KR20010073734A - Waveguide-type optical thyristor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 웨이브가이드 광 싸이리스터(Waveguide-type optical Thyristor)에 관한 것으로써, 특히 광통신용 소자의 개발에 있어 LD(Laser diode)동작이 가능한 고속 광스위칭 소자인 웨이브가이드 광 싸이리스터에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a waveguide optical thyristor, and more particularly to a waveguide optical thyristor which is a high speed optical switching device capable of operating a laser diode (LD) in the development of an optical communication device.
일반적으로, 광 싸이리스터(thyristor)는 도 1에 도시된 바와 같이 4개의 층을 가지고 있는 수직표면방사구조의 P+-n-p-N+소자이며, 광 싸이리스터(thyristor)는 도 2에 도시된 바와 같은 비선형 전류-전압 특성을 가지는 2극 소자이다. 이것은 전압의 증감에 따라 이중적인 안정상태(bistability)에 도달할 수 있다는 스위칭 소자의 특성을 충족시켜주고 있다.In general, an optical thyristor is a P + -np-N + device having a vertical surface radiation structure having four layers as shown in FIG. 1, and an optical thyristor is shown in FIG. It is a bipolar element having nonlinear current-voltage characteristics. This satisfies the switching device's ability to achieve dual stability with increasing or decreasing voltage.
광 싸이리스터의 동작 방법은 순전압을 가해주었을 때, 가운데 영역의 역전압이 걸리게 되어 가해준 전압에 비해 전류가 극히 미세한 일종의 오프(off) 상태를 유지하게 된다. 여기에 일정 이상의 전압이 가해질 경우 전압항복에 의해 전류가 급속히 증가하여 온(on) 상태로 전이하게 되어, 온(on) 상태에서 발광이 이루어지게 된다. 또한, 스위칭을 위해 중간영역에 광을 가해줄 경우 이것이 광전류로 작용하여 전압항복에 기여하게 된다.In the operation method of the optical thyristor, when the forward voltage is applied, the reverse voltage of the center region is applied to maintain a kind of off state in which the current is extremely fine compared to the applied voltage. When a predetermined voltage or more is applied thereto, the current rapidly increases due to voltage breakdown and transitions to the on state, thereby emitting light in the on state. In addition, when light is applied to the intermediate region for switching, it acts as a photocurrent and contributes to voltage breakdown.
광 싸이리스터 소자를 회로로 구현하였을 경우 부하선과의 연결점이 이 회로의 동작점(A, B)이 된다. 그러나 최근까지 이 소자에서의 문제점은 가운데 영역에 갇힌 과잉 전송자들의 재결합에 의해 스위칭 시간이 매우 길어지는(수 ms 정도) 단점이 있었다. 이러한 문제점에 대한 해결책으로써 역전압 펄스를 가해주어 과잉 전송자들을 제거해주는 완전 공핍 광 싸이리스터(thyristor)가 제안된 바 있다. 또한, 더욱 빠른 스위칭 동작을 위해 차분구조가 제안되었다. 이구조의 장점은 적은 양의 광으로도 스위칭이 가능하다는 것이다. 그리고 광 싸이리스터(thyristor)의 또 하나의 장점은 발광과 수광을 하나의 소자로써 구현할 수 있다는 것이다. 광 싸이리스터의 동작은 도 3에 도시된 바와 같이 전압 펄스가 가해지지 않을 때 수광을 한다. 이때 약간이라도 센 광이 들어온 쪽이 전압 펄스가 걸렸을 경우 발광을 하게되는 위너-테익스-올(winner-takes-all) 동작이 일어나게 된다. 현재까지 제안된 개선된 광 싸이리스터(thyristor)는 역전압과 차분구조 그리고 수광과 발광이 용이한 구조로 발전되어 왔다. 이러한 광 싸이리스터들은 집적이 가능하고 적은양의 광을 사용함으로써 스위칭이 이루어진다는 장점 때문에 광스위칭을 이용한 병렬광접속 등과 같은 구조에 적당한 소자로 인식되어지고 있다.When the optical thyristor element is implemented as a circuit, the connection point with the load line becomes the operating point (A, B) of the circuit. However, until recently, the problem with this device was that the switching time was very long (a few ms) by recombination of excess transmitters trapped in the middle region. As a solution to this problem, a fully depleted optical thyristor has been proposed that removes excess transmitters by applying a reverse voltage pulse. In addition, a differential structure has been proposed for faster switching operation. The advantage of this structure is that it can be switched even with a small amount of light. Another advantage of the light thyristor is that light emission and light reception can be realized as one device. The operation of the optical thyristor receives light when no voltage pulse is applied as shown in FIG. At this time, even if a slight light enters a voltage pulse, a winner-takes-all operation that emits light occurs. The improved optical thyristor proposed up to now has been developed into a reverse voltage and differential structure, and an easy light receiving and emitting structure. These optical thyristors have been recognized as suitable devices for structures such as parallel optical interconnection using optical switching because of the advantages that they can be integrated and can be switched by using a small amount of light.
