KR100265858B1 - Wavelength division multiplexing device with monolithically integrated semiconductor laser and photodiode - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광소자의 제조 방법에 관한것으로, 특히 송신 및 수신용 빛을 사용하여 한 가닥의 광섬유를 통하여 동시에 신호를 전송하는 파장분할 양방향 광통신용 소자 및 그 제작 방법에 관한것이다.BACKGROUND OF THE
일반적으로, 한 가닥의 광섬유를 사용하여 송신 및 수신 광신호를 동시에 전송하는 파장분할 다중화 양방향 광통신에 있어서 가장 중요한 요소 중의 하나는 파장분할 다중화 광송수신 모듈이다.In general, one of the most important elements in wavelength division multiplexing bidirectional optical communication using a single optical fiber to simultaneously transmit and receive optical signals is a wavelength division multiplexed optical transmission / reception module.
이러한 파장분할 다중화 광송수신 모듈은, 한 개의 광경로를 파장에 따라 각각 다른 두개의 경로로 나누어주는 광도파로를 사용하는 파장분할 다중화 소자와 반도체 레이저 및 광검출기 소자로 구성되어 있다. 이러한 파장분할 다중화 소자에서 한 개의 공통 광도파로 부분은 광섬유와 광결합 하게 되며, 두개의 분기된 광도파로는 각각 반도체 레이저 또는 광검출기와 광결합을 이루도록 구성되어 있어서, 반도체 레이저에서 나온 송신용 파장의 빛은 파장분할 다중화 소자와 광결합되어 광도파로를 따라 빛이 진행하다 광섬유로 광결합되어 나가게 되며, 반면에 광섬유를 따라 입력되는 수신용 파장의 빛은 공통의 광도파로로 결합되어 진행하다 파장분할 다중화 소자의 파장 선택 경로에서 광검출기 쪽 경로를 따라 광도파를 진행하다 광검출기로 광결합되어 신호가 검출되게 된다.The wavelength division multiplexing optical transmission / reception module includes a wavelength division multiplexing element, a semiconductor laser, and a photodetector element using an optical waveguide that divides one optical path into two different paths depending on the wavelength. In this wavelength division multiplexing device, one common optical waveguide portion is optically coupled to an optical fiber, and two branched optical waveguides are configured to optically couple with a semiconductor laser or a photodetector. The light is optically coupled with the wavelength division multiplexing element and the light travels along the optical waveguide. The light is optically coupled to the optical waveguide, while the light of the receiving wavelength input along the optical fiber is combined and traveled in a common optical waveguide. In the wavelength selection path of the multiplexing device, the optical waveguide travels along the path of the photodetector and is optically coupled to the photodetector to detect a signal.
종래의 파장분할 다중화 양방향 광통신 모듈을 보면, 이는 파장분할 다중화 소자, 반도체 레이저 및 광검출기 등을 별도의 소자로 제작하여 이들을 광섬유와 더불어 하이브리드 형태로 광집적시키는 것이다. 즉, 상기 파장분할 다중화 소자를 반도체 레이저 및 광검출기 소자와 각각 두개의 분기된 광도파로가 광정렬되도록 정렬 고정시키고, 파장분할 다중화 소자의 공통 광도파로 부분은 광섬유와 정렬되도록 고정시켜 모듈로 제작하는 것이다. 이때 파장분할 다중화 소자는 광도파로를 이용하여 빛의 파장에 따라 경로를 달리하도록 하거나 또는 광분기 도파로와 파장 선택 필터를 동시에 사용하여 파장에 따라 빛의 경로를 바꾸어 주는 두 가지 방법이 주로 사용된다.In the conventional wavelength division multiplexing bidirectional optical communication module, a wavelength division multiplexing device, a semiconductor laser, a photodetector, etc. are fabricated as separate devices and optically integrated in a hybrid form together with an optical fiber. That is, the wavelength division multiplexing element is aligned and fixed so that the semiconductor laser and the photodetector element and two branched optical waveguides are optically aligned, and the common optical waveguide portion of the wavelength division multiplexing element is fixed to be aligned with the optical fiber and manufactured as a module. will be. At this time, the wavelength division multiplexing device is mainly used to change the path according to the wavelength of the light by using the optical waveguide or to change the path of the light according to the wavelength by using the optical branch waveguide and the wavelength selection filter at the same time.
