KR20040009325A - 광 모드 크기 변환기가 집적된 봉우리형 집적화 반도체광소자 - Google Patents

광 모드 크기 변환기가 집적된 봉우리형 집적화 반도체광소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유와 광 결합을 효율적으로 해주는 광 모드 크기 변환기가 집적된 봉우리형 집적화 반도체 광소자에 관한 것이다. 본 발명은 광 모드 크기 변환기 부분쪽으로 상부 클래드층을 계단 형태로 감소시킴으로써 소자내의 단일모드 특성 및 광 모드 크기 변환기 내의 모드 천이 특성을 동시에 만족시킬 수 있고, 각 소자의 접합부분에 상부 클래드층 두께를 조정함으로써 소자내의 도파 모드 불일치로 인한 산란손실을 감소시킬 수 있다. 또한, 광 모드 크기 변환기 출력단의 봉우리 폭이 비교적 큰 1㎛이상의 패턴에서도 모드 천이가 가능함으로 인해 제작공정을 수월하게 하여 수율을 향상시키는 효과를 가져올 수 있다.

Description

광 모드 크기 변환기가 집적된 봉우리형 집적화 반도체 광소자{Ridge type semiconductor optical device integrated optical mode(spot) size converter}
본 발명은 광섬유와 광결합을 효율적으로 해주는 광 모드 크기 변환기가 집적된 봉우리형 집적화 반도체 광소자(Ridge type semiconductor optical device integrated optical mode(spot) size converter)에 관한 것이다.
봉우리형 반도체 광소자는 제작의 간편성 및 높은 광출력 특성으로 인해 다양한 용도로 활용되고 있다. 상기 봉우리형 반도체 광소자에는 광섬유와 광결합을 효율적으로 해주는 광 모드 크기 변환기가 성장면에 수직 또는 수평방향으로 두께 및 폭을 변화시킨 형태로 집적될 수 있다.
상기 봉우리형 집적화 반도체 광소자에 집적되는 종래의 광 모드 크기 변환기는 봉우리형 반도체 광소자와 동일 성장구조에서 집적되어 봉우리 폭만을 변화시키는 구조로 되어 있다. 상기 봉우리형 집적화 반도체 광소자와 관련하여, H. Bissessur외 4인이 IEEE Photonic Technology, Vol. 10, No.9 Sept. 1998, pp. 1235-1237에서 "Ridge laser with spot-size converter in a single epitaxialstep for high coupling efficiency to single-mode fiber"에 게재한 내용을 참고로 하여 기재한다. 이하에서는 봉우리형 반도체 광소자의 예로서 광원으로만 표현하나, 봉우리형 반도체 광소자로서 광원이 아닌 광 증폭기, 광 변조기 등에도 적용될 수 있다.
도 1a는 종래 기술에 따라 반도체 광소자와 광 모드 크기 변환기가 집적된 봉우리형 집적화 반도체 광소자의 정면도이고, 도 1b는 종래 기술에 따라 반도체 광소자와 광 모드 크기 변환기가 집적된 봉우리형 집적화 반도체 광소자의 뒷면도이다.
구체적으로, 종래의 봉우리형 집적화 반도체 광소자는 크게 반도체 광소자, 예컨대 광원 부분(100)과 광섬유와 광결합을 효율적으로 해주고 원활한 모드 천이를 위한 광 모드 크기 변환기 부분(102)으로 구성된다.
보다 상세하게 설명하면, 종래의 봉우리형 집적화 반도체 광소자는 인듐인(InP)으로 이루어진 반도체 기판(104) 위에 하부 클래드층(106), 빔이 출사되고 인듐갈륨비소인(InGaAsP) 물질로 이루어진 수동 도파층(108), 중간 클래드층(110), 동작 파장이 1.55㎛이고 다중 양자우물 구조의 인듐갈륨비소인로 이루어진 활성층(112), 상부 클래드층(114) 및 테이퍼 구조의 봉우리(116)가 순차적으로 형성된 구조이다.
