KR102113256B1 - 다준위 에너지를 갖는 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자 - Google Patents

다준위 에너지를 갖는 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자 Download PDF

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Abstract

개시된 광학 소자는, 적어도 2개의 외부 장벽층; 및 상기 적어도 2개의 외부 장벽층 사이에 각각 끼워진 적어도 하나의 연결 양자우물;을 구비하는 활성층을 포함할 수 있으며, 여기서 각각의 연결 양자우물은 적어도 3개의 양자우물층 및 상기 적어도 3개의 양자우물층 사이에 개재된 적어도 2개의 연결 장벽층을 포함하고, 상기 적어도 3개의 양자우물층 중에서 양측 단부에 각각 배치된 2개의 양자우물층의 두께는 상기 2개의 양자우물층 사이에 배치된 다른 양자우물층의 두께보다 작으며, 상기 양측 단부에 각각 배치된 2개의 양자우물층의 에너지 준위는 상기 2개의 양자우물층 사이에 배치된 다른 양자우물층의 에너지 준위보다 낮을 수 있다.

Description

다준위 에너지를 갖는 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자 {Optical device including three coupled quantum well structure having multi-energy level}
개시된 실시예들은 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구동 전압을 증가시키지 않으면서 다중양자우물 구조에서의 광흡수 강도를 향상시킬 수 있는 다준위 에너지를 갖는 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자에 관한 것이다.
3D 카메라는 일반적인 영상의 촬영 기능 이외에 피사체 표면 상의 다수의 점들로부터 3D 카메라까지의 거리를 측정하는 기능을 포함한다. 현재 피사체와 3D 카메라 사이의 거리를 측정하기 위한 다양한 알고리즘들이 제안되고 있는데, 통상적으로 광시간비행법(Time-of-Flight; TOF)이 주로 사용된다. TOF 방식은 조명광을 피사체에 조사한 후, 피사체로부터 반사되는 조명광이 수광부에서 수광되기까지 비행시간을 측정하는 방법이다. 조명광의 비행시간은 주로 조명광의 위상지연을 측정하여 얻을 수 있는데, 정확한 위상지연의 측정을 위해 고속 광변조기가 사용된다.
거리 정밀도가 높은 3D 영상을 얻기 위해서는 우수한 전기-광학적 응답 특성을 갖는 광변조기를 사용하는데, 최근에는 GaAs 기반의 반도체 광변조기가 주로 사용되고 있다. GaAs 기반의 반도체 광변조기는 P-전극과 N-전극 사이에 다중양자우물(multiple quantum well; MQW) 구조를 배치한 P-I-N 다이오드 구조를 갖는다. 이러한 구조에서, PN 양단에 역방향 바이어스 전압을 인가하면 다중양자우물 구조가 특정 파장 영역에서 엑시톤(exciton)을 형성하면서 빛을 흡수하게 된다. 다중양자우물 구조의 흡수 스펙트럼은 역바이어스 전압이 증가할수록 장파장 쪽으로 이동하는 특성이 있으며, 따라서 역바이어스 전압의 변화에 따라 특정 파장에서의 흡수도가 변화할 수 있다. 이와 같은 원리에 따라 광변조기에 인가되는 역바이어스 전압의 조절을 통해 특정 파장을 갖는 입사광의 세기를 변조하는 것이 가능하다.
이러한 광변조기에 있어서, 전압 인가시와 전압 비인가시의 흡수도 차이를 나타내는 명암비(예를 들어, demodulation contrast)가 증가할수록 거리 정밀도가 높아지며, 발열에 의한 성능 열화를 방지하기 위해서는 가능하면 낮은 전압에서 구동되는 것이 유리하다. 일반적으로, 명암비의 증가는 다중양자우물 구조에서의 광흡수 강도와 천이 에너지(transition energy)을 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 여기서, 광흡수 강도는 양자우물층의 두께에 반비례하고 양자우물층 내에서 정공의 파동함수(wave function)와 전자의 파동함수가 중첩한 정도의 제곱에 비례한다. 또한, 흡수 스펙트럼이 장파장 쪽으로 이동하는 정도를 나타내는 천이 에너지는 하나의 양자우물층의 두께의 4제곱에 비례하고 인가 전압의 제곱에 비례한다.
그런데, 광흡수 강도를 증가시키기 위하여 양자우물층의 두께를 감소시키면, 천이 에너지가 작아지게 되므로 천이 에너지의 감소를 보상하기 위해 인가 전압이 증가하게 된다. 반대로, 천이 에너지를 증가시키기 위하여 양자우물층의 두께를 증가시키면, 정공의 파동함수와 전자의 파동함수 사이의 중첩 정도가 작아져서 전자-정공 쌍에 의한 엑시톤 발생이 줄어들어 흡수 강도가 낮아진다. 따라서, 흡수 강도의 향상과 구동 전압의 저감은 서로 트레이드-오프(trade-off) 관계가 있다.
구동 전압을 증가시키지 않으면서 다중양자우물 구조에서의 광흡수 강도를 향상시킬 수 있는 다준위 에너지를 갖는 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자를 제공한다.
일 유형에 따른 광학 소자는, 적어도 2개의 외부 장벽층; 및 상기 적어도 2개의 외부 장벽층 사이에 각각 끼워진 적어도 하나의 연결 양자우물;을 구비하는 활성층을 포함할 수 있으며, 각각의 연결 양자우물은 적어도 3개의 양자우물층 및 상기 적어도 3개의 양자우물층 사이에 개재된 적어도 2개의 연결 장벽층을 포함하고, 상기 적어도 3개의 양자우물층 중에서 양측 단부에 각각 배치된 2개의 양자우물층의 두께는 상기 2개의 양자우물층 사이에 배치된 다른 양자우물층의 두께와 다르며, 상기 양측 단부에 각각 배치된 2개의 양자우물층의 에너지 준위는 상기 2개의 양자우물층 사이에 배치된 상기 다른 양자우물층의 에너지 준위와 다를 수 있다.
또한, 상기 적어도 2개의 연결 장벽층의 포텐셜 에너지는 바닥 준위보다 높고 외부 장벽층의 에너지 준위보다 낮을 수 있다.
예를 들어, 상기 각각의 연결 양자우물은 순차적으로 적층된 제 1 양자우물층, 제 1 연결 장벽층, 제 2 양자우물층, 제 2 연결 장벽층 및 제 3 양자우물층을 포함하는 3중 연결 양자우물일 수 있다.
여기서, 상기 제 1 양자우물층의 두께와 제 3 양자우물층의 두께는 상기 제 2 양자우물층의 두께보다 작으며, 상기 제 1 양자우물층의 에너지 준위와 제 3 양자우물층의 에너지 준위는 상기 제 2 양자우물층의 에너지 준위보다 낮을 수 있다.
예를 들어, 850nm의 사용 파장 대역에서, 상기 제 1 및 제 3 양자우물층은 InzGa1-zAs(z=0.1~0.2)를 포함하고, 상기 제 2 양자우물층은 GaAs를 포함하고, 상기 연결 장벽층은 AlyGa1-yAs (여기서, 0<y<1)을 포함하며, 상기 외부 장벽층은 AlxGa1-xAs (여기서, 0<y<x<=1)를 포함할 수 있다.
또한, 예를 들어, 1550nm의 사용 파장 대역에서, 상기 제 1 내지 제 3 양자우물층으로서 InxGa1-xAs, In1-x-yGaxAlyAs, 및 In1-xGaxAszP1-z 중에 적어도 하나를 포함하고, 상기 연결 장벽층과 외부 장벽층은 In1-x-yGaxAlyAs 및 In1-xGaxAszP1-z (여기서, 0< x, y, z <1) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다른 일 유형에 따른 광학 소자는, 적어도 2개의 외부 장벽층; 상기 적어도 2개의 외부 장벽층 사이에 각각 끼워진 적어도 하나의 연결 양자우물을 구비하는 활성층; 및 상기 활성층의 하부 표면과 상부 표면에 각각 배치된 하부 반사층과 상부 반사층;을 포함하며, 각각의 상기 연결 양자우물은 적어도 3개의 양자우물층 및 상기 적어도 3개의 양자우물층 사이에 개재된 적어도 2개의 연결 장벽층을 포함하고, 상기 적어도 3개의 양자우물층 중에서 양측 단부에 각각 배치된 2개의 양자우물층의 에너지 준위는 상기 2개의 양자우물층 사이에 배치된 다른 양자우물층의 에너지 준위보다 낮을 수 있다.
예를 들어, 상기 광학 소자는 반사형 광변조기일 수 있으며, 상기 하부 반사층의 반사도가 상기 상부 반사층의 반사도보다 높을 수 있다.
