VCSEL 어레이란 무엇인가?
VCSEL 어레이는 수직 공동 표면 발광 레이저의 모놀리식(선형 또는 2D) 어레이입니다. 각 VCSEL은 원형 빔을 출력하며 고속으로 직접 변조할 수 있습니다. 따라서 이러한 장치는 고속 근거리 데이터 통신 및 광학 감지 분야 모두에 적합합니다.
VCSEL 어레이는 수직 공동 표면 발광 레이저 어레이의 약자로, 포토닉스의 다양한 분야에서 활용되는 기술이며, 주로 감지 및 통신 응용 분야에서 대량으로 사용되는 경우가 많습니다. 이는 반도체 기판 또는 칩 위에 1차원 또는 2차원 격자나 패턴으로 배열된 여러 개의 VCSEL(수직 공동 표면 발광 레이저)로 구성됩니다.
VCSEL은 측면 표면에서 빛을 방출하는 에지 방출 레이저와 달리, 칩의 상단 표면에서 수직으로 빛을 방출하는 반도체 다이오드 레이저의 일종입니다(그림 1 참조). 레이저 빛의 차단이나 흡수를 방지하기 위해 전극을 정교하게 형성해야만 레이저를 작동시킬 수 있습니다.
VCSEL은 에지 방출 소자에 비해 두 가지 장점이 있어 다양한 응용 분야에서 더 나은 선택이 될 수 있습니다.
그림 1. VCSEL은 에지 방출 소자의 타원형 빔보다 제어 및 활용이 훨씬 쉬운 대칭형 원형 빔을 생성합니다.
광학적 특성상 에지 방출 소자는 타원형 빔을 생성하는데, 이 빔은 발산이 심하고 비점 수차가 있는 경우가 많습니다. 따라서 이를 통합하려면 더 복잡한 빔 형성 광학 장치가 필요한 경우가 많습니다. 그러나 VCSEL은 출력 빔이 대칭적이고 원형이며 발산이 훨씬 적습니다. 따라서 VCSEL 출력을 한 지점에 집중하거나 광섬유에 결합하는 것이 훨씬 쉬워지며, 시스템의 비용과 복잡성이 줄어듭니다.
전자적 특성. 모든 다이오드 레이저는 구동 전류를 변화시켜 직접 변조할 수 있습니다. 에지 방출 장치는 통신 분야에서 널리 사용되지만, 초고속 전송을 위해서는 외부(예: 마하-젠더) 변조기를 추가로 통합해야 하는 경우가 많습니다. 이와 대조적으로, 짧은 캐비티와 VCSEL 아키텍처의 다른 특정 측면 덕분에 일반적인 에지 방출 장치보다 훨씬 빠른 직접 변조에 최적화할 수 있습니다(그림 2 참조). 따라서 전반적인 복잡성과 비용을 줄일 수 있습니다.
그림 2. VCSEL의 짧은 공동 구조는 데이터 통신 분야에 유용한 초고속 온/오프 변조 속도에 기여합니다.
VCSEL 어레이는행과 열로 배열된 여러 개의 개별 VCSEL로 구성됩니다. 이러한 아키텍처에는 더 높은 출력과 다중 채널 작동이라는 두 가지 장점이 있습니다. 에지 방출 소자의 광 출력은 캐비티 길이를 늘려 확장할 수 있지만, 방출 소자의 수를 늘려 출력을 높이는 VCSEL에서는 불가능합니다. 이는 ToF 또는 구조광 카메라와 같이 상당한 광 출력 전력이 필요한 감지 분야에서 매우 유용합니다.
일부 VCSEL 어레이의 개별 발광 소자는 독립적으로 작동할 수 있습니다. 이를 통해 방출되는 빛의 형태와 방향 조절에 상당한 유연성을 확보할 수 있습니다. 또한 다중 채널용 데이터 통신 소스로도 활용될 수 있지만, 모놀리식 칩에서만 볼 수 있는 소형 크기, 높은 효율성, 그리고 단순한 패키징을 갖추고 있습니다.
사용 측면에서 VCSEL 어레이는 데이터 센터 및 고속 네트워크의 광 상호 연결과 같은 여러 고속 데이터 통신 분야에서 흔히 볼 수 있습니다. 빛을 빠르게 변조할 수 있기 때문에 초고속으로 데이터를 전송할 수 있습니다. 채널당 전력 소모가 적기 때문에 장거리 시스템보다는 단거리(최대 100미터) 분야에 더 적합합니다. 이러한 조합을 통해 VCSEL 어레이가 현재 인공지능(AI) 및 머신 러닝(ML) 사용의 급격한 증가를 지원하기 위해 필요한 데이터 하이퍼스케일 센터 내의 광 상호 연결에 특히 적합하다는 것을 알 수 있습니다.
그림 3. VCEL 및 VCSEL 어레이는 라이다(LIDAR) 기반 감지 분야 중 하나인 자율주행차에서 널리 사용됩니다.
앞서 언급한 바와 같이, VCSEL 및 VCSEL 어레이는 다양한 광학 감지 및 이미징 분야에도 적합합니다. 여기에는 휴대폰, PC, 자동 도어록용 얼굴 인식 시스템이 포함됩니다. 대량으로 사용되는 주요 분야로는 ADAS(첨단 운전자 지원 시스템)용 LIDAR(광 감지 및 거리 측정) 시스템이 있습니다(그림 3 참조). 구조화되고 일관된 광 패턴을 방출하는 이러한 기능은 깊이 인식 및 매핑, 차선 추적, 교통 근접 감지, 자동 주차에 유용합니다.
VCSEL 어레이는 다양한 산업 분야와 가전 제품에도 적용됩니다. 레이저 프린터, 광학 마우스, 동작 인식 시스템 등이 대표적인 예입니다.
생물의학 및 헬스케어 분야:VCSEL 어레이는 이미 혈중 산소 농도 측정 등의 의료 기기에서 널리 사용되고 있습니다. 컴팩트한 크기와 우수한 빔 특성 덕분에 공간 제약이 큰웨어러블 기기에매우 쉽게 통합할 수 있습니다.
감지 및 측정:VCSEL 어레이는 산업 및 상업용 감지 및 측정의 다양한 다른 분야에서도 활용되고 있습니다. 여기에는 분광학 및/또는 가스 감지를 기반으로 한 공정 제어 응용 분야와 특정 유형의 환경 모니터링이 포함됩니다.
요약하자면, VCSEL 어레이는 정밀한 제어, 확장성, 다양한 시스템과의 통합 용이성 등의 장점을 갖추고 있어 수많은 광학 및 포토닉 기술 분야에서 핵심 구성 요소로 활용되고 있습니다. 지속적인 개발을 통해 성능이 향상되고 응용 분야가 확대되었습니다.