KR20240015063A - 캐비티 내 아파장 격자를 통한 튜닝 가능 vcsel 편광 제어 - Google Patents

캐비티 내 아파장 격자를 통한 튜닝 가능 vcsel 편광 제어 Download PDF

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바틀리 씨. 존슨
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엑셀리타스 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

매우 강력한 선택 메커니즘이, 레이저 캐비티 내에서 아파장 격자를 이용하여 레이저 임계값이 TE 및 TM 편광에서 상이하도록 조작함으로써, 튜닝 가능 수직 캐비티 표면 방출 레이저(VCSEL)에 제공된다. 레이저는 가장 작은 임계값을 갖는 편광을 선택한다. 격자는 회절시키지 않고, 손실을 캐비티에 부가하지 않는다. 이는, 전체 VCSEL의 반도체와 공기 하위-캐비티 사이에서 큰 복굴절 층을 생성하는 것에 의해서 작동한다. 다층 스택 계산은, 이러한 것이 TE 보다 TM 편광에서 더 작은 임계값을 초래한다는 것을 보여 준다. 이러한 아파장 격자 층은, 일 실시형태에서, 반도체 표면 상의 AR 코팅을 대체한다.

Description

캐비티 내 아파장 격자를 통한 튜닝 가능 VCSEL 편광 제어
관련 출원
본원은, 전체가 본원에서 참조로 포함되는, 2021년 3월 29일자로 출원된 미국 가출원 제63/167,209호의 35 USC 119(e) 하의 이익을 주장한다.
수직 캐비티 표면 방출 레이저(VCSEL)는 제어되는 선형 편광 출력을 위해 디바이스 내에 구축된 비대칭성을 필요로 한다. 이러한 비대칭성은 직사각형 메사(mesa)에 의해서 제공될 수 있다. 예를 들어, [Y. Sato, T. Mori, Y. Yamayoshi, 및 H. Kawaguchi의 "Polarization Bistable Characteristics of Mesa Structure 980nm Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers", Japanese Journal of Applied Physics, 45, L438-L440, (2006)]를 참조한다. 다른 옵션은 고 콘트라스트 격자 거울을 이용하는 것이고, 이는 [Y. Rao, W. Yang, C. Chase, M.C.Y. Huang, D.P. Worland, S. Khaleghi, M.R. Chitgarha, M. Ziyadi, A.E. Willner, 및 C.J. Chang-Hasnain의 "Long-Wavelength VCSEL Using High-Contrast Grating", IEEE J. Selected Topics in Quantum Electronics, 19, 1701311-1701311 (2013) or "Vertical-cavity surface-emitting lasers for medical diagnosis", Department of Photonics Engineering at The Technical University of Denmark (2012)]에 설명되어 있다. 다른 옵션은 아파장 격자(subwavelength grating)이다. 이는 [M. Ortsiefer, M. Goerblich, Y. Xu 등의 Polarization control in buried tunnel junction VCSELs using a birefringent semiconductor/dielectric subwavelength grating. IEEE Photon. Technol. Lett. 22, 15-17 (2010)]에 설명되어 있다.
또 다른 비대칭성의 예가 있다. 산화 DBR 거울로부터의 스트레인(strain)이 [V. Jayaraman, J. Jiang, B. Potsaid, M. Robertson, P.J.S. Heim, C. Burgner, D. John, G.D. Cole, I. Grulkowski, J.G. Fujimoto, A.M. Davis, 및 A.E. Cable의 "VCSEL Swept Light Sources", Section 22.5.4 Polarization stability, in Optical Coherence Tomography, W. Drexler, J.G. Fujimoto (eds.), Springer International Publishing Switzerland 2015]에 설명된 바와 같이 이용될 수 있다. 또한, 비대칭적 금속 스트레인 필름이 결정(crystal)에 도포될 수 있다. [Y. Matsui, D. Vakhshoori, P. Wang, P. Chen, C-C. Lu, M. Jiang, K. Knopp, S. Burroughs, 및 P. Tayebati의 "Complete Polarization Mode Control of Long-Wavelength Tunable Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers Over 65-nm Tuning, Up to 14-mW Output Power", IEEE J. Quantum Electronics, 39, 1037-1048 (2003)] 참조. 또한, 비대칭적 전류 개구(asymmetric current aperture)가 제안되었다. [M. A. Bobrov, N. A. Maleev, S. A. Blokhin, A. G. Kuzmenkov, A. P. Vasil'ev, A. A. Blokhin, M. M. Kulagina, Yu. A. Guseva, S. I. Troshkov, W. Lysak, 및 V. M. Ustinov의 "VCSEL polarization control by rhomboidal selectively-oxidized current aperture", 2016 International Conference Laser Optics (LO) Page R3-16 (2016) and K-H. Ha and Y-H. Lee, "Polarization Control of Vertical-Cavity Surface-emitting Lasers by Asymmetric Oxide-aperture", (CLEO) Conference on Lasers and Electro-Optics/Pacific Rim '99 / Paper 2.30, Pages 890-891] 참조.
[P. Debernardi, J.M. Ostermann, M. Feneberg, C. Jalics, 및 R. Michalzik의 "Reliable Polarization Control of VCSELs Through Monolithically Integrated Surface Gratings: A Comparative Theoretical and Experimental Study", IEEE J. on Selected Topics in Quantum Electronics, 11, 107-116 (2005)]에 기재된 바와 같이, 표면 격자를 이용하여 편광을 또한 제어할 수 있다.
