KR20120099004A - 반도체 레이저를 작동시키고 냉각시키는 방법 및 시스템 - Google Patents

반도체 레이저를 작동시키고 냉각시키는 방법 및 시스템 Download PDF

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스티븐 제임스 텔포드
앤서니 에스. 라드란
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로렌스 리버모어 내쇼날 시큐리티, 엘엘시
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Abstract

반도체 레이저 시스템은 다이오드 레이저 타일을 포함한다. 상기 다이오드 레이저 타일은 제1면과 상기 제1면에 대향하는 제2면을 포함하는 실장 고정물 및 상기 실장 고정물의 상기 제1면에 연결되는 반도체 레이저 펌프의 어레이를 포함한다. 상기 반도체 레이저 시스템은 또한 다이오드 바에 열적으로 연결된 전기적 펄스 생성기 및 상기 다이오드 바와 상기 전기적 펄스 생성기에 열적으로 연결된 냉각 부재를 포함한다.

Description

반도체 레이저를 작동시키고 냉각시키는 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR POWERING AND COOLING SEMICONDUCTOR LASERS}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 발명은, "반도체 레이저를 작동시키고 냉각시키는 방법 및 시스템(Method and System for Powering and Cooling Semiconductor Lasers)"이라는 명칭으로 2009년 9월 3일에 출원된 미국 임시특허출원 제61/239,569호 및 "반도체 레이저를 작동시키고 냉각시키는 방법 및 시스템(Method and System for Powering and Cooling Semiconductor Lasers)"이라는 명칭으로 2010년 6월 11일에 출원된 미국 특허출원 제12/813,662호를 우선권 주장의 기초로 하며, 이들의 기재 내용의 전부를 모든 목적을 위해 참조에 의해 편입함으로써 본 출원의 일부로 한다.
미합중국 연방 정부의 지원에 의한 연구 또는 개발에 의해 창출된 발명에
대한 권리의 주장
미합중국 정부는, 미합중국 에너지부(United States Department of Energy) 및 로렌스 리버모어 내쇼날 시큐리티, 엘엘시(Lawrence Livermore National Security, LLC) 간의 계약 DE-AC52-07NA27344호에 따라 본 발명에 대한 권리를 갖는다.
본 발명에 의하면, 광학계와 관련된 기술이 제공된다. 보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예는 통합된 펄스 생성기를 구비한 반도체 레이저 펌프 모듈을 제공한다. 단지 예로서, 본 발명은 펄스 생성기를 위한 드라이브 전자 기기(drive electronics)와 공통의 냉각 구조를 공유하는 반도체 레이저 바(laser bar)의 어레이(array)에 적용된다. 본 명세서에 개시된 방법 및 시스템은 또한 레이저, 증폭기 등을 포함하는 다수의 광학계에 적용가능하다.
고평균 출력 다이오드 펌핑 레이저(high average power diode pumped laser)들은 현재, 증가하는 레이저 시스템에서 사용되고 있거나 레이저 시스템으로 통합되도록 설계되고 있다. 이러한 고평균 출력 다이오드 펌핑 레이저의 광 출력 전력이 증가할수록, 일반적으로 다이오드 레이저 펌프로부터 입력 광 전력도 증가한다. 다이오드 레이저의 효율은 지난 몇 년간 실질적으로 변하지 않았기 때문에, 광 에너지의 증가는 전기적 입력 에너지의 증가를 수반한다.
일부 응용 분야에서는, 다이오드 레이저 펌프를 구동하기 위해 수백 암페어(amps) 정도의 전류가 필요하다. 결과적으로, 전력 조절 전자 기기를 사용해서는 전류를 정밀하게 조절하기 어렵다.
따라서, 관련 기술 분야에서는, 고평균 출력 다이오드 펌핑 레이저 응용 분야에 적합한 다이오드 레이저를 위한 향상된 방법 및 시스템에 대한 요구가 존재한다.
