통신용 반도체 광소자 제작에 관한 연구 = Fabrication of semiconductor optical devices for optical communication systems

국문 초록 (Abstract)

반도체 광통신 소자에 대하여 반도체 박막 성장으로부터 다양한 소자의 제작, 특성 조사 및 평가를 하였다. 본 논문은 크게 3부분으로 나누어 제 3 장에서는 광 가입자망에 활용될 저가형 모드 크기 변환기가 집적된 레이저 다이오드 (spot-size converter integrated laser diode: SSC-LD) 제작 및 특성에 대하여 논하였으며, 제 4 장에서는 WDM 시스템에서 사용될 다채널 레이저 어레이에 대하여 논하였다. 마지막으로 제 5 장에서는 광집적 회로 구현을 위한 butt-joint 결합 및 선택성장에 대하여 논하였다. 소자에 사용한 InGaAsPInP 계열의 반도체 박막은 저압 metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE) 법으로 성장하였으며 활성층으로 0.8 %의 compressive 스트레인을 가지는 6개의 InGaAsP 다중양자우물을 사용하였다. 1.55-μm SSC-LD를 일반적인 매립형 이종 구조(buried heterostructure: BH) 형태의 단순한 레이저 공정으로 제작하였다. 새롭게 고안된 SSC-LD는 BH에서 능동 도파로와 ridge 형태의 수동 도파로를 가지는 이중 도파로 구조로 구성되어 능동 도파로에 구속된 빛은 수평 taper 영역을 거치며 수동 도파로로 이동하며 모드 크기가 커지도록 설계되었다. 제작된 소자의 문턱전류는 5 mA 정도이고 slope efficiency는 0.45 WA로 우수한 특성을 가진다. 또한 빔의 방사각(far-field pattern: FFP)은 수평과 수직으로 각각 9.0o와 7.8o의 매우 작은 값을 가진다. 단일모드 광섬유와 결합 손실은 2.7 dB이며 -1 dB 정렬 허용치는 ±2.0 μm이다. SSC-DFB-LD의 경우 side-mode suppression ratio (SMSR)가 44 dB의 우수한 단일 모드 특성을 보인다. 이러한 단순한 공정을 통하여 우수한 특성을 가지는 SSC-LD의 제작은 광가입자 망에서 사용되는 저가용 광원으로 쓰일 수 있다.비대칭 sampled grating (ASG) laser를 가지는 다 채널 레이저 어레이 구조를 새롭게 제안하였다. 400-GHz 간격의 4-채널 레이저 어레이는 -1차 반사 파장에서 발진 할 수 있도록 설계하였다. 제작된 레이저 어레이의 각 채널 문턱 전류는 9 ~ 13 mA이고 slope efficiency는 대략 0.21 WA 이다. 평균 광 출력은 대략 11 mW이고 80 mA의 전류를 인가한 상태에서 채널당 광 출력의 차이는 0.8 dB 정도로 균일하였다. 모든 채널 간격은 400 GHz로 설계한 간격인 3.2 nm에서 0.2 nm 이내의 범위에서 잘 일치한다. 모든 채널에서 SMSR 값이 44 dB 이상으로 단일 모드 특성이 우수하다. 3-dB 변조폭은 주입되는 전류의 양에 따라 1.6 ~ 4.4 GHz 변하므로 1.25 및 2.5 Gbits의 직접 변조에 이용할 수 있다. ASG 레이저 어레이는 butt-joint 결합으로 성장된 Y-branch 수동 도파로를 이용하여 단일 집적화 하였다. 집적된 소자의 특성은 slope efficiency를 제외하고는 우수한 특성을 보인다. slope efficiency의 감소는 Y-branch의 불완전성에 기인된다고 여겨진다. WDM 시스템의 저가용 back-up용 광원으로 사용하기 위하여 소자의 온도를 변화시키며 4채널 레이저 어레이의 파장 선택성을 측정하였다. 10 oC 에서 40 oC로 온도를 변화시킴에 따라 각각의 채널에서 50 GHz (0.4 nm) 간격의 ITU-grid 8채널씩 모두 32채널을 찾을 수 있었다. 제작된 레이저 어레이의 각 채널마다 독립적이고 정교한 파장 조절을 위하여 마이크로 히터를 제작하였다. 마이크로 히터의 효율은 3.3 nmW 이며 열적 crosstalk는 1.1 nmW임을 확인하였다. 반도체 광소자의 궁극적으로 나아갈 방향인 광집적 회로 구현을 위한 연구를 butt-joint 결합 및 선택성장 기법을 통하여 연구하였다. Butt 계면은 tilt 각도가 15o 이하에서 우수한 결합을 얻었으며, butt 계면에서의 반사가 입사면에서의 반사에 비하여 51.5 dB 작은 값을 얻었다. Butt-joint 결합은 건식 식각을 통한 결정면을 이용하여 650 oC에서 성장했을 때 최적의 성장 조건이 됨을 알 수 있었다. MOVPE에서의 InGaAsP 사원화합물의 선택성장을 실시하여 마이크로 photoluminescence (PL)로 분석하였다. 패턴에 따라 III족 조성이 크게 변화됨을 알 수 있었다. 그러나 V족의 농도 변화는 무시 할 정도임을 InAsP 선택 성장 실험을 통하여 얻었다. 이 결과는 V족의 gas phase diffusion의 차이는 무시 할 수 있음을 의미한다. 선택 성장의 에너지 띠간격 엔지니어링을 통하여 중심 파장이 레이저 영역에서 PL 파장이 1.55 μm, 변조기 영역에서 1.50 μm의 박막을 한꺼번에 성장하여 ridge 형태의 변조기가 집적된 레이저를 제작하였다. 제작된 소자는 50 mA에서 3 mW의 출력을 가지며 -4.0 V에서 소광비가 20 dB 이상의 우수한 변조 특성 결과를 얻었다. 또한 중심 파장이 1.45 μm 인 수동 도파로를 포함한 변조기가 집적된 레이저 어레이의 경우 선택 성장 기법 (selective area growth: SAG)으로 100 nm의 파장을 이동해야 한다. SAG의 에너지 띠 간격 엔지니어링을 통하여 중심 파장이 100 nm 이상 이동한 박막을 성장하여 변조기가 집적된 소자를 제작하였다. 소자의 특성은 광 출력이 미약한 것을 제외하고는 다른 특성은 우수하였다. 선택성장 조건을 최적화함으로 광 출력을 증대 시킬 수 있으리라 여겨진다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A 1.55-μm spot-size converter integrated laser diode (SSC-LD) is fabricated with conventional buried-heterostructure (BH) laser processes. The novel designed SSC-LD was constructed in a double waveguide structure: a laser active waveguide in a BH and a passive waveguide in a ridge shape. The passive waveguide was optically combined with a laterally tapered active waveguide to control mode size. InGaAsPInP epilayers were grown by low-pressure metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE). The