KR20060025168A - ２차 이상의 ｄｆｂ 레이저의 공간-홀 버닝의 억제를 위한방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

활성 층(22), 상기 활성 층(22)에 연속하는 대향된 클래딩 층을 갖는 인트린직 캐비티, 기판(17) 및 전류가 반도체 레이저 구조(10)에 주입될 수 있어서 상기 레이저 구조가 적어도 표면 방출의 형태로 출력신호를 방출하게 하는 전극(12,14)을 정의하는 상기 반도체 레이저 구조(10)를 갖는 표면 방출 반도체 레이저가 개시되었다. 인트린직 캐비티는 스톱 밴드의 긴 파장측상에서 도미넌트 모드를 갖도록 구성된다. 광학 모드를 측방향에서 한정하기 위한 매립된 헤테로구조와 같은 구조가 포함된다. 2차 분포된 회절 격자(24)는 인트린직 캐비티와 연관되고, 회절 격자(24)는 상기 전류가 상기 레이저 구조에 주입된 경우 주기적으로 교번하는 광학 특성을 갖는 복수개의 격자 요소(27,29)를 갖는다. 격자는 인트린직 캐비티내에서 카운터-런닝 가이드된 모드를 발생시키도록 크기가 정해지고 형태가 정해지고 여기서 격자(24)는 50% 이상 90% 미만의 듀티 사이클을 갖는다. 또한, 상기 출력 신호의 근거리 필드 강도를 증대시키기 위해 모드 프로파일을 변경시키기 위해 캐비티내에 상기 카운터-런닝 가이드된 모드의 페이즈(26)를 시프팅시키기 위한 수단이 제공된다.

활성층, 격자, 페이즈, 인트린직 캐비티

Description

２차 이상의 ＤＦＢ 레이저의 공간-홀 버닝의 억제를 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR SUPPRESSION OF SPATIAL-HOLE BURNING IN SECOND OR HIGHER ORDER DFB LASER}

본 발명은 원격통신 분야에 관한 것으로, 구체적으로 원격통신 시스템에 기초한 광신호에 관련된 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 이러한 광 원격통신 시스템의 펌프 및 캐리어 신호를 생성하기 위한 반도체 다이오드 레이저와 같은 레이저에 관한 것이다.

많은 수의 다양한 레이저 소스가 원격통신용 광신호 소스로서 현재 사용가능하다. 이러한 것들중에는 패브리-페롯(Fabry-Perot), 분배 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector)(DBR), 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL), 및 분배 피드백(DFB) 디자인 등과 같은 고정식의, 스위칭가능한, 또는 튜닝가능한 파장 레이저의 다양한 형태를 포함한다. 현재 원격통신 응용에 사용되는 가장 흔한 형태의 신호 캐리어 소스는 에지 방출 인덱스 결합형(edge emitting index coupled) DFB 레이저소스 인데, 이것은 변조속도, 출력파워, 안정성, 노이즈, 및 사이드 모드 억제비(side mode suppression ratio)(SMSR)의 관점에서 훌륭한 성능을 가지고 있다. 이러한 의미에서 SMSR은 DFB 레이저의 특성을 참조하여, 레이저 작용이 일 어나는 서로 상이한 파장을 갖는 두개의 낮은 임계값 경도 모드(threshold longitudinal mode)를 갖고 있는데, 그중 하나는 전형적으로 요구되는 것이지만 다른 하나는 그렇지 않다. SMSR은 요구되지 않는 모드가 억제되는 정도를 측정하는 것을 포함하며, 이에 따라 바람직한 모드쪽으로 더 많은 파워가 향하도록 하고, 또한 또다른 DWDM 채널의 파장에서 파워를 방출하는 바람직하지 않은 모드로부터 크로스-토크를 감소하는 효과를 갖는다. 부가적으로, 적절한 반도체 재료와 레이저 설계를 선택함으로써 통신 파장이 신속히 만들어질 수 있다.

그러나 신호 소스로서의 에지 방출 레이저에도 많은 결점이 존재한다. 주요 문제점은, 빛을 단일 모드 섬유에 결합하기 위한 광학 절연체 및 값비싼 비구면(aspheric) 렌즈를 포함하는 많은 경우에서의 요구사항에 기인한 레이저 패키징의 부피와 비용이다. 또한, 에지 방출 레이저는 일단 웨이퍼가 바(bar)로 쪼개어지고 에지가 반사방지(anti-reflection) 코팅이 된 이후에 비로소 적절하게 테스트될 수 있다. 이러한 단계는 시간을 소비하고 수율의 로스을 가져오며 따라서 비용이 많이 든다. 이 모든 것으로 인해, 보다 간단하고 더 높은 제조수율을 가지며 패키지가 덜 비싸고 그에 따라 더 낮은 비용을 갖는 신호 소스에 대한 연구가 진행되어 왔다. 그와 동시에, 바람직한 소스는 납득할 정도로 유사하거나 더 좋은 출력특성을 가져야 한다. 하나의 가능한 해결책이 표면 방출 DFB 레이저 구조이다.

통신 신호 소스로 사용되기에 적합한 표면 방출 DFB 레이저는 측면 광집중(optical confinement) 구조를 갖는 광집중 층들 사이에 끼워져 있는 액티브 게인 층으로 이루어져 있어서, 단일 횡단 모드(single transverse mode)가 존재한다. 또한 광 모드 볼륨(volume)내의 어딘가에 2차 또는 그보다 높은 오더의 분배된 피드백 격자가 존재한다. 더 높은 오더의 격자의 사용이 고려될 수 있지만, 2차 오더 격자가 가장 좋은 실시예와 성능을 나타내기 때문에 본 명세서의 나머지 부분에서는 2차 오더 격자에 대해 주로 언급하게 될 것이다. 모든 고차 오더 격자가 2차 오더 격자와 동일한 성능 특성을 나타내는 것은 아니다. 원래 에지-방출 DFB 레이저에서의 2차 오더 인덱스 격자의 사용은 대칭 1차 오더 DFB 레이저의 스펙트럼의 저하 문제를 해결하기 위해 제안되었다. DFB 레이저에서, 두개의 역-전달 모드(counter-propagating mode)가 보강적 및 상쇄적으로 간섭하여 두개의 주요 포텐셜 레이징 모드(primary potential lasing mode)를 저지밴드(stop band)의 에지에서 생성한다. 저지밴드은 이러한 두개의 주요 모드 사이의 다른 레이징 모드가 발생할 수 없는 영역으로 정의된다. 1차 오더 구조에서, 두개의 모드는 동일한 모드 게인(modal gain)을 가지며 따라서 동일하게 레이저를 발생할 수 있다(레이저가 공동의 단부에서 대칭이라고 가정한다). 2차 오더 구조에서, 두개의 모드는 상이한 방사 로스을 겪게 되고, 따라서 동작중인 순(net) 게인 구별 메커니즘이 있게 된다. 공동내에서 광 진폭의 상쇄 간섭을 갖는 모드는 보다 적은 방사 로스을 가지며 따라서 두번째 모드와 비교하여 보다 낮은 임계값 게인을 가진다.

대칭 1차 오더 DFB 레이저의 저하 문제를 피하기 위한 이러한 접근법은 보다 일상적인 방법에 더 적합한데, 이러한 방법은 한쪽 면(facet)에는 반사방지(AR) 코팅에 의해 다른쪽 면에는 고반사(high-reflection)(HR) 코팅에 의해 레이저의 대칭을 깨뜨림으로써 행해진다. 이것은 파장 제어는 일상적인 방법을 사용하기에는 어 렵기 때문인데, HR 코팅된 면으로부터의 반사가 상당한 정도로 파장을 쉬프팅시킬 수 있고, 따라서, SMSR 수율이 향상됨에도 불구하고 파장 수율이 중요한 문제가 되게 한다.

저하 문제를 해결함으로써 단일-모드 수율을 향상시키기 위한 또다른 방법이 있다. 1/4 파장 페이즈 시프트된 격자가 혼합 AR/HR 면 코팅에 대한 가장 흔한 대안이 되는데, 이 페이즈 시프트는, 저지밴드의 에지에서 두개의 모드보다 더 낮은 임계값 게인을 가져서 그 결과 바람직한 레이징 모드가 되는 저지밴드의 가운데에서(브래그 파장(Bragg wavelength)에서 또는 그에 매우 가깝게) 단일 모드를 허용한다. 또다른 비교적 덜 흔한 방법은 복소수 연결된 격자를 사용하는 것이다. 복소수 연결된 격자라는 용어는 DFB의 커플링 계수가 복소수인 경우를 의미한다. 이것은 이른바 액티브 커플링(게인 또는 로스 코러게이션(corrugation))에 의해, 그리고/또는 방사장(radiation field)에의 커플링이 커플링 계수의 허수부의 원인이 되는 경우의 2차 또는 고차 오더 격자를 사용함으로써 얻어질 수 있다. 각 방법은 각자의 장점 및 단점을 가지고 있다.

