KR20040066127A - 광대역 통신 시스템 및 동 광대역 통신 시스템의 어레이를위한 표면 방출 ｄｆｂ 레이저 구조 - Google Patents

광대역 통신 시스템 및 동 광대역 통신 시스템의 어레이를위한 표면 방출 ｄｆｂ 레이저 구조 Download PDF

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샴스-자데-아미리알리엠.
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포토나미 인코퍼레이티드
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Abstract

액티브층, 상기 액티브층에 인접하여 마주하는 클래딩층, 기판, 및 전류가 반도체 레이저 구조에 주입될 수 있는 전극을 구비한 반도체 레이저 구조를 갖는 표면 방출 반도체 레이저가 도시된다. 또한 주기적으로 교호하는 엘리먼트를 구비한 2차 이상의 분산 회절 격자가 포함되고, 상기 엘리먼트의 각각은 고 이득 엘리먼트 또는 저 이득 엘리먼트중 어느 하나 인 것으로 특징지워진다. 엘리먼트의 각각은 길이를 가지고 있고, 고 이득 엘리먼트의 길이와 저 이득 엘리먼트의 길이는 함께 격자 주기를 정의하고, 상기 격자 주기는 광통신 신호 대역내의 광신호를 발생시키기 위해 필요한 범위내에 있다. 고 이득 엘리먼트의 전체 길이는 저 이득 엘리먼트의 전체 길이 정도이다. 단일 레이저 구조가 제공될 수 있고 또는 공통 기판상에 나란히 있는 레이저 구조의 어레이가 또한 제공된다. 또다른 태양에서 웨이퍼상의 레이저 구조를 테스트하기 위한 방법이 제공된다.

Description

광대역 통신 시스템 및 동 광대역 통신 시스템의 어레이를 위한 표면 방출 ＤＦＢ 레이저 구조{SURFACE EMITTING DFB LASER STRUCTURES FOR BROADBAND COMMUNICATION SYSTEMS AND ARRAY OF SAME}
광통신 시스템은 급속하게 진화하고 발전하고 있다. 이러한 시스템에 있어서 개별 광 캐리어 신호가 발생되어, 정보를 전달하기 위해 변조된다. 그 다음에 조밀 파장 분할 다중화(DWDM : dense wavelength division multiplexed) 신호를 형성하기 위해 개별 신호가 함께 다중화된다. 광 기술의 발전으로 개별 신호 채널간에 보다 근접한 간격을 가능하게 했고, 따라서 현재는 C대역에서 40개의 신호 채널이 동시에 제공됨이 일반적이고, 가까운 미래에 조합 C+L대역에서 80개 또는 심지어 160개의 동시 신호 채널이 제공되기 시작할 것이다.
각각의 신호 채널은 광신호 캐리어 소스를 필요로하고 통신에서 신호 캐리어 소스는 전형적으로 레이저를 사용한다. DWDM 신호 채널의 수가 증가할때, 신호 캐리어 소스의 수 또한 증가될 필요가 있다. 더욱이, 광 네트워크는 데이터가 밀집한 롱 홀 백본으로부터 데이터가 적은 에지 또는 엔드 유저 연결에 까지 뻗어있기 때문에, 방대한 개수의 새로운 네트워크 노드가 필요하고, 그 각각은 DWDM을 위해 필요한 다중의 신호 캐리어 소스를 잠재적으로 가질 필요가 있다. 또한, 신호 캐리어 소스를 공급하는 비용은 데이터 밀집도가 낮을때, 네트워크 하나의 에지에 보다 근접하기 때문에, 데이터 트래픽의 함수의 문제로 되고 있다. 현재 많은 상이한 레이저 소스가 이용가능하다. 이것은, 패브리-페로, 분산형 브래그 반사기(DBR), 수직 공진 표면 광레이저(VCSEL) 및 분산형 피드백(DFB) 설계와 같은, 다양한 형태의 고정되거나, 전환가능하거나, 또는 튜닝가능한 파장 레이저를 포함한다. 현재 통신 애플리케이션에 사용되는 대부분의 일반적 형태의 신호 캐리어 소스는, 변조 속도, 출력 파워, 안정성, 잡음 및 SMSR(side mode suppression ratio)에 관하여 양호한 성능을 갖는, 에지 방출 인덱스 커플드 DFB레이저 소스이다. 또한, 적당한 반도체 물질 및 레이저 설계를 선택함으로써, 통신 파장은 쉽게 발생될 수 있다. 이러한 관점에서 SMSR은, 레이저 방출이 일어날 수 있는 상이한 파장을 갖고, 그 중 하나가 전형적으로 소망되고 나머지는 아닌, 두개의 저 임계 종축 모드를 가지도록 하는 DFB 레이저의 특성을 의미한다. SMSR은 원하지 않는 모드가 억압되는 정도의 측정을 포함하고, 따라서 바람직한 모드로 보다 많은 파워가 전환되도록하고 한편 또다른 DWDM 채널의 파장에서 원하지 않는 모드의 방출 파워로부터의 크로스-토크(cross-talk)를 줄이는 효과를 가진다. 에지 방출 DFB 레이저 신호 소스의 결점은 방출 영역의 작은 아퍼추어 때문에 상이한 발산각으로 이차원적으로 강하게 발산하는, 빔 형태가 짧은 스트라이프형이라는 것이고, 따라서단일 모드 광섬유에 신호를 커플링하기 위해 스폿 변환기가 필요하다는 것이다.
일단 완성되어 광섬유에 연결되면 양호한 성능을 나타낼 수 있지만, 에지 방출 DFB 레이저는 그 발생을 비효율적으로 만들고 따라서 비용이 많이 들게 하는 몇가지 근본적인 특성을 가지고 있다. 보다 상세하게는, 현재 대량의 에지 방출 DFB 레이저가 단일 웨이퍼상에 동시에 생산된다. 그러나, 최종 제조 또는 패키징 단계에서의 많은 요인 때문에 주어진 웨이퍼로부터 달성되는 실용가능한 (즉, 원하는 신호 출력 스펙을 충족시키는) 에지 방출 DFB 레이저의 산출량은 낮을 수 있다. 상세하게는, 일단 형성되면, 개개의 DFB 레이저는 웨이퍼로부터 분리되어야 한다. 분리 단계 다음, 보통, 일단에 반사방지 코팅을 하고 다른 일단에 고반사 코팅을 하는 최종 종료 단계를 수행한다. 대칭 코팅 (일반적으로 반사방지)이 양 표면에 적용되면, 레이저의 두개의 주 모드가 퇴화하고 모드간의 선천적인 구별은 없고, 이것은 SMSR의 제어 불량을 발생시키고 따라서 불량한 단일 모드가 발생된다. 상이한 단부 코팅에 의해 발생한 비대칭된 일 모드에 대해 다른 모드에 우선권을 주는데 도움이 되고, 따라서 SMSR을 개선시킨다. 그러나, 단일 모드 동작이 개선됨에도, DFB 레이저의 파장은 여전히 레이저 공동의 단부에 분리된 격자의 상의 함수이다. 분리 단계에 의해 발생된 상의 불확정성은 레이저 파장의 불량 제어를 낳는다. 따라서, 이런 식으로 발생된 레이저는 일반적으로 불량한 단일 모드 발생, 파장 발생, 또는 상기 양자를 전부 일으키고 DWDM 시스템에서 사용하는데 있어서 최적화되지 않는다.
에지 방출 DFB 레이저의 제조의 중요한 태양은, 웨이퍼 및 단부 코팅으로부터 분리시키는 것을 포함하여, 레이저가 완전히 제작된 후에 전류를 레이저 공동에 주입함으로써만 테스트될 수 있다는 것이다. 이것은 다중모드 행동 (불량한 SMSR) 또는 부정확한 파장에 의한 웨이퍼로부터의 저 산출의 비효율에 부가된다.
