KR19990030831A - 반도체 광 증폭기 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 EDFA를 대체 분야, 파장 분할 멀티플렉서(WDM)용 파장 변환기(wavelength converter) 및 광 스위칭 소자(optical switching device)와 같은 기능 소자에도 폭넓게 응용되며, 차 세대 광 통신의 핵심 소자로 각광을 받고 있는 반도체 광 증폭기(SOA; semiconductor optical amplifier) 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 광 증폭기는 이득 영역을 소자의 소정 영역에 “ㄷ”자 모양으로 배치하고, 그 모서리 부분에 전반사 거울을 설치하여 칩의 면적은 적게 하면서 공진기의 길이만 길게 하는 방식을 통해 소자의 이득 특성을 향상시키고, 칩 제조(fabrication)시 특히 칩 형성(chip making)시 발생할 수 있는 실패(fail) 요소를 줄인다.

Description

반도체 광 증폭기 및 그 제조 방법

본 발명은 고유의 광 증폭 기능을 이용하여 EDFA를 대체하는 분야 뿐 만 아니라, 파장 분할 멀티플렉서(WDM)용 파장 변환기(wavelength converter)나 광 스위칭 소자(optical switching device)와 같은 기능 소자에도 폭넓게 응용되며, 차 세대 광 통신의 핵심 소자로 각광을 받고 있는 반도체 광 증폭기(SOA; semiconductor optical amplifier) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

도 1a는 종래의 광 증폭기의 수직 단면도이고, 도 1b는 도 1a의 광 증폭기의 공진기 구조를 보여주기 위한 개략적 투시 평면도이다. 도시된 바와 같이, 종래의 광 증폭기는 반도체 기판(1) 상에 하부 크래드층(2), 활성층(3), 상부 크래드층(4) 및 캡층(5)이 순차로 적층된 구조에 전류 제한(current confinement)을 위한 윈도우(6)가 활성층(3)에 유입되는 전류를 제한하도록 상부 크래드층(4), 활성층(3) 및 하부 크래드층(2)의 폭을 채널 형태로 제한하도록 형성되어 있다.

이와 같은 반도체 광 증폭기는 반도체의 이득 특성을 이용한 것으로, 입력광이 활성층을 통과하면 출력광은 그 활성층의 이득 만큼 증폭되도록 동작한다. 따라서, 반도체 광 증폭기의 기본적 구조는 반도체 레이저 다이오드와 매우 유사하다.

그러나, 소자의 양쪽 벽개면이 일정한 반사율을 갖게 되면 광의 궤환이 일어나 소자의 특성이 나빠지므로 이를 막기 위해 반도체 레이저 다이오드와는 달리 벽개면 양단에 무반사(AR) 코팅을 하여 진행파(travelling wave) SOA가 되도록 한다. 여기에, 리지 구조의 스트라이프에 도 1b에 도시된 바와 같이 소정 각도의 비스듬한 경사를 주어 반사율을 낮추거나 윈도우(window) 영역을 벽개면 근처에 만들어 반사율을 더욱 더 낮출 수 있다.

또한 입력광의 편광상태에 무관하게 증폭이 일어나기 위해서는 TE 편광과 TM 편광의 이득을 같게 해주어야 하는데 이를 위해 여러 가지 방식이 채택되고 있다. 이를 위하여 주로 활성층을 두꺼운 벌크(bulk) 물질로 하거나, 스트레인 다중 양자 우물(strained multiple quantum well)을 활성층으로 적용하여 편광 이득을 같게 하여 주는 방식 등이 있다. 가능한한 활성층에서 상대적으로 작은 TM 모드의 이득을 증가시켜서 TE 모드와 TM 모드의 이득이 같아지도록 한다. 또한, 광 증폭기의 중요한 요소의 하나인 광 이득을 증가시키기 위해서는 공진기의 길이를 상대적으로 길게 만들어야 하며, SOA를 적용한 소자인 포토닉(Photonic) IC나 광학적 게이트 스위치 어레이(Optical gate switch array)와 같은 소자들의 경우는 훨씬 더 정도가 심해 공진기 방향의 길이 대 이에 수직한 방향의 길이의 차가 매우 심해지므로 칩(Chip) 제조시 파손에 의해 수율이 감소하는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 공진기 방향의 길이 대 이에 수직한 방향의 길이의 차를 줄이고 소자의 면적을 기존의 절반 이하로 줄이며 제조 공정을 단순화시킨 광 증폭기 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a는 종래의 광 증폭기의 수직 단면도이고,

