KR100308319B1 - 광 도파로를 집적한 반도체 광 증폭기소자 및 그 제조방법 - Google Patents

광 도파로를 집적한 반도체 광 증폭기소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수동형 광 도파로와 능동형 광 증폭기를 집적한 반도체소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이러한 광 도파로를 집적한 반도체 광 증폭기소자는, 빛을 증폭하는 활성층을 포함한 광 증폭기와, 상기 증폭된 빛의 경로를 제공하는 광 도파로를 집적하여 형성하는 광 도파로를 집적한 반도체 광 증폭기소자에 있어서, 상기 광 도파로는 상부 도파로층과 하부 도파로층으로 형성되며, 두 도파로층들 중 한 도파로층은 빛이 광 증폭기 쪽으로 진행함에 따라 상기 빛을 다른 도파로층으로 이전시키기 위하여 상기 광 증폭기와의 접합면 방향으로 테이퍼링되고, 상기 다른 도파로층은 상기 광 증폭기의 활성층과 접합된다.

Description

광 도파로를 집적한 반도체 광 증폭기소자 및 그 제조방법 { Semiconductor optical amplifier integrated with optical waveguide and method thereof }
본 발명은 집적형 반도체 광 증폭기에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면 수동형 광 도파로와 능동형 광 증폭기를 집적한 반도체소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
오늘날, 나날이 증가하고 있는 정보 통신량을 만족시키기 위하여, 대용량 및 초고속의 정보통신체계가 요구되고 있다. 이러한 정보의 대용량화를 위하여 개발된 파장분할다중 전송방식은 많은 연구를 거듭한 결과 어느 정도 기술이 발전되었지만, 역다중화/다중화, 광 크로스 커넥터 등과 같은 서브 시스템 등은 아직 초보단계이다.
이러한 서브 시스템의 구성을 위하여 파장선택, 파장변환, 증폭, retiming, regeneration, reshape 등의 여러 가지 기능이 필요한데 여기서 가장 중요한 소자는 반도체 광 증폭기 이다. 반도체 광 증폭기는 광 증폭뿐만 아니라, 비선형성을 이용하여 위 여러 가지 기능을 구현할 수 있는데, 광섬유를 통해 전송된 빛을 그대로 이용하기 때문에 광섬유에서 나온 빛과 반도체 광 증폭기로 입사되는 빛의 모드사이즈 매칭이 필요하다. 뿐만 아니라 반도체 광 증폭기는 광 도파로소자들과의 집적이 유용한 경우가 많다. 따라서 반도체 광 증폭기를 단일 집적, 또는 하이브리드 집적을 위하여서는 광 도파로와의 집적이 필수적이다.
종래기술에 따르면 능동소자인 반도체 광 증폭기와 수동소자인 광 도파로를 커플링하는 방법으로서, 반도체 광 증폭기와 광 도파로를 직접 성장하는 방법에 의해 버트커플링(butt coupling)하는 방법과, 반도체 광 증폭기 층에서 광 도파로로 이벤센트커플링(evanescent coupling)하는 방법, 또는 격자원조커플링(grating assisted coupling)하는 방법 등을 이용하였다.
그러나, 반도체 광 증폭기와 광 도파로를 집적하려면, 여러 가지 어려움이 있다. 광 증폭기의 코어와 광 도파로의 코어가 다른 물질로 이루어지며, 두 코어들의 두께가 서로 다르다. 즉, 일반적인 광 증폭기는 그 두께가 0.3 um로 얇게 제작되는 반면에, 광 도파로의 두께는 코어의 물질에 따라 그 폭과 두께가 조금씩 다르지만 일반적으로 폭은 2um이고, 두께는 0.7um ∼ 1um 정도이다. 따라서, 두께가 다른 두 물질들을 손실없이 커플링시키기가 매우 어렵다.
