KR101270166B1

KR101270166B1 - 외부 공진기형 면발광 레이저

Info

Publication number: KR101270166B1
Application number: KR1020060004860A
Authority: KR
Inventors: 유재령; 김기범; 이준호
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2006-01-17
Filing date: 2006-01-17
Publication date: 2013-05-31
Also published as: JP2007194597A; US20070165690A1; US7397829B2; KR20070075990A

Abstract

본 발명은 SHG 결정의 효율이 우수하고 콤팩트하게 제조될 수 있는 선형 구조의 외부 공진기형 면발광 레이저를 개시한다. 본 발명이 양호한 실시예에 따른 외부 공진기형 면발광 레이저는, 제 1 파장의 광을 방출시키는 레이저칩; 상기 레이저칩의 전면과 대향하도록 이격되어 배치된 외부 미러; 상기 외부 미러와 레이저칩 사이에 배치된 것으로, 제 1 파장의 광의 주파수를 2배로 변경하여 제 2 파장의 광으로 변환하는 SHG 결정; 상기 SHG 결정과 레이저칩 사이에 배치된 것으로, 상기 레이저칩에서 발생한 제 1 파장의 광을 상기 SHG 결정에 수렴시키는 렌즈소자; 및 상기 SHG 결정과 렌즈소자 사이에 배치된 것으로, 제 1 파장의 광을 투과시키고 제 2 파장의 광을 상기 외부 미러로 반사하는 파장 선택성 미러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

외부 공진기형 면발광 레이저{Vertical external cavity surface emitting laser}

도 1 및 도 2는 종래의 선형 구조의 외부 공진기형 면발광 레이저(vertical external cavity surface emitting laser; VECSEL)의 구조를 도시하는 단면도이다.

도 3는 종래의 폴딩 구조의 외부 공진기형 면발광 레이저의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 구조의 외부 공진기형 면발광 레이저의 구조를 개략적으로 도시한다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 선형 구조의 외부 공진기형 면발광 레이저의 구조를 개략적으로 도시한다.

도 6은 본 발명에 따른 외부 공진기형 면발광 레이저의 공진기 내부에서 빔 반경의 크기의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 선형 구조의 외부 공진기형 면발광 레이저에서 레이저칩의 구조를 예시적으로 도시한다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※

41,51.....레이저칩 42,52.....복굴절 필터

43,53.....렌즈소자 44,54.....SHG 결정

45,55.....외부 미러 46,56.....펌프 레이저

61........히트 싱크 62........열확산소자

63........분산 브래그 반사기 64........활성층

65........기판

본 발명은 외부 공진기형 면발광 레이저(vertical external cavity surface emitting laser; VECSEL)에 관한 것으로, 보다 상세하게는, SHG 결정의 효율이 우수하고 콤팩트하게 제조될 수 있는 선형 구조의 외부 공진기형 면발광 레이저에 관한 것이다.

수직 외부 공진기형 면발광 레이저(VECSEL)는 수직 공진기형 면발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL)의 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 선형 구조의 외부 공진기형 면발광 레이저(VECSEL)의 개략적인 단면도이다. 도 1을 참조하여 종래의 VECSEL(10)의 구조를 살펴보면, 레이저 발진을 위한 레이저칩(laser chip)(12)이 열확산기(heat spreader)(11)에 부착되어 있으며, 상기 레이저칩(12)과 소정의 간격을 두고 외부 미러(15)가 배치되어 있다. 그리고, 상기 레이저칩(12)에 광펌핑용 광을 제공하기 위한 펌프 레이저(16)가 비 스듬하게 배치되어 있다. 레이저칩(12)은 분산 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector; DBR)(12b)와 활성층(12c)이 기판(12a) 위에 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 상기 활성층(12c)은, 예컨대, 다중 양자우물 구조이고, 광펌핑용 광에 의해 여기되어 소정의 파장을 갖는 광을 방출한다. 펌프 레이저(16)는 상기 레이저칩(12)의 발진 파장 보다 짧은 파장의 광을 렌즈(17)를 통해 레이저칩(12)에 입사시켜, 상기 레이저칩(12) 내의 활성층(12c)을 여기시키는 역할을 한다.

또한, 상기 레이저칩(12)과 외부 미러(15) 사이에는 특정한 파장의 광만을 통과시키는 복굴절필터(birefringent filter)(13)와 광의 주파수를 2배로 변환하는 SHG(Second Harmonic Generation) 결정(14)을 더 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.

