KR0147589B1 - 수직공진기 면발광 레이저 다이오드를 이용한 광픽엎 - Google Patents

수직공진기 면발광 레이저 다이오드를 이용한 광픽엎

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KR0147589B1
KR0147589B1 KR1019940012149A KR19940012149A KR0147589B1 KR 0147589 B1 KR0147589 B1 KR 0147589B1 KR 1019940012149 A KR1019940012149 A KR 1019940012149A KR 19940012149 A KR19940012149 A KR 19940012149A KR 0147589 B1 KR0147589 B1 KR 0147589B1
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Abstract

본 발명은 컴팩트 디스크 플레이어(compact disk player)의 광픽엎에 관한 것으로, 상세하게는 광학계의 특성 향상 및 생산 조립성 향상을 위하여 기존의 모서리 발광 레이저 다이오드(edge-emitting laser diode) 대신에 수직공진기 면발광 레이저 다이오드(vertical cavity surface-emitting laser diode)를 광원으로 채용한 광 픽엎에 관한 것이다.
즉, 본 발명에 따른 홀로그램 광픽엎은 수직공진기 면발진 레이저 다이오드 구조를 하나의 칩에 집적 제조하여 광원과 광검출기로 사용함으로써, 두 소자를 하나의 일괄 공정으로 생산할 수 있고, 조립공정에 있어서도 광축 조정을 일괄적으로 할 수 있으므로 생산성 향상 및 원가 절감의 효과를 얻을 수 있는 장점이 있을 뿐만 아니라, 또한 광원으로 사용되는 수직공진기 면발광 레이저 다이오드에서 발진되는 광은, 모서리 발광 레이저 다이오드에서 발진되는 광보다 그 특성이 우수하여, 타원형의 모서리 발광 레이저 다이오드의 발진광보다 비점수차가 작은 원형에 가까운 광이어서 광학계에서의 광 손실율이 적다는 이점이 있다.

Description

수직공진기 면발광 레이저 다이오드를 이용한 광픽엎
제1도는 종래의 홀로그램 광픽엎의 광학계 배치 단면도이고,
제2도는 제1도의 홀로그램 소자 및 모서리 발광 레이저 다이오드와 광검출 소자가 PCB기판에 실장된 부분의 확대 단면도이고,
제3도는 본 발명에 따른 수직공진기 면발광 레이저 다이오드 및 디텍터가 집적된 소자를 이용한 홀로그램 광픽엎의 광학계 배치 단면도이고,
제4도는 모서리 발광 레이저 다이오드와 수직공진기 면발광 레이저 다이오드의 출력 빔 특성 비교도이고,
제5도는 동일 소자에 집적된 수직공진기 면발광 레이저 다이오드와 디텍터가 동일 구조임을 보여주는 개략적 설명도이고,
제6도는 수직공진기 면발광 레이저 다이오드(광 검출기)의 수직단면도이고,
제7도는 면발광 레이저 다이오드의 수직결정성장 구조도이며,
제8도는 면발광 레이저 다이오드의 중앙영역에서의 정재파(定在波)의 강도 분포도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 컴팩트 디스크 2 : 대물렌즈
3 : 홀로그램 소자 4 : 모서리 발광 레이저 다이오드
5 : 광 검출기 6 : 기판
7 : 홀로그램 소자 홀더 8 : 하우징(Housing)
9 : 칩 10 : 칩에 집적된 레이저 광 검출기
11 : 칩에 집적된 수직공진기 면발광 레이저 다이오드
12 : 기판 13 : 하부반사기
14 : 하부 스페이서 15 : 활성영역
16 : 상부 스페이서 17 : 상부 반사기
본 발명은 컴팩트 디스크 플레이어(compact disk player)의 광픽엎에 관한 것으로, 상세하게는 광학계의 특성 향상 및 생산 조립성 향상을 위하여 기존의 모서리 발광 레이저 다이오드(edge-emitting laser diode) 대신에 수직공진기 면발광 레이저 다이오드(vertical cavity surface-emitting laser diode)를 광원으로 채용한 광 픽엎에 관한 것이다.
제1도는 종래의 홀로그램 광픽엎의 광학계 배치 단면도이다. 여기서 그 구성을 살펴보면 다음과 같다.
