KR101178321B1 - 광전자 변조기 - Google Patents

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KR101178321B1
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Abstract

병렬로 구성된 두 광도파로를 방향성 결합기로 동작시키는 변조기에 있어서, 제1 광도파로를 통하여 연속된 빛을 입력받고, 제2 광도파로에 전하-운반자(charge-carrier) 현상을 이용하여 진성(intrinsic) 영역의 운반자(carrier)의 농도를 변화시키는 다이오드를 포함하는 광전자 변조기를 개시한다.

Description

광전자 변조기{ELECTRON MODULATION}
본 발명의 실시예들은 실리콘을 기반으로 하는 광전자 변조기에 관한 발명으로, 더욱 상세하게는 변조기에 들어오는 연속된 빛을 금속의 높은 빛 흡수율을 이용하여 제거하는 전자 흡수 방식의 변조기에 관한 것이다.
일반적인 광전자 변조기는 전기장에 영향을 받아 굴절률이 변하는 특성인 포클(Pockels) 현상을 가지는 물질을 이용하여 수 cm 크기의 변조기가 개발되었으며, 실리콘 광학 기술의 발전으로 실리콘을 기반으로 하는 광전자 변조기를 개발하였으며, 변조기의 크기를 축소화 하여 수 mm 이내의 크기를 가지는 광학 변조기가 개발되고 있다.
실리콘은 전술한 포클(Pockels) 현상이 발새하지 않기 때문에 다른 방식인 전하-운반자(charge-carrier) 현상 (plasma dispersion 현상)을 이용하여 실리콘의 굴절률을 변화시켜 광전자 변조를 수행한다.
전하-운반자(charge-carrier)현상은 진성(intrinsic) 실리콘에 운반자-전자와 홀 (carrier- electrons and holes)들의 농도가 변화할 때, 진성 실리콘의 빛의 흡수율이 변화하게 되고 변화된 흡수계수에 의해 굴절률이 변화하는 방식이다.
이때, 운반자(carrier)의 농도를 전기 신호 인가로 변화시키기 위해 변조기에는 PIN, PN 다이오드 혹은 metal-oxide-semiconductor (MOS) 캐패시터가 내장되며 전압인가에 따른 전류의 흐름 혹은 전기장의 변화로 인한 운반자 (carrier)들의 농도 변화로 실리콘의 굴절률을 변화시키게 된다.
이러한, 광전자 변조기는 전자 소자와 함께 빛의 크기를 굴절률 변화로 조절할 수 있는 광학 소자가 같이 사용되며, 크게 보강/상쇄 간섭을 이용하는 마하-젠더 간섭계 (Mach-Zehnder interferoemter)와 공진 효과에 의한 상쇄 간섭을 이용하는 고리 공진기 (ring resonator)방식이 사용되고 있다.
마하-젠더 간섭계 구조의 경우는 광도파로로 입력된 빛이 두 개의 광도파로로 50:50의 비율로 나뉘어져 일정거리를 진행하고 다시 합쳐질 때 나뉘어진 빛이 진행한 거리가 같을 경우에는 보강간섭이 발생하여 원래의 빛의 크기로 합쳐진다.
또한, 마하-젠더 간섭계 구조는 한 쪽 도파로에 다이오드를 내장하여 전기신호를 가하는 경우 도파로의 굴절률이 변화하게 되어 빛이 진행한 거리가 달라지게 되어 두 빛이 합쳐질 때 상쇄간섭을 일으키는 방식으로 빛의 크기를 변조시키게 된다.
마하-젠더 간섭계는 주위 온도 변화에 안정적인 반면 빛이 간섭계의 두 광도파로로 분리된 후 합쳐지게 될 때 두 광도파로의 빛의 크기가 동일해야 하므로, 전하-운반자(charge-carrier) 현상을 이용하여 한 쪽의 광도파로의 굴절률을 변화시킬 수 있다.
이때, 마하-젠더 간섭계는 굴절률 변화와 흡수 손실의 증가를 가져와 두 광도파로의 빛의 크기가 달라지기 때문에, 변조기의 성능하락을 가져올 수 있다.
또한, 마하-젠더 간섭계는 굴절률의 변화를 최소화하여 손실을 줄이는 대신에 변조기의 길이를 길게 하여 원하는 위상만큼의 변화를 얻어 보강/상쇄 간섭으로 빛의 크기를 조절하므로 변조기의 크기가 커질 수 있다.
