KR100754597B1 - 광모드 크기 변환기 집적 레이저장치 및 그 제조방법 - Google Patents

광모드 크기 변환기 집적 레이저장치 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광모드 크기 변환기 집적 레이저장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 광모드 크기 변환기 집적 레이저장치는, 기판과; 상기 기판 상에, 활성도파로를 구비하는 광원영역과 광모드 크기 변환기 영역으로 분리되어 광섬유와의 광결합을 위하여 적층된 제1 도파로와; 상기 기판 상에, 상기 활성도파로에서 방출된 빛과 상기 제1 도파로의 벽면에서 반사된 빛이 상기 제1 도파로 내에서 상호 간섭하도록 상기 제1 도파로의 양쪽 측벽에 형성된 트렌치를 포함함을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 레이저장치의 활성도파로에서 직접 방출되는 빛과 간섭도파로에 의해 반사된 빛의 상호 간섭작용에 의해, 레이저광의 단일모드를 손상시키지 않고 광모드의 크기를 조절할 수 있다.
광모드 크기 변환기, 간섭, 도파로, 활성광도파로

Description

광모드 크기 변환기 집적 레이저장치 및 그 제조방법{LASER WITH SPOT SIZE CONVERTER AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 광모드 크기 변환기가 결합된 LD의 구조를 개략적으로 나타낸 도면,
도 2는 도 1의 광모드 크기 변환기가 결합된 LD를 위에서 내려다 본 도면(top view),
도 3은 도 1에 도시된 광모드 크기 변환기가 결합된 LD로부터 출력되는 광의 스펙트럼을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 간섭도파로를 구비한 1.3㎛ 파장의 DFB와 종래 일반적인 1.3㎛ 파장 DFB의 NF와 FF를 비교하여 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 간섭도파로를 구비한 1.49㎛ 파장의 DFB LD의 FFP와 종래 일반적인 1.49㎛ 파장 DFB LD의 FFP를 비교하여 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따른 간섭도파로를 구비한 LD의 온도변화에 따른 FFP의 변화를 나타낸 도면,
도 7a 내지 도 7e는 본 발명의 일 실시예에 따른, 광모드 크기 변환기가 결합된 LD의 제조과정을 나타낸 것으로, 도 1의 A-A' 방향에 따른 단면도,
도 8 내지 도 17은 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 간섭도파로의 측면 구 조를 나타낸 도면.
본 발명은 레이저의 단일모드를 손상시키지 않고 레이저의 모드 크기를 조절하는 광모드 크기 변환기(spot size converter: SSC)가 집적된 레이저장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
통상, 장거리 고속 통신에 사용되는 단일 모드로 발진하는 레이저 다이오드 소자를 만들기 위해, 레이저 빔이 발생하는 활성도파로의 아래나 위에 회절격자(grating)를 포함하는 DFB 레이저 다이오드를 구현하는 방법으로는 주로 레이저 다이오드의 공진길이 내에서 회절격자를 이용하여 굴절률의 차이를 주기적으로 느끼게 하는 방법을 사용한다. 이렇게 만들어진 단일 모드 레이저의 FFP(Far field pattern)는 수평으로 ~24°, 수직으로 ~32°이며, 패키지 제작 시 광결합효율(Coupling efficiency)은 비구면(aspherical) 렌즈를 사용한 티오-캔(TO can type)의 경우 ~30% 정도 된다. 하지만, 비구면 렌즈의 경우 고가이며, 이를 이용한 레이저 패키지와 모듈의 경우 가격이 비싸지기 때문에 보급에 장애가 되어 왔다.
근래에 비용을 낮추기 위해 저가격의 볼(ball) 렌즈를 사용한 티오-캔 패키지를 많이 만드는데, 이 경우 볼 렌즈의 광결합효율은 ~15%정도로 비구면 렌즈에 비해 많이 떨어지기 때문에 고출력이 불가능해서 장거리 전송에서는 사용할 수 없 었다.
따라서, 볼 렌즈를 사용하면서도 레이저 모듈의 고출력이 가능하게 하기 위해서 레이저 칩에서 나오는 레이저 빔이 볼 렌즈와 광결합(coupling)이 잘 되게 할 필요가 생겼다.
이를 위해서는 방출되는 레이저의 방사각, FFP를 수평방향으로 ~10°, 수직 방향으로 ~10° 정도로 줄여야 하며, 이를 위해 다양한 방법이 시도되고 있다.
