KR20130071749A - 광모드 크기 변환기가 단일 집적된 분포 궤한형 레이저 다이오드 및 제작 방법 - Google Patents

광모드 크기 변환기가 단일 집적된 분포 궤한형 레이저 다이오드 및 제작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초고속 직접 변조를 하는 DFB-LD(distributed feedback-laser diode; 분포 궤한형 레이저 다이오드) 출력단에 SSC(spot size converter)를 부착하여 광 출력 및 광 섬유와의 결합 효율을 높이는 광모드 크기 변환기가 단일 집적된 분포 궤한형 레이저 다이오드 및 제작 방법에 관한 것으로, 상기 제작 방법은, 기판, InGaAsP 격자층, n-InP 스페이스(space) 층, 활성층, P-InP 상부 클래드 층, 에칭 정지층, p-InP 캡 층을 성장시키는 활성층 형성 단계; 상기 활성층 형성단계에서 형성된 활성층의 일부 영역을 에칭하여 버트층을 형성하는 버트층 형성 단계; 상기 버트층 위에 테이퍼 영역을 형성하는 테이퍼 영역 형성 단계; 상기 테이퍼 영역 아래에 수동 도파로층을 딥 릿지 도파로 형태로 식각하는 딥 릿지 도파로 형성 단계; 상기 형성된 구조물 위에 p 클래드 층, 오믹층을 차례로 성장하는 단계; 상기 오믹층 상에 상기 테이퍼 영역에 매몰된 릿지 형태의 도파로를 형성하는 매몰된 릿지 도파로 형성 단계; 및 상기 릿지 도파로 외의 영역에 폴리이미드 또는 폴리머 BCB를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

광모드 크기 변환기가 단일 집적된 분포 궤한형 레이저 다이오드 및 제작 방법{Distributed feedback- laser diode integrated with spot size converter and method of manufacturing the same}
본 발명은 광모드 크기 변환기가 단일 집적된 분포 궤한형 레이저 다이오드 및 제작 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초고속 직접 변조를 하는 RWG(ridge waveguide)형 DFB-LD(distributed feedback-laser diode; 분포 궤한형 레이저 다이오드) 출력단에 SSC(spot size converter)를 부착하여 광 출력 및 광 섬유와의 결합 효율을 높인, 광모드 크기 변환기가 단일 집적된 분포 궤한형 레이저 다이오드 및 제작 방법에 관한 것이다.
경제적인 파장 분할 다중화(Wavelength Division Multiplexing, WDM) 시스템을 구현하기 위해서는 안정적이고 가격 효율적인 광원의 개발이 필수적이다. 저가격의 광원을 얻기 위해 분포궤환형 레이저 다이오드(distributed feedback laser diode, DFB-LD)의 초고속 동작에 대한 연구가 진행되고 있다.
DFB-LD 및 상기 DFB-LD와 단일 집적된 소자는 크기가 작고, 안정된 동작특성과 함께 높은 내구성, 높은 광 출력 덕분에 그동안 광통신 광원의 대표적인 소자로 자리매김해 왔다.
단일 모드 레이저의 높은 안정성은 필수 성능이며, 이 성능을 만족시키기 위해 다양한 형태의 개발이 이루어져 오고 있다.
이러한 특징을 갖는 DFB-LD가 10G bps 이상으로 동작하기 위해서는 레이저 다이오드의 기생용량을 줄여야 한다. 기생용량을 줄이는 방법으로 레이저 다이오드의 전류 차단층을 pnpn 구조를 사용하지 않고 Fe 도핑된 InP 전류 차단층을 사용하여 기생용량을 줄이는 방법이 있다. semi-insulating(SI) 기판을 사용하는 구조, 그리고 가장 간단한 방법으로 RWG(ridge waveguide) 구조 외각에 폴리이미드를 채워 기생용량을 줄이는 방법 등 다양한 방법이 보고되어 있다.
