광소자나 광학계를 집적한 초소형 기기를 개발

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-01-06

- 하마마츠 포토닉스(Hamamatsu Photonics), 광소자나 광학계를 집적한 초소형 기기를 개발하는 인티그럴 옵틱스(Integral Optics) 동 건설에 착공 - 하마마츠 포토닉스는 인티그럴 옵틱스 관련 기술과 설비를 집약하면서 회사 내에 분산되어 있는 광학 설계 기술, 광학 박막 기술, MOEMS(주 1) 광 나노테크 기술을 융합하는 기술 센터적인 역할을 목표로 하여 중앙연구소 부지 내에 인티그럴 옵틱스 동 건설에 착공한다. 최근 일렉트로닉스 제품은 소형이고 고정밀도, 고밀도, 고기능화가 진행되어 미세 가공으로 반도체 재료를 3차원적으로 가공하여 조립하는 MEMS 기술이 주목을 받고 있다. 광 반도체 제품에도 마찬가지로 광학적인 부품이 설치된 MOEMS 기술이 요구되고 있다. 하마마츠 포토닉스는 중앙연구소를 중심으로 구성한 전사 프로젝트로서 초단 펄스 인티그럴 고강도 레이저, 인티그럴 옵틱스 고출력 레이저, 테라헤르츠파 이용 소형 분석 장치의 개발을 진행하고 있다. 개발되고 있는 기기들은 서로 공통되는 기술로서 렌즈 등 광학계를 MEMS 기술 등에 의해서 초소형의 기기에 집적하는 인티그럴 옵틱스 기술로 통합할 수 있다. 인티그럴 옵틱스 동에서는 이러한 개발 그룹을 집약하여 효율적으로 개발할 것이라 한다. 또한 하마마츠 포토닉스는 오랜 동안 배양된 렌즈, 밀러, 그레이팅(grating, 회절격자) 등의 광학 설계 기술, 광학 필터, 유전체 다층막, 반사 방지막 등의 광학 박막 제작 기술, 고정밀도조심, 광학 부품 고정밀도 자동 조립, 고정밀도 연마 접합, 초정밀 입체 나노 가공(나노는 10억분의 1) 등의 MOEMS 광나노테크 기술을 보유하고 있다. 인티그럴 옵틱스 동에서는 이러한 기술들을 전사 공유 기술로서 융합하여 관련된 지식이나 기술 향상을 도모함과 동시에 사업부 간 공동 개발 등 전사적인 이용을 의도한 신제품 개발에 결합되는 기술 센터적인 역할을 목표로 할 것이라 한다. 인티그럴 옵틱스 동에서 개발되는 기술은 우선 초단 펄스 인티그럴 고강도 레이저로, 통상 재생 증폭기로 불리는 레이저 증폭기에서는 전기 광학 효과를 이용한 포켈스 셀(pockels cell)(지식리포터 주)이라는 편광 스위칭 소자를 사용한다. 포켈스 셀은 10나노초 정도에서 동작하기 때문에 공진기(주 2)의 광로 길이를 3m 정도 확보할 필요가 있어 레이저는 복수 개의 밀러를 이용하여 구성되어 있다. 이로 인해 대형으로 고가, 광학계의 조정이 곤란한 점 등의 과제가 있었다. 하마마츠 포토닉스는 손바닥 크기의 유리블록을 공진기 안에 이용하여 레이저의 소형화와 안정화를 가능하게 하는 기술을 개발하였다. 또한 MEMS 기술에 의해서 제작한 고효율인 투과형 그레이팅을 이용한 펄스 압축기를 개발하였다. 이러한 기기들을 조합하여 펄스 폭 1피코초(피코는 1조분의 1), 펄스 에너지 100마이크로 줄(마이크로는 백만 분의 1) 이상, 반복 수십 킬로헤르츠, 헤드 용적 30,000㎤ 이하의 레이저를 개발하고 있다. 향후 거치형으로 주로 실험실 용도로 한정되고 있던 대형 레이저를 운반을 할 수 있고 안정된 레이저로서 각종 레이저 가공의 생산 현장에서 간단하고 쉽게 사용할 수 있는 초단 펄스 인티그럴 고강도 레이저의 실현을 목표로 할 것이라 한다. 