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KR100489809B1 - 파장가변형 반도체 레이저 및 그 제조방법 - Google Patents

파장가변형 반도체 레이저 및 그 제조방법 Download PDF

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KR100489809B1
KR100489809B1 KR10-2003-0020673A KR20030020673A KR100489809B1 KR 100489809 B1 KR100489809 B1 KR 100489809B1 KR 20030020673 A KR20030020673 A KR 20030020673A KR 100489809 B1 KR100489809 B1 KR 100489809B1
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
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Abstract

본 발명은 페브리 페롯(Fabri-Perot)필터와 전극 어레이를 포함하여 구성된 파장가변형 반도체레이저에 관한 것으로, 전극들에 전기장 또는 전류를 인가함으로써 캐비티 내부에 광신호의 진행방향을 연속적으로 변화시킬 수 있으며, 인트라 캐비티 레이저 빔의 연속적인 각 변화에 의하여 넓은 파장대역에 걸쳐 연속적으로 파장가변이 가능하도록 한다.

Description

파장가변형 반도체 레이저 및 그 제조방법{Tunable Semiconductor Laser And Method Thereof}
본 발명은 파장가변형 반도체 레이저에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 광 섬유 통신 밴드에 걸쳐 넓은 범위의 파장 가변이 가능한 반도체 레이저에 관한 것이다.
80년대 및 90년대, 정보의 폭발적인 증가는 넓은 주파수 영역에 걸쳐 할당된 많은 채널들을 요구하는 통신 네트워크 용량의 폭발적인 증가를 요구하고 있다. 파장 가변형 반도체 레이저는 파장분할 멀티플렉싱(Wavelength Division Multiplexing:WDM) 및 패킷 스위칭 아키텍쳐등 광범위한 분야에서 핵심적인 부품이다. 이러한 시스템의 네트워크 용량은 파장가변형 레이저 송신기에 의해 접근가능한 파장 수에 따라 증가된다.
이러한 이유로 반도체 레이저의 파장가변 영역을 확장하는 것은 지난 수십년간의 중요한 연구분야가 되어 왔다. 이들 연구들은 주로 상대적으로 낮은 속도인 열적효과들 보다 빠른 전기적 효과들로 파장가변성을 획득하는 집적구조들과 예측가능한 튜닝 알고리즘을 갖는 소자들에 초점이 맞추어져 있었다.
파장가변형 반도체 레이저들은 일반적으로 모노리식(monolitjic) 집적 또는 비모노리식(non-monolithic) 집적의 2가지 다른 방식으로 구현된다.
비모노리식 기술은 주로 파장가변형 고체상태 레이저 또는 다이 레이저들의 방법을 채용하고, 이는 캐비티 미러 내부에 활성 물질 및 파장가변 필터로 구성된다. 비모노리식 외부 캐비티의 전형적인 예는 일단에 파셋 미러를 갖는 반도체 부분과 다른 미러로 비반사 코팅된 다른 일단을 갖는 회절 격자를 구비한다. 빔은 파셋 미러와 회절격자 사이에서 비반사 코팅된 파셋을 통해서 발진한다. 회절 격자는 파장 튜닝을 위해 회전한다. 이 디바이스는 거의 100nm의 싱글 모드 튜닝 범위와 수 밀리미터와트의 전력을 제공한다. 실험실에서 이 기술은 1550nm에서 240nm의 파장가변을 입증했다.
그러나, 이러한 외부형 캐비티는 파장가변 속도, 작은 크기, 대량생산성, 저가격화와 집적성 같은 반도체 레이저의 종래 이점들 중 많은 부분을 버려야 한다. 이러한 단점들은 모노리식 방식을 이용한 파장가변형 반도체 레이저에 대한 강한 동기를 제공한다.
모노리식 튜닝가능한 반도체 레이저의 초기 유형은 DBF(distributed feedback) 및 DBR(Distributed reflector) 레이저들이다. DBR 및 멀티섹션 DFB 파장가변형 레이저들은 부분적인 파장 변화(Δλ/λ)가 디바이스의 격자 섹션에서 유효 굴절 변화(Δμ/μ)를 초과하지 않는다는 근본적인 문제점에 의해 파장가변 영역이 제한된다. 즉, 최대 튜닝(tuning) 범위는 10nm전후이다. 따라서, 이러한 파장가변 범위의 한계를 넘을 수 있는 새로운 스킴이 요구된다.
초기 90년대는 수개의 연구그룹들이 유망한 파장가변(튜닝) 스킴들을 발표하였다. 첫번째는 Y-캐비티 레이저로, 확장된 튜닝은 마하젠더 간섭계(Mach-Zender interferometer)의 단순한 변형으로 구현가능하다. 이 디바이스는 38nm 튜닝을 제공하고, 격자가 필요없는 제작상 용이한 이점을 가진다. 이와 같은 단순한 공정과 튜닝스킴에 의해서 15-20dB의 낮은 사이드 모드 억제 비율(side mode suppression ration:SMSR)을 갖는 중대한 단점을 가진다. 두번째 디바이스는 튜닝가능한 인트라 캐비티(intra-cavity) GACC(Grating-Assisted co-directional coupler) 필터로 튜닝한다. 이 파장가변 범위는 Δμ/μ 보다 Δμ/(μ1-μ2)에 의존한다. 여기서, μ1, μ2 는 2개의 커플된 광도파로의 유효 굴절율들이다. 비록 57nm 튜닝 범위를 보여주었지만, 이 디바이스는 μ1-μ2를 감소시킴으로써 필터 튜너빌리티를 증가시키는데 이것이 사이드 모드 억제를 열화시키는 한계를 가지고 있다. 또한, GACC는 수용가능한 SMSR을 획득하기 위하여 매우 협소한 설계 윈도우를 가진다.
