광자 수정 레이저
JEOLnews 49권 1호, 2014
노다 스스무
교토대학 전자공학부
개요
반도체 분산형 피드백 레이저는 1,2차원 격자를 가지고 있으며, 이 격자에 의해 순방향으로 전파되는 파동이 브래그 반사를 일으키고 반대 방향으로 회절된다는 것은 잘 알려져 있다. 결과적으로 발생하는 전진 및 후진 전파는 서로 결합하여 정재파를 생성하여 공동을 형성합니다. 이는 XNUMX차원 광자 결정에서 광자 밴드갭의 양단인 밴드 가장자리에서 캐비티 손실이 가장 작아 진동을 일으키는 상태가 되는 것과 같다. 이 아이디어를 요오도당 XNUMX차원 광결정으로 확장하면 XNUMX차원 평면 내에서 브래그 반사로 인한 광파의 결합을 이용하여 전체 표면을 덮는 정상파 상태를 형성할 수 있습니다. 평면 [XNUMX] . 그 결과, XNUMX차원 결정의 각 격자점에서 완벽하게 정의된 전자기장 분포를 갖는 발진 모드를 얻는 것이 가능해진다. 광학 출력은 결정면에 수직인 방향으로 회절될 수 있으므로 표면 발광 특성을 실현합니다. 따라서 XNUMX차원 광결정은 레이저의 세로 모드뿐만 아니라 일반적으로 가로 모드라고 하는 빔 패턴이 정의된 표면 방출 레이저의 구성을 가능하게 합니다. 또한, 레이저 연구 분야에서 기존의 개념을 뛰어넘는 표면적이 아무리 크더라도 하나의 종방향 및 횡방향 모드로 진동하는 새로운 레이저를 실현하는 것이 가능합니다.
이 원리에 기초한 최초의 반도체 레이저는 1999년에 실현되었다[1]. 그 이후로 실온 연속 레이저의 시연 외에도 2차원 광결정이 제어된 편광 및 패턴을 가진 빔을 생성할 수 있음이 밝혀졌습니다. 예를 들어, 도넛 모양의 빔이 형성될 수 있으며, 이는 파장보다 작은 크기로 초점을 맞출 수 있을 것으로 예상됩니다[6-7]. 이 원리를 사용하는 다른 주목할만한 최근 개발은 전류 주입형 청자색 면 발광 작동과 전자적 빔 조향 작동의 실현이다[8, XNUMX]. 다음 섹션에서 최신 기술에 대해 설명합니다.
기본 장치 구조 및 작동 원리
그림 1 는 1차원 광결정 밴드-에지 효과에 기반한 레이저의 예를 보여줍니다. 이 레이저는 A와 B의 두 웨이퍼로 구성됩니다. 웨이퍼 A는 전자와 정공 주입을 위한 활성층과 최상층으로 광결정을 포함한다. 웨이퍼 A와 B의 통합으로 인해 광결정이 샌드위치되어 장치가 완성됩니다. 그림 180의 삽입물에서 보는 바와 같이 이 광결정은 사각 격자 구조를 가지며 Г-X 방향의 주기성이 활성층의 발광 파장과 일치하도록 설계되어 있다. 이 설계에서 특정 Г-X 방향으로 전파하는 빛은 -90° 및 90° 방향뿐만 아니라 반대 방향(-XNUMX°)으로 브래그 회절됩니다. Г-X 방향으로 전파되는 XNUMX개의 등가 광파는 결합하여 XNUMX차원 공동을 형성합니다. 보다 정확하게는, 이러한 기본적인 XNUMX개의 파동 외에 고차 Bloch 파동이 XNUMX차원 캐비티 모드의 구성에 포함됩니다(참조 Fig. 2(ㅏ)). 그림 2(b)는 이 캐비티의 포토닉 밴드 구조를 보여줍니다. 레이징 모드는 A, B, C 및 Kyoto 615-8510, Japan, E-mail의 XNUMX개 밴드의 Г-포인트에서 빨간색 점으로 표시된 밴드 가장자리에서 발생합니다. [이메일 보호] (2014) Vol. 49 No.1 JEOL News 30 D. 상세한 분석[9]에 따르면 밴드 A와 B의 밴드 에지 중 어느 하나가 가장 높은 Q factor를 생성하며, 그곳에서 레이저 발진이 가장 쉽게 발생한다. 출력 빔은 광자 결정 표면에 수직인 방향으로 결합될 수 있습니다.
