KR100320079B1 - 피플러스­앤­아이­피­앤플러스 진행파형 전계 흡수 광변조기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 P+-n-i-p-N+진행파형 전계 흡수 광 변조기에 관한 것이다. 진행파형 전계 흡수 광 변조기(TW-EAM)에 있어서 중요한 요소로 마이크로웨이브와 광 파 사이의 속도 정합을 들 수 있다. 소자의 대역폭을 결정 짓는 중요한 요소이며, 여기서 광 파의 속도는 광을 가이드 하기 위해 사용한 물질에 의해 속도가 결정이 되므로 마이크로웨이브의 속도를 광 파의 속도에 정합 되도록 해야 한다. 기존 소자의 경우, 마이크로웨이브의 속도 정합을 위해 고려할 수 있는 설계 파라미터로는 진성 영역(i-층)의 두께, 소자 혹은 신호 전극의 폭과 두께, 신호 전극과 접지 전극간의 간격 등이며, 이런 파라미터를 조정해서 얻을 수 있는 속도 정합에는 그 한계가 있다. 이에 반하여 본 발명의 P+-n-i-p-N+진행파형 전계 흡수 광 변조기는 도핑차에 의해 형성된 P+-n층 사이의 공핍층과 p-N+층 사이의 공핍층에 의해 전체 커패시턴스 값이 감소되어 마이크로웨이브의 위상속도(

Description

피플러스­앤­아이­피­앤플러스 진행파형 전계 흡수 광 변조기{P+-n-i-p-N+ Traveling-wave Electro-Absorption optical modulator}
본 발명은 P+-n-i-p-N+진행파형 전계 흡수 광 변조기에 관한 것으로써, 특히 진행파형 전계 흡수 광 변조기에 있어서 광파(Light wave)와 마이크로웨이브(Microwave)의 위상 속도를 정합시켜 소자의 대역폭을 향상시키기 위한 P+-n-i-p-N+진행파형 전계 흡수 광 변조기에 관한 것이다.
일반적으로, 외부 전계 흡수 광 변조기는 낮은 구동 전력과 높은 소광비, 고주파 응답 특성, 레이저 다이오드(LD)와의 단일 집적 용이 등이 장점으로 고속 대용량의 정보 처리를 요구하는 통신 시스템에 있어서 필수적인 광전 소자로 각광받고 있다.
진행파형 전계 흡수 광 변조기(Traveling-Wave Electro-Absorption Modulator:TW-EAM)에 있어서 고려해야 할 중요 요소로는 마이크로웨이브(microwave)와 광 파(Light wave) 사이의 속도 정합, 마이크로웨이브 감쇠, 특성 임피던스 등이다.
마이크로웨이브와 광 파 사이의 속도 부정합은 기본적으로 변조된 광신호 도파로를 통한 전송에 있어서 연속적인 위상 천이를 초래하여 변조 신호를 왜곡시켜 소자의 대역폭(bandwidth)을 제한한다.
마이크로웨이브(microwave) 감쇠는 광 파의 변조 효율을 저하하며, 특성 임피던스 역시 매칭이 이루어지지 않는 경우 마이크로웨이브(microwave)의 반사를 유발하여 신호를 왜곡시켜 대역폭을 제한하는 단점이 있다.
도 1은 종래의 진행파형 전계 흡수 광 변조기의 동작을 나타낸다.
도 2는 종래의 P-i-N 진행파형 전계 흡수 광 변조기의 단면도를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 광파(Light wave)의 흡수를 위한 p-i-n 다이오드, 변조할 마이크로웨이브 신호를 전송하기 위한 공면(coplanar) 구조의 전송선, 마이크로웨이브(microwave)의 전송모드가 slow-wave 모드에 있게 하기 위한 N+층, 광파가 새어 나가지 않도록 광 파의 측면 구속을 위한 도핑이 없는 유전체 물질인 PMMA(polymide) 혹은 공기, 및 반-절연체 물질인 S.I기판(Semi Insulating substrate)로 구성된다.
상기 진행파형 전계 흡수 광 변조기(TW-EAM)(10)는 광 도파관과 마이크로웨이브(microwave) 전송선의 역할을 동시에 수행하는데, 도 1에 도시된 바와 같이 마이크로웨이브 신호(Microwave signal)와 광파(Light wave)가 소자를 통하여 동시에 전송될 때 마이크로웨이브 신호에 의한 광파의 흡수에 의한 세기 변조가 이루어지게 된다.