본 발명에 의하면, 광학계와 관련된 기술이 제공된다. 보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예는 통합된 펄스 생성기를 구비한 반도체 레이저 펌프 모듈을 제공한다. 단지 예로서, 본 발명은 펄스 생성기를 위한 드라이브 전자 기기(drive electronics)와 공통의 냉각 구조를 공유하는 반도체 레이저 바(laser bar)의 어레이(array)에 적용된다. 본 명세서에 개시된 방법 및 시스템은 또한 레이저, 증폭기 등을 포함하는 다수의 광학계에 적용가능하다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 반도체 레이저 시스템이 제공된다. 상기 반도체 레이저 시스템은 다이오드 레이저 타일을 포함한다. 상기 다이오드 레이저 타일은 제1면과 상기 제1면에 대향하는 제2면을 포함하는 실장(mounting) 고정물 및 상기 실장 고정물의 상기 제1면에 연결되는 반도체 레이저 펌프의 어레이를 포함한다. 상기 반도체 레이저 시스템은 또한, 상기 다이오드 레이저 타일에 열적으로 연결된 전기적 펄스 생성기 및 상기 다이오드 레이저 타일과 상기 전기적 펄스 생성기에 열적으로 연결된 냉각 구조를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 반도체 레이저 펌프 유닛이 제공된다. 상기 반도체 레이저 펌프 유닛은 반도체 레이저 소스 및 상기 반도체 레이저 소스에 열적으로 연결된 열 싱크를 포함한다. 상기 반도체 레이저 펌프 유닛은 또한 상기 열 싱크에 열적으로 연결된 펄스 생성기를 포함한다. 상기 펄스 생성기는, 전원에 접속된 감지 저항 및 그라운드(ground)에 접속된 전계 효과 트랜지스터를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 반도체 레이저 펌프 유닛을 작동시키는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 충전 캐패시터 및 전력 버스에 DC 전력을 인가하는 단계 및 전류 제어 FET(field effect transistor)에 접속된 드라이브 증폭기에 전류 펄스를 인가하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한, 상기 드라이브 증폭기에 상기 전류 펄스를 인가함에 따라서 상기 전류 제어 FET를 통해 전류를 흘리는 단계 및 상기 전력 버스에 접속된 감지 저항을 통해 전류를 흘리는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 감지 저항의 제1 단자 및 상기 감지 저항의 제2 단자에 연결된 감지 증폭기를 사용하여 전류를 감지하는 단계 및 펌프 광을 생성하기 위해 반도체 레이저 어레이를 통해 전류를 흘리는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 의하여 종래 기술보다 뛰어난 다수의 이점을 성취할 수 있다. 예컨대, 본 발명은 반도체 레이저 펌프 및 상기 반도체 레이저 펌프를 구동하는데 사용되는 전기적 펄스 생성기의 부품 모두에 통합된 냉각을 제공한다. 반도체 레이저 펌프를 냉각하기 위해 사용되는 냉각 구조와 열을 교환할 수 있도록 전기적 펄스 생성기의 부품을 실장함으로써 시스템의 크기와 비용을 감소시킬 수 있다. 본 발명의 실시예들은, 펄스 전력 전자 기기를 다이오드 레이저 펌프 타일 서브마운트에 직접적으로 통합시킴으로써, 시스템 비용을 줄이고 신뢰성을 향상시키는 다이오드 레이저 펌프 타일을 제공한다. 단지 예로서, 펄스형 전력 비용은 40배 이상 감소될 수 있고 펄서(pulser) 전자 기기 엔벨로프(envelope)는 20배 이상 감소될 수 있다. 또한, 일부 실시예들은, 구성요소간 파괴(fratricide)라고도 불리는 심각한 연속적인 고장을 방지하기 위해서 다이오드 성능을 감지하고 감시하는 현장 통합 지능을 결합한다. 실시예에 따라서는, 하나 또는 그 이상의 이러한 이점들을 성취할 수 있다. 이러한 그리고 다른 이점들은 본 명세서 전반에 걸쳐, 특히 이하에서 보다 구체적으로 상세히 설명될 것이다.
본 발명의 이러한 그리고 다른 목적 및 특징들과 이를 성취하는 방식은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 명확할 것이며, 본 발명 자체는 첨부된 도면과 함께 이하의 발명의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 레이저 펌프 유닛의 단순화된 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 조절 회로의 단순화된 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 조절 회로의 단순화된 개념도이다.
도 4는 도 2에 도시된 전력 조절 회로의 멀티심(Multisim) 모델에 대한 회로도이다.
도 5a는 도 4에 도시된 멀티심 모델로부터 산출된 모델 벤치마크(benchmark)을 도시한다.
도 5b는 도 4에 도시된 멀티심 모델에 대한 부하(load) 특성을 도시한다.
도 5c는 도 4에 도시된 멀티심 모델에 대한 전원 전압 및 전류 특성을 도시한다.
도 5d는 도 4에 도시된 멀티심 모델에 대한 효율을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 레이저 펌프 유닛을 동작시키는 방법을 도시한 단순화된 흐름도이다.
일반적으로, 고출력 다이오드 레이저(예컨대, 반도체 레이저) 펌프를 위해 사용되는 전력 조절 전자 기기는 능동적으로 냉각되거나 또는 자신의 듀티 사이클(duty cycle) 내로 제한된다. 예컨대, 로렌스 리버모어 내쇼날 연구소(Lawrence Livermore National Laboratory; LLNL)에서 머큐리(Mercury) 레이저에 사용된 다이오드 레이저 펌프를 구동하기 위해 사용된 전력 조절 전자 기기는 능동적으로 냉각된다. 다른 레이저 시스템에서는, 열과 관련된 문제로 필요해지는 전력 조절 전자 기기의 충격 계수(duty factor)의 제어가 레이저의 동작 특성을 제한할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 전력 조절 시스템의 하나 또는 그 이상의 부품과 다이오드 감시 시스템을 다이오드 패키지와 통합하여, 종래의 시스템을 사용해서는 얻을 수 없는 이점들을 제공한다. 이러한 이점들은, (1) 전력 조절 전자 기기를 위한 별도의 냉각 시스템이 필요 없고, (2) 전력 조절 전자 기기와 연관된 열적 통제에 기인하는 충격 계수 제한을 제거하고, (3) 전력 조절 전자 기기의 물리적 크기를 감소시키고, (4) 전체 시스템의 효율을 증가시키고, (5) 전력 조절 비용을 적어도 한 차수만큼 감소시키며, (6) 관성 융합 에너지(Inertial Fusion Energy; IFE)가 경쟁력있는 에너지원이 될 수 있게 하는 것을 포함할 수 있다.
