KR950006328B1 - 광기능소자 및 그 구동방법 - Google Patents

광기능소자 및 그 구동방법 Download PDF

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후루카와덴기코교 가부시키가이샤
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Abstract

내용 없음.

Description

광기능소자 및 그 구동방법
제1도는 종래예에 의한 광스위치(optical switch)를 개략적으로 도시한 사시도.
제2도는 종래예에 의한 다른 광스위치를 개략적으로 도시한 평면도.
제3도는 종래예에 의한 다른 광스위치를 개략적으로 도시한 평면도.
제4도는 제3도의 선(Ⅳ-Ⅳ)을 따라서 취한 단면도.
제5도는 종래예에 의한 광모드스플리터(optical mode splitter)를 개략적으로 도시한 사시도.
제6도는 종래예에 의한 다른 광모드스플리터를 개략적으로 도시한 평면도.
제7도는 제6도의 선(Ⅶ-Ⅶ)을 따라서 취한 단면도.
제8도는 종래예에 의한 다른 광모드스플리터를 개략적으로 도시한 사시도.
제9도는 종래예에 의한 또다른 광모드스플리터를 개략적으로 도시한 평면도.
제10도는 제9도의 선(Ⅹ-Ⅹ)을 따라서 취한 단면도.
제11도는 반도체의 구성된 균일Δβ구조형(uniform Δβ structure type)의 광스위치를 개략적으로 도시한 평면도.
제12도는 반도체의 구성된 반전Δβ구조형(reversal Δβ structure type)의 광스위치를 개략적으로 도시한 평면도.
제13도는 본 발명에 의한 광기능소자(optical functional device)를 도시한 평면도.
제14도는 제13도의 선(ⅩⅣ-ⅩⅣ)을 따라서 취한 단면도.
제15도는 본 발명에 의한 광기능소자가 광모드스플리터로서 기능하는 동작특성을 표시한 그래프.
제16도는 본 발명에 의한 광기능소자가 광스위치로서 기능하는 동작특성을 표시한 그래프.
제17도는 본 발명에 의한 광기능소자가 광스위치로서 기능하는 동작특성을 표시한 그래프.
제18도는 본 발명의 다른 측면에 의한 반전 Δβ구조로서 N단의 전극을 배치한 1×2 방향성 결합기형 광기능소자(1×2 directional coupler type optical functional device)를 개략적으로 표시한 평면도 제19도는 본 발명의 2×2 방향성 결합기형 광기능소자를 개략적으로 표시한 평면도.
제19도는 본 발명의 2×2 방향성 결하기형 광기능소자를 개략적으로 표시한 평면도.
제20도는 제M번째의 단과 제M+1번째의 단의 전극배치의 상태를 개략적으로 표시한 평면도.
제21도는 결합부에 3단의 전극을 배치한 1×2 방향성 결합기형 광기능소자를 개략적으로 표시한 평면도.
제22도는 제21도의 선(ⅩⅩⅠⅠ-ⅩⅩⅠⅠ)을 따라서 취한 단면도.
제23도는 제21도의 광기능소자의 스위칭특성을 도시한 그래프.
제24도는 결합부에 4단의 전극을 배치한 광기능소자를 개략적으로 도시한 평면도.
제25도는 제24도의 광기능소자의 스위칭특성을 도시한 그래프.
제26도는 결합부에 4단의 전극을 배치한 2×2 방향성 결합기형 광기능소자를 개략적으로 표시한 평면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
(29),(30) : 광도파로부
(27a),(28a),(40a),(41a) : 상류쪽 단부
(27b),(28b),(40b),(41b) : 하류쪽 단부
(24d),(25e),(29b),(30b),(40d),(41d) : 하류쪽 부분
(29a),(30a),(0c),(41c) : 상류쪽 부분
(31a),(31b),(32a),(32b),(42a),(42b),(43a),(43b),(44a),(44b),(44c),(44f),(45a),(45b),(45c),(45f) : 전 극
(31c),(32c),(42c),(43c),(44d),(44e),(45d),(45e) : 접속부
(33) : 하부전극 (34) : 가판
(35) : 버퍼층 (36) : 하부클래드층
(37) : 코어층 (38) : 상부클래드층
(39) : 절연막 (39a) : 창
(40) : 제1광도파로 (41) : 제2광도파로
본 발명은, 반도체재료로 이루어진 방향성 결합기형 광기능소자(a directional coupler type optical functional device)와 그 구동방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 광모드스플리터(optical mode splitter : 입력광의 편광파상태를 TE모드와 TM모드로 분리해서 독립적으로 추력할 수 있는 광기능소자)나 광스위치(optical switch)로서 유용한 광기능소자와 그 구동방법에 관한 것이다.
최근, 여러가지의 도파로형 광기능디바이스가 제안되어 있다. 그러나, 이들 디바이스의 대부분은, 특정한 방향으로 편광하고 있는 광에 대해서만 동작될 수 있다. 이 때문에, 현재, 실시단계로 진입해 가고 있는 광파이버통신에 있어, 상기 디바이스는 광을 편광파로 미리 제어하지 않는 한 실제로 사용될 수 없다고 하는 문제가 있다.
이와같은 상황에서, 편광파분리기(polarization separator)나 편광파무 의존성 광스위치(polarization-independent optical switch : 편광에 의존하지 않는 광교환기나 광분배기)에 관한 연구가 활발하게 행하여지고 있다. 상기 연구에 대해 도면을 참조하면서 이하 설명한다.
먼저, 제1도는, Tadasu Sunada씨 등이 전자정보통신학회논문지 C-1(vol J73-C-1 No. 9 PP.559-566, 1990년 9월)에 발표한 디바이스의 개략적인 사시도이다.
상기 디바이스는, LiNbO3기판(1) 위에 티타늄(Ti)이 도핑된 SiO2를 사용하여 비대칭의 Ⅹ분기광도파로(2)를 형성하고, 도면에 도시된 바와같이, 3개의 전극(3)을 배열하여 각각의 전극에 전압을 인가할 수 있도록 구성되어 있고, 또한 상기 디바이스는 편광파무의존성 광스위치 및 TE모드/TM모드분리기로서 기능할 수 있다.
제2도는 J.Saulhier씨 등이 ECOC 90-229∼232(1990)에서 제안한 디바이스를 개략적으로 도시한 평면도로서, 마찬가지로 LiNbO3기판 위에 Ti이 도핑된 SiO2를 사용하여 광도파로를 형성하고, 도면에 도시된 바와같이, 전극(빗금친 부분)을 배열하여, 각각의 전극에 전압을 인가할 수 있도록 구성되어 있다.
제3도 및 제3도의 선(Ⅳ-Ⅳ)을 따라서 취한 단면도인 제4도에 도시한 디바이스는는, M.Okuno씨 등이 Photonic switching(pp.38∼40,1990)에서 제안한 것으로서, Si기판(4) 위에 SiO2로 형성된 코어(5)를 클래드(clad)(6)에 매입하여 방향성 결합기형 광도파로(7)를 형성하고, 도면에 도시한 바와같이, 광도파로 중에서 한쪽의 위치에 Cr박막을 퇴적하여 전류공급용전극(current injuction electrode : pn접합계면을 가진 반도체재료에 순방향으로 전류를 흐르게 하기 위한 전극)(8)을 형성하고, 광도파로중 다른쪽의 위치에 a-Si 박막(9)를 형성한 것이다.
또한, 제5도에 도시한 바와같이, M. Kobayashi씨 등이 Appl. Phys. Lett., vol. 32, (pp. 300∼302(1978))에서 제안한 광모드스플리터가 알려져 있다.
