Laser Diode Young-Gu Ju Dept. of Physics Educatuion KyungPook National University

1. 반도체 레이저(Laser Diode) 반도체 레이저란? 빛을 내는 반도체(주로 화합물 반도체) 다이오드를 이용하여 만든 레이저를 말한다. 반도체 레이저는 어디에 사용되나? 광통신 정보저장기기(CD, DVD) 레이저 프린터, 바코드 스케너 등 일반 가전 제품 정밀 측정 용접, 절단, 장난감등 대부분의 레이저 응용 분야 기체/고체 레이저 vs. 반도체 레이저 장점 단점 기체/고체 레이저 다양한 종류와 응용 분야 UV 레이저(리소그라피) 대출력(CO2 레이저) Ultra short pulse 고가격 넓은 설치 장소 요구 저 효율 : 큰 전력 소모, 대형 냉각 장치 요구 반도체 레이저 소형 대량 생산에 의한 저가격 고 효율, 저 소비 전력 긴 수명 장 시간에 걸친 소재 개발 및 대규모 시설 투자 요구 - 반도체 결정 성장 기술 - 반도체 공정

반도체 레이저 원리 전류주입 - - - 전도대 - - - + + + + + + 가전자대 반사경 n 형 I 형 진성영역 p 형 PIN 다이오드에 전류를 흘리면 전자와 전공이 진성영역에 모이면서 전하 밀도 반전이 일어나는데, 이때 양쪽에 반사경을 만들어 주면 공진기가 형성되어 레이저 발진이 일어난다. 전류주입 - - - 전도대 - - - + + + + + + 가전자대 반사경 n 형 I 형 진성영역 p 형 광 출력 그림 1. 반도체 레이저의 동작 원리

Dispersion(Reflection, Refraction) 레이저 원리 앞서 반도체 레이저의 동작 원리를 간단하게 기술하였다. 그러나 좀 더 자세한 이해를 위해서는 레이저의 동작원리를 아는 것이 중요하다. 레이저는 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation의 약자로 이 정의를 잘 이해하고 있다면 레이저를 이해하고 있다고 볼 수 있다. 가장 중요한 개념은 Stimulated Emission으로 원자와 빛의 상호작용에 의한 현상이다. 먼저 원자와 빛의 상호 작용은 분류하면 다음과 같다. 빛과 원자의 상호 작용 관련된 광학 현상 Resonance Absorption, Emission Non-resonace Scattering, Dispersion(Reflection, Refraction) Resonance : 빛의 주파수와 원자의 전자 에너지 공진 주파수가 같은 경우 Non-resonance : 빛의 주파수와 원자의 전자 에너지 공진 주파수가 다른 경우

빛 빛 빛의 흡수와 방출 흡수 방출 그림 2. 원자와 빛의 상호 작용 빛과 원자의 상호작용을 구분함에 있어 공진 현상과 비공진 현상으로 구분하였다. 공진 현상에는 흡수와 방출이 있는데, 흡수는 원자가 빛 에너지를 흡수하여 전자를 높은 에너지 상태로 보내는 것이고, 방출은 원자 내 전자가 낮은 에너지 상태로 천이하면서 빛을 발생하는 것을 말한다. 빛 빛 흡수 방출 그림 2. 원자와 빛의 상호 작용

2 Ec v-f Ev 1 R12 R21 Rsp 유도 방출 Absorption Stimulated Emisson 빛의 방출을 좀 더 자세히 들여다 보면 높은 에너지 상태에 있는 전자가 시간이 지나면 스스로 빛을 방출하는 자발 방출(spontaneous emission)과 외부에서 전자 에너지 준위 차이에 해당하는 빛이 입사하여 빛과 상호 작용 즉시 원자가 빛을 방출하는 유도 방출(stimulated emission)이 있다. 이때 발생하는 빛은 입사한 빛과 같은 주파수와 위상을 가지는 것으로 원래 광자(photon)의 복사본(copy)이라고 할 수 있다. 현대 광학에서는 흡수의 정확한 역과정은 자발 방출이 아닌 유도 방출이라고 보고 있으며, 자발 방출을 vacuum-field가 매개하는 유도 방출의 특수한 경우로 생각한다. 1 2 Ev Ec R12 R21 Absorption Stimulated Emisson Spontaneous Emisson Rsp v-f 그림 3. 흡수와 유도 방출