이러한 구조에서, 펌프 레이저(16)에서 방출된 광빔이 렌즈(17)를 통해 레이저칩(12)에 입사하면, 상기 레이저칩(12) 내의 활성층(12c)이 여기되면서 특정 파장의 광을 방출한다. 이렇게 발생한 광은, 레이저칩(12) 내의 DBR층(12b)과 외부 미러(15) 사이에서 공진한다. 이때, SHG 결정(14)에서 파장이 변환된 광은 외부 미러(15)를 통해 외부로 출력된다. 이를 위해 SHG 결정(14)의 레이저칩(12)측 표면에는, 예컨대, 가시광선 영역에서 높은 반사율을 갖고 적외선 영역에서 높은 투과율을 갖는 코팅층이 형성될 수 있다.

그런데, SHG 결정(14)의 파장 변환 효율은 일반적으로 입사광의 에너지 밀도에 비례하는 특성이 있다. 따라서, 상기 SHG 결정(14)에 입사하는 광의 빔경이 가 능한 한 작은 것이 바람직하다. 그러나, 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 VECSEL의 경우, SHG 결정(14)이 레이저칩(12)으로부터 멀리 떨어져 있으므로 입사광의 빔경이 비교적 크다. 따라서, SHG 결정(14)의 파장 변환 효율이 저하된다.

도 2에 도시된 VECSEL(20)의 경우에는, 상술한 문제를 개선하기 위하여, SHG 결정(24)을 레이저칩(22)과 복굴절필터(23) 사이에 배치하고 있다. 다른 구조, 즉, 열확산기(21), 레이저칩(22), 외부 미러(25), 펌프 레이저(26) 및 렌즈(27)는 도 1에서 설명한 것과 동일하다. 이러한 구조에서, 레이저칩(22)에서 발생한 광은 DBR층(22b)과 외부 미러(25) 사이에서 공진하며, SHG 결정(24)에서 파장 변환된 광은 상기 복굴절필터(23)에서 반사되어 외부로 출력된다. 이를 위해, 복굴절필터(23)의 표면에는 파장 변환된 광에 대해 높은 반사율을 갖는 코팅층이 형성된다. 도 2의 경우, SHG 결정(24)이 레이저칩(22)에 보다 가까이 있기 때문에, SHG 결정(24)의 파장 변환 효율이 보다 개선된다.

그러나, 이 경우에도, 레이저칩(22)에 입사하는 광의 빔경이 레이저칩(22)의 발진영역의 크기와 일치하여야 하므로, SHG 결정(24)에 입사하는 광의 빔경을 최소화하기 어렵다. 또한, 파장 변환된 광이 VECSEL(20)의 측면으로 비스듬하게 출력된다는 단점이 있다. 더욱이, 파장 변환되지 않은 광 중에서 특정 편광 방향을 갖는 일부의 광이 상기 복굴절필터(23)에 의해 반사되어 외부로 출력될 수도 있다.

도 3은 SHG 결정의 효율을 더욱 높이기 위한 폴딩 구조의 VECSEL(30)을 개략적으로 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 폴딩 구조의 VECSEL(30)의 경우, 레이저칩(32)에서 발생한 광은 복굴절필터(33)를 통과한 후, 오목한 폴딩 미러(35)에 의해 비스듬하게 반사되어 편평한 외부 미러(38)로 향한다. 따라서, 광은 상기 레이저칩(32)의 DBR층(32b)과 외부 미러(38) 사이에서 공진하며, 공진기(cavity)는 상기 폴딩 미러(35)에 의해 절곡된 형태를 갖는다. 한편, SHG 결정(34)은 상기 폴딩 미러(35)와 외부 미러(38) 사이에 배치되며, 상기 SHG 결정(34)에 의해 파장 변환된 광은 외부 미러(38)에서 반사된 후 폴딩 미러(35)를 통해 외부로 출력된다. 이를 위해, 외부 미러(38)의 표면은 파장 변환된 광과 파장 변환되지 않은 광에 대해 모두 높은 반사율을 갖도록 코팅된다. 또한, 폴딩 미러(35)는 파장 변환되지 않은 광에 대해 높은 반사율을 갖고, 파장 변환된 광에 대해 높은 투과율을 갖도록 코팅된다. 도 3에서, 열확산기(31), 펌프 레이저(36) 및 렌즈(37)는 도 1 및 도 2에서 설명한 것과 동일하다.

