KR20040085954A - Optical electronic integrated circuit - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 기판 상에 성형된 광전 집적회로에 관한 것으로서, 특히, 광검출기와 평면 광도파로 소자간 광결합 효율을 향상시키기 위한 이종 결합 방식에 의해 집적된 광전 집적회로의 구조에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optoelectronic integrated circuit formed on a semiconductor substrate, and more particularly, to a structure of an optoelectronic integrated circuit integrated by a heterogeneous coupling method for improving optical coupling efficiency between a photodetector and a planar optical waveguide device.
일반적으로 상술한 이종 집적 등의 기술에 의해 광 소자와 광전 변환 소자를 동일 기판에 집적한 집적 회로(IC)를 광전 집적 회로(Opical Electronic Integrated Circuit)라고 한다. 그 외에도 반도체 제조 방법에 의한 모놀리식 회로로서 1개 이상의 발광 소자(Luminous element) 또는 광검출기(Light receiving element) 등과, 전기 신호를 처리하는 회로 또는 평면 광도파로 소자 등을 집적한 형태 등도 포함한다. 상술한 광전 집적회로는 일반적으로 갈륨비소(GaAs) 기판을 사용한 것을 의미하며, 주로 광통신 시스템의 송수신 장치 및 중계기용 광전 변환 집적회로로 사용된다.In general, an integrated circuit (IC) in which an optical element and a photoelectric conversion element are integrated on the same substrate by the above-described heterogeneous integration or the like is called an optical electronic integrated circuit. In addition, the monolithic circuit by the semiconductor manufacturing method includes one or more luminous elements or light receiving elements, an integrated circuit or the like for processing an electrical signal or a planar optical waveguide element. . The photoelectric integrated circuit described above generally means using a gallium arsenide (GaAs) substrate, and is mainly used as a photoelectric conversion integrated circuit for a transceiver and a repeater in an optical communication system.
통상적으로, 광전 변환 소자 및 광학 소자를 반도체 제조 공정에 의해 동일한 기판면 상에 집적시키는 방법과, 평면 광도파로 소자와, 광신호를 전기 신호로 전기 신호를 광신호로 변환시킬 수 있는 수광 또는 발광 기능을 갖는 광전 변환 소자 등을 각각 개별적으로 제조한 후, 동일한 기판 상에 집적하는 이종 집적(HI : Hybride Integration) 방식이 널리 사용되고 있다.Typically, a method of integrating a photoelectric conversion element and an optical element on the same substrate surface by a semiconductor manufacturing process, a planar optical waveguide element, and a light reception or light emission capable of converting an optical signal into an electrical signal and converting the electrical signal into an optical signal. BACKGROUND OF THE INVENTION A hybrid integration (HI) method in which photoelectric conversion elements having a function and the like are separately manufactured and then integrated on the same substrate is widely used.
상술한 광전 집적회로는 광신호를 전기 신호로, 전기 신호를 광신호로 변환할 경우에 발생하는 광손실 및 발생 가능한 에러 요인을 최소화시키기 위해서는 소자간 광축 정렬 및 결합 효율을 향상시켜야만 한다.The above-described optoelectronic integrated circuits must improve the optical axis alignment and coupling efficiency between devices in order to minimize optical loss and possible error factors that occur when converting an optical signal into an electrical signal and an electrical signal into an optical signal.
도 1은 종래의 이종 접합 방식에 의한 광수신용 광전 집적회로의 구조를 나타내는 측면도이다. 도 1을 참조하면, 상기 광수신용 광전 집적회로는 광신호를 제어하는 평면 광도파로 소자(130)와, 상기 평면 광도파로 소자(130)로부터 출력된광신호(133)의 광경로를 조정하는 마이크로 미러(120)와, 상기 마이크로 미러(120)로부터 입력된 광신호(133)를 검출해내는 광검출기(140)를 포함한다.1 is a side view illustrating a structure of a photoreceptive photonic integrated circuit according to a conventional heterojunction method. Referring to FIG. 1, the photoreceptive photonic integrated circuit includes a planar optical waveguide device 130 that controls an optical signal, and a microcontroller that adjusts an optical path of the optical signal 133 output from the planar optical waveguide device 130. The mirror 120 and a photo detector 140 for detecting the optical signal 133 input from the micro mirror 120.
