탈보 공동 통합 고출력 테이퍼형 양자 캐스케이드 레이저 어레이

요약

넓은 영역 양자 캐스케이드 레이저(QCL)의 출력 확대는 일반적으로 다중 로브 원거리장 패턴 방출로 빔 품질 저하를 초래합니다. 본 서신에서는 어레이 한쪽에 탈보 공동을 통합한 테이퍼형 QCL 어레이를 시연합니다. 테이퍼 직선단이 탈보 공동과 연결된 어레이에서 기본 슈퍼모드 동작이 달성됩니다. 기본 슈퍼모드의 측면 원거리장은 2.7°의 근회절 한계 빔 발산을 보입니다. 5소자 어레이의 출력은 단일 능선 레이저의 약 3배이며, 방출 파장은 약 4.8µm입니다. 그러나 테이퍼 끝단이 탈보 공동과 연결된 어레이는 탈보 공동 길이에 관계없이 항상 고차 슈퍼모드 동작을 보입니다.

배경

1994년 발명된 양자 캐스케이드 레이저(QCL)는 파장 가변성과 휴대성으로 중적외선 및 원적외선 분야에서 가장 중요한 광원 중 하나가 되었습니다[1,2,3]. QCL의 대중적 응용으로는 자유공간 광통신, 지향성 적외선 대항 조치(DIRCM), 폭발물·독소·오염물질 미량 화학 센싱, 의료 검사 등이 있습니다[4,5,6,7]. 일부 응용은 더 나은 재밍 효과와 검출 정확도를 위해 높은 출력 광파워를 요구합니다. 고출력 QCL은 활성 영역 폭을 넓혀 얻을 수 있으나, 웨이브가이드 공학적 설계나 외부 광학 장치 없이 단순히 능선 폭을 넓히면 다중 로브 원거리장 패턴 방출로 QCL 빔 품질이 저하됩니다[8]. 과거에는 포토닉 크리스탈 분산 피드백(PCDFB) QCL, 경사 공동 QCL, 마스터 오실레이터 파워 앰프 QCL, 외부 피드백 메커니즘을 통한 넓은 영역 QCL 등으로 단일 로브 방출을 달성했습니다[9,10,11,12]. 최근에는 위상 고정 어레이가 넓은 능선 QCL의 코히어런트 좁은 빔 패턴 방출을 위한 대중적 접근법으로 부상했습니다.

위상 고정 어레이는 1980년대부터 넓은 능선 및 저발산 반도체 레이저에 교묘하게 적용되어 왔습니다[13]. 선행 연구에서 위상 고정 QCL 어레이는 Y-접합 어레이, 공명 누설파 결합 어레이, 이반센트파 결합 어레이 등에서 연구되었으며, 이는 근적외선 레이저에서도 마찬가지였습니다[14,15,16,17,18]. 이러한 구조는 웨이브가이드에서 큰 손실을 유발하거나[15], 결합을 얻기 위해 인접 거리를 짧게 추구함에 따라 열 축적을 초래합니다[16,17,18]. 최근에는 탈보 효과 기반의 사이드 공동을 통합한 회절 결합 QCL 어레이가 보고되었습니다[19]. 회절 결합 구조에서 결합은 능선 끝의 회절과 공동 면의 반사로 탈보 공동에서 발생합니다. 회절 결합 위상 고정 QCL 어레이 소자는 넓은 간격으로 배치될 수 있어 열 축적을 감소시킵니다.

탈보 효과는 주기적 구조가 일정한 거리에서 자기 이미지를 생성하는 잘 알려진 광학 현상입니다[20]. 이 효과는 근적외선에서 레이저 위상 고정에 활용되어 회절 결합 방식 위상 고정 어레이라 불립니다[21,22,23]. 이 방법에서는 레이저 어레이 공동 면 앞에 평면 거울을 배치하여 광학 피드백을 제공합니다. 거울과 어레이 면 사이의 거리는 탈보 거리로, 다음과 같이 정의됩니다:

$$ {Z}_t=\frac{2n{d}^2}{\lambda } $$

여기서 n은 물질의 굴절률, d는 어레이의 중심간 거리, λ는 자유 공간 파장입니다. Z_t/4 위치에서 어레이 채널로 반사된 슈퍼모드는 자기 재생 진동을 얻습니다. 그림 1은 분수 탈보 평면에서 기본 슈퍼모드와 고차 슈퍼모드 분포를 보여줍니다. Z_t/4 위치의 슈퍼모드가 어레이 채널로 반사되면 기본 슈퍼모드 중첩과 동작이 추출됩니다.

