KR20130128651A - 전계흡수형 변조기 레이저 - Google Patents

전계흡수형 변조기 레이저 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전계흡수형 변조기 레이저에 관한 것으로서, 제1 다중양자우물을 포함하고, 단일 파장의 광 신호를 출력하는 리지형 구조의 단일 파장 레이저; 제2 다중양자우물을 포함하고, 상기 단일 파장 레이저에서 출력되는 광 신호를 변조하는 리지형 구조의 전계흡수형 변조기; 및 상기 전계흡수형 변조기에 의해 변조된 광 신호의 모드의 크기를 변화시키는 리지형 구조의 모드 변환기를 포함하고, 상기 단일 파장 레이저와 상기 전계흡수형 변조기는 버트 결합되는 것을 특징으로 한다.

Description

전계흡수형 변조기 레이저{Electro-absorption Modulator Laser}
본 발명은 반도체 광소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모드 변환기를 구비하는 전계흡수형 변조기를 용이하게 제작할 수 있고, 전자-정공쌍이 전계흡수형 변조기를 거쳐 단일 파장 레이저를 교란시키는 것을 방지할 수 있는 전계흡수형 변조기 레이저에 관한 것이다.
반도체 레이저 및 광섬유의 발명은 인터넷을 가능하게 하였고, 소자 공정의 발전과 물질 성장/증착 기술의 발달로 인하여 여러 종류의 광소자들이 광통신 분야 및 여러 분야에서 이용되고 있으며, 이러한 기술 중에서 반도체 기반의 광소자는 핵심적인 역할을 하고 있다.
인터넷을 가능하게 한 소자들 중에서 핵심적인 역할을 하는 것은 반도체 레이저이다. 반도체 레이저는 가스 레이저 등에 비하여 크기가 매우 작고 효율이 매우 높은 특징을 가지고 있다. 통신에 많이 쓰이는 반도체 레이저의 파장은 광섬유의 분산이 적은 영역인 1.3 um 대역 및 손실이 적은 1.55 um 대역이다. 특히 1.55 um 대역은 손실이 매우 적기 때문에 장거리 전송이 가능한 장점을 가지고 있지만, 신호를 변조할 경우 광섬유의 분산에 기인한 신호의 왜곡이 심하다. 따라서, 이러한 분산에 의한 신호의 왜곡을 줄이고자 하는 많은 연구들이 진행되어 왔다.
가장 대표적인 예로서 단일 파장 레이저가 있다. 기존의 페브리-패롯 레이저는 단일 파장 레이저가 아니기 때문에, 변조된 신호를 전송할 경우 신호의 왜곡이 매우 심하다. 이러한 페브리-패롯 레이저에 회절격자를 함께 만들어주면 단일 파장 레이저를 만들 수 있다. DFB-LD(Distributed Feedback Bragg-Laser Diode) 및 DBR-LD(Distributed Bragg Reflector-Laser Diode) 등이 대표적인 예이다. 단일 파장 레이저를 만들면, 페브리-패롯 레이저보다 장거리로 전송할 수는 장점이 있다. 그러나 DFB는 전류를 주입하여 변조할 경우 첩(Chirp)이 발생하여 전송거리가 여전히 제한적이다.
한편, 광 변조기로 사용되는 대표적인 소자로서 EAM(Electro-apsorption Modulator)이 있다. EAM은 저전압 구동이 가능하고, 소자의 크기가 작으며, 입사하는 CW 신호의 편광에 상관없이 동작하는 특성을 가질 수 있다. 또한, EAM은 +Chirp과 -Chirp을 소자의 동작 조건에 따라 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다. 이러한 EAM의 특성을 이용하기 위해 CW 모드로 동작하는 DFB와 EAM을 단일 집적한 EML(Electro-absorption Modulator Laser)을 제작하기 위해 많은 연구들이 진행되어 왔다. 현재 40 Gbps 급까지 고속 동작이 가능한 EML이 보고되고 있으며, 10 Gbps 급의 경우 80 km까지도 전송 가능하다.
