KR102442209B1 - 직렬 푸시풀 동작 기반의 광소자 - Google Patents

직렬 푸시풀 동작 기반의 광소자 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 광소자는, 무선 주파수 신호를 전기적으로 생성하는 무선 주파수(RF) 신호원, 상기 무선 주파수 신호에 응답하여 레이저 다이오드(LD) 또는 광전흡수 변조기(EAM)로 동작하는 제 1 다이오드, 상기 제 1 다이오드의 N 영역을 공유하며, 상기 제 1 다이오드와 직렬 연결되고, 접지에 P 영역이 연결되어 상기 제 1 다이오드와의 직렬 푸시풀 동작을 위한 커패시터로 동작하는 제 2 다이오드, 그리고 상기 N 영역과 접지 사이에 연결되는 저항을 포함한다.

Description

직렬 푸시풀 동작 기반의 광소자{OPTICAL DEVICE BASED ON SERIES PUSH-PULL OPERATION}
본 발명은 광소자에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 직렬 푸시풀 동작 기반의 레이저 다이오드(LD) 또는 광전흡수 변조기(EAM)에 관한 것이다.
현재 광통신 기술에서 장거리 및 고대역폭(High bit rate) 통신은 마하젠더 간섭계(Mach-Zehnder Interferometer: 이하, MZI) 기반의 광전자 변조기를 사용한다. 반면, 상대적으로 단거리의 저대역폭 통신 시스템에서는 직접 변조 방식 레이저(Directly Modulated Laser: 이하, DML) 또는 외부 변조 레이저(Externally Modulated Laser: 이하, EML)를 주로 사용한다. 하지만, 대역폭 증가 요구에 따라 단거리용 광통신 소자에서도 높은 대역폭이 점차 요구되고 있으며, 이에 따른 단거리용 고성능 광소자들이 활발히 개발되고 있다.
MZI 변조기는 전압 인가에 따른 광의 위상 변조로부터 야기되는 간섭 현상으로 광변조를 수행한다. MZI 변조기는 빛의 세기뿐이 아니라 위상 변조를 세분화하여 대역폭을 높이는 코히런트 통신(Coherent Communication)으로 대역폭을 높일 수 있다. 하지만, 단거리용 DML이나 EML은 기본적으로 빛의 세기만을 이용하기 때문에 광변조에 직접적으로 연관된 광소자의 물질 및 구동되는 다이오드의 전기적 특성에 제약을 받게 된다. 이러한 제약을 극복하기 위해 현재는 광소자 구조 자체보다 보조적인 기술들을 도입하여 대역폭을 높이고 있다. 예컨대, PAM4 (Four-level pulse amplitude modulation)기술이 대역폭을 높이기 위한 기술로 사용된다. 기존의 NRZ(Non-Return-to-Zero) 방식은 빛의 신호 세기를 2개(on-off) 레벨로 2진수 비트 신호(1, 0)의 신호를 전송하였다. 반면, PAM4 기술에서는 빛의 신호 세기를 4개 레벨로 사용하여 2-비트의 2진수 비트 신호(00, 01,10,11)를 전송한다. 따라서, PAM4 방식에서는 전송 신호의 대역폭을 2배로 늘릴 수 있다.
이와 같이 동일한 광소자에 전송 방식을 NRZ에서 PAM4로 변경하면 대역폭을 2배로 늘릴 수 있지만, 2개의 전기 신호를 하나의 PAM4 신호로 부호화/복호화(Encoding/Decoding)해야 한다. 더불어, PAM4 방식은 광신호의 신호대 잡음비(SNR) 감소, 지터 잡음(Jitter noise)의 증가 등의 약점을 가지고 있다.
본 발명의 목적은 화합물 반도체 기반의 레이저 다이오드와 전기흡수(또는, 광전흡수) 변조기의 대역폭 성능을 높이기 위해 단일 전극 기반의 직렬 푸시풀 구조를 사용하는 기술을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 직렬 푸시풀 구조의 다이오드 구조에서 광소자의 첩(Chirp)을 감소시키는 데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 광소자는, 무선 주파수 신호를 전기적으로 생성하는 무선 주파수(RF) 신호원, 상기 무선 주파수 신호에 응답하여 레이저 다이오드(LD) 또는 광전흡수 변조기(EAM)로 동작하는 제 1 다이오드, 상기 제 1 다이오드의 N 영역을 공유하며, 상기 제 1 다이오드와 직렬 연결되고, 접지에 P 영역이 연결되어 상기 제 1 다이오드와의 직렬 푸시풀 동작을 위한 커패시터로 동작하는 제 2 다이오드, 그리고 상기 N 영역과 접지 사이에 연결되는 저항을 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 레이저 다이오드 또는 전기흡수 변조기의 대역폭이 2배로 증가할 수 있다. 더불어, 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 다이오드 또는 전기흡수 변조기의 첩(Chirp)이 감소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 직렬 푸시풀 다이오드를 포함하는 광소자를 개략적으로 보여주는 회로도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 직렬 푸시풀 다이오드를 포함하는 광소자를 개략적으로 보여주는 회로도이다.
