KR20090007203A - 면 발광형 반도체 레이저의 구동 방법 및 광 전송 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력 소비를 저감하면서 고속 구동이 가능한 면 발광형 반도체 레이저의 구동 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
VCSEL은 광을 발생하는 활성 영역, 당해 활성 영역을 사이에 끼우도록 배치된 공진기 구조, 및 활성 영역에 전력을 공급하는 구동 전극을 포함하고, 구동 전극에 인가되는 전압과 전류에 의해 규정되는 내부 저항을 갖고 있다. 이 VCSEL의 구동 방법은 로우 레벨(low level)의 전류값(IL)과 하이 레벨(high level)의 전류값(IH)에 의해 규정되는 전류값 진폭(IF)을 가진 변조 신호를 VCSEL의 구동 전극으로 인가하는 스텝을 포함하고 있고, 변조 신호는 내부 저항이 전류 증가에 대하여 감소하는 마이너스 구배(勾配) 영역 내에 있다.
VCSEL, 광 전송 모듈, 구동 회로, 광 송수신 장치

Description

면 발광형 반도체 레이저의 구동 방법 및 광 전송 모듈{METHOD FOR DRIVING SURFACE EMITTING SEMICONDUCTOR LASER, OPTICAL TRANSMISSION MODULE, AND HANDHELD ELECTRONIC DEVICE}
본 발명은 면 발광형 반도체 레이저의 구동 방법 및 광 전송 모듈에 관한 것이다.
기가 주파수대(gigahertz) 이상의 고속에서 변조되는 광 전송 모듈에서는, 내부 저항이 작아지도록 설계된 면 발광형 반도체 레이저(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode: 이하, VCSEL이라고 함)가 사용되고 있다. 싱글 모드의 일부 VCSEL에서는, 50Ω(ohm)보다도 큰 수백 내지 수천 Ω의 내부 저항을 갖고 있지만, 이러한 고저항의 VCSEL에서는, 구동 회로계나 배선계에서 통상 사용되고 있는 저항값, 예를 들어 50Ω보다도 크기 때문에, 임피던스(impedence)의 부정합(不整合)이 생기게 된다.
이러한 문제를 감안하여, 특허문헌 1이나 특허문헌 2는 고속 변조를 위해 VCSEL의 저항을 50Ω 이하로 하는 기술을 개시하고 있다. 특허문헌 3은 내부 저항이 높은 반도체 레이저를 고속 스위칭하기 위해, 반도체 레이저와 병렬로 저항을 설치하고, 부하의 임피던스를 저하하는 기술을 개시하고 있다. 특허문헌 4는 신호선과 VCSEL 사이에 개재(介在)되는 종단(終端) 저항과, VCSEL에 병렬로 접속된 저항을 설치함으로써, 내부 저항이 높은 VCSEL에서도 넓은 대역에 걸쳐 반사 손실이 적고 고주파 구동할 수 있는 기술을 재시하고 있다. 또한, 특허문헌 5는 내부 저항이 수백 Ω인 VCSEL을 고속 구동하기 위해 전압 구동 방식을 사용하는 기술을 개시하고 있다.
[특허문헌 1] 일본국 공개특허 평5-283791호 공보
[특허문헌 2] 일본국 공개특허2002-353568호 공보
[특허문헌 3] 일본국 공개특허2003-101127호 공보
[특허문헌 4] 일본국 공개특허2004-273584호 공보
[특허문헌 5] 일본국 공개특허2002-335038호 공보
휴대 단말 등 전자 노이즈에 민감한 기기에서는, 신호 전송의 광원으로 VCSEL을 사용한 광 전송 모듈이 검토되고 있다. 그것에서의 최대의 기술적 과제는 VCSEL의 소비 전력의 저감이다. 저전력화를 위해서는, VCSEL의 임계값 전류를 내리고, 구동 전류를 저하시키는 것이 하나의 방법이지만, 통상, 임계값 전류를 내리면, 내부 저항이 높아지게 되어, VCSEL을 고속 구동하는 것이 곤란해지게 된다. 또한, 특허문헌 3이나 특허문헌 4는 고저항의 VCSEL의 구동 방법을 제안하고 있지만, 이들 구동 방법은 VCSEL에 병렬로 저저항을 설치하는 것이고, 이 저항에 의해 전력이 소비되게 되기 때문에, 휴대 단말의 저전력화에는 적절하지 않다.