상기 봉우리(116)와 관련하여, 광원 부분(100)의 봉우리 폭(W1)은 3㎛로 구성되어 있고, 상기 광원 부분(100)에서 광 모드 크기 변환기 부분(102)쪽으로의 L1에 해당하는 봉우리 폭(W2)은 1.4㎛로 구성하며, 상기 광 모드 크기 변환기부분(102)의 광의 출력단의 봉우리 폭(W3)은 0.7㎛로 구성되어 있다.
일반적인 봉우리형 집적화 반도체 광소자에서 빔이 활성층(112)에서 수동 도파층(108)으로 모드 천이 된다. 이와 같은 모드 천이 현상은 봉우리(116)의 폭 감소에 대해 광도파로 전체의 등가 굴절률 (Equivalent Refractive Index, 광도파로 내의 도파 모드의 고유치) 감소에 기인된다. 다시 말해, 봉우리(116)의 폭이 감소할 경우 굴절률이 낮은 공기(굴절률=1)의 영향이 커져서 빔이 활성층에 구속되지 못하기 때문이다. 이와 관련하여 도 1b에서 참조 번호 118은 광원 부분(100)에 형성되는 2차원 빔 형태이고, 도 1a에서 참조번호 120은 광 모드 크기 변환기 부분(102)의 출력단의 출사빔 형태이다.
더하여, 종래의 봉우리형 집적화 반도체 광소자에서 광 모드 크기 변환기 부분(102)의 봉우리 폭(W1)이 1.4㎛ 이상에서는 모드 불일치에 의한 산란손실이 적기 때문에 상기 도 1a의 L1을 80㎛로 짧게 설계하였다. 그리고, 원활한 모드 천이 및 산란손실을 줄이기 위해 상대적으로 완만한 경사로 L2를 150㎛ 이상으로 길게 설계하였다.
도 2는 상기 도 1의 봉우리형 집적화 반도체 광소자에서 봉우리 폭에 대해 상부 클래드층 두께의 변화에 따라 활성층에 구속되는 광의 등가 굴절률 변화를 나타낸 그래프이다.
구체적으로, 도 2에 보듯이 상부 클래드층의 두께가 얇을수록 봉우리 폭 변화에 따라 등가 굴절률 변화가 심하게 나타난다. 특히, 상부 클래드층의 두께가 0.1㎛이하에서 봉우리 폭이 2㎛에서 1㎛로 감소할 경우 등가 굴절률이 급격히 감소됨을 알 수 있다.
또한, 봉우리 폭이 1㎛일때 상부 클래드층 두께를 0.2㎛보다 크게 설계할 경우는(도 2의 A영역) 봉우리 폭에 의한 수평방향의 광구속이 약해지므로 수평방향으로 광이 활성층에 구속되지 못하고(광구속이 안됨으로 도파모드의 고유치(등가굴절률)가 존재하지 않음), 0.05㎛보다 작게 설계할 경우는(도 2의 B영역) 도파로 내의 등가 굴절률이 클래드층 굴절률보다 작아지므로 수직방향으로 광이 활성층에 구속되지 못함(광구속이 안됨으로 도파모드의 고유치(등가굴절률)가 존재하지 않음)을 나타내고 있다. 따라서 상기 도 1에서 상·중·하부 클래드층 굴절률이 3.17, 수동 도파층의 굴절률이 3.326(Q=1.18㎛)임을 감안하면, 광 모드 크기 변환기 부분 내에서 빔이 활성층에 구속되지 못하고 수동 도파층으로 천이하기 위해서 출력단의 봉우리 폭이 1㎛이하인 경우 상부 클래드층의 두께가 적어도 0.05㎛이하가 되어야 함을 알 수 있다.
도 3은 상기 도 1의 봉우리형 집적화 반도체 광소자에서 봉우리 폭에 대해 상부 클래드층의 두께 변화시 수평방향 모드수를 나타낸 그래프이다.
