KR20010077635A - Measuring apparatus of the facet reflectivity of an electroabsorption modulator - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광전류를 이용해 전계 흡수형 소자의 단면 반사율을 측정하는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for measuring the cross-sectional reflectance of a field absorption type device using a photocurrent.
전계 흡수형 도파로는 강도 변조기, 위상변조기 및 전광스위치 등에 사용될 수 있어 이를 이용한 많은 연구가 진행되어 왔다. 광변조기는 광원과 검출기 사이에 놓여지며, 광원을 변조하여 신호를 형성한다. 이러한 도파로 단면의 반사에 의해 돌아간 빛에 의한 간섭이나 시간지연등으로 인해 신호의 왜곡을 일으키게되므로 최소화하여야 한다. 이때 요구되는 삽입 소자의 반사율은 대개 10-4 수준이다. 이 정도의 낮은 반사율을 얻기 위해서는 도파로 단면에 무반사막을 증착하거나, 도파로의 형태를 변형하거나 단면에 대해 기울게하여 유효 반사율을 감소시키는 방법 등이 있다.Field absorption waveguides can be used in intensity modulators, phase modulators and all-optical switches, and many studies have been conducted using them. An optical modulator is placed between the light source and the detector and modulates the light source to form a signal. Since the signal is distorted due to the interference or the time delay caused by the light returned by the reflection of the cross section of the waveguide, the signal should be minimized. The required reflectance of the insertion element is usually around 10-4. In order to obtain such a low reflectivity, there is a method of depositing an antireflection film on the cross section of the waveguide, or modifying the shape of the waveguide or tilting the cross section to reduce the effective reflectance.
상기 종래의 기술을 이용한 방법으로 측정하는 경우 파장의 크기 또는 그 보다 작은 단면을 갖는 도파로 구조에서는 회절 각이 크므로 출력 면에서 투과된 빛을 결합 방식으로 검출하는데 어려움이 있으며, 또한 도파되는 파장에서 기판의 흡수율이 낮은 경우 입력단에서 도파로 주변으로 산란된 빛이 기판으로 그대로 투과되어 도파로 출력 면에서 검출된 빛의 강도는 도파로를 진행하고 투과된 빛과 기판부분 또는 도파로 외부로 투과된 경우의 합이 되므로 도파로만의 특성을 정확히 측정하기 어려운 문제점이 있다.When measuring by the method using the conventional technique, since the diffraction angle is large in the waveguide structure having the size of the wavelength or the smaller cross section, it is difficult to detect the light transmitted from the output surface by the coupling method, and also at the wavelength When the absorbance of the substrate is low, the light scattered around the waveguide at the input is transmitted to the substrate as it is, and the intensity of light detected at the waveguide output is the sum of the transmitted light and the transmitted light and the outside of the substrate or waveguide. Therefore, there is a problem that it is difficult to accurately measure the characteristics of the waveguide only.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하고자 제시된 것으로서, 본 발명의 목적은 광전류는 도파되는 빛의 흡수에 의해 생성되므로 광전류 신호로부터 도파로의 흡수계수 및 유효 굴절률을 측정하고, 또한 입력 단에서 최대 결합이 이루어질때 최대 전류가 생성되므로 광전류를 이용해 광축 정렬 상태를 유지하면서 광학변수를 측정하기 용이한 장치를 제공하는 데 있다.The present invention has been presented to solve the problems of the prior art, and an object of the present invention is to measure the absorption coefficient and the effective refractive index of the waveguide from the photocurrent signal, and also the maximum coupling at the input stage since the photocurrent is generated by absorption of the waveguided light. Since the maximum current is generated when this is done, the present invention provides an easy device for measuring optical parameters while maintaining optical axis alignment.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서, Fabry-Perot 공진기 형태의 전계 흡수형 소자의 흡수 계수, 전파 손실, 반사율등의 광학 변수를 측정하는 방법에 있어서, 상기 Fabry-Perot 공진기 내의 파장에 따른 광전류를 이용하여 상기 광학 변수를 측정하는 것을 특징으로 하는 발명이 제시된다.As a technical idea for achieving the object of the present invention, in the method for measuring the optical parameters such as absorption coefficient, propagation loss, reflectance of the field absorption element of the Fabry-Perot resonator type, the wavelength within the Fabry-Perot resonator The invention is characterized by measuring the optical parameters using the photocurrent according to the invention.
