KR102213661B1 - 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자 - Google Patents

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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 밴드갭은 상기 2개의 양자우물층 사이에 배치된 다른 양자우물층의 밴드갭보다 클 수 있다.

Description

3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자 {Optical device including three coupled quantum well structure}
개시된 실시예들은 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구동 전압을 증가시키지 않으면서 다중양자우물 구조에서의 광흡수 강도를 향상시킬 수 있는 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 높아진다. 또한, 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 반비례하며, 또한 양자우물층 내에서 정공의 파동함수(wave function)와 전자의 파동함수가 중첩한 정도의 제곱을 각각의 파동함수의 면적의 합으로 정규화한 값에 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, 높은 흡수 강도와 낮은 구동 전압 사이에 트레이드-오프(trade-off) 관계가 있어서, 흡수 강도의 향상과 구동 전압의 저감을 동시에 달성하기가 어렵다.
한편, TOF 방식의 3D 카메라에서 조명광은 일반적으로 약 850nm의 파장을 갖는 적외선 영역의 빛을 사용하는데, GaAs 기판이 850nm의 파장에 대해 투명하지 않기 때문에 광변조기의 제조 공정에서 GaAs 기판을 제거하기 위한 복잡한 공정이 추가된다. 최근에는 이러한 복잡한 추가 공정을 생략하기 위하여, GaAs 기판에 대해 투과성이 있는 870nm 이상의 파장을 갖는 빛, 예컨대 940nm의 파장을 갖는 빛을 조명광으로 이용하는 시도가 있다. 그런데, 940nm의 공진 파장을 갖는 광변조기에 적합한 양자우물층과 장벽층의 재료는 격자 상수가 GaAs 기판과 일치하지 않아서 응력(stress)과 변형(strain)이 발생하게 된다. 이러한 응력과 변형을 보상하지 않으면 많은 층의 양자우물을 적층하지 못하기 때문에 광변조기의 흡수 강도를 증가시키기 어렵다.
구동 전압을 증가시키지 않으면서 다중양자우물 구조에서의 광흡수 강도를 향상시킬 수 있는 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 양자우물층들 사이에 각각 개재된 적어도 2개의 연결 장벽층을 포함하고, 상기 적어도 3개의 양자우물층 중에서 양측 단부에 각각 배치된 2개의 양자우물층의 두께는 상기 양측 단부에 각각 배치된 2개의 양자우물층들 사이에 배치된 다른 양자우물층의 두께보다 작으며, 상기 양측 단부에 각각 배치된 2개의 양자우물층의 에너지 준위는 상기 양측 단부에 각각 배치된 2개의 양자우물층들 사이에 배치된 상기 다른 양자우물층의 에너지 준위보다 높을 수 있다.
또한, 상기 적어도 2개의 연결 장벽층의 에너지 준위는 바닥 준위보다 높고 상기 외부 장벽층의 에너지 준위보다 낮을 수 있다.
예를 들어, 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 있으며, 여기서 상기 제 1 및 제 2 연결 장벽층의 에너지 준위는 바닥 준위보다 높고 상기 외부 장벽층의 에너지 준위보다 낮을 수 있다.
또한, 상기 제 2 양자우물층의 두께는 상기 제 1 양자우물층의 두께와 제 3 양자우물층의 두께보다 크며, 상기 제 2 양자우물층의 에너지 준위는 상기 제 1 양자우물층의 에너지 준위와 제 3 양자우물층의 에너지 준위보다 낮을 수 있다.
또한, 상기 제 1 및 제 2 연결 장벽층은 전자와 정공의 터널링이 가능한 두께로 구성될 수 있다.
예를 들어, 850nm의 사용 파장 대역에서, 상기 제 1 및 제 3 양자우물층은 AlzGa1-zAs(0<z<1)을 포함하고, 상기 제 2 양자우물층은 GaAs을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 연결 장벽층은 AlyGa1-yAs(z<y<1)을 포함하고, 상기 외부 장벽층은 AlxGa1-xAs(z<y<x≤1)을 포함할 수 있다.
상기 광학 소자는 기판을 더 포함할 수 있다.
900nm 내지 1050nm의 사용 파장 대역에서, 상기 제 1 내지 제 3 양자우물층은 상기 기판에 대해 압축 변형을 갖는 재료로 이루어지고, 상기 외부 장벽층은 상기 기판에 대해 인장 변형을 갖는 재료로 이루어질 수 있다.
예를 들어 상기 제 1 내지 제 3 양자우물층은 InxGa1-xAs(0.1≤x≤0.2)을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 연결 장벽층은 GaAs을 포함하고, 상기 외부 장벽층은 GaAs1-yPy 또는 InyGa1-yP(0.4≤y≤0.5)을 포함할 수 있다.
또한, 예를 들어, 1550nm의 사용 파장 대역에서, 상기 제 1 내지 제 3 양자우물층은 In1-xGaxAs 및 In1-x-yGaxAlyAs 중에 적어도 하나를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 연결 장벽층은 In1-x'-y'Gax'Aly'As(x'<x, y<y') 및 In1-x'Gax'AszP1-z(x'<x) 중에서 적어도 하나를 포함하며, 상기 외부 장벽층은 In1-x"-y"Gax"Aly"As(x"<x'<x, y<y'<y") 및 In1-x"Gax"Asz'P1-z'(x"<x'<x, z<z') 중에서 적어도 하나를 포함하며, 여기서 0< x, y, z <1일 수 있다.
다른 일 유형에 따른 광학 소자는, 제 1 도전형으로 도핑된 하부 반사층; 상기 하부 반사층 위에 배치된 것으로, 적어도 2개의 외부 장벽층 및 상기 적어도 2개의 외부 장벽층 사이에 각각 끼워진 적어도 하나의 연결 양자우물을 구비하는 활성층; 및 상기 활성층 위에 배치된 것으로, 제 1 도전형과 전기적으로 상반되는 제 2 도전형으로 도핑된 상부 반사층;을 포함할 수 있으며, 각각의 연결 양자우물은 적어도 3개의 양자우물층 및 상기 적어도 3개의 양자우물층들 사이에 각각 개재된 적어도 2개의 연결 장벽층을 포함하고, 상기 적어도 3개의 양자우물층 중에서 양측 단부에 각각 배치된 2개의 양자우물층의 두께는 상기 양측 단부에 각각 배치된 2개의 양자우물층들 사이에 배치된 다른 양자우물층의 두께보다 작으며, 상기 양측 단부에 각각 배치된 2개의 양자우물층의 에너지 준위는 상기 양측 단부에 각각 배치된 2개의 양자우물층들 사이에 배치된 상기 다른 양자우물층의 에너지 준위보다 높을 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.
상기 적어도 하나의 연결 양자우물은, 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; 및 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;을 포함할 수 있으며, 상기 제 1 연결 양자우물의 제 2 양자우물층의 두께는 상기 제 2 연결 양자우물의 제 5 양자우물층의 두께와 상이할 수 있다.
상기 제 1 내지 제 4 연결 장벽층의 에너지 준위는 바닥 준위보다 높고 상기 외부 장벽층의 에너지 준위보다 낮을 수 있다.
상기 제 2 양자우물층의 두께는 상기 제 1 양자우물층의 두께와 제 3 양자우물층의 두께보다 크며, 상기 제 5 양자우물층의 두께는 상기 제 4 양자우물층의 두께와 제 6 양자우물층의 두께보다 클 수 있다.
상기 제 2 양자우물층의 에너지 준위는 상기 제 1 양자우물층의 에너지 준위와 제 3 양자우물층의 에너지 준위보다 낮고, 상기 제 5 양자우물층의 에너지 준위는 상기 제 4 양자우물층의 에너지 준위와 제 6 양자우물층의 에너지 준위보다 낮을 수 있다.
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, 상기 광학 소자는 반사형 광변조기이며, 상기 하부 반사층의 반사도가 상기 상부 반사층의 반사도보다 높을 수 있다.
예를 들어, 상기 광학 소자는 투과형 광변조기이며, 상기 광학 소자는 상기 하부 반사층의 하부에 배치된 반사방지 코팅을 더 포함할 수 있다.
또 다른 유형에 따른 광학 소자는, 제 1 도전형으로 도핑된 하부 반사층; 상기 하부 반사층 위에 배치된 제 1 활성층; 상기 제 1 활성층 위에 배치된 것으로, 제 1 도전형과 전기적으로 상반되는 제 2 도전형으로 도핑된 중간 반사층; 상기 중간 반사층 위에 배치된 제 2 활성층; 및 상기 제 2 활성층 위에 배치된 것으로, 제 1 도전형으로 도핑된 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 양자우물을 구비하고, 각각의 연결 양자우물은 적어도 3개의 양자우물층 및 상기 적어도 3개의 양자우물층들 사이에 각각 개재된 적어도 2개의 연결 장벽층을 포함하며, 상기 적어도 3개의 양자우물층 중에서 양측 단부에 각각 배치된 2개의 양자우물층의 두께는 상기 양측 단부에 각각 배치된 2개의 양자우물층들 사이에 배치된 다른 양자우물층의 두께보다 작고, 상기 양측 단부에 각각 배치된 2개의 양자우물층의 에너지 준위는 상기 양측 단부에 각각 배치된 2개의 양자우물층들 사이에 배치된 상기 다른 양자우물층의 에너지 준위보다 높을 수 있다.