흡수 계수 빛이 물질을 통과하며 흡수하는 양은 현재 광자의 양에 비례한다. 따라서 빛이 진행함에 따라 빛의 양은 지수함수 형태로 감소하며 그 상수를 흡수계수 a로 나타낸다. 식 1 1 2 Ev Ec 그림 4. 흡수 계수

2 Ec Ev 1 광 이득(optical gain) 식 2 그림 5. 광 이득

2 Ec Ev 1 Population inversion 식 3 그림 6. 유도 방출과 밀도 반전 광 이득을 얻기 위해서는 여기된 전자와 비어 있는 낮은 에너지 준위들이 있어야 한다. 이를 밀도 반전(population inversion)이라고 하며, 레이저에서 유도 방출을 일으키기 위한 가장 중요한 두 가지 조건 중 하나이다. 반도체 레이저의 경우, 광 이득은 대략 전하 운반자 밀도 N에 비례하고, 좀더 엄밀하게 기술하면 오프셋 Nth를 가진다. 식 3 1 2 Ev Ec Population inversion 그림 6. 유도 방출과 밀도 반전

Ef P N 반도체 레이저의 밀도 반전 그림 7. 평형 상태의 반도체 레이저 다이오드 반도체 레이저에서 밀도 반전을 얻는 것은 매우 간단하다. PN 다이오드 구조에 순 반향 전압을 걸어 주면 전류가 흐르면서 반도체 정션(junction)부위에 전자와 정공(hole)이 모이게 된다. 이때 전자는 높은 에너지 상태에 있으며, 정공은 전자의 비어있는 낮은 에너지 준위를 의미한다. 아래 그림에는 평형 상태에 있는 PN 다이오드 내의 전자와 정공을 보여 주고 있다. 전자는 에너지 장벽으로 인해 P형 쪽으로 가지 못하고 정공도 마찬가지로 N형 쪽으로 가지 못한다. 이때는 두 운반자가 결합하지 않아 전류가 흐르지 않는다. Ef P N 그림 7. 평형 상태의 반도체 레이저 다이오드

Vbias Efc P N Efv 그림 8. 순방향 전압을 인가할 때 밀도 반전 반도체 레이저에 순방향 전압을 걸어 주면, 에너지 장벽이 낮아지며, 전자와 정공이 정션으로 모이며 같은 공간상에 존재하기 때문에 두 전하 운반자가 결합하여 에너지 천이가 일어날 수 있다. 결국 정션 부근에 밀도 반전이 일어나서, 빛이 진행하면 유도 방출을 일으킬 수 있는 조건을 형성한다. 보통 기체 또는 고체 레이저들이 밀도 반전을 일으키기 위해 램프/방전기 를 사용하는데 이를 광 펌핑(optical pumping)이라고 부른다. 이러한 간접적 밀도 반전 과정은 전력의 광 전환 효율을 떨어뜨리는 주 원인이고 냉각 장치와 부피를 크게한다. 이에 반해 반도체 레이저는 전류를 흘려주기만 하면 되기 때문에 효율이 매우 높아서, 고체 레이저의 광 펌핑에도 자주 사용된다. Vbias Efc P N Efv 그림 8. 순방향 전압을 인가할 때 밀도 반전

I0 (ai, g) L R1 R2 1-R1 1-R2 레이저 공진기 그림 9. 레이저 공진기 앞서 배운 밀도 반전과 더불어 또 하나의 가장 중요한 레이저 요소는 공진기 이다. 밀도 반전이 광 이득 값을 일으키는 증폭기 역할을 한다면, 공진기는 이 증폭기를 입력과 출력을 서로 연결하여 양 피드백 (positive feedback) 회로를 완성함으로써 계속 위상과 파장이 같은 빛을 생성할 수 있게 해준다. 광학에서 피드백 회로를 만들기 위해서는 단순히 반사경 두개를 서로 마주 보게 만들면 빛이 계속 반사하며 무한 루프(loop)를 돌게 된다. L R1 R2 1-R1 1-R2 (ai, g) I0 그림 9. 레이저 공진기

