WO2019107580A1 - 파장 가변 레이저 - Google Patents

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Definitions

  • One embodiment of the present invention relates to a wavelength tunable laser.
  • wavelength resources can not be efficiently used in an optical communication system. Therefore, in an optical communication system such as DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), a tunable laser is required to efficiently use wavelength resources.
  • DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing
  • a wavelength tunable laser has a single integrated system constituting a tunable laser on one chip, and an external resonance system combining two or more chips and then combining chips.
  • a wavelength tunable laser of a single integrated system is composed of a single chip, it is possible to miniaturize and reduce power consumption, while a wavelength tunable laser of an external resonance method requires a large power and has a disadvantage that it becomes bulky.
  • a tunable laser may include a gain region that generates light and a wavelength variable region for wavelength tuning.
  • a method for varying the wavelength of a semiconductor laser there is a method of applying a current and a method of applying a heat using a micro-heater.
  • An insulating layer (e.g., InGaAs layer) may be inserted into the semiconductor laser chip to increase the thermal efficiency for tuning the wavelength, and then a heat insulating groove may be formed by selectively etching the wavelength variable region to the etching prevention layer.
  • a heat insulating groove may be formed by selectively etching the wavelength variable region to the etching prevention layer.
  • the embodiment provides a tunable laser without an etch stop layer for forming an adiabatic groove.
  • the embodiment provides a tunable laser applicable to both a thermal application method and a current application method.
  • a tunable laser includes a gain region and a tunable region, the tunable region comprising: a lower clad layer; A passive optical waveguide disposed on the lower clad layer; An upper clad layer disposed on the passive optical waveguide; A driving electrode disposed on the upper clad layer; A current blocking layer disposed on the driving electrode; A heater disposed on the current blocking layer; And a first adiabatic groove and a second adiabatic groove disposed opposite to each other with the passive optical waveguide therebetween.
  • the lower clad layer includes a protrusion formed by connecting the first adiabatic groove and the second adiabatic groove, wherein the protuberance has a first protrusion that becomes narrower in a second direction, And may be the direction of the lower clad layer in the clad layer.
  • the protrusions may have a second protrusion that widens in the second direction.
  • the second protrusion may be disposed below the first protrusion.
  • the area of the first protrusion may be larger than the area of the second protrusion.
  • the ratio of the width of the first region having the widest width to the width of the second width having the narrowest width may be 1: 0.1 to 1: 0.5.
  • the refractive index of the passive optical waveguide may change when current is injected by the first electrode or heat is injected by the heater.
  • a tunable laser includes a gain region and a tunable region, the tunable region comprising: a lower clad layer; A passive optical waveguide disposed between the lower clad layers; An upper clad layer disposed on the passive optical waveguide; A heater disposed on the upper clad layer; And a first adiabatic groove and a second adiabatic groove disposed on the lower clad layer, wherein the first adiabatic groove and the second adiabatic groove are disposed to face each other with the passive optical waveguide therebetween, Layer includes a protrusion formed by connecting the first adiabatic groove and the second adiabatic groove, and the width of the protrusion may become narrower as the distance from the passive optical waveguide increases.
  • the bottom edge angle of the protrusion may be between 50 and 70 degrees.
  • the adiabatic groove can be formed without a separate etch stop layer. Therefore, there is an advantage that a low-power wavelength tunable is possible without degrading the performance of the tunable laser.
  • the etch stop layer is omitted, the epitaxial growth is simplified and the process for forming the adiabatic groove is simplified.
  • the insulating grooves are formed by controlling only the etch rate of the semiconductor material, the uniformity of the chips is assured.
  • the wavelength can be adjusted by selective injection of heat or current.
  • FIG. 1 is a plan view of a tunable laser according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a tunable laser according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 3 is a modification of Fig. 2,
  • FIG. 4 is a sectional view taken along the line B-B in Fig. 1,
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line C-C in Fig. 1,
  • FIG. 6 and 7 are views showing a process of forming a heat insulating groove in the lower clad layer
  • Fig. 9 is a modification of Fig. 8,
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a gain region of a conventional tunable laser
  • FIG. 12 is a plan view of a tunable laser according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a sectional view in the direction of D-D in Fig.
  • the upper (upper) or lower (lower) or under are all such that two elements are in direct contact with each other or one or more other elements are indirectly formed between the two elements. Also, when expressed as “on or under”, it may include not only an upward direction but also a downward direction with respect to one element.
  • the technical idea of the present invention will be described based on the configuration of a single integrated wavelength tunable laser, but the idea of the present invention is not limited to a single integrated wavelength tunable laser, but may be applied to other types of wavelength tunable lasers to be.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a tunable laser according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a modification of FIG. 2
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a wavelength tunable laser according to an embodiment of the present invention.
  • 1 is a sectional view in the BB direction
  • FIG. 5 is a sectional view in the CC direction in FIG. 1
  • FIGS. 6 and 7 are views showing a process of forming an adiabatic groove in the lower clad layer.
  • a tunable laser includes a lower electrode 15, an upper cladding layer 120b, a lower cladding layer 120a, an optical waveguide 130, and a first electrode 13a. . ≪ / RTI >
  • the tunable laser may include a gain region 10 and a tunable region 20.
  • the optical waveguide 130 can be divided into an optical waveguide (hereinafter referred to as an active optical waveguide) disposed in the gain region 10 and an optical waveguide (passive optical waveguide) disposed in the wavelength tuning region 20, And the passive optical waveguide 130b may be optically connected.
  • the active optical waveguide 130a and the passive optical waveguide 130b may be coupled in a butt-joint manner or an integrated twin guide manner, but the present invention is not limited thereto.
  • the gain region 10 can be formed by epitaxially growing a plurality of semiconductor layers.
  • the constitution of the plurality of semiconductor layers is not particularly limited.
