다이렉트 다이오드 레이저와 고출력 펌핑 시스템으로의 산업 전환으로 인해 포토닉스의 기본 구성 요소인 반도체 레이저 칩. 총 출력 전력은 종종 조달의 주요 지표이지만, 실제 값은 레이저 다이오드 스택 는 스펙트럼 안정성과 수만 시간의 작동 시간 동안 성능 저하를 견딜 수 있는 능력으로 측정됩니다. 고휘도 파이버 레이저 또는 의료용 수술 장비를 구축하는 시스템 통합업체의 경우 칩 수준 물리학에서 스택 수준 엔지니어링으로의 전환을 이해하는 것이 장기적인 운영 비용을 절감하는 데 가장 중요합니다.

에피택셜 우수성: 반도체 레이저 칩의 수명 주기

성능은 고휘도 레이저 다이오드 는 금도금 공정이나 냉각 매니폴드가 부착되기 훨씬 전에 결정됩니다. 이 과정은 원자층 단위의 정밀도로 에피택셜 층을 성장시키는 MOCVD(금속-유기 화학 기상 증착) 반응기에서 시작됩니다.

활성 영역의 균일성

활성 영역의 반도체 레이저 칩 는 일반적으로 변형된 InGaAs/AlGaAs 양자 우물로 구성됩니다. 신뢰성은 전체 웨이퍼에 걸쳐 이러한 층의 균일성에 의해 결정됩니다. 양자 웰의 두께가 몇 옹스트롬만 변화해도 방출 파장의 변화가 발생합니다. 양자 우물에서 멀티 이미터 레이저 다이오드 바를 기준으로 10mm 폭의 이미터가 다양한 파장을 갖는 경우, 결과적으로 “스펙트럼 확장'으로 인해 흡수 대역이 좁은 고체 또는 파이버 레이저(예: 976nm의 Yb 도핑 파이버)를 효율적으로 펌핑할 수 없게 됩니다.

내부 양자 효율과 열 부하 비교

고성능 칩은 내부 양자 효율을 극대화하도록 설계되어 주입된 전자의 대부분이 열이 아닌 광자로 변환되도록 합니다. 높은 주입 전류에서는 “캐리어 누설'이 중요한 문제가 됩니다. 전자는 양자의 갇힘에서 벗어나 클래딩 층에서 재결합합니다. 이는 효율을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 접합 온도를 상승시켜 암선 결함(DLD)의 형성을 가속화합니다. 캐리어 감금이 우수한 칩은 덜 공격적인 냉각이 필요하므로 최종 칩의 복잡성과 무게에 직접적인 영향을 미칩니다. 레이저 다이오드 스택.

멀티 이미터 레이저 다이오드 지오메트리를 통한 파워 스케일링

산업용 금속 절단 또는 클래딩에 필요한 킬로와트 수준의 출력을 달성하기 위해 단일 이미터를 바 단위로 그룹화하고 이러한 바를 통합하여 멀티 이미터 레이저 다이오드 어셈블리.

채우기 요소 딜레마

“채우기 계수”는 레이저 바의 전체 폭에 대한 방출 면적의 비율입니다. 필 팩터가 높으면(예: 50% 이상) 출력이 커지지만 냉각하기 어려운 집중된 열 영역이 생깁니다. 용도에 고휘도 레이저 다이오드 애플리케이션에서는 더 낮은 필 팩터(20% ~ 30%)가 선호되는 경우가 많습니다. 이 간격은 이미터 간의 열 방출을 개선하고 개별 이미터 콜리메이션을 위한 마이크로 옵틱의 사용을 용이하게 하며, 이는 빔 파라미터 제품(BPP)을 보존하는 데 필수적입니다.

기계적 응력 및 피치 정밀도

여러 개의 이미터를 장착할 때는 “피치”(이미터 사이의 거리)의 기계적 정밀도가 매우 중요합니다. 고전력 애플리케이션에서는 이미터 위치가 2미크론만 벗어나도 빛이 고속축 콜리메이터(FAC)를 통과한 후 상당한 “포인팅 오차'가 발생할 수 있습니다. 시스템 빌더의 입장에서 이는 장착 공차가 좋지 않은 값싼 스택은 빛의 상당 부분이 전송 광섬유에 들어가지 못하기 때문에 ”사용 가능한“ 전력이 훨씬 낮아진다는 것을 의미합니다.

