레이저의 원리 및 발전

반도체 레이저 다이오드(laser diode: LD)는 반도체 내에서 전자의 광학천이에 의한 광자의 유도방출을 이용한 광파의 발진기 및 증폭기를 총칭한다. 반도체 레이저 다이오드는 각종 레이저들 중에서도 가장 소형․경량이며 반도체 공정을 통해 저가격으로 대량 생산이 가능한 장점이 있다.
오늘날의 인터넷 및 무선 휴대폰 기기로 대변되는 정보통신사회는 IC, 컴퓨터, 그리고 반도체 레이저를 광원으로 사용하는 광섬유 통신 기술이 개발되지 않았으면 아마 실현되지 않았을 것이다. 이와 같이 반도체 레이저는 정보화 사회를 지탱하는 기반 기술로 이미 자리를 잡고 있다. 이외에도 레이저 포인터, 프 린터, 디스플레이, 디지털 오디오/비디오 기기, 의료용 기기, 계측기 등 우리 생활에 넓게 사용되어지고 있다.
반도체 레이저는 지난 50여 년 동안 반도체 재료, 구조, 제조 공정, 성능, 응용적 측면에서 꾸준한 연구 개발이 이어져왔다. 발진파장 범위는 300 nm∼20 μm, 최대 광출력은 약 50 W, 최소 발진개시전류은 수μA, 최소 주파수 선폭은 50 kHz, 최대 파장가변 범위는 30 nm, 동작 수명 십만 시간 이상 등 괄목할 만한 성능을 얻고 있다.

레이저란 무엇인가?

Laser 는 복사선의 유도 방출 과정에 의한 빛의 증폭 (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 을 의미한다. 그러나 일반적으로 레이저라는 말은 특수한 성질을 포함하는 빛 자체를 말하거나 레이저 광(光)을 발생하는 장치를 가리킨다. 레이저 광(光)을 발생하는 장치를 레이저 발진기라고 부르는데, 레이저 발진기는 레이저 매질(medium), 여기원(exitation mechanism), 광공진기(한쌍의 평행한 거울)로 구성되어 있다.
레이저 매질은 기체, 고체, 액체 등이 있으며, 이 매질 중에는 활성원자가 균일하게 분포하고 있다. 활성원자는 외부로부터 에너지를 받아 원자의 내부에너지가 높은상태(여기상태)로 옮겨 가는데, 원자의 여기 상태(exited state)의 수명은 짧아 원래의 상태로 돌아가는 과정에서 에너지를 빛으로 방출한다. 이 빛이 레이저의 씨앗(seed)이 되는 것이다.
이렇게 외부의 자극에 의해 매질(medium)로부터 빛을 방출하게 되면, 이 빛은 2개의 반사경으로 형성된 광공진기(optical cavity)를 왕복하면서, 부분반사 거울을 통해 빛이 발진한다. 이러한 빛의 발진과정을 유도방출이라 한다. 이 유도방출에 의한 광증폭 과정에서 증가된 광에너지가 광공진기 내에서 손실되는 에너지보다 많으면 발진조건이 만족되어 레이저 발진이일어나는 것이다. 빛의 유도방출은 다반면으로 빛이 방출되는 자연방출과는 다르게 빛을 한 초점으로 유도할 수가 있기에 이 모아진 빛의 출력과 속도를 원천으로 산업 전반분야에서 다양하게 이용할 수 있다.

