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KR20020042800A - 결합 도파관층을 구비한 집적 광학장치 - Google Patents

결합 도파관층을 구비한 집적 광학장치 Download PDF

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KR20020042800A
KR20020042800A KR1020027000395A KR20027000395A KR20020042800A KR 20020042800 A KR20020042800 A KR 20020042800A KR 1020027000395 A KR1020027000395 A KR 1020027000395A KR 20027000395 A KR20027000395 A KR 20027000395A KR 20020042800 A KR20020042800 A KR 20020042800A
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Abstract

제 1 및 제 2 광학장치(5)(9)와 광도파관층(3)이 집적된 광학장치를 제공한다. 각각의 광학장치(5)(9)는 도파관층(3)에 광학적으로 결합된다. 결합을 위한 광학장치들로는 분배된 궤환 반도체 레이저와 전자-흡수 변조기를 예로 들 수 있을 것이다.

Description

결합 도파관층을 구비한 집적 광학장치{INTEGRATED OPTICAL DEVICE WITH COUPLING WAVEGUIDE LAYER}
통상적으로 다른 대역갭 에너지값을 갖는 반도체 광전자장치, 예를 들어 반도체 레이저와 외부변조기 등을 단일 기판에 집적화하기 위한 어프로치(approach)는 다음 세 가지 주요한 카테고리로 나타낼 수 있다.
첫 번째는 소위 말하는 "버트-접합 어프로치"로서 구성요소 중(예를 들어, 반도체 레이저) 하나가 반도체 기판 위에 에피택셜하게 성장된다. 불필요한 성장영역은 또 다른 구성요소(예를 들어, 변조기)가 형성되도록 기판 표면으로부터 제거된다. 따라서, 두 번째 구성요소는 이들 영역에서 성장된다. 이 같은 어프로치는 서로 다른 구조의 광도파관층 사이에 부정합을 발생시키고, 제 2 성장단계 중에 두 영역 사이의 경계선에서 저질의 결정체 특성을 유발시킬 뿐만 아니라, 층 형상을 훼손시키는 등의 여러 가지 단점이 있다.
두 번째 어프로치는 "선택된 영역성장(SAG)" 어프로치로 알려져 있다. 이러한 기술은 장치가 기판위에서 애피택셜하게 성장하기 전에 기판을 패턴화한다. 모든 구성요소는 단일공정으로 성장한다. 따라서, 광도파관층은 셀프-얼라인(자체 정합)구조를 가진다. 물질 파라미터, 특히 대역갭 에너지에서의 필요한 차이는 성장속도가 패턴기판을 따라 가변되어 양자 웰(well) 두께 따위의 파라미터들의 가변을 초래한다는 사실에 근거하여 달성된다. 이러한 기술의 주된 단점은 달성할 수 있는 대역갭 차이가 종종 한정되어진다는 것이다. 이것은 또한, 동일한 층 구조 및 도핑 프로파일을 가져야하기 때문에 두 장치구조를 독립적으로 최적화하기가 어렵다는데 문제가 있다.
양자웰 인터믹싱(QWI)으로 알려진 세 번째 기술에 있어서, 양자웰(QW) 성분구조는 단일성장단계로 일반적인 기판에서 성장한다. 양자웰의 대역갭은 QW가 물질성분 및 기하학적 형상을 변화시켜 대역갭 가변을 초래시키도록 하는 인터믹싱 공정에 의해 변화된다. 도파관층은 다시 자체적으로 얼라이닝된다. 이러한 기술의 주된 단점은 달성할 수 있는 대역갭 차이가 달성 가능한 인터믹싱량에 의해 한정되어진다는 것이다. 인터믹싱 공정은 공정환경 및 기판표면조건에 민감하여 저 반복성 및 저 제어성을 야기할 수 있다. 이것은 또한, 동일한 층 구조 및 도핑 프로파일을 가져야하기 때문에 두 장치구조를 독립적으로 최적화하기가 어렵다는데 문제가 있다.
본 발명은 광학장치에 관한 것으로써, 특히 집적된 반도체 광학장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예를 나타낸 것이다.
제 1 실시예에 따르면, 본 발명은 제 1 및 제 2 광학장치와 광도파관층이 집적된 광학장치를 제공하며, 상기 각각의 광학장치는 도파관층에 광학적으로 결합된다.
제 2 실시예에 따르면, 본 발명은 기판층, 기판층에 의해 배치된 도파관층 및 도파관층에 의해 배치된 제 1 광학장치가 집적된 광학장치를 제공하며, 상기 제 1 광학장치는 도파관층에 광학적으로 결합된다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면 집적장치 내의 독립 도파관층에 의해 기존에 제공되던 집적화 기술의 문제점을 극복할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 집적 광학장치의 실시예를 나타낸 것이다. 이 장치는 기판(1)상에 형성되며, 장치구조를 형성하는 물질층들을 포함한다. 기판은 더 넓은 대역갭을 갖는 반도체물질 예를 들어, Inp, GaAs 또는 이에 관련된 화합물과 같이 저 손실의 광학신호를 전달할 수 있도록 하는 물질이 형성된 도파관층(3)을 형성한다.
