WO2023229437A1 - 광소자 - Google Patents

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WO2023229437A1
WO2023229437A1 PCT/KR2023/007309 KR2023007309W WO2023229437A1 WO 2023229437 A1 WO2023229437 A1 WO 2023229437A1 KR 2023007309 W KR2023007309 W KR 2023007309W WO 2023229437 A1 WO2023229437 A1 WO 2023229437A1
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modulator
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band gap
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PCT/KR2023/007309
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김정수
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주식회사 포벨
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    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • H—ELECTRICITY
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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/50—Transmitters

Definitions

  • the present invention relates to an optical device that integrates a light source and a modulator in a DFB-LD (Distributed Feedback Laser Diode) or DBR-LD (Distributed Bragg Reflector) structure having the same active layer.
  • DFB-LD Distributed Feedback Laser Diode
  • DBR-LD Distributed Bragg Reflector
  • a laser light source with a direct laser modulation structure such as DFB-LD (Distributed Feedback laser diode) or DBR-LD (Distributed Bragg Reflector) is used, or DFB-LD or DBR-LD and EA ( An external modulation method that integrates an electro-absorption (MZ) modulator or an MZ (Mach Zhender) modulator is used.
  • DFB-LD Distributed Feedback laser diode
  • DBR-LD distributed Bragg Reflector
  • EA An external modulation method that integrates an electro-absorption (MZ) modulator or an MZ (Mach Zhender) modulator is used.
  • EML Electro Modulated Laser
  • DFB-LD Light Source
  • EA Electro-absorption
  • MZ Motion Zhender
  • the bandgap wavelength of the semiconductor material in the DFB-LD region and the bandgap wavelength of the semiconductor material in the EA modulator region have different characteristics, and typically, the bandgap wavelength of the semiconductor material in the DFB-LD region is It is desirable that the bandgap wavelength of the optical gain region, such as the like, have a wavelength that is approximately 20 nm to 40 nm longer than the band gap wavelength of the EA modulator region.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a conventional modulator integrated light source (EML).
  • EML modulator integrated light source
  • the modulator integrated light source (EML) 100 includes a substrate 110, a first cladding layer 120, a first MQW active layer 131, a second MQW active layer 132, and a second cladding layer ( 141), and may include a third cladding layer 142.
  • MQW Multiple Quantum Well
  • MQW is an abbreviation for Multiple Quantum Well.
  • the first cladding layer 120 is formed on the substrate 110 .
  • the first MQW active layer 131 is formed on one side ('the left side in Figure 1') of the upper part of the first cladding layer 120.
  • the second MQW active layer 132 is formed on the other side ('right side in FIG. 1') of the first cladding layer 120.
  • the first MQW active layer 131 and the second MQW active layer 132 may be provided on the same plane and may be formed on the first cladding layer 120 in various ways.
  • the area of the first MQW active layer 131 corresponds to the light source, and the area of the second MQW active layer 132 corresponds to the modulator.
  • the energy band gap of the second MQW active layer 132 is larger than the energy band gap of the first MQW active layer 131.
  • the second cladding layer 141 is formed on top of the first MQW active layer 131.
  • the third cladding layer 142 is formed on top of the second MQW active layer 132.
  • the conventional modulator-integrated light source includes the first MQW active layer 131 and the second MQW having different energy band gaps so that the energy band gap of the light source region has a smaller value than the energy band gap of the modulator region.
  • An active layer 132 is formed.
  • the first MQW active layer 131 and the second MQW active layer 132 having different energy band gaps
  • the first MQW active layer 131 is first grown, and the first MQW active layer 131 in the area where the modulator is to be grown is grown. is etched, and the second MQW active layer 132 of the modulator is grown in the etched area.
  • controlling the depth of etching, stabilizing the etched surface, and regrowing epi crystals are very difficult processes, and various problems arise during this process.
  • Figure 2 is a diagram for explaining a path through which heat generated in a heater according to a conventional structure is transmitted.
  • the first cladding layer 210 is formed on the substrate 200.
  • the second cladding layer 211 is formed on both sides of the top of the first cladding layer 210.
  • the MWQ active layer 220 is formed in the middle of the second cladding layer 211. As shown in FIG. 2, the width of the MWQ active layer 220 is very narrow (for example, about 1.5 ⁇ m to 2 ⁇ m).
  • the spatial resolution of the semiconductor lithography method used to manufacture conventional optical devices is about 1 ⁇ m, it is very difficult to manufacture a heater on the MWQ active layer 220, which has a narrow width of about 1.5 ⁇ m to 2 ⁇ m.
  • the light source is TDM (Time domain multiplexing), and multiple subscribers use one optical wavelength channel by dividing it in time.
  • TDM time division method
  • the light source of the EML device which is a combination of a light source such as a DFB-LD device and a modulator, must also be turned on and off ('burst mode').
  • the temperature of the light source changes due to its own heat generated from the light source, which causes the problem that the wavelength of the light source changes accordingly.
  • the purpose of the present invention is to reduce the energy band gap of the light source area by using a heater in a situation where the energy band gap of the light source area and the modulator area are the same, thereby making the energy band gap of the light source area smaller than the energy band gap of the modulator area.
  • the purpose is to enable it to operate normally.
  • Another object of the present invention is to form the second cladding layer in a structure in which the width becomes wider as it goes upward, so that electrodes, etc. can be conveniently formed on the wide upper part, making manufacturing very easy.
  • Another object of the present invention is to form the second cladding layer in a structure where the width becomes wider as it goes upward, so that the heat generated from the heater can be concentrated in the active area without being dispersed, thereby delivering the desired heat to the active area in a short period of time.
  • the purpose is to provide an optical device that not only transfers heat but also has excellent thermal energy efficiency by not dispersing heat.