단일 모드 에지 방출 DFB 레이저의 산출을 증가시키기 위한 설계가 제안되어 왔는데, 공동의 양면에 반사방지 코팅을 시키고 레이저 공동의 중앙에서 4분의 1파장 위상 이동을 하는 것이 가장 주목할만하다. 이 구조는 위상 이동의 영역에 발생된 강한 필드의 결과 공간상의 홀 버닝을 일으키는 결함을 가지고 있다. 이것은 디바이스의 출력 파워를 제한한다. 더욱이, 레이저는 면으로부터의 매우 미세한 반사에도 매우 민감하고, 면위에 고품질의 반사방지 코팅을 할 필요가 있기 때문에 소스에 불안정 및 곤란성을 더한다.
DFB 레이저의 모드 퇴화를 높이는 다른 방법은 커플링 계수라는, 가상의, 복잡한 용어를 도입하는 것과 관련된다. 이것을 위한 한가지 방법은 액티브 이득층(소위 이득 결합 설계)내에 또는 광 모드 필드내에 있는 흡수층(손실 결합 설계)중 어느 한 곳에 격자를 제조해 넣는 것이다. 이러한 설계는 필요한 반도체 제조 기술의 향상에 의해 최근에야 실용화되었다. 이득 및 손실 결합 DFB 레이저는 분리 단계에 의해 유도된 랜덤 상에 상당히 감소된 민감도를 나타낼 뿐 만 아니라 높은 단일 모드 산출, 보다 좁은 선폭, 및 개선된 ac 응답(즉, 보다 높은 주파수로 변조될 수 있다)을 포함하는 기타 이점을 가지고 있다. 그러나, 이득 및 손실 결합 설계는 여전히 칩이 테스트될 수 있기 전에 면의 분리와 코팅을 필요로한다. 또한, 여전히 에지로부터 방출되고 광섬유와의 커플링이 문제로 남는다.
복잡한 커플링을 통한 표면 방출과 단일 모드 동작은 보다 많은 공통의 1차 격자 대신 2차 이상의 격자를 사용함으로써 달성되었다. 2차 격자의 경우, 레이저 표면으로부터의 결과적인 방사 손실은 두 모드에서 상이하고, 따라서 이것이, 1985년 2월자 IEEE, J. Quantum Electron., vol. QE-21, pp. 144-150에 나타나 있는 R. Kazarinov 와 C. H. Henry에 의해 기술된 바와 같이, 퇴화를 높이고 단일 모드 동작을 일으킨다. 인덱스 커플드 2차 격자에 의해, 레이저 모드의 공간상의 프로파일은 레이저 공동의 중앙에서 최소로 듀얼 로브다. 본 예에서 압축된 모드는 공동의 중앙에서 피크가 된 단일 로브 가우시안 프로파일이다. 프로파일은 양 방향으로 가우시안과 같지만 가우시안 폭은 일반적으로 레이저에 가로지르는 가우시안 폭에 비교하여 레이저 축을 따라 훨씬 크다는 점에서 비대칭임을 주목하라. 이 후자의 모드는, 대부분의 응용에서 유리하지만, 모드 직경 및 단일 모드 광섬유의 수적인 아퍼추어와 밀접하게 매칭되고 따라서 광섬유에 효율적으로 커플링될 수 있기 때문에 통신 분야에서 훨씬 더 중요하다. 듀얼 로브 형상은 불량한 효율로만 광섬유에 연결될 수 있다.
표면 방출 DFB 레이저의 단일 로브 모드가 지배적인 모드가 되도록 레이저를 변경하려는 시도가 수행되었지만, 크게 성공적이지는 않았다. 예컨대, 미국 특허 제 5,970,081호는 레이저 모드가 바람직하게 대략 가우시안 모드가 되도록 중앙에 웨이브 가이드 공동 구조의 형상을 제한하는 수단에 의해 레이저 공동에 위상 이동을 도입하는 표면 방출, 인덱스 커플드, 2 차 격자 DFB 레이저를 교시한다. 이 방법은 관련된 리소그래피때문에 구현하기가 어렵고 설계는 위상 이동된 영역에 공간홀 버닝의 증가와 관련된 다른 스펙의 불량을 일으킨다. 더욱이, 보다 낮은 방사 커플링 효율 및 이득 결합 설계에 대한 낮은 인덱스 커플드 커플링 계수는 디바이스에 대해 비교적 높은 임계 전류뿐만 아니라 표면으로부터의 낮은 전력을 발생시킨다.
마찬가지로, 미국 특허 제 4,958,357호는 마찬가지의 곤란을 야기하는, 표면 방출, 인덱스 커플드, 2차 격자 DFB 레이저에서의 상 이동을 직접적으로 도입한다. 웨이퍼 평가 및 표면 방출에 의한 면 분리의 제거를 목적으로 하지만, 이 특허는 구축하기 곤란하고 제어하기가 훨씬 곤란한 복잡한 구조를 교시한다. 위상 이동된 위치에서 광도의 첨단 때문에 공간 홀 버닝이 일어난다. 공간 홀 버닝을 제거하기 위한 다양한 기법이 제안되지만, 이것은 복잡함을 더하고 때에 따라서는 성공적이지 못하다. 따라서, 공간 홀 버닝에 의하여 스케일의 증대가 제한된다.
통신 분야외에, 표면 방출 DFB 레이저 구조의 예가 미국 특허 제 5,727,013호에 나타난다. 이 특허는 2차 격자가 구조내의 흡수층에 기록되거나 이득층에 직접 기록되는 블루/그린 광을 발생시키기 위한 단일 로브 표면 방출 DFB 레이저를 교시한다. 흥미롭지만, 이 특허는 (임의의 통신 분야와 관계가 없기 때문에) 격자가 광섬유 커플링 효율에 어떻게 영향을 미치는지를 교시하지 않는다. 이 특허는 또한 어떤 파라미터가 전체 출력 파워와 광섬유 커플링 효율간의 균형을 제어하는지 또는 효율적으로 모드를 제어하는 방법을 교시하지 않는다. 마지막으로, 이 특허는 통신용 파장 범위에 적합한 표면 방출 레이저를 교시하지 않는다.
보다 최근에는, 통신 분야에 적합한 성능을 가진 수직 공진 표면 방출 레이저(VCSEL)를 도입하려는 시도가 있어왔다. 이러한 시도는 많은 이유로 성공적이지 못하다. 이러한 디바이스는 필요한 다층 구조에 의한 제조의 곤란뿐만 아니라 공동내의 이득 매체의 극히 짧은 길이 때문에 낮은 파워 출력 때문에 결점을 가지는 경향이 있다. 짧은 공동은 또한 보다 높은 노이즈 및 보다 넓은 선폭의 원인이 된다. 보다 넓은 선폭은 광섬유의 분산 효과 때문에 이러한 소스로부터의 신호의 전송 거리를 제한한다.
