KR20210150225A - 파장 가변 레이저 광원 및 이를 포함하는 광 조향 장치 - Google Patents

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tunable laser
laser light
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신동재
변현일
신창균
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삼성전자주식회사
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Abstract

파장 가변 레이저 광원 및 이를 포함하는 광 조향 장치가 개시된다. 개시된 파장 가변 레이저 광원은 복수의 광 도파로와, 상기 복수의 광 도파로 사이에서 상기 복수의 광 도파로와 광학적으로 연결되도록 배치되는 3개 이상의 광 공진기를 포함한다. 3개 이상의 광 공진기를 서로 다른 길이를 가지며, 이 3개 이상의 링 공진기 중 짧은 공진기의 길이에 대한 긴 공진기의 길이의 비율은 정수가 아닐 수 있다.

Description

파장 가변 레이저 광원 및 이를 포함하는 광 조향 장치{Tunable laser source and light steering apparatus including the same}
본 개시는 파장 가변 레이저 광원 및 이를 포함하는 광 조향 장치에 관한 것이다.
광 소자들이 집적된 광 집적 회로에서 광원은 중요한 구성요소이다. 광원은 단일 파장 광원과 파장 가변 광원으로 구분될 수 있는데, 특히 파장 가변 광원은 라이다 (LiDAR: light detection and ranging) 등과 같은 광 조향 장치용 광원으로 주목을 받고 있다. 광 조향 장치에서 광원으로 단일 파장 광원을 사용하는 경우에는 2차원 광 스캔을 구현하기 위해서 안테나 어레이를 2차원 형태로 배치하여야 한다. 그러나, 광원으로 파장 가변 광원을 사용하게 되면 안테나 어레이를 1차원 형태로 배치하여도 2차원 광 스캔의 구현이 가능하다.
예시적인 실시예는 파장 가변 레이저 광원 및 이를 포함하는 광 조향 장치를 제공한다.
일 측면에 있어서,
복수의 광 도파로(optical waveguide);
상기 복수의 광 도파로 사이에서 상기 복수의 광 도파로와 광학적으로 연결되도록 배치되며, 서로 다른 길이를 가지는 3개 이상의 광 공진기(optical resonator); 및
상기 복수의 광 도파로에 마련되는 하나 이상의 광 증폭기(optical amplifier);를 포함하며,
상기 3개 이상의 링 공진기 중 짧은 공진기의 길이에 대한 긴 공진기의 길이의 비율은 정수가 아닌 파장 가변 레이저 광원이 제공된다.
상기 3개 이상의 광 공진기는 제1 원주 길이(L1)를 가지는 제1 링 공진기, 상기 제1 원주 길이보다 긴 제2 원주 길이(L2)를 가지는 제2 링 공진기, 및 상기 제2 원주 길이보다 긴 제3 원주 길이(L3)를 가지는 제3 링 공진기를 포함할 수 있다.
상기 제1 원주 길이에 대한 상기 제3 원주 길이의 비율(L3/L1) 또는 상기 제2 원주 길이에 대한 상기 제3 원주 길이의 비율(L3/L2)은 정수(integer)가 아닐 수 있다.
상기 제1 원주 길이에 대한 상기 제3 원주 길이의 비율(L3/L1) 또는 상기 제2 원주 길이에 대한 상기 제3 원주 길이의 비율(L3/L2)은 소수점 이하의 자릿수가 2 이상인 유리수(rational number)가 될 수 있다.
상기 제1 원주 길이에 대한 상기 제3 원주 길이의 비율(L3/L1) 또는 상기 제2 원주 길이에 대한 상기 제3 원주 길이의 비율(L3/L2)은 무리수(irrational number)가 될 수 있다.
상기 제1 원주 길이와 상기 제2 원주 길이의 차이는 상기 제1 원주 길이의 1% ~10% 가 될 수 있다.
상기 제1, 제2 및 제3 링 공진기 각각에는 굴절률 조절을 위한 제어부가 마련될 수 있다.
상기 파장 가변 레이저 광원은 상기 광 도파로들에 마련되는 하나 이상의 광 지연선(optical delay line)을 더 포함할 수 있다. 상기 파장 가변 레이저 광원은 상기 제1, 제2 및 제3 링 공진기 중 적어도 하나에 마련되는 하나 이상의 광 지연선을 더 포함할 수 있다.
상기 파장 가변 레이저 광원은 상기 제3 링 공진기와 동일한 크기를 가지며, 상기 제3 링 공진기와 광학적으로 연결되도록 마련되는 제4 링 공진기를 더 포함할 수 있다.
상기 파장 가변 레이저 광원은 상기 복수의 광 도파로에 마련되는 하나 이상의 위상 변조기(phase shifter)를 더 포함할 수 있다.
상기 파장 가변 레이저 광원은 상기 복수의 광 도파로의 출력 포트들에 마련되는 하나 이상의 모니터링 소자(monitoring device)를 더 포함할 수 있다.
상기 파장 가변 레이저 광원은 폐쇄 루프(closed loop)형 공진기를 구성할 수 있다. 상기 제1 및 제2 링 공진기는 상기 광 증폭기의 일측에 배치되며, 상기 제3 링 공진기는 상기 광 증폭기의 타측에 배치될 수 있다.
상기 파장 가변 레이저 광원은 패브리 페로 공진기(Fabry-Perot resonator)를 구성할 수 있다. 상기 제1, 제2 및 제3 링 공진기는 상기 광 증폭기의 일측에 배치될 수 있다.
상기 패브리 페로 공진기의 양 단부에는 각각 격자 미러(grating mirror) 또는 사냑 미러(Sagnac mirror)가 마련될 수 있다.
상기 복수의 광 도파로는 실리콘을 포함하고, 상기 하나 이상의 광 증폭기는 실리콘 및 Ⅲ-Ⅴ족 반도체를 포함할 수 있다.
다른 측면에 있어서,
파장 가변 레이저 광원; 및
상기 파장 가변 레이저 광원으로부터 입사되는 레이저 빔을 조향하는 조향 소자;를 포함하고,
상기 파장 가변 레이저 광원은,
복수의 광 도파로;
상기 복수의 광 도파로 사이에서 상기 복수의 광 도파로와 광학적으로 연결되도록 배치되며, 서로 다른 길이를 가지는 3개 이상의 광 공진기; 및
상기 복수의 광 도파로에 마련되는 하나 이상의 광 증폭기;를 포함하며,
상기 3개 이상의 링 공진기 중 짧은 공진기의 길이에 대한 긴 공진기의 길이의 비율은 정수가 아닌 광 조향 장치가 제공된다.
상기 3개 이상의 광 공진기는 제1 원주 길이(L1)를 가지는 제1 링 공진기, 상기 제1 원주 길이보다 긴 제2 원주 길이(L2)를 가지는 제2 링 공진기, 및 상기 제2 원주 길이보다 긴 제3 원주 길이(L3)를 가지는 제3 링 공진기를 포함하고,
상기 제1 원주 길이에 대한 상기 제3 원주 길이의 비율(L3/L1) 또는 상기 제2 원주 길이에 대한 상기 제3 원주 길이의 비율(L3/L2)은 정수(integer)가 아닐 수 있다.
상기 파장 가변 레이저 광원은 하나 이상의 광 지연선을 더 포함할 수 있다.
상기 파장 가변 레이저 광원은 상기 제3 링 공진기와 동일한 크기를 가지며, 상기 제3 링 공진기와 광학적으로 연결되도록 마련되는 제4 링 공진기를 더 포함할 수 있다.
상기 파장 가변 레이저 광원은 상기 복수의 광 도파로에 마련되는 하나 이상의 위상 변조기를 더 포함할 수 있다.
상기 파장 가변 레이저 광원은 상기 복수의 광 도파로의 출력 포트들에 마련되는 하나 이상의 모니터링 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 조향 소자의 출광 부분에는 안테나 어레이가 1차원 형태로 마련될 수 있다.
상기 광 조향 장치는 상기 조향 소자에 의해 조향된 빔을 검출하는 검출부를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 의하면, 파장 가변 레이저 광원이 서로 다른 길이를 가지는 3개의 제1, 제2 및 제3 링 공진기를 포함하고, 제1 공진기의 길이에 대한 제3 링 공진기의 길이 비율 또는 제2 공진기의 길이에 대한 제3 링 공진기의 길이 비율을 정수가 아닌 수로 설계함으로써 모드 선택성을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라, 안정적인 단일의 발진 모드를 구현할 수 있다.