기판(6)상에 광원으로서의 모서리 발광 레이저 다이오드(4)와 반사광 검출용의 광 검출기(5)가 탑재되어 있다. 그리고 광원인 레이저 다이오드(4)로부터 발진된 광을 단편광으로 바꿔주는 동시에 단편광의 반사광을 회절시켜 주는 역할을 하는 홀로그램 소자(3)와, 상기 홀로그램 소자(3)로부터의 단편광을 디스크(1)의 트랙에 실린 정보를 읽을 수 있도록 편광 한계까지 집속시켜 주는 대물렌즈(2)가 구비되어 있다.
여기서 제2도의 홀로그램 소자(3) 및 모서리 발광 레이저 다이오드(4)와 광 검출기(5)가 실장된 PCB기판(6) 소자 부분의 확대단면도를 통해 입사광 및 반사광이 분리되는 부분의 세부구조를 살펴보면, 홀더(7)에 의해 지지되는 홀로그램 소자(3) 및 하우징(8:housing)에 의해 보호되는 모서리 발광 다이오드(4)와 광 검출기(5)가 실장된 PCB기판(6)이 동일 광축상에 위치하도록 조립됨을 알 수 있다(홀로그램 소자와 광원이 동일 광축상에 오도록 조정됨).
이와 같이 구성된 컴팩트 디스크 플레이어의 광픽엎은 다음과 같이 동작한다. 먼저 광원(4)으로부터 발진된 편광 방향이 일정하지 않은 레이저 빔은 홀로그램 소자(3)를 거치면서 단편광의 빛으로 바뀌어 대물렌즈(2)에 입사된다. 이 대물렌즈(2)에 입사된 단편광은 편광한계까지 접속되어 디스크의 트랙에 입사된다.
트랙에 입사된 단편광의 빔은 트랙에 기록된 정보에 따라서 편광방향을 달리하여 반사되어 대물렌즈(2)를 거쳐 홀로그램 소자(3)에 입사된다. 홀로그램 소자(3)에 입사된 정보가 실린 반사광은 광 검출기(5)로 회절된다. 이 회절광으로부터 광 검출기(5)는 디스크에 실린 정보 및 포커싱 에러와 트래킹 에러 검출을 위한 신호를 검출하게 된다.
그런데 이상 설명한 바와 같은 종래의 광픽엎에 사용되는 모서리 발광 레이저 다이오드는 반도체 칩에 집적된 상태로 발광 광축을 홀로그램 소자(3)를 향해 정렬하기가 어렵고, 또한 광 검출기(5)를 전자회로 기판(printed circuit board)상에 별도로 정렬(align)해야 한다는 까다로움이 있다. 따라서 대량 생산시에 조립성이 현저히 떨어진다는 문제점이 야기되었다.
또한 모서리 발광 레이저 다이오드는 타원형의 비점수차가 큰 빛을 방사하므로 광 검출기(5)를 통하여 검출되는 트래킹 에러 신호에 오정보를 전달하여 정확한 트래킹을 수행하는데 장애가 많았으며, 또한 광학계를 통과할 때 광 손실이 많아서 디스크 면에 도달하는 광량이 현저히 줄어듦으로써 효율면에서 떨어진다는 단점도 아울러 가지고 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 비점수차가 적은 단일모드의 광을 방사하여 광학계에서의 광 손실이 적고, 같은 칩에 광원과 광 검출기를 동시에 접속시켜서 광축을 맞추는 등의 배열 조립을 일괄 공정으로 처리할 수 있게 하여 조립공정이 보다 간단한 광 픽엎을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 홀로그램 광픽엎은,
기판 상에 하부 반사기층과, 상기 하부 반사기층 상의 하부 스페이서층과, 상기 하부 스페이서층 상의 활성층과, 상기 활성층 상의 상부 스페이서층과, 상기 스페이서층 상의 상부 반사기층이 순차로 적층된 광원으로서의 수직공전기 면발광 레이저 다이오드 및 이 수직공전기 면발광 레이저 다이오드와 동일 기판에 동일형의 층들이 순차로 동일 구조로 적층되어 형성된 반사광 검출용의 광 검출기가 집적된 칩과, 상기 칩에 집적된 광원으로서의 상기 수직공진기 면발광 레이저 다이오드로부터의 발진된 광을 단편광으로 바꿔주는 동시에 이 단편광이 디스크 트랙에 기록된 정보에 따라 소정의 각으로 편광되어 반사되는 정보가 실린 반사광을 상기 광 검출기로 회절시켜 주는 홀로그램 소자와,
상기 홀로그램 소자로부터의 단편광을 상기 디스크의 트랙에 실린 정보를 읽을 수 있도록 편광 한계까지 접속시켜 주는 대물렌즈를 구비하여 된 것을 특징으로 한다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 수직공진기 면발광 레이저 다이오드를 광원으로 사용한 광픽엎을 설명한다.
