KR20070059816A - 광증폭 듀플렉서 - Google Patents

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Abstract

광 증폭기, 광 검출기 및 광 변조기가 모노리식 집적되어 RoF 링크 광전송기술에서 높은 RF 이득을 얻을 수 있는 광증폭 듀플렉서를 제공한다. 그 광증폭 듀플렉서는 기판; 기판 상에 형성된 적어도 1개의 물질층으로 이루어진 제1 에피층으로 형성되고, 제1 광도파로를 포함하는 분리영역; 제1 에피층 상에 형성된 적어도 1개의 물질층으로 이루어진 제2 에피층으로 형성되고, 광신호를 검출하고 변조하며 제2 광도파로를 포함하는 광검출변조부; 및 제2 에피층 상부로 형성된 적어도 1개의 물질층으로 이루어진 제3 에피층으로 형성되고, 광신호를 증폭하며 제2 및 제3 광도파로를 포함하는 광증폭부;를 구비하고, 광증폭부와 광검출변조부는 상기 분리 영역에서 전기적으로 분리되며, 광증폭부가 광검출변조부의 적어도 어느 일측으로 형성된다.
광증폭 듀플렉서

Description

광증폭 듀플렉서{Optically boosted elctroabsorption duplexer}
도 1a는 RoF 링크 광전송 시스템의 블럭도이다.
도 1b는 도 1a의 구도에서 BS(Base Station)를 좀더 상세하게 보여주는 블럭도이다.
도 2는 종래의 광 모드 변환기가 집적된 반도체 레이저 다이오드에 대한 사시도이다.
도 3은 종래의 광 모드 변환기, Optical Amplifier 및 전계 흡수형 광 변조기가 모노리식 집적된 구조에 대한 사시도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 다른 광증폭 듀플렉서에 대한 사시도이다.
도 4b는 도 4a의 광증폭 듀플렉서에 집적된 소자들의 연결상태를 보여주는 블럭도이다.
도 4c는 도 4a의 각 소자에 이용되는 광 도파로의 위치관계를 보여주는 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 광증폭 듀플렉서에 이용되는 에피층들의 단면을 보여주는 단면도이다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 광증폭 듀플렉서에 대한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 광증폭 듀플렉서 구조에서 광의 진행방향에 따라 각 광 도파로에서의 광 파워와 전체 광 손실을 BPM(beam propagation method) 시뮬레이션을 통해 보여주는 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
100:분리영역......................120,230:제1 광도파로
200:광검출변조부..................220:광 검출기
240:광 변조기.....................260:제2-2 광 모드 변환기
280a,280b,280c:절연 트렌치........300:광증폭부
320,320a:광 증폭기................340:제3 광 모드 변환기
360:제2-1 광 모드 변환기..........380:제2-3 광 모드 변환기
100W:제1 광도파로.................300W:제2 광도파로
400W:제2-1 광도파로...............500W:제3 광도파로
120E:기판 또는 제1 광도파로의 하부 클래드...140E:제1 광도파로 코어
160E,320E:제1 광도파로 상부 클래드 및 제2 광도파로 하부 클래드
340E:제2 광도파로 코어............360E:제2 광도파로 상부 클래드
420E:하부 제2-1 광도파로층........422E:제2-1 광도파로 하부 클래드
424E:제2-1 광도파로 코어 또는 p-형 컨택층
440E:제2-1 광도파로 상부 클래드....520E:제3 광도파로 하부 클래드
540E:제3 광도파로 코어.............560E:제3 광도파로 상부 클래드
600:상부 메탈 전극.................700:하부 메탈 전극
본 발명은 RoF(radio-over Fiber) 시스템에 관한 것으로, 특히 광 증폭기, 광 검출기 및 광 변조기가 모노리식 집적되어 아날로그 광 통신에 적합한 광증폭 듀플렉서에 관한 것이다.
아날로그 광전송에서는 일정 주파수를 갖는 전기신호에 맞추어 광 세기의 출력을 변조하여 광 섬유를 통해 전송한 후 광신호로부터 전기신호를 복원해 내게 된다. 그 과정에서 변조된 신호(BPSK, QPSK, QAM etc.)가 실려있는 RF신호를 광신호로 변환하여 광섬유로 전송을 하는 RoF 링크 광전송 기술에 대한 연구가 최근 활발히 이루어지고 있다.
RoF 링크 광전송 기술에 있어서, 광 변조기에 입력되는 RF 신호 대비 광 검출기에 의해 복원되는 RF 신호의 비를 RF 이득(Gain)으로 정의하는데, RF 이득을 크게 하는 것이 RoF 링크 광전송 기술에서 매우 중요하다. 그에 따라, 전기-광 변환 시 높은 성능의 광 변조기가 그리고 광-전기 변환 시 높은 성능의 광 검출기가 요구된다.
RoF 링크 광전송 기술에서 RF의 주파수가 커질수록 전송할 수 있는 데이터량은 증가하게 되나 안테나로부터 무선 단말기까지의 전송거리가 줄어들게 되어 많은 수의 베이스 스테이션(Base Station:BS)이 필요로 하게 된다. 따라서 센츄럴 오피스(Central Office:CO)에 많은 기능을 집중하고 BS를 단순화하여 BS의 가격을 낮출 수 있는 구도가 바람직하다.
도 1a는 RoF(Radio-over-Fiber) 링크 광전송 시스템의 블럭도이다.
