KR100250475B1 - 일차원 어레이 방식의 표면 투과형 광스위치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일차원 어레이 방식의 표면 투과형 광 스위치에 관한 것으로, 특히 광도파로가 필요 없는 패브리-페롯(Fabry-Perot) 타입으로 제조되고, 공간 분할 방식의 증폭기만으로 집적된 표면투과형 광 스위치에 관한 것이다.

본 발명의 표면 투과형 광 스위치는 광 스위칭을 위해서는 3개의 광 증폭기를 겹쳐 놓은 구조로서, 입사된 신호빔은 첫 번째 광 증폭기를 통해 증폭되고 다시 그위에 겹쳐있는 두 번째 광 증폭기를 통과하면서 두 번째 신호 증폭과 아울러 메트릭스형의 n×n의 증폭기가 된다. 두개의 증폭기를 거쳐 증폭된 신호빔은 다시 3번째의 증폭기를 거치면서 n×n의 메트릭스 스위칭 하고, 입사면의 반대쪽으로 출사된다. 표면형 패브리 페롯 타입 구조의 특징은 이득 밴드 폭이 5 ㎚ 이내로 작아 다중 파장 중에 한 개의 파장 만을 선택적으로 골라 증폭할 수 있다.

Description

일차원 어레이 방식의 표면 투과형 광 스위치

본 발명은 일차원 어레이 방식의 표면 투과형 광 스위치에 관한 것으로, 특히 광 도파로가 필요없는 패브리 페롯(Fabry-Perot) 타입으로 제조되고, 공간 분할 방식의 증폭기만으로 집적된 인듐 알루미늄 갈륨 비소(InAlGaAs) 계열의 표면투과형 광 스위치에 관한 것이다.

광 교환의 다중화 방식에 따라 앞으로 교환 속도가 가장 빠를 것으로 예상되는 기술은, 공간 다중화 방식이며 그에 따른 핵심 기술은 집적이 가능하고 제조 공정이 단순한 광 스위치이다. 이를 위해 공간 분할 방식의 일차원 표면 투과형 어레이를 이용한 메트릭스 광 스위치를 제조 하고자 한다. 메트릭스 광 스위치는 공간 분할 방식 이외도 시간, 파장 분할 방식에도 응용 될 수 있으며 병렬형 광 연산 처리에도 활용될 수 있다. 이 스위치는 광 증폭기(optical amplifier)와 광 필터(optical filter)의 역할도 동시에 실행하며 파장 분할 방식에서 한 개의 특정 파장만을 선택할 수 있어 매우 유용하다. 현재 상용화 되고 있는 메트릭스 광 스위치로는 LiNbO₃기판을 이용한 방향성 결합기형 또는 마하 젠더(Mach-Zender) 간섭계형의 반도체 광 증폭기형 스위치이지만, 소자가 길거나 크며 다른 광소자와의 집적이 어려운 단점을 지니고 있다. 즉, 얇은 박막층을 따라 평행하게 생성되는 광 도파로가 필수적이고, 도파로의 구성은 거미줄처럼 합쳐지고 갈라지는 복잡한 형태이며 도파로 상에 개별적인 스위치 어레이가 필요하다. 특히, n×n 개의 스위치를 위해서는 일반적으로 2n(n-1) 개의 스위치 어레이가 필요하다. 그러므로, 메트릭스에서 n의 수치가 증가하면 기하 급수적으로 많은 소자들의 결합이 광 도파로와 더불어 필요하고 대형화되기 때문에 실용화는 한계가 있다. 그러나 표면 투과형 광스위치는 공간분할 방식의 메트릭스형으로 도파로가 필요 없는 스위치이다. 또한, 광증폭과 광필터 역할을 할 수 있어 시간 파장분할 방식에도 응용이 가능하며 더 나아가 병렬형 광연산처리가 가능하다.

