KR100353419B1 - 편광 무의존 반도체 광증폭기 - Google Patents

Abstract

편광 무의존 반도체 광증폭기에 관해 개시한다. 개시된 광증폭기는: 기판과; 기판 상에 형성되는 것으로 활성층을 포함하는 다층 구조의 결정성장층을 구비하며, 상기 활성층은 서로 다른 편광모드를 가지는 제1영역과 제2영역으로 구분되며, 상기 활성층의 각 영역에 독립적으로 전류를 주입하는 전극 수단을 구비한다. 따라서, 각 모드의 영역별 스트레인을 일정범위 내로 조절하여, 각 모드별 증폭도는 각 영역에 할당된 전극을 통하여 조절된 전류의 주입에 의해 조절이 가능하다. 따라서, 각 모드별 증폭은 회로적으로 조절이 가능하여, 최소한 각 모드별 증폭도를 근사적으로 일치시킬 수 있다.

Description

편광 무의존 반도체 광증폭기{Polarization insensitive semiconductor optical amplifier}

본 발명은 편광 무의존 반도체 광증폭기(polarization insensitive(PI) semiconductor optical amplifier; SOA)에 관한 것으로, 상세히는 두 개의 스트레인 영역과 이에 대응하는 독립된 전극을 갖는 편광 무의존 반도체 광증폭기에 관한 것이다.

편광 무의존 반도체 광증폭기(PI-SOA)는 광통신 시스템에서 광 신호를 증폭시키는 중요한 역할을 하므로 매우 응용성이 크다. 일반적으로 광섬유(Optical fiber)를 통해 전송되는 광신호는 편광(polarization)에 대한 정보가 상실되기 때문에 편광(polarization)에 무관하게 광신호를 증폭시킬 수 있는 PI-SOA가 요구된다. 또한, 파장분할다중화시스템(WDM)에서 필수적인 파장 변환기(wavelengthconverter)와 광 스위칭(optical switching) 소자와 같은 광 기능 소자들은 위의 편광 무의존 반도체 광증폭기를 이용하여 제작되고 있으므로 저비용의 PI-SOA를 제작이 요구된다.

도 1은 종래의 반도체 광증폭기(SOA)의 구조를 나타내는 수직 단면도이다. 도시된 바와 같이, 기존의 반도체 광증폭기(SOA)는 n-InP 크래드(cladding)층(1), 1.3㎛ 파장의 InGaAsP 광도파(waveguide)층(2), 1.55㎛ 파장의 InGaAsP 활성(active)층(3), 1.3㎛ 파장의 InGaAsP 광도파(waveguide)층(4) 및 p-InP 크래드(cladding)층이 순차로 적층된 구조로 되어 있다.

이와 같은 PI-SOA를 제작하는 기존의 방법들은 소자의 결정 성장과 공정에 있어서 매우 힘들어 좋은 특성을 갖는 PI-SOA를 생산하는데 효율이 매우 낮다. 종래의 PI-SOA를 제작하는 방법은 크게 3가지로 분류할 수 있으며, 그들의 문제점은 다음과 같다.

첫째, 이득(gain)을 얻을 수 있는 활성(active) 영역의 단면을 사각(square) 형태로 제작하는 방법이 있다.

둘째, 스트레인 보상 다중 양자 우물(strain compensated MQW)을 사용하는 방법이 있다[IEEE, P.T.L, 7, p473(1995), IEEE, Q.E., 30, p695(1994) 참조].

세째, 벌크 활성(bulk active)층에 약간의 인장 스트레인(tensile strain)을 인가하여 활성(active) 영역의 폭을 넓게 갖는 구조로 제작하는 방법이 있다[E.L., 33 p1083(1997) 참조].

