KR100420795B1 - A semiconductor quantum dot optical amplifier - Google Patents
A semiconductor quantum dot optical amplifier Download PDFInfo
- Publication number
- KR100420795B1 KR100420795B1 KR10-2001-0016243A KR20010016243A KR100420795B1 KR 100420795 B1 KR100420795 B1 KR 100420795B1 KR 20010016243 A KR20010016243 A KR 20010016243A KR 100420795 B1 KR100420795 B1 KR 100420795B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- quantum dot
- layer
- optical amplifier
- semiconductor
- semiconductor substrate
- Prior art date
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
- H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
- H01S5/34346—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser characterised by the materials of the barrier layers
- H01S5/34353—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser characterised by the materials of the barrier layers based on (AI)GaAs
Abstract
본 발명은 반도체 광증폭기에 관한 것으로서, 이득 매질로 반도체 양자점을 사용함으로써 이득의 편광의존도를 없애고 채널간 신호누화 문제를 해결하면서 넓은 증폭대역을 가질 수 있는 광대역 파장분할다중 광통신시스템에 적합하게 한 것을 특징으로 한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor optical amplifier, which uses a semiconductor quantum dot as a gain medium, which is suitable for a wideband wavelength division multiple optical communication system that can have a wide amplification band while eliminating the polarization dependence of gain and solving signal crosstalk problems between channels. It features.
Description
본 발명은 광신호를 증폭하는 반도체 광증폭기에 관한 것으로, 자세하게는 클래드층 사이에 양자점에 의한 활성층을 내포하고 있는 양자점활성층을 형성시킴으로써 편광의존도 및 신호 채널간 누화가 없으며 넓은 이득 대역을 가지는, 반도체 양자점 광증폭기에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor optical amplifier for amplifying an optical signal. Specifically, by forming a quantum dot active layer containing an active layer by quantum dots between clad layers, there is no polarization dependence and crosstalk between signal channels and a wide gain band. It relates to a quantum dot optical amplifier.
통신기술이 발달함에 따라 파장분할다중 광통신시스템의 구현이 가능해 짐으로써, 통신용량을 크게 증진할 수 있게 되었다. 하지만 이러한 발전에도 불구하고 머지않아 현재 사용하는 광섬유증폭기의 사용가능 대역인 70nm로는 급증하는 통신량의 수요에 대처하기 어렵다. 따라서 광섬유의 낮은 흡수대역인 1250nm에서 l650nm 까지의 영역을 다 쓸 필요가 있으며, 이를 위한 광증폭기가 개발되어야 하는 문제가 뒤따른다.As communication technology is developed, it becomes possible to implement wavelength division multiple optical communication system, thereby greatly increasing communication capacity. However, despite these advances, it is difficult to cope with the rapidly increasing demand for communication traffic at 70 nm, which is the available band of the optical fiber amplifier. Therefore, it is necessary to use the low absorption band of the optical fiber from 1250nm to l650nm, and an optical amplifier for this needs to be developed.
종래의 희토류 첨가 광섬유증폭기는 해당 희토류에 의해 이득대역이 결정되는 특징이 있으나, 현재 에르븀첨가 광섬유증폭기 이외에는 효율적인 증폭기가 없는 형편이다. 반면 반도체 광증폭기의 경우는 에너지갭을 조절함에 따라 이득대역을 선택할 수 있는 이점이 있다. 따라서, 이러한 반도체 광증폭기를 광통신용 광증폭기로 사용한다면 원하는 파장대역을 맞출 수 있어 급증하는 통신량의 문제를 해결해 줄 수 있을 것으로 예견되고 있다.Conventional rare-earth-added optical fiber amplifiers are characterized in that the gain band is determined by the rare earth, but currently there is no efficient amplifier other than the erbium-added optical fiber amplifier. On the other hand, in the case of semiconductor optical amplifiers, there is an advantage in that the gain band can be selected by adjusting the energy gap. Therefore, if the semiconductor optical amplifier is used as an optical communication optical amplifier, it is expected that the desired wavelength band can be matched to solve the problem of rapidly increasing traffic.
도 l은 양자우물을 활성층으로 하는 종래 반도체 광증폭기의 단면도이고, 도 2는 종래 반도체 광증폭기에서의 이득에 따른 편광의존도를 보여주는 측정결과도이다.1 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor optical amplifier using a quantum well as an active layer, and FIG. 2 is a measurement result showing polarization dependence according to gain in a conventional semiconductor optical amplifier.
도 1과 같이, 종래의 반도체 광증폭기는 맨 하부에 반도체기판(10, substrate)이 위치하고, 이 상부로부터 제1도전형 클래드층(12), 활성층(14), 제2도전형 클래드층(16)이 순서대로 증착된 구조로 되어 있다. 이러한 종래의 반도체 광증폭기에서 중앙의 활성층(14)은 양자우물(Quantum Wells)로 형성된 것이다.As shown in FIG. 1, in the conventional semiconductor optical amplifier, a semiconductor substrate 10 is disposed at the bottom thereof, and the first conductive cladding layer 12, the active layer 14, and the second conductive cladding layer 16 are disposed from the top thereof. ) Is a structure deposited in order. In such a conventional semiconductor optical amplifier, the center active layer 14 is formed of quantum wells.