구체적으로, 도 3의 그래프는 상부 클래드층의 두께 변화시 수평 방향의 모드수를 나타내며, 수직방향으로는 단일모드를 나타낸다. 도 3에 보듯이 상부 클래드층의 두께가 얇을수록 수평방향 모드수가 증가함을 알 수 있다. 그리고, 광원 부분의 봉우리 폭이 3㎛인 경우 광원 내의 단일모드가 되기 위해서는 상부 클래드층 두께는 0.5㎛ 이상 되어야 함을 알 수 있다.
상기 도 2 및 도 3의 결과를 종합하면, 광원 부분과 광 모드 크기 변환기 부분에 동일한 상부 클래드층 두께를 가지는 종래의 봉우리형 집적 광소자에서는 광 모드 크기 변환기 부분의 봉우리 폭(W3)이 0.7㎛일 때 원활한 모드 천이 특성을 위해서는 상부 클래드층 두께가 0.05㎛ 이하로 얇아야 된다.
더하여, 광원부분의 단일모드 특성을 유지하기 위해서는 봉우리 폭(W1)이 3㎛일 때 0.5㎛이상 두꺼워야 되므로 상반되는 설계특성을 나타내고 있다. 그러므로, 종래의 동일한 두께의 상부 클래드층 구조를 갖는 봉우리형 집적화 반도체 광소자에서는 광원 부분의 단일모드 특성과 광 모드 변환기내 모드 천이 특성을 동시에 만족시키기 매우 어렵게 된다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광원 부분의 단일 모드 특성과 광 모드 크기 변환기 부분의 모드 천이 특성을 동시에 만족시킬 수 있는 봉우리형 집적화 반도체 광소자를 제공하는 데 있다.
도 1a는 종래 기술에 따라 반도체 광소자와 광 모드 크기 변환기가 집적된 봉우리형 집적화 반도체 광소자의 정면도이다.
도 1b는 종래 기술에 따라 반도체 광소자와 광 모드 크기 변환기가 집적된 봉우리형 집적화 반도체 광소자의 뒷면도이다.
도 2는 상기 도 1의 봉우리형 집적화 반도체 광소자에서 봉우리 폭에 대해 상부 클래드층 두께의 변화에 따라 활성층에 구속되는 광의 등가 굴절률 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 상기 도 1의 봉우리형 집적화 반도체 광소자에서 봉우리 폭에 대해 상부 클래드층의 두께 변화시 수평방향 모드수를 나타낸 그래프이다.
도 4a는 본 발명에 따라 반도체 광소자와, 광 모드 크기 변환기가 집적된 봉우리형 집적화 반도체 광소자의 개략도이다.
도 4b는 도 4a의 y-z방향으로의 평면 구조도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따라 상부 클래드층 두께에 따른 성장면에 수평 및 수직방향의 광 전치폭을 나타낸 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명에 따라 도 4b의 도파로 지점별로 성장면에수평 방향(x축) 및 수직 방향(y축)의 도파 모드를 나타낸 그래프이다.
도 7a는 본 발명에 따라 광원 부분인 도 4b의 A 지점에서의 2차원 빔 형태를 나타낸 도면이다.
도 7b는 본 발명에 따라 광 모드 크기 변환기 단면인 도 4b의 D 지점의 수동 도파층에서 출사되는 빔을 나타낸 도면이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 반도체 광소자와 광섬유로 빔을 출사시키는 광 모드 크기 변환기가 집적된 봉우리형 집적화 반도체 광소자에 있어서, 상기 반도체 광소자로부터 상기 광 모드 크기 변환기쪽으로 상부 클래드층의 두께가 얇게 되는 계단식으로 구성되는 것을 특징으로 하는 한다.