또한, 예를 들어, 상기 양측 단부에 각각 배치된 2개의 양자우물층의 두께는 상기 2개의 양자우물층 사이에 배치된 상기 다른 양자우물층의 두께보다 작을 수 있다.
상기 광학 소자는 상기 하부 반사층과 상기 상부 반사층 중에서 적어도 하나의 반사층 내에 배치되는 적어도 하나의 마이크로 캐비티층을 더 포함하며, 상기 광학 소자의 공진 파장을 λ라 할 때, 상기 활성층과 상기 적어도 하나의 마이크로 캐비티층은 λ/2의 정수배의 광학적 두께를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 활성층은, 순차적으로 적층된 제 1 양자우물층, 제 1 연결 장벽층, 제 2 양자우물층, 제 2 연결 장벽층 및 제 3 양자우물층을 구비하는 적어도 하나의 제 1 연결 양자우물; 순차적으로 적층된 제 4 양자우물층, 제 3 연결 장벽층, 제 5 양자우물층, 제 4 연결 장벽층 및 제 6 양자우물층을 구비하는 적어도 하나의 제 2 연결 양자우물; 및 상기 제 1 연결 양자우물과 제 2 연결 양자우물 사이에 배치된 소정의 두께를 갖는 외부 장벽층;을 포함할 수 있으며, 여기서 상기 제 1 연결 양자우물의 제 2 양자우물층의 두께는 상기 제 2 연결 양자우물의 제 5 양자우물층의 두께와 상이할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 내지 제 4 연결 장벽층의 포텐셜 에너지는 바닥 준위보다 높고 외부 장벽층의 에너지 준위보다 낮을 수 있다.
상기 제 1 양자우물층의 두께와 제 3 양자우물층의 두께는 상기 제 2 양자우물층의 두께보다 작으며, 상기 제 4 양자우물층의 두께와 제 6 양자우물층의 두께는 상기 제 5 양자우물층의 두께보다 작을 수 있다.
또한, 상기 제 1 양자우물층의 에너지 준위와 제 3 양자우물층의 에너지 준위는 상기 제 2 양자우물층의 에너지 준위보다 낮고, 상기 제 4 양자우물층의 에너지 준위와 제 6 양자우물층의 에너지 준위는 상기 제 5 양자우물층의 에너지 준위보다 낮을 수 있다.
또한, 상기 제 1 연결 양자우물의 제 1 양자우물층 및 제 3 양자우물층의 두께는 상기 제 2 연결 양자우물의 제 4 양자우물층 및 제 6 양자우물층의 두께와 각각 동일할 수 있다.
예를 들어, 850nm의 사용 파장 대역에서, 상기 제 1 및 제 3 양자우물층은 InzGa1-zAs(z=0.1~0.2)를 포함하고, 상기 제 2 양자우물층은 GaAs를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 연결 장벽층은 AlyGa1-yAs (여기서, 0<y<1)을 포함하며, 상기 외부 장벽층은 AlxGa1-xAs (여기서, 0<y<x<=1)일 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 활성층은, 순차적으로 적층된 제 1 양자우물층, 제 1 연결 장벽층, 제 2 양자우물층, 제 2 연결 장벽층 및 제 3 양자우물층을 구비하는 적어도 하나의 연결 양자우물; 및 2개의 외부 장벽층 사이에 개재된 단일한 제 4 양자우물층을 구비하는 적어도 하나의 단일 양자우물;을 포함할 수 있다.
한편, 다른 유형에 따른 광학 소자는, 하부 반사층; 상기 하부 반사층 위에 배치된 제 1 활성층; 상기 제 1 활성층 위에 배치된 중간 반사층; 상기 중간 반사층 위에 배치된 제 2 활성층; 및 상기 제 2 활성층 위에 배치된 상부 반사층;을 포함할 수 있으며, 상기 제 1 및 제 2 활성층 중에서 적어도 하나는, 적어도 2개의 외부 장벽층; 및 상기 적어도 2개의 외부 장벽층 사이에 각각 끼워진 적어도 하나의 연결 양자우물;을 구비하는 연결 양자우물 구조를 포함하고, 각각의 연결 양자우물은 적어도 3개의 양자우물층 및 상기 적어도 3개의 양자우물층 사이에 개재된 적어도 2개의 연결 장벽층을 포함하며, 상기 적어도 3개의 양자우물층 중에서 양측 단부에 각각 배치된 2개의 양자우물층의 두께는 상기 2개의 양자우물층 사이에 배치된 다른 양자우물층의 두께보다 작고, 상기 양측 단부에 각각 배치된 2개의 양자우물층의 에너지 준위는 상기 2개의 양자우물층 사이에 배치된 다른 양자우물층의 에너지 준위보다 낮을 수 있다.
상기 하부 반사층과 상부 반사층은 제 1 전기적 타입으로 도핑되어 있고, 상기 중간 반사층은 제 1 전기적 타입과 전기적으로 상반되는 제 2 전기적 타입으로 도핑될 수 있다.
개시된 실시예들에 따른 다준위 에너지를 갖는 3중 연결 양자우물 구조의 광학 소자에 있어서, 통상적인 장벽층에 비해 에너지 준위가 낮은 2개의 연결 장벽층(coupling barrier)을 통해 서로 연결된 3개의 양자우물이 하나의 양자우물층으로서 작용을 한다. 여기서, 3개의 양자우물 중에서 양측 단부에 배치된 2개의 양자우물의 두께를 가운데 있는 양자우물의 두께보다 작게 함으로써 흡수 강도를 증가시킬 수 있으며, 이와 동시에 두께가 작은 2개의 양자우물의 에너지 준위를 가운데 있는 양자우물의 에너지 준위보다 낮게 함으로써 구동 전압의 증가를 방지할 수 있다. 또한, 하나의 양자우물층으로서 작용하는 3중 연결 양자우물 구조의 두께가 단일한 양자우물의 두께보다 두껍기 때문에 천이 에너지를 증가시킬 수 있으며, 서로 연결된 3개의 양자우물 내에서 정공의 파동함수와 전자의 파동함수가 중첩될 수 있기 때문에 흡수 강도도 역시 증가시킬 수 있다.
이러한 광학 소자는 광변조기뿐만 아니라, 다양한 PIN 다이오드 구조의 반도체 소자에 적용이 가능하다. 예를 들어, 광필터, 포토다이오드, 태양전지, 발광 소자, 광통신 시스템, 광 연결(optical interconnection), 광연산기 등에 개시된 광학 소자의 원리가 적용될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 활성층의 에너지 밴드 다이어그램을 개략적으로 보인다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 활성층에 역바이어스 전압이 인가되지 않았을 때 전자와 정공의 파동함수를 각각 예시적으로 보인다.
도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시된 활성층에 역바이어스 전압의 인가되었을 때 전자와 정공의 파동함수를 각각 예시적으로 보인다.
도 4는 도 1에 도시된 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 활성층에서의 흡수 스펙트럼을 예시적으로 보인다.
도 5는 도 1에 도시된 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 활성층에서의 광흡수 특성을 다른 양자우물 구조와 비교하여 예시적으로 보인다.
도 6은 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자의 구체적인 구현예를 보인다.
도 7은 도 6에 도시된 광학 소자의 흡수 계수 스펙트럼을 개략적으로 보인다.
도 8는 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 반사형 광변조기의 일 실시예에 따른 구성을 개략적으로 보인다.
도 9는 도 8에 도시된 반사형 광변조기의 구체적인 구현예를 보인다.
도 10은 도 9에 도시된 반사형 광변조기의 반사도 특성을 개략적으로 보인다.
도 11은 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 투과형 광변조기의 일 실시예에 따른 구성을 개략적으로 보인다.
도 12는 도 11에 도시된 투과형 광변조기의 구체적인 구현예를 보인다.
도 13은 도 12에 도시된 투과형 광변조기의 투과도 특성을 개략적으로 보인다.
도 14는 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 투과형 광변조기의 다른 실시예에 따른 구성을 개략적으로 보인다.
도 15는 도 14에 도시된 투과형 광변조기의 구체적인 구현예를 보인다.
도 16은 도 15에 도시된 투과형 광변조기의 투과도 특성을 개략적으로 보인다.