FP 레이저의 경우에 대표적인 모드 크기 변환기(SSC)는 활성도파로(active waveguide)영역의 발광면과 가까운 일부를 발광면 쪽으로 갈수록 폭이 좁아지도록 식각하여 만들 수 있다. 동작 원리는 발광면 쪽으로 가면서 광도파로(waveguide)의 폭이 좁아지면, 광도파로의 굴절률은 높고, 주변 클래드의 굴절률은 낮기 때문에, 평균 유효 굴절률도 발광면 쪽으로 가면서 작아진다. 빛은 굴절률이 높은 쪽으로 모이는 성질이 있는데, 발광면 쪽으로 레이저가 진행하면서 광도파로의 평균 유효 굴절률이 점차 감소하기 때문에 점차 퍼지게 되어 레이저의 near field(이하 NF라 칭함)가 확장하게 된다. 따라서 활성도파로의 발광면까지 같은 폭을 유지하는 일반 FP LD에 비해 측면 테이퍼(lateral taper)가 있는 SSC FP LD의 경우 NF가 더 커진다. 그런데, 발광면에서 충분히 먼거리에서 측정한 레이저의 방사각인 FFP는 NF의 크기에 역비례 하기 때문에, NF의 크기가 큰 SSC FP LD의 경우 오히려 FFP가 감소된다.
DFB LD의 경우도 이와 같이 SSC를 만들 수 있는데, FP LD의 경우와는 다른 문제가 생긴다. DFB LD는 활성도파로의 회절격자를 가지고 있으며, 이 회절격자는 주변의 유효 굴절률에 비례하는 파장을 선택하는 역할을 한다. 이 때문에 DFB LD은 FP LD에 비해 발진하는 레이저의 파장 폭이 작다. 그런데, SSC가 포함된 SSC DFB LD의 경우, SSC영역에서는 앞서 언급한 대로 평균 유효 굴절률이 발광면 쪽으로 가면서 점차 감소하기 때문에, 이 영역에서 LD에서 생긴 것보다 짧은 파장의 레이저가 발진하게 된다. 이 때문에 원래 LD에서 생긴 단일 파장 외에 다른 파장의 빛이 섞이게 되어 단일 파장의 빛을 방출 할 수 없다. 따라서, SSC에서 레이저의 발진을 막으려면 SSC에 회절격자가 없게 하고, 전류주입을 막아서 이득(gain)을 얻지 못하게 해야 한다. 하지만, 이 경우 SSC의 대역폭(bandgap)이 LD의 대역폭과 같기 때문에 LD에서 발생한 레이저가 SSC에 흡수 된다. 따라서 LD에서 만들어진 빛이 발광면에서 방출되기 전에 흡수되어 출력되는 레이저의 파워(power)가 감소하게 된다.
이런 현상을 피하게 위해 종래 여러 시도가 있는데, 그 중 대표적인 몇 가지는 다음과 같다.
첫 번째로 활성도파로와 회절격자 아래에 수동도파로(passive waveguide)를 두고, LD 영역에서 만들어진 단일 모드를 수동도파로로 광결합해서 모드 크기 변환을 시키는 방법이 있다.
그러나, 상기 종래방법은 수동도파로 위에 회절격자를 형성하는 것이 어렵고, 활성도파로와의 정렬이 용이하지 않기 때문에 공정이 어려운 단점이 있다. 또한, 활성도파로에서 수동도파로로의 광의 광결합효율(C.E)가 높지 않기 때문에 레이저의 출력이 크지 않은 단점이 있다.
종래 다른 방법으로는 선택영역성장(selective area growth: SAG)을 이용해 서 수직방향의 테이퍼(vertical taper) 효과를 주는 방법이 있다. 이때, 활성도파로에 비해 발광면 쪽의 두께가 얇은 수동도파로의 대역폭이 작기 때문에 SSC 영역에서 광 흡수에 의한 손실을 줄일 수 있다.
그러나, 상술한 종래 기술의 경우 SAG에 의해 두껍게 성장된 활성도파로는 일반적으로 일반적으로 결함(defect)이 많아서 일반 에피택셜 결정성장(epitaxial growth)에 비해 광 출력이 작아지는 문제점이 있다. 게다가, SSC영역의 회절격자를 제거하는 공정이 부가적으로 필요하여 공정수가 증가하는 단점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 레이저의 단일모드를 손상하지 않으면서 레이저의 모드 크기를 조절할 수 있는 광모드 크기 변환기가 집적된 레이저장치 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 레이저 장치 전체의 FFP를 감소시켜 패키지 제작시 광결합 효율을 높일 수 있는 광모드 크기 변환기가 집적된 레이저장치 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 광모드 크기 변환기가 집적된 레이저 장치는 기판과; 상기 기판 상에, 활성도파로를 구비하는 광원영역과 광모드 크기 변환기 영역으로 분리되어 광섬유와의 광결합을 위하여 적층된 제1 도파로와; 상기 기판 상에, 상기 활성도파로에서 방출된 빛과 상기 제1 도 파로의 벽면에서 반사된 빛이 상기 제1 도파로 내에서 상호 간섭하도록 상기 제1 도파로의 양쪽 측벽에 형성된 트렌치를 포함함을 특징으로 한다.