그림 1 XNUMX차원 광결정 밴드 에지 효과에 기반한 레이저의 예에 대한 개략도. 삽입 된 그림은 정사각형 격자 구조의 광자 결정을 보여줍니다.
그림 2 (a) XNUMX차원 캐비티 모드를 구성하는 블로흐파, (b) 광자대 구조.
광역 코히런트 진동 및 빔 패턴 제어
도 1에 도시된 소자를 구성하기 위해 전자빔 리소그래피 및 건식 에칭 기술에 의해 광결정을 제조하고 웨이퍼 본딩 기술에 의해 소자에 매립하였다. 장치는 그림과 같이 넓은 영역에서 일관되게 성공적으로 진동했습니다. Fig. 3. 150 × 150 μm의 넓은 레이저 영역에도 불구하고 장치 전체에서 단일 파장 작동이 달성되었음을 알 수 있습니다.
이러한 광역 코히어런트 발진을 실현하는 능력은 기존의 반도체 레이저로는 실현할 수 없는 매우 독특한 빔 패턴을 생성할 수 있게 해줍니다. 광결정 레이저의 면발광 빔의 패턴은 XNUMX차원 전자기 분포의 푸리에 변환에 의해 결정될 수 있기 때문에 빔 패턴은 XNUMX차원 평면의 전자기 분포를 변화시켜 조정할 수 있습니다. XNUMX차원 평면에서 다양한 방향으로 전파되는 빛의 결합 상태를 변경함으로써. 이를 달성하는 효과적인 방법 중 하나는 광결정에서 격자점의 모양과 간격을 변경하는 것입니다. 그림 4(a)와 (b)는 격자점에 위치한 구멍이 각각 원과 정삼각형일 때 결정의 단위격자에서의 전자기장 분포를 보여준다. 구멍의 모양을 원형에서 삼각형으로 변경하면 전자기장 분포에서 4중 회전 대칭이 제거됩니다. 삼각형 구멍의 경우 x 방향에는 대칭이 없습니다. 그림 4(c) – (g)는 세로 또는 가로 방향으로 격자 간격을 늘리기 위해 격자 점의 이동이 도입된 경우 전체 결정에 대한 전자기장 분포를 보여줍니다. 그림 4(c)는 이동이 없는 경우를 나타내는 반면, 그림 XNUMX(d) – (g)는 증가하는 이동 수를 나타냅니다. 격자 간격을 이동하면 이동 위치에서 전자기장 분포의 극성이 반전된다는 것이 분명합니다. 이동 횟수를 더 늘리면 전자기장의 반전이 반복됩니다. 광결정의 적절한 설계로 평면내의 전자기장 분포를 다양하게 제어할 수 있음은 자명하다.
