레이저 다이오드의 특성 · 사용 시 주의점 · 구동 회로 설계

목차

• ・레이저 다이오드의 특성
• ・레이저 다이오드 사용 시 주의점
• ・레이저 다이오드의 기본 구동 회로

레이저 다이오드 (반도체 레이저, LD)는 전기 에너지를 고출력 광 에너지로 변환하는 반도체로, 높은 코히런스 (coherence) 특성과 좁은 스펙트럼 폭으로 지향성이 높은 발광 특징이 있습니다. 통신, 의료, 산업용 절단 · 용접 등 다양한 용도와 시장에서 폭넓게 이용되고 있지만, 사용 시에는 과전류나 정전기, 발열에 주의해야 합니다. 구동 회로 설계에 있어서는 적절한 전류 제어와 열 관리가 요구되어, 레이저 다이오드의 보호회로 및 냉각 시스템 도입이 권장됩니다. 본 기사에서는 레이저 다이오드 사용 시 알아두어야 할 주의사항 등에 대해 정리해 보겠습니다.

레이저 다이오드의 특성

먼저 레이저 다이오드의 기본 특성에 대해 설명하겠습니다. 그리고, 데이터시트에 기재되는 특성을 나타내는 용어 및 기호에 대해 해설하고, 마지막으로 패키지 내부 회로 구성에 대해 소개하겠습니다. 레이저 다이오드 사용 및 선정 시에 참고하여 주십시오.

레이저 다이오드의 기본 특성

1. 광 출력 Po

레이저 다이오드의 가장 기본이 되는 특성입니다. 광 출력 Po란, 레이저 다이오드의 순방향으로 일정 크기의 전류를 흘릴 때 출력되는 빛의 크기를 나타내며, 단위는 [W]입니다. 광 출력을 그래프로 나타낸 것을 「I – L 커브 (광 출력 – 순방향 전류 특성)」이라고 합니다. I – L 커브에서 알 수 있듯이, 일정 전류를 흘릴 때 얻어지는 광 출력은 온도가 높아질수록 작아집니다. 즉, 온도가 높아질수록 일정한 광 출력을 얻기 위해 필요한 전류는 커지게 됩니다.

하기 예에서는 25℃ 조건에서 광 출력 5mW를 얻기 위해 필요한 전류가 30mA인 반면, 70℃ 조건에서는 동일한 광 출력을 얻기 위해 44mA가 필요하다는 것을 알 수 있습니다.

예 : RLD65NZX2

레이저 다이오드 광 출력의 크기는 제품에 따라 달라지지만, 현재 수ｍW~수백W까지 양산되고 있습니다. 따라서, 용도에 따라 필요한 광 출력의 레이저 다이오드를 적절하게 선택하는 것이 중요합니다.

2. 발진 파장 λ (발진 스펙트럼)

파장은, 레이저 다이오드에서 방출되는 빛의 색으로 주파수를 나타내는 지표이며, 실제로 레이저 다이오드를 사용할 때 중요한 특성입니다. 단위는 nm (나노미터)이며, 파장이 짧을수록 자외선 (UV)이나 청색 광에 가깝고, 파장이 길수록 적외광 (IR)에 가까운 빛이 됩니다.

레이저 다이오드에 있어서는 특정 파장에 따라 통신의 전파 특성이나 특정 물질에 대한 흡수, 반사율이 달라지는 등, 사용 용도에 따라 각각의 특성에 적합한 파장이 요구됩니다.

또한, 사용 시에는 발진 파장의 온도 의존성, 광 출력 의존성을 고려해야 합니다. 칩의 Junction (활성층) 온도가 높아지면 공진기 길이가 물리적으로 길어져 굴절률이 커지기 때문에, 광 출력이 커지면 케이스의 온도가 높아져 발진 파장이 길어지는 경향이 있습니다.

3. FFP (Far Field Pattern)

레이저 광이라고 하면 일직선의 평행 광을 떠올리는 경우가 많지만, 실제로 레이저 다이오드에서 발진되는 빛은 확산됩니다. 레이저 다이오드의 칩 단면에서 충분히 떨어진 장소에 방사되는 광의 강도 분포를 FFP, Far Field Pattern이라고 합니다.

레이저 광은 완전한 직선 광이 아니라, 회절을 통해 확산하면서 방사됩니다. 칩 내부의 공진기 (활성층과 스트라이프)는 수직 방향으로 수10nm, 수평 방향으로 수μm를 방사하도록 제작되기 때문에 일반적으로 FFP는 활성층에 대해 수직 방향이 수평 방향보다 커지게 됩니다.

