KR20050022333A - 반도체 레이저장치 - Google Patents

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Abstract

전단면이 저반사율임과 동시에, 온도변화에 의한 발진파장변화가 작은 반도체 레이저장치를 제공한다. 적어도 활성층과, 클래드층과, 광을 출사하는 단면을 갖는 반도체 레이저장치에 있어서, 그 단면에는, 파장에 의해 반사율이 변화되는 저반사막이 설치되고, 이 저반사막의 반사율이 극소가 되는 파장은 반도체 레이저장치의 이득이 최대가 되는 파장보다 장파장측에 있으며, 저반사막의 반사율이 파장의 증가에 따라 감소하는 영역으로만 반도체 레이저장치의 이득과 손실이 같아지는 것을 특징으로 한다. 반도체 레이저장치의 이득이 최대가 되는 파장에서의 저반사막의 반사율은 1% 이하인 것이 바람직하다.

Description

반도체 레이저장치{SEMICONDUCTOR LASER DEVICE}
본 발명은, 광정보처리용의 광원, 광통신의 신호원 또는 파이버 앰프의 여기광원 등에 사용되는 반도체 레이저장치에 관한 것이다.
도 13은, 종래의 반도체 레이저장치에서의 파장과 광출력과의 관계를 나타낸 것이다. 도 13의 반도체 레이저장치에서는, 출사단면인 전단면에 SiO2막이, 후단면이 SiO2막과 비결정질 실리콘막으로 이루어지는 다층막이 각각 설치된다. 이 경우, 전단면의 반사율은 6%이고, 후단면의 반사율은 94%이다(예를 들면 비특허문헌 1 참조.).
도 13에서, 광출력이 1mW로부터 30mW까지 변화하는데 따른, 발진파장은 780nm 내지 786nm까지 변화된다. 이것을 단위출력당의 파장변화로 환산하면,0.21nm/mW가 된다. 따라서, 슬로프 효율을 1mW/mA로 하면, 단위전류당의 파장변화는 0.21nm/mA가 된다.
이러한 파장변화는, 주입전류의 증가에 의한 활성층의 온도상승에 의해 야기된다. 그리고, 단위온도당의 파장변화는, AlGaAs계의 반도체 레이저장치에서는 약 0.2~0.3nm/℃, InGaAsP계의 반도체 레이저장치에서는 약 0.4~0.7nm/℃로 되어 있다 (예를 들면 비특허문헌 2 참조.).
[비특허문헌 1]
티오토시(T. Ohtoshi) 등, 「자기정합된 스트라이프형의 매립 헤테로 구조를 갖는 고출력 가시 GaAlAs 레이저(High-power visible GaAlAs lasers with self-aligned stripe buried heterostructure), Journal of Applied Physics,(미국), 1984년, 제56권, 제9호, p.2491-2496
[비특허문헌 2]
요네츠히로오 저, 「광통신소자광학」, 제3판, 광학도서주식회사, 1986년 12월 15일, p.243-255
상기 종래의 반도체 레이저장치에 있어서는, 파장 λ에 대하여 두께가 λ/4의 SiO2막만이 전단면에 설치된 구조로 되어 있다. 따라서, 전단면의 반사율은 6% 정도도 있고, 1% 이하의 저반사율로는 이루어지지 않았다.
또한, 종래의 반도체 레이저장치에서는, 이득의 온도의존성에 의한 발진파장의 변화가 크다. 이 때문에, 파장의 안정한 광원을 필요로 하는 용도로 사용할 경우에 큰 문제가 되어 있었다.
본 발명은, 이러한 문제점에 감안하여 이루어진 것이다. 즉, 본 발명의 목적은, 전단면이 저반사율임과 동시에 온도변화에 의한 발진파장변화가 작은 반도체 레이저장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 이하의 기재로부터 명백하게 될 것이다.
