매립 샘플링 그레이팅 양자 계단 레이저에서 고출력, 저임계치, 안정적 단일 모드 동작

요약

λ ~ 4.87µm에서 발광하는 매립 샘플링 그레이팅을 적용한 매립 분산 피드백 양자 계단 레이저(QCL)에서 고출력, 저임계치, 안정적 단일 모드 동작을 입증했습니다. 최적화된 샘플링 그레이팅의 광장 분포 덕분에 6mm 및 4mm 캐비티 길이에서 20°C 기준 각각 948mW와 649mW의 높은 연속파(CW) 출력 전력을 얻었습니다. 두 끝면의 클리브 위치를 정밀 제어하여 단일 모드 수율을 크게 향상시켰습니다. 그 결과, 다양한 히트싱크 온도나 높은 주입 전류에서도 모드 호핑 없이 선형적으로 모드 튜닝이 가능한 안정적 단일 모드 발광을 달성했습니다.

서론

양자 계단 레이저(QCL)는 첫 시연 이후 넓은 파장 커버리지, 소형 크기, 높은 출력 전력 등의 특징으로 원격 감지, 고분해능 분광학, 산업 공정 모니터링 등의 응용에서 가장 유망한 중적외선 광원으로 주목받아 왔습니다[1-4]. 이러한 응용에서는 단일 모드 발광과 높은 출력 전력이 일반적으로 요구되며, 이는 분산 피드백(DFB) QCL로 달성 가능합니다. 매립 그레이팅 방식은 표면 그레이팅 대비 더 작은 도파로 손실, 낮은 임계 전류 밀도, 높은 단일 모드 수율로 널리 채택되었습니다[5,6]. 현재까지 매립 그레이팅 기반 DFB QCL의 단일 모드 안정성과 출력 전력 향상에서 일련의 중요한 돌파구들이 있었습니다[7,8], 하지만 매립 그레이팅의 과도 결합 피드백 메커니즘이 출력 전력 추가 향상을 방해합니다. 4.6~5µm 대역 매립 균일 그레이팅 DFB QCL의 대표적 CW 출력 전력은 상온에서 300mW 미만입니다[5,9]. 이론적으로 그레이팅 깊이와 듀티 사이클 최적화로 매립 그레이팅의 결합 계수를 개선할 수 있으나, 활성 영역 근처 반도체 층의 그레이팅 식각 프로파일에 분산 피드백 성능이 매우 민감합니다. 식각 깊이와 듀티 사이클의 미세한 변동이 그레이팅 결합 계수에 강한 영향을 줍니다[10,11]. 또한 저비용 홀로그래픽 리소그래피와 습식 화학 식각으로 그레이팅 깊이와 듀티 사이클을 정밀 제어하여 결합을 개선하는 것도 어렵습니다. 일반적으로 통상 DFB QCL은 브래그 주파수에서 약간 어긋난 두 주파수에서 발진하며, 엔드 페이싯 랜덤 위상에 따른 광손실에 따라 레이징 모드가 결정됩니다[12-14].

본 연구에서는 작은 샘플링 듀티 사이클의 매립 샘플링 그레이팅을 사용하여 결합 계수 최적화와 광장 분포 개선을 제안합니다. 이 방법의 두드러진 장점은 바람직한 그레이팅 결합 강도를 유지하면서 소자 캐비티 길이를 늘려 충분한 광이득을 확보할 수 있다는 점입니다. 단일 모드 수율과 궁극적 성능 향상을 위해 두 끝면의 클리브 위치를 정밀 제어하여 엔드 페이싯 랜덤 위상 효과를 회피했습니다. 한편 이 접근법은 낮은 임계 전류 밀도를 위한 작은 도파로 손실 이점을 유지하며 매립 헤테로구조 공정과 호환됩니다. 또한 샘플링 그레이팅은 통상 홀로그래픽 노광과 광학 리소그래피 조합만으로 제작 가능하여 유연성, 반복성, 비용 효율성이 향상됩니다. 결과적으로 λ ∼ 4.87µm에서 저임계치 고출력 단일 모드 DFB QCL을 매립 샘플링 그레이팅 구조로 동시에 달성했습니다. 이 DFB-QCL의 임계 전류 밀도는 1.05 kA/cm²까지 낮으며, 6mm 캐비티 소자에서 단일 페이싯 기준 20°C CW 출력 전력 948mW를 기록했습니다.

