KR102353185B1 - 개선된 광전류 균일성을 갖는 전자-흡수 변조기 - Google Patents

개선된 광전류 균일성을 갖는 전자-흡수 변조기 Download PDF

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Abstract

활성 영역을 따라 광전류 밀도의 균일성을 개선하도록 구조화 및/또는 동작되는 통합된 전자-흡수 변조기들(EAM)이 개시된다. 다양한 실시예들에서, 이러한 개선은 예를 들어, 후방의 영역을 가열하거나, EAM에 걸쳐 인가되는 바이어스 전압을 후방을 향해 증가시키거나, 후방을 향하는 진성 층의 재료 조성을 변화시킴으로써 달성되는 바와 같이, EAM의 후방에서의 증가된 광학 흡수에 기인한다. 다른 실시예에서, 개선은 도파관의 테이퍼링된 섹션과 EAM 사이의 중첩을 이용하여, EAM의 길이를 따라 연속적으로 도파관으로부터 EAM 활성 영역 내로 빛을 결합시킴으로써 달성된다.

Description

개선된 광전류 균일성을 갖는 전자-흡수 변조기{ELECTRO-ABSORPTION MODULATOR WITH IMPROVED PHOTOCURRENT UNIFORMITY}
본 개시내용은 전자-흡수 변조기들(electro-absorption modulators, EAM)에서의 성능 개선들에 관한 것이다.
전기통신 애플리케이션들에서 광학 신호들의 강도 변조는 종종 전자-흡수 변조기들(EAM)에 의해 달성된다. EAM들은 전기장의 인가에 의해 광학 흡수 특성들이 변경될 수 있는 반도체 디바이스들로서, 들어오는 고속 전압 신호가 고속 광학 신호로 변환될 수 있게 한다. 광학 입력을 제공하기 위해 레이저 다이오드와 일체화된 EAM은 광자 집적 회로(photonic integrated circuit, PIC) 내에 광학 데이터 전송기를 형성할 수 있다. 동작 중에 EAM들은 자체-가열되므로, 성능 저하를 수반할 수 있다.
도 1a는 예시적인 EAM의 개략 평면도이다;
도 1b는 도 1a의 EAM의 활성 영역을 통한 개략 단면도이다;
도 1c는 활성 영역에 인접한 도 1a의 EAM의 영역을 통한 개략 단면도이다;
도 1d는 도 1a 내지 도 1c의 EAM에 대한 단순화된 개념 회로도이다;
도 1e는 3개의 병렬 세그먼트들에 의해 EAM 다이오드를 표현하는 도 1a 내지 도 1c의 EAM에 대한 개념 회로도이다;
도 2는 도 1a 내지 도 1e에 도시된 바와 같은 예시적인 EAM과 연관된 불균일한 광전류 밀도의 그래프이다;
도 3a는 제1 실시예에 따라, 후단에 히터를 포함하는 예시적인 EAM의 개략 평면도이다;
도 3b 및 도 3c는 일례에 따라 히터에 대한 전기 연결들을 도시한, 히터를 따른 2개의 위치들에서 히터의 영역을 통한 도 3a의 EAM의 개략 단면도들이다;
도 3d는 일례에 따라 히터 구성을 도시한, 히터의 영역에서의 도 3a의 EAM의 보다 상세한 평면도이다;
도 3e는 도 3a 내지 도 3d의 EAM에 대한 개념 회로도이다;
도 4a는 제2 실시예에 따라, 다수의 바이어스 전압들을 갖는 예시적인 EAM의 개략 평면도이다;
도 4b는 전기 접촉 영역을 통한 도 4a의 EAM의 개략 단면도이다;
도 4c는 전기 절연 영역을 통한 도 4a의 EAM의 개략 단면도이다;
도 4d는 도 4a 내지 도 4c의 EAM에 대한 개념 회로도이다;
도 5a는 제3 실시예에 따라 변하는 재료 조성을 갖는 예시적인 EAM의 활성 영역의 전방에서의 개략 단면도이다;
도 5b는 도 5a의 예시적인 EAM의 활성 영역의 중앙에서의 개략 단면도이다;
도 5c는 도 5a의 예시적인 EAM의 활성 영역의 후방에서의 개략 단면도이다;
도 5d는 도 5a 내지 도 5c의 EAM에 대한 개념 회로도이다;
도 6은 제3 실시예에 따라 변하는 재료 조성을 갖는 EAM 다이오드들을 제조하는 단계들을 도시하는 웨이퍼 평면도들의 시퀀스이다;
도 7a는 제4 실시예에 따라, EAM 다이오드 내로 빛을 결합시키는 도파관의 테이퍼링된 영역과 중첩된 활성 영역을 갖는 예시적인 EAM의 개략 평면도이다;
도 7b는 활성 영역의 전방에서의 도 7a의 EAM의 개략 단면도이다;
도 7c는 활성 영역의 후방에서의 도 7a의 EAM의 개략 단면도이다;
도 8은 다양한 실시예들에 따라 EAM의 동작 설정값을 교정하는 방법들의 흐름도이다;
도 9a는 예시적인 종래의 EAM에 따른 온도 및 정규화된 광전류 밀도의 그래프이다;
도 9b는 제1 실시예에 따라, 도 3a 내지 도 3d에 도시된 바와 같이, 후단에 히터를 갖는 예시적인 EAM을 따른 온도 및 정규화된 광전류 밀도의 그래프이다.
본 개시내용은 더 나은 광전류 균일성에 의해 달성되는 개선된 성능 특성들을 갖는 통합된 EAM들에 관한 것이다.
통합된 EAM들은 일반적으로 p형과 n형 도핑된 층들 사이에 끼워 넣어진 도광(light-guiding) 진성 반도체 층을 포함하는 수직 다이오드 메사들(mesas)로서 구조화되고, 빛을 진성 층의 안팎으로 결합시키는 도파관 위에 배치되고, 빛 전파의 방향에 수직으로 진성 층에 걸쳐 전압을 인가하기 위해 메사의 최상부 및 측면(들) 상의 전기 접촉부들을 가지며; 전압이 인가되는 영역은 변조가 발생하는 EAM의 활성 영역을 형성한다. 실리콘-광자(Silicon-photonics) EAM들은 일반적으로 SOI(silicon-on-insulator) 기판에 결합된 Ⅲ-Ⅴ 재료들로 구현되지만, EAM들은 SOI 기판에의 부착을 수반하지 않는 다른 재료 플랫폼들에서도 널리 구현된다. 많은 구현들에서, 진성 층은 높은 소광비들(extinction ratios)을 위해 양자-제한 슈타르크 효과(quantum-confined Stark effect)를 이용하기 위한 양자 우물 구조를 포함한다.
광학 신호의 전자-흡수 변조의 시작에서, 자체-가열 전에, EAM에서의 흡수율은 일반적으로 활성 영역의 길이를 따라 일정하고, 이는 광학 전력의 대략 일정한 비율(fraction)이 활성 영역의 전방(빛이 들어오는 곳)과 후방(빛이 나오는 곳)사이의 마이크로미터마다 흡수됨을 의미한다. 그러나, 빛이 디바이스를 따라 전파되고 흡수됨에 따라(광전류를 생성함으로써), 생성된 광전류의 전류 밀도와 마찬가지로 광학 전력이 후방을 향해 감소하는데, 이는 주어진 위치에서의 광학 전력의 일정한 비율이다. 해당 위치에서 더 높은 광전류 밀도로 인해 주로 전방에서 EAM이 자체-가열되므로, 전방에서의 흡수율이 증가하여(더 높은 온도로 인해), 광전류 밀도의 불균일성을 악화시킨다. 많은 경우들에, EAM의 활성 영역의 전단에서 매우 높고 활성 영역의 후단에서 매우 낮은 전기 전류 밀도가 발생한다. 이 불균일한 전류 밀도는 EAM의 성능에 부정적으로 영향을 미치는데, 왜냐하면 가장 높은 광전류를 갖는 영역들에서 EAM의 직렬 저항과 연관된 전압 강하를 증가시켜, 활성 영역의 진성 층에 걸쳐 더 낮은 전압 스윙(voltage swing)이 유지되게 하기 때문이다. 더 낮은 전압 스윙은 이어서, 전자-광 변화의 정도를 감소시키고, 따라서 EAM의 광학 변조 진폭(즉, 변조된 광학 신호의 최대 전력 레벨들과 최소 전력 레벨들 사이의 차이) 및 소광비(즉, 변조된 광학 신호의 최대 전력 레벨 대 최소 전력 레벨의 비율)를 감소시키며; 일부 경우들에, 활성 영역의 전에서의 광전류 밀도는 무시할 수 있는 소광비를 야기하도록 높아져서, 활성 영역의 길이를 효과적으로 감소시킨다. 높은 광학 전력들(예를 들어, 약 1
Figure 112020030719679-pat00001
이하의 유효 모드 영역의 경우 10mW보다 큼) 및 연관된 높은 광전류 밀도에서, EAM 성능은 활성 영역의 전방에서 캐리어 포화에 의해 더 영향을 받을 수 있으며, 이는 디바이스의 전기 대역폭을 감소시킬 수 있다. 높은 전류 밀도는 또한 과도한 자체-가열(예를 들어, 50℃ 초과의 온도 상승)을 유발하여, 구성 요소가 손상되거나 구성 요소 동작 수명이 단축될 수 있다. 개선된 광학 변조 진폭, 소광비, 대역폭 및 광학 전력 핸들링(handling)을 달성하기 위해 이러한 다양한 효과들을 완화시키는 것이 바람직하다.