파장 가변 레이저 광원이 광 도파로들에 마련되는 하나 이상의 광 지연선을 포함함으로써 전체 공진기의 길이를 증가시킬 수 있고, 이에 따라 발진 모드의 스펙트럼 선폭을 감소시킬 수 있다. 또한, 파장 가변 레이저 광원을 구성하는 모든 구성 요소들을 반도체 공정을 이용하여 하나의 기판 상에 집적시킬 수 있으므로 온-칩 형 파장 가변 레이저 광원을 구현할 수 있다.
파장 가변 레이저 광원이 광 도파로들의 출력 포트들에 마련되는 하나 이상의 모니터링 소자를 포함함으로써 링 공진기들 사이의 파장 정렬 관계를 모니터링할 수 있으며, 온-칩 제어를 가능하게 할 수 있다.
파장 가변 레이저 광원을 LiDAR 광원으로 사용하게 되면, 조향 소자의 안테나들을 1차원 형태로 배열하여도 2차원 광 스캔을 구현할 수 있으므로 요구되는 안테나들의 개수를 줄일 수 있으며, 이에 따라 제품화에 유리하다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 파장 가변 레이저 광원을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1에 도시된 파장 가변 레이저 광원에서 링 공진기들사이의 길이 비율에 따른 광 손실 차이를 보여주는 도면들이다.
도 3은 다른 예시적인 실시예에 따른 파장 가변 레이저 광원을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 파장 가변 레이저 광원을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 파장 가변 레이저 광원을 개략적으로 도시한 것이다.
도 6은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 파장 가변 레이저 광원을 개략적으로 도시한 것이다.
도 7은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 파장 가변 레이저 광원을 개략적으로 도시한 것이다.
도 8은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 파장 가변 레이저 광원을 개략적으로 도시한 것이다.
도 9는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 파장 가변 레이저 광원을 개략적으로 도시한 것이다.
도 10은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 파장 가변 레이저 광원을 개략적으로 도시한 것이다.
도 11은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 파장 가변 레이저 광원을 개략적으로 도시한 것이다.
도 12는 예시적인 실시예에 따른 광 조향 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위, 아래, 좌, 우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위, 아래, 좌, 우에 있는 것도 포함할 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 이러한 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있으며, 반드시 기재된 순서에 한정되는 것은 아니다.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다.
모든 예들 또는 예시적인 용어의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 파장 가변 레이저 광원(100)을 개략적으로 도시한 것이다. 도 1에는 기판(110) 상에 모든 구성요소들이 집적된 온-칩(on-chip)형 파장 가변 레이저 광원(100)이 도시되어 있다. 파장 가변 레이저 광원(100)은 예를 들면, 파장 가변 레이저 다이오드가 될 수 있다.
도 1에 도시된 파장 가변 레이저 광원(100)은 그 전체가 폐쇄 루프(closed loop) 형 공진기를 구성할 수 있다. 도 1을 참조하면, 파장 가변 레이저 광원(100)은 복수의 광 도파로(optical waveguide, 111,112,113)와, 복수의 광 도파로(111,112,113) 사이에 배치되는 3개 이상의 광 공진기(optical resonator, R1,R2,R3)와, 복수의 광 도파로(111,112,113)에 마련되는 하나 이상의 광 증폭기(optical amplifier,121,122)를 포함할 수 있다.
복수의 광 도파로(111,112,113), 3개 이상의 광 공진기(R1,R2,R3) 및 하나 이상의 광 증폭기(121,122)는 반도체 공정을 이용하여 기판(110) 상에 집적될 수 있다. 여기서, 기판(110)으로는 예를 들면 실리콘 기판 등과 같은 반도체 기판이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
복수의 광 도파로(111,112,113)는 서로 이격되게 마련되는 제1, 제2 및 제3 광 도파로(111,112,113)를 포함할 수 있다. 제1, 제2 및 제3 광 도파로(111,112,113)는 서로 나란하게 배치될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 제1, 제2 및 제3 광 도파로(111,112,113)는 예를 들면 실리콘을 포함할 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로, 이외에도 제1, 제2 및 제3 광 도파로(111,112,113)는 다른 다양한 물질을 포함할 수 있다.
3개 이상의 광 공진기(R1,R2,R3)는 제1, 제2 및 제3 링 공진기(ring resonator, R1,R2,R3)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 제1 링 공진기(R1)는 제1 광 도파로(111)와 제2 광 도파로(112) 사이에 배치될 수 있다. 여기서, 제1 링 공진기(R1)는 제1 및 제2 광 도파로(111,112)와는 물리적으로 이격되어 있지만 광학적으로는 연결(coupling)되도록 배치될 수 있다. 제1 링 공진기(R1)는 제1 및 제2 광 도파로(111,112)와 대략 0.1㎛ ~ 1㎛ 정도로 물리적으로 이격되게 배치될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
제2 링 공진기(R2)는 제2 광 도파로(112)와 제3 광 도파로(113) 사이에 배치될 수 있다. 여기서, 제2 링 공진기(R2)는 제2 및 제3 광 도파로(112,113)와는 물리적으로 이격되어 있지만 광학적으로는 연결되도록 배치될 수 있다. 제2 링 공진기(R2)는 제2 및 제3 광 도파로(112,113)와 대략 0.1㎛ ~ 1㎛ 정도 로 물리적으로 이격되게 배치될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
제3 링 공진기(R3)는 제1 광 도파로(111)와 제3 광 도파로(113) 사이에 배치될 수 있다. 여기서, 제3 링 공진기(R3)는 제1 및 제3 광 도파로(111,113)와는 물리적으로 이격되어 있지만 광학적으로는 연결되도록 배치될 수 있다. 제3 링 공진기(R3)는 제2 및 제3 광 도파로(112,113)와 대략 0.1㎛ ~ 1㎛ 정도 로 물리적으로 이격되게 배치될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
제1, 제2 및 제3 링 공진기(R1,R2,R3) 각각은 원형이나 또는 그 외에 다른 다양한 링 형태를 가질 수 있다. 제1, 제2 및 제3 링 공진기(R1,R2,R3)는 서로 다른 길이(구체적으로는, 원주 길이)를 가질 수 있다. 예를 들면, 제1 링 공진기(R1)는 제1 원주 길이(L1)를 가질 수 있고, 제2 링 공진기(R2)는 제1 원주 길이(L1) 보다 긴 제2 원주 길이(L2)를 가질 수 있으며, 제3 링 공진기(R3)는 제2 원주 길이(L2) 보다 긴 제3 원주 길이(L3)를 가질 수 있다. 제1, 제2 및 제3 공진기(R1,R2,R3) 각각은 예를 들면 대략 수십 ㎛ 또는 수백 ㎛ 정도의 원주 길이를 가질 수 있지만, 이는 단지 예시적인 것으로 이외에도 다양한 원주 길이를 가질 수 있다.
제1 원주 길이(L1)와 제2 원주 길이(L2)의 차이는 파장 가변 범위에 의존할 수 있다. 예를 들면, 제1 원주 길이(L1)와 제2 원주 길이(L2)의 차이는 대략 제1 원주 길이(L1)의 1% ~ 10% 정도가 될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 후술하는 바와 같이, 제1 원주 길이(L1)에 대한 상기 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L1) 또는 제2 원주 길이(L2)에 대한 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L2)을 정수(integer)가 아닌 수로 설계하는 경우에는 모드 선택성(mode selectivity)을 향상시킬 수 있다.
제1, 제2 및 제3 링 공진기(R1,R2,R3) 각각의 주위에는 굴절률 조절을 위한 제어부(151,152,153)가 마련될 수 있다. 구체적으로, 제1 링 공진기(R1)의 주위에는 제1 링 공진기(R1)의 굴절률을 조절하기 위한 제1 제어부(151)가 마련되어 있고, 제2 링 공진기(R2)의 주위에는 제2 링 공진기(R2)의 굴절률을 조절하기 위한 제2 제어부(152)가 마련되어 있으며, 제3 링 공진기(R3)의 주위에는 제3 링 공진기(R3)의 굴절률을 조절하기 위한 제3 제어부(153)가 마련되어 있다. 도 1에는 제어부들(151,152,153)이 링 공진기들(R1,R2,R3)의 내측에 마련되는 경우가 예시적으로 도시되어 있으나, 이는 단지 예시적인 것으로 제어부들(151,152,153)의 위치는 다양하게 변형될 수 있다.
