KR100438891B1 - 반도체 광 변조기 - Google Patents
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Abstract
마하-젠더(Mach-Zenhder)형의 새로운 반도체 광 변조기를 제공한다. 본 발명의 일 관점에 의한 반도체 광 변조기는, 입력 광 분기 영역, 광 합파 출력 영역 및 광 위상 변조 영역에 걸쳐 연장되는 반도체 기판과, 반도체 기판의 바닥 표면에 형성된 바닥 전극과, 반도체 기판 상에 형성되고 다중 양자 우물 구조를 가지는 활성층과, 활성층을 덮는 클래딩층(cladding layer) 및 활성층에 광 도파로가 형성되도록 유도하기 위해 클래딩층 상에 리지(ridge) 형태로 형성되는 상부층을 포함하여 이루어진다. 상부층은 광 합파 출력 영역 상의 상부층 제1영역과, 상부층 제1영역으로부터 Y 형태로 분지(branching)되어 연장되는 광 위상 변조 영역 상의 두 개의 상부층 제2영역들과, 두 개의 상부층 제2영역들 각각에 연장되는 입력 광 분기 영역 상의 상부층 제3영역, 및 상부층 제4영역을 포함하여 이루어진다. 반도체 광 변조기는 상부층 제2영역들 상에 각각 형성되어 광의 위상을 각각 독립적으로 변조하기 위한 광 변조용 전극들, 및 상부층 제4영역 상에 형성되어 상부층 제3영역 아래의 광 도파로 부분에 도파되는 광으로부터 제4영역 아래의 광 도파로 부분으로 결합 분기되는 분기광의 광 분기 비율을 제어하기 위한 방향성 결합기용 전극을 더 포함하여 이루어진다.
Description
본 발명은 광통신용 소자에 관한 것으로, 특히, 방향성 결합기(directional coupler)를 구비하여 마하-젠더(Mach-Zenhder)형의 새로운 반도체 광 변조기에 관한 것이다.
광 변조기는 광 통신 시스템이나 광 정보 처리 시스템 등을 이루는 데 필수적인 소자의 하나로 기대되고 있다. 또한, 광 통신의 발달에 따라 광 신호에 대한 고속 변조가 요구되고 있으며 장거리 광 통신에 대한 수요가 증대되고 있다. 또한, 고속 변조 시에도 변조 선폭 확대(chirping)가 허용되지 않고 있다. 따라서, 여러 종류의 광 변조기들이 제시되고 있으나, 변조광의 변조 선폭 확대에 기인하는 파형 열화가 효과적으로 방지될 것으로 기대되는 마하-젠더형 광 변조기가 고속 변조 및 장거리 광 전송 분야에 각광받고 있다.
전형적인 마하-젠더형 광 변조기는 두 개의 대칭형 Y 형 분지 영역들과 이러한 영역들 사이의 두 개의 위상 변조 암 영역(phase modulating arm regions)들로 구성되고 있다. 반도체가 전기장 내에 도입되면 전기장의 세기에 따라 굴절율(refractive index)이 변화된다. 양자 우물이나 다중 양자 우물 구조의 반도체 매질이 전기장 내에 도입되면, 양자 제한 슈타르크 효과(Quantum Confined Stark Effect)에 의해서 반도체 매질의 굴절율 변화가 유도된다. 이러한 마하-젠더형 광 변조기는 위상 변조 암 영역의 광 도파로(optical wave guide)에서 굴절율 변화를 유도하여 광 변조를 구현하고 있다.
도 7은 전형적인 전형적인 마하-젠더형 광 변조기를 나타내고, 도 8은 도 7의 8 - 8' 절단선에 따르는 단면을 나타낸다.
구체적으로, 전형적인 마하-젠더형 광 변조기는 도 7에 도시된 바와 같이 입력 광도파로 영역(21), 입력 Y 분지 영역(22), 변조기 암(arm) 영역(23), 출력 Y분지 영역(24) 및 출력 광도파로 영역(25)으로 구성된다. 각 영역은 도 8에 도시된 바와 같이 화합물 반도체 기판(1) 상에 형성된 리지(ridge) 형태의 단면을 가지며, 가운데에 코어(core)의 역할을 하는 변조기 활성층(2)이 p형 상부층(3) 아래에 있다. 그리고, 개별적인 p-전극(5, 6)을 가진다. 반도체 기판(1)의 바닥에는 n-전극(7)이 형성되어 있다. 이에 따라, 광 도파 모드(10)는 활성층(2)을 중심으로 형성된다.
