KR100917228B1 - 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체레이저 - Google Patents

반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체레이저 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저를 제공하기 위한 것으로, 외부 공진형 반도체 레이저에 있어서, GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)를 이용하는 레이저 광원(10)과; 상기 레이저 광원(10)에서 나온 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)을 전달받아 회절 격자(21) 또는 출력 거울(22)에 의해 정상파형으로 회절시켜 정상파형의 모드록 된 레이저 출력 빔(42)을 출력시키는 출력부(20)와; 상기 출력부(20)의 미세 이동을 제어하는 압전부(30);를 포함하여 구성함으로서, 가시광 및 근적외선 영역에서 GaAs 리지 웨이브 반도체와 외부 반사경만을 이용하여 정상파 또는 링형 공진기에서 자발 수동 모드록 된 피코초 또는 펨토초 펄스를 발생하고, 300 MHz ~ 1.5 GHz 영역에서 펄스의 반복율을 조절하여 새로운 모드록 레이저 광원을 확보할 수 있게 되는 것이다.
반복율, 모드록, 외부 공진, 반도체 레이저, 펨토초, 광주파수

Description

반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저{Self-starting passive mode-locked extended-cavity diode laser with variable pulse rate}
본 발명은 반도체 레이저에 관한 것으로, 특히 가시광 및 근적외선 영역에서 GaAs 리지 웨이브 반도체와 외부 반사경만을 이용하여 정상파 또는 링형 공진기에서 자발 수동 모드록 된(mode-locked) 피코초 또는 펨토초 펄스를 발생하고, 300 MHz ~ 1.5 GHz 영역에서 펄스의 반복율을 조절하여 새로운 모드록 레이저 광원을 확보하기에 적당하도록 한 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저에 관한 것이다.
본 발명이 적용되는 기술분야는 광전자, 광학, 물리학 실험, 고분해 레이저 분광학, 초고속 현상 측정, 비선형 광학, 레이저 물리, 광통신 기술, 의료 영상 관원 등 매우 다양하다.
일반적으로 모드록 된 레이저(Mode-locked laser)는 높은 피크 전력을 갖는 광 펄스를 생성할 수 있는 모드록 된 레이저의 능력 때문에 다양한 애플리케이션에 서 중요하다. 통상적으로 모드록 된 레이저는 능동 변조기, 또는 광공진기 내 수동의 포화 광 흡수체를 이용하여, 레이저가 레이저 공진기 내의 라운드 트립 천이 시간에 대응하는 주기성을 갖는 단펄스를 생성하게 한다.
능동 변조기를 갖는 모드록 된 레이저에서는 능동 변조기의 광 손실이 주기적으로 변화하여, 모드록 된 레이저가 단펄스를 생성하게 한다. 포화 흡수체를 갖는 모드록 된 레이저에서는 광공진기의 포화 흡수체가 광 강도를 증가시킴으로써 포화되는 광 손실을 갖는다. 포화가능한 광 손실은 단펄스의 트레인 생성이 선호되도록 선택된다. 모드록 된 레이저는 동위상으로 커플링되는 다양한 공진 모드를 갖는다. 따라서 다른 특성뿐 아니라, 모드록 된 레이저는 연속발진(Continuous Wave, CW) 레이저에 비해 스펙트럼에서 확장된다.
그리고 모드록은 높은 첨두 출력(peak power)을 갖는 광펄스를 얻는 기술로서, 크게 능동형 모드록과 수동형 모드록으로 분류된다.
능동형 모드록은 외부에서 신호를 걸어주어 공진기의 손실 등을 변조시키는 기술로서, 출력되는 광펄스의 시간폭은 수동형에 비해 나쁘지만 광펄스의 반복율은 변조기에 걸어주는 신호의 주파수를 조절함으로써 쉽게 변화시킬 수 있다.
반면에 수동형 모드록은 빛의 강도에 따라 투과율이 달라지는 포화흡수체(saturable absorber)를 이용하는 것으로서, 능동형에 비해 시간폭이 짧은 광펄스를 얻을 수 있다.
적외선 및 가시광 영역의 반도체 레이저에서 수동 모드록 된 레이저를 만들기 위해서 종래에 많은 시도가 있었고, 종래의 각각의 기술들은 특징과 장점이 있 는 반면 많은 문제점들을 가지고 있다.
종래기술들에 대한 간략한 설명과 문제점을 설명하면 다음과 같다.
[1] "Passively mode locked vertical extended cavity surface emitting diode laser", K. Jasim et al., Electron. Lett. 39, 373 (2003년). : [1]의 논문은 980 nm InGaAs 표면 발광 반도체 레이저 및 포화 브래그 반사경을 이용하여 수동 모드록 된 확장 공진기 반도체 레이저를 개발한 것이다. 그러나 [1]의 논문에 비해, 본 발명은 가시광 및 근적외선에서 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저 및 회절 격자 또는 평면 거울 확장 공진기를 사용해 제작이 간편하고 반복율 변화가 가능하다.