제1, 제2 및 제3 제어부(151,152,153) 각각은 제1, 제2 및 제3 링 공진기(R1,R2,R3) 각각의 굴절률을 조절함으로써 후술하는 바와 같이 제1, 제2 및 제3 링 공진기(R1,R2,R3) 각각의 공진 파장 콤(comb)을 파장축을 따라 수평 이동시킬 수 있으며, 이에 따라, 파장 가변이 구현될 수 있다.
예를 들면, 제어부들(151,152,153) 각각은 링 공진기들(R1,R2,R3) 각각을 가열하여 굴절률을 변화시키는 가열 요소(heating element), 링 공진기들(R1,R2,R3) 각각의 주위에 전기장을 인가하여 굴절률을 변화시키는 전극 요소(electrode element) 또는 링 공진기들(R1,R2,R3) 각각의 변형에 의해 굴절률을 변화시키는 압전 요소(piezoelectric element)를 포함할 수 있다.
하나 이상의 광 증폭기(121,122)는 복수의 광 도파로(111,112,113)에 마련되는 제1 및 제2 광 증폭기(121,122)를 포함할 수 있다. 도 1에는 제1 광 증폭기(121)가 제1 광 도파로(111)에 마련되어 있으며, 제2 광 증폭기(122)가 제3 광 도파로(113)에 마련되어 있는 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 광 증폭기들(121,122)의 개수 및 그 위치들은 다양하게 변형될 수 있다. 제1 및 제2 링 공진기(R1,R2)는 제1 및 제2 광 증폭기(121,122)의 일측에 마련되며, 제3 링 공진기(R3)는 제1 및 제2 광 증폭기(121,122)의 타측에 마련될 수 있다.
제1 및 제2 광 증폭기(121,122)는 광을 증폭하는 역할을 하는 동시에 광을 생성하는 역할도 할 수 있다. 제1 및 제2 광 증폭기(121,122) 각각은 예를 들어, 반도체 광 증폭기(semiconductor optical amplifier)를 포함할 수 있다. 반도체 광 증폭기는 예를 들면 실리콘을 포함하는 광 도파로에 예를 들면 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 또는 II-VI족 반도체를 포함하는 물질층들을 증착함으로써 형성될 수 있다. 한편, 제1 및 2 광 증폭기(121,122) 각각은 이온 도핑 증폭기를 포함할 수도 있다.
제1 광 증폭기(121)와 제2 광 증폭기(122) 중 적어도 하나에서 발생된 광은 도 1에 도시된 폐쇄 루프형 공진기에서 시계 방향 및 반 시계 방향으로 제1, 제2 및 제3 링 공진기(R1,R2,R3)를 경유하면서 증폭된 후 원하는 공진 파장을 가지고 외부로 출력될 수 있다. 도 1에는 증폭된 레이저 빔(L)이 제1 도파관(111)의 메인 출력 포트를 통해 외부로 출력되는 경우가 도시되어 있다.
일반적으로, 하나의 링 공진기는 그 원주 길이에 따라 정해지는 일정 간격으로 배치되는 공진 파장들을 포함하는 공진 파장 콤(comb)을 가지게 된다. 서로 다른 원주 길이를 가지는 복수개의 링 공진기가 조합된 경우에는 서로 다른 간격을 가지는 복수개의 공진 파장 콤이 발생하게 되며, 이 중에서 제1 공진 파장들이 정렬된 제1 발진 모드만 선택함으로써 단일 모드의 레이저 빔을 발진시킬 수 있다. 그리고, 복수개의 링 공진기 중 적어도 하나의 굴절률을 조절하면 복수개의 공진 파장 콤 중 적어도 하나를 파장축을 따라 수평 이동시킬 수 있으며, 이에 따라 기존의 제1 발진 모드 아닌 제2 공진 파장들이 정렬된 제2 발진 모드를 선택함으로써 파장 가변 레이저 광원을 구현할 수 있다.
파장 가변 레이저 광원에서 안정적인 단일 모드의 발진을 위해서는 모드 선택성(mode selection)이 높아야 한다. 모드 선택성은 가장 발진에 유리한 모드인 발진 모드(oscillation mode)와 두번째로 발진에 유리한 모드인 경쟁 모드(ㅊompetition mode) 사이의 광 이득 차이 또는 광 손실 차이에 의해 결정될 수 있다. 광 이득이 파장에 무관하다고 가정할 경우에는 모드 선택성은 광 손실 차이에 의해 결정될 수 있다.
발진 모드에서는 공진 파장들이 모두 정렬되어 있으며, 경쟁 모드에서는 공진 파장들 중 적어도 일부가 오정렬되어 있다. 여기서, 발진 모드와 경쟁 모드 사이에는 광 손실 차이가 발생하게 되며, 이러한 광 손실 차이가 크게 되면 모드 선택성이 높아질 수 있다.
본 실시예에 따른 파장 가변 레이저 광원(100)에서는 제1, 제2 및 제3 링 공진기(R1,R2,R3) 각각의 원주 길이(L1,L2,L3)를 조절함으로써 모드 선택성을 향상시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1, 제2 및 제3 링 공진기(R1,R2,R3)는 각각 제1, 제2 및 제3 원주 길이(L1,L2,L3)를 가질 수 있다. 여기서, 제1 링 공진기(R1)의 제1 원주 길이(L1)에 대한 제3 링 공진기(R3)의 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L1) 또는 제2 링 공진기(R2)의 제2 원주 길이(L2)에 대한 제3 링 공진기(R3)의 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L2)을 정수(integer)가 아닌 수로 설계하는 경우에는 후술하는 바와 같이 모드 선택성을 향상시킬 수 있다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1에 도시된 파장 가변 레이저 광원(100)에서 링 공진기들(R1,R2,R3) 사이의 원주 길이 비율에 따른 광 손실 차이를 보여주는 도면들이다. 도 2a 내지 도 2c에서는 제1 링 공진기(R1)의 제1 원주 길이(L1)와 제2 링 공진기(R2)의 제2 원주 길이(L2)의 차이는 제1 원주 길이(L1)의 1% ~ 10%로 하였다.
도 2a는 제3 공진기(R3)의 제3 원주 길이(L3)가 제1 공진기(R1)의 제1 원주 길이(L1)의 2배인 경우(즉, 제1 원주 길이(L1)에 대한 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L1)이 2인 경우)에 제1, 제2 및 제3 공진기(R1,R2,R3) 각각에 대한 파장 콤 및 제1, 제2 및 제3 공진기(R1,R2,R3)가 조합된 경우에 대한 파장 콤을 도시한 것이다.
도 2b는 제3 공진기(R3)의 제3 원주 길이(L3)가 제1 공진기(R1)의 제1 원주 길이(L1)의 3배인 경우(즉, 제1 원주 길이(L1)에 대한 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L1)이 3인 경우)에 제1, 제2 및 제3 공진기(R1,R2,R3) 각각에 대한 파장 콤 및 제1, 제2 및 제3 공진기(R1,R2,R3)가 조합된 경우에 대한 파장 콤을 도시한 것이다.
도 2c는 제3 공진기(R3)의 제3 원주 길이(L3)가 제1 공진기(R1)의 제1 원주 길이(L1)의 2.5배인 경우(즉, 제1 원주 길이(L1)에 대한 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L1)이 2.5인 경우)에 제1, 제2 및 제3 공진기(R1,R2,R3) 각각에 대한 파장 콤 및 제1, 제2 및 제3 공진기(R1,R2,R3)가 조합된 경우에 대한 파장 콤을 도시한 것이다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 제1 원주 길이(L1)에 대한 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L1)이 2.5인 경우의 발진 모드와 경쟁 모드 사이의 광 손실 차이(ΔH3)는 제1 원주 길이(L1)에 대한 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L1)이 2인 경우의 광 손실 차이(ΔH1) 보다 크고, 제1 원주 길이(L1)에 대한 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L1)이 3인 경우의 광 손실 차이(ΔH2) 보다 크다는 것을 알 수 있다.
