KR100369319B1 - 마이크로웨이브와 광파의 속도정합을 위한 버섯형 전계흡수 광소자 - Google Patents
마이크로웨이브와 광파의 속도정합을 위한 버섯형 전계흡수 광소자 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 마이크로웨이브와 광파의 속도정합을 위한 버섯형 전계 흡수 광소자에 관한 것으로서, P-i-N구조를 갖는 전계 흡수 광소자에서 P층의 폭을 조절함으로써 광파와 마이크로웨이브 간의 속도를 정합할 수 있는 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따른 버섯형 전계 흡수 광소자의 구현방법은 반-절연체 물질인 S.I. 기판(Semi Insulating substrate)위에 도핑된 N+층, 도핑된 N층, bulk 혹은 다중 양자 우물(Multiple Quantum Well:MQW) 등으로 구성된 I층, 도핑된 P-도핑 층으로 구성된 전계흡수 광소자에서 P-도핑층의 폭을 i층보다 넓게 하여 마이크로웨이브의 유효굴절률을 광파의 굴절률만큼 낮추어 광파와 마이크로웨이브의 속도정합을 얻음을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, P-도핑 층의 폭을 흡수층 보다 넓게 한 버섯형 전계 흡수 광소자를 사용하여 광소자의 유효 유전율은 낮추어 광파보다 느렸던 마이크로웨이브의 증가시킴으로써 광파와 마이크로웨이브 간의 속도를 정합시켜 광변조기가 넓은 대역폭을 확보할 수 있다.
Description
본 발명은 마이크로웨이브와 광파의 속도정합을 위한 버섯형 전계 흡수 광소자에 관한 것으로서, 더 상세하게는 p-i-n구조를 갖는 전계 흡수 광소자의 P-도핑층의 폭을 조절함으로써 마이크로웨이브 유효굴절률을 낮추어 광파와 마이크로웨이브 간의 속도를 정합할 수 있는 기술에 관한 것이며, 특히 진행파형 전계 흡수 광 변조기(TW-EAM)에 있어서 광파의 그룹속도와 마이크로웨이브의 위상속도를 정합시켜 대역폭을 향상시킬 수 있는 마이크로웨이브와 광파의 속도정합을 위한 버섯형 전계 흡수 광소자에 관한 것이다.
일반적으로, 21세기 초고속 정보통신 시대가 열리면서 정보량이 폭발적으로 증가하고 있으며 기존의 통신망의 정보전달 능력의 한계에 다다르게 되었다. 이를 극복하기 위하여 초고속 광대역 종합통신망을 위한 새로운 통신망과 기술이 필요하게 되었고 여러 가지 고속통신 기술과 소자들이 개발되고 있다. 21세기 초고속 통신에 있어서 광통신은 필수적인 사항으로 여겨지고 있으나 여기엔 다소의 문제점을 가지고 있다. 광통신을 위한 통신 소자 기술의 미성숙과 비싼 비용 문제가 바로 그것이다.
따라서, 광통신은 어떤 형태로든 기존의 전자통신 기술과 접목되고 있으며, 이를 위한 고속통신으로 가장 부각되고 있는 것 중 하나가 microwave-photonics system 이다. 이것은 광통신과 무선통신을 통합한 기술로써 차세대 무선 멀티미디어 통신을 가능케 할 수 있는 기술이다. Microwave-photonics system에 있어서 가장 중요한 소자 중 하나가 광변조기와 광흡수기이다. 광변조기란 전기적 신호를 광신호로 바꾸어주는 소자이고 광흡수기는 변조된 광신호를 다시 전기신호로 바꾸어주는 소자이다. 전계흡수 광소자는 소자의 흡수층에 인가되는 전계의 크고 적음에 따라 광의 흡수량이 달라지는 현상을 이용하여 레이저 다이오드(Laser Diode)에서 광소자로 입력되는 광파를 변조하거나 광소자로 입력되는 변조된 광파를 검출한다. 현재, 전계흡수 광소자는 낮은 구동 전력과 높은 소광비, 고주파 응답 특성, 레이저 다이오드와의 단일 집적의 용이성 등이 장점으로 고속 대용랑의 정보 처리를 요구하는 통신 시스템에 있어서 필수적인 광전 소자로 각광받고 있다. 특히 진행파형 전계 흡수 광소자는 신호전극이 마이크로웨이브가 진행하는 전송선로가 되도록 설계되어 있으므로 기존의 집중형 전계 흡수(Lumped electroabsorption) 광소자의 대역폭의 제한요소인 RC(Resistance Capacitance) 시정수의 대역폭 제한을 극복하여 넓은 대역폭을 확보할 수 있는 소자이다.진행파형 전계흡수 광소자는 도 1에 도시된 바와 같이 신호전극으로 진행하는 마이크로웨이브의 위상속도와 도파관으로 진행하는 광파의 그룹 속도가 정합이 되어야 신호의 왜곡이 생기지 않게 되어 대역폭을 확장할 수 있다. 아날로그 광소자에서는 속도정합이 선형성에 지대한 영향을 주기 때문에 마이크로웨이브와 광파의 속도정합은 특히 디지털 광소자에서보다 아날로그 광소자에 있어서는 매우 중요한 사항이다.