따라서 좌측의 작은 화살표와 같이 종래 반도체 광증폭기의 측면으로 입사된 광신호는 중앙의 양자우물 활성층(14)을 지나면서 증폭되어 반대방향으로 출사된다.Therefore, as shown by the small arrow on the left side, the optical signal incident on the side of the conventional semiconductor optical amplifier is amplified while passing through the central quantum well active layer 14 and emitted in the opposite direction.
그러나 양자우물에 의한 활성층(14)이 포함된 종래 반도체 광증폭기의 경우, 해당 에너지 레벨의 균질확대(homogeneous broadening)이 비교적 크다. 따라서 파장분할다중시스템 같이 여러 개의 인접한 파장이 같이 증폭되는 광통신시스템에서는 인접 채널간 이득 간섭이 심각하게 나타나게 되어 실용화되기 어려운 문제점이 있다.However, in the case of the conventional semiconductor optical amplifier including the active layer 14 by the quantum well, the homogeneous broadening of the corresponding energy level is relatively large. Therefore, in an optical communication system in which several adjacent wavelengths are amplified together, such as a wavelength division multiplexing system, gain interference between adjacent channels is seriously present, which makes it difficult to be practical.
아울러 도 2와 같이 종래의 반도체 광증폭기는 파장에 따른 이득의 편광특성이 크게 달라진다[M. Asada, A. Kameyama, and Y. Suematsu, "Gain and intervalence band absorption in quantum-well lasers", IEEE J. Quantum Electronics, QE-2, 745-753 (1984)]. 이는 편광이 시간에 따라 불규칙하게 변하는 파장분할다중 광통신시스템에서 문제점도 초래하기 때문에, 사용이 거의 불가능하다.In addition, as shown in FIG. 2, the polarization characteristic of the conventional semiconductor optical amplifier varies greatly depending on the wavelength [M. Asada, A. Kameyama, and Y. Suematsu, "Gain and intervalence band absorption in quantum-well lasers", IEEE J. Quantum Electronics, QE-2, 745-753 (1984). This is almost impossible to use because it also causes problems in wavelength division multiple optical communication systems in which polarization varies irregularly over time.
따라서, 전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 클래드층 사이에 양자점에 의한 활성층을 내포하고 있는 양자점활성층을 형성시킴으로써 편광의존도및 신호 채널간 누화가 없으며 넓은 이득 대역을 가지는, 반도체 양자점 광증폭기에 관한 기술을 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention for solving the above problems is to form a quantum dot active layer containing an active layer by quantum dots between clad layers, thereby avoiding cross-polarization dependence and crosstalk between signal channels and having a wide gain band. The present invention relates to an amplifier.
도 l은 양자우물을 활성층으로 하는 종래 반도체 광증폭기의 단면도.1 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor optical amplifier using a quantum well as an active layer.
도 2는 종래 반도체 광증폭기에서의 이득에 따른 편광의존도를 보여주는 측정결과도.2 is a measurement result showing the polarization dependence according to the gain in the conventional semiconductor optical amplifier.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 양자점 광증폭기의 단면도.3 is a cross-sectional view of a semiconductor quantum dot optical amplifier according to an embodiment of the present invention.
도 4 및 도 5는 본 실시예에 따른 양자점 반도체 광증폭기의 이득대역을 증가시키기 위한 활성층의 예들을 도시한 도면.4 and 5 show examples of an active layer for increasing the gain band of the quantum dot semiconductor optical amplifier according to the present embodiment.
도 6은 도 3의 실시예에 따른 반도체양자점 광증폭기가 나타내는 이득에 대한 편광의존 특성의 결과도.FIG. 6 is a result of polarization dependence characteristic for gain represented by the semiconductor quantum dot optical amplifier according to the embodiment of FIG. 3. FIG.
도 7은 반도체 양자점들의 파장에 따른 발광세기의 스펙트럼 측정 결과도.7 is a spectrum measurement result of emission intensity according to wavelength of semiconductor quantum dots.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ****** Explanation of symbols for the main parts of the drawing ***
30 : 반도체기판 32 : 제1도전형 클래드층30: semiconductor substrate 32: first conductive clad layer
34 : 양자점 활성층34: quantum dot active layer
34d1, 34d2, 34d3, .... : 양자점층34d1, 34d2, 34d3, ....: quantum dot layer
34e1, 34e2, 34e3, 34e4, .... : 에피층Epi layer: 34e1, 34e2, 34e3, 34e4, ....