도 3은 도 1의 광소자의 개략적인 평면도를 보여준다.
도 4는 도 3의 절단선(A-A')으로 절단한 면을 보여주는 단면도이다.
도 5는 도 2의 광소자의 개략적인 평면도를 보여준다.
도 6은 도 5의 절단선(B-B')으로 절단한 면을 보여주는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 광소자의 개략적인 구조를 보여주는 평면도이다.
이하에서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 직렬 푸시풀 다이오드를 포함하는 광소자를 개략적으로 보여주는 회로도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 광소자(100)는 두 개의 다이오드들(110, 120), RF 신호원(130), DC 바이어스(135), 저항(R)을 포함할 수 있다. 여기서, 광소자(100)는 레이저 다이오드(Laser Diode: 이하, LD) 또는 광전흡수 변조기(Electro-Absorption Modulator: 이하, EAM)로 사용될 수 있다.
제 1 다이오드(D1, 110)는 실질적으로 레이저 다이오드(LD) 또는 광전흡수 변조기(EAM)로 사용되는 PIN 다이오드로 제공된다. 본 발명에서는 제 1 다이오드(110)와 연결되는 제 2 다이오드(D2, 120)가 추가될 수 있다. 제 1 다이오드(110) 및 제 2 다이오드(120)는 동일한 구조의 PIN 다이오드일 수 있다. 제 1 다이오드(110)의 N 영역과 제 2 다이오드(120)의 N 영역은 전기적으로 서로 연결되어 있다. 구조적으로는 제 1 다이오드(110)와 제 2 다이오드(120)는 공통 N 영역을 포함할 수 있다.
제 1 다이오드(110)의 N 영역 또는 제 2 다이오드(120)의 N 영역과 접지 사이에는 저항(R)이 연결된다. 제 1 다이오드(110)의 P 영역은 RF 전기 신호를 입력시키기 위한 RF 신호원(130)에 연결된다. 제 1 다이오드(110)의 P 영역에는 RF 신호원(130)과 직렬 연결되는 DC 바이어스(135)가 연결될 수 있다. 그리고 제 2 다이오드(120)의 P 영역은 접지와 연결된다.
광소자(100)가 레이저 다이오드(LD)로 동작하는 경우, 제 1 다이오드(110)의 P 영역에 무선 주파수(RF)의 전기 신호가 인가되면 제 1 다이오드(110)는 RF 신호원(130)에 의해 입력된 전류에 의해 빛이 생성되어 발진하게 된다. 반면, 광전흡수 변조기(EAM)로 동작하는 경우, 제 1 다이오드(110)의 흡수 계수가 RF 신호원(130)에 의해 조정된다. 그 결과, 외부로부터 제 1 다이오드(110)에 입력된 빛의 세기는 변조되어 출력될 것이다.
제 1 다이오드(110)의 N 영역에 연결된 저항(R)에 의해서 RF 신호원(130)으로부터 입력된 RF 전기 신호가 특정 주파수 이상에서 저항(R)을 거치지 않고 제 2 다이오드(120)를 동작시키게 된다. 이 경우, 하나의 RF 전기 신호에 의해 두 개의 다이오드들(110, 120)이 구동되기 때문에 다이오드들(110, 120) 각각에 걸리는 전압은 절반이 된다. 그리고 다이오드들(110, 120)의 직렬 연결에 따라 전기 용량은 절반으로 감소하게 된다. 하나의 RF 전기 신호에 대해 다이오드들(110, 120)은 서로 반대의 위상(Anti-phase)으로 동작한다. 그리고 다이오드들(110, 120)이 서로 직렬로 연결되기 때문에, 다이오드들(110, 120) 각각에 걸리는 전압과 전기 용량(Capacitance)이 반으로 감소하게 될 것이다. 결과적으로, RF 신호원(130)에서 제공할 수 있는 RF 전기 신호의 주파수 대역폭은 2배로 증가하게 된다.