위에서 설명된 2차 오더 DFB 레이저에서 방사 로스 모드 선택 메커니즘은 단일 모드 섬유로의 결합을 위한 약한 표면-방출 근접장 프로파일을 갖는 레이저 모드에 유리하다. 이 유리한 모드는 그 정의에 의한 것과 같이 적은 방사 로스을 가지며, 또한 그에 대응하여 적은 파워를 표면으로부터 방출한다. 따라서, 단순히 2차-오더 인덱스 결합 격자 DFB 레이저를 사용하는 것은 광통신 응용에 적합한 표면-방출 레이저를 제조함에 있어서 충분하지 않다. 모드 선택 메커니즘으로서의 방 사 로스을 제거하는 한편 레이저 빔의 모양을 향상시키기 위해, 2차 오더 격자에서의 1/4-파장 페이즈 시프트 영역이 키노시타(Kinoshita)에 의해 제안되었다[J.I. Kinoshita, "Axial profile of grating-coupled radiation from second-order DFB lasers with phase shifts" IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.26, pp407-412, 1990년 3월]. 나중에 설명되는 바와 같이, 이 해결책은 표면-방출 DFB 레이저의 전체 문제에 대한 이해나 해결책으로서는 완전한 것이 아니다.

원격통신 분야 밖에서, 표면 방출 DFB 레이저 구조의 실시예가 미국특허 제5,727,013호에 나타나 있다. 이 특허는 청색/녹색 광을 발생하기 위한 단일 잎모양 표면 방출(single lobed surface emitting) DFB 레이저를 가르치고 있는데, 레이저 빔을 교대하기 위해 2차 오더 격자가 구조내의 흡수층에 또는 게인층에 직접 기술되어 있다. 이 특허는 흥미있기는 하지만 어떻게 격자가 섬유-커플링 효율에 영향을 주는지에 대해 설명하지 못한다(원격통신 응용에 관한 것이 아니기 때문이다). 또한 이 특허는 어떤 파라미터가 전체 출력파워와 섬유-커플링 효율 사이에서 균형을 제어하는지 또는 어떻게 효과적으로 모드를 제어하는지에 대해 가르치지 못하였다. 결국 이 특허는 원격통신 파장 범위에 적합한 표면 방출 레이저를 가르치지 못한다.

의심할 여지없이 1/4-파장 페이즈 시프트 DFB 레이저 설계에 항상 연관된 중요 문제는 공간 홀 버닝(spatial hole burning)에 대한 것이다. 공간 홀 버닝은 레이저 공동내의 매우 비균일한 광섬유에 의해 기인하는 비선형 효과이다. 높은 주입율에서, 광섬유가 가장 집중된 영역이 더 빨리 포화되고 그에 따라 이러한 영역 의 캐리어 농도가 레이저 공동의 다른 영역에 비해 공핍하게 된다. 플라즈마 효과로 인해, 이러한 국부적인 캐리어 공핍은 이번엔 국부적인 굴절률 변화를 초래한다. 국부적 굴절율 변화는 레이저의 성능을 저감시키는 비선형 효과를 가져온다. 메인 모드에 비해 2차 모드가 이 효과에 의해 강화됨에 따라 가장 확실한 증상은 SMSR의 감소이다. 더 극단적인 동작 조건에서, 모드 호핑(mode hopping)이 발생할 수도 있다.

공간 홀 버닝은 2차-오더 격자를 사용하는 표면 방출 레이저와 에지 방출에 대해 다르게 작용한다. 에지 방출 레이저에서, 커플링 계수는 설계에 의해 비교적 작게 유지되는데, 그렇지 않으면 에지로부터의 방출 효율이 낮게 된다. 낮은 커플링 계수는 홀 버닝을 경감하도록 도와주는데, 이것은 광학 필드 강도가 공동에 걸쳐서 매우 균일하게 유지되기 때문이다. 반대로, 표면 방출 레이저에 대해서, 단일 모드 섬유로의 광 커플링을 달성하기 위한 밀집된 단일-잎모양 광 필드가 요구된다. 다른 설계를 통해서도 달성할 수 있지만, 가장 간단한 것은 1/4-파장 페이즈 시프트를 사용하는 것이다. 또한 최적의 이론적 성능은 높은 커플링 계수를 요구하는데, 표면 방출 효율을 향상시키고 페이즈 시프트에 걸쳐 필드를 더 단단히 집중시키기 위해서이다. 광 필드를 한 곳에 매우 고도로 집중시킴으로써, 최적의 표면-방출 설계는 동시에 공간 홀 버닝에 대해서는 가장 나쁜 경우의 설계가 된다. 따라서 표면-방출 DFB 레이저의 연구 초기에, 커플링과 집중의 목적으로 표면으로부터의 광 필드 집중을 극대화하는 것 및 홀 버닝에 대한 집중을 극소화하는 것 사이의 이러한 본래부터의 상충관계가 현실화되었다. 이러한 고려 때문에, 광 모드 및 필드 프로파일의 제어를 위한 1/4-파장 페이즈 시프트를 사용하는 표면 방출 DFB 레이저의 설계에서 공간 홀 버닝 제어가 최고로 중요하게 되었다고 볼 수 있다.

이러한 홀 버닝 효과를 완화시키려고 시도한 두개의 특허가 미국특허 제4,958,357호 및 제5,970,081호이다. 첫번째 특허에는 홀 버닝을 받기 쉬운 영역으로 더 강한 전류 주입을 허용하는 복잡한 전극 구조가 개시되어 있다. 이 해결책은 성능의 관점에서 부분적으로 최상이긴 하지만 제작 및 배치가 더 복잡하게 되고 따라서 더 높은 비용을 초래한다. 더구나 이 특허는 인덱스-결합 격자에 기초한 것이고, 홀 버닝 효과를 감소시킴에 있어서 다른 요소도 중요한 영향을 갖는다는 것은 가르치지 못하였다. 지수-결합된 격자에 기반한 제2의 경우, 홀 버닝은 최대 광학 필드 세기를 감소시키기 위해 큰 영역(하나의 격자 주기보다 큰 것으로 정의됨)에 걸쳐 페이즈 시프트를 분포시키는 것에 의해 완화된다. 이 방법은, 가능하지만, 최적보다 낮은 필드 프로파일을 산출하고 더 복잡한 제조 공정을 요구한다. 다른 완화 요소에 대한 가르침은 없다. 양 특허에서, 다른 주요한 완환 요소를 인식하거나 이해하지 못함으로 인해 모순되고, 비용이 들고 수용할 수 없는 결과를 야기한다. 이러한 특허의 가르침은 따라서 실용적이지 못하다.

단일 모드 동작에 관한 한, 1/4 페이즈 시프트 레이저를 복소수 격자로 만들 필요를 없다. 1/4 페이즈 시프트는 이동은 그것 자체로 모드를 적절하게 제어하기에 충분하다. 그러나, DFB 레이저의 FM 응답을 향상시키기 위하여, 오카이는 제일 먼저 1/4 페이즈 시프트 DFB 레이저에서 1차 복소수 결합 격자를 사용하는 것을 제 안했다.[엠. 오카이, 엠. 스즈키, 엠. 아오키, "편평한 FM 응답을 가진 복소수 결합 λ/4-이동 DFB 레이저", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. Vol. 1, pp. 461-465, 1995.6]. 인페이즈 복소수 격자는 결합 계수에서 실수 및 허수 항이 동일한 기호이고, 게인-결합 격자로 일반적으로 구현되는 것이다. 안티페이즈 복소수 격자는 기호가 반대인 것이고, 가장 일반적인 예는 로스-결합 격자이다. 상술한 바와 같이 FM 응답을 향상시키는 것 외에, 오카이는 인페이즈 1차 복소수 격자가 공간 홀 버닝을 억제할 수 있고, 안티페이즈 복소수 격자는 홀 버닝을 강화하고 레이저 성능을 열화시키는 것을 주목했다.

종래 페이즈 시프트 디자인과 관련된 불리한 공간 홀 버닝 문제나 복잡하고 부분적인 해결 없이, 유용한 양의 출력 파워를 제공할 수 있는 표면 방출 레이저 구조가 바람직하다. 또한 낮은 첩을 가지고, 후방 반사에 영향을 받지 않는 구조가 바람직하다.

본 발명은 1차 1/4 페이즈 시프트된 DFB 레이저에서 공간 홀 버닝 효과의 억제에 대한 물리학 및 이론에 관계한다. 물리학에 대한 적절한 이해를 가지면, 적당한 듀티 사이클을 가진 게인-결합, 2차, 1/4 페이즈 시프트된 격자가 우수한 광학 모드 및 스펙트럼 특성을 가지면서도 동시에 공간 홀 버닝에 가상적으로 영향을 받지 않는 표면 방출 레이저를 형성할 수 있다는 것을 알 수 있다. 본 발명에 따른 레이저 디자인은 홀 버닝을 경감하기 위해 설계된, 일반적으로 복잡한 무수한 방법에 대한 필요를 제거한다. 본 발명의 우수성을 보여주는, 본 발명에 따른 게인-결합, 2차, 페이즈 시프트된 격자 레이저가 또한 제공된다.