36 : 제2도전형 클래드층36: second conductive cladding layer
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 양자점 광증폭기는, 광증폭기를 형성하는 기본 토대가 되는 반도체기판(substrate); 상기 반도체 기판 상부에 형성되어 상기 광신호의 증폭에 필요한 전도성 입자들이 통과하는 제1도전형 클래드층; 상기 제1도전형 클래드층의 상부에 접하여 형성되며, 입사된 상기 광신호를 증폭시키는 양자점들이 불연속적인 층을 이루어 내포되어 있는 양자점 활성층; 및, 상기 양자점 활성층의 상부에 접하여 형성되고 상기 제1도전형 클래드층과 대응을 이루도록 동작하여 증폭에 필요한 전도성 입자들이 통과하는 제2도전형 클래드층을 포함하여 구성된다.The semiconductor quantum dot optical amplifier according to the present invention for achieving the above object includes a semiconductor substrate (substrate) which is a basic foundation for forming the optical amplifier; A first conductive clad layer formed on the semiconductor substrate to pass conductive particles necessary for amplifying the optical signal; A quantum dot active layer formed in contact with an upper portion of the first conductive cladding layer and including a quantum dot discontinuous layer amplifying the incident optical signal; And a second conductive clad layer formed in contact with the upper portion of the quantum dot active layer and operating to correspond to the first conductive clad layer to pass conductive particles required for amplification.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 반도체 양자점 광증폭기를 자세히 설명한다.Hereinafter, a semiconductor quantum dot optical amplifier of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
전술한 바와 같이, 광섬유증폭기가 나오기 전에 시도되었던 종래의 반도체 광증폭기는 증폭기에 입력되는 신호의 편광 상태에 따라 이득이 크게 달라지기 때문에 편광이 시간에 따라 불규칙하게 변하는 광통신시스템에 사용하기가 어려웠다. 그러나, 양자점 광증폭기의 경우 활성층인 양자점에 구속된 운반자가 모든 방향으로 제한되어 있어 활성 매질의 구조에 따른 편광의존도가 없어지게 된다. 이와 같은 사실은 최근 Herrmann 등이 양자점 레이저에서 편광에 따른 이득을 측정한 결과 주된 증폭대역인 양자점의 기저상태에서 그 차이가 없음을 확인하였다[E. Herrmann et al, "Modal gain and internal optical mode loss of a quantum dot laser", Applied Physics Letters, 77, 163-165, 2000].As described above, the conventional semiconductor optical amplifier, which has been tried before the optical fiber amplifier, has been difficult to use in an optical communication system in which the polarization changes irregularly with time because the gain varies greatly depending on the polarization state of the signal input to the amplifier. However, in the case of the quantum dot optical amplifier, the carriers constrained to the quantum dots as the active layer are restricted in all directions, and thus the polarization dependency due to the structure of the active medium is lost. This fact shows that Herrmann et al. Recently measured the gain due to polarization in the quantum dot laser and found no difference in the ground state of the quantum dot, which is the main amplification band [E. Herrmann et al, "Modal gain and internal optical mode loss of a quantum dot laser", Applied Physics Letters, 77, 163-165, 2000].
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 양자점 광증폭기의 단면도이다.3 is a cross-sectional view of a semiconductor quantum dot optical amplifier according to an embodiment of the present invention.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 반도체 양자점 광증폭기는 반도체기판(30, substrate) 상부로부터 제1도전형 클래드층(32), 양자점 활성층(34), 제2도전형 클래드층(36) 순으로 증착된 반도체층들을 포함하여 구성된다. 따라서, 본 반도체 양자점 광증폭기의 한쪽에서 입사된 신호광은 양자점 활성층(34)을 이루는 불연속적인 에너지 레벨들에서 증폭되어 반대쪽으로 출사된다.As shown in FIG. 3, the semiconductor quantum dot optical amplifier of the present embodiment includes the first conductive cladding layer 32, the quantum dot active layer 34, and the second conductive cladding layer 36 from above the semiconductor substrate 30. And semiconductor layers deposited in order. Therefore, the signal light incident on one side of the semiconductor quantum dot optical amplifier is amplified at discontinuous energy levels constituting the quantum dot active layer 34 and emitted to the opposite side.
이러한 양자점 활성층(34)은 여러층의 양자점으로 이루어 질 수 있다. 양자점 활성층(34)을 이루고 있는 각 층의 에너지레벨(energy level)은 본 실시예에 따른 반도체 양자점 광증폭기가 사용되는 특성에 따라 서로 같거나 다르게 조절할 수 있다. 이러한 에너지 레벨의 변화는 양자점의 크기를 다르게 조성함으로써 조절할 수도 있다. 뿐만 아니라, 양자점 활성층(34)의 사이사이에 서로 다른 에너지갭(energy gap)을 갖는 배리어 물질(barrier material)을 증착시키는 것으로 가능하다.The quantum dot active layer 34 may be formed of multiple layers of quantum dots. The energy level of each layer constituting the quantum dot active layer 34 may be adjusted to be the same or different depending on the characteristics of the semiconductor quantum dot optical amplifier according to the present embodiment. This change in energy level may be controlled by varying the size of the quantum dots. In addition, it is possible to deposit barrier materials having different energy gaps between the quantum dot active layers 34.
