KR100277698B1 - 격자도움수직결합형반도체광필터 - Google Patents

Abstract

1. 청구 범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

광소자 제조 분야에 관한 것임.

2. 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제

도파로의 TE/TM 편광의존성을 제거할 수 있는 격자도움 수직결합형 반도체 광필터를 제공하고자 함.

3. 발명의 해결 방법의 요지

도파로 상에 TE모드에 해당하는 격자주기와 TM모드에 해당하는 격자주기를 동시에 설치하되 공간적으로 분리하고, 각각의 격자가 존재하는 도파로에 전류 주입의 방법 또는 전기장 효과에 의해 독립적인 파장 가변이 가능케 함으로써 도파로의 TE/TM 편광의존성을 제거한다.

4. 발명의 중요한 용도

광소자에 이용됨.

Description

격자도움 수직결합형 반도체 광필터{Grating-assisted codirectional vertical coupler semiconductor optical filter}

본 발명은 파장 분할 다중 방식 (Wavelength Division Multiplexing)의 광통신에 사용되는 격자도움 수직결합형 반도체 광필터에 관한 것으로, 특히 도파로의 TE/TM 편광의존성을 제거할 수 있는 격자도움 수직결합형 광필터에 관한 것이다.

광필터(Optical Filter)를 실현하기 위한 구조는 여러 가지가 있으나, 일반적으로 광소자와의 집적성이 좋은 반도체 재료를 수직으로 결합한 격자도움형 방향성 결합기(Grating-Assisted Codirectional Coupler : GACC) 필터가 많이 사용된다.

도1 및 도2는 각각 n형 InP 반도체 기판(11) 상에 차례로 적층된 n형 InGaAsP 제1 도파로(12), n형 InGaAsP 격자(13), n형 InP 제1 클래딩층(14), p형 InGaAsP 제2 도파로(15), p형 InP 제2 클래딩층(16)을 포함하여 이루어지는 종래의 격자도움 수직결합형 반도체 광필터 구조의 단면도 및 평면도로서, 도시한 바와 같이 종래의 격자도움 수직결합형 광필터는 두 도파로(12, 15) 사이에 격자(grating, 13)를 삽입하여 광결합을 발생시키며, 한 도파로로 입사된 광을 다른 도파로로 뽑아서 신호광으로 사용하는 것이다. 이때 격자(13)는 두 도파로 사이에서 광을 결합시키는 역할을 한다.

격자가 도파로에서 광결합을 도울 때 격자주기와 광결합이 일어나는 광파장의 상관관계는 다음의 식1과 같이 표현된다.

[식1]

상기의 식에서 n_eff,WG1및 n_eff,WG2는 각각 제1 및 제2 도파로에서 파장 λ를 갖는 빛이 느끼는 유효 굴절률을, Λ는 격자의 주기를 각각 의미한다. 상기 식1을 이용하여 각 편광 모드에 대한 격자주기(

)를 설정할 수 있는데, 일반적으로 10 내지 40 ㎛의 값 중 어느 하나의 값을 결정하여 격자간에 균일한 주기를 갖고 이루어지는 격자층을 형성한다. 그러나, 상기의 식1에서 n_eff,WG1및 n_eff,WG2는 TE 및 TM 편광에 대해서 다른 값을 갖는다. 따라서, 종래의 균일한 격자주기를 갖는 소자의 경우, TE 편광에 대한 소자의 응답과 TM에 대한 소자의 응답이 다르게 나타나는 편광의존성을 보인다.

도3은 격자주기(

)를 13 ㎛로 일정하게 했을 때의 각 파장에 대한 투과 특성을 나타내는 그래프로서, 투과 특성 측정에 관한 자세한 내용은 다음의 문헌에 기술되어있다(문헌, Park et al. Electronics Letters, 제33권 9호, 773쪽-774쪽, 1997년). 도3의 그래프에 나타난 결과는 파장이 1530.6 nm인 광파가 TE로 편광되어 있으면 100% 투과하나 TM으로 편광되면 투과하지 못하며, TM 편광의 경우는 파장이 1494 nm일때 100% 투과함을 의미한다.