현재 제안된 대부분의 광 싸이리스터(thyristor)는 수직표면 방출구조로서 GaAs계열의 물질을 사용하여 주로 단파장(800nm)의 병렬광접속에 이용되어지고 있다. 위의 수직표면 광 싸이리스터(thyristor)의 경우 온(on) 상태에서는 일반적으로 LED로 동작한다.Most of the currently proposed optical thyristors are used for parallel optical connection of short wavelength (800 nm) using GaAs-based materials as vertical surface emission structures. In the case of the above vertical surface optical thyristor, the LED is generally operated in an on state.
그러나, 고속 스위칭을 위해서는 주파수특성이 좋은 LD(Laser Diode)의 동작을 가능하게 하는 구조가 필수적이다. 현재 급속히 팽창하고 있는 광통신용 소자의 개발에 있어 LD동작이 가능한 광스위칭 소자가 절대적으로 필요한데 아직 제시되지 않은 문제점이 있다.However, for high speed switching, a structure that enables the operation of a laser diode having a good frequency characteristic is essential. At present, the optical switching device capable of LD operation is absolutely necessary in the development of the optical communication device, which is rapidly expanding.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로써, 본 발명의 목적은 광통신에서 사용되는 빠른 스위칭이 가능하게 하기 위해서는 광 싸이리스터(Thyristor)의 구조를 수직표면방식보다는 웨이브가이드(waveguide) 형태로 변환함으로써 레이징(lasing)을 가능하게 하고 단일 소자로서의 특성을 극대화시킬 필요가 있으므로 활성층 영역으로 작용하는 중간층을 bulk 물질을 쓰는 경우와 다중양자우물(Multiple Qnantum Well:MQW)을 쓰는 두 가지 경우로 분리하여 각각의 특성 및 광흡수효율의 증가와 그에 따른 레이징(lasing) 효과 증진을 고려하여 최적의 성능을 내기 위해서 각 층의 도핑(doping) 정도와 두께가 조정되어야 되며, 레이징(lasing)을 가능하게 하기 위한 여러 가지 조건들을 만족시키도록 광 싸이리스터(thyristor)를 집적하여 1차원 다배열 광스위칭 소자로의 제작정도도 고려한 웨이브가이드 광 싸이리스터를 제공한다.The present invention has been proposed to solve the above problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide an optical thyristor structure in order to enable fast switching used in optical communication. It is necessary to enable lasing and maximize the characteristics as a single device by converting it into a waveguide form, so that the intermediate layer serving as the active layer region uses bulk material and multiple quantum wells (MQW). In two cases, the degree of doping and thickness of each layer should be adjusted for optimum performance in consideration of the increase of the characteristics and light absorption efficiency and the lasing effect. One-dimensional multi-array light by integrating optical thyristors to meet various conditions to enable lasing Provided is a waveguide optical thyristor considering the fabrication degree of a switching device.
도 1은 종래의 기본적인 광 싸이리스터(thyristor)의 구조.1 is a structure of a conventional basic optical thyristor.
도 2는 일반적인 광 싸이리스터(Thyristor)의 전류-전압 특성 곡선.2 is a current-voltage characteristic curve of a typical optical thyristor.
도 3은 차분 구도 광 싸이리스터의 스위칭 주기 타이밍 다이어그램의 일례.3 is an example of a switching cycle timing diagram of a differential composition optical thyristor.
도 4는 본 발명에 의한 차분구조의 웨이브가이드(waveguide) 광 싸이리스터의 구조.4 is a structure of a waveguide optical thyristor of a differential structure according to the present invention.
