[논문]광 결정 구조 변수에 따른 고출력 단일모드 수직공진 표면발광 레이저의 발진 특성

이진웅; 현경숙; 신현의; 김희대

doi:10.3807/kjop.2009.20.6.339

광 결정 구조 변수에 따른 고출력 단일모드 수직공진 표면발광 레이저의 발진 특성
High Power and Single Mode Lasing Characteristics in Vertical Cavity Surface Emitting Laser by Varying Photonic Bandgap Structures 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.20 no.6, 2009년, pp.339 - 345

이진웅 (세종대학교 전자정보통신공학부 광전자공학과) , 현경숙 (세종대학교 전자정보통신공학부 광전자공학과) , 신현의 (옵티시스(주) 신소자 개발팀) , 김희대 (옵티시스(주) 신소자 개발팀)

초록
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결정을 이용하여 고출력 단일모드 특성을 가지는 수직공진 표면발광 레이저를 제작하고 발진 특성을 관찰하였다. 일반적으로 광 밴드갭 형성을 위해 수십개의 광 결정 홀을 식각하나, 이번 연구에서는 6개의 홀만으로 단일모드를 구현하였고, 폴리이미드로 홀을 메우게 되어 신뢰성이 유리한 장점이 있다. 산화 구경과 광 결정 홀의 크기를 변화시키며 실험을 진행하여 단일모드 특성의 변화를 분석하였다. 다양한 광 결정 구조를 가진 수직공진 표면발광 레이저에서 고출력 단일모드 발진이 가능함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The high power and single mode vertical cavity surface emitting laser(VCSEL)s with photonic crystal structures have been proposed and fabricated by reducing substantially the hole numbers used in the photonic crystal structures. It is found that only six holes enable VCSELs to operate a single mode and the reliability can be enhanced by filling the holes with polyimide. The single mode lasing characteristics were analyzed by varying the oxide aperture and the hole diameter in photonic crystal structures. As a result, the single mode lasing can be stably obtained in the photonic crystal vertical cavity surface emitting lasers.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 근거리 광 통신 등에 적용 가능한 수직 공진 표면 발광 레이저의 단일모드 구현을 위해 광 결정을 이용한 소자를 제작하였다 기존의 광 결정 수직공진 표면발광 레이저의 광 결정 홀의 직경과 산화구경 및 공정 오차 등의 구조변수를 개선하여 고출력 단일모드 발진을 가능하게 하였다.

가설 설정

4 um 에서는 전체 전류 영역에서 단일모드를 유지한다전류를 증가하게 되면 모드는 장파장으로 이동을 하고, 광 출력이 증가한다. 2.6 um에서 산화 구경에 관계없이 모두 다중모드이다. 3.

제안 방법

본 논문에서 광 결정 구조라 함은 산화 구경을 중심으로 한 정육각 구조의 모서리에 작은 원형 홀 패턴을 p 영역 브래그 반사경에 식각한 것을 뜻한다. 광 결정 홀을 이용하여 단일모드로 동작하는 수직공진 표면발광 레이저를 제작하였고, 홀의 직경과 산화구경의 직경의 변화에 따른 소자의 특성을 확인하였다
이중 산화구경 직경과 광 결정 홀의 직경을 변수로 하여 소자를 제작하였다. 깊이는 이전에 제작한 소자에서 2 um 1에서 가장 우수한 성능을 나타냈으므로 이번 연구에서는 2 um 로고 정한 후 나머지 변수를 변화시켜 소자를 제작하였다. 광결정 수직공진 표면발광 레이저는 산화막 수직공진 표면 발광 레이저와 동일한 과정으로 공정을 진행한다.
또한 온도 특성 및 전압과 저항, 출력을 확인하였고, far field pattern과 near field pattern, 공정오차에 따른 특성을 확인하였다
기존 수직공진 표면발광 레이저의 경우에는 산화 구경의 안과 밖을 광 도파로의 코어와 클래딩으로 구분해서 생각할 수 있다. 본 구조에서는 레이저의 위쪽 반사경에 광 결정을 도입하여 작은 홀을 뚫음으로써 유효굴절률에 변화를 줄 수 있다. 빛은 홀에 의해 상대적으로 유효굴절률이 낮은 클래딩 영역에 의해 전반사가 되어 코어부분을 진행하게 된다.
소자의 특성을 확인하기 위하여 단일모드 구간 및 스펙트럼 특성을 확인하였고, 일반 소자와 스펙트럼을 비교하였다
이중 산화구경 직경과 광 결정 홀의 직경을 변수로 하여 소자를 제작하였다. 깊이는 이전에 제작한 소자에서 2 um 1에서 가장 우수한 성능을 나타냈으므로 이번 연구에서는 2 um 로고 정한 후 나머지 변수를 변화시켜 소자를 제작하였다.

