KR0147835B1 - 광장치 - Google Patents

광장치

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KR0147835B1
KR0147835B1 KR1019890003643A KR890003643A KR0147835B1 KR 0147835 B1 KR0147835 B1 KR 0147835B1 KR 1019890003643 A KR1019890003643 A KR 1019890003643A KR 890003643 A KR890003643 A KR 890003643A KR 0147835 B1 KR0147835 B1 KR 0147835B1
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waveguide
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KR1019890003643A
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KR890015059A (ko
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클리포드 앨펀즈 로드니
로슨 코크 토마스
코렌 유질
에리사 쥬커 제인
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엘리 와이스
아메리칸 텔리폰 앤드 텔레그라프 캄파니
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Abstract

격자 결합기는 시스템의 두 상이한 전달 모드간의 역 또는 순 결합 특성을 변경하기 위해 양자 웰 굴절율 변조기와 광 도파관과 함께 결합된다.

Description

광 장치
제1도는 상이한 재료 시스템으로 구성된 양자 웰(well) 장치의 굴절율의 전계 유도 변화를 특정 전압 및 파장에서 측정한 결과를 나타내는 도표.
제2도는 굴절율에서의 흡수 손실 및 전계 유도 변화를 여기자 공진 피크로부터의 이조(detuning)의 함수로 나타낸 그래프.
제3도는 내부공동 굴절율 변조기를 갖는 분포 피드백 양자 웰 레이저　 포함하는 본 발명의 일 실시예를 개략적으로 나타내는 도.
제4도는 제3도에서 도시된 변조기 도파관의 유효 굴절율과 관련 유도 초과손실에서의 변화를 인가 전압의 함수로 나타낸 개략적인 그래프.
제5도는 레이저의 단일 및 이중 모드 동작에 대한 광전류 특성의 개략도.
제6a, 6b, 6c는 단일 모드 및 이중 모드 상태에 대한 임계치 전후에서의 레이저의 스펙트럼 변화를 나타내는 개략도.
제7도는 내부공동 굴절율 변조 DFB 레이저에 관한 변한 주파수 대 주파수 변조 응답을 나타내는 그래프.
제8도는 동조가능한 양자 웰 Bragg 반사기를 포함하는 본 발명의 일 실시예의 개략도.
제9도는 동조가능한 역결합(reverse coupling) 격자 필터를 포함하는 본 발명의 실시예도.
제10도는 동조가능한 순결합(forward coupling) 격자 필터를 포함하는 본 발명의 개략도.
제11a, 11b, 11c, 11d도는 격자 결합기와 함께 집적된 위상 조정 가능한 파장 선택 결합 장치를 제공하는 양자 웰 굴절율 변조기를 포함하는 본 발명의 실시예의 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
MDM:파장 분할 다중 송신
DBR:분포 Bragg 반사
DFB:분포 피드백
MOCVD:대기압 금속 유기체 증기 침식
[발명의 목적]
[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]
본 발명은 입사광에 영향을 주는 굴절율 변조기와 접속되어 사용되는 격자결합기를 포함하는 광 장치에 관한 것으로, 특히 광통신 시스템(optical communication system)에 있어서 광을 처리하거나 또는 정보에 따라 인코드되는 광신호를 생성하는 광 장치에 관한 것이다.
[발명의 배경]
실제 광전송 매체로 사용하기 위한 1970년 초의 저손실 광섬유의 발명은 광통신과 관련된 다른 영역을 급속하게 발전시키게 되었다. 예를들면, 광섬유의 개발후에, 다양한 광원(optical sources)과 검출기의 개발에 상당한 노력이 경주되었다. 반도체 기술의 동반된 성장은 쉽고 값싸게 제조될 수 있는 통합된 광원 및 검출기의 개발을 이끌어냈다(본 명세서에 사용되 광이란 용어는 가시광뿐만 아니라 유전체 섬유내에서 효율적으로(통상 2dB킬로미터 이하의 손실로) 전송될 수 있는 임의의 전자기파를 의미한다. 따라서, 상기 용어는 통산 0.1 내지 50 미크론 사이의 파장을 갖는 전자기파를 언급한다).
장치 개발의 진보와 함께, 광통신 시스템에서 사용하기 위한 다양한 시스템 구조가 제안되어 왔고 끊임없이 논의되어 왔다. 그러나, 많은 이러한 시스템은 정보에 따라 변조되는 광원을 필요로 한다. 예상되는 장거리 시스템 때문에 광원은 초당 10억 회(기가비트/초)의 속도로 진동되어야 한다(pulsed). 상기 맥동(pulsation)은 예를들면 온 및 오프 상태와 같은 진폭 맥동이거나, 또는 예를 들면, 주파수 쉬프트 키잉(keying)가 같은 주파수 맥동의 형태일 수가 있는데, 상기 주파수 맥동에서 한 주파수의 광은 온 상태를 나타내고 다른 주파수의 광은 오프 상태를 나타낸다. 예상되는 광원은 그들의 능력이 기가비트 비율의 방식으로 펄스를 발생할 수 있는가 하는 점에서 고려되어야 한다.
직류 변조에 이해 기가비트 비율로 펄스 동작하게 되는 주사 레이저와 같은 광원을 제조하는 것이 가능하지만, 이러한 고펄스 비율은 쳐프(chirp)와 같은 유해한 스펙트럼-확장 측면 효과(spectral-broadening side effects)를 유도한다(T. L. Koch, J. E. Bowers, Electron. Lett., 20, 1038(1984). 그러나, 외부 변조기가 광원의 출력을 가변하기 위해 사용되거나, 또는 내부공동 변조기(intracavity modulator)가 레이저에 사용되어 정보를 나타내는 맥동광(pulsating light)을 발생시키게 되면 이러한 유해한 효과는 감소될 수 있다.
