KR101698556B1 - 광자-냉각 의존형 레이저 전압을 이용한 레이저 다이오드를 위한 출력 전력 안정화 - Google Patents

광자-냉각 의존형 레이저 전압을 이용한 레이저 다이오드를 위한 출력 전력 안정화 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 레이저 다이오드의 전력 안정화를 단순화하는 것이다. 이를 위해, 다이와 그 위의 제1 및 제2 레이저 다이오드(3, 5)를 포함하는 레이저 소자가 제공된다. 제2 레이저 다이오드는 제1 반도체 레이저 공동이 레이저 광을 방출하기에 충분한 공급 전압이 가해지는 경우, 레이저 방출을 하지 않는 구조 또는 요소를 갖는다.

Description

광자-냉각 의존형 레이저 전압을 이용한 레이저 다이오드를 위한 출력 전력 안정화{OUTPUT POWER STABILIZATION FOR LASER DIODES USING THE PHOTON-COOLING DEPENDENT LASER VOLTAGE}
본 발명은 일반적으로는 반도체 레이저에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 레이저 출력 전력 또는 레이저 세기의 안정화에 관한 것이다.
일반적으로 VCSEL의 출력 전력은 온도 및 시효 조건에 강하게 의존한다. 출력 전력 변동을 피하기 위해, 일부 용례는 예컨대 모니터 광다이오드의 사용과 같은 복잡한 제어 또는 피드백 기구를 필요로 한다.
레이저 전압은 출력 전력만이 아니라 많은 파라미터에 의존하므로, 레이저 전압은 출력 전력을 위해 좋은 지표가 아닌 것이 보통이다.
Liu 등의 Journal of Zhejiang University SCIENCE A, ISSN 1009-3095로부터 VCSEL의 레이저 전압은 아래의 수학식으로 실증적으로 설명된다.
Figure 112011074224690-pct00001
수학식 1에서, I는 레이저 전류, V는 레이저 전압, 그리고 T는 내부 레이저 온도 즉 공동 내부의 온도를 나타낸다. R0, T1, Vt 및 I0는 VCSEL 특성 파라미터이다. 특히, 이들 파라미터는 도핑 프로파일, 활성 직경 등과 같은 제조 파라미터에 의존하며, 낮은 로트간 정밀도로만 제어될 수 있다.
내부 레이저 온도와 히트싱크의 온도 Ths 사이의 상관관계는 아래의 수학식으로 주어진다.
Figure 112011074224690-pct00002
수학식 2에서, Popt는 레이저 출력 전력을 나타내고, Rt는 열저항을 나타낸다.
항 -Popt*Rt는 방출된 광자의 전력이 레이저의 가열에 기여하지 않을 것이기 때문에 광자 냉각 효과로서 공지된다. 그리고, 레이저 전압(V)의 전력 의존성은 식 1과 식 2를 조합하여 유도된다.
보통, 레이저 전압은 파라미터 R0, T1, Vt 및 I0가 일반적으로 알려지지 않기 때문에 VCSEL의 출력 전력을 위한 신뢰성 있는 표시로서 사용할 수 없다.
이 때문에, 흔히 모니터 광다이오드가 채용되어 레이저 출력 전력을 모니터하고 안정화한다. 하지만, 모니터 광다이오드의 효율은 약간 온도 의존적이고 동작시 열화될 수 있다. 따라서 측정된 입력 파라미터는 레이저 전력, 시효 및 주변 조건에 의존하고, 안정화 회로의 특성을 왜곡할 수 있다. 이를 피하기 위해, 안정화 회로는 흔히 추가의 온도 측정 수단을 채용하므로 설계가 복잡해진다. 이 형태의 안정화 회로는 예컨대 EP 1 085 624 A1로부터 공지된다.
따라서 본 발명의 목적은 레이저 다이오드의 출력 전력의 안정화를 단순화하고 온도 및 다른 출력 의존형 변화 및 주변 조건으로부터 제어 회로의 민감성을 감소시키는 것이다.