  • the semiconductor layer of the gain region 10 can have a suitable composition ratio and doping concentration adjusted to produce light of a desired wavelength range.
  • the active optical waveguide 130a of the gain region 10 may be a multi quantum well (MQW) structure in which a well layer and a barrier layer are alternately stacked.
  • the composition of the well layer and the barrier layer may include, but is not limited to, InAlGaAs or InGaAsP.
  • the wavelength variable region 20 can change the wavelength of the light generated in the gain region 10.
  • the tunable region 20 needs a tunable filter to vary the wavelength, and may have a distributed Bragg reflector (DBR) structure 122 illustratively.
  • DBR distributed Bragg reflector
  • the refractive index of the diffraction grating changes when the heat or current is injected, so that the wavelength can be varied.
  • the DBR structure 122 is shown to be disposed only at the front end of the gain region 10.
  • the DBR structure 122 is not limited to this, and a sampled-grating distributed bragg reflector (SG-DBR) .
  • SG-DBR sampled-grating distributed bragg reflector
  • the first adiabatic groove 211 and the second adiabatic groove 212 may be disposed opposite to each other with the passive optical waveguide 130b interposed therebetween. That is, the passive optical waveguide 130b may be disposed on the plane between the first adiabatic groove 211 and the second adiabatic groove 212.
  • the first adiabatic groove 211 and the second adiabatic groove 212 may be arranged in a plurality, but are not limited thereto.
  • the optical waveguide 130 may be disposed on the lower clad layer 120a and the upper clad layer 120b may be disposed on the optical waveguide 130.
  • the upper clad layer 120b and the lower clad layer 120a may include InP but are not limited thereto.
  • the first electrode 13a may be disposed on the upper clad layer 120b.
  • the first electrode 13a can generate light by applying a current to the gain region 10.
  • the heater 22 can adjust the wavelength of light by changing the refractive index by applying heat to the passive optical waveguide 130b.
  • the tunable laser according to the embodiment may have an integrated twin guide structure in which the active optical waveguide 130a is disposed on the passive optical waveguide 130b.
  • the DBR structure 122 may be disposed on the passive optical waveguide 130b.
  • the sub-electrode 13b may be further provided.
  • the sub-electrode 13b may be an electrode for at least one of phase control, thermal control, and light control.
  • the upper clad layer 120b may be disposed on a portion of the active optical waveguide 130a. That is, the upper clad layer 120b may be disposed only on the waveguide mode 221 through the etching process. According to the embodiment, the optical and / or electrical characteristics of the laser can be improved since there is no etch stop layer in the gain region.
  • the first and second adiabatic grooves 211 and 212 may have a reverse mesa shape in which the width of the first adiabatic groove 211 and the second adiabatic groove 212 increases as they approach the lower electrode 15 in the wavelength tuning region.
  • the first adiabatic groove 211 and the second adiabatic groove 212 may be connected to each other in the lower clad layer 120a to form one groove surrounding the passive optical waveguide 130b. (Not shown) may be disposed in the first adiabatic groove 211 and the second adiabatic groove 212, but the present invention is not limited thereto.
  • the first and second adiabatic grooves 211 and 212 have a first section C1 that gradually increases in area as the distance from the lower electrode 15 increases, And a second section C3 that is decreasing.
  • the depth and area of the first section C1 and the second section C3 may vary depending on the type of the etching solution.
  • the lower surfaces of the first and second adiabatic grooves 211 and 212 may have a flat surface C2.
  • the lower clad layer 120a may include protrusions 123 surrounded by the first and second adiabatic grooves 211 and 212.
  • the wavelength tunable region may include a control region 222 composed of an upper clad layer 120b, a passive optical waveguide 130b, and a protrusion 123 of the lower clad layer 120a.
  • the control region 222 may be a region where heat is injected to change the refractive index. That is, the control region 222 may be a region for controlling the wavelength.
  • the heater 22 may be disposed on the control region 222.
  • the heater 22 may include at least one of chromium (Cr), titanium (Ti), platinum (Pt), nickel (Ni), and gold (Au).
  • the protrusion 123 of the control region 222 is connected to the lower cladding layer 120a, a part of the heat injected from the heater 22 escapes to the lower cladding layer 120a and thus is applied to the passive optical waveguide 130b The thermal efficiency may be lowered.
  • the heat transferred to the protrusion 123 can be blocked by the first and second adiabatic grooves 211 and 212. Therefore, since the variation width of the refractive index of the passive optical waveguide 130b is increased, the wavelength tuning range can be widened. It is also possible to reduce the injection current.
  • the first adiabatic groove 211 and the second adiabatic groove 212 can be formed by controlling the exposure time of the etching solution.
  • the etch depth for which the protrusions 123 can be formed and the etch time can be calculated if the etch solution capable of etching the lower clad layer 120a is selected and the etching angle by the etchant solution is determined.
  • the etching solution may be selected from, but not limited to, Hbr.
  • first and second adiabatic grooves R1 and R2 having a first size can be formed by etching for a first time using an etching solution. Then, when the etching time is increased, the first and second adiabatic grooves R1 and R2 gradually become larger as shown in FIG. 7 and can be connected to each other. Therefore, the protrusion 123 can be formed. Since the etching angle of the etching solution is determined, the etching time for forming the protrusion can be calculated.
  • the etch stop layer for example, the InGaAs layer
  • the epitaxial growth can be simplified and the laser efficiency can be improved.
  • Fig. 8 is a cross-sectional view of a wavelength variable region of a conventional tunable laser
  • Fig. 9 is a modification of Fig. 8
  • Fig. 10 is a cross-sectional view of a gain region of a conventional tunable laser
  • Fig. 11 is a modification of Fig.
  • a separate etch stop layer 16 may be disposed in the lower clad layer 120a of the tunable region 20.
