KR20040065264A

KR20040065264A - 이득 또는 흡수 격자를 갖는 위상 편이 표면 방출 ｄｆｂ레이저 구조물

Info

Publication number: KR20040065264A
Application number: KR10-2004-7009131A
Authority: KR
Inventors: 샴스-자데-아미리알리엠.; 리웨이
Original assignee: 포토나미 인코퍼레이티드
Priority date: 2001-12-11
Filing date: 2002-12-11
Publication date: 2004-07-21
Also published as: DE60204168D1; EP1454393B1; JP2005513803A; EP1454393A1; DE60204168T2; US20030147439A1; MXPA04005726A; AU2002351571A1; IL162478A0; WO2003055019A1; CN1689204A; ATE295623T1; RU2004121153A

Abstract

활성층, 상기 활성층에 인접하는 대향 클래딩층, 기판, 및 전극을 갖는 반도체 레이징 구조물을 구비한 표면 방출 반도체 레이저가 제공되는데, 상기 전극에 의해 반도체 레이징 구조물내로 전류가 주입될 수 있다. 또한, 높은 이득 엘리먼트 또는 낮은 이득 엘리먼트로서 각각 특징지어지는 주기적으로 교번하는 엘리먼트를 갖는 분포 회절격자가 포함된다. 엘리먼트의 각각은 길이를 갖고, 높은 이득 엘리먼트의 길이와 낮은 이득 엘리먼트의 길이는 함께 격자 주기를 형성하는데, 격자 주기는 광 전기통신 신호 대역에서의 광 신호를 생성하는데 필요한 범위내에 있다. 위상 편이 구조물은 격자의 중심에 제공되어 출력 신호의 모드 프로파일을 개조시킴으로써 공동의 중심 위로 피크 강도가 발생되게 함과 동시에 상기 개조된 모드 프로파일로부터 발생하는 공간적 홀 버닝이 개선된다.

Description

이득 또는 흡수 격자를 갖는 위상 편이 표면 방출 ＤＦＢ 레이저 구조물{PHASE SHIFTED SURFACE EMITTING DFB LASER STRUCTURES WITH GAIN OR ABSORPTIVE GRATINGS}

광 전기통신 시스템은 급속하게 진화 발전되고 있다. 그러한 시스템에 있어서는, 개개의 광 캐리어 신호가 발생된 후, 정보를 반송하도록 변조된다. 그후, 개개의 신호는 함께 다중화되어 고밀도 파장 분할 다중화(DWDM) 신호를 형성한다. 광 기술이 발전함에 따라 개개의 신호 채널의 고밀도 스페이싱이 가능하여서, 현재는 40개의 신호 채널이 C-대역에 동시에 배치되는 것이 일반적이고, 가까운 장래에는 조합된 C+L 대역에 80개 또는 160개의 신호 채널도 동시에 배치될 수 있을 것이다.

각각의 신호 채널은 광 신호 캐리어 소스를 필요로 하고 전기통신에 있어서 신호 캐리어 소스는 레이저인 것이 전형적이다. DWDM 신호 채널의 수가 증가함에따라, 필요한 신호 캐리어 소스의 수도 증가한다. 또한, 데이터가 밀집한 긴 홀 백본으로부터 데이터가 밀집하지 않은 에지 또는 엔드 유저 커넥션으로 광 네트워크가 뻗어 나아갈 때, 많은 신규 네트워크 노드가 필요한데, DWDM에 필요한 다수의 신호 캐리어 소스에 대해 각각 요구될 수 있다. 또한, 데이터 밀도가 작을수록 네트워크의 에지에 더 가깝기 때문에 신호 캐리어 소스를 공급하는 비용은 데이터 트래픽의 함수로서 문제가 된다.

다수의 여러 레이저 소스가 현재 이용가능하다. 이들은 패브리-페롯(Fabry-Perot), 분포 브래그 반사기(DBR), 수직 공동(cavity) 표면 방출 레이저(VCSEL), 및 분포 피드백(DFB) 디자인 등 다양한 형태의 고정, 스위칭가능, 또는 튜닝가능 파장 레이저를 포함한다. 현재 전기통신용으로 사용되는 가장 일반적인 형태의 신호 캐리어 소스는 에지 방출 인덱스 커플링 DFB 레이저 소스인데, 변조 속도, 출력 전력, 안정도, 잡음, 및 사이드 모드 억압비(SMSR)의 관점에서 우수한 성능을 갖는다. 또한, 적합한 반도체 재료 및 레이저 디자인을 선택함으로써, 전기통신 파장은 용이하게 생성될 수 있다. 이러한 의미에서, SMSR은 2개의 낮은 임계값 종(longitudinal) 모드가 레이징이 발생할 수 있는 다른 파장을 갖게 하는 DFB 레이저의 속성과 관련되는데, 전형적으로, 그 중 하나는 소망되고 다른 하나는 소망되지 않는다. SMSR은 소망되지 않는 모드가 억압되어 바람직한 모드로 더 많은 전력이 다이버팅되게 하는 한편 또한 다른 DWDM 채널의 파장에서 전력을 방출하는 소망되지 않는 모드로부터의 크로스-토크를 감소시키는 효과를 갖는 정도의 측정을 포함한다. 에지 방출 DFB 레이저 신호 소스의 결점은 빔 형상이 방출 영역의 작은애퍼처로 인해 다른 발산각으로 2차원으로 강하게 발산하는 스트라이프 형상이어서, 단일 모드 섬유에 신호를 커플링하기 위한 스폿 컨버터를 필요로 한다는 것이다. 필요한 커플링 기술은 어렵고 손실이 많아 비용이 증대된다.

에지 방출 DFB 레이저는 마무리되어 섬유에 커플링되고 나면 우수한 성능을 얻을 수 있기는 하지만, 제조하기에 비효율적이어서 비용이 더 들게 하는 몇몇 근본적인 특성을 갖고 있다. 더 구체적으로는, 현재 다수의 에지 방출 DFB 레이저가 단일 웨이퍼에서 동시에 제조된다. 그러나, 소정 웨이퍼로부터 얻어진 에지 방출 DFB 레이저의 양품률(즉, 소망의 신호 출력 사양을 만족시키는 것)은 최종 제조 또는 패키징 단계에서 다수의 요인으로 인해 낮을 수 있다. 구체적으로, 형성되고 나면, 개개의 DFB 레이저는 웨이퍼로부터 클리빙(cleaving)되어야 한다. 클리빙 단계 후에 단부-마무리 단계가 이어지고, 가장 통상적으로 일단부에는 반사 방지 코팅이 도포되고 타단부에는 고반사 코팅이 도포된다. 다른 단부 코팅에 의해 도입된 비대칭성은 하나의 모드를 다른 모드에 우선하여 선택하는데 도움을 주어서 SMSR을 향상시킨다. 그러나, DFB 레이저의 단일 모드 동작도 그것이 레이저 공동의 단부에서 클리빙되었을 경우 격자의 위상의 함수이다. 클리빙 단계에 의해 도입된 위상에서의 불확실성은 형편없는 SMSR로 인해 낮은 단일 모드 수율을 초래한다. 이러한 방식으로 제조된 다중-모드 레이저는 DWDM 시스템에서 사용하기에는 적합하지 않다.

에지 방출 DFB 레이저 제조에 있어 중요한 점은 레이저가 웨이퍼로부터의 클리빙, 단부-코팅을 포함하여 완전하게 마무리된 후에 레이징 공동으로 전류를 주입함으로써 레이저가 시험될 수 있을 뿐이다는 것이다. 이것은 다중-모드 동작 또는 형편없는 SMSR로 인해 웨이퍼로부터의 그러한 낮은 수율의 비효율성을 더한다.

복잡한 커플링을 통한 단일 모드 동작 및 표면 방출은 더 일반적인 1차 격자 대신에 2차 이상의 격자를 사용함으로써 달성되어 왔다. 2차 격자의 경우에, IEEE, J. Quantum Electron., vol. QE-21, pp. 144-150, Feb. 1985의 R. Kazarinov and C. H. Henry에 의해 개시된 바와 같이, 레이저 표면으로부터의 결과적인 방사 손실은 2개의 모드에 대하여 다르고, 따라서 축퇴(degeneracy)를 향상시켜 단일 모드 동작에 이르게 한다. 인덱스 커플링 2차 격자에 대해서, 바람직한 레이징 모드의 공간적 프로파일은 레이저 공동의 중심에서 최소이고 이중-돌출된다(dual-lobed). 이러한 경우에서 억압 모드는 공동의 중심에서 피크인 단일 돌출된 가우시안 형상의 프로파일이다. 후자의 모드는, 대부분의 경우에 유익하지만, 전기통신 분야에 있어서는 더 중대한데, 그 이유는 그것이 단일 모드 광 섬유의 모드 형상과 매우 일치하고 따라서 섬유에 효율적으로 커플링될 수 있기 때문이다. 이중-돌출된 형상은 형편없는 효율로 섬유에 커플링될 수 있을 뿐이다.

