KR20180065883A - 분포궤환 레이저 다이오드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분포궤환 레이저 다이오드를 개시한다. 그의 레이저 다이오드는 분포 영역들을 갖는 기판과, 상기 기판 상의 하부 클래드 층과, 상기 분포 영역들 상의 상기 하부 클래드 층 내에 배치된 브래그 회절 격자들과, 상기 하부 클래드 층상에 배치된 도파로와, 상기 도파로 상에 형성된 상부 클래드 층과, 상기 상부 클래드 층 상의 전극들을 포함한다.

Description

분포궤환 레이저 다이오드{distributed feedback(DFB) laser diode}
본 발명은 레이저 다이오드에 관한 것으로, 상세하게는 모드 잠금된 레이저 광(mode-locked laser light)을 생성할 수 있는 분포궤환 레이저 다이오드에 관한 것이다.
최근 반도체 기반의 광 소자들 중에서, 분포귀환(Distributed FeedBack) 레이저 다이오드 및/또는 분포 브래그 반사 형 (Distributed Bragg Reflector) 레이저 다이오드등의 특정 파장을 선택하는 기능성 레이저 소자들이 개발되고 있다. 이러한 기능성 레이저 소자들은 회절 격자를 이용하여 파장 필터링을 수행할 수 있다. 예컨대, 광파가 주기적인 굴절률 변화에 의한 브래그 파장에 해당하는 특정 파장을 갖는 광파만이 반사될 수 있다. 이로써, 파장 필터링이 이루어질 수 있다. 반사된 특정 파장의 광파는 게인 영역으로 피드백(feedback)되어 발진될 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 과제는 5nm이상의 넓은 대역폭(bandwidth)의 모드 잠금된 레이저 광을 생성 수 있는 분포궤환 레이저 다이오드를 제공하는 데 있다.
본 발명은 분포궤환 레이저 다이오드를 개시한다. 그의 레이저 다이오드는 제 1 분포 영역, 제 1 게인 영역, 위상 영역, 제 2 게인 영역 및 제 2 분포 영역을 갖는 기판; 상기 기판 상에 배치된 하부 클래드 층; 상기 제 1 분포 영역 및 상기 제 2 분포 영역 상의 상기 하부 클래드 층 내에 배치된 제 1 및 제 2 브래그 회절 격자들; 상기 하부 클래드 층 상에 배치되고, 상기 제 1 분포 영역에서 상기 제 2 분포 영역까지 연장하는 도파로; 상기 도파로 상에 배치된 상부 클래드 층; 및 상기 제 1 분포 영역, 상기 제 1 게인 영역, 상기 위상 영역, 상기 제 2 게인 영역 및 상기 제 2 분포 영역의 상기 상부 클래드 층 상에 각각 배치된 제 1 내지 제 5 전극들을 포함한다. 상기 제 1 및 제 2 브래그 회절 격자들의 각각은 상기 기판 및 상기 도파로와 평행한 방향으로 0.1㎛ 내지 50㎛의 길이를 가질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 개념에 따른 분포궤환 레이저 다이오드는 약 0.1㎛ 내지 50㎛의 길이의 제 1 및 제 2 브래그 회절 격자들을 이용하여 5nm이상의 넓은 대역폭의 모드 잠금된 레이저 광을 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 개념에 따른 분포궤환 레이저 다이오드를 보여주는 단면도이다.
도 2는 제 1 및 제 2 브래그 회절 격자들의 길이에 따른 레이저 광의 대역폭의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 3은 50㎛ 길이의 제 1 및 제 2 브래그 회절 격자들에 의해 형성된 레이저 광의 대역폭을 보여주는 그래프이다.
도 4는 200㎛ 길이의 제 1 및 제 2 브래그 회절 격자들(32, 34)에 형성된 레이저 광의 대역폭을 보여주는 그래프이다.
도 5는 300㎛ 길이의 제 1 및 제 2 브래그 회절 격자들(32, 34)에 형성된 레이저 광의 대역폭을 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당 업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 장치는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 명세서에서 모드 잠금(mode locking)은 레이저 분야에서 주로 사용되는 의미로 이해될 수 있을 것이다. 바람직한 실시 예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다.
도 1은 본 발명의 개념에 따른 분포궤환(DFB: Distributed Feeedback) 레이저 다이오드(100)를 보여준다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 DFB 레이저 다이오드(100)는 기판(10), 하부 클래드 층(20), 제 1 및 제 2 브래그 회절 격자들(32, 34), 도파로(40), 상부 클래드 층(50), 제 1 내지 제 5 전극들(61-65) 및 제 1 및 제 2 무반사 코팅 층들(72, 74)을 포함할 수 있다.