한편, 고리 공진기(ring resonator)의 경우는 고리 공진기의 공진 파장에 맞는 빛을 상쇄간섭으로 없애는 방식이기 때문에 입력되는 빛의 파장을 공진 파장으로 입력하여 빛이 상쇄되어 출력이 0이 되는 상태에서 고리에 내장된 전기 다이오드의 동작으로 인한 고리의 굴절률 변화로 공진기의 공진 파장의 변화를 통해 입력되는 빛이 상쇄 파장 영역에서 벗어나 출력이 1이 되는 형태이다.
고리 공진기는 크기가 고리 형태로 매우 작게, 예를 들어, 30umX30um 이내 구성이 가능하나, 실리콘은 온도에 영향을 받아 굴절률이 변하는 특성이 있으며 고리 공진기에서는 약간의 굴절률 변화에도 공진 파장이 변화하기 때문에 고리 공진기 기반 광-전기 변조기는 온도에 매우 민감하게 반응하여 1도 이내의 작은 온도 범위 내에서 동작해야 한다.
실리콘 기반 광변조기가 이루어야 할 조건으로는 반도체 제조 공정 방식으로 만들 수 있어야 하며, 고속 동작, 작은 크기, 온도 변화에 영향을 받지 않아야 한다.
광전자 변조기가 전자소자와 함께 사용되어 VLSI 칩 내부에서 구현되기 위해서는 전술한 조건을 갖추어야 하며, 이에 상응하는 광전자 변조기가 필요한 실정이다.
본 발명의 일실시예는 작고 빠르고 온도변화에 영향을 받지 않으며 제조 방식이 간편한 구조의 광전자 변조기를 제공하고자 한다.
본 발명의 일실시예는 광 흡수를 통한 변조 방식을 이용하는 구조의 방향성 결합기 형태의 광전자 변조기를 제공하고자 한다.
본 발명의 일실시예는 방향성 결합기에 좁은 베이스(arrow-base)의 다이오드를 내장하여 고속 동작이 가능하게 하고 높은 광굴절률 변화와 광흡수율을 갖는 광전자 변조기를 제공하고자 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 광전자 변조기는 병렬로 구성된 두 광도파로를 방향성 결합기로 동작시키는 변조기에 있어서, 제1 광도파로를 통하여 연속된 빛을 입력받고, 제2 광도파로에 전하-운반자(charge-carrier) 현상을 이용하여 진성(intrinsic) 영역의 운반자(carrier)의 농도를 변화시키는 다이오드를 포함한다.
본 발명의 일측에 따르면 상기 다이오드는 PIN(Positive-Intrinsic-Negative) 다이오드일 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면 상기 다이오드는 금속 접합(contact)과 진성 영역 사이에 존재하는 두 도핑 영역의 거리가 가깝게 구조화된 좁은 베이스 다이오드(narrow base diode)일 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면 상기 다이오드는 순방향 전압(forward-bias)을 인가하는 경우, 상기 각 도핑 영역에 존재하는 상기 운반자(carrier)의 농도를 조절하여 동작 속도를 제어할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면 상기 다이오드는 상기 운반자의 농도를 감소시키는 경우, 상기 동작 속도가 증가할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면 상기 진성 영역에 존재하는 빛은 상기 진성 영역에 근접한 금속 접합에 의하여 흡수될 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면 상기 두 광도파로는 상기 다이오드가 동작하지 않는 경우, 상기 방향성 결합기로 인하여 상기 제1 광도파로에 입력된 빛이 상기 제2 광도파로로 결합되고, 상기 금속 접합에 의하여 상기 입력된 빛이 흡수되어 상기 제1 광도파로의 출력이 0일 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면 상기 두 광도파로는 상기 다이오드가 동작하는 경우, 순방향 동작(forward bias)으로 상기 진성 영역으로 전류가 인가되어 상기 운반자(carrier) 의 농도가 증가하고, 상기 두 광도파로의 굴절률이 상이하게 되어 상기 빛의 경로가 변경되지 않아 상기 제1 광도파로의 출력이 1일 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면 상기 두 광도파로는 수직 또는 수평으로 배열될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 광 흡수를 통한 변조 방식을 이용하는 구조의 방향성 결합기 형태의 광전자 변조기를 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 방향성 결합기에 좁은 베이스(arrow-base)의 다이오드를 내장하여 고속 동작이 가능하게 하고 높은 광굴절률 변화와 광흡수율을 갖는 광전자 변조기를 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 빠른 동작 속도, 작은 크기, 온도 안정성, 제조방식 호환성 조건을 만족하는 변조기를 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 고성능의 광전자 변조기를 실리콘 생산 기술을 통해 대량으로 제작할 수 있으며, VLSI 전자 회로에도 내장하여 빛으로 구동이 되는 고성능의 전자 소자를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광전자 변조기의 구성을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광전자 변조기의 구성을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 광전자 변조기의 다이오드가 off 상태인 경우를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 광전자 변조기의 다이오드가 on 상태인 경우를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전자 변조기의 구성을 도시한 단면도이다.
