KR100670827B1 - 광흡수층을 중심으로 경사형 굴절율 분포를 갖는 도파로형ｐ－ｉ－ｎ 포토다이오드 - Google Patents

광흡수층을 중심으로 경사형 굴절율 분포를 갖는 도파로형ｐ－ｉ－ｎ 포토다이오드 Download PDF

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Abstract

본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드는 기판 상에 형성된 하부 광가이드층과, 상기 하부 광가이드층 상에 형성된 광흡수층과, 상기 광흡수층 상에 형성된 상부 광가이드층과, 상기 상부 광가이드층 상에 형성된 클래드층을 포함하여 이루어진다. 상기 하부 광가이드층, 광흡수층 및 상부 광가이드층은 광도파로인 코아층을 구성하고, 상기 기판의 표면에서 깊이 방향으로 상기 굴절율이 제일 높은 광흡수층을 중심으로 대칭의 경사형 굴절율 분포를 갖는다.

Description

광흡수층을 중심으로 경사형 굴절율 분포를 갖는 도파로형 ｐ－ｉ－ｎ 포토다이오드{Waveguide p-i-n photodiode having graded index distribution centering on optical absorption layer}
도 1은 본 발명에 의한 도파로형 p-i-n 포토다이오드의 단면도이다.
도 2는 도 1의 굴절율 희석층의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 1의 도파로형 p-i-n 포토다이오드의 깊이에 대한 굴절율 분포를 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드와 평면 절단된 단일 모드 광섬유와 결합할 경우의 광 도파 프로파일 및 결합 손실을 도시한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드와 실리카 PLC 도파로와 결합할 경우의 광 도파 프로파일 및 결합 손실을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드 칩을 실제로 제작하여 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드의 밴드폭을 측정한 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10: 기판, 12: n-굴절율 희석층, 14: n-1.1Q층, 16, 20: 1.3Q층, 18: 광흡수 층, 22: p-1.1Q층, 24: p-굴절율 희석층, 26: p-클래드층, 28: p-전극, 30: 보호층
본 발명은 포토다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 도파로형 p-i-n 포토다이오드에 관한 것이다.
일반적으로, 근거리 광통신망인 WDM-PON(passive optical network)과 e-PON 등에는 광수신기의 핵심부품으로 포토다이오드가 사용된다. 현재 장거리 기간망(Back-bone network)에는 최첨단 광통신 기술이 많이 응용되고 있으나, 근거리 엑세스망(access network) 즉 기지국에서 일반가정 또는 사무실간의 데이터 통신의 경우 동축 케이블이 주된 통신 수단이고, 광통신은 아직 시험단계에 머무르고 있다.
근거리 액세스망은 많은 수요자가 있기 때문에 기술이 성숙될 경우 충분히 큰 광통신 시장을 제공할 것으로 판단된다. 근거리 광통신망의 통신속도는 수백 MHz에서 수GHz(예컨대, 1.25 또는 2.5GHz)에 이를 것으로 예측된다. 상기 포토다이오드와 관련하여 가장 활발히 연구되고 있는 분야는 수광 대역폭이 40GHz이상인 고속의 p-i-n 포토다이오드와 높은 이득율을 갖는 아발란취 포토다이오드(avalanche photodiode)이다. 반면에, 5GHz 이하의 저속인 p-i-n 도파로형 포토다이오드는 높 은 패키지 비용 및 낮은 수요 등으로 인하여 아직 시판 단계에 이르지 못하고 있다.
그런데, 가까운 미래에 근거리 광통신 시장이 활성화 될 경우 수신기 수요가 크게 증가할 것이다. 이에 따라, 근거리 광통신에 이용되는 저가형 수신기 제작에 유리한 저속의 도파로형 p-i-n 포토다이오드의 수요 역시 크게 증가할 것이 확실하다. 상기 저속의 도파로형 p-i-n 포토다이오드의 상용화에 있어 필수 요소는 높은 반응계수(high responsivity), 단일모드 광섬유와의 높은 결합 계수(high coupling coefficient) 및 높은 정렬 유격(alignment tolerance), 및 낮은 패키지 비용을 들 수 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 높은 반응계수, 단일모드 광섬유와의 높은 결합계수 및 높은 정렬 유격 및 낮은 패키지 비용을 이룰 수 있는 5GHz 이하의 저속의 도파로형 p-i-n 포토다이오드를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드는 기판 상에 형성된 하부 광가이드층과, 상기 하부 광가이드층 상에 형성된 광흡수층과, 상기 광흡수층 상에 형성된 상부 광가이드층과, 상기 상부 광가이드층 상에 형성된 클래드층을 포함하여 이루어진다.