EML은 모드 변환기를 갖추게 되면 소자의 패키징시 광 정렬 손실이 작아져 큰 출력을 얻을 수 있고, 정렬 오차가 작아서 패키징시 높은 수율을 얻을 수 있다. EML에서 EAM은 빛을 흡수하거나 투과시켜 입사광을 변조시키는데, EAM이 빛을 흡수할 때 활성층 내에서 전자-정공쌍이 형성된다. 그러나, 이 전자-정공쌍은 인접하고 있는 DFB를 교란시켜서 소자의 변조성능에 나쁜 영향을 줄 수 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고출력의 전계흡수형 변조기를 제공하기 위해 모드 변환기를 구비한 전계흡수형 변조기 레이저를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 전자-정공쌍이 전계흡수형 변조기를 거쳐 단일 파장 레이저를 교란시키는 것을 방지할 수 있는 전계흡수형 변조기 레이저를 제공한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 본 발명에 따른 전계흡수형 변조기 레이저는, 제1 다중양자우물을 포함하고, 단일 파장의 광 신호를 출력하는 리지형 구조의 단일 파장 레이저; 제2 다중양자우물을 포함하고, 상기 단일 파장 레이저에서 출력되는 광 신호를 변조하는 리지형 구조의 전계흡수형 변조기; 및 상기 전계흡수형 변조기에 의해 변조된 광 신호의 모드의 크기를 변화시키는 리지형 구조의 모드 변환기를 포함하고, 상기 단일 파장 레이저와 상기 전계흡수형 변조기는 버트 결합되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 모드 변환기로서 전계흡수형 변조기의 다중양자우물을 이용하는 전계흡수형 변조기 레이저를 제공함으로써, 추가적인 수동도파로의 재성장 공정 또는 양자우물 혼합(QW-intermixing) 등을 사용하지 않고 모드 변환기가 구비된 전계흡수형 변조기를 제작할 수 있는 효과가 있다.
또한, 단일 파장 레이저와 전계흡수형 변조기 사이에 절연체 역할을 하는 이온 주입 영역을 포함하는 전계흡수형 변조기 레이저를 제공함으로써, 전자-정공쌍이 전계흡수형 변조기를 거쳐 단일 파장 레이저를 교란시키는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전계흡수형 변조기 레이저의 구조를 나타낸 사시도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전계흡수형 변조기 레이저의 구조를 나타낸 단면도,
도 3은 도 2의 각 영역에서의 양자우물 밴드 구조를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전계흡수형 변조기 레이저에서 이온 주입 영역의 역할을 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계흡수형 변조기 레이저의 구조를 나타낸 사시도,
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전계흡수형 변조기 레이저의 구조를 나타낸 단면도이다.
이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전계흡수형 변조기 레이저의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전계흡수형 변조기 레이저(Electro-absorption Modulator Laser, 이하, 'EML')는 단일 파장의 광 신호를 출력하는 단일 파장 레이저(Distributed Feedback Bragg, 이하, 'DFB')(100), DFB(100)에서 출력되는 광 신호를 변조하는 전계흡수형 변조기(Electro-apsorption Modulator, 이하, 'EAM')(200) 및 EAM(200)에 의해 변조된 광 신호의 모드의 크기를 변화시키는 모드 변환기(Spot-Size Converter, 이하, 'SSC')(300) 등을 포함한다.
DFB(100)는 InP로 이루어진 기판 상에 성장된 평판 도파로(Slab Waveguide)(340), 평판 도파로(340) 상부에 위치하는 InP층(120a), InP층(120a) 사이에 위치하는 격자층(Grating)(110), 격자층(110)이 삽입된 InP층(120a) 상부에 성장된 제1 다중양자우물(120) 및 제1 다중양자우물(120) 상부에 위치하는 리지 도파로(330)를 포함한다. 또한, DFB(100)는 리지 도파로(330) 상부에 위치하는 제1 P형 전극(130), 제1 폴리이미드(140)로 평탄화된 면 위에 제1 P형 전극(130)의 측면에 형성되는 제1 P형 전극 패드(130a) 및 전체 소자의 하부에 위치하는 N형 전극(350)을 포함한다.
제1 다중양자우물(120)은 밴드갭이 1.55 um 부근으로 이득물질 역할을 한다.
