레이저 다이오드

Laser diode
레이저 다이오드
Diode laser.jpg
패키지 레이저 다이오드(스케일용 1페니)
유형반도체, 광다이오드
작동 원리반도체, 캐리어 생성 및 재결합
발명된1962년 로버트 N. 홀, 1962년 닉 홀로냐크 주니어
핀 구성양극과 음극
레이저 다이오드 칩을 분리하여 니들 눈 위에 올려 스케일링
케이스가 잘려진 레이저 다이오드.레이저 다이오드 칩은 전면에 있는 작은 검은색 칩이며, 뒷면에 있는 포토 다이오드는 출력 전력을 제어하는 데 사용됩니다.
케이스와 창을 잘라낸 시판 레이저 다이오드의 스캔전자현미경(SEM) 이미지.오른쪽 양극 연결이 케이스 컷 프로세스로 인해 실수로 끊어졌습니다.

레이저 다이오드(LD, 사출 레이저 다이오드 또는 ILD 또는 다이오드 레이저)는 발광 다이오드와 유사한 반도체 장치로, 전류로 직접 [1]: 3 펌핑된 다이오드가 다이오드의 접합부에 레이싱 조건을 형성할 수 있다.

전압에 의해 구동되는 도프된 p-n-전이는 전자와 홀의 재결합을 가능하게 합니다.높은 에너지 레벨에서 낮은 에너지 레벨로의 전자의 강하에 의해 방출된 광자의 형태로 방사선이 발생한다.이것은 자연 방출입니다.이 공정을 계속하고 나아가 동일한 위상, 간섭성 및 파장의 빛을 발생시킬 때 자극 방출을 발생시킬 수 있다.

반도체 물질의 선택에 따라 방출된 빔의 파장이 결정되는데, 오늘날 레이저 다이오드는 적외선부터 자외선 스펙트럼까지 다양합니다.레이저 다이오드는 광섬유 통신, 바코드 리더, 레이저 포인터, CD/DVD/Blu-ray 디스크 읽기/녹화, 레이저 인쇄, 레이저 스캔 및 광선 조명 등 다양한 용도로 사용됩니다.흰색 LED에 있는 것과 같은 형광체를 사용하면 레이저 다이오드를 일반적인 조명에 사용할 수 있습니다.

이론.

반도체 레이저(660nm, 635nm, 532nm, 520nm, 445nm, 405nm)

레이저 다이오드는 전기적으로 PIN 다이오드입니다.레이저 다이오드의 활성 영역은 고유(I) 영역에 있으며 캐리어(전자 및 구멍)는 각각 N 및 P 영역에서 해당 영역으로 펌프됩니다.초기 다이오드 레이저 연구는 단순한 P-N 다이오드에 대해 수행되었지만, 현대의 모든 레이저들은 재결합과 광생성의 가능성을 극대화하기 위해 운반체와 광자를 제한하는 이중 헤테로 구조 구현을 사용한다.일반 다이오드와 달리 레이저 다이오드의 목표는 I 영역의 모든 캐리어를 재결합하여 빛을 내는 것입니다.따라서 레이저 다이오드는 직접 밴드갭 반도체를 사용하여 제작됩니다.레이저 다이오드 에피택셜 구조는 결정 성장 기술 중 하나를 사용하여 성장합니다. 보통 N개의 도프 기판에서 시작하여 I도프 활성층을 성장시킨 후 P개의 도프 클래딩 및 접촉층을 성장시킵니다.대부분의 경우 활성층은 낮은 임계값 전류와 [1][page needed]높은 효율성을 제공하는 양자 유정으로 구성됩니다.

전기 및 광학 펌핑

레이저 다이오드는 반도체 p-n 접합 다이오드의 더 큰 분류의 서브셋을 형성한다.레이저 다이오드를 가로지르는 전방 전기 바이어스로 인해 두 종류의 전하 캐리어(홀과 전자)가 p-n 접합부의 반대쪽에서 고갈 영역으로 "주입"됩니다.p-도프된 반도체에서 홀이 주입되고 n-도프된 반도체에서 전자가 주입된다(n-도프된 반도체와 p-도프된 반도체 사이의 전위차에 의해 전하 캐리어가 없는 고갈 영역이 형성된다).대부분의 다이오드 레이저에는 전하 주입이 사용되기 때문에 이 등급의 레이저를 "주입 레이저" 또는 "주입 레이저 다이오드"(ILD)라고 부르기도 합니다.다이오드 레이저는 반도체 소자이기 때문에 반도체 레이저로도 분류할 수 있다.어느 쪽이든 다이오드레이저는 솔리드 스테이트레이저와 구별됩니다.

일부 다이오드 레이저에 전력을 공급하는 또 다른 방법은 광펌프를 사용하는 것입니다.OPSL(Optical Pumped Semiconductor Laser)은 III-V 반도체 칩을 이득 매체로 사용하고 다른 레이저(종종 다른 다이오드 레이저)를 펌프 소스로 사용합니다.OPSL은 특히 파장 선택과 내부 전극 구조로부터의 간섭 부족에서 [2][3]ILD에 비해 몇 가지 이점을 제공합니다.OPSL의 또 다른 장점은 펌프 전력(및 출력 전력)[4]이 10:1의 출력 전력비를 넘어도 변화하기 때문에 빔 파라미터(발진, 형상 및 포인팅)의 불변성이라는 것입니다.