이 경우, 공진기가 폴딩 미러(35)를 통해 두 부분으로 나누어져 있기 때문에, 레이저칩(32)에 입사하는 빔경의 크기와 SHG 결정(34)에 입사하는 빔경의 크기를 개별적으로 조절할 수 있다. 특히, SHG 결정(34)의 위치에서 광이 수렴되도록 하면, 상기 SHG 결정(34)의 파장 변환 효율이 최적이 될 수 있다.

그러나, 도 3의 VECSEL(30)의 경우, 미러를 하나 더 사용할 뿐만 아니라, 미러를 비스듬하게 배치하여야 하기 때문에 부품의 정렬이 어렵게 된다. 따라서, 전체적인 레이저 시스템의 크기 역시 커질 수밖에 없다. 또한, 도 1 내지 도 3에 도시된 VECSEL의 경우, 레이저칩을 발진시키기 위한 펌프 레이저 역시 비스듬하게 배열되어 있기 때문에, 부품들의 정렬이 어렵고 전체적인 레이저 시스템의 크기가 증가하게 된다.

본 발명은 상술한 종래의 문제를 개선하기 위한 것이다. 따라서, 본 발명의 목적은 SHG 결정의 효율이 우수하며 콤팩트한 크기로 제조될 수 있는 선형 구조의 외부 공진기형 면발광 레이저를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명이 양호한 실시예에 따른 외부 공진기형 면발광 레이저는, 제 1 파장의 광을 방출시키는 레이저칩; 상기 레이저칩의 전면과 대향하도록 이격되어 배치된 외부 미러; 상기 외부 미러와 레이저칩 사이에 배치된 것으로, 제 1 파장의 광의 주파수를 2배로 변경하여 제 2 파장의 광으로 변환하는 SHG 결정; 상기 SHG 결정과 레이저칩 사이에 배치된 것으로, 상기 레이저칩에서 발생한 제 1 파장의 광을 상기 SHG 결정에 수렴시키는 렌즈소자; 및 상기 SHG 결정과 렌즈소자 사이에 배치된 것으로, 제 1 파장의 광을 투과시키고 제 2 파장의 광을 상기 외부 미러로 반사하는 파장 선택성 미러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 파장 선택성 미러는 상기 SHG 결정의 레이저칩측 표면에 코팅되는 것을 특징으로 한다.

이 경우, 상기 SHG 결정의 외부 미러측 표면에는 제 1 및 제 2 파장의 광에 대해 모두 반사방지 특성을 갖는 코팅층이 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 렌즈소자의 양측 표면에는 제 1 파장의 광에 대해 반사방지 특성을 갖는 코팅층이 형성되어 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 렌즈소자는 레이저칩측 표면이 볼록하고 SHG 결정측 표면이 편평한 평볼록 렌즈이며, 상기 파장 선택성 미러는 상기 렌즈소자의 편평한 표면에 코팅되어 있는 것을 특징으로 한다.

이 경우, 상기 SHG 결정의 양측 표면에는 제 1 및 제 2 파장의 광에 대해 모두 반사방지 특성을 갖는 코팅층이 형성되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 렌즈소자의 볼록한 표면에는 제 1 파장의 광에 대해 반사방지 특성을 갖는 코팅층이 형성되어 있는 것이 바람직하다.

한편, 상기 외부 미러는 오목한 반사면을 가지며, 상기 외부 미러의 오목한 반사면에는 제 1 파장의 광을 반사하고 제 2 파장의 광을 투과하는 코팅층이 형성됨으로써 제 2 파장의 광을 외부로 출력하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 외부 공진기형 면발광 레이저는, 특정 파장의 광만을 통과시키는 복굴절필터를 상기 레이저칩과 렌즈소자 사이에 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 외부 공진기형 면발광 레이저는, 상기 레이저칩의 후면과 대향하는 것으로, 상기 레이저칩을 발진시키기 위한 제 3 파장의 광펌핑용 광을 상기 레이저칩의 후면에 제공하는 펌프 레이저를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

예컨대, 상기 레이저칩은: 열전도성과 광투과성을 갖는 열확산기; 상기 열확산기의 상면에 위치하는 것으로, 제 1 파장의 광을 외부 미러로 반사하고 상기 펌프 레이저로부터 방출된 제 3 파장의 광을 통과시키는 분산 브래그 반사층; 및 상기 분산 브래그 반사층의 상면에 위치하는 것으로, 상기 펌프 레이저로부터 방출된 제 3 파장의 광에 의해 여기되어 제 1 파장의 광을 발생시키는 양자우물 구조의 활성층;을 포함할 수 있다.