  • the clad layer is etched up to the etch stop layer 16, and then the etch stop layer 16 is removed to finally form the adiabatic groove 21. Therefore, a two-step etching is required.
  • the adiabatic grooves may be formed in a reverse mesa structure.
  • the gain region 10 and the tunable region 20 have the same epitaxial structure in a single integrated structure as shown in FIG. 10, there is a problem that the gain stop region 16 is necessarily provided in the gain region 10 as well. Therefore, the etch stop layer 16 remains in the gain region 10, which may cause degradation of the characteristics of the laser. Further, there is a problem that the epi-manufacturing process becomes complicated.
  • the control region 222 is formed by adjusting only the etching rate of the etching solution, the etching stop layer for terminating the etching can be omitted. Therefore, the epitaxial growth can be simplified and the laser efficiency can be improved.
  • the protrusion 123 may have a narrower width toward the bottom.
  • the cross section of the protrusion 123 may be triangular, but is not limited thereto.
  • the protrusion 123 having a triangular cross section may include a first edge 222a closest to the lower electrode 15. [ At this time, the first angle? 1 of the first corner 222a may be 30 degrees to 70 degrees. The first angle? 1 and the second angle? 2 of the first corner can be determined by the etching angle of the etching solution.
  • the conventional structure having the etch stop layer has a structure in which only a part of the clad layer is etched and then the etch stop layer is removed again, so that the lower surface of the control region 222 is not sharp and can have a flat surface (Figs. 8 and 9) B1 in Fig. 9). This flat surface may not be maintained in terms of heat efficiency.
  • the first adiabatic groove 211 and the second adiabatic groove 212 may not be connected to each other in the lower clad layer 120a. That is, the protrusion 123 of the control region 222 may be connected to the lower clad layer 120a.
  • the protrusion 123 may include a first protrusion 123a having a smaller width and a second protrusion 123b having a wider width. According to this structure, the second protrusion 123b can support the first protrusion 123a, thereby enabling stable driving of the control area 222. [ In particular, this supporting structure may be more effective when a separate heat insulating material is not disposed in the first heat insulating groove 211 and the second heat insulating groove 212.
  • the area of the first protrusion 123a may be larger than that of the second protrusion 123b.
  • the present invention is not limited thereto, and the area of the first protrusion 123a may be smaller than or equal to the area of the second protrusion 123b. That is, the areas and heights of the first protrusions 123a and the second protrusions 123b may vary depending on the type of the etching solution.
  • the protrusion 123 may have a ratio W1: W2 of 1: 0.1 to 1: 0.5 of the first region W1 having the widest width and the second region W2 having the narrowest width.
  • the first region W1 having the widest width may be the upper surface of the first protrusion 123a and the second narrowest width W2 may be the boundary between the first protrusion 123a and the second protrusion 123b 124).
  • the width of the second region W2 becomes too narrow, and it may be difficult to stably support the first protrusion 123a. Further, when the ratio is larger than 1: 0.5, there is a problem that the heat loss through the second region W2 becomes large.
  • the width of the second region W2 may be between 0.1 ⁇ m and 0.5 ⁇ m, but is not limited thereto.
  • FIG. 12 is a plan view of a tunable laser according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 13 is a sectional view in the DD direction of FIG. 12
  • FIG. 12 is a view showing a state in which the etching region of the reflective layer is widened as the etching time increases to be.
  • a wavelength tunable laser may include a gain region 10 and a wavelength variable region 20.
  • the optical waveguide 130 can be divided into an optical waveguide (hereinafter referred to as an active optical waveguide) disposed in the gain region 10 and an optical waveguide (passive optical waveguide) disposed in the wavelength tuning region 20, And the passive optical waveguide 130b may be optically connected.
  • the active optical waveguide 130a and the passive optical waveguide 130b may be coupled by an integrated twin guide or a butt-joint method, but the present invention is not limited thereto.
  • the tunable region 20 includes a passive optical waveguide 130b disposed on the lower clad layer 120a, an upper clad layer 120b disposed on the passive optical waveguide 130b, A current blocking layer 24 disposed on the third electrode 23, a heater 22 disposed on the current blocking layer 24, and a third electrode 23 disposed on the second layer 20b, And may include first and second adiabatic grooves 211 and 212 disposed opposite to each other with the waveguide 130b interposed therebetween.
  • the first adiabatic groove 211 and the second adiabatic groove 212 may be formed to a partial region of the lower clad layer 120a. At this time, the first adiabatic groove 211 and the second adiabatic groove 212 may not be connected to each other in the lower clad layer 120a. That is, the protrusion 123 of the control region 222 may be connected to the lower clad layer 120a. Therefore, the refractive index control according to the current injection can be made possible.
  • the protrusion 123 may include a first protrusion 123a having a smaller width and a second protrusion 123b having a wider width. According to this structure, the second protrusion 123b can support the first protrusion 123a, thereby enabling stable driving of the control region. Particularly, in the case where no separate heat insulating material is disposed in the first and second adiabatic grooves 123a and 123b, such a supporting structure can be more effective.
  • the heights of the first protrusions 123a and the second protrusions 123b may vary depending on the type of the etching solution.
  • the third electrode (driving electrode) 23 may be disposed on the upper clad layer 120b.
  • the current blocking layer 24 may be disposed between the third electrode 23 and the heater 22.
  • the wavelength of the passive optical waveguide 130b may be changed by applying the heat of the heater 23 to the control region 222 to change the refractive index of the optical waveguide 130b by injecting a current,
  • the wavelength can be varied.
  • a current can be injected into the third electrode 23 or a voltage can be applied to the heater 22 for wavelength tuning.
  • the wavelength can be controlled by the heat application method by controlling only the heater 22, or the wavelength can be controlled by the current application method by injecting the current to the third electrode 23.
  • the present invention is not limited thereto, and heat and current may be simultaneously applied by applying a voltage to the heater 22 and injecting a current into the third electrode 23.