본 발명은 3번에 걸친 광 증폭기를 통해 패브리-페롯 타입의 연속적인 광 증폭이 가능한 표면 투과형 광 스위치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 입사 빔이 투과 될 수 있는 인디움 기판과, 거울의 반사율이 1인 하부 초격자 거울, 입사파장과 동일한 공진모드 한 개만을 발생시킬 수 있는 공진층 두께를 가지는 활성층 및 입사빔의 원형에 비해 모양과 크기가 다른 직사각형 또는 타원형의 메사면을 가진 상부 초격자 거울로 이루어진 패브리-페롯 타입의 광증폭기와, 상기 인디움 기판 아래로부터 광신호가 입사하면 상기 메사면으로 광증폭되는 표면형 광증폭 방법을 이용하여 출사되는 것을 특징으로 한다.

도 1a는 본 발명에 따른 일차원 어레이 방식의 표면 투과형 광스위치를 설명하기 위한 도면.

도 1b는 광 증폭기 박막 구조의 전도 밴드 다이어그램을 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 일차원 어레이 형태의 광 증폭기를 설명하기 위한 도면.

도 3은 본 발명에 따른 4×4 메트릭스 광 증폭기를 설명하기 위한 도면.

도 4는 본 발명에 따른 일차원 어레이 방식의 표면 투과형 광 스위치를 설명하기 위한 도면.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호 설명＞

11 : InP기판 12 및 13 : 하부 초격자 겨울

14 : 활성층 15 및 16 : 상부 초격자 거울

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1a는 본 발명에 따른 일차원 어레이 방식의 표면 투과형 광스위치를 설명하기 위한 도면으로서, 1.55 마이크론 대역의 표면형 광 증폭기의 구조이다. 박막 구조는 표면형 레이저 구조와 흡사하며 MOCVD 성장법에 의한 한 번의 박막 성장으로 소자가 제조된다.

도 1b는 광 증폭기 박막 구조의 전도 밴드 다이어그램을 도시한 도면이다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 레이저 박막구조는 InP 기판(11) 위에 두 개의 초격자 거울(Distributed Bragg Reflector ; 이하 DBR이라 칭함)과 그 사이에 단일 공진층을 가진 활성층(14)으로 구성한다. 하부 DBR(12 및 13)은 InAlAs층과 InAlGaAs층을 한 쌍으로 하여 35 주기를 이루고, 상부 DBR(16 및 15)은 동일한 소재로 30 주기를 이룬다. DBR의 InAlGaAs층의 밴드갭 파장은 1,480 ㎚이다. 활성층(14)의 자세한 박막 구조는 2.5 ㎚ 두께의 InAlAs 장벽층과 9.0 ㎚ 두께의 InGaAs 양자우물층을 3 내지 9개 가진 공명 투과 다층 양자우물 구조이다. 공진층의 크래딩층(cladding layer)은 12.0 ㎚의 밴드갭을 가지며 공진층 두께가 λ=1이 되도록 조절한다. p-i-n 다이오드 구조에서 직렬 저항을 줄이고 자유 이동자 흡수율(free carrier absorption)을 최소화 하기 위해서는 하부의 DBR(12 및 13)의 제일 윗층(13) 만을 n 타입으로 도핑하고, 상부 DBR(15 및 16)은 아랫층(15) 만을 p 타입으로 도핑하였다. 그리고 다른 모든 층은 도핑을 하지 않았다. 상부의 DBR(15 및 16)은 메사 에칭에 의해 직사각형이나 긴 타원형의 모양을 가지며 상부 DBR의 왼쪽 면은 p 타입층을, 오른쪽 면은 n 타입층을 노출시켜 전기적(ohmic) 금속막을 증착하였다. 신호빔은 기판 아래에서 입사되어 공진층 내의 양자우물구조에서 이득(gain) 을 얻어 증폭된 후에 윗면으로 출사된다.