본 발명은 대체로 통신분야에 관한 것이고 특히 광 신호 기반의 통신 시스템에 관한 것이다. 상세하게는, 본 발명은 이러한 광통신 시스템을 위한 캐리어 신호를 발생시키기 위한, 반도체 다이오드 레이저와 같은, 레이저에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 이득 매체내에 형성된 2차 격자를 구비한 표면 방출 반도체 레이저의 일 실시예의 측면도,
도 2는 도 1의 실시예의 단부도,
도 3은 격자 주기에 비교하여, 이득 커플링 계수 Kg, 방사 커플링 계수 Kr, 인덱스 커플링 계수 Ki, 전체 커플링 계수 Kg+Kr의 허수부, 및 커플링 강도 (Kg+Kr)/Ki대 고 이득 엘리먼트의 듀티 사이클의 개략적인 도면,
도 4는 본 발명에 따라 흡수층 또는 손실층에 형성된 2차 격자를 구비한 표면 방출 반도체 레이저의 제 2 실시예의 측면도,
도 5는 도 4의 실시예의 단부도,
도 6은 광 근접 필드 강도 대 레이저 공동에 따라있는 거리의 모드 1 및 모드 2 프로파일의 개략적인 도면,
도 7은 레이저 공동의 어느 끝단에 흡수 영역의 형태로 종단 영역을 도시하는 본 발명의 또다른 실시예의 정상도,
도 8은 상기 종단 영역중 하나가 디텍터인 도 7의 본 발명의 또다른 실시예의 정상도,
도 9는 종단 영역이 1차 격자 부분을 포함하는 본 발명의 또다른 실시예의 정상도, 및
도 10은 파장 1 에서 파장 N까지 발생시키기 위하여 공통 기판상에 표면 방출 반도체 레이저 구조의 어레이의 정상도.
요구되는 것은 통신분야에 적합하고 종래의 결함을 피할 수 있는 표면 방출 레이저 구조이다. 보다 상세하게는, 요구되는 것은 광섬유 커플링을 허용하기 위하여 모드가 정확하고 효율적으로 제어될 수 있고 종래의 반도체 리소그래피 기술을 사용하여 제작될 수 있는 레이저 구조이다. 본 발명의 목적은 광대역 광통신 신호 범위의 사용에 적합한 신호를 발생시킬 수 있는 저 비용의 광신호 소스를 제공하는 것이다. 보다 상세하게는 이러한 신호 소스는 종래의 반도체 제조 기술을 사용하여 제조될 수 있고 현재의 기술보다 보다 높은 산출량을 가지고 따라서 보다 낮은 비용으로 생산될 수 있는 반도체 레이저의 형태이다. 본 발명의 또다른 목적은 이러한 신호 소스가 광대역 통신 분야를 위해 충분한 파워, 파장 안정성 및 정확성을 가지는 것이다. 또한 소망되는 것은 광섬유에 용이하고 효율적으로 결합되는 신호 출력을 갖는 반도체 레이저 신호 소스이다. 이러한 디바이스는 또한 바람직하게는 단일 웨이퍼 기반 구조상에 어레이로서 제조되고 신호 흡수 연결 영역과 같은 인접 구조와 포토디텍터 디바이스와 통합하여 동시에 제조될 수 있다.
본 발명의 또다른 특징은 제조 효율에 관련되어 있다. 배열된 신호 소스의 수가 증가할 수록 낮은 결함율을 가진 제조의 필요성이 증가한다. 따라서, 예컨대, 소스당 98%의 산출율로 제조된 40개의 소스 어레이는 단지 45%의 어레이 제조 산출율만을 생산할 것이다. 따라서, 비용 절감 어레이 제조를 위해 개선된 제조 산출율이 중요하다.
본 발명의 또다른 태양은 어레이의 각각의 레이저 소스가 동일하거나, 보다 유용하게는, 상이한 파장으로 그리고 가장 바람직하게는 통신 신호 대역내의 파장으로 설정될 수 있다는 것이다. 가장 바람직하게는 이러한 디바이스는 또한 광섬유 커플링 효율을 돕기 위해 출력 신호를 제한하기 위한 간단하고 효율적인 수단을 제공한다. 더욱이 이러한 디바이스는, 외부 피드백과 결합하여, 정밀한 파장 튜닝 및 신호 유지를 위해 사용될 수 있는 디텍터내에 구축된다.
따라서 본 발명의 제 1 태양에 따라서,
액티브층, 상기 액티브층에 인접하여 마주하는 클래딩층, 기판, 전류가 상기 반도체 레이저 구조에 주입될 수 있는 광 모드 볼륨 및 전극을 측면으로 제한하는 굴절율 구조를 구비한 반도체 레이저 구조, 및
주기적으로 교호하는 격자 엘리먼트를 구비한 2차 분산 회절 격자로서, 상기 격자 엘리먼트의 각각은 고 이득 엘리먼트 또는 저 이득 엘리먼트중 어느 하나인 것으로서 특징지워지고, 저 이득 엘리먼트는 고 이득 엘리먼트에 비해 저 이득, 이득이 없거나 흡수를 나타낼 수 있고, 상기 격자 엘리먼트의 각각은 길이를 가지고, 고 이득 엘리먼트의 길이와 저 이득 엘리먼트의 길이는 함께 격자 주기를 정의하고, 상기 격자 주기는 광통신 신호의 파장 대역내의 광신호를 발생시키는데 필요한 범위 내에 있고, 고 이득 엘리먼트의 파장은 격자 주기의 길이의 단지 0.5배인, 상기 2차 분산 회절 격자를 포함하는 표면 방출 반도체 레이저가 제공된다.
본 발명의 제 2 태양에 따라서, 반도체 레이저를 제조하는 방법이 또한 제공되고, 상기 방법은,
기판상의 연속층에, 웨이퍼상에 제 1 클래딩 층, 액티브 층 및 제 2 클래딩층을 형성함으로써 복수의 반도체 레이저 구조를 형성하는 단계;
상기 웨이퍼상에 복수의 2차 분산 회절 격자를 형성하는 단계;
전류를 상기 격자의 각각에 주입하기 위하여 상기 웨이퍼상에 전극을 형성하는 단계; 및
상기 웨이퍼 형태의 상기 구조에 전류를 주입함으로써 상기 반도체 구조를 테스트하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제 3의 태양에 따라서, 정의된 공간 특징의 출력 신호를 발생시키기 위한 표면 방출 반도체 레이저가 또한 제공되고 상기 레이저는,
액티브층, 상기 액티브층에 인접하여 마주하는 클래딩층, 기판 및 통신 대역내의 출력 신호를 발생시키기 위하여 전류가 상기 반도체 레이저 구조에 주입될 수 있는 전극을 구비한 반도체 레이저 구조 및 레이저 구조에 전류의 주입시에, 상기 출력 신호를 광섬유에 용이하게 커플링하기 위하여 상기 단일 로브 모드가 레이저를 방출하는 임의의 다른 모드에 제공된 이득 임계치보다 단일 로브 모드에 보다 낮은 이득 임계치를 제공하도록 크기가 맞추어져서 형성된 2차 분산 회절 격자를포함한다
첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예가 예로써만 참조될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 표면 방출 반도체 레이저 구조(10)의 일 실시예의 측면도이고, 도 2는 동 구조의 단부도이다. 레이저 구조(10)는, 예컨대, 표준 반도체 제조 기술을 사용하여, 그 하나가 다른 것 위에 구축된 많은 층으로 구성되어 있다. 본 발명을 위해 이러한 알려진 반도체 제조 기술을 사용하는 것은 본 발명이 임의의 새로운 제조 기술을 필요로하지 않고 대규모로 효율적으로 제조될 수 있음을 의미한다.
본 명세서에서 이하의 용어는 다음의 의미를 가질 것이다. 반도체의 p-영역은 홀(밸런스 밴드에서 비어있는 부분)이 지배적인 전류 캐리어인 전자 억셉터에 의해 도핑된 영역이다. n-영역은 전류 캐리어로서 초과 전자를 가지도록 도핑된 반도체 영역이다. 출력 신호는 본 발명의 반도체 레이저에 의해 발생되는 임의의 광신호를 의미한다. 모드 볼륨은 광 모드가 존재하는, 즉, 광(신호) 강도가 있음을 의미한다. 본 명세서의 목적을 위해, 분산 회절 격자는, 격자로부터의 피드백이, 간섭이 보강되는 특정 파장에서만 발진을 허용하거나 레이저를 방출하게 하는 간섭 효과를 일으키도록 레이저 공동의 액티브 이득 길이 또는 흡수 길이와 연계되어 있는 것이다.
