반도체 포토닉스의 계층 구조에서는 다중 모드 레이저 다이오드 는 원시 에너지 밀도의 정점을 나타냅니다. 단일 모드 이미터는 스펙트럼 순도와 회절 제한 초점으로 평가받는 광학계의 외과 의사이지만멀티 모드 레이저 다이오드 는 산업 공정, 의료 미학 및 고체 레이저 펌핑을 위한 대규모 광자 플럭스를 제공하도록 설계된 파워하우스입니다. 그러나 밀리 와트 수준의 단일 모드 디바이스에서 멀티 와트 디바이스로의 전환은 고출력 레이저 다이오드 시스템은 단순한 확장 작업이 아니라 반송파 역학, 도파관 물리학 및 열 관리의 근본적인 변화를 수반합니다.

OEM 엔지니어 또는 시스템 통합업체의 경우 “광역 이미터(BAE)” 아키텍처를 이해하는 것이 중요합니다. 단일 모드 다이오드의 좁은 2~3개의 $mu$m 융기부와는 달리 다중 모드 레이저 다이오드 의 활성 영역 폭은 50 $mu$m에서 200 $mu$m 이상까지 다양합니다. 이 증가된 조리개는 패싯의 광 출력 밀도를 감소시켜 반도체 재료의 물리적 한계에 부딪히기 전에 훨씬 더 높은 전류로 디바이스를 구동할 수 있게 해줍니다. 그러나 이 폭은 여러 횡방향 모드가 공존하고 경쟁하는 복잡한 모달 환경을 도입하여 빔의 공간 프로파일과 시스템의 궁극적인 밝기를 정의합니다.

멀티모드 레이저의 측면 모드 동역학 및 필라멘테이션

의 결정적인 특징은 멀티모드 레이저 의 가장 큰 장점은 고차 횡단 모드를 지원하는 능력입니다. 광범위한 영역에서 고출력 레이저 다이오드, 에서 도파관의 측면 치수는 방출된 빛의 파장의 몇 배입니다. 따라서 광학 필드는 단순한 가우시안 스폿이 아니라 여러 모드의 중첩입니다. “느린 축”(접합부와 평행)에 걸친 결과 강도 분포는 일반적으로 탑햇 또는 “카멜백” 모양입니다.

엔지니어링의 중요한 과제 다중 모드 레이저 다이오드 는 “필라멘트화”입니다. 주입 전류가 증가함에 따라 캐리어 밀도와 온도의 국부적인 변화는 굴절률의 변화로 이어지는데, 이를 커 효과 및 열 렌즈 현상이라고 합니다. 이러한 변화로 인해 넓은 빔이 고강도 “필라멘트”로 분해될 수 있습니다. 필라멘테이션은 두 가지 이유로 해로운데, 빔 품질($M^2$ 계수)을 저하시키고 출력 면에 국부적인 핫스팟을 생성하여 치명적인 광학 손상(COD)의 위험을 크게 증가시킵니다.

이를 완화하기 위해 하이엔드 제조업체는 “래터럴 인덱스 엔지니어링”에 중점을 둡니다. 도핑 프로파일과 리지 형상을 정밀하게 제어함으로써 측면 모드를 안정화하고 필라멘테이션을 최소화할 수 있습니다. 구매자에게는 “근거리” 균일성이란 고출력 레이저 다이오드 은 칩의 내부 품질을 나타내는 주요 지표입니다. 균일하지 않은 근거리 필드 프로파일은 캐리어 분포가 좋지 않음을 의미하며, 이는 필연적으로 통합 시스템에서 조기 노화 및 예측 불가능한 빔 포인팅으로 이어질 수 있습니다.

