KR101107989B1 - 선폭 조절이 가능한 파장 가변 레이저 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파장 가변 레이저에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단순한 구조와 간단한 제어를 통해 선폭 등의 파장을 가변시키는 파장 가변 레이저를 제공함으로서, 종래 파장을 가변시키기 위한 복잡한 구조와 제어, 이를 위한 복잡한 제조공정과 부가적인 안정화 장비를 배제킬 수 있을 뿐만 아니라 이로 인해 생산 원가를 절감하면서도 여러 파장 대에 범용으로 사용 가능하도록 한다.

Description

선폭 조절이 가능한 파장 가변 레이저{Controllable Linewidth Tunable Laser}
본 발명은 파장 가변 레이저에 관한 것으로, 구체적으로는 종래 파장을 가변시키기 위한 복잡한 구조와 제어, 이를 위한 복잡한 제조공정과 부가적인 안정화 장비를 배제킬 수 있을 뿐만 아니라 이로 인해 생산 원가를 절감하면서도 여러 파장 대에 범용으로 사용 가능한 선폭 조절이 가능한 파장 가변 레이저에 관한 것이다.
한편, 본 발명은 환경부의 차세대 핵심환경기술개발사업의 지원 연구(과제고유번호: 20080199000, 과제명 : 임피스 응답법과 광 유속단층촬영 분석방법을 합성한 관망해석관측제어기술의 개발)와 과학기술부의 특정기초사업의 연구지원으로 이루어진 것이다(과제사사번호: 2007-0053331, 과제명: 상수관망 부정류 해석기술의 새로운 패러다임을 향한 빈도해석 기법).
일반적으로 파장 가변 레이저는, 하나의 광원으로 여러 파장의 광 신호를 제공할 수 있는 광학 소자로서, 광 통신 시스템의 연구 개발 단계 및 광 통신 소자의 특성 측정, 광 섬유 센서의 호출 등 광 관련 개발에 필요한 핵심 소자로서 다양한 분야에서 활용되고 있다.
특히, 최근에는, 분광(spectroscopy) 및 광 가간섭성 단층 촬영(OCT: optical coherence tomography)를 포함하는 바이오 메디컬 분야에까지 그 사용이 확장되고 있다.
초기의 파장 가변 레이저는 광 통신 시스템에서 주로 사용되었기 때문에, 1500nm~1600nm 파장 영역에서 주로 연구 및 개발이 이루어졌으나, 상술한 바와 같이 응용 분야가 다양해지고 있기 때문에, 더 다양한 파장 대역에서 가변 가능한 파장 가변 레이저의 개발이 요구되고 있다.
예를 들어, 바이오 메디컬 분야에서는, 가시광선 영역보다 광 침투가 더 깊게 이루어지는 1300nm 파장 대역의 광원이 요구되고 있다.
한편, 광 신호의 파장 가변 방법은, 크게 네 가지로 구분된다.
첫번째는, VCSEL(Vertical Cavity Surface - Emitting Laser)형태의 레이저에 MEMS(MicroElectroMechanical System) 기술을 이용하여 공진기의 길이를 조정함으로써 파장을 변화시키는 방법이 있다.
두번째는, 장거리 전송에서 고정 파장 광원으로 사용되고 있는 DFB(Distributed FeedBack) 레이저의 작동 온도를 조절함으로써 출력 파장을 변화시키는 방법이다. 이때, 온도에 의한 파장 가변 범위가 작기 때문에, 넓은 대역폭을 지원하기 위해서는 여러 개의 다른 중심 파장을 갖는 DFB 레이저가 필요하다.
세번째는, 가장 제어 방법이 복잡한 것으로 DBR(Distributed Bragg Reflector) 레이저에 광학적 작용이 서로 다른 여러 요소를 만들고 각 구성요소의 입력 전류를 변화시켜 가며 파장을 바꾸는 방법이다.
이러한 기존의 파장 가변 방법들은, 반도체 구조에 기반을 둔 것으로 복잡한 구조와 정밀한 구조제어를 필요로 할 뿐만 아니라 파장 안정화 및 광 파워 안정화를 위한 부가적인 제어가 필수적이며, 이는 파장 가변 레이저의 가격을 상승시키는 주요 요인이 되며, DFB/DBR 구조를 채용하는 경우는 파장 가변 범위가 좁다는 단점이 있다.