본 발명의 반도체 레이저장치는, 적어도 활성층과, 클래드층과, 광을 출사하는 단면을 갖는 반도체 레이저장치에 있어서, 그 단면에는, 파장에 의해 반사율이 변화되는 저반사막이 설치되고, 이 저반사막의 반사율이 극소가 되는 파장은 반도체 레이저장치의 이득이 최대가 되는 파장보다 장파장측에 있으며, 저반사막의 반사율이 파장의 증가에 따라 감소하는 영역에서만 반도체 레이저장치의 이득과 손실이 같아지는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명은 이상에서 설명한 바와 같이, 광을 출사하는 단면에, 파장에 의해 반사율이 변화되는 저반사막을 설치하고, 이 저반사막의 반사율이 극소가 되는 파장이 반도체 레이저장치의 이득이 최대가 되는 파장보다 장파장측에 있으며, 저반사막의 반사율이 파장의 증가에 따라 감소하는 영역에서만 반도체 레이저장치의 이득과 손실이 같아지도록 함으로써, 전단면이 저반사율임과 동시에 온도변화에 의한 발진파장변화가 작은 반도체 레이저장치로 할 수 있다.
[발명의 실시예]
도 1은, 본 실시예에 관한 반도체 레이저장치의 단면도의 일례이다. 도 1에서, 도면부호 1은 n측 전극, 2는 n측 GaAs 기판, 3은 n측 AlGaAs 클래드층, 4는 언도프 n측 AlGaAs 가이드층, 5는 언도프 n측 GaAs 가이드층, 6은 언도프 InGaAs 양자우물 활성층, 7은 언도프 GaAs 배리어층, 8은 언도프 p측 GaAs 가이드층, 9는 언도프 p측 AlGaAs 가이드층, 10은 p측 AlGaAs 클래드층, 11은 p측 GaAs 캡층, 12는 Si3N4 절연막, 13은 p측 전극, 14는 금선, 15는 리지영역, 16은 리지영역(15)의 외측에 있는 저굴절률영역, 17은 저굴절률영역(16)의 외측에 있는 고굴절률영역이다. 도 1에서, 금선(14)은 고굴절률영역(17) 상에 와이어본드되어 있다.
도 1에 나타내는 바와 같이 리지영역(15)의 외측에 저굴절률영역(16)을 설치함으로써, 레이저광을 리지영역(15)에 효율적으로 가둘 수 있다. 또한 Si3N4 절연막(12)에 개구부(12a)를 설치함으로써, 전류를 가두는 것이 가능하게 된다.
도 2는, 도 1의 반도체 레이저장치를 공진기 길이 1,500㎛로 벽개한 후에 조립하고, 임계치전류로부터 1mA 낮은 전류치로 측정한 이득의 파장의존성의 일례를 나타낸 것이다. 도 2의 예에서, 이득이 최대가 되는 파장은 약 984nm이다. 또한, 반도체 레이저 단면에 코팅한 막의 반사율 및 이 반사율로부터 구해지는 미러 손실은, 대상으로 하는 파장에 의해 값이 변화된다. 그래서, 본 명세서에서는, 이들 값을 이득이 최대가 되는 파장에 의해 규정하는 것으로 한다. 또한, 본 실시예에서는, 파이버 앰프의 여기광원으로서 사용할 수 있는, 발진파장 980nm의 반도체 레이저를 예로 하고 있지만, 본 발명이 이것에 한정되는 것이 아니라는 것은 말할 필요도 없다.
도 3은, 본 실시예의 반도체 레이저장치에 있어서, 광을 출사하는 단면으로서의 전단면에 설치하는 저반사막의 일례이다. 이러한 저반사막을 설치함으로써, 전단면의 반사율에 파장의존성을 갖게 하는 것이 가능하게 된다.
도 3에서, 도면부호 18은 등가굴절률 nc=3.370의 반도체 레이저장치, 19는 굴절률 n3=1.629로 막두께 d1=20.0nm의 Al2O3(알루미나)으로 이루어지는 제1층막, 20은 굴절률 n2=1.484로 막두께 d2=8.28nm의 SiO2(석영)로 이루어지는 제2층막, 21은 굴절률 n1=2.072로 막두께 d3=85.59nm의 Ta2O5(산화탄탈)로 이루어지는 제3층막, 22는 굴절률 n2=1.484로 막두께 d4=183.89nm의 SiO2로 이루어지는 제4층막, 23은 굴절률 n1=2.072로 막두께 d5=85.59nm의 Ta2O5로 이루어지는 제5층막, 24는 굴절률 n2=1.484로 막두께 d6=183.89nm의 SiO2로 이루어지는 제6층막을 나타낸다. 이와 같이, 저반사막은, 제1층막(19), 제2층막(20), 제3층막(21), 제4층막(22), 제5층막(23) 및 제6층막(24)이 이 순서로 적층된 다층막으로 이루어져 있다. 그리고, 제1층막(19)이 반도체 레이저장치(18)의 전단면에 가장 근접하도록 하여 설치된다. 또한, 도 3에서, 25는 굴절률 1.00의 외부공간을 나타낸다. 외부공간 25는, 공기 혹은 질소 또는 자유공간으로 이루어진다.