I0 (ai, g) L = m l/2 R1 R2 1-R1 1-R2 레이저 발진 조건 식 4 식 5 그림 10. 레이저 발진 조건

레이저 발진 조건의 의미 정상상태의 유지 광 이득값의 고정 광 위상의 주기성 레이저의 발진 조건은 다시 말해 빛이 양쪽 거울로 형성된 무한 반복 경로에서 한 주기에 해당하는 거리(one round trip)를 진행하고 나서 다시 자기 자신의 상태를 회복해야한다는 것을 의미한다. 이것은 물리적으로 정상 상태(steady state)를 유지하기 위한 조건으로 이 조건이 만족되지 않으면 레이저는 광자의 갯수가 무한으로 증폭되어야 하는 모순에 도달한다. 결국 공진기 내의 광자의 갯수가 시간에 변함없이 일정 수준을 유지하기 위해서는 한 주기에서 손실되는 광자의 수와 증폭되는 광자의 수가 같아야 한다. 광 이득값의 고정 일단 발진 조건이 만족하면 전류를 더 흘려도 광 이득 값은 고정된다. 그렇지 않으면 광 이득이 손실 보다 커져서 빛이 여러 번 왕복할 수록 빛의 세기는 급속히 커지게 된다. 레이저 발진이 시작할 때의 광 이득 값을 임계 광 이득(threshold gain)이라고 하며, (식 3)으로 부터 광 이득 값이 고정되면, 전하 운반자 밀도또한 고정됨을 알 수 있다. 이때의 전하 운반자 밀도를 임계 전하 운반자 밀도(threshold carrier density)라고 부른다. 따라서 증가된 전류는 전하 밀도를 증가시키지 않고 모두 레이저 빛으로 변환된다. 광 위상의 주기성 공진기 한 주기 진행 후에 광자의 개수(빛의 세기) 뿐만 아니라 빛의 위상도 유지해야하는데 이것은 공진기 길이가 반 파장의 정수배가 되는 조건을 강제한다. 사실 이것은 전자기파의 경계 조건에 해당하는 것으로 좀 더 자세한 내용은 광 모드 이론 부분에서 다루겠다.

High Energy Conversion Efficiency Concentration into Few Optical Modes Laser is a Photon-Copy-Machine

P I N Ec Ev Refractive Index

Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers

Difference between Edge emitter and VCSEL o Edge-emitting laser mirror : Beam propagation is parallel to the wafer o Surface-emitting laser : Beam propagation is perpendicular to the wafer

Structure of VCSEL Top mirror Active region Bottom mirror  Mirror Substrate  Mirror - high mirror reflectivity - low series resistance - low optical absorption loss - DBR(distributed Bragg reflector) Top mirror Active region Bottom mirror  Active region - high optical gain - low threshold current - high coupling efficiency between gain and optical field - nl/2-optical thickness :spacer+gain layer(quantum wells)

VCSEL epitaxial structure AlAs/GaAs DBR E2 InGaAs/GaAs QWs 2 l AlAs/GaAs DBR

Advantages of VCSEL from manufacturing viewpoint o LED-like processing -> Wafer scale fab. & test -> Simple, Mass-production, High Yield, Low cost o Outstanding reliability and lifetime o Small active volume -> Low operation current -> High speed with low cost o Easy coupling to fiber -> Easy packaging -> Low cost o 1D or 2D Dense array -> Small form factor Active region Bottom DBR Top Substrate

Application area of VCSELs o Telecommunication Metropolitan & Access Network (500 m – 20 km) Short haul(Premises)(< 500 m) -> LAN, Fiber channel o Data Link Switching system(High-speed Router), Multi-processing computer, Cluster computer Parallel data link(High throughput, ~ 30 Gbps, ~ 125 Gbps) o Optical interconnection Board-to-board, Chip-to-chip, Free space optics, Waveguide optics o Sensor -> Encoder, Proximity sensor, Laser range finder, etc. o High Power VCSEL -> Printing, Pump LD o MEMS -> Tunable VCSEL o Micro-cavity, Photonic Crystal