현재까지, 상업적으로 이용가능한 가장 성공적인 디바이스는 주기적인 방식으로 샘플된 격자(SG) DBR을 이용한 반도체 레이저이다.(미국특허 제4,896,325호). 샘플된 격자는 파장 스펙트럼에서 주기적인 반사 최고치를 제공한다. 튜닝은 서로 약간 다른 주기를 갖는 2개의 샘플된 격자의 반사 피크를 이동시킴으로써 성취된다. 다른 튜닝(tuning) 스킴에 비해 많은 SGDBR 레이저의 이점에도 불구하고, 여전히 몇몇 근본적인 단점을 가지고 있다. 파장 튜닝은 연속적(continuously)이 아니라 준연속적(quasi-continously)으로 성취된다. 이것은 하나의 파장에서 다른 파장으로 이동하는 것이 매우 복잡하고 시간이 소요된다는 것을 의미한다. 사용자는 디바이스의 제공자에 의해 정의된 파장들만 사용가능하다. 수퍼구조 격자 DBR 레이저(Superstructure grating DBR laser)는 SGDBR 레이저에 약간의 변형으로, 이는 주기적 반사 최대치를 생성하기 위해 샘플된 격자들 대신에 첩된(chirped) 격자를 이용한다(미국특허 제5,325,325호). 이 디바이스는 SGDBR 레이저 같이 준연속 튜닝의 문제를 공유할 뿐 아니라 E-beam 리소그라피를 요구하는 제조상의 어려움이 있다. 이것은 대량생산에 중요한 장애물이 될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 반도체 레이저들을 위한 넓은 파장대역에 걸쳐 연속적인 파장가변이 가능한 새로운 방식을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 비모노리식 및 모노리식 반도체 레이저들이 갖는 문제점들을 해결하고 서로의 장점만을 취할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 낮은 미러 손실을 가지고, 유전체 코팅의 완성도 높은 기술을 이용하며, 단순하고 손쉬운 공정으로 구현가능한 파장가변형 반도체 레이져를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또다른 목적은 다수의 파장채널로 구성된 광섬유통신에 즉시 적용가능한 넓은 대역의 파장가변 스킴을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 구현하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일측면은 기판 상에 형성되며, 클래딩층에 의해 광신호를 가이드하는 곡선 형상의 광도파로; 광도파로 일부분 상에 형성되며 광신호를 생성하는 활성영역; 활성영역의 일측에 형성되며, 상기 광도파로의 일정 부위에 전기장 또는 전류를 인가함으로써 상기 광도파로를 통하여 전송되는 광신호의 진행방향을 변화시키는 전극 어레이; 광신호의 진행 방향의 변화에 따라서 선택된 일파장의 광신호만 필터링하는 페브리-페롯 필터; 및 페브리-페롯 필터를 통과한 상기 일파장의 광신호를 반사하는 곡선 미러를 포함하는 파장가변형 반도체 레이저를 제공한다.
한편, 전극 어레이의 일전극은 상기 진행광이 입사하는 각과 출사하는 각이 서로 다르게 구성되고, 상기 일전극의 내부는 전기장 또는 전류의 인가에 따라서 외부와 다른 굴절율을 가지도록 구성되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 전극 어레이의 일전극은 삼각형 형상 또는 사다리꼴 형상이다.
한편, 상기 파장가변형 반도체 레이저에는, 활성 영역의 타측에 형성가능하며, 상기 광도파로로부터 전송되는 광신호를 출력하기 위한 출력 미러를 더 포함할 수 있다. 출력 미러는 곡선형 도파로에 새겨진 균일 격자를 구비하는 구조 또는 직선 도파로에 새겨진 처프(chirp)된 격자를 구비하는 구조일 수 있다.
또한, 페브리-페롯 필터와 상기 곡선 미러 사이에는 무반사박막이 더 포함가능하다.
또한, 상기 파장가변형 반도체 레이저에는, 활성영역의 타측에 형성가능한 위상제어기가 더 포함될 수 있다.
한편, 곡선 미러에는 반사코팅이 되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 광도파로는 페브리 페롯 필터로부터 반사된 빛이 광도파로를 탈출할 수 있도록 굽은 구조로 형성하는 것이 바람직하다.
페브리-페롯 필터는 반도체 레이저의 일파셋에 설치된 구조를 채용할 수 있으며, TiO2/SiO2 또는 SiNx/SiO2 박막으로 형성가능하다. 이 페브리 페롯 필터 상부에는 곡선 미러가 추가될 수 있다.
가능한 다른 대안으로, 페브리-페롯 필터는 상기 클래딩층과 상기 클래딩층과 굴절율이 상이한 절연물질이 수회 교대로 형성되어 캐비티 구조로 구성될 수 있다. 이와 같은 구조는 파장가변형 레이저의 반도체부에 페브리-페롯 필터를 내재시키는 구조이다. 사용가능한 절연물질은 실리콘 질화막일 수 있다. 또한, 곡선 미러는 상기 페브리-페롯 필터로부터 통과된 광신호를 반사할 수 있도록 상기 페브리-페롯 필터의 측면에 금속 또는 유전물질로 형성가능하다.
