수직 캐비티 표면 광방출 레이저
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1. 개요
수직 캐비티 표면 광방출 레이저(VCSEL)는 웨이퍼 표면에 수직으로 빛을 방출하는 반도체 레이저이다. 1977년 이가 켄이치가 VCSEL의 개념을 처음 제안했으며, 1979년 일본에서 최초의 VCSEL이 제작되었다. 1980년대 후반부터 기술 개발 경쟁이 본격화되었고, 1988년 실온에서 연속 작동하는 VCSEL이 개발되었다. VCSEL은 광통신, 광 센싱 등 다양한 분야에 응용되며, 대량 생산에 적합하고 저전력, 고속 변조가 가능하다는 장점을 가진다. 2000년대 이후에는 LAN, 컴퓨터 마우스, 레이저 프린터 등에서 상용화되었으며, 2020년 시장 규모는 90억 달러로 추정된다.
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| 수직 캐비티 표면 광방출 레이저 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 반도체 레이저 다이오드 |
| 작동 원리 | 레이저 |
| 발명가 | 이가 겐이치 (1977년) |
| 최초 생산 | 허니웰 (1995년) |
| 명칭 | |
| 영어 | Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser |
| 약어 | VCSEL |
| 한국어 | 수직 캐비티 표면 광방출 레이저 |
| 기술 정보 | |
| 설명 | VCSEL은 레이저 빔을 기판 표면에 수직으로 방출하는 반도체 레이저 다이오드의 한 종류이다. |
| 특징 | 기존의 에지 이미팅 레이저 다이오드에 비해 생산 비용이 저렴하고, 고속 변조가 가능하며, 2차원 어레이로 쉽게 구성할 수 있다는 장점이 있다. |
| 응용 분야 | 광통신, 레이저 프린터, 3D 센싱, 증강 현실 (AR) 디스플레이 등에 사용된다. |
| 추가 정보 | |
| 참고 자료 | https://spie.org/newsroom/faces-light-up-over-vcsel-prospects https://www.theverge.com/2018/2/5/16966530/intel-vaunt-smart-glasses-announced-ar-video |
2. 역사
1965년, 매사추세츠 공과대학교(MIT)의 Ivars Melngailis는 극저온과 자기 캐리어 가둠 상태에서 벌크 반도체의 표면 방출을 보고했다.[18][19][20] 1977년 도쿄공업대학의 이가 켄이치는 짧은 공진기를 가진 VCSEL을 최초로 제안했다. 그의 연구 노트에는 웨이퍼 표면에 수직인 짧은 레이저 공진기를 포함하는, 기존의 Fabry-Perot 에지 방출 반도체 레이저와는 다른 VCSEL의 개념도가 제시되어 있다.
1979년, 이가 켄이치 연구팀의 소다 등은 짧은 공진기 VCSEL을 처음으로 시연했지만,[21] 실온에서 CW 작동을 위한 장치는 1988년까지 보고되지 않았다.[22] 1987년 미국 광학회 간행물에서 VCSEL이라는 용어가 처음 사용되었다.[23] 이후, 1988년 반도체 DBR의 개념[39]과 VCSEL에 다중 양자 우물의 도입[40]은 훗날 VCSEL의 성능 개선에 기여했다.
1989년, 벨 연구소/벨코어 협력(악셀 셰러, Sam McCall, 이용희, James Harbison 포함)을 이끌었던 잭 쥬얼(Jack Jewell)은 작은 칩에 100만 개 이상의 VCSEL을 시연했다.[24][25] 이 최초의 완전 반도체 VCSEL은 현재 모든 상업용 VCSEL에서 사용되는 설계 특징들을 도입했다. 이 시연은 표면 방출 레이저 개발의 전환점을 만들었고, 여러 연구 그룹이 이 분야에 진출하여 전 세계에서 많은 중요한 혁신이 보고되었다.[26]
미국 국방 고등 연구 계획국(DARPA)의 Andrew Yang은 VCSEL 연구 개발에 대한 상당한 자금 지원을 시작했고, 다른 정부 및 산업 자금 지원 노력이 뒤따랐다.[26] VCSEL은 기가비트 이더넷 및 파이버 채널과 같은 단거리 광섬유 통신 응용 분야에서 에지 방출 레이저를 대체했으며, 현재 초당 1~400기가비트 이상의 링크 대역폭에 사용된다.