시뮬레이션 실험을 통해 제1 공진기(R1)의 제1 원주 길이(L1)에 대한 제3 공진기(R3)의 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L1)을 변화시켜 가면서 광 손실 차이를 측정하여 보았다. 여기서, 제1 링 공진기(R1)의 제1 원주 길이(L1)와 제2 링 공진기(R2)의 제2 원주 길이(L2)의 차이는 제1 원주 길이(L1)의 1% ~ 10% 로 하였다.
제1 링 공진기(R1)와 제2 링 공진기(R2) 만을 조합한 경우에는 발진 모드와 경쟁 모드 사이의 광 손실 차이가 대략 11dB ~ 14dB 정도로 낮게 측정되었다. 이로부터 2개의 링 공진기만을 사용하는 경우에는 모드 선택성이 낮다는 것을 알 수 있다.
제1 원주 길이(L1)에 대한 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L1)을 각각 2, 3으로 하였을 경우에는 발진 모드와 경쟁 모드 사이의 광 손실 차이가 대략 12dB ~ 16dB 정도로 측정되었다. 이로부터 3개의 링 공진기(R1,R2,R3)를 포함하는 파장 가변 레이저 광원(100)에서 제1 원주 길이(L1)에 대한 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L1)을 정수(integer)로 하였을 경우에는 2개의 링 공진기만을 사용하는 경우와 유사하게 모드 선택성이 낮다는 것을 알 수 있다.
제1 원주 길이(L1)에 대한 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L1)을 각각 2.5로 하였을 경우에는 발진 모드와 경쟁 모드 사이의 광 손실 차이가 대략 16dB ~ 20dB 정도로 측정되었다. 이로부터 3개의 링 공진기(R1,R2,R3)를 포함하는 파장 가변 레이저 광원(100)에서 제1 원주 길이(L1)에 대한 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L1)을 정수(integer)로 하지 않았을 경우는 정수로 하였을 경우에 비해 모드 선택성이 향상되었음을 알 수 있다.
제1 원주 길이(L1)에 대한 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L1)을 각각 2.25, 2.75로 하였을 경우에는 발진 모드와 경쟁 모드 사이의 광 손실 차이가 대략 24dB ~ 28dB 정도로 측정되었다. 그리고, 제1 원주 길이(L1)에 대한 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L1)을 각각 2.225, 2.275로 하였을 경우에는 발진 모드와 경쟁 모드 사이의 광 손실 차이가 대략 32dB ~ 37dB 정도로 측정되었다.
이로부터 3개의 링 공진기(R1,R2,R3)를 포함하는 파장 가변 레이저 광원(100)에서 제1 원주 길이(L1)에 대한 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L1)을 소수점 이하의 자리수가 2 이상인 유리수(rational number)로 하였을 경우에 모드 선택성이 보다 향상되었음을 알 수 있다. 또한, 소수점 이하의 자리수가 증가할수록 모드 선택성이 점점 더 향상되었음을 알 수 있다. 따라서, 3개의 링 공진기(R1,R2,R3)를 포함하는 파장 가변 레이저 광원(100)에서 제1 공진기(R1)의 제1 원주 길이(L1)에 대한 제3 공진기(R3)의 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L1)을 무리수(irrational number)로 하게 되면 높은 모드 선택성을 가지는 파장 가변 레이저 광원(100)을 구현할 수 있다.
한편, 이상에서는 제1 공진기(R1)의 제1 원주 길이(L1)에 대한 제3 링 공진기(R3)의 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L1)에 대해서만 설명되었으나, 제2 공진기(R2)의 제2 원주 길이(L2)에 대한 제3 링 공진기(R3)의 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L2)도 동일하게 설명될 수 있다. 즉, 제2 링 공진기(R2)의 제2 원주 길이(L2)에 대한 제3 링 공진기(r3)의 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L2)을 정수(integer)가 아닌 수로 설계하면 모드 선택성이 향상될 수 있다.
LiDAR 등과 같은 광 조향 장치에 사용되는 파장 가변 레이저 광원에서는 발진 모드의 스펙트럼 선폭(linewidth)이 좁아야만 긴 간섭 거리를 가질 수 있으며, 이에 따라, 장거리 탐지가 가능해 진다. 발진 모드의 스펙트럼 선폭은 대략 공진기 전체의 길이의 제곱에 반비례하므로, 공진기 전체의 길이를 증가시킬수록 스펙트럼 선폭은 감소하게 된다.
본 실시예에 따른 파장 가변 레이저 광원(100)은 발진 모드의 스펙트럼 선폭을 줄이기 위해 복수의 광 도파로(111,112,113)에 마련되는 하나 이상의 광 지연선(optical delay line, 130)을 포함할 수 있다. 도 1에는 제1 광 도파로(111)에 하나의 광 지연선(130)이 마련된 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 광 지연선(130)의 개수 및 그 위치는 다양하게 변형될 수 있다. 광 지연선(130)은 전체 공진기인 폐쇄 루프형 공진기의 길이를 증가시킴으로써 발진 모드의 스펙트럼 선폭을 줄이는 역할을 할 수 있다. 광 지연선(130)은 예를 들면, 스파이럴 도파로(spiral waveguide)를 포함할 수 있다.
파장 가변 레이저 광원(100)은 복수의 광 도파로(111,112,113)에 마련되는 하나 이상의 위상 변조기(phase shifter, 140)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 위상 변조기(140)는 전체 공진기인 폐쇄 루프형 공진기의 위상과 링 공진기들(111,112,113)의 위상이 일치하지 않는 경우 그 차이를 보상해주는 역할을 할 수 있다. 도 1에는 제3 도파로(113)에 하나의 위상 변조기(140)가 마련된 경우가 예시적으로 도시되어 있으나, 위상 변조기(130)의 개수 및 그 위치는 다양하게 변형될 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예에 따른 파장 가변 레이저 광원(100)은 서로 다른 원주 길이를 가지는 3개의 제1, 제2 및 제3 링 공진기(R1,R2,R3)를 포함하고, 제1 공진기(R1)의 제1 원주 길이(L1)에 대한 제3 링 공진기(R3)의 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L1) 또는 제2 공진기(R2)의 제2 원주 길이(L2)에 대한 제3 링 공진기(R3)의 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L2)을 정수가 아닌 수로 조절함으로써 모드 선택성을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라, 안정적인 단일의 발진 모드를 구현할 수 있다.
또한, 복수의 광 도파로(111,112,113) 상에 하나 이상의 광 지연선(130)을 마련함으로써 전체 공진기의 길이를 증가시킬 수 있고, 이에 따라 발진 모드의 스펙트럼 선폭을 감소시킬 수 있다. 그리고, 파장 가변 레이저 광원(100)을 구성하는 모든 구성 요소들을 반도체 공정을 이용하여 하나의 기판(110) 상에 집적시킬 수 있으므로 파장 가변 레이저 광원을 온-칩 형으로 구현할 수 있다.
도 3은 다른 예시적인 실시예에 따른 파장 가변 레이저 광원(200)을 개략적으로 도시한 것이다. 도 3에 도시된 파장 가변 레이저 광원(200)은 광 지연선(230)의 위치를 제외하면 도 1에 도시된 파장 가변 레이저 광원(100)과 동일하다.
도 3을 참조하면, 파장 가변 레이저 광원(200)은 복수의 링 공진기(R1,R2,R3) 내에 마련되는 하나 이상의 광 지연선(230)을 포함할 수 있다. 여기서, 광 지연선(230)은 예를 들면, 스파이럴 도파로를 포함할 수 있다. 도 3에는 제3 링 공진기(R3) 내에 하나의 광 지연선(230)이 마련되는 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 그러나, 이는 단지 예시적인 것으로 광 지연선(230)은 제1 링 공진기(R1) 또는 제2 링 공진기(R2) 내부에 마련될 수도 있다. 광 지연선(230)의 개수 및 그 위치는 다양하게 변형될 수 있다.
