KR100335373B1 - 격자도움 수직결합형 광필터 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광필터의 특성 향상을 위해 제1도파로와 제2도파로를 수직결합형으로 제작하되, 두 도파로 방향 정렬 및 간결한 공정 조건을 적용하기에 적합한 격자도움 수직결합형 광필터 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것으로, 이를 위한 본 발명의 격자도움 수직결합형 광필터는, 수직적으로 자기정렬되고, 격자가 개재되는 부분에서는 'ㅡ'자형으로 패턴되며 이에 연장되어 격자가 개재되지 않는 부분에서는 'ㄷ'자형으로 갈라지는 패턴 형상을 갖는 제1도파로 및 제2도파로; 및 상기 제2도파로의 굴절 부위에 형성되어 상기 제2도파로 상으로 진행하는 필터링된 광파장과 상기 제1도파로 상으로 진행하는 필터링되지 않은 광파장을 공간적으로 소정 거리 이상 분리하는 코너 리플렉터를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

격자도움 수직결합형 광필터 및 그 제조방법{Grating-assisted codirectional coupler and method for fabricating the same}

본 발명은 파장분할 다중방식(Wavelength Division Multiplexing)의 광통신 또는 광교환에 사용되는 파장 선택성을 갖는 광필터(Optical filter) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 격자도움 수직결합형 파장가변 광필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이 광필터는 반도체 재료를 사용하는 격자도움형 방향성 결합기(Grating-Assisted Codirectional Coupler : GACC) 필터가 많이 이용되고 있는 바, 이는 반도체가 광소자와의 집적성이 좋고 파장 변환속도가 매우 빠르다는 장점을 갖기 때문이다.

종래기술의 격자도움형 방향성 결합기에는 평면결합형과 수직결합형이 있다.

평면결합형은 두 개의 도파로를 같은 평면상에 제작하고 반도체 공정과 같은 포토마스크 작업을 통해 평면형으로 제작하는 방법이다. 이러한 평면결합형으로 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 LiNbO₃단결정을 이용한 광필터 제작 등에 주로 사용되고 있다.

한편, 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 광필터 제작이 가능하다.그러나 두 도파로를 기본으로 하는 격자도움 수직결합형 광필터는 그 제작에 있어 여러번의 리소그래피 과정 및 재성장을 사용하여야 하므로 정확히 두 도파로를 일치시키는데 어려움이 있다.

도1을 참조하여 상술한 바와 같은 격자도움 수직결합형 파장가변 광필터 및 그 제조방법에 대해 살펴보고, 그가 갖는 문제점을 구체적으로 설명한다.

도1은 통상적인 격자도움 수직결합형 파장가변 광필터 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도1을 참조하면, 격자도움 수직결합형 광필터의 구조는 두 개의 제1 및 제2 도파로(12, 15) 사이에 격자(13)를 삽입하여 광결합을 발생시키며, 제1도파로(12)에 입사된 광을 제2도파로(15)로 뽑아서 신호광으로 사용하는 것이다.

이때 격자(13)는 두 개의 제1 및 제2 도파로(12, 15) 사이에서 광을 결합시키는 역할을 하며, 제1도파로(12)와 제2도파로(15)가 비대칭적으로 형성되어 있을 때 어느 특정 파장(λi)만 제2도파로(15)로 결합된다. 상기와 같은 격자도움형 방향성 결합기는 전류주입 또는 전계효과를 이용해서 도파로의 굴절률을 바꾸어 줌으로써 제2도파로로 출력되는 파장을 바꿀 수 있다. 미설명 도면부호 11은 기판, 14는 완충층, 16은 클래딩층을 각각 나타낸다.

한편, 특정 파장을 제2도파로(15)로 결합시키기 위해서는 제2도파로가 그의 수직적인 하부에 형성된 제1도파로층(12)과 비대칭성을 가져야 한다. 따라서, 앞서 언급한 구조를 구현하기 위해서는 제1도파로(12)와 제2도파로(15)를 각각 별도의 리소그래피와 재성장법을 활용하여 형성시켜야만 한다.

때문에, 종래의 광필터는 리소그래피 상에서 두 도파로 사이에 오정렬이 발생하며, 이러한 오정렬은 두 두파로의 결합효율을 떨어뜨림은 물론이고, 디자인한 결합효율의 값을 예측할 수 없어 제작된 광필터의 특성을 예측 할 수 없다.

한편, 격자 도움형 수직 결합형 광필터에서 두 도파로의 간격은 수 마이크로미터(㎛)인 반면, 광필터에 결합되는 광파이버의 직경은 100 마이크로미터(㎛) 이상(통상 125 ㎛)이기 때문에 두 도파로 상으로 진행하는 광파장을 공간적으로 분리하여 광파이버와의 결합을 용이하게 하기 위해서는 두 도파로의 간격을 적어도 광파이버의 직경 이상으로 이격시켜야 한다.이렇게 두 도파로 상을 진행하는 광파장을 광파이버로 용이하게 입사시키기 위한 목적으로 두 도파로의 간격을 광파이버의 직경 이상으로 이격시켜 두 도파로와 광파이버와의 결합을 용이하게 하기 위해서 기존의 격자 도움형 수직 결합형 광필터는 어느 하나의 도파로에 밴드 형태를 활용하여야 했고 이것으로 재성장시 제2도파로(15) 상에 단차가 생기게 된다. 이는 제2도파로(15)의 전파손실에 심각한 영향을 준다. 이런 기존의 광필터를 실용화하기에는 재현성 및 전파손실 등을 고려하여야 한다.

