KR101100434B1 - 후방 광펌핑 방식의 외부 공진기형 면발광 레이저 - Google Patents

후방 광펌핑 방식의 외부 공진기형 면발광 레이저 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광펌핑용 레이저빔을 레이저칩에 수직으로 입사시킬 수 있는 후방 광펌핑 방식의 외부 공진기형 면발광 레이저에 관한 것이다. 본 발명의 한 유형에 따른 외부 공진기형 면발광 레이저는, 광펌핑 방식에 의해 제 1 파장의 광을 방출시키는 레이저칩이 탑재된 레이저칩 패키지; 상기 레이저칩 패키지의 상면에서 소정의 거리만큼 이격되어 위치하며, 상기 레이저칩에서 발생한 광의 일부를 투과시켜 외부로 출력하고, 나머지 일부를 레이저칩으로 반사하는 외부 미러; 상기 레이저칩 패키지의 하면에 결합된 것으로, 상기 레이저칩에서 발생하는 열을 외부로 방출하기 위한 히트 싱크; 및 상기 히트 싱크의 하면과 대향하도록 배치된 것으로, 제 2 파장의 광펌핑용 광을 상기 레이저칩에 수직하게 방출하는 펌프 레이저;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

후방 광펌핑 방식의 외부 공진기형 면발광 레이저{End-pumped vertical external cavity surface emitting laser}
도 1은 종래의 광펌핑 방식의 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(vertical external cavity surface emitting laser; VECSEL)의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 후방 광펌핑 방식 VECSEL의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 후방 광펌핑 방식 VECSEL의 레이저칩 패키지 부분을 보다 상세히 도시하는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 후방 광펌핑 방식 VECSEL의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 후방 광펌핑 방식의 VECSEL의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 6a 내지 도 6c는 레이저칩과 서브 마운트를 결합하는 공정을 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 도 6a 내지 도 6c의 공정에 따라 서브 마운트가 결합된 레이저칩에 제 1 실시예에 따른 패키지 블록을 결합한 상태를 도시하는 단면도 및 사시도이다.
도 8a 및 도 8b는 도 6a 내지 도 6c의 공정에 따라 서브 마운트가 결합된 레 이저칩에 제 2 실시예에 따른 패키지 블록을 결합한 상태를 도시하는 단면도 및 사시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 레이저칩의 온도와 종래의 구조에 따른 레이저칩의 온도를 비교하는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 VECSEL의 동작 중에 측정한 분산 브래그 반사층의 반사도를 예시적으로 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 후방 광펌핑 방식의 VECSEL의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 VECSEL의 동작 중에 측정한 분산 브래그 반사층의 반사도를 예시적으로 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 VECSEL의 활성층에서 방출되는 레이저 광의 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 14a 및 도 14b는 각각 종래의 VECSEL과 본 발명에 따른 VECSEL의 성능을 나타내는 그래프이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
100.....VECSEL 110.....히트 싱크
120.....레이저칩 패키지 121.....패키지 블록
122.....서브 마운트 123.....레이저칩
124.....기판 125.....활성층
126.....반사층 130.....SHG 결정
140.....외부 미러 150.....펌프 레이저
본 발명은 면발광 레이저에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 광펌핑용 레이저빔을 레이저칩에 수직으로 입사시킬 수 있는 후방 광펌핑 방식의 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(vertical external cavity surface emitting laser; VECSEL)에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 레이저에는, 발진되는 빔이 기판에 수평한 방향으로 방출되는 측면 발광 레이저(Edge Emitting Laser)와 발진되는 빔이 기판에 수직한 방향으로 방출되는 면발광 레이저(또는, 수직 공진기형 면발광 레이저)(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL)가 있다. 이들 중에서 수직 공진기형 면발광 레이저(VCSEL)는 매우 좁은 스펙트럼의 단일 종모드 발진을 할 뿐 아니라, 빔의 방사각이 작아 접속효율이 높다. 또한, 면발광의 구조상 다른 장치에의 집적이 용이한 장점이 있다. 그러나, VCSEL은 단일 횡모드 발진이 측면 발광 레이저에 비해 매우 어려우며, 단일 횡모드 동작을 위해서는 발진 영역의 면적이 좁아야 하고, 따라서 출력이 약하다는 문제가 있다.
상술한 VCSEL의 장점을 살리고 동시에 고출력 동작을 구현하기 위하여 제안된 레이저 소자로서 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(Vertical External Cavity Surface Emitting Laser; VECSEL)가 있다. 상기 수직 외부 공진기형 면발광 레이저 (VECSEL)는 VCSEL의 상부 미러를 외부의 미러(External Mirror)로 대체하여 이득 영역(Gain Region)을 증가시킴으로써 수~수십W 이상의 고출력을 얻도록 하는 레이저 소자이다.
도 1은 종래의 광펌핑 방식의 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(VECSEL)의 개략적인 단면도이다. 도 1을 참조하여 종래의 광펌핑 방식의 VECSEL(10)의 구조를 살펴보면, 레이저 발진을 위한 레이저칩(12)이 히트 싱크(Heat sink)(11) 위에 부착되어 있으며, 상기 레이저칩(laser chip)(12)과 소정의 간격을 두고 외부 미러(13)가 배치되어 있다. 그리고, 상기 레이저칩(12)에 광펌핑용 레이저빔을 제공하기 위한 펌프 레이저(15)가 비스듬하게 배치되어 있다. 도시되지는 않았지만, 상기 레이저칩(12)은 기판 위에 분산 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector; DBR)와 활성층이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 공지된 바와 같이, 상기 활성층은, 예컨대, RPG(Resonant Periodic Gain) 구조를 갖는 다중 양자우물 구조이고, 광펌핑용 레이저빔에 의해 여기되어 소정의 파장을 갖는 광을 방출한다. 히트싱크(11)는 레이저칩(12)에서 발생하는 열을 방출하여, 상기 레이저칩(12)을 냉각시키는 역할을 한다. 또한, 펌프 레이저(15)는 상기 레이저칩(12)에서 방출되는 광의 파장 보다 짧은 파장의 광을 렌즈 어레이(16)를 통해 레이저칩(12)에 입사시켜, 상기 레이저칩(12) 내의 활성층을 여기시키는 역할을 한다.
이러한 구조에서, 펌프 레이저(pump laser)(15)에서 방출된 비교적 짧은 파장의 광이 렌즈(16)를 통해 레이저칩(12)에 입사하면, 상기 레이저칩(12) 내의 활성층이 여기되면서 특정 파장의 광을 방출한다. 이렇게 발생한 광은, 레이저칩(12) 내의 DBR층과 외부 미러(13) 사이에서 반사를 되풀이하면서, 활성층을 왕복한다. 따라서, 상기 VECSEL(10)의 공진 캐비티(cavity)는 레이저칩(12) 내의 DBR층과 오목한 외부 미러(13) 사이에 형성된다. 이러한 과정을 통해 상기 레이저칩(12) 내에서 증폭된 광의 일부는 상기 외부 미러(13)를 통해 레이저빔으로서 외부로 출력되며, 나머지는 다시 상기 레이저칩(12)으로 반사되어 광펌핑에 사용된다. 이때, 레이저칩(12)과 외부 미러(13) 사이에 광의 주파수를 2배로 만드는 2차 조화파 발생(Second Harmonic Generation; SHG) 결정(14)을 배치할 수 있다. SHG 결정(14)을 사용할 경우, 예컨대, 레이저칩(12)에서 방출되는 적외선 영역의 광을 가시광선 영역의 파장을 갖는 레이저빔으로 출력할 수 있다.
