WO2010021529A2 - 외부 공진기를 이용한 반도체 레이저 - Google Patents

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    • H01S5/0683—Stabilisation of laser output parameters by monitoring the optical output parameters
    • H01S5/0687—Stabilising the frequency of the laser

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor laser, and more particularly to a laser for collimating laser light emitted from a semiconductor laser to change light characteristics.
  • the present invention relates to a semiconductor laser, and more particularly to a laser for collimating laser light emitted from a semiconductor laser to change light characteristics.
  • Semiconductor lasers are widely used for communications such as optical communication and displays such as laser displays due to the monochromatic wavelength.
  • the characteristics of laser light required for communication lamps and displays are variously differentiated.
  • DWDM dense wavelength division multiplexing
  • SMSR side mode supression ratio
  • dB decibels
  • thermoelectric element for controlling the temperature of the laser diode chip is attached to one side of the semiconductor laser diode chip, or the oscillation wavelength of the laser diode chip is changed.
  • additional components having various functions such as an adjustable wavelength selective filter attached to the semiconductor laser diode chip, various requirements in the communication network are satisfied.
  • a method of controlling the oscillation wavelength of a communication laser in the form of an external resonator has been proposed.
  • the external resonator type laser refers to a case in which the gain medium and the light feedback occur in different areas, rather than the light feedback and the laser operation in the laser gain medium.
  • the cross-section of both ends of the gain medium acts as a reflecting mirror, so that the return of the laser light occurs. This is the case of feedback. Therefore, by placing various optical devices between the semiconductor gain medium and the external reflecting mirror, it is possible to fabricate lasers of various new characteristics not found in a single semiconductor chip.
  • the laser diode chip is an edge emitting type in which light is emitted from one side of the laser diode chip, and the optical axis of the lens coincides with the optical axis of the laser diode chip.
  • the edge emitting type laser diode chip is assembled with the wide bottom surface of the chip attached to the bottom of the package, and thus the optical axis of the lens is assembled in a horizontal shape with the bottom surface.
  • the light whose wavelength is determined by the wavelength selective filter is fed back to the laser diode chip so that the wavelength can be controlled by the desired external resonant technique in the reference paper of FIG. .
  • the final reflection mirror 500 is a reflection mirror in which the angle of incidence of the laser light incident on the reflection mirror is returned to the reverse path incident on the reflection mirror in a direction perpendicular to the reflection mirror surface.
  • the laser light emitted from the laser diode chip 100 at a wide angle is collimated through the lens 200 as parallel light, and the collimated light is reflected by the vertical reflection mirror 500 to be exactly vertically reflected. It is fed back to the laser diode chip 100 along the reverse path proceeding from the (100) to the end reflection mirror (500).
  • the optical axis directions of the laser diode chip 100 and the end reflection mirror 500 correspond to each other, and the optical axis direction of the lens 200 coincides with the laser diode chip 100 and the end reflection mirror 500, It shows the path of the light when it is spaced apart from the optical axis center line of the laser diode chip (100).
  • the optical axis of the laser diode chip 100 and the optical axis of the lens 200 are spaced in parallel, the optical axis of the laser light passing through the lens 200 is inclined with the optical axis of the laser diode chip 100, and thus the termination Since the laser light does not vertically enter the reflective mirror 500, the laser light reflected from the end reflection mirror 500 may not be fed back to the laser diode chip 100.
  • FIG. 5 illustrates that the optical axis of the lens 200 is spaced apart from the optical axis of the laser diode chip 100 when the optical axis of the longitudinal reflection mirror 500 is inclined with the optical axis of the laser diode chip 100.
  • the reflection mirror 500 reaches the vertical incident. Since light incident perpendicularly to the end reflection mirror 500 is vertically reflected, in this case, the laser emitted from the laser diode chip 100 even though the optical axis of the end reflection mirror 500 does not coincide with the optical axis of the laser diode chip 100. The light is reflected from the end reflection mirror 500 and fed back to the laser diode chip 100.
  • the lens can change the propagation angle of the light simply by fixing the direction of the central optical axis of the lens and changing the position of the optical axis.
  • an optical system consisting of a laser diode chip, a lens, and an end reflecting mirror, it is difficult to accurately position the three components individually, so that the laser diode chip and the end reflecting mirror are fixed first and then emitted from the laser diode chip.
  • the position of the lens is precisely adjusted so that the laser light is incident perpendicularly to the reflection mirror, so that the laser light reflected on the reflection mirror is fed back to the laser diode chip.
  • the reflection mirror is used for the sake of simplicity in the description, the reflection mirror further includes other optical functions such as a wavelength selective filter capable of selecting the wavelength of the laser light or a tunable filter capable of varying the selected wavelength. It is possible.
  • FIG. 6 is a structural diagram of a semiconductor laser diode chip 100 of a conventional edge emitting structure.
  • the conventional semiconductor laser diode chip 100 has a rectangular parallelepiped structure in which an active region in which laser light is generated exists on the top of the chip 101, and the height of the chip 100 is shorter than the horizontal and vertical lengths of the chip 100. have.
  • This type of chip 100 typically has an active area and a bottom surface 810 of the package containing the laser diode chip 100 as shown in FIG. 7 to effectively remove heat generated in the laser diode chip 100. Are attached in parallel.
  • the laser diode chip 100 When the laser diode chip 100 is disposed horizontally on the package bottom surface 810 and the longitudinal reflection mirror 500 is disposed perpendicularly to the package bottom surface, the laser diode chip 100 is emitted from the laser diode chip 100 as described in FIG. 2. If the optical axis of the laser light and the optical axis of the longitudinal reflection mirror 500 do not coincide with each other, the position of the lens 200 must be adjusted on the xz plane of FIG. 7. Therefore, the lens must be positioned in the air with respect to the package bottom surface 810, and special means for fixing the adjusted lens 200 to the adjusted position must be added. Since the height of the lens 200 cannot be fixed in order to move the lens 200 on the xz plane, the lens 200 is continuously fixed until the lens 200 is aligned and fixed to a separate support not shown in the drawing. The inconvenience of having to hold on comes.
  • the wavelength selective filter itself is a reflection mirror in which the wavelength selective filter is a reflection type, but such a method is difficult to adjust the characteristics of the wavelength selective filter and is not used well.
  • methods for fabricating a wavelength selective filter and using a separate reflection mirror have been devised. Such a method is easily adopted in an external resonator laser because it is easy to add various characteristics to the wavelength selective filter.
  • FIG. 8 illustrates a structure of an external resonator type laser having a variable wavelength wavelength selective filter capable of varying a wavelength to be selected and a variable wavelength wavelength capable of varying a wavelength selected from a wavelength selective filter.
  • US patent 7,295,582 B2 ME McDonald et al. In the description of FIG. 5, the lens is expressed as having a fixed height, but when the laser diode chip, the lens, and the reflecting mirror are fixed at a predetermined position, an etalon filter is used. In order for the transmitted light to enter the reflective mirror vertically and reflect vertically, the optical axis of the laser light passing through the lens to the reflective mirror and the optical axis of the reflective mirror must be exactly matched at a very precise level.
  • FIG. 9 illustrates the alignment test results of the laser diode chip 100, the lens 200, and the longitudinal reflection mirror 500, which were tested in the laboratory using the structure of FIG. 7.
  • FIG. 9 is a laser spectrum when the laser light that passes through the lens 200 of FIG. 7 and proceeds to the end reflection mirror 500 coincides very well with the optical axis of the end reflection mirror 500.
  • FIG. Under the condition, the optical axis direction of the lens 200 is maintained and the laser spectrum when the lens is horizontally moved about 0.5um in the x direction of FIG. 7.
  • the optical axis does not change, and the laser light transmitted through the lens 200 due to the movement of the lens 200 is the end reflection mirror 500. This is the case when the direction of the optical axis which reaches to slightly shifts.
  • the spectral characteristics of the two diagrams of FIGS. 9 and 10 are quite different, which shows that the proportion of light reflected from the longitudinal reflecting mirror and fed back to the laser diode chip 100 remains very seriously different, whereby the lens 200 is very precise. It can be seen that the laser light incident on the longitudinal reflection mirror 200 is aligned so that the vertical reflection mirror 200 is incident to the vertical reflection mirror 200 very accurately. Therefore, in FIG. 4, the alignment precision of the lens 200 on the x-z plane should preferably be within +/ ⁇ 0.5 ⁇ m under optimum conditions, and more preferably within +/ ⁇ 0.1 ⁇ m under optimal conditions.