본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 광필터의 특성 향상을 위해 제1도파로와 제2도파로를 수직결합형으로 제작하되, 두 도파로 방향 정렬 및 간결한 공정 조건을 적용하기에 적합한 격자도움 수직결합형 광필터 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

도1은 통상적인 격자도움 수직결합형 파장가변 광필터 구조의 단면도,

도2a 내지 도2d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 격자도움 수직결합형 파장가변 광필터 제조 방법을 보여주는 공정도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

21 : n-형 InP 기판

22 : n-형 InP 완충층

23 : InGaAsP 제1도파로층

24 : n-형 InP 완충층

25 : n-형 InGaAsP 격자층

26a, 26b, 26c, 26d : p-형 InGaAsP 제2도파로층

27a, 27b : 코너 리플렉터

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 격자도움 수직결합형 광필터는, 수직적으로 자기정렬되고, 격자가 개재되는 부분에서는 'ㅡ'자형으로 패턴되며 이에 연장되어 격자가 개재되지 않는 부분에서는 'ㄷ'자형으로 갈라지는 패턴 형상을 갖는 제1도파로 및 제2도파로; 및 상기 제2도파로의 굴절 부위에 형성되어 상기 제2도파로 상으로 진행하는 필터링된 광파장과 상기 제1도파로 상으로 진행하는 필터링되지 않은 광파장을 공간적으로 소정 거리 이상 분리하는 코너 리플렉터를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 본 발명의 격자도움 수직결합형 광필터는 전류주입 또는 전계효과에 의한 결합광의 파장 변화를 구현하기 위하여, 상기 제1도파로와 상기 제2도파로에 전계를 인가할 수 있는 p-형 전극 및 n-형 전극을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 격자도움 수직결합형 광필터 제조방법은 상기한 바와 같은 구조의 격자도움 수직결합형 광필터를 제조함에 있어서, 상기 제1도파로와 상기 제2도파로는 동일 마스크를 사용한 단일 식각 공정에 의해 패턴됨을 특징으로 하며, 상기 코너리플렉터는 상기 제2도파로의 굴절부위를 식각하는 것에 의해 형성함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도2a 내지 도2d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 격자도움 수직결합형 파장가변 광필터 제조 방법을 보여주는 공정도이다.

먼저, 도2d를 참조하여 본 발명에 따른 격자도움 수직결합형 파장가변 광필터 구조를 살펴보고, 그 다음에 도2a 내지 도2d를 참조하여 본 발명의 격자도움 수직결합형 파장가변 광필터 제조 방법을 살펴보도록 한다.

본 발명의 광필터는 그 기본적인 수직 단면구조는 종래의 광필터 구조와 거의 동일하나, 종래에는 없었던 코너 리플렉터를 갖고 있다는 점에서 그리고 제1도파로 및 제2 도파로가 자기정렬되어 서로 대칭되는 구조를 갖는 다는 점에서 차이점을 갖는다.

도2d를 참조하면, n-형 InP 기판(21)상에 두께 0.5∼1㎛로 n-형 InP 완충층(22)이 형성되어 있다. 완충층(22) 상에는 두께 0.3∼0.8㎛, 폭 1∼3㎛, 길이 3∼10 mm를 갖도록 공간적으로 제한된 InGaAsP 제1도파로층(23)이 형성되어 있고, 제1도파로층(23)에서 0.1∼0.5㎛ 위에 형성되고 두께가 0.02∼0.2㎛인 n-형 InGaAsP 격자층(25)이 형성되어 있다. 그리고 격자를 구성하는 두 격자 사이의 거리가 공간적으로 제한된 그 위에 두께 1∼3㎛로 n-형 InP 완충층(24)이 형성되고 그 위에 두께 0.2∼1㎛, 폭 1∼5㎛, 길이 3∼10 mm를 갖도록 공간적으로 제한된 p-형 InGaAsP 제2도파로층(26a, 26b, 26c, 26d)이 형성된다. 그리고 도면에는 도시되지 않았지만 그 위에 두께 1∼3㎛로 p-형 InP 클래드층이 형성된다.

제1도파로층(23) 및 제2도파로층(26)은 패턴된 격자층(25)을 개재하는 부분에서는 'ㅡ'자형으로 되어 있다가, 이에 연장되어 격자층(25)을 개재하지 않으면서 'ㄷ'자형으로 갈라지는 패턴 형상을 갖는다.

따라서, 격자층(25)에 의해 제1도파로(23)로 입사된 광(λ1...λN)은 두 도파로(23, 26a) 사이에서 결합되며, 특정 파장(λi)이 제2도파로(26)를 통해서 발생될 때 출력되는 두 도파로의 광이 서로 공간적으로 분리되어 진다.