도 4 및 도 5는 본 실시예에 따른 양자점 반도체 광증폭기의 이득대역을 증가시키기 위한 활성층의 예들을 도시한 것이다. 도 4는 본 실시예의 양자점 반도체 광증폭기에서 양자점 활성층(34)을 이루는 양자점들의 크기를 서로 다르게 하여 형성한 예이다. 그리고 도 5는 서로 다른 에너지갭을 가진 배리어를 적용하여 양자점 활성층(34)을 형성한 예이다.4 and 5 show examples of an active layer for increasing the gain band of the quantum dot semiconductor optical amplifier according to the present embodiment. FIG. 4 illustrates an example in which the quantum dots of the quantum dot active layer 34 are formed in different sizes in the quantum dot semiconductor optical amplifier of the present embodiment. 5 illustrates an example in which the quantum dot active layer 34 is formed by applying barriers having different energy gaps.
도 4 및 도 5와 같이, 양자점 활성층(34)에서는 하부의 제1도전형 클래드층(32) 상부에 제1에피층(34e1)이 증착되고 다시 상부에 제1양자점층(34d1)이 증착된다. 이후 다시 에피층들(34e2, 34e3, 34e4, .... )과 양자점층들(34d2, 34d3, .... )이 반복적으로 증착되면서 양자점 활성층(34)이 형성된다. 이러한 과정에서 도 4와 같이 양자점들의 크기를 다르게 조절하면서 양자점 활성층(34)을 형성하는 것이 가능하다.4 and 5, in the quantum dot active layer 34, the first epitaxial layer 34e1 is deposited on the lower first conductive cladding layer 32, and the first quantum dot layer 34d1 is deposited on the top. . Afterwards, the epi layers 34e2, 34e3, 34e4,... And the quantum dot layers 34d2, 34d3,... Are repeatedly deposited, thereby forming the quantum dot active layer 34. In this process, it is possible to form the quantum dot active layer 34 while controlling the size of the quantum dots differently as shown in FIG. 4.
이하, 본 실시예에 따른 반도체 양자점 광증폭기에 있어서 양자점 활성층(34)이 변화되는 다양한 예들을 살펴본다.Hereinafter, various examples in which the quantum dot active layer 34 is changed in the semiconductor quantum dot optical amplifier according to the present embodiment will be described.
본 실시예의 반도체 양자점 광증폭기에서 양자점 활성층(34)이 변화되는 제1예는, 최하부의 반도체기판(30)으로 GaAs에 의한 GaAs 반도체기판을 형성한다. 이후, 반도체기판(30)으로 형성한 GaAs 계열의 물질로 제1도전형 클래드층(32)을 형성한다.The first example in which the quantum dot active layer 34 is changed in the semiconductor quantum dot optical amplifier of this embodiment forms a GaAs semiconductor substrate made of GaAs as the lowermost semiconductor substrate 30. Thereafter, the first conductive cladding layer 32 is formed of a GaAs-based material formed of the semiconductor substrate 30.
중앙의 양자점 활성층(34)은 AlGaAs에 의한 Al(x)Ga(1-x)As 에피과정, InGaAs에 의한 In(y)Ga(1-y)As양자점층(34d1, 34d2, 34d3, .... ), 그리고 AlGaAs에 의한 Al(z)Ga(1-z)As 에피과정을 연속적으로 반복하여 형성한다. 따라서 에피층들(34e1, 34e2, 34e3, 34e4, .... )은 Al(x)Ga(1-x)As 에피과정과 Al(z)Ga(1-z)As 에피과정에 의해 형성된다. 여기서 x 및 z의 값은 0에서 1까지, y값은 약 0.4에서 1까지 각각 변화시키는 것이 가능하다. 만약 x와 z 값이 동일한 경우, 에피층들(34e1, 34e2, 34e3, 34e4, .... )은 하나의 AlGaAs물질로 형성되는 것과 같다. 하지만 이러한 에피층들(34e1, 34e2, 34e3, 34e4, .... )은 장벽(barrier)이 되므로, x와 z 값이 다르게 함으로써 다양한 구조에 의한 증폭특성을 얻을 수 있다. 이러한 물질조성에 있어서 x, y 그리고 z 값은 물질의 조성을 결정짓는 상수이다.The central quantum dot active layer 34 is made of Al (x) Ga (1-x) As epitaxial process by AlGaAs, In (y) Ga (1-y) As quantum dot layer by InGaAs 34d1, 34d2, 34d3, .. ..), and the Al (z) Ga (1-z) As epi process by AlGaAs is formed repeatedly. Therefore, the epi layers 34e1, 34e2, 34e3, 34e4, .... are formed by the Al (x) Ga (1-x) As epi process and the Al (z) Ga (1-z) As epi process. . Here, the values of x and z can be changed from 0 to 1, and the y value can be changed from about 0.4 to 1, respectively. If the x and z values are the same, the epi layers 34e1, 34e2, 34e3, 34e4,... Are formed of one AlGaAs material. However, since the epi layers 34e1, 34e2, 34e3, 34e4,... Are barriers, amplification characteristics by various structures can be obtained by different x and z values. The x, y and z values in this composition are constants that determine the composition of the material.
