KR100737177B1

KR100737177B1 - 수직 공진 표면광 레이저를 이용한 간섭계

Info

Publication number: KR100737177B1
Application number: KR1020060043198A
Authority: KR
Inventors: 주영구
Original assignee: 경북대학교 산학협력단
Priority date: 2006-05-15
Filing date: 2006-05-15
Publication date: 2007-07-10
Also published as: US20090201509A1; US20070263204A1; US7880896B2

Abstract

본 발명은 기존의 He-Ne 레이저를 이용하는 간섭계 대신에 단일 모드 수직 공진 표면광 레이저를 이용한 간섭계를 제공하고 있다. 수직 공진 표면광 레이저는 표면에 수직으로 빛이 방출 되므로 미세 광학계 또는 회절 광학계와 결합이 용이하고 표면 실장이 용이하여 단순하면서도 소형화된 간섭계 구성을 제공한다.

본 발명은 하나의 예로써, 단일모드이며 웨이퍼로부터 수직방향인 평행빔을 발광하는 수직 공진 표면광 레이저(VCSEL); 상기 평행빔을 일부 반사 및 일부 투과하는 빔 분할기; 상기 평행빔의 경로와 수직인 위치에 고정 배열되며, 상기 빔 분할기에서 반사된 빔을 반사하는 제1 반사경; 상기 평행빔의 경로 상에 이동가능하도록 배열되며, 상기 빔 분할기를 투과한 빔을 반사하는 제2 반사경; 및 상기 평행빔의 경로와 수직인 위치에 배열되며, 상기 제1 반사경에서 반사되고 상기 빔 분할기에서 다시 투과된 빔 및 상기 제2 반사경에서 반사되고 상기 빔 분할기에서 다시 반사된 빔을 검출하여, 두 빔의 광 경로차에 따른 간섭무늬에 의해 상기 제2 반사경의 위치를 검출하는 광 검출기;를 포함하는 수직 공진 표면광 레이저를 이용한 간섭계를 제공한다.

레이저, 수직공진표면광레이저, 간섭계, 반도체 레이저, VCSEL

Description

수직 공진 표면광 레이저를 이용한 간섭계{Interferometer using Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers}

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 간섭계 개념도이다.

도 2은 본 발명의 실시 예에 따른 간섭계 개념도이다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 간섭계 개념도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

101, 201, 301 수직 공진 표면광 레이저(VCSEL)

103... 제1 반사경 104... 빔 분할기

105... 렌즈 302... 솔더 범프

106... 광 검출기 107... 간섭계모듈

108... 제2 반사경 202... 솔더범프

203... 제1 반사경 204... 빔분할면

205... 제2 반사경 206... 광 검출기

303... 기판 304... 투과형격자

305... 큐브형 반사경(corner cube) 306... 반사형격자

307... 렌즈 308... 광 검출기

본 발명은 수직 공진 표면광 레이저를 이용한 간섭계에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 단일모드의 수직공진 표면광 레이저를 이용하여 간섭계를 형성함으로써 부품의 집적이 가능하여 소형화가 용이하며, 제조비용 절감 및 정확도의 향상을 얻을 수 있는 수직 공진 표면광 레이저를 이용한 간섭계에 관한 것이다.

간섭계는 파동의 중첩 현상을 이용한 광학장치로서 역사가 매우 오래되었다. 레이저가 만들어지기 전에는 수은등이나 자연광을 필터에 통과시켜 유사 단색광을 만들어서 간섭무늬를 만들어 내었다. 레이저가 나오면서부터 간섭계는 상대적으로 구성이 간단해 졌으며 가간섭성(coherence)이 좋아서 간섭무늬의 관찰이 비교적 쉬워 졌다. 예를 들어 마이켈슨 간섭계를 살펴보면 레이저 하나와 반사경 두 개 광 검출기 또는 스크린 하나로 구성할 수 있다.