여기서, 저항(R)은 다이오드들(110, 120)의 공통 N 영역과 접지 사이에 제공되는 RLC 회로(미도시)의 일부 구성으로 제공될 수 있다. 즉, RLC 회로는 다이오드들(110, 120)에 의해서 제공되는 전기 용량(C), 저항(R), 그리고 추가되는 인덕터(L)를 포함할 수 있다.
광소자(100)가 광전흡수 변조기(EAM)로 동작하는 경우, 제 1 다이오드(110)에 역방향 전압이 인가된다. 즉, DC 바이어스(135)가 역방향 전압을 제공하게 될 것이다. 이 경우, 제 1 다이오드(110)의 진성 영역에는 전기장이 형성된다. 그리고 RF 신호원(130)에서 제공되는 RF 전기 신호에 의해 반도체 물질의 밴드갭(Bandgap) 특성의 하나인 흡수율의 변화가 발생한다. 흡수율의 변화에 따라 제 1 다이오드(110)의 외부로부터 들어온 광의 변조가 발생한다. 여기서, 빛을 효율적으로 변조시키기 위해 제 1 다이오드(110)의 P 영역, 또는 제 1 다이오드(110) 및 제 2 다이오드(120)의 공통 N 영역에 DC 전압 바이어스를 제공하여 변조기의 구동점을 조절할 수 있다. 도시되지는 않았지만, DC 전압 바이어스는 제 1 다이오드(110)의 P 영역에 RF 신호원(130)과 함께 인가하거나, 공통 N 영역, 또는 기판 영역에 바이어스 성분을 추가하는 방식으로 구현될 수 있다.
광소자(100)를 레이저 다이오드(LD)로 구동하는 경우, 제 1 다이오드(110)로의 순방향 전류 주입을 통해서 제 1 다이오드(110)는 레이저 다이오드(LD)로 동작한다. 레이저 다이오드(LD) 동작을 위해서, RF 신호원(130) 외에 DC 바이어스(135)가 추가될 수 있다. 예를 들면, DC 바이어스(135)는 제 1 다이오드(110)의 P 영역에 순방향 전류 바이어스를 제공하도록 연결될 수 있다. 또는, DC 바이어스(135)는 제 1 다이오드(110)의 N 영역에 추가될 수 있다. 레이저 다이오드(LD) 또는 광전흡수 변조기(EAM)로 동작하는 광소자(100)에 인가된 RF 전기 신호는 레이저 다이오드 또는 변조기 동작뿐만 아니라, 이웃하는 제 2 다이오드(120)까지 직렬 푸시풀(Series push-pull) 구조로 구동시킨다. 따라서, RF 전기 신호에 의해서 직렬 연결된 제 1 다이오드(110) 및 제 2 다이오드(120)가 제공하는 전기 용량은 절반으로 감소한다. 전기 용량의 감소에 따라 실질적으로 RF 신호의 대역폭은 2배로 증가할 수 있다. 하지만, 하나의 RF 신호원(130)으로 2개의 다이오드들(110, 120)을 구동시키기 때문에 실제 다이오드에 걸리는 전압은 절반으로 감소될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 광소자(100)의 개략적인 회로 구조가 설명되었다. 광소자(100)의 경우, 제 1 다이오드(110)만이 레이저 다이오드(LD)나 광전흡수 변조기(EAM)로 동작하고, 제 2 다이오드(120)는 직렬 푸시풀 동작을 위한 커패시터로서만 동작한다. 그리고 DC 바이어스(135)가 제 1 다이오드(110)의 P 영역 또는 RF 신호원(130)과 함께 도시되어 있으나, 본 발명은 여기에 국한되지 않는다. 즉, DC 바이어스(135)는 광소자(100)의 성능 향상이나 다양한 목적에 따라 다양한 위치에 제공되거나 추가될 수 있음은 잘 이해될 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 직렬 푸시풀 다이오드를 포함하는 광소자를 개략적으로 보여주는 회로도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광소자(200)는 두 개의 다이오드들(210, 220), RF 신호원(230), DC 바이어스들(235, 250), 그리고 저항(R)을 포함할 수 있다. 여기서, 광소자(200)는 직렬 푸시풀 다이오드의 역위상(Anti-phase) 동작에 따른 첩(Chirp)이 감소되는 레이저 다이오드(LD) 또는 광전흡수 변조기(EAM)로 제공될 수 있다.