당업계에서는 모드 프로파일이 섬유 커플링을 용이하게 하도록 레이저를 개조하려는 시도가 있어왔으나 많은 성과는 없었다. 예를 들어, 미국특허 제5,970,081호에는 도파관 공동 구조물의 형상을 중앙에 제한하는 것에 의해 레이저 공동으로 위상 편이를 도입하여 레이징 모드의 프로파일 및 따라서 커플링 효율을 향상시키는 표면 방출, 인덱스 커플링, 2차 격자 DFB 레이저 구조물이 교시되어 있다. 그러나, 위상 편이 모드 프로파일은 위상 편이의 영역에서 공간적 홀버닝(spatial hole burning)의 증가와 관련된 다른 사양의 저하를 초래하는 가파른 피크를 포함한다. 또한, 그 발명은 연루된 리소그래피로 인하여 구현하기 어렵다. 미국특허 제4,958,357호에는 레이저의 중심에서의 ¼파장 위상 편이 또는 레이저 공동내 다수의 위상 편이의 사용을 포함하는 표면 방출용 인덱스 커플링 2차 격자를 포함하는 레이저가 나타나 있다. 이러한 구조물은 위상 편이의 영역에서 발생된 강한 필드의 결과로서 공간적 홀 버닝을 겪는다. 이것은 디바이스의 출력 전력을 제한하고, 원하지 않는 일이다.

전기통신 분야 이외에서, 표면 방출 DFB 레이저 구조물의 예는 미국특허 제5,727,013호에서 발견된다. 이 특허에는 청/녹 광을 생성하는 단일 돌출된 표면 방출 DFB 레이저가 교시되어 있는데 2차 격자는 구조물내 흡수층에 또는 이득층에 직접 기록된다. 흥미롭긴 하지만, 이 특허에는 격자가 섬유-커플링 효율에 어떻게 영향을 미치는지 개시되어 있지 않다(그것이 전기통신용에 관한 것이 아니기 때문이다). 또한, 이 특허는 어떤 파라미터가 전체 출력 전력과 섬유 커플링 효율 사이의 균형을 제어하는지 또는 모드를 어떻게 효율적으로 제어하는지를 교시하지는 못하고 있다. 끝으로, 이 특허는 전기통신 파장 범위에 적합한 표면 방출 레이저를 교시하지는 못하고 있다.

최근에는, 전기통신 분야에 적합한 성능을 갖는 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)를 도입하려는 시도가 있어 왔다. 그러한 시도는 여러 이유로 성공적이지 못하였다. 그러한 디바이스는 공동내 이득 매질의 매우 짧은 길이로 인한 낮은 전력 출력뿐만 아니라 필요한 다층 구조로 인한 제조의 어려움을 겪고 있다.또한, 짧은 공동은 더 높은 노이즈 및 더 넓은 선폭의 근원이다. 더 넓은 선폭은 섬유에서의 분산 효과로 인하여 이들 소스로부터 신호의 전송 거리를 제한한다.

전기통신 분야에서는 색분산의 효과도 과제이다. 신호 펄스의 다른 스펙트럼 컴포넌트는 섬유를 따라 약간 다른 그룹 속도로 전파된다. 따라서, 펄스 확산(broadening)이 일어난다. 펄스 확산은 펄스 사이의 간섭 및 비트 오류율의 증가를 야기시킨다. 또한, 펄스 확산은 인접 파장 채널 사이의 크로스-토크를 증가시킨다. 또한, 펄스가 더 멀리 전파될수록 더 많이 확산된다. 따라서, 비트 레이트는, 펄스 확산과 결합하여, 섬유 길이에 의해 일반적으로 지배되는 광 링크에서의 전체 분산에 의해 제한된다. 광 신호 소스가 더 높은 처프(chirp)를 나타낸다면, 펄스는 더 급속하게 확산하고 소정 비트 레이트로 지원되는 링크 길이는 감소된다. 따라서, 광 통신에 있어서는 낮은 처프 소스가 바람직하다.

종래기술의 위상 편이 디자인과 연관된 해로운 공간적 홀 버닝 문제없이 유용한 양의 출력 전력을 제공할 수 있는 표면 방출 레이저 구조가 요구된다. 또한, 낮은 처프를 갖는 구조가 요구된다.

본 발명은 일반적으로 전기통신 분야에 관한 것이고, 구체적으로는 광 신호 기반 전기통신 시스템에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 그러한 광 전기통신 시스템을 위한 펌프 및 캐리어 신호를 발생시키는 반도체 다이오드 레이저 등의 레이저에 관한 것이다.

도 1은 이득 매질에 형성된 ¼파장 위상 편이 2차 격자를 갖는 본 발명에 따른 표면 방출 반도체 레이저의 일실시예의 측면도;

도 2는 도 1의 실시예의 단부도;

도 3은 본 발명의 태양을 예시하기 위해 인덱스 커플링 및 이득 커플링 ¼파장 위상 편이 DFB 레이저 사이를 비교한 개략적인 플롯;

도 4는 도 3의 ¼파장 위상 편이 DFB 레이저에 대한 바이어스 전류의 함수로서 정규화된 이득차(DaL)의 플롯;

도 5는 흡수 또는 손실층에 형성된 2차 격자를 갖는 본 발명에 따른 표면 방출 반도체 레이저의 제2 실시예의 측면도;

도 6은 도 5의 실시예의 단부도;

도 7은 본 발명에 따라 피치 변조된 디자인의 상부도;

도 8은 본 발명의 도 1의 실시예에 대하여 1차 모드의 레이저 공동을 따라 광 근접-필드 강도 대 거리의 개략도;

도 8a, 8b, 및 8c는 도 7의 실시예의 3개의 1차 모드에 대하여 표면 방출 및 광자 밀도의 정규화된 필드 분포의 개략도;

도 9는 레이저 공동의 어느 단부에서의 흡수 영역의 형태의 종단 영역을 나타내는 본 발명의 다른 실시예의 상부도;

도 10은 상기 종단 영역 중 하나는 검출기인 도 8의 발명의 다른 실시예의 상부도; 및

도 11은 1 내지 N 파장을 발생시키는 공통 기판의 표면 방출 반도체 레이저 구조물의 어레이의 상부도.

본 발명의 목적은 전기통신용으로 적합하고 종래기술의 결점을 최소화 또는 회피하는 표면 방출 레이저 구조를 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은 광 광대역 전기통신 신호 범위에서 사용하기에 적합한 신호를 발생시킬 수 있는 저비용 광 신호 소스를 제공하는 것이다. 그러한 신호 소스는 종래 반도체 제조 기술을 사용하여 제조되면서도 현재 기술보다 더 높은 수율을 가질 수 있는 표면 방출 반도체 레이저의 형태인 것이 가장 바람직하다. 따라서, 상기 종래기술에 비하여 보다 저비용으로 신호 소스를 제조하는 것이 본 발명의 목적이다.

또한, 그러한 신호 소스가 공간적 홀 버닝으로 인한 비실용적 제한에 직면함이 없이 충분한 전력, 파장 안정도, 및 광대역 통신을 위한 정밀도를 갖는 것이 본 발명의 목적이다. 더 구체적으로는, 모드 형상이 섬유 커플링을 허용하도록 최적화되면서도 반도체 분야의 통상의 리소그래피 기술을 사용하여 제조될 수 있는 레이저 구조가 필요하다. 따라서, 실용적인 값의 출력 전력이 레이저로부터 발생되도록 공간적 홀 버닝을 개선하는 수단을 포함하는 표면 방출 레이저가 요구된다. 또한, 그러한 디바이스는 용인할 수 없는 펄스 확산없이 신호 수송 및 조작을 가능하게 하도록 최소 처프를 나타낼 것이다.

또한, 단일 모드 광 섬유에 용이하고 효율적으로 커플링되는 신호 출력을 갖는 반도체 레이저 신호 소스가 요구된다. 또한, 그러한 디바이스는 단일 웨이퍼 기반 구조물에서 어레이로서 제조되는 것이 바람직하고 신호 흡수 인접 영역 등의 인접 구조물 및 광검출기 디바이스와 일체로 동시에 형성 또는 제조될 수 있다.

