KR920004330B1 - 반도체 레이저 - Google Patents

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고꾸사이덴신덴와 가부시기가시야
이시이 다가미
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Abstract

내용 없음.

Description

반도체 레이저
제 1 도는 종래의 긴 공진기를 가지는 반도체 레이저의 사시도.
제 2 도는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 레이저의 단면도.
제 3 도는 본 발명에서 사용하는 λ/4시프트(shift)형 회절격자를 가지는 활성필터의 투과스펙트럼 특성도.
제 4 도는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체 레이저의 단면도.
제 5 도는 본 발명에서 사용하는 균일회절격자 활성필터의 투과스펙트럼 특성도.
제 6 도는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 반도체 레이저의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 3, 3', 4 : 발광층 2, 6, 7 : 도파로층
5 : λ/4 시프트형회절격자 8, 8' : 유전체막
9, 9' : 금속막 10, 11, 12, 13, 14, 19 : 전극
15, 16, 17, 18 : 고저항영역 20, 20' : 분포브랙반사기
본 발명은 발진스펙트럼선폭이 좁고 발진파장이 가변인 반도체 레이저에 관한 것이다. 소형, 고효율이며 신뢰성이 높다는 이유때문에, 반도체 레이저는 이미 광성유 통신용 광원으로서 실용화되고 있다. 이제까지 실용화된 시스템들은 반도체 레이저의 현저한 특징중의 하나인 직접변조 능력을 이용하는 것으로, 반도체 레이저의 주입 전류량에 대응하는 강도-변조 광이 광섬유를 통하여 전파된 후 포토다이오드 또는 애벌랜치(avalanche)포토다이오드에 의하여 직접 수광하는 소위 직접강도변조-직접검파(DIM-DD)방식이다. DIM-DD방식에 있어서는, 광원으로 고속변조시에도 안정하게 단일파장으로 동작하는 분포괴환형(DFB) 반도체 레이저와 같은 동적단일파장 레이저가 개발되어서 이것에 의해 단일 호드 화이버의 분산의 영향을 경감시켜 중게기 간격의 증가를 도모할 수 있다.
한편, 주파수 및 위상과 같은 광파동의 성질을 적극적으로 이용하여, 수신감도를 대폭향상시키고, 따라서 DIM-DD방식에 비하여 보다 더 중게기 간격을 크게 할 수 있다. 이 방식은 코히어런트 전송방식(coherent transmission system)으로 불리우며, 이것은 그 이론면뿐 아니라 실험적으로 많은 연구가 되고 있는 중이며 유망한 장래의 광통신의 방식으로서 근래 그 유용성이 확인되어가고 있다(예로서, 티.오코시:광파공학지의 LT-2권, 341-346페이지, 1984). 코히어런트 전송방식은 그 성질상, 송신측의 광원 및 수신측의 국부발진기로서의 광원이 스펙트럼선폭이 좁고, 발진파장이 가변이어야 한다는 것은 필수적이다.
지금까지의 실험실 단계의 연구에서는 시스템의 포텐셜을 평가하는 것이 주된 과제이기 때문에 극히 좁은 발진선폭의 기체 레이저 또는 보다 실용적인 통상의 반도체 레이저에 외부회절격자를 설치하여 특정파장만을 반도체 레이저에 귀환하게 함으로써 높은 코히어런스를 달성하고 발진파장을 동조가능하게 만든다. 그러나 반도체 레이저의 발광영역은 직경 약 1㎛ 정도로 대단히 작기때문에 광원 및 외부회절격자가 일체화되지 않은 이러한 구조는 기계적 진동 및 열변동에 약하고, 필요한 특성을 마련하는데 있어 불안정하며 장치가 커지게 되므로 실용적이지 못한것이 분명하다.
발진 선폭의 감축을 위하여는, 레이저의 공진기 길이를 증가시키는 것이 유효한 방법이다. 그러나, 일반적으로 공진기가 길어지면, 공진파장간격도 이것에 대응하여 좁아지기때문에, 다중-파장 발진으로 되기 쉽고, 좁은 선폭 특성도 불안정하게 되기 쉬워지는 결점이 있다. 또한, 파장동조는 연속적이 아닌 불연속적으로 공진파장들을 선택함으로써 수행되고, 따라서 이 반도체 레이저는 실제용도에 적합하지 않은 결점이 있다.
그러므로 본 발명은 전술한 종래 기술의 결점을 감안하여서 되어진 것으로, 선폭이 좁고 도 발진파장이 가변인 단일파장 광원으로서 사용되는 반도체 레이저를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 특징은 발광영역, 도파로영역 및 필터기능을 가진 회절격자를 구비한 활성필터영역을 단일 기판위에 집적함으로써, 하나의 공진파장만을 선택하여, 그 결과 발진선폭이 좁은 단일파장에서 안정한 레이저동작을 확보하도록 한다. 또한, 발광 및 도파로영역 양자를 활성필터영역의 양쪽에 각각 대칭으로 배치함으로써, 상기 각 영역의 굴절율 조정을 용이하게 한다.