도 1은 파브리-페롯 형 전계 흡수형 소자의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a Fabry-Perot type field absorbing device.
도 2는 본 발명에 따른 측정 장치를 나타내는 구성도이다.2 is a block diagram showing a measuring device according to the present invention.
도 3은 측정된 전형적인 단면 반사 스펙트럼과 광전류 신호를 나타내는 파형도이다.3 is a waveform diagram illustrating typical cross-sectional reflection spectra and photocurrent signals measured.
도 4는 미약한 공명 반공명 크기를 갖는 광전류 신호의 평탄화를 나타내는 파형도이다.4 is a waveform diagram showing the planarization of a photocurrent signal having a weak resonance anti-resonance magnitude.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1 : n-InP층 2 : 제 1 산화규소층1: n-InP layer 2: 1st silicon oxide layer
3 : 폴리이미드 4 : u-코어3: polyimide 4: u-core
5 : p-InP층 6 : p-InGaAs층5: p-InP layer 6: p-InGaAs layer
7 : 제 2 산화규소층 8 : Ti/Pt/Au층7 Second Silicon Oxide Layer 8 Ti / Pt / Au Layer
9 : 패드 메탈 10 : 가변 파장 레이저9: pad metal 10: variable wavelength laser
11 : 챠퍼11: Chopper
13 : 편광 제어기 14 : 광 회전기13: polarization controller 14: optical rotator
15 : 소자 16 : 광 검출기15 element 16: photo detector
17 : 락-인 증폭기 18 : 전압분배기17: lock-in amplifier 18: voltage divider
19 : 전원공급장치 20 : 적외선 카메라19: power supply 20: infrared camera
21 : 렌즈 또는 렌즈형 광섬유21: lens or lenticular fiber
이하에서는 본 발명의 구성 및 작용에 관하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings with respect to the configuration and operation of the present invention will be described in detail.
도 1은 일반적인 형태의 전계흡수형 도파로 소자를 나타내는 개략도이다.1 is a schematic diagram showing a general field absorption waveguide device.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 형태의 전계흡수형 도파로 소자는 최하층의 n-InP층(1)과, 상기 p-InP층(1)의 양 측 상위에 다른 층과의 분리를 위한 3000Å의 제 1 산화규소층(2)과, 상기 양 측의 제 1 산화규소층 상 측에 형성되는2μm 뚜께의 폴리이미드층(3)과, 상기 n-InP층(1)의 상위에 상기 양 측의 제 1 산화규소층 사이에 형성되는 u-코어(4)층과, 상기 u-코어(4)층의 상위에 상기 양측의 제 1 산화규소층 사이에 형성되는 2μm 뚜께의 p-InP층(5)과, 상기 p-Inp층(5)층의 상위에 상기 제 1 산화규소층 사이에 형성되는 0.2μm 뚜께의 p-InGaAs층(6)과, 상기 p-InGaAs층(6)상에 형성되는 Ti/Pt/Au층(8)과, 상기 Ti/Pt/Au층(8)의 양 측에 상기 폴리아미드층(3)의 상위에 형성되는 1000Å의 제 2 산화규소층(7)과, 상기 Ti/Pt/Au층(8)의 상위에 제 2 산화규소층에 걸쳐서 형성되는 패드메탈층(9)으로 구성된다.As shown in FIG. 1, the general field absorbing waveguide device has a 3000 nV for separation between a lower n-InP layer 1 and another layer on both sides of the p-InP layer 1. On both sides of the first silicon oxide layer 2, the 2 μm-thick polyimide layer 3 formed on both sides of the first silicon oxide layer, and the n-InP layer 1 2 μm-thick p-InP layer 5 formed between the u-core 4 layer formed between the first silicon oxide layer and the first silicon oxide layers on both sides above the u-core 4 layer 5 ) And a p-InGaAs layer having a thickness of 0.2 μm formed between the first silicon oxide layer on the p-Inp layer 5 and the p-InGaAs layer 6. A Ti / Pt / Au layer 8, a 1000 Å second silicon oxide layer 7 formed on both sides of the Ti / Pt / Au layer 8 above the polyamide layer 3, and Pad metal layer 9 formed over Ti / Pt / Au layer 8 over second silicon oxide layer It consists of a.