하나의 다이 내에서 2 개의 거의 동일한 VCSEL 메사와 같은 2 개의 레이저 다이오드를 사용하는 것이 제안된다. 제1 레이저 다이오드 또는 메사는 광원으로 사용된다. 그 전압 특성은 전술한 4 가지 재료 파라미터와 출력 전력에 의존한다. 제1 레이저 다이오드와 동일한 설계를 갖는 제2 레이저 다이오드는 레이저 방출이 되지 않게 하기 위해 제2 레이저 다이오드의 공진기 품질을 저감시키도록 구성된 추가의 구조를 가짐으로써, 그 결과 동일한 4 개의 재료 파라미터에만 의존하는 전압 특성을 갖게 된다. 따라서 레이저를 방출하는 다이오드와 레이저를 방출하지 않는 다이오드의 전압 특성의 차이는 광자-냉각에만 기인한다. 광자 냉각이 레이저 전력 또는 레이저 세기에 직접 비례하므로, 다이오드들의 측정된 실제 동작 파라미터들 사이의 차이는 간단한 전력 안정화를 위해 사용될 수 있다.
이를 위해, 다이와 이 다이 상의 제1 및 제2 레이저 다이오드를 포함하는 레이저 소자가 제공된다. 제2 레이저 다이오드는 제1 레이저 다이오드의 광축에 대해 측방으로 오프셋되어 배치된다. 서로 다른 전압이 제1 및 제2 레이저 다이오드에 가해질 수 있도록, 각각의 제1 및 제2 레이저 다이오드는 공급 전압을 가하기 위한 적어도 하나의 전기 연결 단자를 구비한다. 제1 레이저 다이오드는 충분한 전압이 가해지면 레이저 광을 방출할 수 있는 공통의 레이저 다이오드이다. 하지만, 제2 레이저 다이오드는 제1 레이저 다이오드가 레이저 광을 방출하기에 충분한 공급 전압이 가해진다면 레이저 방출을 하지 않는 구조 또는 요소를 갖는다. 물론, 양쪽의 레이저 다이오드는 정확한 극성으로 동작된다.
이 구성은 적절한 회로를 이용하여 레이저 전압을 제어함으로써 레이저 전력의 간단한 안정화를 가능케 한다.
레이저 출력 전력을 제어하고 안정화하기 위해, 양쪽의 레이저의 특성의 비교가 이루어진다. 그에 따라, 양쪽의 레이저가 공통의 칩에 동시에 제조되고 그에 따라 양쪽 레이저 다이오드의 재료 의존형 파라미터가 적어도 실질적으로 동일하거나 완전히 동일하므로, 재료 의존형 파라미터 내의 로트 의존형 편차는 크게 제거된다. 하지만, 서로 다른 레이저 다이오드가 사용된다고 해도, 양쪽의 레이저 다이오드가 동일한 후속의 층들을 갖도록 병렬로 제조하면 유리하다.
광자-냉각이 VCSEL의 출력 전력에 비례하므로, 본 발명은 VCSEL과 같은 2 개의 동일하거나 거의 동일한 밀집 적층된 레이저 다이오드의 전압 특성을 사용하는 것을 제안한다. 여기서, 하나의 다이오드는 다른 레이저 다이오드의 출력 전력 안정화를 위해 입력으로서 레이저 방출을 하지 않도록 변형된다. 따라서, 본 발명의 바람직한 특징에 따라, 레이저 전력을 안정화하기 위한 제어 회로의 입력 파라미터로서 레이저 전압이 사용된다.
더욱 구체적으로, 제1 및 제2 레이저 다이오드에 연결된 제어 회로는 제1 및 제2 레이저 다이오드에 걸친 전압의 차이에 기초하여 레이저 출력 전력을 안정화하도록 구성될 수 있다.
이는 연산 증폭기와 같은 차동 증폭기가 있는 피드백 루프를 포함하는 제어 회로에 의해 매우 간단히 구현될 수 있다. 그에 따라, 2 개의 전류 경로를 따른 전압 강하가 차동 증폭기에 태핑(tapped) 및 공급되고, 각각의 상기 전류 경로에서 레이저 다이오드 중의 하나가 연결되며, 전압 분배기가 경로 중의 하나를 따라 전압 강하의 미리 정해진 비율을 분배한다. 분배된 전압이 차동 증폭기의 일 입력에 공급되며, 다른 경로로부터 태핑된 전압이 차동 증폭기의 다른 입력에 공급된다. 특히, 미리 정해진 비율은 예컨대 전위차계에 의해 조정 가능할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 제1 및 제2 레이저 다이오드는 다이 상에 측방으로 오프셋되어 배치된 수직 표면 방출 레이저 다이오드(VCSEL) 메사 구조이다. 하지만, 본 발명에서 단면 방출 레이저를 사용하는 것도 역시 가능하다.
