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KR101208030B1 - 외부 공진 레이저 광원 - Google Patents

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KR101208030B1
KR101208030B1 KR1020090024623A KR20090024623A KR101208030B1 KR 101208030 B1 KR101208030 B1 KR 101208030B1 KR 1020090024623 A KR1020090024623 A KR 1020090024623A KR 20090024623 A KR20090024623 A KR 20090024623A KR 101208030 B1 KR101208030 B1 KR 101208030B1
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Abstract

외부 공진 레이저 광원이 제공된다. 이 광원은 기판, 기판 상에 수동 도파로층, 하부 클래드층, 활성층 및 상부 클래드층이 순차적으로 적층되되, 직선 도파로 영역, 굽은 도파로 영역, 테이퍼 진 도파로 영역 및 윈도우 영역을 구비하는 리지형 광 도파로, 활성층 주위에 제공되어, 활성층 외부로의 전류 흐름을 차단하는 전류 차단층을 포함한다. 직선 도파로 영역 및 굽은 도파로 영역은 매립형 이종 구조로 이루어지고, 테이퍼 진 도파로 영역은 매립형 리지 스트라이프 구조로 이루어진다. 수동 도파로층은 적어도 굽은 도파로 영역, 테이퍼 진 도파로 영역 및 윈도우 영역에서 테이퍼 진 도파로 영역의 최대 폭과 실질적으로 동일한 폭으로 제공되는 것을 특징으로 한다.
외부 공진 레이저, SLD, R-SOA, ridge, 도파로

Description

외부 공진 레이저 광원{External Cavity Laser Light Source}
본 발명은 외부 공진 레이저에 관한 것으로, 더 구체적으로 외부 공진 레이저 광원인 수퍼루미네센드 다이오드 및 반사형 반도체 광 증폭기에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2008-S-008-01, 과제명: FTTH 고도화 광부품 기술개발].
파장 분할 다중방식 수동형 광가입자망(Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network : WDM-PON)에 사용되는 OLT(Optical Line Terminal) 및 ONU(Optical Network Unit)의 광원으로 여러 종류가 있다. 이 중 최근 발표된 논문(OPTICS EXPRESS, vol. 16, no. 22, pp. 18194-18201)에 따르면, 수퍼 루미네센스 다이오드(SuperLuminescent Diode : SLD)와 그레이팅(grating)이 형성되어 있는 폴리머(polymer) 도파로와의 이종(hybrid) 집적 방식으로 제작되는 평판형 광 도파로-외부 공진 레이저(Planar Lightwave Circuit External Cavity Laser : PLC-ECL)가 기술되고 있다. 즉, 폴리머 그레이팅에 전류를 인가하여 파장을 가변시키는 파장가변(tunable) 외부 공진 레이저가 상세하게 기술되고 있다. 이 파장가변 외부 공진 레이저는 폴리머 그레이팅을 이용했기 때문에, 저가형으로 제작할 수 있으며, WDM-PON의 저 가격화를 선도할 수 있다.
이러한 외부 공진 레이저의 특성은 일반적으로 광원에 의해 좌우되기 때문에, 이에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 외부 공진 레이저에 사용되는 광원은 출사면의 반사도가 0.1% 이하로 발진을 하지 않아야 하며, 낮은 동작 전류에서 높은 이득을 가지는 소자여야만 한다. 따라서 이러한 조건을 만족하는 광원으로는 페브리-페롯 레이저 다이오드(Fabry-Perot Laser Diode : FP-LD)와 수퍼 루미네센스 다이오드가 있다. 이 중 페브리-페롯 레이저 다이오드는 출사면에서의 반사도를 줄이기 위해, 0.1% 이하의 무반사 코팅(AntiReflection coating : AR coating)된 출사면을 가져야 하며, 그리고 출사면에 대향하는 면에서는 높은 이득을 얻기 위해, 고반사 코팅(HighReflection coating: HR coating)된 면을 가져야 한다. 그러나 일반적으로 페브리-페롯 레이저 다이오드의 출사면을 0.1% 이하의 무반사 코팅하는 것만으로는 페브리-페롯 레이저 다이오드의 발진을 하지 않게 하는 것이 매우 어려울 뿐만 아니라 수율 또한 낮다. 일본의 NTT 그룹은 무반사 및 고반사 코팅된 페브리-페롯 레이저 다이오드를 이용하여 다중 채널의 외부 공진 레이저을 제작하고 있다. 이러한 무반사 페브리-페롯 레이저 다이오드에 부합하는 광원이 수퍼 루미네센스 다이오드이다.
