KR20100023408A

KR20100023408A - 외부 공진기를 이용한 반도체 레이저

Info

Publication number: KR20100023408A
Application number: KR1020080082149A
Authority: KR
Inventors: 김정수
Original assignee: 김정수
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2010-03-04

Abstract

본 발명은 레이저 다이오드 칩의 후면에 경사거울을 설치하고 이 경사거울의 상부에 렌즈와 파장선택 필터를 설치하여 레이저 칩의 후면에서 방출되는 빛이 경사거울에서 반사되어 상부의 렌즈 및 필터로 전송된 후 필터에서 선택된 특정 파장이 다시 렌즈 및 경사거울을 거쳐 레이저 다이오드 칩으로 피드백될 수 있도록 하는 외부 공진기를 이용한 반도체 레이저에 관한 것이다.

본 발명에 따른 외부 공진기를 이용한 반도체 레이저는 레이저 다이오드 칩의 일측에서 방출되는 레이저 빛을 평행광으로 만들어주는 렌즈와 상기 렌즈를 통하여 입사되는 레이저 빛의 일부를 반사하여 레이저 다이오드 칩으로 피드백시키는 파장 선택성 필터가 구비된 외부 공진기형 반도체 레이저에 있어서, 상기 레이저 다이오드 칩(100)의 일측 단면에서 수평으로 방출되는 레이저 빛을 상부로 반사하여 상부에 설치된 렌즈(210) 및 파장 선택성 필터(410)에 입사시키는 경사거울(500)이 레이저 다이오드 칩(100)의 일측에 설치되는 것을 특징으로 한다.

공진기, 반도체 레이저, 레이저 다이오드 칩, 파장 선택성 필터, 경사거울

Description

외부 공진기를 이용한 반도체 레이저 {Semiconductor laser with external cavity}

본 발명은 외부 공진기(external cavity)를 이용한 반도체 레이저에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저 다이오드 칩의 후면에 경사거울을 설치하고 이 경사거울의 상부에 렌즈와 파장선택 필터를 설치하여 레이저 칩의 후면에서 방출되는 빛이 경사거울에서 반사되어 상부의 렌즈 및 필터로 전송된 후 필터에서 선택된 특정 파장이 다시 렌즈 및 경사거울을 거쳐 레이저 다이오드 칩으로 피드백될 수 있도록 하는 외부 공진기를 이용한 반도체 레이저에 관한 것이다.

현재 대량의 정보를 수송하는 방법으로써 광통신이 널리 사용되고 있다. 광통신은 국가간의 정보통신뿐만 아니라, FTTH(Fiber To The Home), FTTP(Fiber To The Pole) 등의 방식으로 가정에 집적 광 중계를 통한 대용량의 정보가 소통되는 상황에 이르고 있다. 이러한 대량 정보 유통을 위한 광통신은, 광통신에 사용되는 빛을 만드는 소자인 발광소자와, 광신호를 전달하는 매체로인 광섬유와, 전달된 광 신호를 전기신호로 바꾸어 주는 수광소자를 필수적으로 필요로 하게 된다. 이 중 광통신에 이용되는 빛을 만드는 발광소자로 반도체 소자 제조 기법을 사용하는 레이저 다이오드가 사용된다. 이 레이저 다이오드는 전기 신호를 빛(광) 신호로 바꾸어주는 소자이다.

반도체 레이저 다이오드에는 전기를 빛으로 만들어주는 이득 매질에 빛의 방향성을 결정하여 주는 광도파로가 설정되고, 빛을 피드백(Feedback) 시킬 수 있는 반사거울이 조합된다. 가장 간단한 반도체 레이저 다이오드는 Fabry-Perot 형의 레이저 다이오드로써, 이득 매질의 양 끝단이 반사거울로 작용하는 구조가 된다. 빛이 반사하여 공진되는 부분을 공진기라 하며 통상의 반도체 레이저 다이오드 칩은 반도체 레이저 다이오드 칩의 양 단면 사이에서 빛이 공진하므로 이 양단면이 공진기를 형성하게 된다. 이러한 Fabry-Perot 형 레이저 다이오드에서 레이저 발진하는 빛의 파장은 레이저 다이오드 칩의 양 끝단을 빛이 왕복할 때 빛의 위상이 2π(360°)의 정수배로 바뀌는 조건인 Bragg law를 만족하는 빛 중에서 레이저 다이오드의 이득 분포내에 있는 파장들로 구성된다. 통상적으로 반도체 레이저 다이오드 칩의 길이가 300um 정도일 때 Bragg law에 의한 허용 파장들의 간격은 대략 0.8nm에 해당한다. 그러므로 1550nm 대역의 광통신용 레이저 다이오드를 기준으로 할 때 Fabry-Perot 발진 모드는 파장 간격이 0.8nm인 수많은 모드들이 허용된다. 이러한 허용 모드들에서 반도체 이득 매질의 이득 특성과 일치하는 파장의 빛들이 실질적으로 Fabry-Perot형의 발진 모드로 발진하게 된다. 통상적으로 반도체 레이저 다이오드 칩의 운용 온도 변화에 따라 반도체의 이득 특성의 파장 분포가 바뀜으로써 이득 분포의 파장 대역이 반도체 레이저 다이오드의 운용온도에 따라 바뀌게 되고, Bragg law는 0.8nm 간격으로 연속적으로 허용되고 있으므로 반도체 레이저 다이오드 운용 온도의 변화에 따라 발진 이득 분포 파장이 바뀌며, 이에 따라 발진 파장 분포가 바뀌게 된다. 통상적으로 Fabry-Perot형 레이저 다이오드에서 레이저 다이오드 칩의 온도가 1℃ 바뀜에 따라 발진 파장은 0.3nm 정도 바뀌게 된다. 통신용의 경우에 있어 레이저 다이오드 칩의 운용온도는 -40℃∼85℃까지 요구되므로 최대 125℃의 온도 변화가 있을 수 있고 이에 따른 발진 파장 변화는 37.5nm에 달하게 된다. 이러한 파장 변화는 매우 큰 파장 변화로 이를 줄이기 위한 여러 가지 방법들이 고려되었다.

