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KR100852388B1 - 절연 영역을 구비한 반도체 레이저 소자 - Google Patents

절연 영역을 구비한 반도체 레이저 소자 Download PDF

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KR100852388B1
KR100852388B1 KR1020060054288A KR20060054288A KR100852388B1 KR 100852388 B1 KR100852388 B1 KR 100852388B1 KR 1020060054288 A KR1020060054288 A KR 1020060054288A KR 20060054288 A KR20060054288 A KR 20060054288A KR 100852388 B1 KR100852388 B1 KR 100852388B1
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위-천 유
옌 추
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인더스트리얼 테크놀로지 리서치 인스티튜트
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Abstract

반도체 레이저 소자는 제 1 면 및 상기 제 1 면에 대향하는 제 2 면을 구비한 기판, 상기 기판의 제 2 면 상에 형성된 활성 영역, 상기 활성 영역 상에 형성된 클래딩 층 및 상기 기판의 제 2 면 상에 제 1 길이를 가지는 제 1 레이저 영역 및 상기 제 1 길이와 다른 제 2 길이를 가지는 제 2 레이저 영역을 형성하도록 상기 클래딩 층에 형성된 절연 영역을 포함한다. 상기 제 1 레이저 영역은 제 1 채널 스페이스를 갖는 제 1 광 스펙트럼을 발생하기 위해 사용된다. 상기 제 2 레이저 영역은 제 2 채널 스페이스를 갖는 제 2 광 스펙트럼을 발생하기 위해 사용된다. 상기 제 1 광 스펙트럼 및 제 2 광 스펙트럼의 조합은 단일 모드 레이저를 형성한다. 본 발명의 반도체 레이저 소자는 격자가 없으며, 제조가 용이하고 제조 단가가 낮다.
반도체 레이저 소자, 활성 영역, 클래딩 층

Description

절연 영역을 구비한 반도체 레이저 소자 {SEMICONDUCTOR LASER DEVICE HAVING AN INSULATING REGION}
도 1은 종래 기술에 따른 DBR(Distributed Bragg Reflector) 레이저의 횡단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 반도체 레이저 소자의 횡단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 도 2에 도시된 반도체 레이저 소자에 의해 형성된 세 개의 단일 모드 레이저들의 스펙트럼들이다.
도 4a 내지 도 4c는 도 2에 도시된 반도체 레이저 소자에 의해 형성된 가변 파장을 갖는 세 개의 단일 모드 레이저들이 스펙트럼들이다.
본 발명은 일반적으로는 반도체 레이저 소자들에 관한 것으로, 더 상세하게는, 격자(grating) 대신에 절연 영역을 갖는 단일 모드 반도체 레이저 소자(single mode semiconductor laser device)에 관한 것이다.
광학 통신 구성요소로서 반도체 광학 부품(반도체 레이저)을 사용하는 기술 은 80년대 벨 연구소에서 기원한다. 근래에, 고속 반송파 신호(carrier signal) 및 원거리 전송(long-range transportation) 능력을 발휘하는 반도체 광학 부품(즉, 반도체 레이저)를 어떻게 만들 것인가에 대한 연구가 더욱 집중된다. 이러한 응용에 기초하여, 상기 반도체 레이저 부품에 따른 기본 전송 신호의 용량에 관하여 관련 산업 내의 전 분야에서 지속적으로 연구되고 있다. 종래의 레이저 다이오드에서, 그 광학 캐버티는 에피택시 층(epitaxial layer)과 평행하다. 반사면은 결정 자연 파쇄면(crystal natural fracture surface) 상에 반사 마스크 도금을 한 후에 형성되며, 에피택시 층에 수직이다. 광선은 활성 영역의 거울면 양 측면 사이에서 전후로 반사하고, 그런 후, 측면으로부터 다중-모드 레이저를 방출한다.
현재의 광통신 시스템에서, 고속, 대용량의 추구는 광통신의 발전에 있어서의 영원한 목표가 되었다. 단일 모드 레이저 부품은 상기 요구에 부응하도록 산출되며, 상기 반도체 레이저의 많은 특징들 중, 단일 전송의 거리를 결정하는 단일 모드 스페트럼 출력은 반도체 레이저의 가장 중요한 특징들 중의 하나이다.