그런데, 이러한 전형적인 마하-젠더형 광 변조기에 대해서 변조에 요구되는 인가 전압이 상대적으로 높고 변조 폭이 좁다는 단점들이 제기되고 있다. 예를 들어, 이러한 반도체를 채용하는 마하-젠더형 광 변조기는 반도체 재료 자체의 성질에 기인하는 변조 성능 상의 개선이 요구되고 있다. 예를 들어, 굴절율 변화를 유도하기 위해서 반도체 매질에 대해 역 바이어스(inverse bias)를 인가할 때, 이러한 역 바이어스의 인가에 따른 굴절율 변화는 반도체 매질의 광 흡수 손실을 수반하게 된다. 이러한 광 손실은 인가되는 전압의 크기에 비례하는 것으로 알려져 있다. 어느 한 쪽의 위상 변조 암 영역에 π의 위상 지연을 얻기 위해 역 바이어스를 인가할 경우, 이 암 영역을 통과한 광은 π의 위상 지연을 가지게 되나 상기한 바와 같은 광 흡수 손실에 의해서 상대적으로 많은 도파 손실을 입게 된다. 따라서, 대칭하는 다른 암 영역을 통과한 광과 상기한 바와 같이 π의 위상 지연이 이루어진 광이 Y형 분지 영역에서 합파, 즉, 재결합될 때, 두 광 사이의 광량이 차이가 나 완전한 상쇄 간섭이 일어나지 않게 되어 상당량의 광이 누설된다. 결과적으로 변조율(또는 소광비: 온(on) 변조와 오프(off) 변조 사이의 광량비)이 낮아지게 된다.
이러한 점을 개선하기 위해서 최근에 두 위상 변조 암 영역들 사이의 도파로 구조를 변형하여, 구조적인 차이에 의해서 두 위상 변조 암 영역들 간에 인위적으로 π의 위상차를 내재시킴으로써, 광 손실을 유발하는 변조 전압을 낮추려는 시도가 제기되고 있다. 또한, 광 분기를 위한 Y형 분지 영역에서의 광분기 비율을 변화시켜 높은 변조 전압이 걸리는 위상 변조 암 영역 쪽으로 상대적으로 많은 광량을 도파시킴으로써 광 손실을 보상하려는 시도가 제기되고 있다.
그럼에도 불구하고, 인위적으로 π 위상차를 내재시키거나 광 분기 Y형 분지 영역을 비대칭적으로 구성하는 방안은 마하-젠더형 광 변조기 제작 공정 상 정밀한 광 도파로의 외형 유지가 요구되고 있다. 그리고, 이러한 시도에도 불구하고 여전히 광 분기 비율은 고정될 수밖에 없어 변조 효율의 증대를 기대하기 매우 어렵다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 암(arm) 형태의 두 위상 변조 영역을 각각 도파하는 두 광들 사이의 광량비를 임의로 조절할 수 있고, 동시에, 두 광들 사이에 π의 위상차를 인가할 수 있어, 변조율의 개선을 구현할 수 있는 마하-젠더형 반도체 광 변조기를 제공하는 데 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예에 의한 마하-젠더형 반도체 광 변조기를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면들이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 의한 마하-젠더형 반도체 광 변조기에 광원이 함께 집적된 변조기 집적 광원 소자를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면들이다.
도 7 및 도 8은 종래의 마하-젠더형 반도체 광 변조기를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면들이다.
<도면의 주요 부호에 대한 간략한 설명>
100: 반도체 기판, 200: 활성층,
300: 리지(ridge)형 상부층, 410: 바닥 전극,
430: 광 변조용 전극, 450: 방향성 결합기용 전극.
상기의 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점은, 입력 광 분기 영역, 광 합파 출력 영역 및 상기 입력 광 분기 영역과 상기 광 합파 출력 영역 사이의 광 위상 변조 영역을 포함하는 반도체 광 변조기를 제공한다.
상기 반도체 광 변조기는, 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 바닥 표면에 형성된 바닥 전극과, 상기 반도체 기판 상에 형성되고 상기 광 합파 출력 영역에서 Y 형태로 분지되어 분지된 각각의 부분이 상기 광 위상 변조 영역을 지나도록 연장되어 상기 입력 광 분기 영역에서 방향성 결합기로 형성되는 광 도파로, 및 상기 방향성 결합기 부분의 광 도파로의 일단 상에 형성되어 광 분기 비율을 제어하는 방향성 결합기용 전극을 포함하여 이루어진다.
상기 반도체 광 변조기는, 상기 입력 광 분기 영역, 상기 광 합파 출력 영역 및 상기 광 위상 변조 영역에 걸쳐 연장되는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 바닥 표면에 형성된 바닥 전극과, 상기 반도체 기판 상에 형성되고 상기 입력 광 분기 영역, 상기 광 합파 출력 영역 및 상기 광 위상 변조 영역에 걸쳐 연장되며 다중 양자 우물 구조를 가지는 활성층과, 상기 활성층을 덮는 클래딩층 및 상기 활성층에 광 도파로가 형성되도록 유도하기 위해 상기 클래딩층 상에 리지(ridge) 형태로 형성되는 상부층을 포함하여 이루어질 수 있다.
상부층은 상기 광 합파 출력 영역 상의 상부층 제1영역과, 상기 상부층 제1영역으로부터 Y 형태로 분지되어 상호 평행하게 이격되어 각각 직선 형태로 길게 연장되는 상기 광 위상 변조 영역 상의 두 개의 상부층 제2영역들과, 상기 두 개의 상부층 제2영역 중의 어느 하나에 연장되는 상기 입력 광 분기 영역 상의 상부층 제3영역, 및 상기 두 개의 상부층 제2영역 중의 다른 하나에 연장되고 상기 상부층 제3영역의 아래에 유도되는 광 도파로 부분을 지나는 입력광으로부터 분기광을 분기하기 위해서 상기 상부층 제3영역과 상호 평행하게 상기 두 개의 상부층 제2영역들 간의 간격보다 좁은 간격으로 이격되는 상기 입력 광 분기 영역 상의 상부층 제4영역을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 반도체 광 변조기는 상기 상부층 제2영역들 상에 각각 형성되어 상기 바닥 전극과 함께 상기 상부층 제2영역들 아래에 유도되는 광 도파로 부분을 통과하는 광의 위상을 각각 독립적으로 변조하기 위한 광 변조용 전극들, 및 상기 광 변조용 전극들에 독립적이며 상기 상부층 제4영역 상에 형성되어 상기 분기광의 광분기 비율을 제어하기 위한 방향성 결합기용 전극을 더 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 반도체 기판은 n형이고, 상기 리지 형태의 상부층은 p형일 수 있다.