active layer contained compressively strained (0.8 %) six InGaAsP multiple quantum wells (MQWs). The threshold current was measured to be 5 mA together with high slope efficiency of 0.45 WA. The beam divergence angles in the horizontal and vertical directions were as small as 9.0o and 7.8o, respectively. When coupled to a single mode flat fiber, coupling loss and -1 dB align tolerance were 2.7 dB and ± 2.0 μm for both horizontal and vertical directions. The SSC-DFB-LD showed high side-mode suppression ratio (SMSR) over 44 dB. Simple fabrication procedure and high performance of device proves that it would be suitable for a low-cost light source for optical access network.The multiwavelength laser array (MLA) associated with asymmetric sampled grating (ASG) laser were newly proposed. An ASG combined with an index shifter was used to make a four-channel laser array with 400-GHz wavelength spacing. The laser was designed to operate at the first-order reflection of a sampled grating. The threshold currents were between 9 ~ 13 mA and slope efficiency was about 0.21 WA. The average output power was about 11 mW and the deviation of output power was merely 0.8 dB at the injection current of 80 mA. All the channel spacings were agreed to the desired value (3.2 nm) within less than 0.2 nm. The result show that both the lasing wavelength and channel spacing were well managed and accurately controlled as planned. All lasers revealed good SMSR of over 44 dB. The 3-dB modulation bandwidth was 1.6 ~ 4.4 GHz with different current levels. For fully monolithic integration, Y-branch was realized on passive waveguide that was formed butt-joint technique. The integrated device showed similar performance except low slope efficiency that was attributed to the integration loss of the Y-branch. The wavelength selectability of the 4-channel laser array was examined by controlling the temperature of the device. ASG lasers were tuned to 50-GHz spaced ITU grid with temperature variation from 10 oC to 40 oC. Each device covered its eight pre-assigned channels, so that all 32 channels, 12.8 nm wavelength range, were covered by the array. Micro-heater array integrated with a MLA for accurate control of the channel spacing. The laser wavelength was red shifted with the micro-heater and the tuning efficiency was 3.3 nmW. However, thermal crosstalk between neighboring channels was observed and it was measured to be 1.1 nmW.Photonic integrated circuit (PIC) was investigated by butt-joint coupling and selective area growth (SAG). Butt interface was good at below tilt angle of 15o. The reflection at butt interface was less 51.5 dB than that at input plane. The optimal growh conditin of butt coupling was at growth temperature of 650 oC with only dry etched interface. SAG of InGaAsP (λg = 1.24 μm) grown by MOVPE was investigated by micro-photoluminescence. Significant variations of the group-III element composition with increase of mask width and decrease of the opening width were observed. In contrast, concentration of group-V elements in InAsP layer does not show any significant change. For electro-absorption modulated laser (EML), the epilayer with center wavelengths of 1.55-μm and 1.50-μm was grown by the bandgap engineering of SAG, simultaneously. The epilayer for EML array with passive waveguide of λg = 1.45 μm was tuned about 100 nm by SAG technique. Though the degradation of epilayer quality was observed in laser region, the EML array showed high performance except output power.