KR100993790B1 - 초소형 고출력 마이크로칩 레이저 패키징용 서브마운트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초소형 고출력 마이크로칩 레이저를 패키징하기 위한 서브마운트 및 그 조립방법에 관한 것으로서, 고출력 마이크로칩 레이저를 패키징함에 있어 베이스(20)를 기본으로 하여 여기용 광원인 레이저 다이오드(10)와 레이저 활성매질 뭉치(90)에서 발생한 열이 최소의 열저항으로 베이스(20)를 거쳐 TEC(130)로 전달될 수 있는 구조로 서브마운트를 고안한 것이 특징이다. 서브마운트(20)에 3점 미세돌기를 만들어 외부 치구의 도움없이 레이저 다이오드(10)의 미세 정렬이 가능하도록 하였으며, 서브마운트(20)에 브이 홈을 만들어서 레이저 활성매질 뭉치(90)의 조립이 용이하고 측면을 통한 열분산으로 고출력 마이크로칩 레이저가 가능하도록 하였다. 여기광을 전달하기 위한 마이크로 렌즈(50)는 서브마운트(20)에 슬라이딩 방식의 홈에 조립되도록 하여 정렬 및 조립의 편의성을 개선하였다. 본 발명을 통하여 서브마운트(20) 조립에 필요한 부품 수를 최소화하고 단순화함으로써 고열부하용 패키징의 한 형태인 HHL 케이스(140)에 조립하여 초소형 고출력 마이크로칩 레이저를 가능하게 하였다.

마이크로칩 레이저, 서브마운트

Description

초소형 고출력 마이크로칩 레이저 패키징용 서브마운트{A Submount for packaging of microchip laser}

본 발명은 마이크로칩 레이저 패키징용 서브마운트에 관한 것이다.

1980년대 이후 레이저 가공 기술이 산업에 적용되기 시작한 이래로 적용분야와 사례가 계속해서 증가하고 있다. 레이저 가공은 집광면적이 수십㎛로 매우 작기 때문에 정밀 작업이 가능하고, 비접촉식으로 가공 재료의 강성과 경도에 관계없이 가공할 수 있으며, 가공하는 국소부위를 제외하면 재료의 변형이 거의 없이, 공구의 마모나 소음이 발생하지 않는 등 많은 장점이 있다. 그리하여 레이저 가공 기술은 용접, 마킹, 절단 등에 널리 적용되고 있다. 가공에 사용되는 레이저는 적용 분야에 따라 요구 출력 또는 파장이 다르므로 요구 사양에 따라 적층 형태의 레이저 다이오드(laser diode), Nd:YAG 레이저, CO₂ 레이저, 엑시머 레이저 등 다양한 형태가 사용되고 있다. 그러나 대부분의 레이저는 가격이 비싸고 크기가 크다는 단점이 있다. 따라서, 마이크로칩 레이저는 1~10Watt 이내의 출력을 요구하는 적용 분야에 대해서 가격이 저렴하고 소형으로 양질의 빔을 얻을 수 있는 점에서 매우 경쟁력이 있다고 할 수 있다.

일반적인 마이크로칩 레이저는 레이저 빔의 발진 방향과 레이저 다이오드의 여기 방향에 따라 단면 여기(end pumping) 형태와 측면 여기(side pumping) 형태가 있다. 단면 여기 형태의 경우 소형으로 양질의 빔 모드를 얻는데 유리하며 측면 여기의 형은 고출력에 유리하다.

