KR20030073406A - 분배 브락 반사경을 갖는 반도체 레이저 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따라 활성층과, 상기 활성층의 일측에 위치하며 그 상면에 다수의 격자가 형성된 제1 가이드층과, 상기 활성층의 타측에 위치하며 그 상면에 다수의 격자가 형성된 제2 가이드층을 구비하는 분배 브락 반사경을 갖는 반도체 레이저는, 상기 격자는 소정 피치를 가지며, 상기 격자가 볼록한 형태를 가질 수 있도록 일 피치 내에서 상기 격자를 형성하는 층의 두께가 점차로 변화한다.

Description

분배 브락 반사경을 갖는 반도체 레이저{DISTRIBUTED BRAGG REFLECTOR LASER}
본 발명은 광통신 시스템에 관한 것으로서, 특히 상기 광통신 시스템에 구비되는 반도체 레이저에 관한 것이다.
현재 광통신 시스템에서는 파장분할 다중화(WDM : Wavelength Division Multiplexing) 방식을 이용하고 있는데, 파장 분할 다중화 방식은 광섬유의 저손실 파장 대역을 여러개의 채널들(channels)로 분할하고, 상기 채널들을 다중화하여 하나의 광섬유에 동시에 전송하는 방식이다.
분배 브락 반사경(distributed Bragg reflector, DBR)을 갖는 반도체 레이저의 대표적인 예들로는 샘플 격자 분배 브락 반사경을 갖는 반도체 레이저(sample grating distributed Bragg reflector laser)와, 초격 회절판 구조의 분배 브락 반사경을 갖는 반도체 레이저(super structure grating distributed Bragg reflector laser)를 들 수가 있다.
이러한 샘플 격자 분배 브락 반사경을 갖는 반도체 레이저의 예로서, 프랭크 델로메(Franck Delorme) 등에 의해 발명되어 특허허여된 미국특허번호 제5,748,660호(SAMPLE GRATING DISTRIBUTED BRAGG REFLECTOR LASER, VERY WIDELY MATCHABLE BY PHASE VARIATION AND PROCESS FOR USING THIS LASER)에서는 활성 영역(active section)과, 상기 활성 영역의 양측에 위치된 두 개의 샘플 격자 영역을 포함하는 반도체 레이저가 개시되어 있다.
또한, 초격 회절판 구조의 분배 브락 반사경을 갖는 반도체 레이저의 예로서, 이규석 등에 의해 발명되어 특허허여된 미국특허번호 제5,497,393호(SEMICONDUCTOR LASER WITH SUPER STRUCTORE GRATING DISTRIBUTED BRAGG REFLECTOR)에서는 수개의 샘플링 구간으로 이루어지는 초격 회절판 구조의 분배 브락 반사경을 갖는 반도체 레이저가 개시되어 있다. 또한, 그 실시예로서 상기 각 샘플링 구간에 233.5nm, 235nm, 236.5nm, 238nm 및 239.5nm의 주기를 갖는 격자(grating)들이 순서대로 각각 25주기(5837.5nm), 5주기(1175nm), 25주기(5912.5nm), 5주기(1195nm) 및 25주기(5987.5nm)씩 배열되게 형성되는 구조를 개시하고 있으며, 이하 이러한 구조가 갖는 효과를 처핑 효과(chirping effect)라고 칭한다.
그러나, 샘플 격자 분배 브락 반사경을 갖는 반도체 레이저는 파장 가변 영역이 넓은 반면에, 전자빔 리소그래피(e-beam lithography) 공정을 이용함으로써 제작 비용이 높으며 수율이 낮다는 문제점이 있다.
또한, 초격 회절판 구조의 분배 브락 반사경을 갖는 반도체 레이저는 전형적인 리소그래피 공정을 이용함으로써 제작이 간편한 반면에, 파장 가변 영역이 좁다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 파장 가변 영역이 넓으며 제작이 간편한 분배 브락 반사경을 갖는 반도체 레이저를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따라 활성층과, 상기 활성층의 일측에 위치하며 그 상면에 다수의 격자가 형성된 제1 가이드층과, 상기 활성층의 타측에 위치하며 그 상면에 다수의 격자가 형성된 제2 가이드층을 구비하는 분배 브락 반사경을 갖는 반도체 레이저에 있어서,
상기 격자는 소정 피치를 가지며, 상기 격자가 볼록한 형태를 가질 수 있도록 일 피치 내에서 상기 격자를 형성하는 층의 두께가 점차로 변화한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 분배 브락 반사경을 갖는 반도체 레이저의 구성을 나타내는 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 반도체 레이저의 출력 특성을 설명하기 위한 도면,
도 3 내지 도 9는 본 발명에 따른 볼록한 형태의 격자를 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 분배 브락 반사경을 갖는 반도체 레이저의 구성을 나타내는 단면도이며, 도 2는 도 1에 도시된 반도체 레이저의 출력 특성을 설명하기 위한 도면이다.