분수 탈보 평면에서 기본 및 고차 슈퍼모드 분포. 파란 타원은 기본 슈퍼모드, 갈색 타원은 고차 슈퍼모드에 해당

탈보 공동 위상 고정 QCL 어레이의 출력은 탈보 공동과 어레이 채널 간 낮은 결합 효율로 제한됩니다. 탈보 공동 QCL 어레이의 출력을 더 높이기 위해 충전율(능선 폭 대 주기 비율)을 높여야 합니다. 하지만 채널 폭을 넓히면 어레이 소자의 고차 모드 방출이 발생합니다. 중심간 거리를 줄이면 열 축적이 증가합니다. 테이퍼 구조는 단일 능선 자체의 기본 모드 동작을 보장하면서 동시에 충전율을 높이는 최적의 방법 중 하나입니다. 본 서신에서는 테이퍼 구조를 활용하고 탈보 공동을 테이퍼 구조 양쪽에 각각 통합했습니다. 직선단이 탈보 공동과 연결된 소자는 2.7°의 근회절 한계(D.L.) 원거리장 발산을 가진 기본 슈퍼모드 동작을 보입니다. 반면 테이퍼 끝단이 탈보 공동과 연결된 소자는 탈보 공동 길이에 관계없이 항상 고차 슈퍼모드 동작을 보입니다. 직선단이 탈보 공동과 연결된 소자에서 298K에서 임계 전류 밀도 3.7kA/cm², 기울기 효율 0.6W/A로 최대 피크 출력 1.3W를 얻었습니다.

연구 방법

QCL 웨이퍼는 고체원 분자 빔 에피택시(MBE)로 n-도핑(Si, 2×10¹⁷cm⁻³) InP 기판 위에 성장했습니다. 활성 영역(AR) 구조는 35주기의 응력 보상 In_0.67Ga_0.33As/In_0.37Al_0.63As 양자 우물과 장벽으로 구성됩니다. 제작 전 전체 웨이퍼 구조는 4µm 하부 InP 클래딩층(Si, 3×10¹⁶cm⁻³), 0.3µm 두께 n-In_0.53Ga_0.47As층(Si, 4×10¹⁶cm⁻³), 35개 활성/주입기 스테이지, 0.3µm 두께 n-In_0.53Ga_0.47As층(Si, 4×10¹⁶cm⁻³), 2.6µm InP 상부 클래딩층(Si, 3×10¹⁶cm⁻³), 0.15µm InP 점진적 도핑층(1×10¹⁷에서 3×10¹⁷cm⁻³로 변화), 0.4µm 고도핑 InP 클래딩층(Si, 5×10¹⁸cm⁻³)입니다.

MBE 에피택시 후, 습식 화학 에칭으로 소자를 식각하고 PECVD로 450nm SiO₂를 증착했습니다. 전기 주입 윈도우 개방 후 상부 금속 접점을 형성했습니다. 탈보 공동과 테이퍼 어레이의 두 섹션은 Au 상부 접점을 통해 전기적으로 연결됩니다. 웨이퍼 기판을 얇게 하고 바닥 접점 금속을 증착했습니다. 웨이퍼를 다이싱 톱으로 약 2mm 길이로 쪼개 탈보 공동 길이를 정밀 제어했습니다. 마지막으로 인듐 솔더로 에피층을 아래로 하여 구리 히트싱크에 솔더링했습니다. 탈보 공동 섹션이 전기적으로 주입되므로 넓은 치수로 인한 열 축적이 발생하며, 향후 전기 절연을 통해 피해야 합니다. 탈보 공동 섹션은 웨이퍼 본딩 및 정렬과 같은 복잡한 제작을 통해 다른 웨이브가이드 물질로 대체될 수 있으며, 위상 고정 동작은 여전히 달성 가능할 것입니다. 그림 1의 탈보 공동 슈퍼모드 분포에 따라 본 연구의 탈보 공동 길이는 Z_t/8로 결정되었으며, 이는 ref. [19]와 유사하게 약 104µm입니다. 그림 2는 소자의 개략도와 현미경 사진을 보여줍니다. 어레이는 5개 테이퍼 소자와 탈보 공동을 포함합니다. 테이퍼 소자는 1mm 길이의 테이퍼 끝단과 약 0.9mm 길이의 직선단으로 구성되며 폭은 10에서 16µm로 변화합니다. 어레이 인접 소자 중심간 간격은 25µm이며, 각 레이저 소자 길이는 약 2mm입니다. 본 논문의 탈보 공동 길이는 모두 약 104µm입니다.