그러나, 상술한 구조의 VECSEL(10)의 경우, 레이저칩(12)을 발진시키기 위한 펌프 레이저(15)가 다른 부품들과 동일한 축 상에 배열되지 않고 축에서 벗어나 비스듬하게 배열될 수밖에 없다. 따라서, 전체적인 제조 공정이 복잡해지고 제조 시간이 증가하여 대량생산이 곤란할 뿐만 아니라, VECSEL을 소형화하는 데도 한계가 있다. 더욱이, 펌프 레이저(15)에서 방출된 광펌핑용 레이저빔이 약 45°의 각도로 비스듬하게 상기 레이저칩(12)에 입사하기 때문에 반사에 의한 손실이 커서 발진효율이 떨어지는 문제가 있다. 뿐만 아니라, 레이저칩(12)의 상면에 약 45°의 각도로 비스듬하게 투영되는 광펌핌용 레이저빔의 형태는 타원형이 될 수밖에 없는데, 이로 인해 상기 레이저칩(12) 내에서 발진되어 방출되는 광의 단면 형태 역시 원형이 아닌 타원형이 되는 문제가 있다.
또한, SHG 결정(14)의 광파장 변환 효율은 입사하는 광의 에너지에 비례하여 높아지는 특성이 있다. 따라서, SHG 결정(14)은 가급적 상기 레이저칩(12)에 가까이 배치되는 것이 바람직하다. 그러나, 펌프 레이저(15)의 광펌핑용 레이저빔이 레이저칩(12)의 정면으로부터 입사하기 때문에, SHG 결정(14)을 상기 레이저칩(12)에 밀착시킬 수 없다. 이로 인해, SHG 결정(14)의 효율성 역시 저하될 수밖에 없다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 개선하기 위한 것이다. 따라서, 본 발명의 목적은 제조 공정이 간단하고 대량생산이 가능하며 소형화할 수 있는 수직 외부 공진기형 면발광 레이저를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 광펌핑용 레이저빔을 레이저칩에 수직으로 입사시킴으로써 반사 손실이 없고 높은 효율을 갖는 후방 광펌핑 방식의 수직 외부 공진기형 면발광 레이저를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 효율적인 열 방출 구조를 통해 열에 의한 성능저하를 방지할 수 있는 수직 외부 공진기형 면발광 레이저를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 유형에 따른 면발광 레이저는, 광펌핑 방식에 의해 제 1 파장의 광을 방출시키는 레이저칩이 탑재된 레이저칩 패키지; 상기 레이저칩 패키지의 상면에서 소정의 거리만큼 이격되어 위치하며, 상기 레이저칩에서 발생한 광의 일부를 투과시켜 외부로 출력하고, 나머지 일부를 레이저칩으로 반사하는 외부 미러; 상기 레이저칩 패키지의 하면에 결합된 것으로, 상기 레이저칩에서 발생하는 열을 외부로 방출하기 위한 히트 싱크; 및 상기 히트 싱크의 하면과 대향하도록 배치된 것으로, 제 2 파장의 광펌핑용 광을 상기 레이저칩에 수직하게 방출하는 펌프 레이저;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 펌프 레이저에서 방출되는 광펌핑용 광이 상기 레이저칩 패키지에 도달할 수 있도록 상기 히트 싱크의 중심부에 개구가 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저칩 패키지는, 상기 히트 싱크의 상면에 배치된 것으로, 열전도성과 광투과성을 갖는 서브 마운트; 및 상기 서브 마운트의 상면 중심부에 부착된 것으로, 상기 외부 미러를 향해 제 1 파장의 광을 방출시키는 레이저칩;을 포함하며, 상기 서브 마운트는 상기 레이저칩에서 발생하는 열을 히트 싱크로 전달하고, 상기 펌프 레이저에서 방출된 광펌핑용 광을 투과시키는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 서브 마운트는 다이아몬드(Diamond), 실리콘 카바이드(SiC), 질화알루미늄(AlN) 및 질화갈륨(GaN)을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 레이저칩과 서브 마운트는 캐필러리 본딩(capillary bonding) 방식으로 결합되는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 서브 마운트에 부착된 레이저칩이 보다 확실히 고정될 수 있도록, 상기 레이저칩과 접하는 서브 마운트의 상면과 상기 레이저칩의 둘레에 경화성 수지를 도포하고 경화시킬 수 있다.
또한, 상기 레이저칩은, 기판; 상기 기판 위에 형성된 것으로, 상기 펌프 레이저로부터 방출된 광펌핑용 광에 의해 여기되어 제 1 파장의 광을 발생시키는 양자우물 구조의 활성층; 및 상기 활성층 위에 형성된 것으로, 상기 활성층에서 발생 한 제 1 파장의 광을 상기 외부 미러로 반사하고, 상기 펌프 레이저로부터 방출된 제 2 파장의 광펌핑용 광을 통과시키는 분산 브래그 반사층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 레이저칩의 기판이 상기 외부 미러와 대향하며, 상기 레이저칩의 분산 브래그 반사층이 상기 서브 마운트의 상면과 접촉한다.
또한, 상기 레이저칩의 활성층에서 발생한 광이 상기 외부 미러로 진행할 수 있도록 상기 기판의 중심부에 개구가 형성될 수 있다.
한편, 상기 레이저칩 패키지는, 상기 레이저칩을 보호하고 레이저칩에서 발생하는 열을 외부로 방출시키기 위하여, 상기 히트 싱크와 서브 마운트 사이 및 상기 레이저칩의 상면에 각각 부착된 제 1 및 제 2 패키지 블록을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 레이저칩에서 방출된 제 1 파장의 광이 상기 외부 미러로 진행할 수 있도록, 그리고 상기 펌프 레이저에서 방출되는 제 2 파장의 광이 상기 레이저칩에 도달할 수 있도록, 상기 제 1 및 제 2 패키지 블록의 중심부에 개구가 각각 형성되어 있다.
또한, 상기 레이저칩 패키지는, 상기 레이저칩 패키지를 히트 싱크에 고정하고 상기 레이저칩에서 발생하는 열을 외부로 방출시키기 위하여, 상기 서브 마운트의 측면과 상면 가장자리의 일부를 둘러싸며 상기 히트 싱크에 고정되는 패키지 블록을 포함할 수도 있다.
본 발명에 따른 외부 공진기형 면발광 레이저는, 상기 레이저칩 패키지에서 방출된 제 1 파장의 광의 주파수를 2배로 만드는 2차 조화파 발생(Second Harmonic Generation; SHG) 결정을 더 포함할 수도 있다. 이때, 상기 SHG 결정은 상기 레이저칩 패키지와 접하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 레이저칩 패키지는, 상기 히트 싱크의 상면과 대향하도록 배치된 것으로, 열전도성과 광투과성을 갖는 서브 마운트; 및 상기 서브 마운트의 하면 중심부에 부착된 것으로, 상기 외부 미러를 향해 제 1 파장의 광을 방출시키는 레이저칩;을 포함할 수도 있으며, 이때 상기 서브 마운트는 상기 레이저칩에서 발생하는 열을 히트 싱크로 전달하고, 상기 레이저칩에서 방출된 제 1 파장의 광을 투과시키는 것을 특징으로 한다.
