[논문]TiO2와 SiO2 박막 쌍을 이용한 광모드 변환기가 집적된 반도체 레이저 단면의 무반사 코팅

송현우; 김성복; 심재식; 김제하; 오대곤; 남은수

doi:10.3807/kjop.2002.13.5.396

TiO2와 SiO2 박막 쌍을 이용한 광모드 변환기가 집적된 반도체 레이저 단면의 무반사 코팅
Anti-reflection coating on the facet of a spot size converter integrated laser diode using a pair of TiO2 and SiO2 thin films 원문보기

송현우 (한국전자통신연구원 반도체원천기술연구소) , 김성복 (한국전자통신연구원 반도체원천기술연구소) , 심재식 (한국전자통신연구원 반도체원천기술연구소) , 김제하 (한국전자통신연구원 반도체원천기술연구소) , 오대곤 (한국전자통신연구원 반도체원천기술연구소) , 남은수 (한국전자통신연구원 반도체원천기술연구소)

전자선 증착기를 이용하여 1.3$\mu\textrm{m}$ 광모드 변환기가 집적된 반도체 레이저 출력 단면에 $SiO_2$와 $TiO_2$ 두 개의 박막 층으로 무반사 증착 하였다. 증착 단면의 최소 단면 반사율 $~ 10^{-5}$을 얻었고, $~ 10^{-4}$이하 단면 반사율 밴드 폭은 약 27nm임을 측정하였다. 이러한 코팅은 외부 공진기 레이저 광원 및 반도체 광 증폭기 등에 응용 가능하다.

Using a bi-layer anti-reflection coating of $TiO_2$and $SiO_2,$ we have achieved a minimum facet reflectivity of $~10^{-5}$ and a band width of 27 nm for a reflectivity of $~10^{-4}$ or less for 1.3 $\mu\textrm{m}$ spot size converter integrated semiconductor lasers. This coating is applicable to external-cavity-tuned laser sources and semiconductor optical amplifiers.

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문제 정의

[2] 반도체 소자 단면의 무반사 증착으로는 보통의 단일 이득 영역의 폭 ~30nm 정도를 아우르면서, 증착 공정 이 간단한 -nOj/SiOz 박막 쌍이 좋은 선택이 될 수 있다. 본 논문에서는 전자선 증착기로 TiO₂/SiO₂ 유전체 쌍을 반도체 레이저 단면에 무반사 증착한 결과를 보고 한다.

가설 설정

그리고, 10T 이하의 반사율을 얻을 수 있는 파장 영역은 약 27nm임을 측정하였다. 1.3 |im 중심 파장에서의 낮은 반사율 한계는 무반사 증착 면에 의한 것뿐만 아니라 이득 영역과 광 모드 변환기 영역의 연결 경계면(butt-joint interface)에 의해서 정해지는 것으로 생각된다. 이러한 무반사 코팅은 외부 공진 기 반도체 레이저 광원 및 반도체 광증폭기에 응용 가능하다.

제안 방법

3 gm 파장의 파브리 페롯(Fabry-Perot) 매 립 형 양자 우물 반 도체 레이저이다(그림 1). InGaAsP 수축 변형된 8개 양자 우 물을 매질로 하는 이득 부분에 InGaAsP(4= 1.24 선 택 영역 성장(selective area growth) 바로 연결 (butt joint)하여 모드 변환기 부분을 집적하였다.[3] 이득 영역과 모드 변환 기 영역의 연결 경계 면에서 반사를 억제하기 위해 연결 면을 도파로와 수직한 면에 대해 약 13°기울였다.
TiC>2와 SiO₂ 박막 쌍은 소자 면에서 단단한 박막을 형성하였고, SiO₂ 박막은 두께에 따라서 균일한 조성을 가지고 있음을 측정하였다(그림 5). 이차 이온 질량 분석법(secondary ion mass spectrometry)을 통해서 TiO₂ 박막에 두께에 따라 조성의 불균일성이 있음을 측정하였으며, Na 불순물이 미량 포함 되어 있음을 알았다.
75로 비교적 잘 일치하였다.[5] 정확한 해석을 위해서 박막의 두께 값을 원자력 현미경 (atomic force microscope) 으로 측정하여 사용하였다. SiO₂ 박막의 해석을 위해서 사용된 이론은 셀마이어(Sellmeier) 모형인데, 실험값과의 오차(x2: ψ )가 약 2.
그리고, 10"4 이하 반사율을 얻을 수 있는 스펙트럼 밴드 폭은 약 35 nm로 계산된다. 무반 사 증착 설계를 위해서 준비된 소자 단면의 굴절률에는 출력 단면에서의 광 모드와 도파로의 굴절률 분포와의 중첩을 고려한 유효 굴절률을 계산하여 사용하였다.
전자선 증착기를 이용하여 광모드 변환기가 집적된 반도체 레이저 출력 단면에 무반사 코팅하였다. 증착 두께는 증착될 소자와 인접한 규소 기판에 조사된 분광기를 통과한 단색광의반사 광강도의 변화를 보면서 실시간으로 조절되었으며, 일정한 증착 조건을 유지함으로써 재현성 있는 굴절률을 얻을 수 있었다.