본 발명의 다른 특징은 제조 효율에 관한 것이다. 어레이 신호 소스의 수가 많을수록 낮은 결함율 제조에 대한 필요성이 더 커진다. 따라서, 예를 들어, 소스 당 98%의 수율로 제조된 40 소스 어레이는 단지 45%의 어레이 제조 수율을 보일 것이다. 따라서, 향상된 제조 수율은 비용 효율적인 어레이 제조에 중요하다.

본 발명의 다른 태양은 어레이의 각각의 레이저 소스가 동일한 또는 다른 파장으로, 가장 바람직하게는, 전기통신 신호 대역내 파장으로 동작하도록 제조될 수있는 것이다. 또한, 그러한 디바이스는, 외부 피드백 회로와 결합하여, 신호 모니터링 및 보수에 사용될 수 있는 빌트인 검출기를 구비할 수 있다.

따라서, 본 발명의 제1 태양에 의하면, 활성층, 상기 활성층에 인접하는 대향 클래딩층, 기판, 및 전극을 갖는 반도체 레이저 구조물로서, 상기 레이저 구조물이 적어도 표면 방출의 형태로 출력 신호를 방출하게 하도록 상기 전극에 의해 상기 반도체 레이저 구조물내로 전류가 주입될 수 있는 상기 반도체 레이저 구조물; 상기 레이저 구조물의 상기 활성층과 연관된 분포(distributed) 2차 회절격자로서, 상기 회절격자는 상기 전류가 상기 레이저 구조물내로 주입될 때 주기적으로 교번하는 더 큰 이득 값 및 더 작은 이득 값을 갖는 복수의 격자 엘리먼트를 갖고, 상기 격자는 공동내 카운터-러닝 가이디드 모드(counter-running guided mode)를 발생시키는 크기 및 형상을 갖는 상기 분포 2차 회절격자; 상기 출력 신호의 근접 필드(near field) 강도를 증가시키기 위해 모드 프로파일을 개조하도록 공동내 상기 카운터-러닝 가이디드 모드의 위상을 편이시키는 수단; 및 상기 개조된 모드 프로파일로부터 발생하는 공간적 홀 버닝을 개선하는 수단;을 포함하는 표면 방출 반도체 레이저가 제공된다.

본 발명의 다른 태양에 의하면, 공통 웨이퍼 기판에 연속적인 층으로 형성함으로써 복수의 반도체 레이저 구조물을 형성하는 단계; 상기 웨이퍼 기판에 제1 클래딩층, 활성층, 및 제2 클래딩층을 형성하는 단계; 상기 웨이퍼 기판에 상기 활성층과 연관된 복수의 분포 2차 회절격자를 형성하는 단계; 상기 반도체 레이저로부터의 출력 신호의 모드 프로파일을 개조하기 위해 상기 격자에 위상 편이기를 형성하는 단계; 상기 레이저 구조물의 각각내로 전류를 주입하기 위해 상기 웨이퍼 기판의 상기 반도체 레이저 구조물의 각각에 전극을 형성하는 단계; 및 상기 반도체 레이저 구조물이 상기 공통 웨이퍼 기판에 여전히 연결되어 있는 동안 상기 구조물내로 시험 전류를 주입함으로써 상기 반도체 레이저 구조물의 각각을 시험하는 단계;를 포함하는 표면 방출 반도체 레이저 제조 방법이 제공된다.

첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예가 단지 예로서 설명된다.

도 1은 본 발명에 따른 표면 방출 반도체 레이저 구조물(10)의 일실시예의 측면도이고, 도 2는 동일한 구조물의 단부도이다. 레이저 구조물(10)은 예를 들어, 표준 반도체 제조 기술을 사용하여 층을 이루어 형성된 많은 층으로 구성되어 있다. 본 발명에 대한 이러한 공지된 반도체 제조 기술을 사용하면 본 발명이 임의의 요구되는 새로운 제조 기술 없이 대량으로 효율적으로 제조될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

이러한 개시에서 다음의 용어는 아래의 의미를 가지게 된다. 반도체의 p-영역은 홀(가전자대내의 정공)이 주 전류 캐리어인 전자 어셉터로 도핑된 영역이다. n-영역은 전류 캐리어로서 과도한 전자를 갖도록 도핑된 반도체의 영역이다. 출력 신호는 본 발명의 반도체 레이저에 의해 생성된 임의의 광신호를 의미한다. 모드 볼륨은 광모드의 벌크가 존재하는, 즉, 상당한 광(신호) 강도가 존재하는 볼륨을의미한다. 예를 들어, 모드 볼륨은 광모드 에너지의 80%를 포함하는 바운더리로서 생각될 수 있다. 이러한 개시의 목적을 위해, 분포 회절 격자는 간섭이 강화하는 특정 파장에서만 진동 또는 레이징을 허용하는 간섭 효과를 상기 격자로부터의 피드백이 유발하도록 레이징 공동의 활성 이득 길이 또는 흡수 길이와 상기 격자가 연관되어 있는 격자이다.

본 발명의 회절 격자는 교번하는 이득 효과를 생성하는 격자 또는 그리드 요소로 구성되어 있다. 2개의 인접한 격자 요소는 격자 주기를 형성한다. 교번 이득 효과는 하나가 비교적 높은 이득 효과이고 그 다음 것이 비교적 낮은 이득 효과인 인접한 격자 요소에 대하여 이득차가 나타나도록 되어 있다. 본 발명에는 비교적 낮은 이득 효과가 작지만 포지티브 이득값이거나 아무런 실제적인 이득값이 아니거나 흡수 또는 네가티브 값일 수 있다는 의미가 내포되어 있다. 따라서, 본 발명은 이득 효과의 상대적인 차가 특정 파장에서만 레이징의 간섭 효과를 설정하는 인접한 격자 요소 사이에 충분하다는 가정하에, 격자 효소에 대하여 이득 효과의 임의의 절대값을 포함한다. 본 발명은 활성 영역인지 아닌지에 상관없이 캐리어 차단 격자 및 활성 영역내의 손실 커플링 격자 및 이득 커플링 격자를 포함하는, 상술된 교번하는 이득 효과를 달성할 수 있는 임의의 형태의 격자를 포함한다.

본 발명에 따른 회절 격자의 전체 효과는 단일 모드 출력 신호로 부를 수 있는 2개의 종 모드 중 하나로 레이저 진동을 제한하는 것으로 정의될 수 있다. 본 발명에 따라 모드 프로파일이 섬유에 효과적으로 커플링될 수 있도록 레이저를 더욱 디자인하기 위해 다양한 기술이 사용된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 구조물(10)의 2개의 외층(12,14)은 전극이다. 이 전극의 목적은 레이저 구조물(10)에 전류를 주입할 수 있도록 하는 것이다. 전극(12)은 개구부(16)를 포함한다는 것을 알 수 있을 것이다. 이 개구부(16)는 아래에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이 광출력 신호가 레이저 구조물(10)로부터 외측으로 통과할 수 있도록 한다. 개구부가 도시되어 있지만, 본 발명은 레이저 구조물(10)의 외부로, 발생된 신호가 통과할 수 있도록 적어도 일부에 투명하게 만들어진다면 연속 전극을 사용하는 것도 포함한다. 개구부(16)를 갖는 단순한 금속 전극은 적당한 결과를 제공한다는 것이 발견되었고 용이한 제조와 저비용으로 인해 바람직하다.

전극(12)에 인접하여 n+InP 기판, 또는 웨이퍼(17)가 있다. 이 기판(17)에 인접하여 n-InP로 구성된 것이 바람직한 버퍼층(18)이 있다. 그 다음층은 n-InGaAsP로 형성된 유폐(confinement)층(20)이다. 이런 저런 4원층의 일반적인 조성은 In_xGa_1-xAs_yP_1-y이고 3원층은 In_xGa_xAs의 일반적인 조성을 갖는다. 그 다음층은 양쪽 모두 InGaAsP 또는 InGaAs로 구성되어 있는, 활성 양자 웰 및 배리어의 교번하는 얇은 층으로 구성되어 있다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, InGaAsP 또는 InGaAs는 이러한 반도체가, 조성의 특성 범위에서, S-밴드(1300-1320㎚), C-밴드(1525-1565㎚) 및 L-밴드(1568-1610㎚)의 광대역 광스펙트럼을 포함하는 1200㎚ 내지 1700㎚ 이상의 범위의 파장에서 광이득을 나타낸 수 있기 때문에 바람직한 반도체이다. 다른 반도체 재료, 예를 들어, GaInNAs, InGaAlAs 역시, 발생된 출력신호가 광대역 범위내에 있다면 본 발명에 포함된다. 적합한 재료 조성(예를 들어 InGaAs/GaAs)를 사용하여 본 발명을 따르는 디바이스가 디자인될 수 있는 중요한 통신의 또 다른 관련 파장 범위는 Er, Yb 또는 Yb/Er로 도핑된 재료에 기초된 섬유 레이저 및 광 증폭기를 펑핑하기 위한 가장 일반적으로 접할 수 있는 파장 범위에 상응하는 910㎚ 로부터 990㎚까지의 영역이다.