또한, 상기 레이저칩은 상기 열확산기의 측면 둘레를 둘러싸는 히트 싱크를 더 포함할 수 있다.

또는, 상기 레이저칩은: 열전도성과 광투과성을 갖는 열확산기; 상기 열확산기의 하면에 위치하는 것으로, 상기 펌프 레이저로부터 방출된 제 3 파장의 광에 의해 여기되어 제 1 파장의 광을 발생시키는 양자우물 구조의 활성층; 및 상기 활성층의 하면에 위치하는 것으로, 제 1 파장의 광을 외부 미러로 반사하고 상기 펌프 레이저로부터 방출된 제 3 파장의 광을 통과시키는 분산 브래그 반사층;을 포함할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 양호한 실시예에 따른 선형 구조의 외부 공진기형 면발광 레이저(VECSEL)에 대해 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 구조의 외부 공진기형 면발광 레이저를 개략적으로 도시하고 있다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 외부 공진기형 면발광 레이저(40)는, 소정의 파장의 광을 방출시키는 레이저칩(41), 상기 레이저칩(41)의 전면과 대향하도록 이격되어 배치된 외부 미러(45), 상기 외부 미러(45)와 레이저칩(41) 사이의 광경로에 배치되어 광의 주파수를 2배로 변환하는 SHG 결정(44), 상기 SHG 결정(44)과 레이저칩(41) 사이의 광경로에 배치된 렌즈소자(43), 상기 SHG 결정(44)과 렌즈소자(43) 사이의 광경로에 배치된 파장 선택성 미러(48), 및 상기 레이저칩(41)의 후면과 대향하는 펌프 레이저(46)를 포함한다. 또한, 상기 레이저칩(41)과 렌즈소자(43) 사이의 광경로에는 특정 파장의 광만을 통과시키는 복굴절필터(42)가 더 배치되어 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 외부 공진기형 면발광 레이저(40)는 펌프 레이저(46)가 레이저칩(41)의 후방에 배치된 후방 광펌핑 방식이다. 또한, 폴딩 미러를 통해 공진기를 절곡시키지 않고, 레이저칩(41)과 외부 미러(45)가 직접 대향하는 선형 공진기 구조이다. 따라서, 본 발명에 따른 외부 공진기형 면발광 레이저(40)는, 전체 부품이 하나의 축상에서 정렬되기 때문에, 조립이 쉬우며 전체적으로 콤팩트한 크기로 제작되는 것이 가능하다.

이러한 구조에서, 레이저칩(41)에 입사하는 광의 빔경과 SHG 결정(44)에 입사하는 광의 빔경을 독립적으로 조절하기 위하여, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 SHG 결정(44)과 레이저칩(41) 사이의 광경로에는 광을 수렴하는 역할을 하는 볼록한 렌즈소자(43)가 배치된다. 예컨대, 상기 렌즈소자(43)와 레이저칩(41) 사이의 거리를 적절히 조절하면, 외부 미러(45)로부터 레이저칩(41)으로 입사하는 광의 빔경을 상기 레이저칩(41)의 발진 영역의 크기에 일치시킬 수 있다. 마찬가지로, 상기 렌즈소자(43)와 SHG 결정(44) 사이의 거리를 각각 적절히 조절하면, 레이저칩(41)으로부터 SHG 결정(44)에 입사하는 광의 빔경을 최소화할 수 있다. 또한, 외부 미러(45)의 반사면을 오목하게 형성함으로써, 상기 외부 미러(45)에 의해 반사되어 SHG 결정(44)에 입사하는 광의 빔경을 최소화하는 것이 바람직하다. 이러한 본 발명에 따르면, 레이저칩(41)에서의 발진 효율과 SHG 결정(44)에서의 파장 변환 효율을 동시에 최적화할 수 있다.

상기 렌즈소자(43)와 SHG 결정(44) 사이의 파장 선택성 미러(48)는 레이저칩(41)에서 발생한 광을 투과시키고 SHG 결정(44)에 의해 파장 변환된 광을 외부 미러(45)로 반사하는 역할을 한다. 따라서, 레이저칩(41)에서 발생한 광은 상기 파장 선택성 미러(48)를 통과하여 SHG 결정(44)에 입사할 수 있다. 또한, 외부 미러(45)에 의해 반사되어 SHG 결정(44)을 통과한 광 중에서, 파장이 변환된 광은 상기 파장 선택성 미러(48)에 의해 반사되어 상기 외부 미러(45)로 되돌아 가며, 파장이 변환되지 않은 광은 상기 파장 선택성 미러(48)를 통과하여 레이저칩(41)에 입사할 수 있다.

