KR101404563B1 - 광전자 소자 - Google Patents

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더 센터 포 인티그레이티드 포토닉스 엘티디
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Abstract

본 발명은, 낮은 편광 종속 이득을 가지는 광 증폭기를 제공한다. 증폭기는, 광 이득을 제공하기 위해 복수 개의 인접하는 반도체 레이어를 포함하는 이득 매체를 포함하며, 복수 개의 인접하는 반도체 레이어는 전자에 대한 하나 이상의 양자 우물을 한정하고, 이득 매체의 직접 전자-정공 전이 및 간접 전자-정공 전이 모두를 제공하기 위해 동작한다. 전도대의 제1의 양자화된 전자 에너지 레벨이 제1 레이어에 위치하고, 가전자대의 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨이 제1 레이어에 위치한다. 가전자대의 추가적인 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨은 제1 레이어와 서로 상이한 재료 조성을 가지는 인접한 제2 레이어에 위치한다.

Description

광전자 소자{OPTO-ELECTRONIC DEVICE}
본 발명은 반도체 소자, 특히 반도체 광 증폭기(Semiconductor Optical Amplifier)와 같이 편광 독립성(polarisation independence)을 요구하는 광전자 소자에 관한 것이다.
데이터 전송 매체로서 광 섬유를 이용하는 네트워크는, 실제로 광(light)이 광 섬유를 통과함에 따라 광 감쇠(light attenuation)의 문제에 직면하게 되는데, 예를 들어, 표준 SMF-28™ 단일 모드 섬유는 1550nm의 파장에서 약 0.2dB/km 정도의 감쇠를 가진다. 따라서, 많은 네트워크들에서는, 섬유 스팬(fibre span)의 중간 중간마다 전자적 증폭기(electronic amplifiers)를 포함시키는 것이 일반적이다. 좀 더 최근에는, 네트워크들이 입력 스트림을 전기 신호로 변환함이 없이 광학적으로 광을 증폭시키는 광 증폭기를 이용하고 있다. 유리 광 섬유(glass optical fibre)의 낮은 전송 손실 스펙트럼 영역에 의해 주로 결정되는, 광 네트워크의 동작 파장 범위로는, 많은 수가 존재한다. 이러한 범위들은, 일반적으로 가장 많이 이용되는 두 개의 밴드로서 O 밴드(명목상 약 1310nm에 중심을 두는 1260-1360nm의 밴드) 및 C 밴드(명목상 약 1550nm에 중심을 두는 1530-1565nm의 밴드)를 포함하는, 많은 수의 밴드로 표준화된다.
네트워크에서 일반적으로 이용되는 광 섬유는 대부분, 섬유 내로 최초로 입력되었던 광의 편광을 유지하지 않는 형태이며, 따라서 광 섬유 길이를 따라 전파된 후 증폭기에 입사하는 광은 랜덤(random)한 편광을 가질 수 있다. 따라서, 높은 광 이득 및 낮은 편광 종속성을 가지는 광 증폭기들을 이용하는 것이 바람직하고, 이러한 증폭기들은 입력 편광에 관계없이 동일한 양만큼 입력 광을 증폭시킨다.
반도체 소자들은, 그들의 작은 크기, 저 비용, 대량 생산 능력, 및 복잡한 칩 설계에서 모놀리스식(monolithically) 또는 하이브리드식(hybrid)으로 집적되는 능력 때문에, 광자 네트워크에서 많은 광학적 기능을 제공하기 위해, 점점 더 많이 이용되고 있다. 광을 증폭시키기 위해 이용되는 일반적인 반도체 소자로는 반도체 광 증폭기(Semiconductor Optical Amplifier, SOA)가 있다. SOA가 일반적으로 보통의 반도체 레이저 다이오드(semiconductor laser diode)와 유사한 구조를 가지기 때문에, SOA는, 입력 광을 받아 증폭된 광을 출력하기 위한 광 도파관(optical waveguide), 광 이득(optical gain)을 제공하기 위한 이득 매체(gain medium)(활성 영역(active region)이라고도 함), 및 이득 매체를 통해 전류를 펌프(pump)시키기 위한 전극을 포함한다. SOA는 전형적으로, 소자의 일면(facet)으로부터 입력 신호를 수신하고, 입력 신호를 증폭하며, 소자의 동일한 면(예: 반사형(reflective) SOA) 또는 소자의 상이한 면 중 어느 하나로부터 증폭된 신호를 출력하기 위해 이용된다. SOA는 또한, 광의 자연 증폭 방출(Amplified Spontaneous Emission, ASE) 소스로서 이용될 수도 있다. 일반적으로, 이득 매체는 광 도파관 내에 포함된다. SOA 이득 매체와 도파관에 대한 많은 디자인이 존재하지만, 높은 전류 주입의 효율성을 위해 일반적으로 이용되는 것들은 전형적으로, 도 1에서 도시된 것과 같은 매립형 헤테로(buried hetero, BH) 구조 도파관 또는 도 2에서 도시된 것과 같은 리지형 도파관(ridge waveguide, RW) 구조를 가진다.
SOA의 설계에 있어서의 핵심 파라미터는, 편광 종속 이득(Polarisation Dependent Gain, PDG)의 최소화이다. 이를 성취하기 위해서는, TE(transverse electric) 모드 및 TM(transverse magnetic) 모드 양자에 대한 모달 이득(modal gains, G)의 균형을 유지하는 것이 필요하다. 어느 한쪽의 편광 모드에 대한 모달 이득은 일반적으로 G = g * r로 정의되는데, 여기서 g는 재료 이득(material gain)이고, r은 편광 상태에 대한 모드의 제한율(confinement factor)이다. 제한율은 이득 매체 내에 전달되는 광 모드의 비율이다. PDG는 G(TE)와 G(TM) 사이의 차이(difference)이다. SOA의 설계에 있어서의 다른 파라미터들로는, 낮은 잡음(low noise) 및 동작에 대한 광범위한 스펙트럼 대역폭이 있다. 또한, 낮은 PDG 같은 전술한 효과들을 가지는 소자를 만들기 위해 이용되는 성장 조건들과 기타 프로세싱 파라미터들이 쉽게 제어되고 반복 가능하도록 하여, 양호한 소자 생산성이 쉽게 성취될 수 있게 하는 것도 중요하다.
문헌(P. Doussiere et al., IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 6, pp. 170-172, 1994)은, 이득 매체가 사각 단면을 가지는 광 증폭기를 설명하였다. 사각 단면을 가지는 활성 레이어(active layer)에 대한 TE 제한율과 TM 제한율이 명목상 동일하여, TE 및 TM 양자의 편광 상태에 대한 이득을 동일하게 만든다. 그러나, 사각 이득 매체를 가진 소자가 불량한 전류 주입 효율성을 가지는 점에서, 증폭기로서 이용되기에는 일반적으로 적합하지 않다.
BH 디자인과 RW 디자인 모두에서 효율적인 전류의 주입을 성취하기 위해서는, 소자가, 단면의 너비가 두께보다 더 큰 비대칭의 단면을 가진 이득 매체를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 이러한 단면 비대칭이 SOA 도파관 길이의 대부분 또는 전체에 걸쳐서 존재하는 것이 바람직하다.
넓고 얇은 비대칭 단면을 가지는 이득 매체의 경우에, TE 모드의 제한율은 TM 모드의 제한율보다 실질적으로 더 크므로, TE 모드의 이득은 TM 모드보다 명목상으로 더 높다. 제한율의 정확한 값은 도파관의 기하학적 구조(geometry)와 이용되는 레이어들의 재료 굴절 인덱스들(material refractive indices)에 의해 결정(보통 수치 계산 소프트웨어를 이용함)된다. 따라서, 도파관의 기하학적 구조만 이용해서는, 낮은 PDG를 가지는 효율적인 반도체 소자의 실현은 불가능하다.
이득 매체의 단면 비대칭으로부터 기인하는 PDG의 보상을 위해, TE 모드 및 TM 모드에 대해 상이한 재료 이득을 제공하려는 몇몇의 시도들이 이전부터 있어왔다. SOA에서 TE 이득과 TM 이득을 동일하게 하는 접근 방법이 문헌(J.Y. Emery et al., ECOC, vol. 3, PP165-168 1996) 및 특허 US6487007B1에 각각 개시되었다. 양 문헌에서는 단일 재료 레이어를 포함하는 활성 영역을 이용하였다. 두꺼운 재료의 단일 레이어를 포함하는 그러한 활성 영역은 '벌크' 활성으로 지칭된다. 이러한 문헌들은 낮은 PDG를 달성하기 위해 벌크 활성 영역에 인장 변형(tensile strain)을 이용하였다. 벌크 활성을 이용하는 소자들은 일반적으로 낮은 효율과 높은 광 손실을 가지면서 또한 높은 주입 전류도 필요로 한다.
(양자 우물 기반 소자들)
벌크 활성 레이어와는 달리, 소자들은, 양자 우물(quantum wells, QW)로서 작용하는 하나 이상의 레이어(대략 15nm 미만의 전형적인 두께를 가짐)를 가지는 활성 영역을 포함할 수 있는데, 이는, 다른 재료의 레이어에 의해 둘러싸이는 경우에, 전자와 정공을 그 레이어의 범위 내로 제한한다. QW 기반 소자들은, 벌크 활성 레이어와 비교하여 진화된 성능을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 양자 우물을 이용함으로써 발생하는 이러한 개선점은 일반적으로 더 높은 재료 이득, 더 높은 효율, 더 낮은 손실, 및 더 낮은 주입 전류로서 나타난다.