  • the refractive index can be controlled simultaneously by the heat and the current, the wavelength tuning range can be increased.
  • the protrusion 123 may have a ratio W1: W2 of 1: 0.1 to 1: 0.5 of the first region W1 having the widest width and the second region W2 having the narrowest width. If the ratio is smaller than 1: 0.1, the width of the second region W2 becomes too narrow, and it may be difficult to stably support the first protrusion 123a. In addition, the width of the second region W2 becomes too narrow, and there is a problem that resistance is increased when the current is applied by the third electrode 23.
  • the first region W1 may be approximately 10 [mu] m or more to prevent the waveguide mode from being affected by the adiabatic groove.
  • the width of the second region 124 may be 0.1 ⁇ to 0.5 ⁇ , but is not limited thereto.

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Abstract

실시 예는, 이득 영역 및 파장 가변 영역을 포함하고, 상기 파장 가변 영역은, 하부 클래드층; 상기 하부 클래드층 상에 배치되는 수동 광도파로; 상기 수동 광도파로 상에 배치되는 상부 클래드층; 상기 상부 클래드층 상에 배치되는 구동전극; 상기 구동전극 상에 배치되는 전류 차단층; 상기 전류 차단층 상에 배치되는 히터; 및 상기 수동 광도파로를 사이에 두고 서로 마주보게 배치되는 제1단열홈과 제2단열홈을 포함하는 파장 가변 레이저를 개시한다.

Description

파장 가변 레이저
본 발명의 일 실시 예는 파장 가변 레이저에 관한 것이다.
일반적으로 단일 파장을 출력하는 레이저 광원을 사용할 경우, 각 채널의 수만큼 레이저 광원의 수를 요구하게 되므로, 광 통신 시스템에서 파장 자원을 효율적으로 사용할 수 없다. 따라서, DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing) 등과 같은 광 통신 시스템에서는 파장 자원을 효율적으로 사용하기 위해 파장 가변 레이저를 요구한다.
일반적으로, 파장 가변 레이저는 한 칩에 파장 가변 레이저를 구성하는 단일집적 방식과 둘 이상의 칩을 각각 제작한 후, 칩들을 결합하는 외부공진 방식이 있다.
단일집적 방식의 파장 가변 레이저는 하나의 칩으로 구성되므로 소형화와 저전력화가 가능한 반면, 외부공진 방식의 파장 가변 레이저는 큰 전력이 필요하고 부피가 커지는 단점이 있다.
파장가변 레이저의 경우, 광을 생성하는 이득영역과 파장가변을 위한 파장가변영역을 포함할 수 있다. 반도체 레이저의 파장을 가변시키기 위한 방법으로 전류를 인가하는 방식과 마이크로 히터(micro-heater)를 이용한 열 인가 방식이 있다.
이 중에서 열 인가 방식의 경우, 단일 파장대의 광을 원하는 파장으로 조정하기 위해서 큰 전압을 인가해야 하므로 파장가변을 위한 열효율이 낮은 단점이 있다.
파장가변을 위한 열효율을 증가시키기 위해 반도체 레이저 칩 내에 식각 방지층(예, InGaAs 층)를 삽입한 후, 파장가변 영역에는 식각 방지층까지 선택적으로 식각하여 단열홈을 형성할 수 있다. 그러나, 레이저 내의 모든 영역(특히 이득영역)에 식각 방지층이 존재하므로 레이저의 특성이 저하되는 문제가 있다.
또한, 종래 구조에서는 파장을 가변하는 방법으로 전류를 인가하는 방식과 열을 인가하는 방식 중 어느 하나만이 선택적으로 가능하여 선택의 폭이 좁은 문제가 있다.
실시 예는 단열홈을 형성하기 위한 식각 방지층이 없는 파장 가변 레이저를 제공한다.
실시 예는 열 인가 방식과 전류 인가 방식이 모두 적용 가능한 파장 가변 레이저를 제공한다.
실시 예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 파장 가변 레이저는, 이득 영역 및 파장 가변 영역을 포함하고, 상기 파장 가변 영역은, 하부 클래드층; 상기 하부 클래드층 상에 배치되는 수동 광도파로; 상기 수동 광도파로 상에 배치되는 상부 클래드층; 상기 상부 클래드층 상에 배치되는 구동전극; 상기 구동전극 상에 배치되는 전류 차단층; 상기 전류 차단층 상에 배치되는 히터; 및 상기 수동 광도파로를 사이에 두고 서로 마주보게 배치되는 제1단열홈과 제2단열홈을 포함한다.
상기 하부 클래드층은 상기 제1단열홈과 제2단열홈이 연결되어 형성되는 돌기부를 포함하고, 상기 돌기부는 제2방향으로 갈수록 폭이 좁아지는 제1돌기부를 갖고, 상기 제2방향은 상기 상부 클래드층에서 상기 하부 클래드층 방향일 수 있다.
상기 돌기부는 상기 제2방향으로 갈수록 폭이 넓어지는 제2돌기부를 가질 수 있다.
상기 제2돌기부는 상기 제1돌기부의 하부에 배치될 수 있다.
상기 제1돌기부의 면적은 상기 제2돌기부의 면적보다 클 수 있다.
상기 돌기부는 가장 폭이 넓은 제1영역과 가장 폭이 좁은 제2영역의 폭의 비는 1:0.1 내지 1:0.5일 수 있다.