  • Another object of the present invention is to control the thermal power of the heater at the time the light source is turned on in burst mode to offset the thermal power generated when the light source is turned on, thereby maintaining the total thermal power constant for the entire time.
  • the purpose is to maintain not only the wavelength of the light source constant even if time changes, but also the energy band gap.
  • the optical device includes a first cladding layer formed on an upper part of a substrate, an MQW (Multiple Quantum Well) active layer formed on an upper part of the first cladding layer throughout the light source area and the modulator area, and the MQW active layer. It includes a heater that adjusts the energy band gap of the light source by applying heat to the second cladding layer formed on the top and the MQW active layer corresponding to the light source area.
  • MQW Multiple Quantum Well
  • the heater applies heat to the MQW active layer corresponding to the light source area to increase the temperature, thereby reducing the light source energy band gap, so that the light source energy band gap becomes smaller than the modulator energy band gap in the modulator area.
  • the second cladding layer in the light source area is characterized in that the lower width is smaller than the upper width.
  • the optical device may further include a first electrode formed on the second cladding layer and an insulating film formed on the first electrode, and the heater may be formed on the insulating film.
  • the height of the second cladding layer formed between the light source area and the modulator area is higher than that of the cladding layer formed between the light source area and the modulator area.
  • the optical device further includes a second electrode formed on top of the second cladding layer in the modulator region.
  • the heater maintains thermal power (P) to form the desired light source energy band gap in the light source area, but when the optical element is driven in burst mode, the light source is turned on in burst mode and thermal power (R) is generated. At times, the thermal power (P) of the heater is changed to 'thermal power (P) - thermal power (R)', so that the thermal power (P) is maintained constant even when driven in burst mode.
  • the energy band gap of the light source area is reduced by using a heater, so that the energy band gap of the light source area is smaller than the energy band gap of the modulator area, so that the modulator can be operated normally.
  • the present invention forms the second cladding layer in a structure in which the width becomes wider as it goes upward, so that electrodes, etc. can be conveniently formed on the wide upper part, making manufacturing very easy.
  • the present invention forms the second cladding layer in a structure where the width becomes wider as it goes upward, so that the heat generated from the heater is not dispersed but is concentrated in the active area, making it possible to transfer the desired heat to the active area in a short time.
  • thermal energy efficiency is also excellent.
  • the present invention controls the thermal power of the heater at the time the light source is turned on in burst mode to offset the thermal power generated when the light source is turned on, thereby maintaining the total thermal power constant during the entire time.
  • the purpose is to ensure that not only the wavelength of the light source remains constant even if time changes, but also the energy band gap remains constant.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a conventional modulator integrated light source (EML).
  • EML modulator integrated light source
  • Figure 2 is a diagram for explaining the direction in which heat generated from a conventional heater is radiated.
  • Figures 3 and 4 are diagrams for explaining the principles of light emission and light absorption.
  • 5 and 6 are diagrams for explaining the principle of light modulation in an optical device in which a light source and a modulator are integrated.
  • FIGS. 7, 8, 9, and 10 are diagrams for explaining an optical device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 11 is a diagram for explaining a method of adjusting the energy band gap in an optical device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a method of controlling a heater when an optical device operates in burst mode according to an embodiment of the present invention.
  • Figures 3 and 4 are diagrams for explaining the principles of light emission and light absorption.
  • the light source and the modulator have the same energy gap, the light emitted from the light source is easily absorbed by the modulator, reducing the transmittance of the modulator.
  • 5 and 6 are diagrams for explaining the principle of light modulation in an optical device in which a light source and a modulator are integrated.
  • the light source and modulator may be divided into a light source area 300 and a modulator area 400.
  • the modulator region 400 when no reverse voltage is applied to the modulator and the size of the energy band gap 430 of the modulator between the conduction band 410 and the valence band 420 does not change, the modulator Since the energy band gap 430 of the region 400 is larger than the energy band gap of the light source region 300, the energy emitted from the light source passes through the modulator without being absorbed.
  • the energy band gap 430 of the modulator is reduced (440) due to the quantum confined stark effect (QCSE) (e.g., the energy band gap of the light source).
  • QCSE quantum confined stark effect
  • the modulator area absorbs the light emitted from the light source well and exhibits the basic characteristics (function) of the modulator. In this way, it can be confirmed that the modulator operates well when the energy band gap in the modulator area is made larger than the energy band gap in the light source area.
  • FIGS. 7, 8, 9, and 10 are diagrams for explaining an optical device according to an embodiment of the present invention.
  • the optical device 700 includes a substrate 710, a first cladding layer 720, an MQW active layer 730, a second cladding layer 740, a first electrode 750, and an insulating film 760. , it may include a heater 770, a second electrode 780, and a control unit (not shown).
  • the light source included in the optical device 700 may have a DFB-LD or DBR-LD structure.
  • the first cladding layer 720 may be formed on the substrate 710 .
  • the MQW active layer 730 may be formed on top of the first cladding layer 720.
  • the MQW active layer 131 is formed by one-time epi-crystal growth over both the light source area 800, which is the left area based on FIG. 7, and the modulator area 900, which is the right area based on FIG. 7, and is the same rather than different MQW active layers.
  • One MQW active layer may be formed on top of the first cladding layer 720.
  • the second cladding layer 740 may be formed on top of the MQW active layer 730.
  • the height of the second cladding layer 740 formed in the light source area 800 and the modulator area 900 is almost similar, and the cladding layer formed between the light source area 800 and the modulator area 900 is formed in the light source area ( It may be formed lower than the cladding layer formed in the 800) and the modulator region 900.
  • the second cladding layer 740 may further include a grating portion 740 on its inner lower side.
  • the grating portion 740 may be formed on the first cladding layer 720 instead of the second cladding layer 740.