그리고, 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드는 상기 하부 광가이드층, 광흡수층 및 상부 광가이드층은 광도파로인 코아층을 구성하고, 상기 기판의 표면 에서 깊이 방향으로 상기 굴절율이 제일 높은 광흡수층을 중심으로 대칭의 경사형 굴절율 분포를 갖는 것을 특징으로 한다. 상기 대칭의 경사형 굴절율 분포는 로랜츠 함수의 곡선 형태를 가질 수 있다.
상기 하부 광가이드층은 기판 상에 형성된 n-굴절율 희석층, 상기 n-굴절율 희석층 상에 상기 n-굴절율 희석층보다 굴절율이 높게 형성된 n-1.1Q층 및 상기 n-1.1Q층 상에 상기 n-1.1Q층보다 굴절율이 높게 형성된 하부 u-1.3Q층으로 구성될 수 있다. 상기 상부 광가이드층은 상기 광흡수층 상에 형성된 상부 u-1.3Q층, 상기 상부 u-1.3Q층 상에 상기 u-1.3Q층보다 굴절율이 낮게 형성된 p-1.1Q층, 상기 p-1.1Q층 상에 상기 p-1.1Q층보다 굴절율이 낮게 형성된 p-굴절율 희석층으로 구성될 수 있다. 상기 상부 u-1.3Q층, 하부 u-1.3Q층, p-1,1Q층 및 n-1.1Q층에 대하여는 후에 설명한다.
상기 상부 u-1.3Q층과 하부 u-1.3Q층, p-1.1Q층과 n-1.1Q층 및 p-굴절율 희석층과 n-굴절율 희석층은 각각 서로 굴절율이 같을 수 있다. 상기 n-굴절율 희석층은 상기 기판을 구성하는 물질층과 상기 n-1.1Q층을 구성하는 물질층을 한쌍으로 하여 복수개 쌍들을 적층하여 굴절율을 조절하는 반도체층일 수 있다. 상기 p-굴절율 희석층은 상기 클래드층을 구성하는 물질층과 상기 p-1.1Q층을 구성하는 물질층을 한쌍으로 하여 복수개 쌍들을 적층하여 굴절율을 조절하는 반도체층일 수 있다.
상기 n-굴절율 희석층 및 n-1.1Q층은 n형 불순물이 도핑된 반도체층(n-반도체층)이고, 상기 하부 u-1.3Q층, 상기 광흡수층 및 하부 u-1.3Q층은 불순물이 도핑되지 않은 진성 반도체층(i층)이고, 상기 p-굴절율 희석층 및 p-1.1Q층은 p형 불순 물이 도핑된 반도체층(p-반도체층)일 수 있다.
이상과 같은, 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드는 광흡수층을 중심으로 굴절율이 대칭의 경사형 분포를 가져 평면 절단된 단일모드 광섬유 또는 실리카(silica) 도파로와 최대의 결합 계수를 가질 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니고, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 도면에서 막 또는 영역들의 크기 또는 두께는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어진 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 도파로형 p-i-n 포토다이오드의 단면도이다.
구체적으로, 도 1은 본 발명에 의한 도파로형 p-i-n 포토다이오드의 결정 성장 단면 구조이다. 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드는 기판(10), 예컨대 InP 기판 상의 중심 부분에 광흡수층(18)이 형성되어 있다. 상기 광흡수층(18)은 불순물이 도핑되지 않은(un-doped) InGaAs를 0.1∼1㎛, 바람직하게는 0.5㎛의 두께로 구성한다.