시간에 따라 정지된 간섭무늬를 얻기 위해서는 광원으로 사용한 레이저는 단일 주파수를 가져야 한다. 이를 위해 보통 He-Ne 레이저와 같은 기체 레이저를 많이 사용한다. 고체 레이저나 반도체 레이저는 광 이득 파장 대역 넓기 때문에 횡 모드나 종 모드 필터링을 위해 외부 피드백과 같은 별도의 기술을 사용해야 단일 파장을 얻을 수 있다.

이러한 간섭계는 실용적으로 정밀 길이 측정에 많이 사용되며 특히 정밀 스테이지 구동 시 위치를 파악하는 센서로 사용될 수 있다. 간섭계의 속성상 두 개의 광 경로 차이가 한 파장 나게 되면 최종 간섭무늬도 한 주기 움직이게 되는데, 보통 한 쪽 광 경로는 고정시키고, 나머지 한쪽 반사경은 움직이는 스테이지에 부착하여 스테이지의 이동을 파장보다 더 세밀하게 측정할 수 있게 한다.

그러나 기존의 간섭계가 기체 레이저를 사용함으로써 광학계의 부피가 커져서 간섭계를 이용한 위치 센서를 소형화 하는데 문제를 많이 가지고 있다. 반도체 레이저도 분산격자반사경(Distributed Bragg Reflector) 구조를 에지 에미팅 레이저(edge emitting laser)에 적용하여 단일 주파수로 동작하는 광원을 만들어 이를 간섭계에 적용할 수 있지만 이 레이저는 만들기도 어렵고 가격이 비싸서 위치 센서로 대량 생산하기에는 어려움이 많다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 단일모드 수직 공진 표면광 레이저를 사용하여 소형이고, 제조비용이 저렴하며, 부품의 집적화가 가능하여 광 경로를 단축시켜 보다 정밀한 간섭계를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 부품 사이에 한 번의 광 정렬로 이루어지며 정렬 허용 공차도 기존 간섭계에 비해 커서 기존의 간섭계에 비해서 제조비용을 크게 감소시키고 소형화를 가능하게 하는 간섭계를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 본 발명은 단일모드이며 웨이퍼로부터 수직방향인 평행빔을 발광하는 수직 공진 표면광 레이저(VCSEL); 상기 평행빔을 일부 반사 및 일부 투과하는 빔 분할기; 상기 평행빔의 경로와 수직인 위치에 고정 배열되며, 상기 빔 분할기에서 반사된 빔을 반사하는 제1 반사경; 상기 평행빔의 경로 상에 이동가능하도록 배열되며, 상기 빔 분할기를 투과한 빔을 반사하는 제2 반사경; 및 상기 평행빔의 경로와 수직인 위치에 배열되며, 상기 제1 반사경에서 반사되고 상기 빔 분할기에서 다시 투과된 빔 및 상기 제2 반사경에서 반사되고 상기 빔 분할기에서 다시 반사된 빔을 검출하여, 두 빔의 광 경로차에 따른 간섭무늬에 의해 상기 제2 반사경의 위치를 검출하는 광 검출기;를 포함하는 수직 공진 표면광 레이저를 이용한 간섭계를 제공한다.

바람직하게는 상기 수직 공진 표면광 레이저는 마이크로 렌즈가 배열된 투과형 기판에 플립칩 본딩되될 수 있고, 또는 상기 수직 공진 표면광 레이저는 베이스 기판에 마이크로 렌즈를 형성하여 레이저의 후방으로 평행빔이 나오도록 할 수 있다.

또한 바람직하게는 상기 빔 분할기는 상기 제1 반사경이 일면에 배열되는 정육면체 큐브형이며, 상기 제1 반사경이 형성되는 면과 수직인 면의 외측 표면에 상기 수직 공진 표면광 레이저가 플립칩 본딩되고, 상기 제1 반사경이 형성되는 면과 같은 경로상의 마주보는 면에 상기 광 검출기가 플립칩 본딩될 수 있다. 더욱 바람직하게는 상기 제1 반사경은 상기 정육면체 큐브형의 빔 분할기의 내측 1면에 금속 코팅 또는 유전체 코팅을 통해 형성될 수 있다.