다른 옵션은 틸팅 결정 평면 상의 성장이다. [N. Nishiyama, M.Arai, S. Shinada, M. Azuchi, T. Miyamoto, F. Koyama, 및 K. Iga의 "Highly Strained GaInAs-GaAs Quantum-Well Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser on GaAs (311)B Substrate for Stable Polarization Operation", IEEE J. on Selected Topics in Quantum Electronics, 7, 242- 248 (2001)] 및 [Y.L. Okuno, J. Geske, K-G. Gan, Y-J. Chiu, S.P. DenBaars, and J.E. Bowers, "1.3 mm wavelength vertical cavity surface emitting laser fabricated by orientation-mismatched wafer bonding: A prospect for polarization control", Applied Physics Letters, 82, 2377- 2379 (2003)] 참조.
[J.M. Ostermann, P. Debernardi, A. Kroner, 및 R. Michalzik의 "Polarization-Controlled Surface Grating VCSELs Under Externally Induced Anisotropic Strain", IEEE Photonics Technology Letters, 19, 1301- 1303 (2007)]는 외부 유도된 비대칭적 스트레인을 이용한 편광 제어 기술을 설명한다.
2개의 부가적인 옵션으로서 이하가 있다: 1) 편광 손실 이방성, [T. Yoshikawa, T. Kawakami, H. Saito, H. Kosaka, M. Kajita, K. Kurihara, Y. Sugimoto, 및 K. Kasahara의 "Polarization-Controlled Single-Mode VCSEL", IEEE J. of Quantum Electronics, 34, 1009-1015 (1998)] 참조, 및 2) 비대칭적 전류 주입 [Y. Zheng, C-H. Lin, 및 L.A. Coldren의 "Control of Polarization Phase Offset in Low Threshold Polarization Switching VCSELs," IEEE Photonics Technnology Letters, 23, 305-307 (2011)] 참조.
또한, Bart Johnson, Walid Atia, Seungbum Woo, Carlos Melendez, Mark Kuznetsov, Tim Ford, Nate Kemp, Joey Jabbour, Ed Mallon, Peter Whitney는 ["Tunable 1060nm VCSEL co-packaged with pump and SOA for OCT and LiDAR," Proc. SPIE 10867, Optical Coherence Tomography and Coherence Domain Optical Methods in Biomedicine XXIII, 1086706 (22 February 2019)]에서, 비대칭적 스트레인이 고온에서 열-압축 본딩 규소 및 GaAs 다이 모두에 의해서 유도될 수 있다는 것을 설명하였다. 스트레인은 이러한 상이한 재료들의 상이한 열팽창 계수들에 의해서 유발된다. 비대칭적 본드 패드는 수직 및 수평 방향으로 상이한 스트레인을 생성한다. 이러한 스트레인 비대칭성은 유한 요소 분석 및 광학적 가간섭성 단층 촬영을 이용한 복굴절 측정을 통해서 확인되었다. [Bart Johnson, Joey Jabbour, Mark Malonson, Mark Kuznetsov, Walid Atia, Nate Kemp, Peter Whitney의 "OCT applications in optics R&D and manufacturing," Proc. SPIE 11630, Optical Coherence Tomography and Coherence Domain Optical Methods in Biomedicine XXV, 1163023 (5 March 2021)] 참조.
비대칭적 스트레인은 1/2 VCSEL 결정에서 큰 복굴절을 유발하고, 이는 캐비티의 2개의 고유 편광인 수직 또는 수평 편광을 선택하는데 있어서 매우 효과적이다. 이론적으로, 이는 또한 하나의 편광에 대한 게인(gain)을 다른 것보다 우선적으로 상승시킨다. [T. C. Chong 및 C. G. Fonstad의 "Theoretical gain of strained-layer semiconductor lasers in the large strain regime," in IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 25, no. 2, pp. 171-178, Feb. 1989, 그리고 Larry A. Coldren, Scott W. Corzine, 및 Milan L. Masanovic의 Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits, second edition, Wiley (2012)] 참조. 이러한 제2 메커니즘은 덜 효과적이고, 레이징 편광이 항상 수직인 것은 아니다. 그러나, 이는 여전히 III-V 웨이퍼의 110 또는 110 결정 평면에 평행하게 강력하게 선형 편광화된다. 또한, 엄격하게 제어되지 않는 비점수차 빔(astigmatic beam)에 대한 AR 코팅 계면에서의 모달 의존적 반사도와 같은 다른 메커니즘이 있다. 최종 편광이 수직인지 수평인지를 결정하는 몇몇 약한 경쟁 메커니즘이 있을 수 있다.
본 발명은 튜닝 가능 수직 캐비티 표면 방출 레이저(TVCSEL)로 설계된 편광 메커니즘에 관한 것이다. 이러한 메커니즘은 전술한 것 중 일부보다 강력할 수 있고, 추가적으로 설계에 통합될 수 있다. 구체적으로, 이는 III-V 반도체와 같은, 반도체 표면 내로 에칭된 아파장 격자를 이용한다. 이러한 격자는 임의의 반사 방지(AR) 코팅 대신 사용될 수 있다.
일부 실시형태에서, 일 양태에 따라, 본 발명은, 거울 및 레이저의 광학 캐비티를 형성하는 절반 VCSEL을 수반하는 편향 가능 멤브레인 디바이스를 포함하는, 튜닝 가능 수직 표면 방출 레이저를 특징으로 한다. 본 발명에 따라, 아파장 격자는 광학 캐비티에 제공된다.
실시형태에서, 아파장 격자는 절반 VCSEL 상에 위치된다. 특히, 이는 절반 VCSEL의 상단의 (예를 들어, 고-인덱스(high index)의) 층 상에 형성될 수 있다.
격자의 피치(Λ)는 레이저의 동작 파장(λ)보다 작다. 특히, 격자가 제조되는 층이 n의 굴절률(index of refraction)을 가지고 디바이스의 동작 파장이 λ인 경우, 격자 피치(Λ)는 λ/n 미만이고, 바람직하게 λ/n보다 훨씬 더 작다. 하나의 구체적인 예에서, λ/n은 약 330 나노미터(nm)이고, Λ는 300 nm 미만 또는 바람직하게 약 200 nm이다.
