반도체 레이저 개발 과정

1962년 7월 열린 고체소자연구에 관한 국제회의에서 MIT 링컨 연구소의 두 학자 키예스와 퀴스트가 비소를 보고했다. 갈륨 재료에서 빛이 방출되는 현상은 엔지니어인 홀로부터 큰 관심을 끌었다. 그는 일반 전기 연구소에서 회의가 끝난 후 집으로 가는 기차에서 관련 데이터를 기록했습니다. 집으로 돌아온 Hal은 즉시 반도체 레이저 개발 계획을 세웠고, 다른 연구자들과 함께 몇 주 간의 고군분투 끝에 그들의 계획은 성공했습니다.

반도체 레이저도 크리스털 다이오드와 마찬가지로 물질의 p-n 접합 특성을 기반으로 하고 있으며, 외관도 전자와 유사하기 때문에 반도체 레이저도 흔히 다이오드 레이저 또는 레이저 다이오드라고 부른다. 초기 레이저 다이오드는 실제적인 한계가 많았습니다. 예를 들어, 77K의 저온에서만 마이크로초 펄스로만 작동할 수 있었습니다. 이 발명이 레닌그라드의 Ioffe 물리학 연구소와 Bell Laboratories에 의해 개발되기까지는 8년 이상이 걸렸습니다. 상온에서 작동할 수 있는 연속 장치를 제작합니다. 충분히 신뢰할 수 있는 반도체 레이저는 1970년대 중반까지 등장하지 않았습니다.

반도체 레이저는 매우 작습니다. 가장 작은 것의 크기는 쌀알 크기에 불과합니다. 작동 파장은 레이저 재료에 따라 달라지며 일반적으로 0.6~1.55미크론입니다. 다양한 응용 분야의 요구로 인해 더 짧은 파장의 장치가 개발 중입니다. 보고에 따르면, ZnSe와 같은 II~IV 원자가 원소의 화합물을 작업 재료로 사용하는 레이저는 저온에서 0.46미크론의 출력을 달성한 반면, 0.50~0.51미크론 파장의 상온 연속 장치의 출력은 도달했습니다. 10밀리와트 이상. 그러나 아직까지 상용화는 이루어지지 않았다.

광섬유통신은 반도체 레이저의 가장 중요한 예측 응용 분야로 한편으로는 전세계적인 장거리 해저 광섬유 통신이며, 다른 한편으로는 다양한 지역 네트워크이다. . 후자에는 고속 컴퓨터 네트워크, 항공 전자 시스템, 보건 통신 네트워크, 고화질 폐쇄 회로 텔레비전 네트워크 등이 포함됩니다. 그러나 볼륨 측면에서 볼 때 컴팩트 디스크 플레이어는 이러한 유형의 장치에 대한 가장 큰 시장입니다. 다른 응용 분야로는 고속 인쇄, 자유 공간 광통신, 고체 레이저 펌프 소스, 레이저 포인팅 및 다양한 의료 응용 분야가 있습니다.

1960년대 초의 반도체 레이저는 호모접합 레이저로, 큰 순방향 전류를 주입해 p영역에 전자가 지속적으로 주입되는 물질이었다. 결과적으로 원래의 pn 접합 공핍 영역에서는 전자의 이동 속도가 정공의 이동 속도보다 빠르기 때문에 활성 영역에서는 방사선과 재결합이 일어나 형광이 발생합니다. 특정 조건에서 레이저 빛이 발생합니다. 이는 펄스 형태로만 작동할 수 있는 반도체 레이저입니다. 반도체 레이저 개발의 두 번째 단계는 이종 구조 반도체 레이저로, GaAs, GaAlAs 등 서로 다른 밴드 갭을 갖는 두 개의 얇은 반도체 재료 층으로 구성됩니다. 가장 먼저 등장한 것은 단일 이종 구조 레이저(1969)입니다. 단일 이종접합 주입 레이저(SHLD)는 이종접합이 제공하는 전위 장벽을 이용하여 주입된 전자를 GaAsP-N 접합의 P 영역 내에 가두어 임계 전류 밀도를 낮추는 역할을 합니다. 레이저의 크기는 몇 배로 줄어들었지만 단일 이종접합 레이저는 여전히 실온에서 연속적으로 작동할 수 없습니다.

1970년에는 레이저 파장이 9000이고 상온에서 연속적으로 작동하는 이중 이종 접합 GaAs-GaAlAs(갈륨 비소-갈륨 알루미늄 비소) 레이저가 실현되었습니다. 이중 이종접합 레이저(DHL)의 탄생으로 사용 가능한 파장 대역이 지속적으로 넓어지고 선폭과 튜닝 성능이 점차 향상되었습니다. 그 구조는 P형 물질과 N형 물질 사이에 도핑되지 않은, 두께가 0.2Em에 불과한 얇은 층의 성장이 특징이며, 에너지 갭이 좁은 물질이므로 주입되는 캐리어는 이 영역(활성 영역)으로 제한됩니다. , 더 적은 전류를 주입함으로써 캐리어 수의 반전을 달성할 수 있습니다. 반도체 레이저 소자 중 이중 헤테로구조를 갖는 전기주입 GaAs 다이오드 레이저는 상대적으로 성숙하고 성능이 더 좋아 널리 사용되고 있다.

