KR101801779B1 - 광 송신모듈, 광 트랜시버, 및 이를 포함하는 광통신 시스템 - Google Patents

Abstract

실시 예는, 발광다이오드; 및 상기 발광다이오드에서 출사된 제1광을 변조하는 광변조기를 포함하고, 상기 발광다이오드와 광변조기는 GaN을 포함하고, 상기 광변조기는 전압 인가시 상기 제1광을 투과하는 광 송신 모듈, 광트랜시버, 및 이를 포함하는 광통신 시스템을 포함한다.

Description

광 송신모듈, 광 트랜시버, 및 이를 포함하는 광통신 시스템{OPTICAL MODULE, OPTICAL TRANSCEIVER AND COMMUNICATION SYSTEM INCLUDING THE SAME}

실시 예는 광 송신모듈, 광 트랜시버, 및 이를 포함하는 광통신 시스템에 관한 것이다.

광섬유를 이용한 디지털 전송 시스템은 현재 유선 통신 분야에서 가장 널리 사용하고 있다. 유선 통신망 또는 유무선 통합 가입자 통신망을 운용하는데 있어서 유선통신망 성능은 광 송수신모듈(광 트랜시버) 및 기타 광 부품들에 의해 결정될 수 있다.

일반적인 유선 광통신망의 광 트랜시버는 광 송신모듈과 광 수신모듈로 구성되며, 광 송신모듈은 발광소자, 및 광변조기를 포함할 수 있다.

일반적으로 실리카 광섬유를 전송선으로 사용하고 있는 광통신망용 발광소자는 발진파장 1㎛ 영역의 적외선 레이저 다이오드(LD)가 사용되며, 발광소자와 광변조기는 렌즈(lens)를 사용한 free-space연결, 폴리머 등의 소재의 도파로를 이용한 연결, 또는 발광소자와 광 변조기를 일체로 형성하는 과정에서 웨이퍼 상에 도파로를 형성하여 연결될 수 있다.

레이저 다이오드(LD)는 높은 출력의 고품질 광(예: 스펙트럼의 반치폭이 좁은 광)을 출력할 수 있어 장거리 대용량 광신호 전송용 광원으로 장점이 있다. 그러나, 레이저 다이오드(LD)의 동작특성이 주변온도에 민감하므로 안정된 동작을 얻기 위하여서는 온도 보상 장치(TEC, thermoelectric cooler)가 필요하다.

또한, 레이저 다이오드(LD)는 출사광이 주변으로부터 반사되어 레이저 다이오드(LD)로 재입사되면 동작특성이 매우 불안정하게 되기 때문에 광 아이솔레이터(isolator)의 사용이 불가피하며, 레이저 다이오드(LD) 자체의 제작 비용 또한 높은 문제가 있다.

최근 네트워크 기술, 센서 기술, RFID기술 및 소프트웨어 기술의 발전에 따라 사물 인터넷(IOT, Internet Of Things) 시대가 도래하고 있다. 수많은 디바이스들을 연결하기 위해 광 송수신 모듈로 구성된 광통신망이 필수적이다. 따라서, -50°C 에서 150°C까지의 극한 환경에서도 온도 보상 장치 및 광 아이솔레이터 없이 동작 가능한 광 송수신 모듈에 대한 개발이 필요하다. 여기서, -50°C에서 150°C의 온도 범위는 각종 전자회로에 사용되고 있는 Si IC의 정상동작을 위한 허용온도 범위이다.

그러나, 레이저 다이오드는 온도 보상 장치 및 광 아이솔레이터 없이는 다양한 온도 환경에서 신뢰성을 보장할 수 없는 문제가 있으며, 가격이 높은 문제가 있다.

실시 예는 발광다이오드를 광원으로 사용한 광 송신모듈을 제공한다.

실시 예는 수평형 광 송신모듈을 제공한다.

실시 예는 광 스펙트럼의 반치폭을 조절하여 수십 내지 수백 미터의 단거리 내 고속 광신호를 전송을 할 수 있는 광 모듈을 제공한다.

실시 예는 -50°C 이하의 저온 또는 150°C 이상의 고온에서도 동작할 수 있는 광 모듈을 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 광 송신 모듈은, 발광다이오드; 및 상기 발광다이오드에서 출사된 제1광을 변조하는 광변조기를 포함하고, 상기 발광다이오드와 광변조기는 GaN을 포함하고, 상기 광변조기는 전압 인가시 상기 제1광을 투과한다.

상기 광변조기는 역바이어스 전압 인가시 상기 제1광을 통과시킬 수 있다.

상기 제1광은 가시광 파장대의 광일 수 있다.

상기 발광다이오드와 상기 광변조기는 질화물 반도체층을 포함할 수 있다.

상기 발광다이오드는, 제1하부 반도체층; 상기 제1하부 반도체층 상에 배치된 활성층; 및 상기 활성층 상에 배치된 제1상부 반도체층을 포함할 수 있다.

상기 광변조기는, 제2하부 반도체층; 상기 제2하부 반도체층 상에 배치되어 상기 발광다이오드에서 출력된 광을 흡수하는 광흡수층; 및 상기 광흡수층 상에 배치되는 제2상부 반도체층을 포함할 수 있다.

상기 활성층 및 광흡수층은 GaN을 포함할 수 있다.

상기 광흡수층은 역바이어스 전압 인가시 에너지 밴드갭이 커질 수 있다.

상기 광흡수층은 역바이어스 전압 인가시 흡수 파장대가 상기 제1광의 파장대보다 짧아질 수 있다.

