KR100717853B1 - 광로 변환기, 상기 광로 변환기를 포함하는 반도체 레이저장치 및 상기 광로 변환기 제작 방법 - Google Patents

광로 변환기, 상기 광로 변환기를 포함하는 반도체 레이저장치 및 상기 광로 변환기 제작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 광로 변환기 제작 방법은 적어도 하나의 경사면을 갖는 다수개의 홈이 일방으로 배열된 지그를 제작하는 단계; 및 상기 경사면에 도브 프리즘의 일면을 위치시키는 단계를 포함함을 특징으로 한다.
본 발명에서는 상기 지그를 화학적인 방법, 레이저에 의한 가공 또는 기계적인 성형법에 의하여 제작할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명은 반도체 일괄 공정의 미세 공정 가공 기술을 이용하여 종래보다 광의 효율성을 높일 수 있고, 광학 부품 수를 최소화하여 공정 단수화에 의한 비용 및 시간을 절약할 수 있으며, 또한 레이저 다이오드 조립 시 발생하는 스마일(Smile) 현상을 다른 광학계 없이 해소시킬 수 있다.
반도체 레이저 장치, 광로 변환기, 스마일, 레이저 다이오드

Description

광로 변환기, 상기 광로 변환기를 포함하는 반도체 레이저 장치 및 상기 광로 변환기 제작 방법{Optical Path rotating device, A Semiconductor Laser Apparatus include Above Optical Path rotating device And Above Optical Path rotating device Making Method}
도 1은 종래의 기술에 따른 레이저 다이오드(LD) 어레이를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 LD 어레이에서 출력된 출력빔을 보여주는 도면이다.
도 3은 종래의 기술에 따른 반도체 레이저 장치를 나타내는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 레이저 다이오드 선형 배열시 이상적인 경우와 종래의 경우의 레이저 다이오드의 발진 영역을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 레이저 장치를 나타내는 도면이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 레이저 장치의 광로 변환기의 지그 제작 과정이다.
도 6e는 상기 제작 과정에 의해 완성된 지그를 나타내는 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 도 6a 내지 도 6e에 완성된 지그에 도브 프리즘을 배치시킨 사시도 및 정면도이다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 반도체 레이저 장치의 광로 변환기의 지그 제작 과정을 나타내는 도면이다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 반도체 레이저 장치의 광로 변환기의 지그 제작 과정을 나타내는 도면이다.
도 10은 도 8a 내지 도 8d 및 도 9a 내지 도 9d에 의해 완성된 지그를 나타내는 도면이다.
도 11a 내지 도 11c는 도브 프리즘에 입사된 광 및 출사된 광을 나타내는 도면이다.
도 11d는 지그 경사면에서의 도브 프리즘 위치변경에 따른 입사광 위치 변경을 나타내는 도면이다.
도 12는 스마일 현상을 최소화하기 위한 방법을 설명하기 위한 장치를 나타내는 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 레이저 다이오드 어레이 200 : 수직 방향 집광렌즈
300 : 광로 변환기 310 : 지그
311, 331a : 기판(실리콘 웨이퍼) 312, 332a, 332b : 마스크 층
331b : PSG 기판 320 : 도브 프리즘
333, 335 : 관통홀 334 : PSG 감광된 부분
336 : 컷팅 라인 340 : 입사광
350 : 출사광 400 : 수평방향 집광렌즈
500 : 수직방향 집광렌즈 600 : 스크린
본 발명은 고출력 레이저 광원을 얻기 위해 반도체 레이저 광을 미소 크기로 집광하는 반도체 레이저 장치, 상기 반도체 레이저 장치에 포함된 광로 변환기 및 그 제작 방법에 관한 것이다.
의료 및 가공, 전기/전자 분야 등 산업 전반의 여러 응용 분야에서 레이저(Laser)의 사용 범위를 확대하기 위해 광 출력이 수 W 급 이상을 요구하는 경우가 있다. 현재 이러한 욕구를 만족시키기 위해 YAG 레이저와 같은 고체 레이저가 주로 사용되고 있으나, 효율성이 낮고, 상기 장치의 크기가 크다는 문제점이 있다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해 반도체 레이저의 고출력화에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 상기 반도체 레이저는 고효율 및 소형의 장점은 있지만 빔(Beam) 품질이 나쁘다는 점과 출력의 한계가 있다는 문제점이 있다.