도 2는 본 발명에 따른 일차원 어레이 형태의 광 증폭기로써, 도 1의 광 증폭기 4 개가 한개의 기판 위에 병렬로 배열되어 있다. 전기적인 연결 방법도 도 1과 동일하며 광 증폭기 개별로 동작이 가능하다. 개별 증폭소자의 직사각형 메사 층을 중심으로 왼쪽 면은 p 층에, 오른쪽 면은 n 층에 전기적 금속 콘택층(ohmic metal contact layer)을 일률적으로 입힌다. 기판 아래에서 입사된 원형의 신호 빔은 기판을 투과하여 패브리-페롯 활성층에서 증폭되어 메사 식각된 에피층 직사각형 윗면 전체로 신호빔은 출사한다. 식각된 에피층 모양은 직사각형 대신에 길쭉한 타원형 모양으로 변형될 수 있다. 개별소자의 p-i-n 다이오드를 발진 임계전류 이하로 전원을 걸어준 상태에서 입사된 레이저 신호 빔은 동일한 패브리-페롯 공진 모드에 의해 증폭된 레이저 빔으로 출사된다. 이때 약하게 증폭되면 출사빔 모양은 메사 면의 중앙 부위보다 먼저 직사각형 둘레를 따라 얇은 링(ring)의 모양으로 발진하게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 4×4 메트릭스 광 증폭기이다. 도 2에 광 증폭기 박막 위에 동일한 구조를 가진 광 증폭기를 연속 성장하여 두 개의 증폭기를 직렬로 연결한 구조이다. 두 번째 층의 증폭기도 스스로 발진 가능한 임계전류 이하에서 동작하도록 하여 첫 번째 층의 증폭기를 통과하여 직사각형 메사 형태로 입사하는 레이저 빔은 두 번째로 동일한 패브리-페롯 공진 모드에 의해 증폭된다. 두 번째로 증폭된 빔은 정사각형 메사모양으로 4×4 메트릭스를 이룬다. 16개의 광 증폭기는 전기적으로 분리되어 독립적으로 동작 가능하다. 첫 번째 층의 증폭기에 의해 증폭된 직사각형 빔이 그 위에 있는 두 번째 층의 정사각형 증폭기로 입사되더라도 동작 방법에 의해 증폭이 중단되고 오히려 투과되는 신호 빔을 줄일 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 일차원 어레이 방식의 표면 투과형 광 스위치로써, 도 3의 광 증폭기 위에 도 2의 광 증폭기를 덮어 놓은 구조이다. 단지 가장 위에 놓여 있는 3 번째 증폭기는 기판을 뒤집어 놓은 형태로 3개의 증폭기는 직렬로 배열되어 있다. 입사된 신호 빔이 직렬로 연결된 3 개의 증폭기를 거치면서 모두 증폭이 되면 상부에 있는 기판 위로 출사하도록 한다. 그러므로 세 번째 증폭기의 다른 점은 기판쪽의 상부 거울 반사율이 같은 증폭기의 하부 거울에 비해 작도록 설계한다. 또한 두 번째 층의 증폭기의 직사각형 메사 면은 첫 번째 층의 증폭기의 메사 면에 직각이 되도록 90도 돌려놓는다. 세 번째 층의 증폭기도 스스로 발진 가능한 임계전류 이하에서 동작하도록 하여 두 개의 증폭기를 투과하고 증폭되어 입사하는 레이저 빔은 세 번째로 동일한 패브리-페롯 공진 모드에 의해 증폭된다. 세 번째 층에서 증폭된 빔은 두 번째 4×4 메트릭스 증폭기의 정사각형 모양을 따라 직사각형으로 증폭되어 윗 편의 기판 위로 출사한다.

따라서, 3번에 걸친 광 증폭기를 통해 패브리-페롯 타입의 연속적인 광 증폭이 가능하도록 설계한다. 표면형 레이저 구조와 매우 흡사하여 고유 발진 임계전류 이하에서 작동을 하도록 한다. 스위칭 하고자 하는 입사 신호의 파장은 광 증폭기의 공진 주기가 같도록 설계하고 직렬로 연결되어 있는 3개 층의 증폭기들은 입사 되는 광 신호에 대해 독립적으로 스위칭이 될 수 있도록 한다. 에피 구조는 가능한 한 성장 횟수를 줄일 수 있도록 단순하게 설계하며, 발진의 문턱 전류 이하에서 동작하는 활성층도 양자우물구조로 설계하여 작은 광 세기를 가지는 입사 빔에도 큰 광 증폭이 일어나도록 한다. 입사되는 빔의 모양이 원형이더라도 그와 다른 비교적 큰 직사각형이나 타원형으로 광 증폭이 일어나도록 한다.