상기 반도체 광소자는 광원일 수 있다. 상기 광 모드 크기 변환기의 출력단과 상기 반도체 광소자와 인접한 부분의 상기 광 모드 크기 변환기 상의 상부 클래드층의 두께는 서로 다른 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 봉우리형 집적화 반도체 광소자는 반도체 기판 상에 형성된 하부 클래드층과, 상기 하부 클래드층 상에 형성된 수동 도파층과, 상기 수동 도파층 상에 형성된 중간 클래드층과, 상기 중간 클래드층 상에 형성된 활성층을 포함한다. 더하여, 본 발명의 봉우리형 집적화 반도체 광소자는 상기 활성층 상에서 빔의 출력단쪽으로 낮아지도록 다단의 계단 구조로 구성된 상부 클래드층과, 상기 빔의 출력단쪽으로 상기 상부 클래드층의 다단의 계단 구조에 맞추어 테이퍼로 구성된 봉우리를 포함하고, 상기 제1단 부분은 광소자가 되고 상기 이후 다단 부분은 광 모드 크기 변환기가 되는 것을 특징으로 한다.
상기 다단의 계단구조의 상부 클래드층은 여러단일수록 활성층에서 수동 도파층으로의 원활한 빔천이가 이루어지나, 제작의 간편함 및 이해를 위해서 본 발명에서는 3단으로 구성한다.
구체적으로, 상기 제1단 부분의 봉우리의 폭은 제1폭을 가지며, 제2단 부분의 봉우리는 상기 제1폭보다 작아지면서 급격한 경사의 제1 테이퍼로 구성되며, 제3단 부분의 봉우리는 상기 제2단 부분의 제1 테이퍼보다 완만한 경사의 제2 테이퍼 및 제2 테이퍼의 끝단과 동일한 폭의 직선형으로 구성될 수 있다.
상기 제1단 부분의 봉우리 폭은 활성층에 광구속이 용이하고, 높은 광출력을 위해 비교적 넓은 제1폭, 예컨대 3㎛로 구성하고, 상기 제1 테이퍼 및 제2 테이퍼 사이의 제2단 부분의 봉우리 폭은 광소자 부분과 광모드크기 변환기 사이의 원활한 빔천이가 가능하고 모드 불일치로 인한 산란손실이 최소화 되게 제1 폭보다 좁은 제2폭, 예컨대 1.4㎛로 구성하며, 상기 제3단 부분의 광 출력단의 봉우리 폭은 수동 도파층에 광구속이 용이하게 하기 위해 1㎛이하의 좁은 제3폭, 예컨대 0.7㎛으로 구성될 수 있다. 상기 제2단 및 제3단 부분의 상부 클래드층의 두께는 서로 다를 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 봉우리형 집적화 반도체 광소자는 광원부분에서 광 모드 크기 변환기 부분으로의 상부 클래드층의 두께를 단계적으로 감소시킴으로써 광원 부분의 단일 모드 특성과 광 모드 크기 변환기의 모드 천이 특성을 각각 최적화시킬 수 있다. 더하여, 본 발명의 봉우리형 집적화 반도체 광소자는 광원부분에서 광 모드 크기 변환기 부분쪽으로의 모드 천이시 산란손실을 최소화시킬 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 도면에서 막 또는 영역들의 크기 또는 두께는 명세서의 명확성을 위하여 예로 제시했을 뿐이며, 어떤 막이 다른 막 또는 기판의 "위(상)"에 있다라고 기재된 경우, 상기 어떤 막이 상기 다른 막의 위에 직접 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 다른 막이 개재될 수도 있다.
먼저, 본 발명자들은 이하에서 봉우리형 집적화 반도체 광소자의 정량적 해석을 위해 2차원 수동 도파 해석방법인 가중치 굴절률 해석방법(WIM, Weighted Index Method)과 상용화된 2차원 및 3차원 빔전파방법(BPM, Beam PropagationMethod) 해석도구인 BeamPROP [제작사는 RSOFT]에 기초를 두어 해석하였다. 상기 가중치 굴절률 해석방법은 IEEE Lightwave Tech. Vol. 7, no. 12, Dec. 1989에 설명되어 있다.