온도에 따른 파장 변화를 줄이기 위한 방법 중의 하나로 반도체 레이저 다이오드의 이득 매질 안에 굴절률이 매우 짧은 거리(예를 들면 대략 250nm 주기)에서 변화하는 격자를 삽입하는 방법이 사용되었다. 이러한 반도체 레이저 다이오드 중 한 예를 분포 궤환형 레이저 다이오드(distributed feedback laser diode: DFB-LD)라고 부른다. 이 DFB-LD에서 허용되는 파장 모드는 격자 주기에 해당하는 Bragg law를 만족하여야 하는데 격자 주기가 매우 짧으므로 격자 주기에 대한 Bragg law를 만족하는 파장의 간격은 1500nm로 매우 커져 실질적으로 하나의 모드만이 허용되게 된다. 그러므로 DFB-LD의 이득 분포가 온도에 의해서 변화하더라도 허용된 모드는 온도에 의해 변화하지 않으므로 동일 파장을 유지하게 된다. 전술한 DFB-LD의 허용모드가 온도에 의해 변화하지 않는다는 기술은 어느 정도만 정확한 설명이다. 격자 분포에서 Bragg law를 만족하기 위해서는 온도의 변화에 따른 매질의 굴절률 변화와 온도의 변화에 따른 열 팽창 또는 수축에 따른 격자 주기 변화가 DFB-LD에서의 허용 모드의 온도 변화를 결정한다. 이 중에 열 팽창 및 수축에 의한 허용 모드 파장 변화는 대략 10pm/℃(picometer/℃)로써 120℃의 온도 변화에 대해 1.2nm의 파장 변화만을 허용한다. 그러나 DFB-LD를 온도 변화에 따라 무관하게 같은 출력으로 동작시키게 하기 위해서는 운용 온도 변화에 따른 이득 특성의 변화를 상쇄하기 위해 반도체 레이저 다이오드로 주입되는 전류의 양을 변화시켜야 하는데, 반도체 레이저로 주입되는 전류양에 따라 반도체 매질의 굴절률이 변화하게 되고 이에 따라 격자의 유효 간격이 변화되게 되는 특성이 나타나게 된다. 통상의 DFB-LD에서 이러한 요인들이 모두 고려된 파장 변화는 80pm/℃가 된다. 이런 정도는 격자 크기의 열팽창에 의한 효과에 비해 8배 정도 큰 효과이다.

상기 DFB-LD에서 운용 온도에 따른 파장 변화의 대부분이 굴절률 변화에 의한 것이므로 공진기를 외부에 설정하여 허용 파장은 반도체 레이저 다이오드 칩의 외부에서 결정하고 반도체 레이저 다이오드는 단지 이득 매질로 활용하고자 하는 방법들이 시도되었다.

이러한 방법이 외부 공진기형 레이저(external cavity laser :ECL)로 불리는 반도체 레이저인데, 도 1은 통상의 광섬유 브라그 그레이팅(Fiber Bragg Grating :FBG)을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저의 개념도이다.