상기 수동 광도파로는 상기 제1전극에 의해 전류가 주입되거나 상기 히터에 의해 열이 주입되는 경우 굴절률이 변화할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른 파장 가변 레이저는, 이득 영역 및 파장 가변 영역을 포함하고, 상기 파장 가변 영역은, 하부 클래드층; 상기 하부 클래드층 사이에 배치되는 수동 광도파로; 상기 수동 광도파로 상에 배치되는 상부 클래드층; 상기 상부 클래드층 상에 배치되는 히터; 및 상기 하부 클래드층 상에 배치되는 제1단열홈과 제2단열홈을 포함하고, 상기 제1단열홈과 제2단열홈은 상기 수동 광도파로를 사이에 두고 서로 마주보게 배치되고, 상기 하부 클래드층은 상기 제1단열홈과 제2단열홈이 연결되어 형성되는 돌기부를 포함하고, 상기 돌기부는 상기 수동 광도파로와 멀어질수록 폭이 좁아질 수 있다.
상기 돌기부의 하부 모서리 각도는 50도 내지 70도일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 별도의 식각 정지층 없이 단열홈을 형성할 수 있다. 따라서, 파장가변 레이저의 성능 저하 없이 저전력 파장가변이 가능해지는 장점이 있다.
또한, 식각 정지층이 생략되므로 에피 성장이 간단해지고, 단열홈 형성을 위한 공정이 간단해지는 장점이 있다.
또한, 반도체물질의 식각률만을 조절하여 단열홈을 형성하므로, 칩의 균일성이 보장되는 장점이 있다.
또한, 열 또는 전류의 선택적 주입에 의해 파장을 조절할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파장 가변 레이저의 평면도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 파장 가변 레이저의 단면도이고,
도 3은 도 2의 변형예이고,
도 4는 도 1의 B-B 방향 단면도이고,
도 5는 도 1의 C-C 방향 단면도이고,
도 6 및 도 7은 하부 클래드층에 단열홈을 형성하는 과정을 보여주는 도면이고,
도 8은 종래 파장 가변 레이저의 파장 가변 영역의 단면도이고,
도 9는 도 8의 변형예이고,
도 10은 종래 파장 가변 레이저의 이득 영역의 단면도이고,
도 11은 도 5의 변형예이고,
도 12는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 파장 가변 레이저의 평면도이고,
도 13은 도 12의 D-D 방향 단면도이다.
본 실시예들은 다른 형태로 변형되거나 여러 실시예가 서로 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 각각의 실시예로 한정되는 것은 아니다.
특정 실시예에서 설명된 사항이 다른 실시예에서 설명되어 있지 않더라도, 다른 실시예에서 그 사항과 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 다른 실시예에 관련된 설명으로 이해될 수 있다.
예를 들어, 특정 실시예에서 구성 A에 대한 특징을 설명하고 다른 실시예에서 구성 B에 대한 특징을 설명하였다면, 구성 A와 구성 B가 결합된 실시예가 명시적으로 기재되지 않더라도 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예의 설명에 있어서, 어느 한 element가 다른 element의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
본 실시 예에서는 단일집적 파장 가변 레이저의 구성을 기반으로 본 발명의 기술적 사상을 설명하나, 본 발명의 사상이 단일집적 파장 가변 레이저에 국한되는 것은 아니며 다른 형태의 파장 가변 레이저에도 적용될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파장 가변 레이저의 평면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 파장 가변 레이저의 단면도이고, 도 3은 도 2의 변형예이고, 도 4는 도 1의 B-B 방향 단면도이고, 도 5는 도 1의 C-C 방향 단면도이고, 도 6 및 도 7은 하부 클래드층에 단열홈을 형성하는 과정을 보여주는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시 예에 따른 파장 가변 레이저는 하부 전극(15), 상부 클래드층(120b), 하부 클래드층(120a), 광도파로(130), 및 제1 전극(13a)을 포함할 수 있다.
파장 가변 레이저는 이득 영역(10)과 및 파장 가변 영역(20)을 포함할 수 있다. 광도파로(130)는 이득 영역(10)에 배치되는 광도파로(이하 능동 광도파로)와 파장 가변 영역(20)에 배치되는 광도파로(수동 광도파로)로 구분될 수 있으며, 능동 광도파로(130a)와 수동 광도파로(130b)는 광학적으로 연결될 수 있다. 예시적으로 능동 광도파로(130a)와 수동 광도파로(130b)는 Butt-Joint 방식 또는 Integrated twin guide 방식으로 결합될 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
이득 영역(10)은 복수 개의 반도체층을 에피 성장을 통해 제작할 수 있다. 복수 개의 반도체층의 구성은 특별히 한정하지 않는다. 예시적으로 이득 영역(10)의 반도체층은 원하는 파장대의 광을 생성하기 위해 적절한 조성비 및 도핑 농도가 조절될 수 있다. 예시적으로 이득 영역(10)의 능동 광도파로(130a)는 우물층과 장벽층이 교번 적층된 MQW(Multi Quantum well) 구조일 수 있다. 우물층과 장벽층의 조성은 InAlGaAs 또는 InGaAsP를 포함할 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
파장 가변 영역(20)은 이득 영역(10)에서 생성된 광의 파장을 변화시킬 수 있다. 파장 가변 영역(20)은 파장을 가변시키기 위해서 파장 가변 필터가 필요하며, 예시적으로 DBR(distributed bragg reflector) 구조(122)를 가질 수 있다. DBR(distributed bragg reflector) 구조(122)는 열 또는 전류가 주입되면 회절격자의 굴절률이 변화하여 파장이 가변될 수 있다.
이때, DBR 구조(122)는 이득 영역(10)의 전단에만 배치된 것으로 도시하였으나 반드시 이에 한정하는 것은 아니고 이득 영역(10)의 전단과 후단에 각각 SG-DBR(sampled-grating distributed bragg reflector)이 배치될 수도 있다.
