KR101158969B1 - 광 변조기를 포함하는 장치 및 반도체 평면형 광 도파관을 작동시키는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광 도파관 변조기를 제공한다. 일 실시예에서, 광 도파관 변조기는 반도체 평면형 광 도파관 코어와, 코어의 대향 측면에 인접하여 위치하고 코어 양단에 전압을 인가할 수 있는 도핑된 반도체 접속 경로를 포함한다. 광 도파관 코어 및 접속 경로는 백 투 백 PN 반도체 접합부를 갖는 구조체를 형성한다. 다른 실시예에서, 광 도파관 변조기는 릿지 부분을 포함하는 반도체 광 도파관 코어를 포함하되, 릿지 부분의 내부에는 적어도 하나의 PN 반도체 접합부가 배치된다. 광 도파관 변조기는 릿지 부분에 횡방향으로 인접하여 위치하고 릿지 부분에 전압을 인가할 수 있는 하나 이상의 도핑된 반도체 접속 경로도 포함한다.

Description

광 변조기를 포함하는 장치 및 반도체 평면형 광 도파관을 작동시키는 방법{HIGH SPEED SEMICONDUCTOR OPTICAL MODULATOR}
본 발명은 일반적으로 통신 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 광 도파관 변조기 및 광 도파관 작동 방법에 관한 것이다.
현재 실리콘 기반(Si 기반) CMOS 호환가능 전기 광학 변조기는 일반적으로 최대 수 기가헤르츠(GHz)로 제한되는 응답 대역폭(즉, 3dB 대역폭)을 갖는다. 통상적인 장치는 장치를 활성화하는 데 필요한 시간이 장치를 비활성화하는 데 필요한 시간과 상당히 다른 고르지 않은 응답을 갖는다. 이들 장치는 효율적인 광학 굴절률 변화를 생성하기 위해 통상적으로 광 도파관으로의 캐리어 주입에 의존해 왔다. 이것은 장치에 인가될 전압 바이어스를 필요로 하는데, 여기서 DC 전력이 소비된다.
이들 장치에 대한 응답 속도는 장치를 활성화 및 비활성화하기 위해 캐리어가 장치의 저항 접촉부 사이의 전체 거리를 순회해야 하므로 제한된다. 이 동작은, 순방향 바이어싱 상태에서 장치의 응답 속도가 장치의 진성 영역을 통한 캐리어의 확산 속도에 의해 제한되므로 발생한다. 부가적으로, 현재 장치는 엄격한 대 역폭 제한을 가지며, 광학 굴절률 변화에 대응하는 비교적 큰 광학 손실을 입는다.
따라서, 당해 기술에서는 현재 기술의 몇몇 한계를 극복하는 강화된 설계가 필요하다.
위에서 논의된 종래 기술의 결점을 해결하기 위해, 본 발명은 광 도파관 변조기를 제공한다. 일 실시예에서, 광 도파관 변조기는 반도체 평면형 광 도파관 코어와, 코어의 대향 측면에 인접하여 위치하고 코어 양단에 전압을 인가할 수 있는 도핑된 반도체 접속 경로를 포함하되, 광 도파관 코어 및 접속 경로는 백 투 백 PN 반도체 접합부를 갖는 구조체를 형성한다. 다른 실시예에서, 광 도파관 변조기는 릿지 부분을 포함하는 반도체 광 도파관 코어를 포함하되, 릿지 부분의 내부에는 적어도 하나의 PN 반도체 접합부가 배치된다. 광 도파관 변조기는 릿지 부분에 횡방향으로 인접하여 위치하고 릿지 부분에 전압을 인가할 수 있는 하나 이상의 도핑된 반도체 접속 경로도 포함한다.
다른 측면에서, 본 발명은 반도체 평면형 광 도파관을 작동시키는 방법을 제공한다. 방법은 광학 신호를 도파관의 반도체 광 도파관 코어로 전송하는 단계를 포함한다. 방법은 신호가 코어를 따라 전파하는 동안 백 투 백 PN 반도체 접합부에 인접하여 캐리어 밀도가 변조되도록 코어의 폭 또는 높이에 걸쳐 인가된 전압을 변조하는 단계도 포함하되, 각각의 PN 반도체 접합부의 일부분은 코어 내에 위치한다.
전술한 내용은 당업자가 후속하는 본 발명의 상세한 설명을 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 바람직하고 대안적인 특징을 요약한 것이다. 본 발명의 특허청구범위의 청구대상을 구성하는 본 발명의 다른 특징은 후술될 것이다. 당업자는 그들이 개시된 개념 및 특정 실시예를 본 발명의 동일한 목적을 수행하는 다른 구조를 설계하거나 변경하기 위한 기초로서 쉽게 사용할 수 있음을 알아야 한다. 당업자는 또한 이러한 균등한 구성이 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않음을 알아야 한다.
본 발명을 보다 완전히 이해하기 위해, 이제 첨부 도면과 함께 후속하는 설명을 참조한다.