단일 출력 파장을 갖는 레이저를 형성하기 위하여, 근래에는, 반도체 레이저 부품내에 집적된 격자들이 이러한 산업에서 대개 채택되기 때문에, 단일 모드 레이저는 상기 격자의 주파수 선택 기능에 의한 특정 파장의 광학 출력을 통해 형성되게 된다. 예를 들면, 미국특허 공개공보 제20030169762호는 도 1을 참조하여 DBR(Distributed Bragg Reflector) 레이저를 제안하였다. 상기 DBR 레이저는 제 1 격자 영역(220), 제 2 격자 영역(240), 활성 영역(230), 제 1 클래딩 층(120), 제 2 클래딩 층(180), 제 1 도파 층(140), 제 2 도파 층(160), 활성 층(130), 제 1 상 부 전극(190), 제 2 상부 전극(200), 제 3 상부 전극(210), 및 하부 전극(110)을 포함한다.
제 1 클래딩 층(120)은 n-형 InP 기판이다. 하부 전극(110)은 제 1 클래딩 층(120)의 하부면 상에 형성된다. 제 2 클래딩 층(180)은 p-형 InP 기판이다.
활성 층(130)은 활성 영역(230) 상에 형성된다. 활성 영역(230)에 전자장이 인가되면, 활성 영역(230) 내의 전자들은 제 1 클래딩 층(120)으로부터 활성 층(130)으로 드리프트(drift)할 것이며, 활성 영역(230) 내의 정공들은 제 2 클래딩 층(180)으로부터 활성 층(130)으로 드리프트할 것이다. 활성 층(130)으로 드리프트한 전자들 및 정공들은 결합하여 광신호들을 형성한다.
제 1 도파 층(waveguide layer; 140)은 제 1 격자 영역(220) 내에 형성되며, 활성 층(130)의 일면 상에 배치된다. 복수의 제 1 격자들(150)은 제 1 도파 층(140)의 상부면 상에 형성된다. 활성 층(130)으로부터 제 1 도파 층(140)으로 이동한 선정의된(先定義) 제 1 파장을 갖는 광신호들은 주파수 선택 기능 수행이 가능한 제 1 격자(150)를 통과하게 된다.
제 2 도파 층(160)은 제 2 격자 영역(240) 내에 형성되며, 활성 층(130)의 다른 면에 배치된다. 복수의 제 2 격자들(170)은 제 2 도파 층(160)의 상부 면 상에 형성된다. 활성 층(130)으로부터 제 2 도파 층(160)으로 이동한 선정의된 제 2 파장을 갖는 광신호들은 마찬가지로 주파수 선택 기능 수행이 가능한 제 2 격자(170)를 통과하게 된다.
제 1 상부 전극(190), 제 2 상부 전극(200) 및 제 3 상부 전극(210)은 모두 제 2 클래딩 층(180) 상에 형성되며, 제 1 광학 격자 영역(220), 활성 영역(230) 및 제 2 격자 영역(240) 내에 상대적으로 배치된다.
DBR 레이저는 필터에 격자를 사용하여 단일 모드 레이저 선을 발생할 수 있으며, 제 1 상부 전극(190), 제 2 상부 전극(200), 제 3 상부 전극(210) 및 하부 전극(110) 사이에서 발생한 전기장 밀도를 조정하여 출력 광 파장 튜닝(tuning)하고자 하는 목적을 달성할 수 있다. 따라서, 격자의 구조, 디자인 및 제조는 DBR 레이저의 핵심 품질이다. 그러나, DBR 레이저 내에서의 필터를 위해서는 높은 제조 정밀도를 사용하는 것이 요구되며, 격자 제조 과정은 복잡하고, 따라서, DBR 레이저의 제조 과정이 복잡해지며, 제조 과정의 시간 및 제조 과정의 비용이 증가한다. 한편, 격자의 극도로 높은 정밀도에 대한 요구 때문에, 격자를 갖는 반도체 레이저의 생산에 제조 시간이 상대적으로 감소한다. 게다가, 만약 전원이 제 1 상부 전극(190), 제 2 상부 전극(200) 및 제 3 상부 전극(210)에 동시에 인가되지 않으면, 출력 광 파장 튜닝의 목적은 달성될 수 없으며, 반도체 레이저 내 격자들이 집적되므로 반도체 레이저의 크기는 증가한다. 따라서, 그러한 레이저는 현재의 전자 제품들의 마이크로화 발전 방향 및 특징들의 지속적인 업그레이드에 대한 요구를 충족시킬 수 없었다.
미국 특허 공보 제4,622,471호는 단일 모드 레이저 선을 발생하기 위해 레이저와 캐버티를 커플링하는 원리를 반도체에 레이저에 적용하는 멀티캐버티(multicavity) 광학 소자를 더 제안하고 있다. 그러나, 상기 소자는 출력 광 파장을 조정할 수 없으며, 상기 소자의 제 1 레이저 영역 및 제 2 레이저 영역은 떨어져 있으며, 전원이 제 1 및 제 2 레이저 영역들에 동시에 인가되어서야 비로소 단일 모드 레이저가 발생될 수 있다. 게다가, 상기 소자의 제 1 및 제 2 레이저 영역은 SMT(표면 실장 기술) 제조를 통해 기판 표면 상에 실장되며, 제 1 및 제 2 레이저 영역들의 상대적 위치가 극도로 정확해질 때까지는 우수한 효율을 갖는 단일 모드 레이저는 발생할 수 없다. 따라서, 제조공정의 난이도 및 비용이 증가한다.
