반도체 레이저의 작동 원리 및 주요 유형

작동 원리 및 주요 유형반도체 레이저

반도체레이저 다이오드반도체 레이저는 높은 효율, 소형화 및 다양한 파장 범위를 특징으로 하며, 통신, 의료 및 산업 공정 등 다양한 분야에서 광전자 기술의 핵심 부품으로 널리 사용되고 있습니다. 본 논문에서는 반도체 레이저의 작동 원리와 종류를 소개하여 광전자 연구자들이 레이저를 선택하는 데 참고할 수 있도록 했습니다.

1. 반도체 레이저의 발광 원리

반도체 레이저의 발광 원리는 반도체 물질의 밴드 구조, 전자 전이 및 유도 방출에 기반합니다. 반도체 물질은 밴드갭을 가진 물질로, 가전자대와 전도대로 구성됩니다. 물질이 바닥 상태일 때, 전자는 가전자대를 채우고 있으며 전도대에는 전자가 없습니다. 외부에서 특정 전기장을 가하거나 전류를 주입하면 일부 전자가 가전자대에서 전도대로 전이하여 전자-정공 쌍을 형성합니다. 에너지 방출 과정에서 이러한 전자-정공 쌍이 외부의 자극을 받으면 광자, 즉 레이저가 발생합니다.

2. 반도체 레이저의 여기 방법

반도체 레이저의 여기 방식에는 크게 전기 주입식, 광 펌프식, 고에너지 전자빔 여기식의 세 가지가 있습니다.

전기 주입식 반도체 레이저: 일반적으로 갈륨비소(GaAs), 카드뮴황화물(CdS), 인듐인화물(InP), 아연황화물(ZnS) 등의 재료로 만들어진 반도체 표면 접합 다이오드입니다. 순방향 바이어스 전류를 주입하여 여기시키면 접합면 영역에서 유도 방출이 발생합니다.

광학적으로 여기되는 반도체 레이저: 일반적으로 N형 또는 P형 반도체 단결정(예: GaAs, InAs, InSb 등)이 작동 물질로 사용되며,원자 램프다른 레이저에서 방출되는 빛이 광학적으로 여기되는 에너지로 사용됩니다.

고에너지 전자빔 여기 반도체 레이저: 일반적으로 이 레이저는 N형 또는 P형 반도체 단결정(예: PbS, CdS, ZhO 등)을 작동 물질로 사용하며, 외부에서 고에너지 전자빔을 주입하여 여기시킵니다. 반도체 레이저 소자 중 성능이 우수하고 응용 분야가 넓은 것은 이중 이종 구조를 갖는 전기 주입식 GaAs 다이오드 레이저입니다.

3. 반도체 레이저의 주요 유형

반도체 레이저의 활성 영역은 광자 생성 및 증폭의 핵심 영역이며, 두께는 수 마이크로미터에 불과합니다. 내부 도파관 구조(예: 리지 도파관 및 매몰형 이종 접합)를 사용하여 광자의 측면 확산을 제한하고 에너지 밀도를 향상시킵니다. 레이저는 방열판 설계를 채택하고 열전도율이 높은 재료(예: 구리-텅스텐 합금)를 사용하여 열을 빠르게 방출함으로써 과열로 인한 파장 변화를 방지합니다. 반도체 레이저는 구조 및 적용 시나리오에 따라 다음과 같은 네 가지 범주로 분류할 수 있습니다.

에지 방출 레이저(EEL)

레이저는 칩 측면의 절단면에서 출력되어 타원형 스폿(발산각 약 30°×10°)을 형성합니다. 일반적인 파장으로는 808nm(펌핑용), 980nm(통신용), 1550nm(광섬유 통신용) 등이 있습니다. 이 레이저는 고출력 산업용 절단, 광섬유 레이저 펌핑 소스, 광통신 기간망 등에 널리 사용됩니다.

2. 수직 공진 표면 방출 레이저(VCSEL)

이 레이저는 칩 표면에 수직으로 방출되며, 원형의 대칭형 빔(발산각 <15°)을 생성합니다. 분산 브래그 반사기(DBR)가 내장되어 있어 외부 반사기가 필요 없습니다. 3D 센싱(예: 휴대폰 얼굴 인식), 단거리 광통신(데이터 센터), LiDAR 등 다양한 분야에서 널리 사용됩니다.

3. 양자 캐스케이드 레이저(QCL)

양자 우물 사이의 전자 캐스케이드 전이를 기반으로 하는 이 파장 영역은 인구 반전 없이 중적외선에서 원적외선 영역(3~30μm)을 포괄합니다. 광자는 서브밴드 간 전이를 통해 생성되며, 가스 감지(예: CO₂ 감지), 테라헤르츠 이미징 및 환경 모니터링과 같은 응용 분야에서 일반적으로 사용됩니다.

4. 조절 가능한 레이저

가변 레이저는 외부 공진기 설계(격자/프리즘/MEMS 미러)를 통해 ±50nm의 파장 튜닝 범위, 좁은 선폭(<100kHz), 높은 측파대역 제거비(>50dB)를 구현할 수 있습니다. 이러한 레이저는 고밀도 파장 분할 다중화(DWDM) 통신, 분광 분석, 생체 영상 등의 분야에서 널리 사용됩니다. 반도체 레이저는 통신 레이저 장치, 디지털 레이저 저장 장치, 레이저 가공 장비, 레이저 마킹 및 포장 장비, 레이저 조판 및 인쇄, 레이저 의료 장비, 레이저 거리 및 시준 검출 장비, 엔터테인먼트 및 교육용 레이저 기기 및 장비, 레이저 부품 등 다양한 분야에 활용되며, 레이저 산업의 핵심 구성 요소입니다. 이처럼 광범위한 응용 분야로 인해 수많은 브랜드와 제조업체의 레이저가 존재합니다. 레이저를 선택할 때는 특정 요구 사항과 응용 분야를 고려해야 합니다. 각 제조업체는 다양한 분야에서 서로 다른 응용 분야를 제공하므로, 프로젝트의 실제 응용 분야에 따라 제조업체와 레이저를 선택해야 합니다.