전형적으로, 양자 우물 기반 소자들은, 상이한 재료들에 의해 양쪽이 경계 지어진, 재료의 제1 레이어를 포함하는데, 여기서 제1 재료 및 경계를 이룬 상이한 재료들 사이의 전도대 에지 레벨(conduction band edge level)과 가전자대 에지 레벨(valence band edge level)의 차이가, 이득 매체의 임의의 전자 또는 정공에 대한 양자 우물을 생성하게 된다. 소자들은 전형적으로, 상이한 재료들의 레이어가 교대로 배치됨에 따라 형성되는 하나 이상의 양자 우물(multi quantum wells, MQW)을 포함한다. 양자 우물로서 작용하는 레이어들 사이의 레이어들은 보통 장벽 레이어(barrier layer)로 호칭된다. 일반적으로 MQW 구조는 제1 재료와 이와 경계를 이루는 제2 재료가 교대로 위치하는 레이어들을 포함하게 되어, 장벽 재료 레이어는 두 개의 양자 우물의 사이에서 이들과 경계를 이룬 채로 배치된다. 또한, 장벽 재료은 MQW 스택(stack)의 양쪽 단부에서 존재할 수도 있다.
양자 우물의 밴드 에지 에너지 레벨과 둘러싸는 장벽 레이어 사이의 에너지 차이가 커질수록, 정공 또는 전자의 제한도 강해진다. 이러한 제한의 크기를 측정하는 하나의 기준은, 정공에 대한 우물/장벽 가전자대 에지 사이의 에너지 차이에 대한, 전자에 대한 우물/장벽 전도 밴드 에지 사이의 에너지 차이의 비를 나타내는 것으로서, '오프셋 분할비(offset split ratio)'로 불리운다.
도 3 및 도 4에서 도시된 것과 같이, 가벼운(light) 또는 무거운(heavy) 정공이 양자 우물 내로 취할 수 있는 에너지 레벨은 특정한 정공에 대한 밴드 에지 에너지 레벨보다 낮게 개별적으로 양자화된 값인 반면에, 우물 내의 전자의 에너지 레벨은 전자에 대한 밴드 에지 에너지 레벨보다 높게 개별적으로 양자화된 값들을 취한다. 1차 근사화(the first order of approximation)를 통해, g(TE)가 전자-무거운 정공 전이(the electron-heavy hole transition)로부터 우선적으로 생성되는 반면에, g(TM)은 주로 전자-가벼운 정공 전이(the electron-light hole transition)로부터 생성된다. 이러한 적용례에 있어서는, 무거운 정공의 파동함수(wavefunction), 가벼운 정공의 파동함수 및 전자의 파동함수는 각각 HH-파동함수, LH-파동함수 및 E-파동함수로 호칭될 것이다. 재료 이득에 대한 E/HH 또는 E/LH 전이의 기여도는, 각각 E/HH 파동함수 및 E/LH 파동함수를 오버랩(overlap)하는 것에 의해 결정된다. 파동함수의 오버랩이 클수록, 그 전이에 대한 이득의 기여도도 커지게 된다. '무거운' 및 '가벼운' 정공이란 용어는, 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 잘 알려진 것이고, 문헌("Physics of Optoelectronic Devices", by Shun Lien Chuang, 1995 Wiley, New York)에서도 잘 설명된다. 무거운 정공은 가벼운 정공보다 더 큰 유효 질량을 가지고, 무거운 정공은, 브릴루인 영역(Brillouin zone)에서의 가벼운 정공 및 무거운 정공 각각의 위치가 상이한 점에 기인하여, 각운동량 상태(angular momentum state)의 상이한 세트의 관점에서 표현되기도 한다. 그러나 엄밀히 말하면, 무거운 정공 상태 및 가벼운 정공 상태는 혼합된 상태이며, 특히 파동 벡터(wave vector), k-공간(k-space)의 중심 영역으로부터 벗어나 있어서, 가벼운 정공 및 무거운 정공의 전이로부터 발생하는 이득 계수는 일반적으로 수치로 계산된다.
(직접 및 간접 밴드갭 전이)
이전에는 종래 기술의 밴드 구조 QW와 벌크 소자들이 직접 밴드갭 전이(direct band gap transition)(또는 타입-I로 알려진)에 초점을 맞추고 있었다. 직접 밴드갭 전이는, 전도대(conduction band)에서 최소로 양자화된(quantised) 전자 에너지 레벨과 가전자대(valence band)에서 최대로 양자화된 정공 에너지 레벨 사이의 전이에 있어서, 어떠한 운동량의 변화도 필요하지 않은 경우에 발생한다. '최소로 양자화된 전자 에너지 레벨'은 양자화된 전자 에너지 레벨 중 전도대 에지(또는 제1 전자 레벨)와 가장 가까운 레벨을 의미하며, '최대로 양자화된 정공 에너지 레벨'은 양자화된 정공 에너지 레벨 중 가전자대 에지(또는 제1 정공 레벨)와 가장 가까운 레벨을 의미한다. MQW 이득 매체에서는, 전도대에서 최소로 양자화된 전자 에너지 레벨과 가전자대에서 최대로 양자화된 정공 에너지 레벨이 공간적으로 동일한 재료 내에 위치하는 효과를 가진다. 도 3은, 직접 밴드갭 전이가 제1의 무거운/가벼운 정공 레벨(24)과 제1 전자 레벨(22) 사이에서 우물(25)에서 발생하는 경우의 소자의 밴드 구조(정공 밴드(23) 및 전자 밴드(21))의 일 실시예를 도시한 것이다. 우물은 장벽 레이어(26)와 접해 있다.
대안적인 MQW 밴드 구조로서는, 전도대에서 최소로 양자화된 전자 에너지 레벨과 가전자대에서 최대로 양자화된 정공 에너지 레벨 사이의 전이에 있어서, 운동량의 변화가 필요한, 간접(타입-II) 밴드 구조가 될 수 있다. MQW 이득 매체에서는, 도 4에 도시된 것과 같이, 타입-II 밴드 구조(전자 밴드(27) 및 정공 밴드(29))가 하나의 재료(예컨대, 우물 레이어(31))의 전도대에서 최소로 양자화된 전자 에너지 레벨(28)(제1 전자 레벨)을 가지는 반면에, 또 다른 재료(예컨대, 장벽 레이어(32))에서는 가전자대에서 최대로 양자화된 정공 에너지 레벨(30)(제1 정공 레벨)을 가진다.
타입-I(직접 밴드갭) MQW 구조와 비교하면, 타입-II MQW는, 전자와 정공 사이의 낮은 파동함수 오버랩 때문에, 일반적으로 레이저(laser) 또는 SOA에 대해 바람직하지 못한 이득 매체를 제공하는 것으로 인식된다. 도 5는 두꺼운 장벽(40)을 가지는 타입-II MQW 밴드 구조에 대한 제1 전자 파동함수(38)와 제1 정공 파동함수(36)를 도식적으로 보여준다. 낮은 파동함수 오버랩이 개별 우물(39)에 갇혀있는 전자 파동함수(38)(즉, 제1 전자 레벨(34))에 기인하는 반면에, LH 파동 함수 및 HH 파동함수(36)(즉, 제1 정공 에너지 레벨(37))는 장벽(40)에 갇혀있다. 문헌(J.B. Khurgin et al., IEEE Photonics Technol. Lett., vol.14, pp.278-280, 2002)은, 더 길어진 캐리어 수명에 따른 크로스톡(crosstalk)을 감소시키기 위해 Sb-기반 무 변형(strain free) 타입-II MQW SOA를 이용하는 방법을 이론적으로 제시하였다. 그러나, 이 문헌에서는, 그러한 구조가 유용한 이득 레벨을 달성할 수 있음을 증명할 수 있는 어떠한 시도도 개시되지 않았고, 나아가 대부분의 SOA 적용례에서 요구되는 낮은 PDG를 획득하기 위해 어떠한 방식으로 설계될 수 있는지에 대한 암시도 전혀 존재하지 않았다.
문헌(R.Q. Yang, et al., IEEE J. Quantum Electronics, vol. 38, pp.559-568, 2002)은, 3㎛ 내지 5㎛의 더욱 긴 중간 적외선 파장 밴드(longer mid infrared wavelength band)에서 반도체 레이저를 실현하기 위해 InAs-InGaSb 기반 타입-II MQW의 밴드 간 터널링(interband tunnelling)의 이용이 가능하다는 것을 보여주었다. 그러나 반도체 레이저를 위한 MQW 설계는, 낮은 PDG를 제공하는 것을 필요로 하지 않았고, 나아가 낮은 PDG를 위한 그러한 설계의 효과도 개시되지 않았다.