또한, 제1 및 제2 레이저 다이오드는 다이의 배면, 즉, 메사가 배치된 정면과 반대인 다이의 측면에 공통 단자를 공유하고, 정면에 개별적인 단자 접점을 구비할 수 있다. 또한, 메사 구조는 공통의 하부 브래그 반사층 스택을 유리하게 공유할 수 있다. 이는 제조 공정을 단순화할 뿐만 아니라 다이오드 사이의 열적 결합을 증가시킨다.
게다가, 레이저 다이오드를 가능한 서로 인접 배치하는 것이 이 목적을 위해 유리하다. 따라서, 본 발명의 추가의 특징에 따르면, 레이저 다이오드들의 중심 사이의 측방향 거리는 500 마이크로미터 미만이며, 바람직하게는 250 마이크로미터 미만이다.
양쪽 레이저 사이의 전압 차이가 제1 레이저 다이오드의 출력 전력의 선형 함수인 것으로 추정되거나 어림된다면, 매우 단순한 제어 회로가 채용될 수 있다. 제어 회로는 제1 및 제2 레이저 다이오드의 동작 전압의 차이를 설정함으로써 출력 전력을 설정하는 설정 수단을 추가로 유리하게 포함할 수 있다. 이 설정 수단은 전위차계에 의해 간단하게 구현될 수 있다.
레이저 방출을 하지 않는 구조는 제2 레이저 다이오드의 공진기 품질을 저하시키는 구조 또는 요소일 수 있다. 그에 따라 이 구조는 상기 제2 레이저 다이오드의 반사 요소들 중의 하나에서 반사된 광의 동위상파면을 교란 또는 변경시키는 것에 의해 작동할 수 있다. 이 구조는 예컨대 무작위의 상(phase)을 반사광에 도입하는 것에 의해 위치된다. 다른 가능성은 공기에 대한 계면의 수직 방향을 변경하는 것이다. VCSEL이 제1 및 제2 레이저 다이오드인 경우, 레이저 방출을 하지 않는 이 구조는 제2 레이저 다이오드 상부의 표면 식각부일 수 있다. 이것은 복잡한 추가의 제작 단계를 요하지 않고도 효과적으로 레이저 방출을 억제하는 표면 식각부로서 유리하다. 이와 달리, 상부 분포된 브래그 반사체의 공기에 대한 계면은 제1 레이저 다이오드에 대해 대략 1/4 파장만큼 낮아질 수 있다. 이것은 계면에서 상쇄 간섭이 도입됨에 따라 이 브래그 반사층 스택의 전체 반사도를 상당히 감소시킨다. 물론, 상쇄 간섭을 도입하기 위해, 이 낮춤은 정확히 1/4 파장일 필요는 없다. 상쇄 간섭은 다른 방식으로 도입될 수 있다. 예컨대 추가의 층이 증착될 수 있다. 표면 식각부는 표면을 단순히 거칠게 하는 것일 수도 있다. 이와 달리, 적절한 마스크 가공에 의해 상부 브래그 반사층 스택에 구체적인 조직화가 도입될 수 있다. 하지만, 제2 레이저 다이오드의 레이저 방출을 하지 않을 목적으로 다른 구조들을 채용하는 것도 역시 가능하다. 예컨대, 브래그 반사층 스택들 중의 적어도 하나의 층의 평탄도가 교란될 수 있다. 일례는 분포된 브래그 반사체의 하층들 중의 하나에 작은 만입부를 도입하는 것이다. 그 다음, 후속하는 증착층이 만입부에 인접하여 굴곡 및 왜곡된다. 이 방식으로 도입된 DBR의 비평탄성은 광학 공진기 품질을 감소시킨다. 한편, 만입부가 작다면, 전술한 식 1과 식 2로 주어진 재료 특성은 거의 영향을 받지 않고 유지된다.
일반적으로, 본 발명은 온도 변동(temperature drift)을 보상하도록 사용될 수 있지만, 신뢰성 있는 수명 만료 검출기로서 역할을 할 수도 있다. 또한, 본 발명에 따른 레이저 소자는 광학 트랜지스터 분야에서의 용례에 유용한다. 게다가, 전술한 바와 같이, 레이저 전압의 차이의 측정이 광 세기의 정밀한 결정을 가능케 하므로 본 발명에 따른 레이저 소자는 측정용 광원으로 사용될 수 있다.