상기 구성을 가진 일반 형태의 전계흡수형 도파로 소자의 작용을 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the general type absorption field waveguide device having the above configuration as follows.
전계흡수형 도파로 소자는 p-i-n 접합 형태의 반도체가 접합되어 있으며 진성 영역의 반도체는 p,n 영역의 반도체보다 밴드갭이 작은 물질로 구성되어 있다.In the field absorption waveguide device, a semiconductor having a p-i-n junction is bonded, and the semiconductor in the intrinsic region is made of a material having a smaller band gap than the semiconductor in the p and n region.
여기서, 도파로에 입사된 빛은 기저상태의 전자에 흡수되어 외부 전압이 가해지지 않은 상태에서도 빌트-인 포텐셜에 의해 형성된 전계에 의해 가속되어 p,n영역에서 전류로 생성된다.Here, light incident on the waveguide is absorbed by the electrons in the ground state and is accelerated by an electric field formed by the built-in potential to generate current in the p and n regions even when no external voltage is applied.
상기 생성된 전류를 광전류라 하며 그 크기는 포화되기 전 까지는 흡수된 빛의 강도에 비례한다.The generated current is called a photocurrent and its magnitude is proportional to the intensity of the absorbed light until it is saturated.
본 발명에서는 광전류 신호가 파브리-페롯 공진기 형태의 소자에서 갖는 특성을 이용하여 흡수계수, 전파손실, 반사율등의 광학변수를 측정하는 방법을 제안하고자 한다.The present invention proposes a method for measuring optical parameters such as absorption coefficient, propagation loss, and reflectance using characteristics of a photocurrent signal in a device having a Fabry-Perot resonator.
일반적으로 파브리-페롯 공진기에서 한쪽으로 입사한 빛은 다음의 수식과 같이 투과와 반사된 빛의 강도를 표현할 수 있다.In general, light incident on one side of a Fabry-Perot resonator may express intensity of transmitted and reflected light as shown in the following equation.
여기서, 공진기 내부의 빛의 강도는 다른 손실이 없다면 전체 입사 강도에서 투과 및 반사 강도를 뺀 크기이다. 이는 다음의 수식과 같이 표현할 수 있다.Here, the intensity of the light inside the resonator is the size of the total incident intensity minus the transmission and reflection intensity unless there is another loss. This can be expressed as the following equation.
여기서, Rf는 입사면의 반사율을, Rr은 투과면의 반사율을 나타내고, 흡수계수는 α로, 전파상수는로 표현되며 파장과 굴절율의 함수이다.Where R f represents the reflectance of the incident surface, R r represents the reflectance of the transmission surface, the absorption coefficient is α, and the propagation constant is It is expressed as and is a function of wavelength and refractive index.
광전류는 공진기 내에서 흡수된 빛의 강도에 비례하므로 상기 식의 형태를 따르게 된다. 이때 흡수 계수는 파장에 따라 다른 값을 갖으며 분모의 표현으로부터 파장에 따라 최대 또는 최소값을 갖을 수 있다.Since the photocurrent is proportional to the intensity of light absorbed in the resonator, it follows the form of the above equation. In this case, the absorption coefficient may have a different value depending on the wavelength and may have a maximum or minimum value according to the wavelength from the expression of the denominator.
광전류가 최대인 경우를 공명이라 하며 최소인 경우를 반공명이라 한다.The maximum photocurrent is called resonance and the minimum photoresonance is called anti-resonance.
이러한 공명 반공명의 비율은 다음의 수식과 같이 표현된다.The ratio of the resonance anti-resonance is expressed by the following equation.
여기서이다.here to be.