본 발명의 회절 격자는 교호하는 이득 효과를 나타내는, 격자 또는 그리드 엘리먼트로 구성되어 있다. 두개의 인접한 격자 엘리먼트는 격자 주기를 정의한다. 교호하는 이득 효과는, 하나는 비교적 고 이득 효과이고 다음의 하나는 비교적 저 이득 효과인 인접한 격자 엘리먼트에 관하여 이득 차이가 증가하도록되어 있다. 본 발명은 비교적 저 이득 효과가 작지만 포지티브 이득치일 수 있거나, 실제적인 이득이 없을 수 있거나 흡수 또는 네가티브 이득치일 수 있다는 것을 포함한다. 따라서, 본 발명은, 이득 효과의 상대적인 차이가 특정 파장에서만 레이저를 방출하는 간섭 효과를 설정하도록 인접 격자 엘리먼트간에 충분하다면, 격자 엘리먼트에 관하여 임의의 이득 효과의 절대치를 포함한다. 본 발명은, 액티브 영역이든 아니든 손실 결합 및 이득 결합 격자 및 캐리어 차단 격자를 포함하여, 상기한 교호 이득 효과를 확립할 수 있는 임의의 형태의 격자를 포함한다.
본 발명에 따른 회절 격자 전체의 효과는 레이저 진동을, 두개의 종축 레이저 모드중 어느 하나 또는 양자에 제한하는 것으로 정의될 수 있고, 단일 종축 모드만이 안정하도록 레이저를 설계하기 위한 다양한 부가적인 기술이 채용되고, 이것은 단일 모드 출력 신호로서 참조될 수 있는 협선을 레이저에 제공한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 구조(10)의 두개의 외부 레이어(12, 14)는 전극이다. 전극의 용도는 레이저 구조(10)에 전류를 주입할 수 있다는 것이다. 전극(12)은 개구(16)를 포함하고 있음을 주목해야 한다. 개구(16)는 이하 상세히 기술된 바와 같이, 광 출력 신호가 레이저 구조(10)로부터 외부로 통과하도록 하게 한다. 본 발명에 따라, 개구는 마주보는 전극(14)상에 또한 형성될 수 있다. 또한, 리지 도파관 디바이스가 도시되었지만, 본 발명은, 예컨대, 매립형 이형구조 도파관과 같은 다른 도파관 구조를 포함한다. 개구가 도시되었지만, 본 발명은, 발생된 신호가 레이저 구조(10)로부터 통과되도록 하기 위해, 적어도 부분적으로, 연속 전극이 투명하게 제조된다면, 그러한 연속 전극의 사용을 포함한다. 개구(16)를 구비한, 단순한 금속 전극이 바람직한 결과를 제공하기 위해 발견되었고 제조의 용이 및 저비용 때문에 바람직하다.
n+InP 기판, 또는 웨이퍼(17)가 전극(12)에 인접해 있다. 바람직하게는 n-InP로 구성된 버퍼 레이어(18)가 기판(17)에 인접해 있다. 다음 층은 n-InGaAsP로 형성된 제한 레이어(20)이다. 세겹의 층이 일반적인 조성In1-xGaxAs를 가지고 있음에 반해 이러한 및 기타의 네겹의 층의 일반적인 조성은 InxGa1-xAsyP1-y로 형성되어 있다. 다음 층은, InGaAsP 또는 InGaAs로 구성된, 액티브 양자 우물 및 배리어의 교호 박층으로 구성된 액티브층(22)이다. 당업자에게 명백한 바와 같이 InGaAsP 또는 InGaAs는, 조성의 특정 범위내의 반도체는, 1300nm 대역(1270-1330nm), S-대역(1468-1525nm), C-대역(1525nm 내지 1565nm) 및 L-대역(1568nm 내지 1610nm)의 광대역 광 스펙트럼을 포함하는, 1200nm 내지 1700nm 또는 그 이상의 범위의 파장에서 광 이득을 나타낼 수 있기 때문에 바람직한 반도체가 된다. 다른 반도체 물질, 예컨대, GaInNAs, InGaAlAs 또한, 생성된 출력 신호가 광대역 범위내에 있다면, 본 발명에 의해 포함된다. 본 발명을 따르는 디바이스가 적절한 물질 조성(예컨대 InGaAs/GaAs)를 사용하여 설계될 수 있는 통신에 강조된 기타 적절한 파장 범위는 (펌핑 광 증폭기 및 Er, Yb 또는 Yb/Er 도핑된 물질에 기초한 광섬유를 위하여 가장 보편적으로 사용되는 파장에 대응되는) 910nm 내지 990nm 및 (짧은 범위의 데이터 전송에 일반적으로 사용되는) 거의 850nm이다. 도 1의 실시예에서, 회절 격자(24)는 액티브층(22)에 형성된다. 격자(24)는 교호하는 고 이득 부분(26) 및 저 이득 부분(28)으로 구성된다. 가장 바람직하게는, 격자(24)는 규칙적인 격자이고, 즉 격자를 가로지르는 일정한 주기를 가지고, 상기한 바와 같이 분산 회절 격자를 포함하도록 레이저(10)내에 크기가 맞추어지고, 형성되고 위치되어 있다. 이 경우에, 격자(24)의 주기는 인접한 저 이득 부분(28)의 길이(32)와 하나의 고 이득 부분(26)의 길이(30)의 합에 의해 정의된다. 저 이득 부분(28)은, 이 영역에서 거의 모든 또는 모든 액티브 구조가 제거되었기 때문에 고 이득 부분에 비해 이득이 낮거나 없게 된다. 본 발명에 따라, 격자(24)는 2차 격자, 즉, 표면 방출의 형태로 출력 신호를 일으키는, 반도체 매체내에 원하는 파장의 파장과 동등한 주기를 가진 격자이다. 보다 높은 차수의 격자가 또한 표면 방출을 디스플레이하지만, 보다 높은 차수로부터 상이한 각에서 보다 많은 빔을 가지고, 따라서 원하는 출력 빔의 효율을 감소시킨다. 지금 평가될 수 있는 바와 같이, 본 실시예의 격자(24)는 액티브 이득 층에 형성되어 있기 때문에 이득 결합 설계로서 참조된다.
격자(24)위의 다음 층은 p-InGaAsP제한층(34)이다. p-InP버퍼 영역(36)이 제한층(34)위에 위치되어 있다. p-InGaAsP 에치 스톱층(38)은 층(36)위에 위치된다. 그 다음에, p++-InGaAs 캡층(42)에 의해 덮힌 p-InP 클래딩층(40)이 제공된다.
상기한 바와 같이 구성된 층에 의해 제작된 반도체 레이저는 액티브층에 기록된 회절 격자로부터 분산 피드백이 레이저를 단일 모드 레이저로 되게 할때 소정의 파장의 출력 신호를 발생시키도록 튜닝될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 출력 신호의 정확한 파장은, 복잡한 방식으로 레이저 구조의 다른 변수와 상호 관련되는, 많은 변수의 함수일 것이다. 예컨대, 출력 신호 파장에 영향을 미치는 몇몇 변수는 격자 주기, (온도와 주입 전류에 의해 전형적으로 변하는) 액티브층, 제한층, 및 클래딩층의 굴절율, (층 변형, 이득 파장, 및 굴절율에 영향을 미치는) 액티브 영역의 조성, 및 상기한 다양한 층의 두깨를 포함한다. 또다른 중요한 변수는 전극을 통해 구조에 주입된 전류의 양이다. 따라서, 본 발명에 따라 이러한 변수를 조작함으로써 소정의 높은 특정 출력 파장을 가진 출력을 갖는 레이저 구조가 제작될 수 있다. 이러한 레이저는 DWDM 스펙트럼을 구성하는 개별 채널 또는 신호 성분을 위한 신호가 요구되는 통신 산업에 유용하다. 따라서 본 발명은 통신 분야를 위해 적합한 파워, 파장 및 대역폭을 갖는 출력 신호를 발생시키는, 층 두깨, 이득 주기, 주입 전류등의 다양한 조성을 포함한다.