도 1a를 참조하면, RoF(Radio-over-Fiber) 링크 광전송 시스템은 광원이 CO(10)에 있고 CO(10)와 BS(30)이 광 섬유(20,optical fiber)로 연결되어 있으며, BS(30)와 무선 단말기(40,Wireless Terminal:WT)가 송수신 안테나들(36,38,42,44)을 통해 무선 신호로 연결되게 되는 구조를 가진다.
도 1b는 도 1a의 구도에서 BS(30)를 좀더 상세하게 보여주는 블럭도로서, 일반적으로 RoF 링크에서 BS(30)은 송수신 안테나(36,38), 광 검출기(32) 및 광 변조기(34,modulator)가 집적된 듀플렉서(Duplexer)로 구성된다.
이와 같은 구성의 BS(30)를 통한 전송 방식은 시분할 전송방식이 바람직한데, 예컨대 특정 시간 동안에는 CO(10)로부터 RF 신호가 실려있는 빛이 BS(30)으로 전송되고 BS(30) 내의 광 검출기(32)로부터 RF 신호가 복원되어 무선으로 WT(40)에 전송되며, 다른 특정 시간 동안에는 CO(10)에서 공급된 빛이 그대로 광 검출기를 통과한 후 광 변조기에 의해 변조되어 다시 CO(10)로 전송된다. 이때 광 변조를 위해 WT(40)에서 전송된 무선신호를 이용한다. RoF 링크 광전송 기술에 있어서, BS(30)에 사용되는 광 검출기(32)와 광 변조기(34)와 같은 핵심소자들은 아날로그 전송에 알맞게 디자인되고 쉽게 제작될 수 있어야 한다.
각각의 소자들에 대해 간단히 살펴보면, 광 변조기의 관점에서 RF 이득은 출력 광의 세기 및 전달함수의 기울기의 제곱에 각각 비례한다. 그러나 변조기의 전달함수 기울기를 크게 할수록 광 삽입손실이 커지게 되어 광 변조기의 출력 광의 세기는 작아지게 되어 두 가지 조건을 모두 만족시키기가 매우 어렵다. 일반적인 다중양자우물(multi-quantum well) 전계 흡수형(elector-absorption:EA) 광 변조기의 광 삽입손실은 10 dB 정도이나 전달함수의 기울기를 가파르게 만들수록 삽입손실은 증가하게 된다. 또한, 10 dB의 삽입손실 중 대부분은 광섬유와의 광 모드 불일치에서 발생하게 된다. 이러한 광 삽입손실을 줄여주는 방법으로는 광 모드 변환기를 광 변조기에 집적하는 방법과 광 증폭기를 집적하는 방법이 있다.
도 2 는 종래의 광 모드 변환기가 집적된 반도체 레이저 다이오드에 대한 사시도이다.
도 2를 참조하면, 광 모드 변환기(Spot Size Converter:SSC)가 레이저와 버트 조인트 커플링(butt-joint coupling) 방식으로 연결되어 있다. 또한, 광 도파로의 두께가 레이저 부분에서 일정하다가 butt-joint coupling 부분을 지나면서 점점 얇아지는 것을 볼 수 있다. 이는 고기능성 에피 성장 방식인 선택적 영역 성장(Selective Area Growth:SAG) 방법을 사용한 것으로 광 모드 변환기의 도파로 두께가 광의 진행방향에 따라 점점 얇아져서 도파로의 끝단에서는 그 두께가 0.2 um 이내가 되도록 하고 있다.
좀더 상세히 설명하면, 레이저 영역으로 n-형 전극층(11), n-형 인듐포스파이드(InP) 클래드층(12), n-형 및 p-형 커런트 차단(current blocking)층(13,14), p-형 클래드층(15) 및 p-형 전극층(16)으로 형성되어 있고, SSC 영역으로는 점점 얇아지는 패시브(passive) 광도파로(17)가 레이저 영역 내부의 레이저 액티브층(19)과 버트 결합 경계(18,butt-joint interface)를 통해 연결되어 있다.
이와 같은 형태의 SSC를 제작하기 위해서는 SAG 방법을 사용하여야 하는데 이 방법을 사용하면 물질의 조성이 바뀌기 때문에 물질층 내에 스트레스가 생겨 반도체 결정의 품질이 저하될 가능성이 있다. 반도체 결정의 품질 저하 없이 SAG 방법을 사용하여 SSC를 제작하기 위해선 반도체 결정 성장조건이 매우 엄격히 유지되어야 한다. 그러나 이러한 SSC 제작방법은 그 성장조건의 허용오차가 매우 작아 고품질 반도체 결정을 성장시키는 데에 많은 어려움이 있다.
도 3은 종래의 광 모드 변환기, Optical Amplifier 및 전계 흡수형 광 변조기가 모노리식 집적된 구조에 대한 사시도이다.
도 3을 참조하여, 이 구조의 제작 과정을 간략하게 살펴보면, n-형 InP 기판(21) 상에 SAG 방법을 사용하여 Fe 도핑된 InP 층의 current blocking층(22), 인듐갈륨아세나이드포스파이드(InGaAsP) 패시브 광도파로(23), n-형 InP 스페이서(24)를 성장시킨다. 다음 도파로의 너비를 1um 정도가 되도록 식각에 의해 형성한 후 Fe 도핑된 InP 층의 current blocking층(22)을 재성장시키고 평탄화한다. 다음으로 광 증폭기(Optical Amplifier)와 광 변조기(EA Modulator)의 액티브층(25)을 SAG 방법으로 성장시킨다. 그 후 광 증폭기의 active층을 (25) 측면 방향으로 너비가 줄어들도록 에칭한 후 p-형 InP 클래드층(26)과 p-형 InP cap층 그리고 InGaAs contact층을 차례로 성장시킨다.
