KR100958338B1 - 광 증폭기가 집적된 슈퍼루미네슨트 다이오드 및 이를이용한 외부 공진 레이저 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 슈퍼루미네슨트 다이오드에 관한 것으로, 임계 전류가 낮아서 파워 소모가 적고, 저 전류 동작에서도 높은 출력을 가지는 외부 공진형 레이저의 광원에 적합한 슈퍼루미네슨트 다이오드에 관한 것이다.
이를 위하여, 본 발명의 일실시 예에 따른 슈퍼루미네슨트 다이오드가 집적된 반사형 광 증폭기는, SLD(Super Luminescent Diode) 영역과, 상기 SLD 영역으로부터 생성된 광을 증폭하기 위한 SOA(Semiconductor Optical Amplifier) 영역을 가지는 기판; 상기 기판 상에서 상기 SLD 영역 및 상기 SOA 영역에 걸쳐 연장되며 상기 SOA 영역에서 테이퍼 형태를 갖는 활성층을 포함하는 매립형 이종접합구조(Buried Heterostructure) 구조의 광 도파로; 상기 활성층 주위에 형성되어 상기 활성층 이외로의 전류 흐름을 차단하며, 서로 다른 도전형의 반도체 층이 적층된 전류 차단층; 및 상기 광 도파로 및 상기 전류 차단층 상에 형성된 클래드 층을 포함한다. 상술한 바와 같은 본 발명은, PLC-ECL에 사용되는 SLD에 SOA를 단일 집적하여 임계 전류가 낮고 출력이 종래 SLD보다 2배 정도 높은 광원을 제공할 수 있는 이점이 있다.
SLD, SOA, Ridge, 다중 양자 우물 구조, 벌크 구조
Description
본 발명은 슈퍼루미네슨트 다이오드에 관한 것으로, 특히 슈퍼 루미네슨트 다이오드와 광 증폭기를 하나의 플랫폼으로 형성한 2-section 슈퍼 루미네슨트 다이오드에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-073-02, 과제명: 휴대 단말기용 나노 플렉시블 광전배선 모듈].
경제적인 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 가입자망 시스템을 구현하기 위하여는 안정적이고 가격 효율적인 광원의 개발이 필수적이다. 특히, WDM 가입자망 시스템은 가입자마다 특정 파장이 지정되어 통신이 이루어지기 때문에 지정된 파장에 무관하게 가입자마다 동일한 광원을 제공할 수 있는 파장 독립(wavelength independent) 광원에 대한 연구가 이루어져야 한다.
이러한 파장 독립 광원 연구의 일환으로 최근 파장 잠김된 페브리 페롯 레이저 다이오드(Wavelength Locked Fabry Perot - Laser Diode : WLFP-LD), 반사형 반도체 광 증폭기(Reflective Semiconductor Optical Amplifier : RSOA) 및 평판형 광 회로를 이용한 외부 공진 레이저(Planar Lightwave Circuit - External Cavity Laser : PLC-ECL)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이중 WLFP-LD 와 RSOA를 이용한 re-modulation 구조는 주입되는 광원의 특성에 의해 좌우될 뿐만 아니라, 직접 변조가 가능한 데이터 레이트가 1.25Gb/s로 제한되는 단점이 있다.
이러한 점에서 궁극적인 WDM 광 가입자망의 광원은 경제적이면서 2.5Gb/s 이상의 직접 변조가 가능한 PLC-ECL이 주목받고 있다.
ECL은 실리콘 기판 위에 형성된 실리카 및 폴리머 도파로에 격자(grating)를 형성하고 광원인 반도체 레이저가 하이브리드(hybrid) 집적되는 구조이다.
ECL의 광원인 반도체 레이저는 출사면의 반사도가 0.1% 이하로 발진을 하지 않아야 하며, 저 전류 동작에서 높은 출력을 가지는 소자여야만 한다.
따라서, 이러한 조건을 만족하는 광원으로는 FP-LD(Fabry Perot - Laser Diode)와 SLD(Super Luminescent Diode)가 있지만, 보통 넓은 대역폭을 가지는 SLD가 주로 사용되고 있다.
일반적인 SLD는 출사 단면의 반사도를 줄이기 위하여 활성층이나 광 도파로를 7도 내지 10도 기울여서 제작하고 있다. 이렇게 하면 출사 단면의 반사도는 줄 일 수 있으나 임계 전류의 증가 및 동작 전류의 증가로 WDM-PON(Passive Optical Network용 광원으로 적합하지 않다. 따라서, SLD를 무반사 및 고반사 코팅된 페프리-페롯 정도의 특성을 가지는 광원으로의 연구가 활발히 진행되고 있다.