이러한 어려움들을 해결하기 위한 많은 해결책들이 제안되었으나, 이 어려움을 완전히 해결한 해결책은 나와있지 않다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 광 증폭기와 커플링되는 부분의 광 도파로를 얇게 제작하여 광 증폭기와 광 도파로의 커플링을 용이하게 할 수 있고, 재현성이 높은 광 도파로를 집적한 반도체 광 증폭기소자 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 도파로를 집적한 반도체 광 증폭기소자의 구조를 도시한 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 광 도파로를 집적한 반도체 광 증폭기소자의 입체도면,
도 3은 도 1에 도시된 광 도파로부분을 도시한 단면도,
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 광 도파로를 집적한 반도체 광 증폭기소자의 투시도,
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 광 도파로를 집적한 반도체 광 증폭기소자의 빛 전파특성을 도시한 도면이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※
11: 반도체기판(substrate) 12 : 하부 도파로층
13 : 공간층 14 : 상부 도파로층
15 : 클래드층 16 : 활성층
17 : 캡층 18 : P-층
19 : P+층 20 : 반도체층
121 : 금속전극 122 : 반도체 절연층
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 광 도파로를 두 부분으로 나누어 광 증폭기와 커플링되는 부분의 광 도파로를 얇게 제작함으로서, 광 증폭기와의 커플링을 용이하게 수행하는 반도체 광 증폭기소자가 제공된다.
이러한 광 도파로를 집적한 반도체 광 증폭기소자는, 빛을 증폭하는 활성층을 포함한 광 증폭기와, 상기 증폭된 빛의 경로를 제공하는 광 도파로를 집적하여 형성하는 광 도파로를 집적한 반도체 광 증폭기소자에 있어서, 상기 광 도파로는 상부 도파로층과 하부 도파로층으로 형성되며, 두 도파로층들 중 한 도파로층은 빛이 광 증폭기 쪽으로 진행함에 따라 상기 빛을 다른 도파로층으로 이전시키기 위하여 상기 광 증폭기와의 접합면 방향으로 테이퍼링되고, 상기 다른 도파로층은 상기 광 증폭기의 활성층과 접합된다.
양호하게는, 상기 광 증폭기의 활성층과 상기 광 도파로의 도파로층과의 접합면 위에 형성된 반도체 절연층을 더 포함하고, 상기 상부 도파로층과 하부 도파로층 사이에 형성된 공간층을 더 포함한다.
보다 양호하게는, 상기 공간층은 두 도파로층보다 낮은 굴절률과, 습식 에칭시 선택식각특성을 갖는 물질을 사용하며, 상기 물질은 InP인 것이 보다 양호하다.또한, 상기 두 도파로층들은 조성비가 각기 다른 물질을 사용하여 성정할 수도 있다.
또한, 본 발명에 따르면 위에서 설명한 광 도파로를 집적한 반도체 광 증폭기소자를 제조하는 방법이 제공된다. 이 광 도파로를 집적한 반도체 광 증폭기소자 제조방법은 반도체기판에 광 증폭기의 활성층과 캡층을 성장하는 제1단계와, 상기 반도체기판 위에 상기 광 증폭기의 활성층과 접합하는 광 도파로의 하부 도파로층을 성장하는 제2단계, 상기 하부 도파로층 위에 공간층과 상부 도파로층을 성장하는 제3단계, 상기 상부 도파로층이 광 증폭기 쪽으로 테이퍼링되도록 쐐기 모양으로 식각하는 제4단계, 및 상기 광 증폭기의 활성층과 광 도파로의 하부 도파로층과의 접합면 위에 반도체 절연층을 형성하는 제5단계를 포함한다.
양호하게는, 상기 공간층은 두 도파로층보다 낮은 굴절률과, 습식 에칭시에 선택식각특성을 갖는 물질을 사용하며, 상기 물질은 InP인 것이 보다 양호하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 한 실시예에 따른 '광 도파로를 집적한 반도체 광 증폭기소자 및 그 제조방법'을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 도파로를 집적한 반도체 광 증폭기소자의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 반도체기판(11)과, 반도체기판(11) 상에 성장된 광 도파로부분(12,13,14,15), 및 광 도파로부분과 커플링되며 반도체기판(11) 상에 성장된 광 증폭기부분(16,17,18,19,20)으로 이루어진다.
반도체 광 증폭기부분은 활성층(16)과, 얇은 캡층(17), P-층(18), P+층(19), 및 반도체 오믹접촉 향상을 위한 반도체층(20)이 순차적으로 적층되어 이루어진다. 광 도파로부분은 하부 도파로층(12)과, 공간층(13), 상부 도파로층(14), 및 클래드층(15)이 순차적으로 적층되어 이루어진다.