상기 광흡수층(18)의 상부 및 하부에는 각각 상부 u-1.3Q층(20) 및 하부 u-1.3Q층(16)이 형성되어 있다. 이하에서, u의 의미는 불순물이 도핑되지 않는 것을 의미하고, Q는 밴드갭 파장을 나타낸다. 상기 1.3Q층(20, 16)은 밴드갭 파장이 1.3 ㎛를 의미한다. 상기 상부 u-1.3Q층(20) 및 하부 u-1.3Q층(16)은 불순물이 도핑되지 않은 InGaAsP를 0,2㎛의 두께로 구성한다. 상기 광흡수층(18), 상부 u-1.3Q층(20) 및 하부 u-1.3Q층(16)은 p-i-n 포토다이오드에서 i층(진성 반도체층)을 구성한다. 상기 i층을 구성하는 상기 광흡수층(18), 상부 u-1.3Q층(20) 및 하부 u-1.3Q층(16)의 총 두께를 본 실시예에서는 0.9㎛로 구성하였으나, 0.1 내지 2㎛로 구성하여도 무방하다.
상기 상부 u-1.3Q층(20) 및 하부 u-1.3Q층(16)의 상부 및 하부에는 각각 p-1.1Q층(22) 및 n-1.1Q층(14)이 형성되어 있다. p-1.1Q층(22)은 p형 불순물이 도핑된 InGaAsP을 0.5㎛의 두께로 구성한다. 상기 n-1.1Q층(14)은 n형 불순물이 도핑된 InGaAsP을 0.5㎛의 두께로 구성한다. 상기 1.1Q층(22, 14)은 밴드갭 파장이 1.1㎛를 의미한다. 이에 따라, p-1.1Q층(22) 및 n-1.1Q층(14)은 각각 상부 u-1.3Q층(20) 및 하부 u-1.3Q층보다 굴절율이 작게 된다.
상기 p-1.1Q층(22) 및 n-1.1Q층(14)의 상부 및 하부에는 각각 p-굴절율 희석층(24) 및 n-굴절율 희석층(12)이 형성되어 있다. 상기 p-굴절율 희석층(24)은 p형 불순물이 도핑된 InGaAsP을 1.05㎛의 두께로 구성한다. 상기 n-굴절율 희석층(12)은 n형 불순물이 도핑된 InGaAsP을 1.05㎛의 두께로 구성한다. 상기 p-굴절율 희석층(24) 및 n-굴절율 희석층(12)은 각각 상기 p-1.1Q층(22) 및 n-1.1Q층(14)보다 굴절율을 작게 구성한다. 상기 p-굴절율 희석층(24) 및 n-굴절율 희석층(12)의 형성방법 및 그 구조에 대해서는 도 2에서 설명한다.
상기 p-굴절율 희석층(24) 상에는 p-클래드층(26)이 형성되어 있다. 상기 p-클 래드층(26)은 p형 불순물이 도핑된 InP를 2.1㎛의 두께로 구성한다. 상기 p-클래드층(26)은 상기 p-굴절율 희석층(24)보다 굴절율을 작게 구성한다. 상기 p-클래드층(26) 상에 p-전극(28, P+ 전극)이 형성되어 있다. 상기 p-전극(28)은 p형 불순물이 도핑된 InGaAs를 0.2㎛ 두께로 구성한다. 상기 p-전극(28) 상에는 보호층(30)이 형성되어 있다. 상기 보호층(30)은 질화막을 0.2㎛ 두께로 구성한다. 본 실시예에서, 상기 p형 불순물은 Zn을 5 x 1017/cm3 정도로 도핑하고, 상기 n형 불순물은 Si을 1 x 1018/cm3 정도로 도핑하여 구성한다.
이와 같이 구성되는 도파로형 p-i-n 포토다이오드는 상기 광흡수층(18), 상기 광흡수층(18)의 상부 및 하부에 각각 형성되는 상부 광가이드층(34) 및 하부 광가이드층(32)으로 코아층(36)이 구성된다. 상기 상부 광가이드층(34)은 상부 u-1.3Q층(20), p-1.1Q층(22) 및 p-굴절율 희석층(24)으로 구성된다. 상기 하부 광가이드층(32)은 하부 u-1.3Q층(16), n-1.1Q층(14) 및 n-굴절율 희석층(12)으로 구성된다. 상기 코아층(36)의 두께는 3 내지 5㎛, 바람직하게는 4㎛이다.