상기 제1 도파로는, 그 하부면에서도 전반사가 일어나도록 상기 기판상에 적층된 유전체층을 더 포함함을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 광모드 크기 변환기가 집적된 레이저 장치의 제조방법은 (a) 반도체 기판 상에 하부클래드층, 활성층, 상부클래드층을 차례로 적층하는 과정과; (b) 예정된 활성도파로 영역의 상기 상부클래드층 상에 마스크 패턴을 형성한 후, 포토리소그래피 공정에 의해 상기 상부클래드층, 활성층, 하부클래드층 및 상기 반도체 기판 일부를 식각하여 메사구조를 형성하는 과정과; (c) 상기 메사구조 측벽에 전류차단층을 형성하는 과정과; (d) 상기 활성도파로 영역 측벽의 상기 전류차단층을 식각함으로써 활성도파로를 포함하는 제1 도파로 및 더블 트렌치를 형성하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.
상기 (a) 과정 중의 상기 하부클래드층 상에 회절격자를 형성하는 과정을 더 포함함을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 광모드 크기 변환기가 결합된 LD의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 광모드 크기 변환기가 결합된 LD(1)는 전류주입에 의해 특정한 파장의 레이저 광을 발생하는 LD 영역(10)과; 상기 레이저 광의 모드 크기를 변환하는 광모드 크기 변환영역(20)을 포함한다.
상기 LD 영역(10)은 활성도파로(11)를 포함하며, 전류주입에 의해 레이저 광을 발생한다.
상기 광모드 크기 변환영역(20)은 상기 활성도파로(11)가 끝나는 부분으로부터 연장되어 형성된 간섭도파로(21)를 포함하며, 상기 활성도파로(11)에서 직접 방출되는 빛과 간섭도파로(21)에 의해 반사된 빛의 상호 간섭작용에 의해 광모드의 크기를 변환한다. 또한, 상기 활성도파로(11) 측벽에 형성된 더블 트렌치(22a, 22b)를 포함한다.
도 2는, 도 1의 광모드 크기 변환기가 결합된 LD를 위에서 내려다 본 도면(top view)이다.
도 2를 참조하면, 트렌치(22a, 22b)의 안쪽 폭 Wawg는 20~45㎛ 정도이며, 활성도파로(11)에서 방출된 빛의 횡방향 반사가 일어나게 하는 활성도파로 안쪽의 간섭도파로(21)의 폭 Winf는 2~12㎛ 정도이다. 그러나, 이 폭은 방출되는 레이저의 파장에 따라 선택되어진다.
활성도파로의 앞쪽에서 방출된 빛이 충분한 간섭을 일으키도록 간섭도파로(21)의 길이 Linf는 30~100㎛가 되도록 한다. 또한, 트렌치의 폭 Wt는 20~40㎛ 사이가 되도록 한다. 이때 트렌치를 이용하는 것은 굴절률(이 예에서는 InP의 굴절률)이 3.14인 InP의 일부를 식각하여, 식각된 영역의 굴절률(이 예에서는 공기)이 1.00이 되도록 함으로써, 그 경계면에서 활성도파로로부터 방출된 빛이 전반사되는 것을 이용하는 것이다. 트렌치를 이용하는 대신에 횡방향으로 굴절률에 차이가 생기게 하는 다른 방법, 이온주입(Ion implantation), 이온확산(Ion diffusion)등의 방법으로 간섭도파로의 주변과의 전반사를 일어나게 할 수 있는 방법 또한 사용 가능하다.
활성도파로가 끝나는 곳과 발광면 사이의 거리 L window 는 20~ 90㎛ 사이의 길이를 가진다. 이때 L window의 길이가 길어지면 수직방향의 빛이 아래로 많이 꺾이게 되므로 이를 이용하여 수직방향으로 빛이 휘는 정도를 조절 할 수 있다. 간섭도파로(21) 벽면에서 반사가 충분히 일어나게 하기 위해 트렌치의 깊이 방향 식각은 7~15㎛ 사이로 한다.
도 3은 도 1에 도시된 광모드 크기 변환기가 결합된 LD로부터 출력되는 광의 스펙트럼을 나타낸 도면으로, 이를 통해 본발명의 동작 원리를 설명하면 다음과 같다.