실시 예에 따르면, 발광다이오드(LED)와 광변조기를 이용하여 광 모듈을 제작할 수 있다. 따라서, 별도의 아이솔레이터, 및 온도 조절장치(TEC)를 생략할 수 있으므로 광 모듈의 제조 단가를 절감할 수 있다.

실시 예에 따르면, 광 스펙트럼의 반치폭을 조절하여 수십 내지 수백 미터의 단거리 내 고속 광신호를 전송할 수 있다.

실시 예에 따르면, 발광다이오드 및 광 변조기를 갈륨 나이트라이드(GaN) 계 물질로 구성하여 높은 구동온도에서도 동작 가능한 광 모듈을 제공할 수 있다.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광통신 시스템의 개념도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 송신모듈의 개념도이고,
도 3은 도 2의 발광다이오드의 단면도이고,
도 4는 도 3의 변형예이고,
도 5는 도 2의 필터의 단면도이고,
도 6은 필터의 파장대별 반사도를 측정한 그래프이고,
도 7은 발광다이오드에서 출사된 광의 파장폭과 필터를 통과한 광의 파장폭을 측정한 그래프이고,
도 8은 밴드 패스필터를 통과한 광의 파장폭을 측정한 그래프이고,
도 9는 광변조기의 개념도이고,
도 10은 역바이어스를 인가함에 따라 에너지 밴드갭이 변화하는 상태를 보여주는 도면이고,
도 11은 역 바이어스를 인가함에 따라 광변조기의 흡수 파장대가 변화하는 상태를 보여주는 그래프이고,
도 12는 역 바이어스를 인가함에 따라 발광소자에서 출력된 광의 세기가 변화하는 상태를 보여주는 그래프이고,
도 13은 광 모듈에 의해 광 신호가 변조되는 과정을 보여주는 개념도이고,
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 송수신모듈의 개념도이고,
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 송신모듈의 개념도이고,
도 16은 도 15의 제1변형 예이고,
도 17은 도 15의 제2변형 예이고,
도 18은 도 15의 제3변형 예이고,
도 19는 도 18의 중공관을 보여주는 도면이고,
도 20은 도 15의 제4변형 예이고,
도 21은 필터를 통과하면서 변화하는 파장폭을 보여주는 그래프이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의된다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 실시 예들은 다른 형태로 변형되거나 여러 실시 예가 서로 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 각각의 실시 예로 한정되는 것은 아니다.

특정 실시 예에서 설명된 사항이 다른 실시 예에서 설명되어 있지 않더라도, 다른 실시 예에서 그 사항과 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 다른 실시 예에 관련된 설명으로 이해될 수 있다.

예를 들어, 특정 실시 예에서 구성 A에 대한 특징을 설명하고 다른 실시 예에서 구성 B에 대한 특징을 설명하였다면, 구성 A와 구성 B가 결합된 실시 예가 명시적으로 기재되지 않더라도 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함되는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 기울어지거나 라운드지거나 또는 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광통신 시스템의 개념도이다.

도 1을 참고하면, 실시 예에 따른 광통신 모듈은 제1호스트(1)와 통신하는 제1광트랜시버(3)와, 제2호스트(2)와 통신하는 제2광트랜시버(4), 및 제1광트랜시버(3)와 제2광트랜시버(4) 사이에 연결된 채널을 포함한다.

제1호스트(1)와 제2호스트(2)는 통신 가능한 각종 전자 디바이스이면 특별히 제한되지 않는다. 예시적으로 제1호스트(1)는 차량의 컨트롤러(ECU)이고 제2호스트(2)는 차량에 배치된 각종 센서(카메라 모듈, 조명 센서 등)일 수 있다.

제1광트랜시버(3)와 제2광트랜시버(4)는 각각 송신모듈(5)과 수신모듈(6)을 포함하는 양방향 통신 모듈일 수 있으나, 본 발명의 실시 예는 반드시 이에 한정하지 않는다. 예시적으로 제1광트랜시버(3)는 광 송신모듈일 수 있고 제2광트랜시버(4)는 광 수신모듈일 수도 있다. 이하에서는 양방향 통신방법을 설명한다.

제1광트랜시버(3)의 송신모듈(5)은 제2광트랜시버(4)의 수신모듈(6)과 제1광섬유(8)에 의해 연결될 수 있다. 송신모듈(5)은 호스트의 전기신호를 광신호로 변환할 수 있다. 제어부(7)는 호스트의 전기신호에 따라 광신호를 변조할 수 있다. 예시적으로 제어부(7)는 드라이버 IC를 포함할 수 있다.

제1광트랜시버(3)의 수신모듈(6)은 제2광트랜시버(4)의 송신모듈(5)과 제2광섬유(9)에 의해 연결될 수 있다. 수신모듈(6)은 광신호를 전기신호로 변환할 수 있다. 제어부(7)는 변환된 전기신호를 증폭(TIA)하거나, 전기신호에서 패킷 정보를 추출하여 호스트에 전송할 수 있다.

도 1에서는 예시적으로 제1광섬유(8)과 제2광섬유(9)를 이용하여 송신신호와 수신신호의 채널을 다르게 구성하였으나 반드시 이에 한정하지 않는다. 즉, 단일 광섬유를 이용하여 양방향 통신할 수도 있다. 또한, 멀티플렉서를 이용하여 복수 개의 제1광모듈과 복수 개의 제2광모듈이 양방향 통신할 수도 있다. 또한, 유선 채널을 사용하지 않는 무선 통신에도 적용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 송신모듈을 나타내는 사시도이다.