일반적인 수퍼 루미네센스 다이오드는 출사면의 반사도를 줄이기 위해, 7° 또는 10° 정도로 기울어진 활성층이나 광 도파로를 갖도록 제작되고 있다. 수퍼 루미네센스 다이오드가 이렇게 제작되면 출사면의 반사도는 줄어들 수 있으나, 임 계 전류의 증가 및 동작 전류의 증가로 인해 WDM-PON용 광원으로 적합하지 못하다는 문제점이 있다. 따라서, 수퍼 루미네센스 다이오드를 무반사 및 고반사 코팅된 페브리-페롯 레이저 다이오드 정도의 특성을 가지는 광원으로 만들기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
또한, ONU에 사용되는 반사형 반도체 광 증폭기(Reflective Semiconductor Optical Amplifier : R-SOA)는 각 가입자에 할당된 비간섭성의 광을 단순히 증폭 및 변조시킨다. 따라서, 반사형 반도체 광 증폭기는 외부 조건에 의해 스펙트럼(spectrum)이 약간씩 변하더라도 출력 파워(output power)가 크게 변하지 않고, 이득 포화(gain saturation) 특성에 의한 상대 광 세기 잡음(relative intensity noise)이 감소하는 장점을 갖는다. 그런데 이러한 반사형 광 증폭기도 WDM-PON에 사용되기 위해, 낮은 임계 전류 및 낮은 동작 전류를 가져 전력의 소모가 적은 광원으로 만들기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 원형의 좁은 방사각을 갖는 광을 출사하면서, 낮은 전류에서도 이득이 크고, 임계 전류가 낮아서 전력의 소모가 적고, 그리고 1.25Gb/s 이상의 고주파 변조 특성이 우수한 수퍼 루미네센스 다이오드를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 원형의 좁은 방사각을 갖는 광을 출사하면서, 낮은 전류에서도 이득이 크고, 임계 전류가 낮아서 전력의 소모가 적고, 그리고 1.25Gb/s 이상의 고주파 변조 특성이 우수한 반사형 반도체 광 증폭기를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 수퍼 루미네센스 다이오드를 제공한다. 이 수퍼 루미네센스 다이오드는 기판, 기판 상에 수동 도파로층, 하부 클래드층, 활성층 및 상부 클래드층이 순차적으로 적층되되, 직선 도파로 영역, 굽은 도파로 영역, 및 테이퍼 진 도파로 영역 및 윈도우 영역을 구비하는 리지형 광 도파로, 활성층 주위에 제공되어, 활성층 외부로의 전류 흐름을 차단하는 전류 차단층을 포함할 수 있다. 직선 도파로 영역 및 굽은 도파로 영역은 매립형 이종 구조 로 이루어지고, 테이퍼 진 도파로 영역은 매립형 리지 스트라이프 구조로 이루어질 수 있다. 수동 도파로층은 직선 도파로 영역의 폭과 실질적으로 동일한 폭을 가지면서, 직선 도파로 영역, 굽은 도파로 영역, 테이퍼 진 도파로 영역 및 윈도우 영역에 제공되는 것을 특징으로 할 수 있다.
활성층은 편광 의존성을 갖는 다중 양자 우물 구조로 이루어질 수 있다.
테이퍼 진 도파로 영역은 110㎛의 길이를 가질 수 있다.
활성층의 굽은 도파로 영역 및 테이퍼 진 도파로 영역은 버트 결합에 의해 연결될 수 있다. 굽은 도파로 영역 및 테이퍼 진 도파로 영역의 버트 경계는 직선 도파로 영역에 대해 약 5~45° 정도 기울어진 형태일 수 있다.
활성층 주위의 전류 차단층 및 기판의 일부를 제거하여 형성되는 트렌치를 더 포함할 수 있다. 트렌치의 형성에 의해 1.25Gb/s 이상의 변조 특성을 가질 수 있다.
수동 도파로층은 1~10㎛의 폭을 가질 수 있다.
또한, 본 발명은 다른 수퍼 루미네센스 다이오드를 제공한다. 이 수퍼 루미네센스 다이오드는 기판, 기판 상에 수동 도파로층, 하부 클래드층, 활성층 및 상부 클래드층이 순차적으로 적층되되, 직선 도파로 영역, 굽은 도파로 영역, 및 테이퍼 진 도파로 영역 및 윈도우 영역을 구비하는 리지형 광 도파로, 활성층 주위에 제공되어, 활성층 외부로의 전류 흐름을 차단하는 전류 차단층을 포함할 수 있다. 직선 도파로 영역 및 굽은 도파로 영역은 매립형 이종 구조로 이루어지고, 테이퍼 진 도파로 영역은 매립형 리지 스트라이프 구조로 이루어질 수 있다. 수동 도파로 층은 직선 도파로 영역에서는 기판 전면에 제공되고, 굽은 도파로 영역, 테이퍼 진 영역 및 윈도우 영역에서는 테이퍼 진 도파로 영역의 최대 폭과 실질적으로 동일한 폭으로 제공되는 것을 특징으로 할 수 있다.
활성층은 편광 의존성을 갖는 다중 양자 우물 구조로 이루어질 수 있다.
테이퍼 진 도파로 영역은 110㎛의 길이를 가질 수 있다.
활성층의 굽은 도파로 영역 및 테이퍼 진 도파로 영역은 버트 결합에 의해 연결될 수 있다. 굽은 도파로 영역 및 테이퍼 진 도파로 영역의 버트 경계는 직선 도파로 영역에 대해 약 5~45° 정도 기울어진 형태일 수 있다.