상기 평면 광도파로 소자(130)는 광전 집적회로의 기본적인 구성 요소로서, 반도체 제조 공정 등에 의해 실리카 재질의 기판(110)상에 형성되며, 그 단면으로 광신호를 출력한다. 통상적으로, 상기 평면 광도파로 소자(130)에서 출력된 광신호(133)는 상기 기판(110)과 평행하게 진행하게 된다. 상기 평면 광도파로 소자(130)는 낮은 전송 손실 및 광섬유 혹은 광소자와의 낮은 결합 손실을 가져야 한다.The planar optical waveguide device 130 is a basic component of an optoelectronic integrated circuit, and is formed on a substrate 110 made of silica by a semiconductor manufacturing process or the like, and outputs an optical signal in its cross section. Typically, the optical signal 133 output from the planar optical waveguide device 130 travels in parallel with the substrate 110. The planar optical waveguide device 130 should have a low transmission loss and a low coupling loss with an optical fiber or an optical device.
상기 광검출기(140)는 도 1에 도시된 바와 같이 별도로 제작된 광도파로 형태의 포토 다이오드 등을 상기 마이크로 미러(120)의 상면에 위치시킴으로서, 상기 마이크로 미러(120)에서 반사된 광신호(133)를 활성층(141)으로 입력받아 그 세기를 검출하거나, 광신호를 전기 신호로 변환시키는 역할을 한다. 그 외에, 상기 평면 광도파로 소자(130)가 형성된 기판(110) 위에 이종 접합시키거나, 상기 평면 광도파로 소자(130)와의 결합 효율을 향상시키기 위해 특수하게 설계된 광검출기 등을 사용하기도 한다.As shown in FIG. 1, the photodetector 140 places an optical waveguide-type photodiode or the like, which is separately manufactured, on the upper surface of the micromirror 120, thereby reflecting the optical signal 133 reflected from the micromirror 120. ) Is input to the active layer 141 to detect the intensity or convert the optical signal into an electrical signal. In addition, a heterogeneous bonding may be performed on the substrate 110 on which the planar optical waveguide device 130 is formed, or a photodetector specially designed to improve coupling efficiency with the planar optical waveguide device 130 may be used.
상기 마이크로 미러(120)는 상기 평면 광도파로 소자(130)에서 출력된 광신호의 광경로를 상기 광검출기(140)에 입사 가능하도록 그 경로를 변환시켜주는 역할을 할 수 있도록 기결정된 기울기의 경사면(121)이 성형된다. 상기 마이크로 미러(120)는 두께가 수십 미크론 정도로서 상기 광검출기(140)의 하부에 위치되어진다. 통상적으로, 상기 마이크로 미러(120)는 두께가 얇은 실리콘 박편으로 제작되며, 상술한 실리콘 박편은 취급과 광축 정렬이 용이하지 않다는 문제가 있다.The micromirror 120 has an inclined plane having a predetermined slope so as to convert a path of the optical signal output from the planar optical waveguide device 130 to be incident on the photodetector 140. 121 is molded. The micromirror 120 has a thickness of about several tens of microns and is located below the photodetector 140. Typically, the micromirror 120 is made of thin silicon flakes, and the aforementioned silicon flakes have a problem in that handling and optical axis alignment are not easy.
도 1에 도시된 구조 이외에도, 이종 접합 기술에 의해 발광 또는 수광 기능을 갖는 광전 변환 소자들과, 능동 또는 수동 기능을 갖는 평면 광도파로와, 광섬유 블록들이 집적 및 광축 정렬된 광전 집적회로의 구조에 관한 발명으로서, 뮬러 등에 의해 특허 허여된 미국 특허 번호 제 5,577,142호 ("OPTICAL FIBER TRANSMITTING AND RECEIVING COMMUNICATION DEVICE")에 종래의 이종 접합 방식에 의한 광전 집적회로의 구성에 관해 자세히 개시되고 있다.In addition to the structure shown in FIG. 1, photoelectric conversion elements having a light emitting or receiving function by heterojunction techniques, planar optical waveguides having an active or passive function, and optical fiber blocks are integrated and optically aligned in the structure of an optical integrated circuit. As a related invention, U. S. Patent No. 5,577, 142 (" OPTICAL FIBER TRANSMITTING AND RECEIVING COMMUNICATION DEVICE "), issued by Muller et al., Discloses the construction of a photoelectric integrated circuit by a conventional heterojunction scheme.