파장 분할 다중 송신(wavelength division multiplexed:WDM) 응용에 있어서, 다수의 상이한 파장 채널이 광 전송 또는 스위칭 구조에 사용되는 것이 고려될 수 있다. 어떠한 파장의 채널이 전송되는지 또는 어떠한 파장의 채널이 수신되는지를 결정하기 위해, 이들 응용에 대해 동조가능한 광원이 사용되거나 또는 동조가능한 광 필터링 장치가 사용될 수 있다. 이러한 장치는 또한 광통신 네트워크 내에서 소정의 신호를 재송출(re-route)하기 위해서 사용될 수 있다. 이러한 동조가능성 또는 파장 채널 선택을 달성하기 위해서, 예상되는 대부분의 장치는, 장치 내에서 굴절율이 소정값으로 변조되거나 또는 제어될 수 있는 매체를 사용한다.
상기 응용에서 기술된 바와 같은 변조에 특히 유용한 장치는 흡수율 또는 굴절율과 같은 광학적 특성이 적절한 전기 신호를 적용하는 것에 의해 변화되는 전기 광학 장치이다. 이러한 전기 광학 장치의 전형이 양자 웰 장치(quantum well device)(본원에서 양자 웰이란 용어는 하나 이상의 양자 웰을 의미한다).
상기 양자 웰은 상이한 반도체 물질로 이루어진 하나 이상의 교호층을 포함한다. 상기 층은 넓은 밴드갭(wide bandgap) 재료와 좁은 밴드갭 재료 사이에서 교호한다. 상기 넓은 밴드갭 재료의 가전자대(valence band)는 협소한 밴드갭 재료의 가전자대보다 에너지에 있어서 낮은 반면, 넓은 밴드갭 재료의 전도대(conduction band)는 좁은 밴드갭 재료의 전도대보다 에너지에 있어서 높다. 웰 영역에 형성되거나 또는 이들 영역으로 이동하는 전자 및 홀(hle)은 이들 영역의 낮은 낮은 포텐셜에너지로 인해 웰 영역에 제한된다. 이러한 장치는 협소한 웰 때문에 양자 웰 장치로 언급되는데, 전자 및 홀 에너지 레벨이 양자 효과에 의해 변경된다. 여기자 상태(excitonic state)의 경우에 있어서, 보통의 여기자 직경 보다 훨씬 작은 협소한 밴드갭 재료층 두께에 의해 정의되는 두께 내에 전자 및 홀을 제한하는 것은 포논 확장(phonon broadening)을 더 증가시키지 않으면서 여기자 구속 에너지를 더 크게 한다. 양자 제한(quantum confinement)의 이러한 결과 및 다른 결과에 의해, 실온에서의 공진의 지속이 설명된다. 게다가, 제한된 전자 및 홀의 에너지는 제한 에너지의 결과로서 증가된다. 양자 제한의 한 부수적인 결과는 상기 반도체의 자전자대의 퇴화가 방지되어, 두 여기자, 즉 가벼운 홀 및 무거운 홀 여기자 공진으로 나타난다.
전계가 양자 웰층에 수직으로 인가될 시에, 여기자 공진을 포함하는 광 흡수에지는 보다 낮은 광자 에너지로 이동한다. 통상의 벌크(bulk) 반도체는, 있다 하더라도, 매우 적은 흡수 에지의 쉬프트를 나타낸다. 통상의 벌크 반도체에 전계를 인가하는 것에 의해 발생하는 유일한 결과는 비교적 적은 쉬프트로 밴드 에지를 확장하는 Franz-Keldysh 효과이다. 낮은 전계에서, 여기자 피크는 확장하고 소멸된다. 그러나, 벌크 반도체의 작동과는 달라서, 수직 전계가 양자 웰 장치에 인가될시에, 여기자 흡수 피크는 고전계까지 유지된다.
수직 전계가 MQW(다중 양자 웰) 장치에 인가될 시에 여기자 공진의 유지는 제한된 전자홀쌍에 대한 전계의 효과를 고려하는 것에 의해 설명될 수 있다. 통상적으로, 전계의 인가는, 이온화로 인해 여기자 라이프 타임을 단축하기 때문에 여기자 확장으로 나타난다. 그러나 양자 웰에 기인하는 전자홀쌍의 제한이 여기자 이온화를 배제하기 때문에, 아주 큰 전계가 이온화 없이, 따라서 여기자 공진의 확장없이, 인가될 수 있다. 또한, 아마도 더욱 중요하게는, MQW 장치가 변조기로서의 사용이 고려되는 경우, 전계의 적용과 관련된 제한 에너지에서의 변화와 상기 웰의 결과적인 왜곡으로 인해 흡수 에지에서 상당한 쉬프트가 존재한다. 이러한 흡수 에지의 쉬프트　 변조기로서의 MQW에 대한 기초가 된다. 인가된 전계를 가변하는 것은 적당히 바이어스된 MQW의 광 흡수 특성을 상당히 변경할 수 있기 때문에, 상기 MQW를 통과하는 광은 변조될 것이다.