본 발명의 다른 측면은 기판 상에 하부 클래딩층의 버퍼층, 광도파로의 코어층 및 활성층을 형성하는 단계; 코어층과 활성층을 패터닝하여, 상기 광도파로 일부분 상에 광신호를 생성하는 활성영역과 상기 광신호를 가이딩하는 곡선 형상의 광도파로 코어층을 형성하는 단계; 상기 전체 구조 상에 상부 클래딩층 및 오믹층을 증착하는 단계; 상기 형성된 광도파로 이외의 영역을 절연시키기 위하여 이온주입공정을 실시하는 단계; 광도파로의 일정 부위에 전기장 또는 전류를 인가함으로써 상기 광도파로를 통하여 전송되는 광신호의 진행방향을 변화시키는 전극 어레이를 포함하는 전극을 형성하여 반도체 레이저를 제조하는 단계; 및 상기 반도체 레이저의 일파셋에 페브리-페롯 필터와 곡선미러를 차례로 형성하는 단계를 포함하되, 페브리-페롯 필터는 전극어레이에 의한 상기 광신호의 진행 방향의 변화에 따라서 선택된 일파장의 광신호만 필터링하고, 상기 곡선 미러는 상기 페브리-페롯 필터를 통과한 상기 일파장의 광신호를 반사하는 파장가변형 반도체 레이저의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또다른 측면은 기판 상에 하부 클래딩층의 버퍼층, 광도파로의 코어층 및 활성층을 형성하는 단계; 코어층과 활성층을 패터닝하여, 상기 광도파로 일부분 상에 광신호를 생성하는 활성영역과 상기 광신호를 가이딩하는 곡선 형상의 광도파로 코어층을 형성하는 단계; 상기 전체 구조 상에 상부 클래딩층 및 오믹층을 증착하는 단계; 상기 형성된 광도파로 이외의 영역을 절연시키기 위하여 이온주입공정을 실시하는 단계; 광도파로의 일영역에 상기 상부 클래딩층을 일정 간격 및 깊이를 갖는 홈의 그룹으로 식각하고 상기 홈에 상기 상부 클래딩층과 굴절율이 상이한 절연물질을 채워 페브리-페롯 필터를 제조하는 단계; 페브리 페롯 필터의 측면에 곡선 미러를 형성하는 단계; 및 페브리-페롯 필터와 상기 활성영역 사이의 광도파로 일정 부위에 전기장 또는 전류를 인가함으로써 상기 광도파로를 통하여 전송되는 광신호의 진행방향을 변화시키는 전극 어레이를 포함하는 전극을 형성하는 단계를 포함하되, 페브리-페롯 필터는 상기 전극어레이에 의한 상기 광신호의 진행 방향의 변화에 따라서 선택된 일파장의 광신호만 필터링하고, 상기 곡선 미러는 상기 페브리-페롯 필터를 통과한 상기 일파장의 광신호를 반사하는 파장가변형 반도체 레이저의 제조방법을 제공한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예는 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인하여 한정되는 식으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되어 지는 것이다.
(제 1 실시예)
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 파장가변형 반도체 레이저(1)를 도시한 도면이다. 파장가변형 반도체 레이저(1)는 반도체부와 유전체부로 구성되며, 반도체부는 일반적인 반도체 레이저의 활성영역(14) 및 전극 어레이(18)를 포함하여 구성가능하고, 위상제어영역(15)와 출력 미러(16)를 더 포함할 수 있으며, 유전체부는 페브리-페롯 필터(13) 및 곡선 미러(17)를 포함하여 구성된다. 한편, 페브리-페롯 필터(13)와 일 파셋 사이에는 무반사 박막(11)이 추가로 포함될 수 있다. 무반사 박막(11), 페브리-페롯 필터(13) 및 곡선 미러(17)는 유전체 물질을 이용하여 반도체 블럭의 일 파셋 상에 성장시켜 제조가능하다.
페브리-페롯 필터(13)는 입사각에 따라서 다른 파장의 광신호를 필터링하는 소자로, 이 필터를 통해서 전송된 빛의 파장은 식(1)에 의해 필터에서 입사각에 관계한다.
λ=λ0/cosθ (1)
여기서, λ0 는 필터에 수직으로 입사하는 빛의 파장이다. 페브리-페롯 필터(13)는 상술한 필터의 기능을 수행할 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않고 다양하게 가능하며, 예를 들어 TiO2/SiO2 박막을 180nm/200nm로 1회 또는 그 이상으로 교대로 형성하여 제조할 수 있다. 또한, 실리콘 산화막(SiNx)과 실리콘 질화막을 교대로 형성하여 제조하는 것도 가능하다.
페브리-페롯 필터(13)는 단일 캐비티 모드에서 충분한 SMSR을 갖는 좁은 스펙트럼 대역을 줄 수 있도록 설계된다. 곡선 미러(17)는 페브리-페롯 필터(13)를 통하여 입사된 빛이 원래의 경로로 반사하도록 설계된다. 한편, 반도체와 유전체 사이의 인터페이스로부터 반사를 최소화하기 위해 일 파셋(11)에 비반사 코팅을 할 수도 있다. 페브리-페롯 필터(13)의 앞단 표면으로부터 반사된 빛을 제거하기 위하여 레이저 캐비티의 광 도파로는 적당한 각도 및 곡률의 반지름을 갖고 굽어 있다. 한편, 반도체부의 활성영역(14)도 굽은 구조로 형성할 수 있음은 당연하다.
