KR100216528B1 - 초격자 도파로 구조를 갖는 파장가변 반도체 광여과기 - Google Patents

초격자 도파로 구조를 갖는 파장가변 반도체 광여과기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초격자(superlattice) 도파로 구조를 갖는 파장가변 반도체 광여과기에 관한 것으로, 특히 파장분할 다중 방식(Wavelength Division Multiplexing: 이하, 'WDM'이라 한다)의 광통신에 사용되는 파장선택성을 갖는 광여과기(Optical Tunable Filter)에 관한 것이다. 본 발명에 따른 반도체 광여과기는, n형 InP 기판(1)과, 그 위에 두께 0.5∼1㎛로 적층된 n형 InP 성장완충층(2)과, 그 위에 InGaAsP 장벽층(3a)과 InGaAsP 우물층(3b)이 교대로 적층 형성된 InGaAsP/InGaAsP 초격자구조의 제 1 광도파로층(3)과, 그 위에 두께 0.5∼1.5㎛로 적층된 n형 또는 p형 InP층(4)과, 그 위에 두께 0.05∼0.2㎛로 적층되고 10∼20㎛의 주기를 갖도록 공간적으로 제한된 n형 또는 p형 InGaAsP 회절격자층(5)과, 그 위에 두께 0.1∼1.0㎛로 적층된 n형 또는 p형 InP층(6)과, 그 위에 두께 0.2∼3㎛로 적층되고 1∼5㎛의 폭과 3∼10㎜의 길이를 갖도록 공간적으로 제한된 p형 InGaAsP 제 2 광도파로층(7)과, 그 위에 두께 1∼3㎛로 적충된 p형 InP 클래드층(8)과, 그 위에 두께 0.05∼0.3㎛로 적충된 p형 InGaAsP 오믹 접촉층(9)으로 구성된 웨이퍼 상에, 상기한 제 2 광도파로층(7)보다 1∼10㎛ 더 넓은 창폭을 갖도록 적층된 실리콘 나이트라이드(SINx) 또는 이산화 규소(SiO2)와 같은 유전체층(10)과, 그 위에 적층된 p형 전극금속층(11) 및 상기한 기판(1) 아래에 형성된 n형 전극금속층(12)으로 이루어진다.

Description

초격자 도파로 구조를 갖는 파장가변 반도체 광여과기(a semiconductor optical tunable filter having superlattice waveguide)
제1도는 종래기술에 따른 반도체 광여과기의 개략적인 단면 구성도,
제2도는 제1도의 반도체 광여과기에 대한 특성을 설명하기 위한 개념도,
제3도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 광여과기의 단면 구성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : InP 기판 2 : n형 InP 성장완충층
3 : 제 1 광도파로층 3a : 장벽층
3b : 우물층 4, 6 : p형 또는 n형 InP층
5 : 회절격자층 7 : 제 2 광도파로층
8 : p형 InP 클래드층 9 : InGaAsP 오믹 접촉층
10 : 유전체층 11 : p형 전극금속층
12 : n형 전극금속층
[발명의 목적]
[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]
본 발명은 초격자(superlattice) 도파로 구조를 갖는 파장가변 반도체 광여과기에 관한 것으로, 특히 파장분할 다중 방식(Wavelength Division Multiplexing: 이하, 'WDM'이라 한다)의 광통신에 사용되는 파장선택성을 갖는 광여과기(Optical Tunable Filter)에 관한 것이다.
광여과기(또는 광필터: Opticla Filter)를 실현하기 위한 구조로는 여러 가지 형태가 있으나, 일반적으로, 광소자와의 집적성이 좋은 반도체 재료를 이용한 방향결합기(Directional Coupler)형이 많이 사용된다.