이러한 전기 광학적 특성으로 하면, MQW 장치는 광 강도 변조기로서 특히 적합하다고 생각되지만, 공진 영역에서 나타나는 높은 흡수도는 상기 변조기의 온 및 오프 상태 둘 다에서 광학적 에너지의 상당한 손실로 나타나게 되는데, 이것은 대부분 바람직하지 않으며, 어떤 응용에서는 허용될 수 없다. 이러한 사실에 자극받은 여러 기술자들은 MQW 장치를 흡수 변조기보다는 굴절율 또는 위상 변조기로 사용하기 위한 연구를 해왔다. 기본적인 Kramers-Kronig 관계는 재료의 흡수 특성의 변화와 재료의 굴절율의 변화 사이의 상호 작용을 조절하지만, 이러한 관계에 의하면, 굴절율에서의 큰 변화가 흡수 에지로부터 제거된 영역에서 나타나게 된다. 따라서 MQW 장치는 감소된 관련 흡수 손실을 갖는 위상 또는 굴절율 변조기로서 사용될 수 있다. Fabry-Perot 레이저와 함께 이러한 MQW 위상 변조기의 이용은 Chemla 등에 허여된 미국 특허 제4,525,687호, 칼럼 14, 1행 내지 19행에 제안되어 있다.
초기 레이저가 거의 독점적으로 Chemla 등에 의해 인용된 Fabry-Perot형으로 이루어진 반면, 그 후 개발은 분포 반사기(distributed reflecor)(대부분은 도파관 구조 내에 형성되어 있다)를 구비한 레이저를 제안했다. 미국 특허 제3,760,292호는 분포 피드백 레이저의 동작을 기술한다. 이러한 레이저는 격자 결합(grating coupling)의 현상에 기초한다. 이러한 현상은, 적어도 1차원에서 주기적으로 전송 특성이 변화하고 있는 영역, 즉 격자를 광이 통과하는 것과 관련된다. 이러한 격자와 광의 상호 작용은 특정 파장에서만 만족된 위상 정합 조건(phase matching condition)을 포함한다. 종래의 기술에 능숙한 자에게 널리 공지되어 있는 바와 같이, 위상 정합 조건이 만족되는 파장은 격자 결합의 상이한 차수(order)에 의해 주어진다. 위상 정합 조건을 만족하는 가장 긴 파장(λ0)에서 결합이 일어나는 경우, 상기 결합은 '제1차 결합'으로 언급된다. 상기 위상 정합 조건을 또한 만족시킬 수 있는 다른 파장은 λ0/M인데, 여기서 M=2,3,4 는 보다 높은 차수의 동작을 나타낸다. 이러한 응용에 있어서, 상기 격자는 일반적으로 제1차(M=1)에서 동작하고 있는 것으로 고려되지만, 보다 높은 차수에서 동작할 수도 있다. 이러한 격자의 전형은 굴절율이 변화하는 영역이거나 또는 굴절율이 상이한 두 재료간의 경계에서의 골(corrugation)이다. 광이 이러한 영역을 통과할 때, 상기 광은 다른 유도된 파에 순(forward) 또는 역(reverse) 결합될 것이다. 이러한 격자 결합의 전형은 Bragg 반사기인데, 상기 반사기는 인입광을 반사되어 나가는 광빔에 역결합시키는 격자 결합기이다. 상기 Bragg 반사기는 이득 매체(gain medium) 외부에 형성되어, 분포 Bragg 반사(Distributed Bragg Reflecting;DBR) 레이저를 형성할 수 있다. 격자 결합기는 또한 결정 재료(grain material)의 집적 부분(integral part)으로서 형성되어, 분포 피드백(Distributed Feed Back;DFB) 레이저를 형성할 수도 있다. DFB 레이저에서의 상기 격자 결합기는 레이저 공동(laser cavity)을 규정하는 단순한 반사기로서 간주될 수도 있다. 그러나, 엄밀한 분석에 의하면, DFB 레이저에서의 결합은 위상 효과 때문에 보다 복잡하다는 것을 알게된다. 그래서, 예를들면 상기 DFB는 Bragg 반사 밴드의 중심에서 레이저 광선을 발하지 않고 오히려 두 개의 제1의 최소값(minima)의 근방에서 광선을 발한다.
양자 웰 장치 및 분포 피드백 레이적 결합되어 양자 웰 레이저와 같은 장치를 형성하게 된다. 상기 양자 웰 레이저 천이(laser transitions)로서 사용하기에 특히 유익한 에너지 레벨을 규정하기 위해 양자 웰의 전자적 특성을 이용한다.
[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]
[발명의 개요]
본 발명은 격자 결합기가 모놀리식으로 집적된 구조(monolithically integrated structure)에서 역 바이어스 양자 웰 굴절율 변조기와 결합될 때 특히 유효한 장치가 실현될 수 있다는 사실에 기초한다. 상기 구조를 통과하는 광을 횡방향 및/또는 종방향으로 제한하기 위해서 상기 구조는 하나 이상의 광 도파관을 포함할 것이다. 결합기와 변조기의 결합은 시스템의 두 개의 상이한 전달 모드간의 역 또는 순결합(forward coupling) 특성을 변경하기 위해 사용될 수 있는 부가적인 설계 자유도를 제공하여, 새롭고 유용한 구조를 형성하는 것이 가능하다. 본 발명의 실시예는, (1)내부공동 역 바이어스 양자 웰 굴절율 변조기(intracavity reverse biased quantum well index modulator)를 갖는 분포 피드백 레이저와, (2)동조가능한 양자 웰 Bragg 반사기와, (3)동조가능한 역결합 격자 필터와, (4)동조가능한 순결합 격자 필터 및, (5)격자 결합기와 함께 집적된 위상 조정 가능한 파장 선택 결합 장치(phase adjustable wavelength selective coupling device)를 제공하는 양자 웰 굴절율 변조기를 포함한다. 이들 장치는 광 장치에서 유익하게 사용되어 광통신 시스템에서 사용하기에 적절한 특성을 갖는 광을 제공하게 될 것이다.