도 1에서 반도체 레이저 다이오드 칩(10)의 FBG 광섬유(30) 쪽을 향한 전면(11)은 무반사 코팅이 되어 있는데 이는 Fabry-Perot 모드를 억제하기 위한 것이다. 반도체 레이저 다이오드 칩(10)의 FBG 광섬유(30) 반대쪽의 후면(12)은 통상적 으로 고반사 코팅이 되어 있다. 레이저 다이오드 칩(10)에서 출력된 방출 광은 렌즈(20)를 통하여 FBG 광섬유(30)로 입사한다. FBG 광섬유(30)에 내장된 grating은 grating과 Bragg 조건을 만족하는 빛들을 선택한 후 이중 절반을 반도체 레이저 칩(10)으로 피드백시키고 나머지 절반을 광섬유(30)를 따라 외부로 전송하게 된다. FBG(31)와 레이저 다이오드 칩(10)의 후면 반사면 사이에서 빛이 공진하게 되어 외부 공진기 레이저가 작동하게 된다. FBG(31)에서 반도체 레이저 다이오드 칩(10)으로 피드백되는 빛은 반도체 레이저 다이오드 칩(10)의 발진 파장을 결정하게 되어 종국에는 FBG(31)의 Bragg 조건을 만족하는 빛만 레이저 다이오드 칩(10)에서 발진하게 되며 이 빛이 FBG(31)를 거쳐 외부로 방출되게 되어 통신의 기능을 이루게 된다. 이러한 외부 공진기형 레이저에서 레이저는 반도체 레이저 다이오드 칩(10)과 렌즈(20), FBG(31)를 포함하는 시스템이 된다. 이러한 레이저에서 외부 온도 변화는 반도체 레이저 다이오드 칩(10)의 굴절률을 변화시키지만 레이저 빛의 파장이 FBG(31)에 의해 선택되므로 반도체 레이저 다이오드 칩(10)의 굴절률 변화가 레이저의 파장을 변화시키지 못하고 레이저의 파장은 FBG(31)의 열팽창/수축에 따른 파장 변화만 일어나게 되며, 이는 전술한 바와 같이 10pm/℃에 해당하는 매우 작은 양으로 ECL의 온도 변화는 DFB-LD에 비해서도 매우 작다. 그러나 이와 같은 FBG는 광섬유의 grating 영역의 길이가 통상적으로 10mm 이상으로 매우 길어 직경이 5.6mm이고 높이가 2∼3mm 이내인 TO형과 같은 초소형 패키지에 실장되지 못하는 불편이 있다. 그러므로 FBG를 이용한 외부 공진기형 단일 모드 레이저는 하나의 독립된 부품으로 구현되기 어려워 사용에 불편이 있어왔다.

외부 공진기형 레이저를 제작하는 방법으로 FBG 대신에 에탈론 필터(etalon filter)를 사용하는 방법이 제시되었다. 통상적으로 edge emitting 형의 반도체 레이저 다이오드 칩은 도 1에서 보이는 바와 같이 칩(10)의 전면(11)과 후면(12)의 두 면에서 레이저 빛이 방출되는데, 레이저를 사용하는 목적에 맞는 방향의 레이저 방출면을 전면으로 부르고 레이저 빛을 사용하지 않는 방향을 레이저 칩의 후면이라 부른다.

도 2는 종래 제시된 에탈론 필터를 이용하여 외부 공진기형 레이저를 제작하는 개념도이다. 도 2의 제작 방법에서는 레이저 다이오드 칩(10)의 후면(12)을 무반사 코팅하고 레이저 다이오드 칩(10)의 후면(12) 쪽에 렌즈(20)를 구비 한 후 렌즈(20)에 의해 평행광으로 변환된 빛을 에탈론 필터(40)에 수직 입사시키게 된다. 에탈론 필터(40)에 수직 입사된 빛은 에탈론 필터(40)의 양면에서 반사하게 되고 이들 양면에서 반사한 빛들이 간섭을 일으켜 보강 간섭을 일으키는 파장의 빛만 반사하게 된다. 에탈론 필터(40)에 빛이 수직 입사하므로 반사 빛도 수직으로 반사하게 되어 레이저 다이오드 칩(10)에서 필터(40)에 이르는 역경로로 빛이 레이저 다이오드 칩(10)으로 피드백되게 된다. 이때 피드백되는 빛의 파장은 에탈론 필터(40)에 의해 파장이 선택되므로 레이저 다이오드 칩(10)의 전면(11)과 에탈론 필터(40) 사이를 공진하는 빛은 에탈론 필터(40)에 의해 선택된 파장만이 공진하게 되고, 이 공진하는 빛이 레이저 다이오드 칩(10)에 의해 증폭되어 레이저 다이오드 칩(10)의 전면(11)으로 방출되게 된다. 그러나 이러한 구성에서는 레이저 다이오드 칩(10)과 렌즈(20) 그리고 에탈론 필터(40) 등이 모두 일직선으로 배치된다. 즉 레 이저 다이오드 칩(10)의 광축이 렌즈(20)의 광축을 수직으로 통과하고 다시 에탈론 필터(40)에 수직으로 입사할 경우에만 효과적으로 빛이 피드백될 수 있다.

도 3은 레이저 다이오드 칩에서 발산되는 빛의 광축이 렌즈의 광축과 일치하지 않고 이격되어 있을 때 레이저 빛의 진행 경로를 나타낸 것이다.

도 3에서 에탈론 필터(40)는 레이저 다이오드 칩(10)에서 발산되는 빛에 수직으로 정렬되어 있다. 레이저 다이오드 칩(10)에서 발산된 레이저 빛의 광축이 렌즈(20)의 광축과 일치하지 않고 이격되어 있을 때 렌즈(20)를 통과하는 레이저 빛은 레이저 다이오드 칩(10)에서 발산된 빛의 광축에 대해 일정한 각도를 가지고 굴절하게 되고 이로 인해 에탈론 필터(40)로 입사하는 빛이 수직 입사를 하지 못한다. 그러므로 에탈론 필터(40)에 의해 반사되는 빛은 에탈론 필터(40)로 입사하는 빛과 경로를 달리하여 반사되게 되고, 이로 인해 에탈론 필터(40)에 의해 반사된 빛이 레이저 다이오드 칩(10)으로 돌아가지 못하는 일이 발생하게 된다. 렌즈(20)의 광축이 레이저 다이오드 칩(10)의 광축과 일치하기 위해서는 x-z 평면의 2차원 평면에서 렌즈(20)가 정렬되어야 함을 의미한다. 이때 z축 정렬을 위해서는 렌즈(20)를 공중에 띄운 형태로 정렬해야 하며 이에 따라 렌즈(20)의 정렬과 고정의 전 과정을 통하여 렌즈(20)를 고정시키고 있어야 하는 특별한 수단이 강구되어야 한다.