도 2를 참조하면, 광 송신모듈(5)은 발광다이오드(20), 필터(60), 광학채널(40), 광변조기(30) 및 광학적 인터페이스(50)를 포함할 수 있다. 발광다이오드(20), 필터(60), 광변조기(30)는 캐리어 기판(10) 상에 배치될 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니고, 발광다이오드(20), 필터(60), 광변조기(30)는 광의 출사 방향으로 따라 차례로 배치될 수 있다.

발광다이오드(20, LED)는 에너지 밴드갭이 크기 때문에 동작온도 변화에 둔감하다. 따라서, 온도 보상 장치를 생략할 수 있다. 발광다이오드(20)가 질화물 반도체의 경우 활성층의 밴드갭은 약 2.0 내지 3.0eV일 수 있다.

또한, 발광다이오드(20)는 재입사되는 광에 의한 노이즈 발생이 레이저 다이오드에 비해 적다. 따라서, 광 아이솔레이터(isolator)를 생략할 수 있다. 또한, 발광다이오드(20)는 레이저 다이오드에 비해 가격이 낮다. 따라서, 발광다이오드를 이용하는 경우 광송신 모듈의 제작 비용을 낮출 수 있다.

이에 반해, 레이저 다이오드(LD)는 동작특성이 주변온도 변화에 민감하므로 안정된 동작을 얻기 위하여서는 온도보상 장치가 필요하고, 출사광이 주변으로부터 반사되어 레이저 다이오드(LD)로 재입사되면 동작특성이 매우 불안정하게 되기 때문에 광 아이솔레이터(isolator)의 사용이 불가피하며, 레이저 다이오드(LD) 자체의 제작 비용 또한 높은 문제가 있다.

필터(60)는 발광다이오드에서 방출된 광의 파장폭(발광선폭)을 제어할 수 있다. 통상 질화물계 발광다이오드의 파장폭은 약 20nm 정도로 넓기 때문에 충분한 소광비를 얻기 위하여서는 광변조기(30)의 동작전압이 커지는 문제가 있다.

필터(60)를 이용하여 광의 파장폭을 제어하면, 수십 내지 수백 미터의 단거리 내 충분한 소광비를 달성하면서 고속 광신호를 전송을 할 수 있다.

광학채널(40)은 발광다이오드(20)와 광변조기(30)를 광학적으로 연결할 수 있다. 따라서, 발광다이오드(20)에서 출력된 광은 광학채널(40)를 통해 광변조기(30)로 제공될 수 있다. 광학채널(40)은 광 도파로일 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다. 예시적으로 광학채널(40)은 광이 통과할 수 있는 빈 통로이거나, 광 경로 상에 배치된 복수 개의 광학부품(렌즈 등)일 수도 있다.

광변조기(30)는 입력되는 광을 변조할 수 있다. 이하에서는 예시적으로 광변조기(30)를 전계 흡수형 광변조기(electro-absorption modulator, EAM)로 설명하나 광변조기의 구성은 반드시 이에 한정하지 않는다.

전계 흡수형 광변조기(EAM)은 저전압에서 구동이 가능하고, 소자를 소형화할 수 있다. 광변조기(30)는 인가되는 전압에 따라 광흡수의 정도가 변하게 된다.

광변조기(30)는 인가되는 전압의 변화에 따라 입사되는 광을 외부로 방출하거나(on-state) 방출하지 않음으로써(off-state) 광신호를 변조할 수 있다.

광학적 인터페이스(50)는 외부의 광섬유와 연결되는 커넥터를 포함할 수 있다. 광변조기(30)에 의해 변조된 광신호는 광학적 인터페이스(50)를 통해 외부로 전송될 수 있다.

도 3은 도 2의 발광다이오드의 단면도이다.

도 3을 참고하면 발광다이오드(20)는 제1기판(21), 제1하부 반도체층(22), 제1활성층(23) 및 제1상부 반도체층(24)을 포함할 수 있다.

제1기판(21)상에는 제1하부 반도체층(22), 제1활성층(23) 및 제1상부 반도체층(24)이 순차적으로 적층될 수 있다. 제1기판(21)은 예를 들어, 사파이어(sapphire) 기판, 실리콘 기판, 실리콘 카바이드 기판, 플라스틱 기판 또는 글래스 기판 중 하나를 포함할 수 있다. 필요에 따라 기판은 제거될 수 있다.

제1하부 반도체층(22)과 제1기판(21) 사이에는 버퍼층(미도시)이 배치될 수 있다. 버퍼층은 발광 구조물과 제1기판(21)의 격자 부정합을 완화할 수 있다.

버퍼층은 Ⅲ족과 Ⅴ족 원소가 결합된 형태이거나 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중에서 어느 하나를 포함할 수 있다. 버퍼층에는 도펀트가 도핑될 수도 있으나, 이에 한정하지 않는다.

버퍼층은 기판(21) 상에 단결정으로 성장할 수 있으며, 단결정으로 성장한 버퍼층은 제1하부 반도체층의 결정성을 향상시킬 수 있다.

제1하부 반도체층(22)은 제1기판(21) 상에 배치될 수 있다. 제1하부 반도체층(22)은 갈륨 나이트라이드(GaN)계 물질을 포함하는 n형 반도체층일 수 있다.

예를 들어, 제1하부 반도체층(22)은 갈륨 나이트라이드(GaN), 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN), 인듐 갈륨 나이트라이드(InGaN) 또는 알루미늄 갈륨 인듐 나이트라이드(AlxGayInzN, x+y+z=1, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1) 중 어느 하나일 수 있다.