2. 1. 발명과 초기 단계
1979년 일본의 소다 등이 최초의 VCSEL을 제안했으나, 실온에서 연속 작동하는 기기는 1988년에 고야마 등에 의해 최초로 제작되었다. 1977년 도쿄공업대학의 이가 켄이치 교수가 VCSEL 개념을 처음 제안했다.[28] 이가 켄이치는 이 발명의 동기를 다음과 같이 3가지 조건으로 제시했다.[27]# 제작을 모노리식으로 할 수 있을 것. 즉, 실리콘 LSI처럼 반도체 웨이퍼 위에 결정 성장, 에칭, 산화, 절연, 전극 부착 등을 일련의 공정으로 할 수 있다.
# 발진 파장을 단일하게 할 것. 이를 위해서는 50마이크로미터 이하의 짧은 공진기가 적절하다는 것을 이가는 1976년 반도체 레이저 국제 회의에서 발표했다.[31]
# 발진 파장의 재현성이 확보될 것. 제조 과정에서 설계한 파장으로 레이저를 실현할 수 있다.
매사추세츠 공과대학교(MIT)의 Ivars Melngailis가 1965년에 표면에서 발광하는 레이저를 발표했지만,[32] 이는 당시 기술로는 미흡하여, 강자장, 극저온, 긴 공진기 조건에서 벌크 반도체를 사용한 실험이었다. 이는 이가 켄이치가 제시한 3가지 조건과는 다른 접근 방식이었다.
초기 단계의 VCSEL은 광학 이득, 반사경 품질, 전류 주입 방법 등에서 여러 기술적 과제를 안고 있었다.[35] 1979년 소다 등은 활성 영역에 GaInAsP-InP 재료를 사용하여 최초의 VCSEL을 구현했다.[34] 이 VCSEL은 1300나노미터 파장에서 작동하며, InP 기판 위에 성장된 이중 헤테로 구조를 사용했다. 원형 전극을 통해 전류를 주입하여 발광하고, 기판 위아래에 금속 반사판을 형성하여 공진기를 만들었다. 이 장치는 펄스 전류로 구동되었고, 액체 질소를 사용하여 77K으로 냉각되었으며, 800mA에서 레이저 발진을 보였다. 그러나 초기 시도에서 문턱값이 매우 높아 일반 레이저의 20배 이상이었다.
2. 2. 실온 연속 동작 달성
1979년 일본의 소다 등이 최초의 VCSEL을 제안했지만,[60] 실온에서 연속 작동하는 기기는 1988년 고야마 등이 최초로 제작했다.[61] 이들은 유기 금속 화학 기상 성장법(MOCVD)을 이용하여 GaAs 기판 위에 파장 894nm의 VCSEL을 성장시켰다. 이 성과는 VCSEL의 세계적인 연구 개발을 가속화하는 계기가 되었다.[38]1989년에는 벨 연구소의 잭 쥬얼이 이끄는 연구팀(악셀 셰러, Sam McCall, 이용희, James Harbison 포함)이 작은 칩에 100만 개 이상의 VCSEL을 집적하는 데 성공했다.[24][25] 이들은 최초의 완전 반도체 VCSEL을 시연했으며, 이는 현재 상업용 VCSEL의 기본 설계에 영향을 미쳤다. 이 시연은 표면 광방출 레이저 개발의 전환점으로 평가되며,[26] 이후 여러 연구 그룹에서 VCSEL 관련 혁신이 이어졌다.[26]
2. 3. 개발 경쟁과 상용화
1979년 일본의 소다 등이 VCSEL을 처음 제안했지만,[60] 실온에서 연속 작동하는 기기는 1988년 고야마 등에 의해 처음 제작되었다.[61] 이후 벨 연구소의 액셀 쉬어러와 잭 쥬얼이 반도체 VCSEL을 발명했다.1990년대 초부터 2000년까지 VCSEL 연구가 확대되고 성장 기술이 발전하면서 데이터 통신 분야에서 새로운 응용 수요가 증가했다. 미국 방위고등연구계획국(DARPA)은 통합타격전투기 계획의 일환으로 VCSEL 연구 개발에 자금을 지원했다. 하니웰, 모토로라, 휴렛 팩커드 등의 기업들이 대량 생산 기술, 임계 전류 감소, 가로 모드 제어, 산화, 편파 제어, 파장 가변 VCSEL, MEMS, 2D 어레이, 고속 및 고출력 VCSEL, 연속 동작의 인화 인듐 기반 장치, 양자 우물 VCSEL 등 다양한 분야의 연구 개발에 참여했다.[45][46][44][47][48][49][50][51][52][53] 이러한 노력은 VCSEL 대량 생산을 가속화하고 많은 기술적, 제조상의 발전을 가져왔다.