실시형태에서, 격자는 50% 듀티 사이클을 갖는다. 격자는 교번적인(alternating) 재료 및 공기, 예를 들어 교번적인 InGaP 및 공기이다.
또한, 격자는 절반 VCSEL 상의 전형적인 반사 방지 코팅을 대체한다.
일반적으로, 다른 양태에 따라, 본 발명은 튜닝 가능 수직 표면 방출 레이저를 제조하는 방법을 특징으로 하고, 이러한 방법은 편향 가능 멤브레인 디바이스, 및 레이저의 광학 캐비티를 형성하는 절반 VCSEL 디바이스를 형성하는 단계, 그리고 예를 들어 에칭으로, 아파장 격자를 절반 VCSEL 디바이스 내로 형성하는 단계를 포함한다.
일반적으로, 다른 양태에 따라, 본 발명은 튜닝 가능 수직 표면 방출 레이저 시스템을 특징으로 한다. 이러한 시스템은 거울 및 레이저의 광학 캐비티를 형성하는 절반 VCSEL을 수반하는 편향 가능 멤브레인 디바이스, 및 광학 캐비티 내의 아파장 격자를 포함하는 레이저, 그리고 레이저를 광학적으로 펌핑하기 위한 펌프 칩을 포함한다.
부품의 구성 및 조합의 다양한 새로운 세부 사항 및 기타 장점을 포함하는 본 발명의 전술한 그리고 다른 특징들을 이제 특히 첨부 도면을 참조하여 설명할 것이고 청구범위에 기재할 것이다. 본 발명을 구현하는 특정 방법 및 디바이스가 예시로서 도시된 것이며, 본 발명을 제한하지 않는다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 원리 및 특징은, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도, 다양하고 수많은 실시형태에서 적용될 수 있다.
첨부 도면에서, 참조 문자는 상이한 도면들 전체를 통해서 동일 부품을 지칭한다. 도면이 반드시 실제 축척(scale)인 것은 아니고; 그 대신에 본 발명의 원리를 설명할 때 강조된다. 도면은 다음과 같다:
도 1a는 일 실시형태에 따른, 분산된 브래그 반사부(DBR) 거울 및 양자 우물(quantum well)과 함께 아파장 격자를 갖는 MEMS 튜닝 가능 VCSEL(10)을 도시한다.
도 1b는 다른 실시형태에 따른, 게인 임베딩 DBR VCSEL 내의 양자 우물(QW)과 함께 아파장 격자를 갖는 MEMS 튜닝 가능 VCSEL(10)을 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 각각, 하나의 예에서 본 발명이 적용될 수 있는, 웨이퍼- 또는 다이-본딩된 튜닝 가능 VCSEL의 분해 사시도 및 본드 패드의 위치를 보여 주는 절반 VCSEL의 개략적 사시도이다.
도 3은 아파장 격자를 갖는 튜닝 가능 VCSEL을 포함하는 광학 펌핑 튜닝 가능 VCSEL 스윕 소스 모듈(optically pumped tunable VCSEL swept source module)의 상면 평면도이다.
도 4는 아파장 격자 및 50% 듀티 사이클을 갖는 InGaP 층에 대한 나노미터의 격자 피치에 따른 굴절률의 플롯(plot)이고, 이러한 층은 교번적인 InGaP 및 공기이다.
도 5a 내지 도 5c는 160 나노미터(nm) 깊이 InGaP에 대한, 나노미터의 격자 피치에 따른 투과 및 반사의 플롯이다.
도 6a 내지 도 6c는 k-공간 내의 회절 차수(diffracted orders)를 도시하고, 여기에서 도 6a는 1200 nm의 격자 피치에 대한 차수를 도시하고, 도 6b는 400 nm의 격자 피치에 대한 차수를 도시하며, 도 6c는 200 nm의 격자 피치에 대한 차수를 도시한다(참조로서 도 5a 내지 도 5d에 도시된 수직 라인을 참조; 도 6c는 격자 피치가 충분히 작은 경우 회절 차수에 대한 손실이 없다는 것, 구체적으로 피치가 340 nm 미만인 경우 손실이 없다는 것을 도시한다).
도 7a는 튜닝 곡선을 도시하고, 도 7b는 대량의 편광 차이를 보여 주는 TE 및 TM 편광에 대한 임계값 게인(threshold gain)을 도시하는 반면, 도 7c는 TE 및 TM 튜닝 범위들이 많이 겹치지 않는다는 것을 보여 준다.
이제, 발명의 예시적인 실시형태가 도시된 첨부 도면을 참조하여 발명을 보다 전체적으로 이하에서 설명할 것이다. 그러나, 본 발명은 많은 상이한 형태들로 구현될 수 있고, 본원에서 기술된 실시형태로 제한되는 것으로 간주되지 않아야 하며; 오히려, 이러한 개시 내용이 전체적이고 완전한 것이 되도록 그리고 본 발명의 범위가 당업자에게 완전히 전달되도록, 이러한 실시형태가 제공된다.
본원에서 사용된 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 연관된 나열된 항목의 하나 이상의 임의 또는 모든 조합을 포함한다. 또한, 달리 명백하게 표시되지 않는 한, 단수 형태 및 관사("a," "an" 및 "the")는 복수의 형태를 또한 포함하도록 의도된 것이다. "포함한다", "포괄한다", "포함하는" 및/또는 "포괄하는"이라는 용어는, 본원 명세서에서 사용될 때, 기술된 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 및/또는 구성요소의 존재를 구체화하나, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 구성요소, 및/또는 그 그룹의 존재나 부가를 배제하는 것이 아님을 더 이해할 수 있을 것이다. 또한, 구성요소 또는 하위 시스템을 포함하는 요소가 다른 요소에 연결된 또는 커플링된 것으로 지칭되고/되거나 도시될 때, 이는 다른 요소에 직접적으로 연결 또는 커플링될 수 있거나, 개재되는 요소가 존재할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 "제1", "제2" 등의 용어가, 본원에서 다양한 요소를 설명하기 위해서 사용되지만, 이러한 요소들이 이러한 용어에 의해서 제한되지 않아야 한다는 것이 이해될 것이다. 이러한 용어는 단지 하나의 요소를 다른 요소로부터 구별하기 위해서 사용된다. 따라서, 본 발명의 교시 내용으로부터 벗어나지 않으면서, 후술되는 요소는 제2 요소로 지칭될 수 있고, 유사하게, 제2 요소는 제1 요소로 지칭될 수 있다.