본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드에서, 상기 n-굴절율 희석층(12) 및 n-1.1Q층(14)은 n형 불순물이 도핑된 반도체층(n-반도체층)이고, 상기 하부 u-1.3Q층(16), 상기 광흡수층(18) 및 하부 u-1.3Q층(20)은 불순물이 도핑되지 않은 진성 반도체층(i층)이고, 상기 p-굴절율 희석층(24) 및 p-1.1Q층(22)은 p형 불순물이 도핑된 반도체층(p-반도체층)이다.
그리고, 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드는 상기 광흡수층(18)으로 광 이 흡수되고, 상기 코아층(36)으로 광이 도파된다. 특히, 도파로형 p-i-n 포토다이오드는 상기 광흡수층(18)을 중심으로 굴절율이 대칭의 경사형(Graded Index) 분포를 이루고 있다. 이렇게 대칭의 경사형 굴절율을 갖는 본 발명의 p-i-n 포토다이오드는 평면 절단된 단일모드 광섬유 또는 실리카(silica) 도파로와 최대의 결합계수를 갖게 된다. 이에 대해서는 후에 보다 상세하게 설명한다.
실제로 본 발명자들이 본 발명의 대칭의 굴절율을 갖는 도파로형 p-i-n 포토다이오드와 평면 절단된 단일모드 광섬유의 결합 계수를 측정한 결과, 일반적으로 알려진 최고값 0.95A/W 보다 높은 0.97A/W가 측정되었다. 또한, 본 발명자들이 본 발명의 대칭의 굴절율을 갖는 도파로형 p-i-n 포토다이오드와 렌즈형 단일모드 광섬유와의 결합에서도 일반적으로 알려진 최고의 외부양자효율 1.186 A/W보다 높은 1.194 A/W를 측정되었다. 도 1에 나타낸 구성요소들의 파라미터들은 최적화된 설계의 예를 보인 것으로 그 파라미터들에 의해 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 2는 도 1의 굴절율 희석층의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 2에서, 도 1과 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다.
구체적으로, 도 2의 좌측 부분 및 우측 부분은 각각 도 1의 p-굴절율 희석층(24) 및 n-굴절율 희석층(12)의 결정 성장 방법 및 단면 구조를 설명하기 위하여 도시한 것이다. 상기 p-굴절율 희석층(26)은 상기 p-클래드층(26)을 구성하는 p-InP 물질층(52)과 상기 p-1.1Q층을 구성하는 p-InGaAsP 물질층(50)을 한쌍(54)으로 하여 복수개 쌍들을 적층하여 굴절율을 조절하는 반도체층이다. 상기 p-굴절율 희석층(24)은 50nm의 p-InGaAsP층(50) 및 100nm의 p-lnP(52)를 한쌍(54)으로 하여 7 개의 쌍의 적층되어 형성된다. 이렇게 형성되는 p-굴절율 희석층(24)은 p-클래드층(26)과 p-1.1Q층(22) 사이의 중간 정도 값의 굴절율을 갖게 된다.
상기 n-굴절율 희석층(12)은 상기 기판을 구성하는 n-InP 물질층(58)과 상기 n-1.1Q층을 구성하는 n-InGaAsP(56) 물질층을 한쌍(60)으로 하여 복수개 쌍들을 적층하여 굴절율을 조절하는 반도체층이다. 즉, 상기 n-굴절율 희석층(12)은 50nm의 n-InGaAsP층(58) 및 100nm의 n-lnP층(56)을 한쌍(60)으로 하여 7개의 쌍의 적층되어 형성된다. 이렇게 형성되는 n-굴절율 희석층(12)은 n-기판(10)과 n-1.1Q층(14) 사이의 중간 정도 값의 굴절율을 갖게 된다. 결국, p-굴절율 희석층(24) 및 n-굴절율 희석층(12)은 대칭의 경사형 굴절율을 갖는 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드에서는 필수적인 구성요소이다.
도 3은 도 1의 도파로형 p-i-n 포토다이오드의 깊이에 대한 굴절율 분포를 도시한 도면이다. 도 3에서, 도 1과 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다.