제1도는 종래기술에 따른 반도체 광여과기의 개략적인 단면 구성도로서, 종래기술에 따른 방향결합기형 광여과기는, 제1도에 도시한 바와 같이, 두 광도파로를 근접시켜서 하나의 도파로에 광을 입사시킨 다음, 다른 도파로에 결합된 광을 뽑아서 신호광으로 사용하도록 구성되어 있다. 제1도에서는, 제 1 도파로와 제 2 도파로가 서로 크기가 다르게 도시되어 있는 것을 알 수 있다. 만약, 두 도파로가 완전히 같을 경우에는, 모든 파장의 빛이 두 도파로 사이를 상호 왕래할 수 있으며, 이러한 도파로를 대칭형 도파로(Symetric Waveguide)라 하며, 이러한 원리를 이용한 것이 방향성 결합기이다. 그러나, 이 경우 모든 파장의 빛이 두 도파로 사이를 왕래할 수 있기 때문에, 파장 선택성이 없어지므로, 광여과 기능을 발휘할 수 없다.
두 도파로를, 제1도에 도시한 바와 같이, 비대칭성으로 형성할 경우(즉, 제 1 도파로를 구성하는 물질의 굴절률이 제 2 도파로를 구성하는 물질의 굴절률 보다 크고, 제 2 도파로의 두께가 제 1 도파로의 두께보다 두껍다)에는, 어떤 특정 파장만이 두 도파로 사이를 왕래할 수 있도록 할 수 있다. 이때, 특정파장은, 제2도에 있어서, 두 개의 실선으로 나타낸 곡선이 교차하는 지점에서의 파장(λi)이 된다. 이러한 특정파장(λi)을 중심파장이라 부르며, 중심파장 이외의 파장의 빛은 도파로 사이를 왕래할 수 없으므로, 제 2 도파로로 여러 파장의 빛을 입사시킬 경우, 제 1 도파로로는 중심파장만을 추력시킬 수 있고, 이러한 원리를 이용하여 여러개의 광파를 분리시킬 수 있다.
제2도를 상술하면, 빛이 굴절률이 높은 도파로를 통과할 때 도파로의 두께가 얇을 경우에는, 도파로의 내부에만 빛이 존재하는 것이 아니라, 도파로를 둘러싸고 있는 바깥층(통상적으로, 이 층을 클래딩층이라 부르며, 제1도에 있어서 굴절률 n0인 층을 말한다)에도 비칭 퍼져 있게 된다. 이때, 빛이 도파로 내부에 존재할 확률은 구속계수(Confinement Factor)라 부르며 보통 Γ로 표기한다. 따라서, 실제 빛이 느끼는 유효 굴절률(Effective Refractive Index : neff)은 하기 수식 1 및 2 와 같이 표기된다.
[수학식 1]
도파로 1 의 경우 : neff= n1×Γ1+ n0× (1-Γ1)
[수학식 2]
도파로 2 의 경우 : neff= n2×Γ2+ n0× (1-Γ2)
한편, 빛은 파장이 짧을수록, 에너지가 커지고 도파로에서 느끼는 굴절률이 커진다. 또한, 빛의 파장이 길어질수록 광파의 모드 크기가 커지는데, 같은 크기의 도파로에 대해 파장이 길수록 빛이 바깥의 클래드층으로 퍼지기 때문에 Γ값이 작아지고, 상기 식 1 및 2에 따라 유효 굴절률이 감소하게 된다.
