KR20050060142A - 단일 집적된 반도체 광소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 반도체 광소자은 기판은, 광을 생성하기 위한 제1 활성층을 포함하며 상기 기판 상에 형성된 제1 도파로와, 상기 제1 도파로에서 출력된 상기 광을 확산시켜서 출력하기 위한 윈도우 영역을 갖으며, 상기 기판 상에 상기 도파로의 주변을 둘러싸도록 성장된 반 절연층과, 상기 윈도우 영역에서 확산되는 광의 일부를 검출해내기 위해서 상기 윈도우 영역에 상기 제1 도파로와 인접하게 형성된 제2 활성층을 갖는 하나 이상의 제2 도파로들을 포함한다.

Description

단일 집적된 반도체 광소자{SEMICONDUCTOR OPTICAL DEVICE BEING MONOLITH INTEGRATED}
본 발명은 광신호를 생성하기 위한 광원에 관한 것으로서, 특히 생성된 광신호의 세기를 검출해내기 위한 광검출기를 포함하는 광원에 관한 것이다.
근래에 광통신 및 다양한 디지탈 미디어의 개발 및 급격한 보급은 보다 저렴하고, 소형화된 효율적인 광원들을 요구하고 있다. 일반적인 광원으로는 반도체 레이저 등과 같은 반도체 제조 기술에 의해 제작된 반도체형 광원들이 널리 사용되고 있으며, 상술한 반도체 레이저로는 분포 귀환 레이저 또는 페브리-페로 레이저 등이 사용되고 있다.
특히, 반도체 레이저는 생성된 광을 변조시키기 위한 전계 흡수 변조기 등을 하나의 기판에 집적한 형태로도 제작 가능하고, 제품 또는 시스템의 소형화가 가능하다는 이점이 있다.
그러나, 반도체 레이저는 외부 온도의 변화 또는 구동 전류의 변화 및 동작 시간에 따라서 출력되는 광신호의 세기가 변화되는 문제가 있다. 따라서 상술한 형태의 광원들은 출력되는 광신호의 세기를 지속적으로 모니터링하고, 유지시켜 주기 위한 수단들을 더 포함해야 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 반도체 광소자은 반도체 광원(120)과, 상기 반도체 광원(120)의 후방에 위치된 광검출기(120)를 포함하는 반도체 광소자의 구성을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 상기 반도체 광소자은 상기 반도체 광원(120)과, 상기 광검출기(110) 등을 포함한다.
상기 반도체 광원(120)은 그 양끝단으로 각각 제1 및 제2 광을 출력할 수 있는 반사형 반도체 광증폭기, 분포 귀환 레이저 또는 페브리-페로 레이저 등을 사용할 수 있다. 즉, 상기 제1 광을 출력하는 일단은 무반사 층을, 상기 제2 광을 출력하기 위한 타단에 고반사 층이 각각 형성된다. 즉, 상기 제2 광은 상기 고반사 층을 투과한 상기 제1 광의 일부이다.
상기 광검출기(110) 상기 반도체 광원(120)의 제2 광을 검출해냄으로써 상기 반도체 광원(120)에서 출력되는 상기 제1 광의 세기를 모니터링한다.
도 2는 종래 기술에 따른 빔스프릴터를 포함하는 반도체 광소자의 구성을 구성을 나타낸다. 상기 반도체 광소자은 반도체 광원(210)과, 광검출기(220)와, 상기 반도체 광원(210)에서 출력되는 광을 분할해서 그 일부를 상기 광검출기(220)로 입력시키기 위한 빔스프릴터(Beam splitter, 230)를 포함한다.
상기 빔스프릴터(230)는 상기 반도체 광원(210)에서 출력되는 상기 광의 일부를 분할해서 상기 광검출기(220)로 입력시키며, 상기 광검출기(230)는 상기 빔스피릴터(230)로부터 입력받은 상기 광의 일부를 검출해냄으로써 상기 반도체 광원(210)에서 출력되는 광의 세기를 모니터링한다.
