[논문]단 방향 단일모드 발진 반도체 사각 링 공진기의 광 특성 연구

이진웅; 이정우; 김영훈; 현경숙

doi:10.3807/kjop.2016.27.5.181

단 방향 단일모드 발진 반도체 사각 링 공진기의 광 특성 연구
Optical Characteristics of Unidirectional Single-mode Lasing Square Ring Cavities 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.27 no.5, 2016년, pp.181 - 187

이진웅 (세종대학교 광공학과) , 이정우 (세종대학교 광공학과) , 김영훈 (세종대학교 광공학과) , 현경숙 (세종대학교 광공학과)

초록
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본 연구에서는 단일모드 사각형 링 공진기에 테이퍼-스텝 구조를 적용하여 단 방향 발진을 구현하였으며, 다양한 테이퍼-스텝 구조 변수를 갖는 소자를 제작하여 그 특성을 분석하였다. 소자는 InP기판을 기반으로 성장된 InGaAsP/InGaAs 다중 양자 우물구조의 반도체에 제작하였으며, 제작된 소자의 출력과 광 손실을 측정하였다. 이를 바탕으로 주어진 반도체 에피 구조와 단일모드 사각 링 공진기에서의 최적화된 구조 변수를 도출할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

We report on the parameter-dependent optical characteristics of the unidirectional single-mode lasing square ring cavities. Using the taper-step section in the square cavities, the resonant direction can be selected and we characterize the optical losses by changing the taper lengths. Various kinds of square ring cavities are fabricated, based on InGaAsP/InGaAs multiple quantum well semiconductor materials. From the experimental results we obtain the optimized taper length for a given device structure, while maintaining unidirectional single-mode lasing.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 실험에서는 테이퍼의 길이를 변화시켜 단 방향 구현에 적합한 테이퍼-스텝 구조의 변수를 도출하기로 하였다. 한 변의 길이가 100 µm의 큰 공진기와 50 µm의 작은 공진기 및 6 µm의 테이퍼 입력의 폭과 3 µm의 테이퍼 출력 폭의 크기는 고정한 상태에서, 테이퍼의 길이를 10 µm, 20 µm, 30 µm, 40 µm, 50 µm로 변화하여 소자를 제작한 뒤 측정하였다.
이 소자는 한 변의 길이가 100 µm의 큰 공진기와 50 µm의 작은 공진기에 40 µm의 테이퍼 구조, 6 µm의 테이퍼 입력 및 3 µm의 테이퍼 출력 구조를 적용한 소자이다.

제안 방법

금속 유기 화학 기상 증착장치(MOCVD)를 이용하여 InP 기판 상에 6쌍의 MQW와 MQW의 상하부에 0.2 µm 두께의 InGaAsP confinement layer를 성장하였다.
본 실험에서는 InP기반으로 성장된 InGaAsP/InGaAs MQW 활성층의 반도체 기반 사각 링 공진기에서, 발진 방향을 선택하기 위한 간단한 구조로서 직선 도파로에 테이퍼-스텝 구조를 도입하였다. 이를 통하여 단 방향 특성을 갖는 공진기를 얻을 수 있었으며, 테이퍼 길이를 변화시킨 다양한 소자를 제작, 측정하였다.
비교적 간단하게 구현 가능한 테이퍼-스텝 구조를 사각 링 공진기의 한 변의 도파로에 적용하여, 두 개의 반대방향 사이에서 결과적으로 이득을 다르게 부과하여 단 방향 발진이 가능한 사각 링 공진기를 구현하였으며^[15], 나아가 본 연구에서는 단 방향 발진을 가능하게 만드는 테이퍼-스텝 구조에서, 테이퍼의 입력으로부터 출력으로 이어지는 테이퍼 길이 변화를 통하여 소자의 손실을 최적화하였다. 이러한 다양한 종류의 소자는 InP를 기반으로 성장된 InGaAsP/InGaAs 다중 양자 우물구조의 반도체 기판을 사용하여 제작하였다.
우리는 최적의 테이퍼의 길이를 적용하여, 단일모드 특성을 유지하는 동시에 효율적인 단 방향 발진을 가능하게 하는 구조를 제안하였다. 또한 이러한 특성과 더불어 테이퍼 영역에서의 손실을 최소화 할 수 있었다.
된 이중 사각 링 공진기를 나타내고 있다. 이 구조에서 방향을 선택하기 위하여 큰 공진기의 한 변에는 테이퍼-스텝 구조를 적용하였으며, 이 구조와 직선의 도파로를 연결하는 커넥션 도파로를 삽입하였다.
본 실험에서는 InP기반으로 성장된 InGaAsP/InGaAs MQW 활성층의 반도체 기반 사각 링 공진기에서, 발진 방향을 선택하기 위한 간단한 구조로서 직선 도파로에 테이퍼-스텝 구조를 도입하였다. 이를 통하여 단 방향 특성을 갖는 공진기를 얻을 수 있었으며, 테이퍼 길이를 변화시킨 다양한 소자를 제작, 측정하였다. 공진기의 여러 면에서 출력 및 손실을 측정하여, 100 µm 사각 링 공진기에서 최적화된 테이퍼 길이 40 µm 를 얻을 수 있었고, 단 방향 특성과 단일모드 구동을 동시에 달성하였다.
잘 알려진 inductive coupled plasma(ICP) 식각 장비를 이용하여 식각된 측면 벽에서의 전반사 성능을 향상하였으며, 기판으로 손실 방지를 위해 4.2 µm이상 식각하였다.
한 변의 길이가 100 µm의 큰 공진기와 50 µm의 작은 공진기 및 6 µm의 테이퍼 입력의 폭과 3 µm의 테이퍼 출력 폭의 크기는 고정한 상태에서, 테이퍼의 길이를 10 µm, 20 µm, 30 µm, 40 µm, 50 µm로 변화하여 소자를 제작한 뒤 측정하였다.