도 1은 본 발명의 원리에 따라 구성된 광 도파관 변조기의 도면을 도시한다.
도 2a는 본 발명의 원리에 따라 구성된 광 도파관 변조기의 실시예의 단면도이며, 이 단면도는 인가된 전압이 없는 경우에 시뮬레이트된 홀 캐리어 분포를 도시한다.
도 2b는 도 2a의 광 도파관 변조기(200)를 설명하는 전기적 등가의 도면이다.
도 2c는 여러 전압이 인가된 경우에 도 2a의 광 도파관 코어(205) 내의 시뮬레이트된 변조 홀 전하 농도를 도시하는 단면도를 제공한다.
도 3a는 본 발명의 원리에 따라 구성된 반도체 광 도파관 변조기의 대안 실 시예의 단면도이다.
도 3b는 본 발명의 원리에 따라 구성된 반도체 광 도파관 변조기의 다른 실시예의 단면도이다.
도 4a는 광 도파관 변조기의 대안 실시예의 단면도를 제공하는데, 뷰 A와 B는 인가된 전압이 없는 경우에 광학 코어 내의 시뮬레이트된 홀 및 전자 캐리어 분포를 도시한다.
도 4b는 여러 전압이 인가된 경우에 광 도파관 코어(405) 내의 변조 전하 캐리어 분포의 시뮬레이션을 도시하는 도 4a의 변조기의 추가 단면도를 제공한다.
도 5는 본 발명의 원리에 따라 구성된 반도체 광 도파관 변조기의 실시예의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 원리에 따라 수행되는 광 도파관 작동 방법의 순서도이다.
본 명세서에서, 다양한 반도체 구조체는 통상적인 마이크로제조 방법에 의해 다양한 반도체, 예컨대, 실리콘 또는 화합물 반도체로부터 제조될 수 있다.
본 명세서에서, 다양한 광 도파관 코어는 하나 이상의 상부 광학 클래딩(cladding) 층, 예컨대, 석영 유리 층으로 덮일 수 있다.
본 명세서에서, 전극은 통상적인 마이크로제조 방법에 의해 금속 및/또는 고농도로 도핑된 반도체, 예컨대, 도핑된 폴리실리콘으로 제조될 수 있다.
본 명세서에서, 인용된 양 및 음 전하 캐리어의 최대 농도는 설명된 반도체 구조체 내의 저마다의 p형 및 n형 도펀트의 농도에 대한 하한을 제공한다.
본 발명의 실시예는 특히 통신 시스템 또는 서브시스템의 고속, 고 집적, 높은 비용 효율, 대규모 애플리케이션에 적합하다. 이 설계의 CMOS 호환성은 고 용량 제조에 적합하게 한다. 장치 응답 시간 및 비선형 응답의 현저한 개선은 높은 비트 레이트 디지털 통신 영역에서의 애플리케이션에 적합하게 한다. 도파관의 비선형 응답은 아날로그 전송 애플리케이션에 대한 변조기 선형성을 강화하는 데에도 사용될 수 있다.
처음으로 본 발명의 원리에 따라 구성되며 일반적으로 (100)으로 지정된 광 도파관 변조기의 도면이 도시된 도 1을 참조한다. 광 도파관 변조기(100)는 반도체 광 도파관 코어(105), 제 1 및 제 2 전극(120,125)과 접속하는 제 1 및 제 2 도전성 접속 경로(110,115), 즉, 고농도로 도핑된 반도체 경로를 각각 포함한다. 반도체 광 도파관 코어는 코어 내의 필드 활성 영역에 기초하여 코어를 순회하는 광학 신호를 변조하도록 구성된다. 코어는 필드 활성 영역을 제공하는데, 여기서 인가된 전기적 변조 신호는 코어의 굴절률을 변경할 수 있다. 전기적 변조 신호는 제 1 전극(120)과 제 2 전극(125) 사이에 인가된다.
전하 캐리어가 저항 접촉부 사이의 거리 양단의 도중까지만 순회할 필요가 있으므로, 본 발명의 실시예의 응답 시간은 현재 기술보다 현저히 빠르다. 이 개선은 전하 전송이 캐리어 확산에 의존해야 하기보다는 주로 필드 지원되므로 발생한다. 부가적으로, 새로운 설계의 실시예에 어떠한 DC 전력 소비도 요구되지 않으며, 이로써 현재 설계 이상의 전력 소비의 개선을 제공한다.
본 발명의 실시예는 전자 및 홀의 조합보다는 홀만을 캐리어로서 이용하여 광학 변조가 달성되도록 구성될 수 있다. 홀 만을 이용하는 것은 도파관 내의 광학 굴절률 변화와 관련된 광학 손실을 현저히 감소시킬 수 있다. 실시예는 물리적 대칭을 이용할 수 있고 전하는 본질적으로 혼합되지 않으므로, 전기적 차폐(screening) 문제가 방지되며 이로써 전하 이동이 필드 강화되게 한다.
