KR101638973B1 - 광변조기 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

패브리-페로 공진 반사(Fabry-Perot resonant reflection)에 기반한 넓은 대역폭을 갖는 광변조기 및 그 제조 방법를 개시한다. 개시된 구조의 광변조기는, 상부 DBR 층을 구성하는 다수의 굴절률층들의 일부의 두께를 달리하거나 또는 활성층을 구성하는 양자우물층들의 일부의 두께를 달리함으로써, 일정한 광파장 구간에 대해서 반사도를 평탄하게 유지할 수 있다. 따라서, 온도 변화나 제작 공정에서 오는 광변조기의 파장 변동에도 안정된 광변조 특성을 유지할 수 있다. 이러한 광변조기는 3D 카메라 내에서 피사체의 거리를 측정하는 측정 수단의 부품으로서 사용될 수 있다.

Description

광변조기 및 그 제조 방법{Optical modulator and method of fabricating the same}
개시된 내용은 광변조기 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 패브리-페로 공진 반사(Fabry-Perot resonant reflection)에 기반한 넓은 대역폭을 갖는 광변조기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적인 카메라로 촬영된 영상은 거리에 관한 정보를 갖지 않는다. 3D 카메라를 구현하기 위해서는 카메라의 이미지 센서 내의 각 화소에 거리 정보가 제공되어야 한다. 이를 위해서는 피사체 표면 상의 다수의 점들로부터의 거리를 측정할 수 있는 수단이 필요하다.
피사체에 대한 거리 정보는, 통상적으로, 두 대의 카메라를 이용한 양안 입체시(Stereo Vision) 방법이나 구조광(Structured Light)과 카메라를 이용한 삼각 측량법(Triangulation)을 이용하여 얻을 수 있다. 그러나 이러한 방법은 피사체의 거리가 멀어질수록 거리 정보에 대한 정확도가 급격히 저하되고 피사체의 표면 상태에 의존적이어서 정밀한 거리 정보를 얻기 어렵다.
이러한 문제를 개선하기 위하여 광시간비행법(Time-of-Flight; TOF)이 도입되었다. TOF 방법은 레이저 빔을 피사체에 조사한 후, 피사체로부터 반사되는 광이 수광부에서 수광되기까지의 광 비행시간을 측정하는 방법이다. TOF 방법에 따르면, 기본적으로 특정 파장의 빛(예컨대, 850nm의 근적외선)을 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD)를 이용하여 피사체에 투사하고, 피사체로부터 반사된 동일한 파장의 빛을 수광부에서 수광한 후, 거리 정보를 추출하기 위한 특별한 처리 과정을 거치게 된다. 이러한 일련의 광 처리 과정에 따라 다양한 TOF 방법이 소개되어 있다.
예를 들어, 피사체로부터 반사된 영상을 영상증폭기(Image Intensifier) 또는 다른 고체 변조기 소자를 이용하여 광변조한 후, 광변조된 영상을 이미지 센서로 촬영하여 그 세기 값으로부터 거리 정보를 얻는 방법이 있다. 이 방법의 경우, 거리에 따른 빛의 위상차 또는 이동 시간을 식별하기 위해 수십~수백 MHz의 초고속의 광변조 속도가 필요하다. 이를 위해, MCP(Multi-Channel Plate)를 구비한 영상증폭기, 전광(Electro-Optic; EO) 물질을 이용한 박형의 변조기 소자, GaAs 계열의 고체 변조기 소자 등과 같은 다양한 종류의 광변조기가 제안되었다.
예를 들어, 영상증폭기는 광을 전자로 변환하는 포토캐소드(photocathode), 전자의 수를 증폭하기 위한 MCP 및 전자를 다시 광으로 변환하는 포스퍼(phosphor)로 구성된다. 그런데 이러한 영상증폭기는 부피가 크고, 수 kV의 고전압을 이용하며 가격이 고가라는 단점이 있다. 또한, EO 물질을 이용한 변조기는 전압에 따른 비선형 결정 재료의 굴절률 변화를 동작 원리로 한다. 이러한 EO 물질을 이용한 변조기도 역시 두께가 두껍고 높은 전압을 요구한다.
최근에는 구현이 보다 용이하고 소형이면서 저전압 구동이 가능한 GaAs 반도체 기반의 변조기가 제안되었다. GaAs 기반의 광변조기는 P-전극과 N-전극 사이에 다중양자우물층(multiple quantum well; MQW)을 배치한 것으로, PN 양단에 역방향 바이어스 전압을 인가할 때 다중양자우물층 내에서 광이 흡수되는 현상을 이용한다. 그런데 GaAs 기반의 광변조기는 변조기의 대역폭이 4~5nm로 매우 좁다. 3D 카메라의 경우, 눈의 안전을 위해서 휘도가 낮은 LED나 고휘도 LD(Laser Diode)를 확산(Diffuser)한 여러 개의 광원을 사용하게 되는데, 광원들 간에는 중심 파장의 산포가 발생한다. 또한, 온도에 따라 광원의 중심 파장이 변화한다. 광변조기의 경우에도 마찬가지로 제조상의 공정변수 및 온도 변화에 따라서 중심 흡수 파장이 변화하는 특성을 지닌다. 따라서 3D 카메라에 적용되기 위한 광변조기의 대역폭은 15 ~ 20nm 이상의 넓은 파장 구간이 요구된다.
넓은 대역폭의 광변조 특성을 갖는 광변조기 및 그 제조 방법이 제공된다.
개시된 일 유형에 따른 광변조기는, 굴절률이 서로 다른 두 층이 반복적으로 교호하여 적층된 하부 DBR 층; 굴절률이 서로 다른 두 층이 반복적으로 교호하여 적층된 상부 DBR 층; 및 상기 하부 DBR 층과 상부 DBR 층 사이에 배치된 것으로, 다중양자우물로 이루어진 활성층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 상부 DBR 층은, 광학적 두께가 λ/4(여기서, λ는 활성층에서의 중심 흡수 파장)이고 굴절률이 서로 다른 제 1 굴절률층과 제 2 굴절률층의 쌍을 갖는 층 부분, 및 굴절률이 서로 다른 제 3 굴절률층과 제 4 굴절률층의 쌍을 갖는 변형된 층 부분을 포함할 수 있으며, 여기서 제 3 굴절률층과 제 4 굴절률층 중에서 적어도 하나는 λ/4와 다른 광학적 두께를 가질 수 있다.
여기서, 상기 제 1 굴절률층과 제 3 굴절률층은 동일한 재료로 이루어지며, 광학적 두께가 서로 다를 수 있다. 예컨대, 상기 제 1 및 제 3 굴절률층은 AlAs로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제 2 굴절률층과 제 4 굴절률층은 동일한 재료로 이루어지며, 광학적 두께가 서로 다를 수 있다. 예컨대, 상기 제 2 및 제 4 굴절률층은 Al0.5GaAs로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 굴절률층과 제 3 굴절률층은 상이한 재료로 이루어지며, 광학적 두께가 서로 다를 수도 있다. 예컨대, 상기 제 1 굴절률층은 AlAs로 이루어지며 제 3 굴절률층은 Al0.9Ga0.1As로 이루어질 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 상기 제 2 굴절률층과 제 4 굴절률층은 상이한 재료로 이루어지며, 광학적 두께가 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 굴절률층은 Al0.5GaAs로 이루어지며 제 4 굴절률층은 Al0.3Ga0.7As로 이루어질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 상부 DBR 층은, 상기 제 1 굴절률층과 제 2 굴절률층의 쌍들을 갖는 제 1 층 부분; 상기 제 1 층 부분 위에 배치되며, 상기 제 3 굴절률층과 제 4 굴절률층의 쌍들을 갖는 변형된 층 부분; 및 상기 변형된 층 부분 위에 배치되며, 상기 제 1 굴절률층과 제 2 굴절률층의 쌍들을 갖는 제 2 층 부분을 포함할 수 있다.