도 2는 종래의 P-i-N 진행파형 전계흡수 광 변조기의 구조를 나타낸 단면도이다. 상기 진행파형 전계흡수 광 변조기는 도 2에 도시된 바와 같이 i층은 bulk 혹은 다중 양자 우물(Multiple Quantum Well:MQW) 등으로 구성되어 광파(Light wave)의 흡수를 위한 p-i-n 다이오드, 변조할 신호인 마이크로웨이브(microwave) 신호를 전송하기 위한 평면(coplanar) 구조의 전송선, 마이크로웨이브(microwave)의 전송모드가 slow-wave mode 있게 하기 위한 반-절연체 물질인 S.I. InP 기판(Semi Insulating substrate)위에 도핑된 N+층, p-i-n 당이오드의 좌우로 설치되어 광파의 측면 구속을 위한 도핑이 없는 유전체 물질인 PMMA(polymide), 소자에 역 바이어스(reverse bias)를 걸어주도록 상기 P층과 상기 PMMA층 위에 설치된 신호전극(+)(signal electrode)과 N+층 위의 좌단측과 우단측에 형성된 접지전극(ground electrode)으로 구성된다.
진행파형 전계 흡수 광 변조기(TW-EAM)는 광 도파관과 마이크로웨이브 전송선의 역할을 동시에 수행하는데, 도 1에 도시된 바와 같이 마이크로웨이브(microwave) 신호와 광파(Light wave)가 소자를 통하여 동시에 전송될 때 마이크로웨이브 신호에 의한 광파의 흡수에 의한 세기 변조가 이루어지게 된다. 또한, 진행파형 전계 흡수 광 변조기(Traveling-Wave Electro-Absorption Modulator:TW-EAM)와 광 흡수기에 있어서 고려해야 할 중요한 요소로 생각할 수 있는 것들은 마이크로웨이브와 광파 사이의 속도 정합, 마이크로웨이브 감쇠, 및 특성 임피던스 등이다. 그 중에서도 마이크로웨이브(Microwave)와 광파(Light wave) 사이의 속도 정합은 아날로그 광통신 소자의 대역폭(Bandwidth)을 결정 짓는 중요한 요소 중 하나이며, 여기서 광파의 속도는 광을 가이드하기 위해 사용한 물질에 의해 속도가 결정이 되어 변하지 않으므로 소자구조를 통한 마이크로웨이브의 속도를 변화시켜 광파의 속도에 정합 되도록 해야 한다.
기존의 소자의 경우 전계 분포가 마이크로스트립 선로(microstrip line)의 전계 분포와 유사하므로 일반적으로 마이크로웨이브의 속도가 광파보다 느리다. 마이크로웨이브의 속도 정합을 위해 고려할 수 있는 설계 파라미터로는 진성 영역의 두께, 소자 혹은 신호 전극(signal electrode)의 폭과 두께, 신호전극(signal electrode)과 접지전극(ground electrode) 간의 간격 등이며, 이런 파라미터를 조정해서 얻을 수 있는 속도 정합에는 그 한계가 있다. 여기서 발생되는 마이크로웨이브(microwave)와 광파 사이의 속도 부정합은 변조된 신호를 왜곡시키게 되며 대역폭을 제한한다.