  • the positional accuracy of the lens 200 in the y-axis direction is very low in sensitivity compared to the x-axis, y-axis directions, and may have an accuracy of about 5 ⁇ m. That is, the precision alignment degree of the lens should have a precision within 0.1um for the plane perpendicular to the optical axis, but the alignment of the lens in the optical axis direction is allowed in advance because it is allowed to have an alignment of about 5um in the optical axis direction of the lens. After fabrication is made, a method of precisely aligning the lens by moving the lens on the vertical plane of the optical axis becomes possible.
  • the high relative positioning accuracy of 0.5um or 0.1um is very difficult to realize by assembling the laser diode chip, lens and end reflection mirror individually, so the laser diode chip and the end reflection mirror are pre-positioned, A method of aligning the lens at a position where the laser light emitted from the laser diode chip is reflected in the longitudinal reflection mirror and most effectively fed back to the laser diode chip is commonly used. Therefore, the height of the lens in FIG. 5 must be fixed after a very precise alignment process, and accordingly, a special means for precisely aligning and fixing the lens on the x-z plane is required.
  • One object of the present invention is to present the method of aligning / attaching the lens 200 in the xy plane rather than aligning / attaching the lens 200 in the xz plane as shown in FIG. 7 so that the lens is in contact with the bottom of the package.
  • the height of the lens is in the direction of the optical axis of the laser light, a very high precision of 0.1um level is not required, and a method of fixing the height of the lens in advance by attaching the height of the lens to a support of a predetermined lens can be used. do.
  • the support of the lens supports the lens to stabilize the position, thereby eliminating the inconvenience of having to hold the lens continuously during the assembly of the external resonator laser and the alignment of the lens.
  • a higher degree of freedom can be added in the way of securing the mounted support to the bottom of the package.
  • FIG. 8 illustrates a case in which a wavelength tunable etalon filter is inserted to control a wavelength of light transmitted between a semiconductor gain medium and a reflection mirror in an external resonator type semiconductor laser.
  • a semiconductor laser having various characteristics can be manufactured according to the characteristics of the optical device to be inserted.
  • Still another object of the present application is to show one embodiment of various types of external resonator type lasers that are easily constructed using the idea of the present application.
  • an object of the present invention is to emit light emitted at an angle parallel to the package bottom surface in the laser diode chip to the package bottom surface using a 45 reflecting mirror surface
  • a method of fabricating an external resonator type laser using a lens in which the optical axis is perpendicular to the bottom surface after bending in a vertical upward direction is presented.
  • the light emitted from the laser diode chip at an angle parallel to the bottom of the package is folded in a direction perpendicular to the bottom of the package using a 45 reflecting mirror, and then the optical axis passes through a lens perpendicular to the bottom.
  • the optical axis is reduced to be parallel to the bottom surface of the package using a 45 reflecting mirror surface, and then an external resonator type laser is constructed using a longitudinal reflection mirror whose optical axis is parallel to the bottom surface of the package.
  • the description of the present invention illustrates that the light emitted from the laser diode chip is parallel to the bottom surface, and an example of using 45 reflecting mirrors to switch the laser light in an upward direction perpendicular to the package bottom surface is described only. It is a method for simplifying and is not essential for achieving optical alignment. That is, if a method of optical alignment is possible by shifting the lens, which is the main idea of the present invention, in a plane horizontal to the bottom surface, it may have different angles.
  • the plane to align the lens is aligned in the xy plane instead of the xz plane, so that the optical alignment is achieved by aligning the lens and the support of the lens in the xy plane while fixing the height of the lens with an appropriate support.
  • the inconvenience of having to hold the lens continuously is eliminated in the lens alignment process and the lens fixing process.
  • a semiconductor laser includes a lens for making laser light emitted from one side of a laser diode chip into parallel light and a wavelength for reflecting a part of the laser light incident through the lens and feeding it back to the laser diode chip.
  • the laser diode chip reflects the laser light emitted horizontally on one end surface of the laser diode chip to the upper part and enters the lens and the wavelength selective filter installed on the laser diode chip. Characterized in that installed on one side of.
  • the optical axis switching plane of 1 and the second optical axis switching plane is characterized by bending the optical axis more than two times configured not parallel to each other, wherein the first optical axis switching plane in the plane constituted by the optical path for switching the optical axis is a laser diode
  • the plane is perpendicular to the bottom surface on which the chip is placed, and the second optical axis switching plane forms a plane parallel to the bottom surface on which the laser diode chip is placed.
  • both sides of the lens are supported by a support, and a space is formed below the lens between the support, characterized in that the reflective mirror and the laser diode chip is installed.
  • the lens and the second reflection mirror is characterized in that the one-piece production.
  • the optical axis of the laser is focused on the bottom surface of the package using a 45 reflecting mirror.
  • the space for aligning the lens becomes an xy plane parallel to the bottom surface, so that the lens is attached to a support that supports the lens to a predetermined height in advance to achieve optical alignment.
  • 1 is an external resonator type laser fabricated using a conventional laser diode chip, a lens, and a wavelength selective reflection mirror.
  • Figure 3 shows the path of the laser light when the optical axis of the laser diode chip and the optical axis of the reflecting mirror coincide, but the optical axis of the lens does not match
  • Figure 4 shows the path of the laser light when the optical axis of the laser diode chip and the optical axis of the lens coincide, but the optical axis of the reflection mirror does not match
  • FIG. 5 illustrates the laser light when the optical axis of the laser diode chip is separated from the optical axis of the laser diode chip and the optical axis of the laser diode chip is separated from the optical axis of the laser diode chip so that the laser light after passing through the lens is incident vertically on the reflective mirror.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram of an external resonator type laser fabricated using a laser diode chip, a lens, and a reflecting mirror;
  • a wavelength tunable external resonator laser including a conventional laser diode chip and a lens, a tunable filter, and a reflecting mirror.
  • FIG. 9 is a spectrum of a semiconductor laser when light alignment is well performed in the structure of FIG.
  • FIG. 10 is a spectrum of a semiconductor laser when the lens is moved in a direction perpendicular to the optical axis in the structure of FIG. 9.
  • Fig. 11 shows the laser light incident when the laser light incident on the lens coincides with the lens in the case where the 45 reflecting mirror according to the present invention is disposed on one side of the laser diode chip and the lens is placed on top of the 45 reflecting mirror.
  • FIG. 12 shows a case in which the laser light incident on the lens does not coincide with the optical axis of the lens in the case where the 45 reflecting mirror according to the present invention is disposed on one side of the laser diode chip and the lens is arranged above the 45 reflecting mirror.
  • Light progress path
  • Fig. 13 shows the path of laser light propagation in a resonator composed of a laser diode chip, a 45 reflecting mirror and a longitudinal reflection mirror disposed above the lens according to the present invention.
  • Fig. 14 shows the path of laser light propagation in a resonator composed of a laser diode chip and a 45 reflecting mirror according to the present invention, a second reflecting mirror and a second reflecting mirror disposed above the lens and the lens;
  • 15 is an embodiment of a tunable laser having a configuration of a double clamshell resonator according to the present invention.
  • FIG. 16 is a side view of a lens block with a lens and a lens support according to the present invention.
  • 17 is another side view of a lens block to which a lens and a lens support according to the present invention are attached;
  • 18 is a structure in which a lens is disposed between a semiconductor laser diode chip according to the present invention and a 45 reflecting mirror for switching the laser light upwards
  • 11 and 12 show the operating principle of the clamshell resonator according to the present invention.
  • the optical axis of the laser light diverging over a wide angle in the laser diode chip 100 is shown for simplicity of explanation.
  • the laser light emitted horizontally with respect to the package bottom surface on which the laser diode chip 100, which is not shown in the drawing, is reflected is reflected by the 45 reflecting mirror 300 so that the optical axis is moved in the vertical direction. It is switched.
  • the optical axis of the lens 200 is disposed at an optical axis perpendicular to the package bottom surface not shown in the drawing, and the laser light emitted from the laser diode chip 100 at a wide angle is collimated by the lens 200 to parallel light. Will be converted to.
  • the optical axis of the laser light incident on the lens 200 is exactly in the z-axis direction
  • the optical axis of the lens 200 is also exactly in the z-axis direction.
  • the optical axis of the light transmitted through the lens 200 is the same as the optical axis of the laser light incident on the lens 200.
  • the optical axis of the laser light passing through the lens 200 is out of the z-axis direction.
  • the optical axis direction of the laser light passing through the lens 200 out of the z axis direction depends on the distance and direction of the optical axis of the lens 200 and the optical axis of the laser light incident on the lens 200.
  • the identification number 700 means a laser optical axis.
