 간섭광을 이용하여 격자 무늬 패턴을 해당 부분에만 노광시킬 수 있다. 이후, 상기 포토레지스트층을 현상함에 따라서 상기 제1 격자의 패턴(pattern)을 가지는 포토레지스트 마스크(미도시)를 형성한다. 이후, 상기 포토레지스트 마스크를 이용한 식각 공정을 통하여 상기 제1 클래드층(320)의 상부면에 제1 격자(330)를 형성한다. 또한, 상술한 바와 같은 과정을 통하여 상기 제1 주기보다 짧은 제2 주기를 가지는 제2 격자(340)를 상기 레이저 증폭부(460)에 해당하는 제1 클래드층(320)의 상부면에 형성한다.
도 5를 참조하면, 상기 제1 클래드층(320) 상에 상기 레이저 발진부(450)에 해당하는 가이드층(330) 상에 InGaAs/InGaAsP 재질의 발진부 활성층(360)을 형성하며, 상기 레이저 증폭부(460)에 해당하는 가이드층(350) 상에 InGaAs/InGaAsP 재질의 증폭부 활성층(370)을 형성한다. 이 때, 상기 레이저 증폭부(460)의 이득 파장은 상기 제1 격자(450)가 가지는 분포귀환 파장에 근접하도록 설정되며, 상기 발진부 활성층(360)의 두께와 상기 증폭부 활성층(370)의 두께는 동일하다.
도 6을 참조하면, 상기 발진부 활성층(360) 및 증폭부 활성층(370) 상에 p형 InP 재질의 제2 클래드층(380)을 형성한다. 상기 제2 클래드층(380)의 굴절률은 상기 제1 클래드층(320)의 굴절률과 동일하게 설정되며, 상기 제1 및 제2 클래드층(320 및 380)은 상기 가이드층(350) 내로 진행하는 광이 굴절률차로 인하여 그 외부로 투과되지 못하도록 하는 기능을 수행한다.
도 7을 참조하면, 상기 제2 클래드층(380)의 상부에 서로 전기적으로 격리된 Ti/Pt/Au계 재질의 제1 및 제2 상부 전극(390 및 400)을 형성한다. 상기 제1 상부 전극(390)을 통하여 상기 레이저 발진부(450)에 소정 레벨의 전류가 인가되며, 상기 제2 상부 전극(400)을 통하여 상기 레이저 증폭부(460)에 소정 레벨의 전류가 인가된다. 또한, 상기 반도체 기판(310)의 밑에 AuGe/Ni/Au 재질의 하부 전극(410)을 형성한다.
도 3을 참조하면, 레이저 발진부(450)의 노출된 측면 상에 제1 반사층(420)을 형성하며, 상기 제1 반사층(420)은 그 반사율이 '0'에 근접하도록 설정된다. 또한, 상기 레이저 증폭부(460)의 노출된 측면 상에 제2 반사층(430)을 형성하며, 상기 제2 반사층(430)은 '0'보다 큰 반사율을 가지도록 설정된다.
도 3에 도시된 분포귀환형 반도체 레이저는 레이저 증폭부(460)로부터 발진에 필요한 이득을 충분히 얻게 되므로, 소량의 캐리어만으로도 동작 가능하다. 또한, 교류 동작시에 전류 변동에 의해 레이저 출력은 변화할 수 있으나 캐리어 밀도의 변동이 없기 때문에, 주파수 변화가 거의 없는 안정된 동작을 수행할 수 있다. 따라서, 캐리어 밀도의 변동에 따른 처핑 현상의 심화가 억제되고, 레이저 발진부(450)의 캐리어 밀도가 낮으므로 안정된 온도 특성을 나타내며, 고속 변조가 가능해진다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 분포귀환형 반도체 레이저는 캐리어 밀도의 변동이 없는 레이저 증폭부와 레이저 발진부를 단일 반도체 기판 상에 집적하고, 캐리어 밀도를 최소값으로 제어함으로써 미분 이득을 최대화할 수 있다는 이점이 있다.

Claims (4)

  1. 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 형성되며 소정 굴절률을 갖는 제1 및 제2 클래드층과, 상기 제1 및 제2 클래드층 사이에 개재되며 광을 그 내부로 도파시키는 가이드층을 구비하는 분포귀환형 반도체 레이저에 있어서,
    상기 반도체 레이저의 소정 부분을 차지하고, 상기 제1 클래드층과 가이드층 사이에 개재되며 소정 파장의 광을 발진시키기 위한 발진부 활성층과 상기 소정 영역에 걸쳐 상기 가이드층의 하부면을 이루는 제1 격자를 구비하는 레이저 발진부와;
    상기 반도체 레이저의 나머지 부분을 차지하고, 상기 제1 클래드층과 가이드 층 사이에 개재되며 상기 광을 고정된 이득으로 증폭하기 위한 증폭부 활성층과 상기 나머지 영역에 걸쳐 상기 가이드층의 하부면을 이루는 제2 격자를 구비하는 레이저 증폭부를 포함함을 특징으로 하는 분포귀환형 반도체 레이저.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 격자의 주기는 상기 제2 격자의 주기보다 길며, 상기 증폭부 활성층의 이득 파장은 상기 제1 격자의 분포귀환 파장에 근접함을 특징으로 하는 분포귀환형 반도체 레이저.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 클래드층 상에 형성되며 서로 전기적으로 격리된 제1 및 제2 상부 전극과;
    상기 반도체 기판 밑에 형성된 하부 전극을 더 포함함을 특징으로 하는 분포귀환형 반도체 레이저.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 레이저 발진부의 노출된 측면 상에 형성되며 입사하는 광의 반사를 방지하기 위한 제1 반사층과;
    상기 레이저 증폭부의 노출된 측면 상에 형성되며 소정 반사율을 가지는 제2 반사층을 더 포함함을 특징으로 하는 분포귀환형 반도체 레이저.
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