  • the first electrode 750 may be formed on the second cladding layer 740 of the light source area 800.
  • the first electrode 750 is a P electrode, and electrons in the electrode move to the MQW active layer 730 through the second cladding layer 740.
  • the insulating film 760 may be formed between the first electrode 750 and the heater 770.
  • the insulating film 760 may insulate the first electrode 750 and the heater 770.
  • the heater 770 generates heat, and the generated heat may be transferred to the MQW active layer 730 through the first electrode 750 and the second cladding layer 740.
  • the second electrode 780 may be formed on the second cladding layer 740 of the modulator region 900.
  • the second electrode 780 is an electrode used to apply a reverse voltage to the modulator.
  • a reverse voltage is applied to the modulator using the second electrode 780, the energy band gap 930 of the modulator is reduced by the quantum confined stark effect (QCSE).
  • QCSE quantum confined stark effect
  • the MQW active layer 730 is formed identically across the light source region 800 and the modulator region 900, the area between the conduction band 810 and the valence band 820 of the light source region 800 A light source energy band gap 830 and a modulator energy band gap between the conduction band 910 and the valence band 920 of the modulator region 900. (930) is the same.
  • a control unit may control the operation of components formed in the optical device.
  • the control unit can control the first electrode, second electrode, heater, etc. according to the input control signal.
  • connection area between the light source and the modulator conversion part may be an electrical isolation area.
  • FIG. 8 is a view of the second cladding layer 740, the first electrode 750, the insulating film 760, and the heater 770 in the 'A direction' shown in FIG. 7.
  • the second cladding layer 740 may have a lower width 742 that is smaller than an upper width 743.
  • the second cladding layer 740 may have a reverse mesa structure.
  • the second cladding layer 740 has the structure shown in FIG. 8, the first electrode 750, the insulating film 760, and the heater 770 are narrowed as the lower width 742 of the second cladding layer 740. It is very easy to manufacture because it can be installed in a wide area such as the upper width 743 of the second cladding layer 740, rather than being formed in a small area.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the path along which heat generated in the heater of FIG. 8 moves.
  • the heat generated by the heater 770 may move 744 intensively along the structure of the second cladding layer 740 to the active area 731 of the MQW active layer 730 without being dispersed.
  • the thermal energy efficiency is also very excellent.
  • FIG. 10 is a view of the second cladding layer 740 and the second electrode 780 in the 'B direction' shown in FIG. 7.
  • the second cladding layer 740 in the modulator area may be formed in a direction perpendicular to the MQW active layer 730.
  • the second cladding layer 740 may have a vertical mesa structure, but it is not limited to this structure and the second cladding layer 740 may be formed in various structures.
  • the second electrode 780 may be formed on the second cladding layer 740.
  • Figure 11 is a diagram for explaining a method of adjusting the energy band gap in an optical device according to an embodiment of the present invention.
  • the light source energy band gap 1130 of the light source area 1000 and the modulation energy band gap 1230 of the modulator area 1020 have the same value.
  • the light source energy band gap 1130 must be smaller than the modulation energy band gap 1230 of the modulator region 1020.
  • the light source energy band gap 1130 can be reduced by applying heat to the light source area 1000 to increase the temperature using a heater.
  • the reduction of the energy band gap according to temperature is typically reduced to 0.4 to 0.5 nm/°C when converted to wavelength.
  • the band gap wavelength shifts to a longer wavelength of about 20 nm or the energy band gap decreases.
  • the light source energy band gap 1130 can be reduced to be similar to the light source energy band gap 1130 of the light source area 1010. Accordingly, the light source energy band gap 1130 can be made smaller than the modulator energy band gap 1230 of the modulation region 1020.
  • the energy band gap 1230 of the modulator region 1020 is that of the light source region 1010. Because it is larger than the reduced energy band gap 1030, the light of energy emitted from the light source passes through the modulator without being absorbed.
  • the energy band gap 1230 of the modulator region 1030 is reduced due to the quantum confined stark effect (QCSE) (e.g., the reduced energy band gap (energy) of the light source region 1010 band gap) (1130), in this case, the modulator area absorbs the light emitted from the light source well and shows the basic characteristics (function) of the modulator.
  • QCSE quantum confined stark effect
  • the energy band gap in the light source area is reduced using a heater so that the energy band gap in the light source area is smaller than the energy band gap in the modulator area, so that the modulator can operate normally.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a method of controlling a heater when an optical device operates in burst mode according to an embodiment of the present invention.
  • the light source is completely turned off and alternately turned on, so the light source according to this embodiment
  • the ruler's light source must also be turned on and off ('burst mode').
  • the heater 770 may generate thermal power (P) to obtain the energy band gap 1130 of the desired light source (1200).
  • the thermal power (P) generated from the heater 770 and the thermal power (R) generated when the light source is turned on in burst mode are combined, the thermal power is not constant and 'P+R' and 'P' It changes into electric power (1220). In this case, not only does a problem occur where the wavelength of the light source changes depending on the thermal power, but the energy band gap also changes over time.
  • the heater 770 of the present invention changes the thermal power of the heater 770 to “P -> P-R” when the light source is turned on and thermal power (R) is generated in burst mode (1230) .
  • the control unit (not shown) can control the heater 770 to operate as above.
  • Thermal power (P) can be kept constant.
  • the total thermal power can be kept constant, so not only the wavelength of the light source can be constant even if time changes, but the energy band gap can also be constant.
  • the described embodiments may be configured by selectively combining all or part of each embodiment so that various modifications can be made.