도 17은 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 투과형 광변조기의 또 다른 실시예에 따른 구성을 개략적으로 보인다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 다준위 에너지를 갖는 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
먼저, 도 1은 일 실시예에 따른 3중 연결 양자우물(three coupled quantum well) 구조를 포함하는 활성층의 에너지 밴드 다이어그램을 개략적으로 보인다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 활성층은 2개의 외부 장벽층(outer barrier) 및 상기 2개의 외부 장벽층 사이에 끼워진 3중 연결 양자우물을 포함할 수 있다. 도 1에는 편의상 단지 2개의 외부 장벽층과 하나의 3중 연결 양자우물만이 도시되어 있지만, 더욱 많은 수의 외부 장벽층과 3중 연결 양자우물이 교대로 배치될 수도 있다. 예를 들어, 활성층은 적어도 2개의 외부 장벽층과 상기 적어도 2개의 외부 장벽층 사이에 각각 하나씩 끼워진 적어도 하나의 3중 연결 양자우물을 포함할 수 있다.
각각의 3중 연결 양자우물은 차례로 배열된 제 1 양자우물층(QW1), 제 1 연결 장벽층(coupling barrier)(CB1), 제 2 양자우물층(QW2), 제 2 연결 장벽층(CB2) 및 제 3 양자우물층(QW3)을 포함할 수 있다. 상기 3중 연결 양자우물 구조에서, 3개의 양자우물층은 2개의 연결 장벽층에 의해 서로 연결될 수 있다. 따라서, 전체적인 활성층의 구조에서 이러한 3중 연결 양자우물은 하나의 양자우물과 유사한 역할을 할 수 있다. 결과적으로, 하나의 양자우물층으로서 작용하는 3중 연결 양자우물 구조의 두께가 단일한 양자우물의 두께보다 두껍기 때문에, 구동 전압을 증가시키지 않으면서 천이 에너지를 증가시킬 수 있다.
한편, 일반적으로 정공의 파동함수와 전자의 파동함수가 중첩되는 정도가 크면 전자와 정공의 쌍인 엑시톤의 발생이 증가하면서 광학 소자의 광흡수 강도가 높아진다. 본 실시예에 따르면, 도 1에 도시된 활성층을 포함하는 광학 소자의 광흡수 강도를 향상시키기 위하여, 정공의 파동함수와 전자의 파동함수가 중첩되는 부분이 증가하도록 제 2 양자우물층(QW2)의 두께를 가장 두껍게 형성할 수 있다. 제 2 양자우물층(QW2)의 두께를 가장 두껍게 형성함으로써, 제 2 양자우물층(QW2)에 잔류하는 전자의 파동함수 부분과 정공의 파동함수 부분을 증가시켜, 결과적으로 정공의 파동함수와 전자의 파동함수 사이의 중첩을 증가시킬 수 있다.
광흡수 강도를 더욱 증가시키기 위하여, 양측 단부에 각각 배치된 제 1 및 제 3 양자우물층(QW1, QW3)의 두께(d1, d5)를 그 사이에 배치된 제 2 양자우물층(QW2)의 두께(d3)보다 작게 할 수 있다. 또한, 제 1 및 제 3 양자우물층(QW1, QW3)의 두께가 작아지면서 구동 전압이 증가하는 것을 방지하기 위하여, 제 1 및 제 3 양자우물층(QW1, QW3)의 에너지 준위를 제 2 양자우물층(QW2)의 에너지 준위보다 낮게 할 수 있다. 따라서, 제 2 양자우물층(QW2)의 밴드갭1은 제 1 및 제 3 양자우물층(QW1, QW3)의 밴드갭2보다 크도록 선택될 수 있다. 제 1 양자우물층(QW1)과 제 3 양자우물층(QW3)의 두께와 에너지 준위는 서로 같을 수도 있고 또는 서로 다를 수도 있다. 이러한 점에서, 본 실시예에 따른 양자우물 구조는 다준위 에너지를 갖는 3중 연결 양자우물 구조라고 부를 수 있다.
또한, 3개의 양자우물층을 연결하기 위하여 2개의 연결 장벽층은, 도 1에 도시된 바와 같이, 외부 장벽층보다 낮은 에너지 준위를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 1의 에너지 밴드 다이어그램의 위쪽에 표시된 전도대(conduction band)에서, 제 1 및 제 2 연결 장벽층(CB1, CB2)의 포텐셜 에너지는 바닥 준위(ground level)(즉, 1차 전자(first electron; e1)의 에너지 준위)보다는 높고, 외부 장벽층의 에너지 준위보다는 낮을 수 있다. 마찬가지로, 도 1에 도시된 에너지 밴드 다이어그램의 아래쪽에 표시된 가전자대(valance band)에서, 제 1 및 제 2 연결 장벽층(CB1, CB2)의 포텐셜 에너지는 바닥 준위(1차 무거운 정공(first heavy hole; hh1)의 에너지 준위)보다는 높고 외부 장벽층의 에너지 준위보다는 낮을 수 있다. 이러한 구조에서, 양자우물층(QW1, QW2, QW3)들의 폭을 늘리면 바닥 준위가 내려가고 흡수 파장은 장파장으로 이동하며, 연결 장벽층(CB1, CB2)들의 배리어 에너지를 높이면 바닥 준위가 올라가서 흡수 파장은 단파장으로 이동할 수 있다.
상술한 조건을 만족하는 양자우물층(QW1, QW2, QW2), 연결 장벽층(CB1, CB2) 및 외부 장벽층의 물질 구성은 사용하고자 하는 파장 대역에 따라 다양하게 선택할 수 있다. 예를 들어, 850nm의 적외선 영역에서는 제 1 및 제 3 양자우물층(QW1, QW3)으로서 InzGa1-zAs(z=0.1~0.2), 제 2 양자우물층(QW2)으로서 GaAs, 연결 장벽층(CB1, CB2)으로서 AlyGa1-yAs (0<y<1), 외부 장벽층으로서 AlxGa1-xAs (0<y<x<=1)를 각각 사용할 수 있다. 그리고, 1550nm의 중적외선 영역에서는, 양자우물(QW1, QW2, QW2)으로서 InxGa1-xAs, In1-x-yGaxAlyAs, In1-xGaxAszP1-z, 연결 장벽층(CB1, CB2)과 외부 장벽층으로서 In1-x-yGaxAlyAs, In1-xGaxAszP1-z (여기서, 0< x, y, z <1) 등을 상술한 조건에 맞게 다양하게 조합하여 사용할 수 있다. 연결 장벽층(CB1, CB2)과 외부 장벽층의 에너지 준위는 재료의 조성비에 따라 적절하게 조절이 가능하다.
이러한 방식으로 양자우물층(QW1, QW2, QW2)들이 연결 장벽층(CB1, CB2)에 의해 서로 연결되어 있기 때문에, 전자와 정공의 파동함수(wave function)가 연결 장벽층(CB1, CB2)을 넘어 3개의 양자우물층(QW1, QW2, QW2)들에 걸쳐 분포할 수 있다. 예를 들어, 도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 활성층에 역바이어스 전압이 인가되지 않았을 때 전자와 정공의 파동함수를 각각 예시적으로 나타내고 있다. 도 2a를 참조하면, 1차 전자(e1)의 파동함수는 제 2 양자우물층(QW2) 내에 주로 분포하고 있으며, 2차 전자(second electron; e2)의 파동함수는 제 1 및 제 3 양자우물층(QW1, QW3) 내에 주로 분포하고 있다. 또한, 도 2b를 참조하면, 1차 무거운 정공(hh1)의 파동함수와 1차 가벼운 정공(first light hole; lh1)의 파동함수는 제 2 양자우물층(QW2) 내에 주로 분포하고 있으며, 2차 무거운 정공(second heavy hole; hh2)의 파동함수는 제 1 및 제 3 양자우물층(QW1, QW3) 내에 주로 분포하고 있다.