본 발명에서는 상기 두 가지 형태 중 단면 여기 형태의 마이크로칩 레이저를 적용대상으로 한다. 일반적인 단면 여기 형태의 마이크로칩 레이저는 레이저 활성매질의 여기를 위한 레이저 다이오드와 레이저 다이오드 광을 집속시키기 위한 전달 광학계, 그리고 레이저 활성 매질의 양단에 레이저 박막을 증착시켜 이루어진 공진기로 구성된다. 다이오드 레이저 여기 마이크로칩 레이저의 원리는 다이오드 레이저 여기 고체 레이저(DPSSL, diode-pumped solid-state laser)와 거의 동일하다. 레이저 활성매질의 흡수대역과 일치하는 파장을 갖는 레이저 다이오드를 여기 광원으로 하여 마이크로 렌즈를 통과하면서 원하는 여기광의 형태를 만들고 활성 매질은 여기광을 흡수하여 새로운 파장의 레이저 출력을 내게 된다. 이때 공진기에 포화 흡수체를 두어 큐 스위칭된 펄스 레이저를 만들 수 있게 된다.

광원으로 사용되는 부품인 레이저 다이오드는 연속 발진시 지속적으로 많은 열이 발생하며 열로 인한 레이저 다이오드의 온도 상승은 여기 파장을 이동시키고 출력을 불안정하게 만들며, 이는 결과적으로 마이크로칩 레이저의 출력 불안으로 이어지게 된다. 이와 더불어 레이저 다이오드 동작 온도의 상승은 레이저 다이오드의 수명을 단축시키는 가장 큰 요인이 된다. 레이저 다이오드에서 발생하는 열 못 지않게 레이저 활성 매질에서 발생하는 열은 더 심각한 문제를 야기한다. 일반적으로 레이저 매질에 전달되는 여기광은 수십~수백 ㎛ 정도의 빔 크기를 갖기 때문에 국소 공간에 높은 광학 밀도의 에너지가 집중되게 되는데, 이 가운데 광학적 에너지로 변환되지 못한 에너지는 모두 열로 변환되어 매질을 통해 확산하게 된다. 그러나 레이저 매질로 사용하는 물질들의 열적 특성이 금속과 비교하여 현저히 떨어지기 때문에 불가피하게 매질에 열이 축적되고 이는 열렌즈 현상을 일으키는 원인이 된다. 발생하는 열의 수준에 따라서 매질이 파괴되기도 하는데 중요한 것은 열렌즈 현상이 발생하기 시작하게 되면 광학적으로 레이저를 더 이상 사용할 수 없게 된다는 점이다. 따라서 마이크로칩 레이저에서 레이저 다이오드 및 레이저 활성 매질에서 발생하는 열을 효과적으로 분산시켜 열렌즈 현상을 억제하는 것이 고출력을 위해서 반드시 필요하다.

본 발명은 소형으로 양질의 빔을 얻을 수 있는 단면 여기 형태의 마이크로칩 레이저를 적용 대상으로 하며 상기와 같은 열적 문제점을 해결하여 고출력의 안정적인 레이저를 발진시키는 것과 초소형 마이크로칩 레이저를 구현하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 마이크로칩 레이저를 제품으로 구현하는데 있어서 패키징 케이스의 공간적 제약과 레이저에서 발생하는 열을 효과적으로 제어하면서도 조립이 용이하고 견고한 서브마운트를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명자들은 마이크로칩 레이저의 패키징 형태를 고열부하에 적합한 패키징 형태 중 하나인 HHL(High Heat Load) 케이스에 장착 가능하도록 하였으며, 고출력 마이크로칩 레이저의 안정적 발진을 위해 레이저 다이오드와 레이저 활성매질의 열 발산과 온도 제어를 최대화하는 구조 및 패키징 방법을 발명하였다.

본 발명의 마이크로칩 레이저는 그 크기에 있어서 초소형화를 이루었고, 베이스의 기계적 가공면을 이용한 레이저 다이오드와 마이크로 렌즈, 레이저 활성매질 등 구성품의 기본 정렬 방식은 마이크로칩 레이저 조립의 용이성을 높였으며, 미세 돌기(150)를 이용한 레이저 다이오드 정렬은 여기 광원의 미세 정렬을 가능하게 하였다.