a 어레이 내 테이퍼 소자 개략도; 3D 개략도: b 직선단이 탈보 공동과 연결된 어레이, c 테이퍼 끝단이 탈보 공동과 연결된 어레이, 각각 d와 e의 전면 현미경 이미지에 대응

결과 및 논의

결합 모드 이론에 따르면 위상 고정 어레이의 슈퍼모드 수는 소자 수와 같습니다[24]. 예를 들어 5소자 위상 고정 어레이는 5개 슈퍼모드를 가집니다. 탈보 공동에서 인접 소자 간 결합만 가정하면, 결합 행렬로 다양한 차수 슈퍼모드의 근거리장 분포 패턴을 얻을 수 있습니다[24]. 어레이 측면 치수에 따른 근거리장 세기 변화는 다음과 같이 표현됩니다[25]:

$$ {E}_j\propto \sum \limits_{m=1}^M\sin \left(\frac{mj}{M+1}\pi \right)\exp \left[-\frac{{\left(x-{x}_m\right)}^2}{\omega^2}\right] $$

여기서 j는 슈퍼모드 차수, M은 어레이 소자 수, ω는 각 소자의 가우스 빔 허리, x_m은 각 소자의 중심 위치입니다. 다양한 차수 슈퍼모드 시뮬레이션 결과는 그림 3a에 나와 있습니다. 해당 원거리장 패턴은 근거리장 분포에서 푸리에 변환으로 유도할 수 있으며, 그림 3b에 표시되어 있습니다.

a 5소자 회절 결합 어레이에서 N=1, 3, 5차 슈퍼모드 계산된 근거리장 패턴. 기본 슈퍼모드(N=1)는 직선단이 탈보 공동과 연결된 경우 기반, 고차 슈퍼모드(N=3, 5)는 테이퍼가 탈보 공동과 연결된 경우 기반. b a에 따른 시뮬레이션 원거리장 패턴. c 직선단이 탈보 공동과 연결된 QCL 어레이의 측정된 원거리장 분포. d 테이퍼 끝단이 탈보 공동과 연결된 QCL 어레이의 측정된 원거리장 분포