따라서, 일반적인 진행파형 전계흡수 광 변조기(TW-EAM)와 광 흡수기는 마이크로웨이브와 광파 사이의 속도 정합이 이루어지지 않는 상태에서 변조 및 흡수되므로 이로 인한 대역폭의 손실을 감수해야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로써, 본 발명의 목적은 마이크로웨이브와 광파와의 속도가 정합 된다면 대역폭을 향상시킬 수 있으므로, 변조기의 구조를 P-도핑 층의 폭을 진성영역의 폭보다 넓게 하는 버섯형태로 설계하여 일반적으로 광파보다 느린 마이크로웨이브의 속도를 증가시켜 광파와 속도정합을 꾀하여 광 변조기의 보다 넓은 대역폭을 확보하여 초고속 광통신 소자로 사용할 수 있는 마이크로웨이브와 광파의 속도정합을 위한 버섯형 전계 흡수 광소자를 제공한다.
도 1은 진행파형 전계 흡수 광 변조기의 동작을 나타낸 도면.
도 2는 종래의 P-i-N 진행파형 전계흡수 광 변조기의 구조를 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 버섯형 전계흡수 광소자 구조의 단면도.도 4는 유한 차분 시간 영역법 (Finite Diffence Time Domain method)를 사용하여 진행파형 전계 흡수 광 변조기의 마이크로웨이브 유효 유전율을 모의 실험한 결과를 나타내는 그래프
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
11 : 신호전극(Signal Electrode)
12,13 : 접지전극(Ground Electrode)
PMMA : 폴리마이드(polymide)
CW-LD : 연속 레이저 다이오드(Continuous Wave Laser Diode)
TW-EAM : 진행파형 전계 흡수 광 변조기(Traveling-Wave Electro-Absorption Modulator)
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 특징에 따르면, 광파 보다 느린 마이크로웨이브의 속도를 개선시키기 위하여 전계의 일부분을 공기중으로 분포하도록 함으로써, 마이크로웨이브가 공기중으로 통과하도록 하여 유효 유전율을 낮추어 마이크로웨이브의 속도를 높임으로써 광파와 마이크로웨이브 간의 속도 정합을 이루는 전계 흡수 광소자에 있어서:반-절연체 물질인 S.I. 기판(Semi Insulating substrate); 상기 S.I. 기판 위에 도핑된 N+층; 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 제공하며, i층 보다 넓은 p층을 가진 버섯 모양의 p-i-n 다이오드; 소자에 역 바이어스(reverse bias)를 걸어주도록 상기 p-i-n 다이오드의 p층 위에 설치된 신호전극(11); 및 상기 신호전극(11) 바로 밑에 위치하며 상기 N+층 위의 좌단측과 우단측에 형성된 접지전극(12, 13)으로 구성되는 마이크로웨이브와 광파의 속도정합을 위한 버섯형 전계 흡수 광소자를 제공한다.이때, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 p-i-n 다이오드를 버섯 형태로 형성하여 신호전극과 접지전극 사이의 거리(D)가 기준치 이하가 되도록 함으로써 커패시턴스(C)를 감소시켜 마이크로웨이브의 속도를 향상시키는 것이 바람직하다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 의한 버섯형 전계흡수 광소자 구조를 나타낸 단면도이다.