또한, 본 발명의 마이크로칩 레이저는 황동 재질의 일체화된 베이스 사용과 열적 효율성을 높인 인듐 솔더링 방식 및 인듐 포일을 이용한 열접착 방식으로 부품을 견고하게 고정하면서도 열전달 효율을 높여 열적 평형상태에 보다 빠르게 도달하게 하였다.

고출력 레이저를 위한 레이저 활성매질의 열발산 측면에서는 본 발명의 마이크로칩 레이저는 황동 블록 및 인듐 포일을 사용한 레이저 활성매질의 전후 면으로의 열발산과 함께 베이스의 V 면을 이용한 측면 열발산 방식을 사용하여 레이저 발진에서 발생하는 열을 금속면을 통해 발산시킴으로서 레이저 활성매질의 온도를 보다 효과적으로 제어하여 고출력의 안정적인 레이저 빔을 얻을 수 있게 하였다.

뿐만 아니라, 마이크로 렌즈 정렬에 있어서도 슬라이딩 방식을 이용한 렌즈 정렬 방식을 사용하여 정렬을 보다 용이하게 하였다.

본 발명으로 제작된 마이크로칩 레이저는 열적 제어의 탁월성으로 인해 고출력 안정적 레이저 발진이 가능하며 일체화된 조립체 형태로 제품의 견고성을 높였으며 유지보수가 필요 없는 형태로 실용성을 높였다.

본 발명은 레이저 다이오드를 여기 광원으로 하여 레이저 활성매질에 빔을 입사시켜 입사된 방향으로 레이저를 발진시키는 단면 여기 방식의 마이크로칩 레이저에 있어서,

열전도성이 우수한 금속 도체인 황동, 은, 동, 알미늄 합금, 티타늄 및 티타 늄 합금으로 이루어진 그룹 중 선택된 1종 이상의 재질로 구성되며, 한 몸체로 형성된 베이스의 일면에 TEC를 위치시켜 열적 제어를 용이하게 하고, 레이저 다이오드, 마이크로렌즈 및 레이저 활성매질을 순차적으로 배열하여 조립이 용이하도록 한 것을 특징으로 하는 마이크로칩 레이저를 제공한다.

또한, 본 발명은 온도를 모니터하여 온도 제어를 효과적으로 수행할 수 있도록 상기 레이저 다이오드와 상기 레이저 활성매질의 인접 위치에 온도센서 모니터링 구멍을 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로칩 레이저를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 베이스의 상기 레이저 다이오드 부착면에 레이저 다이오드 빔의 진행방향을 미세하게 정렬할 수 있도록 3점 이상의 미세 돌기를 형성한 것을 특징으로 하는 마이크로칩 레이저를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 베이스와 상기 레이저 다이오드 간의 열적 경계를 최소화하여 열전달을 특성을 높이기 위하여 상기 베이스와 상기 레이저 다이오드를 인듐 합금을 이용한 저온 솔더링 방식으로 접합하는 것을 특징으로 하는 마이크로칩 레이저를 제공한다.

또한, 상기 인듐 합금 저온 솔더링시 상기 레이저 다이오드의 위치 고정을 위하여 상기 레이저 다이오드의 C 마운트를 나사를 이용하여 고정하여 조립을 용이하게 하는 것을 특징으로 하는 마이크로칩 레이저를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 베이스 상에 ‘Ｕ’자 형태의 렌즈 마운트를 위치시키고, 상기 렌즈 마운트의 기계적 가공면을 기준으로 상기 마이크로렌즈를 조립하여 마이크로렌즈의 좌우 틀어짐(tilt)을 제한하는 것을 특징으로 하는 마이크로칩 레 이저를 제공한다.

또한, 상기 렌즈 마운트는 열적 안정성이 우수한 티타늄으로 제조된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 베이스에 형성된 홈을 따라 상기 렌즈 마운트를 슬라이딩 방식으로 움직이며 상기 마이크로렌즈의 위치를 조절하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 베이스 중 상기 레이저 활성매질의 위치에 상기 레이저 활성매질의 열 발산을 돕는 V 홈을 형성한 것을 특징으로 한다.