그러나, 원하는 파장과 대역폭을 단순히 획득하는 것으로는 충분하지 않다. 본 발명에 의해 해결되는 보다 어려운 문제는, 예컨대, 광섬유에 효율적인 커플링을 위해 제어될 수 있도록 하는 방식으로 2차 격자(및, 표면 방출로서)로부터 원하는 특정 파장을 발생시키는 것이다. 출력 신호의 공간 특성은 커플링 효율에 큰 영향을 미치고, 이상적인 형태는 단일 모드, 단일 로브 가우시안이다. 표면 방출 반도체 레이저를 위해 두개의 주 모드는 발산 듀얼 로브 모드, 및 단일 로브 모드를 포함한다. 전자는 광섬유가 단일 가우시안 모드를 가지기 때문에 대부분의 통신 분야를 위해 필요한 것처럼 단일 모드 광섬유에 커플링하기가 매우 곤란하다. 역으로, 레이저의 단일 로브 모드는, 에너지 강도의 피크가 중앙에 위치하고 광섬유의 형태를 훨씬 가깝게 가지므로, 광섬유에 커플링하기가 상당히 용이하고 보다 효율적이다. 본 발명에 따라 바람직한 모드가 신뢰성있게 기여하는 표면 방출 레이저 구조가 제작될 수 있다.
상기한 바와 같이, SMSR은 원하는 모드에 대한 원하지 않는 모드의 억압을 의미한다. 본 발명에 따라, 레이저(10)의 표면으로부터 양호한 SMSR을 달성하기 위하여 격자(24)의 듀티 사이클의 설계 및 액티브층(22)을 통하여 이득의 공간 변조에 주의를 요한다. 본 명세서에서, 듀티 사이클이란 용어는 격자 주기에 비해 높은 이득을 나타내는 하나의 격자 주기의 길이의 일부를 의미한다. 보다 간단한 용어로는, 듀티 사이클은 고 이득을 나타내는 격자(24)의 주기의 일부로서 정의될 수 있다. 듀티 사이클의 이러한 파라미터는, 액티브층의 일부를 에칭하여 제거함으로써, 도 1에 도시된 바와 같은, 이득 결합 레이저내에 제어될 수 있고, 남아있는 액티브층 부분이 듀티 사이클이 된다. 대안으로, 액티브 이득 층은 무결하게 유지될 수 있고 격자는 전류 차단층에 에칭될 수 있어서, 전류 차단층의 일부는 듀티 사이클에 대응하여 에칭되어 제거된다.
도 1에서, 격자(24)를 형성하기 위해 2차 분산 회절 격자가 이득 매체를 에칭함으로써 기록됨을 이해할 수 있다. 그 결과, 반도체 레이저(10)의 두가지 기본 모드는 (레이저 출력인) 상이한 표면 방사 손실을 나타내고 따라서 매우 상이한 이득을 가진다. (가장 낮은 이득 임계치를 가진 모드인) 단 하나의 모드만이, 양호한 SMSR을 나타내고, 레이저를 방출시킨다. 본 발명은 원하는 레이저 모드가 그 모습에 있어서 일반적으로 가우시안 형태인 프로파일을 갖는 단일 로브 모드인 것을 포함한다. 전력 또는 신호 강도의 프로파일은 출력신호를 광섬유에 용이하게 커플링하기 때문에, 이런식으로 레이저 모드는 용이하게 광섬유에 커플링될 수 있다.
본 발명에 따른 단일 레이저 모드로서 원하는 단일 로브 모드를 가지기 위해, 특정 범위의 값으로 듀티 사이클을 제한하는 것이 중요하다. 그 이유는, 분산 2차 회절 격자의 고 이득 일부의 듀티 사이클의 함수로서 이득의 종속, 방사 및 인덱스 커플링 계수(Kg, Kr, 및 Ki의 각각), 전체 커플링 계수(Kg+Kr)의 허수부 및 커플링 강도((Kg+Kr)/Ki)를 도시하는 도 3을 참조하여 설명된다. 전체 커플링 계수는 Ki+j(Kg+Kr)로서 정의되고 여기서 j는 (-1)1/2임을 주목하라. 주목해야 하는 중요한 특징은 방사 커플링 계수가 가우시안형 및 네가티브형인 반면 인덱스 및 이득 커플링 계수는 사인곡선이라는 것이다. 공동 손실 Kt=Ki+j(Kg+Kr)에 의해 취해진, 전체 커플링 계수는 허수부로서 Kg+Kr을 가지고 한편 커플링 강도(Kg+Kr)/Ki는 전체 커플링 계수의 허수부 대 실수부의 정도이다. 유효 공동 손실에 의해 취해진, 전체 커플링 계수(Ki)의 실수부는 대체로 이득 임계치를 결정하고 한편 커플링 강도는, 전체 커플링 계수의 허수부는 다른 모드에 대해 하나의 모드를 더 유리하게하고 반면실수부(Ki)는 둘간을 구별하지 않기 때문에 두 기본 모두간의 구별의 정도의 양호한 표지가 된다.
레이저의 두개의 기본 모드중, 레이저를 방출하는 하나는 가장 낮은 이득 임계치를 갖는 것일 것이다. 상기한 바와 같이 2차 이득 결합 레이저 설계의 경우를 위해 도 3의 곡선을 참조하면, Kg+Kr이 포지티브일때, 단일 로브 모드는 가장 낮은 이득 임계치를 가질 것이고 한편 듀얼 로브 모드는 그 값이 네가티브일때 가장 낮은 임계치를 가질 것이다. Kr은 네가티브이므로, 그 합 Kg+Kr은, 0.5 이상의 듀티 사이클 값에 대하여 항상 네가티브일 것이다. 교점은 항상 0.5이하일 것이고, Kg>>Kr일때 0.5에 접근한다. 따라서 원하는 동작을 달성하기 위한 듀티 사이클의 상한은 0.5이다. 보다 큰 Kg+Kr값을 위하여 모드 구별이 개선되고, 듀티 사이클의 최적값은 0.25에 가깝다는것을 보여준다. 듀티 사이클의 이러한 영역에 대하여 커플링 강도는 비교적 납작하고 따라서 그 값이 충분히 크다면 주 요인이 아님을 알 수 있다. 최종 설계에서 고려되어야 하는 또다른 문제는 듀티 사이클을 낮춤에 따라 나타나는 이득 물질이 적고 듀티 사이클이 낮아짐에 따라 훨씬 높은 물질 이득이 요구된다는 것이다. 이러한 상황은 물질 이득의 필요를 경감하도록 최적의 듀티 사이클이 가능한 크도록 하게 한다. 모두 고려하면, 본 발명은 유용한 듀티 사이클 영역이 약 15% 내지 35%사이에 있음을 이해한다.
레이저 공동의 설계에 의한 모드 구별(SMSR)에 더하여, 우리는 또한 광섬유커플링 단계에 의한 SMSR에 기여도를 고려한다. 일반적으로 가우시안 모드만이 용이하게 광섬유에 커플링되기 때문에, 다른 모드의 파워는 광섬유에 커플링되지 않고, SMSR에서의 상당한 발전이 실현될 수 있다. 공동 설계에 의한 모드간의 높은 분별도를 함께 고려하면, 레이저의 전체 SMSR은 우수하다.
