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KR102163734B1 - 실리콘 기판 상에 반도체 광증폭기와 통합 형성된 양자점 레이저 소자 - Google Patents

실리콘 기판 상에 반도체 광증폭기와 통합 형성된 양자점 레이저 소자 Download PDF

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KR102163734B1
KR102163734B1 KR1020140018655A KR20140018655A KR102163734B1 KR 102163734 B1 KR102163734 B1 KR 102163734B1 KR 1020140018655 A KR1020140018655 A KR 1020140018655A KR 20140018655 A KR20140018655 A KR 20140018655A KR 102163734 B1 KR102163734 B1 KR 102163734B1
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laser
silicon substrate
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김택
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삼성전자주식회사
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Abstract

개시된 레이저 소자는 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판 상에 형성된 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 형성되고 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 양자점 기반의 제1활성영역을 구비하는 레이저 캐비티; 상기 버퍼층 상에 상기 레이저 캐비티와 통합적으로 형성된 것으로, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 양자점 기반의 제2활성영역을 구비하며 상기 레이저 캐비티를 출사한 광을 증폭하는 반도체 광증폭기;를 포함한다.

Description

실리콘 기판 상에 반도체 광증폭기와 통합 형성된 양자점 레이저 소자{Quantum dot laser device integrated with semiconductor optical amplifier on silicon substrate}
본 개시는 레이저 소자에 대한 것으로, 특히, 실리콘 기판 상에 저결함의 III-V족 기반의 반도체 물질로 형성된 레이저 소자에 대한 것이다.
최근 실리콘 기반의 광 집적 회로(photonics integrated circuit)를 구현하는 기술에 대한 관심이 높아지고 있다.
실리콘 기반의 광 집적 회로(photonics integrated circuit)는 광원(light source), 광 도파로 (optical waveguide), 광변조기 (optical modulator), 광 여과기(optical filter), 광 검출기 (photodetector) 등의 여러 광 소자를 포함할 수 있으며, 광 연결로 신호를 전달한다. 광을 이용하여 데이터를 주고 받는 광 연결(optical interconnection) 기술은 전기적 연결(electrical interconnection)에 비해 전송 손실 및 전자파 간섭이 적어 고속의 고 대역폭 (bandwidth) 데이터 송수신 시스템을 구현하기에 적합하다.
광을 이용한 데이터 통신에 이용하기 위해, 화합물 반도체로 구성되는 레이저를 실리콘 기판 상에 구현하는 기술에 대한 다양한 연구가 수행되고 있다. III-V족 화합물 반도체를 실리콘 기판에 에피택셜(epitaxial) 방식으로 성장하여 레이저를 제작하고자 하는 노력은 오랫동안 지속되고 있으나, 실리콘 기판과 III-V족 화합물 반도체의 격자 상수 차에 의한 결정 결함으로 소자의 수명, 출력, 신뢰도 등이 여전히 제한적이다. 더욱이, 광통신을 위한 광원으로서 레이저를 이용하고자 할 때, 실리콘 기판에 흡수되지 않는 파장 대역의 광을 사용하는 것이 유리한데, 이러한 레이저를 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 구현하고자 하는 경우, 다른 파장 대역의 광을 형성하는 경우에 비해 더 많은 격자 결함이 발생한다.
본 개시는 실리콘 기판 상에 저결함의 III-V족 기반의 반도체 물질로 형성된 레이저 소자를 제공하고자 한다.
일 유형에 따르는 레이저 소자는 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판 상에 형성된 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 형성되고 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 양자점 기반의 제1활성영역을 구비하는 레이저 캐비티; 상기 버퍼층 상에 상기 레이저 캐비티와 통합적으로 형성된 것으로, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 양자점 기반의 제2활성영역을 구비하며 상기 레이저 캐비티를 출사한 광을 증폭하는 반도체 광증폭기;를 포함한다.
상기 제1 활성영역은 상기 실리콘 기판에 흡수되지 않는 파장 대역의 광을 생성하도록 구성될 수 있다.
상기 제1 활성영역은 1100nm 이상의 파장 대역의 광을 생성하도록 구성될 수 있다.
상기 버퍼층은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질로 이루어질 수 있다.
상기 버퍼층은 GaAs, InGaAs, InGaP 또는 GaP를 포함할 수 있다.
상기 실리콘 기판과 상기 버퍼층 사이에, Ge 또는 SiGe를 포함하는 층이 더 형성될 수 있다.