그런데, 제 2 도파로의 경우 두께가 두껍기 때문에, 파장이 커지더라도 모드 크기가 도파로의 내부에 많이 제한되고, 따라서, 구속계수 Γ의 파장에 따른 변위가, 제2도에 도시한 바와 같이, 제1 도파로의 경우보다 작아진다. 이와 같이, 두 도파로 사이의 비대칭성이 클수록, 두 도파로 사이의 유효굴절률 변화 차이가 크게 나타나게 되어, 두 곡선이 중심파장에서 만나는 각도가 커지게 되므로, 중심파장에서 조금만 벗어나도 빛은 두 도파로 사이를 왕래할 수 없게 된다. 이는 두 도파로 사이의 비대칭성이 클수록 대역폭이 좁아지게 됨을 뜻하며, 따라서, 광여과 특성이 좋아진다는 것을 의미한다. 또한, WDM 광통신에 목적을 둔다면, 중심파장이 WDM 광통신의 파장대역인 1530㎚∼1570㎚ 사이의 값을 갖도록 제작하여야 한다. 상기한 두 광도파를 근접시키는 방법으로는 반도체를 이용할 수 있는데, 반도체의 에피층성장은 미세한 두께 조절이 가능하므로 큰 장점을 갖는다. 또한, 반도체를 구성하는 물질의 조성(따라서, 밴드갭)을 바꾸어 주면 굴절률도 바뀌기 때문에, 각 층의 두께 및 굴절률을 미세하게 조절할 수 있다는 장점을 갖는다.
이때, 두 광도파로를 1∼2㎛까지 근접시키고 대역폭을 좋게 하기 위하여, 회절격자(grating)를 두 도파로 사이에 삽입할 수도 있다.
상기와 같은 반도체 광여과기에서, 제 1 도파로의 굴절률은 클수록 좋다. 또한, InP 반도체 위에 성장되는 InGaAsP의 굴절률은 밴드갭이 작아질수록 커진다는 것은 잘 알려져 있는 사실이다. 그러나, 굴절률을 크게하기 위해서 밴드갭을 줄이게 되면, 입사광을 흡수하게 되고, 이는 손실로 작용하기 때문에, 무작정 굴절률을 크게 할 수는 없다. 광여과기는, 통상, 광통신에의 응용을 목표로 하기 때문에, 상기한 광여과기는 1.53∼1.57㎛에서 동작하면 된다. 따라서, 제 1 도파로에 사용되는 물질인 InGaAsP의 밴드갭 에너지는 광파장으로 환산해서, 1.4∼1.45㎛의 범위에 있도록 하는 것이 바람직하다.
그러나, 1.37∼1.45㎛ 영역의 밴드갭 파장을 갖는 InGaAsP는 열역학적으로 불안정하여, 상(phase)이 분리되는 경향이 강하여[이 영역을 흔화성 갭(Miscibility Gap)이라 부른다] 성장하기가 매우 어렵다. 따라서, 통상적인 성장온도인 630℃보다 훨씬 높은 700℃의 온도에서 성장을 하기도 한다. 그러나, 성장온도가 이와 같이 높으면, InP 반도체의 경우 P 원자의 휘발에 의한 결정의 결함이 발생하여 좋지 않으므로, 상기한 혼화성 갭을 피하는 것이 바람직히다.
상기한 이유로 인해, 종래에는, 제 1 도파로의 재료로서, 특성은 다소 떨어지나 결정성장이 용이한 1.3㎛의 밴드갭 파장을 갖는 InGaAsP를 주로 이용하여 광여과기를 제작하였다. 그러나, 이 경우에는, 광여과기의 특성은 밴드 대역폭이 다소 넓게 되는 흠이 발생하며, 잘 제작한다 하더라고 2㎚ 이하로 대역폭을 줄이기가 어렵다는 한계를 지니고 있었다.
따라서, 광여과기의 대역폭 특성을 1.5㎚ 이하로 더욱 개선하기 위해서는, 제 1 도파로의 밴드갭 파장이 1.4∼1.45㎛ 영역으로 되도록 유지하는 것이 바람직하다.
[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]
결국, 본 발명은 상기한 종래기술의 한계를 극복하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 상기한 광여과기의 특성 향상을 위해, 제 1 도파로의 재로로서, 성장온도를 700℃로 올리지 않고서도 1.4∼1.45㎛ 영역의 밴드갭 파장을 갖는 초격자(Superlattice) 구조를 도입함으로써, 광여과기의 주요특성인 대역폭 특성을 대폭적으로 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 경제적으로 제조할 수 있는, 파장가변 반도체 광여과기를 제공함에 있다.