상기와 같은 종래의 격자도움형 방향성 결합기 반도체 필터는 전류 주입 방법 또는 전기장 효과 방법으로, 도파로의 굴절률을 바꾸어 줌으로써 제2도파로로 출력되는 빛의 파장을 바꿀 수 있다. 이와 같은 파장 가변 광필터에서, 입력되는 광의 편광이 항상 TE모드 및 TM모드 중의 어느 하나이면 어떤 일정한 파장에서 두 도파로 사이의 광결합이 일어나고 응답 특성도 균일하게 되나, 실제 광통신에 있어서 온도 변화, 광섬유 위치 변경 등에 따라 광섬유 끝에서 출사되어 입력단으로 입력되는 광파의 편광 특성은 매 시간마다 달라지기 때문에 제 1도파로(12)로 입력되는 광파의 편광 특성을 제어하기가 어려운 단점이 있다.

상기 문제점을 해결하기 위한 종래 기술의 한가지 예로서, 제1 도파로와 제2 도파로가 TE 편광모드와 TM 편광모드에 대해 동일한 응답을 갖도록 하기 위해 정사각형의 단면 모양을 갖는 각 도파로를 제조하는 방법이 제시되기도 하였으나, 이 경우 대역폭 특성이 매우 나쁘고, 특히 반도체의 경우 정사각형 단면 모양을 갖도록 제작하기가 어려운 단점이 있다.

또한, 하이즈만(Heismann) 등은 TE 편광모드에 반응하는 격자와 TM 편광모드에 반응하는 격자를 동시에 같은 공간상에 형성하는 구조를 제안하였으나(Applied Physics Letters, 제6권, 2335쪽∼2337쪽, 1994년), 이러한 구조는 동일 공간상에 각 편광에 대한 격자가 동시에 설치됨으로써 설계가 정확히 되었다 하더라도 제조 공정에서 오차가 발생하면 TE편광과 TM편광 모드에 대한 도파로 응답이 달라지는 단점을 갖게 된다. 특히, 반도체 도파로 소자의 장점인 파장가변(튜닝) 특성에 있어서, 튜닝을 하게 되면 도파로의 굴절률이 바뀌게 되므로 다시 TE편광과 TM 편광에 대한 응답 특성이 달라지는 커다란 단점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 각 편광모드를 독립적으로 제어하여 격자도움 수직결합형 광필터 도파로의 TE/TM 편광의존성을 제거할 수 있는 격자도움 수직결합형 반도체 광필터를 제공하는데 그 목적이 있다.

도1은 종래 기술에 따른 격자도움 수직결합형 반도체 광필터 구조의 단면도.

도2는 종래 기술에 따른 격자도움 수직결합형 반도체 광필터 구조의 평면도.

도3은 종래 기술에 따른 수직결합형 반도체 광필터에서 나타나는 빛의 투과 특성을 보이는 그래프.

도4 본 발명의 일실시예에 따른 편광의존성이 제거된 격자도움 수직결합형 반도체 광필터 구조의 평면도.

도5 본 발명의 일실시예에 따라 편광의존성이 제거된 격자도움 수직결합형 반도체 광필터에서 나타나는 빛의 투과 특성을 보이는 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 설명

11 : n형 InP 기판 12, 41 : InGaAsP 제1 도파로

13, 42 : 격자 14 : n형 InP 제1 클래딩층

15, 43 : InGaAsP 제2 도파로

16 : p형 InP 제2 클래딩층 44 : TE 편광 조절전극

45 : TM 편광 조절전극

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 제1 도전형의 반도체 기판, 상기 반도체 기판 상에 차례로 적층된 제1 도전형의 제1 도파로층; 상기 제1 도파로층 상에 형성되며 도파로 방향으로 TE 편광영역 및 TM 편광영역을 구비하는 제1 도전형의 제1 클래딩층; 상기 제1 클래딩층 상에 차례로 적층된 제2 도전형의 제 2 도파로층, 제2 도전형의 제2 클래딩층; 상기 제1 클래딩층 내부의 상기 TE 편광 영역에 위치하며, TE 편광에 대응하는 주기로 배열된 제1 격자층; 상기 제1 클래딩층 내부의 상기 TM 편광 영역에 위치하며, TM 편광에 대응하는 주기로 배열된 제2 격자층; 및 상기 TE 편광영역 및 TM 편광영역에 각각 연결된 제1 및 제2 전극을 포함하는 격자도움 수직결합형 반도체 광필터를 제공한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 제1 도전형의 반도체 기판, 상기 반도체 기판 상에 차례로 적층된 제1 도전형의 제1 도파로층; 상기 제1 도파로층 상에 형성되며 도파로 방향으로 TE 편광영역 및 TM 편광영역을 구비하는 제1 도전형의 제1 클래딩층; 상기 제1 클래딩층 상에 차례로 적층된 제2 도전형의 제 2 도파로층, 제2 도전형의 제2 클래딩층; 상기 제1 클래딩층 내부의 상기 TE 편광 영역에 위치하며, TE 편광된 광의 굴절율이 상기 제1 도파로층 및 제2 도파로층에서 n_eff,TE,WG1및 n_eff,TE,WG2일 때