활성층 주위의 전류 차단층 및 기판의 일부를 제거하여 형성되는 트렌치를 더 포함할 수 있다. 트렌치의 형성에 의해 1.25Gb/s 이상의 변조 특성을 가질 수 있다.
수동 도파로층은 1~10㎛의 폭을 가질 수 있다.
이에 더하여, 상기한 다른 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 반사형 반도체 광 증폭기를 제공한다. 이 반사형 반도체 광 증폭기는 기판, 기판 상에 수동 도파로층, 하부 클래드층, 활성층 및 상부 클래드층이 순차적으로 적층되되, 직선 도파로 영역, 굽은 도파로 영역, 및 테이퍼 진 도파로 영역 및 윈도우 영역을 구비하는 리지형 광 도파로, 활성층 주위에 제공되어, 활성층 외부로의 전류 흐름을 차단하는 전류 차단층을 포함할 수 있다. 직선 도파로 영역 및 굽은 도파로 영역은 매립형 이종 구조로 이루어지고, 테이퍼 진 도파로 영역은 매립형 리지 스트라이프 구조로 이루어질 수 있다. 수동 도파로층은 직선 도파로 영역의 폭과 실질적으로 동일한 폭을 가지면서, 직선 도파로 영역, 굽은 도파로 영역, 테이퍼 진 도파로 영역 및 윈도우 영역에 제공되는 것을 특징으로 할 수 있다.
활성층은 편광 의존성을 갖지 않는 벌크 구조로 이루어질 수 있다.
테이퍼 진 도파로 영역은 110㎛의 길이를 가질 수 있다.
활성층의 굽은 도파로 영역 및 테이퍼 진 도파로 영역은 버트 결합에 의해 연결될 수 있다. 굽은 도파로 영역 및 테이퍼 진 도파로 영역의 버트 경계는 직선 도파로 영역에 대해 약 5~45° 정도 기울어진 형태일 수 있다.
활성층 주위의 전류 차단층 및 기판의 일부를 제거하여 형성되는 트렌치를 더 포함할 수 있다. 트렌치의 형성에 의해 1.25Gb/s 이상의 변조 특성을 가질 수 있다.
수동 도파로층은 1~10㎛의 폭을 가질 수 있다.
게다가, 본 발명은 다른 반사형 반도체 광 증폭기를 제공한다. 이 반사형 반도체 광 증폭기는 기판, 기판 상에 수동 도파로층, 하부 클래드층, 활성층 및 상부 클래드층이 순차적으로 적층되되, 직선 도파로 영역, 굽은 도파로 영역, 및 테이퍼 진 도파로 영역 및 윈도우 영역을 구비하는 리지형 광 도파로, 활성층 주위에 제공되어, 활성층 외부로의 전류 흐름을 차단하는 전류 차단층을 포함할 수 있다. 직선 도파로 영역 및 굽은 도파로 영역은 매립형 이종 구조로 이루어지고, 테이퍼 진 도파로 영역은 매립형 리지 스트라이프 구조로 이루어질 수 있다. 수동 도파로층은 직선 도파로 영역에서는 기판 전면에 제공되고, 굽은 도파로 영역, 테이퍼 진 영역 및 윈도우 영역에서는 테이퍼 진 도파로 영역의 최대 폭과 실질적으로 동일한 폭으 로 제공되는 것을 특징으로 할 수 있다.
활성층은 편광 의존성을 갖지 않는 벌크 구조로 이루어질 수 있다.
테이퍼 진 도파로 영역은 110㎛의 길이를 가질 수 있다.
활성층의 굽은 도파로 영역 및 테이퍼 진 도파로 영역은 버트 결합에 의해 연결될 수 있다. 굽은 도파로 영역 및 테이퍼 진 도파로 영역의 버트 경계는 직선 도파로 영역에 대해 약 5~45° 정도 기울어진 형태일 수 있다.
활성층 주위의 전류 차단층 및 기판의 일부를 제거하여 형성되는 트렌치를 더 포함할 수 있다. 트렌치의 형성에 의해 1.25Gb/s 이상의 변조 특성을 가질 수 있다.