미국 특허 공보 제6,978,057호는 광 도파관 및 상기 광 도파관을 제공하기 위한 방법을 더 제안한다. 기판 층(3) 및 상부 층(4) 사이에 개재하며, 상부 층(4) 내에 형성된 융기(14)에 의해 정의되는 활성 영역(2) 내에서 정의되는 광 경로(15)를 갖는 레이저 다이오드(1)는 선정의된 단일 파장의 레이저 광을 출력한다. 상부 층(4) 내에서 가로질러 연장된 굴절률 변경 홈들(21)이 광 경로(15) 내에서 발생한 레이저 광의 부분적인 종방향 반사들을 일으키기 위하여 부분적인 반사 위치들(20)에서 상기 광 경로들을 따라 활성 층(2)의 굴절율을 변화시키기 위하여 소정 간격의 위치들에 제공되어, 선정의된 단일 파장의 스탠딩(standing) 파동들 또는 그것들의 고조파가 상기 광 경로 내에서 각각의 부분적인 반사 위치들(20) 및 광학 경로(15) 내 제 1 거울 면(8) 사이에 고정된다. 부분적인 반사 위치들(20) 및 제 1 거울면(8) 사이에 정해진 스탠딩 파동들이 선정의된 단일 파장의 고조파가 되도록, 굴절률 변경 홈들(21)은 광 경로(15)의 실제 길이에 상응하는 위치들에서 보다 반사 위치들(20)이 포함되는 영향으로 발생하는 광 경로(15)의 유효 길이에 상응하는 제 1 거울 면(8)으로부터 소정 간격으로 반사 위치들(20)을 형성하기 위하여 융기(14)를 따라 위치한다.
따라서, 반도체 레이저 소자를 분야에서, 격자를 사용하는 종래 기술에 의해 야기되는 복잡한 제조 과정, 짧은 제조 시간 및 고비용과 같은 단점들, 출력 파장을 조정할 수 없는 종래기술에 의해 발생하는 복잡한 제조공정 및 비용 증가 같은 단점할 필요가 있다.
따라서, 본 발명의 주요한 목적은 가변 파장을 갖는 단일 모드 레이저 발생이 가능한 반도체 레이저 소자를 제공하는 것에 의하여 앞서 언급한 종래 기술의 문제들을 해결하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 제조하기 용이한 반도체 레이저 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 낮은 제조 단가의 반도체 레이저 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 소자 효율을 업그레이드하며, 전자 제품들의 마이크로화 발전 방향을 충족시키는 반도체 레이저 소자를 제공하는 것이다.
상기 언급된 목적 및 다른 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 반도체 레이저 소자는 제 1 면 및 상기 제 1 면에 대향하는 제 2 면을 구비한 기판, 상기 기판의 제 2 면 상에 형성된 활성 영역, 상기 활성 영역 상에 형성된 클래딩 층 및 상기 기판의 제 2 면 상에 제 1 길이를 가지는 제 1 레이저 영역 및 상기 제 1 크기와 다른 제 2 길이를 가지는 제 2 레이저 영역을 형성하도록 상기 클래딩 층에 형성된 절연 영역을 포함한다. 상기 제 1 레이저 영역은 제 1 채널 스페이스를 가지는 제 1 광 스펙트럼을 발생하기 위해 사용된다. 상기 제 2 레이저 영역은 제 2 채널 스페이스를 가지는 제 2 광 스펙트럼을 발생하기 위해 사용된다. 상기 제 1 광 스펙트럼 및 제 2 광 스펙트럼의 조합은 단일 모드 레이저를 형성한다. 반도체 레이저 소자는 상기 기판의 제 1 면 상에 형성된 제 1 전극, 상기 제 1 레이저 영역의 외부 면 상에 형성된 제 2 전극, 및 제 2 레이저 영역의 외부 면 상에 형성된 제 3 전극을 더 포함한다.