탈보 공동 위상 고정 어레이의 원거리장 패턴은 어레이 웨이브가이드 면에서 상온 수은-카드뮴-텔루라이드(MCT) 검출기와 록인 기법으로 측정했습니다. QCL 어레이를 회전 스테이지에 장착하고 MCT 검출기로부터 약 25cm 떨어진 곳에 배치했으며, 자체 제작 소프트웨어로 데이터 수집을 제어했습니다. 측정된 탈보 공동 어레이의 원거리장 패턴은 그림 3c, d에 나와 있으며, 각각 직선단 연결 및 테이퍼 끝단 연결 소자에 해당합니다. 그림 3c의 원거리장 분포는 0°에서 강한 중심 로브를 보여 기본 슈퍼모드 동작의 존재를 결합 모드 이론에 따라 나타냅니다. 반치전폭(FWHM)은 약 2.7°로, 회절 한계(D.L.) 발산각에 해당합니다. D.L. 공식: sinθ=1.22λ/d, 여기서 θ는 D.L. 각도, λ는 파장, d는 어레이의 광출력 폭입니다. 16µm 광출력 폭의 테이퍼 단일 방출기에서 D.L. FWHM 발산은 약 21°입니다. 사이드 로브는 약 12°에서 나타나며 단일 방출기 원거리장 엔벨로프의 FWHM 위치와 매우 가깝습니다. 중심 로브와 사이드 로브의 강도는 단일 방출기 원거리장 패턴 분포에 해당합니다. 따라서 사이드 로브는 중심 로브 강도의 절반입니다. 또한 능선 폭을 넓혀 어레이 소자 발산을 줄이면 단일 로브 원거리장 프로파일 어레이를 얻을 수 있습니다. 더 넓은 능선 폭은 테이퍼 확장으로 달성 가능합니다. 그림 3d의 원거리장 패턴은 중심 0° 위치에 로브가 없고 주로 이중 로브를 보여 고차 슈퍼모드 동작을 나타내며, 이는 그림 3b의 3차 슈퍼모드에 해당합니다. 기본 슈퍼모드 동작을 얻기 위해 90~110µm 범위에서 1µm 간격으로 다양한 탈보 공동 길이를 가진 소자를 제작했습니다. 불행히도 테이퍼 끝단이 탈보 공동과 연결된 소자에서는 어떤 탈보 공동 길이에서도 기본 슈퍼모드 동작을 얻을 수 없었습니다.

두 유형 어레이의 원거리장 결과는 ref. [19, 21]의 이론 모델로 설명 가능합니다. 탈보 공동은 서로 다른 슈퍼모드에 대해 다른 등가 반사율을 가진 반사 거울로 근사할 수 있으며, 높은 등가 반사율은 높은 이득 효율과 낮은 임계 이득을 의미합니다. 등가 반사율 계산 및 시뮬레이션은 ref. [19]와 유사합니다. 그림 4는 탈보 공동 길이에 따른 다양한 차수 슈퍼모드의 등가 반사율 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. 위상 고정 어레이에서 N=2, 4차 슈퍼모드는 항상 N=1, 3, 5차보다 큰 웨이브가이드 손실을 가지므로 여기서는 생략했습니다. 직선단 연결 탈보 공동 어레이에서 기본 슈퍼모드는 Z_t/8 근처에서 고차 슈퍼모드에 비해 가장 높은 등가 반사율과 큰 차별성을 가집니다. 테이퍼 끝단 연결 탈보 공동의 경우 기본 슈퍼모드와 고차 슈퍼모드 간 차별성이 상대적으로 작습니다. 이 경우 테이퍼 끝단 연결 소자에서 약한 모드 차별성으로 인해 레이저는 3차 슈퍼모드로 동작하는 경향이 있습니다.

5소자 탈보 공동 QCL 어레이에서 N=1, 3, 5차 슈퍼모드의 이론적 등가 반사율 강도가 탈보 공동 길이에 따라 변화: 위쪽은 직선단 연결, 아래쪽은 테이퍼 끝단 연결

