KR19990069008A - 광양자테 레이저를 이용한 각도 및 고도 측정 장치 - Google Patents

광양자테 레이저를 이용한 각도 및 고도 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시각도에 따라 각각 다른 파장의 빛을 발진하는 광양자테(photonic quantum ring) 레이저를 이용한 각도 및 고도 측정장치에 관한 것으로서, 상부반사판과 하부반사판 사이에 판상구조로 형성되어 그 테두리 부근에서 판상면의 수직선에 대한 시각도(θ)에 따라 각각 다른 파장의 빛을 발진시키는 광양자테(photonic quantum ring) 레이저와, 상기 광양자테 레이저에서 발진된 빛을 굴절 및 반사시키는 반사표적과, 상기 반사표적에서 굴절 및 반사된 빛을 모아 그 파장 특성을 검출하는 광 스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer)를 포함함으로써, 측정하고자 하는 각도 및 고도에 따라 각각 다른 파장을 검출하게 된다.

Description

광양자테 레이저를 이용한 각도 및 고도 측정 장치
본 발명은 광양자테(photonic quantum ring: PQR) 레이저를 이용한 각도 및 고도 측정 장치에 관한 것으로서, 광양자테 레이저가 시각도에 따라 다른 파장의 빛을 발진시키는 성질을 이용한 각도 및 고도 측정 장치에 관한 것이다.
일반적으로 표면 방출형 레이저 다이오드에는 다수개의 브랙 반사기들을 사용하여 수직 방향으로 레이저 공동(laser cavity)를 형성하는 수직 공동 표면 방출형 레이저 다이오드(vertical cavity surface emitting laser diode : VCSELD)와 레이저 다이오드의 표면에 원형 격자(circular grating)를 결합한 원형격자 표면방출형 레이저 다이오드(circular grating surface emitting laser diode : CGSELD) 등이 있다.
표면 방출형 레이저 다이오드는 기존의 에지 방출형 레이저 다이오드(edge emitting laser diode)와는 달리 원형 출력 빔을 얻을 수 있는 장점이 있어서, 광컴퓨터 및 광통신에 응용될 수 있다.
그러나, 표면 방출형 레이저 다이오드는 대개 수 mA이상에서 동작하여 일정한 전류를 인가할 때 일정한 파장만이 발진되는 반면, 전류를 변화시킴에 따라 발생하는 온도 변화에 비례하여 파장이 변화하는 특성을 갖는다. 또한 표면 방출형 레이저 다이오드는 표면에 수직인 각도로만 레이저가 발진되는 특성을 가지므로 각도 변화를 감지하기 곤란한 문제점이 있었다.
그러므로, 본 발명의 목적은 시각도에 따라 각각 다른 파장의 빛을 발진하는 광양자테 레이저를 이용한 각도 및 고도 측정 장치를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기위한 본 발명에 따른 광양자테 레이저를 이용한 각도 및 고도 측정 장치는: 상부반사판과 하부반사판 사이에 판상구조로 형성되어 그 테두리 부근에서 판상면의 수직선에 대한 시각도(θ)에 따라 각각 다른 파장의 빛을 발진시키는 광양자테(photonic quantum ring) 레이저와, 상기 광양자테 레이저에서 발진된 빛을 굴절 및 반사시키는 반사표적과, 상기 반사표적에서 굴절 및 반사된 빛을 모아 그 파장 특성을 검출하는 광 스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer)를 포함한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제작된 광양자테 레이저 소자의 단면도 및 부분 상세 단면도,
도2는 광양자테 레이저 시각도에 따른 파장의 변화를 도시한 출력 스펙트럼,
도3은 본 발명에 따른 광양자테 레이저를 이용한 각도 및 고도 측정 장치의 원리를 나타낸 개념도,
도 4a 및 도 4b는 지진으로 인해 변형되기 전후에 측정된 각도 및 고도를 이용한 지진 예측 시스템의 원리를 나타낸 개념도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : n 전극 12 : GaAs 기판
14 : GaAs 버퍼층
16 : 하부 반사층(n distributed Bragg reflector: n-DBR)
17 : 하부 AlGaAs 스페이스층 18 : 활성층
19 : 상부 AlGaAs 스페이스층 20 : 상부 반사층(p-DBR)
22 : p+ GaAs 캡(cap)층 24 : 폴리이미드
26 : p 전극
이하, 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 상세히 설명될 것이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 삼차원 수직공동 표면 방출형 레이저(3D vertical-cavity surface-emitting laser : 3D VCSEL)의 구조를 이용한 삼차원 위스퍼링 갤러리 광양자테(3D whispering Gallery photonic quantum laser : 3D WG PQR) 레이저의 단면도 및 부분 상세도가 도시된다.
3D WG PQR 레이저는 n-분산형 브랙 반사판(n distributed Bragg reflector : n-DBR)과 p-분산형 브랙 반사판(p-DBR) 사이에 4개의 양자 우물(quantum well)을 갖는 활성층(active layer)을 포함하는 에피택셜(epitaxial) 성장 단계와, 화학적 이온 빔 에칭(chemically assisted ion beam etching : CAIBE)에 의한 원형 메사 에칭 단계와, 폴리이미드(polyimide) 평탄화 단계; 및 n-전극 및 p-전극 증착 단계를 거쳐 형성된다.