  • FIG. 13 illustrates that the optical axis switchable external resonator of FIG. 12 is formed so that the laser light emitted from the laser diode chip 100 is switched in the optical axis direction at the 45 reflecting mirror 300, and then passes through the lens 200 to the upper portion of the lens 200. It shows the process of being fed back to the laser diode chip 100 after being reflected from the end reflection mirror (500 or 510) of. The light reflected from the end reflection mirror 500 or 510 is lasered only when the light arriving at the end reflection mirror 500 or 510 through the lens 200 is exactly perpendicular to the end reflection mirror 500 or 510 during the assembly process. It may be fed back to the diode chip (100).
  • the identification number 710 denotes a laser light propagation path and 810 denotes a package bottom.
  • FIG. 13 consider a case in which the laser light redirected at the 45 reflecting mirror 300 is exactly in the z-axis direction.
  • the optical axis of the lens 200 exactly matches the optical axis of the laser light incident on the lens 200
  • the laser light passing through the lens 200 is exactly in the z-axis direction.
  • the feedback of the laser light occurs effectively only when the optical axis of the longitudinal reflection mirror 500 or 510 is exactly in the z-axis direction.
  • the optical axis of the longitudinal reflection mirror 500 or 510 may be inclined from the vertical direction. In this case, when the lens 200 is moved in the xy plane, the optical axis of the laser light passing through the lens 200 is in the z axis.
  • the laser light emitted from the laser diode chip 100 is longitudinally reflected. It is incident perpendicularly to the mirror 500 or 510, and thus is fed back to the laser diode chip 100 along the reverse path of the laser light reflected from the end reflection mirror 500 or 510 to the reflection mirror. Will be. This property is applied even when the laser diode chip 100 is not exactly attached horizontally.
  • 11 to 13 may be used in the case of reflecting the laser light emitted in a horizontal direction through the lens 200, the vertical reflection mirror (500 or 510) after the vertical switching.
  • the end reflection mirror 500 or 510 of FIG. 8 may be used together with other optical devices having a transmission-type characteristic.
  • manufacturing is difficult.
  • the arrangement of various optical devices on the bottom surface of the package as shown in FIG. 8 facilitates the assembly, and facilitates the assembly of additional optical devices having various additional functions.
  • FIG. 14 is a conceptual diagram illustrating a case in which the laser beam is horizontally attached to the bottom surface of the package to vertically convert the laser light and then the optical axis is reduced in the horizontal direction once again.
  • the laser light emitted horizontally from the laser diode chip 100 reflects from the first 45 reflecting mirror 310 and then proceeds to the lens 200.
  • the optical axis of the lens 200 is vertical and exactly coincides with the optical axis of the laser.
  • the second 45 reflecting mirror 320 has an angle of inclination of exactly 45 with respect to the vertical plane.
  • the reflecting mirror 500 is inclined in the vertical plane. Under such hypothetical conditions, the laser light passing through the lens 200 has a second
  • the optical axis of the longitudinal reflection mirror when the optical axis of the longitudinal reflection mirror is not horizontal, when the position of the lens 200 is moved on the xy plane, the optical axis of the laser light passing through the lens 200 is perpendicular to the vertical direction as indicated by the solid line 710 in the diagram.
  • the laser light reflected by the second 45 reflecting mirror 320 may not have a horizontal direction. Since the direction of light passing through the second 45 reflecting mirror 320 may be adjusted by the horizontal movement of the lens 200, the position of the lens is moved in a direction to cancel the inclination angle of the longitudinal reflection mirror 500.
  • the light passing through the 45 reflecting mirror 320 is incident on the longitudinal reflection mirror 500 may be perpendicular to the longitudinal reflection mirror (500).
  • the laser light reflected from the end reflection mirror 500 proceeds in the reverse direction of the optical path until reaching the end reflection mirror 500 and accordingly the feedback of the laser light is made.
  • the laser light passing through the second 45 reflecting mirror 320 proceeds in a horizontal form on the bottom surface of the package not shown in the drawing, as shown in FIG. It is possible to attach various additional optics to the package bottom.
  • the external resonator of the structure in which the optical axis is switched twice is called a double clamshell external resonator.
  • FIG. 15 illustrates an embodiment having the wavelength tunable laser characteristics as shown in FIG. 8 using the dual clamshell external resonator method described with reference to FIG. 14.
  • the tunable filter 410 of FIG. 15 is a transmissive tunable filter that changes a wavelength of laser light transmitted by a physical environment that is controlled from the outside.
  • a wavelength tunable filter using thermal expansion As the transmission wavelength tunable filter 410, a wavelength tunable filter using thermal expansion, a method using a refractive index change according to an applied voltage of a liquid crystal, and various methods using a change in refractive index due to a temperature of a polymer structure may be used. Can be used.
  • the structure of FIG. 15 is a method of arranging the light propagation direction and the wavelength tunable filter 410 and the method of arranging the terminal reflection mirror 500 except that the height of light varies according to the structure of the double clamshell resonator. Same as the case. However, in FIG. 8, the lens needs to be adjusted by moving the lens on the x-z plane, while in FIG. 15, the optical alignment is different by moving the lens 200 on the x-y plane.
  • FIG. 16 and 17 show side views of a lens and a second 45 reflecting mirror attached to two lens supports 600 for supporting these components in a dual clamshell structure.
  • the lens 200 and the second 45 reflective mirror 320 are fixedly attached to two parallel supporters 600 so that the laser diode chip 100 may be disposed below the lens 200.
  • the lens support 600, the lens 200, and the second 45 reflective mirror 320 will be referred to as a lens block.
  • the space between the two lens support 600, the laser diode chip and the first 45 reflecting mirror is disposed under the lens 200. Since the lens support 600 serves to lift the lens 200 to a certain height without external support, the lens position is fixed after aligning the position of the lens in the xy plane with the lens block attached to the bottom surface of the package not shown in the drawing. You can.
  • the lens is first attached to a fixed height, and is fixed to the lens, and the lens support is fixed by using a lens support that is movable with the lens.
  • the lens support can maintain the position of the lens without holding the lens, so that the lens support can be optically aligned by repositioning the lens support, and especially when fixing the lens support to the bottom of the package. You do not need to hold the lens.
  • This method has the advantage that the lens can be fixed by using a thermosetting epoxy that takes a long time to fix when the lens support is fixed to the bottom of the package. It is a way.
  • any material such as metal, ceramic, plastic, etc. can be used as the lens support, which has the advantage of low cost for manufacturing the lens fixing device.
  • a method commonly used to fix the lens on the xz plane is to coat the outer periphery of the lens and use a metal lens support to align the light by moving the lens on the xz plane. Laser welding of the metal around the lens and the lens support. Therefore, this method requires expensive equipment, laser welder, to fix the lens, while our invention can only have a hot plate to fix the lens.
  • the alignment and fixation of the lens must be performed separately for a single product, but the present method has the advantage of fixing a plurality of products at a time.
  • the case where the lens and the second 45 reflecting mirror are attached and fixed to the lens support as a body has been described as an example, but the second 45 reflecting mirror may be separated from the stand.
  • an active region structure of a semiconductor laser diode chip may be roughly divided into a buried hetero structure and a ridge structure.
  • the divergence angle of the laser light emitted by the laser diode chip at a wide angle is similar to the vertical and horizontal planes, but in the ridge structure, the distribution of the divergence angle varies greatly depending on the vertical horizontal plane.
  • the laser light emitted from the laser diode chip has a full width at half maximum of 30 degrees in both vertical and horizontal directions.
  • the divergence angle is very large, about 10 ° or 40 ° in FWHM.
  • laser light is easily collimated using one lens, but in the ridge structure in which the divergence angle in the horizontal and vertical directions is very different, one lens is used. It is difficult to collimate laser light effectively.
  • a method of using a second lens 210 between the 45 reflecting mirrors 310 may be used. Unlike the lens 200, the second lens 210 is fixed and attached to a fixed position in advance, and the second lens 210 moves by using the laser light that has passed through the second lens 210. By doing so, optical alignment can be achieved according to the principles described with reference to FIGS. 1 to 17.
  • the vertical divergence angle of the laser diode chip 100 of the ridge structure is very large, and the horizontal divergence angle is narrow.
  • the cylindrical lens focuses only on one component of the two light components, vertical and horizontal, and transmits the components in the other direction as they are.
  • the second lens 210 is a cylindrical lens.