열 유속과 $R_{th}$ 병목 현상

어느 다중 모드 레이저 다이오드, 열 관리는 신뢰할 수 있는 도구와 고장난 구성 요소의 경계입니다. 일반적인 고출력 레이저 다이오드 는 50%~60%의 벽면 플러그 효율(WPE)로 작동할 수 있습니다. 이는 레이저로서는 높은 수치이지만, 10와트의 빛이 생성될 때마다 거의 8~10와트가 모래알보다 작은 부피 내에서 열로 변환된다는 것을 의미합니다.

패키지의 열 저항($R_{th}$)은 OEM 신뢰성을 위한 가장 중요한 사양입니다. 열은 InGaN 또는 AlGaAs 양자 웰에서 클래딩 레이어, 솔더 인터페이스(일반적으로 금-주석)를 거쳐 최종적으로 서브마운트(C-Mount, F-Mount 또는 COS)로 이동해야 합니다. 솔더의 미세한 공극이나 불량한 서브마운트 재료로 인해 $R_{th}$가 설계 사양보다 조금이라도 높으면 접합 온도($T_j$)가 치솟습니다.

$T_j$가 상승하면 파장(일반적으로 0.3nm/°C)의 “적색 편이”가 발생하고 슬로프 효율이 감소합니다. 더 위험한 것은 결정 결함이 활성 영역으로 이동하는 속도가 빨라진다는 점입니다. 평가할 때 다중 모드 레이저 다이오드 고신뢰성 애플리케이션의 경우 열로 인해 전력 증가가 멈추는 전류인 “열 롤오버” 지점이 의도한 작동 전류보다 훨씬 높아야 합니다. 이는 장기적인 안정성에 필요한 “열 여유 공간'을 제공합니다.

밝기의 논리: 이미터에서 파이버까지

산업 및 의료 분야에서 전력은 종종 밝기에 대한 부차적인 측정 기준이 됩니다. 밝기는 단위 면적당 전력과 단위 솔리드 각도를 측정한 값입니다. 용도는 멀티 모드 레이저 다이오드, 에서 밝기는 “빠른 축”과 “느린 축” 비대칭에 의해 제한됩니다. 빠른 축(접합부에 수직인)은 회절이 제한되어 빠르게 발산하는 반면, 느린 축(접합부에 평행한)은 다중 모드가 많고 천천히 발산합니다.

통합하는 다중 모드 레이저 다이오드 광섬유 결합 시스템으로 전환하려면 “밝기 보존”이 필요합니다. 광섬유 레이저를 펌핑하거나 의료용 프로브를 통해 에너지를 전달하려면 빛이 특정 수치 조리개(NA)를 가진 작은 광섬유 코어에 초점을 맞춰야 합니다. 만약 고출력 레이저 다이오드 의 저속축 $M^2$는 광케이블 코어에 충분히 집중할 수 없기 때문에 전력의 상당 부분이 “손실”됩니다.

여기서 “구성 요소 대 시스템 비용'의 논리가 분명해집니다. 더 저렴한 다중 모드 레이저 다이오드 는 10W의 원시 전력을 제공할 수 있지만, 100$\mu$m 이미터가 넓고 빔 품질이 좋지 않습니다. 이를 105$\mu$m 광케이블에 결합하려면 통합업체는 고가의 마이크로 옵틱과 액티브 정렬이 필요할 수 있습니다. 반대로 50$\mu$m 이미터를 사용하는 고휘도 다이오드는 부품 수준에서 더 비쌀 수 있지만 광학이 더 간단하고 결합 효율이 높아 궁극적으로 최종 사용자의 총 “밝기 와트당 비용”을 절감할 수 있습니다.

재료 과학 및 패싯 패시베이션(COD 방지)

궁극의 장애 모드 고출력 레이저 다이오드 는 치명적인 광학 손상(COD)입니다. COD는 패싯의 광 파워 밀도가 국부적인 흡수를 일으킬 만큼 충분히 높을 때 발생하며, 이는 가열로 이어져 밴드갭을 축소시켜 더 많은 흡수를 유발합니다. 이 포지티브 피드백 루프는 나노초 단위로 발생하여 크리스탈 패싯을 녹입니다.