먼저, 첫째 방법의 경우 활성층의 폭을 0.2~0.3㎛ 정도로 미세하게 조절하는것이 요구되어 에칭(etiching) 공정 상의 많은 어려움이 따른다. 두번째 방법의 경우 활성층에 ±1.5% 이상의 매우 큰 스트레인(strain)이 요구되는데, 매우 큰 스트레인(strain)을 받으면서 양질의 결정성을 갖는 층을 성장시키는 것은 매우 힘들다. 세째 방법의 경우 공정상에 있어서 매우 용이한 방법이나, 이 방법은 약 0.01% 이내의 스트레인(strain) 양의 조절이 요구된다. 일반적으로 스트리인 양이 0.01%만 변해도 편광감도가 1 dB 정도 변화하며, 메사 에칭(mesa etching)에 의한 스트라이프 폭이 목표치에서 0.2㎛ 만 변해도 안정적인 단일 모드(single mode)의 FFP를 얻을 수 없다. 또한, 일반적으로 MOCVD나 MBE의 결정성장방법에서 동일한 성장이 이루어질 때 약 0.02~0.03% 정도의 스트레인(strain)의 변화가 수반되는 상황을 고려할 때 이 방법도 결정성장에 있어 많은 제약이 따른다.

본 발명의 제1의 목적은 TE와 TM의 편광 이득을 개별적으로 제어할 수 있어서, TE와 TM 편광이득을 동일하게 근접시킬 수 있는 편광 무의존 반도체 광증폭기를 제공하는 것이다.

본 발명의 제2의 목적은 제작이 용이하고, TE와 TM의 편광 이득을 각각 독립적으로 제어할 수 있는 편광 무의존 반도체 광증폭기를 제공하는 것이다.

도 1은 종래 반도체 광증폭기의 개략적 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 광증폭기의 실시예1의 개략적 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 광증폭기의 실시예2의 개략적 단면도이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면,

기판과; 기판 상에 형성되는 것으로 활성층을 포함하는 다층 구조의 결정성장층을 구비하는 광증폭 소자에 있어서, 상기 활성층은 서로 다른 편광모드를 가지는 제1영역과 제2영역으로 구분되며, 상기 활성층의 제1영역과 제2영역은 선택 영역 성장법에 의해 듀얼스트레인을 가지며, 상기 활성층의 각 영역에 독립적으로 전류를 주입하는 전극 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 편광 무의존 반도체 광증폭기가 제공된다.

상기 본 발명의 광증폭기에 있어서, 상기 제1영역과, 제2영역의 경계부분에 대응하는 활성층의 상부에, 활성층의 제1영역과, 제2영역의 각 상부에 위치하는 결정 성장층들을 전기적으로 절연하는 절연층이 형성되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 전극 수단은: 상기 기판의 저면에 형성되는 공통 전극과;

상기 각 영역의 대응하는 상기 결정층 상부에 일정한 간격을 두고 형성되는 제1, 제2전극을; 구비하며, 상기 다층구조의 결정 성장층은; 상기 활성층의 상부에 위치하는 상부 도파층 및 크래드층과; 상기 활성층의 하부에 위치하는 하부 도파층 및 크래드층을 구비하는 것이 바람하다.

상기 본 발명의 광증폭기에 있어서, 상기 기판은 n-InP 기판이며, 상기 상하 크래드층은 각각 p-InP, n-InP, 상기 상하 광도파층 및 활성층은 InGaAsP 로 형성되는 것이 바람직하다.

또한 상기 본 발명의 광증폭기에 있어서, 상기 활성층의 제1영역과 제2영역은 한 영역에만 마스크를 적용하는 SAG(Selective Area Growth)에 의해 형성되어 전류주입방향으로 서로 다른 편광모드가진다.

SAG 에 의한 상기 활성층이 선택적 성장용 마스크를 이용한 선택 영역 성장법으로 성장된 제1영역과 상기 선택적 성장용 마스크 없이 성장된 제2영역으로 구성되어 서로 다른 밴드갭 및 스트레인을 갖게 된다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 반도체 편광 무의존 반도체 광증폭기의 실시예를 상세하게 설명한다.

