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1. 개요
레이저 다이오드 (Laser Diode)의 LASER는 “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (유도 방출에 의한 빛의 증폭)”의 이니셜을 조합한 것입니다
레이저 다이오드는 Laser 광원을 생성하는 소자로, 다이오드 레이저 또는 반도체 레이저로도 알려져 있습니다.
이는 반도체 소자와 광학 공학의 원리를 결합하여 작동합니다.
레이저 다이오드는 전기 에너지를 이용하여 레이저를 발산하는데, 이는 반도체 소자의 특성을 이용하여 광자를 생성하고 증폭시키는 과정을 포함합니다.
이러한 광자들은 반사된 빛을 강하고 집중된 형태로 방출하며, 이것이 Laser 광선으로 알려진 것입니다.
레이저 다이오드의 역사는 1960년대 초기 Laser 기술의 발전과 함께 시작되었습니다.
초기에는 헬륨-네온 레이저와 같은 기타 레이저 유형이 주류를 이루었지만, 1962년에는 로버트 넬 박사와 공동 연구자인 고든 광 씨가 최초로 반도체 Laser를 발명했습니다.
이후 레이저 다이오드는 빠르게 발전하여 다양한 응용 분야에서 사용되고 있으며, 현재는 통신, 의료, 산업 및 연구 분야에서 광범위하게 사용되고 있습니다.
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2. Laser 다이오드 발광 원리
레이저 다이오드는 반사경 사이에서 왕복하는 빛이 증폭되어 Laser 광을 발생시킵니다.
이 과정은 주로 다음과 같이 진행됩니다.
- 전류 주입: 레이저 다이오드에 전류를 주입합니다. 이로 인해 반도체 소자 내부의 전자와 양자들이 활성화됩니다.
- 확산 및 증폭: 활성화된 전자와 양자들은 반도체 내부에서 에너지를 방출하면서 빛을 생성합니다.
이 빛은 전방향으로 방출되지만, 반사경에 의해 다시 반사되어 반도체 사이를 왕복하면서 증폭됩니다. - 발진: 반사경 사이에서 왕복하는 빛이 충분히 증폭되면, Laser 광이 발생합니다.
이 광은 특정한 파장과 위상을 가지며, 강력하고 집중된 형태로 나타납니다.
레이저 다이오드의 핵심 소재로는 AlGaAs, InGaAlP, InGaN, ZnO 등의 화합물 반도체가 사용됩니다.
이러한 화합물 반도체는 Laser 광을 발생시키기 위한 적합한 소재로 선택됩니다.
한편, Si와 같은 다른 소재는 Laser 다이오드에는 적합하지 않습니다.
왜냐하면 Si 소재의 천이 확률이 낮기 때문에, 전류가 빛으로 변하는 과정에서 효율적인 발광이 어렵기 때문입니다.
3. 레이저 다이오드 단자
레이저 다이오드는 일반적으로 세 개의 단자를 가지고 있습니다
Laser 다이오드 음극 (LDC), 공통 (+), 그리고 포토다이오드 양극 (PDA). 대부분의 경우, 공통 단자는 전압원의 양극에 연결되고, LDC와 PDA는 음극에 연결됩니다.
이 구성은 레이저 다이오드에 전류를 흐르게 하고, 동시에 포토다이오드에는 전류가 흐르지 않도록 만듭니다.
그래서 Laser 다이오드는 전달되는 전류에 반응해서 Laser를 발산하는데 사용되고, 포토다이오드는 레이저가 발산하는 방향으로 빛을 감지하는 역할을 합니다.
이렇게 함으로써 Laser 다이오드의 성능을 최적화하고 안정화시킬 수 있습니다.
레이저 다이오드는 일반적으로 포토다이오드와 함께 사용되어 피드백을 제공합니다.
이 피드백 시스템은 Laser 다이오드를 흐르는 전류를 조절하는 데 도움이 됩니다.