도 6 a) 및 b)는 일반적인 형태의 PIN 다이오드의 구조를 도시한 도면이다.
도 6 c) 및 d)는 본 발명의 일측에 따르면 좁은 베이스(narrow base) 형태의 PIN 다이오드의 구조를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광전자 변조기의 구성을 도시한 단면도이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 광전자 변조기는 병렬로 구성된 두 광도파로를 방향성 결합기로 동작시키는 변조기에 있어서, 제1 광도파로를 통하여 연속된 빛을 입력받고, 제2 광도파로에 전하-운반자(charge-carrier) 현상을 이용하여 진성(intrinsic) 영역의 운반자(carrier)의 농도를 변화시키는 다이오드가 구성된다.
본 발명의 일측에 따르면 상기 다이오드는 PIN(Positive-Intrinsic-Negative) 다이오드를 구성하는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광전자 변조기의 구성을 도시한 단면도이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광전자 변조기의 구성을 도시한 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일측에 따른 상기 다이오드는 상기 두 광도파로의 실리콘 진성(intrinsic)영역 (110), 클래딩 실리콘 영역(120), 실리콘 P(positive) 도핑 영역(130), N(negative) 도핑 영역(140), 상기 두 광도파로의 광 입출력 영역(150), 금속 접합(contact)(160) 및 기판(170)으로 구성될 수 있다.
이때, 본 발명의 일측에 따르면 금속 접합 영역은 실리사이드(silicide)로 구성될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 광전자 변조기의 다이오드가 off 상태인 경우를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일측에 따른 다이오드는 복수의 광도파로, 예를 들어 2개의 광도파로를 수직 또는 수평으로 병렬 배열하여 방향성 결합기(directional coupler)를 구성하고, 제1 광도파로에는 연속된 빛(continuous light)이 입력된다.
본 발명의 일측에 따르면 상기 진성 영역에 존재하는 빛은 상기 진성 영역에 근접한 금속 접합(150)에 의하여 흡수될 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면 제2 광도파로는 광도파로의 굴절률을 변화시키는 다이오드가 내장되어 인가되는 전기 신호에 따라 다이오드가 순방향 또는 역방향 (forward bias 또는 reverse bias)로 동작하여 상기 두 광도파로의 굴절률을 일치 또는 불일치시킬 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면 상기 두 광도파로의 굴절률이 일치되는 경우에는 연속된 빛이 다이오드가 내장된 제2 광도파로로 전달되고, 전달된 빛은 다이오드에 내부의 높은 광흡수율을 가지는 금속 접합(contact)(160)의 의해 사라지게 되므로, 광 입출력 영역(150)을 통하여 출력 신호로 0의 값을 가지는 신호를 출력할 수 있다.
즉, 본 발명의 일측에 따르면 상기 두 광도파로는 상기 다이오드가 동작하지 않는 경우, 상기 방향성 결합기로 인하여 상기 제1 광도파로에 입력된 빛이 상기 제2 광도파로로 결합되고, 상기 금속 접합에 의하여 상기 입력된 빛이 흡수되어 상기 제1 광도파로의 출력이 0일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 광전자 변조기의 다이오드가 on 상태인 경우를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일측에 따르면 상기 다이오드에 전기 신호를 주어 전류를 흐르게 할 경우에는 빛이 통과하는 지역인 다이오드의 진성 영역(110)의 운반자 농도가 증가하므로 굴절률이 감소할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면 상기 다이오드는 운반자 농도가 증가하여 굴절률이 감소하게 되면, 상기 두 광도파로의 굴절률이 달라지게 되어 입력된 빛이 다이오드가 내장된 광도파로로 이동하지 않으므로, 광 입출력 영역(150)을 통하여 출력 신호로 1의 값을 가지는 신호를 출력할 수 있다.