을 만족하는 Λ_TE의 주기로 배열된 제1 격자층; 상기 제1 클래딩층 내부의 상기 TM 편광 영역에 위치하며, TM 편광된 광의 굴절률이 상기 제1 도파로층 및 제2의 도파로층에서 n_eff,TM,WG1및 n_eff,TM,WG2일 때,

을 만족하는 Λ_TM의 주기로 배열된 제2 격자층; 및 상기 TE 편광영역 및 TM 편광영역에 각각 연결된 제1 및 제2 전극을 포함하는 격자도움 수직결합형 반도체 광필터를 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.

도4는 본 발명의 일실시예에 따른 격자도움 수직결합형 반도체 광필터 평면도로서, 서로 다른 주기(Λ_TE, Λ_TM)를 갖는 격자(42)가 도파로(41, 43) 전반부와 후반부에 각각 대응하도록 형성하고, 각각의 편광 제어 부분(TE 영역 및 TM 영역)에 각각 대응하는 전극(44, 45)을 형성하여 독립적인 편광 제어를 할 수 있는 구조를 나타낸다.

상기와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 격자도움 수직결합형 광필터는 도4에 도시한 바와 같이, n형 InP 기판(도시하지 않음)과 기판 위에 0.5 내지 1 ㎛ 두께의 n형 InP 버퍼층(도시하지 않음), n형 InP 버퍼층 위에 0.3 내지 0.8 ㎛ 두께 및 1 내지 3 ㎛ 폭과 3 내지 10 ㎜의 길이로 형성되는 n형 InGaAsP 제 1도파로층(41), 제 1도파로로부터 0.1 내지 0.5 ㎛ 위에 형성되고 두께가 0.02 내지 0.2 ㎛이며 10 내지 40 ㎛의 주기를 갖되, TE 영역과 TM 영역으로 분리되어 각 영역에 격자주기가 달리 형성되는 n형 InGaAsP 격자층(42), 격자층 아래 및 위에 1 내지 3 ㎛ 두께로 형성되는 n형 InP 제1 클래딩층(도시하지 않음), n형 InP 제1 클래딩층 위에 0.2 내지 1 ㎛ 두께로 적층되고 1 내지 5 ㎛의 폭과 3 내지 10 ㎜의 길이를 갖는 p형 InGaAsP 제 2 도파로층(43), 제2 도파로층 위에 형성되는 1 내지 3 ㎛ 두께의 p형 InP 제2 클래딩층(도시하지 않음) 및 p형 InP 제2 클래딩층 위에, TE 영역 및 TM 영역에 서로 다른 주기를 갖고 형성된 격자층(42)과 대응하는 각각의 전극(44, 45)을 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따른 격자도움 수직결합형 반도체 광필터는 광도파로 길이 방향으로 격자층을 두 부분으로 나누어, TE 편광에 대응하는 주기(Λ_TE)를 갖는 격자들로 이루어진 TE 영역과, TM 편광에 대응하는 주기(Λ_TM)를 갖는 격자들로 이루어진 TM 영역으로 이루어지며 상기 TM영역과 TE 영역은 소정의 영역에서 접하게 된다. 상기 각각의 격자주기 Λ_TE및 Λ_TM은 다음의 식2 및 식3의 조건에 따라 그 값이 결정된다.