개시된 실시예들에 따른 3중 연결 양자우물 구조를 갖는 광학 소자의 경우, 외부 장벽층보다 에너지 준위가 낮은 2개의 연결 장벽층(coupling barrier)을 통해 서로 연결된 3개의 양자우물이 하나의 양자우물층으로서 작용을 할 수 있다. 따라서, 하나의 양자우물층으로서 작용하는 3중 연결 양자우물 구조의 두께가 단일한 양자우물의 두께보다 두껍기 때문에, 천이 에너지를 증가시킬 수 있으며 광학 소자의 구동 전압을 낮출 수 있다. 또한, 3개의 양자우물들 중에서 중앙에 배치된 양자우물의 두께를 그 양측에 배치된 2개의 양자우물의 두께보다 두껍게 하는 동시에, 중앙에 배치된 양자우물의 밴드갭을 그 양측에 배치된 2개의 양자우물의 밴드갭보다 작게 구성함으로써, 광 흡수 강도를 증가시킬 수 있다. 따라서 본 실시예에 따른 광학 소자는 높은 흡수 강도와 저전압 구동을 동시에 달성할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 광학 소자는 응력을 보상할 수 있도록 구성되기 때문에 적층할 수 있는 양자우물의 개수를 증가시킬 수 있다. 특히, 양측에 배치된 2개의 양자우물의 밴드갭이 중앙에 배치된 양자우물의 밴드갭보다 크기 때문에, 얇은 두께의 외부 장벽층으로도 응력을 보상하는 것이 가능하다. 따라서, 외부 장벽층의 두께를 줄임으로써 정해진 두께 내에 더 많은 수의 양자우물을 배치할 수 있으므로 광 흡수 강도를 더욱 증가시킬 수 있다.
또한, 양측에 배치된 2개의 양자우물의 두께를 조절하여 파동함수의 이동을 용이하게 함으로써 구동 전압을 더욱 낮출 수 있으며, 광학 소자의 제조 공정을 용이하게 할 수 있다.
이러한 광학 소자는 3D 카메라의 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 940nm의 공진 파장을 갖도록 설계된 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자의 구체적인 구현예를 보인다.
도 7은 도 6에 도시된 광학 소자의 흡수 계수 스펙트럼을 개략적으로 보인다.
도 8은 850nm의 공진 파장을 갖도록 설계된 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자의 구체적인 구현예를 보인다.
도 9는 도 8에 도시된 광학 소자의 흡수 계수 스펙트럼을 개략적으로 보인다.
도 10은 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 반사형 광변조기의 일 실시예에 따른 구성을 개략적으로 보인다.
도 11은 도 10에 도시된 반사형 광변조기의 구체적인 구현예를 보인다.
도 12는 도 11에 도시된 반사형 광변조기의 반사도 특성을 개략적으로 보인다.
도 13은 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 투과형 광변조기의 일 실시예에 따른 구성을 개략적으로 보인다.
도 14는 도 13에 도시된 투과형 광변조기의 구체적인 구현예를 보인다.
도 15는 도 14에 도시된 투과형 광변조기의 투과도 특성을 개략적으로 보인다.
도 16은 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 투과형 광변조기의 다른 실시예에 따른 구성을 개략적으로 보인다.
도 17은 도 16에 도시된 투과형 광변조기의 구체적인 구현예를 보인다.
도 18은 도 17에 도시된 투과형 광변조기의 투과도 특성을 개략적으로 보인다.
도 19는 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 투과형 광변조기의 또 다른 실시예에 따른 구성을 개략적으로 보인다.
도 20은 도 19에 도시된 투과형 광변조기의 구체적인 구현예를 보인다.
도 21은 도 20에 도시된 투과형 광변조기의 투과도 특성을 개략적으로 보인다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 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 도시하고 있다.
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 전체 두께가 단일한 양자우물의 두께보다 두껍기 때문에, 구동 전압을 증가시키지 않으면서 천이 에너지를 증가시킬 수 있다.
2개의 외부 장벽층 사이에 배치된 3개의 양자우물층들을 연결하기 위하여 연결 장벽층(CB1, CB2)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 얇은 두께 및 외부 장벽층보다 낮은 에너지 준위를 가질 수 있다. 예컨대, 도 1의 에너지 밴드 다이어그램의 위쪽에 표시된 전도대(conduction band)에서, 제 1 및 제 2 연결 장벽층(CB1, CB2)의 에너지 준위는 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 에너지 준위는 바닥 준위(1차 무거운 정공(first heavy hole; hh1)의 에너지 준위)보다는 높고 외부 장벽층의 에너지 준위보다는 낮을 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 연결 장벽층(CB1, CB2)의 에너지 준위는 2차 무거운 정공(second heavy hole; hh2)의 에너지 준위 및 1차 가벼운 정공(first light hole; lh1)의 에너지 준위보다 높을 수도 있다. 그리고, 제 1 및 제 2 연결 장벽층(CB1, CB2)은 전자와 정공의 터널링이 일어나기에 충분히 얇은 두께로 형성된다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 연결 장벽층(CB1, CB2)의 두께(d2, d4)는 제 1 양자우물층(QW1)과 제 3 양자우물층(QW3)의 두께와 같거나 그보다 작을 수 있다. 예컨대, 제 1 및 제 2 연결 장벽층(CB1, CB2)의 두께(d2, d4)는 약 1~2nm일 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. 즉, 양측 단부에 각각 배치된 제 1 및 제 3 양자우물층(QW1, QW3)의 두께(d1, d5)는 그 사이에 배치된 제 2 양자우물층(QW2)의 두께(d3)보다 작을 수 있다. 그런데, 제 1 및 제 3 양자우물층(QW1, QW3)의 두께가 지나치게 작아지면 구동 전압이 증가할 뿐만 아니라, 제조 과정에서 매우 정교한 공정 제어가 요구된다. 이러한 점을 고려하여 제 1 내지 제 3 양자우물층(QW1, QW2, QW3)의 두께(d1, d3, d5)를 적절하게 선택할 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 3 양자우물층(QW1, QW3)의 두께(d1, d5)는 약 1~2nm, 제 2 양자우물층(QW2)의 두께(d3)는 약 4~5nm일 수 있다.
에너지 준위의 관점에서, 제 1 내지 제 3 양자우물층(QW1, QW2, QW3)의 에너지 준위는 모두 바닥 준위보다 낮다. 특히, 제 2 양자우물층(QW2)에서 강한 광흡수가 일어날 수 있도록, 도 1에 도시된 바와 같이, 제 2 양자우물층(QW2)의 에너지 준위를 제 1 및 제 3 양자우물층(QW1, QW3)의 에너지 준위보다 낮게 할 수 있다. 따라서, 제 2 양자우물층(QW2)의 밴드갭1은 제 1 및 제 3 양자우물층(QW1, QW3)의 밴드갭2보다 작을 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 3중 연결 양자우물 구조는 양자우물층(QW1, QW2, QW3)들의 에너지 준위에 있어서 중앙부가 양 측면보다 더 깊은(center-deep) 구조이다. 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.
제 1 및 제 3 양자우물층(QW1, QW3)의 에너지 준위가 제 2 양자우물층(QW2)의 에너지 준위보다 낮을 경우, 제 1 및 제 3 양자우물층(QW1, QW3)과 외부 장벽층 사이의 에너지 차이가 커져서 응력이 증가하게 된다. 그러면 이러한 응력을 견디기 위하여 외부 장벽층의 두께가 두꺼워지기 때문에 캐리어 손실의 증가, 동작 전압의 증가 및 광흡수의 감소를 가져올 수 있다. 본 실시예의 경우, 제 1 및 제 3 양자우물층(QW1, QW3)과 외부 장벽층 사이의 에너지 차이를 줄여서 응력을 감소시키므로 외부 장벽층의 두께를 줄일 수 있다. 외부 장벽층의 두께가 줄어들면, 정해진 두께 범위 내에 배치할 수 있는 양자우물층들의 개수가 그만큼 증가할 수 있으며 캐리어의 손실을 줄일 수 있다. 따라서 동작 전압이 감소하고 광흡수 강도가 증가할 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, 900nm 내지 1050nm의 적외선 영역의 경우, 양자우물층(QW1, QW2, QW2)은 GaAs 기판에 대해 압축 변형(compressive strain)을 갖는 InxGa1-xAs을 사용할 수 있으며, 외부 장벽층은 GaAs 기판에 대해 인장 변형(tensile strain)을 갖는 GaAs1-yPy나 InyGa1-yP를 사용할 수 있다. 여기서, 0.1≤x≤0.2, 0.4≤y≤0.5 일 수 있다. 양자우물층(QW1, QW2, QW2)으로서 압축 변형을 갖는 물질을 사용하고, 외부 장벽층으로서 인장 변형을 갖는 물질을 사용함으로써, 전체적으로 응력이 보상될 수 있다. 그리고 연결 장벽층(CB1, CB2)으로는 기판과 격자 상수가 동일한 GaAs를 사용할 수 있다.
또한, 850nm의 적외선 영역의 경우에는, 예를 들어, 제 1 및 제 3 양자우물층(QW1, QW3)으로서 AlzGa1-zAs(0<z<1), 제 2 양자우물층(QW2)으로서 GaAs, 연결 장벽층(CB1, CB2)으로서 AlyGa1-yAs(z<y<1), 외부 장벽층으로서 AlxGa1-xAs(z<y<x≤1)를 각각 사용할 수 있다. 이 경우, 양자우물층(QW1, QW2, QW2)들과 연결 장벽층(CB1, CB2)들의 재료는 GaAs 기판과 격자 상수가 거의 같기 때문에 GaAs 기판에 대해 변형이 발생하지 않는다.
또한, 1550nm의 중 적외선 영역에서는, 예컨대, 양자우물층(QW1, QW2, QW2)으로서 In1-xGaxAs, In1-x-yGaxAlyAs를 사용하고, 연결 장벽층(CB1, CB2)으로서 In1-x'-y'Gax'Aly'As(x'<x, y<y'), In1-x'Gax'AszP1-z(x'<x)를 사용하고, 외부 장벽층으로는 In1-x"-y"Gax"Aly"As(x"<x'<x, y<y'<y"), In1-x"Gax"Asz'P1-z'(x"<x'<x, z<z') 등의 다양한 재료의 조합을 이용할 수 있다. 이 경우, 기판으로서 InP를 사용할 수 있으며, 양자우물층과 장벽층의 재료는 상술한 방식으로 양자우물층과 장벽층 사이의 응력 보상이 가능한 재료로 선택될 수 있다. 여기서, 여기서 0< x, y, z <1이다.