이러한 구조는 이중 광 도파로를 갖는 구조로서 아래쪽 광 도파로(23)는 광 섬유와 광 결합 효율을 높이는 기능을 하며, 위쪽 광 도파로(25)는 광 증폭기로부터 아래쪽 광 도파로(23) 쪽으로 광 모드가 용이하게 이동하도록 하는 역할을 한 다. 좀더 자세히 설명하면, 아래쪽 광 도파로(23)는 SAG 방법을 통해 성장되는데 그 두께가 광 모드의 진행방향에 따라 점차 얇아진다. 그에 따라, 광 모드가 점점 커지게 되어 광섬유와의 광 결합효율을 증대시키는 기능을 한다. 위쪽 광 도파로(25) 역시 SAG 방법으로 성장되며 광 모드의 진행방향에 따라 광진행 방향으로 너비가 감소하여 아래쪽 광 도파로(23)쪽으로 광 모드가 용이하게 이동하도록 한다.
광 변조기와 광 증폭기쪽에서는 광 모드가 강하게 구속되어 있어서 광 변조 또는 광증폭 효율이 매우 크게 되며(강하게 구속된 광 모드와 광섬유와의 광결합 효율은 매우 낮음) 광 모드 변환기를 거치면서 광 모드는 약하게 구속되어 즉, 모드의 크기가 증가하여 광섬유와의 광 결합이 좋게 된다. 결국 광 변조 효율, 광증폭 효율 그리고 광 결합 효율을 모두 극대화할 수 있는 구조이다.
그러나 이 구조 역시 SAG 방법을 사용하므로 제작하는 데 복잡하고 좋은 품질의 소자를 제작하는 데 많은 어려움을 안고 있다.
광 검출기의 관점에서 RF 이득은 출력 광 전류가 클수록 유리하다. 즉, 광 검출기의 반응도(Responsivity)가 크고 큰 입력 광을 받아들일 수 있을수록 유리하다. 광 검출기의 반응도를 크게 하기 위해서는 광 섬유와의 광 결합 시 발생되는 광 손실을 줄여주는 것이 중요하다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광섬유와의 광 결합손실이 없고 높은 전기-광 그리고 광-전기 변환 효율을 갖는, 즉 높은 RF 이득을 얻을 수 있는 광 증폭기, 광 검출기 및 광 변조기가 모노리식 집적된 광증폭 듀플렉서를 제 공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은 기판; 상기 기판 상에 형성된 적어도 1개의 물질층으로 이루어진 제1 에피층으로 형성되고, 제1 광도파로를 포함하는 분리영역; 상기 제1 에피층 상에 형성된 적어도 1개의 물질층으로 이루어진 제2 에피층으로 형성되고, 광신호를 검출하고 변조하며 제2 광도파로를 포함하는 광검출변조부; 및 상기 제2 에피층 상부로 형성된 적어도 1개의 물질층으로 이루어진 제3 에피층으로 형성되고, 광신호를 증폭하며 제2 및 제3 광도파로를 포함하는 광증폭부;를 구비하고, 상기 광증폭부와 광검출변조부는 상기 분리 영역에서 전기적으로 분리되며, 상기 광증폭부가 상기 광검출변조부의 적어도 어느 한 일측으로 형성된 광증폭 듀플렉서(duplexer)를 제공한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 광증폭부는 상기 광검출변조부의 양측으로 각각 형성되어, 광신호 진행방향으로의 광도파로들의 단면이 전체적으로 W형의 구조를 갖는다. 또한, 상기 제1 광도파로, 제2 광도파로 및 제3 광도파로 사이의 광 모드를 원활하게 이동시키기 위해 상기 광도파로들은 적어도 한쪽 끝단으로 광 모드 변환기가 형성되어 있다.
한편, 상기 광증폭부는 상기 제2 에피층과 제3 에피층 사이로 형성된 적어도 1개의 물질층으로 이루어진 적어도 1개의 에피층을 이용하여 형성된 적어도 1개의 광도파로를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 광증폭 듀플렉서는 삼중 도파로 구조를 기반으로 광증폭부에 서 광증폭이 일어나고, 광검출변조부에서 광의 검출 및 변조를 수행한다. 한편, 분리영역은 광증폭부와 광검출변조부를 전기적으로 절연시키는 역할을 하게 된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 상부에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 구성 요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 생략되거나 과장되었고, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 한편, 사용되는 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
본 발명은 광원이 CO에 있고 BS에는 광-전기(광 변조기), 전기-광(광 검출기) 변환을 하나의 반도체 칩으로 수행하면서도, 광 결합손실이 없고 높은 변환 효율을 가질 수 있도록 광 증폭기, 광 검출기 및 광 변조기가 모노리식 집적된 광증폭 듀플렉서 구조를 제안한다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광증폭 듀플렉서에 대한 사시도이다.
도 4a를 참조하면, 광증폭 듀플렉서는 분리영역(100), 광검출변조부(200) 및 광증폭부(300)를 포함한다. 광증폭부(300)는 광검출변조부(200) 양 측면으로 형성되며, 분리영역(100)를 통해 전기적으로 광검출변조부(200)와 분리되어 있다.
