KR970006615B1 - 장파장용 광스윗치 구현을 위한 InP계 다중양자우물 구조의 최적화 방법 - Google Patents

Abstract

내용없음.

Description

장파장용 광스윗치 구현을 위한 InP계 다중양자우물 구조의 최적화 방법

제1도는 전장이 걸리지 않았을 때와 120kV/cm의 전장이 걸렸을때의 광 흡수계수 α의 에너지에 따른 변화.

제2도는 y를 굴절 및 양자 우물 폭에 따른 Υ(=(α(O)-α(F))/α(F))의 변화.

본 발명은 InGaAsP/InP 혼성구조의 물질 구성비 및 양자우물 넓이(폭)를 변화시켜 광 출력 강도비 및 광 흡수율 등을 높여 쌍안정성 광 스윗치의 능률을 극대화함으로써 광 통신 시스템에서 쓰일 수 있는 장파장용 스윗치를 가능하게 하는 방법에 관한 것이다.

종래에, 다중양자우물에 전장을 걸어 주었을 때 일어나는 최대 광 흡수 파장영역의 천이, 즉 QCSE(Quantum Confined Stark Effect : 스타크 양자 속박 효과)의 발견 후에 변조기나 스윗칭 소자에의 응용이 활발히 진행되어 왔으나 이때 쓰인 물질인 GaAs/AlGaAs 혼성구조에서의 작동 파장 영역이 850∼860nm인데 반해 장거리 공섬유 통신에 유용한 파장영역은 손실 최대치를 갖는 1.55㎛ 근처이어야 하므로 광 통신 시스템에의 응용을 위해 InP계 물질로 이루어진 다중양자우물의 광 흡수 효과 및 QCSE의 연구에 대한 관심이 고조되어 왔다.

이에 따라, 근래 InGaAs/InP 다중양자우물구조에서의 QCSE의 관찰 및 이의 광 쌍안정성 소자에의 응용이 보고된 바 있으나, 이 경우 작동 파장영역은 1.55㎛로 만들 수 있지만 GaAs/AlGaAs 혼성구조 다중량자 우물에서의 광흡수 효과에 비해 여기자 흡수 최대치가 작고 선폭확장(linewidth broadening)이 심해 스위칭 소자로의 응용을 위하여 필요한 광 출력 강도비를 얻기 힘든 문제점이 있다.

따라서, 상기 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 장파장용 광스윗치 구현을 InP계 다중양자우물구조의 최적화방법을 제공하는데 목적이 있다.

이에 따라, 본 발명에서는 현재까지 1.55㎛ 장파장 영역에서의 광 흡수 연구가 사중(quaternary) 혼성 물질구조에 비해 격자 성장이 비교적 쉬운 InGaAs/InP나 InGaAs/InAlAs등과 같은 삼중(ternary) 혼성 물질 양자우물 구조에 집중되어 왔음에 착안하여 사중 혼성 물질 구조인 InGaAs/InP의 광 흡수 특성을 연구하여 그 물질 구성 및 구조를 최적화함으로써 InP계 다중양자우물의 문제점을 완화하여 장파장계 광 스윗칭 소자로의 응용을 가능하게 하고자 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 첨부된 도면에 의거하여 상세한 설명을 한다.

이에 앞서, InP계 물질의 경우 광 흡수 계수(Absorption Coefficients)가 선폭(linewidth)에 특히 민감하므로 이를 균질 선폭과 비균질 선폭으로 나누어서 균질 선폭의 경우 보즈-아인슈타인 통계(Bose-Einstein statistics)를 이용하여 양자 산란(phonon scattering)을 고려하여 계산하였고, 비균질 선폭의 경우 우물 쪽의 단층파동(monolayer fluctuation)을 고려하여 계산하였다.

InGaAsP 사중 물질의 감소질량, 유전상수, 굴절율 등을 얻기 위하여는 Adachi의 외삽법 분류표(extrapolation scheme)를 이용하여 삼중 물질들의 계수를 넣어 계산하였다.

여기자 형성에 의한 광 흡수 최대치를 주는 파장영역을 고려하므로 상대적으로 덜 중요한 밴드 대 밴드 추이(band to band transition)에 의한 광 흡수 계수(α)에의 기여는 본 계산에는 포함시키지 않았다.

SEED(Self-electro-optic-effect device)등의 광 쌍안정성을 갖는 광 스윗칭 소자에 이용하기 위해 In_lxGa_xAs_yP_1-y/InP 물질구조의 x,y몰 분수 및 우물 폭을 변화시켜 여기자 광 흡수 효과를 극대화하는 최적화된 구조를 찾아내고자 하며 이를 위해 다음과 같은 변수를 도입하였다.

여기에서 α는 광 흡수계수, F는 전장의 크기를 나타내며 본 계산에서는 120kV/cm를 고려하였다.

이 변수 α는 전장의 크기에 무관한 요소들을 없애주며 Υ를 극대화하는 것이 곧 광 쌍안정성 스윗치 소자의 다음과 같은 두가지 필요 조건을 충족시켜 준다는 잇점이 있다.

첫째 α(O)/α(F)로 정의도는 광 흡수 강도비의 극대화를 보장하며, 둘째로 전장이 걸리지 않았을 때의 광 흡수 최대치, 즉 α(O)를 극대화한다.