상기 제 1 층 부분의 제 1 굴절률층과 제 2 굴절률층의 쌍들의 개수와 상기 제 2 층 부분의 제 1 굴절률층과 제 2 굴절률층의 쌍들의 개수는 상이할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 상부 DBR 층은, 상기 제 3 굴절률층과 제 4 굴절률층의 쌍들을 갖는 변형된 층 부분; 및 상기 변형된 층 부분 위에 배치되며, 상기 제 1 굴절률층과 제 2 굴절률층의 쌍들을 갖는 층 부분을 포함할 수 있다.
또한, 상기 활성층은 두께가 서로 다른 적어도 2종류의 양자우물층을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 활성층은 차례로 적층된 제 1 다중양자우물과 제 2 다중양자우물을 가질 수 있으며, 상기 제 1 다중양자우물은 제 1 양자우물층들과 장벽층들의 다수의 쌍들을 포함할 수 있고, 상기 제 2 다중양자우물은 제 2 양자우물층들과 장벽층들의 다수의 쌍들을 포함할 수 있으며, 상기 제 1 양자우물층과 제 2 양자우물층은 두께가 서로 다를 수 있다.
여기서, 상기 제 1 양자우물층과 제 2 양자우물층은 동일한 재료로 이루어지며, 두께만이 서로 다를 수 있다. 예컨대, 상기 제 1 양자우물층과 제 2 양자우물층은 GaAs로 이루어질 수 있다.
상기 활성층의 전체적인 두께는, 예를 들어, 중심 흡수 파장의 정수배와 같을 수 있다.
또한, 상기 활성층은 제 1 양자우물층과 장벽층의 쌍이 제 2 양자우물층과 장벽층의 쌍과 번갈아 적층되는 구조를 가질 수 있으고, 여기서 상기 제 1 양자우물층과 제 2 양자우물층은 동일한 재료로 이루어지며 두께만이 서로 다를 수 있다.
또한 상기 광변조기는, 상기 하부 DBR 층의 하부에 배치된 제 1 컨택층; 상기 제 1 컨택층의 하부에 배치된 기판; 및 상부 DBR 층의 상부에 배치된 제 2 컨택층을 더 포함할 수 있다.
상기 광변조기는 상기 제 2 컨택층의 상부 표면에 형성된 전극을 더 포함할 수 있으며, 상기 전극은 격자의 형태를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 기판의 표면 위에 상기 제 1 컨택층이 부분적으로 형성될 수 있으며, 상기 제 1 컨택층의 표면 위에 상기 하부 DBR 층, 활성층, 상부 DBR 층 및 제 2 컨택층이 부분적으로 형성될 수 있다.
상기 광변조기는 또한, 상기 하부 DBR 층, 활성층, 상부 DBR 층 및 제 2 컨택층의 양쪽 측면에서 상기 기판과 제 1 컨택층 위로 채워져 있는 절연층을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 하부 DBR 층, 활성층, 상부 DBR 층 및 제 2 컨택층의 양측의 절연층 중에서 어느 한쪽의 절연층에 제 1 컨택층이 노출되도록 트렌치가 형성될 수 있다.
또한, 상기 광변조기는 상기 트렌치 내의 제 1 컨택층 위로 형성된 전극; 및 상기 트렌치의 내벽과 절연층의 표면을 통해 연장되어 상기 전극과 연결되는 금속 배선을 더 포함할 수 있다.
한편, 일 유형에 따른 광변조기 장치는, 상술한 구조의 광변조기를 하나의 광변조기 셀로서 포함할 수 있으며, 여기서 다수의 광변조기 셀들이 어레이의 형태로 배열되어 있을 수 있다.
상기 각각의 광변조기 셀들은 인접하는 다른 광변조기 셀들과 트렌치에 의해 서로 분리될 수 있다.
상기 광변조기 장치는 각각의 광변조기 셀들마다 개별적으로 배치되어 있는 구동기를 더 포함할 수 있다.
한편, 일 유형에 따른 광변조기의 제조 방법은, 기판 위에 제 1 컨택층, 하부 DBR 층, 활성층, 상부 DBR 층 및 제 2 컨택층을 차례로 적층하는 단계; 상기 제 1 컨택층의 표면이 노출될 때까지, 상기 제 2 컨택층, 상부 DBR 층, 활성층 및 하부 DBR 층의 양측을 에칭하는 단계; 상기 기판의 표면이 노출될 때까지 상기 제 1 컨택층의 양측을 에칭하는 단계; 에칭되어 제거된 양측면 부분을 절연층으로 채우는 단계; 상기 하부 DBR 층, 활성층, 상부 DBR 층 및 제 2 컨택층을 포함하는 구조물의 양측에 있는 절연층 중에서 어느 한쪽의 절연층에 상기 제 1 컨택층의 표면이 노출되도록 트렌치를 형성하는 단계; 및 상기 트렌치 내에 노출된 제 1 컨택층의 표면 위에 제 1 전극을 형성하고, 상기 제 2 컨택층의 표면 위에 부분적으로 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 상부 DBR 층은, 광학적 두께가 λ/4(여기서, λ는 활성층에서의 중심 흡수 파장)이고 굴절률이 서로 다른 제 1 굴절률층과 제 2 굴절률층의 쌍을 갖는 층 부분, 및 굴절률이 서로 다른 제 3 굴절률층과 제 4 굴절률층의 쌍을 갖는 변형된 층 부분을 포함할 수 있으며, 제 3 굴절률층과 제 4 굴절률층 중에서 적어도 하나는 λ/4와 다른 광학적 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
개시된 구조의 광변조기는 일정한 광파장 구간에 대해서 반사도를 평탄하게 유지할 수 있다. 따라서, 온도 변화나 제작 공정에서 오는 광변조기의 파장 변동에도 안정된 광변조 특성을 유지할 수 있다. 이러한 광변조기는 3D 카메라 내에서 피사체의 거리를 측정하는 측정 수단의 부품으로서 사용될 수 있다. 또한, 개시된 광변조기는 양방향 광통신 시스템, 광 연결(Optical Interconnection) 등에도 이용될 수 있다.
도 1은 일 유형에 따른 광변조기의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 광변조기의 상부 DBR(distributed Bragg reflector) 층의 구조를 보이는 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 광변조기에 대한 예시적인 실시예에 따른 층 구조 및 층 두께를 보인다.
도 4는 도 3에 도시된 실시예에서 광변조기의 특성을 보이는 그래프이다.
도 5는 다른 유형에 따른 광변조기의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 광변조기에 대한 예시적인 실시예에 따른 층 구조 및 층 두께를 보인다.
도 7은 두께가 다른 두 양자우물층의 전계 변화에 따른 흡수 계수의 변화를 각각 나타내는 그래프이다.
도 8은 두께가 다른 두 양자우물층을 하나의 활성층 내에서 함께 사용할 경우의 전계 변화에 따른 흡수 계수의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 9nm의 두께를 갖는 양자우물층만을 사용한 경우와 8nm의 두께를 갖는 양자우물층과 9nm의 두께를 갖는 양자우물층을 함께 사용한 경우에 대해 실제로 광발광(PL; Photoluminescense) 대역폭을 측정한 결과를 보이는 그래프이다.
도 10은 단지 한 종류의 양자우물층을 갖는 활성층과 변형된 상부 DBR 층의 조합으로 된 광변조기와 두 종류의 양자우물층을 갖는 활성층과 변형된 상부 DBR 층의 조합으로 된 광변조기에 대해, 전계 인사시와 전계 비인가시 사이의 반사도 차이(△R)를 각각 나타내는 그래프이다.
도 11a 내지 도 11f는 도 1에 도시된 광변조기를 제조하는 과정을 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 12는 광변조기의 전극 연결 구조를 보이는 평면도이다.