2. 4. 면발광 레이저 발전의 마일스톤
1977년 도쿄공업대학의 이가 겐이치가 VCSEL을 고안했다.[29][27] 이후 VCSEL 기술은 다음과 같은 이정표를 거치며 발전해 왔다.| 연도 | 내용 |
|---|---|
| 1979년 | 최초의 전류 주입 VCSEL (77 K, 펄스)[34] |
| 1987년 | 6 mA VCSEL 실현,[37] VCSEL로 호칭[33] |
| 1988년 | 최초의 실온 CW,[38] 반도체 DBR[39] |
| 1989년 | QW VCSEL,[40] Micro-post QW 레이저 RT CW (벨 연구소)[41][42], Periodic gain 제안 (캘리포니아 대학교 산타바바라) |
| 1990년 | AlGaAs 산화법 (일리노이 대학교) |
| 1992년 | VCSEL 기계적 파장 주사법[50] |
| 1995년 | 낮은 문턱값 경쟁 Ith < 0.1 mA, MEMS 파장 주사 VCSEL (USB)[51] |
| 1996년 | 프로톤 주입 VCSEL로 상용화 (허니웰) |
| 1999년 | VCSEL LAN 2000, 산화 협착 VCSEL의 신뢰성 평가 |
| 2001년 | VCSEL 프린터 (후지 제록스, 리코), 컴퓨터 마우스 (휴렛 팩커드) |
| 2002년 | 10G 이더넷 표준화 IEEE802.3ae |
| 2003년 | 4Gb/s VCSELs (허니웰) |
| 2006년 | High contrast grating (HCG) VCSEL (UCB) |
| 2010년 | 100G 이더넷 표준화 IEEE802.3ba |
| 2016년 | 센싱용 VCSEL 어레이, VCSEL WDM 데이터 통신 |
| 2018년 | VCSEL 3D-센서 (아이폰 X), 400G AOC (Finisar영어/II-VI) |
| 2020년 | LiDAR (아이폰 12 Pro, 아이패드 프로 11"/12") |
| 2021년 | VCSEL 대량 생산[57][58][59] |
VCSEL은 기판 면에 수직 방향으로 빛을 방출하는 반도체 레이저이다. 일반적인 반도체 레이저가 기판 면과 평행한 방향으로 빛을 방출하는 것과 대조적이다. VCSEL은 반사경에 반도체 또는 유전체의 적층 구조로 구성된 고반사 Distributed Bragg reflector|분포 브래그 반사기영어(DBR)를 사용하여 기판 면에 대해 수직 방향으로 빛을 공진시켜 면과 수직 방향으로 출력한다.
3. 구조 및 작동 원리
이러한 구조 덕분에 VCSEL은 다음과 같은 특징을 가진다.
또한, VCSEL은 다음과 같은 장점을 가진다.
VCSEL은 기가비트 이더넷 및 파이버 채널의 광원, 컴퓨터 마우스, 레이저 프린터, 광 인터커넥트 등 다양한 분야에 응용되고 있다. 2018년경부터는 스마트폰의 3차원 얼굴 인식, 라이다(LiDAR), 고출력 어레이를 이용한 레이저 가공, Optical Coherence Tomography|광 간섭 단층 촬영법영어(OCT) 등 광 센싱 분야로 활용 범위가 넓어지고 있다.