[2] "2.1-W picosecond passively mode-locked external-cavity semi conductor laser", A. Aschwanden et al., Opt. Lett. 30, 272 (2005년). : [2]의 논문은 공진기 내에 에탈론을 사용하여 광펌핑하는 957 nm 2.1 W, 4.7 ps, 4 GHz 반복율을 갖는 수직 발광 반도체 레이저를 개발한 것이다. 그러나 [2]의 논문에 비해, 본 발명은 가시광 및 근적외선에서 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저 및 회절 격자 또는 평면 거울 확장 공진기를 사용해 자발 수동 모드록 된 반도체 레이저를 개발한 것이다.
[3] "High Power all quantum-dot-based external cavity mode locked laser", A. D. McRobbie et al., Electron. Lett. 43, 812 (2007년). : [3]의 논문은 양자점 반도체 레이저와 양자점 포화흡수 외부 거울을 이용하여 수동 모드록 된 1205 nm의 고출력 반도체 레이저를 개발한 것이다. 그러나 [3]의 논문에 비해, 본 발명은 가시광 및 근적외선에서 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저 및 회절 격자 또는 평면 거울 확장 공진기를 사용해 확장 공진형 자발 수동 모드록 된 반도체 레이저를 개발하여 고출력과 반복율 변화가 용이하다.
[4] "2. Self-mode-locked semiconductor laser", 미국공개특허 제 2007-98031 호, 공개일 2007년 5월 3일. : [4]의 특허는 InP 반도체 레이저가 하나의 활성층과 여러 개의 웨이브 가이드로 구성된 것이다. 그러나 [4]의 특허에 비해, 본 발명은 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저 및 회절 격자 또는 평면 거울 확장 공진기를 사용해 반복율 변화가 가능하다.
[5] "Mode-locked semiconductor laser", 미국특허 제 6,031,859 호, 등록일 2000년 2월 29일. : [5]의 특허는 반도체 레이저가 이득 영역과 포화 영역으로 나누어진 것이다. 그러나 [5]의 특허에 비해, 본 발명은 이득 영역과 포화 영역이 하나로 되어 있고 확장형 공진기를 사용해 반복율 변화가 가능하다.
[6] "Passively mode-locked optically pumped semiconductor external-cavity surface-emitting laser", 미국특허 제 6,735,234 호, 등록일 2004년 5월 11일. : [6]의 특허는 광펌핑하는 표면 발광 반도체 레이저와 외부 반도체 포화 흡수 거울을 사용한 것이다. 그러나 [6]의 특허에 비해, 본 발명은 전기 펌핑하는 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저를 사용해 반복율 변화가 가능하다.
[7] "Method and apparatus for mode locking of external cavity semiconductor laser with saturable bragg reflectors", 미국특허 제 6,449,301 호, 등록일 2002년 9월 10일. : [7]의 특허는 반도체 레이저와 포화 브래그 홉스 외부 거울을 사용한 정상파 외부 공진기를 제공한 것이다. 그러나 [7]의 특허에 비해, 본 발명은 전기 펌핑하는 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저 및 회절 격자 또는 평면 거울 확장 공진기를 사용해 반복율 변화가 가능하며 가시광 및 근적외선 발진이 가능하다.
이러한 종래기술들의 문제점을 정리하면 다음과 같다.
광펌핑 화이버 레이저, Ti:Sapphire와 같은 고체 레이저들은 수십 펨토초 모드록 펄스를 만들 수 있는 반면 펌핑 레이저 가격이 매우 비싸다.
광펌핑 반도체 레이저는 표면 발광 반도체 레이저와 포화흡수 브래그(Bragg) 반도체 거울을 사용하고, 고반복율 수동 모드록킹이 가능하나, 펌핑 레이저, 포화흡수 브래그 반도체 거울의 가격이 비싸며, 반복율의 변화가 용이하지 못하다.
집적형 외부공진기를 사용하는 수동 모드록 된 반도체 레이저는 수십 GHz 대의 반복율을 얻을 수 있으나, 반복율 변화가 불가능하고 상용화되지 못하고 있다.
