Long Wavelength VCSEL

본문내용

오차 내에서 정확하게 제어할 수 있어야만 원하는 반사율을 얻을 수 있다. 일반적으로 기판 위에 첫 번째로 위치하는 다층 박막의 반사경은 n-형으로 성장하고, 능동 매질이 위치하는 공진기 부분은 도핑을 하지 않고, 위쪽의 반사경은 p-형으로 만들어 준다. 그리고 레이저 공진기의 내부 광 손실을 최소화하기 위해서 특히 공진기에 가까운 부분의 p-형 반사경의 도핑 정도를 상대적으로 작게 설계하여 주는 것이 좋다. VCSEL의 반경은 일반적으로 1-10이며, 결정 성장된 전체 공진기의 물리적인 두께는 5-6 정도가 된다. 초기의 VCSEL연구에서는 주로 MBE(분자선증착기)를 이용한 웨이퍼들이 주로 사용되었으나, 최근에 와서는 MOCVD의 방식이 더욱 활발하게 사용되고 있다. 실질적으로 양산용의 VCSEL 웨이퍼 제작에 있어서는 MOCVD가 더 유리한 것으로 알려져 있다. 뿐만 아니라 동일 기판 내에서의 VCSEL구조의 발진 파장의 불균일성이 1% 이내가 되는 웨이퍼가 상업적인 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)로부터 어렵지 않게 얻어질 수 있음이 증명되어서 VCSEL 관련 시장이 엄청난 속도로 성장하고 있다.
5. 850 ~ 950nm VCSEL
현재 주로 사용되어지는 파장대는 850~950nm 파장대이며 주로 단거리 광통신이나 광 기록매체에 사용되어지고 있다. 다음 그림은 850-980nm파장을 갖는 3가지 구조의 VCSEL을 나타낸 것이다.
6. Long Wavelength VCSEL
장파장 VCSEL의 특징은 작은 크기의 활성층과 높은 굴절율을 가진 mirror이다. VCSEL은 활성층의 길이가 짧고 문턱전류가 낮아, 같은 출력파워에서 높은 변조 대역폭을 갖는 반면에 온도 저항이 크다. 일반적으로 GaAs기반과 InP기반의 활성층이 사용되는데 InP기반의 활성층은 GaAs기반보다 높은 Auger 계수와 높은 전도대역 불연속성, 높은 온도특성을 문제점으로 가지고 있다. 하지만 strained well을 이용하여 높은 Auger 계수를 낮추고 낮은 문턱전류와 저전압 레이저로써 self-heating에 의한 온도상승을 크게 줄임으로서 문제점을 해결하는 연구가 이루어졌다.
두 번째 특징인 고굴절율 미러는 활성층의 폭이 작아 증폭률이 작고 미러의 손실에 대한 감쇠가 심하게 일어나므로 99%에 달하는 높은 반사율이 요구된다. 미러에서의 손실은 물질흡수와 광파의 penetration depth에 의해서 일어난다. 굴절율의 차이가 클수록 미러의 수를 줄이고 정지대역을 넓힐 수 있다. 반사율에 영향을 주는 변수로는 미러층의 수, 물질의 굴절율, 전체 굴절율, 물질의 흡수율, 빛에 의한 산란 등이 있다. 고굴절율 미러는 제작방법에 따라 Epitaxially grown InP/InGaAsP, Dielectric deposited, Fused AlAs/GaAs의 3가지 종류가 있다. Epitaxially grown InP/InGaAsP같은 경우, 공정이 쉬운 반면에 물질간의 굴절율 차가 적어서 다수의 미러가 필요하고 그에 따라 미러의 손실과 온도의 전도성이 낮아 열이 많이 발생한다. Dielectric deposited 즉, 유전체 미러를 이용하는 방식은, Si/SiO2같이, 한쪽은 굴절율이 낮은 Oxide layer를 사용하고 다른 한쪽에는 굴절율이 높은 반도체를 사용하기 때문에 굴절율 차이가 커서 8장 이하 미러로 높은 굴절율을 얻을 수 있다. 그러나 Si가 흡수 상수가 커서 손실이 크고 SiO2 레이어의 낮은 온도 전도성 때문에 self-heating을 일으킨다. Fused AlAs/GaAs 같은 경우 각각의 wafer를 따로 증착시킨 후에 고압고온에서 접합하는 방식이다. 높은 굴절율 차와 균일성, 재생산성의 장점을 가지고 있는 반면에 intervalance-band의 흡수 손실이 크다는 것이 단점이다.
이전에는 장파장 VCSEL이 개발되지 않아 VCSEL이 주로 사용되었던 파장대역은 850nm대역으로 주로 단거리통신에 국한되어 사용되어 왔다. 그러나 중장거리 통신에서도 VCSEL을 사용하기 위한 1.3μm, 1.55μm 대역의 장파장 VCSEL에 대한 연구로 실온에서 연속적으로 단일 모드로 동작하는 VCSEL이 개발되었다. 1.3μm대역은 Picolight에서 시제품을 제작하였고, 1.55μm대역은 다양한 방식으로 제작되고 있으며, 2.5Gb/s이상으로 직접 변조되어 200km이상 전송이 가능하여 중장거리 통신이 가능하게 되었다.
III. 결론
VCSEL의 응용 및 향후 전망
기존 edge-emitting laser의 측면 발광으로 비대칭의 광 패턴을 갖고 2차원 어레이로 집적화하기 힘든 단점을 가지고 있어서 VCSEL의 개발로 자연스럽게 2차원 어레이로 집적할 수 있게 되고 낮은 소비전력과 함께 쉬운 패키징 방법으로 저 비용의 광원을 만들 수 있는 장점을 가지게 되었다.
현재 사용되어지고 있는 850~980nm 의 단파장 VCSEL의 경우 주로 단거리 통신용으로 사용되어지고 있으며, 또 한 CDR이나 DVD 같은 광 기록용 저장 매체에 사용되어 그 저장 성능 향상을 꾀하고 있다.
앞으로 계속해서 개발되어질 1300~1550nm의 장파장 VCSEL은 기존 단 파장 VCSEL로는 힘들었던 장거리 광 통신용으로 각광을 받고 있으며, 2차원 어레이 집적으로 더욱더 그 활용 가치가 증대되고 있다.
※ 참고문헌
(1) Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers, Edited by CARL W. WILMSEN
(2) Progress in Long Wavelength VCSELs, Michael R. T. Tan
(3) 표면 방출 반도체 레이저, 김희철
(4) Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers, 유병수 (RayCan) 2003
(5) Long Wavelength Vertical Cavity Lasers, K. A. Black
(6) Long-Wavelength VCSELs : The Case for ALL-Epitaxial Approaches, Larry A. Coldren

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레이저,   반도체,   레이저다이오드,   vcsel,   장파장,   표면방출레이저