KR100241342B1

KR100241342B1 - 사이드로브가 제어된 격자도움 수직결합형 광필터 및 그의 제조 방법

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Publication number: KR100241342B1
Application number: KR1019970039416A
Authority: KR
Inventors: 박찬용; 이승원; 김덕봉; 오광룡; 김홍만
Original assignee: 이계철; 한국전기통신공사; 정선종; 한국전자통신연구원
Priority date: 1997-08-19
Filing date: 1997-08-19
Publication date: 2000-02-01
Also published as: KR19990016749A; US6597838B1

Abstract

본 발명은 파장 선택 가변 반도체 광필터에서 선택영역 성장법을 적용하여 도파로 사이의 광결합 효율을 가중화함으로써 광필터의 특성을 저해하는 사이드로브(sidelobe)가 제어된 광필터와 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 선택영역 성장법에 있어서 성장이 이루어지지 않는 유전체 박막 마스크의 폭을 조절함으로써 성장층의 두께를 선택적으로 조절할 수 있고, 이 현상을 두 도파로 사이의 거리 조절에 활용함으로써 파장 선택 가변 반도체 광필터의 두 도파로 사이의 거리를 조절할 수 있으며, 따라서 두 도파로 사이의 광결합효율을 공간적으로 바꿀 수 있게 된다. 두 도파로 사이의 거리가 삼각함수의 한 주기에 해당되도록 임의로 조절한다면 사이드로브 특성이 크게 향상되기 때문에 본 발명을 적용하면 특성이 매우 우수한 반도체 광필터를 제작할 수 있다.

Description

사이드로브가 제어된 격자도움 수직결합형 광필터 및 그의 제조 방법

본 발명은 파장분할 다중 방식(Wavelength Division Multiplexing : 이하 WDM으로 칭함)의 광통신에 사용되는 파장선택성을 갖는 광여과기(Tunable Optical Filter : 이하 TOF로 칭함) 장치 및 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 파장 선택 가변 반도체 광필터에서 선택영역 성장법을 적용하여 도파로 사이의 광결합 효율을 가중화함으로써 광필터의 특성을 저해하는 사이드로브(sidelobe)가 제어된 광필터와 그 제조방법에 관한 것이다.

광여과기(또는 광필터 : Optical Filter)를 실현하기 위한 구조는 여러 가지가 있으나 일반적으로 광소자와의 집적성이 좋은 반도체 재료를 이용한 수직으로 결합되는 격자도움형 방향성 결합기(Grating-Assisted Codirectional Coupler : GACC) 필터가 많이 사용된다. 종래의 격자도움형 방향결합기 광필터의 구조는 도 1에 도시된 바와 같이 두 광도파로 사이에 격자를 삽입하여 광결합을 발생시키며 한 도파로로 입사된 광을 다른 도파로로 뽑아서 신호광으로 사용하는 것이다. 이때 격자(13)는 두 도파로 사이에서 광을 결합시키는 역할을 하며, 두 도파로가 비대칭일 때 어느 특정 파장만 다른 도파로로 결합된다.

상기와 같은 격자도움형 방향성 결합기는 전류주입 또는 전계효과를 이용해서 도파로의 굴절률을 바꾸어 줌으로써 제 2도파로로 출력되는 빛의 파장을 바꿀 수 있다. 이와 같은 파장 가변 광필터에서 제 2도파로로 i-번째 파장(λ_i)이 출력되고 있을 때 (i+1)-번째 파장 또는 (i-1)-번째 파장이 제 2도파로로 출력이 되면 i-번째 파장을 검출하는데 오류가 발생하게 된다. 따라서 i-번째 파장만 제 2도파로로 출력시키기 위해서는 제 1도파로에서 제2도파로로 결합되는 광파장 스펙트럼이 이웃하는 (i-1)-번째 파장과 (i+1)-번째 파장에서는 영이 되어야 이상적이다. 그러나 도 1에 도시된 광필터 구조는 제 2도파로에 결합되는 출력스펙트럼이 광파장 변화에 대해 도 3에 가는 실선(1)으로 표시된 것과 같은 형태를 가지며 중심파장 좌우에서 사이드로브라 불리우는 작은 피크값(1a)을 갖는다. 이 사이드로브의 위치에 따라 이웃하는 채널이 영향을 받게 되므로 광필터가 실용가능하기 위해서는 사이드로브의 제거가 필수적이다. 이 사이드로브는 도 1에 도시된 두 도파로 사이의 거리가 일정하기 때문에 두 도파로 사이의 광결합 효율이 일정한데에 그 원인이 있다.