[발명의 구성 및 작용]
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원 명세서를 더욱 상세히 설명하기로 한다.
본 발명이 일 양상이 격자 결합기 및 양자 웰 굴절율 변조기의 결합을 포함하기 때문에, 본 발명의 특정 실시예를 논하기 전에 양자 웰 굴절율 변조 및 격자 결합의 현상을 논하는 것이 본 발명을 보다 완전히 이해하는데 도움이 될 것이다. 따라서, 하기에서 이들 두 중요한 현상을 논의하고 그 다음 본 발명의 특정 실시예를 논할 것이다.
A. 양자 웰 굴절율 변조
본 발명은, 양자 웰 장치에 있어서 흡수 피크로부터 충분하게 떨어져서 광손실을 감소하고, 동시에 외주 전계의 인가시 굴절율을 현저히 변조시키는 확장 동작영역이 존재한다는 점의 인식에 의해 부분적으로 고취되었다. 이러한 양호한 동작영역은, 전부는 아니지만, 대부분의 반도체 양자 웰 구조에 존재한다. 2진, 3진 및/또는 4진 재료의 특정 결합을 포함하는 반도체 양자 웰 구조에 대해 일한 영역을 실험적으로 확인하였다.
고정된 인가 전계에 대해서, 양자 웰 장치로 전계를 인가하는 것에 의해 유도되는 굴절율의 변화의 크기는 그라운드 상태의 여기자 공진으로부터의 이조(ΔW)에 반비례해서 변화하는 것을 알게 되었다. 그 결과는 하기의 수학식 1로 표현될 수 있다.
Figure kpo00002
그라운드 상태의 여기자 공진으로부터의 고정된 이조에 대해, 양자 웰 장치에 전계를 인가하는 것에 의해 유도되는 굴절율의 변화의 크기는 상기 장치에 인가되는 전계의 제곱에 비례해서 변화하는 것을 알게되었다. 그 결과는 하기의 수학식 2로 표현될 수 있다.
Figure kpo00003
그리고, 전부는 아니지만 대부분의 반도체 양자 웰 장치에 대해서, 전계에 의한 굴절율의 변화, 이조량 및 인가 전계의 제곱 사이에 하기의 수학식 3과 같은 일반적인 관계가 있음을 알게되었다.
Figure kpo00004
여기서 κ는
Figure kpo00005
이 볼트당 피코미터로 주어지고
Figure kpo00006
가
Figure kpo00007
로 주어질 때 100과 500 사이에 존재한다. 수학식 3은 특정 전압 및 파장에서의 전계에 의한 굴절율 변화를 단순하게 측정하는 것에 기초해서 임의의 양자 웰 장치에 대해서 전계에 의한 굴절율 변화를 파장 및/또는 인가 전계의 함수로서 예측하는 것을 가능하게 한다. 다수의 상이한 재료 시스템으로 구성된 양자 웰 장치에 대해서, 제1도는 전계에 의한 굴절율의 변화를 어떤 특정한 전압 및 파장에서 행한 결과를 나타낸다. 따라서, 이들 결과로부터, 이들 양자 웰 장치에서의 전계에 의한 굴절율의 변화를 파장 및/또는 인가 전계의 함수로서 예측할 수 있다.
전계에 의한 굴절율의 변화의 크기가 그라운드 상태의 여기자 공진으로부터의 이조에 대해 역으로 변하는 반면, 흡수 손실이 공진으로부터의 동일한 이조에 대해 지수적으로 감소하기 때문에, 양자 웰 장치로의 전계의 인가에 의해 굴절율을 상당히 변조하는 것과 동시에 유이한 최소 흡수 손실만을 포함하는 확장 파장 동작영역이 존재한다는 사실을 알게되었다. 제2도는 흡수 손실과 전계에 의한 굴절율의 변화간의 절충을 나타내는 전형이다. 상기 도면에서, 이조는 가로 좌표축 상에 기입되었고, 오른편 세로 좌표에는 전달 손실을 왼편 세로 좌표에는 전계에 의한 굴절율의 변화와 관련된 위상 변화를 나타내었다. 상기 왼편 세로 좌표는 위상에서 π의 변화를 얻기 위해 필수적인 길이의 단위로 측정된다. 상기 도면에서, 일 미크론이 진성 영역(intrinsic region)에 대해서 10볼트의 전압, 즉, 100㎸/센티미터의 전계가 인가되었다. 상기 길이는 하기 식에 의해 주어진다.
Figure kpo00008
그래프에 의해 도시된 바와 같이, π의 위상 변화는 150 미크론 길이의 장치에서 얻어질 수 있는데, 이러한 장치에서 전달 손실은 5dB 이하이다.