이 경우, 상기 레이저칩은, 기판; 상기 기판 위에 형성된 분산 브래그 반사층; 및 상기 분산 브래그 반사층 위에 형성된 것으로, 상기 펌프 레이저로부터 방출된 광펌핑용 광에 의해 여기되어 제 1 파장의 광을 발생시키는 양자우물 구조의 활성층;을 포함할 수 있으며, 상기 분산 브래그 반사층은, 상기 활성층에서 발생한 제 1 파장의 광을 상기 외부 미러로 반사하고, 상기 펌프 레이저로부터 방출된 제 2 파장의 광펌핑용 광을 통과시키는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 레이저칩의 기판이 상기 히트 싱크와 대향하며, 상기 레이저칩의 활성층이 상기 서브 마운트의 하면과 접촉하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저칩 패키지는, 상기 레이저칩 패키지를 히트 싱크에 고정하고 상기 레이저칩에서 발생하는 열을 방출시키기 위하여, 상기 서브 마운트의 상면과 하면의 가장자리 일부를 부분적으로 둘러싸면서 상기 히트 싱크에 고정되는 패키지 블록을 더 포함할 수도 있다.
한편, 본 발명의 다른 유형에 따른 외부 공진기형 면발광 레이저는, 열전도성과 광투과성을 갖는 서브 마운트; 상기 서브 마운트의 상면에 형성된 분산 브래그 반사층; 상기 분산 브래그 반사층의 상면에 형성된 것으로, 광펌핑 방식에 의해 제 1 파장의 광을 방출시키는 활성층; 상기 활성층 상면에 형성된 것으로, 상기 제 1 파장의 광에 대해 투과성이 있는 기판; 상기 기판의 상면에 형성된 반사방지층; 상기 기판의 상면에서 이격되어 위치하며, 상기 활성층에서 발생한 광의 일부를 투과시켜 출력하고, 나머지 일부를 활성층으로 반사하는 외부 미러; 및 제 2 파장의 광펌핑용 광을 상기 서브 마운트의 하면으로 수직하게 방출하는 펌프 레이저;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 양호한 실시예에 따른 후방 광펌핑 방식의 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(vertical external cavity surface emitting laser; VECSEL)의 구조 및 동작에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 후방 광펌핑 방식의 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(VECSEL)의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 VECSEL(100)은, 제 1 파장의 광을 방출시키기 위한 이득구조(gain structure)를 갖는 레이저칩 패키지(laser chip package)(120)와, 상기 레이저칩 패키지(120)의 일측면에서 소정의 거리만큼 이격되어 위치하는 외부 미러(140)와, 상기 레이저칩 패키지(120)의 타측면을 향해 제 2 파장의 광펌핑용 광을 수직으로 방출하는 펌프 레이저(150)를 포함하고 있다. 이미 설명한 바와 같이, 외부 미러(140)는 상기 레이저칩 패키지(120)에 서 발생한 제 1 파장의 광의 일부를 외부로 투과시켜 레이저빔으로서 출력하며, 나머지 일부를 레이저칩 패키지(120)로 다시 반사하여 증폭되도록 한다. 여기서, 상기 펌프 레이저(150)에서 방출되는 제 2 파장의 광펌핑용 광은 레이저칩 패키지(120)에서 방출되는 제 1 파장의 광 보다 파장이 짧아야 한다. 예컨대, 갈륨(Ga)계 반도체소자를 이용하는 경우, 상기 레이저칩 패키지(120)는 대략 900nm에서 1100nm 사이의 파장을 갖는 적외선 영역의 광을 방출한다. 이 경우, 상기 펌프 레이저(150)에서 방출되는 광펌핑용 광은 대략 808nm 정도의 파장을 갖는 것이 적당하다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 레이저칩 패키지(120)의 타측면에는 상기 레이저칩 패키지(120)에서 동작중에 발생하는 열을 방출하기 위하여 히트 싱크(heat sink)(110)가 추가적으로 부착될 수 있다. 이때, 히트 싱크(110)의 광투과성이 일반적으로 양호하지 않기 때문에, 상기 히트 싱크(110)에는 상기 펌프 레이저(150)에서 방출되는 광펌핑용 광이 레이저칩 패키지(120)에 도달할 수 있도록 개구(115)가 형성될 필요가 있다. 이러한 히트 싱크(110)로는, 예컨대, 구리(Cu)와 같이 열전도성이 우수한 재료를 사용할 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 레이저칩 패키지(120)와 외부 미러(140) 사이에는, 상기 레이저칩 패키지(120)에서 방출된 제 1 파장의 광의 주파수를 2배로 만드는 SHG 결정(130)을 추가적으로 배치할 수 있다. SHG 결정(130)을 사용할 경우, 예컨대, 상기 레이저칩 패키지(120)에서 방출되는 900nm 내지 1100nm 사이의 적외선 영역의 파장이 450nm 내지 550nm 사이의 가시광선 영역의 파장으로 변환된다. 이러한 SHG 결정(130)으로는 KTP(Potassium Titanyl Phosphate), LiNbO3, PPLN(periodically poled LiNbO3), KTN, KnbO3 등과 같은 결정을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 상기 SHG 결정(130)은 상기 레이저칩 패키지(120)와 접하도록 배치되는 것이 좋다.
상술한 구조의 본 발명에 따른 VECSEL(100)의 경우, 펌프 레이저가 측면에 비스듬하게 배치된 종래의 VECSEL과는 달리, 펌프 레이저(150)가 상기 레이저칩 패키지(120)의 후방에 일렬로 배치되어 있다. 즉, 다른 부품들과 동일한 축 상에 펌프 레이저(150)가 배치되어 있다. 따라서, 본 발명에 따른 VECSEL(100)은 종래에 비해 제조 공정이 간단하여 대량생산이 가능할 뿐만 아니라, 전체적인 크기를 소형화할 수 있다는 장점이 있다. 예컨대, 직경이 대략 20mm, 펌프 레이저(150)를 제외한 전체 길이가 대략 50mm 이내가 되도록 제조하는 것이 가능하다. 더욱이, 광펌핑용 레이저빔을 레이저칩 패키지(120)에 수직으로 입사시킬 수 있기 때문에, 반사에 의한 손실이 거의 없고 광펌핑용 레이저빔의 출력을 필요한 부분에만 집중시킬 수 있다. 따라서, 레이저의 광출력을 증가시킬 수 있으며, 상기 레이저칩 패키지(120)에서 방출되는 광의 단면 형태도 거의 원에 가깝게 유지할 수 있다. 또한, 펌프 레이저(150)가 측면에 배치되지 않기 때문에, SHG 결정(130)을 상기 레이저칩 패키지(120)에 최대한 가깝게 배치하는 것이 가능하다. 따라서, 상기 SHG 결정(130)의 광파장 변환 효율을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 VECSEL(100)의 레이저칩 패키지(120)에 대한 보다 상세한 구조는 도 3에 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 VECSEL(100)의 레이저칩 패키지(120)는, 외부 미러(140)를 향해 제 1 파장의 광을 방출시키는 레이저칩(123) 및 상기 레이저칩(123)에 결합되어 레이저칩(123)에서 발생하는 열을 히트 싱크(110)로 전달하는 서브 마운트(submount)(122)를 구비한다. 도 3에 도시된 레이저칩 패키지(120)의 구조에 의하면, 펌프 레이저(150)에서 방출되는 제 2 파장의 광펌핑용 광은 서브 마운트(122)를 통과하여 레이저칩(123)에 입사한다. 따라서, 상기 서브 마운트(122)는 열전도성이 우수할 뿐만 아니라, 펌프 레이저(150)에서 방출되는 제 2 파장의 광에 대해서도 높은 투과성이 있어야 한다. 즉, 상기 서브 마운트(122)는 높은 열전도성과 광투과성을 모두 구비하여야 한다. 이러한 서브 마운트(122)에 적당한 재료로는, 예컨대, 다이아몬드(Diamond)가 바람직하며, 그 외에도 실리콘 카바이드(SiC), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN) 등을 사용할 수 있다.