[발명의 구성 및 작용]
상기한 목적을 달성하는, 본 발명에 따른, 파장가변 반도체 광여과기는, 반도체를 이용한 광여과기에 있어서, n형 InP 기판과, 상기한 n형 InP 기판위에 적층된 n형 InP 성장완충층과, 상기한 n형 InP 성장완충층 위에, InGaAsP 장벽층과 InGaAsP 우물층이 교대로 적층 형성된 InGaAsP/InGaAsP 초격자구조의 제 1 광도파로층과, 상기한 제 1 광도파로층 위에 적층된 n형 또는 p형 InP층과, 상기한 n형 또는 p형 InP층 위에 적층되고 일정주기를 갖도록 공간적으로 제한된 n형 또는 p형 InGaAsP 회절격자층과, 상기한 n형 또는 p형 InGaAsP층 위에 적층되고 공간적으로 제한된 p형 InP 층과, 상기한 n형 또는 p형 InP층 위에 적층되고 공간적으로 제한된 p형 InGaAsP 제2광도파로층과, 상기한 InGaAsP 제 2 광도파로층 위에 적층된 p형 InP 클래드층과, 상기한 p형 InP 클래드층 위에 적층된 도핑하지 않은 InGaAsP 오믹 접촉층으로 구성된 웨이퍼 상에, 상기한 제 2 광도파로 폭보다 더 넓은 창폭을 갖도록 적층된 SiNx 또는 SiO2의 유전체층과, 상기한 유전체층 위에 적층된 p형 전극금속층과, 상기한 n형 InP 기판의 아래에 형성된 n형 전극금속층으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이때, 상기한 p형 또는 n형의 표기는, 제 1 광도파로에 전류를 주입할 경우는 p형이 되고, 제 2 도파로에 전류를 주입할 때에는 n형으로 된다. 전류 주입은 선택하고자 하는 파장을 바꾸고자 할 때 사용된다.
이때 상기한 본 발명의 광여과기에 있어서, 상기한 InP 대신에 InAlAs이 사용될 수 있으며, 상기한 InGaAsP 대신에 InGaAsP가 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초격자 도파로 구조를 갖는 파장가변 반도체 광여과기에 대하여 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
제3도는 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 광여과기의 단면 구성도이다.
제3도에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 광여과기는, n형 InP 기판(1)고, 그 위에 두께 0.5∼1㎛로 적층된 n형 InP 성장완충층(2)과, 그 위에 InGaAsP 장벽층(3a)과 InGaAsP 우물층(3b)이 교대로 적층 형성된 InGaAsP/InGaAsP 초격자구조의 제 1 광도파로층(3)과, 그 위에 두께 0.5∼1.5㎛로 적층된 n형 또는 p형 InP층(4)과, 그 위에 두께 0.05∼0.2㎛로 적층되고 10∼20㎛의 주기를 갖도록 공간적으로 제한된 n형 또는 p형 InGaAsP 회절격자층(5)과, 그 위에 두께 0.1∼1.0㎛로 적층된 n형 또는 p형 InP층(6)과, 그 위에 두께 0.2∼3㎛로 적충되고 1∼5㎛의 폭과 3∼10㎜의 길이를 갖도록 공간적으로 제한된 p형 InGaAsP 제 2 광도파로층(7)과, 그 위에 두께 1∼3㎛ 적층된 p형 InP 클래드층(8)과, 그 위에 두께 0.05∼0.3㎛로 적층된 도핑하지 않은 InGaAsP 오믹 접촉층(9)으로 구성된 웨이퍼 상에, 상기한 제 2 광도파로(7)의 폭보다 1∼10㎛ 더 넓은 창폭을 갖도록 적층된 실리콘 나이트라이드(SINx) 또는 이산화 규소(SiO2)와 같은 유전체층(10)과, 그 위에 적층된 p형 전극금속층(11) 및 상기한 기판(1) 아래에 형성된 n형 전극금속층(12)으로 이루어진다.