제1단열홈(211)과 제2단열홈(212)은 수동 광도파로(130b)를 사이에 두고 서로 마주보게 배치될 수 있다. 즉, 평면상에서 수동 광도파로(130b)는 제1단열홈(211)과 제2단열홈(212) 사이에 배치될 수 있다. 제1단열홈(211)과 제2단열홈(212)은 복수 개로 배치될 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
광도파로(130)는 하부 클래드층(120a) 상에 배치될 수 있고, 상부 클래드층(120b)은 광도파로(130) 상에 배치될 수 있다. 상부 클래드층(120b)과 하부 클래드층(120a)은 InP를 포함할 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
상부 클래드층(120b) 상에는 제1전극(13a)이 배치될 수 있다. 제1전극(13a)은 이득 영역(10)에 전류를 인가하여 광을 생성할 수 있다. 히터(22)는 수동 광도파로(130b)에 열을 인가하여 굴절률을 변화시킴으로써 광의 파장을 조절할 수 있다.
도 3을 참조하면, 실시 예에 따른 파장 가변 레이저는 능동 광도파로(130a)가 수동 광도파로(130b) 상에 배치되는 Integrated twin guide 구조를 가질 수도 있다. 또한, DBR 구조(122)는 수동 광도파로(130b)의 상부에 배치될 수도 있다. 또한 서브 전극(13b)을 더 구비할 수도 있다. 서브 전극(13b)은 위상 제어, 열 제어, 광 제어 중 적어도 하나를 위한 전극일 수 있다.
도 4를 참조하면, 상부 클래드층(120b)은 능동 광도파로(130a)의 일부 영역 상에 배치될 수 있다. 즉, 상부 클래드층(120b)은 식각 과정을 통해 도파로 모드(221) 상에만 배치될 수 있다. 실시 예에 따르면 이득 영역에서 식각 방지층이 없으므로 레이저의 광학적 및/또는 전기적 특성이 개선될 수 있다.
도 5를 참조하면, 파장 가변 영역에서 제1단열홈(211)과 제2단열홈(212)은 하부 전극(15)에 가까워질수록 폭이 증가하는 역메사 형상을 가질 수 있다. 또한, 제1단열홈(211)과 제2단열홈(212)은 하부 클래드층(120a)에서 서로 연결되어 수동 광도파로(130b)를 둘러싸는 하나의 홈을 형성할 수 있다. 제1단열홈(211)과 제2단열홈(212)에는 별도의 단열재(미도시)가 배치될 수도 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
제1단열홈(211)과 제2단열홈(212)은 하부전극(15)에 가까워질수록 점차 면적이 증가하는 제1구간(C1), 및 하부전극(15)에 가까워질수록 점차 면적이 감소하는 제2구간(C3)을 가질 수 있다. 제1구간(C1)과 제2구간(C3)의 깊이 및 면적 등은 식각용액의 종류에 따라 달라질 수 있다. 또한, 제1단열홈(211)과 제2단열홈(212)의 하부면은 평탄면(C2)을 가질 수 있다.
하부 클래드층(120a)은 제1단열홈(211)과 제2단열홈(212)에 둘러싸인 돌기부(123)를 포함할 수 있다. 파장 가변 영역은 상부 클래드층(120b), 수동 광도파로(130b), 및 하부 클래드층(120a)의 돌기부(123)로 구성되는 제어 영역(222)을 포함할 수 있다. 제어 영역(222)은 열이 주입되어 굴절률이 변화하는 영역일 수 있다. 즉, 제어 영역(222)은 파장을 제어하는 영역일 수 있다.
히터(22)는 제어 영역(222)상에 배치될 수 있다. 히터(22)는 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 플래티늄(Pt), 니켈(Ni), 및 금(Au)을 포함하는 금속 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
제어 영역(222)의 돌기부(123)가 하부 클래드층(120a)과 연결되어 있으면 히터(22)에서 주입되는 열의 일부가 하부 클래드층(120a)으로 빠져나가므로 수동 광도파로(130b)로 인가되는 열 효율이 떨어질 수 있다.
그러나, 실시 예는 돌기부(123)로 전달된 열이 제1단열홈(211)과 제2단열홈(212)에 의해 차단될 수 있다. 따라서, 수동 광도파로(130b)의 굴절률의 변화폭이 커지므로 파장 가변 범위가 넓어질 수 있다. 또한, 주입 전류를 줄일 수도 있다.
실시 예에 따르면, 제1단열홈(211)과 제2단열홈(212)은 식각 용액의 노출 시간을 제어하여 형성할 수 있다. 하부 클래드층(120a)을 식각할 수 있는 식각 용액을 선택하고, 해당 식각 용액에 의한 식각 각도가 정해지면 돌기부(123)를 형성할 수 있는 식각 깊이 및 식각 시간을 산출할 수 있다. 식각 용액은 Hbr 등이 선택될 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
도 6을 참조하면, 식각 용액을 이용하여 제1시간동안 식각하면 제1크기를 갖는 제1, 제2단열홈(R1, R2)을 각각 형성할 수 있다. 이후, 식각 시간을 늘리면 도 7과 같이 제1, 제2단열홈(R1, R2)이 점차 커져 결국 서로 연결될 수 있다. 따라서, 돌기부(123)가 형성될 수 있다. 식각 용액은 식각 각도가 정해지므로 돌기부를 만들기 위한 식각 시간을 산출할 수 있다.
실시 예에 따르면, 식각 용액의 식각률만을 조정하여 돌기부(123)를 형성하므로 식각을 종료하기 위한 식각 정지층(예: InGaAs 층)을 생략할 수 있다. 따라서, 에피 성장시 간단해지고 레이저 효율이 개선될 수 있다.
도 8은 종래 파장 가변 레이저의 파장 가변 영역의 단면도이고, 도 9는 도 8의 변형예이고, 도 10은 종래 파장 가변 레이저의 이득 영역의 단면도이고, 도 11은 도 5의 변형예이다.