상기 레이저 캐비티는 상기 버퍼층 상에 형성된 하부 클래드층; 상기 하부 클래드층 상에 형성된 상기 제1 활성영역; 상기 제1활성영역 상에 형성된 상부 클래드층; 상기 하부 클래드층, 제1 활성영역, 상부 클래드층이 적층된 방향과 수직 방향을 이루는 상기 제1활성영역의 양측에 각각 마련되어 공진 구조를 형성하는 전방(front) 미러영역과 후방(rear) 미러영역;을 포함할 수 있다.
상기 하부 클래드층과 상기 상부 클래드층은 상기 제1 활성영역의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 갖는 반도체 물질로 형성될 수 있다.
상기 하부 클래드층과 상기 상부 클래드층은 GaAs, GaP, AlGaAs, InGaP, 또는 InGaAlP을 포함할 수 있다.
상기 상부 클래드층 상에 콘택층이 더 형성될 수 있다.
상기 콘택층 상에 제1 콘택메탈층이 더 형성되고, 상기 콘택층, 상부 클래드층, 제1활성영역, 하부 클래드층의 일부 영역을 식각하여 노출된 하부 클래드층 또는 버퍼층 상에 제2 콘택메탈층이 더 형성될 수 있다.
상기 하부 클래드층과 상기 상부 클래드층은 상기 제2 활성영역과 마주하는 위치로 연장되어 있고, 상기 제2 활성영역은 상기 하부 클래드층과 상기 상부 클래드층 사이에, 상기 전방 미러영역과 광학적으로 접속되는 위치에 형성될 수 있다.
상기 전방 미러영역과 상기 후방 미러영역은 상기 하부 클래드층과 상기 상부 클래드층 사이에 임베드되고, 상기 실리콘 기판 면과 나란한 방향을 따라 반복된 그레이팅 구조를 가질 수 있다.
상기 전방 미러영역과 상기 후방 미러영역은 분산 브래그 반사기(DBR) 구조로 이루어질 수 있다.
상기 전방 미러영역과 상기 후방 미러영역은 2차원 광결정(photonic crystal) 구조로 이루어질 수 있다.
상기 하부 클래드층과 상기 상부 클래드층 중 적어도 어느 하나에, 상기 제1 활성영역과 마주하는 영역에 요철 패턴이 형성될 수 있다.
상기 반도체 광증폭기에서 증폭된 광이 출사되는 면에는 반사 방지 코팅이 이루어질 수 있다.
상기 반도체 광증폭기에서 증폭된 광이 출사되는 면에는 미러 코팅이 이루어져, 상기 레이저 캐비티의 공진 길이보다 긴 공진 길이를 가지는 공진기를 형성할 수 있다.
상기 제2 활성영역 내에 그레이팅 미러가 더 형성되어, 상기 레이저 캐비티의 공진 길이보다 긴 공진 길이를 가지는 공진기를 형성할 수 있다.
상기 실리콘 기판 상에는 상기 반도체 광증폭기와 광학적으로 접속되어 상기 반도체 광증폭기에서 증폭된 광의 파장을 조절하는 전계 흡수 변조기가 더 구비될 수 있다.
상기 전계 흡수 변조기는 상기 레이저 캐비티의 제1활성영역의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 갖는 제3활성영역을 구비할 수 있다.
상기 제3 활성영역은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 양자점들을 포함할 수 있다.
상기 레이저 캐비티는 서로 다른 파장 대역의 광을 생성하는 복수개의 레이저 캐비티로 구성되고, 상기 복수개의 레이저 캐비티와 상기 반도체 광증폭기 사이에는 상기 복수개의 레이저 캐비티에서 방출된 광을 각각 가이드하는 복수의 도파로와, 상기 복수의 도파로를 통해 가이드된 광을 결합하는 커플러가 더 구비될 수 있다.
상술한 레이저 소자는 실리콘 기판 상에 III-V족 화합물 반도체로 이루어진 양자점 활성층을 구비하며, 반도체 광증폭기가 이에 광학적으로 집속된 구조를 가진다. 이에 따라, 작은 구동 전압으로 원하는 수준의 큰 출력을 구현할 수 있어, 레이저 소자의 신뢰성이 향상되고 수명이 연장될 수 있다.
도 1a는 실시예에 따른 레이저 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이고, 도 1b는 도 1a의 평면도, 도 1c는 도 1b의 C-C'단면도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 레이저 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 레이저 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 레이저 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 레이저 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 레이저 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 레이저 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 레이저 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 레이저 소자의 개략적인 외형을 보이는 사시도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1a는 실시예에 따른 레이저 소자(1000)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이고, 도 1b는 도 1a의 평면도, 도 1c는 도 1b의 C-C'단면도이다.
