반도체 레이저의 작동 원리 및 주요 유형

작동 원리 및 주요 유형반도체 레이저

반도체레이저 다이오드높은 효율, 소형화, 그리고 파장 다양성을 갖춘 반도체 레이저는 통신, 의료, 산업 공정 등 다양한 분야에서 광전자 기술의 핵심 부품으로 널리 사용되고 있습니다. 본 논문에서는 반도체 레이저의 작동 원리와 종류를 자세히 소개하여 대다수 광전자 연구자들의 선택 기준에 도움을 주고자 합니다.

1. 반도체 레이저의 발광 원리

반도체 레이저의 발광 원리는 반도체 물질의 밴드 구조, 전자 전이, 그리고 유도 방출에 기반합니다. 반도체 물질은 가전자대와 전도대를 포함하는 밴드갭을 가진 물질입니다. 물질이 바닥 상태에 있을 때, 전자는 가전자대를 채우지만 전도대에는 전자가 없습니다. 외부에서 특정 전기장을 인가하거나 전류를 흘려주면, 일부 전자는 가전자대에서 전도대로 전이하여 전자-정공 쌍을 형성합니다. 에너지 방출 과정에서 이러한 전자-정공 쌍이 외부 자극을 받으면 광자, 즉 레이저가 생성됩니다.

2. 반도체 레이저의 여기 방법

반도체 레이저의 여기 방식에는 크게 전기 주입 방식, 광 펌프 방식, 고에너지 전자빔 여기 방식의 세 가지가 있다.

전기 주입 반도체 레이저: 일반적으로 갈륨비소(GaAs), 황화카드뮴(CdS), 인듐인화물(InP), 황화아연(ZnS)과 같은 재료로 만들어진 반도체 표면 접합 다이오드입니다. 순방향 바이어스를 따라 전류를 주입하여 여기시켜 접합면 영역에서 유도 방출을 생성합니다.

광펌핑 반도체 레이저: 일반적으로 N형 또는 P형 반도체 단결정(GaAS, InAs, InSb 등)을 작동 물질로 사용하며,원자 램프다른 레이저에서 방출된 빛은 광학적으로 펌핑된 여기로 사용됩니다.

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

3. 반도체 레이저의 주요 종류

반도체 레이저의 활성 영역은 광자 생성 및 증폭의 핵심 영역이며, 그 두께는 수 마이크로미터에 불과합니다. 내부 도파관 구조(리지 도파관 및 매립형 이종접합 등)는 광자의 측면 확산을 제한하고 에너지 밀도를 높이는 데 활용됩니다. 레이저는 방열판 설계를 채택하고, 빠른 방열을 위해 구리-텅스텐 합금과 같은 높은 열전도도의 재료를 선택하여 과열로 인한 파장 드리프트를 방지합니다. 반도체 레이저는 구조 및 응용 분야에 따라 다음 네 가지 범주로 분류할 수 있습니다.

에지 방출 레이저(EEL)

레이저는 칩 측면의 절단면에서 출력되어 타원형 스팟(발산각 약 30°×10°)을 형성합니다. 일반적인 파장은 808nm(펌핑용), 980nm(통신용), 1550nm(광섬유 통신용)입니다. 고출력 산업용 절단, 광섬유 레이저 펌핑 소스, 그리고 광통신 백본망에 널리 사용됩니다.

2. 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)

레이저는 칩 표면에 수직으로 방사되며, 원형이고 대칭적인 빔(발산각 <15°)을 형성합니다. 분산 브래그 반사기(DBR)를 내장하여 외부 반사기가 필요 없습니다. 3D 센싱(휴대폰 얼굴 인식 등), 단거리 광통신(데이터 센터), 그리고 LiDAR에 널리 사용됩니다.

3. 양자 캐스케이드 레이저(QCL)

양자 우물 간 전자의 계단식 전이를 기반으로, 파장은 중적외선에서 원적외선 영역(3~30μm)을 커버하며, 밀도 반전이 필요하지 않습니다. 광자는 부대역 간 전이를 통해 생성되며, 가스 감지(예: CO₂ 감지), 테라헤르츠 이미징, 환경 모니터링 등의 응용 분야에 일반적으로 사용됩니다.

4. 조정 가능한 레이저

가변 레이저의 외부 공동 설계(격자/프리즘/MEMS 미러)는 ±50nm의 파장 가변 범위를 달성할 수 있으며, 좁은 선폭(<100kHz)과 높은 사이드 모드 제거비(>50dB)를 제공합니다. DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing) 통신, 스펙트럼 분석, 생체 영상 등의 응용 분야에 널리 사용됩니다. 반도체 레이저는 통신 레이저 장치, 디지털 레이저 저장 장치, 레이저 가공 장비, 레이저 마킹 및 패키징 장비, 레이저 조판 및 인쇄, 레이저 의료 장비, 레이저 거리 및 콜리메이션 검출 장비, 엔터테인먼트 및 교육용 레이저 장비 및 장비, 레이저 부품 및 부품 등에 널리 사용됩니다. 이러한 레이저는 레이저 산업의 핵심 부품입니다. 광범위한 응용 분야로 인해 다양한 브랜드와 제조업체가 있습니다. 레이저를 선택할 때는 특정 요구 사항과 응용 분야를 고려해야 합니다. 제조업체마다 다양한 분야에서 각기 다른 용도가 있으므로, 프로젝트의 실제 응용 분야에 따라 제조업체와 레이저를 선택해야 합니다.