KR20130085763A - 광 집적 회로용 혼성 레이저 광원 - Google Patents

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Abstract

광 집적 회로의 광원이 개시된다. 개시된 광원은, 광 도파로가 마련된 기판 상에 적어도 일측이 광 도파로와 광학적으로 연결되게 형성되는 반사 커플링층과, 반사 커플링층 상에 마련된 광 모드 정렬층을 구비한다. 광을 발생시키는 활성층과 그 위에 반사층을 구비하는 상부 구조는 광 모드 정렬층 상에 마련된다.

Description

광 집적 회로용 혼성 레이저 광원{Hybrid laser light source for photonic integrated circuit}
광 집적 회로용 혼성 레이저 광원에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광 집적 회로에 광을 공급하는 광 집적 회로용 혼성 레이저 광원에 관한 것이다.
데이터 전송에서 금속 배선을 사용한 전기적 연결은 고 주파수 영역으로 갈수록 높은 전송 손실로 전력 소모가 크고 전자파 간섭(Electromagnetic interference, EMI) 등의 현상으로 시스템 구현시 설계에 어려움이 있다. 이에 비해 광을 이용하여 데이터를 주고 받는 광 연결(optical interconnect) 기술은 전송 손실 및 전자파 간섭이 적어 고속의 고 대역폭 (bandwidth) 데이터 송수신 시스템을 구현할 수 있다.
광 연결(optical interconnect) 기술은, 최근 근거리 및 초단거리 데이터 송수신 방법으로 활발하게 연구되어지고 있다. 현재 시스템 대 시스템(system to system), 모듈 대 모듈(module to module), 패키지 대 패키지(package-to-package), 칩 대 칩(chip-to-chip), 온 칩(on-chip) 등의 단계에서 광으로 데이터를 송수신하는 광 연결 기술이 개발되고 있다.
칩 대 칩, 온 칩 등의 근거리 및 초단거리 광 연결 시스템을 구현하기 위하여, 광원(light source), 광 도파로 (optical waveguide), 광변조기 (optical modulator), 광 여과기(optical filter), 광 검출기 (photodetector) 등의 여러 광 소자를 집적하는 실리콘 기반의 광 집적 회로(Photonic integrated circuit)에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 특히, 광 집적 회로에 광을 공급하는 광원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
공진기의 공진 모드와 광도파로의 도파 모드의 커플링 효율을 높일 수 있으며, 칩 본딩시에도 정확한 광 모드 정렬이 가능한 광 집적 회로용 혼성 레이저 광원을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 광 집적 회로용 혼성 레이저 광원은, 광 도파로가 마련된 기판 상에 적어도 일측이 상기 광 도파로와 광학적으로 연결되게 형성되는 반사 커플링층과; 상기 반사 커플링층 상에 마련된 광 모드 정렬층과; 상기 광 모드 정렬층 상에 마련되며, 광을 발생시키는 활성층과 그 위에 반사층을 구비하는 상부 구조;를 포함한다.
상기 광 모드 정렬층은, 중심 부분의 고굴절률 영역과 그 주변의 저굴절률 영역을 구비한다.
상기 고굴절률 영역과 상기 저굴절률 영역은 상기 고굴절률 영역에서 광 구속이 이루어지는 굴절률 차이를 가지도록 마련될 수 있다.
상기 고굴절률 영역은 원형, 타원형, 다각형 중 어느 한 형태를 가질 수 있다.
상기 저굴절률 영역은, 상기 고굴절률 영역을 둘러싸는 띠 형태로 형성될 수 있다.
상기 저굴절률 영역은, 상기 광원의 사용 파장 이상의 폭을 가질 수 있다.
상기 광 모드 정렬층의 상기 저굴절률 영역 바깥쪽은 상기 고굴절률 영역과 동일 물질로 이루어질 수 있다.
상기 광 모드 정렬층의 상기 고굴절률 영역 바깥쪽 전체는 상기 저굴절률 영역으로 이루어질 수 있다.
상기 고굴절률 영역은 실리콘으로 이루어지고, 상기 저굴절률 영역은 실리콘 산화물이나 공기로 이루어질 수 있다.
상기 고굴절률 영역은 실리콘 산화물로 이루어지고 상기 저굴절률 영역은 공기로 이루어질 수 있다.
상기 상부 구조의 활성층은 III-V 족 화합물 반도체에 바탕을 두고 있으며, 상기 기판, 반사 커플링층, 광 모드 정렬층 중 적어도 어느 하나는 실리콘에 바탕을 둘 수 있다.
상기 상부 구조는 기판 형태일 수 있으며, 웨이퍼 본딩(wafer bonding)에 의해 상기 하부 구조의 상기 광 모드 정렬층에 결합될 수 있다.
상기 상부 구조는 칩 형태일 수 있으며, 칩 본딩에 의해 상기 광 모드 정렬층에 결합될 수 있다.
상기 반사 커플링층은, 상기 상부 구조의 반사층에 대해 하부 반사층 역할을 하며, 1차원 격자 구조를 가지는 하이 인덱스 콘트라스트 그레이팅 반사층(High index contrast grating)일 수 있다.
상기 반사 커플링층은, 실리콘을 포함하는 재질로 1차원 격자 구조로 형성될 수 있다.
상기 기판은 그 상면에 절연층을 구비하며, 상기 절연층 상에 상기 반사 커플링층 및 광 도파로가 마련될 수 있다.
상기 기판은 그 상면에 상기 절연층을 구비하는 실리콘 기판일 수 있다.
상기 반사 커플링층과 광 모드 정렬층 사이에 반사 커플링층 및 광도파로보다 굴절률이 낮은 갭층을 더 구비할 수 있다.