이종접합 레이저 연구가 발달하면서 초박형(< 20nm) 반도체층을 레이저의 여기층으로 활용해 양자효과를 구현하면 어떤 결과가 나올지 고민하게 됐다. 또한 MBE 및 MOCVD 기술의 성과로 인해?

그 결과, 1978년 세계 최초로 반도체 양자우물레이저(QWL)가 등장하여 반도체 레이저의 다양한 특성을 크게 향상시켰으며, 이후 MOCVD, MBE 성장기술의 성숙으로 고품질의 레이저를 성장시킬 수 있게 되었다. 초미세 박층 소재를 사용해 더 나은 성능을 갖춘 양자우물 레이저 개발에 성공했다. 좁은 스펙트럼 선, 우수한 온도 안정성 및 높은 전기광학 변환 효율과 같은 장점이 있습니다.

QWL의 구조적 특징은 활성 영역이 약 ​​100 nm의 웰 폭을 갖는 다중 또는 단일 전위 우물로 구성된다는 것입니다. 왜냐하면 전위 우물의 폭은 전자의 드브로이파보다 작기 때문입니다. 재료에서 파장은 양자 효과를 생성하고 연속 에너지 대역은 하위 에너지 레벨로 분할되므로 특히 캐리어를 효과적으로 채우는 데 도움이 되며 필요한 레이저 값 전류가 특히 낮습니다. 반도체 레이저의 구조는 단일이다. 다중양자우물과 단일양자우물(SQW) 레이저의 구조는 기본적으로 일반 이중 이종접합(DH) 레이저의 활성층 두께를 수십 nm 이하로 만들고, 일반적으로 장벽을 더 두껍게 만드는 구조다. 더 큰 출력을 얻기 위해 일반적으로 많은 개별 반도체 레이저를 함께 결합하여 반도체 레이저 어레이를 형성할 수 있습니다. 따라서 양자우물 레이저가 어레이 집적 구조를 채택하면 출력이 100W 이상에 달할 수 있다. 고출력 반도체 레이저(특히 어레이 소자)가 급속히 발전하고 있으며, 연속 출력이 5W, 10W인 제품들이 출시되고 있다. , 20W 및 30W. 펄스형 반도체 레이저의 최대 출력은 50W이며 1500W 배열도 45kW 이상의 2차원 배열을 가지고 있습니다. 최대 출력 전력은 350kW입니다. 2차원 배열도 가능합니다. 1970년대 후반부터 반도체 레이저는 분명히 두 가지 방향으로 발전해 왔습니다. 하나는 정보 전송을 목적으로 하는 정보 레이저이고, 다른 하나는 광 출력을 높이기 위한 파워 레이저입니다. -전력 반도체 레이저(연속 출력 100W 이상, 펄스 출력 5W 이상, 고출력 반도체 레이저라고 할 수 있음)는 1990년대에 획기적인 발전을 이루었으며, 이는 반도체 레이저의 출력 전력이 크게 증가했습니다. 수준의 고출력 반도체 레이저가 상용화되어 국내 샘플 장치의 출력은 600W에 도달했습니다. 그러다가 650nm, 635nm의 파장이 나왔고, 청록색과 청색광 반도체 레이저도 개발에 성공해 10mw급 보라색 반도체 레이저도 개발 중이다. 다양한 용도로 개발된 Adapt Semiconductor 레이저에는 가변형 반도체 레이저, 전자빔 여기 반도체 레이저, "통합 광 회로"에 가장 적합한 광원인 분산 피드백 레이저(DFB-LD), 분산 브래그 반사 레이저(DBR)가 포함됩니다. 1개의 LD) 및 통합 이중 도파관 레이저(반도체 레이저에서 알루미늄을 제거하여 더 높은 출력 전력, 긴 수명 및 저렴한 튜브 획득), 중적외선 반도체 레이저 및 양자 레이저가 있습니다. 캐스케이드 레이저 등 그 중 가변형 반도체 레이저는 외부 전기장, 자기장, 온도, 압력, 도핑 베이 등을 통해 레이저의 파장을 변경하고 출력 빔을 쉽게 변조할 수 있는 DF(분산 피드백) 반도체입니다. 레이저는 광섬유 통신 및 통합 광 회로의 개발과 함께 등장했습니다. 1991년에 성공적으로 개발되었습니다. 분산 피드백 반도체 레이저는 단일 세로 모드 작동을 완전히 실현했으며 응집성 기술 분야에서 큰 응용 가능성을 열었습니다. 공동이 없는 진행파 레이저의 경우 주기적인 구조(또는 회절 격자)에 의해 형성된 광학적 결합에 의해 레이저 발진이 제공되며 벽개면으로 구성된 공진 공동에 의해 피드백이 더 이상 제공되지 않는다는 장점이 있습니다. 단일 모드 단일 주파수 출력을 얻습니다. 광섬유 케이블, 변조기 등과 결합되어 통합 광 회로의 광원으로 특히 적합합니다.