이에, 종래에는 도 1에 도시된 바와 같이, 광의 고출력을 얻기 위해 반도체 레이저 발진 영역(1)의 수평 방향 크기를 확장하고, 선형으로 여러 개의 반도체 레 이저를 일정 간격으로 배열하여 사용하고 있다. 일반적으로, 상기에서 수평 방향으로 확장시킨 발진 영역의 크기는 150um 정도이다.
그러나 종래에는 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드(Laser Diode; LD)의 수직과 수평 방향으로 발산 각이 서로 다른 타원형 형태의 횡적인 분포를 갖는다. 상기 발산 각은 수평방향으로 10o이고, 수직방향으로 40o정도 이다.
상기와 같은 형태로 반도체 레이저에서 발산되는 빛은 수직 성분으로의 집광은 용이하나 수평 성분으로의 집광은 상기와 같이 발진 영역이 확장되어있어 미소영역으로의 집광이 어렵게 된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 반도체 레이저에서 방사되는 빛의 장축 방향을 수직으로 회전시키는 광로 변환기를 이용하여 광 집속 효율을 높이고 있다. 이러한 광로 변환기는 45o 기울어진 원통형 렌즈, 45o 기울어진 도브 프리즘, 3차원 공간상의 서로 다른 축에 대해서 45o 반사면을 갖는 형태 등이 고안되어있다.
현재 일반적으로 고출력을 얻기 위한 반도체 레이저 장치는 도 3에 도시된 바와 같이, LD어레이(10), 수직 방향에 대한 1차 집속 렌즈(20), 광로 변환기(30) 및 수직과 수평 방향에 대한 2차 집속 렌즈(40)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 반도체 레이저 장치에서 레이저 다이오드를 선형 배열하면 이상적으로는 도 4a에 도시된 바와 같이, 모든 레이저 다이오드의 발진 영역이 동일 선상에 존재하여야 하지만, 일반적으로는 도 4b에 도시된 바와 같이, 스마일(smile) 현상이 발생한다.
이러한 현상은 여러 레이저 빔을 하나의 빛으로 집속할 때 효율을 감소시키는 원인이 된다. 이에 따라, 보다 고효율을 원하는 장치에서는 이러한 현상을 줄이기 위한 별도의 광학계를 사용해야 하는 문제점이 있다.
여러 가지 장점에도 고출력 반도체 레이저개발에서 해결해야 할 문제는 일반적으로 렌즈로 사용되는 유리(Glass)의 미세 가공 및 조립을 이용하여 광로 변환기 및 집속 렌즈를 제조하기 때문에 발생하는 높은 원가와 레이저 다이오드 조립 시에 발생하는 스마일(smile)현상에 의한 수율 감소 그리고, 광학계의 조립 및 정렬의 난이도가 상당 수준 높다. 이로 인해, 현재 시판되고 있는 고출력 레이저 다이오드가 고가에 판매될 수밖에 없다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 반도체 일괄 공정의 미세 공정 가공 기술을 이용하여 종래보다 광의 효율성을 높일 수 있고, 광학 부품 수를 최소화하여 공정 단수화에 의한 비용 및 시간을 절약할 수 있으며, 또한 레이저 다이오드 조립 시 발생하는 스마일(Smile) 현상을 다른 광학계 없이 해소시킬 수 있는 반도체 레이저 장치, 상기 반도체 레이저 장치에 포함된 광로 변환기 및 그 제작 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 이루기 위해 본 발명에 따른 광로 변환기 제작 방법은 적어도 하나의 경사면을 갖는 다수개의 홈이 일방으로 배열된 지그를 제작하는 단계; 및 상기 경사면에 도브 프리즘의 일면을 위치시키는 단계를 포함함을 특징으로 한다.
상기 지그 제작 그 첫 번째 방법은 상부면이 (1 0 0)면과 소정 각도를 가지는 기판에 마스크 층을 증착시키는 단계; 패터닝 후 상기 마스크 층 중 일부를 제거시키고, 경사면이 형성되도록 식각시키는 단계; 및 마스크 층의 나머지 부분을 제거시키는 단계를 포함하여 이루어진다.
상기 기판은 그 상부면이 (1 0 0)면과 9.74°의 각도를 가지고, 경사면이 상기 (1 0 0)면과 45°를 이루는 (1 1 1)면인 것을 특징으로 한다.
상기 지그 제작 그 두 번째 방법은 기판 위에 마스크 층을 증착시키는 단계; 패터닝 후 마스크 층 일부를 제거시키는 단계; 깊은 이온 반응 식각(Deep RIE; DRIE) 공정을 통해 정사각 형상의 홀(Hole)이 형성되도록 수직방향으로 관통시키는 단계; 마스크 층의 나머지 부분을 제거시키는 단계; 및 양쪽 경사각이 45°가 되도록 컷팅시키는 단계를 포함하여 이루어진다.