소자의 외부 전계가 인가되었을 때 i층의 물질은 bulk 또는 다중 양자 우물(Multiple Quantum Well:MQW) 그리고 슈퍼래티스(superlattice)로 구성될 수 있는데 이러한 전계 흡수 현상은 bulk인 경우 프란츠-캘드시 효과(Franz-Keldysh Effect:FKE), 상기 다중 양자 우물(MQW)인 경우 양자 제한-스타크 효과(Quantum Confined-Stark Effect:QCSE) 및 슈퍼래티스(superlattice)의 경우는 와니어 스타크 효과(Wannier-Stark effect)로 설명되어질 수 있다.
상기 양자 제한 스타크 효과(QCSE)에서 전기장은 여기자 피크(exciton peak)를 천이 시키기 위하여 양자 우물(Quantum well)에 수직으로 인가되는데 이것은 광학적 방사 파장(optical radiation wavelength)에서 흡수 계수의 변화를 초래하며, 이와 같이 전기장의 세기에 따른 다른 광 흡수 효과를 이용하여 광파의 세기 변조가 이루어진다.
반도체 집적 회로에 있어서 금속선(metal line)은 DC 바이어스(DC bias), 라인(line), 접지 경로(ground path), 전극 또는 임피던스 정합 등으로 사용된다. 그러나, 초고주파 동작에서 제한된 길이의 금속(metal)은 단락 회로(short circuit)처럼 행동하기 보다는 제한된 신호지연을 초래하고 이러한 라인(line)의 dispersive한 전송 특성은 초고속 신호를 왜곡시킨다. 만일, 금속선(metal line) 아래에 저손실(low loss) 혹은 전송 손실이 없는(lossless) 매질이 있다면 간단한 planar 전송선 이론으로 그 주조의 전송 특성의 분석이 가능하다. 그러나, 만일 금속선(metal line) 아래의 물질이 반도체 층들로 구성된다면 그 매질 속으로의 전기장의 제한된 침투에 기인하여 신호의 큰 지연과 왜곡 및 도파 손실(attenuation)이 발생하며, 하부 반도체 층의 전도도(conductivity)에 따라 세 종류의 전송 모드 quasi-TEM 모드, slow-wave 모드, skin-effect 모드가 존재하게 된다.
상기 진행파형 전계 흡수 광 변조기(Traveling-Wave Electro-Absorption Modulator :TW-EAM)에 있어서 고려해야 할 중요한 요소로 생각할 수 있었던 것들은 마이크로웨이브(microwave)와 광 파 사이의 속도 정합, 마이크로웨이브 감쇠, 특성 임피던스 등이다. 이 중에서도 마이크로웨이브(microwave)와 광 파(Light wave) 사이의 속도 정합은 소자의 대역폭(Bandwidth)을 결정 짓는 중요한 요소 중 하나이며, 여기서, 광 파의 속도는 광을 가이드하기 위해 사용한 물질에 의해 속도가 결정이 되므로 마이크로웨이브의 속도를 광 파의 속도에 정합 되도록 해야 한다.
그러나, 기존의 소자의 경우 마이크로웨이브의 속도를 높이기 위해 고려할 수 있는 설계 파라미터로는 소자 혹은 신호 전극(signal electrode)의 폭과 두께, 신호 전극(signal electrode)과 접지 전극(ground electrode)간의 간격 등이며, 이런 파라미터를 조정해서 얻을 수 있는 속도 정합에는 그 한계가 있으며, 마이크로웨이브와 광 파 사이의 속도 부정합은 변조된 신호를 왜곡시키며 대역폭을 제한하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로써, 본 발명의 목적은 마이크로웨이브(microwave)와 광 파 사이의 속도 정합은 변조 신호를 왜곡 시켜 소자의 대역폭에 매우 큰 영향을 미치므로 속도 정합은 반드시 이루어져야 하며, 기존 구조의 경우 마이크로웨이브와 광파 사이의 속도 정합에 있어 한계가 있으므로, 제시된 P+-n-i-p-N+구조는 layer의 도핑과 적절한 바이어스의 설정으로 마이크로웨이브와 광파 속도 정합을 이루어 변조 신호의 선형성을 개선하여 소자의 대역폭을 향상시키기 위한 P+-n-i-p-N+진행파형 전계 흡수 광 변조기를 제공한다.