본 발명은 상기 종래의 과제를 해결하는 것으로서, 전력 소비를 저감하면서 고속 구동이 가능한 면 발광형 반도체 레이저의 구동 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 휴대 단말 등의 저소비 전력화에 적절한 광 전송 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 면 발광형 반도체 레이저의 구동 방법은, 광을 발생하는 활성 영역, 당해 활성 영역을 사이에 끼우도록 배치된 공진기 구조, 및 활성 영역에 전력을 공급하는 구동 전극을 포함하고, 상기 구동 전극에 인가되는 전압과 전류에 의해 규정되는 내부 저항을 갖는 면 발광형 반도체 레이저에서, 제 1 전류값과 당 해 제 1 전류값보다도 큰 제 2 전류값에 의해 규정되는 전류값 진폭을 갖는 변조 신호를 상기 구동 전극으로 인가하는 스텝을 포함하고, 상기 변조 신호는 상기 내부 저항이 전류 증가에 대하여 감소하는 마이너스 구배(勾配) 영역 내에 있다.
내부 저항은 인가되는 전압과 전류의 관계를 미분(微分)함으로써 규정된다. 제 1 전류값은, 바람직하게는, 내부 저항의 변화가 포화를 향하는 굴곡점보다도 작고, 또한 면 발광형 반도체 레이저의 임계값 전류보다도 어느 정도 클 수도 있다. 제 2 전류값은 상기 내부 저항의 굴곡점보다도 크게 할 수도 있다. 바람직하게는, 전류값 진폭은 2㎃ 이하이고, 변조 신호의 주파수는 1㎓ 이상이며, 변조 신호를 출력하는 구동 회로와 면 발광형 반도체 레이저의 구동 전극을 접속하는 전송로의 거리는 2㎜ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 제 1 전류값에 대응하는 제 1 내부 저항은 전송로의 저항보다도 높을 수도 있고, 제 1 내부 저항은 적어도 80Ω이다. 또한, 제 2 전류값에 대응하는 면 발광형 반도체 레이저의 광 출력은 광 리크(leak) 전체의 파워 버짓(power budget)에 의존하지만, 예를 들어 0.4㎽ 이상이다.
본 발명에 따른 광 전송 모듈은, 면 발광형 반도체 레이저 및 면 발광형 반도체 레이저를 구동하는 구동 회로를 구비하고, 면 발광형 반도체 레이저의 구동에 의해 광 신호를 송신하는 광 송신 장치와, 광 송신 장치로부터 송신된 광 신호를 전송하는 광 전송 매체와, 광 전송 매체에 의해 전송된 광 신호를 수신하는 광 수신 장치를 포함하는 것으로서, 상기 면 발광형 반도체 레이저는 광을 발생하는 활성 영역, 당해 활성 영역을 사이에 끼우도록 배치된 공진기 구조, 및 활성 영역에 전력을 공급하는 구동 전극을 포함하고, 상기 구동 전극에 인가되는 전압과 전류에 의해 규정되는 내부 저항을 갖고 있고, 상기 구동 회로는 제 1 전류값과 당해 제 1 전류값보다도 큰 제 2 전류값에 의해 규정되는 전류값 진폭을 갖는 변조 신호를 상기 구동 전극으로 인가하고, 상기 변조 신호는 상기 내부 저항이 전류 증가에 대하여 감소하는 마이너스 구배 영역에 있다.
바람직하게는, 구동 회로는 적어도 1㎓의 변조 신호를 면 발광형 반도체 레이저로 공급하고, 변조 신호의 전류값 진폭은 2㎃ 이하이다. 또한, 구동 회로와 면 발광형 반도체 레이저의 구동 전극을 접속하는 전송로의 거리는 2㎜ 이하이고, 상기 광 전송 매체는 약 30㎝ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 바람직하게는, 면 발광형 반도체 레이저는 멀티 모드의 레이저 광을 출력하고, 상기 광 전송 매체는 플라스틱 광파이버이다.
또한, 본 발명에 따른 휴대형 전자 장치는, 상기한 광 전송 모듈을 포함한다. 바람직하게는, 휴대형 전자 단말은 본체부와, 본체부에 접속부를 통하여 접속된 표시부를 포함하고, 상기 본체부는 광 송신 장치를 포함하고, 상기 표시부는 광 수신 장치를 포함하며, 상기 광 전송 매체는 상기 접속부를 통과한다.
본 발명은 면 발광형 반도체 레이저의 내부 저항의 마이너스 구배 영역을 이용하여 면 발광형 반도체 레이저를 구동하지만, 마이너스 구배 영역은 임계값 근방이기 때문에, 변조 시의 평균 전류값도 임계값 근방의 저전류로 되고, 저전력화가 가능하다. 또한, 마이너스 구배 영역을 이용함으로써, 변조 시에 전류가 흐르기 쉬워지고, 상승 시의 지터(jitter)가 발생하기 어려워, 고속 변조가 가능해진다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 바람직한 형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.
