KR100276075B1

KR100276075B1 - 격자도움수직결합형파장가변광필터

Info

Publication number: KR100276075B1
Application number: KR1019970041044A
Authority: KR
Inventors: 박찬용; 김덕봉; 오광룡; 김홍만
Original assignee: 이계철; 한국전기통신공사; 정선종; 한국전자통신연구원
Priority date: 1997-08-26
Filing date: 1997-08-26
Publication date: 2000-12-15
Also published as: KR19990017960A

Abstract

본 발명은 격자의 방향을 도파로의 방향과 어긋나게 하여 두 도파로 사이의 광결합 효율을 가중화함으로써 광필터의 특성을 저해하는 사이드로브를 제어하는 격자도움 수직결합형 파장가변 광필터에 관한 것으로서, n-형 InGaAsP 격자층을 n-형 InGaAsP 격자가 상기 두 도파로 사이에 동일 평면상으로 삽입되어 두 도파로의 진행방향과 수° 이상의 각도로 어긋나게 되어 있고, 상기 도파로의 중간부분에서 교차하도록 배열함으로써, 광결합효율을 공간적으로 제어할 수 있음에 따른 사이드로브 특성을 향상시킬 수 있으므로 특성이 매우 우수한 반도체 광필터를 제작할 수 있는 효과를 갖는다.

Description

격자도움 수직결합형 파장가변 광필터

본 발명은 파장분할 다중 방식(Wavelength Division Multiplexing : 이하 WDM으로 칭함)의 광통신에 사용되는 파장선택성을 갖는 광필터(Tunable Optical Filter : 이하 TOF로 칭함)에 관한 것으로, 상세하게는 격자의 방향을 도파로의 방향과 어긋나게 하여 두 도파로 사이의 광결합 효율을 가중화함으로써 광필터의 특성을 저해하는 사이드로브를 제어하는 격자도움 수직결합형 파장가변 광필터에 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.

도 2는 종래의 격자도움형 방향결합기 광필터의 구조를 나타낸 수직단면도이고, 도 3은 종래의 격자도움형 방향결합기 광필터의 구조를 보여주는 평면도이며, 도 4는 종래의 격자도움형 방향결합기 광필터의 측단면인데, 상기 도 2에 도시된 바와 같이 두 광도파로 사이에 격자를 삽입하여 광결합을 발생시키며 한 도파로로 입사된 광을 다른 도파로로 뽑아서 신호광으로 사용하는 것으로서, 이때 격자(13)는 두 도파로 사이에서 광을 결합시키는 역할을 하며, 두 도파로가 비대칭일 때 어느 특정 파장만 다른 도파로로 결합된다.

수직 단면구조는 도 2에 도시된 바와 같이 n-형 InP 기판 (11)과, 그 위에 두께 0.5∼1 ㎛으로 적층된 n-형 InP 완충층과, 그 위에 두께 0.3∼0.8 ㎛으로 적층되고 1∼3 ㎛의 폭과 3∼10 mm의 길이를 갖도록 공간적으로 제한된 InGaAsP 제 1도파로층 (12)층과, 상기 제 1도파로에서 0.1∼0.5 ㎛ 위에 형성되고 두께가 0.02 ∼ 0.2 ㎛ 이며 10∼30 ㎛의 주기를 갖도록 공간적으로 제한된 n-형 InGaAsP 격자층 (13)과, 그 위에 두께 1∼3 ㎛으로 적층된 n-형 InP (14)과, 그 위에 두께 0.2 ∼1 ㎛으로 적층되고 1∼5 ㎛의 폭과 3∼10 mm의 길이를 갖도록 공간적으로 제한된 p-형 InGaAsP 제 2광도파로층(15)과, 그 위에 두께 1 ∼3 ㎛으로 적층된 p-형 InP 클래드층 (16)으로 구성된다.