상기 반도체 레이저는 크게 제1 및 제2 격자 영역(220 및 240)과, 활성 영역(230)으로 구성되며, 세부적으로 제1 및 제2 클래드층(clad layer, 120 및 180)과, 제1 및 제2 가이드층(guide layer, 140 및 160)과, 활성층(130)과, 제1 내지 제3 상부 전극(190, 200 및 210)과, 하부 전극(110)으로 구성된다.
상기 제1 클래드층(120)은 n형 InP 재질의 기판으로서, 상기 제1 및 제2 가이드층(140 및 160)에 비하여 상대적으로 낮은 굴절률을 갖는다. 상기 하부 전극(110)은 상기 제1 클래드층(120)의 밑면에 적층된다.
상기 제2 클래드층(180)은 p형 InP 재질의 기판으로서, 상기 제1 및 제2 가이드층(140 및 160)에 비하여 상대적으로 낮은 굴절률을 갖는다.
상기 활성층(130)은 양자 우물 구조를 가지며 상기 활성 영역(230)에 걸쳐 형성된다. 상기 활성 영역(230) 내에 전기장이 형성되면, 제1 클래드층(120)으로부터의 전자가 상기 활성층(130)으로 이동하고, 상기 제2 클래드층(180)으로부터의 정공이 상기 활성층(130)으로 이동하며, 상기 전자와 정공의 재결합에 의해 상기활성층(130) 내에 광이 발생하게 된다.
상기 제1 가이드층(140)은 상기 활성층(130)의 일측에 형성되며, 상기 제1 및 제2 클래드층(120 및 180)에 비하여 상대적으로 높은 굴절률을 갖고, 상기 제1 격자 영역(220)에 걸쳐 형성된다. 상기 제1 가이드층(140)의 상부에는 각각 소정 피치 A에 걸쳐 볼록한 형태를 갖는 제1 격자(150)가 다수 형성되어 있다. 상기 활성층(130)으로부터 상기 제1 가이드층(140)으로 입사된 광은 상기 제1 격자(150)에 의해 기설정된 파장 스펙트럼을 기준으로 필터링된다. 즉, 상기 제1 가이드층(140) 내에서 상기 제1 격자(150)로 입사되는 광 중 기설정된 파장 스펙트럼을 구성하는 광은 상기 제1 격자(150)에 의해 반사되어 상기 제1 가이드층(140) 내에 가두어지게 되며, 기설정된 파장 스펙트럼에서 벗어난 광은 상기 제1 격자(150)를 투과하여, 즉 상기 제2 클래드층(180)으로 입사되어 손실된다.
상기 제2 가이드층(160)은 상기 활성층(130)의 타측에 형성되며, 상기 제1 및 제2 클래드층(120 및 180)에 비하여 상대적으로 높은 굴절률을 갖고, 상기 제1 및 제2 클래드층(120 및 180)에 비하여 상대적으로 높은 굴절률을 갖고, 상기 제2 격자 영역(240)에 걸쳐 형성된다. 상기 제2 가이드층(160)의 상부에는 각각 소정 피치 B에 걸쳐 볼록한 형태를 갖는 제2 격자(170)가 다수 형성되어 있다. 상기 활성층(130)으로부터 상기 제2 가이드층(160)으로 입사된 광은 상기 제2 격자(170)에 의해 기설정된 파장 스펙트럼을 기준으로 필터링된다. 즉, 상기 제2 가이드층(160) 내에서 상기 제2 격자(170)로 입사되는 광 중 기설정된 파장 스펙트럼을 구성하는 광은 상기 제2 격자(170)에 의해 반사되어 상기 제2 가이드층(160) 내에 가두어지게 되며, 기설정된 파장 스펙트럼에서 벗어난 광은 상기 제2 격자(170)를 투과하여, 즉 상기 제2 클래드층(160)으로 입사되어 손실된다.
상기 제1 상부 전극(190)은 상기 제1 격자 영역(220)에 걸쳐서 상기 제2 클래드층(180) 상에 적층되며, 상기 제1 상부 전극(190)은 인가된 전압에 따라 상기 하부 전극(110)과의 사이에 소정 세기의 전기장을 형성한다.
상기 제2 상부 전극(200)은 상기 활성 영역(230)에 걸쳐서 상기 제2 클래드층(180) 상에 적층되며, 상기 제2 상부 전극(200)은 인가된 전압에 따라 상기 하부 전극(110)과의 사이에 소정 세기의 전기장을 형성한다.
상기 제3 상부 전극(210)은 상기 제2 격자 영역(240)에 걸쳐서 상기 제2 클래드층(180) 상에 적층되며, 상기 제3 상부 전극(210)은 인가된 전압에 따라 상기 하부 전극(110)과의 사이에 소정 세기의 전기장을 형성한다.
상기 제1 내지 제3 상부 전극(190, 200 및 210)은 서로 간의 전기적 절연을 위해 각각 소정 거리로 이격되어 있다.