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Abstract

본 발명은 기판의 상부에 형성되는 제 1 클래딩층과, 광원 영역 및 변조기 영역의 전체에 걸쳐 상기 제 1 클래딩층의 상부에 형성되는 MQW(Multiple Quantum Well) 활성층과, 상기 MQW 활성층의 상부에 형성되는 제 2 클래딩층 및 상기 광원 영역에 대응되는 MQW 활성층에 열을 인가하여, 광원의 에너지 밴드 갭을 조정하는 히터를 포함하는 광소자를 제공한다.

Description

광소자
본 발명은 동일한 활성층을 가지는 DFB-LD(Distributed Feedback laser diode) 또는 DBR-LD(Distributed Bragg Reflector) 구조의 광원과 변조기를 일체형으로 구현한 광소자에 관한 것이다.
현재 광통신에는 DFB-LD(Distributed Feedback laser diode) 또는 DBR-LD(Distributed Bragg Reflector)등과 같이 직접 변조(direct laser modulation)하는 구조의 레이저 광원이 사용되든지, 아니면 DFB-LD 또는 DBR-LD와 EA(Electro-absorption) 변조기 또는 MZ(Mach Zhender) 변조기를 집적하는 외부변조방식(external modulation)이 사용되고 있다.
DFB-LD 등 광원과 EA(Electro-absorption) 변조기 또는 MZ(Mach Zhender) 변조기가 집적된 EML(Electro Modulated Laser)은 DFB-LD등 광원을 직접 전류 변조하는 경우에 발생하는 처프(chirp) 현상을 최소화하여 고속에서 장거리 통신이 가능하게 한다.
특히, EA 변조기가 집적된 EML 광원의 경우에 DFB-LD 영역의 반도체 물질의 밴드갭 파장과 EA 변조기 영역의 반도체 물질의 밴드갭 파장은 서로 다른 특성을 가지는 것이 바람직하며, 통상적으로는 DFB-LD 등의 광 이득 영역의 밴드갭 파장이 EA 변조기 영역의 밴드갭 파장보다 20nm ~ 40nm 정도 긴 파장을 가지는 것이 바람직하다. 레이저 광원 제작을 위한 에피 결정 성장에서 DFB-LD 영역과 EA 변조기 영역의 밴드갭 파장을 달리하는 방법은 SAG(Selective Area Growth) 기법 등 매우 제한적으로 적용되었다. 통상적으로, DFB-LD 영역의 결정 성장 후 변조기가 들어갈 부분의 DFB-LD 용 에피 결정을 제거하고, 변조기에 적절한 에피 결정을 다시 성장하는 등 그 제작 방법이 매우 어려워 광소자의 단가가 비싸지는 등의 단점이 있어왔다.
도 1은 종래의 변조기 집적 광원(EML)을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 변조기 집적 광원(EML)(100)은 기판(110), 제 1 클래딩층(120), 제 1 MQW 활성층(131), 제 2 MQW 활성층(132), 제 2 클래딩층(141), 제 3 클래딩층(142)을 포함할 수 있다. 여기서, 다중 양자 우물(MQW)은 Multiple Quantum Well의 약자이다.
제 1 클래딩층(120)은 기판(110)의 상부에 형성된다.
제 1 MQW 활성층(131)은 상기 제 1 클래딩층(120)의 상부의 일측('도 1 기준으로는 좌측') 형성된다.
제 2 MQW 활성층(132)은 상기 제 1 클래딩층(120)의 상부의 타측('도 1 기준으로는 우측') 형성된다. 여기서, 제 1 MQW 활성층(131) 및 제 2 MQW 활성층(132)은 동일 평면에 구비될 수 있으며, 다양한 방식으로 제 1 클래딩층(120)의 상부에 형성될 수 있다.
제 1 MQW 활성층(131) 영역은 광원에 대응되고, 제 2 MQW 활성층(132) 영역은 변조기에 대응된다.
제 2 MQW 활성층(132)의 에너지 밴드 갭은 제 1 MQW 활성층(131)의 에너지 밴드 갭보다 크다.
제 2 클래딩층(141)은 제 1 MQW 활성층(131)의 상부에 형성된다.
제 3 클래딩층(142)은 제 2 MQW 활성층(132)의 상부에 형성된다.
이와 같이, 종래 변조기 집적 광원(EML)은 광원 영역의 에너지 밴드 갭이 변조기 영역의 에너지 밴드갭보다 작은 값을 가지도록 하기 위해, 에너지 밴드 갭이 서로 다른 제 1 MQW 활성층(131) 및 제 2 MQW 활성층(132)을 형성한 것입니다.
에너지 밴드 갭이 서로 다른 제 1 MQW 활성층(131) 및 제 2 MQW 활성층(132)을 형성하기 위해서는 제 1 MQW 활성층(131)를 먼저 성장하고, 변조기가 성장될 영역의 제 1 MQW 활성층(131)를 식각하고, 식각된 영역에 변조기의 제 2 MQW 활성층(132)을 성장하게 된다. 이러한 과정에서 식각의 깊이 조절, 식각면의 안정화, 에피 결정 재성장은 매우 어려운 공정으로, 이러한 과정에서 다양한 문제들이 발생하고 있다.
도 2는 종래의 구조에 따른 히터에서 발생한 열이 전달되는 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 제 1 클래딩층(210)은 기판(200)의 상부에 형성된다.
제 2 클래딩층(211)은 제 1 클래딩층(210)의 상부의 양측에 형성된다.
MWQ 활성층(220)은 제 2 클래딩층(211)의 가운데 형성된다. MWQ 활성층(220)의 폭은 도 2에서 보듯이 매우 좁은 폭(예를 들면, 1.5um~2um 정도)을 가지고 있다.