다양한 실시예들에서, EAM의 활성 영역의 길이를 따라(즉, EAM 내에서 빛 전파의 방향으로) 보다 균일한 전류 밀도를 달성하여 증가된 광학 변조 진폭 및 소광비, 더 큰 대역폭(더 높은 신호 속도들을 가능하게 함) 및 더 나은 전력 핸들링(열 폭주 및 디바이스 고장의 위험이 감소함)을 야기하는 EAM 구조들, 및 연관된 교정 및 동작 방법들이 본 명세서에 개시된다. 일부 실시예들은 활성 영역의 전방으로부터 후방을 향하여 광전류 밀도를 균일하게 하기 위해 EAM의 광학 흡수 계수를 증가시키는 것을 수반한다. 일 실시예에서, 활성 영역을 따른 흡수 계수의 이러한 변화는 통합된 히터로 활성 영역의 후방에 열을 가함으로써 달성되며, 이는 그 영역에서 흡수 계수를 증가시킨다. 다른 실시예에서, EAM은 활성 영역의 길이를 따라 상이한 위치들에서 2개 이상의 개별적으로 제어된 직류(DC) 바이어스 전압들을 제공하는 금속 접촉부들을 구비하고, 인가된 DC 바이어스 전압은 흡수를 증가시키기 위해 활성 영역의 후방을 향하여 증가된다. 제3 실시예에서, 진성 층의 재료 특성들(예를 들어, 원소 조성 또는 양자 우물 치수들)은 활성 영역의 길이를 따라 변하며, 가장 흡수성이 높은 재료는 후단에 위치된다. 다른 접근법에서, 흡수 계수 대신에, EAM 다이오드 내로의 빛의 결합은, 예를 들어, 활성 영역의 전방이 EAM 다이오드 내로 빛을 결합하는 (실리콘) 도파관의 다운-테이퍼링된 영역과 중첩되도록 함으로써, 디바이스의 길이를 따라 변화된다. 이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 다양한 실시예들이 상세히 설명될 것이다.
도 1a는 빛을 다이오드 구조물(102)의 안팎으로 결합하는 리지 도파관(ridge waveguide)(104) 위에 배치된 길쭉한 다이오드 구조물(102)(이 도면에서 다이오드 구조의 최하부 층의 윤곽으로 도시됨)을 포함하는 예시적인 EAM(100)의 개략 평면도이다. EAM(100)은 최상부 및 측방향 전기 접촉부들(106, 108)을 더 포함하며, 다이오드 구조물(102)의 길이를 따른 이들의 범위는 EAM의 활성 영역(110)을 정의하며, 여기서 인가된 전기 신호를 통해 빛 변조가 발생한다. EAM(100)의 광학 입력 및 변조된 광학 출력에 대해 화살표들(112, 114)로 표시된, 도파관(104) 및 다이오드 구조물(102)을 통해 빛이 전파되는 방향은 각각 활성 영역(110)의 전단 및 후단(116, 118)을 정의한다.
도 1b 및 도 1c는 예시적인 EAM(100)의 2개의 개략 단면도들을 제공하는데, 하나는 활성 영역(110)을 통해 취해진 것이고(도 1b), 다른 하나는 활성 영역(110)에 인접한(예를 들어, 앞서거나 뒤따르는) 영역을 통해 취해진 것이다. 도시된 바와 같이, 이 실시예에서, 도파관(104)은 예를 들어 실리콘 핸들, 매장 산화물 층 및 실리콘 디바이스 층(120)을 포함하는 SOI(silicon-on-insulator) 기판과 같은, 반도체-온-절연체 기판(122)의 디바이스 층(120)에 형성된 리브 도파관(rib waveguide)이다. 실리콘 대신에, 디바이스 층(120)은 예를 들어 다이아몬드 또는 게르마늄 층일 수 있다. 임의적으로(optionally), 얇은 유전체(예를 들어, 산화물) 층(도시되지 않음)에 의해 도파관으로부터 분리될 수 있는 다이오드 구조물(102)은 도핑된 최하부 층 또는 "스트립(strip)"(124)을 포함하고, 도핑된 최하부 스트립(124)의 최상부에는, 최하부 스트립(124)보다 훨씬 좁고 빛 전파의 방향으로 연장되는 층상 메사(layered mesa)(126)(평평한 상판과 같은 구조물)가 형성되어, 도파관(104) 위에 릿지를 형성한다. 메사(126)는 진성 층(128) 및 도핑된 최상부 층(130)을 포함한다. 폭이 동일한 것으로 도시되어 있지만, 진성 및 도핑된 최상부 층들(128, 130)은 이와 달리 폭이 상이할 수 있으며, 약간 더 넓거나 좁은 진성 층(128)을 갖는다. 다이오드 구조물(102)은 화합물 반도체(즉, 둘 이상의 원소들로 제조된 반도체 재료들)로 제조될 수 있고, 따라서 도파관(104)과 함께 이종 도파관 구조물을 형성한다. 적절한 화합물 반도체들은 예를 들어 Ⅲ-Ⅴ 재료들(예를 들어, 인듐 인화물(InP) 또는 갈륨 비소(GaAs)와 같은) 또는 Ⅱ-Ⅵ 재료들(예를 들어, 셀렌화 카드뮴(CdSe) 또는 산화 아연(ZnO)과 같은)을 포함한다. 진성 층(128)은 최하부 및 최상부 층들(124, 130)과는 상이한 반도체 화합물로 제조될 수 있으며; 예를 들어, 다이오드 구조물(102)은 도핑된 InP 층들 사이에 진성 InAlGaAs 층을 포함할 수 있다. 또한, 진성 층(128)은 벌크 반도체 층일 수 있거나, 이와 달리 양자 우물들, 양자 도트들(dots) 또는 양자 대시들(dashes)로 구성될 수 있다. EAM(100)은 도파관(104)을 생성하기 위한 기판(122)의 리소그래피 패터닝(lithographic patterning) 및 에칭(etching)에 의한 것과 같은 표준 반도체 제조 기술들, 및 그에 후속하는 다이오드 구조물(102)을 생성하기 위한 화합물 반도체 재료의 스택(stack)의 결합과 화합물 반도체의 리소그래피 패터닝 및 에칭으로 제조될 수 있다.
기능적으로, 다이오드 구조물(102)은 p-i-n 다이오드(p-도핑된, 진성 및 n-도핑된 층들을 가짐)이다. 다이오드 구조물(102)의 최하부 층(124)은 종종 n- 도핑되고 최상부 층(130)은 p-도핑되지만(이하에 특정성을 위해 가정됨), n형 및 p형 층들로서의 최하부 및 최상부 층들(124, 130)의 역할들은 또한 반전될 수 있다. EAM 다이오드는 n형 층(음극)에 연결된 단자가 p형 층(양극)에 연결된 단자보다 더 큰 전압을 갖도록, 동작시 역 바이어스된다. 도 1b에 도시된 바와 같이 활성 영역(110)에서, p형(접지 또는 음의 전압) 전기 단자(132)는 직접적으로 또는 최상부 층(130) 상에 배치된 임의적 p형 접촉 층(134)을 통해서 다이오드 구조물(102)의 p형 최상부 층(130)에 전기 최상부 접촉부(106)를 제공하고, n형(양의 또는 접지 전압) 전기 단자(136)는 직접적으로(도시된 바와 같음) 또는 임의적으로 얇은 접촉 층(도시되지 않음)을 통하는 것과 마찬가지로, 메사(126)의 한쪽 또는 양쪽에 최하부 스트립(124)을 갖는 하나 이상의 측방향 전기 접촉부(108)를 확립한다. 전기 단자들(132, 136)은 다이오드에 걸친 변조를 위해 직류(DC) 바이어스 전압 및/또는 교류(AC), 무선 주파수(RF) 신호 전압을 인가하는 역할을 한다. 구조적으로, 전기 단자들(132, 136)은 적절한 금속(예를 들어, 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 티타늄 질화물(TiN) 또는 아연(Zn)) 또는 다른 전기적으로 전도성의 물질로 채워진 다이오드 구조물(102)을 둘러싸는 최상부 클래딩(cladding)에 형성된 수직 채널들로서 구현된 전도성의 비아들일 수 있다.