상기 설명된 반도체 레이저 소자에서, 단일 모드 레이저는 제 1 레이저 영역 및 제 2 레이저 영역의 어느 쪽에 전류를 주입하는 것에 의해서 형성된다. 게다가, 본 발명의 단일 모드 레이저는 일정한 전류를 제 1 레이저 영역(또는 제 2 레이저 영역)에 주입하고 가변의 전류를 제 2 레이저 영역(또는 제 1 레이저 영역)에 주입하는 것에 의하여 변조 가능한 파장을 갖는다. 단일 모드 레이저는, 가변 출력 파장의 목적을 달성하기 위해, 제 1 레이저 영역으로부터 발생한 제 1 광 스펙트럼 및 제 2 레이저 영역으로부터 발생한 제 2 광 스펙트럼의 파장들을 드리프트 하도록 반도체 레이저 소자의 작동 온도를 조정하는 것에 의해 변조 가능한 파장을 갖는다.
종래 기술과 비교하면, 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자는 상기 기판의 제 2 면 상에 제 1 레이저 영역 및 상기 제 1 길이와 다른 제 2 길이를 가지는 제 2 레이저 영역을 형성하도록 상기 클래딩 층에 형성된 절연 영역을 갖는다. 따라서, 전원이 반도체 레이저 소자에 공급될 때, 제 1 채널 스페이스를 갖는 제 1 광 스펙트럼 및 제 2 채널 스페이스를 갖는 제 2 광 스펙트럼은 제 1 레이저 영역 및 제 2 레이저 영역 내에 각각 존재하며, 제 1 광 스펙트럼 및 제 2 광 스펙트럼의 조합은 단일 모드 레이저를 형성한다. 단일 모드 레이저는 가변 파장을 가지며, 상기 파장은 제 1 레이저 영역(또는 제 2 레이저 영역) 내로 일정한 전류를 주입하고 제 2 레이저 영역(또는 제 1 레이저 영역) 내로 가변의 전류를 주입하는 것에 의하여 변조될 수 있다. 결론적으로, 격자들이 없더라도, 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자는 가변 파장을 갖는 단일 모드 레이저를 여전히 형성할 수 있다. 따라서, 반도체 레이저 소자를 제조하는 제조 과정은 단순화되며, 반도체 레이저 소자는 낮은 제조 단가를 갖는다. 기판 상의 제 1 및 제 2 레이저 영역들의 상대적인 위치의 낮은 정밀도 및 SMT(표면 실장 기술) 제조의 사용에 기인하는 종래 기술에 의해 야기된 가변 파장을 형성하지 못하는 효과 같은, 종래의 단점들은 해결될 수 있다.
이하의 설명은 본 발명의 구현과 관련된 특정한 정보를 포함한다. 당업계의 당업자는 본 응용에 무엇이 개시되어 있는지를 명확하게 검토한 후, 본 발명의 다른 장점 및 특성들을 손쉽게 인식할 수 있을 것이다. 본 발명이 본 발명에서 명확하게 논의된 것과 다른 방식으로 구현되고 적용될 수 있다는 것은 명백하다. 또한 발명이 여기에서 기술되는 특정한 실시예들에 제한되지 않고, 본 발명의 사상에서 벗어남이 없이 많은 재배열, 변형 및 치환이 가능할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 2는 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 반도체 레이저 소자(2)의 횡단면도이다. 도면들은 모두 간략화된 약식의 다이어그램들이고 단지 발명에 포함되는 구성요소를 도시한 이러한 도면들 안에서 제공되어야 하는 본 발명에 따른 기본적인 구조를 도시하고, 도시된 구성요소들은 실제의 실시예 상태가 아니고, 실제 구현될 때 구성요소의 숫자, 형상 또는 크기의 비율은 선택적으로 디자인하고, 구성요소의 설계는 더 복잡하다는 것을 유념하라.
반도체 레이저 소자(2)는 기판(20), 활성 영역(21), 클래딩 층(22), 절연 영역(26), 제 1 전극(23), 제 2 전극(24) 및 제 3 전극(25)을 포함한다.
기판(20)은 p-형(n-형) InP 기판이고, 제 1 면(31) 및 제 1 면(31)의 반대쪽의 제 2 면(32)을 포함한다. 기판(20)은 활성 영역(21)의 굴절률보다 훨씬 적은 굴절률을 갖는다. 제 1 전극(23)은 기판(20)의 제 1 표면(31)에 형성된다.
활성 영역(21)은 기판(20)의 제 2 표면(32)에 형성되고, InGaAs, AlInGaAs, GaAs, GaAsN 및 InGaAsP 등과 같은 반도체 물질로 이루어진다. 따라서, 활성 영역(21)은 반전 분포 특성 및 큰 굴절률을 갖는다. 반도체 레이저 소자(2)는 광 공동(미도시)을 포함하여 레이저를 형성하기 위해, 빛이 공진하고 증폭되기 위하여 앞뒤로 진동한다. 활성 영역(21)은 활성부 층 및 상기 활성부 층의 상면 및 하면을 덮는 분리 가둠형 헤테로구조(Separate Confinement Heterostructure : SCH)를 포함한다. 상기 SCH 구조는 당업계의 당업자에게 명백하기 때문에 특별히 도면에 도시되지 않고, 본 발명에서 상술되지 않는다.