이때, 상기한 제 1 광도파로층(3)은 0.3∼0.8㎛의 총 두께와 1∼3㎛으 폭과 3∼10㎜의 길이를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 상기한 구조에서, InGaAsP/InGaAsP 초격자 구조의 제 1 광도파로층(3)은 1.4∼1.45㎛의 밴드갭 파장을 갖도록 제한되며, 제 2 광도파로층의 InGaAsP는 밴드갭 파장이 1.0∼1.2㎛을 갖도록, 즉, 1.0∼1.3eV의 밴드갭 에너지를 갖도록 제한된다. 그러나, 경우에 따라서는, 제 1 광도파로층(3)과 제 2 광도파로층(7)의 위치 및 모양을 바꿀 수도 있으며, 이 경우에는 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 상기한 InP 대신에 InAlAs, InGaAsP 대신에 InGaAlAs를 각각 사용하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
상기한 본 발명에서와 같이 초격자구조를 이용하여 도파로를 제작하게 되면, 빛의 모드 크기는 1∼2㎛ 정도로 크기 때문에, 굴절률은 우물층(well)(3b)과 장벽층(barrier)(3a)의 굴절률의 평균값을 느끼게 된다. 따라서, 초격자 구조의 우물층(3b)과 장벽층(3a)의 두께 및 InGaAsP 조성비의 구성은 다음과 같이 계산된다. 즉, 우물층(3b)의 두께와 굴절률(1.55㎛ 파장의 빛을 기준으로 함)을 각각 tw및 nw, 장벽층(3a)의 두께와 굴절률(1.55㎛ 파장의 빛을 기준으로 함)을 각각 tb및 nb라 하고, 우물층(3b)의 갯수를 a, 장벽층(3a)의 개수를 b라 하면, 우물층(3b)의 총 두께와 장벽층(3a)의 총 두께 및 초격자층(3)의 굴절률(ns)은 하기 수식 3, 수식 4 및 수식 5와 같이 정의된다.
[수학식 3]
우물층의 총두께(Tw) = a·tw
[수학식 4]
장벽층의 총두께(Tb) = b·tb
[수학식 5]
여기서 주의할 것은 우물층(3b)의 폭으로, 우물층(3b)의 폭은 우물층(3b)의 재료로 사용되는 InGaAsP의 밴드갭과 관련이 있으며, 양자역학적인 에너지레벨과 우물층(3b) 재료의 밴드갭의 합이 1.45㎛ 파장보다 작도록 설계되어야 한다. 이렇게 되기 위해서는, InGaAsP 우물층(3b) 재료는 1.5∼1.55㎛ 파장의 밴드갭을 갖고, 폭은 20∼100Å이면 충분하다. 또한, 장벽층(3a)의 폭과 재료물질은 우물층(3b)과 관계가 있으며, 장벽층(3a) 재료를 1.3㎛ 파장에 해당하는 밴드갭을 가질 경우, 장벽층(3a)의 폭은 20∼100Å 정도로 성장되어야 한다. 이때, 장벽층(3a)의 두께는 상기한 수식 5를 정리하면 하기 식 6과 같이 주어진다.
[수학식 6]
여기서, 우물층(3b)과 장벽층(3a)의 갯수비는 b=a이거나, b=a+1이므로, a/b∼1로 근사하였다. 상기 식 6을 이용하여 구체적으로 우물층(3b)과 장벽층(3a)의 두께를 계산하여 보면, 먼저, 1.5-InGaAsP(굴절률 nw=3.535) 우물층(3b)에서의 흡수 손실을 최소화하기 위해, 우물층(3b) 내부의 양자역학적 엑시톤(exciton) 에너지를 크게 할수록 유리하므로, 우물층(3b)의 폭이 좁을수록 유리하다. 따라서, 1.5-InGaAsP 우물층(3b)의 폭을 5㎚(50Å)으로 하고, 장벽층(3a)의 조성을 1.3-InGaAsP(굴절률 nb=3.399)로 할 경우, 초격자층(3)의 평균굴절률(nb)을 1.42-InGaAsP(굴절률 = 3.475)와 같게 하기 위하여 상기 식 6에 상기 값들을 대입하면, 장벽층(3a)의 두께(tb)는 tb=1.27tw로 계산된다. 우물층(3b)과 장벽층(3a)의 조성비 및 두께는 상기와 같은 방법으로 정할 수 있으며, 이와 같은 방법으로 도파로를 구성할 경우, 다음과 같은 장점을 갖는다.