한편, 활성층에 역바이어스 전압이 인가되면, 전자의 파동함수는 제 1 양자우물층(QW1)의 방향으로 이동하고 정공의 파동함수는 제 3 양자우물층(QW3)의 방향으로 이동하게 된다. 예를 들어, 도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시된 활성층에 역바이어스 전압의 인가되었을 때 전자와 정공의 파동함수를 각각 예시적으로 나타내고 있다. 도 3a를 참조하면, 1차 전자(e1)의 파동함수의 피크는 제 2 양자우물층(QW2)의 좌측 가장자리로 약간 이동하며, 2차 전자(e2)의 파동함수의 2번째 피크는 제 2 양자우물층(QW2)의 우측 가장자리로 이동한다. 제 1 양자우물층(QW1)의 두께가 작기 때문에 제 1 양자우물층(QW1)에서 강한 흡수가 일어나므로, 전압에 따른 전자의 이동성이 저하되고, 1차 및 2차 전자(e1, e2)의 파동함수는 3개의 양자우물층(QW1, QW2, QW3)에 걸쳐 넓게 분포하게 된다. 또한, 도 3b를 참조하면, 이동성이 우수한 1차 무거운 정공(hh1)의 파동함수는 피크가 제 3 양자우물층(QW3)으로 이동하며, 제 2 연결 장벽층(CB2)에 의해 안장 형태로 변형되어 제 2 양자우물층(QW2)에 일부가 잔류하게 된다. 또한 2차 무거운 정공(hh2)의 파동함수와 1차 가벼운 정공(lh1)의 파동함수의 피크는 제 2 양자우물층(QW2)에 위치한다. 따라서, 제 2 양자우물층(QW2) 및 제 3 양자우물층(QW3)에서는 넓은 영역에 걸쳐 전자와 정공의 파동함수가 중첩되므로 광흡수가 증가할 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 활성층에서의 흡수 스펙트럼을 예시적으로 나타내는 것으로, 0V/um, 2.4V/um, 및 4.8V/um의 외부 인가 전계에 대한 흡수 스펙트럼을 나타내고 있다. 도 4를 참조하면, 외부 인가 전계가 0V/um일 경우, 약 838nm의 파장에서 가장 큰 피크가 발생한다. 가장 큰 피크는 1차 전자와 1차 무거운 정공의 엑시톤 쌍에 의한 것이며, 두 번째 피크는 1차 전자-1차 가벼운 정공의 엑시톤 쌍 및 1차 전자- 2차 무거운 정공의 엑시톤 쌍에 의한 것이다. 이때, 850nm에서는 흡수 계수가 매우 작기 때문에, 850nm의 파장을 갖는 빛은 대부분 활성층을 통과할 수 있다. 외부 인가 전계가 증가하면 슈타르크 효과(Stark effect)에 따라 흡수 스펙트럼은 장파장 쪽으로 이동하면서 흡수 강도가 감소한다. 외부 인가 전계가 4.8V/um이면, 흡수 스펙트럼은 약 850nm의 파장에서 가장 큰 피크를 가지며, 외부 인가 전계가 0V/um인 경우에 비해 피크의 크기가 작아진다. 이러한 850nm으로의 흡수 스펙트럼의 이동은 단순한 단일 양자우물 구조로는 8.1V/um에서 달성될 수 있는 것이다.
또한, 본 실시예에 따르면, 4.8V/um의 외부 전계가 활성층에 인가된 경우에도, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 제 2 양자우물층(QW2) 내에 전자와 정공의 파동함수가 상당 부분 잔류하기 때문에, 단순한 단일 양자우물 구조보다 높은 흡수 계수를 유지할 수 있다. 즉, 본 실시예의 경우, 흡수 스펙트럼이 장파장 쪽으로 이동하면서 흡수 강도가 줄어드는 정도가 단순한 단일 양자우물 구조보다 작다. 따라서, 외부 인가 전계가 0V/um일 때와 4.8V/um일 때에 850nm에서의 흡수 강도의 차이(Δα)가 단순한 단일 양자우물 구조보다 클 수 있다.
예를 들어, 도 5는 도 1에 도시된 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 활성층에서의 광흡수 특성을 단순한 단일 양자우물 구조와 비교하여 보이고 있다. 도 5의 그래프에서, 구조1은 8nm의 두께를 갖는 GaAs 양자우물층과 Al0.30Ga0.70As 장벽층을 포함하는 단일 양자우물 구조이다. 그리고, 구조2는 Al0.30Ga0.70As로 형성된 외부 장벽층, 1nm의 두께를 갖는 Al0.20Ga0.80As로 형성된 연결 장벽층(CB1, CB2), 1nm의 두께를 갖는 In0.20Ga0.80As로 형성된 제 1 및 제 3 양자우물층(QW1, QW3), 및 6.4nm의 두께를 갖는 GaAs로 형성된 제 2 양자우물층(QW2)을 포함하는 본 실시예에 따른 3중 연결 양자우물 구조이다. 도 5를 참조하면, 구조2의 구동 전압은 4.8V/um로서 구조1의 구동 전압인 8.1V/um보다 낮다. 또한, 구조2의 흡수 강도차(Δα)는 약 14100×103/cm로서, 구조1의 흡수 강도차인 6375×103/cm보다 크게 향상되었음을 알 수 있다.
도 6은 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자의 구체적인 구현예를 예시적으로 도시하고 있다. 도 6을 참조하면, 먼저 GaAs 기판 위에 n-컨택층으로서 n-InGaP를 100nm의 두께로 형성하고, n-컨택층 위에는 외부 장벽층의 역할을 하는 Al0.31Ga0.69As 클래딩층을 50nm의 두께로 형성하였다. 또한, 클래딩층 위에는 1nm 두께의 제 1 양자우물층(In0.20Ga0.80As), 1nm 두께의 제 1 연결 장벽층(Al0.20Ga0.80As), 6.4nm 두께의 제 2 양자우물층(GaAs), 1nm 두께의 제 2 연결 장벽층(Al0.20Ga0.80As), 및 1nm 두께의 제 3 양자우물층(In0.20Ga0.80As)을 포함하는 3중 연결 양자우물을 16쌍 적층하였으며, 각각의 3중 연결 양자우물 사이에는 4nm 두께의 Al0.31Ga0.69As를 외부 장벽층으로서 삽입하였다. 16번째 3중 연결 양자우물 위에는 다시 외부 장벽층의 역할을 하는 Al0.31Ga0.69As 클래딩층을 50nm의 두께로 형성하고, 그 위에 p-컨택층으로서 p-GaAs를 10nm 두께로 형성하였다. 클래딩층은 외부 장벽층의 역할을 하는 동시에, 컨택층의 도판트가 양자우물로 확산되는 것을 막는 확산 방지층의 역할도 수행하도록 비교적 두껍게 형성될 수 있다. 상기 층들은 MBE(Molecular Beam Epitaxy)나 MOCVD(Metal Organic Cchemical Vapor Deposition) 장비를 이용하여 증착될 수 있다. 또한, 투과형 광변조기의 제조를 위해 빛이 투과할 수 있도록 GaAs 기판을 습식 식각으로 부분적으로 제거할 수 있다. 이 경우, 상기 n-InGaP 층은 식각 정지층(etch stop layer)으로서 작용할 수 있다.
도 7은 도 6에 도시된 광학 소자의 흡수 계수 스펙트럼을 개략적으로 나타내고 있다. 도 7을 참조하면, 전압을 인가하지 않은 상태에서 1차 엑시톤 흡수 피크는 838nm에 위치하나 4.8V/um의 전계를 인가하면 850nm에 도달하게 된다. 앞서 확인한 바와 같이, 동일한 캐비티 두께를 갖는 단순한 단일 양자우물에서는 838nm에 위치한 1차 엑시톤 흡수 피크를 850nm로 이동시키기 위해 8.1V/um의 전압이 필요하다. 따라서 3중 연결양자우물을 포함하는 본 실시예에 따른 광학 소자는 단일 양자우물 구조에 비해 향상된 광흡수 강도를 가지면서도 구동 전압은 오히려 낮아질 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자는 다른 양자우물 구조들을 포함하는 광학 소자에 비해 향상된 광흡수 특성과 낮은 구동 전압을 동시에 달성할 수 있다. 이러한 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자는 광변조기뿐만 아니라, 특정 파장 대역의 광을 흡수하기 위한 다양한 PIN 다이오드 구조의 반도체 소자에 적용이 가능하다. 예를 들어, 광필터, 포토다이오드, 태양전지, 발광 소자, 광통신 시스템, 광 연결(optical interconnection), 광연산기 등에 상술한 원리가 적용될 수 있다.
이하, 상술한 3중 연결 양자우물 구조를 적용한 다양한 구조의 광변조기에 대해 보다 자세하게 설명한다.
먼저, 도 8은 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 반사형 광변조기(100)의 일 실시예에 따른 구성을 개략적으로 보인다. 도 8을 참조하면, 일 실시예에 따른 반사형 광변조기(100)는 기판(110), 기판(110) 위에 배치된 제 1 컨택층(111), 제 1 컨택층(111) 위에 배치된 하부 반사층(120), 하부 반사층(120) 위에 배치된 활성층(130), 활성층(130) 위에 배치된 상부 반사층(140), 및 상부 반사층(140) 위에 배치된 제 2 컨택층(141)을 포함할 수 있다. 상부 반사층(140)과 하부 반사층(120)은 반사층의 역할과 전기적 통로의 역할을 동시에 수행하도록 도핑될 수 있다. 예를 들어, 제 1 컨택층(111)과 하부 반사층(120)은 n형으로 도핑될 수 있으며, 상부 반사층(140)과 제 2 컨택층(141)은 p형으로 도핑될 수 있다. 활성층(130)은 도핑되지 않는다. 이러한 점에서, 도 8에 도시된 반사형 광변조기(100)는 P-I-N 다이오드 구조를 갖는다.