도 4는, 도 3에 나타내는 저반사막의 반사율과 파장과의 관계를 계산에 의해 구한 결과를 나타낸 것이다. 도 4에서, 저반사막의 반사율은 파장에 의해 변화되는 것을 안다.
도 4에서의 반사율의 극소치는 제로이고, 이 저반사막은 무반사가 되는 파장을 갖는다. 여기서, 무반사가 되는 파장은, 반도체 레이저장치의 이득이 최대가 되는 파장을 바꿈으로써 변화시킬 수 있다. 지금, 이득이 최대가 되는 파장을 984nm로 하면, 도 4에서 무반사가 되는 파장은 1,000nm이다. 따라서, 파장 984nm의 근방에서의 반사율은, 파장이 길어짐과 동시에 저하하게 된다. 도 5는, 도 4를 파장 940nm로부터 파장 1,020nm의 범위로 확대한 것이다. 도 5에서, 파장 984nm의 근방에서는, 파장이 길어짐에 따라 반사율이 저하하고 있는 모양을 확실히 알 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에서의 저반사막은, 그 반사율이 극소가 되는 파장이 반도체 레이저장치의 이득이 최대가 되는 파장보다 장파장측에 있고, 저반사막의 반사율이 파장의 증가에 따라 감소하는 영역에서만 반도체 레이저장치의 이득과 손실이 같아져 발진에 이르는 것을 특징으로 한다. 이렇게 함으로써, 전단면이 저반사율임과 동시에 온도변화에 의한 발진파장변화가 작은 반도체 레이저장치로 할 수 있다.
또한, 본 실시예에서의 저반사막은, 반도체 레이저장치의 이득이 최대가 되는 파장에 있어서 1% 이하의 반사율을 가지고 있는 것이 바람직하다. 도 4의 예에서는, 반사율이 1% 이하가 되는 것은, 파장 889nm로부터 파장 1,103nm까지의 범위다. 따라서, 이득이 최대가 되는 파장 984nm에서 1% 이하의 반사율을 가지고 있다. 또한 이 경우, 반사율이 1% 이하가 되는 범위는 214nm와 광대역이다. 이렇게, 대역을 넓게 함으로써, 급격한 파장의 상승이 발생하는 것을 막을 수 있다.
본 실시예의 반도체 레이저장치에서는, 예를 들면 제1층막으로서의 Al2O3막 상에 SiO2막과 비결정질 실리콘막을 교대로 적층하고, 합계로 10층으로 이루어지는 다층막을 후단면에 설치할 수 있다. 여기서, 각층의 막두께는 λ/4로 할 수 있다. 이렇게 했을 경우의 후단면의 반사율은 약 97%이고, 파장을 변화시켜도 반사율은 거의 변화되지 않는다.
도 6에, 본 실시예에 의한 반도체 레이저장치에 대하여, 파장과 반사율과의 관계를 측정한 결과의 일례를 나타낸다. 도 6의 예에서는, 이득이 최대가 되는 파장(984nm)에서의 반사율 Rf는 0.16%이다. 이 경우, 파장 984nm ±10nm의 범위에서 구한 미러손실의 변화(Δα/Δλ)는 0.015cm-1/nm이다.
