KR19990024860A - 필터 일체형 광검출장치 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

필터 일체형 광검출장치

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 요지

본 발명은 별도의 필터 장치를 제작하지 않고 패키징하는 것을 간편하게 하기 위한 필터 일체형 광검출기를 제공함에 그 목적이 있다.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은 광섬유로부터 전송된 광을 전기적인 신호로 변환하도록 일측면에 n영역과 p영역을 포함하는 진성영역이 형성되며, 상기 n영역 표면의 일측부에는 n전극이 구비되며, 상기 진성영역 일측에 p+영역이 형성되고, 상기 p+영역 일측에 금속막과 p전극이 순차적으로 구비된 광검출수단; 및 상기 광검출수단의 n영역 표면 타측에 장착되어 입사된 빛의 파장에 따라 선별하여 투과시키는 필터를 포함하는 필터 일체형 광검출장치를 제공한다.

4. 발명의 중요한 용도

필터가 광검출부 표면에 부착되므로써 광검출기 시스템의 부피를 작게 하고, 광경로를 단축시키며 불필요한 광경로의 확장과 광손실을 방지하며, 대역 흡수 및 대역통과 광검출기 시스템의 제조 비용을 절감할 수 있는 것임.

Description

필터 일체형 광검출장치

본 발명은 광신호를 전기적인 신호로 변환하는 반도체 장치로서 공기, 광섬유 혹은 광도파로로부터 전송된 광을 수신하여 전기적인 신호로 변환하는 광검출기에 관한 것으로, 특히 광검출기의 표면에 필터를 제작하여 필터와 광검출기를 일체화한 필터 일체형 광검출기에 관한 것이다.

일반적으로, 광검출기는 통상 n형과 p형 반도체의 접합으로 구성되며 반도체의 밴드 갭 보다 큰 에너지를 갖는 광자(photon)는 반도체 내에 흡수되너 전자, 정공 쌍을 생성하고, 전자는 n형 반도체 쪽으로 이동하고 정공은 p형 반도체 쪽으로 각각 이동하여 반도체의 양단에 입사된 광의 세기에 비례하는 전류 및 전위차를 발생한다.

상기와 같은 반도체 광검출기에서는 밴드 갭의 크기를 조절함으로써 입사광의 파장(광자의 에너지는 파장에 반비례 한다)에 따라 광을 흡수하거나 통과시키도록 할 수 있다. 그러나, 상기의 광검출기에서는 특정한 대역의 파장을 갖는 빛, 즉 특정한 파장 혹은 파장의 폭을 갖는 빛을 선택적으로 흡수할 수 있는 기능을 가지기 어려우므로 이와 같이 특정한 파장 혹은 파장의 폭을 갖는 빛을 선택적으로 흡수하고자 할 경우에는 대역 차단 혹은 대역 통과 특성이 우수한 광필터를 설치하여야 한다.

따라서, 종래에는 빛의 파장에 따라 선택적으로 대역 흡수 기능을 갖는 광검출기 시스템을 구현하기 위해서 광검출기 앞에 적절한 대역 통과 필터를 설치하여 사용하였다.

상기와 같이 사용하는 여러 가지 필터 중에서 박막 유전체 필터(thin film dielectric filter)는 굴절률(refractive index)이 높은 유전체와 낮은 유전체를 교대로 적층한 구조를 가지며 각 층의 광학적인 두께를 사용하고자 하는 광 파장의 사분의 일의 정수배로하여 원하는 필터 특성을 구현한다.

광검출기 앞에 광필터를 사용하는 종래의 광검출장치는 여러 가지가 제안된 바 있으며, 이를 도 1및 도 2를 참조하여 간략히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 광섬유(1)와 패키징된 광검출기(7)사이에 필터(4)가 설치된 일실시예를 나타낸 것으로, 상기 광섬유(1)와 광검출기(7) 사이에는 별도로 제작된 필터(4)를 사용하는데, 상기 필터(4)는 빛의 파장에 따라 선택적으로 대역 흡수 기능을 갖는다. 또한, 광섬유(1)와 광검출기(7) 사이의 거리가 먼 경우에는 빛의 발산에 의한 광검출기(7)에 입사하는 광량의 감소를 방지하기 위하여 필터(4)의 앞 혹은 뒤, 또는 앞과 뒤에 제1 및 제2 렌즈(3, 5)나 시준기(collimator)가 장착된 구조를 가지고 있다.

상기의 광섬유(1)에서 발산한 광(2)은 제1렌즈(3)를 통하여 집속되어 필터(4)에 입사되고, 상기 필터(4)에 입사된 광(2)은 제2렌즈(5)를 통하여 다시 집속되어 패키징된 광검출기(7)에 입사되게 된다.

