KR100294626B1

KR100294626B1 - N(-)-i-n(+)구조의 전계흡수 광변조기

Info

Publication number: KR100294626B1
Application number: KR1019980063292A
Authority: KR
Inventors: 최영완; 임연섭
Original assignee: 최영완
Priority date: 1998-12-31
Filing date: 1998-12-31
Publication date: 2001-07-12
Also published as: KR20000046600A

Abstract

고효율의 공핍상태(depletion)를 이루는 N^-층을 포함하므로써 RF신호를 효과적으로 광(光)변조하는 N^--i-N⁺구조의 전계흡수 광변조기는, 반절연성 기판상에 저농도도핑된 N^-층, 진성(intrinsic)상태의 i층 및, 고농도도핑된 N⁺층을 포함하는 구조로 형성되며, 중앙의 i(진성)층은 단일물질(bulk) 또는 다중양자우물(Multiple Quantum Wells)로 형성된다. 따라서, 본 발명은 수 볼트대의 낮은 전압하에서도 높은 광변조효율을 유지하고 광변조기의 변조대역폭을 증가시키므로써, 광통신 관련분야에서 다양하게 응용되는 효과가 있다.

Description

Ｎ(-)-ｉ-Ｎ(+)구조의 전계흡수 광변조기

본 발명은 광(光)을 이용하여 RF신호를 광변조하는 광변조기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 주파수가 높은 수 기가헬쯔[GHz]대 이상의 RF신호를 수 볼트대의 낮은 전압으로도 효과적으로 광변조하는 N^--i-N⁺구조의 전계흡수 광변조기에 관한 것이다.

신호를 포함하고 있는 광(光)을 이용하는 광통신시스템은 다량의 정보를 고속으로 전달하는 등의 많은 이점으로 인해 차세대 통신수단으로 예견되고 있다. 이러한 광통신시스템에서 RF(Radio Frequency)신호를 광학적 신호로 변조하는 광변조기(optical modulator)는 필수적인 광전소자이며, 광변조기의 종류 중 광변조기의 외부로부터의 RF신호에 따라 그 세기가 변화되는 전계(electric field)를 이용하여 RF신호를 광변조하므로써 많은 정보의 고속처리에 효과적인 전계흡수 광변조기(Electro-Absorption modulator 또는 EA-modulator)에 대한 관심사가 증가하고 있다.

이하 도 1 및 도 2를 참조하여 이러한 종래의 광변조기를 설명한다.

도 1은 전계흡수 광변조기(EA-modulator)의 광변조개념을 설명하기 위한 도면이다. 도시한 바와 같이, 신호원(12)으로부터 발생된 RF신호가 광변조기(10)에 인가되어 있는 상태에서 광원(14)으로부터의 신호광(L_IN)이 광변조기(10)에 입사되면, 광변조기(10)는 전기적인 RF신호를 광변조하여 신호변조광(L_OUT)을 출력한다.

도 2는 종래 P-i-N구조 전계흡수 광변조기의 단면도이다. 도시된 바와 같이, 전계흡수 광변조기의 일종인 종래 진행파형(Travelling Wave) P-i-N구조 전계흡수 광변조기는 다수의 반도체물질이 매우 미세하고도 얇은 층(layer)을 이루며 형성된다.

P-i-N구조 전계흡수 광변조기는 제작의 기초가 되는 기판(21)을 구비하고 있다. 이 기판(21)상부에 N⁺층(22)이 형성된다. N⁺층(22)상부에는 N층(23), i층(24), P층(25)이 순서대로 형성되어 있다. 그리고 P층(25)의 상부에는 전도성이 양호한 금속(metal) 등으로 RF신호를 인가하기 위한 제1전극(M201)이 형성되며, 또 다른 제2전극(M202)은 N⁺층(22)에 접촉하여 형성된다. 이후 광변조의 핵심을 이루는 N층(23), i층(24), P층(25)을 보호하기 위한 외피층(26)이 형성된다.

광변조기의 구조 설명에 있어서, 각 층들의 두께는 수 마이크로미터[㎛] 또는 그 이하이다. 도시된 전계흡수 광변조기는 광변조를 수행하는 중앙의 P층(25), i층(24), N층(23)의 순서에 따라 'P-i-N구조'라고 명명된 것이다. 아울러, i층(24)의 'i'는 진성(intrinsic)반도체물질을 의미하며, 'N⁺'에서 우측상단의 첨자 '+'는 고농도도핑(high doping) 상태를 의미한다.