도 13은 도 12에 도시된 광변조기를 하나의 셀로 하여, 다수의 광변조기 셀들로 구성된 광변조기 장치를 개략적으로 도시한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 광변조기 및 그 제조 방법에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 일 유형에 따른 광변조기(100)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 광변조기(100)는 기판(101) 위에 차례로 배치된 제 1 컨택층(102), 하부 DBR(distributed Bragg reflector) 층(110), 다중양자우물로 이루어진 활성층(120), 상부 DBR 층(130) 및 제 2 컨택층(105)을 포함할 수 있다. 여기서 제 1 컨택층(102)은 예를 들어 N-형으로 도핑된 N-형 컨택층일 수 있으며, 제 2 컨택층(105)은 P-형으로 도핑된 P-형 컨택층일 수 있다. 이 경우, 하부 DBR 층(110)도 역시 N-형으로 도핑되며 상부 DBR 층(130)은 P-형으로 도핑될 수 있다.
이러한 구조에서 역방향 바이어스 전압을 광변조기(100)에 인가하면, 광전흡수(Electroabsorption)에 의해 입사광이 활성층(120) 내에서 흡수된다. 그리고 하부 DBR 층(110)과 상부 DBR 층(130)은 패브리-페로(Fabry-Perot) 공진기를 형성한다. 이러한 점에서 도 1에 도시된 광변조기(100)는 광전흡수에 기반한 비대칭형 패브리-페로 변조기(Asymmetric Fabry Perot Modulator, AFPM)라고 볼 수 있다.
광변조기(100)는 투과형으로 구성될 수도 있고, 반사형으로 구성될 수도 있다. 반사형으로 구성되는 경우, 광변조기(100)는 수직으로 입사하는 광을 변조하여 다시 수직 방향으로 출력하게 된다. 여기서, 하부 및 상부 DBR 층(110,130)은 높은 반사율을 가지는 거울 역할을 하며, 굴절률이 서로 다른 두 물질층의 쌍으로 구성된다. 즉, 하부 DBR 층(110)과 상부 DBR 층(130)은 굴절률이 상대적으로 낮은 저굴절률층과 굴절률이 상대적으로 높은 고굴절률층이 반복적으로 교호하여 적층된 구조를 갖는다. 예를 들어, 하부 및 상부 DBR 층(110,130)은 반복적으로 교호하여 적층된 AlAs/Al0.5Ga0.5As 구조 또는 Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7As 구조로 구성될 수 있다. 이러한 구조의 하부 및 상부 DBR 층(110,130)에 특정 파장을 갖는 광이 입사하는 경우, 하부 및 상부 DBR 층(110,130)의 두 물질의 경계면에서 반사가 일어나는데, 이때 반사되는 모든 광들의 위상차를 동일하게 함으로써 높은 반사율을 얻게 된다. 이를 위하여, 하부 및 상부 DBR 층(110,130)의 두 물질층의 광학적 두께(물리적 두께에 물질의 굴절률을 곱한 값)를 각각 λ/4(λ는 입사되는 빛의 파장)의 홀수 배로 형성한다. 하부 및 상부 DBR 층(110,130)은 두 물질층의 쌍이 반복되는 횟수가 늘어날수록 높은 반사율을 가지게 된다.
활성층(120)의 전체적인 광학적 두께는 입사하는 광의 파장의 정수배와 같도록 구성된다. 그러면 특정한 파장을 갖는 입사광만이 하부 DBR 층(110)과 상부 DBR 층(130) 사이에서 공진하면서 활성층(120) 내에 흡수될 수 있다. 상기 활성층(120) 영역에서의 흡수가 최대가 되도록, 하부 DBR 층(110)은 예를 들어 99% 이상의 높은 반사율은 갖는다. 반면, 상부 DBR 층(130)은 광이 활성층(120) 내로 최대한 많이 들어오게 함과 동시에 활성층(120) 내에서 공진할 수 있도록 상대적으로 낮은 반사율(예를 들어, 30%~60%)을 가질 수 있다.
한편, 도 1에 개시된 광변조기(100)는, 역전압이 인가되지 않은 때의 반사율과 역전압이 인가되었을 때의 반사율의 차이가 넓은 파장 영역에서 평탄화될 수 있도록(즉, 넓은 대역폭을 가질 수 있도록), 상부 DBR 층(130)의 일부가 변형되어 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 하부 및 상부 DBR 층(110,130)은 광학적 두께가 각각 λ/4인 두 물질층의 쌍을 갖는다. 여기서, 상부 DBR 층(130)은 그의 일부 층의 광학적 두께가 λ/4와 다르도록 구성된다. 그러면, 설계상 정해진 특정한 파장 이외에 다른 파장을 갖는 광이 활성층(120)으로 들어갈 수 있게 된다. 그 결과, 더 넓은 스펙트럼 영역의 광이 활성층(120)에서 흡수될 수 있게 된다.
도 2는 이러한 상부 DBR 층(130)의 구조를 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 2를 참조하면, 상부 DBR 층(130)은 제 1 굴절률층(135)과 제 2 굴절률층(136)의 쌍들을 갖는 제 1 상부 DBR 층(131), 제 3 굴절률층(137)과 제 4 굴절률층(138)의 쌍들을 갖는 변형 DBR 층(132) 및 제 1 굴절률층(135)과 제 2 굴절률층(136)의 쌍들을 갖는 제 2 상부 DBR 층(133)을 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 굴절률층(135)은 예를 들어 굴절률이 비교적 낮은 AlAs로 구성될 수 있으며, 제 2 굴절률층(136)은 굴절률이 상대적으로 높은 Al0.5GaAs(이는 Al0.5Ga0.5As와 동일한 것으로, 이하에서는 Al0.5GaAs로 표시)로 구성될 수 있다. 제 1 굴절률층(135)과 제 2 굴절률층(136)의 광학적 두께는 모두 입사시키고자 하는 파장의 1/4(즉, λ/4) 또는 그의 홀수배이다.
또한, 상기 변형 DBR 층(132)의 일부인 제 3 굴절률층(137)은 제 1 굴절률층(135)과 동일한 재료(즉, AlAs)로 이루어질 수 있으며, 제 4 굴절률층(138)은 제 2 굴절률층(136)과 동일한 재료(즉, Al0.5GaAs)로 이루어질 수 있다. 그러나, 제 3 굴절률층(137)과 제 4 굴절률층(138) 중 적어도 하나의 광학적 두께는 λ/4 또는 그의 홀수배가 아닌 다른 두께를 갖는다. 예를 들어, 제 3 굴절률층(137)만이 λ/4 또는 그의 홀수배와 다른 광학적 두께를 가질 수도 있고, 제 4 굴절률층(138)만이 λ/4 또는 그의 홀수배와 다른 광학적 두께를 가질 수도 있으며, 또는 제 3 굴절률층(137)과 제 4 굴절률층(138)이 모두 λ/4 또는 그의 홀수배와 다른 광학적 두께를 가질 수도 있다. 또한, 광학적 두께를 변형시키기 위하여, 제 1 굴절률층(135) 또는 제 2 굴절률층(136)과 상이한 굴절률을 갖는 다른 재료를 사용하는 것도 가능하다. 예를 들어, 제 3 굴절률층(137)으로는 AlAs 대신 Al0.9Ga0.1As를 사용할 수 있고, 제 4 굴절률층(138)으로는 Al0.5GaAs 대신 Al0.3Ga0.7As를 사용할 수도 있다. 이러한 재료의 변경도 역시 제 3 굴절률층(137)과 제 4 굴절률층(138) 중 어느 하나에만 적용될 수도 있으며, 또는 두 굴절률층(137,138)에 모두 적용될 수도 있다. 여기서, 제 3 굴절률층(137)과 제 4 굴절률층(138)의 광학적 두께는 흡수하고자 하는 파장 및 대역폭에 따라 선택될 수 있다.
한편, 도 2에는 상부 DBR 층(130)의 중간에 변형 DBR 층(132)이 끼어있는 것으로 도시되어 있지만, 실시예에 따라서 제 1 상부 DBR 층(131)이 생략될 수도 있으며, 제 2 상부 DBR 층(133)이 생략될 수도 있다.