도 1은 종래의 진행파형 전계 흡수 광 변조기의 동작을 나타내는 도면.
도 2는 종래의 P-i-N 진행파형 전계 흡수 광 변조기의 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 P+-n-i-p-N+진행파형 전계 흡수 광 변조기의 단면도.
도 4는 본 발명에 의한 P+-n-i-p-N+진행파형 전계 흡수 광 변조기에서 공핍층 형성을 보여주는 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
9 : 연속 레이저 다이오드(Continuous wave Laser Diode:CW-LD)
10 : 진행파형 전계 흡수 광 변조기(TW-EAM)
(Traveling Wave-Electro Absorption Modulator)
11 : 신호 전극 12,13 : 접지 전극(GND)
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 진행파형 전계 흡수 광 변조기(TW-EAM)에 있어서: 반-절연체 물질인 S.I.기판(Semi Insulating substrate); 상기S.I.기판 위에 도핑되어 마이크로웨이브(microwave)의 전송모드가 slow-wave 모드에 있게 하기 위한 P층 및 N층; i층은 bulk 혹은 다중 양자 우물(Multiple Quantum Well:MQW) 등으로 구성되고, 광파(Light wave)를 흡수하여 광세기가 변조되어 변조된 광파(Modulated Light wave)를 제공하는 p-i-n 다이오드; 상기 p-i-n 다이오드의 N+층 위에 형성된 P층; 상기 p-i-n 다이오드의 P+층 밑에 형성된 N층; 상기 광파(Light wave)가 새어 나가지 않도록 P+-n-i-p-N+층의 광파의 측면 구속을 위한 도핑이 없는 유전체 물질인 PMMA(polymide) 혹은 공기; 및 소자에 역 바이어스(reverse bias)를 걸어주도록 상기 P+층과 상기 PMMA층에 설치된 신호 전극(+)(11)과 N+층 위의 좌단측과 우단측에 형성된 접지 전극(GND)(12,13)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 P+-n-i-p-N+진행파형 전계 흡수 광 변조기를 제공한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 의한 P+-n-i-p-N+진행파형 전계 흡수 광 변조기의 단면 구조를 나타낸다. 도 4는 본 발명에 의한 P+-n-i-p-N+진행파형 전계 흡수 광 변조기에서 공핍층 형성을 보여주는 단면 구조를 나타낸다.
이미 전술한 것처럼 마이크로웨이브(microwave)와 광 파(Light wave)와의 속도 정합에 있어서 광파의 속도는 정해지므로 마이크로웨이브(microwave)의 속도를적절히 조정하여 속도 정합을 이루어야 한다. 일반적으로 진행파형 전계 흡수 변조기(Traveling-Wave Electro-Absorption Modulator:TW-EAM)에서 광파의 속도가 마이크로웨이브(microwave)의 속도보다 빠르다.
따라서, 마이크로웨이브와 광 파의 속도 정합을 위해 마이크로웨이브(microwave)의 속도를 높일 수 있도록 소자의 적절한 설계가 필요하고, 마이크로웨이브(microwave)의 위상 속도는 대략적으로이다.
참고로, p-n 다이오드에서 공핍층 형성에 대한 원리를 간단히 기술하자면 다음과 같다. n층에는 전자(electron)가 많으며, 이 전자는 전자가 결여된 p층으로 확산되어 이동하게 되며, 정공(hole)의 경우는 이와 반대로 p층에서 n층으로의 확산이 발생하게 된다. 이런 확산 전류의 흐름은 순간적인 중립성(neutrality)의 훼손을 가져오며, n층과 p층에서의 전자와 정공의 손실로 n과 p층 쪽의 접합부(junction)에 각각 양(positive)과 음(negative)으로 충전이 된다. 다수(majority) 캐리어의 확산을 막는 전위 장벽(built-in potential)이 접합부에 형성되며 이 영역을 공핍층이라 한다.
