통합 포토닉스의 아키텍처: 단일 파장 방출을 넘어서

단일 이미터 구성 요소에서 통합 구성 요소로의 전환 고출력 다이오드 레이저 모듈 시스템은 포토닉 엔지니어링의 자연스러운 진화를 나타냅니다. 현재 산업 및 의료 환경에서 여러 개별 파장을 전달하는 단일 광학 출력에 대한 요구는 더 이상 사치가 아니라 기능적 필수 요소입니다. 다단계 파이버 레이저 펌핑이든 808nm, 940nm, 1064nm가 동시에 필요한 복잡한 피부과 시술이든 관계없이 다중 파장 레이저 모듈 는 고성능 시스템의 기본 엔진 역할을 합니다.

물리학의 관점에서 볼 때, 고출력 통합 시스템을 만드는 데 있어 가장 어려운 점은 밝기 보존에 있습니다. 열역학 제2법칙에 따르면 수동 광학 소자로는 레이저 빔의 밝기(광도)를 높일 수 없습니다. 따라서 여러 개의 레이저 다이오드를 하나로 결합하면 파이버 결합 다이오드 레이저 시스템, 에서 모든 광학 표면과 결합 요소는 빔 파라미터 제품(BPP)의 손실을 최소화하도록 설계되어야 합니다. 이를 위해 엔지니어는 스펙트럼 빔 결합, 공간 스태킹, 밀폐 하우징 내 열 누화 관리 간의 상호 작용을 숙달해야 합니다.

빔 결합의 원리: 스펙트럼 및 공간 전략

여러 반도체 칩에서 단일 광섬유로 빛을 발사하려면 광자의 공간적 위치, 파장, 편광 상태 등 광자가 제공하는 자유도를 활용해야 합니다.

스펙트럼 빔 결합(SBC) 및 박막 필터

어느 다중 파장 레이저 모듈, 스펙트럼 결합은 빔 품질 저하 없이 출력을 높이는 가장 효율적인 방법입니다. 이 기술은 고성능 박막 필터(TFF) 또는 다이크로믹 미러를 사용하는 데 의존합니다. 이러한 필터는 고굴절률 및 저굴절률 유전체 재료(예: $TiO_2$ 및 $SiO_2$)가 번갈아 가며 층을 이루는 구조로 설계됩니다.

예를 들어 808nm 빔과 980nm 빔을 결합하기 위해 TFF를 45도 각도로 배치합니다. 이 필터는 808nm에서는 반사율이 높고 980nm에서는 투과율이 높도록 설계되었습니다. 유전체 코팅의 정밀도가 가장 중요하며, 온도 변화로 인한 전송 스펙트럼의 “리플” 또는 “에지” 파장의 이동은 모듈의 내부 배플 내에서 치명적인 전력 손실과 열 발생을 초래할 수 있습니다.

편광 결합 및 빔 스태킹

동일한 파장의 여러 이미터를 결합해야 하는 경우 편광을 사용합니다. 편광 빔 결합기(PBC)를 사용하면 직교 편광 상태(P 편광 및 S 편광)를 가진 두 개의 빔이 병합됩니다. 이렇게 하면 출력의 수치 개구(NA)를 증가시키지 않고도 광케이블의 전력을 효과적으로 두 배로 늘릴 수 있습니다. 그러나 이 방법은 파장당 2개의 이미터로 제한됩니다. 더 확장하려면 이미터를 서로 다른 높이에 배치하고 마이크로 프리즘 어레이를 사용하여 빔을 공통 경로로 반사하는 공간 “스태킹” 또는 “멀티플렉싱”이 사용됩니다.

열 공학: 고밀도 통합의 과제

주요 장애 모드 고출력 다이오드 레이저 모듈 는 열 포화 상태입니다. 성냥갑 크기의 부피에 10개 이상의 고출력 레이저 칩을 넣으면 열 밀도가 원자로 노심의 열 밀도를 초과하게 됩니다. 이러한 시스템에서 열 관리는 여러 측면에서 문제가 됩니다.