제1하부 반도체층(22)은 n형 도판트가 도핑되어 있는 질화물로 형성될 수 있다. n형 도판트는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 또는 주석(Sn) 등을 포함할 수 있다. 제1하부 반도체층(22)은 n형 도판트로 도핑된 제1층과 n형 도판트로 도핑되지 않은 제2층이 교차로 적층된 구조일 수 있다.

제1하부 반도체층(22)은 단층의 n형 질화물층으로 성장시키는 것도 가능할 수 있다. 노출되는 제1하부 반도체층(22)의 상면에는 제1전극(25)이 형성될 수 있다. 제1전극(25)은 Cr/Au막, Cr/Ni/Au막, Ti/Al/Au막 또는 Ti/Ni/pt/Au막을 포함할 수 있다.

제1활성층(23)은 제1하부 반도체층(22) 상에 배치될 수 있다. 제1활성층(23)은 제1하부 반도체층(22) 상부의 일부를 덮을 수 있고, 제1전극(25)과 이격되어 배치될 수 있다.

제1활성층(23)은 외부로부터 인가되는 전원에 의해 광을 생성 할 수 있다. 생성된 광은 제1하부 반도체층(22) 및 제1상부 반도체층(24)으로 진행할 수 있다. 제1활성층(23)은 다수의 양자 우물(Quantum Well) 구조로 이루어진 다중 양자 우물(Multi-Quantum Well, MQW) 구조를 가질 수 있다.

제1활성층(23)은 양자장벽층과 양자우물층을 가질 수 있고, 다중양자우물구조의 제1활성층(23)의 양자장벽층과 양자우물층은 각각 서로 다른 x, y, z조성비를 갖는 알루미늄 갈륨 인듐 나이트라이드(AlxGayInzN, x+y+z=1, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1)로 이루어질 수 있다. 이 때, 양자우물층의 밴드갭은 양자장벽층, 제1하부 반도체층(22) 및 제1상부 반도체층(24)보다 작아야 한다.

제1활성층(23)의 우물층/장벽층은 AlGaN/AlGaN, InGaN/GaN, InGaN/InGaN, GaN/AlGaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 우물층은 장벽층의 밴드 갭보다 작은 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.

제1상부 반도체층(24)은 제1활성층(23) 상에 배치될 수 있다. 제1상부 반도체층(24)은 갈륨 나이트라이드(GaN)계 물질을 포함하는 p형 반도체층일 수 있다. 예를 들어, 제1상부 반도체층(24)은 p형 갈륨 나이트라이드(GaN), p형 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN) 또는 p형 알루미늄 갈륨 인듐나이트라이드(AlGaInN) 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 제1상부 반도체층(24)은 p형 갈륨 나이트라이드(GaN), p형 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN) 또는 p형 알루미늄 갈륨 인듐나이트라이드(AlGaInN) 중 어느 2개 이상을 서로 교차로 적층한 구조일 수 있다. 제1상부 반도체층(24) 상에는 제2전극(26)이 배치될 수 있다.

제2전극(26)은 투명 전극층, Cr/Au막, Ni/Au막, Ni/Ti/Au막 또는 pt/Au막을 포함할 수 있다. 투명 전극층은 투명 전도성 산화물로 이루어지고, 산화 인듐 주석(ITO), 인듐 산화물(CIO), 산화 아연(ZnO) 또는 니켈 산화물(NiO) 중 어느 하나로 형성될 수 있다.

제1활성층(23)과 제1상부 반도체층(24) 사이에는 전자 차단층(EBL)이 배치될 수 있다. 전자 차단층은 제1하부 반도체층(22)에서 공급된 전자가 제1상부 반도체층(24)으로 빠져나가는 흐름을 차단하여, 제1활성층(23) 내에서 전자와 정공이 재결합할 확률을 높일 수 있다. 전자 차단층의 에너지 밴드갭은 제1활성층(23) 및/또는 제1상부 반도체층(24)의 에너지 밴드갭보다 클 수 있다.

전자 차단층은 Inx1Aly1Ga1-x1-y1N(0≤x1≤1, 0≤y1≤1, 0≤x1+y1≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 AlGaN, InGaN, InAlGaN 등에서 선택될 수 있으나 이에 한정하지 않는다.

이하에서는 수평형 발광다이오드로 설명하였으나, 실시 예에 따른 발광다이오드의 구조는 이에 한정하지 않는다. 예시적으로 발광다이오드는 제1전극은 하부에 배치되고 제2전극은 상부에 배치되는 수직형 발광다이오드일 수도 있다.

도 4를 참고하면, 발광다이오드는 제1전극(25)과 제2전극(26)이 모두 일 측에 배치된 플립칩 발광다이오드일 수도 있다. 제1전극(25)과 제2전극(26)은 서브마운트상(27)에 전기적으로 연결될 수도 있다.

도 5는 도 2의 필터의 단면도이고, 도 6은 필터의 파장대별 반사도를 측정한 그래프이고, 도 7은 발광다이오드에서 출사된 광의 파장폭과 필터를 통과한 광의 파장폭을 측정한 그래프이고, 도 8은 밴드 패스필터를 통과한 광의 파장폭을 측정한 그래프이다.