자연 방출 발생

전자와 구멍이 같은 영역에 존재할 때, 그들은 재결합하거나 "항산화"하여 자발적인 방출을 생성할 수 있다. 즉, 전자는 전자의 원래 상태와 구멍 상태 사이의 차이와 동일한 에너지를 가진 광자를 방출하면서 구멍의 에너지 상태를 다시 점유할 수 있다.(기존 반도체 접합 다이오드에서 전자와 정공의 재결합에서 방출되는 에너지는 광자가 아닌 포논, 즉 격자진동으로 이동한다.)레이싱 임계값 미만의 자발적 방출은 LED와 유사한 특성을 생성합니다.레이저 발진을 시작하기 위해서는 자발적 방출이 필요하지만, 레이저가 진동하면 비효율적인 원인이 되는 여러 가지 중 하나입니다.

직간접 밴드갭 반도체

광자발광 반도체 레이저와 기존의 포논발광(비발광) 반도체 접합 다이오드의 차이는 사용되는 반도체의 종류에 있으며, 물리 및 원자 구조는 광자방출 가능성을 보장한다.이러한 광자 방출 반도체는 이른바 "직접 밴드갭" 반도체입니다.단일 원소 반도체인 실리콘과 게르마늄의 성질은 광자 방출에 필요한 방식으로 정렬되지 않고 '직접'으로 간주되지 않는 밴드갭을 가지고 있다.다른 물질들, 이른바 화합물 반도체들은 실리콘이나 게르마늄과 사실상 동일한 결정 구조를 가지고 있지만 대칭을 깨기 위해 체커보드 같은 패턴으로 두 개의 다른 원자 종들의 번갈아 배열들을 사용한다.교대 패턴의 재료 간 전환은 중요한 "직접 밴드갭" 특성을 생성합니다.비화 갈륨, 인화 인듐, 안티몬화 갈륨, 질화 갈륨은 모두 빛을 내는 접합 다이오드를 만드는 데 사용될 수 있는 화합물 반도체 재료들이다.

위 그림과 같이 간단한 레이저 다이오드의 그림(스케일링 없음)
심플하고 저전력 금속 밀폐형 레이저 다이오드

자극 방출 발생

자극 방출(예: 레이싱) 조건이 없는 경우 전자와 홀은 재결합하기 전에 일정 시간 동안 재결합하지 않고 서로 근접하게 공존할 수 있다. 즉, "상부 상태 수명" 또는 "재결합 시간"(일반 다이오드 레이저 재료의 경우 약 1 나노초).재조합 에너지와 동일한 에너지를 가진 가까운 광자는 자극 방출에 의해 재조합을 일으킬 수 있다.이것은 첫 번째 광자와 같은 방향으로 이동하는 동일한 주파수, 편광 및 위상을 가진 또 다른 광자를 생성한다.즉, 자극 방출이 주입 영역의 광파(올바른 파장의)에 이득을 가져오고 접합부를 가로질러 주입되는 전자와 구멍의 수가 증가함에 따라 이득이 증가합니다.자발적이고 자극적인 방출 과정은 직접 밴드갭 반도체에서 간접 밴드갭 반도체에서보다 훨씬 효율적입니다. 따라서 실리콘은 레이저 다이오드의 일반적인 재료가 아닙니다.

광학 공동 및 레이저 모드

다른 레이저와 마찬가지로 게인 영역을 광학 공동으로 둘러싸 레이저를 형성한다.레이저 다이오드의 가장 단순한 형태에서는 광도파로가 그 결정 표면에 형성되어 빛이 비교적 좁은 선으로 한정된다.결정의 양끝은 완전히 매끄럽고 평행한 가장자리를 형성하기 위해 절단되어 파브리-페로 공진기를 형성합니다.도파관 모드로 방출된 광자는 도파관을 따라 이동하며 각 단면으로부터 여러 번 반사된 후 도파관을 빠져나갑니다.광파가 캐비티를 통과함에 따라 자극방사에 의해 증폭되지만 흡수 및 단면으로부터의 불완전한 반사에 의해 빛도 소실된다.마지막으로 손실보다 증폭이 많을 경우 다이오드는 "감소"되기 시작합니다.

레이저 다이오드의 몇 가지 중요한 특성은 광학 공동 형상에 의해 결정됩니다.일반적으로 빛은 매우 얇은 층 안에 포함되며, 구조체는 층에 수직인 방향의 단일 광학 모드만을 지원한다.가로 방향에서는 도파로가 빛의 파장에 비해 넓으면 도파로는 여러 개의 가로 광학 모드를 지원할 수 있으며, 이를 '멀티 모드'라고 한다.이러한 가로형 멀티 모드레이저는 인쇄, 화학약품 활성화, 현미경 검사 또는 기타 유형의 레이저 펌프 등 매우 많은 전력을 필요로 하지만 회절제한 TEM00 빔이 아닌 경우에 적합합니다.