[실시예]
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광 전송 모듈의 대표적인 구성예를 나타내는 도면이다. 도 1의 (a)에 나타낸 바와 같이, 광 전송 모듈(10)은 광 신호를 송신하는 광 송신 장치(20), 송신된 광 신호를 전송하는 광 전송 매체(30)와, 전송된 광 신호를 수신하는 광 수신 장치(40)를 포함하여 구성된다.
광 송신 장치(20)는 전기 신호를 광 신호로 변환하는 것이고, VCSEL(50)과, VCSEL(50)을 구동하기 위한 구동 회로(60)를 포함하여 구성된다. VCSEL(50)은 광 신호의 전송 거리에 따른 파장의 레이저 광을 출사하고, 전송 거리가 짧을 경우에는, 예를 들어 850㎚의 레이저 광을 출력한다. 또한, 레이저 광은 싱글 모드 또는 멀티 모드 중 어느 것이어도 관계없지만, 전송 거리가 비교적 짧을 경우에는, 멀티 모드의 레이저 광을 사용하는 것이 바람직하다.
광 전송 매체(30)는 광도파로(光導波路)나 광파이버 등으로 구성된다. VCSEL(50)로부터 멀티 모드의 레이저 광이 출력될 경우에는, 멀티 모드의 POF(플라스틱 광파이버)나 멀티 모드의 광도파로를 사용할 수 있다. POF에서 가요성이 요구될 경우에는, 멀티 코어의 POF를 사용하는 것이 바람직하다.
광 수신 장치(40)는 전송된 광 신호를 전기 신호로 변환하는 것이고, 광 신호를 수광하여 이것을 전기 신호로 변환하는 포토 다이오드(70)와, 변환된 전기 신 호를 증폭하는 앰플리파이어(80)를 포함하여 구성된다. 물론, 포토 다이오드(70) 대신에 증폭 기능을 가진 포토 트랜지스터를 사용할 수도 있다.
도 1의 (b)에 나타낸 광 전송 모듈(10A)은 병렬로 광 신호를 전송하는 광전(光電) 복합 배선의 예를 나타내고 있다. 이 경우, 광 송수신 장치(90A)는 광 신호를 송신하기 위해 VCSEL(50)과 구동 회로(60)를 포함하고, 또한 광 신호를 수신하기 위해 포토 다이오드(70) 및 앰플리파이어(80)를 포함한다. 광 송수신 장치(90B)도 동일하게, VCSEL(50) 및 구동 회로(60)와, 포토 다이오드(70) 및 앰플리파이어(80)의 세트를 포함하고 있다. 이 경우, 광 전송 매체(30)는 쌍방향의 광 통신용의 전송로를 제공한다.
도 1의 (c)는 광 송신 장치(20)의 다른 구성예를 나타내는 도면이다. 광 송신 장치(20A)는 VCSEL(50)로부터 출력되는 레이저 광을 집광하는 렌즈나 미러 등의 광학계(22)를 포함하는 것일 수도 있다. 상기한 도 1의 (a) 내지 (c)에 나타낸 광 송신 장치, 광 전송 매체 및 광 수신 장치의 구성은 예시이고, 본 발명은 이것들로 한정되는 것을 의도하는 것은 아니다.
또한, 상기한 광 전송 모듈에서, VCSEL(50)은 단일의 광원을 갖는 싱글 스폿 타입일 수도 있고, 복수의 광원을 갖는 멀티 스폿 타입일 수도 있다. 싱글 스폿 타입의 VCSEL을 사용한 경우에는, 단일 광원으로부터 발송된 광 신호가 시리얼 전송된다. 이것에 대하여, 멀티 스폿 타입의 VCSEL 어레이를 사용한 경우에는, 복수 광원으로부터 발송되는 광 신호가 패럴렐 전송된다. VCSEL 어레이의 각각이 상이한 파장에서 구동될 경우에는, 광 전송 매체(30)는 광 신호를 다중 전송할 수 있 다.
도 2는 광 송신 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 구동 회로(60)는 데이터 신호를 수신하는 인터페이스(I/F)부(100)와, I/F부(100)에 의해 수신된 디지털 데이터 신호에 따라 VCSEL(50)에 구동 전류를 공급하는 구동부(110)와, 제어 신호 등에 의거하여 구동부(110)를 제어하는 제어부(120)를 갖는다. 제어부(120)는 주위 온도에 의해 VCSEL의 구동 조건을 변화시킬 경우에는, 온도를 검출하는 센서나, 각 온도의 구동 조건을 정한 메모리를 구비할 수 있다. 이것들은 광 모듈 내에 설치하는 것이 바람직하지만, 광 모듈 외에 설치하여 제어 신호로서 수취하는 것도 가능하다. 또한, 제어부(120)는 VCSEL의 광 출력이 일정하게 되는 제어를 행하는 것도 가능하다. 이 경우, 제어부(120)는 VCSEL(50)의 광 출력을 검출하는 센서로부터의 출력 신호를 모니터한다.