현대 멀티모드 레이저 “비흡수 거울”(NAM) 또는 특수 패싯 패시베이션 기술을 사용합니다. 패싯에 활성 영역보다 더 넓은 밴드갭을 갖는 층을 생성함으로써 제조업체는 빛이 표면에서 흡수되지 않도록 할 수 있습니다. 또한, E2 패시베이션 또는 이와 유사한 독점 코팅을 사용하면 AlGaAs 또는 InGaN이 산화되지 않도록 보호할 수 있습니다. OEM의 경우 COD 임계값은 시스템의 안전 마진입니다. 특히 전류 스파이크가 흔히 발생하는 펄스 모드 애플리케이션에서는 COD 임계값이 25W인 10W 정격 다이오드가 COD 임계값이 15W인 다이오드보다 무한히 더 안정적입니다.

기술 성능 데이터: 광역 이미터 아키텍처 비교하기

다음 표는 표준을 기술적으로 비교한 것입니다. 다중 모드 레이저 다이오드 구성으로 이미터 폭, 전력 및 빔 품질 간의 절충점을 설명합니다.

사례 연구: 2kW 파이버 레이저 시스템을 위한 고효율 펌핑

클라이언트 배경

판금 절단에 사용되는 고출력 파이버 레이저 제조업체는 보다 안정적인 976nm가 필요했습니다. 고출력 레이저 다이오드 출처. 이전 공급망은 “파장 드리프트'와 잦은 모듈 고장으로 어려움을 겪었는데, 그 원인을 다이오드 모듈의 일관되지 않은 열 결합에서 찾았습니다.

기술적 과제

• 스펙트럼 잠금: 976nm는 이테르븀이 도핑된 광섬유의 좁은 흡수 피크입니다. 2nm의 드리프트조차도 멀티모드 레이저 를 사용하면 펌프 효율이 40% 손실됩니다.
• 환경 스트레스: 절단기는 기후가 통제되지 않고 진동이 심한 공장 바닥에서 작동합니다.
• 밀도: 고객은 소형 냉각판에 200W의 펌프 출력을 넣어야 했습니다.

기술 파라미터 설정

• 이미터 유형: 100$\mu$m 다중 모드 레이저 다이오드 COS(칩 온 서브마운트)에서.
• 작동 전류: 976nm에서 12.5A.
• 스펙트럼 제어: 20°C 범위에서 파장을 ±0.5nm 이내로 고정하는 통합 VBG(볼륨 브래그 격자).
• 본딩: $R_{th}$를 최소화하고 납땜 “크리프”를 제거하기 위해 AlN(질화 알루미늄) 서브마운트에 하드 솔더(AuSn)를 사용했습니다.”
• 번인: 45°C에서 168시간 가속 노화 테스트를 거친 100% 다이오드.

품질 관리(QC) 프로토콜

QC의 초점은 “슬로프 효율 일관성”에 있었습니다. 슬로프 효율($W/A$)이 배치 전체에서 3% 이상 차이가 나면 에피택셜 레이어 품질에 변화가 있음을 나타냅니다. 또한 “근거리 필드 강도 매핑”을 수행하여 VBG 또는 광섬유 커플링 광학을 손상시킬 수 있는 “핫 필라멘트”가 없는지 확인했습니다.

결론

VBG 잠금으로 전환하여 다중 모드 레이저 다이오드 아키텍처를 더 낮은 $R_{th}$ 서브마운트로 사용하여 “설정 후 잊어버리는” 펌프 소스를 달성했습니다. 스펙트럼 드리프트를 보정하기 위해 더 이상 다이오드를 과도하게 구동할 필요가 없어 총 시스템 효율이 15% 증가했습니다. 더 중요한 것은 2kW 시스템의 현장 고장률이 연간 2.4%에서 0.1% 미만으로 떨어졌다는 점입니다. 이러한 전환을 통해 실제 비용은 고출력 레이저 다이오드 는 와트당 달러가 아니라 시스템 가동 시간 및 유지보수 없는 운영으로 측정됩니다.