도파관층(3)은 클래딩층(4)에 의해 감싸지는 것이 바람직하다. 클래딩층(4) 또는 도파관층(3)상에는 개개의 광학장치(5)(9)가 제공된다. 제 1 장치(5)는 장치영역(6)과 결합영역(7)을 포함한다. 제 2 장치(9)는 결합영역(10)과 장치영역(11)을 포함한다. 각각의 장치는 도파관층(3)에 광학신호 결합이 가능토록 배열된다. 이러한 광 결합은 장치들이 도파관층(3)에 가까이 인접하여 위치하고, 결합영역이도파관층(3)과 실질적으로 동일한 전파상수를 갖기 때문에 발생한다. 예를 들어, 1㎛의 공간은 광이 장치와 도파관층(3) 사이에 결합되도록 한다.
그러나, 각각의 광학장치는 도 1에 도시한 바와 같이, 장치와 도파관층간 결합을 최적화하기 위한 결합영역을 제공하는 것이 바람직하다. 장치의 전체길이와 그에 관련된 결합영역은 장치와 도파관층(3) 사이에 광학신호가 결합되는 모드를 결정한다. 광이 장치로부터 도파관층(3)내로 결합될 때 결합영역의 길이는, 장치의 종단에서 최대 광학 전력 전달이 발생하도록 선택하는 것이 바람직하다. 이것은 광손실과 후면분산(backscattering)을 최소화한다. 광이 도파관층(3)으로부터 장치내로 결합될 때 길이는, 결합영역의 종단에서 최대 광학 전력 전달이 발생할 수 있도록 하거나 혹은 장치 길이를 따라 광학 전력 전송이 증대되도록 선택하는 것이 바람직하다. 전자의 모드는 장치영역의 입구에 광학 전력의 대부분이 모이고, 후자의 모드는 장치길이에 따라 좀 더 원활한 광학 전력 분산효과를 가져다준다. 완벽한 결합은 결합 인터페이스의 길이가 도파관층(3)의 최하위 명령모드의 비트(beat)길이와 같을 때 달성될 수 있다.
결합영역(7)(10)은 이들 영역과 도파관층(3) 사이에 강한 광학결합이 발생되도록 배열된다. 이것은 상술한 바와 같이, 결합영역의 전파상수를 도파관층(3)의 전파상수와 실질적으로 동일하게 함으로써 달성될 수 있다. 결합영역(7)(10)의 측면 도파관 형상은 테이퍼될 수 있다. 제 1 장치는 장치영역(6)에 의해 생성되거나 처리된 광학신호가 결합영역(7)을 통해 집적장치의 도파관층(3)에 결합되도록 배열된다. 도파관층(3)에 결합된 광학신호는 결합영역(10)을 통해 제 2 장치(9)에결합된다. 결합영역(10)은 장치에 광학신호를 전달하기 위해 장치영역(11)에 결합된다.
집적장치는 기판(1)상의 도파관층(3)(선택적인 보호층(4))을 성장시키면 단일 애피텍셜 성장동작 또는 각각의 동작으로 개개의 장치(5)(9)를 성장시킴으로써 형성된다. 각 장치의 결합영역은 장치영역에 집적 형성되며, 두 장치 사이의 광학결합이 강해지도록 배열될 수 있다. 각 장치(5)(9)가 집적장치의 도파관층에 결합되므로 두 장치간의 신호전달을 위해 이들 장치들이 동일한 제조단계로 생성될 필요는 없다. 도파관층(3)은 장치들 사이의 광학신호 전달을 위해 독립적인 결합경로(14)를 제공하고, 전달은 장치들간의 직접적인 결합달성과는 무관하다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예를 상세히 나타낸 것으로, 제 1 장치는 분배된 궤환 반도체 레이저(장치영역(6))이고, 제 2 장치는 전자-흡수 변조기이다. 두 장치 모두 장치와 도파관층(3)간의 결합을 최적화하기 위해 결합영역의 길이를 짧게 사용한다. 도 2의 실시예에 있어서, 도파관층(3)은 수동적이며 단순하게 광학에너지가 광경로(14)를 따라 두 장치 사이를 흐르도록 한다.
본 발명의 다른 실시예로는 도 3에 도시한 바와 같이 분배된 궤환 레이저(6)가 결합기(7)에 의해 결합된 것이 있다. 도 3의 실시예에 따르면, 제 2 장치(15) 역시 전기-흡수변조기로 제공된다. 그러나, 도 3에 도시된 변조기(15)는 바이어스전압이 공급되도록 변조기층(16)에 의해 제공된다. 따라서, 도파관층(3)은 자체적으로 변조기 부분을 제공한다.
따라서 이 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 종래 기술에서 발생하는 단점을극복할 수 있다. 예를 들어, 도 3의 실시예는 제작이 간단하고, 오직 하나의 애피택셜 성장공정만이 필요하므로 변조기가 간단한 금속화 공정에 의해 제작된다.
본 발명에 따라 도파관층을 형성하는 기판상에 집적될 수 있는 광학장치의 예로는 훼브리-페롯 캐비티(Fabry-Perot cavity) 반도체 레이저, 분배된 궤환 반도체 레이저, 분배된 브래그 반사기 반도체 레이저, 전자-흡수 변조기, 매치-젠더(Mach-Zehnder) 변조기, 전자-광 변조기 등이 있다.
그밖에 검출기 또는 증폭기와 같은 광학성분들도 또한 본 발명의 실시예에 사용하기에 적합하다. 근본적으로, 상기 리스트된 장치 및 구성요소는 소모적인 제품이 아니며, 그 밖의 적합한 장치 혹은 성분들이 본 발명의 집적장치를 구현하는데 사용이 가능하다.