구체적으로, 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드는 광흡수층(18)을 중심으로 깊이에 따라 대칭의 경사형 굴절율 분포를 나타낸다. 즉, 광흡수층(18)은 깊이 40정도에 위치하며, 굴절율이 3.6정도로 제일 높다. 상기 광흡수층(18)으로부터 상측 표면 방향으로 굴절율이 3.4 정도인 상부 u-1.3Q층(20), 굴절율이 3.3정도인 p-1.1Q층(22), 굴절율이 3.2정도인 p-굴절율 희석층(24) 및 굴절율이 3.15정도인 p-클래드층(26)이 위치한다. 상기 광흡수층(18)으로부터 하측 깊이 방향으로 굴절율이 3.4 정도인 하부 u-1.3Q층(16), 굴절율이 3.3정도인 n-1.1Q층(14), 굴절율이 3.2정도인 n-굴절율 희석층(12) 및 굴절율이 3.15정도인 n-기판(10)이 위치한다. 다시 말해, 상부 u-1.3Q층(20)과 하부 u-1.3Q층(16), p-1.1Q층(22)과 n-1.1Q층 및 p-굴절율 희석층(24)과 n-굴절율 희석층(12)은 서로 굴절율이 같다.
이상 설명한 내용 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드는 광흡수층(18)을 중심으로 깊이에 따라 대칭의 경사형 굴절율 분포를 나타낸다. 상기 굴절율을 따라 그래프를 그려보면 로렌츠 함수에 의해 근접한 곡선을 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드는 광선이 도파관을 지나갈 때 로렌츠 함수 모양의 굴절율 분포에 의해 가이드 되어 단일모드 광섬유 및 실리카 PLC 도파로와 높은 결합 계수를 얻을 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드와 평면 절단된 단일 모드 광섬유와 결합할 경우의 광 도파 프로파일 및 결합 손실을 도시한 도면이다. 도 4 및 도 5에서, 도 1과 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다.
구체적으로, 도 4는 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드의 코아층(36)과 평면 절단된 단일모드 광섬유(70)를 결합할 경우, 광의 도파 프로파일을 컴퓨터 프로그램을 이용해 계산한 결과이고, 도 5는 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드의 코아층(26)과 평면 절단된 단일모드 광섬유(70)를 결합할 경우, 결합 손실을 컴퓨터 프로그램을 이용해 계산한 결과이다. 도 4 및 도 5에서, 광섬유의 개구수(NA)는 0.1 정도이고, 직경은 8㎛이고, 광섬유 코아층과 광섬유 클래드층간의 굴절율 차는 0.01이고, 광섬유 클래드층의 굴절율은 1.45였다.
도 4에 도듯이, 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드의 도파로(광이 진행하는 코아층, 36)는 두 개의 모드를 허용하는 멀티모드(multimode waveguide) 도파로 임을 알 수 있고, 중심의 광세기는 약 200㎛의 주기로 증가 및 감소함을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드의 길이는 200㎛ 정도가 가장 효과적임을 알 수 있다. 그리고, 도 5에 보듯이 평면 절단된 단일 모드 광섬유(70)와 도파로형 p-i-n 포토다이오드의 단면 사이에 10㎛ 간격을 가정했을 때 약3%의 낮은 결합 손실을 보여 주고 있다. 도 5에서, 광파워 1.0은 결합손실이 없음을 나타낸다.
한편, 실제로, 본 발명자들이 도파로의 길이가 100㎛, 150㎛, 200㎛, 300㎛인 도파로형 p-i-n 포토다이오드 칩을 제작한 후. 1.55㎛의 파장 광에서 반응계수를 측정한 결과 200㎛까지는 반응계수가 증가하였으나 200㎛와 300㎛ 사이에는 차이가 없었다. 즉 100㎛의 반응계수는 0.85A/W, 150㎛의 반응계수는 0.93A/W, 200㎛ 와 300㎛는 0.97A/W의 값을 나타내었다.