도 3은 도 1에 도시된 광변조기(100)에 대한 예시적인 실시예에 따른 층 구조 및 층 두께를 도시하고 있다. 도 3에 도시된 구조는 예시적으로 GaAs 화합물 반도체를 이용하여 약 850nm의 중심 흡수 파장을 갖도록 설계되어 있다. 도 3을 참조하면, p-컨택층의 역할을 하는 제 2 컨택층(105)은 p-GaAs로 이루어져 있다. GaAs 물질은 표면의 산화율이 적고 밴드갭(Bandgap)이 적어 전극을 형성할 때 오믹 컨택의 형성에 유리하다. 제 2 컨택층(105)의 두께는 입사광의 흡수 손실을 고려하여 10nm로 하였다.
제 2 컨택층(105)의 아래에는 상부 DBR 층(130)이 배치되어 있다. 상부 DBR 층(130)은 굴절률이 서로 다른 Al0.5GaAs/AlAs 물질의 쌍으로 구성된다. 적은 층 갯수로 입사광을 흡수하지 않고 높은 반사율을 얻기 위해서는, DBR 층에 쓰이는 물질의 밴드갭이 크고, 서로 다른 두 물질 사이의 굴절율 차이가 큰 것이 좋다. 일반적으로 GaAs에 Al을 첨가하면 밴드갭이 향상되며 굴절율이 감소하는 특성이 있다. 예를 들어, Al0.5GaAs의 굴절률은 약 3.316이고 AlAs의 굴절률은 약 3.00 이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상부 DBR 층(130)에서 제 2 상부 DBR 층(133)은 단지 1개의 제 1 굴절률층(135)과 제 2 굴절률층(136)의 쌍으로 구성되어 있다. AlAs로 이루어진 제 1 굴절률층(135)의 광학적 두께(70.5nm×3.00)는 λ/4(850nm/4=212.5nm)를 만족한다. Al0.5GaAs로 이루어진 제 2 굴절률층(136)의 광학적 두께(64nm×3.316)도 역시 λ/4(212.5nm)를 만족한다. 제 2 상부 DBR 층(133) 아래의 변형 DBR 층(132)은 단지 1개의 제 3 굴절률층(137)과 제 4 굴절률층(138)의 쌍으로 구성되어 있다. 제 3 굴절률층(137)은 제 1 굴절률층(135)과 마찬가지로 AlAs로 이루어지지만, 그 광학적 두께(77.55nm×3.00=232.65nm)는 λ/4의 약 1.1배이다. 제 4 굴절률층(138)은 제 2 굴절률층(136)과 마찬가지로 Al0.5GaAs로 이루어지지만, 그의 광학적 두께(51.2nm×3.316=169.78nm)는 λ/4의 약 0.8배이다. 도 3에 도시된 실시예의 경우에는 제 1 상부 DBR 층(131)이 없다. 즉, 상부 DBR 층(130)은 변형 DBR 층(132)과 그 위의 제 2 상부 DBR 층(133)만을 갖는다.
활성층(120)은 광흡수가 일어나는 양자우물층(123)들과 상기 양자우물층(123)들 사이의 전자 이동을 방지하는 장벽층(124)을 포함한다. 도 3의 예에서, 양자우물층(123)으로서 9nm 두께의 GaAs를 사용하였으며, 장벽층(124)으로서 3nm 두께의 AlAs를 사용하였다. 활성층(120)은 34쌍의 양자우물층(123)과 장벽층(124)의 쌍들을 갖는 다중양자우물구조이다. 이 경우 활성층(120)의 전체적인 두께는 중심 흡수 파장의 2배(2λ)이다. 일반적으로 활성층(120)의 두께는 중심 파장의 정수배(mλ)로 구성되며, 두께가 얇으면(m=1) 전압 강하는 감소하지만 광흡수가 감소하고, 반대로 두꺼우면(m=3) 높은 역 바이어스 전압이 요구되고 흡수율이 향상된다. 도 3의 실시예에서는 이러한 특성을 고려하여 활성층(120)의 두께를 파장의 2배(m=2)로 하였다.
활성층(120)과 상부 DBR 층(130) 사이에는 AlAs 층(125)과 Al0.5GaAs 층(126)으로 이루어진 상부 클래드층이 삽입되어 있으며, 활성층(120)과 하부 DBR 층(110) 사이에는 Al0.5GaAs 층(121)과 AlAs 층(122)으로 이루어진 하부 클래드층이 삽입되어 있다. 일반적으로 상부 DBR 층(130)을 형성하는 경우에는, 반사율을 높이기 위해 높은 굴절률을 갖는 Al0.5GaAs이 광의 입사 방향에서 볼 때 먼저 배치되고 낮은 굴절률을 갖는 AlAs이 광의 입사 방향에서 볼 때 나중에 배치된다. 그러나 활성층(120) 내에서 광이 공진을 할 때는 광손실을 최소화하기 위하여, 광이 상부 DBR 층(130)과 하부 DBR 층(110) 사이에서 낮은 굴절률을 갖는 층(AlAs, 굴절률: 3.00)으로부터 높은 굴절률을 갖는 층(GaAs, 굴절률: 4.425)의 순서로 진행되도록 한다.
하부 DBR 층(110)은 99% 이상의 고반사율을 얻을 수 있도록 21개 쌍의 제 1 굴절률층(112)과 제 2 굴절률층(113)으로 구성되어 있다. 하부 DBR 층(110)의 제 1 굴절률층(112)은 Al0.5GaAs로 구성되며 제 2 굴절률층(113)은 AlAs로 구성된다. 상기 두 굴절률층(112,113)의 광학적 두께는 모두 λ/4이다. 하부 DBR 층(110)과 제 1 컨택층(102) 사이에는 위상 매칭층(phase matching layer)(111)이 개재된다. 하부 DBR 층(110)의 가장 아래층에는 굴절률이 높은 Al0.5GaAs가 위치하는데, 그 아래에 역시 굴절률이 높은 GaAs 기판(굴절률: 3.702)(101)이 위치하게 되므로, 굴절률의 순서를 고려하여 굴절률이 낮은 AlAs을 위상 매칭층(111)으로서 삽입한 것이다. 위상 매칭층(111) 아래에는 n-GaAs로 이루어진 제 1 컨택층(102)과 GaAs 기판(101)이 위치한다.
한편, 상부 및 하부 DBR 층(110,130)은 거울의 역할 외에도 전류가 흐르는 통로 역할도 한다. 이를 위해 상기 DBR 층(110,130)을 이루는 Al0.5GaAs/AlAs 물질이 전도성을 지녀야 한다. 전도성은 일반적으로 DBR 층(110,130)을 도펀트(dopant) 물질로 도핑하면 그 도핑 농도에 비례하여 증가하지만, 도핑 농도가 증가할수록 광학적 특성은 저하된다. 예를 들어, P-형에 대해서는 Be을 도펀트로서 사용하고, N-형에 대해서는 Si을 도펀트로 사용할 수 있으며, 도핑 농도는 약 1~3×1018cm-2로 할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 실시예에 따른 광변조기(100)의 특성을 보이는 그래프이다. 도 4를 참조하면, 역전압의 인가시에 약 847~856nm 영역에서 반사율이 비교적 평탄한 구간이 형성된다는 것을 알 수 있다. 따라서 제조 공정의 영향 또는 온도 등과 같은 외부 환경의 영향 아래서도 비교적 안정적인 동작을 얻을 수 있다. 또한, 역전압의 인가시와 역전압이 인가되지 않았을 때의 반사도 차이가 30% 이상인 대역폭은, 도 4의 그래프에서 약 13nm 정도인 것을 알 수 있다.