Tranceiver

2D Array TeraConnect 125 Gbps = (4 X 12 Chs) X 2.5 Gbps Honeywell

Optical Interconnection

Bandwidth9, 1.55 mm tunable VCSEL VCSEL meets MEMS Bandwidth9, 1.55 mm tunable VCSEL

1 W(multimode), 0.5 W(single mode) CW High Power SEL Novalux 1 W(multimode), 0.5 W(single mode) CW OSRAM 8 W (targeting laser TV)

Application of Laser Diode

3. 반도체 레이저 응용 반도체 레이저의 장점 소형 반도체 레이저 응용 분야 광 저장 매체(CD, DVD) - 에지 에미터 : 길이 수 100 mm 정도, 폭 5 mm 정도 - 수직 공진 표면광 레이저 : 길이 10 mm 정도, 지름 20 mm 정도 대량 생산에 의한 저 가격 - CD, 포인터, 장난감용 레이저 : 생산가 1 $ 미만 고효율, 저 소비 전력 - 20 % ~ 30 % 정도 : - 대부분의 고체 레이저/기체 레이저에 비해 10 이상 큰 정도 긴 수명 - 보통 수 10,000 시간 ~ 1000,000 시간 이상 반도체 레이저 응용 분야 광 저장 매체(CD, DVD) 광통신 고체 레이저 광 펌핑용 의료 이미지 기록용(레이저 프린터) 오락, 표시소자 검사, 바코드 스캐너 등 일반 가전 제품 정밀 측정 등

반도체 레이저의 시장 점유율 여러 가지 장점을 바탕으로 기존의 레이저 응용 분야를 대체 새로운 시장 창출 - 특히 강력한 가격 경쟁력 - 대신 대량 생산을 수행할 만한 크기의 시장 크기 필요 - 반도체 레이저는 초기 개발비용과 대규모 시설 투자를 필요 전체 레이저 시장에서 절반 이상이 반도체 레이저가 차지 그림 1. 반도체 레이저의 시장 점유율 변화(Laser Focus World)

반도체 레이저 시장 분석 (I) 그림 2. 반도체 레이저 응용별 판매량(Laser Focus World) Optical Storage Telecommunication Solid-state laser pumping Image recording Medical therapeutics Inspection, measurement & control Barcode scanning Entertainment Materials processing Basic research Sensing Other Sales ($ millions) 2003 2004 그림 2. 반도체 레이저 응용별 판매량(Laser Focus World)

반도체 레이저 응용 분야의 간략한 소개 (1) 광 저장 매체 - CD players, CD-ROM drives, CD-RW drives, DVD players, DVD recorders 등 - DVD : 650 nm - CD : 780 nm - 차세대 광 저장 매체 : HD-DVD 405 nm 청색 LD 채택 Sony : 2003 년 4월, Blu-ray Disc recorder 발표 (모델 명 BDZ-S77), 23 Gbyte (2) 광 통신 - 송신기용 레이저(transmitter laser) - 광 증폭기를 위한 펌핑용 LD 980 nm, 1480 nm (3) 고체 레이저 광 펌핑용 - DPSSL(Diode Pumped Solid-State Laser) - 750 ~ 980 nm, - 출력 : 100 mW to 10 W, > 10 W, stacks LD 사용 - DPSSL 출력 : 고출력용 kW class 개발

(4) 의료 - Hand-held hair-removal - 안과(ophthalmic) 100-mW to 10-W range is primarily for retinal photocoagulation, - 외과(surgical), 치과(dental) > 10 W (5) 이미지 기록용(레이저 프린터) - 고출력 830 nm discrete LD 또는 bar - 405 nm LD 주목 받기 시작 Offset printing industry (6) 그 밖의 응용 분야 - Entertainment : Laser show - Laser display - Barcode scanning - Inspection, measurement and control - Military/Aerospace - LAN/SAN(Local Area Network/Storage Area Network) : VCSEL