EAM(100)의 동작에서, 빛은 (실리콘) 도파관(104)으로부터 활성 영역(110)의 전방(116)의 또는 그 직전의 영역에서 다이오드 구조물(102)(화합물 반도체 도파관으로서 기능함)의 진성 층(128) 내로 결합되고, 활성 영역(110)의 후방(118)에서 또는 그 직후에 다이오드 구조물(102)로부터 도파관(104) 내로 다시 되돌아 온다. 이러한 결합은, 도 1c에 도시된 활성 영역(110) 외부의 더 큰 폭과 도 1b에 도시된 활성 영역(100) 내부의 더 작은 폭 사이에서, 도파관(104)을 테이퍼링함으로써 달성된다. 도 1b 및 도 1c에 개념적으로 도시된 바와 같이, 활성 영역(110) 내부에서 광학 모드(138)는 주로 진성 층(128)에서 운반되는 반면, 활성 영역 외부(다이오드 구조가 전기 단자(132, 136)에 의해 접촉되지 않음)에서 광학 모드(138)는 주로 도파관(104)에서 운반된다.
도 1d는 도 1a 내지 도 1c의 EAM에 대한 단순화된 개념 회로도이다. 본 명세서에서, 다이오드 구조물(102)은 접합 커패시턴스 CJ를 갖는 이상적인 다이오드(140) 및 저항 RS를 직렬로 갖는 옴 저항기(142)에 의해 표현되며, 이들은 양극 단자(136)와 접지(음극 단자 제공)(132) 사이에 연결된다. 구동기 회로(144)는 DC 바이어스 전압(VDC) 및 AC 변조 신호 전압(VAC)을 인가한다. 도 1e는 각각 이상적인 다이오드 및 저항기를 직렬로 포함하는, 3개의 병렬 세그먼트들(146, 148, 150)을 갖는 다이오드 구조물(102)을 표현함으로써 활성 영역(110)의 길이를 따른 다이오드 구조물(102)의 물리적 범위를 고려한 다른 개념 회로도이다. 3개의 세그먼트들(146, 148, 150)의 전체 접합 커패시턴스 CJ 및 직렬 저항 RS에 대해, 접합 커패시턴스 CJ의 3분의 1 및 직렬 저항 RS의 3배가 각각의 세그먼트들(146, 148, 150)과 연관된다.
도 2는 도 1a 내지 도 1e에 도시된 EAM(100)과 같은 EAM들과 종종 연관되는 불균일한 광전류 밀도(200)의 그래프이다. 광전류 밀도(200)는 150㎛ 길이의 활성 영역에 따른 위치의 함수로서 플로팅되며, 영역에서 0㎛는 전방이고 150㎛는 후방이다. 또한, 비교를 위해, 불균일한 전류 밀도(200)의 평균에 대응하는 균일한 광전류 밀도(202)가 플로팅되어 있다. 알 수 있는 바와 같이, 활성 영역의 전방 부분에서의 불균일한 광전류 밀도(200)(예를 들어, 도 1e의 세그먼트(146)에 대응함)가 높다. 결과적으로 전방 부분은 직렬 저항을 통해 높은 전압 강하를 경험하고, 따라서 EAM 다이오드 접합에 걸쳐서 감소된 전압 스윙을 경험한다. 이 감소된 전압 스윙은 결국 이 영역에서 감소된 광학 전송 변화를 야기하고, 따라서 감소된 소광비 및 광학 변조 진폭을 야기한다. 활성 영역의 후방 부분에서, 광전류 밀도가 낮고, 이는 직렬 저항을 통한 낮은 전압 강하를 야기하고, EAM 다이오드 접합을 통한 전압 스윙을 손상시키지 않는다. 결과적으로, 후방 부분의 소광비가 양호하고 변조 진폭이 높다. 그러나, 후방에서의 광학 전력의 비율은 전방에서보다 작으므로, 후방에서의 높은 광학 변조 진폭은 전방에서의 광학 변조 진폭의 저하를 완전히 보상하지 못한다. 고정 입력 광학 전력의 경우, EAM은 생성된 광전류(흡수된 광학 전력에 대응함)가 활성 영역의 길이를 따라 균일할 때 더 높은 소광비 및 광학 변조 진폭을 제공할 수 있다.
EAM 성능을 감소시키는 것 외에도, 불균일한 광전류 밀도는 예를 들어 열 폭주를 겪을 수 있는 단일 핫스팟에서, 활성 영역의 전방 부분의 과도한 가열을 야기할 수 있으며, 이는 EAM들의 잘 알려진 고장 모드이다. 과열의 위험은 디바이스에 결합될 수 있는 최대 광학 전력을 제한한다. 불균일한 광전류 밀도의 또 다른 단점은 대역폭에 미치는 영향이다. 일반적으로, EAM 대역폭은 더 낮은 마이크로웨이브 임피던스로 인해 광전류가 증가함에 따라 개선된다(즉, 증가하여, 더 빠른 신호 변조를 용이하게 한다). 양자 우물들에서 캐리어 축적이 일어날 때까지 광전류에 의한 이러한 증가는 계속되고; 일단 광생성된 캐리어들이 충분히 빠르게 제거될 수 없으면, 대역폭이 저하된다(더 느린 신호 변조를 야기함). 따라서, 가장 높은 전류 밀도를 갖는 활성 영역의 부분은 전하 축적으로부터 포화될 때까지 가장 높은 대역폭을 가지지만, 상술된 직렬 저항 전압 강하로 인해 가장 작은 전압 스윙도 갖는다. 더 낮은 전류 밀도를 갖는 부분은 더 낮은 대역폭 및 더 큰 전압 스윙을 갖는다. 균일한 광전류 밀도는 활성 영역을 따라 일정한 대역폭을 생성하며, 이는 높은 대역폭과 낮은 대역폭의 섹션들보다 전반적으로 더 나은 디바이스 대역폭을 제공할 수 있다.
따라서, 광학 변조 진폭 및 대역폭의 관점에서 EAM 성능을 개선하고 과열의 위험에 대항하기 위해, 다양한 실시예들에서 보다 균일한 광전류 밀도를 달성하도록 EAM이 구성된다.
도 3a는 제1 실시예에 따라, 다이오드 구조물(102)의 후단에, 예를 들어 활성 영역(110)의 후방(118) 바로 다음에 히터(302)를 포함하는 예시적인 EAM(300)의 개략 평면도이다(그 외에, EAM(300)은 도 1의 EAM(100)과 유사하다). 히터(302)는 온도가 증가함에 따른 진성 층(128)의 광학 흡수 계수의 증가를 활용함으로써 광전류 균일성을 개선한다. 다이오드 구조물(102)의 후방에 히터(302)를 배치하면, 활성 영역(110)의 후방 부분의 온도가 전방 부분보다 높아지고, 후방 부분의 흡수율이 더 높아지게 되고, 이는 활성 영역(110)의 전방(116)으로부터 후방(118)으로의 광학 전력 감소에 대항하고, 따라서 캐리어들이 생성되는 속도(광전류 밀도에 대응함)를 보다 균일하게 유지한다. 이러한 방식으로, 후방의 히터(302)는 광학 변조 진폭 및 전력 핸들링을 개선할 수 있다(또한 후술되는 도 9b 참조).
EAM에 히터를 포함시키는 것은 드문 일이 아니지만, 통상적으로 이러한 히터는 EAM 온도를 안정화시키는 역할을 하며(즉, 이러한 변화들에도 불구하고 일정한 EAM 응답을 유지하기 위해 주변 온도 변화들을 보상한다), 일반적으로 활성 영역의 중앙 섹션 옆에 측면으로 배치된다. 온도 안정화에 대해, 디바이스의 후방에 히터를 배치하는 것은 비효율적이다. 다른 한편으로, 광전류 밀도를 균일하게 하기 위한 즉각적인 적용에서, 후방에 히터(302)를 배치하는 것은 수반되는 개선된 광학 흡수 프로파일(profile)과 함께, 활성 영역의 후방(118)을 향한 원하는 열 증감률(thermal gradient)을 달성하기 위해 중요하다.