부가 설명하면, 본 발명에 따른 광 스위치소자는 3개의 패브리-페롯 타입의 광 증폭기 층들을 겹친구조이며 한 개의 광 증폭기의 박막 구조는 표면 발광 레이저 구조와 흡사하다. 도 1에 도시된 바와같이 1.55 마이크론 대역의 표면투과형 광스위치는 언도프트(Undoped) InP 기판 위에 InAlGaAs 계열의 다층 박막층을 에피 성장한 구조를 가지며1.55 마이크론 대역의 증폭 파장대역이 극히 협소한 패브리 페롯 타입이다. 광증폭기의 기본구조는 두개의 초격자 거울(Distributed Bragg reflector)과 입사파장과 동일한 공진모드 한개 만를 발생시킬 수 있는 공진층 두께를 가지는 활성층으로 이루어진다. 활성층은 다층 양자우물구조로 이루어 양자효율을 높히고 공명투과 양자우물구조를 이용하여 전자구속력을 향상시키다.

하부 거울의 반사율은 1이 되도록 하고 상부 거울은 하부 거울에 비해 약간 낮도록 하여 기판 아래에서 입사된 빔은 InP기판을 투과하여 광증폭기를 거쳐 증폭되고 에피층 윗면으로 출사하도록 하였다. 상부 거울은 직사각형으로 메사식각 (mesa etching)을 하고 n 타입층과 p 타입층을 식각에 의해 노출시켜 오믹 콘택(ohmic contact)용 금속박막을 증착하여 다이오드 구조에 전류를 가할 수 있도록 하였다. 도 2에서 보여주듯이 InP 기판 위에 4개의 직사각형 메사 모양의 광증폭기를 동일하게 공정 제작하고 개별적인 증폭이 가능 하도록 도 1a에 도시된 바와같이 배선할 수 있도록 하였다. 광섬유를 통해 입사된 신호 빔의 크기는 원형으로 지름이 10 마이크론 이내로 예상되기 때문에 직사각형 메사면의 단축의 길이도 마찬가지로 10 마이크론 이내로 한다. 장축의 길이는 광스위치 메트릭스 크기에 따라 다르다. 동작전류는 고유 발진 임계전류 이하로 조절하여 입사된 레이저 신호빔에 의해 그 파장과 동일한 단일 주파수의 패브리 페롯공진모드와 이득이 공진층과 양자우물구조에서 발생토록 하였다.

입사 빔에 의해 증폭이 되어 나오는 출사빔은 증폭이 시작되는 순간에는 직사각형의 메사 식각면의 둘레를 따라 링(ring) 모양으로 일어나다가 시간이 지남에 따라 출사 빔의 면적이 점차 직사각형 중앙으로 넓어진다. 이는 인젝션 커런트(injection current)가 메사로 이루어진 직사각형 가장자리에 주로 모여있다가 증폭이 되는 순간에 먼저 가장자리로 부터 일어나고 점차 케리어 디퓨젼(carrier diffusion)에 의해 중앙으로 일어나는 것으로 풀이된다. 표면 투과형 증폭기의 특징은 공진 모드에 의한 이득밴드 폭은 5 nm 이하로 줄일 수 있다. 출사되는 빔의 모양은 동작전류와 메사모양에 따라 크게 영향을 받는다.