정리하면, 종래의 파장 가변 레이저는 파장을 가변시키기 위해 복잡한 구조와 제어를 필요로 하며, 이를 위한 복잡한 제조공정과 부가적인 안정화 장비가 필수적으로 수반되어야 함에 따라 생산 원가가 높을 뿐만 아니라 다양한 파장 영역에 대응하지 못하는 등의 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 특정 파장을 선택하고 상기 파장의 선폭을 가변시키기 위해, 유동(遊動) 가능한 반사 거울을 포함하는 단순한 구조의 파장 가변 레이저를 제공함으로서, 종래 파장을 가변시키기 위한 복잡한 구조와 제어, 이를 위한 복잡한 제조공정과 부가적인 안정화 장비를 배제킬 수 있을 뿐만 아니라 이로 인해 생산 원가를 절감하면서도 여러 파장 대에 범용으로 사용할 수 있도록 하는 것을 과제로 한다.
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위한 수단으로, 광증폭기, 파장 선택 필터부, 광 서큘레이터 및 광 커플러를 포함하는 파장가변 레이저에 있어서, 상기 파장 선택 필터부에 유동 가능한 반사 거울이 포함되는 선폭 조절이 가능한 파장 가변 레이저를 제공한다.
한편, 상기 반사 거울은, 기울기 동작에 의해 특정 파장을 반사시킬 수 있다.
또한, 상기 반사 거울은, 광 신호의 입사방향으로 전·후진 이동하여 파장의 선폭을 가변시킬 수 있다.
아울러, 상기 파장 선택 필터부는, 입사되는 광 신호를 평행광으로 변환시키는 콜리메이터, 상기 평행광으로 변환된 광 신호를 파장별로 회절시키는 회절격자 및 상기 파장별로 회절된 광 신호 중 특정 파장의 광 신호만을 반사하되, 상기 파장의 선폭을 가변시켜 반사하는 반사 거울을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 과제 해결 수단에 따른 본 발명은, 종래 파장을 가변시키기 위한 복잡한 구조와 제어, 이를 위한 복잡한 제조공정과 부가적인 안정화 장비를 배제킬 수 있을 뿐만 아니라 이로 인해 생산 원가를 절감할 수 있도록 하는 효과가 있다.
아울러, 상기와 같은 효과를 구현하면서도 소자들을 독립적으로 구비하여 조합하므로 파장의 선택 범위 조정, 발진대역폭의 선택 등을 보다 안정적으로 수행 할 수 있을 뿐만 아니라 어떠한 이득 매질(gain medium)을 가지는 광원(source)을 응용하느냐에 따라, 파장영역이나 파장 가변 범위를 수 nm에서 100nm 이상의 가변 범위(tuning range)를 가지는 파장가변 레이저를 제작할 수 있게 됨으로서, 여러 파장 대에 범용으로 사용할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선폭 조절이 가능한 파장 가변 레이저의 개략도
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 거울의 작동 상태를 나타내는 개략도
상기 본 발명의 목적과 특징 및 장점은 첨부도면 및 다음의 상세한 설명을 참조함으로서 더욱 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예의 구성 및 그 작용 효과에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선폭 조절이 가능한 파장 가변 레이저의 개략도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 거울의 작동 상태를 나타내는 개략도로서 본 발명은, 광증폭기(10), 제 1,2편광 제어기(11,12), 광 서큘레이터(20), 파장 선택 필터부(30) 및 광 커플러(40)를 포함하여 구성된다.
상기 광증폭기(10)는, 동작 전류가 인가되면 광 신호를 출력하고, 피드백(feedback) 입력단으로 광 신호가 입력되면 상기 광 신호의 파장에 동기하여 상기 파장의 광 신호를 증폭 출력하는 것으로서, 상기 출력되는 광 신호 중에서, 후술되어질 파장 선택 필터부(30)에 의해 선택된 파장의 광 신호를 증폭 출력한다.
한편, 상기 광증폭기(10)는 게인-칩(Gain Chip), EDF(Erbium Doped Fiber)를 이용한 광대역 광원, FP(Fabry-Perot) 레이저 등 다양한 광대역 광원을 적용할 수 있으나, SOA(Semiconductor Optical Amplifier)를 적용하는 것이 효과적이다.