도 2로 돌아가서, 도 1의 레이저 구조의 측면도가 도시된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전극(12, 14)은 상기한 바와 같은 레이저 방출을 일으키기 위해 반도체 레이저 구조(10)의 양단에 걸리는 전압의 인가를 허용한다. 더욱이, 정상층에 의해 형성된 리지는 광모드를, 전류가 주입되는 영역내에 측면으로 제한하도록 한다. 본 실시예에서 리지 도파관이 도시되었지만 캐리어와 광 필드를 측면으로 제한하기 위해 크기가 맞추어지고 형성된 매립형 이형구조 도파관을 사용하여 제작될 수 있음을 이해해야 한다.
본 발명을 구현하기 위한 수단으로서 이득 결합 설계의 다른 형태가 포함된다. 예컨대 상기한 바와 같이 액티브 영역을 에칭하는 대신, 보다 높이 n-도핑된층이 액티브층위에 증착될 수 있고 이 층에 격자가 만들어질 수 있다. 그 다음에 이 층은 광학적으로 액티브가 아니고 따라서 흡수하지도 않고 이득을 나타내지도 않는다. 대신, 에칭되지 않은 액티브층에 전하 캐리어가 주입되는 것을 차단한다. 에지 방출 이득 결합 레이저를 위한 이러한 구조는 C. Kazmierski, R. Robein, D. Mathoorasing, A. Ougazzaden, 및 M. Filoche, IEEE, J. Select. Topics Quantum Electron., vol. 1, pp. 371-374, 1995년 6월자에 교시된다. 본 발명은 캐리어 차단층을 0.5이하의 듀티 사이클, 바람직하게는 0.15 내지 0.35범위의 듀티 사이클을, 가장 바람직하게는 약 0.25(즉, 약 0.75블로킹)의 듀티 사이클을 가지는 개구를 가지도록 제한하는 구조를 수정하는 것을 포함한다.
도 4로 돌아가서, 표면 방출 반도체 레이저 구조(100)의 또다른 실시예가 도시된다. 본 실시예에서, 정상부와 바닥부에 전극(112, 114)이 제공된다. n-InP버퍼(118)가 뒤잇는 n+InP기판(116)은 전극(112)에 인접한다. 개구(117)가 전극(112)에 제공된다. 다시, 개구는 마주보는 전극(114)에 있을 수도 있다. InGaAsP 또는 InGaAs배리어층에 의해 분리된 InGaAsP 또는 InGaAs 양자 우물층으로 구성된 액티브 영역(122)이 제 1 제한 n-InGaAsP층(120)위에 위치되어 제공된다. 그 다음에, p-InGaAsP제한 영역(124)이 제공되고 그 위에 p-InP버퍼 영역(126)이 제공된다. 격자(125)는 , p- 또는 n-InGaAs 또는 InGaAsP 흡수층(128)내에 형성된다. 또다른 p-InP버퍼층(130) 다음에 p-InGaAsP에치 스톱층(132)이 뒤잇는다. 그 다음에, p-InP클래딩층(134)이 제공되고 그 위에 p++-InGaAs캡층(136)이 전극(114)아래에 제공된다. 이해될 수 있는 바와 같이, 본 실시예는 흡수층을 제공하여 에칭하거나 그렇지 않으면 로스 커플드 디바이스를 형성하기 위해 흡수층을 제거함으로써 형성되는 2차 (또는 그 이상의) 격자를 나타낸다. 격자(125)는 주기적으로 재발생하는 손실 또는 흡수 엘리먼트로 구성되어 있다. (이득층이 흡수층의 레벨과 같은 레벨에 있지 않더라도) 연속적인 이득층(122)과 함께 취해질때, 이 격자(125)는 고 이득 엘리먼트(138)와 (이득이 없거나 심지어 순수 손실일 수 있는) 저 이득 엘리먼트(140)를 주기적으로 반복하는 격자로서 간주될 수 있다. 하나의 고 이득 엘리먼트(138)와 하나의 저 이득 엘리먼트(140)의 조합은 상기격자(125)를 위한 주기(142)를 정의한다.
도 5는 도 4의 반도체 레이저 구조의 단부도을 나타낸다. 볼 수 있는 바와 같이, 상기한 레이저 방출을 일으키기 위해 반도체 레이저 구조(100)에 전극(112, 114)을 통해 전류가 주입될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 리지가 광 필드를 위한 측면 제한을 제공한다. 도 6은 광 근접 필드 강도 대 레이저 공동을 따라 있는 거리의 개략도이고, 일반적으로 상기한 실시예의 양자 모두에 적용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 레이저 공동의 중간에, (원하는 일반적인 가우시안 형태인)모드 1 필드 강도는 피크(144)에 있고, 반면 (원하지 않는 발산 듀얼 로브) 모드 2필드 강도는 최소(146)에 있다. 따라서, 레이저 공동의 중간에 광 필드는 모드 1 또는 가우시안 프로파일에서 훨씬 더 강하다. 따라서 이러한 도 6은 본 발명의 제어된 듀티 사이클로부터 일어나는 매우 효과적인 측면 모드 억압을 나타낸다. 더욱이 그것은 도 1에 도시된 바와 같은 신호를 방출하기 위해 공동의 중간에 전극(12)내의 개구(16)를 위한 필요성을 나타낸다. 상기한 바와 같이, 이 개구는 각 전극상에 위치될 수 있다.
도 7은 본 발명의 또다른 실시예의 정상도를 나타내고, 여기서 격자 영역(150)은 개선된 성능을 위해 종단 단부(152, 154)를 포함한다. 알 수 있는 바와 같이 격자(150)는 알려진 기술을 사용하여 (파선(158)으로 도시된) 웨이퍼(156)상에 기록될 수 있다. 그렇게 기록된 격자(150)는 격자(150)를 분리하고 보호하는 연결 영역(160)에 의해 둘러싸일 수 있다. 본 발명은 표면 방출 디바이스이기 때문에, 종래의 에지 방출 레이저에서와 같이 격자 단부를 쪼개는 것 보다, 본 발명은, 비 능동 연결 영역(160)에서, 필요한 정도로 쪼개는 것을 고려한다. 따라서, 쪼개는 동안 격자(150)의 커팅은 일어나지 않고 격자(150)의 각각의 특성은 상세히 설계되고, 미리 결정되고 그리고 반도체 리소그래피 실행에 따라 기록된다. 따라서, 각각의 격자는 적분수의 격자 주기에 의해 제작될 수 있고 웨이퍼(156)상의 각각의 인접 격자는 그 이웃한 부분과 일치하거나 상이하게 기록될 수 있다. 격자의 유일한 제한은 반도체 제조 기술의 기록 성능이다. 중요하게도, 종래의 에지 방출 반도체 레이저와 달리 격자 특성은 레이저 구조가 패키징될때 변하지 않을 것이다.
본 발명은 또한 격자 종단부(152, 154) 흡수 영역을 제작하는 것을 고려한다. 이것은, 액티브 층이, 전하 주입에 의해 펌핑되지 않을때, 흡수될때의 종단 영역에 전류를 주입하지 않음으로써 쉽게 달성된다. 따라서, 이러한 영역은, 발생되어 수평 방향으로 방출하는 광 에너지를 강하게 흡수할 것이고, 따라서 또다른 에지 피니싱의 필요없이 종래의 반사방지 코팅의 기능을 수행한다. 이러한 흡수 영역은, 임의의 부가적인 단계나 물질을 필요함이 없이 반도체를 제조하는 동안 층이 웨이퍼상에 제작될때 쉽게 형성될 수 있다. 이러한 방식으로 종래 기술에 필요한 피니싱 단계는 제거되고, 종래의 에지 방출 레이저보다 발생시키기에 보다 비용이 절감되는 본 발명에 따른 레이저 구조(10)를 제작한다. 따라서 본 발명은, 격자의 클리빙과 연계된 종래 기술의 문제점과 따라서 제어되지 않는 위상 이동을 공동에 일어나는 것이 완전히 회피되는, 격자(150)의 실제 단부로부터 떨어진 연결 영역(160)을 통해 (필요하거나 요망되는) 클리빙을 고려함을 이해할 수 있다.