그러나, 종래 기술들은 광검출기와 광도파로 소자간 결합 특성이 떨어져서, 수광시 광손실이 발생하는 문제점이 있다. 또한, 마이크로 미러등과 같은 소자는 소형에 훼손이 잘되는 재질을 사용함으로, 제작과 광축 정렬이 용이하지 않다는 문제가 있다. 이로 인해 공정 및 생산비 부담이 커지는 문제가 있다.However, the related arts have a problem in that optical coupling occurs between the photodetector and the optical waveguide device, resulting in optical loss upon receiving light. In addition, a device such as a micro mirror has a problem that it is not easy to manufacture and align the optical axis by using a material that is small and easily damaged. As a result, the burden of process and production costs increases.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 제작이 용이하고, 광결합 효율이 우수한 광전 집적 회로의 구조를 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to provide a structure of an opto-electronic integrated circuit which is easy to manufacture and excellent in optical coupling efficiency.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광전 집적회로는,In order to achieve the above object, an optoelectronic integrated circuit according to the present invention,
상기 광전 집적회로를 구성하는 각 소자들을 지지하는 반도체 기판과;A semiconductor substrate supporting each element constituting the photoelectric integrated circuit;
활성층을 포함하며, 상기 반도체 기판 상에 형성된 광검출기와;A photodetector including an active layer and formed on the semiconductor substrate;
그 출력단이 상기 광검출기의 측면으로부터 기설정된 거리만큼 이격되어 있으며, 상기 출력단에서 출력된 광이 상기 광검출기의 측면을 통해 상기 활성층의 하부표면에 입사되도록 상기 출력단이 상기 활성층을 향해 기울어진 구조로 상기 반도체 기판 상에 형성된 평면 광도파로 소자;The output terminal is spaced apart from the side of the photo detector by a predetermined distance, and the output terminal is inclined toward the active layer so that the light output from the output terminal is incident on the lower surface of the active layer through the side of the photo detector. A planar optical waveguide device formed on the semiconductor substrate;
상기 평면 광도파로 소자와 상기 광검출기 간의 광결합 효율을 향상시키기 위해 상기 평면 광도파로 소자의 출력단과 상기 광검출기의 측면을 덮도록 도포된 기결정된 굴절률의 굴절률 정합층을 포함한다.And a refractive index matching layer having a predetermined refractive index applied to cover an output end of the planar optical waveguide device and a side surface of the photodetector to improve optical coupling efficiency between the planar optical waveguide device and the photodetector.
도 1은 종래 기술에 의해 이종 접합된 광수신용 광전 집적회로의 구조를 나타내는 측면도,1 is a side view showing the structure of a photoreceptive photonic integrated circuit heterojunction by the prior art;
도 2는 본 발명에 따른 광검출기와 평면 광도파로 소자간 광축 정렬된 광전 집적회로의 구조를 나타내는 측면도,2 is a side view illustrating a structure of an optical integrated circuit having optical axes aligned between a photodetector and a planar optical waveguide device according to the present invention;
도 3은 도 2에 도시된 광검출기와 평면 광도파로 소자간 광축 정렬된 광전 집적회로의 일부분만을 확대한 도면,3 is an enlarged view of only a part of an optical axis aligned optical axis between the photodetector and the planar optical waveguide device shown in FIG.
도 4는 도3에 도시된 굴절률 정합층의 굴절률 및 평면 광도파로 소자 출력단의 기울기에 따른 광검출기 내에서 굴절되는 광신호의 수광각과의 상관 관계를 나타내는 그래프.FIG. 4 is a graph showing a correlation between the refractive index of the refractive index matching layer shown in FIG. 3 and the light receiving angle of the optical signal refracted in the photodetector according to the slope of the planar optical waveguide device output terminal. FIG.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention; In describing the present invention, detailed descriptions of related well-known functions or configurations are omitted in order not to obscure the subject matter of the present invention.