도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 수평방향의 FFP(FFPH)는 활성도파로(11)에서 직접 나오는 빛(D)과 간섭도파로(21)의 양쪽 벽에서 전반사되어 나오는 빛(H)이 서로 간섭을 일으켜서 간섭 패턴(S1)을 만들며, 이에 따라 발광면에서 방출 되는 빛의 횡방향 폭이 좁아진다. 이때 간섭도파로(21)의 양 벽면에서 대칭적으로 반사가 일어나기 때문에, 방출되는 빛은 수평방향으로 치우침이 없이 대칭이다.
도 3의 (b)에서, 수직방향 FFP(FFPV)는 활성도파로(1)에서 직접 나오는 빛(D)과 간섭도파로(21)의 위쪽 벽에서 전반사되는 빛(V)과의 간섭으로 인해 발광면에서 방출 되는 빛의 수직 방향의 폭이 좁아진다. 수직 방향의 간섭은 위쪽 벽에서만 반사가 일어나기 때문에 방출 되는 빛은 2~8° 정도 아래 방향으로 향하게 된다.
도 3의 (c)에서, 수평방향과 수직방향을 결합하여 나타낸 것으로, V는 수직방향의 반사와 간섭에 의한 것을 나타내며, H는 수평방향의 반사와 간섭에 의한 것을 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 간섭도파로를 구비한 1.3㎛ 파장 DFB LD와 종래 일반적인 1.3㎛ 파장 DFB LD의 NF와 FF를 비교하여 나타낸 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이 종래 일반 1.30㎛ 파장 DFB LD의 경우 활성도파로 근처로 NF(Near Field)가 모여 있고 크기는 ~2㎛ 정도이다. 이와 같이 NF의 크기가 작으면 FF(Far Field)는 커지게 되는데 이때의 각은 FFPH/FFPV = 28.0/33.0도이다. 반면 간섭도파로의 경우, 간섭도파로 내부에서 확산된 빛이 간섭을 일으키며 이때 생긴 멀티 모드(multi mode)들의 전체 크기는 폭이 8㎛이고, 높이는 아래쪽으로 점점 약해지는 모습을 보이면서 약 8㎛의 크기를 가진다. 이때 FFP를 보면, FFPH/FFPV = 10.0/10.1도이다.
도 5의 (a)는 본 발명에 따른 간섭도파로를 구비한 1.49㎛ 파장의 DFB LD의 FFP를 도시한 것이고, 도 5의 (b)는 종래 일반적인 1.49㎛ 파장 DFB LD의 FFP를 도시한 것이다. 간섭도파로의 영향에 의해 수평방향의 FFP(FFPH)가 27°에서 10°로 줄고, 수직 방향의 FFP(FFPV)는 30°에서 10.1°로 줄어듦을 알 수 있다.
한편, 볼 렌즈(f1.5 mm (BK-7, n=1.5168))를 이용하여 티오-캔을 제조한 후, 단일모드 유리섬유(glass fiber)와의 광결합효율을 측정한 실험에서는 일반 1.49㎛DFB 의 경우 17% 이었으며, 간섭도파를 가지는 1.49㎛ DFB의 경우 35%로 향상이 되었다.
또한 이때 스펙트럼을 분석해본 결과, 간섭도파를 이용하면 발광면에서 반사되어 활성도파로로 다시 들어가는 빛의 양이 100배 정도 작아지게 되어, DFB의 단일모드(single mode) 발진 특성이 좋아지며, 사이드모드 억제율(Side mode suppression ratio)이 향상된다. 이에 의한 향상은, 30개 칩(chip)의 중간값을 비교한 결과, 임계전류 근처에서 측정한 경우 20.7dB에서 22.0dB로, 레이저 파워가 15mw일 때는 35dB에서 37.5dB로 약 2dB 씩의 향상이 있었다.
또한 온도에 의해 간섭 도파로를 구성하는 InP의 굴절률의 변화가 있기 때문에, 온도에 의한 FFP의 변화를 관찰하였다.
도 6은 온도를 25℃에서 85℃까지 20℃씩 변화시키며 FFP의 변화를 측정한 것으로, FFPV에서는 약 1℃의 변화가 있었고(도 6의 (a)), FFPH에서는 0.7℃의 변화가 있었다(도 6의 (b)). 이는 장비 측정 오차 한계 안에 있는 것으로, 온도에 의한 변화는 없는 것으로 보인다.