구동부(110)는 통상의 전류 구동의 회로 외에, 전압 구동의 회로, 및 이들의 복합 회로일 수도 있다. 전류 구동의 경우, 구동부(110)는 수신한 데이터 신호의 로우 레벨(low level), 또는 하이 레벨(high level)에 따른 변조 신호를 전송 라인(130)을 통하여 VCSEL(50)로 인가한다. VCSEL을 구동하기 위한 변조 신호의 주파수는 전송 속도나 신호 처리 능력에 따라 적절하게 결정되지만, 본 실시예의 광 전송 모듈은 1㎓ 이상의 고주파수에서 VCSEL(50)을 구동하는 것을 가능하게 한다.
도 3은 VCSEL과 구동 회로의 실장예를 나타내는 도면이다. 도 3의 (a)에 나타낸 바와 같이, VCSEL(50)을 구성하는 반도체 소자(50A)와 구동 회로(60)를 구성하는 반도체 소자(60A)가 회로 기판(140) 상에 실장되고, 반도체 소자(60A)의 출력 용의 전극이 본딩 와이어(130A)를 통하여 반도체 소자(50A)의 구동 전극에 접속된다.
도 3의 (b)는 다른 실장예이다. 반도체 소자(50A) 및 반도체 소자(60A)를 각각 수지 밀봉 또는 세라믹 밀봉한 반도체 패키지(50B, 60B)를 회로 기판(130)에 실장한다. 예를 들어, 반도체 패키지(50B, 60B)는 그 표면에 형성된 범프 전극을 회로 기판(140)의 배선 패턴(130B)에 플립칩 실장 또는 페이스 다운 실장된다. 여기서, 본딩 와이어(130A), 또는 배선 패턴(130B)은 구동 회로(60)로부터 VCSEL(50)로의 전송 라인(130)을 구성한다.
다음으로, 본 실시예에 사용되는 VCSEL의 구성예를 도 4에 나타낸다. 상기 도면은 VCSEL(50)의 구성을 나타내는 단면도이다. 상기 도면에 나타낸 바와 같이, n측의 하부 전극층(210)이 형성된 GaAs 기판(200) 상에, n형의 하부 반도체 다층 반사경(212), 활성 영역(214), p형의 AlAs층(216), p형의 상부 반도체 다층 반사경(218)의 차례로 반도체 박막이 퇴적되어 있다. 상부 다층 반사경(218)의 최상층에는, p형의 GaAs로 이루어지는 콘택트 층(220)이 형성되어 있다. 상부 다층 반사경(218)으로부터 하부 다층 반사경(212)의 일부에 이르기까지, 원주 형상의 메사(mesa)(202)가 형성되어 있다. 메사(202)는 고온의 수증기 하에서 열처리되고, 메사(202) 내의 AlAs층(216)의 주위에는 산화 영역(228)이 형성되고, 이에 따라, AlAs층(216) 내에 광 제한 영역 겸 전류 협착층이 형성된다.
메사(102)의 저부(底部), 측면, 및 정부(頂部)의 일부는 층간절역막(222)에 의해 덮여있다. 메사(202)의 정부에서, 층간절연막(222)에는 콘택트 홀이 형성되 고, 이 위로부터 p측의 전극층(224)이 콘택트 층(220)에 오믹(ohmic) 접속되어 있다. p측의 전극층(224)의 중앙에는, 레이저 광을 출사하기 위한 원 형상의 개구(226)가 형성되어 있다.
n형의 하부 반도체 다층 반사경(212)은 예를 들어, Al0 .9Ga0 .1As와 Al0 .3Ga0 .7As를 번갈아 복수의 주기로 적층하고, 각 층의 두께는 λ/4nr(다만, λ는 발진 파장, nr은 매질의 굴절률)이다. 활성 영역(214)은 예를 들어, 언도프(undoped) 하부 Al0.5Ga0.5As 스페이서 층과 언도프 양자 우물 활성층과 언도프 상부 Al0 .5Ga0 .5As 스페이서 층으로 구성된다. p형의 상부 반도체 다층 반사경(218)은 예를 들어, Al0.9Ga0.1As와 Al0 .3Ga0 .7As를 번갈아 복수의 주기로 적층하고, 각 층의 두께는 매질 내 파장의 1/4이다. 상부 반도체 다층 반사경(218)의 최하층에는, 저저항의 p형 AlAs층(216)이 포함되고, 또한 상부 반도체 다층 반사경(218)의 최상부에, 예를 들어 캐리어 농도가 1×1019㎝-3으로 되는 p형의 GaAs 콘택트 층(220)이 적층된다. p측의 전극층(224)은 예를 들어, Au로 구성되고, n측의 전극층(210)은 예를 들어, Au/Ge로 구성된다. 층간절연막(222)은 예를 들어, SiNx로 구성된다. 도 4에 나타낸 VCSEL(50)은 약 850㎚의 파장의 멀티 모드의 레이저 광을 출력할 수 있다.