레이저 다이오드의 특성 정의

●Absolute Maximum Ratings (절대 최대 정격)
절대 최대 정격은 어떠한 외부 조건 하에서도 한순간이라도 절대로 초과해서는 안 되는 수치입니다. 케이스 온도 Tc＝25℃에서의 수치로 규정되어 있습니다.

●광 출력 (Po (max.))
연속 동작 시 최대 허용 출력입니다. 광 출력 – 순방향 전류 특성에서 광 출력까지는 Kink (커브)가 없습니다. (그림 1)

그림 1

●역내압 (Vr)
제품에 역방향 바이어스가 인가되는 경우의 최대 허용 전압입니다. 레이저와 포토 다이오드는 각각 별도로 규정됩니다.

●동작온도 (Topr)
제품 동작 시 허용되는 주위온도입니다. 제품 케이스 온도로 정의합니다.

●보존온도 (Tstg)
제품 보존 시 허용되는 주위온도입니다.

●Characteristics (전기적 · 광학적 특성)
Conditions에 기재된 조건 하에서 레이저 다이오드 구동 시의 특성을 나타냅니다.

●임계치 전류 (Ith)
그림 2에서 A는 자연 발광 영역, B는 레이저 발진 영역으로 구별됩니다. 레이저 발진을 개시하는 전류치가 임계치 전류입니다. 레이저 발진 영역의 전류 – 광 출력 직선의 연장선과 X축의 교차점을 Ith로 정의합니다.

●동작전류 (Iop)
규정된 광 출력을 출력할 때 필요한 순방향 전류입니다.

●동작전압 (Vop)
규정된 광 출력을 출력할 때의 순방향 전압입니다.

●미분 효율 (η)
단위 구동 전류당 광 출력의 평균 증가치입니다. 레이저 발진 영역에서의 순방향 전류에 대한 광 출력 직선의 기울기를 나타냅니다. (그림 2)

그림 2

●모니터 전류 (Im)
규정된 역전압을 모니터용 포토 다이오드에 인가한 상태에서, 규정된 광 출력을 출력할 때 포토 다이오드의 출력전류입니다.

●수평 확산각 (θ//) · 수직 확산각 (θ⊥)
레이저에서 방사되는 광은 그림 3과 같이 확산됩니다. 이 분포를 접합면에 대해 수평 방향 (x 방향), 수직 방향 (y 방향)에서 측정하면 그림 4와 같아집니다. 이러한 분포의 피크 강도 1/2에서의 확산 폭 (반치전각)을 θ//, θ⊥라고 하며 각도로 정의합니다.

그림 3 : 방사 특성

그림 4 : 방사 특성

●수평 방향 광축 기울기 (Δϕ//) · 수직 방향 광축 기울기 (Δϕ⊥)
기준면에 대한 광축의 편차를 나타냅니다. 수평 방향, 수직 방향의 확산각 분포 (그림 4)에서, (a-b)/2로 정의합니다. (그림 5)

그림 5 : 광축 기울기

●발광점 위치 (ΔX, ΔY, ΔZ)
발광부의 위치 편차를 나타냅니다. ΔX, ΔY는 패키지의 중심에서 벗어난 편차, ΔZ는 기준면에서 벗어난 편차를 나타냅니다. (그림 6)

그림 6 : 발광점 위치

●발진 파장 (λp)
규정된 광 출력을 출력할 때의 피크 발진 파장입니다. 발진 스펙트럼에는 그림 7과 같이 싱글 모드와 멀티 모드가 있으며, 멀티 모드의 경우, 스펙트럼의 최대 광 강도 파장으로 정의합니다.

그림 7 : 발진 스펙트럼 특성

●전력 변환 효율 (PCE)
전기 에너지를 얼마나 높은 효율로, 빛으로 변환할 수 있는지를 나타내는 지표입니다.

●비점격차 (As)
레이저 다이오드가 출력하는 빛의 초점이 수직 방향과 수평 방향에서 다른 위치에 형성되는 현상을 가리킵니다. 이 두개의 초점간 거리를 비점격차 (Astigmatism, As)로 정의합니다. 비점격차는 레이저 광의 빔 품질 및 형상에 크게 영향을 미치기 때문에 이 수치는 최소한으로 억제해야 합니다.

레이저 다이오드의 패키지 내부 구조와 회로

레이저 다이오드의 패키지 내부 구성은 포토 다이오드를 내장하는 타입과 내장하지 않는 타입으로 분류됩니다. 포토 다이오드는 레이저 다이오드의 광 출력을 일정하게 유지하기 위한 모니터링 용도로 사용됩니다.