전략적 소싱: OEM 평가 체크리스트

평가할 때 멀티 모드 레이저 다이오드 고난도 통합의 경우 엔지니어는 데이터시트의 첫 페이지 너머를 살펴봐야 합니다. 다음 엔지니어링 메트릭은 구성 요소의 무결성에 대한 심층적인 인사이트를 제공합니다:

1. P-I 커브 선형성: 전력 전류 곡선이 정격 작동 전류의 1.5배까지 선형을 유지하나요? 곡선에 “꼬임'이 있으면 모드 호핑 또는 열 불안정성을 나타냅니다.
2. 스펙트럼 폭(FWHM): For 멀티모드 레이저, 스펙트럼 폭이 좁을수록(일반적으로 3nm 미만) 조성 변동이 적은 고품질의 결정 격자를 나타냅니다.
3. 빠른 축 발산(FAD): FAD는 항상 높지만, FAD가 낮을수록(예: 35° 대 40° 미만) 콜리메이션 광학이 훨씬 저렴하고 효율적입니다.
4. $dV/dI$ 차동 저항: 내부 저항이 높으면 오믹 접촉이 불량하다는 신호이며, 이는 과도한 줄 가열과 WPE 감소로 이어집니다.

에서 laserdiode-ld.com, 의 초점은 광자의 “총 효율'에 맞춰져 있습니다. 내부 손실을 줄이기 위해 에피택셜 성장을 최적화하고 고급 서브마운트 엔지니어링을 통해 열 유속을 최대화하여 다중 모드 레이저 다이오드 산업 및 의료 발전의 강력한 엔진 역할을 하고 있습니다.

FAQ: 멀티모드 시스템의 고급 엔지니어링

Q1: 멀티 모드 레이저 다이오드에서 “느린 축” 발산이 “빠른 축”보다 훨씬 낮은 이유는 무엇인가요?

A: 회절의 물리학 때문입니다. 광자 운동량에 적용되는 하이젠베르크 불확실성 원리로 인해 빠른 축은 1$\mu$m 조리개에서 나오며 30°-40°에서 발산됩니다. 슬로우 축은 100$\mu$m 조리개에서 나오므로 멀티 모드임에도 불구하고 “기하학적” 발산은 일반적으로 8°-10°로 훨씬 더 낮습니다.

Q2: 고주파에서 고출력 레이저 다이오드를 변조할 수 있나요?

A: 멀티 모드 레이저 다이오드는 수 메가헤르츠에서 변조할 수 있지만 접합 커패시턴스가 크기 때문에 기가헤르츠 속도(통신 분야와 같은)는 불가능합니다. LIDAR 또는 의료 미학과 같은 펄스 애플리케이션의 경우 나노초 펄스 폭을 쉽게 처리할 수 있습니다.

Q3: “스마일” 효과는 멀티모드 레이저 바에 어떤 영향을 미치나요?

A: “스마일”은 납땜 과정에서 레이저 바가 미세하게 구부러지는 현상입니다. 바의 “스마일”이 1$\mu$m을 초과하면 모든 이미터의 고속 축을 동시에 정렬할 수 없게 되어 밝기와 광케이블 결합 효율이 크게 떨어집니다.

Q4: 파이버 펌핑에 915nm 다이오드보다 976nm 다이오드의 장점은 무엇인가요?

A: 976nm는 이테르븀의 흡수 피크와 훨씬 더 일치하므로 활성 광섬유를 더 짧게 만들고 비선형 임계값을 높일 수 있습니다. 그러나 피크가 매우 좁기 때문에 훨씬 더 안정적인 멀티 모드 레이저 다이오드가 필요하며, 레이저 파장이 드리프트하면 펌핑 효율이 급격히 떨어집니다.