상기 광모드스플리터의 종래기술에 대하여 구체적으로 설명하기 전에, 광모드스플리터의 개념에 대하여 설명한다. 일반적으로, 전자파인 광전체의 편광파상태는 TE편광파(Transverse Electric Polarization Wave) 성분과 TM편광파(Transverse Magnetic Polarization Wave)성분으로 분리하여 표현할 수 있다. 또한 TE편광파성분과 TM편광파성분을 TE모드 및 TM모드로 칭하고 있다. 즉, 광모드는 TE모드와 TM모드를 가리킨다. 또한, 스플리터는 분리하는 장치를 의미한다. 따라서, "광모드스플리터"는 입력광의 편광파상태를 TE모드와 TM모드로 분리하여 각각 독립적으로 출력할 수 있는 광기능소자이다.
상기 제5도의 광모드스플리터는, 광도파로가 SiO1-Ta2O5의 글라스계 재료로 구성되어 있고, 기판(10) 위에 2차원도파로(two dimensional waveguide)로서 도파층(waveguide layer)(11), 개재층(interlaid layer)(12)을 순차적으로 퇴적하고, 상기 개재층(12)위에 박막도파층(13)을 소정의 경사각도로 형성하고, 도면에서 Z방향으로 입사광을 수광하여 TE모드와 TM모드로 분리하도록 기능한다. 즉, Z방향으로 도파층(11) 위에 광을 입사할 때에, 박막도파층(13)의 경사에 의해 확립되는 모드 선택조건을 만족시킴으로써, 입사광중에서, TE모드광(14a)은 박막도파층(13)과 결합하고, TM모드광(14b)은 박막도파층(13)과 결합하지 않고 그대로 직진한다. 따라서, TE모드광(14a)과 TM모드광(14b)이 분리될 수 있다.
여기서, 상기 편파다이버시티광 수신방식에 대하여 설명한다. 신호광을, 싱글모드광 파이버를 통하여 장거리 송신할 때에 신호광의 편광파면이 싱글모드광파이버내에서 회전되므로, 수신단에서는 신호광의 편광면이 어느 쪽으로 향하고 있는지의 여부가 불분명하게 되고, 또한 시간적으로도 변동된다. 이를 극복하기 위해, 레이저의 출력광을 편광프리즘 등에 의해 서로의 위상차가 90°인 평광파로 각각 분할하고, 이와같이 분할된 편광파의 각각을 2개로 등분한 신호광과 혼합하고, 중간주파수에 의해 다시 파장을 합성하는 방법이 있다. 이 방법을 편파다이버시티수신방식이라고 한다. 이 편파다이버시티수신 방식은 간편할 뿐 아니라 고속의 편광파변 등에도 대응가능하기 때문에, 현재 가장 유력한 방법이다.
그런데, 상기한 4종류의 디바이스의 각각은 모든 부분이 반도체재료로 구성되어 있지 않기 때문에, 모놀리식 형태로 반도체를 형성하여 대부분을 점유하고 LD(레이저 다이오드), LED(발광다이오드), PD(포토다이오드) 등의 능동소자를 직접화해서 제조되는 편광파다이버시티광수신방식(polarized diversity light reception system)용 광집적회로 디바이스에 상기 디바이스를 적용하는 것은 불가능하다. 또한, 제5도에 도시한 광모드스플리터는 직접회로화에 적합하지 않을 뿐만 아니라, 도파층, 개재층, 박막도파층 등을 고정 밀도로 퇴적하는 것이 어렵기 때문에, 소자의 세로방향(두께방향)으로 모드결합조건을 적절하게 실현할 수 없다.
또한, 이들 디바이스는 소자의 치수형상이 크고, 온도변화에 응답하여 소자의 특성이 현저하게 열화되기 쉽고, 응답속도도 늦다. 또한, 고소비전력이 필요하기 때문에 광손상을 받거나 DC가 드리프트 되기 쉽다고 하는 문제가 있다.
이와같은 문제를 해결하여 상기한 능동소자를 모놀리식의 형태로 집적화 하는 것을 가능하게 하기 위해서는, 디바이스 전체를 반도체재료로 구성하면 된다.
디바이스 전체가 반도체재료로 구성되어 있는 광기능소자를 설명하기 전에 종래례의 광모드스프리터에 대해 우선 설명한다.
제6도 및 제6도의 선(Ⅶ-Ⅶ)을 따라서 취한 단면도인 제7도는 M. Kusuda씨와 G.L.Yip씨가 Appl. Phys. Lett., vol 37, (pp20∼22(1980))에서 제안한 광모드스플리터를 도시한다.
상기 광모드스플리터로서, Y분기 멀티모드도파로가 LiNbO3개의 재료를 사용하여 형성되어 있다(제6도). 또한 제7도 도시한 바와같이, 주도파로(15)의 일부와 한쪽의 분기도파로(15b)사이에 Al2O3층 등의 버퍼층(16)을 개재하여, 분기도파로(15a)와 분기도파로(15b)의 등가굴절율을 서로 다르게 형성할 수 있도록 되어 있고, 한쌍의 전극(17a),(17b)을 배치하여 양전극간에 전압을 인가할 수 있도록 되어 있다.
지금, 분기도파로(15a)의 동가굴절율을 n1로 가정하고, 분기도파로(15b)의 등가굴절율을 n2로 가정하고, 또한 n1＜n2로 가정한다.
이 상태에서, TE모드성분과 TM모드성분이 공존하는 광을 주도파로(15)에 입사한다. 분사도파로(15b)의 등가굴절율이 분기도파로(15a)의 등가굴절율보다 크기 때문에, 입사된 광은 분기도파로(15b)에 구속되고 구속된 광이 분기도파로(15b)로부터 출사된다.
그러나, 전극(17a),(17b) 사이에 전압을 인가하면, 전기광학효과에 의해서, 분기 도파로(15b)등가굴절율이 TE모드에 대해서만 저하된다.
따라서, 인가전압치에 의해 ｜n1-n2｜보다 크게 되도록 굴절율을 저하시키면, 즉 보다 높은 전압을 인가하면, 주도파로(15)에 입사된 광의 TE모드성분은 등가굴절율이 분기도파로(15b)보다 크게 형성되어 있는 분기도파로(15a)에 구속되고 구속된 광을 분기도파로(15a)로부터 출사하게 된다. 한편, 입사광중에서 TM모드성분에 대해서는, 분기도파로(15a)와 분기도파로(15b)의 등가굴절율이 전혀 변화되지 않기 때문에, TM모드광은 분기도파로(15b)를 도파하여 출사된다. 따라서, 전극(17a),(17b) 사이에 전압을 인가함으로써, 입사광을 TE모드와 TM모드로 분리할 수 있다.
그러나, 상기 광모드스플리터의 경우, 집적회로화가 곤란하고, 모드통신에 대해 부적절한 구조이고, 모드의 분리효율도 낮고, 높은 소광비(消光比 : extinction ratio)를 얻을 수 없다.
제8도는, M. Erman씨 등이, 15th ECOC. ThB 20-1(1989)에서 제안한 광모드스플리터의 개략적인 사시도이다.
상기 광모드스플리터에 있어 방향성 결합기형 광도파로는, 반도체재료를 사용하여 평행으로 배치된 2개의 도파로(18a),(18b)로 구성되고, 한쪽의 도파로(18b)의 상부면은 금속층(19)으로 피복되어 있다.
상기 구성에 의해 TE모드성분과 TM모드성분에 대한 등가굴절율이 도파로(18a)와 도파로(18b)의 사이에 서로 다르게 형성된다.