이러한 종래 기술에서, 히터(미도시)에서 발생한 열은 MWQ 활성층(220)에 집중되어 전달되는 것이 아니라 주변 전체 영역으로 전달(240)되므로, 히터에서 발생하는 열이 온전히 MWQ 활성층(220)의 온도 상승에 기여되지 않아 비효율적으로 열이 전달되어 전체적인 에너지 효율이 현저히 떨어지는 문제가 있다.
또한, 통상적인 광소자 제작에 사용되는 반도체 리소그라피법의 공간분해능력이 1um 정도 되므로, 폭이 1.5um~2um 정도로 좁은 MWQ 활성층(220) 위에 히터를 제작하는 것은 매우 어렵다.
현재 NG-PON2(IEEE G.989.2)등의 국제 표준화된 통신 방식에서는 광원이 TDM(Time domain multiplexing) 방식으로 여러 가입자가 하나의 광 파장 채널을 시간적으로 분할하여 사용하게 된다. 즉 통신을 사용하지 않는 가입자의 레이저 광원은 완전히 꺼져야 하며, 그러므로 시분할 방식(TDM)에서는 광원이 완전히 꺼졌다, 켜졌다 (on-off)를 교대로하게 된다. 반도체 레이저는 온도에 따라 발진 파장이 민감하게 변동되게 되며, 그러므로 DFB-LD 소자등의 광원과 변조기가 결합된 EML 소자의 광원도 on-off를 하여야('burst mode') 한다. 시분할 방식에서 광원이 켜지게 되면 광원에서 발생하는 자체 열 때문에 광원의 온도가 변화하게 되며, 이에 따라 광원의 파장이 변화하게 되는 문제가 발생한다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술의 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
[이 발명을 지원한 국가연구개발사업]
[과제고유번호] 2022000523
[과제번호] 2022-0-00523
[부처명] 과학기술정보통신부
[과제관리(전문)기관명] 정보통신기획평가원
[연구사업명] 방송통신산업기술개발
[연구과제명] 25Gbps　기반　4채널　100Gbps NG-PON2+　트랜시버 개발
[기여율] 1/1
[과제수행기관명] (주)포벨
[연구기간] 2022.04.01~2024.12.31
본 발명의 목적은 광원 영역 및 변조기 영역의 에너지 밴드 갭이 동일한 상황에서, 히터를 이용하여 광원 영역의 에너지 밴드 갭을 축소시킴으로써, 광원 영역의 에너지 밴드 갭이 변조기 영역의 에너지 밴드 갭보다 작게 하여 변조기를 정상적으로 작동시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또 다른 본 발명의 목적은 제 2 클래디층을 위쪽으로 갈 수록 폭이 넓어지는 구조로 형성함으로써, 폭이 넓은 위쪽에 전극 등을 편리하게 형성할 수 있어 제작을 매우 용이하게 하는 것을 목적으로 한다.
또 다른 본 발명의 목적은 제 2 클래디층을 위쪽으로 갈 수록 폭이 넓어지는 구조로 형성함으로써, 히터에서 발생한 열이 분산되지 않고 활성 영역으로 집중될 수 있도록 하여 짧은 시간에 원하는 열을 활성 영역에 전달할 수 있을 뿐만 아니라 열이 분산되지 않음으로 열 에너지 효율도 우수한 광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또 다른 본 발명의 목적은 burst 모드에서 광원이 온(on) 되는 시간에 히터의 열전력을 광원이 온(on) 될때 발생하는 열전력과 상쇄되도록 제어함으로써, 전체 시간동안 전체 열전력을 일정하게 유지하여 시간이 변하더라도 광원의 파장이 일정할 뿐만아니라 에너지 밴드 갭도 일정하게 될 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 실시예에 따른 광소자는 기판의 상부에 형성되는 제 1 클래딩층과, 광원 영역 및 변조기 영역의 전체에 걸쳐 상기 제 1 클래딩층의 상부에 형성되는 MQW(Multiple Quantum Well) 활성층과, 상기 MQW 활성층의 상부에 형성되는 제 2 클래딩층 및 상기 광원 영역에 대응되는 MQW 활성층에 열을 인가하여, 광원의 에너지 밴드 갭을 조정하는 히터를 포함한다.
히터는 상기 광원 영역에 대응되는 MQW 활성층에 열을 인가하여 온도를 높여, 광원 에너지 밴드 갭이 축소되도록 하여, 광원 에너지 밴드 갭이 변조기 영역에 있는 변조기 에너지 밴드 갭보다 작게되는 것을 특징으로 한다.
광원 영역에 있는 제 2 클래딩층은 아래쪽 폭이 위쪽 폭 보다 작은 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.
광소자는 상기 제 2 클래딩층의 상부에 형성되는 제 1 전극 및 상기 제 1 전극의 상부에 형성되는 절연막을 더 포함하고, 상기 히터는 상기 절연막의 상부에 형성될 수 있다.
제 2 클래딩층은 상기 광원 영역 및 상기 변조기 영역에 형성된 클래딩층의 높이는 상기 광원 영역 및 변조기 영역의 사이에 형성된 클래딩층보다 높게 형성된다.
광소자는 변조기 영역에 있는 제 2 클래딩층의 상부에 형성되는 제 2 전극을 더 포함한다.
히터는 광원 영역의 원하는 광원 에너지 밴드 갭을 형성하기 위한 열전력(P)을 유지하되, 광소자가 burst 모드로 구동되는 경우, burst 모드에서 광원이 온(on)되어 열전력(R)이 발생하는 시간에는 히터의 열전력(P)를 '열전력(P)-열전력(R)'로 변경하여, burst 모드로 구동되더라도 열전력(P)로 일정하게 유지되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 광원 영역 및 변조기 영역의 에너지 밴드 갭이 동일한 상황에서, 히터를 이용하여 광원 영역의 에너지 밴드 갭을 축소시킴으로써, 광원 영역의 에너지 밴드 갭이 변조기 영역의 에너지 밴드 갭보다 작게 하여 변조기를 정상적으로 작동시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 제 2 클래디층을 위쪽으로 갈 수록 폭이 넓어지는 구조로 형성함으로써, 폭이 넓은 위쪽에 전극 등을 편리하게 형성할 수 있어 제작을 매우 용이하게 할 수 있다.