즉, 본 발명의 일측에 따르면 상기 두 광도파로는 상기 다이오드가 동작하는 경우, 순방향 동작(forward bias)으로 상기 진성 영역으로 전류가 인가되어 상기 운반자(carrier) 의 농도가 증가하고, 상기 두 광도파로의 굴절률이 상이하게 되어 상기 빛의 경로가 변경되지 않아 상기 제1 광도파로의 출력이 1일 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면 상기 다이오드는 순방향 전압(forward-bias)을 인가하는 경우, 상기 각 도핑 영역에 존재하는 상기 운반자(carrier)의 농도를 조절하여 동작 속도를 제어할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면 상기 다이오드는 상기 운반자의 농도를 감소시키는 경우, 상기 동작 속도가 증가할 수 있다.
본 발명의 일측에 따른 광전자 변조기는 인가되는 전기 신호에 따른 굴절률 변화를 이용하여 높은 흡수손실을 갖는 광도파로로 빛의 경로를 변경함에 따라, 입력되는 빛이 흡수 손실에 의하여 사라지게 하거나, 입력되는 빛의 경로를 바꾸지 않아 빛이 사라지지 않고 통과하는 방식으로 연속된 빛을 변조할 수 있다.
즉, 본 발명의 일측에 따른 광전자 변조기는 전하-운반자 (charge-carrier) 현상을 이용하여 빛의 경로를 바꾸어 빛을 손실시킴으로써 광 변조를 일으키는 방식을 제공할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일측에 따르면 전기 소자에서 인가되는 전기장에 의한 운반자의 농도 변화에 따른 굴절률의 변화는 파장 1.55um을 기준으로 가 될 수 있다.
이때, 본 발명의 일측에 따르면 는 각 굴절률의 변화량, 전자의 의한 굴절률의 변화량, 홀에 의한 굴절률의 변화량, 전자의 농도(전자의 수/ )의 변화량, 홀의 농도(홀의 수/ )의 변화량을 의미한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전자 변조기의 구성을 도시한 단면도이다.
본 발명의 일측에 따르면 상기 다이오드의 두 광도파로의 배열 구조는 도 1에 도시된 바와 같이 수직으로 구성될 수도 있지만, 도 5에 도시된 바와 같이 수평으로 배열할 수 있다.
본 발명의 일측에 따른 상기 다이오드는 금속 접합(contact)(150)과 진성 영역(110) 사이에 존재하는 두 도핑 영역(120, 130)의 거리가 가깝게 구조화된 좁은 베이스 다이오드(narrow base diode)를 적용할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일측에 따르면 외부 전기 신호를 입력받아 진성 영역(150)의 운반자 농도 변화를 일으키는 PIN 다이오드의 경우, 일반 PIN 구조가 아닌 좁은 베이스 (narrow base) 형태의 PIN 다이오드 구조를 적용할 수도 있다.
도 6 a) 및 b)는 일반적인 형태의 PIN 다이오드의 구조를 도시한 도면이고, 도 6 c) 및 d)는 본 발명의 일측에 따르면 좁은 베이스(narrow base) 형태의 PIN 다이오드의 구조를 도시한 도면이다.
도 6 c) 및 d)를 참조하면, 본 발명의 일측에 따른 PIN 다이오드는 도 6 a) 및 b)에 도시된 일반 PIN다이오드에 비하여 P, N 도핑 영역이 감소하여 각 도핑 영역에 존재하는 소수 운반자(minority carrier)의 농도가 감소된 형태이다.
본 발명의 일측에 따르면 소수 운반자의 농도 감소는 다이오드의 캐패시턴스 감소로 이어지며 다이오드의 동작 속도를 결정짓는 RC 시정수 (RC time constant)의 감소로 순방향 전압 인가시 고속 동작이 가능하게 되며, 공핍 영역에서 금속 접합 (contact)까지의 거리가 소수 운반자 확산 거리 (minority carrier diffusion length-(Lp))보다 작아지게 된다.