달리 규정되는 바가 없는 한, 본원에서 사용된 모든 용어(기술적 및 과학적 용어를 포함)가 본 발명에 속하는 업계의 당업자에 의해서 일반적으로 이해되는 바와 같은 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에서 규정된 용어와 같은 용어는 관련 기술의 맥락에서의 그 의미와 일치되는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하고, 본원에서 명시적으로 규정되지 않는 한, 이상적인 또는 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다는 것을 더 이해할 수 있을 것이다.
도 1a는 본 발명의 원리에 따라 구성된, 캐비티 내 아파장 격자를 갖는 MEMS 튜닝 가능 VCSEL(10) 내의 DBR 거울 및 양자 우물의 배열을 도시한다.
더 구체적으로, MEMS 튜닝 가능 VCSEL(10)은 멤브레인 거울(250)을 수반하는 전방 MEMS 멤브레인 구조물(214)을 포함한다. 1/2 또는 절반 VCSEL 칩 또는 디바이스(112)가 조정 가능 공기 광학 갭(105)에 의해서 전방 MEMS 멤브레인 구조물(214)로부터 분리되고, 광학 축을 따른 조정 가능 공기 광학 갭의 길이는 멤브레인 구조물(214)을 편향시키는 것에 의해서 튜닝된다.
절반 VCSEL 디바이스(112)는 절반 VCSEL 디바이스(112)의 게인 매체 부분(gain medium portion)(GM)을 갖는다. 이는 일반적으로 고-인덱스 층(H)에 임베딩된 다수의 양자 우물 층(QW1, QW2, QW3, QW4)을 갖는다. DBR 스택 거울은 절반 VCSEL 디바이스(112) 내에서 게인 매체를 따른다. 이러한 거울(DBR)은 고굴절률 재료(H) 및 저굴절률 재료(L)의 교번적인 층들을 특징으로 한다. 일반적으로, DBR 거울은, 희망하는 반사도 및 사용되는 2개의 재료의 굴절률의 차이에 따라, 최소 4개의 층으로부터 최대 70개 이상의 층을 가질 수 있다(1 층 = H+L). 마지막으로, 절반 VCSEL 디바이스(112)는 기재(115)를 더 포함하고, 이러한 기재 위에는 여러 층이 침착되고(deposited) 이는 기계적 지지를 제공한다.
발명에 따라, 아파장 격자(114)가, 공기 광학 갭(105)에 대면되거나 인접하는 상단 고-인덱스 층(TH) 내로 형성된다. 이러한 격자는, 일 예에서, 절반-VCSEL의 표면에서 그리고 상단 고-인덱스 층 내에 아파장 격자를 에칭하는 것에 의해서, 형성된다. 이는, 임의의 반사 방지(AR) 코팅을 대체할 수 있다. 50% 듀티 사이클로 InGaP 캡 내로 에칭하는 것은 매우 큰 복굴절을 초래한다(도 4 참조). TE 및 TM 인덱스는 √n의 양 측에서 해당한다.
몇몇 제조 기술이 격자 형성에 적합하다. 아파장 격자는 바람직하게 E-빔 리소그래피, UV 레이저 간섭 리소그래피, 또는 다른 방법에 의해서 형성된다. 그리고 이러한 리소그래픽 결과는, 일 예에서, 건식 에칭 프로세스에 의해서 반도체 내로 전사된다.
도 1b는 다른 실시형태에 따른, 캐비티 내 아파장 격자를 갖는 MEMS 튜닝 가능 VCSEL(10) 내의 DBR 거울 및 양자 우물의 배열을 도시한다. 이러한 예는 본원에서 참조로 포함되는 미국 특허 공개 제2021/0050712호에서 설명된 바와 같은 게인 임베딩 DBR 거울을 포함한다.
여기에서, 전체 캐비티 길이는, 조합된 게인 매체 및 DBR 거울(GM/DBR)을 생성하도록 게인 매체(GM)를 DBR 스택 거울 내에 배치하는 것에 의해서, 광학 축의 방향으로 단축된다.
일반적으로, 아파장 격자(114)는 다시 상단 고-인덱스 층(TH) 내로 형성된다. 후속 제1 양자 우물(QW1)이 제공되고, 이어서 저-인덱스 재료 층(L), 고-인덱스 재료 층(H), 제2 양자 우물(QW2), 이어서 저-인덱스 재료 층(L), 고-인덱스 재료 층(H), 제3 양자 우물(QW3), 이어서 저-인덱스 재료 층(L), 고-인덱스 재료 층(H), 및 제4 양자 우물(QW4)이 제공된다. 이어서, DBR 거울의 나머지 층(H, L)이 희망 반사도를 위해서 부가된다. 도시된 바와 같이, 바람직하게, 양자 우물은 DBR 거울의 고-인덱스 층과 저-인덱스 층 사이에 부가된다.
양자 우물 층(QW1 내지 QW4)은 바람직하게, 반사된 광의 전기 장이 가장 강한 DBR 거울의 스택 내에서 높게 배치된다. 이는 게인에 대한 그 각각의 기여를 최대화한다.