도 5를 참고하면, 필터(60)는 발광다이오드에서 방출된 광의 파장폭을 제어할 수 있다. 필터(60)는 이산화규소 광학층과 이산화티타늄 광학층이 교차로 적층된 구조일 수 있다. 또한, 필터(60)는 SiOX(1≤X≤3) 또는 MgF₂ 중 어느 하나인 제1광학층(64)과 TiOx(1≤X≤3), TaOx(1≤X≤3) 또는 ZrO₂ 중 하나인 제2광학층(65)이 교차로 적층된 구조일 수 있다.

제1광학층(64)은 1.4 내지 1.5의 굴절률을 가지고, 제2광학층(65)은 2.0 내지 3.0의 굴절률을 가질 수 있다.

필터(60)는 기판상에 순차적으로 적층되는 제1반사부(61), 캐비티(62) 및 제2반사부(63)를 포함할 수 있다.

제1반사부(61)와 제2반사부(63)는 서로 상이한 산화물을 포함하는 제1광학층(64)과 제2광학층(65)이 교차로 적층된 구조일 수 있고, 캐비티(62)는 제2광학층(65)이 복수 개로 적층된 구조일 수 있다. 예를 들어, 제1광학층(64)은 이산화규소 광학층일 수 있고, 제2광학층(65)은 이산화티타늄 광학층일 수 있다.

캐비티(62)는 제1광학층(64) 또는 제2광학층(65) 보다 두꺼운 두께를 가질 수 있다. 광학층들의 각각은 광의 파장의 1/4에 해당하는 광학 두께(QWOT)를 가질 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 제1반사부(61)는 4개의 이산화규소 광학층들과 3개의 이산화티타늄 광학층들이 교차로 적층된 구조일 수 있다.

캐비티(62)는 4개의 이산화티타늄 광학층들이 제공된 구조일 수 있다. 제2반사부(63)는 이산화규소 광학층과 이산화티타늄 광학층이 각각 2개가 교차로 적층된 구조일 수 있다. 캐비티(62)는 이산화티타늄 광학층으로만 구성되어 있어 필터(60)로 입력되는 광을 공진 투과시키는 역할을 할 수 있다. 이산화규소 광학층과 이산화티타늄 광학층이 교차로 적층된 한 쌍의 층의 수가 많을수록 필터(60)를 투과하는 광의 스펙트럼 반치폭(half width)이 감소할 수 있다. 스펙트럼의 반치폭(half width)이 감소할수록 특정 대역의 파장을 선택적으로 투과시킬 수 있다.

발광다이오드에서 방출된 광은 제2반사부(63)로 입사되어 기판(65)으로 출사될 수 있다.

도 6을 참고하면, 필터는 350nm 내지 500nm대의 파장대역에서 약 450nm 파장대역만을 투과하고 나머지 파장대역은 모두 반사하도록 설계됨을 알 수 있다.

도 7을 참조하면, 필터를 통과한 제1광(B)의 스펙트럼 반치폭(half width)은 디비알(DBR) 필터를 통과하지 않은 제2광(A)의 스펙트럼 반치폭(half width)보다 좁다.

제1광(B)의 반치폭은 10nm 내지 35nm이고, 제2광(A)의 반치폭은 2nm 내지 10nm일 수 있다.

예시적으로 필터를 통과하지 않은 제1광(A)의 스펙트럼 반치폭(half width)은 18nm이고, 디비알(DBR) 필터를 통과한 제2광(B)의 스펙트럼 반치폭(half width)은 5nm일 수 있다. 이때, 광의 세기는 필터링 전 대비 약 5 내지 25%정도 약해질 수 있다. 그러나, 일반적인 청색 LED의 광 세기는 수십 내지 수백 mW이므로 광신호 전송에는 영향을 미치지 않을 수 있다.

필터는 투과하는 광 스펙트럼의 반치폭(half width)을 제어할 수 있다. 따라서, 필터를 이용하면 파장이 440nm 내지 460nm이고 반치폭이 2 내지 10nm인 광을 제공할 수 있다.

도 8을 참고하면, 필터는 로우밴드 패스필터와 하이밴드 패스필터를 결합하여 제작할 수도 있다. 즉, 450nm 파장대의 광만을 투과시키도록 450nm이하의 광은 하이밴드 패스필터에 의해 차단하고 450nm를 초과하는 광은 로우밴드 패스필터에 의해 차단할 수도 있다. 따라서, 약 450nm의 파장대를 갖는 광만이 필터를 통과할 수 있다.

도 9는 광변조기의 개념도이고, 도 10은 역바이어스를 인가함에 따라 에너지 밴드갭이 변화하는 상태를 보여주는 도면이고, 도 11은 역 바이어스를 인가함에 따라 광변조기의 흡수 파장대가 변화하는 상태를 보여주는 그래프이고, 도 12는 역 바이어스를 인가함에 따라 발광소자에서 출력된 광의 세기가 변화하는 상태를 보여주는 그래프이고, 도 13은 광 모듈에 의해 광 신호가 변조되는 과정을 보여주는 개념도이다.

도 9를 참고하면, 광변조기(30)는 발광다이오드(20)에서 출력된 광(입사광)을 변조할 수 있다. 광변조기(30)의 구조는 특별히 제한하지 않는다. 예시적으로 광변조기(30)는 수평형, 수직형, 및 플립칩 구조가 모두 적용될 수 있다. 이하에서는 수평형 구조를 예시적으로 설명한다.

광변조기(30)는 제2기판(31), 제2하부 반도체층(32), 광흡수층(33), 제2상부 반도체층(34)을 포함할 수 있다.

