KR20130132064A - 수직 면발광 레이저다이오드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수직 면발광 레이저다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 출력단자를 하나 이상 구비한 스템; 상기 스템 상부에 형성되는 열전소자; 상기 열전소자 상부에 형성되고, 수직방향으로 레이저를 출력하는 수직 면발광 레이저(VCSEL); 상기 열전소자 상부에 형성되어 상기 수직 면발광 레이저에서 발생된 열을 측정하는 서미스터; 상기 스템 상부에 형성되고, 상기 열전소자, 수직 면발광 레이저 및 서미스터 외부를 감싸는 캡; 상기 캡 상부에 형성되어 상기 VCSEL에서 출력된 레이저를 집광하는 렌즈 및, 상기 렌즈 외부에 형성되는 광 소켓;을 포함하여 구성되고, 상기 VCSEL은 싱글 모드 장파장 수직 면발광 레이저로, 1250~1630nm의 레이저를 출력하며, 주입전류 변조를 통해 출력 파장이 가변되는 것을 특징으로 하는 수직 면발광 레이저다이오드에 관한 것이다.

Description

수직 면발광 레이저다이오드{VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER DIODE}
본 발명은 수직 면발광 레이저(VCSEL; Vertical-cavity surface-emitting laser)를 이용하는 레이저 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 장파장 레이저를 수직방향으로 발광하는 수직 면발광 레이저 다이오드에 관한 것이다.
단파장대 VCSEL이 상용화된 이후로, 합리적인 성능을 가진 장파장 VCSEL에 개발에 대한 도전이 있었으나, VCSEL 개발에 있어서 레이저에 의한 가열은 장파장 VCSEL 개발을 어렵게 하는 요인이었다.
또한, 장파장 VCSEL 구현에 있어서, 좋지 않은 열전도성과, 장파장 DBR의 두께 증가, 그리고 한계 전류의 열적 의존성 증가와 같은 물리적 이유는 장파장 VCSEL이 나쁜 열적 작용을 수행하게 하는 단점이 있었다.
본 발명은 상기 기술한 단점을 보완하기 위하여 나쁜 열적 작용이 없는 장파장 VCSEL를 포함하는 수직 면발광 레이저다이오드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 주입전류를 변조함으로써 파장 가변이 가능하며, WDM-PON에 사용 가능한 수직 면발광 레이저다이오드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 종래 문제점을 해결하고 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수직 면발광 레이저다이오드는,
출력단자를 하나 이상 구비한 스템; 상기 스템 상부에 형성되는 열전소자; 상기 열전소자 상부에 형성되고, 수직방향으로 레이저를 출력하는 수직 면발광 레이저(VCSEL); 상기 열전소자 상부에 형성되어 상기 수직 면발광 레이저에서 발생된 열을 측정하는 서미스터; 상기 스템 상부에 형성되고, 상기 열전소자, 수직 면발광 레이저 및 서미스터 외부를 감싸는 캡; 상기 캡 상부에 형성되어 상기 VCSEL에서 출력된 레이저를 집광하는 렌즈; 및, 상기 렌즈 외부에 형성되는 광 소켓;을 포함하여 구성되고, 상기 VCSEL은 싱글 모드 장파장 수직 면발광 레이저로, 1250~1630nm의 레이저를 출력하며, 주입전류 변조를 통해 출력 파장이 가변되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 열전소자는 상기 VCSEL에서 발생한 열을 방열함으로써 온도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 수직 면발광 레이저다이오드를 구성하는 상기 VCSEL은 방열판 층; 상기 방열판 층 상부에 형성되는 n+-층; 상기 n+-층 상부에 형성되는 p-층; 상기 p-층 상부에 형성되는 활성층; 및, 상기 활성층 상부에 형성되는 DBR층;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 방열판 층은 금속/유전체 복합 거울층을 더 포함하여 구성함으로써 상기 활성층에서 발생한 열이 냉각되는 것을 특징으로 하고, 상기 n+-층은 Buried Tunnel Junction(BTJ)층을 더 포함하여 구성하고, BTJ층은 p-에서 n+-으로 전환된 제한층인 것을 특징으로 하며, 상기 BTJ층은 20~50Ω의 초저 줄열 가열을 발생하는 전기적 연속 저항인 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명의 수직 면발광 레이저다이오드는 WDM-PON에 적용 가능하며, 주입전류를 변조시켜 파장을 가변할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 수직 면발광 레이저다이오드는 온도제어모듈을 사용함으로써 레이저 다이오드 모듈이 열(heat)의 영향에 있어서 안정적으로 동작할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단면도,
도 2는 본 발명을 구성하는 VCSEL의 구조를 나타낸 단면도,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 출력파장의 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단면도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명 수직 면발광 레이저다이오드는 스템(10)과, 열전소자(200)와, 수직 면발광 레이저(VCSEL; 100)와, 서미스터(20)와, 캡(31)과, 렌즈(30)와, 광 소켓(40)을 포함하여 구성된다.