도 1a 및 도 1b는 상기와 같이 형성된 3D WG PQR 레이저의 구조를 나타낸 것으로서, n+ GaAs 기판(12)위에 0.3μm 두께의 n+ GaAs 버퍼 층(14)이 있고, n+ GaAs 버퍼 층(14) 위에 41 겹의 Al0.3Ga0.7As층(16-L)과 40 겹의 Al0.9Ga0.1As 층(16-H)이 각각 λn/4의 두께로 교대로 성장되어 높은 반사율을 갖는 n-DBR층(16)이 있는 것으로 도시된다. 여기서, λn는 VCSEL 모드의 파장 λ 를 각 층의 구성물질인 Al0.3Ga0.7As와 Al0.9Ga0.1As의 굴절률 n으로 나눈 값이다. n-DBR층(16) 위에는 각각 850Å인 하부 및 상부 AlGaAs 스페이스층(17)(19) 사이에 활성층(18)이 형성되는 데, 이 활성층(18)은 상대적으로 낮은 에너지대역을 갖는 Al0.11Ga0.89As 층(18-L)과 상대적으로 높은 에너지 대역을 갖는 Al0.3Ga0.7As층(18-H)이 각각 80Å씩 4 겹으로 적층되어 낮은 에너지 대역인 Al0.11Ga0.89As 층에 양자우물이 형성되는 구조이다. 두 개의 AlGaAs 스페이스층(17)(19)과 활성층(18)의 전체 두께는 VCSEL모드의 한 파장λ에 대응되는 값으로, 상기 전체 두께는 각 층의 구성물질에 대한 굴절률 n을 고려하여 결정된다. 상부 AlGaAs 스페이스층(19) 위에는 30 겹의 Al0.3Ga0.7As층(20-L)과 Al0.9Ga0.1As 층(20-H)이 각각 λn/4의 두께로 교대로 성장되어 높은 반사율을 갖는 p-DBR층(20)이 형성되고, 이 p-DBR층(20) 상단에는 p+ GaAs 캡(cap)층(22)이 형성된다.
상기와 같은 구조의 에피를 성장시킨 다음에, CAIBE에 의한 원형 메사 에칭에 의해 직경(D) 48μm의 원형 메사가 형성되는 데, 원형메사의 직경은 필요에 따라 변화될 수 있으며, 원형 메사의 불안정한 적층구조를 안정시키기 위한 폴리이미드(24)가 원형 메사의 둘레를 따라 적층된다.
n 전극(10)은 n+ 기판(12) 아래면에 AuGe/Ni/Au을 증착하고, p전극(26)은 상기 p+ GaAs 캡층(22) 위에 200Å 두께의 Cr 금속막 및 2000Å 두께의 Au 금속막을 4극 분리형 또는 2극 분리형으로 증착시킨 후, 425℃에서 30 초간 급열처리(rapid thermal anealing) 공정을 수행하여 금속 전극과 반도체 사이를 옴접촉(ohmic contact)시킨다.
도 2를 참조하면, 10 mA의 전류를 주입시키는 경우에 3D WG PQR 레이저의 시각도 변화에 따른 출력 파장의 변화를 도시한 출력 스펙트럼으로서, 시각도가 0°인 VSCEL 모드의 파장이 795 nm이고, 75°에서 764 nm인데, 시각도가 증가할수록 발진되는 빛의 파장이 점차 감소하는 것을 알 수 있다. 직경(D)이 각각 24μm와 36μm인 소자에서도 거의 같은 시각도 의존특성이 나타나는 데, 이러한 시각도 의존의 청색편이라는 파장이동특성은 공진기 내에서 파동의 비수직(off-normal) 입사의 경우에 대한 Fabry-Perot 공진조건으로 설명될 수 있다. 이렇게 발진되는 빛의 파장은 전류의 증가에 따른 온도 변화에 비교적 일정하므로 이러한 PQR 레이저의 발진 특성을 사용하여 광학적 각도 측정 집적 스펙트럼(optical angle-sensing integrated spectrum : OASIS) 장치를 제안하는 것이다.
도 3을 참조하면, 3D PQR 레이저를 사용한 OASIS 장치의 개념도를 나타낸 것으로서, 먼저 각도를 측정하고자 하는 산과 같은 구조물(100)에 역반사 거울 표적(110)을 설치한 후, 상기 표적(110)을 향해 PQR 레이저(200)를 발진시켜 각도에 따라 서로 다른 파장의 빛을 구조물(100)을 향해 주사시킨다. 주사된 빛 중에서 구조물(100)의 고도(θ)에 따라 특정한 빛의 파장(예를 들어 λ4)만이 표적(110)에서 반사되어 지상에 설치된 광스펙트럼 분석기(300)(optical spectrum analyzer)에 입사되므로, 입사된 빛에서 특정 파장을 검출하여 구조물(100)의 고도(θ)를 측정할 수 있는 것이다. 표적(110)과의 거리가 증가하는 경우 감지 기능의 한계와 상관하여 PQR 레이저(300)가 충분한 출력을 갖도록 하기 위해 PQR 레이저(200)의 크기를 키우거나 여러 개의 PQR 레이저를 일정한 패턴으로 배열한 PQR 레이저 어레이를 형성하여 레이저를 발진시킬 수 있다. 단일 모드로 발진시키는 경우 각 모드의 파장준위폭(linewidth)이 좁아지므로 각도측정에 대한 정확도가 향상될 것이다. 또한, PQR 레이저를 90°회전시켜 발진시키면, 구조물의 각도(φ)를 측정할 수도 있다.
도 4a 및 도 4b는 PQR 레이저를 이용한 지진 예측 시스템을 도시한 것으로서, 먼저 강이 있는 산이나 계곡과 같은 구조물(100)의 특정 위치마다 반사표적 A와 B와 C와 D를 설치하고, 반사표적 A, B, C, D 간의 상대적인 거리와 고도(θ)와 각도(φ)를 주기적으로 측정한다. 일정 시간이 흐른 후에 활성 단층의 경계 부근에서 지각 변형이 생기는 경우, 도 4b에 도시된 바와 같이 표적 간의 상대적인 거리와 고도와 각도가 변화하게 된다. 이러한 변화된 데이타를 바탕으로 지진의 예측이 가능하게 된다.
이러한 각도 및 고도 측정장치는 활주로상의 어러 지점에 PQR 레이저를 설치하고, OASIS 장치를 항공기에 탑재하면 항공기 자체 유도도 가능하게 된다. 또한, 각도 감지 및 추적 기능을 활용하여서, 창고 자동화 기술에서 물체 이동의 추적이 가능하므로 물류자동화 기술을 창출할 수도 있다. 동일한 기술을 건축 및 토목공 현장에서 측량에 활용하는 것도 가능하다.
본 발명이 특정한 실시예에 대하여 설명되었지만, 당업자라면 여러 가지 변경 및 변형이 다음의 첨구범위에 정의된 바로서 본 발명의 정신 및 범주를 벗어나지 않고 행해질 수 있음을 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면 3D PQR 레이저에서 각도에 따라 다른 파장을 발진되는 성질을 이용하여 일정한 구조물의 각도 및 고도 측정이 가능하게 된다.