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 3개의 양자우물층(QW1, QW2, QW2)들에 걸쳐 분포하고 있으며, 특히 제 2 양자우물층(QW2) 내에 주로 분포하고 있다. 2차 전자(e2)는 연결 장벽층(CB1, CB2)과 양자우물층(QW1, QW2, QW2) 사이의 에너지 준위의 차이가 작아서 양자우물층(QW1, QW2, QW2) 내에 속박되지 않기 때문에 파동함수를 형성하지 못한다. 또한, 도 2b를 참조하면, 1차 무거운 정공(hh1), 1차 가벼운 정공(lh1) 및 2차 무거운 정공(hh2)의 파동함수가 3개의 양자우물층(QW1, QW2, QW2)들에 걸쳐 분포하고 있다. 특히, 1차 무거운 정공(hh1)의 파동함수와 1차 가벼운 정공(lh1)의 파동함수는 제 2 양자우물층(QW2)의 중심에 주로 분포하고 있으며, 2차 무거운 정공(hh2)의 파동함수는 제 2 양자우물층(QW2)의 가장자리에 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, 전압이 증가함에 따라 1차 전자(e1)의 파동함수의 피크가 제 1 양자우물층(QW1)으로 이동한다는 것을 알 수 있다. 전압이 인가되어도 1차 전자(e1)의 파동 함수는 3개의 양자우물층(QW1, QW2, QW3)에 걸쳐 넓게 분포하며, 1차 전자(e1)의 파동 함수의 일부는 여전히 제 2 양자우물(QW2)에 잔류하게 된다. 또한, 도 3b를 참조하면, 1차 무거운 정공(hh1)은 이동성이 낮아서 전압이 인가되어도 제 2 양자우물(QW2)에 머물게 된다. 반면 1차 가벼운 정공(lh1)과 2차 무거운 정공(hh2)은 전압의 인가에 따라 우측 가장자리로 이동하게 된다. 특히, 2차 무거운 정공(hh2)은 제 2 연결 장벽층(CB2)을 넘어서 제 3 양자우물(QW3)에 속박되므로 1차 전자(e1)의 파동 함수와 중첩되는 정도가 낮다. 그러나, 1차 무거운 정공(hh1)과 1차 가벼운 정공(lh1)의 파동 함수는 1차 전자(e1)의 파동 함수와 중첩되는 정도가 높아서 비교적 강한 흡수 강도를 얻을 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 활성층에서의 흡수 스펙트럼을 예시적으로 나타내는 것으로, 0V/um, 3.2V/um, 및 6.0V/um의 외부 인가 전계에 대한 흡수 스펙트럼을 나타내고 있다. 도 4를 참조하면, 외부 인가 전계가 0V/um일 경우, 약 926nm의 파장에서 가장 큰 피크가 발생한다. 가장 큰 피크는 1차 전자와 1차 무거운 정공의 엑시톤 쌍(e1-hh1)에 의한 것이며, 두 번째 피크는 1차 전자-1차 가벼운 정공의 엑시톤 쌍(e1-lh1)에 의한 것이다. 이때, 940nm에서는 흡수 계수가 매우 작기 때문에, 940nm의 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 6.0V/um이면, 흡수 스펙트럼은 약 940nm의 파장에서 가장 큰 피크를 가지며, 외부 인가 전계가 0V/um인 경우에 비해 피크의 크기가 작아진다. 이러한 940nm으로의 흡수 스펙트럼의 이동은 단순한 단일 양자우물 구조로는 8.5V/um에서 달성될 수 있는 것이다. 또한, 전계가 0V일 때 단순한 단일 양자우물에서는 926nm의 파장에서의 흡수 계수가 18,000/cm이나, 본 실시예에서는 35,000/cm로 증가되었다.
본 실시예에 따르면, 6.0V/um의 외부 전계가 활성층에 인가된 경우에도, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 제 2 양자우물층(QW2) 내에 전자와 정공의 파동함수가 상당 부분 잔류하여 중첩되는 정도가 높기 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 6.0V/um일 때에 940nm에서의 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 다른 양자우물 구조들과 비교하여 보이고 있다. 도 5의 그래프에서, 구조1은 7.6nm 두께의 In0.15Ga0.85As 양자우물층과 5.8nm 두께의 GaAs0.6P0.4 장벽층을 포함하는 단일 양자우물 구조이다. 구조2는 6.7nm 두께의 GaAs0.6P0.4로 형성된 외부 장벽층, 1.5nm 두께의 GaAs로 형성된 연결 장벽층(CB1, CB2), 1.5nm 두께의 In0.20Ga0.80As로 형성된 제 1 및 제 3 양자우물층(QW1, QW3), 및 4.9nm 두께의 In0.15Ga0.85As로 형성된 제 2 양자우물층(QW2)을 포함하는 3중 연결 양자우물 구조이다. 구조2의 3중 연결 양자우물 구조는, 본 실시예와는 반대로 제 1 및 제 3 양자우물층(QW1, QW3)의 에너지 준위가 제 2 양자우물층(QW2)의 에너지 준위보다 낮다. 그리고, 구조3은 5.7nm 두께의 GaAs0.6P0.4로 형성된 외부 장벽층, 1.5nm 두께의 GaAs로 형성된 연결 장벽층(CB1, CB2), 1.5nm 두께의 In0.10Ga0.90As로 형성된 제 1 및 제 3 양자우물층(QW1, QW3), 및 5.5nm 두께의 In0.15Ga0.85As로 형성된 제 2 양자우물층(QW2)을 포함하는 3중 연결 양자우물 구조이다. 마지막으로, 구조4는 5.8nm 두께의 GaAs0.6P0.4로 형성된 외부 장벽층, 1.5nm 두께의 GaAs로 형성된 연결 장벽층(CB1, CB2), 2.0nm 두께의 In0.10Ga0.90As로 형성된 제 1 및 제 3 양자우물층(QW1, QW3), 및 5.0nm 두께의 In0.15Ga0.85As로 형성된 제 2 양자우물층(QW2)을 포함하는 3중 연결 양자우물 구조이다. 구조3과 구조4는 모두 본 실시예에 따른 3중 연결 양자우물 구조로서, 구조3과 비교할 때 구조4에서 제 1 및 제 3 양자우물층(QW1, QW3)의 두께가 증가하고 제 2 양자우물층(QW2)의 두께가 감소하였다.
도 5를 참조하면, 흡수 피크가 940nm에 도달하기 위한 전계의 크기는 구조4-구조2-구조3-구조1의 순서이다. 구조4의 구동 전압은 6.0V/um로서 구조1의 구동 전압인 8.5V/um보다 29.4% 감소하였으며, 구조2의 구동 전압인 6.9V/um보다 13% 감소하였다. 한편, 광 흡수를 나타내는 흡수 계수는 926nm 근처에서 e1-hh1의 엑시톤이 최대가 되고 전압의 증가에 따라서 장파장으로 이동하면서 강도가 줄어들게 된다. 구동 전압이 인가되었을 때의 흡수 계수와 무전압 상태에서의 흡수 계수의 차이를 비교하면, 구조1-구조2-구조4-구조3의 순서를 보인다. 구조3의 흡수 특성은 구조1에 비하여 126% 향상되었고, 구조2에 비하여 19.1% 증가하였다. 흡수 특성의 측면에서만 보면, 제 1 및 제 3 양자우물층(QW1, QW3)의 두께가 더 얇은 구조3이 구조4에 비하여 우수하지만, 구조4에 비해 구동 전압이 지나치게 높다. 또한, 제 1 및 제 3 양자우물층(QW1, QW3)의 두께가 더 두꺼운 구조4는 구조3에 비하여 제조가 용이하다는 장점이 있다.
도 6은 940nm의 공진 파장을 갖도록 설계된 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자(100)의 구체적인 구현예를 도시하고 있다. 도 6을 참조하면, 먼저 GaAs 기판(101) 위에 n-컨택층(102)으로서 n-InGaP를 100nm의 두께로 형성하고, n-컨택층(102) 위에는 Al0.31Ga0.69As 클래딩층(111)을 50nm의 두께로 형성하였다. 클래딩층(111) 위에는 외부 장벽층(112)으로서 5.8nm 두께의 GaAs0.6P0.4, 제 1 양자우물층(113a)으로서 2.0nm 두께의 In0.10Ga0.90As, 제 1 연결 장벽층(114a)으로서 1.5nm 두께의 GaAs, 제 2 양자우물층(113b)으로서 5.0nm 두께의 In0.15Ga0.85As, 제 2 연결 장벽층(114b)으로서 1.5nm 두께의 GaAs, 제 3 양자우물층(113c)으로서 2.0nm 두께의 In0.10Ga0.90As를 15쌍 반복하여 적층하였다. 15번째 제 3 양자우물층(113c) 위에 마지막 외부 장벽층(112)으로서 5.8nm 두께의 GaAs0.6P0.4를 형성하였다. 마지막 외부 장벽층(112) 위에는 다시 Al0.31Ga0.69As 클래딩층(111)을 50nm의 두께로 형성하고, 그 위에 p-컨택층(103)으로서 p-GaAs를 10nm 두께로 형성하였다. 클래딩층(111)은 컨택층(102, 103)의 도판트가 양자우물층(113a, 113b, 113c)으로 확산되는 것을 막는 확산 방지층의 역할도 수행하도록 비교적 두껍게 형성될 수 있다. 상기 층들은 MBE(Molecular Beam Epitaxy)나 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 장비를 이용하여 증착될 수 있다. 940nm의 파장은 GaAs에 대해 투과성이 있기 때문에, GaAs 기판(101)을 제거할 필요가 없다.