그리고, 앞서의 H. Bissessur외 4인이 게재한 종래 기술에서는 도 1의 활성층 구조 및 상부 클래드층의 두께에 대한 자세한 언급이 없으므로, 본 발명에 있어서 양자우물구조는 동작파장이 1.55㎛이고, 양자우물 수 6개 (양자우물은 0.5% 압축변형 구조이며, 벽면은 0.4% 인장변형 구조임), SCH(Separate Confinement Heterostructure) 길이는 0.1㎛로 활성층을 구성하였다. 더하여, 양자우물내의 물질 밴드갭 파장과 길이는 각각 1.62㎛m (굴절률은 3.56) 및 80Å 및 벽면의 물질 밴드갭 파장과 길이는 각각 1.15㎛ (굴절률은 3.31), 100Å하였다.
도 4a는 본 발명에 따라 반도체 광소자와, 광 모드 크기 변환기가 집적된 봉우리형 집적화 반도체 광소자의 개략도이다. 도 4a에서, X는 수평 방향, Y는 수직 방향, Z는 진행 방향을 나타낸다.
구체적으로, 본 발명의 봉우리형 집적화 반도체 광소자는 크게 반도체 광소자, 즉 광원 부분(400)과 광섬유와 광결합을 효율적으로 해주고 원활한 모드 천이를 위한 광 모드 크기 변환기 부분(402)으로 구성된다.
보다 상세하게 설명하면, 본 발명의 봉우리형 집적화 반도체 광소자는 인듐인(InP)으로 이루어진 반도체 기판(404) 위에 하부 클래드층(406), 광 모드 크기 변환기 부분(402)에서 빔이 출사되는 인듐갈륨비소인(InGaAsP) 물질로 이루어진 수동 도파층(408), 중간 클래드층(410), 동작 파장이 1.55㎛이고 다중 양자우물 구조의 인듐갈륨비소인으로 이루어진 활성층(412), 상부 클래드층(414) 및 봉우리(416)가 순차적으로 형성되어 있다. 상기 중간 클래드층의 두께(410)는 2.5㎛, 수동 도파층(408)의 두께는 0.1㎛, 밴드갭 물질파장은 1.24 ㎛(굴절률 3.36)이고, 하부 클래드층(409)의 두께는 2㎛로 구성한다
특히, 본 발명의 봉우리형 집적화 반도체 광소자에서 상부 클래드층(414)의 두께는 광원 부분(400)으로부터 광 모드 크기 변환기 부분(402) 쪽으로 얇게 되는 계단식으로 구성한다. 상기 활성층(412) 상에서 상기 광원 부분(400)으로부터 광 모드 크기 변환기 부분(402)쪽(빔의 출력단쪽)으로 두께가 낮아지도록 제1단(418), 제2단(420), 제3단(422)의 계단 구조로 상부 클래드층(414)을 구성한다. 본 실시예에서는 제작의 간편함 및 이해를 위해서 상부 클래드층(414)를 3단의 계단 구조로 구성하였으나. 다단의 계단구조로 구성할 수 있다. 이렇게 다단의 계단구조로 구성하면 활성층(412)에서 수동 도파층(408)으로의 원활한 빔천이가 이루어질 수 있다.
상기 광원 부분(400)인 제1단(418)의 상부 클래드층(414)의 두께는 0.5 ㎛, 상기 광 모드 크기 변환기 부분(402)인 제2단(420)의 상부 클래드층(414)의 두께는 0.2㎛, 광 모드 크기 변환기(402)인 제3단(422)의 상부 클래드층(414)의 두께는 0.05㎛이다.
이렇게 구성할 경우, 광 모드 크기 변환기 부분(402)의 출사단의 봉우리 폭이 0.7㎛인 경우 상부 클래드층(414)의 두께를 0.05㎛로 하여 광 모드 크기 변환기 부분(402)의 원활한 모드 천이를 이룰 수 있다. 이와 아울러, 광원 부분(400)의 봉우리 폭이 3㎛인 경우, 상부 클래드층의 두께를 0.5㎛로 하여 단일 모드 특성을 얻을 수 있다.
더하여, 상기 광 모드 크기 변환기(402) 내에서 제2단(420) 및 제3단(422)으로 상부 클래드층(414)의 두께가 서로 다르게 구성되어 있다. 이렇게 되면, 후에 설명하는 바와 같이 광 모드 크기 변환기 부분(402) 내에서 산란 손실을 감소 시킬 수 있다.
