KR100231880B1 - 코아 확장 및 회절격자 광섬유로 최적화된 레이저 다이오드 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 다이오드 모듈에서 광섬유 코아를 가열하여 확장시켜 출력광의 집속이 용이하도록 하고, 그 광섬유의 코아내에 회절격자를 설치하여 레이저 다이오드에서 출력되는 출력광이 역방향으로 진행하지 않도록 한 레이저 다이오드와 광섬유간의 접속 및 반사광차단을 최적화시킨 레이저 다이오드 모듈에 관한 것이다. 본 발명은 레이저 다이오드 모듈(40)에 접속되는 광섬유(20)의 단부를 가열하여 코아의 길이를 약 5mm ,코아의 직경은 약 7∼12㎛확장하여 접속시켜 접속에 편리성을 부여하고, 코아의 단부와 일정거리 이격되는 위치에 회절격자를 설치함으로써 광 아이솔레이터의 기능을 구현하도록 구성한 것을 특징으로 한다. 본 발명은 광섬유증폭기용 레이저 다이오드 광원, 통신용 레이저 다이오드 광원 등에 유용하게 이용될 수 있다.

Description

코아 확장 및 회절격자 광섬유로 최적화된 레이저 다이오드 모듈

본 발명은 광섬유증폭기에서 여기용(펌핑용) 파장으로 사용되는 펌핑용 레이저 다이오드(1480, 980nm) 및 광통신용의 광원으로 사용되는 파장(1550, 1300nm)을 방출하는 레이저 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광섬유의 코아의 직경을 확장시켜 출력광의 집속이 용이하도록 하고, 그 광섬유의 코아내에 회절격자를 설치하여 레이저 다이오드에서 출력되는 출력광이 역방향으로 진행하지 않도록 레이저 다이오드와 광섬유의 접속 및 반사광차단을 최적화시킨 레이저 다이오드 모듈에 관한 것이다.

일반적으로, 레이저 다이오드는 광통신을 수행하는데 필요한 매질인 광섬유를 통하여 광을, 즉 신호파장을 전파하는 기능을 갖고 있다. 즉, 발광소자(레이저 다이오드)에서 출사되는 광은 회절현상에 의해 확산되며, 이러한 확산 광을 광섬유에 입사시키는데 있어 10∼50㎛의 코아경에 효율이 높게 입사시키는 것은 극히 어렵다.

따라서, 발광소자와 광섬유의 결합시 렌즈를 사용하여 발광되는 광을 광섬유로 집속시키고 있다. 이와 같은 발광소자의 집속을 편리하도록 하기 위해 발광소자, 결합렌즈, 광섬유를 일체화시켜 채용되고 있다. 전술한 바와 같이 일체화시킨 것을 레이저 다이오드 모듈이라고 한다.

또한 레이저 다이오드와 레이저 다이오드 끝단에 연결된 광섬유(피그테일 광섬유)간에는 전파되는 광만이 존재하여야 되는데, 즉 단방향으로 광이 진행, 실제적으로는 레이저 다이오드에서 출력된 광이 다시 레이저 다이오드 쪽으로 되돌아오는 현상이 생긴다.

만일, 레이저 다이오드 광원쪽으로 자체의 반사광이 되돌아오면 레이저 발진이 불안정하게 되는 특성이 있기 때문에 광전송의 광대역화, 다중화를 실현하는데 있어서는 레이저 광원의 안정화가 필수적이다. 따라서 레이저 다이오드 모듈에서는 광섬유와 결합부에서 발생하는 반사광의 귀환을 저지하여야 한다.

이러한 목적으로 종래에는 레이저 다이오드 모듈의 반사광을 억제시키기 위해서 도 1에 도시된 바와 같이 광 아이솔레이터(13)라는 광부품을 레이저 다이오드(10a) 내부 또는 피그테일 광섬유(2) 중간에 삽입하여 구현하여 왔다. 광 아이솔레이터(13, 50)는 한쪽방향의 광만을 통과시키고 반대쪽에서 들어오는 광(레이저 다이오드에서는 반사광)을 차단시키는 광소자이다.