3pin 패키지를 예로 들면, 로옴에서는 레이저 다이오드의 패키지를 Top View (레이저 광의 출사 방향) 기준 시계 방향으로 1, 2, 3핀으로 규정합니다. 그 중에서 3핀은 레이저 다이오드와 포토 다이오드의 공통 단자이므로 일반적으로 common 핀이라는 명칭을 사용합니다.

【3pin 패키지의 예】

각 제품에 따라 레이저 다이오드와 포토 다이오드의 극성 (패키지 내부 회로)이 달라집니다. 로옴의 레이저 다이오드 형명은 하기와 같은 구성으로, 왼쪽에서 6번째의 문자가 극성을 의미합니다.

레이저 다이오드 사용 시 주의점

레이저 다이오드는 매우 섬세한 디바이스이므로, 사용 시에 몇 가지 주의할 점이 있습니다. 그 중에서 특히 중요한 포인트로는 절대 최대 정격을 초과해서는 안 된다는 점과, 서지 전류 대책, 정전기 대책 (ESD), 적절한 냉각 시스템 도입을 통한 온도 관리, 그리고 고출력 광에 대한 안전 대책이 필요하다는 점입니다. 레이저 다이오드 사용 시에는 이러한 주의점을 고려하여 안전하게 사용해야 합니다.

절대 최대 정격

레이저 다이오드는 최대 정격을 초과하게 되면 순간적으로 파괴되거나 열화를 유발하여 제품의 신뢰성이 현저하게 저하됩니다. 한순간이라도 규정된 최대 정격을 초과하지 않도록 하는 것이 매우 중요합니다.

(1) 전원 스위치 ON / OFF 시 등에 발생하는 서지 전류로 인해 소자가 파괴되는 경우가 있습니다. 사용 시에는 반드시 전원의 과도 특성을 체크하여 서지 전류 레벨에서 최대 정격을 초과하지 않는 것을 확인해야 합니다.

(2) 최대 정격은 케이스 온도가 25℃일 때의 값으로 규정되어 있습니다. 온도가 높아짐에 따라 최대 광 출력이나 허용 손실이 저하되어 동작 범위가 한정됩니다. 따라서 반드시 정격치를 고려하여 설계해야 합니다.

정전기 · 서지 파괴 대책

레이저 다이오드는 정전기 등 서지 전류가 인가되면 광학적인 손상 (COD*)이 발생하기 쉽다는 특성이 있습니다. 따라서, 다른 일반적인 디스크리트 제품에 비해 정전기 내성 (ESD* 레벨)이 매우 낮기 때문에 더 신중하게 취급해야 합니다. 레이저 다이오드의 순방향으로 서지가 유입되면 발광부에 과잉으로 광 밀도가 집중되는 과발광으로 인해 발광부나 출력면이 파괴되어 발광 효율이 저하되거나, 동작이 정지됩니다. COD는 한번 발생하게 되면 파괴 전의 광학 특성을 얻을 수 없게 되는 심각한 영구적 손상입니다. 단시간에 발생하기 때문에 무엇보다 예방책이 중요합니다.

＊COD : Catastrophic Optical Damage의 약자. 단면 (端面)의 광학적인 파괴가 발생하는 것.
＊ESD : Electro Static Discharge의 약자. 정전기 방전의 의미.

COD 방지를 위한 포인트

레이저 다이오드에서 정전기 파괴의 원인은 대부분 「사용자의 신체에서 발생한 정전기」나 「장치 전원의 ON / OFF 시 발생하는 스파이크 전압」으로 인한 서지 전류 인가입니다. 레이저 다이오드 취급 시에는 다음과 같은 대책의 실시를 권장합니다.

1. 1. 작업환경
   기기 및 회로는 접지를 실시 (접지 라인에서 노이즈가 유입되지 않도록 확인), 각 전원 입력부에 노이즈 필터, 노이즈 차단 트랜스 등 서지 정전기 대책 실시.
2. 2. 작업자
   정전기 대책이 실시된 작업복, 모자, 신발 착용. 특히 작업중에는 반드시 접지 밴드를 장착하여, 고저항 1MΩ을 통해 인체를 접지 상태로 만든다.
3. 3. 운반, 보관 케이스
   대전 방지 처리가 실시된 것을 사용한다.
4. 4. 기타
   전원 ON / OFF 시에 과대한 스파이크 상태의 서지 전류가 흐르게 되면, 레이저가 데미지를 입어 열화의 원인이 되므로 충분한 주의를 기울인다.
   형광등 글로 램프 등에 가까운 장소에서는 작업하지 않는다. (고주파 서지가 발생되는 기기 근처에서는 유도 서지로 인해 레이저가 열화되거나 파괴될 우려가 있다.)

