KR100194584B1 - 반도체 격자 도파로 구조 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 격자 도파로 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다. 광결합 손실을 작게 하는 반도체 격자 도파로 제조방법은, 기판 위에 코어층과 클레드층을 결정 성장시킨다. 이 결과물 위에 SiN_x또는 SiO₂유전체를 전면에 증착한 후 리소그래피 공정으로 격자 형성 부위를 개구한다. 이 개구된 부위에 도파로 진행방향과 평행하게 격자 패턴을 형성시킨 후, 그 격자 형성 부위의 상기 클레드층과 상기 코어층을 식각한다. 이후에 상부 클레드층을 결정성장시켜 제작을 완료한다. 따라서, 본 발명은 다양한 구조의 광집적화 회로에 적용이 수월하고 높은 광결합 효율을 얻을 수 있어 저가격의 광모듈을 제작할 수 있다.

Description

반도체 격자 도파로 구조 및 그 제조방법(Structure and manufacturing method of semiconductor grating waveguide)

제1도는 종래의 매립형 도파로 단면 및 도파빔의 분포도.

제2도는 본 발명에 따른 격자 도파로의 제작 순서의 단면도.

제3도는 본 발명에 따른 매립형 반도체 격자 도파로 구조의 평면도.

제4도는 본 발명에 따른 매립형 반도체 격자 도파로 구조의 평면도.

제5도는 본 발명에 따른 격자 도파로의 단면 및 도파빔의 분포도.

제6도는 본 발명에 따른 제1 실시예의 매립형 반도체 격자 도파로 구조의 평면도.

제7도는 본 발명에 따른 제2 실시예의 매립형 반도체 격자 도파로 구조의 평면도.

제8도는 본 발명에 따른 제3 실시예의 매립형 반도체 격자 도파로 구조의 평면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : n-InP 기판 2 : 도파로의 InGaAsP 도파로층

3 : InP 보호층 4 : SiN_x또는 SiO₂유전체

5 : InP 클레드층 6 : 일반 도파로의 코어

7 : 격자 도파로 부분 8 : 끝이 뾰족한 격자 도파로

9 : 끝이 뾰족한 일반 도파로 부분

본 발명은 반도체 격자 도파로 구조 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 높은 광결합 효율을 갖는 반도체 격자 도파로 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 광섬유와의 패키징은 반도체 레이저와 같은 반도체 광도파로 소자를 모듈화할 때, 모듈의 성능 및 가격을 결정짓는 중요한 공정 과정 중의 하나이다.

제1도는 종래의 매립형 도파로 단면 및 도파빔의 분포도이다.

제1도를 참조하여 종래의 매립형 도파로 단면 및 도파빔의 분포를 상세히 설명하면 다음과 같다.

종래의 대부분의 반도체 광도파로 소자의 경우에는 방출되는 빔의 크기는 작고 방사각이 큰 반면에 부착시키고자 하는 광섬유의 도파빔은 크기가 크고 방사각이 작다.

이와 같은 두 도파빔의 불일치성으로 인하여 광섬유와의 패키징 시에 광결합 효율이 작게 나타나는 결과를 초래하게 된다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 종래의 방법중의 하나로서, 반도체 레이저로부터 방출되는 광을 최대한으로 광섬유에 결합시키기 위하여 렌즈를 이들 사이에 삽입시켜 빔의 모양을 서로 일치하도록 조절하여 결합률을 증대시키는 방법이 있다.

그러나 이러한 방법을 모듈의 제작 단가를 높일 뿐만 아니라 신뢰도 및 수율을 낮추는 요인이 된다는 단점도 있었다.

특히, 여러 개의 광도파로가 수백㎛의 좁은 간격으로 형성되어 있는 광스위치 및 어레이 광소자 등과 같은 경우에는 여러 개의 광섬유를 동시에 정렬시켜 패키징해야 하므로 렌즈를 삽입시키는 것은 원리적으로 불가능하다.

또 다른 종래의 방법으로서, 광섬유 끝에 광섬유 자체로 렌즈를 형성시킴으로써 광섬유로부터 나오는 도파빔의 방사각을 광소자의 도파빔과 최적화시키는 방법이 있다.