도 2는 본 발명에 의한 광검출기와 평면 광도파로 소자가 광축 결합된 광전 집적회로의 구조를 나타내는 측면도이다. 도 2를 참조하면, 광전 집적회로는 반도체 기판(210)과, 상기 반도체 기판(210)상에 형성된 평면 광도파로 소자(240)와, 상기 평면 광도파로 소자(240)에서 출력된 광을 검출하기 위한 광검출기(220)와, 기결정된 굴절률을 갖는 굴절률 정합층(230)을 포함한다.2 is a side view illustrating a structure of an optical integrated circuit in which an optical detector and a planar optical waveguide device are optically coupled to each other according to the present invention. Referring to FIG. 2, the photoelectric integrated circuit detects light output from the semiconductor substrate 210, the planar optical waveguide device 240 formed on the semiconductor substrate 210, and the planar optical waveguide device 240. Photodetector 220 and a refractive index matching layer 230 having a predetermined refractive index.
상기 반도체 기판(210)은 상기 광전 집적회로를 구성하는 각 소자들을 고정 및 지지하는 역할을 하며, 특히, 평면 광도파로 소자(240)는 상기 반도체 기판(210) 상에 직접 성형되어진다.The semiconductor substrate 210 serves to fix and support the elements constituting the optoelectronic integrated circuit. In particular, the planar optical waveguide device 240 is directly formed on the semiconductor substrate 210.
상기 광검출기(220)는 광을 검출해내는 활성층(221)과, 상기 활성층(221)과수직한 방향의 일측면이 광신호가 입력되는 수광면(222)인 도파로 형태의 포토 다이오드 등이 사용 가능하다. 상기 광검출기(220)는 상기 활성층(221)이 상기 반도체 기판(210)과 평행하도록 상기 반도체 기판(210)상에 위치되어진다.The photodetector 220 may use an active layer 221 for detecting light and a waveguide-type photodiode, which is a light receiving surface 222 on which one side of the active layer 221 perpendicular to the active layer 221 is input. . The photodetector 220 is positioned on the semiconductor substrate 210 such that the active layer 221 is parallel to the semiconductor substrate 210.
상기 평면 광도파로 소자(240)는 그 출력단(241)이 상기 광검출기(220)의 수광면(222)과 기설정된 거리만큼 이격되어져 있으며, 상기 출력단(241)에서 출력된 광이 상기 광검출기(220)의 수광면(222)을 통해 상기 활성층(221)의 하부 표면에 입사될 수 있도록 상기 출력단(241)이 상기 활성층(221)을 향해 기울어진 구조로 상기 반도체 기판(210) 상에 형성된다. 상기 평면 광도파로 소자(240)는 상기 출력단(241)을 기결정된 각도로 경사지도록 형성함으로써, 상기 광검출기(220)와의 광축 정렬이 용이하고, 상기 활성층으로 입력되는 광의 손실을 최소화시킨다.In the planar optical waveguide device 240, the output terminal 241 is spaced apart from the light receiving surface 222 of the photodetector 220 by a predetermined distance, and the light output from the output terminal 241 is transferred to the photodetector ( The output terminal 241 is formed on the semiconductor substrate 210 to be inclined toward the active layer 221 so that the light may be incident on the lower surface of the active layer 221 through the light receiving surface 222. . The planar optical waveguide device 240 forms the output terminal 241 to be inclined at a predetermined angle, thereby easily aligning an optical axis with the photodetector 220 and minimizing a loss of light input to the active layer.
상기 굴절률 정합층(230)은 상기 평면 광도파로 소자(240)와 상기 광검출기(220)의 결합 효율을 향상시키기 위해 상기 평면 광도파로 소자(240)의 출력단(241)과 상기 광검출기(220)의 수광면(222)을 덮도록 도포되며, 기결정된 굴절률을 갖는다.The refractive index matching layer 230 is an output terminal 241 and the photodetector 220 of the planar optical waveguide device 240 to improve the coupling efficiency of the planar optical waveguide device 240 and the photodetector 220. Is applied to cover the light receiving surface 222, and has a predetermined refractive index.
상기 수광면(222)을 통해 상기 광검출기(220)로 입사된 광은 상기 활성층(221)을 향해서 기결정된 각도로 굴절되어진다. 상기 활성층(221)을 벗어나는 각으로 굴절된 광이 있다면, 이는 상기 활성층(221)이 검출해 낼 수 없는 광손실이 된다. 상기 광검출기(220) 내부에 입사된 광이 굴절되는 각도는 상기 굴절률 정합층(230)의 굴절률과, 상기 평면 광도파로 소자(240) 출력단(241)의 기울기어진 각도에 따라서 조정 가능하다.Light incident on the photodetector 220 through the light receiving surface 222 is refracted at a predetermined angle toward the active layer 221. If there is light refracted at an angle out of the active layer 221, this becomes a light loss that the active layer 221 can not detect. The angle at which light incident to the photodetector 220 is refracted may be adjusted according to the refractive index of the refractive index matching layer 230 and the inclination angle of the output terminal 241 of the planar optical waveguide device 240.