도 1은 850nm 파장을 갖는 최신 기술의 단일 모드 VCSEL의 출력 및 전압 특성을 보여준다.
도 2는 본 발명에 따른 레이저 소자의 개략적인 단면을 보여준다.
도 3은 레이저 소자의 평면도이다.
도 4는 도 2와 도3에 개략적으로 도시된 구성의 VCSEL의 측정된 특성을 보여준다.
도 5는 레이저 출력 전력을 제어하고 안정화하기 위한 제어 회로의 실시예를 보여준다.
도 1에는 VCSEL의 전형적인 특성이 도시된다. 구체적으로, 도 1은 레이저 전력과 전압의 특성을 레이저 전류의 함수로서 보여준다. 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 레이저 출력 전력(Popt)은 레이저 전류에 대해 거의 선형으로 변하는 반면 레이저 전압은 명백히 비선형이다. 따라서 보통 레이저 전압은 레이저 출력 전력을 안정화시키기 위한 우수한 제어 변수가 아니다. 하지만, 본 발명에 따르면, 유사한 설계의 레이저를 방출하는 다이오드 및 레이저를 방출하지 않는 다이오드의 레이저 전압의 차이는 간단한 제어 회로를 위해 추가로 허용하는 매우 우수한 제어 변수를 제공한다.
따라서 제1 레이저 다이오드와 제2 레이저 다이오드가 동일한 다이 상에서 서로 인접하게 배치된 레이저 소자가 안출된다. 다이오드 중의 하나는 정규 레이저 레이저이고, 다른 하나는 제1 반도체 레이저 공동이 레이저 광을 방출하기에 충분한 공급 전압이 가해진다면 레이저 방출을 하지 않는 추가의 구조를 갖는다.
본 발명에 따른 레이저 소자의 단면이 도 2에 도시된다. 소자의 평면이 도 3에 도시된다.
도시된 소자는 VCSEL로서 구성된다. 2 개의 VCSEL 레이저 다이오드(3, 5)를 위한 기판으로서 소자는 다이 또는 칩(1)을 포함한다. 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 레이저 다이오드(3, 5) 양쪽은 공통의 하부 브래그 반사층 스택(6)을 포함한다. 이 하부 브래그 반사층 스택(6)에는 메사 구조의 층들이 증착된다. 각각의 레이저 다이오드(3, 5)의 메사 구조는 활성 영역인 하나 이상의 양자 우물(9), 하나 이상의 한류층(current confinement layer)(11) 및 상부 브래그 반사층 스택(7)을 포함한다.
하나 이상의 양자 우물층(9)은 각각 하부 및 상부 브래그 반사층 스택(6, 7) 사이에 배치된다.
한류층(11)은 이 층의 중심에서 전도율이 더 높도록 가장자리가 부분적으로 산화된 반도체층이다. 그에 따라, 전류는 그 광축에 인접한 메사의 중심부에 한정된다. 이 층은 필수는 아니지만 고도로 한정된 빔의 발생에 유용하다.
메사의 층들은 하부 브래그 반사층과 함께 다이오드를 형성하며, 브래그 반사층 스택들 중의 하나는 n-도핑되거나 n형 전도성이고, 다른 스택은 p-도핑되거나 p형 전도성이다.
n형 하부 브래그 반사층 스택(6)과 p형 상부 브래그 반사층 스택(7)이 흔히 사용된다.
VCSEL을 위한 공통의 재료는 다이용의 GaAs 기판과 분포된 브래그 반사체 또는 브래그 반사층 스택용의 GaAs/AlGaAs 교번층이다. 양자 우물로는 얇은 InGaAs 층이 적절하다. 예컨대 양자 우물층(9)은 2 개의 GaAs 양자 우물 장벽 층들 사이에 매립된 InGaAs 층으로 구성될 수 있다. 그 중에서도, 다음의 재료의 조합이 VCSEL에 공통이다. 양자 우물층과 양자 우물 장벽층 양쪽을 위한 AlGaAs를 이용하여 약 760nm의 방출 파장이 달성될 수 있다. 양자 우물층을 위해 GaAs를 사용하고 양자 우물 장벽층을 위해 AlGaAs를 사용하는 것은 대략 850nm의 범위의 파장에 적절하다. InGaAs 양자 우물층과 GaAs 양자 우물 장벽층의 전술한 조합에 의해 대략 980nm의 파장이 달성될 수 있다. 대략 1300nm의 장파장을 위해, 예컨대, 양자 우물 장벽층인 InGaAs와 조합된 양자 우물 층인 InGaAsN을 채용할 수 있다.