격자층(110)은 단일 파장을 제공하는 역할을 하며, 1.55 um의 단파장을 제공할 수 있다. 여기서, 격자층(110)은 InGaAs를 사용한 Loss-coupled Grating 혹은 에너지 갭이 1.24 um인 Index-coupled Grating 등이 될 수 있다.
따라서, DFB(100)는 제1 P형 전극(130) 및 N형 전극(350)에 순방향 전압을 가할 때, 단일 파장을 제공하는 광원으로 사용된다.
또한, DFB(100)는 후방부로 나가는 빛을 전방부로 반사시켜 출력광의 세기를 증가시킬 수 있는 HR 코팅층(410)을 더 포함할 수 있다.
EAM(200)은 제2 다중양자우물(310), 제2 다중양자우물(310) 상부에 위치하는 리지 도파로(330), 리지 도파로(330) 상부에 위치하는 제2 P형 전극(360), 제2 폴리이미드(210)로 평탄화된 면 위에 제2 P형 전극(360)의 측면에 형성되는 제2 P형 전극 패드(360a)를 포함한다.
제2 다중양자우물(310)은 밴드갭이 1.45 um이다.
따라서, 제2 P형 전극 패드(360a)와 N형 전극(350) 사이에 전압을 인가하지 않은 경우, 1.55 um의 파장의 빛은 손실없이 진행하게 되고, 제2 P형 전극 패드(360a)와 N형 전극(350) 사이에 역방향전압을 인가하는 경우, 1.55 um의 파장의 빛은 흡수된다. 이와 더불어, 제2 P형 전극 패드(360a)와 N형 전극(350) 사이에 인가되는 역방향전압을 변조하면 1.55 um의 파장의 빛이 변조되어 신호를 생성할 수 있다.
또한, EAM(200)의 제2 다중양자우물(310)은 DFB(100)의 제1 다중양자우물(120)과 버트 결합을 이용하여 결합되어 버트 결합 계면(150)을 형성하게 된다.
SSC(300)는 제2 다중양자우물(310)로부터 연장되어 폭이 점차로 감소하는 테이퍼(Taper)(320) 및 테이퍼(320)를 덮고 있는 리지 도파로(330)로 구성된다. 여기서, 리지 도파로(330)는 p-InP로 구성될 수 있다. 이에 따라, 빛은 테이퍼(320)를 따라 진행하면서 모드의 크기가 점차로 증가하고, 하부에 위치하는 평판 도파로(340)로 전이되면서 모드의 크기가 증가한다. 따라서, SSC(300)는 패키징시 손실을 작게 하고 수율을 높일 수 있다.
또한, SSC(300)의 광출력면에는 AR 코팅층(420)이 형성되어 있어 출력광을 높일 수 있다. AR 코팅층(420)은 DFB(100)로 반사되는 빛의 양을 감소시켜 DFB(100)가 교란되는 것을 방지하여 EML로 하여금 안정적인 동작이 가능하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전계흡수형 변조기 레이저의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 EML은 N형 전극(350) 상부에 InP층(120a)이 위치하고, InP층(120a) 사이에 평판 도파로(340)가 위치한다. 또한, DFB 영역(21)에 격자층(110)이 위치하고, 격자층(110) 상부에 제1 다중양자우물(120)이 위치한다.
또한, EAM-a 영역(22, 24)과 EAM 영역(23)은 버트 결합 계면(150)을 경계로 제1 다중양자우물(120)과 연결된다. 제1 EAM-a 영역(22)은 제1 P형 전극(130)과 제2 P형 전극(360) 사이 및 EAM 영역(23)과 제2 EAM-a 영역(24) 사이에 위치하며, 이온 주입 영역(160)을 포함한다. 여기서, 이온 주입 영역(160)은 제1 P형 전극(130)과 제2 P형 전극(360)을 전기적으로 절연시키는 역할을 한다.
도 3은 도 2의 각 영역에서의 양자우물 밴드 구조를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, (a)는 순방향 전압이 걸린 DFB 영역(21)의 양자우물 밴드 구조를 나타내고, (b)는 절연되어 전압이 걸리지 않는 EAM-a 영역(22, 24)과 EAM 영역(23)의 양자우물 밴드 구조를 나타내며, (c)는 역방향 전압이 걸린 EAM 영역(23)의 양자우물 밴드 구조를 나타낸다.