레이저 소자(1000)는 실리콘 기판(110) 상에 레이저 캐비티(LC)와 반도체 광증폭기(SOA)가 통합적으로 형성된 구조를 갖는다. 레이저 캐비티(LC)와 반도체 광증폭기(SOA)는 광학적으로 접속되게 배치되어, 레이저 캐비티(LC)에서 출사된 광은 반도체 광증폭기(SOA)에서 추가적으로 증폭되어 출사면(ES)을 통해 출사된다.
실리콘 기판(110)상에 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 기반의 레이저를 형성할 때 결정 결함이 수반되며, 출력이 높을수록 발열에 의해 결함이 증식된다. 본 실시예는 이러한 결함 증식을 최소화하도록, 결정 결함을 줄이도록 양자점 활성층을 도입하고 있으며, 이와 동시에, 낮은 출력의 동작과 발열 분산이 가능하도록 실리콘 기판(110) 상에 레이저 캐비티(LC)와 반도체 광증폭기(SOA)를 통합적으로 형성하고 있다.
보다 상세한 구조를 살펴보면 다음과 같다.
실리콘 기판(110) 상에 버퍼층(120)이 형성되고, 버퍼층(120) 상에 레이저 캐비티(LC)와 반도체 광증폭기(SOA)가 형성된다.
버퍼층(120)은 실리콘 기판(110) 상에 형성하고자 하는 박막 간의 격자 상수차이나 열팽창 계수의 차이를 완충하기 위한 것이다. 예를 들어, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 박막을 실리콘 기판(110) 상에 형성할 때, 기판과 박막 사이의 격자 상수 불일치나 열팽창 계수의 차이로 인해 결함(defect)이 발생한다. 이러한 결함은 압축 응력에 의한 전위 밀도(dislocation), 인장 응력에 의한 크랙(crack)의 형태로 나타난다. 버퍼층(120)은 이러한 결함을 완충할 수 있도록, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, GaAs로 형성될 수 있고, 또는 GaAs와 격자 상수가 비슷한 InGaP, InGaAs를 포함할 수 있다.
버퍼층(120)은 단층으로 도시되었으나 이는 예시적인 것이고, 복수층으로 형성될 수 있다. 또한, 실리콘 기판(110)과 버퍼층(120) 사이에 Ge 또는 SiGe를 포함하는 층이 더 구비될 수도 있다.
버퍼층(120) 상의 레이저 캐비티(LC)는 하부 클래드층(130), 제1 활성영역(230), 상부 클래드층(140)을 포함하며, 또한, 제1 활성영역(230)의 양측에 각각 마련되어 공진 구조를 형성하는 전방(front) 미러영역(210)과 후방(rear) 미러영역(250)을 포함한다.
제1 활성영역(230)은 실리콘 기판(110)에 흡수되지 않는 파장 대역의 광을 생성할 수 있으며, 약 1100nm 이상의 파장 대역의 광, 바람직하게는 약 1300nm 파장 대역의 광을 생성하도록 구성될 수 있다. 이러한 파장 대역의 광은 일반적인 박막 형태로 활성층이 구현되는 경우, 통상, InP와 격자 정합이 되는 물질, 예를 들어, InGaAsP나 InGaAlAs로 부터 생성될 수 있다. 그런데, 이러한 물질을 실리콘 기판(110) 상에 형성할 경우, 1000nm 이하 파장 대역의 광을 생성하는 재질로 활성층을 형성한 경우보다 더 많은 격자 결함이 발생한다.
본 실시예에서는 이러한 격자 결함을 줄이면서 1100nm 이상의 파장 대역의 광을 생성하기 위해, InAs 또는 InGaAs 기반의 양자점(QD)을 사용하고 있다. 양자점(QD)의 경우, 물질의 밴드갭 뿐 아니라, 양자점(QD)의 크기에 의해서도 파장 조절이 가능하여, 예를 들어, 실리콘 기판(110)과의 격자 상수 차이가 적은 GaAs 층 위에서도 1100nm 파장을 낼 수 있는 이점이 있다. 제1 활성영역(230)은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 기반의 하나 또는 다수의 양자점(QD) 레이어로 구성될 수 있다. 이러한 구조는 통상 DWELL (Dots in Well) 로 불리는 구조로서, 양자 우물(quantum well) 구조의 우물(well) 안에 다수의 양자점(QD)이 분포되어 있는 형태이다. 우물(well)에 해당하는 물질은 예를 들어, InxGaAs 또는 GaAs 가 될 수 있으며, 이 경우, 양자점(QD)의 조성은 Inx ’GaAs (x<x’) 또는 InAs 가 될 수 있다. 이러한 구조는 InxGaAs 또는 GaAs 상에 Inx ’GaAs (x<x’) 또는 InAs 가 양자점(QD) 형태로 성장되어 이루어질 수 있다. 도면은 양자점(QD)들이 단층으로 형성된 것으로 도시되었으나 이것은 예시적인 것이고, 복수층으로 적층될 수도 있다.