우리는 다음과 같이 다양한 광자 결정 구조를 가진 장치를 제작했습니다. Fig. 5 (a) –5(f) . 이 모든 장치는 안정적인 단일 모드로 실온에서 레이저 발진을 나타냅니다. 그림 5(a)-9(f)의 오른쪽 패널은 해당 측정 빔 패턴을 보여줍니다. 단일 도넛 모양에서 두 겹 도넛 모양, 네 겹 도넛 모양 및 규칙적인 원형 모양에 이르기까지 흥미로운 패턴 배열이 얻어졌습니다. 빔 발산은 매우 좁았는데, 이는 이들이 넓은 영역의 간섭성 레이저 발진이라는 사실을 반영합니다. 그림 5(a)의 장치에는 규칙적인 원형 구멍이 있으며 해당 전자기장 분포는 그림 4(a)와 같이 잘 정의된 회전 대칭을 나타냅니다. 이 전자기장 분포에 해당하는 레이저 광이 자유 공간으로 출력되면 빔 중앙의 전자기장이 상쇄되어 도넛 모양의 빔을 생성합니다. 한편, 삼각형 격자 구멍(Fig. 5(f))은 Fig. 4(b)와 같이 전자기장 분포의 회전 대칭성을 제거한다. 그림 4(a)의 빔 중심에서 제거 효과도 손실되어 깨끗한 원형 패턴을 생성합니다. 이 경우 편파도 다르며 선형입니다. 이러한 비대칭 효과를 도입하는 것은 다음 섹션에서 설명하는 것처럼 수직 방향에서 더 큰 광 추출 효율을 가능하게 하여 높은 광 출력을 달성하는 핵심 요소입니다. 다음 섹션에서는 훨씬 더 높은 전력 작동을 위해 오른쪽 이등변 삼각형 모양의 공기 구멍 형태의 상당히 비대칭 구조가 사용되었습니다.
그림 3. 장치의 다양한 지점에서 레이저 스펙트럼이 있는 근거리장 패턴.
그림 4 장치의 다양한 지점에서 레이저 스펙트럼이 있는 근거리장 패턴. 다양한 광결정 레이저의 전자기장 분포. 검은색 화살표는 전기장을 나타내고 음영은 용지에 수직인 방향의 자기장을 나타냅니다. 격자점 주변의 필드 분포는 (a) 원형 격자점과 (b) 삼각형 격자점에 대해 표시됩니다. 전체 결정에 대한 필드 분포는 (c) 위상 편이 없음, (d) x 방향으로 XNUMX개의 위상 이동, (e) x 방향으로 XNUMX개의 위상 이동, (f) XNUMX개의 위상 편이가 있는 원형 격자 점에 대해 표시됩니다. 양방향으로, (g) 양방향으로 XNUMX개의 위상 변이. 각 영역의 위상은 위상 변이가 도입된 경계를 가로질러 변위되었습니다.
그림 5 레이저를 구성하는 데 사용되는 제작된 광결정의 전자 현미경 사진(왼쪽 패널)과 얻은 빔 패턴(오른쪽 패널). 원형 격자점이 있는 광결정은 (a) 격자 주기의 이동 없음, (b) 한 방향으로 한 격자 이동, (c) 한 방향으로 두 격자 이동, (d) 양방향으로 한 격자 이동, 및 (e) 양방향으로 두 개의 격자 이동. (f) 위상 변이가 없는 삼각형 격자 점.
와트급 고출력, 고빔 품질의 광결정 레이저
이전 섹션에서 포토닉 크리스탈은 웨이퍼 본딩 기술에 의해 디바이스에 내장되었는데, 여기서 본딩된 인터페이스는 레이저 광을 흡수하고 고전력 작동을 실현하기 어렵게 만드는 많은 결함 상태를 포함할 수 있습니다. 이러한 성능 저하를 피하기 위해 우리는 웨이퍼 본딩에서 OMVPE(organometallic vapor phase epitaxy)와 같은 결정 성장 기술[10,11]과 같은 결정 성장 기술로 소자에 광결정을 도입하는 방법을 변경했으며, 광결정은 결정 성장 기술로도 유지될 수 있습니다. 그림 6 (a)는 6단계 OMVPE로 제작된 장치의 개략도를 보여줍니다. 성장 방향이 아래쪽임을 유의하십시오. 그림 6(b)는 결정 성장 전 오른쪽 이등변 삼각형 모양의 공기 구멍이 있는 광결정의 평면 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 보여줍니다. OMVPE에 의해 매립된 일련의 공기 구멍의 일반적인 단면 SEM 이미지가 그림 XNUMX(c)에 나와 있습니다. 공기 구멍이 장치에 성공적으로 매설되었음을 분명히 알 수 있습니다. 공기 구멍은 장치의 아래쪽으로 갈수록 좁아지는 반면 공기 구멍의 위쪽 부분은 수직 측벽으로 거의 균일한 모양을 유지합니다.
