KR100577929B1 - 도파로형 광 검출기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도파로형 광 검출기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판 상에 형성되는 제1 클래드층과, 상기 제1 클래드층 상에 형성되어 소정의 빛을 흡수하기 위한 코어층과, 상기 코어층 상에 형성되는 제2 클래드층과, 상기 기판과 상기 제1 클래드층의 사이 및 상기 코어층과 상기 제2 클래드층의 사이에 삽입되는 적어도 하나의 보조층을 포함함으로써, 광섬유나 평판 광도파로(PLC)의 도파 모드와 광 검출기의 도파 모드를 비슷한 크기로 만들 수 있어 입사된 빛을 손실 없이 받아들일 수 있으며, 광섬유나 평판 광도파로(PLC)와의 결합효율을 더욱 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 높은 파워에서도 동작할 수 있는 효과가 있다.

도파로형 광 검출기, 광 다이오드, 광섬유, 결합효율, 보조층, 코어층, 클래드층

Description

도파로형 광 검출기{Waveguide photodetector}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도파로형 광 검출기의 구조를 설명하기 위한 단면도.

도 2a 및 도 2b는 일반적인 광 검출기와 본 발명의 일 실시예에 따른 도파로형 광 검출기에서 도파되는 빔의 크기를 비교하기 위한 도면.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 ***

100 : 기판, 110 : 제1 클래드층,

120 : 코어층, 130 : 제2 클래드층,

140 : 보조층

본 발명은 도파로형 광 검출기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광섬유나 평판 광도파로(Planar Lightwave Circuit, PLC)와의 결합효율이 좋고, 높은 입력파워에서도 동작할 수 있는 도파로형 광 검출기에 관한 것이다.

일반적으로, 광 검출기(Photodetector)는 빛을 매개로 하는 신호를 전기적 신호로 바꿔주는 역할을 한다. 이러한 광 검출기는 반도체로 제작하는 경우가 많으 며, 그 용도에 따라 다른 반도체 물질을 사용한다.

반도체를 사용하여 광 검출기를 제작할 때, 반도체 흡수층은 빛을 받아 전자(electron)와 정공(hole)을 발생시킨다. 상기 발생된 전자와 전공을 각각의 전극으로 이동시켜 전기적 신호가 되게 한다.

예를 들어, PIN다이오드 광 검출기에 역 전압(reverse bias)을 걸면 발생되는 전자는 n-전극으로 가고 발생되는 정공은 p-전극으로 간다. 이러한 PIN다이오드의 경우 동작속도를 좌우하는 것은 발생된 전하가 각각의 전극으로 이동하는 시간인 통과속도(transit time)와 PIN다이오드의 커패시턴스와 부하저항에 관련 있는 RC효과에 의해 좌우된다.

즉, 고속의 동작을 위해서는 통과시간을 줄이고, 커패시턴스를 줄여야 한다. 그런데, 통과시간을 줄이려면 흡수층의 두께를 얇게 해야하지만, 상기 흡수층의 두께를 줄이면 커패시턴스는 증가하게 된다. 따라서, 용도에 따라 적당한 두께의 흡수층을 써야 한다.

이러한 고려와 함께, 상기 평판 광도파로(PLC)와 같은 광소자와 집적을 위해서는 도파로형 광 검출기(Waveguide Photodetector)를 사용해야 한다. 한편, 상기 도파로형 광 검출기는 일반적인 표면입사(Surface illumination) 광 검출기보다는 고속, 고효율로 동작시킬 수 있다. 이러한 장점 때문에 측면 입사(Side illumination)되는 도파로형 광 검출기가 많이 개발되고 있다.

상기 도파로형 광 검출기의 효율이 높으려면 가장 중요한 것은 광섬유 또는 PLC와의 결합효율이 좋아야 한다. 일반적으로 광섬유나 평판 광도파로(PLC)로부터 나오는 빛은 빔의 사이즈가 약 7∼10㎛의 직경을 갖는다. 반면에, 반도체 도파로의 경우는 이러한 큰 크기의 빛을 효율적으로 도파시키는 도파로를 만들기 어렵다.

이러한 어려운 점을 극복하고자 하는 기존의 방법으로서, "A high efficiency 50GHz InGaAs multimode waveguide photodetector", IEEE J. of Quantum Electronics, vol. 28, No.12, pp.2728-2735, 1992에 언급된 다중모드 도파로형 광 검출기가 있다.

이 구조에서는 입사된 빛이 흡수층인 InGaAs층에만 구속(confine)되는 것이 아니라 흡수층 양쪽에 있는 SCH(Separate Confinement Heterostructure)인p-InGaAsP와 n-InGaAsP에도 걸쳐 있으므로, 큰 모드 크기의 빛을 도파시키면서 광 검출을 할 수 있다.