하부 클래드층(130)과 상부 클래드층(140)은 제1 활성영역(230)의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 갖는 반도체 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, GaAs, GaP, AlGaAs, InGaP, 또는 InGaAlP을 포함할 수 있다.
후방 미러영역(210), 제1 활성영역(230), 전방 미러영역(210)은 실리콘 기판(110) 면을 따라 배치되며, 즉, 하부 클래드층(130), 제1 활성영역(230), 상부 클래드층이(140) 적층된 방향(Y 방향)과 수직 방향(X 방향)을 따라 배치된다. 전방 미러영역(210)과 후방 미러영역(250)은 제1 활성영역(230)에서 생성된 광을 반사시키며, 소정 공진 조건을 만족하는 광을 증폭시켜 출사하는 역할을 한다. 전방 미러영역(210)과 후방 미러영역(250)은 그레이팅 패턴을 구비하며, 그레이팅 패턴이 실리콘 기판(110) 면과 나란한 방향(X 방향)을 따라 반복되어 있다. 그레이팅 패턴의 형상이나 반복 주기에 따라 반사율이 조절될 수 있다. 예를 들어, 전방 미러영역(210)은 약 10~30%의 반사율을 갖도록, 그리고, 후방 미러영역(250)은 약 90% 이상의 반사율을 갖도록 형성될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 전방 미러영역(210)과 후방 미러영역(250)은 도시된 바와 같이, 하부 클래드층(130)과 상부 클래드층(140) 사이에 임베드된 형태를 가질 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
반도체 광증폭기(SOA)는 버퍼층(120) 상에 형성되며, 레이저 캐비티(LC)에서 출사된 광을 증폭할 수 있도록, 전방 미러영역(250)과 광학적으로 접속되는 위치에 형성된다. 반도체 광증폭기(SOA)의 제2 활성영역(300)은 하부 클래드층(130)과 상부 클래드층(140) 사이에 마련된다. 즉, 레이저 캐비티(LC)를 구성하는 하부 클래드층(130), 상부 클래드층(140)이 제2 활성영역(300)쪽으로 연장되어 반도체 광증폭기(SOA)에 공유된다. 레이저 캐비티(LC)와 반도체 광증폭기(SOA)는 직접 접속되는 형태로 도시되어 있으나 이는 예시적인 것이고, 레이저 캐비티(LC)와 반도체 광증폭기(SOA) 사이에 이들을 광학적으로 연결하는 소자, 예를 들어, 도파로가 더 구비될 수 있다.
제2 활성영역(300)은 양자점(QD)들을 구비하며, 예를 들어, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 기반의 양자점(QD)들을 포함할 수 있다. 제2 활성영역(300)은 제1 활성영역(230)에서 출사된 광을 증폭하는 것으로, 제1 활성영역(230)의 양자점(QD)들과 유사한 크기를 갖는 양자점(QD)들로 이루어진다. 따라서, 제2 활성영역(300)은 제1 활성영역(230)과 유사한 범위의 밴드갭을 갖는다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. 제2 활성영역(300)이 발진 임계치 이하에서 동작되는 상태에서, 레이저 캐비티(LC)에서 출사된 광이 주입되면, 이 광이 증폭되어, 출사면(ES)을 통해 출사된다. 출사면(ES)에는 반사 방지 코팅이 이루어질 수 있다.
상부 클래드층(140) 상에 콘택층(150)이 더 형성될 수 있다. 콘택층(150)은 GaAs, GaP, AlGaAs, InGaP, 또는 InGaAs를 포함할 수 있다. 콘택층(150)에는 제1 활성영역(230), 제2 활성영역(300)으로의 전류 주입을 용이하게 하기 위해, 소정의 불순물의 도핑될 수 있다.
레이저 캐비티(LC)에 전류 주입을 위한 전극으로, 제1 콘택메탈층(270), 제2 콘택메탈층(280)이 형성된다. 제1 콘택메탈층(270)은 콘택층(150) 상에 형성될 수 있고, 제2 콘택메탈층(280)은 콘택층(150), 상부 클래드층(140), 제1 활성영역(230), 하부 클래드층(130)의 일부 영역을 식각하여 노출된 버퍼층(120) 상에 형성될 수 있다. 도 1b, 도 1c에 도시된 바와 같이, 제2 콘택메탈층(280)은 버퍼층(120) 상에 형성된 것으로 도시되어 있으나, 하부 클래드층(130)을 식각시 버퍼층(120)이 노출되지 않는 정도로 식각되고 잔류하는 하부 클래드층(130) 상에 제2 콘택메탈층(280)이 형성될 수도 있다.