상기 리지 형태의 상부층은 대략 2㎛의 선폭 및 대략 1㎛의 높이를 가질 수 있다.
상기 두 개의 상부층 제2영역들은 상호 간에 적어도 10㎛ 정도 이격될 수 있고, 상기 두 개의 상부층 제2영역들 각각은 대략 600㎛ 정도의 길이 구간에서 상호 평행할 수 있다.
상기 상부층 제3영역과 상기 상부층 제4영역은 대략 200㎛ 정도의 길이 구간에서 상호 평행할 수 있으며, 상기 상부층 제3영역과 상기 상부층 제4영역은 대략 1㎛ 정도로 근접하여 평행할 수 있다. 상기 상부층 제3영역은 상기 두 개의 상부층 제2영역 중의 어느 하나에 직선 상으로 연장될 수 있다. 상기 상부층 제4영역은 상기 상부층 제3영역에 근접하도록 상기 두 개의 상부층 제2영역 중의 다른 하나로부터 경사지게 연장되는 부분을 가질 수 있다.
상기 분기광은 방향성 결합의 원리에 의해 상기 상부층 제3영역의 아래에 유도되는 광 도파로 부분을 지나는 입력광과 π의 위상차를 가지게 된다.
상기 바닥 전극은 상기 광 변조용 전극들 및 상기 방향성 결합기용 전극에 공통으로 대응되는 공통 전극일 수 있다.
상기 광 변조용 전극들 각각은 상호 간에 독립적으로 작용할 수 있다.
상기 반도체 광 변조기는 상기 상부층 제3영역 아래에 유도되는 광 도파로 부분에 광축이 일치하여 상기 광 도파로로 입력광을 제공하는 단일 파장 광원을 더 포함할 수 있다. 상기 광원은 상기 반도체 기판에 집적된 레이저 다이오드(laser diode)일 수 있다.
본 발명에 따르면, 암 형태의 두 위상 변조 영역을 각각 도파하는 두 광들 사이의 광량비를 임의로 조절할 수 있고, 동시에, 두 광들 사이에 π의 위상차를 인가할 수 있어, 변조율을 효과적으로 개선할 수 있는 마하-젠더형 반도체 광 변조기를 제공할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면 상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다. 또한, 어떤 층이 다른 층 또는 반도체 기판의 "상"에 있다라고 기재되는 경우에, 상기 어떤 층은 상기 다른 층 또는 반도체 기판에 직접 접촉하여 존재할 수 있고, 또는, 그 사이에 제3의 다른 층이 개재되어질 수 있는 것으로 해석되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에서는, 방향성 결합기(directional coupler)의 작용에 의해서 입력광을 분기하고, 분기된 두 광들의 위상을 지연시켜 변화시키고 합파하여 결과적으로 변조된 출력광을 제공할 시에 마하-젠더형 반도체 광 변조기의 원리를 이용하는 반도체 광 변조기를 제공한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예에 의한 마하-젠더형 반도체 광 변조기를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면들이다. 도 1은 본 발명의 실시예에 의한 마하-젠더형 반도체 광 변조기를 개략적으로 나타내는 평면도이고, 도 2는 도 1의 2 - 2' 절단선을 따르는 단면도이고, 도 3은 도 1의 3 - 3' 절단선을 따르는 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 마하-젠더형 반도체 광 변조기는 반도체 기판(100) 상에 집적되어 형성된다. 본 발명의 실시예에 의한 마하-젠더형 반도체 광 변조기는 광 합파 출력 영역(101), 입력 광 분기 영역(105), 및 입력 광 분기 영역(105)과 광 합파 출력 영역(101) 사이에 위치하는 광 위상 변조 영역(103) 등으로 대별될 수 있다.
따라서, 반도체 기판(100)은 이러한 광 합파 출력 영역(101), 입력 광 분기 영역(105), 및 광 위상 변조 영역(103)에 걸쳐 연장된다. 반도체 기판(100)은 화합물 반도체 기판일 수 있으며, n형의 도전형일 수 있다. 예를 들어, 반도체기판(100)은 n-InP 기판과 같은 화합물 반도체 기판일 수 있다.
반도체 기판(100)의 바닥 표면에는 공통 n-전극으로 바닥 전극(410)이 구비된다. 이러한 바닥 전극(410)은 공통 전극으로 공유되기 위해서 적어도 광 합파 출력 영역(101), 입력 광 분기 영역(105), 및 광 위상 변조 영역(103)에 걸쳐 연장되는 것이 바람직하다.