작은 집속빔이 필요한 어플리케이션에서는 광파장 순서로 도파로를 좁혀야 합니다.이렇게 하면 단일 횡방향 모드만 지원되고 한쪽 모드는 회절제한 빔으로 끝납니다.이러한 단일 공간 모드 장치는 광학 스토리지, 레이저 포인터 및 광섬유에 사용됩니다.이 레이저들은 여전히 여러 종방향 모드를 지원할 수 있으므로 여러 파장에서 동시에 레이스가 발생할 수 있습니다.방출되는 파장은 반도체 재료의 밴드갭과 광학 공동 모드의 함수입니다.일반적으로 최대 이득은 밴드갭 에너지보다 약간 높은 에너지를 가진 광자에 대해 발생하며 이득 곡선의 피크에 가장 가까운 모드가 가장 강하게 감소한다.게인 곡선의 폭은 작동 조건에 따라 지연될 수 있는 추가 "측면 모드"의 수를 결정합니다.여러 종방향 모드를 지원할 수 있는 단일 공간 모드 레이저는 Fabry Perot(FP) 레이저라고 불립니다.FP 레이저는 레이싱 매체의 게인 대역폭 내에서 여러 캐비티 모드로 레이싱됩니다.FP 레이저의 레이싱 모드 수는 보통 불안정하며 전류 또는 온도 변화에 따라 변동할 수 있습니다.

싱글 스페이스 모드 다이오드 레이저는 싱글 세로 모드로 동작하도록 설계할 수 있다.이러한 단일 주파수 다이오드 레이저는 높은 안정성을 나타내며 분광학 및 도량형학 및 주파수 참조에 사용됩니다.단일 주파수 다이오드레이저는 Distributed Feedback(DFB; 분산 피드백) 레이저 또는 Distributed Bragg Reflector(DBR; 분산 브래그 리플렉터) 레이저로 분류됩니다.

레이저 빔 형성

회절 때문에 빔은 칩을 떠난 후 빠르게 분산(팽창)됩니다.일반적으로 수직 30도에서 수평 10도입니다.레이저 포인터에 의해 발생하는 것과 같은 시준빔을 형성하기 위해서는 렌즈를 사용해야 한다.원형 빔이 필요한 경우 원통형 렌즈 및 기타 광학 장치를 사용합니다.단일 공간 모드 레이저의 경우 대칭 렌즈를 사용하여 시준된 빔은 수직 및 수평 편차의 차이로 인해 타원형이 됩니다.이는 빨간색 레이저 포인터로 쉽게 관찰할 수 있습니다.

위에서 설명한 간단한 다이오드는 최근 몇 년 동안 현대 기술을 수용하기 위해 대폭 수정되었으며, 그 결과 아래와 같이 다양한 유형의 레이저 다이오드가 생성되었습니다.

역사

닉 홀로냐크

1953년 초에 존 폰 노이만은 출판되지 않은 [citation needed]원고를 통해 반도체 레이저의 개념을 설명했다.

M.G. Bernard, G. Duraffourg, William P.의 이론적 치료를 따라갑니다.1960년대 초 갈륨 비소(GaAs) 반도체 다이오드(레이저 다이오드)에서 발생하는 간섭성 발광은 1962년 제너럴 일렉트릭 연구소의[5] 로버트 N. 홀과 IBM T.J. 왓슨 [6]연구 센터의 마셜 네이쓴이 이끄는 두 미국 그룹에 의해 시연되었습니다.IBM과 GE 중 어느 쪽이 최초의 레이저 다이오드를 발명했는지에 대한 논란이 계속되고 있으며, 이는 주로 윌리엄 P의 이론적 연구에 기초하고 있다.뉴욕주 요크타운 하이츠에 있는 IBM의 Kitchawan Lab(현재는 Thomas J. Watson Research Center)의 Dumke.우선 순위는 General Electric 그룹에 부여되며, General Electric 그룹은 더 나아가 다이오드의 [7]공진 공동을 만듭니다.MIT의 벤 락스(Ben Lax)는 실리콘이나 게르마늄을 사용하여 레이싱 효과를 낼 수 있다고 처음에는 추측했지만 이론적인 분석을 통해 윌리엄 P.를 확신시켰다.이 재료들이 작동하지 않을 거라고 덤크하세요.대신, 그는 갈륨 비소를 좋은 후보로 제시했다.최초의 가시 파장 GaAs 레이저 다이오드는 1962년 [8]후반 Nick Holonyak, Jr.에 의해 시연되었습니다.

MIT Lincoln Laboratory, Texas Instruments 및 RCA Laboratory의 다른 팀들도 1962년 이후 반도체 다이오드에서 효율적인 발광과 레이싱의 역사적인 초기 시연에 참여했으며, 그 공로를 인정받았습니다.GaAs 레이저 또한 니콜라이 [9]바소프가 이끄는 팀에 의해 1963년 초에 소련에서 생산되었다.

1960년대 초에 액상 에피택시(LPE)는 RCA 연구소의 허버트 넬슨에 의해 발명되었습니다.다양한 조성의 최고 품질의 결정을 적층함으로써 수년 동안 최고 품질의 헤테로 접합 반도체 레이저 재료를 시연할 수 있었습니다.LPE는 전 세계 모든 주요 연구소에서 채택되어 오랫동안 사용되고 있습니다.그것은 마침내 1970년대에 분자선 에피택시와 유기금속 화학 증착으로 대체되었다.