도 7은 도 6에 도시된 광학 소자(100)의 흡수 계수 스펙트럼을 개략적으로 나타내고 있다. 도 7을 참조하면, 전압을 인가하지 않은 상태에서 1차 엑시톤 흡수 피크는 926nm에 위치하나 6.0V/um의 전계를 인가하면 940nm에 도달하게 된다. 앞서 확인한 바와 같이, 동일한 캐비티 두께를 갖는 단순한 단일 양자우물에서는 926nm에 위치한 1차 엑시톤 흡수 피크를 940nm로 이동시키기 위해 8.5V/um의 전압이 필요하다. 따라서 3중 연결양자우물을 포함하는 본 실시예에 따른 광학 소자(100)는 단일 양자우물 구조에 비해 향상된 광흡수 강도를 가지면서도 구동 전압은 오히려 낮아질 수 있다.
또한, 도 8은 850nm의 공진 파장을 갖도록 설계된 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자(200)의 구체적인 구현예를 도시하고 있다. 도 8을 참조하면, 먼저 GaAs 기판(201) 위에 n-컨택층(202)으로서 n-InGaP를 100nm의 두께로 형성하고, n-컨택층(202) 위에는 외부 장벽층의 역할을 하는 Al0.31Ga0.69As 클래딩층(212)을 50nm의 두께로 형성하였다. 클래딩층(212) 위에는 3nm 두께의 Al0.10Ga0.90As로 형성된 제 1 양자우물층(213a), 1nm 두께의 Al0.20Ga0.80As로 형성된 제 1 연결 장벽층(214a), 7.9nm 두께의 GaAs로 형성된 제 2 양자우물층(213b), 1nm 두께의 Al0.20Ga0.80As로 형성된 제 2 연결 장벽층(214b), 및 2nm 두께의 Al0.10Ga0.90As로 형성된 제 3 양자우물층(213c)을 포함하는 3중 연결 양자우물을 16쌍 반복하여 적층하였으며, 각각의 3중 연결 양자우물 사이에는 4nm 두께의 Al0.31Ga0.69As를 외부 장벽층(215)으로서 삽입하였다. 16번째 3중 연결 양자우물 위에는 다시 외부 장벽층의 역할을 하는 Al0.31Ga0.69As 클래딩층(212)을 50nm의 두께로 형성하고, 그 위에 p-컨택층(203)으로서 p-GaAs를 10nm 두께로 형성하였다. 클래딩층(212)은 외부 장벽층의 역할을 하는 동시에, 컨택층(202, 203)의 도판트가 양자우물층(213a, 213b, 213c)로 확산되는 것을 막는 확산 방지층의 역할도 수행하도록 비교적 두껍게 형성될 수 있다. 한편, 850nm 파장의 빛은 GaAs를 투과하지 못하기 때문에, 투과형 광변조기의 제조를 위해 빛이 투과할 수 있도록 GaAs 기판(201)을 부분적으로 제거할 수 있다. 이 경우, 상기 n-InGaP 컨택층(202)은 식각 정지층(etch stop layer)으로서 작용할 수 있다.
도 9는 도 8에 도시된 광학 소자의 흡수 계수 스펙트럼을 개략적으로 나타내고 있다. 도 9를 참조하면, 전압을 인가하지 않은 상태에서 1차 엑시톤 흡수 피크는 838nm에 위치하나 6.5V/um의 전계를 인가하면 850nm에 도달하게 된다. 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 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 10은 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 반사형 광변조기(300)의 일 실시예에 따른 구성을 개략적으로 보인다. 도 10을 참조하면, 일 실시예에 따른 반사형 광변조기(300)는 기판(310), 기판(310) 위에 배치된 제 1 컨택층(311), 제 1 컨택층(311) 위에 배치된 하부 반사층(320), 하부 반사층(320) 위에 배치된 활성층(330), 활성층(330) 위에 배치된 상부 반사층(340), 및 상부 반사층(340) 위에 배치된 제 2 컨택층(341)을 포함할 수 있다. 상부 반사층(340)과 하부 반사층(320)은 반사층의 역할과 전기적 통로의 역할을 동시에 수행하도록 도핑될 수 있다. 예를 들어, 제 1 컨택층(311)과 하부 반사층(320)은 n형으로 도핑될 수 있으며, 상부 반사층(340)과 제 2 컨택층(341)은 p형으로 도핑될 수 있다. 활성층(330)은 도핑되지 않는다. 이러한 점에서, 도 10에 도시된 반사형 광변조기(300)는 P-I-N 다이오드 구조를 갖는다.
반사형 광변조기(300)는 입사광을 반사하면서 전기적 신호에 따라 입사광의 일부를 흡수하여 반사광의 세기를 변조하는 역할을 한다. 입사광을 반사하기 위하여 하부 반사층(320)은 90% 이상의 반사도를 갖도록 형성되며, 상부 반사층(340)은 약 30~50%의 반사도를 갖도록 형성될 수 있다. 이러한 하부 및 상부 반사층(320, 340)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(320, 340) 내의 각각의 고굴절률층과 저굴절률층의 광학적 두께(즉, 물리적 두께에 층 재료의 굴절률을 곱한 값)를 각각 대략 λ/4(λ는 반사형 광변조기(300)의 공진 파장)의 홀수 배로 형성할 수 있다. 또한, 고굴절률층과 저굴절률층의 쌍들의 적층 개수에 따라 반사율을 원하는대로 조절하는 것이 가능하다.
활성층(330)은 광의 흡수가 일어나는 층으로서, 상술한 3중 연결 양자우물 구조와 외부 장벽층들이 반복적으로 적층된 다중양자우물층 구조를 가질 수 있다. 활성층(330)은 또한 패브리-페로(Fabry-Perot) 공진을 위한 메인 캐비티의 역할을 할 수 있다. 이를 위해, 활성층(330)은 광학적 두께가 대략적으로 λ/2의 정수 배와 같도록 형성될 수 있다.
도 11는 도 10에 도시된 반사형 광변조기(300)의 구체적인 구현예를 도시하고 있다. 도 11을 참조하면, GaAs 기판(110)위에 500nm 두께의 제 1 컨택층(311)이 형성되어 있다. 제 1 컨택층(311)은 n-GaAs로 이루어질 수 있다. 하부 반사층(320)은 저굴절률층으로서 76.6nm 두께의 n-Al0.87Ga0.13As와 고굴절률층으로서 68.6nm 두께의 n-Al0.20Ga0.80As를 포함하며, 저굴절률층과 고굴절률층의 쌍이 25.5회 적층된 구조를 갖는다. 또한, 하부 반사층(320)은 전류 통로의 역할을 하기 위하여, 실리콘(silicon)을 도펀트로 사용하여 약 3.18×1018/cm3의 농도로 도핑될 수 있다.
활성층(330)은 하부 반사층(320) 상에 형성되며 7.6nm 두께의 Al0.31Ga0.69As 클래딩층을 포함한다. 활성층(330)은 또한 클래딩층 위에 형성된, 5.8nm 두께의 외부 장벽층(GaAs0.6P0.4), 2.0nm 두께의 제 1 양자우물층(In0.10Ga0.90As), 1.5nm 두께의 제 1 연결 장벽층(GaAs), 5.0nm 두께의 제 2 양자우물층(In0.15Ga0.85As), 1.5nm 두께의 제 2 연결 장벽층(GaAs), 2.0nm 두께의 제 3 양자우물층(In0.10Ga0.90As), 및 5.8nm 두께의 외부 장벽층(GaAs0.6P0.4)을 포함하는 29쌍의 3중 연결 양자우물을 포함한다. 29번째 3중 연결 양자우물 위에는 다시 7.6nm 두께의 Al0.31Ga0.69As 클래딩층이 형성될 수 있다. 여기서, 활성층(330)의 광학적 두께는 2λ로 설정되었다.
또한, 활성층(330) 상의 상부 반사층(340)은 저굴절률층으로서 76.6nm 두께의 p-Al0.87Ga0.13As와 고굴절률층으로서 68.6nm 두께의 p-Al0.20Ga0.80As를 포함한다. 반사도가 낮은 상부 반사층(340)은 단지 2쌍의 고굴절률층과 저굴절률층을 가질 수 있으며, 가장 위쪽에 배치된 고굴절률층의 두께는 위상 매칭을 위하여 58.2nm일 수 있다. 상부 반사층(340)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(340) 위에는 10nm 두께의 p-GaAs가 제 2 컨택층(341)으로서 형성될 수 있다.
도 12는 도 11에 도시된 반사형 광변조기(300)의 반사도 특성을 개략적으로 나타내고 있다. 도 12에서, 점선으로 표시된 그래프는 전압이 인가되지 않았을 때의 반사도를 나타내며 좌측의 세로축을 참조하고, 굵은 실선으로 표시된 그래프는 약 -3.2V의 전압이 인가되었을 때의 반사도를 나타내며 좌측의 세로축을 참조하고, 가는 실선으로 표시된 그래프는 전압이 인가되지 않았을 때와 전압이 인가되었을 때의 반사도 차를 나타내며 우측의 세로축을 참조한다. 도 12를 참조하면, 약 -3.2V의 비교적 낮은 전압에서 940nm의 파장에 대해 최대 흡수가 일어나며, 940nm 대역에서 최소 반사도와 최대 반사도 사이의 반사도 차는 약 71.6% 정도이다. 특히, -3.2V의 전압이 인가된 상태에서 반사도는 거의 0%에 가깝다. 따라서, 도 11에 도시된 반사형 광변조기(300)의 명암비(contrast ratio)가 크게 향상된다는 것을 알 수 있다. 또한, 약 25%의 반사도 차를 나타내는 대역폭은 약 9.6nm로서 넓은 대역폭을 갖는다는 것을 알 수 있다.