제2기판(31)은 캐리어 기판 상에 적층될 수 있다. 제2기판(31)은 예를 들어, 사파이어(sapphire) 기판, 갈륨 나이트라이드(GaN) 기판, 산화 아연(ZnO) 기판, 갈륨비소(GaAs) 기판, 갈륨인(GaP) 기판, 리튬 알루미륨 산화물(LiAl2O3) 기판, 보론 나이트라이드(BN) 기판, 알루미늄 나이트라이드(AlN) 기판, 플라스틱 기판 또는 글래스 기판 중 하나를 포함할 수 있다.

제2하부 반도체층(32)은 제2기판(31) 상에 배치될 수 있다. 제2하부 반도체층(32)은 갈륨 나이트라이드(GaN)계 물질을 포함하는 n형 반도체층일 수 있다. 예를 들어, 제2하부 반도체층(32)은 갈륨 나이트라이드(GaN), 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN), 인듐 갈륨 나이트라이드(InGaN) 또는 알루미늄 갈륨 인듐 나이트라이드(AlxGayInzN, x+y+z=1, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1) 중 어느 하나일 수 있다.

제2하부 반도체층(32)은 n형 도판트가 도핑되어 있는 질화물로 형성될 수 있다. n형 도판트는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 또는 주석(Sn) 등을 포함할 수 있다. 제2하부 반도체층(32)은 n형 도판트로 도핑된 제1층과 n형 도판트로 도핑되지 않은 제2층이 교차로 적층된 구조일 수 있다.

제2하부 반도체층(32)은 단층의 n형 질화물층으로 성장시키는 것도 가능할 수 있다. 노출되는 제2하부 반도체층(32)의 상면에는 제3전극(35)이 형성될 수 있다. 제3전극(35)은 Cr/Au막, Cr/Ni/Au막, Ti/Al/Au막 또는 Ti/Ni/pt/Au막을 포함할 수 있다.

광흡수층(33)은 광학채널에 직접 연결되어 발광다이오드(20)에서 발생되는 빛을 전달받을 수 있다. 광흡수층(33)는 발광다이오드에서 출력된 광을 흡수 또는 투과할 수 있도록 발광다이오드의 활성층과 거의 유사한 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.

광흡수층(33)은 제2하부 반도체층(32) 일부를 덮을 수 있고, 제3전극(35)과 이격되어 배치될 수 있다. 광흡수층(33)은 외부(예를 들면, 구동칩)로부터 제공되는 전기적 신호에 의해 광을 변조할 수 있다.

광흡수층(33)은 다수의 양자 우물(Quantum Well) 구조로 이루어진 다중 양자 우물(Multi-Quntum Well, MQW) 구조를 가질 수 있다. 광흡수층(33)은 갈륨 나이트라이드(GaN)계 물질을 포함할 수 있다.

광흡수층(33)은 양자장벽층과 양자우물층을 가질 수 있고, 다중양자우물구조의 광흡수층(33)의 양자장벽층과 양자우물층은 각각 서로 다른 x, y, z조성비를 갖는 알루미늄 갈륨 인듐 나이트라이드 (AlxGayInzN, x+y+z=1, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1)으로 이루어질 수 있다. 이 때, 양자우물층의 밴드갭은 양자장벽층, 제2하부 반도체층(32) 및 제2상부 반도체층(34)보다 작을 수 있다.

광흡수층(33)이 Ga polar InGaN 양자우물층/ GaN 양자장벽층 구조를 갖는 경우, 제로 바이어스(Zero bias)에서 광흡수층(33)의 밴드갭이 발광다이오드의 밴드갭과 같게 조절될 수 있다. 그러나, 역바이어스를 광변조기에 가하면 변조기의 밴드갭이 발광다이오드의 밴드갭보다 커지게 된다.

발광다이오드의 밴드갭이 2.0 내지 3.0eV인 구간에서 광 스펙트럼의 반치폭은 약 15~40nm이다. 광변조기에 외부 바이어스를 인가하여 15nm 내지 40nm파장 대역의 약 0.5배 내지 3배를 커버하여야 한다. 따라서, 광흡수층의 에너지 밴드갭은 활성층의 에너지 밴드갭의 0.85배 내지 1.15배일 수 있다. 역바이어스에 의해 조절될 수 있는 광흡수층의 에너지 밴드갭은 50meV 내지 300meV일 수 있다.

제2상부 반도체층(34)은 광흡수층(33) 상에 배치될 수 있다. 제2상부 반도체층(34)은 갈륨 나이트라이드(GaN)계 물질을 포함하는 p형 반도체층일 수 있다. 예를 들어, 제2상부 반도체층(34)은 p형 갈륨 나이트라이드(GaN), p형 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN) 또는 p형 알루미늄 갈륨 인듐나이트라이드(AlGaInN) 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 제2상부 반도체층(34)은 p형 갈륨 나이트라이드(GaN), p형 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN) 또는 p형 알루미늄 갈륨 인듐나이트라이드(AlGaInN) 중 어느 2개 이상을 서로 교차로 적층한 구조일 수 있다.

도 10의 (a)를 참고하면, GaN 계열의 반도체 소자는 양자우물층 및 양자장벽층의 에너지 밴드갭(G1)이 비대칭하게 형성된다. 이는 광흡수층 내부에 강한 압전 전기장(piezoelectric field)이 존재하기 때문이다. 이러한 압전 전기장은 다양한 원인에 의해 유발될 수 있다. 예시적으로 압전 자기장은 격자 상수 부정합에 의한 스트레인(strain)에 의해 유발될 수 있다.