이때, 본 발명의 일측에 따르면 다이오드에 높은 전류가 흐르게 되어 진성 영역의 운반자의 농도의 증가로 높은 굴절률 변화를 얻을 수 있게 된다.
본 발명의 일측에 따르면 다이오드를 온-오프 시킴에 따라 전하-운반자 (charge-carrier) 현상에 의한 진성 영역에서 굴절률이 변화할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일측에 따르면 굴절률을 높게 변화시킬 수 있어 광소자의 크기를 축소화할 수 있으며, 높은 굴절률 차이로 동작하는 광소자의 경우 주위 온도 변화에 의한 실리콘의 굴절률 변화가 약 이기 때문에 주변의 온도 변화에 영향을 받지 않고 동작할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면 동작 속도는 다이오드 순방향 동작 시 굴절률 변화 -0.1까지 도달하는 시간이 약 13ps이며, 역방향 동작 시 굴절률 변화 -0.005까지 도달하는 시간은 약 22.2ps으로 동작 속도는 약 30GHz가 될 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광전자 변조기의 구성을 도시한 단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일측에 따르면 좁은 베이스(narrow base) PIN 다이오드에서 금속 접합이 진성 영역에 매우 근접하여 형성될 수 있으며, 상기 구조는 빛이 실리콘의 진성 영역을 통과할 때 금속 성분에 의해 높은 광흡수율을 일으킬 수 있기 때문에 높은 흡수율을 빛의 크기 감소를 위한 방식으로 적용할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110: 상기 두 광도파로의 실리콘 진성(intrinsic)영역
120: 클래딩 실리콘 영역
130: P(positive) 도핑 영역
140: N(negative) 도핑 영역
150: 광 입출력 영역
160: 금속 접합(contact)
170; 기판

Claims (9)

  1. 병렬로 구성된 두 광도파로를 방향성 결합기로 동작시키는 변조기에 있어서,
    제1 광도파로를 통하여 연속된 빛을 입력받고, 제2 광도파로에 전하-운반자(charge-carrier) 현상을 이용하여 기판 위에 형성된 진성(intrinsic) 영역의 운반자(carrier)의 농도를 변화시키는 다이오드
    를 포함하고,
    상기 다이오드는,
    금속 접합(contact)과 상기 진성 영역 사이에 존재하는 두 도핑 영역에 존재하는 소수 운반자(minority carrier)의 농도가 감소되도록, 좁은 베이스 다이오드(narrow base diode) 형태로 구조화 한 것을 특징으로 하는 광전자 변조기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다이오드는,
    PIN(Positive-Intrinsic-Negative) 다이오드인 것을 특징으로 하는 광전자 변조기.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다이오드는,
    순방향 전압(forward-bias)을 인가하는 경우,
    상기 두 도핑 영역에 존재하는 상기 운반자(carrier)의 농도를 조절하여 상기 다이오드의 동작 속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 광전자 변조기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 다이오드는,
    상기 운반자의 농도를 감소시키는 경우, 상기 동작 속도가 증가하는 것을 특징으로 하는 광전자 변조기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 진성 영역에 존재하는 빛은,
    상기 진성 영역에 근접한 금속 접합에 의하여 흡수되는 것을 특징으로 하는 광전자 변조기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 두 광도파로는 상기 다이오드가 동작하지 않는 경우,
    상기 방향성 결합기로 인하여 상기 제1 광도파로에 입력된 빛이 상기 제2 광도파로로 결합되고, 상기 금속 접합에 의하여 상기 입력된 빛이 흡수되어 상기 제1 광도파로의 출력이 0인 것을 특징으로 하는 광전자 변조기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 두 광도파로는 상기 다이오드가 동작하는 경우,
    순방향 동작(forward bias)으로 상기 진성 영역으로 전류가 인가되어 상기 운반자(carrier) 의 농도가 증가하고, 상기 두 광도파로의 굴절률이 상이하게 되어 상기 빛의 경로가 변경되지 않아 상기 제1 광도파로의 출력이 1인 것을 특징으로 하는 광전자 변조기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 두 광도파로는,
    수직 또는 수평으로 배열되는 것을 특징으로 하는 광전자 변조기.
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