광증폭부(300)는 광 증폭기(320,320a), 제3 광 모드 변환기(340), 제2-1 광 모드 변환기(360) 및 제2-3 광 모드 변환기(380)를 포함한다. 각각의 소자는 기판 (120E) 상으로 형성된 다수의 에피층을 이용하여 형성된다. 한편, 광증폭을 위한 상하부 전극(600,700)이 형성되어 있다. 여기서 광 증폭기(320,320a)는 입력된 광신호를 증폭하는 역할을 하며, 광 모드 변환기들(340,360,380)은 광 도파로들 간의 광 모드를 원활하게 이동시키는 역할을 한다.
광검출변조부(200)는 광을 검출하는 광 검출기(220), 광을 변조하는 광 변조기(240) 및 제2-2 광 모드 변환기(260)를 포함한다. 한편, 광 검출기(220)와 광 변조기(240)의 전기적 분리를 위한 절연 트렌치(280b)가 형성되어 있다. 제2-2 광 모드 변환기(260)는 제1 광도파로와 제2 광도파로 사이에서 광 모드를 원활하게 이동시키는 역할을 한다. 제2-2 광 모드 변환기(260) 및 광 검출기(220) 사이에도 절연 트렌치(280a)가 형성될 수 있다.
분리영역(100)은 전술한 대로 광검출변조부 및 광증폭부(200,300)를 전기적으로 분리시키는 역할을 하며, 광신호만 제1 광도파로의 코어 부분(120)을 통해 전송시킨다.
이하에서는 기판(120E) 상에 형성된 에피층의 측면에서 설명한다.
반절연(Semi-insulating:SI) InP으로 형성된 기판(120E), 1.24Q InGaAsP으로 형성된 코어층(140E) 및 InP으로 형성된 상부 클래드층(160E)이 제1 광도파로(100W)의 기능을 한다. 여기서, Q는 quaternary의 이니셜로 4개의 원소가 포함됨을 의미하며, 앞의 숫자는 에너지 밴드 갭(band gap)을 파장 개념으로 나타낸 것이다. 기판(120E)이 제1 광도파로(100W)의 하부 클래드층 기능을 한다. 이러한 제1 광도파로(100W)는 분리영역(100)에서 광신호의 전송역할을 담당하게 된다.
한편, 제1 광도파로(100W)의 상부 클래드층(160E)은 제2 광도파로(300W)의 하부 클래드층(320E) 역할도 겸하게 된다. 하부 클래드층(320E), 하부 클래드층(320E) 상부로 InGaAsP/InGaAsP의 다중양자우물 구조의 코어층(340E) 및 p형 InP으로 형성된 상부 클래드층(360E)이 제2 광도파로(300W)를 형성하게 된다. 제2 광도파로(300W)는 광검출변조부(200)의 주요 광도파로 기능을 하며, 코어층(340E)은 광 검출기(220) 및 광 변조기(240)의 흡수층 역할을 하게 된다.
제2 광도파로(300W) 상부로 제2-1 광도파로(400W)가 형성되는데, 하부 제2-1 광도파로층(420E)은 제2-1 광도파로의 하부 클래드층과 코어층이 합쳐서 도시된 상태이다. 제2-1 광도파로(400W)의 상부 클래드층(440E)은 1.24Q InGaAsP로 형성된다. 하부 제2-1 광도파로층(420E)은 제2 광도파로(300W)의 각 에피층(320E,340E,360E)과 함께 제2-2 및 제2-3 광 모드 변환기(260,380)를 구성하게 된다. 한편, 하부 제2-1 광도파로층(420E)은 광 검출기(220) 및 광 변조기(240)의 p형 메탈 컨택층이 된다. 제2-1 광도파로(400W)의 상부 클래드층(440E)이 제2-1 광 모드 변환기(360)를 구성한다. 절연 트렌치들(280a,280b)은 상부 클래드층(440E) 및 하부 제2-1 광도파로층(420E)을 식각하여 형성하게 된다.
제2-1 광도파로(400W) 상부로 제3 광도파로(500W)가 형성되는데, p형 InP으로 형성된 하부 클래드층(520E), 1.6Q InGaAsP으로 형성된 코어층(540E) 및 n+형 InP을 형성된 상부 클래드층(560E)이 제3 광도파로(500W)를 형성하게 된다. 이러한 제3 광도파로(500W)는 광 증폭기(320,320a) 및 제3 광 모드 변환기(340)를 구성하게 된다.
각 광도파로의 구조 및 크기를 살펴보면, 광검출변조부(200) 및 광증폭부(300)의 제2 광도파로는 깊은(deep) 리지(ridge) 형태 또는 얇은(shallow) 리지 형태를 가지며, 너비가 1 ~ 3 ㎛ 정도이고 총 두께가 1.5 ~ 2.5 ㎛정도이다. 광증폭부(300)의 제3 광도파로 역시 너비가 1~ 3 ㎛ 이며 깊은(deep) 리지 형태 또는 얇은(shallow) 리지 형태를 가지며 총 두께는 1.5 ~ 2.5 ㎛ 정도이다. 한편, 분리영역(100)의 제1 광도파로(120)는 너비가 2 ~ 5 ㎛이고 두께가 0.2 ~ 1㎛ 정도이다.