당시 다이오드 레이저는 77K 온도에서 1000A/cm의2 임계 전류 밀도로 작동했습니다.이러한 성능 덕분에 초기에 연속 레이스를 시연할 수 있었습니다.그러나, 실온에서 약 300K로 작동했을 때, 임계 전류 밀도는 2배 더 높았고, 최선의 장치에서는 100,000 A/cm였습니다2.1960년대 후반의 주요 과제는 300K에서 낮은 임계값 전류 밀도를 얻고 이에 따라 상온에서 다이오드 레이저에서 연속파 레이싱을 시연하는 것이었습니다.

최초의 다이오드 레이저는 호모 접합 다이오드였다.즉, 도파관 코어층과 주변 클래드층의 재료(따라서 밴드갭)는 동일했다.특히 비화알루미늄 갈륨을 사용한 액상 에피택시를 사용함으로써 헤테로 접합을 도입할 수 있는 기회가 있는 것으로 인식되었다.헤테로 구조는 밴드갭과 굴절률이 다른 반도체 결정층으로 구성된다.헤테로 접합(헤테로 구조로부터 형성됨)은 1950년대 중반 RCA 연구소에서 일하는 동안 Herbert Kroemer에 의해 다이오드 레이저를 포함한 여러 유형의 전자 및 광전자 장치에 고유한 이점이 있다는 것을 인식했습니다.LPE는 헤테로 접합 다이오드 레이저를 만드는 기술을 제공했습니다.1963년에 그는 이중 헤테로 구조 레이저를 제안했다.

최초의 헤테로 접합 다이오드 레이저는 단열 접합 레이저였다.이 레이저들은 LPE에 의해 기판 위에 성장한 n형 비소 갈륨 층 위에 위치한 알루미늄 비화 갈륨 p형 인젝터를 이용했다.알루미늄 혼화물이 반도체 결정 중 갈륨을 대체하고 p형 인젝터의 밴드갭을 아래 n형 층의 밴드갭 위로 끌어올렸다.300K 임계값 전류가 평방센티미터당 10배에서 10,000암페어까지 감소했습니다.불행히도, 이것은 여전히 필요한 범위 내에 있지 않았고, 이러한 단일 구조 다이오드 레이저는 상온에서 연속적인 파동 동작에서는 작동하지 않았습니다.

실온 문제를 해결한 혁신은 이중 헤테로 구조 레이저였습니다.요령은 LPE 장치의 웨이퍼를 다른 "용융" 알루미늄 비소화 갈륨(p형 및 n형)과 세 번째 비소 갈륨 용융 사이에 빠르게 이동하는 것이었습니다.갈륨 비소 코어 영역의 두께가 1µm 미만이어야 했기 때문에 신속하게 수행해야 했다.연속파 동작을 실현한 최초의 레이저 다이오드는 1970년 조레스 알페로프와 공동작업자(드미트리 Z 포함)에 의해 기본적으로 동시에 시연된 이중 헤테로 구조였다. 소비에트 연방의 가르부조프, 미국에서 일하는 모튼 패니쉬와 이즈오 하야시.그러나 조레스 1세는 널리 받아들여지고 있다.알페로프와 팀은 가장 [10]먼저 이정표에 도달했다.

그들의 업적과 동료들의 업적으로, Alferov와 Kroemer는 2000년 노벨 물리학상을 공동 수상했다.

종류들

위에서 설명한 단순한 레이저 다이오드 구조는 비효율적입니다.이러한 장치는 매우 많은 전력을 필요로 하기 때문에 손상 없이 펄스 작동만 할 수 있습니다.역사적으로 중요하고 설명하기 쉽지만 이러한 장치는 실용적이지 않습니다.

이중 헤테로 구조 레이저

배율이 아닌 이중 헤테로 구조 레이저 다이오드의 전면도

이들 장치는 저밴드갭 재료의 층을 2개의 고밴드갭 층 사이에 끼운다.일반적으로 사용되는 한 쌍의 재료는 갈륨 비화물(GaAs)과 알루미늄 갈륨 비화물x(1-x)(AlGaAs)입니다.서로 다른 밴드갭 재료 사이의 접합부를 각각 헤테로 구조라고 하며, 따라서 "이중 헤테로 구조 레이저" 또는 DH 레이저라고 합니다.이 기사의 첫 부분에서 설명된 레이저 다이오드의 종류는 호모 접합 레이저로 언급될 수 있으며, 이러한 더 인기 있는 장치들과 대조됩니다.

DH 레이저의 장점은 자유 전자와 구멍이 동시에 존재하는 영역, 즉 활성 영역이 얇은 중간층으로 제한된다는 것입니다.이는 더 많은 전자-공 쌍이 증폭에 기여할 수 있다는 것을 의미합니다. 즉, 증폭이 잘 되지 않는 주변부에는 그렇게 많은 전자-공 쌍이 남아 있지 않습니다.또, 헤테로 접합부내에서 빛이 반사되기 때문에, 그 빛은 증폭이 일어나는 영역에 한정된다.

양자 우물 레이저

주요 기사:양자 우물 레이저
단순한 양자 우물 레이저 다이오드의 전면도(스케일링 없음)

중간층이 충분히 얇아지면 양자 우물 역할을 한다.이는 전자의 파동함수, 즉 에너지의 구성요소의 수직변화가 양자화됨을 의미합니다.양자 우물 레이저의 효율은 양자 우물 시스템에서 전자의 기능하는 상태 밀도가 레이저 작용에 기여하는 에너지 상태에서 전자를 집중시키는 갑작스러운 모서리를 가지고 있기 때문에 벌크 레이저보다 더 크다.