따라서, 도파로(18a)에 TE모드성분과 TM모드성분이 공존하는 광을 도파로(18a)에 입사하면, 금속층(19)으로 피복되어 있는 도파로(18b)과 TE모드광이 결합되어, TE모드광이 도파로(18b)를 도파하여 출사된다. 그러나, TM모드광은 도파로(18b)와 결합되지 않기 때문에, 도파로(18a)로부터 TM모드광이 그대로 출사된다. 즉, TE모드광과 TM모드광이 분리된다.
그러나, 상기 광모드스플리터의 경우, 결합부의 길이가 TE모드광에 대한 완전결합길이와 동일하지 않으면 기능하지 않기 때문에 상기 기능의 실현을 위해서는 상기 결합기를 매우 높은 치수정밀도로 형성하여야 한다. 그러나, 현재의 포토리소그래피의 기술이나 에칭기술을 사용하여, 요구되는 바와같은 고정밀도로 결합부를 형성하는 것이 곤란하고, 실제로 제조된 디바이스는 높은 치수정밀도의 필요조건을 만족할 수 없기 때문에, 모드의 분리효율이 저하되고 또한 높은 소광비를 얻을 수 없다.
또한, 일본국 특개평 2-170103호 공보에는, 제9도 및 제9도의 선(Ⅹ-Ⅹ)을 따라서 취한 단면도인 제10도에 도시한 바와같은 구조를 가진 디바이스가 개시되어 있다.
상기 디바이스는 직교하는 출사쪽 광도파로(20a),(20b)의 직교부(21)에 배치된 회절격자(22)를 포함하고 있고, 한쪽의 출사쪽 광도파로(20a)의 윗면의 일부는 금속층(23)으로 피복되어 있고, 상기 디바이스는 TE모드광과 TM모드광을 분리하는 광분파기(optical branching filter)로서 기능한다.
상기 디바이스의 경우, 소광비는 분명하게 결정되어 있지는 않지만, 수 10db정도로 된다. 또한, 모드의 분리는, 직교부(21)에 배치된 회절격자(22)의 흠의 깊이의 균일성에 의존한다. 제조공정의 관점에서 볼 때, 깊이의 균일성을 실현하도록 제어하는 것이 대단히 곤란하고, 또한 양 모드의 출사쪽 광도파로(20a),(20b)가 서로 수직으로 배치되어 있기 때문에, 다른 소자와 함께 직접화하여 서로 접속할 때에 불편이 발생한다.
다음에 방향성 결합기형으로서, 반도체재료로 형성된 광스위치의 종래예를 설명한다.
제11도는 균일 Δβ구조형의 광스위치의 개략적인 평면도이다. 상기 광스위치의 경우에는, 반도체재료로 형성된 2개의 광도파로(24),(25)가 반도체 기판(도시되지 않음) 위에 배치되어 있고, 광도파로부(24a)와 광도파로부(25a)가 모드결합(mode coupling)하도록 근접하여 평행으로 배치되어, 도면에서 점선으로 포위된 영역(A)에 결합부를 형성할 수 있다.
그리고, 광도파로부분 중에서 어느 한쪽의 광도파로부(24a) 위에는 전극(26)이 형성되어 있고, 상기 전극(26)을 통하여 공도파로부(24a)에 대해 전압인가나 전류공급을 행할 수 있다.
상기 광스위치의 경우, 예를 들면, 광도파로(25)의 상류쪽 단부(25b)에 광을 입사하고 또한 전극(26)을 구동하지 않은 상태로 설정하면, 광은 결합부(A)의 광도파로부분(24a)과 결합하여 광도파로(24)의 하류쪽 단부(24c)로부터 출사한다. 즉, 상류쪽 단부(25b)에 입사된 광은 광도파로(24)의 하류쪽 단부(24c)에서 출사하고, 광도파로(25)의 하류족 단부(25c)에서는 출사하지 않는다.
그러나, 예를 들면, 전극(26)을 통하여 전류를 공급하여 광도파로부분(24a)의 등가굴절율이 저하될 때에는, 광도파로(25)의 상류쪽 단부(25b)에 입사된 광은, 광도파로부(24a)와 결합하는 일없이, 광도파로부(25a)를 통과하여 하류쪽 단부(25c)에서만 출사한다. 즉, 전극(26)을 통하여 전류를 공급함으로써, 광의 출사는 하류쪽 단부(24c)로부터 하류쪽 단부(25c)로 변경되고, 따라서 스위치기능을 달성한다.
그러나, 상기 균일 Δβ구조형 광스위치를 동작시키기 위해서는, 전극(26)의 무구동 상태에서, 2개의 광도파로(24), (25)의 하류쪽 단부(24c), (25c)의 출사비율(emission ratio)을 1 : 0(또는 0 : 1)으로 미리 조정하여야 한다. 결합부(A)에서 상기 광도파로부(24a), (25a)의 각각의 길이가 상기 광도파로부(24a), (25a) 사이의 거리를 정밀하게 제어함으로써, 상기 출사비율을 달성될 수 있다. 그러나, 포토리소피의 현재 기술수준으로는, 상기 결합부(A)의 길이를 높은 정밀도로 설정하는 것이 대단히 어렵다. 이 때문에, 상기 균일 Δβ구조형 광스위치의 경우에는, 광결합의 과정에서 누화가 필연적으로 발생된다.
상기 균일 Δβ구조형 광스위치의 상기한 문제를 해소하기 위하여, 제12도의 개략적인 평면도에 도시한 바와같은 반전 Δβ구조형 광스위치가 제안되어 있다.
상기 광스위치의 결합부(A)에서는, 광도파로부(24a)의 하류쪽 부분(24d)과 광도파로부(25a)의 상류쪽 부분(25d)이, 서로 점대칭으로 되도록, 전극(26a)과 전극(26b)이 각각 배치되어 있고, 또한 이들 전극(26a), (26b)은 접속부(26c)를 통하여 서로 접속되어 있다. 6상기 구조에 의해, 전극(26a)은 광도파로부(24a)의 상부쪽 부분(24e)에 형성되고, 또한 전극(26b)은 광도파로부(25a)의 하류쪽 부분(25e)에 형성되어도 된다.
상기 구조의 광스위치는, 균일 Δβ구조형 광스위치와는 달리, 결합상태가 결합부(A)의 초기조건에 의해 규제되는 것은 아니다.
우선, 전극(26a), (26b)을 구동하지 않은 상태로 설정하고, 광도파로(25)의 상류쪽 단부(25b)에 광을 입사하면, 결합부(A)에서 광은 광도파로부(24a)와 결합하여 구속되고, 구속된 광을 하류측 단부(24c)로부터 출사한다.
다음에, 전극(26a), (26b)을 통하여 전압을 인가하거나 전류를 공급하면, 특정한 전압치나 전류치에 의해 광도파로부(24a)와 광도파로부(25a) 사이에 크로스상태(cross state)가 확립되고, 또한 전압치나 전류치를 한층 더 증가하면, 쓰루상태(throught state)가 확립된 후에 스위칭상태로 된다.
즉, 전극(26a), (26b)을 통하여 전압을 인가하거나 전류를 공급함으로써, 결합부(A)의 전체부분에서 Δβ가 반전되고, 상류쪽 단부(25b)에 입사된 광에 대한 출사단부는 하류쪽 단부(24c)로부터 하류쪽 단부(25c)로 변경된다.
상기 반전 Δβ구조형 광스위치의 경우, 결합부(A)의 초기상태에 관계없이 결합상태를 확실하게 제어할 수 있다. 그러나, 일반적으로, 크로스상태를 확립하기 위하여 필요한 전압치나 전류치는 그다지 큰 값은 아니지만, 쓰루상태를 확립하기 위하여 필요한 전압치나 전류치는 상당히 큰 값으로 되어야 한다.