한편, 보통 SLD가 고 출력으로 동작하기 위해 SOA가 단일 집적되는 연구가 진행되고 있다. 최근의 연구 결과에 따르면 SLD에 SOA를 단일 집적할 경우 SLD의 출력이 2배 정도 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 SLD는 임계 전류가 너무 높기 때문에 PLC-ECL, 특히 WDM-PON용 PLC-ECL의 광원으로는 적합하지 않다.
따라서, 임계 전류가 낮으면서 출력이 일반적인 SLD보다 2배 정도 높은 SLD의 개발이 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은, PLC-ECL에 사용되는 광원인 SLD에 SOA를 단일 집적하여 임계 전류가 낮고 출력이 종래의 SLD에 비하여 2배 정도 높은 광원을 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 목적은, 1.25Gbp/s이상의 고주파 변조 특성이 우수한 SLD 및 SOA의 단일 집적 소자와 상기 소자를 이용한 외부 공진 레이저를 제공하는 데에 있다.
그 외의 본 발명에서 제공하고자 하는 목적은 하기의 설명 및 본 발명의 일실시 예에 의하여 파악될 수 있다.
이를 위하여, 본 발명의 일실시 예에 따른 광 증폭기가 집적된 슈퍼루미네슨트 다이오드는, SLD(Super Luminescent Diode) 영역과, 상기 SLD 영역으로부터 생성된 광을 증폭하기 위한 SOA(Semiconductor Optical Amplifier) 영역을 가지는 기판; 상기 기판 상에서 상기 SLD 영역 및 상기 SOA 영역에 걸쳐 연장되며 상기 SOA 영역에서 테이퍼 형태를 갖는 활성층을 포함하는 매립형 이종접합구조(Buried Heterostructure) 구조의 광 도파로; 상기 활성층 주위에 형성되어 상기 활성층 이외로의 전류 흐름을 차단하며, 서로 다른 도전형의 반도체 층이 적층된 전류 차단층; 및 상기 광 도파로 및 상기 전류 차단층 상에 형성된 클래드 층을 포함한다.
바람직하게는, 상기 기판과 상기 광 도파로 사이에 형성된 수동 도파로 층을 더 포함하고, 상기 SLD 영역의 활성층과 상기 SOA 영역의 활성층이 이종의 활성층으로 이루어지며, 상기 광 도파로는 상기 SOA 영역의 폭이 좁게 형성되는 리지(ridge) 구조로 형성된다.
또한, 이를 위하여, 본 발명의 일실시 예에 따른 외부 공진 레이저는, 본 발명의 일실시 예에 의한 광 증폭기가 집적된 슈퍼루미네슨트 다이오드가 평판형 광 회로(Planar Lightwave Circuit : PLC) 플랫폼에 티오캔(TO can)으로 실장된다.
또한, 이를 위하여, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 외부 공진 레이저는, 본 발명의 일실시 예에 따른 광 증폭기가 집적된 슈퍼루미네슨트 다이오드가 평판형 광 회로(Planar Lightwave Circuit : PLC) 플랫폼에 플립 칩 방식으로 실장된다.
바람직하게, 상기 평판형 광 회로는 상기 평판형 광 회로의 광 도파로 상에 형성된 브래그 격자(bragg grating) 및 상기 브래그 격자의 온도 제어를 위한 히터 전극을 포함한다.
상술한 바와 같이 본 발명은, PLC-ECL에 사용되는 SLD에 SOA를 단일 집적하여 임계 전류가 낮고 출력이 종래 SLD보다 2배 정도 높은 광원을 제공할 수 있는 이점이 있다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
WDM-PON OLT(Optical Line Terminal) 및 ONU(Optical Network Unit)에 사용되는 SLD의 활성층은 편광의존성이 있는 압축 응력 완화 다중 양자 우물 구조(Multiple Quantum Well : MQW)를 취하고, SOA는 편광의존성이 없는 응력 완화 벌크 구조를 취한다는 점에서만 차이가 있을 뿐 성장층과 광 도파로를 형성하는 구조는 동일하다.