또한, 반도체 광증폭기(SOA)에 전류 주입을 위한 전극으로, 제3 콘택메탈층(370), 제4 콘택메탈층(380)이 형성된다. 제3 콘택메탈층(370)은 콘택층(150) 상에 형성될 수 있고, 제4 콘택메탈층(380)은 콘택층(150), 상부 클래드층(140), 제2 활성영역(300), 하부 클래드층(130)의 일부 영역을 식각하여 노출된 버퍼층(120) 상에 형성될 수 있다. 제4 콘택메탈층(380)도 제2 콘택메탈층(280)과 마찬가지로, 하부 클래드층(130)을 식각시 버퍼층(120)이 노출되지 않는 정도로 식각되고 잔류하는 하부 클래드층(130) 상에 형성될 수도 있다.
이러한 구조의 레이저 소자(1000)는 저전력 구동이 가능하다. 예를 들어, 반도체 광증폭기(SOA)에 발진을 위한 임계치보다 낮은 전력을 공급하는 상태에서, 레이저 캐비티(LC)에 발진을 위한 최소 전력을 공급하여 낮은 출력으로 광이 출사되게 한다. 레이저 캐비티(LC)에서 출사된 저출력의 광은 미발진 상태의 반도체 광증폭기(SOA)에 입사되고, 이에 따라 제2 활성영역(250)의 발진이 시작되어 증폭된 광이 출사면(ES)을 통해 출사된다. 레이저 캐비티(LC)에서의 출력은 레이저 소자(1000)로부터 원하는 광출력을 고려하여, 구체적으로, 광통신 시스템 등에서 요구하는 출력을 고려하여 정해진다. 레이저 캐비티(LC)가 저출력으로 구동되므로, 레이저 캐비티(LC)에 형성된 결정 결함이 발열등에 의해 증식되는 현상이 최소화되고, 신뢰성 있고 수명이 긴 레이저 소자가 구현될 수 있다.
도 2는 다른 실시예에 따른 레이저 소자(2000)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
본 실시예의 레이저 소자(2000)는 하부 클래드층(130)에, 제1 활성영역(230)과 마주하는 영역에 요철 패턴(P)이 형성된 점에서 도 1의 레이저 소자(1000)와 차이가 있고, 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 레이저 소자(3000)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
본 실시예의 레이저 소자(3000)는 상부 클래드층(140)에, 제1 활성영역(230)과 마주하는 영역에 요철 패턴(P)이 형성된 점에서 도 1의 레이저 소자(1000)와 차이가 있고, 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
도 2 및 도 3의 레이저 소자(2000)(3000)는 제1 활성영역(230)을 따라 주기 구조를 형성하고 이에 의한 브래그 반사를 이용하여 단일 모드 발진을 용이하게 한 구조이다. 요철 패턴(P)은 하부 클래드층(130) 또는 상부 클래드층(140)에 형성된 것으로 도시되었으나, 두 층 모두에 요철 패턴(P)이 형성될 수도 있다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 레이저 소자(4000)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
본 실시예의 레이저 소자(4000)는 후방 미러영역(215)과 전방 미러영역(255)이 분산 브래그 반사기(DBR) 구조로 이루어진 점에서 도 1의 레이저 소자(1000)와 차이가 있다.
분산 브래그 반사기(DBR)는 고굴절률 영역과 저굴절률 영역이 교번되고, 각 영역의 두께를 원하는 공진 파장의 1/4로 하여 형성될 수 있다. 도시된 DBR 구조는 버퍼층(120)으로부터 콘택층(150)까지의 적층 구조를 규칙적인 패턴으로 식각한 구조를 갖는다. 식각에 의해 교번 형성된 공기영역이 저굴절률 영역을 형성한다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 레이저 소자(5000)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
본 실시예의 레이저 소자(5000)는 하부 클래드층(130) 내에 요철 패턴(P)이 형성된 점에서 도 4의 레이저 소자(4000)와 차이가 있다.