본 발명의 목적은 복잡한 다중-전극 주입 기법이나 어려운 페이즈 시프트 방법을 사용함이 없이, 적절한 튜티 사이클의 선택을 통하여 1/4 페이즈 시프트 영역을 가지는 2차 DFB 레이저의 홀-버닝-유도된 다중 모드 작동의 발생을 크게 감소시킬 수 있다는 것을 보여주는 것이다. 이러한 가능성은 2차 격자가 성질상 복소수 결합된 격자이고, 복소수 결합된 격자로 공간 홀 버닝 효과를 유효하게 감소시킬 수 있다는 사실에 의해 이루어진다.

1/4 페이즈 시프트, 2차 격자가 과거에도 제안되어 왔으나, 증명된 결과는 거의 제공되지 못했다. 현재까지, 격자 주기에 대한 격자 투쓰의 비로 정의되는 격자의 듀티 사이클은 중요한 설계 파라미터로 인식되어 오지 않았다. 본 발명에 따르면, 이것은 지금까지 공간 홀 버닝에 직접 영향을 미치는 설계 요소를 충분히 인식하거나 이해하지 못했기 때문이다. 본 발명에 따르면, 듀티 사이클의 특정 범위내에서, 공간 홀 버닝의 불리한 효과-레이저의 작동 전류를 제한하고 이에 따라 출력을 제한하는 효과-는 적절한 디자인의 선택을 통하여 자연적으로 경감될 수 있다. 게다가, 본 발명에 따르면, 이러한 효과는 레이저가 가상적으로 홀 버닝에 영향을 받지 않도록 하기 위해 게인 결합된 격자 디자인과 부가적으로 결합될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 레이저 디자인은 모드-호핑과 같은, 공간 홀 버닝에 기인한 전형적인 불리한 효과를 야기하지 않으면서도, 1/4 페이즈 시프트의 이점(즉, 우수한 단일 모드 동작 및 광 결합을 위한 우수한 표면 방출 광학 모드 형태)을 가진다. 동시에, 이 디자인은 본질적으로 낮은 첩(chirp)을 가지고, 후방 반사광에 거의 영향을 받지 않는다.

본 발명의 하나의 관점에서 2차 격자는 본질적으로 복소수 격자이기 때문에, 격자의 듀티 사이클의 적절한 선택에 의해 공간 홀 버닝을 감소하거나 회피할 수 있다는 것을 보여준다. 따라서, 지수-결합된 디자인이라도 2차 격자의 듀티 사이클이 적절히 선택된다면 공간 홀 버닝에 대한 향상된 저항성을 나타낼 수 있다. 게다가, 듀티 사이클의 적절한 선택을 통한 향상은 게인-결합된 격자와 함께 사용될 때 공간 홀 버닝에 대해 거의 영향을 받지 않는 부가적인 효과도 가진다. 반대로, 본 발명에 따르면, 1/4 페이즈 시프트 로스-결합된 격자는 유용한 광학 필드 분포를 얻기에 필요한 듀티 사이클 때문에 로스-결합된 디자인에 본질적인 집중된 공간 홀 버닝이 더욱 나빠지기 때문에 우수하지 못하다.

본 발명의 목적은 통신 애플리케이션에 적당하고, 종래 기술과 관련된 공간 홀 버닝 문제를 회피하거나 최소화할 수 있는 표면 방출 레이저 구조를 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은 광학 광밴드 통신 신호 범위에 사용되기에 적합한 신호를 발생할 수 있는 저비용의 광학 신호 소스를 제공하는 것이다. 보다 바람직하게 그런 신호 소스는 일반적인 반도체 제조 기법을 이용하여 제조될 수 있고, 종래의 기법보다 더 높은 수율을 제공할 수 있는 표면 방출 반도체 레이저의 형태일 것이다. 따라서, 본 발명의 목적은 상기에 언급한 종래 기술에 비하여 저비용으로 신호 소스를 생성할 수 있도록 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 그런 신호 소스가 공간 홀 버닝에 기인한 비실용적인 제한에 구속됨이 없이, 광밴드 통신 애플리케이션을 위한 충분한 파워, 파장 안정성 및 정확성을 가지도록 하는 것이다. 보다 상세히는 모드 형태가 광화이버 결합을 허용하도록 최적화되어 있고, 반도체 분야에서 종래의 석판 및 재료 기법을 이용하여 만들어 질 수 있는 레이저 구조가 요구된다. 따라서, 레이저로부터 발생하는 실용성있는 값의 출력 파워를 제공하기 위해 공간 홀 버닝을 개선하기 위한 수단을 포함하는 표면 방출 레이저가 바람직하다. 더욱이, 그런 디바이스는 받아들일 수 없는 펄스 확대가 없는 신호 전송 및 조작을 허용하는 최소 첩(chirp)을 보일 것이다. 또한, 그런 디바이스는 후방 반사광에 영향을 받지 않고, 안정된 성능을 유지하기 위해 광절단기를 포함할 필요없이 상기 디바이스가 통신 신호 소스로서 작동할 수 있도록 해준다.

또한 단일 모드 광 화이버에 용이하고 효율적으로 결합되는 신호 출력을 가지는 반도체 레이저 신호 소스가 바람직하다. 그런 디바이스는 단일 웨이퍼 기반 구조에서 어레이로 바람직하게 제조될 수 있고, 신호 흡수 접근 영역 및 감광 디바이스와 같은 인접 구조와 일체로 동시에 형성 또는 제조될 수 있다.

본 발명의 다른 특징은 제조상의 효율성과 관련이 있다. 어레이된 신호 소스의 수가 많으면 많을 수록 낮은 불량율에 대한 요구는 더욱 높아진다. 따라서, 예를 들어, 소스당 98%의 수율로 제조된 40 소스 어레이는 단지 45%의 어레이 제조 수율을 나타낼 것이다. 따라서, 향상된 제조 수율은 비용면에서 효율적인 어레이 제조에 있어 매우 중요하다.

본 발명의 다른 관점은 각각의 레이저 소스 어레이가 동일 또는 다른 파장, 가장 바람직하게는 통신 신호 밴드내의 파장으로 작동하도록 제조될 수 있다. 게다가, 그런 디바이스는 외부 귀환 회로에 함께 작동하여, 신호 모니터링 및 유지에 사용될 수 있는 감지기내에 내장될 수 있다.

도1은 게인 매체내에 형성된 1/4 페이즈 시프트된 2차 격자를 가지는, 본 발명에 따른 표면 방출 반도체 레이저의 일 실시예의 측면도이고,

도2는 상기 도1의 실시예의 끝단면도이고,

도3은 다양한 레이징 구조로부터 모드 스펙트럼의 도면이고,

도4a는 50% 이상의 듀티 사이클에 대한 모드 스펙트럼의 도면이고,

도4b는 50% 이하의 듀티 사이클에 대한 모드 스펙트럼의 도면이고,

도5는 kL=2인 경우 지수 결합 격자에 대한 모드 스펙트럼의 도면이고,

도6은 kL=2인 경우 게인 결합 격자에 대한 모드 스펙트럼의 도면이고,

도7은 kL=2인 경우 로스 결합 격자에 대한 모드 스펙트럼의 도면이고,

도8은 kL=3인 경우 지수 결합 격자에 대한 모드 스펙트럼의 도면이고,

도9는 kL=3인 경우 로스 결합 격자에 대한 모드 스펙트럼의 도면이고,

도10는 kL=3인 경우 게인 결합 격자에 대한 모드 스펙트럼의 도면이고,

도11는 kL=4인 경우 지수 결합 격자에 대한 모드 스펙트럼의 도면이고,

도12는 kL=4인 경우 게인 결합 격자에 대한 모드 스펙트럼의 도면이고,

도13은 본 발명에 따른 레이저에 대한 주입 전류 대 전력의 도면이고,

도14는 본 발명에 따른 레이저에 대한 임계 전류보다 약간 높은 전류에 대한 스펙트럼의 도면이고,

도15는 본 발명에 따른 레이저에 대한 임계 전류보다 많은 높은 전류에 대한 스펙트럼의 도면이다.

바람직한 실시예의 상세한 설명

도 1은 본 발명에 따른 표면 방출 반도체 레이저 구조(10)의 일실시예의 측면도이고, 도 2는 동일 구조의 단부도이다. 레이저 구조(10)는 예를 들어 표준 반도체 제조 기술을 사용하여 층층이 조립된 다수의 층으로 이루어져 있다. 본 발명에 그러한 공지의 반도체 제조 기술을 사용한다는 것은 본 발명이 어떠한 신규의 제조 기술을 필요로 함이 없이 대량으로 효율적으로 제조될 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에 있어서, 이하의 용어는 다음과 같은 의미를 갖는다.