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Abstract

본 발명은 외부 공진기형의 반도체 레이저에 관한 것으로, 레이저 다이오드 칩에서 패키지 바닥면에 대해 수평으로 발산되는 레이저 빛을 레이저 다이오드 칩의 레이저 빛 방출면 측면에 배치된 반사 거울을 이용하여 패키지 상부 방향으로 레이저 빛의 진행 경로를 절환 한 후, 상향 방향으로 진행하는 레이저 빛 광 경로상에 렌즈를 부착함으로써, 렌즈에 의한 외부 공진기 광 정렬를 패키지 바닥면과 수평한 평면에서 이루어지도록 함으로써 광정렬을 쉽게 할 수 있다. 또한 렌즈의 상부에 패키지 바닥에 대해 상향 방향으로 진행하는 레이저 빛을 수평으로 절환하는 추가의 반사 거울을 장착함으로써, 패키지 바닥면에 대해 수평면으로 이동하는 렌즈에 의한 광정렬를 손쉽게 함과 동시에 여러 광학적 기구물들을 패키지 바닥면에 늘어 놓는 형태로 패키지의 제작이 가능해, 손쉽게 다양한 특징을 가지는 외부 공진기형 반도체 레이저를 제작 할 수 있다.

Description

외부 공진기를 이용한 반도체 레이저 {SEMICONDUCTOR LASER USING EXTERNAL CAVITY}
본 발명은 반도체 레이저에 관한 발명이며, 특히 반도체 레이저에서 발산되는 레이저 빛을 시준화시켜 빛의 특성을 변화시키는 레이저에 관한 발명이다.
본 발명은 반도체 레이저에 관한 발명이며, 특히 반도체 레이저에서 발산되는 레이저 빛을 시준화시켜 빛의 특성을 변화시키는 레이저에 관한 발명이다.
반도체 레이저는 파장의 단색성으로 인해 광통신등의 통신용과 레이저 디스플레이등의 디스플레이에 널리 활용되고 있다. 통신용등과 디스플레이등에서 요구되는 레이저 빛의 특성은 매우 다양하게 분화되어 있으며 일반적인 반도체 레이저 단일 칩으로써 이러한 다양한 응용 범위에서의 요구조건을 모두 만족시키기 어렵다. 즉 한 예로써 레이저 빛의 매우 높은 단색성을 요구하는 DWDM(dense wavelength division multiplexing)의 응용예에서는 SMSR(side mode supression ratio)이 -30데시벨(dB) 이상의 높은 수준의 단색성을 요구하며 또한 파장이 매우 안정화될 것을 요구하며 또한 200GHz, 100GHz, 50GHz, 25GHz 등의 파장 간격을 가지는 매우 많은 수의 파장을 요구한다.
이러한 통신망에서의 요구 조건을 단일의 반도체 칩만으로는 구현하기 어려워 반도체 레이저 다이오드 칩의 일 측면에 레이저 다이오드 칩의 온도를 제어하는 열전소자 (thermo electric cooler)가 부착된다든지, 레이저 다이오드 칩의 발진 파장을 조절 할 수 있는 파장 선택성 필터가 부착된다든지 하는 다양한 기능을 가지는 부가 부품등을 반도체 레이저 다이오드 칩과 집적함으로써 통신망에서의 다양한 요구를 만족시키게 된다. 그 중의 한 예로 통신용 레이저의 발진 파장을 외부 공진기의 형태로 제어하는 방법이 제시되어 있다. 외부 공진기형 레이저라 함은 레이저의 이득 매질내에서 빛의 궤환과 레이저 동작이 일어나는 것이 아니라, 이득 매질과 빛의 궤환이 각각 다른 영역에서 일어나는 경우를 말한다.
통상적인 단일의 반도체 칩 레이저는 이득 매질의 양 끝 단면이 반사 거울로 작용하여 레이저 빛의 궤환이 일어나는 것이나, 외부 공진기형 반도체 레이저는 반도체 레이저의 적어도 일측 단면이 무반사 처리 되고 반도체 이득 매질 외부에서 빛의 궤환이 일어나는 경우이다. 그러므로 반도체 이득 매질과 외부 반사 거울 사이에 다양한 광학 장치들을 배치함으로써 통상적인 단일의 반도체 칩에서는 얻을수 없는 여러 가지 새로운 특성의 레이저를 제작 할 수 있다.
도 1은 N.K.Dutta등이 발표한 외부 공진기형 반도체 레이저의 구조도이다. (JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. QE-21, NO. 6, JUNE 1985). 도 1에서 레이저 다이오드 칩은 레이저 다이오드 칩의 일측면에서 빛이 발산되는 edge emitting 형으로써 레이저 다이오드 칩의 광축에 대해 렌즈의 광축이 일치하는 구조이다. 통상적으로 edge emitting 형의 레이저 다이오드 칩은 칩의 넓은 바닥면이 패키지의 바닥에 붙여지는 상태로 조립되며 이에따라 렌즈의 광축이 바닥면과 수평한 형태로 조립된다. 레이저 다이오드 칩에서 발산된 빛이 렌즈를 통해 시준화된 이후 파장 선택성 필터에 의해 파장이 결정된 빛이 다시 레이저 다이오드 칩으로 궤환되어야 도 1의 참증 논문에서 원하는 외부 공진기법에 의한 파장 조절이 가능하여진다.
도 2는 레이저 다이오드 칩(100)의 광축과 렌즈(200)의 광축 그리고 종단 반사 거울(500)의 광축이 일치 할 때 빛의 진행 경로를 보여주는 그림이다. 여기서 종단반사거울(final reflection mirror)(500)이라함은 반사 거울에 입사하는 레이저 빛의 입사각이 반사 거울면에 수직하여 반사 거울로 입사한 역경로로 레이저 빛을 되돌려주는 기능을 하게 되는 반사 거울을 지칭한다. 도 2에서 넓은 각도로 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 레이저 빛이 렌즈(200)를 거쳐 평행광으로 시준화되고 이 시준화된 빛이 종단반사거울(500)에서 정확히 수직 반사하므로써 레이저 다이오드 칩(100)에서 종단반사거울(500)로 진행하는 역경로를 따라 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환되게 된다.
도 3은 레이저 다이오드 칩(100)과 종단반사거울(500)의 광축 방향은 일치하며, 렌즈(200)의 광축 방향은 레이저 다이오드 칩(100)과 종단반사거울(500)과 일치하나 광축 중심선이 레이저 다이오드 칩(100)의 광축 중심선과 이격되어 있을 때 광의 진행 경로를 보여준다. 레이저 다이오드 칩(100)의 광축과 렌즈(200)의 광축이 평행으로 이격되어 있을 때, 렌즈(200)를 투과한 레이저 빛의 광축은 레이저 다이오드 칩(100)의 광축과는 경사지게 되며, 그러므로 종단반사거울(500)에는 레이저 빛이 수직 입사하지 못하므로 종단 반사 거울(500)에서 반사된 레이저 빛이 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환되지 못한다.
도 4는 레이저 다이오드 칩(100)의 광축과 렌즈(200)의 광축이 일치하고 종단반사거울(500)의 광축이 이들과 일치 하지 않을 때 빛의 진행 경로를 보여준다. 이경우에도 빛이 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환되지 못함은 자명하다.
도 5는 종단반사거울(500)의 광축이 레이저 다이오드 칩(100)의 광축과 경사져 있을 때 렌즈(200)의 광축을 레이저 다이오드 칩(100)의 광축과 이격시켜 렌즈를 통과한 레이저 빛이 종단반사거울(500)에 도달할 때 수직으로 입사하게 만든 경우이다. 종단반사거울(500)에 수직 입사하는 빛은 수직으로 반사되므로 이 경우에는 종단반사거울(500)의 광축과 레이저 다이오드 칩(100)의 광축이 일치하지 않아도 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산된 레이저 빛이 종단반사거울(500)에서 반사 되어 다시 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환된다. 즉 평면을 가지는 반사거울의 경우 입사하는 광축과의 경사각을 변화시키지 않는 반사거울의 위치 변화는 빛의 진행 각도를 바꾸지 않는다. 이에 비해 렌즈는 렌즈의 중심 광축의 방향은 고정시키고 광축의 위치를 바꾸는 것만으로 빛의 진행 각도를 변경 할 수 있다. 레이저 다이오드 칩과 렌즈, 그리고 종단반사거울로 구성된 광학계에서 세가지의 부품을 개별적으로 매우 정밀하게 위치를 고정하는 것은 어려우므로, 통상적으로 레이저 다이오드 칩과 종단반사 거울을 먼저 고정시킨 후 레이저 다이오드 칩에서 발산된 레이저 빛이 반사 거울에 수직 입사하도록 렌즈의 위치를 정밀 조절하여 반사 거울에 반사된 레이저 빛이 레이저 다이오드 칩으로 궤환 되도록 하는 방법을 사용한다. 본 설명에서 설명의 간략화를 위해 반사 거울을 사용하였지만 이 반사 거울은 레이저 빛의 파장을 선택 할 수 있는 파장 선택성 필터 또는 선택되는 파장을 가변시킬수 있는 파장 가변성 필터등 다른 광학적 기능을 더 포함하여 제작하는 것이 가능하다.