따라서, 이하에서 설명하는 본 발명은 이러한 WDM-PON OLT 및 ONU에 사용되는 SLD에 SOA를 단일 집적하여 임계 전류가 낮고 출력이 보통의 SLD보다 2배 정도 높은 광원을 제공한다. 또한, SLD에 SOA를 단일 집적하여 1.25Gbp/s이상의 고주파 변조 특성이 우수한 소자 및 상기 소자를 이용한 외부 공진 레이저를 제공한다.
한편, 이러한 단일 집적 소자의 임계 전류를 낮추기 위하여는 칩 사이즈를 최소화하여야 한다. 따라서, 이를 위해 SLD를 매립형 이종 접합(Buried Heterostructure, 이하 BH라 함) 구조로 제작하는 것이 바람직하다. 이는 BH 구조가 BRS(Buried Ridge Stripe) 구조보다 활성층 이외로의 전류 흐름을 차단하는 특 성이 우수하여 저 전류 특성 및 고성능을 발휘하기 때문이다.
또한, 단일 집적 소자의 내부 반사를 줄이고 출력을 높이며 방사광의 크기를 크게 하기 위하여 광 도파로의 끝단을 테이퍼 형으로 제작한다. 이 때 테이퍼 끝단의 폭(보통 0.1um 이하)이 적을수록 특성이 우수하다.
이하에서, 본 발명을 설명함에 있어 종래 기술과의 대비 및 설명의 편의를 위하여 본 발명에 따른 SOA가 집적된 SLD를 2-section SLD라 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 2-section SLD의 개략도이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 일실시 예에 따른 2-section SLD는, n-InP 기판(11), 상기 n-InP 기판(11) 하부에 형성된 n형 전극(22), 상기 n-InP 기판(11) 상에 형성된 수동 도파로(12), 상기 수동 도파로(12) 상에 형성된 광 도파로, 상기 광도파로 상에 형성된 p형 오믹층(18, omic), 상기 p형 오믹층(18) 상에 간격을 두고 SLD 영역 및 SOA 영역에 각각 형성된 p형 SLD 전극(21) 및 p형 SOA 전극(23)을 포함한다.
상기 광 도파로는 BH 구조의 활성층(14, 19) 및 전류 차단층을 포함하며, 상기 전류 차단층은 p-InP 전류 차단층(15) 및 n-InP 전류 차단층(16)을 포함한다. 또한 상기 BH 구조의 활성층(14, 19) 중 SOA 영역의 활성층(19)은 테이퍼 형태를 가지고, SLD 영역의 활성층(14)은 직선 구조를 가지며, SOA 영역과 접하는 부분에서는 굽은 구조를 갖는다. 상기 전류 차단층(15, 16)은 활성층(14, 19) 이외로의 전류 흐름을 차단한다.
한편, 활성층(14, 19) 주변으로 새는 기생 용량을 줄이기 위하여 상기 광 도파로 주위의 전류 차단층(15, 16) 및 기판(11)의 일부를 선택 식각하여 트렌치 채널(24)을 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 실리카 도파로나 광 섬유 등과의 결합 효율을 높이기 위하여 SOA 영역의 폭이 더 좁은 리지(ridge) 형태로 구성하는 것이 바람직하다. 상기 ridge 도파로의 폭은 일반적인 포토 작업 및 선택적 식각 작업으로 조절이 가능하기 때문에 ridge 폭에 따른 방사광의 크기를 조절할 수 있게 된다. 상기 SOA 영역의 도파로의 폭은 실리카 도파로와의 결합 효율을 최대로 할 수 있도록 7~10um 인 것이 바람직하다.
한편, 2-section SLD의 출사 단면에는 반사도를 낮추기 위한 무반사 코팅(26)을 하고, 입사 단면에는 이득을 높이기 위하여 고반사 코팅(25)을 하는 것이 바람직하다.
상기 활성층(14, 19) 중 SLD 영역의 활성층(14)은 응력 완화 다중 양자 우물 구조로 구성하고, SOA 영역의 활성층(19)은 편광 무의존성을 가지는 응력 완화 벌크 구조로 구성하는 것이 바람직하다.
도 2는 도 1에 따른 2-section SLD의 광 도파로의 길이 방향의 종 단면도이 다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 2-section SLD의 출사 단면에는 반사도를 낮추기 위한 무반사 코팅(26), 입사 단면에는 소자의 이득을 높이기 위해 고반사 코팅(25)이 되어 있음을 알 수 있다.