상기 기판(10)은 InP를 포함할 수 있다. 일 예에 따르면, 상기 기판(10)은 제 1 분포 영역(D1), 제 1 게인 영역(G1), 위상 영역(P), 제 2 게인 영역(G2) 및 제 2 분포 영역(D2)을 가질 수 있다. 상기 기판(10)은 접지될 수 있다.
상기 하부 클래드 층(20)은 상기 기판(10) 상에 배치될 수 있다. 상기 하부 클래드 층(20)은 상기 기판(10)의 굴절률보다 높고 상기 도파로(40)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 클래드 층(20)은 n 타입의 InP를 포함할 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 브래그 회절 격자들(32, 34)은 상기 제 1 및 제 2 분포 영역들(D1, D2)의 상기 하부 클래드 층(20) 내에 각각 배치될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 브래그 회절 격자들(32, 34)의 각각은 p 타입 InP, InGaAs, 또는 캐버티를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 및 제 2 브래그 회절 격자들(32, 34)의 패턴들(36)의 각각은 약 0.1㎛의 폭 또는 길이를 가질 수 있다.
상기 도파로(40)는 상기 하부 클래드 층(20) 상에 배치될 수 있다. 상기 도파로(40)는 상기 기판(10)에 대해 수직 방향으로 상기 제 1 및 제 2 브래그 회절 격자들(32, 34)과 이격할 수 있다. 상기 도파로(40)는 상기 기판(10)과 평행한 방향으로 연장할 수 있다. 상기 도파로(40)는 intrinsic InP를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 도파로(40)는 활성 도파로들(42)과 수동 도파로(44)를 포함할 수 있다. 상기 활성 도파로들(42)은 상기 제 1 분포영역(D1), 상기 제 1 게인 영역(G1), 상기 제 2 게인 영역(G2) 및 상기 제 2 분포 영역(D2) 상에 배치될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 상기 활성 도파로들(42)는 레이저 광(80)의 게인을 얻기 위한 불순물을 포함할 수 있다. 상기 수동 도파로(44)는 상기 활성 도파로들(42) 사이에 연결될 수 있다. 상기 수동 도파로(44)는 상기 위상 영역(P)의 상기 하부 클래드 층(20) 상에 배치될 수 있다.
상기 상부 클래드 층(50)은 상기 도파로(40) 상에 배치될 수 있다. 상기 상부 클래드 층(50)은 n 타입의 InP를 포함할 수 있다. 상기 상부 클래드 층(50)은 상기 도파로(40)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가질 수 있다.
상기 제 1 내지 제 5 전극들(61-65)은 제 1 분포 영역(D1), 제 1 게인 영역(G1), 위상 영역(P), 제 2 게인 영역(G2) 및 제 2 분포 영역(D2)의 상기 상부 클래드 층(50) 상에 각각 배치될 수 있다. 상기 제 1 내지 제 5 전극들(61-65)은 상기 기판(10)으로 전류를 제공할 수 있다. 상기 전류는 하부 클래드 층(20), 도파로(40) 및 상부 클래드 층(50)의 굴절률을 전기적으로 변화시킬 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 무반사 코팅 층들(72, 74)은 상기 하부 클래드 층(20), 상기 도파로(40) 및 상기 상부 클래드 층(50)의 가장자리 양 측벽들 상에 배치될 수 있다. 상기 제 1 내지 제 5 전극들(61-65) 중 적어도 하나에 전류가 제공되면, 상기 도파로(40)를 따라 상기 레이저 광(80)이 생성될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 무반사 코팅 층들(72, 74)은 상기 레이저 광(80)을 공진시킬 수 있다. 상기 레이저 광(80)은 상기 제 1 및 제 2 무반사 코팅 층들(72, 74) 중 어느 하나를 투과하여 외부로 출력될 수 있다.
상기 제 2 전극(62) 및 상기 제 4 전극(64)에 제 1 전류가 인가되면, 상기 활성 도파로들(42)은 레이저 광(80)의 게인을 얻을 수 있다. 레이저 광(80)의 세기는 제 1 전류에 비례할 수 있다.
상기 제 3 전극(63)에 제 2 전류가 인가되면 상기 레이저 광(80)의 위상은 변조될 수 있다. 상기 제 2 전류는 위상 영역(P) 내의 수동 도파로(44)의 굴절률을 전기적으로 변화시켜 레이저 광(102)의 파장을 가변(tune)할 수 있다.
상기 제 1 전극(61)과 상기 제 5 전극(65)에 제 3 전류가 인가되면, 상기 레이저 광(80)의 모드 록킹이 생성될 수 있다. 상기 모드 록킹은 피코초(10-12초) 또는 팸토 초((10-15초) 정도의 매우 짧은 지속 시간의 레이저 광(80)의 펄스를 생성할 수 있는 광학 기술이다. 모드 록킹된 상기 레이저 광(80)의 대역폭(bandwidth)이 증가하면 통신 채널 및/또는 전송 용량은 증가할 수 있다.