(직접 밴드갭 전이에 기반한 MQW 소자)
간접 밴드갭 밴드 구조의 적합하지 않은 구조 때문에, 대부분의 종래 기술의 소자들이 타입-I 기반 밴드 구조를 이용하게 됨에 따라, 무거운 정공 전이 및 가벼운 정공 전이 모두가 직접 밴드갭 전이일 수밖에 없었다. MQW 이득 구조가 성장할 수 있는데, 그 구조는 소자가 성장되는 기판을 고려하여 변형된다. 이론적으로는 어떠한 반도체 레이어가 또 다른 반도체 레이어 상에 성장될 수 있지만, 크리스털 구조(crystal structure)가 레이어를 통해 계속되기 위해서는, 격자 상수(lattice constant)가 충분히 매치(match)되어야만 한다. 실제로는 이러한 매치가 전혀 상이한 구성요소들을 가지는 반도체 레이어들에서 구현된다는 것은 어려운 것이어서, 실제로는 QW, 장벽 및 다른 재료 레이어의 구성요소 대부분은 동일하면서도 상이한 몰 분율(mole fraction)로 형성되는 재료 '시스템'으로서 소자가 성장하는 것이 일반적이다.
상이한 반도체 레이어들이 적층되어 성장하는 경우에, 서로 상이한 재료 조성에 의해, 적층된 레이어와, 이득 매체가 성장하는 하부의 두꺼운 기판 사이에서 격자 상수의 미스-매치(mis-match)가 일어날 수 있다. 적층된 레이어와 기판 레이어 사이의 격자 상수가 매치되지 않는 경우에는, 적층된 레이어가 인장 변형 또는 압축 변형(compressive strain)된다. 변형되지 않은 레이어의 경우에는 가벼운 정공 및 무거운 정공에 대한 가전자대 에지가 쇠퇴(degeneracy)되나, 레이어에 대한 변형이 이루어지는 경우에는 가벼운 정공 및 무거운 정공에 대한 가전자대 에지가 분리되어 서로 멀리 떨어진다. 가벼운 정공 및 무거운 정공에 대한 가전자대 에지가 변화함에 따라, 각각의 정공에 대응하는 제한도 변화한다. 그러므로, 특정한 환경 아래에서는 E-HH 전이가 타입-II로 되고, E-LH 전이가 타입-I로 되는 것이 가능하다.
퇴적 레이어의 조성을 다양하게 함으로써 다양한 양의 변형이 가능해진다. 변형을 야기하는 것은, LH 가전자대 에지 에너지 레벨 및 HH 가전자대 에지 에너지 레벨의 쇠퇴(degeneracy)를 막는 효과를 가진다. 레이어 조성의 변경에 의해 변형의 양과 형태를 변경(인장 또는 압축하여)하면, 가벼운 정공과 무거운 정공의 양자화된 에너지 레벨과 LH와 HH의 제한이 변경되어, 파동함수 오버랩의 변경을 초래한다. 따라서, QW 구조에서 변형을 야기하면, TE 편광 상태와 TM 편광 상태에 대한 상대적인 이득 레벨이 변경될 수 있다. 그러나, 변형의 양을 증가시킬수록 레이어에서의 원하지 않는 결함의 발생이 증가하고, 밴드갭과 가벼운 홀 전이 및 무거운 홀 전이에 대한 동작의 중심 파장의 피크(central wavelength peak)도 변경된다.
변형된 MQW를 이용하여 낮은 PDG SOA를 실현하는, 많은 방법이 알려져 있다. 장벽이 인장 변형되고 우물은 변형되지 않은 이득 매체로서 MQW를 이용하는 하나의 방법이, 문헌(K. Magari et al. IEEE Photonics Technol. Lett, vol.2, pp.556-558, 1990)에서 설명된다. K. Magari 등은 10.5nm 두께의 변형되지 않은 양자 우물 레이어와 -1.7%의 (인장)변형을 가지는 11.5nm 두께의 장벽 레이어를 포함하는 이득 매체를 이용하였다. SOA는 그 길이가 660㎛이고, 200mA의 주입 전류에서 1.0dB의 PDG 및 13.0dB의 섬유-대-섬유 이득(fibre to fibre gain)을 제공하였다.
문헌(M.A. Newkirk et al. IEEE Photonics Technol. Lett., Vol.4, pp.406- 408, 1993)에서는 다른 방법이 개시되었다. Newkirk 등은 1.0%의 (압축)변형을 가지는 3.5nm 두께의 압축 우물 3개, -1.0%의 (인장)변형을 가지는 16nm 두께의 인장 변형된 우물 3개, 및 변형되지 않은 10nm 두께의 장벽 7개를 포함하는 이득 매체를 이용하였다. SOA는 그 길이가 625㎛이고, 150mA의 주입 전류에서 1.0dB 미만의 PDG 및 4.4dB의 섬유-대-섬유 이득을 제공하였다.
문헌(D. Sigogne et al. ECOC, pp 267-270, 1995, Electron. Lett., vol. 32, pp. 1403-1405, 1996)에서 개시된 또 다른 방법은, 이득 매체로서 8nm 두께의 1.1% (압축)변형된 우물 16개와 7nm 두께의 -0.9% (인장)변형된 장벽 16개를 이용하였다. SOA는 그 길이가 940㎛이고, 150mA의 주입 전류에서 1.0dB 미만의 PDG 및 23.0dB의 섬유-대-섬유 이득을 제공하였다.
타입-I 밴드 구조를 이용하는 전술한 종래 기술의 문헌들에서, 우물과 장벽에 이용된 재료들은 일반적으로 InP 기판 상에서 성장된 InGaAs 또는 InGaAsP의 조성에 기초하고, 파장 1.55㎛에서 동작한다.
(직접 밴드갭 In1 -x- yAlxGayAs 양자 우물을 이용하는 O-밴드 동작을 위한 소자)
종래 기술에서는, 1310nm의 파장 범위에서 구동하고 InP 기판 상에 성장된 In1-x-yAlxGayAs의 조성을 이용하는, 이득 매체들을 포함하는 소자를 개시하고 있다. 1310nm의 파장 범위에서 동작하는 레이저를 개시하는 종래 기술 문헌으로는, 문헌(M. Yamada et al., IEEE, Photonics Technol. Lett., vol. 11, pl64-167, 1999)이 있다. In1 -x- yAlxGayAs를 포함하는 이득 매체의 밴드갭은 Al의 몰 분율에 매우 의존적이다. 낮은 Al 몰 분율을 필요로 하는 밴드갭을 가진 매체를 에피택셜하게(epitaxially) 성장시키는 것은 실제적으로 어렵다. 따라서, In1 -x- yAlxGayAs 양자 우물을 이용하는 종래 기술은 1310nm에 근접한 광 파장에 집중되어 왔는데, 이는, 이러한 파장의 범위 내에서 재료의 Al 함량이 변형되지 않은 레이어의 경우에 -15%보다 높게 유지될 수 있어, 성장을 쉽게 제어할 수 있기 때문이었다. 1310nm 근방에 중심을 두는 파장 범위에서 동작하는 레이저의 또 다른 예시가, 문헌(C. Zah et al., IEEE J. Quantum Electronics, vol. 30. pp.511-522, 1994)에서도 설명된다. 그러나, 레이저가 TE 모드와 TM 모드 중 어느 하나의 모드에서 단일 편광(singularly polarised) 되도록 설계되기 때문에, 레이저는 단일 편광에서는 높은 이득을 가지고 직교 편광에서는 낮은 이득을 가진다.
1310nm의 파장을 이용하는 낮은 PDG의 SOA가, 문헌(P. Koonath, et al., IEEE Photonics Technol. Lett., vol.13, pp.779-781, 2001)에서 설명된다. Koonath 등은, 3개의 양자 우물 레이어에 대해서는 0.33%의 인장 변형을 적용하면서 장벽 레이어에 대해서는 변형을 주지 않는 것에 의해, 낮은 PDG를 실현하였다.
1550nm의 범위(C-밴드)에서 일반적으로 이용되는 소자와 같이, 더 긴 파장에서 동작하는 소자를 만들기 위해서는, In1 -x- yAlxGayAs MQW에서 Al의 양은, 몰 분율의 값 'x'가 일반적으로 약 5%가 되도록 상당히 감소되어야 할 필요가 있다. 이러한 조건 아래에서는, 재료 밴드갭이 Al 몰 분율에 대해 매우 민감하게 되기 때문에, 표준 타입-I 밴드 구조를 이용하여 낮은 PDG 소자를 반복 가능하게 얻기 위해 필요한 제어 수준이 가능하도록, Al 몰 분율을 충분히 제어하면서 InGaAlAs를 성장시키는 것은, 매우 어렵다.
In1 -x- yAlxGayAs 레이저와 1310nm의 범위에서 동작하는 종래 기술의 SOA들의 향상된 온도 성능에도 불구하고, 무거운 정공 제한 및 가벼운 정공 제한을 변경시키기 위해 변형을 도입하면, 양자 우물의 밴드갭도 변경시키기 때문에, 낮은 PDG의 SOA를 반복 가능하게 생산하기 위해서는 여전히 해결해야 할 많은 문제점들이 존재한다. 나아가, 1550nm 근방과 같은 더 긴 파장 범위에서는 Al 몰 분율의 생산적인 제어가 어렵게 된다.
본 발명은 첨부된 청구범위에 기재된 바대로 설명된다.