도 5는 다른 유형에 따른 광변조기(200)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다. 도 5에 도시된 광변조기(200)는 기판(101) 위에 제 1 컨택층(102), 하부 DBR 층(110), 활성층(140), 상부 DBR 층(130) 및 제 2 컨택층(105)이 차례로 배치된 구조를 갖는다. 도 1에 도시된 광변조기(100)의 구조와 비교할 때, 도 5에 도시된 광변조기(200)는 활성층(140)의 구조만이 상이하고 나머지는 도 1에 도시된 광변조기(100)와 동일하다. 즉, 도 5의 광변조기(200)의 상부 DBR 층(130)도 역시 광학적 두께가 서로 다른 다수의 굴절률층들을 갖는다. 여기에 추가하여, 광변조기(200)는 활성층(140)에서 광학적 두께가 서로 다른 다수의 양자우물층들을 갖는다. 따라서 도 5에 도시된 광변조기(200)는 도 1의 광변조기(100)에서 활성층(120) 내의 양자우물층들의 광학적 두께를 추가적으로 변경한 것이라고 볼 수 있다.
도 6은 도 5에 도시된 광변조기(200)에 대한 예시적인 실시예에 따른 층 구조 및 층 두께를 도시하고 있다. 도 6에 도시된 구조도 역시 예시적으로 GaAs 화합물 반도체를 이용하여 약 850nm의 중심 흡수 파장을 갖도록 설계되어 있다.
도 6을 참조하면, 상부 DBR 층(130) 위에 p-컨택층의 역할을 하도록 p-GaAs로 이루어진 제 2 컨택층(105)이 배치되어 있다. 제 2 컨택층(105)의 두께는 10nm이다. 제 2 컨택층(105)의 아래에는 상부 DBR 층(130)이 배치되어 있다. 상기 상부 DBR 층(130)의 구조는 도 3을 참조하여 설명한 것과 유사하지만, 제 1 상부 DBR 층(131)과 제 2 상부 DBR 층(133)의 적층된 쌍들의 개수와 변형 DBR 층(132)의 제 3 굴절률층(137)과 제 4 굴절률층(138)의 두께가 다르다. 즉, 도 3의 실시예에서는 제 1 상부 DBR 층(131)이 없고 제 2 상부 DBR 층(133)이 제 1 굴절률층(135)과 제 2 굴절률층(136)의 1개의 쌍으로 이루어져 있지만, 도 6의 실시예에서는 제 1 상부 DBR 층(131)은 제 1 굴절률층(135)과 제 2 굴절률층(136)의 10개의 쌍으로 이루어져 있으며, 제 2 상부 DBR 층(133)은 그와 달리 제 1 굴절률층(135)과 제 2 굴절률층(136)의 단지 1개의 쌍으로 이루어져 있다. 또한, 도 3의 실시예에서는 변형 DBR 층(132)의 제 3 굴절률층(137)의 두께가 77.55nm이고 제 4 굴절률층(138)의 두께가 51.2nm이지만, 도 6의 실시예에서는 변형 DBR 층(132)의 제 3 굴절률층(137)의 두께가 42.2nm이고 제 4 굴절률층(138)의 두께가 25.6nm이다.
한편, 활성층(140)은 양자우물의 두께가 서로 다른 제 1 다중양자우물(140a)과 제 2 다중양자우물(140b)을 포함한다. 예컨대, 제 1 다중양자우물(140a)은 9nm 두께의 GaAs로 이루어진 양자우물층(147)과 3nm 두께의 AlAs로 이루어진 장벽층(146)으로 된 17개의 쌍들을 갖는다. 반면, 제 2 다중양자우물(140b)은 8nm 두께의 GaAs로 이루어진 양자우물층(145)과 3nm 두께의 AlAs로 이루어진 장벽층(144)으로 된 17개의 쌍들을 갖는다. 또한, 제 2 다중양자우물(140b)은 8nm 두께의 GaAs로 이루어진 추가적인 양자우물층(143)을 더 갖는다. 이러한 제 1 다중양자우물(140a)과 제 2 다중양자우물(140b)을 갖는 활성층(140)의 전체적인 두께는 중심 흡수 파장의 2배(2λ)이다.
일반적으로, 광변조기에 입사한 광은 활성층을 이루는 양자우물층에서 흡수가 이루어지며, 흡수 파장은 양자우물층의 두께에 의해 결정된다. 양자우물층의 두께에 따라, 양자우물층에서의 전자-정공 천이 에너지(transition energy)가 변하게 되며, 이는 흡수 파장이 변화함을 의미한다. 도 3에서 제안된 구조의 경우 활성층(120)은 동일한 두께(9nm)를 갖는 양자우물층(123)만으로 구성되지만, 도 6에서 제안된 구조의 경우 활성층(140)은 9nm의 두께를 갖는 양자우물층(147)과 8nm의 두께를 갖는 양자우물층(143,145)이 서로 중첩되어 구성된다. 도 6에는 두께가 다른 양자우물층(143,145,147)들이 두 부분으로 나뉘어, 즉 제 1 다중양자우물(140a)과 제 2 다중양자우물(140b)로 나뉘어 별개로 배치되어 있다. 그러나, 9nm의 두께를 갖는 양자우물층(147)과 8nm의 두께를 갖는 양자우물층(143,145)이 서로 번갈아 가면서 적층되는 것도 가능하다. 즉, 한번은 9nm의 두께를 갖는 양자우물층(147)과 장벽층(146)의 쌍이 적층되고, 그 다음에는 8nm의 두께를 갖는 양자우물층(145)과 장벽층(144)의 쌍이 적층되는 방식을 반복하여 활성층(140)을 형성할 수 있다.
상부 DBR 층(130)과 활성층(140) 사이에는 AlAs 층(148)과 Al0.5GaAs 층(149)으로 이루어진 상부 클래드층이 삽입되어 있으며, 활성층(140)과 하부 DBR 층(120) 사이에는 Al0.5GaAs 층(141)과 AlAs 층(142)으로 이루어진 하부 클래드층이 삽입되어 있다. 또한, 하부 클래드층 아래에는 하부 DBR 층(120), 위상 매칭층(111), 제 1 컨택층(102) 및 기판(101)이 배치되어 있다. 이러한 상부 및 하부 클래드층, 하부 DBR 층(120), 위상 매칭층(111), 제 1 컨택층(102) 및 기판(101)의 구성과 역할은 도 3을 참조하여 이미 설명한 것과 동일하므로, 여기에서는 그에 대한 상세한 설명을 생략한다.
도 7은 두께가 다른 두 양자우물층의 전계 변화에 따른 흡수 계수의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 7에서 알 수 있듯이, 양자우물층의 두께에 따라 흡수되는 파장의 영역도 달라지며, 전계 인가시에 흡수율의 장파장 이동(Red-shift) 정도도 달라진다. 예를 들어, 8nm의 두께를 갖는 양자우물층의 경우, 13V/㎛의 전계 인가시에 중심 흡수 파장이 약 840nm로 이동하는데 반하여, 9nm의 두께를 갖는 양자우물층의 경우에는 중심 흡수 파장이 약 850nm로 이동한다. 따라서, 8nm의 두께를 갖는 양자우물층과 9nm의 두께를 갖는 양자우물층을 하나의 활성층 내에서 함께 사용할 경우, 도 8에 도시된 바와 같이 보다 넓은 대역폭에서 입력광을 흡수할 수 있게 된다. 도 9는 9nm의 두께를 갖는 양자우물층만을 사용한 경우(굵은 실선)와 8nm의 두께를 갖는 양자우물층과 9nm의 두께를 갖는 양자우물층을 함께 사용한 경우(가는 실선)에 대해 실제로 광발광(PL; Photoluminescense) 대역폭을 측정한 결과를 보이는 그래프이다. 도 9의 그래프를 통해 알 수 있듯이, 8nm의 두께를 갖는 양자우물층과 9nm의 두께를 갖는 양자우물층을 함께 사용한 경우에 대역폭이 더 넓어진다는 것을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 도 5에 도시된 구조를 갖는 광변조기(200)의 경우, λ/4이 아닌 광학적 두께를 부분적으로 갖는 상부 DBR 층(130)의 층 구조로 인하여 더욱 넓은 스펙트럼 영역의 광을 활성층(140)에 제공할 수 있다. 또한, 활성층(140)에서는 두께가 서로 다른 두 종류의 양자우물층으로 인해 더욱 넓은 대역폭에서 흡수가 일어날 수 있게 한다. 따라서, 상술한 변형된 상부 DBR 층(130)을 이용할 경우, 두께가 서로 다른 두 종류의 양자우물층으로 된 활성층에서의 대역폭이 동일한 두께의 양자우물층으로 된 활성층에서의 대역폭보다 넓어진다. 더욱이, 대역폭이 증가하면서도, 구동전압과 정전용량이 증가하는 역효과가 거의 발생하지 않는다.