그러나, 광원의 후방에 광검출기 등을 위치시킨 반도체 광소자은 광원의 전방에서 출력되는 광의 세기에 광원의 후방에서 출력되는 광의 세기가 비선형적으로 변화될 경우에 광원의 전방에서 출력되는 광의 세기를 부정확하게 산출하게 되는 문제가 있으며, 도 1에서 상술한 형태의 반도체 광소자은 광원이 후방에 반사 미러 또는 반사층을 포함하는 페브리-페로 레이저 등에서 전방과 후방의 광출력 비율이 일정한 경우에만 제한적으로 사용 가능하다는 문제가 있다.
또한, 도 2에서 광원의 전방에 빔스프릴터 등을 위치시킴으로써 광원에서 출력된 광을 분할해서 검출해내는 반도체 광소자은 광원에서 출력된 광을 인위적으로 분기시킴으로써 그 구조가 복잡해지고, 광의 세기 손실이 증가되는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 광원에서 출력되는 광의 세기 손실을 최소로 하며, 정확하게 모니터링할 수 있는 반도체 광소자를 제공함에 있다.
본 발명에 따른 반도체형 광소자은,
기판과;
광을 생성하기 위한 제1 활성층을 포함하며 상기 기판 상에 형성된 제1 도파로와;
상기 제1 도파로에서 출력된 상기 광을 확산시켜서 출력하기 위한 윈도우 영역을 갖으며, 상기 기판 상에 상기 도파로의 주변을 둘러싸도록 성장된 반 절연층과;
상기 윈도우 영역에서 확산되는 광의 일부를 검출해내기 위해서 상기 윈도우 영역에 상기 제1 도파로와 인접하게 형성된 제2 활성층을 갖는 하나 이상의 제2 도파로들을 포함한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 광소자를 나타내는 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 제1 및 제2 도파로의 성장 과정을 설명하기 위한 단면도이다. 도 3과 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 광소자(300)는 기판(310)과, 상기 기판(310) 상에 형성된 제1 도파로(320)와, 상기 기판(310) 상에 상기 제1 도파로(320)의 주변을 둘러싸도록 성장된 반 절연층(340)과, 제2 활성층(331)을 갖는 하나 이상의 제2 도파로들(330)을 포함한다.
상기 반도체 광소자(300)의 제작은 상기 상호 다른 밴드갭의 활성층들(321, 331) 각각을 포함하는 메사 형태의 제1 내지 제2 도파로들(320, 330)을 형성하고, 상기 기판(310) 상에 상기 각 도파로들(320, 330)을 둘러싸는 준 절연층(340)을 성장시킴으로써 형성된다.
상기 각 도파로들(320, 330)은 상기 기판(310) 상에 형성된 하부 클래드(311)와, 상기 하부 클래드(311) 상에 형성된 상호 다른 밴드갭을 갖는 복수의 활성층들(331, 321)과, 상기 활성층들(331, 321) 상에 형성된 상부 클래드(312)를 포함한다.
상기 하부 클래드(311)는 상기 기판(310) 상에 형성된 버퍼 층(미도시)과, 상기 버퍼 층 상에 형성된 n-InP 층(미도시)을 포함하며, 상기 하부 클래드(311) 상에 형성된 상기 활성층들(331, 321)은 선택 영역 성장법 또는 버트 조인트 성장법 등에 의해서 상호 다른 밴드갭을 갖도록 성장된다.
상기 상부 클래드(312)는 상기 활성층들(331, 321) 상에 형성된 p-InP층(미도시)과, 상기 p-InP층 상에 접촉층(미도시)이 성장된다.
상기 반도체 광소자(300)는 상기 상부 클래드(312) 상에 상기 각 활성층들(331, 321)을 구동시키기 위한 상호 절연된 복수의 전극 수단들(미도시)과, 상기 기판(310)의 하면에 형성됨으로써 상기 각 활성층들에 구동 전류를 인가하기 위한 공동 전극(미도시) 등을 포함한다.
상기 제1 도파로(320)는 광을 생성하기 위한 제1 활성층(321)을 포함하며 상기 기판 상(310)에 형성되며, 상기 제1 도파로(320)는 일종의 광원으로서 상기 하부 클래드(311) 상에 격자가 형성된 분포 귀환 레이저 또는 반사형 반도체 광증폭기 등과 같은 반도체 광원을 형성할 수 있다.
