광전자 기술의 급속한 발전으로 반도체 레이저는 높은 효율, 소형 크기, 손쉬운 변조 덕분에 통신, 의료, 산업 공정, LiDAR 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 이 기술의 핵심에는 절대적으로 중요한 역할을 하는 이득 매질이 있습니다. 이득 매질은 다음과 같은 역할을 합니다.“에너지원"이는 유도 방출 및 레이저 생성을 가능하게 하며, 레이저를 결정합니다.'성능, 파장 및 응용 가능성.
1. 이득 매체란 무엇인가요?
이름에서 알 수 있듯이, 이득 매질은 광 증폭을 제공하는 물질입니다. 외부 에너지원(예: 전기 주입 또는 광 펌핑)에 의해 여기되면 유도 방출 메커니즘을 통해 입사광을 증폭시켜 레이저 출력을 생성합니다.
반도체 레이저에서 이득 매질은 일반적으로 PN 접합부의 활성 영역으로 구성되며, 이 활성 영역의 재료 구성, 구조 및 도핑 방법은 문턱 전류, 방출 파장, 효율 및 열 특성과 같은 주요 매개변수에 직접적인 영향을 미칩니다.
2. 반도체 레이저의 일반적인 이득 재료
III-V 화합물 반도체는 가장 일반적으로 사용되는 이득 재료입니다. 대표적인 예로는 다음과 같은 것들이 있습니다.
①GaAs (갈륨비소)
850nm 대역에서 방출되는 레이저에 적합합니다.–980nm 대역은 광통신 및 레이저 인쇄에 널리 사용됩니다.
②InP (인듐 인화물)
광섬유 통신에 필수적인 1.3µm 및 1.55µm 대역의 방출에 사용됩니다.
③InGaAsP / AlGaAs / InGaN
이러한 물질들은 구성 성분을 조절하여 다양한 파장을 얻을 수 있으며, 이는 가변 파장 레이저 설계의 기반이 됩니다.
이러한 물질들은 일반적으로 직접 밴드갭 구조를 특징으로 하며, 전자-정공 재결합 시 광자 방출 효율이 매우 높아 반도체 레이저 이득 매질에 사용하기에 이상적입니다.
3. 이득 구조의 진화
제조 기술이 발전함에 따라 반도체 레이저의 이득 구조는 초기 동종 접합에서 이종 접합으로, 그리고 더 나아가 양자 우물 및 양자점 구조로 발전해 왔습니다.
①이종접합 이득 매체
밴드갭이 서로 다른 반도체 소재를 결합함으로써 전하 운반체와 광자를 지정된 영역에 효과적으로 가둘 수 있어 이득 효율을 높이고 문턱 전류를 낮출 수 있습니다.
②양자 우물 구조
활성 영역의 두께를 나노미터 규모로 줄이면 전자가 2차원에 갇히게 되어 복사 재결합 효율이 크게 증가합니다. 그 결과 문턱 전류가 낮아지고 열 안정성이 향상된 레이저를 얻을 수 있습니다.
③양자점 구조
자기조립 기술을 이용하여 0차원 나노구조를 형성함으로써 날카로운 에너지 준위 분포를 구현할 수 있다. 이러한 구조는 향상된 이득 특성과 파장 안정성을 제공하여 차세대 고성능 반도체 레이저 연구의 핵심 주제로 떠오르고 있다.
4. 이득 매체는 무엇을 결정하는가?
①방출 파장
재료의 밴드갭이 레이저의 특성을 결정합니다.'파장에 따라 다릅니다. 예를 들어, InGaAs는 근적외선 레이저에 적합하고, InGaN은 청색 또는 보라색 레이저에 사용됩니다.
②효율성 및 출력
전하 이동도와 비방사성 재결합 속도는 광-전기 변환 효율에 영향을 미칩니다.
③열 성능
다양한 재료는 온도 변화에 각기 다른 방식으로 반응하며, 이는 산업 및 군사 환경에서 레이저의 신뢰성에 영향을 미칩니다.
④변조 응답
이득 매질은 레이저에 영향을 미칩니다.'응답 속도는 고속 통신 애플리케이션에 매우 중요합니다.
5. 결론
반도체 레이저의 복잡한 구조에서 이득 매질은 진정으로 그 "심장"과 같은 역할을 합니다.—레이저를 생성하는 것뿐만 아니라 수명, 안정성 및 적용 시나리오에도 영향을 미치는 것이 바로 이득 매질의 역할입니다. 재료 선택부터 구조 설계, 거시적 성능부터 미시적 메커니즘에 이르기까지 이득 매질의 모든 혁신은 레이저 기술을 더욱 향상된 성능, 더 넓은 응용 분야 및 더 심층적인 연구로 이끌고 있습니다.
재료 과학 및 나노 제조 기술의 지속적인 발전으로 미래의 이득 매질은 더 높은 밝기, 더 넓은 파장 범위 및 더욱 스마트한 레이저 솔루션을 제공할 것으로 기대됩니다.—과학, 산업, 사회를 위한 더 많은 가능성을 열어줍니다.
게시 시간: 2025년 7월 17일