반도체 레이저 시장 분석 (II) 그림 3. 연도별 반도체 레이저 판매량 변화(Laser Focus World)

반도체 레이저 응용 분야별 판매액 분석 연도별 반도체 레이저 판매액 변화 분석 LD의 응용 분야와 각 분야의 규모를 판단하는 기준 판매액 순서 : 광 저장 매체(CD, DVD), 광 통신, 고체 레이저 광 펌핑용, 의료, 이미지 기록용(레이저 프린터), … 광 저장 매체가 전체의 절반을 차지 광 통신 수요가 광 저장 장치의 약 절반 정도 규모 연도별 반도체 레이저 판매액 변화 분석 2001 년까지 광 통신 수요가 광 저장 매체에 비해 많은 비중 차지 2002 년 부터 광 통신 경기 하락과 저장 매체 시장 활성화로 인해 판매 비중 역전 이를 바탕으로 본 교재에서는 반도체 LD 응용과 관련하여 가장 시장 규모가 큰 광 저장 매체 분야와 고체 레이저 광 펌핑용 LD에 대해 좀 더 자세히 다루고자 한다. 광 통신 분야는 현재 시장이 다시 활성화 되고 있으며 중요한 기술 집약적 분야이므로 별도의 장에서 심도 있게 기술할 것이다.

광 저장 매체 응용 Compact Disc의 구조 LD의 응용 분야에서 가장 큰 시장 비중을 차지하는 만큼 광 저장 매체에서 반도체 레이저가 응용되는 것을 살펴보는 것이 중요하다고 본다. 광 저장 매체에는 CD, DVD, HD-DVD, CD-Writer, DVD-Writer등 여러 가지가 있지만 모두 작동 원리는 비슷하다. 여기서는 CD(Compact Disc)에 포함된 optical pickup 구조를 살펴보며 LD의 응용 예를 살펴보도록 한다. Compact Disc의 구조 그림 4. CD 구조(www.howstuffworks.com)

CD는 그림 4에서 보이는 것처럼 플라스틱 원반에 125 nm 높이의 홈이 파여져 있고 반사가 잘되게 금속 코팅과 보호막을 씌운 구조로 되어 있다. 정보는 이 작은 홈이 파여 있는지 없는지에 의해 결정된다. CD 표면을 좀 더 자세히 들여다보면 그림 5와 같이 폭 0.5 mm의 범프로 이루어져 있다. Data track 사이는 1.5 mm 로 매우 좁다. 이러한 데이터 범프의 돌출을 판단하기 위해 LD를 사용한 optical pickup을 필요로 한다. 이러한 기록 밀도로 지름 4.8 inch 원반 위에 대략 800 MB의 데이타를 저장할 수 있다. 이 데이터 량은 음악을 78 분간 저장할 수 있는 용량에 해당한다. 그림 5. CD data track 구조(www.howstuffworks.com)

CD 판에 있는 범프는 레이저가 포함된 optical pickup 모듈에 의해 디지털 신호로 재생되고, 이 신호들은 DAC(Digital to Analog Converter)에 의해 원래 아날로그 파형으로 변환된다. 변환된 아날로그 파형은 증폭기(AMP)를 통해 스피커로 연결되어 음성으로 변조된다. CD player의 가장 핵심적인 부분은 결국 LD를 사용하여 CD의 높이 차를 인식하는 부분이다. 이것은 레이저의 초점을 CD 에 맺어 범프가 있고 없느냐에 따라 광 검출기에 맺히는 상의 모양이 틀려지는 광학적 원리를 이용한다. 그림 6. CD 디지털 신호 재생 (www.howstuffworks.com)

광 픽업 작동 원리 CD Objective Lens Beam Splitter PD Lens Grating LD 그림 7. 광 픽업 구조

An Example : Optical Storage Blu-ray Disc : based on blue-violet laser diode Hitachi, LG, Matsushita, Pioneer, Philips, Samsung, Sharp, Sony and Thomson. Capacity : 27 Gb for 1 single side disk.