도 6은 통상적인 edge emitting 구조의 반도체 레이저 다이오드 칩(100)의 구조도 이다. 통상적인 반도체 레이저 다이오드 칩(100)은 직육면체 구조로써 레이저 빛이 생성되는 활성영역이 칩(101)의 상부에 존재하고 칩(100)의 높이는 칩(100)의 가로 및 세로 길이보다 짧은 구조를 가지고 있다. 이러한 형태의 칩(100)은 레이저 다이오드 칩(100)에서 발생되는 열을 효과적으로 제거하기 위해 도 7에서 보이는 바와 같이 통상적으로 레이저 다이오드 칩(100)을 포함하는 패키지의 바닥면(810)과 활성 영역이 평행하게 부착된다.
레이저 다이오드 칩(100)이 패키지 바닥면(810)에 수평으로 배치되고 종단반사거울(500)이 패키지 바닥면에 대해 수직으로 배치되는 경우 도 2에서 설명한바와 같이 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 레이저 빛의 광축과 종단반사거울(500)의 광축이 일치하지 않을 경우 이를 일치시키기 위해서는 렌즈(200)를 도 7의 x-z 평면상에서 위치를 조절하여야 한다. 그러므로 렌즈는 패키지 바닥면 (810)에 대해 공중에 띄워진 형태로 위치 조절이 되어야하며, 위치 조절 된 렌즈(200)를 조절된 위치에 고정 시키는 특별한 수단들이 더 부가 되어야한다. 렌즈(200)를 x-z 평면상에서 이동하기 위해서는 렌즈(200)의 높이를 고정 시킬수 없으므로 렌즈(200)가 정렬되어 도면에 도시되지 않은 별도의 지지대에 고정되어 부착 될 때까지 렌즈(200)를 계속적으로 붙잡고 있어야하는 불편이 따르게 된다.
도 1의 참조 문헌은 파장 선택성 필터가 반사형인 경우로써 파장 선택성 필터 자체가 반사 거울의 역할을 하는 외부 공진기형 레이저이나, 이러한 방법은 파장 선택성 필터의 특성을 조절하기가 어려워 잘 사용되지 않는 방법이다. 이와 별도로 파장 선택성 필터를 투과형으로 제작하고 별도의 반사 거울을 사용하는 방법들이 안출되어 있으며, 이러한 방법은 파장 선택성 필터에 여러 가지 특성들을 부가하기 쉬어 외부 공진기형 레이저에 많이 채택되고 있는 방법이다.
도 8은 선택되어지는 파장을 가변시킬수 있는 투과형 파장 선택성 필터를 사용하고며, 파장 선택성 필터에서 선택되어지는 파장을 가변시킬수 있는 파장 가변형인 외부 공진기형 레이저의 구조를 보이고 있다. (U.S patent 7,295,582 B2 M.E. McDonald et al.,) 도 5의 설명에서 렌즈는 높이가 고정되어 있는 것으로 표현되어 있으나, 레이저 다이오드 칩과 렌즈, 그리고 반사 거울을 미리 정해진 위치에 고정 시킬 경우 에탈론 필터를 투과한 빛이 반사 거울에 수직 입사하여 수직으로 반사하기 위해서는 렌즈를 통과 하여 반사 거울로 진행하는 레이저 빛의 광축과 반사 거울의 광축이 매우 정밀한 수준에서 정확히 일치 하여야 한다.
도 9는 도 7의 구조로 당 연구실에서 실험한 레이저 다이오드 칩(100)과 렌즈(200), 그리고 종단반사거울(500)의 정렬 실험 결과이다. 도 9는 도 7의 렌즈(200)를 통과하여 종단반사거울(500)로 진행하는 레이저 빛이 종단반사거울(500)의 광축과 매우 잘 일치하는 경우의 레이저 스펙트럼이며, 도 10은 도 9의 조건에서 렌즈(200)의 광축 방향은 유지 한 채 도 7의 x 방향으로 0.5um 정도 렌즈를 수평 이동 하였을 경우의 레이저 스펙트럼이다. 이 경우 레이저 다이오드 칩(100)과 종단 반사 거울(500)은 이미 고정되어 있어 광축이 변화하지 않으며, 렌즈(200)의 이동으로 인하여 렌즈(200)를 투과한 레이저 빛이 종단반사거울(500)에 도달하는 광축의 방향이 조금 틀어지게 되는 경우이다.
도 9와 도 10의 두 도표의 스펙트럼 특성은 상당히 다르며 이는 종단 반사 거울에서 반사되어 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환되는 빛의 비율이 매우 심각히 차이가 남을 보여주는 것이며, 이에따라 렌즈(200)가 매우 정밀하게 정렬 되어 종단반사거울(200)에 입사하는 레이저 빛이 매우 정확한 수직으로 종단반사거울(200)로 입사하게 하여야 함을 알수 있다. 그러므로 도 4에서 x-z 평면상에서 렌즈(200)의 정렬 정밀도는 바람직하게는 최적조건에서 +/-0.5um 이내여야하며 더욱 바람직하게는 최적조건에서 +/-0.1um이내의 정렬 정밀도를 가져야 한다.
도 7에서 y축 방향으로의 렌즈(200) 위치 정밀도는 x, 축, y축 방향에 비해 그 민감성이 매우 떨어져 약 5um 정도의 정밀도를 가져도 된다. 즉 렌즈의 정밀 정렬도는 광축에 수직한 평면에 대해서는 바람직하게 0.1um 이내의 정밀도를 가져야하나, 렌즈의 광축방향으로는 5um 정도의 정렬도를 가지는 것이 허용되므로 광축 방향으로의 렌즈의 위치를 미리 정해 제작한 후 광축의 수직 평면상에서 렌즈를 이동하여 정밀하게 정렬하는 방법이 가능하여진다. 0.5um 또는 0.1um 정도의 높은 상대 위치 정밀도는 개별적으로 레이저 다이오드 칩과 렌즈, 그리고 종단반사거울을 조립하는 방법으로는 구현하기가 매우 어렵 어려우므로, 레이저 다이오드 칩과 종단반사 거울을 미리 배치하고, 상기 레이저 다이오드 칩에서 발산되는 레이저 빛이 종단 반사거울에서 반사되어 가장 효과적으로 레이저 다이오드 칩으로 궤환되는 위치에 렌즈를 정렬시키는 방법을 통상적으로 사용한다. 그러므로 도 5에서 렌즈의 높이는 매우 정밀한 정렬 과정을 거친 이후에 고정되어야 하며 이에따라 렌즈를 x-z 평면 상에서 정밀 정렬하고, 고정 할 수 있는 특별한 수단이 요구된다.
본 발명의 한 목표(embodiment)는 도 7에서와 같이 렌즈(200)를 x-z 평면에서 정렬/부착하는 것이 아니라 x-y 평면에서 정렬/부착하는 방법을 제시하여 렌즈를 패키지 바닥면에 접촉 시킨 상태로 위치를 조절하여 종단 반사거울로 입사하는 레이저 빛의 광축과 종단반사 거울의 광축을 일치시키는 방법을 제시한다. 본 발명에서 렌즈의 높이는 레이저 빛의 광축 방향이므로 0.1um 수준의 매우 높은 정밀 정렬도가 필요없어, 렌즈의 높이를 미리 정해진 렌즈의 지지대에 부착하는 것으로 렌즈의 높이를 미리 고정하는 방법이 사용가능하게 된다. 이에따라 렌즈의 지지대가 렌즈를 지지하여 위치를 안정화시키게 되므로 외부 공진기형 레이저의 조립과 렌즈의 정렬 과정중에 렌즈를 계속적으로 붙잡고 있어야 하는 불편을 없앨 수 있으며, 렌즈를 부착하는 지지대의 제작과 렌즈가 부착된 지지대를 패키지 바닥면에 고정시키는 방법에 있어서 더 높은 자유도를 부가 할 수 있다.
도 8은 외부공진기형 반도체 레이저에서 반도체 이득 매질과 반사 거울 사이에 투과되는 빛의 파장을 조절 할 수 있는 파장 가변형 에탈론 필터를 삽입한 경우이나, 외부 공진기형 레이저에서는 이득 매질과 반사 거울 사이에 삽입되는 광학 장치의 특성에 따라 다양한 특성을 가지는 반도체 레이저를 제작 할 수 있다. 본 출원의 또 다른 목표는 본 출원의 사상(idea)를 이용하여 손쉽게 구성되는 여러 형태의 외부공진기형 레이저의 일실시예들을 보여주는데 있다.