그러나, 이러한 구조를 제작하기 위해서는 깊은 두께의 식각이 필요하게 되어 제작상의 어려움이 있다. 실질적으로 실리카 평판 광도파로(PLC)와 결합을 좋게 하기 위한 광 검출기를 만들려면 약 5㎛이상 식각을 해야 한다.

또한, 상기 InGaAs 흡수층을 두껍게 하므로 입사된 빛의 많은 부분이 InGaAs 층에 구속된다. 따라서, 높은 출력의 빛이 들어오면 과도한 전자와 전공이 발생되어 광 검출기에 걸린 전압을 낮춰주는 효과가 발생하여 동작속도를 낮추게 된다. 따라서, 높은 광 출력이 입사되는 경우 속도 저하가 발생하는 문제점이 있다.

한편, 높은 파워의 입력에서도 고속으로 동작하는 구조의 도파로형 광 검출기의 구조로서, 미국특허 제6,278,820 B1호에 제시된 구조가 있다. 이 구조에서 광 도파로의 코어층은 흡수층의 아래에 두고 있다. 이 구조에서 광 도파는 주로 상기 코어층에 의해 하고 상기 흡수층에는 약간의 빛이 걸리게 하여, 높은 파워의 빛이 들어와도 상기 흡수층에서 발생하는 전자와 정공은 조금씩 발생된다.

결과적으로, 높은 파워에서의 속도저하를 막을 수 있으며, 큰 모드크기의 빛을 도파시키기 위해 도파로를 크게 만드는 데에 약간의 식각만으로도 큰 모드 크기의 빛을 도파시킬 수 있다.

그러나, 상기의 종래 기술과 같은 구조를 평판 광도파로(PLC)와 결합시키는 경우, 상기 흡수층 및 중간층 등도 주 도파로의 코어층과 함께 하나의 도파로를 형성함으로써, 도파 모드의 중심축이 상기 코어층의 중심에 오지 않고 그 중심축이 불확실하게 되어 평판 광도파로(PLC)와 집적할 경우 중심축을 정확히 잡기 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 모드 빔크기(beam size)가 큰 광섬유나 평판 광도파로(PLC)의 도파로로부터 들어오는 빛을 잘 받아들이기 위하여 얇은 흡수층(Absorbing layer)을 코어(core)로 가지며, 두꺼운 클래드층(clad layer) 사이에 상기 흡수층과 가까운 굴절율을 가지는 보조층을 삽입함으로써, 광 검출기의 도파 모드를 크게 할 수 있으며, 광섬유나 평판 광도파로(PLC)와의 결합효율을 더욱 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 높은 파워에서도 동작하는 광 검출기를 구현할 수 있는 도파로형 광 검출기를 제공하는데 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면은, 기판 상에 형성되는 제1 클래드층; 상기 제1 클래드층 상에 형성되어 소정의 빛을 흡수하기 위한 코어층; 상기 코어층 상에 형성되는 제2 클래드층; 및 상기 기판과 상기 제1 클래드층의 사이 및 상기 코어층과 상기 제2 클래드층의 사이에 삽입되는 적어도 하나의 보조층을 포함하여 이루어진 도파로형 광 검출기를 제공하는 것이다.

여기서, 상기 코어층은 0.01㎛∼0.3㎛의 두께 범위로 형성됨이 바람직하다.

바람직하게는, 상기 코어층의 두께는 단위 길이당 원하는 값의 흡수율에 의해 결정된다.

바람직하게는, 상기 보조층의 굴절율은 상기 제1 클래드층 및 상기 제2 클래드층의 굴절율보다 크다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도파로형 광 검출기의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 도파로형 광 검출기는 기판(100), 제1 클래드층(110), 코어층(120), 제2 클래드층(130) 및 보조층(140)을 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 제1 클래드층(110)은 기판(100)의 상부에 형성되어 있으며, 상기 코어층(120)은 소정의 빛을 흡수하기 위한 흡수층 역할을 하는 것으로 상기 제1 클래드층(110)의 상부에 형성되어 있다.

이때, 상기 코어층(120)은 약 0.01㎛ 내지 0.3㎛의 두께 범위로 형성됨이 바람직하며, 그 두께는 단위 길이당 원하는 값의 흡수율에 의해 결정될 수 있다.

통상적으로, 상기 코어층(120)을 얇게 하면 도파되는 빛의 분포가 넓게 퍼지게 된다. 광도파로의 코어층(120)을 얇게 하여 빛의 세기 분포를 넓게 하는 이러한 방법은 레이저 다이오드의 모드 크기 변환기(spot size converter)에서 흔히 사용되는 방법이다. 이러한 방법은 도파되는 빛의 빔 크기를 약 3㎛ 내지 4㎛의 두께 범위로 크게 할 수 있다.