도 13은 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 투과형 광변조기(400)의 일 실시예에 따른 구성을 개략적으로 도시하고 있다. 도 13을 참조하면, 일 실시예에 따른 투과형 광변조기(400)는 기판(410), 기판(410) 위에 배치된 제 1 컨택층(411), 제 1 컨택층(411) 위에 배치된 하부 반사층(420), 하부 반사층(420) 위에 배치된 활성층(430), 활성층(430) 위에 배치된 상부 반사층(440), 및 상부 반사층(440)의 상부 표면에 부분적으로 배치된 제 2 컨택층(441)을 포함할 수 있다. 또한, 투과형 광변조기(400)는 기판(410)의 하부 표면에 형성된 반사방지 코팅(451) 및 제 2 컨택층(441) 위에 형성된 패시베이션층(452)을 더 포함할 수 있다. 상부 반사층(440)과 하부 반사층(420)은 반사층의 역할과 전기적 통로의 역할을 동시에 수행하도록 도핑될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 940nm의 파장은 GaAs에 대해 투과성이 있기 때문에, 투과형 광변조기(400)가 940nm 파장의 빛에 대해 동작하는 경우 GaAs 기판(410)을 제거할 필요가 없다.
투과형 광변조기(400)는 입사광을 투과시키면서 전기적 신호에 따라 입사광의 일부를 흡수하여 투사광의 세기를 변조하는 역할을 한다. 하부 반사층(420)과 상부 반사층(440)은 입사광의 일부를 투과시키며, 또한 메인 캐비티인 활성층(430)에서 공진이 일어날 수 있도록 빛을 반사하는 역할을 한다. 이러한 하부 및 상부 반사층(420, 440)은 굴절률이 상대적으로 낮은 저굴절률층과 굴절률이 상대적으로 높은 고굴절률층을 반복적으로 교호하여 적층한 DBR일 수 있다. 기판(410)이 제거된 통상적인 투과형 광변조기는, 하부 반사층(420)과 상부 반사층(440)의 구조가 서로 동일한 대칭형으로 제작될 수 있다. 그러나, 기판(410)이 제거되지 않은 경우에는, 하부 반사층(420) 아래의 GaAs 기판(410)에 의해 하부 반사층(420)의 반사도가 낮아질 수 있다. 따라서, 하부 반사층(420)의 반사도를 증가시키기 위하여 하부 반사층(420)의 저굴절률층/고굴절률층 쌍의 수가 상부 반사층(440)의 저굴절률층/고굴절률층 쌍의 수보다 많을 수 있다. 그리고, 기판(410)의 하부에는 반사방지 코팅(451)을 배치하여 투과도를 향상시킬 수 있다.
도 14는 도 13에 도시된 투과형 광변조기(400)의 구체적인 구현예를 도시하고 있다. 도 14를 참조하면, GaAs 기판(410)의 하부에는 118.1nm 두께의 SiNx로 이루어진 반사방지 코팅(451)을 형성하며, GaAs 기판(410)의 상부에는 n-GaAs로 이루어진 500nm 두께의 제 1 컨택층(411)을 형성한다. 제 1 컨택층(411) 위에는 11쌍의 고굴절률층(n-Al0.20Ga0.80As, 68.6nm)과 저굴절률층(n-Al0.87Ga0.13As, 76.6nm)을 포함하는 하부 반사층(420)이 배치된다.
하부 반사층(420) 위에 형성된 활성층(430)은 8.3nm 두께의 Al0.31Ga0.69As 클래딩층을 포함한다. 활성층(430)은 또한 클래딩층 위에 형성된, 5.8nm 두께의 외부 장벽층(GaAs0.6P0.4), 2.0nm 두께의 제 1 양자우물층(In0.10Ga0.90As), 1.5nm 두께의 제 1 연결 장벽층(GaAs), 5.0nm 두께의 제 2 양자우물층(In0.15Ga0.85As), 1.5nm 두께의 제 2 연결 장벽층(GaAs), 2.0nm 두께의 제 3 양자우물층(In0.10Ga0.90As), 및 5.8nm 두께의 외부 장벽층(GaAs0.6P0.4)을 포함하는 44쌍의 3중 연결 양자우물을 포함한다. 44번째 3중 연결 양자우물 위에는 다시 8.3nm 두께의 Al0.31Ga0.69As 클래딩층이 형성될 수 있다. 여기서, 활성층(330)의 광학적 두께는 3λ로 설정되었다.
또한, 상부 반사층(440)은 6쌍의 저굴절률층(n-Al0.87Ga0.13As, 76.6nm)과 고굴절률층(n-Al0.20Ga0.80As, 68.6nm)을 포함할 수 있다. 여기서, 가장 위쪽에 배치된 고굴절률층의 두께는 위상 매칭을 위하여 58.2nm일 수 있다. 상부 반사층(440) 위에는 p-GaAs로 이루어진 제 2 컨택층(441)이 배치될 수 있으며, 그 위에는 SiO2로 이루어진 패시베이션층(452)이 배치될 수 있다.
도 15는 도 14에 도시된 투과형 광변조기(400)의 투과도 특성을 개략적으로 나타내고 있다. 도 14의 그래프에서, 점선으로 표시된 그래프는 전압이 인가되지 않았을 때의 투과도를 나타내며 좌측의 세로축을 참조하고, 굵은 실선으로 표시된 그래프는 약 -4.9V의 전압이 인가되었을 때의 투과도를 나타내며 좌측의 세로축을 참조하고, 가는 실선으로 표시된 그래프는 전압이 인가되지 않았을 때와 전압이 인가되었을 때의 투과도 차를 나타내며 우측의 세로축을 참조한다. 도 15의 그래프를 참조하면, 약 -4.9V의 비교적 낮은 전압에서 940nm의 파장에 대해 최대 흡수가 일어나며, 940nm 대역에서 최소 투과도(Tmin)와 최대 투과도(Tmax) 사이의 투과도 차는 약 58.8% 정도로 향상되었다. 또한, 약 25%의 투과도 차를 나타내는 대역폭은 약 5.4nm이다. (Tmax-Tmin)/(Tmax+Tmin)로 표현되는 투과형 광변조기(400)의 복조 콘트라스트(demodulation contrast)는 약 71.9%로 높게 나타났다.
한편, 일반적인 광변조기는 제조상의 공정변수 및 온도 변화에 따라서 중심 투과 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 16은 광대역폭을 갖도록 설계된, 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 투과형 광변조기(500)의 다른 실시예에 따른 구성을 개략적으로 도시하고 있다. 도 16을 참조하면, 상기 투과형 광변조기(500)는 기판(510), 기판(510) 위에 배치된 제 1 컨택층(511), 제 1 컨택층(511) 위에 배치된 하부 반사층(520), 하부 반사층(520) 위에 배치된 활성층(530), 활성층(530) 위에 배치된 상부 반사층(540), 하부 반사층(520) 내에 배치된 제 1 마이크로 캐비티층(525), 상부 반사층(540) 내에 배치된 제 2 마이크로 캐비티층(545), 및 상부 반사층(540)의 상부 표면에 부분적으로 배치된 제 2 컨택층(541)을 포함할 수 있다. 또한, 투과형 광변조기(500)는 기판(510)의 하부 표면에 형성된 반사방지 코팅(551) 및 제 2 컨택층(541) 위에 형성된 패시베이션층(552)을 더 포함할 수 있다. 상부 반사층(540)과 하부 반사층(520)은 반사층의 역할과 전기적 통로의 역할을 동시에 수행하도록 도핑될 수 있다. 940nm의 파장은 GaAs에 대해 투과성이 있기 때문에, 투과형 광변조기(500)가 940nm 파장의 빛에 대해 동작하는 경우 GaAs 기판(510)을 제거할 필요가 없다.
여기서, 활성층(500)은 패브리-페로 공진을 위한 메인 캐비티이며, 제 1 및 제 2 마이크로 캐비티층(525, 545)은 패브리-페로 공진을 위한 부가적인 캐비티의 역할을 한다. 이를 위해, 마이크로 캐비티층(525, 545)의 광학적 두께는 λ/2의 정수 배와 같도록 형성될 수 있다. 이러한 마이크로 캐비티층(525, 545)은 하부 및 상부 반사층(520, 540)의 고굴절률층 재료나 저굴절률층 재료로 이루어질 수 있다. 하부 반사층(520)과 상부 반사층(540)에 마이크로 캐비티층(525, 545)가 모두 배치될 수도 있지만, 상기 2개의 마이크로 캐비티층(525, 545) 중에서 어느 하나는 생략될 수도 있다.
또한, 도 16에는 명시적으로 도시되지 않았지만, 대역폭의 증가를 위해 활성층(530) 내의 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(525, 545)의 추가와 양자우물층의 두께 변형을 통해 흡수 모드가 증가하면서 투과형 광변조기(500)의 광 흡수 대역폭이 향상될 수 있다.
도 17은 도 16에 도시된 투과형 광변조기(500)의 구체적인 구현예를 도시하고 있다. 도 17을 참조하면, GaAs 기판(510)의 하부에는 118.1nm 두께의 SiNx로 이루어진 반사방지 코팅(551)을 형성하며, GaAs 기판(510)의 상부에는 n-GaAs로 이루어진 500nm 두께의 제 1 컨택층(511)을 형성한다.