이러한 특성을 가질 수 있는 도 3에 나타낸 것과 같이 폴리이미드를 사용한 RWG 구조가 가장 낮은 기생용량 특성을 가진다. 또한 현재 폴리이미드보다 낮은 기생용량을 가지는 폴리머 BCB(Benzocyclobutene)를 이용하는 경우도 있다. 따라서, 이러한 물질을 이용하여 기생용량을 줄인 DFB-LD를 제작하여야 한다.
DFB-LD가 10G bps이상으로 동작하기 위해서는 활성층 길이가 최소한의 길이를 가져야 한다. 그런데, 활성층 길이가 200㎛ 이하일 경우 DFB-LD의 스크라이빙(scribing)이 어려운 경우가 발생할 수 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 활성층에 도파로층을 집적하여 광 소자의 길이를 길게 하여 공정의 어려움을 줄일 수 있다.
본 발명은 10G bps이상의 동작이 가능하고 제작이 간단한 SSC가 단일 집적된 DFB-LD의 구조 및 제작 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
이를 위하여, 본 발명의 제1 측면에 따르면, 본 발명에 따른 광모드 크기 변환기가 단일 집적된 분포 궤한형 레이저 다이오드 제작 방법은, 기판, InGaAsP 격자층, n-InP 스페이스(space) 층, 활성층, P-InP 상부 클래드 층, 에칭 정지층, p-InP 캡 층을 성장시키는 활성층 형성 단계; 상기 활성층 형성단계에서 형성된 활성층의 일부 영역을 에칭하여 버트층을 형성하는 버트층 형성 단계; 상기 버트층 위에 테이퍼 영역을 형성하는 테이퍼 영역 형성 단계; 상기 테이퍼 영역 아래에 수동 도파로층을 딥 릿지 도파로 형태로 식각하는 딥 릿지 도파로 형성 단계; 상기 형성된 구조물 위에 p 클래드 층, 오믹층을 차례로 성장하는 단계; 상기 오믹층 상에 상기 테이퍼 영역에 매몰된 릿지 형태의 도파로를 형성하는 매몰된 릿지 도파로 형성 단계; 및 상기 릿지 도파로 외의 영역에 폴리이미드 또는 폴리머 BCB를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, SSC를 집적하여 광섬유와의 결합 효율이 높고, 고출력으로 동작하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 수동 도파로에 경사를 주어 출사면에서 반사를 줄이는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, RWG-LD에 이중 도파로 형태의 SSC를 단일 집적하여 거의 원형에 가까운 FFP(far field pattern)를 얻을 수 있다는 효과가 있다.
도 1는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 SSC가 집적된 리버스 메사형 DFB-LD(Distributed FeedBack Laser Diode)의 계략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 SSC가 집적된 버티컬 메사형 DFB-LD의 계략도이다.
도 3는 반도체 레이저의 전류 차단층 종류에 따른 기생 용량을 나타내는 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 도 1의 RWG형태의 DFB-LD의 제작 공정을 나타낸다.
도 5은 도 1의 변형예인 직선 도파로 형태의 DFB-LD의 구조를 나타낸다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의한 수동 도파로를 가지는 DFB-LD의 구조를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의한 수동 도파로가 직선으로 형성된 DFB-LD의 구조를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 동일한 구성요소에 대해서는 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호로 표시하며, 공지된 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 구체적인 설명은 생략하기로 함에 유의한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한, 최적화된 리버스 메사(reverse mesa)형 DFB-LD(Distributed FeedBack Laser Diode)의 계략도이며, 도 1의 (a)는 DFB-LD의 전체 계략도이고, 도 1의 (b)는 활성층 영역의 단면 계략도이며, 도 1의 (c)는 도파로 영역의 계략도이다.
도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 DFB-LD의 활성층(4)은 리버스 메사형으로 되어 있고, 도파로 영역은 일반적인 RWG(ridge waveguide)형으로 형성한다. 또한 RWG 외부 영역은 기생용량을 줄이기 위해 폴리이미드층 또는 폴리머 BCB층(14)으로 형성한다.
도 1의 (c)에 도시된 바와 같이, 그리고 광섬유와의 결합 효율을 높이기 위한 SSC를 단일 집적한 형태이며, SSC 구조는 BD-RWG(buried deep ridge waveguide) 형태이며, 수동 도파로(11)의 폭은 2~7㎜로 하였다. 또한 RWG의 폭은 11㎜로 하였다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 RWG-SLD(ridge waveguide-Super-Luminescence Diode) 개략도이다.
