KR100433298B1 - Fabricating method of spot-size converter semiconductor optical amplifier - Google Patents

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KR100433298B1 KR10-1999-0004229A KR19990004229A KR100433298B1 KR 100433298 B1 KR100433298 B1 KR 100433298B1 KR 19990004229 A KR19990004229 A KR 19990004229A KR 100433298 B1 KR100433298 B1 KR 100433298B1
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Abstract

본 발명은 차 세대 광 통신의 핵심 소자로 각광을 받고 있는 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기(spot-size converter integrated semiconductor optical amplifier; SSC SOA) 및 그 제조 방법을 기재한다. 본 발명에 따른 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기 제조 방법은 (가) 반도체 기판 상에 선택 영역 성장법을 이용하여 중앙부의 이득영역 보다 양쪽 가장자리의 스폿 사이즈 변환 영역의 두께가 벽개면에 가까울수록 얇아지는 스트라이프 상의 광도파로 구조체를 소정 폭으로 성장시키되, 벽개면의 수직 방향과는 소정의 각도 만큼 기울어지게 성장시키는 단계; (나) 상기 (가) 단계에서 성장된 스트라이프 광도파로 구조체에서 상기 이득영역은 폭 방향으로 양쪽에 거칠게 성장된 가장자리 부분을 식각하고 상기 스폿 사이즈 변환 영역은 상기 벽개면 쪽으로 가까울수록 그 폭이 좁아지도록 식각하여 소정 폭의 스트라이프 상의 광도파로를 형성하는 단계; 및 (다) 상기 스트라이프 상의 광도파로 양쪽 측면에 전류제한층을 성장시키고, 상기 벽개면과 상기 광도파로의 끝부분 사이에 윈도우 물질을 증착하여 윈도우 구조를 형성한 다음, 상기 광도파로와 전류제한층 상에 광 증폭기의 상부 구조를 형성하는 단계;를 포함한다.The present invention describes a spot-size converter integrated semiconductor optical amplifier (SSC SOA) and a method of manufacturing the same, which are spotlighted as a core element of next-generation optical communication. In the method of manufacturing a semiconductor optical amplifier incorporating a spot size converter according to the present invention, (a) the thickness of the spot size conversion region at both edges is thinner as the cleaved surface is closer to the cleaved surface than the gain region at the center by using the selection region growth method on the semiconductor substrate. Growing the optical waveguide structure on the losing stripe to a predetermined width, but inclining at an angle with a vertical direction of the cleaved surface; (B) In the stripe optical waveguide structure grown in the step (a), the gain area is etched to the edge portion roughly grown on both sides in the width direction, and the spot size conversion area is etched to be narrower as it is closer to the cleavage surface. To form an optical waveguide on a stripe of a predetermined width; And (c) growing a current limiting layer on both sides of the optical waveguide on the stripe, depositing a window material between the cleaved surface and the end of the optical waveguide to form a window structure, and then forming the window structure on the optical waveguide and the current limiting layer. Forming an upper structure of the optical amplifier.

Description

스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기의 제조 방법{Fabricating method of spot-size converter semiconductor optical amplifier}Fabrication method of spot-size converter semiconductor optical amplifier

본 발명은 차 세대 광 통신의 핵심 소자로 각광을 받고 있는 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기(spot-size converter integrated semiconductor optical amplifier; SSC SOA) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a spot-size converter integrated semiconductor optical amplifier (SSC SOA) and a method of manufacturing the same, which are spotlighted as core elements of next-generation optical communication.

반도체 광 증폭기(SOA; semiconductor optical amplifier)는 반도체 매질을 도파로 형태로 구성하여 반도체의 이득 특성에 의한 광 증폭 기능을 이용하는 광신호 전송용 증폭기이다. 즉, 입력광이 SOA를 통과하면 출력광은 매질의 이득만큼 증폭되는 기구에 의해 동작하며 기본적 소자의 구조는 반도체 레이저 소자와 매우 유사하다. 이 SOA는 기존의 EDFA(erbium doped fiber amplifier)를 대체하는 분야뿐 아니라 스위칭(switching), 변조(modulation), 복조(demodulation), 라우팅(routing), 변환(conversion) 등의 광 신호 처리나 광 기능 제어를 위하여 사용될 수 있고, 특히 WDM용 파장 변환기(wavelength converter)나 광 스위칭 소자(optical switching device)와 같은 기능 소자에도 폭넓게 응용될 수 있다.A semiconductor optical amplifier (SOA) is an optical signal transmission amplifier that uses an optical amplification function due to gain characteristics of a semiconductor by forming a semiconductor medium in the form of a waveguide. That is, when the input light passes through the SOA, the output light is operated by a mechanism that is amplified by the gain of the medium, and the basic device structure is very similar to that of the semiconductor laser device. This SOA replaces traditional EDB (erbium doped fiber amplifiers), as well as optical signal processing and optical functions such as switching, modulation, demodulation, routing, and conversion. It can be used for control, and can be widely applied to functional devices such as wavelength converters and optical switching devices for WDM.

도 1a 및 도 1b는 각각 종래의 반도체 광 증폭기의 활성층 구조를 보여주는 도면으로서, 도 1a는 활성층의 평면적 구조를 보여주는 개략적 평면도이고, 도 1b는 도 1a의 A-A'라인을 따라 절개한 활성층의 단면 구조를 보여주는 단면도이다. 도시된 바와 같은 활성층 구조를 갖는 소자는 양쪽 벽개면이 일정한 반사율을 갖게 되면 광의 궤환이 일어나 소자의 특성이 나빠진다. 따라서, 이를 막기 위해 반도체 레이저와는 달리 벽개면 양단에 무반사(AR) 코팅을 하여 travelling wave SOA가 되도록 한다. 그러나 이와 같이 무반사 코팅을 하더라도 완벽하게 반사를 막을 수는 없으므로 레이징이 일어날 가능성이 상존하게 된다. 미약하나마 이러한 반사광을활성층으로 되돌아 가지않도록 산란시키기 위해서는 스트라이프 상의 활성층에 소정 각도의 경사를 주어 반사율을 낮추거나 윈도우(window) 영역(W)을 벽개면 근처에 만들어 반사율을 더욱 더 낮출 수 있다.1A and 1B are views showing an active layer structure of a conventional semiconductor optical amplifier, respectively, FIG. 1A is a schematic plan view showing a planar structure of an active layer, and FIG. 1B is a cutaway view of the active layer cut along the line AA ′ of FIG. 1A. A cross section showing the cross-sectional structure. In the device having the active layer structure as shown in the drawing, when both cleaved surfaces have a constant reflectance, light feedback occurs, thereby deteriorating characteristics of the device. Therefore, in order to prevent this, unlike the semiconductor laser, the antireflection (AR) coating is applied to both ends of the cleaved surface to become the traveling wave SOA. However, even with this anti-reflective coating it is not possible to completely prevent reflection, so there is always a possibility of rasing. In order to scatter the reflected light so as not to return to the active layer, the reflective layer may be inclined at a predetermined angle to lower the reflectance or to lower the reflectivity by making the window area W near the cleaved surface.

또한 입력광의 편광상태에 무관하게 증폭이 일어나기 위해서는 TE 편광과 TM 편광의 이득을 같게 해주어야 하는데 이를 위해 여러 가지 방식이 채택되고 있다. 주로 하는 시도로는 활성층을 두꺼운 벌크(bulk) 물질로 하거나 스트레인 다중 양자 우물(strained multiple quantum well)을 활성층으로 적용하여 편광 이득을 같게 해주는 방식 등이 있다.In addition, in order for amplification to occur regardless of the polarization state of the input light, the gains of the TE polarization and the TM polarization must be equalized. The main attempts are to make the active layer a thick bulk material or to apply the strained multiple quantum wells to the active layer to achieve the same polarization gain.

활성층을 두꺼운 벌크(bulk) 물질로 하는 경우에는 이득영역의 단면의 가로 대 세로의 비를 거의 같게 하여 TE 방향과 TM 방향의 광학적 제한 인자(optical confinement factor)를 같게 하여 편광 무의존성을 확보할 수 있는 반면에 서브-미크론 패턴(sub-micron pattern) 형성이 필수적이므로 공정이 복잡하고 어렵다.When the active layer is made of a thick bulk material, polarization independence can be secured by making the ratio of the cross section of the gain region almost equal to the ratio of optical confinement in the TE and TM directions. On the other hand, the process is complicated and difficult because the formation of a sub-micron pattern is essential.