또한, 반도체 광 도파관 변조기(100)의 전기 광학 응답은 통상적인 방안보다 상당히 비선형이다. 디지털 애플리케이션의 경우에, 반도체 광 도파관 변조기(100)의 응답의 비선형성은 송신기 또는 시스템 대역폭 제한에 기인하는 신호 저하를 완화하는 데 이용될 수 있다. 아날로그 애플리케이션의 경우에, 비선형성은 변조기 비선형성을 완화하는 데 이용될 수 있으므로 변조기 응답이 더 선형화된다. 이 특징은 예컨대, Mach-Zehnder 변조기, 링 공진기 변조기 또는 양자의 결합의 고유 응답으로부터 발생하는 본래 비선형적인 변조기 구조체를 중화시키는 데 이용될 수 있다.
반도체 광 도파관 코어(105)는 한 타입의 유형(도너 또는 억셉터 도펀트)으로 도핑될 수 있다. 또한, 저항 접촉부는 릿지형(ridged) 도파관에 가깝게 구성될 수 있고, 예컨대, 반대 타입의 유형(각각 억셉터 또는 도너 도펀트)으로 도핑된다. 이 구성은, 장치에 인가되는 전압 바이어스가 없는 경우에 광 도파관 코어(105)에 상당한 전하 캐리어를 제공한다.
이어서 전압 바이어스가 제 1 및 제 2 전극(120,125)을 통해 인가되어 도파관 내의 전하 캐리어의 분포를 변조시킬 수 있으며, 차례로 장치의 광학 특성을 변 조한다. 이것은 최소 AC 전력 소비 및 무 DC 전력 소비와 함께 달성된다. 이어서 도파관 광학 특성의 변조는 도파관 내의 광학 세기 또는 상(phase)을 변조하는 데 이용될 수 있다.
이제 본 발명의 원리에 따라 구성되고 일반적으로 200으로 지정되는 반도체 광 도파관 변조기의 실시예의 단면도가 도시되는 도 2a를 참조한다. 이 단면도는 도 1에 나타낸 바와 같이 광 도파관 변조기(100)의 중앙을 관통할 수 있는 단면을 나타낸다. 광 도파관 변조기(200)는 릿지(ridge) 영역 및 코어(205)의 인접하는 대향 측면인 고농도로 도핑된 제 1 및 제 2 반도체 접속 경로(210,215)를 구비하는 반도체 광 도파관 코어(205)를 포함한다. 변조기(200)는 저마다의 고농도로 도핑된 제 1 및 제 2 반도체 접속 경로(210,215)와 접촉하는 제 1 및 제 2 전극(220,225)도 포함한다.
도시된 실시예에서, 반도체 광 도파관 코어(205)는 도시된 바와 같이, 광 도파관 코어(205)의 대향 측면에 근접하게 배치되는 백 투 백(back-to-back) PN 반도체 접합부(206,207)를 포함한다. 일반적으로, 백 투 백 PN 반도체 접합부는 광 도파관 코어(205)에서 보다 중앙에 배치되거나 심지어 광 도파관 코어(205)에서 비대칭으로 배치될 수 있는데, 이는 이용된 특정 극성 또는 전하 농도에 유리한 것으로 간주할 수 있다. 백 투 백 PN 반도체 접합부(206,207)는 인가된 전기적 변조 신호에 대응하는 필드 활성 영역을 제공하도록 구성될 수 있다.
도시된 실시예에서, 반도체 광 도파관 코어(205)는 릿지 영역 내에 P형 도펀트를 포함하고, 이에 인접하게 배치된 제 1 및 제 2 도전성 접속 경로(210,215)는 N형 도펀트를 포함한다. 그러나, 당업자는 광 도파관 코어(205) 및 제 1 및 제 2 도전성 접속 경로(210,215)의 다른 실시예가 이 극성들이 각각 N형 도펀트 및 P형 도펀트를 포함하도록 반전시킬 수 있음을 알 것이다.
동작 동안에, 광 도파관 코어(205)는 상이한 공간 영역 내의 전하 농도의 범위를 가질 수 있다. 도 2a는 0 전압 바이어스 상태의 시뮬레이트된 홀 전하 캐리어 분포를 도시한다. 도파관에 도시된 전하 캐리어 농도의 범위는 약 3×1015 전하/㎤의 농도 내지 약 1×1018 전하/㎤의 농도이다. 제 1 및 제 2 도전성 접속 경로(210,215)의 상당 부분은 전형적으로 범위가 약 1×1019 내지 1×1020 전하/㎤인 높은 전하 캐리어 농도를 가진 고농도로 도핑된 반도체이다.
이제 도 2a의 광 도파관 변조기(200)에 이용될 수 있고 일반적으로 240으로 지정되는 전기적 등가의 도면이 도시되는 도 2b를 참조한다. 전기적 등가(240)는 제 1 및 제 2 단자(250a,250b)가 접속된 제 1 및 제 2 백 투 백 반도체 다이오드(245a,245b)를 포함한다. 제 1 및 제 2 백 투 백 반도체 다이오드(245a,245b)는 광 도파관 변조기(200)의 도펀트에 대응하게 배향된다. 도시된 바와 같이, 전기적 신호 발생기(255)는 제 1 및 제 2 단자(250a,250b) 사이에 접속될 수 있다.
