CN104638080B - 包括具有多能级的三耦合量子阱结构的光学设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种光学设备，其包括具有两个外部势垒和在所述两个外部势垒之间的耦合量子阱的有源层。耦合量子阱包括：第一量子阱层、第二量子阱层、以及第三量子阱层、布置在所述第一量子阱层和所述第二量子阱层之间的第一耦合势垒、以及布置在所述第二量子阱层和所述第三量子阱层之间的第二耦合势垒。第一量子阱层的厚度和第三量子阱层的厚度的每个与第二量子阱层的厚度不同。此外，第一量子阱层的能级和第三量子阱层的能级的每个与第二量子阱层的能级不同。

Description

包括具有多能级的三耦合量子阱结构的光学设备
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年11月7日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2013-0134986的优先权，通过引用，将其公开内容全部合并于此。
技术领域
与示例性实施例一致的装置涉及一种包括三耦合量子阱结构的光学设备，并且更具体地，涉及一种包括具有多能级的三耦合量子阱结构的光学设备，其可以提高多量子阱结构中的光吸收强度，而不会增加驱动电压。
背景技术
3D相机不仅具有一般的图像捕获功能，而且还具有测量从物体的表面上的多个点到3D相机的距离的功能。最近已经提出了多种算法来测量物体和3D相机之间的距离。这些算法中的典型算法是飞行时间(time-of-flight(TOF))算法。根据TOF法，照明光被发射到物体上，然后测量在从照明光被发射直到从物体反射的照明光被光接收单元接收之间的飞行时间。照明光的飞行时间可以通过测量上述照明光的相位延迟来获得。高速光学调制器(modulator)被用来精确测量相位延迟。
具有优异的电-光响应特性的光学调制器被用于获取具有高距离精度的三维图像。最近，主要使用GaAs类半导体光学调制器。GaAs类半导体光学调制器具有在其中多量子阱(MQW)结构被布置在P电极和N电极之间的P-I-N二极管结构。在该结构中，当反向偏置电压被施加到P-N电极之间时，MQW结构形成在特定的波长带的激子，并且吸收光。MQW结构的吸收光谱特性上随着反向偏置电压的增加而朝向长波长移动。因此，特定波长处的吸收程度可以根据反向偏置电压的变化而变化。因此，根据上述原理，具有特定波长的入射光的强度可以通过调节施加到光学调制器上的反向偏置电压来调制。
在光学调制器中，距离精度随着指示在当施加电压时和不施加电压时之间的吸收程度的不同的对比度(例如，解调对比)的增加而增加。以低电压进行驱动有利于防止因热而导致的性能劣化。在一般情况下，增加对比度可以通过增加在MQW结构中的光吸收强度和跃迁能量来实现。光吸收强度与量子阱层的厚度成反比并且与在所述量子阱层中的空穴的波函数和电子的波函数之间的重叠的程度的平方成正比。此外，指示吸收光谱移向长波长的程度的跃迁能量正比于量子阱层的厚度的四次方并且正比于施加的电压的平方。
然而，当量子阱层的厚度被减小以增加光的吸收强度时，跃迁能量减少，并且所施加的电压增加以补偿跃迁能量的减少。另一方面，当量子阱层的厚度被增加以增加跃迁能量时，空穴的波函数和电子的波函数之间的重叠程度降低，并且由电子-空穴对而生成的激子减小，使得吸收强度降低。因此，吸收强度的提高和驱动电压的降低处于折衷选择的关系。
发明内容
另外的示例性方面将部分地在下面的描述中得以阐述，并且部分地将从描述中变得显而易见，或者可通过本实施例的实践而得知。
根据本发明的示例性实施例的一个方面，一种光学设备，包括：有源层，其包括至少两个外部势垒，以及被插入在所述至少两个外部势垒之间的至少一个耦合量子阱，在其中，每个耦合量子阱包括至少三个量子阱层和至少两个耦合势垒，其中，所述耦合势垒中的每个被设置在量子阱层中的两个之间，被布置在耦合量子阱的相对两端的两个量子阱层的厚度与被布置在两个量子阱层之间的其他量子阱层的厚度不同，并且被布置在相对两端的两个量子阱层的能级与被布置在两个量子阱层之间的其他量子阱层的能级不同。
至少两个耦合势垒的势能可以比接地电平高，并且比外部势垒的能级低。
耦合量子阱的每个可以是三耦合量子阱，其包括顺序堆叠的第一量子阱层、第一耦合势垒、第二量子阱层、第二耦合势垒、和第三量子阱层，并且第一和第二耦合势垒的势能比接地电平高，并且比外部势垒的能级低。
第一量子阱层的厚度和第三量子阱层的厚度可以小于第二量子阱层的厚度，并且第一量子阱层的能级和第三量子阱层的能级可以比第二量子阱层的能级低。
根据另一个示例性实施例的一个方面，一种光学设备，包括：有源层，其包括至少两个外部势垒，以及被插入在所述至少两个外部势垒之间的至少一个耦合量子阱，以及下反射层和上反射层，其分别被设置在有源层的下和上表面上，在其中，每个耦合量子阱具有至少三个量子阱层和至少两个耦合势垒，耦合势垒的每一个被设置在所述至少三个量子阱层中的两个之间，并且设置在耦合量子阱的相对两端的两个量子阱层的能级与设置在所述两个量子阱层之间的其他量子阱层的能级不同。
光学设备可以是反射型光学调制器，其中，所述下反射层的反射率比上反射层的反射率更高。
布置在相对两端的两个量子阱层的厚度可小于布置在所述两个量子阱层之间的其他量子阱层的厚度。
光学设备可以进一步包括设置在下和上反射层中至少一个内的至少一个微腔层，其中，当光学设备的谐振波长为λ时，所述有源层和所述至少一个微腔的每个具有为λ/2的整数倍的光学厚度。
所述至少一个耦合量子阱可包括：至少一个第一耦合量子阱，其包括顺序堆叠的第一量子阱层、第一耦合势垒、第二量子阱层、第二耦合势垒和第三量子阱层；以及至少一个第二耦合量子阱，其包括顺序堆叠的第四量子阱层、第三耦合势垒、第五量子阱层、第四耦合势垒、和第六量子阱层，其中，第一耦合量子阱的第二量子阱层的厚度与第二耦合量子阱的第五量子阱层的厚度不同。
第一至第四耦合势垒的势能中的每个可以比接地电平高，并且比外部势垒的能级低。
第一量子阱层的厚度和第三量子阱层的厚度中的每个可以小于第二量子阱层的厚度，并且第四量子阱层的厚度和第六量子阱层的厚度的每个可以小于第五量子阱层的厚度。
第一量子阱层的能级和第三量子阱层的能级中的每个都低于第二量子阱层的能级，并且第四量子阱层的能级和第六量子阱层的能级的每个都比第五量子阱层的能级低。
第一耦合量子阱的第一和第三量子阱层的厚度中的每个可分别与第二耦合量子阱的第四和第六量子阱层的厚度中的每个相等。
至少一个耦合量子阱的每一个可包括顺序堆叠的第一量子阱层、第一耦合势垒、第二量子阱层、第二耦合势垒和第三量子阱层。有源层还可以包括至少一个单量子阱，所述至少一个单量子阱中的每个包括被设置在两个外部势垒之间的单个第四量子阱层。