제3도는 본 발명에 따른 수직공진기 면발광 레이저 다이오드 및 광검출기가 집적된 소자를 이용한 홀로그램 광픽엎의 광학계 배치 단면도이다. 여기서 그 구성을 살펴보면 다음과 같다.
광원으로서의 수직공진기 면발광 레이저 다이오드(11)와 반사광 검출용의 광 검출기(10)가 동일 기판에 동일 구조로 형성되어 동일칩(9)으로 집적된다. 그리고 광원인 수직공진기 면발광 레이저 다이오드(11)로부터의 발진된 광을 단편광으로 바꿔주는 동시에 단편광의 반사광을 회절시켜 주는 역할을 하는 홀로그램 소자(3)와, 상기 홀로그램 소자(3)로부터의 단편광을 디스크(1)의 트랙에 실린 정보를 읽을 수 있도록 편광 한계까지 접속시켜 주는 대물렌즈(2)가 구비된다.
이와 같이 수직공진기 면발광 레이저 다이오드(11)를 채용하여 구성된 캠팩트 디스크 플레이어의 광픽엎은 다음과 같이 동작한다. 먼저 면발광 레이저 다이오드의 광원(11)으로부터 발진된 비점수차가 작은 원편광의 레이저 빔은 홀로그램 소자(3)를 거치면서 단편광의 빛으로 바뀌어 대물렌즈(2)에 입사된다. 이 대물렌즈(2)에 입사된 단편광은 편광한계까지 집속되어 디스크(1)의 트랙에 입사된다.
디스크(1) 트랙에 입사된 단편광의 광은 트랙에 기록된 정보에 따라서 편광방향을 달리하여 반사되어 대물렌즈(2)를 거쳐 홀로그램 소자(3)에 입사된다. 홀로그램 소자(3)에 입사된 정보가 실린 반사광은 광 검출기(10)로 회절된다. 이 회절광으로부터 광 검출기(10)는 디스크에 실린 정보를 전기적 신호로 검출하게 된다. 이러한 검출시 수직공진기 면발광 레이저 다이오드의 비점수차가 작은 단일모드의 발진광을 이용함으로써 트래킹(에러 검출)에 상당히 유리한 면이 있다. 이와 같이 수직공진기 면발광 레이저 다이오드(11)를 채용하여 구성된 컴팩트 디스크 플레이어에서 수직공진기 면발광 레이저 다이오드에 대해서는 나중에 설명하기로 하고 우선 플레이어의 광픽엎 전반의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
먼저 면발광의 광원(11)으로부터 발진된 원편광의 레이저 빔은 홀로그램 소자(3)를 거치면서 단편광의 빛으로 바뀌어 대물렌즈(2)에 입사된다. 이 면발광의 레이저 다이오드(11)로부터 발진된 광은 종래의 모서리형 레이저 다이오드로부터 발진된 광보다 비점수차가 작은 원형에 가까운 광으로 발진시 확산이 적게되어 광학계에서의 손실이 작은 잇점이 있다. 그리고, 대물렌즈(2)에 입사된 단편광은 편광한계까지 집속되어 디스크의 트랙에 입사된다.
트랙에 입사된 단편광의 빔은 트랙에 기록된 정보(피트, 등)에 따라서 편광방향을 달리하여 반사되어 대물렌즈(2)를 거쳐 홀로그램 소자(3)에 입사되어 회절되게 된다. 즉 정보가 실린 입사광과 편광방향을 달리하는 반사광은 홀로그램 소자(3)를 거치면서 회절되어 광검출기(10)로 입사된다. 이 회절광으로부터 광 검출기(10)는 디스크에 실린 정보 및 포커싱 에러와 트래킹 에러를 검출하여 소정의 목적을 이루게 된다.