본 발명의 또다른 이점이 이해될 수 있을 것이다. 본 발명은 웨이퍼로부터개개의 엘리먼트를 클리빙할 필요없고, 또는 기능을 위해 레이저 구조를 테스트하기 시작하기 전에 레이저 구조의 엔드 피니싱 도는 패키징을 완성할 필요 없는 제조방법을 포함한다. 예컨대, 도 1을 참조하면, 구조가 제작될때 여전히 웨이퍼 형태로 구조(10)에 형성된다. 구조(10)의 각각은 웨이퍼상에서, 웨이퍼상의 전극의 적당한 패터닝과 증착에 의해, 상기한 바와 같은 격자간의 연결 영역(160)에 고 저항 영역을 남길때 인접 구조로부터 전기적으로 절연될 수 있다. 따라서, 구조의 각각의 전기적 특성은, 단순히 웨이퍼상의 각각의 격자 구조(150)에 전류를 주입함으로써, 임의의 패키징 단계가 일어나기 전에, 웨이퍼상에서 테스트될 수 있다. 따라서, 임의의 패키징 단계가 취해지기전에(심지어 클리빙 전에) 결함있는 구조는 무시되거나 제거될 수 있고, 이것은 본 발명에 따른 레이저 구조의 제작이 훨씬 효율적이고 따라서, 임의의 테스팅이 일어날 수 있기전에 패키징이 훨씬 복잡하거나 요구되는 종래 기술보다 덜 비용이 든다는 것을 의미한다. 따라서, 종래의 에지 방출 레이저 제조에 필요한 비기능 또는 단순한 오기능 레이저 구조에 대한 클리빙, 패키징 및 엔드 피니싱 단계가 본 발명에 의해 제거된다.
도 8은 격자 영역의 일 측에 위치한 디텍터 영역(200)을 포함하는 본 발명의 또다른 실시예를 나타낸다. 디텍터 영역(200)은 포토디텍터로 기능하기 위하여 디텍터 영역(200)의 레이어를 리버스 바이어싱함으로써 레이저 구조와 통합될 수 있다. 이 디텍터는 고유하게 표면 방출 레이저(10)와 정렬되어 있고 레이저 구조와 같은 시간에 제조됨으로써 용이하게 통합되고, 이것은, 포함되도록하기 위한 비용을 매우 절감하게 한다. 이러한 방식으로 신호 출력은 디텍터(200)에 의해 감지될수 있고 전력 안정성에 관하여, 광신호의 품질은 실시간으로 모니터링될 수 있다. 이러한 모니터링은, 전력의 작은 요동을 제어하기 위해 변경될 수 있는 파라미터, 예컨대, 주입 전류를 조정하기 위해 외부 피드백 루프에 의해 사용될 수 있다. 이러한 피드백 시스템은 본 발명이, 시간의 경과에 따라 매우 안정적이거나 스테디한 출력 신호를 제공할 수 있게 하고, 필요한 출력 신호를 튜닝할 수 있도록 하거나 온도 변화 및 출력 신호가 유랑하게 할 수 있는 것과 같은 환경의 변화를 보상할 수 있게 한다. 따라서 출력 광신호의 변화는 레이저에 주입된 전류와 같은 파라미터의 변화에 의해 보상될 수 있다. 이런식으로, 본 발명은 안정적인 출력 전력을 가지는, 조건 범위에 대하여, 안정적인 신호원을 구축할 목적으로 빌트-인 디텍터를 고려하고 있다.
도 9는 디바이스의 중앙부에 광 근접 필드의 개선된 제한을 포함하는 본 발명의 또다른 실시예이다. 공간상의 홀 버닝의 명목상 증가가 기대되지만, 상쇄 이익은 표면 방출이 레이저 공동을 따른 차원으로 훨씬 더 강하게 제한되고, 따라서 실린더형 대칭에 보다 가깝게 달성된다는 것이다. 이러한 실시예에서 이러한 결과를 달성하기 위해, 레이저 구조의 중앙부는 2차 격자 영역(24)의 각 단에 부가된 1차 격자(300)를 가진 2차(또는 보다 높은 차수의) 격자로 구성되어 있다. 1차 격자 영역(300)을 활성화하기 위해 별개의 전극(302, 304)이 제공된다. 2차 격자 외의 인접한 1차 격자의 효과는 출력 신호의 제한을 향상시키는 것이다.
도 10은 그 전부가 공통 기판(400)에 형성된 본 발명에 따른 반도체 레이저 구조(10)의 어레이의 정상도이다. 이 경우에, 각각의 격자(24)는 파장과 출력 전력에 관하여 특정 출력(특정 신호)을 발생시키도록 설계될 수 있다. 본 발명은, 그 각각을 상이한 파장이나 특정 신호로 하게 하는 것뿐만 아니라 동일한 파장이나 특정 신호로 어레이를 형성하는 인접한 신호원의 각각을 가지도록 고려된다. 따라서, 본 발명은, 나란히 있는 복수의 반도체 레이저 구조로부터 광대역 통신을 위해 적합한 개별 파장의 스펙트럼을 동시에 전달하는 단일 어레이 구조를 고려한다. 각각의 레이저 구조 또는 신호원은 독립적으로 변조되어 DWDM신호로 다중화될 수 있다. 설명의 편이를 위해 3개만이 도시되었지만, 설계의 융통성에 의해, 공통 기판(400)상에 어레이는 두개에서 40개 이상의 개별 파장 신호원을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 참조되었지만, 다양한 변경 및 변화가 첨부된 청구항의 사상으로부터 벗어남이없이 가능함으로 당업자는 이해할 것이다. 이러한 변화중의 몇몇은 상기되었고 나머지는 당업자에게 명백할 것이다. 예컨대, 본 발명의 반도체 레이저 구조의 레이어를 위해 바람직한 구조가 도시되었지만, 허용 가능한 결과를 산출하는 다른 구조 또한 사용될 수 있다. 이러한 구조는 도시한 바와 같이 손실 결합되거나 이득 결합될 수 있다. 중요하다고 생각되는 것은 50%이하의, 가장 바람직하게는 20%정도의 격자의 듀티 사이클을 가지는 것이다.