스템(10)에는 출력단자(11)가 하나 이상 구비되어 있다. 스템(10) 상부에는 열전소자(200)가 형성된다. 열전소자(Thermo Electric Cooler; TEC, 200)는 온도제어모듈로, 수직 면발광 레이저다이오드에서 발생하는 열을 제어하는 역할을 한다.
열전소자(200) 상부에는 수직 면발광 레이저(VCSEL; 100)이 구비되고, VCSEL(100)은 수직방향으로 레이저를 출력한다. 본 발명의 바람직한 실시 예에서의 VCSEL(100)은 장파장 레이저를 출력하는 레이저이며, 싱글 모드 BTJ-VCSEL이다. VCSEL(100)에 대한 설명은 이하에서 도 2를 참조하여 보다 상세히 설명하도록 한다.
이 때, VCSEL(100)에서 레이저를 출력하면서 발생한 열이 열전소자(200)에 전달되어 방열 처리 된다. 그리고, 열전소자(200) 상부에 서미스터(Thermistor; 20)가 구비되고, 서미스터(20)는 VCSEL(100)에서 발생된 열을 측정한다.
캡(31)은 스템(10) 상부에 형성되고, 열전소자(200), VCSEL(100) 및 서미스터(20) 외부를 감싸도록 구성된다. 그리고, 캡(31) 상부에 렌즈(30)가 형성된다. 렌즈(30)는 VCSEL(100)에서 출력된 레이저를 집광하고, 본 발명 수직 면발광 레이저다이오드를 광커넥터와 연결했을 때, 렌즈(30)에 의해 집광된 레이저가 광섬유 끝단에 포커싱(focusing)을 맞추게 된다.
또한, 광 소켓(40)이 렌즈(30) 외부에 형성되며, 광 소켓(40)은 광커넥터의 페룰(Ferrule)이 삽입되어 광섬유에 빛을 입력할 수 있도록 하는 역할을 한다.
본 발명의 수직 면발광 레이저다이오드를 구성하는 VCSEL(100)은 싱글 모드 장파장 수직 면발광 레이저로, 도 2와 같은 층으로 구성되는 구조를 갖는다.
도 2는 본 발명을 구성하는 VCSEL의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, VCSEL(10)은 맨 밑에서부터 방열판 층(300), n+-층(310), p-층(320), 활성층(330) 및 DBR층(340)으로 구성된다.
여기서, 방열판 층(300)은 금속/유전체 복합 거울층(301)을 더 포함하여 구성되며, 금속/유전체 복합 거울층(301)은 활성층(330)에서 발생한 열을 열전도율이 좋은 금속(금을 이용한 도금)을 통해 효과적으로 냉각시킨다.
방열판 층(300) 상부에 형성되는 n+-층(310)은 Buried Tunnel Junction(BTJ)층(311)을 더 포함하여 구성한다. 이 때, BTJ층(311)은 p-에서 n+-으로 전환된 제한층이며, 20~50Ω의 초저 줄열 가열을 발생하는 전기적 연속 저항이므로, VCSEL(10)의 장파장 레이저 출력을 더욱 안정적으로 구동한다.
BTJ 층(311)은 InaGa1-aAsbP1-b로 구성되며, a, b의 비율에 따라 VCSEL(100)에서 출력되는 레이저의 파장이 결정된다. 본 발명의 바람직한 BTJ 층(311)의 비율은 In0.8 Ga0.2 As0.4 P0.565이다. 제시한 비율로 BTJ 층(311)을 구성하였을 때, VCSEL(100)에서 안정적인 장파장 레이저를 출력한다.