도 3b 내지 도 3c 및 도 3d는 각각 히터(302)의 영역에서 EAM(300)의 개략 단면도들 및 보다 상세한 평면도를 제공하고(예를 들어, 활성 영역(110) 다음의 다이오드 구조물(102)의 후방 영역); 총체적으로, 도 3b 내지 도 3d는 예시적인 히터 구성 및 연관 전기 연결들을 도시한다. 도 3d에 도시된 바와 같이, 히터(302)는 다이오드 메사(126)의 양쪽에 와인딩 히터 필라멘트들(304)을 포함할 수 있으며, 각각은 기판에 평행하게, 다이오드 구조물(102)의 최하부 스트립(124) 및 주변 디바이스 층(120) 위에 배치된 직사각형 영역에 걸쳐 연장된다. 히터 필라멘트들(304)은 예를 들어 텅스텐, 백금, 티타늄-질화물, 니켈-크롬 등과 같은 금속 또는 금속 합금으로 제조될 수 있다. 도 3b에 도시된 하나(예를 들어, 양)의 극성의 히터 단자(306)는 활성 영역(110)으로부터 멀리 떨어진 일단의 히터 필라멘트들(304)에 접촉하고; 도 3d에 도시된 다른(예를 들어, 음) 극성의 히터 단자(308)는 활성 영역(110)에 더 가까운 타단의 히터 필라멘트들(304)에 접촉한다. 참조를 위해, 다이오드 구조물(102)의 최상부 및 최하부 층들(130, 124)에 접촉하는 전기 단자들(132, 136)의 위치들이 또한 표시되어 있다. 2개의 히터 필라멘트들(304)의 사용이 활성 영역을 효과적이고 대칭적으로(도파관(104)에 관해) 가열하는 데 유리하지만, 히터(302)는 원칙적으로 오직 하나의 히터 필라멘트(304)로도 구현될 수 있다.
도 3e는 도 3a 내지 3d의 EAM에 대한 개념 회로도이다. 도시된 바와 같이, 히터(302)를 갖는 EAM(300)은 2개의 개별 전기 회로들로 표현될 수 있다: 하나의 회로는 EAM 다이오드 구조물(102)(여기서는 도 1e에서와 같이, 각각 이상적인 다이오드 및 저항기를 직렬로 포함하는 3개의 병렬 세그먼트들로 표현됨) 및 연관된 구동기 회로(144)에 대응한다. 다이오드 회로에 전기적으로 연결되지 않은 다른 회로는, 다이오드의 활성 영역(110)의 후단(118) 및 그 전원(312)에 물리적으로 근접하게 배치된, 옴 저항기(310)로 표현되는 히터(302)에 대응한다.
도 4a는 제2 실시예에 따른, 다수의 바이어스 전압들을 갖는 예시적인 EAM(400)의 개략 평면도이다. 이 EAM(400)에서, 다이오드 구조물(102)의 최상부 및 최하부 층들의 금속 접촉부들은 활성 영역(110)의 길이를 따라, (3개의) 별개의 전기 접촉 영역들(402)을 형성하는 다수의 세그먼트들(예를 들어, 도시된 바와 같이 3개의 세그먼트들)로 분해된다. 전기 접촉 영역들(402)은 전기 절연 영역들(404)에 의해 분할된다. 개략 단면도로 도 4b에 도시된 바와 같이, 각각의 접촉 영역들(402) 내에서 음극 및 양극 전기 단자들(432, 436)은 다이오드 구조물(102)에 걸쳐 바이어스 전압을 인가하기 위해(예를 들어, 직접적으로, 또는 최상부 접촉 층(134)을 통해 간접적으로) 다이오드 구조물(102)의 최상부 및 최하부 층들(130, 124)과 각각 접촉한다. 주어진 길이의 활성 영역(110)에 대해, 단자들(432, 436)은 종래의 EAM(100)의 단자들(132, 136)보다 짧지만(활성 영역(110)의 길이를 따른 방향으로), 그 외에 그것들은 유사할 수 있다. 각각의 전기 절연 영역들(402)에서, 개략 단면도로 도 4c에 도시된 바와 같이, 다이오드 구조물(102)의 최상부 및 최하부 층들(130, 124)과의 접촉을 확립하는 전기 단자들은 단순히 존재하지 않는다. 도 4a에 도시된 바와 같이, EAM(400)은 다수의 DC 바이어스 전압들을 사용하는 것 외에도 후방에 히터(302)를 포함할 수 있다.
도 4d는 도 4a 내지 도 4c의 EAM(400)에 대한 개념 회로도이다. EAM 다이오드 구조물(102)은 각각 이상적인 다이오드 및 직렬 저항기를 포함하는 3개의 세그먼트들로 다시 표현된다. 그러나, 3개의 개별 DC 바이어스 전압들(VDC1, VDC2, VDC3)이 각각의 접촉 영역들에서 다이오드 구조물에 인가될 수 있도록, 3개의 전기 접촉 영역들(402)에 대응하는 세그먼트들은 이제 그들 자신의 각각의 단자들(450, 452, 454)에 연결된다. 바이어스 전압이 높을수록, 다이오드 구조물의 흡수 계수가 커진다. 따라서, 활성 영역을 따른 광전류 밀도를 균일하게 하기 위해, 구동기 회로(456)는 활성 영역의 후방에 접촉하는 단자(450)에 가장 높은 바이어스 전압(즉, EAM 다이오드에 걸친 가장 큰 역 바이어스 전압)을 인가하고, 활성 영역의 전방에 접촉하는 단자(454)에 가장 낮은 바이어스 전압(즉, EAM 다이오드에 걸친 가장 작은 역 바이어스 전압)을 인가한다. 고속 AC 신호 전압은 도 4d에 도시된 바와 같이, 모든 접촉 영역들에 대해 동일할 수 있다. 이와 달리, 분산된 다중-단자 구동기를 사용하여, 상이한 신호 레벨들이 상이한 접촉 영역들에 인가될 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 제3 실시예에 따라, 재료 조성이 활성 영역의 길이를 따라 변하는 진성 층(502)을 갖는 예시적인 EAM(500)을 도시한다. 도 5a, 5b, 5c는 각각 활성 영역의 전방의 영역, 활성 영역의 중앙의 영역 및 활성 영역의 후방의 영역에 영역을 통한 개략 단면도들이다. 알 수 있는 바와 같이, 층상 다이오드 구조물(504)을 포함하는 EAM(500)의 구조는, 단면들 사이에서 변화하는(상이한 음영들로 도시된 것처럼) 진성 층(502)을 구성하는 재료를 제외하고, 활성 영역의 길이를 따라 일정할 수 있다. 도 5d는 다이오드 구조물을 다시 3개의 병렬 세그먼트들(504, 506, 508)로 표현하고, 각각의 세그먼트가 다이오드 구조물(102)내의 상이한 층 스택에 대응하는 것을 표시하는 EAM(500)에 대한 개념 회로도이다(도 5a는 전방 세그먼트(504)를 위한 스택을 도시하고, 도 5b는 중앙 세그먼트(506)를 위한 스택을 도시하고, 도 5c는 후방 세그먼트(508)를 위한 스택을 도시한다). 활성 영역을 따른 스택들의 상이한 영역들 내의 재료들은 활성 영역의 후방에서 광학 흡수가 가장 높도록 선택된다.
진성-층 재료의 변동성은 층(502)의 원소 조성을 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 진성 층(502)의 양자 우물 구조는 갈륨(Ga), 인듐(In), 비소(As) 및 인(P)을 식 GaxIn1-xAsyP1-y에 의해 지정되는 비율들로 포함하는 원소 조성을 가질 수 있고, 양자 우물 흡수 계수 및 그에 따른 광학 흡수 계수는 x 및 y에 따라 변한다. 따라서, 활성 영역의 길이를 따라 x 및 y를 변화시킴으로써 흡수 계수의 증감률이 생성될 수 있고, 광전류 불균일성은 후방에 가장 높은-흡수 재료를 위치시킴으로써 보상될 수 있다. 변하는 원소 조성 이외에, 일반적으로 장벽 서브-층들과 번갈아가며 나타나는 양자 우물들의 스택으로서 구조화되는 진성 양자 우물 층의 흡수 특성들은 또한 스택에서 양자 우물 수 또는 양자 우물 두께를 변화시킴으로써 변경될 수 있다. 예를 들어, EAM Ⅲ-Ⅴ 재료는 7개의 EAM의 시작의 7nm 두께 양자 우물들 및 EAM의 끝의 10nm 두께 양자 우물들을 포함할 수 있으며; 광학 반사들을 방지하기 위해 이들 영역들 사이의 모달(modal) 굴절률 변화들을 최소화하도록 장벽 및 분리된-한정-헤테로 구조(separate-confinement-heterostructure) 층 두께들 또는 조성이 조정된다. EAM 양자 우물 두께는 재료 설계에 따라, 예를 들어 4 내지 20nm의 범위 내에서 변화할 수 있다. 유사하게, 벌크 4차(quaternary), 양자 대시 및 양자 도트 층들에 대해, 두께 및/또는 원소 조성은 활성 영역의 길이를 따라 변경되어 광학 흡수의 변화에 영향을 줄 수 있다. 벌크 재료의 경우, 이것은 EAM 재료 밴드갭(bandgap)이 EAM의 후방을 향해 동작 파장에 더 가깝게 이동하도록, GaxIn1-xAsyP1-y 조성을 이동시킴으로써 수행된다(예를 들어, EAM의 시작에서 동작 파장 90nm 아래의 밴드갭 파장으로부터 시작하여 끝에서 동작 파장 80nm 아래로 이동함). 양자 대시들 및 도트들의 경우, 대시 및 도트 층의 두께 또는 밀도를 증가시키고, 모달 굴절률을 대략 일정하게 유지하기 위해 주변 층들의 조성을 변경하거나 주변 층 두께를 감소시킴으로써 광학 흡수의 변화가 달성될 수 있다.