Claims (37)

  1. 액티브층, 상기 액티브층에 인접하여 마주하는 클래딩층, 기판, 광 모드 볼륨을 측면으로 제한하기 위한 굴절율 구조 및 전류가 반도체 레이저 구조에 삽입될 수 있는 전극을 구비한 상기 반도체 레이저 구조, 및
    주기적으로 교호하는 격자 엘리먼트를 구비한 2차 이상의 분산 회절 격자를 포함하는 표면 방출 반도체 레이저로서,
    상기 격자 엘리먼트의 각각은, 고 이득 엘리먼트 또는 저 이득 엘리먼트중 어느 하나가 되는 것으로 특징지워지고, 전류 주입시에, 저 이득 엘리먼트는 고 이득 엘리먼트에 비해 저 이득, 이득이 없거나 흡수를 나타내고, 상기 엘리먼트의 각각은 길이를 가지고, 고 이득 엘리먼트의 길이와 저 이득 엘리먼트의 길이는 함께 격자 주기를 정의하고, 상기 격자 주기는 광통신 신호 대역에서 광신호를 발생시키는데 필요한 범위내에 있고, 고 이득 엘리먼트중의 하나의 길이는 격자 주기의 길이의 단지 0.5배인 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 고 이득 엘리먼트의 길이는 상기 격자 주기의 길이의 15% 내지 35%사이에 있는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 고 이득 엘리먼트의 길이는 상기 격자 주기의 길이의 약 25%인 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 분산 회절 격자는 광학적으로 능동이고 액티브층내의 이득 매체내에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 분산 회절 격자는 광학적으로 능동이고 모드 볼륨내의 손실 매체내에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 분산 회절 격자는 광학적으로 능동이 아니고 전류 차단 물질로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 격자는 격자 주기의 적분수를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 구조는 평면도에서 상기 격자를 적어도 부분적으로 둘러싸는 연결 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 연결 영역은 상기 분산 회절 격자의 어느 일단에 위치된 일체식으로 형성된 흡수 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
  10. 제 1 항에 있어서, 포토디텍터를 구비한 연결 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 포토디텍터는 상기 레이저 구조와 일체식으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
  12. 제 11 항에 있어서, 검출된 출력 신호와 원하는 출력 신호를 비교하기 위해 상기 포토디텍터에 연결된 피드백 루프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 출력 신호를 원하는 특성으로 유지하기 위해 입력 전류를 조절하기 위한 조절기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
  14. 제 8 항에 있어서, 상기 연결 영역은, 상기 레이저가 사용중일때, 상기 격자를 전기적으로 절연시키기 위해 충분한 저항을 갖는 물질로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 전극중 하나는 신호 방출 개구를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 측면으로 제한하는 굴절율 구조는 리지 도파관이나 매립형 이형구조 도파관중 하나인 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
  17. 제 8 항에 있어서, 상기 레이저 구조는 상기 레이저 공동의 어느 일 단에 종축 필드 제한 구조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 종축 필드 제한 구조는 일체식으로 형성된 1차 격자를 포함하고, 상기 레이저는 그 내에 전류를 주입하기 위해 상기 1차 격자와 연계된 2차 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
  19. 제 1 항의 표면 방출 반도체 레이저의 어레이로서, 상기 어레이는 공통 기판상에 두개 이상의 상기 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 두개 이상의 레이저는 상이한 파장과 출력 전력을 구비한 출력 신호를 발생시키고 개별적으로 변조될 수 있는 것을 특징으로 하는 어레이.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 두개 이상의 상기 레이저의 각각은 동일한 파장을 갖는 출력 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 어레이.
  22. 표면 방출 반도체 레이저를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은,
    공통 웨이퍼 기판상의 연속층내에,
    상기 웨이퍼 기판상에 제 1 클래딩층, 액티브층 및 제 2 클래딩층를 형성함으로써 복수의 반도체 레이저 구조를 형성하는 단계;
    상기 웨이퍼 기판상에 상기 액티브층와 연계된 복수의 2차 이상의 분산 회절 격자를 형성하는 단계;
    상기 격자의 각각에 전류를 주입하기 위하여 상기 웨이퍼 기판상에 상기 반도체 레이저 구조의 각각상에 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 공통 웨이퍼 기판에 여전히 연결되어 있는 동안 상기 구조에 테스트 전류를 주입함으로써 상기 반도체 레이저 구조의 각각을 테스트하는 단계를 포함하고,
    상기 전극중 하나는 광방출을 허용하는 아퍼추어를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 복수의 분산 회절 격자간의 연결 영역을 동시에 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 22 항에 있어서, 리지 도파관이나 매립형 이형구조 도파관의 형태로 상기 반도체 레이저 구조의 각각의 광 모드를 측면으로 제한하기 위해 굴절율 구조를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 22 항에 있어서, 상기 연결 영역내의 흡수 영역을 상기 격자의 각각의 어느 일단에 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 22 항에 있어서, 레이저의 어레이를 형성하기 위해 상기 연결 영역을 따라 상기 웨이퍼를 쪼개는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 액티브층, 상기 액티브층에 인접하여 마주하는 클래딩층, 기판, 광 모드 볼륨을 측면으로 제한하기 위한 굴절율 구조 및 전류가 반도체 레이저 구조에 주입될 수 있는 전극을 구비한 상기 반도체 레이저 구조, 및
    상기 레이저 구조의 액티브층와 연계된 2 차 이상의 분산 회절 격자를 포함하는 표면 방출 반도체 레이저로서,
    상기 분산 회절 격자는 주기적으로 교호하는 격자 엘리먼트를 구비하고, 상기 격자 엘리먼트의 각각은 이득 효과를 가지고, 임의의 인접한 쌍의 격자 엘리먼트는 비교적 높은 이득 효과를 갖는 하나의 엘리먼트와 비교적 낮은 이득 효과를 갖는 하나의 엘리먼트를 포함하고, 이러한 이득 효과의 차이, 고 이득 엘리먼트 및 저 이득 엘리먼트의 상이한 굴절율, 및 격자 주기는 거의 850nm, 또는 910nm 내지 990nm, 또는 1200nm 내지 1700nm 범위의 출력 신호를 일으키고 상기 격자 엘리먼트의 각각은 길이를 가지고, 비교적 고 이득 효과 엘리먼트와 비교적 저 이득 효과엘리먼트의 길이는 함께 격자 주기를 정의하고, 비교적 고 이득 엘리먼트중 하나의 길이는 격자 주기의 길이의 단지 0.5배인 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 측면으로 제한하는 굴절율 구조는 리지 도파관 또는 매립형 이형구조 도파관중 하나인 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
  29. 레이저로부터의 출력 신호를 안정화하는 방법으로서,
    전류를 레이저에 주입함으로써 표면 방출 레이저에 에너지를 공급하는 단계;
    레이저와 연계된 하나 이상의 연계된 포토디텍터에 에너지를 공급하는 단계;
    포토디텍터에 의해 표면 방출 레이저로부터의 출력 신호의 품질을 모니터링하는 단계; 및
    신호 유랑을 방지하기 위해 레이저에 주입된 전류의 양을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 포토디텍터를 상기 레이저와 일체식으로 형성하는 전초 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제 30 항에 있어서, 상기 포토디텍터를 피드백 루프에 연결하는 단계 및 상기 검출된 신호 출력과 원하는 신호 출력을 비교하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제 31 항에 있어서, 조절기를 제공되고 상기 피드백 루프로부터 일어나는 상기 비교에 따라 신호 유랑을 방지하기 위해 상기 레이저로 주입된 전류의 양을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 정의된 공간상의 특성의 출력 신호를 발생시키기 위한 표면 방출 반도체 레이저로서, 상기 레이저는,
    액티브층, 상기 액티브층에 인접하여 마주하는 클래딩층, 기판 및 통신 대역에서 출력 신호를 발생시키기 위하여 상기 반도체 레이저 구조에 전류가 주입될 수 있는 전극을 구비한 반도체 레이저 및 레이저 구조에 전류를 주입시에, 상기 출력 신호를 광섬유에 용이하게 연결하기 위해 상기 로브 모드가 레이저를 발사하는 임의의 다른 모드에 제공된 이득 임계치보다 낮은 이득 임계치를 단일 로브 모드에 제공하도록 크기가 맞추어지고 형태를 이루는 2차 이상의 분산 회절 격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
  34. 제 33 항에 있어서, 상기 분산 회절 격자는 격자 주기를 정의하는 교호하는 격자 엘리먼트로 구성되고, 상기 엘리먼트중 하나는 비교적 고 이득 엘리먼트이고 인접한 엘리먼트는 비교적 저 이득 엘리먼트이고 비교적 고 이득 엘리먼트의 길이는 격자 주기의 길이의 단지 0.5배인 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
  35. 제 33 항에 있어서, 상기 분산 회절 격자는 상기 구조의 액티브 영역내에 이득 결합 격자인 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
  36. 제 33 항에 있어서, 상기 분산 회절 격자는 상기 구조의 모드 볼륨내에 손실 결합 격자인 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
  37. 제 33 항에 있어서, 상기 분산 회절 격자는 상기 반도체 레이저 구조내에 전류 차단 격자인 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
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