다이오드들(210, 220)은 도 1의 다이오드들(110, 120)과 유사한 연결 구조를 갖는다. 하지만, 제 2 다이오드(220)가 DC 바이어스(250)에 의해서 바이어스되고, 다이오드들(210, 220) 각각에 광이 통과한다는 점에서 도 1의 광소자(100)와 차이점을 갖는다. 제 1 다이오드(210) 및 제 2 다이오드(220)는 동일한 구조의 PIN 다이오드일 수 있다. 제 1 다이오드(210)의 N 영역과 제 2 다이오드(220)의 N 영역은 전기적으로 서로 연결되어 있다. 그리고 제 1 다이오드(210)의 N 영역 또는 제 2 다이오드(220)의 N 영역과 접지 사이에는 저항(R)이 연결된다. 제 1 다이오드(210)의 P 영역은 RF 전기 신호를 입력시키기 위한 RF 신호원(230)과 연결된다. 제 1 다이오드(210)의 P 영역에는 RF 신호원(230)과 직렬 연결되는 DC 바이어스(235)가 추가적으로 더 연결될 수도 있다. 그리고 제 2 다이오드(220)의 P 영역과 접지 사이에는 DC 바이어스(250)가 형성될 수 있다.
이 실시 예에서는 다이오드들(210, 220) 각각의 광도파로를 광이 지나가게 된다. 다이오드들(210, 220) 중 하나가 레이저 다이오드(LD) 또는 광전흡수 변조기(EAM)로 동작할 것이다. 여기서, 제 1 다이오드(210)가 레이저 다이오드(LD) 또는 광전흡수 변조기(EAM)로 동작하는 것으로 가정하기로 한다. 이때, RF 신호원(230)에 의한 RF 전기 신호의 인가시에 발생하는 순간적인 광세기의 변화에 대비한 위상 변화를 첩(Chirp)이라 한다. 첩(Chirp)은 광섬유 통신에서 크로마틱 분산(Chromatic dispersion)을 일으키게 한다. 레이저 다이오드(LD) 또는 광전흡수 변조기(EAM)에서 전극으로의 신호 인가에 의한 빛의 세기 변화는 근원적인 현상이기 때문에, 순간적인 위상 변화를 줄여야 첩(Chirp) 현상을 감소시킬 수 있다. 이를 위해 다이오드들(210, 220) 중에서 커패시터 용도로 사용되는 제 2 다이오드(220)에서 직렬 푸시풀 동작시 발생하는 역위상(Anti-phase) RF 특성을 이용한다.
제 1 다이오드(210)에 인가되는 RF 전기 신호에 의한 순간적인 굴절률 변화는 입사되는 광의 위상을 변화시킨다. 그리고 광의 위상 변화는 제 2 다이오드(220)에서는 반대의 굴절률 변화를 야기시키고, 제 2 다이오드(220)에서의 위상 변화 역시 반대로 나타난다. 따라서, 제 1 다이오드(210)에서 방출된 빛이 제 2 다이오드(220)를 지나게 되면, 위상 변화가 상쇄되므로 첩(Chirp) 특성이 감소하게 된다. 커패시터 다이오드(Capacitor Diode)로 사용되는 제 2 다이오드(220)의 경우 제 1 다이오드(210)와 동일 세기로 역위상(Anti-phase) 동작을 하게 되면, 제 1 다이오드(210)에서 방출되는 빛의 강한 흡수가 일어난다. 따라서, 제 2 다이오드(220)의 P 영역에 DC 바이어스(250)를 걸어 흡수 대역을 시프트(Shift)함으로써 흡수율의 조절이 가능하다.
더불어, 도시되지는 않았지만 어떤 실시 예에서는 다이오드들(210, 220) 모두에 바이어스를 걸기 위해 공통 N 영역에 하나의 DC 바이어스를 제공할 수도 있다. DC 바이어스는 전류 바이어스 또는 전압 바이어스 모두가 가능하다. 광소자(200)가 레이저 다이오드로 구동되는 경우, RF 신호원(230) 외에 DC 바이어스(235)로 전류 바이어스가 사용될 수 있다. 이 경우 N 영역의 RLC 회로의 저항(R)에 의해 다이오드들(210, 220)에 걸리는 전압이 결정된다. 저항(R)이 클 경우 다이오드들(210, 220)에 걸리는 전압이 커져 커패시터용 다이오드에 높은 역전압이 인가된다. 따라서, 다이오드들(210, 220)에 걸리는 전압의 크기를 낮추기 위해서는 저항의 저항값을 줄일 수 있다.