본 발명은 상기한 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 레이저 다이오드 칩에서 패키지 바닥면에 대해 평행한 각도로 방출되는 빛을 45 반사 거울면을 이용하여 패키지 바닥면에 수직한 상향 방향으로 꺾어 준 다음 광축이 바닥면에 대해 수직인 렌즈를 이용하여 외부 공진기형 레이저를 제작하는 방법을 제시한다. 또한 본 발명에서는 레이저 다이오드 칩에서 패키지 바닥면에 대해 평행한 각도로 방출되는 빛을 45 반사 거울면을 이용하여 패키지 바닥면에 수직한 방향으로 꺾어 준 다음 광축이 바닥면에 대해 수직인 렌즈를 통과시킨 후 다시 45 반사 거울면을 이용하여 광축이 패키지 바닥면에 대해 평행하도록 환원시킨 후 광축이 패키지 바닥면에 대해 평행인 종단반사거울을 이용하여 외부 공진기형 레이저를 구성하는 방법을 제시한다.
본 발명의 설명에서 레이저 다이오드 칩에서 방출되는 빛이 바닥면에 대해 평행이라고 예시하고, 45 반사 거울을 이용하여 레이저 빛을 패키지 바닥면에 대해 수직인 상부 방향으로 절환시키는 예시를 들고 있지만 이는 단지 설명을 간략히 하기 위한 방법이며, 광 정렬을 이루는데 필수적인 사항이 아니다. 즉 본 발명의 주요한 사상인 렌즈를 바닥면에 수평한 평면에서 위치 이동시켜 광 정렬을 하는 방법이 가능하면 다른 각도를 가짐도 무방하다.
이러한 본 발명에서는 렌즈를 정렬하는 평면이 x-z 평면이 아닌 x-y 평면에서 정렬이 이루어지므로 적절한 지지대로 렌즈의 높이를 고정시킨 상태에서 렌즈 및 렌즈의 지지대를 x-y 평면에서 정렬하므로써 광정렬을 이루게 되며, 이에따라 렌즈의 정렬과정 및 렌즈의 고정과정에서 계속적으로 렌즈를 붙잡고 있어야 하는 불편이 제거된다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 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 공진기를 이용한 반도체 레이저에 있어서, 상기 레이저 다이오드 칩의 일측 단면에 수평으로 방출되는 레이저 빛을 상부로 반사하여 상부에 설치된 렌즈 및 파장 선택성 필터에 입사시키는 반사거울이 레이저 다이오드 칩의 일측에 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 반도체 레이저 다이오드를 포함하는 외부 공진기를 이용한 반도체 레이저에 있어서, 광축을 2번 이상 꺽어주는 외부 공진기형 레이저에서, 광축이 절환되기 전의 광축과 광축이 절환된 이후의 광축으로 구성되는 평면에서 제1의 광축 절환 평면과 제2의 광축 절환 평면이 서로 평행하지 않도록 구성된 2번 이상 광축을 꺽어주는 것을 특징으로 하며, 광축을 절환하는 광경로가 구성하는 평면에서 제 1의 광축 절환 평면은 레이저 다이오드 칩이 놓여져 있는 바닥면에 수직한 평면이고, 제 2의 광축 절환 평면은 레이저 다이오드 칩이 놓여져 있는 바닥면과 수평한 평면을 이루는 것을 특징으로 한다.
이 경우, 상기 렌즈는 양측이 지지대에 의해 지지되고, 상기 지지대 사이의 렌즈 하부에는 공간이 형성되어 상기 반사거울과 레이저 다이오드 칩이 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 렌즈와 제 2의 반사 거울은 일체형으로 제작 되는 것을 특징으로 한다.
위에서 설명한 바와 같이 본 발명은 패키지 바닥면에 부착되어 수평 방향으로 레이저 빛을 방출하는 레이저 다이오드 칩을 이용하여 외부 공진기형 레이저를 제작 할 때 45 반사 거울을 이용하여 레이저의 광축을 패키지 바닥면에 대해 수직으로 절환하는 방법을 사용하여 렌즈를 정열하는 공간이 바닥면에 평행한 x-y 평면이 되게 함으로써, 렌즈를 미리 일정한 높이로 지지하는 지지대에 렌즈를 부착하여 광 정렬을 이루므로 렌즈를 정렬/고정시키는 과정에서 렌즈를 계속적으로 붙잡고 있어야하는 불편을 제거하고, 여러개의 렌즈 고정을 동시에 진행 할 수 있도록 하여, 생산성을 증대시키고 또한 렌즈를 고정시키기 위한 부품들의 선택성을 늘려 보다 저렴한 렌즈 지지대를 사용 할 수 있도록 하여 제작 비용을 절감시키는 효과가 있다.
도 1은 종래의 레이저 다이오드 칩과 렌즈, 그리고 파장 선택성 반사 거울을 이용하여 제작된 외부 공진기형 레이저
도 2는 레이저 다이오드 칩의 광축과 렌즈의 광축, 반사 거울의 광축이 모두 일치 할 경우 레이저 빛의 진행 경로
도 3은 레이저 다이오드 칩의 광축과 반사 거울의 광축은 일치하나 렌즈의 광축이 일치 하지 않을 경우 레이저 빛의 진행 경로
도 4는 레이저 다이오드 칩의 광축과 렌즈의 광축은 일치하나 반사 거울의 광축이 일치 하지 않을 경우 레이저 빛의 진행 경로
도 5는 레이저 다이오드 칩의 광축과 반사 거울의 광축이 일치 하지 않을 경우 렌즈의 광축을 레이저 다이오드 칩의 광축과 이격시켜 렌즈를 통과한 이후의 레이저 빛이 반사 거울에 수직입사하는 경우의 레이저 빛의 진행 경로
도 6은 edge emitting 형 반도체 레이저의 구조
도 7은 레이저 다이오드 칩과 렌즈와 반사거울을 이용하여 제작된 외부 공진기형 레이저의 개념도
도 8은 종래의 레이저 다이오드 칩과 렌즈, 파장 가변형 필터 및 반사거울로 이루어진 파장 가변형 외부 공진기형 레이저의 실시예
도 9는 도 7의 구조에서 광 정렬이 잘 이루어졌을 경우의 반도체 레이저의 스펙트럼
도 10은 도 9의 구조에서 렌즈를 광축에 대해 수직인 방향으로 0.5um 이동 하였을 경우의 반도체 레이저의 스펙트럼
도 11은 본 발명에 의한 45 반사 거울을 레이저 다이오드 칩의 일측면에 배치하고 45 반사 거울의 상부에 렌즈를 배치하는 경우에 있어서 렌즈에 입사하는 레이저 빛과 렌즈의 광축이 일치 할 경우의 레이저 빛의 진행 경로
도 12는 본 발명에 의한 45 반사 거울을 레이저 다이오드 칩의 일측면에 배치하고 45 반사 거울의 상부에 렌즈를 배치하는 경우에 있어서 렌즈에 입사하는 레이저 빛과 렌즈의 광축이 일치 하지 않을 경우의 레이저 빛의 진행 경로
도 13은 본 발명에 의한 레이저 다이오드 칩과 45 반사 거울과, 렌즈와 렌즈 상부에 배치되는 종단반사거울로 구성되는 공진기에 있어서의 레이저 빛의 진행 경로
도 14는 본 발명에 의한 레이저 다이오드 칩과 45 반사 거울과, 렌즈와 렌즈 상부에 배치되는 제 2의 45 반사 거울과 종단반사거울로 구성되는 공진기에 있어서 레이저 빛의 진행 경로
도 15는 본 발명에 의한 이중 폴더형 공진기의 구성을 가지는 파장 가변형 레이저의 일 실시예
도 16은 본 발명에 의한 렌즈와 렌즈 지지대가 부착된 렌즈 블록의 일측면도
도 17은 본 발명에 의한 렌즈와 렌즈 지지대가 부착된 렌즈 블록의 다른 일측면도
도 18은 본 발명에 의한 반도체 레이저 다이오드 칩과 레이저 빛을 상향으로 절환하는 45 반사 거울 사이에 렌즈가 배치된 구조
< 도면의 주요부분에 대한 설명 >
100 : 레이저 다이오드 칩(100)
101 : 레이저 다이오드 칩의 활성 영역
200 : 렌즈
210 : 제 2의 렌즈
300 : 45 반사 거울
310 : 제 1의 45 반사 거울
320 : 제 2의 45 반사 거울
410 : 투과하는 빛의 파장의 가변 할 수 있는 에탈론 필터
500 : 종단 반사 거울
510 : 반사형 파장 선택 필터 기능을 포함하는 종단 반사 거울
600 : 렌즈 지지대
700 : 레이저 광 축
710 : 레이저 빛의 진행 경로
720 : 렌즈가 광정렬 되지 않았을 경우 광 축 경로
720 : 렌즈가 광정렬 되었을 경우 광 축 경로
810 : 패키지 바닥
이하에서는 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.