이와 같이 동작하는 광픽엎의 가장 큰 특징들은 광원(11)과 광검출기(10)는 같은 수직공진기 표면광 레이저 다이오드의 구조를 가지므로 하나의 칩에 동시에 집적시킬 수 있어서 두 소자를 하나의 일괄공정으로 생산할 수 있고, 조립 공정에 있어서도 광축 조정을 일괄적으로 할 수 있으므로 생산성 향상 및 원가 절감의 효과를 얻을 수 있다는 점이다. 즉, 수직공진기 표면광 레이저 다이오드는 광원으로서 뿐만 아니라, 다이오드 자체에 역 바이어스 전압(reverse bias voltage)인가에 의한 흡수 증가 효과(an absorption increasing effect)와, 레이징을 위한 다중 반사기들(multiple reflection mirrors)를 이용한 흡수 강화 효과(an absorption enhancement effect)로 100A 정도의 얇은 흡수층에 기인하는 흡수 효율(the absorption efficiency)의 감소를 극복하고, 광 검출기로서 이용할 수 있으므로, 동일 기판에 같은 구조로 하나의 칩으로 제작할 수 있다는 장점이 있다.
또한 광원으로 사용되는 수직공진기 면발광 레이저 다이오드(11)에서 발진되는 광은, 제4도의 모서리 발광 레이저 다이오드와 수직공진기 면발광 레이저 다이오드의 출력 빔 특성 비교도에 도시된 바와 같이, 모서리 발광 레이저 다이오드에서 발진되는 광보다 그 특성이 우수하다는 점이다. 즉 면발광 레이저 다이오드의 발진광이 타원형의 모서리 발광 레이저 다이오드의 발진광보다 비점수차가 작은 원형에 가까운 광이어서 광학계에서의 광 손실율이 적게 된다.
다음으로 제5도내지 제8도를 참조하면서 수직공진기 면발광 레이저 다이오드의 구조 및 그 특성을 설명한다.
제5도는 동일 칩에 집적된 수직공진기 면발광 레이저 다이오드와 광검출기가 동일 구조임을 보여주는 개략적 설명도로서, 동일 구조로 적층되어 식각 격리된 모습을 보여준다. 따라서 별개의 소자(면발광 소자 및 광 검출기)로 동작시킬 수 있다.
제6도는 수직공진기 면발광 레이저 다이오드(또는 광검출기)의 수직 단면도이다. 현재 연구되고 있는 수직공진 방식의 면발광 레이저의 종류는 여러 가지가 있으나 제작 방식에 따라서, 순수 MBE형 면발광 레이저 다이오드와 복합형 면발광 레이저 다이오드로 분류된다.
순수 MBE형 면발광 레이저 다이오드는 이름 그대로 레이저 다이오드 전체구조(상·하의 레이저 반사경과 레이저 활성영역)가 MBE(또는 MOCVD)에 의해서 완성되는 형태를 말하며, MBE결정성장 후의 공정은 부식 또는 양성자 주입 그리고 전극 부착등 아주 간단하다. 그리고 제작된 MBE형 면발광 레이저 다이오드는 물리적으로 상당히 견고하다는 것도 장점으로 논의된다.
복합형의 면발광 레이저 다이오드는 레이저 반사경이 결정성장이 끝난후 별도로 진공증착에 의해서 GaAs/AlGaAs가 아닌 물질 SiO2/TiO2, Au, Ag 등에 의해서 이루어지는 경우를 말한다. 이 경우 결정성장 후에 공정이 비교적 복잡하고, 견고성 등의 문제가 있으나 레이저 다이오드 자체에서의 전기 저항값을 줄일 수 있다는 장점이 있다
대체로 레이저 기초 발진 전류는 순수 MBE형이 우수하고 레이저 기초 발진 전압은 복합형이 우수하다고 판단된다. 그리고 제6도에 도시된 면발광 레이저 다이오드는 MBE형으로서 그 구조를 살펴보면 다음과 같다.
n+형 기판(12) 상면에 n-GaAs층과 n-AlAs층을 번갈아 적층하여 형성된 하부 반사기층들(13)과, n-AlxGal-xAs의 하부 스페이서층(14)과, i-InyGal-yAs의 활성층(15)과, p-AlxGa1-xAs의 상부 스페이서층(16)과, p-AlAs층과 p-GaAs층들을 번갈아 적층하여 형성된 상부 반사기층들(17)이 순차로 적층된다.