그리고, 광흡수층(18)의 두께가 0.1㎛와 0.5㎛인 경우에 대해 칩을 제작하고 측정한 결과 도파로 길이가 200㎛ 이상인 경우 반응계수는 큰 차이를 보이지 않았다. 상기 광흡수층(18)의 두께가 지나치게 두꺼울 경우 대부분의 광자가 입사면 근처에서 흡수되어 입사면 부분이 높은 파워에 대해 취약하게 되고 수명도 급격히 짧아진다. 광흡수층(18)의 두께가 1㎛ 이하인 포토다이오드의 경우 안정성(stability) 및 정전파괴(breakdown) 실험에서 좋은 결과를 보였다. 광흡수층(18)의 두께가 0.03㎛인 경우 도파로 길이가 300㎛ 일 때 반응계수가 0.75A/W의 값을 나타내었다
이상의 결과로부터, 본 발명과 같이 1~5GHz의 저속 도파로형 p-i-n 포토 다이 오드는 도파로 길이 100㎛∼300㎛, 바람직하게는 100∼250㎛이고, 광도파로의 폭은 8 내지 30㎛, 바람직하게는 20㎛이고, 광흡수층의 두께가 0.1∼1㎛인 대칭의 경사형 굴절율 분포가 최적의 설계 범위이다. 특히, 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드의 도파로 구조는 대칭의 경사형 굴절율 분포와 도파로 길이 200㎛, 광흡수층 두께 0.1∼0.5㎛가 최적의 구조임을 알 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드와 실리카 PLC(Planner Lightwave Circuit) 도파로와 결합할 경우의 광 도파 프로파일 및 결합 손실을 도시한 도면이다. 도 6 및 도 7에서, 도 1과 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다.
구체적으로, 본 발명과 같은 도파로형 p-i-n 포토다이오드의 최대 수요는 PLC 도파로(72)와의 플립칩 결합을 이용한 광신호 수신기 제작에 있기 때문에 PLC 도파로(72)와의 결합 손실이 매우 중요하다. 도 6은 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드의 코아층(36)과 실리카 PLC 도파로(72)를 결합할 경우, 광의 도파 프로파일을 컴퓨터 프로그램을 이용해 계산한 결과이다.
도 7은 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드의 코아층(36)과 실리카 PLC 도파로(72)를 결합할 경우, 결합 손실을 컴퓨터 프로그램을 이용해 계산한 결과이다. 도 6 및 도 7에서, 실리카 PLC 도파로(72)는 높이 3,6㎛, 폭 4.5㎛이고, 실리카 PLC 도파로(72)의 코아층과 클래드층간의 굴절율차는 0.022이고, 실리카 PLC 도파로(72)의 클래드층의 굴절율은 1.444였다.
도 6에 보듯이, 실리카 PLC 도파로(72)의 폭이 p-i-n 포토다이오드의 코아층 (36)의 폭과 비슷하여 단일 모드 광섬유 형태를 나타내고, 중심의 광세기는 약 200㎛의 주기로 증가 및 감소함을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드의 길이는 200㎛ 정도가 가장 효과적임을 알 수 있다. 그리고, 도 7에 보듯이, 실리카 PLC 도파로(72)와 도파로형 p-i-n 포토다이오드의 단면 사이에 10㎛ 간격을 가정했을 때 약 4%의 낮은 결합 손실을 보여 주고 있다. 도 7에서, 광파워 1.0은 결합 손실이 없음을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드 칩을 실제로 제작하여 도시한 도면이다.
구체적으로, 참조번호 80으로 표시한 사각형 부분이 하나의 도파로형 p-i-n 포토다이오드 칩이다. 도 8에서, 참조번호 82는 패드 부분을 나타낸다. 도파로(36, 코아층)의 길이(L)는 앞서 최적화된 값으로 200㎛이고, 도파로(36)의 폭(W)은 20㎛로 제작하였다. 일반적으로, 단일모드 광섬유의 지름이 약 8㎛이므로 여유 있게 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드 칩은 여유 있게 설계할 수 있다.
상기 도파로(36)의 폭(W)은 광섬유와의 정렬유격(alignment tolerance), 및 포토다이오드의 밴드폭(bandwidth)을 고려해서 용도에 맞게 적절한 크기로 결정 할 수 있다. 도 8의 도파로형 p-i-n 포토다이오드 칩은 도파로 면적을 200 x 20㎛2로 했을 때, 밴드폭이 3.3GHz이고 횡방향의 정렬유격은 최대값에서 10% 감소까지의 범위가 14㎛이었다. 수직(종) 방향의 정렬 유격은 역시 최대값에서 10% 감소까지의 범위 기준으로 4.5㎛이었다.