반사형 광변조기(100)는 입사광을 반사하면서 전기적 신호에 따라 입사광의 일부를 흡수하여 반사광의 세기를 변조하는 역할을 한다. 입사광을 반사하기 위하여 하부 반사층(120)은 90% 이상의 반사도를 갖도록 형성되며, 상부 반사층(140)은 약 30~50%의 반사도를 갖도록 형성될 수 있다. 이러한 하부 및 상부 반사층(120, 140)은, 예를 들어, 굴절률이 상대적으로 낮은 저굴절률층과 굴절률이 상대적으로 높은 고굴절률층을 반복적으로 교호하여 적층한 DBR(distributed Bragg reflector)일 수 있다. 이러한 구조에서, 굴절률이 다른 두 층(즉, 고굴절률층과 저굴절률층) 사이의 계면에서 반사가 일어나는데, 반사되는 모든 광들의 위상차를 동일하게 함으로써 높은 반사율을 얻을 수 있다. 이를 위하여, 하부 및 상부 반사층(120, 140) 내의 각각의 고굴절률층과 저굴절률층의 광학적 두께(즉, 물리적 두께에 층 재료의 굴절률을 곱한 값)를 각각 대략 λ/4(λ는 반사형 광변조기(100)의 공진 파장)의 홀수 배로 형성할 수 있다. 또한, 고굴절률층과 저굴절률층의 쌍들의 적층 개수에 따라 반사율을 원하는대로 조절하는 것이 가능하다.
활성층(130)은 광의 흡수가 일어나는 층으로서, 상술한 3중 연결 양자우물 구조와 외부 장벽층들이 반복적으로 적층된 다중양자우물층 구조를 가질 수 있다. 활성층(130)은 또한 패브리-페로(Fabry-Perot) 공진을 위한 메인 캐비티의 역할을 할 수 있다. 이를 위해, 활성층(130)은 광학적 두께가 대략적으로 λ/2의 정수 배와 같도록 형성될 수 있다.
도 9는 도 8에 도시된 반사형 광변조기(100)의 구체적인 구현예를 도시하고 있다. 도 9를 참조하면, GaAs 기판(110)위에 500nm 두께의 제 1 컨택층(111)이 형성되어 있다. 제 1 컨택층(111)은 n-GaAs로 이루어질 수 있다. 하부 반사층(120)은 저굴절률층으로서 68.8nm 두께의 n-Al0.88Ga0.12As와 고굴절률층으로서 62.3nm 두께의 n-Al0.31Ga0.69As를 포함하며, 저굴절률층과 고굴절률층의 쌍이 25.5회 적층된 구조를 갖는다. 하부 반사층(120)은 전류 통로의 역할을 하기 위하여, 실리콘(silicon)을 도펀트로 사용하여 약 3.18×1018/cm3의 농도로 도핑될 수 있다.
활성층(130)은, 하부 반사층(120) 상에 형성되며 외부 장벽층의 역할을 하는 3.5nm 두께의 Al0.31Ga0.69As 클래딩층, 제 1 양자우물층(In0.20Ga0.80As, 1nm)/제 1 연결 장벽층(Al0.20Ga0.80As, 1nm)/제 2 양자우물층(GaAs, 6.4nm)/제 2 연결 장벽층(Al0.20Ga0.80As, 1nm)/제 3 양자우물층(In0.20Ga0.80As, 1nm)을 포함하는 33쌍의 3중 연결 양자우물, 각각의 3중 연결 양자우물 사이에 개재된 4nm 두께의 Al0.31Ga0.69As 외부 장벽층, 및 33번째 3중 연결 양자우물 위에 형성된 3.5nm 두께의 Al0.31Ga0.69As 클래딩층을 포함할 수 있다. 여기서, 활성층(130)의 광학적 두께는 2λ로 설정되었다.
또한, 클래딩층 상의 상부 반사층(140)은 저굴절률층으로서 68.8nm 두께의 p-Al0.88Ga0.12As와 고굴절률층으로서 62.3nm 두께의 p-Al0.31Ga0.69As를 포함한다. 반사도가 낮은 상부 반사층(140)은 단지 2쌍의 고굴절률층과 저굴절률층을 가질 수 있다. 상부 반사층(140)은 전류 통로의 역할을 하기 위하여, 베릴륨(beryllium)을 도펀트로 사용하여 약 4.6×1018/cm3 내지 6.5×1018/cm3의 농도로 도핑될 수 있다. 상부 반사층(140) 위에는 10nm 두께의 p-GaAs가 제 2 컨택층(141)으로서 형성될 수 있다.
도 10은 도 9에 도시된 반사형 광변조기(100)의 반사도 특성을 개략적으로 나타내고 있다. 도 10에서, 가는 실선으로 표시된 그래프는 전압이 인가되지 않았을 때의 반사도를 나타내며 좌측의 세로축을 참조하고, 쇄선으로 표시된 그래프는 약 -2.3V의 전압이 인가되었을 때의 반사도를 나타내며 좌측의 세로축을 참조하고, 굵은 실선으로 표시된 그래프는 전압이 인가되지 않았을 때와 전압이 인가되었을 때의 반사도 차를 나타내며 우측의 세로축을 참조한다. 도 10을 참조하면, 약 -2.3V의 비교적 낮은 전압에서 850nm의 파장에 대해 최대 흡수가 일어나며, 850nm 대역에서 최소 반사도와 최대 반사도 사이의 반사도 차는 약 67.4% 정도이다. 특히, -2.3V의 전압이 인가된 상태에서 반사도는 거의 0%에 가깝다. 따라서, 도 9에 도시된 반사형 광변조기(100)의 명암비가 크게 향상된다는 것을 알 수 있다.
도 11은 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 투과형 광변조기(200)의 일 실시예에 따른 구성을 개략적으로 도시하고 있다. 도 11을 참조하면, 일 실시예에 따른 투과형 광변조기(200)는 하부 반사층(220), 하부 반사층(220) 위에 배치된 활성층(230), 활성층(230) 위에 배치된 상부 반사층(240), 하부 반사층(220)의 하부 표면에 부분적으로 배치된 제 1 컨택층(201), 및 상부 반사층(240)의 상부 표면에 부분적으로 배치된 제 2 컨택층(241)을 포함할 수 있다. 제 1 컨택층(201)과 제 2 컨택층(241)은 빛이 통과할 수 있도록 하부 반사층(220)과 상부 반사층(240)의 가장자리를 따라 링 형태로 형성될 수 있다. 도 11에는 기판이 도시되어 있지 않지만, 기판 위에 투과형 광변조기(200)를 형성한 후에 기판을 제거할 수 있다. 또한, 빛이 투과할 수 있도록 기판의 중앙부만을 부분적으로 제거할 수도 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 상부 반사층(240)과 하부 반사층(220)은 반사층의 역할과 전기적 통로의 역할을 동시에 수행하도록 도핑될 수 있다.
투과형 광변조기(200)는 입사광을 투과시키면서 전기적 신호에 따라 입사광의 일부를 흡수하여 투사광의 세기를 변조하는 역할을 한다. 하부 반사층(220)과 상부 반사층(240)은 입사광의 일부를 투과시키며, 또한 메인 캐비티인 활성층(230)에서 공진이 일어날 수 있도록 빛을 반사하는 역할을 한다. 투과형 광변조기(200)의 경우, 하부 반사층(220)과 상부 반사층(240)의 반사도가 대략 50% 정도로 서로 같을 수 있다.
도 12는 도 11에 도시된 투과형 광변조기(200)의 구체적인 구현예를 도시하고 있다. 도 12를 참조하면, n-GaAs로 이루어진 50nm 두께의 제 1 컨택층(201) 위에 6쌍의 고굴절률층(n-Al0.31Ga0.69As)과 저굴절률층(n-Al0.81Ga0.19As)을 포함하는 하부 반사층(220)이 배치된다. 맨 아래에 배치된 고굴절률층은 위상 매칭을 위해 다른 고굴절률층의 두께보다 얇은 두께를 가질 수 있다.
하부 반사층(220) 위에 배치된 활성층(230)은 외부 장벽층으로서 역할을 하는 8nm 두께의 하부 및 상부 클래딩층(Al0.81Ga0.19As) 및 상기 하부 및 상부 클래딩층 사이에 배치된 총 49쌍의 3중 연결 양자우물을 포함한다. 각각의 3중 연결 양자우물은 제 1 양자우물층(In0.20Ga0.80As, 1nm), 제 1 연결 장벽층(Al0.20Ga0.80As, 1nm), 제 2 양자우물층(GaAs, 6.4nm), 제 2 연결 장벽층(Al0.20Ga0.80As, 1nm), 및 제 3 양자우물층(In0.20Ga0.80As, 1nm)을 포함할 수 있다. 또한, 인접한 2개의 3중 연결 양자우물들 사이마다 4nm 두께의 Al0.30Ga0.70As 외부 장벽층이 개재될 수 있다. 여기서, 활성층(230)의 광학적 두께는 3λ로 설정되었다.