종래 기술의 장치는 5dB이 흡수 손실에서 효율적으로 동작하는데, 이것은 이러한 손실이 허용된다는 결론으로 귀결된다. 그러나, 이득 장치의 사용에 의해 보다 큰 흡수 손실에 대해 동작하는 것이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 장치는 여기자 흡수 피크 이하에서 통상 동작할 것이고, 대부분의 경우에 4Γ보다 큰 동작영역에서 통상 동작할 것이지만(여기서, 2Γ는 여기자 흡수 피크의 최하부 라인의 e-1/2점에서의 전폭(full width)을 나타낸다), 이득 장치의 사용은 동작이 공진 피크에 보다 가깝게, 아마도 1Γ 또는 2Γ만큼 가깝게 되는 것을 가능하게 한다. 양자 웰층의 성장 방향에 대한 광 편광에 의존해서, 최하부 라인 여기자 피크는 TM 편광에서는 가벼운 홀 여기자, 또는 TE 편광에서는 무거운 홀 여기자일 것이다. 전계에 의한 굴절율의 변화와 흡수 손실간의 관계에 관한 관찰에 따른 부가적인 세부사항은 『Low Voltage Phase MOdulation in GaAs/AlGaAS Quantum Well Optical Waveguides, Electronics Letters, Vol.24, No. 2, p.112, January 1988』에 나타나 있다.
B. 격자 결합기
본 발명의 장치에 있어서, 역 바이어스된 양자 웰 굴절율 변조기는 격자 결합기와 결합되어 결합된 광의 이상 또는 이러한 결합이 발생하는 파장을 변화시킨다. 상기 격자의 피치(pitch)는 실제로 양자 웰 장치의 흡수 에지 이하인 파장 범위에서 위상 정합 격자 결합을 제공하도록 디자인되어 양자 웰 굴절율 변조기 양호한 굴절율 영역 내에서 동작하도록 한다. 상기 내용에서, 실제로 흡수 에지 이하란 용어는 3Γ 보다 큰 이조값을 나타낸다. 그러나 상업적으로 고가의 장치는 공진 피크로부터 5Γ, 7Γ 심지어 10Γ 보다 더 떨어져서 동작하도록 설계될 수도 있다.
종래 기술의 장치는 다양한 전달 모드간의 결합을 포함한다. 본원에서 사용된 결합(coupling)이란 용어는 도파 구조의 두 개 이상이 전달 모드간의 전력(power)의 이동을 나타낸다. 격자 결합기에 있어서, 이러한 격자에 의해 위상이 정합되고, 2개의 전달 모드의 결합이 가능해지는데, 상기 두 전달 모드는 격자가 없는 경우 위상이 정합되지 않아서 결합될 수 없다. 본원에 사용된 전달 모드란 용어는 종래 기술에 통상 사용된 용어와 일치하고 순 또는 역 전달파로 언급되는데, 전달 방향에 수직인 상기 전달파의 상대적인 강도 분포는 전달의 방향을 따른 거리에 대부분 무관하다. 예를들면, 격자에 의해 결합되는 두 전달 모드는 도파 구조의 두 개의 상이한 공간 모드(spatial modes)이거나, 또는 두 개의 상이한 편광 모드이거나, 또는 동일 공간 모드의 순 또는 역 버전(versions)이다. 본원에서 두 개의 상이한 전달 모드로 소정의 공간 모드의 순 또는 역 버전을 취급한다. 앞서 지적된 바와 같이, 본원에서 사용된 격자란 용어는 적어도 1차원에서 주기적으로 전송특성이 변화하는 영역을 나타낸다. 이러한 격자는 굴절율이 변화하는 영역이나 상이한 굴절율의 매체(media)의 경계가 파형으로 형성된 영역을 포함한다.
격자에 의해 결합된 두 모드는, 일반적으로, 상이한 전달 상수(β1및 β2)를 갖는다. 모드 1에서 모드 2로의 결합을 위해서, 상기 격자는 수학식 5에 의해 주어지는 위상 종합 조건을 만족해야 한다.
Figure kpo00009
여기서 Λg는 격자의 공간 주기 또는 격자의 피치이고, M=1,2,3 은 결합의 차수이다. 대부분의 실시예에서, 격자 결합기의 피치는, 양자 웰 장치의 흡수 에지보다 실질적으로 낮은 에너지의 파장 영역에서 M=1(즉, 1차)의 위상 정합 격자 결합이다. 모든 전달 상수는 neff=(β·λ)/(2π)로 정의되는 유효 굴절율(effective index)에 의해 특징지워 질 수도 있다. 따라서, 유효 굴절율(neff1)을 갖는 특정 공간 모드의 순 및 역 버전간의 결합을 달성하기 위해서, 상기 위상 정합 조건은 격자 피칭(Λg)가 수학식 6을 만족할 것을 요구한다.
Figure kpo00010
여기서 λ는 위상 정합 결합이 요구되는 파장이다. 다른 실시예로서, 각각 유효 굴절율(neff1와 neff2)(여기서 neff1이 neff2보다 크다)을 갖는 두 상이한 순 전달 모드간의 결합을 달성하기 위해서, 수학식 7의 피치를 갖는 격자가 요구된다.
Figure kpo00011
여기서 λ는 위상 정합 격자 결합이 요구되는 파장이다.
격자 결합된 장치의 종래의 기술의 실시예는 다음을 포함한다.
-분포 피드백 레이저(H. Kogelnik 및 C. V. Shank, 응용물리학 43, 2327(1972), 미국 특허 제3,760,292호)
-분포 Bragg 반사기 레이저(Y. Suematsu, S. Arai 및 K. Kishinom, J. 팡파 기술, LT-1, 161(1983))
-리튬 니오베이트 TE-TM 모드 변환기 필터(lithium niobate TE-TM mode converter filters)(R. C. Alferness 및 L. L. Buhl 응용물리학 논문 40, 861(1982)), 미국 특허 제4,273,411호)
-모놀리식 수직 격자 결합(monolithic vertical grating coupling)(T. L. Koch, P. J. Crvini, W. T. Tsang, U. Koren 및 B. I. Miller, 응용물리학논문, 51, 1060)1987)).
