스펙트럼 선폭의 양자 열역학

극도의 일관성을 추구하기 위해서는 좁은 선폭 레이저 다이오드 는 스펙트럼 폭을 광학 캐비티 내의 광자 밀도와 연관시키는 숄로우-타운스 정리와 광학 캐비티 내의 광자 밀도와 연관시키는 숄로우-타운스 정리에 의해 결정됩니다. 자발적 방출률. 표준 파브리-페로(FP) 레이저의 경우 선폭은 일반적으로 수백 기가헤르츠 범위입니다. 그러나 간섭계 또는 고해상도 분광법과 같은 애플리케이션의 경우 이 폭을 몇 배로 억제해야 합니다.

서브 메가헤르츠 선폭을 달성하려면 단순한 반도체 접합에서 벗어난 아키텍처가 필요합니다. 물리학은 공진기 내의 광자 수명($\tau_p$)을 늘리는 것을 중심으로 전개됩니다. 이는 반도체 칩 자체 너머로 캐비티를 확장함으로써 달성할 수 있습니다. 외부 공동 다이오드 레이저 (ECDL) 구성. 제조업체는 볼륨 브래그 격자(VBG) 또는 회절 격자와 같은 주파수 선택 요소를 도입하여 레이저가 단일 종방향 모드에서 진동하도록 할 수 있습니다. 이 주파수 선택의 정밀도는 일반 광원에서 과학용 기기로의 전환을 정의하는 요소입니다.

재료 역학: 638nm AlGaInP 대 785nm AlGaAs

엔지니어링 638nm 레이저 다이오드 그리고 785nm 레이저 다이오드 는 소재의 성능 저하와 열적 불안정성에 대한 두 가지 뚜렷한 싸움을 나타냅니다. 638nm에서 AlGaInP 재료 시스템은 낮은 캐리어 구속으로 인해 어려움을 겪습니다. 양자 우물과 p-클래딩 사이의 밴드 오프셋이 상대적으로 작기 때문에 온도가 상승함에 따라 전자가 활성 영역에서 쉽게 빠져나갑니다. 이러한 “캐리어 오버플로”로 인해 자발적 방출률 가 원하는 모드를 벗어나면 스펙트럼 노이즈 증가로 나타납니다.

반면에 785nm 레이저 다이오드, 는 고이득 소자이지만 패싯의 표면 재결합 속도가 빠르다는 단점이 있습니다. 이 때문에 높은 전력 레벨로 밀어붙일 경우 특히 치명적인 광학 손상(COD)에 취약합니다. 따라서 회절 제한 레이저 785nm에서 출력하려면 에피택셜 구조에 “등급 인덱스 분리 감금 이종 구조”(GRINSCH)가 포함되어야 합니다. 이 설계는 광학장이 수직으로 퍼져 패싯의 강도를 줄이면서 이득 매체와의 높은 중첩을 유지하도록 합니다. 이 인터페이스의 안정성은 라만 분광학 시스템에서 장기적인 신뢰성의 주요 원동력입니다.

회절 한계 달성: 도파관 지오메트리의 역할

A 회절 제한 레이저 는 1.0에 근접하는 $M^2$ 계수가 특징이며, 이는 빔이 이상적인 가우스 전파 법칙을 따른다는 의미입니다. 에서 반도체 레이저, 빔 품질은 “릿지 도파관”(RWG) 지오메트리에 의해 결정됩니다. 리지는 기본 횡방향 모드만 진동할 수 있을 정도로 충분히 좁아야 합니다(일반적으로 2.0 $\mu m$에서 3.5 $\mu m$ 사이).

그러나 릿지 폭이 줄어들면 회절 제한 레이저 프로필에 열저항 ($R_{th}$) 가 증가합니다. 이로 인해 접합부에 국부적인 “열섬”이 생성됩니다. 이 열은 열 렌즈닝으로 알려진 굴절률 구배를 유도하여 파면이 왜곡되고 빔이 회절 한계에서 벗어날 수 있습니다. 따라서 제조 공정에서는 “서브 마이크론 리소그래피”를 사용하여 리지 벽이 완벽하게 수직이고 매끄러운지 확인해야 합니다. 리지 측벽의 거칠기는 산란 중심 역할을 하여 내부 손실을 증가시키고 선폭을 넓힙니다.