이득 영역과 포화 흡수체를 독립적으로 사용하는 외부 공진기형 반도체 레이저는 제작이 복잡하다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 가시광 및 근적외선 영역에서 GaAs 리지 웨이브 반도체와 외부 반사경만을 이용하여 정상파 또는 링형 공진기에서 자발 수동 모드록 된 피코초 또는 펨토초 펄스를 발생하고, 300 MHz ~ 1.5 GHz 영역에서 펄스의 반복율을 조절하여 새로운 모드록 레이저 광원을 확보할 수 있는 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저를 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저의 동작 온도를 39 ℃ 이상으로 유지하고 ± 0.005 ℃ 이상의 온도 안정도를 구현한 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저를 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 또다른 목적은 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저를 이득 포화 영역에서 구동하기 위해 200 mA 전류 공급기와 ± 2 μA 이하의 전류 안정도를 구현한 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저를 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 또다른 목적은 자발 수동 모드록 된 정상파형 외부 공진기 반도체 레이저의 펄스 반복율을 조절하기 위해 외부 거울 또는 회절 격자를 광축 방향으로 이동 가능하도록 인바 봉 또는 선형 이동대 위에 설치한 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저를 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 또다른 목적은 자동 수동 모드록 된 외부 공진기형 반도체 레이저를 전반사 및 부분 반사 거울을 사용하여 정상파형 또는 링형 공진기로 설치한 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저를 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 또다른 목적은 수동 모드록 된 정상파 또는 링형 외부 공진기 반도체 레이저의 궤환 전기장 위상을 정밀하게 조절하기 위해 압전 소자 위에 부분반사 거울 또는 회절 격자를 설치한 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저를 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 또다른 목적은 자발 수동 모드록 된 정상파 또는 링형 외부 공진기형 반도체 레이저의 외부 공진기 길이를 조절하여 펄스 반복율을 300 MHz에서 1.5 GHz 까지 변환 가능한 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저를 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 또다른 목적은 자발 수동 모드록 된 정상파 또는 링형 외부 공진기형 반도체 레이저의 펄스가 주기 배가 또는 두 횡모드 간의 토탈 모드록 현상을 일으키도록 외부 공진기의 길이를 조절한 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저를 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저에서 회절 격자를 이용한 자발 수동 모드록 된 정상파형 반도체 레이저 장치의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저에서 부분 반사 출력거울을 이용한 자발 수동 모드록 된 정상파형 반도체 레이저 장치의 개념도이다.
이에 도시된 바와 같이, 외부 공진형 반도체 레이저에 있어서, GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)를 이용하는 레이저 광원(10)과; 상기 레이저 광원(10)에서 나온 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)을 전달받아 회절 격자(21)(도 1 참조) 또는 출력 거울(22)(도 2 참조)에 의해 정상파형으로 회절시켜 정상파형의 모드록 된 레이저 출력 빔(42)을 출력시키는 출력부(20)와; 상기 출력부(20)의 미세 이동을 제어하는 압전부(30);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 레이저 광원(10)은, 이득 포화 전류 펌핑 영역에서 구동되고, 레이저 빔을 내보내는 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)와; 상기 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)에 전류를 공급하는 반도체 레이저 전류 공급기(12)와; 상기 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)의 온도를 조절하는 반도체 레이저 온도 조절기(13)와; 상기 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)에서 나온 레이저 빔에 대해 평행광선속을 얻어 내보내는 레이저 빔 콜리메이터(14);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 출력부(20)는, 펄스의 주기가 배가되거나 또는 두 횡모드 간의 토탈 모드록 현상을 일으키도록 인바(invar) 봉 또는 선형 이동대(도면상에 미도시)에 의해 광축 방향으로 이동되는 것을 특징으로 한다.
상기 압전부(30)는, 상기 레이저 광원(10)에서 나온 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)에 대해 펄스의 반복율이 300 MHz ~ 1.5 GHz 범위 이내에서 조절되도록 상기 출력부(20)를 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 압전부(30)는, 상기 출력부(20)를 미세 이동시키는 압전 소자(31)와; 상기 압전 소자를 고정하는 마운트(32)와; 상기 압전 소자(31)에 전압을 공급하는 압전소자 전압 공급기(33);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
도 3은 본 발명의 또다른 실시예에 의한 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저에서 전반사 거울 및 압전소자에 부착된 부분 반사 출력거울을 이용한 자발 수동 모드록 된 링형 반도체 레이저 장치의 개념도이다.