IFE 발전소를 위해 사용될, 레이저 증폭기의 펌핑을 위해 사용되는 고평균 출력 다이오드 레이저 어레이는, 다이오드 레이저 어레이에 정확한 전류, 펄스율, 및 충격 계수로 펄스를 공급하기 위해 전력 조절 시스템을 이용한다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 전력 조절 전자 기기의 하나 또는 그 이상의 부품과 감시 시스템이 원격지의 전자 기기 섀시(chassis)로부터 다이오드 레이저 패키지로 이동될 것이다. 다이오드 패키지가 이미 냉각되어 있기 때문에, 전력 조절은 상기 다이오드 패키지와 동일한 냉각을 이용할 것이다. 따라서, 다이오드 레이저 패키지를 위해 제공된 냉각 기능을 이용하기 위해서, 고전력 부품, 드라이버 회로, 감시 회로, 및 캐패시터의 발전에 따라서는 중간 에너지 저장 캐패시터(intermediate energy storage capacitor)가 다이오드 패키지와의 열 교환에 제공되고, 이에 따라 전력 조절 시스템의 전체 크기를 감소시키고 잠재적으로는 비용을 한 차수만큼 감소시킨다.
본 발명의 실시예들은 다양한 고평균 출력 다이오드 펌핑 레이저에 유용하다. 이러한 레이저는 머큐리 레이저(Mercury Laser), 맞춤 개구 세라믹 레이저(tailored-aperture ceramic laser; TACL)같은 유도 에너지(directed energy) 레이저 시스템, 레이저 디자인 프로토타입(prototype), 반복 펨토초(repeated femtosecond), 페타와트(petawatt), 다이오드 펌핑 고평균 출력 레이저, 관성 융합 에너지 발전 장치, 유도 에너지 무기 시스템, 반복률(rep-rated) 레이저 유도 HED 물리학, 레이저 가공 응용 분야, 및 고출력 다이오드 레이저 펌핑을 포함하는 다른 레이저 응용 분야를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 레이저 펌프 유닛의 단순화된 개념도이다. 반도체 레이저 펌프 유닛은 반도체 레이저 바(bar)의 어레이를 포함하는 다이오드 레이저 타일 110을 포함한다. 상기 어레이를 구성하는 반도체 레이저 바는 소정의 출력 전력, 예컨대, 한 개의 바당 100W를 특징으로 한다. 이러한 고출력 다이오드 레이저 펌프는 레이저 이들 매질을 펌핑하는데 적합하고, 이는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 전기 커넥터는 상기 다이오드 레이저 타일의 반도체 레이저를 위해 구동 전류를 공급한다. 다이오드 레이저 타일을 위한 일반적인 구동 전류는 수백 암페어(amp) 정도의 크기이다.
반도체 레이저 펌프 유닛은 또한, 전기적 펄스 생성기의 하나 또는 그 이상의 부품을 포함하는 전력 전자 기기 120을 포함한다. 본 명세서의 전반에 걸쳐 상세히 설명되는 바와 같이, 전력 전자 기기 120(펄스 제어 전자 기기라고도 함)은 전기적 펄스 생성기의 부품인 감지 저항(sense resistor)과 전력 제어 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor; FET)를 포함한다. 냉각 어셈블리 130은 반도체 레이저 펌프 유닛과 전력 전자 기기에 의해 생성되는 열을 제거하기 위해 설치된다. 다이오드 레이저 바는 100% 보다 적은 전기-광 효율(electrical to optical efficiency)로 동작하기 때문에, 다이오드 레이저 바의 높은 전력 출력은 현저한 열 생성을 수반한다. 냉각 어셈블리 130은 다이오드 레이저 바의 능동적 냉각을 제공한다. 또한, 냉각 어셈블리 130은 전력 전자 기기 120으로부터 열을 제거하기 위해 사용된다. 따라서, 다이오드 레이저 바와 전력 전자 기기는 공통의 열 싱크(heat sink) 또는 냉각 구조를 공유한다.