한편, 레이저칩(123)은 펌프 레이저(150)로부터 제 2 파장의 광펌핑용 광을 받아 제 1 파장의 광을 방출하는 반도체소자로 이루어진 이득 구조물이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 레이저칩(123)은, 기판(124), 상기 기판(124) 위에 형성된 활성층(125) 및 상기 활성층(125) 위에 형성된 분산 브래그 반사기(distributed Bragg reflector; DBR) 층(126)을 일반적으로 구비하고 있다. 공지된 바와 같이, 활성층(125)은 펌프 레이저(150)로부터 방출된 광펌핑용 광에 의해 여기되면서 제 1 파장의 광을 발생시키는 양자우물 구조로 되어 있다. 또한, DBR층(126)은, 상기 활성층(125)에서 발생한 제 1 파장의 광에 대해 가장 높은 반사율을 갖도록, 다수의 고굴절률층과 저굴절률층이 교호하여 적층된 복층 구조이다. 이때, 상기 DBR층(126)은, 펌프 레이저(150)로부터 방출된 제 2 파장의 광이 상기 활성층(125)에 입사할 수 있도록, 상기 제 2 파장의 광펌핑용 광에 대해서는 투과성이 있도록 설계될 수 있다. 이러한 구조에서, 활성층(125)에서 발생한 제 1 파장의 광은 상기 DBR층(126)과 외부 미러(140) 사이에서 반사를 되풀이하면서, 활성층(125)을 왕복한다. 이 과정을 통해 활성층(125) 내에서 증폭된 제 1 파장의 광의 일부는 외부 미러(140)를 통해 레이저빔으로서 외부로 출력되며, 나머지는 다시 DBR층(126)을 향해 반사된다. 따라서, 상기 DBR층(126)과 외부 미러(140)는 상기 제 1 파장의 광에 대한 공진기의 역할을 한다.
이때, 활성층(125)에서 발생한 제 1 파장의 광이 상기 DBR층(126)과 외부 미러(140) 사이를 왕복하는 과정에서 기판(124)을 반복적으로 통과하기 때문에, 기판(124)에 의해 광손실이 발생할 수도 있다. 따라서, 기판(124)에 의한 광의 손실을 방지하기 위하여, 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(124)의 중심부에 개구를 형성하는 것이 바람직하다.
상술한 구조의 레이저칩(123)은 상기 서브 마운트(122) 위에 탑재된다. 예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(124)이 외부 미러(140)를 향하고 DBR층(126)이 서브 마운트(122)와 접하도록 레이저칩(123)을 배치한다. 이러한 본 발명에 따른 레이저칩 패키지(120)에 의하면, 활성층(125)에서 발생하는 열이 서브 마운트(122)를 통해 쉽게 빠져 나갈 수 있다. 만약 기판 위에 DBR층과 활성층을 적층한 다음, 기판이 서브 마운트와 접하도록 레이저칩을 배치하였다면, 활성층에서 발생한 열은 기판을 경유하여야 하기 때문에 열 방출 경로가 길어질 것이다. 그러나, 본 발명에 따른 레이저칩 패키지(120)의 경우, 활성층(125)으로부터 서브 마운트(122)까지의 열 방출 경로가 비교적 짧기 때문에, 열이 보다 쉽게 방출될 수 있다.
본 발명에 따른 레이저칩 패키지(120)는 또한 상기 레이저칩(123)을 보호하고 레이저칩(123)에서 발생하는 열을 보다 쉽게 외부로 방출시키기 위하여, 상기 레이저칩(123)과 서브 마운트(122)에 각각 부착된 패키지 블록(121a,121b)을 더 포함할 수 있다. 상기 패키지 블록(package block)(121a,121b)은 열전도성이 좋은 금속 재질로 이루어지며, 일반적으로는 구리(Cu)를 주로 사용한다. 그런데, 이러한 금속 재질의 패키지 블록(121a,121b)은 광을 거의 투과시키기 않는다. 따라서, 펌프 레이저(150)에서 방출되는 제 2 파장의 광펌핑용 광이 레이저칩(123)에 도달할 수 있도록, 서브 마운트(122)의 하면에 부착된 패키지 블록(121a)에 개구(128)가 형성되어 있다. 마찬가지로, 상기 레이저칩(123)에서 방출된 제 1 파장의 광이 외부 미러(140)로 진행할 수 있도록, 상기 레이저칩(123)의 상면에 부착된 패키지 블록(121b)에도 개구(129)가 형성되어 있다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 후방 광펌핑 방식의 VECSEL의 구조를 도시하는 단면도이다. 도 2 및 도 3에 도시된 제 1 실시예의 경우, 레이저칩(123)에 패키지 블록(121a,121b)을 결합하는 과정에서, 레이저칩(123)이 상하로부터 압력을 받아 손상될 수도 있다. 도 4에 도시된 제 2 실시예는, 패키지 블록을 조립하는 과정에서 상기 레이저칩(123)이 손상될 가능성을 최소화하도록 레이저칩 패키지 (120)를 구성한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 VECSEL에서 상기 레이저칩 패키지(120)의 구조를 보면, 도 4에 도시된 바와 같이, 서브 마운트(122)의 상면 중심부에 레이저칩(123)이 탑재되어 있으며, 상기 서브 마운트(122)의 측면과 상면 가장자리의 일부를 둘러싸도록 패키지 블록(121)이 결합되어 있다. 상기 패키지 블록(121)은, 예컨대, 나사와 같은 체결부재(148)를 이용하여 히트 싱크(110)에 고정된다. 레이저칩(123)은, 이미 설명한 바와 같이, 기판(124), 상기 기판(124) 위에 형성된 활성층(125) 및 상기 활성층(125) 위에 형성된 DBR층(126)을 포함하고 있다. 이러한 구조를 갖는 레이저칩(123)을 서브 마운트(122)에 부착할 때, 기판(124)이 외부 미러(140)를 향하고 DBR층(126)이 서브 마운트(122)와 접하도록 레이저칩(123)을 배치한다. 기판(124)의 중심부에는 활성층(125)에서 발생한 광이 외부 미러(140)로 진행할 수 있도록 개구가 형성되어 있다. 이러한 구조에 의할 경우, 패키지 블록(121)이 레이저칩(123)과 접촉하지 않고 서브 마운트(122)에만 접촉하기 때문에, 패키지 블록(121)을 결합하는 과정에서 레이저칩(123)이 손상될 염려가 없다. 또한, 단 하나의 패키지 블록만을 이용하여 서브 마운트(122)를 히트 싱크(110)에 고정하기 때문에 구조가 간단하고, 조립 시간 및 비용을 절감할 수 있다.