상기 갭층은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광 집적 회로용 혼성 레이저 광원은, 광 도파로가 마련된 기판 상에 적어도 일측이 상기 광 도파로와 광학적으로 연결되게 형성되는 반사 커플링층과; 상기 반사 커플링층 상에 마련된 갭층과; 상기 갭층 상에 마련된 광 모드 정렬층과; 상기 광 모드 정렬층 상에 마련되고, 광을 발생시키는 III-V족 화합물 반도체에 바탕을 둔 활성층과 그 위에 반사층을 구비하고, 본딩 기술로 상기 광모드 정렬층에 결합되는 상부 구조;를 포함하며, 상기 기판은 그 상면에 절연층을 구비하는 실리콘 기판이고, 상기 절연층 상부에 상기 광도파로와 반사 커플링층이 마련되며, 상기 광 도파로, 반사 커플링층 광 모드 정렬층 중 적어도 어느 하나는 실리콘에 바탕을 두고 있으며, 상기 광 모드 정렬층은 중심 부분의 고굴절률 영역과, 그 주변의 저굴절률 영역을 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광 집적 회로는, 기판과; 상기 기판 상에 형성된 광 도파로와; 광을 발생시켜 상기 광 도파로를 통해 전달되도록 하는 본 발명의 실시예에 따른 광원;을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광 집적 회로용 혼성 레이저 광원을 제조하는 방법은, 기판 상에 광 도파로와 적어도 일측이 상기 광 도파로와 광학적으로 연결된 반사 커플링층을 형성하는 단계와; 상기 반사 커플링층 상에 광 모드 정렬층을 형성하는 단계와; 광을 발생시키는 활성층과 그 위에 반사층을 구비하는 상부 구조를 웨이퍼 본딩이나 칩 본딩에 의해 상기 광 모드 정렬층에 결합시키는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광 집적 회로용 혼성 레이저 광원에 따르면, 광 모드 정렬층을 구비함에 의해, 정확한 광 모드 정렬이 가능하게 되어, 공진기의 공진 모드와 광도파로의 도파 모드의 커플링 효율을 높일 수 있으며, 웨이퍼 본딩 및 칩 본딩시에도 정확한 광 모드 정렬이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광 집적 회로의 광원의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광 집적 회로의 광원의 개략적인 평면도이다.
도 3은 광 모드 정렬층의 일 예를 보인 평면도이다.
도 4 내지 도 6은 광 모드 정렬층의 다른 예들을 보인 평면도이다.
도 7a는 광 모드 정렬층 상부에 본딩되는 상부 구조의 측면도를 보여준다.
도 7b는 도 7a의 평면도를 보여준다.
도 8 및 도 9는 각각 광 모드 정렬층이 도 3 및 도 5의 형태를 가질 때, 상기의 조건하에서 FDTD 시뮬레이션으로 얻어진 광 모드 정렬층 중심 평면의 IExI2 분포이다.
도 10a 내지 도 12b는 본 발명의 실시예에 따른 광 집적 회로의 광원을 제조하는 과정을 보인 도면이다.
실리콘은 간접천이(indirect transition) 반도체로 실리콘으로 직접 레이저를 만들기 어렵기 때문에 실리콘 기반의 광 집적 회로(Photonic integrated circuit)에 광을 공급하기 위하여 다양한 방법이 연구되고 있다. 광 연결(optical interconnect) 시스템의 광원으로는 III-V 화합물 반도체 레이저(III-V compound semiconductor laser)가 사용되는데, 실리콘 기반의 광 집적 회로에 광을 공급하기 위하여 외부에서 III-V 화합물 반도체 레이저 광을 입사시키는 경우에는 광 정렬(optical alignment)이 어렵고 많은 시간과 비용이 소모된다.
실리콘 기반 광 집적회로에 III-V 화합물 반도체 공진기를 본딩(bonding)하여 III-V족 화합물 반도체/실리콘 혼성 레이저(hybrid laser)를 만드는 기술이 개발되고 있다.
즉, 수직 공진 표면광 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL)의 공진기를 SOI(Silicon on Insulator) 기반의 광 집적회로에 본딩하여 만들어지는 III-V족 화합물 반도체/실리콘 혼성 레이저 광원이 개발되고 있다. 여기서, VCSEL 공진기는 상부 미러층과 활성층을 구비하는 구조이며, 하부 미러층의 적어도 일부 구조는 광 집적 회로가 마련되는 기판쪽에 형성될 수 있다. 수직 공진 표면광 레이저(VCSEL)를 이용한 혼성 레이저 광원은 저전력 및 고속 직접 변조 (direct modulation)등의 장점을 가지고 있다.
III-V족 화합물 반도체/실리콘 혼성 레이저가 광 집적회로의 평면 방향 광 도파로에 어느 정도의 비율로 광을 전파시키는가를 나타내는 값이 커플링 효율(coupling efficiency)이다. 커플링 효율이 낮으면 대부분의 광을 광 집적 회로에 수직한 아래 방향으로 방출하게 되므로 커플링 효율(coupling efficiency)은 혼성 레이저 광원의 성능을 결정짓는 가장 중요한 요소 중 하나이다.
커플링 효율은 VCSEL 공진기(resonator)의 광 공진 모드(resonant mode)와 평면방향 광 도파로의 도파 모드 사이의 정렬(alignment) 위치에 따라 크게 영향을 받는다. 웨이퍼 본딩 기술을 통해 웨이퍼 본딩 이후 정확도와 정밀도가 높은 반도체 공정을 활용하여 III-V족 화합물 반도체/실리콘 혼성 레이저 구조를 제작하면 이러한 정확하고 정밀한 광학 모드 정렬(optical mode alignment)이 가능하다. 웨이퍼 본딩 기술은 정확하고 정밀한 모드 정렬을 제공하지만 VCSEL 영역을 제외한 대부분의 III-V 화합물 반도체 영역을 사용할 수가 없다. III-V 화합물 반도체 기판은 실리콘 기판에 비해 고가이며 VCSEL 구조를 성장하는 MOCVD (Metal-Organic chemical vapor deposition) 공정 또한 비용이 많이 드는 공정이다. 웨이퍼 본딩 기술을 통한 III-V족 화합물 반도체/실리콘 혼성 레이저 광원은 제조 원가 측면에서 가격이 높은 단점이 있다. 또한, 웨이퍼 본딩 후에 VCSEL 구조를 제작할 때 모드 정렬을 우선적으로 고려해야 하므로 VCSEL 구조 설계 상 제약이 따르게 된다.