반도체 기판(100) 상에는 실질적인 광이 지나는 경로를 제공하기 위한 활성층(200)이 구비된다. 이러한 활성층(200)은 전계 광학 효과를 가지는 다중 양자 우물 구조(multi quantum well structure)층으로 형성된다. 이러한 다중 양자 우물 구조는 다중 양자 우물 도파층(multi quantum well wave guide layers)과 포텐셜 장벽층(potential barrier layers)들이 수십 차례 반복되는 층들로 이루어질 수 있다. 예를 들어, i-InGaAs/InGaAsP 다중 양자 우물 도파층/포텐셜 장벽층들의 반복되는 층들 구조 또는 InGaAs/InAlAs층들의 수십 차례 반복되는 층들 구조 등으로 상기한 다중 양자 우물 구조층이 형성될 수 있다.
다중 양자 우물 구조층을 이루는 이러한 포텐셜 웰(potential well)층 또는 포텐셜 장벽층 개개는 나노미터(nanometer) 수준의 두께로 형성될 수 있다. 또한, 이러한 다중 양자 우물은 변조하고자 하는 광의 에너지(energy) 보다 약간 높은 에너지, 예컨대, 대략 30 내지 100 meV 정도 높은 밴드 갭 에너지(band gap energy)를 가질 수 있다.
이러한 양자 우물 구조의 활성층(200)은, 특히, 광 위상 변조 영역(103)에서 통과하는 광의 위상을 전계의 인가에 의해서 지연시키거나 변위(shift)시키기 위해서 도입된다. 따라서, 이러한 활성층(200)은 광 합파 출력 영역(101), 입력 광 분기 영역(105), 및 광 위상 변조 영역(103) 등을 포함하는 반도체 기판(100) 영역에 걸쳐 형성된다.
활성층(200) 상에는 클래딩층(cladding layer:110)이 형성된다. 이러한 클래딩층(110)으로는 n-InP 기판일 경우 i-InP층을 포함하여 이루어질 수 있다. 한편, 활성층(200)의 하부에도 다른 클래딩층(도시되지 않음)이 도입될 수 있으며, 이때, n-InP 기판일 경우 n-InP층을 포함하여 클래딩층이 이루어질 수 있다.
이러한 활성층(200)에 실질적으로 광이 지나는 통로 또는 광 도파로, 예를 들어, 도파 광 모드(optical mode) 분포(210)를 유도하기 위해서, 클래딩층(110) 상에 리지(ridge) 형태의 상부층(300)이 구비된다. 이러한 상부층(300)의 패턴에 의해서 그 아래의 활성층(200) 부분이 코어(core) 역할을 하는 리지형 광 도파로가 구현된다. 즉, 상부층(300)에 의해서 활성층(200)에 리지 로딩 효과(ridge loading effect)에 의해서 리지형 광 도파로가 구현된다.
이러한 상부층(300)은 반도체 기판(100)에 대해 반대의 도전형, 예를 들어, 반도체 기판(100)이 n형이므로 p형의 도전형을 가진다. 예컨대, 반도체 기판(100)이 n-InP 기판일 경우, 상부층(300)은 p-InP 층 등을 포함하여 이루어질 수 있다.
상부층(300)은 리지 로딩 효과를 구현하여 활성층(200) 부분이 광 도파로의 코어 역할을 할 수 있도록 유도하기 위해서, 대략 2 ㎛ 정도의 폭을 가지고 대략 1㎛ 정도의 높이를 가지는 패턴으로 길게 형성된다. 이러한 상부층(300)은 광 합파 출력 영역(101), 입력 광 분기 영역(105), 및 광 위상 변조 영역(103)에 걸쳐 광도파로가 연장되기 위해서, 광 합파 출력 영역(101), 입력 광 분기 영역(105), 및 광 위상 변조 영역(103)에 걸쳐 연장된다.
광 합파 출력 영역(101) 상의 상부층 제1영역(310)은 위상이 변조된 광이 합파되어 온 또는 오프로 출력되는 광 도파로를 유도하기 위해서 형성된다. 따라서, 광 합파 출력 영역(100)에 형성되는 광 도파로의 끝단에는 출력광을 인출하기 위한 광 섬유(도시되지 않음) 등과 같은 광 전송로가 연결될 수 있다. 또한, 광 합파를 위해서 두 개의 광 도파로가 합류되도록 유도하기 위해서 상부층 제1영역(310)의 다른 단은 Y 형태로 분지되는 형상을 가지게 된다.
상부층(300)은 광 합파 출력 영역(101) 상의 상부층 제1영역(310)으로부터 Y 형태로 분지되어 광 위상 변조 영역(103)으로 연장되는 암 형태의 두 개의 상부층 제2영역들(320)을 포함한다. 분지되는 두 개의 상부층 제2영역들(320)은 상부층 제1영역(310)으로부터 완만한 사이 각도, 예를 들어, 3 ~ 6 도 정도의 각도로 분지될 수 있다.