곡선 미러(17)는 연속공정에 의해서 페브리 페롯 필터(13)와 함께 형성가능하고, 어떤 이용가능한 기술도 미러의 구모형에 이용될 수 있으며, 입사된 광경로에 따라서 광을 반사하는 역할을 수행한다. 곡선 미러(17)로 이용가능한 물질의 예로는 페브리-페롯 필터(13)의 제작 물질을 이용할 수 있으며, 교대로 형성되는 물질의 두께를 변형하여 반사가 일어날 수 있도록 제작한다. 예를 들어 TiO2/SiO2 박막을 1회 또는 복수회로 교대로 형성하여 제조할 수 있다.
광도파로(12)는 광 신호를 가이드하고, 광 도파로(12)는 임의의 각도(θ1)와 곡률반지름(r1)으로 굽어있다. 특정값(λ1, r1)은 광 도파로의 코어 및 클래드 물질에 의해 결정된다. θ1은 페브리-페롯 필터(13)의 전면으로부터 반사된 빛을 제거할 수 있을 정도로 크게 형성되어야 한다. 곡률 반지름(r1)은 굽음에 의해 가이딩된 빛의 손실을 최소화하기에 적당한 정도로 커야 한다. 예컨대, 각도(θ1)는 페브리-페롯 필터(13)에서 반사된 빛이 도파로를 벗어날 임계각 보다는 크고 30˚미만으로 구현하는 것이 바람직하다. 광 도파로가 InGaAsP 코어 및 InP 클래딩으로 구성되고 인덱스 차이가 Δn=0.189일 경우, 임계각은 9.7˚이다.
전극 어레이(18)는 전기장 또는 전류를 인가함으로써 캐비티 내부에 광신호의 진행방향을 연속적으로 변화시킬 수 있다. 즉, 전극 어레이(18)의 일전극(예를 들어, 하나의 삼각형)에 입사하는 각과 출사하는 각이 서로 다르게 구성되어 있고, 삼각형 내부는 전기장 또는 전류의 인가에 따라서 외부와 다른 굴절율을 가지도록 구성된다. 이러한 원리를 통해서 빛의 진행방향이 연속적으로 변화될 수 있다. 예를 들어 설명하면, 전극 어레이(18)는 삼각형, 사다리꼴 또는 평행하지 않는 두변을 갖는 어떤 모양의 다변형일 수 있다. 전극 어레이 하부의 광 도파로는 빛의 변화된 진행 방향을 수용할 수 있도록 팬아웃(fan-out)된다. 이에 대해서는 상세히 후술한다. 그러나, 상기와 같은 원리가 적용된 구조이면 전극 어레이(18)에서 단위 전극의 형상에 다양한 변형을 가할 수 있음은 당연하다.
도 2a 및 도 2b는 전극 어레이들의 실시예들을 도시하고 있다. 도 2a은 삼각형 모양의 전극(31)을 도시하고 있고, 도 2b는 도 2a의 반전된 이미지를 도시하고 있다. 도 2a와 도 2b에서는 서로 다른 방향으로 광신호를 굴절시킨다. 삼각형 뿐 만 아니라 사다리꼴 형상 등 많은 다양한 형상을 갖는 전극들의 설계가 가능하며, 이러한 설계 형태들이 본 발명에 포함됨은 당연하다.
한편, 반도체부를 구성하는 활성영역(14), 위상제어 영역(15) 및 출력 미러(16)는 일반적인 반도체 레이저에서 이용되는 구성요소로 그 상세한 설명은 설명의 편의를 위해 생략 한다. 위상제어 영역(15)은 파장가변을 실현하기 위해서 캐비티의 공진조건을 만족시킬 수 있도록 하는 역할을 수행하는 것으로 필수적인 구성은 아니다.
다만, 레이저 캐비티의 출력 미러(16)는 도 1과 같은 반도체 레이저의 절단면인 일파셋으로 제작할 수도 있고, 충분히 넓은 밴드대역을 확보하기 위해 특별히 설계된 격자 같은 다양한 방식으로 형성될 수 있다. 또한, 반도체 레이저와 함께 SOA(Semiconductor Optical Amplifier)등을 집적하는 경우 단순한 파셋 이외의 다양한 종류의 출력미러(16)를 도입할 수 있다. 반도체 레이저와 도 3a, 도 3b 및 도 3c는 출력 미러(16)의 제작예를 도시하고 있다.
도 3a는 반도체레이저의 일파셋에 코팅된 유전체 미러(16)를 도시하고 있다. 파셋은 다중 코팅된 층으로 형성된 경우이다.
도 3b는 곡선형 도파로(42)에 새겨진 균일 격자(41)를 도시하고 있으며, 도 3c는 직선 도파로에 새겨진 처프(chirp)된 격자(43)을 도시하고 있다. 도 3b 및 도 3c의 격자 미러(16)는 파장가변 스펙트럼의 전체 대역을 커버하도록 설계된다. 도 3b의 구조는 홀로그래피 리소그라피를 이용하여 공정이 용이한 이점이 있고, 도 3c의 구조는 직선형 도파로와 적은 손실의 이점이 있으나 E-빔 리소그라피의 공정을 이용해야 하는 단점이 있다.