하나의 차원을 따라 재료 특성들이 변화하는 진성 층을 갖는 다이오드 구조물(504)은 예를 들어, 변화하는 화합물 반도체(예를 들어, Ⅲ-Ⅴ) 재료 조성을 갖는 화합물 반도체 웨이퍼로부터 싱귤레이트되거나 클리빙된, 단일 에피 단편(epi piece)(즉, 에피텍셜하게(epitaxially) 성장된 층들의 단편)을 기판(122)에 결합함으로써 제조될 수 있다(뒤이어 에피 단편을 패터닝하여 메사를 생성함). 에피 단편의 재료 변화는 에피 단편들로 싱귤레이션하기 전에 재료 성장 동안 웨이퍼에 걸쳐 재료 특성들을 변화시킴으로써 달성된다.
도 6은 제3 실시예에 따라 변하는 재료 조성을 갖는 EAM 다이오드들(500)을 제조하는 단계들을 도시하는 웨이퍼 평면도들의 시퀀스이다. 제조의 제1 단계는 타입 1의 활성 영역을 갖는 Ⅲ-Ⅴ(또는 다른 반도체 화합물) 웨이퍼(600)를 (에피텍셜하게) 성장시키는 것이다. 웨이퍼(600)는 포토레지스트(photoresist) 및 리소그래피(포토레지스트 이전의 유전체 퇴적 및 리소그래피 이후의 에칭이 임의적으로 추가될 수 있음)를 사용하여 패터닝되고, 웨이퍼 표면에 채널들(602)을 생성하여 타입 1 재료를 제거하기 위해 에칭된다. 이어서, 포토레지스트가 제거되고, 유전체가 웨이퍼 상에 퇴적되고, 포토레지스트가 재도포되고 리소그래피가 반복되어, 타입 1 영역들에 걸쳐 동일하거나 약간 더 큰 채널들(604)을 재정의한다. 이전 단계 동안 유전체 마스크가 사용되는 경우, 이 단계는 그 단계와 결합될 수 있으며; 일반적으로 재성장 전에 웨이퍼 세정 요건들에 기초하여 결정이 이루어진다는 점에 유의해야 한다. 타입 2의 활성 영역들은 채널들의 노출된 영역들에서 (에피텍셜하게) 재성장되고 유전체 마스크가 제거되어, 두 가지 타입들의 활성 영역들을 포함하는 웨이퍼(606)가 된다. 타입 2 재료에 인접한 타입 1 재료의 패터닝 및 에칭, 및 유전체의 도포 및 활성 영역의 재성장은 타입 3에 대해 반복되며, 이는 3개의 재료들 사이에서 웨이퍼(608)에 걸쳐 주기적 변화를 달성한다. 완성된 웨이퍼는 임의적으로 화학적 기계적 연마(CMP)를 거쳐 특히 재료 타입들 사이의 계면들에서, 결합을 방해할 수 있는 임의의 높이 변화를 제거할 수 있다. 완성된 웨이퍼는 결합될 각각의 영역에 걸쳐 1nm 미만의 제곱 평균의 표면의 높이 변화를 갖는 평면일 수 있다. 610에 도시된 바와 같이, 웨이퍼는 이제 전부가 한 방향을 따라 재료들의 단계적 변화를 특징으로 하는 Ⅲ-Ⅴ 에피 단편들(612)로 싱귤레이트될 수 있다. 이어서, 이들 에피 단편들(612)은 패터닝된 SOI 웨이퍼(614)에 결합되며, 이는 각각의 결합된 에피 단편들에 EAM 다이오드 구조물을 생성하도록 더 처리될 수 있다. 결과적인 SOI 웨이퍼(616)는 다수의 EAM 디바이스들로 절단될 수 있다. 도 6은 3개의 상이한 재료 영역들을 갖는 EAM들이 어떻게 생성되는지를 도시하지만, 프로세스가 임의의 수의 상이한 재료 영역들로 확장될 수 있음이 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 실제로, EAM을 따라 소수의(예를 들어, 2개 또는 3개 또는 4개의) 상이한 진성-층 영역들만을 갖는 EAM들은 일반적으로 본 개시내용에 따라 광전류 균일성을 달성하기에 충분하고, 따라서 더 미세한 증감들(gradations)은 불필요한 비용을 초래할 수 있다.
전술한 접근법들은 모두 다양한 수단들에 의해 EAM의 후방을 향한 광학 흡수의 증가를 달성하여, 그 방향으로의 광학 전력의 감소에 대항한다. 이하에서는, 빛이 실리콘 도파관으로부터 EAM의 일부에 걸쳐 다이오드의 진성 층으로 연속적으로 결합되는 대안적인 개념이 설명된다.
도 7a는 제4 실시예에 따라, EAM 다이오드 내로 빛을 결합시키는 (실리콘) 도파관(702)의 테이퍼링된 섹션과 중첩된 활성 영역(110)을 갖는 예시적인 EAM(700)의 개략 평면도이다. 일반적으로, EAM(예를 들어, EAM들(100, 300, 400, 500))의 (실리콘) 도파관은, 다이오드 메사(화합물 반도체 도파관)와 중첩되지만 변조가 발생하는 활성 영역(110)보다 앞선 섹션에서 테이퍼링 다운(즉, 폭 감소)된다. 따라서 활성 영역(110)의 전단(116)에서, 광학 모드는 일반적으로 (실리콘) 도파관에 남아있는 임의의 빛이 최소인 경우에만 화합물 반도체 도파관의 진성 층에서 대부분 운반된다. 대조적으로, 도 7a에 도시된 EAM(700)에서, 도파관의 다운-테이퍼링된 섹션(704)은 활성 영역(110)과 현저하게 중첩된다(예를 들어, 활성 영역의 길이의 적어도 10%만큼). 결과적으로, 도 7b의 단면에 도시된 바와 같이, 도파관(702)은 활성 영역(110)의 시작(116)에 도달할 때 여전히 광학 모드(706) 및 총 광학 전력의 적어도 10%를 운반한다. 도파관이 빛 전파의 방향으로 폭이 더 감소함에 따라, 이 광학 모드(706)는 다이오드 구조물(102)의 진성 층(128)에 점차적으로 결합되어, 진성 층(128) 내로 안내되고 광전류를 생성하는 길을 따라 흡수되는 광학 모드(708)의 광학 전력을 보충한다. 이러한 구성에 의해, 활성 영역(110)의 전방에서의 광전류 밀도는 후방에 더 가까운 위치들에서의 증가된 광전류 밀도의 이점을 위해 (모든 빛이 활성 영역(110)의 전방에서 진성 영역(128) 내로 결합되는 구성과 비교하여) 감소되며 이는 디바이스의 길이를 따라 광전류 밀도를 균일하게 하는 경향이 있다. 도파관(702)의 다운-테이퍼링된 섹션(704)과 활성 영역(110) 사이의 중첩의 길이, 및 그 길이를 따라 도파관(702)의 폭이 감소하는 속도는 가장 양호하게 달성가능한 광전류 균일성을 위해 최적화될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 도시된 바와 같이, 도파관(702)은 활성 영역(110)의 중앙(710)에서 또는 그 근처에서 모든 빛이 진성 층(128) 내로 결합되도록 설계되고, (실리콘) 도파관(702)의 다운 테이퍼링은 거기서 끝날 수 있다. 따라서, 활성 영역(110)의 후방 부분에서, 광학 모드(708)는 도 7c의 단면도에 도시된 바와 같이 전체적으로 진성 층(128) 내에 있다.