본 발명은 입력 광(input light)을 수신하여 증폭된 광(amplified light)을 출력하는 광 증폭기를 제공하는데, 이 광 증폭기는: 입력 광을 수신하고 증폭된 광을 출력하는 광 도파관(optical waveguide); 광 이득(optical gain)을 제공하기 위해 복수 개의 인접하는 반도체 레이어(layer)를 포함하는 이득 매체(gain medium); 및 이득 매체를 통해 전류를 펌프(pump)시키는 전극(electrode)을 포함하고, 상기 인접하는 반도체 레이어들은; 전자에 대한 하나 이상의 양자 우물(quantum well)을 한정하고, 이득 매체의 직접 전자-정공 전이(electron-hole transition) 및 간접 전자-정공 전이 모두를 제공하기 위해 동작하며; 전도대의 제1의 양자화된 전자 에너지 레벨이 제1 레이어에 위치하고; 가전자대의 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨이 상기 제1 레이어에 위치하며; 가전자대의 추가적인 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨이 인접한 제2 레이어에 위치하고; 상기 제2 레이어는 상기 제1 레이어와 서로 상이한 재료 조성을 가지며, 상기 제1 레이어의 상기 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨은 가벼운 정공 상태 또는 무거운 정공 상태 중 어느 하나의 상태이고, 상기 제2 레이어의 상기 추가적인 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨은 상기 제1 레이어의 상기 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨과는 다른 정공 상태이다.
또한, 이러한 광 증폭기는, 소자로부터 생산되어 출력되는 ASE 광이 광 소스(light source)로서 이용되며, 초발광 다이오드(superluminescent diode, SLD)로서 이용될 수도 있다.
광 증폭기는, 이득 매체가 제1 광학 편광(optical polarisation)에 대한 제1 모달 제한율(modal confinement factor, MC1)과 제2 광학 편광에 대한 제2 모달 제한율(MC2)을 가지도록 구성될 수 있는데; 여기서, MC1과, 제1 레이어의 전도대의 제1의 양자화된 전자 에너지 레벨과 제1 레이어의 가전자대의 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨 사이의 전이로부터의 이득의 곱은; MC2와, 제2 레이어의 전도대의 제1의 양자화된 전자 에너지 레벨과 제2 레이어의 가전자대의 추가적인 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨 사이의 전이로부터의 이득의 곱의 20% 이내로 매치된다.
제2 레이어는 In1 -x- yAlxGayAs를 포함할 수 있다.
다른 측면에서 본 발명은 또한 이득 매체를 포함하는 소자도 제공하는데; 이득 매체는 광 이득을 제공하기 위한 복수 개의 인접한 반도체 레이어를 포함하고: 인접한 반도체 레이어들은; 전자에 대한 하나 이상의 양자 우물(quantum well)을 한정하고, 이득 매체의 직접 전자-정공 전이(electron-hole transition) 및 간접 전자-정공 전이 모두를 제공하기 위해 동작하며; 전도대의 제1의 양자화된 전자 에너지 레벨이 제1 레이어에 위치하고; 가전자대의 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨이 상기 제1 레이어에 위치하며; 가전자대의 추가적인 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨이 인접한 제2 레이어에 위치하고; 상기 제2 레이어는 상기 제1 레이어와 서로 상이한 재료 조성을 가지며, 상기 제1 레이어의 상기 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨은 가벼운 정공 상태 또는 무거운 정공 상태 중 어느 하나의 상태이고, 상기 제2 레이어의 상기 추가적인 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨은 제1 레이어의 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨과 다른 정공 상태이며, 상기 제2 레이어는 In1 -x-yAlxGayAs(x>0, y>0)를 포함한다.
도 1은 매립형 헤테로 구조 도파관 소자의 단면이다.
도 2는 리지형 도파관 소자의 단면이다.
도 3은 타입-I 멀티 양자 우물 밴드 구조이다.
도 4는 타입-II 멀티 양자 우물 밴드 구조이다.
도 5는 두꺼운 장벽을 가지는 타입-II MQW 밴드 구조이다.
도 6은 본 발명의 타입-I 및 타입-II의 혼합된 밴드 구조이다.
도 7은 감소된 장벽 두께를 가지는 본 발명의 소자의 밴드 구조이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예의 밴드 구조이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르는 컴포지트(composite) 양자 우물의 밴드 구조이다.
도 10은 추가의 장벽 레이어에 의해 3개로 분리된 도 9의 컴포지트 양자 우물이다.
본 발명은, 반도체 이득 매체('활성 영역/매체' 또는 광 이득 구조로도 알려져 있음)의 레이어의 두께 및/또는 수를 제어함으로써 소자 내의 TE 및 TM 이득(또는 손실)의 양을 제어함에 있어서의 과제를 해결한다. 이득 매체의 너비는 바람직하게는 1㎛ 내지 5㎛ 사이이다. 더 바람직하게는, 이득 매체의 너비는 1㎛ 내지 2㎛ 사이이다. 이득 매체의 두께는 바람직하게는 0.1㎛ 내지 0.2㎛ 사이를 포함하나, 다른 단면 구조의 이득 매체의 기하학적 구조 또한 이용될 수 있다.
본 발명의 소자는, 도 1에 도시된 것과 같은 매립형 헤테로 구조의 도파관 구조를 포함할 수 있는데, 이 도파관 구조는: 이득 매체(10)을 커버(cover)하는 p-타입 캡핑 레이어(9)(p-type capping layer)(일반적으로 InP를 포함함)와 n-타입 레이어(11)(n-type layer)(일반적으로 InP를 포함함)를 포함하는 수직 메사(vertical mesa); 상기 메사 아래의 n-타입 클래딩 레이어(6)(n-type cladding layer) 및 n-타입 기판(7)(substrate)(일반적으로 InP를 포함함); 상기 메사의 어느 한 쪽에 배치된 하나 이상의 n-타입 블록킹 레이어(4)(n-type blocking layer)(일반적으로 InP를 포함힘) 및 p-타입 블록킹 레이어(5)(일반적으로 InP를 포함함); 상기 메사를 커버하고 레이어/레이어들을 블록킹하는 p-타입 레이어(일반적으로 InP를 포함함); 상기 p-타입 레이어(3) 바로 위의 컨택 레이어(2)(contact layer); 상기 컨택 레이어(2) 상에 적층된 상부 전(1); 및 상기 기판(7) 하면에 적층된 하부 전극(8)을 포함한다.
또한, 상기 소자는, 도 2에 도시된 것과 같은 리지형 도파관 구조를 포함할 수 있는데, 이 도파관 구조는: n-타입 기판(18)(일반적으로 InP를 포함함); 상기 기판(18) 상에 위치하는 이득 매체(17); 상기 이득 매체(17) 바로 위에 위치하는 p-타입 클래딩 레이어(16); 상기 클래딩 레이어(16) 위에 위치하며, 패터닝되고(patterned) 에칭되어(etched) 각 면이 실리콘 질화물 레이어(15, 20)(silicon nitride layer)에 의해 둘러싸인 수직 메사를 형성하는 p-타입 레이어(14); 상기 p-타입 레이어(14) 위에 위치하는 컨택 레이어(13); 상기 컨택 레이어(13)을 커버하는 상부 전극(12); 및 상기 기판(18) 아래의 하부 전극(19)을 포함한다.
전술한 2개의 구조들은 단지, 본 발명의 소자가 어떻게 형성될 수 있는지를 보여주기 위한 바람직한 실시예에 불과한 것이다. 다른 적당한 구조들 또한 이용될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 일 실시예는, 입력 광을 수신하여 증폭된 광을 출력하는 광 도파관, 광 이득을 제공하기 위해 복수 개의 인접한 반도체 레이어를 포함하는 이득 매체, 및 이득 매체를 통해 전류를 펌프시키는 전극(1)을 포함하는, 광 증폭기를 제공한다. 인접한 반도체 레이어들은 전자에 대한 하나 이상의 양자 우물을 한정한다. 전도대의 제1의 양자화된 전자 에너지 레벨 및 가전자대의 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨이 제1 레이어(제1 반도체 재료 레이어)에 위치한다. 가전자대의 추가적인 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨이 인접한 제2 레이어(제2 반도체 재료 레이어)에 배치된다. 제2 레이어는 제1 레이어와 서로 상이한 재료 조성을 가진다.
이득 매체는 도파관의 일부일 수도 있고 도파관에 일체로 되어 있거나 또는 도파관으로부터 독립된 별개의 구성일 수 있다. 제1 레이어의 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨과 제2 레이어의 추가적인 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨은, 각각 최소의 무거운 정공 에너지 레벨 또는 최대의 가벼운 정공 에너지 레벨 중 어느 하나를 나타낸다(또는 제1의 무거운 정공 레벨 및 제1의 가벼운 정공 레벨로도 지칭됨). 실제로 양자 우물의 전자에 대한 최소의 에너지 레벨(또는 기저 상태)은 밴드 에지에 가장 근접한 레벨이고, 양자 우물의 정공에 대한 가전자대에 가장 근접한 에너지 레벨도 정공에 대한 최소 에너지 레벨(또는 기저 상태)이다. 그러나 본 명세서에서는, 도식적인 관점에서 본 내용을 더욱 쉽게 이해하기 위해, '전자의 최소 에너지 레벨'을 양자 우물의 전자에 대한 최저 에너지 상태 또는 기저 상태를 나타내는 것으로, '정공의 최대 에너지 레벨'을 가전자대 에지 또는 기저 상태와 가장 근접한 정공 상태를 나타내는 것으로 각각 사용한다; 즉, 증가하는 에너지는 도표에서 항상 위쪽 방향이다(전자 및 정공 모두에 대해).
