KR20030042565A - 곡선형 광도파로를 갖는 능동형 광반도체 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따라 기판과, 상기 기판 상에 고정되며 그 내부로 광이 진행하는 제1 광도파로를 구비하는 능동형 광반도체와, 상기 제1 광도파로의 출력측 단면으로부터 출사된 광이 그 입력측 단면을 통해 내부로 커플링되는 제2 광도파로 및 상기 제2 광도파로를 둘러싸는 클래드를 구비하는 평면 도파로 소자를 포함하여 구성된 광통신 모듈에 있어서, 상기 능동형 광반도체는 상기 제1 광도파로의 출력측 단부는 경로 상의 임의의 제1 위치를 지나는 광의 진행 방향을 나타내는 제1 단위 벡터가 소정 조건을 만족하도록 설정된 곡선을 이룬다.

Description

곡선형 광도파로를 갖는 능동형 광반도체{OPTICAL SEMICONDUCTOR WITH CURVED OPTICAL WAVEGUIDE}
본 발명은 광통신 모듈에 관한 것으로서, 특히 상기 광통신 모듈에 실장되며 광도파로를 구비하는 광반도체에 관한 것이다.
광도파로 소자(waveguide device)는 광의 진행 경로가 되는 광도파로와 상기광이 상기 광도파로 내에서만 진행하도록 상기 광도파로를 둘러싸는 클래드(clad)를 구비하며, 반도체 기판 상에 광도파로와 클래드를 적층한 구조를 갖는 광반도체와, 원형의 광도파로와 상기 광도파로를 둘러싸는 클래드를 구비한 광섬유 등을 예로 들 수 있다. 광반도체의 예로는, 와이-분기 광도파로(Y-branch waveguide), 광도파로열 격자(arrayed waveguides grating) 등의 수동형 소자(passive device)와, 레이저 다이오드(laser diode), 포토다이오드(photodiode), 광증폭기(optical amplifier) 등의 능동형 소자(active device)를 그 예로 들 수가 있다.
종래에 따른 광통신 모듈은 패키지(package) 내에 능동형 광반도체와 수동형 광반도체(또는 광섬유)를 정렬한 구조를 갖는다. 이러한 광통신 모듈, 예로 반도체 발광 모듈은 타카시 카토 등에 의해 발명되어 특허허여된 미국특허번호 6,273,620 B1{SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING MODULE}에 개시되어 있다. 상기 반도체 발광 모듈은 제1 광도파로를 구비한 반도체 광증폭기와 브래그 격자(Bragg grating)가 새겨진 제2 광도파로를 갖는 광섬유 격자를 포함한다.
종래의 광통신 모듈에 있어서, 능동형 광반도체와 광도파로 소자(수동형 광반도체, 광섬유 또는 다른 능동형 광반도체)의 정렬이 중요한데, 이러한 정렬 상태가 상기 능동형 광반도체 및 광도파로 소자의 단면들에서 발생하는 반사 손실과, 상기 광도파로 소자의 단면에서 반사된 광이 상기 능동형 광반도체 내로 입사됨으로 인한 상기 능동형 광반도체의 기능 저하에 직접적으로 영향을 미치기 때문이다.
도 1은 능동형 광반도체와 광도파로 소자의 오정렬로 인한 광손실을 설명하기 위한 개략도이다.
상기 광도파로 소자(120)는 상기 광축(130) 상에 정렬된 수동형 광반도체로서, 광의 전송 경로를 구성하는 제2 광도파로(122)와 상기 제2 광도파로(122)를 둘러싸는 클래드(124)를 구비한다.
상기 능동형 광반도체(110)는 상기 광축(130) 상에 정렬된 반도체 광증폭기로서, 광의 전송 경로를 구성하는 제1 광도파로(112)와, 상기 제1 광도파로(112)를 둘러싸는 클래드(114)와, 상기 능동형 광반도체(110)의 제2 단면 상에 코팅된 반사층(116)과, 캐리어(carrier) 주입으로 인한 광 생성 및 증폭을 위한 상부 및 하부 전극(미도시)을 구비한다.