도 1의 실시예에서, 회절 격자(24)는 활성층(22)내에 형성되어 있다. 격자(24)는 교번하는 고이득 부분(27) 및 저이득 부분(28)으로 구성되어 있다. 격자(24)는 규칙적인 격자이고, 즉 격자에 걸쳐 일관된 주기를 가지고, 분산된 상기 설명된 바와 같이 분포 회절 격자를 포함하도록 레이저(10)내에 크기, 형상 및 위치가 정해지는 것이 가장 바람직하다. 이러한 경우에, 격자(24)의 주기는 하나의 고이득 부분(27)의 길이(32)와 인접한 저이득 부분(28)의 길이(30)의 합으로 정의된다. 저이득 부분(28)은 이러한 영역에서 활성 구조물의 대부분 또는 모두가 제거되었기 때문에 고이득 부분(27)과 비교하여 저이득 또는 이득 없음을 나타낸다. 본 발명에 따라, 격자(24)는 2차 격자, 즉, 표면 방출의 형태로 출력 신호를 결과물로 내는 격자이다. 이제 이해될 수 있는 바와 같이, 이러한 실시예의 격자(24)가 활성 이득 층내에 형성되어 있기 때문에 이득 커플링 디자인이라 부른다.

격자(24)내의 중앙에 약간 보다 넓은 고이득 "투쓰"(26)를 포함하는 위상 편이를 위한 수단이 있다. 이러한 투쓰(26)는 4분의 1파장의 위상 편이를 주도록 크기와 형상이 정해져 있다. 본 발명은 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 다른 형태의 위상 편이 요소를 포함한다. 필요한 것은, 듀얼 피킹된 컨피규레이션으로부터, 피크가 일반적으로 위상 편이상에 위치된 단일 피킹된 컨피규레이션으로 주 모드를 변경하도록 근거리장 강도 프로파일을 변경시키기 위해 격자에 충분한 위상 편이를 제공하는 것이다. 이러한 모드 프로파일은 듀얼 로빙된 프로파일보다 섬유에 보다 효율적으로 커플링될 수 있다. 따라서, 커플링 효율을 향상시키기 위해 상기 모드 프로파일이 변경된다면, 위상 편이량 및 위상 편이를 일으키는 방식은 본 발명의 요지로부터 벗어남 없이 수정될 수 있다.

예를 들어, 2개의 λ/8, 또는 2개의 3λ/8 또는 다른 조합을 포함하는 멀티플 위상 편이가 사용되어 전체적으로 4분의 1파장 편이를 산출할 수 있다. 연속적으로 처핑된 격자 또는 변조된 피치 격자 역시 제조가 보다 어려움에도 불구하고 포함된다. 본 발명에 따른 변조된 피치 격자는 단부 흡수 영역(301), 리지 전극(302), 및 미들 격자 섹션(303)을 둘러싸는 동일 길이 사이드 격자 섹션(304)를 도시하는 도 7내에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 미들 격자 주기는 섹션(304)내의 격자 주기와는 경미하게 상이하다. 도 7에, 격자에 걸쳐 위상 편이가 분산되어 있는, 변조된 피치 격자가 도시되어 있다.

광자 밀도 및 표면 방출에 대한 공동 길이 대 필드 밀도에 대한 이론적인 플롯이 도 8a, 도 8b 및 도 8c로서 첨부되어 있다. 3개의 플롯(8a, 8b, 8c)에 3개의 기본 모드, 즉, 0차 모드, -1st 모드 및 +1st 모드가 제공되어 있다. 도 8a에서, 초기 (즉, 레이징) 0차 모드에 대하여, 광자 밀도가 레이저 구조물 또는 공동에 걸쳐 상당히 평탄한 분표를 가지고 있다는 것에 주목할 수 있을 것이다. 사실, 도시된 피크(401)는 2.5보다 작다, 로우(402)는 경미하게 1 아래이다. 이러한 일반적으로 평탄한 광자 밀도의 분포는 공간적인 홀 버닝 문제를 감소시킨다. 또한, 도 8a에서, 표면 방출 프로파일(404)이 406에서 일반적으로 둥근형상 또는 가우스형상인 것을 볼 수 있고, 이것은 표면 방출이 전기통신 애플리케이션용 섬유에 커플링될수 있다는 것을 의미한다.

또한, 2개의 2차 모드(8b, 8c)는 410 및 412의 중심에서 각각 제로로 기우는 정상 근거리장 분포를 도시하고 있다. 2차 모드의 이러한 매우 적은 양이 섬유와 커플링할 것이기 때문에 공간 홀 버닝의 감소(개량)를 얻는 동안 높은 사이드 모드 억압을 산출하게 된다. 이러한 컨피규레이션은 또한 로우 처프를 나타낸다. 요약하자면, 많은 상이한 타입의 구조가 위상 편이를 유도하기 위해 사용될 수 있지만, 변조된 피치 디자인은 하나의 바람직한 형태이다. 이러한 명세서에서, 변조된 피치 디자인이라는 용어는 단부에서 보다는 공동의 중간에서 경미하게 상이한 주기를 갖는 격자를 의미한다. 이러한 주기 변화는 이전에 설명된 실시예에서와 같이 하나의 투쓰에서 갑자기 유도되기 보다는 격자에 걸쳐 점진적으로 유도되는 것이 가장 바람직하다.

도 1에서, 격자(24)상의 그 다음 층은 p-InGaAsP 유폐 층(34)이다. 유폐층(34)상에 p-InP 버퍼 영역(36)이 위치되어 있다. 층(36) 위에 p-InGaAsP 에치 스톱 층(38)이 위치되어 있다. 그다음, p-InP 클래딩 층(40)이 P⁺⁺-InGaAs 캡 층(42)이 위에 장착된 상태로 제공된다.

상기 설명된 바와 같이 구성된 층으로 형성된 반도체 레이저가, 활성층내에기록된 회절 격자로부터의 분산된 피드백이 상기 반도체 레이저를 단일 모드 레이저로 만들기 때문에 소정의 파장의 출력 신호를 생성하도록 튜닝될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 출력 신호의 정밀한 파장은 복잡한 방법으로 차례로 서로 관련되어 있고 레이저 구조의 다른 변수와 관련되어 있는 수많은 변수의 함수이다. 예를 들어, 출력 신호 파장을 영향을 주는 변수의 일부는 격자의 주기, (전형적으로 주입 전류는 물론 온도에 따라 차례로 변하는)활성층, 유폐층 및 클래드 층의 굴절율, (레이어 스트레인, 이득 파장, 및 인덱스에 영향을 주는) 활성 영역, 및 상기 설명된 다양한 층의 두께를 포함한다.

또다른 주요 변수는 전극을 통해 구조물에 주입된 전류의 양이다. 따라서, 본 발명에 따라 이들 변수를 조작함으로써, 소정 및 매우 특정한 출력 파장을 지닌 출력을 갖는 레이저 구조물이 제작될 수 있다. 이러한 레이저 구조물은 DWDM 스펙트럼을 산출하는 신호 컴포넌트 또는 개별 채널을 위한 신호 소스가 요망되는 경우 통신업계에 유용하다. 따라서 본 발명은 서로 조합하여, 전기통신 응용분야에 적합한 전력, 파장 및 대역폭을 갖는 출력 신호를 산출하는 층 두께, 이득 주기, 주입 전류등의 다양한 조합을 포괄한다.

그러나, 단순히 소망하는 파장 및 대역폭을 획득하는 것만으로는 충분치 않다. 본 발명에 의해 해결된 더욱 어려운 문제는 2차 격자로부터(따라서, 표면 방출로서) 소망하는 특정 파장을 산출하는 것이고, 이러한 방식으로 광섬유와 같은 것에의 효과적인 연결을 위해 제어될 수 있다. 출력 신호의 공간 특성은, 싱글 모드, 싱글-로브된 가우시안이 되는 이상적인 형태로, 커플링 효율에 큰 영향을 미친다. 표면 방사 반도체 레이저를 위해, 발산 듀얼-로브된 모드, 및 싱글-로브된 모드를 포함하는 두 개의 주요 모드가 있다. 발산 듀얼-로브된 모드는 섬유가 싱글 가우시안 모드를 가지므로 대부분의 전기통신 응용분야에 필요로 되는 바와 같은 싱글 모드 섬유에 연결되는 것이 매우 곤란하다.