根据另一个示例性实施例的一个方面，一种光学设备，包括：下反射层、被设置在所述下反射层上的第一有源层、被设置在所述第一有源层上的中间反射层、被设置在中间反射层上的第二有源层、以及被设置在所述第二有源层上的上反射层，在其中，所述第一和第二有源层中的至少一个包括耦合量子阱结构，其包括至少两个外部势垒和在所述至少两个外部势垒之间插入的至少一个耦合量子阱，耦合量子阱中的每个至少包括三个量子阱层和至少两个耦合势垒，其中，耦合势垒的每个被设置在所述至少三个量子阱层中的两个之间，被布置在所述至少三个量子阱层的相对端部的两个量子阱层的厚度中的每个都小于被设置在所述两个量子阱层之间的其他量子阱层的厚度，并且被布置在相对端部的两个量子阱层的能级中的每个都比被设置在所述两个量子阱层之间的其他量子阱层的能级低。
所述至少两个耦合势垒的势能中的每个可以比接地电平高，并且比外部势垒中的每个的能级低。
耦合量子阱的每一个可以是三耦合量子阱，其包括顺序堆叠的第一量子阱层、第一耦合势垒、第二量子阱层、第二耦合势垒、和第三量子阱层，并且所述第一和第二耦合势垒的势能的每一个可能比接地电平高，并且比外部势垒的每个的能级低。
所述第一量子阱层的厚度和第三量子阱层的厚度中的每个可以小于第二量子阱层的厚度，并且所述第一量子阱层的能级和第三量子阱层的能级中的每一个可以比所述第二量子阱层的能级低。
下和上反射层的每一个可以被掺杂成第一导电类型，并且中间反射层可以被掺杂成相反于第一导电类型的第二导电类型。
光学设备可以进一步包括被设置在下和上反射层中的至少一个中的至少一个微腔层，其中，当光学设备的谐振波长为λ时，所述有源层和所述至少一个微腔中的每个具有为λ/2的整数倍的光学厚度。
附图说明
结合附图，从示例性实施例的以下描述中，这些和/或其他示例性方面和优点将变得清楚和更易于理解：
图1是根据示例性实施例的具有三耦合量子阱结构的有源层的能带图；
图2A和2B分别示出了当反向偏置电压不被施加到图1的有源层上时的电子的波函数和空穴的波函数；
图3A和3B分别示出了当反向偏置电压被施加到图1的有源层上时的电子的波函数和空穴的波函数；
图4示出了具有图1的三耦合量子阱结构的有源层的吸收光谱；
图5示出了与简单的单量子阱结构相比较，在具有图1所示的三耦合量子阱结构的有源层中的光吸收特性；
图6示出了根据示例性实施例的具有三耦合量子阱结构的光学设备的细节；
图7示意性示出了图6的光学设备的吸收系数光谱；
图8示意性示出了根据示例性实施例的具有三耦合量子阱结构的反射光学调制器的结构；
图9示出了图8所示的反射型光学调制器的详细示例；
图10示意性示出了图9的反射型光学调制器的反射特性；
图11示意性示出了根据示例性实施例的具有三耦合量子阱结构的透射型光学调制器的结构；
图12示出了图11的透射型光学调制器的详细示例；
图13示意性示出了图12的透射型光学调制器的透射特性；
图14示意性示出了根据另一示例性实施例的具有三耦合量子阱结构的透射型光学调制器的结构；
图15示出了图14的透射型光学调制器的详细示例；
图16示意性地示出了图15的透射型光学调制器的透射特性；以及
图17示意性地示出了根据另一示例性实施例的具有三耦合量子阱结构的透射型光学调制器的结构。
具体实施方式
现在将详细参考在附图中示出的示例性实施例，其中，相同的附图标记表示相似的元件。另外，为了便于说明和清楚起见，在附图中示出的每一层的尺寸可以被夸大。在这方面，本实施例可具有不同形式，并且不应被解释为限于在此阐述的描述。因此，以下通过参考附图，对本实施例进行描述仅仅用于解释本描述的各方面。在层结构中，当一个构成元素被设置在另一构成元素“上方”或“上”时，该构成元素可以是仅直接位于其它的构成元素上，或者以非接触的方式位于其它的构成元素上方。
图1是根据示例性实施例的具有三耦合量子阱结构的有源层的能带图。参照图1，根据本实施例的有源层可以包括两个外部势垒以及插入在两个外部势垒之间的三耦合量子阱。尽管图1仅仅示出两个外部势垒和一个三耦合量子阱，但是也可以包括更多的外部势垒和三耦合量子阱。例如，有源层可以包括至少两个外部势垒和插入在每对两个外部势垒之间的至少一个三耦合量子阱。
三耦合量子阱的每个可包括：被顺序地布置的第一量子阱层QW1、第一耦合势垒CB1、第二量子阱层QW2、第二耦合势垒CB2、和第三量子阱层QW3。在三耦合量子阱结构中，三个量子阱层可以通过两个耦合势垒而彼此耦合。因此，在有源层的整体结构中，三耦合量子阱可以执行类似于单量子阱的功能。其结果是，因为用作单量子阱层的三耦合量子阱结构的厚度比单量子阱层的厚度更厚，所以跃迁能量可以增加，而不会增加驱动电压。
一般来说，当在空穴的波函数和电子的波函数之间的重叠的程度较大时，作为电子和空穴对的激子的产生增加，并且因此光学设备的光吸收强度增加。根据本实施例，为了提高包括图1的有源层的光学设备的光吸收强度，第二量子阱层QW2的厚度可以是三个量子阱层中最厚的，使得空穴的波函数和电子的波函数重叠的部分增加。因为第二量子阱层QW2的厚度是最厚的，所以在第二量子阱层QW2中剩余的空穴的波函数部分和电子的波函数部分增加，使得空穴的波函数和电子的波函数之间的重叠可以增大。
为了进一步提高光吸收强度，被设置在第二量子阱层的相对侧上的第一和第三量子阱层QW1和QW3的厚度d1和d5可以小于被设置在其间的第二量子阱层QW2的厚度d3。另外，为了防止驱动电压因为第一和第三量子阱层QW1与QW3的厚度d1和d5的减小而增加，第一和第三量子阱层QW1与QW3的能级可以比第二量子阱层QW2的能级低。因此，第二量子阱层QW2的带隙1可以比第一和第三量子阱层QW1和QW3的带隙2大。第一和第三量子阱层QW1与QW3的厚度和电平可以是相同的或不同的。从这个角度来看，本实施方式的量子阱结构可以被称作是具有多能级的三耦合量子阱结构。
为了耦合三个量子阱层QW1到QW3，两个耦合势垒CB1和CB2可以具有比如图1中所示的外部势垒的能级更低的能级。例如，在图1中的能带图的上侧中所指示的导带中，第一和第二耦合势垒CB1和CB2的势能可能比接地电平高，即，比第一电子e1的能级高，并且比外部势垒的能级低。同样地，在图1中所示的能带图的下侧中所指示的价带中，第一和第二耦合势垒CB1和CB2的势能可以比接地电平高，即，比第一重空穴hh1的能级高，并且比外部势垒的能级低。在这种结构中，随着第一、第二、和第三量子阱层QW1、QW2、和QW3的宽度增加，接地电平被降低，并且吸收波长移向长波长。当第一和第二耦合势垒CB1和CB2的能障增加时，接地电平上升，从而吸收波长可以朝向短波长移动。
满足上述条件的用于第一、第二、和第三量子阱层QW1、QW2、和QW3、第一和第二耦合势垒CB1和CB2、外部势垒的材料可以根据所希望的波长频带而不同地选定。例如，对于约850nm的红外范围，InzGa1-ZAs(z＝0.1～0.2)可被用于第一和第三量子阱层QW1和QW3，GaAs可用于第二量子阱层QW2，AlyGa1-yAs(0<y<1)被用于第一和第二耦合势垒CB1和CB2，并且AlxGa1-xAs(0<y<x≤1)可被用于外部势垒。另外，对于约1550nm的中红外线范围，InxGa1-xAs、In1-x-yGaxAlyAs、和In1-xGaxAszP1-z,等可用于第一、第二、和第三量子阱层QW1、QW2、和QW3，并且In1-x-yGaxAlyAs、和In1-xGaxAszP1-z(0<x,y,z<1)等可用于第一和第二耦合势垒CB1和CB2和外部势垒。根据上述条件，可以使用上述材料的各种组合。第一和第二耦合势垒CB1和CB2和外部势垒的能级可根据材料的组成比进行适当调整。