이상에서는 첩(Chirp)을 줄일 수 있는 본 발명의 광소자(200)의 개략적인 회로 구조가 설명되었다. 광소자(200)의 경우, 제 1 다이오드(210)와 제 2 다이오드(220) 모두에 광이 지나가게 된다. 그리고 제 1 다이오드(210)만이 레이저 다이오드(LD)나 광전흡수 변조기(EAM)로 동작하고, 제 2 다이오드(220)는 직렬 푸시풀 동작을 위한 커패시터로서만 동작한다. 제 1 다이오드(210) 및 제 2 다이오드(220)의 광도파로 구조는 후술하는 도면들을 통해서 보다 상세히 설명될 것이다.
도 3은 도 1의 광소자의 개략적인 평면도를 보여준다. 도 3을 참조하면, 상부에서 바라본 광소자(300)는 제 1 다이오드(310) 부분과 제 2 다이오드(320), RF 신호원(330), DC 바이어스(340), 그리고 저항(R)을 포함할 수 있다. 광소자(300)는 레이저 다이오드(LD)나 광전흡수 변조기(EAM)로 구동될 수 있으며, 레이저 다이오드(LD)로 구성하기 위해서는 Ⅲ-Ⅴ족 기반의 화합물 반도체나 실리콘-실리콘 게르마늄(Si-SiGe)의 실리콘 구조일 수 있다.
레이저 다이오드(LD)는 빛이 지날 수 있는 광도파로(Waveguide) 형태로 구성된다. 광도파로는 빛이 가이딩(Guiding)되는 코어(Core) 부분과 빛을 가두는 역할의 클래딩(Cladding) 부분으로 구성된다. 레이저 다이오드(LD)를 구성하기 위해 광도파로를 기준으로 코어 윗부분 클래딩을 P 영역으로, 코어 아래 부분 클래딩을 N 영역으로 도핑할 수 있다. 광도파로 코어 부분은 도핑으로 사용하는 불순물에 의한 흡수 손실을 막기 위해 진성 영역(Intrinsic)으로 설정할 수 있다. 광도파로에 형성되는 PIN 다이오드는 기본적으로 수직 구조이며, 목적에 따라 이온 주입(Ion implantation)이나 식각 등을 통해 수평한 구조의 PIN 다이오드를 형성할 수 있다.
다이오드들(310, 320)은 각각 병렬로 위치한다. 제 1 다이오드(310)는 레이저 다이오드(LD) 또는 전광흡수 변조기(EAM)로 동작하도록 P 영역에 RF 전기 신호를 입력받을 수 있다. 제 1 다이오드(310)는 입력된 RF 전기 신호에 구동되어 빛을 방출하거나 빛을 흡수하여 변조할 수 있다. 제 2 다이오드(320)의 P 영역은 접지되며, 실질적으로 광에 대한 변조나 생성에는 직접적으로 연관되지 않고, 직렬 푸시풀 다이오드 구조의 커패시터 기능만을 수행한다.
제 1 다이오드(310)가 레이저 다이오드(LD)로 동작하는 경우, 외부로부터의 광의 입사가 없이 내부에서 발진시키는 구조로 동작한다. 만일, 제 1 다이오드(310)가 광전흡수 변조기(EAM)로 동작하는 경우, 제 1 다이오드(310)는 외부로부터 광을 입력받는다. 입력받은 광은 RF 전기 신호에 따른 흡수계수 변화에 따라 세기가 변화되어 출력된다. 다이오드들(310, 320)의 N 영역은 공통으로 연결되어 있으며, 반도체 다이오드에서 N 영역은 N형 불순물의 도핑을 통해서 형성될 수 있다. N 영역에는 저항(R)이 연결된 것으로 도시되어 있으나, 실질적으로 RLC 회로로 구성될 수 있다.
도 4는 도 3의 광소자를 절단선(A-A')으로 절단한 단면을 도시하고 있다. 도 4를 참조하면, 다이오드들(310, 320)을 형성하기 위해 N형 또는 준절연(Semi-insulated) 기판(301)에 성장(Epitaxy)을 통해 복수의 층들(301~306)이 형성될 수 있다.
