KR101976729B1 - Ｓｓ－ｏｃｔ 시스템에 대한 파장－튜닝가능 수직 캐비티 표면 방출 레이저 - Google Patents

Ｓｓ－ｏｃｔ 시스템에 대한 파장－튜닝가능 수직 캐비티 표면 방출 레이저 Download PDF

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Abstract

마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 기술의 사용을 통한 파장-튜닝가능 수직-캐비티 표면-방출 레이저(VCSEL)가 광 간섭성 단층촬영(OCT)에 대한 스웹(swept) 소스로서 제공된다. 상기 파장 튜닝가능 VCSEL은 VCSEL의 하부 거울, 활성 영역, 및 정전기 편향에 의해 이동가능한 MEMS 튜닝가능 상부 거울을 포함한다. GaAs 기반 분포된 브래그(Bragg) 반사기(DBR) 스택을 포함하는 하부 거울 및 GaAs 기반 양자점(QD) 층들의 다수의 스택들을 포함하는 활성 영역은 GaAs 기판 상에서 에피텍시얼하게 성장된다. MEMS 튜닝가능 상부 거울은 서스펜션 빔들에 의해 지지되는 멤브레인 부분 및 유전체 DBR 스택을 포함하는 상부 거울을 포함한다. MEMS 튜닝가능 양자점들 VCSEL은 100nm보다 넓은 동작 파장 범위를 커버할 수 있으며, 바람직하게는 250과 2950nm 사이에서의 중심 파장을 갖는 동작 파장 범위를 커버할 수 있으며, 그리고 스위핑 레이트(sweeping rate)는 수 kHz로부터 수백 kHz, 그리고 최대 수 MHz까지가 될 수 있다.

Description

ＳＳ－ＯＣＴ 시스템에 대한 파장－튜닝가능 수직 캐비티 표면 방출 레이저{WAVELENGTH-TUNABLE VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER FOR SWEPT SOURCE OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY SYSTEM}
여기에서 설명되는 기술은 광 간섭성 단층촬영(Optical Coherence Tomography; OCT) 시스템들에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 수직 캐비티 표면 방출 레이저 디바이스들에 기초한 이러한 시스템들에 관한 것이다.
본 출원은 파리조약 하에서 2013년 7월 3일 출원된 출원번호가 제61/842,389호인 미국 가출원에 우선권의 이익을 주장하며, 상기 미국 가출원의 전체는 여기에서 참조로서 통합된다.
광 간섭성 단층촬영(Optical Coherence Tomography; OCT)은 샘플(조직, 기관, 생체와 같은 생물학적 샘플들 또는 폴리머, 박막과 같은 산업적 샘플들)의 고-해상도 깊이 프로파일링에 대한 기법이다. 2개의 타입들의 OCT, 즉 시간-도메인 OCT(TD-OCT) 및 주파수-도메인 OCT(FD-OCT)가 존재한다. TD-OCT에서, 광대역 광원은 일반적으로 다파장들을 동시에 방출하는 슈퍼 발광형 다이오드이며; 기준 거울(reference mirror)의 위치를 스캐닝함으로써, 샘플로부터 반사되는 광에서의 간섭 컴포넌트들의 주파수들이 분석된다. FD-OCT에서, 광대역 소스로서 파장 가변형 레이저를 사용하는 SS-OCT(Swept Source type OCT)가 보다 널리 사용되고 있다. SS-OCT에서, 오직 하나의 파장만이 임의의 하나의 시간에서 존재하며 그리고 레이저 파장의 스위핑(sweeping)은 참조 거울의 기계적 스캐닝을 대체한다. SS-OCT의 신호 대 잡음 비는 TD-OCT의 그것보다 기본적으로 양호하다.
SS-OCT에서의 사용을 위한 가변형 레이저에 대하여, 요구사항들은 단일-모드 동작, 넓은 튜닝 범위, 파장의 높은 스캔률, 및 튜닝 제어 신호의 간단한 단조 함수(monotonic function)인 파장 튜닝을 포함한다.
2개의 분포 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector)들을 사용하는 튜닝가능 VCSEL이 보고된다. 이러한 디바이스는, MEMS 튜닝가능 상부 DBR, 및 InP 기판 상에서 모두 성장되는, 배리어들 및 InP-기반 멀티 양자 우물(Multiple Quantum Well; MQW)들로 구성되는 활성층(active layer), 및 AlGaInAs 및 InP의 다수의 교번 층들로 구성되는 하부 DBR로 구성되는 하부 거울을 사용한다. 상기 디바이스는 1550nm 주변의 중심 파장에서 55nm의 튜닝 범위를 가진다. 이러한 튜닝 범위는 다수의 애플리케이션들에 대해 충분하지 않다.