수동 도파로층은 1~10㎛의 폭을 가질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 과제 해결 수단에 따르면 리지형 광 도파로의 활성층 및 수동 도파로층이 적어도 굽은 도파로 영역, 테이퍼 진 도파로 영역 및 윈도우 영역에서 동일한 폭을 가짐으로써, 좁은 방사각을 갖는 광을 출사할 수 있다. 이에 따라, 좁은 방사각을 갖는 광을 출사하면서, 낮은 전류에서도 이득이 크고, 임계 전류가 낮아서 전력의 소모가 적고, 그리고 1.25Gb/s 이상의 고주파 변조 특성이 우수한 수퍼 루미네센스 다이오드가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단에 따르면 리지형 광 도파로의 활성층 및 수동 도파로층이 적어도 굽은 도파로 영역, 테이퍼 진 도파로 영역 및 윈도우 영역에서 동일한 폭을 가짐으로써, 좁은 방사각을 갖는 광을 출사할 수 있다. 이에 따라, 좁은 방사각을 갖는 광을 출사하면서, 낮은 전류에서도 이득이 크고, 임계 전류가 낮아서 전력의 소모가 적고, 그리고 1.25Gb/s 이상의 고주파 변조 특성이 우수한 반사형 반도체 광 증폭기가 제공될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 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 실시예들을 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 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다. 이에 더하여, 본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 외부 공진 레이저 광원을 설명하기 위한 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 Ⅰ-Ⅰ' 선을 따라 절단한 단면도이고, 그리고 도 1c는 외부 공진 레이저 광원의 수동 도파로 및 활성층을 설명하기 위해 도 1a의 광 도파로의 일부분에 대한 평면 투시도이다.
도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 외부 공진 레이저 광원은 기판(110), 광 도파로, 전류 차단층, 트렌치(trench, 139), 하부 전극(142), 오믹층(144, ohmic layer), 상부 전극(146), 고반사면(152) 및 무반사면(154)을 포함한다.
기판(110)은 화합물 반도체 기판일 수 있다. 예를 들어, 기판(110)은 n-InP 기판일 수 있다.
광 도파로는 수동 도파로층(112), 하부 클래드층(114), 활성층(120, active layer) 및 상부 클래드층(136)을 포함할 수 있다. 광 도파로는 기판(110) 상에 수동 도파로층(112), 하부 클래드층(114), 활성층(120) 및 상부 클래드층(136)이 순차적으로 적층된 것일 수 있다. 광 도파로는 직선 도파로 영역(122), 굽은 도파로 영역(124), 테이퍼(taper) 진 도파로 영역(126) 및 윈도우(window) 영역을 구비할 수 있다. 광 도파로는 리지형(ridge) 광 도파로일 수 있다. 이에 따라, 광 도파로는 무반사면(154)에 접하면서, 고반사면(152)에 접하는 광 도파로보다 폭이 좁은 리지부(140)를 포함할 수 있다.
외부 공진 레이저의 변조 특성을 향상시키기 위해서는 광원의 길이를 줄여야 한다. 광원의 길이를 줄이는 방법에는 활성층(120)의 길이를 줄이는 것과 테이퍼 진 도파로 영역(126)의 길이를 줄이는 것이 있다. 이 중 활성층(120)의 길이를 줄이는 것보다는 테이퍼 진 도파로 영역(126)의 길이를 줄이는 것이 더 좋은 결과를 보였다.
본 발명의 실시예에 따른 외부 공진 레이저 광원은 광 도파로의 길이가 600㎛이고, 직선 도파로 영역(122)의 길이가 400㎛이고, 굽은 도파로 영역(124)의 길이가 60㎛이고, 테이퍼 진 도파로 영역(126)의 길이가 110㎛이고, 그리고 윈도우 영역의 길이가 30㎛이 되도록 설계를 하였다.
수동 도파로층(112)은 활성층(120)의 폭과 실질적으로 동일한 폭을 가지면서, 활성층(120) 하부에 제공되는 형태를 가질 수 있다. 수동 도파로층(112)은 1~10㎛의 폭을 가질 수 있다. 수동 도파로층(112)은 직선 도파로 영역(122), 굽은 도파로 영역(124), 테이퍼 진 도파로 영역(126) 및 윈도우 영역에 일정한 폭을 갖도록 제공되는 형태를 가질 수 있다. 수동 도파로층(112)은 n-InGaAsP층일 수 있다.
도 1c에서 수동 도파로층(112)이 활성층(120)의 직선 도파로 영역(122)보다 넓게 도시되어 있지만, 도 1a에서 보이는 것과 같이 수동 도파로층(122)은 활성층(120)의 직선 도파로 영역(122)과 동일한 폭을 가진다.
하부 클래드층(114)은 직선 도파로 영역(122) 및 굽은 도파로 영역(124)의 활성층(120)과 수동 도파로층(112) 사이에 제공될 수 있다. 하부 클래드층(114)은 n-InP층일 수 있다.
활성층(120)은 직선 도파로 영역(122), 굽은 도파로 영역(124) 및 테이퍼 진 도파로 영역(126)으로 구분될 수 있다. 활성층(120)의 직선 도파로 영역(122) 및 굽은 도파로 영역(124)은 매립형 이종 구조(Buried Heterostructure : BH)로 이루어지고, 활성층(120)의 테이퍼 진 도파로 영역(126)은 매립형 리지 스트라이프 구조(Buried Ridge Stripe structure : BRS structure)로 이루어질 수 있다.
굽은 도파로 영역(124) 및 테이퍼 진 도파로 영역(126)은 버트 결합(butt-coupling)에 의해 버트 경계(128)를 가지면서 연결될 수 있다. 굽은 도파로 영역(124)과 테이퍼 진 도파로 영역(126) 사이의 버트 경계(128)는 직선 도파로 영역(122)에 대해 약 5~45° 정도 기울어질 형태일 수 있다.