개별 VCSEL 칩(chip)을 광 집적 회로 내부 필요한 영역에 직접 본딩하는 칩 본딩(chip bonding) 기술의 경우 III-V 화합물 반도체 기판 전체 영역을 활용하여 VCSEL을 만들고 개별 VCSEL을 많은 광 집적 회로에 본딩할 수 있기 때문에 웨이퍼 본딩 기술에 비해 제조 원가 측면에서 낮은 가격이라는 큰 장점을 가진다.
하지만 칩 본딩 기술의 정확도와 정밀도는 대략 수 μm이기 때문에 수 μm 정도의 평면 방향 크기를 가지는 VCSEL 공진기(resonator)를 칩 본딩하여 수백 nm 에서 수 μm 이내의 크기를 가지는 광 도파로를 사용하는 광 집적 회로에 정확하게 광 모드 정렬을 하기는 쉽지 않다. VCSEL 공진기와 광 집적 회로의 광 도파로 및 보조 커플링 구조와의 상대적 위치에 따라 VCSEL 공진기의 공진 모드와 광 도파로의 도파 모드의 커플링 효율은 크게 달라진다.
따라서, 광 집적 회로 광원으로 사용하려면, 광 도파로로 레이저광을 효과적으로 보낼 수 있도록 광 모드 정렬이 제대로 이루어질 필요가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광 집적 회로용 혼성 레이저 광원은 아래에서 설명하는 바와 같이, 칩 본딩시에도 정확한 광 모드 정렬을 얻을 수 있도록 마련된다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서, 본 발명의 실시예에 따른 광 집적 회로용 혼성 레이저 광원을 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서, 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성 요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성 요소의 크기는 설명의 명료성을 위해 과장되어 있을 수 있다. 이하에서 상세히 설명하는 본 발명의 실시예에 따른 광 집적 회로용 혼성 레이저 광원은, 공진기의 공진 모드와 광도파로의 도파 모드의 커플링 효율을 높일 수 있는 구조를 가진다. 이러한 본 발명의 실시예에 따른 광 집적 회로용 혼성 레이저 광원은, 칩 본딩시에도 정확한 광 모드 정렬이 가능하다. 따라서, 칩 본딩 기술을 활용하면, 낮은 제조 원가로 광 집적 회로용 III-V족 화합물 반도체/실리콘 혼성 레이저 광원을 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광 집적 회로의 광원(10)의 개략적인 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광 집적 회로의 광원(10)의 개략적인 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광 집적 회로의 광원(10)은 광 도파로(30)가 마련되는 기판(1) 상에 형성되는 반사 커플링층(20)과, 이 반사 커플링층(20) 상에 마련되는 광 모드 정렬층(50)과, 광 모드 정렬층(50) 상에 마련되는 상부 구조(70)를 포함한다. 상기 상부 구조(70)는 VCSEL 공진기로서, 광을 발생시키는 활성층(71)과 그 위의 반사층(75)을 구비한다. 상기 반사 커플링층(20)과 광 모드 정렬층(50) 사이에는 갭층(40)이 더 구비될 수 있다.
상기 기판(1)은, 그 상면에 절연층(5)을 구비할 수 있다. 상기 광 도파로(30)와 반사 커플링층(20)은 이 절연층(5) 상에 형성될 수 있다. 상기 기판(1)은 실리콘 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(1)은 SOI(Silicon On Insulator) 기판의 하부 실리콘 기판 일 수 있다. 이 경우, 상기 절연층(5)은 실리콘 산화물(SiO2)층일 수 있다. 또한, 상기 절연층(5)은 ZrO2, TiO2, MgO, CeO2, Al2O3, HfO2, NbO, Si3N4 중 적어도 하나를 포함하는 절연 재료로 이루어질 수도 있다. 상기 절연층(5)의 절연 재료는 광 도파로(30)의 재료 특성에 따라 그 종류가 달라질 수 있으며, 광 도파로(30)의 굴절률보다 작은 굴절률을 가질 수 있다.
상기 기판(1) 상에는 광 집적 회로를 위한 광소자들이 집적될 수 있다. 이때, 광 집적 회로는, 기판(1), 이 기판(1)상에 형성된 광 도파로(30), 광을 발생시켜 광 도파로(30)를 통해 전달되도록 하는 본 발명의 실시예에 따른 광원(10)을 포함하는 구성을 가질 수 있으며, 이외에도, 기판(1) 상에 집적되는 다양한 광소자들을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 기판(1)은 다른 종류의 기판 예컨대, GaAs 기판일 수도 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 광원(10)은, 상부 구조(70)의 활성층(71)은 III-V 족 화합물 반도체에 바탕을 두고 있으며, 기판(1), 반사 커플링층(20), 광 모드 정렬층(50) 중 적어도 어느 하나는 실리콘에 바탕을 두어, 광 집적 회로용 III-V족 화합물 반도체/실리콘 혼성 레이저 광원을 실현할 수 있는데, 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 기판(1)으로 예컨대, GaAs 기판 등을 사용하는 것도 가능하다.
상기 반사 커플링층(20)은, 적어도 일측이 상기 광 도파로(30)와 광학적으로 연결되게, 상기 기판(1)상에 마련되거나 SOI 기판과 같이 기판(1) 상에 절연층(5)을 구비하는 구조인 경우 절연층(5)상에 마련되는 것으로, 본딩된 상기 상부 구조(70)의 반사층(75)에 대해 하부 반사층 역할을 하며, 광을 광 도파로(30)로 커플링시키는 역할을 한다. 상기 반사 커플링층(20)은, 1차원 격자 구조를 가지는 하이 인덱스 콘트라스트 그레이팅(High index contrast grating) 반사층으로 형성될 수 있다. 즉, 복수의 막대 형태가 일정 간격으로 이격 배치된 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 반사 커플링층(20)은, 실리콘을 포함하는 재질로 1차원 격자 구조로 형성될 수 있다. 이러한 반사 커플링층(20)은, 절연층(5) 상에 실리콘층을 형성하고, 이 실리콘층을 1차원 격자구조로 패터닝하여 형성될 수 있다.