하지만, 또 다른 재료의 조합이 해당 분야의 공지의 지식을 가진 자(당업자)에게 공지되어 있다. 예컨대 InP 또는 GaInAsN을 적어도 활성 영역을 위해 사용하는 것도 가능하다.
레이저 다이오드(3, 5)의 메사의 각각의 상부에는 링 접점(12)이 제공된다. 레이저 다이오드(3, 5)의 링 접점(12)은 레이저 다이오드(3, 5)의 개별적인 단자 접점(31, 51)에 각각 연결된다. 통상의 층들의 구성에서, 이들 단자 접점(31, 51)은 다이오드의 양극 접점이다. 또한, 양쪽의 레이저 다이오드(3, 5)는 다이(1)의 배면에 공통의 제2 단자 접점(13)을 공유한다. 통상, 이 접점은 레이저 다이오드(3, 5)를 위한 음극 접점이다.
도 2와 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 표면 식각부(15)가 레이저 다이오드(5)의 상부 브래그 반사층 스택(7)에 가해졌다. 표면 식각부는 링 접점(12)의 중심부에 있는 노출된 영역에 도입되었다.
브래그 반사층 스택(7)의 식각에 의해, 스택의 표면이 거칠게(roughening)되었다. 그에 따라, 이 표면에서 반사된 빛의 동위상파면(phase front)은 교란되어 제2 레이저 다이오드(5)의 공진기 품질을 감소시킨다. 이와 같이 공진기 품질이 저하된 결과, 양쪽의 레이저 다이오드(3, 5)가 동일한 전류로 동작되더라도, 레이저 다이오드(5)의 레이저 방출이 없는 반면, 레이저 다이오드(3)는 레이저 광을 방출한다. 이 조건은 제2 레이저 다이오드(5)도 역시 레이저 방출 조건에 도달하는 적어도 일정한 임계 전류까지 유지될 수 있다. 하지만 제2 레이저 다이오드(5)의 레이저 방출을 전혀 하지 않는 것도 역시 가능하다. 표면이 식각부에 의해 평탄하게 유지된다고 해도, 식각부(15)는 상부 브래그 반사층 스택(7)의 높이를 감소시키도록 바람직하게 유지된다. 그에 따라, 상쇄 간섭이 층 스택의 계면에서 주위 공기에 도입되어 브래그 반사층 스택(7)의 전체 반사도를 감소시키고 레이저 다이오드(5)의 레이저 방출을 매우 효과적으로 방지한다. 이와 달리, 유사한 효과를 갖는 추가의 층도 역시 가해질 수 있다. 예컨대 하나 이상의 반사 방지층이 브래그 반사층 스택(7)의 상부에 증착될 수 있다.
링 접점(12)은 표면 식각부(15)가 링 접점(12)의 개구로 한정되도록 식각을 위한 마스크로서 동시에 사용될 수 있다. 식각된 표면에서 전류가 거의 흐르지 않으므로, 식각은 식 1과 식 2에서 전술한 바와 같이 재료 의존형 파라미터에 아무런 영향도 없거나 크지 않은 영향만을 갖는다.
레이저 다이오드들의 공동들 내의 온도 차이가 가능한 작다면 레이저 다이오드(3)의 레이저 출력 전력의 안정화에 유리하다. 따라서 레이저 다이오드(3, 5) 사이의 우수한 열 결합이 유익하다. 이를 위해, 공통의 하부 브래그 반사층 스택(6)이 유리하다. 게다가, 레이저 다이오드를 가능한 서로 인접하게 배치하는 것이 유리하다. 따라서, 도 2 및 도 3의 실시예에 한정되지 않는 바람직한 실시예에 따르면, 중심간 레이저 다이오드의 측방향 거리는 500 마이크로미터 미만이다. 바람직하게는, 다이의 측방향 치수는 300 마이크로미터 미만이고, 레이저 다이오드의 중심간 또는 광축 사이의 측방향 거리는 250 마이크로미터 미만이다.