상기한 바와 같이, SMSR은 원하는 모드를 위해 원치않는 모드를 억제하는 것을 일컫는다. 본 발명에 따라, 레이저(10)의 표면으로부터 양호한 SMSR 동작을 달성하는 것은 격자(24)의 듀티 사이클의 디자인에 있어 주의를 요하고 따라서 활성층(22)를 통한 공간 변조에 주의를 요한다. 본 설명에서, 용어 듀티 사이클은 격자 주기에 비해 고이득을 나타내는 한 격자 주기의 길이의 일부분을 의미한다. 더욱 간단한 의미로, 듀티 사이클은 고이득을 나타내는 격자(24)의 주기의 일부분으로서 정의된다. 이 듀티 사이클 파라미터는 나머지 활성층 부가 듀티 사이클인 상태로, 활성층 부를 에칭시킴으로써, 도 1에 도시된 바와 같이, 이득 커플링 레이저에서 제어된다. 대안으로, 활성 이득 층은 손상되지 않은 상태로 남아있을 수 있고 격자는, 전류 차단층의 일부가 듀티 사이클에 대응하여 에칭된 상태로, 전류 차단층내로 에칭될 수 있다.

도 1에서, 2차 분포 회절 격자는 격자(24)를 형성하기 위해 이득 매질을 에칭함으로써 기록된다. 결과적으로, 반도체 레이저(10)의 두 기본 모드는 상이한 표면 방사 손실(레이저의 출력)을 나타내고 따라서 매우 상이한 이득을 갖는다. 단 하나의 모드(최저 이득 임계치를 갖는 모드)가 레이징되고, 따라서 양호한 SMSR로 된다. 본 발명은 소망하는 레이징 모드가 싱글 로브되고 가우시안 프로파일에근접하는 것을 포괄한다. 이 방식에서, 전력 또는 신호 강도가 출력신호가 섬유에 연결되는 것을 용이하게 하므로, 레이징 모드는 섬유에 용이하게 커플링될 수 있다. 위상 편이된 2차 활성-커플링 격자는, 레이징될 수 있는, 고이득 임계치를 갖는 두 개의 듀얼 로브된 모드와 최저 이득 임계치를 갖는 싱글 로브된 모드인, 3 모드를 갖는다. 그러므로, 주 모드는, 본 발명에 따라 섬유 내부로의 최적 커플링을 위해 레이저 구조물의 중간지점에 위치되는, 위상 편이 지점에서 피크로되는 싱글-로브된 프로파일이다.

또한, 본 발명에 따라, 공간 홀 버닝을 개선하기 위한 수단이 제공된다. 이어한 관점에서 개선은 있는 것을 더욱 좋게 하는 것이며 제거하는 것이 아니다. 따라서, 본 발명은 공간 홀 버닝에 의해 부과되는 제한사항들을 감소시킴으로써 종래기술 구조물에 비해 레이저 구조물의 성능을 개선시키는 것을 포괄한다. 당업자가 알 수 있는 바와 같이, 공간 홀 버닝은 제거되지 않고, 수용할 수 없는 색분산 또는 펄스 확대로 되게하는, 위상-편이 디자인에서 통상적으로 발생하는, 싱글 모드 동작을 열화시키지 않고 고출력 전력에서 본 발명의 레이저가 동작될 수 있도록 개선된다.

본 발명에 따른 활성층과 연관된 격자를 구비한 위상 편이된 DBF 레이저는 공간 홀 버닝 개선 수단으로 인해 공간 홀 버닝에 견딜 수 있다. 더욱 상세히는, 본 발명은 (이득을 증가시키기 위해) 더 많은 캐리어가 고 이득영역에 주입되게되지만, 플라즈마 효과로 인해 굴절율이 감소하게 되는, 캐리어 주입 증가가 이루어 지도록 예를들어 모드 볼륨의 흡수 층에서, 활성층과 골진 형태로 연관된) 골진활성층을 DFB 레이저에 제공한다. 결과적으로, 종 공간 홀 버닝을 감소시키는, 인덱스 커플링 계수는 감소한다. 따라서, 활성층과 연관되는 격자의 특성으로 인해, 공간 홀 버닝은 개선된다. 따라서, 본 발명은 위상 편이된 인덱스 격자의 모드 프로파일의 이점을 얻기 위해 활성층과 연관되고, 또한 상기한 바와 같은 공간 홀 버닝의 자기억제를 동시에 포함하는 위상 편이된 2차 격자를 포괄한다.

듀티 사이클의 선택에 대해 제한이 없더라도, 본 발명의 레이저를 가능한한 큰 전력으로 동작시키는 것이 바람직하다면, 약 0.75인 듀티 사이클이 바람직한 것으로 여겨진다. 그러나, 기타 듀티 사이클 값, 0.25 내지 0.75 또는 그 이상의 듀티 사이클 값이 사용될 수 있다. 격자 보다 작은 듀티 사이클에서 이득이 발생하고, 따라서 임계 전류를 증가시키고 레이저로부터 이용가능한 효율 및 전체 전력 을 감소시킨다.

이 결과를 예시하기 위해, 도 3은 두 개의 상이한 2차 직교 위상 편이된 DBF 레이저의 특성을 예시한다. 그 하나는 인덱스 커플링 격자이고 다른 하나는 이득 커플링 격자이다. 공정한 비교를 위해, 두 레이저는 2인 동일 정규화된 인덱스 커플링 계수(K_IL)와 3cm^-1인 방사선 필드에 대한 커플링 계수를 갖는다. 또한 이득 격자를 구비한 DFB 레이저의 이득 커플링 계수 비인 K_gL/K_total는 10%이다. 이와 같이 도 1은 공동의 양단부에서 필드 강도가 정규화된 비교를 예시한다. 인덱스 격자의 강도 피크치는 이득 커플링 격자의 강도 피크치 보다 큼을 알 수 있다.

도 4에서, 도 3에 플롯으로 도시된 동일 두 레이저의 주입 전류 또는 바이어스의 함수로서 정규화된 이득 차(ΔαL)를 나타낸다. 이것은 측부 모드 압축비에 대한 지시를 제공한다. 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 인덱스 격자를 구비한 레이저의 정규화된 이득 차는 모드 경쟁으로 인해 바이어스가 증가함에 따라 고속으로 감소한다. 그러므로, 인덱스 격자를 구비한 직교-파 위상 편이된 구조물에서, 공간 홀 버닝은 고전력 레벨에서 제한 인자이고, 다중모드 동작의 소스이고 따라서 처프이다. 이와 대조적으로, 본 발명의 이득 격자 레이저 구조물의 정규화된 이득 차는 바이어싱 전류(및 따라서 출력 전력)에서 변동에 대해 거의 일정하다. 따라서, 본 발명은 한 실시예에서 종래기술의 인덱스 커플링 격자에 비해 낮은 처프를 갖는 직교-파 위상 편이된 구조물를 제공한다.

반도체 레이저에서, 다중모드 동작은 처프의 소스이다. 이득 또는 손실 커플링 DFB 레이저는 모드 선택에 대해 내재적 매커니즘을 갖는다. 따라서, 측부 모드 억제비율은 매우 높고 따라서 처프는 낮다. 더욱 상세히는, 반도체 DFB 레이저에서, 레이저 필드의 비균일성은 스티뮬레이팅된 재조합 및 공간 홀 버닝에 기인하여 레이저 공동내에 비균일한 캐리어 분포를 야기한다. 인덱스 커플링 격자에서, 길이방향 모드 안정성은 공동내의 굴절율 인덱스 분포의 변화로 인해 열화된다. 본 발명은 상기한 도면에 예시된 바와 같은 이득 커플링 격자에 기인한 개선된 공간 홀 버닝을 포괄한다.

도 2를 참조하면, 도 1의 레이저 구조물의 측부가 도시되어 있다. 도 2에서알 수 있는 바와 같이, 전극(12 및 14)은 반도체 레이저 구조물(10)에 걸리는 전압의 인가가 상기한 바와 같이 레이징을 조장할 수 있게 한다. 또한, 최상부층에 의해 형성된 리지는 전류가 주입되는 영역내에 측방향으로 광학 모드를 한정하는 역할을 한다. 리지 도파관이 본 실시예에 도시되고, 캐리어 및 광학 필드를 측방향으로 한정하기 위해 매입된 헤테로구조물 디자인을 이용하여 유사한 구조물이 제작될 수 있다.