그러나, 이 경우에는 정렬허용오차가 1.2㎛이하로서 매우 작아서 신뢰도 및 수율을 낮추는 단점이 있다. 특히, 이러한 광섬유를 어레이 광소자의 경우에 적용하기 위해서는 어레이 광섬유 렌즈의 각각의 초점이 수백㎛ 간격으로 1∼2㎛ 이하의 오차 범위내에서 만들어야 하지만, 현재의 기술로는 거의 불가능한 것으로 판단된다.

따라서, 최근에 이르러 위의 두가지 종래의 방법과는 달이 반도체 광도파로 소자의 입출력단을 변형시켜서 단면이 수직으로 절단된 단일 모드 광섬유와 직접 패키징 하는 방법들이 제시되어지고 있다.

반도체 레이저와 같은 반도체 도파로 광소자의 빔의 크기가 작고 빔의 방사각이 큰 것은 InP계 및 GaAs계의 반도체 도파로에 있어서 클레드층과 코어층의 굴절률 차이가 0.1 내지 0.3정도로서 매우 크기 때문에 단일 모드를 만족시키는 도파로의 폭과 두께가 각각 1 내지 2㎛, 0.1 내지 0.3㎛ 정도로 작아지며 도파빔의 크기도 이에 준하여 2 내지 3㎛ 정도로 작게 나타난다.

따라서 반도체 도파로의 입출력단에 방출되는 빔의 모양을 광섬유의 도파빔의 모양과 유사하도록 변형시키는 모드 변환기를 삽입시키는 방법이 최근에 들어 제시되어지고 있다. 이러한 방법은 정렬허용오차가 수㎛ 이상으로서 신뢰도 및 수율을 높일 뿐만 아니라 어레이 광소자에도 응용이 수월하다는 장점을 갖고 있다.

이와 같이 모드 변환기를 집적하는 종래의 방법중의 하나로서 도파로의 입출력단 부분의 코어층을 도파로 접합 방향에 수직하게 또는 수평 방향으로 코어층을 점점 가늘게 또는 좁게 하므로써 코어층에 대힌 도파빔의 광 구속 계수를 감소시켜 방출되는 빔의 모양을 광섬유와의 빔 모양과 유사하게 조절하여 광결합 효율을 높이는 방법이다.

그러나, 이러한 방법의 경우에는 최대의 광결합 효율을 얻을 수 있는 최적의 영역이 매우 좁고 코어층의 조절을 0.1 내지 0.2㎛ 이내에서 조절하여야 하므로 구현이 쉽지 않고 재현성의 확보가 불가능하다는 문제점이 있었다.

또 다른 종래의 방법으로는 코어층을 얇게 하고 다층으로 하여 단일 모드 조건 내에서 효과적으로 도파로 두께를 크게 하는 구조로서 코어층과 클레드층의 접합면에 수직 방향으로 빔의 크기를 크게 하므로써 도파로와 광섬유의 광결합 효율을 증가시킬 수 있다.

그러나, 이 경우에는 반도체 레이저(LD) 및 광스위치 등과 같은 반도체 도파로 소자의 도파층의 구조 체계가 다름으로써 설계 및 제작시에 별도의 결정성장을하여 집적화를 하여야 하므로 여러 가지의 광소자가 집적화되는 광집적 소자의 경우에는 전체적인 소자의 성능 향상에 제한이 있으며, 제작 공정이 복잡하여지는 문제점이 있었다.

상기 문제점들을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 광섬유와 접속되는 반도체 도파로 부분에 도파로 평면상에서 1㎛ 이하의 주기를 갖는 회절 격자를 광도파로 소자의 폭보다 넓은 폭으로 도파로 진행방향에 평행하게 형성시킴으로써 빔의 크기를 크게 하여 광결합 손실을 최소화함으로써 재현성 및 균일성을 향상시켜 신뢰도와 수율을 높이기 위한 반도체 격자 도파로 구조 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 광결합 손실을 작게 하는 반도체 격자 도파로 제조방법에 있어서, 기판 위에 코어층과 클레드층을 결정 성장시키는 제1과정과 격자 형성 부위를 개구하는 제2과정과 상기 제1과정에서 만들어진 상기 클레드층과 상기 코어층을 식각하는 제3과정 및 클레드층을 결정 성장시켜 제작을 완료하는 제4과정을 포함하는 데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또다른 특징은 광섬유와의 광결합 효율을 최대화할 수 있는 매립형 반도체 격자 도파로 구조에 있어서, 도파로의 코어층에 소정의 길이 이내의 짧은 주기를 갖는 격자를 도파로 방향에 평행하게 형성시켜서 도파 모드의 크기를 크게 하는 동시에 광구속 계수를 크게 하는 데에 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

