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수직 외부 공동 면발광 레이저 document_id A220623029007

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문맥 (context)
본 발명은 수직 외부 공동 면발광 레이저에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구조가 간단하고 소형이며, 제조 단가가 저렴한 수직 외부 공동 면발광 레이저에 관한 것이다. 발진되는 빔이 기판에 대해 수직한 방향으로 방출되는 수직 공동 면발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL)는 좁은 스펙트럼의 단일 종모드(single longitudinal mode) 발진이 가능하고, 빔의 방사각이 작아 결합 효율(coupling efficiency)이 높다. 그리고, 면발광의 구조상 다른 장치에의 집적이 용이하여 펌핑용 광원으로 적합하다. 그러나, VCSEL은 광출력의 증가에 따른 열적 렌즈 효과 등으로 인해 다중 모드 상태로 바뀌기 때문에 단일 횡모드 발진이 측면 발광 레이저에 비해 매우 어려우며, 단일 횡모드 출력이 약하다는 단점이 있다. 상술한 VCSEL의 장점을 살리고 동시에 고출력을 구현하기 위한 레이저 소자로서, 외부 공동을 가지는 면발광 레이저(Vertical External Cavity Surface Emitting Laser; VECSEL)가 있다. 상기 외부 공동 면발광 레이저(VECSEL)는 VCSEL의 내부에 있는 상부 미러를 외부의 미러로 대체하여 이득 영역(Gain Region)을 증가시킴으로써 고출력을 얻도록 하는 레이저 소자이다. 도 1은 일반적인 외부 공동 면발광 레이저(이하, VECSEL이라고 함)의 개략적인 구조를 도시하는 것으로, 반도체 칩(13)의 전방에서 펌프 빔을 공급하는 펌프 레이저(15)를 구비한 전방 광펌핑 방식(front optical pumping)의 레이저이다. 상기 전방 광펌핑 방식의 VECSEL(10)은 히트 싱크(Heat sink)(14) 위에 순차적으로 적층된 분산 브래그 반사층(Distributed Bragg Reflector; DBR)(11)과 활성층(12)을 가지는 반도체 칩(13), 상기 반도체 칩(13)과 소정의 간격을 두고 대향하는 외부 미러(20)를 포함한다. 상기 펌프 레이저(15)와 반도체 칩(13) 사이에는 펌프 레이저(15)에서 방출되는 펌프 빔을 집광시키는 렌즈(16)가 배치된다. 또한, 활성층(12)과 외부 미러(20) 사이에는 상기 활성층(12)으로부터 출력되는 기본광의 주파수를 2배로 만드는 2차 조화파 발생(Second Harmonic Generation; SHG) 소자(18)와, 2차 조화파 발생 효율을 높이기 위한 복굴절 필터(17)가 배치된다. 광변환 효율 증대를 위해서는 선편광과 좁은 종모드 선폭이 필요하다. 상기 복굴절 필터(17)는 선폭(line width)이 좁은 단일 파장의 선택성을 만족시켜 광변환 효율을 증대시킨다. 한편, 상기 활성층(14)은, 예컨대, RPG(Resonant Periodic Gain) 구조를 갖는 다중 양자우물 구조이고, 펌프 빔에 의해 여기되어 소정의 파장(λ2)을 갖는 빔을 방출한다. 펌프 레이저(15)는 상기 활성층(12)에서 방출되는 기본빔의 파장 보다 짧은 파장(λ1)의 펌프 빔을 상기 활성층(12)에 입사시켜 활성층(12)을 여기시키는 역할을 한다. 이러한 구조에서, 펌프 레이저(15)에서 방출된 상대적으로 짧은 파장(λ1)의 펌프 빔이 활성층(12)에 입사하면, 상기 활성층(12)이 여기되면서 특정 파장(λ2)의 빔을 방출한다. 이렇게 발생한 빔은, DBR층(11)과 외부 미러(20) 사이에서 반사를 되풀이하면서, 활성층(12)을 왕복한다. 이 과정을 통해 상기 활성층(12) 내에서 증폭된 빔의 일부는 외부 미러(20)를 통해 외부로 출력된다. 상기 활성층(12)으로부터 방출된 빔은 다중 종모드 빔으로 상기 복굴절 필터(17)를 통해 선폭이 좁은 단일 종모드의 빔으로 필터링된다. 이렇게 필터링된 빔의 파장은 상기 SHG 결정(18)을 통해 변환된다. 예를 들어, 적외선 영역의 빔이 가시광선 영역의 빔으로 변환되어 출력된다. 복굴절 필터(17)를 사용하는 경우 공진하는 빔의 편광 상태와 파장을 선택하여 사용하기 위해서, 필연적으로 빔의 주 경로에 대해서 일정 각도, 즉 브루스터 각도(Brewster''s angel)를 유지한 상태로 기울어지게 필터를 설치해야 하고, 편광에 따른 정렬을 해야 하기 때문에 정렬을 위한 지그가 필요하므로 VESCEL의 전체적인 부피가 커지는 문제점이 있다. 따라서, 블루-그린 광원의 응용 분야에서 소형 사이즈의 레이저 소스로 이용하기에 부적합하다. 또한, 복굴절 필터(17)는 제조 단가가 비싸고 제조 공정이 복잡하다.
지시문 (instruction)
주어진 원문을 읽고 필요한 정보를 파악하여, 원문에 근거해 질문에 답하라.
질문 (question)
VECSEL(외부 공동 면발광 레이저)이 VCSEL(수직 공동 면발광 레이저)의 상부 미러를 외부 미러로 대체함으로써 얻게 되는 기술적 효과는 무엇인가?
추론 과정 (compact_reasoning)
  1. 1과제 해석task_interpretation