由于第一、第二、和第三量子阱层QW1、QW2、和QW3分别通过第一和第二耦合势垒CB1和CB2来彼此连接，所以电子及空穴的波函数也可以分布在第一和第二耦合势垒CB1和CB2上的第一、第二、和第三量子阱层QW1、QW2、和QW3上。例如，图2A和2B分别示出了当反向偏置电压不被施加到图1的有源层时的电子的波函数和空穴的波函数。参照图2A，第一电子e1的波函数主要分布在第二量子阱层QW2中，并且第二电子E2的波函数主要分布在第一和第三量子阱层QW1和QW3中。参照图2B，第一重空穴hh1的波函数和第一轻空穴lh1的波函数主要分布在第二量子阱层QW2中，并且第二重空穴hh2的波函数主要分布在第一和第三量子阱层QW1和QW3中。
当反向偏置电压被施加到有源层中时，电子的波函数在朝向第一量子阱层QW1的方向上移动，并且空穴的波函数在朝向第三量子阱层QW3的方向上移动。例如，图3A和3B分别示出了当反向偏置电压被施加到图1的有源层时的电子的波函数和空穴的波函数。参照图3A，第一电子e1的波函数的峰值被稍微移动到第二量子阱层QW2的左边缘，并且第二电子e2的第二个峰被移动到第二量子阱层QW2的右边缘。由于第一量子阱层QW1的厚度较小，所以在第一量子阱层QW1发生强烈的吸收，并且因此根据电压的电子迁移率降低。因此，第一和第二电子e1和e2的波函数被广泛地分布在三个量子阱层QW1、QW2、和QW3上。另外，参照图3B，第一重空穴hh1的波函数的峰值被移向第三量子阱层QW3，并且通过第二耦合势垒CB2而被变形为鞍形，并且部分地保持在第二量子阱层QW2中。另外，第二重空穴hh2的波函数和第一轻空穴lh1的波函数的峰值位于第二量子阱层QW2中。因此，电子和空穴的波函数在第二和第三量子阱层QW2和QW3的宽阔的范围上重叠，使得光吸收可能会增加。
图4示出了具有图1的三耦合量子阱结构的有源层中的吸收光谱：详细地说，相对于外部施加的约0V/μm、大约2.4V/μm、大约4.8V/μm的电场的吸收光谱。参照图4，当外加电场为大约0V/μm时，最大峰值在大约838nm的波长下产生的。最大峰值是由第一电子e1和第一重空穴hh1的激子对产生的，并且第二大峰是通过第一电子e1和第一轻空穴lh1的激子对以及第一电子e1和第二重空穴hh2的激子对来产生的。由于在约850nm的波长处的吸收系数是很小的，所以具有约850nm的波长的光的大部分传递通过有源层。当外部施加的电场增加时，吸收光谱根据斯塔克(Stark)效应而朝向长波长移动，并且吸收强度减小。当外加电场为大约4.8V/μm时，吸收光谱具有在大约850nm的波长处的最大峰。在这种情况下，吸收光谱的峰值比在外部施加的电场为大约0V/μm的情况下的低。吸收光谱朝向大约850nm的波长的上述运动可以在简单的单量子阱结构中以大约8.1V/μm的外部施加电场来实现。
此外，根据本实施例，即使当大约4.8V/μm的外部电场被施加到有源层时，如图3A和3B中所示，在第二量子阱层QW2中剩余有相当数量的电子的和空穴的波函数，使得可以维持比在简单的单量子阱结构的更高的吸收系数。换句话说，在本实施例中，因为吸收光谱移向长波长而导致的吸收强度减小的程度小于简单的单量子阱结构的程度。因此，在当外加电场为大约0V/μm和当外加电场为大约4.8V/μm之间、在大约850μm的波长处的吸收强度中的差Δα可以比简单的单量子阱结构的更大。
例如，图5示出了与简单的单量子阱结构相比较，在具有图1所示的三耦合量子阱结构的有源层中的光吸收特性。在图5的曲线图中，结构1是单量子阱结构，其包括具有厚度约8nm的GaAs量子阱层和Al0.30Ga0.70As势垒。结构2是本实施例的三耦合量子阱结构，其包括由Al0.30Ga0.70As构成的外部势垒、由Al0.20Ga0.80As构成并且厚度为约1nm的第一和第二耦合势垒CB1和CB2、由In0.20Ga0.80As构成并且厚度为约1nm的第一和第三量子阱层QW1与QW3、以及由GaAs构成并且厚度为约6.4nm的第二量子阱层QW2。参照图5，结构2的驱动电压为约4.8V/μm，其低于作为结构1的驱动电压的8.1V/μm。另外，结构2的吸收强度差Δα是大约14100×103/cm，其相比于结构1的吸收强度差6375×103/cm得到很大改善。
图6示出了根据示例性实施例的具有三耦合量子阱结构的光学设备。参照图6，n-InGaP被形成在GaAs衬底上，以具有约100nm的厚度，从而作为n接触层。作为外部势垒的Al0.31Ga0.69As下部覆层(cladding layer)被形成在n接触层上，以具有约50nm的厚度。十六(16)对三耦合量子阱被堆叠在Al0.31Ga0.69As覆层上，其中，所述三耦合量子阱包括由In0.20Ga0.80As形成并且具有大约1nm的厚度的第一量子阱层、由Al0.20Ga0.80As形成并且具有大约1nm的厚度的第一耦合势垒、由GaAs形成并且具有大约6.4nm的厚度的第二量子阱层、由Al0.20Ga0.80As形成并且具有大约1nm的厚度的第二耦合势垒、以及由In0.20Ga0.80As形成并且具有大约1nm的厚度的第三量子阱层。具有大约4nm的厚度的Al0.31Ga0.69As被插入到三个耦合的量子阱之间来作为外部势垒。Al0.31Ga0.69As上部覆层被形成在第十六个三耦合量子阱上，以具有约50nm的厚度，并且在其上形成作为p接触层的p-GaAs以具有为约10nm的厚度。覆层可以是相对较厚的，以便同时用作外部势垒和防止扩散层，以防止接触层的掺杂剂进入到量子阱中。上述的层可以通过使用用于分子束外延(MBE)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)的设备来进行堆叠。另外，为了制造透射型光学调制器，GaAs衬底可以部分通过湿法蚀刻来移除，以透射光。在这种情况下，n-InGaP层可以用作蚀刻停止层。
图7示意性示出了图6的光学设备的吸收系数光谱。参考图7，当不施加电压时，第一激子吸收峰位于约838nm的波长处。当施加约为4.8V/μm的电场时，第一激子吸收峰位于约860nm的波长处。如上所确认的，在具有相同的腔厚度的简单的单量子阱中，需要约为8.1V/μm的电场来将位于约838nm处的第一激子吸收峰移动至约850nm处。因此，包括根据本实施例的三耦合量子阱的光学设备可以具有相当低的驱动电压，同时具有与单量子阱结构相比改进的光吸收强度。