단극 주입 반도체 레이저는 전도대(또는 가전자대)의 하위 준위 사이의 열전자 광학 전이를 사용하여 레이저 방출을 달성합니다. 당연히 전도대와 원자가대는 하위 준위에서 메모리여야 합니다. 에너지 레벨이나 서브밴드를 위해서는 양자우물 구조의 사용이 필요하며, 유니폴라 주입 레이저는 큰 광출력을 얻을 수 있고 고효율, 초고속 응답을 갖는 반도체 레이저로 실리콘 기반 레이저 개발에 매우 ​​중요하다. 그리고 단파장 레이저의 발명은 중적외선부터 원적외선까지 넓은 파장 범위의 특정 파장의 레이저를 생성하는 방법을 크게 단순화시켰으며, 위와 같은 물질만 사용합니다. - 언급된 파장은 해당 범위 내에서 다양한 파장의 레이저를 얻을 수 있습니다. 이 레이저는 기존의 반도체 레이저에 비해 냉각 시스템이 필요하지 않으며 상온에서 안정적으로 작동할 수 있습니다. 양자선 및 양자점) 레이저도 빠르게 발전하고 있으며, 일본의 오카야마 GaInAsP/Inp 장파장 양자선(Qw+) 레이저는 9OkCW 작업 조건에서 Im =6.A, l =37A/cm2를 달성했으며 높은 양자 효율을 가지고 있습니다. 많은 과학 연구 기관에서 자체 조립 양자점(QD) 레이저를 개발하고 있습니다. QDLD는 이미 높은 밀도, 높은 균일성 및 높은 방출 전력을 갖추고 있습니다. 실제 요구 사항으로 인해 반도체 레이저의 개발은 주로 임계 전류 밀도를 낮추고 확장하는 데 중점을 두고 있습니다. 작업 수명을 확보하고 상온에서 연속 작동을 구현하며 단일 모드, 단일 주파수, 좁은 선폭을 구현하고 다양한 레이저 파장을 갖는 장치 개발을 수행합니다. 1990년대에 등장하여 특히 언급할만한 가치가 있는 것은 표면 방출 레이저(SEL)입니다. 일찍이 1977년에 사람들은 소위 표면 방출 레이저를 제안했고, 1979년에 첫 번째 장치를 만들었고 1987년에 만들었습니다. 1998년에 광학 펌핑 780nm 표면 방출 레이저가 개발되었습니다. 표면 발광 레이저는 상온에서 밀리암페어 미만의 네트워크 전류에 도달하고 출력 전력은 8mW, 변환 효율은 11%입니다. [2] 앞서 언급한 반도체 레이저는 캐비티 구조 측면에서 F-P(Fabry Porot)인지 여부 캐비티 또는 DBR(Distributed Bragg Reflection) 캐비티에서는 레이저 출력이 수평 방향으로 이루어지며, 이를 통칭하여 수평 캐비티 구조라고 합니다. 그러나 표면 방출 레이저는 기판의 평행 방향으로 빛을 방출합니다. 칩의 상부 및 하부 표면을 반사 필름으로 코팅하여 수직 F-P 캐비티를 형성합니다. 수직 캐비티 표면 방출 반도체 레이저(VCSELS)는 새로운 유형의 양자 우물 레이저입니다. 레이저 발생 임계 전류가 낮고 출력 광의 방향성이 좋으며 결합 효율이 높습니다. 수직 공동 표면 방출 레이저는 최대 작동 온도를 달성했습니다. 71°C까지. 또한 수직 공동 표면 방출 레이저에는 두 개의 불안정한 상호 수직 편광 가로 모드 출력, 즉 x 모드와 y 모드가 있습니다. 편광 전환 및 편광 쌍안정 특성에 대한 연구도 광학 피드백, 광전을 변경할 수 있습니다. 피드백, 광 주입, 주입 전류 및 기타 요소는 편광 상태 제어를 실현하여 광 스위치 및 광 논리 장치 분야에서 새로운 발전을 이루었습니다. 1990년대 후반에는 표면발광 레이저와 수직공진기 표면발광 레이저가 급속히 개발되었으며, 초병렬 광전자공학의 다양한 응용이 광학계에서 실용적으로 고려되었습니다. 표면 방출 레이저는 기가비트 이더넷과 같은 고속 네트워크에 사용되었습니다. 21세기 광대역 정보전송, 고속정보처리, 대용량 정보저장, 소형, 고정밀 군사장비 수요를 충족시키기 위해 반도체 레이저의 발전 추세는 고속 광대역 LD를 중심으로 , 고출력 ID, 단파장 LD, 유역선 및 양자점 레이저, 중적외선 LD 등 이러한 측면에서 일련의 중요한 결과를 얻었습니다.