이하, 도 1을 참조하여 파장가변형 반도체레이저(1)의 동작원리에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 활성영역(14)에서 생성된 광신호는 광도파로(12)를 따라 가이딩되어 진행한다. 전극어레이(18)에 의해서 진행광이 연속적으로 변화되는 상항을 광 도파로의 InGaAsP 코어와 InP 클래딩인 경우를 예로 들어 구체적으로 살펴본다. 광도파로(12)가 각 θ1이 15° 휘었을 경우 70nm 튜닝에 필요한 각 θ2 는 약 22.6°정도로 계산되므로, θ1에서 θ2 는 약 7.6°변화하여야 한다. 따라서, 광도파로(12)의 코어가 굴절률이 n=3.359인 InGaAsP 물질이고 클래딩층이 InP 인 경우를 가정하면, 도파로 코어와 클래딩 사이의 인덱스 차이가 Δn=0.189 정도이어서 페브리-페롯 필터(13)에서 반사된 빛이 도파로를 벗어날 임계각은 9.7°정도이고, 광 도파로(12)의 휘어진 각 (θ1) 15°는 임계각보다 충분히 크다.
한편, 가장 높은 전류에서 가장 큰 인덱스 변화가 0.516%=(1558nm-1500nm) /1500 nm 정도이고, 입사광은 수직으로 입사되고, 출사광은 45°삼각형의 사변을 통해 출사된다고 가정하면 하나의 전극을 지날 때 마다 진행각의 변화는 Δθ=0.2965°계산된다. 즉, 빛이 하나의 삼각형 전극을 지날 때 마다 진행각이 변화하는 것은 입사각과 출사각이 다르기 때문이며 Δθ=0.2965°는 수직 입사하고 45°빗변에서 비수직으로 출사되기 때문이다. 삼각형 하부의 광도파로 부분의 굴절율이 전기장 또는 전류인가로 인해 다른 영역과 차이가 발생하여 굴절율 법칙에 따라 상술한 각도 만큼 변화한다. 이와 같이 계산하면, 7.6°각 변화에 대한 전극들의 수는 26이고, 첫번째 삼각형의 높이가 2㎛일 경우 컴퓨터 계산에 의하여 전극의 전체 길이는 315㎛이고, 마지막 삼각형의 높이는 57㎛가 된다. 이는 반도체 공정으로 구현가능한 수치이다.
다음으로 굴절된 광신호는 페브리-페롯 필터(13)에 입사된다. 페브리-페롯 필터(13)은 입사각에 따라서 다른 파장의 광신호를 필터링하는 소자이다. 페브리-페롯 필터(13)에 입사된 각에 따른 광신호의 파장은 다음과 같다.
λ=λ0/cosθ
여기서, λ0 는 필터에 수직으로 입사하는 광신호의 파장이다.
이와 같이 선택된 파장의 광신호는 고해상도(high-resolution)로 코팅된 유전체 미러(13)의 구(sphere)모형에 의해 입사된 광 경로와 동일한 광경로로 후방으로 반사된다. 이와 같은 방식으로 캐비티 내부의 레이저는 출력 미러(16)와 곡선 미러(13) 사이에서 발진한다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 파장가변형 반도체 레이저(1)의 제작일예를 설명한다. 도 4는 도 1의 반도체 레이저의 단면도로서 광도파로를 따라 굽어진 단면을 따라 절단한 도면이다.
먼저, n-InP 기판(21)상에 예컨대 3000Å 두께로 n-InP 버퍼층(22)을 성장하고, 광도파로(23) 및 다중 양자우물(multiple quantum wall) 활성층(24)은 버퍼층(22)에 연속적으로 증착한다. 광도파로(23)는 InGaAsP같은 쿼터너리를 이용한 2000 내지 4000Å 두께의 단일층(mono-layer)이고 활성층(24)은 InGaAsP같은 쿼터너리를 이용한 다중 양자우물 구조로 이루어지며 역시 2000 내지 4000Å 두께로 구성 가능하다. 다음으로, 일련의 리소그라피 및 식각공정을 이용하여 활성층(24)을 패터닝하고 난 후, 광도파로(23)도 패터닝한다. 이 때 광도파로(22)는 굽은 구조를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다.
그 후, InP P-클래딩층(25) 및 오믹층용 P-InGaAs층(26)을 증착하고, 광도파로가 형성된 이외의 영역을 절연시키기 위하여 이온주입공정을 실시한다. 이와 같은 이온주입공정은 상기 패터닝된 코어층(23) 영역을 마스크로 덮고 듀트론(deutron)을 주입하여 듀트론이 주입된 영역을 절연화하는 공정이다.
다음으로, 전극어레이, 활성영역 등을 분리하기 위한 분리공정 단계를 거친 후 Pi/Pt/Au를 각각 200/200/3000Å 두께로 증착하여 금속 전극(27)을 형성한다. 전극들은 광도파로 상의 전극 어레이부에 형성된다. 전극어레이로 형성가능한 금속은 특별히 제한되지 않고 다양한 금속이 가능하며 예컨대 금(Au)을 100 내지 200nm 두께로 증착가능하다. 이 때 전술한 바와 같이, 전극의 형상은 예컨대 삼각형 모양이 배열된 구조일 수 있다.
다음으로, 페브리-페롯 필터(13)는 반도체 부분의 모든 공정이 수행된 후, 레이저의 일 파셋에 설치가능하다. 바람직하게는 일파셋상에는 무반사 박막(11)이 형성되어 있다. 그리고, 페브리-페롯 필터(13) 상에 곡선 미러(13)를 형성하되, 예를 들어 고전력 레이저 커팅, 리소그라피를 통한 습식에칭 등과 같은 방식으로 제작가능하다. 이와 같은 유전체부의 수직구조는 수직방향을 따라 곡선 미러가 구형으로 제작된다.