이에 도시된 바와 같이, 외부 공진형 반도체 레이저에 있어서, GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)를 이용하는 레이저 광원(10)과; 상기 레이저 광원(10)에서 나온 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)을 전달받아 전반사 거울(23, 24)과 부분 반사 거울(25)과 출력 거울(26)을 이용하여 링형의 모드록 된 레이저 출력 빔(43, 44)을 출력시키는 출력부(20)와; 상기 출력부(20)의 미세 이동을 제어하는 압전부(30);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 레이저 광원(10)은, 이득 포화 전류 펌핑 영역에서 구동되고, 레이저 빔을 내보내는 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)와; 상기 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)에 전류를 공급하는 반도체 레이저 전류 공급기(12)와; 상기 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)의 온도를 조절하는 반도체 레이저 온도 조절기(13)와; 상기 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)에서 나온 레이저 빔에 대해 평행광선속을 얻어 시계 방향으로 내보내는 제 1 레이저 빔 콜리메이터(15)와; 상기 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)에서 나온 레 이저 빔에 대해 평행광선속을 얻어 반시계 방향으로 내보내는 제 2 레이저 빔 콜리메이터(16);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 출력부(20)는, 상기 레이저 광원(10)에서 나온 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)을 전달받아 전반사 거울(23, 24)과 부분 반사 거울(25)과 출력 거울(26)에 의해 링형으로 통과시켜 반시계 방향으로 도는 모드록 된 레이저 출력 빔(43)과 시계 방향으로 도는 모드록 된 레이저 출력 빔(44)을 출력시키는 것을 특징으로 한다.
상기 출력부(20)는, 상기 레이저 광원(10) 내의 제 1 레이저 빔 콜리메이터(15)에서 나온 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)을 전달받아 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)이 시계 방향으로 돌도록 전반사시키는 제 1 전반사 거울(23)과; 상기 제 1 전반사 거울(23)에서 전반사된 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)이 시계 방향으로 돌도록 전반사시키는 제 2 전반사 거울(24)과; 상기 레이저 광원(10) 내의 제 2 레이저 빔 콜리메이터(16)에서 나온 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)을 전달받아 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)이 반시계 방향으로 돌도록 부분 반사시키는 부분 반사 거울(25)과; 상기 제 2 전반사 거울(24)에서 보내진 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)을 전달받아 시계 방향으로 도는 모드록 된 레이저 출력 빔(43)을 내보내고, 상기 부분 반사 거울(25)에서 보내진 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)을 전달받아 반시계 방향으로 도는 모드록 된 레이저 출력 빔(44)을 내보내는 출력 거울(26);을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 출력부(20)는, 펄스의 주기가 배가되거나 또는 두 횡모드 간의 토탈 모 드록 현상을 일으키도록 인바 봉 또는 선형 이동대(도면상에 미도시)에 의해 광축 방향으로 이동되는 것을 특징으로 한다.
상기 압전부(30)는, 상기 출력부(20)를 미세 이동시키는 압전 소자(31)와; 상기 압전 소자(31)에 전압을 공급하는 압전소자 전압 공급기(33);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저는, 광학적 가간섭 영상측정 장치(optical coherent tomography, OCT), 광주파수 합성기(optical frequency synthesizer), 고밀도 광통신용 광원, 고분해 레이저 집적 분광법 광원, 물리학 또는 화학 또는 생물학 또는 광 의학 또는 양자전자공학의 실험실용 광원, 물리학 또는 화학 또는 생물학 또는 광 의학 또는 양자전자공학의 연구용 광원 중에서 하나 이상에 적용되거나; 또는 안정화된 광주파수 빗을 발생시켜 국가측정표준, 광주파수 절대 측정, 광격자 시계, 기초 물리상수 측정 중에서 하나 이상의 초정밀 측정에 적용되거나; 또는 펨토초 모드록 펄스를 발생시켜 극초단 시분해 분광학, 아토초 발생, 상대론적 광학 실험용 발진기 중에서 하나 이상에 적용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저는 가시광 및 근적외선 영역에서 GaAs 리지 웨이브 반도체와 외부 반사경만을 이용하여 정상파 또는 링형 공진기에서 자발 수동 모드록 된 피코초 또는 펨토초 펄 스를 발생하고, 300 MHz ~ 1.5 GHz 영역에서 펄스의 반복율을 조절하여 새로운 모드록 레이저 광원을 확보할 수 있는 효과가 있게 된다.
또한 본 발명은 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저를 제공하여 ① 광학적 가간섭 영상측정 장치(optical coherent tomography, OCT), ② 광주파수 합성기(optical frequency synthesizer), ③ 고밀도 광통신용 광원, ④ 고분해 레이저 집적 분광법 광원, ⑤ 물리학, 화학, 생물학, 광 의학, 양자전자공학 등의 실험실용 광원, ⑥ 국가 및 기업 연구소의 연구용 광원으로 적용할 수 있고, 수입대체 효과 또한 기대할 수 있는 장점이 있다.
더불어 본 발명은 자발 수동 모드록 된 정상파 및 링형 외부 공진기 반도체 레이저에서 위상 안정화된 광주파수 빗을 발생시켜, 국가측정표준, 광주파수 절대 측정, 광격자 시계, 기초 물리상수 측정 등과 같은 초정밀 측정에 활용할 수 있는 효과가 있다.
나아가 본 발명은 펨토초 이내로 시간 흔들림이 고정된 자발 수동 모드록 된 정상파 및 링형 외부 공진기 반도체 레이저로부터 펨토초 모드록 펄스를 발생시켜 극초단 시분해 분광학, 아토초 발생, 상대론적 광학 실험용 발진기 등으로 활용할 수 있는 효과도 있다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.