실험 방법

그림 1a는 균일 그레이팅 DFB QCL 개요도이며, I, II, III, IV 표시는 네 가지 가능한 클리브 엔드 페이싯 위치를 나타냅니다. 나노스케일 균일 그레이팅의 클리브 페이싯 위치를 정밀 제어하기 어렵기 때문에, 클리브 페이싯 위치가 랜덤하여 소자마다 발광 모드가 다릅니다. 여기서는 MATLAB을 이용한 전달 행렬법으로 네 가지 클리브 엔드 페이싯 위치 I, II, III, IV에 대한 두 사이드 모드의 손실 차이 절대값과 모드 손실 스펙트럼을 시뮬레이션 및 계산했습니다. 그림 1b는 네 가지 클리브 위치의 모드 손실 차이 절대값이며, 가로축은 I, II, III, IV의 상대적 위상을 나타냅니다(다른 페이싯이 그레이팅 피크에서 시작하여 위상 0에 대응한다고 가정하면, I, II, III, IV의 위상은 각각 0, π/2, π, 3π/2). 그림 1c~f는 네 가지 클리브 위치의 모드 손실 스펙트럼 상세입니다. 보듯이 레이징 모드와 손실 차이는 페이싯 랜덤 위상에 따라 소자마다 다릅니다. 그림 2a는 동일한 전달 행렬법으로 시뮬레이션한 네 가지 클리브 위치에 대한 정규화된 광장 분포입니다. 그림 2b,c는 양쪽 엔드 페이싯 근처 광장 분포 확대도입니다. 양쪽 엔드 페이싯 강도가 완전히 대칭적이지 않은데, 이는 양쪽 엔드 페이싯 위치가 비대칭적이기 때문입니다. 여기서는 결합 강도 κ×L = 17인 과도 결합 상황을 보여줍니다. 소자 중심의 광강도 피크가 양쪽 끝으로 급격히 감쇠하여 심각한 공간 홀 버닝을 유발할 수 있으며, 이는 안정적 단일 모드 동작을 어렵게 만듭니다[15].

그림 1. (a) 균일 그레이팅 구조도; I, II, III, IV는 네 가지 가능한 클리브 엔드 페이싯 위치. (b) I, II, III, IV 클리브 위치별 모드 손실 차이 절대값, 가로축은 해당 위상. (c)~(f) I, II, III, IV 클리브 위치별 모드 손실 스펙트럼 상세

그림 2. (a) 네 가지 클리브 위치에 대한 균일 그레이팅 구조의 광장 분포. (b),(c) 양쪽 엔드 페이싯 근처 광장 분포 확대

여기서 샘플링 그레이팅 구조를 도입하여 샘플링 주기 P = 15µm, 블록 길이 u = 5µm(샘플링 듀티 사이클 σ = u/P = 1/3)로 광강도 분포를 개선했습니다(그림 3a). 그림 3a의 세로 점선은 블록 영역에서 벗어난 클리브 페이싯 위치를 나타내며, 엔드 페이싯 랜덤 위상 유입을 회피합니다. 유효 결합 계수 κ_eff는 균일 그레이팅 결합 계수 κ에 샘플링 그레이팅 듀티 사이클 σ를 곱한 값으로 단순 표현 가능합니다(κ_eff = κ×σ)[16]. 따라서 샘플링 그레이팅의 듀티 사이클로 결합 계수를 임의로 조절할 수 있어 샘플링 그레이팅 결합 강도 최적화에 유리하며, 결과적으로 출력 전력 향상이 가능합니다. 그림 3b는 전달 행렬법으로 계산한 샘플링 그레이팅 투과 스펙트럼(파란 선)과 펄스 조건 하 측정한 전기발광(EL) 스펙트럼(빨간 선)입니다. λ₋₁과 λ₊₁은 샘플링 그레이팅이 도입한 추가 슈퍼모드입니다. 인접 슈퍼모드의 스펙트럼 간격은 Δλ = λ_B²/(2n_effP)로 계산되며, n_eff는 도파로 유효 지수, λ_B는 기본 균일 그레이팅의 브래그 파장입니다[17]. 슈퍼모드 존재가 단일 모드 안정성에 영향을 줄 수 있으나, 작은 샘플링 주기 P 선택으로 슈퍼모드를 이득 곡선 중심에서 멀리 설계할 수 있습니다. 본 연구에서 기본 브래그 그레이팅 주기 Λ, 샘플링 주기 P, 도파로 유효 지수 n_eff, 듀티 사이클 σ는 각각 0.758µm, 15µm, 3.21, 1/3이므로 인접 슈퍼모드 간격은 약 246nm입니다. 그림 3b에서 브래그 파장(0차)은 이득 곡선 피크 근처에 설계되었으며, ±1차 파장은 이득 곡선 중심에서 각각 246nm 떨어져 있습니다. 따라서 본 연구에서 0차 모드에서 안정적 단일 모드 레이징을 달성할 수 있습니다. 그림 4a는 다양한 주입 전류에서 샘플링 그레이팅의 시뮬레이션 광장 분포입니다. 샘플링 그레이팅 구조에서 양쪽 엔드 페이싯의 광장 강도 분포가 극적으로 개선되었음을 볼 수 있으며, 이는 출력 전력 주요 향상에 대응합니다. 그림 4b는 한 엔드 페이싯 근처 광장 분포 확대도, 그림 4c는 주입 전류에 따른 엔드 페이싯 광장 상대 강도 상세 변동입니다. 그림 4b에서 광장 분포 프로파일이 매끄럽지 않고 요동치는데, 이는 각 샘플링 주기 내 블록 영역과 비그레이팅 영역 간 '계면 반사'로 인한 '국소적' 에너지 밀도 집중 때문입니다. 또한 그림 4c에서 엔드 페이싯 상대 강도 분포 변동이 주입 전류에 대해 비선형적이며, 이는 소자의 전력-전류 곡선 비선형성을 유발할 수 있습니다.