도 4는 도 2와 도 3에 개략적으로 도시된 구성의 레이저 다이오드(3, 5)의 측정된 전압 및 출력 전력 특성의 비교를 보여준다. 소자의 메사의 중심간 거리는 200 마이크로미터이다. 곡선(V1)은 레이저 다이오드(3)의 전압 특성을 묘사하며, 곡선(V2)은 레이저를 방출하지 않는 레이저 방출 다이오드(5)의 전압 특성을 묘사한다. 레이저 다이오드(3)의 전압 강하는 레이저를 방출하지 않는 다이오드(5)에 비해 레이저 전류의 증가에 따라 더 빠르게 증가한다. 이 예에서, 차이는 약 I=3mA의 레이저 전류에 대해 대략 100mV에 달한다. 물론, 차이는 레이저 다이오드(3, 5)의 특히 공칭 출력 전력의 설계에 의존한다.
이러한 레이저 전압의 차이는 전적으로 또는 적어도 실질적으로 광자 냉각 효과에 기인할 수 있다. 레이저 전류에 따른 전압 차이의 증가는 이 또한 레이저 전류의 대략 선형 함수인 레이저 다이오드(3)의 레이저 출력 전력(Popt)에 상응하므로 대략 선형이다.
레이저 전류로 곱해진 전압 차이가 출력 전력의 절대값을 부여함에 따라, 본 발명의 소자는 절대값의 레이저 출력 전력을 결정하도록 매우 유리하게 사용될 수 있다. 이는 예컨대 모니터 다이오드를 이용한 측정이 간접적일 뿐이며 방출된 레이저 세기에 비례하지 않을 수 있으므로, 종래의 레이저 다이오드로 달성하기에는 직접적이지 않다. 그와 대조적으로, 전압 차이의 결정은 용이하게 절대값으로 이루어질 수 있다. 출력 전력을 절대값으로 결정하기 위해, 전압 차이는 레이저 출력과 함께 결정될 수 있다. 레이저 전류와 전압 차이의 곱은 레이저 출력 전력을 직접 산출한다.
따라서, 본 발명의 특징에 따라, 레이저 소자는 제1 및 제2 레이저 다이오드 사이의 전압 차이를 검출하는 수단과 전압 차이로부터 레이저 출력 전력을 결정 또는 계산하는 수단을 포함한다.
이 구성이 도 2와 도 3에 도시된 레이저 다이오드 또는 구체적인 특징으로서 VCSEL에 한정되지 않는 것은 명백하다. 예컨대, 이 특징은 공통의 다이 상의 2개의 에지 방출 레이저의 구성에도 적용될 수 있다. 일반적으로, 본 발명이 레이저 출력 전력의 매우 간단한 결정을 가능케 하므로, 본 발명은 보정 목적을 위한 광원으로서 예컨대 종래의 레이저 다이오드 또는 다른 광원의 레이저 출력 전력을 보정하도록 채용될 수 있다.
도 5는 레이저 출력 전력을 제어하고 안정화하기 위해 채용될 수 있는 간단한 피드백 루프 제어 회로(20)의 실시예를 보여준다. 이 회로는 제1 및 제2 레이저 다이오드(3, 5)에 각각 걸친 전압의 차이에 기초한 레이저 출력 전력을 안정화한다. 더 구체적으로, 피드백 루프 제어 회로(20)는 차동 증폭기가 있는 피드백 루프를 포함함으로써, 2 개의 전류 경로를 따른 전압 강하가 태핑 또는 제공되고, 전류 경로들 각각에서 레이저 다이오드 중의 하나가 연결됨으로써 전압 분배기가 전류 경로 중의 하나를 따른 전압 강하의 미리 정해진 조정 가능한 비율을 분배하며, 분배된 전압은 차동 증폭기로 제공된다. 도 5의 예에서, 차동 증폭기로서 연산 증폭기(27)가 사용된다.
피드백 루프 제어 회로(20)를 위한 전력 또는 동작 전압은 연산 증폭기(27) 출력(21)과 접지(22) 사이에 공급된다. 레이저 다이오드(3, 5)를 통한 전류는 직렬로 레이저 다이오드(3, 5)에 연결된 저항기(23 또는 24)를 통해 각각 흐른다.