방출 광출력은 보정된 열전퇴 검출기로 레이저 웨이브가이드 면 바로 앞에서 측정했습니다. 스펙트럼 측정은 0.25cm⁻¹ 분해능의 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광계로 빠른 스캔 모드에서 수행했습니다. 그림 5a는 298K에서 펄스 모드 전류-전력(P-I) 특성을 보여주며, 전류 드라이버는 2kHz, 듀티 사이클 0.2%로 유지되었습니다. 직선단 연결 탈보 공동 QCL 어레이에서 298K에서 총 피크 출력 1.3W, 임계 전류 밀도 3.7kA/cm², 기울기 효율 0.6W/A를 얻었습니다(파란 선). 반면 테이퍼 끝단 어레이는 임계 전류 밀도 3.4kA/cm², 기울기 효율 0.65W/A로 1.6W 출력을 보였습니다(보라 선). 대조적으로 2mm × 10µm 단일 레이저 소자는 최대 피크 출력 0.41W, 임계 전류 밀도 3kA/cm², 기울기 효율 1W/A를 보였습니다. 기본 동작 어레이의 출력은 단일 방출기의 3배입니다. 시험 결과를 간단히 정리하면 표 1에 요약되어 있습니다. 소자당 평균 출력은 단일 방출기의 약 63%로 ref. [19]보다 높습니다. Ref. [26]은 내부 공동 탈보 필터를 통합한 위상 고정 QCL 어레이를 보고했는데, 개별 어레이 소자 평균 출력이 단일 방출기의 43%였습니다. 습식 식각으로 인한 두 원형 접합의 추가 광학 손실로 인해 하나의 접합만 있는 소자보다 효율이 낮습니다. Ref. [27]은 6소자 탈보 공동 통합 소자로 단일 방출기의 5배 출력, 약 83% 결합 효율을 보고했습니다. 우리 소자의 낮은 효율은 탈보 공동의 강한 에지 회절 손실과 습식 식각 제작 때문일 가능성이 큽니다. 향후 건식 식각 도입과 테이퍼 영역 길이 증대로 추가 출력 확대를 도모해야 합니다. 그림 4a 인셋은 실온 1.3I_th에서 위상 고정 어레이의 레이징 스펙트럼을 보여줍니다. 중심 파장은 4.8µm로 측정되었으며, 종모드 선택 메커니즘 부재로 다중 모드 특성을 보입니다. 단일 모드 스펙트럼은 상부 클래딩층에 분산 피드백(DFB) 격자 도입으로 달성 가능합니다. 넓은 QCL 및 QCL 어레이의 열 특성은 유한요소 소프트웨어 COMSOL로 시뮬레이션했습니다. 고정 능선 폭 10µm, 어레이 소자 간격 0~20µm를 5µm 단계로 변화시켰습니다. 그림 5b는 어레이 소자 간격에 따른 활성 영역 온도 변화를 보여줍니다. 넓은 능선 소자의 활성 영역 온도는 탈보 공동 소자보다 약 20K 높습니다.

a 298K에서 직선단(파란 선)/테이퍼 끝단(보라 선) 연결 탈보 공동 QCL 어레이 및 2mm × 10µm 단일 레이저(녹색 선)의 주입 전류에 따른 총 피크 출력 변화. 모든 소자는 공동 양면에 코팅 없음. 전류 드라이버 2kHz, 듀티 사이클 0.2% 유지. 인셋: 임계 전류 1.3배에서 직선단 어레이의 레이징 스펙트럼, 약 4.8µm에서 피크. b 어레이 소자 간격에 따른 QCL 어레이 활성 영역 온도 변화. 능선 폭 10µm 고정, 간격 0~20µm, 5µm 단계

결론

결론적으로, 테이퍼형 QCL 어레이를 직선단과 테이퍼 끝단에 각각 탈보 공동과 통합하여 시연했습니다. 직선단에 탈보 공동을 통합한 소자는 4.8µm 방출 파장에서 D.L. 발산 2.7°의 기본 모드 원거리장 패턴을 보입니다. 직선단 어레이에서 기울기 효율 0.6W/A로 1.3W 출력을 얻었습니다. 탈보 공동 위상 고정 어레이는 매우 가까운 결합 거리가 필요하지 않으므로 이반센트파 결합 어레이보다 열 축적이 적습니다. 이러한 소자는 D.L. 발산을 가진 고휘도 QCL 어레이의 고듀티 사이클 동작에 잠재력이 있습니다. 향후 연구는 적절한 어레이 소자 능선 폭과 간격 선택, 매립 능선 웨이브가이드 사용, 마이크로 임핑먼트 쿨러를 통한 열 관리에 집중해야 합니다[28]. 또한 활성 영역의 캐스케이드 수 감소는 고휘도 QCL의 고듀티 사이클 동작에 크게 기여할 것입니다[29].

약어

AR:

활성 영역

CW:

연속파

D.L.:

회절 한계

DFB:

분산 피드백

FWHM:

반치전폭

I_th:

임계 전류

MBE:

분자 빔 에피택시

MCT:

수은-카드뮴-텔루라이드

MOVPE:

금속 유기 기상 증착

PECVD:

플라즈마 강화 화학 기상 증착

P-I:

전력-전류

QCL:

양자 캐스케이드 레이저

WPE:

벽면 플러그 효율