도 5의 (a)는 VCSEL의 구동 전류(횡축: ㎃)와 구동 전압(종축: V)의 관계를 나타내는 그래프이고, 도 5의 (b)는 VCSEL의 구동 전류(횡축: ㎃)와 내부 저항(종축: Ω)의 관계를 나타내는 그래프이다. VCSEL의 p측 전극층(224) 및 n측 전극 층(210)에 순(順)방향의 구동 전압 및 구동 전류를 인가한 때에, 도 5의 (a)에 나타낸 바와 같이, 구동 전류가 일정한 크기(Ic)까지 증가할 때, 구동 전압은 대략 비례하도록 일정한 크기(Vc)까지 증가하지만, 구동 전류가 일정한 크기(Ic)를 초과하면 구동 전압의 변화는 서서히 작아지고, 포화로 향한다.
도 5의 (b)는 구동 전류와 구동 전압의 관계를 미분한 것이다. 본 명세서에서는, 도 5의 (b)에 나타낸 저항을 VCSEL의 내부 저항으로 정의한다. 도면으로부터도 명백한 바와 같이, 구동 전류가 작을 때, VCSEL의 내부 저항은 매우 높고, 구동 전류가 증가함에 따라 내부 저항은 감소한다. 그리고, 굴절점(K)을 초과하면, 내부 저항의 감소는 서서히 작아지고, 포화로 향한다. 여기서, 굴절점(K)은 내부 저항이 급격한 감소로부터 포화를 향하는 사이의 점이고, 도 5의 (b)에 나타낸 바와 같이, 저항값이 포화되는 영역 부근에서 2개의 점근선(漸近線)을 그었을 때, 그들의 교점을 정각(頂角)으로 하는 2등분선과 내부 저항 곡선이 만나는 점으로 정의한다.
다음으로, VCSEL의 구동 방법에 대해서 설명한다. 본 실시예의 광 전송 모듈은 전형적으로는, 80Ω∼250Ω 정도의 내부 저항을 구비하는 VCSEL을 사용하면서, 변조 신호의 전류의 범위를, VCSEL의 내부 저항이 전류 증가에 대하여 감소하는 마이너스 구배 영역에서 대략 마이너스 구배 영역 내의 미소한 전류 진폭으로, VCSEL을 변조 구동하는 것을 특징으로 한다. 도 6은 마이너스 구배 영역을 설명하는 그래프이다. 마이너스 구배 영역은 VCSEL의 내부 저항의 전류 의존성이 마이너 스의 구배를 갖는 전류 영역이고, 이 때의 마이너스 구배 영역의 범위를 전류(IR1)로 나타내고 있다. 더 바람직하게는, 전류 의존성이 현저하게 나타나는, 초기의 마이너스 구배를 외장(外裝)한 부근의 전류(IS)의 2배 이하의 전류(IR2)까지의 범위이다.
도 7은 VCSEL을 구동할 때의 변조 신호의 파형이다. 변조 신호는 로우 레벨의 전류값(IL)과 하이 레벨의 전류값(IH)에 의해 규정되는 전류값 진폭(IF)을 갖는다. 본 실시예에서는, 로우 레벨의 전류값(IL)과 하이 레벨의 전류값(IH)은 도 6에 나타낸 마이너스 구배 영역 내에 설정된다. 이 설정은 구동 회로(60)의 제어부(120)에 의해 행해지고, 구동 회로(60)는 도 7에 나타낸 변조 신호를 전송 라인(130)을 통하여 VCSEL(50)에 공급한다.