레이저 다이오드 스택의 스펙트럼 엔지니어링

최신 산업 애플리케이션에서는 전력만으로는 충분하지 않으며 “스펙트럼 밝기'가 새로운 벤치마크입니다. 이는 특히 광섬유의 흡수 피크가 좁은(약 1~2nm) 파이버 레이저 펌핑에 사용되는 976nm 파장의 경우 더욱 그렇습니다.

볼륨 브래그 그레이팅(VBG) 통합

파장을 잠그고 스펙트럼을 좁히기 위해 볼륨 브래그 격자를 앞에 배치하는 경우가 많습니다. 레이저 다이오드 스택. 그러나 VBG 잠금의 성공 여부는 전적으로 기본 인프라의 “스펙트럼 순도'에 달려 있습니다. 반도체 레이저 칩. 칩의 자연 게인 프로파일이 너무 넓거나 “스마일” 효과(기계적 굽힘)가 있는 경우, VBG는 빛의 일부만 고정하여 “기생” 피크를 발생시켜 역반사 또는 국소 가열을 통해 레이저 시스템을 손상시킬 수 있습니다.

파장 안정화 및 열 피드백

잘 설계된 스택은 전류가 증가하더라도 안정적인 파장을 유지합니다. 이를 위해서는 스택의 모든 바에 걸쳐 균형 잡힌 열 임피던스가 필요합니다. 10바 스택의 상단 바가 하단 바보다 5도 더 뜨거우면 파장이 엇갈려 전체 출력 스펙트럼이 넓어집니다. 이러한 열 불균일성은 냉각 매니폴드 설계가 유체 역학 및 바 전체의 압력 강하를 고려하지 않는 하위 계층 스택에서 흔히 발생하는 장애 지점입니다.

구성 요소 품질에서 총 소유 비용(TCO)까지

포토닉스 산업에서는 시스템 다운타임으로 인한 높은 비용 때문에 “저렴하게 구매한다'는 논리는 종종 실패합니다. A 레이저 다이오드 스택 는 소모품이 아니라 기계의 핵심 엔진입니다.

레이저 열화의 아레니우스 관계

다이오드의 수명($L$)은 접합 온도($T_j$)와 기하급수적으로 관련이 있습니다:

$L \propto \exp(E_a / k T_j)$

여기서 $E_a$는 성능 저하 메커니즘의 활성화 에너지이고 $k$는 볼츠만 상수입니다. 칩 효율 향상 또는 우수한 스택 냉각을 통해 접합 온도를 10°C만 낮추면 디바이스의 작동 수명을 두 배로 늘릴 수 있습니다. 재무적 관점에서 보면, 20%의 비용이 더 들지만 100% 더 오래 지속되는 스택은 교체 인력과 생산 시간 손실을 고려할 때 TCO를 절반 가까이 절감할 수 있습니다.

사례 연구: 산업용 파이버 레이저를 위한 고효율 펌핑

1. 클라이언트 배경

한 산업용 레이저 제조업체는 조선소 용접 애플리케이션을 위한 20kW CW 파이버 레이저를 개발 중이었습니다. 이 시스템에는 다양한 주변 조건에서 좁은 스펙트럼 폭을 유지할 수 있는 안정적인 976nm 펌프 소스가 필요했습니다.

2. 기술적 과제

초기 프로토타입은 표준 멀티 이미터 레이저 다이오드 스택을 형성합니다. 그러나 펌프 출력이 증가함에 따라 “파장 이동”으로 인해 펌프 빛이 이테르븀 흡수 피크에서 멀어지게 되었습니다. 그 결과 흡수되지 않은 펌프 빛이 파이버 레이저의 결합기에 도달하여 광학 구성 요소에 치명적인 열 고장을 일으켰습니다.

• 목표 파장: 976nm(안정화).
• 스펙트럼 폭: < 1.0nm(FWHM).
• 운영 환경: 10°C~40°C의 온도 변동이 있는 산업 현장.