C. 본 발명의 특수 실시예
하기에 기술될 본 발명이 특정 실시예는 (1)내부공동 역 바이어스 양자 웰 위상 변조기를 갖는 분포 피드 레이저와, (2)동조가능한 양자 웰 Bragg 반사기와, (3)동조가능한 역결합 격자 필터와, (4)동조가능한 순결합 격자 필터, 및 (5)격자 결합기와 함께 집적된 위상 조정 가능한 파장 선택 결합 장치를 제공하는 양자 웰 굴절율 변조기를 포함한다.
1. 내부공동 위상 변조기를 갖는 분포 피드백 양자 웰 레이저
본 실시예는 굴절율(즉 위상) 변조용으로 사용되는 부가적인 4개의 양자 웰을 갖는 양자웰 레이저에 관한 것이다. 이 실시예에 있어서, 양자 웰 위상 변조기는 양자 웰 분포 피드백 레이저 공동의 중심에 통합된다. 이 실시예를 이용하여, 변조기에서의 광 위상 쉬프트를 역 및 순 바이어스 인가 전압의 함수로서 측정하였다. 그 결과, 역 바이어스에서 굴절율 변화가 발생하고, 순 바이어스에서 양자 웰의 캐리어 주입에 의해 동일한 모양으로 굴절율 변화가 발생한다.(이러한 순 바이어스 동작은 본 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명의 범위 내의 다른 실시예에서 실시될 수 있다.)
이 실시예는 단일 모드 레어지에 특히 유용하다. 분포 피드백 레이저의 세로 모드 동작이 중앙 위상 쉬프트에 의해 제어되기 때문에, 단일 모드 동작은 변조기 바이어스의 조정에 의해 얻어질 수 있다. 또한, 전기 광학 효과가 고속 변조를 허용하기 때문에, 이 실시예는 레이저의 고속 FM 변조 또는 주파수의 고속 스위칭이 요구되는 경우, 예를들면, 주파수 쉬프트 키이 구성(frequency shift keyed architectures)의 경우에 사용될 수 있다.
이 실시예를 대표하는 장치는 각각 레이저와 변조기 부분으로 사용하기 위한 80Å 및 60Å 두께는 갖는 두 개의 양자 웰 스택(stack)을 포함한다. 레이저 도파관은 두 개의 양자 웰 스택을 포함한다. 또한 변조기 도파관은 두께 60Å의 양자 웰 스택만을 포함하고, 다른 양자 웰 스택은 에칭되어 제기된다. 이러한 모양의 구조는 두께 80Å의 양자 웰 스택의 보다 낮은 에너지 갭에 대응하는 파장에서 레이저가 동작하고 이 파장에서 60Å의 양자 웰 스택은 상대적으로 투명하게 된다는 이점을 갖는다. 그러나, 60Å의 양자 웰 스택의 여기자 흡수 밴드 에지는 레이저 발진 파장보다 약 70㎚ 짧고, 인가 전계에 의해 강하게 쉬프트될 수 있다. 그러므로, 굴절율과 흡수율 양쪽에서의 큰 변화는 변조기 부분에서 유도될 수 있다. 80 미크론 길이의 변조기 부분에 대해 순 및 역 바이어스 둘 다를 이용해서, 약 650도까지 위상 쉬프트를 측정하였다. 이것은 약 1%의 유효 굴절율 변화(Δn/n)에 해당하며, 우리가 알기로는, 이러한 재료 시스템에서 양자 웰형의 분리 제한형 헤테로구조 도파관(Quantum well-separate confinement heterostructure waveguide)에 대해 지금까지 보고된 최고의 굴절율 변화이다.
완전한 장치 구조는 제3도에 도시된다. 기본 웨이퍼는 대기압 MOCVD(metal organic vapor phase deposition)에 의해 성장된다. 도파관 부분은 두께 2500Å의 1.3미크론 InGaAsP층으로 형성된다. 그 다음 두 개의 양자 웰 스택이 형성된다. 제1의 스택은 100Å의 InGaAsP 배리어층에 의해 분리되는 60Å의 4개의 InGaAs 양자웰로 구성된다. 이 스택에 후속해서, 250Å의 Inp 스톱-에치층(stop-etch layer)이 형성되고, 100Å의 InGaAsP 배리어층에 의해 분리되는 80Å의 4개의 양자 웰의 제2의 스택이 형성된다. 최종적으로 형성되는 층은 1.3 파장 1500Å 두께의 InGaAsP 도파관층이다.
에피텍셜(epitaxial) 성장 후, 1차 격자 결합기는 마지막의 도파관층의 상부에 레이저 사진술적(holographic)으로 형성된다. 그 다음 이러한 도파관층 및 상부 80Å 양자 웰 스택은 Inp 스톱-에치층까지 선택적인 화학적 에칭에 의해 변조기 부분(제3도 참조)에서 제거된다.