도 7a 내지 도 7e는, 도 1의 A-A' 방향에 따른 단면도로써, 이를 통해 본 발 명에 따른 광모드 크기 변환기가 결합된 LD의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 7a에 도시된 바와 같이 n-InP 기판(101) 위에 MOCVD나 MBE등의 방법을 이용하여, 회절격자를 만들기 위한 InGaAsP층을 형성한다. 상기 InGaAsP층은 1.3DFB를 위해서는 1.2Q의 조성을 가지는 InGaAsP를 두께가 100~200Å이 되도록 성장시킨다. 그리고 상기 InGaAsP층을 보호하기 위해 두께 50Å의 n-InP층을 성장시킨다. 상기 n-InP층 및 InGaAsP층을 홀로그램(holographic)방법이나 전자빔(e-beam)을 이용해서 기 설정된 파장에 따른 주기를 갖는 회절격자(102)를 형성한다.
상기 회절격자(102) 위에 두께 600~1500Å 사이의 n-InP층(103)을 성장시켜 상기 회절격자를 매립하고 평탄화 한다. 그 위에 MQW(multi quant㎛ well)(104)을 성장시킨다. MQW는 1.05Q의 조성을 가지는 InGaAsP로써 500Å 두께의 SCH 구조를 교대로 적층하여 형성한다. MQW 내부는 1.0Q의 130Å두께의 장벽(barrier)과 1.3Q의 90Å 두께의 웰(well)을 가진다. 상기 MQW(104) 위에 전류 주입을 돕기 위한 p-InP층(105)를 5000Å 성장시킨다. 계속해서, 상기 p-InP층(105) 위에 SiO2를 증착한 다음, 통상의 포토리소그래피 공정을 이용하여 식각함으로써 LD의 활성도파로(active waveguide)를 형성하기 위한 식각마스크(106)를 형성한다. 이때, 식각 마스크(106)는, 폭은 5㎛ 정도이며, 칩의 전체 길이가 400㎛인 경우 길이는 360㎛ 정도가 되도록 한다.
도 7b에서, 상기 SiO2로 된 식각마스크(106)를 이용하여, 상기 p-InP층(105), MQW(104), n-InP층(103), 회절격자(102) 및 n-InP 기판(101)을 식각한다. 식각공정은 건식식각 또는 습식식각에 의해 전체 식각깊이가 4~6㎛가 되도록 식각하며, 회절격자(102) 아래의 n-InP 기판(101) 일부까지 식각되도록 하여 메사구조를 형성한다.
도 7c에서, 상기 메사구조 형성 후 평탄화와 전류분산을 방지하기 위해 상기 메사구조 주변에 1.5㎛ 두께의 p-InP 층(107)과 3.5㎛ 두께의 n-InP(108)층을 채워 전류 차단층(109)을 형성한다.
도 7d에서, 상기 SiO2 식각마스크(106)를 제거하고, 전류 주입을 위한 p-InP층(110)을 MOCVD등의 방법을 통해 성장시킨다. 이때 두께는 2.5㎛에서 8㎛사이이며, 저항과 FFP 패턴을 고려하여 두께를 정한다. p-InP층(110) 위에는 도시하지는 않았으나, 오믹콘택(Ohmic contact)을 용이하게 하기 위해 InGaAs 콘택층을 0.5㎛ 두께로 성장시킬 수도 있다.
도 7e에서, 정전용량 감소를 위해 활성도파로 주변의 상기 p-InP층(110), 전류 차단층(109)을 더블 트렌치(double trench) 형태로 식각한다. 더블 트렌치의 깊이는 메사 주변을 둘러싼 전류차단용 p-InP 층까지 식각되도록 한다. 일반적으로, 도 7d에서 p-InP층을 2.5㎛ 두께로 성장한 경우 더블 트렌치의 깊이는 7㎛ 정도이며, p-InP층을 8㎛ 두께로 성장한 경우 더블 트렌치의 깊이는 13㎛ 정도가 되도록 식각한다.
활성도파로가 없는 영역은, 활성도파로에서 방사된 빛이 간섭을 일으킬 수 있도록 더블 트렌치의 폭을 좁게 식각하여 간섭도파로(interference waveguide)를 만든다. 이 폭은 1.3㎛ 파장의 DFB LD의 경우 6~12㎛, 1.49㎛ 파장의 DFB LD의 경우 8~14㎛, 1.55㎛ 파장의 DFB LD의 경우 8~14㎛ 사이로 한다. 1.49㎛ DFB와 1.55㎛ DFB는 파장의 차이가 크지 않아 간섭도파로의 폭이 유사하다.
또한, 본 실시예에서는 InP 재질의 간섭도파로에 대해 설명하였으나, InP, GaAs, InGaAsP, InGaAs, Si, Ge등의 반도체나, 증착 또는 코팅에 의해 형성된 SiO2, SiNX, Al2O3등의 유전물질과, 폴리머등이 가능하다. 다만, NF의 확장과 조절을 위해 굴절률이 1.2~4.2 사이의 물질로 구성되는 것이 바람직하다.