또한, 도 2는 광검출장치의 다른 일실시예를 나타낸 것으로, 광섬유(15)로부터 전달된 빛이 광도파로(13)를 통하여 광검출기(11)에 입사하는 장치로서, 실리콘기판(14)위에 제작된 광섬유(15)와 광검출기(11) 사이의 광도파로(13)의 특정 부위를 절개하고 그 사이에 빛의 파장에 따라 선택적으로 대역 흡수 기능을 갖는 필터(12)를 삽입한 구조로 되어있다.

상기와 같이 빛의 파장에 따라 선택적으로 대역 흡수 기능을 갖는 광검출 시스템을 구현하는 종래의 방법에서는 별도로 제작된 필터와 필터의 패키징, 그리고 이들을 상호 정렬하여 설치하는 작업이 필요하므로 대역 통과 혹은 대역 흡수 광검출기 시스템의 제조 단가가 높고 장치의 부피가 큰 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 특정한 대역의 빛을 흡수하거나 투과시키는 광검출기 시스템에서 필터를 광검출기의 표면에 일체로 형성시키므로서 별도의 필터 장치를 제작할 필요가 없으며, 패키징하는 것을 간편하게 한 필터 일체형 광검출장치를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 필터를 광검출기 내에 삽입함으로서 불필요한 광경로의 확장과 손실을 방지하며, 필터를 가진 광검출기의 크기를 소형화하고 대역 흡수 및 대역통과 광검출기 시스템의 제조 비용을 절감할 수 있는 필터 일체형 광검출기를 제공함에 다른 목적이 있다.

도 1은 광섬유를 통해 전송된 광이 종래 기술에 따른 광검출장치에 수신되는 일예를 나타낸 구성도,

도 2는 광섬유를 통해 전송된 광이 종래 기술에 따른 광검출장치를 통과하는 다른예를 나타낸 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 필터 일체형 광검출장치의 일실시예를 나타낸 구성도,

도 4는 본 발명에 따른 요부구성도로서 광검출기 내에 장착되는 박막 유전체 필터의 구성도,

도 5는 광섬유를 통해 전송되는 광이 본 발명의 필터 일체형 광검출장치에 수신되는 상태를 나타낸 개략도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1,15,31 : 광섬유 2,32 : 입사광

3 : 제1렌즈 4, 12, 40 : 필터

5 : 제2렌즈 6,34 : 투과광

7, 11 : 광검출기 13 : 광도파로

14 : 실리콘 기판 21 : n전극

22 : 박막 유전체 필터 23 : n영역

24 : p영역 25 : 진성영역

26 : p+영역 27 : 금속막

28 : p전극 29 : 광검출기부

33 : 렌즈 35 : 필터 일체형 광검출기

36 : 수광부 표면 37 : 고굴절율층

38 : 저굴절율층 39 : 공기

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 광섬유로부터 전송된 광을 전기적인 신호로 변환하도록 일측면에 n영역과 p영역을 포함하는 진성영역이 형성되며, 상기 n영역 표면의 일측부에는 n전극이 구비되며, 상기 진성영역 일측에 p+영역이 형성되고, 상기 p+영역 일측에 금속막과 p전극이 순차적으로 구비된 광검출수단; 및 상기 광검출수단의 n영역 표면 타측에 장착되어 렌즈를 통과한 빛의 파장에 따라 선별하여 투과시키는 필터를 포함하는 필터 일체형 광검출장치를 제공한다.

이하, 첨부된 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 필터 일체형 광검출장치는 도 3에 도시한 바와 같이, 크게 광검출기부(29)와, 상기 광검출기부(29) 표면에 박막 유전체 필터(22)가 결합된 구조로 되어있다. 여기서, 상기 광검출기부(29)는 표면으로부터 빛을 받아들이는 표면 수광형의 핀 광 다이오드(PIN photodiode), 혹은 애벌란시 광 다이오드(avalanche photodiode) 중 어느 하나로 이루어진다. 상기 광검출부(29)는 박막 유전체 필터(22)와 결합되는 부위측인 수광부 표면(36)에 n영역(23)이 형성되며, 상기 n영역(23)은 그의 일측에 p영역(24)을 포함하고 있다. 또한, 상기 박막 유전체 필터(22)의 일측에 n전극(21)이 구비되며, 상기 n영역(23)과 p영역(24)은 진성(intrinsic)영역(25) 내에 포함된다. 이때, 상기 진성영역(25)은 애벌란시 광 다이오드인 경우 π 영역(avalanche photodiode인 경우)을 포함한다.

그리고, 상기 진성영역(25)의 일측면에 p+영역(26)이 형성되며, 상기 p+영역(26)의 일면에는 금속막(27)과 p전극(28)이 순차적으로 결합된 구조로 되어있다.