상기와 같은 격자도움형 방향성 결합기는 전류주입 또는 전계효과를 이용해서 도파로의 굴절률을 바꾸어 줌으로써 제 2도파로로 출력되는 빛의 파장을 바꿀 수 있는데, 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 됨으로써, i-번째 파장만 제 2도파로로 출력시키기 위해서는 제 1도파로에서 제2도파로로 결합되는 광파장 스펙트럼이 이웃하는 (i-1)-번째 파장과 (i+1)-번째 파장에서는 영이 되어야 이상적이나 상기 도 1에 도시된 광필터 구조는 제 2도파로에 결합되는 출력스펙트럼이 광파장 변화에 대해 도 5에 가는 실선(1)으로 표시된 것과 같은 형태를 가지며, 중심파장 좌우에서 사이드로브라 불리우는 작은 피크값(1a)을 가지고 이 사이드로브의 위치에 따라 이웃하는 채널이 영향을 받게 되므로 광필터가 실용가능하기 위해서는 사이드로브의 제거가 필수적인데, 이 사이드로브는 도 2와 3에 도시한 두 도파로 사이의 거리가 일정하기 때문에 두 도파로 사이의 광결합 효율이 일정한데에 그 원인이 있다.

따라서 종래에는 제 1도파로와 제 2도파로를 같은 평면상에 제작하고 반도체 공정과 같은 포토마스크 작업을 통해 평면형으로 제작하였으나, 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.

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.

광필터의 특성 향상을 위해 제 1도파로와 제 2도파로를 수직결합형으로 제작하여 도파로 간격을 일정하게 유지하여 특성을 정확히 제어하면서도 필터의 특성 저해요소인 사이드로브를 제어할 수 있다.

이에 본 발명은 두 도파로 사이에 삽입되는 격자층을 도파로 방향과 어긋나게 함으로써 광결합 효율에 공간적인 가중치를 부여하여 필터의 특성 저해요소인 사이드로브를 억제시킬 수 있는 파장선택성을 갖는 광필터를 제공함을 그 목적으로 한다.

도 1 은 본 발명에 따른 수직결합 격자도움형 파장가변 광필터의 구조를 나타낸 평면도.

도 2 는 종래의 수직결합 격자도움형 파장가변 광필터의 단면도.

도 3 는 종래의 수직결합 격자도움형 파장가변 광필터의 구조를 나타낸 평면도.

도 4 는 종래의 수직결합 격자도움형 파장가변 광필터의 측단면도.

도 5 는 본 발명에 의한 수직결합 격자도움형 파장가변 광필터와 종래의 수직결합 격자도움형 파장가변 광필터의 투과특성 비교도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

11 : n-InP substrate 12,21,31 : InGaAsP 제1도파로 (WG1)