도 8의 (a)는 본 실시예의 VCSEL의 구동 방법을 나타내고, 도 8의 (b)는 종래의 VCSEL의 구동 방법을 설명하는 도면이다. 이들 도면에는, 구동 전류와 내부 저항의 관계에 맞춰, 구동 전류와 광 출력의 관계가 나타내져 있다. 우선, 본 실시예의 VCSEL과 종래의 VCSEL의 특성을 비교하면, 본 실시예의 VCSEL은 임계값 전류(ITH)가 종래의 것보다도 작게 설정되어 있다. 또한, 본 실시예의 VCSEL은 구동 전류에 대한 광 출력의 구배(슬로프 효율)를, 종래의 VCSEL보다도 높게 하고 있다. 임계값 및 슬로프 효율은 VCSEL의 전류 협착층(216)의 어퍼처 직경 등의 구조를 적절하게 변경함으로써 원하는 것을 선택하는 것이 가능하다. 슬로프 효율은 예를 들어, 0.5W/A 이상인 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이, 본 실시예의 변조 신호는, 도 8의 (a)에 나타낸 바와 같이, 내부 저항의 마이너스 구배 영역 내에 설정되어 있다. 바람직하게는, 로우 레벨의 전류값(IL)과 하이 레벨의 전류값(IH)의 전류값 진폭(IF)의 범위는 2㎃ 이하이고, 로우 레벨의 전류값(IL)은 내부 저항의 굴곡점(K)의 전류값(IK)보다도 작다. 또한, 로우 레벨의 전류값(IL)은 임계값 전류(ITH)보다도 조금 크게 할 수도 있다. 이것은 VCSEL을 고속 구동할 때의 응답성을 높이기 위한 것이고, 이 때의 광 출력은 매우 작다. 또한, 하이 레벨의 전류값(IH)은 굴곡점(K)의 전류값(IK)보다도 크고, 바람직하게는, 도 6에 나타낸 전류값(IR2)보다도 작다. 로우 레벨의 전류값(IL)의 내부 저항은 대략 80옴 이상이다.
한편, 종래의 VCSEL의 구동 방법은, 도 8의 (b)에 나타낸 바와 같이, 변조 신호는 내부 저항의 마이너스 구배 영역 내에 설정되어 있지 않다. 즉, 변조 신호의 로우 레벨의 전류값(IL)과 하이 레벨의 전류값(IH)은 내부 저항의 쌍곡선의 거의 포화된 영역, 환언하면, 로우 레벨의 전류값(IL)과 하이 레벨의 전류값(IH)에서 내부 저항의 차이가 실질적으로 생지기 않도록 하고 있다. 또한, VCSEL의 슬로프 효율을 작게 하고, 로우 레벨의 전류값(IL)과 하이 레벨의 전류값(IH)의 전류값 진폭(IF)은 본 실시예보다도 크고, 약 5㎃이다.
본 실시예의 구동 방법에 의하면, 종래의 고속 구동에서 필요로 된 50Ω 이하의 내부 저항이 아니라, 50Ω을 초과하고, 전형적으로는 80Ω 이상의 내부 저항의 VCSEL을 사용함으로써, 저(低)임계값, 고(高)슬로프 효율의 VCSEL을 실현할 수 있고, 저전류에서의 VCSEL의 구동이 가능해진다. 이러한 VCSEL을, 종래의 내부 저항의 포화 영역에서의 큰 진폭의 전류로 구동하려고 하면 고속 구동이 곤란했지만, 본 실시예에서는, 내부 저항의 마이너스 구배 영역에서의 작은 진폭 전류 구동이기 때문에, 고속 구동이 가능해진다.
로우 레벨의 전류값(IL)으로부터 하이 레벨의 전류값(IH)으로 신호 변조될 때에는, 전류가 증가하는 동시에 내부 저항값이 감소하기 때문에, 구배가 제로인 포화 영역에 비하여 전류가 흐르기 쉽고, 상승 시의 지터(jitter)가 발생하기 어려워 고속 변조 가능하다. 한편, 하이 레벨의 전류값(IH)으로부터 로우 레벨의 전류값(IL)으로 신호 변조될 때에는, 발광하고 있는 하이 레벨 부근의 내부 저항이 상대적으로 낮기 때문에, 비교적 고속으로 광 변조가 가능하다. 또한, 전류값의 변조 범위는 마이너스 구배 영역의 미소 영역으로 한정되기 때문에, 전체적으로 내부 저항이 높아도 고속 변조가 가능하다. 또한, 하이 레벨의 전류값(IH)에서의 내부 저항과, 로우 레벨의 전류값(IL)에서의 내부 저항의 차이는 20% 이상인 것이 바람직하다.
도 9는 본 실시예의 VCSEL과 종래의 VCSEL의 특성을 더 상세하게 설명하는 도면이고, 횡축에 구동 전류, 종축에 광 출력을 나타내고 있다. 상기한 바와 같이, 본 실시예의 VCSEL의 변조 신호를 마이너스 구배 영역으로 설정한 경우, 마이너스 구배 영역은 임계값 전류(ITH)를 포함하는 범위에 존재하기 때문에, 변조 시의 평균 전류값도 임계값 전류(ITH) 부근의 저전류로 되어, 저전력화가 가능하다.
또한, 본 실시예의 VCSEL의 임계값 전류(ITH)는, 종래의 임계값 전류(ITH0)보다 작기 때문에, 이 점으로부터도 저전력 구동이 가능하다. 또한, 단순하게 전류값 진폭 범위를 내린 것에서는 발광 광량도 저하되게 되지만, 슬로프 효율을 크게 함으로써, 이것을 보충하는 것이 가능하다. 도 9에서는, 변조 시의 광 출력을 PH와 PL로 나타내고, 종래의 VCSEL과 동일한 광 출력으로 되도록 본 실시예의 VCSEL의 슬로프 효율을 크게 하고 있다. 이에 따라, 저전력 구동을 행해도 충분한 광 신호의 광량을 얻을 수 있다.