먼저, N형 또는 준절연(Semi-insulated) 기판(301)의 상부에 N+ 층(302), N 층(303), 진성(Intrinsic) 층(304), P 층(305), P+ 층(306)이 순차적으로 형성된다. 그리고 성장(Epitaxy)을 통해 복수의 층들(301~306)이 형성된 후에, 식각을 통해 두 개의 광도파로들(311, 321)이 형성될 것이다. 광도파로들(311, 321) 각각은 PIN 다이오드로 구동된다. 식각 공정에서 P 영역(305)까지만 제거하는 경우, 광도파로는 셸로우 리지(Shallow Ridge)형 구조로 형성된다. 반면, 식각 공정에서 진성층(304)과 N 영역(303)까지 제거하는 경우(309 부분의 제거), 광도파로는 딥 리지(Deep Ridge)형 구조로 형성될 것이다. 딥 리지(Deep Ridge)형 구조에서도 N+ 층(302)이 남아 있어 광도파로들(311, 321)의 N 영역은 연결된 상태로 존재한다.
다이오드의 전기적 특성 보호를 위해 광도파로들(311, 321)의 바깥 부분을 형성하기 위해 N+ 층(302) 아래로 식각한다. 식각된 영역은 P+ 층(306)의 방향으로 금속 전극(307, 308)을 형성하기 위해 절연 물질(Dielectric material)로 채워질 수 있다. N 층(303)은 N+ 층(302)이 전극 역할을 하며, 접지를 위해 P 형 전극이 방해받지 않는 곳에서 금속 전극을 통해 접지되거나, 기판이 도전성인 경우에는 기판을 통해 접지될 수 있다.
상술한 구조를 통해서 형성된 다이오드들(310, 320) 중 하나(예를 들면, 310)는 레이저 다이오드(LD) 또는 광전흡수 변조기(EAM)로 사용된다. 즉, 제 1 다이오드(310)의 광도파로(311)의 코어 층에 광이 통과되거나 생성될 수 있다. 반면, 다른 하나의 다이오드(예를 들면, 320)는 단순히 직렬 푸시풀 동작(Series push-pull operation)을 위한 단순 커패시터 역할만을 담당한다.
제 1 다이오드(310)의 광이 지나가는 코어 영역은 진성(Intrinsic) 영역이며 이 영역에 빛을 내거나 흡수할 수 있는 양자 우물(Quantum Well: 이하, QW)이 위치할 수 있다. 이 양자 우물(QW)에 전류를 인가하면 빛이 방출되어 레이저로 동작되고, 전압을 걸어 전기장을 형성하면 양자 우물(QW)의 흡수 계수 조절로 광세기 변조기로 동작한다. 두 다이오드들(310, 320)은 동일한 구조(도파로 길이, 폭, 도핑 농도, 양자 우물 수)로 형성될 수 있으며, 성능 개선을 위해 각 수치는 변경될 수 있음은 잘 이해될 것이다.
도 5는 도 2의 광소자의 개략적인 평면도를 보여준다. 도 5를 참조하면, 상부에서 바라본 광소자(400)는 제 1 다이오드(410) 부분과 제 2 다이오드(420), RF 신호원(430), DC 바이어스들(435, 440), 그리고 저항(R)을 포함할 수 있다. 광소자(400)는 레이저 다이오드(LD)나 광전흡수 변조기(EAM)로 구동될 수 있다.
광소자(400)가 레이저 다이오드(LD)로 구동되는 경우, 제 1 다이오드(410)에서 발진을 한다. 반면, 광소자(400)가 광전흡수 변조기(EAM)로 구동되는 경우, 외부에서 입력받은 광의 세기를 변조시킨 후 방출되는 빛이 중간의 패시브 도파로(450)를 경유하여 커패시터 다이오드로 동작하는 제 2 다이오드(420)로 입사된다. 커패시터로 동작하는 제 2 다이오드(420)는 인가되는 RF 전기 신호의 반대 위상으로 동작한다. 따라서, 제 2 다이오드(420)는 변조시에 발생하는 순간적인 위상 변화와 정확히 반대 위상으로 동작하여, 위상 변화를 상쇄시키는 역할을 한다. 따라서, 제 1 다이오드(410)에서 나오는 광이 제 2 다이오드(420)의 광도파로를 지나는 경우, 변조시 발생한 첩(Chirp)의 감소 효과가 나타난다.