상기 기판은 그 재질이 실리콘 또는 유리인 것이 바람직하다.
상기 지그 제작 그 세 번째 방법은 PSG기판 위에 마스크 층을 증착시키는 단계; 패터닝 후 마스크 층 일부를 제거시키고, 노광시키는 단계; 에칭용액을 이용하여 정사각형상의 노광된 부분이 뚫리도록 에칭시키는 단계; 마스크 층의 나머지 부분을 제거시키는 단계; 및 양쪽 경사각이 45°가 되도록 컷팅시키는 단계를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 지그는 기판의 상부면을 레이저에 의한 가공 또는 기계적인 성형법에 의하여 45°의 경사면을 가지도록 홈을 형성시켜 제작할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 다른 발명은, 상기 광로 변환기의 제작방법으로 제작되는 광로 변환기이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 또 다른 발명은, 상기 광로 변환기를 포함하는 반도체 레이저 장치이다.
또한, 본 발명은 상기 반도체 레이저 장치의 말단에 위치하고, 앞단에서 모아진 빛을 원하는 곳으로 이동시키는 광섬유를 더 포함함을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하고자 한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 레이저 장치를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면 본 발명에 따른 반도체 레이저 장치는 레이저 다이오드 어레이(100), 수직 방향에 대한 1차 집속 렌즈(200), 광로 변환기(300) 및 수직과 수평 방향에 대한 2차 집속 렌즈(400)(500)를 포함하여 구성된다.
상기 레이저 다이오드 어레이(100)는 다수개의 레이저 다이오드가 일방향으로 배열되어 광(빔)을 발광시킨다.
상기 레이저 다이오드 어레이(100)는 발진 영역이 확장(약 100~150㎛)된 것이다.
상기 수직 방향에 대한 1차 집속 렌즈(200)에서는 상기 레이저 다이오드 어레이(100)에서 발광된 빛을 1차적으로 수직방향으로 집속시킨다.
상기 광로 변환기(300)에서는 광의 집속효율을 높이기 위해 상기 수직방향 집광렌즈(200)에서 방사되는 빛의 장축 방향을 수직으로 회전시키는 역할을 수행한다.
상기 수직과 수평 방향에 대한 2차 집속 렌즈(400)(500)는 상기 광로 변환기에 의해 90도 회전된 출력빔을 수직 및 수평방향으로 2차 집속시킨다.
또한, 본 발명에서는 상기 수직과 수평 방향에 대한 2차 집속 렌즈(400)(500)의 후단에 위치시켜 앞단(400)(500)에서 집속된 광(빔)을 원하는 위치로 이동시키는 광섬유(미 도시됨)를 더 포함한다.
다음으로, 상기 광로 변환기(300)의 제작 방법에 대해 보다 상세히 살펴보기로 한다.
상기 광로 변환기(300)를 제작하기 위해서는 먼저, 본 발명에서는 지그(310)를 제작한다. 상기 지그(310)는 적어도 하나의 경사면을 갖는 다수개의 홈이 일방으로 배열된 형태를 가진다. (도 6e 및 도 10 참조)
상기 지그(310)의 경사면의 경사각은 45°가 되는 것이 바람직하다. 이는 레이저 다이오드에서 발진된 빔을 정확히 회전시키기 위해서는 45° 면이 필요하기 때문이다.
상기 지그 제작 방법에 대해서는 하기에 보다 상세히 설명되므로 여기서는 생략하기로 한다.
상기와 같이 지그(310)를 제작한 후, 본 발명에서는 상기 지그(310)의 경사면에 도브 프리즘(320)의 일면이 맞닿도록 위치시킨다. (도 7a 및 도 7b 참조)
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 레이저 장치의 광로 변환기의 지그 제작 과정이다.
먼저, 본 발명에서는 그 상부면이 (1 0 0)면과 9.74°의 각도를 가지는 기판(311)에 마스크 층(312)을 증착시킨다. (도 6a 참조)
여기서, 기판(311)은 실리콘 웨이퍼 또는 유리이며, 바람직하게는 실리콘 웨이퍼를 사용한다.
상기와 같이 기판(311)에 마스크 층(312)을 증착시킨 후 패터닝을 하며, 그런 후 상기 마스크 층(312) 중 일부를 제거시킨다. (도 6b 참조)
그리고 나서, 본 발명에서는 식각 공정을 거치며, 이로 인해 상기 (1 0 0)면과 45°를 이루는 (1 1 1)면을 가지는 홈이 형성된다. (도 6c 및 도 6d 참조) 여기서, 식각 공정은 습식 식각 공정을 사용하는 것이 좋다.