또한, 상기 광도파로 소자(120) 및 능동형 광반도체(110)는 각각 정렬선(118 또는 126)이 설정되어 있으며, 상기 정렬선들(118 및 126)을 이용하여 상기 광축(130) 상에 정렬된다. 상기 광도파로 소자(120) 및 능동형 반도체(110)가 서브 마운트(submount, 미도시) 상에 탑재되는 경우를 예로 들면, 상기 서브 마운트 상에는 상기 정렬선들(118 및 126)에 대응되는 보조선들(미도시)이 설정되어 있으며, 상기 각 정렬선(118 또는 126)과 대응하는 보조선을 맞춤으로써 상기 광도파로 소자(120) 및 능동형 반도체(110)의 정렬이 이루어지게 된다. 이와 같은 정렬 방식을 수동형 정렬 방식(passive alignment method)이라고 칭하며, 이와 다른 방식으로 능동형 정렬 방식(active alignment method)을 들 수 있다. 능동형 정렬 방식은 예를 들어, 상기 광도파로 소자(120)를 일단 고정하고, 상기 능동형 광반도체(110)를 좌우 또는 상하로 이동시키면서 상기 광도파로 소자(120)로부터 출력되는 광의 파워(power)를 측정하며, 상기 광의 파워를 최대화하는 상기 능동형 광반도체(110)의위치를 찾는 방식이다.
이러한 능동형 정렬 방식은 수동형 정렬 방식에 비하여 제작 공정 시간의 지연을 초래하며, 양산성을 크게 저하시킨다는 문제점이 있다.
도시된 바와 같이, 상기 능동형 광반도체(110)의 내부에서 발생된 광은 상기 능동형 광반도체(110)의 제1 단면을 통해 방출되며, 상기 방출된 광은 상기 광도파로 소자(120)의 단면을 통해 상기 제2 광도파로(122)의 내부로 결합된다. 이 때, 상기 능동형 광반도체(110) 및 광도파로 소자(120)는 상기 광축(130) 상에 정렬되어 있으며 상기 광도파로 소자(120)의 단면과 상기 능동형 광반도체(110)의 제1 단면이 서로 평행하기 때문에, 상기 광도파로 소자(120)의 단면으로부터 되반사된 광은 상기 제1 광도파로(112)의 내부로 결합된다. 상기 제1 광도파로(112)의 내부로 결합된 광은 노이즈(noise)로 작용하여 상기 능동형 광반도체(110)의 출력 특성을 저하시키게 된다.
도 2는 광도파로 소자와의 수동형 정렬시 능동형 광반도체의 크기 변화로 인한 광손실을 설명하기 위한 개략도이다. 도 2에는 서로 평행하지 않는 제1 및 제2 광축(230 및 250)과, 상기 제2 광축(250) 상에 정렬된 광도파로 소자(240)와, 상기 제1 광축(230) 상에 정렬된 능동형 광반도체(210)가 도시되어 있다.
상기 광도파로 소자(240)는 제2 정렬선(246)을 이용하여 제2 광축(250) 상에 정렬된 수동형 광반도체로서, 광(260)의 전송 경로를 구성하는 제2 광도파로(242)와 상기 제2 광도파로(242)를 둘러싸는 클래드(242)를 구비한다.
상기 능동형 광반도체(210)는 제1 정렬선(218)을 이용하여 상기 제1광축(230) 상에 정렬된 반도체 광증폭기로서, 광(260)의 전송 경로를 구성하는 제1 광도파로(212)와, 상기 제1 광도파로(212)를 둘러싸는 클래드(214)와, 상기 능동형 광반도체(210)의 제2 단면 상에 코팅된 반사층(216)과, 캐리어 주입으로 인한 광 생성 및 증폭을 위한 상부 및 하부 전극(미도시)을 구비한다.
도시된 바와 같이, 상기 능동형 광반도체(210)의 내부에서 발생된 광(260)은 상기 능동형 광반도체(210)의 제1 단면을 통해 방출된다. 이 때, 상기 능동형 광반도체(210) 및 광도파로 소자(240)는 서로 엇갈리게 정렬되어 있기 때문에, 상기 광도파로 소자(240)의 단면으로부터 반사된 광은 상기 제1 광도파로(212)의 내부로 결합되지 않는다.