광 지연선(230)이 링 공진기(R1,R2,R3) 내부에 마련되는 파장 가변 레이저 광원(200)에서는 도 1에 도시된 광 지연선(130)이 광 도파로(111,112,113)에 마련되는 파장 가변 레이저 광원(100)에 비해 짧은 길이의 광 지연선(230)을 사용하여도 도 1에 도시된 광 지연선(130)이 광 도파로(111,112,113)에 마련되는 파장 가변 레이저 광원(100)과 동일한 정도로 발진 모드의 스펙트럼 선폭을 줄일 수 있다. 따라서, 파장 가변 레이저(200)를 도 1에 도시된 파장 가변 레이저 광원(100)에 비해 소형으로 구현할 수 있다.
도 4는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 파장 가변 레이저 광원(300)을 개략적으로 도시한 것이다. 도 4에 도시된 파장 가변 레이저 광원(300)은 모니터링 소자들(171~175)을 제외하면 도 1에 도시된 파장 가변 레이저 광원(100)과 동일하다.
도 4를 참조하면, 파장 가변 레이저 광원(300)은 하나 이상의 모니터링 소자(monitoring device, 171~175)를 포함할 수 있다. 여기서, 하나 이상의 모니터링 소자(171~175)는 복수의 광 도파로(111,112,113)의 출력 포트들 중 증폭된 레이저 빔(L)이 방출되는 메인 출력 포트 이외의 보조 출력 포트들에 마련될 수 있다. 하나 이상의 모니터링 소자(171~175)는 복수의 광 도파로(111,112,113)의 보조 출력 포트들에서 나오는 빛의 광량을 측정하여 3개의 링 공진기들(R1,R2,R3) 사이의 파장 정렬 관계를 모니터링하는 역할을 할 수 있다. 도 4에는 5개의 모니터링 소자들(171~175)이 마련된 경우가 예시적으로 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것으로 모니터링 소자(171~175)의 개수는 다양하게 변형될 수 있다.
도 4에서 제1 광 도파로(111)의 일단, 제2 광 도파로(112)의 양단 및 제3 광 도파로(113)의 양단이 보조 출력 포트들에 해당할 수 있다. 그리고, 제1 광 도파로(111)의 타단은 증폭된 레이저 빔(L)의 출력되는 메인 출력 포트에 해당할 수 있다.
제1 및 제2 모니터링 소자(171,172)는 제3 광 도파로(113)의 양단에 마련될 수 있으며, 제3 및 제4 모니터링 소자(173,174)는 제2 광 도파로(112)의 양단에 마련될 수 있다. 그리고, 제5 모니터링 소자(175)는 제1 광 도파로(111)의 일단에 마련될 수 있다. 이 모니터링 소자들(171~175) 각각은 예를 들면, 포토다이오드(photodiode)를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 모니터링 소자(171,172)는 제2 링 공진기(R2)와 제3 링 공진기(R3) 사이의 파장 정렬을 모니터링 할 수 있으며, 제3 및 제4 모니터링 소자(173,174)는 제1 링 공진기(R1)와 제2 링 공진기(R2) 사이의 파장 정렬을 모니터링 할 수 있다. 그리고, 제5 모니터링 소자(175)는 제1 링 공진기(R1)와 제3 링 공진기(R3) 사이의 파장 정렬을 모니터링 할 수 있다.
이와 같이, 복수의 광 도파로(111,112,113)의 보조 출력 포트들에 링 공진기들(R1,R2,R3) 사이의 파장 정렬 관계를 모니터링하는 모니터링 소자들(171~175)을 마련함으로써 온-칩 제어를 가능하게 할 수 있다.
파장 가변 레이저 광원(300)은 복수의 광 도파로(111,112,113)에 마련되는 하나 이상의 광 지연선(130)을 포함할 수 있다. 여기서, 광 지연선(130)에 대한 설명은 전술하였으므로 이에 대한 설명은 생략한다.
도 5는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 파장 가변 레이저 광원(400)을 개략적으로 도시한 것이다. 도 5에 도시된 파장 가변 레이저 광원(400)은 광 지연선(230)의 위치를 제외하면 도 4에 도시된 파장 가변 레이저 광원(300)과 동일하다. 도 5를 참조하면, 파장 가변 레이저 광원(400)은 복수의 링 공진기(R1,R2,R3) 내에 마련되는 하나 이상의 광 지연선(230)을 포함할 수 있다. 여기서, 광 지연선(230)에 대한 설명은 전술하였으므로 이에 대한 설명은 생략한다.
도 6은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 파장 가변 레이저 광원(500)을 개략적으로 도시한 것이다. 도 6에 도시된 파장 가변 레이저 광원(500)은 그 전체가 폐쇄 루프(closed loop) 형 공진기를 구성할 수 있다.
도 6을 참조하면, 제1, 제2 및 제3 광 도파로(511,512,513)가 서로 이격되게마련되어 있으며, 이 광 도파로들(511,512,513) 사이에 4개의 링 공진기들(R1,R2,R3,R4)이 배치되어 있다.
제1 링 공진기(R1)는 제1 광 도파로(511)와 제2 광 도파로(512) 사이에 배치되며, 제2 링 공진기(R2)는 제2 광 도파로(512)와 제3 광 도파로(513) 사이에 배치될 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 링 공진기(R1,R2)는 제1, 제2 및 제3 광 도파로(512,512,513)와 물리적으로는 이격되어 있지만 광학적으로 연결되도록 배치될 수 있다.
제3 링 공진기(R3)는 제1 광 도파로(511)와 제3 광 도파로(513) 사이에 배치될 수 있다. 여기서, 제3 링 공진기(R3)는 제1 및 제3 광 도파로(511,513)와 물리적으로는 이격되어 있지만 광학적으로 연결되도록 배치될 수 있다.
제1 광 도파로(511)와 제3 광 도파로(512) 사이에는 제4 링 공진기(R4)가 제3 링진기(R3)에 인접하게 배치될 수 있다. 여기서, 제4 링 공진기(R4)는 제3 링 공진기(R3)와 물리적으로는 이격되어 있지만 광학적으로 연결되도록 배치될 수 있다. 한편, 제4 공진기(R4)는 제1 및 제3 광 도파로(511,513)와는 물리적 및 광학적으로 이격되게 배치되어 있다.
본 실시예에서 제4 공진기(R4)는 전술한 광 지연선(130,230)과 마찬가지로 전체 공진기인 폐쇄 회로형 공진기의 길이를 증가시킴으로써 스펙트럼 선폭을 감소시키는 역할을 할 수 있다. 제4 공진기(R4)는 제3 링 공진기(R3)와 동일한 크기를 가지며, 제3 링 공진기(R3)와 동일한 공진 파장을 가질 수 있다. 따라서, 제3 링 공진기(R3) 내부에서 공진하는 광은 제4 링 공진기(R4) 내부에서도 공진하게 됨으로써 전체 공진기의 길이가 증가할 수 있으며, 이에 따라 파장 가변 레이저 광원(500)으로부터 출력된 레이저 빔의 스펙트럼 선폭이 감소할 수 있다.
제1, 제2 및 제3 링 공진기(R1,R2,R3)는 서로 다른 원주 길이를 가질 수 있다. 구체적으로, 제1 링 공진기(R1)는 제1 원주 길이(L1)를 가질 수 있고, 제2 링 공진기(R2)는 제1 원주 길이(L1) 보다 긴 제2 원주 길이(L2)를 가질 수 있으며, 제3 링 공진기(R3)는 제2 원주 길이(L2) 보다 긴 제3 원주 길이(L3)를 가질 수 있다.
제1 원주 길이(L1)와 제2 원주 길이(L2)의 차이는 대략 제1 원주 길이(L1)의 1% ~ 10% 정도가 될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 제1 원주 길이(L1)에 대한 상기 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L1) 또는 제2 원주 길이(L2)에 대한 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L2)을 정수(integer)가 아닌 수로 설계하는 경우에는 모드 선택성을 향상시킬 수 있다. 이에 대해서는 도 1에 대한 설명에서 상세하게 설명되었으므로 이에 대한 설명은 생략한다.
제1, 제2, 제3 및 제4 링 공진기(R1,R2,R3)의 주위에는 굴절률 조절을 위한 제1, 제2, 제3 및 제4 제어부(551,552,553,554)가 마련될 수 있다. 여기서, 제어부들(551,552,553,554) 각각은 예를 들면, 가열 요소, 전극 요소 또는 압전 요소를 포함할 수 있다.