각 광도파로들은 적어도 한 끝단으로 형성된 쐐기형태의 광 모드 변환기들을 가지는데, 제3 광 모드 변환기(340)는 시작부분이 제3 광도파로의 너비와 같고 끝 부분은 0.7 ㎛이하로 시작부분보다 좁고 길이는 200 ㎛ 이하이다. 제2-1 광 모드 변환기(360)는 시작부분이 제3 광도파로의 너비와 같거나 크고 끝 부분이 1 ㎛이하로 시작부분보다 좁고 길이는 100 ㎛ 이하이다. 제2-2 광 모드 변환기(260) 및 제2-3 광 모드 변환기(380)는 시작부분이 제2 광도파로의 너비와 같고 끝 부분은 0.7 ㎛이하로 시작부분보다 좁고 길이는 200 ㎛ 이하이다.
광을 검출하는 광 검출기(200)의 길이는 100 ㎛ 이하이고, 광을 변조하는 광 변조기의 길이는 600 ㎛ 이하로 형성된다. 기판(120E) 상부로 총 에피층의 두께는 약 3 ~ 5 ㎛ 정도이다.
본 실시예에서는 제2-1 광도파로 부분이 제2 광도파로 및 제3 광도파로 사이로 형성되어 있지만, 생략가능하며 때에 따라, 적어도 1개의 물질층으로 이루어진 2개 이상의 에피층을 이용하여 2개 이상의 광도파로를 더 형성할 수도 있다.
도 4b는 도 4a의 광증폭 듀플렉서에 집적된 소자들의 연결상태를 보여주는 블럭도이다.
도 4b를 참조하면, 광증폭 듀플렉서는 빛의 진행 방향에 따라 제1 광 증폭기(320), 광 검출기(220), 광 변조기(240) 및 제2 광 증폭기(320a) 순으로 집적된다. 또한, 제1 광 증폭기(320)와 광 검출기(220) 사이로 제3광 모드 변환기(340), 제2-1 광 모드 변환기(360), 제2-3 광 모드 변환기(380) 및 제2-2 광 모드 변환기(260)가 차례로 형성되어 있고, 광 변조기(240)와 제2 광 증폭기(320a) 사이로 역순으로 다시 광 모드 변환기들이 형성되어 있다. 한편, 제2-2 광 모드 변환기(260)와 제2-3 광 모드 변환기(380) 사이로 제1 광 도파로(120)가 광증폭부(300)와 광검출변조부(200)를 전기적으로 분리하면서 형성되어 있다.
제1 광 증폭기(320)는 광 섬유와의 광 결합손실을 보상해 주면서 광 검출기에 입력되는 광 세기를 증가시켜 광 검출기(220)의 반응도를 증가시키게 된다. RF 이득을 높이기 위해 광 변조기(240)의 전달함수가 가파르게 설계되었다면 광 변조기(240)를 통과한 빛은 그 세기가 매우 작아지게 된다. 그러나 마지막에 제2 광 증폭기(320a)를 거치면서 약해진 빛은 다시 증폭되어 충분한 RF이득을 얻을 수 있게 된다.
좀더 상세히 설명하면, 본 발명의 소자 구성은 시분할 전송방식에 적합한 것으로서, 예컨대 일정시간 동안 CO에서 광섬유를 통해 전송된 RF 변조된 광 신호는 제1 광 증폭기(320)에서 광 결합되어 증폭된 후 광 검출기(220)에 의해 광-전기 변환이 일어난다. 이때 광 검출기(220)에는 메탈 전극(600,700)을 통해 바이어스 전압이 가해지게 된다. 또 다른 시간 동안에는 CO에서 변조되지 않은 광이 BS로 보내 지고 광 검출기(220)에 바이어스 전압이 가해지지 않은 상태에서 그대로 광 검출기(220)를 통과한 후 광 변조기(240)에 입사하게 된다. WT(40)로부터 송신된 RF 신호는 BS의 안테나를 통해 광 변조기(240)를 변조시키게 되고 RF 변조된 광 신호는 제2 광 증폭기(320a)를 통과하면서 증폭되어 광 섬유와 광 결합된 후 CO로 전송된다. 이때 광 변조기(240)에는 바이어스 전압이 가해지게 된다. 광 검출기(220)와 광 변조기(240)는 제2 광도파로의 액티브 코어(340E)를 공유한다. 액티브 코어(340E)는 다중양자우물로 구성되어 있으며 전압이 없을 때에는 흡수가 일어나지 않다가 전압을 가했을 때 흡수 에지가 1550 nm로 이동하면서 흡수가 일어나게 설계되어 있다. 이때 CO에서 공급되는 빛의 파장은 1550 nm로 가정한다.
도 4c는 도 4a의 각 소자에 이용되는 광 도파로의 위치관계를 보여주는 개념도로서, 광증폭 듀플렉서를 광신호의 진행방향으로 수직으로 자른 경우의 광 도파로의 위치관계를 보여준다.
도 4c를 참조하면, 광증폭부(300)의 제3 광도파로에 해당하는 부분(①)이 가장 상층으로 형성되며, 그 다음 제2-1 광도파로에 해당하는 부분(②), 제2 광도파로에 해당하는 부분(③) 및 제1 광도파로에 해당하는 부분(④) 순으로 순차적으로 낮아지는 구조로 형성된다.
도 5는 본 발명에 따른 광증폭 듀플렉서에 이용되는 에피층들의 단면을 보여주는 단면도로서, 모든 에피층들이 존재하는 부분을 자른 단면도이다.