전기적 신호 발생기(255)는 0 DC 바이어스 전압을 가진 AC 신호에 대응하는 전기적 변조 신호를 공급할 수 있다. 이 무 DC 바이어스 AC 신호는 광 도파관 코어(205)를 순회하는 광학 신호가 전기적 변조 신호의 주파수의 2 배인 주파수를 포함하도록 변조하여 광학 신호의 전기적 변조의 주파수 2배가(doubling)를 제공할 것이다. 만일 전기적 변조 신호가 DC 바이어싱 AC 신호를 공급하면 -여기서, DC 바이어스는 항상 PN 반도체 접합부 중 동일한 것을 백바이어싱함(back-bias)- , 광학 신호의 주파수 2배가는 존재하지 않을 것이다.
이제 도 2a의 반도체 광 도파관 코어(205)에서 변조된 전하 캐리어 분포의 시뮬레이션을 나타내는 단면도가 도시되는 도 2c를 참조한다. 도 2c의 단면도는 전기적 변조 신호(290)에 대한 반도체 광 도파관 코어(205) 내의 전하 농도에 대응한다. 전기적 변조 신호(290)는 +5V 내지 -5V로 바뀌며 DC 바이어스 전압이 없는 AC 전압 파형이다. 도 2c에서, 전기적 변조 신호(290)는 제 1 및 제 2 전극 전압(290a,290b)을 나타내는 파형으로서 제공되는데, 그들의 전압 차는 극성이 표시되는 그들의 전위차에 대응한다. 물론, 전극 중 하나는 실제로 접지될 수 있는데, 다른 것은 대응하는 극성이 표시되는 그들의 전위차를 이용한다.
단면도(265)는 0 전압과 교차하는 전기적 변조 신호(290)에 대응하여 광 도파관 코어(205)에 대한 0 바이어스 상태에 대응하는 시뮬레이트된 대칭형 전하 농도를 도시한다. 제 1 및 제 2 전극 전압(290a,290b)의 전위차가 0 V로부터 이동하여 -10V로 진행하므로, 반도체 광 도파관 코어(205) 내의 양(positive) 전하 분포는 보다 음(negative)의 제 1 전극 쪽으로 비뚤어지기(skew) 시작한다. 단면도(270)는 높은 비대칭 분포에 도달한 광 도파관 코어(205) 내의 시뮬레이트된 양 전하 분포를 도시한다. 이 분포는 각각 시간(t1)에 음 및 양의 5V 레벨에 도달한 제 1 및 제 2 전극 전압(290a,290b)에 대응한다.
그 다음에, 제 1 및 제 2 전극 전압(290a, 290b)은 그 극성에 대해 역으로 이동하고, 단면도(265)의 시뮬레이트된 대칭형 전하 캐리어 농도는 0 바이어스 전압에 또한 도달한다. 제 2 및 제 1 전극 전압(290b, 290a) 사이의 전위차가 0 V로부터 이동하여 -10 V(즉, 이전과 반대 방향으로)로 진행함에 따라, 광 도파관 코어(205) 내의 양 전하 캐리어가 그 보다 음의 제 2 전극을 향해 비뚤어지기 시작한다. 단면도(280)는 시각 t2에서 반대 방향으로 높은 비대칭형 대전 분포에 도달하는 광 도파관 코어(205) 내의 시뮬레이트된 양 전하 캐리어 분포를 도시한다.
도시된 실시예에서, 0 전압 레벨에 또한 도달됨에 따라 전기 변조 신호(290)의 완료 사이클이 완료된다. 단면도(270, 280) 각각은 반도체 광 도파관 코어(205)를 가로지르는 광학 신호의 피크 변조에 대응하여, 전기 변조 신호(290)의 단일의 사이클에 대해 광학 신호 변조의 2 사이클을 제공한다. 따라서 이러한 액션은 변조 광학 신호 내의 전기 변조 신호를 증배하는 주파수를 생성한다. 양 또는 음 전압 바이어스(즉, 0 V를 교차하지 않음)를 유지하는 전기 변조 신호는 전기 변조 신호와 동일한 변조 주파수를 갖는 변조된 광학 신호에 대응한다.
이제 도 3a를 참조하면, 본 발명의 원리에 따라 구성되는 일반적으로 참조 번호(300)로 도시된 반도체 광 도파관 변조기의 대안적인 실시예의 단면도가 도시되어 있다. 단면도는 도 1에 도시된 바와 같이 광 도파관 변조기(100)의 중심을 통해 절단된 단면을 나타낸다. 광 도파관 변조기(300)는 반도체 광 도파관 코어(305)를 포함하고, 반도체 광 도파관 코어(305)는 릿지 영역과 그 코어(305) 내 에서 백 투 백(back-to-back) PN 접합부를 형성하는 교번 도핑된 영역(306, 307, 308)을 포함한다.