소자는 이론적으로, 2종 이상의 상이한 타입의 반도체 재료를 포함하는, 광 이득을 제공하기에 적합한 매체를 포함하는 임의의 광 증폭기일 수 있다. 바람직하게는, 소자는 반도체 광 증폭기이다. 바람직하게는, SOA가, 도파관이 광을 출력하는 소자의 양 단부(ends of the length of the device)에서 적어도 하나, 바람직하게는 2개의 반사 방지(anti-reflection) 코팅 평면을 포함한다. 단부면은 소자의 평면에 대해 각을 이루고 있을 수 있는데, 바람직하게는 7°내지 10°를 이루어, 단부면으로부터의 어떠한 광 반사도 도파관에서 거꾸로는 전파되지 않게 된다(경사형 도파관은 본 발명의 필수적인 특성은 아니지만, 이는 잔류 반사를 낮추는데(줄이는데) 도움을 준다). 본 적용례의 목적을 위해 용어 재료 '레이어'는, 임의의 기하학적 단면 구조를 의미하지만, 바람직하게는 한쪽의 크기(major dimension)가 다른 한쪽의 크기보다 큰 직사각형을 기본으로 하는 직각 단면이다. 전형적으로, 소자는, 기판 웨이퍼 상에서 성장하여, 두께보다 더 큰 '레이어'의 너비가 웨이퍼의 평면과 평행하게 된다. 소자는 원칙적으로, 어떠한 종래의 반도체 제조 공정을 이용해서도 형성될 수 있으나, 바람직하게는 MOVPE(Metal Organic Vapour Phase Epitaxy)를 이용할 수 있다.
MQW 스택을 형성하는 제1 레이어 및 제2 레이어는, 양자 역학적으로 결합되고, 바람직하게는 서로 접촉하여 경계를 형성하지만, 이론적으로는 하나 이상의 다른 레이어가 제1 레이어와 제2 레이어 사이에 개입될 수 있다. 이득 매체는 상기 제1 레이어 및 제2 레이어에 추가하여 다른 재료 레이어를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 본 발명은 2개 이상의 제1 레이어 및/또는 2개 이상의 제2 레이어를 포함한다. 바람직하게는, 제1 레이어와 제2 레이어는 MQW 스택을 형성하며, 2개 이상의 하나의 레이어 타입이 하나 이상의 다른 레이어 타입에 샌드위치된 형태로 번갈아 위치하게 된다. 제1 레이어와 제2 레이어는 어떠한 두께도 될 수 있으나, 바람직하게는 2nm 내지 5nm 사이의 두께를 가진다. 이득 매체는 그 상부와 하부에, 일반적으로 p-n 접합이 이득 매체를 가로질러 형성될 수 있도록 하는 하나 이상의 별개의 제한 헤테로 구조(separate confinement heterostructure, SCH) 레이어와 경계를 이루고 있다.
대응하는 제1 레이어 및 제2 레이어의 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨과 추가적인 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨의 공간적인 분리는, 전형적으로 하나 이상의 레이어에 변형을 도입하여 밴드갭을 적절히 선택하는 것에 의해 달성된다. 전자 양자 우물로서 작용하는 레이어에 적절한 양의 변형을 적용함으로써, 무거운 정공 가전자대 에지 에너지 레벨과 가벼운 정공 가전자대 에지 에너지 레벨이 별개로 이동하게 되어, 제1 재료 레이어의 하나의 정공 타입의 가전자대 에지 에너지가 제2 재료 레이어의 동일한 정공 타입의 가전자대 에지 에너지보다 더 크게 되는 반면에, 제1 재료 레이어의 다른 정공 타입의 가전자대 에지 에너지는 제2 재료 레이어의 동일한 정공 타입의 가전자대 에지 에너지보다 더 작게 된다. 각 정공에 대한 최대의 가전자대 에지 에너지들이 레이어마다 다르게 존재하기 때문에, 제1 레이어가 하나의 타입의 정공에 대한 양자 우물이 되는 반면에, 제2 레이어는 다른 타입의 정공에 대한 양자 우물이 된다.
그러므로, 무거운 정공 및 가벼운 정공 모두에 대해 타입-I 전이 또는 무거운 정공 및 가벼운 정공 모두에 대해 타입-II 전이만을 포함하는 종래 기술의 소자들과는 달리, 본 발명은 직접 전이 및 간접 전이를 모두 제공하는 이득 매체를 포함하는, 광 증폭기를 제공한다. 무거운 정공 및 가벼운 정공에 대한 전이가 타입-I 전이 또는 타입-II 전이 중 어느 하나 또는 모두인 경우에, 상대적인 HH 및 LH 파동함수 제한을 변경시키기 위해 필요한 변형이: a)바람직하지 않게 각 전이의 피크 파장을 소자에 대한 최적의 동작 값으로부터 벗어난 값으로 변경시키고; 및/또는 b)지나치게 높은 값으로 변경되어 소자의 제조 공정에서 소자의 성능을 떨어뜨리는 중요한 결함을 야기할 수도 있다. 성장되는 재료 레이어에서 많은 양의 변형은 레이어를 불안정하게 만들어, 과도한 비발광 재결합(non-radiative recombination) 센터(centre)를 야기하는 많은 수의 전위(dislocation)의 형성을 완화한다. 그러한 비방사 재결합 중심은, 재료들이, SOA 또는 반도체 레이저와 같은 소자를 실현하기 위한 충분한 자발적 방사(spontaneous emission)의 생성에 대해 부적합하도록 만든다.
이득 매체에서 타입-I(직접 밴드갭) 전이로서 하나의 전자-정공 전이 및 타입-II(간접 밴드갭) 전이로서 다른 전자-정공 전이를 가짐으로써, 이득 매체의 가벼운 정공 및 무거운 정공에 대한 파동함수의 피크는, 레이어의 두께를 가로질러(웨이퍼 레이어의 평면에 수직으로) 공간적으로 상쇄(offset)된다. E-LH 전이에 대한 E-HH 전이의 상대적인 양(즉, TE 및 TM 이득의 상대적인 양)은, 제1 레이어와 제2 레이어 각각의 두께에 대한 비율을 변경함으로써 변경될 수 있다. 전자 전이의 상대적인 양은 또한, 제2 레이어에 대한 제1 레이어의 수를 변경함으로써 변경될 수도 있다.
공간적으로 분리되어 있는 최소의 가전자대 에지에 기초하여, LH 파동함수의 피크와 HH 파동함수의 피크가 서로 공간적으로 상쇄되기 때문에, 제1 레이어와 제2 레이어의 상대적인 두께의 변경은 HH 파동함수와 LH 파동함수의 상대적인 제한을 변경시킨다. 이어서, HH-E-파동함수 오버랩(TE 이득을 제공함)이 다른 방식으로 LH-E-파동함수(TM 이득을 제공함)로 변경된다. 따라서, 본 발명은, E-파동함수와 HH 및 LH 파동함수의 상대적인 오버랩을 제어하는 부가적인 수단을 제공함으로써, 레이어의 바람직하지 못한 값의 변형을 부득이하게 요구함이 없이 TE 이득과 TM 이득의 균형을 맞추기 위한 메커니즘을 제공한다. 여분의 TE/TM 이득 제어는, 소자의 제조자에게 낮은 값의 변형을 가지고도 올바른 밴드갭을 선택할 수 있도록 더 많은 자율성을 부여한다.
본 발명의 전술한 실시예들을 참고로, 본 발명의 발명자들은, 제1 재료 레이어의 전도대 에지 에너지 레벨이 제2 재료 레이어의 전도대 에지 에너지 레벨보다 더 낮고, 제1 재료 레이어가 인장 변형을 포함한다면, 가벼운 정공이 제1 재료 레이어로 제한된 양자인 반면에 무거운 정공은 제2 재료 레이어로 제한된 양자가 되어, E/HH 전이는 간접으로 되고 E/LH 전이는 직접으로 된다는 것을 발견하였다.
이러한 구성에서는: 제1 재료 레이어가 전자와 가벼운 정공에 대한 양자 우물이 되고, 제2 재료 레이어가 전자와 가벼운 정공에 대한 장벽이 되는 반면; 제2 재료 레이어가 무거운 정공에 대한 양자 우물이 되고 제1 재료 레이어가 무거운 정공에 대한 장벽이 된다. 이러한 구성에서는, 제1 재료의 하나 이상의 레이어가 바람직하게는 교대로 샌드위치되어 제2 재료의 하나 이상의 레이어와 경계를 이룬다. 제2 재료의 하나 이상의 추가적인 레이어는 제1 재료의 최외곽 레이어의 외표면과 경계를 이룰 수 있어서, 'n'개의 제1 레이어는 'n+1'개의 제2 레이어, 'n'개의 제2 레이어 또는 'n-1'개의 제2 레이어에 의해 경계가 형성될 수 있다.
일 실시예로서, 본 발명에 따르는 소자의 밴드 구조에 대한 개략도가 도 6에 도시되어 있다. 도 6에서는, 전자(전자 밴드 에지(41) 및 제1 전자 레벨(42))를 제한하는 레이어와 가벼운 정공(가벼운 정공 밴드 에지(43) 및 제1의 가벼운 정공 레벨(46))을 제한하는 레이어인, 제1 재료의 2개의 레이어와, 무거운 정공(무거운 정공 밴드 에지(44) 및 제1의 무거운 정공 레벨(45))을 제한하는 제2 재료의 오직 하나의 레이어가 존재한다. 이러한 도식적인 구조에서는, TM 이득에 기여하는 2개의 가벼운 정공 '우물'과 TE 이득에 기여하는 오직 하나의 무거운 정공 '우물'이 존재한다. 그러나, 이 구조에 또 다른 2개의 제2 레이어를 제공하는 것에 의해서, TE 재료 이득에 기여하는 'n+1'개의 무거운 정공 '우물'이 존재하게 된다.