나머지 처리 단계는 반절연성 블록 평면 매몰형 헤테로구조(semi-insulating blocked planar buried heterostructure;SIPBH) 레이저를 제조하기 이해 사용되는 처리 단계와 유사하다(Koren 등의 전자 전자 논문 제24권 페이지 138(1988)을 참조하라). 이 기술은 블러킹 반절연층과 상부 클래딩(cladding) 층 및 캡층을 위해, MOCVD에 의한 2개의 에피텍셜 재성장 단계를 사용한다. 최종적으로, 제3도에 도시된 바와 같이 레이저 및 변조기 부분에 두 개의 전극이 형성된다. 상기 전극은 화학적 에칭에 의해 분리되고, 캡층 및 클래딩층을 통해 2전극 사이에 200Ω의 저항을 발생한다.
상기 장치는 동 스터드(copper stud) 상에 P-측을 위쪽으로 해서 클리브(cleave)되고 설치된다. 전체 공동 길이가 500 미크론인 반면, 중앙 모듈부는 80미크론의 길이로 된다. 상기 장치는 미러상의 반사 방지 코팅도 고반사 코딩도 사용되지 않고 클리브된 상태에서 동작한다.
변조기 전극에 인가되는 전압의 함수로서 변조기 도파관의 유효 굴절율의 변하가 제4도에 도시된다. 유도된 위상 쉬프트는 Koren 등의 물리학논문 제50페이지 368(1987)에 기술된 바와 같이 측정되었다. 상기 기술은 변조기 전압의 함수로서 Fabry-Perot 모드에서의 스펙트럼 쉬프트를 모니터할 수 있도록 임계 이하 레이저를 구동하는 것을 포함한다. 1π의 위상 쉬프트는 완전한 1주기의 스펙트럼 쉬프트에 대응하고, 원래의 모드 스펙트럼과의 오버랩을 유발한다. 변조기 바이어스 전압이 제로로부터 변화될 때 공동에 가해지는 초과 광 손실은 제4도에 도시된다. 상기 손실은 Fabry-Perot 모드의 콘크라스트(contrast)의 변화로부터 발생한다. 유효 굴절율에서 1% 이상의 비교적 큰 변화는 초과 손실이 40㎝-1 보다 작게 유지되는 동안 획득된다는 것을 주지해야 한다.
DFB 레이저의 동작에 대한 변조기 전압의 주된 효과는 레이저 동작을 단일 모드 동작과 2중 모드 동작 사이에서(여러 상이한 변조기 전압에서) 반복적으로 전환하는 것이다. 이들 두 상태에 대한 광 전류 특성이 제5도에 도시된다. 단일 모드 DFB 동작에 대한 전류 임계는 이중 모드 DFB 동작에 대한 전류 임계보다 약 10ma가 낮고, 단일 모드 동작에서 약 10㎽/Facet의 출력 전력이 획득된다. 이들 두 상태에서의 임계치 이하 및 이상엣의 스펙트럼 형태는 제6도에 도시된다. 금지대(stop band)가 임계치 이하에서 명확하게 관측되고, 레이저는 변조기 전압에 의해 단일 또는 이중 모드 동작 사이에서 스위치될 수 있다. 유사한 스위칭 동작이 두 전극 레이저의 전류비의 변화를 사용하여 사전에 관측되어진다. 변조기 전압의 미세한 조정에 의해, 40dB 보다 양호한 사이드 모드 억제를 갖는 단일 모드 동작이 얻어진다는 것을 주지해야 한다.
상기 스위칭 동작은 DFB Bragg 파장이 레이저의 이득 피크에 가까울 때 획득된다. 그러나, 상기 Bragg 파장이 이득 피크보다 상당히 긴 경우(15㎚ 이상의 이조), DFB 단일 모드 동작과 Fabry-Perot 동작간의 스위칭이 관측된다. 또한, 이들 두 상태간의 스위칭은 변조기 전압이 변화하는 것에 따라서 수회 발생한다. 이러한 종류의 스위칭 동작은, Fabry-Perot 동작의 임계값이, 이조를 가지고, 이중 모드 DFB 동작보다 낮게 될 수 있음을 나타낸다.
제7도는 내부공동 위상 변조된 DFB 레이저의 위상 변조기 전극에 인가된 신호의 변조 주파수의 함수로서 주파수 변조(FM) 응답(GHz/V)을 나타내는 그래프이다. 이것은 Fabry-Perot 간섭계로 측정되었는데, GHz 변조 속도에서 실제 FM 응답을 설명한다.
2. 파장 가변 양자 웰 Bragg 반사기
이 실시예에 있어서, 격자, 양자 웰 및 도파관 구조는 모노리식으로 제조되고, 도파관 구조의 특정 광 모드의 순 및 역 버전이 격자 및 양자 웰 둘 다를 공간적으로 오버랩하도록 공간적으로 배치된다. 가장 일반적인 실시예에서, 상기 도파관 구조는 양자 웰 및 결합기(coupler)에 수직으로 인접하게 놓여질 것이다. 가장 일반적인 실시예에서, 격자는 두 개의 상이한 굴절율 재료간의 인터페이스에서 골(corrugation)일 것이다. 이러한 장치의 가장 일반적인 응용은 협대역 반사 필터(narrow band reflection filter)를 제공하는 것인데, 상기 필터의 중앙 반사 파장은 양자 웰 재료의 굴절율을 변화하는 것에 의해(통상은 적당한 전계를 인가한다) 변화된다. 이 실시예는 제8도에 개략적으로 도시된다. 여기서, 양자 웰 재료가 문제의 전달 모드에 오버랩한다면, 양자 웰 재료 굴절율이 변화할 때 해당 모드의 유효 굴절율은 변화한다. 따라서 동조(tuning)는 수학식 6에서 직접 귀결한다. 이 실시예는 새로운 동조가능한 DBR 레이저 또는 새로운 동조가능한 공진 DBR 증폭기에서 미러(mirror)로 사용될 수 있다.