도 1은 기존 기술에서 알려진 바와 같은, MEMS를 포함하는 이러한 가변형 VCSEL 도시한다. InP 기판(1) 상에서, InP(2b) 및 AlGaInAs(2a)(InP에 격자 매칭됨)의 교번 층들의 40개 보다 많은 쌍(pair)들(미도시)로 구성되는 n-도핑된 분포 브래그 반사기(DBR)(2)는 에피텍시얼하게(epitaxially) 성장되며, n-타입 AlGaInAs 클래딩(cladding) 층(3)에 의해 후속된다. 클래딩 층(3)의 상단에서, 다수의(7의) AlGaInAs 배리어들(4b) 및 다수의(6의) AlGaInAs 양자 우물(QW)들로 구성되는 활성 층(4)가 성장되며, p-타입 AlGaInAs 클래딩 층(5)에 의해 후속된다. 상기 p-타입 클래딩 층(5) 상부에, p++- 도핑된-AlGaInAs / n++-도핑된-AlGaInAs 터널 접합 층(6)이 성장되어 p-타입 InP 층의 n-도핑된 InP 층으로의 대체를 허용하며, 이는 터널 접합부가 전자(electon)들을 홀(hole)들로 변환시킬 수 있기 때문이며, n-도핑된 InP 층(7) 및 n++-도핑된 GaInAs 접촉 층(8)이 터널 접합부에 후속한다. VCSEL p-전극(9)이 접촉 층(8)의 상단에 형성되며, 그리고 n-전극(10)이 "하프 VCSEL" 구조를 완료시키기 위하여, 상기 기판(1) 상에 형성된다. 하프 VCSEL 구조의 상단에서, 독립적으로 제조된 상부 거울 부분(mirror part)이 하프 VCSEL 구조에 결합(bond)된다. 상기 독립적으로 제조된 상부 거울 부분은 "핸들(handle)" Si-기판(11) 상에 형성되며 2개의 층들을 함께 결합시킨다. SiO2 층(12)은 절연 층으로서 형성되며, Si의 빔 지지 층(beam support layer)(13)이 이에 후속된다. 얇은 멤브레인(14)은 희생층으로서 SiO2 층(12)을 에칭시킴으로써 형성된다. 상부 유전체 DBR(15)은 멤브레인(14)의 일 측에 증착되며, 그리고 반사 방지(AntiReflection;AR) 코팅(16)이 대향 측에 증착된다. MEMS 전극(17) 및 Au-범프(bump)들(18)은 MEMS 전압을 공급하기 위해 형성되며, 이는 접촉층(8)과 상부 DBR(15) 간의 공기 갭(air gap)을 변경시킬 수 있다. 전기 전압 소스(19)는 MEMS 전극(17) 및 p-전극(9)과 연결된다. 따라서, 멤브레인(14)은 전기 전압 소스(19)에 의해 야기되는 정전기력에 의해 이동될 수 있으며, 이에 따라 상부와 하부 DBR 거울들 간에 형성된 캐비티 길이를 변경시킬 수 있으며, 이는 레이징(lasing) 파장을 차례로 변경시킨다. 전기 전류 소스(20)는 하프 VCSEL 부분으로 전류 주입을 위해 연결된다.
도 1에서와 같은 디바이스의 세부사항들은 T. Yano, H. Saitou, N. Kanbara, R. Noda, S. Tezuka, N. Fujimura, M. Ooyama, T. Watanabe, T. Hirata, 및 Nishiyama의, “Wavelength modulation over 500 kHz of micromechanically tunable InP-based VCSELs with Si-MEMS technology”, IEEE J., Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 15, 페이지 528-534 (2009년 5/6월)에서 설명되며, 이는 여기에서 참조로서 통합된다. 종래 기술에서 이용되는 1310nm 및 1550nm의 고정 레이징 파장들을 갖는 VCSEL은, N. Nishiyama, C. Caneau, B. Hall, G. Guryanov, M. H. Hu, X. S. Liu, M.-J. Li, R. Bhat, and C. E. Zah의, “Long-wavelength vertical-cavity surface-emitting lasers on InP with lattice matched AlGaInAs-InP DBR grown by MOCVD”, IEEE J., Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 11, 페이지 990-998 (2005 9/10월)에서 설명되며, 이는 여기에서 참조로서 통합된다.
도 1의 종래 기술 구성에서, 1550nm 주변의 중심 파장에서의 55nm의 튜닝(tuning) 범위가 도시된다. 최대 튜닝 범위는 하부 DBR의 반사 대역폭(reflectivity bandwidth)에 의해 제한되며, 이는 높은-지수와 낮은 지수 물질들의 굴절률들의 비율에 의해 결정된다. AlGaInAs(높은 지수 물질)과 InP(낮은 지수 물질)의 교번 층들로 구성된 DBR의 반사 대역폭들은 1310nm 및 1550nm의 중심 파장들에 대해 각각 대략적으로 50nm 및 70nm이다. 하지만, SS-OCT는 100nm 튜닝 범위를 초과하는 것을 요구한다. 따라서, 양자 우물들을 포함하는 활성층 및 AlGaInAS 및 InP로 구성되는 DBR을 채용하는 VCSEL은 OCT 애플리케이션드레 대해 적합하지 않게 된다.
튜닝 범위 제한을 극복하기 위하여, MEMS를 포함하는 튜닝가능 VCSEL이 제안되며, 이는 중심이 1300nm에 근접하여 위치되는 200nm를 초과하는 반사 대역폭을 가지는 AlGaAs(높은 지수 물질) 및 AlxOy(낮은 지수 물질)의 교번 층들로 구성되는 DBR로 구성되는 하부 거울을 채용한다. 이러한 타입의 튜닝가능 VCSEL은 광학 펌핑(pumping)에 의해아 100nm를 초과하는 튜닝 범위를 달성한다. 세부사항들은, V. Jayaraman, J. Jiang, H. Li, P. J. S. Heim, G. D. Cole, B. Potsaid, J. G. Fujimoto, 및 A. Cable 의, “OCT imaging up to 760 kHz axial scan rate using single-mode 1310 nm MEMS-tunable VCSEL with >100 nm tuning range”, CLEO: 2011 - Laser Science to Photonic Applications, PDPB2, 2011에서 설명되며, 이는 여기에서 참조로서 통합된다.
이러한 접근에서, 활성 영역은 InP 기판 상에서 에피텍시얼하게 성장되는 InP 기반 다수의 양자 우물(MQW)들을 포함한다. 하부 DBR은 GaAs 기판 상에 에피텍시얼하게 성장된다. 따라서, DBR 부분 및 활성 영역에서의 물질들은 단일 타입 기판 상에서 성장될 수 없다. 2개의 웨이퍼들은 함께 결합되어야 하며 그리고나서 InP 기판은 하프 VCSEL 부분을 형성하기 위하여 제거될 필요가 있다. GaAs 및 InP 웨이퍼들을 결합시키는 것 그리고 InP 웨이퍼를 제거하는 것은 매우 복잡한 프로세스를 요구하며 그리고 잠재적인 신뢰성 이슈들을 도입한다.