한편, 상기 렌즈소자(43)의 양쪽 표면에는 파장 변환된 광과 파장 변환되지 않은 광에 대해 모두 반사방지 특성을 갖는 코팅층이 형성되는 것이 바람직하다. SHG 결정(44)의 양쪽 표면에도 파장 변환된 광과 파장 변환되지 않은 광에 대해 모두 반사방지 특성을 갖는 코팅층이 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 외부 미러(45)의 반사면에는 파장 변환되지 않은 광을 반사하고 파장 변환된 광을 투과하는 코팅층이 형성된다. 따라서, SHG 결정(44)에 의해 파장 변환된 광은 상기 외부 미러(45)를 통과하여 외부로 출력되며, 파장 변환되지 않은 광은 반사되어 레이저칩(41)에 입사할 수 있다. 이때, 외부로 출력되는 광이, 외부 미러(45)의 외측 표면에서 반사되지 않도록 상기 외부 미러(45)의 외측 표면에도 반사방지 특성을 갖는 코팅층이 형성되는 것이 바람직하다.

상술한 구성을 갖는 외부 공진기형 면발광 레이저(40)의 동작은 다음과 같다. 먼저, 펌프 레이저(46)에서 방출된 광펌핑용 광이 렌즈(47)를 통해 레이저칩 (41)에 입사된다. 그러면, 후술할 레이저칩(41) 내의 활성층이 여기되면서 광이 발생한다. 상기 레이저칩(41)에서 발생한 광은 레이저칩(41) 내의 DBR층에 의해 반사되어 복굴절필터(42)를 통과한다. 상기 복굴절필터(42)를 통과한 광은 매우 선예한 스펙트럼 분포를 갖게 된다. 그런 후, 광은 렌즈소자(43)에 의해 수렴되어 SHG 결정(44)에 입사하게 된다. SHG 결정(44)은 입사광의 일부를 주파수가 2배인(즉, 파장이 1/2인) 광으로 변환한다. 예컨대, 입사광이 적외선 영역이 광이라면 상기 SHG 결정(44)을 통과한 광은 가시광선 영역의 광이 된다. 외부 미러(45)는 파장이 변환된 광을 투과시켜 외부로 출력하며, 파장이 변환되지 않은 광은 다시 SHG 결정(44)을 향해 반사한다. 그러면, 광의 일부는 다시 상기 SHG 결정(44)에 의해 파장이 변환된다. 파장 선택성 미러(48)는 SHG 결정(44)을 통과한 광 중에서 파장 변환되지 않은 광은 투과시키고 파장 변환된 광은 반사한다. 따라서, 파장 변환된 광은 상기 파장 선택성 미러(48)에 의해 반사되어 외부 미러(45)를 통해 외부로 출력된다. 한편, 파장 변환되지 않은 광은 렌즈소자(43)에 의해 수렴되어 레이저칩(41)으로 입사한다. 레이저칩(41)에 입사한 광의 일부는 레이저칩(41) 내의 활성층에서 흡수되며, 일부는 레이저칩(41) 내의 DBR층에 의해 반사되어 상술한 과정을 반복한다. 이러한 과정을 통해, 파장 변환되지 않은 광은 레이저칩(41)과 외부 미러(45) 사이에서 공진하게 된다.

한편, 본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 상기 파장 선택성 미러(48)는 SHG 결정(44)의 레이저칩측 표면(44a)에 코팅되어 있을 수 있다. 그러면, 파장 선택성 미러(48)가 렌즈소자(43)와 SHG 결정(44) 사이의 광경로에서 별도로 배치되어 있는 경우에 비해, 부품의 정렬이 보다 용이하게 된다는 이점이 있다. 그러나, 이 경우에는, 레이저칩(41)을 향해 진행하는 파장 변환된 광과 파장 선택성 미러(48)에 의해 반사된 파장 변환된 광이 상기 SHG 결정(44) 내에서 서로 상쇄 간섭을 일으켜 출력이 감소할 수가 있다. 이를 방지하기 위해서는 SHG 결정(44)의 두께를 매우 정확하게 가공하여야 한다.