<실시예 1>

도 2를 참조하면, n-InP 기판(60)의 저면에 공통전극(73)이 형성되어 있다.

상기 기판(60)의 상면에, n-InP 하부 크래드층(10), InGaAsP 하부 도파층(20), InGaAsP 활성층(30), InGaAsP 상부 도파층(40), p-InP 상부 크래드층(50)이 순차적으로 형성되어 있다.

상기 활성층(30)은 SAG 에 의해 서로 다른 편광 모드를 가지는 TM 모드의 제1영역과, TE 모드의 제2영역으로 구분되어 있다.

상기 활성층(30)의 제1영역과 제2영역의 경계부분의 상부에 절연층(80)이 형성되어 있다. 상기 절연층(80)의 양측에는 상기 제1영역과 제2영역에 대응하는 제1전극(71)과 제2전극(72)이 위치해 있다. 상기 제1전극(71)은 상기 제1영역으로 전류를 주입하며, 제2전극(72)은 제2영역으로 전류를 주입한다. 따라서, 제1영역에서는 입사된 광이 TM 모드하에서 증폭이 되며, 제1영역을 거쳐 제2영역으로 진입한 광은 TE 모드 하에서 증폭이 된다.

이러한 개별적인 편광모드에서의 광증폭은 각 영역에 독립적으로 부여된 제1, 제2전극들 각각에 의해 이루어 지므로 역시 독립적으로 이루어 진다.

상기 활성층(30)은 전술한 바와 같이 부분적인 마스크를 적용한 SAG 에 의해 형성된다. 예를 들어, 활성층(30) 형성시, TE 모두의 제2영역 부분에 좁은 스롯을 가지는 마스크를 적용함으로써 서로 다른 편광 모드의 제1, 제2영역을 가지는 활성층(30)의 형성이 가능하게 된다.

본 실시예에서는 SAG 방법에 의해 활성층이 듀얼 스트레인(dual strain)갖도록 제작된 데에 특징이 있다. 서로 다른 성질 즉 서로 다른 스트레인(strain) 및 밴드갭(bandgap)을 갖도록 성장된다. 예를 들어 , 제1영역과 제2영역 사이의 밴드갭(bandgap)과 스트레인(strain)의 차이는 각각 25nm, 0.05%이며, 제2영역에서 장파장과 압축 스트레인(compressive strain)을 갖는다. 여기서, 예를들어, 제1영역이 -0.06%이하의 스트레인을 가지도록 성장되면, 이 부분에서는 TM 모드 이득(mode gain)이 크며, 반면에 제2영역의 스트레인이 -0.06% 이상이 되도록 성장되면, 이부분에서는 TE 모드 이득(mode gain)이 크게 된다. 즉 SAG를 이용하여 TM과 TE 모드 이득(mode gain)을 얻을 수 있는 각각의 구조를 하나의 기판 위에 동시에 성장할 수 있으므로 이 두 영역을 적절히 조절하면 반도체 광증폭기를 쉽게 제작할 수 있다.

<실시예 2>

도 3를 참조하면, n-InP 기판(60)의 저면에 공통전극(73)이 형성되어 있다.

상기 기판(60)의 상면에, n-InP 하부 크래드층(10), InGaAsP 하부도파층(20), InGaAsP 활성층(30), InGaAsP 상부 도파층(40), p-InP 상부 크래드층(50)이 순차적으로 형성되어 있다.

상기 활성층(30a, 30b)은 개별적인 영역별 성장에 의해 얻어지며, 물리적으로 버트 죠인트된 상태이다. 제1영역(30a)과 제2영역(30b)을 개별적으로 성장함에 있어서, 제1영역(30a)은 인장 스트레인을 부여하여 TE 모드 이득을 얻을 수 있도록 하며, 제2영역(30b)는 압축 스트레인을 부여하여 TM 모드 이득을 얻을 수 있도록 한다.