보다 균일한 광전류 밀도를 위해 설계된 EAM 디바이스들(예를 들어, 디바이스들(300, 400, 500, 700))의 다양한 구조적 실시예들이 설명되었고, 이러한 디바이스들을 교정 및 동작시키는 방법들(800)은 이제 도 8에 도시된 흐름도를 참조하여 설명될 것이다. 교정은 일반적으로 EAM의 DC 바이어스를 0V로 설정하고 레이저를 동작 전력으로 켜는 것으로 시작한다(802). 그 후, 예를 들어 EAM 전후의 광학 탭들을 사용하여, EAM의 삽입 손실(출력에 도달하는 광학 입력 전력의 비율을 1에서 뺀 값)이 측정될 수 있고, 타겟 삽입 손실에 도달할 때까지 DC 바이어스 전압이 조정될 수 있다(804). 다음으로, 이후의 절차는 설정된 고정 광학 손실에서 디바이스를 최대 광학 변조 진폭으로 설정하는 역할을 한다(고정 광학 손실은 RF 전압 스윙이 켜지지 않은 채로 EAM 전후의 탭들을 통해 쉽게 측정될 수 있다). 이와 달리, RF 전압 스윙이 켜진 상태에서, 다음 절차는 디바이스를 설정된 아이 크로싱(eye crossing) 값에서 최대 광학 변조 진폭으로 설정하는 역할을 할 수 있다. DC 바이어스 전압은 50% 또는 타겟 아이 크로싱에 도달할 때까지 조정될 수 있으며(806), 여기서 아이 크로싱은
Figure 112020030719679-pat00002
와 같이 정의되고, Poptical at crossing은 오실로스코프의 광학 패턴에서 0에서 1까지의 상승이 1에서 0까지의 하강 레벨과 크로스하는 아이 다이어그램의 광학 전력이다. 아이 크로싱은 디지털 통신 분석기(DCA)와 같은 벤치탑(benchtop) 오실로스코프 툴에서, 또는 EAM 후의 탭에 내장된 아이 모니터 회로를 통해 측정될 수 있다. 디지털 통신의 경우, 40-60%의 아이 크로싱은 일반적으로 고정 RF 스윙 전압 및 광학 전력에 대해 가장 높은 비트-오류율을 제공한다. 고정 삽입 손실 방법은 측정 시간이 덜 필요하며 아이 크로싱과 대략 상호관련되며; 따라서 이는 훨씬 빠른 변조기 교정을 제공할 수 있지만, 특정 아이 크로싱 값에 대해서는 정확도가 떨어진다.
광전류 밀도에서 더 큰 균일성을 달성하기 위해 취해진 접근법에 따라, EAM의 동작 설정값을 결정하기 위해 상이한 교정 시퀀스들이 다음에 수행될 수 있다. 후방에 히터를 가진 EAM(300)의 경우(분기(808)), 히터 전력이 작은 증분으로 증가되고 바이어스 전압이 동시에 감소되어 고정 타겟 삽입 손실을 유지한다(810). RF 전압 스윙(즉, AC 신호 전압)이 다음에 EAM(300)에 인가되고, 출력 광학 신호의 광학 변조 진폭이 측정된다(812). 이 프로세스(810, 812)는 전체 히터 전력 범위에 걸쳐 반복된다(814). 결국, 히터 전력 및 대응하는 DC 바이어스 전압은 광학 변조 진폭이 최대화되는 값들로 설정되고, EAM(300)은 그 설정값에서 동작된다(816). 유사하게, 디바이스의 길이를 따라 다수의 바이어스 전압들을 인가하기 위해 세그먼트화된 전기 단자들을 갖는 EAM(400)의 경우(분기(820)), 설정된 광학 삽입 손실을 유지하기 위해 활성 영역의 전방에서의 DC 바이어스 전압이 감소됨에 따라, 활성 영역의 후단에서의 DC 바이어스 전압은 작은 단계들로 증가된다(822). 다음으로, RF 전압 스윙이 EAM(400)에 걸쳐 인가되고, 출력 광학 신호의 광학 변조 진폭이 측정된다(824). 이 프로세스(822, 824)는 전체 DC 전압 스윕(sweep) 범위(예를 들어, 1V일 수 있음)에 걸쳐 반복된다(826). DC 바이어스 전압들은 다음에 최대 광학 변조 진폭을 달성하는 값들의 조합으로 설정되며, 이는 EAM(400)을 동작시키기 위한 설정값으로서 기능한다(828). 고정 설계 특징들(활성 영역을 따른 재료 변화, 또는 활성 영역과 실리콘 도파관의 중첩)에 기초하여 균일한 광전류 밀도를 달성하는 EAM들(500, 700)의 경우(분기(830)), 더 이상의 교정이 수행되지 않으며, EAM(500, 700)은 간단하게 동작된다(832).
도 3a 내지 도 8과 관련하여 상술된 다양한 실시예들은 모두 도 1a 내지 도 1d에 도시된 바와 같은 종래의 EAM과 비교하여, EAM을 따른 광전류 균일성을 증가시키는 경향이 있으며, 이에 따라 EAM의 성능과 동작 수명을 개선한다. 다양한 실시예들에 따른 광전류 균일성은, 예를 들어, 최대 광전류 밀도의 60% 이상, 바람직하게는 80% 이상, 또는 심지어 90% 이상인, 활성 영역을 따른 최소 광전류 선형 밀도를 특징으로 할 수 있다. 도 9a 및 도 9b는 20mW 광학 입력 전력 및 2V의 구동 스윙 전압으로 동작되는, 후방의 일체화된 히터를 이용한 EAM(300)의 개선을 도시한다. 시험된 EAM(300)의 열 임피던스는 약 2000℃/W였다.
도 9a는 비교를 위해, 150㎛ 길이의 활성 영역을 갖는 예시적인 종래의 EAM(100)을 따른 온도(900) 및 정규화된 광전류 밀도(902)의 그래프를 제공한다. 알 수 있는 바와 같이, 온도(900)는 EAM의 전방에서 약 25℃로 가장 높으며, 후방으로 갈수록 10℃로 감소한다. 마찬가지로, 광전류 밀도(902)는 디바이스를 따라 감소하여, 후단에서는 활성 영역의 전방에서의 그 값의 약 40%로 강하한다.
도 9b는 후단에 히터를 갖는 예시적인 EAM(300)을 따른 온도(904) 및 정규화된 광전류 밀도(906)의 그래프이다. 여기서, 온도 프로파일은 역전되고, 즉, 온도(904)는 활성 영역의 전방에서의 약 16℃로부터 후방에서의 약 26℃로, 빛 전파의 방향으로 증가한다. 이 경우, 광전류 밀도(906)는 디바이스에 걸쳐 비교적 균일하며, 후방에서의 값은 전방에서의 광전류 밀도의 약 80%이다. 다수의 DC 바이어스 전압들, 적절하게 변화된 재료 특성들, 및/또는 활성 영역과 중첩되는 도파관 테이퍼링을 갖는 EAM들에 대해서도 유사한 개선들이 예상될 수 있다. 광전류 균일성을 달성하기 위한 다수의 상이한 접근법들이 또한 디바이스를 따른 광전류 밀도에 대한 그들의 효과를 서로 증대시키기 위해 함께 사용될 수 있다.
보다 균일한 광전류 밀도를 달성하는 EAM들의 상이한 실시예들이 설명되었고, 다음의 번호가 붙은 예들은 예시적인 실시예들로서 제공된다:
1. 통합된 전자-흡수 변조기로서, 기판의 디바이스 층 위에 형성된 층상 다이오드 구조물 - 다이오드 구조물은 최하부 다이오드 층, 진성 다이오드 층 및 최상부 다이오드 층을 포함함 -; 층상 다이오드 구조물 아래에서 디바이스 층내에 형성되어 진성 다이오드 층의 안팎으로 빛을 결합시키는 도파관; 활성 영역에서 최상부 및 최하부 다이오드 층들과 접촉하는 전기 단자들; 전기 단자들 사이에 연결되고, 층상 다이오드 구조물에 걸쳐 직류 바이어스 전압 및 교류 신호 전압을 인가하도록 구성된 구동기 회로(driver circuit); 및 전자-흡수 변조기의 후단에 배치되어 활성 영역의 후방 부분을 가열하는 히터를 포함하는 통합된 전자-흡수 변조기.
2. 예 1에 있어서, 히터 전력 설정은 통합된 전자-흡수 변조기와 연관된 광학 변조 진폭에 대해 최적화되는, 통합된 전자-흡수 변조기.
3. 예 1 또는 예 2에 있어서, 히터는 다이오드 구조물의 양쪽에 측방향으로 배열된 와인딩 히터 필라멘트들을 포함하는, 통합된 전자-흡수 변조기.
4. 예 1 내지 예 3 중 어느 한 예에 있어서, 도파관은 실리콘 도파관이고, 층상 다이오드 구조물은 Ⅲ-Ⅴ 반도체 재료로 제조되는, 통합된 전자-흡수 변조기.