후방 미러영역(210)(215), 전방 미러영역(250)(255)은 상기 설명한 임베드된 그레이팅 형태나 분산 브래그 반사기 구조 외에도, 2차원 광결정(photonic crystal) 구조로 형성될 수도 있다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 레이저 소자(6000)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
본 실시예의 레이저 소자(6000)는 반도체 광증폭기(SOA)에서 증폭된 광이 출사되는 출사면(ES)에 미러 코팅이 이루어진 점에서 도 1의 레이저 소자(1000)와 차이가 있다. 이 경우, 후방 미러영역(210)과 미러 코팅된 출사면(ES) 사이에 추가적인 공진기(extended cavity)가 형성된다. 이러한 공진기의 공진 길이(RL2)는 레이저 캐비티(LC)의 공진 길이(RL1)보다 길게 형성된다. 레이저 소자(6000)로부터 최종적으로 출사되는 광은 레이저 캐비티(LC)에서의 최초 공진 조건 뿐 아니라, 반도체 광증폭기(SOA)의 길이를 포함한 추가 공진기의 공진 조건을 함께 만족하는 파장의 광이며, 따라서, 파장 선택성이 더 향상될 수 있다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 레이저 소자(7000)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
본 실시예의 레이저 소자(7000)는 제2 활성영역(250) 내에 그레이팅 미러(310)가 더 형성된 점에서 도 1의 레이저 소자(1000)와 차이가 있다. 본 실시예의 레이저 소자(7000)는 도 6의 레이저 소자(6000)와 유사하게 추가 공진기(extended cavity)가 형성되는 경우이다. 이 경우, 후방 미러영역(210)과 그레이팅 미러(310) 사이에 추가적인 공진기(extended cavity)가 형성된다. 이러한 공진기의 공진 길이(RL2)는 레이저 캐비티(LC)의 공진 길이(RL1)보다 길게 형성된다. 레이저 소자(7000)에서 최종적으로 출사되는 광은 레이저 캐비티(LC)에서의 최초 공진 조건 뿐 아니라, 레이저 캐비티(LC)에서 그레이팅 미러(310)까지의 길이를 포함한 추가 공진기의 공진 조건을 함께 만족하는 파장의 광으로, 파장 선택성이 더 향상될 수 있다.
도 6 및 도 7에서 설명한 레이저 소자(6000)(7000)는 추가 공진기(extended cavity)가 형성된 형태이다. 추가 공진기를 형성함에 있어 도 1의 레이저 소자(1000)를 예시하여 설명하였지만, 도 2 내지 도 5의 레이저 소자(2000)(3000)(4000)(5000) 또는 이들을 조합한 형태에 추가 공진기 구조가 형성되는 구조로 변형될 수 있다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 레이저 소자(8000)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
본 실시예의 레이저 소자(8000)는 반도체 광증폭기(SOA)에서 증폭된 광의 파장을 조절하는 전계 흡수 변조기(electro-absorption modulator)(EAM)가 더 구비된 점에서 도 1의 레이저 소자(1000)와 차이가 있다.
실리콘 기판(110) 상에 전계 흡수 변조기(EAM)가 반도체 광증폭기(SOA)와 광학적으로 접속되는 위치에 형성되어 있다. 전계 흡수 변조기(EAM)는 레이저 캐비티(LC)의 제1 활성영역(230)의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 갖는 제3 활성영역(400)을 구비한다. 제3 활성영역(400)은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 기반의 양자점(QD)들을 포함할 수 있으며, 이 때, 양자점(QD)의 크기를 조절하여 밴드갭을 조절한다.
전계 흡수 변조기(EAM)는 하부 클래드층(130), 상부 클래드층(140)을 레이저 캐비티(LC), 반도체 광증폭기(SOA)와 공유하며, 제3 활성영역(400)은 하부 클래드층(130), 상부 클래드층(140)을 사이에 형성된다. 따라서, 레이저 캐비티(LC), 반도체 광증폭기(SOA)를 형성할 때, 전계 흡수 변조기(EAM)도 통합적으로 함께 형성될 수 있다. 전계 흡수 변조기(EAM)는 전계(electric field)에 따라 광 흡수 계수가 변화하는 현상을 이용하여 레이저 소자(8000)의 출사면(ES)으로부터 최종적으로 출사되는 광의 파장을 조절하는 역할을 한다.
제3 활성영역(400)에 전계(electric field) 형성을 위한 전극으로, 제5 콘택메탈층(470)이 콘택층(150) 위에 형성될 수 있다. 또한, 도 1b에 도시한 제2 콘택메탈층(280), 제4 콘택메탈층(380)과 마찬가지로, 제6 콘택메탈층(미도시)이 콘택층(150), 상부 클래드층(140), 제3 활성영역(400), 하부 클래드층(130)의 일부 영역을 식각하여 노출된 버퍼층(120) 또는 하부 클래드층(130) 상에 형성될 수 있다.