뿐만 아니라, 본 발명은 상기 레이저 활성매질의 열 발산을 유도하고 조립을 용이하게 하기 위하여 열 전도도가 높은 금속 도체로서 황동, 은, 동, 알미늄 합금, 티타늄 및 티타늄 합금으로 이루어진 그룹 중 선택된 1종 이상의 재질로 형성된 블록 및/또는 인듐 포일이나 인듐 합금 포일을 레이저 활성매질 전·후면에 열접착 방식 등으로 접착하는 것을 특징으로 하는 마이크로칩 레이저를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 레이저 활성매질을 연성 인듐 포일, 인듐 합금 포일 또는 열전도성 접착제를 이용하여 장착함으로써 레이저 활성매질의 효과적인 열 발산을 유도하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 마이크로칩 레이저를 독립적 조립체의 형태로 외부에서 조립한 후 HHL 케이스(140)에 장착하는 개념으로 설계하였다. 본 발명의 마이크로칩 레이저는 그 크기에 특별한 제한은 없으나, 본 발명자들이 실제로 구현한 일 실시예 에서는 마이크로칩 레이저 조립체의 크기는 16.8×16.0×11.6㎜로서, 크기 16.0×16.0×1.6㎜인 TEC(온도제어기)(130)를 사용하여 내부 크기가 22.9×22.9×16.0㎜인 HHL 케이스에 실장 가능하도록 되어 있다.

본 발명의 마이크로칩 레이저의 구성은 여기 광원으로서 레이저 다이오드, 마이크로렌즈, 레이저 활성매질을 포함하여 구성되어 있으며, 이를 패키징하기 위한 서브마운트는 크게 베이스, 렌즈 마운트, 레이저 활성매질로 나눌 수 있다. 본 발명의 마이크로칩 레이저 조립체의 형태는 도 1에 나타난 바와 같이 베이스(20) 위에 레이저 활성매질(90)을 여기하기 위한 레이저 다이오드(10), 빔 집속 및 모드 정합을 위한 마이크로렌즈(50) 및 레이저 활성매질 조립체(80)(90)(100)의 구조로 되어 있다.

본 발명의 마이크로칩 레이저 조립체는 기본적으로 베이스(20)를 기준으로 조립하도록 되어 있다. 여기 광원인 레이저 다이오드는 C 마운트 형태를 사용하여 베이스의 벽면과 바닥면을 기준으로 기본정렬을 하도록 설계되었고 마이크로 렌즈는 도면 3과 같이 ‘Ｕ’ 형태의 마이크로 렌즈 마운트(60)에 마이크로 렌즈(50)를 장착한 후 베이스 중앙 부근에 난 홈을 따라 슬라이딩 방식으로 렌즈의 위치를 조절하도록 되어 있다. 또, 레이저 활성매질은 인듐 포일(100)과 황동 블록(80)으로 구성된 레이저 활성매질 조립체의 형태로 베이스 블록의 V홈에 정확히 장착되도록 설계되었다.

베이스(20)의 재질은 열전달 특성이 우수한 황동으로 만들어져 마이크로칩 레이저의 부품 중 발열이 문제되는 레이저 다이오드(10)와 레이저 활성매질(90)의 열을 발산시키거나 베이스 하단에 장착된 TEC(130)로부터 제어되는 온도를 신속히 전달할 수 있도록 하였으며 베이스에서 레이저 다이오드와 레이저 활성매질이 부착될 부분에는 온도 센서 모니터링 구멍(40)(110)을 만들어 온도 센서를 장착함으로써 실시간 온도를 모니터링하면서 그 온도를 TEC로 전달하여 제어할 수 있도록 하였다.