또한 본 발명은 직진하는 0차 빔과 일정각도로 회절되는 1차 빔을 형성하도 록 일측면에 투과형 격자 및 반사형 격자를 형성한 투명 기판; 단일모드이고 웨이퍼로부터 수직방향인 평행빔을 발광하고, 상기 평행빔이 상기 기판의 투과형 격자를 지나도록 기판의 타측면에 표면실장되는 수직 공진 표면광 레이저(VCSEL); 상기 평행빔의 경로 상에 이동가능하도록 배열되며, 상기 투과형 격자를 통과한 0차 빔을 일정거리로 평행하게 이동시켜 상기 반사형 격자로 향하도록 반사하는 큐브형 반사경; 상기 투과형 격자 및 반사경 격자로부터의 1차 빔의 경로 상에 배열되며, 상기 큐브형 반사경에서 반사되고 상기 기판의 반사형 격자로부터 회절되는 1차빔 및 상기 투과형 격자로부터 회절되는 1차빔을 검출하여, 두 빔의 광 경로차에 따른 간섭무늬에 의해 상기 제2 반사경의 위치를 검출하는 광 검출기;를 포함하는 수직 공진 표면광 레이저를 이용한 간섭계를 제공한다. 바람직하게는 상기 투과형 격자 및 반사형 격자의 주기는 서로 동일하도록 형성하여, 광 검출기로 향하는 1차 빔의 경로가 서로 평행하도록 형성할 수 있다.

본 발명은 단일 모드 수직 공진 표면광 레이저(VCSEL)를 광원으로 사용하여 간섭계를 구성하고 VCSEL의 여러 장점을 이용한 소형 간섭계 모듈의 예를 제공한다. 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 간섭계의 개념도로서 마이켈슨 간섭계를 단일 모드 VCSEL(101)을 이용하여 구현한 것이다.

VCSEL(101)에서 나온 빛은 렌즈(102)를 통과하여 평행 광으로 변하고, 빔 분할기(beam splitter)(104)에 도착한다. 빔 분할기에 도착한 빛은 빔 분할기의 종류에 따라 일정 비율은 반사하여 제1 반사경(103)을 향하고 나머지 빛은 투과하여 제 2 반사경(108)을 향한다. 제1 반사경(103)에서 반사한 빛은 다시 빔 분할기(104)에 도착하며, 도달한 광의 일정 비율 만큼 통과하여 광 검출기(106)를 향한다. 마찬가지로 반사경(108)에서 반사된 빛은 반사된 뒤 일정 비율만큼 빔 분할기에서 반사하여 광 검출기(106)를 향한다. 두 가지 다른 경로를 거친 빛은 렌즈(105)를 거쳐 광 검출기(106)에서 만나서 위상 차이에 따른 간섭무늬를 만들게 된다.

이때 제1 반사경(103)을 VCSEL(101)이나 광 검출기(106)에서 가까이 고정하여 간섭계모듈(107)을 제작하고, 제2 반사경(108)을 움직이는 스테이지에 장착하면 스테이지의 이동에 따라 반사경(108)을 지나는 광 경로가 변하게 되어 광 검출기(106)에 생기는 간섭무늬가 변하게 된다. 간섭무늬는 광 경로 차이가 한 파장 변할 때 한 주기 변한다. 간섭무늬에서 빛의 세기는 보통 사인 곡선을 그리며 변하므로 빛의 세기를 더 자세히 나누면 파장보다 더 작은 움직임을 알아낼 수 있다. 정밀한 레이저 간섭계 경우, nm 이하의 움직임도 검출하는 것으로 알려져 있다.