반도체의 p-영역은 정공(가전자대에서의 공간)이 도미넌트 전류 캐리어이고 전자 액셉터로 도핑되는 영역이다. n-영역은 전류 캐리어로서 과잉 전자를 갖도록 도핑된 반도체 영역이다. 출력 신호는 본 발명의 반도체 레이저에 의해 산출되는 임의의 광학 신호를 의미한다. 모드 볼륨은 광학 모드의 벌크가 존재하는, 즉, 상당한 광(신호) 강도가 존재하는 볼륨을 의미한다. 예를 들어, 모드 볼륨은 광학 모드 에너지의 80%를 둘러싸는 바운더리로 취해질 수 있다. 본 명세서의 목적을 위해, 분포된 회절 격자는 격자로부터의 피드백이 특정 파장에서만의 오실레이션 또는 레이징을 가능하게 하는 간섭 효과를 야기시켜 간섭이 강화되도록 레이징 캐비티의 액티브 게인 길이 또는 흡수 길이와 격자가 연관되는 그러한 것이다.

본 발명의 회절 격자는 교번 광학 속성, 가장 바람직하게는 교번 게인 및/또는 굴절률 효과를 생성하는 격자 또는 그리드 엘리먼트로 이루어져 있따. 2개의 이웃하는 격자 엘리먼트는 격자 주기를 형성한다. 교번 게인 효과는 하나는 상대적으로 높은 게인 효과이고 다음의 하나는 상대적으로 낮은 게인 효과인 이웃하는 격자 엘리먼트에 관하여 게인 차이가 발생하는 그러한 것이다. 본 발명은 상대적으로 낮은 게인 효과가 작지만 포지티브 게인 값이거나 또는 실제 게인이 없을 수 있다는 것을 포함한다. 따라서, 본 발명은, 게인 효과에서의 상대적 차이 및 인덱스가 특정 파장에서만 레이징의 간섭 효과를 일으키도록 이웃하는 격자 엘리먼트의 사이에서 충분하다면, 격자 엘리먼트에 관하여 게인 효과의 임의의 절대값을 포함한다. 본 발명은, 액티브 영역에서의 게인 커플링된 격자를 포함하여, 상기 교번 게인 효과를 확립할 수 있는 임의 형태의 격자를 포함한다.

본 발명에 따른 회절 격자의 전반적인 효과는 단일 모드 출력 신호라 일컬어질 수 있는 것으로 레이저 오실레이션을 2개의 종축 모드 중 하나로 제한하는 것이라 정의될 수 있다. 본 발명에 의하면, 모드 프로파일이 섬유에 효과적으로 커플링될 수 있도록 레이저를 더 설계하도록 다양한 기술이 채용된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 구조(10)의 2개의 외측 층(12, 14)는 전극이다. 전극의 목적은 레이저 구조(10)내로 전류를 주입할 수 있는 것이다. 전극(12)은 개구부(16)를 포함함을 주목하라. 개구부(16)는, 이하 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 광학 출력 신호가 레이저 구조(10)로부터 외부로 나가도록 한다. 개구부부가 도시되었지만, 본 발명은, 생성된 신호가 레이저 구조(10)로부터 나가 도록 적어도 일부가 투명하게 만들어진다면 연속적인 전극의 사용도 포함한다. 개구부(16)를 갖는 간단한 금속 전극은 합리적인 결과를 제공하는 것으로 밝혀졌고 제조의 용이함과 저비용을 이유로 추천된다. 광 출력을 위한 윈도우 개구부는 전극(14)에 위치될 수 있다(n-측 개구부). 후자의 경우에 있어서, 광학 출력으로의 더 나은 액세스를 허용하기 위해 기판의 일부의 제거가 본 발명의 사상내에서 생각될 수도 있는 것으로 이해된다.

n+InP 기판 또는 웨이퍼(17)가 전극(14)에 이웃하여 있다. 바람직하게는 n-InP로 이루어진 버퍼 층(18)는 기판(17)에 이웃하여 있다. 다음의 층은 n-InGaAsP로 형성된 컨파인먼트 층(20)이다. 이것과 다른 쿼터너리 층의 일반적인 성분은 In_xGa_1-xAs_yP_1-y의 형태인 한편, 터너리 층은 In_1-xGa_xAs의 일반적인 성분을 갖는다. 다음의 층은, 둘다 InGaAsP 또는 InGaAs로 이루어진 액티브 퀀텀 웰 및 배리어의 교번 얇은 층으로 구성된 액티브 층(22)이다. 당업자에 의해 인식되는 바와 같이, InGaAsP 또는 InGaAs는, 특정 범위의 성분내의 이들 반도체가 1300nm 밴드(1270-1320nm), S-밴드(1470-1530nm), C-밴드(1525-1565nm) 및 L-밴드(1568-1610nm)의 광밴드 광학 스펙트럼을 포함하는 1200nm 내지 1700nm 또는 그 이상의 범위의 파장에서 광학 게인을 나타낼 수 있기 때문에 바람직한 반도체이다. 예를 들어 GaInNAs, InGaAlAs 등 다른 반도체 재료도, 생성된 출력 신호가 광밴드 범위내에 들어온다면, 본 발명에 포함된다. 본 발명을 따르는 디바이스가 적절한 재료 성분(예를 들어, InGaAs/GaAs)을 사용하여 설계될 수 있는, 전기통신적으로 중요한 다른 관련 파장 범위는, 910 내지 990nm의 영역이고, 이는 Er, Yb 또는 Yb/Er 도핑된 재료에 기초하여 광학 증폭기 및 섬유 레이저를 펌핑하기 위한 가장 일반적으로 접하게 되는 파장 범위에 해당한다.

액티브 레이저(22) 위의 다음 층은 p-InGaAsP 컨파인먼트 층(34)이다.

도 1의 실시예에 있어서, 회절 격자(24)는 액티브 층(22) 및 컨파인먼트 층(34)에 형성되어 있다. 격자(24)는 교번 높은 게인 부분(27)과 낮은 게인 부분(28)으로 이루어져 있다. 가장 바람직하게는, 격자(24)는 레귤러 격자이고, 즉, 격자를 가로질러 일정한 주기를 갖고, 상기한 바와 같은 분포된 회절 격자를 포함하도록 크기, 형상 및 레이저(10)내 위치가 결정된다. 이러한 경우에 있어서, 격자(24)의 주기는 하나의 높은 게인 부분(27)의 길이(32)와 이웃하는 낮은 게인 부분(28)의 길이(30)의 합에 의해 정해진다. 낮은 게인 부분(28)은 이 영역에서 액티브 구조의 대부분 또는 모두가 제거되었기 때문에 높은 게인 부분(27)에 비하여 낮은 게인 또는 게인 없음을 나타낸다. 본 발명에 의하면, 격자(24)는 2차 격자이다, 즉, 캐비티내 가이드 파장과 동일한 주기를 가져서 출력 신호가 표면 방출의 형태가 되는 격자이다.

조금 더 넓은 높은 게인 "투쓰(26)"를 포함하는 페이즈 시프팅 수단은 격자(24)에서 중심에 위치하고 있다. 투쓰(26)는 4분의 1 파장의 페이즈 시프트를 전하도록 크기 및 형상이 결정된다. 본 발명은 당업자에 의해 이해되는 바와 같은 다른 형태의 페이즈 시프트 엘리먼트를 포함한다. 가까운 필드 강도 프로파일을 바꿔 듀얼 피크 구성으로부터 피크가 일반적으로 페이즈 시프트 너머에 위치하는 단일 피크 구성으로 도미넌트 모드를 변경할 만큼 충분한 페이즈 시프트를 격자에 제공할 필요가 있다. 그러한 모드 프로파일은 듀얼 로브드 프로파일보다 더 효과적으로 단일 모드 섬유에 커플링될 수 있다. 커플링 효율을 향상시키도록 그렇게 모드 프로파일이 바뀐다면, 페이즈 시프트의 양 및 페이즈 시프트에 영향을 미치는 방식은 본 발명의 사상으로부터 벗어남이 없이 달라질 수 있다.

예를 들어, 2개의 λ/8 또는 2개의 3λ/8 또는 다른 조합 등 전체 4분의 1 파장 시프트를 산출하는 다중 페이즈 시프트를 채용하는 것도 포함한다. 또한, 제조하기에는 더 어렵지만, 연속적으로 처핑된 격자 또는 변조된 피치 격자도 포함한다. 도파관의 유효 인덱스를 테이퍼링하는 것은 캐비티내 페이즈 시프트를 분포시키는 다른 방법이다. 페이즈 시프트의 다른 방법이 채용될 수 있지만, 인트린직 캐비티의 도미넌트 모드가 저지 밴드의 더 긴 파장측에 남아있는 것과 모순되지 않도록 그리고 종축으로 소망의 모드 형상을 유지하도록 주의깊게 설계되야 함을 주목하는 것이 중요하다.

액티브 층(22)와 컨파인먼트 층(34) 위의 다음 층은 격자(35)를 묻어 메우는 InP의 층이다. 층(35)를 묻는 격자 위에는 p-InP 버퍼 영역(36)이 위치하고 있다. 층(36) 위에는 p-InP 클래딩 층(40)가 위치하고 있고, 차례로, p++-InGaAs 캡 층(42)가 그 위에 있다.