본 실시예에서는 버트 죠인트 구조에 의해 개별적으로 성장된 제1영역(30a)과 제2영역(30b)가 하나의 활성층(30)을 구성하여, 활성층이 TE 모드와 TM 모드를 제공하는 듀얼 스트레인(dual strain)갖도록 제작된 데에 특징이 있다. 역시 제1영역(30a)과 제2영역(30b)은 서로 다른 성질 즉 서로 다른 스트레인(strain) 및 밴드갭(bandgap)을 갖도록 성장된다. 예를 들어, 상기 제1실시예에서와 같이, 제1영역과 제2영역 사이의 밴드갭(bandgap)과 스트레인(strain)의 차이는 각각 25nm, 0.05%이며, 제1영역에서 장파장과 압축 스트레인(compressive strain)을 갖는다. 여기서, 제2영역에서 -0.06% 이하의 스트레인을 가지면, 이 부분에서는 TM 모드 이득(mode gain)이 크며, 반면에 제1영역에서는 -0.06% 이상의 값을 가지면, TE 모드 이득(mode gain)이 크게 된다.

이상과 같은 본 발명은 차세대 광통신의 핵심소자로 각광을 받고 있는 반도체 광증폭기가 입력광의 편광 상태에 무관하게 모드별로 개별 증폭할 수 있다. 특히, 각 모드의 영역별 스트레인을 일정범위 내로 조절하여, 각 모드별 증폭도는 각 영역에 할당된 전극을 통하여 조절된 전류의 주입에 의해 조절이 가능하다. 따라서, 각 모드별 증폭은 회로적으로 조절이 가능하여, 최소한 각 모드별 증폭도를 근사적으로 일치시킬 수 있다. 특히, 각 영역을 성장할때에 필연적으로 발생되는 영역별 편광 감도가 정해지 값, 예를 들어 1dB 이하 범위 내에서 다소 벗어나는 경우에, 상기한 바와 같이 각 전극을 통한 각 영역별 주입전류의 미세 조정에 의해 편광감도를 영역별로 조절할 수 있고, 따라서, 넓은 범위의 동작 파장대역을 가질 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 제조과정 중 발생되는 소자간의 편차를 외부적으로 조절할 수 있으므로, 실제 수율을 크게 증대시킬 수 있게 된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.

Claims (11)

1. 기판과; 기판 상에 형성되는 것으로 활성층을 포함하는 다층 구조의 결정성장층을 구비하는 광증폭 소자에 있어서,

   상기 활성층은 서로 다른 편광모드를 가지는 제1영역과 제2영역으로 구분되며,

   상기 활성층의 제1영역과 제2영역은 선택 영역 성장법에 의해 듀얼스트레인을 가지며,

   상기 활성층의 각 영역에 독립적으로 전류를 주입하는 전극 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 편광 무의존 반도체 광증폭기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1영역과, 제2영역의 경계부분에 대응하는 활성층의 상부에, 활성층의 제1영역과, 제2영역의 각 상부에 위치하는 결정 성장층들을 전기적으로 절연하는 절연층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 편광 무의존 반도체 광증폭기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 전극 수단은:

   상기 기판의 저면에 형성되는 공통 전극과;

   상기 각 영역의 대응하는 상기 결정층 상부에 일정한 간격을 두고 형성되는 제1, 제2전극을; 구비하는 것을 특징으로 하는 편광 무의존 반도체 광증폭기.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 다층구조의 결정 성장층은;

   상기 활성층의 상부에 위치하는 상부 도파층 및 크래드층과;

   상기 활성층의 하부에 위치하는 하부 도파층 및 크래드층을 구비하는 것을 특징으로 하는 편광 무의존 반도체 광증폭기.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 다층구조의 결정 성장층은;

   상기 활성층의 상부에 위치하는 상부 도파층 및 크래드층과;

   상기 활성층의 하부에 위치하는 하부 도파층 및 크래드층을 구비하는 것을 특징으로 하는 편광 무의존 반도체 광증폭기.
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