도 7은, 도 6의 반도체 레이저장치에 대하여, 주입전류에 대한 발진파장을 온도를 바꾸어 측정한 결과의 일례를 나타내는 도면이다. 주입전류의 증가 및 온도의 상승에 따라, 반도체 레이저장치의 발진파장은 점차로 길어지는 경향에 있다. 그러나, 본 실시예에 의하면, 온도 15℃에서 주입전류 100mA로부터 온도 85℃에서 주입전류 600mA까지 변화되었을 경우에 있어서, 발진파장의 변화 ΔλL은 8.19nm 정도로 매우 작은 값을 나타낸다. 이렇게, 반사율이 파장에 의해 변화되는 막을 반도체 레이저장치의 전단면에 설치함으로써, 주입전류 및 온도의 변화에 의한 발진파장의 변화를 극히 작은 범위로 억제하는 것이 가능하게 된다. 이에 대하여 파장에 의해 반사율이 변화하지 않는 막을 반도체 레이저장치 전단면에 설치했을 경우에는, 온도 15℃에서 주입전류 100mA로부터 온도 85℃에서 주입전류 600mA까지 변화되었을 경우에서의 발진파장의 변화 ΔλL은, 40nm 정도로 큰 값을 나타내는 것이 실험에서 확인되어 있다.
도 8은, 도 6의 반도체 레이저장치에 대하여, 전류와 광출력과의 관계를 온도를 바꾸어 측정한 결과의 일례를 나타내는 도면이다. 도 8에서, 온도의 상승에 따라 임계치전류도 증대하지만, 효율은 거의 변화되지 않는 것을 안다.
일반적으로, 반사율이 저하하면 반도체 레이저장치의 밖으로 추출하는 광출력은 증대한다. 이 때문에, 슬로프 효율도 증가하게 된다. 이에 대하여 본원 발명에서는, 반도체 레이저장치의 전단면에 설치하는 막의 반사율을 1% 이하의 저반사율로 하고 있기 때문에, 밴드필링효과에 의한 캐리어의 오버플로우(Overflow)가 발생한다. 이 때문에, 내부양자효율의 저하에 의해 미러 손실의 증가가 소거되는 결과, 온도변화에 의한 슬로프 효율의 변화를 억제하는 것이 가능하게 된다.
무반사가 되는 파장을 바꾸거나, 무반사막을 구성하는 각층의 막두께를 바꾸거나 함으로써, 이득이 최대가 되는 파장에서의 반사율 및 미러 손실의 변화를 바꿀 수 있다. 도 9는, 본 실시예에 의한 반도체 레이저장치에 대하여, 파장과 반사율과의 관계를 측정한 결과의 다른 예다. 도 9의 예에서는, 이득이 최대가 되는 파장(984nm)에서의 반사율 Rf는 0.32%이다. 이 경우, 파장 984nm±10nm의 범위에서 구한 미러 손실의 변화(Δα/Δλ)는 0.038cm-1/nm이다.
도 10은, 도 9의 반도체 레이저장치에 대하여, 주입전류에 대한 발진파장을 온도를 바꾸어 측정한 결과의 일례를 나타내는 도면이다. 도 7과 마찬가지로, 주입전류의 증가 및 온도의 상승에 따라, 반도체 레이저장치의 발진파장은 점차로 길어진다. 이 경우, 온도 15℃에서 주입전류 100mA로부터 온도 85℃에서 주입전류 600mA까지 변화되었을 경우에서의 발진파장의 변화 ΔλL은 19.87nm 정도다.
도 11은, 본 실시예에 의한 반도체 레이저장치에 대하여, 파장과 반사율과의 관계를 측정한 결과의 다른 예다. 도 11의 예에서는, 이득이 최대가 되는 파장(984nm)에서의 반사율 Rf는 0.25%이다. 이 경우, 파장 984nm±10nm의 범위에서 구입한 미러 손실의 변화(Δα/Δλ)는 0.063cm-1/nm이다.
도 12는, 도 11의 반도체 레이저장치에 대하여, 주입전류에 대한 발진파장을 온도를 바꾸어 측정한 결과의 일례를 나타내는 도면이다. 도 7이나 도 10과 마찬가지로, 주입전류의 증가 및 온도의 상승에 따라, 반도체 레이저장치의 발진파장은 점차로 길어진다. 이 경우, 온도 15℃에서 주입전류 100mA로부터 온도 85℃에서 주입전류 600mA까지 변화되었을 경우에서의 발진파장의 변화 ΔλL은 18.53nm 정도다.