한편, 도 4에 도시된 제 2 실시예에 따른 VECSEL에서 레이저칩 패키지(120)를 제외한 다른 부분의 구조는 제 1 실시예의 경우와 동일하다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 VECSEL은 제 1 파장의 광을 방출시키기 위한 레이저칩(123)을 갖는 레이저칩 패키지(120)와, 상기 레이저칩 패키지(120)의 일측면에서 소정의 거리만큼 이격되어 위치하는 외부 미러(140)와, 상기 레이저칩 패키지(120)의 타측면을 향해 제 2 파장의 광펌핑용 광을 수직으로 방출하는 펌프 레이저(150)와, 상기 레이저칩 패키지(120)에서 발생하는 열을 방출하기 위하여 레이저칩 패키지(120)의 타측면에 부착된 히트 싱크(110)를 포함하고 있다. 상기 히트 싱크(110)는, 예컨대, 구리(Cu)와 같이 열전도성이 우수한 재료로 이루어지며, 상기 펌프 레이저(150)에서 방출되는 광펌핑용 광이 레이저칩 패키지(120)에 도달할 수 있도록 개구(115)가 형성되어 있다. 또한, 상기 레이저칩 패키지(120)와 외부 미러(140) 사이에는, 상기 레이저칩 패키지(120)에서 방출된 제 1 파장의 광의 주파수를 2배로 만드는 SHG 결정(130)을 추가적으로 배치할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 후방 광펌핑 방식의 VECSEL의 구조를 도시하는 단면도이다. 도 5에 도시된 제 3 실시예에 따른 VECSEL 역시 레이저칩 패키지(120)를 제외한 다른 부분의 구조는 제 1 실시예의 경우와 동일하다.
도 5를 참조하여, 제 3 실시예에 따른 VECSEL의 레이저칩 패키지(120)의 구조를 보다 구체적으로 살펴보면, 서브 마운트(122)가 외부 미러(140)와 대향하고 있으며, 레이저칩(123)이 펌프 레이저(150)와 대향하고 있다. 그리고, 패키지 블록(121)이 상기 서브 마운트(122)의 상면과 하면의 가장자리 일부를 부분적으로 둘러싸면서 히트 싱크(110)에 고정되어 있다. 상기 패키지 블록(121)은, 예컨대, 나사와 같은 체결부재(148)를 통해 히트 싱크(110)에 고정된다. 또한, 제 3 실시예의 경우, 상기 레이저칩(123)은, 기판(124), 상기 기판(124) 위에 형성된 DBR층(126) 및 상기 DBR층(126) 위에 형성된 활성층(125)을 포함하고 있다. 이러한 구조를 갖 는 레이저칩(123)을 상기 서브 마운트(122)에 부착할 때, 기판(124)이 펌프 레이저(150)를 향하고 활성층(125)이 서브 마운트(122)와 접하도록 레이저칩(123)을 배치한다. 기판(124)의 중심부에는 펌프 레이저(150)에서 방출된 광이 활성층(125)으로 진행할 수 있도록 개구가 형성되어 있다. 한편, 상기 활성층(125)에서 발생한 광은 서브 마운트(122)를 투과하여야 하기 때문에, 상기 서브 마운트(122)는 높은 열전도성과 광투과성을 모두 구비하여야 한다. 앞서 설명한 바와 같이, 이러한 서브 마운트(122)에 적당한 재료로는, 예컨대, 다이아몬드(Diamond)가 바람직하며, 그 외에도 실리콘 카바이드(SiC), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN) 등을 사용할 수 있다. 상기와 같은 레이저칩 패키지(120)의 구조에 의하면, 레이저칩(123)이 외부에 노출되어 손상될 염려가 거의 없다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저칩 패키지(120)의 구조에 의하면, 서브 마운트(122)와 레이저칩(123) 사이를 광이 통과한다. 즉, 제 1 및 제 2 실시예에 따르면, 펌프 레이저(150)에서 방출된 광이 서브 마운트(122)를 지나 레이저칩(123)에 입사하며, 제 3 실시예에 따르면, 레이저칩(123)에서 방출된 광이 서브 마운트(122)를 지나 외부 미러(140)에 입사한다. 따라서, 레이저칩(123)을 서브 마운트(122)에 결합시키기 위하여, 상기 레이저칩(123)과 서브 마운트(122) 사이의 계면에 접착제 등을 사용할 경우, 광이 차단되거나 약화되는 등의 광손실이 발생할 수 있다. 이러한 문제를 방지하여, 레이저칩(123)과 서브 마운트(122) 사이에서 광손실이 거의 발생하지 않도록 레이저칩(123)과 서브 마운트(122)를 결합하는 방법으로서, 예컨대, 캐필러리 본딩(capillary bonding) 방식을 사용할 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 캐필러리 본딩 방식을 이용하여 레이저칩(123)과 서브 마운트(122)를 결합하는 공정을 도시하고 있다. 먼저, 도 6a에 도시된 바와 같이, 서브 마운트(122)의 상면에 휘발성이 있는 액성 물질(200)을 도포한다. 예컨대, 상기 액성 물질(200)로서 메탄올 또는 DI Water(Deionized Water) 등과 같은 액체를 사용할 수 있다.
그런 후, 도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 액성 물질(200)이 도포된 서브 마운트(122)의 상면에 레이저칩(123)을 올려놓고 누른다. 이때, 제 1 및 제 2 실시예에 의할 경우, 레이저칩(123)의 DBR층(126)이 상기 서브 마운트(122)를 향하고 있어야 한다. 또한, 제 3 실시예에 의할 경우, 레이저칩(123)의 활성층(125)이 상기 서브 마운트(122)를 향하고 있어야 한다. 이하, 도 6a 내지 도 6c에서는 편의상, 제 1 및 제 2 실시예에 의한 경우만을 도시한다. 그러나, 도 6a 내지 도 6c에 도시된 공정은 제 3 실시예에서도 동일하게 적용될 수 있다. 이렇게 서브 마운트(122)의 상면에 레이저칩(123)을 올려놓고 누르면, 서브 마운트(122)의 상면에 있던 대부분의 액성 물질(200)이 상기 서브 마운트(122)와 레이저칩(123) 사이를 빠져 나가게 된다. 이 과정에서, 액성 물질(200)과 함께 공기도 모두 빠져 나가기 때문에, 서브 마운트(122)와 레이저칩(123) 사이에는 공기층이 존재하지 않게 된다.
따라서, 서브 마운트(122)와 레이저칩(123) 사이에 남아 있는 휘발성 액성 물질(200)이 모두 건조된 후에는, 상기 서브 마운트(122)와 레이저칩(123)은 수 nm 이내의 거리에서 서로 밀착될 수 있다. 두 물질이 이렇게 가까운 거리에 있으면 반데르발스 힘(Van der Waals force)이 작용하기 때문에, 상기 서브 마운트(122)와 레이저칩(123)이 서로 떨어지지 않고 결합되는 것이 가능하다. 이렇게 캐필러리 본딩 방식으로 서브 마운트(122)와 레이저칩(123)을 결합하는 경우, 상기 서브 마운트(122)와 레이저칩(123)의 계면에서는 광손실이 거의 일어나지 않게 된다.