한편, 본발명의 간섭도파로는 다양한 종류의 광원과 결합가능하다. 예로는, DFB LD(Distributed FeedBack LD)와 간섭도파로를 결합한 형태, FP LD와 간섭도파로를 결합한 형태, EMLD(Electro-absorption Modulated LD)와 간섭도파로를 결합한 형태, DBR LD와 간섭도파로를 결합한 형태 등이 있다.
또한, 수동광도파로를 테이퍼지게 형성함으로써 레이저의 NF 크기를 확장할 수도 있다. NF가 커지면 간섭도파로의 폭이 넓어져도 벽면에서 반사가 일어나기 때문에, 이에 의한 간섭 효과를 얻을 수 있다. 이 경우, 활성도파로와 간섭도파로 벽면과의 거리를 멀게 할 수 있어서, 신뢰성 향상에 도움을 줄 수 있다.
한편, 본 발명의 간섭도파로는 다양한 형태로 변형 할 수 있다. 도 8 내지 도 17은 간섭도파로의 광출력측 단면구조를 나타낸 것으로서, 간섭도파로의 형태 및 그 제조방법은 다음과 같다.
도 8은 간섭도파로(21a)의 양쪽 벽이 수직으로써 수평방향의 반사가 용이하 게 일어나도록 한 것으로, 이 경우 수직방향으로는 위쪽 면에서만 반사가 일어나서 아래쪽으로 방출되는 빛이 치우치게 된다. 일반적으로, InP를 쓰는 소자에서, 1.3㎛ DFB의 경우, 활성도파로 위의 p-클래딩의 두께가 2.5㎛인 경우, 8° 정도 아래로 방출되며, 두께가 4㎛인 경우 4° 정도 아래로 방출 된다. 1.55㎛ 파장 DFB의 경우 두께가 2.5㎛인 경우 아래로 7°정도, 두께가 4㎛인 경우 2° 정도 아래로 방출된다.
도 9는 간섭도파로(21b) 벽면이 경사지게 메사구조로 형성한 것으로, 수평 방향으로 반사된 빛이 활성도파로의 아래쪽에서 모이게 된다. 도 8에 도시된 수직인 벽면에 비해, 수직 방향으로 더 아래쪽으로 빛을 보내야 할 경우 사용된다. 벽면의 경사가 89°인 경우 빛이 3° 더 아래 방향으로 방출 된다. 상기 메사구조는 Br-과 Cl- 이온을 포함하는 용액에 의한 습식식각 공정에 의해 형성할 수 있다.
도 10은, 간섭도파로(21c)의 벽면을 오목하게 절구통 형상으로 형성한 것으로, 오목한 면이 활성영역과 같은 높이에 위치하게 한 것이다. 습식식각이나 건식식각공정에 의해 제조하며, 건식식각의 경우 반응 가스의 Cl2의 조성을 높이고, 챔버(chamber) 내부의 압력을 100mTorr이상 높이고 바이어스를 적게 인가함으로써 수평방향으로 식각이 많이 일어나도록 한다.
도 11은, 간섭도파로(21d)의 수직벽면과 하부의 기판이 만나는 곳이 부드러운 곡선을 이루도록 한 것으로, 간섭도파로가 기계적으로 강하게 된다. 건식식각공정으로 수직 방향으로 에칭을 한 후, 습식식각공정을 이용하여 수평방향으로 폭 을 줄여 식각하여 제조한다.
도 12는, 간섭도파로(21e)의 위쪽 벽면이 역메사 구조로써, 역메사(reverse mesa) 면에서 생기는 반사를 이용해 FFPV가 아래쪽으로 치우치는 것을 막는다. 간섭도파로의 벽면이 수평과 이루는 각은 InP 기판의 결정면을 따라 54°가 된다. 이때 활성도파로와 수평인 위치의 벽면과 활성도파로와의 폭이 8㎛가 되려면, 활성도파로 위쪽 p-클래딩의 두께가 4㎛인 경우, 위쪽의 폭은 14㎛이고 아래 부분의 폭은 위로부터 9.5㎛에 위치하도록 한다. 역메사 구조는, 습식식각공정에 의해 제조하며 사용하는 식각제로는 HBr과 H2O2의 혼합용액이다. 또한, H2O의 첨가농도에 따라 식각속도를 조절한다.
도 13은, 활성도파로(11)와 같은 높이의 간섭도파로(21f) 벽면은 수직이며, 아랫방향으로 폭이 좁은 구조로써, 역메사 면에서 생기는 반사를 이용해 위쪽으로 반사가 일어나도록 함으로써 FFPV가 아래쪽으로 치우치는 것을 막는다. 역메사가 형성되도록 습식식각을 한 후에, 수직방향으로 건식식각을 한다.