실제로는, 이득 매체가, 일반적으로는 TEO 및 TMO로 지칭되는 가장 낮은 TE 모드 및 TM 모드만을 지원하는 것이 바람직하다. 그 결과, 이득 매체의 전체 너비와 두께를 조절할 여지가 별로 없다. 그러므로, 이득 매체의 설계에 있어서 가능한 한 많은 자유도를 가지는 것이 유리하다. 본 발명에서는 각 레이어의 수와 두께를 다양하게 변경할 수 있기 때문에, 본 구조의 설계자는 최적의 레이어 두께와 수를 선택하는데 있어서 높은 자유도를 가지게 되어, 재료 레이어 조성이 최소한의 변형을 가지는 올바른 밴드갭으로 조정되므로, 무거운 정공이 간접 전이가 되고 가벼운 정공이 직접 전이가 될 수 있다.
HH-파동함수가 주로 하나 이상의 제2 레이어에 위치한다면, E-파동함수(38)가 제2 레이어의 한정된 부분에서만 존재하게 되므로(도 5를 참조), E-HH 파동함수 오버랩은 작아진다. 작은 E-HH 파동함수 오버랩을 증가시키기 위해서, 레이어들 사이에 더 강한 양자 결합이 필요할 수 있다. 이는, 하나 이상의 제2 레이어의 두께를 일반적으로 10nm 미만의 두께로 감소시킴으로써 달성될 수 있다. 도 7은, 더 얇은 제2 레이어(제1의 무거운 정공 에너지 레벨(5)을 가지는 장벽(58))가, 이득 매체의 전자 파동함수(56) 및 제1의 무거운 정공 파동함수(54)에 대해 영향을 미치는 밴드 구조(전자 밴드(51), 무거운 정공 밴드(53))를 개략적으로 보여준다. 제1(최소의) 전자 에너지 레벨(52)을 가진 제1 레이어(우물(57))들이 양자 역학적으로 강하게 결합 되어, E-파동함수(56)가 더 높은 정도로 제2 레이어(장벽(58))로 관통한다. 그 결과, E-파동함수(56)는 HH-파동함수(54)와 더 높은 정도로 오버랩되어, TE 이득을 증가시킨다.
본 발명의 전술한 실시예들을 참고로, 본 발명의 발명자들은, 제1 재료 레이어가 인장 변형되어 전자와 가벼운 정공에 대한 양자 우물로서 활동하고, 제2 재료 레이어가 In1 -x-yAlxGayAs(x>0, y>0)를 포함하는 경우에, 제1 레이어와 제2 레이어 사이의 밴드 오프셋 분할 비(band offset split ratio)는 대략 70/30이 된다는 것을 발견하였다. 이러한 분할 비는, 명목상으로 전자가 정공보다 더 높은 정도로 제한되는 것을 수반한다. 제2 재료 레이어는, 인장 변형 또는 압축 변형에 있어서, 전혀 변형되지 않을 수 있다(0%의 변형). 바람직하게는, 하나 이상의 제1 재료 레이어의 인장 변형은 0.5% 내지 2.0% 사이이다. 바람직하게는, 하나 이상의 제2 재료 레이어의 변형은 0.3%의 인장 변형에서 0.3%의 압축 변형 사이이다. 바람직하게는 제2 재료 레이어가 In1 -x-yAlxGayAs(0<x<=0.48, 0<y<0.6)를 포함한다. 바람직하게는 제2 재료 레이어가 In1 -x-yAlxGayAs(0<x<=0.4, 0<y<0.6)를 포함한다.
전자는 또한, 전자의 유효 질량이 더 작아서, 정공과 비교하여 양자 우물 내에서 정공만큼 제한되지는 않는다. 양자 우물의 각 면의 큰 포텐셜 장벽을 크게하여 전자의 제한이 더 커질수록, 전자 파동함수와 정공 파동함수의 오버랩이 더 좋아져서, 특히 소자가 높은 온도에서 동작할 때 방사(광 방사) 재결합 효율이 개선된다. 따라서, 전도대에 더 유리한 오프셋 분할 비를 가지는 것이 바람직하다(예를 들어, 70/30의 분할비는 60/40의 오프셋 분할 비보다 더 높은 정도로 전자를 제한한다). 바람직하게는, 제1 레이어와 제2 레이어 모두가 In1 -x- yAlxGayAs를 포함하며 이득 구조가 In1 -x- yAlxGayAs '시스템'을 포함하나, 이론적으로는 제1 레이어로서 임의의 다른 재료가 이용되고, 제2 레이어와 함께 성공적으로 성장되어, 바람직한 밴드갭과 오프셋 분할 비를 제공할 수 있다. 제1 재료 레이어는 In1 -x-yAlxGayAs(x=>0일 때, y>0)를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 제1 재료 레이어가 In1-x-yAlxGayAs(0<=x<=0.48, 0<y<0.6)를 포함한다. 바람직하게는, 제1 재료 레이어가 In1 -x-yAlxGayAs(0<=x<=0.4, 0<y<0.6)를 포함한다. 보통 In1 -x- yAlxGayAs '시스템'에 대한 기판은 InP이다.
제2 레이어가 In1 -x-yAlxGayAs(x>0, y>0)를 포함한다면, 소자는 광 증폭기로 한정되지 않을 수 있고, 이론적으로는 광 이득 매체를 포함하는 어떠한 소자도 될 수 있다.
In1 -x- yAlxGayAs '시스템'을 이용하는 본 발명의 소자들은, -40/60의 오프셋 분할 비를 가지는 In1 - xGaxAsyP1 -y 시스템을 이용하는 동등한 소자들보다 더 높은 효율과 더 높은 온도 독립성을 제공한다.
In1 -x- yAlxGayAs '시스템'을 이용하는 본 발명의 소자들은 또한, 제1 재료와 제2 재료가 상이한 조성의 In1 - xGaxAs를 포함하는 In1 - xGaxAs 시스템들보다 더 많은 유연성을 제공하고, 더 적은 레이어 변형을 허용한다. In1 - xGaxAs 시스템에서는 갈륨(Ga)의 함량의 변경이 자동적으로 인듐(In)의 함량과 변형을 변경시키기 때문에, In1-xGaxAs 시스템의 변형과 밴드갭은 직접으로 연관된다. 따라서, In1 - xGaxAs 시스템의 어떤 레이어의 변형은, 그 레이어가 필요로 하는 밴드갭에 의해 정해진다. 그러나, In1 -x- yAlxGayAs '시스템'을 이용하는 본 발명의 소자들은, Al의 함량과 Ga의 함량 모두가 바람직한 밴드갭과 바람직한 레이어 변형을 제공하기 위해 변경될 수 있기 때문에, 선택된 레이어 밴드갭에 대해 다양한 값의 레이어 변형을 가지는 레이어를 포함할 수 있다. 즉, 더 많은 자유도가 보장되는 것이다.
그러므로, In1 -x- yAlxGayAs '시스템'을 이용하는 본 발명의 소자들은, 더 개선된 전자 제한 및 변형과 밴드갭의 디커플링(decoupling)의 장점들에 대한 바람직한 조합을 제공하여, 제1 레이어의 낮은 값의 변형을 가지고도 고효율 소자를 제조할 수 있다. 나아가, 대략 70/30의 분할 비 때문에, 제1 레이어와 제2 레이어의 명목상으로는 변형되지 않은 가전자대 에지들 사이의 에너지 레벨의 차이가, 정공에 대해 더 큰 제한을 부여하는 오프셋 비율을 가지는 In1 -x- yGaxAsyP 시스템과 같은 시스템에 비해 작아진다. 이와 같이 제1 레이어와 제2 레이어의 가전자대 에지들 사이의 에너지 차이가 더 작아짐에 따라, 제1 레이어의 무거운 정공 가전자대 에지 에너지를 제2 레이어의 무거운 정공 가전자대 에지 에너지보다 낮게 떨어뜨리는데 필요한 인장 변형이 작아져서, E-HH 전이에 대해 타입-II 동작을 제공한다.
(바람직한 실시예)
소자는, 5개의 '우물'(48)과 6개의 '장벽'(49)을 포함하는 이득 구조를 포함하도록 제작되었다. '우물'(48)은 각각 11nm의 두께로 성장되는 반면에 '장벽'(49)은 7nm의 두께로 성장되고, 각각의 '우물' 사이에는 하나의 '장벽'이 성장되었다. 이득 매체의 바로 위 및 바로 아래에는 SCH 레이어를 위치시켰다.