내부 열 누화

열 크로스토크는 “이미터 A”의 폐열이 “이미터 B”의 접합 온도를 높일 때 발생합니다. 에서 광섬유 결합 다이오드 레이저 시스템, 파장은 온도에 따라 달라지기 때문에 특히 위험합니다. 808nm 칩이 940nm 칩을 가열하면 940nm 파장이 드리프트되어 내부 결합 광학의 전송 창 밖으로 이동할 수 있습니다.

이를 완화하기 위해 전문 모듈은 열 전도성이 높은 서브마운트(주로 질화 알루미늄 또는 산화 베릴륨)와 “매크로 채널” 또는 “마이크로 채널” 베이스 플레이트를 사용합니다. 서브마운트와 모듈 바닥 사이의 열 인터페이스 재료(TIM)의 선택은 안정적인 300W 출력과 60초만 작동해도 전력이 “처지는” 시스템 사이의 차이를 결정합니다.

CTE 불일치 및 정렬 안정성

모듈의 모든 광학 부품(고속 축 콜리메이터(FAC), 저속 축 콜리메이터(SAC), 초점 렌즈)은 100나노미터 이내로 안정적으로 유지되어야 합니다. 모듈 하우징(일반적으로 코바 또는 스테인리스 스틸)과 광학 벤치(일반적으로 무산소 구리)는 열팽창계수(CTE)가 다르기 때문에 온도 순환으로 인해 “광학 크리프”가 발생할 수 있습니다. 고품질 제조업체는 UV 경화 에폭시 대신 레이저 용접 또는 유텍 솔더링과 같은 무기 접합 기술과 “CTE 일치” 하위 어셈블리를 사용하여 이 문제를 해결합니다.

총 비용의 엔지니어링 논리: “구성 요소 가치'가 ”단가'를 능가하는 이유“

의 맥락에서 고출력 다이오드 레이저 모듈, 구매 가격은 경제 방정식에서 가장 중요하지 않은 부분인 경우가 많습니다. 광학 엔진의 실제 비용은 현장 운영 3년 또는 4년차에 실현됩니다.

혈관 병변에 사용되는 의료용 레이저를 고려해 보세요. 내부 다중 파장 레이저 모듈 는 저가의 접착제 기반 정렬을 사용하므로, 접착제의 팽창 속도가 다르면 결국 1064nm와 808nm 빔이 광섬유에서 “결합 해제”됩니다. 이는 단순히 전력만 감소시키는 것이 아니라 환자의 피부에 닿는 파장의 비율을 변화시켜 의료 시술이 비효율적이거나 위험해질 수 있습니다. 현장 서비스 엔지니어의 인건비와 병원의 수익 손실을 포함한 모듈 교체 비용은 프리미엄 엔지니어링 레이저 용접 모듈의 초기 가격 차이의 5배에 달할 수 있습니다.

사례 연구: 삼중 파장 수술용 레이저 엔진

고객 배경:

정맥 내 레이저 절제술(EVLA)을 위한 최소 침습 수술 장비 제조업체. 이 시스템에는 980nm(수분 흡수용), 1470nm(콜라겐 수축용), 635nm(적색 조준 빔)의 조합이 필요했습니다.

기술적 과제:

고객은 커넥터 인터페이스에서 “광케이블 용융”으로 어려움을 겪고 있었습니다. 이전 공급업체의 모듈은 1470nm 다이오드의 빛이 광케이블 코어에 제대로 집중되지 않고 클래딩으로 누출되어 폴리머 코팅을 태우는 높은 “클래딩 전력” 문제가 있었습니다.

• 요구 사항: 980nm에서 30W, 1470nm에서 15W, 635nm에서 100mW를 단일 200um 광케이블에 담았습니다.
• 안정성: <1시간 연속 수술 사용 시 2% 전력 변화.
• 크기: 표준 1U 랙 마운트 섀시에 맞아야 합니다.

기술 매개변수 및 설정:

• 모듈: 사용자 지정 다중 파장 레이저 모듈 공유 옵티컬 벤치를 사용합니다.
• 커플링 피직스: 맞춤형 비구면 “트라이 플렉서” 초점 렌즈를 사용하여 635nm에서 1470nm 사이의 색수차를 처리했습니다.
• 보호: 1064nm 노치 필터를 통합하여 수술 부위의 역반사(주로 2차 Nd:YAG 레이저를 사용하는 경우)가 980nm 다이오드 면을 손상시키는 것을 방지합니다.