성능/효과

89 nm의 폭으로 변화를 하였다. 결론적으로 단일모드 광결정 수직공진 표면발광 레이저는 일반 소자와 동일한 양상의 온도에 따른 스펙트럼 특성을 가지고 있다
다양한 변수의 소자의 발진특성을 확인하기 위하여 광 결정 홀의 폭을 2.6, 2.8, 3.0, 3.2, 3.4 um로 변화시켰고, 산화 구경의 직경을 7, 8, 9, 10, 11, 12 um 로 제작하여 측정하였다 홀과 산화구경이 커질 경우 서로의 상호작용에 의해 단일모드 발진이 용이해짐을 알 수 있었고, 산화구경이 커짐에 따라 최대 출력은 다소 낮아지지만, 저항이 낮아지고, 신뢰성 측정에서도 다른 소자에 비해 우수한 성능을 보였다. 소자 제작 완료 후 광 결정 홀을 식각하면 수분이나 공기 중에 노출이 되어 신뢰성이 취약한 단점이 있지만, 이 역시 습식산화 공정 후에 식각 공정을 넣음으로써 폴리이미드로 보호를 하여 신뢰성을 개선하였다.
수직공진 표면발광 레이저는 저렴한 비용으로 생산과 시험이 가능하고, 또한 낮은 잡음으로 고속에서 변조되고 많은 양의 빛을 발함으로써 광 검출기의 요구조건을 크게 완화할 수 있다. 모드 특성과 스펙트럼 특성의 조절이 가능하고, 원형 대칭적인 출력모드를 제공함으로써 효율적으로 광섬유에 연결하여 모드 잡음 없이 안정적인 고속변조가 가능하다. 또한 정렬이 간편하며, 기판 상태에서 탐침을 이용하여 소자의 특성을 측정할 수 있다.
결과를 보면 광 결정 홀은 소자의 동작 전압에 특이한 영향을 미치지 않음을 알 수 있다. 산화 구경이 커짐에 따라 전압이 감소하는데 단일모드구간이 넓은 소자의 전압을 보면 실제 회로 구동의 전압인 2 V이하의 전압을 가지고 있어 실제 회로에서 사용할 수 있을 것으로 판단된다 기존의 방법인 소자의 산화구경만을 줄여서 단일모드를 구현하게 된다면 높은 저항값 때문에 사용할 수 없지만 본 구조를 채택한 소자는 산화구경을 7 ~ 12 um로 높게 유지하고 광 결정 홀로 조절하였기 때문에 낮은 저항값을 가진다 보통의 단일모드 소자의 경우 60 ~ 100Ω의 저항값을 가지는데, 이번에 제작한 소자의 경우 48 ~ 99Ω의 저항값을 가진다. 특히 단일모드 구간이 넓은 홀의 직경이 3.
패턴의 형태만으로도 다중모드와 단일모드의 구분이 가능하다.앞의 표 1에 언급된 여러가지 변수를 가진 소자의 측정 결과에 의하면 실험산화구경이 커짐에 따라 빛의 회절이 감소하게 되어 방사각이 감소하고, 또한 홀의 직경이 커짐에 따라 코어역할을 하는 부분의 면적이 작아져 방사각이 감소함을 확인할 수 있었다.다중모드의 경우 22°이상의 방사 각을 가지고 있지만, 단일모드에서는 대체로 10° ~ 14°의 방사각을 가지고 있다.
소자 제작 완료 후 광 결정 홀을 식각하면 수분이나 공기 중에 노출이 되어 신뢰성이 취약한 단점이 있지만, 이 역시 습식산화 공정 후에 식각 공정을 넣음으로써 폴리이미드로 보호를 하여 신뢰성을 개선하였다. 위와 같은 여러가지 실험 결과를 통하여, 광 결정 홀을 이용한 단일모드 소자는 광 통신 소자로 사용하기 충분한 단일모드 구간과 좁은 방사각, 온도 특성, 고출력, 낮은 저항 등 발광소자의 조건을 만족시킴을 알 수 있다
제작한 3.2 um - 11, 12 |im와 3.4 u, m - 10, 11, 12 um의 소자에서 넓은 전류구간에서 단일모드 발진이 관찰되었으며, 특히 그림 12의 3.4 um - 11 um의 소자가 중심파장 856 nm 근처에서 13 mA이상의 단일모드구간, 2.25 mW의 최대 출려 59 Q 의 저항, 14.22° 의 방사각, 14, 732 A/cm² 의 전류밀도 값을 가지며 32 %의 기울기 효율로 가장 우수한 특성을 보임을 알 수 있다
4 um 에서는 산화구경이 7 ~ 9 um인 경우에 다중모드이지만 10 ~ 12 um인 경우에는 단일모드이다. 종합적으로 2 ~ 8 mA 의 구동전류에서 단일모드로 동작하기 위해서는 산화구경이 10 um이상이고 광 결정 홀은 3.2 um이상이 되어야 한다.

참고문헌 (13)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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