도 4는 레이저 다이오드 칩에서 발산된 빛의 광축과 렌즈의 광축이 일치하고 에탈론 필터가 경사지게 배치될 경우의 광 경로를 나타낸 것이다.

도 4에서도 에탈론 필터(40)에 의해 반사되는 빛이 레이저 다이오드 칩(10) 으로 피드백되지 못하는 것은 자명하다. 에탈론 필터(40)는 도면에 도시된 x축, y축, z축을 기준으로 어떤 축 방향에 대해서도 레이저 다이오드 칩(10)의 광축에 대해 회전하면 되지 않는다.

따라서, 상기 도 3과 도 4의 과정을 통해 에탈론 필터(40) 등을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저의 경우에 레이저 다이오드 칩(10)의 광축을 기준으로 렌즈(20) 및 에탈론 필터(40)를 동시에 정밀 정렬하여야 한다. 또한, 상기 정렬과정에서 최소한 렌즈(20)를 공중에 띄운 상태로 정밀 정렬하여야 하므로 장비 및 정렬 공정에 많은 제한이 따르는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 레이저 다이오드 칩에서 수평으로 방출되는 빛을 45°내외의 경사 거울면을 이용하여 수직 방향으로 꺾어 준 다음 렌즈와 파장 선택성 반사 필터를 사용하여 파장을 선택할 수 있도록 하되, 렌즈 및 파장 선택성 필터를 한번에 정렬하고 또한 렌즈 및 파장 선택성 필터를 정렬하고 고정하는 과정을 x-y 수평면 상에서 바닥에 접촉한 상태로 이루어지게 하여 조립 공정을 단순화할 수 있도록 하는 외부 공진기를 이용한 반도체 레이저를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 레이저 다이오드 칩의 후면을 무반사 코팅하여 레이저 다이오드 칩 자체에서의 레이저 발진을 억제한 상태에서 레이저 다이오드 칩의 후면에 경사거울을 사용하여 레이저 다이오드 칩의 후면에서 방출되는 빛을 레이저 다이오드 칩의 상부로 꺾어 올린 후, 발산하는 특성을 가지는 빛을 렌즈를 이용하여 평행광으로 시준한 후 렌즈위에 특정한 파장만 선택하여 반사시키는 파장 선택 방법을 구비하여 선택된 특정한 파장을 다시 렌즈 및 경사거울을 거쳐 레이저 다이오드 칩으로 피드백시키는 방법을 제안한다.

또한, 이런 방법을 채택함으로써 렌즈와 반사 필터의 정렬을 렌즈 및 반사 필터가 일체화되어 있는 렌즈-필터 블록을 이용하여 한 번의 정렬로 정렬과정이 끝 나게 되며, 렌즈-필터 블록이 서브마운트에 올려져 있는 상태로 수평면상에서 정렬되게 되어 렌즈를 정렬하고 고정시키는 전 과정에 있어서 렌즈-필터 블록을 붙잡아 주지 않아도 되어 조립 장비 및 공정에 자유도를 높인 제작 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 외부 공진기를 이용한 반도체 레이저는 레이저 다이오드 칩의 후면을 무반사 코팅을 하고 레이저 다이오드 칩의 후면에 경사거울을 배치하고 경사거울 상부에 렌즈와 파장 선택성 필터를 부착함으로써 매우 좁은 공간내에서 외부 공진기형 레이저를 제작할 수 있으며, 렌즈와 필터를 부착하고 광 정렬을 할 경우 평면상에서 광 정렬이 이루어지므로 조립이 매우 간단해지는 효과가 있다.

이하에서는 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 외부 공진기를 이용한 반도체 레이저의 설치 개념도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 레이저에서는 레이저 다이오드 칩(100)의 후면(102)을 무반사 코팅하여 레이저 다이오드 칩(100) 자체에서의 레이저 발진을 억제한 상태에서, 레이저 다이오드 칩(100)의 후면(102)에 경사거 울(500)을 사용하여 레이저 다이오드 칩(100)의 후면(102)에서 방출되는 빛을 레이저 다이오드 칩(100)의 상부로 꺾어 올린 후, 발산하는 특성을 갖는 빛을 렌즈(210)를 이용하여 평행광으로 시준한 후, 렌즈(210) 위에 특정한 파장만 선택하여 반사시키는 파장 선택성 필터(410)를 구비하여 선택된 특정한 파장을 다시 렌즈(210) 및 경사거울(500)을 거쳐 레이저 다이오드 칩(100)으로 피드백시키게 된다. 본 발명의 실시예에서 상기 경사거울(500)은 레이저 빛을 반사하는 45°의 경사각이 형성되는데, 이 경사거울(500)의 경사각은 45°를 기준으로 약 5°내외의 오차가 발생할 수 있다.