레이저 다이오드의 동작원리는 발광소자 즉, 레이저 다이오드 칩(10)에서 고유의 재질에 의해서 발진되는 즉, 방출되는 고유의 광파장을 레이저 다이오드 내부의 구렌즈(11)에 의해 집속시키고, 집속된 광을 레이저 다이오드와 연결된 외부 광섬유20)와 결합시키기 위해서 로드렌즈(30)를 광섬유(20)와 레이저 다이오드 중간에 삽입시킨다.

이러한 이유는 광섬유 코아내에 광을 입사시키기 위해서는, 광섬유의 수광각보다 작은 범위내의 각도로 광을 입사시킬 필요가 있기 때문이다. 예를 들면 수광각보다 큰 각도로 광을 입사해도 입사광은 광섬유의 클래드 층으로 빠져나가 버린다. 이같은 이유로 인해 렌즈를 발광소자에 접근시키거나 역으로 너무 접근시키면 발광원의 상이 확대되어서, 광섬유 코아의 직경이상으로 확대되어 결합효율의 저하를 초래하게 됨으로 사용렌즈의 고안이나 렌즈와 발광소자 및 광섬유의 거리에 대한 세밀한 조정이 필요하게 된다. 결국, 전술한 바와 같은 이유로 인하여 실제 결합부분을 진동, 온도, 습도 등의 변화에 견딜 수 있도록 발광소자, 결합렌즈 및 광섬유를 일체로 모듈화 하였다.

발광소자 즉, 레이저 다이오드 칩(10)은 레이저 다이오드 모듈(40) 구성중 가장 중요한 부분으로 사용 목적에 따라 원하는 파장을 방출시킬 수 있다. 원하는 파장을 얻기 위해서 특정의 재료를 사용하는데 레이저 다이오드에 요구되는 방출파장에 따라 여러 가지 반도체 재료 예를 들면, 3원계 물질 AlGaAs는 0.8∼0.9㎛대 파장에서 사용되는 물질이고, 4원계 물질 InGaAsP는 1.0∼1.6㎛대 파장에서 사용된다.

반도체 레이저 다이오드에서 방출되는 파장을 발진파장이라고 하는데, 이러한 발진파장의 발진원리는 도 2에 도시된 바와 같다. 도 2에 도시된 바와 같이 레이저 다이오드는 높은 에너지준위(E2)에 있는 전자가 낮은 에너지준위(E1)에 이동할 때 에너지를 방출하여 발광하지만 이때 광의 광양자 에너지(hv)는 E2 - E1 과 같으며, 광의 주파수는 이 에너지에 비례하므로 다음 식과 같은 관계가 성립된다.

hv = E₂- E₁[eV]

위 식에서 v : 광의 진동수, h : 비례상수(프랑크 상수, 6.625×10^-34) 이며, 1 eV = 1.6 × 10^-19이다.

광파장 λ는 광속도를 c = 3×108 m/s, 주파수를 v라 하면, λ = c/v로 주어지므로 위의 식에서 다음과 같이 된다.

hc 1.24

λ = -------- = -------- × 10^-6(m)

E2 - E1 E2 - E1

E₂- E₁은 각 반도체의 고유값이므로, 반도체를 구성하는 원소에 의해 고유파장으로 발광하게 된다.

발광소자는 반도체 레이저 다이오드라고 하는데, 반도체 레이저 다이오드의 발광원리는 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 반도체 레이저 다이오드는 광의 유도방출(A)을 이용한 것인데, 이 유도방출(A)은 반전분포 상태에 있는 다수의 전자가 어떤 입사광으로 인하여 일제히 광을 방출하는 현상이다. 이때 방출된 광은 입사광과 파장 및 위상이 같은 광이기 때문에 약한 입사광으로 강한 방출광(E)으로 광 증폭작용이 발생된다. 도면에서 ⓐ는 전자(소수캐리어)이고, ⓑ는 정공(다수캐리어)이다. 그러나 증폭작용만으로 발진기능은 형성할 수 없기 때문에 반드시 귀환회로를 설정해서 회로에서 잃은 전력의 비율보다 증폭작용에 의한 이득을 크게 할 필요가 있다.

