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KR100703525B1 - 파장 변환 광원 - Google Patents

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KR100703525B1
KR100703525B1 KR1020050125393A KR20050125393A KR100703525B1 KR 100703525 B1 KR100703525 B1 KR 100703525B1 KR 1020050125393 A KR1020050125393 A KR 1020050125393A KR 20050125393 A KR20050125393 A KR 20050125393A KR 100703525 B1 KR100703525 B1 KR 100703525B1
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박성수
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Abstract

본 발명에 따른 그레이 스케일 조절이 가능한 파장 변환 광원은 서로 다른 각각의 그레이 스케일 레벨이 지정된 둘 이상의 방사체들로 구성된 반도체 레이저와, 상기 각 방사체에서 방출된 광을 파장 변환시켜서 출력하기 위한 2차 고조파 생성기를 포함한다.
파장 변환, 그레이 스케일, 2차 고조파 생성기

Description

파장 변환 광원{OPTICAL LIGHT SOURCE FOR CONVERTING OF WAVELENGTH}
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 파장 변환 광원의 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 일 부분 구성들을 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 파장 변환 광원의 사시도,
도 4는 도 3에 도시된 일부 구성들을 도시한 도면,
도 5와 도 6은 본 발명에 따른 반도체 레이저의 그레이 스케일의 동작 예를 설명하기 위한 그래프,
도 7은 2차 고조파 생성기의 동작 특성을 설명하기 위한 그래프.
본 발명은 반도체 레이저에 관한 발명으로서, 특히 2차 고조파 생성기를 포함하는 반도체 레이저에 관한 발명이다.
근래의 일반적인 디지털 영상 수단들은 녹색, 적색, 청색의 3색 반도체 레이저를 구비하는 영상 구현 수단을 포함하고 있다. 상술한 적색 및 청색 반도체 레이저는 직접 변조가 가능하지만, 상술한 녹색은 반도체 레이저로부터 직접 변조가 용 이하지 않다.
따라서, 상술한 파장 변환 광원은 적외선 파장 대역의 광을 생성할 수 있는 고속의 변조 특성을 갖는 반도체 레이저와, 비선형질의 2차 고조파 생성기를 포함함으로써 직접 변조 방식으로 구현될 수 있다. 상술한 2차 고조파 생성기를 포함하는 파장 변환 광원은 기존의 고체 레이저들(YAG 또는 YVO4)과는 달리 변조 특성이 뛰어나므로 디스플레이(display) 등의 고속 변조 특성이 필요한 분양에 별도의 외부 변조 장치 없이 적용될 수 있다.
파장 변환 소자인 2차 고조파 생성기의 파장 변환 효율은 다양한 요인의 영향을 받지만, 특히, 파장 변환의 대상인 입력되는 광의 파장의 변화가 주요한 요인이 된다.
따라서, 직접 변조가 가능한 2차 고조파 생성기를 포함하는 파장 변환 광원은 고효율의 파장 변환 특성을 얻기 위해서 반도체 레이저로서 DBR(Distributed Bragg Mirror) 레이저를 이용해서 광의 첩 특성을 보상할 수 있는 광원이 제안되고 있다.
그외에도, 수직 단면 방출 레이저(Vertical extended cavity surface emitter laser)를 이용한 파장 변환 광원이 제안되고 있으나, 펌핑(pumping) 용도의 LD와 별도의 외부 공진기 등을 더 포함하므로 구조가 복잡하고, 부피가 크고, 효율이 낮다.
상술한 파장 변환 광원은 반도체 레이저를 변조시키기 위해서 반도체 레이저에 인가되는 전류와 변조 단계에 따라서 생성되는 녹색 광의 레벨인 그레이 스케일 (gray scale)을 조절할 수 있다.
종래 파장 변환 광원은 반도체 레이저의 변조시 인가되는 전류의 세기를 조절함으로써, 색의 그레이 스케일 변화를 구현한다. 그러나, 전류의 세기 조절을 이용한 그레이 스케일 변화는 전류 변화로 인해서 반도체 레이저에서 생성되는 적외선 광의 파장을 비선형적으로 변화시키는 문제를 유발한다. 즉, 적외선 광의 파장 변화는 2차 고조파 생성기의 변환 효율을 저하시키고, 급격한 전류 변화로 인해 반도체 레이저의 온도 변화를 유발하는 등의 문제가 있다.
본 발명은 그레이 스케일 조절이 가능한 직접 변조 방식의 파장 변환 광원을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명에 따른 그레이 스케일 조절이 가능한 파장 변환 광원은,