그림 3. (a) 샘플링 그레이팅 구조도, 세로 점선은 클리브 페이싯 위치, P는 샘플링 주기, u는 한 샘플링 주기 내 그레이팅 영역 길이. (b) 파란 선: 설계된 샘플링 그레이팅 계산 투과 스펙트럼, 빨간 선: 제작 웨이퍼 측정된 EL 스펙트럼

그림 4. (a) 다양한 주입 전류에서 샘플링 그레이팅 시뮬레이션 광장 분포. (b) 한 엔드 페이싯 근처 광장 분포 확대. (c) 주입 전류에 따른 엔드 페이싯 광장 상대 강도 상세 변동

QCL 구조는 고체 소스 분자선 에피택시(MBE)로 n-InP(Si, 2×10¹⁷ cm⁻³) 기판 위에 성장시켰습니다. 활성 코어는 40단계의 변형 보상 In_0.67Ga_0.33As/In_0.37Al_0.63As 양자 우물과 배리어로 구성되어 전자 전이 채널을 제공하며, 상하 InGaAs 컨파인먼트 층으로 둘러싸여 있습니다. 그레이팅은 이중 빔 홀로그래픽 리소그래피와 통상 광학 리소그래피 조합으로 상부 InGaAs 컨파인먼트 층에 정의되었습니다. 이후 상부 도파로 층을 MOVPE로 성장시켰습니다. 웨이퍼를 평균 코어 폭 약 10µm의 더블 채널 리지 도파로 레이저로 가공하고 반절연 InP:Fe로 채워 효율적 열 제거를 도모했습니다. 450nm 두께 SiO₂ 층을 PECVD로 증착해 절연했고, 전자빔 증착으로 Ti/Au 층을 증착해 전기 접촉을 형성했습니다. 추가로 5µm 두께 금 층을 전기 도금해 방열을 개선했습니다. 약 140µm까지 얇게 연마한 후 기판 측에 Ge/Au/Ni/Au 금속 접촉 층을 증착했습니다. 도파로를 4mm와 6mm 길이 바로 클리브했고, 고반사율(HR) 코팅(Al₂O₃/Ti/Au/Al₂O₃, 200/10/100/120nm)을 전자빔 증착으로 한 페이싯에 증착하고 다른 페이싯은 언코팅 상태로 두어 에지 발광 전력 측정에 사용했습니다. 마지막으로 레이저를 에피층이 아래로 향하게 다이아몬드 히트싱크에 인듐 솔더로 마운트했고, 이를 구리 히트싱크에 솔더링하여 효율적 열 방출을 구현했습니다.

결과 및 논의

소자 스펙트럼은 0.25cm⁻¹ 분해능의 푸리에 변환 적외선 분광계로 측정했습니다. 레이저를 서미스터와 열전 냉각기가 결합된 홀더에 마운트하여 서브마운트 온도 모니터링 및 조절을 수행했습니다. 방출 광전력은 보정 없이 레이저 페이싯 앞에 놓인 보정된 열파일 검출기로 측정했습니다.