아파장 격자(114)를 갖는 이러한 TVCSEL는 일반적으로 많은 반도체 재료 시스템 및 파장 대역에 적용될 수 있다. 일반적인 재료 시스템은, 이원계 재료, 예를 들어 GaN, GaAs, InP, GaSb, InAs뿐만 아니라 삼원계, 사원계, 및 오원계 합금, 예를 들어 InGaN, InAlGaN, InGaP, AlGaAs, InGaAs, GaInNAs, GaInNAsSb, AlInGaAs, InGaAsP, AlGaAsSb, AlGaInAsSb, AlAsSb, InGaSb, InAsSb, 및 InGaAsSb를 포함하는, III-V 반도체 재료를 기초로 한다. 집합적으로, 이러한 재료 시스템은, 다수의 마이크로미터 파장으로 연장되는 더 긴 파장 범위를 포함한, 약 400 나노미터(nm) 내지 2000 nm의 동작 파장을 지원한다. 일반적으로 반도체 양자 우물 및 양자 도트 게인 영역을 이용하여 특히 넓은 게인 및 스펙트럼 방출 대역폭을 획득한다. 양자 우물 층은, 정확한 재료 및 희망 파장 커버리지에 따라, 의도적으로 스트레이닝되거나 스트레이닝되지 않을 수 있다.
그럼에도 불구하고, 조합된 게인 매체 및 DBR 거울(GM/DBR)은 스트레이닝된 InGaAs 양자 우물 및 게인 매체를 갖는 AlGaAs/GaAs 재료 시스템에 매우 적합하다. 이러한 시스템은 약 1050nm 대역에서 레이저를 생성한다(lase). 이러한 재료 시스템에서, 고-인덱스 층(H)은 GaAs이고, 저-인덱스 층(L)은 AlAs 또는 유사한 고 Al 함량의 AlGaAs 합금이다.
게인 매체는 현재 실시형태에서 광학적으로 펌핑된다. GaAs 기재에서와 같이, 기재가 펌프 파장에서 흡수적인 경우, 레이저 방출 광 및 펌프 광은 MEMS 멤브레인 구조물을 통해서 나올 필요가 있다.
그러나, 이는 다른 재료 시스템에서 반드시 그러한 것은 아니다. VCSEL 방출은 MEMS 측, 기재 측, 또는 그 둘 모두의 외부에서 오도록 구성될 수 있다. MEMS 거울(250)은 종종 공간 모드 제어를 위해서 곡선화되나; 예를 들어 절반 VCSEL 디바이스(112) 내의 열 렌싱(thermal lensing)이 강력한 경우, 반드시 그럴 필요는 없다.
도 2a 및 도 2b는 MEMS 튜닝 가능 VCSEL(10)에 대한 구체적인 설계를 도시한다. 많은 설계가 가능하지만, 이러한 설계는 절반 VCSEL 칩 또는 디바이스(112)를, 파장 튜닝을 위해서 정전기적으로 이동 가능한 거울을 갖는, 규소 MEMS 광학 멤브레인 디바이스(110)에 본딩하는 것에 의해서 형성된다.
더 구체적으로, 광학 멤브레인 디바이스(110)는 지지부로서 기능하는 핸들 웨이퍼 재료(210)를 포함한다. 현재, 핸들은 도핑된 규소로 제조되고, 그에 따라 전기 접촉을 촉진한다.
광학 멤브레인 또는 디바이스 층(212)이 핸들 웨이퍼 재료(210)에 부가된다. 일반적으로, 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 웨이퍼가 사용된다. 광학 멤브레인 구조물(214)이 이러한 광학 멤브레인 층(212) 내에 형성된다. 현재의 구현예에서, 멤브레인 층(212)은, 전달되는 광의 자유 캐리어 흡수를 최소화하기 위해서 소량 도핑되는 규소이다. 전기 접촉을 위해서, 멤브레인 층 표면은 일반적으로 이온 주입에 의해서 부가적으로 도핑되고, 그에 따라 다량 도핑된 표면 층을 생성한다. 이러한 방법은, 전체 층이 다량 도핑되는 경우에 발생될 수 있는, 멤브레인 층 자체 내의 광학적 흡수를 최소화한다. 절연(이산화규소가 매립된) 층(216)이 광학 멤브레인 층(212)을 핸들 웨이퍼 재료(210)로부터 분리한다.
SOI 웨이퍼 재료 내의 멤브레인 디바이스의 제조 중에, 절연 층(216)은 희생/방출 층으로서 기능하고, 이는 부분적으로 제거되어 멤브레인 구조물(214)을 핸들 웨이퍼 재료(210)로부터 방출한다. 이어서, 동작 중에, 절연 층(216)의 나머지 부분은 패터닝된 디바이스 층(212)과 핸들 재료(210) 사이에서 전기 절연을 제공한다.
현재의 실시형태에서, 멤브레인 구조물(214)은 본체 부분(218)을 포함한다. 디바이스(10)의 광학 축은 이러한 본체 부분(218)을 통해서 동심적으로 그리고 멤브레인 층(212)에 의해서 형성된 평면에 직각으로 통과한다. 이러한 본체 부분(218)의 직경은 바람직하게 300 내지 600 마이크로미터이고; 현재 이는 약 500 마이크로미터이다.
테더(220)(도시된 예에서 4개의 테더)가, 디바이스 층(212) 내로 제조된 궁형 슬롯(225)에 의해서 형성되고 경계 지어 진다. 테더(220)는 본체 부분(218)으로부터 외부 부분(222)까지 반경방향으로 연장되고, 외부 부분은 링을 포함하고, 이러한 링에서 테더(220)가 종료된다. 현재의 실시형태에서, 나선형 테더 패턴이 사용된다.