이 실시예에서, 다수의 제 1 전극(320)을 포함하는 고농도로 도핑된 반도체 접속 경로(310)는 반도체 광 도파관 코어(350)의 양 측면 상에 도시되어 있다. 다른 실시예는 하나의 전극(320)을 포함하는 단지 하나의 고농도로 도핑된 반도체 접속 경로(310)를 채용할 수 있다. 도시된 실시예는 도시된 바와 같이, 반도체 광 도파관 코어(305) 위에 위치하는 제 2 전극(325)을 포함한다. 제 1 및 제 2 전극(320, 325)은 반도체 광 도파관 코어(350) 양단에서 변조 전압이 수직으로 인가될 수 있게 한다. 물론, 도핑 극성은 특정의 애플리케이션에 대해 적절히 반전될 수 있다.
이제 도 3b를 참조하면, 본 발명의 원리에 따라 구성되는 일반적으로 참조 번호(340)로 도시된 반도체 광 도파관 변조기의 다른 실시예의 단면도가 도시되어 있다. 또한, 단면도는 도 1에 도시된 바와 같이 광 도파관 변조기(100)의 중심을 통해 절단되는 단면을 나타낸다. 광 도파관 변조기(340)는 도시된 바와 같이, 릿지 부분과 단일 도핑된 영역을 포함하는 반도체 광 도파관 코어(345)를 포함한다.
광 도파관 변조기(340)는 백 투 백 PN 반도체 접합부(346, 347)를 채용하며 여기서 PN 반도체 접합부(346)는 도시된 바와 같이, 제 1 반도체 슬랩 A 및 반도체 광 도파관 코어(345)의 측면 사이에 포함된다. 제 1 전극(360)을 포함하는 제 1 고농도로 도핑된 반도체 접속 경로(350)는 PN 반도체 접합부(346)와 연관된다. PN 반도체 접합부(347)는 제 2 반도체 슬랩 B 및 반도체 광 도파관 코어(345)의 상측 부분 사이에 포함된다. 제 2 전극(360)을 포함하는 제 2 고농도로 도핑된 반도체 접속 경로(355)는 PN 반도체 접합부(347)와 연관된다.
광 도파관 변조기(340)는 제 1 및 제 2 슬랩 A, B의 결합 두께보다 높이가 큰 반도체 광 도파관 코어(345)의 릿지 부분을 채용한다. 광 도파관 변조기(340)의 동작은 도 2(a)의 광 도파관 변조기(205)의 동작과 유사하다. 그러나, 제 1 및 제 2 전극(360, 365) 사이의 변조 전압의 필드 효과를 반도체 광 도파관 코어(345) 내의 캐리어 농도에 적용하여 향상된 도파관 성능을 제공한다.
이제 도 4a를 참조하면, 본 발명의 원리에 따라 구성되는 일반적으로 참조 번호(400)로 도시된 광 도파관 변조기의 대안적인 실시예의 단면도가 도시되어 있다. 앞에서와 같이, 단면도는 도 1에 도시된 바와 같이 광 도파관 변조기(100)의 중심을 통해 절단된 단면을 나타낸다. 도 4a에서, 단일의 광 도파관 변조기(400)는 동일한 실시예의 2개의 뷰(뷰 A 및 B)로 도시되어 있다. 뷰 A 및 뷰 B는 그 양단에 0 전압이 인가될 때 반도체 광 도파관 코어(405)에서 정공 및 전자 캐리어 각각의 시뮬레이트된 예시적인 분포를 도시한다. 광 도파관 변조기(400)는 릿지 영역을 갖는 반도체 광 도파관 코어(405) 및 제 1, 제 2 도전성 접속 경로(410, 415), 즉, 광 도파관 코어(405)의 릿지 영역의 대향 측면에 인접하여 고농도로 도핑된 반도체 경로를 포함한다. 광 도파관 변조기(400)는 광 도파관 코어(405)의 릿지 영역에 각각 측 방향으로 인접하는 제 1 및 제 2 전극(420, 425)을 또한 포함한다.
반도체 광 도파관 코어(405)는 그 릿지 영역 내부에 위치하는 PN 반도체 접 합부(406)를 포함하며, 즉, PN 반도체 접합부의 P 타입 및 N 타입 측면은 광 도파관 코어(405)의 릿지 영역 내에 위치한다. PN 반도체 접합부는 인가된 전기 변조 신호에 응답하는 필드 활성 영역을 제공한다. 도시된 실시예에서, PN 반도체 접합부(406)는 대안적인 실시예에서 릿지 영역 내에 비대칭적으로 위치할 수 있으나, 광 도파관 코어(405)의 중심에 위치한다. 반도체 광 도파관 코어(405)는 내부의 전하 캐리어 분포의 범위를 가질 수 있다. 도시된 전하 캐리어 분포는 작은 음의 바이어스 전압(예를 들어, 0.2 V)에 대한 것이다. 양 및 음의 중심 전하 농도(407, 408)는 약 2×1017 전하/㎤의 평균값을 가질 수 있고, 접합부의 전하 결핍 영역에서 약 3×1015 전하/㎤의 접합부 영역 전하 농도로 감소될 수 있다. 제 1 및 제 2 고농도로 도핑된 반도체 접속 경로(410, 415)는 약 1×1019 전하/㎤의 높은 전하 캐리어 농도를 가질 수 있다.