본 실시예에서 양자점 활성층(34)이 변화되는 제2예는, 제1예와 같이 최하부의 반도체기판(30)으로 GaAs에 의한 GaAs 반도체기판을 형성한다.In the second embodiment in which the quantum dot active layer 34 is changed in this embodiment, a GaAs semiconductor substrate made of GaAs is formed as the lowermost semiconductor substrate 30 as in the first example.
제2예에서의 양자점 활성층(34)은 InGaAs에 의한 In(x)Ga(1-x)As 에피과정, InGaAs에 의한 In(y)Ga(1-y)As양자점층(34d1, 34d2, 34d3, .... ), 그리고 InGaAs에 의한 In(z)Ga(1-z)As 에피과정을 연속적으로 반복하여 형성한다. 여기서 x 및 z의 값은 0에서 0.5까지, y값은 약 0.4에서 1까지이다. 따라서, 에피층들(34e1, 34e2, 34e3, 34e4, .... )은 In(x)Ga(1-x)As 에피과정과 In(z)Ga(1-z)As 에피과정에 의해 형성된다. 그리고 In(y)Ga(1-y)As양자점층(34d1, 34d2, 34d3, .... )의 에너지 레벨은 In(x)Ga(1-x)As 및 In(z)Ga(1-z)As의 에피과정에 의한 에피층들(34e1, 34e2, 34e3, 34e4, .... )의 에너지갭보다 작도록 형성된다.In the second example, the quantum dot active layer 34 includes an In (x) Ga (1-x) As epitaxial process using InGaAs, and an In (y) Ga (1-y) As quantum dot layer (34d1, 34d2, 34d3 ) by InGaAs. , ....), and the In (z) Ga (1-z) As epi process by InGaAs is formed repeatedly. Wherein the values of x and z range from 0 to 0.5 and the y value ranges from about 0.4 to 1. Therefore, the epi layers 34e1, 34e2, 34e3, 34e4, .... are formed by the In (x) Ga (1-x) As epi process and the In (z) Ga (1-z) As epi process. do. And the energy levels of In (y) Ga (1-y) As quantum dot layers 34d1, 34d2, 34d3, .... are In (x) Ga (1-x) As and In (z) Ga (1- z) It is formed to be smaller than the energy gap of the epi layers 34e1, 34e2, 34e3, 34e4, .... by the epi process of As.
본 실시예에서 양자점 활성층(34)이 변화되는 제3예는, 최하부의 반도체기판(30)으로 InP에 의한 InP 반도체기판을 형성한다. 아울러, 이러한 제3예에서의 양자점 활성층(34)은 InGaAsP에 의한 에피과정, InGaAs에 의한 In(y)Ga(1-y)As양자점층(34d1, 34d2, 34d3, .... ), 그리고 InGaAsP에 의한 에피과정을 연속적으로 반복하여 형성한다. 여기서 y값은 약 0.4에서 1까지이다. 따라서, 에피층들(34e1, 34e2, 34e3, 34e4, .... )은 InGaAsP에 의한 에피과정에 의해 형성된다.In the third example in which the quantum dot active layer 34 is changed in this embodiment, an InP semiconductor substrate made of InP is formed as the lowermost semiconductor substrate 30. In addition, the quantum dot active layer 34 in the third example is epitaxial with InGaAsP, In (y) Ga (1-y) As quantum dot layers 34d1, 34d2, 34d3, .... with InGaAs, and The epitaxial process by InGaAsP is formed continuously and repeatedly. Where y is from about 0.4 to 1. Thus, the epi layers 34e1, 34e2, 34e3, 34e4, .... are formed by the epitaxial process by InGaAsP.
여기서는 InGaAsP에 의한 에피층의 격자상수가 InP 반도체기판의 격자상수와 ±0.5% 이내로 형성되는 특징이 있다. 그리고 In(y)Ga(1-y)As양자점층(34d1, 34d2, 34d3, .... )의 에너지 레벨은 InGaAsP에 의한 에피층들(34e1, 34e2, 34e3, 34e4, .... )의 에너지갭보다 작도록 형성된다.In this case, the lattice constant of the epi layer by InGaAsP is formed within ± 0.5% of the lattice constant of the InP semiconductor substrate. And the energy levels of the In (y) Ga (1-y) As quantum dot layers 34d1, 34d2, 34d3, .... are epitaxial layers 34e1, 34e2, 34e3, 34e4, ....) by InGaAsP. It is formed to be smaller than the energy gap of.