도 11 및 도 12는 본 발명에 의한 폴더형 공진기의 동작 원리를 보여준다. 본 도면에서는 설명의 간략화를 위해 레이저 다이오드 칩(100)에서 넓은 각도에 걸쳐 발산(diverge)하는 레이저 빛의 광축만을 도시하였다. 레이저 다이오드 칩(100)의 일측면에서 도면에 도시되지 않은 레이저 다이오드 칩(100)을 실장하는 패키지 바닥면에 대해 수평하게 발산되는 레이저 빛은 45 반사 거울(300)에서 반사되어 수직 방향으로 광축이 절환된다. 렌즈(200)의 광축은 도면에 도시되지 않은 패키지 바닥면에 대해 수직의 광축으로 배치되어 있고, 레이저 다이오드 칩(100)에서 넓은 각도로 발산되는 레이저 빛은 렌즈(200)에서 시준화되어 평행광으로 변환되게 된다. 설명의 간략화를 위해 렌즈(200) 입사하는 레이저 빛의 광축은 정확히 z 축 방향이며, 렌즈(200)의 광축 또한 정확히 z 축 방향인 경우를 고려하자. 이 경우 도 11에서 수직으로 절환된 레이저 빛의 광축과 렌즈(200)의 광축이 일치 할 경우에는 렌즈(200)를 투과한 빛의 광축이 렌즈(200)에 입사하는 레이저 빛의 광축과 동일하게 된다. 그러나 도 12와 같이 렌즈(200)를 x-y 평면에서 움직이게 되면 렌즈(200)를 통과한 레이저 빛의 광축은 z 축 방향에서 벗어나게 된다. z 축 방향에서 벗어난 렌즈(200)를 통과한 레이저 빛의 광축 방향은 렌즈(200)의 광축과 렌즈(200)에 입사하는 레이저 빛의 광축의 이격 거리 및 방향에 의존한다. 여기서 식별번호 700은 레이저 광축을 의미한다.
도 13은 도 12의 광축 절환형 외부 공진기가 형성되어 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산된 레이저 빛이 45 반사 거울(300)에서 광축 방향이 절환된 후 렌즈(200)를 거쳐 렌즈(200) 상부의 종단반사거울(500 또는 510)에서 반사 된 후 다시 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환되는 과정을 보여준다. 조립 과정에서 렌즈(200)를 거쳐 종단반사거울(500 또는 510)에 도착하는 빛이 정확히 종단반사거울(500 또는 510)에 수직일 경우에만 종단반사거울(500 또는 510)에서 반사 된 빛이 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환될 수 있다. 여기서 식별번호 710은 레이저 빛 진행 경로를, 810은패키지 바닥을 의미한다.
도 13에서 45 반사 거울(300)에서 방향 절환된 레이저 빛이 정확히 z 축 방향일 경우를 고려하자. 이때 렌즈(200)의 광축이 렌즈(200)로 입사하는 레이저 빛의 광축과 정확히 일치 할 경우에는 렌즈(200)를 통과한 레이저 빛이 정확히 z축 방향이 된다. 이 경우 종단반사거울(500 또는 510)의 광축이 정확히 z축 방향이 될 경우에만 효과적으로 레이저 빛의 궤환이 일어나게 된다. 그러나 실제 조립 과정에서 종단반사거울(500 또는 510)의 광축이 수직 방향으로부터 기울어 질수 있으며, 이 경우 렌즈(200)를 x-y 평면에서 이동하면 렌즈(200)를 통과한 레이저 빛의 광축은 z 축에서 벗어나게 되며, 렌즈(200)를 통과한 레이저 빛의 광축이 종단반사거울(500 또는 510)의 광축과 일치하도록 렌즈를 x-y 평면에서 움직이게되면, 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산된 레이저 빛이 종단반사거울(500 또는 510)에 수직 입사하게 되며, 이에 따라 종단반사거울(500 또는 510)에서 반사된 레이저 빛이 반사 거울에 도달하기까지의 레이저 빛의 역경로를 따라 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환되게 된다. 이러한 특성은 레이저 다이오드 칩(100)이 정확히 수평으로 부착되어 있지 않을 경우에도 그대로 적용된다.
도 11 내지 도 13의 경우는 수평으로 발산되는 레이저 빛을 수직으로 절환한 후 렌즈(200)를 거친 후 종단반사거울(500 또는 510)로 반사 시키는 경우에 사용 될 수 있다. 물론 도 8의 종단반사거울(500 또는 510)은 투과형의 특성을 가지는 다른 광학 장치와 더불어 사용 될 수 있다. 그러나 이러한 경우 시준화된 레이저 빛이 필요한 여러 가지 광학적 장치들이 렌즈(200)의 상부에 중첩되는 형태로 제작 되어야하므로 제작이 어려워지는 단점이 있다. 도 8과 같이 여러 가지 광학적 장치를 패키지의 바닥면에 늘어 놓는 형태가 조립을 용이하게 하며, 여러 가지 부가 기능을 가지는 추가적인 광학 장치의 조립을 용이하게 한다.
도 14는 패키지의 바닥면에 수평하게 부착되어서 수평으로 발산되는 레이저 빛을 수직으로 전환 한 후 다시 한번 광축의 방향을 꺽어 수평 방향으로 광축을 환원시키는 경우의 개념도를 보이고 있다. 도 14에서 레이저 다이오드 칩(100)에서 수평으로 발산된 레이저 빛이 제 1의 45 반사 거울(310)에서 반사 한 후 렌즈(200)로 진행하게 된다.
이때 렌즈(200)의 광축이 수직이며 또한 정확히 레이저의 광축과 일치한다고 가정하자. 제2의 45 반사 거울(320)은 수직면에 대해 정확히 45 의 경사각을 가지고 있다고 가정하자. 그리고 종단반사거울(500)은 수직면에서 경사져 있다고 가정하자. 이러한 상기의 가정 조건에서 렌즈(200)를 통과한 레이저 빛은 제 2의
45 반사 거울(320))은 수직대해 정 또한 정확히빛의 광축은 수평이 된다. 이러한 정확히빛에 대해 종단반사거울(500)은 수직면상에서 벗어나 있으므로 종단반사거울(500)에서 반사되는 레이저 빛은 렌즈(200)로 되돌아가지 못한다. 이 때의 레이저 빛의 진행 경로를 점선(720)으로 표시하였다.
이와 같이 종단반사거울의 광축이 수평이 아닌 경우에 렌즈(200)의 위치를 x-y 평면상에서 이동 시키면 도표의 실선(710)으로 표시 된 것과 같이 렌즈(200)를 통과한 레이저 빛의 광축이 수직에서 벗어나게 되고 따라서 제2의 45 반사 거울(320)에서 반사 된 레이저 빛 또한 수평 방향을 가질수 없다. 제2의 45 반사 거울(320)을 통과한 빛의 방향은 렌즈(200)의 수평 이동에 의해 조절 될 수 있으므로 종단반사거울(500)의 경사각을 상쇄하는 방향으로 렌즈의 위치를 이동 시켜 제 2의 45 반사 거울(320)을 통과한 빛이종단반사거울(500)에 입사 할 때는 종단반사거울(500)에 수직 입사 하도록 할 수 있다.
이 경우 종단반사거울(500)에서 반사 된 레이저 빛은 종단반사거울(500)에 도달 할 때 까지의 광 경로를 역으로 진행하게 되며 이에따라 레이저 빛의 궤환이 이루어지게 된다. 이러한 배치에서 제 2의 45 반사 거울(320)을 통과한 레이저 빛은 레이저 빛이 도면에 표시되지 않은 패키지 바닥면에 수평한 형태로 진행되므로 도 5와 같이 외부 공진기형 레이저의 특성을 결정하기 위한 다양한 부가 광학 장치를 패키지 바닥면에 부착하는 것이 가능하여진다. 이렇게 광축을 두 번 절환한 구조의 외부 공진기를 이중 폴더형 외부 공진기라 명명하기로 한다.
도 15는 도 14에서 설명한 이중 폴더형 외부 공진기 방법을 이용하여 도 8에서 제시된 것과 같은 파장 가변형 레이저 특성을 가지는 일 실시예를 보이고 있다. 도 15의 파장 가변형 필터(410)는 투과형 파장 가변형 필터로써 외부에서 조절되는 물리적 환경에 의해 투과되는 레이저 빛의 파장을 가변시키는 필터이다. 이러한 투과형 파장 가변 필터(410)로는 열적 팽창을 이용한 파장 가변형 필터, 액정(liquid crystal)의 인가 전압에 따른 굴절률 변화를 이용하는 방법, 고분자 구조(polymer)의 온도에 의한 굴절률 변화를 이용하는 여러 가지 방법이 사용 될 수 있다.