상기 수식을 통해서 비교적 간단히 광학변수에 대한 정보를 얻을 수 있다.Through the above equation, information about the optical variable can be obtained relatively simply.
도 2는 본 발명에서 제안한 측정장치의 구성도이다.2 is a block diagram of a measuring device proposed in the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 제안한 측정장치는 간섭성이 좋은 가변파장 레이저(10)와, 상기 가변파장 레이저(10)로부터의 빛을 전달하는 매개체인 렌즈 또는 렌즈형 광섬유(21)와, 상기 렌즈 또는 렌즈형 광섬유(21)를 통해 레이저가 단면에 입사되는 소자(15)와, 상기 레이저(10)에 인접하여 레이저 신호를 온/오프하는 챠퍼(11)와, 상기 편광 제어기(13)에 인접하여 상기 레이저의 경로를 조절하는 광 회전기(14)와, 상기 광 회전기(14)에 연결되어 반사되어 전파된 광의 파장에 따른 반사 강도의 변화를 측정하는 광 검출기(16)와, 일측은 상기 광검출기(16)에 연결되고 타측은 상기 챠퍼(11)에 연결되어 변조된 가변파장 레이저 빛을 검출하여 측정의 정밀도를 향상하는 락-인 증폭기(17)와, 상기 장치들에 전원을 공급하기 위한 전원공급장치(19)와, 일측이 상기 소자에 연결되고 타측이 상기 락-인 증폭기(17)에 연결되어 상기 전원공급장치(19)로부터 전원을 공급받아 상기 소자와 상기 락-인 증폭기 사이의 신호 영향을 분리하는 전압 분리기(18)로 구성된다.As shown in FIG. 2, the measuring device proposed in the present invention has a variable wavelength laser 10 having good coherence, and a lens or lens-type optical fiber 21 which is a medium for transmitting light from the variable wavelength laser 10. And an element 15 through which the laser is incident on the cross section through the lens or the lenticular optical fiber 21, a chopper 11 for turning on / off a laser signal adjacent to the laser 10, and the polarization controller ( An optical rotator 14 for adjusting the path of the laser adjacent to 13), a photo detector 16 connected to the optical rotator 14 and measuring a change in reflection intensity according to a wavelength of reflected and propagated light; One side is connected to the photodetector 16 and the other side is connected to the chopper 11 to lock-in amplifier 17 to detect the modulated variable wavelength laser light to improve the accuracy of the measurement, and to power the devices Power supply for supplying the 19 and one side A voltage separator 18 connected to a base element and connected to the lock-in amplifier 17 on the other side to receive power from the power supply 19 to isolate a signal effect between the element and the lock-in amplifier. It consists of.
또한, 상기 레이저(10)와 상기 소자(15)의 일열선상으로 상기 소자의 후면 측에 위치하여 상기 레이저의 도파로를 볼 수 있도록 한 적외선 카메라(20)를 더구비한다.Further, an infrared camera 20 is further provided on the rear side of the device in a line of the laser 10 and the device 15 to view the waveguide of the laser.
상기의 구성을 가진 본 발명에 따른 측정 장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the measuring device according to the present invention having the above configuration is as follows.
상기 레이저(10)는 간섭성이 좋은 가변파장 레이저를 방출하고, 상기 렌즈형 광섬유(21)는 상기 레이저(10)에서 방출된 빛을 유도 안내하는 역할을 하며, 상기 챠퍼(11)는 상기 레이저(10)에서 방출된 레이저가 상기 렌즈형 광섬유(21)를 통해서 전달되는 것을 단속함으로써 광 신호를 온 오프하는 역할을 한다.The laser 10 emits a variable wavelength laser having good coherence, the lenticular optical fiber 21 serves to guide and guide the light emitted from the laser 10, the chopper 11 is the laser It serves to turn on and off the optical signal by intercepting the laser emitted from 10 to be transmitted through the lens-shaped optical fiber 21.