650 nm에서 1300 nm 사이의 파장을 위한 VCSEL은 일반적으로 갈륨 비소(GaAs) 웨이퍼를 기반으로 하며, DBR은 GaAs와 알루미늄 갈륨 비소(AlxGa1-xAs)로 형성된다. GaAs-AlGaAs 시스템은 재료의 격자 상수가 조성 변화에 따라 크게 변하지 않아 GaAs 기판에 여러 개의 "격자 정합" 에피택셜 층을 성장시킬 수 있기 때문에 선호된다. AlGaAs의 굴절률은 Al 분율 증가에 따라 비교적 강하게 변동하여 다른 후보 재료 시스템에 비해 효율적인 브래그 거울을 형성하는 데 필요한 층의 수를 최소화한다. 또한, 높은 알루미늄 농도에서는 AlGaAs에서 산화물이 형성될 수 있으며, 이 산화물은 VCSEL의 전류를 제한하는 데 사용되어 매우 낮은 문턱 전류를 가능하게 한다.
1300 nm에서 2000 nm 사이의 더 긴 파장 장치는 최소한 인듐 인화물로 만들어진 활성 영역으로 시연되었다. 더 높은 파장의 VCSEL은 실험적이며 일반적으로 광학적으로 펌핑된다. 실리카 기반 광섬유의 분산이 이 파장 범위에서 최소화되므로 1310 nm VCSEL이 바람직하다.
3. 1. 기본 구조
레이저 공진기는 웨이퍼 표면에 평행한 두 개의 분산 브래그 반사기(DBR) 거울로 구성되며, 그 사이에는 레이저 광 생성을 위한 하나 이상의 양자 우물로 구성된 능동 레이저 매질이 있다. 평면 DBR 거울은 굴절률이 번갈아 가며 높은 층과 낮은 층으로 구성된다. 각 층은 재료 내에서 레이저 파장의 1/4 두께를 가지며 99% 이상의 강도 반사율을 낸다. 이득 영역의 짧은 축 방향 길이를 보상하기 위해 VCSEL에는 높은 반사율 거울이 필요하다.[4]
일반적인 VCSEL에서 상부 및 하부 거울은 p형 및 n형 재료로 도핑되어 다이오드 접합부를 형성한다. 더 복잡한 구조에서 p형 및 n형 영역은 거울 사이에 삽입될 수 있으며, 능동 영역에 전기적 접촉을 하기 위해 더 복잡한 반도체 공정이 필요하지만 DBR 구조에서 전기적 전력 손실을 제거한다.
새로운 재료 시스템을 사용하는 VCSEL의 실험실 연구에서 활성 영역은 일반적으로 다른 레이저인 더 짧은 파장의 외부 광원으로 ''펌핑''될 수 있다. 이를 통해 우수한 전기적 성능을 달성하는 데 필요한 추가적인 문제 없이 VCSEL을 시연할 수 있다. 그러나 이러한 장치는 대부분의 응용 분야에서 실용적이지 않다.
3. 2. 작동 원리
레이저 공진기는 웨이퍼 표면에 평행한 두 개의 분산 브래그 반사기(DBR) 거울로 구성되며, 그 사이에는 레이저 광 생성을 위한 하나 이상의 양자 우물로 구성된 능동 레이저 매질이 있다. 평면 DBR 거울은 굴절률이 번갈아 가며 높은 층과 낮은 층으로 구성된다. 각 층은 재료 내에서 레이저 파장의 1/4 두께를 가지며 99% 이상의 강도 반사율을 낸다. 이득 영역의 짧은 축 방향 길이를 보상하기 위해 VCSEL에는 높은 반사율 거울이 필요하다.
일반적인 VCSEL에서 상부 및 하부 거울은 p형 및 n형 재료로 도핑되어 다이오드 접합부를 형성한다. 더 복잡한 구조에서 p형 및 n형 영역은 거울 사이에 삽입될 수 있으며, 능동 영역에 전기적 접촉을 하기 위해 더 복잡한 반도체 공정이 필요하지만 DBR 구조에서 전기적 전력 손실을 제거한다.
새로운 재료 시스템을 사용하는 VCSEL의 실험실 연구에서 활성 영역은 일반적으로 다른 레이저인 더 짧은 파장의 외부 광원으로 ''펌핑''될 수 있다. 이를 통해 우수한 전기적 성능을 달성하는 데 필요한 추가적인 문제 없이 VCSEL을 시연할 수 있다. 그러나 이러한 장치는 대부분의 응용 분야에서 실용적이지 않다.[4]
3. 3. 전류 제한 방법
VCSEL의 전류 제한 방식은 크게 이온 주입 방식과 산화물 방식으로 나뉜다.