상기와 같이 구성된 층으로 지어진 반도체 레이저는 액티브 층에 쓰여진 회절 격자로부터의 분포된 피드백이 레이저가 단일 모드 레이저가 되게 하기 때문에 소정 파장의 출력 신호를 산출하도록 튜닝될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 출력 신호의 정확한 파장은 많은 변수의 함수이고, 차례로, 레이저 구조의 다른 변수와 복잡한 방식으로 상관 및 관련된다. 출력 신호 파장에 영향을 주는 변수 중 몇몇은 격자의 주기, 액티브, 컨파인먼트 및 클래딩 층의 굴절률(차례로 그들 중 몇몇은 주입 전류 뿐만 아니라 온도에 따라 변화하는 것이 전형적이다), (층 스트레인, 게인 파장 및 인덱스에 영향을 주는) 액티브 영역의 성분, 및 상기 다양한 층의 두께를 포함한다. 다른 중요한 변수는 전극을 통하여 구조에 주입된 전류량이다. 따라서, 본 발명에 의하면, 이러한 변수를 조작함으로써, 소정의 그리고 높은 구체적인 출력 파장을 갖는 출력을 갖는 레이저 구조를 형성할 수 있다. 이러한 레이저는 DWDM 스펙트럼을 구성하는 개별적인 채널 또는 신호 컴포넌트에 대한 신호 소스가 요구되는 통신 산업에서 유용하다. 따라서, 본 발명은 조합하여 통신 애플리케이션에 적합한 파워, 파장 및 밴드폭을 갖는 출력 신호를 산출하는 층 두께, 게인 피리어드, 주입 전류등의 다양한 조합을 포함한다.

그러나, 단순히 요구되는 파장 및 밴드을 얻는 것만으로는 충분하지 않다. 본 발명에 의해 해결되는 보다 어려운 문제는 예를 들어, 광섬유에 효율적으로 결합되기 위해 제어될 수 있는 방식으로 2차 격자(따라서, 표면 방출로서)로부터 요구되는 구체적인 파장을 생성하는 것이다. 단일 모드, 단일 로빙된 가우시안인 이상적인 형상을 갖는 출력 신호의 공간 특성은 결합 계수에 큰 효과를 갖는다. 표면 방출 반도체 레이저에 대하여 2개의 주요 모드는 디버전트 듀얼-로빙된 모드 및 단일-로빙된 모드를 포함한다. 전자는 섬유가 단일 가우시안 모드를 갖기 때문에 대부분의 통신 애플리케이션에 필요한 단일 모드 섬유에 결합하기에 매우 어렵다.

용어 듀티 사이클은 격자 피리어드에 비교하여 높은 게인을 나타내는 하나의 격자 피리어드의 길이의 프랙션을 의미한다. 보다 단순하게, 듀티 사이클은 높은 사이클을 나타내는 격자(24)의 피리어드의 일부로서 정의될 수 있다. 듀티 사이클의 이러한 파라미터는 듀티 사이클인 액티브 층 부분은 남기고 액티브 층의 부분을 에칭하여 제거함으로써, 도 1에 도시된 바와 같이, 게인 결합된 층로 제어된다.

도 1에서, 2차 분포된 회절 격자는 격자(24)를 형성하기 위해 게인 매체를 에칭함으로써 기록된다는 것을 이해할 수 있다. 오직 하나의 모드(최저 게인 임계값을 가진 모드)만이 레이징하여 양호한 SMSR을 산출할 것이다. 본 발명은 요구되는 레이징 모드가 단일 로빙되고 가우시안 프로파일에 근사하다는 사실을 포함한다. 이러한 방법으로, 레이징 모드는 신호 강도 또는 파워의 프로파일이 섬유로의 출력 신호 결합을 촉진하기 때문에 섬유로 보다 용이하게 결합될 수 있다. 페이즈 시프트된 2차 액티브 결합된 격자는 최저 게인 임계값을 갖고 단일 로빙된 모드인 주요 모드와 비교하여 단일 섬유에 보다 적은 결합 효율 및 보다 높은 게인 임계값을 갖는 2개의 모드를 가지고, 레이징할 수 있는 3개의 모드를 갖는다. 이 주요 모드는 본 발명에 따라, 섬유로의 최적 결합을 위해 레이저 구조의 중간포인트에 배치되는 페이즈 시프트의 포지션에서 피크값을 갖는다.

도 2에, 도 1의 레이저 구조의 측면도가 도시되어 있다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 전극(12,14)으로 인해 반도체 레이저 구조(10)를 가로지르는 전압을 인가할 때 상술된 바와 같이 레이징을 촉진시키도록 할 수 있다. 또한, 차단 층(38)에 의해 인캡슐레이팅된 도파관에 의해 형성된 내장형 헤테로구조가 전류가 주 입되고 있는 영역내에 광모드를 측방향으로 제한시키는 기능을 하는 것을 볼 수 있다. 유전층(44)이 매립된 헤테로구조상의 작은 영역을 제외하고 전극(12)과 캡층(42) 사이에 제공되어 있다. 이러한 유전층 구성은 공지된 방식으로, 매립된 헤테로구조에 가까운 포지션으로의 주입되는 전류를 제한한다. 매립된 헤테로구조가 이러한 실시예에서 도시되어 있지만, 유사한 구조가 광필드 및 캐리어를 측방향으로 제한시키도록 리지 도파관 설계를 사용하여 제조될 수 있다는 것을 이해할 수 있다.

1차 사분의 일 파 페이즈 시프트 격자에서의 공간 홀 버닝

사분의 일 파 페이즈 시프트 게인 격자에서의 공간 홀 버닝의 억제에서의 듀티 사이클의 역할의 이해는 복합한 격자를 사용한 1차 사분의 일 파 페이즈 시프트 DFB 레이저에서의 공간 홀 버닝 효과의 억제의 이론 및 물리학과 관련될 수 있다. 이러한 DFB 레이저 구조에서, 광필드는 페이즈 시프트상의 캐비티의 중심에서 강하게 피킹된다. 따라서, 이러한 영역에서, 시뮬레이팅된 방출의 레이트(시뮬레이팅된 캐리어 재조합)는 가장 높다. 주입 전류를 증가시켜 보다 많은 방출량을 시뮬레이팅하면 높은 필드 영역내의 캐비티의 중심에서 캐리어를 공핍시킬 수 있다. (굴절율이 캐리어 밀도에서의 감소에 따라 증가하는) 플라즈마 효과로 인해, 높은 필드 영역내의 굴절율은 증가하여, 캐비티내의 굴절율은 매우 불균일하게 된다. 이러한 굴절율 변화는 스톱 밴드의 보다 짧은 파장에서의 모드가 스톱 밴드의 중심에서의 메인 모드와 경합하도록 (중심 사분의 일 파 페이즈 시프트를 효율적으로 보다 크게 만드는) 광필드의 페이즈을 수정한다. 사분의 일 파 페이즈 시프트 레 이저의 메인 모드 및 2개의 주요 사이드 모드가 도 3의 트레이스 A에 의해 도시되어 있다. 도 3에서, A에서 도시된 사분의 일 파 페이즈 시프트 격자의 모드 스펙트럼에 더하여 B에 대칭 인덱스 결합 격자, C에 포함된 공간 홀 버닝 효과를 갖는 대칭 인덱스 결합 격자, D에서의 대칭 인페이즈(게인 결합) 격자, 및 E에서의 대칭 안티페이즈(로스 결합) 격자의 고유 모드 스펙트럼이 존재한다. 아무런 페이즈 시프트 영역이 도 3 B-E에 도시된 스펙트럼을 가진 DFB 레이저내에 포함되지 않았음에 주목해야 한다.

공간 홀 버닝 효과를 억제하는 방법으로 사분의 일 파 페이즈 시프트를 가진 캐비티를 설계하기 위해, 고유의 캐비티의 개념을 정의하는 것이 유용하다. 인트린직 캐비티는 격자로부터 사분의 일 파 페이즈 시프트를 제어함으로써 얻어진 캐비티를 의미한다. 인트린직 캐비티의 모드 스펙트럼은 대응하는 사분의 일 파 페이즈 시프트 레이저에서 중요한 역할을 한다. 사분의 일 파 페이즈 시프트 DFB내의 공간 홀 버닝을 감소시키기 위해, 대응하는 인트린직 캐비티의 주요 모드는 공간 홀 버닝으로 인해 메인 모드와 경합하는 모드와의 밸런스를 얻도록 스톱 밴드의 사이드상에 있어야 한다. 즉, 대응하는 인트린직 캐비티의 주요 모드는 관심의 실제 경우에 대한 스톱 밴드의 보다 긴 파장 사이드상에 있어야 한다. 이후 이 모드는 파장이 보다 짧은 측의 모드를 억압하여 스톱 밴드 중심에서 주요 모드와 경쟁하지 않게 한다. 유의할 것은 1차 인덱스 격자을 갖는 종래의 1/4파 페이즈 천이 DFB레이저에서는 스톱 밴드의 파장이 보다 짧은 측에서의 모드가 주요 모드와 경쟁한다는 것이다. 도 3은 인페이즈의 액티브 격자와 안티페이즈의 액티브 격자를 고 려한 공간 홀 버닝이 있는 1차 인덱스 결합 격자와 없는 1차 인덱스 결합 격자를 비교한 것이다. 도 3으로부터, 인페이즈의 (게인 결합된) 격자가, 1/4파 페이즈 천이 구조에서 사용된다면, 공간 홀 버닝 효과를 억압함을 알 수 있다. 역으로, 1/4파 페이즈 천이 구조에서는, 안티페이즈이고 (로스 결합된) 인덱스 결합된 격자가 공간 홀 버닝 효과를 강화하는데, 이것은 인트린직 캐비티의 지배 모드가 스톱 밴드의 보다 짧은 파장에 위치하여, 해당 1/4파 페이즈 천이 레이저의 성능을 열화시키기 때문이다.