종래 P-i-N구조 전계흡수 광변조기의 중앙 i층(24)은 광변조의 효율성을 증대시키기 위해 다중양자우물(Multiple Quantum Well; MQW)형태로 형성된다. 다중양자우물(MQW)이란 양자역학적인 물성적 특성을 갖는 다수개의 우물(Well)이 형성되어 있는 것으로, 우물을 형성하기 위한 제1반도체물질과, 우물의 장벽을 형성하기 위한 제2반도체물질을 서로 번갈아가며 형성시킨 구조이다. 그러나 다중양자우물(MQW)로 된 중앙 i층(24)이 진성(intrinsic)인 것은, 번갈아 형성시킨 각각의 제1 및 제2반도체물질이 불순물을 첨가하지 않은 진성(intrinsic)상태이기 때문이다.

따라서, 종래의 P-i-N구조 전계흡수 광변조기에는 전술한 바와 같이, 광변조되는 RF신호가 광변조기의 제1 및 제2전극(M201, M202)에 인가되고, 광변조를 위한 광(L_IN)은 중앙 i층(24)의 한쪽 일단면에 입사된다. 이에 따라, 입사된 광(L_IN)은 두 전극(M201, M202)에 인가되며 RF신호에 대응하는 전계의 영향을 받아 변조(광변조)되며, 광변조된 신호변조광(L_OUT)은 입사반대면의 i층(23)에서 출력된다.

하지만, 위와 같은 종래의 진행파형 P-i-N구조 전계흡수 광변조기는 RF신호의 주파수가 증가하면 P층(25)에 의한 RF신호의 손실이 크기 때문에, 광변조효율을 나타내는 광변조기의 변조대역폭이 크게 감소되는 문제점이 있다. 또한 광변조되는 RF신호와 입사되는 광파의 속도정합을 위해 상대적으로 두꺼운 i(진성)층(24)이 필요하며, 이에 따라 RF신호의 바이어스전압이 커야 하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록, 상대적으로 저농도도핑(low doping)된 N^-층, i(진성)층, 상대적으로 고농도도핑(high doping)된 N⁺층을 포함하는 구조의 광변조기를 제작하므로써, 낮은 바이어스전압 하에서도 고효율의 광변조를 수행할 수 있는 N^--i-N⁺구조의 전계흡수 광변조기를 제공함에 있다.

도 1은 전계흡수 광변조기(EA-modulator)의 광변조개념을 설명하기 위한 도면,

도 2는 종래 P-i-N구조 전계흡수 광변조기의 단면도,

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 N^--i-N⁺구조의 전계흡수 광변조기의 단면도,

도 4(a)는 중앙의 i층이 단일물질(bulk)로 제작된 광변조기의 구조도,

도 4(b)는 중앙의 i층이 다중양자우물(MQW)형태로 제작된 광변조기의 구조도.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

31 : 기판 32 : N⁺층

33 : i층 34 : N^-층

35 : 외피층

M301,M302 : 전극

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 N^--i-N⁺구조의 전계흡수 광변조기는, 특정농도의 불순물이 첨가된 제1 N형물질층; 상기 제1 N형물질층의 상부에 형성되며 광변조를 위한 광이 입사되는 진성(intrinsic)물질층; 및, 상기 진성물질층 상부에 형성되며 상기 특정농도보다 낮은 농도로 불순물이 첨가된 제2 N형물질층을 포함하고, 상기 전기적인 신호는 상기 제1 및 제2물질층을 통해 인가된다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 N^--i-N⁺구조의 전계흡수 광변조기의 단면도이다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 N^--i-N⁺구조 전계흡수 광변조기는 기판(31)을 구비하며, 이 기판(31) 상부에 N⁺층(32), i층(33), N^-층(34)이 순서대로 형성된다. N^-층(34)의 상부에는 제1전극(M301)이 형성되며, 제2전극(M302)은 N⁺층(32)에 접촉되게 형성된다. 그리고 광변조기의 보호를 위한 외피층(35)이 형성된다. 본 실시예에 따른 N^--i-N⁺구조 전계흡수 광변조기에서 중앙의 i층(33)은 각각 단일물질(bulk)과 다중양자우물(MQW)형태로 제작될 수 있다.