여기서 사용된 단일 모드 VCSEL(101)은 반도체 레이저의 일종으로 에지 에미팅(edge-emitting) 레이저와는 다르게 웨이퍼에 수직 방향으로 공진기를 구성하기 때문에 빛이 웨이퍼 수직 방향으로 나오는 특징을 가지고 있다. 이러한 구조는 발광다이오드(LED: Light Emitting Diode)와 비슷하기 때문에 대량 생산하기에 수월하며 수명이 길고 이차원 배열을 구성할 수 있다. 또한 빛이 나오는 구경을 원형으로 하면 빔의 단면이 원형으로 되므로 에지 에미팅 레이저에서처럼 빔을 원형으로 만들기 위한 특수 광학계를 필요로 하지 않는다.

에지 에미팅 레이저는 단일 모드를 얻기 위해 격자무늬를 레이저 길이 방향 으로 새겨서 이로부터 발생하는 피드백(feedback) 효과를 이용한다. 그러나 이런 구조는 높은 공정 정밀도가 요구되어 소자 제작 성공률이 낮기 때문에 대량 생산이 쉽지 않고 가격 또한 높다. 이에 반해 VCSEL은 기본적으로 마이크로 공진기(micro-cavity)를 기반으로 하고 있어서, 보통 종 모드(longitudinal mode) 간격은 매우 떨어져 있고, 이에 따라 종 모드를 기술하는 인덱스(index)가 하나가 된다. 따라서 횡방향 모드를 기술하는 인덱스를 하나로 제어하게 되면 전체적으로 단일모드의 빔을 얻을 수 있다.

단일 모드 VCSEL(101)은 실제 시스템 구성 시, 기존의 He-Ne 레이저나 에지 에미팅 레이저가 구현할 수 없는 여러 가지 구조를 제공할 수 있는데, 그 중 하나는 미세 렌즈(microlens)와 같은 미세 광학계(micro-optics)나 회절광학계(DOE: diffractive optical element)와 함께 집적하여 초소형 광학계를 구성할 수 있다는 점이다. 예를 들어 도 1에서 VCSEL(101) 위에 마이크로 렌즈(102)가 함께 집적되어 있는 모습을 보여 주고 있다. 이러한 구조는 VCSEL(101)을 마이크로 렌즈가 배열된 투과형 기판에 플립칩 본딩하는 것에 의해 구현이 될 수도 있고, VCSEL(101) 자체의 베이스 기판의 뒷면에 마이크로 렌즈를 형성하여 빔이 레이저의 후방으로 평행하게 제작하는 방법에 의해서도 구현될 수 있다.

에지 에미팅 레이저의 경우에는 빛이 나오는 면이 웨이퍼에 수평이기 때문에 레이저를 개별적으로 제작한 후 외부 기구물을 통해 광학계와 조립하는 방식을 사 용하고 있다. 또한 출력하는 빔의 모양이 원형이 아니라서 원형 빔을 만들기 위해 복잡한 광학계를 요구한다. 그러나 VCSEL의 경우 원형 빔 모양이 가능하고 빔 출력 방향이 웨이퍼 면에 수직이다. 따라서 본 발명에서와 같이 VCSEL(101)을 사용하면 기존의 간섭계에 비해서 광학계를 단순화 시키면서 소형으로 제작이 가능하다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예를 도시한 것으로, 도 1의 제1 실시예에서의 간섭계를 광학적으로 더 안정화하고 소형화한 것이다. 기본적인 구성은 제1 실시예와 같으나, 제1 실시예에서 VCSEL(101)과 빔 분할기(104) 및 광 검출기(106)등 구성 요소들을 독립적으로 정렬한 뒤 고정해야 하는 점을 개선한 것이다. 도 2에서는 기본적으로 큐브형의 정육면체 빔 분할기(beam splitter cube, 204)를 중심으로 표면에 VCSEL(201), 제1 반사경(203), 광 검출기(206)를 집적한 형태이다.