본 실시예에서 양자점 활성층(34)이 변화되는 제4예는, 제3예와 같이 최하부의 반도체기판(30)으로 InP에 의한 InP 반도체기판을 형성한다. 아울러, 이러한 제3예에서의 양자점 활성층(34)은 InAlGaAs에 의한 에피과정, InGaAs에 의한 In(y)Ga(1-y)As양자점층(34d1, 34d2, 34d3, .... ), 그리고 InAlGaAs에 의한 에피과정을 연속적으로 반복하여 형성한다. 여기서 y값은 약 0.4에서 1까지이다. 따라서, 에피층들(34e1, 34e2, 34e3, 34e4, .... )은 InAlGaAs에 의한 에피과정에 의해 형성된다.In the fourth embodiment in which the quantum dot active layer 34 is changed in this embodiment, an InP semiconductor substrate by InP is formed as the lowermost semiconductor substrate 30 as in the third example. In addition, the quantum dot active layer 34 in this third example is epitaxial with InAlGaAs, In (y) Ga (1-y) As quantum dot layers 34d1, 34d2, 34d3, .... with InGaAs, and The epitaxial process by InAlGaAs is formed continuously and repeatedly. Where y is from about 0.4 to 1. Therefore, the epi layers 34e1, 34e2, 34e3, 34e4, .... are formed by the epitaxial process by InAlGaAs.
여기서는 InAlGaAs에 의한 에피층의 격자상수가 InP 반도체기판의 격자상수와 ±0.5% 이내로 형성되는 특징이 있다. 그리고 In(y)Ga(1-y)As양자점층(34d1, 34d2, 34d3, .... )의 에너지 레벨은 InAlGaAs에 의한 에피층들(34e1, 34e2, 34e3, 34e4, .... )의 에너지갭보다 작도록 형성되는 특징이 있다.In this case, the lattice constant of the epi layer by InAlGaAs is formed within ± 0.5% of the lattice constant of the InP semiconductor substrate. And the energy levels of In (y) Ga (1-y) As quantum dot layers 34d1, 34d2, 34d3, .... are epitaxial layers 34e1, 34e2, 34e3, 34e4, ....) by InAlGaAs. It is characterized by being formed smaller than the energy gap of.
본 실시예에 따른 반도체 양자점의 경우 에너지 레벨의 불연속성으로 인하여 균질확대(homogeneous broadening)이 감소하는 특성을 보인다. 따라서, 고밀도파장분할다중 광통신시스템같이 인접 채널간 간격이 매우 작은 경우에도 신호누화 현상이 없게 되어 종래 반도체 광증폭기에 나타나는 문제점을 해결할 수 있게 된다.In the case of the semiconductor quantum dot according to the present embodiment, the homogeneous broadening is reduced due to the discontinuity of the energy level. Therefore, even when the spacing between adjacent channels is very small, such as a high-density wavelength division multiplexing optical communication system, there is no signal cross-talk phenomenon, thereby solving the problem of the conventional semiconductor optical amplifier.
현재 보고된 예를 살펴 보면 양자점의 발광영역이 1.3 um 이하에서는 GaAs를 기판으로 하는 In(Ga)As 양자점 [G. Park et al, "Room-temperature continuous-wave operation of a single-layered 1.3 um quantum dot laser", Appl. Phys. Lett. 75, 3267-3269 (1999), U. H. Lee et al, "Optical characteristics of self-assembled InAs/GaAs quantum dots at various temperatures and excitations", J. Korean Phys. Soc. 37,00 593-597 (2000)], 1.3 um보다 긴 영역에서는 InP를 기판으로 하는 InAs 양자점이 이미 발표된 바 있다[W. G. Jeong et al, "Epitaxial growth and optical characterization of InAs/InGaAsP/InP self-assembled quantum dots", Appl. Phys. Lett. 78, 1171-1173 (2001)].In the presently reported example, when the emission region of the quantum dot is 1.3 um or less, the In (Ga) As quantum dot [G. Park et al, "Room-temperature continuous-wave operation of a single-layered 1.3 um quantum dot laser", Appl. Phys. Lett. 75, 3267-3269 (1999), U. H. Lee et al, "Optical characteristics of self-assembled InAs / GaAs quantum dots at various temperatures and excitations", J. Korean Phys. Soc. 37,00 593-597 (2000)], InAs quantum dots based on InP have been published in the region longer than 1.3 um [W. G. Jeong et al, "Epitaxial growth and optical characterization of InAs / InGaAsP / InP self-assembled quantum dots", Appl. Phys. Lett. 78, 1171-1173 (2001).
현재 광통신 시스템에서 많이 사용하는 광증폭기 중에는 에르븀이 첨가된 광섬유증폭기가 있으며, 이 에르븀이 첨가된 광섬유증폭기는 이득대역이 l525nm에서 l605[nm]까지 최대 약 80[nm]이다. 이 외의 구간에서는 실제 시스템에 사용가능한 효율적인 증폭기가 거의 없는 실정이다. 그러나, 본 발명의 반도체 양자점 광증폭기에서는 양자점의 크기나 양자점을 싸고 있는 배리어 물질을 변화시킴으로써, 광섬유의 사용가능 전 영역에서 이득을 가지도록 만들 수 있다.Among the optical amplifiers currently used in optical communication systems, erbium-doped optical fiber amplifiers include erbium-doped optical fiber amplifiers whose gain band is up to about 80 [nm] from l525 nm to l605 [nm]. In other areas, there are few efficient amplifiers available for real systems. However, in the semiconductor quantum dot optical amplifier of the present invention, by changing the size of the quantum dot or the barrier material surrounding the quantum dot, it can be made to have gain in the whole usable area of the optical fiber.