따라서, 광도파로를 구성하는 반도체재료에 있어, 높은 소비전력에 의해 발생되는 발열에 의해 광도파로에 형성된 pn접합이 파괴되기 쉽고, 이에 의해 소자의 유효수명이 저감된다.
본 발명의 목적은, 반도체재료로 형성된 다른 능동소자와 모놀리식 형태로 집적 회로화 하기 위하여 전체가 반도체재료로 형성되어 있는 방향성 결합기형 공기능소자와 그 구동방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 구동시에 설정된 인가전압이나 공급전류가 종래의 경우에 비해 작은 값으로 형성되어, 광도파로에서 pn접합구조가 파괴되는 것을 방지하고, 따라서 소자의 유효수명이 개선될 수 있고 또한 신뢰성이 개선될 수 있는 광기능소자와 그 구동방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 광손상(optical damage)을 받거나 DC성분이 드리프트되는 일이 없고, 또한 온도변화에 대해서도 특성의 열화를 초래하는 일이 없는 광기능소자와 그 구동방법을 제공하는 데 있다.
또, 본 발명의 다른 목적은, 소광비가 높은 광모드스플리터나 광스위치로서 기능하는 광기능소자와 그 구동방법을 제공하는 데 있다.
또, 본 발명의 또다른 목적은, 광도파로의 형성시에 결합부의 길이에 의한 광결합 비율의 제한을 받지 않아, 제조공정도 비교적 용이하고, 대량생산이나 코스트저감을 용이하게 달성할 수 있는 광기능소자와 그, 구동방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 우선 반도체재료를 적층하여 pn결합구조가 형성되어 있는 제1, 제2광도파로와 이들 2개의 광도파로가 서로 모드결합(mode coupling)하도록 평행으로 배치되어 있는 결합부를 포함하는 방향성 결합기형 광기능소자에 있어서, 상기 결합부에서 상기 제1광도파로의 상류쪽 부분과 상기 제2광도파로의 하류쪽 부분에 형성되고, 전기적으로 접속되어 있는 전압인가용전극과, 상기 결합부에서 상기 제1광도파로의 하류쪽 부분과 상기 제2광도파로의 상류쪽 부분에 형성되고, 전기적으로 접속되어 있고, 상기 전압인가용전극과 전기적으로 절연되어 있는 전류공급용전극을 포함한 것을 특징으로 하는 방향성 결합기형 광기능소자를 제공한다.
또한, 본 발명에서는, 상기 광기능소자의 구동방법이 제공된다.
상기 구동방법의 제1측면에 따르면, 상기 제1, 제2광도파로중에서 선택된 한쪽에 TE모드광과 TM모드광이 공존하는 광을 입사하는 단계와, 상기 전류공급용 전극을 통하여 소정치의 전류를 광도파로에 공급하여, 상기 결합부의 광도파로 사이에 크로스상태를 확립하는 단계와, 상기 크로스상태를 유지하면서, 상기 전압인가용 전극에 소정의 전압을 인가하여, 상기 결합부의 광도파로 사이에 TE모드광에 대해서만 쓰루상태를 확립함으로써, 상기 입사광을 TE모드광과 TM모드광으로 분리하는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 광기능소자의 구동방법을 제공한다.
상기 구동방법은 이 광기능소자를 광모드스플리터로서 동작하는 방법이다.
상기 구동방법의 제2측면에 따르면, 상기 제1, 제2광도파로중에서 선택된 한쪽에 TE모드광을 입사하는 단계와, 상기 전압인가용 전극에 소정치의 전압을 인가하여, 상기 결합부의 광도파로 사이에 크로스상태를 확립하는 단계와, 상기 크로스상태를 유지하면서, 상기 전류공급용 전극을 통하여 소정치의 전류를 광도파로에 공급하여, 상기 결합부의 광도파로 사이에 쓰루상태를 확립함으로써 입사한 TE모드광의 광로를 변경하는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 광기능소자의 구동방법을 제공한다.
상기 구동방법은 광기능소자를 편광파광스위치로서 동작하는 방법이다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 반도체재료를 적층하여 pn접합구조가 형성되어 있는 제1, 제2광도파로와, 이들 2개의 광도파로가 완전 결합길이(Lo)에 대해 러서로 모드결합하도록 평행으로 배치되고, 길이(L)를 가진 결합부를 포함하는 광기능소자에 있어서, 상기 결합부에서 광도파로의 광의 전파방향으로, 반전 Δβ구조로, 광도파로의 각각에 대해 연속적으로 배치된 N단(N는 3 이상의 정수임)의 1쌍의 반전 Δβ구조형 전극을 포함하고, 제1광도파로에 형성된 M단계(M는 1≤M≤N-1의 관계를 만족하는 정수임)의 전극과, 제2광도파로에 형성된 M +1단째의 전극은 서로 전기적으로 접속되어 제1전극을 형성하고, 제1광도파로에 형성된 M단째의 전극과 제1광도파로에 형성된 M +1단째의 전극은 서로 전기적으로 접속되어 제2전극을 형성하고, 상기 제1전극과 상기 제2전극은 전기적으로 절연된 것을 특징으로 하는 광기능소자를 제공한다.
또한, 본 발명에서는 상기 광기능소자의 구동방법이 제공된다.
상기 구동방법의 제1측면에 따르면, L/Lo가 소정의 값으로 설정되어 있는 상기 광기능소자의 구동방법에 있어서, 상기 제1, 제2광도파로중에서 선택된 한쪽에 TE모드광과 TM모드광이 공존하는 광을 입사하는 단계와, 상기 제1전극을 통하여 제1소정치의 전류를 광도파로에 공급하여, 상기 결합부의 광도파로사이에 크로스상태나 쓰루상태를 확립하는 단계와, 상기 크로스상태나 쓰루상태를 유지하면서, 제2전극에 소정치의 전압을 인가하여, 상기 결합부의 광도파로사이에서 TE모드에 대해서만 크로스상태나 쓰루상태를 설정함으로써, 상기 입사광을 TE모드광과 TM모드광으로 분리하는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 광기능소자의 구동방법을 제공한다.
상기 구동방법은 상기 광기능소자를 광모드스플리터로서 동작시키는 방법이다.
상기 구동방법의 제2측면에 따르면, L/Lo가 소정의 값으로 설정되어 있는 상기 광기능소자의 구동방법에 있어서, 상기 제1, 제2광도파로중에서 선택된 한쪽에 TE모드광과 TM모드광이 공존하는 광을 입사하는 단계와, 상기 제1전극을 통하여 제1소정치의 전류를 광도파로에 공급하여, 상기 결합부의 광도파로사이에 크로스상태나 쓰루상태를 확립하는 단계와, 상기 크로스상태나 쓰루상태를 유지하면서, 제2전극에 소정치의 전압을 인가하여, 상기 결합부의 광도파로사이에서 TE모드에 대해서만 크로스상태나 쓰루상태를 설정함으로써, 상기 입사광을 TE모드광과 TE모드광으로 분리하는 단계와, 상기 제1전극을 통하여, 상기 제1소정치보다 큰 제2소정치의 전류를 광도파로에 공급하여, 상기 결합부의 광도파로사이에 크로스상태나 쓰루상태를 확립하는 단계와, 상기 크로스상태나 쓰루상태를 유지하면서, 상기 제2전극에 소정치의 전압을 인가하여, 상기 결합부의 광도파로사이에서 TE모드에 대해서만 쓰루상태나 크로스상태를 확립함으로써, 분리된 상기 TE모드광과 상기 TM모드광의 광로를 변경하는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 광기능소자의 구동방법을 제공한다.