양자 점(Quantum Dot; QD) 레이저들은 기존의 양자-우물 레이저들에 대한 대체를 목적으로 하여 연구되었다. QD 레이저들은 3차원 양자 사이즈 효과로 인하여 낮은 온도 민감성 및 매우-낮은 임계 전류들과 같은 고유의 특성들을 갖는다. 양자점 기술은 넓은 GaAs 기판들 상의 InAs QD에 대한 자가-어셈블링 성장 기법에 의해 상당히 진보되어 왔다. 기존의 엣지 방출 레이저들(VCSEL 시스템들과는 반대)로의 QD에 대한 적용은, 활성층의 양자 우물들을 QD에 의해 대체함으로써 달성되어왔다. 1.3 um QD 분포 궤환형 레이저(Distributed Feedback;DFB) 레이저들의 고성능은 최근에 보고되었다. 이러한 레이저들은, p-타입 GaAs 기판 상에서의 p-도핑된 GaAs 층들을 갖는 고밀도 QD 층의 8 스택들의 분자선 에피탁시(Molecular Beam Epitaxy; MBE)에 의해 제작된다. 이득(gain) 스펙트럼이 측정되며: 1280nm 주위에서 42cm-1만큼 높은 최대 순(net) 모델 이득이 획득되며, 그리고 3dB 이득 대역폭은 대략적으로 65nm이다. 세부사항들은, K. Takada, Y. Tanaka, T. Matsumoto, M. Ekawa, H. Z. Song, Y. Nakata, M. Yamaguchi, K. Nishi, T. Yamamoto, M. Sugawara, 및 Y. Arakawa 의, “10.3 Gb/s operation over a wide temperature range in 1.3 μm quantum-dot DFB lasers with high modal gain”, Optical Fiber Communication Conference / National Fiber Optic Engineers Conference, (2010), Technical Digest에서 설명되며, 이는 여기에서 참조로서 통합된다.
고정 파장 애플리케이션들에 대한 QD를 포함하는 1.3 um VCSEL이 또한 최근에 보고되었다: GaAs 기판 상에서, p+-도핑된 AlGaAs 층들 및 p+-도핑된 GaAs 층들의 22 쌍들로 구성되는 상부 DBR, p-도핑된 AlGaAs 산화층, InAs/InGaAs QD로 구성되는 도핑되지 않은 활성 영역, n+-도핑된 GaAs 층 및 n+-도핑된 AlGaAs 층의 33.5 쌍들로 구성되는 하부 DBR이 MBE에 의해 성장된다. 레이징 파장은 실온에서 약 1279nm이다. 0.48의 작은 선폭(linewidth) 향상 인자가 또한 보고되었으며, 이는 OCT 애플리케이션들에 대해 비판적인 좁은 선폭을 제공할 수 있다. 세부사항들은, P.-C. Peng, G. Lin, H.-C. Kuo, C.E. Yeh, J.-N. Liu, C.-T. Lin, J. Chen, S. Chi, J. Y. Chi, S.-C. Wang 의 “Dynamic characteristics and linewidth enhancement factor of quantum-dot vertical-cavity surface-emitting lasers”, IEEE J. Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 15, 페이지 844-849, (2009 5/6월)에서 설명되며, 이는 여기에서 참조로서 통합된다.
여기에서의 배경기술에서의 논의가 상기 기술의 컨텍스트를 설명하기 위해 포함되었다. 이는 참조되는 임의의 물질이 여기에서 첨부되는 임의의 청구범위들에 대한 우선일에서의 통상적인 일반 지식의 일부이거나, 공개되었거나, 알려졌다는 것을 인정하는 것으로 고려되는 것이 아니다.
명세서의 청구범위 및 상세한 설명 전반에 걸쳐서, "포함하는" 및 이들의 변형들(예컨대, 포함, 포함되는)은 다른 첨가물들, 컴포넌트들, 정수들 또는 단계들을 배제하는 것으로 의도되지는 않는다.
본 발명은, 양자점들의 하나 이상의 층들을 포함하는 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 튜닝가능 수직 캐비티 표면-방출 레이저(VCSEL)을 포함한다.
본 발명은, 높은 축(axial) 해상도를 갖는 깊은 단층촬영 이미징을 위해 필요한, 넓은 튜닝 범위를 가지며 좁은 동적인 선폭을 갖는 신규한 MEMS 튜닝가능 양자점 기반 VCSEL 스웹 소스 설계를 포함한다. 본 발명은 기존 기술에서의 적어도 2개의 문제점들을 해결하는 MEMS 튜닝가능 양자점 VCSEL을 제공한다: (1) InP 기반 DBR의 불충분한 DBR 반사 대역폭, 및 (2) 2개의 상이한 타입의 웨이퍼드레 대해 요구되는 복잡한 웨이퍼 결합(예를 들어, InP 기반 활성 영역 웨이퍼 및 GaAs 기반 DBR 웨이퍼). 본 발명에서, 높은 반사 대역폭을 갖는 GaAs 기반 DBR 및 광학 이득 피크 파장의 활성 영역(약 1300nm로 중심위치되는 예시적인 실시예를 포함)은 웨이퍼 결합 없이 연속적으로, GaAs 기판 상에 에피텍시얼하게 성장될 수 있다.