도 8을 참조하면, 파장 가변 영역(20)의 하부 클래드층(120a)에는 별도의 식각 정지층(16)이 배치될 수 있다. 이 경우 식각 정지층(16)까지 클래드층을 식각한 후 다시 식각 정지층(16)을 제거하여 최종적으로 단열홈(21)을 형성할 수 있다. 따라서, 2단계 식각이 필요하다. 이때, 도 9와 같이 단열홈은 역메사 구조로 형성할 수도 있다.
그러나, 단일 집적 구조에서는 도 10과 같이 이득 영역(10)과 파장 가변 영역(20)이 동일한 에피 구조를 갖게 되므로 필연적으로 이득 영역(10)에서도 식각 정지층(16)을 갖게 되는 문제가 있다. 따라서, 이득 영역(10)에 식각 정지층(16)이 남아 있게 되므로, 레이저의 특성 저하의 원인이 될 수 있다. 또한, 에피 제조 공정이 복잡해지는 문제가 있다.
그러나, 실시 예에 따르면, 식각 용액의 식각률만을 조절하여 제어 영역(222)을 형성하므로 식각을 종료하기 위한 식각 정지층을 생략할 수 있다. 따라서, 에피 성장시 간단해지고 레이저 효율이 개선될 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 실시 예에 따른 돌기부(123)는 하부로 갈수록 폭이 좁아질 수 있다. 이때, 돌기부(123)의 단면은 삼각형 형상일 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
단면이 삼각 형상인 돌기부(123)는 하부 전극(15)과 가장 가까운 제1모서리(222a)를 포함할 수 있다. 이때, 제1모서리(222a)의 제1 각도(θ1)는 30도 내지 70도일 수 있다. 제1모서리의 제1각도(θ1)와 제2각도(θ2)는 식각 용액의 식각 각도에 의해 결정될 수 있다.
그러나, 식각 정지층을 갖는 종래 구조는 클래드층의 일부만을 식각하고 이후에 다시 식각 정지층을 제거하는 구조이므로 제어 영역(222)의 하부면이 샤프하지 않고 평탄면을 가질 수 있다(도 8 및 도 9의 B1). 이러한 평탄면은 열 효율 관점에서 유지하지 않을 수 있다.
도 11을 참조하면, 실시 예에 따른 제1단열홈(211)과 제2단열홈(212)은 하부 클래드층(120a)에서 서로 연결되지 않을 수도 있다. 즉, 제어 영역(222)의 돌기부(123)는 하부 클래드층(120a)과 연결될 수 있다.
돌기부(123)는 하부로 갈수록 폭이 좁아지는 제1돌기부(123a) 및 하부로 갈수록 폭이 넓어지는 제2돌기부(123b)를 포함할 수 있다. 이러한 구조에 의하면, 제2돌기부(123b)가 제1돌기부(123a)를 지지함으로써 제어 영역(222)의 안정적인 구동이 가능해질 수 있다. 특히, 제1 단열홈(211)과 제2 단열홈(212)에 별도의 단열재가 배치되지 않은 경우 이러한 지지구조는 더욱 효과적일 수 있다.
제1돌기부(123a)의 면적은 제2돌기부(123b)보다 클 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니고 제1돌기부(123a)의 면적은 제2돌기부(123b)보다 작거나 동일할 수 있다. 즉, 제1돌기부(123a)과 제2돌기부(123b)의 면적 및 높이는 식각 용액의 종류에 따라 달라질 수도 있다.
돌기부(123)는 가장 폭이 넓은 제1영역(W1)과 가장 폭이 좁은 제2영역(W2)의 비(W1:W2)가 1: 0.1 내지 1: 0.5일 수 있다. 가장 폭이 넓은 제1영역(W1)은 제1돌기부(123a)의 상면일 수도 있고, 가장 폭이 좁은 제2영역(W2)은 제1돌기부(123a)와 제2돌기부(123b)의 경계(124)일 수 있다.
비가 1:0.1보다 작은 경우에는 제2영역(W2)의 폭이 너무 좁아져 제1돌기부(123a)를 안정적으로 지지하기 어려울 수 있다. 또한, 비가 1:0.5보다 큰 경우 제2영역(W2)을 통한 열 손실이 커지는 문제가 있다. 예시적으로 제2영역(W2)의 폭은 0.1㎛ 내지 0.5㎛일 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
도 12은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 파장 가변 레이저의 평면도이고, 도 13은 도 12의 D-D 방향 단면도이고, 도 12 및 은 식각 시간이 증가함에 따라 반사층의 식각 영역이 넓어지는 상태를 보여주는 도면이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 파장 가변 레이저는 이득 영역(10)과 및 파장 가변 영역(20)을 포함할 수 있다. 광도파로(130)는 이득 영역(10)에 배치되는 광도파로(이하 능동 광도파로)와 파장 가변 영역(20)에 배치되는 광도파로(수동 광도파로)로 구분될 수 있으며, 능동 광도파로(130a)와 수동 광도파로(130b)는 광학적으로 연결될 수 있다. 예시적으로 능동 광도파로(130a)와 수동 광도파로(130b)는 Integrated twin guide 또는 Butt-Joint 방식으로 결합될 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
도 13을 참조하면 파장 가변 영역(20)은, 하부 클래드층(120a)상에 배치되는 수동 광도파로(130b), 수동 광도파로(130b) 상에 배치되는 상부 클래드층(120b), 및 상부 클래드층(120b)상에 배치되는 제3전극(23), 제3전극(23) 상에 배치되는 전류 차단층(24), 전류 차단층(24) 상에 배치되는 히터(22), 및 수동 광도파로(130b)를 사이에 두고 서로 마주보게 배치되는 제1단열홈(211)과 제2단열홈(212)을 포함할 수 있다.
실시 예에 따른 제1단열홈(211)과 제2단열홈(212)은 하부 클래드층(120a)의 일부 영역까지 형성될 수 있다. 이때, 제1단열홈(211)과 제2단열홈(212)은 하부 클래드층(120a)에서 서로 연결되지 않을 수 있다. 즉, 제어 영역(222)의 돌기부(123)는 하부 클래드층(120a)과 연결될 수 있다. 따라서, 전류 주입에 따른 굴절률 제어가 가능해질 수 있다.
