수직적 공간적 일관성을 자발적으로 구현

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 21629(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

우리는 공간적으로 균일한 스펙트럼을 나타내는 14개 단위의 수직 공동 표면 방출 모드로 구성된 자체 유도 공간 일관성 도트 배열을 보고합니다. 47.5μm의 총 빔 폭과 0.5°의 좁은 방출은 평평한 상단 거울, 원통형으로 구부러진 하단 거울 및 측면으로 둘러싸인 직사각형 캐비티를 사용하여 달성됩니다. 특히, 수직 면으로 공동의 측면을 종료하면 모드를 비편재화하는 주입 고정 레이저의 마스터 레이저의 경우와 유사하게 각 도트의 수직 공진과 결합되는 수평 전파가 향상됩니다. 기존의 반도체 레이저, 모서리 방출 레이저 및 수직 공동 표면 방출 레이저에는 Fabry-Pérot 공동이 있습니다. 게다가 방출과 공명은 동일한 방향이므로 빔 폭이 마이크로미터로 제한됩니다. 현재 구조는 동일한 전파 방식을 가지고 있지만 직각면은 모드를 동기화하고 빔 폭을 대폭 확장합니다.

레이저의 기원은 아인슈타인의 유도 방출 예측1에서 인구 역전이 레이저 발사를 허용한다는 예측으로 거슬러 올라갑니다. 대부분의 반도체 레이저 연구자들은 레이저 연구가 캐리어와 빛을 작은 영역에 가두는 더 나은 방법으로 이어질 것이라고 믿습니다. 따라서 EEL(에지 방출 레이저)2,3 및 VCSEL(수직 공동 표면 방출 레이저)과 같이 널리 사용되는 반도체 레이저는 높은 광 제한성과 작은 빔 웨이스트(약 10 마이크론 미만)를 갖습니다. 결과적으로 이러한 레이저는 전력 소비가 미미하며 광학 디스크 드라이브, 컴퓨터 마우스, 레이저 프린터, 프로젝터 등과 같은 산업용 또는 소비자 전자 장치 내부에 내장됩니다4. 그러나 이러한 높은 제한으로 인해 회절5로 인해 방출 각도가 넓어집니다. 이러한 맥락에서 이러한 레이저는 많은 산업 응용 분야에서 방출 빔을 좁히기 위해 추가 광학 구성 요소가 필요하므로 전체 시스템의 크기와 제조 비용이 증가합니다. 따라서 작은 전력 소비로 좁은 방출을 허용하는 새로운 캐비티 구조를 찾는 것이 큰 관심을 끌고 있습니다.

광결정 표면 방출 레이저(PCSEL)6는 앞서 언급한 요구 사항을 충족하는 후보 중 하나입니다. PCSEL의 빛은 평면 내 방향으로 전파되어 파장 이하 크기의 공기 구멍의 주기적인 2D 배열에 의해 변조된 공명을 얻습니다. 주기적 구멍은 평면 내 이동 광자를 수직 방향으로 유도합니다. 이 장치는 0.1°의 매우 좁은 방출 각도와 슈퍼와트급 출력7을 갖춘 밀리미터 미만 폭의 빔을 허용합니다7. 대안은 단일 레이저('마스터' 레이저)가 여러 레이저('슬레이브' 레이저) 간의 일관성을 유도하는 주입 잠금 레이저 어레이입니다8,9. 이는 VCSEL 어레이의 위상을 동기화하여 상대적으로 좁은 빔을 방출합니다. 이러한 어레이는 기존 단일 방출 레이저를 사용하여 달성한 것과 비교하여 빔의 폭을 대폭 변경하여 놀라운 결과를 보여주었습니다. 그러나 이러한 어레이에는 여러 가지 산업적 과제가 수반됩니다. 예를 들어, PCSEL의 대량 제조는 서브파장 구조로 인해 어렵습니다. 전류 주입에 해당하는 면적이 넓어 열 관리가 복잡해집니다. 더욱이, 주입 고정 레이저는 두 개의 비모놀리식 레이저가 존재하므로 복잡성이 증가합니다.

자기 결합 레이저의 일관된 배열은 앞서 언급한 문제에 대한 또 다른 잠재적인 해결책입니다. 이 접근 방식은 레이저를 서로 가깝게 구성하여 레이저 간의 일관성을 만듭니다. 이러한 어레이는 소멸 필드와 각 레이저 장치에서 방출되는 회절광을 기반으로 하는 광학 결합을 사용하는 VCSEL을 통해 집중적으로 연구되었습니다. 이는 파장 이하 구조나 다중 비모놀리식 레이저 없이도 작동할 수 있습니다. 이미터를 링 형태로 배열하면 빔 웨이스트12가 넓어지고, 이 이미터로 둘러싸인 내부 부분을 비워 발열이 낮아지고, 방출량이 줄어듭니다. 자체 유도된 일관성 배열의 한 가지 남은 단점은 결합 설정이 복잡하다는 것입니다. 예를 들어 VCSEL 간의 간격은 소멸 필드의 공간 분포를 예측하여 효율적으로 결합되도록 신중하게 설계해야 합니다. 또한 이미터가 일관성을 달성할 수 있을 만큼 균일하게 동작하는 전류 레벨을 설정하는 것도 어렵습니다. 따라서 개별 VCSEL을 제어하는 것은 어려운 일입니다. 때로는 개별 발광체에 여러 개의 배선을 제공해야 하는 경우도 있습니다. 그러나 이미터 수를 늘리면 제어력이 기하급수적으로 저하될 수 있습니다. 따라서 어레이의 최대 VCSEL 수는 폭이 약 10μm12로 제한됩니다.

99.9%, respectively. Those devices are fabricated over (0001) plane of GaN substrate. The x-, y-, and z-directions of the GaN substrate are \(\left\langle {{1}{-}{1}00} \right\rangle ,\left\langle {{11}{-}{2}0} \right\rangle ,{\text{ and}}\left\langle {000{1}} \right\rangle\), respectively. The fabricated devices have the structure shown in (b). Thus, a cleaved facet was introduced along the dashed line. (c, d) are the images of device shown in (b) with and without facet. Additional mechanical damage was introduced in the facet shown in (d) by the hitting a probe for measurement. These are recorded under pulsed current injection above the threshold current (RT, 1 µs, 0.1%, 17.7 k/cm2). (e) show schematics of conventional semiconductor lasers, edge emitting lasers, VCSELs, PCSELs and the present one./p> 99.99%19, was deposited to form the curved and cylindrical mirrors. Finally, the device was diced and mounted on a ⌀9 TO-CAN package without sub-mounts in the p-up configuration./p>