제2도는 본 발명에 따른 격자 도파로의 제작 순서의 단면도이다.

제2도를 참조하여 본 발명에 따른 격자 도파로의 제작 순서를 상세히 설명하면 다음과 같다.

(a)를 보면, n-InP 기판(1) 위에 InGaAs 코어층(2)을 결정 성장시키고, 그위에 InP 클레드층(3)을 결정 성장시킨다.

(b)를 보면, SiO₂또는 SiN_x로써 웨이퍼 전면(4) 증착한 후에 리소그래피 등의 공정으로 격자 형성 부위를 개구한다.

(c)를 보면, 홀로그램을 이용하여 회절 격자를 형성시킨 후에 InP 클레드층(3) 및 InGaAs 코어층(2)을 식각한다.

(d)를 보면, InP 클레드층(5)을 결정 성장시켜 제작을 완료한다.

제3도와 제4도는 본 발명에 따른 매립형 반도체 격자 도파로 구조의 개략도와 평면도이며, 제5도는 본 발명에 따른 격자 도파로의 단면 및 도파빔의 분포도이다.

제3 내지 제5도를 참조하여 본 발명에 다른 매립형 반도체 격자 도파로의 구조를 설명하면 다음과 같다.

분산 궤환 반도체 레이저(DFB-LD)의 제작 시에 이용되는 홀로그램에 의한 회절격자 형성 방법을 이용하여 제1도에 나타난 바와 같은 종래의 매립형 도파로 구조(6)에 덧붙여 0.2 내지 0.3㎛ 이내의 짧은 주기의 격자(7)를 도파로의 진행방향으로 형성시키면서 각 격자를 중심으로 작은 광구속 계수를 갖는 도파빔들이 중첩되어지는 모양을 갖으며 전체적으로는 빔의 크기가 확장된 순 단일 모드 도파빔의 특성을 갖게 된다.

본 발명에 따른 매립형 반도체 격자 도파로의 구조에서 형성된 0.2 내지 0.3㎛의 주기의 격자는 코어층의 유효 굴절률을 감소시킴으로써 격자들로 형성된 넓이가 4㎛ 이상의 코어층으로도 단일 모드 조건을 만족시키면서 도파 모드의 크기가 커지게 되어 광섬유와의 광결합 효율이 증가되는 것이다.

본 구조는 격자의 주기와 폭을 조절하여 빔의 크기를 조절할 수 있으며 LD와 같은 다른 광소자가 집적되어 있는 광집적 회로의 경우에도 기존의 단층의 코어층으로 접속되어 있어 확장성에 문제가 없다는 장점을 갖고 있다.

또한, 제1도의 기존의 도파로 단면과 제5도의 본 발명에 따른 도파로 단면과 비교해 보면 도파로 수직 방향의 모드 세기 분포가 더욱 넓어짐을 볼 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 제1 실시예를 상세히 설명한다.

제6도는 본 발명에 따른 제1 실시예의 매립형 반도체 격자 도파로 구조의 평면도이다.

제6도를 참조하여 본 발명에 따른 제1 실시예의 매립형 반도체 격자 도파로 구조를 설명하면 다음과 같다.

제5도에서 도파빔의 크기가 광섬유와 일치할 때까지 격자 도파로의 폭을 넓힐 수가 없기 때문이다. 이 하나의 이유는 단일 모드 조건이 만족이 안될 수 있고, 또 다른 이유는 기존 도파로(6)와의 광결합 불일치의 문제가 발생한다.