레이저의 특성과 장점

유도방출을 통해 발진된 레이저를 이해하기 위해서는 자연방출된 빛(光)과의 비교가 필요할 것이다. 레이저는 자연방출된 태양광과는 달리, 색상의 변화가 일어나지 않으며, 다른 여러 가지 빛이 혼합되어 있지 않고, 어느 정도의 순수한 단일광으로 만들어진다. 이를 레이저의 ‘단색성’(Monochromaticity)이라고 한다. 즉, 태양빛은 프리즘을 통과할 때 7색으로 분리되지만 레이저 광(光)의 경우에는 단색만을 나타낸다.
또한 레이저는 빛이 퍼지지 않고 일정한 방향으로 직진하는 성질인 ‘지향성’(Directivity)과 ‘간섭성’(Coherence)을 가지고 있다. 형광등이나 백열등에서 나오는 빛은 앞으로 나가면서 점점 넓어지지만 레이저는 우주간의 거리 측정에까지 사용될 정도로 확산 정도가 매우 작다. 간섭은 위상의 차이에 따라 명암의 무늬가 나타나는 현상으로, 레이저는 위상이 균일하기 때문에 약간의 장애물에 부딪혀도 곧 간섭을 일으킨다. 보통의 광원은 파장이나 위상이 시간적으로나 공간적으로 매우 불규칙적으로 변동되고 있는 데 비해 레이저 광(光)은 파장과 위상이 시간적으로나 공간적으로 매우 안정된 광파이다. 이 외에도, 태양 빛은 렌즈에 집중하면 종이나 나무를 태울 수 있는 정도이지만, 레이저 빛의 경우에는 에너지 밀도가 높기 때문에 철판까지도 녹일 수 있는 높은 에너지 집중도와 휘도성(Brightness)을 가지고 있다.
위와 같은 특성을 가진 레이저는 여러 장점들을 보유하고 있다. 우선 레이저는 비접촉식으로 물질을 가공하기 때문에 직접적인 접촉으로 인한 물질의 기존 형태 변형과 마모현상을 없앨 수가 있다. 그러므로 화학품의 사용이 없고, 가공 뒤의 후처리 공정이 불필요 하기에 깨끗한 공정이 가능하다. 또한 레이저 종류별로 특성이 다양하기에 각각에 맞는 물질과의 가공을 통해 상호작용을 높일 수 있으며, 레이저별로 속도가 다양하기 때문에 빠른 속도의 가공이 가능하다. 또한 다루기 어려운 유리나 세라믹과 같은 물질의 가공이 용이하며, 다른 장비와의 호환성이 좋기에 자동화 공정이 가능하다. 이 외에도 짧은 펄스발진 주기로 빠른 속도가 가능할 뿐만 아니라, 지속적인 열이 가해지는 것이 아니기에 열 발생이 상대적으로 적다.

반도체 레이저의 발전

반도체에서의 발광 현상이 1907년 Henry Joseph Round에 의하여 우연히 발견된 이래 103년이 지났다. 1958년 Schawlow-Townes에 의해 레이저의 기본이론이 구축되고 1960년 He-Ne 레이저 발진이 확인된 직후인, 1962년 최초의 반도체 레이저인 GaAs 레이저로 저온에서 발진이 관측되었다. 이후 광섬유 통신용 및 광디스크용 광원으로서 사용되게 됨에 따라 괄목할 만한 기술적 및 산업적 진보를 달성하게 되었다.
기술적인 측면에서 발광소자의 개발은 크게 다음과 같이 나누어 이해할 수 있다. 화합물 반도체에 관한 물성과 발광소자로서의 다이오드 기본 특성은 1960년대 들어서 서서히 이해되기 시작하였다. 이종접합구조의 도입으로 처음으로 반도체레이저가 상온에서 연속 발진이 가능하게 되었으며 실용화에 큰 진보를 이루었다. 1970년대에서는 주로 문턱전류 저감 및 횡모드 제어를 위한 기술들이 개발되었으며, 1980년대에 들어와서 종모드 제어에 관한 기술들이 확립되었다. 1990년대 들어서서 반도체 재료 및 결정성장기술의 향상으로 활성층에 양자우물구조 도입에 의한 성능향상 및 대량생산을 위한 기반을 갖출 수 있었다. 1990년대 중반부터는 GaN계 반도체 레이저가 연구되기 시작하여 성능이 우수한 자색, 청색 레이저를 만들 수 있게 되었으며, 작년부터는 반도체로서 아직까지 성공하지 못하였던 500 nm∼600 nm 영역의 녹황색 반도체 레이저도 상온 발진에 성공하였다는 보고가 이어지고 있다.