상기 제 1,2편광제어기(11,12)는, SNR(Signal to Noise Ratio)을 높이기 위하여 구성되는 것으로서, 상기 광증폭기(11)로부터 출력되거나, 광증폭기(11)로 피드백 입력되는 광 신호의 편광 상태를 정렬하여 최대 전달 이득을 갖도록 한다.
상기 광 서큘레이터(20)는, 상기 광증폭기(10)의 출력 광 신호를 후술되어질 파장 선택 필터부(30)로 전달하고, 상기 파장 선택 필터부(30)로부터 필터링된 신호를 후술되어질 광 커플러(40)로 전달할 뿐만 아니라 상기 필터링 된 광 신호가 상기 광 증폭기(10)의 출력단으로 되돌아가는 것을 방지하기 위한 것으로서, 상기 제1편광 제어기(11)를 통해 광증폭기(10)의 출력단에 연결된 제 1포트(P1), 후술되어질 파장 선택 필터부(30)(구체적으로는 콜리메이터(31))와 연결된 제 2포트(P2) 및 후술되어질 광 커플러(40)와 연결된 제 3포트(P3)를 구비하여, 상기 제 1포트(P1)로 입력된 광 신호는 광 서큘레이터(20)를 거쳐 제 2포트(P2)로 전달되고, 제 2포트(P2)로 입력된 광 신호는 상기 광 서큘레이터(20)를 거쳐 제 3포트(P3)로 전달된다.
상기 파장 선택 필터부(30)는, 본 발명의 주 특징부로서 본 발명에서는 콜리메이터(31), 회절격자(32) 및 반사 거울(33)을 포함하는 구성을 파장 선택 필터부(30)로 정의하였다.
상기 파장 선택 필터부(30)는 상기 제 2편광제어기(12)를 통해 입력된 광 증폭기(10)의 출력 광 신호에서 원하는 특정 파장의 광 신호를 필터링하는 것으로서, 상술한 바와 같이, 콜리메이터(31), 회절격자(32) 및 반사 거울(33)을 포함하여 구성된다.
상기 콜리메이터(31)는, 입사되는 광 신호를 평행광으로 변환시키기 위한 것으로서, 상기 광 서큘레이터(20)로부터 입력되는 광 신호를 후술되더질 회전 격자(32)로 전달하고, 회절격자(32)로부터 역 입력된 광 신호를 상기 광 서큘레이터(20)로 전달한다.
상기 회절격자(32)는, 상기 평행광으로 변환된 광 신호를 파장별로 회절시키는 것으로서, 상기 콜레메이터(31)로 부터 입력된 광 신호의 파장을 공간적으로 분리하고, 후술되어질 반사 거울(33)을 통해 역 입력된 특정 파장의 광 신호를 상기 콜리메이터(31)로 전달한다.
한편, 상기 회절격자(32)와 후술되어질 반사 거울(33)의 사이에 초점렌즈를 구비할 수 있으며, 상기 회절격자(32)에 의해 회절되고, 초점렌즈를 통과한 광 신호는 수평 스펙트럼 바 형태를 갖는다.
상기 반사 거울(33)은, 상기 파장별로 회절된 광 신호 중 특정 파장의 광 신호만을 반사하고, 상기 파장의 선폭을 가변시키는 것으로서, 기울기 동작 및 전·후진 이동을 통해 특정 파장을 선택하고 선폭을 가변시킨다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 기울기 동작에 따른 기울기 각의 변화 의해 특정 파장을 반사시킬 수 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이, 광 신호의 입사방향으로 전·후진 이동하여 파장의 선폭을 가변시킬 수 있다.
한편, 상기 기울기 동작과 전·후진 이동은 하나의 구동수단(나사, 선형 모터 등)에 의해 제어될 수 있으며, 각각 별도의 구동수단을 구비하여 제어될 수 있다.
상기 광 커플러(40)는, 입력된 광 신호를 두 개로 분배하는 것으로서, 상기 파장 선택 필터부에서 필터링 된 광 신호의 일부를 상기 제 2편광제어기(12)를 통해 광 증폭기(10)로 피드백 입력하고, 나머지는 출력단(50)으로 출력한다.