도 8의 도파로형 p-i-n 포토다이오드 칩은 근거리 통신인 PON망의 수신기에 이용될 경우 밴드폭이 2.5GHz가 주대상이므로 밴드폭과 정렬 유격이 적절함을 알 수 있다. 그리고, 도 8의 포토다이오드 칩을 밴드폭이 4GHz 또는 5GHz 밴드폭에 이용할 경우, 도파로(36)의 폭을 13㎛ 또는 16㎛으로 적절히 줄임으로써 쉽게 제작할 수 있다.
도 9는 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드의 밴드폭을 측정한 도면이다.
구체적으로, 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드 칩을 서브 마운터(sub-mounter)에 부착한 후, 단일 모드 파이버(SMF) 컨넥터가 부착된 홀딩 블록에 부착하여 광파 분석기(Lightwave Component Analyzer)로 밴드폭을 측정하였다. 측정 결과, 측정 초기 밴드폭은 0.13GHz이고, 3dB 줄어든 밴드폭은 3.436GHz이어 도파로형 p-i-n 포토다이오드 칩의 3dB 밴드폭이 약 3.3GHz임을 알 수 있었다.
상술한 바와 같이 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드는 광흡수층을 중심으로 굴절율이 대칭의 경사형 분포를 갖는다. 이렇게 대칭의 경사형 굴절율을 갖는 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드는 평면 절단된 단일모드 광섬유 또는 실리카(silica) 도파로와 최대의 결합 계수를 갖는다.
더하여, 본 발명의 도파로형 p-i-n 포토다이오드는 근거리 통신의 수신기에 적용될 수 있게 높은 반응계수를 가지며, 단일모드 광섬유와의 정렬 유격이 좋고 낮은 패키지 비용으로 제작할 수 있다.

Claims (9)

  1. 기판 상에 형성된 하부 광가이드층;
    상기 하부 광가이드층 상에 형성된 광흡수층;
    상기 광흡수층 상에 형성된 상부 광가이드층; 및
    상기 상부 광가이드층 상에 형성된 클래드층을 포함하여 이루어지고,
    상기 하부 광가이드층, 광흡수층 및 상부 광가이드층은 광도파로인 코아층을 구성하고, 상기 기판의 표면에서 깊이 방향으로 상기 굴절율이 제일 높은 광흡수층을 중심으로 대칭의 경사형 굴절율 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 도파로형 p-i-n 포토 다이오드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 대칭의 경사형 굴절율 분포는 로랜츠 함수의 곡선 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 도파로형 p-i-n 포토 다이오드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 하부 광가이드층은 기판 상에 형성된 n-굴절율 희석층, 상기 n-굴절율 희석층 상에 상기 n-굴절율 희석층보다 굴절율이 높게 형성된 n-1.1Q층 및 상기 n-1.1Q층 상에 상기 n-1.1Q층보다 굴절율이 높게 형성된 하부 u-1.3Q층으로 구성되고,
    상기 상부 광가이드층은 상기 광흡수층 상에 형성된 상부 u-1.3Q층, 상기 상부 u-1.3Q층 상에 상기 u-1.3Q층보다 굴절율이 낮게 형성된 p-1.1Q층, 상기 p-1.1Q 층 상에 상기 p-1.1Q층보다 굴절율이 낮게 형성된 p-굴절율 희석층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 도파로형 p-i-n 포토 다이오드.
  4. 제3항에 있어서, 상기 상부 u-1.3Q층과 하부 u-1.3Q층, p-1.1Q층과 n-1.1Q층 및 p-굴절율 희석층과 n-굴절율 희석층은 각각 서로 굴절율이 같은 것을 특징으로 하는 도파로형 p-i-n 포토 다이오드.
  5. 제3항에 있어서, 상기 n-굴절율 희석층은 상기 기판을 구성하는 물질층과 상기 n-1.1Q층을 구성하는 물질층을 한쌍으로 하여 복수개 쌍들을 적층하여 굴절율을 조절하는 반도체층이고, 상기 p-굴절율 희석층은 상기 클래드층을 구성하는 물질층과 상기 p-1.1Q층을 구성하는 물질층을 한쌍으로 하여 복수개 쌍들을 적층하여 굴절율을 조절하는 반도체층인 것을 특징으로 하는 도파로형 p-i-n 포토 다이오드.
