중-적외선 양자 폭포 레이저의 테라헤르츠 방사선

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-17

노스웨스턴 대학(Northwestern University)의 연구진은 양자 폭포 레이저(quantum cascade laser, QCL)를 기반으로 하는 모놀리식 상온 테라헤르츠 소스를 개발하는데 성공했다. 생성된 장치는 2.6THz-4.2THz의 범위로 조율될 수 있다. 즉, 중심 주파수의 47% 범위에서 조율될 수 있다. “전기적으로 조율되는 THz 소스와 비교했을 때 조율 가능한 범위가 급격하게 증가하기 때문에 THz 분광 및 감지 분야에 새로운 기회를 이끌 수 있을 것”이라고 이번 연구진은 말했다. 많은 생화학적 분자들은 THz 영역에서 강한 스펙트럼 지문을 가진다. 천문학 분야에서, 성간 물질들은 THz 범위에서 수많은 원자 및 분자 방출선(emission line)을 가진다. 장치는 두 개의 추출 격자 분포(sampled grating distributed feedback, SGDFB)와 한 개의 분포 브래그 반사기(distributed bragg reflector, DBR)를 가진 중-적외선 QCL 장치들로 구성되었다. THz 방사선은 구조 속의 두 개의 중-적외선 QCL 영역에서 공동(空洞) 속의 차이 주파수 생성(difference frequency generation, DFG)을 통해서 생성되었다. 한 개의 QCL 파장은 DBR에 의해서 제어되었다. 다른 QCL 파장은 SGDFB 섹션에 의해서 제어되었다. 이번 연구팀은 이 장치가 모놀리식 THz 소스를 구현할 수 있는 상온, 다중-섹션, 2 색상의 SGDFB-DBR 구조를 최초로 가진다는 것을 주장했다. DBR은 균일한 주기를 가진 격자 선을 가진다. DFB 섹션은 절연되어 있고 파장 동조는 DBR 재료의 굴절률에 영향을 끼치는 DC 바이어스에 의해서 생성되었다. DBR의 파장 조율은 제한적인 범위를 가졌다. SGDFB 구조들은 더 복잡하였다. 다시 말하면, 바이어스는 파장을 가진 반사율을 조정할 수 있게 한다. 두 개의 SGDFB 섹션의 상호작용은 Vernier 유형의 조정 메커니즘을 제공한다. 이런 조정은 지속적인 것이 아니라 SG1과 SG2 섹션 위의 바이어스를 동시에 변화시킴으로써 이런 차이를 채울 수 있다. 사용된 QCL 웨이퍼는 광대역 듀얼-코어 활성 영역을 가졌다. 이 재료는 DFG를 할 수 있는 1~5 TH의 범위에서 큰 광학적 비-선형성을 가졌다. 격자는 활성 코어에서 약 100 nm에 위치한 500 nm의 InGaAs 층을 에칭함으로써 만들어졌다. SGDFB의 굴절률 피크는 레이저 코어의 이득 피크(gain peak)의 것과 근접하도록 조정되었다. DBR 피크는 최대치의 75~80%의 이득에 해당한다. 이 재료는 이중-채널 도파관 레이저 다이오드로 형성되었다. 레이저 섹션은 2μm 깊이로 채널을 에칭함으로써 전기적으로 분리되었다. 최종 레이저 막대는 6.3mm의 길이를 가진다: DBR의 경우에 1mm이고, SG1의 경우에 2 mm이고, SG2의 경우에 3.3mm이다. 이 막대는 반사 방지층으로서 1.1μm 이트륨 산화물로 코팅되었다. 중-적외선 방사선의 총 전력은 1.32W~1.58W였다. 동일한 바이어스로 연결된 두 개의 SGDFB 섹션의 경우에, 출력은 3.18kA/cm2를 유지하면서 2.1 W의 전류 밀도 임계값을 가진다. DFB와 SG1과 SG2를 연결할 경우에 3.0kA/cm2의 임계값은 2.7W였다. THz 출력은 2.6THz~4.2THz이다. 이 수치는 중심 주파수의 47%에 해당한다. 최대 성능은 3.2THz~3.8THz의 범위를 가졌다. 출력 전력은 2.6THz에서 26μmW이고 3.64THz에서 105μmW였다. “더 높은 THz 전력과 지속파(continuous-wave) 작동은 더 높은 THz 전환 효율과 더 나은 열 패키징(thermal packaging)을 가진 장치 구조를 사용함으로써 추가적으로 달성할 수 있다”고 이번 연구진은 믿고 있다. 그림 1. (a) 3 개의 섹션을 가진 장치의 개략도. (b) 0V(녹색 선)과 12V(자주색 선)에서 계산된 SGDFB 및 DBR 반사율 스펙트럼. (c) SGDFB 반사율을 보여주는 그래프. 그림 2. (a) Vernier 조정 메커니즘에 의해서 달성된 THz 스펙트럼. (b) THz 주파수의 함수로서 THz 전력과 전환 효율. noname011.bmp noname011.bmp http://www.semiconductor-today.com/news_items/2014/DEC/NU_111214.shtml