상기 편광 제어기(13)는 상기 렌즈형 광섬유(21)에 접하여 상기 날개(11)를 통해서 온 오프 되어 전달되는 광 신호를 상기 소자(15)까지 도파로면의 수평 수직 특성을 고려하여 가이드한다.The polarization controller 13 guides the optical signal transmitted on and off through the vanes 11 in contact with the lenticular optical fiber 21 in consideration of the horizontal and vertical characteristics of the waveguide surface to the device 15.
상기 광 회전기(14)는 상기 소자(15)에 전달된 광 신호가 표면에서 반사되어 되돌아 오는 상기 광 신호를 다시 상기 레이저(10) 방향으로 되돌아가지 못하도록 하고, 상기 광 검출기(16)로 경로를 수정하는 기능을 수행한다.The optical rotator 14 prevents the optical signal transmitted to the element 15 from being returned from the surface of the optical signal back to the laser 10, and passes the path to the optical detector 16. Perform the correct function.
상기 전압 분배기(18)는 상기 전원공급장치(19)로부터 공급되는 DC전압에 대해 상기 소자(15)와 상기 락-인 증폭기 사이의 상호 간섭을 배제하기 위해 설치되었다.The voltage divider 18 is provided to exclude mutual interference between the element 15 and the lock-in amplifier with respect to the DC voltage supplied from the power supply 19.
간섭성이 좋은 상기 가변파장 레이저(10)를 이용하여 상기 렌즈 또는 렌즈형 광섬유(21)를 통해 상기 소자(15)의 단면에 입사시키고 파장에 따른 광전류 신호를 측정하여 공명 반공명의 비율을 측정한다.The variable wavelength laser 10 having good coherence is incident on the cross section of the device 15 through the lens or the lenticular optical fiber 21 and the photocurrent signal according to the wavelength is measured to measure the ratio of the resonance semi-resonance. .
또한 입사면으로 입사한 빛의 일부는 입사면의 반사율에 의해 일부 반사되므로 이를 상기 광 회전기(14)를 이용하여 다른 경로로 전파시켜 상기 광검출기(16)로 파장에 따른 반사 강도의 변화를 측정하여 공명 반공명의 비율을 측정한다.In addition, since part of the light incident on the incident surface is partially reflected by the reflectance of the incident surface, the light is propagated to another path using the optical rotator 14 to measure the change in the reflection intensity according to the wavelength with the photodetector 16. The ratio of the resonance anti-resonance is measured.
여기서, 다른 빛에 의한 영향을 최소화하기 위하여 가변 파장 레이저 빛을 변조시켜 락-인 증폭기(17)로 신호를 검출하면 측정의 정밀도를 향상 시킬 수 있다.In this case, in order to minimize the influence of other light, by detecting the signal with the lock-in amplifier 17 by modulating the variable wavelength laser light, the accuracy of the measurement can be improved.
도 3은 전계흡수형 소자에서 도파로의 밴드 갭 에지 에너지보다 낮은 파장에서 파장에 따른 전형적인 광전류 신호와 반사 강도 스펙트럼을 나타내는 파형도이다.FIG. 3 is a waveform diagram illustrating typical photocurrent signals and reflection intensity spectra according to wavelengths at wavelengths lower than the bandgap edge energy of the waveguide in the field absorbing device.
도 3에 도시된 바와 같이, x축은 파의 길이를 nano meter단위로 나타내고, y축은 강도를 임의의 단위로 나타내었을 때, TE 모드에서의 광전류(photocurrent)와, 반사(Reflectance)를 파형으로 나타낸다.As shown in FIG. 3, the x-axis represents the wave length in nanometer units, and the y-axis represents the photocurrent and reflection in the TE mode when the intensity is expressed in arbitrary units. .
여기서, 밴드 에지에서 멀어질수록 공명 반공명의 비율이 커지는데 이는 흡수 계수가 작아 전파 손실이 적음을 나타낸다.Here, the farther from the band edge, the greater the ratio of resonance anti-resonance, which indicates that the absorption coefficient is small and the propagation loss is small.
그리고, 반도체 소자의 단면 반사율은 벽개면 상태에서 도파로의 양끝이 같다고 가정할 수 있으므로 반사 강도에서의 공명 반공명 비율로부터 단면의 반사율은 다음의 수식과 같이 나타낼 수 있다.Since the cross-section reflectivity of the semiconductor device can be assumed to be the same at both ends of the waveguide in the cleaved plane state, the reflectance of the cross-section can be expressed by the following formula from the resonance anti-resonance ratio in the reflection intensity.