도 10은 단지 한 종류의 양자우물층을 갖는 활성층(120)과 변형된 상부 DBR 층(130)의 조합으로 된 광변조기와 두 종류의 양자우물층을 갖는 활성층(140)과 변형된 상부 DBR 층(130)의 조합으로 된 광변조기에 대해, 전계 인가시와 전계 비인가시 사이의 반사도 차이(△R)를 각각 나타내는 그래프이다. 도 10에서 굵은 실선은 도 3에 도시된 광변조기(100)와 같이 한 종류의 양자 우물(9nm 두께)을 가지며 도 6에 도시된 광변조기(200)와 같은 상부 DBR 층의 구성을 갖는 광변조기의 경우에 관한 것으로서, 반사도차가 30% 이상이 되는 대역폭이 약 13.5nm임을 알 수 있다. 또한, 도 10에서 가는 실선은 도 6에 도시된 광변조기(200)에 관한 것으로서 반사도차가 30% 이상이 되는 대역폭이 약 19nm임을 알 수 있다. 특히, 도 6에 도시된 광변조기(200)의 경우에 반사도차가 매우 평탄한 특성을 갖는다는 것을 알 수 있다. 지금까지는 활성층(140) 내에 두께가 다른 두 종류의 양자우물층이 있을 것을 예를 들어 설명하였지만, 실시예에 따라서는 두께가 다른 적어도 세 종류의 양자우물층이 존재할 수도 있다.
한편, 상술한 비대칭형 패브리-페로 광변조기(100,200)를 3D 카메라에 적용하기 위해서는, 상술한 넓은 흡수 대역폭 특성 이외에 대면적 제작이 요구된다. 그런데, 광변조기의 대면적화는 광변조기의 정전 용량(capacitance)을 증가시키는 요인이 된다. 광변조기의 정전 용량의 증가는 광변조기의 RC 시정수(Time constant)의 증가를 초래하기 때문에, 광변조기가 20~40MHz의 초고속으로 동작하는데 있어서 제약을 야기한다. 따라서, 광변조기의 면적을 증가시키면서 동시에 정전용량과 면저항(sheet resistance)을 줄일 수 있는 전극 구조가 요구된다.
도 11a 내지 도 11f는 도 1에 도시된 광변조기(100)를, 정전용량과 면저항을 줄일 수 있도록 하면서 제조하는 과정을 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다.
먼저, 도 11a를 참조하면, GaAs 기판(101) 위에 제 1 컨택층(102), 하부 DBR 층(110), 활성층(120), 상부 DBR 층(130) 및 제 2 컨택층(105)을 차례로 적층한다. 여기서 GaAs 기판(101), 제 1 컨택층(102), 하부 DBR 층(110), 활성층(120), 상부 DBR 층(130) 및 제 2 컨택층(105)의 상세한 구조, 재료 및 두께는 예를 들어 도 3에 도시된 구성을 따를 수 있다. 그러나 도 3에 도시된 구성은 단지 예시적인 것이고 본 발명을 한정하는 것은 아니므로, 중심 흡수 파장 및 흡수 대역폭의 선택에 따라 구성을 달리하는 것도 가능하다. 상기 제 1 컨택층(102), 하부 DBR 층(110), 활성층(120), 상부 DBR 층(130) 및 제 2 컨택층(105)은 예를 들어 다양한 종류의 에패택시(epitaxy) 성장법에 따라 형성될 수 있다. 여기서, 제 1 컨택층(102)은 예를 들어 N-도핑된 N-컨택층이 될 수 있으며, 제 2 컨택층(105)은 P-도핑된 P-컨택층이 될 수 있다.
다음으로 도 11b를 참조하면, 제 1 컨택층(102)의 표면이 노출될 때까지 메사 에칭(mesa etching) 방식으로 상기 제 2 컨택층(105), 상부 DBR 층(130), 활성층(120) 및 하부 DBR 층(110)의 양측을 연속하여 에칭한다. 이에 따라, 제 1 컨택층(102)의 상부면의 중심 영역에만 부분적으로 하부 DBR 층(110), 활성층(120), 상부 DBR 층(130) 및 제 2 컨택층(105)이 남게 된다.
그런 후에는, 도 11c에 도시된 바와 같이, 다시 2차 메사 에칭에 의해 기판(101)의 표면이 노출될 때까지 제 1 컨택층(102)의 양측을 에칭한다. 이 과정에서, 기판(101)의 양측 표면이 노출되며, 기판(101)의 양측 표면도 부분적으로 에칭될 수도 있다. 다음으로, 도 11d에 도시된 바와 같이, 에칭되어 제거된 양측면 부분을 전체적으로 절연층(107)으로 채운다. 이때, 절연층(107)의 상부 표면은 일정한 높이를 갖도록 하며, 제 2 컨택층(105) 위로 절연층(107)이 남아 있을 수 있다. 이러한 절연층(107)으로는 예를 들어 BCB(benzocylobutene)와 같은 재료를 사용할 수 있다.
다음으로 도 11e를 참조하면, CMP(chemical-mechanical planarization)와 같은 평탄화 과정을 통해 제 2 컨택층(105)이 드러날 때까지 절연층(107)을 부분적으로 제거한다. 그런 후, 하부 DBR 층(110), 활성층(120), 상부 DBR 층(130) 및 제 2 컨택층(105)을 포함하는 구조물의 양측에 있는 절연층(107) 중에서 어느 한쪽의 절연층(107)에 트렌치(108)를 형성한다. 트렌치(108)를 형성할 때 제 1 컨택층(102)의 표면이 노출될 수 있도록 한다. 따라서 결과적인 트렌치(108)의 바닥면은 제 1 컨택층(102)이 된다.
마지막으로, 도 11f에 도시된 바와 같이, 트렌치(108) 내에 노출된 제 1 컨택층(102)의 표면 위에 전체적으로 제 1 전극(153)을 형성하고 제 2 컨택층(105)의 표면 위에 부분적으로 제 2 전극(151)을 형성한다. 제 1 컨택층(102)이 N-형 컨택층인 경우에 제 1 전극(153)에는 N-형 전극 재료를 사용하며, 제 2 전극(151)에는 P-형 전극 재료를 사용할 수 있다. 절연층(107)의 표면 위에는 제 2 전극(151)과 연결되는 제 2 금속 배선(152)이 더 형성될 수 있다. 또한, 제 1 전극(153)은 트렌치(108)의 내벽과 절연층(107)의 표면을 통해 연장된 제 1 금속 배선(154)에 연결될 수 있다. 이러한 전극 구조에 따르면, 제 1 전극(153)과 제 2 전극(151)이 수직형으로 배치되어 있지 않고 평행하게 배치되어 있기 때문에, 기생 정전 용량의 발생이 억제될 수 있다.
