고출력 DBR 양자 캐스케이드 레이저에서 관측된 비정상 단파장 모드 홉

초록

7.6 µm 근처 방출 분산 브래그 반사기(DBR) 양자 캐스케이드 레이저(QCL)에서 예기치 않은 단파장 모드 홉 보고. 이득 구간과 비펌프 브래그 구간 2섹션 소자, 실온 0.6 W 이상 CW 출력. 온도나 주입 전류 상승 시 통상적 장파장 드리프트와 달리 레이징 모드 가끔 단파장으로 점프. 모드 분석 결과 온도 유도 굴절률 변화가 종파장을 브래그 피크보다 빠르게 이동시켜 관찰된 전이 유발함.

서론

양자 캐스케이드 레이저는 전도대 내 준위간 전이 동작으로 기존 반도체 레이저와 차별화, 중-원적외선 방출 가능. 광범위 스펙트럼 커버리지로 가스 센싱, 고분해능 분광, 산업 모니터링 필수. 단 많은 응용 좁은 선폭, 고출력 요구. 분산 피드백(DFB) 및 외부 공진기(EC) QCL 통상 단일모드이나 ~100 mW 출력, 좁은 튜닝 범위 한계. DBR QCL은 고출력 단일모드 방출 콤팩트 플랫폼이나 상세 스펙트럼 거동 미탐구. 본 연구 DBR QCL 제시, 비정상 모드 호핑 심층 조사.

방법

DBR 격자 이중빔 홀로그래픽 간섭계로 정의. 소자 이득 구간(L_G), DBR 구간(L_DBR), 전류 분리 그루브 구성. QCL 코어 n-InP 위 고체 소스 MBE 성장, 50개 변형 보상 In₀.₅₈Ga₀.₄₂As/In₀.₄₇Al₀.₅₃As 양자 우물(두께 시퀀스 원문 참조). 100 nm SiO₂ 상부 컨파인먼트 층 증착; DBR 영역 ~130 nm 깊이 식각, SiO₂ 제거. 상부 도파관 MOVPE 재성장, 3 µm 상부 InP 클래딩, 0.15 µm 그레이드 도핑 InP, 0.85 µm 고도핑 InP 콘택트 층. 웨이퍼 이중 채널 리지 도파관(코어 폭 ≈10 µm) 가공, 반절연 InP:Fe 열적/전기적 분리. 200 µm 전류 분리 그루브(깊이 1.1 µm) 이득, DBR 구간 분리. SiO₂ 절연 후 Ti/Au 콘택트 증착, 5 µm Au 전기도금 열 싱크. 소자(6 mm) 4.3 mm 이득, 1.5 mm DBR, 0.2 mm 분리 영역으로 클리브, 에피층 다운 다이아몬드 열 싱크, 구리 마운트 솔더링.

결과 및 논의

방출 스펙트럼 푸리에 변환 적외선 분광계(0.125 cm⁻¹ 분해능) 기록. P-I-V 특성 보정 열전퇴 검출기 측정. 레이저 서브마운트 온도 제어용 서미스터, 열전 냉각기 장착 홀더 마운트. 그림 2a 1.005 I_th CW 스펙트럼, 열싱크 온도 20-70°C 2°C 단계 변화. 그림 2b 삽입 24°C 스펙트럼 로그 스케일, 측면 모드 억제비(SMSR) ≈25 dB. 기존 DFB QCL이 온도/전류 선형 장파장 시프트와 달리 DBR 소자 온도 상승 시 비정상 단파장 모드 홉 나타냄. 모드 선택 메커니즘 분석 위해 그림 3a 실측 웨이퍼 이득 곡선, 계산 브래그 반사 프로파일(1.5 mm 격자 98% 반사율). 그림 3b 모식도: 이득, 브래그 피크, 종모드 온도 따라 이동. 이득 피크 -0.581 cm⁻¹ K⁻¹, 브래그 피크 -0.128 cm⁻¹ K⁻¹ 이동. 브래그 피크 이득 단파장 측 유지, 종모드 굴절률 변화 따라 결국 브래그 피크보다 빠르게 이동, 다음 가용 종모드로 모드 홉 강제. 이 비정상 홉 설명. 종모드 간격 유효 공진기 길이로 계산: L_eff = (1/2κ) tanh(κL_DBR), κ = (1/Λ)(Δn̄/n̄). 1.5 mm 물리적 DBR L_eff ≈0.291 mm, 이론 간격 0.328 cm⁻¹, 실험 관측 0.12 cm⁻¹ 간격과 우수 일치. 그림 5 주입 전류 증가서 동일 현상. 최초 비정상 홉 0.904 cm⁻¹(세 모드 건너뜀), 이후 0.301 cm⁻¹ 홉. P-I 곡선 각 홉서 명확 불연속, 표준 DFB QCL서 없음. 그림 6 DBR 레이저 4 mm 페브리-페로(FP) 레이저 비교. FP 987 mW, DBR 20°C 656 mW, 70°C 235 mW 장파 IR QCL 최고 단일모드 출력. 시뮬레이션 광장 분포(그림 6b) DBR 이득 구간 고강도 유지, DBR 구간 급감쇠, 과도 커플링 없이 장공진기 동작 가능, DFB 레이저 대비 이점.

결론

실온 0.6 W 초과 CW 출력 고출력 DBR QCL 시연. 비정상 단파장 모드 홉 상세 분석으로 DBR 소자 모드 선택 역학 통찰 제공. DBR 구조 장공진기 단일모드 동작, 우수 출력 추출 가능, 고출력 중적외선 레이저 응용 유망 플랫폼 입증.

데이터 및 재료 가용성

모든 데이터 제한 없이 완전히 이용 가능.

약어

CW

연속파

DBR

분산 브래그 반사기

DFB

분산 피드백

EC

외부 공진기

FP

페브리-페로

MBE

분자빔 에피택시

MOVPE

금속유기 기상 증착

P-I-V

전력-전류-전압

QCL

양자 캐스케이드 레이저

SMSR

측면 모드 억제비