Claims (19)

  1. 제 1 및 제 2 광학장치와 광도파관층이 구성되며, 상기 각각의 광학장치는 도파관층에 광학적으로 결합된 것을 특징으로 하는 집적광학장치.
  2. 기판층, 기판층상에 형성된 도파관층 및, 도파관층상에 형성된 제 1 광학장치가 구성되며, 상기 제 1 광학장치는 도파관층에 광학적으로 결합된 것을 특징으로 하는 집적광학장치.
  3. 제 2항에 있어서, 도파관층상에 형성되며, 이 도파관층에 광학적으로 결합된 제 2 광학장치가 구성된 것을 특징으로 하는 광학장치.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 제 1 광학장치는 제 1 광학장치의 결합영역에 의해 도파관층에 결합되는 것을 특징으로 하는 광학장치.
  5. 제 2항 내지 제 4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 광학장치는 제 2 광학장치의 결합영역에 의해 도파관층에 결합되는 것을 특징으로 하는 광학장치.
  6. 제 2항 내지 제 5항중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 광학장치는 분배된 궤환 반도체 레이저장치인 것을 특징으로 하는 광학장치.
  7. 제 2항 내지 제 5항중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 광학장치는 분배된 브래그 반사기 반도체 레이저장치인 것을 특징으로 하는 광학장치.
  8. 제 2항 내지 제 5항중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 광학장치는 훼브리-페롯 캐비티 반도체 레이저인 것을 특징으로 하는 광학장치.
  9. 제 3항 내지 제 8항중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 광학장치는 전자-흡수 변조기인 것을 특징으로 하는 광학장치.
  10. 제 3항 내지 제 8항중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 광학장치는 매치-젠더 변조기인 것을 특징으로 하는 광학장치
  11. 제 3항 내지 제 8항중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 광학장치는 전자-광 변조기인 것을 특징으로 하는 광학장치.
  12. 제 3항 내지 제 8항중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 광학장치는 광학 증폭기인 것을 특징으로 하는 광학장치.
  13. 제 3항 내지 제 8항중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 광학장치는 광학 검출기인 것을 특징으로 하는 광학장치.
  14. 제 2항 내지 제 13항중 어느 한 항에 있어서, 도파관층에 의해 배치되고, 이 도파관층에 광학적으로 결합된 광학장치가 추가 구성된 것을 특징으로 하는 광학장치.
  15. 제 1항 내지 제 14항중 어느 한 항의 반도체장치인 특정 광학장치 또는 각각의 광학장치는 층구조에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 광학장치.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 특정 광학장치 또는 각각의 광학장치는 도파관층에서 애피택셜 성장방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 광학장치.
  17. 제 2항 내지 제 16항중 어느 한 항에 있어서, 상기 도파관층은 광학적인 전송물질층 및 보호물질층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광학장치.
  18. 제 3항 내지 제 17항중 어느 한 항에 있어서, 적어도 제 2 광학장치 부분은 도파관층 부분에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 광학장치.
  19. 첨부된 도면에 의거 설명된 집적광학장치.
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