상술한 바와 같이, 상기 제1 및 제2 격자(150 및 170)는 볼록한 형태를 가짐으로써, 마치 서로 다른 주기를 갖는 격자를 소정 샘플링 구간(sampling section)에 걸쳐 연속적으로 배열한 구조로부터 얻어지는 효과, 즉 처핑 효과(chirping effect)를 나타내게 된다.
또한, 버니어 효과(Vernier effect)를 얻기 위해 상기 제1 격자(150)의 피치 A와 제2 격자(170)의 피치 B를 서로 다르게 설정할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 제1 격자(150)의 피치 A와 제2 격자(170)의 피치 B를 서로 다르게 설정함에 따라서, 상기 제1 및 제2 격자(150 및 170)에서 반사되는 출력 스펙트럼들(310 및 320)이 약간 다르게 된다. 따라서, 상기 제1 및 제2 격자(150 및 170)에서 반사되는 출력 스펙트럼들(310 및 320) 상에 서로 일치하는 위상을 갖는 광(이하, 채널이라고 함)(330 및 340)이 출력된다. 이 때, 제1 및 제3 상부 전극(190 및 210)에 소정 레벨의 전압을 인가하면 출력되는 채널들(330 및 340)의 파장 간격(Δλ)을 조절할 수 있다. 이와 같이, 제1 및 제2 격자(150 및 170)에 의해 반사되는 출력 스펙트럼들(310 및 320) 상에 서로 일치하는 위상을 갖는 채널들(330 및 340)이 출력되는 원리를 버니어 효과라고 한다. 이는 버니어 캘리퍼스의 아들자와 어미자 눈금이 일치하는 곳의 치수를 읽어 계측하는 원리를 이용한 것이다.
도 3 내지 도 9는 본 발명에 따른 볼록한 형태의 격자를 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 하부 클래드층(410) 상에 가이드층(420)을 적층한다. 이 때, 상기 가이드층(420)의 굴절률은 상기 하부 클래드층(410)의 굴절률보다 높게 설정된다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 도 4에 도시된 바와 같은 마스크(600)를 이용하여 소정 피치 C에 따라 그 두께가 반복적으로 증감하는 선택 영역 성장층(selective area growth layer, SAG layer, 430)을 형성한다. 이러한 공정을 선택 영역 성장 공정이라고 칭하며, 상기 공정에 따라 상기 마스크(600) 폭이 넓은 쪽에서는 적층 성장시 결정립(grain)의 이동(migration)이 많이 일어나고, 가장자리 부분의 마스크(600) 폭이 좁은 쪽은 결정립의 이동이 상대적으로 적게 일어나게 된다. 따라서, 도 5에 도시된 바와 같이 소정 피치에 따라 그 두께가 반복적으로 증감하는 선택 영역 성장층(430)이 형성된다.
도 6을 참조하면, 상기 선택 영역 성장층(430) 상에 유전 물질층(440) 및 포토레지스트층(450)을 차례로 적층하고 홀로그래픽 효과(holographic effect)를 이용한 노광을 실시한다. 홀로그래픽 효과를 이용한 노광을 실시하면 양방향으로 입사되는 광들(460) 간의 간섭에 의해 강약이 일정하게 반복되는 격자무늬가 상기 포토레지스트층(450) 상에 형성된다.
도 7을 참조하면, 상기 노광 과정을 거친 후 현상 과정을 수행하면, 홀로그래픽 효과에 의해 감광된 포토레지스트층(450)의 일부가 제거되며, 결과적으로 상기 포토레지스트층(450)은 격자 모양을 갖게 된다.
도 8을 참조하면, 상기 격자 모양을 갖는 포토레지스트층(450)을 이용하여 에칭을 수행한 후, 상기 포토레지스트층(450)을 제거하면 상기 유전 물질층(440)은 격자 모양을 갖게 된다.
도 9를 참조하면, 상기 격자 모양을 갖는 유전 물질층(440)을 마스크로 이용하여 에칭을 수행하면 상기 선택 영역 성장층(430)이 격자 모양을 갖게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 분배 브락 반사경을 갖는 반도체 레이저는 샘플 격자의 형태 변화만으로 처핑 효과를 구현하기 때문에, 제작이 간편하면서도파장 가변 영역이 넓다는 이점이 있다.

Claims (2)

  1. 활성층과, 상기 활성층의 일측에 위치하며 그 상면에 다수의 격자가 형성된 제1 가이드층과, 상기 활성층의 타측에 위치하며 그 상면에 다수의 격자가 형성된 제2 가이드층을 구비하는 분배 브락 반사경을 갖는 반도체 레이저에 있어서,
    상기 격자는 소정 피치를 가지며, 상기 격자가 볼록한 형태를 가질 수 있도록 일 피치 내에서 상기 격자를 형성하는 층의 두께가 점차로 변화함을 특징으로 하는 분배 브락 반사경을 갖는 반도체 레이저.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 가이드층에 형성된 격자의 피치와 상기 제2 가이드층에 형성된 격자의 피치는 서로 다르게 설정됨을 특징으로 하는 분배 브락 반사경을 갖는 반도체 레이저.
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