도 14는, 활성도파로(11)의 높이와 같도록 간섭도파로(21g) 벽면의 아래 위의 경사면이 교차하도록 한 것으로, 경사진 이온빔 식각(Tilted Ion beam etching)을 이용하여 경사면을 형성한다.
도 15는, 간섭도파로(21h) 아래쪽 면에 SiO2, SiNx, Al2O3등의 유전체 박막(40a, 40b))을 두어, 간섭도파로의 아래쪽 면에서도 전반사가 일어나도록 하며, FFPV가 아래쪽으로 치우치는 것을 방지한다.
이때 유전체막은 두 가지 방법으로 만들 수 있다. 첫 번째는 도 14의 (a)에 도시된 바와 같이, 산화에 의해 Al화합물의 산화막이 될 수 있는 AlAs와 InGaAs의 반도체층을 교대로 5000Å를 쌓고 그 위에 InP를 두껍게 성장시켜, 간섭도파로 식각 후 산화공정을 통해 Al 화합물의 산화막(40a)을 형성하는 방법이다.
두 번째 방법은, 도 16에 도시된 바와 같이 유전체를 폭 0.1 ~ 1㎛ 정도의 가는 막대 형태로 제조하여 여러 개를 배열하고, InP(41)를 성장시키면 유전체 막대(40b) 사이로 노출된 InP 위에서 InP가 성장되어 종방향으로 성장하면서, 동시에 횡방향으로도 성장하여 메우게 하는 방법이다. 이렇게 성장한 층은 InP 사이에 유전체가 포함되어 있기 때문에, InP에 비해 유효 굴절율이 낮아지게 되어 전반사가 일어날 수 있다.
도 17은, 간섭도파로(21j) 벽면이 89° 정도의 각을 이루도록 한 것으로써, 간섭도파로의 아래쪽 폭이 위쪽 폭에 비해 좁기 때문에, 벽면에서 반사되는 빛은 위쪽으로 향하게 된다. 이 경우, 간섭도파로 벽면이 수직인 경우에 비해 수직방향으로 방출되는 빛이 1°정로 아래로 덜 치우친다. 본 실시예의 구조는, 습식식각공정에 의해 형성할 수 있으며, 간섭도파로 재질이 InP인 경우, 사용하는 식각제로는 HBr과 H2O의 혼합용액이다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 레이저 장치의 활성광도파로에서 직접 방출되는 빛과 간섭도파로에 의해 반사된 빛의 상호 간섭작용에 의해 광모드의 크기 변화가 용이하도록 한 것으로써, 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 단일모드 광섬유와의 광결합효율을 측정한 결과, 종래 일반적인 DFB LD가 17%정도인 것에 비해 본 발명에 따른 간섭도파로를 구비한 DFB LDD의 경우 35% 정도로서 광결합효율이 크게 향상된다.
둘째, 발광면에서 반사되어 활성도파로로 되돌아가는 빛의 양이 1/100 정도로 줄어들게 되어, LD의 단일모드 발진특성이 개선된다.
셋째, 본 발명의 간섭도파로는 활성광도파로 측벽의 에피구조를 식각하여 트랜치를 형성함으로써 구현한 것으로, 제조공정이 용이하다.

Claims (25)

  1. 기판과;
    상기 기판 상에, 활성도파로를 구비하는 광원영역과 광모드 크기 변환기 영역으로 분리되어 광섬유와의 광결합을 위하여 적층된 제1 도파로와;
    상기 기판 상에, 상기 활성도파로에서 방출된 빛과 상기 제1 도파로의 벽면에서 반사된 빛이 상기 제1 도파로 내에서 상호 간섭하도록 상기 제1 도파로의 양쪽 측벽에 형성된 트렌치를 포함함을 특징으로 하는 광모드 크기 변환기 집적 레이저 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 도파로의 폭은, 상기 활성도파로로부터 방출되는 빛의 수평방향으로의 간섭작용을 위해 2~12㎛임을 특징으로 하는 광모드 크기 변환기 집적 레이저 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 도파로의 길이는, 상기 활성도파로로부터 방출되는 빛의 수평방향으로의 간섭작용을 위해 상기 활성도파로의 광출력면으로부터 광축방향으로 30~100 ㎛ 연장되어 있음을 특징으로 하는 광모드 크기 변환기 집적 레이저 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 도파로는, 상기 활성도파로로부터 방출되는 빛의 NF(near field)의 확장과 조절이 용이하도록 그 굴절률이 1.2~4.2인 물질로 구성됨을 특징으로 하는 광모드 크기 변환기 집적 레이저 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 도파로는, 반도체, 유전물질 또는 폴리머 중 어느 하나로 구성됨을 특징으로 하는 광모드 크기 변환기 집적 레이저 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 트렌치의 깊이는, 상기 제1 도파로의 벽면에서 반사가 충분히 일어나도록 7~15㎛임을 특징으로 하는 광모드 크기 변환기 집적 레이저 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 도파로는, 그 하부면에서도 전반사가 일어나도록 상기 기판상에 적층된 유전체층을 더 포함함을 특징으로 하는 광모드 크기 변환기 집적 레이저 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광모드 크기 변환기 집적 레이저 장치는, DFB LD(Distributed FeedBack LD), FP LD, EMLD(Electro-absorption Modulated LD) 또는 DBR LD 중 적어도 어느 하나를 포함함을 특징으로 하는 광모드 크기 변환기 집적 레이저 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 광도파로의 광출력측 단면은, 직사각형 구조임을 특징으로 하는 광 모드 크기 변환기 집적 레이저 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 광도파로의 광출력측 단면은, 아랫변의 길이가 윗변의 길이보다 긴 사다리꼴 구조임을 특징으로 하는 광모드 크기 변환기 집적 레이저 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 광도파로의 광출력측 단면은, 상기 활성도파로와 동일한 높이에서 오목한 절구통 형상임을 특징으로 하는 광모드 크기 변환기 집적 레이저 장치.