광 도파로들(511,512,153)에는 하나 이상의 광 증폭기(521,522)가 마련될 수 있다. 도 6에는 제1 광 증폭기(521)가 제1 광 도파로(511)에 마련되어 있으며, 제2 광 증폭기(522)가 제3 광 도파로(513)에 마련되어 있는 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 여기서, 제1 및 제2 링 공진기(R1,R2)는 제1 및 제2 광 증폭기(521,522)의 일측에 마련되며, 제3 및 제4 링 공진기(R3,R4)는 제1 및 제2 광 증폭기(521,522)의 타측에 마련될 수 있다.
광 도파로들(511,512,513)에는 하나 이상의 위상 변조기(540)를 더 마련될 수 있다. 도 6에는 제3 광 도파로(513)에 하나의 위상 변조기(540)가 마련된 경우가 예시적으로 도시되어 있으며, 위상 변조기(540)의 개수 및 그 위치는 다양하게 변형될 수 있다.
도 7은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 파장 가변 레이저 광원(600)을 개략적으로 도시한 것이다. 도 7에 도시된 파장 가변 레이저 광원(600)은 모니터링 소자들(571~575)을 제외하면 도 6에 도시된 파장 가변 레이저 광원(500)과 동일하다.
도 7을 참조하면, 광 도파로들(511,512,513)에는 하나 이상의 모니터링 소자(571~575)가 마련될 수 있다. 구체적으로, 하나 이상의 모니터링 소자(571~575)는 광 도파로들(511,512,513)의 보조 출력 포트들에 마련될 수 있다. 도 7에는 5개의 모니터링 소자들(571~575)이 마련된 경우가 예시적으로 도시되어 있다.
제1 및 제2 모니터링 소자(571,572)는 제3 광 도파로(513)의 양단에 마련되어 제2 링 공진기(R2)와 제3 링 공진기(R3) 사이의 파장 정렬을 모니터링 할 수 있다. 제3 및 제4 모니터링 소자(573,574)는 제2 광 도파로(512)의 양단에 마련되어 제1 링 공진기(R1)와 제2 링 공진기(R2) 사이의 파장 정렬을 모니터링 할 수 있다. 그리고, 제5 모니터링 소자(575)는 제1 광 도파로(511)의 일단에 마련되어 제1 링 공진기(R1)와 제3 링 공진기(R3) 사이의 파장 정렬을 모니터링 할 수 있다.
도 8은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 파장 가변 레이저 광원(700)을 개략적으로 도시한 것이다. 도 8에 도시된 파장 가변 레이저 광원(700)은 그 전체가 패브리 페로 공진기(Fabry-Perot resonator)를 구성할 수 있다.
도 8을 참조하면, 제1, 제2, 제3 및 제4 광 도파로(711,712,713,714)가 서로 이격되게 마련되어 있으며, 이 광 도파로들(711,712,713,714) 사이에 3개의 링 공진기들(R1,R2,R3)이 배치되어 있다.
제1 링 공진기(R1)는 제1 광 도파로(711)와 제2 광 도파로(712) 사이에 배치되며, 제2 링 공진기(R2)는 제2 광 도파로(712)와 제3 광 도파로(713) 사이에 배치되고, 제3 링 공진기(R3)는 제3 광 도파로(713)와 제4 광 도파로(714) 사이에 배치될 수 있다. 여기서, 링 공진기들(R1,R2,R3)은 광 도파로들(711,712,713,714)과는 물리적으로는 이격되어 있지만 광학적으로는 연결되도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 링 공진기들(R1,R2,R3)은 광 도파로들(711,712,713,714)과 대략 0.1㎛ ~ 1㎛ 정도로 물리적으로 이격되게 배치될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
제1, 제2 및 제3 링 공진기(R1,R2,R3)는 서로 다른 원주 길이를 가질 수 있다. 구체적으로, 제1 링 공진기(R1)는 제1 원주 길이(L1)를 가질 수 있고, 제2 링 공진기(R2)는 제1 원주 길이(L1) 보다 긴 제2 원주 길이(L2)를 가질 수 있으며, 제3 링 공진기(R3)는 제2 원주 길이(L2) 보다 긴 제3 원주 길이(L3)를 가질 수 있다.
제1 원주 길이(L1)와 제2 원주 길이(L2)의 차이는 대략 제1 원주 길이(L1)의 1% ~ 10% 정도가 될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 제1 원주 길이(L1)에 대한 상기 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L1) 또는 제2 원주 길이(L2)에 대한 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L2)을 정수(integer)가 아닌 수로 설계하는 경우에는 모드 선택성을 향상시킬 수 있다. 이에 대해서는 도 1에 대한 설명에서 상세하게 설명되었으므로 이에 대한 설명은 생략한다. 제1, 제2 및 제3 링 공진기(R1,R2,R3)의 주위에는 굴절률 조절을 위한 제1, 제2 및 제3 제어부(751,752,753)가 마련될 수 있다.
광 도파로들(711,712,713,714)에는 하나 이상의 광 증폭기(720)가 마련될 수 있다. 도 8에는 하나의 광 증폭기(720)가 제1 광 도파로(711)에 마련되어 있는 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 여기서, 제1, 제2 및 제3 링 공진기(R1,R2)는 광 증폭기(720)의 일측에 마련될 수 있다.
광 도파로들(711,712,713,714)에는 하나 이상의 광 지연선(730)이 마련될 수 있다. 도 8에는 제1 광 도파로(111)에 하나의 광 지연선(730)이 마련된 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 이 광 지연선(730)은 전체 공진기인 패브리 페로 공진기의 길이를 증가시킴으로써 발진 모드의 스펙트럼 선폭을 줄이는 역할을 할 수 있다. 광 지연선(130)은 예를 들면, 스파이럴 도파로를 포함할 수 있다. 광 도파로들(711,712,713,714)에는 하나 이상의 위상 변조기(740)가 더 마련될 수 있다. 도 8에는 제1 도파로(713)에 하나의 위상 변조기(740)가 마련된 경우가 예시적으로 도시되어 있다.
전체 공진기인 패브리 페로 공진기의 양단에는 제1 및 제2 격자 미러(781,782)가 마련될 수 있다. 구체적으로, 제1 격자 미러(781)는 제1 광 도파로(711)의 일단에 마련될 수 있으며, 제2 격자 미러(782)는 제4 광 도파로(714)의 일단에 마련될 수 있다. 제1 및 제2 격자 미러(781,782) 각각은 고반사율을 가지는 미러로서 격자 패턴들이 소정 간격으로 주기적으로 배치되는 구조를 가지고 있다. 여기서, 격자 패턴들의 주기는 광 도파로들 내부를 진행하는 광의 파장에 관계되며, 예를 들면 대략 100nm ~ 500nm 정도가 될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
광 증폭기(720)에서 발생된 광은 제1 및 제2 격자 미러(781,782) 사이를 왕복하면서 제1, 제2 및 제3 링 공진기(R1,R2,R3)를 경유하여 증폭된 후 원하는 공진 파장을 가지고 외부로 출력될 수 있다. 도 8에는 증폭된 레이저 빔(L)이 제4 도파관(714)의 메인 출력 포트를 통해 외부로 출력되는 경우가 도시되어 있다.
본 실시예에 따른 파장 가변 레이저 광원(700)은 서로 다른 원주 길이를 가지는 3개의 제1, 제2 및 제3 링 공진기(R1,R2,R3)를 포함하고, 제1 공진기(R1)의 제1 원주 길이(L1)에 대한 제3 링 공진기(R3)의 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L1) 또는 제2 공진기(R2)의 제2 원주 길이(L2)에 대한 제3 링 공진기(R3)의 제3 원주 길이(L3)의 비율(L3/L2)을 정수가 아닌 수로 조절함으로써 모드 선택성을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라, 안정적인 단일의 발진 모드를 구현할 수 있다.
또한, 복수의 광 도파로(711,712,713,714) 상에 하나 이상의 광 지연선(730)을 마련함으로써 전체 공진기의 길이를 증가시킬 수 있고, 이에 따라 발진 모드의 스펙트럼 선폭을 감소시킬 수 있다. 그리고, 파장 가변 레이저 광원(700)을 구성하는 모든 구성 요소들을 반도체 공정을 이용하여 하나의 기판(110) 상에 집적시킬 수 있으므로 파장 가변 레이저 광원을 온-칩 형으로 구현할 수 있다.