因此，包括根据本实施例的三耦合量子阱的光学设备相比于包括不同量子阱结构的光学设备可以同时实现改进的光吸收特性和较低的驱动电压。包括三耦合量子阱结构的光学设备不仅可以应用到光学调制器上，也可以应用到具有各种PIN二极管结构的半导体器件，以吸收特定波长带的光。例如，上述的原理可以应用到光学滤光器、光电二极管、太阳能电池、发光设备、光通信系统、光互连、光计算器等。
具有采用上述三耦合量子阱结构的各种结构的光学调制器将在下面进行详细说明。
图8示意性示出了具有三耦合量子阱结构的反射型光学调制器100的结构。参照图8，反射型光学调制器100可包括：衬底110、设置在衬底110上的第一接触层111、设置在所述第一接触层111上的下反射层120、设置在下反射层120上的有源层130、设置在有源层130上的上反射层140、以及设置在所述上反射层140上的第二接触层141。上和下反射层140和120可以被掺杂作为反射层和电流路径两者的使用。例如，第一接触层111和下反射层120可以被掺杂成n型，而上反射层140和第二接触层141可以被掺杂成p型。有源层130可以不被掺杂。因此，图8的反射型光学调制器100具有P-I-N二极管结构。
反射型光学调制器100反射入射光，并且还通过根据电信号来吸收入射光的一部分而调制反射光的强度。为了反射入射光，下反射层120具有约90％或更多的反射率并且上反射层140可以具有约为30％-50％的反射率。下和上反射层120和140可以是，例如，通过重复和交替地堆叠具有相对低的折射率的低折射率层以及具有相对高的折射率的高折射率层而获得分布式布拉格反射器(DBR)。在上面的结构中，在具有不同折射率的两层(也就是，高折射率层和低折射率层)之间的界面上发生反射。高反射率可以通过使所有反射光的相位差彼此相同而获得。为此，在下和上反射层120和140中的高和低折射率层中的每个的光学厚度，即，通过将材料层的折射率乘以物理厚度而获得的值，可以是大约λ/4的奇数倍，其中，λ是反射型光学调制器100的谐振波长。此外，反射率可以根据堆叠的高和低折射率层的对的数量而按需进行调整。
有源层130是光吸收发生的层，并且可以具有在其中重复地堆叠上述的三耦合量子阱结构和外部势垒的多量子阱层结构。有源层130可充当用于法布里-珀罗(Fabry-Perot)谐振的主腔。为此，有源层130的光学厚度可以是大约λ/2的整数倍。
图9示出了图8的反射型光学调制器100的详细示例。参考图9，具有厚度为约500nm的第一接触层111被形成在由GaAs构成的衬底110上。第一接触层111可以由n-GaAs来形成。下反射层120包括具有厚度为68.8nm的n-Al0.88Ga0.12As层来作为低折射率层，以及具有厚度为62.3nm的n-Al0.31Ga0.69As层来作为高折射率层，并且具有在其中低和高折射率层的对被堆叠大约25.5次的结构。为了用作电流路径，下反射层120可以通过使用硅作为掺杂剂，而被掺杂到约3.18×1018/cm3的浓度。
有源层130可以包括：具有约为3.5nm的厚度的Al0.31Ga0.69As下部覆层，其被形成在下反射层120上并且用作外部势垒，三十三(33)对三耦合量子阱，其包括由In0.20Ga0.80As形成并且具有大约1nm的厚度的第一量子阱层、由Al0.20Ga0.80As形成并且具有大约1nm的厚度的第一耦合势垒、由GaAs形成并且具有大约6.4nm的厚度的第二量子阱层、由Al0.20Ga0.80As形成并且具有大约1nm的厚度的第二耦合势垒、由In0.20Ga0.80As形成并且具有大约1nm的厚度的第三量子阱层、由Al0.31Ga0.69As形成并且具有大约4nm的厚度的外部势垒，其被布置在三耦合量子阱之间、以及由Al0.31Ga0.69As形成并且具有大约3.5nm的厚度的上部覆层，其被布置在第三十三(33rd)个三耦合量子阱上。有源层130的光学厚度被设置为2λ。
另外，在上部覆层上的上反射层140包括具有厚度为68.8nm的p-Al0.88Ga0.12As层来作为低折射率层以及具有厚度为62.3nm的p-Al0.31Ga0.69As层来作为高折射率层。具有低反射率的上反射层140可以仅具有两对高折射率层和低折射率层。为了用作电流路径，上反射层140可以使用铍作为掺杂剂而被掺杂为约4.6×1018/cm3至6.5×1018/cm3的浓度。具有厚度约10nm的p-GaAs层可以被形成在上反射层140上来作为第二接触层141。
图10示意性示出了图9的反射型光学调制器100的反射特性。在图10中，由细实线所示的曲线表示当没有施加电压时的反射率，并且其涉及到左垂直轴。由双点点划线表示的曲线表示当约2.3伏特的电压被施加时的反射率，并且其涉及到左垂直轴。由粗实线所示的曲线图表示当未施加电压时和施加电压时之间的反射率的差，并且其涉及到右垂直轴。参照图10，在相对低的大约－2.3V电压处，最大吸收发生在约850nm的波长处，并且在大约850nm的范围中在最小反射率和最大反射率之间的反射率的差大约是67.4％。特别地，当约－2.3V的电压被施加时，反射率几乎为0％。因此，可以看出图9的反射式光学调制器100的对比度得到很大提高。
图11示意性示出了根据示例性实施例的具有三耦合量子阱结构的透射型光学调制器200的结构。参照图11，根据本实施例的透射型光学调制器200可以包括：下反射层220、设置在下反射层220上的有源层230、设置在有源层230上的上反射层240、设置在下反射层220的下表面的一部分上的第一接触层201、以及设置在上反射层240的上表面的一部分上的第二接触层241。第一和第二接触层201和241可以沿着下反射层220和上反射层240的边缘的环的形式，使得光可穿过第一和第二接触层201和241的开口。虽然未在图11中示出，可以在衬底上形成透射型光学调制器200之后去除衬底。或者，可以仅仅部分地移除衬底的中心部分，使得光可以穿过。如上所述，上反射层240及下反射层220可以被掺杂作为反射层和电流路径两者的使用。
透射型光学调制器200通过根据电信号来吸收入射光的一部分同时透射入射光，来调制投射光的强度。下反射层220和上反射层240透射入射光的部分，并且反射光，以使得可以在作为主腔的有源层230中发生谐振。在透射型光学调制器200的情况下，下反射层220和上反射层240的反射率可以相等地为约50％。
图12示出图11的透射型光调制器200的详细示例。参照图12，包括六(6)对由n-Al0.31Ga0.69As形成的高折射率层和由n-Al0.81Ga0.19As形成的低折射率层的下反射层220被布置在由n-GaAs构成并且具有约50nm的厚度的第一接触层201上。布置在最下层的高折射率层可以具有比用于相匹配的其他高折射率层的厚度更小的厚度。