도 12는 도 11a 내지 도 11f의 방식으로 제조된 광변조기(100)의 전극 연결 구조를 보이는 평면도이다. 도 12를 참조하면, 맨 위에 있는 제 2 컨택층(105)의 측면 둘레를 따라 절연층(107)이 형성되어 있는 것이 보인다. 또한, 절연층(107) 내에는 제 2 컨택층(105)의 측면 둘레를 따라 트렌치(108)가 형성되어 있다. 상기 트렌치(108)는 약 20㎛의 폭으로 좁게 형성할 수 있다. 절연층(107)의 일측 표면 위에는 제 1 전극(153)과 연결되는 제 1 금속 배선(154) 및 제 2 전극(151)과 연결되는 제 2 금속 배선(152)이 배치되어 있다. 제 2 컨택층(105)의 상부 표면 위에는 제 2 전극(151)이 격자의 형태로 형성되어 있다. 일반적으로 상부의 제 2 컨택층(105)에서는 홀(Hole)의 이동도(mobility)가 전자의 이동도보다 크게 낮기 때문에, 하부의 N-전극 구조에 비해서 면저항이 10배 정도 높을 수 있다. 따라서, 제 2 컨택층(105) 위에 전체적으로 제 2 전극(151)을 격자 형태로 배열함으로써 면저항을 줄일 수 있다. 만약 제 2 전극(151)에서 격자의 수가 증가하면 면저항은 줄어들지만, 격자의 수가 증가하는 만큼 광손실이 증가하고 정전 용량이 증가할 수도 있다. 따라서, 격자의 수를 결정하는데 있어서는, 면저항이 감소하는 정도와 광손실 및 정전 용량이 증가하는 정도를 고려한다.
또한, 정전 용량을 더욱 감소시키기 위하여, 도 12에 도시된 광변조기(100)를 하나의 광변조기 셀로 하여, 다수의 광변조기 셀들의 어레이가 하나의 대면적 광변조기 장치를 구성하도록 할 수도 있다. 도 13은 도 12에 도시된 광변조기(100)를 하나의 셀로 하여, 다수의 광변조기 셀들로 구성된 대면적 광변조기 장치(300)를 개략적으로 도시하고 있다. 도 13은 각각의 광변조기(100)의 셀들이 2×3으로 배열된 예를 도시한다. 그러나 광변조기(100)의 셀들의 어레이는 2×3 어레이에 한정되지는 않으며, 설계에 따라 임의의 n×m(n, m은 1보다 큰 자연수) 어레이를 선택하는 것이 가능하다.
도 13을 참조하면, 각각의 광변조기(100)의 셀들은 인접하는 다른 광변조기(100)의 셀들과 트렌치(108)에 의해 서로 분리되어 있다. 트렌치(108)의 폭은 예를 들어 약 5~10㎛일 수 있다. 각각의 광변조기(100)의 셀에는 전극(151,153) 및 배선(152,154)들이 개별적으로 배치되어 있으며, 또한 각각의 광변조기(100)의 셀을 구동하기 위한 구동기(165)도 역시 개별적으로 배치되어 있다. 구동기(165)는 그에 각각 대응하는 광변조기(100)의 셀을 가지며, 도시되지 않은 제어부의 제어에 따라 광변조기(100)의 동작을 제어한다. 예를 들어, 구동부(165)는 전원 라인(161)으로부터 제공되는 전류를 제어부의 제어에 따라 광변조기(100)의 셀에 인가할 수 있다. 전원 라인(161)은 절연층(107)의 표면을 따라 광변조기 장치(300)의 외곽 테두리를 따라 형성될 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 광변조기 및 그 제조 방법에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
100,200.....광변조기 101.....기판
102.....제 1 컨택층 105.....제 2 컨택층
107.....절연층 108.....트렌치
110.....하부 DBR 층 120,140.....활성층
130.....상부 DBR 층 151.....제 1 전극
152,154.....배선 153.....제 2 전극
161.....전원 라인 165.....구동기
300.....광변조기 장치

Claims (39)

  1. 굴절률이 서로 다른 두 층이 반복적으로 교호하여 적층된 하부 DBR 층;
    굴절률이 서로 다른 두 층이 반복적으로 교호하여 적층된 상부 DBR 층; 및
    상기 하부 DBR 층과 상부 DBR 층 사이에 배치된 것으로, 다중양자우물로 이루어진 활성층을 포함하며,
    상기 상부 DBR 층은, 광학적 두께가 λ/4(여기서, λ는 활성층에서의 중심 흡수 파장)이고 굴절률이 서로 다른 제 1 굴절률층과 제 2 굴절률층의 쌍을 갖는 층 부분, 및 굴절률이 서로 다른 제 3 굴절률층과 제 4 굴절률층의 쌍을 갖는 변형된 층 부분을 포함하며, 여기서 제 3 굴절률층과 제 4 굴절률층 중에서 적어도 하나는 λ/4와 다른 광학적 두께를 갖고,
    상기 상부 DBR 층의 상기 층 부분은, 상기 변형된 층 부분 위에 배치되고 제 1 굴절률층과 제 2 굴절률층의 적어도 하나의 제1쌍을 포함하는 제 1 층 부분, 및 상기 변형된 층 부분의 아래에 배치되고 상기 제 1 굴절률층과 제 2 굴절률층의 적어도 하나의 제2쌍을 포함하는 제 2 층 부분을 포함하며,
    상기 활성층은 제 1 다중양자우물과 제 2 다중양자우물을 가지며, 상기 제 1 다중양자우물은 다수의 제 1 양자우물층들과 다수의 제 1 장벽층들의 쌍들을 포함하고, 상기 제 2 다중양자우물은 다수의 제 2 양자우물층들과 다수의 제 2 장벽층들의 쌍들을 포함하며, 상기 제 1 양자우물층과 제 2 양자우물층은 두께가 서로 다르고,
    상기 활성층에서의 광의 흡수 대역폭이 동일한 두께를 갖는 양자우물층들로 이루어진 활성층에서의 광의 흡수대역폭보다 넓게 되도록, 상기 제 1 양자우물층들과 상기 제 2 양자우물층들의 각각의 두께가 설정되는 광변조기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 굴절률층과 제 3 굴절률층은 동일한 재료로 이루어지며, 광학적 두께가 서로 다른 광변조기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 3 굴절률층은 AlAs로 이루어지는 광변조기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 굴절률층과 제 4 굴절률층은 동일한 재료로 이루어지며, 광학적 두께가 서로 다른 광변조기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 및 제 4 굴절률층은 Al0.5GaAs로 이루어지는 광변조기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 굴절률층과 제 3 굴절률층은 상이한 재료로 이루어지며, 광학적 두께가 서로 다른 광변조기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 굴절률층은 AlAs로 이루어지며 제 3 굴절률층은 Al0.9Ga0.1As로 이루어지는 광변조기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 굴절률층과 제 4 굴절률층은 상이한 재료로 이루어지며, 광학적 두께가 서로 다른 광변조기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 굴절률층은 Al0.5GaAs로 이루어지며 제 4 굴절률층은 Al0.3Ga0.7As로 이루어지는 광변조기.
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 층 부분의 제 1 굴절률층과 제 2 굴절률층의 쌍들의 개수와 상기 제 2 층 부분의 제 1 굴절률층과 제 2 굴절률층의 쌍들의 개수가 상이한 광변조기.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 다중양자우물과 제 2 다중양자우물이 차례로 적층되어 있는 광변조기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 양자우물층과 제 2 양자우물층은 동일한 재료로 이루어지며, 두께만이 서로 다른 광변조기.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 양자우물층과 제 2 양자우물층은 GaAs로 이루어지는 광변조기.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층의 전체적인 두께는 중심 흡수 파장의 정수배와 같은 광변조기.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 양자우물층과 상기 제 1 장벽층의 쌍이 상기 제 2 양자우물층과 상기 제 2 장벽층의 쌍과 번갈아 적층되며, 상기 제 1 양자우물층과 제 2 양자우물층은 동일한 재료로 이루어지는 광변조기.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 DBR 층의 하부에 배치된 제 1 컨택층;
    상기 제 1 컨택층의 하부에 배치된 기판; 및
    상부 DBR 층의 상부에 배치된 제 2 컨택층을 더 포함하는 광변조기.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 2 컨택층의 상부 표면에 형성된 전극을 더 포함하며, 상기 전극은 격자의 형태를 갖는 광변조기.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 기판의 표면 위에 상기 제 1 컨택층이 부분적으로 형성되어 있으며, 상기 제 1 컨택층의 표면 위에 상기 하부 DBR 층, 활성층, 상부 DBR 층 및 제 2 컨택층이 부분적으로 형성되어 있는 광변조기.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 하부 DBR 층, 활성층, 상부 DBR 층 및 제 2 컨택층의 양쪽 측면에서 상기 기판과 제 1 컨택층 위로 채워져 있는 절연층을 더 포함하는 광변조기.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 하부 DBR 층, 활성층, 상부 DBR 층 및 제 2 컨택층의 양측의 절연층 중에서 어느 한쪽의 절연층에 제 1 컨택층이 노출되도록 트렌치가 형성되어 있는 광변조기.