Υ의 최대치를 주는 양자우물의 물질 구성비와 구조를 구하기 위해 컴퓨터 프로그램을 만들어 그 최적조건을 구하였고 계산결과, 광 쌍안정성 스윗칭 소자를 위한 In_lxGa_xAs_yP_1-y/InP의 최적화된 구조는 y=1.0, x=0.477, w=90Å로 나타났으며 이때의 Υ값은 30.2로 종래의 삼중 구조에서의 값에 비해 약 3배의 증가를 보여주었다.

이때, α(O)의 값은 y가 작아질수록 커지므로 AFP(Asymmetric Fabry Perot catity)+R-SEED와 같은 고정밀 구조의 스윗치에서는 α(O)가 클수록 유리하므로 InP계 장파장용 SEED의 건성영역에는 삼중보다는 사중구조를 이용한다.

이때의 α(O), 즉 전장이 걸리지 않았을 때의 광흡수계수의 입사 광 에너지에 따른 변화 및 α(F), 즉 120kV/cm의 전장이 걸렸을 때의 광 흡수 계수의 변화는 제1도에서 보여지는 바와 같으며, x,y몰 분수(mole fractions) 및 양자우물폭(quantum well width)에 따른 Υ의 변화는 제2도에서 보여지는 바와 같다.

본 계산은 컴퓨터 시간을 많이 소모하는 계산으로서 최초로 1.55㎛파장영역에서 작동하는 쌍안정 스윗칭소자, 예를 들어 장파장용 SEED와 같은 소자의 구현을 위해 사중 InP물질, 즉 In_l-xGa_xAs_yP_1-y/InP 다중양자우물의 물질 구성 및 구조를 최적화하여 여기자 광 흡수 효과를 증폭하였다는데 그 의미가 있다.

계산된 α값의 절대치는 발표된 실험치들과 거의 같은 범위에 속하거나 약간 작게 나타났으며 밴드 대 밴드 추이를 고려하지 않았음을 감안한 때 이것은 예측할 수 있었던 결과이다.

비슷한 이론 계산으로 모듈레이타(modulator)에의 응용을 고려하여 InGaAs/InP 혼성 물질의 구성과 구조를 최적화한 Nojima와 Wakita가 그들의 양자우물 구성물질을 삼중에서 사중으로 바꿈으로써 얻은 광 흡수 강조비의 현격한 증가에 비하면 본 연구에서 얻은 광 흡수 강도비의 증가는 큰 편이 아니나, 이것은 기대된 것으로 스위칭 소자에의 응용을 고려할 경우 쌍안정성을 얻기 위해 정귀환동작이 필요하며 이를 위해 작동 파장을 헤비 호울(heavy hole) 여기자 흡수 피크에 맞추어야 하기 때문이다.

Nojima와 Wakita는 부귀환동작이 필요한 단순한 모듈레이타에의 응용을 고려하여 그들의 양자우물 구조를 최적화하였다.

종래의 삼중구조와는 약간 다르나 y=1.0 경우, 즉 삼중구조가 본 발명에서 고려된 조건과 범위내에서는 가장 높은 Υ값을 준다는 것이 특기할 만하다.

또한, 격자부정합비가 0.51%이내인 In_l-xGa_xAs_yP_1-y/InP 사중구조에서 최적화된 구조는 x=0.477, y=1.0, 우물폭이 90Å의 두께이므로 이를 장파장용 스윗치의 양자우물 물질 구조로 이용한다.

여기서 상기 x몰 분수를 고정시키고 y몰 분수를 1.0으로 부터 줄여나가 혼성구조를 삼중에서 사중으로 전환시키면 우물폭이 증가하였으나 x와 y몰 분수를 동시에 변환시키면 Υ의 최대치는 줄어든 우물폭에서 얻어졌고, 이때^αmax' 즉 헤비 호울(heavy hole) 여기자 광 흡수 피크에서의 최대 흡수 계수는 증가하여^αmax는 고려된 y값중 가장 작은 값에서 최대치를 나타내었다.

높은^αmax와 같은 SEED를 비대칭 페브리페롯(Fabry-Perot) 공동과 결합시켜 강도비를 늘리고 필요전압을 낮추기를 원할 경우와 같이 복잡한 구조의 소자에서 그 활용영역의 두께를 줄여 구조의 복잡성을 줄여 주므로 바람직하다.

이상과 같은 본 발명은 광섬유를 이용하는 장거리 광통신에 쓰일 광스윗치를 가능하게 하고, 사중 InP계 다중양자우물의 최적화된 구조를 제시함으로써 성장의 방향을 결정할 수가 있다.

Claims (2)

1. 광섬유를 이용한 장거리 통신에 쓰일 수 있는 장파장용 광 스윗칭 소자의 구현방법에 있어서, InGaAs/InP 혼성구조의 구성 성분비 및 구조를 조정하여 광섬유의 손실 최소치를 주는 영역인 1.55㎛ 파장영역에서 작동하며 광 흡수 및 출력 강도비를 극대화하는 최적화된 구조를 찾는 장파장용 광스윗치 구현을 위한 InP계 다중양자우물구조의 최적화방법.
2. 제1항에 있어서, InP 사중 혼성물질의 최적화된 구조를 찾아내기 위해 변수(Υ)를 이용하여 전장이 걸리지 않았을 때의 헤비 호울 여기자에 의한 광흡수 최대치의 극대화된 값을 얻는 것을 특징으로 하는 장파장용 광스윗치 구현을 위한 InP계 다중양자우물 구조의 최적화방법.