MEMS 튜닝가능 VCSEL은 상부 수직하게 이동가능한 거울 부분 및 하부 하프 VCSEL 부분을 포함한다. 상부 거울 부분은: 서스펜션 빔들에 의해 지지되는 멤브레인 부분 및 광을 반사하기 위한 멤브레인 상에 제공되는 상부 DBR을 포함한다. 하부 하프 VCSEL 부분은, 하부 GaAs 기반 DBR, 상기 하부 DBR의 상단에서 에피텍시얼하게 성장되는 양자점들로 구성되는 활성 영역을 포함하며, 상기 활성 영역은 갭을 통해 상단 거울 부분의 상단 DBR 층과 마주하는 위치에서 형성된다. 상부 DBR과 하부 DBR 사이에서 형성되는 캐비티의 캐비티 길이는 멤브레인으로의 정전기력을 적용하는 것을 통하여 갭 거리를 변경시킴으로써 변경될 수 있다. 따라서, 레이징 파장이 고속으로 연속적으로 변경될 수 있다. VCSEL이 단일 모드에서 오실레이팅되기 때문에, 내부 검출가능 깊이가 SS-OCT 시스템에서의 50mm만큼 깊은 깊이인 점에서 샘플 검출 민감도가 높아지게 된다.
도 1은 기존의 MEMS 튜닝가능 VCSEL에 대한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 MEMS 튜닝가능 양자점 VCSEL에 대한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 예시적인 실시예에 따라 MEMS 튜닝가능 양자점 VCSEL에 대한 개략도이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따라 MEMS 튜닝가능 VCSEL의 상부 거울 부분의 평면도이다.
도 4b는 도 4a의 실시예에서 상부 거울 부분의 A-A 선에 대한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 MEMS 튜닝가능 양자 점 VCSEL에 기초하는 스웹 소스 광 간섭성 단층촬영 시스템(SS-OCT)에 대한 개략도이다.
도 6a는 섬유 기반 MEMS 튜닝가능 양자점 VCSEL 스웹 소스에 대한 개략도이다.
도 6b는 자유 공간 기반 MEMS 튜닝가능 양자점 VCSEL 스웹 소스에 대한 개략도이다.
다양한 도면들에서의 유사한 참조 번호들은 유사한 엘리먼트들을 표시한다.
본 발명의 기술은 도 2 및 3에서 도시되는 2개의 실시예들에 의해 예시된다. 도 2 및 3에서의 각각의 실시예는 DBR들의 쌍을 포함하며, 이는 하부 VCSEL 하프에서의 하나 그리고 상부 MEMS 부분에서의 하나이다. 2개의 실시예들은 각각의 디바이스의 상부(MEMS) 하프의 구성에 대해 상이하다. 상부 부분들 모두는 동일한 전체 기능을 가지며, 멤브레인, 에어 갭 및 상부(유전체)DBR을 포함한다. 레이저 주파수는 2개의 DBR들의 조합 및 이들 사이의 에어 갭으로부터 생성된다.
도 2는 본 발명의 MEMS 튜닝가능 양자점 VCSEL에 대한 예시적인 실시예의 개략도이다. GaAS 기판(321) 상에서, GaAs(322a) 및 GaAs에 격자 매칭되는 AlGaAs(322b)의 교번 층들의 30-40 쌍들로 구성되는 n-도핑된 DBR(322)이 에피텍시얼하게 성장되며, 여기에 n-도핑된 GaAs 클래딩 층(323)이 후속한다. 그리고나서, (예를 들어, 약 5nm의 높이 및 약 20nm의 측면 사이즈)InGaAs 배리어 층들(324b)을 통해 교번하는 InAs 양자점(QD)들(324a)의 다수의 층 스택들로 구성되는 활성층(324)이 성장되며, 여기에 p-도핑된 AlGaAs 클래딩 층(325)가 후속한다. 예를 들어 최대 30nm의 사이즈 또는 10nm의 사이즈일 수도 있으며, 5-8nm의 평균 직경을 갖는 다른 사이즈 양자점들이 수용가능하다. 각각의 층(324a)에서의 점 밀도는 범위 1010~1011 점들(dots)/cm2 에서 일반적으로 존재한다. 각 층이 일반적으로 오직 점들의 단일 층만을 지지하기 때문에, 이는 "표면 영역 밀도"로서 표현된다. 활성 층에서 스택 당 8-20 층들이 존재하며, 여기서 각각의 층은 최대 약 40nm의 두께이며, 바람직하게는 10-30 nm의 두께이다. 다른 개수의 층들 또한 여기에서의 디바이스들과 조화된다. 양자점들은 바람직하게 InAs로부터 만들어지지만, 전체적인 기술의 동작과 일관되게, InGaAs로부터 만들어질 수도 있다. 이에 따라 양자점들은, 기존 기술에서 이전에 사용된 양자 우물들과 비교하였을 때, 활성 층에서의 상이한 기능들 및 속성들을 제공한다. 활성 층들에서의 양자 점들은 상이한 조성(composition)들뿐만 아니라 상이한 사이즈들의 점들로 구성될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 양자 점들은 제 2 양자화된 에너지 상태를 가진다(이는 가용 스펙트럼을 짧은 파장으로 확장시키기 때문에 이득이된다).
클래딩 층(325) 상부에서, AlGaAs 산화 층(326) 및 추가 p-도핑된 AlGaAs 클래딩 층(325a)이 성장된다. 산화층(326)은 중심 영역을 제외하고 부분적으로 산화되며, 상기 중심 영역은 직경 3-8um를 갖는 개구부(326a)로 지칭되며,(325a로부터 325의 중심 영역으로의) 주입 전류는 상기 개구부(326a)에 대해 제한된다(326은 산화로 인하여 전류 흐름을 억제시킴). 클래딩 층(325a)의 상단에서, p-도핑된 GaAs 접촉 층(327)이 성장된다. VCSEL p-전극(328) 및 n-전극(329)(일반적으로 Ti, Pt 또는 Au 및 Cr, Ni 또는 Au 각각으로 만들어짐)은 하프 VCSEL 구조를 완료시키기 위하여, 각각, 기판(321)의 하부 및 접촉층(327)의 상단에 형성된다.
