[논문 리뷰] Vertical Cavity Metasurface-Emitting Lasers (VCMELs) for programmable directional lasing emissions

Yiyang Xie, Peinan Ni외 9명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 28.

Semiconductor Lasers and Optical Devices참고 문헌 30인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 통합 반도체 메타표면을 갖춘 단일구조 수직공진자 메타표면 발진 레이저(VCMEL)를 제안하고 이를 통해 외부 광학 장치 없이 프로그래밍 가능하고 방향성 있는 레이저 발진을 실현한다. 표준 VCSEL 제조 공정을 활용함으로써 낮은 임계 전류와 확장 가능한 어레이 통합을 통해 레이저 광선의 정밀한 공간 제어를 실현하며, LiDAR, 3D 센싱 및 광통신을 위한 컴act하고 고성능 광학 시스템을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Featuring low threshold currents, circular beam profile, and scalable fabrication in densely packed arrays, vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs) have made indispensable contributions to the development of modern optoelectronic technologies. Manipulation of electromagnetic fields with recently emerged flat optical structures, namely metasurfaces, offers new opportunities to minimize complex optical system into ultra-compact dimensions. Here, we proposed and experimentally realized an array of directional Vertical Cavity Metasurface-Emitting Lasers (VCMELs) through the monolithic integration of semiconductor-based metasurfaces, characterized by unmatched spatial controllability of the laser emissions. Wafer-level monolithic integration of metasurfaces through standard VCSEL technology drastically simplifies the assembling process, with the potential to impact and promote important wide-field applications such as optical data communication, ultra-compact light detection and ranging (LiDAR), 3D sensing, and directional displays.

연구 동기 및 목표

• 고성능 온오픈티크티브 응용 분야에서 기존 VCSEL의 빔 방향성 및 공간 제어 한계를 극복하기 위해.
• 외부 광학 장치 없이도 동적이고 프로그래밍 가능한 빔 형상 조절이 가능한, 반도체 기반 메타표면을 VCSEL과 단일구조로 통합하기 위해.
• 복잡한 자유공간 광학 장치를 초소형 웨이퍼 수준의 단일구조 구조로 대체하여 광학 시스템 통합을 단순화하기 위해.
• 고해상도 빔 정밀도와 저전력 소비가 요구되는 응용 분야에 적합한, 확장 가능하고 고밀도로 패킹된 정방향 레이저 어레이를 실현하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 표준 에피택셜 성장 및 에칭 기법을 사용하여 VCSEL의 상부 DBR 미러에 직접 반도체 기반 메타표면을 설계 및 제작하였다.
• 메타표면은 방출 개구부 전역에 걸쳐 공간적으로 변화하는 위상 이동을 유도하도록 설계된 서브파장의 유전체 나노구조로 구성되어 있다.
• 메타표면의 위상 프로파일은 원거리 영역의 복사 패턴을 제어하여 고직도로 빔 스위칭 및 형상 조절이 가능하도록 설계되었다.
• 단일구조 통합은 정밀한 정렬과 내구성을 보장하며, 별도의 구성 요소를 후공정으로 조립할 필요성을 제거한다.
• 이 시스템은 VCSEL의 낮은 임계 전류와 원형 빔 프로파일을 기반으로 하여 향상된 빔 제어 성능을 확보한다.
• 웨이퍼 수준의 제조 공정은 고수율, 확장 가능한 밀도 높은 VCMEL 어레이의 생산을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 VCSEL과 반도소 기반 메타표면을 단일구조로 통합함으로써 외부 광학 장치 없이도 프로그래밍 가능하고 방향성 있는 레이저 발진을 실현할 수 있는가?
• RQ2 메타표면은 VCSEL의 빔 직도성과 공간 제어 성능을 얼마나 향상시킬 수 있으며, 同시에 낮은 임계 전류를 유지할 수 있는가?
• RQ3 웨이퍼 수준의 단일구조 통합은 정방향 레이저 어레이의 성능, 수율 및 확장 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 VCMEL은 LiDAR 및 3D 센싱과 같은 응용 분야에서 복잡한 광학 시스템을 대체할 잠재력을 얼마나 지니는가?

주요 결과

• VCMEL은 설계된 메타표면 위상 프로파일을 통해 프로그래밍 가능하고 방향성 있는 레이저 발진을 실현하며, 칩 수준에서 빔 스위칭 및 형상 조절이 가능하다.
• 메타표면과 VCSEL의 단일구조 통합은 제조 공정을 단순화하고 하이브리드 광학 시스템에서 발생하는 정렬 문제를 제거한다.
• 레이저는 낮은 임계 전류와 원형 빔 프로파일을 유지하여 기존 VCSEL의 본질적 이점을 그대로 보존한다.
• 이 방법은 고성능 광학 응용 분야에 적합한 고밀도로 패킹된 정방향 발진소자 어레이의 확장 가능한 실현을 가능하게 한다.
• 메타표면 설계를 통해 레이저 발진 패턴의 공간 제어 능력이 극대화되어 응용 분야에 맞는 빔 형상 조절이 가능하다.
• 웨이퍼 수준의 제조 공정은 대량 생산과 실세계 적용을 위한 컴팩트한 광학 시스템 통합을 지원한다.