산화물 VCSEL은 초기에는 산화층 변형 및 결함에 의한 조리개 파열 우려가 있었으나, 여러 시험을 거쳐 신뢰성이 입증되었다. 휴렛 팩커드(Hewlett Packard) 연구에 따르면, 산화물 VCSEL의 활성화 에너지와 마모 수명은 동일 출력의 이온 주입 VCSEL과 유사하다.[4]
다만, 초기 생산 과정에서 산화 속도 조절에 어려움이 있었다. 알루미늄 함량의 미세한 변화가 산화 속도를 크게 변화시켜 조리개 크기가 규격을 벗어나는 문제가 발생하기도 했다.
4. 생산 방식의 장점
VCSEL 생산에는 엣지 방출 레이저 생산과 비교하여 몇 가지 장점이 있다. 엣지 방출기는 생산 과정이 끝날 때까지 테스트할 수 없다. 따라서 엣지 방출기가 불량한 접촉이나 열악한 재료 성장 품질로 인해 제대로 작동하지 않으면 생산 시간과 가공 재료가 낭비된다. 그러나 VCSEL은 재료 품질 및 가공 문제를 확인하기 위해 공정 전반의 여러 단계에서 테스트할 수 있다. 예를 들어, 회로 레이어 간의 전기적 연결인 비아가 에칭 중에 유전체 물질로 완전히 제거되지 않은 경우, 중간 테스트 프로세스에서 상단 금속 레이어가 초기 금속 레이어에 접촉하지 않는다는 표시를 할 수 있다. 또한, VCSEL은 엣지 방출기와 달리 레이저 활성 영역에 수직으로 빔을 방출하기 때문에, 3인치 갈륨 비소 웨이퍼에서 수만 개의 VCSEL을 동시에 처리할 수 있다. 따라서 VCSEL 생산 과정은 노동력과 재료 집약적이지만, 수율은 보다 예측 가능하고 높은 결과를 얻을 수 있다.[27]
이러한 구조 덕분에, 제조 공정에서 기판을 절단하지 않아도 공진기 형성과 레이저 특성 검사가 가능하며 대량 생산에 적합하다. 또한 다른 반도체 레이저에 비해 비교적 저렴하게 제조할 수 있고, 2차원 어레이로 만들 수 있다는 특징이 있다.[27]
5. 특수 형태
- 다중 활성 영역 소자 (바이폴라 캐스케이드 VCSEL): 캐리어 재활용을 통해 100%를 초과하는 차동 양자 효율 값을 허용한다.
- 터널 접합 VCSEL: 터널 접합(n+p+)을 사용하여 전기적으로 유리한 n-n+p+-p-i-n 구성을 구축하며, 이는 매립형 터널 접합(BTJ)과 같은 다른 구조적 요소에도 긍정적인 영향을 줄 수 있다.
- 튜닝 가능한 VCSEL (MEMS): 미세 기계적 가동 거울을 사용하며, 광학적[5] 또는 전기적[6][7]으로 펌핑될 수 있다.
- 웨이퍼 접합 (웨이퍼 융합) VCSEL: 서로 다른 종류의 기판 웨이퍼를 사용하여 제작할 수 있는 반도체 재료의 조합이다.[8]
- 모놀리식 광학 펌핑 VCSEL: 서로 위에 있는 두 개의 VCSEL로 구성되며, 하나가 다른 하나를 광학적으로 펌핑한다.
- 종방향/횡방향 통합 모니터 다이오드가 있는 VCSEL:
- 종방향 통합 모니터 다이오드는 포토다이오드가 VCSEL의 후면 거울 아래에 통합되어 있다.
- 횡방향 통합 모니터 다이오드는 VCSEL 웨이퍼를 적절하게 에칭하여 인접한 VCSEL의 광 강도를 측정할 수 있는 공진 포토다이오드를 제조한다.
- 외부 공진기를 갖춘 VCSEL (VECSEL): VECSEL은 기존 레이저 다이오드로 광학적으로 펌핑된다. 이 방식을 통해 장치의 더 넓은 영역을 펌핑하여 최대 30W의 더 많은 전력을 추출할 수 있다. 외부 공진기는 주파수 배가, 단일 주파수 작동, 펨토초 펄스 모드 잠금과 같은 공진기 내 기술을 가능하게 한다.