각 영역의 밴드갭은 Eg , EAM ,V<0 < Eg , DFB < Eg , EAM -a,V=0이므로, DFB 영역(21)에서 발생된 빛은 Eg , DFB의 에너지를 가져 제2 EAM-a 영역(24)에서는 흡수되지 않지만 EAM 영역(23)에서는 흡수된다. 이때, DFB 영역(21), EAM 영역(23) 및 제2 EAM-a 영역(24)은 전기적으로 절연되어야 한다. 따라서, 제2 다중양자우물(310)은 한 번의 버트 결합을 통해 흡수층 물질 및 흡수가 일어나지 않는 SSC 코어 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전계흡수형 변조기 레이저에서 이온 주입 영역의 역할을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, DFB 영역(41)에서 진행하는 빛은 EAM-a 영역(42) 및 제1 EAM-b 영역(43)에서는 흡수되지 않고, 역방향 전압이 걸린 제2 EAM-b 영역(44)에서 흡수된다. 이때, 제2 EAM-b 영역(44)에 전자-정공들이 생성되는데, 이온 주입 영역(160)이 절연체 역할을 하므로, 생성된 전자-정공들이 DFB 영역(41)을 교란시키지 않고 제2 EAM-b 영역(44)에 광전류가 흐르게 된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계흡수형 변조기 레이저의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 EML의 기본적인 구조는 도 1의 EML과 유사하나, 도 1의 SSC(300) 및 평판 도파로(340)가 존재하지 않는다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 EML은 딥 리지형 EAM(500)을 포함한다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전계흡수형 변조기 레이저의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 EML의 기본적인 구조는 도 1의 EML과 유사하나, 테이퍼(320)의 구조가 도 4와 같은 딥 리지형 EAM 구조로 이루어진다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 EML은 테이퍼(320) 내에서 빛이 강하게 속박되므로 큰 각도를 주어도 빛의 벤딩 손실(Bending Loss)이 매우 적어 각도를 주기에 용이하고, 출력면의 수직 방향에 대해 θ만큼 기울어져 있어 출력면에서 반사되는 빛이 DFB(100)로 반사되는 것을 더욱 줄일 수 있다. 이를 위해, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 EML은 SSC를 형성하기 위해서 평판 도파로를 더 포함하여야 한다.
본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 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.
100: DFB 110: 격자층
120: 제1 다중양자우물 120a: InP층
130: 제1 P형 전극 130a: 제1 P형 전극 패드
140: 제1 폴리이미드 150: 버트 결합 계면
160: 이온 주입 영역 200: EAM
210: 제2 폴리이미드 300: SSC
310: 제2 다중양자우물 320: 테이퍼
330: 리지 도파로 340: 평판 도파로
350: N형 전극 360: 제2 P형 전극
360a: 제2 P형 전극 패드 410: HR 코팅층
420: AR 코팅층

Claims (4)

  1. 제1 다중양자우물을 포함하고, 단일 파장의 광 신호를 출력하는 리지형 구조의 단일 파장 레이저;
    제2 다중양자우물을 포함하고, 상기 단일 파장 레이저에서 출력되는 광 신호를 변조하는 리지형 구조의 전계흡수형 변조기; 및
    상기 전계흡수형 변조기에 의해 변조된 광 신호의 모드의 크기를 변화시키는 리지형 구조의 모드 변환기;
    를 포함하고,
    상기 단일 파장 레이저와 상기 전계흡수형 변조기는 버트 결합되는 것을 특징으로 하는 전계흡수형 변조기 레이저.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단일 파장 레이저와 상기 전계흡수형 변조기는 이온 주입을 통해 전기적으로 절연되는 것을 특징으로 하는 전계흡수형 변조기 레이저.
  3. 제1항에 있어서, 상기 모드 변환기는,
    상기 제2 다중양자우물로부터 연장되어 폭이 점차로 감소하는 테이퍼(Taper); 및
    상기 테이퍼를 덮고 있는 리지 도파로;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계흡수형 변조기 레이저.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 테이퍼는 딥 리지형 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계흡수형 변조기 레이저.
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