그러나, 설계 상의 능동형 광반도체(점선으로 표시)(220)의 크기와 실제 상의 능동형 광반도체(실선으로 표시)(210)의 크기가 일치하지 않는 경우에, 상기 제1 광도파로(212)에서 방출된 광(260)은 상기 제2 광도파로(242)의 내부로 결합되지 못하거나, 그 결합 효율이 저하된다는 문제점이 있다. 상기 설계 상의 능동형 광반도체(220)의 경우에, 상기 설계 상의 능동형 광반도체(220)로부터 출력된 광(점선으로 표시)(270)은 상기 제2 광도파로(242)의 내부로 결합될 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 광통신 모듈에 실장되는 광도파로 소자와의 수동형 정렬시 그 크기 오차로 인하여 발생하는 광 결합 효율의 저하를 방지할 수 있는 광반도체를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라 기판과, 상기 기판 상에 고정되며 그 내부로 광이 진행하는 제1 광도파로를 구비하는 능동형 광반도체와, 상기 제1 광도파로의 출력측 단면으로부터 출사된 광이 그 입력측 단면을 통해 내부로 커플링되는 제2 광도파로 및 상기 제2 광도파로를 둘러싸는 클래드를 구비하는 평면 도파로 소자를 포함하여 구성된 광통신 모듈에 있어서, 상기 능동형 광반도체는,
상기 제1 광도파로의 출력측 단부는 경로 상의 임의의 제1 위치를 지나는 광의 진행 방향을 나타내는 제1 단위 벡터가 하기 <수학식 1>을 만족하도록 설정된 곡선을 이룬다.
(n1: 상기 제1 광도파로의 굴절률,: 제1 단위 벡터,: 상기 출력측 단면의 법선 벡터, n2: 상기 출력측 단면과 경계를 이루는 매질의 굴절률,: 상기 제1 위치에서 상기 입력측 단면 상의 임의의 제2 위치로 향하는 제2 단위 벡터)
도 1은 능동형 광반도체와 광도파로 소자의 오정렬로 인한 광손실을 설명하기 위한 개략도,
도 2는 광도파로 소자와의 정렬시 능동형 광반도체의 크기 변화로 인한 광손실을 설명하기 위한 개략도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광반도체를 나타내는 개략도,
도 4는 도 3에 도시된 제2 광도파로의 곡선 단부를 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 곡선 단부의 일 예를 나타내는 그래프.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광반도체를 나타내는 개략도이다. 도 3에는 서로 평행하지 않는 제1 및 제2 광축(330 및 350)과, 제2 정렬선(346)을 이용하여 상기 제2 광축(350) 상에 정렬된 광도파로 소자(340)와, 제1 정렬선(318)을 이용하여 상기 제1 광축(330) 상에 정렬된 능동형 광반도체(310)가 도시되어 있다.
상기 광도파로 소자(340)는 제2 광축(350) 상에 정렬된 수동형 광반도체로서, 광(360)의 전송 경로를 구성하는 제2 광도파로(342)와 상기 제2 광도파로(342)를 둘러싸는 클래드(344)를 구비한다.
상기 능동형 광반도체(310)는 상기 제1 광축(330) 상에 정렬된 반도체 광증폭기로서, 광(360)의 전송 경로를 구성하는 제1 광도파로(312)와, 상기 제1 광도파로(312)를 둘러싸는 클래드(314)와, 상기 능동형 광반도체(310)의 제2 단면 상에 코팅된 반사층(316)과, 캐리어 주입으로 인한 광 생성 및 증폭을 위한 상부 및 하부 전극(미도시)을 구비한다. 또한, 상기 제1 광도파로(312)는 몸체부(B)와 곡선 단부(A)로 이루어지는데, 상기 곡선 단부(A)는 광(360)을 방출하는 제1 단면을 포함한다. 만약, 상기 제2 단면을 통해서도 광을 방출한다면, 상기 제1 광도파로(312)를 몸체부(B), 제1 곡선 단부(320) 및 제2 곡선 단부(미도시)로 구성할 수 있으며, 이 때 상기 제1 곡선 단부(320)는 상기 제1 단면을 포함하고 상기 제2 곡선 단부는 상기 제2 단면을 포함한다.
도시된 바와 같이, 상기 능동형 광반도체(310)의 내부에서 발생된 광(360)은 상기 능동형 광반도체(310)의 제1 단면을 통해 방출된다. 이 때, 상기 능동형 광반도체(310) 및 광도파로 소자(340)는 서로 엇갈리게 정렬되어 있기 때문에, 상기 광도파로 소자(340)의 단면으로부터 반사된 광은 상기 제1 광도파로(312)의 내부로 결합되지 않는다.