도 5를 참조하면, SI InP의 기판(120E), 1.24Q n+형 InGaAsP의 코어층(140E) 및 고유(intrinsic) InP의 상부 클래드층(160E)이 제1 광도파로(100W)를 형성한다. intrinsic InP의 하부 클래드층(320E), 다중양자우물로 이루어진 광 검출기와 광 변조기의 액티브 코어층(340E) 및 p-형 InP의 상부 클래드층(360E)이 제2 광도파로(300W) 형성한다. 하부 제2-1 광도파로층(420E)은 p 형 1.24Q InGaAsP의 하부 클래드층(422E) 및 코어층을 이루는 1.3Q InGaAsP의 p-형 컨택층(424E)으로 이루고 지고, 1.24Q InGaAsP의 상부 클래드층(440E)과 함께 제2-1 광도파로(400W)를 형성한다. 한편, 1.3Q InGaAsP의 p 형 컨택층(424E)은 광 검출기(220)와 광 변조기(240)의 공유 p형 메탈 컨택층을 형성하며, 약 0.1 ~ 0.3 ㎛ 정도의 두께를 가진다. p형 InP의 하부 클래드층(520E), 1.6Q InGaAsP의 코어층(540E) 및 n+ 형 InP의 상부 클래드층(560E)이 제3 광도파로(500W)를 형성한다.
한편, 광 증폭기(320,320a)와 광검출변조부(220)의 액티브 코어(540E,340E)는 다중양자우물이어도 되고 bulk 이어도 무방하며, 광신호가 편광에 영향을 받지않도록 스트레인(strain)이 가해져 형성될 수도 있다. 또한, 각 광도파로의 광 모드의 유효 굴절율은 제3 광도파로가 가장 높고 그 다음 제2-1 광도파로, 제2 광도파로 및 제2 광도파로 순으로 낮아진다. 따라서, 모든 광도파로가 있는 경우 제3 광도파로를 통해 광신호가 이동되다가 상층의 광도파로가 제거되면, 자연스럽게 그 하부 광도파로로 광신호가 이동되고 상부로 광도파로가 있는 경우 다시 상부 광도파로 이동되는 방식으로 광신호가 전송된다. 그에 따라, 본 실시예에서는 W형으로 광신호가 이동됨을 알 수 있다.
광증폭 듀플렉서의 제작 방법을 간단하게 설명하면 다음과 같다.
기판(120E) 상으로 순차적으로 as-grown 에피층들을 형성하고, 각 소자들의 상하 좌우 위치관계를 고려하여 포토리소그라피(photolithography), 건식 식각 및 선택적 습식 식각을 통해 각 소자들을 형성한다. 이때 동일 도파로 상의 광 모드 변환기들은 함께 형성하고, 최종적으로 상하부 메탈 전극들(600,700)을 형성하여, 광 증폭기(320,320a), 광 검출기(220) 및 광 변조기(240)를 형성함으로써, 광 증폭기(320,320a), 광 검출기(220) 및 광 변조기(240)가 모노리식(monolithic) 집적된 광증폭 듀플렉서를 제조할 수 있다. 따라서, 종래의 butt-joint coupling이나 SAG 방법을 이용할 필요가 없어 제조 과정이 용이하고, 비용면에 있어서도 훨씬 저렴하게 광증폭 듀플렉서를 제조할 수 있다.
기판(120E)에서 제2-1 광도파로의 코어층을 이루는 1.3Q InGaAsP의 p 형 컨택층(424E)까지가 광 검출기(220)와 광 변조기(240)의 에피층들이고 p 형 컨택층(424E)부터 제3 광도파로의 n+형 InP의 상부 클래드층(560E)까지가 광 증폭기(320,320a)의 에피층들이다. 광검출변조부(200)와 광증폭부(300)는 동일 에피층 즉, p 형 컨택층(424E)을 공유하면서 상부 및 하부로 형성된다. 광증폭은 상부 에피층들에서 일어나고 광 검출과 변조는 하부 에피층들에서 일어난다. 따라서 입력된 광은 위에서 아래로 그리고 위로 진행하게 되는데 위, 아래의 광 진행을 원활하게 하기 위해 광 모드 변환기가 필요하고, 광 모드 변환기가 쐐기형태로 이루어져 있음은 전술한 바와 같다.
본 실시예에서는 제3광 도파로에 2개의 제3광 모드 변환기(360)와 제2-1 광도파로에 2개의 제2-1 광 모드 변환기(360)가 있고 제2광 도파로에 각각 두 개의 제2-2 광 모드 변환기(260) 및 제2-3 광 모드 변환기(380)가 형성된다. 따라서 총 8개의 광 모드 변환기가 광증폭 듀플렉서에 형성되어 있다. 그러나, 제2광 도파로와 제3 광도파로 사이에 적어도 하나 이상의 광도파로가 형성될 수 있기 때문에 광 모드 변환기는 그 이상 또는 이하로 형성될 수 있음은 물론이다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 제2 및 제3 실시예에 따른 광증폭 듀플렉서에 대한 사시도이다. 도 4a와 비교해서 대부분이 유사하나, 광 검출기(220)와 광 변조기(240) 사이의 절연 트렌치의 형상 및 개수가 다르다.
도 6a를 참조하면, 제2 실시예는 광 검출기(220) 및 광 변조기(240)는 양 끝단으로 각자의 광 모드 변환기들이 형성되어 있으며, 제1 광도파로(230)에 의해 전기적으로 분리되는 구조로 형성된다. 한편, 광 모드 변환기와도 절연 트렌치들(280a,280b)이 형성된다. 따라서, 광 검출기(220) 및 광 변조기(240)는 좀더 확실하게 주변 소자에 영향을 받지않고 동작하게 되어 그 성능을 향상시킬 수 있다.