도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 RWG-SLD은 버티컬 메사(vertical mesa)형 구조로 되어 있으며, 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, SSC 부분은 도 1의 구조와 같은 BD-RWG(buried deep ridge waveguide) 형태이며, 수동 도파로의 폭은 2~7㎜로 하였다. 또한 RWG의 폭은 11㎜로 하였다.
도 4a 및 도 4b는 도 1의 RWG형 DFB-LD의 제작 공정을 간략하게 설명하는 도면이다. 도 4a 및 도 4b를 참조하여 도 1의 구조를 갖는 RWG형 DFB-LD의 제작 공정을 설명한다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, SSC가 집적된 RWG형 DFB-LD는 활성층 영역에 격자(2)를 제작하고 테이퍼(10) 하부에서 수동 도파로(11)의 역할을 하도록 형성한다.
도 4a의 (a)는 n-InP 기판(1) 상에 격자(2) 제작을 위한 에피 성장 과정을 설명하는 도이다. N-InP 기판위(1)에 n-InP 버퍼 층을 약 0.5~1mm 정도 성장하고 InGaAsP 격자(2)를 20~40nm 두께로 성장하고, InP 캡(cap) 층(2-1)을 20nm 성장한다.
도 4a의 (b)는 (a)단계 이후 홀로그래픽 리소그래피 시스템과, 전자빔 리소그래피 시스템을 이용하여 브래그 격자(Bragg grating)(2)를 형성한다.
도 4a의 (c)는 (b)에서 제작된 격자(2) 위에 InP 스페이스(space) 층(3), 활성층(4), InP 상부 클래드층(5), 에칭 정지층(6), 및 p-InP 캡 층(7)을 순서대로 성장하는 과정을 나타낸다.
도 4a의 (d)는 활성층 일부 영역을 에칭하여 버트(butt) 영역(8)을 형성하고, 버트층(8) 및 InP 캡층(9)을 재성장한다. 버트층(8)의 두께는 활성층(4)의 두께와 비슷하게 성장한다. 버트층(8) 및 InP 캡층(9)을 재성장된 웨이퍼에 도 4a의 (e)와 같이 테이퍼(10)를 형성한다.
테이퍼(10)를 형성한 후, 도 4a의 (f)와 같이, 테이퍼(10) 아래에 있는 수동 도파로 층을 딥 릿지 도파로(deep ridge waveguide)(11, 2)형태로 식각한다. 딥 릿지 도파로의 폭은 2~7mm로 하였다. 이후 p-InP 클래드 층(12) 및 p+-InGaAs 오믹층(13)을 각각 1.7~3mm 및 0.1~0.3mm 두께로 성장한다.
이후 도 4b의 (g)와 같이 버티컬 메사 형의 RWG를 제작한다. 활성층 영역(31)은 폭이 일정한 RWG를 형성하는 반면, 도파로 영역(32)은 테이퍼링된 RWG 형태로 제작한다.
도 4b의 (h)는 도 4b의 (g)와 같이 RWG를 형성한 후 활성층 영역(31)만 리버스 메사 형태로 제작한다. 리버스 메사 구조는 버티컬 메사 구조 보다 반도체 레이저의 접속 저항을 줄일 수 있으므로 더 바람직하다.
또한 테이터링된 수동 도파로 영역(32)의 RWG 구조는 출력 빔의 크기를 크게 할 수 있을 뿐만 아니라, 광 출력을 높일 수 있는 구조이다. 경사진 도파로 영역(10)은 실리카 도파로나 광섬유 등과의 결합 효율을 높이기 위해 매몰된 릿지 도파로(buried ridge waveguide; B-RWG)(32)를 형성한다. 이 때 경사도는 약 5도~15도이다.
릿지 도파로는 간단한 포토 작업 및 선택 식각 작업으로 형성하고, 릿지 도파로의 폭은 11mm로 한다.