본 실시예에서는, 반도체 레이저장치의 전단면에 설치하는 무반사막을 6층으로 이루어지는 다층막으로 했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 반사율이 파장에 의해 변화되는 막으로서, 그 반사율이 극소가 되는 파장이 반도체 레이저장치의 이득이 최대가 되는 파장보다 장파장측에 위치하는 저반사막이면, 6층 이외의 다층막(예를 들면 8층막 등)이라도 되고, 또한 단층막이라도 된다.
또한, 본 발명은, 파이버 앰프 여기광원용 반도체 레이저장치(발진파장 980nm) 이외의 다른 반도체 레이저장치에도 적용가능하다. 예를 들면 청자색 반도체 레이저장치 및 적색반도체 레이저장치 외, 발진파장이 780nm, 1.3㎛, 1.48㎛ 또는 1.55㎛인 각 반도체 레이저장치에도 적용가능하다.
본 발명은 이상에서 설명한 바와 같이, 광을 출사하는 단면에, 파장에 의해 반사율이 변화되는 저반사막을 설치하고, 이 저반사막의 반사율이 극소가 되는 파장이 반도체 레이저장치의 이득이 최대가 되는 파장보다 장파장측에 있으며, 저반사막의 반사율이 파장의 증가에 따라 감소하는 영역에서만 반도체 레이저장치의 이득과 손실이 같아지도록 함으로써, 전단면이 저반사율임과 동시에 온도변화에 의한 발진파장변화가 작은 반도체 레이저장치로 할 수 있다.
도 1은 본 실시예에서의 반도체 레이저장치의 단면도의 일례이다.
도 2는 본 실시예에서의 반도체 레이저장치의 이득의 파장의존성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 실시예에서의 저반사막의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 실시예에서의 저반사막의 반사율의 파장의존성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 실시예에서의 저반사막의 반사율의 파장의존성을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 실시예에서의 저반사막의 반사율의 파장의존성을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 실시예의 반도체 레이저장치에 있어서, 온도에 의한 주입전류와 발진파장과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 실시예의 반도체 레이저장치에 있어서, 온도에 의한 주입전류와 광출력과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 실시예에서의 저반사막의 반사율의 파장의존성을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 실시예의 반도체 레이저장치에 있어서, 온도에 의한 주입전류와 발진파장과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 실시예에서의 저반사막의 반사율의 파장의존성을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 실시예의 반도체 레이저장치에 있어서, 온도에 의한 주입전류와 발진파장과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 13은 종래의 반도체 레이저장치의 발진파장의 출력 의존성을 나타내는 도면이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1 : n측 전극 2 : n측 GaAs 기판
3 : n측 AlGaAs 클래드층 4 : 언도프 n측 AlGaAs 가이드층
5 : 언도프 n측 GaAs 가이드층 6 : 언도프 InGaAs 양자우물 활성층
7 : 언도프 GaAs 배리어층 8 : 언도프 p측 GaAs 가이드층
9 : 언도프 p측 AlGaAs 가이드층 10 : p측 AlGaAs 클래드층
11 : p측 GaAs 캡층 12 : Si3N4 절연막
13 : p측 전극 14 : 금선
15 : 리지영역 16 : 저굴절률영역
17 : 고굴절률영역 18 : 반도체 레이저장치
19 : 제1층막 20 : 제2층막
21 : 제3층막 22 : 제4층막
23 : 제5층막 24 : 제6층막
25 : 외부공간

Claims (3)

  1. 적어도 활성층과, 클래드층과, 광을 출사하는 단면을 갖는 반도체 레이저장치에 있어서,
    상기 단면에는, 파장에 의해 반사율이 변화되는 저반사막이 설치되어 있고,
    상기 저반사막의 반사율이 극소가 되는 파장은 상기 반도체 레이저장치의 이득이 최대가 되는 파장보다 장파장측에 있으며,
    상기 저반사막의 반사율이 파장의 증가에 따라 감소하는 영역에서만 상기 반도체 레이저장치의 이득과 손실이 같아지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 레이저장치의 이득이 최대가 되는 파장에서의 상기 저반사막의 반사율은 1% 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 저반사막은 Al2O3막 상에 SiO2막과 Ta2O5막이 교대로 적층된 막이고,
    상기 단면에 가장 근접해서 상기 Al2O3막이 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저장치.
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