둘 이상의 양자 우물층을 포함하는 레이저는 다중 양자 우물 레이저로 알려져 있습니다.복수의 양자 웰은 광도파관 모드와 게인 영역의 중첩을 개선합니다.

레이저 효율의 추가적인 개선은 양자 우물층을 양자 와이어 또는 양자 점의 "바다"로 감소시킴으로써 입증되었습니다.

양자 캐스케이드 레이저

주요 기사:양자 캐스케이드 레이저

양자 캐스케이드 레이저에서는 밴드갭 대신 양자 우물 에너지 레벨의 차이가 레이저 천이에 사용된다.이것에 의해, 레이어의 두께를 변경하는 것만으로 튜닝 할 수 있는 비교적 긴 파장의 레이저 동작이 가능하게 됩니다.헤테로 접합 레이저입니다.

인터밴드 캐스케이드 레이저

주요 기사:인터밴드 캐스케이드 레이저

ICL(Interband Cascade Laser)은 레이저 다이오드의 일종으로 전자기 스펙트럼의 중적외선 영역의 대부분에 걸쳐 간섭성 방사선을 발생시킬 수 있습니다.

격리형 헤테로 구조 레이저

별도의 구속 헤테로 구조 양자 우물 레이저 다이오드의 전면도(스케일링 없음)

위에서 설명한 단순한 양자 우물 다이오드의 문제는 얇은 층이 빛을 효과적으로 제한하기에는 너무 작다는 것입니다.이를 보완하기 위해 처음 세 개의 레이어 외에 다른 두 개의 레이어가 추가됩니다.이러한 층은 중앙 층보다 굴절률이 낮기 때문에 빛을 효과적으로 제한합니다.이러한 설계를 분리 구속 헤테로 구조(SCH) 레이저 다이오드라고 합니다.

1990년대 이후 거의 모든 상용 레이저 다이오드는 SCH 양자 우물 [citation needed]다이오드였다.

분산형 브래그 리플렉터 레이저

Distributed Bragg Reflector Laser(DBR; 분산형 브래그 리플렉터 레이저)는 단일 주파수 레이저 [11]다이오드의 일종입니다.이는 피드백을 제공하기 위해 두 미러 사이에 전기적 또는 광학적으로 펌핑된 게인 영역으로 구성된 광학 공동이 특징입니다.한쪽 미러는 광대역 리플렉터이고 다른 한쪽 미러는 파장선택형이기 때문에 단일 세로모드에서 이득이 선호되고 결과적으로 단일 공진주파수로 레이스가 발생한다.브로드밴드 미러는 보통 저반사율 코팅으로 코팅되어 있기 때문에 방출이 가능합니다.파장 선택 미러는 반사율이 높은 주기적으로 구조화된 회절 격자입니다.회절 격자는 캐비티의 비펌프 또는 패시브 영역 내에 있습니다.DBR 레이저는 격자가 반도체에 식각된 단일 칩 디바이스입니다.DBR 레이저는 엣지 발광 레이저 또는 VCEL일 수 있습니다.같은 토폴로지를 공유하는 대체 하이브리드 아키텍처에는 확장 캐비티 다이오드 레이저와 볼륨 브래그 그레이팅 레이저가 있지만 DBR 레이저로 제대로 불리지 않습니다.

분산 피드백 레이저

주요 기사:분산 피드백 레이저

분산 피드백 레이저(DFB)는 단일 주파수 레이저 [11]다이오드의 일종입니다.DFB는 DWDM 시스템에서 가장 일반적인 송신기 타입입니다.레이싱 파장을 안정시키기 위해 다이오드의 p-n 접합부 근처에 회절 격자를 에칭합니다.이 격자는 광학 필터와 같이 작용하여 단일 파장이 게인 영역 및 라스에 피드백됩니다.그레이팅은 레이싱에 필요한 피드백을 제공하기 때문에 패싯으로부터의 반사가 필요하지 않습니다.따라서 DFB의 적어도 1개의 측면이 반사방지 코팅되어 있다.DFB 레이저의 파장은, 제조시에 그레이팅의 피치에 의해서 설정되는 안정된 것으로, 온도에 의해서 약간만 조정할 수 있습니다.DFB 레이저는 정밀하고 안정적인 파장이 중요한 광통신 애플리케이션에 널리 사용됩니다.

이 DFB 레이저의 역치 전류는 정적 특성에 근거하여 약 11mA입니다.선형 영역에서 적절한 바이어스 전류는 정적 특성(50 mA)의 중간에서 취할 수 있다.균일한 브래그 그레이팅에 [12]단상 시프트(1PS) 또는 다상 시프트(MP)를 삽입함으로써 이러한 종류의 레이저에서 단상 모드 동작을 강화하기 위해 몇 가지 기술이 제안되었습니다.단, 다상 편이 DFB 레이저는 사이드 모드 억제율이 높고 공간 홀 연소율이 낮기 때문에 최적의 솔루션을 나타낸다.