이득 커플링 디자인의 기타 형태가 본 발명을 구현하기 위한 수단으로서 포함된다. 예를들어 상기한 바와 같이 활성 영역을 에칭하는 대신에, 고농도로 도핑된 n-도핑된 층이 활성 층 위에 증착될 수 있고 이 층에 격자가 형성될 수 있다. 이 층은 따라서 광학적으로 비활성으로 되고 (불순물을) 흡수하거나 이득을 나타내지 못한다. 그 대신, 활성 층이 에칭되지 않을 때 마다 전하 캐리어가 활성 층에 주입되는 것을 차단한다. 에지 방사 이득 커플링 레이저를 위한 이러한 구조물는, C. Kazmierski, R. Robein, D. Mathoorasing, A. Qugazzaden, M. Filoche에 의한 IEEE, J. Select. Topics Quantum Electron., vol. 1, pp. 371-374, June 1995에 개시되어 있다. 본 발명은 그러한 구조물가 상기한 바와 같은 위상 편이를 포함하고 표면 방출을 일으키도록 수정하는 것을 포괄한다.

도 5를 참조하면, 표면 방출 반도체 구조물(100)의 추가 실시예가 도시되어 있다. 본 실시예에서, 전극(112 및 114)은 최상부 및 바닥부에 제공된다. 전극(112)에 인접하여 n+InP 기판(116) 다음에 n-InP 버퍼(118)가 형성된다. 개구부(117)가 전극(112)에 제공된다. 제1 유폐 n-InGaAsP 층(120)에는 InGaAsP 또는 InGaAs 장벽층에 의해 분리된 InGaAsP 또는 InGaAs 양자우레 층으로 이루어 진 활성 영역(122)이 그 상부에 위치된다. 그후, p-InGaAsP 유폐 영역(124)에는 그 상부에 p-InP 버퍼 영역(126)이 제공된다. 격자(125)는, p- 또는 n-InGaAs 또는 InGaAsP 흡수 층(128)인, 다음층에 형성된다. 추가의 p-InP 버퍼 층(130) 다음에는 p-InGaAsP 에칭 스톱 층(132)이 형성된다. 그후, p-InP 클래딩 층(134)이 전극(134) 하부의 p⁺⁺-InGaAsP 캡층(136)을 따라 제공된다. 하기에서 알 수 있는 바와 같이, 이 실시예는 흡수층을 제공하거나 에칭하거나 아니면 손실 커플링 디바이스를 형성하기 위해 동일층을 제거함에 의해 형성된 제2(또는 더 높은) 오더 격자를 나타낸다. 격자(125)는 주기적으로 재발하는 손실 또는 흡수 엘리먼트로 구성된다. 연속 이득 층(122)와 함께 볼 경우(이득층이 흡수층과 동일 레벨이 아닌 경우에도)에, 격자(125)는 주기적으로 고이득 격자 엘리먼트(140) 및 저이득(이득이 전혀 없거나 순 손실이 있는 경우에도) 엘리먼트(138)를 갖는 격자로 보여질 수 있다. 임의의 하나의 고이득 격자 엘리먼트(140) 및 하나의 저이득 격자 엘리먼트(138)의 조합은 상기 격자(125)에 대한 주기(142)를 한정한다. 4분의 1파장 위상 편이는 위상 편이 투쓰(141)에 의해 제공된다. 이것은 레이저의 근거리장 모드 프로파일을 변경한다는 점에서 제1 실시예의 투쓰(26)와 동일하다.

도 6는 도 5의 반도체 레이저 구조의 단부도이다. 알 수 있는 바와 같이, 전류는 상기 설명된 바와 같이 레이징을 유발할 목적으로 반도체 레이저 구조물(100)에 전극(112, 114)을 통해 주입될 수 있다. 도 2에서와 같이, 리지는 광필드에 대한 레터럴 컨파인먼트를 제공한다.

본 발명의 이득 커플링 격자에 대하여 상기 설명된 바와 같이, 도 5 및 도 6의 손실 커플링 격자는 또한 개량 공간 홀 버닝에 대한 수단을 포함한다. 손실 커플링 실시예에서 활성 영역내의 캐리어 삭제는 흡수층내의 광여기 캐리어 발생에 의해 보상된다. 더욱이, 강도 분포 및 손실 변조의 오버래핑 때문에, 본 발명은 외부 피드백에 보다 강하다(이것은 동일하게 이득 커플링 디자인에 적용된다). 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 이러한 효과는 종래 기술의 인덱스 커플링 디자인에 대한 케이스가 아니다.

도 8은 레이저 공동를 따른 거리에 대한 광학 근거리장 밀도의 개략도이고, 도 1 및 도 2과, 도 5 및 도 6의 이전에 설명된 실시예 모두에 일반적으로 적용가능하다. 도시된 바와 같이, 레이저 공동의 중간에서, 모드(2)(분기 듀얼 로빙된) 필드는 피크(144)를 형성하기 위해 위상 편이에 의해 수정되었다. 따라서, 도 8은 도 1에 도시된 바와 같이 신호를 내보기 위해 공동의 중간에서 전극(120내에 개구부(16)에 대한 필요성을 나타내고 있다. 도 8의 플롯은 도 8a의 것과 비교될 수 있고, 이것은 표면 방출의 피크의 라운딩은 물론, 광자 밀도 분포의 평탄성 모두에 추가되는 것을 볼 수 있다.

도 9는 격자 영역(150)이 향상된 성능을 위해 마무리된 단부 부분(152, 154)를 포함하는, 본 발명의 다른 실시예의 평면도이다. 볼 수 있는 바와 같이 격자(150)는 공지된 기술을 사용하여 (156; 브레이크 라인(158)에 의해 도시된) 웨이퍼(156)상에 기록될 수 있다. 이렇게 기록된 격자(150)는 격자(150)를 분리시키고 보호하는 근접 영역(160)에 의해 둘려싸일 수 있다. 본 발명이 종래기술의 에지 방출 레이저에서와 같이 격자 단부 부분을 클리빙하는 것과는 달리 표면 방출디바이스이기 때문에, 본 발명은 비활성 근접 영역(160)에서 필요한 정도까지 클리빙을 고려한다. 따라서, 클리빙 동안 어떠한 격자(150)의 커팅도 일어나지 않고 격자(150)의 각각의 특성은 반도체 리소그래픽 방법에 따라 구체적으로 디자인되고, 사전결정되고 기록될 수 있다. 따라서, 각가의 격자는 정수의 격자 주기로 만들어질 수 있고 웨이퍼(156)상의 각각의 인접한 격자는 그 이웃의 격자와 동일하거나 상이하도록 기록될 수 있다. 격자의 유일한 제한은 반도체 제조 기술의 기록 능력이다. 종래 기술의 에지 방출 반도체 레이저와 달리 격자 특성은 레이저 구조물이 패키징될 때 변하지 않으리라는 점이 중요하다.

본 발명은 영역을 흡수하는 격자 종단 부분(152, 154)을 만드는 단계를 더 포함한다. 이것은 활성층이 충전 주입에 의해 펑핌되지 않을 때 흡수하고 있기 때문에 종단 영역으로 전류를 주입하지 않음으로써 용이하게 달성된다. 이와 같이, 이러한 영역은 생성된 광 에너지를 강하게 흡수하고 수평방향으로 방출하고, 그래서 추가 에지 마무리를 요구하는 일 없이 종래 기술의 비반사 코팅의 기능을 실행한다. 이러한 흡수 영역은 레이저가 임의의 추가 단계 또는 재료를 요구함 없이 반도체 제조 동안 웨이퍼상에 세워지기 때문에 용이하게 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 종래기술에서 요구되는 마무리 단계는 제거되어, 본 발명에 따른 레이저 구조물(10)을 종래 기술의 에지 방출 레이저보다 보다 효율적인 비용으로 생산할 수 있다. 따라서, 본 발명은 종래 기술문제가 격자를 클리빙하는 것과 연관되어 있는 격자(150)의 실제 단부로부터 떨어진 근접 영역(160)을 통해 본 발명에서 (필요하거나 요구되는 경우에) 클리빙을 생각하기 때문에 공동내로의 통제되지 않은위상 편이는 완전히 방지된다는 것을 이해할 수 있다.