또한, 본 발명은 제 2 클래디층을 위쪽으로 갈 수록 폭이 넓어지는 구조로 형성함으로써, 히터에서 발생한 열이 분산되지 않고 활성 영역으로 집중될 수 있도록 하여 짧은 시간에 원하는 열을 활성 영역에 전달할 수 있을 뿐만 아니라 열이 분산되지 않음으로 열 에너지 효율도 우수한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 burst 모드에서 광원이 온(on) 되는 시간에 히터의 열전력을 광원이 온(on) 될때 발생하는 열전력과 상쇄되도록 제어함으로써, 전체 시간동안 전체 열전력을 일정하게 유지하여 시간이 변하더라도 광원의 파장이 일정할 뿐만아니라 에너지 밴드 갭도 일정하게 될 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 종래의 변조기 집적 광원(EML)을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래의 히터에서 발생한 열이 방사되는 방향을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4는 발광 원리와 광 흡수 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6은 광원 및 변조기가 집적된 광소자에서의 광 변조 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 7, 도 8, 도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 광소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 광소자에서 에너지 밴드 갭을 조절하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 광소자가 burst 모드로 동작하는 경우에 히터의 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 대하여 상세하게 설명한다.
도 3 및 도 4는 발광 원리와 광 흡수 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, p-n 접합 구조에서 전류가 주입되면, 반도체 에피 결정 구조에 의해 나타나는 전도대(conduction band)(310)와 가전자대(valence band)(320) 사이의 에너지 밴드 갭(energy band gap)(330)을 뛰어 넘는 전자 이동이 일어나게 되고, 이 에너지에 해당하는 파장의 광자가 방출된다.
도 4를 참조하면, 반도체에서 빛이 흡수되면, 에너지 밴드 갭(330)을 뛰어 넘는 광자 에너지를 흡수하여 전자가 가전자대(320)에서 전도대(310)로 이동하게 되면서 광의 흡수가 일어난다.
이에 광원과 변조기가 동일한 에너지갭을 가지면, 광원에서 방출된 빛이 변조기에서 쉽게 흡수되어 변조기에서의 투과율이 떨어지게 된다.
도 5 및 도 6은 광원 및 변조기가 집적된 광소자에서의 광 변조 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6에서는 광원 영역의 에너지 밴드 갭(330)보다 변조기 영역의 에너지 밴드 갭(430)이 큰 경우를 기준으로 광 변조를 설명한다.
도 5를 참조하면, 광원 및 변조기는 광원 영역(300) 및 변조기 영역(400)으로 구분될 수 있다.
광원 영역(300)에서는 전도대(conduction band)(310)와 가전자대(valence band)(320) 사이의 광원의 에너지 밴드 갭(energy band gap)(330)을 뛰어 넘는 전자 이동이 일어나게 되고, 이 에너지에 해당하는 파장의 광자가 방출된다.
변조기 영역(400)에서는 변조기에 역방향 전압이 걸리지 않아 전도대(conduction band)(410)와 가전자대(valence band)(420) 사이의 변조기의 에너지 밴드갭(430)의 크기가 변화되지 않는 경우, 변조기 영역(400)의 에너지 밴드 갭(430)이 광원 영역(300)의 에너지 밴드 갭보다 크기 때문에 광원에서 방출된 에너지의 빛은 변조기에서 흡수되지 않고 그대로 통과하게 된다.
도 6을 참조하면, 변조기에 역방향의 전압이 걸리면 QCSE(Quantum confined stark effect)에 의해 변조기의 에너지 밴드 갭(430)이 줄어(440)들게 되고(예를 들면, 광원의 에너지 밴드 갭(energy band gap)(330)과 동일하게 될 수 있음), 이 경우 변조기 영역은 광원에서 방출된 광을 잘 흡수하여 변조기의 기본 특성(기능)을 보이게 된다. 이와 같이, 광원 영역의 에너지 밴드 갭보다 변조기 영역의 에너지 밴드 갭을 크게 하였을 경우, 변조기가 잘 동작함을 확인할 수 있다.
도 7, 도 8, 도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 광소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 광소자(700)는 기판(710), 제 1 클래딩층(720), MQW 활성층(730), 제 2 클래딩층(740), 제 1 전극(750), 절연막(760), 히터(770), 제 2 전극(780) 및 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
광소자(700)에 포함된 광원은 DFB-LD 또는 DBR-LD 구조를 가질 수 있다.
제 1 클래딩층(720)은 기판(710)의 상부에 형성될 수 있다.
MQW 활성층(730)은 제 1 클래딩층(720)의 상부에 형성될 수 있다. MQW 활성층(131)은 도 7 기준으로 좌측 영역인 광원 영역(800) 및 도 7 기준을 우측 영역인 변조기 영역(900) 모두에 걸쳐 한번의 에피 결정 성장으로 형성되어, 서로 다른 MQW 활성층이 아닌 동일한 한 개의 MQW 활성층이 제 1 클래딩층(720)의 상부에 형성될 수 있다.
제 2 클래딩층(740)은 MQW 활성층(730)의 상부에 형성될 수 있다. 제 2 클래딩층(740)은 광원 영역(800) 및 변조기 영역(900)에 형성된 클래딩층의 높이는 거의 비슷하고, 광원 영역(800) 및 변조기 영역(900)의 사이에 형성된 클래딩층은 광원 영역(800) 및 변조기 영역(900)에 형성된 클래딩층보다 낮게 형성될 수 있다.