도 5는 이러한 불편함을 개선하기 위하여 제안된 다른 실시예의 외부 공진기형 면발광 레이저(50)를 도시하고 있다. 도 5에 도시된 실시예에 따르면, 렌즈소자(53)는 레이저칩측 표면이 볼록하고 SHG 결정측 표면(53a)이 편평한 평볼록 렌즈이다. 본 실시예에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같이, 파장 선택성 미러(58)는 상기 렌즈소자(53)의 편평한 표면(53a)에 코팅된다. 이 경우, 파장 변환된 광과 파장 변환되지 않은 광에 대해 모두 반사방지 특성을 갖는 코팅층은 상기 렌즈소자(53)의 레이저칩측 표면에만 형성된다. 반면, SHG 결정(54)의 양쪽 표면에는 파장 변환된 광과 파장 변환되지 않은 광에 대해 모두 반사방지 특성을 갖는 코팅층이 형성된다. 이렇게 파장 선택성 미러(58)가 렌즈소자(53)의 표면에 형성된 경우, 파장 선택성 미러(58)와 외부 미러(55) 사이의 경로가 비교적 길기 때문에, 진행 방향이 반대인 두 파장 변환된 광 사이에 상쇄 간섭이 일어날 가능성이 작아진다. 또한, SHG 결정의 두께를 정확하게 가공하는 것 보다는, 파장 선택성 미러(58)와 외부 미러(55) 사이의 거리를 조절하는 것이 훨씬 용이하다. 따라서, 파장 변환된 광 사이에 상쇄 간섭이 일어나지 않는 조건을 보다 용이하게 만족시킬 수 있다.

도 5의 실시예에서 다른 구성들, 예를 들어, 펌프 레이저(56), 렌즈(57), 레 이저칩(51), 복굴절필터(52) 및 외부 미러(55)는 도 4에서 설명한 것과 동일하다. 즉, 렌즈소자(53)의 형태와 파장 선택성 미러(58)의 위치를 제외하고, 다른 구성은 도 4의 실시예와 동일하다. 따라서, 도 5의 실시예에 따른 외부 공진기형 면발광 레이저의 동작 역시 도 4에서 설명한 것과 동일하다.

도 6은 레이저칩(51)과 외부 미러(55) 사이, 즉 공진기 내부에서 빔경 크기의 변화를 예시적으로 나타내는 그래프이다. 도 6의 그래프는 렌즈소자(53)의 초점거리가 25mm, 외부 미러(55)의 곡률 반경이 30mm, 레이저칩(51)에서 렌즈소자(53)까지의 거리가 47mm, 렌즈소자(53)에서 외부 미러(55)까지의 거리가 44mm인 경우에 대해 측정한 것이다. 도 6의 그래프를 통해 알 수 있듯이, 레이저칩(51)에서 방출된 광은, 약간의 발산성을 갖기 때문에 빔경이 점차 커지다가, 렌즈소자(53)에 의해 수렴되면서 SHG 결정(54)의 위치에서 빔경이 최소가 된다. 따라서, 상기 SHG 결정(54)의 파장 변환 효율이 최적이 될 수 있다.

한편, 도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 선형 구조의 외부 공진기형 면발광 레이저에서 사용되는 레이저칩의 구조를 예시적으로 도시하는 단면도이다.

먼저, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저칩은 광투과성과 열전도성을 갖는 열확산기(62), 상기 열확산기(62)의 상면에 위치하는 DBR층(63), 상기 DBR층(63)의 상면에 위치하는 활성층(64), 및 상기 활성층(64)의 상면에 위치하는 기판(65)을 포함한다. 또한, 상기 레이저칩은 상기 열확산기(62)의 측면 둘레를 둘러싸는 히트 싱크(61)를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 레이저칩은, 활성층(64)과 DBR층(63)이 먼저 기판(65) 위에서 차례로 형성된 후, 상기 DBR층(63)을 열확산기(62)의 상면에 접합하는 방식으로 제조된다. 공지된 바와 같이, 활성층(64)은 펌프 레이저로부터 방출된 광펌핑용 광에 의해 여기되어 소정의 파장을 갖는 광을 발생시키는 양자우물 구조로 되어 있다. 또한, DBR층(63)은, 상기 활성층(64)에서 발생한 광에 대해 가장 높은 반사율을 갖도록 형성된 복층 구조의 미러이다. 본 발명에서, 상기 DBR층(63)은 펌프 레이저로부터 방출된 광펌핑용 광이 활성층(64)에 입사할 수 있도록, 광펌핑용 광에 대해서는 투과성이 있도록 설계된다. 한편, 기판(65)은 광손실을 줄이기 위하여, 도 7에 도시된 바와 같이, 중심부분이 에칭될 수 있다.