멤브레인 거울 도트(250)가 멤브레인 구조물(214)의 본체 부분(218) 상에 배치된다. 일부 실시형태에서, 멤브레인 거울(250)이 광학적으로 곡선화되어 광학적으로 오목한 광학 요소를 형성하고, 그에 의해서 곡선화된 거울 레이저 캐비티를 형성한다. 다른 경우에, 멤브레인 거울(250)은 편평한 거울이거나, 심지어 볼록한 것도 가능하다.
곡선형 멤브레인 거울(250)이 요구될 때, 이러한 곡률은, 본체 부분(218) 내에 오목부를 형성하는 것 그리고 이어서 해당 오목부에 걸쳐 거울(250)을 형성하는 재료 층 또는 층들을 침착시키는 것에 의해서 생성될 수 있다. 다른 예에서, 멤브레인 거울(250)은, 이러한 곡률을 초래할 대량의 압축 재료 응력을 가지고, 침착될 수 있다.
멤브레인 거울 도트(250)는 바람직하게 반사 유전체 거울 스택이다. 일부 예에서, 이는, 1 내지 99.9%와 같은 규정된 반사도를 레이저(10) 내에서 생성된 레이저 광의 파장에 제공하는 이색성(dichroic) 거울-필터인 반면, 광학 도트(250)는 VCSEL 디바이스(112)내의 활성 영역을 광학적으로 펌핑하기 위해서 사용되는 광의 파장에 대해서 투과적이다. 또 다른 예에서, 광학 도트는 알루미늄 또는 금과 같은 반사 금속 층이다.
도시된 실시형태에서, 4개의 금속 패드(MP1, MP2, MP3, 및 MP4)가 멤브레인 디바이스(110)의 근위 측면 상에 침착된다. 이들은, 예를 들어, 절반 VCSEL 디바이스(112)에 침착된 금 패드(GP1-4)를 이용하여 절반 VCSEL 디바이스(112)를 멤브레인 디바이스(110)의 근위 면에 납땜 또는 열 압축 본딩하기 위해서 사용된다.
또한, 2개의 와이어 본드패드(wire bondpad)(334A, 334B)가 제공된다. 멤브레인 와이어 본드 패드(334A)는 멤브레인 층(212)에 대한 그리고 그에 따라 멤브레인 구조물(214)에 대한 전기 연결을 제공하기 위해서 사용된다. 핸들 와이어 본드 패드(334B)는 핸들 웨이퍼 재료(210)에 대한 전기 연결을 제공하기 위해서 사용된다.
절반 VCSEL 디바이스(112)는 일반적으로 상단 고-인덱스 층(TH) 내에 형성된 아파장 격자(114) 및 조합된 또는 별도의 게인 매체(GM) 및 DBR 거울(DBR)을 포함한다.
또 다른 예에서, DBR 거울(DBR)은, 99% 초과와 같은 규정된 반사도를 레이저(10) 내에서 생성된 레이저 광의 파장에 제공하는 이색성 거울-필터인 반면, DBR은 VCSEL 디바이스(112)내의 활성 영역을 광학적으로 펌핑하기 위해서 사용되는 광의 파장에 대해서 투과적이고, 그에 따라 절반 VCSEL 디바이스(112)가 펌프 광의 입력 포트로서 기능할 수 있게 한다.
약 1050 nm의 중심 파장으로 동작하는 VCSEL의 예에서, 거울 반사도는 약 1050 nm 파장의 광에서 더 큰 수치를 향하는 경향이 있다. 예를 들어, DBR의 반사도는 약 99.99%이다. 다른 한편으로, 전방 거울 도트(250)는 일반적으로 99% 이상이다. 현재의 실시형태에서, 거울 도트(250)는 약 99.4% 이상의 반사도를 갖는다.
동작 시에, VCSEL 디바이스는 전기적으로 또는 광학적으로 펌핑된다. 생성된 광은 DBR 거울(DBR)과 멤브레인 거울(250) 사이에서 공진한다. 생성된 광의 파장은, 본체 부분(218)과 핸들 웨이퍼 재료(210) 및/또는 절반 VCSEL 디바이스(112) 사이의 정전기장을 제어하는 것에 의한, 본체 부분(218) 그리고 그에 따라 멤브레인 거울(250)의 평면 외 정전기 편향에 의해 디바이스의 스캔 대역 내에서 튜닝된다. 디바이스 파장은 약 1000 nm 내지 1100 나노미터의 범위에 걸쳐 스윕한다.
도 2b는 절반 VCSEL 디바이스(112) 상의 은폐 본드 패드(GP1 내지 GP4)를 도시하는 개략도이다.
1/2 VCSEL 디바이스(112) 상의 얇은 금 패드(GP1 내지 GP4)는, 고압 및 고온으로 접촉되게 배치하여 본드를 형성하는 것에 의해서, MEMS 멤브레인 (거울) 디바이스(110)의 상응 멤브레인 패드(MP1, MP2, MP3, 및 MP4)에 열 압축 본딩된다. 일반적으로, 이는 300 내지 360℃ 및 1 내지 10 N의 힘으로 이루어 진다. 그러나, 다른 상승 온도 본딩 방법, 예를 들어 금-주석 및/또는 공정 납땜(eutectic soldering)을 이용하여 유사한 효과를 생성할 수 있다.
도 3은 또한 아파장 편광 안정화된 VCSEL(10)을 이용하는 예시적인 광학 펌핑 튜닝 가능 VCSEL 스윕 소스 시스템(101)을 도시하고, 이러한 시스템은 단일 모듈로 통합되었다.
펌프 칩(760)으로부터의 광이 펌프 광섬유(742)를 통해서 벤치(bench)(740)에 커플링된다. 칩은 또한 더 높은 레벨의 집적을 위해서 벤치 상에 직접적으로 집적될 수 있다. 광섬유(742)로부터의 펌프 광(712)은 벤치(740)에 부착된 제1 렌즈(렌즈A)에 의해서 시준된다(collimated). 이어서, 펌프 광(712)은 이색성 거울(732)을 통해서 전달되고, 이어서 제2 렌즈(렌즈B)에 의해서 VCSEL(100)의 절반 VCSEL(112) 상으로 포커스된다.