본 발명의 실시예에서 상기 렌즈(210)와 파장 선택성 필터(410)는 렌즈(210) 및 파장 선택성 필터(410)가 일체로 이루어지는 렌즈-필터 블록으로 구성되는데, 이 렌즈-필터 블록을 통하여 렌즈(210) 및 파장 선택성 필터(410)의 정렬이 한 번의 과정으로 끝나게 되며, 이 렌즈-필터 블록이 서브마운트에 올려져 있는 상태로 수평면상에서 정렬되게 되어 렌즈(210)를 정렬하고 고정시키는 전 과정에 있어서 렌즈-필터 블록을 별도로 지지하지 않아도 되므로 조립 장비 및 공정에 자유도를 높인 제작 방법을 제공할 수 있게 된다.

도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 블록의 사시도이고, 도 6b는 정면도이며, 도 6c는 측면도를 나타낸 것이다.

도 6a 내지 도 6c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 블록(200)은 렌즈(210)의 마주 보는 양 측면에 스탠드(Stand) 형태로 돌출된 지지 대(220)가 구비되어 렌즈 블록(200)이 자립할 수 있도록 하며, 지지대(220) 사이의 렌즈(210) 하부에 빈 공간이 형성되어 이 빈 공간에 레이저 다이오드 칩(100) 및 경사거울(500)이 배치될 수 되도록 한다.

이때 렌즈 블록(200)의 지지대(220) 높이는 렌즈(210)의 초점 거리와 레이저 다이오드 칩(100)의 두께 등을 고려하여 레이저 다이오드 칩(100)의 후면(102)에서 경사거울(500)을 거쳐 렌즈(210)에 이르는 경로의 길이가 렌즈(210)의 초점 거리에 해당하도록 미리 설정되어 제작된다. 이때 렌즈(210)의 곡률은 구면 또는 비구면 렌즈로 설정될 수 있다.

상기 렌즈 블록(200)은 유리를 기계적으로 가공하여 제작될 수 있으며, 또한 몰딩(Molding)의 방법으로 제작될 수 있다. 상기 렌즈(210)의 표면은 고려되는 파장의 빛에 대해 무반사 코팅되는 것이 바람직하다.

도 7은 상기 도 6의 렌즈 블록 상부에 파장 선택성 필터가 부착되는 과정을 나타낸 개념도이다. 또한, 도 8a는 상기 도 7의 과정으로 결합된 렌즈-필터 블록의 사시도이고, 도 8b는 정면도이며, 도 8c는 측면도를 나타낸 것이다.

도 7 내지 도 8c에 도시된 바와 같이, 렌즈 블록(200)의 지지대(220) 상부에 평판형의 파장 선택성 필터(410)를 부착하여 일체로 조립하게 되는데, 렌즈 블록(200)과 파장 선택성 필터(410)는 수평면상에서 에폭시 등의 접착제를 이용하여 손쉽게 조립될 수 있다. 본 발명에서 상기와 같이 렌즈 블록(200)과 파장 선택성 필터(410)가 일체형으로 조립된 블록을 렌즈-필터 블록(400)으로 부르기로 한다. 상기 렌즈-필터 블록(400)의 렌즈(210) 하부에는 경사거울(500) 및 레이저 다이오드 칩(100)이 배치될 수 있는 공간이 형성된다.

도 9는 상기 렌즈-필터 블록의 렌즈 하부에 레이저 다이오드 칩과 경사거울이 조립되는 과정을 나타낸 개념도이고, 도 10은 레이저 다이오드 칩과 경사거울이 배치되어 있는 서브마운트 위에 렌즈-필터 블록이 정렬된 상태를 나타낸 개념도이다.

도 9와 도 10에 도시된 바와 같이, 경사거울(500)과 레이저 다이오드 칩(100)이 상부에 부착된 평판형의 서브마운트(150) 상부에 렌즈-필터 블록(400)을 덮어 씌우는 것으로 외부 공진기형 반도체 레이저가 조립되는데, 상기 렌즈-필터 블록(400)은 레이저 다이오드 칩(100)과 경사거울(500)이 상부에 배치된 서브마운트(150) 위에서 정렬하기 위해 x-y 평면에서 위치 이동을 하여 광축 정렬을 하게 된다. 이때 렌즈-필터 블록(400)은 상기 서브마운트(150) 상부에 접촉된 상태로 정렬되므로 정렬 도중에 렌즈-필터 블록(400)을 별도로 지지하고 있지 않아도 위치가 변경되지 않으므로 조립이 용이해진다.

본 발명의 실시예에서는 레이저 다이오드 칩(100)과 경사거울(500)이 서브마운트(150) 위에 부착되어 있는 경우를 예로 들었지만, 상기 서브마운트(150)는 레이저 다이오드 칩(100)과 경사거울(500), 그리고 렌즈-필터 블록(400)이 상부에 부착될 수 있도록 상부가 평면인 다른 구조물로 변경이 가능함으로 당연하다.