상기 제2 클래드층(130)은 상기 코어층(120)의 상부에 형성되어 있다.

상기 보조층(140)은 상기 기판(100)과 상기 제1 클래드층(110)의 사이 및 상기 코어층(120)과 상기 제2 클래드층(130)의 사이에 적어도 하나가 삽입되어 있다.

이때, 상기 보조층(140)의 굴절율은 상기 제1 클래드층(100) 및 상기 제2 클래드층(130)의 굴절율보다 큰 것이 바람직하다.

또한, 상기 보조층(140)은 일정한 간격으로 이격된 복수의 InGaAsP층으로 구현됨이 바람직하다.

즉, 상기 보조층(140)의 삽입으로 인하여 도파되는 빛의 빔 크기를 약 7㎛ 내지 10㎛까지 크게 할 수 있다. 한편, 도 1에 표시된 타원은 도파되는 빔의 크기를 나타낸다.

도 2a 및 도 2b는 일반적인 광 검출기와 본 발명의 일 실시예에 따른 도파로형 광 검출기에서 도파되는 빔의 크기를 비교하기 위한 도면이다.

도 2a를 참조하면, 약 300Å의 두께의 InGaAs 코어층에 상부/하부로 각각 4㎛의 InP 클래드층을 갖는 종래 구조의 광검출기의 모드크기를 보여주고 있다.

도 2b를 참조하면, 도 2a의 구조에서 본 발명에 적용된 보조층(140)인 약 300Å 두께의 InGaAsP(λg=1.4㎛)층을 클래드층 사이에 약 1㎛간격으로 3개씩 삽입한 구조의 모드크기를 보여 주고 있다.

즉, 비교할 수 있듯이 모드크기의 확장이 상기 보조층(140)을 삽입함으로써 가능함을 보여준다. 이러한 빔 크기의 확장은 도파빔의 크기가 큰 광섬유나 평판 광도파로(PLC)와의 결합을 효율적으로 할 수 있게 한다.

전술한 바와 같이 본 발명의 도파로형 광 검출기는 얇은 도파로층을 형성함으로써, 빛의 흡수를 서서히 일어나게 할 수 있다. 즉, 빛의 흡수가 일어나면 발생된 전자와 홀이 공간적으로 분리되면서 가해진 전압의 반대 방향으로 전자-홀에 의한 전압이 발생하여 광 검출기에 걸리는 전압은 낮아지는 효과가 나타난다. 그러면 전자와 홀이 이동하는 속도가 감쇄하여 광 검출기의 속도저하를 유발한다. 이러한 효과는 빛의 세기가 클수록 더욱 두드러진다.

따라서, 본 발명에 따른 얇은 흡수층인 코어층을 형성함으로써 서서히 빛이 흡수되므로 상술한 효과는 상당 부분 억제되어 높은 입력파워에서도 속도 저하 없이 동작한다.

전술한 본 발명에 따른 도파로형 광 검출기에 대한 바람직한 실시예에 대하 여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 도파로형 광 검출기에 따르면, 모드 빔 크기가 큰 광섬유나 평판 광도파로(PLC)의 도파로로부터 들어오는 빛을 잘 받아들이기 위하여 얇은 흡수층을 코어로 가지며, 두꺼운 클래드층 사이에 상기 흡수층과 가까운 굴절율을 가지는 보조층을 삽입함으로써, 광섬유나 평판 광도파로(PLC)의 도파 모드와 광 검출기의 도파 모드를 비슷한 크기로 만들 수 있어 입사된 빛을 손실 없이 받아들일 수 있으며, 광섬유나 평판 광도파로(PLC)와의 결합효율을 더욱 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 높은 파워에서도 동작할 수 있는 이점이 있다.

Claims (6)

1. 기판 상에 형성되는 제1 클래드층;

   상기 제1 클래드층 상에 형성되어 소정의 빛을 흡수하기 위한 코어층;

   상기 코어층 상에 형성되는 제2 클래드층; 및

   상기 기판과 상기 제1 클래드층의 사이 및 상기 코어층과 상기 제2 클래드층의 사이에 삽입되는 적어도 하나의 보조층을 포함하여 이루어진 도파로형 광 검출기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 코어층은 0.01㎛∼0.3㎛의 두께 범위로 형성되는 것을 특징으로 하는 도파로형 광 검출기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 코어층의 두께는 단위 길이당 원하는 값의 흡수율에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 도파로형 광 검출기.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 보조층의 굴절율은 상기 제1 클래드층 및 상기 제2 클래드층의 굴절율보다 큰 것을 특징으로 하는 도파로형 광 검출기.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 보조층은 InGaAsP층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 도파로형 광 검출기.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 보조층은 일정한 간격으로 이격된 복수의 층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 도파로형 광 검출기.

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