바람직하게, 벤치(740)는, 이어서, 패키지(744)의 섬유-피드스루(fiber-feedthrough)(746, 748)를 통과하는 광섬유를 갖는 밀폐 패키지(744) 내에 설치된다.
이색성 거울(732)은 VCSEL(10)에 의해서 방출된 VCSEL 광(734)의 더 긴 파장에 대해서 반사적이나, 도시된 예에서 펌프 광(712, 724)에 대해서는 투과적이다. 구체적으로 도시된 예에서, VCSEL(10)로부터의 튜닝 가능 신호는 벤치(740)에 부착된 이색성 거울(732)에 의해서 반사되고, 또한 벤치(740)에 부착된 폴드 거울(fold mirror)(750)로 지향되고, 이어서 벤치(740)에 부착된 제3 렌즈(752)로 지향된다. 제3 렌즈(752)는 광을 출력 광섬유(754)의 입구 개구 내로 포커스한다.
이러한 특정 설계에 관한 더 상세 내용을, 전체가 참조로 본원에 포함되는, 미국 특허출원 공개 제US 2019/0348813 A1에서 확인할 수 있다.
또한, 게인이 시스템(101)에 부가될 수 있다. 예를 들어, 벤치(740)에 설치된 반도체 광학 증폭기(SOA) 칩(756)이 또한 도시되어 있다. 일반적으로, 인-커플링 렌즈(in-coupling lens)(758) 및 시준 렌즈(762)가 SOA 칩(756)의 입력 및 출력에 각각 부가된다. SOA(756)는 VCSEL(10)로부터의 파워를 부스팅한다. 격리부(764)를 또한 SOA(756)와 VCSEL(10) 사이에서 이용하여, 임의의 기생 광학 캐비티를 제거한다(spoil).
아파장 격자 설계 고려 사항
수직 입사(normal incidence)에서, 피치(Λ<λ/n)를 갖는 격자는 회절시킬 수 없고, 여기에서 n은 기재 인덱스이고, Λ는 격자 피치이며, λ는 파장이다. 이러한 격자는 여전히 광학적으로 활성적이고, 그에 따라 크게 달라질 수 있는 균일한 복굴절을 나타낸다. [Dale C. Flanders의 "Submicrometer periodicity gratings as artificial anisotropic dielectrics," Appl. Phys. Lett. 42, 492 (1983)] 그리고 [Amnon Yariv 및 Pochi Yeh의 "Electromagnetic propagation in periodic stratified media. II. Birefringence, phase matching, and x-ray lasers," J. Opt. Soc. Am. 67, 438-447 (1977)] 참조. 벌크 인덱스(n1 및 n2)를 갖는 격자 재료에서, 홈에 평행한 E-필드(TE) 및 수직한 E-필드(TM)에 대한 층상형 구조물의 인덱스는 다음과 같고:
여기에서 q는 재료 충진 인자(material fill factor)이다. 이러한 표현식은 Λ<<λ/n의 제한에서 유효하다. 합리적인 리소그래피에서 이러한 제한에 도달할 수 없는 경우, 복굴절은 전자기장 솔버(electromagnetic field solver)에 의해서 결정될 수 있다. 이하의 표는 GaAs에 매칭된 반도체 InGaP 격자에 대한 예시적인 인덱스 수치를 제공한다.
광 결정 시뮬레이터를 이용하여, InGaP 내로 160 nm 깊이로 에칭된 격자의 특성을 계산하였다. 설계 연습으로서 그 투과 및 반사 대 격자 피치를 관찰한 결과, 격자 피치가 충분히 짧을 경우 이러한 격자는 손실이 없는 것으로 나타났다. 더 긴 피치에서, 격자는 각도에 따라 회절시켜, 손실을 VCSEL 캐비티에 도입한다.
도 4는, "MIT 광 대역(MPB)"으로 지칭되는 MIT의 전자기장 계산 프로그램인 MPB에 의해서 계산된 TE 및 TM 굴절률 대 격자 피치를 도시한다. 이들은 수학식 (1) 및 (2)로 계산한 값에 점근적으로 접근한다.
도 5a 내지 도 5d는, 약 1100 nm 파장에서 동작하는 튜닝 가능 레이저의 160 나노미터(nm) 깊이 InGaP 격자에 대한 나노미터의 격자 피치에 따른 투과 및 반사의 플롯이다. 도 5a 및 도 5b는 격자(114)의 표면에 수직인 투과 및 반사 파동에 대한 플롯이다. 도 5c 및 도 5d는 회절 차수에 대한 플롯이다. λ/n 미만 또는 이 경우 340 nm 미만의 격자 피치에서 회절이 없다는 것에 주목하여야 한다.
도 6a 내지 도 6c는 k-공간에서의 회절 차수를 도시한다. 이들은 격자 피치 1200 nm(도 6a), 400 nm(도 6b), 및 200 nm(<340 nm)(도 6c)에 대한 것이다. 참고로 도 5a 내지 도 5d에 도시된 수직 라인을 참조한다.
임계값 게인 비대칭성
도 7a 내지 도 7c는 마이크로미터의 광학 갭에 따른 나노미터의 파장의 플롯, %의 라운드 트립(round trip) 임계값 게인에 따른 나노미터의 파장의 플롯; 및 TE 및 TM 편광의 각각에 대한 마이크로미터의 광학 갭에 따른 %의 라운드 트립 임계값 게인의 플롯이다. 곡선들은 많은 양의 편광 차이를 보여 준다. 임계값 게인 차이 외에도, 곡선은, TE 및 TM 튜닝 범위 내에서 중첩이 많지 않다는 것을 보여 준다.