대표적 반도체 레이저 및 이의 응용

반도체 레이저는 양자역학을 근본으로 하여 만들어진 과학기기 가운데 우리들 일상생활에 가장 가깝게 사용하고 있는 제품 중 하나라 생각된다. 반도체레이저의 다양한 응용 가운데 광섬유 통신용 광원으로서 반도체 레이저의 사용은 반도체레이저의 개발 및 실용화에 있어 결정적인 역할을 하였다고 하여도 과언이 아니다.
우선 GaAs계 레이저를 이용한 근거리 광통신 시스템이 1970년대부터 개발되기 시작하였다. 이후 장거리 고속 전송시스템 개발을 위하여 석영계 광섬유의 군속도분산이 최소로 되는 파장 1.3 μm대, 전파손실이 최소로 되는 1.5 μm대의 반도체 레이저로서 InGaAsP계 레이저가 1980년대부터 적극적으로 개발되었다. 장거리 대용량 정보 전송을 위하여서는 광대역변조, 작은 처핑, 높은 가간섭성, 저잡음, 고신뢰성 등의 매우 엄격한 성능이 요구되었다. DFB 및 DBR (Distributed Bragg Reflector)형의 공진기 구조 도입, 활성층에 스트레인 양자우물구조 도입, 변조기 집적화 등의 개선으로 1990년대 초반 실용화할 수 있었다. 1990년대 후반부터 전송용량을 높이기 위하여 개발된 파장다중화(WDM) 혹은 코히런트 통신 방식에서는 보다 높은 주파수 제어가 필요하게 되었으며, 파장가변레이저를 포함한 다수의 고성능 반도체 레이저가 개발되었다.
이와 더불어 반도체 레이저 증폭기 혹은 반도체 레이저에 의한 비선형파장변환기술, 솔리톤 통신용 초단 펄스 발생기술, 광섬유 증폭기용 펌핑 광원, 외부 공진기 혹은 광변조기 집적화 기술 등이 매우 활발하게 연구되었다. 2000년대 멀티미디어 시대의 도래에 따라 각 가정까지 광섬유망이 이용되게 되었으며, 반도체 레이저를 포함한 각종 광소자들의 저가격화, 대량생산화 기술이 핵심적 화두가 되었다. 반도체 레이저의 또 다른 중요한 응용으로서 광디스크가 있다. 여기서는 저잡음 및 높은 안정성의 특성이 요구됨과 동시에, 고밀도 기록을 위하여 단파장화 및 저가격화 기술이 매우 중요하다. CD 시스템의 피크업용 광원으로서 AlGaAs 레이저는 가정까지 널리 보급된 최초의 반도체 레이저가 되었으며, DVD 시스템용에서는 AlGaInP 적색 레이저가 주로 사용되고 있다.
최근 들어서는 자외선 및 가시광 영역의 InGaN계 반도체 레이저에 대한 연구도 발광다이오드의 보급 확대에 따라 다시 활발하여지고 있다. 405 nm 자외선 레이저는 고밀도 DVD 응용 시스템의 광원으로서, 450 nm 청색레이저 및 530 nm 녹색레이저는 디스플레이용 광원으로서 개발되어지고 있다. 반도체 레이저와 전자회로를 집적한 광전집적회로, 그리고 레이저, 광변조기, 광검출기, 광결정구조를 이용한 광도파로 등의 광전자소자를 집적한 광집적회로 등은 소형이며 저자격으로 신호전송 효율을 높일 수 있는 차세대 정보통신시스템구현 기술로서 매우 활발히 연구되고 있다. 이외에도 레이저 거리 측정기, 위성 간 통신, 건물 간 가시광 통신 등의 공간 통신의 응용, 그리고 의료용 기기에의 응용, 각종 계측기기에의 응용 등에 실제 사용되고 있다.