품질 관리(QC) 솔루션:

“빔 중심 안정성” 테스트를 구현했습니다. 모듈을 15°C에서 45°C까지 50회의 열 사이클에 노출하고 고해상도 카메라를 사용하여 광선로 면에서의 빔 위치를 추적했습니다. 2um보다 큰 변화는 불합격으로 판정되었습니다. 또한 “클래딩 파워 분석”을 수행하여 98% 이상의 빛이 200um 코어 내에 갇혀 있는지 확인했습니다.

결론:

특수 색채 보정 렌즈와 무기물 장착 전략을 구현하여 “섬유 용융” 문제를 완전히 제거했습니다. 수술 시스템의 신뢰성은 첫해에 5%의 현장 고장률에서 0.1%로 증가했습니다. 또한 통합된 광섬유 결합 다이오드 레이저 시스템을 통해 고객은 더 이상 3개의 개별 전원 공급 장치와 3개의 개별 광섬유 경로가 필요하지 않아 장치 설치 공간을 40%까지 줄일 수 있었습니다.

데이터 지원: 다중 파장 모듈의 성능 비교

다음 표에는 다양한 통합 성능 지표에 대한 일반적인 고출력 다이오드 레이저 모듈 구성.

FAQ: 엔지니어링 다중 파장 레이저 시스템

Q1: 다중 파장 모듈의 결합 효율이 낮은 이유는 무엇인가요?

다중 파장 레이저 모듈에서 초점 렌즈는 굴절률(색수차)이 크게 다른 빛을 처리해야 합니다. 808nm에 완벽하게 초점을 맞추는 렌즈는 1064nm에 약간 초점이 맞지 않습니다. 무색 더블트나 특수 비구면이 도움이 되긴 하지만 최적화된 단일 파장 시스템과 비교하면 항상 상충되는 부분이 있습니다.

Q2: 하나의 레이저가 모듈 내부의 다른 레이저를 손상시키는 것을 어떻게 방지하나요?

저희는 “파장 선택적 격리”를 사용합니다. 결합에 사용되는 TFF는 쉴드 역할도 합니다. 예를 들어, 1064nm 빔을 광섬유로 반사하는 1064nm 반사 코팅은 808nm 빛이 1064nm 다이오드 캐비티로 들어오는 것을 방지합니다.

Q3: 한 파장에 장애가 발생하면 이 모듈을 수리할 수 있나요?

일반적으로 고출력 밀폐형 모듈은 현장에서 서비스할 수 없습니다. 모듈을 열면 습기와 미립자가 유입되어 작동 중 남은 레이저 면을 즉시 파괴할 수 있습니다. 신뢰성은 경감 및 고품질 반도체 소싱을 통해 “미리” 설계되어야 합니다.

Q4: “열 크로스토크”란 무엇이며 빨간색 조준선에 어떤 영향을 미치나요?

레드 다이오드(635nm-650nm)는 열에 매우 민감합니다. 고출력 980nm 칩이 최대 전력으로 작동하면 발생하는 열로 인해 베이스 플레이트 온도가 상승하여 빨간색 다이오드가 전원을 잃거나 고장날 수 있습니다. 그렇기 때문에 빨간색 다이오드는 광학 벤치에서 가장 먼 “시원한” 가장자리에 장착되는 경우가 많습니다.

Q5: 100W 모듈에서 “분리형 광케이블'을 사용하면 어떤 이점이 있나요?

의료용 애플리케이션의 경우 탈착식 SMA905 또는 D80 커넥터가 표준으로 사용됩니다. 그러나 이는 “종단면 오염”의 위험을 초래합니다. 광케이블 팁에 먼지 한 점이라도 묻으면 100W의 레이저 에너지를 흡수하여 광케이블을 녹이고 고출력 다이오드 레이저 모듈의 출력 창을 손상시킬 수 있습니다. 통합 센서(예: 커넥터 근처의 NTC)는 이 열을 감지하고 레이저를 차단하는 데 사용됩니다.