그 외에도, 상기 제1 도파로(320)는 상기 제1 활성층(321)을 상호 다른 밴드갭을 갖도록 형성함으로써 그 일부는 상술한 바와 같은 광원으로서, 또 다른 일부는 전계 흡수 변조기(Electro-absortive modulator) 등을 집적한 전계 흡수 광변조기 형태의 반도체 광소자을 구성할 수도 있다.
즉, 상기 제1 활성층(321)은 그 일부의 에너지 밴드갭을 또 다른 일부의 에너지 밴드갭 보다 높도록 형성함으로써 밴드갭이 높은 부분의 제1 활성층(321)은 상술한 전계 흡수 변조기로서, 밴드갭이 낮은 부분의 제1 활성층(321)은 일종의 광원으로서 하나의 기판에 집적된 형태의 반도체 광소자을 구성할 수 있게된다.
상기 제1 도파로(320)와 상기 제2 도파로들(330)은 함께 상기 기판 상에 성장되며, 성장된 후에 메사 구조를 갖도록 각각의 위치에 식각된다.
상기 반 절연층(340)은 상기 제1 도파로(320)에서 출력된 상기 광을 확산시켜서 출력하기 위한 윈도우 영역(340a)을 포함하며, 상기 기판(310) 상에 상기 제1 및 제2 도파로(320, 330)의 주변을 둘러싸도록 성장된다. 상기 반 절연층은 InP 등을 사용할 수 있으며, 상기 윈도우 영역(340a)은 상기 제1 도파로(320)의 일단부에서 출력된 상기 광을 확산시킴으로써 상기 제1 도파로(320)에서 출력된 광이 상기 제1 도파로(320)로 역방향 진행하는 것을 방지한다.
또한, 상기 반 절연층(340)은 상기 제1 및 제2 도파로(320, 330) 각각의 상기 기판으로부터의 높이와 동일한 높이를 갖도록 성장됨으로써 상기 각 도파로를 진행하는 광들의 비정상적인 반사 및 회절에 의한 손실을 방지한다.
상기 제2 도파로(330)는 상기 윈도우 영역(340a)에서 확산되는 광의 일부를 검출해내기 위해서 상기 윈도우 영역(340a) 내에 성장되며, 상기 제2 활성층(331)을 포함한다. 즉, 상기 제2 도파로(330)는 도파로 형태의 포토 다이오드로서 상기 제1 도파로(320)에서 출력되는 광의 세기를 모니터링 한다.
도 5는 도 3에 도시된 반도체 광소자을 나타내는 평면도 이다. 도 5를 참조하면, 상기 제2 도파로는 상기 윈도우 영역을 진행하는 상기 광의 진행 경로를 중심으로 좌, 우 대칭되도록 상기 광의 파-필드(Far-Fild)을 대칭으로 위치시킴으로써, 상기 광의 결합 효율을 향상시킨다.
도 6은 도 5에 도시된 A-A' 부분을 나타내는 단면도 이다. 도 6을 참조하면, 상기 윈도우 영역(340a)은 상기 제1 도파로(320)의 일단에 접하게 상기 기판(310) 상에 형성됨으로써 상기 제1 도파로(320)에서 출력되는 상기 광을 상기 반도체 광소자의 외부로 출력시킨다.
상기 제2 도파로(330)는 상기 제1 도파로(320)와, 상기 윈도우 영역(340a)을 진행하는 광 각각으로부터 기설정된 거리(D1, D2)만큼 이격됨으로써 상기 윈도우 영역(340a)에서 확산된 광의 세기를 모니터링하게 된다.
도 7은 도 5에 도시된 B-B' 부분을 나타내는 단면도이다. 도 7을 참조하면, 상기 제2 도파로(330)는 상기 윈도우 영역(340a) 내에 위치됨으로써 상기 윈도우 영역(340a)에서 확산되는 광의 일부를 흡수함으로써 상기 제1 도파로(320)에서 출력된 광을 최소한의 손실로 검출하게된다.