상기 구동방법은, 광도파로에 입사된 광을 TE모드성분과 TM모드성분으로 분리하여, 각각의 광을 상이한 광도파로로부터 출사하고, 또한 광로를 변경함으로써, 광기능소자를 편광파광스위치로서 동작하는 방법이다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해서 첨부도면을 참조하면서 상세히 설명한다.
본 발명의 광기능소자는 반도체재료를 적층하여 얻은 방향성 결합기형 광기능소자로서, 이 광기능소자의 광도파로에는 pn 접합구조가 형성되어 있다.
상기 pn접합구조를 가진 광도파로에 소정치의 전류를 공급하면, 전류가 공급된 광도파로에서, 플라즈마효과가 밴드필링 효과(band filling effect)가 발생하여 그 굴절율이 낮아진다. 여기서 밴드필링효과에 대해서 설명한다. 양자역학의 밴드이론에 따르면, 밴드필링효과라는 것은, 전류공급에 의해 n형 반도체의 도전대(conduction band)가 전자로 채워짐으로써, 가전대(valence band)로부터의 전자가 도전대로 오르는 에너지가 상승하게 되고, 그 결과 밴드갭 이상의 에너지레벨에서 광에 대한 흡수계수가 작아지게 되고, 흡수가 변화된 효과에 의해 굴절률이 낮아지는 현상을 말한다. 또한, P형 반도체에 대해서도 동일한 현상이 발생한다. 이때에는, 전자가 이동되는 대신에 홀이 이동된다. 그리고, 상기 효과는 TE모드와 TM모드의 각각에 대해서 나타날 수 있고, 또한 편광파로부터 독립적이다.
한편, 상기한 pn접합구조를 가진 광도파로에 소정치의 전압을 인가하면, 전압이 인가된 광도파로에서는, 전기광학효과가 발생하여 굴절율이 크게 된다. 그리고, 상기 효과는 TE모드에 대해서만 발생하고 또한 편광파에 의존한다.
본 발명의 광기능소자는 상기한 효과를 이용하여 구동시킨다.
먼저, 제1측면에 따른 광기능소자에 대해 제13도를 참조하면서 설명한다.
도면에 있어서, 광도파로부(29), (30)가 서로 모드결합을 행하도록, 단면구조(후술함)를 가진 광도파로(27), (28)가 광도파로의 결합부(A)에서 근접하여 평행으로 배치되어 있다. 이 경우에, 광도파로부(29)를 제1광도파로 칭하고, 광도파로부(30)를 제2광도파로로 칭한다.
전류공급용 전극(31a), (31b)은 제1광도파로(29)의 상류쪽 부분(29a)과 제2광도파로(30)의 하류쪽 부분(30b)위에 각각 배치되어, 접속부(31c)를 통하여 전기적으로 접속되고, 이들 전극(31a), (31b)을 통하여 제1광도파로(29)의 상류쪽 부분(29a)과 제2광도파로(30)의 하류쪽 부분(30b)에 전류를 공급할 수 있도록 설계되어 있다.
또한, 전압인가용전극(32a), (32b)은 제1광도파로(29)의 하류쪽 부분(29b)과 제2광도파로(30)의 상류쪽 부분(30a) 위에 배치되어, 접속부(32c)를 통하여 전기적으로 접속되지만, 전류공급용전극(31a), (31b)과 전기적으로 분리되어 있고, 이들 전극(32a), (32b)을 통하여 제1광도파로(29)의 하류쪽 부분(29b)과 제2광도파로(30)의 상류쪽 부분(30a)에 전압을 인가할 수 있도록 설계되어 있다.
또한, 이 소자에서는, 전극(31a), (31b)을 전압인가용으로 사용하고, 전극(32a), (32b)을 전류공급용으로 사용하여도 된다.
다음에, 상기 광기능소자의 단면구조는 제13도의 선(ⅩⅣ-ⅩⅣ)을 따라서 취한 단면도인 제14도에 도시되어 있다.
즉, n+GaAs로 형성된 기판(34)과, 마찬가지로 n+GaAs로 형성된 버퍼층(35)이 예를 들면 AuGeNi/Au로 형성된 하부전극(33) 위에 적층되어 있다. 그리고, n+AlGaAs로 형성된 하부클래드층(36)과, n-AlGaAs로 형성된 코어층(37)이 상기 버퍼층(35)위에 순차적으로 형성되어 있고, 또한 2개의 상부클래드층(38)이 코어층(37)위에 리지형상으로 서로 평행으로 배열되어 있다. 상기 상부클래드층(38)은, n-AlGaAs로 형성된 클래드층(38a)과, p-AlGaAs로 형성된 클래드층(38b)과, 이 클래드층(38b) 위에 형성된 p+GaAs의 캡층(38c)으로 구성되고, 클래드층(38a)과 클래드층(38b)의 공통경계면은 pn접합의 구조로 구성되어 있다.
그리고, 상부클래드층(38)의 상부면은 SiO2등의 절연막(39)으로 피복되고, 상기 리지형상부분의 상부에는 광도파로의 길이방향으로 연장되어 있는 슬릿형상의 창(39a)이 형성된 후, 상기 창(39a)을 포함하는 부분에 Ti/Pt/Au를 퇴적하여 상부전극(31a), (32b)을 형성한다. 따라서, 전체가 결합부(A)의 광도파로부(29), (30)를 형성한다.
또한, 이와같은 방식으로 반도체재료를 적층해서 광도파로부(29), (30)를 형성하는 경우에는, 상기 광도파로는 방향
Figure kpo00001
이나 방향
Figure kpo00002
과 평행한 방향으로 각층의 반도체의 결정면(100)위에 배치된다. 이와같은 방식으로 광도파로를 배치하지 않으면, 상기한 전류공급에 의한 플라즈마 효과나 밴드필링 효과와, 전압인가에 의한 전기광학효과가 상기 도파로에 나타나지 않기 때문이다.
다음에, 상기 광기능소자를 광모드스플리터로서 동작하는 구동방법을 설명한다.
먼저, 예를 들면 광도파로(27)의 상류쪽 단부(27a)에 TE모드광과 TM모드광이 공존하는 광을 입사한 것으로 가정한다.
전극(31a)과 전극(31b)을 통하여 소정치의 순방향전류를 공급하면, 이들 전극의 아래에 위치하는 광도파로의 상류쪽 부분(29a)과 하류쪽 부분(30b) 사이에는 편광파에 의존하지 않는 크로스상태가 확립된다.
따라서, 광도파로(27)의 상류쪽 단부(27a)에 입사한 광은, TE모드성분이나 TM모드성분에 관계없이, 광도파로(28)의 하류쪽 단부(28b)로부터만 출사된다.
상기 상태를 유지하면서, 전극(32a), (32b)을 통하여 소정치의 역전압을 인가하며, 상기 전극의 바로 아래에 위치하는 광도파로의 하류쪽 부분(29b)과 상류쪽 부분(30a)에서 전기광학효과가 발생하고, 상기 하류쪽 부분(29b)과 상기 상류쪽 부분(30a)의 굴절율이 TE모드광에 대해서만 높게 되어 쓰루상태가 확립된다. 그 결과, 광도파로(27)의 하류쪽 단부(27b)에서는 TE모드광이 출사된다.
상기한 바와같이, 광도파로(27)의 하류쪽 단부(27b)에서는 TE모드광이 출사되고, 광도파로(28)의 하류쪽 단부(28b)에서는 TM모드광이 출사되므로, 모드분리 동작이 행해진다.