[식2]

(TE 모드)

[식3]

(TM 모드)

상기의 식2 및 식3에서 n_eff,TE,WG1및 n_eff,TE,WG2는 각각 TE 모드로 편광된 파장 λ_TE인 광파가 제1 및 제2 도파로에 대해 느끼는 굴절률을, n_eff,TM,WG1및 n_eff,TM,WG2는 각각 TM 모드로 편광된 파장 λ_TM인 광파가 제1 및 제2 도파로에 대해 느끼는 굴절률을, Λ_TE및 Λ_TM은 TE모드 및 TM 모드에 해당하는 격자의 주기를 각각 나타낸다.

상기 식1 및 식2의 조건에서 λ_TM과λ_TE가 같아지도록 하기 위해서, TE 모드 및 TM 모드에 대한 유효굴절률을 고려하여 각 모드에 대한 격자 주기, Λ_TE및 Λ_TM를 설정하여야 한다. 그러나, 유효굴절률은 도파로를 구성하는 물질의 특성, 도파로 구성 물질의 두께 및 폭 등에 대한 함수이므로 공정상의 오차에 대해서 매우 민감하게 변한다. 따라서, 정확한 유효 굴절률의 제어란 매우 어렵기 때문에 각 편광 모드에 대응하는 격자주기 Λ_TE및 Λ_TM을 정확히 계산하여 형성하는 것 또한 어렵다.

도5는 본 발명의 일실시예에 따른, TE 영역은 13 ㎛의 격자주기(Λ_TE)를, TM 영역은 14 ㎛의 격자주기(Λ_TE)를 갖는 격자도움 수직결합형 반도체 광필터에서 TE 편광 및 TM 편광된 빛의 투과 특성을 나타낸 그래프로서, 13 ㎛의 주기를 갖는 격자에 대한 TE 편광된 광파(a)와, 14 ㎛ 주기를 갖는 격자에 대한 TM 편광된 광파(b)가 비슷한 파장 대역에서 응답을 보이고 있다. 도면부호 c 및 d는 각각 격자층에 격자주기(

)를 13 ㎛ 또는 14 ㎛로 동일하게 형성하였을 경우, TE 및 TM 편광된 빛의 투과 특성을 나타낸다.

상기와 같이 모드가 다른 빛에 대해 격자주기를 달리하여 10 ㎜ 이내의 대략적으로 같은 파장 값에 근접시키고, 전기장 효과나 전류 주입 등의 미세 조절 방법으로 각 광파의 파장을 이동시켜, TE 및 TM 편광의존성을 제거한다.

전류 주입 방법에 있어서, 제1 도파로를 구성하는 물질이 제2 도파로를 구성하는 물질보다 굴절률이 높고 pn접합을 제 1도파로에 형성할 경우, 전류 주입에 대해 투과 특성은 단파장 쪽으로 이동하므로, 이 경우는 도5의 14 ㎛의 격자주기에 대응하는 TM 곡선(b)을 단파장쪽으로 이동시켜 13 ㎛의 격자주기에 해당하는 TE 곡선(b)과 일치시키기 위하여 TM전극에 전류를 주입하여야 한다. 만약 소자 제조시 제2도파로에 pn 접합을 형성하였다면 광파가 전류 주입에 대해 장파장으로 이동하므로 TE 전극에 전류를 주입하여야 한다.

또한, 전기장 효과는 전기장을 가하는 것으로 pn 접합에 대해서 전류 주입과 반대 방향으로 작용하기 때문에 상기의 예시에 대해 반대로 적용하면 된다. 즉, 상기와 동일하게 제1 도파로를 구성하는 물질이 제2 도파로를 구성하는 물질보다 굴절률이 높고, pn 접합을 제1 도파로에 형성할 경우, 도5의 13 ㎛ 격자주기에 대응하는 TE곡선(a)을 장파장으로 이동시켜 14 ㎛의 격자주기에 해당하는 TM곡선(b)과 일치시키기 위하여 TE전극(35)에 전기장을 가한다. pn접합을 제2 도파로에 형성하였을 경우, 광파가 전기장에 의해 단파장으로 이동하므로 TM 전극에 전기장을 가하여야 한다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 두 도파로 사이의 광결합 효율을 TE 편광된 빛과 TM 편광된 빛에 대해 동일하도록 조절할 수 있기 때문에 입사되는 광파가 임의의 편광을 갖더라도 동일한 특성을 보일 수 있어서 필터의 특성을 크게 개선할 수 있다.