3. 동조가능한 역결합 격자 필터
이 실시예는 상기 번호 2의 실시예와 실질적으로 유사하지만, 어떤 특정 광모드의 순 및 역 버전간의 결합이 아니고, 한 특정 모드의 순 버전과 다른 특정 모드의 역 버전간의 격자 결합인 점이 다르다. 이 실시예는 상이한 전달 상수를 갖는 두 개의 수직으로 분리된 공간 모드를 지지하는 도파관 구조와 양 모드를 공간적으로 오버랩하는 결과로서 양 모드를 결합하는 격자를 포함한다. 이 실시예는 제9도에 개략적으로 도시된다. 양자 웰을 포함하지 않는 종래의 관련 기술 장치는 『Wave Length Selective Interlayer Directionally Grating-Coupled InP/InGaAsP Waveguide Photodetection, Appl. Phys. Lett., 51, 1060(1987)』에 상술되어 있다. 제9도에 도시된 본 실시예의 특수예에 있어서, 양자 웰층은 도시된 두 개의 공간 모드 중 적어도 한 모드를 오버랩한다. 양자 웰층의 굴절율이 인가된 전압에 따라 변화할 때, 각 모드의 유효 굴절율(neff1및 neff2)의 하나 또는 둘 다는 변경될 수 있다. 이것은, 수학식 7에 따라 결합 파장이 변화하는 효과를 갖는데, 본 실시예에서는 수학식 8과 같이 된다.
Figure kpo00012
4. 동조가능한 순결합 격자 필터
제10도에 도시된 본 실시예는 두 결합되는 모드가 둘 다 순 전달이라는 점을 제외하면 상기 번호 3의 실시예와 동일한다. 수학식 7에 따라, 순결합에 요구되는 격자의 피치는 역결합에서 요구되는 격자의 피치보다 실질적으로 조악(coarse)하다. 본 실시예에 대한 위상 정합 파장은 수학식 9와 같이 된다.
Figure kpo00013
5. 격자 결합기와 함께 집적된 위상 조정 가능한 결합 장치를 제공하는 양자 웰 굴절율 변조기
일반적으로, 본 실시예는 결합된 광의 위상을 변경하기 위해 사용될 수 있는 공간적으로 분리된 양자 웰 굴절율 변조기를 갖는 격자 결합기를 포함한다. 상기 위상은, 결합이 발생하기 전이나 후에 전계를 인가하는 것에 의해 굴절율이 변화된 양자 웰 매체의 전달 거리를 제공하는 것에 의해 변경된다. 격자 결합기 자체는 상기 1번 내지 4번의 실시예와 같이 양자 웰 굴절율 변조기를 포함할 수도 또는 포함하지 않을 수도 있다. 따라서, 제11a도 내지 제11d도는 본 실시예의 5개의 특수예를 도시한다. 제11a도는 본 실시예의 일반적인 개략도인 반면, 제11b 내지 11d도는 상기 1번 내지 4번의 실시예와 유사한 본 실시예의 특수예이다.

Claims (8)

  1. (a)양자 웰 구조와, (b)도파 구조 및 (c)상기 도파 구조의 적어도 두 전달 모드를 결합하도록 설계된 격자 결합기를 포함하는 장치에 있어서, 상기 격자 결합기를 상기 양자 웰 구조의 흡수 에지보다 실질적으로 낮은 에너지와 파장 영역에서 위상 정합 격자 결합을 생성하는 피치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치
  2. 제1항에 있어서, 상기 양자 웰 구조는 하나 이상의 양자 웰을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치
  3. 제2항에 있어서, 상기 양자 웰 장치의 흡수 에지보다 실질적으로 낮은 파장의 광 반사원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치
  4. 제1항에 있어서, 상기 양자 웰 장치는 분포 피드백 레이저의 공동내에 놓여지는 것을 특징으로 하는 장치
  5. 제1항에 있어서, 상기 격자 결합기, 양자 웰 및 도파 구조는 상기 도파 구조의 어떤 특정 광 모드의 순 및 역 버전이 상기 격자 및 양자 웰 구조의 둘 다를 공간적으로 오버랩하고 그에 의해 동조가능한 양자 웨 Bragg 반사기를 생성하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 장치
  6. 제1항에 있어서, 상기 격자 결합기, 양자 웰 및 도파 구조는 상기 도파 구조의 어떤 특정 광 모드의 순 버전과 상기 도파 구조의 상이한 특정 광 모드의 역 버전이 상기 격자 및 양자 웰 구조의 둘 다를 공간적으로 오버랩하고 그에 의해 동조가능한 역결합 격자 필터를 생성하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 장치
  7. 제1항에 있어서, 상기 격자 결합기, 양자 웰 및 도파 구조는 상기 도파 구조의 제1의 특정 광 모드의 순 버전과 상기 도파 구조의 제2이 특정 광모드의 순 버전이 상기 격자 및 웰 구조의 둘 를 공간적으로 오버랩하고 그에 의해 동조가능한 격자 필터를 생성하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 장치
  8. 제1항에 있어서, 상기 격자 결합기는 도파 방향을 따라 상기 양자 웰 구조로부터 공간적으로 분리되는 것을 특징으로 하는 장치
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