상기 전자 기기에 의해 운반되는 큰 다이오드 전류(예컨대, 수백 암페어)에 의해 생성되는 열을 제거하기 위해, 냉각 어셈블리에 의해 제공되는 공통의 열 싱크를 사용하여 전기적 펄스 생성기의 하나 또는 그 이상의 부품이 냉각된다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예들은 다이오드 레이저 타일 부근에 전력 전자 기기를 위치시키는데, 여기에는 이미 충분한 냉각 능력이 존재한다. 일 예로서, 도 2에 도시된 펄스 드라이브(pulse drive) 회로 및 성능 감시 회로는 고밀도 표면 실장(high density surface mount) 기술을 사용하여 다이오드 레이저 타일의 표면에 실장(mount)된다. 본 발명의 실시예들에 의하면, 1,000㎲의 펄스 폭과 ~10Hz의 반복률을 갖는 12KW의 광 전력(예컨대, 200W/바에서 60바)을 출력하는 다이오드 패키지가 제공된다. 일 예로서, 다이오드 레이저는 60% 전기-광 효율로 동작할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 다이오드 레이저 타일의 다양한 구성요소들은, 전력 부품들이 다이오드 타일의 풋프린트(footprint)에 맞을 수 있는 크기를 갖는다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 예시적인 실시예에서, 전류 제어 FET 234는 10mm×15mm(리드를 포함)의 적정(nominal) 풋프린트를 갖는다. 일 예로서, 전류 제어 FET 234는 790A의 펄스형 전류와 200A의 연속 전류로 40V까지에서 동작할 수 있고, 이에 따라 230W까지에서 동작하고 61.5W를 소모한다. 일 예로서, 폼팩터(form factor)는 TO-263 아웃라인일 수 있다. 이 예시적인 실시예에서, 0.001Ω 저항인 감지 저항 232은 7mm×13mm(리드를 포함)의 적정 풋프린트를 갖는다. 일 예로서, 감지 저항은 0.5% 오차를 갖는 1mΩ 저항이고, 3W까지에서 동작하고 2.25W를 소모한다. 19.4mm×12.4mm의 다이오드 타일 풋프린트에 있어서, 전류 제어 FET 234와 감지 저항 232가 모두 서로 인접하는 다이오드 타일 냉각 블록에 부착되어, 이들 부품에 냉각을 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 더 큰 다이오드 레이저 어레이를 형성하기 위해 56 다이오드 레이저 타일이 사용된다. 다른 제어 전자 기기들은 다이오드 타일과 동일 또는 유사한 풋프린트를 갖는 메자닌 보드(mezzanine board)에 실장될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예들은 다이오드 레이저 타일의 풋프린트 아래에서 소정 위치에 냉각 어셈블리와 전력 전자 기기를 통합하는 다이오드 레이저 타일 모듈을 제공하기 때문에, 인접하는 타일들 사이에 공간이 거의 또는 전혀 필요하지 않으면서 모듈들이 하나의 어레이로 통합될 수 있다. 결과적으로, 전자 기기들은 어레이의 배면에 위치하기 때문에, 복잡성을 줄이거나 제거하는 방식으로 다이오드 열이 제거된다. 본 발명의 실시예들은 능동적으로 냉각될 필요가 있는 부품들(예컨대, 전류 제어 FET와 전류 감지 저항)이 다이오드 레이저 타일 냉각 블록, 예컨대, 냉각 어셈블리 130에 부착되는 다이오드 레이저 시스템을 제공하고, 이에 따라 다이오드 레이저를 냉각하기 위해 사용된 동일한 냉각 시스템이 이들 부품들을 냉각하기 위해 사용된다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 조절 회로라고도 불리는 전기적 펄스 생성기의 단순화된 개념도이다. 도 2에 도시된 전력 조절 회로는 충전 캐패시터에 접속된 DC 전원을 포함한다. 도시된 실시예에서, 충전 캐패시터는 33000㎌의 정격(rating)을 갖는다. 부착된 IC는 전류 감지 증폭기, 드라이브 증폭기 및 관련 저항과 캐패시터를 포함한다. 하나 또는 그 이상의 부품들은 냉각 어셈블리 130과 열을 교환하도록 실장된다. 이들 부품들은 또한 다이오드 레이저 타일과 열을 교환할 수 있고 다이오드 레이저 타일에 부착된 고정물(fixture)에 실장될 수 있기 때문에 온-타일(on-tile) 부품이라고 불린다. 상기 온-타일 부품은 전류 감지 저항 및 전류 제어 FET를 포함한다. 도 2에 도시된 전류 감지 저항은 0.001옴(ohm)의 정격을 갖는다. 다이오드 레이저 타일은, DC 전원에 접속된 전류 감지 저항과 하나의 터미널이 접지된 전류 제어 FET 사이에 접속된다. 다이오드 레이저 타일은 반도체 레이저 바의 어레이를 포함한다. 일반적으로, 각각의 바는 다수의 반도체 레이저를 어레이 형태로 포함한다.