이상과 같이 캐필러리 본딩 방식으로 서브 마운트(122)와 레이저칩(123)을 결합한 후에는, 도 6c에 도시된 바와 같이, 서브 마운트(122)에 레이저칩(123)이 보다 확실히 고정될 수 있도록, 상기 서브 마운트(122)의 상면과 접하는 레이저칩(123)의 둘레에 수지(resin)(127)를 접착할 수 있다. 예컨대, 상기 레이저칩(123)의 둘레에 UV-경화성 수지를 도포한 후, 상기 도포된 UV-경화성 수지에 UV를 조사하여 경화시킴으로써, 레이저칩(123)이 서브 마운트(122)에 보다 확실히 고정되도록 할 수 있다. 그런 후, 도 6c에 도시된 바와 같이, 레이저칩(123)에서 방출되는 제 1 파장의 광이 손실없이 외부 미러(140)로 진행할 수 있도록, 레이저칩(123)의 기판(124)의 중심 부분을 에칭하여 개구(124a)를 형성한다.
이렇게 서브 마운트(122)와 레이저칩(123)의 결합이 완료된 후에는, 도 7a에 도시된 바와 같이, 상기 레이저칩(123)의 상면과 서브 마운트(122)의 하면에 패키지 블록(121a,121b)을 각각 부착함으로써, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 레이저칩 패키지(120)를 완성할 수 있다.
도 7b는 상술한 공정에 따라 제조된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 레이저칩 패키지(120)를 도시하는 사시도이다. 상술한 과정을 통해 제조된 본 발명의 레이저칩 패키지(120)는 폭이 대략 10mm, 높이가 대략 7mm 로 비교적 작은 크기를 가질 수 있다. 또한, 기판(124)에 형성된 개구(124a)와 레이저칩(123) 상면의 패키지 블 록(121a)에 형성된 개구(129)의 직경은 대략 3mm 정도의 크기를 가질 수 있다. 본 발명에 따른 VECSEL의 경우, 활성층(125)으로부터 방출되는 광의 직경은 100㎛ 내지 300㎛ 의 범위 내에 있으므로, 상기 개구들의 직경은 3mm 로도 충분하다.
또한, 도 8a에 도시된 바와 같이, 레이저칩(123)이 결합된 서브 마운트(122)에 패키지 블록(121)을 씌운 후, 나사와 같은 체결부재(148)를 이용하여 상기 패키지 블록(121)을 히트 싱크(110) 위에 결합함으로써, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 레이저칩 패키지(120)를 완성할 수 있다. 도 8b은 이렇게 히트 싱크(110) 위에 조립된 레이저칩 패키지(120)를 도시하는 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 레이저칩(123)의 온도와 종래의 VECSEL 구조에 따른 레이저칩의 온도를 비교하는 그래프이다. 도 9의 그래프를 보면, 본 발명에 따른 레이저칩(123)의 열방출 효율을 쉽게 알 수 있다. 도 9에서 가장 오른쪽의 그래프는 종래의 기술에 따른 VECSEL(10)의 레이저칩(12)의 온도를 나타내며, 가운데의 그래프는 종래의 VECSEL(10)에서 다이아몬드로 이루어진 히트 싱크(11)의 온도를 나타낸다. 그리고, 가장 왼쪽의 그래프는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 VECSEL(100)의 레이저칩(123)의 온도를 나타낸다. 도 9를 통해 알 수 있듯이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 레이저칩(123)의 온도는 종래의 VECSEL(10)의 히트 싱크(11)의 온도 보다도 낮다. 따라서, 본 발명에 따른 VECSEL(100)의 구조는 매우 우수한 열방출 효율을 갖는다는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 제 1 내지 제 3 실시예의 경우에는, 레이저칩(123)의 기판(124)의 중심 부분을 에칭하여 개구(124a)를 형성하였다. 그런데, 이러한 에칭 공정은 레이저칩 패키지(120)의 제조 공정 및 제조 시간을 증가시킨다. 더욱이, 상기 제 1 내지 제 3 실시예의 경우, DBR층(126)과 외부 미러(140) 사이에서만 공진이 발생하는 것이 아니라, 레이저칩(123) 내부에서도 공진이 발생한다. 따라서, 레이저칩(123) 내부의 공진 특성에 맞도록 활성층(125)의 양자우물 구조를 형성하여야 하고, 에칭시 기판(124)의 두께도 정확하게 조절하여야 한다. 예컨대, 다중 양자우물 구조의 활성층(125)을 형성하는 경우, 상기 DBR층(126)과 외부 미러(140) 사이에서의 공진으로 발생하는 정상파의 안티노드(anti-node) 위치에 양자우물이 위치하여야 한다. 뿐만 아니라, 양자우물에서의 흡수 스펙트럼에 일치하는 공진이 레이저칩(123) 내부에서 발생하도록 기판(124)의 두께를 조절하여야 한다. 이때, 레이저칩(123)의 동작시 온도의 증가에 따른 활성층(125)과 기판(124)의 열팽창 또한 고려하여야 한다. 따라서, 레이저칩(123)의 제조 비용 및 제조 시간이 더욱 증가할 수밖에 없다.
그러나, 정확한 두께로 기판(124)을 에칭하더라도, 레이저칩(123)의 전체적인 두께가 얇기 때문에, 동작시 열팽창과 같은 변형이 크게 일어나기 쉽다. 이렇게 변형이 크게 일어나게 되면, 공진 조건이 바뀌면서 매우 불안정한 스펙트럼의 레이저 광이 방출될 가능성이 있다. 도 10은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 VECSEL의 동작 중에 측정한 DBR층(126)의 반사도를 예시적으로 나타내는 그래프이다. 도 10에 도시된 바와 같이, DBR층(126)의 반사율은 대략 1030nm 내지 1120nm의 파장에 대해 거의 100%에 가깝고, 그 밖의 파장에서는 반사율이 낮다. 따라서, 펌프 레이저(150)에서 발생한 약 808nm 정도의 파장은 DBR층(126)을 투과하여 활성층(125)에 입사할 수 있다. 한편, 1030nm 내지 1120nm의 파장들 중에서 일부의 파장은 활성층(125)의 양자우물에 의해 흡수되며, 레이저칩(123) 내의 공진에도 참여하게 된다. 이로 인해, 도 10의 그래프에서 A 및 B로 표시한 바와 같이, 흡수선이 나타나게 된다. 바람직하게는, 활성층(125)의 양자우물에서의 흡수와 레이저칩(123) 내의 공진에 의한 흡수가 일치하여야 한다. 따라서, 도 10의 그래프에서 흡수선은 하나만 나타나는 것이 유리하다. 그러나, 앞서 설명한 바와 같이, 동작 중에 레이저칩(123)의 열팽창 등으로 인해 공진 조건이 바뀌면, 도 10의 그래프와 같이, 두 개의 흡수선이 일치하지 않게 된다. 그 결과, 방출되는 레이저 광의 스펙트럼이 매우 불안정할 수 있다.
도 11은 보다 개선된 본 발명의 제 4 실시예에 따른 후방 광펌핑 방식의 VECSEL의 구조를 도시하는 단면도이다. 도 11에 도시된 제 4 실시예는 도 4에 도시된 제 2 실시예에서 레이저칩(123)의 구조만이 약간 변형된 것이고, 나머지 구조는 제 2 실시예와 동일하다. 도 11에서 SHG 결정과 외부 미러의 도시는 편의상 생략되었다. 보다 구체적으로, 제 4 실시예에 따른 레이저칩(123)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 기판(124)을 에칭하지 않고 오히려 종래에 비해 두꺼운 기판(124)을 사용하는 대신에, 기판(124)의 상면에 반사방지층(Anti-Reflection 코팅)(145)을 형성한 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 기판(124)으로서는, 900nm 이상의 파장에서 투명도를 높이기 위해, 예컨대, N+ 도핑된 GaAs 기판을 사용하는 것이 바람직하다. 제 4 실시예에 따르면, DBR층(126), 활성층(125), 기판(124) 및 반사방지층(145)을 포함하는 레이저칩(123)의 전체 두께는, 바람직하게는, 약 200~350㎛ 정도가 적당 하며, 이중 DBR층(126)과 활성층(125)의 두께의 합은 약 7㎛ 정도이다. 비록, 도 11에 도시된 제 4 실시예는 제 2 실시예의 레이저칩(123)을 변형한 것이지만, 제 1 및 제 3 실시예의 레이저칩(123)도 역시 제 4 실시예의 레이저칩과 같은 형태로 변형이 가능하다.