그런 다음 실온(RT) 연속파(CW) 조건에서 제작된 장치[12]의 레이징 특성을 설명합니다. 해당 실험 결과는 Fig. 7(a) – (c). 1.5A에서 2.5W의 최대 CW 출력 전력은 낮은 발산의 좁은 단일 로브 빔으로 달성되었습니다. 출력 전력이 0.5W 미만일 때 M2 값을 측정하여 빔 품질을 정량적으로 평가하였다. 이상적인 가우시안 빔의 경우 M2가 2인 것으로 알려져 있지만 횡 다중 모드로 인해 빔 품질이 저하되면 증가합니다. M2의 측정은 실온 CW 조건에서 수행되었으며 최대 1.0W의 전력까지 x 및 y 방향 모두에서 M0.5가 거의 ~3으로 유지되었음을 발견했습니다. 이는 기본 단일 가로 모드가 유지됨을 나타냅니다. . 빔 발산 각도는 1.5W 전력 레벨에서도 XNUMX° 미만이었습니다.
이러한 좁은 빔 발산을 가진 레이저는 렌즈가 필요하지 않은 고유한 응용 분야를 가능하게 해야 합니다. 우리는 8.5°C에서 CW 작동에서 렌즈가 없는 가능성을 보여주기 위해 PCSEL에서 25cm 떨어진 종이 한 장의 직접 조사를 조사했습니다. 광 출력은 0.86A의 전류에서 1.7W로 설정되었습니다. 그림과 같이 복사 직후에 종이가 타서 작은 구멍이 생겼습니다. Fig. 8. 이것은 단순한 시연에 불과하지만 렌즈가 없는 애플리케이션의 잠재력을 보여줍니다.
그림 6(a) 6300단계 OMVPE로 제작된 장치의 개략도. (b) 전자빔 리소그래피(JEOL JBX-XNUMXFS) 및 건식 에칭에 의해 형성된 오른쪽 이등변 삼각형 모양의 공기 구멍이 있는 광결정의 평면 SEM 이미지. (c) OMVPE에 의해 매립된 공기 구멍 행의 일반적인 단면 SEM 이미지.
그림 7 장치에서 8.5cm 떨어진 곳에 검은색 종이에 레이저를 직접 조사한 직후에 찍은 사진.
XNUMX단계 OMVPE로 제작된 소자의 레이징 특성. (a) IL 특성, (b) 레이저 스펙트럼 및 (c) 다양한 전류 주입 수준에서 원거리장 패턴.
그림 8 장치에서 8.5cm 떨어진 곳에 검은색 종이에 레이저를 직접 조사한 직후에 찍은 사진.
결론(또는 요약)
지금까지 Photonic-Crystal Laser 분야의 현황과 최근 발전에 대해 설명드렸습니다. 1.5차원 광결정의 밴드 에지 효과는 획득된 빔 패턴에 대한 완전한 제어뿐만 아니라 대면적 단일 종방향 및 횡방향 모드 레이저 발진을 가능하게 하는 것으로 나타났습니다. 또한 RT에서 CW 조건에서 출력 전력이 XNUMX와트를 초과하는 장치가 설명되었습니다. 우리의 작업은 낮은 빔 품질로 고통받는 응용 분야의 한계를 극복하는 경로를 제공하기 때문에 레이저 분야의 혁신을 위한 중요한 이정표를 나타냅니다. 이는 재료 가공, 레이저 의학, 비선형 광학, 감지 등이 있습니다.
감사의
저자는 협력에 대해 교토 대학의 Noda's Lab., 그리고 Rohm and Hamamatsu Photonics의 구성원들에게 감사를 표합니다. 이 작업은 JST, ACCEL & CREST, C-PhoST, MEXT, Japan에서 부분적으로 지원되었습니다.
참고자료
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