종래에는 제 1도파로와 제 2도파로를 같은 평면상에 제작하고 반도체 공정과 같은 포토마스크 작업을 통해 평면형으로 제작하였다. 그러나 평면형으로 광필터를 제작할 경우 두 도파로 사이의 거리 제어는 쉬우나 도파로의 모양이 균일하지 않고 격자를 삽입하기가 어렵기 때문에 대역폭이 매우 커지는 단점이 있어서 결정성장을 하지 않는 LiNbO3 단결정을 이용한 광필터 제작 등에 사용되었다. 그러나 반도체를 이용한 광필터의 경우 에피탁시 방법에 의해 결정성장을 할 수 있기 때문에 수직결합형으로 제작할 수 있고 결정성장에 의할 경우 두 도파로 사이의 거리가 정확히 제어되고 도파로의 두께, 폭 등 필터의 특성에 영향을 주는 파라미터의 제어가 정확히 이루어지기 때문에 우수한 특성의 광필터의 제작이 가능하다.

이에 본 발명은 두 도파로 사이에 선택영역성장법(Selective Area Growth : SAG)을 도입하여 광결합 효율에 공간적인 가중치를 부여함으로써 필터의 중요 특성 중 하나인 사이드로브를 억제시키고 광필터의 특성 향상을 위해 제 1도파로와 제 2도파로를 수직결합형으로 제작하여 특성을 정확히 제어하면서도 도파로 간격을 달리 하여 사이드로브가 제어된 광필터와 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1 은 종래의 수직결합 격자도움형 파장가변 광필터의 단면도.

도 2 는 본 발명에 의한 수직결합 격자도움형 파장가변 광필터의 단면도.

도 3 은 본 발명에 의한 수직결합 격자도움형 파장가변 광필터와 종래의 수직결합 격자도움형 파장가변 광필터의 투과특성 비교도.

도 4a는 본 발명에서 제안한 구조의 광필터를 구성도.

도 4b는 도 4a에서 위치에 따른 InP두께 변화도.

도 5 는 도 4a의 실시예에 의한 실험결과도.

도 6a 내지 도 6f는 본 발명에 의한 수직결합 격자도움형 파장가변 광필터의 제조 공정도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11, 21, 61 : n-InP substrate 12,22,62:InGaAsP 제1도파로 (WG1)