그러나, 도 10의 (b)와 같이 광흡수층에 역바이어스가 인가되면 에너지 밴드(G2)는 상대적으로 평탄해지면서 밴드갭이 커질 수 있다(G3).

광흡수층이 흡수하는 파장은 에너지 밴드갭에 의해 결정된다. 도 11을 참고하면, 제로 바이어스에서는 제1흡수파장대역(201)을 갖다가 역바이어스 전압이 인가되면 단파장으로 흡수파장대역(202)이 시프트될 수 있다.

도 12를 참고하면, 역바이어스 전압이 인가되기 전에는 발광소자가 출력한 광의 강도는 거의 관찰되지 않는다(203). 즉 발광소자에서 출력된 광은 대부분 광흡수층에 의해 흡수된다.

그러나, 역바이어스 전압이 인가된 후에는 광이 강도가 높아짐을 확인할 수 있다(204). 즉, 역바이어스 전압에 의해 광흡수층의 흡수 파장대가 변화하여 발광소자에서 출력된 광을 흡수하지 않는 것을 확인할 수 있다.

도 13을 참조하면, 광 송신모듈(5)은 전기신호(E1)를 이용하여 광신호(L1)를 변조할 수 있다. 전기신호(E1)를 제공할 때를 “1 상태”, 전기적인 신호(E1)를 제공하지 않을 때를 “0 상태”라 할 수 있다. 여기서 전기신호(E1)는 역바이어스 전압일 수 있다.

“1 상태”일 때, 광 송신모듈(5)은 광신호(L1)를 방출할 수 있고(On-state), “0 상태”일 때 광 송신모듈(5)은 광신호(L1)를 방출하지 않을 수 있다(Off-state). 이에 따라, 광 송신모듈(5)은 주기를 가지며 광신호(L1)를 방출하거나(On-state) 방출하지 않는(Off-state) 펄스 광신호(Pulsed light signal)를 출력할 수 있다.

실시 예에 따른 광 송신모듈(5)은 단거리 통신에 이용될 수 있다.

예를 들어, 광 송신모듈(5)은 지능형 교통시스템(ITS), 영상 통신(visual communication), 유선 근거리 광통신(Short distance optical fiber communication), 인트라넷(intranet), 홈 네트워킹 및 유/무선 사물인터넷(IoT) 등에 이용될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 광 송신모듈(5)은 향후 수백 Mbps 내지 수십 Gbps의 전송속도를 가지는 테이터 전송망에 이용될 수 있다.

도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 송수신모듈의 개념도이고, 도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 송신모듈의 개념도이고, 도 16은 도 15의 제1변형 예이고, 도 17은 도 15의 제2변형 예이고, 도 18은 도 15의 제3변형 예이고, 도 19는 도 18의 중공관을 보여주는 도면이고, 도 20은 도 15의 제4변형 예이고, 도 21은 필터를 통과하면서 변화하는 파장폭을 보여주는 그래프이다.

도 15를 참고하면, 광 송신모듈(5A)은 발광다이오드(20), 발광다이오드(20)에서 출사된 제1광(L11)을 변조하는 광변조기(30), 및 발광다이오드(20)와 광변조기(30)가 배치되는 광학부재(10)를 포함할 수 있다.

광학부재(10)는 발광다이오드(20)가 배치되는 제1영역(11), 광변조기(30)가 배치되는 제2영역(12), 및 제1영역(11)과 제2영역(12)을 광학적으로 연결하는 제3영역(13)을 포함할 수 있다. 광학부재(10)는 SiOB(Silicon Optical Bench)일 수 있다.

실시 예에 따른 광 송신모듈(5A)은, 실리콘 포토닉스 기반의 일체형 회로 칩일 수 있다. 예시적으로 광학벤치에 발광다이오드, 광변조기, 광도파로 등이 일체로 구현될 수 있다. 또한, 수광소자, 광 분리기(Y-branch), 광 필터, 외부와 광결합을 위한 광결합기(grating coupler, edge coupler) 등이 추가적으로 구현될 수도 있다.

발광다이오드(20)는 제1영역(11)에 배치될 수 있다. 발광다이오드(20)는 제1방향으로 삽입 배치될 수 있다. 제1방향은 발광다이오드(20)의 두께 방향과 평행한 방향(X방향)일 수 있다. 따라서, 발광다이오드(20)는 제1방향으로 광을 출력할 수 있다.

발광다이오드(20)는 각 전극(15a, 15b)과 연결되어 구동전류가 인가될 수 있다. 발광다이오드(20)의 종류는 특별히 한정하지 않는다. 도면상에서는 수평형을 도시하였으나, 수직형, 플립칩 구조도 선택될 수 있다. 발광다이오드의 구조에 따라 전극 배치는 적절히 조절될 수 있다. 발광다이오드(20)는 전술한 내용이 그대로 적용될 수 있다.

광변조기(30)는 제2영역(12)에 배치될 수 있다. 광변조기(30)는 발광다이오드(20)와 동일하게 제1방향으로 삽입될 수 있다. 광변조기(30)의 구체적인 구성은 전술한 내용이 그대로 적용될 수 있다. 광변조기(30)는 역바이어스 전압이 인가되면 광을 통과시키고, 제로 바이어스에서는 광을 흡수할 수 있다.

광학부재(10)의 제3영역(13)에는 반사경(16)이 배치될 수 있다. 반사경(16)은 제1방향으로 출력된 제1광을 제2방향(Y방향)으로 반사할 수 있다. 제2방향은 제1방향과 교차하는 방향이다. 예시적으로 제1방향과 제2방향은 서로 수직할 수 있다. 이러한 구조는 수평형 광 송신모듈을 가능하게 한다.