그리고 두 번째로 개발할 기술은 인티그럴 옵틱스 고출력 일체화 레이저로 가공용 레이저로서, 일반적인 YAG(이트륨 알루미늄 가닛) 레이저는 고체 레이저가 가지고 있는 빔 품질과 강도에 특징이 있다. 이러한 공진기는 레이저 매질과 펄스화를 위한 Q 스위치(주 3)를 공진기 밀러에 삽입하는 형태로, 수 10cm 정도의 케이스 안에 배치되어 있다. 이로 인해 온도나 진동에 의해 광로가 어긋나는 일이 있어 밀러 위치 등을 조정할 필요가 있었다. 하마마츠 포토닉스는 레이저 매질(Nd : YAG)과 Q 스위치 결정(Cr : YAG), 냉각용 결정(YAG), 공진기 밀러를 직접 접합하는 기술을 개발하여 일체화함으로써 길이 3cm로 초소형으로 조정이 불필요한 공진기를 실현하였다. 이러한 공진기를 이용하여 집광렌즈, 필터 등을 조합해 소형인 레이저 헤드에 집약할 것이라고 한다. 또한 소형이면서 높은 안정성, 조정 불필요를 특징으로 하는 반도체 레이저(이하, LD)를 여기 광원에 이용하여 스트라이프 밀러를 이용한 빔 패턴을 정형하는 독자적인 집광법을 개발하여 출력광을 약 3배까지 고출력화하였다. 이에 의해 LD가 가지고 있는 소형이면서 높은 안정성과 조정 불필요한 특징을 나타내면서 LD에는 없는 고체 레이저의 광 빔 품질, 고출력 펄스 등의 특징을 겸비한 저가격대인 산업용 레이저가 실현된다. 향후 고출력 여기 광원과 소형 레이저 헤드를 조합하여 mmJ급의 고출력 일체화 레이저의 실현을 목표로 할 것이라고 한다. 마지막으로 주력할 기술은 테라헤르츠파 이용 소형 분석 장치로, 하마마츠 포토닉스는 테라헤르츠파를 효율 좋게 투과하는 실리콘을 재료로 하여 다축 정밀 가공기를 이용해 3차원 디바이스의 가공에 임하고 있다. 인티그럴 옵틱스로서 3차원 디바이스의 전 반사형 프리즘에 테라헤르츠파 발생용 소자와 검출용 소자를 일체화한 센서를 개발하고 있다. 일체화 센서로 함으로써 소형이고 고감도인 테라헤르츠파 계측을 실현하고 액체 시료도 단시간에 분광 계측할 수 있는 테라헤르츠파 이용 소형 분석 장치의 실현을 목표로 할 것이라 한다. (주 1) MOEMS 반도체의 미세 가공 기술을 구사하여 제작된 미소한 부품으로부터 구성된 MEMS(Micro Electro Mechanical System, 미소 전기 기계 시스템)와 마찬가지로 마이크로 머신 기술로 제조된 광학 부품과 opto-device를 조합하여 복합화, 모듈화한 것. (주 2) 공진기 2매의 밀러를 평행으로 대치하여 광을 입사하면 광은 밀러 사이를 반사하여 왕복한다. 이 때 광의 진폭이 자기 자신의 반사광과 간섭한다. 밀러 간격이 광의 반파장의 정수배가 되면 광은 자기 자신과의 반사와 간섭하여 안정인 정재파(定在波)를 발생한다. 이것을 광이 공진하고 있는 상태이며 이 때 광이 밀러 사이에 갇혀 축적된다. 이와 같이 광을 공진시켜 축적하는 시스템을 공진기라고 한다. 공진기 내에 레이저매질을 둠으로써 광은 반사를 반복하는 과정에서 증폭하여 레이저광을 얻을 수 있다. (주 3) Q 스위치 레이저를 펄스화하기 위한 스위치법의 하나로 여기에서는 가능 포화 흡수체의 Q 스위치를 사용하고 있다. 가능 포화 흡수체란 광이 약한 동안 흡수체로서 작용하고 강해지면 그 이상은 흡수할 수 없게 되어 투명하게 되어 광이 출력된다.