그러나 이러한 파장분할 양방향 광통신 모듈에 따르면, 세 종류의 광소자를 별도로 제작하여야 하며, 이들 광소자들 사이에는 각각 별도의 정밀한 광정렬 및 고정 공정이 필요하게 되어 모듈의 제작 원가 상승의 요인이 되며 소형의 모듈을 제작하기 어려운 단점이 있다. 그뿐 아니라 반도체 레이저로부터 광섬유까지 또는 광섬유로부터 광검출기까지의 광경로에 각각 두 번 이상의 소자간 광결합 점과 한번의 광분기점이 있어서 전체적인 삽입 손실이 매우 커지게 되며, 이러한 큰 삽입 손실은 송신되는 빛의 광출력과 수신되는 빛의 수신감도를 모두 악화시키게 된다.However, according to the wavelength division bidirectional optical communication module, three kinds of optical devices must be manufactured separately, and each of these photonic elements requires a separate precise optical alignment and fixing process, which increases the manufacturing cost of the module. The disadvantage is that the module is difficult to manufacture. In addition, the optical path from semiconductor laser to optical fiber or from optical fiber to photodetector has two or more inter-element optical coupling points and one optical branch point, respectively, which greatly increases the overall insertion loss. This will deteriorate both the light output and the sensitivity of the received light.
이에 이러한 파장분할 양방향 광통신 모듈의 단점을 해소하기 위하여, 동일한 반도체 기판 위에 광도파로를 사용하는 파장분할 다중화 소자, 반도체 레이저 및 광검출기 소자를 단일칩 집적시켜 제작한다. 이러한 파장분할 양방향 광통신 모듈은 많은 종류의 광부품 수, 많은 광결합 점의 수 및 이들로 인한 조립 비용의 상승 및 특성 악화 등을 해결할 수 있는 장점은 있으나, 반면에 동일한 반도체 기판 위에서 각각 서로 다른 구조와 제작 공정을 갖는 세 가지 종류의 광소자를 동일한 공정 과정을 거쳐 단일칩 집적시켜야 하므로 구조 및 제작 공정이 매우 복잡해질 뿐 아니라 각각의 소자들이 최대의 특성을 갖도록 구조를 최적화시키는 것도 어렵게 되어 결과적으로 전체적인 특성 악화를 피할 수 없게 되는 단점이 있다.Accordingly, in order to solve the disadvantage of the wavelength division bidirectional optical communication module, a wavelength division multiplexing device, a semiconductor laser, and a photodetector device using an optical waveguide are fabricated on a same chip on the same semiconductor substrate. Such a wavelength division bidirectional optical communication module has many advantages, such as a large number of optical components, a large number of optical coupling points, and an increase in assembly cost and deterioration due to them. Since the three kinds of optical devices having the process of fabrication and fabrication must be integrated in a single chip through the same process, the structure and fabrication process becomes very complicated and it is difficult to optimize the structure so that each device has the maximum characteristics. There is a disadvantage in that deterioration of the characteristics cannot be avoided.
전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은, 한 가닥의 광섬유를 사용하여 송신 및 수신 광신호를 동시에 전송하는 파장분할 다중화 광통신에 있어서, 짧은 파장의 빛을 내는 광송신용 반도체 레이저와 긴 파장의 빛을 받는 광수신용 광검출기 소자를 동일한 반도체 기판 위에 단일칩에 집적시켜 구현하여 광소자의 소형화 및 특성이 개선된 파장분할 양방향 광통신용 소자 및 그 제작 방법을 제공함을 그 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the problems described above. In the wavelength division multiplexed optical communication in which transmission and reception optical signals are simultaneously transmitted using a single optical fiber, a semiconductor laser for transmitting light and a long wavelength that emit light having a short wavelength are long. It is an object of the present invention to provide a wavelength division bidirectional optical communication device and a method of manufacturing the same, which are implemented by integrating a photodetector device for receiving light of a wavelength into a single chip on the same semiconductor substrate.
도 1 은 본 발명에 따른 반도체 레이저와 광검출기가 단일칩 집적된 파장 분할 다중화 소자의 평면도.1 is a plan view of a wavelength division multiplexing device in which a semiconductor laser and a photodetector are integrated in a single chip according to the present invention.