즉 도 15의 구조는 이중 폴더형 공진기 구조에 의해 광의 진행 높이가 달라지는 점을 제외하고는 광의 진행 방향 및 파장 가변형 필터(410)의 배치 방법, 종단반사거울(500)의 배치 방법은 도 8의 경우와 동일하다. 그러나 도 8에서는 렌즈를 x-z 평면상에서 이동하여 위치를 조절하여야 하는 반면에 도 15 에서는 렌즈(200)를 x-y 평면 상에서 이동하여 광 정렬을 이루는 방법이 상이하다.
도 16 및 17은 이중 폴더형 구조에서 렌즈 및 제 2의 45 반사 거울이 이들 부품을 지탱하기 위한 두 개의 렌즈 지지대(600)에 부착된 모습을 측면도들을 보여준다. 렌즈(200)의 하부에 레이저 다이오드 칩(100)이 배치 될 수 있도록 평행한 두 개의 지지대(600)에 렌즈(200) 및 제 2의 45 반사 거울(320)이 고정 부착 된 모습이다. 렌즈 지지대(600)와 렌즈(200) 그리고 제 2의 45 반사 거울(320)을 포함하여 렌즈 블록이라 칭하기로 한다. 두 개의 렌즈 지지대(600)사이 공간이며, 렌즈(200)의 하부에 레이저 다이오드 칩과 제 1의 45 반사 거울이 배치되게 된다. 렌즈지지대(600)는 외부적인 지지가 없이도 렌즈(200)를 일정 높이로 띄워주는 역할을 하므로 렌즈 블록을 도면에 표시되지 않은 패키지 바닥면에 부착한 상태에서 렌즈의 위치를 x-y 평면에서 정렬 후 고정 시킬수 있다.
도 16 및 도 17에서 설명한 방법대로 먼저 렌즈를 일정한 높이로 부착하며, 렌즈에 고정되어 있으며, 또한 렌즈와 하나의 몸체를 이루어 움직일수 있는 렌즈지지대를 이용하여 렌즈를 고정 한 후 이 렌즈 지지대를 레이저 다이오드 칩의 일 측면에 배치 할 경우 렌즈를 붙잡고 있지 않아도 렌즈지지대가 렌즈의 위치를 유지 할 수 있으므로 렌즈지지대를 위치 이동하여 렌즈를 광 정렬 할 수 있으며, 렌즈지지대를 패키지 바닥면에 고정시킬때에도 특별히 렌즈를 붙잡고 있지 않아도 된다.
이러한 방법은 렌즈지지대를 패키지 바닥면에 고정시킬 때 고정에 시간이 오래 걸리는 열 경화 epoxy등을 이용하여 렌즈를 고정 시킬수 있다는 장점이 있어 여러개의 렌즈지지대 고정 작업을 한번에 처리 할 수 있어 대량 생산에 적합한 방법이다. 또한 렌즈지지대의 재로로는 금속, 세라믹, 플라스틱등 어떠한 물질도 사용이 가능하여 렌즈 고정 장치를 제작하기 위한 비용이 적게 드는 장점이 있다.
정밀한 렌즈의 정렬이 요구되는 패키지에서 통상적으로 사용되는 방법은 x-z 평면상에서 렌즈를 고정하기 위해서는 렌즈의 외주연에 금속을 입히고 금속 재질의 렌즈지지대를 이용하여 렌즈를 x-z 평면상에서 움직여 광 정렬을 한 후 렌즈 외주연의 금속과 렌즈지지대의 금속을 laser welding 하는 방법이다. 그러므로 이러한 방법은 렌즈의 고정을 위해 고가의 장비인 laser welder가 필요한 반면 당사의 발명은 렌즈의 고정을 위해 단지 hot plate만 있어도 가능하다. 또한 기존의 방법은 렌즈의 정렬과 고정이 모두 하나의 제품에 대해 개별적으로 진행되어야 하나, 본 방법은 복수개의 제품을 한번에 고정 시킬수 있는 장점이 있다. 본 설명에서 렌즈와 제 2의 45 반사 거울이 렌즈지지대에 하나의 몸체로 부착 고정된 경우를 예로 들어 설명하였지만 제 2의 45 반사 거울은 스탠드와 분리되어 있어도 무방하다.
통상적으로 반도체 레이저 다이오드 칩의 활성 영역 구조는 이종 매립형 구조(buried hetero structure)와 리지 구조(ridge structure)로 크게 나눌수 있다. 이종 매립형 구조에서는 레이저 다이오드 칩에서 넓은 각도로 발산되는 레이저 빛의 방사각(diverse angle)이 수직, 수평면에 대해 비슷하지만, ridge 구조에서는 이 발산각의 분포가 수직 수평면에 따라 크게 달라진다.
한 예로 전형적인 이종 매립형 구조에 있어서 레이저 다이오드 칩에서 발산되는 레이저 빛의 발산각은 반가폭(full width at half maximum)이 수직, 수평에 대해 모두 30 정도이나, ridge 구조에 있어서 수평, 수직 방향으로의 발산각은 FWHM으로 10°, 40° 정도로 매우 큰 차이가 있다. 수평 수직으로의 발산각이 대칭을 이루는 이종 매립형 구조에 있어서 하나의 렌즈를 이용하여 레이저 빛의 시준화가 용이하나, 수평, 수직 방향으로의 발산각이 매우 크게 차이가 나는 ridge 구조에서는 하나의 렌즈를 이용하여 레이저 빛을 효과적으로 시준화하기 어렵다.
이러한 경우에는 도 18에서와 같이 레이저 다이오드 칩(100)과 제 1의
45 반사 거울(310) 사이에 제 2의 렌즈(210)를 사용하는 방법을 사용 할 수 있다. 제 2의 렌즈(210)는 렌즈(200)와는 달리 미리 고정된 위치로 고정시켜 부착하며, 제 2의 렌즈(210)를 통과한 레이저 빛을 이용하여 움직일수 있는 렌즈인 (200) 렌즈를 이동시킴으로써 도1 내지 도 17에서 설명한 원리로 광정렬을 이룰수 있다. 통상적으로 ridge 구조의 레이저 다이오드 칩(100)의 수직 발산각이 매우 크며, 수평 발산각은 좁다. cylindrical 렌즈는 수직/수평의 두 광 성분의 어느 한 성분에 대해서만 집속을 이루고 다른 방향의 성분은 그대로 투과시킨다. 그러므로 cylindrical 렌즈를 사용하면 레이저 다이오드 칩에서 수직/수평면에 대해 매우 다른 발산각을 가지는 형태로 발산되는 레이저 빛을 효과적으로 비슷한 발산각을 가지도록 변형시킬수 있다. 그러므로 제 2의 렌즈(210)는 cylindrical 렌즈인 것이 바람직하다.

Claims (4)

  1. 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 공진기를 이용한 반도체 레이저에 있어서,
    상기 레이저 다이오드 칩의 일측 단면에 수평으로 방출되는 레이저 빛을 상부로 반사하여 상부에 설치된 렌즈 및 파장 선택성 필터에 입사시키는 반사거울이 레이저 다이오드 칩의 일측에 설치되는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 반도체 레이저.
  2. 반도체 레이저 다이오드를 포함하는 외부 공진기를 이용한 반도체 레이저에 있어서,
    광축을 2번 이상 꺽어주는 외부 공진기형 레이저에서, 광축이 절환되기 전의 광축과 광축이 절환된 이후의 광축으로 구성되는 평면에서 제1의 광축 절환 평면과 제2의 광축 절환 평면이 서로 평행하지 않도록 구성된 2번 이상 광축을 꺽어주는 것을 특징으로 하며, 광축을 절환하는 광경로가 구성하는 평면에서 제 1의 광축 절환 평면은 레이저 다이오드 칩이 놓여져 있는 바닥면에 수직한 평면이고, 제 2의 광축 절환 평면은 레이저 다이오드 칩이 놓여져 있는 바닥면과 수평한 평면을 이루는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 반도체 레이저
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 렌즈는 양측이 지지대에 의해 지지되고, 상기 지지대 사이의 렌즈 하부에는 공간이 형성되어 상기 반사거울과 레이저 다이오드 칩이 설치되는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 반도체 레이저.
  4. 청구항 2에 있어서
    렌즈와 제 2의 반사 거울은 일체형으로 제작 되는 것을 특징으로 하는 외부 공진기를 이용한 반도체 레이저
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