따라서, 벌크(bulk) 활성층에 미세한 양의 인장 응력(tensile strain)을 주면, TM 이득이 향상되어 이득영역의 폭을 1㎛ 정도로 유지하여도 용이하게 편광 무의존 특성을 얻을 수 있다.Therefore, when a small amount of tensile strain is applied to the bulk active layer, the TM gain is improved, and polarization-independent characteristics can be easily obtained even when the width of the gain region is maintained at about 1 μm.

실제로 소자의 제작이 끝나면 소자 양단에 광섬유(fiber)를 결합시켜 모듈의 형태로 제작이 이루어지는데, 이 경우 높은 결합 효율을 얻기 위해서는 복잡한 광학계를 사용하여야 하므로 가격이 높아지고 공정이 복잡해 진다. 이러한 단점을 극복하기 위해, 도 2a에 도시된 바와 같이, 통상 테이퍼 영역(tapered region)(SSC)을 소자의 소정 영역에 만들어 주어 스폿 사이즈 변환(Spot Size Conversion; SSC)에 의해 파-필드 각도(Far-field angle)를 줄여주고 이를 통해 별도의 광학계 없이도 높은 효율의 광섬유 결합이 가능하다. 또한 부가적인 효과로 SSC가 경사 도파로에 의한 반사율을 더 낮추어주는 효과를 상승시켜 준다.In fact, after fabrication of the device is completed, the optical fiber (fiber) is coupled to both ends of the device is manufactured in the form of a module. In this case, a complex optical system must be used in order to obtain high coupling efficiency, which increases the cost and complexity of the process. In order to overcome this disadvantage, as shown in FIG. 2A, a tapered region SSC is usually formed in a predetermined region of the device, so that the wave-field angle (SSC) can be reduced by spot size conversion (SSC). It reduces the far-field angle and enables high efficiency fiber coupling without the need for additional optics. As an additional effect, the SSC increases the effect of lowering the reflectance by the inclined waveguide.

이렇게 하여 무반사 코팅(AR coating), 윈도우 영역(window region), SSC, 및 경사 스트라이프를 주는 네가지 방식을 결합하면 반사율을 5×10-5% 정도까지 줄일 수 있다.In this way, the combination of AR coating, window region, SSC, and four methods of giving oblique stripes can reduce the reflectance by as much as 5x10 -5 %.

SSC는 금속-유기화 증기상 에피택시(Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy; MOVPE)의 선택 영역 성장(Selective Area Growth; SAG) 기술을 이용하여, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 수직 테이퍼링(vertical tapering)을 주는 방법과, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 마스크상에서 수평 테이퍼링(lateral tapering)을 주어 식각에 의해 형성하는 두 가지의 방식이 널리 사용된다.SSCs utilize a Selective Area Growth (SAG) technique of Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE), as shown in FIGS. 1A and 1B, for vertical tapering. The tapering method and two methods of forming by etching by giving lateral tapering as shown in FIGS. 2A and 2B are widely used.

일반적으로 스트라이프 패턴(stripe pattern)의 형성시 Br계의 비선택 습식 에칭(nonselective wet etching)이나, CH4/H2계의 비선택적 건식 에칭(nonselective dry etching)과 비선택 습식 에칭(nonselective wet etching)을 결합한 방식에 의해 식각을 수행한다.In general, non-selective wet etching of Br-based or non-selective dry etching of CH 4 / H 2 and non-selective wet etching of non-selective wet etching in forming a stripe pattern Etching is performed by combining).

또한, NEC사의 SSC-SOA는, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 폭이 0.5㎛ 정도인 직선(straight) 도파로를 사용하고 있는데. 여기에는 별도의 수평 테이퍼링(lateral tapering)은 주지 않고 있어서 반사율을 낮추는데 한계가 있어서 소자의 특성이 상대적으로 열등하다. 또한, 이러한 직선 도파로는 MOVPE의 SAG 방식에 의해 수직 테이퍼(vertical taper)를 형성하고 있다. 이 경우에는 도 4에 도시된 바와 같은 간격이 1㎛ 정도로 좁은 SAG 마스크(100)을 이용하여 에피택시 성장을 행하여 이를 그대로 도파로로 사용한다. 이러한 방법을 사용할 경우, 중앙의 마스크 폭이 넓은 쪽에서는 에피택시 성장시 결정립(grain)의 이동(migration)이 많이 일어나고, 가장자리 부분의 마스크 폭이 좁은 쪽은 결정립의 이동이 상대적으로 적게 일어나 수직 방향으로의 테이퍼 구조를 갖는 소자의 제작은 간편해지나 선택적 성장의 특성상 스트라이프 상의 도파로에 도 2a에 도시된 바와 같이 경사를 주거나 수평 테이퍼(lateral taper)를 주는 경우 결정 방향에 따른 성장율의 차이에 의해 마스크와 결정 사이의 계면이 매우 거칠어져 도파로의 특성이 매우 나빠지고 손실이 심해지는 단점이 있다.In addition, NSC's SSC-SOA uses a straight waveguide having a width of about 0.5 μm as shown in Figs. 3A and 3B. There is no separate horizontal tapering and there is a limit in lowering the reflectance, so the characteristics of the device are relatively inferior. In addition, such a straight waveguide forms a vertical taper by the SAG method of MOVPE. In this case, epitaxial growth is performed using the SAG mask 100 having a narrow interval of about 1 μm as shown in FIG. 4, and used as a waveguide as it is. In this method, the larger the width of the central mask, the greater the migration of grains during epitaxy growth, and the smaller the width of the masks at the edges. The fabrication of a device having a tapered structure is simplified, but due to the characteristics of selective growth, when the waveguide on the stripe is inclined or lateral taper as shown in FIG. The interface between the crystals is very rough, the waveguide characteristics are very bad and the loss is severe.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, 도파로와 벽개면 사이에 윈도우 영역을 형성하는 동시에 스트라이프 상의 도파로에 경사를 주어 벽개면에서 반사되는 빛이 도파로로 되돌아가지 못하도록 산란시키는 동시에 도파로의 양쪽 가장자리 부분에서 수직 및 수평 테이퍼 구조를 갖도록 형성된 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기 및 그 제작 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been devised to improve the above problems, and forms a window area between the waveguide and the cleavage surface, and at the same time, inclines the waveguide on the stripe to scatter the light reflected from the cleavage surface so as not to return to the waveguide, and at the both edges of the waveguide. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor optical amplifier incorporating a spot size converter formed to have vertical and horizontal tapered structures at a portion thereof, and a fabrication method thereof.

도 1a 및 도 1b는 각각 종래의 반도체 광 증폭기의 도파로 구조를 보여주는 도면으로서,1A and 1B are diagrams illustrating a waveguide structure of a conventional semiconductor optical amplifier, respectively.

도 1a는 도파로의 평면적 구조를 보여주는 개략적 평면도,1A is a schematic plan view showing a planar structure of a waveguide;

도 1b는 도 1a의 A-A'라인을 따라 절개한 도파로의 단면 구조를 보여주는 단면도,1B is a cross-sectional view illustrating a cross-sectional structure of a waveguide cut along the line AA ′ of FIG. 1A;

도 2a 및 도 2b는 각각 종래의 또 다른 반도체 광 증폭기의 도파로 구조를 보여주는 도면으로서,2A and 2B illustrate a waveguide structure of another conventional semiconductor optical amplifier, respectively.

도 2a는 도파로의 평면적 구조를 보여주는 개략적 평면도,2a is a schematic plan view showing a planar structure of a waveguide;

도 2b는 도 2a의 B-B'라인을 따라 절개한 도파로의 단면 구조를 보여주는 단면도,FIG. 2B is a cross-sectional view illustrating a cross-sectional structure of the waveguide cut along the line BB ′ of FIG. 2A;

도 3a 및 도 3b는 각각 종래의 또 다른 반도체 광 증폭기(NEC사)의 도파로 구조를 보여주는 도면으로서,3A and 3B show a waveguide structure of another conventional semiconductor optical amplifier (NEC), respectively.

도 3a는 도파로의 평면적 구조를 보여주는 개략적 평면도,3A is a schematic plan view showing a planar structure of a waveguide;

도 3b는 도 3a의 C-C'라인을 따라 절개한 도파로의 단면 구조를 보여주는 단면도,3B is a cross-sectional view illustrating a cross-sectional structure of a waveguide cut along the line CC ′ of FIG. 3A;

도 4는 도 3a 및 도 3b에 도시된 도파로를 형성하기 위한 마스크 패턴을 보여주는 평면도,4 is a plan view illustrating a mask pattern for forming the waveguide shown in FIGS. 3A and 3B;

도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명에 따른 반도체 광 증폭기의 도파로 구조를 보여주는 도면으로서,5A and 5B show the waveguide structure of the semiconductor optical amplifier according to the present invention, respectively.