테이퍼 진 도파로 영역(126)의 일단은 0.1㎛ 이하로 설계되었다. 직선 도파로 영역(122)의 폭은 수동 도파로층(112)와 동일한 1~10㎛의 폭을 갖고, 테이퍼 진 도파로 영역(126)의 일단은 0.1㎛ 이하로 줄어들기 때문에, 광 모드 크기가 변환될 수 있다. 또한, 광의 재반사(back reflection) 정도가 감소될 수 있다.
테이퍼 진 도파로 영역(126)은 입/출사면에서의 광의 반사율을 낮추기 위한 영역으로써, 광의 진행 방향에 대하여 5~15° 정도 기울어질 수 있다. 테이퍼 진 도파로 영역(126)을 큰 각도로 기울일수록, 입/출사면에서의 광의 반사율은 낮아질 수 있다. 하지만, 굽은 도파로 영역(124)에서의 광 손실이 커지기 때문에, 외부 공진 레이저 광원의 이득은 감소된다. 이 때, 발생되는 광 손실은 활성층(120) 하부에 제공된 수동 도파로층(112)에 의해 광의 결합 효율이 높아지기 때문에, 그 정도가 최소화될 수 있다.
활성층(120)은 편광 의존성을 갖는 응력 완화 다중 양자 우물(Multiple Quantum Well : MQW) 구조 또는 편광 의존성을 갖지 않는 응력 완화 벌크(bulk) 구조로 이루어질 수 있다. 활성층(120)이 다중 양자 우물 구조로 이루어질 경우, 외부 공진 레이저 광원은 수퍼 루미네센스 다이오드일 수 있다. 이와는 달리, 활성층(120)이 벌크 구조로 이루어질 경우, 외부 공진 레이저 광원은 반사형 반도체 광 증폭기일 수 있다.
상부 클래드층(136)은 수동 도파로층(112) 및 활성층(120)을 덮도록 형성될 수 있다. 상부 클래드층(136)은 p-InP층일 수 있다.
전류 차단층은 활성층(120) 주위에 제공될 수 있다. 전류 차단층은 순차적으로 적층된 제 1 전류 차단층(132), 제 2 전류 차단층(134) 및 상부 클래드층(136)을 포함할 수 있다. 전류 차단층은 활성층(120) 외부로의 전류 흐름을 차단할 수 있다. 제 1 전류 차단층(132)은 p-InP층이고, 제 2 전류 차단층(134)은 n-InP층일 수 있다.
트렌치(139)는 활성층(120) 주위의 전류 차단층 및 기판(110)의 일부를 제거하여 형성될 수 있다. 즉, 트렌치(139)는 활성층(120) 주위의 상부 클래드층(136), 제 2 전류 차단층(134), 제 1 전류 차단층(132) 및 기판(110)의 일부를 순차적으로 식각하여 형성할 수 있다. 트렌치(139)를 형성하기 위한 식각 공정에서 광 도파로의 리지부(140)가 동시에 형성될 수도 있다.
트렌치(139)는 1.25Gb/s 이상의 초고속 변조를 위해 활성층(120) 외부로의 전류 흐름을 차단하는 전류 차단층 및 활성층(120) 주변으로 누설되는 기생 용량을 줄이기 위한 것일 수 있다. 이에 따라, 외부 공진 레이저 광원은 1.25Gb/s 이상의 초고속 변조 특성을 가질 수 있다.
하부 전극(142)은 기판(110)의 하부면에 제공되고, 상부 전극(146)은 상부 클래드층(136) 상에 오믹층(144)을 개재하여 제공될 수 있다. 하부 전극(142)은 n형 전극이고, 상부 전극(146)은 p형 전극일 수 있다. 오믹층(144)은 p-InGaAs층일 수 있다.
고반사면(152)은 광 도파로의 직선 도파로 영역(122)의 일단에 제공되고, 무반사면(154)은 고반사면(152)에 대향하는 광 도파로의 윈도우 영역의 일단에 제공될 수 있다. 고반사면(152)은 외부 공진 레이저 광원의 이득을 높이기 위해, 그리고 무반사면(154)은 외부 공진 레이저 광원의 출사면의 반사도를 낮추기 위해 제공될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 외부 공진 레이저 광원의 방사각 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 외부 공진 레이저 광원의 방사각(Far Field Pattern : FFP) 특성이 보여진다. 외부 공진 레이저 광원의 광 도파로 길이는 600㎛로, 활성층 및 수동 도파로층의 폭은 동일하게 1~1.5㎛로, 그리고 동작 전류는 50㎃로 하였을 때, 방사각의 수평 성분(실선) 및 수직 성분(점선)의 반치폭(Full Width at Half Maximum : FWHM) 값은 각각 13.8° 및 13.1°로 계측되었다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 외부 공진 레이저 광원의 방사각은 원형에 가까운 특성을 보임을 알 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 외부 공진 레이저 광원은 광 섬유, 폴리머 도파로 또는 실리카 도파로 등과 같은 다른 광 요소와의 이종 집적에서 높은 결합 효율을 가질 수 있다.