이하, 본 발명은 첨부된 도면에 따라서 상세히 설명한다.
선행기술과 본 발명간의 차이를 명백하게 하기 위하여, 선행기술의 일예를 먼저 설명한다.
제 1 도에 도시된 바와같이, 공진기 구조를 마련하기 위하여 발광영역(A)에 도파로영역(B)를 모놀리식(monolithic)으로 집적화 하여서 긴 공진기 구조로 한 일체형 반도체 레이저가 티.후지다등에 의하여 연구되바 있으며, 900KHz 정도의 낮은 주파수가 약 1.8㎜ 공진기 길이로 획득 가능하다는 것이 보고되어 있다(Electrocis letters, 제21집, 374-376페이지, 1985). 제 1 도에서, 번호(1)은 InGaAsP 발광층, (2)는 InGaAsP 발광층(1)의 연장선상에 형성된 InGaAsP 도파로층, 그리고 (9)는 벽개면(cleavage plane)내의 반사효율을 개선하는 금속막을 표시한다.
그러나, 이 종래기술의 예는 상술한 결점을 가진다. 이제 첨부 도면을 따라서 본 발명을 상세히 설명한다.
제 2 도는 본 발명의 제 1 실시예를 표시한다. 제 2 도에서, 번호(3), (3') 및 (4)는 거의 또는 완전히 동일한 조성의 발광층을 가리키며, 그들 모두는 그속으로의 전류 주입에 의한 광학이득을 가지는 영역인 이득영역(A)을 형성한다. 이득영역(A)은 3개의 부분으로 나누어지며, 그중 하나는 발광층(4)에 따라 대역통과형 필터기능을 가진 위상 시피트형 회절격자(5)가 형성된 활성필터영역(A1)이고, 나머지 둘은 발광층(3 및 3')이 형성된 이득조정영역(B1및 B2)이다. 또 이득영역(A)의 양쪽에 고효율로 결합된 저손실 도파로층(6 및 7)을 가지는 도파로영역(C1및 C2)이 배치되며, 한쌍의 반사단면이 레이저 조립체의 양말단에 배치된다. 그런데, 본 실시예에서는 광유폐를 보다 효과적으로 하기 위하여 유전체막(8 및 8')위에 코팅된 금속막(9 및 9')으로 형성되는 고반사 단면을 형성한다. 발광층(3, 3' 및 4)과 도피로층(6 및 7)은 서로 상이한 도전형의 반도체층들 사이에 각각 샌드위치되고, 각 영역들에는 독립적으로 제어할 수 있도록 전극(10, 11, 12, 13 및 14)이 형성되어 있다. (19)는 하부전극을 표시하며, (15), (16), (17) 및 (18)은 전기적 분리용 고저항영역이고, 예를들어 프로톤(proton)의 주입등으로 실현될 수 있다.
다음에 이 실시예의 동작을 설명한다.
제 3 도에는 이득을 가지는 경우의 위상시프트형, 예를들면 λ/4 시프트형 회절격자(5)의 투과스펙트럼 특성이 표시된다. 회절격자(5)의 주기를 ∧, 굴절율을 n2로 각각 표시한다면, 이득은 λ0=2∧n2의 형태로 주어진 중심 파장에서만 효과적으로 제공됨으로써, 회절격자는 제 3 도에 도시한 것과 같이 샤프한 대역통과 특성을 가지는 활성필터로서의 역할을 한다. 한편, 단면반사가 일어나면, 제 3 도에 표시된 것과 같은 시프트형 회절격자(5)의 샤프한 특성이 반사광의 위상에 따라서 손상될 수 있으나 이것은 전류주입 또는 전압인가를 통하여 활성필터영역(A1)과 반사단면들 사이의 도파로영역(C1) 및 (C2)의 도파층(6 및 7)의 굴절율들을 변화시켜 반사광의 위상이 최적이 되도록 조정함으로써 회피될 수 있다. 그런데 반사광의 위상을 최고2π까지 변화시킬 수 있다면, 이 범위내에서 최적의 값으로 조정될 수 있다. 가령, 도파로영역(C1)의 길이(13) 또는 도파로영역(C2)의 길이(1'3)가 50㎛라고 가정하면 상기 2π의 위상변화를 얻으려면 △n~0.002의 굴절율 변화량이 있으면 충분하며, 전류주입을 하여 △N~2×1017㎝-3정도로 작은 캐리어 밀도의 변화만으로 좋으며 전압인가에 의한 전기광학 효과를 이용하는 경우에도, 그러한 굴절율 변동은 항복전압은 약 1/4의 전압을 인가함으로써 달성될 수 있다. 전압인가에 의하여 굴절율을 조정하는 후자의 방법은 역 바이어스를 인가하는데만 필요하며 아무 캐리어 주입도 수반하지 않기 때문에 저손실상태로 반도체 레이저를 유지한다. 따라서, 그러한 위상조정을 행함으로써 λ0의 단일파장에서 발진시키는 것이 가능하다. 동시에, 발진선폭은 공진기의 전장(L)을 길게 선택함으로써 좁게될 수 있다.
한편, 발진파장은 주입된 캐리어의 밀도에 따라서, λ/4 시프트형 회절격자(5)가 마련된 발광층(4)의 굴절율(n2)을 변화시킴으로써 변동될 수 있다. 말하자면 발진파장은 캐리어 밀도를 △N~1×1018㎝-3까지의 범위내에서 변화시큼으로써 △λ0~50Å까지의 범위에 걸쳐서 변화될 수 있다.