3. 기술 파라미터 설정 및 솔루션

고밀도 레이저 다이오드 스택 고급 활용 반도체 레이저 칩 특수한 “잠긴 파장” 아키텍처를 갖춘 기술입니다.

4. 품질 관리(QC) 및 검증

• 스펙트럼 매핑: 모든 멀티 이미터 레이저 다이오드 막대는 스택에 통합되기 전에 파장 균일성을 위해 매핑되었습니다.
• 고압 유체 테스트: 마이크로 채널 쿨러는 “핫스팟”을 유발할 수 있는 누수나 흐름 제한이 없는지 확인하기 위해 10bar 압력에서 테스트를 거쳤습니다.”
• 전기 광학 효율 프로파일링: 스택은 110%의 정격 전류에서 테스트하여 칩의 NAM(비흡수 미러) 면이 극한의 서지를 처리할 수 있는지 확인했습니다.

5. 결론

열 전도성이 뛰어난 스택과 VBG 호환 칩을 활용하여 고객은 안정적인 20kW 출력을 달성했습니다. 좁은 스펙트럼은 펌프 흡수 효율을 75%에서 92%로 높여 파이버 레이저 냉각 시스템의 열 부하를 크게 줄이고 전체 설계를 더욱 컴팩트하게 만들 수 있었습니다.

기술 성능 데이터: 다이오드 스택 및 스펙트럼 제어

이 표는 다양한 등급의 레이저 다이오드 스택 칩 무결성 및 마운팅 기술을 기반으로 한 구성입니다.

자주 묻는 질문

1. “미소” 효과는 광케이블 결합 효율에 어떤 영향을 미치나요?

“미소” 효과는 물리적으로 고개를 숙이는 멀티 이미터 레이저 다이오드 막대. 바가 완벽하게 평평하지 않으면 이미터가 더 이상 고속 축 콜리메이터(FAC)의 초점면에 있지 않습니다. 이로 인해 개별 빔이 서로 다른 방향을 가리키게 되어 빛을 작은 광섬유에 집중시킬 수 없게 됩니다. 고품질 스택은 0.5마이크론 이하의 평탄도를 유지하기 위해 AuSn 솔더를 사용합니다.

2. 산업용 스택에 인듐보다 AuSn 솔더가 선호되는 이유는 무엇인가요?

인듐은 열 스트레스를 받으면 “크리프”가 발생하여 시간이 지남에 따라 빔 품질이 저하될 수 있는 연성 솔더입니다. AuSn(금-주석)은 단단하고 안정적인 결합을 제공하는 경질 솔더입니다. 더 복잡한 제조 및 CTE와 일치하는 서브마운트가 필요하지만, 이 솔더는 반도체 레이저 칩 이동을 방지하여 수년간의 운영 기간 동안 일관된 성능을 보장합니다.

3. “비흡수 미러(NAM)”는 칩 신뢰성에서 어떤 역할을 하나요?

NAM은 전문화된 치료법입니다. 반도체 레이저 칩. 이는 표면에서 광자의 흡수를 방지하여 치명적인 광학 손상(COD)의 주요 원인인 광자의 흡수를 방지합니다. NAM 기술이 없으면 칩은 다음에 필요한 높은 전류 밀도에서 안전하게 작동할 수 없습니다. 고휘도 레이저 다이오드 애플리케이션.

4. 냉각수 품질이 레이저 다이오드 스택의 수명에 영향을 미칠 수 있나요?

예, 특히 마이크로 채널 냉각이 있는 스택의 경우 더욱 그렇습니다. 물을 제대로 탈이온 처리하거나 여과하지 않으면 미네랄 침전물이나 생물학적 성장으로 인해 미세 채널이 막힐 수 있습니다. 이로 인해 칩의 접합부 온도가 즉각적으로 상승하여 칩의 수명이 크게 단축됩니다.

5. 스택의 파장이 안정적인지 어떻게 확인할 수 있나요?

드라이브 전류를 변화시키면서 광학 스펙트럼 분석기(OSA)를 사용하여 출력 스펙트럼을 모니터링해야 합니다. 안정적인 스택은 전류가 증가함에 따라 피크 파장의 변화가 거의 나타나지 않으며, 특히 VBG로 잠긴 스택인 경우 더욱 그렇습니다. 고휘도 레이저 다이오드.