레이저 소자(8000)의 동작시, 레이저 캐비티(LC)와 반도체 광증폭기(SOA)에는 순방향의 전압이 인가되고, 전계 흡수 변조기(EAM)에는 역방향의 전압이 인가된다. 레이저 캐비티(LC)에서 출사되고 반도체 광증폭기(SOA)에서 증폭된 광은 전계 흡수 변조기(EAM)에서 투과, 흡수가 조절되어 출사면(ES)을 통해 출사된다.
레이저 소자(8000)는 도 1의 레이저 소자(1000)에 전계 흡수 변조기(EAM)가 추가된 것으로 설명되었으나 이는 예시적인 것이고, 도 2 내지 도 7의 레이저 소자(2000~7000), 또는 이들을 조합한 구성의 레이저 소자에 전계 흡수 변조기(EAM)가 추가된 구성으로 변형될 수 있다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 레이저 소자(9000)의 개략적인 외형을 보이는 사시도이다.
본 실시예의 레이저 소자(9000)는 다파장 출력 소자로서, 서로 다른 파장 대역의 광을 생성하는 복수개의 레이저 캐비티(LC), 복수개의 레이저 캐비티(LC)에서 방출된 광을 각각 가이드하는 복수의 도파로(WG), 복수의 도파로(WG)를 통해 가이드된 광을 결합하는 커플러(CP), 커플러(CP)를 통해 입사된 광을 증폭하는 반도체 광증폭기(SOA)를 포함한다.
복수의 레이저 캐비티(LC)는 전술한 실시예들에서 설명한 구조의 레이저 캐비티(LC) 중 어느 하나가 채용될 수 있다. 복수의 레이저 캐비티(LC)는, 각각 발진하고자 하는 파장(λ1~λn)에 따라 활성층을 형성하는 양자점의 재질, 크기, 레이저 캐비티(LC)의 공진 길이 등이 정해진다. 복수의 레이저 캐비티(LC)는 유사한 밴드갭을 가질 수 있고, 즉, 유사한 크기와 재질로 양자점이 형성될 수 있고, 각각 공진 길이를 달리하여 서로 다른 파장의 광을 발진하도록 구성될 수도 있다.
반도체 광증폭기(SOA)는 전술한 실시예들에서 설명한 구조를 가질 수 있으며, 복수의 레이저 캐비티(LC)에서 형성된 파장 범위(λ1~λn)의 광을 증폭할 수 있도록 활성층과, 이에서 방출되는 광의 스펙트럼 반치폭(full width at half maximum, FWHM)이 설계될 수 있다. 반도체 광증폭기(SOA)의 활성층도 복수의 레이저 캐비티(LC)의 활성층과 유사한 밴드갭을 갖도록, 유사한 크기와 재질의 양자점을 포함할 수 있다. 통상, 활성층에서 방출되는 광은 40~80nm의 스펙트럼 반치폭을 가지며, 레이저 캐비티(LC) 구조에서 매우 좁은 선폭의 광, 대략 1nm 이하의 광으로 증폭되어 출사된다. 따라서, 반도체 광증폭기(SOA)는 복수의 레이저 캐비티(LC)에서 출사되는 여러 파장의 광을 증폭할 수 있으며, 필요에 따라, 상기 여러 파장의 광을 포함하는 범위 내에서 반치폭을 더 좁게 또는 더 넓게 설계할 수 있다.
이러한 본원 발명은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000, 8000, 9000...레이저 소자
110...실리콘 기판 120...버퍼층
130...하부 클래드층 140...상부 클래드층
150...콘택층 210, 215...후방 미러영역
230...제1 활성영역 250, 255...후방 미러영역
270...제1 콘택메탈층 280...제2 콘택메탈층
300...제2 활성영역 310...그레이팅 미러
370...제3 콘택메탈층 380...제4 콘택메탈층
470...제5 콘택메탈층 480...제6 콘택메탈층
400...제3 활성영역

Claims (23)

  1. 실리콘 기판;
    상기 실리콘 기판 상에 형성된 버퍼층;
    상기 버퍼층 상에 형성된 것으로,
    Ⅲ-Ⅴ족 반도체 양자점 기반의 제1 활성영역과,
    상기 제1활성영역의 양측에 상기 버퍼층과 나란한 방향을 따라 이격 배치되는 전방(front) 미러영역과 후방(rear) 미러영역을 구비하는 레이저 캐비티;
    상기 버퍼층 상에 상기 레이저 캐비티와 통합적으로 형성된 것으로, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 양자점 기반의 제2 활성영역을 구비하며 상기 레이저 캐비티를 출사한 광을 증폭하는 반도체 광증폭기;를 포함하는 레이저 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 활성영역은 상기 실리콘 기판에 흡수되지 않는 파장 대역의 광을 생성하도록 구성된 레이저 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 활성영역은 1100nm 이상의 파장 대역의 광을 생성하도록 구성된 레이저 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질로 이루어지는 레이저 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 버퍼층은 GaAs, InGaAs, InGaP, 또는 GaP를 포함하는 레이저 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 기판과 상기 버퍼층 사이에, Ge 또는 SiGe를 포함하는 층이 더 형성된 레이저 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 캐비티는
    상기 버퍼층 상에 형성된 하부 클래드층;
    상기 하부 클래드층 상에 형성된 상기 제1 활성영역;