이제 본 발명의 추가 장점을 이해할 수 있다. 본 발명은 웨이퍼로부터 개별적인 요소를 클리빙할 필요도 없고 심지어는 기능에 대해 레이저 구조물을 테스트하기 시작하기 전에 조차 레이저 구조물의 단부 마무리 또는 패키징을 완성할 필요가 전혀 없는 제조 방법을 포함한다. 예를 들어, 도 1에서, 전극(12, 14)은 구조물이 세워져 여전히 웨이퍼 형태로 있기 때문에 구조물(10)내에 형성된다. 각가의 구조물(10)는 웨이퍼상에 전극의 적합한 패터닝 및 배치에 의해, 상기 설명한 바와 같이 격자 사이의 근접 영역(160)내에 고 저항 영역을 남길 때, 인접 구조물로터 전기적으로 절연될 수 있다. 따라서, 각가의 구조물의 전기적 특성은 웨이퍼 상에 각각의 격자 구조물(150)내로 전류를 단순히 주입함으로써, 임의의 패키징 단계가 일어나기 전에, 웨이퍼상에서 테스트될 수 있다. 따라서, 결함의 구조물은 임의의 패키징 단계가 취해지기 전에 버려지거나 거절될 수 있는데, 이것은 본 발명에 따른 레이저 구조물의 생산이, 패키징이 보다 복잡하고 임의의 테스팅이 일어나기 전에 요구되는 종래 기술보다 훨씬 더 효율적이고 비용이 보다 저렴하다는 것을 의미한다. 종래 기술의 에지 방출 레이저 제조에서 요구되는, 기능하지 않거나 단순히 기능불량인 레이저 구조물에 대한 클리빙, 패키징 및 단부 마무리 단계가 본 발명에 의해 제거된다.

도 10은 격자 영역의 일측에 위치된 검출기 영역(200)를 포함하는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 이 검출기 영역(200)은 광검출기로서 기능하도록 검출기 영역(200)의 층을 역바이어싱함으로써 레이저 구조물와 일체로 제조될 수 있다.이러한 검출기는 레이저 구조물와 동시에 제조됨으로써 표면 방출 레이저(10)와 처음부터 정렬되어 용이하게 통합되는데, 이로 인해 포함 비용이 매우 효율적으로 된다. 이러한 방법으로 출력 신호는 검출기(200)에 의해 검출되고 전력 안정도 측면에서의 광신호의 품질은 실시간으로 모니터링될 수 있다. 이러한 모니터링은 출력 전력에서의 작은 요동을 제어하기 위해 변경될 수도 있는 파라미터, 예를 들어, 주입 전류를 조정하도록 외부 피드백 루프와 함께 사용될 수 있다. 이러한 피드백 시스템으로 인해 본 발명은 출력신호를 요구되는 대로 튜닝하거나 출력 신호가 요동하도록 할 수도 있는 온도 변화등과 같은 환경상의 변화에 대해 보상하기 위해, 시간에 관계없이 매우 안정하거나 일정한 출력 신호를 제공할 수 있다. 따라서, 출력 광신호에서의 변동은 레이저에 주입된 전류와 같은 파라미터에서의 변경을 통해 보상될 수 있다. 이러한 방법으로, 본 발명은 요구되는 출력 파장을 갖는, 조건의 범위에서의, 안정된 신호 소스를 달성할 목적으로 내장형 검출기를 포함한다.

도 11은 모두 단일 공통 기판(400)상에 형성된 본 발명에 따른 반도체 레이저 구조물(10)의 어레이의 평면도이다. 이러한 경우에, 각각의 격자(24)는 파장 및 출력 전력에 있어서 특정 출력(특정 신호)를 생성하도록 디자인될 수 있다. 본 발명은 상이한 파장 또는 특정 신호에서 각각의 인접한 신호 소스를 갖는 것은 물론 동일한 파장 또는 특정 신호에서 어레이를 형성하는 각각의 인접한 신호 소스를 갖는 단계를 포함한다. 따라서, 본 발명은 복수의 나란한 반도체 레이저 구조물로부터 광대역 통신에 적합한 개별적인 파장의 스펙트럼을 동시에 전달하는 단일 어레이 구조물을 포함한다. 각각의 레이저 구조물 또는 신호 소스는 독립적으로 변조된 후 DWDM 신호로 멀티플렉싱될 수 있다. 3개가 용이한 설명을 위해 도시되어 있지만, 디자인의 융통성 때문에 어레이는 공통 기판(400)상에 2개로부터 40 이상의 개별적인 파장 신호 소스를 포함할 수 있다. 레이저 소스의 각각이 동일한 주파수로 튜닝되고 코히어런트한 경우에, N 레이저의 어레이는 N²의 역률을 가질 것이라는 것이 이해될 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명되었지만, 다양한 변경 및 수정이 첨부된 넓은 청구항의 정신을 벗어남 없이 가능하다는 것을 당업자는 이해할 것이다. 이러한 수정의 일부는 상기 설명되어 있고 다른 수정들은 당업자에게 명백할 것이다. 예를 들어, 바람직한 구조물이 본 발명의 반도체 레이저 구조물의 레이저에 대하여 도시되어 있지만 수용가능한 결과를 산출하는 다른 구조물이 또한 사용될 수 있다. 이러한 구조물은 도시된 바와 같이 손실 커플링 또는 이득 커플링되어 있을 수 있다. 중요하다고 생각되는 것은 공간 홀 버닝을 개량시키기 위해 수단 및 2차 DFB 격자에서 위상 편이를 갖는 것이다.

Claims

활성층, 상기 활성층에 인접하는 대향 클래딩층, 기판, 및 전극을 갖는 반도체 레이저 구조물로서, 상기 레이저 구조물이 적어도 표면 방출의 형태로 출력 신호를 방출하게 하도록 상기 전극에 의해 상기 반도체 레이저 구조물내로 전류가 주입될 수 있는 상기 반도체 레이저 구조물;

상기 레이저 구조물의 상기 활성층과 연관된 분포 회절격자로서, 상기 회절격자는 상기 전류가 상기 레이저 구조물내로 주입될 때 주기적으로 교번하는 더 큰 이득 값 및 더 작은 이득 값을 갖는 복수의 격자 엘리먼트를 갖고, 상기 격자는 공동내 카운터-러닝 가이디드 모드를 발생시키는 크기 및 형상을 갖는 상기 분포 회절격자;

상기 출력 신호의 근접 필드 강도를 증가시키기 위해 모드 프로파일을 개조하도록 공동내 상기 카운터-러닝 가이디드 모드의 위상을 편이시키는 수단; 및