광이 귀환작용을 갖게 하려면, 반사기로 광을 반사시켜 주면 된다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이 2개의 반사경(C, D)을 서로 마주보게 한 공진기를 설치하면, 광은 이 거울 사이에 포위되어 왕복한다. 다시 말해서, 반도체레이저 다이오드의 발진원리는, 전자가 보통의 열평형상태 보다도 다량으로 주입되어 반전분포상태가 되면, 우선 재결합에 의해 자연방출(B)이 이루어진다. 이때 반사경(C)의 방향으로 진행하는 광은 유도방출(A) 작용에 의해 증폭되며, 반사경(D)으로 반사되어 한번 왕복후 재차 같은 장소로 돌아오게 된다. 도중의 매질에 의한 흡수나 반사경(C, D)에서의 투과 등으로 손실된 광과 유도방출에 의해 증폭되는 광전력이 균형을 이루면 발진한다.

일반적으로, 반사경(D)의 반사율을 99% 정도로 하고, 여기서 투과광(E)을 출력으로 추출한다. 레이저 다이오드 모듈에 사용되는 렌즈는, 도 4에 도시된 바와 같이 레이저 다이오드(10) 구조에서 레이저 다이오드(10)와 광섬유(20)의 결합효율을 높여주는 기능을 하는 로드 렌즈(30)와, 레이저 다이오드 모듈(40) 내부에 내장되어 발광소자에서 방출되는 광을 회절현상에 의한 확산을 막기 위해 한 점으로 광을 집속시켜 주는 구렌즈(11)가 있다. 미설명 부호 13과 50은 광 아이솔레이터이고, 31은 레이저 다이오드 모듈과 광섬유사이를 접속시키기 위한 페룰(Ferrule)이다.

전술한 레이저 다이오드 모듈(40) 제작에 있어서 가장 중요한 관점은 레이저 다이오드와 광섬유간의 광결합 효율을 얼마나 극대화 할 수 있는가에 있다. 따라서, 종래에는 렌즈를 통해 광결합 효율을 증가시켰지만, 광섬유에 렌즈를 부착시켜야 한다는 어려움이 있었다.

이상에서 알 수 있는 바와 같이 레이저 광은 등방적으로 넓어지면서 방사되기 때문에 레이저 다이오드와 광섬유간에 마이크로렌즈를 삽입하여 발광원의 상을 코아경의 중심으로 포커스하는 것에 의해서 결합효율의 향상을 꾀할 수 있다.

또한 레이저 다이오드로 부터의 방사광은 활성층에 수직인 방향으로 40°에 가까우며, 이 활성층에 평행한 방향으로 10°전후로 넓어진다. 이 때문에 수직방향으로 넓어진 레이저광을 광섬유에 효과적으로 입사되도록 하기 위해서는 레이저 다이오드와 광섬유를 직접결합을 기본으로 하여 렌즈 등을 사용하게 된 것이다.

그러나, 렌즈를 사용할 경우, 렌즈는 발광소자와 광섬유 중간에 삽입되기 때문에 렌즈의 위치 및 방향 등을 최적화시킬 필요가 있으므로, 정렬상의 어려움의 발생하고 시간이 오래 걸리고 수작업으로 해야 한다는 단점이 있다.