상기 상부 클래드층(414) 상에 형성되는 봉우리(416)는 상기 계단 구조의 상부 클래드층(414)에 부합되게 형성된다. 다시 말해, 상기 제1단(418) 부분의 봉우리(r1)의 폭은 제1폭(W1)을 가지며, 제2단 부분의 봉우리(r2)는 상기 제1폭(W1)보다 작아지면서 급격한 경사의 제1 테이퍼로 구성되며, 제3단(422) 부분의 봉우리(r3, r4)는 상기 제2단(420) 부분의 제1 테이퍼보다 완만한 경사의 제2 테이퍼 및 제2 테이퍼의 끝단과 동일한 폭의 직선형으로 구성된다.
상기 봉우리의 폭인 W1, W2 및 W3은 상기 종래의 구조와 비교하기 위해 도 1과 동일하게 구성한다. 다시 말해, 상기 봉우리(416)와 관련하여, 광원 부분(400)의 봉우리 폭(W1)은 3㎛로 구성하고, 상기 광원 부분(400)에서 광 모드 크기 변환기 부분(402)쪽으로의 봉우리 폭(W2)은 1.4㎛로 구성하며, 상기 광 모드 크기 변환기 부분(402)의 광의 출력단의 봉우리 폭(W3)은 0.7㎛로 구성한다.
그리고, 본 발명의 봉우리형 집적화 반도체 광소자에서 종래와 마찬가지로 광 모드 크기 변환기 부분(402)의 봉우리 폭(W1)이 1.4㎛ 이상에서는 모드 불일치에 의한 산란손실이 적도록 상기 도 4a의 L1을 80㎛로 짧게 설계하였다. 그리고, 원활한 모드 천이 및 산란손실을 줄이기 위해 상대적으로 완만한 경사로 L2를 150㎛ 이상으로 길게 설계하였다.
도 4b는 도 4a의 y-z방향으로의 평면 구조도이다.
구체적으로, 진행 방향(z축)으로 광원 부분(A), 광 모드 크기 변환기(402) 내의 급격한 경사의 테이퍼 시작지점(B), 급격한 경사의 테이퍼 끝지점(C, 완만한 경사의 테이퍼 시작점), 완만한 경사의 테이퍼의 끝지점(C') 및 광 모드 크기 변환기의 빔의 출사단 지점(D)이 표시되어 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따라 상부 클래드층 두께에 따른 성장면에 수평 및 수직방향의 광 전치폭을 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 도 5a 및 도 5b는 봉우리 폭이 3㎛(W1)과 1.4㎛(W2)에 대해 각각 상부 클래드층 두께에 따른 성장면에 수평 및 수직방향의 광 전치폭(Full Width at Half Maximum, 광세기의 반이 되는 빔의 폭)을 나타낸다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 급격한 경사의 테이퍼를 갖는 봉우리(r2) 하부, 즉 제2단(420)의 상부 클래드층(414)의 두께를 0.2㎛로 조정하게 되면 봉우리의 폭이 3㎛에서 1.4㎛로 광이 전파하면서 거의 동일한 전치폭으로 인해 모드 불일치에 따른 산란손실을 감소시킬 수 있다. 그러므로, 동일 산란손실의 경우에 대해 테이퍼의 길이를 짧게 제작할 수 있으므로 낮은 도파로 손실 및 고속 동작에 유리한 장점을 가지고 있다.
도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명에 따라 도 4b의 도파로 지점별로 성장면에 수평 방향(x축) 및 수직 방향(y축)의 도파 모드를 나타낸 그래프이다.
구체적으로, 도 6a에 도시된 바와 같이 광원부분의 단일모드 특성으로 인해넓은 수평방향의 모드분포를 나타내고 있으며, 급격한 경사의 테이퍼 지점에서 모드 분포가 약간 좁아지게 되며, 다시 완만한 경사의 테이퍼 지점을 통과하면서 점차 넓어지게 된다. 성장면에 수직방향의 모드 분포는 도 6b에 나타난 바와 같이 완만한 경사의 테이퍼 지점을 통과하면서 수동 도파층으로 천이하게 된다.