도 4b의 (i)는 RWG 외각에 폴리이미드나 폴리머 BCB를 형성시키는 공정을 나타낸다. 폴리이미드나 폴리머 BCB를 형성함으로써 기생용량을 줄일 수 있다.
도 4b의 (j)는 활성층에 전극(16, 17)을 형성시키는 공정을 나타내고, 광출력면에는 무반사 코팅(19)을 반대편 면에는 고반사 코팅(18)을 하는 공정을 나타낸다.
도 5는 도 1의 변형예인 직선 도파로 형태의 DFB-LD의 구조도이다. 도 4의 도파로는 출력면에서 반사도를 줄이기 위해 경사진 구조를 형성한 반면, 도 5의 도파로는 직선으로 형성한 구조이다. 또한, 도 4는 활성층을 테이퍼진 영역인 반면, 도 5는 직선 도파로 형태로 형성한 구조이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중 도파로를 가지는 DFB-LD의 구조도이다. 도 6a 및 도 6b는 도 4a 및 도 4b의 구조와 달리 수동 도파로 층을 하나 더 성장한 DFB-LD의 제작 과정을 나타낸다. 도 6a 및 도 6b는 도 4a 및 도 4b의 구조와 달리 격자는 활성층 영역(6)에서만 제작하며, 광의 결합 효율을 높이기 위해 수동 도파로 층(2)을 추가한다.
도 6a의 (a)는 격자(104) 제작을 위한 구조도이다.
N-InP 기판위(101)에 n-InP 버퍼 층을 약 0.5~1mm 정도 성장하고 InGaAsP 수동 도파로 층(102)을 100~200nm 성장하고 상부 클래드 층(103)을 100~1000nm 정도 성장하고 격자층(104)을 20~40nm 두께로 성장하고, InP 캡 층(105-1)을 20nm 성장한다.
도 6a의 (b)는 도 6의 (a)에 성장된 에피층에 홀로그래픽 리소그래피 시스템과, 전자빔 리소그래피 시스템을 이용하여 브래그 격자(Bragg grating)(104)를 형성한다. 격자는 활성층이 형성되는 영역에만 제작하고, 활성층 영역 외부의 격자층은 제거한다.
도 6a의 (c)는 도 6a의 (b)에서 제작된 브래그 격자층(104) 위에 InP 스페이스층(105), 활성층(106), InP 상부 클래드층(107), 에칭 정지층(108), 및 p-InP 캡 층(109)을 순서대로 성장한다.
도 6a의 (d)는 활성층 일부 영역을 에칭하여 버트 영역을 형성하고, 버트층(110) 및 InP 캡층(111)을 재성장한다. 버트층(110)의 두께는 활성층(106)의 두께와 비슷하게 성장한다. 버트층(110) 및 InP 캡층(111) 재성장 후, 웨이퍼에 도 6a의 (e)와 같이 테이퍼(112)를 형성한다. 테이퍼(112)를 형성한 후 도 6a의 (f)와 같이 테이퍼(108) 아래에 있는 수동 도파로 층을 딥 릿지 도파로(13, 2)형태로 식각한다. 딥 릿지 도파로의 폭은 2~7mm로 하였다. 이후 p-InP 클래드 층(14) 및 p+-InGaAs 오믹층(15)을 각각 1.7~3mm 및 0.1~0.3mm 두께로 성장한다.
이후 도 6a의 (g)와 같이 버티컬 메사 형의 릿지 도파로(RWG)를 제작하였다. 활성층 영역은 31과 같이 일정한 폭을 가지는 RWG를 형성하나, 테이퍼 영역은 32와 같이 테이퍼링된 RWG를 형태로 제작한다.
도 6b의 (h)은 도 6b의 (g)와 같이 RWG를 형성한 후 활성층 영역(31)만 리버스 메사 형태로 제작한다. 리버스 메사 구조는 버티컬 메사 구조 보다 반도체 레이저의 접속 저항을 줄일 수 있으므로 더 바람직하다.