결과적으로 본 발명은 평면 광도파로 소자의 출력단 기울기와, 상기 굴절률 정합층의 굴절률을 조절함으로써 어떠한 형태의 광검출기와의 광축 정렬도 용이하게 할 수 있으며, 광손실 또한 최소화시킬 수 있다는 등의 이점이 있다.As a result, the present invention can easily align the optical axis with any type of photodetector by adjusting the slope of the output terminal of the planar optical waveguide device and the refractive index of the refractive index matching layer, and also minimize the optical loss. have.
상기 광검출기(220)와 상기 굴절률 정합층(230) 사이의 경계면인 수광면(222)과, 상기 평면 광도파로 소자(240)와 상기 굴절률 정합층(230) 사이의 경계면인 출력단(241)에서 굴절되는 광의 각도는 상술한 각 경계면과 수직한 임의의 법선을 기준으로 한다.At the output end 241, which is an interface between the photodetector 220 and the refractive index matching layer 230, and the interface between the planar optical waveguide device 240 and the refractive index matching layer 230. The angle of refracted light is based on any normal perpendicular to each of the boundaries described above.
도 3은 도 2에 도시된 광검출기와 평면 광도파로 소자간 광축 결합된 일부분만을 확대한 도면이다. 도 3을 참조하면, 상기 평면 광도파로 소자(240)로부터 출력된 광신호는 상기 평면 광도파로 소자(240) 및 상기 굴절률 정합층(230)과, 상기 광검출기(220) 각각의 굴절률 차로 인해 그 진행 경로가 기결정된 각도로 굴절된다. 서로 다른 굴절률을 갖는 매질간 경계면에서 굴절되는 광신호의 각도는 각 매질간 굴절률 차와 경계면에서 입사되는 각도에 의해 결정되며, 경계면을 사이에 두고 나타나는 광신호의 각 매질간 굴절률 차와 입사되는 각도에 따른 기하학적 경로 변화의 연관 관계를 스넬(Snell)의 법칙이라 한다. 이를 본 발명에 따른 상기 굴절률 정합층(230)과 상기 평면 광도파로 소자(230)의 사이를 진행하는 광신호에 적용하면, 하기 하는 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다.FIG. 3 is an enlarged view of only a part of an optical axis coupled between the photodetector and the planar optical waveguide device shown in FIG. 2. Referring to FIG. 3, an optical signal output from the planar optical waveguide device 240 is due to a difference in refractive index between the planar optical waveguide device 240, the refractive index matching layer 230, and the photodetector 220. The traveling path is refracted at a predetermined angle. The angle of the optical signal refracted at the interface between the media having different refractive indices is determined by the difference in refractive index between the media and the angle incident at the interface. The relationship between the geometrical path changes along the surface is called Snell's law. When this is applied to the optical signal traveling between the refractive index matching layer 230 and the planar optical waveguide device 230 according to the present invention, it can be expressed as Equation 1 below.
상기 평면 광도파로 소자(240)의 출력단(241)에 수직한 임의의 점선을 법선이라하며, 이하 서술할 스넬의 법칙에 의한 광신호가 굴절되는 각도는 경계면에 수직한 임의의 법선을 기준으로 한다.An arbitrary dotted line perpendicular to the output terminal 241 of the planar optical waveguide device 240 is called a normal line, and an angle at which an optical signal is refracted by Snell's law to be described below is based on an arbitrary normal line perpendicular to the boundary surface.
<수학식 1>은 상기 평면 광도파로 소자(240)로부터 상기 굴절률 정합층(230)으로 입사된 광신호가 굴절되는 각도를 스넬의 법칙으로부터 유도한 공식이다. 즉, 상기 출력단(241)을 경계면으로 서로 다른 굴절률을 갖는 매질을 진행하는 광신호가 굴절되는 각도를 나타내는 수학식이다.<Equation 1> is a formula derived from Snell's law, the angle at which the optical signal incident from the planar optical waveguide device 240 to the refractive index matching layer 230 is refracted. That is, the equation represents the angle of refraction of the optical signal that advances the medium having different refractive indices with respect to the output terminal 241.