한편, 도파로를 큰 각도로 기울일수록 입/출사면에서 반사율이 낮아지며 굽은 도파로 영역에서의 손실이 크기 때문에 이득이 감소한다. 따라서, 이 때 발생하는 손실을 최소화하기 위하여 활성층 아래에 수동 도파로(12)를 형성한다. 그럼으로써, 광의 결합 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.
본 발명에서는 활성층 폭을 1~1.5um로 형성하고, 굽은 도파로에서 테이퍼 형태의 끝단까지 폭이 1~1.5um 에서 0.1um 이하로 줄어들게 하여 모드 크기를 변환할 수 있도록 하였다.
도 2는 모든 도파로가 활성층으로 이루어진 경우를 보여주는 도면이며, SLD 영역이 직선 및 굽은 활성층으로 460um, SOA 영역이 테이퍼 형태를 갖는 영역으로 300um, 진행 광이 수동 도파로와 결합하는 영역이 40um의 길이를 갖는다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 2-section SLD를 보여주는 개략도이다. 도 3에 의한 2-section SLD 는 기본적으로 도 1에 의한 2-section SLD와 동일하나 SOA 영역이 이종의 활성층으로 이루어진 구조이다.
이종의 활성층은 SLD 영역에 SOA의 활성층이 버트 커플링(butt-coupling) 형태로 성장된 구조로 SLD 영역과 비슷한 발진 파장을 가지는 벌크형의 인장변 형(tensile strain) 또는 변형(strain)이 없는 구조이다.
도 4는 도 3에 따른 2-section SLD의 광 도파로의 길이 방향의 종 단면도이다. 도 4를 참조하면, 기본적으로 도 2에 나타난 2-section SLD와 동일하나 SOA 영역의 활성층이 이종으로 구성되어 있음을 알 수 있다.
한편 상기와 같은 실시 예들에 의한 2-section SLD를 수동 도파로(12)가 없이 구성할 수도 있는데 도 5 및 도 6은 이를 나타낸다.
먼저, 도 5를 살펴보면 도 1에 나타난 2-section SLD와 기본적으로 동일한 구성을 가진다. 즉, SLD 영역과 SOA 영역의 활성층이 동종으로 이루어지며, 다만 수동 도파로가 없는 구조이다.
한편, 도 6을 살펴보면 도 3에 나타난 2-section SLD와 기본적으로 동일한 구성을 가진다. 즉, SLD 영역과 SOA 영역의 활성층이 이종으로 이루어지며, 다만 수동 도파로가 없는 구조이다.
상기와 같이 본 발명에 따른 2-section SLD는 수동 도파로(12)를 형성할 수도 있고 형성하지 않을 수도 있다.
도 7은 본 발명에 따른 2-section SLD를 이용하여 형성된 외부 공진 레이저를 보여주는 예시도이다.
도 7을 참조하면, SOA가 집적된 2-section SLD를 이용하여 TO can(35) 을 만들고 이것을 실리카 또는 폴리머 PLC 위에 형성된 브래그 격자(32, Bragg grating) 와 결합하여 ECL을 형성한 것을 알 수 있다. 히터 전극(33)은 브래그 격자(32)의 온도 제어를 위한 것이다.
도 8은 외부 공진 레이저를 형성하는 또 다른 예로 도 7의 구성과 동일한 PLC 위에 플립칩(flip-chip) 본딩된 2-section SLD를 이용한 ECL의 구조를 나타낸다.
이와 같이 본 발명에 따른 2-section SLD를 이용하여 ECL을 제작할 경우 저전류 및 고출력으로 동작하는 ECL을 제작할 수 있는 이점이 있다.
한편, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어 져서는 안 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 2-section SLD의 개략도,
도 2는 도 1에 따른 2-section SLD의 광 도파로의 길이 방향의 종 단면도,
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 2-section SLD를 보여주는 개략도,
도 4는 도 3에 따른 2-section SLD의 광 도파로의 길이 방향의 종 단면도,
도 5 및 도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 2-section SLD를 보여주는 개략도,
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 2-section SLD를 이용하여 형성된 외부 공진 레이저를 보여주는 예시도.