이러한 반사 커플링층(20)은, 구조적 특성으로 인하여 평면 방향 즉, 기판(1)면에 평행한 방향으로 진행하는 성분을 가지는 광학 모드(optical mode)를 여기(excitation)시키게 되고, 이 1차원 격자 구조에 의해 여기된 평면 방향으로 진행하는 광학 모드는 반사 커플링층(20)과 연결된 광 도파로(30)로 커플링되어 전파하게 된다.
상기 반사 커플링층(20)은, 격자 주기, 막대 형태의 너비 및 높이, 절연층(5) 및/또는 갭층(40)의 두께 등을 적절하게 조절하면, 높은 반사도를 가질 수 있다. 예를 들어, 반사 커플링층(20)은 약 99.9 % 이상의 높은 반사도를 가질 수 있다.
상기 갭층(40)은 반사 커플링층(20)과 중첩되며, 광 도파로(30)의 일부 영역과도 중첩될 수 있다. 갭층(40)은, 반사 커플링층(20) 및 광 도파로(30)보다 낮은 굴절률을 갖도록 형성될 수 있다. 이와 같이 갭층(40)을 상대적으로 낮은 굴절률을 갖도록 형성함으로써, 반사 커플링층(20)의 반사도를 높일 수 있으며, 반사 커플링층(20)과 광 도파로(30) 사이에서 커플링되어 전파되는 광이 광 도파로(30)를 따라 보다 잘 전파되도록 할 수 있다. 상기 갭층(40)은, 절연 재료로 형성될 수도 있다. 상기 갭층(40)은 예를 들어, 실리콘 산화물(SiO2)을 포함하는 재료로 형성된 층일 수 있다. 또한, 갭층(40)은, ZrO2, TiO2, MgO, CeO2, Al2O3, HfO2, NbO, Si3N4 중 적어도 하나를 포함하는 재료를 이용하여 형성될 수 있다.
한편, 반사 커플링층(20)에서 여기된 평면 방향 광학 모드의 광을 평면 방향 광 도파로(30)로 잘 커플링시키기 위해서는, 상부 구조(70)의 반사층(75) 및 반사 커플링층(20)을 포함하는 층 구조의 전체 공진기에 의해 얻어지는 광 공진 모드와 광 도파로(30)의 광 도파 모드가 잘 정렬되어야 한다. 이는, 상기 공진기와 광 집적 회로의 광 도파로(30)나 보조 커플링 구조 등의 상대적인 위치에 따라, 공진기의 공진 모드와 광 도파로(30)의 도파 모드의 커플링 효율이 크게 달라질 수 있기 때문이다. 광 모드 정렬이 제대로 이루어지지 않으면 광 도파로(30)로 광을 제대로 보낼 수가 없기 때문에, 상기 광원(10)이 광 집적 회로의 광원으로서 제대로 동작하려면, 광 모드 정렬이 제대로 이루어질 필요가 있다.
평면 방향 광 도파로(30)로 광을 잘 커플링시키기 위해서는 공진기의 광 공진 모드와 광 도파로(30)의 광 도파 모드가 정확하게 정렬되어야 한다. 여기서, 설명의 편의를 위해, 공진기는 상부 구조(70) 즉, 활성층(71)과 반사층(75)을 포함하는 VCSEL 공진기와, 이 VCSEL 공진기에 대해 하부 미러층으로서 역할을 하는 반사 커플링층(20)을 포함하는 개념으로 사용하고, 상부 구조(70) 즉, VCSEL 공진기는 활성층(71)과 상부 미러층으로서 역할을 하는 반사층(75)을 포함하는 개념으로 사용하며, 필요에 따라 혼용하여 사용한다. 칩 본딩 기술의 정확도와 정밀도는 대략 수 μm이기 때문에, 수 μm 정도의 평면 방향 크기를 가지는 VCSEL 공진기를 칩 본딩하여 수백 nm에서 수 μm 이내의 크기를 가지는 광 도파로를 사용하는 광 집적 회로에 정확하게 광 모드 정렬을 할 수가 없다.
하지만, 본 발명의 실시예에 따른 광 집적 회로용 혼성 레이저 광원(10)에 따르면, 광 모드 정렬층(optical mod alignment layer:50)을 구비함에 의해, 상부 구조(70)를 칩 본딩에 의해 결합할 때에도 공진기의 공진 모드와 광 도파로(30)의 도파 모드를 정확하게 정렬할 수 있다. 상기 광 모드 정렬층(50)은 전체 공진기의 일부를 구성하며, 광 공진 모드를 직접 형성하고 모드 형태를 결정할 수 있다. 광 모드 정렬층(50)은 광 집적 회로를 형성하는 반도체 제조 공정으로 광 도파로(30)와 정확하게 정렬되어 형성될 수 있다. 여기서, 본 발명의 실시예에 따른 광 집적 회로용 혼성 레이저 광원(10)의 수직 방향 공진 모드의 형태는 하부 반사층으로서 역할을 하는 반사 커플링층(20), 광 모드 정렬층(50), 그리고 본딩되는 상부 구조(70) 즉, VCSEL 공진기 구조에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 광 모드 정렬층(50) 자체가 공진기의 일부분을 구성하며, 광 도파로(30)의 도파 모드와 커플링되는 하부 광 공진 모드의 형태를 결정할 수 있다.
도 3은 광 모드 정렬층(50)의 일예를 보인 평면도이다. 도 3에서는 저굴절률 영역(55)이 고굴절률 영역(51)을 둘러싸는 띠 형태로 형성된 예를 보여준다.