그런데, 발진중의 활성필터영역(A1)의 캐리어 밀도의 변화는 이득조정영역(B1및 B2)을 부가하고, 주입전류를 조정하여 전이득을 실질적으로 일정하게 유지하면서 활성필터영역(A1)으로의 주입전류를 변화시킴으로써 달성시킬 수 있다. 각 단면에 의하여 반사된 광의 위상은 발진파장의 그와같은 변화에 상응하는 최적치로부터 벗어나기 때문에, 좌우 도파로영역(C1및 C2)의 굴절율들은 최적치로 조정되어야 한다. 좌우이득영역(B1및 B2)의 길이(I1및 I2)와 그 속으로 주입된 전류의 양(I2및 I2) 및 도파로영역(C1및 C2)의 길이(I3및 I3)를 실질적으로 동일하게 선택함으로써 좌우측에서의 반사광의 위상변화는 실질적으로 동일하게 만들어질 수 있으며, 그러므로써 위상 조정에 필요한 도파로영역(C1및 C2)의 굴절율들의 변화도 역시 서로 거의 동일하게 만들어질 수 있다. 환언하면, 활성필터영역(A1)의 양쪽에 이득조정영역(B1및 B2)과 도파로영역(C1및 C2)을 실질적으로 대칭적으로 배치함으로써, 실질적으로 동일한 전류 주입량 또는 전압 인가량이 반사광의 위상을 최적으로 하기 위하여 좌우 각 영역으로 제공될 수 있으며, 이것은 반도체 레이저를 구동하기 위한 회로구성의 간소화를 가능하게 한다.
소자구조가 완전히 대칭이 아니더라도 제 4 도에 도시된 바와같이, r1은 이득조정영역(B1)에 연결된 저항의 저항치이고, Ia1은 저항(r1)을 통하여 흐르는 전류이고, r2는 이득조정영역(B2)에 연결된 저항의 저항치이며, Ia2는 저항(r2)을 통하여 흐르는 전류이고, r3및 r4는 도파로영역(C1및 C2)에 연결된 저항들 각각의 저항치들이며, Ip2및 Ip2는 각각 저항(r3및 r4)을 통하여 흐르는 전류인 경우에 Ia1/Ia2=12/12=r2/r1및 Ip1/Ip2=13/13=r4/r3를 만족하도록 하는 방식으로 각 영역파장에 따라서 선택되는 저항치를 가진 저항을 각 전극에 접속함으로써 각 영역에 전류 또는 전압을 적합한 양으로 분배하고 최적의 위상조정을 당성하는 것이 가능하다. 여기서 Ip10과 Ip20은 초기위상 조정용의 전류이다.
제 2 도의 실시예가 활성필터영역(A1)의 대역통과필터로서 λ/4 시프트형 회절격자를 사용하는 것으로 도시되었으나, 이와 유사한 우수한 대역 통과필터 특성은, 제 5 도에 도시된 것과 같이, 균일한 회절격자의 사용에 의해서도 역시 획득될 수 있다. 이 예에서도 역시, 각 측에서의 반사광의 위상은 상술한 실시예에서와 같이 용이하게 조정될 수 있다.
상기의 실시예들은 이득 조정영역(B1및 B2)이 도파로영역들(C1및 C2)사이에 설치된 경우에 관하여 기술되었으나, 이득 조정영역들 및 도파로영역들이 활성필터영역(A1)의 양쪽에 배치되는 한 상술한 바와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 도파로층(6) 또는 (7)은 본래 반사광의 위상조정을 목적으로 하는 것이기 때문에 그 목적은 또한 발광층(4), (3) 또는 (3')의 조성에 가가운 조성과 이득을 갖는 반도체층에 의해서도 달성된다.
상기에서, 본 발명은 상이한 조성의 발광층과 도파로층을 광학적으로 결합하기 위한 직접 결합구조를 사용하는 것이 기술되었으나, 본 발명은 또한 LOC(Large Optical Cavity)구조를 포함하는 기타 결합방법에도 응용이 가능한다. 또한, 전술한 실시예들은 한쌍의 단면사이의 반사에 관하여 설명되었으나, 제 6 도에 도시한 바와같이 분포브랙 반사기(DBR)(20 및 20')도 역시 한쌍의 반사기로서 사용될 수 있으며, 이것을 사용하면 출력광이 도파로를 통하여 획득될 수 있기 때문에 다른 소자와의 모놀리식 집적을 위하여 오히려 편리하다. 광을 횡방향으로 막기위한 스트라이프 구조에 대하여 특정 설명이 되지 않았으나, 매설된 구조를 포함하는 모드 횡모드 광유폐 구조가 사용될 수 있다. InGaAsP/InP, AlGaAs/GaAs, InAlGaAs/InP 및 AlGaAs Sb/GaAs와 같은 반도체 레이저용으로 사용될 수 있는 모든 화합물 반도체 결정들이 반도체 재료로서 사용될 수 있다.
상술한 바와같이, 본 발명에 의하면, 발광영역(B1및 B2)과 위상조정용의 도파로영역(C1및 C2)이 회절격자를 가지는 활성필터영역(A1)에 대하여 대칭으로 설치되고, 그러므로써 우수한 단일파장 통과특성이 획득되고, 이와같이 하여 발진선폭을 좁게 할 목적으로 공진기의 길이가 증가될 때 발생하는 다파장발진을 억압하는 것이 가능하게 된다. 즉, 발진 선폭이 좁고 단일 파장에서 안정적으로 동작하는 반도체가 충족될 수 있다. 또한, 발진파장은 활성필터영역(A1) 및 도파로영역(C1및 C2)의 굴절율을 변화시키는 것에 의해서도 변동될 수 있다.
이 경우 각 영역들은 대칭적으로 배치되었기 때문에 반사광의 위상은 양쪽에서 실실적으로 같은 범위로 조정될 수 있으며, 위상조정도 역시 용이하게 수행될 수 있다. 따라서, 본 발명은 코히어런트 전송용 기타 광학계측용 광원으로서 대단히 유망하고, 따라서 실제적 용도에 있어 대단한 실요성이 있다.