도 2 는 본 발명에 의한 반도체 레이저와 광검출기가 단일칩 집적된 파장분할 다중화 소자의 A-A' 선을 따라 자른 단면도.2 is a cross-sectional view taken along line A-A 'of a wavelength division multiplexing device in which a semiconductor laser and a photodetector are integrated in a single chip according to the present invention;
도 3a 내지 도 3g는 본 발명에 따른 파장분할 다중화 소자의 형성 방법을 나타내는 공정 단면도.3A to 3G are cross-sectional views illustrating a method of forming a wavelength division multiplexing device according to the present invention.
도 4 는 본 발명에 따른 반도체 레이저와 광검출기가 단일칩 집적된 파장분할 다중화 소자를 광섬유와 결합시킨 단면도.4 is a cross-sectional view of a semiconductor laser and a photodetector combining a wavelength division multiplexing device in which a single chip is integrated with an optical fiber;
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명* Explanation of symbols on the main parts of the drawing
1 : 반도체 레이저 영역 2 : 광검출기 영역1
3 : P형 공통 전극 4 : 광검출기의 N형 전극3: P-type common electrode 4: N-type electrode of photodetector
5 : 질화막 6 : 반도체 레이저의 N형 전극5: nitride film 6: N-type electrode of semiconductor laser
7 : N형 InP 기판 8 : N형 InP 버퍼층7: N-type InP substrate 8: N-type InP buffer layer
9 : 비도핑된 InGaAsP 활성층9: undoped InGaAsP active layer
10 : P형 InP 클래드층10: P type InP cladding layer
11 : P형 InGaAsP 저항성 접촉층11: P-type InGaAsP resistive contact layer
12 : 비도핑된 InP 식각정지층12: undoped InP etch stop layer
13 : 비도핑된 InGaAs 광흡수층13: undoped InGaAs light absorption layer
14 : N형 InGaAsP 저항성 접촉층14: N-type InGaAsP resistive contact layer
15 : 반도체 레이저로부터 방출되는 파장15: wavelength emitted from a semiconductor laser
16 : 광검출기로 입사되는 파장16: wavelength incident on the photodetector
17 : P형 InP 버퍼층 18 : 식각마스크17: P-type InP buffer layer 18: etching mask
19 : 반도체 레이저의 P형 InP 전류차단층19: P type InP current blocking layer of semiconductor laser
20 : 반도체 레이저의 N형 InP 전류차단층20: N-type InP current blocking layer of semiconductor laser
21 : 반도체 레이저의 P형 InP 전류차단층21: P type InP current blocking layer of semiconductor laser
22 : 실리콘 기판 23 : V-홈22 silicon substrate 23 V-groove
24 : 금속 반사막 25 : 광섬유24: metal reflective film 25: optical fiber
26 : 광섬유 코아 (core)26: fiber core
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 파장분할 양방향 광통신용 소자는, 제1도전형의 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상부에 위치하는 제1도전형의 버퍼층, 활성층, 제2도전형의 버퍼층, 제2도전형의 파장필터층을 차례로 구비하여 이루어지는 반도체 레이저; 상기 제2도전형의 파장필터층 상부의 소정 영역에 위치하는 식각정지층, 광흡수층, 제1도전형의 파장필터층을 차례로 구비하여 이루어지는 광검출기; 상기 반도체 레이저 및 상기 광검출기 상부 및 측면에 위치하는 보호막; 및 상기 제1도전형의 파장필터층의 표면 일부를 노출시키기 위해 이루어지는 광흡수창을 포함하여 이루어진다.In order to achieve the above object, the wavelength division bidirectional optical communication device of the present invention, the first conductive semiconductor substrate; A semiconductor laser including a first conductive buffer layer, an active layer, a second conductive buffer layer, and a second conductive wavelength filter layer positioned on the semiconductor substrate; A photodetector comprising an etch stop layer, a light absorbing layer, and a wavelength filter layer of the first conductive type located in a predetermined region above the wavelength filter layer of the second conductive type; Protective films positioned on the semiconductor laser and the photodetector, respectively; And a light absorption window made to expose a portion of the surface of the wavelength filter layer of the first conductive type.