- 수직 공동 반도체 광 증폭기 (VCSOA): VCSOA는 발진기가 아닌 증폭기로 최적화된다. VCSOA는 임계값 아래에서 작동해야 하므로 피드백 감소를 위해 거울 반사율을 줄여야 한다. 신호 이득을 최대화하기 위해 많은 수의 양자 우물(광학적으로 펌핑된 장치는 21~28개의 우물로 시연됨)을 포함하며, 일반적인 VCSEL보다 큰 단일 통과 이득 값(약 5%)을 가진다. 이러한 구조는 좁은 선폭(수십 GHz) 증폭기로 작동하며 증폭 필터로 구현될 수 있다.
6. 특성
VCSEL은 레이저의 활성 영역에 수직으로 빔을 방출하여 엣지 방출 레이저에 비해 생산 상의 여러 장점을 가진다. 엣지 방출기는 생산 과정이 끝날 때까지 테스트가 불가능하여 불량 발생 시 시간과 재료 낭비가 크지만, VCSEL은 공정 전반에 걸쳐 여러 단계에서 테스트가 가능하여 수율을 예측하고 제어하기 쉽다. 또한 3인치 갈륨 비소 웨이퍼에서 수만 개의 VCSEL을 동시에 처리할 수 있어 효율적이다.[4]
VCSEL의 레이저 공진기는 웨이퍼 표면에 평행한 두 개의 분산 브래그 반사기(DBR) 거울 사이에 양자 우물로 구성된 능동 레이저 매질이 있는 구조이다. DBR 거울은 굴절률이 다른 층을 번갈아 배치하여 99% 이상의 반사율을 가지며, 짧은 이득 영역을 보상한다. 일반적인 VCSEL은 상부 및 하부 거울이 각각 p형 및 n형 재료로 도핑되어 다이오드 접합을 형성한다. 더 복잡한 구조에서는 p형 및 n형 영역이 거울 사이에 삽입될 수 있다. 실험적 연구에서는 외부 광원으로 활성 영역을 ''펌핑''하는 방식도 사용되지만, 대부분의 응용 분야에서는 실용적이지 않다.[4]
650 nm에서 1300 nm 사이의 파장을 위한 VCSEL은 주로 갈륨 비소(GaAs) 웨이퍼를 기반으로 하며, DBR은 GaAs와 알루미늄 갈륨 비소(Al''x''Ga(1−''x'')As)로 형성된다. 이 시스템은 격자 상수 변화가 적어 여러 층을 에피택셜 성장시킬 수 있고, AlGaAs의 굴절률 변화가 커서 효율적인 브래그 거울 형성에 유리하다. 또한, 높은 알루미늄 농도에서 형성되는 산화물은 전류를 제한하여 낮은 문턱 전류를 가능하게 한다.[4]
VCSEL의 전류 제한 방법에는 이온 주입 방식과 산화물 방식이 있다. 1990년대 초에는 이온 주입 방식이 선호되었으나, 1990년대 중후반부터는 산화물 VCSEL 기술이 주로 사용되었다. 산화물 VCSEL은 조리개 주변 재료를 산화시켜 전류를 제한하며, 신뢰성이 높고 생산 과정에서의 산화 속도 변화 문제가 개선되었다.[4]
1300 nm에서 2000 nm 사이의 더 긴 파장 장치는 인듐 인화물 기반 활성 영역으로 시연되었으며, 특히 1310 nm VCSEL은 실리카 기반 광섬유의 분산이 최소화되어 유용하다.[4]
VCSEL은 칩 상단 표면에서 빛을 방출하므로 개별 장치로 분리되기 전에 ''웨이퍼 상태''에서 테스트가 가능하여 제조 비용을 절감할 수 있다. 또한 1차원 및 2차원 ''배열'' 구성이 가능하다.
대부분의 엣지 방출 레이저에 비해 VCSEL의 더 큰 출력 조리개는 출력 빔의 발산각을 낮추고 광섬유와의 높은 결합 효율을 가능하게 한다. 작은 활성 영역은 낮은 문턱 전류와 높은 고유 변조 대역폭을 초래하지만, 방출 전력은 엣지 방출 레이저에 비해 낮다.[9] VCSEL의 파장은 반사층 두께를 조정하여 활성 영역의 이득 대역 내에서 조정할 수 있다. 초기에는 다중 종모드 또는 필라멘트 모드로 방출되었지만, 현재는 단일 모드 VCSEL이 일반적이다.