진행파형 광 변조기의 대역폭을 향상시키기 위한 방법 중 하나로 마이크로웨이브(microwave)와 광파(Light wave)의 속도정합을 들 수 있다. 일반적으로 마이크로웨이브의 속도는 물질의 유효 유전율에 반비례하므로 유효 유전율을 낮추면 마이크로웨이브의 속도 향상을 가져올 수 있다. 진행파형 광변조기는 일반적으로 산등성이 형태의 동일 평면 구조(ridge 형태의 coplanar)로 되어있으나, 전계가 도파로 부분에 수직으로 국한되어 마이크로웨이브의 속도가 느리게 된다. 광파보다 느린 마이크로웨이브의 속도를 개선시키기 위해 신호전극(11)과 접지전극(12,13)을 통해 인가되는 전계의 일부분을 공기중으로 분포하게 하여 마이크로웨이브의 유효 유전율을 낮추게 되면, 마이크로웨이브의 속도를 높일 수 있다.공기의 유전율은 반도체 보다 낮으므로 마이크로웨이브가 공기중으로 통과하여 진행하게 되면 빠르게 갈 수 있는 것이다. 산등성이 형태의 동일 평면 구조에서 공기를 통해 진행하는 전계의 크기를 늘리기 위해서는 신호전극(signal electrode)(11)과 접지전극(ground electrode)(12,13)의 사이(D)가 가능한 최대로 가까워져야 하는데, 이것은 현재의 반도체 공정 상 매우 까다로운 문제이다.또한, 신호전극과 접지전극의 사이가 변화하게 되면 마이크로웨이브의 속도의 변화뿐만 아니라 마이크로웨이브의 특성임피던스도 동시에 변화하게 된다. 따라서 속도정합과 특성 임피던스 정합을 동시에 이루기가 어렵게 된다. 그러나, 산등성이 형태의 동일 평면 구조(ridge 형태의 coplanar)를 버섯 형태로 만든다면, 흡수영역의 구조의 변화로서 조절한 특성 임피던스에 영향을 주지 않으면서 마이크로웨이브의 속도를 향상시킴으로써 마이크로웨이브와 광파의 속도정합을 할 수 있다.한편, 도 4는 유한 차분 시간 영역법 (Finite Diffence Time Domain method)를 사용하여 장파장(1.55 ㎛)에서 동작하는 산등성이 형태의 동일 평면 구조(ridge 형태의 coplanar)의 진행파형 전계 흡수 광 변조기와 버섯형 구조의 진행파형 전계 흡수 광 변조기의 마이크로웨이브 유효 유전율을 모의 실험한 결과이다. 모의 실험에 사용한 구조는 광 도파관의 진성영역의 두께와 폭이 각각 1 ㎛, 3 ㎛일 때이다. 버섯형 구조는 P-도핑 층의 폭이 진성영역보다 1 ㎛ 넓게 설계되었다. 도 4에서 알 수 있듯이 버섯형 구조에서의 마이크로웨이브 유효 유전율이 더 작다는 것을 알 수 있다.
본 발명에서 제안하는 버섯형 전계흡수 광 소자는 특별한 버섯형 구조를 이용하여 마이크로웨이브와 광파의 속도 정합을 이룰 수 있는 소자이다. 기존의 광소자의 속도 부정합 문제는 일반적으로 광파보다 속도가 느린 마이크로웨이브에 있다. 광파(Light wave)는 진성영역의 구성물질에 의해 그 속도가 고정되어지나 마이크로웨이브(Microwave)는 진성영역의 구성물질 뿐만 아니라 신호전극의 폭과 두께, 도파관의 넓이와 두께에 따라 영향을 받는다.
마이크로웨이브의 속도는 대략적으로로 나타낼 수 있다. 여기서, L은 소자의 인덕턴스를 나타내며 C는 캐패시턴스를 나타낸다. 따라서, 일반적으로 광파보다 느린 마이크로웨이브를 증가시키기 위해서는 L 이나 C를 감소시켜야 한다. L 이나 C를 감소시키는 방법에는 앞서 말한 바와 같이 여러 가지 구조의 변화를 통해 이룰 수 있으나 구조의 변화는 마이크로웨이브의 유효굴절률 뿐만 아니라 특성 임피던스에 영향을 끼쳐 전계 흡수 광 소자의 대역폭에 나쁜 영향을 줄 수 있으며 변조 효율에도 안 좋은 영향을 미칠 수 있다.버섯형 전계흡수 광소자 구조는 이러한 다른 요소에 최소의 영향을 주면서 C를 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 진행파형 광소자의 C는 전계가 걸리는 도파로의 유효 유전률과 비례관계에 있다. 버섯형 진행파형 광소자 구조는 도 3에 도시된 바와 같이 기존의 진행파형 광소자 구조보다 신호전극과 P-도핑 층을 넓게 함으로써 전계가 도파로 뿐만 아니라 그 옆의 공기에도 분포케 함으로써 평균 유전율을 낮추고 따라서 소자의 C값을 낮출 수 있는 것이다.