이제 도 4b를 참조하면, 각종 인가된 전압에 대해 광 도파관 코어(405)에서, 일반적으로 참조 번호(450)로 도시된 변조된 전하 캐리어 농도의 시뮬레이션을 도시하는 단면도가 도시되어 있다. 도 4b의 단면도는 역 바이어스 전압(460)을 제공하는 전기 변조 신호에 대해 광 도파관 코어(405) 내의 전하 농도에 대응한다. 역 바이어스 전압(460)은 각종 뷰에서 0.2 V 및 5 V 사이에서 스위칭하고, 광 도파관 변조기(400)에 인가되어 PN 반도체 접합부(406)를 항상 역으로 바이어싱한다.
뷰 A 및 B는 약 0.2 V의 역 바이어싱된 전압에 대해 정공 및 전자 전하 캐리어 분포 각각의 시뮬레이션을 도시한다. 뷰 C 및 D는 PN 반도체 접합부(406) 양단 의 5 V 역 바이어스에 대해 정공 및 전자 전하 캐리어 분포 각각의 시뮬레이션을 도시한다. 광학 변조 주파수는 전기 변조 주파수와 동일하다.
이제 도 5를 참조하면, 본 발명의 원리에 따라 구성되는 일반적으로 참조 번호(500)로 도시된 반도체 광 도파관 변조기의 실시예의 단면도가 도시되어 있다. 광 도파관 변조기(500)의 일반적인 동작은 도 4a의 광 도파관 변조기(400)와 유사하다. 그러나, 구조적으로, 제 1 및 제 2 진성 반도체 층(530, 535)은 도시된 바와 같이, 광 도파관 코어(405)의 릿지 영역에 인접하여 고농도로 도핑된 반도체 경로의 각각과 일렬로 위치되어 있다. 이와 달리, 절연체 재료는 층(510, 515)으로서 사용되고 광 도파관 코어(405)의 릿지 영역에 인접하여 고농도로 도핑된 반도체 경로의 각각과 일렬로 위치될 수 있다.
이제 도 6을 참조하면, 본 발명의 원리에 따라 수행되는 일반적으로 참조 번호(600)로 도시된 광 도파관, 예를 들어, 도 2a, 도 3a, 도 3b, 도 4a 및 도 5의 장치를 작동시키는 방법의 흐름도가 도시되어 있다. 방법(600)은 일반적으로 반도체 광 도파관 내에서, 예를 들어, 광학 신호를 변경하도록 사용될 수 있으며, 단계(605)에서 개시한다. 그 다음에, 단계(610)에서, 반도체 광 도파관 코어를 가로지르는 광학 신호가 제공되며, 단계(615)에서 광학 신호는 필드 활성 영역, 즉, 반도체 광 도파관 코어 내에서의 전기 광학 활성 영역에 의해 변조된다.
일 실시예에서, 반도체 광 도파관 코어는, 예를 들어, 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 필드 활성 영역을 제공하는 광 도파관 코어의 대향 측면에 근접하여 위치하는 백 투 백 PN 반도체 접합부를 포함한다. 백 투 백 PN 반도체 접합부는 0 바 이어스 전압 조건에서 1×1015 내지 8×1017 캐리어/㎤의 범위 내에 있는 광 도파관 코어의 적어도 일부분 내에서 전하 캐리어 농도를 제공할 수 있는 반도체 광 도파관 코어 내에 P 타입 도펀트를 포함한다. 농도는 애플리케이션 디바이스 기하 구조 및 예상 디바이스 전압에 의존한다. 이에 상응하여, 접속 경로에서 광학 코어에 대해 N 타입 도펀트가 채용된다. 접속 경로에서 평균 전하 캐리어 농도는 0 바이어스 전압 조건에서 적어도 1×1019 캐리어/㎤일 수 있다.