상기 개조된 모드 프로파일로부터 발생하는 공간적 홀 버닝을 개선하는 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제1항에 있어서, 상기 분포 회절격자는 상기 활성층에 위치한 이득 커플링 격자이고, 상기 개조된 모드 프로파일로부터 발생하는 공간적 홀 버닝을 개선하는 상기 수단은 격자 엘리먼트에 이득이 더 많이 인가됨에 따라 더 높은 이득 격자 엘리먼트의 굴절률은 감소하는 특성을 갖는 더 높은 이득 값을 갖는 상기 교번하는격자 엘리먼트를 포함하고, 상기 굴절률에서의 상기 감소는 종 공간적 홀 버닝을 개선하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제1항에 있어서, 상기 분포 회절격자는 상기 활성층에 인접한 손실 커플링 격자이고, 상기 개조된 모드 프로파일로부터 발생하는 공간적 홀 버닝을 개선하는 상기 수단은 활성층에서의 캐리어 고갈을 보상하기 위해 인가된 이득이 증가함에 따라 충분한 광여기된 캐리어 발생이 일어나는 특성을 갖는 더 낮은 이득 값을 갖는 상기 교번하는 격자 엘리먼트를 포함하여 종 공간적 홀 버닝이 개선되는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제1항에 있어서, 위상을 편이시키는 상기 수단은 상기 격자에 형성된 변조된 피치를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제4항에 있어서, 상기 변조된 피치 격자는 상기 레이저 구조물을 가로질러 광자 밀도를 균등하게 하는 크기 및 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제4항에 있어서, 상기 변조된 피치 격자는 일반적으로 가우시안 형상의 표면 방출 프로파일을 발생시키는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제4항에 있어서, 상기 변조된 피치 격자는 하나 이상의 2차 모드가 상기 레이저 구조물의 중심에서 제로에 접근하는 표면 방출을 갖게 하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 반도체 레이저 구조물은 표면 방출로 방출된 신호에 더하여 에지 방출의 형태로 제2 출력 신호를 방출하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 교번하는 격자 엘리먼트의 임의의 인접하는 쌍은 격자 주기를 형성하고 더 큰 이득 값을 갖는 격자 엘리먼트는 상기 격자 주기의 길이의 대략 75%로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제1항, 제2항 또는 제3항의 표면 방출 반도체 레이저의 나란한 어레이에 있어서, 상기 레이저는 N²의 역률을 갖는 펌프 소스를 형성하도록 N개 레이저의 코히어런트 어레이의 형태인 것을 특징으로 하는 어레이.
제2항에 있어서, 상기 분포 회절격자는 광학적으로 활성이고 활성층내 이득 매질에 형성되는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제3항에 있어서, 상기 분포 회절격자는 광학적으로 활성이고 모드 볼륨내 손실 매질에 형성되는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제2항에 있어서, 상기 분포 회절격자는 광학적으로 활성이 아니고 전류 차단 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제1항에 있어서, 상기 격자는 상기 위상 편이의 어느 사이드상의 격자 주기의 인테그랄 넘버로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 구조물은 플랜 뷰에서 상기 격자를 적어도 일부 둘러싸는 인접 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제15항에 있어서, 상기 인접 영역은 상기 분포 회절격자의 어느 단부에 위치한 일체로 형성된 흡수 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제15항에 있어서, 광검출기를 갖는 인접 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제17항에 있어서, 상기 광검출기는 상기 레이징 구조물과 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제17항에 있어서, 검출된 출력 신호를 소망 출력 신호와 비교하기 위해 상기 광검출기에 연결된 피드백 루프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제19항에 있어서, 상기 출력 신호를 소망 특성으로 유지하기 위해 입력 전류를 조정하는 조정기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제15항에 있어서, 상기 인접 영역은 상기 레이저가 사용중일 때 상기 격자를 절연시키기에 충분한 저항을 갖는 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제1항에 있어서, 상기 전극 중 하나는 신호 방출 개구부를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 전극 중 하나는 광 모드를 전류가 주입되고 있는 영역내에 측면으로 국한시키는 크기 및 형상을 갖는 것을 특징으로하는 표면 방출 반도체 레이저.
제23항에 있어서, 상기 측면으로 국한하는 전극은 리지 전극인 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제1항, 제2항 또는 제3항의 표면 방출 반도체 레이저의 어레이에 있어서, 상기 어레이는 공통 기판상의 상기 레이저 중 2개 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이.
제25항에 있어서, 상기 레이저 중 상기 2개 이상의 각각은 다른 파장 및 출력 전력을 갖는 출력 신호를 생성하고 개별적으로 변조될 수 있는 것을 특징으로 하는 어레이.
제26항에 있어서, 상기 레이저 중 상기 2개 이상의 각각은 동일한 파장을 갖는 출력 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 어레이.
공통 웨이퍼 기판에 연속적인 층으로 형성함으로써 복수의 반도체 레이저 구조물을 형성하는 단계;

상기 웨이퍼 기판에 제1 클래딩층, 활성층, 및 제2 클래딩층을 형성하는 단계;

상기 웨이퍼 기판에 상기 활성층과 연관된 복수의 분포 회절격자를 형성하는 단계;

상기 반도체 레이저로부터의 출력 신호의 모드 프로파일을 개조하기 위해 상기 격자에 위상 편이기를 형성하는 단계;

상기 격자의 각각내로 전류를 주입하기 위해 상기 웨이퍼 기판상의 상기 반도체 레이저 구조물의 각각에 전극을 형성하는 단계; 및

상기 반도체 레이저 구조물이 상기 공통 웨이퍼 기판에 여전히 연결되어 있는 동안 상기 구조물내로 시험 전류를 주입함으로써 상기 반도체 레이저 구조물의 각각을 시험하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저 제조 방법.
제28항에 있어서, 상기 복수의 분포 회절격자 사이에 인접 영역을 동시에 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저 제조 방법.
제28항에 있어서, 상기 반도체 레이저 구조물의 각각의 광 모드를 측면으로 국한시키도록 각각의 격자와 연관된 상기 전극 중 적어도 하나의 크기 및 형상을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저 제조 방법.
제28항에 있어서, 상기 격자의 각각의 어느 단부에 상기 인접 영역내 흡수 영역을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저 제조 방법.
제28항에 있어서, 레이저의 어레이를 형성하도록 상기 인접 영역을 따라 상기 웨이퍼를 클리빙하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저 제조 방법.
활성층, 상기 활성층에 인접하는 대향 클래딩층, 기판, 및 전극을 갖는 반도체 레이징 구조물로서, 상기 전극에 의해 상기 반도체 레이징 구조물내로 전류가 주입될 수 있는 상기 반도체 레이징 구조물; 및

상기 레이징 구조물의 활성층과 연관된 분포 회절격자로서, 상기 분포 회절격자는 주기적으로 교번하는 격자 엘리먼트를 갖고, 상기 격자 엘리먼트의 각각은 격자 엘리먼트의 임의의 인접하는 쌍이 상대적으로 높은 이득 효과를 갖는 하나의 엘리먼트와 상대적으로 낮은 이득 효과를 갖는 하나의 엘리먼트를 포함하여 그러한 이득 효과에서의 차이가 910nm 내지 990nm, 또는 1200nm 내지 1700nm의 범위의 출력 신호를 야기시키는 이득 효과를 갖고, 상기 격자는 상기 출력을 섬유에 커플링하는 것을 용이하게 하도록 출력 모드 프로파일을 개조하는 위상 편이기, 및 종 공간적 홀 버닝을 개선하는 수단을 포함하는 상기 분포 회절격자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제33항에 있어서, 상기 분포 회절격자는 상기 활성층에 위치한 이득 커플링 격자이고, 상기 개조된 모드 프로파일로부터 발생하는 공간적 홀 버닝을 개선하는 상기 수단은 상기 격자 엘리먼트에 이득이 더 많이 인가됨에 따라 더 높은 이득 격자 엘리먼트의 굴절률은 감소하는 특성을 갖는 더 높은 이득 값을 갖는 상기 교번하는 격자 엘리먼트를 포함하고, 상기 굴절률에서의 상기 감소는 종 공간적 홀 버닝을 개선하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제33항에 있어서, 상기 분포 회절격자는 상기 활성층에 인접한 손실 커플링 격자이고, 상기 개조된 모드 프로파일로부터 발생하는 공간적 홀 버닝을 개선하는 상기 수단은 활성층에서의 캐리어 고갈을 보상하기 위해 인가된 이득이 증가함에 따라 충분한 광여기된 캐리어 발생이 일어나는 특성을 갖는 더 낮은 이득 값을 갖는 상기 교번하는 격자 엘리먼트를 포함하여 종 공간적 홀 버닝이 개선되는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
정의된 공간적 특성의 출력 신호를 생성하는 표면 방출 반도체 레이저에 있어서, 상기 레이저는

활성층, 상기 활성층에 인접하는 대향 클래딩층, 기판, 및 전극을 갖는 반도체 레이징 구조물로서, 전기통신 대역에서의 출력 신호를 생성하기 위해 상기 전극에 의해 상기 반도체 레이징 구조물내로 전류가 주입될 수 있는 상기 반도체 레이징 구조물, 및

레이징 구조물내로의 전류의 주입시, 상기 출력 신호를 광 섬유에 커플링하는 것을 용이하게 하는 모드 프로파일을 제공하는 크기 및 형상을 갖는 위상 편이기를 갖는 분포 회절격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제36항에 있어서, 상기 격자는 변조된 피치 격자인 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제37항에 있어서, 상기 변조된 피치 격자는 상기 레이저 구조물을 가로질러 광자 밀도를 균등하게 하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제37항에 있어서, 상기 변조된 피치 격자는 상기 레이저 구조물의 중심에 센터링된, 표면 방출의 일반적으로 가우시안 프로파일을 발생시키는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제37항에 있어서, 상기 변조된 피치 격자는 하나 이상의 2차 모드가 상기 레이저 구조물의 중심에서 제로에 접근하는 표면 방출을 갖게 하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제36항에 있어서, 상기 분포 회절격자는 격자 주기를 정의하는 교번하는 격자 엘리먼트로 이루어지고, 상기 엘리먼트 중 하나는 상대적으로 높은 이득 엘리먼트이고 인접하는 엘리먼트는 상대적으로 낮은 이득 엘리먼트이고 상대적으로 높은 이득 엘리먼트의 길이는 격자 주기의 길이의 대략 0.75배인 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제41항에 있어서, 상기 분포 회절격자는 상기 구조물의 활성 영역내 이득 커플링 격자인 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제36항에 있어서, 상기 분포 회절격자는 상기 구조물의 모드 볼륨내 손실 커플링 격자인 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
제36항에 있어서, 상기 분포 회절격자는 상기 반도체 레이징 구조물내 전류 차단 격자인 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.