13, 22, 32 : InGaAsP 격자층(제1도파로 밴드갭이 동일함) 14 : n-InP 클래드층

15,23,33 : InGaAsP 제2도파로(WG2;제1도파로와 밴드갭이 다름) 16 : p-InP 클래드층

상기 목적을 달성하기 위한 격자도움 수직결합형 파장가변 광필터는, n-형 InP 기판 (11)과, 상기 n-형 InP 기판 (11)위에 두께 0.3∼0.8 ㎛으로 적층되고 1∼3 ㎛의 폭과 3∼10 mm의 길이를 갖도록 공간적으로 제한된 InGaAsP 제 1도파로층(12)과, 상기 제 1도파로층(12)에서 0.1∼0.5 ㎛ 위에 형성되고 두께가 0.02 ∼ 0.2 ㎛ 이며 10∼30 ㎛의 주기를 갖도록 공간적으로 제한된 n-형 InGaAsP 격자층(13)과, 상기 n-형 InGaAsP 격자층(13)위에 두께 1∼3 ㎛으로 적층된 n-형 InP (14)와, 상기 n-형 InP (14)위에 두께 0.2 ∼1 ㎛으로 적층되고 1∼5 ㎛의 폭과 3∼10 mm의 길이를 갖도록 공간적으로 제한된 p-형 InGaAsP 제 2광도파로층(15)과, 상기 p-형 InGaAsP 제 2광도파로층(15)위에 두께 1 ∼3 ㎛으로 적층된 p-형 InP 클래드층(16)으로 구성되는 격자도움 수직결합형 광필터에 있어서, 상기 n-형 InGaAsP 격자층(13)은 n-형 InGaAsP 격자가 상기 두 도파로의 진행 방향과 수° 이상의 각도로 어긋나게 되어 있고, 도파로의 중간부분에서 교차하도록 배열된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 격자도움 수직결합형 파장가변 광필터의 수직단면구조는 종래의 광필터 구조인 도 2와 같으나 평면적 구성에서 서로 다른 즉, 수직 단면구조는 도 2와 같이 n-형 InP 기판 (11)과 그 위에 두께 0.5∼1 ㎛으로 적층된 n-형 InP 완충층과, 그 위에 두께 0.3∼0.8 ㎛으로 적층되고 1∼3 ㎛의 폭과 3∼10 mm의 길이를 갖도록 공간적으로 제한된 InGaAsP 제 1도파로층 (12)과, 제 1도파로층에서 0.1∼0.5 ㎛ 위에 형성되고 두께가 0.02 ∼ 0.2 ㎛ 이며 10∼30 ㎛의 주기를 갖도록 공간적으로 제한된 n-형 InGaAsP 격자층 (13)과, 그 위에 두께 1∼3 ㎛으로 적층된 n-형 InP (14)과, 그 위에 두께 0.2 ∼1 ㎛으로 적층되고 1∼5 ㎛의 폭과 3∼10 mm의 길이를 갖도록 공간적으로 제한된 p-형 InGaAsP 제 2광도파로층 (15)과, 그 위에 두께 1 ∼3 ㎛으로 적층된 p-형 InP 클래드층 (16)으로 구성되어져 있다.

그러나, 본 발명에 의한 격자층은 도 1의 수직단면에서 보여지는 것처럼 제 1 도파로와 제 2 도파로사이의 동일평면상에 위치하면서, 도 1의 평면도에서 알 수 있듯이 도파로의 진행방향과 격자의 배열방향이 소정의 각도를 이루고 어긋나게 되어 있으며, 도파로의 가운데 부분에서 도파로의 진행방향의 가상적인 선과 격자의 배열방향의 가상적인 선이 교차하도록 구성되어 있다.

즉, 도파로 전체의 길이를 L, 제 1도파로(31)의 너비를 W1, 제 2도파로(33)의 너비를 W2, 격자(32)의 너비를 Wg, 광필터의 끝단에서 도파로 중심과 격자층의 중심 사이의 거리를 W3라 할때 W1 = 1∼3 ㎛, W2 = 1∼5 ㎛, Wg = 1∼5 ㎛ 정도의 값을 가져야 적당하며 Q=W3/Wg로 정의된 어긋남 정도 Q는 0.5 ∼ 2 범위내에 있어야 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 광필터는 격자의 방향을 도파로의 방향과 어긋나게 하여 두 도파로 사이의 광결합 효율을 가중화함으로써 광필터의 특성을 저해하는 사이드로브를 제어할 수 있게 된다.

즉, 두 도파로 사이의 광결합은 격자층에서 발생하며, 따라서 격자가 두 도파로 사이의 평면적 공간상으로 중앙에 위치하지 않고 상기의 어긋남의 정도를 나타내는 Q가 0.5 ∼ 2 범위내에서 옆으로 빗나가도록 조절하면 두 도파로 사이의 광결합효율이 감소하게 되는데, 광필터소자의 제작시 격자배열과 도파로의 빗나간 정도를 조절함으로 광결합효율을 공간적으로 제어할 수 있고 이에 따라 사이드로브 특성이 크게 향상되기 때문에 본 발명을 적용하면 특성이 매우 우수한 반도체 광필터를 제작할 수 있게 된다.