设置在下反射层220上的有源层230包括由Al0.31Ga0.69As形成并且具有厚度为8nm并且用作外层势垒的下和上覆层，以及设置在下和上覆层之间的总共49对三耦合量子阱。每个三耦合量子阱可以包括由In0.20Ga0.80As形成并且具有大约1nm的厚度的第一量子阱层、由Al0.20Ga0.80As形成并且具有大约1nm的厚度的第一耦合势垒、由GaAs形成并且具有大约6.4nm的厚度的第二量子阱层、由Al0.20Ga0.80As形成并且具有大约1nm的厚度的第二耦合势垒、以及由In0.20Ga0.80As形成并且具有大约1nm的厚度的第三量子阱层。此外，由Al0.30Ga0.70As形成并且具有大约4nm的厚度的外部势垒可以被插入在两个相邻的三耦合量子阱之间。有源层230的光学厚度被设置为大约3λ。
上反射层240及下反射层220被相对于有源层230而对称地设置。例如，像下反射层220一样，上反射层240包括六(6)对由n-Al0.31Ga0.69As形成的高折射率层和由n-Al0.81Ga0.19As形成的低折射率层。此外，布置在顶上的高折射率层可以具有比用于相匹配的其他高折射率层的厚度更小的厚度。由p-GaAs形成的第二接触层241可以被布置在上反射层240上。
图13示意性示出了图12的透射型光学调制器200的透射特性。在图13中，由细实线所示的曲线表示当没有施加电压时的透射率，其涉及到左垂直轴。由双点点划线表示的曲线表示当施加电压时的透射率，其涉及到左垂直轴。由粗实线所示的曲线表示当未施加电压时和施加电压时之间的透射率的差，并且其涉及到右垂直轴。参照图13，在相对低的大约-3.4V电压处，最大吸收发生在约850nm的波长处，并且在大约850nm的范围中在最小透射率和最大透射率之间的反射的差被改善到大约60.4％。特别地，由于当施加电压时光吸收增加而导致透射率被降低到小于或者等于10％，所以透射率的差可以得到改善。
一般的光学调制器具有如下特性，即，中心吸收波长根据温度的变化和在制造过程中的变量而变化。为了在不论变化如何的情况下保持调制特性不变，有利的是均匀地在宽的波长频带上进行调制。换言之，有利的是，光学调制器具有较宽的带宽。
图14示意性示出了根据另一示例性实施例的具有三耦合量子阱结构并且被设置为具有宽带宽的透射型光学调制器300的结构。参照图14，透射型光学调制器300可以包括下反射层320、设置在下反射层320上的有源层330、设置在有源层330上的上反射层340、设置在下反射层320中的第一微腔层325、以及设置在上反射层340中的第二微腔层345。有源层300是用于法布里-珀罗谐振的主腔，并且第一和第二微腔层325和345用作法布里-珀罗谐振的附加腔。为此，第一和第二微腔层325和345中的每个的光学厚度可以大约为λ/2的整数倍。第一和第二微腔层325和345的每一个可以由下和上反射层320和340的高折射率层材料或低折射率层材料来形成。第一和第二微腔层325和345两者都可以被布置在下反射层320或上反射层340中。第一和第二微腔层325和345中的任何一个都可以被省略。
尽管在图14中未明确地表示，有源层330中的量子阱层的厚度可以彼此不同，以增加带宽。例如，具有不同厚度的两种或更多种类型的第二量子阱层可以通过改变其中电子和空穴的波函数重叠的第二量子阱层的厚度来形成。通过增加第一和第二微腔层325和345以及变化量子阱层的厚度，吸收模式增加，并因此透射型光学调制器300的光吸收带宽可以得到改善。
图15示出了图14的透射型光学调制器300的详细示例。参照图15，下反射层320包括形成在n-GaAs接触层301上的一对由n-Al0.31Ga0.69As形成的高折射率层和由n-Al0.81Ga0.19As形成的低折射率层。在图15的示例中，微腔层没有形成在下反射层320中。但是，第二微腔层345形成在上反射层340中。上反射层340可以通过第二微腔层345而被分成第一上反射层341和第二上反射层344。设置在第二微腔层345下方的第一上反射层341可以包括十五(15)对高折射率层和低折射率层。设置在第二微腔层345上方的第二上反射层344可包括一对高折射率层和低折射率层。然而，这仅仅是一个示例，并且下反射层320中的高折射率层和低折射率层的对的数目、第一上反射层341中的高折射率层和低折射率层的对的数目、和第二上反射层344中的高折射率层和低折射率层的的对的数目可以根据下和上反射层320和340的所希望的反射特性来适当地选择。在图15的示例中，第二微腔层345可以由高折射率层材料来形成，并且具有λ/2的光学厚度。
此外，相位匹配层342可以进一步被设置在第二微腔层345和第一上反射层341之间。相位匹配层342被插入，以使得高折射率层和低折射率层交替布置在包括第二微腔层345的上反射层340的整个结构中。例如，当第二微腔层345由高折射率层材料来形成时，相位匹配层342可以由低折射率层材料来形成。当第二微腔层345由低折射率层材料来形成时，则相位匹配层342可以由高折射率层材料来形成。
如图15所示，有源层330包括作为外部势垒的由Al0.31Ga0.69As形成并且具有大约5.1nm的厚度的下部和上部覆层，以及设置在下部和上部覆层之间的两种三耦合量子阱结构。两种三耦合量子阱结构的两者都可以包括具有第一量子阱层/第一耦合势垒/第二量子阱层/第二耦合势垒/第三量子阱层的多个三耦合量子阱。外部势垒可以插入到三耦合量子阱之间。第一量子阱层、第一耦合势垒、第二耦合势垒、第三量子阱层、和外部势垒的材料和厚度可以与上述实施例的相同。
然而，在两种类型的三耦合量子阱结构中，第二量子阱层的厚度可以是不同的。例如，在第一三耦合量子阱结构中的第二量子阱层可以由具有厚度为约6.4nm的GaAs形成的同时，第二三耦合量子阱结构中的第二量子阱层可以由具有厚度为约5.9nm的GaAs来形成。第一三耦合量子阱结构可以包括总共五十六(56)对三耦合量子阱，并且第二三耦合量子阱结构可以包括总共六十二(62)对三耦合量子阱。另外，虽然图15中示出的是第一三耦合量子阱结构首先形成，然后第二三耦合量子阱结构可以形成在第一三耦合量子阱结构上，但是第一三耦合量子阱结构的三个耦合的量子阱和第二三耦合量子阱结构的三个耦合的量子阱可以相互组合地来布置。这样，当具有不同厚度的两种不同类型的第二量子阱层被使用时，在有源层330中形成两个吸收模式，使得光吸收带宽可以得到改进。有源层230的总光学厚度被设置为7λ。
图16示意性地示出了图15的透射型光学调制器300的透射特性。在图16中，由细实线所示的曲线表示当未施加电压时的透射率。由双点点划线所示的曲线表示当电压施加时的透射率。由粗实线所示的曲线表示在由细实线所表示的曲线和由两点点划线所表示的曲线之间的透射率的差。如图16的曲线图所示，可以在约－8.7V的驱动电压下，在大约850nm的波长处获得约56.4％的透射率的差，并且可以看出，在其中透射率的差为25％或以上的带宽为大约9.4nm。特别地，相对于在约－8.7V的驱动电压下的大约850nm的波长，光吸收增加，使得透射率降低至约7％，并且对比度，例如，解调对比度也可以进一步改善。