1차 1/4파 페이즈 천이 레이저의 공간 홀 버닝 효과의 억압/강화에 대한 상기 물리적 설명에 근거하여, 본 발명에서 이하의 결과가 드러난다.

(1) 1차 인덱스 격자를 갖는 1/4파 페이즈 천이 DFB레이저에서는, 공간 홀 버닝의 억압 메커니즘이나 강화 메커니즘의 어느것도 예상되지 않는다.

(2) 1차 게인 결합 격자를 갖는 1/4파 페이즈 천이 DFB레이저에서는, 해당하는 인트린직 캐비티가 스톱 밴드의 보다 긴 측에서 모드를 지지하고, 따라서, 대응 1/4파 페이즈 천이 격자에서 약간의 공간 홀 버닝 억압이 나타난다.

(3) 1차 로스 결합 격자를 갖는 1/4파 페이즈 천이 DFB레이저에서는, 해당하는 인트린직 캐비티가 스톱 밴드의 보다 짧은 측에서 모드를 지지하고, 따라서 공간 홀 버닝을 강화하게 되어 대응하는 1/4파 페이즈 천이 격자의 성능을 열화시킨다.

2차 격자에서의 공간 홀 버닝 효과의 억압

이제 2차 격자의 구현을 고려해 볼 수 있다. 하기의 효과는 2차 격자에 대한 논의를 제한하는 실제적이고 설명적 이유를 위해, 어떤 고차 격자에도 원리적으로 응용될 수 있다. 2차 격자는 홀 버닝 문제에 응용될 수 있는, 복소 결합 계수 및 방사선 필드(및 따라서 표면 방출)를 도입한다. 중요한 개발에서, 2차 격자의 듀티 사이클은 공간 홀 버닝을 제어하기 위한 수단으로서 사용될 수 있다. 도입에서 설명드린 바와 같이, 2차 격자를 복소 결합된 구조로서 인식하여야 한다. 이러한 새로운 연구법을 고려할 때, 공간 홀 버닝에서의 격자의 듀티 사이클의 효과를 고려하고, 여기서 듀티 사이클은 격자 주기에 대한 격자 투쓰 폭의 비로서 정의된다. 인트린직 캐비티를 고려하는 상기 설명된 제1 방법을 이용하여, 듀티 사이클이50% 이상 및 미만의 경우에 대해 2차, 1/4파 페이즈 시프트된 인덱스-, 게인-, 및 로스-결합된 격자에 대해 도 4에 도시된 바와 같이 모드 스펙트럼을 계산할 수 있다. 이와같이 도 4는 다음과 같이 모드 스펙트럼을 도시한다: 인덱스(A), 게인(B), 및 로스(C) 결합된 격자에 대해 듀티 사이클 > 50%에 대해, 및 인덱스(C), 게인(D), 및 로스(E) 결합된 격자에 대해 듀티 사이클 < 50%에 대해.

도 4로부터, 50% 미만의 듀티 사이클을 갖춘 2차 격자를 갖춘 1/4파 페이즈 시프트된 DFB 레이저에서, 인트린직 캐비티는 스톱 밴드의 단파장 측에서 도미넌트 모드를 갖고 그러므로 대응하는 1/4파 페이즈 시프트된 레이저는 강화된 공간 홀 버닝을 겪는다. 이것은 결합의 3유형(인덱스, 게인, 및 로스) 모두에 대해 크던 작던, 어느정도는 진실이다. 반면에, 50% 이상의 듀티 사이클에 대해, 로스 격자를 제외하고, 인트린직 캐비티의 도미넌트 모드는 스톱 밴드의 장파장 측에서 도미 넌트 모드를 갖고 그러므로 대응하는 1/4파 페이즈 시프트된 레이저에서 공간 홀 버닝이 억제되는 결과로 될 것이다.

2차 게인 결합 격자를 가진 사분의 일 파 페이즈시프트 DFB 레이저에서, 50% 레이저 캐비티보다 적은 사이클에 대하여, 실온에서 충분한 게인을 갖지 않을 수 있다. 고레벨의 게인 또는 보다 긴 캐비티에서 조차, 게인 섭동으로 인한 결합 계수 및 방사필드로 인한 결합 계수는 서로 상쇄시키는 경향이 있고 격자는 안티페이즈이 되는 수가 있는데, 이는 공간 홀 버닝에 관한한 해롭다. 고게인 재료 필요를 피하고 높은 결합 계수를 가진 적합한 니어 필드 방사 패턴을 가지기 위해, 50% 보다 큰 듀티 사이클을 가지고 액티브 영역(게인 결합된)으로 에칭된 사분의 일 파 페이즈시프트된 격자를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 레이저에 대하여, 인트린직 캐비티가 스톱 밴드의 보다 긴 파장 사이트에서 레이징할 것이고 [D.M. Adams, I.Woods, J.K.White, R.Finally, and D. Goodchild, "Gain-coupled DFB lasers with truncated quantum well second-order gratings," Electronic Letters, vol. 37, no. 25, pp. 1521-1522, Dec. 2001] 방사 필드로 인한 결합 계수가 게인 결합 계수를 강화시키기 때문에, 대응하는 사분의 일 파 페이즈 시프트 디바이이스에서의 공간 홀 버닝은 높게 억제된다. 이는 이산 사분의 일 파 페이즈 시프트가, 보다 큰 에어리어상에서 페이즈 시프트를 분배함으로써 광공간 프로파일을 열화시키거나 복잡한 전극과 같은 극도의 측정을 요구함 없이 실제 표면방출 디바이스로 제조될 수 있음을 의미한다. 이것은 50% 보다 높은 듀티 사이클을 가진 게인 결합 디바이스 및 보다 작은 듀티 사이클을 가진 인덱스 결합 디바이 스내의, 보다 작지만 여전히 유용한 정도에 까지 실제적이다.

이러한 생각에 이어, 공간 홀 버닝이 로스 결합 격자를 가진 사분의 일 파 페이즈 시프트 2차 DFB 레이저에서 특히 강하다는 것이 발견되었다. 그 이유는 이러한 경우에서 듀티 사이클이 50% 보다 큰 듀티 사이클과 연관된 높은 캐비티 로스로부터 따르는 높은 재료 게인 필요요건을 피하기 위해 50% 보다 적어야 하기 때문이다. 그다음, 공간 홀 버닝 및 인트린직 캐비티 모두 스톱 밴드의 보다 짧은 파장 사이트상의 모드를 선호하고, 이는 억제된 구멍 버닝 효과보다 강화되는 결과를 초래한다.

라인폭 고찰

50% 보다 높은 듀티 사이클을 가진 2차 게인 결합 격자의 조합을 통한 공간 홀 버닝 효과의 극도로 억제하면 결합 계수가 보통 실행 열화를 수반하지 않고 매우 높아질 수 있다. 증가된 결합 계수는 광필드의 집중도에 더하여 다른 유익한 효과를 가지고 있다. 증가된 인덱스 결합 계수는 레이저의 임계값을 감소시켜 레이저를 구동하는데 보다 적은 게인을 필요로 하게 된다. 따라서, 보다 적은 임의의 방출이 라인폭을 감소시키는 수단인 레이저 모드에 결합되어 있다. 라인폭 감소는 정보를 위해 직접 모듈레이팅된 전송 소스가 사용될 때 디바이스의 도달을 늘리고 처프를 감소시키는데 도움이 된다. 결국, 미러 로스은 에지에서의 필드 강도가 결합 계수가 클 때 작기 때문에 보다 적다. 이로 인해 보다 적은 상관관계를 갖는 상이한 길이방향의 모두에 결합된 임의의 방출이 일어나게 되어 레이저의 라인폭에서의 추가 감소가 발생하게 된다[P.Szczepanski and A. Kujawski, "Non- orthogonality of the longitudinal eigenmodes of a distributed feedback laser," Optics Communications, vol. 87 pp. 259-262, 1992].

수치 결과

상기 모델을 지원하기 위해, 사분의 일 파 페이즈 시프트 레이저의 공간 홀 버닝에서의 인페이즈 또는 안티페이즈 격자의 효과를 수치 예를 사용하여 계산한다.