도 6b를 참조하면, 광 변조기(240)와 광 모드 변환기(260) 사이에 절연 트렌치(280c)가 형성되어 있어서, 광 변조기(240)와 광 모드 변환기(260) 사이의 전자기적인 영향을 배제한다.
도 7은 본 발명의 광증폭 듀플렉서 구조에서 광의 진행방향에 따라 각 광 도파로에서의 광 파워와 전체 광 손실을 BPM(beam propagation method) 시뮬레이션을 통해 보여주는 그래프이다. 이때, 광 증폭기나 광 검출기 그리고 광 변조기는 단순 한 수동 광 도파로로 가정하였고 각 도파로 간의 광 결합손실만을 고려하였다.
그래프에서, 빛의 진행 방향에 따라 제1 광 증폭기(320,semiconductor optical amplifier:SOA1), 광 검출기(220,photodetector:PD), 광 변조기(240,electroabsorption modulator:EAM) 및 제2 광 증폭기(320a,SOA2) 순으로 형성되어 있다. 또한, 제1 광 증폭기(320)와 광 검출기(220) 사이로 제3광 모드 변환기(340,spot size converter1: SSC1), 제2-1 광 모드 변환기(360,SSC3), 제2-3 광 모드 변환기(380,SSC2) 및 제2-2 광 모드 변환기(260,SSC2)가 차례로 형성되어 있고, 광 변조기(240)와 제2 광 증폭기(320a) 사이로 역순으로 다시 광 모드 변환기들이 형성되어 있다. 한편, 제2-2 광 모드 변환기(260,SSC2)와 제2-3광 모드 변환기(380,SSC2) 사이로 제1 광 도파로(120,base guide:BG)가 위치한다.
그래프를 참조하면, 전체 광 파워가 2.1 dB 정도가 감소하여 비교적 좋은 광 손실 특성을 가짐을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 의한 광증폭 듀플렉서가 광섬유와의 광 결합손실이 없고 높은 전기-광 그리고 광-전기 변환 효율을 가짐을 확인할 수 있다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
지금까지 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 광증폭 듀플렉서는 광 증폭기, 광 검출기 및 광 변조기가 모노리식 집적되어 광섬유와의 광 결합손실이 없고 높은 전기-광 그리고 광-전기 변환 효율을 가짐으로써, RoF 링크 광전송 기술에서 높은 RF 이득을 얻을 수 있다.
또한, 선택적 영역 성장방법(SAG)이나 butt-joint coupling 방법 등을 사용하지 않고 일반적인 photolithography, 건식 식각 및 선택적 습식 식각 공정을 사용하여 모노리식 집적이 가능하여 저가의 BS 구현이 가능하다.

Claims (23)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 적어도 1개의 물질층으로 이루어진 제1 에피층으로 형성되고, 제1 광도파로를 포함하는 분리영역;
    상기 제1 에피층 상에 형성된 적어도 1개의 물질층으로 이루어진 제2 에피층으로 형성되고, 광신호를 검출하고 변조하며 제2 광도파로를 포함하는 광검출변조부; 및
    상기 제2 에피층 상부로 형성된 적어도 1개의 물질층으로 이루어진 제3 에피층으로 형성되고, 광신호를 증폭하며 제2 및 제3 광도파로를 포함하는 광증폭부;를 구비하고,
    상기 광증폭부와 광검출변조부는 상기 분리 영역에서 전기적으로 분리되며, 상기 광증폭부가 상기 광검출변조부의 적어도 어느 일측으로 형성된 광증폭 듀플렉서(duplexer).
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광증폭부는 상기 광검출변조부의 양측으로 각각 형성되며,
    광신호 진행방향으로의 광도파로들의 단면이 전체적으로 W형의 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 광증폭 듀플렉서.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 광도파로들은 제1, 제2 및 제3 광도파로 순으로 광 모드의 유효 굴절율이 높아지는 것을 특징으로 하는 광증폭 듀플렉서.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 및 제3 광도파로는 깊은(deep) 리지(ridge) 형태 또는 얇은(shallow) 리지 형태를 가지며,
    상기 제2 및 제3 광도파로는 각각 너비가 2 ~ 3 ㎛ 이고 각각 총 두께가 1.5 ~ 2.5 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 광증폭 듀플렉서.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광도파로는 너비가 2 ~ 5 ㎛이고 두께가 0.2 ~ 1㎛ 인 것을 특징으로 하는 광증폭 듀플렉서.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광도파로, 제2 광도파로 및 제3 광도파로 사이의 광 모드를 원활하게 이동시키기 위해 상기 광도파로들은 적어도 한쪽 끝단으로 광 모드 변환기가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광증폭 듀플렉서.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제3 광도파로는 상기 광검출변조부 방향으로 제3 광 모드 변환기가 형성되어 있고,
    상기 광증폭부의 제2 광도파로는 상기 제1 광도파로 상부로 상기 광검출변조부 방향으로 제2-3 광 모드 변환기가 형성되며,
    상기 광검출변조부의 제2 광도파로는 상기 제1 광도파로 상부로 상기 광증폭부 방향으로 제2-2 광 모드 변환기가 형성된 것을 특징으로 하는 광증폭 듀플렉서.