상기의 구조를 갖는 광필터는 기본적인 구조만 예시한 것으로 상기 구성의 광필터에 전류를 주입할 수 있도록 전극을 형성하면 파장가변 광필터로도 동작시킬 수 있는 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 있는데 즉, 상기 n-형 InGaAsP 격자층 주기(Λ)를 TE 편광에 대응되는 격자주기와 TM-편광에 대응되는 격자주기를 이중으로 동시에 형성하여 편광에 독립적이게 동작하게 할 수 있다.

이와 같이 제작된 광필터는 두 도파로 사이의 광결합 효율이 일정한 값을 갖는 것이 아니라 공간적으로 변화시킬 수 있기 때문에 도 5에 도시된 바와 같이 실제 응용에 장애가 되는 사이드로브를 제거한 파형(2)을 얻을 수 있게 되고, 따라서 WDM 통신의 이웃하는 채널간의 크로스토크(crosstalk)특성을 크게 개선할 수 있다.

Claims

n-형 InP 기판 (11)과, 상기 n-형 InP 기판 (11)위에 두께 0.3∼0.8 ㎛으로 적층되고 1∼3 ㎛의 폭과 3∼10 mm의 길이를 갖도록 공간적으로 제한된 InGaAsP 제 1도파로층(12)과, 상기 제 1도파로층(12)에서 0.1∼0.5 ㎛ 위에 형성되고 두께가 0.02 ∼ 0.2 ㎛ 이며 10∼30 ㎛의 주기를 갖도록 공간적으로 제한된 n-형 InGaAsP 격자층(13)과, 상기 n-형 InGaAsP 격자층(13)위에 두께 1∼3 ㎛으로 적층된 n-형 InP (14)와, 상기 n-형 InP (14)위에 두께 0.2 ∼1 ㎛으로 적층되고 1∼5 ㎛의 폭과 3∼10 mm의 길이를 갖도록 공간적으로 제한된 p-형 InGaAsP 제 2광도파로층(15)과, 상기 p-형 InGaAsP 제 2광도파로층(15)위에 두께 1 ∼3 ㎛으로 적층된 p-형 InP 클래드층(16)으로 구성되는 격자도움 수직결합형 광필터에 있어서,

상기 n-형 InGaAsP 격자층(13)은,

n-형 InGaAsP 격자가 상기 두 도파로 사이에 동일 평면상으로 삽입되어 두 도파로의 진행방향과 수° 이상의 각도로 어긋나게 되어 있고, 상기 도파로의 중간부분에서 교차하도록 배열된 것을 특징으로 하는 격자도움 수직결합형 파장가변 광필터.
제 1 항에 있어서,

상기 도파로 전체의 길이를 L, 제 1도파로(31)의 너비를 W1, 제 2도파로(33)의 너비를 W2, 격자(32)의 너비를 Wg, 광필터의 끝단에서 도파로 중심과 격자층의 중심 사이의 거리를 W3라 할때 W1 = 1∼3 ㎛, W2 = 1∼5 ㎛, Wg = 1∼5 ㎛ 정도의 값을 가지고 Q=W3/Wg로 정의된 어긋남 정도 Q가 0.5 ∼ 2 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 격자도움 수직결합형 파장가변 광필터
제 1 항에 있어서,

전류주입 또는 전계효과에 의한 결합광의 파장변화가 가능하도록 상기 광필터의 상면에 p-형 전극이, 상기 광필터의 하면에 n-형 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 격자도움 수직결합형 파장가변 광필터.
제 1 항에 있어서,

상기 n-형 InGaAsP 격자층(13) 주기는,

TE 편광에 대응되는 격자주기와 TM-편광에 대응되는 격자주기를 이중으로 동시에 형성하여 편광에 독립적이도록 구성된 것을 특징으로 하는 격자도움 수직결합형 파장가변 광필터.