도 3을 참조하면, 상기 광 모드 정렬층(50)은 중심 부분의 고굴절률 영역(51)과, 그 주변의 저굴절률 영역(55)을 구비할 수 있다. 상기 저굴절률 영역(55)은 고굴절률 영역(51)을 감싸도록 형성될 수 있으며, 중심 부분의 고굴절률 영역(51)이 공진기의 광 공진 모드의 형태를 결정할 수 있다.
상기 고굴절률 영역(51)과 저굴절률 영역(55)은 고굴절률 영역(51)에서 광 구속(optical confinement)가 이루어지는 굴절률 차이를 가질 수 있도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 고굴절률 영역(51)이 저굴절률 영역(55)의 굴절률에 비해 약 0.5 이상 또는 약 1 이상 큰 굴절률을 가지도록 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 고굴절률 영역(51)은 실리콘으로 이루어지고, 저굴절률 영역(55)은 실리콘 산화물로 이루어지거나 공기 또는 진공으로 채워진 공간일 수 있다. 또한, 고굴절률 영역(51)은 실리콘 산화물로 이루어지고, 저굴절률 영역(55)은 공기 또는 진공으로 채워진 공간일 수 있다. 대략 1.31μm 파장대에서, 실리콘의 굴절률은 대략 3.5, 실리콘 산화물의 굴절률은 대략 1.5, 공기의 굴절률은 대략 1정도이므로, 상기와 같은 조합으로 구성되는 경우, 고굴절률 영역(51) 및 저굴절률 영역(55)은 광 구속이 충분히 이루어지는 굴절률 차이를 가질 수 있다.
이와 같이, 고굴절률 영역(51)과 저굴절률 영역(55)의 굴절률 차이로 인하여 고굴절률 영역(51)에서 주로 광 구속이 이루어지도록 된 경우, 상부 구조(70)의 활성층(71)에서 발생된 광은 주로 고굴절률 영역(51)으로 제한되어, 하부에 위치된 반사 커플링층(20)과 상부에 있는 반사층(75) 사이에서 공진되므로, 광 공진 영역은 주로 고굴절률 영역(51) 내로 제한되게 된다.
한편, 상부 구조(70)의 활성층(71)에서 발생된 광이 고굴절률 영역(51)으로 보다 잘 제한될 수 있도록, 상기 저굴절률 영역(55)은 대략 상기 광원의 사용 파장 이상의 폭을 가지도록 형성될 수 있다.
상기와 같이 고굴절률 영역(51) 및 이를 둘러싸는 저굴절률 영역(55)을 구비하는 구조를 가지는 광 모드 정렬층(50)은 고굴절률 영역(51)에서 제한된 광이 광 도파로(30)로 최대로 커플링될 수 있도록, 광 집적 회로를 형성하는 반도체 제조 공정으로 광 도파로(30)와 정확하게 정렬되게 형성될 수 있다. 즉, 광 도파로(30)와 마찬가지로, 광 모드 정렬층(50)도 반도체 제조 공정으로 형성하는 경우, 광 모드 정렬층(50)의 고굴절률 영역(51)의 정확하고 정밀한 제조가 가능하여, 광 모드 정렬층(50)을 광 도파로(30)와 정확하게 정렬시킬 수 있다.
따라서, 상부 구조(70)의 활성층(71) 영역 및 반사층(75)이 고굴절률 영역(51)을 덮도록 상부 구조(70)가 광 모드 정렬층(50)에 결합되어도, 공진되는 광의 범위는 고굴절률 영역(51) 내로 제한되므로, 공진기의 광 공진 모드와 광 도파로(30)의 광 도파 모드가 정확히 정렬될 수 있다.
상부 구조(70)의 활성층(71) 영역 및 반사층(75)의 면적이 고굴절률 영역(51)을 덮도록 상부 구조(70)를 광 모드 정렬층(50)에 결합시키는 것은, 칩 형태의 상부 구조(70)를 칩 본딩할 때 일반적으로 나타날 수 있는 경우이며, 이러한 광 모드 정렬층(50)의 존재는, 칩 형태의 상부 구조(70)를 칩 본딩에 의해 광 모드 정렬층(50)에 결합시키는 경우에도, 공진기의 공진 모드와 광 도파로(30)의 도파 모드를 정확하게 정렬시키는 것을 가능하게 한다.
따라서, 이러한 광 모드 정렬층(50)에 칩 형태의 상부 구조(70)를 칩 본딩에 의해 결합하여도, 공진기의 공진 모드와 광 도파로(30)의 도파 모드를 정확하게 정렬할 수 있다.
물론, 웨이퍼 본딩에 의해 상부 구조(70)를 결합시키는 경우에도, 활성층(71)에서 발생된 광의 공진 범위는 광 모드 정렬층(50)의 고굴절률 영역(51)으로 제한될 수 있으므로, 공진기의 공진 모드와 광 도파로(30)의 도파 모드의 정확한 정렬이 가능하다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 광원(10)에 따르면, 칩 형태의 상부 구조(70)를 칩 본딩에 의해 광 모드 정렬층(50)에 결합시킬 수 있다. 또한, 웨이퍼 본딩에 의해 상부 구조(70)를 광 모드 정렬층(50)에 결합시킬 수도 있다.
한편, 도 2 및 도 3에서는 고굴절률 영역(51)이 네모 형태로 형성되고, 저굴절률 영역(55)이 고굴절률 영역(51)을 둘러싸는 띠 형태로 형성된 예를 보여준다. 이외에도 고굴절률 영역(51)의 형상은 다양하게 변형될 수 있으며, 저굴절률 영역(55)도 고굴절률 영역(51)을 감싸면서, 전체 형상은 다양하게 변형될 수 있다.