그리고, 본 발명에 따른 파장분할 양방향 광통신용 소자의 제작 방법은, 제1도전형의 반도체 기판을 준비하는 제1단계; 상기 반도체 기판 상부에 제1도전형의 버퍼층, 활성층, 제2도전형의 버퍼층을 차례로 형성하고 반도체 레이저 영역을 정의하는 식각마스크 패턴을 형성하는 제2단계; 상기 식각마스크 패턴을 이용한 식각 공정으로 상기 제2도전형의 버퍼층, 활성층, 제1도전형 버퍼층을 습식식각하는 제3단계; 상기 제3단계가 완료된 결과물 상부에 상기 반도체 레이저 영역을 절연시키는 전류차단층을 형성하되 상기 식각마스크 패턴 상부로 형성하지 않도록 하는 제4단계; 상기 제4단계가 완료된 결과물 상부에 제2도전형의 파장필터층, 식각정지층, 광흡수층, 제1도전형의 파장필터층을 차례로 형성하는 제5단계; 및 선택 식각공정을 진행하여 상기 반도체 레이저와 오버랩 되는 제1도전형의 파장필터층, 광흡수층, 식각정지층으로 이루어지는 광검출기를 형성하는 제6단계를 포함하여 이루어진다.In addition, the method for fabricating a wavelength division bidirectional optical communication device according to the present invention includes a first step of preparing a semiconductor substrate of a first conductivity type; A second step of sequentially forming a first conductive buffer layer, an active layer, and a second conductive buffer layer on the semiconductor substrate, and forming an etching mask pattern defining a semiconductor laser region; A third step of wet etching the second conductive buffer layer, the active layer, and the first conductive buffer layer by an etching process using the etching mask pattern; A fourth step of forming a current blocking layer insulating the semiconductor laser region on the resultant of which the third step is completed, but not forming the upper portion of the etch mask pattern; A fifth step of sequentially forming a second conductive wavelength filter layer, an etch stop layer, a light absorption layer, and a first conductive type wavelength filter layer on the resultant of the fourth step; And a sixth step of performing a selective etching process to form a photodetector including a wavelength filter layer, a light absorption layer, and an etch stop layer of the first conductivity type overlapping the semiconductor laser.
본 발명의 반도체 레이저와 광검출기가 단일칩 집적된 파장분할 다중화 소자는(이하 소자칩 이라 함), N형 반도체 기판 위에 짧은 파장의 빛을 내는 반도체 레이저 구조를 먼저 형성하고 그 위 소정의 영역에 긴 파장의 빛을 흡수하는 광검출기 구조를 형성한 수직 집적 구조를 갖고 있으며, 적층된 반도체 레이저와 광검출기는 P형 반도체층을 서로 공유함으로써, 수직으로 형성된 NPN 구조를 이루게 된다. 이러한 NPN구조의 P형 반도체층과 광검출기의 상부에 위치하는 N형 반도체층은, 반도체 레이저로부터 방출되는 짧은 파장의 송신용 빛은 흡수하고 광검출기로 흡수되는 긴 파장의 수신용 빛은 통과시키는 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 구성되어 파장필터 역할을 하게 된다. 따라서 이러한 구조의 소자 칩을 한 가닥의 광섬유와 광결합시키면, 소자 칩의 반도체 레이저에서 나오는 짧은 파장의 빛은 광섬유에 결합되어 송신되고 광섬유로부터 나오는 긴 파장의 빛은 소자 칩의 광검출기에 결합되어 수신된다. 이때 반도체 레이저에서 나오는 빛 중에서 광섬유 단면에서 반사를 일으켜 광검출기 쪽으로 향하는 빛은 상기한 공통 P형 반도체층과 광검출기의 N형 반도체층에서 필터링되므로 광검출기의 흡수층에서 흡수되어 광전류로 변환되지는 못한다.The wavelength division multiplexing device in which the semiconductor laser and the photodetector of the present invention are integrated into a single chip (hereinafter referred to as a device chip) first forms a semiconductor laser structure that emits light of a short wavelength on an N-type semiconductor substrate, and then It has a vertically integrated structure that forms a photodetector structure that absorbs light of a long wavelength, and the stacked semiconductor laser and the photodetector share a P-type semiconductor layer with each other, thereby forming a vertically formed NPN structure. The P-type semiconductor layer of the NPN structure and the N-type semiconductor layer positioned on the photodetector absorb the short wavelength transmission light emitted from the semiconductor laser and pass the long wavelength reception light absorbed by the photodetector. It is composed of a material having an energy band gap to act as a wavelength filter. Therefore, when the device chip of this structure is optically coupled with one strand of optical fiber, the light of short wavelength from the semiconductor laser of the device chip is coupled to the optical fiber and transmitted, and the light of long wavelength from the optical fiber is coupled to the photodetector of the device chip. Is received. At this time, the light emitted from the semiconductor laser is reflected by the optical fiber cross-section and directed toward the photodetector, so the light is filtered by the common P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer of the photodetector, and thus is not absorbed by the absorption layer of the photodetector and is not converted into photocurrent. .