암 형태의 상부층 제2영역들(320)은 광 위상 변조 영역(103)들 내에서 상호 간에 이격되어 평행하게 길게 직선 형태로 연장된다. 이때, 상부층 제2영역들(320)의 상호 평행하게 연장되는 부분은 대략 600㎛ 정도의 길이로 형성될 수 있다. 이는 다중 양자 우물 구조에 역 바이어스를 인가할 때 다중 양자 우물의 밴드 갭 에너지가 감소하는 현상, 즉, 양자 제한 슈타르크 효과(Quantum Confined Stark Effect)에 의해 매질의 굴절율이 변화하는 전계 광학 효과의 관점에서, 비교적 낮은 역 바이어스에서 충분한 위상 지연값(예컨대, π위상 지연)을 얻기 위해서 적어도 600㎛ 이상의 구간 길이가 요구되는 데 기인한다.
이때, 상부층 제2영역들(320)의 상호 평행한 부분들 간의 이격 간격은 적어도 대략 10㎛ 이상인 것이, 각각의 상부층 제2영역들(320) 아래로 도파하는 광들을 완전히 독립적으로 분리시키는 데 바람직하다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이 도파 광 모드 분포(210)가 완전히 분리되도록 상부층 제2영역들(320)이 이격되는 것이 바람직하다.
이러한 상부층 제2영역들(320)의 상호 평행한 부분 상에는 상부층 제2영역들(320) 아래에 유도되는 광 도파로 부분을 통과하는 광의 위상을 변위 또는 변조하기 위한 전계를 인가하기 위한 광 변조용 전극들(430)이 각각 구비된다. 이러한 광 변조용 전극들(430) 각각은 p측 전극들로 공통 n측 전극인 바닥 전극(410)과 함께, 상부층 제2영역들(320) 아래에 유도되는 상호 격리된 두 광 도파로 부분들을 각각 통과하는 광들에 각각 독립적인 전계를 인가시키는 작용을 한다.
이러한 전계는 광들의 위상을 지연시키거나 변조시키기 위해서 역 바이어스인 것이 바람직하다. 또한, 두 개의 광 변조용 전극들(430)은 상호간에 독립적이어서 두 개의 상부층 제2영역들(320) 아래에 유도되는 상호 격리된 두 광 도파로 부분들을 각각 통과하는 광들에 서로 다른 위상 변조가 발생되도록 개별적으로 유도할 수 있다. 즉, 바닥 전극(410)과 함께 광 변조용 전극(430)에 의해 인가되는 역 바이어스에 의해서 활성층(200)의 굴절율 증가가 유발된다. 이러한 굴절율 증가는 인가되는 역 바이어스의 크기에 비례하게 된다. 활성층(200)의 굴절율 증가는 활성층(200)에 유도되는 광 도파로를 지나 도파하는 빛의 속도를 감소시켜 빛의 위상을 지연시키게 된다.
이에 따라, 두 개의 상부층 제2영역들(320) 아래에 유도되는 상호 격리된 두 광 도파로 부분들을 각각 통과하는 광들은 상호 간에 π의 위상차를 가지거나 또는 0(또는 2π의 정수 배)의 위상차를 가질 수 있다.
두 개의 상부층 제2영역(320)들은 각각 입력 광 분기 영역(105)으로 연장된다. 이에 따라, 상부층(300)은 입력 광 분기 영역(105)으로 각각 연장되는 상부층 제3영역(330) 및 상부층 제4영역(340)을 포함한다.
상부층 제3영역(330)은 본 발명의 실시예에 의한 반도체 광 변조기로의 광을 입력시키는 통로로 이용되는 광 도파로 부분을 형성하기 위해서 구비된다. 광의 입력을 위해서 상부층 제3영역(330)의 끝단에는 광 섬유 등과 같은 광 입사를 위한 수단이 연결될 수 있다. 예를 들어, 장파장 광 통신용으로 이용되는 1.55㎛ 파장의 광이 입사될 수 있다. 상부층 제4영역(340)은 상부층 제3영역(330) 아래에 유도되는 광 도파로 부분으로 입력되는 입력광으로부터 광을 분기시키기 위해서 구비된다.
이때, 광의 분기는 방향성 결합기의 작용에 의해 이루어진다. 따라서, 상부층 제4영역(340)은 상부층 제3영역(330)에 광 결합이 이루어질 수 있도록 근접하는 것이 바람직하다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 도파 광 모드 분포(210)가 중첩되도록 상부층 제4영역(340)과 상부층 제3영역(330)이 근접하는 것이 바람직하다. 리지 형태의 상부층 제3영역(330)과 상부층 제4영역(340)은 상호 간에 대략 1㎛ 정도의 이격 거리까지 근접될 수 있으며, 이때, 2 개의 도파 광 모드 분포(210)가 중첩될 수 있다. 중첩된 광 모드를 가지는 2 개의 광 도파로 중 한 쪽 광 도파로로 빛을 입사시키면 도파 과정에서 다른 쪽 광 도파로로 빛이 π의 위상차를 가지면서 이동(또는 결합)하게 된다.
이러한 이격 거리로 근접된 영역에서의 상부층 제3영역(330)과 상부층 제4영역(340) 부분들은 상호 간에 평행한 것이 바람직하며, 이와 같이 평행한 구간은 적어도 대략 200㎛ 정도 길이 영역에 걸쳐 이루어지는 것이 바람직하다. 방향성 결합기의 길이, 즉, 실질적으로 상호 평행하고 대략 1㎛ 정도 이격된 상부층 제3영역(330)과 상부층 제4영역(340) 부분들의 길이가 대략 400 내지 500㎛일 때, 상기한 바와 같이 입력 광 도파로에 입사한 빛은 완전히 상대 쪽 광 도파로로 결합하게 된다.