예를 들어, 고굴절률 영역(51)은 원형, 타원형, 다각형 중 어느 한 형태를 가질 수 있으며, 저굴절률 영역(55)은 고굴절률 영역(51)을 둘러싸는 띠 형태이거나, 고굴절률 영역(51) 바깥쪽 전체에 걸쳐 형성될 수도 있다. 또한, 저굴절률 영역(55)이 고굴절률 영역(51)을 둘러싸는 띠 형태인 경우, 저굴절률 영역(55) 바깥쪽은 고굴절률 영역(51)과 동일 물질로 이루어질 수도 있다.
도 3에서는 광 모드 정렬층(50)이, 네모 형태의 고굴절률 영역(51), 고굴절률 영역(51)을 둘러싸는 띠 형태의 저굴절률 영역(55), 저굴절률 영역(55) 바깥쪽의 고굴절률 영역(51)과 동일한 물질로 이루어진 영역을 구비하는 구조인 예를 보여준다.
도 4에서는 광 모드 정렬층(50)이, 네모 형태의 고굴절률 영역(51)과, 이를 둘러싸도록 고굴절률 영역(51) 바깥쪽 전체에 걸쳐 형성된 저굴절률 영역(55)을 구비하는 구조인 예를 보여준다.
도 5에서는 광 모드 정렬층(50)이, 원형의 고굴절률 영역(51), 고굴절률 영역(51)을 둘러싸는 띠 형태의 저굴절률 영역(55), 저굴절률 영역(55) 바깥쪽의 고굴절률 영역(51)과 동일한 물질로 이루어진 영역을 구비하는 구조인 예를 보여준다.
도 6은 광 모드 정렬층(50)이, 원형의 고굴절률 영역(51), 이를 둘러싸도록 고굴절률 영역(51) 바깥쪽 전체에 걸쳐 형성된 저굴절률 영역(55)을 구비하는 구조인 예를 보여준다.
이와 같이 광 모드 정렬층(50)은 다양한 실시예로 변형될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광 집적 회로용 혼성 레이저 광원(10)에 따르면, 반사 커플링층(20)과 광 모드 정렬층(50)은 상부에 본딩될 상부 구조(70) 즉, III-V족 반도체(활성층(71)) 및 상부 거울 구조와 함께 전체 VCSEL 구조를 형성한다. 하부의 반사 커플링층(20)과 연결된 광 도파로(30)와 광 모드 정렬층(50)은 정확도와 정밀도가 높은 반도체 제조 공정으로 형성되며, VCSEL 공진 모드와 광 도파로(30)의 도파 모드 사이의 광 정렬은 이러한 반도체 제조 공정 중에 정확하게 정렬될 수 있다.
한편, 도 7a는 광 모드 정렬층(50) 상부에 본딩되는 상부 구조(70)의 측면도를 보여주며, 도 7b는 도 7a의 평면도를 보여준다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 상기 상부 구조(70)는, 광이 발생되는 활성층(71) 및 이 활성층(71) 상에 마련된 반사층(75)을 포함할 수 있다.
상기 활성층(71)은 III-V 족 화합물 반도체로 이루어지며, 양자 우물 (Quantum Well) 구조를 포함할 수 있다. 양자 우물 구조는 다수의 양자 우물과 양자 우물 사이의 장벽층들로 구성되는 RPG(Resonant Periodic Gain) 구조를 가질 수 있다. 활성층(71)은 예를 들어 광통신에 주로 이용되는 약 1.31um 또는 약 1.55um 파장에서 발진이 일어나도록 마련될 수 있다. 활성층(71)은 GaAs나 InP를 기본으로 하여, 예를 들어, GaInNAs, InGaAlAs, InGaAsP, AlGaAsSb 등의 III-V 족 반도체 물질로 형성될 수 있다.
반사층(75) 즉, 상부 거울 구조는 활성층(71)에서 발생한 광을 하부에 위치된 반사 커플링층(20)을 향해 반사시켜, 광이 반사층(75)과 반사 커플링층(20) 사이에서 공진할 수 있도록 한다. 이 반사층(75)은 원하는 공진 파장(λ)에서 최대의 반사율을 갖도록 설계된 분산 브래그 반사층(75)(Distributed Bragg Reflector; DBR) 구조일 수 있다. 반사층(75)은 굴절률이 서로 다른 두 물질층이 원하는 공진 파장의 약 1/4 두께(즉, λ/4)로 교대로 반복하여 적층함으로써 형성될 수 있다. 예컨대, DBR 구조는 AlxGa(1-x)As 층과 AlyGa(1-y)As 층(여기서, 0 ≤ x,y ≤1, x ≠ y)을 각각 약 λ/4의 두께로 교대로 반복한 구조로 형성될 수 있다. 또한, 상기 반사층(75)은 반사 커플링층(20)과 동일 구조 즉, 1차원 격자 구조를 가지는 하이 인덱스 콘트라스트 그레이팅 반사층 구조를 가질 수도 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 광 집적 회로용 혼성 레이저 광원(10)에 따르면, 전체 VCSEL 구조에서 하부 구조를 구성하는 광 모드 정렬층(50)이 VCSEL의 하부 광 공진 모드의 형태를 결정하며, 상부 구조(70)의 본딩과 관계없이, 전체 VCSEL 구조의 공진 모드와 광 도파로(30)의 도파 모드와의 정렬은 하부 구조인 반사 커플링층(20)과 연결된 광 도파로(30)와 광 모드 정렬층(50)을 형성하는 반도체 제조 공정으로 높은 정확도와 정밀도로 자연스럽게 이루어질 수 있다.