GaAs 접촉층(327) 상의 반사방지(AR) 코팅(51)을 증착시킨 이후에, 상단 하프 MEMS가 스페이서 층(52)을 증착시킴으로써 형성되며, 이는 예를 들어 비정질(amorphous) Ge로 구성되며, 예를 들어 질화규소(SiNx)로 구성되는, 프레임 구조(53)가 이에 후속한다. 멤브레인(54)은 스페이서 층(52)을 에칭시킴으로써 형성된다. 도 2에서, 아이템들(53 및 54)은 각각 도 4(a)에서, 프레임 구조(332) 및 멤브레인(333)에 대응된다. 예를 들어, TiO2 및 SiO2 또는 Al2O3 및 a-Si(비정질 규소)의 교번 층들로 구성되는 상부 유전체 DBR(55)는 멤브레인(54)의 일 측에 증착된다. MEMS 전극(56)은 프레임 구조(53) 상에 형성된다 전기 전압 소스(57)는 전극(56)과 p-금속(일반적으로 Ti, Pt 또는 Au) 전극(328) 사이에서 접속되어 MEMS 전압을 공급한다. 따라서, 멤브레인(54)은 전압 소스(57)에 의해 야기되는 정전기력에 의해 수직하게 편항될 수 있다. 이러한 편향은 상부 DBR(55)과 하부 DBR(322) 사이에서 형성되는 캐비티 길이를 변경시킬 수 있으며, 이는 레이징 파장을 변경시킨다. 특정 물질들이 도 2에서의 구조에 대한 부분들 및 다양한 층들에 대해 규정되었으며, 균등한 기능들 및 속성들을 갖는 다른 물질들이 당해 출원분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자에 대한 고려에 따라서, 이들의 위치에서 사용될 수 있다는 점이 이해되어야 한다.
도 3은 본 발명의 MEMS 튜닝가능 양자점 VCSEL의 다른 예시적인 실시예에 대한 개략도를 도시한다. GaAs 기판(321) 상에서, GaAs(322a) 및 GaAs에 격자 매칭된AlGaAs(322b)의 교변 층들의 30-40 쌍들로 구성되는 n-도핑된 DBR(322)이 에피텍시얼하게 성장되며, n-도핑된 GaAs 클래딩 층이 이에 후속한다. 그리고나서, InGaAs 배리어 층(324b)와 교번하는 (예컨대, 약 20nm의 측면 사이즈 및 약 5nm의 높이) InAs 양자점(QD)의 다수 층 스택들로 구성되는 활성층(324)이 성장되며, p-도핑된 AlGaAs 클래딩 층(325)이 이에 후속한다. 클래딩 층(324)의 상부에, AlGaAs 산화 층(326) 및 p-도핑된 AlGaAs 층(325a)이 성장된다. 산화층(326)은, 직경 3-8um를 갖는, 개구부(326a)로 지칭되는 중심 영역을 제외하고 부분적으로 산화되며, (325a로부터 325의 중심 영역으로의) 주입 전류가 상기 산화층에 대해 제한된다. 산화물이 양호하지 않은 컨덕터이기 때문에 산화층(326)은 전류 흐름을 억제시킨다. 클래딩 층(325a)의 상단에서, p-도핑된 GaAs 접촉 층(327)이 성장된다.
VCSEL p-전극(328) 및 n-전극(329)은 접촉층(327)의 상단 및 기판(321)의 하부에 각각 형성되어, 하프 VCSEL 구조를 완료시킨다. 지금까지 설명한 바와 같이 도 3의 구조는 도 2의 구조와 동일하다. 도 3의 실시예에서, 하프 VCSEL 구조의 상단에서, 독립적으로 제조된 상단 거울 부분은 열-압축(thermo-compression)과 같은 방법으로 결합(bond)된다. 도 3의 실시예는 따라서 도 2의 실시예로부터 상이해질 수 있다: 도 2에서, 디바이스는 하단부로부터 최상단 층으로 향하는 내내(즉, 단일 기판에 기초하여) 제조될 수 있다. 반대로, 도 3의 디바이스는 2 피스들로 제조된다. VCSEL의 하부 하프는 층 단위로 기판 상에 증착되며, 상부 MEMS 부분은 개별적으로 제조되며 그리고나서 하부 하프에 부착된다.
도 4a는 도 3의 실시예에 따라 VCSEL의 수직하게 이동가능한 상부 거울 부분의 평면도이다. 도 4b는 도 4a의 A-A 선에 따른 단면도이다. 도 4b에서 도시되는 부분은 도 3의 디바이스의 상부 부분에 대응되며; (디바이스의 상단이 될, 기판(330)으로의 층들의 증착에 의해) 제조되는 방식을 설명하기 위하여 도 3에 대해 역으로 도시된다. 이동가능 상부 거울 부분은 핸들 Si-기판(330) 상에 다음과 같이 형성된다. MEMS 부분은 하프 VCSEL 부분으로부터 독립적으로 제조되며 Au 범프들(338)을 통하여 상기 하프 VCSEL 부분으로 결합된다. Si-기판(330)은 이에 따라 2개의 부분들이 다른 하나로 결합되기위한 핸들과 같이 기능한다. SiO2 층(331)이 프레임 구조(332)에 의해 후속되는, 절연층으로서 형성된다. 얇은 원형 멤브레인(333)이 형성되며, 이는 4개의 서스펜션 핌들(334)(도 4a)에 의해 지지되며, 이들은 희생층으로서 SiO2 층(331)을 에칭시킴으로써 형성된다. 예를 들어, TiO2 및 SiO2 또는 Al2O3 및 a-Si에 대한 교번 층들로 구성되는 상부 유전체 DBR(335)가 멤브레인(333)의 일 측 상에서 증착되고 그리고 반사방지(AR) 코팅이 반대 측 상에서 증착된다. 도 3에서 도시되는 바와 같이, MEMS 전극(337)이 기판(330) 상에서 형성되며 금(Au) 범프들(338)이 멤브레인(333) 상에서 형성된다. 일반적으로, 상부 MEMS 부분 내에서, 층들(331, 332/333 및 338)이 Si 기판(330) 상에서 순서대론 형성된다.