상기 상태의 일예가 제15도에 도시되어 있다. 즉, 본 발명의 광기능소자에서는, 크로스상태에 대한 공급전류치는 10mA로 설정되고, 이 경우에 TM모드광의 소광비는 20dB이고, 또한 쓰루상태에 대한 인가전압치는 23V이고, 이 경우에 TE모드광의 소광비는 18dB이다.
다음에, 상기 광기능소자를 광스위치로서 기능시키는 구동방법을 설명한다.
광도파로(27)의 상류쪽 단부(27a)에 TE모드광만을 입사한다.
전극(32a)과 전극(32b)을 통하여 소정치의 역전압을 인가한다. 이들 전극의 바로 아래에 위치하는 광도파로의 하류쪽 부분(29b)과 상류쪽 부분(30a) 사이에 전기광학 효과에 의해서 크로스상태가 확립되기 때문에, 입사광(TE모드)은 광도파로(28)의 하류쪽 단부(28b)로부터만 출사된다.
상기 상태를 유지하면서, 전극(31a), (31b)을 통하여 순방향의 전류를 공급하면, 전극의 바로 아래에 위치하는 광도파로의 상류쪽 부분(29a)과 하류쪽 부분(30b)에서 플라즈마 효과나 밴드필링 효과가 발생해서, 제1광도파로(29)는 쓰루상태로 설정되고, 따라서 하류쪽 단부(27b)로부터 TE모드광이 출사된다.
다음에, 전극(31a), (31b)에 전류공급을 중단하면, 크로스상태로 복구되고, 따라서 TE모드광은 다시 광도파로(28)의 하류쪽 단부(28b)로부터 출사된다.
즉, 전극(32a), (32b)을 통하여 전압인가를 유지한 상태에서, 전극(31a), (31b)에 전류공급을 온도프함으로써, TE모드광에 대한 스위칭 동작이 가능하게 된다.
상기 상태의 일예가 제16도에 도시되어 있다. 제16도에서, 실선은 전압인가에 의한 결합쪽의 출력을 나타내고, 접선은 전류공급에 의한 결합쪽의 출력을 나타낸다. 제16도는, 제14도에 도시한 단면구조를 가진 광기능소자에서
Figure kpo00003
AlGaAs의 클래드층(38a)의 두께가 0.8㎛일 때에 얻은 스위칭 특성도이다.
이 경우, 인가전압치가 15V로 될 때에 크로스상태가 확립되고, 다음에 공급전류치가 50mA 정도로 설정될 때에 쓰루상태가 확립된다. 제12도에서 도시한 종래의 반전 Δβ형 광스위치는 일반적으로 공급전류가 약200mA에서 쓰루상태로 되는 것을 고려하면, 본 발명의 광기능소자는 매우 작은 공급전류에 응답하여 스위칭 특성을 달성할 수 있다.
제17도는 상기한 클래드층(38a)의 두께가 0.6㎛인 때에 얻은 광기능소자의 스위칭특성을 표시한다. 이 경우에는, 9V만의 인가전압에 의해 크로스상태로 설정될 수 있고, 26mA만의 공급전류에 의해 쓰루상태로 설정될 수 있다.
제18도와 제19도는, 본 발명의 광기능소자의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 평면도이고, 제18도의 디바이스는 1입력/2출력(1×2)의 방향성 결합기형이고, 제19도의 디바이스는 2입력/2출력(2×2)의 방향성 결합기형이다.
제18도와 제19도에, 도시한 광기능소자에서는, 반도체재료를 적층해서 pn접합구조가 형성된 제1광도파로(40)와 제2광도파로(41)가 완전결합길이(Lo)에 대해 전파하는 광의 파장으로 결합부(B)에 모드결합하여 서로 평행으로 배치되고, 결합부 전체의 길이는 L로 되어 있다.
여기서, 제1광도파로(40)의 상류쪽단부(40a) 및 제2의 광도파로(41)의 하류쪽 단부(41a)는 입사단부이며, 제1광도파로(40)의 하류쪽 단부(40b) 및 제2광도파로(41)의 하류쪽 단부(41b)는 각각 출사단부로 되어 있다.
N단의 전극은, 반전 Δβ구조로 교호로 형성되어 있고, 각 단의 전극의 길이가 L/N으로 설정된 상태에서 길이(L)의 결합부(B)의 길이방향으로 연속적으로 배치되어 있다. 이 경우에는 N은 3 이상의 정수이다. 즉, 전극은 3단 이상으로 형성되어 있다.
따라서, 1단째의 전극을+Δβ형으로 하면, N이 홀수인 경우에는, 최종단의 전극은+Δβ형으로 되고, N이 짝수인 경우에는 최종단의 전극은+Δβ형으로 된다.
상기 N단의 전극중에서 M단째와 M +1단째(단, M은, 1,2,3…(N-1)의 정수임)의 전극은 제20도에 도시한 바와같이 배치되어 있다.
즉, 한쪽의 광도파로(도면에서는 제1광도파로(40)임)의 상류쪽 부분(40c)과 다른쪽의 광도파로(도면에서는 제2광도파로(41)임)의 하류쪽 부분(41d) 위에는, 전극(42a), (42b)이 서로 접속부(42c)를 통하여 전기적으로 접속되도록 배치되어 있다. 또한, 제1광도파로(40)의 하류쪽 부분(40d)과 제2광도파로(41)의 상류쪽 부분(41c) 위에는, 전극(43a), (43b)이 서로 접속부(43c)를 통하여 전기적으로 접속되도록 배치되어 있다. 그러나, 상기전극(43a), (43b)과 전극(42a), (42b)은 전기적으로 접속되지 않도록 배치되어 있다.
이들 전극중, 전극(42a), (42b)의 조합은 본 발명에서 명세된 제1전극을 구성하고, 전극(43a), (43b)의 조합은 제2전극을 구성하고 있다. 이들 전극은 전류 공급과 전압인가를 위하여 각각 독립적으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 제1전극(42a), (42b)이 전류공급(또는 전압인가)을 위해 사용될 때에는, 제2전극(43a), (43b)은 전압인가(또는 전류 공급)를 위해 사용된다.
전극을 상기한 바와같이 배치함으로써, M단째의 전극(42a), (42b)이 배치되는 영역과 M + 11단째의 전극(43a), (43b)이 배치되는 영역사이에서 광도파로의 Δβ는 반전하게 된다.
제21도는, 결합부(B)에 3단으로 전극이 배치되어 있는 1×2방향성 결합기형 광기능소자를 표시한다.
제21도에 있어서, 전극(44a), (44b), (44c)은 접속부(44d), (44e)에 의해 전기적으로 접속되어 제1전극을 구성하고, 전극(45a), (45b), (45c)은 접속부(45d), (45e)에 의해 전기적으로 접속되어 제2전극을 구성하고 있다.
상기 소자의 단면구조는, 제21도의 선(ⅩⅩⅠⅠ-ⅩⅩⅠⅠ)을 따라서 취한 단면도인 제22도에 도시되어 있고, 그 기본구성은 제14도에 도시한 것과 동일한다.
N=3이고, 전파광에 관련하여 완전결합길이(Lo)를 결정하고 또한 결합부전체의 길이(L)를 여러가지로 변경한 광기능소자에 대하여는, L/Lo와 Δβ사이의 관계를 조사함으로써 제23도에 도시한 바와같은 궤적을 그리는 스위칭 특성도를 얻을 수 있다. 이때 Δβ는 전극을 통하여 공급하는 전류치와 인가되는 전압치에 따라서 변화되기 때문에, 이들 전류치와 전압치에 따라서 결합부의 광도파로 사이에 크로스 상태나 쓰루상태로 변경한다.