이상에서는 패브리 페로 공진기의 양단에 각각 격자 미러(781,782)가 마련된 경우가 설명되었다. 그러나, 이에 한정되지 않고 패브리 페로 공진기의 양단에 각각 사냑 미러(Sagnac mirror, 미도시)가 마련되는 것도 가능하다.
도 9는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 파장 가변 레이저 광원(800)을 개략적으로 도시한 것이다. 도 9에 도시된 파장 가변 레이저 광원(800)은 광 지연선(830)의 위치를 제외하면 도 8에 도시된 파장 가변 레이저 광원(700)과 동일하다.
도 9을 참조하면, 복수의 링 공진기(R1,R2,R3) 내에는 하나 이상의 광 지연선(830)이 마련될 수 있다. 도 9에는 제3 링 공진기(R3) 내에 하나의 광 지연선(830)이 마련되는 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 이에 따라, 파장 가변 레이저 광원(800)을 도 8에 도시된 파장 가변 레이저 광원(700)에 비해 소형화시킬 수 있다.
도 10은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 파장 가변 레이저 광원(900)을 개략적으로 도시한 것이다. 도 10에 도시된 파장 가변 레이저 광원(900)은 모니터링 소자들(971~977)을 제외하면 도 8에 도시된 파장 가변 레이저 광원(700)과 동일하다.
도 10을 참조하면, 파장 가변 레이저 광원(900)은 하나 이상의 모니터링 소자(971~977)를 포함할 수 있다. 여기서, 하나 이상의 모니터링 소자(971~977)는 복수의 광 도파로(711,712,713,714)의 출력 포트들 중 증폭된 레이저 빔(L)이 방출되는 메인 출력 포트 이외의 보조 출력 포트들에 마련될 수 있다. 도 4에는 광 도파로들(711,712,713,714)의 보조 출력 포트들에 7개의 모니터링 소자들(971~977)이 마련된 경우가 예시적으로 도시되어 있다.
도 10에서 제4 광 도파로(714)의 일단은 증폭된 레이저 빔(L)의 출력되는 메인 출력 포트에 해당할 수 있다. 그리고, 제1 광 도파로(711)의 양단, 제2 광 도파로(712)의 양단, 제3 광 도파로(713)의 양단 및 제4 광 도파로(714)의 타단이 보조 출력 포트들에 해당할 수 있다.
제1 및 제2 모니터링 소자(971,972)는 제1 광 도파로(711)의 양단에 마련될 수 있으며, 제3 및 제4 모니터링 소자(973,974)는 제2 광 도파로(712)의 양단에 마련될 수 있다. 그리고, 제5 및 제6 모니터링 소자(975,976)는 제3 광 도파로(713)의 양단에 마련될 수 있으며, 제7 모니터링 소자(977)는 제4 광 도파로(714)의 타단에 마련될 수 있다. 이 모니터링 소자들(971~977) 각각은 예를 들면, 포토다이오드를 포함할 수 있다.
제3 및 제4 모니터링 소자(973,974)는 제1 링 공진기(R1)와 제2 링 공진기(R2) 사이의 파장 정렬을 모니터링 할 수 있으며, 제5 및 제6 모니터링 소자(975,976)는 제2 링 공진기(R2)와 제3 링 공진기(R3) 사이의 파장 정렬을 모니터링 할 수 있다. 그리고, 제1, 제2 및 제7 모니터링 소자(971,972,977)는 제1 링 공진기(R1)와 제3 링 공진기(R3) 사이의 파장 정렬을 모니터링 할 수 있다.
파장 가변 레이저 광원(900)은 복수의 광 도파로(711,712,713,714)에 마련되는 하나 이상의 광 지연선(730)을 포함할 수 있다. 여기서, 광 지연선(730)에 대한 설명은 전술하였으므로 이에 대한 설명은 생략한다.
도 11은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 파장 가변 레이저 광원(1000)을 개략적으로 도시한 것이다. 도 11에 도시된 파장 가변 레이저 광원(1000)은 광 지연선(830)의 위치를 제외하면 도 10에 도시된 파장 가변 레이저 광원(900)과 동일하다. 도 11을 참조하면, 파장 가변 레이저 광원(1000)은 복수의 링 공진기(R1,R2,R3) 내에 마련되는 하나 이상의 광 지연선(830)을 포함할 수 있다. 여기서, 광 지연선(830)에 대한 설명은 전술하였으므로 이에 대한 설명은 생략한다.
이상의 실시예들에서 설명된 파장 가변 레이저 광원은 LiDAR 등과 같은 광 조향 장치의 광원으로 유용하게 적용될 수 있다. 도 12는 예시적인 실시예에 따른 광 조향 장치(2000)를 개략적으로 도시한 것이다.
도 12를 참조하면, 본 실시예에 따른 광 조향 장치(2000)은 파장 가변 레이저 광원(2100), 광을 원하는 방향으로 조향하는 조향 소자(2200), 조향된 광을 검출하는 검출부(2300) 및 구동 드라이버(2400)를 포함할 수 있다. 구동 드라이버(2400)는 파장 가변 레이저 광원(2100), 조향 소자(2200) 및 검출부(2300)를 구동하는 구동 회로를 포함할 수 있다.
파장 가변 레이저 광원(2100)은 전술한 실시예들에서 기술된 파장 가변 레이저 광원들(100~1000) 중 하나가 될 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
조향 소자(2200)는 파장 가변 레이저 광원(2100)으로부터 입사되는 레이저 빔을 원하는 방향으로 조향시킬 수 있다. 그리고, 조향 소자(2200)에 의해 조향된 광이 대상물(object)에 조사되어 반사되면, 검출부(2300)가 반사된 광을 검출할 수 있다.
조향 소자(2200)는 파장 가변 레이저 광원(2100)으로부터 입사되는 레이저 빔을 분할하여 전송하는 복수의 광 도파로(2210) 및 복수의 광 도파로(2210)에 마련되어 분할된 레이저 빔들의 위상을 변조하는 복수의 변조 유닛(미도시)을 포함한다. 조향 소자(2200)의 출광 부분에는 안테나들이 1차원 형태로 배열된 안테나 어레이(antenna array, 2220)가 마련되어 있다.
파장 가변 레이저 광원(2100) 및 조향 소자(2200)를 이용하게 되면 2차원 광 스캔을 구현할 수 있다. 구체적으로, 조향 소자(2200)가 레이저 빔의 위상을 제어함으로써 제1 방향(도 12에서 y축 방향)으로의 광 스캔을 수행할 수 있으며, 파장 가변 레이저 광원(2100)에서 파장을 제어함으로써 제1 방향에 수직인 제2 방향(도 12에서 x축 방향)으로의 광 스캔을 수행할 수 있다. 이와 같이, 광 조향 장치(2000)의 광원으로 파장 가변 레이저 광원(2100)을 사용하게 되면, 조향 소자(2200)의 안테나 어레이(2220)를 1차원 형태로 마련하여도 2차원 광 스캔을 구현할 수 있다.
LiDAR 광원으로 단일 파장 광원을 사용하는 경우에는 2차원 광 스캔을 위해 조향 소자의 안테나들이 2차원 형태로 배열되어야 하는데, 이를 위해서는 많은 수(예들 들면, 10000개 이상)의 안테나들을 제작하여야 하므로 제품화에 어려움이 있다. 광 손실 문제나 제어 시간 등이 길어지는 문제 등이 발생될 수 있다. 그러나, LiDAR 광원으로 파장 가변 레이저 광원을 사용하게 되면, 조향 소자의 안테나들을 1차원 형태로 배열하여도 2차원 광 스캔을 구현할 수 있으므로 요구되는 안테나들의 개수를 줄일 수 있으며, 이에 따라 제품화에 유리하다. 또한, 광 손실 문제나 제어 시간 등의 문제도 단일 파장 광원에 비해 줄일 수 있다.