도 1b는 도 1a의 광 증폭기의 공진기 구조를 보여주기 위한 개략적 투시 평면도이며,

도 2a는 본 발명에 따른 광 증폭기의 개략적 투시 평면도이며,

도 2b는 도 2a의 광 증폭기를 A-A'라인을 따라 절개한 수직 단면도,

그리고 도 2c는 도 2a의 광 증폭기를 B-B'라인을 따라 절개한 수직 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1. 기판 2. 하부 크래드 층

3. 활성층 4. 상부 크래드 층

5. 캡 층 6. 윈도우 층

11. 기판 12. 하부 크래드 층

13. 활성층 14. 상부 크래드 층

15. 캡 층 17. 전반사 거울

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광 증폭기는, 반도체 기판 상에 하부 크래드층, 활성층 및 상부 크래드층이 순차로 적층된 광 증폭기에 있어서, 상기 활성층에 형성된 ㄷ자형의 도파로; 입사광이 상기 ㄷ자형 도파로를 따라 진행하도록 상기 ㄷ자형의 도파로의 양 모서리에 각각 배치된 전반사 거울;을 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 ㄷ자형의 도파로는 상기 상부 크래층의 상부를 ㄷ자 모양의 리지로 만들어 형성되고, 상기 전반사 거울은 상기 ㄷ자형의 도파로의 양 모서리 부분을 활성층이 관통되도록 45도 각도로 식각하여 형성된 것이 바람직하다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광 증폭기의 제조 방법은, (가) 반도체 기판 상에 하부 크래드층, 활성층, 상부 크래드층을 순차로 적층하는 단계; (나) 상기 상부 크래드층을 소정의 깊이 까지 식각하되 ㄷ자형의 리지를 이루도록 식각하는 단계; 및 (다) 상기 ㄷ자형 리지에 의해 상기 활성층에 형성된 도파로의 양 모서리에 각각 전반사 거울을 설치하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 (가) 단계는 MOCVD법, CBE법 및 MBE법 중 어느 한 가지 방법으로 이루어지고, 상기 (나) 단계는 리소그래피법, RIBE법 및 CAIBE법 중 어느 한 가지 방법으로 이루어지며, 상기 (다) 단계에서 상기 전반사 거울은 상기 리지형 도파로의 양 모서리 하부의 활성층을 각각 45도 각도로 식각하여 형성되는 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 광 증폭기 및 그 제조 방법을 상세하게 설명한다.

도 2a는 본 발명에 따른 광 증폭기의 투시 평면도로서, 개략적인 공진기 구조를 보여주고, 도 2b 및 도 2c는 각각 도 2a의 광 증폭기를 A-A' 라인 및 B-B' 라인을 따라 절개한 모습을 보여주는 수직 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광 증폭기는 반도체 기판(11) 상에 하부 크래드층(12), 활성층(13), 상부 크래드층(14) 및 캡층(15)이 순차로 적층된 구조에 전류 제한(current confinement)을 위하여 상부 크래드층(14)의 소정 깊이 까지 식각하여 상부 크래드층(14) 및 캡층(15)을 “ㄷ”자 모양의 리지 모양으로 형성하여 채널 폭을 제한하고, 이 "ㄷ"자 모양의 채널 양 모서리에 대응하는 활성층 영역에 채널을 따라 입사된 빛이 증폭되어 출사될 수 있도록 전반사 거울(17)을 형성한 구조를 갖는다.

이와 같이, 상술한 광 증폭기는 공진기 방향의 길이 대 이에 수직한 방향의 길이의 차를 줄이고 소자의 면적을 기존의 절반 이하로 줄이며 제조 공정을 단순화시키기 위하여 전반사 거울 구조를 사용하여 광 도파로를 형성한 점에 특징이 있다. 즉, 이득 영역을 소자의 소정 영역에 “ㄷ”자 형태로 배치하고 직각으로 광이 꺽이는 모서리 부분에 전반사 거울을 설치하여 칩의 면적은 적게 하면서 공진기의 길이 만을 길게 하는 방식을 통해 소자의 이득 특성도 향상시키고, 칩 제조(chip making)시 발생할 수 있는 결함(fail) 요소를 없앤다. 더욱이, 광의 입력과 출력을 한쪽면에서만 이루어지도록 함으로써 이 면에만 AR 코팅을 하면 되어 제작 공정을 간단히 한다.

또한, 상기와 같은 구조의 광 증폭기를 제조하기 위해서는 크게 통상의 에피택시(Epitaxy) 공정 및 도파로와 전반사 거울의 형성 공정을 실시한다.