그러므로, 광섬유에 의해 원형으로 입사된 빔은 첫번째 증폭기에서 직사각형의 모양으로 증폭되어 출사될 수 있으며 증폭된 직사각형의 레이저 빔은 4 x 4 어레이형 두번째 증폭기를 지나면서 정사각형 모양으로 또 한번 증폭된다. 도 3에 도시된 바와같이 첫번째 직사각형 모양의 한개의 증폭기 위에 4개의 개별 소자를 두번째로 올려놓아서 모두 16개의 메트릭스 증폭기 소자들이 개별적으로 동작 가능하도록 설계하였다. 메트릭스 소자들의 박막구조와 전기적 연결방법은 도 1의 구조와 동일하다. 모든 동작구도는 첫번째 층의 증폭기 작동을 하여야 두번째 층의 메트릭스 소자의 구동이 가능하며, 첫번째 층의 증폭기가 작동하더라도 그 위에 놓여 있는 두번째 층의 메트릭스 소자들을 개별적으로 증폭되거나 못하도록 조절할 수 있다. 그리고 그위에 또다른 3번째 층의 광증폭기를 기판이 위쪽으로 향하도록 뒤집어 올려놓는다 (도 4참조).

3번째 광증폭기는 직사각형으로 구조나 공정방법이 도 2에 도시된 바와같이 동일하지만 단지 신호 빔이 증폭기들을 한쪽 방향으로 통과하도록 윗 거울의 반사율을 아랫 거울보다 낮혔다. 3번째 층의 증폭기의 직사각형 구조도 첫번째 층의 증폭기를 기준으로 90 도 돌려놓은 형태이다. 만일 두번째 층에 있는 16개 메트릭스 소자들 중에 한개의 증폭기가 작동되면 그것과 상하로 중복되는 3번째 층의 증폭기도 따라서 증폭 될 수 있다. 이 때 증폭된 빔 모양은 직사각형으로 작동 원리는 첫번째 층의 증폭기에 대한 설명과 동일하다. 만일 세번째 증폭기의 직사각형 메사 밑에 나열된 4개의 두째층 메트릭스 소자들 중에 2개 이상의 소자들의 서로 다른 신호빔이 증폭되어 동시에 세번째 층으로 입사 되도라도 세번째 층의 직사각형 증폭기는 그들 신호가 합쳐진 상태로 증폭되어 출사된다. 이러한 두개 이상의 서로 다른 빔들의 합쳐지는 광기능은 연산처리에 활용돨 수 있다.

광스위치는 메트릭스형으로 n 값이 클수록 효율적이며 구조는 단순하고 크기는 작게 유지되어야 한다. 이를 위해 공간분할 방식의 표면투과형 광스위치는 이러한 조건을 충분히 만족시키며 WDM, TDM, 광 컴퓨터 등에도 응용할 수 있다. 구성은 3개의 층으로 겹쳐 직렬로 연결되어 있는 3개의 서로 다른 패브리 페롯타입 광증폭기로 메트릭스 n의 수치가 늘어나도 층수는 변하지 않는다. 입사되는 광신호가 다중 파장이더라도 그중에 한 종류의 파장을 가진 광신호 만을 선택하여 (광 필터링의 역할) 증폭 시키고 선택된 신호 빔을 스위칭 할 수 있다. 증폭기의 이득 밴드폭 (gain bandwidth)은 5 nm 이하로 밴드의 중심파장의 변화는 동작온도를 조절로 가능하다. 광필터의 가변파장은 1 K당 0.2 nm의 변화를 기대한다. 그러므로 다중파장 신호를 가진 입사 빔에 대한 메트릭스 광스위치 개별소자들은 한종류 파장만을 선택하여 통과시키며 메트릭스 위치가 서로 교환되거나 이전되야 출사된다.