클래딩 층(22)은 활성 영역(21) 및 p-형(n-형) InP 기판에 형성된다. 클래딩 층(22)은 활성 영역(21)의 굴절률보다 훨씬 작은 굴절률을 갖는다. 클래딩 층(22)은 절연 영역(26)의 깊이보다 더 큰 두께를 갖는다(도면 및 관련된 설명을 간략히 하기 위해, 클래딩 층(22)의 두께는 절연 영역(26) 깊이보다 더 크다고 가정하나, 이에 한정되지 않는다). 제 1 길이를 갖는 제 1 레이저 영역(270)은 기판(20)의 제 2 면(32)의 일 측에 형성되고, 상기 제 1 길이와 다른 제 2 길이를 갖는 제 2 레이저 영역(271)은 기판(20)의 제 2 면(32)의 다른 측에 형성된다. 제 2 전극(24)은 제 1 레이저 영역(270)의 외면에 형성되고, 제 3 전극(25)은 제 2 레이저 영역(271)의 외면에 형성된다.
바람직한 실시예에 따라, 제 1 레이저 영역(270)은 주로 레이저를 방사하기 위한 영역으로 정의되고, 제 2 레이저 영역(271)은 주로 레이저를 필터링하는 또 다른 영역으로 정의된다. 제 1 레이저 영역(270)과 제 2 레이저 영역(271)은 크기가 서로 다르기 때문에(제 1 레이저 영역(270)은 제 1 길이(L1)를 갖고, 제 2 레이저 영역(271)은 제 1 길이(L1)보다 짧은 제 2 길이(L2)를 가짐), 제 1 레이저 영역(270)으로부터 발생한 제 1 레이저 광 스펙트럼의 제 1 채널 스페이스는 제 2 레이저 영역(271)으로부터 발생한 제 2 레이저 광 스펙트럼의 제 2 채널 스페이스와 다르고, 상기 제 1 레이저 광 스펙트럼과 제 2 레이저 광 스펙트럼의 조합은 단일 모드 레이저를 형성한다. 제 1 레이저 영역(270)의 제 1 레이저 공진 조건은 식 1로 표시되고, 제 2 레이저 영역(271)의 제 2 레이저 공진 조건은 식 2로 표시되고, 제 1 레이저 영역(270)과 제 2 레이저 영역(271) 사이의 커플링 조건은 식 3으로 표시된다:
△λ1 = λ2/(2neff * L1) (식 1)
△λ2= λ2/(2neff * L2) (식 2)
△λ12 = λ2/[2neff * (L1-L2)] (식 3)
λ는 빛의 파장(공기 중에서 파장)을 나타내고, neff는 레이저 영역에서 유효 굴절률을 나타내고, △λ1은 제 1 레이저 영역(270)의 제 1 채널 스페이스를 나타내고, △λ2는 제 2 레이저 영역(271)의 제 2 채널 스페이스를 나타내고, △λ12는 제 1 채널 스페이스와 제 2 채널 스페이스 사이의 차이, 즉 커플된 모드 스페이스를 나타낸다. 따라서, 커플된 모드 스페이스 △λ12는 제 1 레이저 영역(270)의 제 1 길이(L1)와 제 2 레이저 영역(271)의 제 2 길이(L2) 사이의 비율의 조정에 의해 조절할 수 있고, 단일 모드 레이저가 발생될 수 있다(즉, 세 개의 식 1, 식 2 및 식 3이 동시에 만족).
도 3a 및 도 3b는 제 1 레이저 영역(271)으로부터 발생한 (λ10, λ11, λ12 , λ13 , λ14 , λ15 , λ16로 구성된) 제 1 멀티 모드 레이저 λ1 과 제 2 레이저 영역(271)로부터 발생한 (λ20 , λ21 , λ22, λ23, λ24로 구성된) 제 2 멀티 모드 레이저 λ2 의 두 스펙트럼이다. 제 1 멀티 모드 레이저 λ1 는 제 1 채널 스페이스 △λ1을 갖고, 제 2 멀티 모드 레이저 λ2 는 제 2 채널 스페이스 △λ2을 갖고, 제 1 멀티 모드 레이저 λ1과 제 2 멀티 모드 레이저 λ2의 조합은 도 3c에 도시된 단일 모드 레이저를 형성한다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 오직 식 1 내지 식 3을 만족시키는 파장 λ12 및 λ13을 갖는 상기 레이저 광 신호들만이 파장 λ12를 갖는 단일 모드 레이저를 형성하기 위해 조합된다.