피드백 루프를 위한 전압은 저항기(23)와 레이저 다이오드(3) 사이와 저항기(24)와 레이저를 방출하지 않는 레이저 다이오드(5) 사이에 각각 위치한 태핑점(25, 26)에서 태핑된다.
태핑점(25, 26)으로부터 태핑된 전압은 차동 증폭기에 공급된다. 도 5에 도시된 실시예에서, 이 목적을 위해 연산 증폭기(27)가 사용된다.
조정 가능한 레이저 출력 전력을 제공하기 위해, 지점(26)에서 레이저 다이오드(5)의 전류 경로로부터 태핑된 전압으로부터 미리 정해진 비율이 분배된다. 이 목적으로, 연산 증폭기에 공급된 전압은 저항기(24)에 병렬 연결된 전위차계(28)로부터 태핑된다. 정밀한 트리밍을 가능케 하기 위해, 전위차계(28)는 추가의 저항기(29)에 직렬로 연결된다.
연산 증폭기의 출력(21)은 양전위를 제공하고 제어한다. 전위차계를 조정하는 것에 의해, 저항기(23, 24)에 걸친 전압 강하의 특정한 차이가 설정된다. 이 전압 차이는 이 차이를 보정하고 이 조건을 안정화시키는 연산 증폭기에 입력으로서 공급된다. 한편, 이 전압 차이가 또한 레이저 다이오드(3, 5)에서 안정화되도록 태핑점(25, 26) 사이에 동일한 전압 차이가 확립된다.
도 4의 곡선(V1, V2) 사이의 전압 차이가 대략 선형으로 간주될 수 있으므로, 도 5에 도시된 회로는 레이저 출력 전력을 거의 선형으로 조정하는 것을 가능케 한다.
도 5의 실시예는 예컨대 아래의 구성 요소를 이용하여 구현될 수 있다.
- 저항기(23, 24)를 위한 2 kO의 저항
- 저항기(29)를 위한 100 kO 저항
- 전위차계(28)를 위한 10 kO의 최대 저항
- 연산 증폭기(27)로서 LM 324 모듈
또한, 도 2 및 도 3에 도시된 구성을 사용한다면, 단자 접점(51)은 태핑점(26)에 연결되고, 단자 접점(31)은 태핑점(25)에 연결된다. 공통의 음극 단자 접점(13)이 피드백 루프 제어 회로(20)의 접지(22)에 연결된다.
도 5에 도시된 회로는 단지 예일 뿐이다. 또한, 회로는 추가의 구성요소를 포함할 수 있다.
도 5에 유사하게 간략히 도시된 피드백 루프 제어 회로(20)와 도 2 및 도 3에 개략적으로 도시된 다이를 사용하여, 레이저 출력 전력이 정의된 온도 범위의 약 ±6%로 안정화될 수 있다는 것이 입증되었다. 비교하면, 종래의 VCSEL의 레이저 출력 전력은 이러한 온도 범위 내에서 약 30%만큼 강하한다.
본 발명의 바람직한 실시예가 첨부 도면에서 도시되고 위의 구체적인 내용에서 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예로 한정되지 않으며 후술하는 특허청구범위에서 제시된 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 다수의 수정이 가능하다는 것을 이해할 것이다.
[참조 부호 목록]
1: 다이
3: 제1 레이저 다이오드
5: 제2 레이저 다이오드
6: 레이저 다이오드(3, 5)의 하부 브래그 반사층 스택
7: 레이저 다이오드(3, 5)의 상부 브래그 반사층 스택
9: 레이저 다이오드(3, 5)의 양자 우물
11: 레이저 다이오드(3, 5)의 전류 개구
12: 레이저 다이오드(3, 5)의 링 접점
13: 레이저 다이오드(3, 5)의 공통 음극 단말 접점
15: 레이저 다이오드(5)의 상부 브래그 반사층 스택(7) 상의 표면 식각부
20: 피드백 루프 제어 회로
21: 연산 증폭기(27)의 출력(21)
22: 접지
23, 24, 29: 저항기
25, 26: 태핑점
27: 연산 증폭기
28: 전위차계
31: 레이저 다이오드(3)의 양극 단말 접점
51: 레이저 다이오드(5)의 양극 단말 접점

Claims (15)

  1. 레이저 소자로서,
    다이(1)와 상기 다이(1) 상의 제1 레이저 다이오드(3) 및 제2 레이저 다이오드(5)를 포함하며,
    상기 제2 레이저 다이오드(5)는 상기 제1 레이저 다이오드(3)의 광축에 대해 측방으로 오프셋되어 배치되고, 상기 제1 및 제2 레이저 다이오드(3, 5)에 서로 다른 전압이 인가해질 수 있도록, 상기 제1 및 제2 레이저 다이오드(3, 5)의 각각은 공급 전압을 인가하기 위한 적어도 하나의 전기 연결 단자(31, 51)를 구비하며,
    상기 제1 레이저 다이오드(3)는 주어진 극성으로 배치되는 경우 충분한 전압이 인가되면 레이저 광을 방출할 수 있으며,
    상기 제2 레이저 다이오드(5)는, 상기 제2 레이저 다이오드(5)가 상기 충분한 전압에 대하여 상기 극성으로 배치되는 경우 상기 제2 레이저 다이오드(5)에서 상기 충분한 전압을 받더라도 레이저 방출을 하지 않는 구조를 가지는, 레이저 소자.