먼저 본 발명은 가시광 및 근적외선 영역에서 GaAs 리지 웨이브 반도체와 외부 반사경만을 이용하여 정상파 또는 링형 공진기에서 자발 수동 모드록 된 피코초 또는 펨토초 펄스를 발생하고, 300 MHz ~ 1.5 GHz 영역에서 펄스의 반복율을 조절하여 새로운 모드록 레이저 광원을 확보하고자 한 것이다.
펨토초 모드록 레이저는 다중 모드 레이저의 종모드가 모드록킹 과정을 거쳐 일정한 시간 간격을 가지는 연속적인 극초단 펄스를 발생시키는 원리를 이용한 것이다. 그래서 펨토초 모드록 레이저는 공진기의 왕복시간 τ 마다 펨토초 폭을 갖는 펄스를 발생시키고, 푸리에(Fourier) 변환에 의해 주파수 공간에서는 일정한 주파수 간격 Δ = 1/τ 를 가지는 불연속 스펙트럼, 즉 광빗(optical comb) 스펙트럼을 갖게 된다. 광빗의 간격(즉, 펄스의 반복율)은 Δ = vg/lc 의 관계식에 따라 그룹속도(vg)와 공진기 길이(lc)에 의해 결정된다.
<실시예 1>
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저에서 회절 격자를 이용한 자발 수동 모드록 된 정상파형 반도체 레이저 장치의 개념도이다.
그래서 레이저 광원(10)은 외부 공진형 반도체 레이저에 있어서 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)를 이용한다.
이러한 레이저 광원(10)은 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11), 반도체 레이저 전류 공급기(12), 반도체 레이저 온도 조절기(13), 레이저 빔 콜리메이터(14)를 포함하여 구성할 수 있다.
GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)는 레이저 빔을 내보낸다. 또한 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)는 이득 포화 전류 펌핑 영역에서 반도체 레이저 전류 공급기(12)에 의해 구동된다.
반도체 레이저 전류 공급기(12)는 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)에 전류를 공급하여, GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)가 이득 포화 전류 펌핑 영역에서 구동되도록 제어한다. 또한 반도체 레이저 전류 공급기(12)는 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)를 이득 포화 영역에서 구동하기 위해 200 mA 의 전류를 공급하고, ± 2 μA 이하의 전류 안정도를 갖도록 구현한다.
반도체 레이저 온도 조절기(13)는 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)의 온도를 조절한다. 반도체 레이저 온도 조절기(13)는 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)의 동작 온도를 39 ℃ 이상으로 유지하고 ± 0.005 ℃ 이상의 온도 안정도를 갖도록 구현한다.
레이저 빔 콜리메이터(14)는 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)에 서 나온 레이저 빔에 대해 평행광선속을 얻어 출력부(20)로 내보낸다.
출력부(20)는 레이저 광원(10)에서 나온 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)을 전달받아 회절 격자(21)를 이용하여 정상파형의 모드록 된 레이저 출력 빔(42)을 출력시킨다. 또한 출력부(20)는 레이저 광원(10)에서 나온 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)을 전달받아 회절 격자(21)에 의해 정상파형으로 회절시켜 모드록 된 레이저 출력 빔(42)을 출력시킨다.
또한 출력부(20)는 미세한 온도변화를 상쇄하는 팽창계수를 갖는 인바(invar) 봉 또는 선형 이동대에 의해 광축 방향으로 이동된다.
또한 출력부(20)는 펄스의 주기가 배가되거나 또는 두 횡모드 간의 토탈 모드록 현상을 일으키도록 인바 봉 또는 선형 이동대에 의해 광축 방향으로 이동된다.
이에 따라 자발 수동 모드록 된 정상파 또는 링형 외부 공진기 반도체 레이저의 외부 공진기 길이를 조절하여 펄스 반복율을 300 MHz에서 1.5 GHz 까지 변환시킬 수 있다.
압전부(30)는 출력부(20)의 미세 이동을 제어한다. 그래서 자발 수동 모드록 된 정상파 또는 링형 외부 공진기 반도체 레이저의 궤환 전기장 위상을 정밀하게 조절하기 위해 압전 소자(31) 위에 회절 격자(21)(도 1 참조), 출력 거울(22)(도 2 참조), 또는 부분 반사 거울(25)(도 3 참조)을 설치한다.
압전부(30)는 압전 소자(31), 마운트(32), 압전소자 전압 공급기(33)로 구성할 수 있다.
압전 소자(31)는 출력부(20)를 미세 이동시킨다.
마운트(32)는 압전 소자를 고정한다.