Claims (5)

  1. 광양자테 레이저를 이용한 각도 및 고도 측정장치에 있어서,
    상부반사판과 하부반사판 사이에 판상구조로 형성되어 그 테두리 부근에서 판상면의 수직선에 대한 시각도(θ)에 따라 각각 다른 파장의 빛을 발진시키는 광양자테(photonic quantum ring) 레이저;
    상기 광양자테 레이저에서 발진된 빛을 굴절 및 반사시키는 반사표적;
    상기 반사표적에서 굴절 및 반사된 빛을 모아 그 파장 특성을 검출하는 광 스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer)를 포함하는 것을 특징으로하는 광양자테 레이저를 이용한 각도 및 고도 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 광양자테 레이저는:
    기판;
    기판 위에 판상구조로 형성되어 상부에서 전달된 빛을 다시 상부로 반사시키는 하부 반사판;
    상기 하부 반사판 위에 판상구조로 형성되어 외부에서 주입된 전자와 정공이 결합하여 판상면의 수직선에 대하여 임의의 시각도로 빛을 발생시키는 활성층;
    상기 활성층 위에 판상구조로 형성되어 하부에서 전달된 빛을 다시 하부로 반사시키는 상부 반사판;
    하나 이상의 전극으로 구성되어 상기 활성층에 상하부에서 전자와 정공을 공급하는 접속층을 포함하여, 상기 활성층에 주입된 전자와 정공이 결합하여 판상면의 수직선에 대하여 임의의 시각도로 빛을 발진시키는 것을 특징으로 하는 광양자테 레이저를 이용한 각도 및 고도 측정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 활성층은 1개 이상의 양자우물(quantum well) 구조를 갖는 판상 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 광양자테 레이저를 이용한 각도 및 고도 측정 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 활성층이 더블 헤테로접합(double heterojunction) 구조를 갖는 판상구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 광양자테 레이저를 이용한 각도 및 고도 측정 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 반사판이 유전체 또는 금속막으로 이루어진 구조를 갖는 판상 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 광양자테 레이저를 이용한 각도 및 고도 측정 장치.
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