도 5a는 도파로의 평면적 구조를 보여주는 개략적 평면도,5a is a schematic plan view showing a planar structure of a waveguide;

도 5b는 도 5a의 B-B'라인을 따라 절개한 도파로의 단면 구조를 보여주는 단면도,5B is a cross-sectional view illustrating a cross-sectional structure of the waveguide cut along the line BB ′ of FIG. 5A;

도 6은 도 5a 및 도 5b에 도시된 반도체 광 증폭기의 부분 절개 사시도,6 is a partially cutaway perspective view of the semiconductor optical amplifier shown in FIGS. 5A and 5B;

도 7a 및 도 7b는 도 6의 반도체 광 증폭기의 도파로 구조를 상세하게 보여주는 단면도로서,7A and 7B are cross-sectional views illustrating in detail the waveguide structure of the semiconductor optical amplifier of FIG. 6.

도 7a는 도파로의 이득 영역의 단면도,7A is a sectional view of a gain region of a waveguide;

도 7b는 도파로의 스폿 사이즈 변환 영역의 단면도,7B is a cross-sectional view of the spot size conversion region of the waveguide;

도 8a 내지 도 13은 각각 본 발명에 따른 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기의 제작 방법을 공정 단계별로 보여주는 도면들로서,8A to 13 are views illustrating a step-by-step process of fabricating a semiconductor optical amplifier incorporating a spot size converter according to the present invention, respectively.

도 8a 및 도 8b는 각각 선택 영역 성장을 위한 마스크 패턴의 모양을 보여주는 평면도 및 단면도,8A and 8B are a plan view and a cross-sectional view showing the shape of a mask pattern for growing a selected region, respectively;

도 9a 및 도 9b는 각각 선택 영역 성장된 에피택시층의 구조를 보여주는 평면도들로서, 도 9b는 도 9a의 B-B' 라인을 따라 절개한 단면을 보여주는 단면도,9A and 9B are plan views showing the structure of the epitaxy layer grown on the selected region, respectively, and FIG. 9B is a cross-sectional view showing a section cut along the line BB ′ of FIG. 9A;

도 10a 및 도 10b는 각각 선택 영역 성장 상에 형성된 메사 식각용 마스크 패턴의 모양을 보여주는 단면도 및 평면도,10A and 10B are a cross-sectional view and a plan view showing a shape of a mask pattern for mesa etching formed on a selected region growth, respectively;

도 11은 에피택시층이 메사형으로 식각된 모습을 보여주는 단면도,11 is a cross-sectional view showing the epitaxy layer etched in a mesa shape,

도 12는 식각된 영역에 전류 차단층을 성장시킨 모습을 보여주는 단면도,12 is a cross-sectional view showing a growth of a current blocking layer in an etched region;

도 13은 전류 차단층 및 광도파로 상에 재성장된 크래드층 및 콘택트층이 형성된 모습을 보여주는 단면도,FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating a regrown cladding layer and a contact layer formed on a current blocking layer and an optical waveguide; FIG.

도 14는 150 mA에서 도 6의 SSC-SOA의 수평 및 수직 far-field patterns이며,FIG. 14 is the horizontal and vertical far-field patterns of the SSC-SOA of FIG. 6 at 150 mA,

도 15는 Pin = -20 dBm에서의 전류에서와 l = 1.55 mm에서 도 6의 SSC-SOA의 이득 특성 곡선이며,15 is a gain characteristic curve of the SSC-SOA of FIG. 6 at current at Pin = -20 dBm and at l = 1.55 mm,

그리고 도 16은 60, 100, 200 mA에서 도 6의 SSC-SOA의 Polarization resolved ASE spectra 이다.16 is a Polarization resolved ASE spectra of SSC-SOA of FIG. 6 at 60, 100, and 200 mA.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>

10. n-InP 기판 11. n-InP 하부 크래드층10.n-InP substrate 11.n-InP bottom cladding layer

12. InGaAsP 하부 도파(waveguide)층 13. InGaAsP 활성층12. InGaAsP bottom waveguide layer 13. InGaAsP active layer

14. InGaAsP 상부 도파층 15. p-InP 제1상부 크래드층14. InGaAsP top waveguide 15.p-InP first top clad layer

16. p-InGaAs(P) 식각 저지층 17. p-InP 제2상부 클래드층16. p-InGaAs (P) etch stop layer 17. p-InP second upper clad layer

18. p+-InGaAs 콘택트층 20. 선택적 성장용 마스크18. p + -InGaAs contact layer 20. Mask for selective growth

21. 메사(mesa) 식각용 마스크 30. 전류 제한층21. Mask for mesa etching 30. Current limiting layer

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기는, 반도체 기판 상에 하부 크래드층, 활성층 및 상부 크래드층이 순차로 적층된 광도파로가 형성되고, 상기 광도파로의 양쪽 종단부와 벽개면 사이에 윈도우 영역이 형성되며, 상기 양쪽 벽개면은 비반사 코팅된 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기에 있어서, 상기 광도파로는 메사형으로 적층되어 스트라이프 상으로 형성되고, 상기 스트라이프 상의 광도파로는 상기 벽개면의 수직 방향과 소정의 각도로 기울어지게 형성되며, 상기 스트라이프 상의 광도파로 중앙부는 선택 영역 성장되어 이득 영역이 되며 양쪽 가장자리 부분은 벽개면에 가까울수록 수직 및 수평 방향으로 폭이 좁아지는 스폿 사이즈 변환 영역으로 형성된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, in the semiconductor optical amplifier in which the spot size converter according to the present invention is integrated, an optical waveguide in which a lower clad layer, an active layer and an upper clad layer are sequentially stacked is formed on a semiconductor substrate. A window region is formed between both ends of the optical waveguide and the cleaved surface, and the cleaved surface is a semiconductor optical amplifier in which an anti-reflective coated spot size converter is integrated, wherein the optical waveguide is stacked in a mesa shape and formed into a stripe shape. The optical waveguide on the stripe is formed to be inclined at a predetermined angle with the vertical direction of the cleaved surface, and the center of the optical waveguide on the stripe is a selected region grown to be a gain region, and both edge portions are vertically and horizontally closer to the cleaved surface. Characterized in that it is formed of a spot size conversion area that becomes narrower. The.

본 발명에 있어서, 상기 광 도파로는 InP 기판 상에 n-InP 하부 크래드층, InGaAsP 하부 도파층, InGaAsP 활성층, InGaAsP 상부 도파층 및 p-InP 상부 크래드층이 순차적으로 적층되어 형성되고, 상기 하부 크래드층은 1㎛, 상기 하부 광도파층은 0.1㎛, 상기 활성층은 0.2㎛~0.25㎛, 상기 상부 광도파층은 0.1㎛, 상기 상부 크래드층은 0.4㎛의 두께로 형성되며, 상기 윈도우 영역은 15~25㎛ 정도의 폭으로 형성되며, 상기 스트라이프 상의 광도파로는 상기 벽개면에 수직한 방향과 7~10°를 이루도록 형성되며, 상기 양쪽 벽개면은 SiO2/TiO2무반사 코팅막으로 형성된 것이 바람직하다.In the present invention, the optical waveguide is formed by sequentially stacking an n-InP lower cladding layer, an InGaAsP lower waveguide layer, an InGaAsP active layer, an InGaAsP upper waveguide layer, and a p-InP upper cladding layer on an InP substrate. The lower cladding layer is 1 μm, the lower optical waveguide layer is 0.1 μm, the active layer is 0.2 μm to 0.25 μm, the upper optical waveguide layer is 0.1 μm, and the upper clad layer is formed to a thickness of 0.4 μm. Is formed in a width of about 15 ~ 25㎛, the optical waveguide on the stripe is formed to form a 7 to 10 ° in the direction perpendicular to the cleaved surface, the cleaved surface is preferably formed of SiO 2 / TiO 2 antireflective coating film. .