상기 박막 유전체 필터(22)는 도 4에 도시한 바와 같이 광검출기의 수광부 표면(36)에 고굴절율층(37)과 저굴절율층(38)이 교대로 적층된 구조를 가지며, 표면은 공기(39)로 이루어져 있다. 그리고, 상기의 고굴절율층(37)과 저굴절율층(38)의 쌍으로된 차수는 1차, 혹은 2차, 혹은 3차 이상의 고차로 구성될 수 있고, 이때 각 층의 광학적인 두께(물리적인 두께 X 굴절률)는 사용하고자 하는 파장의 사분의 일의 정수배로한다.

상기와 같은 구조를 가지는 본 발명의 필터 일체형 광검출장치의 제조 방법을 설명한다.

광검출기부(29)는 기존의 반도체 광검출기의 제조 방법과 동일하고, 단지 광검출기부(29)의 n영역(23)을 형성한 이후에 굴절률이 높은 유전체와 굴절률이 낮은 유전체를 차례로 진공증착, 또는 화학기상증착(Chemical vapor deposition; CVD), 혹은 스퍼트링(sputtering) 등의 방법으로 직접 광검출기부(29) 표면에 형성한다. 그리고 상기 광검출기부(29)로부터 n전극(21)을 형성하기 위하여 상기 유전체 물질의 소정 부위를 식각하여 저항(ohmic) 접촉금속을 증착하거나, 혹은 n영역(23)에 먼저 n전극(21)을 형성한 다음에 그 위에 박막 유전체 필터(22)를 코팅하고 n전극이 될 박막 유전체 필터(22)의 소정 부위를 선택적으로 식각하여 전극을 형성할 수 있다.

상기 박막 유전체 필터(22)의 재료로서는 내화금속 산화물(refractory metal oxide), 아연 황화물(zinc sulfide), 아연 아셀렌산염(zinc selenite), 빙정석(cryolite) 등이 사용될 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 필터 일체형 광검출기와 광섬유(31) 혹은 광도파로 장치를 사용하여 대역 흡수 광검출기 시스템을 구성한 일예를 나타낸다. 도면에 도시한 바와 같이, 광섬유(31)에서 방출된 광(32)은 렌즈(33)를 통하여 집속된 광(34)으로 되어 필터 일체형 광검출기(35)에 입사한다. 한편, 도 1의 종래의 기술과 비교하여 별도의 필터(4)는 광검출기의 표면에 통합되고 집속용 렌즈(5)도 제거된다.

또한, 도 5의 집속용 렌즈(33)는 상기 광섬유(31)와 광검출기(35) 사이의 거리가 가까운 경우에는 사용하지 않아도 무방하고, 본 발명에 따른 필터 일체형 광검출기는 도 2의 종래 기술에서 광검출기(11)와 필터(12) 대신에 사용될 수 있다.

일반적으로 광필터의 특성은 입사빔과 반사빔의 각도에 따라 민감하게 그 특성이 변화한다. 그러나 본 발명에서는 필터가 광검출기 표면에 직접 형성되어 있으므로 광검출기(29)와 필터(12)를 별도로 정렬하지 않아도 박막 유전체 필터(22)와 광검출기부(29)는 항상 평행으로 존재하게 되어 집속된 광을 일정하게 유지시킬 수 있게 된다.

따라서, 상기 필터 일체형 광검출기는 필터와 광검출기를 개별적으로 제작, 사용하는 것에 비하여 제작비용을 저렴하게 하고, 장치의 조립을 간단히 할 뿐아니라 장치의 부피를 작게 할 수 있는 이점이 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 필터가 광검출부 표면에 부착되므로써 특정한 대역의 빛을 흡수하는 광검출기 시스템의 부피를 작게 하며, 시스템의 패키징을 간편하게 하며 광경로를 단축시킨다. 또한, 불필요한 광경로의 확장과 광손실을 방지하며, 대역 흡수 광검출기 시스템의 제조 비용을 절감할 수 있는 효과를 가진다.

Claims (5)

1. 광섬유로부터 전송된 광을 전기적인 신호로 변환하도록 일측면에 n영역과 p영역을 포함하는 진성영역이 형성되며,

   상기 n영역 표면의 일측부에는 n전극이 구비되며, 상기 진성영역 일측에 p+영역이 형성되고, 상기 p+영역 일측에 금속막과 p전극이 순차적으로 구비된 광검출수단; 및

   상기 광검출수단의 n영역 표면 타측에 장착되어 렌즈를 통과한 빛의 파장에 따라 선별하여 투과시키는 필터

   를 포함하는 필터 일체형 광검출장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 필터가 유전체로 제조된 필터 일체형 광검출장치.
3. 제 1 항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 광검출기가 표면 수광형인 필터 일체형 광검출장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 광검출기가 핀 광 다이오드인 필터 일체형 광검출장치.
5. 제 3항에 있어서,

   상기 광검출기가 애벌란시 광 다이오드인 필터 일체형 광검출장치.