본 실시예의 소자는 SOA(반도체 광 증폭기)이나, 이론적으로는 반도체 이득/손실 매체를 가지는 어떠한 소자도 될 수 있다. SOA 이득 매체는, In1 -x- yAlxGayAs의 제1 레이어(48)('우물')와 In1 -x- yAlxGayAs의 제2 레이어(49)('장벽')를 교대로 포함하는 In1 -x- yAlxGayAs MQW 스택을 포함한다. 우물(48)은 장벽(49)보다 더 작은 밴드갭 에너지를 가진다. 우물 재료의 구성은, 우물(48)과 장벽(49)이 파장의 피크가 1550nm 근방인 밴드갭; 우물 레이어(48)의 인장 변형 및 변형되지 않은 장벽(49)을 제공하도록 선택된다. 우물(48)의 인장 변형이 가벼운 정공과 무거운 정공의 우물 가전자대 에지 에너지의 쇠퇴를 중단시켜서, 무거운 정공 밴드 에지는 아래 방향으로 효율적으로 '밀어내져서'(pushed) 전자 밴드로부터 멀어지며, 가벼운 정공 밴드 에지는 위 방향으로 효율적으로 '당겨져서'(pulled) 전자 밴드와 가까워진다. 장벽의 변형이 거의 없는 상태로 성장하기 때문에, 장벽에 대한 무거운 정공 밴드와 가벼운 정공 밴드는 쇠퇴한다. 전자-가벼운 정공 전이(47)는 직접 밴드갭(타입-I) 전이가 되는 한편, 전자-무거운 정공 전이(50)는 간접 밴드갭(타입-II) 전이가 된다.
소자의 레이어 조성, 변형, 및 두께에 대한 상세표
레이어 조성 두께, nm 반복되는 레이어의 수
상부 SCH In1 - xGaxAsyP1 -y (x=0.27 및 y=0.58) 25 거의 0%의 변형
'우물'
(제1 재료)		 In1 -x- yAlxGayAs (x=0.0 및 y=0.53) 11 -0.44%의 인장 변형 5
'장벽'
(제2 재료)		 In1 -x- yAlxGayAs (x=0.05 및 y=0.42) 7 -0.045%의 인장 변형 6
하부 SCH In1 - xGaxAsyP1 -y (x=0.27 및 y=0.58) 25 거의 0%의 변형
도 8은 바람직한 실시예의 이론적인 밴드 구조(전자 밴드(59), 무거운 정공 밴드(61), 가벼운 정공 밴드(62))와 소자의 계산된 파동함수를 개략적으로 도시한 것이다. 전도대에 대해, 제1 전자 에너지 레벨 파동함수(64)가 제1 '우물' 재료의 5개의 레이어에 대응하는 5개의 양자 우물을 효과적으로 인식하고, 따라서 5개의 피크를 가진다. 이에 대응하여, 제1의 가벼운 정공 에너지 레벨 파동함수(63) 또한 5개의 양자 우물을 인식하므로, 5개의 피크를 가진다. 그러나, 제1의 무거운 정공 에너지 레벨 파동함수(60)은 제2 '장벽' 재료의 6개의 레이어가 존재하기 때문에, 6개의 양자 우물을 인식하여, 6개의 피크를 포함한다. 그러므로, 본 소자에서는 g(TM)에 기여하는 5개의 양자 우물과, g(TE)에 기여하는 6개의 양자 우물이 존재하게 된다. 양자 우물들이 양자 역학적으로 잘 결합 되도록, '우물'(제1 레이어)과 '장벽'(제2 레이어)의 두께가 적절하게 선택되었다.
표 1의 레이어 구조를 포함하는 복수의 BH SOA 소자들은 MOVPE와 표준 리소그래픽(lithographic) 및 에칭 기술을 이용하여 제조된다. 소자들은 InP 웨이퍼 상에 형성되었다. 제조가 완료되면, 각각의 SOA 소자들을, 0.88mm 길이의 바로 자르고 양쪽 단면에 반사 방지 코팅을 하였다.
각 소자는 평면이 직사각형이고, n-타입이 되도록 도핑된(doped) InP '클래딩' 레이어(6)가 성장된 InP 기판을 포함하였다. 5㎛ 너비의 InP 기반의 패시브(passive)형 도파관을 클래딩 레이어 위에 형성하였다. 패시브형 도파관은 광 섬유, 바람직하게는 고 효율의 입력/출력 커플링(coupling)을 위한 렌즈 가공 섬유(lens ended fibre)에 대한 모드-매치(mode-match)로 설계된다. 패시브형 도파관 위에, 표 1의 레이어들을 성장시키고, 패터닝하고, 에칭하여, 칩(chip) 상에서 0.3㎛의 하나의 단부면으로부터 1.3㎛의 중심으로 선형적으로 점점 테이퍼지는(tapered) 너비를 가지는 연속된 직립형 메사(upstanding mesa)를 형성하였다. 반대편의 단부면에서는 1.3㎛에서 0.3㎛의 너비로 점점 테이퍼지게 하였다. 이득 매체가 양쪽 단부면에서 좁은 너비로부터 소자의 중심으로 더 큰 너비가 되도록 점점 테이퍼지게 하면, 패시브형 도파관에 진입하는 광이 광 이득을 위해 소자의 중간 지점에서 이득 매체와 결합하고, 단부면에서의 높은 섬유 결합 효율을 제공하기 위해 패시브형 도파관과 재결합하게 된다. 메사는, 역반사를 감소시키기 위해 하나의 단부면으로부터 다른 하나의 단부면까지의 메사의 길이가 단부면에 대한 직교로부터 10°를 이루도록, 패터닝된다. 그런 다음 메사에, 메사의 측벽을 따라 전류 블록킹 레이어를 제공하기 위해 반도체 재료를 과성장(overgrowth) 시킨다. Zn으로 고도로 도프된 InGaAs p-접촉 레이어에 뒤따라 p-타입 Zn으로 도프된 InP의 5㎛ 레이어를 성장시켜 메사를 매립시켰다. 소자의 평가를 위해 소자들을 전기적으로 결합시켰다. 광 이득, PDG, 및 다른 파라미터들을 측정하였다. 테이퍼 형태의 액티브 레이어(tapered active layer)와 패시브형 도파관은 본 발명의 바람직한 특징이기는 하지만, 이론적으로는, 예를 들면 길이를 따라 (계속)일정한 너비를 가지는 액티브 레이어와 같이, 어떠한 적합한 소자의 디자인도 이용될 수 있다.
결합된 SOA 소자들에 대해 먼저, SOA에 구동 전류(drive current)를 제공하고 소자로부터 출력된 광을 SOA의 패시브형 도파관의 광 섬유와 매칭되는 모드 사이즈를 가지는 반사 방지 코팅된 렌즈 가공된(lens ended) 광 섬유에 결합함으로써, 평가하였다. 소자의 일면에서 섬유까지의 결합 손실은 한 면당 0.5dB 내지 1.0dB로 측정되었다. 이러한 측정치는, 대면적 검출기(large area detector)와 소자의 전류와 온도를 고정한 상태에서 섬유의 광량을 이용하여, 출력 전력 사이의 차이를 비교함으로써 산출된다.
표 2는, C-밴드를 가로지르는 3 파장에서 레이저 광을 SOA에 결합함으로써 얻어지는, 소자의 면-대-면 이득, PDG, 잡음 정도(noise figure, NF), 및 Psat의 측정값을 나타낸다. Psat 값은, 예를 들면 출력 포화점(output saturate)과 같이 SOA 이득이 감소하기 시작하는 곳에서의 출력 광 레벨이다. SOA 소자에는 각각, 100mA의 구동 전류를 인가하고, 20°C의 동작 온도에서 유지시켰다. 0.8dB에서 1.5dB까지의 측정된 PDG 값은 1dB의 설계 값과 근사한 값이다 (단일 편광의 이득은 직교 편광에서의 이득의 -20% 범위 내이다). '우물'(제1 레이어)의 두께가 -3A씩 감소됨으로써, 이론적으로는 PDG가 0으로 감소하는 것으로 나타났다.
파장, nm 이득, dB PDG, dB NF, dB Psat, dBm
1535 12.8 0.8 6.5 7.3
1550 12.2 1.2 6.0 7.7
1560 11.5 1.5 5.8 8.1
상기 설명된 바람직한 실시예는 적당한 정도의 이득을 위해 설계된 SOA에 대한 것이지만, 이득 매체에 더 많은 QW를 적용하거나 칩 길이를 증가시킴으로써 SOA의 이득을 증가시킬 수 있을 것이다. QW의 수를 증가시키면 상대적인 TE 모달 제한율과 TM 모달 제한율이 변경되고, 따라서 '더 높은 이득'의 소자에 낮은 PDG를 달성하기 위해서는, '우물'의 인장 변형, 우물 두께, 장벽 두께, '장벽' 변형 또는 이들의 임의의 조합 중 어느 하나를 수정해야 할 필요가 있다. 본 발명의 소자는 또한, 집적된 광 소자, 반사 SOA, 및 외부 캐비피 튜너블 레이저(external cavity tunable lasers)에 일체화(집적)된 것과 같은 더 복잡한 구조에 대해서도 이용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예가 도 9 및 도 10에 도시되었다. 본 실시예는, 우물(48)과 장벽(49) 모두가 전반적인 '컴포지트' 양자 우물(65)로 존재하는 것을 제외하고는, 도 6에 도시된 바람직한 실시예와 동일하다. 이 컴포지트 우물(65)은, MQW 구조에서 단순한 단일 우물 레이어를 대체할 수 있는 유닛(unit)을 형성하는 하나 이상의 우물(48)과 장벽(49)으로 된 구성이다. 도 10은, 2개의 추가적인 장벽 레이어(67)에 의해 경계가 형성되고 분리된 3개의 컴포지트 양자 우물(65)의 일 실시예를 도시한 것이지만, 이론적으로는 임의의 수의 컴포지트 양자 우물(65) 및 추가적인 장벽(67)도 이용될 수 있다. 우물(48)과 추가적인 장벽(67) 사이의 에너지 장벽의 차이는, 전도대 및 가전자대 각각의 우물(48)과 장벽(49) 사이의 에너지 차이보다 더 크다.