  13. 삭제
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 광도파로의 광출력측 단면은, 수직벽면과 하부의 상기 기판이 만나 는 곳이 곡선을 이루도록 된 것임을 특징으로 하는 광모드 크기 변환기 집적 레이저 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 광도파로의 광출력측 단면은, 상기 활성도파로와 동일한 높이에서 교차하도록 경사면이 형성된 것임을 특징으로 하는 광모드 크기 변환기 집적 레이저 장치.
  16. 기판과;
    상기 기판 상에, 활성도파로를 구비하는 광원영역과 광모드 크기 변환기 영역으로 분리되어 광섬유와의 광결합을 위하여 적층된 제1 도파로와;
    상기 기판 상에 상기 제1 도파로의 양쪽 측벽에 형성되며, 상기 활성도파로에서 방출된 빛과 상기 제1 도파로의 벽면에서 반사된 빛이 상기 제1 도파로 내에서 상호 간섭하도록 상기 제1 도파로의 굴절률과는 다른 굴절률을 갖는 전반사영역을 포함함을 특징으로 하는 광모드 크기 변환기 집적 레이저 장치.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 전반사영역은
    이온주입영역, 이온확산영역 또는 공기층 중 어느 하나를 포함함을 특징으로 하는 광모드 크기 변환기 집적 레이저 장치.
  18. (a) 반도체 기판 상에 하부클래드층, 활성층, 상부클래드층을 차례로 적층하는 과정과;
    (b) 예정된 활성도파로 영역의 상기 상부클래드층 상에 마스크 패턴을 형성한 후, 포토리소그래피 공정에 의해 상기 상부클래드층, 활성층, 하부클래드층 및 상기 반도체 기판 일부를 식각하여 메사구조를 형성하는 과정과;
    (c) 상기 메사구조 측벽에 전류차단층을 형성하는 과정과;
    (d) 상기 활성도파로 영역 측벽의 상기 전류차단층을 식각함으로써 활성도파로를 포함하는 제1 도파로 및 더블 트렌치를 형성하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 광모드 크기 변환기 집적 레이저 장치의 제조방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 (a) 과정 중의 상기 하부클래드층 상에 회절격자를 형성하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 광모드 크기 변환기 집적 레이저 장치의 제조방법.
  20. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,
    상기 제1 도파로는 상기 활성도파로의 광출력면으로부터 광축방향으로 30~100㎛ 연장됨을 특징으로 하는 광모드 크기 변환기 집적 레이저 장치의 제조방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 제1 도파로의 폭은, 2~12㎛임을 특징으로 하는 광모드 크기 변환기 집적 레이저 장치의 제조방법.
  22. 삭제
  23. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,
    상기 제1 도파로는, 상기 활성도파로로부터 방출되는 빛의 NF(near field)의 확장과 조절이 용이하도록 그 굴절률이 1.2~4.2인 물질로 구성됨을 특징으로 하는 광모드 크기 변환기 집적 레이저 장치의 제조방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 제1 도파로는, 반도체, 유전물질 또는 폴리머 중 어느 하나로 이루어짐을 특징으로 하는 광모드 크기 변환기 집적 레이저 장치의 제조방법.
  25. 제 19 항에 있어서,
    상기 트렌치의 깊이는 7~15㎛임을 특징으로 하는 광모드 크기 변환기 집적 레이저 장치의 제조방법.
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