그리고, n+-층(310) 상부에는 p-층(320)이 형성되고, 그 상부에 활성층(330) 및 DBR 층(340)이 각각 형성된다. 활성층(330)에서 빛이 발생하고, 활성층(330)에서 발생한 빛이 DBR 층(340)에서 증폭되고, DBR 층(340)의 표면에서 증폭된 빛이 출력된다.
도 2를 참조하여 전술한 VCSEL(10)은 1250~1630nm파장대의 레이저를 출력한다. 또한, 주입전류 변조를 통해 출력 파장이 가변 된다. 주입전류 변조에 따른 파장 가변은 도 3에 도시한 바와 같다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 출력파장의 그래프이다. 도 3에 도시한 바와 같이, x축 전류의 변화에 따라 y축 출력 파장 길이 및 출력 전력이 변한다. 여기서, x 축인 전류가
Figure pat00001
만큼 변화 하면, y축인 출력 전력이
Figure pat00002
만큼 변하고, 출력 파장 길이가 1~3nm가량 변화하게 된다. 따라서, 1310nm의 출력 파장 특성을 갖는 VCSEL(100)이 구비된 수직 면발광 레이저다이오드를 이용함에 있어서, 주입 전류를 변조하면 1313nm까지 출력 파장이 변한다. 이는 광센서 응용분야에서 중요한 파장조절 효과임은 자명하다.
여기서, 주입전류를 변조함에 따라 VCSEL(100)의 carrier의 굴절율에 의해 파장 cavity가 변함으로써, 장파장 saturation 영역에서 출력 파장이 shift된다. 주입 전류 변조 시, 쿨링(cooling)에 의해 VCSEL(100)의 온도가 변하는 것을 고정한 상태에서 주입 전류를 변조한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10 : 스템 20 : 서미스터
30 : 렌즈 100 : VCSEL
200 : 열전소자 300 : 방열판 층
301 : 금속/유전체 복합 거울층 310 : n+-층
311 : BTJ 층 320 : p-층
330 : 활성층 340 : DBR층

Claims (6)

  1. 출력단자를 하나 이상 구비한 스템;
    상기 스템 상부에 형성되는 열전소자;
    상기 열전소자 상부에 형성되고, 수직방향으로 레이저를 출력하는 수직 면발광 레이저(VCSEL);
    상기 열전소자 상부에 형성되어 상기 수직 면발광 레이저에서 발생된 열을 측정하는 서미스터;
    상기 스템 상부에 형성되고, 상기 열전소자, 수직 면발광 레이저 및 서미스터 외부를 감싸는 캡;
    상기 캡 상부에 형성되어 상기 VCSEL에서 출력된 레이저를 집광하는 렌즈; 및,
    상기 렌즈 외부에 형성되는 광 소켓;을 포함하여 구성되고,
    상기 VCSEL은 싱글 모드 장파장 수직 면발광 레이저로, 1250~1630nm의 레이저를 출력하며, 주입전류 변조를 통해 출력 파장이 가변되는 것을 특징으로 하는 수직 면발광 레이저다이오드.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 열전소자는 상기 VCSEL에서 발생한 열을 방열함으로써 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 수직 면발광 레이저다이오드.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 VCSEL은 방열판 층;
    상기 방열판 층 상부에 형성되는 n+-층;
    상기 n+-층 상부에 형성되는 p-층;
    상기 p-층 상부에 형성되는 활성층; 및,
    상기 활성층 상부에 형성되는 DBR층;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직 면발광 레이저다이오드.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 방열판 층은 금속/유전체 복합 거울층을 더 포함하여 구성함으로써 상기 활성층에서 발생한 열이 냉각되는 것을 특징으로 하는 수직 면발광 레이저다이오드.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 n+-층은 Buried Tunnel Junction(BTJ)층을 더 포함하여 구성하고, BTJ층은 p-에서 n+-으로 전환된 제한층인 것을 특징으로 하는 수직 면발광 레이저다이오드.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 BTJ층은 20~50Ω의 초저 줄열 가열을 발생하는 전기적 연속 저항인 것을 특징으로 하는 수직 면발광 레이저다이오드.
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