13, 23, 64 : 격자(grating) 14, 24, 63, 66 : n-InP 클래딩층

15,25,67 : InGaAsP 제2도파로(WG2)16, 26, 68 : p-InP 클래딩층

41 : n-InP 반도체 42, 65 : SiNx 유전체 박막

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 격자도움 수직결합형 광필터는 n-형 InP 기판과, 상기 n-형 InP 기판위에 두께 0.3∼0.8 ㎛으로 적층되고 1∼3 ㎛의 폭과 3∼10 mm의 길이를 갖도록 공간적으로 제한된 InGaAsP 제 1도파로층과, 상기 제 1도파로층위에 0.1∼0.5 ㎛ 위에 형성되고 두께가 0.02 ∼ 0.2 ㎛ 이며 10∼30 ㎛의 주기를 갖도록 공간적으로 제한된 n-형 InGaAsP 격자층과, 상기 n-형 InGaAsP 격자층위에 두께 1∼3 ㎛으로 적층된 n-형 InP과, 상기 n-형 InP위에 두께 0.2 ∼1 ㎛으로 적층되고 1∼5 ㎛의 폭과 3∼10 mm의 길이를 갖도록 공간적으로 제한된 p-형 InGaAsP 제 2광도파로층과, 상기 제 2광도파로층위에 두께 1 ∼3 ㎛으로 적층된 p-형 InP 클래드층으로 구성되고 두 도파로 사이의 거리는 광필터의 가운데 부분의 거리가 0.5∼1.5 ㎛으로 가장 가깝고 양 끝단에서는 2∼4 ㎛으로 가장 멀리 떨어지도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 격자도움 수직결합형 광필터를 제조하는 방법은 InP 기판 위에 제 1도파로를 구성하는 물질인 InGaAsP를 유기금속 기상증착법(OMVPE)의 방법으로 성장하고 1∼3 ㎛의 폭을 갖도록 패턴화하는 공정과, 그 위에 InP층과 격자층을 성장하고 격자층만 10∼40 ㎛의 주기를 갖도록 패턴화하는 공정과, 그 위에 증착한 유전체 박막을 패턴화하는 공정과, 그 위에 선택영역성장법으로 InP를 성장하되 공간적으로 두께를 제어하는 공정과, 그 위에 제2도파로 구성물질인 InGaAsP층을 성장한 후 1∼5 ㎛의 폭을 갖도록 스트라잎 형상으로 패턴화하여 제2도파로(67)를 형성하는 단계와, 그 위에 전면 InP를 성장하여 사이드로브를 제어하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명에서 제안한 수직결합 격자도움형 파장가변 광필터 구조도를 도시하고 있다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 광필터는 n-형 InP 기판(21)과 그 위에 두께 0.5∼1 ㎛으로 적층된 n-형 InP 완충층(21)이 형성되고, 그 위에 두께 0.3∼0.8 ㎛으로 적층되고 1∼3 ㎛의 폭과 3∼10 ㎛의 길이를 갖도록 공간적으로 제한된 InGaAsP 제 1도파로층 (22)이 형성된다. 상기 제 1도파로층(22)에서 0.1∼0.5 ㎛ 위에 형성되고 두께가 0.02 ∼ 0.2 ㎛ 이며 10∼30 mm의 주기를 갖도록 공간적으로 제한된 n-형 InGaAsP 격자층 (23)이 형성되며, 그 위에 두께 1∼3 ㎛으로 적층된 n-형 InP(24)이 형성되고, 그 위에 두께 0.2 ∼1 ㎛으로 적층되고 1∼5 ㎛의 폭과 3∼10 mm의 길이를 갖도록 공간적으로 제한된 p-형 InGaAsP 제 2광도파로층 (25)이 형성되며, 그 위에 두께 1 ∼3 ㎛으로 적층된 p-형 InP 클래드층 (26)이 형성되어 구성되어진다.

이 구조에서 InGaAsP 제 1 광도파로층과 제 2광도파로층 사이는 밴드갭이 큰 InP로 구성되며, 가운데 부분의 거리가 0.5∼1.5 ㎛으로 가장 가깝고 양 끝단에서는 2∼4 ㎛으로 가장 멀리 떨어지도록 구성된다. 두 도파로 사이의 결합계수가 Ha㎛ing함수로 알려진 다음의 식을 만족하면 도 3에서 굵은 실선으로 나타낸 바와 같이 사이드로브가 제어된다. 즉, 도 2에서 광필터의 가운데 부분을 z=0이라 할 때 결합계수 k(z)가 다음의 식을 만족할 때 사이드로브가 최대한 억제된다.

상기와 같이 구성된 광필터는 대역폭은 다소 증가하는 경향이 있다. 그러나 광필터가 실제 시스템에 사용되기 위해서는 대역폭이 다소 넓더라도 사이드로브가 최대한 억제되어야 하므로 상기와 같이 수직결합형으로 구성된 광필터는 특별한 장점을 갖는다.

상기의 구조를 갖는 광필터는 기본적인 구조만 예시한 것으로 상기 구성의 광필터에 전류를 주입할 수 있도록 전극을 형성하면 파장가변 광필터로도 동작시킬 수 있다. 즉, 전류주입 또는 전계효과에 의한 결합광의 파장변화가 가능하도록 광필터의 윗면에 p-형 전극을, 광필터의 아래면에 n-형 전극을 형성하면 된다.