이상의 실시예들에서 설명된 파장 가변 레이저 광원(100~1000)은 광 소자들이 집적된 광 집적 회로에 광원으로 다양하게 이용될 수 있다. 예를 들면, 파장 가변 레이저 광원(100~1000)은 전술한 광 조향 장치(2000) 이외에도 깊이 센서(depth sensor), 3차원 센서(3D sensor) 등과 같은 다양한 분야에 응용될 수 있다. 또한, 파장 가변 레이저 광원(100~1000)은 광 통신의 파장 분할 다중화(WDM; Wavelength Division Multiplexing) 전송 방식에서의 광원 등과 같이 데이터 센터용 광 연결을 위한 광원으로도 응용될 수 있다. 이상에서 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형이 가능하다.
100,200,300,400,500,600,700,800,900,1000.2100.. 파장 가변 레이저 광원
110.. 기판
111,511,711.. 제1 광 도파로
112,512,712.. 제2 광 도파로
113,513,713.. 제3 광 도파로
121,521.. 제1 광 증폭기
122,522.. 제2 광 증폭기
130,230,730,830.. 광 지연선
140,540,740.. 위상 변조기
151,551.. 제1 제어부
152,552.. 제2 제어부
153,553.. 제3 제어부
171,571,971.. 제1 모니터링 소자
172,572,972.. 제2 모니터링 소자
173,573,973.. 제3 모니터링 소자
174,574,974.. 제4 모니터링 소자
175,575,975.. 제5 모니터링 소자
554.. 제4 제어부
714.. 제4 광 도파로
720.. 광 증폭기
781.. 제1 격자 미러
782.. 제2 격자 미러
976.. 제6 모니터링 소자
977.. 제7 모니터링 소자
2000.. 광 조향 장치
2200.. 조향 소자
2210.. 광 도파로
2220.. 안테나 어레이
2300.. 검출부
2400.. 구동 드라이버
R1.. 제1 링 공진기
R2.. 제2 링 공진기
R3.. 제3 링 공진기
R4.. 제4 링 공진기

Claims (26)

  1. 복수의 광 도파로(optical waveguide);
    상기 복수의 광 도파로 사이에서 상기 복수의 광 도파로와 광학적으로 연결되도록 배치되며, 서로 다른 길이를 가지는 3개 이상의 광 공진기(optical resonator); 및
    상기 복수의 광 도파로에 마련되는 하나 이상의 광 증폭기(optical amplifier);를 포함하며,
    상기 3개 이상의 링 공진기 중 짧은 공진기의 길이에 대한 긴 공진기의 길이의 비율은 정수가 아닌 파장 가변 레이저 광원.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 3개 이상의 광 공진기는 제1 원주 길이(L1)를 가지는 제1 링 공진기, 상기 제1 원주 길이보다 긴 제2 원주 길이(L2)를 가지는 제2 링 공진기, 및 상기 제2 원주 길이보다 긴 제3 원주 길이(L3)를 가지는 제3 링 공진기를 포함하는 파장 가변 레이저 광원.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 원주 길이에 대한 상기 제3 원주 길이의 비율(L3/L1) 또는 상기 제2 원주 길이에 대한 상기 제3 원주 길이의 비율(L3/L2)은 정수(integer)가 아닌 파장 가변 레이저 광원.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 원주 길이에 대한 상기 제3 원주 길이의 비율(L3/L1) 또는 상기 제2 원주 길이에 대한 상기 제3 원주 길이의 비율(L3/L2)은 소수점 이하의 자릿수가 2 이상인 유리수(rational number)인 파장 가변 레이저 광원.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 원주 길이에 대한 상기 제3 원주 길이의 비율(L3/L1) 또는 상기 제2 원주 길이에 대한 상기 제3 원주 길이의 비율(L3/L2)은 무리수(irrational number)인 파장 가변 레이저 광원.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 원주 길이와 상기 제2 원주 길이의 차이는 상기 제1 원주 길이의 1% ~10%인 파장 가변 레이저
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1, 제2 및 제3 링 공진기 각각에는 굴절률 조절을 위한 제어부가 마련되는 파장 가변 레이저 광원.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 광 도파로들에 마련되는 하나 이상의 광 지연선(optical delay line)을 더 포함하는 파장 가변 레이저 광원.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1, 제2 및 제3 링 공진기 중 적어도 하나에 마련되는 하나 이상의 광 지연선을 더 포함하는 파장 가변 레이저 광원.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 제3 링 공진기와 동일한 크기를 가지며, 상기 제3 링 공진기와 광학적으로 연결되도록 마련되는 제4 링 공진기를 더 포함하는 파장 가변 레이저 광원.
  11. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 광 도파로에 마련되는 하나 이상의 위상 변조기(phase shifter)를 더 포함하는 파장 가변 레이저 광원.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 광 도파로의 출력 포트들에 마련되는 하나 이상의 모니터링 소자(monitoring device)를 더 포함하는 파장 가변 레이저 광원.
  13. 제 2 항에 있어서,
    상기 파장 가변 레이저 광원은 폐쇄 루프(closed loop)형 공진기를 구성하는 파장 가변 레이저 광원.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 링 공진기는 상기 광 증폭기의 일측에 배치되며, 상기 제3 링 공진기는 상기 광 증폭기의 타측에 배치되는 파장 가변 레이저 광원.
  15. 제 2 항에 있어서,
    상기 파장 가변 레이저 광원은 패브리 페로 공진기(Fabry-Perot resonator)를 구성하는 파장 가변 레이저 광원.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1, 제2 및 제3 링 공진기는 상기 광 증폭기의 일측에 배치되는 파장 가변 레이저 광원.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 패브리 페로 공진기의 양 단부에는 각각 격자 미러(grating mirror) 또는 사냑 미러(Sagnac mirror)가 마련되는 파장 가변 레이저 광원.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 광 도파로는 실리콘을 포함하고, 상기 하나 이상의 광 증폭기는 실리콘 및 Ⅲ-Ⅴ족 반도체를 포함하는 파장 가변 레이저 광원.
  19. 파장 가변 레이저 광원; 및
    상기 파장 가변 레이저 광원으로부터 입사되는 레이저 빔을 조향하는 조향 소자;를 포함하고,
    상기 파장 가변 레이저 광원은,
    복수의 광 도파로;
    상기 복수의 광 도파로 사이에서 상기 복수의 광 도파로와 광학적으로 연결되도록 배치되며, 서로 다른 길이를 가지는 3개 이상의 광 공진기; 및
    상기 복수의 광 도파로에 마련되는 하나 이상의 광 증폭기;를 포함하며,
    상기 3개 이상의 링 공진기 중 짧은 공진기의 길이에 대한 긴 공진기의 길이의 비율은 정수가 아닌 광 조향 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 3개 이상의 광 공진기는 제1 원주 길이(L1)를 가지는 제1 링 공진기, 상기 제1 원주 길이보다 긴 제2 원주 길이(L2)를 가지는 제2 링 공진기, 및 상기 제2 원주 길이보다 긴 제3 원주 길이(L3)를 가지는 제3 링 공진기를 포함하고,
    상기 제1 원주 길이에 대한 상기 제3 원주 길이의 비율(L3/L1) 또는 상기 제2 원주 길이에 대한 상기 제3 원주 길이의 비율(L3/L2)은 정수(integer)가 아닌 광 조향 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 파장 가변 레이저 광원은 하나 이상의 광 지연선을 더 포함하는 광 조향 장치.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 파장 가변 레이저 광원은 상기 제3 링 공진기와 동일한 크기를 가지며, 상기 제3 링 공진기와 광학적으로 연결되도록 마련되는 제4 링 공진기를 더 포함하는 광 조향 장치.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 파장 가변 레이저 광원은 상기 복수의 광 도파로에 마련되는 하나 이상의 위상 변조기를 더 포함하는 광 조향 장치.
  24. 제 20 항에 있어서,
    상기 파장 가변 레이저 광원은 상기 복수의 광 도파로의 출력 포트들에 마련되는 하나 이상의 모니터링 소자를 더 포함하는 광 조향 장치.
  25. 제 19 항에 있어서,
    상기 조향 소자의 출광 부분에는 안테나 어레이가 1차원 형태로 마련되는 광 조향 장치.
  26. 제 19 항에 있어서,
    상기 광 조향 장치는 상기 조향 소자에 의해 조향된 빔을 검출하는 검출부를 더 포함하는 광 조향 장치.

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