대상 데이터

007의 재현성 있는 굴절률을 얻을 수 있었다. SiCh는 진공도 IXlOeTorr, 증착 속도 0.4 nm/sec, 기판 온도 15CFC를 유지하면서 증착 되었다.
무반사 증착을 위해 제작된 소자는 MOCVD 방법으로 성장 제작되었으며, 광모드 변환기(spot size converter)가 집적된1.3 gm 파장의 파브리 페롯(Fabry-Perot) 매 립 형 양자 우물 반 도체 레이저이다(그림 1). InGaAsP 수축 변형된 8개 양자 우 물을 매질로 하는 이득 부분에 InGaAsP(4= 1.

이론/모형

규소 기판 위에 증착된 TiO₂ 및 SiO₂ 박막의 굴절률은 타원 분광기 (spectro scopic ellipsometry)법으로 측정되었다(그림 3, 4). TiO₂ 박막의 해석을 위해서 사용된 이론은 포로히-브루머 (Forouhi & Bloomer) 모형인데, 실험값과의 오차(x2: ψ & L) 가 약 12.
무반사 증착 박막은 평면파 반사(plane wave reflection)를 고려하고, 전달 행렬 방법 (transfer matrix method)을 사용하여 설계되었다. TiO₂/SiO₂ 박막 쌍을 이용하여 무반사 증착하였을 때 io-4 이하의 반사율를 얻기 위해서 필요한 증착 두께 오차 한계는 각각 TiQ의 경우 최대 4.

성능/효과

박막의 굴절률은 타원 분광기 (spectro scopic ellipsometry)법으로 측정되었다(그림 3, 4). TiO₂ 박막의 해석을 위해서 사용된 이론은 포로히-브루머 (Forouhi & Bloomer) 모형인데, 실험값과의 오차(x2: ψ & L) 가 약 12.75로 비교적 잘 일치하였다.[5] 정확한 해석을 위해서 박막의 두께 값을 원자력 현미경 (atomic force microscope) 으로 측정하여 사용하였다.
그리고, AlQj/Si/SiCh 박막 충들을 이용한 넓은 선폭의 무반사 코팅 결과가 보고 되고 있지만, 실시간 증착 두께 조절에 어려움을 안고 있다.[2] 반도체 소자 단면의 무반사 증착으로는 보통의 단일 이득 영역의 폭 ~30nm 정도를 아우르면서, 증착 공정 이 간단한 -nOj/SiOz 박막 쌍이 좋은 선택이 될 수 있다. 본 논문에서는 전자선 증착기로 TiO₂/SiO₂ 유전체 쌍을 반도체 레이저 단면에 무반사 증착한 결과를 보고 한다.
24 선 택 영역 성장(selective area growth) 바로 연결 (butt joint)하여 모드 변환기 부분을 집적하였다.[3] 이득 영역과 모드 변환 기 영역의 연결 경계 면에서 반사를 억제하기 위해 연결 면을 도파로와 수직한 면에 대해 약 13°기울였다. 이득 영역과 모 드 변환기를 포함한 소자의 총 길이는 약 600|im이다.
3 |im 광 모드 변환기가 집적된 반도체 레이저의 출력 단면에 무반사 증착하였고, 중심 파장에서 증착 면의 반사율은 최저 값 ~10-5을 얻었다. 그리고, 10T 이하의 반사율을 얻을 수 있는 파장 영역은 약 27nm임을 측정하였다. 1.
박막은 두께에 따라서 균일한 조성을 가지고 있음을 측정하였다(그림 5). 이차 이온 질량 분석법(secondary ion mass spectrometry)을 통해서 TiO₂ 박막에 두께에 따라 조성의 불균일성이 있음을 측정하였으며, Na 불순물이 미량 포함 되어 있음을 알았다.
전자선 증착기를 이용하여 광모드 변환기가 집적된 반도체 레이저 출력 단면에 무반사 코팅하였다. 증착 두께는 증착될 소자와 인접한 규소 기판에 조사된 분광기를 통과한 단색광의반사 광강도의 변화를 보면서 실시간으로 조절되었으며, 일정한 증착 조건을 유지함으로써 재현성 있는 굴절률을 얻을 수 있었다. 양질의 무반사 코팅을 위해서는 증착되는 유전체 박막의 두께뿐만 아니라 굴절률도 정밀하게 유지되어야 한다.

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