상부 거울 부분(도 4a에서 도시됨)은 Au 범프들(333)을 통하여 p-전극(328)으로 (열-압축과 같은 방법을 사용하여) 결합된다. 전기 전압 소스(339)는 MEMS 전극(338)과 p-금속(일반적으로 Ti, Pt 또는 Au) 사이에서 연결되어 MEMS 전압을 공급한다. 따라서, 멤브레인(333)은 전압 소스(339)에 의해 야기되는 정전기력에 의해 수직으로 편향될 수 있다. 이러한 편향은 상부 DBR(335)와 하부 DBR(322) 사이에서 형성되는 캐비티 길이를 변경시킬 수 있으며, 이에 따라 레이징 파장을 변경시킬 수 있다. 전기 전류 소스(340)는 활성 영역(324)로 전류 주입을 제공하기 위해 연결된다. 도 3, 4a 및 4b에서의 구조들의 부분들 및 다양한 층들에 대해 특정 물질이 규정되는 경우, 동일한 기능들 및 속성들을 갖는 다른 물질들이, 당해 출원발명이 속하는 기술 분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자에 대해 이해되는 고려들에 따라, 이들의 위치에서 사용될 수 있다는 점이 이해되어야 한다.
도 5는 도 2 및 3, 4a 및 4에서 도시되는 바와 같은 MEMS 튜닝가능 양자점들 VCSEL을 사용하는 MEMS 튜닝가능 양자점들 VCSEL 스웹 소스에 기초하는 스웹 소스 광학 간섭성 단층촬영 시스템(SS-OST)의 개략도를 도시한다. 이러한 실시예에서, MEMS 튜닝가능 양자점들 VCSEL 스웹 소스(100)는 섬유 광학 커플러(101)를 통해 2개의 부분들로 분할되는 광학 출력(209)을 가진다. 파장 출력 중 하나의 분할분(division)은 서큘레이터(circulator)(102)를 통하여 샘플 암(103)으로 지향된다. 섬유 광학 커플러(101)로부터의 또다른 분할분은 서큘레이터(104)를 통하여 기준 암(reference arm)(105)으로 지향된다. 샘플 암(103) 및 기준 암(105)으로부터 반사된 웨이브(wave)는 섬유 광학 커플러(106)를 통해 재결합(recombine)되며, 그리고 재결합된 웨이브는 간섬 신호(112)를 제공하기 위해 밸런스 검출기(107)에 의해 검출된다. 파장 모니터링/k-클록 출력(210)은, 섬유 광학 커플러(108)를 통해 2개의 부분들로 분할되며 그리고 k-클록 신호(111)를 제공하기 위해 밸런스 검출기(110)에 의해 검출되는 섬유 광학 커플러(109)를 통하여 재결합된다. 데이터 획득 카드(Data Acquisition card; DAQ)(113)는 간섭 신호(112) 및 k-클록 신호(111)를 수집하기 위하여 사용되며, 그리고 재구성된 깊이 프로파일이 프로세싱 및 디스플레이 모듈(114)을 통하여 디스플레이된다. 커플러들, 밸런스 검출기들 및 서큘레이터들과 같은 컴포넌트들은 일반적으로, 소정의 수정을 통해 여기에서 설명되는 기술로 사용될 수 있는 양산제품(off-the-shelf) 컴포넌트들이다.
도 5에서 도시되는 MEMS 튜닝가능 양자점들 VCSEL 스웹 소스(100)는 2개의 예시적인 실시예들(섬유 기반 및 자유 공간 기반)이 존재한다. 도 6a는 예시적인 섬유 MEMS 튜닝가능 양자점들 VCSEL 스웹 소스(100a)에 대한 개략도를 도시한다. 이러한 실시예는 (도 2에서 또는 도 3, 4a 및 4b에서 도시되는 것과 같은) 양자점 튜닝가능 VCSEL(201), 아이솔레이터(isolator)(202), 섬유 광학 커플러(203), 반도체 광학 증폭기(SOA)(206), 아이솔레이터(207), 및 섬유 광학 커플러(208)를 포함한다. 광학 출력(209a) 및 파장 모니터링/k-클록(201a)에 대한 다른 출력은 섬유 광학 커플러(208)로부터 비롯된다. 커플러(203)로부터의 추가적인 출력은 포스트 증폭 파장 모니터링(205)에 대해 추가될 수 있으며, 그리고 분극 제어(204)가 SOA(206)를 통한 증폭 이후에 전력을 최대화시키기 위해 사용될 수 있다. 아이템들(202, 203, 206, 207, 208, 209a 및 210)은 많은 수정 없이 사용될 수 있는 양산제품 아이템들이다.
도 6b는 광학 출력(209b)을 생성하는 본 발명의 예시적인 자유-공간 기반 MEMS 튜닝가능 양자점 VCSEL 스웹 소스(100b)에 대한 개략도를 도시한다. 이러한 실시예는 (도 2에서 또는 도 3, 4a 및 4bdptj 도시되는 것과 같은) MEMS 튜닝가능 양자점 VCSEL(201), 아이솔레이터(211), SOA(212), 아이솔레이터(213), 및 빔 스플리터(beam splitter)(214)를 포함한다. 이러한 실시예에서, 2개의 출력들, 광 출력(215b) 및 파장 모니터링 / k-클록(210b)은 빔 스플리터(214)에 의해 형성된다. 아이템들(211, 212, 213, 214, 215b 및 210b)은 많은 수정 없이도 사용될 수 있는 양산 제품 아이템들이다.