在图15的示例中，第二微腔层345被设置在上反射层340中，并且两种类型的三耦合量子阱结构被设置在有源层330中。但是一个或更多个微腔可进一步添加到下反射层320和/或上反射层340。另外，有源层330可以包括一种类型的三耦合量子阱结构和一种类型的单量子阱结构的组合。图15的第二微腔层345和有源层330的结构可被施加到图8的反射型光学调制器100。
图17示意性地示出了根据另一示例性实施例的具有三耦合量子阱结构的透射型光学调制器400的结构。参照图17，透射型光学调制器400可以包括：下反射层410、设置在下反射层410上的第一有源层420、设置在第一有源层420上的中间反射层430、设置在中间反射层430上的第二有源层440、以及设置在第二有源层440上的上反射层450。下和上反射层410和450可以被掺杂为相同的导电类型，而中间反射层430可以被掺杂成与下和上反射层410和450相反的导电类型。例如，下和上反射层410和450可以被掺杂成n型，而中间反射层430可以被掺杂成p型。或者，下和上反射层410和450可以被掺杂成p型，而中间反射层430可以被掺杂成n型。因此，图17的透射型光学调制器400可以具有N-I-P-I-N或P-I-N-I-P结构。
透射型光学调制器400可以具有在其中两个二极管被堆叠并且并联地电连接的堆叠型二极管结构。在一般情况下，光学调制器的驱动电压与有源层的总厚度，或有源层中的量子阱层的总数成正比。但是，在按照本实施例的透射型光学调制器400中，由于两个有源层，即，第一和第二有源层420和440被并联地彼此电连接，所以驱动电压相比于具有等于两个有源层(即，第一和第二有源层420和440)的厚度的总和的厚度的一个有源层的光学调制器可以大约减少一半。因此，功率消耗可额外地降低，所以由于热而引起的透射型光学调制器400的性能劣化可能会降低。
此外，根据本实施例，透射型光学调制器400的带宽可以通过不同地形成第一有源层420的三耦合量子阱结构和第二有源层440的三耦合量子阱结构而增加。换句话说，吸收模式通过在其中第一有源层420的谐振波长和第二有源层440的谐振波长是不同的多谐振模式而增加，并且透射型光学调制器400的光吸收带宽可增加。例如，在第一有源层420的三耦合量子阱结构中的第二量子阱层的厚度和第二有源层440的三耦合量子阱结构中的第二量子阱层的厚度可以被选择为不同。另外，第一有源层420可以包括两个或更多类型的三耦合量子阱结构，并且第二有源层440可以包括两个或更多类型的三耦合量子阱结构。
应当理解的是，本文所描述的示例性实施例应被认为仅仅是描述意义的，而不是出于限制的目的。对于每个实施例内的特征或方面的描述通常被认为可用于在其他实施例中的其它类似特征或方面。
虽然已经参考附图来描述了本公开的一个或多个实施例，但是对于本领域的普通技术人员而言应该理解，在不脱离由下面的权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其在形式和细节上进行各种变化。

Claims (18)

1.一种光学设备，包括：
有源层，其包括两个外部势垒，以及被布置在所述两个外部势垒之间的耦合量子阱，
其中，所述耦合量子阱包括第一量子阱层、第二量子阱层、以及第三量子阱层、布置在所述第一量子阱层和所述第二量子阱层之间的第一耦合势垒、以及布置在所述第二量子阱层和所述第三量子阱层之间的第二耦合势垒，
其中，布置在所述耦合量子阱的相对端的第一量子阱层的厚度和第三量子阱层的厚度与被布置在所述第一量子阱层和所述第三量子阱层之间的所述第二量子阱层的厚度不同，以及
其中，所述第一量子阱层的能级和第三量子阱层的能级与所述第二量子阱层的能级不同，
其中，所述第一量子阱层的厚度和所述第三量子阱层的厚度的每个比所述第二量子阱层的厚度小。
2.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述第一耦合势垒的势能和所述第二耦合势垒的势能中的每个比接地电平高，并且低于外部势垒的能级。
3.根据权利要求2所述的光学设备，其中，并且所述第一量子阱层的能级和所述第三量子阱层的能级的每个比所述第二量子阱层的能级低。
4.一种光学设备，包括：
有源层，其包括两个外部势垒，以及被布置在所述两个外部势垒之间的耦合量子阱；以及
下反射层，其被布置在所述有源层的下表面上，以及上反射层，其被布置在有源层的上表面上，
其中，所述耦合量子阱包括第一量子阱层、第二量子阱层、以及第三量子阱层、布置在所述第一量子阱层和所述第二量子阱层之间的第一耦合势垒，以及布置在所述第二量子阱层和所述第三量子阱层之间的第二耦合势垒，
其中，布置在所述耦合量子阱的相对端的第一量子阱层的能级和第三量子阱层的能级与被布置在所述第一量子阱层和所述第三量子阱层之间的所述第二量子阱层的能级不同，
其中，所述第一量子阱层的厚度和所述第三量子阱层的厚度的每个比所述第二量子阱层的厚度小。
5.根据权利要求4所述的光学设备，其中，所述光学设备是反射型光学调制器，并且
所述下反射层的反射率比所述上反射层的反射率高。
6.根据权利要求4所述的光学设备，进一步包括布置在所述下反射层和所述上反射层中的至少一个内的微腔层，
其中，所述光学设备的谐振波长为λ，并且所述有源层的光学厚度和所述微腔层的光学厚度的每个为λ/2的整数倍。
7.根据权利要求4所述的光学设备，其中，所述耦合量子阱包括第一耦合量子阱和第二耦合量子阱，其中：
所述第一耦合量子阱包括第一量子阱层、第一耦合势垒、第二量子阱层、第二耦合势垒、以及第三量子阱层；并且
所述第二耦合量子阱包括顺序堆叠的第四量子阱层、第三耦合势垒、第五量子阱层、第四耦合势垒、以及第六量子阱层，
其中，所述第一耦合量子阱的所述第二量子阱层的厚度与所述第二耦合量子阱的所述第五量子阱层的厚度不同。
8.根据权利要求7所述的光学设备，其中，所述第一耦合势垒、所述第二耦合势垒、所述第三耦合势垒、以及所述第四耦合势垒的势能的每个比接地电平高，并且比所述外部势垒的能级低。
9.根据权利要求7所述的光学设备，其中，所述第一量子阱层的厚度和所述第三量子阱层的厚度的每一个比所述第二量子阱层的厚度小，并且所述第四量子阱层的厚度和所述第六量子阱层的厚度的每一个比所述第五量子阱层的厚度小。
10.根据权利要求7所述的光学设备，其中，所述第一量子阱层的能级和所述第三量子阱层的能级比所述第二量子阱层的能级低，并且所述第四量子阱层的能级和所述第六量子阱层的能级比所述第五量子阱层的能级低。
11.根据权利要求7所述的光学设备，其中，所述第一量子阱层的厚度与所述第四量子阱层的厚度相同，并且所述第三量子阱层的厚度与所述第六量子阱层的厚度相同。
12.根据权利要求4所述的光学设备，其中，所述有源层进一步包括单量子阱，其包括被布置在两个外部势垒之间的单个第四量子阱层。
13.一种光学设备，包括：
下反射层；
第一有源层，其被布置在所述下反射层上；
中间反射层，其被布置在所述第一有源层上；