전력 제어 및 전력 감시 전자 기기로부터 열을 효율적으로 제거하기 위해서, 전기적 펄스 생성기의 하나 또는 그 이상의 부품들이 다이오드 레이저 타일의 표면에 실장될 수 있다. 일 실시예에서, 고전력 전류 제어 FET가 미가공 다이(raw die) 형태로 실장되고 냉각 어셈블리와 열을 교환하며, 상기 냉각 어셈블리는 다이오드 레이저 타일과 또한 열을 교환할 수 있다. 미가공 다이(raw die) 방식으로 전류 제어 FET를 실장하면 공간이 절약되고 다이오드 레이저 타일을 냉각하기 위해 사용되는 냉각 기능을 이용할 수 있다. 전류 제어 FET에 더하여, 전류 감지 저항은 냉각 어셈블리와 열을 교환하도록 실장될 수 있는 또 하나의 고전력 부품이다. 전류 감지 용도로 설계된 전류 감지 저항은, 따라서, 냉각 구조를 사용하여 전도 또는 대류에 의해 냉각된다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에서, 중간 에너지 저장 시스템으로도 불리는 충전 캐패시터가 냉각 구조와 열을 교환하도록 실장된다. 예를 들어, 충전 캐패시터는 전기적 펄스 생성기의 하나 또는 그 이상의 부품에 더하여 다이오드 타일의 표면에 실장될 수 있다. 다이오드 레이저 타일과 전력 조절 부품의 통합은, 전력 조절 부품이 기능적으로 원격지의 섀시에 위치해 있었던 종래의 방법과 비교해 크기와 비용을 현저히 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 도 1에 도시된 반도체 레이저 펌프 유닛은 시스템 설계자가 펌프 유닛 효율을 최적화하고 종래의 시스템에 비해 비용을 낮출 수 있도록 해 준다. 본원의 발명자들은 3년 이상의 시도를 거쳐 본 발명의 실시예들을 개발할 수 있었다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 110와트가 24볼트 DC의 동작 전압으로 다이오드 레이저 타일로 전달된다. 다른 실시예에서는, 동작 전압이 더 높고, 예컨대, 100볼트 DC이다. 충전 캐패시터의 에너지 저장은 6.1주울(Joule) 정도의 크기이고 10주울까지도 될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전기적 펄스 생성기 및 다이오드 레이저 타일은 수리할 수 없는 부품들과 통합된 어셈블리일 수 있다. 전기적 펄스 생성기는, 다이오드들이 실장되는 것과 같이 다이오드 레이저 타일 기판 상에 구성될 수 있다. 특정 실시예에서, 전류 제어 FET(다이 형태(die form))는 다이오드 기판에 직접 실장되어 다른 실장 기술과 비교해서 공간을 절약한다. 다이오드 레이저 광 출력에 대한 제어는 다이오드 레이저 펌프 유닛이 제조될 때 전기적 펄스 생성기 입력 트림(trim) 저항을 사용함으로써 제공된다.
도 2를 참조하면, 전기적 펄스 생성기의 설계는 종래의 시스템에 비해 다수의 장점을 제공한다. 예컨대, 이러한 설계는, DC 전력이 100V보다 커지는, 더 큰 어레이에도 잘 맞는데, 이는 드라이브 증폭기 224가 접지되기 때문이다. 또한, 다이오드 전력을 기초로 제너 조정기(Zener regulator)로부터 드라이브 증폭기(Drive Amplifier) 224의 바이어스 전압을 얻을 수 있다.
도 2에 도시된 실시예의 대안으로서, 다른 실시예는 다이오드 레이저 타일 110과 전류 제어 FET 234의 위치를 변경하고, 전류 제어 FET는 전류 감지 저항에 접속되고 다이오드 레이저 타일은 그라운드(ground)에 연결된다. 이 대안 실시예에서, 드라이브 증폭기 224를 위한 바이어스 전압은 다이오드 전력에서 제너 조정기로부터 얻어질 수 있다. 이 대안 실시예에서, 다이오드 레이저들은 접지되고, 이는 다이오드 레이저들의 패키징과 관련하여 이점을 제공할 수 있다.
도 1 및 도 2를 다시 참조하면, 제1면 및 상기 제1면에 대향하는 제2면을 갖는 실장 고정물을 포함하는 다이오드 레이저 타일 110을 포함하는 반도체 레이저 시스템이 제공된다. 반도체 레이저 펌프의 어레이는, 도시된 실시예에 있어서 상면(上面)인 상기 실장 고정물의 제1면에 연결된다. 일반적으로, 반도체 레이저 펌프들의 어레이의 각각의 반도체 레이저 펌프는 반도체 레이저들의 어레이를 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 다이오드 레이저라고도 불리는 반도체 레이저들에 의해 방출되는 빛을 시준(collimation)하기 위해서 복수의 소형 렌즈(lenslet) 어레이가 반도체 레이저 펌프들의 어레이에 연결된다. 또한, 도 1에 전력 전자 기기 120으로 도시된 전기적 펄스 생성기는 다이오드 레이저 타일 100에 열적으로 연결된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전기적 펄스 생성기의 하나 또는 그 이상의 부품(예컨대, 다이 형태의 FET 및 감지 저항)은 상기 실장 고정물의 제2면에 실장된다. 냉각 어셈블리 130으로 도시된 냉각 구조는 다이오드 레이저 타일과 전기적 펄스 생성기에 열적으로 연결된다.