도 5는 본 발명에 의한 epilayer 구조의 일례.5 is an example of an epilayer structure according to the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
V : 전압 RL : 부하 저항V: Voltage RL: Load Resistance
PMMA : 폴리마이드(polymide)PMMA: polymide
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 광 통신을 위한 광 스위칭 소자 시스템에 있어서: 접지와 연결되고 도체(substrate)로 구성된 N+층; 상기 도체위 좌측에 P+-n-p-N+ 네 개의 층으로된 웨이브가이드(waveguide) 형태로 구성된 제 1 싸이리스터(thyristor); 상기 도체위 우측에 P+-n-p-N+ 네 개의 층으로된 웨이브가이드 형태로 구성된 제 2 싸이리스터; 일정 전압을 제공받기 위해 전지(V)와 연결된 부하저항(RL)에 연결되어 전극이 공통으로 연결되고, P+-n-p-N+ 의 이중이종 접합구조로 차분방식으로 적용된 상기 제 1 싸이리스터와 상기 제2 싸이리스터의 P+층 위에 H형으로 설치된 금속판(metal film); 및 상기 제 1 싸이리스터 및 제 2 싸이리스터의 좌우측면의 빛이 새어나가는 것을 방지하기 위해 광 가이드를 하는 폴리마이드(PMMA)로 구성되는 것을 특징으로 하는 웨이브가이드 광 싸이리스터를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides an optical switching device system for optical communication, comprising: an N + layer connected to ground and composed of a conductor; A first thyristor configured in the form of a waveguide formed of four layers of P + -n-p-N + on the left side of the conductor; A second thyristor configured in the form of a waveguide having four layers of P + -n-p-N + on the right side of the conductor; The first thyristor and the first thyristor, which are connected to the load resistor RL connected to the battery V to be provided with a constant voltage, are commonly connected to each other, and are differentially applied in a double heterojunction structure of P + -np-N +. A metal film installed in H type on the P + layer of 2 thyristor; And a polyamide (PMMA) that guides light to prevent light from leaking from the left and right sides of the first and second thyristors.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 4는 본 발명에 의한 웨이브가이드(waveguide) 광 싸이리스터의 구조이다.도 4를 참조하면, 본 발명에서 제안하는 광 thyristor는 4개의 층을 가진 에지-에미팅(edge-emitting) 구조이다. P+-n-n-N+의 이중이종 접합구조이며 차분방식이 적용되었다. 이때 각각의 단일 싸이리스터(thyristor)는 웨이브가이드(waveguide) 형태로 구성되며 전극은 공통으로 연결되어 있다.4 is a structure of a waveguide optical thyristor according to the present invention. Referring to FIG. 4, the optical thyristor proposed in the present invention is an edge-emitting structure having four layers. P + -n-n-N + is a double heterojunction structure and differential method is applied. In this case, each single thyristor is configured in the form of a waveguide, and electrodes are connected in common.
기존의 싸이리스터(thyristor)와 같이 비선형적인 전압-전류 특성을 보이며 동작 방법은 기존의 광 싸이리스터(thyristor)와 같다. 역전압 펄스(pulse)를 사용하여 완전 공핍광 싸이리스터(thyristor)를 구현하며, 차분구조로서 양쪽으로 입사하는 광의 세기에 의해 광의 세기가 높은 쪽이 동작을 하는 위너-테익스-올(winner takes all) 특성을 지닌다.It shows nonlinear voltage-current characteristics like conventional thyristors, and its operation is the same as that of conventional thyristors. A fully depleted light thyristor is realized by using a reverse voltage pulse, and as a differential structure, the winner takes the higher intensity of light by the intensity of light incident on both sides. all)
이중이종 접합구조로서 광 제한(optical confinement)와 전송자 제한(carrier confinement)에 의한 효율향상을 기대할 수 있으며 이때 기존의 LED, 레이저 다이오드(LD)의 페브리-페롯(Fabry-Perot)과 같은 웨이브가이드(waveguide) 형태의 구조는 양쪽면에서의 외부와의 유전상수차이에 의한 반사율과 더불어 비교적 긴 활성층으로 인해 레이징(lasing)이 용이하게 이루어지는 장점이 있다.As a dual heterojunction structure, efficiency improvement due to optical confinement and carrier confinement can be expected. At this time, waveguide such as Fabry-Perot of conventional LED and laser diode (LD) The structure of the waveguide type has the advantage of easy lasing due to the relatively long active layer as well as reflectance due to the dielectric constant difference from the outside on both sides.
양쪽의 P+,N+은 큰 에너지밴드갭을 가지고 있으므로 전송자들이 중간층 영역으로 확산되어 population inversion이 일어나는 것을 돕게된다. 이것에 의해 레이징(lasing)이 일어나고 이것이 주파수 특성을 개선하여 스위칭 속도를 향상시킨다.Both P + and N + have a large energy bandgap, which allows the transmitters to diffuse into the middle layer to help the population inversion occur. This results in lasing which improves the frequency characteristics and thus the switching speed.
이러한 Fabry-Perot 형태는 높은 광흡수도를 유도하여 광수신효율과 광출력효율 크게 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 중간층을 다중양자우물로 사용할 경우 exciton 효과에 의한 흡수율의 증대로 더욱 높은 효율을 갖게 된다.The Fabry-Perot type can induce high light absorption and greatly improve light reception efficiency and light output efficiency. In addition, when the intermediate layer is used as a multi-quantum well, the absorption rate is increased due to the exciton effect, thereby achieving higher efficiency.
도 5는 본 발명에 의한 epilayer 구조의 일례를 나타낸다.5 shows an example of an epilayer structure according to the present invention.