제 1 컨택층(511) 위에는 다수의 고굴절률층(n-Al0.20Ga0.80As, 68.6nm)과 다수의 저굴절률층(n-Al0.87Ga0.13As, 76.6nm)을 포함하는 하부 반사층(520)이 배치된다. 또한, 하부 반사층(520) 내에는 137.2nm 두께의 n-Al0.20Ga0.80As로 이루어진 제 1 마이크로 캐비티층(525)이 배치되어 있다. 마이크로 캐비티층(525)에 의해 하부 반사층(520)은 제 1 하부 반사층(521)과 제 2 하부 반사층(522)으로 분리될 수 있다. 제 1 마이크로 캐비티층(525)의 아래에 배치된 제 1 하부 반사층(521)은 8쌍의 고굴절률층과 저굴절률층을 포함할 수 있으며, 제 1 마이크로 캐비티층(525)의 위에 배치된 제 2 하부 반사층(522)은 14쌍의 고굴절률층과 저굴절률층을 포함할 수 있다. 또한 제 1 마이크로 캐비티층(525)과 제 2 하부 반사층(522) 사이에는 위상 매칭층(526)이 더 배치될 수 있다. 위상 매칭층(526)은 제 1 마이크로 캐비티층(525)을 포함하는 하부 반사층(520)의 전체 구성에서 고굴절률층과 저굴절률층이 반복될 수 있도록 삽입된다. 예를 들어, 제 1 마이크로 캐비티층(525)이 고굴절률층의 재료로 이루어지면 위상 매칭층(526)은 저굴절률층의 재료로 이루어질 수 있으며, 제 1 마이크로 캐비티층(525)이 저굴절률층의 재료로 이루어지는 경우에는 위상 매칭층(526)이 고굴절률층의 재료로 이루어질 수 있다. 도 17의 예에서 제 1 마이크로 캐비티층(525)은 고굴절률층의 재료로 이루어져 있으며, λ/2의 광학적 두께를 갖는다.
상부 반사층(540)도 다수의 고굴절률층(p-Al0.20Ga0.80As, 68.6nm)과 다수의 저굴절률층(p-Al0.87Ga0.13As, 76.6nm)을 포함하며, 137.2nm 두께의 p-Al0.20Ga0.80As로 이루어진 제 2 마이크로 캐비티층(545)이 상부 반사층(540) 내에 배치되어 있다. 제 2 마이크로 캐비티층(545)에 의해 상부 반사층(540)은 제 1 상부 반사층(541)과 제 2 상부 반사층(542)으로 분리될 수 있다. 제 2 마이크로 캐비티층(545)의 아래에 배치된 제 1 상부 반사층(541)은 14쌍의 저굴절률층과 고굴절률층을 포함할 수 있으며, 제 2 마이크로 캐비티층(545)의 위에 배치된 제 2 상부 반사층(542)은 4쌍의 저굴절률층과 고굴절률층을 포함할 수 있다. 맨 위에 배치된 고굴절률층은 위상 매칭을 위해 다른 고굴절률층의 두께보다 얇은 두께를 가질 수 있다. 또한 제 2 마이크로 캐비티층(545)과 제 1 상부 반사층(541) 사이에는 위상 매칭층(546)이 더 배치될 수 있다. 위상 매칭층(546)은 제 2 마이크로 캐비티층(545)을 포함하는 상부 반사층(540)의 전체 구성에서 저굴절률층과 고굴절률층이 반복될 수 있도록 삽입된다. 도 17의 예에서 제 2 마이크로 캐비티층(545)은 고굴절률층의 재료로 이루어져 있으며, λ/2의 광학적 두께를 갖는다. 그리고 상부 반사층(540) 위에는 p-GaAs로 이루어진 제 2 컨택층(541)이 배치될 수 있으며, 그 위에는 SiO2로 이루어진 패시베이션층(552)이 배치될 수 있다.
도 17에 예시적으로 도시된 바와 같이, 활성층(530)은 8.2nm 두께의 하부 및 상부 클래딩층(Al0.31Ga0.69As로) 및 상기 하부 및 상부 클래딩층 사이에 배치된 2종류의 3중 연결 양자우물 구조를 포함할 수 있다. 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 4.5nm 두께의 In0.15Ga0.85As로 형성될 수 있으며, 제 2의 3중 연결 양자우물 구조에서 제 2 양자우물층은 5.0nm 두께의 In0.15Ga0.85As로 형성될 수 있다. 제 1의 3중 연결 양자우물 구조는 총 54쌍의 3중 연결 양자우물들을 포함하며, 제 2의 3중 연결 양자우물 구조는 총 53쌍의 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 서로 다른 2종류의 제 2 양자우물층을 사용하면, 활성층(530)에서 2개의 흡수 모드가 형성되어 광흡수 대역폭을 향상시킬 수 있다. 여기서, 활성층(530)의 전체적인 광학적 두께는 7λ로 설정되었다.
도 18은 도 17에 도시된 투과형 광변조기(500)의 투과도 특성을 개략적으로 나타내고 있다. 도 18의 그래프에서, 점선으로 표시된 그래프는 전압이 인가되지 않았을 때의 투과도를 나타내며 좌측의 세로축을 참조하고, 굵은 실선으로 표시된 그래프는 약 -12.2V의 전압이 인가되었을 때의 투과도를 나타내며 좌측의 세로축을 참조하고, 가는 실선으로 표시된 그래프는 전압이 인가되지 않았을 때와 전압이 인가되었을 때의 투과도 차를 나타내며 우측의 세로축을 참조한다. 도 18의 그래프에서 도시된 바와 같이, -12.2V의 구동 전압에서 940nm의 파장에 대해 약 53%의 투과도 차를 얻을 수 있으며, 투과도 차가 25% 이상인 대역폭은 약 9.8nm로 향상되었다. 또한, 투과형 광변조기(500)의 복조 콘트라스트(demodulation contrast)는 약 69.9%로 나타났다.
도 17의 예에서는 하부 및 상부 반사층(520, 540)에 각각 1개의 마이크로 캐비티(525, 545)가 배치되고, 활성층(530)에는 2종류의 3중 연결 양자우물 구조가 배치되었다. 그러나 대역폭의 향상을 위해 하부 반사층(520)이나 상부 반사층(540)에 2개 이상의 마이크로 캐비티를 배치할 수도 있다. 또한, 활성층(530)은 1종류의 3중 연결 양자우물 구조와 1종류의 단일 양자우물 구조의 조합을 포함할 수도 있다. 한편, 도 17에 도시된 마이크로 캐비티(525, 545)와 활성층(530)의 구조는 도 10에 도시된 반사형 광변조기(300)에도 적용될 수 있다.
도 19는 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 투과형 광변조기(600)의 또 다른 실시예에 따른 구성을 개략적으로 도시하고 있다. 도 19를 참조하면, 일 실시예에 따른 투과형 광변조기(600)는 하부 반사층(620), 하부 반사층(620) 위에 배치된 제 1 활성층(630), 제 1 활성층(630) 위에 배치된 중간 반사층(640), 중간 반사층(640) 위에 배치된 제 2 활성층(650), 및 제 2 활성층(650) 위에 배치된 상부 반사층(660)을 포함할 수 있다. 여기서, 하부 반사층(620)과 상부 반사층(660)은 서로 같은 전기적 타입으로 도핑될 수 있으며, 중간 반사층(640)은 하부 및 상부 반사층(620, 660)과 반대되는 전기적 타입으로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 하부 및 상부 반사층(620, 660)은 n-형으로 도핑되고, 중간 반사층(640)은 p-형으로 도핑될 수 있다. 그 대신에, 하부 및 상부 반사층(620, 660)이 p-형으로 도핑되고, 중간 반사층(640)이 n-형으로 도핑될 수도 있다. 따라서, 도 19에 도시된 투과형 광변조기(600)는 N-I-P-I-N 또는 P-I-N-I-P 구조를 가질 수 있다.
이러한 점에서, 상기 투과형 광변조기(600)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(600)는 두 개의 활성층(630, 650)이 전기적으로 병렬로 연결된 관계에 있기 때문에, 두 활성층(630, 650)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(600)의 성능 저하를 최소화할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 제 1 활성층(630)의 3중 연결 양자우물 구조와 제 2 활성층(650)의 3중 연결 양자우물 구조를 서로 다르게 형성함으로써 투과형 광변조기(600)의 대역폭을 향상시킬 수 있다. 즉, 제 1 활성층(630)의 공진 파장과 제 2 활성층(650)의 공진 파장이 서로 다른 다중 공진 모드를 통해 흡수 모드가 증가하면서 투과형 광변조기(600)의 광흡수 대역폭이 향상될 수 있다. 예를 들어, 제 1 활성층(630)의 3중 연결 양자우물 구조에서 제 2 양자우물층의 두께와 제 2 활성층(650)의 3중 연결 양자우물 구조에서 제 2 양자우물층의 두께를 서로 다르게 선택할 수 있다. 또한, 제 1 활성층(630)이 2종류의 이상의 서로 다른 3중 연결 양자우물 구조를 포함하고 제 2 활성층(650)도 2종류 이상의 서로 다른 3중 연결 양자우물 구조를 포함할 수도 있다.
도 20은 도 19에 도시된 투과형 광변조기(600)의 구체적인 구현예를 도시하고 있다. 도 20을 참조하면, GaAs 기판(610)의 하부에는 118.1nm 두께의 SiNx로 이루어진 반사방지 코팅(671)을 형성하며, GaAs 기판(610)의 상부에는 n-GaAs로 이루어진 500nm 두께의 제 1 컨택층(611)을 형성한다. 제 1 컨택층(611) 위에는 6쌍의 고굴절률층(n-Al0.20Ga0.80As, 68.6nm)과 저굴절률층(n-Al0.87Ga0.13As, 76.6nm)을 포함하는 하부 반사층(620)이 형성된다. 하부 반사층(620)은 n-형으로 도핑되어 있다.