레이저 다이오드에는 전류 드라이버로 작용하는 트랜지스터가 연결됩니다.
광학적으로 작동하는 포토다이오드는 레이저 다이오드의 후방으로 이동하는 빔의 일부를 전류로 변환합니다.
이 전류는 트랜지스터의 베이스에 연결된 레귤레이터를 통해 전류 드라이버로 피드백됩니다.
요약하면, 포토다이오드는 후방으로 이동하는 Laser 빔을 전류로 변환하여 피드백 시스템을 통해 트랜지스터 기반의 전류 드라이버와 레귤레이터를 통해 Laser 다이오드를 흐르는 전류를 조절하는 데 사용됩니다.
4. 레이저 다이오드 구조
레이저 다이오드의 구조는 여러 부품으로 이루어져 있습니다.
먼저, 커버 글라스가 있어서 Laser 다이오드를 외부로부터 보호하고 격리합니다.
그 위에는 서브 마운트가 위치해 있어서 실제 Laser 다이오드 칩을 담고 있습니다.
다이오드 칩 위에는 금속 캡이 있어서 칩을 보호하고 냉각을 돕습니다.
이 금속 캡은 금속 스템에 연결되어 있습니다.
스템은 열을 분산하고 전기적으로 접지되어 있습니다.
다이오드의 뒷부분에는 유리가 있어서 빛을 집중하고 정렬합니다.
유리와 연결된 리드는 전기적인 연결을 제공하고 다이오드를 회로에 연결합니다.
마지막으로, 다이오드 구조에는 포토다이오드도 있습니다.
이는 레이저 빔을 감지하고 피드백을 제공하여 Laser 다이오드의 성능을 최적화하는 데 사용됩니다.
5. 레이저 다이오드 광 출력 특성
5-1) I-L 특성
레이저 다이오드의 I-L 특성은 주입된 전류와 광 출력 간의 관계를 보여줍니다.
이 특성은 Laser 다이오드의 동작을 이해하는 데 중요합니다.
I-L 곡선에는 역치 전류, 기울기 효율, 롤오버 영역이 있습니다.
threshold 전류는 레이저 작동에 필요한 최소 전류를 나타내며, 기울기 효율은 전력 변환 효율을 의미합니다.
롤오버 영역은 최대 광 출력을 제한합니다.
이러한 특성을 이해하면 Laser 다이오드의 최적 작동 조건을 결정할 수 있습니다.
I-L 곡선은 일반적으로 여러 가지 주요 특징을 나타냅니다
- threshold current: 낮은 주입 전류에서는 광 출력이 무시할 정도로 작습니다.
일정 threshold 를 넘어서면 주입 전류가 급격히 증가함에 따라 광 출력이 시작됩니다.
역치 전류는 Laser 동작에 필요한 최소 전류를 나타냅니다. - 기울기 효율: 활성 영역 (threshold 이상)에서 I-L 곡선의 기울기는 Laser 다이오드가 전기적 전력을 광 출력으로 변환하는 효율을 나타냅니다.
더 높은 기울기 효율은 더 좋은 변환 효율을 의미합니다. - 롤오버 영역: 높은 주입 전류에서는 레이저 다이오드가 가열 및 비방사 재결합과 같은 요인으로 인해 광 출력이 포화되거나 감소하기 시작할 수 있습니다.
이 롤오버 영역은 최대 광 출력을 제한합니다. - 동작 영역: threshold 전류와 롤오버 지점 사이의 영역은 Laser 다이오드의 전형적인 작동 영역이며, 여기서 안정적이고 효율적인 레이저 발산이 관찰됩니다.
I-L 특성을 분석함으로써 엔지니어들은 통신, 광 데이터 저장, Laser 프린팅과 같은 다양한 응용 분야에서 레이저 다이오드의 최적 작동 조건을 결정할 수 있습니다.
또한 이러한 특성은 다양한 작동 조건 하에서 레이저 다이오드의 성능 제한 및 신뢰성에 대한 통찰력을 제공합니다.