서로 다른 각각의 그레이 스케일 레벨이 지정된 둘 이상의 방사체들로 구성된 반도체 레이저와;
상기 각 방사체에서 방출된 광을 파장 변환시켜서 출력하기 위한 2차 고조파 생성기를 포함한다.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 파장 변환 광원의 사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시 예에 따른 그레이 스케일 조절이 가능한 파장 변환 광원(100)은 서로 다른 각각의 그레이 스케일 레벨이 지정된 둘 이상의 방사체들(131,132,133,134)로 구성된 반도체 레이저(130)와, 상기 각 방사체(131,132,133,134)에서 방출된 광을 파장 변환시켜서 출력하기 위한 2차 고조파 생성기(150; second harmonic generator)와, 상기 2차 고조파 생성기(150)로부터 연장된 도파로들(141,142,143,144)로 구성된 광학계(140)를 포함한다. 상술한 그레이 스케일(Gray Scale)은 명암의 단계를 의미하며, 특정 픽셀(Pixel)을 명암의 단계에 따라서 조절함을 의미한다.
상기 파장 변환 광원(100)은 냉각 수단(110) 상에 서브 마운트(120)가 안착되고, 상기 서브 마운트(120) 상에 상기 반도체 레이저(130), 상기 2차 고조파 생성기(150), 상기 광학계(140) 등이 위치되며, 상기 냉각 수단(110)으로는 열전 냉각소자 등이 사용될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 일 부분 구성들을 도시한 도면으로서 상기 반도체 레이저(130)와, 상기 2차 고조파 생성기(150)와, 상기 광학계(140)의 평면 상태를 도시한 도면이다.
상기 반도체 레이저(130)는 제1 내지 제4 방사체들(131~134)로 구성되며, 상기 제1 내지 제4 방사체들 각각(131~134)은 서로 다른 각각의 그레이 스케일 레벨이 부여된다. 상기 반도체 레이저(130)를 구성하는 방사체들(131~134)의 수는 상기 파장 변환 광원(100)으로 구현하기 위한 전체 그레이 스케일에 따라서 결정될 수 있다. 예를 들어서, 4비트(bit)의 16 그레이 스케일을 구현하고자 한다면, 반도체 레이저(100)는 본 실시 예와 같이 4개의 방사체(131~134)로 구성될 수 있다. 예를 들자면 상기 제1 방사체(131)는 1 그레이 레벨, 상기 제2 방사체(132)는 2 그레이 레벨, 상기 제3 방사체(133)는 4 그레이 레벨, 상기 제4 방사체(134)는 8 그레이 레벨이 부여될 수 있다.
도 5와 도 6은 본 발명에 따른 반도체 레이저의 그레이 스케일의 동작 예를 설명하기 위한 그래프에 도시된 바와 같이 상기 제1 내지 제4 방사체들은 정해진 전류와 변조회로에 따라서 디지털로 방식으로 동작된다. 즉, 상기 각 방사체(131~134)는 정해진 그레이 스케일 레벨을 갖는 광을 지시에 따라서 디지털 방식으로 온(On) 또는 오프(Off)시키며, 상기 파장 변환 광원(100)은 각 방사체(131~134)에서 생성된 광들을 조합해서 원하는 그레이 스케일을 갖는 광을 생성할 수 있다.
아래의 표 1은 각 방사체들(131~134)을 이용해서 16그레이 스케일 레벨을 구현하기 위한 각각의 조합을 나타낸다.
방사 체 파워 그레이 스케일 레벨
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
#1 1㎷ 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1
#2 2㎷ 0 0 2 2 0 0 2 2 0 0 2 2 0 0 2 2
#3 4㎷ 0 0 0 0 4 4 4 4 0 0 0 0 4 4 4 4
#4 8㎷ 0 0 0 0 0 0 0 0 8 8 8 8 8 8 8 8
0㎷ 1㎷ 2㎷ 3㎷ 4㎷ 5㎷ 6㎷ 7㎷ 8㎷ 9㎷ 10㎷ 11㎷ 12㎷ 13㎷ 14㎷ 15㎷
상기 광학계(140)는 상기 2차 고조파 생성기(150)로부터 연장되며, 상기 제1 내지 제4 방사체(131~134)에서 생성된 후 상기 2차 고조파 생성기(150)에서 파장 변환된 각각의 그레이 스케일 레벨을 갖는 광들을 하나로 결합시켜서 출력시킨다.
상기 광학계(140)는 하나의 출력 포트와 상기 제1 내지 제4 방사체(131~134) 각각에 대응되는 복수의 입력 포트들을 구비하며 상기 출력 및 입력 포트들을 연결하는 다수의 도파로들(141~144)로 구성된다.
상기 2차 고조파 생성기(150)는 복수의 분극 반전 영역들(151)을 포함하며, 상기 제1 내지 제4 방사체(131~134) 각각에서 생성된 서로 다른 그레이 스케일 레벨을 갖는 광을 파장 변환시켜서 상기 광학계(140)로 출력한다.