도 8은 도 3에 도시된 제2 도파로에서 흡수된 광전율와 흡수되지 않고 윈도우 영역을 지나 방출된 출력광의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 8을 참조하면, 출력광에 대해서 검출된 광전류는 미량으로 실제 출력에 큰 영향을 미치지 않는다. 상기 광검출기의 결합효율은 5% 이하임으로 95% 이상의 광이 출력된다. 제2 도파로의 위치를 조절하여 결합 효율을 조절할 수 있으며, 이를 통해서 출력되는 광의 손실을 최소화시킬 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 광소자는 광원의 전방에 형성된 준 절연층의 윈도우 영역 내에 광검출기 등을 위치시킴으로써 상기 윈도우 영역에서 확산되서 진행하는 광의 일부를 검출해냄으로써 반도체 광소자에서 출력되는 광의 세기 손실을 최소화시킴과 동시에 안정적으로 광의 세기를 모니터링할 수 있다는 이점이 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 반도체 광소자는 광검출기와 광원을 하나의 기판 상에 단일 집적시킴으로써 제작이 용이하고, 보다 소형화된 제품의 제공이 가능하다는 이점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 광원의 후방에 광검출기가 위치된 반도체 광소자,
도 2는 종래 기술에 따른 빔스프릴터를 포함하는 반도체 광소자,
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 단일 집적된 반도체 광소자를 나타내는 사시도,
도 4는 도 3에 도시된 제1 및 제2 도파로의 성장 과정을 설명하기 위한 단면도,
도 5는 도 3에 도시된 반도체 광소자를 나타내는 평면도,
도 6은 도 5에 도시된 A-A' 부분을 나타내는 단면도,
도 7은 도 5에 도시된 B-B' 부분을 나타내는 단면도,
도 8은 도 3에 도시된 제2 도파로에서 윈도우 영역을 진행하는 광을 흡수했을 경우와, 흡수하지 않았을 경우를 비교한 그래프.

Claims (7)

  1. 반도체 광소자에 있어서,
    기판과;
    광을 생성하기 위한 제1 활성층을 포함하며 상기 기판 상에 형성된 제1 도파로와;
    상기 제1 도파로에서 출력된 상기 광을 확산시켜서 출력하기 위한 윈도우 영역을 갖으며, 상기 기판 상에 상기 도파로의 주변을 둘러싸도록 성장된 반 절연층과;
    상기 윈도우 영역에서 확산되는 광의 일부를 검출해내기 위해서 상기 윈도우 영역에 상기 제1 도파로와 인접하게 형성된 제2 활성층을 갖는 하나 이상의 제2 도파로들을 포함함을 특징으로 하는 단일 집적된 반도체 광소자.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 도파로 각각은,
    상기 기판과 상기 제1 및 제2 활성층의 사이에 형성된 하부 클래드와;
    상기 제1 및 제2 활성층 상에 형성된 상부 클래드를 더 포함함을 특징으로 하는 단일 집적된 반도체 광소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 반 절연층은 상기 제1 및 제2 도파로들과 동일한 높이를 갖도록 상기 기판 상에 형성함으로써 상기 제1 및 제2 도파로들 각각을 진행하는 광의 비정상 반사 및 회절로 인한 손실을 방지함을 특징으로 하는 단일 집적된 반도체 광소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 도파로들은 상기 윈도우 영역을 중심으로 좌, 우 대칭되도록 위치됨을 특징으로 하는 단일집적 반도체 광소자.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 활성층은 선택 영역 성장법에 의해서 상호 다른 밴드갭을 갖는 복수의 영역들을 포함함을 특징으로 하는 단일 집적된 반도체 광소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 활성층, 상기 제2 활성층들은 선택 영역 성장법에 의해서 상호 다른 밴드갭을 가짐을 특징으로 하는 단일 집적된 반도체 광소자.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 활성층, 상기 제2 활성층들은 버트 조인트 방벙에 의해서 상호 다른 밴드갭을 가짐을 특징으로 하는 단일 집적된 반도체 광소자.
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