상부 반사층(240)은 활성층(230)을 중심으로 하부 반사층(220)과 대칭적으로 배치된다. 예를 들어, 상부 반사층(240)은 하부 반사층(220)과 마찬가지로 6쌍의 고굴절률층(n-Al0.31Ga0.69As)과 저굴절률층(n-Al0.81Ga0.19As)을 포함한다. 또한, 맨 위에 배치된 고굴절률층은 위상 매칭을 위해 다른 고굴절률층의 두께보다 얇은 두께를 가질 수 있다. 상부 반사층(240) 위에는 p-GaAs로 이루어진 제 2 컨택층(241)이 배치될 수 있다.
도 13은 도 12에 도시된 투과형 광변조기(200)의 투과도 특성을 개략적으로 나타내고 있다. 도 13의 그래프에서, 가는 실선으로 표시된 그래프는 전압이 인가되지 않았을 때의 투과도를 나타내며 좌측의 세로축을 참조하고, 쇄선으로 표시된 그래프는 전압이 인가되었을 때의 투과도를 나타내며 좌측의 세로축을 참조하고, 굵은 실선으로 표시된 그래프는 전압이 인가되지 않았을 때와 전압이 인가되었을 때의 투과도 차를 나타내며 우측의 세로축을 참조한다. 도 13의 그래프를 참조하면, 약 -3.4V의 비교적 낮은 전압에서 850nm의 파장에 대해 최대 흡수가 일어나며, 850nm 대역에서 최소 투과도와 최대 투과도 사이의 투과도 차는 약 60.4% 정도로 향상되었다. 특히, 전압 인가시에 광흡수의 증가로 인해 투과도가 10% 이하로 낮아졌기 때문에 투과도 차가 향상될 수 있었다.
한편, 일반적인 광변조기는 제조상의 공정변수 및 온도 변화에 따라서 중심 흡수 파장이 변화하는 특성을 갖는다. 이러한 변화에도 변조 특성을 일정하게 유지하기 위해서는 넓은 파장 대역에 걸쳐 균일하게 변조하는 것이 유리하다. 즉, 광변조기가 넓은 대역폭을 갖는 것이 유리하다.
도 14는 광대역폭을 갖도록 설계된, 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 투과형 광변조기(300)의 다른 실시예에 따른 구성을 개략적으로 도시하고 있다. 도 14를 참조하면, 상기 투과형 광변조기(300)는 하부 반사층(320), 하부 반사층(320) 위에 배치된 활성층(330), 활성층(330) 위에 배치된 상부 반사층(340), 하부 반사층(320) 내에 배치된 제 1 마이크로 캐비티층(325), 및 상부 반사층(340) 내에 배치된 제 2 마이크로 캐비티층(345)을 포함할 수 있다. 여기서, 활성층(300)은 패브리-페로 공진을 위한 메인 캐비티이며, 제 1 및 제 2 마이크로 캐비티층(325, 345)은 패브리-페로 공진을 위한 부가적인 캐비티의 역할을 한다. 이를 위해, 마이크로 캐비티층(325, 345)의 광학적 두께는 λ/2의 정수 배와 같도록 형성될 수 있다. 이러한 마이크로 캐비티층(325, 345)은 하부 및 상부 반사층의 고굴절률층 재료나 저굴절률층 재료로 이루어질 수 있다. 하부 반사층(320)과 상부 반사층(340)에 마이크로 캐비티층(325, 345)가 모두 배치될 수도 있지만, 상기 2개의 마이크로 캐비티층(325, 345) 중에서 어느 하나는 생략될 수도 있다.
또한, 도 14에는 명시적으로 도시되지 않았지만, 대역폭의 증가를 위해 활성층(330) 내의 대응하는 양자우물층들의 두께를 서로 다르게 형성하는 것도 가능하다. 예를 들어, 정공과 전자의 파동함수들의 중첩이 발생하는 제 2 양자우물층의 두께를 변화시켜, 두께가 서로 다른 2종류 이상의 제 2 양자우물층들을 형성할 수 있다. 이러한 마이크로 캐비티층(325, 345)의 추가와 양자우물층의 두께 변형을 통해 흡수 모드가 증가하면서 투과형 광변조기(300)의 광 흡수 대역폭이 향상될 수 있다.
도 15는 도 14에 도시된 투과형 광변조기(300)의 구체적인 구현예를 도시하고 있다. 도 15를 참조하면, 하부 반사층(320)은 n-GaAs 컨택층(301) 위에 형성된 한 쌍의 고굴절률층(n-Al0.31Ga0.69As)과 저굴절률층(n-Al0.81Ga0.19As)을 포함한다. 도 15의 예에서, 하부 반사층(320)에는 마이크로 캐비티층이 형성되어 있지 않다. 반면, 상부 반사층(340)에는 하나의 마이크로 캐비티층(345)이 형성되어 있다. 마이크로 캐비티층(345)에 의해 상부 반사층(340)은 제 1 상부 반사층(341)과 제 2 상부 반사층(344)으로 분리될 수 있다. 마이크로 캐비티층(345)의 아래에 배치된 제 1 상부 반사층(341)은 15쌍의 고굴절률층과 저굴절률층을 포함할 수 있으며, 마이크로 캐비티층(345)의 위에 배치된 제 2 상부 반사층(344)은 한 쌍의 고굴절률층과 저굴절률층을 포함할 수 있다. 그러나 이는 단지 하나의 예일 뿐이며, 하부 및 상부 반사층(320, 340)의 원하는 반사도 특성에 따라 하부 반사층(320), 제 1 상부 반사층(341) 및 제 2 상부 반사층(344)의 쌍의 개수는 적절히 선택될 수 있다. 도 15의 예에서 마이크로 캐비티층(345)은 고굴절률층의 재료로 이루어져 있으며, λ/2의 광학적 두께를 갖는다.
또한, 마이크로 캐비티층(345)과 제 1 상부 반사층(341) 사이에는 위상 매칭층(342)이 더 개재될 수 있다. 위상 매칭층(342)은 마이크로 캐비티층(345)을 포함하는 상부 반사층(340)의 전체 구성에서 고굴절률층과 저굴절률층이 반복될 수 있도록 삽입된다. 예를 들어, 마이크로 캐비티층(345)이 고굴절률층의 재료로 이루어지면 위상 매칭층(342)은 저굴절률층의 재료로 이루어질 수 있으며, 마이크로 캐비티층(345)이 저굴절률층의 재료로 이루어지는 경우에는 위상 매칭층(342)이 고굴절률층의 재료로 이루어질 수 있다.
도 15에 예시적으로 도시된 바와 같이, 활성층(330)은 외부 장벽층으로서 역할을 하는 5.1nm 두께의 하부 및 상부 클래딩층(Al0.81Ga0.19As) 및 상기 하부 및 상부 클래딩층 사이에 배치된 2종류의 3중 연결 양자우물 구조를 포함한다. 2종류의 3중 연결 양자우물 구조는 모두 제 1 양자우물층/제 1 연결 장벽층/제 2 양자우물층/제 2 연결 장벽층/제 3 양자우물층을 갖는 다수의 3중 연결 양자우물들을 포함할 수 있으며, 각각의 3중 연결 양자우물 사이마다 외부 장벽층이 개재될 수 있다. 상기 제 1 양자우물층, 제 1 연결 장벽층, 제 2 연결 장벽층, 제 3 양자우물층, 및 외부 장벽층의 재료와 두께는 앞서 설명한 실시예에서와 같을 수 있다.
다만, 2종류의 3중 연결 양자우물 구조에서 제 2 양자우물층의 두께가 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 제 1의 3중 연결 양자우물 구조에서 제 2 양자우물층은 6.4nm 두께의 GaAs로 형성될 수 있으며, 제 2의 3중 연결 양자우물 구조에서 제 2 양자우물층은 5.9nm 두께의 GaAs로 형성될 수 있다. 제 1의 3중 연결 양자우물 구조는 총 56쌍의 3중 연결 양자우물들을 포함하며, 제 2의 3중 연결 양자우물 구조는 총 62쌍의 3중 연결 양자우물들을 포함할 수 있다. 또한, 제 1의 3중 연결 양자우물 구조가 먼저 형성되고 제 1의 3중 연결 양자우물 구조 위에 제 2의 3중 연결 양자우물 구조가 형성될 수도 있지만, 제 1의 3중 연결 양자우물 구조의 3중 연결 양자우물들과 제 2의 3중 연결 양자우물 구조의 3중 연결 양자우물들이 임의로 섞여서 배치될 수도 있다. 이렇게 두께가 다른 2종류의 제 2 양자우물층을 사용하면, 활성층(330)에서 2개의 흡수 모드가 형성되어 광흡수 대역폭을 향상시킬 수 있다. 여기서, 활성층(230)의 전체적인 광학적 두께는 7λ로 설정되었다.