한편, 제2도파로층의 26a 부분에서 26c 부분으로 광이 구분되기 위해서는 두번의 방향 전환이 필요하며 이를 위하여 본 발명은 코너 리플렉터(coner reflector)(27a, 27b)를 사용한다.

도2d에 도시된 바와 같이 코너 리플렉터(27a, 27b)는 제2도파로층(26)이 거의 90°도로 꺽이거나 갈라지는 부분에 설치되어 있어, 특정 파장을 제2광도파로층의 26a 부분에서 26c 부분으로 전환시켜주는 바, 코너 리플렉터(27a, 27b)는 제2도파로층의 코너 부위에서 제2광도파로층(26) 전부와 완충층(24)의 일부두께를 식각해 내는 것에 의해 형성된다.

또한, 소자의 윗면에 p-형 전극을, 소자의 아래면에 n-형 전극을 형성하여, 전류주입 또는 전계효과에 의한 결합광의 파장변화가 가능하도록 구현할 수 있다.

이제, 상기한 바와 같은 구조를 갖는 격자도움 수직결합형 파장가변 광필터 제조 방법을 살펴본다.

먼저, 도2a에 도시된 바와 같이, 기판(21) 상에 완충층(22), 제1도파로층(23), 완충층(24) 및 격자층(25)을 차례로 성장시킨 후, 도2b에 도시된 바와 같이 리소그래피공정(마스크 및 식각 공정)에 의해 격자 패턴들을 형성한다.

이어서, 도2c에 도시된 다시 완충층(24)과 제2도파로층(26)을 성장시킨다.

이후, 도2d 에 도시된 바와 같이, 격자(25)들에 의해 두 도파로 간에 광결합이 일어나는 격자가 개재되지 않는 곳에서는 제1 및 제2 도파로층(23, 26)이 각각 'ㄷ'자형으로 갈라지도록, 마스크 및 식각공정을 실시한다. 식각시 제2도파로층(26), 완충층(25), 제1도파로층(23) 및 완충층(22)의 일부두께를 식각한다.

이후, 클래드층, 전류차단층 형성등 후속 공정을 진행하면 된다.

상술한 바와 같이 본 발명의 광 필터 제조방법은 한번의 리소그래피 공정으로 제1도파로와 제2도파로를 동시에 형성시켜 자기정렬 되도록 하는데 그 특징을 갖는 바, InP계열의 고유의 식각방향 특성을 사용함으로써 쉽게 단일모드 조건을 가지는 제1도파로 및 제2도파로를 단 한번의 과정으로 형성 할 수 있게 된다. 식각된 기판에 전류차단층 형성 등의 재성장을 거치면 기존의 과정에서 한번의 재성장 과정 및 아주 여러 번의 리소그래피 과정을 제거 할 수 있다. 왜냐하면 기존의 방법은 두 도파로의 방향을 일치시키기 위해서 여러 번의 정렬키를 사용하고 있기 때문이다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명은 제2도파로에 코너 리플렉터를 둠으로 아주 쉽게 두 도파로를 진행하는 광을 공간적으로 분리할 수 있음은 물론이고, 기존의 밴드 구조 활용 시 야기되는 제2도파로 상의 단차로 인한 심각한 전파 손실을 줄일 수 있고, 또한 밴드에 의한 광소자의 길이를 줄일 수 있다.

아울러, 제작된 광필터는 제작공정을 아주 단순화 할 뿐만 아니라 항상 재현성 있는 광필터를 제작 할 수 있다는 점에서 매우 많은 장점을 갖는다.

Claims (4)

1. 격자도움 수직결합형 광필터에 있어서,

   수직적으로 자기정렬되고, 격자가 개재되는 부분에서는 'ㅡ'자형으로 패턴되며 이에 연장되어 격자가 개재되지 않는 부분에서는 'ㄷ'자형으로 갈라지는 패턴 형상을 갖는 제1도파로 및 제2도파로; 및

   상기 제2도파로의 굴절 부위에 형성되어 상기 제2도파로 상으로 진행하는 필터링된 광파장과 상기 제1도파로 상으로 진행하는 필터링되지 않은 광파장을 공간적으로 소정 거리 이상 분리하는 코너 리플렉터

   를 포함하여 이루어진 격자도움 수직결합형 광필터.
2. 제1항에 있어서,

   전류주입 또는 전계효과에 의한 결합광의 파장 변화를 구현하기 위하여, 상기 제1도파로와 상기 제2도파로에 전계를 인가할 수 있는 p-형 전극 및 n-형 전극을 더 포함하여 이루어진 격자도움 수직결합형 광필터.
3. 상기 제1항 또는 제2항의 격자도움 수직결합형 광필터를 제조하는 방법에 있어서,

   상기 제1도파로와 상기 제2도파로는 동일 마스크를 사용한 단일 식각 공정에 의해 패턴됨을 특징으로 하는 격자도움 수직결합형 광필터 제조방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 코너리플렉터는 상기 제2도파로의 굴절부위를 식각하는 것에 의해 형성함을 특징으로 하는 격자도움 수직결합형 광필터 제조방법.