일부 실시예에서, 전기적 펄스 생성기의 하나 또는 그 이상의 부품은 상기 실장 고정물의 제1면과 제2면 사이에 배치된 제3면에 실장된다. 도 1을 참조하면, 제3면은 다이오드 레이저 타일 110의 세로면이다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 반도체 레이저 소스(예컨대, 반도체 레이저 바들의 어레이. 각각의 반도체 레이저 바는 반도체 레이저들의 어레이를 포함함) 및 상기 반도체 레이저 소스에 열적으로 연결된 열 싱크를 포함하는 반도체 레이저 펌프 유닛이 제공된다. 상기 반도체 레이저 펌프 유닛은 또한 열 싱크에 열적으로 연결된 펄스 생성기를 포함한다. 상기 펄스 생성기는 전원(예컨대, DC 전원)에 접속된 감지 저항 및 그라운드에 접속된 전계 효과 트랜지스터를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 전계 효과 트랜지스터는 다이 형태로 실장된다. 열 싱크는 일반적으로, 냉각된 물과 같은 냉각 유체와 열을 교환한다. 일 실시예에서, 감지 저항의 제1 단부(end)는 전류 감지 증폭기의 제1 단자에 접속되고 상기 감지 저항의 제2 단부는 상기 전류 감지 증폭기의 제2 단자에 접속된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 전기적 펄스 생성기의 단순화된 개념도이다. 도 3에 도시된 전기적 펄스 생성기는 도 2에 도시된 전기적 펄스 생성기와 공통의 부품들을 공유한다. 도 3에 도시된 실시예에서, 복수의 다이오드 레이저 312a, 312b 등을 포함하는 다이오드 레이저 어레이 310은 DC 전원 210에 접속된다. 충전 캐패시터 212는 또한 DC 전원 210과 다이오드 레이저 어레이 310에 연결된다. 전류 제어 FET 320은 다이오드 레이저 어레이 310과 단자가 접지된 전류 감지 저항 330에 접속된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 전력 부품들은 다이오드 레이저 어레이 310의 다이오드 레이저 312a, 312b 등을 냉각하기 위해 사용되는 냉각 어셈블리를 사용하여 능동적으로 냉각된다. 도 3에 도시된 실시예를 이용하면, 펄스 전력 전자 기기를 다이오드 레이저 타일 서브마운트(submount)로 직접 통합시킴으로써 비용을 줄이고 신뢰성을 향상시키는 타일의 형태로 다이오드 레이저 어레이가 제조될 수 있다. 예로서, 펄스형 전력 비용은 40배 이상 감소될 수 있고 펄서(pulser) 전자 기기 엔벨로프(envelope)는 약 20배 감소될 수 있다.
도 3을 참조하면, 전기적 펄스 생성기의 설계는 종래의 시스템과 비교해서 여러 장점을 제공한다. 예를 들어, 드라이브 증폭기 바이어스 전압은 다이오드 전력에서 제너 조정기로부터 얻어질 수 있다. 또한, 다이오드들은 접지되고, 이는 패키징을 용이하게 한다. 펄스 드라이브는 도 2에 도시된 부착된 IC 220과 공통의 부품들을 공유한다. 전압, 드라이브 및 전류를 입력으로서 수취하고 다른 시스템 부품뿐 아니라 다이오드 레이저 어레이 310의 성능을 감시하기 위해 사용될 수 있는 성능 모니터 340이 제공된다. 성능 모니터 340은 다이오드 레이저 성능을 감지하고 감시하여 심각한 연속적인 고장을 막을 수 있다.
본 발명의 실시예들은 향상된 신뢰성과 펄서에 대한 인접성을 위한 타일들의 평행 접속을 가능하게 하는 백플레인(backplane) 설계를 가능하게 한다. 일 예로서, 직렬로 연결된 열 개의 레이저 바를 갖는 백플레인은 20V에 가까운 동작 전압을 제공한다. 이러한 구성은 "고전압" 레벨보다 낮은 동작 전압인 약 20V에서 동작하여 접촉 또는 바 고장으로 인한 심각한 타일 고장의 가능성을 감소시킨다. 이 구성에서, 타일의 고장은 영향을 받는 바의 수를 감소시킬 것이고 어레이 펄서를 위한 실장 하드웨어가 이용할 수 있는 공간을 증가시킨다.
도 4는 도 2에 도시된 전력 조절 회로의 멀티심(Multisim) 모델에 대한 회로도이다. 도 3에 도시된 전기적 펄스 생성기에 대하여 유사한 모델이 구축될 수 있다. 멀티심 모델은 소스 전압에서 소스 전류를 공급하는 전류 제한(current limited) 전원을 포함한다. 전류 감지 저항 232, 다이오드 레이저 110 및 전류 제어 FET 234는 온 타일(On Tile) 부품으로서 상기 모델에 포함되는데, 이들은 다이오드 레이저를 능동적으로 냉각하기 위해 사용되는 냉각 어셈블리에 실장된다. 전류 감지 증폭기 222 및 드라이브 증폭기 224 또한 도 4에 도시된 모델에 나타나 있다.
도 5a는 도 4에 도시된 멀티심 모델로부터 산출된 모델 벤치마크(benchmark)를 도시한다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 측정된 SIMM 타일 전류는 두 개의 모델, 다이오드 모델 L과 다이오드 모델 M을 사용하여 예측된 전류과 함께 표시된다. 다이오드 모델 L은 다이오드 부하의 첫 번째 멀티심 모델을 나타내고 다이오드 모델 M은 두 번째 멀티심 다이오드 부하 모델을 나타낸다. 16.8V의 문턱 전압과 0.0215V/A의 역경사(inverse slope)는 모델링된 결과뿐만 아니라 측정된 결과의 특징이다.