이하, 본 발명의 반도체 레이저와 광검출기가 단일칩 집적된 파장분할 다중화 소자는 1.3㎛ 파장의 평면 매립형 이종 접합 구조 반도체 레이저 (PBH-LD : Planar Buried Hetrostructur Laser Diode, 이하 반도체 레이저라 함)와 1.55㎛ 파장의 InGaAs PIN-PD (PIN Photodiode, 이하 광검출기라 함)가 집적된 경우에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the wavelength division multiplexing device in which the semiconductor laser and the photodetector are integrated into a single chip include a planar buried heterojunction structure semiconductor laser (PBH-LD) and a 1.55 wavelength of 1.3 μm. A case in which InGaAs PIN-PD (PIN Photodiode, hereinafter referred to as a photodetector) having a 탆 wavelength is integrated will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도1은 본 발명에 따른 반도체 레이저와 광검출기가 단일칩 집적된 파장분할 다중화 소자의 평면도이고, 도2는 본 발명에 의한 반도체 레이저와 광검출기가 단일칩 집적된 파장분할 다중화 소자를 나타내는 도1 B-B`의 단면도로서 이를 참조하여 파장분할 다중화 소자의 구조를 설명한다.1 is a plan view of a wavelength division multiplexing device in which a semiconductor laser and a photodetector are integrated into a single chip, and FIG. 2 is a wavelength division multiplexing device in which a semiconductor laser and a photodetector are integrated into a single chip according to the present invention. The structure of a wavelength division multiplexing element is demonstrated with reference to this as sectional drawing of BB '.
먼저, 도2에 도시된 바와 같이, N형 InP 기판(7) 위에 N형 InP 버퍼층(8), 비도핑된 InGaAsP 활성층(이하, 활성층이라 함)(9), P형 InP 버퍼층(17), P형 InP 클래드층(이하 클래드층)(10), P형 InGaAsP 저항성 접촉층(11)을 구비하여 이루어지는 반도체 레이저(1) 구조와 P형 InGaAsP 저항성 접촉층(11), 비도핑된 InP 식각정지층(12), 비도핑된 InGaAs 광흡수층(이하 광흡수층)(13), N형 InGaAsP 저항성 접촉층(14)을 구비하여 이루어지는 광검출기(2)가 차례로 적층된 구조를 갖고 있다.First, as shown in FIG. 2, an N-type
여기서, 반도체 레이저(1)와 광검출기(2)는 P형 InGaAsP 저항성 접촉층(11)을 서로 공유하고 N형 InGaAsP 저항성 접촉층(14), P형 InGaAsP 저항성 접촉층(11) 및 N형 기판(7)을 구비하여 수직으로 형성된 NPN 구조를 이루게 된다. 이와 같이 수직 집적된 구조에서 반도체 레이저(1)의 활성층(9)과 광검출기(2)의 광흡수층(13)이 2㎛ 내지 3㎛ 이내로 매우 근접하게 위치하도록 하므로써, 동일한 광섬유(도4의 "25"참조)와의 광결합이 상기 두 가지 소자에 대하여 모두 용이하게 이루어져 광송신 및 수신 특성을 양호하게 한다.Here, the
또한, 광검출기(2)의 상하부에 각각 위치하는 N형 InGaAsP 저항성 접촉층(14)과 광검출기의 N형전극(4) 및 P형공통전극(3)과 저항성 접촉을 이루는 P형 InGaAsP 저항성 접촉층(11)은 반도체 레이저에서 나오는 송신용 파장의 빛(15)은 흡수하고 광검출기로 들어가는 수신용 파장의 빛(16)은 통과시키는 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 구성하여 파장의 선택적 필터 역할을 하도록 하므로써 송신 및 수신용 신호 사이의 간섭을 최소화한다.Further, an N-type InGaAsP
다음으로, 도3a 내지 도3g를 참조하여 본 발명에 따른 파장분할 다중화 소자를 공정 단계별로 상술한다.Next, the wavelength division multiplexing device according to the present invention will be described in detail with respect to the process steps with reference to FIGS. 3A to 3G.