6. 1. 고출력 VCSEL
고출력 수직 캐비티 표면 광방출 레이저(VCSEL)는 단일 장치의 방출 조리개 크기를 늘리거나 여러 요소를 대규모 2차원(2D) 배열로 결합하여 제작할 수 있다. 고출력 VCSEL에 대한 연구는 비교적 적게 보고되었다. 1993년에 100mW 정도로 작동하는 대형 조리개 단일 장치가 처음 보고되었다.[10] 이후 에피택셜 성장, 공정, 장치 설계 및 패키징의 개선으로 1998년까지 개별 대형 조리개 VCSEL은 수백 밀리와트의 출력을 방출하게 되었다.[11]1998년에는 1,000개의 소자로 구성된 VCSEL 어레이에서 -10°C 방열판 온도에서 2W 이상의 연속파(CW) 작동이 보고되었으며, 이는 30W/cm2의 전력 밀도에 해당한다.[12] 2001년에는 19개의 소자 어레이에서 상온에서 1W 이상의 CW 전력과 10W의 펄스 전력이 보고되었다.[13] VCSEL 어레이 칩은 다이아몬드의 매우 높은 열 전도율을 활용하여 다이아몬드 방열기에 장착되었다. 2005년에는 약 980nm로 방출하는 대구경 단일 장치에서 3W의 CW 출력 전력이 보고되었다.[14]
2007년에는 약 976nm 파장에서 방출하는 대형(5×5mm) 2D VCSEL 어레이에서 200W 이상의 CW 출력 전력이 보고되었으며,[15] 이는 고출력 VCSEL 분야에서 상당한 돌파구를 나타냈다. 높은 전력 수준은 주로 벽 플러그 효율 및 패키징 개선 덕분이었다. 2009년에는 약 808nm로 방출하는 VCSEL 어레이에서 100W 이상의 전력 수준이 보고되었다.[16]
이 시점에서 VCSEL 기술은 고출력 또는 고에너지가 필요한 다양한 의료, 산업 및 군사 분야에 유용하게 사용되었다. 이러한 응용 분야의 예는 다음과 같다.
7. 응용 분야
수직 캐비티 표면 광방출 레이저(VCSEL)는 광섬유 정보 전달, 레이저 프린터, 마우스, 광섬유 데이터 전송, 아날로그 광대역 신호 전송, 흡수 분광법(TDLAS) 등 다양한 분야에 활용된다.[27] 2000년부터 상용화가 시작되어 LAN, 컴퓨터 마우스, 레이저 프린터 등에서 응용 분야가 확대되었다.[35][55]
VCSEL은 크기가 작고, 제조가 용이하며, 전자 기기와의 통합이 쉽다는 장점 덕분에 다양한 분야에서 활용되고 있다. 특히, 2018년경부터는 스마트폰의 3차원 얼굴 인식, 라이다(LiDAR), 고출력 어레이를 이용한 레이저 가공, 광 간섭 단층 촬영법(OCT) 등의 광 센싱 분야로 활용 범위가 넓어지고 있다.
2010년 이후 VCSEL은 다양한 광 시스템에 적용되어 산업적으로 확대되었으며, 주요 분야는 다음과 같다.
| 분야 | 세부 응용 |
|---|---|
| 광 통신 | 광섬유를 이용한 데이터 전송, 아날로그 광대역 신호 전송, 기가비트 이더넷, 파이버 채널, 인터넷용 LAN, 광 인터커넥트용 액티브 광 케이블(AOC) 등 |
| 광 센싱 | 레이저 프린터, 마우스, 생체 조직 분석, 칩 스케일 원자 시계, 휴대폰 카메라용 라이다, 구조광(아이폰 Face ID의 "도트 프로젝터"), 자동차 충돌 방지용 라이다, 3D 얼굴 인식, OCT, 가스 센싱, 원자 시계 등 |
| 고출력 어레이 응용 | 레이저 프린터, 적외선 가열, 가공 등 |
2000년 이후 10년 동안 고출력 VCSEL 어레이, High contrast grating|고대비 회절 격자영어, 결합 공진기 VCSEL, VCSEL 기반 슬로우 라이트 광도파로 장치, 다중 파장 VCSEL/WDM[56], 양자점 VCSEL, 고대역폭 VCSEL(>20 GHz) 등 VCSEL 기술이 발전했다.