상기 평면 광도파로 소자(240)의 내부를 진행하던 광신호가 상기 출력단(241)에서 법선과의 각도를 입사각(90-θ1)이라하고, 상기 출력단(241)을 통과해서 상기 굴절률 정합층(230)의 내부로 입사된 광신호의 각도를 출사각(θ′)이라 한다. <수학식 1>에서, θ1은 상기 활성층을 향하도록 기울어진 출력단(241)의 각도를 나타내고, nc는 상기 굴절률 정합층(230)의 굴절률을 의미한다. 즉, θ1은 상기 반도체 기판(210)과 상기 출력단(241) 사이의 각도를 의미한다.An optical signal traveling in the planar optical waveguide device 240 is referred to as an incidence angle 90-θ 1 at the output terminal 241, and passes through the output terminal 241 to pass through the refractive index matching layer 230. The angle of the optical signal incident to the inside of the? In Equation 1, θ 1 represents an angle of the output terminal 241 inclined toward the active layer, and n c represents a refractive index of the refractive index matching layer 230. That is, θ1 means an angle between the semiconductor substrate 210 and the output terminal 241.
하기의 <수학식 2>는 상기 굴절률 정합층(230)으로부터 상기 광검출기(220)로 광신호가 입사될때 상기 수광면(222)에서 굴절되는 각도를 나타낸다. 즉, 광검출기(220)의 수광면(222)을 경계면으로 서로 다른 굴절률을 갖는 매질을 진행하는 광신호가 굴절되는 각도를 나타내는 수학식이다.Equation 2 below represents an angle refracted by the light receiving surface 222 when an optical signal is incident from the refractive index matching layer 230 to the photodetector 220. That is, the equation represents an angle at which an optical signal for propagating a medium having different refractive indices to the light receiving surface 222 of the photodetector 220 is refracted.
상기 <수학식 2>에서, 상기 굴절률 정합층(230)으로부터 상기 광검출기(220)로 입사된 광신호가 굴절되는 각도를 입사각(θ′)이라하고, 상기 수광면(222)을 통과해서 상기 광검출기 내부로 입사된 광신호가 굴절되는 각도룰 수광각(θ3)이라 한다. np는 상기 광검출기(220)의 굴절률을, nc는 굴절률 정합층(230)의 굴절률을 의미한다.In Equation 2, an angle at which the optical signal incident from the refractive index matching layer 230 to the photodetector 220 is refracted is called an incident angle θ 'and passes through the light receiving surface 222 to allow the light to pass through. The angle at which the optical signal incident into the detector is refracted is called the light receiving angle θ 3 . n p means the refractive index of the photodetector 220, n c means the refractive index of the refractive index matching layer 230.
상술한 수광각(θ3)과 입사각(θ′) 각각은 상기 수광면(222)에 수직한 임의의 법선과 두 매질의 경계면인 상기 수광면(222)을 진행하는 광신호 사이의 각도를 나타낸다.Each of the above-described light receiving angle θ 3 and the incident angle θ ′ represents an angle between an arbitrary normal perpendicular to the light receiving surface 222 and an optical signal traveling through the light receiving surface 222, which is an interface between two media. .
상기 <수학식 2>의 sin(θ')은 상기 <수학식 3>의 sin(90- θ1- θ2)와 같이 나타낼 수 있다. 즉, <수학식 2>의 입사각(θ')은 상기 출력단(241)에 수직한 법선과 광신호 사이의 각도를 의미하며, 이는 상기 수광면(222)의 법선과 상기 수광면(222)에 입사되는 광신호 사이의 엇각이다. 따라서 <수학식 2>의 입사각(θ')은 <수학식 3>의 입사각(90-θ1- θ2)과 동일하다.Sin (θ ') of Equation 2 may be expressed as sin (90−θ 1 -θ 2 ) of Equation 3 above. That is, the angle of incidence θ ′ of Equation 2 denotes an angle between a normal line perpendicular to the output terminal 241 and an optical signal, which corresponds to the normal line of the light receiving surface 222 and the light receiving surface 222. The angle between the incident optical signals. Therefore, the incidence angle θ 'of Equation 2 is equal to the incidence angle 90-θ 1 -θ 2 of Equation 3.