도 11은 상기 도 10의 과정으로 정렬된 레이저 다이오드 칩, 경사거울 및 렌즈-필터 블록에서 빛의 진행 경로를 나타낸 개념도로서, 도 11에서는 설명의 편의를 위해 빛의 광축 성분만 표시하였다.

상기 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산된 수평 방향의 레이저 빛은 경사거울(500)을 통하여 상부로 반사되어 렌즈(210)를 투과한 후 파장 선택성 필터(410)로 입사되고, 파장 선택성 필터(410)에서 선택되는 파장의 레이저 빛은 반사되어 렌즈(210)를 투과한 후 경사거울(500)을 통하여 반사되어 레이더 다이오드 칩(100)으로 피드백되게 된다.

한편, 렌즈(210)와 파장 선택성 필터(410)의 제작시에 미세한 제작 오차가 발생할 수 있고, 렌즈(210)와 파장 선택성 필터(410)를 부착할 때에도 부착 각도에 미세한 차이가 발생할 수 있다.

도 12는 렌즈 블록과 파장 선택성 필터를 부착할 때 경사지게 부착된 파장 선택성 필터의 일례를 과장되게 나타낸 개념도이다.

도 12에 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 빛의 광축이 렌즈(210)의 광축을 중심으로 이격되어 있을 때, 렌즈(210)를 투과하는 빛의 광축은 렌즈(210)의 광축에 대해 경사각을 가지게 된다. 이때 렌즈(210)를 투과하는 광축의 방향과 각도는 렌즈(210)에 도착하는 광축의 위치에 의해 결정된다. 즉 렌즈-필터 블록(400)을 x-y 평면에서 위치를 조절함으로써 렌즈(210)에 도착하는 광축의 위치를 조절할 수 있고 이에 따라 렌즈(210)를 투과하는 광축과 렌즈 광축 사이의 경사각 및 방향을 조절할 수 있게 된다. 따라서, 경사각과 방향성이 조절된 투과 광축이 파장 선택성 필터(410)의 광축과 일치하도록 렌즈-필터 블록(400)을 x-y 평면상에서 정렬하면 렌즈(210)를 투과한 광축이 파장 선택성 필터(410)에 수직으로 입사하여 파장 선택성 필터(410)에서 반사된 빛이 파장 선택성 필터(410)로 입사하는 빛의 경로와 동일한 경로로 레이저 다이오드 칩(100)으로 피드백되어 효과적인 외부 공진기형 반도체 레이저를 구성할 수 있게 된다.

도 13a와 13b는 본 발명의 실시예에 따라 경사거울이 평판형으로 제작된 일례를 나타낸 것이다.

상기 경사거울(500)을 앞면과 뒷면이 평행한 평판형으로 제작하고, 이 평판형 경사거울(500)의 레이저 다이오드 칩(100) 쪽 전면 경사면을 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산된 레이저 빛의 일부를 투과하고 일부를 반사하는 형태로 제작하면 경사거울(500)을 투과하는 일부 빛은 경사거울(500)의 후면 경사면을 탈출하게 된다. 이때, 상기 경사거울(500)의 후면 경사면 방향에 감시용 포토 다이오드 칩(600)을 설치하면 이 감시용 포토 다이오드 칩(600)에 입사되는 레이저 빛을 통하여 레이저 다이오드 칩(100)의 동작 상태를 감시할 수 있게 된다.

상기 레이저 다이오드 칩(100)에서 직접 발산되는 빛이 경사거울(500)을 투과할 경우 경사거울(500)을 투과하는 빛은 경사거울(500) 이후에 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산될 때와 같은 광축 방향인 수평 방향을 갖는다. 그러나 파장 선택성 필터(410)에 의해 반사된 빛이 경사거울(500)을 투과할 경우에는 경사거울(500) 을 투과한 빛이 수직 방향의 진행 방향을 가진다. 이러한 경우에는 도 13b와 같이, 감시용 포토 다이오드 칩(600)을 평판형 경사거울(500)의 하부에 배치함으로써 레이저 다이오드 칩(100)의 동작 상태를 감시할 수 있도록 한다.

이러한 경사거울(500)은 프리즘을 사용할 수 있으며 표면에 금속 또는 유전체 박막으로 코팅이 되어 있는 평판형의 유리 또는 실리콘 기판을 사용하여 제작될 수 있다.

도 14와 도 15는 본 발명의 실시예에 따라 sawing의 방법으로 평판형 경사거울의 제작 과정을 나타낸 개념도이다.

먼저, 도 14에 도시된 바와 같이 회전형 톱날(ST)을 이용하여 평판(SP)에 90°각도의 홈을 준 다음, 도 15에서와 같이 절단형 톱날(CT)을 이용하여 개별의 경사거울로 잘라내고 방향을 돌리게 되면 자립 평판형 45°경사거울(500)이 제작되게 된다. 상기 도 14에서 평판에 90°각도를 갖는 홈을 만드는 방법은 90°각도의 회전형 톱날 대신 다양한 도구(saw tool)를 사용할 수 있음은 당연하다. 이러한 방법으로 제작된 경사거울은 반사 및 투과에 참여하는 면이 모두 원 기판의 상면과 하면으로써 이러한 면은 연마에 의해 매우 평탄한 평면을 만들 수 있으므로 레이저 빛의 반사 투과에서 난반사를 최대한 억제할 수 있게 된다.