먼저, 에피택시 공정으로, InP 기판(11) 상에 하부 크래드층(12), 활성층(13), 상부 크래드층(14) 및 캡층(15)을 통상의 MOCVD(metal organic chemical vapor epitaxy), CBE(chemical beam epitaxy) 또는 MBE(molecular beam epitaxy) 등을 이용하여 순차로 성장시킨다.

다음에, 리지 도파(ridge waveguide)의 형태로 이득 영역을 제외한 소정 영역을 통상의 리소그래피(Lithography; E-beam direct writer나 Stepper)와 RIBE(reactive ion beam epitaxy)나 혹은 CAIBE(chemical assisted ion beam etching) 등을 이용한 건식 식각법을 이용하여 도 2b에 도시된 바와 같이 식각함으로써 리지 구조를 형성한다.

다음에, 전반사 거울(17)을 상기 리지 도파형의 이득 영역이 꺾어진 부분의 모서리에 45도 각도로 형성하되, 도 2c에 도시된 바와 같이, 활성층(13)을 관통하도록 하부 크래드층(12) 가지 식각하여 소자를 완성한다.

일반적인 광 도파로는 굴절율 차이에 의한 전반사의 원리로 광이 도파(guiding)되므로 도파로를 직각으로 꺽거나 하면 꺽인 점에서의 손실에 의해 제대로 된 도파로의 구실을 할 수 없으나 모서리에 전반사 거울을 적용한 도파로에서는 거의 손실이 없이 광의 도파가 가능하다.

따라서 “ㄷ”자 모양의 도파로 배치에도 불구하고 광은 전혀 손실이 없이 도파 및 증폭된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 광 증폭기는 전반사 거울을 사용하여 1차의 AR 코팅만으로 양호한 특성을 갖게 되므로, 종래보다 제작 공정이 훨씬 간편하고 수율 향상 및 생산비가 절감되는 효과가 있다. 또한 이득 영역을 소자의 소정 영역에 “ㄷ”자 모양으로 배치하고 모서리 부분에 전반사 거울을 설치하여 칩의 면적은 적게 하면서 공진기의 길이만 길게 하는 방식을 통해 소자의 이득 특성도 향상시키고 칩 제조(fabrication)시 특히 칩 형성(chip making)시 발생할 수 있는 실패(fail) 요소를 없앨 수 있다.

또한 광의 입력과 출력을 한쪽 면만 사용하므로 광섬유 결합(fiber coupling)도 종래 보다 용이하게 수행할 수 있으며, 모든 photonic IC, OEIC, Wavelength converter, 및 optical switching device 등의 소자로의 응용이 가능하다.

Claims (7)

1. 반도체 기판 상에 하부 크래드층, 활성층 및 상부 크래드층이 순차로 적층된 광 증폭기에 있어서,

   상기 활성층에 형성된 ㄷ자형의 도파로;

   입사광이 상기 ㄷ자형 도파로를 따라 진행하도록 상기 ㄷ자형의 도파로의 양 모서리에 각각 배치된 전반사 거울;을

   구비한 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 ㄷ자형의 도파로는 상기 상부 크래층의 상부를 ㄷ자 모양의 리지로 만들어 형성된 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
3. 제1항에 있어서,

   상기 전반사 거울은 상기 ㄷ자형의 도파로의 양 모서리 하부의 활성층을 45도 각도로 식각하여 형성된 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
4. (가) 반도체 기판 상에 하부 크래드층, 활성층, 상부 크래드층을 순차로 적층하는 단계;

   (나) 상기 상부 크래드층을 소정의 깊이 까지 식각하되 ㄷ자형의 리지를 이루도록 식각하는 단계; 및

   (다) 상기 ㄷ자형 리지에 의해 상기 활성층에 형성된 도파로의 양 모서리에 각각 전반사 거울을 설치하는 단계;를

   포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기의 제조 방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 (가) 단계는 MOCVD법, CBE법 및 MBE법 중 어느 한 가지 방법으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광 증폭기의 제조 방법.
6. 제4항에 있어서,

   상기 (나) 단계는 리소그래피법, RIBE법 및 CAIBE법 중 어느 한 가지 방법으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광 증폭기의 제조 방법.
7. 제4항에 있어서,

   상기 (다) 단계에서 상기 전반사 거울은 상기 리지형 도파로 양 모서리 하부의 활성층을 각각 45도 각도로 식각하여 형성되는 것을 특징으로 하는 광 증폭기의 제조 방법.