KR950009631B1 - 내부전반사형 반도체 광 스위치소자 - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
제1a도 및 제1b도는 종래의 반도체 광 스위치의 평면도 및 단면도.
제2a도 및 제2b도는 본 발명의 제1실시예에 따른 반도체 광 스위치의 평면도 및 단면도.
제3a도 및 제3b도는 본 발명의 제2실시예에 따른 평면도 및 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : n형기판 2 : n형 광도파로층
3 : n형 클래드(clad)층 4 : n형 캡(dap)층
5 : n형전극 6, 12 : 제1의 p형전극
7 : p형 클래드영역 8 : 제1광입력포트
9 : 제2광입력포트 10 : 제1광출력포트
11 : 제2광출력포트 13 : 제2의 p형전극.
본 발명은 전류주입에 마른 광도파로(optical waveguide)의 굴절율(refractive index)의 변화를 이용한 내부전반사형 반도체 광 스위치 소자(internal total reflection type semiconductor optical switch)의 구조에 관한 것이다.
내부 전반사형 반도체 광 스위치의 동작원리는 전류가 주입되면 광도파로층의 굴절율이 변하게 되는(감소하게 되는)효과를 이용하는 것이다.
광도파로층의 소정영역으로 전류가 주입된 영역과 전류가 주입되지 않은 영역사이에 굴절율의 차가 생기게되고 이 굴절율차에 의해 도파로를 따라 진행하던 빛이 스넬(Snell)의 법칙에 따라 전류주입 경계면에서 전반사를 일으킴으로써 광 진행경로가 바뀌게 되어 스위칭이 일어나게 된다.
도면을 참조하면서 이를 좀더 구체적으로 설명하겠다.
제1a도 및 제1b도는 종래의 반도체 광 스위치의 구조를 나타낸 것으로, 제1도는 평면도이고, 제1b도는 제1a도에서 B와 방향으로 절단한 경우의 구조를 나타낸 단면도이다.
제1광입력포트(8)를 통하여 입사된 빛은 마루(ridge) 형태의 광도파로층(2)을 따라 진행하게 된다.
이때, 신호 전류주입을 위한 n형전극(5)과 p형전극(6)사이에 아무런 신호 전류를 주입하지 않으면 즉, p전극(6)으로부터 n전극(5)으로 전류가 흐르지 않으면 광도파로층(2)에 굴절율의 변화가 생기지 않으므로 빛은 광도파로층(2)의 교차점을 직진으로 통과하여 제1출력포트(l0)를 통하여 나오게 된다.
그러나, n형전극(5)과 p형전극(6)사이에 순반향 전압을 걸어 전류가 흐르도록 하면 주입된 방송자(carrier)들이 모여있는 p형의 클래드(clad)영역(7) 아래 부분의 광도파로층(2)만 굴절율이 변화게 되고, 이 굴절율의 변화량이 스넬의 법칙에 따라 다음식을 만족하게 되면 이부분에서 빛의 전반사가 일어나 빛은 제2출력포트(11)로 나가게 된다.
△n≥n(1-cos θ)
여기서, n은 광도파로층의 굴절율이고, △n은 전류주입에 의한 광도파로층의 굴절율 변화량이며, θ는 진행하는 빛의 굴절율 변화영역(p형전극 아래부분)에 대한 반사각도이다.
이러한 전류 주입에 의한 전반사형 광 스위치에서 두개의 광 출력 포트(10)와 (11) 사이의 누화(cross-talk)를 줄이기 위해서는 굴절율울 병화량 △n을 크게 하거나 반사각θ를 작게 하면 된다.
그러나 굴절율 변화량을 크게 하기 위해서는 주입된 전류량을 크게 하여야 하고 주입전류 양이 많아지면 두 출력포트 사이의 스위칭 시간이 길어지고 열이 많이 발생하는 등 단점이 있다.
한편, 광 스위치 칩의 크기는 두 입력포트 또는 두 출력포트 사이의 간격에 의해 결정되는데, 광섬유와의 접속을 고려하면 두 포트 사이에 최소한의 간격은 유지되어야 하므로 반사각θ을 작게하면 광 도파로 사이의 교차각 2θ가 작아져서 광 스위치 칩의 길이가 길어지는 문제가 있었다.