5. 예 1 내지 예 4 중 어느 한 예에 있어서, 전기 단자들은 활성 영역 내의 다수의 접촉 영역들에서 최상부 및 최하부 다이오드 층들과 접촉하는 전기 단자들의 다수의 쌍들을 포함하고, 다수의 접촉 영역들은 절연 영역들에 의해 분리되며; 구동기 회로는 전기 단자들의 다수의 쌍들 사이에 연결되고 각각의 접촉 영역들에서 층상 다이오드 구조물에 걸쳐 다수의 각각의 직류 바이어스 전압들을 인가하도록 구성되는, 통합된 전자-흡수 변조기.
6. 예 1 내지 예 5 중 어느 한 예에 있어서, 진성 층의 재료 조성이 활성 영역의 전단과 활성 영역의 후단 사이에서 변화하여, 광학 흡수 계수가 전단보다 후단에서 더 크게 되는, 통합된 전자-흡수 변조기.
7. 예 1 내지 예 6 중 어느 한 예에 있어서, 도파관은 활성 영역과 중첩된 다운-테이퍼링된 섹션을 포함하는, 통합된 전자-흡수 변조기.
8. 통합된 전자-흡수 변조기로서, 기판의 디바이스 층 위에 형성된 층상 다이오드 구조물 - 다이오드 구조물은 최하부 다이오드 층, 진성 다이오드 층 및 최상부 다이오드 층을 포함함 -; 층상 다이오드 구조물 아래에서 디바이스 층 내에 형성되어 진성 다이오드 층의 안팎으로 빛을 결합시키는 도파관; 활성 영역 내의 다수의 접촉 영역들에서 최상부 및 최하부 다이오드 층들과 접촉하는 전기 단자들의 다수의 쌍들 - 다수의 접촉 영역들은 절연 영역들에 의해 분리됨 -; 및 전기 단자들의 다수의 쌍들 사이에 연결되고 각각의 접촉 영역들에서 층상 다이오드 구조물에 걸쳐 다수의 각각의 직류 바이어스 전압들을 인가하도록 구성된 구동기 회로를 포함하는 통합된 전자-흡수 변조기.
9. 예 8에 있어서, 구동기 회로는 활성 영역의 후방에 있는 접촉 영역에 인가되는 직류 바이어스 전압이 활성 영역의 전방에 있는 접촉 영역에 인가되는 직류 바이어스 전압보다 크도록 구성되는, 통합된 전자-흡수 변조기.
10. 예 9에 있어서, 다수의 직류 바이어스 전압들은 통합된 전자-흡수 변조기와 연관된 광학 변조 진폭에 대해 최적화되는, 통합된 전자-흡수 변조기.
11. 예 8 내지 예 10 중 어느 한 예에 있어서, 구동기 회로는 층상 다이오드 구조물에 걸쳐 교류 신호 전압을 인가하도록 더 구성되는, 통합된 전자-흡수 변조기.
12. 예 8 내지 예 10 중 어느 한 예에 있어서, 구동기 회로는 다수의 접촉 영역들에서 층상 다이오드 구조물에 걸쳐 다수의 교류 신호 전압들을 인가하도록 더 구성되는, 통합된 전자-흡수 변조기.
13. 통합된 전자-흡수 변조기로서, 기판의 디바이스 층 위에 형성된 층상 다이오드 구조물 - 다이오드 구조물은 최하부 다이오드 층, 진성 다이오드 층 및 최상부 다이오드 층을 포함함 -; 층상 다이오드 구조물 아래에서 디바이스 층 내에 형성되어 진성 다이오드 층의 안팎으로 빛을 결합시키는 도파관; 활성 영역에서 최상부 및 최하부 다이오드 층들과 접촉하는 전기 단자들; 및 전기 단자들 사이에 연결되고, 층상 다이오드 구조물에 걸쳐 직류 바이어스 전압 및 교류 신호 전압을 인가하도록 구성되는 구동기 회로를 포함하고, 진성 층의 재료 조성이 활성 영역의 전단과 활성 영역의 후단 사이에서 변화하여, 광학 흡수 계수가 전단보다 후단에서 더 크게 되는, 통합된 전자-흡수 변조기.
14. 예 13에 있어서, 진성 층은 활성 영역의 길이를 따라 다수의 영역들을 포함하고, 활성 영역의 길이를 따른 각각의 다수의 영역들은 연관된 균일한 재료 조성을 갖고, 다수의 영역들은 그들 각각의 재료 조성들에 있어서 서로 다른, 통합된 전자-흡수 변조기.
15. 예 13 또는 예 14에 있어서, 진성 층은 양자 우물 구조를 포함하고, 양자 우물 구조는 원소 조성 또는 두께 중 적어도 하나에서 전단과 후단 사이에서 변하는, 통합된 전자-흡수 변조기.
16. 통합된 전자-흡수 변조기로서, 기판의 디바이스 층 위에 형성된 층상 다이오드 구조물 - 다이오드 구조물은 최하부 다이오드 층, 진성 다이오드 층 및 최상부 다이오드 층을 포함함 -; 층상 다이오드 구조물 아래에서 디바이스 층 내에 형성되어 진성 다이오드 층의 안팎으로 빛을 결합시키는 도파관; 활성 영역에서 최상부 및 최하부 다이오드 층들과 접촉하는 전기 단자들; 및 전기 단자들 사이에 연결되고, 층상 다이오드 구조물에 걸쳐 직류 바이어스 전압 및 교류 신호 전압을 인가하도록 구성되는 구동기 회로를 포함하고, 도파관은 활성 영역과 중첩된 다운-테이퍼링된 섹션을 포함하는, 통합된 전자-흡수 변조기.
17. 예 16에 있어서, 도파관의 다운-테이퍼링된 섹션은 활성 영역의 길이의 적어도 10%만큼 활성 영역과 중첩되는, 통합된 전자-흡수 변조기.
18. 통합된 전자-흡수 변조기를 교정하는 방법으로서, 전자-흡수 변조기의 삽입 손실을 측정하고, 타겟 삽입 손실에 도달할 때까지 직류 바이어스 전압을 조정하는 단계; 타겟 삽입 손실을 유지하면서 동조 범위에 걸쳐 전자-흡수 변조기의 조정 가능한 동작 파라미터들의 세트를 동조시키고, 최대 광학 변조 진폭과 연관된 동작 파라미터 값들의 세트를 결정하기 위해 조정 가능한 동작 파라미터들의 세트의 다수의 값들에 대한 광학 변조 진폭을 측정하는 단계; 및 조정 가능한 동작 파라미터들을 결정된 동작 파라미터 값들의 세트로 설정하는 단계를 포함하는 방법.
19. 예 18에 있어서, 광학 신호를 변조하기 위해 전자-흡수 변조기를 동작시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
20. 예 18 또는 예 19에 있어서, 동조시키는 단계는 타겟 삽입 손실을 유지하기 위해 전자-흡수 변조기의 활성 영역의 후단에 배치된 히터의 히터 전력을 증분시키고, 활성 영역에 걸쳐 인가되는 DC 바이어스 전압을 감분시키는 단계를 포함하는, 방법.
21. 예 18 내지 예 20 중 어느 한 예에 있어서, 동조시키는 단계는 타겟 삽입 손실을 유지하기 위해 활성 영역의 후단의 영역에 인가되는 직류 바이어스 전압을 증분시키면서 활성 영역의 전단의 영역에 인가되는 직류 바이어스 전압을 감분시키는 단계를 포함하는, 방법.
22. 예 18 내지 예 21 중 어느 한 예에 있어서, 조정 가능한 동작 파라미터들의 세트에 대한 변경은 전자-흡수 변조기의 활성 영역의 광학 흡수 계수에 변경을 야기하는, 방법.
본 발명의 청구 대상이 특정 예시적인 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 청구 대상의 넓은 범위를 벗어나지 않으면서 이들 실시예들에 대한 다양한 수정들 및 변경들이 이루어질 수 있음이 명백할 것이다. 따라서, 명세서 및 도면들은 제한적인 의미가 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 한다.

Claims (22)

  1. 통합된 전자-흡수 변조기(integrated electro-absorption modulator)로서,
    기판의 디바이스 층 위에 형성된 층상 다이오드 구조물 - 상기 다이오드 구조물은 최하부 다이오드 층, 진성 다이오드 층 및 최상부 다이오드 층을 포함함 -;
    상기 층상 다이오드 구조물 아래에서 상기 디바이스 층내에 형성되어 상기 진성 다이오드 층의 안팎으로 빛을 결합시키는 도파관;
    활성 영역에서 상기 최상부 및 최하부 다이오드 층들과 접촉하는 전기 단자들;
    상기 전기 단자들 사이에 연결되고, 상기 층상 다이오드 구조물에 걸쳐 직류 바이어스 전압 및 교류 신호 전압을 인가하도록 구성된 구동기 회로(driver circuit); 및
    오직 상기 전자-흡수 변조기의 후단에만 배치되어 상기 활성 영역의 후방 부분을 가열하는 히터 - 상기 히터는 상기 활성 영역의 후방 부분에서의 온도가 상기 활성 영역의 전방 부분에서보다 높게 함 -
    를 포함하는 통합된 전자-흡수 변조기.