대상 데이터

실제 소자는 반도체 레이저 구조를 사용하여 제작하였으며, 그림 3에 제작에 사용된 에피택셜 구조를 나타내었다. 금속 유기 화학 기상 증착장치(MOCVD)를 이용하여 InP 기판 상에 6쌍의 MQW와 MQW의 상하부에 0.
이러한 작은 FSR을 증가시키기 위해서, 기존 연구에서 multi-mode interferometer(MMI)가 적용된 이중 사각 링 공진기를 보고하였다^[11]. 이 소자는 InP를 기반으로 성장된 InGaAsP/InGaAs 다중 양자 우물구조의 에피택셜 구조를 가진 반도체 기판을 사용하여 제작하였다.

성능/효과

결론적으로 사각 링 공진기에서 초기 발생되는 모드는 양 방향 동일할 수 있으나, 빛이 계속 진행하며 공진하는 경우 CW방향의 빛은 그림 2(b)에서 볼 수 있듯이 일부가 스텝 부분에서 반사되어 CCW방향으로 더해진다. 결과적으로 CCW방향의 빛이 CW보다 우세하게 되고 CCW만 발진하게 되며, CW는 억제되게 된다.
공진기의 여러 면에서 출력 및 손실을 측정하여, 100 µm 사각 링 공진기에서 최적화된 테이퍼 길이 40 µm 를 얻을 수 있었고, 단 방향 특성과 단일모드 구동을 동시에 달성하였다.
우리는 최적의 테이퍼의 길이를 적용하여, 단일모드 특성을 유지하는 동시에 효율적인 단 방향 발진을 가능하게 하는 구조를 제안하였다. 또한 이러한 특성과 더불어 테이퍼 영역에서의 손실을 최소화 할 수 있었다. 기본적으로 테이퍼 길이에 상관없이 CCW의 SMSR 특성은 약 10 dB 이상을 나타내는데, 일부 소자에서 50 µm의 상대적으로 길이가 긴 테이퍼 길이를 적용할 경우 최대 출력 Power 및 SMSR 특성이 저하되는 결과가 나타난다.
소자 특성의 상관관계를 확인하기 위해 위 소자들의 평균 값을 구하여 그림 8에 테이퍼 길이에 따른 손실 특성 및 출력 특성을 나타내었으며, 40 µm의 테이퍼 길이를 적용하였을 시 가장 높은 출력을 유지하면서 최소의 손실 특성을 나타냄을 확인할 수 있다.
제작된 소자 중 Set C의 테이퍼 길이 40 µm 소자의 경우 1590.4 nm의 중심파장에서 469.74 pW의 출력 power와 8.69 pW의 손실 power 및 12.54 dB의 SMSR 의 가장 우수한 특성을 가짐을 확인하였다.
테이퍼의 길이는 소자의 출력과 손실 측면에서 길어질수록 유리하나, 테이퍼가 길어지면서 이득을 얻을 수 있는 면적도 줄어드는데 큰 공진기의 한 변이 100 µm 길이인 본 소자에서는 최적의 테이퍼 길이는 40 µm 임을 실험을 통하여 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	사각 링 공진기는 어떻게 제작되는가?	이러한 작은 FSR을 증가시키기 위해서, 기존 연구에서 multi-mode interferometer(MMI)가 적용된 이중 사각 링 공진기를 보고하였다[11]. 이 소자는 InP를 기반으로 성장된 InGaAsP/InGaAs 다중 양자 우물구조의 에피택셜 구조를 가진 반도체 기판을 사용하여 제작하였다.
	링 공진기의 단점은?	여러 광학 공진기 중에서 링 공진기는 높은 Q값과 좁은 선폭의 발진 특성으로 잘 알려져 있다. 그러나 링 공진기는 그 고유한 구조적 특성으로 인하여 빛을 한방향으로 유도하기가 용이하지 않고, 다른 광학 요소들과 낮은 효율의 커플링 특성을 나타낸다. 또한 제작되는 매질에 따라 다르기는 하지만 링 공진기의 직경이 수 μm 정도로 작게 제작하더라도 매우 작은 free spectrum range(FSR)의 특성을 나타낸다.
	마이크로 공진 소자는 어디에 응용될 수 있는가?	집적 광학의 원리를 기반으로 마이크로 공진 소자는 optical switching, interconnection, bio-sensing[1-9] 등에서의 광대한 응용가능성 때문에, 링[1-7], 디스크[8], 구형[9,10] 등의 다양한 구조로 연구되고 있다. 여러 광학 공진기 중에서 링 공진기는 높은 Q값과 좁은 선폭의 발진 특성으로 잘 알려져 있다.

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