한편, 도 6에서 지지대 사이에 렌즈가 일체로 형성되는 렌즈 블록을 구성하였는데, 이러한 렌즈 블록은 다른 형태로 변경이 가능하다.

도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 렌즈 블록을 나타낸 개념도로서, 렌즈가 지지대 사이에 일체로 형성되는 대신, 렌즈가 평판형 렌즈(210)로 이루어져 지지대(220)의 상부에 이 평판형 렌즈(210)가 결합되어 렌즈 블록(200)을 형성하게 된다. 이러한 경우에도 평판형 렌즈(210)의 하부의 지지대(220) 사이에는 레이저 다이오드 칩(100)과 경사거울(500)이 위치된다.

도 17은 본 발명의 실시예에 따른 파장 선택성 필터의 일례를 나타낸 것으로, 본 발명의 실시예에서 상기 파장 선택성 필터(410)는 에탈론 반사 필터로 이루어진다.

상기 파장 선택성 필터의 기판(411)은 sawing 등의 방법에 의해 개별적으로 분리가 용이하고 표면이 연마의 방식에 의해 매우 평탄하게 이루어질 수 있다면 어떠한 기판도 적용될 수 있는데, 이러한 특성을 갖는 대표적인 기판이 유리 또는 실리콘이므로 본 발명의 실시예에서는 유리 또는 실리콘 기판이 적용된다. 이러한 기판(411)에 두께 50nm 이상의 두께를 갖는 Au, Ag, Pt, Al 등의 반사성 금속을 증착되는데, 이 금속막을 하부 금속박막(412)이라 하자. 이 이후에 선택하고자 하는 파장에 적절한 굴절률과 두께를 갖는 SiO2, TiO2, MgF2, Si 등의 유전체 박막(413)을 하부 금속박막(412) 위에 증착한다. 이 유전체 박막(413) 위에 두께가 1nm에서 100nm 사이의 반사성 금속을 증착하는데, 이렇게 증착된 금속 박막을 상부 금속박막(414)이라 하자. 이렇게 제작된 파장 선택성 필터(410)에 빛을 입사시키면 먼저 상부 금속박막(414)에서 일부의 빛이 반사한다. 상부 금속박막(414)이 수십 nm 이 하의 두께로 증착될 경우 상부 금속박막(414)은 모든 빛을 반사하지 못하고 단지 일부분의 빛만 반사하게 된다. 상부 금속박막(414)을 투과한 빛은 유전체 막(413)을 투과하여 하부 금속박막(412)에서 반사된다. 하부 금속박막(412)에서 반사된 빛은 상부 금속박막(414)을 투과하여 파장 선택성 필터(410)로 입사한 경로를 따라 반사된다. 이 상부 금속박막(414)과 하부 금속박막(412)에서 반사된 빛은 경로차가 생기게 되고 이 경로차에 의해 빛의 보강 간섭/상쇄 간섭이 일어나게 된다. 그러므로 유전체 박막(413)의 두께와 굴절률을 조절하여 상부 금속박막(414) 및 하부 금속박막(412)에서 반사하는 빛의 경로차를 조절할 수 있고 상·하부 금속박막(414)(142)에서 반사되는 빛의 간섭을 이용하여 특정한 파장의 빛만 반사되도록 제작될 수 있다.