도 7a는 본 발명에 따라 광원 부분인 도 4b의 A 지점에서의 2차원 빔 형태를 나타낸 도면이고, 도 7b는 본 발명에 따라 광 모드 크기 변환기 단면인 도 4b의 D 지점의 수동 도파층에서 출사되는 빔을 나타낸 도면이다.
구체적으로, 도 4b의 A 지점에서의 2차원 빔은 봉우리 아래 활성층에 집중되어 있다. 이때, 1/e2(피크치의 약 13.5%) 모드 반경은 1.8㎛ X 5.6㎛(세로 X 가로)이고, 활성층내 광가둠 계수는 9.85%이다. 그리고, 도 4b의 D 지점에서의 2차원 빔은 봉우리 아래 수동 도파층에 집중되어 있다. 이때, 1/e2모드 반경은 4.2㎛ X 7.5㎛이고, 활성층내의 광가둠 계수는 0.2%이다.
이상과 같은 본 발명의 봉우리형 집적화 광소자에서 광 모드 크기 변환기내 완만한 경사의 테이퍼의 상부 클래드층 두께가 0.03㎛인 경우, 봉우리 폭이 1㎛ 이상에서도 원활한 모드 천이 특성이 나타남을 확인하였다. 이에 따라, 본 발명의 봉우리형 집적화 반도체 광소자는 종래 구조에 비해 상대적으로 넓은 봉우리 폭에서도 원활한 모드 천이 특성을 얻을 수 있음으로 제작공정을 수월하게 하여 수율을 향상시키는 효과를 가져 올 수 있다.
이하에서는 본 발명의 봉우리형 집적화 반도체 광소자의 제조방법을 설명한다.
먼저, 인듐인 기판, 하부 클래드층, 수동 도파층, 중간 클래드층 및 활성층을 차례로 성장시킨다. 다음에, 인듐인 층과 식각 중지층(Etch Stop Layer, Q= 1.05, 인듐갈륨비소층)을 교대로 3번 성장시키는데, 첫번째 인듐인층과 식각 중지층을 각각 0.05 ㎛ 및 0.01㎛, 두 번째 인듐인층 및 식각 중지층을 0.15 ㎛ 및 0.01㎛, 세 번째 인듐인층 및 식각중지층을 0.3㎛ 및 0.01㎛로 성장시킨다.
다음에, 봉우리 부분에 해당되는 인듐인층을 1.8㎛까지 성장시킨다. 이로써 식각 중지층이 부분적으로 삽입된 인듐인 상부 클래드층과 봉우리부분에 해당되는 층까지 성장되었다.
다음에, 도 4a의 도파영역의 폭을 제외하고 나머지 외곽부분을 수동 도파층까지 반응성 이온 식각법(Reactive Ion Etching, 이하, "RIE법"으로 칭함)을 이용해서 식각작업을 수행한다. 계속하여, 봉우리 형성을 위해 금속 마스크 패턴 부분을 제외하고 첫번째 식각 중지층 전까지 RIE법으로 식각작업을 수행하고, 남아 있는 인듐인 물질 제거 및 세밀한 두께 조정을 위해 습식식각(Wet Etching) 공정을 수행한다.
다음에, 상기 습식식각 공정을 행한 후 상부 클래드층 두께는 도파로 전체에 대해 0.5㎛이다. 여기서, 식각중지층 두께는 작으므로 제외하였다. 계속하여, 광원 부분에 식각 마스크(Etching Mask)를 덮은 뒤, 광 모드 크기 변환기 부분에 상술한 식각작업을 동일하게 수행하게 나면 상부 클래드층 두께는 0.2㎛가 된다.