도3a에 도시된 바와 같이, N형 InP 기판(7) 상부에 MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)와 같은 에피층 결정 성장 방법으로, N형 InP 버퍼층(8), 1.3㎛ 파장의 활성층(9), 및 P형 InP 버퍼층(17)을 차례로 성장한다. 이때 활성층(9)은 단순한 InGaAsP 단층 또는 다중 양자 우물 (MQW: Multi Quatum Well) 구조와 같은 다층 구조로 형성할 수 있다.As shown in FIG. 3A, an N-type
도3b에 도시된 바와 같이, P형 InP 버퍼층(17) 상부에, 반도체 레이저(1)의 영역을 정의하기 위한 식각 마스크층으로 질화막(18)을 형성하고, 식각공정을 진행하는데, 이때 식각 마스크층으로는 질화막(18)과 같은 유전체 절연막을 사용하여도 무관하며, 식각 깊이는 N형 InP 버퍼층(8) 또는 N형 InP 기판(7) 까지 식각한다.As shown in FIG. 3B, a
도3c에 도시된 바와 같이, 전술한 식각공정 후 식각마스크로 사용한 질화막(18)을 그대로 둔 채, MOCVD와 같은 에피층 결정 성장법을 수행한다. 여기서 성장되는 에피층은 P형 InP층(19), N형 InP층(20) 및 P형 InP층(21)으로 질화막(18)이 없는 영역에만 결정 성장이 되도록 하며, 이러한 층들은 반도체 레이저(1) 영역만으로 전류가 흐르도록 유도하는 전류차단층 역할을 한다.As shown in FIG. 3C, an epitaxial crystal growth method such as MOCVD is performed while leaving the
도3d에 도시된 바와 같이, 식각마스크로 사용한 질화막(18)을 제거한 후, 그 상부에 P형 클래드층(10), 1.3㎛와 1.55㎛ 중간의 파장을 갖는 P형 InGaAsP 저항성 접촉층(11), 비도핑된 InP 식각정지층(12), 광흡수층(13) 및 상기 P형 InGaAsP저항성 접촉층(11)과 동일한 파장을 갖는 N형 InGaAsP 저항성 접촉층(14)을 차례로 형성한다. 여기서, P형 클래드층(10)은 반도체 레이저(1)의 P쪽 클래드(clad)층이 되며, P형 InGaAsP 저항성 접촉층(11)은 반도체 레이저(1)로 부터 방출되는1.3㎛ 파장의 빛(15)을 흡수하므로써, 1.3㎛파장의 빛(15)의 일부가 광섬유의 단면으로부터 반사되더라도 광검출기의 광흡수층(13)으로 들어가지 못하도록 막는 파장필터 역할을 하게 되며, 비도핑된 InP 식각정지층(12)은 후속으로 진행되는 식각공정에 의해 광검출기(2) 영역을 정의할 때 선택 식각의 식각정지층 역할을 한다. 그리고 광흡수층(13)은 광섬유로부터 발산되는 1.55㎛ 파장의 빛(16)에 대한 광검출기(2)의 광흡수층이 되며, N형 InGaAsP 저항성 접촉층(14)은 반도체 레이저(1)로 부터 방출되는1.3㎛ 파장의 빛(15)의 일부가 광섬유의 단면으로부터 반사되더라도 광검출기의 광흡수층(13)으로 들어가지 못하도록 막는 역할 즉, 송신용 반도체 레이저 빛(15)은 흡수하고 1.55㎛ 파장의 수신용 빛(16)은 통과시키는 파장필터 역할을 한다.As shown in FIG. 3D, after removing the
도3e에 도시된 바와 같이, 광검출기(2) 영역을 정의하기 위하여 N형 InGaAsP 저항성 접촉층(14), 광흡수층(13), 비도핑된 InP 식각정지층(12)을 선택적으로 식각 하는 습식 식각제를 사용하여 광검출기 영역만을 제외한 나머지 부분의 N형 InGaAsP 저항성 접촉층(14), 광흡수층(13), 비도핑된 InP 식각정지층(12)을 차례로 식각한다.As shown in FIG. 3E, a wet etching method selectively etches an N-type InGaAsP
도3f에 도시된 바와 같이, 전체 구조 상부에 질화막(5)을 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)와 같은 증착 방법으로 형성한후, 선택적 식각공정을 실시하여 N형 InGaAsP 저항성 접촉층(14) 및 P형 InGaAsP 저항성 접촉층(11)을 노출시킨다.As shown in FIG. 3F, a