상기와 같이 이루어진 광 도파로를 집적한 반도체 광 증폭기소자의 제조방법을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 반도체기판(11) 위에 광 증폭기부분의 활성층(16)을 성장시키고, 그 위에 InP로 얇은 캡층(17)을 성장시킨다. 다음, 광 증폭기부분 옆의 반도체기판(11) 위에 광 도파로부분을 선택마스크를 이용하여 선택 성장시킨다. 즉, 광 도파로부분의 하부 도파로층(12)과, 공간층(13), 상부 도파로층(14), 및 클래드층(15)을 순차적으로 선택 성장시킨다.
이와 같이 광 도파로부분을 성장시킨 다음, 선택 성장시의 마스크를 제거하고, P-층(18), P+층(19), 및 반도체층(20)을 성장시킨다. 그 다음 선택식각을 이용하여 광 도파로부분 위에 성장된 P-층(18), P+층(19), 및 반도체층(20)을 제거하고, 광 증폭기부분과 광 도파로부분 사이의 전기적 절연을 위하여 반도체 절연층(122)을 선택 성장시킨다. 그 다음에 광 증폭기부분 위에 금속전극(121)을 형성한다.
광 증폭기부분의 활성층(16)과 광 도파로부분의 하부 도파로층(12)이 상호 접합되며, 반도체 절연층(122)은 이 접합면 위에 형성된다.
일반적으로, 반도체 광 증폭기에서 증폭된 빛은 광 도파로을 통해 광섬유로접속되거나, 반도체 광 소자로 입력되며, 광 도파로 자체가 광 소자의 역할을 할 수도 있다. 광 경로가 역방향으로 진행할 경우도 마찬가지다. 즉, 광 도파로를 지나온 빛은 모드전환을 거쳐서 반도체 광 증폭기로 입력된다.
도 2는 도 1에 도시된 광 도파로를 집적한 반도체 광 증폭기소자의 입체 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이 광 도파로부분은 상부 도파로층(14)과 하부 도파로층(12)으로 분리된다. 상부 도파로층(14)은 광 증폭기부분과의 접합면 쪽으로 테이퍼된(tapered) 쐐기 모양으로 형성되고, 하부 도파로층(12)과 광 증폭기부분의 활성층(16)이 접합된다.
빛이 광 도파로부분에서 광 증폭기부분으로 진행할 때에는 모든 상부 도파로층(14)이 테이퍼되기 때문에, 빛이 서서히(adiabatically) 하부 도파로층(12)으로 유도되면서 빛의 모드사이즈가 변환된다. 상기 상부 도파로층(14)은 쐐기 모양으로 식각함으로써 얻을 수 있다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 광 도파로부분을 도시한 단면도이다. 반도체기판(31)에 하부 도파로층(32)을 형성한다. 이 하부 도파로층은 상술한 바와 같이 광 증폭기부분의 활성층과 접합되는 층으로서, 이 활성층과 같은 두께로 형성하거나 약간 두껍게 형성한다. 이로써 효율적인 굴절률 매칭이 가능해진다.
그 다음, 하부 도파로층(InGaAsP lg=1.3 um)과 선택식각 특성을 갖는 물질(InP)을 수백 Å 성장하여 공간층(33)을 형성한다. 그 위에 상부 도파로층(34)을 성장하고, 클래드층(35)을 형성한다. 이와 같이 도파로층이 두 부분으로 나뉘는데, 도 4에 도시된 바와 같이 상부 광도파로층은 삼각형 모양으로 테이퍼된다. 빔전파방법(beam propagation method) 계산 결과에 의하면 도파로의 폭이 2 um이고, 물질이 InGaAsP(lg= 1.3 um) 일 때, 서서히 광 모드를 변환할 수 있는 테이퍼링(tapering) 길이는 100 um 이상이면 된다.
도 5는 본 발명에 따른 광 도파로를 집적한 반도체 광 증폭기소자의 빛 전파 특성을 도시한 도면이다. 도 5는 빔전파방법(beam propagation method)을 이용하여 2차원으로 계산한 결과를 도시한 도면으로서, (a)는 x방향으로 테이퍼링된 구조이고, (b)는 y방향으로 테이퍼링된 구조이며, 테이퍼링된 길이는 모두 100 um 이다.