또, 도면 2에 나타난 바와 같이 베이스의 레이저 다이오드 부착면에 3점 이상의 높이가 동일한 미세 돌기(150)를 두어 그 높이를 상대적으로 조절함으로써 여기 광원의 빔을 미세 정렬할 수 있도록 하였다.

본 발명에서는 베이스에 레이저 다이오드를 장착하는 방법으로 인듐 합금을 이용한 저온 솔더링으로 부품간 공간을 인듐 합금으로 채워 열적 경계를 최소화하거나 재질이 무른 인듐 포일을 사용한 열접착을 함으로서 부품간 열저항을 낮춰 황동 재질의 베이스(20)를 통한 열발산과 TEC를 통한 온도제어가 용이하도록 하였다. 이때 M2 나사를 이용하여 레이저 다이오드의 C 마운트를 고정함으로써 레이저 다이오드 솔더링을 용이하게 할 수 있다.

마이크로렌즈(50)의 경우 레이저 발진시 발열과는 관계없는 부품이므로 마이크로렌즈 마운트(60)의 재질로 열적 안정성이 뛰어난 티타늄 재질을 사용함으로써 이후 온도에 의한 열변형을 최소화하였다.

한편, 마이크로칩 레이저를 고출력으로 발진하기 위해서 레이저 활성매질의 열발산과 제어는 필수적인 요소이다. 따라서 본 발명에서는 레이저 활성매질 앞뒤에 인듐으로 열접착한 황동 블록을 두어 도면 4와 같이 하나의 조립 체(80)(90)(100)를 만듦으로써 매질 앞과 뒷면으로의 열 발산을 용이하게 하였고, 상기와 같은 방법으로 제작된 조립체를 도면 5와 같이 베이스의 V 홈에 장착하고 V 홈 형태의 레이저 활성매질 고정 뚜껑(70)으로 덮음으로써 레이저 활성매질의 측면이 금속에 둘러싸이도록 하였다. 그리하여 레이저 활성매질의 측면이 온도가 제어되는 금속의 열 발산체에 접촉함으로써 좀더 효과적인 온도 제어 효과를 얻을 수 있도록 하였다. 이때 레이저 활성매질은 열전도성 접착제를 사용하거나 무른 인듐 포일을 띠 형태로 둘러 베이스의 V면에 열접착 방식으로 고정되도록 하였다.

또 베이스에서 마이크로칩 레이저의 주요 열 발생부분인 레이저 다이오드와 레이저 활성매질이 위치한 부근에 온도 센서 모니터링 구멍(40)(110)에 온도 센서를 삽입함으로서 발열 위치의 온도를 정확히 모니터하여 좀더 효과적으로 온도를 제어할 수 있게 하였다.

이렇게 조립된 마이크로칩 레이저 조립체는 도면 6에 나타난 바와 같이 HHL 케이스 중앙에 솔더링 방식으로 기부착된 TEC 위에 열전도성 접착제를 사용하여 부착한 후 도선 연결과 밀봉(hermetic sealing) 공정으로 마무리된다.

도 1은 본 발명에 따른 마이크로칩 레이저가 조립된 모습을 나타내며,

도 2는 베이스 도면,

도 3은 마이크로렌즈를 렌즈 마운트 위에 조립한 도면,

도 4는 레이저 활성매질 조립체 구성 도면,

도 5는 레이저 활성 매질 조립체가 베이스에 조립되는 것을 나타내는 도면,

도 6은 마이크로칩 레이저의 패키징 도면이다.