  2. 제1항에 있어서, 히터 전력 설정은 상기 통합된 전자-흡수 변조기와 연관된 광학 변조 진폭에 대해 최적화되는, 통합된 전자-흡수 변조기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 히터는 상기 다이오드 구조물의 양쪽에 측방향으로 배열된 와인딩 히터 필라멘트들(winding heater filaments)을 포함하는, 통합된 전자-흡수 변조기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 도파관은 실리콘 도파관이고, 상기 층상 다이오드 구조물은 Ⅲ-Ⅴ 반도체 재료로 제조되는, 통합된 전자-흡수 변조기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전기 단자들은 상기 활성 영역 내의 다수의 접촉 영역들에서 상기 최상부 및 최하부 다이오드 층들과 접촉하는 전기 단자들의 다수의 쌍들을 포함하고, 상기 다수의 접촉 영역들은 절연 영역들에 의해 분리되며;
    상기 구동기 회로는 상기 전기 단자들의 다수의 쌍들 사이에 연결되고 상기 각각의 접촉 영역들에서 상기 층상 다이오드 구조물에 걸쳐 다수의 각각의 직류 바이어스 전압들을 인가하도록 구성되는, 통합된 전자-흡수 변조기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 진성 다이오드 층의 재료 조성이 상기 활성 영역의 전단과 상기 활성 영역의 후단 사이에서 변화하여, 광학 흡수 계수가 상기 전단보다 상기 후단에서 더 크게 되는, 통합된 전자-흡수 변조기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 도파관은 상기 활성 영역과 중첩된 다운-테이퍼링된(down-tapered) 섹션을 포함하는, 통합된 전자-흡수 변조기.
  8. 통합된 전자-흡수 변조기로서,
    기판의 디바이스 층 위에 형성된 층상 다이오드 구조물 - 상기 다이오드 구조물은 최하부 다이오드 층, 진성 다이오드 층 및 최상부 다이오드 층을 포함함 -;
    상기 층상 다이오드 구조물 아래에서 상기 디바이스 층 내에 형성되어 상기 진성 다이오드 층의 안팎으로 빛을 결합시키는 도파관;
    활성 영역 내의 다수의 접촉 영역들에서 상기 최상부 및 최하부 다이오드 층들과 접촉하는 전기 단자들의 다수의 쌍들 - 상기 다수의 접촉 영역들은 절연 영역들에 의해 분리됨 -; 및
    상기 전기 단자들의 다수의 쌍들 사이에 연결되고 상기 각각의 접촉 영역들에서 상기 층상 다이오드 구조물에 걸쳐 다수의 각각의 직류 바이어스 전압들을 인가하도록 구성된 구동기 회로
    를 포함하고,
    상기 구동기 회로는 상기 활성 영역의 후방에 있는 접촉 영역에 인가되는 직류 바이어스 전압이 상기 활성 영역의 전방에 있는 접촉 영역에 인가되는 직류 바이어스 전압보다 크도록 구성되는, 통합된 전자-흡수 변조기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 다수의 직류 바이어스 전압들은 상기 통합된 전자-흡수 변조기와 연관된 광학 변조 진폭에 대해 최적화되는, 통합된 전자-흡수 변조기.
  10. 제8항에 있어서, 상기 구동기 회로는 상기 층상 다이오드 구조물에 걸쳐 교류 신호 전압을 인가하도록 더 구성되는, 통합된 전자-흡수 변조기.
  11. 제8항에 있어서, 상기 구동기 회로는 상기 다수의 접촉 영역들에서 상기 층상 다이오드 구조물에 걸쳐 다수의 교류 신호 전압들을 인가하도록 더 구성되는, 통합된 전자-흡수 변조기.
  12. 통합된 전자-흡수 변조기로서,
    기판의 디바이스 층 위에 형성된 층상 다이오드 구조물 - 상기 다이오드 구조물은 최하부 다이오드 층, 진성 다이오드 층 및 최상부 다이오드 층을 포함함 -;
    상기 층상 다이오드 구조물 아래에서 상기 디바이스 층 내에 형성되어 상기 진성 다이오드 층의 안팎으로 빛을 결합시키는 도파관;
    활성 영역에서 상기 최상부 및 최하부 다이오드 층들과 접촉하는 전기 단자들; 및
    상기 전기 단자들 사이에 연결되고, 상기 층상 다이오드 구조물에 걸쳐 직류 바이어스 전압 및 교류 신호 전압을 인가하도록 구성되는 구동기 회로
    를 포함하고, 상기 진성 다이오드 층의 재료 조성이 상기 활성 영역의 전단과 상기 활성 영역의 후단 사이에서 변화하여, 광학 흡수 계수가 상기 전단보다 상기 후단에서 더 크게 되는, 통합된 전자-흡수 변조기.
  13. 제12항에 있어서, 상기 진성 다이오드 층은 상기 활성 영역의 길이를 따라 다수의 영역들을 포함하고, 상기 활성 영역의 상기 길이를 따른 각각의 상기 다수의 영역들은 연관된 균일한 재료 조성을 갖고, 상기 다수의 영역들은 그들 각각의 재료 조성들에 있어서 서로 다른, 통합된 전자-흡수 변조기.
  14. 제12항에 있어서, 상기 진성 다이오드 층은 양자 우물 구조(quantum well structure)를 포함하고, 상기 양자 우물 구조는 원소 조성 또는 두께 중 적어도 하나에서 상기 전단과 상기 후단 사이에서 변하는, 통합된 전자-흡수 변조기.
  15. 통합된 전자-흡수 변조기로서,
    기판의 디바이스 층 위에 형성된 층상 다이오드 구조물 - 상기 다이오드 구조물은 최하부 다이오드 층, 진성 다이오드 층 및 최상부 다이오드 층을 포함함 -;
    상기 층상 다이오드 구조물 아래에서 상기 디바이스 층 내에 형성되어 상기 진성 다이오드 층의 안팎으로 빛을 결합시키는 도파관;
    활성 영역에서 상기 최상부 및 최하부 다이오드 층들과 접촉하는 전기 단자들; 및
    상기 전기 단자들 사이에 연결되고, 상기 층상 다이오드 구조물에 걸쳐 직류 바이어스 전압 및 교류 신호 전압을 인가하도록 구성되는 구동기 회로
    를 포함하고, 상기 도파관은 상기 활성 영역과 중첩된 다운-테이퍼링된 섹션을 포함하는, 통합된 전자-흡수 변조기.
  16. 제15항에 있어서, 상기 도파관의 상기 다운-테이퍼링된 섹션은 상기 활성 영역의 길이의 적어도 10%만큼 상기 활성 영역과 중첩되는, 통합된 전자-흡수 변조기.
  17. 통합된 전자-흡수 변조기를 교정하는 방법으로서,
    상기 전자-흡수 변조기의 삽입 손실을 측정하고, 타겟 삽입 손실에 도달할 때까지 직류 바이어스 전압을 조정하는 단계;
    상기 타겟 삽입 손실을 유지하면서 동조 범위(tuning range)에 걸쳐 상기 전자-흡수 변조기의 조정 가능한 동작 파라미터들의 세트를 동조시키고, 최대 광학 변조 진폭과 연관된 동작 파라미터 값들의 세트를 결정하기 위해 조정 가능한 동작 파라미터들의 세트의 다수의 값들에 대한 광학 변조 진폭을 측정하는 단계; 및
    상기 조정 가능한 동작 파라미터들을 상기 결정된 동작 파라미터 값들의 세트로 설정하는 단계
    를 포함하고,
    상기 동조시키는 단계는:
    상기 타겟 삽입 손실을 유지하기 위해 상기 전자-흡수 변조기의 활성 영역의 후단에 배치된 히터의 히터 전력을 증분시키고, 상기 활성 영역에 걸쳐 인가되는 DC 바이어스 전압을 감분시키는 단계; 또는
    상기 타겟 삽입 손실을 유지하기 위해 활성 영역의 후단의 영역에 인가되는 직류 바이어스 전압을 증분시키면서 상기 활성 영역의 전단의 영역에 인가되는 직류 바이어스 전압을 감분시키는 단계
    를 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 광학 신호를 변조하기 위해 상기 전자-흡수 변조기를 동작시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 조정 가능한 동작 파라미터들의 세트에 대한 변경은 상기 전자-흡수 변조기의 활성 영역의 광학 흡수 계수에 변경을 야기하는, 방법.
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