일반적으로 리지형 광 도파로의 리지부 폭이 커지면, 외부 공진 레이저 광원의 방사각이 줄어들 수 있다. 하지만, 리지형 광 도파로의 리지부 폭과는 상관없이, 일반적으로 외부 공진 레이저 광원의 방사각은 타원형 특성을 보인다. 즉, 리지형 광 도파로의 리지부 폭을 조절하는 것으로는 외부 공진 레이저 광원의 방사각은 원형에 가까운 특성을 가질 수 없다는 것을 알 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 외부 공진 레이저 광원은 활성층 및 수도 도파로층이 동일한 폭을 갖기 때문에, 원형에 가까운 특성의 방사각을 가질 수 있다.
도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 외부 공진 레이저 광원을 설명하기 위한 사시도이고, 도 3b는 도 3a의 Ⅱ-Ⅱ' 선을 따라 절단한 단면도이고, 그리고 도 3c는 외부 공진 레이저 광원의 수동 도파로 및 활성층을 설명하기 위해 도 3a의 광 도파로의 일부분에 대한 평면 투시도이다.
도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 외부 공진 레이저 광원은 기판(210), 광 도파로, 전류 차단층, 트렌치(239), 하부 전극(242), 오믹층(244), 상부 전극(246), 고반사면(252) 및 무반사면(254)을 포함한다.
기판(210)은 화합물 반도체 기판일 수 있다. 예를 들어, 기판(210)은 n-InP 기판일 수 있다.
광 도파로는 수동 도파로층(212), 하부 클래드층(214), 활성층(220) 및 상부 클래드층(236)을 포함할 수 있다. 광 도파로는 기판(210) 상에 수동 도파로층(212), 하부 클래드층(214), 활성층(220) 및 상부 클래드층(236)이 순차적으로 적층된 것일 수 있다. 광 도파로는 직선 도파로 영역(222), 굽은 도파로 영역(224), 테이퍼 진 도파로 영역(226) 및 윈도우 영역을 구비할 수 있다. 광 도파로는 리지형 광 도파로일 수 있다. 이에 따라, 광 도파로는 무반사면(254)에 접하면서, 고반사면(252)에 접하는 광 도파로보다 폭이 좁은 리지부(240)를 포함할 수 있다.
수동 도파로층(212)은 직선 도파로 영역(222)에서는 기판(210) 전면에 제공된 형태를 가지고, 굽은 도파로 영역(224), 테이퍼 진 도파로 영역(226) 및 윈도우 영역에서는 테이퍼 진 도파로 영역(226)의 최대 폭과 실질적으로 동일하면서 일정한 폭으로 제공되는 형태를 가질 수 있다. 굽은 도파로 영역(224), 테이퍼 진 도파로 영역(226) 및 윈도우 영역에 제공되는 수동 도파로층(212)은 1~10㎛의 폭을 가 질 수 있다. 수동 도파로층(212)은 n-InGaAsP층일 수 있다.
도 3c에서 활성층(220)의 굽은 도파로 영역(224)에 제공된 수동 도파로층(212)이 활성층(220)의 직선 도파로 영역(222)보다 넓은 폭을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 도 3a에서 보이는 것과 같이 활성층(220)의 굽은 도파로 영역(224)에 제공된 수동 도파로층(222)은 활성층(220)의 굽은 도파로 영역(224)과 동일한 폭을 가진다.
하부 클래드층(214)은 직선 도파로 영역(222) 및 굽은 도파로 영역(224)의 활성층(220)과 수동 도파로층(212) 사이에 제공될 수 있다. 하부 클래드층(214)은 n-InP층일 수 있다.
활성층(220)은 직선 도파로 영역(222), 굽은 도파로 영역(224) 및 테이퍼 진 도파로 영역(226)으로 구분될 수 있다. 활성층(220)의 직선 도파로 영역(222) 및 굽은 도파로 영역(224)은 매립형 이종 구조로 이루어지고, 활성층(220)의 테이퍼 진 도파로 영역(126)은 매립형 리지 스트라이프 구조로 이루어질 수 있다.
굽은 도파로 영역(224) 및 테이퍼 진 도파로 영역(226)은 버트 결합에 의해 버트 경계(228)를 가지면서 연결될 수 있다. 굽은 도파로 영역(224)과 테이퍼 진 도파로 영역(226) 사이의 버트 경계(228)는 직선 도파로 영역(222)에 대해 약 5~45° 정도 기울어질 형태일 수 있다.
테이퍼 진 도파로 영역(226)의 일단은 0.1㎛ 이하로 설계되었다. 직선 도파로 영역(222)의 폭은 수동 도파로층(212)와 동일한 1~10㎛의 폭을 갖고, 테이퍼 진 도파로 영역(226)의 일단은 0.1㎛ 이하로 줄어들기 때문에, 광 모드 크기가 변환될 수 있다. 또한, 광의 재반사 정도가 감소될 수 있다.