본 발명에 의한 웨이브가이드(waveguide) 광 싸이리스터(thyrister)는 이중이종 접합구조로 차분방식으로 적용되며 N+층의 도체(substrate)의 위에 좌측에 제 1 싸이리스터 우측에 제 2 싸이리스터가 웨이브가이드 형태로 구성된다.The waveguide optical thyrister according to the present invention is applied in a differential manner with a double heterojunction structure, and a second thyristor is provided on the right side of the first thyristor on the left side of the conductor of the N + layer. Form.
상기 제 1 싸이리스터는 상기 도체(substrate)로 접지와 연결된 고밀도 도핑된(Highly doped) InP층, 상기 InP층 위에 1e18N+-InP(500nm)로 도핑된 N+층, 상기 N+층 위에 2e17P-InP(300nm)로 도핑되고 그 위에 1e17p-InGaAsP(200nm)로 도핑된 P층, 상기 P층 위에 1e17n-InGaAsP(200nm)로 도핑되고 그 위에 2e17N-InP(300nm)로 도핑된 N층, 상기 N층 위에 1e18P+-InP(500nm)로 도핑된 P+층, 및 상기 P+층 위에 도핑되고 상기 금속판(metal film)과 접합용 P+-InGaAs(100nm)층으로 구성된다.The first thyristor is a high density doped InP layer connected to ground with the conductor, an N + layer doped with 1e18N + -InP (500nm) on the InP layer, and 2e17P-InP (300nm) on the N + layer. P layer doped with) and doped with 1e17p-InGaAsP (200 nm) thereon, N layer doped with 1e17n-InGaAsP (200 nm) over the P layer and 2e17N-InP (300 nm) thereon, 1e18P + over the N layer A P + layer doped with InP (500 nm), and a P + -InGaAs (100 nm) layer doped over the P + layer and bonded to the metal film.
상기 제 2 싸이리스터는 상기 도체(substrate)로 접지와 연결된 고밀도 도핑된(Highly doped) InP층; 상기 InP층 위에 1e18N+-InP(500nm)로 도핑된 N+층, 상기 N+층 위에 2e17P-InP(300nm)로 도핑되고 그 위에 1e17p-InGaAsP/InP MQW의 다중 양자 우물(Multiple Quantum Well:MQW)로 도핑된 P층, 상기 P층 위에 1e17n-InGaAsP/InP MQW의 다중 양자 우물(MQW)로 도핑되고 그 위에 2e17N-InP(300nm)로 도핑된 N층, 상기 N층 위에 1e18P+-InP(500nm)로 도핑된 P+층, 및 상기 P+층 위에 도핑되고 상기 금속판(metal film)과 접합용 P+-InGaAs(100nm)층으로 구성된다.The second thyristor may include a highly doped InP layer connected to the ground through the conductor; An N + layer doped with 1e18N + -InP (500nm) over the InP layer, 2e17P-InP (300nm) over the N + layer and a multiple quantum well (MQW) of 1e17p-InGaAsP / InP MQW thereon Doped P layer, doped with multiple quantum wells (MQW) of 1e17n-InGaAsP / InP MQW on the P layer and doped with 2e17N-InP (300nm) thereon, 1e18P + -InP (500nm) on the N layer And a P + -InGaAs (100 nm) layer bonded to the metal film and bonded to the P + layer.
따라서, 웨이브가이드 광 싸이리스터(thyrister)는 광통신용 소자의 개발에 있어 LD(Laser diode)동작이 가능한 고속 광스위칭 기능을 제공할 수 있다.Accordingly, the waveguide optical thyrister can provide a high speed optical switching function capable of laser diode (LD) operation in the development of optical communication devices.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 웨이브가이드 광 싸이리스터는 고속의 레이징(lasing)이 가능한 웨이브가이드(waveguide) 형태의 광 싸이리스터(thryistor)를 제시하여 주파수 특성을 개선하여 스위칭 속도를 향상시켜 높은 광흡수도를 유도하여 광수신효율과 광출력효율을 크게 향상시키며 광통신에 있어서 고속의 광스위칭 소자를 제공함에 따라 일정한 진폭을 유지시켜주는 광 하드 리미터(optical hard-limiter), ATM 패킷 헤더 프로세싱을 위한 광 ATM 패킷 스위칭 등의 많은 광통신 응용분야에 적용할 수 있는 효과가 있다.As described above, the waveguide optical thyristor according to the present invention presents a waveguide type optical thyristor capable of high speed lasing to improve the frequency characteristics to improve switching speed. Optical hard-limiter, ATM packet header processing that induces high optical absorption, greatly improving optical reception efficiency and optical output efficiency, and maintains constant amplitude by providing high speed optical switching device in optical communication It can be applied to many optical communication applications such as optical ATM packet switching.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.While the foregoing has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art will be able to variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the claims below. It will be appreciated.
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