다이오드 레이저, 광 증폭

 레이저 
레이저(laser)는 가스에서부터 유리에 이르기까지 많은 재료들로 만들 수 있고, 에너지를 레이저에 공급하기 위해서는 가스 내에서 전기 방전을 일으키거나 섬광 등에서 나오는 강한 빛을 주사하거나 하는 다양한 방법이 사용됨
다이오드 전류에 의해 전력이 공급되는 다이오드 레이저(diode laser)는 가장 작고 저렴한 레이저. 이 레이저의 기본 구조는 정 바이어스 상태에 있는 PN 접합 구조. 
광통신에서부터 DVD와 CD-ROM 리더에 이르기까지 많은 응용 분야에서 다이오드 레이저는 눈부신 활약 
이러한 눈부신 활용은 레이저 빛이 가지는 다음 특성 중의 어느 한 가지 혹은 두 가지 특성 모두의 이점을 이용하는 것
이 중 하나는 단일 주파수특성
다른 하나는 작은 점 크기로 초점이 모아지는 특성
LED와 마찬가지로 다이오드레이저는 효율적인 광 방출을 얻기 위해서 직접 갭 반도체를 사용함

 

 

 광 증폭 
레이저 동작은 광 증폭(light amplification)을 필요로 함
(a) 태양-전지에서처럼 광자가 전자-정공 쌍을 생성 (b) 전자가 전도 대역으로부터 가전자 대역으로 떨어질 때, LED 동작에서처럼 광자가 랜덤 방향으로 방출(자발적 방출, spontaneous emission). (c) 입사한 광자가 전도 대역의 전자를 자극하여 이 전자가 가전자 대역으로 떨어지면서 두 번째 광자를 방출(유도 방출, stimulated emission). 

] (a)~(c) 광과 전자의 상호작용에 대한 세 형태 , (d) 보통 , 빛이 반도체에 흡수된다 , (e) 점유 반전 상태에서 빛 ( 파동 크기 ) 은 반도체에서 증폭된다 .

유도 방출은 레이저 동작의 기초 : 전기적 신호 파형이 증폭될 수 있는 것과 꼭 같이 유도 방출에서 입사광 파동의 세기가 증폭됨. 증폭된 광 파형은 입사한 광과 비교할 때 주파수와 진행 방향에 있어서는 동일하지만 크기는 더 큼. 이 특성 때문에 레이저 광은 파장의 순도가 매우 높고 방향성이 매우 우수한 특성을 가짐.
만약 [그림 (d)]에서 보는 바와 같이 낮은 에너지 상태에서 전자가 점유할 확률이 더 크다면(페르미 함수에 의하면 통상적인 경우에 해당), 유도 방출보다 흡수의 비율이 더 높고 빛은 반도체에 의해 흡수됨
만약 [그림 (e)]와 같이 높은 에너지 상태에서 전자가 점유할 확률이 더 크다면, 즉 점유 반전(population inversion)이라 불리는 조건이 된다면 빛은 증폭됨. 점유 반전은 레이저 동작을 위해 필요한 조건.

 

 

광 피드백 
광 발진기인 레이저를 만들기 위해서는 광 증폭과 광 피드백이 쌍으로 필요
좁은 광 피드백을 제공하는 간단한 한 가지 방법은 레이저 다이오드의 끝 면을 PN 접합에 수직이 되도록 쪼개거나(벽개) 연마하는 것

 

발진기의 조건(순 왕복 이득이 1 이상) : R1ⅹR2ⅹG≥1
R1과 R2는 양쪽 끝의 반사율, G는 광이 한 바퀴 왕복 이동을 하면서 얻는 광 증폭 인자(이득)
종종 다이오드 레이저는 보강 간섭을 일으키도록 그리고 특정 파장에 대하여 반사경 역할을 하도록, 적절한 두께로 두 개의 서로 다른 반도체를 번갈아 가며 일련의 층을 만들어 사용. 그 일련의 층은 분산된 브래그 반사경(distributed Bragg reflector, DBR)을 형성하고 분산된 피드백(distributed feedback)을 제공
DBR의 장점 : (1) 향상된 파장 순도 - 일련의 층이 갖고 있는 주기의 두 배에 해당하는 파장의 빛만이 DBR에서 반사, (2) 평면 공정 기술(거울 연마와 벽개는 아님)과의 호환성으로 한 웨이퍼 기판 상에서 수천 개의 레이저 생산. 
[그림b] 구조는 수직-공동 표면-방출 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL)

 

 

 

 다이오드 레이저 응용 
빨간색 다이오드 레이저는 CD와 DVD 리더에 사용 - 플라스틱 디스크에 도드라진 형태로 새겨져 있는 데이터를 읽어내기 위해 작은 점에 레이저 빔의 초점을 맞춤
청색 다이오드 레이저 빔은 파장이 더 짧기 때문에 더 작은 점으로 초점이 맞춰짐 - 청색 다이오드 레이저는 고밀도 혹은 청색광(Blu-ray) DVD 리더에 사용
기록 가능한 광 저장매체(writable optical storage)에서는 레이저광을 집속시켜 박막을 녹여 광 반사율을 변화시킴으로써 나중에 판독이 가능
현재 매우 중요하게 활용되고 있는 광섬유 통신(fiber-optic communication) 시스템에 다이오드 레이저가 사용
광섬유(optical fiber)는 빛에 엄청나게 투명한 가늘게(~20μm) 녹여 뽑은 구부리기 쉬운 석영 섬유. 광섬유의 투명도는 1.55μm 파장에서 최대