또한 레이저 다이오드 내장형 광 아이솔레이터의 경우, 크기가 작아야 하고 발광소자와 광섬유 중간에 정렬시 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다. 현재 980nm 파장의 펌핑용 레이저 다이오드의 경우, 980nm 용도의 광 아이솔레이터 크기를 내장할 수 있는 크기로 제작이 불가능하기 때문에 외부 광 아이솔레이터 또는 사용이 안되고 있는 실정이다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해소하기 위하여 본 발명을 창안하게 된 것이다.

본 발명의 목적은 광섬유의 코아를 확장시켜 레이저 다이오드와 접속시킴으로써 렌즈가 필요가 없으며, 그래이팅(회절격자)을 이용하여 반사광이 역진행하지 않도록 한 코아 확장 및 회절격자 광섬유로 최적화된 레이저 다이오드 모듈을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 레이저 다이오드와 광섬유 간의 결합손실을 감소시킬 수 있는 코아 확장 및 회절격자 광섬유로 최적화된 레이저 다이오드 모듈을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 광 아이솔레이터를 사용하지 않음으로써 결합손실 및 결합시간 단축할 수 있는 코아 확장 및 회절격자 광섬유로 최적화된 레이저 다이오드 모듈을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 광섬유와 레이저 다이오드의 직접결합에 의해 광전송에 따른 신뢰도를 안정적으로 확보할 수 있는 코아 확장 및 회절격자 광섬유로 최적화된 레이저 다이오드 모듈을 제공하는데 있다.

본 발명을 달성하기 위한 구현 수단으로서는 레이저 다이오드 모듈에 접속되는 광섬유의 단부를 가열하여 길이를 약 5mm 정도 코아의 직경을 약 7∼12㎛확장하고, 코아의 단부와 일정거리 이격되는 위치에 회절격자를 설치함으로써 달성할 수 있다.

도 1은 종래의 레이저 다이오드로부터 출력되는 광신호를 광섬유와 접속을 렌즈를 이용한 예를 예시하는 예시도이다.

도 2는 종래의 반도체 레이저 다이오드의 에너지준위와 발광원리를 예시하는 도면이다.

도 3은 종래의 반도체 레이저 다이오드로부터 방출되는 발진 파장의 발진원리를 보여주는 도면이다.

도 4는 종래의 레이저 다이오드의 광증폭원리를 예시하는 예시도이다.

도 5는 본 발명에 따른 코아 확장 및 회절격자 광섬유로 최적화된 레이저 다이오드 모듈을 예시하는 예시도이다.

도 6은 본 발명에 따른 코아가 확장된 광섬유와 회절격자를 설치한 광섬유의 단면을 도시하는 광섬유의 요부 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 레이저 다이오드 칩 11, 30 : 렌즈

20 : 광섬유 21 : 코아확장부

23 : 회절격자 31 : 페룰

40 : 레이저 다이오드 모듈 13, 50 : 광 아이솔레이터

이하, 본 발명에 따른 코아 확장 및 회절격자 광섬유로 최적화된 레이저 다이오드 모듈의 구성에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5를 참조하면, 도 5에는 본 발명에 따른 코아 확장 및 회절격자 광섬유로 최적화된 레이저 다이오드 모듈은 원하는 파장의 광을 발생하는 발광소자 즉, 레이저 다이오드 칩(10)과, 발광소자에서 방출된 광을 회절현상에 의한 확산을 막기 위해 한 점으로 집속시켜 주는 렌즈(11)와, 기존 레이저 다이오드 구성에서 레이저 다이오드와 광섬유의 결합효율을 높여주기 위한 로드 렌즈와 같은 역할을 하는 광섬유의 코아확장부(21)와, 코아확장부를 통해 광섬유에 입사된 광신호 중 일부 귀환되어 돌아오는 반사광을 차단시켜 주는 광 아이솔레이터 대용의 광섬유 회절격자부(23)와, 상기 코아확장부(21)와 회절격자부(23)로 구성되어 광의 진행하는데 매질 역할을 하는 광섬유(20) 및 상기 부품으로 구성되어 하나의 패키지로 집적된 레이저 다이오드 모듈(40)로 구성되어 있다. 미설명 부호 31은 페룰로서 레이저 다이오드 모듈과 광섬유의 코아사이를 정렬시키는 기능을 한다.