또한 상기 n-형 InGaAsP 격자층을 TE 및 TM 편광된 각각의 빛에 대해 적합하도록 이중격자를 형성하게 되면 편광독립된 파장가변 광필터로 동작시킬 수도 있다. 즉, 상기 n-형 InGaAsP 격자층 주기를 TE 편광에 대응되는 격자주기와 TM-편광에 대응되는 격자주기를 이중으로 동시에 형성하여 편광에 독립적이게 할 수 있다.

본 발명의 구조를 구현하는 실시예를 도 4a,b와 도 6a내지 도 6f에 도시하였다. 반도체 결정성장에 있어서 반도체 표면에 도 4a에서 SiNx 유전체 박막(42)부분에 유전체 박막패턴을 형성하면 유전체 박막 위에는 반도체와 격자구조가 다르므로 결정이 성장되지 않고 반도체 위에만 결정이 성장된다. 이와 같은 결정성장법을 선택영역 성장법 (Selective Area Growth : SAG)라 부른다. SAG에 있어서 유전체 박막 위에 도달한 성장재료 물질(InP 성장시에는 In-원자 및 P-원자)들은 유전체 박막 위에는 성장되지 않기 때문에 측면으로 이동하며 따라서 유전체 박막과 반도체의 경계영역에서 두껍게 성장된다. 따라서 유전체 박막의 패턴이 넓을수록 많은양의 성장재료들이 옆으로 이동하기 때문에 경계영역의 성장이 더욱 두껍게 형성된다. 도 4a와 같이 유전체 박막을 형성할 경우 도 4a의 A-영역은 B-영역보다 두껍게 성장되게 되어 도 2와 같은 광필터 구조를 구현하는데 활용할 수 있다. 도 4b는 유전체 박막 패턴 사이의 반도체(43) 위에 성장된 InP의 두께를 위치(χ)에 따라 도해한 것으로 위치에 따라 유전체 박막의 너비를 변화시킴으로써 도 2의 구조를 구현한다는 소기의 목적을 달성할 수 있다. 도 4에 있어서 유전체 박막패턴의 최대 너비 (W1)은 100 ∼ 200 ㎛, 유전체 박막 패턴 사이의 반도체의 폭 (W2)는 2∼30 ㎛이 적당하다. 도 5는 실제 성장한 실험결과를 도해한 것으로 도 4a의 W1과 W2의 변화에 따라 성장 두께가 변화하는 것을 나타내고 있으며 따라서 도 2에 나타낸 구조를 충분히 구현할 수 있음을 나타내 준다.

실제 구현하는 방법을 도 6을 통해 예시하면 다음과 같다. 먼저 InP 기판 위에 제 1도파로(62)를 구성하는 물질인 InGaAsP를 기상증착법(VPE) 또는 유기금속 기상증착법(OMVPE) 또는 액상증착법(LPE)등의 방법으로 성장한 다음 일정한 폭을 갖도록 패턴화한다(도6a). 그 위에 InP층(63)과 격자층(64)을 성장하고 격자층만 설계된 규격으로 패턴화한다(도6b). 그 위에 유전체 박막을 증착한 다음 도 6c에 예시한 바와 같이 패턴을 형성한다. 패턴을 형성할 때 유전체 박막을 광필터의 가운데에 해당하는 곳의 폭이 좁게, 광필터의 끝부분에 해당하는 곳의 폭이 넓게 되도록 패턴을 형성하고, 선택영역 성장법에 의하여 두 도파로 사이의 두께를 제어하게 한다.

그 위에 선택영역성장법으로 InP 결정을 성장하면 도 6d와 같이 공간적으로 두께가 제어된 InP 에피층(66)을 얻을 수 있게 되며 그 위에 제2도파로 구성물질인 InGaAsP층을 성장한 후 일정한 폭을 갖도록 스트라잎 형상으로 패턴화하여 제2도파로(67)를 형성한다(도 6e) 그 위에 전면 InP를 성장하여 도파로를 반도체 내부에 형성시키면 광필터가 완성되어(도 6f) 도 2에 제시한 구조를 구현할 수 있다.