예를 들면, L/Lo의 값이 제23도의 (C)에 대응하는 값으로 설정되는 광기능소자에 대해서 이하 고찰한다.
제1전극(44a), (44b), (44c)을 통하여 적정한 값(I1c)의 전류를 공급해서 ΔβL/π치가 P1로 설정될 때에, 결합부(B)의 광도파로 사이에 쓰루상태가 확립되기 때문에, TE모드광과 TM모드광이 공존하는 광을 제21도의 입사단부(40a)에 입사하면, TE모드광과 TM모드광은 모두 출사단부(40b)로부터 출사된다.
상기 상태를 유지하면서, 제2전극(45a), (45b), (45c)에 소정치(V1C)의 전압을 인가해서 ΔβL/π치가 P2로 설정될 때에 TE모드광에 대해서만 크로스상태가 설정되기 때문에, 입사단부(40a)에 입사되는 TE모드광과 TM모드광을 포함하는 광중에서 TE모드광은 제2광도파로(41)와 결합하여 출사단부(41b)로부터 출사되지만, TM모드광은 그대로 출사단부(40b)로부터 출사된다. 즉, TE모드광과 TM모드광은 분리되므로, 상가 광기능소자를 광모드수플리터로서 기능한다.
다음에, 제1전극(44a), (44b), (44c)을 통하여 공급되는 전류치를 I2c(I2c＞I1c)로 증가하여 ΔβL/π치가 P2로 설정될 때에, 결합부(B)의 광도파로 사이에 크로스상태로 설정되기 때문에, 입사단부(40a)에 입사하는 TE모드광과 TM모드광은 모두 제2광도파로(41)와 결합하여 출사단부(41b)로부터 출사된다. 상기 상태를 유지하면서, 제2전극에 적절한 전압(V1C)을 인가해서 ΔβL/π치가 P3로 설정될 때에, 광도파로는 쓰루상태로 설정되기 때문에, 제2광도파로(41)와 결합된 TE모드광과 TM모드광중에서 TE모드광의 광로만이 제1광도파로(40)로 변경되고, 출사단부(40b)로부터 TE모드광이 출사되고, 또한 이 경우에는 TM모드관을 제2광도파로(41)와 결합된 상태로 유지되어 출사단부(41b)의 출사된다.
이와같이 하여, 최초의 전류
Figure kpo00004
의 공급과 전압(V+ C)의 인가에 의해 분리된 TE모드광과 TM모드광에 대한 출사단부가 변경된다. 즉, 편광파스위치동작(polarization switching operation)이 실현될 수 있다.
또, L/Lo치가 제23도의 D에 대응한 값으로 설정된 광기능소자의 경우는 제1전극(44a), (44b), (44c)을 통하여 적정한 값(I1 D)의 전류를 공급해서 ΔβL/π치가 P4로 설정될 때에, 결합부(B)의 광도파로 사이에 크로스상태가 설정되기 때문에, TE모드광과 TM모드광이 공존하는 광을 제21도의 입사단부(40a)에 입사하면 TE모드광과 모두 제2광도파로(41)와 결합하여 출사단부(41b)로부터 출사된다.
상기 상태를 유지하면서, 제2전극(45a), (45b), (45c)에 소정치(V1D)의 전압을 인가해서 ΔβL/π치가 P5로 설정될 때에, TE모드애 대해서만 쓰루상태가 설정되기 때문에, 입사단부(40a)에 입사되고 TE모드광과 TM모드광을 포함하는 광중에서 TE모드광은 출사단부(40b)로부터 출사되지만, TM모드광은 제2광도파로(41)와 결합을 유지하여 출사단부(41b)로부터 출사된다. 즉, 광모드스플리터의 기능이 달성될 수 있다.
다음에, 제1전극(44a), (44b), (44c)을 통하여 공급되는 전류치를 I2D(I2D＞I1D)로 증가하여 ΔβL/π치가 P5로 설정될 때에, 결합부(B)의 광도파로 사이에 쓰루상태가 설정되기 때문에, 입사단부(40a)에 입사하는 TE모드광과 TM모드광은 모두 제1광도파로(40)의 출사단부(40b)로부터 출사된다. 상기 상태를 유지하면서, 제2전극(45a), (45b), (45c)에 적정한 값(V1D)의 전압을 인가해서 ΔβL/π치가 P6으로 설정될 때에, TE모드광에 대해서만 크로스상태가 설정되기 때문에, 제1광도파로(40)에서 전파된 TE모드광과 TM모드광중에서 TE모드광만이 제2광도파로(41)와 결합하여 출사단부(41b)로부터 출사되고, TM모드광은 출사단부(40b)로부터 출사된다.
즉, 분리된 TE모드광과 TM모드광에 대한 출사단부는 변경되므로, 편광파스위치동작을 달성할 수 있다.
제24도는, 결합부(B)에 반전 Δβ구조의 4단전극을 배치한 광기능소자의 개략적인 평면도이다. 이 경우 L/Lo치와 Δβ치 사이의 관계 즉, 상기 소자의 스위칭 특성도를 제25도에 나타낸다.
상기 광기능소자는, 제21도에서 도시한 광기능소자와 마찬가지로, 제23도를 참조하면서 설명한 바와같이 동일한 방식으로 구동시킴으로써 광모드스플리터나 편광파 광스위치로서 동작될 수 있다.
제21도와 제22도에서 도시한 1×2방향성 결합기형 광기능소자에 있어서, 결합부(B)의 길이가 7.5mm이고, L/Lo치가 약 2.8이고, 하부전극(33)이 AuGeNi/Au으로 형성되고, 기판(34)이 n+GaAs로 형성되고, 버퍼층(35)이 두께 0.5㎛의 n+GaAs층으로 형성되고, 하부클래드층(36)의 두께 3.0㎛의 n+Al0.1Ga0.9As로 형성되고, 코어층(27)이 두께 1.0㎛의 n2GaAs로 형성되고, 클래드(38a)가 n-Al0.1Ga0.9As층으로 형성되고, 클래드(38a)가 p+Al0.1Ga0.9As층으로 형성되고, 절연막(39)이 SiO2막으로 형성되고, 전극(44a), (44b), (44c), (45a), (45b), (45c)이 Ti/Pt/Au의 퇴적층으로 형성된 경우, TE모드광과 TM모드광이 공존하는 광을 상기 광기능소자의 입사단부(40a)에 입사하여, 제1전극(44a), (44b), (44c)를 통하여 15mA의 전류를 광도파로에 공급하면, 모든 광은 출사단부(40b)로부터 출사한다.
상기 상태를 유지하면서, 제2전극(45a), (45b), (45c)에 -16V의 역바이어스전압을 인가하면, TE모드광은 출사단부(41b)로부터 출사되고, TM모드광은 출사단부(40b)로부터 출사되어, 두 모드는 분리되고, 따라서, 상기 광기능소자는 광모드스플리터로서 기능할 수 있다.
다음에, 제1전극을 통하여 공급전류를 약 33mA로 증가하면, 모든 광은 출사단부(41b)로부터 출사된다. 이 상태를 유지하면서 제2전극에 -18V의 역바이어스전압을 인가하면, TE모드광은 출사단부(40b)로부터 출사되고, TM모드광은 그대로 출사단부(41b)로부터 출사된다.
즉, 전류치가 15mA이고 역전압치가 -16V인 상태로부터, 전류치가 33mA이고 역전압치가 -18V인 상태로 구동조건을 변경함으로써, 상기 광기능소자는 편광파 스위치로서 동작될 수 있다.