기존의 에지 에미팅 레이저는 길이가 수 백 μm, 폭이 수 μm 정도이며 빔이 길이 방향으로 나오기 때문에 도 2의 VCSEL(201)처럼 별도의 외부 구조물 없이 표면에 고정하기 힘들다. 도 2에서 VCSEL(201)은 이해를 돕기 위해 크게 도시하였으나, 두께가 보통 100 μm 내외의 얇은 소자이다. 따라서 정육면체 큐브형의 빔 분할기(204)의 외측 표면에 VCSEL(201)을 솔더범프(202)를 통해 플립칩 본딩하여 표면실장할 수 있다. 또한 포토다이오드를 광 검출기(206)로 사용할 경우, VCSEL(201)과 마찬가지로 평면형 소자이기 때문에 빔 분할기 표면에 실장할 수 있다.

빔 분할기(204)의 내측 일면에는 금속 코팅 또는 유전체 코팅을 통해 제1 반 사경(203)이 형성되고, VCSEL은 반사경이 형성된 면과 수직인 면의 외측표면에 실장된다. 한편 광 검출기(206)는 반사경 형성면과 마주보는 면에 형성되어 같은 경로상에 위치하도록 배열된다. 한편, VCSEL로 부터의 평행빔과 같은 경로에 제1 실시예에서와 마찬가지로 제2 반사경(205)이 이동가능하도록 배열된다. 제2 실시예에 따른 간섭계 모듈은 제1 실시예의 간섭계와 비교하여 훨씬 소형화가 가능하고, 하나의 모듈로 집적되기 때문에 광 경로가 짧고 구조적으로 안정한 장점이 있다.

도 3은 VCSEL(301)을 이용한 제3 실시예를 도시하고 있다. 여기서는 제1 및 제2 실시예에서의 광 경로 대신, 격자(grating) 또는 DOE를 사용하여 훨씬 단순하게 간섭계 모듈을 구성하고 있다.

제3 실시예의 간섭계는 먼저, 투과형 격자(304) 및 반사형 격자(306)를 일면에 형성한 기판(303)을 마련한다. VCSEL(301)은 표면 실장이 용이하기 때문에 상기 기판(303)의 격자 형성면의 반대면에 솔더범프(302)를 통해 표면실장하게 된다. 이와 같은 배열은 VCSEL(301)과 기판(303) 사이에 한 번의 광학 정렬만을 필요로 할 뿐 아니라, 정렬 허용 공차가 커서 패키징 비용을 낮추는 장점을 제공한다.

VCSEL(301)에서 출발한 빛은 기판(303)을 통과하여 기판 표면에 새겨진 투과형격자(304)를 만나도록 배열한다. 투과형격자(304)는 입사광을 0 차 빔과 1 차 회절빔으로 나누고, 격자의 모양과 주기는 1차 회절 빔의 세기와 각도를 결정한다. 직진하는 0차 빔은 큐브형 반사경(305)에서 반사되고 일정 거리 이동한 다음 입사 방향과 정 반대 방향으로 입사광을 반사시킨다.

큐브형 반사경(305)는 도 3에서와 같이 빔을 그대로 반사하는 것이 아니고 일정거리 수평하게 이동시켜 반사하도록 형성되어 있다. 이에 의해 반사하는 빔은 기판(303)의 반사형 격자(306)로 향하게 된다.

큐브형 반사경(305)에서 반사된 빛은 반사형격자(306)에 도착하고 투과형격자(304)와 마찬가지로 0 차 및 1 차 회절 빔을 발생한다. 반사형격자(306)의 주기를 투과형 격자(304)와 같이하고 모양을 조절하면, 1 차 회절 빔으로 빛을 집중할 수 있다. 반사형 격자(306)에서의 1차 빔은 투과형 격자(304)에서 나온 1 차 회절 빔과 평행하게 진행하게 된다. 평행하게 진행하는 1 차 회절 빔 두 개를 렌즈(307)로 광 검출기(308)에 모으면 간섭무늬를 얻을 수 있다. 이때 코너큐브(305)를 이동하면 광 경로 차이에 의해 간섭무늬가 변하게 되고, 이를 이용하면 파장 보다 작은 위치 정밀도를 갖는 간섭계를 제작할 수 있다.