또한, VCSEL의 내부 저항이 80Ω 이상이 되면, 임피던스의 미스 매칭이나 부유 용량의 영향이 우려되지만, 구동 회로(100)로부터 VCSEL(50)의 발광점까지의 거리(전송 라인(130))를, 2㎜ 이하로 함으로써 이러한 악영향을 최소화할 수 있다.
도 10은 본 실시예의 광 전송 시스템을 적용한 휴대 전화기의 개략 구성을 나타내는 도면이다. 휴대 전화기(300)는 표면에 조작 버튼 등이 배열된 본체부(310)와, 본체부(310)에 힌지(hinge)를 통하여 회전 가능하게 부착된 표시부(320)를 포함하고, 여기에는, 도 1의 (b)에 나타낸 바와 같은 광 전송 모듈이 실 장되어 있다. 본체부(310)의 내부에는, 광 송수신 장치(330A)가 설치되고, 표시부(310)의 내부에는, 광 송수신 장치(330B)가 설치된다. 광 송수신 장치(330A, 330B)는 가요성의 광파이버(340)에 의해 접속되어 있다. 광 송수신 장치(330A)는 광 송수신 장치(330B)에 대하여, 표시부(310)에 표시해야 할 화상 데이터 등을 송신한다. 한편, 광 송수신 장치(330B)는 광 송수신 장치(330A)에 대하여, 촬상 카메라에 의해 촬상된 화상 데이터 등을 송신한다.
바람직하게는, VCSEL은 850㎚의 멀티 모드의 레이저 광을 출사하고, 구동 회로(60)로부터 VCSEL까지의 전송 라인(130)은 2㎜ 이하이다. 광파이버(340)는 POF를 사용하고, 그 길이는 30㎝ 이하이다. 또한, 광 송수신 장치(330A, 330B)의 구동 회로(60)는 VCSEL을 1㎓ 이상의 고주파수에서 구동한다.
휴대 전화기 등은 무선 신호의 송수신을 행하기 위한 마이크로 스트립 안테나를 실장하고 있고, 안테나에 의해 생성되는 전자 노이즈는 전기 신호에 악영향을 미칠 우려가 있다. 본 실시예와 같이, VCSEL을 광원으로 하는 광 신호를 전송함으로써, 안테나로부터의 전자 노이즈 등의 영향을 최소한으로 하는 것이 가능하다.
본 발명의 광 전송 모듈은 상기한 휴대 전화기 외에도, 휴대 전자 장치(PDA), 랩톱 또는 노트북 컴퓨터, 게임기 등 전자기기에서 특히 효과적으로 이용할 수 있다. 또한, 본 발명의 광 전송 모듈은 전자기기 내의 신호 전송 외에, 전자기기와 다른 외부의 전자기기 사이의 신호 전송에서도 사용할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 상세하게 설명했지만, 본 발명에 따른 특정한 실시예에 한정되지 않고, 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 요지 의 범위 내에서, 다양한 변형·변경이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광 전송 모듈의 대표적인 구성예를 나타내는 도면.
도 2는 광 송신 장치의 구성을 나타내는 도면.
도 3은 VCSEL과 구동 회로의 실장예를 나타내는 도면.
도 4는 VCSEL의 개략 구성을 나타내는 단면도.
도 5의 (a)는 구동 전류와 구동 전압의 관계를 나타내는 그래프, 도 5의 (b)는 구동 전류와 내부 저항의 관계를 나타내는 그래프.
도 6은 내부 저항의 마이너스 구배 영역을 설명하는 그래프.
도 7은 변조 신호의 파형을 나타내는 도면.
도 8의 (a)는 본 실시예의 VCSEL의 구동 방법을 나타내고, 도 8의 (b)는 종래의 VCSEL의 구동 방법을 나타내는 도면.
도 9는 본 실시예와 종래의 VCSEL의 전류와 광 출력의 관계를 비교하는 도면.