이상 살펴본 MBE형 면발광 레이저 다이오드는 모두 MBE기법에 의해 성장되었으며, 일반 레이저 다이오드와 같이 두 개의 반사경과 활성층으로 대분된다. 이들중 활성층(15)은 빛을 발생시키는 부분으로서, 100Å짜리 GaAs 양자우물(quantum well) 4개를 가져 총 두께는 400Å이며 8500Å에서 발광하도록 되어 있다. 그리고 이 양자우물들은 Fabry-Perot공진기 중앙의 최대 광파 진폭 위치에 놓여서 레이저 발진 모드에 효율적으로 기여할 수 있다. 이 4개의 양자우물로부터 얻어낼 수 있는 레이저 최대 이득은 0.01정도이다. 따라서 상·하 반사경(13,17)의 반사율도 최소 99% 이상이 되어야 한다. 또한 하부 반사경(13)은 Si도핑되었으며, 상부 반사경(16)은 Be도핑(p형)되었다. Be도핑은 위쪽으로 갈수록 도핑밀도가 커지도록 조정하였다. 그리고 상·하 스페이서(14,16)의 전체 광학적 두께는 레이저 발진 파장을 결정하는데 중요한 역할을 한다.
제7도는 면발광 레이저 다이오드의 수직결정성장 구조를 도시하고 있으며, 제8도는 면발광 레이저 다이오드의 중앙영역에서의 정재파(定在波)의 강도 분포이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 홀로그램 광픽엎은 수직공진기 면발진 레이저 다이오드 구조를 하나의 칩에 집적 제조하여 광원과 광검출기로 사용함으로써, 두 소자를 하나의 일괄 공정으로 생산할 수 있고, 조립 공정에 있어서도 광축 조정을 일괄적으로 할 수 있으므로 생산성 향상 및 원가 절감의 효과를 얻을 수 있는 장점이 있을 뿐만 아니라, 또한 광원으로 사용되는 수직공진기 면발광 레이저 다이오드에서 발진되는 광은, 모서리 발광 레이저 다이오드에서 발진되는 광보다 그 특성이 우수하여, 타원형의 모서리 발광 레이저 다이오드의 발진광보다 비점수차가 작은 원형에 가까운 광이어서 광학계에서의 광손실율이 적다는 잇점이 있다.

Claims (3)

  1. 기판 상에 하부 반사기층과, 상기 하부 반사기층 상의 하부 스페이서 층과, 상기 하부 스페이서층 상의 활성층과, 상기 활성층 상의 상부 스페이서층과, 상기 스페이서층 상의 하부 반사기층이 순차로 적층된 광원으로서의 수직공진기 면발광 레이저 다이오드 및 이 수직공진기 면발광 레이저 다이오드와 동일 기판에 동일형의 층들이 순차로 동일 구조로 적층되어 형성된 반사광 검출용의 광 검출기가 집적된 칩과, 상기 칩에 집적된 광원으로서의 상기 수직공진기 면발광 레이저 다이오드로부터의 발진된 광을 단편광으로 바꿔주는 동시에 이 단편광이 디스크 트랙에 기록된 정보에 따라 소정의 각으로 편광되어 반사되는 정보가 실린 반사광을 상기 광 검출기로 회절시켜주는 홀로그램 소자와, 상기 홀로그램 소자로부터의 단편광을 상기 디스크의 트랙에 실린 정보를 읽을 수 있도록 편광한계까지 집속시켜 주는 대물렌즈를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 광 픽엎.
  2. 제1항에 있어서, 광 검출기는 상기 수직공진기 면발광 레이저 다이오드와 같은 구조에 역바이어스 전압을 걸어주어 광 검출기로서의 역할을 하는 것을 특징으로 하는 광픽엎.
  3. 제1항에 있어서, 상기 상,하 반사기층은 다중층 구조의 다중반사기로 이루어진 것을 특징으로 하는 광픽엎.
KR1019940012149A 1994-05-31 1994-05-31 수직공진기 면발광 레이저 다이오드를 이용한 광픽엎 KR0147589B1 (ko)

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