  6. 제3항에 있어서, 상기 n-굴절율 희석층 및 n-1.1Q층은 n형 불순물이 도핑된 반도체층(n-반도체층)이고, 상기 하부 u-1.3Q층, 상기 광흡수층 및 하부 u-1.3Q층은 불순물이 도핑되지 않은 진성 반도체층(i층)이고, 상기 p-굴절율 희석층 및 p-1.1Q층은 p형 불순물이 도핑된 반도체층(p-반도체층)인 것을 특징으로 하는 p-i-n 포토 다이오드.
  7. 제6항에 있어서, 상기 진성 반도체층의 두께는 0,1 내지 5㎛인 것을 특징으 로 하는 도파로형 p-i-n 포토 다이오드.
  8. 제1항에 있어서, 상기 광흡수층의 두께는 0.1 내지 1㎛로 구성하고, 광도파로(코아층)의 길이는 100 내지 250㎛이고, 광도파로의 폭은 8 내지 30㎛인 것을 특징으로 하는 도파로형 p-i-n 포토 다이오드.
  9. 제1항에 있어서, 상기 코아층의 두께는 3 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 도파로형 p-i-n 포토 다이오드.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111816728A (zh) * 2020-08-18 2020-10-23 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 雪崩光电二极管及其制作方法

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100971089B1 (ko) * 2005-05-31 2010-07-16 엘지디스플레이 주식회사 액정표시장치 및 그 제조방법
JP6554035B2 (ja) * 2014-05-01 2019-07-31 日本碍子株式会社 グレーティング素子および外部共振器型発光装置
JP2018148209A (ja) * 2017-03-03 2018-09-20 住友電工デバイス・イノベーション株式会社 光導波路型受光素子
JP2019153671A (ja) * 2018-03-02 2019-09-12 住友電工デバイス・イノベーション株式会社 光導波路型受光素子
US20220173257A1 (en) * 2020-11-29 2022-06-02 Infinera Corporation Waveguide dual-depletion region (ddr) photodiodes

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05218379A (ja) * 1992-02-06 1993-08-27 Fujitsu Ltd 光・電子集積回路装置

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3821777A (en) * 1972-09-22 1974-06-28 Varian Associates Avalanche photodiode
US4258375A (en) * 1979-04-09 1981-03-24 Massachusetts Institute Of Technology Gax In1-x Asy P1-y /InP Avalanche photodiode and method for its fabrication
JPS62193192A (ja) * 1986-02-19 1987-08-25 Sharp Corp 半導体レ−ザ素子
JPH01264286A (ja) * 1988-04-15 1989-10-20 Omron Tateisi Electron Co 半導体量子井戸レーザ
EP0530942B1 (en) * 1991-09-06 1997-10-22 Trw Inc. Novel quantum well optoelectric switching device with stimulated emission
JPH05275798A (ja) * 1992-03-25 1993-10-22 Eastman Kodak Japan Kk レーザダイオード
JPH06244490A (ja) * 1993-02-15 1994-09-02 Sumitomo Electric Ind Ltd 半導体レーザおよびその製造方法
US5998851A (en) 1996-12-04 1999-12-07 The Furukawa Electric Co., Ltd. Optical waveguide type photodiode and a process of producing the same
JP2002064244A (ja) * 2000-06-06 2002-02-28 Furukawa Electric Co Ltd:The 分布帰還型半導体レーザ素子
JP4168437B2 (ja) 2000-11-09 2008-10-22 日本電気株式会社 半導体受光素子
WO2004025357A2 (en) * 2002-09-12 2004-03-25 Avanex Corporation Monolithic optical component
JP4173716B2 (ja) 2002-10-21 2008-10-29 三菱電機株式会社 導波路型フォトダイオードおよびその製造方法
US6927412B2 (en) * 2002-11-21 2005-08-09 Ricoh Company, Ltd. Semiconductor light emitter
US7376169B2 (en) * 2005-03-07 2008-05-20 Joseph Reid Henrichs Optical phase conjugation laser diode

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05218379A (ja) * 1992-02-06 1993-08-27 Fujitsu Ltd 光・電子集積回路装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111816728A (zh) * 2020-08-18 2020-10-23 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 雪崩光电二极管及其制作方法

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