* 도면 부호의 설명

10: 레이저 다이오드,

20: 베이스(base),

30: 레이저 다이오드 고정 부재,

40: 온도센서(thermistor) 모니터링 구멍,

50: 마이크로렌즈(microlens),

60: 렌즈 마운트(lens mount),

70: 레이저 활성매질 고정 뚜껑(laser medium heat sink lid),

80: 황동 블록,

90: 레이저 활성매질,

100: 인듐 포일,

110: 온도센서(thermistor) 모니터링 구멍,

120: 고정나사,

130: TEC,

140: HHL 케이스(High Heat Load case)

150: 미세 돌기

Claims (12)

1. 레이저 다이오드를 여기 광원으로 하여 레이저 활성매질에 레이저 빔을 입사시켜 입사된 방향으로 레이저를 발진시키는 단면 여기 방식의 마이크로칩 레이저에 있어서,

   여기 광원으로서 레이저 빔을 발생시키는 레이저 다이오드;

   상기 레이저 다이오드에서 발생한 레이저 빔을 레이저 활성매질에 전달하는 마이크로렌즈; 및

   상기 마이크로렌즈에서 전달된 레이저 빔을 발진시키는 레이저 활성매질;이 순차적으로 나란히 베이스 상에 배열되며,

   열전도성이 우수한 금속 도체인 황동, 은, 동, 알미늄 합금, 티타늄 및 티타늄 합금으로 이루어진 그룹 중 선택된 1종 이상의 재질로 구성되며 한 몸체로 형성되되, 일측에는 상기 레이저 다이오드가 결합되며, 중앙에는 상기 마이크로렌즈를 틀어짐(tilt) 없이 위치시키는 렌즈 마운트 결합 홈이 형성되며, 상기 레이저 다이오드가 결합된 일측과 반대 방향 면에는 레이저 활성매질이 위치하는 V 홈이 형성된 베이스; 및

   상기 베이스의 일면에 위치하며 열적 제어를 용이하게 하는 TEC;를 포함하여 구성되는 마이크로칩 레이저.
2. 제1항에 있어서,

   온도를 모니터하여 온도 제어를 효과적으로 수행할 수 있도록 상기 레이저 다이오드와 상기 레이저 활성매질의 인접 위치에 온도센서 모니터링 구멍을 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로칩 레이저.
3. 제1항에 있어서,

   상기 레이저 다이어드가 결합되는 결합 면에 레이저 빔의 진행방향을 미세하게 정렬할 수 있도록 3점 이상의 돌기가 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로칩 레이저.
4. 제1항에 있어서,

   상기 베이스와 상기 레이저 다이오드 간의 열적 경계를 최소화하여 열전달 특성을 높이기 위하여 상기 베이스와 상기 레이저 다이오드는 인듐 합금을 이용한 저온 솔더링 방식으로 접합하는 것을 특징으로 하는 마이크로칩 레이저.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,

   상기 렌즈 마운트는 열적 안정성이 우수한 티타늄으로 제조된 것을 특징으로 하는 마이크로칩 레이저.
8. 제1항에 있어서,

   상기 마이크로렌즈는 상기 베이스에 형성된 홈을 따라 상기 렌즈 마운트를 슬라이딩 방식으로 움직이며 상기 마이크로렌즈의 위치를 조절하는 것을 특징으로 하는 마이크로칩 레이저.
9. 삭제
10. 제1항에 있어서,

    상기 레이저 활성매질의 열 발산을 유도하고 조립을 용이하게 하기 위하여 열 전도도가 높은 금속 도체로서 황동, 은, 동, 알미늄 합금, 티타늄 및 티타늄 합금으로 이루어진 그룹 중 선택된 1종 이상의 재질로 형성된 블록을 레이저 활성매질 전·후면에 접착하는 것을 특징으로 하는 마이크로칩 레이저.
11. 제1항에 있어서,

    상기 레이저 활성매질의 열 발산을 유도하고 조립을 용이하게 하기 위하여 인듐 포일 또는 인듐 합금 포일을 레이저 활성매질 전·후면에 접착하는 것을 특징으로 하는 마이크로칩 레이저.
12. 제1항에 있어서,

    상기 레이저 활성매질을 연성 인듐 포일, 인듐 합금 포일 또는 열전도성 접착제를 이용하여 장착함으로써 레이저 활성매질의 효과적인 열 발산을 유도하는 것을 특징으로 하는 마이크로칩 레이저.

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