상술한 <수학식 2> 및 <수학식 3>의 수광각(θ3)은 상기 출력단(241)의 경사각도(θ1)와, 상기 굴절률 정합층(230)의 굴절률(nc)에 따라서 변화 가능하다. 따라서, 어떠한 형태의 광검출기 또는 반도체 레이저 등의 소자들과 광도파로 소자를 이종 접합시킬 경우에도 그 크기 및 형태에 관계없이 용이하게 광축 정렬시킬 수 있다.The light receiving angle θ 3 of Equations 2 and 3 is determined according to the inclination angle θ 1 of the output terminal 241 and the refractive index n c of the refractive index matching layer 230. It is possible to change. Therefore, even when the optical waveguide device and the optical waveguide device are heterogeneously bonded to any type of photodetector or semiconductor laser, the optical axis can be easily aligned regardless of its size and shape.
즉, 상기 출력단(241)의 각도(θ1) 및 굴절률 정합층의 굴절률(nc) 등을 광축 정렬 조건에 따라서 다양하게 적용할 수 있으며, 이로 인해 다양한 형태 및 크기를 갖는 광검출기와의 광축 정렬이 용이하다. 본 발명의 구조를 갖는 광전 집적회로는 광검출기와 같은 수광 소자와의 이종 접합 뿐만 아니라, 반도체 레이저 등과 같은 발광 소자와의 광축 정렬 및 이종 접합에도 적용 가능하다.That is, the angle θ 1 of the output terminal 241 and the refractive index n c of the refractive index matching layer may be variously applied according to the optical axis alignment conditions, and thus the optical axes of the optical detectors having various shapes and sizes may be applied. Easy to align The photoelectric integrated circuit having the structure of the present invention is applicable not only to heterojunction with a light receiving element such as a photodetector but also to optical axis alignment and heterojunction with a light emitting element such as a semiconductor laser.
도 4는 굴절률 정합층(230)의 굴절률(nc)과 상기 광검출기(220)의 내부에 입사된 광신호가 굴절된 수광각과의 상관 관계를 나타내는 그래프이다. 그래프의 x축은 굴절률 정합층(230)의 굴절률을 나타내고, y축은 광검출기(220)의 내부에 입사된 광신호가 굴절된 수광각(θ3)을 나타내며, 상기 평면 광도파로 소자(240) 출력단(241)의 기울기인 θ1을 30°,45°, 60° 등과 같이 다양하게 변화시킬 경우에 상기 광검출기(220)에 입사된 광신호의 수광각 변화를 나타낸다.FIG. 4 is a graph illustrating a correlation between a refractive index n c of the refractive index matching layer 230 and a light receiving angle in which an optical signal incident inside the photodetector 220 is refracted. The x-axis of the graph represents the refractive index of the refractive index matching layer 230, the y-axis represents the light receiving angle (θ 3 ) in which the optical signal incident inside the photodetector 220 is refracted, and the output end of the planar optical waveguide device 240 ( When the angle θ 1 , which is the inclination of 241, is varied in various ways such as 30 °, 45 °, 60 °, and the like, the change in the received angle of the optical signal incident on the photodetector 220 is shown.
본 발명에 따른 구체적인 일례로서, 수학식 1과 2로부터 도 4의 그래프가 시뮬레이션 되어질 수 있으며, 이 때의 조건으로, np는 3.5, ns는 1.45로 그 굴절률을 고정하였다. 도 4에서, 평면 광도파로 소자의 기울어진 경사면의 각도가 45°이고,굴절률 정합층(230)의 굴절률이 2.15인 경우에 광검출기(220) 내부에 입사된 광신호의 수광각은 10°정도 임을 알 수 있다. 이번 예에 적용된 광검출기의 폭(d)은 100㎛, 크기는 1000㎛ 인 포토 다이오드이다. 상술한 포토 다이오드의 활성층에 상기 광신호가 손실 없이 도달시키기 위해서 약 567㎛ 정도의 거리(L)를 이동해야만 하며, 이는 하기 하는 수학식4와 같이 유추되었음을 알 수 있다.As a specific example according to the present invention, the graphs of FIG. 4 can be simulated from Equations 1 and 2, and in this case, n p is 3.5 and n s is 1.45 to fix the refractive index. In FIG. 4, when the angle of the inclined plane of the planar optical waveguide device is 45 ° and the refractive index of the refractive index matching layer 230 is 2.15, the light receiving angle of the optical signal incident inside the photodetector 220 is about 10 °. It can be seen that. The width (d) of the photodetector applied in this example is a photodiode of 100 µm and size of 1000 µm. In order to reach the active layer of the photodiode described above without losing the optical signal, a distance L of about 567 μm must be moved, which can be seen as inferred from Equation 4 below.