7. 1. 광통신
VCSEL은 광섬유를 이용한 데이터 전송 및 아날로그 광대역 신호 전송 등 다양한 광통신 분야에 활용된다.[35][55] 특히, 기가비트 이더넷, 파이버 채널과 같은 고속 데이터 통신 규격에 VCSEL이 사용된다. 2020년 시장 규모는 90억달러로 추정될 정도로 광통신 분야에서 중요한 역할을 담당하고 있다.7. 2. 광 센싱
레이저 프린터, 마우스, 생체 조직 분석, 칩 스케일 원자 시계, 휴대폰 카메라용 라이다, 구조광(예: 아이폰 Face ID의 "도트 프로젝터") 등 광 센싱 분야에서 수직 캐비티 표면 광방출 레이저(VCSEL)가 활용되고 있다. 특히, 대한민국의 스마트폰 산업에서 VCSEL 기반 3D 얼굴 인식 및 LiDAR 기술이 활발하게 적용되고 있다. 흡수 분광법(TDLAS)과 같은 특수 분야에서도 VCSEL이 활용된다.[35][55]7. 3. 기타 응용 분야
VCSEL은 2000년대 이후 다양한 광 시스템에 적용되어 산업적으로 확대되었다.[35][55] 주요 분야는 다음과 같다.| 분야 | 응용 |
|---|---|
| 광 통신 | 인터넷용 LAN, 광 인터커넥트용 액티브 광 케이블(AOC) 등 |
| 광 센싱 | 마우스, 3D 얼굴 인식, 라이다, OCT, 가스 센싱, 원자 시계 등 |
| 고출력 어레이 응용 | 레이저 프린터, 적외선 가열, 가공 등 |
2020년 시장 규모는 90억달러로 추정된다. 6인치 기판의 GaAs 웨이퍼가 연간 1만 장 이상 사용되는 것으로 추정된다.
VCSEL은 활성층이나 빛의 모드 크기를 변경하여 단일 모드와 다중 모드 동작을 조절할 수 있다. 직경 2 마이크로미터 정도에서는 단일 모드 동작을 하며, 간섭 응용에 사용되지만 출력은 3mW 정도로 제한된다. 직경 8 마이크로미터 이상에서는 다중 모드 장치가 되어 수 mW 이상의 출력을 얻을 수 있으며, 간섭에 의한 잡음을 억제하는 응용에 사용된다. 대부분의 시장은 다중 모드 VCSEL을 사용한다.
8. VCSEL의 특징과 응용 분야 (일본어 문서 기반)
수직 공진기 표면 광방출 레이저(VCSEL)는 기판 면에 수직 방향으로 빛을 방출하는 반도체 레이저이다. 반사경에 반도체 또는 유전체의 적층 구조로 구성된 고반사 Distributed Bragg reflector|분포 브래그 반사기영어(DBR)를 사용하여 기판 면에 대해 수직 방향으로 빛을 공진시켜 면과 수직 방향으로 출사시킨다.
VCSEL은 제조 공정에서 기판을 절단하지 않아도 공진기 형성이나 레이저 특성 검사가 가능하여 대량 생산에 적합하고, 다른 반도체 레이저에 비해 비교적 저렴하게 제조할 수 있으며, 2차원 배열로 만들 수 있다는 특징이 있다. 또한, 문턱 전류가 작아 시스템의 소비 전력이 작고, 저전류에서도 고속 변조가 가능하며, 온도 변화에 대한 특성 변화의 폭이 적어 온도 제어 장치를 간소화할 수 있다는 장점이 있다.
이러한 특징으로 인해 VCSEL은 다양한 분야에 응용되고 있다.
2018년경부터는 스마트폰의 3차원 얼굴 인식, 레이저 레이더(LiDAR|라이다영어), 고출력 어레이에 의한 레이저 가공, Optical Coherence Tomography|광 간섭 단층 촬영법영어(OCT) 등의 광 센싱 분야로 응용이 확대되고 있다. 특히, 휴대폰 카메라용 LiDAR|라이다영어와 구조 광(예: 아이폰 Face ID의 "도트 프로젝터") 및 자동차 충돌 방지용 라이다에 사용된다.
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