양자계단 레이저 (λ ～ 5.7 μm)의 설계 및 금속 고반사 코팅의 영향에 관한 연구
Design of and Metallic High-reflectivity Coating for λ ～ 5.7 μm Quantum Cascade Lasers
고영환(경희대학교); 유재수(경희대학교); 정관수(경희대학교)
57권 2호, 127~132쪽
초록
4-양자우물을 활성영역으로 갖는 이중 포논 공명 구조의 Ga$_{0.41}$In$_{0.59}$As/Al$_{0.56}$In$_{0.44}$As 초격자 양자계단 레이저가 설계 되었다. 전계에 따른 양자계단 레이저 구조의 방출 파장과 분극행렬 요소에 대한 영향이 조사되었다. 전계를 63 kV/m에서 71 kV/m로 변화시켰을 때 레이저의 방출 파장이 다소 짧아지는 반면, 분극행렬 요소는 약간 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 67 kV/m의 전계에서 $\lambda$ = 5.68 $\mu$m의 동작 파장을 갖는 최적화된 4-양자우물 양자계단 레이저 구조에 대하여 InGaAs층과 InAlAs층 각각의 성장률 오차에 따른 소자의 방출 파장의 변화 또한 고려되었다. InGaAs층과 InAlAs층의 성장률 오차에 따른 각 층들의 두께가 -10 \%에서 10 \%로 변화할 때 레이저 다이오드의 방출 파장은 $\lambda$ = 5.17 $\mu$m에서 $\lambda$ = 6.25 $\mu$m로 변화하였고, InGaAs층의 두께 변화가 InAlAs층의 두께 변화보다 방출 파장에 대해 더 크게 영향을 주는 것을 알 수 있었다. 따라서, 에피 구조의 물질 성장 시 InGaAs층 및 InAlAs층의 두께에 대한 오차가 레이저 다이오드의 방출 파장에 큰 영향을 끼칠 수 있으므로, 각 층들의 정확한 두께 제어가 필요함을 알 수 있다. 또한 레이저 다이오드의 성능 향상을 위해 제작된 소자의 한쪽 벽개면에 Y$_2$O$_3$/Ti/Au 금속 고반사 코팅을 수행하였고, 상온 펄스 동작에서 소자 특성이 조사되었다.
Abstract
In$_{0.59}$Ga$_{0.41}$As/In$_{0.44}$Al$_{0.56}$As superlattice quantum cascade lasers (QCLs), wherein the active region contains four quantum wells, based on the double phonon resonance were designed. The effects of an applied electric field on the emission wavelength and on the dipole matrix element of the QCLs were investigated. As the applied electric field was changed from 63 kV/m to 71 kV/m, the emission wavelength of the laser became somewhat shorter, but the dipole matrix element was slightly increased. For the QCL structure operating at $\lambda$ $\sim$ 5.7 $\mu$m under an applied electric field of 67 kV/m, the influence of the thickness variations in the InGaAs and the InAlAs layers caused by their growth-rate tolerances on the emission wavelength was also studied. The emission wavelength of a device changed by $\lambda$ = 5.17 $\mu$m to $\lambda$ = 6.25 $\mu$m as the thicknesses of the InGaAs and the InAlAs layers were varied by -10 \% to 10 \%. We found that the thickness variation in the InGaAs layer had a more dominant effect on the emission wavelength than did that of the InAlAs layer. Therefore, accurate control of the thicknesses of the layers is required during epitaxial growth to achieve a desirable emission wavelength for a QCL because a small variation in the layer thickness may have a significant effect. In order to reduce the mirror loss of QCLs, a metallic high-reflectivity coating was deposited on one facet of the fabricated laser. The device characteristics of uncoated and coated lasers were measured and compared in pulsed operation at room temperature.
- 발행기관:
- 한국물리학회
- 분류:
- 물리학