고온 대책 (방열)

레이저 다이오드는 일반적인 반도체와 마찬가지로 장시간 통전으로 인해 Junction 부분에 발열이 발생하여 소자 온도가 상승하게 됩니다. 방열이 충분하지 않으면 케이스 온도가 상승하여 광 출력이 감소하므로, 규정된 광 출력을 유지하기 위해서는 더 많은 전류를 흘려야 합니다. 이러한 순방향 전류의 증가는 케이스 온도를 한층 더 상승시키게 되고, 또다시 순방향 전류가 증가하는 악순환이 발생하게 됩니다.

따라서, 레이저 다이오드의 스템에 알루미늄 등의 방열판 (30×30×3mm 사이즈 이상)을 밀착시켜서 사용하는 것이 좋습니다.

안전성 확보

레이저 다이오드의 출사광은 잘못된 방법으로 사용하게 되면, 인체에 영향을 미칠 가능성이 있어 매우 위험합니다. 레이저 다이오드의 출사광을 직접 보거나, 렌즈를 통해 보면 실명의 위험도 있습니다. 또한, 출력이 큰 레이저 광의 경우, 피부에 닿게 되면 화상 등 염증을 일으킬 우려가 있습니다. 눈에 보이지 않는 적외선이나 자외선 역시 위험성은 가시광과 동일합니다. 눈에 보이지 않아 안전한 것이 아니라, 오히려 세심한 주의를 기울여 취급해야 할 필요가 있습니다. 광축 조정을 실시하는 경우에는 TV 카메라 등을 사용하고, 절대로 레이저 광을 직접 보거나 인체에 접촉되게 해서는 안 됩니다.

로옴의 레이저 다이오드는 광 출력 · 파장에 따라 클래스 Ⅲb, Ⅳ로 분류되며, 데이터시트 및 제품 포장 박스에는 하기와 같은 경고 라벨을 부착하고 있습니다.

패키지의 취급

높은 곳에서 떨어뜨리거나, 과도한 압력을 패키지에 가해서는 안 됩니다. 리드를 구부리는 포밍 가공으로 인해 글래스 몰딩부가 파손되거나, 패키지 내부의 리드에 가해지는 응력으로 인해 와이어가 절단되지 않도록 주의해야 합니다.

・커버 글래스 제품의 경우
레이저 다이오드의 커버 글래스 부분은 절대로 손으로 접촉해서는 안 됩니다. 커버 글래스에 흠집이나 오염이 발생하면 레이저의 광학 특성이 달라집니다.

・오픈 패키지 제품의 경우
외부 환경에 따라 특성이나 신뢰성이 저하될 가능성이 있습니다. 토너나 인적 이물질, 담배 연기와 같은 이물질, 이온으로 인한 부식, 접착제나 플럭스의 휘발 성분으로 인한 영향, 결로, 광 핀셋 효과 등에 대해 충분히 대책을 실시해야 합니다. 또한, 레이저 칩 발광부를 포함한 캡 내부의 구성 부품을 손으로 접촉하지 않도록 주의해야 합니다.

편광 특성

편광이란 전기장과 자기장의 진동 방향이 규칙적인 빛입니다. 레이저 다이오드의 빛은 편광 특성을 지니며, 레이저 다이오드의 칩 접합면과 평행한 방향으로 전기장이 진동하는 경우를 TE (Transverse Electric wave) 모드, 접합면에 수직 방향으로 전기장이 진동하는 경우를 TM (Transverse Magnetic wave) 모드라고 합니다. TE 모드, TM 모드는 제품에 따라 달라지므로, 편광 광학 부품을 사용하는 경우에는 주의가 필요합니다.

광 출력 측정

레이저 다이오드의 광 출력 측정을 위해서는 광 파워미터라는 광 신호의 강도를 정량적으로 측정하기 위한 전자 테스터 장치를 사용합니다.

【측정 준비】

・사용하는 파장에 따라 광 파워미터를 적절하게 설정하고 교정한다.
・안정적인 온도 환경에서 동작시키기 위해, 레이저 다이오드에 방열판을 부착하고 온도 컨트롤러를 사용한다.