먼저, kL=2의 적당한 정규 결합 계수를 가진 인덱스 결합, 사분의 일 파 페이즈 시프트 DFB를 고려해보자. 여기에서, k는 굴절률로 인한 결합 계수이고 L은 레이저 캐비티의 길이임을 주목하라. 이러한 결합 계수는 에지 방출 디바이스에 대한 잠재적인 문제의 포인트와 높은 관련이 있다고 생각된다는 것에 주목해야한다. 이러한 레이저는 도 5에 도시된 바와 같이, 100mA의 바이어스 레벨에서도 양호하게 작동한다. 10% 게인 또는 로스 결합 계수(각각 인페이즈 및 안티페이즈)를 도입해도 여전히 도 6 및 도 7 각각에 도시된 바와 같이 단일 모드 레짐에 상기 레이저를 유지시킬 수 있다. 그러나, 게인 결합 계수를 도입하면 스펙트럼 순도를 향상시키지만(도 6) 로스 결합 계수를 도입하면(도 7) 공간 홀 버닝에 보다 취약한 레이저를 생성하게 된다. 이것은 보다 짧은 파장 사이드 모드의 증가된 상대적 강도에서 명백하다.

제2예에서, 정규 결합 계수가 kL=3으로 증가되었다. 이러한 전류 주입 레벨에서, 레이저는 도 8에 도시된 바와 같은 단일 모드이다. 그러나, 특히 보다 짧은 파장 사이드에서의 상당한 사이드 모드들을 주목하는 것은 흥미롭다. 10% 로스 결 합(안티페이즈 격자)을 도입함으로써 레이저는 도 9에 도시된 바와 같이 멀티모드로 동작한다. 따라서, 공간 홀 버닝은 상당히 열화된 성능을 초래한다. 한편, 10%의 게인 결합(인페이즈 격자)를 도입함으로써 스톱 밴드의 보다 짧은 사이드에서의 모드의 상대적인 강도를 감소시킬 수 있고 그래서 공간 홀 버닝 효과는 도 10에 도시된 바와 같이 상당히 억제될 수 있다.

결국, 본원인은 kL=4의 강한 결합 계수를 가진 레이저를 고려하게 되었다. 도 11에 도시된 바와 같이, 100mA 전류 주입에서 인덱스 결합 레이저는 멀티모드 동작으로 작동한다. 본원인은 로스 결합 게이스가 kL=3를 가진 작동이 문제가 있고 그래서 여기에서 그것을 고려하지 않음을 이미 밝혔다. 그러나, 인페이즈 게인 격자를 사용함으로써 10% 게인 결합을 포함하면, 레이저는 도 12에 도시된 바와 같이 싱글 모드 레짐에서 작동한다. 따라서, 보다 적은 임계 전류값, 섬유 커플링에 대한 향상된 광모드, 보다 좁은 라인폭 및 최적의 표면 방출 효율을 가진 매우 강하게 결합된 레이저조차 이산 사분의 일 파 페이즈 시프트 및 50% 보다 큰 듀티 사이클을 가진 2차 격자 결합 격자의 바람직한 구성에 대한 공간 홀 버닝으로부터의 로스 없이 작동할 수 있다.

실험 결과

2차 게인 결합 격자 및 75%의 듀티 사이클을 가진 사분의 일 파 페이즈 시프트 DFB 레이저내의 공간 홀 버닝의 억제는 실험적으로 증명되었다. 75%의 듀티 사이클을 가진 전형적인 디바이스에서, LI 곡선이 약 20mA의 임계 전류값을 도시하는 도 13에 플롯팅되어 있다. 25mA의 바이어스 전류에서의 레이저의 스펙트럼이 도 14에 도시되어 있다. 스톱 밴드에서, 이러한 디바이스에 대한 정규 결합 계수는 kL>4이다. 이러한 높은 결합 계수에 대해, 임계 전류값으로부터 매우 멀지 않은 바이어스 레벨에서, 전형적인 DFB 격자 구조에 대한 멀티모드 동작이 예상된다. 그러나, 도 15에 도시된 바와 같이, 임계 전류값의 7배보다 많은 150mA의 바이어스 레벨에서조차, 레이저는 60dB에 가까운 사이드 모드 억제를 가진 단일 모드를 남긴다. 이것은 본원의 강한 공간 홀 버닝 억제를 명백하게 증명한다.

되반사 둔감도

2차 표면 방출 DFB 레이저 설계의 또 다른 중요한 장점은, 캐비티로부터의 방사의 커플링의 성질 때문에, 광경로내의 반사는 내부 캐비티와 경합하거고 불안정화시키는 외부 캐비티의 생성을 초래할 수 없다는 것이다. 이 결과로 에지 방출 DFB, 외부 캐비티 및 VCSEL 레이저를 포함하는 모든 전통적인 설계보다 되반사에 보다 휠씬 더 로버스트한 레이저를 얻을 수 있다. 이러한 특징은 광 이솔레이터가 되반사된 광과 연관된 성능 열화를 방지하기 위해 일상적으로 사용되는 중간의 보다 긴 거리(보통 40km 초과)에서의 통신 애플리케이션에서 특히 중요하다.

바람직한 실시예

상기 설계 고찰은 수많은 재료 시스템에서 구현될 수 있다. 통신 애플리케이션에 대하여, 바람직한 재료 시스템은 InGaSaP/InP 및 AlInGaAs/InP인데, 그 이유는 이들이 1.25 내지 1.65 ㎛의 범위의 레이저 파장을 생성하는 현 주요 재료 시스템이기 때문이다. 그러나, 질화물에 기초한 보다 새로운 재료 시스템은 개발중에 있고 또한 통신 애플리케이션에 적합하다.

바람직한 실시예는 바람직한 파장 밴드에서 게인을 제공하기 위해 5 내지 10개의 퀀텀 웰의 적합한 멀티 퀀텀 웰 구조를 사용한다. DFB 격자는 50%보다 크고 0% 보다 적고, 60-70%의 최적의 범위의 듀티 사이클(격자 형성에서 에칭되지 않은 프랙셔널 길이로서 정의된다)을 가진 정방형 격자를 생성하기 위해 드라이 에칭 프로세서를 사용하여 에칭되는 것이 바람직하다. 이것은 높은 방사 결합 계수에 따른 필드 집중도와 높은 피드백에 대한 강한 결합 계수를 제공하는 것 사이에서 밸런스를 제공한다. 듀티 사이클이 50%로 떨어진다면 상대적인 커플링은 높지만 결합 계수는 0으로 떨어진다는 것에 주목해야 한다. 듀티 사이클이 증가함에 따라, 결합 계수는 75% 듀티 사이클에서 최대로 증가한 후에 100%에서 0으로 감소하는 반면, 방사 커플링은 단일하게 100% 듀티 사이클에서 0으로 감소한다. 따라서, 상술된 바와 같이, 최적 범위는 커플링이 피드백 및 로컬화된 광모드에 대하여 상대적으로 강한 동시에 상대 커플링이 너무 강하게 감소되지 않은 64% 범위에서 75% 아래이다. 격자의 깊이는 정규화된 결합 계수 kL가 3과 7 사이에 있도록 바람직하게는 4.5와 5.5 사이에 있도록 선택된다. 이러한 높은 값은 디바이스의 에지로부터의 파워 방출을 최소화하고, 라인폭을 최소화하고, FM 응답을 최대화하고 그리고 직접 모듈레이션에서의 처프를 최소화한다.

이 격자는 또한, 보통 삼각(또는 사다리형) 형상의 격자를 생성하는, 습식 에칭되는 경우에 효율적이지 않음에 불구하고 상당한 성능을 나타낸다. 이러한 경우에, 듀티 사이클(여기에서 격자의 최대 넓은 파트에서 에칭되지 않는 기능적 길이로서 정의된다)은 상대적 결합 계수를 최적화하기 위해 보다 작게, 보통 40-60% 가 되어야 한다.

이 디바이스는 전형적인 리지 도파관(RWG;ridge waveguard) 구조 또는 매립된 헤테로정션(BH) 구조를 사용하여 구성될 수 있다. 전자가 제조하기에 보다 용이한 반면에, 정션은 열제어하기 보다 어렵고, 이것은 냉각되지 않은 애플리케이션내의 성능을 열화시킨다. RWG 구조에 대하여, 표면 방출은 리지내로의 전극 주입 전류상에 충분히 긴 구멍을 개방하면 성능이 열화되기 때문에 디바이스의 n-사이드, 또는 구조로부터 가장 잘 취해진다는 것을 주목할 필요가 있다. 반대로, 전류 주입이 BH 구조에서 250㎛로 긴 개구에서조차 잘 유지될 수 있고, 이로 인해 광이 p-사이드 상면으로부터 취해질 수 있음이 증명되었다. 광 퍼스펙티브로부터 양쪽 케이스가 용이하게 동작가능하다.

최상의 열 성능을 위해, BH 구조가 바람직하다. 또한, BH 구조를 제조하는데 있어서, 전류 차단 구조는 역바이어싱된 p-n 접합보다 반절연 재료를 사용하여 형성되는 것이 바람직하다. 전자의 경우는 고속 애플리케이션에서의 열화에 이르는 기생 커퍼시턴스를 감소시키면서 강화된 열 관리를 사용가능하게 한다.