하부 반사층(620) 위에 형성된 제 1 활성층(630)은 9.7nm 두께의 하부 및 상부 클래딩층(Al0.31Ga0.69As로) 및 상기 하부 및 상부 클래딩층 사이에 배치된 2종류의 3중 연결 양자우물 구조를 포함할 수 있다. 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 4.5nm 두께의 In0.15Ga0.85As로 형성될 수 있으며, 제 2의 3중 연결 양자우물 구조에서 제 2 양자우물층은 5.0nm 두께의 In0.15Ga0.85As로 형성될 수 있다. 제 1의 3중 연결 양자우물 구조는 총 23쌍의 3중 연결 양자우물들을 포함하며, 제 2의 3중 연결 양자우물 구조는 총 22쌍의 3중 연결 양자우물들을 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 활성층(630)의 전체적인 광학적 두께는 3λ로 설정되었다.
제 1 활성층(630) 위에 배치된 중간 반사층(640)은 p-형으로 도핑되어 있다. 중간 반사층(640)의 내부에는 p-GaAs로 이루어진 30nm 두께의 제 2 컨택층(641)이 배치될 수 있다. 중간 반사층(640)은 제 2 컨택층(641)의 하부에 배치된 제 1 중간 반사층(642)과 제 2 컨택층(641)의 상부에 배치된 제 2 중간 반사층(643)을 포함한다. 제 1 및 제 2 중간 반사층(642, 643)은 각각 5쌍의 고굴절률층(n-Al0.20Ga0.80As, 68.6nm)과 저굴절률층(n-Al0.87Ga0.13As, 76.6nm)을 포함할 수 있다. 또한, 제 1 중간 반사층(642)과 제 1 활성층(630) 사이에는 저굴절률층 재료로 이루어진 위상 매칭층(644)이 더 배치되고, 제 1 중간 반사층(642)과 제 2 컨택층(641) 사이에는 고굴절률층 재료로 이루어진 위상 매칭층(645)이 더 배치되며, 제 2 컨택층(641)과 제 2 중간 반사층(643) 사이에는 저굴절률층 재료로 이루어진 위상 매칭층(646)이 더 배치될 수 있다.
중간 반사층(640) 위에 배치된 제 2 활성층(650)의 구조는 제 1 활성층(630)의 구조와 동일할 수 있다. 즉, 제 2 활성층(650)은 9.7nm 두께의 하부 및 상부 클래딩층(Al0.31Ga0.69As로) 및 상기 하부 및 상부 클래딩층 사이에 배치된 2종류의 3중 연결 양자우물 구조를 포함할 수 있다. 2종류의 3중 연결 양자우물 구조는 4.5nm 두께의 In0.15Ga0.85As로 형성된 제 2 양자우물층을 갖는 23쌍의 3중 연결 양자우물과 5.0nm 두께의 In0.15Ga0.85As로 형성된 제 2 양자우물층을 갖는 22쌍의 3중 연결 양자우물을 포함한다. 제 2 활성층(650)의 전체적인 광학적 두께는 3λ이다.
제 2 활성층(650) 위에는 상부 반사층(660)이 배치된다. 상부 반사층(660)은 하부 반사층(620)과 동일하게 n-형으로 도핑되어 있다. 상부 반사층(660)은 2쌍의 저굴절률층(n-Al0.87Ga0.13As, 76.6nm)과 고굴절률층(n-Al0.20Ga0.80As, 68.6nm)을 포함할 수 있다. 여기서, 가장 위쪽에 배치된 고굴절률층의 두께는 위상 매칭을 위하여 58.2nm일 수 있다. 상부 반사층(660) 위에는 n-GaAs로 이루어진 제 3 컨택층(661)이 배치될 수 있으며, 그 위에는 SiO2로 이루어진 패시베이션층(672)이 배치될 수 있다.
도 21은 도 20에 도시된 투과형 광변조기(600)의 투과도 특성을 개략적으로 나타내고 있다. 도 21의 그래프에서, 점선으로 표시된 그래프는 전압이 인가되지 않았을 때의 투과도를 나타내며 좌측의 세로축을 참조하고, 굵은 실선으로 표시된 그래프는 약 -5.2V의 전압이 인가되었을 때의 투과도를 나타내며 좌측의 세로축을 참조하고, 가는 실선으로 표시된 그래프는 전압이 인가되지 않았을 때와 전압이 인가되었을 때의 투과도 차를 나타내며 우측의 세로축을 참조한다. 도 21의 그래프에서 도시된 바와 같이, 도 20에 도시된 투과형 광변조기(600)의 구동전압은 도 17에 도시된 투과형 광변조기(500)의 구동전압 -12.2V에 비하여 -5.2V로 크게 감소하였음을 알 수 있다. 또한, 도 20에 도시된 투과형 광변조기(600)의 경우, -5.2V의 구동 전압에서 940nm의 파장에 대해 약 58.1%의 투과도 차를 얻을 수 있었으며, 투과도 차가 25% 이상인 대역폭은 약 11.5nm로 향상되었다. 투과형 광변조기(600)의 복조 콘트라스트도 약 74.8%로 향상되었다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 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, 500, 600.....광학 소자
101, 201, 310, 410, 510, 610.....기판
102, 103, 202, 203, 311, 341, 411, 441, 511, 541, 611, 661.....컨택층
110, 210, 330, 430, 530, 630, 650.....활성층
320, 420, 520, 620.....하부 반사층
340, 440, 540, 660.....상부 반사층
525, 545.....마이크로 캐비티
640.....중간 반사층

Claims (33)

  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 순차적으로 배치된 제 1 양자우물층, 제 1 연결 장벽층, 제 2 양자우물층, 제 2 연결 장벽층 및 제 3 양자우물층을 포함하고,
    상기 제 1 및 제 3 양자우물층의 두께는 상기 제 1 양자우물층과 상기 제 3 양자우물층 사이에 배치된 상기 제 2 양자우물층의 두께보다 작으며,
    상기 제 1 및 제 3 양자우물층의 에너지 준위가 상기 제 2 양자우물층의 에너지 준위보다 높도록 상기 제 2 양자우물층은 상기 제 1 및 제 3 양자우물층과 상이한 재료로 이루어지는 광학 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 연결 장벽층의 에너지 준위는 바닥 준위보다 높고 상기 외부 장벽층의 에너지 준위보다 낮은 광학 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 연결 장벽층의 에너지 준위는 바닥 준위보다 높고 상기 외부 장벽층의 에너지 준위보다 낮은 광학 소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 양자우물층의 두께는 상기 제 1 양자우물층의 두께와 제 3 양자우물층의 두께보다 크며, 상기 제 2 양자우물층의 에너지 준위는 상기 제 1 양자우물층의 에너지 준위와 제 3 양자우물층의 에너지 준위보다 낮은 광학 소자.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 연결 장벽층은 전자와 정공의 터널링이 가능한 두께로 구성되어 있는 광학 소자.
  6. 제 3 항에 있어서,
    850nm의 사용 파장 대역에서,
    상기 제 1 및 제 3 양자우물층은 AlzGa1-zAs(0<z<1)을 포함하고, 상기 제 2 양자우물층은 GaAs을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 연결 장벽층은 AlyGa1-yAs(z<y<1)을 포함하고, 상기 외부 장벽층은 AlxGa1-xAs(z<y<x≤1)을 포함하는 광학 소자.
  7. 제 3 항에 있어서,
    기판을 더 포함하며,
    900nm 내지 1050nm의 사용 파장 대역에서, 상기 제 1 내지 제 3 양자우물층은 상기 기판에 대해 압축 변형을 갖는 재료로 이루어지고, 상기 외부 장벽층은 상기 기판에 대해 인장 변형을 갖는 재료로 이루어지는 광학 소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 3 양자우물층은 InxGa1-xAs(0.1≤x≤0.2)을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 연결 장벽층은 GaAs을 포함하고, 상기 외부 장벽층은 GaAs1-yPy 또는 InyGa1-yP(0.4≤y≤0.5)을 포함하는 광학 소자.
  9. 제 3 항에 있어서,
    1550nm의 사용 파장 대역에서,
    상기 제 1 내지 제 3 양자우물층은 In1-xGaxAs 및 In1-x-yGaxAlyAs 중에 적어도 하나를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 연결 장벽층은 In1-x'-y'Gax'Aly'As(x'<x, y<y') 및 In1-x'Gax'AszP1-z(x'<x) 중에서 적어도 하나를 포함하며, 상기 외부 장벽층은 In1-x"-y"Gax"Aly"As(x"<x'<x, y<y'<y") 및 In1-x"Gax"Asz'P1-z'(x"<x'<x, z<z') 중에서 적어도 하나를 포함하며, 여기서 0< x, y, z <1인 광학 소자.
  10. 제 1 도전형으로 도핑된 하부 반사층;
    상기 하부 반사층 위에 배치된 것으로, 적어도 2개의 외부 장벽층 및 상기 적어도 2개의 외부 장벽층 사이에 각각 끼워진 적어도 하나의 연결 양자우물을 구비하는 활성층; 및
    상기 활성층 위에 배치된 것으로, 제 1 도전형과 전기적으로 상반되는 제 2 도전형으로 도핑된 상부 반사층;을 포함하며,
    각각의 연결 양자우물은 순차적으로 배치된 제 1 양자우물층, 제 1 연결 장벽층, 제 2 양자우물층, 제 2 연결 장벽층 및 제 3 양자우물층을 포함하고,
    상기 제 1 및 제 3 양자우물층의 두께는 상기 제 1 양자우물층과 상기 제 3 양자우물층 사이에 배치된 상기 제 2 양자우물층의 두께보다 작으며,
    상기 제 1 및 제 3 양자우물층의 에너지 준위가 상기 제 2 양자우물층의 에너지 준위보다 높도록 상기 제 2 양자우물층은 상기 제 1 및 제 3 양자우물층과 상이한 재료로 이루어지는 광학 소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 연결 장벽층의 에너지 준위는 바닥 준위보다 높고 상기 외부 장벽층의 에너지 준위보다 낮은 광학 소자.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 양자우물층의 두께는 상기 제 1 양자우물층의 두께와 제 3 양자우물층의 두께보다 크며, 상기 제 2 양자우물층의 에너지 준위는 상기 제 1 양자우물층의 에너지 준위와 제 3 양자우물층의 에너지 준위보다 낮은 광학 소자.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 연결 장벽층의 두께는 상기 제 1 및 제 3 양자우물층의 두께와 같거나 또는 그보다 작은 광학 소자.