버섯형 진행파형 구조는 광변조기와 광소자의 완전 속도 정합을 이룰 수 있는 새로운 구조이며, 이 구조를 통하여 보다 넓은 대역폭을 확보함으로써 대용량전송을 가능케 할 수 있다.
따라서, P-도핑 층을 광 도파로 보다 넓게 하는 버섯형 전계 흡수 광소자를 사용하면 마이크로웨이브가 공기 중으로 보다 넓게 분포하게 함으로써 광소자의 마이크로웨이브 유효 유전율을 낮추어 마이크로웨이브의 속도를 증가시켜 광파와 마이크로웨이브 간의 속도 정합을 할 수 있으며 따라서 광 변조기가 넓은 대역폭을 확보할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 마이크로웨이브와 광파의 속도정합을 위한 버섯형 전계 흡수 광소자는 진행파형 전계 흡수 광 변조기(TW-EAM) 및 광 흡수기(photo detector:PD)에서 대역폭을 증가시키는 방법 중 하나로 마이크로웨이브와 광파의 속도 정합을 들 수 있으며, 이를 위해 도파로 윗 부분의 P-도핑층을 도파로 보다 넓게 제작하여 마이크로웨이브가 공기 중으로 보다 넓게 분포하게 함으로써 광소자의 유효 유전율은 낮아지게 되고, 광파보다 느렸던 마이크로웨이브의 속도는 증가하게 됨으로써 광파와 마이크로웨이브 간의 속도 정합을 꾀할 수 있어 결과적으로 광변조기의 보다 넓은 대역폭을 확보할 수 있어 초고속 광통신 소자로 이용할 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 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (2)
- 광파 보다 느린 마이크로웨이브의 속도를 개선시키기 위하여 전계의 일부분을 공기중으로 분포하도록 함으로써, 마이크로웨이브가 공기중으로 통과하도록 하여 유효 유전율을 낮추어 마이크로웨이브의 속도를 높임으로써 광파와 마이크로웨이브 간의 속도 정합을 이루는 전계 흡수 광소자에 있어서:반-절연체 물질인 S.I. 기판(Semi Insulating substrate);상기 S.I. 기판 위에 도핑된 N+층;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 제공하며, i층 보다 넓은 p층을 가진 버섯 모양의 p-i-n 다이오드;소자에 역 바이어스(reverse bias)를 걸어주도록 상기 p-i-n 다이오드의 p층 위에 설치된 신호전극(11); 및상기 신호전극(11) 바로 밑에 위치하며 상기 N+층 위의 좌단측과 우단측에 형성된 접지전극(12, 13)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브와 광파의 속도정합을 위한 버섯형 전계 흡수 광소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 p-i-n 다이오드를 버섯 형태로 형성하여 신호전극과 접지전극 사이의 거리(D)가 기준치 이하가 되도록 함으로써 커패시턴스(C)를 감소시켜 마이크로웨이브의 속도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브와 광파의 속도정합을 위한 버섯형 전계 흡수 광소자.
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| KR10-2000-0026368A KR100369319B1 (ko) | 2000-05-17 | 2000-05-17 | 마이크로웨이브와 광파의 속도정합을 위한 버섯형 전계흡수 광소자 |
Publications (2)
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|---|---|
| KR20010105672A KR20010105672A (ko) | 2001-11-29 |
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Family
ID=19668904
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Families Citing this family (1)
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| KR100634207B1 (ko) | 2004-12-16 | 2006-10-16 | 한국전자통신연구원 | 도핑층을 이용하여 임피던스 정합용 저항 성분을 집적한반도체 광변조기 및 그 제작 방법 |
-
2000
- 2000-05-17 KR KR10-2000-0026368A patent/KR100369319B1/ko not_active IP Right Cessation
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| Publication number | Publication date |
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| KR20010105672A (ko) | 2001-11-29 |
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