Claims (6)

  1. 반도체 레이저에 있어서, 제 1 발광층(4)에 연하여 형성되고 대역 통과형 필터기능을 가진 회절격자(5)를 가지는 활성필터영역(A1)과, 제 1 발광층(4)의 반도체와 동일한 반도체로 구성된 제 2 발광층(3, 3')을 가지는 광이득조정용 이득조정영역(B1, B2)과, 활성필터영역(A1) 또는 이득조정영역(B1, B2)의 하나에 고효율로 결합된 도파로층(6, 7)을 가지는 도파로영역(C1, C2)을 구비하며, 이득조정영역(B1,B2) 및 도파로영역(C1, C2)은 활성필터영역(A1)의 양쪽에서 단일기판위에 대칭적으로 집적되고, 레이저 공진기는 이득조정영역(B1, B2), 활성필터영역(A1) 및 도파로영역(C1, C2)의 조립체의 양단에 고반사 단면인 한쌍의 금속막(9, 9')을 설치함으로써 형성되고, 이득조정영역(B1, B2), 활성필터영역(A1) 및 도파로영역(C1, C2)은 상호간에 전기적으로 절연되어 전극(10, 11, 12, 13, 14)이 장치되어 있으며, 반도체 레이저의 발진파장은 전극(10, 11, 12, 13, 14)에 전압인가 또는 전류 주입을 통하여 각 영역의 굴절율을 변화시킴으로써 변동되고, 그러므로써 각 영역의 사전설정 굴절율에 대응하여 정해지는 활성필터영역(A1)의 투과파장과 일치하는 파장의 좁은 선폭의 단일파장의 발진출력광을 발생시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 이득조정영역(B1, B2)의 길이가 서로 동일하게 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 도파로영역(C1, C2)의 길이가 서로 동일하게 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 이득조정영역(B1, B2) 및 상기 도파로영역(C1, C2)에 대한 주입전류는 각각 해당영역의 길이에 비례하는 저항치를 가지는 저항을 통하여 공급되도록 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 활성필터영역(A1)에 사용된 회절격자(5)는 λ/4 회절격자인것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  6. 제 1 항에 있어서, 분포브랙반사기(20, 20')를 고반사 단면으로 사용함을 특징으로 하는 반도체 레이저.
KR1019880013992A 1987-10-28 1988-10-27 반도체 레이저 KR920004330B1 (ko)

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