광(L12)은 제3영역(13)에 마련된 광 도파로(17)에 의해 가이드되어 광변조기(30)의 측면으로 주입될 수 있다. 즉, 제3영역(13)은 발광다이오드(20)에서 출력된 광을 광변조기(30)의 광흡수층(33)에 주입하는 광학적 채널일 수 있다.

광흡수층을 통과한 광(L13)은 외부 광섬유(211)에 입사되어 외부로 전송될 수 있다. 광학적 결합을 위해 광변조기(30)와 외부 광섬유(211)사이에는 렌즈 등이 더 배치될 수 있다.

도 16을 참고하면, 광 도파로(17)는 광변조기(30)에 가까워질수록 직경이 작아지도록 경사면(17a)이 형성될 수 있다. 이러한 구성에 의하면 광 도파로(17)의 끝단에서 광이 퍼지는 현상을 억제할 수 있다.

광 도파로(17)는 복수 개의 도파로가 모듈화된 구조(bundle waveguide)일 수 있다. 그러나, 광 도파로(17)의 구조는 반드시 이에 한정하지 않고, 도 17과 같이 일반적인 광 도파로(18)가 선택될 수도 있다. 광 도파로는 경사면(18a)을 가질 수 있다.

도 18 및 도 19를 참고하면, 제3영역(13)은 튜브 형상의 중공관(19), 및 중공관(19)에 배치되는 필터(60)를 포함할 수 있다.

필터(60)는 로우밴드 패스필터, 하이밴드 패스필터, 및 이들이 결합된 필터일 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 필터(60)에 의해 원하는 파장대의 광만을 필터링할 수 있다.

중공관(19)은 내부에 반사층(19a)이 형성될 수 있다. 반사층(19a)은 반사율이 높은 Al, Ag등을 포함할 수 있으나 이에 한정하지 않는다. 반사층(19a)은 저온 및 고온(150도 이상)에서도 반사도를 유지할 수 있어 온도 영향을 최소화할 수 있다. 반사층의 재질은 중공관(19)의 재질에 따라 적절히 선택될 수 있다.

예시적으로 중공관(19)은 플라스틱 또는 금속관일 수 있다. 중공관(19)의 내경은 수십um에서 수 mm일 수 있다. 중공관(19)의 내경은 전송거리 및 용도에 따라 적절히 조절될 수 있다.

도 20을 참고하면, 제3영역(13)은 복수 개의 격자(grating, 14)가 형성될 수 있다. 이러한 복수 개의 격자(14)는 제1광(L11)을 원하는 파장대로 제어할 수 있다. 격자(14)와 광변조기(30) 사이에는 별도의 필터(60)가 더 배치될 수 있다.

도 21을 참고하면, 발광다이오드(20)에서 출력된 광의 스펙트럼(213)이 가장 폭이 넓고 필터(60)를 통과한 광의 스펙트럼(211)이 가작 폭이 작음을 알 수 있다.

즉, 발광다이오드(20)에서 출력된 광은 점차 파장폭이 좁아지고 강도가 낮아짐을 알 수 있다. 이러한 구성에 의하면 원하는 파장대의 광만을 필터링할 수 있어 상대적으로 낮은 동작전압으로 구동할 수 있다.

Claims (11)

1. 발광다이오드;
   상기 발광다이오드에서 출사된 제1광을 변조하는 광변조기; 및
   상기 발광다이오드와 광변조기 사이에 배치되어 상기 제1광의 반치폭을 감소시키는 필터를 포함하고,
   상기 발광다이오드와 광변조기는 GaN을 포함하고,
   상기 제1광은 청색 또는 녹색 파장대의 광이고,
   상기 발광다이오드는, 제1하부 반도체층; 상기 제1하부 반도체층 상에 배치된 활성층; 및 상기 활성층 상에 배치된 제1상부 반도체층을 포함하고,
   상기 광변조기는, 제2하부 반도체층; 상기 제2하부 반도체층 상에 배치되어 상기 발광다이오드에서 출력된 광을 흡수하는 광흡수층; 및 상기 광흡수층 상에 배치되는 제2상부 반도체층을 포함하고,
   상기 활성층과 상기 광흡수층은 복수 개의 양자우물층과 복수 개의 양자장벽층이 적층된 구조를 갖고,
   상기 광흡수층은 역바이어스 전압 인가시 에너지 밴드갭이 커져 상기 제1광을 통과시키는 광 송신모듈.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 필터는 제1굴절률을 갖는 제1광학층, 및 제2굴절률을 갖는 제2광학층을 포함하고, 상기 제2굴절률은 상기 제1굴절률보다 높은 광 송신모듈.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 발광다이오드와 상기 광변조기는 질화물 반도체층을 포함하는 광 송신모듈.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 활성층 및 광흡수층은 GaN을 포함하고,
   상기 광흡수층의 에너지 밴드갭은 상기 활성층의 에너지 밴드갭의 0.85배 내지 1.15배인 광 송신모듈.
   
8. 삭제
9. 제1항에 있어서,
   상기 광흡수층은 역바이어스 전압 인가시 흡수 파장대가 상기 제1광의 파장대보다 짧아지는 광 송신모듈.
   
10. 제1항, 제3항, 제4항, 제7항 및 제9항 중 어느 한 항에 따른 광 송신모듈을 포함하는 광트랜시버.
    
11. 제10항에 따른 광트랜시버를 포함하는 통신 시스템.

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