또한, 설계 상의 능동형 광반도체(점선으로 표시)(320)의 크기와 실제 상의 능동형 광반도체(실선으로 표시)(310)의 크기가 일치하지 않는 경우에 있어서도, 상기 제1 광도파로(312)가 몸체부(B)와 곡선 단부(A)로 구성되는 이상 상기 설계 상의 능동형 광반도체(320)의 제1 단면을 통해 방출된 광(점선으로 표시)(370)은 상기 제2 광도파로(342)의 단면 상에 수렴하게 된다.
도 4는 도 3에 도시된 제1 광도파로(312)의 곡선 단부(A)를 설명하기 위한 도면이다. 도 4에서는 이해의 편이를 위하여 상기 제1 광도파로(312)를 선으로 근사하여 표현하고 있으며, 상기 선은 상기 제1 광도파로(312)의 중심선과 일치한다.
상기 곡선 단부(A) 상의 임의의 제1 점(C)을 지나는 접선은 상기 제1 점(C)을 지나는 광(360)의 진행 방향을 나타내는 벡터(이하 "제1 단위 벡터"라고 지칭함)와 평행하다. 또한, 상기 제1 점(C)에서 원점을 향하는 제2 단위 벡터가 도시되어 있으며, 상기 원점은 도 3에 도시된 광(360)의 수렴점에 해당한다. 즉, 상기 곡선 단부(A) 상의 임의의 위치를 지나는 광(360)의 진행 방향을 나타내는 제1 단위벡터는 상기 원점을 향하도록 하기 <수학식 2>를 만족한다.
(n1: 상기 제1 광도파로(312)의 굴절률,: 제1 단위 벡터,: 상기 제1 단면의 법선 벡터, n2: 상기 제1 단면과 경계를 이루는 매질의 굴절률,: 상기 제1 점(C)에서 상기 원점을 향하는 제2 단위 벡터)
상기 <수학식 2>는 스넬의 법칙(Snell's law)을 나타낸 것이며, 상기 제1 단면과 경계를 이루는 매질은 주로 공기이며, 공기의 굴절률은 1이다.
상기 곡선 단부(A)는 하기 <수학식 3> 내지 <수학식 5>를 단계적으로 반복 수행함으로써 설계될 수 있다. 초기값들로서는, 총 단계수(≥i), x0, y0(또는 θ0) 및 Cstep이 주어져야 한다.
상기 <수학식 3>에서 Cstep은 단계별 증감치를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 곡선 단부의 일 예를 나타내는 그래프이다. 도시된 그래프를 나타내는 곡선의 방정식은 하기 <수학식 6>으로 나타낼 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 곡선형 광도파로를 갖는 능동형 광반도체는 그 출력측 단부가 소정의 조건을 만족하도록 설계함으로써, 광도파로 소자와의 수동형 정렬시 그 크기 오차로 인하여 발생하는 광 결합 효율의 저하를 방지할 수 있다는 이점이 있다.

Claims (1)

  1. 기판과, 상기 기판 상에 고정되며 그 내부로 광이 진행하는 제1 광도파로를 구비하는 능동형 광반도체와, 상기 제1 광도파로의 출력측 단면으로부터 출사된 광이 그 입력측 단면을 통해 내부로 커플링되는 제2 광도파로 및 상기 제2 광도파로를 둘러싸는 클래드를 구비하는 평면 도파로 소자를 포함하여 구성된 광통신 모듈에 있어서, 상기 능동형 광반도체는,
    상기 제1 광도파로의 출력측 단부는 경로 상의 임의의 제1 위치를 지나는 광의 진행 방향을 나타내는 제1 단위 벡터가 하기 <수학식 7>을 만족하도록 설정된 곡선을 이루는 것을 특징으로 하는 곡선형 광도파로를 갖는 능동형 광반도체.
    (n1: 상기 제1 광도파로의 굴절률,: 제1 단위 벡터,: 상기 출력측 단면의 법선 벡터, n2: 상기 출력측 단면과 경계를 이루는 매질의 굴절률,: 상기 제1 위치에서 상기 입력측 단면 상의 임의의 제2 위치로 향하는 제2 단위 벡터)
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