절연 영역(26)은 이온 트랜스포테이션법(Ion transportation method) 또는 FIB법(focus ion beam method)을 사용하여 클래딩 층(22)의 특정 영역에 이온을 주입하여 형성된다. 이온 트랜스포테이션법 및 FIB법은 당업계의 당업자에게 잘 알려져 있으므로, 이하 추가 설명을 생략한다. 더욱, 바람직한 실시예에서, 갭이 포토닉 크리스탈, 화학 에칭 또는 건식 에칭의 사용을 통하여 클래딩 층(22) 내에 먼저 형성된다. 클래딩 층(22)의 두께는 스페이스의 깊이보다 크다. 다음으로, SiOX, SiNX 및 폴리머(Polymer)와 같은 유전체 물질이 갭 안에 채워진다. 따라서, 클래딩 층(22) 내에 절연 영역(26)이 형성된다. 절연 영역(26)의 형성을 통하여 제 1 레이저 영역(270) 및 제 2 레이저 영역(271) 또한 기판(20) 상에 형성된다. 더욱이, 절연 영역(26)은 활성 영역(21)을 통하여 침투하기 않기 때문에, 제 1 레이저 영역(270)은 제 2 레이저 영역(271)에 연결된다. 제 1 레이저 영역(270)과 제 2 레이저 영역(271)이 여전히 독립적으로 기능 하더라도, 각각 식 1 및 식 2는 만족한다.
또한, 절연 영역(26)은 제 1 레이저 영역(270)에 형성된 제 2 전극(24)이 제 2 레이저 영역(271)에 형성된 제 3 전극(25)으로부터 절연되는 것이 보장되도록 충분히 넓게 설계되어야 한다. 절연 영역(26)의 깊이는 반도체 레이저 소자(2) 그 자체의 한정 요소(Г)에 의해 결정되어야 한다. 상기 한정 요소가 클수록 절연 영역(26)은 더 깊게 설계되어야 하고, 반대의 경우도 같다.
본 발명의 원리 및 특성을 더 나타내기 위해, 본 발명에 따른 단일 모드 레이저 출력 및 파장 가변 단일 모드 레이저의 메카니즘을 이하 상술할 것이다.
도 2를 참조하면, 전원이 제 2 전극(24) 및 제 1 전극(23)에 공급될 때(즉, 전류가 제 1 레이저 영역(270)에 주입), 제 1 레이저 영역(270)의 클래드 층(22)(또는 기판(20)) 내의 다수의 전자들이 클래드 층(22)(또는 기판(20))으로부터 제 1 레이저 영역(270) 내의 활성 영역(21)으로 드리프트(drift) 되고, 기판(20)(또는 클래드 층(22)) 내의 다수의 홀들이 기판(20)(또는 클래드 층(22))으로부터 활성 영역(21)으로 드리프트 된다. 이러한 시나리오에서, 활성 영역(21)으로 드리프트 된 전자와 홀들은 대부분이 다른 파장을 갖는 광신호들을 형성하기 위해 결합된다. 광신호들은 활성 영역에서 앞뒤로 진동하고, 증폭되기 위하여 공진하며, 멀티 모드 레이저를 발생시킨다. 이어서, 단일 모드 레이저가 제 2 레이저 영역(271)에 의해 수행된 필터링 과정의 장점에 의해 발생된다. 제 1 레이저 영역(270)의 제 1 길이(L1)는 제 2 레이저 영역(271)의 제 2 길이(L2)와 다르다. 따라서 오직 미리 설정된 파장을 갖는 상기 광신호들만이 제 2 레이저 영역(271)을 통과하도록 하여, 광 필터로서 작용한다. 따라서, 반도체 레이저 소자(2)는 제 1 레이저 영역(270) 내에 전류를 주입하고 제 2 레이저 영역(271) 내에 광 신호들을 필터링하여 단일 모드 레이저를 발생한다. 또한 본 발명은 제 2 레이저 영역(271)의 제 2 길이(L2)가 제 1 레이저 영역의 제 1 길이(L1)보다 크도록 설계될 수 있다. 따라서, 멀티 모드 레이저가 제 1 전극(23) 및 제 3 전극(25)에 전원을 인가하여 제 2 레이저 영역(271) 내에서 발생하고, 단일 모드 레이저가 필터링 과정을 통하여 제 1 레이저 영역(270)으로부터 발생한다.