도 6은 도 3의 실시예에 따른 양자점 반도체 광증폭기가 나타내는 이득에 대한 편광의존 특성의 결과도면이고, 도 7은 반도체 양자점들의 파장에 따른 발광세기의 스펙트럼 측정 결과도이다. 도 6에 있어서 X축은 파장[nm]을 Y축은 순수한 이득에서 도파로 손실을 뺀 전체 이득계수 (cm-1)를 나타내며, 도 7에 있어서 X축은 파장[nm]을, Y축은 발광세기를 각각 나타낸다.FIG. 6 is a result diagram of polarization-dependent characteristics of gains represented by the quantum dot semiconductor optical amplifier according to the embodiment of FIG. 3, and FIG. 7 is a result of spectrum measurement of emission intensity according to wavelengths of semiconductor quantum dots. In FIG. 6, the X axis represents the wavelength [nm], the Y axis represents the total gain coefficient (cm -1 ) minus the waveguide loss, and in FIG. 7, the X axis represents the wavelength [nm] and the Y axis represents the emission intensity, respectively. .
본 실시예의 양자점 반도체 광증폭기의 경우 다수의 양자점들에서 모든 방향으로 전자가 제한된다. 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이 편광의존도가 없으며 균질확대(homogeneous broadening)이 적어 고밀도파장분할다중 광통신시스템에 적용할 경우 인접 채널간 누화현상이 없게 된다.In the case of the quantum dot semiconductor optical amplifier of the present embodiment, electrons are limited in all directions in the plurality of quantum dots. Accordingly, as shown in FIG. 6, there is no polarization dependency and homogeneous broadening, and thus there is no crosstalk between adjacent channels when applied to a high density wavelength division multiple optical communication system.
또한 본 발명은 광섬유의 사용가능 전 영역에서 이득을 가지도록 만들 수 있으며, 도 7은 본 실시예의 양자점 발광영역이 광통신에서 주로 이용하는 약 l.2[μm]이하에서 약 1.6[μm]이상의 영역까지 고른 발광특성을 보임을 알 수 있다.In addition, the present invention can be made to have a gain in the entire usable area of the optical fiber, Figure 7 is a quantum dot light emitting region of the present embodiment from about l.2 [μm] or less to about 1.6 [μm] or more mainly used in optical communication It can be seen that the even emission characteristics.
본 발명에 따른 반도체 양자점 광증폭기는 반도체소자이기 때문에 부피가 아주 작으며 사용에 편리한 이점도 있다. 여기에 양자점의 상태밀도 특성상 문턱전류가 작아 소모전력이 적다. 아울러 가격이 경제적이면서도 종래의 광섬유증폭기로 불가능한 파장대역에서 좋은 증폭 특성을 나타낸다.Since the semiconductor quantum dot optical amplifier according to the present invention is a semiconductor device, there is an advantage in that the volume is very small and convenient to use. In addition, due to the state density characteristics of the quantum dots, the threshold current is small, which consumes less power. In addition, it is economical and shows good amplification characteristics in the wavelength band which is impossible with the conventional optical fiber amplifier.
본 발명의 반도체 양자점 광증폭기는 이득을 크게 하기 위하여 양자점 활성층내에 다수층의 양자점을 성장시킬 수 있다. 아울러 전술한 바와 같이 반도체 재료를 변화시켜 양자점 활성층을 다양하게 형성할 수 있는 등 본 발명의 기술적 개념을 바탕으로 보다 다양한 구조로 형성할 수 있다.The semiconductor quantum dot optical amplifier of the present invention can grow multiple layers of quantum dots in the quantum dot active layer to increase the gain. In addition, as described above, the semiconductor material may be changed to form various quantum dot active layers, and thus may be formed in various structures based on the technical concept of the present invention.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 반도체 양자점 광증폭기는 양자점을 반도체 광증폭기의 활성층에 사용함으로써 기존의 반도체 광증폭기의 문제였던 이득의 편광의존도와 인접 채널간 신호누화 현상을 없애면서 기존의 광섬유증폭기가 증폭할 수 없는 다른 파장대역에서 좋은 증폭특성을 가질 수 있게 한다. 또한 크기와 전력사용 면에서도 성능이 우수하여 기존 대역에서도 가격과 성능 면에서 경쟁력을 가질 수 있으며, 파급효과도 클 것으로 예상된다.As described above, the semiconductor quantum dot optical amplifier of the present invention uses the quantum dots in the active layer of the semiconductor optical amplifier to eliminate the polarization dependence of gain and signal crosstalk between adjacent channels, which is a problem of the conventional semiconductor optical amplifier. It is possible to have good amplification characteristics in other wavelength band which cannot be amplified. In addition, it has excellent performance in terms of size and power usage, so it can be competitive in terms of price and performance in the existing band, and the ripple effect is expected to be large.