  2. 제1항에 있어서, 레이저 전력을 안정화하는 제어 회로(20)를 더 포함하며, 상기 제어 회로(20)는 상기 제1 레이저 다이오드(3)에 걸친 전압을 입력 파라미터로서 사용하는, 레이저 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 레이저 다이오드(3, 5)에 연결된 제어 회로(20)를 더 포함하며, 상기 제어 회로(20)는 상기 제1 레이저 다이오드(3)에 걸친 전압 강하와 상기 제2 레이저 다이오드(5)에 걸친 전압 강하의 차이에 기초하여 레이저의 출력 전력을 안정화하는, 레이저 소자.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 제1 및 제2 레이저 다이오드(3, 5)의 동작 전압의 차이를 설정함으로써 상기 출력 전력을 설정하는 설정 수단을 더 포함하는, 레이저 소자.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제어 회로(20)는 차동 증폭기가 있는 피드백 루프를 포함함으로써, 2 개의 전류 경로를 따른 전압 강하가 태핑 및 공급되고, 각각의 상기 전류 경로에서 레이저 다이오드(3, 5) 중의 하나가 연결되며, 전압 분배기(voltage divider)가 상기 경로 중의 하나를 따라 전압 강하의 미리 정해진 비율을 분배(divide)하고 분배된 전압이 상기 차동 증폭기에 공급되는 레이저 소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 레이저 다이오드(3, 5)는 상기 다이(1) 상에 측방으로 오프셋되어 배치된 수직 표면 방출 레이저 다이오드 메사 구조인 레이저 소자.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 레이저 다이오드(3, 5)는 상기 다이(1)의 배면에 공통 단자(13)를 공유하고 상기 다이(1)의 정면에 개별적인 단자 접점(31, 51)을 구비하는, 레이저 소자.
  8. 제6항에 있어서, 상기 메사 구조는 공통의 하부 브래그 반사층 스택(6)을 공유하는 레이저 소자.
  9. 제1항 내지 제6항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 방출을 하지 않는 상기 구조는 상기 제2 레이저 다이오드(5)의 반사 요소에서 반사된 광의 동위상파면을 교란시키는 것에 의해 작동하는, 레이저 소자.
  10. 제1항에 있어서, 상기 구조는 상부 브래그 반사층 스택(7)의 계면에 상쇄 간섭을 도입하는, 레이저 소자.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 레이저 다이오드는 수직 표면 방출 레이저 다이오드이며, 레이저 방출을 하지 않는 상기 구조는 상기 제2 레이저 다이오드(5) 상부의 표면 식각부(15)인 레이저 소자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 레이저 다이오드(3, 5)는 동일한 설계를 가지며, 상기 제2 레이저 다이오드(5)가 레이저 방출을 하지 않는 상기 구조를 포함한다는 점이 상이한, 레이저 소자.
  13. 제1항에 있어서, 상기 레이저 다이오드(3, 5)의 중심 사이의 측방향 거리는 500 마이크로미터 미만인 레이저 소자.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제1 레이저 다이오드와 상기 제2 레이저 다이오드 사이의 전압 차이를 검출하는 수단, 및 상기 전압 차이로부터 상기 레이저 다이오드(3, 5)의 레이저 출력 전력을 결정하는 수단을 더 포함하는 레이저 소자.
  15. 삭제
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