수직 공동 표면 발광 레이저

주요 기사:수직 공동 표면 발광 레이저
단순한 VCSEL 구조의 다이어그램(스케일링이 아님)

수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)는, 종래의 레이저 다이오드와 같이, 전류 흐름에 수직이 아니고, 전류 흐름의 방향을 따라서 광학 캐비티 축을 가진다.활성 영역 길이는 측면 치수에 비해 매우 짧기 때문에 그림에서와 같이 방사선이 캐비티의 가장자리가 아닌 표면에서 나온다.공동 끝의 반사경은 높은 굴절률과 낮은 굴절률의 1/4파 두께 다층층을 번갈아 사용하여 만들어진 유전체 거울입니다.

이러한 유전체 미러는 굴절률1 n 및2 n을 갖는 교호층1 d 및2 d의 두께가 nd22 + nd = δ/2가 되면11 필요한 자유 표면 파장 θ에서 높은 파장-파장 반사율을 제공하며, 그 결과 계면에서의 모든 부분 반사파의 구성 간섭이 발생한다.단, 단점은 미러 반사율이 높기 때문에 VCSEL은 엣지 발광 레이저에 비해 출력 전력이 낮다는 점입니다.

엣지 발광 레이저의 생산 프로세스에 비해 VCSEL의 생산에는 몇 가지 이점이 있습니다.Edge-Emitter는 생산 프로세스가 끝날 때까지 테스트할 수 없습니다.엣지 이미터가 동작하지 않는 경우는, 접촉 불량이나 재료의 성장 품질 저하가 원인이 되어, 생산 시간과 가공 재료가 낭비되고 있습니다.

또, VCSEL은, 엣지 이미터와 평행하지 않고, 레이저의 활성 영역에 수직인 빔을 방사하기 때문에, 3 인치 비소 갈륨 웨이퍼상에서 수만 개의 VCSEL을 동시에 처리할 수 있다.또한, VCSEL 생산 프로세스가 더 많은 노동력과 재료 집약적이기는 하지만, 생산량은 더 예측 가능한 결과로 제어될 수 있습니다.다만, 통상은 낮은 출력 레벨을 나타내고 있습니다.

수직-외부-캐비티 표면 방출-레이저

주요 기사:수직-외부-캐비티 표면 방출-레이저

VECSEL(Vertical External-Cavity Surface Emitting Laser)은 VCSEL과 비슷합니다.VCEL에서 미러는 일반적으로 다이오드 구조의 일부로 에피택셜 성장하거나 개별적으로 성장하여 활성 영역을 포함하는 반도체에 직접 결합됩니다.VECSEL은 2개의 미러 중 하나가 다이오드 구조 외부에 있는 구조로 구분됩니다.그 결과 캐비티는 자유공간 영역을 포함한다.다이오드에서 외부 미러까지의 일반적인 거리는 1cm입니다.

VECSEL의 가장 흥미로운 특징 중 하나는 반도체 게인 영역의 두께가 100nm 미만이라는 것입니다.반면 종래의 면내 반도체 레이저의 경우 250μm에서 2mm 이상의 거리에 걸쳐 광전파를 일으킨다.짧은 전파 거리의 중요성은 다이오드 레이저 게인 영역의 "반접" 비선형 효과가 최소화된다는 것입니다.그 결과, 단면 단면이 큰 싱글 모드 광빔이 되어, 면내("엣지 발광") 다이오드 레이저에서는 얻을 수 없습니다.

여러 작업자가 광펌핑된 VECSEL을 시연했으며, 멀티 모드 다이오드 레이저 바에 의해 펌핑될 때 비정상적으로 높은 출력과 효율로 인해 산업용 기계(절단, 펀칭 등)에 사용되는 고출력 전원을 포함한 많은 용도로 계속 개발되고 있습니다.그러나 p-n 접합이 없기 때문에 광학적으로 펌핑된 VECSEL은 다이오드 레이저로 간주되지 않고 반도체 [citation needed]레이저로 분류됩니다.

전기 펌핑 VECSEL도 실증되었다.전기 펌핑 VECSEL의 응용 분야에는 투사 디스플레이가 있으며, 이는 파란색과 녹색 빛을 내기 위해 근적외선 VECSEL 방출기의 주파수를 두 배로 증가시키는 역할을 한다.

외부 캐비티 다이오드 레이저

외부 캐비티 다이오드 레이저는 주로 AlGaAsx(1-x) 타입의 이중 헤테로 구조 다이오드를 사용하는 조정 가능한 레이저입니다.최초의 외부 캐비티 다이오드 레이저에는 캐비티 내 에탈론과[13] 간단한 [14]조정 Littrow 그레이팅이 사용되었습니다.기타 설계에는 방목-인시던스 구성 및 다중 프리즘 격자 [15]구성이 포함됩니다.

신뢰성.

레이저 다이오드는 발광 다이오드와 같은 신뢰성 및 장애 문제를 가지고 있습니다.또, 보다 높은 전력으로 동작하면, 치명적인 광학 손상(COD)이 발생할 가능성이 있습니다.

지난 20년간 다이오드 레이저의 신뢰성 향상의 대부분은 개발자의 소유로 남아 있습니다.리버스 엔지니어링이 신뢰성이 높은 다이오드 레이저 제품과 신뢰성이 낮은 다이오드 레이저 제품의 차이를 항상 밝혀낼 수 있는 것은 아닙니다.