압전소자 전압 공급기(33)는 압전 소자(31)에 전압을 공급한다.
<실시예 2>
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저에서 부분 반사 출력거울을 이용한 자발 수동 모드록 된 정상파형 반도체 레이저 장치의 개념도이다.
그래서 레이저 광원(10)은 외부 공진형 반도체 레이저에 있어서 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)를 이용한다.
이러한 레이저 광원(10)은 실시예 1과 동일하게 구성할 수 있다.
출력부(20)는 레이저 광원(10)에서 나온 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)을 전달받아 출력 거울(22)을 이용하여 정상파형의 모드록 된 레이저 출력 빔(42)을 출력시킨다. 또한 출력부(20)는 레이저 광원(10)에서 나온 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)을 전달받아 출력 거울(22)에 의해 정상파형으로 통과시켜 모드록 된 레이저 출력 빔(42)을 출력시킨다.
출력부(20)의 구성에서, 실시예 1에서는 회절 격자(21)를 사용한 반면, 실시예 2에서는 출력 거울(22)을 사용했다.
압전부(30)는 출력부(20)의 미세 이동을 제어한다.
이러한 압전부(30)는 실시예 1과 동일하게 구성할 수 있다.
<실시예 3>
도 3은 본 발명의 또다른 실시예에 의한 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저에서 전반사 거울 및 압전소자에 부착된 부분 반사 출력거울을 이용한 자발 수동 모드록 된 링형 반도체 레이저 장치의 개념도이다.
그래서 레이저 광원(10)은 외부 공진형 반도체 레이저에 있어서 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)를 이용한다.
이러한 레이저 광원(10)은 실시예 1 및 실시예 2와는 달리, 콜리메이터를 2개 사용한다.
그래서 레이저 광원(10)은 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11), 반도체 레이저 전류 공급기(12), 반도체 레이저 온도 조절기(13), 제 1 레이저 빔 콜리메이터(15), 제 2 레이저 빔 콜리메이터(16)를 포함하여 구성할 수 있다.
GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11), 반도체 레이저 전류 공급기(12), 반도체 레이저 온도 조절기(13)는 실시예 1과 동일하게 구성할 수 있다.
제 1 레이저 빔 콜리메이터(15)는 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)에서 나온 레이저 빔에 대해 평행광선속을 얻어 시계 방향으로 내보낸다.
제 2 레이저 빔 콜리메이터(16)는 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)에서 나온 레이저 빔에 대해 평행광선속을 얻어 반시계 방향으로 내보낸다.
출력부(20)는 레이저 광원(10)에서 나온 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)을 전달받아 전반사 거울(23, 24)과 부분 반사 거울(25)과 출력 거울(26)을 이용하여 링형의 모드록 된 레이저 출력 빔(43, 44)을 출력시킨다.
이러한 출력부는, 정상파형의 레이저 빔을 출력하는 실시예 1 및 실시예 2와 는 달리, 링형의 레이저 빔을 출력시킨다. 즉, 출력부(20)는 레이저 광원(10)에서 나온 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)을 전달받아 전반사 거울(23, 24)과 부분 반사 거울(25)과 출력 거울(26)에 의해 링형으로 통과시켜 반시계 방향으로 도는 모드록 된 레이저 출력 빔(43)과 시계 방향으로 도는 모드록 된 레이저 출력 빔(44)을 출력시킨다.
또한 출력부(20)는 제 1 전반사 거울(23), 제 2 전반사 거울(24), 부분 반사 거울(25), 출력 거울(26)을 포함하여 구성할 수 있다.
제 1 전반사 거울(23)은, 레이저 광원(10) 내의 제 1 레이저 빔 콜리메이터(15)에서 나온 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)을 전달받아 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)이 시계 방향으로 돌도록 전반사시킨다.
제 2 전반사 거울(24)은, 제 1 전반사 거울(23)에서 전반사된 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)이 시계 방향으로 돌도록 전반사시킨다.
부분 반사 거울(25)은, 레이저 광원(10) 내의 제 2 레이저 빔 콜리메이터(16)에서 나온 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)을 전달받아 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)이 반시계 방향으로 돌도록 부분 반사시킨다. 또한 부분 반사 거울(25)은, 압전부(30)에 의해 미세 이동된다.
출력 거울(26)은 제 2 전반사 거울(24)에서 보내진 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)을 전달받아 시계 방향으로 도는 모드록 된 레이저 출력 빔(43)을 내보내고, 부분 반사 거울(25)에서 보내진 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)을 전달받아 반시계 방향으로 도는 모드록 된 레이저 출력 빔(44)을 내보낸다.
이 이외의 출력부(20)의 구성은 실시예 1 및 실시예 2와 동일하게 구성할 수 있다.
압전부(30)는 출력부(20)의 미세 이동을 제어한다.