그림 5와 6은 각각 4mm와 6mm 캐비티 길이 샘플링 그레이팅 DFB QCL의 발광 스펙트럼과 광-전류-전압(L-I-V) 특성입니다. 모든 테스트 과정에서 스펙트럼이 주입 전류나 온도 변화에 따라 선형적으로 변합니다. CW 모드에서 20°C 기준 4mm와 6mm 캐비티 길이 소자의 최대 광출력은 각각 1.2A와 1.4A에서 649mW와 948mW입니다. 또한 20°C에서 4mm와 6mm 캐비티 길이 소자의 낮은 CW 임계 전류 밀도 1.59 kA/cm²와 1.05 kA/cm²를 달성하여 매립 그레이팅의 작은 도파로 손실과 낮은 임계 전류 밀도 이점을 충분히 반영합니다. 레이징 스펙트럼에서 레이징 모드가 온도나 주입 전류 변화에 따라 선형적으로 변하여 모드 호핑이 발생하지 않음을 확인했습니다. 다만 전력-전류 곡선은 비선형적인데, 이는 앞서 분석한 샘플링 그레이팅 구조의 광장 분포 요동과 주입 전류에 따른 엔드 페이싯 광장 강도 비균일 변화 때문입니다.

그림 5. 4mm 캐비티 샘플링 그레이팅 DFB QCL의 (a) 단일 모드 CW 발광 스펙트럼 (약 1.1×I_th 전류에서 15~70°C 히트싱크 온도별). 인셋: 20°C에서 0.63~1.08A 주입 전류별 CW 발광 스펙트럼 (0.05A 단계). (b) 다양한 온도에서 4mm 캐비티 샘플링 그레이팅 DFB QCL의 CW L-I-V 특성

그림 6. 6mm 캐비티 샘플링 그레이팅 DFB QCL의 (a) 단일 모드 CW 발광 스펙트럼 (약 1.1×I_th 전류에서 15~70°C 히트싱크 온도별). 인셋: 20°C에서 0.63~1.38A 주입 전류별 CW 발광 스펙트럼 (0.05A 단계). (b) 다양한 온도에서 6mm 캐비티 샘플링 그레이팅 DFB QCL의 CW L-I-V 특성

그림 7은 실온에서 약 1.25×I_th 펄스 동작 시 소자의 원방 패턴입니다. 그림 7a는 리지 폭 방향 원방 패턴, 그림 7b는 에피택시 성장 방향 원방 패턴입니다. 실험 연구에 따르면 매립 그레이팅 구조에서 표면 금속 그레이팅 구조보다 기본 횡모드가 더 쉽게 레이징 모드가 되는데, 표면 금속 그레이팅에서는 기본 횡모드와 상부 금속 접촉 간 결합으로 기본 횡모드 손실이 증가하기 때문입니다[6]. 이에 따라 우리 실험에서 리지 폭 방향 FWHM 28.2°의 단일 로브 기본 횡모드 원방 패턴을 얻었습니다. 매립 그레이팅 구조의 또 다른 뚜렷한 장점은 레이징 모드가 일반적으로 단일 로브 원방 패턴을 가진 기본 횡모드라는 점으로, 이는 콜리메이션에 유리합니다. 또한 에피택시 성장 방향에서 작은 발광 조리개(파장과 같은 차수)로 인해 50.1°의 큰 FWHM을 얻었습니다.

그림 7. (a) 리지 폭 방향 원방 패턴. (b) 에피택시 성장 방향 원방 패턴

결론

결론적으로 저임계치, 고출력, 안정적 단일 모드 발광 샘플링 그레이팅 DFB QCL을 달성했습니다. 최대 CW 출력 전력과 임계 전류 밀도는 6mm(4mm) 캐비티에서 각각 0.948W(0.649W)와 1.05 kA/cm²(1.59 kA/cm²)입니다. 작은 샘플링 듀티 사이클 도입으로 결합 강도를 줄여 광장 분포의 주요 개선을 실현했습니다. 단일 로브 원방 패턴도 관측되었습니다. 따라서 매립 분산 피드백 양자 계단 레이저에 샘플링 그레이팅을 적용하는 것은 고출력, 저임계치, 안정적 단일 모드 발광과 높은 단일 모드 수율을 가진 소자 구현의 간단하고 효과적인 방법입니다.

약어

CW:

연속파

DFB:

분산 피드백

EL:

전기발광

FWHM:

반값 전폭

HR:

고반사율

L-I-V:

광-전류-전압

MBE:

분자선 에피택시

MOVPE:

금속 유기 화학 기상 증착

PECVD:

플라즈마 강화 화학 기상 증착

QCL:

양자 계단 레이저