  8. 제 6항에 있어서,
    광증폭부는 상기 제2 에피층 및 제3 에피층 사이의 제2-1 에피층으로 형성된 제2-1 광도파로를 더 포함하고,
    상기 제2-1 광도파로는 상기 제3 광도파로보다 더 길게 형성되어 있으며 상기 광검출변조부 방향으로 제2-1 광 모드 변환기가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광증폭 듀플렉서.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제3 광도파로로 입사한 광신호는 상기 제3 광 모드 변환기를 통해 상기 제2-1 광도파로로 광 모드가 이동되고,
    상기 제2-1 광도파로로 이동된 광 모드는 상기 제2-1 광 모드 변환기를 통해 상기 광증폭부의 제2 광도파로로 광 모드가 이동되며,
    상기 광증폭부의 제2 광도파로로 이동된 광 모드는 제2-3 광 모드 변환기를 통해 제1 광도파로로 광 모드가 이동되어,
    상기 제3 광도파로로부터 제1 광도파로까지 세 번에 걸쳐 광 모드의 이동이 있는 것을 특징으로 하는 광증폭 듀플렉서.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 광도파로들은 리지 형태이고,
    상기 광도파로들의 적어도 한 끝단으로 형성된 광 모드 변환기들은 쐐기형태를 가지며,
    상기 제3 광 모드 변환기는 시작부분이 제3 광도파로의 너비와 같고 끝 부분은 0.7 ㎛이하로 시작부분보다 좁고 길이는 200 ㎛ 이하이며,
    상기 제2-1 광 모드 변환기는 시작부분이 제3 광도파로의 너비와 같거나 크고 끝 부분이 1 ㎛이하로 시작부분보다 좁고 길이는 100 ㎛ 이하이며,
    상기 제2-2 광 모드 변환기 및 제2-3 광 모드 변환기는 시작부분이 제2 광도파로의 너비와 같고 끝 부분은 0.7㎛ 이하로 시작부분보다 좁고 길이는 200㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 광증폭 듀플렉서.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 기판은 반절연(semi-insulator:SI) 인듐포스파이드(InP) 기판이고,
    상기 제1 에피층은 1.24Q 인듐갈륨아세나이드포스파이드(InGaAsP)로 형성된 것을 특징으로 하는 광증폭 듀플렉서.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 에피층은 상기 광검출변조부의 제2 광도파로 하부에서 n-메탈 컨택층의 역할을 하는 것을 특징으로 하는 광증폭 듀플렉서.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 광검출변조부는 양 끝단으로 광 모드를 원활하게 이동시키기 위한 제2-2 광 모드 변환기가 각각 형성되어 있고,
    상기 광검출변조부는 광신호를 검출하는 광 검출기와 광신호를 변조하는 광 변조기 사이의 전기적 분리를 위한 절연 트렌치가 형성된 것을 특징으로 하는 광증폭 듀플렉서.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제2-2 광 모드 변환기와 상기 광 검출기 사이 및 상기 광 변조기와 상기 제2-2 광 모드 변환기 사이의 적어도 한쪽에 전기적 분리를 위한 절연 트렌치가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광증폭 듀플렉서.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 광 검출기의 길이는 100 ㎛ 이하이고,
    상기 광 변조기의 길이는 600 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 광증폭 듀플렉 서.
  16. 제13 항 또는 제14 항에 있어서,
    상기 광검출변조부는 제2 광도파로의 상부 클래드층 상부로 1.3Q InGaAsP의 p형 컨택층을 포함하며,
    상기 트렌치는 상기 p형 컨택층을 식각하여 형성하거나 상기 제2 에피층을 식각하여 형성하는 것을 특징으로 하는 광증폭 듀플렉서.
  17. 제1 항에 있어서,
    상기 광 듀플렉서의 총 에피층의 두께는 3 ~ 5 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 광증폭 듀플렉서.
  18. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 에피층은 상부 부분에 p형 메탈 컨택층을 포함하며,
    상기 광증폭부의 광신호를 증폭하는 광 증폭기는 상기 p형 메탈 컨택층 상부로 형성되고,
    상기 광검출변조부의 광신호를 검출하고 변조하는 광 검출기 및 광 변조기는 상기 p형 메탈 컨택층 하부로 형성되어,
    상기 광 증폭기, 광 검출기 및 광 변조기는 동일 에피층으로 이루어진 p형 메탈 컨택층을 가지는 것을 특징으로 하는 광증폭 듀플렉서.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 p형 메탈 컨택층은 1.3Q InGaAsP로 형성되고 두께는 0.1 ~ 0.3 ㎛인 것을 특징으로 하는 광증폭 듀플렉서.
  20. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 광도파로의 액티브 코어(active core)는 다중양자우물(multi-quantum well)이거나 벌크(bulk)로 형성된 것을 특징으로 하는 광증폭 듀플렉서.
  21. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 광도파로의 액티브 코어는 1.6Q InGaAsP로 형성된 것을 특징으로 하는 광증폭 듀플렉서.
  22. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 광도파로 및 제2 광도파로의 액티브 코어는 광신호가 편광에 영향을 받지않도록 스트레인(strain)이 가해진 것을 특징으로 하는 광증폭 듀플렉서.
  23. 제1 항에 있어서,
    상기 광증폭부는 상기 제2 에피층과 제3 에피층 사이로 형성된 적어도 1개의 물질층으로 이루어진 적어도 1개의 에피층을 이용하여 형성된 적어도 1개의 광도파 로를 포함하는 것을 특징으로 하는 광증폭 듀플렉서.
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