  24. 기판;
    상기 기판의 표면 위에 부분적으로 배치된 제 1 컨택층;
    상기 제 1 컨택층의 표면 위에 부분적으로 배치된 것으로, 굴절률이 서로 다른 두 층이 반복적으로 교호하여 적층된 하부 DBR 층;
    상기 하부 DBR 층 위에 배치된 것으로, 다중양자우물로 이루어진 활성층;
    상기 활성층 위에 배치된 것으로, 굴절률이 서로 다른 두 층이 반복적으로 교호하여 적층된 상부 DBR 층;
    상기 상부 DBR 층의 상부에 배치된 제 2 컨택층;
    상기 하부 DBR 층, 활성층, 상부 DBR 층 및 제 2 컨택층의 양쪽 측면에서 상기 기판과 제 1 컨택층 위로 채워져 있는 절연층;
    상기 하부 DBR 층, 활성층, 상부 DBR 층 및 제 2 컨택층의 양측의 절연층 중에서 어느 한쪽의 절연층에 제 1 컨택층이 노출되도록 구성된 트렌치;
    상기 트렌치 내의 제 1 컨택층 위로 형성된 전극; 및
    상기 트렌치의 내벽과 절연층의 표면을 통해 연장되어 상기 전극과 연결되는 금속 배선을 포함하며,
    상기 상부 DBR 층은, 광학적 두께가 λ/4(여기서, λ는 활성층에서의 중심 흡수 파장)이고 굴절률이 서로 다른 제 1 굴절률층과 제 2 굴절률층의 쌍을 갖는 층 부분, 및 굴절률이 서로 다른 제 3 굴절률층과 제 4 굴절률층의 쌍을 갖는 변형된 층 부분을 포함하며, 여기서 제 3 굴절률층과 제 4 굴절률층 중에서 적어도 하나는 λ/4와 다른 광학적 두께를 갖는 광변조기.
  25. 제 1 항 내지 제 9 항, 제 11 항, 제 14 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 따른 광변조기를 하나의 광변조기 셀로서 포함하며, 다수의 광변조기 셀들이 어레이의 형태로 배열되어 있는 광변조기 장치.
  26. 제 25 항에 있어서,
    각각의 광변조기 셀들은 인접하는 다른 광변조기 셀들과 트렌치에 의해 서로 분리되어 있는 광변조기 장치.
  27. 제 25 항에 있어서,
    각각의 광변조기 셀들마다 개별적으로 배치되어 있는 구동기를 더 포함하는 광변조기 장치.
  28. 기판 위에 제 1 컨택층, 하부 DBR 층, 활성층, 상부 DBR 층 및 제 2 컨택층을 차례로 적층하는 단계;
    상기 제 1 컨택층의 표면이 노출될 때까지, 상기 제 2 컨택층, 상부 DBR 층, 활성층 및 하부 DBR 층의 양측을 에칭하는 단계;
    상기 기판의 표면이 노출될 때까지 상기 제 1 컨택층의 양측을 에칭하는 단계;
    에칭되어 제거된 양측면 부분을 절연층으로 채우는 단계;
    상기 하부 DBR 층, 활성층, 상부 DBR 층 및 제 2 컨택층을 포함하는 구조물의 양측에 있는 절연층 중에서 어느 한쪽의 절연층에 상기 제 1 컨택층의 표면이 노출되도록 트렌치를 형성하는 단계; 및
    상기 트렌치 내에 노출된 제 1 컨택층의 표면 위에 제 1 전극을 형성하고, 상기 제 2 컨택층의 표면 위에 부분적으로 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 상부 DBR 층은, 광학적 두께가 λ/4(여기서, λ는 활성층에서의 중심 흡수 파장)이고 굴절률이 서로 다른 제 1 굴절률층과 제 2 굴절률층의 쌍을 갖는 층 부분, 및 굴절률이 서로 다른 제 3 굴절률층과 제 4 굴절률층의 쌍을 갖는 변형된 층 부분을 포함하며, 여기서 제 3 굴절률층과 제 4 굴절률층 중에서 적어도 하나는 λ/4와 다른 광학적 두께를 갖는 광변조기의 제조 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 제 1 굴절률층과 제 3 굴절률층은 동일한 재료로 이루어지며, 광학적 두께가 서로 다른 광변조기의 제조 방법.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 제 2 굴절률층과 제 4 굴절률층은 동일한 재료로 이루어지며, 광학적 두께가 서로 다른 광변조기의 제조 방법.
  31. 제 28 항에 있어서,
    상기 제 1 굴절률층과 제 3 굴절률층은 상이한 재료로 이루어지며, 광학적 두께가 서로 다른 광변조기의 제조 방법.
  32. 제 28 항에 있어서,
    상기 제 2 굴절률층과 제 4 굴절률층은 상이한 재료로 이루어지며, 광학적 두께가 서로 다른 광변조기의 제조 방법.
  33. 제 28 항에 있어서,
    상기 상부 DBR 층은:
    상기 제 1 굴절률층과 제 2 굴절률층의 쌍들을 갖는 제 1 층 부분;
    상기 제 1 층 부분 위에 배치되며, 상기 제 3 굴절률층과 제 4 굴절률층의 쌍들을 갖는 변형된 층 부분; 및
    상기 변형된 층 부분 위에 배치되며, 상기 제 1 굴절률층과 제 2 굴절률층의 쌍들을 갖는 제 2 층 부분을 포함하는 광변조기의 제조 방법.
  34. 제 28 항에 있어서,
    상기 상부 DBR 층은:
    상기 제 3 굴절률층과 제 4 굴절률층의 쌍들을 갖는 변형된 층 부분; 및
    상기 변형된 층 부분 위에 배치되며, 상기 제 1 굴절률층과 제 2 굴절률층의 쌍들을 갖는 층 부분을 포함하는 광변조기의 제조 방법.
  35. 제 28 항에 있어서,
    상기 활성층은 두께가 서로 다른 적어도 2종류의 양자우물층을 갖는 광변조기의 제조 방법.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 활성층은 차례로 적층된 제 1 다중양자우물과 제 2 다중양자우물을 가지며, 상기 제 1 다중양자우물은 제 1 양자우물층들과 장벽층들의 다수의 쌍들을 포함하고, 상기 제 2 다중양자우물은 제 2 양자우물층들과 장벽층들의 다수의 쌍들을 포함하며, 상기 제 1 양자우물층과 제 2 양자우물층은 두께가 서로 다른 광변조기의 제조 방법.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 제 1 양자우물층과 제 2 양자우물층은 동일한 재료로 이루어지며, 두께만이 서로 다른 광변조기의 제조 방법.
  38. 제 35 항에 있어서,
    상기 활성층의 전체적인 두께는 중심 흡수 파장의 정수배와 같은 광변조기의 제조 방법.
  39. 제 35 항에 있어서,
    상기 활성층은 제 1 양자우물층과 장벽층의 쌍이 제 2 양자우물층과 장벽층의 쌍과 번갈아 적층되는 구조를 갖고, 상기 제 1 양자우물층과 제 2 양자우물층은 동일한 재료로 이루어지며 두께만이 서로 다른 광변조기의 제조 방법.
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