본발명의 목적은 상술찬 종래기술의 문제점들을 해결하고, 광 스위치 소자의 특성을 개선하기 위한 것으로, 광도파로 사이의 교차각을 크게하여 광 스위치 칩의 크기를 줄이고 내부손실을 감소시켜 누화 특성을 향상 시키는 것이다.
이와같은 목적을 달성하기 위한 기술적인 수단으로서 본 발명은 기판위에 형성되는 광도파로층과 상기 광도파로층위에 순차적으로 형성되는 클래드층의 및 캡층과, 전류주입을 위해 상기 기판만아래와 상기 캡층위에 각각 형성되는 제1전극 및 제2전극을 포함하고 적어도 2개씩의 광 입출력포트를 갓는 반도체 광 스위치 소자에 있어서, 상기 제2전극은 하나의 광입력포트내의 제1반사영역을 형성하기 위해 입사광과 -2θ의 각도를 이루고 하나의 출력포트내의 제2반사영역을 형성하기 위해 상기 입사광과-2θ의 각도를 이루어"∧"형태로 형성되고, 상기 클래드층 및 상기 캡층중 상기 제2전극이 형성되는 영역은 상기 "∧"형태의 상기 제2전극과 평행으로 형성되는 것이 특징이다.
본 발명의 다른 특징적인 사항에 의하면, 다른 하나의 광 입력포트 및 다른하나의 광출력포트의 상기 클래드층 및 상기 캡층의 영역들은 상기 제2전극이 형성되는 영역과 대칭으로 형성되고, 상기 다른하나의 광입력포트 및 상기 다른 하나의 광 출력포트내에 두개의 반사 영역을 각각 형성하기 위해 상기 캡층위에 형성되고 상기 제2전극과 대칭을 이루는 "∨"형태의 제3전극을 하나 더 포함하는 것을 특징으로하는 내부 전반사형 반도체 광 스위치 소자이다.
이제부터 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하겠다.
제2a도는 본 발명의 제1실시예를 나타낸 평면도이고, 제2b도는 제2a도의 B와 B'방향으로 절단한 단면도로서, 사용재질이 InP계 반도체인 경우를 나타낸 것이다.
본 실시예의 광 스위치를 InP계 반도체를 사용한 전류주입형으로 구성할 경우의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
n형 InP 클래드층(1), 및 n형 InGaAsP(또는 InGaAs) 광도파로층(2)과, n형 InP클래드층(3), 및 n형 InGaAsP(또는 InGaAs) 캡층을 에피택시(epitaxy)법으로 결정 성장한 후, 캡층(4)과 클래드(3)층을 식각하여 마루(ridge)형태의 광도파로(2)를 만들고, 여기에, Zn을 확산하거나 Be 이온을 주입하여 p형 클래드영역(7)을 만든다.
그 후에 전류주입을 위한 n형전극(5) 및 p형전극(12)을 형성하면 된다.
이때 굴절율 변화영역에 해당하는 p형 클래드영역(7) 및 캡영역(7)과 p형전극(12)영역의 평면모양은 제2a도에 나타난 바와 같이 a-c 사이에서는 입사빛에 대하여-θ의 각도를 갖고 c'-a' 사이에서는 -2θ의 각도를 갖는 "∧"모양으로 형성하고, 마루형 광도파로층(2)의 하단부(E-F-G영역)또한 굴절율 변화 영역과 평행하도록 형성한다.
이상과 같은 구성을 갖는 본 실시예의 작용을 설명하면 다음과 같다.
진행하는 빛에 대하여 -θ 및-2θ의 각도를 갖고 맞붙어 있는 두개의 반사영역에 전류가 주입되어 반사모드(reflected mode)가 되면, 제1광입력포트(8)로 들어온 빛은 반사영역억 A에서 θ의 각도로 첫번째 전반사를 일으킨 후 다시 반사영역 B에서 θ의 각도로 두번째 전반사를 일으켜 제2의 출력포트(11)로 나가게 된다.