** 도면의 주요 부호에 대한 설명 **
11 : n-InP 기판 12 : 수동 도파로(InGaAsP)
13 : n-InP 클래드 층 14 : SLD 영역의 활성층
15 : p-InP 전류 차단층 16 : n-InP 전류 차단층
17 : p-InP 클래드 층 18 : p-InGaAs 오믹층
19 : SOA 영역의 테이퍼 형태 활성층 20 : butt 경계 영역
21 : p형 SLD 전극 22 : n형 전극
23 : p형 SOA 전극 24 : 채널
25 : 고반사 코팅 면 26 : 무반사 코팅면
27 : ridge 도파로 28 : silica 또는 polymer PLC 플랫폼
29 : silica 또는 polymer waveguide
30 : silica 또는 polymer 아래 가둠 층
31 : silica 또는 polymer 위 가둠 층
32 : silica 또는 polymer Bragging grating
33 : 히터 전극 34 : 2-section SLD/R-SOA
35 : TO can
Claims (15)
- SLD(Super Luminescent Diode) 영역과, 상기 SLD 영역으로부터 생성된 광을 증폭하기 위한 SOA(Semiconductor Optical Amplifier) 영역을 가지는 기판;상기 기판 상에서 상기 SLD 영역 및 상기 SOA 영역에 걸쳐 연장되며 상기 SOA 영역에서 테이퍼(taper) 형태를 갖는 활성층을 포함하는 매립형 이종접합구조(Buried Heterostructure) 구조의 광 도파로;상기 활성층 주위에 형성되어 상기 활성층 이외로의 전류 흐름을 차단하며, 서로 다른 도전형의 반도체 층이 적층된 전류 차단층; 및상기 광 도파로 및 상기 전류 차단층 상에 형성된 클래드 층을 포함하는 광 증폭기가 집적된 슈퍼루미네슨트 다이오드.
- 제 1항에 있어서,상기 기판과 상기 광 도파로 사이에 형성된 수동 도파로 층을 더 포함하는 광 증폭기가 집적된 슈퍼루미네슨트 다이오드.
- 제 1항에 있어서,상기 SLD 영역의 활성층과 상기 SOA 영역의 활성층이 이종의 활성층으로 이 루어진광 증폭기가 집적된 슈퍼루미네슨트 다이오드.
- 제 1항에 있어서,상기 광 도파로는 상기 SOA 영역의 폭이 좁게 형성되는 리지(ridge) 구조로 형성된광 증폭기가 집적된 슈퍼루미네슨트 다이오드.
- 제 4항에 있어서,상기 SOA 영역의 폭은 방사 광 모드의 크기를 고려하여 계산된광 증폭기가 집적된 슈퍼루미네슨트 다이오드.
- 제 1항에 있어서,상기 전류 차단층은, 제 1 도전형의 반도체층과 제 2 도전형의 반도체층의 적층 구조로 이루어진광 증폭기가 집적된 슈퍼루미네슨트 다이오드.
- 제 1항에 있어서,상기 SLD 영역의 활성층은 응력 완화 다중 양자 우물 구조로 이루어진광 증폭기가 집적된 슈퍼루미네슨트 다이오드.
- 제 1항에 있어서,상기 SOA 영역의 활성층은 응력 완화 벌크 구조로 이루어진광 증폭기가 집적된 슈퍼루미네슨트 다이오드.
- 제 1항에 있어서,상기 클래드 층 상에 형성된 오믹(omic)층을 더 포함하는 광 증폭기가 집적된 슈퍼루미네슨트 다이오드.
- 제 1항에 있어서,상기 SLD 영역의 입사 단면이 고반사 코팅된광 증폭기가 집적된 슈퍼루미네슨트 다이오드.
- 제 1항에 있어서,상기 SOA 영역의 출사 단면이 무반사 코팅된광 증폭기가 집적된 슈퍼루미네슨트 다이오드.
- 제 4항에 있어서,상기 SOA 영역의 리지(ridge) 도파로 폭은 7~10um인광 증폭기가 집적된 슈퍼루미네슨트 다이오드.
- 제 1항에 의한 광 증폭기가 집적된 슈퍼루미네슨트 다이오드가 평판형 광 회로(Planar Lightwave Circuit : PLC) 플랫폼에 티오캔(TO can)으로 실장된외부 공진 레이저.
- 제 1항에 의한 광 증폭기가 집적된 슈퍼루미네슨트 다이오드가 평판형 광 회로(Planar Lightwave Circuit : PLC) 플랫폼에 플립 칩 방식으로 실장된외부 공진 레이저.
- 제 13 항 또는 제 14항에 있어서,상기 평판형 광 회로는 상기 평판형 광 회로의 광 도파로 상에 형성된 브래그 격자(bragg grating) 및 상기 브래그 격자의 온도 제어를 위한 히터 전극을 포함하는외부 공진 레이저.
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