이와 달리, 백 투 백 PN 반도체 접합부는 광 도파관 코어 내에서 N 타입 도펀트를 포함하고 광학 코어로/광학 코어로부터 전기 변조 신호에 대한 전류를 운반하는 접속 경로 내에서 P 타입 도펀트를 포함한다. 이들 실시예에서, 전하 캐리어 농도는 정공 및 전자 농도가 교환되는 것을 제외하고 유사한 값 및 분포를 가질 수 있다. 추가적으로, 몇몇 실시예에서, 백 투 백 PN 반도체 접합부의 적어도 하나는 PN 반도체 접합부 영역에서, 진성 반도체 또는 절연층, 즉, 언도핑 Si 또는 석영 유리 층을 또한 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 반도체 광 도파관 코어는 필드 활성 영역을 제공하는 PN 반도체 접합부를 포함하며, 여기서 PN 반도체 접합부는 광 도파관 코어의 중심 위치에 위치한다. 광 도파관 코어의 적어도 일부분 내의 전하 캐리어 농도는 0 바이어스 전압 조건에 대응하는 약 2×1017 캐리어/㎤이다. 이에 상응하여, 전기 변조 신호에 대한 접속 경로 내의 전하 농도는 0 바이어스 전압 조건에 대응하는 약 1× 1019 캐리어/㎤이다. 이와 달리, PN 반도체 접합부는 접합부 내에 진성층을 또한 포함하여, PN 접합부를 형성할 수 있다.
그 다음에, 단계(620)에서 필드 활성 영역은 전기 변조 신호에 상응하여 변조된다. 일 실시예에서, 백 투 백 PN 반도체 접합부는 광학 신호 내의 전기 변조 신호를 증배하는 주파수를 생성하도록 협력한다. 이러한 조건은 전기 변조 신호가 백 투 백 PN 반도체 접합부의 각각의 접합부를 달리 역으로 바이어싱할 때 발생한다. 광학 신호 내의 전기 변조 신호를 증배하는 주파수는 백 투 백 PN 반도체 접합부 중 하나가 AC 전기 변조 신호의 인가 동안 연속적으로 조건을 역으로 바이어싱할 때에는 제공되지 않는다. 이것은 또한 PN 반도체 접합부의 신호가 필드 활성 영역을 변조하는 동안 연속적인 역 바이어스를 유지할 때의 실시예에서의 경우이다. 방법(600)은 단계(625)에서 종료한다.
본 명세서에서 개시된 방법은 특정의 순서로 수행된 특정의 단계를 참조하여 기술되고 도시되었으나, 이들 단계는 본 발명의 개시 내용으로부터 벗어나지 않고 균등한 방법을 형성하도록 결합, 분할, 또는 재배열될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 명세서에서 구체적으로 표시되지 않는 한, 단계의 순서 또는 그룹화는 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
본 발명이 상세하게 기술되었으나, 당 분야에서 통상의 지식을 가잔 자라면 그 가장 넓은 형태로 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 각종 변경, 대체 및 변형이 행해질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (10)

  1. 광 변조기를 포함하는 장치로서,
    상기 광 변조기는,
    일 단부에서 입력 광학 신호를 수신하고 대향 단부에서 변조된 광학 신호를 출력하도록 구성된 반도체 평면형 광 도파관 코어와,
    상기 반도체 평면형 광 도파관 코어의 대향 측면(opposite sides)에 인접하여 위치하고, 상기 입력 광학 신호가 상기 반도체 평면형 광 도파관 코어를 통해 전파하는 동안 상기 입력 광학 신호의 전파 방향을 가로질러 상기 반도체 평면형 광 도파관 코어 양단에 전압을 인가할 수 있는 제 1 도핑된 반도체 접속 경로 및 제 2 도핑된 반도체 접속 경로와,
    전압원을 포함하되,
    상기 반도체 평면형 광 도파관 코어와 상기 제 1 도핑된 반도체 접속 경로 및 상기 제 2 도핑된 반도체 접속 경로는 PN 반도체 접합부들의 백 투 백(back-to-back) 쌍을 갖는 구조체를 형성하고,
    상기 반도체 평면형 광 도파관 코어는 상기 PN 반도체 접합부들의 백 투 백 쌍의 양 접합부의 일 측면을 형성하며,
    상기 제 1 도핑된 반도체 접속 경로 및 상기 제 2 도핑된 반도체 접속 경로와, 상기 백 투 백 쌍과, 상기 전압원은 직렬로 접속되는
    장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 백 투 백 쌍의 PN 반도체 접합부들 중 적어도 하나는 진성(intrinsic) 반도체 층 또는 절연층을 더 포함하는
    장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압원은 제로 DC 바이어스를 가진 AC 신호를 출력하도록 구성되는
    장치.