테이퍼 진 도파로 영역(226)은 입/출사면에서의 광의 반사율을 낮추기 위한 영역으로써, 광의 진행 방향에 대하여 5~15° 정도 기울어질 수 있다. 테이퍼 진 도파로 영역(226)을 큰 각도로 기울일수록, 입/출사면에서의 광의 반사율은 낮아질 수 있다. 하지만, 굽은 도파로 영역(224)에서의 광 손실이 커지기 때문에, 외부 공진 레이저 광원의 이득은 감소된다. 이 때, 발생되는 광 손실은 활성층(220) 하부에 제공된 수동 도파로층(212)에 의해 광의 결합 효율이 높아지기 때문에, 그 정도가 최소화될 수 있다.
활성층(220)은 편광 의존성을 갖는 응력 완화 다중 양자 우물 구조 또는 편광 의존성을 갖지 않는 응력 완화 벌크 구조로 이루어질 수 있다. 활성층(220)이 다중 양자 우물 구조로 이루어질 경우, 외부 공진 레이저 광원은 수퍼 루미네센스 다이오드일 수 있다. 이와는 달리, 활성층(220)이 벌크 구조로 이루어질 경우, 외부 공진 레이저 광원은 반사형 반도체 광 증폭기일 수 있다.
상부 클래드층(236)은 수동 도파로층(212) 및 활성층(220)을 덮도록 형성될 수 있다. 상부 클래드층(236)은 p-InP층일 수 있다.
전류 차단층은 활성층(220) 주위에 제공될 수 있다. 전류 차단층은 순차적으로 적층된 하부 클래드층(214), 제 1 전류 차단층(232), 제 2 전류 차단층(234) 및 상부 클래드층(236)을 포함할 수 있다. 전류 차단층은 활성층(220) 외부로의 전류 흐름을 차단할 수 있다. 제 1 전류 차단층(232)은 p-InP층이고, 제 2 전류 차단층(234)은 n-InP층일 수 있다.
트렌치(239)는 활성층(220) 주위의 전류 차단층 및 기판(210)의 일부를 제거하여 형성될 수 있다. 즉, 트렌치(239)는 활성층(220) 주위의 상부 클래드층(236), 제 2 전류 차단층(234), 제 1 전류 차단층(232), 하부 클래드층(214) 및 기판(210)의 일부를 순차적으로 식각하여 형성할 수 있다. 트렌치(239)를 형성하기 위한 식각 공정에서 광 도파로의 리지부(240)가 동시에 형성될 수도 있다.
트렌치(239)는 1.25Gb/s 이상의 초고속 변조를 위해 활성층(220) 외부로의 전류 흐름을 차단하는 전류 차단층 및 활성층(220) 주변으로 누설되는 기생 용량을 줄이기 위한 것일 수 있다. 이에 따라, 외부 공진 레이저 광원은 1.25Gb/s 이상의 초고속 변조 특성을 가질 수 있다.
하부 전극(242)은 기판(210)의 하부면에 제공되고, 상부 전극(246)은 상부 클래드층(236) 상에 오믹층(244)을 개재하여 제공될 수 있다. 하부 전극(242)은 n형 전극이고, 상부 전극(246)은 p형 전극일 수 있다. 오믹층(244)은 p-InGaAs층일 수 있다.
고반사면(252)은 광 도파로의 직선 도파로 영역(222)의 일단에 제공되고, 무반사면(254)은 고반사면(252)에 대향하는 광 도파로의 윈도우 영역의 일단에 제공될 수 있다. 고반사면(252)은 외부 공진 레이저 광원의 이득을 높이기 위해, 그리고 무반사면(254)은 외부 공진 레이저 광원의 출사면의 반사도를 낮추기 위해 제공될 수 있다.