상술한 바와 같이 본 발명은 차세대 병렬형 공간 분할 방식 (free space division multiplex)뿐만이 아니라 다파장 분할 방식 (wavelength division multiplex)과 시간분할방식 (time division multiplex)을 위해 응용될 수 있다. 병렬형 광컴퓨터를 위한 광연산처리 소자로도 활용될 수 있어 응용 범위는 다양하다. 일반적으로 지금까지 주로 알려진 메트릭스 광스위치는 신호 빔의 전달 방향이 박막층과 평행한 측면형으로 광도파로가 요구되며 섬세하고 정확한 구조와 복잡한 공정이 요구되지만 본 발명의 핵심소자는 광도파로가 전혀 필요 없는 표면 투과형이다. 박막구조의 생성방법이 간단하고 메트릭스 소자의 기하학적인 구성이 단순하여 공정 과정이 손쉽다. 측면형 스위치의 경우에는 n x n의 메트릭스의 n의 수치가 크면 클수록 광도파로의 길이가 기하급수적으로 길어져 광도파로에 의한 손실이 매우 크다. 이를 보상하기 위해 더 많은 광증폭기가 도파로 상에 필요하게 되고 그로 인한 광소자 간의 접속 효율(coupling efficiency)도 문제가 되며 메트릭스 소자의 대형화가 불가피하다. 반면에 본 발명에서 출원하는 표면 투과형 스위치는 n의 수치가 증가해도 고정된 3번에 걸친 광증폭과 불필요한 도파로 덕분에 광손실은 일정하게 적으며 소자의 크기를 작게 유지할 수 있다. 그러므로, 표면 투과형은 n의 수치가 큰 메트릭스에서 활용 가능성이 특히 크며 생산비도 상대적으로 매우 저렴하다.

또한, 본 발명은 재성장이 필요없는 에피성장과 광도파로가 불필요한 구조로 공정제작이 단순하고 공정 전에 광특성을 쉽게 예상할 수 있으며 1차원적으로 배열되는 광섬유의 효율적인 접속방법도 간단하다. 광도파로에 의한 광손실을 빼더라도 광 스위치와의 광 접속 효율을 고려한 전체적인 광손실도 매우 적으며 안정된 파장을 유지할 수 있다. 메트릭스의 n의 수치는 늘어나도 광스위치 전체소자 넓이는 정사각형으로 n x n의 비율로 작게 유지될 수 있다. 그러므로 박막성장, 제작공정, 특성분석 기술이 간단하고 쉬워 재현성은 높고 생산비는 매우 저렴하다.

Claims (5)

1. 입사 빔이 투과 될 수 있는 인디움 기판과,

   거울의 반사율이 1인 하부 초격자 거울, 입사파장과 동일한 공진모드 한 개만을 발생 시킬 수 있는 공진층 두께를 가지는 활성층 및 입사빔의 원형에 비해 모양과 크기가 다른 직사각형 또는 타원형의 메사면을 가진 상부 초격자 거울로 이루어진 패브리-페롯 타입의 광증폭기와,

   상기 인디움 기판 아래로부터 광신호가 입사하면 상기 메사면으로 광증폭되는 표면형 광증폭 방법을 이용하여 출사되는 것을 특징으로 하는 일차원 어레이 방식의 표면 투과형 광 스위치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 표면형 광증폭 방법을 이용하여 일정 모양의 상기 광 증폭기들을 직렬로 겹쳐놓아 공간분할 방식의 다수개의 메트릭스 스위칭을 독립적으로 하여 광증폭과 광 필터 역활을 겸하여 필터파장을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 일차원 어레이 방식의 표면 투과형 광 스위치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 하부 초격자 거울은 InAlAs층과 InAlGaAs층을 한 쌍으로 하여 35 주기를 이루고, 상부 초격자거울은 InAlAs층과 InAlGaAs층을 한 쌍으로 30 주기를 이루는 것을 특징으로 하는 일차원 어레이 방식의 표면 투과형 광 스위치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 활성층은 2.5 ㎚ 두께의 InAlAs 장벽층과 9.0 ㎚ 두께의 InGaAs 양자우물층을 3 내지 9개 가진 공명 투과 다층 양자우물 구조인 것을 특징으로 하는 일차원 어레이 방식의 표면 투과형 광 스위치.
5. 제 1 또는 3 항에 있어서,

   하부 초격자 거울은 제일 윗층 만을 n 타입으로 도핑하고, 상부 초격자 거울은 아랫층 만을 p 타입으로 도핑한 것을 특징으로 하는 일차원 어레이 방식의 표면 투과형 광 스위치.

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