제 2 클래딩층(740)은 내부의 하측에 그레이팅(grating)부(740)을 더 포함할 수 있다.
또 다른 실시예로, 그레이팅(grating)부(740)는 제 2 클래딩층(740)이 아닌 제 1 클래딩층(720)의 상부에 형성될 수도 있다.
제 1 전극(750)은 광원 영역(800)의 제 2 클래딩층(740)의 상부에 형성될 수 있다.
제 1 전극(750)은 P 전극으로, 전극에 있는 전자들이 제 2 클래딩층(740)을 통해 MQW 활성층(730)으로 이동하게 된다.
절연막(760)은 제 1 전극(750) 및 히터(770)의 사이에 형성될 수 있다. 절연막(760)은 제 1 전극(750) 및 히터(770) 사이를 절연시킬 수 있다.
히터(770)는 열을 발생시키고, 발생된 열은 제 1 전극(750) 및 제 2 클래딩층(740) 등을 통해 MQW 활성층(730)으로 전달될 수 있다.
제 2 전극(780)은 변조기 영역(900)의 제 2 클래딩층(740)의 상부에 형성될 수 있다.
제 2 전극(780)은 변조기에 역방향의 전압을 걸기 위해 사용되는 전극이다. 제 2 전극(780)을 이용하여, 변조기에 역방향의 전압이 걸리면 QCSE(Quantum confined stark effect)에 의해 변조기의 에너지 밴드 갭(930)이 줄어들게 된다.
MQW 활성층(730)이 광원 영역(800) 및 변조기 영역(900)에 걸쳐 동일하게 형성되어 있으므로, 광원 영역(800)의 전도대(conduction band)(810)와 가전자대(valence band)(820) 사이의 광원 에너지 밴드 갭(energy band gap)(830) 및, 변조기 영역(900)의 전도대(conduction band)(910)와 가전자대(valence band)(920) 사이의 변조기 에너지 밴드 갭(energy band gap)(930)은 동일하다.
제어부(미도시)는 광소자에 형성된 구성들의 구동을 제어할 수 있다. 예를 들면, 제어부(미도시)는 입력되는 제어 신호에 따라 제 1 전극, 제 2 전극, 히터 등을 제어할 수 있다.
광원과 변조기 변환 부분의 연결 부위가 전기적으로 아이솔레이션(isolation) 영역이 될 수 있다.
도 8은 도 7에 표시된 'A방향'에서 제 2 클래딩층(740), 제 1 전극(750), 절연막(760) 및 히터(770)를 바라본 도면이다.
도 8을 참조하면, 제 2 클래딩층(740)은 아래쪽 폭(742)이 위쪽 폭(743) 보다 작은 형태를 가질 수 있다. 예를 들면, 제 2 클래딩층(740)은 역메사(reverse mesa) 구조를 가질 수 있다.
제 2 클래디층(740)이 도 8과 같은 구조를 가짐으로써, 제 1 전극(750), 절연막(760) 및 히터(770)을 제 2 클래딩층(740)의 아래쪽 폭(742)과 같이 좁은 곳에 형성하지 않고, 제 2 클래딩층(740)의 위쪽 폭(743)과 같이 넓은 곳에 설치할 수 있으므로 제작이 매우 용이하다.
도 9는 도 8의 히터에서 발생한 열이 이동하는 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 히터(770)에서 발생한 열은 제 2 클래딩층(740)의 구조물을 따라 MQW 활성층(730)의 활성 영역(731)으로 분산되지 않고 집중적으로 이동(744)할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 히터(770)에서 발생한 열이 분산되지 않고 활성 영역(731)으로 집중되는 구조를 가짐으로써, 짧은 시간에 원하는 열을 활성 영역(731)에 전달할 수 있을 뿐만 아니라 열이 분산되지 않음으로 열 에너지 효율도 매우 우수한 것이다.
도 10은 도 7에 표시된 'B방향'에서 제 2 클래딩층(740) 및 제 2 전극(780)을 바라본 도면이다.
도 10을 참조하면, 변조기 영역에 있는 제 2 클래딩층(740)는 MQW 활성층(730)에 수직한 방향으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 제 2 클래딩층(740)은 버티컬 메사 구조일 수 있으나, 이러한 구조에 한정되지 않고 제 2 클래딩층(740)은 다양한 구조로 형성될 수 있다.
제 2 전극(780)은 제 2 클래딩층(740)의 상측에 형성될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 광소자에서 에너지 밴드 갭을 조절하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 도 7에서 설명한 바와 같이 광원 영역(1000)의 광원 에너지 밴드 갭(1130) 및 변조기 영역(1020)의 변조 에너지 밴드 갭(1230)은 동일한 값을 갖는다.
그러나, 정상적인 변조기 특성(성능)을 발휘하기 위해서는 광원 에너지 밴드 갭(1130)이 변조기 영역(1020)의 변조 에너지 밴드 갭(1230)보다 작아야 한다.
이에, 본 발명에서는 히터를 이용하여, 광원 영역(1000)에 열을 가하여 온도를 높여 광원 에너지 밴드 갭(1130)을 줄일 수 있다.
예를 들면, 온도에 따른 에너지 밴드 갭의 축소는 파장으로 변환하면 통상적으로 0.4~0.5nm/℃의 에너지 밴드 갭이 축소된다. 즉, 40℃ 정도 온도 상승은 밴드갭 파장 20nm 정도의 장파장 이동 또는 에너지 밴드 갭이 축소된다.
위와 같이 광원 영역(1000)에 열을 가하여 광원 에너지 밴드 갭(1130)을 광원 영역(1010)의 광원 에너지 밴드 갭(1130)과 같이 축소시킬 수 있다. 이에 따라, 광원 에너지 밴드 갭(1130)이 변조 영역(1020)의 변조기 에너지 밴드 갭(1230)보다 작게 할 수 있다.