상술한 바와 같이 상기 광검출기(220)의 내부에서 광신호가 굴절되는 수광각은 상기 굴절률 정합층(230)의 굴절률과, 상기 평면 광도파로 소자(240) 출력단(241)의 경사 각도(θ1)를 조절함으로써 조정할 수 있다.As described above, the light receiving angle at which the optical signal is refracted in the photodetector 220 includes the refractive index of the refractive index matching layer 230 and the inclination angle θ 1 of the output terminal 241 of the planar optical waveguide device 240. Can be adjusted by adjusting.
예를 들어, 상기 광검출기(220) 내에 입사된 광신호가 20˚로 굴절된다면, 상기 광신호의 이동 경로는정도의 거리를 상기 포토 다이오드 내에서 이동하게 됨을 알 수 있다.For example, if the optical signal incident in the photodetector 220 is refracted at 20 °, the movement path of the optical signal is It can be seen that the distance is moved within the photodiode.
본 발명은 기결정된 각도로 경사진 출력단이 형성된 평면 광도파로 소자 및 기결정된 굴절률을 갖는 매질을 사용한 굴절률 정합층을 포함함으로서, 이종 접합 방식에 의한 광전 집적회로의 제작이 용이하다. 또한, 상기 평면 광도파로 소자 일단의 경사진 각도와, 굴절률 정합층의 굴절률을 조정함으로서, 다양한 크기 및 형태의 광검출기 등과의 광축 정렬에도 용이하게 적용 가능하다는 이점이 있다. 또한, 광축 정렬을 위한 마이크로 미러등의 소자들을 사용하지 않고도 광축 정렬이 가능하며, 그로 인해 공정 시간 단축 및 생산비가 절감되는 등의 이점이 있다.The present invention includes a planar optical waveguide device having an output end inclined at a predetermined angle and a refractive index matching layer using a medium having a predetermined refractive index, thereby easily fabricating an opto-electronic integrated circuit using a heterojunction method. In addition, by adjusting the inclination angle of one end of the planar optical waveguide element and the refractive index of the refractive index matching layer, there is an advantage that it is easily applicable to optical axis alignment with photodetectors of various sizes and shapes. In addition, optical axis alignment is possible without using elements such as a micro mirror for optical axis alignment, thereby reducing the process time and production cost.
본 발명은 광검출기와 평면 광도파로 소자간 이종 접합된 광전 집적회로뿐만 아니라, 발광 소자와 평면 광도파로 소자간 이종 접합된 광전 집적회로에도 적용 가능하다.The present invention is applicable not only to the heterojunction between the photodetector and the planar optical waveguide device but also to the heterojunction between the light emitting device and the planar optical waveguide device.
본 발명은 평면 광도파로 소자의 일단을 기설정된 기울기를 갖도록 성형함으로서, 광검출기와의 광축 정렬이 용이하고, 광결합 효율이 우수하다. 또한, 평면 광도파로 소자 일단의 기울기와 굴절률 정합층의 굴절률과, 상기 평면 광도파로 소자와 광검출기간의 간격 등을 조정함으로서, 허용 가능한 수광 각도의 범위가 넓어진다. 즉, 다양한 형태 및 크기의 광검출기에도 용이하게 적용할 수 있다는 이점이 있다. 더욱이 광축 정렬을 위한 마이크로 미러등의 소자들을 사용하지 않고도 광축 정렬이 가능하며, 그로 인해 공정 시간 단축 및 생산비가 절감되는 등의 이점이 있다.According to the present invention, one end of the planar optical waveguide device is molded to have a predetermined slope, so that the alignment of the optical axis with the photodetector is easy and the optical coupling efficiency is excellent. Further, by adjusting the inclination of one end of the planar optical waveguide element, the refractive index of the refractive index matching layer, the interval between the planar optical waveguide element and the photodetection period, and the like, the range of the acceptable light receiving angle is widened. That is, there is an advantage that it can be easily applied to photodetectors of various shapes and sizes. Moreover, optical axis alignment can be performed without using devices such as micro mirrors for optical axis alignment, and thus, there is an advantage of shortening process time and reducing production cost.
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