도 5b는 도 4에 도시된 멀티심 모델에 대한 부하 특성을 도시한다. 부하에 인가된 전압은 전력이 회로에 인가되는 1ms 동안 약 20V로 실질적으로 일정하다. 1ms의 전력 인가 이후의 1ms 기간 동안, 부하에 인가되는 전압은 실질적으로 선형으로 약 10V까지 떨어진다. 부하에 인가되는 전류는 전력이 회로에 인가되는 1ms의 시간 동안 실질적으로 150A이다.
도 5c는 도 4에 도시된 멀티심 모델에 대한 전원 전압 및 전류 특성을 도시한다. 전원 전류는 전력이 회로에 인가되는 1ms의 시간뿐만 아니라 이후의 8ms 동안 약 6.5A로 실질적으로 일정하고, 10ms의 기간마다 1ms 기간 동안 0으로 떨어진다. 전원 전압은 전력이 회로에 인가되는 1ms의 시간 동안 약 24V로부터 약 21V로 떨어지고, 그 후 9ms에 걸쳐서 24V로 회복된다.
도 5d는 도 4에 도시된 멀티심 모델에 대한 효율을 도시한다. 도 5d는 전원에 의해 전달되는 에너지에 대하여 다이오드 부하에 의해 소모되는 에너지를 시간의 함수로서 표시한다. 전력이 회로에 인가되는 1ms 시간 동안, 다이오드 부하에 의해 소모되는 에너지는 0으로부터 약 1.25J로 증가한다. 다음 9ms 동안, 다이오드 부하에 의해 소모되는 에너지는 다음 펄스 전까지 일정하게 유지된다. 전원에 의해 전달되는 에너지는 처음 9ms 동안 0으로부터 약 1.37J까지 선형적으로 증가하고, 다음 1ms 동안 일정하게 유지된다. 두 번째 펄스에 대해서, 유사한 행동이 관찰된다. 두 번째 펄스와 관련된 기간의 마지막에, 전원에 의해 전달되는 에너지는 2.74J이고 다이오드 부하에 의해 소모되는 에너지는 2.41J이며, 효율은 88%이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 레이저 펌프 유닛을 작동시키는 방법을 도시한 단순화된 흐름도이다. 방법 600은 충전 캐패시터 및 전력 버스(power bus)에 DC 전력을 인가하는 단계(610)를 포함한다. DC 전력은 도 2에 도시된 바와 같이 DC 전원 210을 사용하여 충전 캐패시터에 인가될 수 있다. 상기 방법은 또한 전류 제어 FET에 접속된 드라이브 증폭기에 전류 펄스를 인가하는 단계(612)를 포함한다. 상기 전류 펄스는, 파라미터들 중에서 미리 정해진 전류, 펄스 폭, 및 반복률을 제공하기 위해, 외부 펄스 소스에 의해 제어될 수 있다. 상기 방법은 드라이브 증폭기에 전류 펄스를 인가함에 따라서 전류 제어 FET를 통해 전류를 흘리는 단계(614)를 더 포함한다. 일부 실시예에서는, 전류 제어 FET의 단자가 접지된다. 상기 방법은 또한 전력 버스에 접속된 감지 저항을 통해 전류를 흘리는 단계(616) 및 상기 감지 저항의 제1 단자와 상기 감지 저항의 제2 단자에 연결된 감지 증폭기를 사용하여 전류를 감지하는 단계(618)를 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전류 제어 FET와 감지 저항은, 반도체 레이저 어레이를 포함하는 다이오드 레이저 타일을 능동적으로 냉각시키기 위해 사용되는 열 싱크에 열적으로 연결된다. 따라서, 전류 제어 FET와 감지 저항뿐 아니라 반도체 레이저 어레이를 냉각하기 위해 동일한 냉각 소스가 사용된다. 상기 방법은 펌프 광(pump light)을 생성하기 위해 반도체 레이저 어레이를 통해 전류를 흘리는 단계(620)를 더 포함한다.
도 6에 도시된 구체적인 단계들은 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 레이저 펌프 유닛을 작동시키는 특정 방법을 제공한다는 점에 유의하여야 한다. 본 발명의 다른 실시예에 의하면 다른 일련의 단계들이 수행될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 다른 실시예들은 다른 순서로 상기한 단계들을 수행할 수 있다. 또한, 도 6에 도시된 각각의 단계들은 다수의 하위 단계들을 포함할 수 있고, 이 하위 단계들은 각 단계에 적합한 다양한 순서로 수행될 수 있다. 또한, 특정 응용 분야에 따라서는 단계들이 추가되거나 제거될 수도 있다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 수 있을 것이다.
표 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 다이오드 드라이버의 사양을 도시한다. 표 1에 표시된 값들은 본 발명의 영역을 제한하려는 것이 아니라, 단지 예시적인 사양을 개시하기 위한 것이다.