본 발명의 실시예에서는 방향성 결합기의 길이, 즉, 실질적으로 상호 평행하고 대략 1㎛ 정도 이격된 상부층 제3영역(330)과 상부층 제4영역(340) 부분들의 길이를 대략 200㎛ 정도로 설정하여, 초기 광 분기 비율을 50:50으로 설정하는 것을 예로 들어 설명한다.
한편, 본 발명의 실시예에 의한 반도체 광 변조기는 상부층 제4영역(340) 상에 방향성 결합기용 전극(450)을 구비한다. 이러한 방향성 결합기용 전극(450)은 n측 전극인 바닥 전극(410)과 함께 작용할 수 있다. 즉, 이러한 방향성 결합기용 전극(450)은 상부층 제3영역(330) 아래에 유도되는 광 도파로 부분으로 입력되는 입력광으로부터 분기되는 분기광의 광 분기 비율을 제어하기 위해 도입된다.
방향성 결합기용 전극(450)을 통해 상부층 제4영역(340) 아래의 활성층(200) 부분에 전하를 주입하거나 역 전계를 인가할 경우, 광 도파로 코어(즉, 활성층(200))의 굴절율을 변화시키고 조정할 수 있다. 이는 광 도파로의 전파 상수를 조정하는 것이 되어 결과적으로 상부층 제3영역(330) 아래에 유도되는 광 도파로 부분과 상부층 제4영역(340) 아래에 유도되는 광 도파로 부분 사이의 광 결합량(또는 광 분기 비율)을 조정하는 것을 허용하게 된다.
따라서, 상기한 바와 같이 상부층 제3영역(330) 아래에 유도되는 광 도파로 부분과 상부층 제4영역(340) 아래에 유도되는 광 도파로 부분 사이에 초기 광 분기율을 50:50으로 설정하였음에도 불구하고, 방향성 결합기용 전극(450)을 통해 전계를 인가함으로써 상부층 제4영역(340) 아래에 유도되는 광 도파로 부분으로 분기되는 분기광의 광량 정도를 임의로 제어할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 반도체 광 변조기는 도 1에 도시된 바와 같이 분기와 변조 및 합파 과정이 수행되도록 광이 지날 수 있는 광 도파로(250)를 구비한다. 이러한 광 도파로(250)를 통과한 광은 마하-젠더형 반도체 광 변조기의 원리에 따라 보강 간섭 과정을 거쳐 출력되거나나 상쇄 간섭 과정에 의해서 출력(또는 도파)되지 않아 온/오프의 변조를 구현하게 된다.
구체적으로, 상부층 제3영역(330) 아래의 활성층(200) 부분에 유도되는 광 도파로 부분으로 입사되는 입력광은, 방향성 결합기의 작용에 의해서 상부층 제4영역(340) 아래의 활성층(200) 부분에 유도되는 광 도파로 부분으로 광 결합되어 50:50의 광 분기가 일어난다. 상부층 제4영역(340) 아래에 유도된 광 도파로 부분으로 광 결합된 분기광은 상부층 제3영역(330) 아래의 활성층(200) 부분에 유도되는 광 도파로 부분으로 계속 도파하는 광에 대해서 π 위상차를 가지게 된다. 이때, 상부층 제4영역(340) 상에 도입된 방향성 결합기용 전극(450)을 통해 활성층(200)에 전류를 주입하거나 역 전계를 인가하여 상부층 제4영역(340) 아래에 유도되는 광 도파로 부분의 전파 상수를 조정함으로써, 상부층 제4영역(340) 아래에 유도되는 광 도파로 부분으로 결합되는 분기광의 광량을 동시에 조정한다.
광 도파로의 코어 역할을 하는 활성층(200)은 전계 광학 효과를 가지는 다중 양자 우물 구조로 이루어지므로, 두 개의 상호 간에 평행하게 이격된 상부층 제2영역들(320) 아래에 유도되는 광 도파로 부분들을 각각 지나는 광들은 각각의 광 변조용 전극들(430)들에 인가되는 역 바이어스들에 의해서 광들의 위상이 조정된다. 이에 따라, 상부층 제2영역들(320) 아래에 유도된 광 도파로 부분들을 지나는 광들은 활성층(200) 부분은 인가되는 역 바이어스의 크기에 비례하는 굴절율 변화에 의해서 상대적인 위상이 변화되게 된다.
상부층 제2영역들(320) 아래에 유도된 광 도파로 부분들을 지나며 위상이 변화된 광들은 상부층 제1영역(310) 아래에 유도되는 Y 분지 형태의 광 도파로 부분에서 합파, 즉, 하나의 도파 모드로 재결합하여 출력 광도파로를 따라 출력된다. 이때, 상부층 제2영역들(320) 아래에 유도된 광 도파로 부분들을 지난 두 개의 도파 모드들 사이에 위상차가 0이거나 2π의 정수 배 일 때는 빛이 출력되지만, 위상차가 π의 정수 배인 경우는 두 도파 모드들 간의 재결합 시 상쇄 간섭하여 출력(또는 도파)되지 않게 된다.