도 6은 도 5의 광소자를 절단선(B-B')으로 절단한 단면을 도시하고 있다. 도 6을 참조하면, 다이오드들(410, 420)을 형성하기 위해 N형 또는 준절연(Semi-insulated) 기판(401)에 성장(Epitaxy)을 통해 복수의 층들(401~406)이 형성될 수 있다.
먼저, N형 또는 준절연(Semi-insulated) 기판(401)의 상부에 N+ 층(402), N 층(403), 진성(Intrinsic) 층(404), P 층(405), P+ 층(406)이 순차적으로 형성된다. 그리고 성장(Epitaxy)을 통해 복수의 층들(401~406)이 형성된 후에, 식각을 통해 두 개의 광도파로들(미도시)이 형성될 것이다. 절단면의 방향이 다를 뿐, 실질적인 광소자(400)의 구조는 앞서 설명한 도 4의 그것과 동일하다.
레이저 다이오드(LD) 또는 광전흡수 변조기(EAM)로 구동되기 위해, 제 1 다이오드(410)와 커패시터로 동작하는 제 2 다이오드(420)가 직렬 푸시풀 구조로 연결되고, 서로 반대 위상으로 동작한다. 따라서, RF 신호원(430)에 의해서 제 1 다이오드(410)에서 발생하는 순간적인 위상 변화(471)는 진성 도파로(Intrinsic waveguide)로 전달된다(472 참조). 진성 도파로를 경유하여 제 2 다이오드(420)로 전달된 광의 위상은 제 2 다이오드(420) 내부에서는 반대의 위상 변화(473)를 경험하기 때문에 순간적인 위상 변화는 상쇄될 수 있다. 도시된 바와 같이 두 개의 다이오드들(410, 420)을 구성하는 P 층(405) 각각은 진성층(404)을 통해서 연결되어 있다. 따라서, 제 1 다이오드(410)와 제 2 다이오드(420)의 P 영역을 절연시키기 위해, 두 다이오드들(410, 420) 사이의 P 영역을 식각하거나 불순물 도핑하여 저항을 높일 수 있다.
앞서 기술한 바와 같이 두 다이오드들(410, 420)은 동일 구조(동일 도파로 길이, 폭, 도핑 농도), 동일 수의 양자 우물(QW)을 사용하여 형성될 수 있으며, 효율 향상을 위해 동일하지 않은 구조로도 사용할 수 있다. 또한, 제 1 다이오드(410)에 인가하는 DC 바이어스(435)뿐만 아니라, 사용 목적에 따라 공통 N 영역이나 커패시터 다이오드에도 DC 바이어스를 인가할 수 있다.
상술한 구조를 통해 직렬 푸시풀 구조로 레이저 다이오드(LD) 또는 광전흡수 변조기(EAM)의 동작 대역폭을 2배로 높일 수 있다. 게다가, 본 발명의 실시 예에 따른 직렬 푸시풀 구조로 레이저 다이오드(LD) 또는 광전흡수 변조기(EAM)를 통해서 발생하는 첩(Chirp)을 감소시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 광소자의 개략적인 구조를 보여주는 평면도이다. 도 7을 참조하면, 광소자(500)는 제 1 다이오드(510), 제 1 다이오드(510)와 병렬 위치에 형성된 제 2 다이오드(520), RF 신호원(530), DC 바이어스(540), 곡선 광도파로(550), 그리고 저항(R)을 포함할 수 있다. 광소자(500)는 레이저 다이오드(LD)나 광전흡수 변조기(EAM)로 구동될 수 있다.
광소자(500)가 레이저 다이오드로 동작하는 경우(LD 모드), 제 1 다이오드(510)에서의 발진에 의해 광이 생성된다. 제 1 다이오드(510)에서 생성된 광은 광도파로를 따라 출력될 수 있다. 광소자(500)가 광전흡수 변조기로 구동되는 경우(EAM 모드), 외부에서 입사된 광의 세기는 RF 신호원(530)에서 제공된 RF 전기 신호에 의해서 변조되어 출력될 것이다. 제 1 다이오드(510)에서 생성되거나 변조된 광은 출력되어 곡선 광도파로(550)를 타고 방향을 전환하여 제 2 다이오드(520)에 입사될 수 있다. 이 경우, 커패시터로 동작하는 제 2 다이오드(520)는 인가되는 RF 신호의 반대 위상으로 동작한다. 따라서, 제 2 다이오드(520)는 변조시에 발생하는 순간적인 위상 변화와 정확히 반대 위상으로 동작하여 위상 변화를 상쇄시키는 역할을 한다. 따라서, 제 1 다이오드(510)에서 나오는 광이 제 2 다이오드(520)의 광도파로를 지나는 경우, 변조시 발생한 첩(Chirp)이 상쇄되고 감소한다.