도 7은 2차 고조파 생성기의 동작 특성과 반도체 레이저에 인가되는 전류의 관계를 예를 들어 설명하기 위한 그래프이다. 도 7에 도시된 가우션 곡선(301)은 상기 2차 고조파 생성기의 특성 곡선으로서 약 90㎃로 구동된 반도체 레이저에서 생성된 광의 변환 효율이 최대(1 a.u)임을 알 수 있다. 또한, 반도체 레이저의 인가 전류 곡선(302)과 제1 가우션 곡선(301)이 중복되는 지점은 약 80㎃ ~ 100㎃ 사이이고, 2차 고조파 생성기에서 변환된 광의 특성 곡선(303)은 80㎃ ~ 100㎃의 전류가 인가될 경우에 효율이 우수함을 알 수 있다.
상기 제1 내지 제4 방사체(131~134)는 설정된 각 그레이 스케일 레벨에 따라서 서로 다른 전류가 인가되며, 그로 인해서 상기 제1 내지 제4 방사체(131~134) 각각에서 출력되는 광들의 파장은 서로 상이할 수 있다. 따라서, 상기 파장 변환 광원(100)은 상기 2차 고조파 생성기(150)의 변환 기준이 되는 광의 파장이 결정되면, 상기 제1 내지 제4 방사체들(131~134)의 인가 전류를 도 7에 도시된 가우션 곡선(301)의 최적화된 범위 내(80㎃이상, 100㎃미만)에 포함되도록 선택함으로써 상기 제1 내지 제4 방사체(131~134) 각각에서 생성되는 광의 파장들 간의 차이가 있더라도 상기 2차 고조파 생성기(150)는 허용된 범위 내에서 파장 변환을 실시할 수 있다.
즉, 상기 2차 고조파 생성기(150)의 가우션 곡선에 포함되도록 반도체 레이저(130)를 구성하는 상기 제1 내지 제4 방사체(131~134)의 인가 전류를 조절함으로써, 최대의 변환 효율을 얻을 수 있으며, 인가 전류는 파장 변환 광원(100)의 구성에 따라서 조절될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 파장 변환 광원의 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 일부 구성들을 도시한 도면이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 실시 예에 따른 파장 변환 광원(200)은 서로 다른 각각의 그레이 스케일 레벨이 지정된 둘 이상의 방사체들(231,232,233,234)로 구성된 반도체 레이저(230)와, 상기 각 방사체(231~234)에서 방출된 광을 파장 변환시켜서 출력하기 위한 2차 고조파 생성기(240)와, 상기 2차 고조 생성기(240)로부터 연장된 광학계(250)를 포함한다.
상기 파장 변환 광원(200)은 냉각 수단(210) 상에 안착된 서브 마운트(220) 상에 상기 반도체 레이저(230), 상기 2차 고조파 생성기(240), 광학계(250)이 안착된다.
상기 광학계(250)는 상기 2차 고조파 생성기(240)에서 변환된 서로 다른 그레이 스케일을 갖는 광들을 하나의 수렴시켜서 출력하기 위한 렌즈를 포함할 수 있다.
본 발명은 각 그레이 스케일 레벨이 결정된 복수의 방사체들로 구성된 반도체 레이저를 사용해서 각 방사체에서 생성된 광들의 조합으로 원하는 그레이 스케일을 구현함으로써 변조 동작 중 급격한 전류 변화 및 그로 인한 첩(chirp)이 발생하지 않는다.
본 발명은 서로 다른 그레이 스케일을 갖는 복수의 방사체들로 구성된 반도체 레이저를 이용한 파장 변환 광원을 제공함으로써, 직접 변조 방식에 의한 그레이 스케일 조절이 가능해지는 이점이 있다. 또한, 본 발명은 반도체 레이저에 인가되는 구동 전류를 변화시켜서 그레이 스케일을 조절하지 않고, 각 방사체에서 생성된 광의 조합으로부터 그레이 스케일을 조절함으로 과도한 전류 변화로 인한 반도체 레이저의 손상 및 수명 저하를 방지할 수 있다.

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 그레이 스케일 조절이 가능한 파장 변환 광원에 있어서,
    서로 다른 각각의 그레이 스케일 레벨이 지정된 둘 이상의 방사체들로 구성된 반도체 레이저와;
    상기 각 방사체에서 방출된 광을 파장 변환시켜서 출력하기 위한 2차 고조파 생성기와;
    상기 2차 고조파 생성기에서 생성된 서로 다른 그레이 스케일을 갖는 파장 변환된 광을 하나의 광으로 수렴시켜서 출력하기 위한 광학계를 더 포함함을 특징으로 하는 파장 변환 광원.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 광학계는 상기 방사체들에 일대일 대응되는 입력단들과, 상기 입력단들로 연장된 하나의 출력단을 구비하는 도파로를 포함함을 특징으로 하는 파장 변환 광원.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 광학계는 서로 다른 그레이 스케일을 갖는 파장 변환된 광을 하나의 광으로 수렴시키기 위한 렌즈를 포함함을 특징으로 하는 파장 변환 광원.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 반도체 레이저의 방사체 수는 상기 파장 변환 광원이 구현하고자 하는 그레이 스케일의 비트에 따라 결정됨을 특징으로 하는 파장 변환 광원.
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