도 16은 도 15에 도시된 투과형 광변조기(300)의 투과도 특성을 개략적으로 나타내고 있다. 도 16의 그래프에서, 가는 실선으로 표시된 그래프는 전압이 인가되지 않았을 때의 투과도를 나타내고, 쇄선으로 표시된 그래프는 전압이 인가되었을 때의 투과도를 나타내며, 굵은 실선으로 표시된 그래프는 가는 실선으로 표시된 그래프와 쇄선으로 표시된 그래프 사이의 투과도 차를 나타낸다. 도 16의 그래프에서 도시된 바와 같이, -8.7V의 구동 전압에서 850nm의 파장에 대해 약 56.4%의 투과도 차를 얻을 수 있으며, 투과도 차가 25% 이상인 대역폭은 약 9.4nm라는 것을 알 수 있다. 특히, -8.7V의 구동 전압에서 850nm의 파장에 대해 광흡수가 증가하여 투과도가 약 7% 수준으로 낮아서 명암비(예컨대, demodulation contrast)를 더욱 향상할 수 있다.
도 15의 예에서는 상부 반사층(340)에 1개의 마이크로 캐비티(345)가 배치되고, 활성층(330)에는 2종류의 3중 연결 양자우물 구조(332, 333)가 배치되었다. 그러나 대역폭의 향상을 위해 하부 반사층(320)과 상부 반사층(340)에 1개 이상의 마이크로 캐비티를 추가할 수도 있다. 또한, 활성층(330)은 1종류의 3중 연결 양자우물 구조와 1종류의 단일 양자우물 구조의 조합을 포함할 수도 있다. 한편, 도 15에 도시된 마이크로 캐비티(345)와 활성층(330)의 구조는 도 8에 도시된 반사형 광변조기(100)에도 적용될 수 있다.
도 17은 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 투과형 광변조기(400)의 또 다른 실시예에 따른 구성을 개략적으로 도시하고 있다. 도 17을 참조하면, 일 실시예에 따른 투과형 광변조기(400)는 하부 반사층(410), 하부 반사층(410) 위에 배치된 제 1 활성층(420), 제 1 활성층(420) 위에 배치된 중간 반사층(430), 중간 반사층(430) 위에 배치된 제 2 활성층(440), 및 제 2 활성층(440) 위에 배치된 상부 반사층(450)을 포함할 수 있다. 여기서, 하부 반사층(410)과 상부 반사층(450)은 서로 같은 전기적 타입으로 도핑될 수 있으며, 중간 반사층(430)은 하부 및 상부 반사층(410, 450)과 반대되는 전기적 타입으로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 하부 및 상부 반사층(410, 450)은 n-형으로 도핑되고, 중간 반사층(430)은 p-형으로 도핑될 수 있다. 그 대신에, 하부 및 상부 반사층(410, 450)이 p-형으로 도핑되고, 중간 반사층(430)이 n-형으로 도핑될 수도 있다. 따라서, 도 17에 도시된 투과형 광변조기(400)는 N-I-P-I-N 또는 P-I-N-I-P 구조를 가질 수 있다.
이러한 점에서, 상기 투과형 광변조기(400)는 두 개의 다이오드가 전기적으로 병렬로 연결되도록 적층되어 있는 적층식 다이오드 구조를 갖는다고 볼 수 있다. 일반적으로 광변조기의 구동 전압은 활성층의 전체 두께(또는, 활성층 내의 양자우물층의 총 개수)에 비례하는데, 본 실시예에 따른 투과형 광변조기(400)는 두 개의 활성층(420, 440)이 전기적으로 병렬로 연결된 관계에 있기 때문에, 두 활성층(420, 440)의 두께를 합한 두께를 갖는 하나의 활성층을 갖는 광변조기에 비해, 구동 전압이 대략적으로 절반 정도 감소할 수 있다. 따라서, 소비전력을 추가적으로 저감할 수 있어서 발열에 의한 투과형 광변조기(400)의 성능 저하를 최소화할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 제 1 활성층(420)의 3중 연결 양자우물 구조와 제 2 활성층(440)의 3중 연결 양자우물 구조를 서로 다르게 형성함으로써 투과형 광변조기(400)의 대역폭을 향상시킬 수 있다. 즉, 제 1 활성층(420)의 공진 파장과 제 2 활성층(440)의 공진 파장이 서로 다른 다중 공진 모드를 통해 흡수 모드가 증가하면서 투과형 광변조기(400)의 광흡수 대역폭이 향상될 수 있다. 예를 들어, 제 1 활성층(420)의 3중 연결 양자우물 구조에서 제 2 양자우물층의 두께와 제 2 활성층(440)의 3중 연결 양자우물 구조에서 제 2 양자우물층의 두께를 서로 다르게 선택할 수 있다. 또한, 제 1 활성층(420)이 2종류의 이상의 서로 다른 3중 연결 양자우물 구조를 포함하고 제 2 활성층(440)도 2종류 이상의 서로 다른 3중 연결 양자우물 구조를 포함할 수도 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 다준위 에너지를 갖는 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
100, 200, 300, 400.....광변조기
110, 210.....기판
111, 141, 201, 241, 301, 302.....컨택층
120, 220, 320, 410.....하부 반사층
130, 230, 330, 420, 440.....활성층
140, 240, 340, 450.....상부 반사층
325, 345.....마이크로 캐비티
430.....중간 반사층

Claims (24)

  1. 적어도 2개의 외부 장벽층; 및 상기 적어도 2개의 외부 장벽층 사이에 각각 끼워진 적어도 하나의 연결 양자우물;을 구비하는 활성층을 포함하며,
    각각의 연결 양자우물은 적어도 3개의 양자우물층 및 상기 적어도 3개의 양자우물층 사이에 개재된 적어도 2개의 연결 장벽층을 포함하고,
    상기 적어도 3개의 양자우물층 중에서 양측 단부에 각각 배치된 2개의 양자우물층의 두께는 상기 2개의 양자우물층 사이에 배치된 다른 양자우물층의 두께와 다르며,
    상기 양측 단부에 각각 배치된 2개의 양자우물층의 에너지 준위는 상기 2개의 양자우물층 사이에 배치된 상기 다른 양자우물층의 에너지 준위보다 낮고,
    상기 양측 단부에 각각 배치된 2개의 양자우물층은 서로 동일한 두께 및 서로 동일한 에너지 준위를 갖는 광학 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 연결 장벽층의 포텐셜 에너지는 바닥 준위보다 높고 외부 장벽층의 에너지 준위보다 낮은 광학 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 연결 양자우물은 순차적으로 적층된 제 1 양자우물층, 제 1 연결 장벽층, 제 2 양자우물층, 제 2 연결 장벽층 및 제 3 양자우물층을 포함하는 3중 연결 양자우물이고, 상기 제 1 및 제 2 연결 장벽층의 포텐셜 에너지는 바닥 준위보다 높고 외부 장벽층의 에너지 준위보다 낮은 광학 소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 양자우물층의 두께와 제 3 양자우물층의 두께는 상기 제 2 양자우물층의 두께보다 작으며, 상기 제 1 양자우물층의 에너지 준위와 제 3 양자우물층의 에너지 준위는 상기 제 2 양자우물층의 에너지 준위보다 낮은 광학 소자.
  5. 제 3 항에 있어서,
    850nm의 사용 파장 대역에서,
    상기 제 1 및 제 3 양자우물층은 InzGa1-zAs(z=0.1~0.2)를 포함하고, 상기 제 2 양자우물층은 GaAs를 포함하고, 상기 연결 장벽층은 AlyGa1-yAs (여기서, 0<y<1)을 포함하며, 상기 외부 장벽층은 AlxGa1-xAs (여기서, 0<y<x<=1)를 포함하는 광학 소자.
  6. 제 3 항에 있어서,
    1550nm의 사용 파장 대역에서,
    상기 제 1 내지 제 3 양자우물층으로서 InxGa1-xAs, In1-x-yGaxAlyAs, 및 In1-xGaxAszP1-z 중에 적어도 하나를 포함하고, 상기 연결 장벽층과 외부 장벽층은 In1-x-yGaxAlyAs 및 In1-xGaxAszP1-z (여기서, 0< x, y, z <1) 중에서 적어도 하나를 포함하는 광학 소자.