이와 같이 제작된 광필터는 두 도파로 사이의 광결합 효율이 일정한 값을 갖는 것이 아니라 공간적으로 변화시킬 수 있기 때문에 도 3에 도시된 바와 같이 실제 응용에 장애가 되는 사이드로브가 제거된 파형(2)을 얻을 수 있고, 따라서 WDM 통신의 이웃하는 채널간의 크로스토크(crosstalk)특성을 크게 개선할 수 있다.

Claims

수직결합형 광필터에 있어서,

n-형 InP 기판(21)과;

상기 n-형 InP 기판(21)위에 두께 0.3∼0.8 ㎛으로 적층되고 1∼3 ㎛의 폭과 3∼10 mm의 길이를 갖도록 공간적으로 제한된 InGaAsP 제 1도파로층(22)과;

상기 제 1도파로층(22)위에 0.1∼0.5 ㎛ 위에 형성되고 두께가 0.02 ∼ 0.2 ㎛ 이며 10∼30 ㎛의 주기를 갖도록 공간적으로 제한된 n-형 InGaAsP 격자층(23)과;

상기 n-형 InGaAsP격자층(23)위에 두께 1∼3 ㎛으로 적층된 n-형 InP(24)과;

상기 n-형 InP(24)위에 두께 0.2 ∼1 ㎛으로 적층되고 1∼5 ㎛의 폭과 3∼10 mm의 길이를 갖도록 공간적으로 제한된 p-형 InGaAsP 제 2광도파로층(25)과;

상기 제 2광도파로층(25)위에 두께 1 ∼3 ㎛으로 적층된 p-형 InP 클래드층 (26)으로 구성되고 상기 두 도파로 사이의 거리가 광필터의 가운데 부분의 거리가 0.5∼1.5 ㎛으로 가장 가깝고 양 끝단에서는 2∼4 ㎛으로 가장 멀리 떨어지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 사이드로브가 제어된 격자도움 수직결합형 광필터.
제 1 항에 있어서,

전류주입 또는 전계효과에 의한 결합광의 파장변화가 가능하도록 광필터의 윗면에 p-형 전극을, 광필터의 아래면에 n-형 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 사이드로브가 제어된 격자도움 수직결합형 광필터
제 1 항에 있어서,

상기 n-형 InGaAsP 격자층 주기는,

TE 편광에 대응되는 격자주기와 TM-편광에 대응되는 격자주기를 이중으로 동시에 형성하여 편광에 독립적이도록 구성된 것을 특징으로 하는 사이드로브가 제어된 격자도움 수직결합형 광필터.
InP 기판 위에 제 1도파로를 구성하는 물질인 InGaAsP를 유기금속 기상증착법(OMVPE)의 방법으로 성장하고 1∼3 ㎛의 폭을 갖도록 패턴화하는 공정과;

그 위에 InP층과 격자층을 성장하고 격자층만 10∼40 ㎛의 주기를 갖도록 패턴화하는 공정과;

그 위에 증착한 유전체 박막을 패턴화하는 공정과;

그 위에 선택영역성장법으로 InP를 성장하되 공간적으로 두께를 제어하는 공정과;

그 위에 제2도파로 구성물질인 InGaAsP층을 성장한 후 1∼5 ㎛의 폭을 갖도록 스트라잎 형상으로 패턴화하여 제2도파로(67)를 형성하는 단계와;

그 위에 전면 InP를 성장하여 사이드로브를 제어하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 사이드로브가 제어된 격자도움 수직결합형 광필터의 제조 방법.
제 4 항에 있어서,

상기 유전체 박막을 패턴화하는 공정은,

유전체 박막을 광필터의 가운데에 해당하는 곳의 폭이 좁게, 광필터의 끝부분에 해당하는 곳의 폭이 넓게 되도록 패턴을 형성하고, 선택영역 성장법에 의하여 두께를 제어하는 공정을 특징으로 하는 사이드로브가 제어된 격자도움 수직결합형 광필터의 제조 방법.