열확산기(62)는 우수한 열전도성을 가지며, 활성층(64)에서 발생하는 열을 히트 싱크(61)로 전달하여 상기 활성층(64)을 냉각시키는 역할을 한다. 또한, 펌프 레이저에서 방출되는 광이 열확산기(62)를 통과하여 활성층(64)에 입사할 수 있도록, 상기 열확산기(62)는 광투과성이 있어야 한다. 이러한 열확산기(62)로서는, 예컨대, 다이아몬드(Diamond)가 바람직하며, 그 외에도 실리콘 카바이드(SiC), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN) 등을 사용할 수 있다. 히트 싱크(61)로는, 예컨대, 구리(Cu)와 같이 열전도성이 우수한 재료를 사용할 수 있다. 이때, 히트 싱크(61)는 광투과성이 없으므로, 광펌핑용 광이 통과할 수 있도록 중심부에 개구가 형성되어야 한다.

도 8에 도시된 레이저칩은, 기판(65) 위에 DBR층(63) 및 활성층(64)을 연속하여 형성한 후, 활성층(64)의 상면을 열확산기(62)의 하면에 접합하는 방식으로 제조된 것이다. 결과적으로, 상기 레이저칩은 열확산기(62)의 하면에 활성층(64), DBR층(63) 및 기판(65)이 차례로 위치하는 형태를 하고 있다. 도 7의 레이저칩과 마찬가지로, 상기 열확산기(62)의 측면 둘레에는 히트 싱크(61)가 결합되며, 상기 히크 싱크(61)의 중심부에는 활성층(64)에서 발생한 광이 통과할 수 있도록 개구가 형성되어 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 양호한 실시예에 따른 외부 공진기형 면발광 레이저는 후방 광펌핑 방식을 채용하고 있으며 선형 공진기 구조를 갖는다. 따라서, 전체 부품이 하나의 축상에서 정렬되어 있으므로, 조립이 쉬우며 전체적으로 콤팩트한 크기로 제작될 수 있다. 또한, 종래에 비하여 제조 비용 및 제조 시간을 저감할 수 있다. 더욱이, 광펌핌용 광이 레이저칩에 수직하게 입사하는 후방 광펌핑 방식이기 때문에, 거의 원형에 가까운 레이저 빔을 출력하는 것이 가능하다.

또한, 공진기 내에 렌즈소자를 배치함으로써, 레이저칩에 입사하는 광의 빔경과 SHG 결정에 입사하는 광의 빔경을 독립적으로 조절할 수 있다. 따라서, 레이저칩에서의 발진 효율과 SHG 결정에서의 파장 변환 효율을 동시에 최적화할 수 있다. 그 결과, 종래에 비해 높은 출력을 갖는 외부 공진기형 면발광 레이저를 제공하는 것이 가능하다.

Claims

제 1 파장의 광을 방출시키는 레이저칩;

상기 레이저칩의 전면과 대향하도록 이격되어 배치된 외부 미러;

상기 외부 미러와 레이저칩 사이에 배치된 것으로, 제 1 파장의 광의 주파수를 2배로 변경하여 제 2 파장의 광으로 변환하는 SHG 결정;

상기 SHG 결정과 레이저칩 사이에 배치된 것으로, 상기 레이저칩에서 발생한 제 1 파장의 광을 상기 SHG 결정에 수렴시키는 렌즈소자;

상기 SHG 결정과 렌즈소자 사이에 배치된 것으로, 제 1 파장의 광을 투과시키고 제 2 파장의 광을 상기 외부 미러로 반사하는 파장 선택성 미러; 및

상기 레이저칩의 후면과 대향하는 것으로, 상기 레이저칩을 발진시키기 위한 제 3 파장의 광펌핑용 광을 상기 레이저칩의 후면에 제공하는 펌프 레이저;를 포함하며,

제 1 파장의 광이 상기 레이저칩과 외부 미러 사이에서 공진하도록, 상기 레이저칩은 제 1 파장의 광을 반사하는 분산 브래그 반사층을 포함하고, 상기 SHG 결정에서 발생한 제 2 파장의 광 중에서 상기 파장 선택성 미러를 향해 진행하는 광은 상기 파장 선택성 미러에 의해 외부 미러를 향해 반사되고,

상기 레이저칩은:

열전도성과 광투과성을 갖는 열확산기;