5-2) I-L 측정 방법
레이저 다이오드의 I-L 특성은 Laser 다이오드에 주입되는 전류와 발생하는 광 출력 간의 관계를 나타내는 것입니다.
이 특성을 측정하기 위해 광 출력 미터가 사용됩니다.
이 장비는 레이저 다이오드에서 발산되는 광 출력을 측정할 수 있습니다.
측정을 위해 레이저 다이오드에서 발산하는 광이 광 출력 미터의 광 수신 면으로 들어가도록 배치됩니다.
그러나 측정 과정에서 광 수신 면으로 반사되는 광이 다시 Laser 다이오드로 돌아가면 정확한 측정을 방해할 수 있습니다.
따라서 광 수신 면은 광축에 대해 약간 기울여져 있어야 합니다.
이 기울임은 보통 5-20° 정도입니다.
이렇게 하면 광 수신 면에서 반사되는 광이 레이저 다이오드로 돌아가지 않고 미터로 다시 들어가게 됩니다.
I-L 특성을 분석함으로써 레이저 다이오드의 중요한 특성인 threshold 전류와 작동 전류를 결정할 수 있습니다.
threshold 전류는 Laser 다이오드가 광을 발산하기 시작하는 최소 전류를 나타냅니다.
동작 전류는 Laser 다이오드가 최적으로 작동하는 전류 수준을 의미합니다.
또한, 모니터 전류는 Laser 다이오드의 후면에서 발산하는 레이저 빔을 내장된 포토다이오드로 모니터링할 때 측정됩니다.
이를 통해 Laser 다이오드의 성능을 실시간으로 모니터링하고 안정적인 작동을 보장할 수 있습니다.
6. 레이저 다이오드 진동 파장(λ)
레이저 진동 파장 (λ)은 Laser 다이오드에서 발생하는 Laser의 파장을 나타냅니다.
이 파장은 주로 나노미터(nm) 단위로 표시됩니다.
Laser 진동 파장은 주로 활성 층의 결정 재료의 밴드갭과 칩 구조의 공진기 길이에 의해 결정됩니다.
레이저 다이오드 내부에서 Laser가 발생하는 원리는 활성 층에서 전하운반과 결합된 광자 방출에 의해 이루어집니다.
이 때, 활성 층의 결정 재료에 따라 밴드갭이 정해지며, 이는 Laser의 파장에 큰 영향을 미칩니다.
밴드갭 주변에서 가장 큰 이득을 얻는 파장에서 Laser가 진동하게 됩니다.
또한, 레이저 진동 파장은 칩 구조의 공진기 길이에 따라 결정됩니다.
공진기는 Laser가 진동할 수 있도록 장치의 일부이며, 이 공진기의 길이는 Laser 다이오드의 물리적인 구조에 따라 결정됩니다.
Laser 진동 파장은 또한 온도 변화에도 영향을 받습니다.
예를 들어, 활성 층의 온도가 상승하면 공진기의 길이가 물리적으로 늘어나고, 이는 Laser 진동 파장이 더 길어지는 결과를 낳습니다.
따라서, 케이스 온도와 Laser의 광 출력이 증가할 때 Laser 진동 파장도 함께 증가할 수 있습니다.
“Coherent length”는 광학에서 사용되는 용어로, 한 Laser 빔이 일관된 상태로 유지되는 거리를 의미합니다. 이는 일관된 파장과 위상을 갖는 광파가 서로 간섭하여 안정된 광학적 패턴을 형성하는 거리를 나타냅니다. 즉, 한 Laser 빔이 일관된 진폭과 위상을 유지하기 위해 여행할 수 있는 최대 거리를 말합니다. Coherent length는 Laser의 특성과 환경 조건에 따라 달라질 수 있으며, 주로 Laser의 응용 분야와 광학 실험에서 중요한 매개 변수로 사용됩니다.