【측정 순서】

・광 파워미터의 수광면에 레이저 광의 총광속이 입사되도록 수광면을 조정한다.
・광 파워미터의 수광면으로부터의 반사광이 레이저 다이오드에 되돌아오지 않도록, 수광면을 광축에 대해 5~20° 기울기로 조정한다.
・레이저 다이오드에 전류를 주입하고, 광 파워미터로 출력광 파워를 측정한다.
・측정한 광 출력을 기록하고, 필요에 따라 그래프화하여 I – L 특성을 작성한다.

I – L 특성 (주입 전류 (I)와 광 출력 (L)의 관계)
I – L 특성은 순방향 전류 (IF)와 광 출력 (PO)의 관계, 즉 전류 증가에 따라 광 출력이 어떻게 변화하는지를 나타낸 특성입니다. 이 특성에서는, 레이저 다이오드가 발진을 시작하는 임계치 전류 (Ith) 및 동작전류 (Iop)를 확인할 수 있습니다. 또한, 모니터 전류 (Im)는 레이저 칩의 후면에서 방사된 레이저 광을, 내장된 포토 다이오드에서 검출할 때 얻어지는 전류를 가리킵니다.

I – L 특성을 측정함으로써, 레이저 다이오드의 성능 및 동작 상태를 평가할 수 있어, 최적의 동작 조건을 판단할 수 있습니다.

레이저 다이오드의 기본 구동 회로

레이저 다이오드의 구동 방법은 크게 CW 구동 (연속파 구동)과 펄스 구동의 2종류가 있습니다. CW 구동은 일정한 출력을 연속하여 발진함으로써 안정적인 광 출력을 얻을 수 있는 구동 방식이며, 펄스 구동은 짧은 전류 인가 시간 (펄스)에 출력함으로써 피크 강도가 매우 높은 고출력 구동 방식입니다.

CW 구동

CW란 「연속파 : Continuous Wave」의 약자로, CW 레이저는 일정한 출력을 연속하여 발진하는 레이저입니다. 안정적인 광 출력을 얻을 수 있다는 특징이 있습니다. 가시광이나 적외광 등 폭넓은 파장 대역의 제품으로, 시장에서 다양한 용도로 활용되고 있습니다.

주요 파장 대역 : 가시광에서 근적외광
주요 광 출력 : 수mW ~ 수W
구동 방법 : CW 구동 (APC 구동 방식, ACC 구동 방식 등)
주요 용도 : 레이저 포인터, 레이저 수평기, 레이저 빔 프린터, 광 디스크, 센서용 광원

펄스 구동

짧은 전류 인가 시간 (펄스)에 출력을 발진하는 것이 펄스 레이저입니다. 일정한 반복 주파수로 발진하는 경우와 단펄스로 발진하는 경우가 있습니다. 피크 광 출력 강도를 높일 수 있어, 레이저 광을 먼 거리까지 도달시킬 수 있으므로, 최근에는 장거리를 측정하기 위한 센서용 광원으로서 수요가 높아지고 있습니다.

주요 파장 대역 : 근적외광
주요 광 출력 (피크) : 수W ~ 수백 W
구동 방법 : 펄스 구동 (전류 공진 타입, 구형파 타입 등)
주요 용도 : LiDAR, ToF용 광원

CW 레이저 다이오드의 구동 회로

CW 레이저 다이오드의 구동 회로는 주로 APC와 ACC의 2종류가 있습니다.

APC (Auto Power Control)

레이저 다이오드의 패키지에 내장된 PD (포토 다이오드)의 모니터 전류를 관측하여, 광 출력이 일정해지도록 LD 구동 전류를 제어하는 제어 방식입니다.

【APC 구동 회로의 예】

ACC (Automatic Current Control)

레이저 다이오드에 흘리는 전류를 일정하게 유지하는 제어 방식입니다.

※ACC 구동 회로의 주의점

일정한 전류를 주입시킬 때, 레이저 다이오드의 광 출력은 온도에 따라 변화합니다. ACC 회로에서 광 출력을 일정하게 유지하기 위해서는 레이저 다이오드의 온도 컨트롤이 필요합니다. 따라서, 일반적으로는 주위 온도가 변동하더라도 항상 일정한 광 출력을 얻을 수 있는 APC 회로가 사용됩니다.

【ACC 구동 회로의 예】

펄스 레이저의 구동 회로

펄스 레이저 다이오드의 구동 회로에는 다양한 타입이 있습니다. 본 기사에서는 그 중에서 전류 공진 타입 구동 회로에 대해 소개하겠습니다. 전류 공진 타입 회로는 단펄스로 고출력화가 용이하다는 특징이 있습니다.

【전류 공진 타입 구동 회로의 예】