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Nikkei X-TECH_2022.12.22

소니 계열사, kW급 출력의 피코세컨드 레이저 시작
부피는 고체 레이저의 '1000분의 1'

소니 그룹의 반도체 자회사인 소니 세미컨덕터 솔루션즈(SSS)는 초소형 고출력의 새로운 레이저를 시작(試作)했다. ‘피코세컨드 레이저’로 불리는 것으로, 부피는 겨우 1㎣이지만 펄스 출력은 kW급으로 높다. 금속 가공이나 의료/헬스케어, 장거리 LiDAR(레이저 레이더) 등에 응용하는 것을 상정하고 있다.

kW급 고출력 레이저로는 ‘고체 레이저’가 있지만 사이즈가 크다. 반도체제 소형 레이저도 존재하지만 출력은 높아야 수백 W가 고작이다.

SSS의 시제품은 펄스폭 450피코세컨드(ps)이며 최대출력 57kW의 레이저광을 발진할 수 있다. “부피는 1㎣로 고체 레이저의 약 1,000분의 1로 상당히 작다”(SSS). 발진 파장은 1030나노미터(nm)이다.

효율에 관해서는 구체적인 수치를 공개하지 않았다. 하지만 종래의 고체 레이저에 비하면 높은 효율이라고 한다.

-- 두 개의 레이저를 조합하다 --
이번에 표면 발광형 반도체 레이저(VCSEL)와 고체 레이저를 조합한 구조를 채용함으로써 고출력화와 소형화를 양립했다. 고체 레이저는 ‘Q 스위치’라고 불리는 고출력화에 적합한 타입이다. 크롬(Cr)을 도핑한 YAG(이트륨(Yttrium), 알루미늄(Aluminum), 석류석(Garnet))(Cr:YAG)와 이터븀(Yb)을 도핑한 YAG(Yb:YAG)로 구성된다.

Cr:YAG는 Q 스위치용 '가포화 흡수체'이다. 강도가 낮은 빛에 대해서는 흡수체로서 기능하지만 고강도의 빛에 대해서는 투명해진다. Yb:YAG는 ‘이득 매질(Gain Medium)’로서 이용한다.

시제품에서는 하방에 VCSEL용 공진기를 형성하여 파장 940nm의 빛을 발진한다. 상방에 Q 스위치용 공진기를 형성하여 940nm의 빛을 여기광으로 이용해 1030nm의 레이저광을 발진한다. 구성하는 재료를 변경하면 다양한 파장에 대응할 수 있다고 한다.

소자 제작에는 웨이퍼 레벨의 반도체 구현 프로세스를 적용할 수 있기 때문에 양산할 때는 저렴하게 생산할 수 있을 것으로 보고 있다. 우선 소니 그룹 내의 제품에 탑재하는 것을 목표로 한다. 이후 외부와 협업해 새로운 용도를 개척해 나갈 계획이다.

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