여기서, N형 InGaAsP 저항성 접촉층(14)의 노출은 광검출기(2)의 광흡수창 부분을 형성하기 위함이고, P형 InGaAsP 저항성 접촉층(11)의 노출은 N형 InGaAsP 저항성 접촉층(14) 및 P형 InGaAsP 저항성 접촉층(11)의 저항성 접촉창을 형성하기 위함이다.Here, the exposure of the N-type InGaAsP
도3g에 도시된 바와 같이, 광검출기의 N형전극(4)과 광검출기(2) 및 반도체 레이저(1)의 P형공통전극(3)을 형성하되, 각각 N형 InGaAsP저항성 접촉층(14)과 P형 InGaAsP 저항성 접촉층(11)과 콘택 되는 금속을 사용하여 리프트오프 (lift-off) 방법으로 형성하고 급속 열처리 (RTA: Rapid Thermal Annealing) 장치를 사용하여 열처리한다. 그리고, 웨이퍼의 뒷면을 일정 두께로 연마하고 N형 InP 기판(7)과 저항성 접촉을 이루는 금속을 증착하여 반도체 레이저의 N형전극(6)을 형성한후 RTA 장치를 사용하여 열처리한다.As shown in Fig. 3G, the N-
전술한 바와 같은 공정 순서에 따르는 공정이 완료된 파장분할 다중화 소자 는 벽개 (cleaving)에 의해 반도체 레이저(1)의 공진기를 형성하고 칩으로 분리해 내면 된다.The wavelength division multiplexing element in which the process according to the above-described process sequence is completed may be formed by cleaving the resonator of the
다음으로, 도4를 참조하여 반도체 레이저(1)와 광검출기(2)가 집적된 소자 칩을 광통신에 응용하기 위하여 광섬유와 광결합시키는 원리를 V-홈이 파진 실리콘 기판(22)을 모재로 사용하여 소자 칩과 광섬유(25)를 고정 및 광결합시키는 경우를 설명한다.Next, referring to FIG. 4, the principle of optically coupling an element chip in which the
소자 칩은 전술한 소자 칩의 광검출기(2)가 광섬유(25)가 위치하게 될 V-홈(23)쪽을 향하도록 뒤집어서 실리콘 기판(22)의 소정 위치에 플립칩 본딩(flip chip bonding) 방법으로 부착하고, 광섬유(25)는 V-홈(23) 내에 고정시킨다. 여기서 실리콘 기판(22) 위의 플립칩 본딩용 패드(pad)의 위치와 V-홈(23)의 폭은, 상기 반도체 레이저 활성층(9)과 광섬유의 코아(26)의 정렬 정도에 따라서 결정되는데, 플립칩 본딩용 패드(pad)의 위치와 V-홈(23)의 폭은 반도체 레이저 활성층(9)과 광섬유의 코아(26)가 일렬로 정렬되도록 설계되어야 한다.The device chip is flipped so that the
이러한 플립칩 본딩이 끝난 후, P형공통전극(3)과 반도체 레이저의 N형전극(6)에 전류를 인가하여 반도체 레이저(1)를 발진시키면 반도체 레이저 활성층(9)으로 부터 1.3㎛ 파장의 빛(15)이 방출되며 이 1.3㎛파장의 빛(15)은 광섬유 코아(26)로 광결합되어 광섬유를 통하여 송신된다. 반면에 광섬유(25)로 부터 전송되는 1.55㎛ 파장의 빛(16)은 광섬유 코아(26)로부터 상기 소자 칩 방향으로 발산되며 이렇게 발산되는 1.55㎛ 파장의 빛(16) 중에서 아래쪽으로 향하는 빛 성분은 소자 칩 단면 또는 광검출기 흡수창을 통하여 광검출기의 흡수층(13)으로 흡수되어 전류로 변환된다. 이 전류 성분은 역바이어스 전압이 걸린 P쪽공통전극(3)과 광검출기의 N형전극(4)을 통하여 외부 회로로 검출된다.After the flip chip bonding is finished, the
이때에 광검출기로 입사되는 빛(16)이 효과적으로 광흡수창으로 집속되도록 하기 위하여 실리콘 기판 V-홈(23)의 경사면에 금속 반사막(24)을 코팅하면 칩 아래쪽으로 향하는 빛들은 도4에서 보는 바와 같이 금속막(24)에서 반사 후 광검출기로 향하여 흡수되어 광검출기의 수신감도를 향상시킬 수 있다.At this time, in order for the light 16 incident on the photodetector to be effectively focused on the light absorption window, the metal