본 발명의 실시예에서는 분기된 광 사이에 이미 π 위상차가 부여되고 있으므로, 상부층 제2영역들(320) 아래에 유도된 광 도파로 부분들을 지나는 광에 위상차를 주기 위해서 인가하는 변조 전압을 낮추는 효과를 구현할 수 있다. 또한, 방향성 결합기용 전극(450)을 통해서 인가되는 전류에 의해서 광 분기 비율의 조정이 가능하므로, 상부층 제2영역들(320) 아래에 유도된 광 도파로 부분들을 지나며 광의 위상이 변화할 때 발생할 수 있는 광 손실을 보상하는 것이 가능하다. 즉, 광 위상 변조 영역(103)에서 발생할 수 있는 광 흡수 손실을, 광 분기 시의 광 결합률을 임의로 조절함으로써 보상할 수 있다. 따라서, 광 합파 출력 영역(101)에서 광을 합파할 때 Y 분지에서의 두 빛의 광량을 같게 유지할 수 있어 높은 광 변조율(또는 소광비)을 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의한 마하-젠더형 반도체 광 변조기는 변조 전압을 낮출 수 있고 보다 큰 변조 폭을 구현할 수 있다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 의한 마하-젠더형 반도체 광 변조기에 광원이 함께 집적된 변조기 집적 광원 소자를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면들이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 의한 마하-젠더형 반도체 광 변조기에 광원이 함께 집적된 변조기 집적 광원 소자를 개략적으로 나타내는 평면도이고, 도 5는 도 4의 5 - 5' 절단선을 따르는 단면도이고, 도 6은 도 4의 6 - 6' 절단선을 따르는 단면도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 광 변조기에 입력광을 직접적으로 입사시키기 위해서 단일 파장 광원이 반도체 기판(100)에 함께 집적될 수 있다. 단일 파장 광원에서 발생된 광은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 광 변조기의 광 도파로에 광축이 일치하게 설정된다. 이러한 단일 파장 광원으로는 DFB-LD(Distributed FeedBack-Laser Diode) 등과 같은 레이저 다이오드를 채용할 수 있다.
DFB-LD의 경우, 본 발명의 실시예에 의한 반도체 광 변조기가 집적된 반도체 기판(100), 예컨대, n-InP 기판에 함께 집적될 수 있으며, 광 변조기의 바닥 전극(410)을 공통 n측 전극으로 이용할 수 있다. DFB-LD의 공진기를 형성하는 띠형의 레이저 활성층(510)은 InGaAsP층을 포함하여 이루질 수 있으며, 1.55㎛의 파장의 빛을 발진시키게 된다. 이를 위해서, 레이저 활성층(510) 상에는 p-InP층 등을 포함하는 p형 클래딩층(550)이 도입되고, 그 상에 레이저 다이오드용 p측 전극(570)이 독립적으로 도입된다. 레이저 활성층(510)의 주위는 전류 차단층(530)이 더 도입될 수 있다. 한편, 레이저 활성층(510)의 하부에는 단일 파장 레이저 발진을 위한 회절 격자(도시되지 않음)가 구비될 수 있다.
레이저 다이오드용 p측 전극(570) 및 n측 바닥 전극(510)에 순 방향 전류를 인가하면 활성층(510)으로부터 레이저 발진에 의해서 단일 파장이 구동된다. 이러한 단일 파장의 레이저는 광 변조기의 상부층 제3영역(330) 아래에 유도되는 광 도파로로 입사되게 된다. 이러한 광은 광 변조기에 의해서 변조되게 된다. 본 발명의 실시예에서 이와 같이 광 변조기와 광원이 동일한 반도체 기판(100) 상에 집적됨으로써, 광원에서 발진된 단일 파장의 광이 효과적으로 광 변조기 영역으로 도파될 수 있다.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
상술한 본 발명에 따르면, 광 분기를 방향성 결합기 특성을 이용하여 수행할 수 있다. 이에 따라, 광을 분기 시에 광 분기 비율을 조정할 수 있어, 분기된 광들을 위상 변조시킬 때 발생할 수 있는 광 흡수 손실을 임의로 보상할 수 있다. 또한, 분기되는 광에 π의 위상차를 가지게 할 수 있어, 분기된 광에 위상 변화를 주기 위해서 인가되는 변조 전압을 낮게 유지할 수 있다. 따라서, 종래의 마하-젠더형 반도체 광 변조기에서 변조를 위한 π 위상차를 얻기 위한 인가 전압이 높은 점을 개선할 수 있으며, 이러한 인가 전압의 높음에 따른 높은 광 흡수 손실에 따라 변조된 두 빛의 광량차가 커지는 현상을 방지할 수 있어 광 변조 성능이 저하되는 점을 개선할 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 광 흡수 손실을 임의로 보상할 수 있어 분기된 두 광을 합파할 때 두 광의 광량을 같게 유지할 수 있으므로, 높은 광 변조율(또는 소광비)을 얻을 수 있다.