  14. 제 11 항에 있어서,
    기판을 더 포함하며,
    900nm 내지 1050nm의 사용 파장 대역에서, 상기 제 1 내지 제 3 양자우물층은 상기 기판에 대해 압축 변형을 갖는 재료로 이루어지고, 상기 외부 장벽층은 상기 기판에 대해 인장 변형을 갖는 재료로 이루어지는 광학 소자.
  15. 제 10 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.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연결 양자우물은:
    상기 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; 및
    순차적으로 배치된 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;을 포함하며,
    상기 제 1 연결 양자우물의 제 2 양자우물층의 두께는 상기 제 2 연결 양자우물의 제 5 양자우물층의 두께와 상이한 광학 소자.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 4 연결 장벽층의 에너지 준위는 바닥 준위보다 높고 상기 외부 장벽층의 에너지 준위보다 낮은 광학 소자.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 2 양자우물층의 두께는 상기 제 1 양자우물층의 두께와 제 3 양자우물층의 두께보다 크며, 상기 제 5 양자우물층의 두께는 상기 제 4 양자우물층의 두께와 제 6 양자우물층의 두께보다 큰 광학 소자.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 2 양자우물층의 에너지 준위는 상기 제 1 양자우물층의 에너지 준위와 제 3 양자우물층의 에너지 준위보다 낮고, 상기 제 5 양자우물층의 에너지 준위는 상기 제 4 양자우물층의 에너지 준위와 제 6 양자우물층의 에너지 준위보다 낮은 광학 소자.
  20. 제 16 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.
  21. 제 10 항에 있어서,
    상기 광학 소자는 반사형 광변조기이며, 상기 하부 반사층의 반사도가 상기 상부 반사층의 반사도보다 높은 광학 소자.
  22. 제 10 항에 있어서,
    상기 광학 소자는 투과형 광변조기이며, 상기 하부 반사층의 하부에 배치된 반사방지 코팅을 더 포함하는 광학 소자.
  23. 제 1 도전형으로 도핑된 하부 반사층;
    상기 하부 반사층 위에 배치된 제 1 활성층;
    상기 제 1 활성층 위에 배치된 것으로, 제 1 도전형과 전기적으로 상반되는 제 2 도전형으로 도핑된 중간 반사층;
    상기 중간 반사층 위에 배치된 제 2 활성층; 및
    상기 제 2 활성층 위에 배치된 것으로, 제 1 도전형으로 도핑된 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 양자우물을 구비하고,
    각각의 연결 양자우물은 순차적으로 배치된 제 1 양자우물층, 제 1 연결 장벽층, 제 2 양자우물층, 제 2 연결 장벽층 및 제 3 양자우물층을 포함하고,
    상기 제 1 및 제 3 양자우물층의 두께는 상기 제 1 양자우물층과 상기 제 3 양자우물층 사이에 배치된 상기 제 2 양자우물층의 두께보다 작고,
    상기 제 1 및 제 3 양자우물층의 에너지 준위가 상기 제 2 양자우물층의 에너지 준위보다 높도록 상기 제 2 양자우물층은 상기 제 1 및 제 3 양자우물층과 상이한 재료로 이루어지는 광학 소자.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 연결 장벽층의 에너지 준위는 바닥 준위보다 높고 상기 외부 장벽층의 에너지 준위보다 낮은 광학 소자.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 2 양자우물층의 두께는 상기 제 1 양자우물층의 두께와 제 3 양자우물층의 두께보다 크며, 상기 제 2 양자우물층의 에너지 준위는 상기 제 1 양자우물층의 에너지 준위와 제 3 양자우물층의 에너지 준위보다 낮은 광학 소자.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 연결 장벽층의 두께는 상기 제 1 및 제 3 양자우물층의 두께와 같거나 또는 그보다 작은 광학 소자.
  27. 제 24 항에 있어서,
    기판을 더 포함하며,
    900nm 내지 1050nm의 사용 파장 대역에서, 상기 제 1 내지 제 3 양자우물층은 상기 기판에 대해 압축 변형을 갖는 재료로 이루어지고, 상기 외부 장벽층은 상기 기판에 대해 인장 변형을 갖는 재료로 이루어지는 광학 소자.
  28. 제 23 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.
  29. 제 23 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연결 양자우물은:
    상기 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; 및
    순차적으로 배치된 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;을 포함하며,
    상기 제 1 연결 양자우물의 제 2 양자우물층의 두께는 상기 제 2 연결 양자우물의 제 5 양자우물층의 두께와 상이한 광학 소자.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 4 연결 장벽층의 에너지 준위는 바닥 준위보다 높고 상기 외부 장벽층의 에너지 준위보다 낮은 광학 소자.
  31. 제 29 항에 있어서,
    상기 제 2 양자우물층의 두께는 상기 제 1 양자우물층의 두께와 제 3 양자우물층의 두께보다 크며, 상기 제 5 양자우물층의 두께는 상기 제 4 양자우물층의 두께와 제 6 양자우물층의 두께보다 큰 광학 소자.
  32. 제 29 항에 있어서,
    상기 제 2 양자우물층의 에너지 준위는 상기 제 1 양자우물층의 에너지 준위와 제 3 양자우물층의 에너지 준위보다 낮고, 상기 제 5 양자우물층의 에너지 준위는 상기 제 4 양자우물층의 에너지 준위와 제 6 양자우물층의 에너지 준위보다 낮은 광학 소자.
  33. 제 29 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.
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
BE1025050B1 (fr) * 2016-08-12 2018-10-12 Softkinetic Sensors Nv Démodulateur doté d’une photodiode pincée génératrice de porteurs et procédé de fonctionnement associé
US10900687B2 (en) 2018-10-31 2021-01-26 Trane International Inc. Flexible scheduling HVAC graphical user interface and methods of use thereof
CN113451463A (zh) * 2020-12-31 2021-09-28 重庆康佳光电技术研究院有限公司 Led外延结构、其制作方法、发光器件和显示面板
US20220246781A1 (en) * 2021-02-04 2022-08-04 Mellanox Technologies, Ltd. High modulation speed pin-type photodiode

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6353624B1 (en) 1998-10-07 2002-03-05 Commissariat A L'energie Atomique Semiconductor laser with tunable gain spectrum

Family Cites Families (29)

* 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
JPH04163967A (ja) 1990-10-27 1992-06-09 Canon Inc 光デバイス
FR2675949B1 (fr) * 1991-04-25 1993-07-09 Thomson Csf Modulateur d'ondes et detecteur optique a puits quantiques.
US5286982A (en) 1991-11-22 1994-02-15 Motorola, Inc. High contrast ratio optical modulator
US5416338A (en) * 1992-02-29 1995-05-16 Nippondenso Co., Ltd. Semiconductor device with quantum well resonance states
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
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
US5426512A (en) 1994-01-25 1995-06-20 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Image data compression having minimum perceptual error
DE69428187T2 (de) 1994-05-06 2002-06-20 Commissariat Energie Atomique Optisch gesteuerte Lichtmodulator-Vorrichtung
GB2303246A (en) * 1995-07-07 1997-02-12 Toshiba Cambridge Res Center Resonant tunneling semiconductor device
JPH09318918A (ja) 1996-05-29 1997-12-12 Nec Corp 半導体光変調器
WO1999040478A1 (en) 1998-02-08 1999-08-12 3Dv Systems Ltd. Large aperture optical image shutter
US6154299A (en) 1998-06-15 2000-11-28 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Modulating retroreflector using multiple quantum well technology
US6878562B2 (en) 2000-10-20 2005-04-12 Phosistor Technologies, Incorporated Method for shifting the bandgap energy of a quantum well layer
US7095542B2 (en) 2001-02-01 2006-08-22 The Regents Of The University Of California Electroabsorption modulator having a barrier inside a quantum well
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
KR100928963B1 (ko) 2003-01-10 2009-11-26 삼성전자주식회사 양자우물을 가지는 광소자
US7443561B2 (en) 2005-06-08 2008-10-28 Avago Technologies Fiber Ip (Singapore) Pte. Ltd. Deep quantum well electro-absorption modulator
US7795609B2 (en) 2005-08-05 2010-09-14 Stc.Unm Densely stacked and strain-compensated quantum dot active regions
JP5207381B2 (ja) 2006-08-17 2013-06-12 独立行政法人産業技術総合研究所 結合量子井戸構造
JP5241208B2 (ja) 2007-11-21 2013-07-17 三菱電機株式会社 電力系統制御装置および電力系統制御方法
KR101667821B1 (ko) 2010-07-09 2016-10-19 엘지이노텍 주식회사 발광소자
KR101941170B1 (ko) * 2011-12-12 2019-01-23 삼성전자주식회사 다중 패브리-페로 공진 모드와 다중 흡수 모드를 이용한 투과형 이미지 변조기
KR101880959B1 (ko) * 2012-01-05 2018-07-24 삼성전자주식회사 다중 흡수 모드를 갖는 적층식 다이오드 구조의 투과형 이미지 변조기
US9450123B2 (en) * 2012-01-12 2016-09-20 The University Of Houston System Thermo-tunneling design for quantum well photovoltaic converter
KR101902928B1 (ko) 2013-01-04 2018-10-02 삼성전자주식회사 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자
KR102113256B1 (ko) 2013-11-07 2020-05-20 삼성전자주식회사 다준위 에너지를 갖는 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6353624B1 (en) 1998-10-07 2002-03-05 Commissariat A L'energie Atomique Semiconductor laser with tunable gain spectrum

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US20150286078A1 (en) 2015-10-08
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