第二有源层，其被布置在所述中间反射层上；以及
上反射层，其被布置在所述第二有源层上；
其中，所述第一有源层和所述第二有源层中的至少一个包括耦合量子阱结构，其包括两个外部势垒和被布置在所述两个外部势垒之间的耦合量子阱，
其中，所述耦合量子阱包括：第一量子阱层、第二量子阱层、以及第三量子阱层、布置在所述第一量子阱层和所述第二量子阱层之间的第一耦合势垒、以及布置在所述第二量子阱层和所述第三量子阱层之间的第二耦合势垒，
其中，布置在所述耦合量子阱的相对端的第一量子阱层的厚度和第三量子阱层的厚度的每个比所述第二量子阱层的厚度小，以及
其中，所述第一量子阱层的能级和所述第三量子阱层的能级的每个比所述第二量子阱层的能级低。
14.根据权利要求13所述的光学设备，其中，所述第一耦合势垒的势能和所述第二耦合势垒的势能中的每个比接地电平高，并且低于外部势垒的能级。
15.根据权利要求13所述的光学设备，其中，所述第一耦合势垒的势能和所述第二耦合势垒的势能中的每个比接地电平高，并且低于所述两个外部势垒的能级。
16.根据权利要求13所述的光学设备，其中，所述下反射层和所述上反射层被掺杂成第一导电类型，并且所述中间反射层被掺杂成相反于所述第一导电类型的第二导电类型。
17.根据权利要求13所述的光学设备，进一步包括被布置在所述下反射层和所述上反射层中的至少一个内的微腔层，
其中，所述光学设备的谐振波长为λ，并且所述有源层的光学厚度和所述微腔层的光学厚度的每个为λ/2的整数倍。
18.一种光学调制器，包括：
有源层，其包括第一外部势垒、第二外部势垒、以及被布置在所述第一外部势垒和所述第二外部势垒之间的三耦合量子阱；
其中，所述三耦合量子阱包括：
第一量子阱层、第二量子阱层、以及第三量子阱层、布置在所述第一量子阱层和所述第二量子阱层之间的第一耦合势垒，以及布置在所述第二量子阱层和所述第三量子阱层之间的第二耦合势垒，
其中，所述第一耦合势垒的势能和所述第二耦合势垒的势能中的每个比接地电平高，低于所述第一外部势垒的势能电平、以及低于所述第二外部势垒的势能电平；
其中，所述第一量子阱层的能级和所述第三量子阱层的能级的每个比所述第二量子阱层的能级低。
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102213661B1 (ko) 2014-04-04 2021-02-08 삼성전자주식회사 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자
KR102420016B1 (ko) * 2015-08-28 2022-07-12 삼성전자주식회사 반사층을 가지는 광변조기
KR102456427B1 (ko) * 2016-01-05 2022-10-20 엘지이노텍 주식회사 Led 조명용 전원 장치 및 그의 저전압 보호 방법
KR102477094B1 (ko) 2016-01-08 2022-12-13 삼성전자주식회사 비대칭 다준위 에너지를 갖는 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자
WO2017145026A1 (en) 2016-02-23 2017-08-31 Silanna UV Technologies Pte Ltd Resonant optical cavity light emitting device
US10418517B2 (en) 2016-02-23 2019-09-17 Silanna UV Technologies Pte Ltd Resonant optical cavity light emitting device
US10622514B1 (en) 2018-10-15 2020-04-14 Silanna UV Technologies Pte Ltd Resonant optical cavity light emitting device
JP2020123662A (ja) * 2019-01-30 2020-08-13 住友電気工業株式会社 量子カスケードレーザ

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6859474B1 (en) * 1999-11-01 2005-02-22 Arizona Board Of Regents Long wavelength pseudomorphic InGaNPAsSb type-I and type-II active layers for the gaas material system

Family Cites Families (36)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4525687A (en) 1983-02-28 1985-06-25 At&T Bell Laboratories High speed light modulator using multiple quantum well structures
JP2690922B2 (ja) * 1987-12-25 1997-12-17 株式会社日立製作所 共鳴トンネリング素子
US5426312A (en) 1989-02-23 1995-06-20 British Telecommunications Public Limited Company Fabry-perot modulator
JPH04163967A (ja) 1990-10-27 1992-06-09 Canon Inc 光デバイス
JPH05173199A (ja) 1990-12-20 1993-07-13 Fujitsu Ltd 非線形光学装置
FR2675949B1 (fr) 1991-04-25 1993-07-09 Thomson Csf Modulateur d'ondes et detecteur optique a puits quantiques.
US5286982A (en) 1991-11-22 1994-02-15 Motorola, Inc. High contrast ratio optical modulator
JP3278893B2 (ja) 1992-02-29 2002-04-30 株式会社デンソー 量子井戸を用いた光吸収制御半導体装置
JP2956348B2 (ja) * 1992-03-26 1999-10-04 株式会社デンソー 量子井戸を用いた光吸収制御半導体装置
US5416338A (en) 1992-02-29 1995-05-16 Nippondenso Co., Ltd. Semiconductor device with quantum well resonance states