이때 분배 비율은 광 증폭기(10)로 피드백되는 신호의 크기가 출력단(50)으로 출력되는 신호의 크기보다 작은 것이 바람직하다.
예를 들면, 10:90의 분배율을 갖는 광 커플러(40)를 사용할 경우, 상기 파장 선택 필터부(30)에서 출력된 광 신호의 10%를 광 증폭기(10)로 피드백하고, 90%의 광 신호를 출력단(50)으로 보내는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 선폭 조절이 가능한 파장 가변 레이저는의 작동 과정을 살펴보면 다음과 같다.
상기 광 증폭기(10)에 동작 전류가 인가되면, 상기 광 증폭기(10)에서 광대역 파장의 광 신호를 출력한다.
상기 광 증폭기(10)의 광 신호는 제 1편광제어기(11)에서 편광 상태가 조절된 후, 파장 선택 필터부(30)로 인가된다.
상기 파장 선택 필터부(30)는 회절격자(32) 및 기울기 동작, 전·후진 이동되는 반사 거울(30)을 통해 특정 파장을 선택하고, 선폭을 조절하여 반사시키며, 상기 반사된 광 신호는 광 커플러(40)에 의해 분배되어 일부는 제 2편광 제어기(12)을 통하여 광 증폭기(10)의 피드백 입력단으로 입력되고, 나머지는 출력단(50)으로 입력된다.
즉, 본 발명에 따른 선폭 조절이 가능한 파장 가변 레이저는, 소자(회절격자(32), 반사 거울(33)을 포함하는 파장 선택 필터부(30) 및 광 증폭기(10))들을 독립적으로 구비하여 조합하므로 파장의 선택 범위 조정, 발진대역폭의 선택 등을 보다 안정적으로 수행 할 수 있을 뿐만 아니라 어떠한 이득 매질을 가지는 광원을 응용하느냐에 따라 파장영역이나 파장 가변 범위를 수 nm에서 100nm 이상의 가변 범위를 가지는 파장가변 레이저를 제작할 수 있다.
아울러, 선형 모터 등을 사용하여 레이저의 진폭을 조절할 수 있어 다양한 레이저 선폭을 가지는 파장가변 레이저로 사용 가능하다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
10 : 광증폭기 11 : 제 1편광 제어기
12 : 제 2편광 제어기 20 : 광 서큘레이터
30 : 파장 선택 필터부 31 : 콜리메이터
32 : 회절격자 33 : 반사 거울
40 : 광 커플러 50 : 출력단

Claims (4)

  1. 광증폭기, 제 1,2편광제어기, 파장 선택 필터부, 광 서큘레이터 및 광 커플러를 포함하는 파장가변 레이저에 있어서,
    상기 파장 선택 필터부는,
    입사되는 광 신호를 평행광으로 변환시키는 콜리메이터;
    상기 평행광으로 변환된 광 신호를 파장별로 회절시키는 회절 격자;
    상기 파장별로 회절된 광 신호 중 특정 파장의 광 신호만을 반사하되, 상기 파장의 선폭을 가변시켜 반사하는 반사 거울; 및
    상기 회절격자와 반사 거울의 사이에 구비되어 상기 회절격자에 의해 회절된 광신호가 수평 스펙트럼 바 형태를 갖도록 하는 초점렌즈를 포함하여 구성되되,
    상기 반사 거울은, 기울기 동작에 의해 특정 파장을 반사시키며, 광 신호의 입사방향으로 전·후진 이동하여 파장의 선폭을 가변시키고,
    상기 광 서큘레이터는, 상기 제1편광 제어기를 통해 광증폭기의 출력단에 연결되는 제 1포트, 상기 콜리메이터와 연결되는 제 2포트 및, 광 커플러와 연결되는 제 3포트를 구비하여, 상기 제 1포트로 입력된 광 신호가 광 서큘레이터를 거쳐 제 2포트로 전달되고, 제 2포트로 입력된 광 신호는 상기 광 서큘레이터를 거쳐 제 3포트로 전달되도록 하며,
    상기 광증폭기는 SOA(Semiconductor Optical Amplifier)를 적용하는 것을 특징으로 하는 선폭 조절이 가능한 파장 가변 레이저.
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