반도체 레이저에는 VCSEL 등의 표면 발광 레이저 또는 면내 엣지 발광 레이저가 있습니다.엣지 발광 레이저의 경우, 엣지 패싯 미러는, 반도체 웨이퍼를 절단해 비반사면을 [1]: 24 형성해 형성되는 경우가 많다.이 접근법은 III-V 반도체 결정(GaAs, InP, GaSb 등)의 [110] 결정면이 다른 면에 비해 약하기 때문에 촉진된다.

분할면의 원자 상태는 그 평면에서의 완벽한 주기적 격자의 종단에 의해 결정 내의 부피 특성과 비교하여 변화한다.절단된 평면의 표면 상태는 반도체의 (그렇지 않으면 금지된) 밴드갭 내에서 에너지 레벨을 가집니다.

그 결과, 빛이 분할면을 통과해 반도체 결정내에서 자유공간으로 전이하면, 빛 에너지의 일부가 표면 상태에 흡수되어 포논-전자 상호작용에 의해 열로 변환된다.이렇게 하면 절단된 미러가 가열됩니다.또한 전기적으로 펌핑되는 다이오드 레이저의 가장자리가 열 제거 경로를 제공하는 마운트에 제대로 닿지 않기 때문에 거울이 가열될 수 있습니다.미러가 가열되면 온열기 영역에서 반도체 밴드갭이 축소됩니다.밴드갭 수축은 더 많은 전자 밴드 대 밴드 전환을 광자 에너지와 정렬하여 더 많은 흡수를 유발합니다.이것은 열폭주(phermal runaway)로 포지티브피드백의 일종이며, 그 결과 치명적인 광학 손상(COD)으로 알려진 패싯이 용해될 수 있습니다.

1970년대에 이 문제는 0.630 µm ~1 µm 파장의 GaAs 베이스 레이저에 특히 골칫거리입니다(1.3 µm ~2 µm 의 장거리 통신에 사용되는 InP 베이스의 레이저에 대해서는 그다지 문제가 되지 않습니다).뉴저지 주 프린스턴에 있는 RCA 연구소의 데이비드 사노프 연구 센터의 연구원이자 후에 부소장인 마이클 에텐버그가 해결책을 고안했다.산화 알루미늄의 얇은 층이 면에 퇴적되었다.산화알루미늄 두께를 올바르게 선택하면 반사방지 코팅으로 기능하여 표면의 반사를 줄일 수 있습니다.이를 통해 패싯의 가열 및 COD가 완화되었습니다.

그 이후, 다양한 개선 사항이 적용되었다.하나의 접근방식은 절단된 면으로부터 방출되는 빛이 관심 파장에서 비흡수가 되도록 최종 10µm 정도가 되도록 이른바 비흡수 미러(NAM)를 작성하는 것이다.

SDL은 1990년대 초 신뢰성이 뛰어난 고출력 다이오드 레이저를 공급하기 시작했다.CEO Donald Scifres와 CTO David Welch는 SPIE Photonics West 컨퍼런스에서 새로운 신뢰성 성능 데이터를 발표했습니다.SDL이 COD를 물리치기 위해 사용한 방법은 매우 독점적인 것으로 간주되어 2006년 6월 현재도 공개되지 않았습니다.

1990년대 중반, IBM 리서치(스위스, Ruschlikon)는 GaAs 기반 레이저에서 COD에 대한 탁월한 내성을 부여하는 이른바 "E2 공정"을 고안했다고 발표했습니다.이 과정도 2006년 6월 현재 공개되지 않았다.

고출력 다이오드 레이저 펌프 바(솔리드 스테이트 레이저를 펌핑하는 데 사용)의 신뢰성은 이러한 특허의 진보에도 불구하고 다양한 애플리케이션에서 여전히 어려운 문제입니다.실제로 다이오드 레이저 고장의 물리학은 여전히 연구 중이며, 이 주제에 대한 연구는 여전히 활발히 진행되고 있습니다.

레이저 다이오드의 수명 연장은 다양한 용도에 대한 지속적인 적응에 매우 중요합니다.

적용들

레이저 다이오드는 매우 높은 출력, 연속파 또는 펄스를 생성하도록 배열할 수 있습니다.이러한 어레이는 높은 평균 전력 드릴링, 연소 또는 관성 구속 융합을 위해 솔리드 스테이트 레이저를 효율적으로 펌핑하기 위해 사용될 수 있습니다.

레이저 다이오드는 수치적으로 가장 일반적인 레이저 타입으로 2004년 판매량은 약 7억3300만대로 다른 타입의 [17]레이저 131,000대와 [16]비교됩니다.

통신, 스캔 및 분광 분석

레이저 다이오드는 광섬유 통신을 위해 쉽게 변조되고 쉽게 결합되는 광원으로서 통신에서 널리 사용됩니다.레인지 파인더 등 다양한 계측기에 사용됩니다.또 다른 일반적인 용도는 바코드 리더입니다.가시 레이저(일반적으로 빨간색이지만 나중에는 녹색)는 레이저 포인터로서 일반적입니다.저전력 다이오드와 고출력 다이오드는 모두, 화상의 스캔(입력)을 위한 광원이나, 고속 및 고해상도 인쇄판(출력) 제조의 양쪽 모두에서, 인쇄 산업에서 광범위하게 사용되고 있습니다.적외선과 적색의 레이저 다이오드는, CD 플레이어, CD-ROM, 및 DVD 테크놀로지에 공통으로 사용되고 있습니다.바이올렛 레이저는 HD DVD 및 Blu-ray 테크놀로지에 사용됩니다.다이오드 레이저는 또한 레이저 흡수 분광법(LAS)에서 다양한 종의 기체상 농도를 저비용으로 고속으로 평가하거나 모니터링하기 위한 많은 응용 분야를 찾아냈다.고출력 레이저 다이오드는 열처리, 클래딩, 심 용접과 같은 산업 분야 및 다이오드 펌핑 고체 레이저와 같은 기타 레이저 펌프에 사용됩니다.