계속하여, 급격히 변하는 테이퍼 영역과 광원부분에 식각 마스크를 덮은 뒤,완만히 변하는 테이퍼 및 0.7㎛의 직선 봉우리 영역에 대해 식각작업을 수행하여 0.05㎛ 두께의 상부 클래드층을 만들게 된다. 상기 수치 및 성장횟수는 제작방법에 대한 설명 과정시 이해를 도모하고자 한 것이며, 상기 값 자체가 의미를 가지는 것은 아니다.
상술한 바와 같이 본 발명의 봉우리형 집적화 반도체 광소자는 광원 부분과 광 모드 크기 변환기 부분의 상부 클래드층의 두께가 계단식으로 감소되는 형태이다. 이에 따라, 본 발명의 봉우리형 집적화 반도체 광소자는 단일모드 특성 및 광 모드 크기 변환기 내의 모드 천이 특성을 동시에 만족시킬 수 있고, 각 소자의 접합부분에 상부 클래드층 두께를 조정함으로써 소자내의 도파 모드 불일치로 인한 산란손실을 감소시킬 수 있다. 또한, 광 모드 크기 변환기 출력단의 봉우리 폭이 비교적 큰 1㎛이상의 패턴에서도 모드 천이가 가능함으로 인해 제작공정을 수월하게 하여 수율을 향상시키는 효과를 가져올 수 있다.

Claims (7)

  1. 반도체 광소자와 광섬유로 빔을 출사시키는 광 모드 크기 변환기가 집적된 봉우리형 집적화 반도체 광소자에 있어서,
    상기 반도체 광소자로부터 상기 광 모드 크기 변환기쪽으로 상부 클래드층의 두께가 얇게 되는 계단식으로 구성되는 것을 특징으로 하는 봉우리형 집적화 반도체 광소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반도체 광소자는 광원인 것을 특징으로 하는 봉우리형 집적화 반도체 광소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광 모드 크기 변환기의 출력단과 상기 광소자와 인접한 부분의 상기 광 모드 크기 변환기 상의 상부 클래드층의 두께는 서로 다른 것을 특징으로 하는 봉우리형 집적화 반도체 광소자.
  4. 반도체 기판 상에 형성된 하부 클래드층;
    상기 하부 클래드층 상에 형성된 수동 도파층;
    상기 수동 도파층 상에 형성된 중간 클래드층;
    상기 중간 클래드층 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에서 빔의 출력단쪽으로 낮아지도록 다단의 계단 구조로 구성된 상부 클래드층 ; 및
    상기 빔의 출력단쪽으로 상기 상부 클래드층의 다단의 계단 구조에 맞추어 테이퍼로 구성된 봉우리를 포함하고, 상기 제1단 부분은 광소자가 되고 상기 이후 다단부분은 광 모드 크기 변환기가 되는 것을 특징으로 하는 봉우리형 집적화 반도체 광소자.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1단 부분의 봉우리의 폭은 제1폭을 가지며, 제2단부분의 봉우리는 상기 제1폭보다 작아지면서 급격한 경사의 제1 테이퍼로 구성되며, 이후 다단부분의 봉우리는 상기 제2단 부분의 제1 테이퍼보다 완만한 경사의 테이퍼로 구성되며, 최종단의 테이퍼의 끝단과 동일한 폭의 직선형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 봉우리형 집적화 반도체 광소자.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1단 부분의 봉우리 폭은 활성층에 광구속이 용이하고, 높은 광출력을 위해 비교적 넓은 제1폭으로 구성하고, 상기 테이퍼되는 부분 사이의 봉우리 폭은 광소자 부분과 광모드크기 변환기 사이의 원활한 빔천이가 가능하고 산란손실을 최소화 되게 제1 폭보다 좁은 제2폭으로 구성하며, 상기 최종단의 직선 봉우리 폭은 수동 도파층에 광구속이 용이하기 위해 상기 제2폭보다 좁은 제3폭으로 구성되는 것을 특징으로 하는 봉우리형 집적화 반도체 광소자.
  7. 제4항에 있어서, 상기 다단부분의 상부 클래드층의 두께는 서로 다른 것을 특징으로 하는 봉우리형 집적화 반도체 광소자.
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