이와같이 두개의 반사면을 갖는 광 스위치(optical switch with two reflector)는 종래의 광 스위치보다 광도파로사이의 교차각이 두배가 큰 4θ가 되어 광 스위치 칩의 길이를 줄일 수 있으며, 광 스위치 칩의 길이가 작아지므로 광도파로에서의 전체 손실이 줄어들게 되며, 광도파로사이의 교차각이 커지므로 두 출력포트(10, 11) 사이의 누화특성이 향상되는 장점들이 있다.
제3a도는 본 발명의 제2실시예를 나타낸 평면도이고, 제3b도는 제3a도의 B와 B'방향으로 절단한 단면도를 나타낸 것으로, 광도파로 교차점의 상단부에도 하단부의 "∧"모양의 반사영역과 대칭을 이루는 제2의 반사영역을 형성하여 제1 및 제2광 입력포트(8, 9)를 모두 사용할 수 있도록 제2의 p형전극(13)이 구성된다.
본 발명의 제1 및 제2실시예에서 전기-광학 효과에 의해 굴절율 변화를 일으키는 경우 n형전극(5)과 제1의 p형전극(12), 또는 n형전극(5)과 제1 및 제2의 p형전극(12, 13)사이에 역바이어스 전압을 걸어 광도파로층(2)에 전기장이 걸리도록 하여 전기-광학효과에 의해 반사영역의 굴절율이 변하도록 한다.
본 발명에서는 InP계 반도체를 재질로 사용한 광 스위치를 제1 및 제2실시예로서 설명하였지만, GaAs계 반도체를 재질로서 사용하는 경우에는 n형 GaAs 기판위에 n형 GaAlAs 버퍼층, n형 GaAs 광도파로층 및, n형 GaAs 캡층으로 구성되고 나머지의 구성은 InP계 반도체의 경우와 동일하다.
이상과 같이 구성되는 반도체 광 스위치에서 p형 영역 및 n형 영역이 바뀌어 있는 경우 즉, p형 기판위에 p형 광도파로층, p형클래드층 및 p형 캡층으로 구성되는 경우에는 클래드층에 Si 이온을 주입함으로써 굴절율 변화 영역을 n형으로 바꾸고 p형 기판및에 p형전극, Si 이온 주입영역 위에 n형전극을 증착하면 된다.
이상과 같은 본 발명에 따른 광 스위치는 광도파로사이의 교차각이 종래 기술보다 적어도 2배이상 크게 구성됨으로써 광 스위치 칩의 크기가 줄어들게 되고, 칩의 크기를 줄일 수 있게 됨으로써 광도파로에서의 빛의 전체손실에 감소 될 뿐만 아니라 광 도파로의 사이의 교차각이 크므로 출력포토 사이의 누화가 적다.
Claims (2)
- 기판(l)위에 형성되는 광도파로층(2)과, 상기 광도파로층(2)위에 순차로 형성되는 클래드층(3) 및 캡층(4)과, 전류주입을 위해 상기 기판(1) 아래화 상기 캡층(4)위에 각각 형성되는 제1전극(5) 및 제2전극(12)을 포함하고 적어도 2개씩의 광입출력포트(8∼11)를 갖는 반도체 광 스위치장치에 있어서, 상기 제2전극(l2)은 상기 광입력포트(8)내의 제1반사영역(A)을 형성하기 위해 입사광과 -θ의 각도를 이루고 상기 광출력포트(10)내의 제2반사영역(B)을 형성하기 위해 상기 입사광과-2θ의 각도를 이루어 "∧"형태로 형성되고, 상기 클래드층(3) 및 상기 캡층(4) 중 상기 제2전극(12)이 형성되는 영역은 상기 "∧"형태의 상기 제2전극(12)과 평행으로 형성되는 것을 특징으로 하는 내부전반사형 반도체 광 스위치 소자.
- 제l항에 있어서, 상기 광 입력포트(9) 및 상기 광출력포트(10)의 상기 클래드층(3) 및 상기 캡층(4)의 영역들은 상기 제2전극(12)이 형성되는 영역과 대칭굴절율으로 형성되고, 상기 광입력포트(9) 및 상기 광출력포트(l0)내에 다른 두개의 반사영역을 각각 형성하기위해 상기 캡층(4)위에 형성되고 상기 제2전극(12)과 대칭을 이루는 "∨"형태의 제3전극(13)을 부가적으로 포함하는 것을 특징으로하는 내부전반사형 반도체 광 스위치 소자.
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