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기의 제작 방법은, (가) 반도체 기판 상에 선택 영역 성장법을 이용하여 중앙부의 이득영역 보다 양쪽 가장자리의 스폿 사이즈 변환 영역의 두께가 벽개면에 가까울수록 얇아지는 스트라이프 상의 광도파로 구조체를 소정 폭으로 성장시키되, 벽개면의 수직 방향과는 소정의 각도 만큼 기울어지게 성장시키는 단계; (나) 상기 (가) 단계에서 성장된 스트라이프 광도파로 구조체에서 상기 이득영역은 폭 방향으로 양쪽에 거칠게 성장된 가장자리 부분을 식각하고 상기 스폿 사이즈 변환 영역은 상기 벽개면 쪽으로 가까울수록 그 폭이 좁아지도록 식각하여 소정 폭의 스트라이프 상의 광도파로를 형성하는 단계; 및 (다) 상기 스트라이프 상의 광도파로 양쪽 측면에 전류제한층을 성장시키고, 상기 벽개면과 상기 광도파로의 끝부분 사이에 윈도우 물질을 증착하여 윈도우 구조를 형성한 다음, 상기 광도파로와 전류제한층 상에 광 증폭기의 상부 구조를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in order to achieve the above object, according to the present invention, a method for fabricating a semiconductor optical amplifier in which a spot size converter is integrated is provided. Growing the optical waveguide structure on the stripe which becomes thinner as the spot size conversion region becomes closer to the cleaved surface with a predetermined width, but inclined by a predetermined angle with respect to the vertical direction of the cleaved surface; (B) In the stripe optical waveguide structure grown in the step (a), the gain area is etched to the edge portion roughly grown on both sides in the width direction, and the spot size conversion area is etched to be narrower as it is closer to the cleavage surface. To form an optical waveguide on a stripe of a predetermined width; And (c) growing a current limiting layer on both sides of the optical waveguide on the stripe, depositing a window material between the cleaved surface and the end of the optical waveguide to form a window structure, and then forming the window structure on the optical waveguide and the current limiting layer. Forming an upper structure of the optical amplifier in the;

본 발명에 있어서, 상기 반도체 기판으로는 n-InP 기판을 사용하되, 상기 (가) 단계는, (가-1) n-InP 기판 상에 유전체막을 형성하는 서브단계; (가-2) 상기 유전체막을 패터닝하여 선택 성장용 마스크를 형성하는 서브단계; 및 (가-3) 상기 선택 성장용 마스크를 이용하여 통상의 MOVPE의 SAG 방식으로 하부 크래드층, 하부 도파층, 활성층, 상부 도파층, 상부 크래드층 및 식각저지층을 포함하는 도파로 구조를 성장시키는 서브단계;를 포함하고, 상기 (가-1) 서브단계에서 상기 유전체막은 PECVD나 혹은 스프터링법을 이용하여 SiO2나 Si3N4를 증착하여 형성하며, 상기 (가-2) 서브단계에서 상기 유전체막은 포토리소그래피법으로 패터닝하되, 상기 마스크 사이의 개방 영역은 15㎛ 내외로 하고 상기 벽개면의 수직 방향에 대하여 약 7°~10°정도로 기울어지도록 형성하며, 상기 (가-2) 서브단계에서 상기 선택 성장용 마스크의 폭은 상기 마스크 사이의 개방 영역과 마스크 외부 영역 간의 성장율및 조성의 차이를 결정짓는 값으로 150㎛ 로 하여, 약 3:1의 두께비를 얻을 수 있도록 하며, 상기 (가-3) 서브단계에서, 상기 하부 크래드층은 n-InP를 1㎛ 두께로 성장시키고, 상기 하부 도파층은 InGaAsP를 0.1㎛ 두께로 성장시키며, 상기 활성층은 InGaAsP를 0.2㎛~0.25㎛ 두께로 성장시키며, 상기 상부 도파층은 InGaAsP를 0.1㎛ 두께로 성장시키며, 상기 상부 크래드층은 p-InP를 0.4㎛ 두께로 성장시키며, 상기 식각 저지층은 p-InGaAs(P)를 0.05㎛ 두께로 성장시키는 것이 바람직하다.In the present invention, the n-InP substrate is used as the semiconductor substrate, and the step (a) includes (a-1) forming a dielectric film on the n-InP substrate; (A-2) sub-steps of patterning the dielectric film to form a mask for selective growth; And (A-3) a waveguide structure including a lower cladding layer, a lower waveguide layer, an active layer, an upper waveguide layer, an upper cladding layer, and an etch stop layer in the SAG method of a conventional MOVPE using the selective growth mask. A sub-step of growing; and in the sub-step (a-1), the dielectric film is formed by depositing SiO 2 or Si 3 N 4 using PECVD or sputtering, and the (ga-2) sub-step. In the step, the dielectric film is patterned by photolithography, but the open area between the masks is formed to be about 15 μm and inclined at about 7 ° to 10 ° with respect to the vertical direction of the cleaved surface. In the step, the width of the selective growth mask is 150 µm as a value for determining the difference in growth rate and composition between the open area and the outer area of the mask between the masks, so that a thickness ratio of about 3: 1 can be obtained. In the step (ga-3), the lower cladding layer grows n-InP to 1 µm thick, the lower waveguide layer grows InGaAsP to 0.1 µm thick, and the active layer grows InGaAsP 0.2 µm to 0.25 Grow to a thickness of μm, the upper waveguide layer to grow InGaAsP to a thickness of 0.1 μm, the top clad layer to grow p-InP to 0.4 μm, and the etch stop layer to grow p-InGaAs (P) 0.05 It is preferable to grow to a thickness of 탆.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 (나) 단계는, (나-1) 상기 식각 저지층을 이용하여 선택 성장용 마스크를 제거한 다음 식각 저지층을 제거하는 서브단계; (나-2) 유전체막을 증착하는 서브단계; (나-3) 통상의 리소그래피(lithography) 공정으로 상기 유전체막을 패터닝하여 선택적 성장이 된 영역 상에 평행하게 정 중앙에 정렬하여 메사(mesa) 식각용 마스크를 형성하는 서브단계; 및 (나-4) 상기 메사 식각용 마스크를 이용하여 상기 스트라이프 상의 도파로 구조체를 식각하여 거의 수직한 경사를 갖는 매립 스트라이프 상의 광도파로를 형성하는 서브단계;를 포함하고, 상기 (나-2) 서브단계에서 상기 유전체막은 플라즈마 강화 화학 기상 증착법이나 혹은 스프터링법을 이용하여 SiO2나 Si3N4를 증착하여 형성하며, 상기 (나-3) 서브단계에서 상기 메사 식각용 마스크는 상기 광도파로의 이득 영역의 폭이 1㎛ 내외로 형성되고 상기 광도파로의 끝부분은 0.2㎛ 이하로 형성되도록, 상기 선택 성장된 도파로 구조체 상에서 그 모양과 폭이 조절되며, 상기 (나-4) 서브단계에서 상기 매립 스트라이프 상의 광도파로는 상기 벽개면의 수직면과 7~10°정도의 경사를 이루고 이득 영역의 폭이 1㎛ 내외로 조절되고 도파로의 끝부분은 0.2㎛ 이하로형성되도록 통상의 습식 식각법이나 혹은 CH4/H2계의 리액티브 이온 에칭법을 이용하여 형성된 것이 바람직하다.In addition, in the present invention, the step (B) may include (B-1) a sub-step of removing the etch stop layer after removing the mask for selective growth using the etch stop layer; (B-2) depositing a dielectric film; (B-3) a sub-step of patterning the dielectric film by a conventional lithography process to form a mesa etching mask by aligning the center film in parallel with the center of the selective growth region; And (b-4) forming an optical waveguide on the buried stripe having an almost vertical inclination by etching the waveguide structure on the stripe using the mesa etching mask. In the step, the dielectric film is formed by depositing SiO 2 or Si 3 N 4 using plasma enhanced chemical vapor deposition or sputtering. In the sub-step (B-3), the mesa etching mask is formed by the optical waveguide. The shape and width of the gain grown waveguide structure are adjusted so that the width of the gain region is formed to be about 1 μm and the end of the optical waveguide is formed to be 0.2 μm or less, and in step (b-4), The optical waveguide on the buried stripe forms an inclination of about 7-10 ° with the vertical plane of the cleaved surface, and the width of the gain region is adjusted to about 1 μm and the end of the waveguide is 0.2 μm or less. It is preferable to use a conventional wet etching method or a reactive ion etching method of CH 4 / H 2 system so as to form a furnace.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 (다) 단계는, (다-1) 상기 스트라이프 상의 광도파로 측면의 상기 기판 상에 재성장을 행하여 전류 제한층을 형성하고 상기 광도파로의 끝부분과 상기 벽개면 사이에 윈도우 영역을 형성하는 서브단계; (다-2) 상기 메사 식각용 마스크를 제거하는 서브단계; (다-3)상기 전류제한층과 광도파로 상에 상부 크래드층 및 콘택트층을 재성장시키는 서브 단계;를 포함하고, 상기 (다-1) 서브단계에서 상기 윈도우 영역은 15~25㎛ 의 폭으로 형성되며, 상기 (다-3) 단계에서 상기 전류 제한층은 p-InP/n-InP 나 혹은 반절연 InP를 사용하여 형성하고, 상기 상부 크래드층은 p-InP를 2㎛ 두께로 증착하여 형성하며, 상기 콘택트층은 p+-InGaAs를 0.1㎛ 두께로 증착하여 형성하며, 상기 (다) 단계 다음에 벽개면(facet) 양단에 SiO2/TiO2로 무반사 코팅을 행하여 반사율을 낮추는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.Further, in the present invention, the step (c) comprises (c-1) regrowth on the substrate on the side of the optical waveguide on the stripe to form a current limiting layer between the end of the optical waveguide and the cleaved surface. Forming a window area; (C-2) removing the mesa etching mask; (C-3) a sub-step of regrowing the upper clad layer and the contact layer on the current limiting layer and the optical waveguide; wherein, in the (C-1) sub-step, the window area has a width of 15 to 25 μm. In the step (c-3), the current limiting layer is formed using p-InP / n-InP or semi-insulating InP, and the upper cladding layer is deposited with p-InP having a thickness of 2 μm. The contact layer is formed by depositing p + -InGaAs to a thickness of 0.1㎛, (C) after the step of performing a non-reflective coating with SiO 2 / TiO 2 on both sides of the cleaved (facet) to lower the reflectance; It is preferable to further include.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기 및 그 제작 방법을 상세하게 설명한다.Hereinafter, a semiconductor optical amplifier incorporating a spot size converter and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명에 따른 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기의 광도파로 구조를 개략적으로 보여주는 평면도 및 수직 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기는 광 도파로의 형성하는 스트라이프 상의 활성층이 도 5a에 도시된 바와 같이 벽개면의 수직 방향에 대하여 7°~10°정도 경사지게 형성되고, 그 양쪽 가장자리가 수평적으로 좁아지는 테이퍼 구조를 가지며, 또한, 도 5b에 도시된 바와 같이 수직적으로도 양쪽 가장자리가 좁아지는 테이퍼 구조를 갖도록 형성된 점에 특징이 있다. 이러한 테이퍼 구조는 도 6의 부분 절개 사시도에 잘 나타나 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기의 일 실시예는 벽개면과 벽개면 사이의 거리가 1500㎛ 정도로서, 윈도우 영역의 폭이 약 20㎛ 정도이므로, 스트라이프 상의 활성층(10)의 길이는 약 1460㎛ 정도이다. 이 1460㎛ 의 활성층 중앙의 600㎛ 정도를 제외한 양쪽 가장자리의 430㎛ 정도는 스폿 사이즈 변환 영역으로 수평 및 수직 방향으로 좁아지는 테이퍼 구조로 형성된다. 그리고 양쪽 벽개면은 SiO2/TiO2무반사 코팅막으로 형성된다. 도 7a는 도 6에서 이득 영역의 단면도이고, 도 7b는 도 6에서 스폿 사이즈 변환(SSC) 영역의 단면도이다. 활성층의 단면이 도 7a에서 보다 도 7b에서 더 좁음을 알 수 있다.5A and 5B are a plan view and a vertical sectional view schematically showing the optical waveguide structure of the semiconductor optical amplifier in which the spot size converter is integrated according to the present invention, respectively. As shown, in the semiconductor optical amplifier in which the spot size converter is integrated according to the present invention, the active layer on the stripe forming the optical waveguide is formed to be inclined at about 7 ° to 10 ° with respect to the vertical direction of the cleaved surface as shown in FIG. 5A. It is characterized by having a tapered structure in which both edges thereof are horizontally narrowed, and also having a tapered structure in which both edges are narrowed vertically as shown in FIG. 5B. This tapered structure is shown in the partial cutaway perspective view of FIG. 6. As shown in FIG. 6, an embodiment of the semiconductor optical amplifier in which the spot size converter is integrated according to the present invention has a distance between the cleaved surface and the cleaved surface of about 1500 μm, and the width of the window area is about 20 μm. The length of the active layer 10 is about 1460 μm. About 430 micrometers of both edges except about 600 micrometers of the center of this 1460 micrometer active layer are formed in the taper structure narrowing in a horizontal and a vertical direction to a spot size conversion area | region. Both cleaved surfaces are formed of an SiO 2 / TiO 2 antireflective coating film. FIG. 7A is a cross-sectional view of the gain region in FIG. 6, and FIG. 7B is a cross-sectional view of the spot size conversion (SSC) region in FIG. 6. It can be seen that the cross section of the active layer is narrower in FIG. 7B than in FIG. 7A.