JPH0713110A (ja) 1993-06-25 1995-01-17 Mitsubishi Electric Corp 半導体光変調器
JPH07128622A (ja) 1993-11-02 1995-05-19 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 半導体量子井戸構造
JPH09318918A (ja) 1996-05-29 1997-12-12 Nec Corp 半導体光変調器
JP3751423B2 (ja) * 1997-10-01 2006-03-01 独立行政法人科学技術振興機構 半導体素子
WO1999040478A1 (en) 1998-02-08 1999-08-12 3Dv Systems Ltd. Large aperture optical image shutter
US6154299A (en) 1998-06-15 2000-11-28 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Modulating retroreflector using multiple quantum well technology
US6466597B1 (en) * 1998-06-17 2002-10-15 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Semiconductor laser device
FR2784515B1 (fr) 1998-10-07 2000-11-10 Commissariat Energie Atomique Laser a semiconducteur a spectre de gain accordable
US6298077B1 (en) * 1999-02-16 2001-10-02 Opto Power Corporation GaInAsP/AIGaInP laser diodes with AIGaAs type II carrier blocking layer in the waveguide
JP4453937B2 (ja) 1999-06-16 2010-04-21 シャープ株式会社 光集積素子及びその製造方法
JP3904947B2 (ja) 2002-03-01 2007-04-11 三菱電機株式会社 光変調器
US6956232B2 (en) 2002-12-24 2005-10-18 Triquint Technology Holding Co. Electroabsorption modulator
KR100668329B1 (ko) * 2005-02-16 2007-01-12 삼성전자주식회사 변조기 내장형 광펌핑 반도체 레이저 장치
US7443561B2 (en) 2005-06-08 2008-10-28 Avago Technologies Fiber Ip (Singapore) Pte. Ltd. Deep quantum well electro-absorption modulator
US7403552B2 (en) * 2006-03-10 2008-07-22 Wisconsin Alumni Research Foundation High efficiency intersubband semiconductor lasers
US7457338B2 (en) * 2006-04-19 2008-11-25 Wisconsin Alumni Research Foundation Quantum well lasers with strained quantum wells and dilute nitride barriers
WO2008020621A1 (fr) 2006-08-17 2008-02-21 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology Structure à puits quantiques couplés
JP5641667B2 (ja) * 2007-01-18 2014-12-17 浜松ホトニクス株式会社 量子カスケードレーザ
KR101459752B1 (ko) 2007-06-22 2014-11-13 엘지이노텍 주식회사 반도체 발광소자 및 그 제조방법
US20110101301A1 (en) * 2009-11-04 2011-05-05 The Regents Of The University Of California Light emitting device with a coupled quantum well structure
KR101638973B1 (ko) 2010-01-22 2016-07-12 삼성전자주식회사 광변조기 및 그 제조 방법
KR20120075182A (ko) 2010-12-28 2012-07-06 삼성전자주식회사 다중 패브리-페로 공진 모드를 이용한 광변조기 및 상기 광변조기를 포함하는 3차원 영상 획득 장치
JP5776229B2 (ja) * 2011-03-07 2015-09-09 住友電気工業株式会社 量子カスケードレーザ
KR101872787B1 (ko) * 2011-09-26 2018-07-02 삼성전자주식회사 광변조기 유닛, 이를 포함하는 광변조기 및 그 제조 방법
KR101941170B1 (ko) 2011-12-12 2019-01-23 삼성전자주식회사 다중 패브리-페로 공진 모드와 다중 흡수 모드를 이용한 투과형 이미지 변조기
KR101902928B1 (ko) 2013-01-04 2018-10-02 삼성전자주식회사 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6859474B1 (en) * 1999-11-01 2005-02-22 Arizona Board Of Regents Long wavelength pseudomorphic InGaNPAsSb type-I and type-II active layers for the gaas material system

Also Published As

Publication number Publication date
US9190545B2 (en) 2015-11-17
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US20150123077A1 (en) 2015-05-07
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