무반사막의 반사율을 측정하기 전 상기 방법으로 도파로의 단면 반사율을 먼저 측정한다. 이를 참고값으로 하여 무반사막을 증착한 후 다시 광전류를 측정하여 광전류의 공명 반공명 비율로부터 무반사막의 반사율을 구한다.Before measuring the reflectance of the antireflective film, the cross-sectional reflectance of the waveguide is first measured by the above method. Using this as a reference value, after depositing the antireflection film, the photocurrent is measured again to obtain the reflectance of the antireflection film from the resonance anti-resonance ratio of the photocurrent.
이때, 무반사막의 반사율은 다음의 수식과 같은 관계를 갖는다.At this time, the reflectance of the antireflective film has a relationship as in the following equation.
여기서, R은 무반사막 증착전의 반사율 값이고, α는 전파손실 값을, l은 도파로의 길이이다.Where R is the reflectance value before the antireflective film deposition, α is the propagation loss value, and l is the length of the waveguide.
도 4는 미약한 공명 반공명 크기를 갖는 광전류 신호의 평탄화를 나타내는 파형도이다.4 is a waveform diagram showing the planarization of a photocurrent signal having a weak resonance anti-resonance magnitude.
도 4에 도시된 바와 같이, x축은 파의 길이를 nm단위로 나타내고, y축은 표준화된 광전류(normalized photocurrent)를 나타낸다.As shown in FIG. 4, the x-axis represents the length of the wave in nm, and the y-axis represents normalized photocurrent.
단면에 무반사막이 증착되었을 때 전형적인 광전류 신호로 반사율이 매우 작기 때문에 공명 반공명의 비율을 정확히 측정하기 어려우므로 전체적인 광전류 신호의 추세선으로 신호를 평탄화 하면 공명 반공명의 비율을 측정하기 쉽다.When the antireflection film is deposited on the cross section, since the reflectance is very small as a typical photocurrent signal, it is difficult to accurately measure the ratio of the resonance anti-resonance. Therefore, if the signal is flattened by the trend line of the overall photocurrent signal, it is easy to measure the ratio of the resonance anti-resonance.
상기 방법으로 소자의 길이가 300μm정도인 반도체 도파로에서 측정가능한 반사율은 10-4정도이다.With this method, the reflectivity measurable in a semiconductor waveguide with a device length of about 300 μm is about 10 −4 .
본 발명은 예시적인 실시예를 참조하여 설명하였으나, 이러한 설명들은 제한적 의미로 해석되어서는 아니될 것이다. 본 발명이 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 상세한 설명을 참고로 하여 예시적인 실시예를 다양하게 변경 또는 조합하거나 다르게 실시할 수 있음은 명백하다. 따라서, 다음 특허 청구의 범위는 이러한 변경과 실시예들을 모두 포함하는 것으로 보아야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, these descriptions should not be interpreted in a limiting sense. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be variously modified, combined, or implemented in various ways with reference to the detailed description of the invention. Accordingly, the following claims should be considered to cover all such modifications and embodiments.
상기 기술에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에서 광전류는 도파되는 빛의 흡수에 의해 생성되므로 광전류 신호로부터 도파로의 흡수계수 및 유효 굴절율을 측정한다면 비교적 정확한 측정이 가능하다. 또한, 입력 단에서 최대 결합이 이루어질 때 최대 전류가 생성되므로 광전류를 이용한 측정방법은 광축 정렬 상태를 유지하면서 광학변수를 측정하기가 용이하다.As can be seen from the above technique, since the photocurrent is generated by absorption of the waveguided light, relatively accurate measurement is possible if the absorption coefficient and effective refractive index of the waveguide are measured from the photocurrent signal. In addition, since the maximum current is generated when the maximum coupling is made at the input terminal, the measurement method using the photocurrent is easy to measure the optical parameters while maintaining the optical axis alignment.
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