이와 같은 구조를 갖는 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기는 경사각 선택 영역 성장(angled selective area growth)법을 이용하여 제작한다.A semiconductor optical amplifier incorporating a spot size converter having such a structure is manufactured by using an angled selective area growth method.

먼저, 앞서 설명한 바와 같이, NEC사의 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기와 같이, 간격이 1㎛ 정도로 좁은 SAG 마스크(도 4 참조)를 이용하여 MOVPE의 SAG(selective area growth) 방식 에피택시 성장을 행함으로써 수직 테이퍼를 갖는 선택적 에피택시 성장층을 형성한 다음 이를 그대로 도파로로 사용하는 경우, 소자의 제작은 간편해진다. 그러나 이 방법을 그대로 이용하여 SAG 마스크를 벽개면의 수직 방향에 경사지게 놓고 선택적 영역 성장을 행하는 경우, 스트라이프상의 에피택시 성장층의 측면이 결정 방향과 일치하지 않고 성장속도가 달라서 마스크와 결정 사이의 계면이 매우 거칠어져 도파로의 특성이 매우 나빠지고 손실이 심해지므로 이를 그대로 이용할 수는 없다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 스트라이프 SAG 성장층을 벽개면의 수직 방향과 소정의 각도 만큼 기울여 성장시키되 그 폭을 15㎛ 정도로 넓히고 거칠게 성장된 가장자리 부분을 식각해 내는 방법을 사용한다. 이와 같이 하면, 스트라이프 상의 도파로 구조의 측면이 깨끗하게 형성되므로, 종래의 방식보다 FFP 각도를 줄이고 반사율을 낮추어 소자의 특성을 획기적으로 개선할 수 있다. 이러한 제작 공정을 상세하게 설명하면 다음과 같다.First, as described above, the selective area growth (SAG) epitaxy growth of MOVPE is performed by using a SAG mask (see FIG. 4) having a narrow interval of about 1 μm, such as a semiconductor optical amplifier in which NEC's spot size converter is integrated. By forming a selective epitaxy growth layer having a vertical taper and then using it as a waveguide as described above, fabrication of the device is simplified. However, if the SAG mask is inclined in the vertical direction of the cleaved surface and the selective growth is performed using this method, the side of the epitaxial growth layer on the stripe does not coincide with the crystal direction and the growth rate is different so that the interface between the mask and the crystal is different. It is not possible to use it as it is so rough that the characteristics of the waveguide are very bad and the loss is severe. Therefore, in the exemplary embodiment of the present invention, the stripe SAG growth layer is grown at an angle with respect to the vertical direction of the cleaved surface, but the width thereof is increased to about 15 μm and the roughly grown edge portion is etched. In this way, since the side surface of the waveguide structure on the stripe is formed cleanly, it is possible to significantly improve the characteristics of the device by reducing the FFP angle and lowering the reflectance than the conventional method. The manufacturing process is described in detail as follows.