특성 사양
펄스 진폭(Amps) 130-170
적정 동작점(Amps) 150
펄스 폭(㎲) 360
펄스율(Hz) 100
풋프린트(mm2) <19.4×12.4
상승 시간(㎲) 50
하강 시간(㎲) 50
턴온(Turn On)시 오버슈트(%) 5
역 바이어스(V) <1
동작 온도(℃) 0-30
펄스 드룹(droop)(%) <2
리플(ripple) 전류(%) <2
본 명세서에 개시된 예와 실시예들은 단지 설명을 위한 것일 뿐이며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이들을 고려하여 다양한 수정 또는 변경을 제안할 수 있고, 이러한 수정 또는 변경은 첨부된 청구범위의 영역과 본원의 사상 및 범위에 포함되어야 한다는 점을 또한 이해할 수 있다.

Claims (20)

  1. 반도체 레이저 시스템에 있어서,
    다이오드 레이저 타일;
    상기 다이오드 레이저 타일에 열적으로 연결된 전기적 펄스 생성기; 및
    상기 다이오드 레이저 타일과 상기 전기적 펄스 생성기에 열적으로 연결된 냉각 구조를 포함하고,
    상기 다이오드 레이저 타일은,
    제1면과 상기 제1면에 대향하는 제2면을 포함하는 실장(mounting) 고정물; 및
    상기 실장 고정물의 상기 제1면에 연결되는 반도체 레이저 펌프의 어레이를 포함하는
    반도체 레이저 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실장 고정물은 상기 제1면과 상기 제2면 사이에 배치된 제3면을 포함하는 반도체 레이저 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전기적 펄스 생성기 하나 또는 그 이상의 부품은 상기 제3면에 실장되는 반도체 레이저 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 레이저 펌프의 어레이의 각각의 반도체 레이저 펌프는, 반도체 레이저의 어레이를 포함하는 반도체 레이저 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 레이저 펌프의 어레이에 연결된 복수의 소형 렌즈(lenslet) 어레이를 더 포함하는 반도체 레이저 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전기적 펄스 생성기의 하나 또는 그 이상의 부품은 상기 실장 고정물의 상기 제2면에 실장되는 반도체 레이저 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 이상의 부품은 다이 형태(die form)의 FET 및 감지 저항을 포함하는 반도체 레이저 시스템.
  8. 반도체 레이저 펌프 유닛에 있어서,
    반도체 레이저 소스;
    상기 반도체 레이저 소스에 열적으로 연결된 열 싱크; 및
    상기 열 싱크에 열적으로 연결된 펄스 생성기를 포함하되,
    상기 펄스 생성기는,
    전원에 접속된 감지 저항; 및
    그라운드(ground)에 접속된 전계 효과 트랜지스터를 포함하는,
    반도체 레이저 펌프 유닛.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 반도체 레이저 소스는 반도체 레이저 바(bar)의 어레이를 포함하는 반도체 레이저 펌프 유닛.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 반도체 레이저 바는 반도체 레이저의 어레이를 포함하는 반도체 레이저 펌프 유닛.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 열 싱크는 냉각 유체와 열을 교환하는 반도체 레이저 펌프 유닛.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 감지 저항의 제1 단부는 전류 감지 증폭기의 제1 단자에 접속되는 반도체 레이저 펌프 유닛.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 감지 저항의 제2 단부는 상기 전류 감지 증폭기의 제2 단자에 접속되는 반도체 레이저 펌프 유닛.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 전계 효과 트랜지스터는 다이 형태로 실장되는 반도체 레이저 펌프 유닛.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 전원은 DC 전원을 포함하는 반도체 레이저 펌프 유닛.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 DC 전원에 연결된 캐패시터를 더 포함하는 반도체 레이저 펌프 유닛.
  17. 반도체 레이저 펌프 유닛을 작동시키는 방법에 있어서,
    충전 캐패시터 및 전력 버스에 DC 전력을 인가하는 단계;
    전류 제어 FET(field effect transistor)에 접속된 드라이브 증폭기에 전류 펄스를 인가하는 단계;
    상기 드라이브 증폭기에 상기 전류 펄스를 인가함에 따라서 상기 전류 제어 FET를 통해 전류를 흘리는 단계;
    상기 전력 버스에 접속된 감지 저항을 통해 전류를 흘리는 단계;
    상기 감지 저항의 제1 단자 및 상기 감지 저항의 제2 단자에 연결된 감지 증폭기를 사용하여 전류를 감지하는 단계; 및
    펌프 광을 생성하기 위해 반도체 레이저 어레이를 통해 전류를 흘리는 단계를 포함하는
    반도체 레이저 펌프 유닛의 작동 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 전류 제어 FET와 상기 감지 저항은 열 싱크에 열적으로 연결되는 반도체 레이저 펌프 유닛의 작동 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 반도체 레이저 어레이는 상기 열 싱크에 열적으로 연결되는 반도체 레이저 펌프 유닛의 작동 방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 전류 제어 FET의 단자가 접지되는 반도체 레이저 펌프 유닛의 작동 방법.
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