(제 2 실시예)
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 파장가변형 반도체 레이저(1)를 도시한 도면이다. 제 1 실시예와의 차이점을 기준으로 설명하면, 제 2 실시예의 경우는 페브리-페롯 필터와 곡선 미러를 반도체부 안에 모두 모노리식하게 제작한다. 도 5는 페브리-페롯 필터와 곡선미러를 반도체부 안에 내장된 경우를 도시하는 도면이고, 도 6은 도 5의 파장가변형 반도체 레이저 구조의 단면도이다.
이 경우, 반복적인 굴절율 변화로 이루어지는 페브리-페롯 필터(도 5의 44)의 각 홈(도 6의 46)의 두께를 조절하는 등 반도체 공정으로 이루어지므로 제작이 훨씬 용이하게 되고, 리소그라피 공정에 의해 구면 미러의 곡률반경 및 곡률 중심도 정확히 조절 가능하다.
도 6을 참조하면, 페브리-페롯 필터(도 5의 44)는 도면에서와 같이 광도파로(23)위에 특정한 폭의 홈을 주기적으로 파고 굴절율이 도파로의 코어 또는 클래드와 다른 물질(도 6의 46)을 채움으로써 이루어진다. 예를 들어 설명하면, 수 ㎛의 InP 클래딩층(25)에 홈을 형성하고, 홈 내부에 클래딩층(25)과 굴절율이 다른 물질(예를 들어, 실리콘 질화막, 실리콘 산화막 등과 같은 절연물질)을 채운다. 한편, 홈의 깊이와 너비 그리고 개수는 필터의 특성에 따라 선택되며 특별히 한정되지 않고 다양하게 가능하다. 또한, 홈에 채워지는 물질 또한 공정의 특성에 따라 다양하게 선택할 수 있고 어떤 물질이든 본 발명에 포함된다.
페브리-페롯 필터(도 5의 44)의 홈에 실리콘 질화막을 채우는 경우, InP 클래딩층의 두께(너비)는 170 내지 200㎚, 실리콘 질화막의 두께는 약 300㎚로 구성가능하며, 하나의 InP 클래딩층과 하나의 실리콘 질화막을 하나의 쌍으로 정의할 때, 5-10개의 쌍을 연속적으로 배열하여 이를 하나의 그룹으로 하고 (다만, 도 6에서는 도면의 간략화를 위해 2개 쌍을 하나의 그룹으로 하여 도시함), 이 그룹 2개가 서로 소정간격을 갖고 이격되어 형성될 수 있다. 한편, 2개의 소정 간격은 페브리-페롯 필터의 기능을 수행하기 위해 캐비티의 특성을 나타낼 수 있도록 고안되고, 예를 들어 반파장 또는 반파장의 1.5 배등으로 설정할 수 있다. 한편, 홈의 깊이는 클래딩층(25) 내부 또는 광도파로(23)의 일부에 까지 형성하는 것도 가능하다.
곡면 미러(47)는 리소그라피 및 식각 공정에 의해 광도파로(23)에 도 6과 같은 단면을 형성하고 금 또는 반사가능한 유전물질을 증착함으로써 형성할 수 있다.
이하, 도 7a 내지 도 13b를 참조하여 본 발명의 제 2 실시예에 따른 파장가변형 반도체 레이저(1)의 제작예를 상세히 설명한다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, n-InP 기판(21) 상에 3000Å정도의 n-InP 버퍼층(22)과 InGaAsP등의 쿼터너리를 이용하여 2000 내지 4000Å 두께로 광도파로의 코어층(23)을 성장시키고, 반도체 레이저의 일반적인 활성층으로 이용가능한 활성층, 예를 들어 InGaAsP 계열의 물질로 구성된 다중 양자우물(multiple quantum wall) 활성층(24)을 2000 내지 4000Å 두께로 연속적으로 형성한다. 그 후, 도 7b에 도시된 활성영역 마스크를 이용하여 굽은 구조를 갖는 활성영역을 형성한다. 형성하는 상세한 공정은 통상적인 리소그라피 공정과 식각공정을 이용할 수 있다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 다음으로 리소그라피 공정 등을 이용하여 코어층(23)을 패터닝하여 광 도파로의 코어영역을 정의한다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 광도파로의 일부분에는 페브리-페롯 필터과 곡선미러가 형성될 수 있도록 고안되어 있다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 상기 전체 구조상에 InP 물질로 약 2㎛의 P-클래딩층(25)을 형성하고, 그 상에 오믹층용 P-InGaAs층(26)을 성장시킨다, 다음으로, 도 9b의 마스크를 이용하여 이온주입공정을 실시한다. 이와 같은 이온주입공정은 상기 패터닝된 코어층(23) 영역을 마스크로 덮고 듀트론(deutron)을 주입하여 듀트론이 주입된 영역을 절연화하는 공정이다.
도 10a 및 도 10를 참조하면, 페브리-페롯 필터가 형성될 영역(A), 전극 어레이 영역(B), 활성영역(c) 및 위상제어영역(D)을 서로 분리하는 분리공정을 수행한다. 도 10b는 이 공정 수행시의 마스크 패턴을 도시하고 있다. 전극어레이가 형성되는 영역(B)은 삼각형의 전극 모양으로 형성되어 있다.