돌기부(123)는 하부로 갈수록 폭이 좁아지는 제1돌기부(123a) 및 하부로 갈수록 폭이 넓어지는 제2돌기부(123b)를 포함할 수 있다. 이러한 구조에 의하면, 제2돌기부(123b)가 제1돌기부(123a)를 지지함으로써 제어영역의 안정적인 구동이 가능해질 수 있다. 특히, 제1단열홈(123a)과 제2단열홈(123b)에 별도의 단열재가 배치되지 않은 경우 이러한 지지구조는 더욱 효과적일 수 있다. 제1돌기부(123a)와 제2돌기부(123b)의 높이는 식각 용액의 종류에 따라 달라질 수도 있다.
제3전극(구동전극, 23)은 상부 클래드층(120b) 상에 배치될 수 있다. 제3전극(23)과 하부 전극(15)에 전류가 주입되면 수동 광도파로(130b)의 굴절률이 변화하여 파장이 가변될 수 있다. 전류 차단층(24)은 제3전극(23)과 히터(22) 사이에 배치될 수 있다.
실시 예에 따르면 히터(23)의 열을 제어 영역(222)에 인가하여 수동 광도파로(130b)의 굴절률을 변화시킴으로써 파장을 가변시킬 수도 있고, 전류를 주입하여 광도파로(130b)의 굴절률을 변화시킴으로써 파장을 가변시킬 수도 있다.
즉, 파장 가변을 위해 제3전극(23)에 전류를 주입하거나 히터(22)에 전압을 인가할 수 있다. 실시 예에 따르면, 히터(22)만을 제어하여 열 인가 방식으로 파장을 제어할 수도 있고, 제3전극(23)에 전류를 주입하여 전류 인가 방식으로 파장을 제어할 수도 있다.
그러나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니고 히터(22)에 전압을 인가하는 동시에 제3전극(23)에 전류를 주입함으로써 열과 전류를 동시에 인가할 수도 있다. 이 경우 열과 전류에 의해 동시에 굴절률을 제어할 수 있으므로 파장 가변 범위가 증가할 수 있다.
돌기부(123)는 가장 폭이 넓은 제1영역(W1)과 가장 폭이 좁은 제2영역(W2)의 비(W1:W2)가 1: 0.1 내지 1: 0.5일 수 있다. 비가 1:0.1보다 작은 경우에는 제2영역(W2)의 폭이 너무 좁아져 제1돌기부(123a)를 안정적으로 지지하기 어려울 수 있다. 또한, 제2영역(W2)의 폭이 너무 좁아져 제3전극(23)에 의한 전류 인가시 저항이 커지는 문제가 있다.
비가 1:0.5보다 큰 경우 제2영역(W2)을 통한 열 손실이 커지는 문제가 있다. 예시적으로 도파로 모드가 단열홈의 영향을 받지 않게 하기 위해 제1영역(W1)은 대략 10㎛ 이상일 수 있다. 또한, 제2영역(124)의 폭은 0.1㎛ 내지 0.5㎛일 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 이득 영역 및 파장 가변 영역을 포함하고,
    상기 파장 가변 영역은,
    하부 클래드층;
    상기 하부 클래드층 상에 배치되는 수동 광도파로;
    상기 수동 광도파로 상에 배치되는 상부 클래드층;
    상기 상부 클래드층 상에 배치되는 구동전극;
    상기 구동전극 상에 배치되는 전류 차단층;
    상기 전류 차단층 상에 배치되는 히터; 및
    상기 수동 광도파로를 사이에 두고 서로 마주보게 배치되는 제1단열홈과 제2단열홈을 포함하는 파장 가변 레이저.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하부 클래드층은 상기 제1단열홈과 제2단열홈이 연결되어 형성되는 돌기부를 포함하고,
    상기 돌기부는 제2방향으로 갈수록 폭이 좁아지는 제1돌기부를 갖고,
    상기 제2방향은 상기 상부 클래드층에서 상기 하부 클래드층 방향인 파장 가변 레이저.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 돌기부는 상기 제2방향으로 갈수록 폭이 넓어지는 제2돌기부를 갖는 파장 가변 레이저.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2돌기부는 상기 제1돌기부의 하부에 배치되는 파장 가변 레이저.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1돌기부의 면적은 상기 제2돌기부의 면적보다 큰 파장 가변 레이저.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 돌기부는 가장 폭이 넓은 제1영역과 가장 폭이 좁은 제2영역의 폭의 비는 1:0.1 내지 1:0.5인 파장 가변 레이저.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수동 광도파로는 상기 구동전극에 의해 전류가 주입되거나 상기 히터에 의해 열이 주입되는 경우 굴절률이 변화하는 파장 가변 레이저.
  8. 이득 영역 및 파장 가변 영역을 포함하고,
    상기 파장 가변 영역은,
    하부 클래드층;
    상기 하부 클래드층 사이에 배치되는 수동 광도파로;
    상기 수동 광도파로 상에 배치되는 상부 클래드층;
    상기 상부 클래드층 상에 배치되는 히터; 및
    상기 하부 클래드층 상에 배치되는 제1단열홈과 제2단열홈을 포함하고,
    상기 제1단열홈과 제2단열홈은 상기 수동 광도파로를 사이에 두고 서로 마주보게 배치되고,
    상기 하부 클래드층은 상기 제1단열홈과 제2단열홈이 연결되어 형성되는 돌기부를 포함하고,
    상기 돌기부는 상기 수동 광도파로와 멀어질수록 폭이 좁아지는 파장 가변 레이저.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 돌기부의 제1 모서리 각도는 30도 내지 70도인 파장 가변 레이저.
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