본 발명의 또 다른 장점을 이제 이해할 수 있다. 본원발명은 웨이퍼로부터 개별적인 엘리먼트를 클리빙할 필요도 없도, 기능성을 위해 레이저 구조를 검사하기 시작하기 전조차 레이저 구조의 엔드 피니싱 또는 패키징을 완료할 필요가 없는 제조 방법을 포함한다. 예를 들어, 도 1에서, 전극(12,14)는 구조가 웨이퍼 형태로 빌트되고 스틸될 때 구조(10)내로 형성된다. 구조(10)의 각각은 웨이퍼상의 패터닝 및 데포징에 의해 웨이퍼상에 상술된 바와 같은 격자들 사이의 인접 영역내의 고저항 에어리어를 남길 때 인접 구조로부터 전기적으로 절연될 수 있다. 따라서, 상기구조의 각각의 전기 특성은 단순히 웨이퍼상의 각각의 격자 구조내로 전류를 주입함으로써, 임의의 패키징 단계가 일어나기 전에 웨이퍼상에서 검사될 수 있다. 따라서, 결함이 있는 구조는 임의의 패키징 단계가 취해지기 전에 제거될 수 있고, 이것은 본 발명에 따른 레이저 구조의 생성이 훨씬 더 효율적이고, 임의의 검사가 발생하기 전에 패키징이 요구되고 보다 복잡한 종래 기술보다 덜 비용이 든다는 것을 의미한다. 따라서, 종래 기술의 에지 방출 레이저 제조에서 요구되는 논-기능 또는 단순히 오기능 레이저 구조에 대한 클리빙, 패키징 및 엔드 피니싱 단계는 본 발명에 의해 제거된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 당업자는 다양한 대안 및 변형이 첨부된 청구범위의 정신으로부터 벗어남 없이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 이러한 변형의 일부는 상기에서 논의되었고 다른 것 역시 당업자에게 명백할 것이다. 예를 들어, 본 발명의 반도체 레이저 구조의 층에 대하여 바람직한 구조가 도시되었지만, 수용가능한 결과를 산출하는 다른 구조 역시 사용될 수 있다. 이러한 구조는 인덱스 결합되거나 게인 결합되거나 또는 양쪽 모두일 수 있다. 중요하게 생각되는 것은 스톱 밴드의 보다 긴 파장 사이트상에 주요 모드를 가지는 고유의 캐비티를 가지는 것이다.

Claims (30)

1. 활성 층, 상기 활성 층에 연속하는 대향된 클래딩 층을 갖는 인트린직 캐비티, 기판, 및 반도체 레이저 구조가 적어도 표면 방출의 형태로 출력신호를 방출하도록 하기 위해 전류가 반도체 레이저 구조에 주입될 수 있게하는 전극을 정의하는 반도체 레이저 구조로서, 상기 인트린직 캐비티는 스톱 밴드의 긴 파장측상에서 도미넌트 모드를 갖도록 구성된, 상기 반도체 레이저 구조;

   광학 모드를 측방향으로 한정하기 위한 수단;

   인트린직 캐비티와 연관된 2차 분포된 회절 격자로서, 상기 회절 격자는 상기 전류가 상기 레이저 구조에 주입된 경우 주기적으로 교번하는 광학 특성을 갖는 복수개의 격자 요소를 갖고, 상기 격자는 인트린직 캐비티내에서 카운터-런닝 가이드된 모드를 발생시키도록 크기 및 형태가 정해지고, 상기 격자는 50% 이상 90% 미만의 듀티 사이클을 갖는, 상기 2차 분포된 회절 격자; 및

   상기 출력 신호의 방사선 강도 및 모드 프로파일을 변경시키기 위해 인트린직 캐비티내에 상기 카운터-런닝 가이드된 모드의 페이즈를 시프팅시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
2. 제1 항에 있어서, 상기 교번하는 광학 특성은 활성층의 게인의 교번과 연계하여 굴절율이 교번하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
3. 제1 항에 있어서, 상기 교번하는 광학 특성은 굴절율이 교번하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
4. 제1 항에 있어서, 상기 듀티 사이클은 50% 내지 90% 사이인 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
5. 제4 항에 있어서, 상기 듀티 사이클은 60% 내지 67% 사이인 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
6. 제1 항에 있어서, 스톱 밴드의 중심 파장은 1.25 내지 1.65 마이크로미터의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
7. 제1 항에 있어서, 상기 캐비티는 5 내지 10 퀀텀 웰인 멀티-퀀텀 웰 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
8. 제1 항에 있어서, 상기 격자는 정방형으로 된 드라이-에칭된 격자인 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
9. 제1 항에 있어서, 상기 격자는 정규화된 결합 계수가 3 내지 7 사이가 되도 록 하는 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
10. 제7 항에 있어서, 상기 격자는 정규화된 커플링 계수가 4.5 내지 5.5 사이가 되도록 하는 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
11. 제1 항에 있어서, 상기 분포된 회절 격자는 광학적으로 활성이고 활성층내의 게인 매체에 형성되는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
12. 제1 항에 있어서, 상기 반도체 레이저 구조는 평면도 관점에서 상기 격자를 적어도 부분적으로 둘러싸는 인접 구역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
13. 제12 항에 있어서, 상기 인접 구역은 상기 분포된 회절 격자의 어느 한 단부에 위치된 일체로 형성된 흡수 구역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
14. 제12 항에 있어서, 포토디텍터를 갖는 인접 구역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
15. 제14 항에 있어서, 상기 포토디텍터는 상기 레이저 구조와 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
16. 제14 항에 있어서, 검출된 출력 신호와 소망하는 출력 신호를 비교하기 위해 상기 포토디텍터에 연결된 피드백 루프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
17. 제16 항에 있어서, 상기 출력 신호를 소망하는 특성을 갖는 상태로 유지시키기 위해 입력 전류를 조정하는 조정기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
18. 제12 항에 있어서, 상기 인접 구역은, 상기 레이저가 사용중에 있을 때, 상기 격자를 전기적으로 절연시키기에 충분한 저항을 갖는 물리로 형성되는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
19. 제1 항에 있어서, 상기 전극중의 하나는 신호 방출 개구를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
20. 제1 항에 있어서, 광학 모드를 측방향으로 한정하기 위한 상기 수단은 리지 도파 구조로 이루어 지는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
21. 제1 항에 있어서, 광학 모드를 측방향으로 한정하기 위한 상기 수단은 매립된 헤테로구조 구성으로 이루어 지는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저.
22. 제1 항의 표면 방출 반도체 레이저의 어레이로서, 상기 어레이는 공통 기판상에 두 개 이상의 상기 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저의 어레이.
23. 제22 항에 있어서, 두 개 이상의 상기 레이저의 각각은 상이한 파장 및 출력 파워를 갖는 출력 신호를 산출하고 개별적으로 모듈레이팅될 수 있는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저의 어레이.
24. 제22 항에 있어서, 두 개 이상의 상기 레이저의 각각은 동일한 파장을 갖는 출력 신호를 산출하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저의 어레이.
25. 표면 방출 반도체 레이저 제조 방법에 있어서,

    공통 웨이퍼 기판상의 연속층에, 형성함에 의해 복수개의 인트린직 레이저 캐비티를 정의하는, 복수개의 반도체 레이저 구조를 형성하는 단계;

    제1 클래딩 층, 활성층 및 제2 클래딩 층을 상기 웨이퍼 기판상에 형성하는 단계;

    상기 인트린직 캐비티를 정의하도록 복수개의 2차 분포된 회절 격자를 형성하는 단계로서, 상기 인트린직 캐비티는 스톱 밴드의 긴 파장측상에서 도미넌트 모드를 갖도록 구성된, 상기 단계;

    상기 반도체 레이저로부터 출력 신호의 모드 프로파일을 변경시키기 위해 50% 이상 90% 미만의 듀티 사이클을 갖는 상기 격자에 페이즈 시프터를 형성하는 단계;

    광학 모드를 측방향으로 한정하는 수단을 형성하는 단계; 및

    전류를 상기 반도체 레이저 구조의 각각에 주입시키기 위해 상기 웨이퍼 기판상의 상기 반도체 레이저 구조의 각각에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저 제조 방법.
26. 제25 항에 있어서, 상기 인트린직 캐비티와 연관된 상기 복수개의 2차 분포된 회절 격자사이에 인접 구역을 동시에 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저 제조 방법.
27. 제25 항에 있어서, 광학 모드를 측방향으로 한정하는 상기 수단은 매립된 헤테로구조 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저 제조 방법.
28. 제25 항에 있어서, 광학 모드를 측방향으로 한정하는 상기 수단은 리지 도파 구조인 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저 제조 방법.
29. 제25 항에 있어서, 상기 격자의 각각의 어느 한 단부상에 상기 인접 구역내의 흡수 구역을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저 제조 방법.
30. 제25 항에 있어서, 레이저의 어레이를 형성하기 위해 상기 인접 구역을 따라 상기 웨이퍼를 클리빙하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 방출 반도체 레이저 제조 방법.

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