레이저 다이오드의 용도는 다양한 방법으로 분류할 수 있습니다.대부분의 애플리케이션은 대형 고체 레이저나 광학 파라메트릭 발진기에 의해 처리될 수 있지만, 대량 생산 다이오드 레이저의 저렴한 비용으로 인해 대량 시장 애플리케이션에 필수적입니다.다이오드 레이저는 매우 많은 분야에서 사용될 수 있습니다. 빛은 많은 다른 특성(파워, 파장, 스펙트럼 및 빔 품질, 편광 등)을 가지고 있기 때문에 이러한 기본 특성에 따라 응용 분야를 분류하는 것이 유용합니다.

다이오드 레이저의 많은 응용 분야는 주로 광빔의 "방향 에너지" 특성을 사용합니다.이 범주에는 레이저 프린터, 바코드 리더, 이미지 스캔, 조명기, 지시자, 광학 데이터 기록, 연소 점화, 레이저 수술, 산업 분류, 산업용 기계 및 유도 에너지 무기가 포함될 수 있습니다.이러한 어플리케이션 중 일부는 잘 확립되어 있는 반면 다른 어플리케이션들은 새롭게 등장하고 있습니다.

의료 용도

레이저 의학: 의학, 특히 치과에서 다이오드 [18][19][20][21][22]레이저의 많은 새로운 용도를 발견했습니다.유닛의 크기와 비용이[23] 줄어들고 사용자 친화성이 높아짐에 따라 임상의는 사소한 연조직 시술에 매우 매력적입니다.810~1,100nm의 다이오드 파장은 연조직에 의해 잘 흡수되지 않으며 절단 또는 [24][25][26][27]절제에는 사용되지 않습니다.연조직은 레이저 광선에 의해 절단되지 않고 뜨거운 검게 그을린 유리 [26][27]끝과의 접촉에 의해 절단됩니다.레이저의 조사는 팁의 원위단에서 고도로 흡수되어 최대 500°C~900°[26]C까지 가열됩니다.끝이 뜨거우므로 연조직 절단에 사용할 수 있으며 소작과 [26][27]탄산화로 지혈을 일으킬 수 있습니다.연조직에 다이오드 레이저를 사용하면 [26][27]주변조직에 광범위한 부수적인 열손상이 발생할 수 있습니다.

레이저광은 본질적으로 간섭성이 있기 때문에 특정 애플리케이션은 레이저 다이오드의 간섭성을 사용합니다.여기에는 간섭 거리 측정, 홀로그래피, 일관성 있는 통신, 화학 반응의 일관성 있는 제어 등이 포함됩니다.

레이저 다이오드는 거리 탐색, 통신, 적외선 대책, 분광 감지, 무선 주파수 또는 테라헤르츠파, 원자 시계 상태 준비, 양자 키 암호법, 주파수 두 배 및 변환, 정수(UV 내) 및 광다이아 분야에서 "좁은 스펙트럼" 특성에 사용된다.마이크 요법(특정 파장의 빛이 조직에 빛을 비추는 경우에만 포르피린과 같은 물질이 항암제로 화학적으로 활성화되는 경우)

레이저 다이오드는 "모드 잠금"으로 알려진 기술에 의해 초단거리 빛의 펄스를 발생시키는 능력에 사용됩니다.사용 분야는 고성능 집적회로의 클럭 분포, 레이저에 의한 파괴분광검출을 위한 고피크 전력원, 무선주파수의 임의파형 생성, 아날로그-디지털 변환용 광샘플링 및 안전한 통신을 위한 광코드분할다중접속시스템 등이다.

마스크리스 포토 리소그래피

레이저 다이오드는 마스크리스 포토 리소그래피에 사용됩니다.

공통 파장

가시광선

  • 405 nm: InGaN 블루 바이올렛 레이저, Blu-ray 디스크 및 HD DVD 드라이브 탑재
  • 445~465 nm: InGaN 블루 레이저 멀티모드 다이오드(2010)를 최근 도입하여 수은 프리 고휘도 데이터 프로젝터에 사용
  • 510~525 nm: 최근(2010년)[28] Nichia와 OSRAM이 개발한 레이저 프로젝터용 InGaN Green 다이오드.
  • 635 nm: AlGaInP가 더 나은 빨간색 레이저 포인터, 주관적으로 650 nm의 두 배 밝기
  • 650~660 nm: GaInP/AlGaInP CD/DVD 드라이브, 저렴한 빨간색 레이저 포인터
  • 670 nm: AlGaInP 바코드 리더, 첫 번째 다이오드 레이저 포인터(현재는 사용되지 않고 밝은 650 nm 및 671 nm DPSS로 대체)

적외선

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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추가 정보

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외부 링크

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