광 모드 정렬층(50)이 하부 공진 모드를 결정함을 확인하기 위하여 Finite-difference time-domain (FDTD) 시뮬레이션(simulation)을 수행하였다. SiO2 두께가 약 1μm인 SOI 기판, SOI 기판 상부 실리콘 층에 패터닝된 주기가 약 0.515μ m, 실리콘의 폭이 약 0.309μm, 높이가 약 0.355μm인 반사 커플링층 구조를 이용하였으며, 반사 커플링층 구조 위에 약 0.183μm의 SiO2 갭층이 위치한다. SiO2 갭층 상부에 도 3 및 도 5의 형태를 가지는 실리콘(Si) 광 모드 정렬층이 위치한다. 고굴절률 영역은 가로 약 5 μm, 세로 약 5 μm, 두께 약 1.123 μm 이며 저굴절률 영역은 약 1.5 μm 폭을 가지는 공기(air) 영역으로 설계하였다. 광 모드 정렬층 상부에는 활성층으로서 III-V 화합물 반도체 층과 반사층으로서 9쌍의 Si/SiN DBR 반사 구조가 위치하며 하부의 반사 커플링층과 상부 DBR 구조 사이에서 수직 방향으로 약 1.31μm에서 공진하는 수직 광학 공진기가 형성된다. 반사 커플링층 구조는 약 1.31μm의 파장을 가지고 반사 커플링층에 수직 입사된 광 중 반사 커플링층의 실리콘 바(bar)와 수직한 방향 (x)으로 편광된 광에 대해 약 99.89% 정도의 반사도를 가지고 DBR 구조는 수직 입사 시에 편광에 상관없이 약 99.98% 정도의 반사도를 가지도록 설계하였다.
도 8 및 도 9는 각각 광 모드 정렬층(50)이 도 3 및 도 5의 형태를 가질 때, 상기의 조건하에서 FDTD 시뮬레이션으로 얻어진 광 모드 정렬층(50) 중심 평면의 IExI2 분포이다. 점선은 광 모드 정렬층(50)의 중심 고 굴절률 영역과 주변의 저굴절률 영역(55)의 경계선을 나타낸다. 도 8 및 도 9에서, 광 모드 정렬층(50)의 중심 고 굴절률 영역에 의하여 광 공진 모드의 형태가 결정됨을 확인할 수 있다. 광 도파로(30)와의 광 정렬 상태를 결정하는 하부 광 공진 모드가 광 모드 정렬층(50)에 의해 결정되므로, 상부 구조(70)의 본딩 상태에 상관없이 정확한 정렬이 이루어질 수 있다.
상기에서 알 수 있는 바와 같이, 광 모드 정렬층(50)을 이용하면 개별 VCSEL 칩을 직접 본딩하는 칩 본딩을 할 때에도 정확하고 정밀한 광 모드 정렬이 가능하게 된다. 따라서, 이러한 광 모드 정렬층(50)은 광 집적 회로용 III-V족 화합물 반도체/실리콘 혼성 레이저 광원의 제조에 칩 본딩 기술을 사용할 수 있도록 해준다. 칩 본딩 기술을 III-V족 화합물 반도체/실리콘 혼성 레이저 광원의 제조에 사용하면 III-V 화합물 반도체 기판 전체 영역에 VCSEL 구조를 만들어 많은 광 집적회로에 각각의 VCSEL 칩을 본딩하여 사용할 수 있으므로 III-V 화합물 반도체 기판 전체에서 VCSEL 구조가 필요한 일부 영역만 사용할 수 있는 웨이퍼 본딩 기술과 비교하여 제조 원가를 크게 낮출 수 있으며 가격 경쟁력을 높일 수 있다. 또한 다양한 구조와 특성을 가지는 VCSEL 구조를 단일 광 집적회로에 본딩하여 쉽게 사용할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 광 집적 회로용 혼성 레이저 광원(10)은 예를 들어, 다음과 같이 제조될 수 있다. 즉, 도 10a 및 도 10b를 참조하면, 기판(1) 상부에 형성된 저 굴절률 절연층(5)과 상기 저 굴절률 절연층(5) 상부에 광 도파로(3)와 적어도 일측이 상기 광 도파로(30)와 광학적으로 연결되게 반사 커플링층(20)을 형성한다. 그런 다음 도 11a 및 도 11b에서와 같이 이 반사 커플링층(20) 상에 광 모드 정렬층(50)을 형성한다. 갭층(40)을 구비하는 구조인 경우, 반사 커플링층(20) 상에 갭층(40)을 형성하고, 이 갭층(40) 상에 광 모드 정렬층(50)을 형성할 수 있다. 다음으로, 도 12a 및 도 12b에서와 같이, 광 모드 정렬층(50) 상에 광을 발생시키는 활성층(71)과 그 위에 반사층(75)을 구비하는 칩 형태의 상부 구조(70)를 칩 본딩하면, 본 발명의 실시예에 따른 광 집적 회로용 혼성 레이저 광원(10)이 얻어질 수 있다. 이때, 전체 VCSEL 구조의 공진 모드와 광 도파로(30)의 도파 모드와의 정렬은 하부 구조인 반사 커플링층(20)과 연결된 광 도파로(30)와 광 모드 정렬층(50)을 형성하는 반도체 제조 공정으로 이루어질 수 있다.
1...기판 5...절연층
10...광원 20...반사 커플링층
30...광 도파로 40...갭층
50...광 모드 정렬층 51...고굴절률 영역
55...저굴절률 영역 70...상부 구조
71...활성층 75...반사층

Claims (25)

  1. 광 도파로가 마련된 기판 상에 적어도 일측이 상기 광 도파로와 광학적으로 연결되게 형성되는 반사 커플링층과;
    상기 반사 커플링층 상에 마련된 광 모드 정렬층과;
    상기 광 모드 정렬층 상에 마련되며, 광을 발생시키는 활성층과 그 위에 반사층을 구비하는 상부 구조;를 포함하는 광 집적 회로의 광원.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광 모드 정렬층은, 중심 부분의 고굴절률 영역과 그 주변의 저굴절률 영역을 구비하는 광 집적 회로의 광원.
  3. 제2항에 있어서, 상기 고굴절률 영역과 상기 저굴절률 영역은 상기 고굴절률 영역에서 광 구속이 이루어지는 굴절률 차이를 가지도록 된 광 집적 회로의 광원.
  4. 제2항에 있어서, 상기 고굴절률 영역은 원형, 타원형, 다각형 중 어느 한 형태를 가지는 광 집적 회로의 광원.