이러한 제 4 실시예에 따르면, 기판(124)의 상면에 반사방지층(145)이 형성되어 있기 때문에, 레이저칩(123) 내부에서는 공진이 일어나지 않으며 DBR층(126)과 외부 미러(140) 사이에서만 공진이 일어난다. 따라서, 활성층(125)의 양자우물 구조를 형성할 때, 레이저칩(123) 내부의 공진은 고려하지 않아도 되고, 기판(124)을 에칭하지 않아도 된다. 또한, 레이저칩(123)의 두께가 두껍기 때문에, 레이저칩(123)을 서브 마운트(122)에 캐필러리 본딩 방식으로 결합하는 과정이 보다 쉬워진다. 그 결과, 레이저칩(123)의 제조 시간 및 제조 비용을 크게 저감시킬 수 있다. 더욱이, 기판(124)이 매우 두껍기 때문에, 동작시 열 및 외력에 의한 변형도 적어서 매우 안정된 스펙트럼의 레이저 광을 얻을 수 있다. 또한, 기판(124)이 두껍더라도 매우 투명하게 처리되어 있기 때문에, 광손실이 적다는 장점이 있다.
도 12는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 VECSEL의 동작 중에 측정한 DBR층의 반사도를 예시적으로 나타내며, 도 13은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 VECSEL의 활성층에서 방출되는 레이저 광의 스펙트럼을 나타낸다. 도 12의 그래프를 통해 알 수 있듯이, 본 발명의 제 4 실시예에 따르면, DBR층(126)에 의해 거의 100% 반사되는 대략 1030nm 내지 1120nm의 파장에서 단지 하나의 흡수선만이 나타나고 있다. 그 결과, 도 12의 스펙트럼 그래프를 통해 알 수 있듯이, 중심 파장 근처에 에너지 가 집중되는 매우 좁고 안정된 스펙트럼을 얻을 수 있다.
한편, 도 14a 및 도 14b는 각각 종래의 VECSEL과 본 발명에 따른 VECSEL의 성능을 나타내는 그래프이다. 종래의 VECSEL과 본 발명에 따른 VECSEL은 모두 공진기(cavity)의 길이가 140mm 였다. 먼저, 도 14a에 도시된 종래의 VECSEL을 보면, 외부 미러로서 94%의 반사율을 갖는 미러를 사용한 경우 약 5.1W의 출력을 얻을 수 있었으며, 외부 미러로서 반사율이 100%에 가까운 고반사 미러(HR)를 사용한 경우 약 0.51W의 출력을 얻을 수 있었다. 반면, 도 14b를 보면, 외부 미러로서 94%의 반사율(즉, 6%의 투과율)을 갖는 미러를 사용한 경우 약 9.1W의 출력을 얻을 수 있었으며, 외부 미러로서 반사율이 100%에 가까운 고반사 미러(HR)를 사용한 경우 약 1.37W의 출력을 얻을 수 있었다. 따라서, 본 발명에 따른 VECSEL은 종래의 VECSEL에 비해 출력이 크게 향상되었음을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 양호한 실시예에 따른 수직 외부 공진기형 면발광 레이저의 경우, 펌프 레이저를 측면에 비스듬하게 배치하지 않고 히트 싱크의 후방에 일렬로 배치하기 때문에, 제조 공정이 간단하여 대량생산이 가능하고, 전체적인 크기를 소형화할 수 있다는 장점이 있다. 또한, SHG 결정을 레이저칩에 최대한 가까이 배치시킬 수 있어서 SHG 결정의 광파장 변환 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 광펌핑용 레이저빔을 레이저칩에 수직으로 입사시키기 때문에, 반사에 의한 손실이 없을 뿐만 아니라 광펌핑용 레이저빔의 출력이 분산되지 않는다. 따라서, 레이저의 광출력을 증가시킬 수 있으며, 레이저칩에서 방출되는 광의 단면 형태도 거의 원형에 가까운 형태를 유지할 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 열 방출 구조의 경우, 광펌핑용 레이저빔이 레이저칩과 닿는 부분에서부터 열전도가 시작되기 때문에 종래에 비해 효율적으로 레이저칩을 냉각시키는 것이 가능하다.

Claims (33)

  1. 광펌핑 방식에 의해 제 1 파장의 광을 방출시키는 레이저칩이 탑재된 레이저칩 패키지;
    상기 레이저칩 패키지의 상면에서 소정의 거리만큼 이격되어 위치하며, 상기 레이저칩에서 발생한 광의 일부를 투과시켜 외부로 출력하고, 나머지 일부를 레이저칩으로 반사하는 외부 미러;
    상기 레이저칩 패키지의 하면에 결합된 것으로, 상기 레이저칩에서 발생하는 열을 외부로 방출하기 위한 히트 싱크; 및
    상기 히트 싱크의 하면과 대향하도록 배치된 것으로, 제 2 파장의 광펌핑용 광을 상기 레이저칩에 수직하게 방출하는 펌프 레이저;를 포함하며,
    상기 레이저칩 패키지는:
    상기 히트 싱크의 상면에 배치된 것으로, 열전도성과 광투과성을 갖는 서브 마운트; 및
    상기 서브 마운트의 상면 중심부에 부착된 것으로, 상기 외부 미러를 향해 제 1 파장의 광을 방출시키는 레이저칩;을 포함하고,
    상기 서브 마운트는 상기 레이저칩에서 발생하는 열을 히트 싱크로 전달하고, 상기 펌프 레이저에서 방출된 광펌핑용 광을 투과시키는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프 레이저에서 방출되는 광펌핑용 광이 상기 레이저칩 패키지에 도달할 수 있도록 상기 히트 싱크의 중심부에 개구가 형성된 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 서브 마운트는 다이아몬드(Diamond), 실리콘 카바이드(SiC), 질화알루미늄(AlN) 및 질화갈륨(GaN)을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저칩과 서브 마운트는 캐필러리 본딩(capillary bonding) 방식으로 결합되는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 서브 마운트에 부착된 레이저칩이 보다 확실히 고정될 수 있도록, 상기 레이저칩과 접하는 서브 마운트의 상면과 상기 레이저칩의 둘레에 경화성 수지를 도포하고 경화시킨 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저칩은,
    기판;
    상기 기판 위에 형성된 것으로, 상기 펌프 레이저로부터 방출된 광펌핑용 광에 의해 여기되어 제 1 파장의 광을 발생시키는 양자우물 구조의 활성층; 및
    상기 활성층 위에 형성된 것으로, 상기 활성층에서 발생한 제 1 파장의 광을 상기 외부 미러로 반사하고, 상기 펌프 레이저로부터 방출된 제 2 파장의 광펌핑용 광을 통과시키는 분산 브래그 반사층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 레이저칩의 기판이 상기 외부 미러와 대향하며, 상기 레이저칩의 분산 브래그 반사층이 상기 서브 마운트의 상면과 접촉하는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 레이저칩의 활성층에서 발생한 광이 상기 외부 미러로 진행할 수 있도록 상기 기판의 중심부에 개구가 형성된 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 활성층이 형성된 쪽의 반대쪽 기판 표면 위에 반사방지층이 코팅된 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저칩 패키지는, 상기 레이저칩을 보호하고 레이저칩에서 발생하는 열을 외부로 방출시키기 위하여, 상기 히트 싱크와 서브 마운트 사이 및 상기 레이저칩의 상면에 각각 부착된 제 1 및 제 2 패키지 블록을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 레이저칩에서 방출된 제 1 파장의 광이 상기 외부 미러로 진행할 수 있도록, 그리고 상기 펌프 레이저에서 방출되는 제 2 파장의 광이 상기 레이저칩에 도달할 수 있도록, 상기 제 1 및 제 2 패키지 블록의 중심부에 개구가 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저칩 패키지는, 상기 레이저칩 패키지를 히트 싱크에 고정하고 상기 레이저칩에서 발생하는 열을 외부로 방출시키기 위하여, 상기 서브 마운트의 측면과 상면 가장자리의 일부를 둘러싸며 상기 히트 싱크에 고정되는 패키지 블록을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저칩 패키지에서 방출된 제 1 파장의 광의 주파수를 2배로 만드는 2차 조화파 발생(Second Harmonic Generation; SHG) 결정이 레이저칩 패키지와 외부 미러 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 SHG 결정은 상기 레이저칩 패키지와 접하는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  16. 광펌핑 방식에 의해 제 1 파장의 광을 방출시키는 레이저칩이 탑재된 레이저칩 패키지;