상기한 본 발명의 실시예들에 따른 수퍼 루미네센스 다이오드는 활성층 및 수동 도파로층이 적어도 굽은 도파로 영역, 테이퍼 진 도파로 영역 및 윈도우 영역 에서 동일한 폭을 갖는 리지형 광 도파로를 가짐으로써, 좁은 방사각을 갖는 광을 출사할 수 있다. 이에 따라, 좁은 방사각을 갖는 광을 출사하면서, 낮은 전류에서도 이득이 크고, 임계 전류가 낮아서 전력의 소모가 적고, 그리고 1.25Gb/s 이상의 고주파 변조 특성이 우수한 수퍼 루미네센스 다이오드가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예들에 따른 반사형 반도체 광 증폭기는 활성층 및 수동 도파로층이 적어도 굽은 도파로 영역, 테이퍼 진 도파로 영역 및 윈도우 영역에서 동일한 폭을 갖는 리지형 광 도파로를 가짐으로써, 좁은 방사각을 갖는 광을 출사할 수 있다. 이에 따라, 좁은 방사각을 갖는 광을 출사하면서, 낮은 전류에서도 이득이 크고, 임계 전류가 낮아서 전력의 소모가 적고, 그리고 1.25Gb/s 이상의 고주파 변조 특성이 우수한 반사형 반도체 광 증폭기가 제공될 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 외부 공진 레이저 광원을 설명하기 위한 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 Ⅰ-Ⅰ' 선을 따라 절단한 단면도이고, 그리고 도 1c는 외부 공진 레이저 광원의 수동 도파로 및 활성층을 설명하기 위해 도 1a의 광 도파로의 일부분에 대한 평면 투시도;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 외부 공진 레이저 광원의 방사각 특성을 설명하기 위한 그래프;
도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 외부 공진 레이저 광원을 설명하기 위한 사시도이고, 도 3b는 도 3a의 Ⅱ-Ⅱ' 선을 따라 절단한 단면도이고, 그리고 도 3c는 외부 공진 레이저 광원의 수동 도파로 및 활성층을 설명하기 위해 도 3a의 광 도파로의 일부분에 대한 평면 투시도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
110, 210 : 기판 112, 212 : 수동 도파로층
114, 214 : 하부 클래드층 120, 220 : 활성층
122, 222 : 직선 도파로 영역 124, 224 : 굽은 도파로 영역
126, 226 : 테이퍼 진 도파로 영역 128, 228 : 버트 경계
132, 232 : 제 1 전류 차단층 134, 234 : 제 2 전류 차단층
136, 236 : 상부 클래드층 139, 239 : 트렌치
140, 240 : 리지부 142, 242 : 하부 전극
144, 244 : 오믹층 146, 246 : 상부 전극
152, 252 : 고반사면 154, 254 : 무반사면

Claims (10)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 수동 도파로층, 하부 클래드층, 활성층 및 상부 클래드층이 순차적으로 적층되되, 직선 도파로 영역, 굽은 도파로 영역, 테이퍼 진 도파로 영역 및 윈도우 영역을 구비하는 리지형 광 도파로; 및
    상기 활성층 주위에 제공되어, 상기 활성층 외부로의 전류 흐름을 차단하는 전류 차단층을 포함하되,
    상기 직선 도파로 영역 및 상기 굽은 도파로 영역은 매립형 이종 구조로 이루어지고, 상기 테이퍼 진 도파로 영역은 매립형 리지 스트라이프 구조로 이루어지고,
    상기 수동 도파로층은 상기 직선 도파로 영역에서의 상기 활성층의 폭과 동일한 폭을 가지면서, 상기 직선 도파로 영역, 상기 굽은 도파로 영역, 상기 테이퍼 진 도파로 영역 및 상기 윈도우 영역에 제공되는 것을 특징으로 하는 외부 공진 레이저 광원.
  2. 기판;
    상기 기판 상에 수동 도파로층, 하부 클래드층, 활성층 및 상부 클래드층이 순차적으로 적층되되, 직선 도파로 영역, 굽은 도파로 영역, 테이퍼 진 도파로 영역 및 윈도우 영역을 구비하는 리지형 광 도파로; 및
    상기 활성층 주위에 제공되어, 상기 활성층 외부로의 전류 흐름을 차단하는 전류 차단층을 포함하되,
    상기 직선 도파로 영역 및 상기 굽은 도파로 영역은 매립형 이종 구조로 이루어지고, 상기 테이퍼 진 도파로 영역은 매립형 리지 스트라이프 구조로 이루어지고,
    상기 수동 도파로층은 상기 직선 도파로 영역에서는 상기 기판 상의 전체 표면에 제공되고, 상기 굽은 도파로 영역, 상기 테이퍼 진 도파로 영역 및 상기 윈도우 영역에서는 상기 테이퍼 진 도파로 영역에서의 상기 활성층의 최대 폭과 동일한 폭으로 제공되는 것을 특징으로 하는 외부 공진 레이저 광원.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 활성층은 편광 의존성을 갖는 다중 양자 우물 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 외부 공진 레이저 광원.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 활성층은 편광 의존성을 갖지 않는 벌크 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 외부 공진 레이저 광원.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 테이퍼 진 도파로 영역은 110㎛의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 외부 공진 레이저 광원.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 활성층의 상기 굽은 도파로 영역 및 상기 테이퍼 진 도파로 영역은 버트 결합에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 외부 공진 레이저 광원.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 굽은 도파로 영역 및 상기 테이퍼 진 도파로 영역의 버트 경계는 상기 직선 도파로 영역에 대해 약 5~45° 정도 기울어진 형태인 것을 특징으로 하는 외부 공진 레이저 광원.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 활성층 주위의 상기 전류 차단층 및 상기 기판의 일부를 제거하여 형성되는 트렌치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 공진 레이저 광원.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 트렌치의 형성에 의해 1.25Gb/s 이상의 변조 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 외부 공진 레이저 광원.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 수동 도파로층은 1~10㎛의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 외부 공진 레 이저 광원.
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