여기서, 제 1 다이오드(510)에서 출력되는 광의 방향을 전환시키기 위한 곡선 광도파로(550)는 다양한 구성들로 대체 또는 구현될 수 있다. 예를 들면, 곡선 광도파로(550)는 링 공진기(Ring resonator), 방향성 결합기(Directional coupler), 반대방향 방향성 결합기(Contra-Directional coupler), 다중모드 간섭기(Multi-mode interference), 거울면 반사(Mirror reflection), 브레그 그레이팅 반사(Bragg grating reflection) 그리고 반사형 반도체 광증폭기(Reflective Semiconductor Optical Amplifier; RSOA) 등의 구성중 적어도 하나를 사용하여 대체될 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (13)

  1. 무선 주파수 신호를 전기적으로 제공하는 무선 주파수(RF) 신호원;
    상기 무선 주파수 신호에 응답하여 레이저 다이오드(LD) 또는 광전흡수 변조기(EAM)로 동작하는 제 1 다이오드;
    상기 제 1 다이오드의 N 영역을 공유하며, 상기 제 1 다이오드와 직렬 연결되고, 접지에 P 영역이 연결되어 상기 제 1 다이오드와의 직렬 푸시풀 동작을 위한 커패시터로 동작하는 제 2 다이오드; 그리고
    상기 N 영역과 상기 접지 사이에 연결되는 저항을 포함하되,
    상기 제 1 및 제 2 다이오드는 각각 반대의 위상으로 동작하는 것을 특징으로 하는 광소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 다이오드가 상기 레이저 다이오드로 동작하는 경우, 상기 무선 주파수 신호는 전류 신호로 제공되는 것을 특징으로 하는 광소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 다이오드의 P 영역과 상기 N 영역 중 적어도 하나에 연결되는 직류 전류 바이어스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 다이오드가 상기 광전흡수 변조기로 동작하는 경우, 상기 무선 주파수 신호는 전압 신호로 제공되는 것을 특징으로 하는 광소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 다이오드의 P 영역, 상기 N 영역, 그리고 상기 제 1 다이오드와 상기 제 2 다이오드의 기판 영역들 중 적어도 하나에 인가되는 직류 전압 바이어스를 더 포함하는 광소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 다이오드는 상기 무선 주파수 신호에 따라 구동되는 제 1 광도파를 포함하고, 상기 제 2 다이오드는 상기 제 1 다이오드와 동일한 구조의 제 2 광도파로를 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 광도파로와 상기 제 2 광도파로는 광학적으로 분리되며, 상기 제 1 광도파로에서 출력되는 광의 상기 제 2 광도파로의 입사는 차단되는 것을 특징으로 하는 광소자.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 광도파로와 상기 제 2 광도파로는 광학적으로 연결되며, 상기 제 1 광도파로에서 출력되는 광은 상기 제 2 광도파로의 입사되는 것을 특징으로 하는 광소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 광도파로와 상기 제 2 광도파로는 평행한 구조로 형성되며, 상기 제 1 광도파로에서 출력되는 상기 광을 상기 제 2 광도파로에 전달하기 위한 곡선 광도파로를 더 포함하는 광소자.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 광도파로와 상기 제 2 광도파로는 평행한 구조로 형성되며, 상기 제 1 광도파로에서 출력되는 상기 광을 상기 제 2 광도파로에 전달하기 위한 링 공진기(Ring resonator), 방향성 결합기(Directional coupler), 반대방향 방향성 결합기(Contra-Directional coupler), 다중모드 간섭기(Multi-mode interference), 거울면 반사(Mirror reflection), 브레그 그레이팅 반사(Bragg grating reflection) 그리고 반사형 반도체 광증폭기(Reflective Semiconductor Optical Amplifier; RSOA) 중 적어도 하나를 더 포함하는 광소자.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 광도파로 및 상기 제 2 광도파로 각각의 도파로 길이, 도파로 폭, 도파로 높이, 도핑 농도, 그리고 양자 우물의 수는 동일한 것을 특징으로 하는 광소자.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 광도파로 및 상기 제 2 광도파로는 각각 리지(Ridge)형 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 광소자.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항과 상기 접지 사이에 연결되는 인덕터를 더 포함하는 광소자.
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