먼저, 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, n-InP 기판(10) 상에 통상의 PECVD나 스프터링(sputtering)법을 이용하여 SiO2나 Si3N4등의 유전체막을 증착하고 통상의 리소그래피(Lithography) 및 식각을 통하여 선택적 성장을 위한 마스크(20)를 형성한다. 이 때 마스크(20) 사이의 개방(opening) 영역은 15㎛ 내외로 하여 추후에 다시 스트라이프(stripe) 형성용 마스크(도 10 참조)를 용이하게 얹을 수 있도록 하고, 결정 방향(벽개면의 수직 방향)에 대하여 약 7°~10°정도로 기울어지도록 한다. 마스크(20)의 폭은 마스크 내부와 마스크 외부 영역 간의 성장율 및 조성의 차이를 결정짓는 중요한 값으로 150㎛ 인 경우 약 3:1의 두께비를 얻을 수 있도록 하며, 내부가 1.55Q로 성장할 때 외부는 1.3Q의 물질이 성장되어 마스크 외부는 수동 도파로로 동작할 수 있게 된다.First, as shown in FIGS. 8A and 8B, a dielectric film, such as SiO 2 or Si 3 N 4 , is deposited on the n-InP substrate 10 using conventional PECVD or sputtering. Lithography and etching form a mask 20 for selective growth. At this time, the opening area between the masks 20 should be about 15 占 퐉 so that the mask for forming stripe (see Fig. 10) can be easily mounted later, and the crystal direction (vertical direction of the cleavage surface) Tilt at about 7 ° to 10 °. The width of the mask 20 is an important value that determines the difference in growth rate and composition between the mask inside and the outside area of the mask. When the thickness is 150 μm, a thickness ratio of about 3: 1 is obtained. 1.3Q of material is grown, allowing the outside of the mask to act as a passive waveguide.

다음에, 도 9a에 도시된 바와 같이, 마스크(mask)(20)를 이용하여 통상의 MOVPE의 SAG 방식으로 하부 크래드층, 활성층 및 상부 크래드층을 포함하는 도파로구조를 성장시킨다. 이와 같이 하면, MOVPE 성장 조건에 따라 차이는 있으나 통상의 방식으로 5~10㎛ 정도의 균일한 영역을 용이하게 얻을 수 있다. SAG시에는, 도 9b에 도시된 바와 같이, 1㎛ n-InP 하부 크래드층(11), 0.1㎛ 1.3Q InGaAsP 도파(waveguide)층(12), 0.2㎛~0.25㎛ 1.55Q -slightly tensile strained bulk InGaAsP 활성층(13), 0.1㎛ 1.3Q InGaAsP waveguide층(14), 0.4㎛ p-InP 상부 크래드층(15), 0.05㎛ p-InGaAs(P) 식각 저지층(16)을 순차적으로 적층한다.Next, as shown in FIG. 9A, a waveguide structure including a lower cladding layer, an active layer, and an upper cladding layer is grown in a SAG manner of a conventional MOVPE using a mask 20. In this way, although there are differences depending on the MOVPE growth conditions, it is possible to easily obtain a uniform region of about 5 to 10 μm in a conventional manner. In SAG, as shown in FIG. 9B, a 1 μm n-InP lower clad layer 11, a 0.1 μm 1.3Q InGaAsP waveguide layer 12, 0.2 μm to 0.25 μm 1.55Q -slightly tensile strained A bulk InGaAsP active layer 13, a 0.1 μm 1.3Q InGaAsP waveguide layer 14, a 0.4 μm p-InP top clad layer 15, and a 0.05 μm p-InGaAs (P) etch stop layer 16 are sequentially stacked. .

다음으로, 식각 저지층(16)을 이용하여 선택 성장용 유전체 마스크(20)를 제거하고, 식각 저지층(16)을 제거한 다음, 도 10a에 도시된 바와 같이, 다시 전술한 유전체 막을 다시 증착한다. 그리고 통상의 리소그래피(lithography) 공정을 이용하여 선택적 성장이 된 영역에 평행하게 정 중앙에 정렬하여 메사(mesa) 식각용 마스크(21)를 형성한다. 이 때 도파로의 형태는, 도 10b에 도시된 바와 같이, 7~10°정도의 경사를 주고 수직 테이퍼(vertical taper)가 형성된 소정 영역에 수평 테이퍼(lateral taper)를 같이 주어 SSC가 더욱 강화되게 하며, 도파로의 끝 부분에는 15~25㎛ 정도의 윈도우(window) 영역을 형성하여 반사율을 더욱 더 낮추어 준다.Next, the selective growth dielectric mask 20 is removed using the etch stop layer 16, the etch stop layer 16 is removed, and the above-described dielectric film is again deposited as shown in FIG. 10A. . In addition, a mesa etching mask 21 is formed by aligning in the center of the center in parallel with the selective growth region using a conventional lithography process. At this time, the shape of the waveguide, as shown in Figure 10b, gives an inclination of about 7 ~ 10 ° and a horizontal taper (lateral taper) in the predetermined area where the vertical taper (vertical taper) is formed to further strengthen the SSC At the end of the waveguide, a window area of about 15 to 25 μm is formed to lower the reflectance even further.

이렇게 형성된 마스크(21)를 이용하여, 도 11에 도시된 바와 같이, 통상의 습식 식각이나 CH4/H2계의 리액티브 이온 에칭(RIE) 공정을 통해 매립 스트라이프(buried stripe)의 형태로 식각을 행하여 거의 수직한 slope을 갖도록 하는 방식으로 도파로를 형성한다. 이 때 이득 영역의 폭은 도 6에 나타난 바와 같이 1㎛ 내외로 조절하고 도파로의 끝부분은 0.2㎛ 이하가 되게 하여야 단일 모드 동작이 가능하다.Using the mask 21 thus formed, as shown in FIG. 11, etching is performed in the form of a buried stripe through conventional wet etching or a reactive ion etching (RIE) process based on CH 4 / H 2 . To form a waveguide in such a way that it has a nearly vertical slope. At this time, as shown in FIG. 6, the width of the gain region is adjusted to about 1 μm and the end of the waveguide is 0.2 μm or less to enable single mode operation.

다음으로, 선택 영역 재성장(selective area regrowth)을 통해, 도 12에 도시된 바와 같이, 전류 제한 영역(30)과 윈도우(window) 영역을 형성한 다음, 마스크(mask)(21)를 제거하고, 도 13에 도시된 바와 같이, 다시 재성장(regrowth)을 행하여 소자를 완성한다. 이 때 전류 제한층(30)으로는 p-InP/n-InP 나 반절연(semi-insulating) InP를 모두 사용할 수 있으며, 재성장(regrowth)의 경우 2㎛ p-InP 상부 클래드층(17), 0.1㎛ p+-InGaAs 콘택트(contact)층(18)의 순서로 성장하여 소자를 완성한다.Next, through selective area regrowth, as shown in FIG. 12, the current limiting region 30 and the window region are formed, and then the mask 21 is removed, As shown in Fig. 13, regrowth is performed again to complete the device. At this time, either the p-InP / n-InP or semi-insulating InP may be used as the current limiting layer 30. In the case of regrowth, the upper cladding layer 17 of the 2 μm p-InP 17, The device is grown by growing in the order of 0.1 μm p + −InGaAs contact layer 18.

다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 소자 상부의 소정 영역에 전극을 형성하고, 기판의 배면을 연마하여 얇게 만든 다음 배면 전극을 형성하여 소자를 완성한다.Next, as shown in FIG. 6, an electrode is formed in a predetermined region of the upper part of the device, the back surface of the substrate is polished and thinned, and then a back electrode is formed to complete the device.

소자를 어레이(array) 형태로 클리빙(cleaving)한 다음, 벽개면(facet) 양단에 무반사 코팅을 행하여 반사율을 낮게 한다.The device is cleaved in the form of an array and then subjected to antireflective coating across the facet to lower the reflectance.

다음으로, 칩(chip)을 분리한 다음, 통상의 패키징(packaging) 방식으로 모듈을 완성한다.Next, the chip is separated, and then the module is completed by the normal packaging method.

이와 같은 방법으로 제작된 실시예는 도 14 내지 도 16에 도시된 바와 같은 특성을 보여준다.The embodiment manufactured in this manner shows the characteristics as shown in FIGS. 14 to 16.

도 14는 상기와 같이 제작된 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기의 far field pattern 이다. 여기서, □는 수직 방향 far field pattern이고, +는 수평방향 far field pattern 이다. 도 15는 주입 전류 증가에 따른 상기 SOA 소자의 이득 특성을 보여주는 그래프이며, 그리고 도 16은 상기 SOA 소자의 파장에 따른 ASE 파워를 보여주는 그래프이다.14 is a far field pattern of a semiconductor optical amplifier incorporating the spot size converter fabricated as described above. Where? Is the vertical far field pattern, and + is the horizontal far field pattern. FIG. 15 is a graph showing gain characteristics of the SOA device with increasing injection current, and FIG. 16 is a graph showing ASE power according to the wavelength of the SOA device.