Claims (15)
- 입력 광 분기 영역, 광 합파 출력 영역 및 상기 입력 광 분기 영역과 상기 광 합파 출력 영역 사이의 광 위상 변조 영역을 포함하는 반도체 광 변조기에 있어서,상기 입력 광 분기 영역, 상기 광 합파 출력 영역 및 상기 광 위상 변조 영역에 걸쳐 연장되는 반도체 기판;상기 반도체 기판의 바닥 표면에 형성된 바닥 전극;상기 반도체 기판 상에 형성되고 상기 입력 광 분기 영역, 상기 광 합파 출력 영역 및 상기 광 위상 변조 영역에 걸쳐 연장되며 다중 양자 우물 구조를 가지는 활성층;상기 활성층을 덮는 클래딩층;상기 활성층에 광 도파로가 형성되도록 유도하기 위해 상기 클래딩층 상에 리지(ridge) 형태로 형성되며,상기 광 합파 출력 영역 상의 상부층 제1영역,상기 상부층 제1영역으로부터 Y 형태로 분지되어 상호 평행하게 이격되어 각각 직선 형태로 길게 연장되는 상기 광 위상 변조 영역 상의 두 개의 상부층 제2영역들,상기 두 개의 상부층 제2영역 중의 어느 하나에 연장되는 상기 입력 광 분기 영역 상의 상부층 제3영역, 및상기 두 개의 상부층 제2영역 중의 다른 하나에 연장되고 상기 상부층 제3영역의 아래에 유도되는 광 도파로 부분을 지나는 입력광으로부터 분기광을 분기하기 위해서 상기 상부층 제3영역과 상호 평행하게 상기 두 개의 상부층 제2영역들 간의 간격보다 좁은 간격으로 이격되는 상기 입력 광 분기 영역 상의 상부층 제4영역을포함하는 상부층;상기 상부층 제2영역들 상에 각각 형성되어 상기 바닥 전극과 함께 상기 상부층 제2영역들 아래에 유도되는 광 도파로 부분을 통과하는 광의 위상을 각각 독립적으로 변조하기 위한 광 변조용 전극들; 및상기 광 변조용 전극들에 독립적이며 상기 상부층 제4영역 상에 형성되어 상기 분기광의 광분기 비율을 제어하기 위한 방향성 결합기용 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광 변조기.
- 제1항에 있어서,상기 반도체 기판은 n형인 것을 특징으로 하는 반도체 광 변조기.
- 제1항에 있어서,상기 리지 형태의 상부층은 p형인 것을 특징으로 하는 반도체 광 변조기.
- 제1항에 있어서,상기 리지 형태의 상부층은 2㎛의 선폭 및 1㎛의 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 광 변조기.
- 제1항에 있어서,상기 두 개의 상부층 제2영역들은 상호 간에 10㎛ 이격된 것을 특징으로 하는 반도체 광 변조기.
- 제1항에 있어서,상기 두 개의 상부층 제2영역들 각각은 600㎛ 길이 구간에서 상호 평행한 것을 특징으로 하는 반도체 광 변조기.
- 제1항에 있어서,상기 상부층 제3영역과 상기 상부층 제4영역은 200㎛의 길이 구간에서 상호 평행한 것을 특징으로 하는 반도체 광 변조기.
- 제1항에 있어서,상기 상부층 제3영역과 상기 상부층 제4영역은 1㎛ 근접하여 평행한 것을 특징으로 하는 반도체 광 변조기.
- 제1항에 있어서,상기 상부층 제3영역은 상기 두 개의 상부층 제2영역 중의 어느 하나에 직선 상으로 연장되는 것을 특징으로 하는 반도체 광 변조기.
- 제9항에 있어서,상기 상부층 제4영역은 상기 상부층 제3영역에 근접하도록 상기 두 개의 상부층 제2영역 중의 다른 하나로부터 경사지게 연장되는 부분을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 광 변조기.
- 제1항에 있어서,상기 바닥 전극은 상기 광 변조용 전극들 및 상기 방향성 결합기용 전극에 공통으로 대응되는 공통 전극인 것을 특징으로 하는 반도체 광 변조기.
- 제1항에 있어서,상기 광 변조용 전극들 각각은 상호 간에 독립적인 것을 특징으로 하는 반도체 광 변조기.
- 제1항에 있어서,상기 상부층 제3영역 아래에 유도되는 광 도파로 부분에 광축이 일치하여 상기 광 도파로로 입력광을 제공하는 단일 파장 광원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광 변조기.
- 제13항에 있어서,상기 광원은 상기 반도체 기판에 집적된 레이저 다이오드(laser diode)인 것을 특징으로 하는 반도체 광 변조기.
- 입력 광 분기 영역, 광 합파 출력 영역 및 상기 입력 광 분기 영역과 상기 광 합파 출력 영역 사이의 광 위상 변조 영역을 포함하는 반도체 광 변조기에 있어서,반도체 기판;상기 반도체 기판의 바닥 표면에 형성된 바닥 전극;상기 반도체 기판 상에 형성되고 상기 광 합파 출력 영역에서 Y 형태로 분지되어 분지된 각각의 부분이 상기 광 위상 변조 영역을 지나도록 연장되어 상기 입력 광 분기 영역에서 방향성 결합기로 형성되는 광 도파로; 및상기 방향성 결합기 부분의 광 도파로의 일단 상에 형성되어 광 분기 비율을 제어하는 방향성 결합기용 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광 변조기.
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2001
- 2001-12-20 KR KR10-2001-0081776A patent/KR100438891B1/ko not_active IP Right Cessation
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