[발명의 효과]
상기한 본 발명에 따라 제작된 도파로는, 1.42-InGaAsP보다 결정성장이 쉽고 도파로 손실이 작아진다. 또한, 도파로 손실이 일정한 경우 굴절률을 증가시킬 수 있으므로, 제2도에 나타낸 제 1 도파로의 곡선의 기울기를 더욱 크게 할 수 있어, 대역폭 특성이 보다 우수해진다. 대역폭 특성은 본 발명에 따른 광여과기의 핵심사항이므로, 이는 곧 성능의 향상을 의미하고, 제작상의 용이점은 경제적임을 나타내기 때문에, 본 발명에 따른 초격자 구조의 도파로를 광여과기에 적용하게 되면, 광여과기의 성능 및 경제성을 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (6)

  1. 반도체를 이용한 광여과기에 있어서, n형 InP 기판과, 상기한 n형 InP 기판 위에 적층된 n형 InP 성장완충층과, 상기한 n형 InP 성장완충층 위에, InGaAsP 장벽층과 InGaAsP 우물층이 교대로 적충 형성된 InGaAsP/InGaAsP 초격자구조의 제 1 광도파로층과, 상기한 제 1 광도파로층 위에 적층된 n형 또는 p형 InP층과, 상기한 n형 또는 p형 InP층 위에 적충되고 일정 주기를 갖도록 공간적으로 제한된 n형 또는 p형 InGaAsP 회절격자층과, 상기한 n형 또는 p형 InGaAsP 회절격자층 위에 적층된 n형 또는 p형 InP층과, 상기한 n형 또는 p형 InP층 위에 적층되고 공간적으로 제한된 p형 InGaAsP 제 2 광도파로층과, 상기한 InGaAsP 제 2 광도파로층 위에 적층된 p형 InP 클래드층과, 상기한 p형 InP 클래드층 위에 적층된 p형 InGaAs 오믹 접촉층으로 구성된 웨이퍼 상에, 상기한 제 광도파로 층보다 더 넓은 창폭을 갖도록 적충된 SiNx 또는 SiO2의 유전체층과, 상기한 유전체층 위에 적충된 p형 전극금속층과, 상기한 n형 InP 기판의 아래에 형성된 n형 전극금속층으로 이루어진 것을 특징으로 하는, 파장가변 반도체 광여과기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기한 제 1 광도파로층은 0.3∼0.8㎛의 총 두께와 1∼3㎛의 폭과 3∼10㎜의 길이를 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는, 파장가변 반도체 광여과기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기한 InGaAsP/InGaAsP 초격자 구조의 제 1 광도파로층은 우물층의 유효 밴드갭이 1.4∼1.45㎛이 되도록 구성된 것을 특징으로 하는, 파장가변 반도체 광여과기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기한 InP 대신에 InAlAs를 사용하는 것을 특징으로 하는, 파장가변 반도체 광여과기.
  5. 제 1 상에 있어서, 상기한 제 1 광도파로층으로는, InGaAsP/InGaAsP 초격자구조 대신에 InGaAlAs/InGaAlAs 초격자구조를 사용하는 것을 특징으로 하는, 파장가변 반도체 광여과기.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기한 제 2 광도파로층의 InGaAsP는 1.0∼1.3eV의 밴드갭 에너지를 갖는 것을 특징으로 하는, 파장가변 반도체 광여과기.
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