이와 같은 방법으로 제작된 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기는 FFP 저감화, 반사율 저감화, 이득 특성 향상, 잡음 특성 향상, 코팅 조건 완화로 인한 소자 제작의 용이성, 광섬유 결합 효율 향상 및 어레이(array) 소자로 제작시 균일성 향상과 같은 장점을 갖는다. 이러한 특성들을 상세하게 고찰하여 보면 다음과 같다.The semiconductor optical amplifier integrated with the spot size converter fabricated in this way has the advantages of FFP reduction, reflectance reduction, gain characteristics, noise characteristics, ease of device fabrication due to reduced coating conditions, optical fiber coupling efficiency, and array devices. It has advantages such as improved uniformity when manufacturing furnace. In detail, these characteristics are as follows.

첫째, FFP(far field pattern)의 각도(angle)가 감소(reduction)한다.First, the angle of the far field pattern (FFP) is reduced.

통상의 반도체 도파로는 그 크기가 매우 작고 크래드층과의 굴절율의 차가 커서 스폿-사이즈(spot-size)가 광섬유에 비하여 상대적으로 작다. 이렇게 작은 스폿-사이즈(spot-size)는 밖으로 빠져 나올 때 큰 발산각을 주게 되며 통상의 도파로의 FFP 발산각은 약 50°×50°정도로 매우 커서 광섬유와의 결합 손실이 매우 커진다. 따라서, 본 발명에 따른 스폿-사이즈 변환 반도체 광 증폭기는 수평(lateral) 방향과 수직(vertical) 방향으로 동시에 테이퍼링(tapering)을 주어 SSC 효과를 극대화시켜 10°×10°정도의 매우 작은 발산각을 갖는 소자의 제작이 가능해 지며 이를 통해 광 섬유와의 결합 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 결합 효율의 증가로 모듈의 fiber-to-fiber 이득(gain)이 증가하며 잡음 특성도 우수해 진다. 아울러 SSC는 도파로의 경사에 의한 반사율 저감화의 효과를 강화시켜 반사율을 낮춰 주고 무반사 코팅의 조건을 완화시켜 준다.Conventional semiconductor waveguides are very small in size and have a large difference in refractive index with the cladding layer, so that the spot-size is relatively small compared to the optical fiber. This small spot-size gives a large divergence angle when it comes out, and the FFP divergence angle of a typical waveguide is about 50 ° × 50 °, so that the coupling loss with the optical fiber is very large. Therefore, the spot-size conversion semiconductor optical amplifier according to the present invention simultaneously tapers in the horizontal direction and the vertical direction to maximize the SSC effect to obtain a very small divergence angle of about 10 ° × 10 °. It is possible to manufacture a device having a through it can significantly improve the coupling efficiency with the optical fiber. Increasing the coupling efficiency increases the module's fiber-to-fiber gain and improves noise characteristics. In addition, SSC enhances the effect of reducing the reflectivity due to the inclination of the waveguide, thereby lowering the reflectance and alleviating the conditions of the antireflective coating.

둘째, 저 반사율(Low reflectivity)을 갖는다.Second, it has a low reflectivity.

도파로에 경사를 주면 벽개면(facet)에서 궤환되는 광량이 상대적으로 줄어드는 효과에 의하여 통상 반사율을 1 승(order) 정도 줄여 주는데 SSC 효과에 의해 2 승(order) 이상의 반사율 저감화 효과가 일어나게 되며 이를 통해 무반사 코팅의 조건을 1 승(order) 정도 완화 시킬 수 있어지는 장점이 있다. 또한, 윈도우(window) 구조는 광을 유도(guiding)하지 않고 등방성으로 발산시키므로 이 효과에 의해 반사율을 좀 더 줄일 수 있게 된다.When the waveguide is inclined, the amount of light returned from the facet is relatively reduced, and thus the reflectance is reduced by about one order. The SSC effect reduces the reflectance by more than two orders. There is an advantage in that the conditions of the coating can be relaxed by about one order. In addition, since the window structure emits isotropically without guiding light, this effect can further reduce the reflectance.

셋째, 제작이 용이하게 된다.Third, the production is easy.

도파로의 경사, 테이퍼링(tapering) 및 윈도우(window) 등은 종래의 방식으로는 손실이 너무 커서 우수한 특성을 갖는 소자의 제작이 불가능하나 본 발명에서는 넓은 SAG 성장 영역(grown region) 위에 좁은 스트라이프 상의 마스크를 얹는 방식으로 재차 식각하는 방식에 의하여 어떤 형태의 도파로도 손실없이 용이하게 형성할 수 있다.The waveguide inclination, tapering, window, etc. are too large to be lost in the conventional method to fabricate a device having excellent characteristics, but in the present invention, a mask on a narrow stripe over a large SAG growth region is not possible. By the method of etching again by placing the can be easily formed without any waveguide of any type.