도 4(a)는 중앙의 i층(33)이 단일물질(bulk)로 제작된 광변조기의 구조를, 도 4(b)는 중앙의 i층(33)이 다중양자우물(MQW)형태로 제작된 광변조기의 구조를 나타낸 것으로, 도 4(a) 및 도 4(b)에 나타낸 각 구조에 있어서 기판(31), N⁺층(32), N^-층(34)은 서로 동일하다. 또한, InP와 InGaAsP는 광변조기의 제작에 이용되는 반도체물질의 일예를 나타낸다. 그리고 전술한 바와 같이 N⁺층(32)과 N^-층(34)에서, N⁺는 일반적으로 불순물을 많이 첨가하는 고농도의 도핑상태를, N^-는 불순물을 적게 첨가하는 저농도의 도핑상태를 나타낸다.

이하 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 광변조기의 동작을 상세히 설명한다.

반도체소자의 구조에 있어서 특수한 작용을 하는 층(영역)이 단일물질로 되어 있는 가의 여부는 동작적 특성을 결정하는 중요한 작용을 한다. 따라서 도 4(a)의 i층(33)이 InGaAsP 등과 같은 하나의 물질로 형성되므로 단일하게 동작되는 특성을 나타낸다. 도 4(b)는 중앙의 i층(33)이 다중양자우물로 형성되어 있다. 전술한 바와 같이, 다중양자우물은 미세한 i층(33)을 더욱 세분화하여 InGaAsP 및 InP 등과 같은 두가지의 물질로 번갈아 성장시킨 것이다.

광변조기의 동작시 N^-층(34)은 종래의 광변조기보다 작은 바이어스전압에서 거의 완전한 공핍(depletion)상태를 달성할 수 있다. 이러한 공핍상태는 광변조기의 광변조효율을 증대시키기 위한 핵심적인 사항이자 요구되는 사항으로, 본 실시예의 광변조기는 이러한 공핍상태가 보다 효과적으로 달성된다. 따라서, 공핍상태가 좋은 N^-층(34)을 통해 중앙의 i층(33)으로 통한 RF신호는, 중앙의 i층(33)의 한쪽면으로 입사된 광(L_IN)에 의해 효율적으로 광변조되어 중앙의 i층(33)의 입사반대면으로 신호변조광(L_OUT)을 출력한다.

본 발명의 N^--i-N⁺구조 전계흡수 광변조기에서 각 층의 두께는 RF신호와 광(L_IN)의 속도정합, RF신호감쇠의 최소화 등을 고려하여 조절이 가능하고, 또한 N⁺층(32)의 두께와 전도도를 조정하므로써 광변조의 효율을 증대시킬 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 수 볼트대의 낮은 전압하에서도 높은 광변조효율을 유지하며, 광파와 RF신호의 속도정합이 가능하며 RF신호의 변조손실을 현저히 감소시켜 광변조기의 변조대역폭을 증가시키므로써, 고속 대용량의 정보처리를 위한 핵심적 광전소자로 광통신 관련분야에서 다양하게 응용될 수 있는 효과를 제공한다.

Claims

전기적인 신호를 광(光)변조하는 광변조기에 있어서,

특정농도의 불순물이 첨가된 제1 N형물질층;

상기 제1 N형물질층의 상부에 형성되며 광변조를 위한 광이 입사되는 진성(intrinsic)물질층; 및

상기 진성물질층 상부에 형성되며 상기 특정농도보다 낮은 농도로 불순물이 첨가된 제2 N형물질층을 포함하고, 상기 전기적인 신호는 상기 제1 및 제2물질층을 통해 인가되는, N^--i-N⁺구조의 전계흡수 광변조기.
제 1항에 있어서, 상기 전기적인 신호는

진행파형(Travelling Wave)의 형태로 인가되는 것을 특징으로 하는, N^--i-N⁺구조의 전계흡수 광변조기.
제 1항에 있어서, 상기 진성물질층은

소정의 제1물질 및 제2물질이 번갈아 형성되는 다중양자우물(Multiple Quantum Wells)인 것을 특징으로 하는, N^--i-N⁺구조의 전계흡수 광변조기.
제 1항에 있어서, 상기 진성물질층은

단일물질(bulk)인 것을 특징으로 하는, N^--i-N⁺구조의 전계흡수 광변조기.