    상기 레이저칩 패키지의 상면에서 소정의 거리만큼 이격되어 위치하며, 상기 레이저칩에서 발생한 광의 일부를 투과시켜 외부로 출력하고, 나머지 일부를 레이저칩으로 반사하는 외부 미러;
    상기 레이저칩 패키지의 하면에 결합된 것으로, 상기 레이저칩에서 발생하는 열을 외부로 방출하기 위한 히트 싱크; 및
    상기 히트 싱크의 하면과 대향하도록 배치된 것으로, 제 2 파장의 광펌핑용 광을 상기 레이저칩에 수직하게 방출하는 펌프 레이저;를 포함하며,
    상기 레이저칩 패키지는:
    상기 히트 싱크의 상면과 대향하도록 배치된 것으로, 열전도성과 광투과성을 갖는 서브 마운트; 및
    상기 서브 마운트의 하면 중심부에 부착된 것으로, 상기 외부 미러를 향해 제 1 파장의 광을 방출시키는 레이저칩;을 포함하고,
    상기 서브 마운트는 상기 레이저칩에서 발생하는 열을 히트 싱크로 전달하고, 상기 레이저칩에서 방출된 제 1 파장의 광을 투과시키는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 서브 마운트는 다이아몬드(Diamond), 실리콘 카바이드(SiC), 질화알루미늄(AlN) 및 질화갈륨(GaN)을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 레이저칩과 서브 마운트는 캐필러리 본딩(capillary bonding) 방식으로 결합되는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 서브 마운트에 부착된 레이저칩이 보다 확실히 고정될 수 있도록, 상기 레이저칩과 접하는 서브 마운트의 상면과 상기 레이저칩의 둘레에 경화성 수지를 도포하고 경화시킨 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 레이저칩은,
    기판;
    상기 기판 위에 형성된 분산 브래그 반사층; 및
    상기 분산 브래그 반사층 위에 형성된 것으로, 상기 펌프 레이저로부터 방출된 광펌핑용 광에 의해 여기되어 제 1 파장의 광을 발생시키는 양자우물 구조의 활성층;을 포함하며,
    상기 분산 브래그 반사층은, 상기 활성층에서 발생한 제 1 파장의 광을 상기 외부 미러로 반사하고, 상기 펌프 레이저로부터 방출된 제 2 파장의 광펌핑용 광을 통과시키는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 레이저칩의 기판이 상기 히트 싱크와 대향하며, 상기 레이저칩의 활성층이 상기 서브 마운트의 하면과 접촉하는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 펌프 레이저로부터 방출된 광펌핑용 광이 상기 레이저칩의 활성층으로 진행할 수 있도록 상기 기판의 중심부에 개구가 형성된 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 분산 브래그 반사층이 형성된 쪽의 반대쪽 기판 표면 위에 반사방지층 이 코팅된 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  24. 제 16 항에 있어서,
    상기 레이저칩 패키지는, 상기 레이저칩 패키지를 히트 싱크에 고정하고 상기 레이저칩에서 발생하는 열을 방출시키기 위하여, 상기 서브 마운트의 상면과 하면의 가장자리 일부를 부분적으로 둘러싸면서 상기 히트 싱크에 고정되는 패키지 블록을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  25. 제 16 항에 있어서,
    상기 레이저칩 패키지에서 방출된 제 1 파장의 광의 주파수를 2배로 만드는 2차 조화파 발생(Second Harmonic Generation; SHG) 결정이 레이저칩 패키지와 외부 미러 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 SHG 결정은 상기 레이저칩 패키지와 접하는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  27. 열전도성과 광투과성을 갖는 서브 마운트;
    상기 서브 마운트의 상면에 형성된 분산 브래그 반사층;
    상기 분산 브래그 반사층의 상면에 형성된 것으로, 광펌핑 방식에 의해 제 1 파장의 광을 방출시키는 활성층;
    상기 활성층 상면에 형성된 것으로, 상기 제 1 파장의 광에 대해 투과성이 있는 기판;
    상기 기판의 상면에 형성된 반사방지층;
    상기 기판의 상면에서 이격되어 위치하며, 상기 활성층에서 발생한 광의 일부를 투과시켜 출력하고, 나머지 일부를 활성층으로 반사하는 외부 미러; 및
    제 2 파장의 광펌핑용 광을 상기 서브 마운트의 하면으로 수직하게 방출하는 펌프 레이저;를 포함하며,
    상기 활성층에서 발생하는 열을 외부로 방출하는 히트 싱크가 상기 서브 마운트의 하면에 결합되어 있으며, 상기 펌프 레이저에서 방출되는 광펌핑용 광이 상기 활성층에 도달할 수 있도록 상기 히트 싱크의 중심부에 개구가 형성된 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  28. 삭제
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 분산 브래그 반사층은 상기 활성층에서 발생한 제 1 파장의 광을 상기 외부 미러로 반사하고, 상기 펌프 레이저로부터 방출된 제 2 파장의 광을 통과시키는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  30. 제 27 항에 있어서,
    상기 서브 마운트는 다이아몬드(Diamond), 실리콘 카바이드(SiC), 질화알루미늄(AlN) 및 질화갈륨(GaN)을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  31. 제 27 항에 있어서,
    상기 분산 브래그 반사층, 활성층, 기판 및 반사방지층은 하나의 레이저칩을 이루며, 레이저칩과 서브 마운트는 캐필러리 본딩 방식으로 결합되는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  32. 제 27 항에 있어서,
    상기 기판은 N+ 도핑된 GaAs 기판인 것을 특징을 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
  33. 제 27 항에 있어서,
    상기 기판의 두께는 200~350㎛ 의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
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