튜닝가능 파장 범위
여기에서 설명되며 도 2 및 3에서 예시되는 바와 같은 MEMS 튜닝가능 DBR 및 QD 활성 영역의 조합은 이전에 보고된적이 없었다. 이러한 조합으로부터 스웹 소스의 튜닝가능 파장 범위는 바람직하게 100nm보다 크다. 일반적으로, 단일 스웹 소스의 튜닝가능 파장 범위는 100-200nm이며, 즉, 최대 100nm, 최대 120nm, 최대 150nm, 최대 180nm일 수도 있다. 변형들은, 예를 들어, 양자점들의 조성(composition)들을 변경함으로써 또는 상이한 조성들의 양자점들의 조합들을 사용함으로써 달성된다. 튜닝가능 범위는, 250-1950nm 3개 또는 4개의 상이한 대역들 중 하나에 일반적으로 중심위치 된다(예를 들어, 850nm에서, 1050nm에서(때때로 대략 "1 미크론"으로 지칭됨), 1300nm에서, 1500 및 1700 nm에서). 상이한 중심 파장들의 적절한 적용들은, 디바이스에 의해 생성되는 레이저 광에 의해 분석되는 다른 물질 또는 조직에 의존한다. 본 발명은 이하에서 설명되는 바와 같이 명시된 튜닝 범위를 달성할 수 있다.
QD의 광학 이득의 피크 파장은 QD의 사이즈 및 외형(shape) 및 이의 조성뿐만 아니라 QD를 둘러싸는 배리어들에 의해 결정된다. 비록 실제 QD의 외형이 솔리드(solid)한 직사각형이 아니라고 하더라도, x-, y- 및 z-방향들 각각을 따라 a×b×c로 형성되는 QD에 대한 이득 피크 파장은, 이하와 같이 상대적으로 간단하게 계산될 수 있다: 동일한 양자화 수를 갖는 가전자대(valence band)들과 전도의 양자화된 에너지 레벨들 간의 전이에 대응되는 방출 파장이 식(1)에 의해 제공된다:
Figure 112017119206764-pat00001
(1)
여기서, Ec mnl 및 Ev m'n'l'은 각각 QD의 가전자대 및 전도에서의 양자화된 에너지 레벨들이다. 이득 피크 파장은 캐리어(carrier) 관련 확대 효과로 인하여 식 (1)에 의해 제공되는 방출 파장보다 조금 짧게 된다. QD에 대한 무한 배리어 포텐셜(infinite barrier potential)이 간략하게 가정되는 경우, Ec mnl 및 Ev m'n'l'은 이하와 같이 분해적으로 표현될 수 있다:
Figure 112017119206764-pat00002
(2)
Figure 112017119206764-pat00003
(3)
여기서 Ec0는 전도-대역 엣지 에너지이며, Ev0는 가전자대역 엣지 에너지이며, mc * 및 mh *은 각각 홀들 및 전자들에 대한 유효 질량이며,
Figure 112017119206764-pat00004
는 "h-바(h-bar)"(플랑크 상수 h를 2π로 나눈것)이다. 정수들 l, m 및 n은 양자화된 에너지 레벨들의 라벨들을 표시하는 양자수들이다. 최저 에너지 레벨은 l = m = n = 1(또는 l' = m' = n' =1)에 대응된다. 이득 피크는 양자화된 에너지 레벨 주변에서 나타난다.
따라서, 이득 피크 파장은 점 사이즈 및 차원들 a, b 및 c에 의해 결정된다. 이러한 방식으로, 이득 피크 파장은 QD의 크기를 변경시킴으로써 변경될 수 있다. 보다 큰 사이즈를 갖는 QD는 제 2 양자화된 상태를 가지며(l,m 또는 n(또는 l', m', n') 중 하나가 1보다 큼) 상기 제 2 양자화된 상태는 짧은 파장 사이드에서의 이득 피크를 갖는 더 높은 에너지를 갖는다.
QD들의 이득 스펙트럼에 대한 세부사항은 S. L. Chuang, Physics of Photonic Devices, John Wiley & Sons 2009, 페이지. 376-381에 기재되며, 이는 여기에서 참조로서 통합된다. 식들 (1) 및 (2)에서 표시되는 바와 같이, 에너지 레벨들은 또한 캐리어들의 유효 질량들 me * 및 mh * 및 대역 엣지 에너지들 Ec0 및 Ev0에 의해 결정되며, 이는 QD들 및 각각의 배리어들의 조성들과 연관된다. 각각의 QD 층에서의 QD들의 사이즈 및 형상은 크리스탈 성장 조건 및 조성 선택을 가변시킴으로써 조정될 수 있으며: 이에 따라, 이득 피크 파장은 보다 넓은 이득 스펙트럼을 생성할 분포를 가질 수 있다. 65nm의 이득 대역폭은 Takada 등의 공보“10.3 Gb/s operation over a wide temperature range in 1.3 μm quantum-dot DFB lasers with high modal gain”, Optical Fiber Communication Conference/National Fiber Optic Engineers Conference, Technical Digest (2010)에서 보고되었으며, 이는 여기에서 참조로서 통합된다.
다른 작업에서, QD들의 이득 대역폭은 QD들 및 양자 우물(QW)을 조합함으로써 보다더 확대될 수 있다: QW의 양자화된 에너지 레벨은 이득 대역폭을 확대시키기 위해 다른 이득 피크를 제공하는, QD의 제 2 양자화된 에너지 레벨보다 높도록 선택된다. 이러한 방법을 사용하여, 200nm 보다 높은 총 이득 대역폭이 달성된다. 이러한 작업에서, QD들 단독으로부터의 160nm의 이득 대역폭이 도시되었다. 세부사항은 S. Chen, K. Zhou, Z. Zhang, J. R. Orchard, D. T. D. Childs, M. Hugues, O. Wada, 및 R. A. Hogg, 의“Hybrid quantum well/quantum dot structure for broad spectral bandwidth emitters”, IEEE J. Selected Topics of Quantum Electron., vol. 19, No.4, (7월/8월 2013년)에서 설명되며, 이는 여기에서 참조로서 통합된다. 하지만 이러한 그리고 선행 단락에서 언급된 2개의 참조문헌들은 넓게 튜닝가능한 레이저 또는 스웹 소스의 레이징 파장 튜닝을 달성하기에는 충분치 않다.