Claims (16)
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR10-2001-0016243A KR100420795B1 (en) | 2001-03-28 | 2001-03-28 | A semiconductor quantum dot optical amplifier |
| AU2002243061A AU2002243061A1 (en) | 2001-03-28 | 2002-03-27 | Semiconductor quantum dot optical amplifier, and optical amplifier module and optical transmission system using the same |
| US10/473,049 US7030415B2 (en) | 2001-03-28 | 2002-03-27 | Semiconductor quantum dot optical amplifier, and optical amplifier module and optical transmission system using the same |
| PCT/KR2002/000531 WO2002079813A2 (en) | 2001-03-28 | 2002-03-27 | Semiconductor quantum dot optical amplifier, and optical amplifier module and optical transmission system using the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR10-2001-0016243A KR100420795B1 (en) | 2001-03-28 | 2001-03-28 | A semiconductor quantum dot optical amplifier |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20020076422A KR20020076422A (en) | 2002-10-11 |
| KR100420795B1 true KR100420795B1 (en) | 2004-03-02 |
Family
ID=27699012
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR10-2001-0016243A KR100420795B1 (en) | 2001-03-28 | 2001-03-28 | A semiconductor quantum dot optical amplifier |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR100420795B1 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100639963B1 (en) | 2004-09-07 | 2006-11-01 | 한국전자통신연구원 | Hybrid optical amplifier using gain-clamped semiconductor optical amplifier enabling Raman amplification |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11266004A (en) * | 1998-03-17 | 1999-09-28 | Fujitsu Ltd | Quantum semiconductor device and quantum semiconductor light emitting device |
| JPH11307860A (en) * | 1998-04-17 | 1999-11-05 | Nec Corp | Semiconductor laser and semiconductor optical amplifier |
| JP2000183457A (en) * | 1998-12-10 | 2000-06-30 | Sony Corp | Semiconductor laser and its manufacturing method |
| JP2001255500A (en) * | 2000-03-10 | 2001-09-21 | Fujitsu Ltd | Wavelength multiplex optical signal processor, and method for reproducing wavelength multiplex optical signal |
-
2001
- 2001-03-28 KR KR10-2001-0016243A patent/KR100420795B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11266004A (en) * | 1998-03-17 | 1999-09-28 | Fujitsu Ltd | Quantum semiconductor device and quantum semiconductor light emitting device |
| JPH11307860A (en) * | 1998-04-17 | 1999-11-05 | Nec Corp | Semiconductor laser and semiconductor optical amplifier |
| JP2000183457A (en) * | 1998-12-10 | 2000-06-30 | Sony Corp | Semiconductor laser and its manufacturing method |
| JP2001255500A (en) * | 2000-03-10 | 2001-09-21 | Fujitsu Ltd | Wavelength multiplex optical signal processor, and method for reproducing wavelength multiplex optical signal |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20020076422A (en) | 2002-10-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Fathpour et al. | High-speed quantum dot lasers | |
| US5987046A (en) | Optical semiconductor device and a method of manufacturing the same | |
| EP0674372B1 (en) | Oscillation polarization selective semiconductor laser and optical communication system using the same | |
| US4873691A (en) | Wavelength-tunable semiconductor laser | |
| US6859477B2 (en) | Optoelectronic and electronic devices based on quantum dots having proximity-placed acceptor impurities, and methods therefor | |
| EP0390167B1 (en) | Semiconductor laser device having plurality of layers for emitting lights of different wavelengths and method of driving the same | |
| JPH0715000A (en) | Constitution of integrated monolithic laser modulator of multiple quantum well structure | |
| JP2004525498A (en) | Quantum dash device | |
| US20070091419A1 (en) | Semicondutor optical amplifier suitable for coarse WDM communications and light amplification method | |
| US6224667B1 (en) | Method for fabricating semiconductor light integrated circuit | |
| JPH07221395A (en) | Multiplex quantum well semiconductor laser | |
| US7030415B2 (en) | Semiconductor quantum dot optical amplifier, and optical amplifier module and optical transmission system using the same | |
| US5912475A (en) | Optical semiconductor device with InP | |
| JP2013520003A (en) | Semiconductor device | |
| US6728282B2 (en) | Engineering the gain/loss profile of intersubband optical devices having heterogeneous cascades | |
| KR100420795B1 (en) | A semiconductor quantum dot optical amplifier | |
| USRE43416E1 (en) | Semiconductor optical amplifier having a non-uniform injection current density | |
| JP2003234541A (en) | Distributed feedback semiconductor laser element | |
| US5224114A (en) | Semiconductor laser devices with a plurality of light emitting layers having different bands gaps and methods for driving the same | |
| Lu et al. | High-speed performance of partly gain-coupled 1.55-mu m strained-layer multiple-quantum-well DFB lasers | |
| JP4999038B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
| US6967770B2 (en) | Semiconductor optical amplifier with reduced effects of gain saturation | |
| EP0660473B1 (en) | Quantum-well type semiconductor laser device having multi-layered quantum-well layer | |
| JP3316289B2 (en) | Semiconductor optical amplifier | |
| JP2001013472A (en) | Optical semiconductor element and optical communication equipment |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| N231 | Notification of change of applicant | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20130201 Year of fee payment: 10 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20130225 Year of fee payment: 18 |