또한 테이퍼링된 RWG(32) 구조는 출력 빔의 크기를 크게 할 수 있을 뿐만 아니라, 광 출력을 높일 수 있는 구조이다. 테이퍼진 도파로 영역(10)은 실리카 도파로나 광섬유 등과의 결합 효율을 높이기 위해 매몰된 릿지 도파로(B-RWG)(32)를 형성하였다. 릿지 도파로의 폭은 간단한 포토 작업 및 선택 식각 작업으로 형성하고, 릿지 폭은 11mm로 한다.
도 6b의 (i)는 RWG 외각에 폴리이미드나 폴리머 BCB를 형성시키는 공정을 나타낸다. 폴리이미드나 폴리머 BCB를 형성함으로써 기생용량을 줄일 수 있다.
도 6b의 (j)는 활성층에 전극(117, 118)을 형성시키는 공정을 나타내고, 광출력면에는 무반사 코팅(120)을 반대편 면에는 저반사 코팅(119)을 하는 공정을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의한 수동 도파로가 직선으로 단일집적된 DFB-LD의 구조도이다. 도 7의 DFB-LD의 구조는 도 6a 및 도 6b의 구조와 유사하나, 도파로가 직선형태로 제작된 구조도이고, 도 6a 및 도 6b는 출력면에서 반사도를 줄이기 위해 도파로가 경사진 구조이나, 도 7은 직선으로 형성된 구조도이다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
1, 101 : n-InP 기판 2, 104: 격자층 (InGaAsP)
3, 105 : n-InP 스페이스(space) 층
4, 106 : 활성층 5, 107 : P-InP 상부 클래드 층
6, 108 : 에칭 정지층 (InGaAsP) 7, 109 : p-InP 캡 층
8, 10, 112 : 테이퍼 층
8, 110 : 버트 커플링(butt coupling)층 (InGaAsP )
9 : InP 클래드 층
11, 113 : 선택 식각된 수동 도파로(InGaAsP : 2)
12, 114 : P-InP 클래드 층 13, 115 : p+-InGaAs 오믹 층
14, 116 : 폴리이미드 층 15 : SiNx 층
16, 117 : P 형 전극 17, 118 : n형 전극
18, 119 : 저반사 코팅 면 19, 120 : 무반사 코팅 면
31, 131 : 활성층의 RWG 구조
32, 132 : 수동 도파로 영역의 RWG 구조
102 : 수동 도파로(InGaAsP) 103 : n-InP 하부 클래드 층
111 : InP 캡 층

Claims (1)

  1. 기판, InGaAsP 격자층, n-InP 스페이스(space) 층, 활성층, P-InP 상부 클래드 층, 에칭 정지층, p-InP 캡 층을 성장시키는 활성층 형성 단계;
    상기 활성층 형성단계에서 형성된 활성층의 일부 영역을 에칭하여 버트층을 형성하는 버트층 형성 단계;
    상기 버트층 위에 테이퍼 영역을 형성하는 테이퍼 영역 형성 단계;
    상기 테이퍼 영역 아래에 수동 도파로층을 딥 릿지 도파로 형태로 식각하는 딥 릿지 도파로 형성 단계;
    상기 형성된 구조물 위에 p 클래드 층, 오믹층을 차례로 성장하는 단계;
    상기 오믹층 상에 상기 테이퍼 영역에 매몰된 릿지 형태의 도파로를 형성하는 매몰된 릿지 도파로 형성 단계; 및
    상기 릿지 도파로 외의 영역에 폴리이미드 또는 폴리머 BCB를 형성하는 단계
    를 포함하는 광모드 크기 변환기가 단일 집적된 분포 궤한형 레이저 다이오드 제작 방법.

KR1020110139143A 2011-12-21 2011-12-21 광모드 크기 변환기가 단일 집적된 분포 궤한형 레이저 다이오드 및 제작 방법 KR20130071749A (ko)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9711939B2 (en) 2015-12-16 2017-07-18 Electronics And Telecommunications Research Institute Semiconductor optical device
JP2018074098A (ja) * 2016-11-04 2018-05-10 日本電信電話株式会社 半導体光集積回路
US11626529B2 (en) 2020-09-28 2023-04-11 Samsung Electronics Co., Ltd. Light detecting device and method of manufacturing same

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