따라서, 임계값 게인 곡선은 VCSEL 내의 TM 편광에서의 그리고 특히 도 1b의 설계에서의 큰 장점을 보여 주고, 여기에서 VCSEL은 많은 광학 갭 설정에서 레이저를 생성하지 않는다. TE 및 TM 모드는 동일 갭 설정에서 상이한 파장들을 공진시키나; TM 모드만이 레이저를 생성할 것인데, 이는 그 작은 임계값 게인 때문이다. TM 모드는 또한 덜 민감한 튜닝을 가지며, 이는 또한 유리하다.
일반적으로, 게인은, 양자 우물 층의 굴절률의 가상 부분을 조작하는 것에 의해서, 부가된다. 반사도는 VCSEL 내의 모든 층, MEMS 멤브레인 AR 및 HR 유전체 층, 공기 갭, 그리고 모든 III-V 반도체 층에서 계산된다. 임계값 게인은 스택 반사도가 최대인 지점이다.
TM 편광을 위한 더 작은 게인 요건은 캐비티의 적은 손실의 결과가 아니다. 아파장 격자(114)는 이론적으로 손실이 없다. 이는 캐비티 내의 에너지의 분배의 결과이다. III-V 반도체와 공기 갭 사이에서 AR 코팅을 갖는 다른 설계에서, 이러한 AR 코팅은 캐비티 내의 에너지 분배에서 큰 역할을 한다. 예를 들어, 인덱스(√n)의 1/4-파동 코팅은 n의 반도체 인덱스를 위한 완벽한 AR 코팅이다. 완벽한 AR 코팅으로부터 시작하여, √n 초과의 인덱스는 에너지를 캐비티의 공기-측으로 밀어 넣는다. √n 미만의 층은 광학 에너지를 반도체 측으로 모이게 한다(lump). 이는 공기-캐비티-우세 및 반도체-캐비티-우세의 경우이다. 양자 우물로부터 게인을 추출하는 더 강력한 정상파에서, 반도체-캐비티-우세 설계는 더 작은 임계값을 갖는다. VCSEL은 더 작은 임계값 모드 동작을 선호한다. 이는 어떠한 편광-의존적 손실도 캐비티에 부가하지 않고 이루어 진다. 아파장 격자는 TE 캐비티 공기를 우세하게 만들고 TM 캐비티 반도체를 우세하게 만들며, 임계값 게인에서 큰 차이를 유발한다.
본 접근 방식은, TE 및 TM 편광에서 레이저 임계값이 상이하도록 조작하는 것에 의해서, 매우 강력한 선택 메커니즘을 제공한다. 레이저는 가장 작은 임계값을 갖는 편광을 선택한다. 이러한 선호도는 아파장 격자(114)에 의해 생성된다. 격자는 회절시키지 않고, 손실을 캐비티에 부가하지 않는다. 이는, 전체 VCSEL의 반도체와 공기 하위-캐비티 사이에서 큰 복굴절 층을 생성하는 것에 의해서 작동한다. 다층 스택 계산은, 이러한 것이 TE 보다 TM 편광에서 더 작은 임계값을 초래한다는 것을 보여 준다.
본 발명의 바람직한 실시형태를 참조하여 본 발명을 특히 도시하고 설명하였지만, 당업자는, 첨부된 청구범위에 포함되는 발명의 범위로부터 벗어나지 않고도, 형태 및 상세 부분의 여러 가지 변화가 이루어질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (18)

  1. 튜닝 가능 수직 표면 방출 레이저이며:
    거울 및 레이저의 광학 캐비티를 형성하는 절반 VCSEL을 수반하는 편향 가능 멤브레인 디바이스; 및
    상기 광학 캐비티 내의 아파장 격자를 포함하는, 레이저.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 아파장 격자는 상기 절반 VCSEL 상에 위치되는, 레이저.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 아파장 격자는 상기 절반 VCSEL의 상단 고-인덱스 층 상에 형성되는, 레이저.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 절반 VCSEL은 분산 브래그 반사부를 포함하는, 레이저.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 격자는 50% 듀티 사이클을 가지는, 레이저.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 격자는 교번적인 재료 및 공기인, 레이저.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 격자는 교번적인 InGaP 및 공기인, 레이저.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 격자는 상기 절반 VCSEL 상의 반사 방지 코팅을 대체하는, 레이저.
  9. 튜닝 가능 수직 표면 방출 레이저를 제조하는 방법이며:
    편향 가능 멤브레인 디바이스, 및 상기 레이저의 광학 캐비티를 형성하는 절반 VCSEL 디바이스를 형성하는 단계; 그리고
    아파장 격자를 상기 절반 VCSEL 디바이스 내로 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 아파장 격자가 상기 절반 VCSEL 디바이스 내로 에칭되는, 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 아파장 격자는 상기 절반 VCSEL의 상단 고-인덱스 층 내로 에칭되는, 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 격자는 50% 듀티 사이클을 가지는, 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 격자는 교번적인 재료 및 공기인, 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 격자는 교번적인 InGaP 및 공기인, 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 격자는 상기 절반 VCSEL 상의 반사 방지 코팅을 대체하는, 방법.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 아파장 격자를 형성하는 단계는 상기 절반 VCSEL 디바이스를 에칭하는 단계를 포함하는, 방법.
  17. 제9항에 있어서,
    상기 아파장 격자는 리소그래피에 의해서 형성되는, 방법.
  18. 튜닝 가능 수직 표면 방출 레이저 시스템이며:
    거울 및 레이저의 광학 캐비티를 형성하는 절반 VCSEL을 수반하는 편향 가능 멤브레인 디바이스, 그리고 상기 광학 캐비티 내의 아파장 격자를 포함하는 레이저; 및
    상기 레이저를 광학적으로 펌핑하기 위한 펌프 칩을 포함하는, 시스템.
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