또한, 상기 광기능소자의 소광비는 약 30dB이다.
다음에, 제26도에서 표시한 바와같이, 결합부(B)에 4단의 전극이 배치되어 있고, 단면구조의 명세는 제22도에 도시된 것과 동일하고, 결합부(B)의 길이는 약 8.8mm이고, L/Lo는 3.3정도로 설정되어 있는 광기능소자의 경우에는, TE모드광과 TM모드광이 공존하는 광을 살기 광기능소자의 입사단부(40a)에 입사하고, 제1전극(44a), (44b), (44c), (44d)을 통하여 약 11mA의 전류가 광도파로에 공급되면, 모든 광은 출사단부(41b)로부터 출사한다.
상기 상태를 유지하면서, 제2전극(45a), (45b), (45c), (45d)에 -17V의 역바이스전압을 인가하면, TE모드광은 출사단부(40b)로부터 출사되고, TM모드광은 출사단부(41b)로부터 출사되어, 두 모드는 분리되므로, 상기 광기능소자는 광모드스플리터로서 동작될 수 있다.
다음에, 제1전극을 통하여 공급된 전류가 약 29mA로 증가될 때에, 모든 광은 출사단부(40b)로부터 출사된다. 상기 상태를 유지하면서, 제2전극에 -15V의 역바이어스전압이 인가되면, TE모드광은 그대로 출사단부(40b)로부터 출사되고, TM모드광은 출사단부(41b)로부터 출사된다. 이때에 얻은 소광비는 약 30dB이다.
즉, 전류치가 11mA이고 역전압치가 -17V인 상태에서, 전류치가 29mA 이고 역전압치가 -15V인 상태로 구동조건을 변경함으로써, 상기 광기능소자는 편광파 스위치로서 동작한다.

Claims (6)

  1. 반도체재료를 적층하여 pn결합구조가 형성되어 있는 제1, 제2광도파로와, 이들 2개의 광도파로가 서로 모드결합(mode coupling)하도록 평행으로 배치되어 있는 결합부를 포함한 방향성 결합기형 광기능소자에 있어서, 상기 결합부에서 상기 제1광도파로의 상류쪽 부분과 상기 제2광도파로의 하류쪽 부분에 형성되고, 전기적으로 서로 접속되어 있는 전압인가용 전극과, 상기 결합부에서 상기 제1광도파로의 하류쪽 부분과 상기 제2광도파로의 상류쪽 부분에 형성되고, 전기적으로 서로 접속되어 있고, 상기 전압인가용 전극과 전기적으로 절연되어 있는 전류공급전극으로 이루어진 것을 특성으로 하는 방향성 결합기형 광기능소자.
  2. 특허청구의 범위 제1항 기재의 방향성 결합기형 광기능소자의 구동방법에 있어서, 상기 제1, 제2광도파로중에서 선택된 한쪽에 TE모드광과 TM모드광이 공존하는 광을 입사하는 단계와, 전류공급용 전극을 통하여 소정치의 전류를 광도파로에 공급하여, 결합부의 광도파로 사이에 크로스상태(cross state)를 확립하는 단계와, 상기 크로스상태를 유지하면서, 상기 전압인가용 전극에 소정의 전압을 인가하여, 상기 결합부의 광도파로 사이에 TE모드광에 대해서만 쓰루상태(through state)를 확립함으로써, 상기 입사광을 TE모드광과 TM모드광으로 분리하는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 방향성 결합기형 광기능소자의 구동방법.
  3. 특허청구의 범위 제1항 기재의 방향성 결합기형 광기능소자의 구동방법에 있어서, 상기 제1, 제2광도파로중에서 선택된 한쪽에 TE모드광을 입사하는 단계와, 상기 전압인가용 전극에 소정치의 전압을 인가하여, 상기 결합부의 광도파로 사이에 크로스상태를 확립하는 단계와, 상기 크로스상태를 유지하면서, 상기 전류공급용전극을 통하여 소정치의 전류를 광도파로에 공급하여, 상기 결합부의 광도파로 사이에 쓰루상태를 확립함으로써, 입사한 TE모드광의 광로를 변경하는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 방향성 결합기형 광기능소자의 구동방법.
  4. 반도체재료를 적층하여 pn접합구조가 형성되어 있는 제1, 제2광도파로와, 이들 2개의 광도파로가 완전결합길이(Lo)에 대해 서로 모드결합하도록 평행으로 배치되고, 길이(L)를 가진 결합부를 포함한 광기능소자에 있어서, 상기 결합부에서 광도파로의 광의 전파방향으로, 반전 Δβ구조로, 광도파로의 각각에 대해 연속적으로 배치된 N단(N는 3 이상의 정수임)의 1쌍의 반전 Δβ구조형 전극을 포함하고, 제1광도파로에 형성된 N단째(M는, 1≤M≤N-1의 관계를 만족하는 정수임)의 전극과 제2광도파로에 형성된 M +1 단째의 전극은 서로 전기적으로 접속되어 제1전극을 형성하고, 제2광도파로에 형성된 M단째의 전극과 제1광도파로에 형성된 M +1 단째의 전극은 서로 전기적으로 접속되어 제2전극을 형성하고, 상기 제1전극과 상기 제2전극은 전기적으로 절연된 것을 특징으로 한은 광기능소자.
  5. L/Lo가 소정의 값으로 설정되어 있는 특허청구의 범위 제4항 기재의 광기능소자의 구동방법에 있어서, 제1, 제2광도파로중에서 선택된 한쪽에 TE모드광과 TM모드광이 공존하는 광을 입사하는 단계와, 제1전극을 통하여 소정치의 전류를 광도파로에 공급하여, 상기 결합부의 광도파로 사이에 크로스상태나 쓰루상태를 확립하는 단계와, 상기 크로스상태나 상기 쓰루상태를 유지하면서, 제2전극에 소정치의 전압을 인가하여 상기 결합부의 광도파로 사이에서 TE모드광에 대해서만 크로스상태나 쓰루상태로 함으로써, 상기 입사광을 TE모드광과 TM모드광으로 분리하는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 광기능소자의 구동방법.
  6. L/Lo가 소정의 값으로 설정되어 있는 특허청구의 범위 제4항 기재의 광기능소자의 구동방법에 있어서, 상기 제1, 제2광도파로중에서 선택된 한쪽에 TE모드광과 TM모드광이 공존하는 광을 입사하는 단계와, 제1전극을 통하여 제1소정치의 전류를 광도파로에 공급하여, 상기 결합부의 광도파로 사이에 크로스상태나 쓰루상태를 확립하는 단계와, 상기 크로스상태나 상기 쓰루상태를 유지하면서, 제2전극에 소정치의 전압을 인가하여, 상기 결합부의 광도파로 사이에서 TE모드에 대해서만 크로스상태나 쓰루상태를 확립함으로써, 상기 입사광을 TE모드광과 TM모드광으로 분리하는 단계와, 상기 제1전극을 통하여, 상기 제1소정치보다 큰 제2소정치의 전류를 광도파로에 공급하여, 상기 결합부의 광도파로 사이에 크로스상태나 쓰루상태를 확립하는 단계와, 상기 크로스상태나 쓰루상태를 유지하면서, 상기 제2전극에 소정치의 전압을 인가해서, 상기 결합부의 광도파로 사이에서 TM모드광에 대해서만 쓰루상태나 크로스상태를 확립함으로써, 분리된 상기 TE모드광과 TM모드광의 광로를 변경하는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 광기능소자의 구동방법.
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