한편, 상기 레이저 광(80)의 대역폭은 상기 제 1 및 제 2 브래그 회절 격자들(32, 34)의 길이(ℓ)에 따라 변화될 수 있다.
도 2는 제 1 및 제 2 브래그 회절 격자들(32, 34)의 길이(ℓ)에 따른 레이저 광(80)의 대역폭의 변화를 보여준다.
도 2를 참조하면, 레이저 광(80)의 대역폭은 제 1 및 제 2 브래그 회절 격자들(32, 34) 각각의 길이(ℓ)에 반비례할 수 있다. 제 1 및 제 2 브래그 회절 격자들(32, 34)의 길이(ℓ)가 감소하면, 레이저 광(80)의 대역폭은 증가할 수 있다. 제 1 및 제 2 브래그 회절 격자들(32, 34)의 길이(ℓ)는 상기 패턴(36)의 폭 및/또는 길이보다 클 수 있다.
도 3은 50㎛ 길이(ℓ)의 제 1 및 제 2 브래그 회절 격자들(32, 34)에 의해 형성된 레이저 광(80)의 대역폭을 보여준다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 제 1 및 제 2 브래그 회절 격자들(32, 34)의 길이(ℓ)가 약 50㎛일 때, 상기 레이저 광(80)은 약 5nm의 대역폭을 가질 수 있다. 대역폭은 30dB 이상의 세기를 갖는 레이저 광(80) 피크들의 폭 및/또는 거리로 정의될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 브래그 회절 격자들(32, 34)의 길이(ℓ)가 약 50㎛이하로 줄어들면, 상기 레이저 광(80)의 대역폭은 5nm이상으로 증가할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 상기 제 1 및 제 2 브래그 회절 격자들(32, 34)의 길이(ℓ)가 약 100㎛이상으로 증가하면, 상기 레이저 광(80)의 대역폭은 분포 브래그 반사(DBR: Distributed Bragg Reflection)의 분산(dispersion)에 의해 약 2nm이하로 줄어들 수 있다.
도 4는 200㎛ 길이(ℓ)의 제 1 및 제 2 브래그 회절 격자들(32, 34)에 형성된 레이저 광(80)의 대역폭을 보여준다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 상기 제 1 및 제 2 브래그 회절 격자들(32, 34)의 길이(ℓ)가 약 200㎛일 때, 상기 레이저 광(80)은 약 1.5nm의 대역폭을 가질 수 있다.
도 5는 300㎛ 길이(ℓ)의 제 1 및 제 2 브래그 회절 격자들(32, 34)에 형성된 레이저 광(80)의 대역폭을 보여준다.
도 2 및 도 5를 참조하면, 상기 제 1 및 제 2 브래그 회절 격자들(32, 34)의 길이(ℓ)가 약 300㎛일 때, 상기 레이저 광(80)은 약 1nm의 대역폭을 가질 수 있다.
위에서 설명한 내용은 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 예들이다. 본 발명에는 위에서 설명한 실시 예들뿐만 아니라, 단순하게 설계 변경하거나 용이하게 변경할 수 있는 실시 예들도 포함될 것이다. 또한, 본 발명에는 위에서 설명한 실시 예들을 이용하여 앞으로 용이하게 변형하여 실시할 수 있는 기술들도 포함될 것이다.

Claims (1)

  1. 제 1 분포 영역, 제 1 게인 영역, 위상 영역, 제 2 게인 영역 및 제 2 분포 영역을 갖는 기판;
    상기 기판 상에 배치된 하부 클래드 층;
    상기 제 1 분포 영역 및 상기 제 2 분포 영역 상의 상기 하부 클래드 층 내에 배치된 제 1 및 제 2 브래그 회절 격자들;
    상기 하부 클래드 층 상에 배치되고, 상기 제 1 분포 영역에서 상기 제 2 분포 영역까지 연장하는 도파로;
    상기 도파로 상에 배치된 상부 클래드 층; 및
    상기 제 1 분포 영역, 상기 제 1 게인 영역, 상기 위상 영역, 상기 제 2 게인 영역 및 상기 제 2 분포 영역의 상기 상부 클래드 층 상에 각각 배치된 제 1 내지 제 5 전극들을 포함하되,
    상기 제 1 및 제 2 브래그 회절 격자들의 각각은 상기 기판 및 상기 도파로와 평행한 방향으로 0.1㎛ 내지 50㎛의 길이를 갖는 분포궤환 레이저 다이오드.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05326921A (ja) * 1991-06-24 1993-12-10 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 波長変換光レジスタメモリ
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