위와 같은 구조는, 적어도 3가지의 상이한 재료의 조성을 필요로 한다: 도 9에서 도시된 것과 같은 컴포지트 우물(65)에 대한 2가지의 재료 조성(하나는 우물(48), 다른 하나는 장벽(49)에 대한 것); 및 컴포지트 양자 우물들 사이의 추가적인 장벽(67)에 대한 하나의 재료 조성. 이러한 구조에서는, 타입-I 양자 우물과 타입-II 양자 우물의 이용을 통해 TE 이득과 TM 이득에 대한 향상된 제어의 관점에서, 도 8을 참조하여 이미 설명된 구조와 동일한 장점들을 가지면서도, 전자-무거운 정공 간접 전이의 큰 오버랩을 설계할 정도의 더 많은 자유도가 존재하게 된다. 소자의 설계자는: 재료 조성; 각 컴포지트 우물의 우물(48)과 장벽(49)의 두께 및 상대적인 수; 추가적인 장벽(67)의 수에 대한 컴포지트 우물(65)의 수; 및 추가적인 장벽(67)의 두께 및 재료 조성을 다양하게 변경할 수 있다. 바람직하게는, 하나 이상의 추가적인 장벽 레이어(67)는, 컴포지트 양자 우물(65)과 교대로 샌드위치된 형태로 위치한다. 바람직하게는, 'm'개의 컴포지트 양자 우물(65)과 'm±1'개의 추가적인 장벽 레이어(67)가 존재한다. 나아가, 이득 매체는, 하나 이상의 추가적인 장벽 레이어(67)에 의해 분리된 하나 이상의 컴포지트 양자 우물(65)과 하나 이상의 표준 단일 양자 우물을 포함할 수 있다.
추가적인 장벽(67)은 바람직하게는 In1 -x-yAlxGayAs(x>0, y>0)를 포함한다. 바람직하게는 추가적인 장벽(67)은 In1 -x-yAlxGayAs(0<x<=0.48, 0<y<0.6)를 포함한다. 추가적인 장벽(67)은, 바람직하게는 변형되지 않을 것이다. 이론적으로는, 컴포지트 양자 우물(65)이 하나 이상의 우물(48)과 하나 이상의 장벽(49)을 가질 수 있다. 각각의 컴포지트 양자 우물(65)의 각각의 장벽(49) 또는 우물(48)은 상이한 재료 조성으로 형성될 수 있으나, 제조를 용이하게 하기 위해, 컴포지트 양자 우물(65)의 모든 우물(48)이 동일한 재료 조성을 가지고, 컴포지트 양자 우물(65)의 모든 장벽(49)이 동일한 재료 조성을 가지는 것이 바람직하다.

Claims (22)

  1. 입력 광(input light)을 수신하고 증폭된 광(amplified light)을 출력하는 광 증폭기(optical amplifier)로서,
    입력 광을 수신하고 증폭된 광을 출력하는 광 도파관(optical waveguide);
    광 이득(optical gain)을 제공하기 위해 복수 개의 인접하는 반도체 레이어(layer)를 포함하는 이득 매체(gain medium); 및
    상기 이득 매체를 통해 전류를 펌프(pump)시키는 전극(electrode)
    을 포함하고,
    상기 인접하는 반도체 레이어들은,
    전자에 대한 하나 이상의 양자 우물(quantum well)을 한정(define)하고, 상기 이득 매체의 직접 전자-정공 전이(direct electron-hole transition) 및 간접 전자-정공 전이(indirect electron-hole transition) 모두(both)를 제공하기 위해 동작하며,
    전도대(conduction band)의 제1의 양자화된 전자 에너지 레벨(quantised electron energy level)이 제1 레이어에 위치하고,
    가전자대(valence band)의 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨(quantised hole energy level)이 상기 제1 레이어에 위치하며,
    가전자대의 추가적인(further) 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨이 인접한 제2 레이어에 위치하고,
    상기 제2 레이어는 상기 제1 레이어와 서로 상이한 재료 조성을 가지고,
    상기 제1 레이어의 상기 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨은 가벼운 정공 상태(light hole state) 또는 무거운 정공 상태(heavy hole state) 중 어느 하나의 상태이고,
    상기 제2 레이어의 상기 추가적인 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨은 상기 제1 레이어의 상기 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨과는 다른 정공 상태이며,
    상기 제1 레이어는, 0.5% 이상 2% 이하로 인장 변형되고,
    상기 제2 레이어는 In1-x-yAlxGayAs를 포함하고 상기 x 및 상기 y는 모두 0보다 큰 값(x>0, y>0)을 가지며, 0.3%의 인장 변형과 0.3%의 압축 변형 사이에서 변형되는, 광 증폭기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이득 매체가, 제1 광학 편광(optical polarisation)에 대한 제1 모달 제한율(modal confinement factor, MC1)과 제2 광학 편광에 대한 제2 모달 제한율(MC2)을 포함하고,
    상기 제1 모달 제한율과, 상기 제1 레이어의 전도대의 상기 제1의 양자화된 전자 에너지 레벨과 상기 제1 레이어의 가전자대의 상기 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨 사이의 전이로부터의 이득의 곱(product)이, 상기 제2 모달 제한율과, 상기 제2 레이어의 전도대의 상기 제1의 양자화된 전자 에너지 레벨과 상기 제2 레이어의 가전자대의 상기 추가적인 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨 사이의 전이로부터의 이득의 곱의 20%의 범위 내에서 매칭되는(matched), 광 증폭기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 레이어가 In1-x-yAlxGayAs를 포함하고
    상기 x는 0보다 크고 0.4 이하인 값(0<x<=0.4)을 가지고, 상기 y는 0보다 크고 0.6보다 작은 값(0<y<0.6)을 가지는, 광 증폭기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이어가 In1-x-yAlxGayAs를 포함하고,
    상기 x는 0 이상의 값을 가지고(x=>0), 상기 y는 0보다 큰 값(y>0)을 가지는, 광 증폭기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 레이어가 In1-x-yAlxGayAs를 포함하고,
    상기 x는 0 이상 0.4 이하인 값(0<=x<=0.4)을 가지고, 상기 y는 0보다 크고 0.6보다 작은 값(0<y<0.6)을 가지는, 광 증폭기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이득 매체의 너비(width)가 1㎛ 내지 5㎛ 사이인, 광 증폭기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 이득 매체의 너비가 1㎛ 내지 2㎛ 사이인, 광 증폭기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 이득 매체의 두께가 0.1㎛ 내지 0.2㎛ 사이인, 광 증폭기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이어가 2nm 내지 15nm 사이의 두께를 가지는, 광 증폭기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 레이어가 2nm 내지 15nm 사이의 두께를 가지는, 광 증폭기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2 레이어가 10nm 미만의 두께를 가지는, 광 증폭기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이어가 n개이고, 상기 제2 레이어가 n±1개인, 광 증폭기.
  13. 이득 매체를 포함하는 소자로서,
    상기 이득 매체는 광 이득을 제공하기 위해 복수 개의 인접하는 반도체 레이어를 포함하고,
    상기 인접하는 반도체 레이어는,
    전자에 대한 하나 이상의 양자 우물을 한정하고, 상기 이득 매체의 직접 전자-정공 전이 및 간접 전자-정공 전이 모두를 제공하기 위해 동작하며,
    전도대의 제1의 양자화된 전자 에너지 레벨이 제1 레이어에 위치하고,
    가전자대의 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨이 상기 제1 레이어에 위치하며,
    가전자대의 추가적인 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨이 인접한 제2 레이어에 위치되고,
    상기 제2 레이어는 상기 제1 레이어와 서로 상이한 재료 조성을 가지며,
    상기 제1 레이어의 상기 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨은 가벼운 정공 상태 또는 무거운 정공 상태 중 어느 하나의 상태이고,
    상기 제2 레이어의 상기 추가적인 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨은 상기 제1 레이어의 상기 제1의 양자화된 정공 에너지 레벨과는 다른 정공 상태이며,
    상기 제2 레이어는 In1-x-yAlxGayAs를 포함하고 상기 x 및 상기 y는 모두 0보다 큰 값(x>0, y>0)을 가지며, 0.3%의 인장 변형과 0.3%의 압축 변형 사이에서 변형되고,
    상기 제1 레이어는, 0.5% 이상 2% 이하로 인장 변형되는, 소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 레이어가 In1-x-yAlxGayAs를 포함하고
    상기 x는 0보다 크고 0.4 이하인 값(0<x<=0.4)을 가지고, 상기 y는 0보다 크고 0.6보다 작은 값(0<y<0.6)을 가지는, 소자.
  15. 제13항에 있어서,
    하나 이상의 상기 제1 레이어와 하나 이상의 상기 제2 레이어가, 추가적인 장벽 레이어들 사이에 샌드위치된(sandwitched) 컴포지트 양자 우물(composite quantum well)을 형성하고,
    상기 추가적인 장벽 레이어는, 상기 컴포지트 양자 우물의 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어와는 상이한 재료 조성을 가지는, 소자.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 추가적인 장벽 레이어가 In1-x-yAlxGayAs를 포함하고,
    상기 x는 0보다 크고 0.48 이하인 값(0<x<=0.48)을 가지며, 상기 y는 0보다 크고 0.6보다 작은 값(0<y<0.6)을 가지는, 소자.
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