상기 열확산기의 상면에 위치하는 것으로, 제 1 파장의 광을 외부 미러로 반사하고, 상기 펌프 레이저로부터 방출된 제 3 파장의 광을 통과시키는 분산 브래그 반사층; 및

상기 분산 브래그 반사층의 상면에 위치하는 것으로, 상기 펌프 레이저로부터 방출된 제 3 파장의 광에 의해 여기되어 제 1 파장의 광을 발생시키는 양자우물 구조의 활성층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
제 1 항에 있어서,

상기 파장 선택성 미러는 상기 SHG 결정의 레이저칩측 표면에 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
제 2 항에 있어서,

상기 SHG 결정의 외부 미러측 표면에는 제 1 및 제 2 파장의 광에 대해 모두 반사방지 특성을 갖는 코팅층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
제 2 항에 있어서,

상기 렌즈소자의 양측 표면에는 제 1 파장의 광에 대해 반사방지 특성을 갖는 코팅층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
제 2 항에 있어서,

상기 외부 미러는 오목한 반사면을 가지며, 상기 외부 미러의 오목한 반사면에는 제 1 파장의 광을 반사하고 제 2 파장의 광을 투과하는 코팅층이 형성됨으로써 제 2 파장의 광을 외부로 출력하는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
제 1 항에 있어서,

상기 렌즈소자는 레이저칩측 표면이 볼록하고 SHG 결정측 표면이 편평한 평볼록 렌즈이며, 상기 파장 선택성 미러는 상기 렌즈소자의 편평한 표면에 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
제 6 항에 있어서,

상기 SHG 결정의 양측 표면에는 제 1 및 제 2 파장의 광에 대해 모두 반사방지 특성을 갖는 코팅층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
제 6 항에 있어서,

상기 렌즈소자의 볼록한 표면에는 제 1 파장의 광에 대해 반사방지 특성을 갖는 코팅층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
제 6 항에 있어서,

상기 외부 미러는 오목한 반사면을 가지며, 상기 외부 미러의 오목한 반사면에는 제 1 파장의 광을 반사하고 제 2 파장의 광을 투과하는 코팅층이 형성됨으로써 제 2 파장의 광을 외부로 출력하는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 레이저칩과 렌즈소자 사이에 배치된 것으로, 특정 파장의 광만을 통과시키는 복굴절필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
삭제
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제 1 항에 있어서,

상기 열확산기의 측면 둘레를 둘러싸는 히트 싱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
제 1 파장의 광을 방출시키는 레이저칩;

상기 레이저칩의 전면과 대향하도록 이격되어 배치된 외부 미러;

상기 외부 미러와 레이저칩 사이에 배치된 것으로, 제 1 파장의 광의 주파수를 2배로 변경하여 제 2 파장의 광으로 변환하는 SHG 결정;

상기 SHG 결정과 레이저칩 사이에 배치된 것으로, 상기 레이저칩에서 발생한 제 1 파장의 광을 상기 SHG 결정에 수렴시키는 렌즈소자; 및

상기 SHG 결정과 렌즈소자 사이에 배치된 것으로, 제 1 파장의 광을 투과시키고 제 2 파장의 광을 상기 외부 미러로 반사하는 파장 선택성 미러; 및

상기 레이저칩의 후면과 대향하는 것으로, 상기 레이저칩을 발진시키기 위한 제 3 파장의 광펌핑용 광을 상기 레이저칩의 후면에 제공하는 펌프 레이저;를 포함하며,

제 1 파장의 광이 상기 레이저칩과 외부 미러 사이에서 공진하도록, 상기 레이저칩은 제 1 파장의 광을 반사하는 분산 브래그 반사층을 포함하고, 상기 SHG 결정에서 발생한 제 2 파장의 광 중에서 상기 파장 선택성 미러를 향해 진행하는 광은 상기 파장 선택성 미러에 의해 외부 미러를 향해 반사되고,

상기 레이저칩은:

열전도성과 광투과성을 갖는 열확산기;

상기 열확산기의 하면에 위치하는 것으로, 상기 펌프 레이저로부터 방출된 제 3 파장의 광에 의해 여기되어 제 1 파장의 광을 발생시키는 양자우물 구조의 활성층; 및

상기 활성층의 하면에 위치하는 것으로, 제 1 파장의 광을 외부 미러로 반사하고, 상기 펌프 레이저로부터 방출된 제 3 파장의 광을 통과시키는 분산 브래그 반사층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.
제 14 항에 있어서,

상기 열확산기의 측면 둘레를 둘러싸는 히트 싱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 공진기형 면발광 레이저.