도 11을 참조하면, 페브리 페롯 필터(44)를 제작한다. 페브리-페롯 필터(44)는 광도파로(23)위에 특정한 폭의 홈을 주기적으로 파고 굴절율이 도파로의 코어 또는 클래드와 다른 물질(46)을 채움으로써 형성할 수 있음은 전술한 바와 같다. 미세한 패터닝은 통상적인 리소그라피 이외에도 홀로그래피 리소그라피 등을 이용하여 제조할 수도 있다.
도 12를 참조하면, 곡선 미러(47)를 제작한다. 곡면 미러(47)는 리소그라피 등으로 식각 방지막(40)을 형성하여 이를 마스크로 식각하여 광도파로(23)에 도 6과 같은 단면을 형성한다. 곡선 미러(47)는 금 또는 반사 가능한 유전물질을 증착하여 형성가능하다. 다중층으로 형성하는 것도 가능함은 물론이다. 또한, 곡선 미러(47)가 형성되는 깊이는 특별히 한정되지 않고 버퍼층(22), 코어층(23) 또는 클래드층(24)까지 형성가능하다.
도 13a 및 도 13b를 참조하면, 상기 전체 구조상의 일부 영역에 전극을 형성한다. 도 13b는 전극을 형성하기 위한 패턴 마스크를 도시하고 있다. 전극은 전극어레이 영역(B)와 활성영역(C)와 위상제어 영역(D) 상에 도 13a와 같이 형성된다. 전극으로 사용가능한 물질은 예컨대 Pi/Pt/Au 를 각각 200/200/3000Å 두께로 증착하여 금속 전극(27)을 형성한다.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
따라서, 상술한 바와 같이, 본 발명은 상술한 목적을 실현할 수 있는 것으로, 넓은 파장 밴드에 걸쳐 연속적으로 파장가변이 가능하고, 모노리딕 디바이스를 최대한 이용하여 고출력과 빠른 튜닝시간을 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 파장가변형 반도체 레이저(1)를 도시한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 전극어레이의 일예를 도시한 도면들이다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 도 1의 출력 미러의 제작예를 도시한 도면들이다.
도 4는 도 1의 파장가변형 반도체 레이저가 실제 구현된 일예를 나타내는 단면도이다.
도 5는 도1의 페브리-페롯 필터와 곡면 미러가 반도체 부분 내에 형성한 일예룰 도시한 도면이다.
도 6는 도 5의 곡면 미러와 페브리-페롯 필터 부분에 대한 단면도이다.
도 7a, 7b 내지 도 13a, 도 13b는 본 발명의 일실시예에 따른 파장가변형 반도체 레이저의 제작예의 흐름도들이다.

Claims (26)

  1. 기판 상에 형성되며, 클래딩층에 의해 광신호를 가이드하는 곡선 형상의 광도파로;
    상기 광도파로 일부분 상에 형성되며 광신호를 생성하는 활성영역;
    상기 활성영역의 일측에 형성되며, 상기 광도파로의 일정 부위에 전기장 또는 전류를 인가함으로써 상기 광도파로를 통하여 전송되는 광신호의 진행방향을 변화시키는 전극 어레이;
    상기 광신호의 진행 방향의 변화에 따라서 선택된 일파장의 광신호만 필터링하는 페브리-페롯 필터; 및
    상기 페브리-페롯 필터를 통과한 상기 일파장의 광신호를 반사하는 곡선 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 파장가변형 반도체 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극 어레이의 일전극은 상기 진행광이 입사하는 각과 출사하는 각이 서로 다르게 구성되고, 상기 일전극의 내부는 전기장 또는 전류의 인가에 따라서 외부와 다른 굴절율을 가지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 파장가변형 반도체 레이저.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전극 어레이의 일전극은 삼각형 형상 또는 사다리꼴 형상인 것을 특징으로 하는 파장가변형 반도체 레이저.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성 영역의 타측에 형성되며, 상기 광도파로로부터 전송되는 광신호를 출력하기 위한 출력 미러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장가변형 반도체 레이저.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 출력 미러는 곡선형 도파로에 새겨진 균일 격자를 구비하는 구조 또는 직선 도파로에 새겨진 처프(chirp)된 격자를 구비하는 구조인 것을 특징으로 하는 파장가변형 반도체 레이저.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 페브리-페롯 필터와 상기 곡선 미러 사이에는 무반사박막이 더 포함된 것을 특징으로 하는 파장가변형 반도체 레이저.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성영역의 타측에 형성되며, 위상제어기가 더 포함된 것을 특징으로 하는 파장가변형 반도체 레이저.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 곡선 미러에는 반사코팅이 되어 있는 것을 특징으로 하는 파장가변형 반도체 레이저.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 광도파로는 페브리 페롯 필터로부터 반사된 빛이 광도파로를 탈출할 수 있도록 굽은 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 파장가변형 반도체 레이저.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 페브리-페롯 필터는 상기 반도체 레이저의 일파셋에 설치된 구조인 것을 특징으로 하는 파장가변형 반도체 레이저.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 페브리-페롯 필터는 TiO2/SiO2 또는 SiNx/SiO2 박막으로 형성된 것을 특징으로 하는 파장가변형 반도체 레이저.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 곡선 미러는 상기 페브리-페롯 필터의 상부에 형성된 것을 특징으로 하는 파장가변형 반도체 레이저.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 페브리-페롯 필터는 상기 클래딩층과 상기 클래딩층과 굴절율이 상이한 절연물질이 수회 교대로 형성되어 캐비티 구조로 구성된 것을 특징으로 하는 파장가변형 반도체 레이저.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 절연물질은 실리콘 질화막인 것을 특징으로 하는 파장가변형 반도체 레이저.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 곡선 미러는 상기 페브리-페롯 필터로부터 통과된 광신호를 반사할 수 있도록 상기 페브리-페롯 필터의 측면에 금속 또는 유전물질로 형성된 것을 특징으로 하는 파장가변형 반도체 레이저.