도 1은 통상의 광섬유 브라그 그레이팅을 이용한 외부 공진기형 반도체 레이저의 개념도,

도 2는 종래 제시된 에탈론 필터를 이용하여 외부 공진기형 레이저를 제작하는 개념도,

도 3은 레이저 다이오드 칩에서 발산되는 빛의 광축이 렌즈의 광축과 일치하지 않고 이격되어 있을 때 레이저 빛의 진행 경로를 나타낸 개념도,

도 4는 레이저 다이오드 칩에서 발산된 빛의 광축과 렌즈의 광축이 일치하고 에탈론 필터가 경사지게 배치될 경우의 광 경로를 나타낸 개념도,

도 5는 본 발명에 따른 외부 공진기를 이용한 반도체 레이저의 설치 개념도,

도 6a는 본 발명에 따른 렌즈 블록의 사시도, 도 6b는 정면도, 도 6c는 측면도,

도 7은 본 발명에 따른 렌즈 블록 상부에 파장 선택성 필터가 부착되는 과정을 나타낸 개념도,

도 8a는 본 발명에 따른 렌즈-필터 블록의 사시도, 도 8b는 정면도, 도 8c는 측면도,

도 9는 본 발명에 따른 렌즈-필터 블록의 렌즈 하부에 레이저 다이오드 칩과 경사거울이 위치되는 과정을 나타낸 개념도,

도 10은 본 발명에 따라 레이저 다이오드 칩과 경사거울이 배치되어 있는 서브마운트 위에 렌즈-필터 블록이 정렬된 상태를 나타낸 개념도,

도 11은 본 발명에 따른 레이저 다이오드 칩, 경사거울 및 렌즈-필터 블록에서 빛의 진행 경로를 나타낸 개념도,

도 12는 본 발명에 따라 렌즈 블록과 파장 선택성 필터를 부착할 때 경사지게 부착된 파장 선택성 필터의 일례를 과장되게 나타낸 개념도,

도 13a와 13b는 본 발명에 따라 평판형으로 제작된 경사거울의 일례,

도 14와 도 15는 본 발명에 따라 sawing의 방법으로 평판형 경사거울의 제작 과정을 나타낸 개념도,

도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 렌즈 블록의 설치 개념도,

도 17은 본 발명에 따른 파장 선택성 필터의 일례를 나타낸 것이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100 : 레이저 다이오드 칩 150 : 서브마운트

200 : 렌즈 블록 210 : 렌즈

220 : 지지대 400 : 렌즈-필터 블록

410 : 파장 선택성 필터 500 : 경사거울

600 : 감시용 포토 다이오드 칩

Claims

레이저 다이오드 칩의 일측에서 방출되는 레이저 빛을 평행광으로 만들어주는 렌즈와 상기 렌즈를 통하여 입사되는 레이저 빛의 일부를 반사하여 레이저 다이오드 칩으로 피드백시키는 파장 선택성 필터가 구비된 외부 공진기형 반도체 레이저에 있어서,

상기 레이저 다이오드 칩(100)의 일측 단면에 수평으로 방출되는 레이저 빛을 상부로 반사하여 상부에 설치된 렌즈(210) 및 파장 선택성 필터(410)에 입사시키는 경사거울(500)이 레이저 다이오드 칩(100)의 일측에 설치되는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 반도체 레이저.
청구항 1에 있어서,

상기 경사거울(500)에는 40°내지 50°의 경사각이 형성되어 레이저 빛을 반사하는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 반도체 레이저.
청구항 1에 있어서,

상기 경사거울(500)은 비금속 재질의 표면 상부에 금속 박막이나 유전체 박막이 증착되어 경사면이 형성되는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 반도체 레이저.
청구항 1에 있어서,

상기 경사거울(500)은 경사진 전면 경사면과 후면 경사면이 평행하게 형성된 평판형 경사거울인 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 반도체 레이저.
청구항 4에 있어서,

상기 평판형 경사거울(500)의 레이저 다이오드 칩(100) 쪽 전면 경사면은 경사거울(500)로 입사하는 빛의 일부를 반사하고 일부는 투과시키는 유전체 박막이나 금속 박막이 증착된 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 반도체 레이저.
청구항 5에 있어서,

상기 평판형 경사거울(500)의 후면 경사면 또는 하부 일측에는 평판형 경사거울(500)을 투과하는 레이저 빛을 수신하여 레이저 다이오드 칩(100)의 동작 상태를 감시하는 감시용 포토 다이오드 칩(600)이 설치되는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 반도체 레이저.
청구항 1에 있어서,

상기 경사거울(500)은 프리즘인 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 반도체 레이저.
청구항 1에 있어서,

상기 렌즈(210)는 양측이 지지대(220)에 의해 지지되고, 이 지지대(220) 사이의 렌즈(210) 하부에는 공간이 형성되어 상기 경사거울(500)과 레이저 다이오드 칩(100)이 설치될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 반도체 레이저.
청구항 8에 있어서,

상기 렌즈(210)를 지지하는 지지대(220)의 상부에 상기 파장 선택성 필터(410)가 결합되는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 반도체 레이저.
청구항 7에 있어서,

상기 렌즈(210)와 파장 선택성 필터(410)는 일체로 조립되어 렌즈-필터 블록(400)을 형성하는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 반도체 레이저.
청구항 1에 있어서,

상기 렌즈(210)는 평판형 렌즈로 이루어지고, 이 평판형 렌즈는 상기 경사거울(500)과 레이저 다이오드 칩(100)이 상부에 설치된 서브마운트(150)의 상부에 설치되는 지지대(220)의 상부에 결합되어 하부에 경사거울(500)과 레이저 다이오드 칩(100)이 위치되도록 하는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 반도체 레이저.
청구항 1에 있어서,

상기 파장 선택성 필터(410)는 에탈론 필터 또는 굴절률이 높고 낮은 복수의 유전체 박막이 교대로 증착된 박막 필름 필터(thin film filter)인 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 반도체 레이저.
청구항 12에 있어서,

상기 파장 선택성 필터(410)는 평판형 기판(411) 상부에 반사성 금속이 증착된 하부 금속박막(412)과, 상기 하부 금속박막(412) 상부에 유전체가 증착된 유전체 박막(413)과, 상기 유전체 박막(413) 상부에 반사성 금속이 증착된 상부 금속박막(414)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 반도체 레이저.
청구항 12에 있어서,

상기 파장 선택성 필터(410)에 형성된 상부 금속박막(414)의 두께는 1nm∼ 100nm인 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 반도체 레이저.