도 4와 같이 상부 도파로층을 테이퍼링하면 수직적 테이퍼링과 수평적 테이퍼링 효과를 모두 얻을 수 있는 바, 테이퍼링된 길이가 100 um 이상이면 급격한 전파 모드의 변화없이 서서히 모드를 전환을 할 수 있다. 즉, 이는 수직적 테이퍼링이 반도체에서 수백 um 정도의 길이를 요구하는 것을 감안할 때 매우 효과적임을 알 수 있다.
위에서 양호한 실시예에 근거하여 이 발명을 설명하였지만, 이러한 실시예는 이 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이다. 이 발명이 속하는 분야의 숙련자에게는 이 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능함이 자명할 것이다. 그러므로, 이 발명의 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정될 것이며, 위와 같은 변화예나 변경예 또는 조절예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 광 수동소자인 광 도파로를 두 층으로 분리하고, 한 층의 일부 도파로를 테이퍼링한 다음 나머지 층의 도파로를 이용하여 광 능동소자인 광 증폭기와 접합하기 때문에, 도파손실 및 모드매칭손실을 대폭 줄일 수 있다. 또한, 두 도파로층 사이에 공간층을 삽입하여 선택식각공정을 이용할 수 있기 때문에 상부, 하부 도파로층의 두께를 정확하게 조절할 수 있다.
또한, 본 발명은 수동소자와 능동소자를 접합할 경우뿐만 아니라 두 수동소자들을 접합할 경우에도 이용할 수 있는 바, 두 개의 서로 다른 굴절률과 두께를 갖는 두 광 도파로들을 집적(integration)할 때, 두꺼운 광 도파로를 위와 같은 방법으로 처리하면 두 광 도파로들 사이의 모드 매칭 및 접합 손실을 줄일 수 있다.

Claims (9)

  1. 빛을 증폭하는 활성층을 포함한 광 증폭기와, 상기 증폭된 빛의 경로를 제공하는 광 도파로를 집적하여 형성하는 광 도파로를 집적한 반도체 광 증폭기소자에 있어서,
    상기 광 도파로는 상부 도파로층과 하부 도파로층으로 형성되며,
    두 도파로층들 중 한 도파로층은 빛이 광 증폭기 쪽으로 진행함에 따라 상기 빛을 다른 도파로층으로 이전시키기 위하여 상기 광 증폭기와의 접합면 방향으로 테이퍼링되고,
    상기 다른 도파로층은 상기 광 증폭기의 활성층과 접합되는 것을 특징으로 하는 광 도파로를 집적한 반도체 광 증폭기소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 광 증폭기의 활성층과 상기 광 도파로의 도파로층과의 접합면 위에 형성된 반도체 절연층을 더 포함한 것을 특징으로 하는 광 도파로를 집적한 반도체 광 증폭기소자.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 도파로층과 하부 도파로층 사이에 공간층을 삽입하는 것을 특징으로 하는 광 도파로를 집적한 반도체 광 증폭기소자.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 공간층은 두 도파로층보다 낮은 굴절률과, 습식 에칭시 선택식각특성을 갖는 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 광 도파로를 집적한 반도체 광 증폭기소자.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 물질은 InP인 것을 특징으로 하는 광 도파로를 집적한 반도체 광 증폭기소자.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 두 도파로층들은 조성비가 다른 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 광 도파로를 집적한 반도체 광 증폭기소자.
  7. 반도체기판에 광 증폭기의 활성층과 캡층을 성장하는 제1단계와,
    상기 반도체기판 위에 상기 광 증폭기의 활성층과 접합하는 광 도파로의 하부 도파로층을 성장하는 제2단계,
    상기 하부 도파로층 위에 공간층과 상부 도파로층을 성장하는 제3단계,
    상기 상부 도파로층이 광 증폭기 쪽으로 테이퍼링되도록 쐐기 모양으로 식각하는 제4단계, 및
    상기 광 증폭기의 활성층과 광 도파로의 하부 도파로층과의 접합면 위에 반도체 절연층을 형성하는 제5단계를 포함한 것을 특징으로 하는 광 도파로를 집적한 반도체 광 증폭기소자 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 공간층은 두 도파로층보다 낮은 굴절률과, 습식 에칭시에 선택식각특성을 갖는 물질을 사용하여 성장한 것을 특징으로 하는 광 도파로를 집적한 반도체 광 증폭기소자 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 물질은 InP인 것을 특징으로 하는 광 도파로를 집적한 반도체 광 증폭기소자 제조방법.
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