  16. 기판 상에 하부 클래딩층의 버퍼층, 광도파로의 코어층 및 활성층을 형성하는 단계;
    상기 코어층과 활성층을 패터닝하여, 상기 광도파로 일부분 상에 광신호를 생성하는 활성영역과 상기 광신호를 가이딩하는 곡선 형상의 광도파로 코어층을 형성하는 단계;
    상기 전체 구조 상에 상부 클래딩층 및 오믹층을 증착하는 단계;
    상기 형성된 광도파로 이외의 영역을 절연시키기 위하여 이온주입공정을 실시하는 단계;
    상기 광도파로의 일정 부위에 전기장 또는 전류를 인가함으로써 상기 광도파로를 통하여 전송되는 광신호의 진행방향을 변화시키는 전극 어레이를 포함하는 전극을 형성하여 반도체 레이저를 제조하는 단계; 및
    상기 반도체 레이저의 일파셋에 페브리-페롯 필터와 곡선미러를 차례로 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 페브리-페롯 필터는 상기 전극어레이에 의한 상기 광신호의 진행 방향의 변화에 따라서 선택된 일파장의 광신호만 필터링하고, 상기 곡선 미러는 상기 페브리-페롯 필터를 통과한 상기 일파장의 광신호를 반사하는 것을 특징으로 하는 파장가변형 반도체 레이저의 제조방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 페브리-페롯 필터는 TiO2/SiO2 또는 SiNx/SiO2 박막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 파장가변형 반도체 레이저의 제조방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 페브리-페롯 필터와 상기 곡선 미러 사이에는 무반사박막을 형성하는 단계를 더 포함된 것을 특징으로 하는 파장가변형 반도체 레이저의 제조방법.
  19. 기판 상에 하부 클래딩층의 버퍼층, 광도파로의 코어층 및 활성층을 형성하는 단계;
    상기 코어층과 활성층을 패터닝하여, 상기 광도파로 일부분 상에 광신호를 생성하는 활성영역과 상기 광신호를 가이딩하는 곡선 형상의 광도파로 코어층을 형성하는 단계;
    상기 전체 구조 상에 상부 클래딩층 및 오믹층을 증착하는 단계;
    상기 형성된 광도파로 이외의 영역을 절연시키기 위하여 이온주입공정을 실시하는 단계;
    상기 광도파로의 일영역에 상기 상부 클래딩층을 일정 간격 및 깊이를 갖는 홈의 그룹으로 식각하고 상기 홈에 상기 상부 클래딩층과 굴절율이 상이한 절연물질을 채워 페브리-페롯 필터를 제조하는 단계;
    상기 페브리 페롯 필터의 측면에 곡선 미러를 형성하는 단계; 및
    상기 페브리-페롯 필터와 상기 활성영역 사이의 광도파로 일정 부위에 전기장 또는 전류를 인가함으로써 상기 광도파로를 통하여 전송되는 광신호의 진행방향을 변화시키는 전극 어레이를 포함하는 전극을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 페브리-페롯 필터는 상기 전극어레이에 의한 상기 광신호의 진행 방향의 변화에 따라서 선택된 일파장의 광신호만 필터링하고, 상기 곡선 미러는 상기 페브리-페롯 필터를 통과한 상기 일파장의 광신호를 반사하는 것을 특징으로 하는 파장가변형 반도체 레이저의 제조방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 곡선 미러는 상기 페브리-페롯 필터로부터 통과된 광신호를 반사할 수 있도록 상기 페브리-페롯 필터의 측면에 금속 또는 유전물질로 형성된 것을 특징으로 하는 파장가변형 반도체 레이저의 제조방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상부 클래딩층과 굴절율이 상이한 상기 절연물질은 실리콘 질화막인 것을 특징으로 하는 파장가변형 반도체 레이저의 제조방법.
  22. 제 16 항 내지 제 21 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 전극 어레이의 일전극은 상기 진행광이 입사하는 각과 출사하는 각이 서로 다르게 형성하고, 상기 일전극의 내부는 전기장 또는 전류의 인가에 따라서 외부와 다른 굴절율을 가지는 것을 특징으로 하는 파장가변형 반도체 레이저의 제조방법.
  23. 제 16 항 내지 제 21 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 활성영역의 타측에 위상제어기를 형성하는 공정을 더 포함된 것을 특징으로 하는 파장가변형 반도체 레이저의 제조방법.
  24. 제 16 항 내지 제 21 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 곡선 미러에 반사코팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장가변형 반도체 레이저의 제조방법.
  25. 제 16 항 내지 제 21 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 활성 영역의 타측에, 상기 광도파로로부터 전송되는 광신호를 출력하기 위한 출력 미러를 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장가변형 반도체 레이저의 제조방법.
  26. 제 16 항 내지 제 21 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 출력 미러는 곡선형 도파로에 새겨진 균일 격자를 구비하는 구조 또는 직선 도파로에 새겨진 처프(chirp)된 격자를 구비하는 구조로 형성하는 것을 특징으로 하는 파장가변형 반도체 레이저의 제조방법.
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