이러한 압전부(30)는 실시예 1 및 실시예 2와 동일하거나 유사하게 구성할 수 있다.
도 4는 본 발명에 대해 리지 웨이브 가이드 레이저의 이득 포화 영역에서 수동 모드록 현상이 일어나는 전류 영역 측정 결과를 보인 그래프이다.
도 5는 본 발명에 의한 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저의 성능을 반복율 333 MHz에서 모드록 레이저의 성능을 보인 것으로, (a)는 RF 스펙트럼이고, (b)는 (a)의 펄스 열이고, (c)는 같은 전류에서 위상 조절 후 주기 배가 된 모드록 레이저의 RF 스펙트럼이고, (d)는 (c)의 펄스 열을 보인 그래프이다.
이처럼 본 발명은 가시광 및 근적외선 영역에서 GaAs 리지 웨이브 반도체와 외부 반사경만을 이용하여 정상파 또는 링형 공진기에서 자발 수동 모드록 된 피코초 또는 펨토초 펄스를 발생하고, 300 MHz ~ 1.5 GHz 영역에서 펄스의 반복율을 조절하여 새로운 모드록 레이저 광원을 확보하게 되는 것이다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 한정하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 이러한 본 발명은 광전자, 광학, 물리학 실험, 고분해 레이저 분광학, 초고속 현상 측정, 비선형 광학, 레이저 물리, 광통신 기술, 의료 영상 관원 등의 기술분야에 적용된다. 따라서 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 응용할 수 있고, 이러한 응용도 하기 특허청구범위에 기재된 기술적 사상을 바탕으로 하는 한 본 발명의 권리범위에 속하게 됨은 당연하다 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저에서 회절 격자를 이용한 자발 수동 모드록 된 정상파형 반도체 레이저 장치의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저에서 부분 반사 출력거울을 이용한 자발 수동 모드록 된 정상파형 반도체 레이저 장치의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 또다른 실시예에 의한 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저에서 전반사 거울 및 압전소자에 부착된 부분 반사 출력거울을 이용한 자발 수동 모드록 된 링형 반도체 레이저 장치의 개념도이다.
도 4는 본 발명에 대해 리지 웨이브 가이드 레이저의 이득 포화 영역에서 수동 모드록 현상이 일어나는 전류 영역 측정 결과를 보인 그래프이다.
도 5는 본 발명에 의한 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저의 성능을 반복율 333 MHz에서 모드록 레이저의 성능을 보인 것으로, (a)는 RF 스펙트럼이고, (b)는 (a)의 펄스 열이고, (c)는 같은 전류에서 위상 조절 후 주기 배가 된 모드록 레이저의 RF 스펙트럼이고, (d)는 (c)의 펄스 열을 보인 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 레이저 광원
11 : GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저
12 : 반도체 레이저 전류 공급기
13 : 반도체 레이저 온도 조절기
14 : 레이저 빔 콜리메이터
15 : 제 1 레이저 빔 콜리메이터
16 : 제 2 레이저 빔 콜리메이터
20 : 출력부
21 : 회절 격자
22 : 출력 거울
23 : 제 1 전반사 거울
24 : 제 2 전반사 거울
25 : 부분 반사 거울
26 : 출력 거울
30 : 압전부
31 : 압전소자
32 : 마운트
33 : 압전소자 전압 공급기
41 : 외부 공진기 내의 레이저 빔
42 : 모드록 된 레이저 출력 빔
43 : 시계 방향으로 도는 모드록 된 레이저 출력 빔
44 : 반시계 방향으로 도는 모드록 된 레이저 출력 빔

Claims (11)

  1. 외부 공진형 반도체 레이저에 있어서,
    GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)를 이용하는 레이저 광원(10)과;
    상기 레이저 광원(10)에서 나온 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)을 전달받아 회절 격자(21) 또는 출력 거울(22)에 의해 정상파형으로 회절시켜 정상파형의 모드록 된 레이저 출력 빔(42)을 출력시키는 출력부(20)와;
    상기 출력부(20)의 미세 이동을 제어하는 압전부(30);
    를 포함하여 구성되고,
    상기 출력부(20)는, 펄스의 주기가 배가되거나 또는 두 횡모드 간의 토탈 모드록 현상을 일으키도록 인바 봉 또는 선형 이동대에 의해 광축 방향으로 이동되는 것을 특징으로 하는 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 광원(10)은,
    이득 포화 전류 펌핑 영역에서 구동되고, 레이저 빔을 내보내는 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)와;
    상기 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)에 전류를 공급하는 반도체 레이저 전류 공급기(12)와;
    상기 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)의 온도를 조절하는 반도체 레이저 온도 조절기(13)와;
    상기 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)에서 나온 레이저 빔에 대해 평행광선속을 얻어 내보내는 레이저 빔 콜리메이터(14);
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 압전부(30)는,
    상기 출력부(20)를 미세 이동시키는 압전 소자(31)와;
    상기 압전 소자를 고정하는 마운트(32)와;
    상기 압전 소자(31)에 전압을 공급하는 압전소자 전압 공급기(33);
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저.