이와 같이, 이에 따라, 광원 에너지 밴드 갭(1130)이 변조 영역(1020)의 변조기 에너지 밴드 갭(1230)보다 작게 한 이후, 변조기 영역(1020)에서는 변조기에 역방향 전압이 걸리지 않아 전도대(conduction band)(1210)와 가전자대(valence band)(1220) 사이의 변조기의 에너지 밴드갭(1230)의 크기가 변화되지 않는 경우, 변조기 영역(1020)의 에너지 밴드 갭(1230)이 광원 영역(1010)의 축소된 에너지 밴드 갭(1030)보다 크기 때문에 광원에서 방출된 에너지의 빛은 변조기에서 흡수되지 않고 그대로 통과하게 된다.
만약 변조기에 역방향의 전압이 걸리면 QCSE(Quantum confined stark effect)에 의해 변조기 영역(1030)의 에너지 밴드 갭(1230)이 줄어들게 되고(예를 들면, 광원 영역(1010)의 축소된 에너지 밴드 갭(energy band gap)(1130)과 동일하게 될 수 있음), 이 경우 변조기 영역은 광원에서 방출된 광을 잘 흡수하여 변조기의 기본 특성(기능)을 보이게 된다.
본 실시예에서는 히터를 이용하여 광원 영역의 에너지 밴드 갭을 축소시켜,광원 영역의 에너지 밴드 갭이 변조기 영역의 에너지 밴드 갭보다 작게함으로써, 변조기가 정상적으로 동작할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 광소자가 burst 모드로 동작하는 경우에 히터의 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7, 도 8, 도9, 도 10, 도 11 및 도 12를 참조하면, 시분할 방식(TDM)에서는 광원이 완전히 꺼졌다, 켜졌다 (on-off)를 교대로하게 되므로, 본 실시예에 따른 광소자의 광원 또한 on-off를 하여야('burst mode') 한다.
히터(770)는 원하는 광원의 에너지 밴드 갭(1130)을 얻기 위한 열전력(P)를 생성할 수 있다(1200).
burst 모드에서 광원이 온(on)되면 열전력(R)이 발생하고, 광원이 오프(off)되면 열전력이 0이 된다(1210).
만약, 히터(770)에서 발생한 열전력(P) 및 burst 모드에서 광원이 온(on)되어 발생한 열전력(R)이 그대로 합쳐진다면, 열전력이 일정하지 않고 'P+R' 및 'P' 전력으로 변화하게 된다(1220). 이렇게 되면, 열전력에 따라 광원의 파장이 변화하게 되는 문제가 발생할 뿐만 아니라 에너지 밴드 갭도 시간에 따라 변화하는 문제가 발생한다.
이에, 본 발명의 히터(770)는 burst 모드에서 광원이 온(on)되어 열전력(R)이 발생하는 시간에는 히터(770)의 열전력을 "P -> P-R"로 변경한다(1230). 제어부(미도시)는 히터(770)가 위와 같이 동작하도록 제어할 수 있다.
히터(770)의 열전력을 "P -> P-R"로 변경하여 제어함으로써, burst 모드에서 광원이 온(on)되어 열전력(R)이 발생하여 히터(770)의 열전력에 합쳐지더라도, 열전력(P)를 일정하게 유지할 수 있다.
이에 따라, burst 모드에서 광원이 온(on) 되더라도 전체 열전력을 일정하게 유지할 수 있으므로, 시간이 변하더라도 광원의 파장이 일정할 뿐만아니라 에너지 밴드 갭도 일정하게 될 수 있다.
설명된 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
또한, 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. 기판의 상부에 형성되는 제 1 클래딩층;
    광원 영역 및 변조기 영역의 전체에 걸쳐 상기 제 1 클래딩층의 상부에 형성되는 MQW(Multiple Quantum Well) 활성층;
    상기 MQW 활성층의 상부에 형성되는 제 2 클래딩층; 및
    상기 광원 영역에 대응되는 MQW 활성층에 열을 인가하여, 광원의 에너지 밴드 갭을 조정하는 히터를 포함하는, 광소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 히터는,
    상기 광원 영역에 대응되는 MQW 활성층에 열을 인가하여 온도를 높여, 광원 에너지 밴드 갭이 축소되도록 하여, 광원 에너지 밴드 갭이 변조기 영역에 있는 변조기 에너지 밴드 갭보다 작게되는 것을 특징으로 하는, 광소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    광원 영역에 있는 제 2 클래딩층은 아래쪽 폭이 위쪽 폭 보다 작은 형상을 갖는 것을 특징으로 하는, 광소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 클래딩층의 상부에 형성되는 제 1 전극;
    상기 제 1 전극의 상부에 형성되는 절연막을 더 포함하고,
    상기 히터는,
    상기 절연막의 상부에 형성되는, 광소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 클래딩층은,
    상기 광원 영역 및 상기 변조기 영역에 형성된 클래딩층의 높이는 상기 광원 영역 및 변조기 영역의 사이에 형성된 클래딩층보다 높게 형성되는, 광소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 변조기 영역에 있는 제 2 클래딩층의 상부에 형성되는 제 2 전극을 더 포함하는, 광소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 히터는,
    광원 영역의 원하는 광원 에너지 밴드 갭을 형성하기 위한 열전력(P)을 유지하되, 광소자가 burst 모드로 구동되는 경우, burst 모드에서 광원이 온(on)되어 열전력(R)이 발생하는 시간에는 히터의 열전력(P)를 '열전력(P)-열전력(R)'로 변경하여, burst 모드로 구동되더라도 열전력(P)로 일정하게 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는, 광소자.
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