버터플라이 패키지: 열적 및 기계적 안정성의 안식처

모든 고정밀 OEM 애플리케이션의 경우 버터플라이 패키지 레이저 다이오드 가 업계 표준인 데에는 이유가 있습니다. 14핀 버터플라이 모듈은 TO-캔 패키지와 달리 레이저 칩을 혼란스러운 외부 환경으로부터 격리하도록 설계되었습니다. 이 절연의 핵심은 내부 열전 냉각기(TEC)와 고감도 NTC 서미스터를 통합하는 것입니다.

그 열저항 ($R_{th}$) 에서 케이스까지 가장 중요한 매개변수입니다. 버터플라이 패키지 레이저 다이오드. 열 전도성이 높고 레이저 칩과 열팽창 계수(CTE)가 일치하는 질화 알루미늄(AlN) 서브마운트에 레이저 다이를 장착함으로써 제조업체는 활성 영역에서 열을 효과적으로 “배출'할 수 있습니다.

또한 버터플라이 패키지를 사용하면 영구적인 외부 캐비티 다이오드 레이저(ECDL) 설정합니다. 이 격자는 레이저 패싯에서 불과 몇 미크론 떨어진 밀폐 밀봉 내에 위치합니다. VBG는 레이저 칩과 동일한 TEC에 열적으로 고정되어 있기 때문에 전체 스펙트럼 출력은 주변 온도 변동에 영향을 받지 않습니다. 이러한 통합 수준 덕분에 785nm 레이저 다이오드 수천 시간 동안 작동해도 주파수를 0.005nm 이내로 유지할 수 있습니다.

데이터 분석: 패키지 아키텍처 및 스펙트럼 성능

다음 표에는 적색 및 근적외선 다이오드에 대한 다양한 패키징 및 안정화 전략 간의 성능 차이가 요약되어 있습니다. 이 데이터는 “총 시스템 비용”에 영향을 미치는 “구성 요소 품질” 메트릭을 강조합니다.”

사례 연구: 반도체 계측을 위한 서브나노미터 간섭계측법

고객 배경:

한 선도적인 리소그래피 검사 도구 제조업체는 변위 측정 간섭계를 위해 매우 안정적인 638nm 레이저 다이오드가 필요했습니다. 이 시스템은 0.5나노미터의 분해능으로 웨이퍼 스테이지의 위치를 측정해야 했습니다.

기술적 과제:

고객의 이전 638nm 소스는 거리 측정에서 지터로 해석되는 높은 “위상 노이즈”를 나타냈습니다. 또한 빔의 회절이 완벽하게 제한되지 않아 빔이 장경로 간섭계 암을 통과할 때 파면 왜곡이 발생했습니다. 이로 인해 전체 계측 툴을 자주 재보정해야 했고, 최종 사용자는 수천 달러의 가동 중단 비용을 지불해야 했습니다.

기술 매개변수 및 설정:

• 중심 파장: 638nm ± 0.5nm.
• 선폭: <10MHz(높은 코히어런시 길이의 경우 매우 좁음).
• 패키지: 14핀 버터플라이 패키지 레이저 다이오드.
• 파이버 출력: 소멸률이 20dB를 초과하는 편광 유지(PM) 광케이블.
• 작동 온도: 25°C ± 0.01°C에서 잠깁니다.

QC 및 엔지니어링 솔루션:

해결책은 좁은 선폭 레이저 다이오드 638nm에 고정된 VBG가 있는 ECDL(외부 캐비티 다이오드 레이저)로 구성되었습니다. 회절 제한 레이저 요구 사항을 달성하기 위해 자동화된 광학 정렬 벤치를 활용하여 75% 효율로 빛을 PM 광섬유에 결합했습니다.