그리고 나서, 본 발명에서는 마스크 층의 나머지 부분을 제거시킨다. (미 도시됨)
결국, 상기 지그의 상부면에 형성된 홈은 단면으로 봤을 때 4개의 꼭지점의 각도가 45°, 144.74°, 105.76°, 64.5°을 가지는 4각 형상을 가지게 된다.
도 6e는 상기와 같은 제작 방법으로 제작한 지그이다. 도 6e에 도시된 바와 같이, 지그는 경사각이 45°인 경사면{(1 1 1)면}을 갖는 다수개의 홈이 일방으로 배열된 형태를 가진다.
도 7a 및 도 7b는 도 6a 내지 도 6e에 완성된 지그에 도브 프리즘을 배치시킨 사시도 및 정면도이다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 상기 도 6a 내지 도 6e의 지그 제작방법에 의해 제작 완성된 지그의 경사면에 도브 프리즘(320)의 일측면이 위치하도록 배열하면 자동으로 45°기울어진 도브 프리즘 어레이의 광로 변환기를 제작할 수 있다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 반도체 레이저 장치의 광로 변환기의 지그 제작 과정을 나타내는 도면이며, 도 10은 상기 제작 과정에 의해 완성된 지그 사시도이다.
본 발명에서는 지그(310)를 제작하기 위해서는 먼저 기판(331a)에 마스크 층(332a)을 증착시킨다. (도 8a 참조)
여기서, 기판(331a)은 실리콘 웨이퍼 또는 유리이며, 바람직하게는 실리콘 웨이퍼를 사용한다.
상기와 같이 기판(331a)에 마스크 층(332a)을 증착시킨 후 패터닝을 하며, 그런 후 상기 마스크 층(332a) 중 일부를 제거시킨다. (도 8b 참조)
그리고 나서, 본 발명에서는 식각 공정을 거치는 데 상기 식각 공정 중 깊은 이온 반응 식각(Deep RIE; DRIE) 공정을 이용해 정사각 형상의 홀(Hole)(333)이 형성되도록 수직방향으로 관통시킨다. (도 8c 참조)
그런 후 본 발명에서는 마스크 층(332a)의 나머지 부분을 제거시킨다. (미 도시됨)
도 8d는 상기와 같은 지그 제작 과정으로 형성시킨 것의 평면도로, 일방향으로 정사각형상의 관통홀(333)이 연이어 형성된다.
그리고 나서, 본 발명에서는 내각이 90°인 관통홀(333)을 45°가 되도록 컷팅라인(Cutting Line)(336)을 따라 기판을 자른다.
그러면, 도 10에 도시된 바와 같이, 경사각이 45°인 지그(310)가 제작된다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 반도체 레이저 장치의 광로 변환기의 지그 제작 과정을 나타내는 도면이며, 도 10은 상기 제작 과정에 의해 완성된 지그 사시도이다.
본 발명에서는 지그(310)를 제작하기 위해서는 먼저 PSG 기판(331b)에 마스크 층(332b)을 증착시킨다. (도 9a 참조)
그런 후, 본 발명에서는 패터닝을 하고 상기 마스크 층(332b) 중 일부를 제거시킨 후 노광시킨다. (도 9b 참조) 상기 PSG 기판은 특정 파장의 빛에 노광되면 결정구조의 변화로 식각 선택성을 가지게 된다.
그리고 나서, 본 발명에서는 에칭용액을 이용하여 정사각형상의 노광된 부분 (334)이 뚫리도록 에칭시킨다. (도 9c 참조)
그런 후, 본 발명에서는 마스크 층(332b)의 나머지 부분을 제거시킨다. (미 도시됨)
도 9d는 상기와 같은 지그 제작 과정으로 형성시킨 것의 평면도로, 일방향으로 정사각형상의 관통홀(335)이 연이어 형성된다.
그리고 나서, 본 발명에서는 내각이 90°인 관통홀(335)을 45°가 되도록 컷팅라인(Cutting Line)(336)을 따라 기판을 자른다.
그러면, 도 10에 도시된 바와 같이, 경사각이 45°인 지그가 제작된다.