도 10은 본 실시예의 광 전송 시스템을 적용한 휴대 전화기의 개략 구성을 나타내는 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10, 10A: 광 전송 모듈 20, 20A: 광 송신 장치
22: 광학계 30: 광 전송 매체
40: 광 수신 장치 50: VCSEL
60: 구동 회로 70: 포토 다이오드
80: 앰플리파이어 90A, 90B: 광 송수신 장치
100: I/F부 110: 구동부
120: 제어부 130: 전송 라인
130A: 본딩 와이어 130B: 배선 패턴
140: 회로 기판 300: 휴대 전화기
310: 본체부 320: 표시부
330A, 330B: 광 송수신 장치 340: 광파이버

Claims (18)

  1. 광을 발생하는 활성 영역, 당해 활성 영역을 사이에 끼우도록 배치된 공진기 구조, 및 활성 영역에 전력을 공급하는 구동 전극을 포함하고, 상기 구동 전극에 인가되는 전압과 전류에 의해 규정되는 내부 저항을 갖는 면 발광형 반도체 레이저의 구동 방법으로서,
    제 1 전류값과 당해 제 1 전류값보다도 큰 제 2 전류값에 의해 규정되는 전류값 진폭을 갖는 변조 신호를 상기 구동 전극으로 인가하는 스텝을 포함하고,
    상기 변조 신호는 상기 내부 저항이 전류 증가에 대하여 감소하는 마이너스 구배(勾配) 영역 내에 있는 면 발광형 반도체 레이저의 구동 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 저항은 인가되는 전압과 전류의 관계를 미분함으로써 규정되는 면 발광형 반도체 레이저의 구동 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제 1 전류값은 상기 내부 저항의 감소가 포화를 향하는 굴곡점보다도 작은 면 발광형 반도체 레이저의 구동 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    제 1 전류값은 면 발광형 반도체 레이저의 임계값 전류보다도 큰 면 발광형 반도체 레이저의 구동 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제 2 전류값은 상기 내부 저항의 굴곡점보다도 큰 면 발광형 반도체 레이저의 구동 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류값 진폭은 2㎃ 이하인 면 발광형 반도체 레이저의 구동 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 변조 신호의 주파수는 1㎓ 이상인 면 발광형 반도체 레이저의 구동 방법.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 변조 신호를 출력하는 구동 회로와 면 발광형 반도체 레이저의 구동 전극을 접속하는 전송로의 거리가 2㎜ 이하인 면 발광형 반도체 레이저의 구동 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    제 1 전류값에 대응하는 제 1 내부 저항은 상기 전송로의 저항보다도 높은 면 발광형 반도체 레이저의 구동 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 저항은 적어도 80Ω인 면 발광형 반도체 레이저의 구동 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    제 1 전류값에서의 내부 저항값과, 제 2 전류값에서의 내부 저항값의 차이가 20% 이상인 면 발광형 반도체 레이저의 구동 방법.
  12. 면 발광형 반도체 레이저 및 면 발광형 반도체 레이저를 구동하는 구동 회로를 구비하고, 면 발광형 반도체 레이저의 구동에 의해 광 신호를 송신하는 광 송신 장치와, 광 송신 장치로부터 송신된 광 신호를 전송하는 광 전송 매체와, 광 전송 매체에 의해 전송된 광 신호를 수신하는 광 수신 장치를 포함하는 광 전송 모듈로서,
    상기 면 발광형 반도체 레이저는 광을 발생하는 활성 영역, 당해 활성 영역을 사이에 끼우도록 배치된 공진기 구조, 및 활성 영역에 전력을 공급하는 구동 전극을 포함하고, 상기 구동 전극에 인가되는 전압과 전류에 의해 규정되는 내부 저항을 갖고 있고,
    상기 구동 회로는 제 1 전류값과 당해 제 1 전류값보다도 큰 제 2 전류값에 의해 규정되는 전류값 진폭을 갖는 변조 신호를 상기 구동 전극으로 인가하고, 상 기 변조 신호는 상기 내부 저항이 전류 증가에 대하여 감소하는 마이너스 구배 영역에 있는 광 전송 모듈.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 구동 회로는 적어도 1㎓의 변조 신호를 면 발광형 반도체 레이저로 공급하고, 변조 신호의 전류값 진폭은 2㎃ 이하인 광 전송 모듈.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 구동 회로와 면 발광형 반도체 레이저의 구동 전극을 접속하는 전송로의 거리는 2㎜ 이하이고, 상기 광 전송 매체는 약 30㎝ 이하인 광 전송 모듈.
  15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    면 발광형 반도체 레이저는 멀티 모드의 레이저 광을 출력하고, 상기 광 전송 매체가 멀티 모드의 광 전송 매체인 광 전송 모듈.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 내부 저항은 적어도 80Ω인 광 전송 모듈.
  17. 제 12 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 기재된 광 전송 모듈을 포함하는 휴대형 전자 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    휴대형 전자 단말은 본체부와, 본체부에 접속부를 통하여 접속된 표시부를 포함하고, 상기 본체부는 광 송신 장치를 포함하고, 상기 표시부는 광 수신 장치를 포함하며, 상기 광 전송 매체는 상기 접속부를 통과하는 휴대형 전자 장치.
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