QC 프로토콜에는 지연형 자기 헤테로다인 간섭계를 사용한 “위상 노이즈 특성화”가 포함되었습니다. 또한 다이오드에 15°C에서 45°C까지 주변 온도 변화를 주는 48시간의 “파장 고정 테스트”를 수행했습니다. 버터플라이 패키지 내부에 통합된 TEC는 내부 접합 온도를 매우 정밀하게 유지하여 고객의 고해상도 파동계로 파장 변화를 감지할 수 없었습니다.

결론:

이 계측 회사는 버터플라이 패키지의 좁은 선폭 소스로 업그레이드하여 측정 안정성을 4배 향상시켰습니다. “위상 지터'가 85% 감소하여 0.2nm 측정 분해능이 가능해졌습니다. 초기 레이저 다이오드 가격 는 이전 TO-can 솔루션보다 훨씬 높았으며, 고객은 매월 서비스 요청을 할 필요가 없어져 첫해에 200%의 ROI를 달성했습니다.

OEM 시스템에서 “예산” 다이오드의 숨겨진 비용

제조업체의 관점에서 다이오드의 “가격”은 종종 “테스트 깊이”를 나타내는 지표가 됩니다. A 785nm 레이저 다이오드 버터플라이 패키지나 VBG 안정화 없이 판매되는 다이오드는 본질적으로 미완성 부품입니다. OEM의 경우 값싼 다이오드의 “빙산 비용'이 포함됩니다:

1. 열 드리프트: 파장 변화를 보정하기 위해 복잡한 소프트웨어 알고리즘이 필요합니다.
2. 모드 호핑: 라만 또는 감지 애플리케이션에서 갑작스러운 데이터 공백이 발생합니다.
3. 빔 난시: 빔 모양을 보정하기 위해 값비싼 외부 마이크로 광학 장치가 필요합니다.

에 투자함으로써 버터플라이 패키지 레이저 다이오드 와 회절 제한 레이저 출력을 통해 OEM은 복잡한 광학 및 열 엔지니어링을 제조업체에 오프로드합니다. 이를 통해 시스템 통합업체는 핵심 소프트웨어와 애플리케이션 로직에 집중할 수 있어 “출시 기간”을 크게 단축할 수 있습니다.”

전문가 FAQ

Q: “일관성 길이”는 785nm 레이저의 선폭과 어떤 관련이 있나요?

A: 코히어런시 길이($L_c$)는 선폭($\Delta \nu$)에 반비례합니다. 선폭이 1MHz인 좁은 선폭 레이저 다이오드의 경우, 코히어런스의 길이는 100미터를 초과할 수 있습니다. 이는 장거리 간섭 측정이나 3D 센싱에 매우 중요합니다. 표준 785nm FP 다이오드의 코히어런시 길이는 수 밀리미터에 불과합니다.

Q: 버터플라이 패키지에 “하드 솔더”(AuSn)가 필수인 이유는 무엇인가요?

A: 하드 솔더는 “솔더 크리프”를 방지합니다. 버터플라이 패키지 레이저 다이오드에서는 마이크로 옵틱과 레이저 다이가 미크론 이하의 정밀도로 정렬됩니다. 인듐과 같은 소프트 솔더를 사용하면 열 순환으로 인해 시간이 지남에 따라 부품이 천천히 “드리프트”되어 회절이 제한된 레이저 빔 프로파일과 광섬유 결합 효율을 파괴할 수 있습니다.

Q: 좁은 선폭의 레이저 다이오드를 고속으로 변조할 수 있나요?

A: 외부 캐비티 레이저(VBG 잠금)는 변조할 수 있지만 변조 속도가 DFB 레이저에 비해 제한적입니다. 기가헤르츠 속도의 경우 변조 주기 동안 선폭이 넓어지는 “주파수 처프”를 방지하기 위해 외부 음향 광학 변조기(AOM)를 사용하는 것이 좋습니다.

질문: 사이드 모드 억제 비율(SMSR)이란 무엇이며 왜 중요한가요?

A: SMSR은 주 종방향 모드의 출력과 가장 강한 측면 모드의 출력 사이의 비율입니다. 라만 분광법용 785nm 레이저 다이오드에서 라만 신호가 보조 레이저 모드의 “고스트 피크'로 인해 오염되지 않도록 하려면 높은 SMSR(>40dB)이 필수적입니다.