또한, 본 발명은 제 1 레이저 영역(270) 및 제 2 레이저 영역(271)에 동시에 전원을 공급하여 단일 모드 레이저의 파장을 변화시키는 효과를 얻을 수 있다. 도 4A, 4B 및 4C를 참조하면, 한편으로는, 제 1 레이저 영역(270)에 주입되는 제 1 전류가 일정하게 유지되고, 다른 한편으로는 제 2 레이저 영역(271)에 주입되는 제 2 전류가 가변적이면, 제 2 레이저 영역(271)의 유효 굴절률은 작아지게(또는 커지게) 되어, 제 2 레이저 영역(271)의 모드 스페이스는 따라서 작아지게(또는 커지게) 된다. 그러므로, 발생한 단일 모드 레이저는 제 1 레이저 영역(270) 및 제 2 레이저 영역(271)의 광 스펙트럼의 조합을 통해 서로 다른 파장(λ4, λ5, λ6) 을 가지고, 단일 모드 레이저 및 가변 파장이라는 두 가지 목적이 달성된다. 마찬가지로, 제 1 레이저 영역(270)의 주입 전류를 변경하고 제 2 레이저 영역(271)의 주입 전류를 일정하게 유지하면 파장을 변화하고자 하는 목적을 달성할 수 있으며, 그 원리는 파장을 변화시키기 위해 제 2 레이저 영역(271)의 전류를 변경하는 상술한 원리와 동일하므로, 여기서 다시 반복하지 않는다.
또한, 제 1 레이저 광신호의 유효 굴절률는 반도체 레이저 소자(2)의 작동 온도가 변하면 변할 수 있으며, 제 1 레이저 영역(270)의 제 1 길이(L1)는 제 2 레이저 영역(270)의 제 2 길이(L2)와 다르기 때문에 제 1 레이저 영역(270)에서의 축적된 열 및 유효 굴절률의 변화는 제 2 레이저 영역(271)에서와 다르다. 따라서, 서로 다른 파장을 갖는 단일 모드 레이저는 필터링될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자는 크게 기판, 상기 기판 상에 형성된 활성 영역 및 상기 활성 영역 상에 형성된 클래딩 층을 포함하고, 그 특징은 적어도 절연 영역이 상기 반도체 레이저 소자의 상기 클래딩 층에 형성되고, 서로 다른 크기를 가지며, 상호 연결된 상기 제 1 레이저 영역 및 제 2 레이저 영역이 상기 기판 상에 형성되고, 그 다음 단일 모드 레이저 선이 상기 제 1 레이저 영역 및 제 2 레이저 영역에 의해 각각 생성된 레이저 광 스펙트럼을 결합(커플링)한 후에 형성된다는 것이다. 또한, 본 발명은 전류를 가하고 작동 온도를 변경하여 가변 파장을 가지는 단일 모드 레이저를 생산할 수 있으며, 이에 의해 제조 공정을 단순화하고, 제조 시간을 향상시키고, 제조 단가를 현저히 절감할 수 있으며, 동시에 전자 제품의 마이크로화 개발 방향에도 부합한다.
종래기술과 비교하여, 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자는 반도체 레이저 소자 내에서 서로 다른 크기를 가지는 제 1 및 제 2 레이저 영역을 형성하기 위하여 이온 트랜스포테인션법(Ion transportation method), FIB법 (Focus ion beam method) 또는 에칭법을 사용하고, 특정 파장을 갖는 단일 모드 레이저가 제 1 및 제 2 레이저 영역에 의해 형성되는 다중 모드 레이저 선들을 결합(커플링)하여 생 성된다. 따라서, 본 발명에서는, 격자(grating)를 이용하지 않고, 필터링에 의해 단일 모드 레이저가 형성될 수 있어서, 격자를 사용하는 종래기술에서 발생하는 복잡한 제조공정, 산출에 대한 제조 시간의 현저한 감소 및 제조 비용의 증가와 같은 단점들을 극복할 수 있으며, 또한, 제품이 근래의 전자 제품의 마이크로화 개발 방향에 부합하지 않는다는 단점도 극복할 수 있고, 나아가, 본 발명에서는, 다중 모드 레이저가 제 1 레이저 영역(제 2 레이저 영역)의 전극에 전류를 주입하여 생성될 수 있으며, 그 다음 단일 모드 레이저는 제 2 레이저 영역(또는 제 1 레이저 영역)에서의 필터링에 의해 생성될 수 있어서, 단순히 하나의 전극 상에서 동작함으로써 단일 모드 레이저 출력의 효과가 얻어질 수 있고, 이에 의해 복수 전극이 동시에 동작하기 전까지는 단일 모드 레이저가 생성될 수 없기 때문에 종래기술에서 발생하는 복잡한 동작 및 에너지 소비의 과다와 같은 단점들을 극복할 수 있다.