    VECSEL의 구조적 변화(상부 미러를 외부 미러로 대체)가 가져오는 기술적 효과를 묻는 질문이다.

  2. 2정보 추출information_extraction

    VCSEL과 VECSEL의 차이점 및 VECSEL의 구성 원리를 추출한다.

    • 상기 외부 공동 면발광 레이저(VECSEL)는 VCSEL의 내부에 있는 상부 미러를 외부의 미러로 대체하여 이득 영역(Gain Region)을 증가시킴으로써 고출력을 얻도록 하는 레이저 소자이다.
  3. 3근거 선택evidence_selection

    구조적 변화와 그로 인한 효과(이득 영역 증가 및 고출력 구현)가 명시된 구절을 선택한다.

    • VCSEL의 내부에 있는 상부 미러를 외부의 미러로 대체하여 이득 영역(Gain Region)을 증가시킴으로써 고출력을 얻도록 하는 레이저 소자이다.
  4. 4논리 통합logical_integration

    상부 미러를 외부 미러로 대체하는 행위가 이득 영역을 증가시키고, 이것이 고출력으로 이어진다는 인과관계를 파악한다.

    • 이득 영역(Gain Region)을 증가시킴으로써 고출력을 얻도록 하는
  5. 5결론 도출conclusion_formulation

    구조적 변화의 결과로 이득 영역이 증가하며, 최종적으로 고출력을 얻을 수 있다는 결론을 도출한다.

    • 이득 영역(Gain Region)을 증가시킴으로써 고출력을 얻도록 하는
  6. 6답변 생성answer_generation

    질문에 대해 명확하고 간결하게 답변을 작성한다.

    • 이득 영역(Gain Region)을 증가시킴으로써 고출력을 얻도록 하는
최종 답변 (final_answer)
VCSEL의 내부에 있는 상부 미러를 외부의 미러로 대체함으로써 이득 영역(Gain Region)을 증가시켜 고출력을 얻을 수 있다.
핵심 해석 (core_interpretation)
VECSEL은 내부에 있는 상부 미러를 외부 미러로 대체하여 이득 영역을 증가시킴으로써 고출력을 구현한다.