이러한 문제를 해결하는 방법으로서 격자 도파로(8)의 폭을 점차적으로 좁게하여 도파빔의 크기를 더욱 증가시켜서 광섬유와의 결합효율을 더욱 증가시키는 변형된 도파로 구조이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 제2 실시예를 상세히 설명한다.

제7도는 본 발명에 따른 제2 실시예의 매립형 반도체 격자 도파로 구조의 평면도이다.

제7도를 참조하여 본 발명에 따른 제2 실시예의 매립형 반도체 격자 도파로 구조를 간단히 설명하면 다음과 같디.

제4도의 격자 도파로(7)에 의해서 도파 모드가 광섬유의 도파 모드에 근접해짐에 따라 제1도의 종래의 도파로(6)의 도파 모드와의 불일치가 발생하는 문제를 개선하는 방법을 제시한 예로서 도파로(9)의 폭을 점점 좁게 하여 격자 부위의 모드에 일치하도록 하는 역할을 하게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 제3 실시예를 상세히 설명한다.

제8도는 본 발명에 따른 제3 실시예의 매립형 반도체 격자 도파로 구조의 평면도이다.

제8도를 참조하여 본 발명에 따른 제3 실시예의 매립형 반도체 격자 도파로 구조를 간단히 설명하면 다음과 같다.

상기 2가지 방법들을 합성시킨 예로서 가장 우수한 광결합 효율을 얻을 수 있는 도파로이다.

그러므로 상술한 바와 같은 본 발명의 효과는 다양한 구조의 광집적화 회로의 적용이 수월하고 높은 광결합 효율을 얻을 수 있어 저가격의 광모듈을 제작할 수 있다는 데에 있다.

Claims (6)

1. 광결합 손실을 작게 하는 반도체 격자 도파로 제조방법에 있어서, 기판위에 코어층과 클레드층을 결정 성장시키는 제1과정과; 상기 제1과정과 결과물 위에 SiN_x또는 SiO₂유전체를 전면에 증착한 후 리소그래피 공정으로 격자 형성 부위를 개구하는 제2과정과; 상기 개구된 부위에 도파로 진행방향과 평행하게 격자 패턴을 형성시키는 제3과정과; 상기에서 만들어진 격자 형성 부위의 상기 클레드층과 상기 코어층을 식각하는 제4과정; 및 상기 제4과정 이후에 상부 클레드층을 결정 성장시켜 제작을 완료하는 제5과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 격자 도파로 제조방법.
2. 광섬유와의 광결합 효율을 최대화할 수 있는 매립형 반도체 격자 도파로 구조에 있어서, 도파로의 코어층 부분이 광도파로 소자의 폭보다 넓은 폭에 걸쳐서 광도파로 소자 폭보다 짧은 주기를 갖는 격자 형태로 도파로 방향에 평행하게 형성되어 도파 모드의 크기를 크게하여 광섬유와의 결합효율을 크게 하는 것을 특징으로 하는 매립형 반도체 격자 도파로 구조.
3. 제2항에 있어서, 상기 격자가 상기 도파로의 상기 코어층에 0.2 내지 0.4㎛ 이내의 짧은 주기를 갖는 것을 특징으로 하는 매립형 반도체 격자 도파로 구조.
4. 제2항에 있어서, 상기 격자가 있는 도파로 부분과 접하는 일반 도파로 부분의 폭을 점차적으로 좁게하여 광결합 효율을 향상시킨 것을 특징으로 하는 매립형 반도체 격자 도파로 구조.
5. 제2항에 있어서, 상기 격자가 있는 전체 도파로의 폭을 단면 쪽으로 가면서 점차로 줄어들게하여 광결합 효율을 향상시킨 것을 특징으로 하는 매립형 반도체 격자 도파로 구조.
6. 제2항에 있어서, 상기 격자가 있는 도파로 부분과 접하는 일반 도파로 부분의 폭을 점차적으로 좁게 하며; 또한 상기 격자가 있는 전체 도파로의 폭을 단면 쪽으로 가면서 점차로 줄어들게 하여 광결합 효율을 향상시킨 것을 특징으로 하는 매립형 반도체 격자 도파로 구조.