  4. 반도체 평면형 광 도파관을 작동시키는 방법으로서,
    입력 광학 신호를 상기 반도체 평면형 광 도파관의 반도체 광 도파관 코어의 일 단부로 전송하는 단계와, 상기 입력 광학 신호가 상기 반도체 광 도파관 코어를 따라 전파하는 동안 제 1 도핑된 반도체 접속 경로와 제 2 도핑된 반도체 접속 경로 및 상기 반도체 광 도파관 코어에 의해 형성된 PN 반도체 접합부들의 백 투 백 쌍에 인접한 캐리어 밀도가 변조되도록, 상기 입력 광학 신호의 전파 방향을 가로질러 상기 반도체 광 도파관 코어의 폭 또는 높이에 걸쳐 인가된 전압원의 전압 출력을 변조하는 단계 - 상기 전압은 상기 반도체 광 도파관 코어의 대향 측면에 인접하여 위치하는 상기 제 1 도핑된 반도체 접속 경로 및 상기 제 2 도핑된 반도체 접속 경로를 통해 인가됨 - 에 의해, 상기 입력 광학 신호를 변조하는 단계와,
    상기 반도체 평면형 광 도파관의 상기 반도체 광 도파관 코어의 대향 단부로부터 변조된 광학 신호를 출력하는 단계를 포함하되,
    상기 반도체 광 도파관 코어 내에 각각의 PN 반도체 접합부의 일부분이 위치하고,
    상기 반도체 광 도파관 코어는 상기 PN 반도체 접합부들의 백 투 백 쌍의 양 접합부의 일 측면을 형성하며,
    상기 제 1 도핑된 반도체 접속 경로 및 상기 제 2 도핑된 반도체 접속 경로와, 상기 백 투 백 쌍과, 상기 전압원은 직렬로 접속되는
    방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 변조된 광학 신호는 상기 전압원의 전압 출력의 변조 주파수의 2배로 변조되는
    방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 백 투 백 쌍의 PN 반도체 접합부들 중 적어도 하나는 도핑된 반도체 층들 사이에 끼인(sandwiched) 절연층 또는 진성 반도체 층을 더 포함하는
    방법.
  7. 광 변조기를 포함하는 장치로서,
    상기 광 변조기는,
    릿지(ridge) 영역을 포함하는 반도체 광 도파관 코어 - 상기 반도체 광 도파관 코어는 일 단부에서 입력 광학 신호를 수신하고 대향 단부에서 변조된 광학 신호를 출력하도록 구성되고, 상기 릿지 영역은 상기 릿지 영역 내부에 위치하는 적어도 하나의 PN 반도체 접합부를 가짐 - 와,
    상기 릿지 영역에 횡방향으로 인접하여 위치하고, 상기 입력 광학 신호가 상기 반도체 광 도파관 코어를 통해 전파하는 동안 상기 입력 광학 신호의 전파 방향을 가로질러 상기 릿지 영역 양단에 전압을 인가할 수 있는 제 1 도핑된 반도체 접속 경로 및 제 2 도핑된 반도체 접속 경로와,
    전압원을 포함하되,
    상기 릿지 영역은 PN 반도체 접합부들의 백 투 백 쌍을 형성하는 반도체 층들의 PNP 시퀀스 또는 반도체 층들의 NPN 시퀀스를 포함하고,
    상기 반도체 광 도파관 코어는 상기 PN 반도체 접합부들의 백 투 백 쌍의 양 접합부의 일 측면을 형성하며,
    상기 제 1 도핑된 반도체 접속 경로 및 상기 제 2 도핑된 반도체 접속 경로와, 상기 백 투 백 쌍과, 상기 전압원은 직렬로 접속되는
    장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 도핑된 반도체 접속 경로 및 상기 제 2 도핑된 반도체 접속 경로 중 적어도 하나와 상기 릿지 영역 사이에 위치하는 절연층을 더 포함하는
    장치.
  9. 광 변조기를 포함하는 장치로서,
    상기 광 변조기는,
    일 단부에서 입력 광학 신호를 수신하고 대향 단부에서 변조된 광학 신호를 출력하도록 구성된 반도체 평면형 광 도파관 코어와,
    상기 반도체 평면형 광 도파관 코어의 N형 영역에 인접하여 위치하는 제 1 N형 도핑된 반도체 접속 경로 및 상기 반도체 평면형 광 도파관 코어의 P형 영역에 인접하여 위치하는 제 2 P형 도핑된 반도체 접속 경로 - 상기 N형 영역은 상기 제 1 N형 도핑된 반도체 접속 경로와 상기 P형 영역 사이에 위치하고, 상기 P형 영역은 상기 제 2 P형 도핑된 반도체 접속 경로와 상기 N형 영역 사이에 위치하며, 상기 제 1 N형 도핑된 반도체 접속 경로 및 상기 제 2 P형 도핑된 반도체 접속 경로는 상기 입력 광학 신호의 전파 방향을 가로질러 상기 반도체 평면형 광 도파관 코어 양단에 전압을 인가할 수 있음 - 를 포함하되,
    상기 반도체 평면형 광 도파관 코어는 상기 반도체 평면형 광 도파관 코어 내부의 상기 N형 영역 및 상기 P형 영역에 의해 형성된 PN 접합부를 포함하고,
    상기 제 1 N형 도핑된 반도체 접속 경로 및 상기 제 2 P형 도핑된 반도체 접속 경로 중 적어도 하나와 상기 반도체 평면형 광 도파관 코어 사이에 절연층 또는 진성 반도체 층이 위치하는
    장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    각각의 제 1 N형 도핑된 반도체 접속 경로 및 제 2 P형 도핑된 반도체 접속 경로와 상기 반도체 평면형 광 도파관 코어 사이에 절연층 또는 진성 반도체 층이 위치하는
    장치.
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