Claims (4)

1. 제1 도전형의 반도체 기판, 상기 반도체 기판 상에 차례로 적층된 제1 도전형의 제1 도파로층;

   상기 제1 도파로층 상에 형성되며 도파로 방향으로 TE 편광영역 및 TM 편광영역을 구비하는 제1 도전형의 제1 클래딩층;

   상기 제1 클래딩층 상에 차례로 적층된 제2 도전형의 제 2 도파로층, 제2 도전형의 제2 클래딩층;

   상기 제1 클래딩층 내부의 상기 TE 편광 영역에 위치하며, TE 편광에 대응하는 주기로 배열된 제1 격자층;

   상기 제1 클래딩층 내부의 상기 TM 편광 영역에 위치하며, TM 편광에 대응하는 주기로 배열된 제2 격자층; 및

   상기 TE 편광영역 및 TM 편광영역에 각각 연결된 제1 및 제2 전극

   을 포함하는 격자도움 수직결합형 반도체 광필터.
2. 제1 도전형의 반도체 기판, 상기 반도체 기판 상에 차례로 적층된 제1 도전형의 제1 도파로층;

   상기 제1 도파로층 상에 형성되며 도파로 방향으로 TE 편광영역 및 TM 편광영역을 구비하는 제1 도전형의 제1 클래딩층;

   상기 제1 클래딩층 상에 차례로 적층된 제2 도전형의 제 2 도파로층, 제2 도전형의 제2 클래딩층;

   상기 제1 클래딩층 내부의 상기 TE 편광 영역에 위치하며, TE 편광된 광의 굴절율이 상기 제1 도파로층 및 제2 도파로층에서 n_eff,TE,WG1및 n_eff,TE,WG2일 때

   

   을 만족하는 Λ_TE의 주기로 배열된 제1 격자층;

   상기 제1 클래딩층 내부의 상기 TM 편광 영역에 위치하며, TM 편광된 광의 굴절률이 상기 제1 도파로층 및 제2의 도파로층에서 n_eff,TM,WG1및 n_eff,TM,WG2일 때,

   

   을 만족하는 Λ_TM의 주기로 배열된 제2 격자층; 및

   상기 TE 편광영역 및 TM 편광영역에 각각 연결된 제1 및 제2 전극

   을 포함하는 격자도움 수직결합형 반도체 광필터.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 반도체 기판은 n형 InP 기판이고,

   상기 제1 도파로층, 상기 제1 격자층 및 상기 제2 격자층 각각은 n형 InGaAsP층이고,

   상기 제1 클래딩층은 n형 InP층이고,

   상기 제2 도파로층은 p형 InGaAsP층이고,

   상기 제2 클래딩층은 p형 InP층인 것을 특징으로 하는 격자도움 수직결합형 반도체 광필터.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 격자도움 수직결합형 반도체 광필터는,

   0.5 내지 1 ㎛ 두께의 n형 InP 버퍼층을 포함하는 반도체 기판;

   0.3 내지 0.8 ㎛ 두께 및 1 내지 3 ㎛ 폭과 3 내지 10 ㎜의 길이를 갖는 n형 InGaAsP 제 1도파로층;

   상기 제 1도파로로부터 0.1 내지 0.5 ㎛ 위에 형성되고 두께가 0.02 내지 0.2 ㎛이며 10 내지 40 ㎛의 주기를 갖되, TE 편광영역과 TM 편광영역으로 분리되어 상기 Λ_TE의 주기 및 상기 Λ_TM의 주기로 그 격자 주기가 다른 n형 InGaAsP 격자층;

   상기 격자층 상부 및 하부에 1 내지 3 ㎛ 두께를 갖는 n형 InP 제1 클래딩층;

   상기 활성층 위에 0.2 내지 1 ㎛ 두께로 적층되고 1 내지 5 ㎛의 폭과 3 내지 10 ㎜의 길이를 갖는 p형 InGaAsP 제 2 도파로층; 및

   상기 제2 광도파로층 위에 형성되는 1 내지 3 ㎛ 두께의 p형 InP 제2 클래딩층을 포함하는 것을 특징으로 하는 격자도움 수직결합형 반도체 광필터.

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