  5. 제2항에 있어서, 상기 저굴절률 영역은, 상기 고굴절률 영역을 둘러싸는 띠 형태로 형성된 광 집적 회로의 광원.
  6. 제5항에 있어서, 상기 광 모드 정렬층의 상기 저굴절률 영역 바깥쪽은 상기 고굴절률 영역과 동일 물질로 이루어진 광 집적 회로의 광원.
  7. 제2항에 있어서, 상기 저굴절률 영역은, 상기 광원의 사용 파장 이상의 폭을 가지는 광 집적 회로의 광원.
  8. 제2항에 있어서, 상기 광 모드 정렬층의 상기 고굴절률 영역 바깥쪽 전체는 상기 저굴절률 영역으로 이루어진 광 집적 회로의 광원.
  9. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고굴절률 영역은 실리콘으로 이루어지고, 상기 저굴절률 영역은 실리콘 산화물이나 공기로 이루어진 광 집적 회로의 광원.
  10. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고굴절률 영역은 실리콘 산화물로 이루어지고 상기 저굴절률 영역은 공기로 이루어진 광 집적 회로의 광원.
  11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상부 구조의 활성층은 III-V 족 화합물 반도체에 바탕을 두고 있으며,
    상기 기판, 반사 커플링층, 광 모드 정렬층 중 적어도 어느 하나는 실리콘에 바탕을 둔 광 집적 회로의 광원.
  12. 제11항에 있어서, 상기 상부 구조는 기판 형태로 웨이퍼 본딩에 의해 상기 광 모드 정렬층에 결합되거나, 칩 형태이며 칩 본딩에 의해 상기 광 모드 정렬층에 결합되는 광 집적 회로의 광원.
  13. 제11항에 있어서, 상기 반사 커플링층은, 상기 상부 구조의 반사층에 대해 하부 반사층 역할을 하며, 1차원 격자 구조를 가지는 하이 인덱스 콘트라스트 그레이팅 반사층인 광 집적 회로의 광원.
  14. 제13항에 있어서, 상기 반사 커플링층은, 실리콘을 포함하는 재질로 1차원 격자 구조로 형성된 광 집적 회로의 광원.
  15. 제11항에 있어서, 상기 기판은 그 상면에 절연층을 구비하며, 상기 절연층 상에 상기 반사 커플링층 및 광 도파로가 마련되는 광 집적 회로의 광원.
  16. 제11항에 있어서, 상기 반사 커플링층과 광 모드 정렬층 사이에 상기 반사 커플링층 및 광 도파로보다 굴절률이 낮은 갭층을 더 구비하는 광 집적 회로의 광원.
  17. 제16항에 있어서, 상기 갭층은 실리콘 산화물을 포함하는 광 집적 회로의 광원.
  18. 광 도파로가 마련된 기판 상에 적어도 일측이 상기 광 도파로와 광학적으로 연결되게 형성되는 반사 커플링층과;
    상기 반사 커플링층 상에 마련된 갭층과;
    상기 갭층 상에 마련된 광 모드 정렬층과;
    상기 광 모드 정렬층 상에 마련되고, 광을 발생시키는 III-V족 화합물 반도체에 바탕을 둔 활성층과 그 위에 반사층을 구비하고, 본딩에 의해 상기 광모드 정렬층에 결합되는 상부 구조;를 포함하며,
    상기 기판은 그 상면에 절연층을 구비하는 실리콘 기판이고,
    상기 절연층 상부에 상기 광 도파로와 상기 반사 커플링층이 마련되며,
    상기 광 도파로, 반사 커플링층 및 광 모드 정렬층 중 적어도 어느 하나는 실리콘에 바탕을 두고 있으며,
    상기 광 모드 정렬층은 중심 부분의 고굴절률 영역과, 그 주변의 저굴절률 영역을 구비하는 광 집적 회로의 광원.
  19. 제18항에 있어서, 상기 고굴절률 영역과 상기 저굴절률 영역은 상기 고굴절률 영역에서 광 구속이 이루어지는 굴절률 차이를 가지도록 된 광 집적 회로의 광원.
  20. 제18항에 있어서, 상기 저굴절률 영역은, 상기 광원의 사용 파장 이상의 폭을 가지는 광 집적 회로의 광원.
  21. 제18항에 있어서, 상기 광 모드 정렬층의 상기 고굴절률 영역은 실리콘으로 이루어지고, 상기 저굴절률 영역은 실리콘 산화물이나 공기로 이루어진 광 집적 회로의 광원.
  22. 제18항에 있어서, 상기 광 모드 정렬층의 고굴절률 영역은 실리콘 산화물로 이루어지고 상기 저굴절률 영역은 공기로 이루어진 광 집적 회로의 광원.
  23. 제18항에 있어서, 상기 반사 커플링층은, 상기 상부 구조의 반사층에 대해 하부 반사층 역할을 하며, 1차원 격자 구조를 가지는 하이 인덱스 콘트라스트 그레이팅 반사층인 광 집적 회로의 광원.
  24. 기판과;
    상기 기판 상에 형성된 광 도파로와;
    광을 발생시켜 상기 광 도파로를 통해 전달되도록 하는 청구항 1항 내지 8항 또는 18항 내지 23항 중 어느 한 항의 광원;을 포함하는 광 집적 회로.
  25. 기판 상에 광 도파로와 적어도 일측이 상기 광 도파로와 광학적으로 연결된 반사 커플링층을 형성하는 단계와;
    상기 반사 커플링층 상에 광 모드 정렬층을 형성하는 단계와;
    광을 발생시키는 활성층과 그 위에 반사층을 구비하는 상부 구조를 웨이퍼 본딩이나 칩 본딩에 의해 상기 광 모드 정렬층에 결합시키는 단계;를 포함하여, 청구항 1항 내지 8항 또는 18항 내지 23항 중 어느 한 항의 광 집적 회로의 광원을 제조하는 방법.
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