상기 설명된 바와 같이, 본 발명은 (1300nm 주위의 중심 파장을 방출하는 예시적인 실시예를 통해)MEMS 튜닝가능 양자점 VCSEL을 제공한다. 이러한 본 발명은 종래 기술에서의 적어도 2개의 문제점들을 해결한다. 첫째로, 종래 기술에서 InP 기반 DBR들의 불충분한 DBR 반사 대역에 대한 문제점이 보다 넓은 반사 대역폭을 갖는 GaAs 기반 DBR을 사용함으로써 해결죈다. 둘째로, InP 기반 활성 영역 웨이퍼를 GaAs 기반 DBR 웨이퍼로 결합시키기 위하여 종래 기술에서 필요한 것으로 판단되었는 복잡한 웨이퍼 결합 프로세스에 대한 문제점은 GaAs 기판 상에서 성장되는, GaAs 기반 DBR의 상단 상에서 연속적으로 성장되는 양자점 활성 영역을 사용함으로써 제거된다.
여기에서 인용되는 모든 참고자료들은 그 전체로서 여기에 참조로서 통합된다.
전술한 설명은 예시적인 기술에 대한 다양한 양상들을 설명하는 것으로 의도된다. 여기에서 제시되는 예시들은 첨부된 청구범위들의 범위를 제한하는 것으로 의도되지는 않는다. 여기서 완전하게 설명되는 발명에 대하여, 당해 출원 발명이 속하는 기술 분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자에게 첨부되는 청구범위들의 범위 및 의도로부터 벗어나지 않고 변경들 및 수정들이 이루어질 수 있다는 점이 명백할 것이다.

Claims (7)

  1. 스웹(swept) 소스 광 간섭성 단층촬영을 위한 튜닝가능 VCSEL로서,
    MEMS 튜닝가능 VCSEL을 포함하며,
    상기 MEMS 튜닝가능 VCSEL은:
    하부 하프(half) VCSEL 부분 및 상부 거울 부분을 포함하며, 상기 하부 하프 VCSEL 부분은:
    GaAs 기판 상에서 에피텍시얼하게 성장되는(epitaxially grown) 하부 DBR; 상기 하부 DBR의 상단과 웨이퍼 결합 없이 상기 하부 DBR의 상단에서 에피텍시얼하게 연속적으로 성장되는 양자점들의 복수의 층들로 구성되는 활성 층;
    상기 활성 층 상부에 위치하는 제 1 p-도핑된 클래딩 층;
    상기 제 1 p-도핑된 클래딩 층 상부에 성장되고 부분적으로 산화된 산화층; 및
    상기 산화층 상부에 성장된 제 2 p-도핑된 클래딩 층;
    을 포함하며,
    상기 상부 거울 부분은:
    빔(beam)들에 의해 지지되는 수직하게 이동가능한 멤브레인;
    광에 대한 상부 반사기(reflector)로서, 상기 수직하게 이동가능한 멤브레인에 대해 제공되는 상부 DBR;
    상기 상부 DBR 층와 상기 하부 DBR 층 사이에서 형성된 캐비티의 캐비티 길이를 변경시키기 위하여 핸들(handle) 기판과 상기 수직하게 이동가능한 멤브레인 사이로 전압을 공급하는 전극들;
    을 포함하고,
    상기 활성층은,
    InAs 또는 InGaAs 양자점들로 구성된 다수의 층들을 포함하고, 상기 다수의 층들은 InGaAs 배리어 층들에 의해 분리되고,
    상기 산화층은,
    상기 산화층의 중심 영역에 개구부를 포함하여 상기 제 2 p-도핑된 클래딩 층으로부터 상기 제 1 p-도핑된 클래딩 층의 중심 영역으로의 주입 전류가 제한되도록 하는,
    스웹(swept) 소스 광 간섭성 단층촬영을 위한 튜닝가능 VCSEL.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성 층은, 5-30 nm 범위의 평균 직경을 갖는 양자점들을 포함하는 다수의 층들을 포함하는,
    스웹(swept) 소스 광 간섭성 단층촬영을 위한 튜닝가능 VCSEL.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성 층은, 다른 조성(composition)을 갖는 양자점들을 포함하는,
    스웹(swept) 소스 광 간섭성 단층촬영을 위한 튜닝가능 VCSEL.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성 층은, 제 2 양자화된 에너지 상태를 갖는 양자점들로 구성되는 다수의 층들을 포함하는,
    스웹(swept) 소스 광 간섭성 단층촬영을 위한 튜닝가능 VCSEL.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성 층은, 상기 VCSEL의 발진 파장이 250-1950nm의 범위에서 중심 파장을 갖도록 양자점들의 다수의 층들을 포함하는,
    스웹(swept) 소스 광 간섭성 단층촬영을 위한 튜닝가능 VCSEL.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성 층은, 상기 VCSEL의 발진 파장이 850-1700nm의 범위에서 중심 파장을 갖도록 양자점들의 다수의 층들을 포함하는,
    스웹(swept) 소스 광 간섭성 단층촬영을 위한 튜닝가능 VCSEL.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성 층은, 상기 VCSEL의 발진 파장이 1100-1350nm의 범위에서 중심 파장을 갖도록 양자점들의 다수의 층들을 포함하는,
    스웹(swept) 소스 광 간섭성 단층촬영을 위한 튜닝가능 VCSEL.

KR1020177034578A 2013-07-03 2014-07-01 Ｓｓ－ｏｃｔ 시스템에 대한 파장－튜닝가능 수직 캐비티 표면 방출 레이저 KR101976729B1 (ko)

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