    상기 제1활성영역 상에 형성된 상부 클래드층;
    상기 제1활성영역의 양측에 각각 마련되어 공진 구조를 형성하는 상기 전방(front) 미러영역과 상기 후방(rear) 미러영역;을 포함하는 레이저 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 하부 클래드층과 상기 상부 클래드층은 상기 제1 활성영역의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 갖는 반도체 물질로 형성되는 레이저 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 하부 클래드층과 상기 상부 클래드층은 GaAs, GaP, AlGaAs, InGaP, 또는 InGaAlP을 포함하는 레이저 소자.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 상부 클래드층 상에 콘택층이 더 형성된 레이저 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 콘택층 상에 제1 콘택메탈층이 더 형성되고,
    상기 콘택층, 상부 클래드층, 제1활성영역, 하부 클래드층의 일부 영역을 식각하여 노출된 하부 클래드층 또는 버퍼층 상에 제2 콘택메탈층이 더 형성된 레이저 소자.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 하부 클래드층과 상기 상부 클래드층은 상기 제2 활성영역과 마주하는 위치로 연장되어 있고,
    상기 제2 활성영역은 상기 하부 클래드층과 상기 상부 클래드층 사이에, 상기 전방 미러영역과 광학적으로 접속되는 위치에 형성된 레이저 소자.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 전방 미러영역과 상기 후방 미러영역은
    상기 하부 클래드층과 상기 상부 클래드층 사이에 임베드되고, 상기 실리콘 기판 면과 나란한 방향을 따라 반복된 그레이팅 구조를 갖는 레이저 소자.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 전방 미러영역과 상기 후방 미러영역은 분산 브래그 반사기(DBR) 구조로 이루어진 레이저 소자.
  15. 제7항에 있어서,
    상기 전방 미러영역과 상기 후방 미러영역은 2차원 광결정(photonic crystal) 구조로 이루어진 레이저 소자.
  16. 제7항에 있어서,
    상기 하부 클래드층과 상기 상부 클래드층 중 적어도 어느 하나에, 상기 제1 활성영역과 마주하는 영역에 요철 패턴이 형성된 레이저 소자.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 광증폭기에서 증폭된 광이 출사되는 면에는 반사 방지 코팅이 이루어진 레이저 소자.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 광증폭기에서 증폭된 광이 출사되는 면에는 미러 코팅이 이루어져, 상기 레이저 캐비티의 공진 길이보다 긴 공진 길이를 가지는 공진기를 형성하는 레이저 소자.
  19. 실리콘 기판;
    상기 실리콘 기판 상에 형성된 버퍼층;
    상기 버퍼층 상에 형성되고, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 양자점 기반의 제1 활성영역을 구비하는 레이저 캐비티;
    상기 버퍼층 상에 상기 레이저 캐비티와 통합적으로 형성된 것으로, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 양자점 기반의 제2 활성영역을 구비하며 상기 레이저 캐비티를 출사한 광을 증폭하는 반도체 광증폭기;를 포함하며,
    상기 제2 활성영역 내에 그레이팅 미러가 더 형성되어,
    상기 레이저 캐비티의 공진 길이보다 긴 공진 길이를 가지는 공진기를 형성하는 레이저 소자.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 기판 상에는
    상기 반도체 광증폭기와 광학적으로 접속되어 상기 반도체 광증폭기에서 증폭된 광의 파장을 조절하는 전계 흡수 변조기가 더 구비된 레이저 소자.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 전계 흡수 변조기는 상기 레이저 캐비티의 제1활성영역의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 갖는 제3활성영역을 구비하는 레이저 소자.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제3 활성영역은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 양자점들을 포함하는 레이저 소자.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 캐비티는 서로 다른 파장 대역의 광을 생성하는 복수개의 레이저 캐비티로 구성되고,
    상기 복수개의 레이저 캐비티와 상기 반도체 광증폭기 사이에는
    상기 복수개의 레이저 캐비티에서 방출된 광을 각각 가이드하는 복수의 도파로와, 상기 복수의 도파로를 통해 가이드된 광을 결합하는 커플러가 더 구비된 레이저 소자.
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