  7. 적어도 2개의 외부 장벽층;
    상기 적어도 2개의 외부 장벽층 사이에 각각 끼워진 적어도 하나의 연결 양자우물을 구비하는 활성층; 및
    상기 활성층의 하부 표면과 상부 표면에 각각 배치된 하부 반사층과 상부 반사층;을 포함하며,
    각각의 상기 연결 양자우물은 적어도 3개의 양자우물층 및 상기 적어도 3개의 양자우물층 사이에 개재된 적어도 2개의 연결 장벽층을 포함하고,
    상기 적어도 3개의 양자우물층 중에서 양측 단부에 각각 배치된 2개의 양자우물층의 에너지 준위는 상기 2개의 양자우물층 사이에 배치된 다른 양자우물층의 에너지 준위보다 낮고,
    상기 양측 단부에 각각 배치된 2개의 양자우물층은 서로 동일한 두께 및 서로 동일한 에너지 준위를 갖는 광학 소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 광학 소자는 반사형 광변조기이며, 상기 하부 반사층의 반사도가 상기 상부 반사층의 반사도보다 높은 광학 소자.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 양측 단부에 각각 배치된 2개의 양자우물층의 두께는 상기 2개의 양자우물층 사이에 배치된 상기 다른 양자우물층의 두께보다 작은 광학 소자.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 하부 반사층과 상기 상부 반사층 중에서 적어도 하나의 반사층 내에 배치되는 적어도 하나의 마이크로 캐비티층을 더 포함하며, 상기 광학 소자의 공진 파장을 λ라 할 때, 상기 활성층과 상기 적어도 하나의 마이크로 캐비티층은 λ/2의 정수배의 광학적 두께를 갖는 광학 소자.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 활성층은:
    순차적으로 적층된 제 1 양자우물층, 제 1 연결 장벽층, 제 2 양자우물층, 제 2 연결 장벽층 및 제 3 양자우물층을 구비하는 적어도 하나의 제 1 연결 양자우물;
    순차적으로 적층된 제 4 양자우물층, 제 3 연결 장벽층, 제 5 양자우물층, 제 4 연결 장벽층 및 제 6 양자우물층을 구비하는 적어도 하나의 제 2 연결 양자우물; 및
    상기 제 1 연결 양자우물과 제 2 연결 양자우물 사이에 배치된 외부 장벽층;을 포함하며,
    상기 제 1 연결 양자우물의 제 2 양자우물층의 두께는 상기 제 2 연결 양자우물의 제 5 양자우물층의 두께와 상이한 광학 소자.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 4 연결 장벽층의 포텐셜 에너지는 바닥 준위보다 높고 외부 장벽층의 에너지 준위보다 낮은 광학 소자.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 양자우물층의 두께와 제 3 양자우물층의 두께는 상기 제 2 양자우물층의 두께보다 작으며, 상기 제 4 양자우물층의 두께와 제 6 양자우물층의 두께는 상기 제 5 양자우물층의 두께보다 작은 광학 소자.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 양자우물층의 에너지 준위와 제 3 양자우물층의 에너지 준위는 상기 제 2 양자우물층의 에너지 준위보다 낮고, 상기 제 4 양자우물층의 에너지 준위와 제 6 양자우물층의 에너지 준위는 상기 제 5 양자우물층의 에너지 준위보다 낮은 광학 소자.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 연결 양자우물의 제 1 양자우물층 및 제 3 양자우물층의 두께는 상기 제 2 연결 양자우물의 제 4 양자우물층 및 제 6 양자우물층의 두께와 각각 동일한 광학 소자.
  16. 제 11 항에 있어서,
    850nm의 사용 파장 대역에서,
    상기 제 1 및 제 3 양자우물층은 InzGa1-zAs(z=0.1~0.2)를 포함하고, 상기 제 2 양자우물층은 GaAs를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 연결 장벽층은 AlyGa1-yAs (여기서, 0<y<1)을 포함하며, 상기 외부 장벽층은 AlxGa1-xAs (여기서, 0<y<x<=1)를 포함하는 광학 소자.
  17. 제 7 항에 있어서,
    상기 활성층은:
    순차적으로 적층된 제 1 양자우물층, 제 1 연결 장벽층, 제 2 양자우물층, 제 2 연결 장벽층 및 제 3 양자우물층을 구비하는 적어도 하나의 연결 양자우물; 및
    2개의 외부 장벽층 사이에 개재된 단일한 제 4 양자우물층을 구비하는 적어도 하나의 단일 양자우물;을 더 포함하는 광학 소자.
  18. 하부 반사층;
    상기 하부 반사층 위에 배치된 제 1 활성층;
    상기 제 1 활성층 위에 배치된 중간 반사층;
    상기 중간 반사층 위에 배치된 제 2 활성층; 및
    상기 제 2 활성층 위에 배치된 상부 반사층;을 포함하며,
    상기 제 1 및 제 2 활성층 중에서 적어도 하나는, 적어도 2개의 외부 장벽층; 및 상기 적어도 2개의 외부 장벽층 사이에 각각 끼워진 적어도 하나의 연결 양자우물;을 구비하는 연결 양자우물 구조를 포함하고,
    각각의 연결 양자우물은 적어도 3개의 양자우물층 및 상기 적어도 3개의 양자우물층 사이에 개재된 적어도 2개의 연결 장벽층을 포함하며,
    상기 적어도 3개의 양자우물층 중에서 양측 단부에 각각 배치된 2개의 양자우물층의 두께는 상기 2개의 양자우물층 사이에 배치된 다른 양자우물층의 두께보다 작으며,
    상기 양측 단부에 각각 배치된 2개의 양자우물층의 에너지 준위는 상기 2개의 양자우물층 사이에 배치된 다른 양자우물층의 에너지 준위보다 낮은 광학 소자.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 연결 장벽층의 포텐셜 에너지는 바닥 준위보다 높고 외부 장벽층의 에너지 준위보다 낮은 광학 소자.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 각각의 연결 양자우물은 순차적으로 적층된 제 1 양자우물층, 제 1 연결 장벽층, 제 2 양자우물층, 제 2 연결 장벽층 및 제 3 양자우물층을 포함하는 3중 연결 양자우물이고, 상기 제 1 및 제 2 연결 장벽층의 포텐셜 에너지는 바닥 준위보다 높고 외부 장벽층의 에너지 준위보다 낮은 광학 소자.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1 양자우물층의 두께와 제 3 양자우물층의 두께는 상기 제 2 양자우물층의 두께보다 작으며, 상기 제 1 양자우물층의 에너지 준위와 제 3 양자우물층의 에너지 준위는 상기 제 2 양자우물층의 에너지 준위보다 낮은 광학 소자.
  22. 제 20 항에 있어서,
    850nm의 사용 파장 대역에서,
    상기 제 1 및 제 3 양자우물층은 InzGa1-zAs(z=0.1~0.2)를 포함하고, 상기 제 2 양자우물층은 GaAs를 포함하고, 상기 연결 장벽층은 AlyGa1-yAs (여기서, 0<y<1)을 포함하며, 상기 외부 장벽층은 AlxGa1-xAs (여기서, 0<y<x<=1)를 포함하는 광학 소자.
  23. 제 18 항에 있어서,
    상기 하부 반사층과 상부 반사층은 제 1 전기적 타입으로 도핑되어 있고, 상기 중간 반사층은 제 1 전기적 타입과 전기적으로 상반되는 제 2 전기적 타입으로 도핑되어 있는 광학 소자.
  24. 제 18 항에 있어서,
    상기 하부 반사층과 상기 상부 반사층 중에서 적어도 하나의 반사층 내에 배치되는 적어도 하나의 마이크로 캐비티층을 더 포함하며, 상기 광학 소자의 공진 파장을 λ라 할 때, 상기 활성층과 상기 적어도 하나의 마이크로 캐비티층은 λ/2의 정수배의 광학적 두께를 갖는 광학 소자.
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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 (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0511057A1 (fr) * 1991-04-25 1992-10-28 Thomson-Csf Modulateur d'ondes et détecteur optique à puits quantiques
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

Family Cites Families (35)

* 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
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
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
JP4195189B2 (ja) 1998-02-08 2008-12-10 スリーディーヴィー システムズ リミテッド 大開口光画像シャッタ
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
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
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
US8179585B2 (en) 2006-08-17 2012-05-15 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology Coupled quantum well structure
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 (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0511057A1 (fr) * 1991-04-25 1992-10-28 Thomson-Csf Modulateur d'ondes et détecteur optique à puits quantiques
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

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Publication number Publication date
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