도 11a 내지 도 11c는 도브 프리즘에 입사된 광 및 출사된 광을 나타내는 도면이며. 도 11d는 지그 경사면에서의 도브 프리즘 위치변경에 따른 입사광 위치 변경을 나타내는 도면이다. 또한, 도 12는 스마일 현상을 최소화하기 위한 방법을 설명하기 위한 장치를 나타내는 도면이다.
도 11a에서와 같은 입사광(340)과 출사광(350)이 동일선상에 있는 경우에서 입사광의 위치가 올라가면 출사광의 위치가 내려가게 되고(도 11b 참조), 입사광의 위치가 내려가면 출사광의 위치가 내려가게 된다. (도 11c 참조)
이러한 현상을 이용하여 도브 프리즘 광로 변환기에서 스마일 현상을 조절하며 제작할 수 있다. 즉, 도브 프리즘(320)의 위치를 지그(jig)(310) 위에서 좌우로 이동하게 되면 입사광의 위치는 위아래로 움직이게 된다. (도 11d 참조)
도 12는 도 5에서 수직 및 수평 방향 집광렌즈(400)(500)를 제외시킨 상태에 서 도브 프리즘(320)을 상기 지그(jig)에 정렬하고 레이저 다이오드에서 발진된 빛을 광로 변환기를 통과한 형상을 스크린(600)을 보며 스마일(smile) 현상이 최소화되는 위치에서 도브 프리즘(320)을 고정하여 광로 변환기를 제조하면 추가적인 광학계 없이 스마일 현상을 조정할 수 있다.
본 발명에서는 상기와 같은 화학적인 방법으로 지그를 제작할 수도 있지만, 기판의 상부면을 레이저에 의한 가공 또는 기계적인 성형법에 의하여 45°의 경사면을 가지도록 홈을 형성시켜 제작할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
이상에서와 같이 본 발명은 반도체 일괄 공정의 미세 공정 가공 기술을 이용하여 종래보다 광의 효율성을 높일 수 있고, 광학 부품 수를 최소화하여 공정 단수화에 의한 비용 및 시간을 절약할 수 있으며, 또한 레이저 다이오드 조립 시 발생하는 스마일(Smile) 현상을 다른 광학계 없이 해소시킬 수 있다.
뿐만 아니라 본 발명은 레이저 다이오드 어레이를 이용하는 분야 외에 미세 가공기술을 이용하여 광학 부품을 정밀하게 정렬하는 분야에도 활용하여 수율 및 효율 향상의 효과도 있다.

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 상부면이 (1 0 0)면과 특정 각도를 가지는 기판에 마스크 층을 증착시키는 단계; 패터닝 후 상기 마스크 층 중 일부를 제거시키고, 경사면이 형성되도록 식각시키는 단계; 마스크 층의 나머지 부분을 제거시키는 단계; 및 상기 경사면에 도브 프리즘의 일면을 위치시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 광로 변환기 제작 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 기판은 그 상부면이 (1 0 0)면과 9.74°의 각도를 가지고, 경사면이 상기 (1 0 0)면과 45°를 이루는 (1 1 1)면인 것을 특징으로 하는 광로 변환기 제작 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 기판은 그 재질이 실리콘 또는 유리인 것을 특징으로 하는 광로 변환기 제작 방법.
  5. 기판 위에 마스크 층을 증착시키는 단계; 패터닝 후 마스크 층 일부를 제거시키는 단계; 깊은 이온 반응 식각(DRIE) 공정을 통해 정사각 형상의 홀이 형성되도록 수직방향으로 관통시키는 단계; 마스크 층의 나머지 부분을 제거시키는 단계; 양쪽 경사각이 45°가 되도록 컷팅시키는 단계; 및 상기 경사면에 도브 프리즘의 일면을 위치시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 광로 변환기 제작 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 기판은 그 재질이 실리콘 또는 유리인 것을 특징으로 하는 광로 변환기 제작 방법.
  7. PSG기판 위에 마스크 층을 증착시키는 단계; 패터닝 후 마스크 층 일부를 제거시키고, 노광시키는 단계; 에칭용액을 이용하여 정사각형상의 노광된 부분이 뚫리도록 에칭시키는 단계; 마스크 층의 나머지 부분을 제거시키는 단계; 양쪽 경사각이 45°가 되도록 컷팅시키는 단계; 및 상기 경사면에 도브 프리즘의 일면을 위치시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 광로 변환기 제작 방법.
  8. 제 2항에 있어서, 지그 제작은 기판의 상부면을 레이저에 의한 가공 또는 기계적인 성형법에 의하여 45°의 경사면을 가지도록 홈을 형성시켜 이루어지는 것을 특징으로 하는 광로 변환기 제작 방법.
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