  5. 외부 공진형 반도체 레이저에 있어서,
    GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)를 이용하는 레이저 광원(10)과;
    상기 레이저 광원(10)에서 나온 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)을 전달받아 전반사 거울(23, 24)과 부분 반사 거울(25)과 출력 거울(26)을 이용하여 링형의 모드록 된 레이저 출력 빔(43, 44)을 출력시키는 출력부(20)와;
    상기 출력부(20)의 미세 이동을 제어하는 압전부(30);
    를 포함하여 구성되고,
    상기 출력부(20)는,
    상기 레이저 광원(10)에서 나온 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)을 전달받아 전반사 거울(23, 24)과 부분 반사 거울(25)과 출력 거울(26)에 의해 링형으로 통과시켜 반시계 방향으로 도는 모드록 된 레이저 출력 빔(43)과 시계 방향으로 도는 모드록 된 레이저 출력 빔(44)을 출력시키고,
    상기 출력부(20)는,
    상기 레이저 광원(10) 내의 제 1 레이저 빔 콜리메이터(15)에서 나온 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)을 전달받아 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)이 시계 방향으로 돌도록 전반사시키는 제 1 전반사 거울(23)과;
    상기 제 1 전반사 거울(23)에서 전반사된 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)이 시계 방향으로 돌도록 전반사시키는 제 2 전반사 거울(24)과;
    상기 레이저 광원(10) 내의 제 2 레이저 빔 콜리메이터(16)에서 나온 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)을 전달받아 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)이 반시계 방향으로 돌도록 부분 반사시키는 부분 반사 거울(25)과;
    상기 제 2 전반사 거울(24)에서 보내진 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)을 전달받아 시계 방향으로 도는 모드록 된 레이저 출력 빔(43)을 내보내고, 상기 부분 반사 거울(25)에서 보내진 외부 공진기 내의 레이저 빔(41)을 전달받아 반시계 방향으로 도는 모드록 된 레이저 출력 빔(44)을 내보내는 출력 거울(26);
    을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 레이저 광원(10)은,
    이득 포화 전류 펌핑 영역에서 구동되고, 레이저 빔을 내보내는 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)와;
    상기 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)에 전류를 공급하는 반도체 레이저 전류 공급기(12)와;
    상기 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)의 온도를 조절하는 반도체 레이저 온도 조절기(13)와;
    상기 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)에서 나온 레이저 빔에 대해 평행광선속을 얻어 시계 방향으로 내보내는 제 1 레이저 빔 콜리메이터(15)와;
    상기 GaAs 리지 웨이브 가이드 반도체 레이저(11)에서 나온 레이저 빔에 대해 평행광선속을 얻어 반시계 방향으로 내보내는 제 2 레이저 빔 콜리메이터(16);
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 출력부(20)는,
    펄스의 주기가 배가되거나 또는 두 횡모드 간의 토탈 모드록 현상을 일으키도록 인바 봉 또는 선형 이동대에 의해 광축 방향으로 이동되는 것을 특징으로 하는 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저.
  10. 청구항 5에 있어서,
    상기 압전부(30)는,
    상기 출력부(20)를 미세 이동시키는 압전 소자(31)와;
    상기 압전 소자(31)에 전압을 공급하는 압전소자 전압 공급기(33);
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저.
  11. 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저는,
    광학적 가간섭 영상측정 장치, 광주파수 합성기, 고밀도 광통신용 광원, 고분해 레이저 집적 분광법 광원, 물리학 또는 화학 또는 생물학 또는 광 의학 또는 양자전자공학의 실험실용 광원, 물리학 또는 화학 또는 생물학 또는 광 의학 또는 양자전자공학의 연구용 광원 중에서 하나 이상에 적용되거나; 또는 안정화된 광주파수 빗을 발생시켜 국가측정표준, 광주파수 절대 측정, 광격자 시계, 기초 물리상수 측정 중에서 하나 이상의 초정밀 측정에 적용되거나; 또는 펨토초 모드록 펄스를 발생시켜 극초단 시분해 분광학, 아토초 발생, 상대론적 광학 실험용 발진기 중에서 하나 이상에 적용되는 것을 특징으로 하는 반복율 가변 자발 수동 모드록 된 외부 공진형 반도체 레이저.
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KR20070077968A (ko) * 2006-01-25 2007-07-30 삼성전자주식회사 변조 가능한 외부 공진기형 면발광 레이저 및 이를 채용한디스플레이 장치

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