형성되는 공핍층의 두께는 n층과 p층의 도핑에 따라 달라지게 되는데 n층과 p층의 상대적인 도핑농도에 따라 형성된다. 만약, n층이 도핑이 p층보다 높게 되었다면, p층 쪽 접합부(junction)에 형성된 공핍층이 n층 쪽에 형성된 공핍층보다 두텁게 형성된다. 또한, p-n 다이오드에 순방향(forward)으로 바이어스가 걸리면, 발생된 공핍층의 두께는 얇아지게 되고, 역방향(reverse)이라면 공핍층의 두께가 두꺼워지게 진다. 형성된 공핍층은 회로소자로 따진다면 캐패시터 성분이다.
따라서, 이와 같은 공핍층 형성 메카니즘을 이용해 마이크로웨이브의 위상 속도를 향상시킬 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 도핑 차에 의해 n 층과 p 층에 공핍층이 발생하고, 소자에 걸어주는 역 바이어스(reverse bias)에 의해 발생된 공핍층이 더욱 두꺼워진다. 이 공핍층은 캐패시터 성분이며, 흡수 영역의 캐패시터(C)와는 직렬이므로 전체 캐패시턴스(Capacitance)값은 감소되는 효과를 가져온다. 이것은 마이크로웨이브(microwave)의 속도를 증가시키고, 광 파와의 속도 정합을 이루게 한다.
따라서, 진행파형 전계 흡수 광 변조기(TW-EAM)에서 마이크로웨이브(microwave)와 광파(Light wave)의 속도 정합이 이루어지게 하여 변조 신호의 선형성을 개선하여 소자의 대역폭을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 P+-n-i-p-N+진행파형 전계 흡수 광 변조기는 진행파형 전계 흡수 광 변조기(TW-EAM)에서 각 P+, n, p, N+ 층의 도핑과 구동 전압의 적절한 선정으로 발생되는 공핍층 두께의 조정이 가능하게 되어 속도 조정의 폭이 커지므로, 바이어스 전압 조절에 의한 마이크로웨이브(microwave) 속도(Voltage-controlled microwave velocity) 조정이 가능해지므로 이런 효과를 이용하여 마이크로웨이브와 광파의 속도 정합이 이루어지게 되고, 이는 변조 신호의 선형성을 개선하여 소자의 대역폭을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (2)

  1. 진행파형 전계 흡수 광 변조기(TW-EAM)에 있어서:
    반-절연체 물질인 S.I.기판(Semi Insulating substrate);
    상기 S.I.기판 위에 도핑되어 마이크로웨이브(microwave)의 전송모드가 slow-wave 모드에 있게 하기 위한 P층 및 N층;
    i층은 bulk 혹은 다중 양자 우물(Multiple Quantum Well:MQW) 등으로 구성되고, 광파(Light wave)를 흡수하여 광세기가 변조되어 변조된 광파(Modulated Light wave)를 제공하는 p-i-n 다이오드;
    상기 p-i-n 다이오드의 N+층 위에 형성된 P층;
    상기 p-i-n 다이오드의 P+층 밑에 형성된 N층;
    상기 광파(Light wave)가 새어 나가지 않도록 P+-n-i-p-N+층의 광파의 측면 구속을 위한 도핑이 없는 유전체 물질인 PMMA(polymide) 혹은 공기; 및
    소자에 역 바이어스(reverse bias)를 걸어주도록 상기 P+층과 상기 PMMA층에 설치된 신호 전극(+)(11)과 N+층 위의 좌단측과 우단측에 형성된 접지 전극(GND)(12,13)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 P+-n-i-p-N+진행파형 전계 흡수 광 변조기.
  2. 진행파형 전계 흡수 광 변조기(TW-EAM)에 마이크로웨이브 신호와 광파가 동시에 전송될 때, 상기 P+-n-i-p-N+층의 소자에 인가되는 전압 조정에 의해 역 바이어스(reverse bias)를 걸어주면 원래의 도핑차에 의해 형성된 P+-N층 사이의 공핍층과 P-N+층 사이의 공핍층을 보다 두텁게 형성하여 흡수영역의 두 개의 캐패시터 성분이 직렬이 되고 전체 캐패시턴스(Capacitance) 값이 감소되어 마이크로웨이브(microwave)의 위상 속도()를 증가시켜 광파(Light wave)와의 속도 정합을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 P+-n-i-p-N+진행파형 전계 흡수 광 변조기.
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