Claims (23)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete (가) 반도체 기판 상에 선택 영역 성장법을 이용하여 중앙부의 이득영역 보다 양쪽 가장자리의 스폿 사이즈 변환 영역의 두께가 벽개면에 가까울수록 얇아지는 스트라이프 상의 광도파로 구조체를 성장시키되, 벽개면의 수직 방향에 대해 기울어지게 성장시키는 단계;(A) Using a selective area growth method on a semiconductor substrate, grow an optical waveguide structure on a stripe that becomes thinner as the thickness of the spot size conversion area at both edges is closer to the cleaved surface than the gain region at the center, but is perpendicular to the vertical direction of the cleaved surface. Growing inclined; (나) 상기 (가) 단계에서 성장된 스트라이프 광도파로 구조체에서 상기 이득영역은 폭 방향으로 양쪽에 거칠게 성장된 가장자리 부분을 식각하고 상기 스폿 사이즈 변환 영역은 상기 벽개면 쪽으로 가까울수록 그 폭이 좁아지도록 식각하여 스트라이프 상의 광도파로를 형성하는 단계; 및(B) In the stripe optical waveguide structure grown in the step (a), the gain area is etched to the edge portion roughly grown on both sides in the width direction, and the spot size conversion area is etched to be narrower as it is closer to the cleavage surface. To form an optical waveguide on the stripe; And (다) 상기 스트라이프 상의 광도파로 양쪽 측면에 전류제한층을 성장시키고, 상기 벽개면과 상기 광도파로의 끝부분 사이에 윈도우 물질을 증착하여 윈도우 구조를 형성한 다음, 상기 광도파로와 전류제한층 상에 광 증폭기의 상부 구조를 형성하는 단계;를(C) growing a current limiting layer on both sides of the optical waveguide on the stripe, depositing a window material between the cleaved surface and the end of the optical waveguide to form a window structure, and then on the optical waveguide and the current limiting layer Forming an upper structure of the optical amplifier; 포함하는 것을 특징으로 하는 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기의 제작 방법.A manufacturing method of a semiconductor optical amplifier with a spot size converter, characterized in that it comprises a. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 반도체 기판으로는 n-InP 기판을 사용하되, 상기 (가) 단계는,An n-InP substrate is used as the semiconductor substrate, and the (a) step is (가-1) n-InP 기판 상에 유전체막을 형성하는 서브단계;(A-1) sub-step of forming a dielectric film on the n-InP substrate; (가-2) 상기 유전체막을 패터닝하여 선택 성장용 마스크를 형성하는 서브단계; 및(A-2) sub-steps of patterning the dielectric film to form a mask for selective growth; And (가-3) 상기 선택 성장용 마스크를 이용하여 통상의 MOVPE의 SAG 방식으로 하부 크래드층, 하부 도파층, 활성층, 상부 도파층, 상부 크래드층 및 식각저지층을 포함하는 도파로 구조를 성장시키는 서브단계;를(A-3) A waveguide structure including a lower cladding layer, a lower waveguide layer, an active layer, an upper waveguide layer, an upper cladding layer, and an etch stop layer is grown by the SAG method of a conventional MOVPE using the selective growth mask. Sub-steps 포함하는 것을 특징으로 하는 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기의 제작 방법.A manufacturing method of a semiconductor optical amplifier with a spot size converter, characterized in that it comprises a. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 (가-1) 서브단계에서 상기 유전체막은 PECVD나 혹은 스프터링법을 이용하여 SiO2나 Si3N4를 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기의 제작 방법.In the sub-step (A-1), the dielectric film is formed by depositing SiO 2 or Si 3 N 4 by PECVD or sputtering. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 (가-2) 서브단계에서 상기 유전체막은 포토리소그래피법으로 패터닝하되, 상기 마스크 사이의 개방 영역은 15㎛으로 하고 상기 벽개면의 수직 방향에 대하여 약 7°~10°기울어지도록 형성하는 것을 특징으로 하는 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기의 제작 방법.In the sub-step (A-2), the dielectric film is patterned by photolithography, wherein the open area between the masks is 15 μm, and is formed to be inclined at about 7 ° to 10 ° with respect to the vertical direction of the cleaved surface. A manufacturing method of a semiconductor optical amplifier in which a spot size converter is integrated. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 (가-2) 서브단계에서 상기 선택 성장용 마스크의 폭은 상기 마스크 사이의 개방 영역과 마스크 외부 영역 간의 성장율 및 조성의 차이를 결정짓는 값으로 150㎛ 로 하여, 약 3:1의 두께비를 얻을 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기의 제작 방법.In the sub-step (A-2), the width of the selective growth mask is 150 μm that determines the difference in growth rate and composition between the open area and the outside area of the mask between the masks, and has a thickness ratio of about 3: 1. A method for fabricating a semiconductor optical amplifier incorporating a spot size converter, characterized in that it is possible to obtain. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 (가-3) 서브단계에서, 상기 하부 크래드층은 n-InP를 1㎛ 두께로 성장시키고, 상기 하부 도파층은 InGaAsP를 0.1㎛ 두께로 성장시키며, 상기 활성층은 InGaAsP를 0.2㎛~0.25㎛ 두께로 성장시키며, 상기 상부 도파층은 InGaAsP를 0.1㎛ 두께로 성장시키며, 상기 상부 크래드층은 p-InP를 0.4㎛ 두께로 성장시키며, 상기 식각 저지층은 p-InGaAs(P)를 0.05㎛ 두께로 성장시키는 것을 특징으로 하는 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기의 제작 방법.In the substep (A-3), the lower cladding layer grows n-InP to 1 μm thick, the lower waveguide layer grows InGaAsP to 0.1 μm thick, and the active layer has InGaAsP 0.2 μm to 0.25 Grow to a thickness of μm, the upper waveguide layer to grow InGaAsP to a thickness of 0.1 μm, the top clad layer to grow p-InP to 0.4 μm, and the etch stop layer to grow p-InGaAs (P) 0.05 A method for fabricating a semiconductor optical amplifier incorporating a spot size converter, characterized by growing to a thickness of 탆. 제7항 또는 제8항에 있어서,The method according to claim 7 or 8, 상기 (나) 단계는,The (b) step, (나-1) 상기 식각 저지층을 이용하여 선택 성장용 마스크를 제거한 다음 식각 저지층을 제거하는 서브단계;(B-1) removing the etch stop layer using the etch stop layer and then removing the etch stop layer; (나-2) 유전체막을 증착하는 서브단계;(B-2) depositing a dielectric film; (나-3) 통상의 리소그래피(lithography) 공정으로 상기 유전체막을 패터닝하여 선택적 성장이 된 영역 상에 평행하게 정 중앙에 정렬하여 메사(mesa) 식각용 마스크를 형성하는 서브단계; 및(B-3) a sub-step of patterning the dielectric film by a conventional lithography process to form a mesa etching mask by aligning the center film in parallel with the center of the selective growth region; And (나-4) 상기 메사 식각용 마스크를 이용하여 상기 스트라이프 상의 도파로 구조체를 식각하여 거의 수직한 경사를 갖는 매립 스트라이프 상의 광도파로를 형성하는 서브단계;를(B-4) a sub-step of etching the waveguide structure on the stripe using the mesa etching mask to form an optical waveguide on the buried stripe having an almost vertical inclination; 포함하는 것을 특징으로 하는 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기의 제작 방법.A manufacturing method of a semiconductor optical amplifier with a spot size converter, characterized in that it comprises a. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 (나-2) 서브단계에서 상기 유전체막은 플라즈마 강화 화학 기상 증착법이나 혹은 스프터링법을 이용하여 SiO2나 Si3N4를 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기의 제작 방법.In the sub-step (b-2), the dielectric film is formed by depositing SiO 2 or Si 3 N 4 by plasma enhanced chemical vapor deposition or sputtering. How to make. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 (나-3) 서브단계에서 상기 메사 식각용 마스크는 상기 광도파로의 이득 영역의 폭이 1㎛로 형성되고 상기 광도파로의 끝부분은 그 폭이 0.2㎛를 넘지 않게 형성되도록, 상기 선택 성장된 도파로 구조체 상에서 그 모양과 폭이 조절된 것을 특징으로 하는 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기의 제작 방법.In the (b-3) sub-step, the selective growth of the mesa etching mask is performed such that the width of the gain region of the optical waveguide is 1 μm and the end portion of the optical waveguide is not more than 0.2 μm wide. A method of manufacturing a spot size converter integrated semiconductor optical amplifier, characterized in that the shape and width are adjusted on the waveguide structure. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 (나-4) 서브단계는 통상의 습식 식각법이나 CH4/H2계의 리액티브 이온 에칭법을 이용하여 식각하는 것을 특징으로 하는 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기의 제작 방법.And (b-4) the sub-step is etched using a conventional wet etching method or a reactive ion etching method of CH 4 / H 2 system. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 (나-4) 단계에서 상기 매립 스트라이프 상의 광도파로는 이득 영역의 폭이 1㎛로 조절되고 도파로의 끝부분은 0.2㎛를 넘지 않게 형성된 것을 특징으로 하는 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기의 제작 방법.In the step (b-4), the optical waveguide on the buried stripe has a width of a gain region of 1 mu m and an end portion of the waveguide is formed not to exceed 0.2 mu m. How to make. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 (나-4) 단계에서 상기 매립 스트라이프 상의 광도파로는 상기 벽개면의 수직면과 7~10°경사를 이루고 이득 영역의 폭이 1㎛ 로 조절되며 도파로의 끝부분은 0.2㎛ 이하로 형성된 것을 특징으로 하는 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기의 제작 방법.In the step (b-4), the optical waveguide on the buried stripe forms an inclination of 7 to 10 ° with the vertical plane of the cleaved surface, the width of the gain region is adjusted to 1 μm, and the end of the waveguide is formed to be 0.2 μm or less. A manufacturing method of a semiconductor optical amplifier in which a spot size converter is integrated. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 (다) 단계는,The (c) step, (다-1) 상기 스트라이프 상의 광도파로 측면의 상기 기판 상에 재성장을 행하여 전류 제한층을 형성하고 상기 광도파로의 끝부분과 상기 벽개면 사이에 윈도우 영역을 형성하는 서브단계;(C-1) a substep of re-growing on the substrate on the side of the optical waveguide on the stripe to form a current confined layer and forming a window region between the end of the optical waveguide and the cleaved surface; (다-2) 상기 메사 식각용 마스크를 제거하는 서브단계; 및(C-2) removing the mesa etching mask; And (다-3)상기 전류제한층과 광도파로 상에 상부 크래드층 및 콘택트층을 재성장시키는 서브 단계;를(C-3) sub-growing the upper clad layer and the contact layer on the current limiting layer and the optical waveguide; 포함하는 것을 특징으로 하는 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기의 제작 방법.A manufacturing method of a semiconductor optical amplifier with a spot size converter, characterized in that it comprises a. 제19항에 있어서,The method of claim 19, 상기 (다-1) 서브단계에서 상기 윈도우 영역은 15~25㎛ 의 폭으로 형성된 것을 특징으로 하는 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기의 제작 방법.In the sub-step (C-1), the window area has a width of 15 to 25 μm, and the spot size converter is integrated. 제19항에 있어서,The method of claim 19, 상기 (다-3) 단계에서 상기 전류 제한층은 p-InP/n-InP 나 혹은 반절연 InP를 사용하여 형성하고, 상기 상부 크래드층은 p-InP를 2㎛ 두께로 증착하여 형성하며, 상기 콘택트층은 p+-InGaAs를 0.1㎛ 두께로 증착하여 형성하는 것을 특징으로하는 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기의 제작 방법.In the step (c-3), the current limiting layer is formed using p-InP / n-InP or semi-insulating InP, and the upper clad layer is formed by depositing p-InP to a thickness of 2 μm, Wherein the contact layer is formed by depositing p + -InGaAs to a thickness of 0.1 μm. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 (다) 단계 다음에 벽개면(facet) 양단에 무반사 코팅을 행하여 반사율을 낮추는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기의 제작 방법.And (b) applying anti-reflective coating to both ends of the facet after the step (c) to lower the reflectance. 2. 제22항에 있어서,The method of claim 22, 상기 무반사 코팅은 SiO2/TiO2으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스폿 사이즈 변환기가 집적된 반도체 광 증폭기의 제작 방법.The anti-reflective coating is SiO 2 / TiO 2 The manufacturing method of a semiconductor optical amplifier with a spot size converter integrated.
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