또한 반도체 레이저(1)로 부터 방출되는 1.3㎛ 파장의 빛(15) 중에서 광섬유(25) 단면에서의 반사등에 의해 상기 소자 칩으로 되돌아가는 빛 성분은 본 발명의 구조상 특징인 광검출기(2) 영역의 상하부에 위치하는 1.3㎛ 파장의 빛에 대하여 필터 역할을 하는 N형 InGaAsP저항성 접촉층(14)과 P형 InGaAsP저항성 접촉층(11)에 의해 흡수되므로 수신 광신호(16)에 대한 송신 광신호(15)의 간섭을 최소화시킬 수 있다.Also, among the light 15 having a wavelength of 1.3 탆 emitted from the
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 광소자는, 한 가닥의 광섬유를 사용하여 짧은 파장의 송신 및 긴 파장의 수신용 광신호를 동시에 전송하는 파장분할 양방향 광통신 모듈에 있어서, 별도의 광도파로 형태의 파장분할 다중화 소자 없이 광송신용 반도체 레이저와 광수신용 광검출기 소자를 동일한 반도체 기판 위에 수직 집적시켜 반도체 레이저의 활성 영역과 광검출기 소자의 광흡수 영역을 매우 근접하여 위치시킴과 동시에 광검출기의 상하부에 반도체 레이저에서 나오는 짧은 파장의 빛은 흡수하고 광검출기로 들어가는 긴 파장의 빛은 통과시키는 에너지 밴드 갭을 갖는 물질을 위치시키므로써 동일한 광섬유와의 광결합이 상기 두 가지 소자에 대하여 모두 용이하게 이루어지며 아울러 송신 및 수신 신호 사이의 간섭도 최소화시켜 결과적으로, 광부품 수 저감 및 광패키징 공정 간략화에 따라 파장분할 양방향 광통신용 광모듈의 소형화, 제작 원가 절감 및 특성 개선 등의 효과를 거둘 수 있다.As described above, the optical device according to the present invention is a wavelength division bidirectional optical communication module for simultaneously transmitting a short wavelength transmission and a long wavelength reception optical signal using a single optical fiber, wherein the wavelength division in the form of a separate optical waveguide is performed. Without the multiplexing device, the semiconductor laser for transmitting light and the photodetecting device for photoreceiving are vertically integrated on the same semiconductor substrate, so that the active area of the semiconductor laser and the light absorbing area of the photodetector element are located very close together and at the top and bottom of the photodetector. By combining a material with an energy band gap that absorbs the shorter wavelengths of light coming in and enters the photodetectors, the optical coupling with the same optical fiber is facilitated for both of these devices. Also minimizes interference between received signals Can achieve effects such as miniaturization, cost reduction and improved production characteristics of the wavelength division two-way optical communication optical module according to the number of parts reduced, and optical packaging process simplified.
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