또한, 본 발명의 반도체 레이저 소자는 에피택시 기술(Epitaxial technology)에 의해 제조되기 때문에 고성능을 가지며, 이에 의해 종래기술에서 미리 형성된 제 1 및 제 2 레이저 영역을 기판 상에 실장하기 위해 표면 실장 기술(SMT) 제조를 사용함으로써 유발되는 상대적 위치 정밀도의 저하 및 이에 의한 제품 성능의 저하와 같은 단점을 극복할 수 있으며, 반면 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자에서는, 가변 파장을 갖는 효과가 전극을 통해 주입 전류를 작동하거나 또는 작동 온도를 변경하여 생성될 수 있고, 이에 의해 기판 상에 위치한 두 개의 레이저 영역이 상호 이격되어 있기 때문에 가변 파장이 생성될 수 없다는 종래기술의 단점을 극복할 수 있다.
상술한 실시예들은 본 발명의 다양한 목적 및 특징들을 예시적으로 기술하기 위한 것으로서 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 본 기술분야에 숙달된 자라면 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고 형태 및 구체적인 부분에서의 변경이 가능하다는 것을 인지할 것이다. 따라서, 본 발명의 정확한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 속하여야 한다.

Claims (21)

  1. 제 1 면 및 상기 제 1 면에 대향하는 제 2 면을 구비한 기판;
    상기 기판의 제 2 면 상에 형성된 활성 영역;
    상기 활성 영역 상에 형성된 클래딩 층; 및
    상기 기판의 제 2 면 상에 제 1 길이를 가지는 제 1 레이저 영역 및 상기 제 1 길이와 다른 제 2 길이를 가지는 제 2 레이저 영역을 형성하도록 상기 클래딩 층에 형성된 절연 영역을 포함하되,
    상기 제 1 레이저 영역 및 제 2 레이저 영역의 조합은 단일 모드 레이저를 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 활성 영역은 상부 면과 하부 면을 갖는 활성부 층과, 상기 활성부 층의 상부 면 및 하부 면 상에 덮여진 분리 가둠형 헤테로구조(SCH)를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 제 1 면 상에 형성된 제 1 전극; 및
    상기 제 1 레이저 영역의 외부 면 상에 형성된 제 2 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 2 레이저 영역의 외부 면 상에 형성된 제 3 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 레이저 영역과 상기 제 2 레이저 영역은 길이가 상이한 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 클레딩 층은 상기 절연 영역의 깊이보다 큰 두께를 가지며, 상기 제 1 레이저 영역은 상기 제 2 레이저 영역에 연결된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 절연 영역은 이온 트랜스포테이션법(Ion transportation method) 및 FIB법(Focus ion beam method)으로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의해 상기 클래딩 층에 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 절연 영역은 포토닉 크리스탈(Photonic crystal), 또는 화학 에칭 및 건식 에칭으로 이루어진 군에서 선택된 방법으로 상기 클래딩 층에 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 화학적 에칭 및 건식 에칭은 모두 상기 클래딩 층에 공간을 형성하고, 상기 공간에 유전 물질을 채워 상기 제 1 레이저 영역과 제 2 레이저 영역 사이에 절연 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 유전 물질은 SiOx, SiNx 및 폴리머로 이루어진 군에서 선택된 물질인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 단일 모드 레이저는 상기 제 1 레이저 영역 및 제 2 레이저 영역 중 어느 영역에 전류를 주입하여 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 단일 모드 레이저는 상기 제 1 레이저 영역에 일정한 제 1 전류를 주입하고, 상기 제 2 레이저 영역에 가변 제 2 전류를 주입하여 변조 가능한 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 단일 모드 레이저는 상기 제 1 레이저 영역에 변동 가능한 제 1 전류를 주입하고, 상기 제 2 레이저 영역에 일정한 제 2 전류를 주입 하여 변조 가능한 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 단일 모드 레이저는 상기 제 1 레이저 영역으로부터 발생한 제 1 광 스펙트럼 및 상기 제 2 레이저 영역으로부터 발생한 제 2 광 스펙트럼의 파장을 드리프트하도록 상기 반도체 레이저 소자의 작동 온도를 조정함으로써 변조 가능한 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 p-형 InP 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 클래딩 층은 n-형 InP 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 n-형 InP 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 클래딩 층은 p-형 InP 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  19. 삭제
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 활성 영역은 AlInGaAs, InGaAs, GaAs, GaAsN 및 InGaAsP로 이루어진 군에서 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
  21. 삭제
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