본 발명은 기존에 사용하던 He-Ne 레이저 및 에지 에미팅 레이저 대신, 단일 모드 VCSEL을 간섭계에 적용함으로써 사용되는 광학 부품 수를 줄일 수 있고, 소형이며, 가격이 저렴한 위치 센서를 제공할 수 있다.

본 발명은, VCSEL을 사용함으로써 광원 크기를 100 μm X 100 μm 정도로 줄일 수 있으므로, 기존의 He-Ne 레이저에 비해 훨씬 소형화가 가능하고, 출력 빔 모양이 원형이어서 기존의 에지 에미팅 반도체 레이저가 가지는 복잡한 교정(correction) 광학계를 요구하지 않으며, 미세 광학계를 소자 단계에서 집적할 수 있어서 모듈의 크기가 훨씬 줄어든다.

또한 본 발명은 VCSEL은 에지 에미팅 레이저에 비해 표면 실장에 유리하여 정육면체 큐브형 빔 분할기 표면에 고정이 가능하므로, 간섭계에 필요한 모든 광학계를 빔 분할기 하나에 집적하는 것이 가능해진다. 또한 단일 파장을 위해 에지 에미팅 레이저는 고가의 DBR 레이저를 필요로 하지만 VCSEL은 상대적으로 쉽게 단일 모드가 구현되고 가격도 저렴하다.

본 발명에서와 같이 VCSEL의 표면 실장 용이성과 회절 광학계의 특성을 결합하면 VCSEL과 회절 광학계 두 개의 구성 요소로 이루어진 간섭계를 만들 수 있으며, 이러한 간섭계는 부품 사이에 한 번의 광 정렬로 이루어지며 정렬 허용 공차도 기존 간섭계에 비해 크다. 이러한 구조의 단순화는 기존의 간섭계에 비해서 제조비용을 크게 감소시키고 소형화를 가능케 한다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims

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단일모드이며 웨이퍼로부터 수직방향인 평행빔을 발광하는 수직 공진 표면광 레이저(VCSEL);

상기 평행빔을 일부 반사 및 일부 투과하는 빔 분할기;

상기 평행빔의 경로와 수직인 위치에 고정 배열되며, 상기 빔 분할기에서 반사된 빔을 반사하는 제1 반사경;

상기 평행빔의 경로 상에 이동가능하도록 배열되며, 상기 빔 분할기를 투과한 빔을 반사하는 제2 반사경; 및

상기 평행빔의 경로와 수직인 위치에 배열되며, 상기 제1 반사경에서 반사되고 상기 빔 분할기에서 다시 투과된 빔 및 상기 제2 반사경에서 반사되고 상기 빔 분할기에서 다시 반사된 빔을 검출하여, 두 빔의 광 경로차에 따른 간섭무늬에 의해 상기 제2 반사경의 위치를 검출하는 광 검출기;를 포함하고,

상기 빔 분할기는 상기 제1 반사경이 일면에 배열되는 정육면체 큐브형이며, 상기 제1 반사경이 형성되는 면과 수직인 면의 외측 표면에 상기 수직 공진 표면광 레이저가 플립칩 본딩되고, 상기 제1 반사경이 형성되는 면과 같은 경로상의 마주보는 면에 상기 광 검출기가 플립칩 본딩되는 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면광 레이저를 이용한 간섭계.
제 4항에 있어서, 상기 제1 반사경은 상기 정육면체 큐브형의 빔 분할기의 내측 1면에 금속 코팅 또는 유전체 코팅을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 수직 공진 표면광 레이저를 이용한 간섭계.
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