연세대학교 물리학실험실(Yonsei Phylab)

Ref. 다이오드 레이저 와 광검출기
(Diode Laser & Photometer)
(1) 다이오드 레이저 (Diode Laser)

[그림1] 동작회로

반도체 레이저는 [그림1]과 같이 간단한 전기회로에서 동작하고, 광 출력수도 수 mW 부터 수 10mW의 레이저 광이 얻어진다. 이 직류 회로는 회중 전등이나 발광 다이오드를 빛나게 하는 경우와 같다. 또 가변저항을 연결하여 흐르는 전류를 변화 시키면 광 출력은 전류에 비례하여 충실히 변화하므로 기체나 고체 레이저와는 달리 응용상 매우 유리하다. 또한 트랜지스터나 발광 다이오드와 같은 외형을 하고 있기 때문에, 소형이면서 견고하고 수명이 길어 그 응용 범위가 매우 넓은데, 콤팩트디스크(CD) 플레이어나 레이저프린터, 레이저지시기 등에 사용된다.

[그림2] 레이저 다이오드 외관

[표1] 반도체 레이저의 분류

[표1]과 같이 반도체 레이저는 본래 결정을 이용한 레이저라는 뜻으로 다른 레이저와 마찬가지로 광여기나 전자선 여기로 레이저를 발진시키는 것도 포함하지만, 주입 여기에 의한 발진은 반도체 레이저만이 실현할수 있는 특징이다. 주입여기는 반도체의 각종 다이오드에 많이 볼수 있는것과 같은 pn접합을 개재 시키고, 순방향에 전류를 흘릴 뿐이므로 pn접합 근방의 영역을 여기하여 레이저를 발진시키는 방법이다. 주입 여기에 의한 레이저중 실온 근방에서 연속발진 할수있고, 많이 실용되고 있는것은 더블헤테로 접합 레이저이다. 때문에 반도체 레이저라고 하면 더블헤테로 접합 레이저만을 의미 하기도 한다. 반도체레이저는 다소 특별한 방법으로 단색의 집속된 빛을 만들어낸다. 따라서 이런 레이저광선은 빛의 진행이나 회절, 간섭실험에 유용하게 쓰인다. 이 실험에서 사용하는 반도체 레이저(레이저 다이오드)의 구조와 모양이 아래 그림에 나타나 있다.

[그림3] 레이저 다이오드 구조
레이저 결정은 대략 폭 200㎛, 길이 300㎛, 두께 100㎛의 치수를 갖고 있으나, 특징적인 것은 결정의 전후 표면이 거울면으로 반사면으로 되어 있다는 점이다. 안쪽으로 클레스 층에 끼인 두께 0.2㎛ 전후의 얇은 활성층을 갖는 더블 헤테로 접합부가 보인다. 레이저 광은 이 활성층의 폭 2-10㎛의 좁은 영역(발진영역)에서 방출된다.

2. 광 검출기 (Photometer)

광다이오드는 반도체 다이오드 접합 부위에 빛을 쪼일 수 있도록 투명한 창문을 만들어 놓은 2단자 반도체 소자로서 빛을 쪼이면 전도전자의 수가 증가하여, 다이오드에 미약하지만 전류가 흐른다. 이 전류를 광전류라고 부르며 광전류의 크기는 생겨난 전도전자의 수 즉, 빛의 세기에 비례한다. 또, 이 다이오드에 미리 전위차를 가하여 순방향으로 전류가 흐르도록 하면, 빛을 쪼임에 따라서 전류가 증가하고 이 전류의 변화를 감지해내는 방법으로 빛의 세기를 검출하기도 한다.

아래 [그림4]와 같이 고감도 포토메타가 있으며 회로에서와 같이 연산증폭기의 뒤집는 입력단자에 광다이오드(PD)를 연결하여 광전류를 전압으로 변환시키는 기능을 하고 있다. 변환시 증폭율을 가변저항 VR 로 조절한다.

[그림4] Photometer

[그림5] 빛 검출기 증폭회로