광섬유 코아확장부(21) 즉, 기존 광섬유 자체에 렌즈를 부착시키지 않고도 렌즈의 기능을 수행하는 코아가 확장된 광섬유를 레이저 다이오드와 직접 결합시켜 모듈을 구성하였다. 이와 같이 코아가 확장된 광섬유를 직접 레이저 다이오드와 접속시킨 경우에는 종래의 레이저 다이오드 모듈에 있어 렌즈를 사용하지 않으므로 광접속의 신뢰성을 꾀할 수 있는 잇점이 있다. 그리고 레이저 다이오드로부터 출력된 자체의 광신호가 역방향으로 진행하는 반사광은 종래와 같은 방법 즉, 광 섬유선상에 기존의 광 아이솔레이터를 설치하여도 무방하다. 이 경우는 광섬유를 모듈에 접속할 때의 편리성을 우선적으로 고려한 경우이다.

이러한 코아 확장 광섬유는, 도 6에 도시된 바와 같이 광섬유(20) 끝단을 마이크로 버너를 이용하여 가열, 약 7∼11㎛ 정도의 코아 크기를 약 4배까지 확대시킨 광섬유이다. 광섬유의 코아가 확대되는 길이는 약 5mm 정도이다. 이 확대 코아 광섬유 끝단을 연마에 의해 부착 렌즈 없이 렌즈기능을 수행하게 된다.

앞서 설명한 바와 같이 반사광에 의해 레이저 다이오드 칩의 신뢰성을 저하시키지 않도록 하기 위해 종래에는 광 아이솔레이터를 레이저 다이오드 내부 및 광섬유 중간에 삽입하여 사용하였으나 본 발명에서는 도 6에 도시된 바와 같이 광섬유 자체내의 코아부분에 회절격자를 생성하여 반사광을 차단할 수 있도록 광섬유 회절격자부(23)를 배치하였다.

회절격자는 Ge 첨가된 광섬유 코아내에 특정 파장의 자외선 광을 강하게 조사시켜 영구적인 굴절률 변화를 유도시키는 방법에 의해 광섬유 코아 내 주기적 굴절률 격자 즉, 광섬유 격자를 생성시킨다. 이러한 광섬유 격자는 외견상 보통 광섬유와 같은 형태를 가지고 다양한 선폭의 반사필터 및 광 아이솔레이터 역할을 할 수 있다.

상술한 회절격자는 반사광을 차단하는데 효과적이며, 종래와 같이 렌즈를 통해 광이 집속되도록 구성하더라도 회절격자를 통해 반사광을 차단하면 광 아이솔레이터의 접속 및 정렬에 따른 번거로운 작업을 피할 수 있는 잇점이 있다.

물론, 상기한 확장된 코아를 갖는 광섬유에 회절격자를 배치하여 레이저 다이오드 모듈에 접속하면 전술한 바와 같은 장점만을 취하는 효과를 갖는다.

따라서, 상기한 구성들을 하나의 패키지로 구성한 레이저 다이오드 모듈(40)은 레이저 다이오드 칩 즉, 발광소자에서 방출된 특정 광파장이 렌즈(11)를 통해 집속되어 레이저 다이오드와 연결된 광섬유(20)의 코아확장부(23)로 입사되고, 이 광파장은 광섬유라는 매질을 통해 외부 시스템으로 방출된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 코아 확장 및 회절격자 광섬유로 최적화된 레이저 다이오드 모듈은 첫째, 레이저 다이오드 모듈 제작에 있어서 최대 관점이 레이저 다이오드와 광섬유간 광결합 효율을 얼마나 극대화할 수 있는가에 있는 바, 광접속시 에폭시(Epoxy), 솔더(Soldering), 용접(Welding) 등 세가지 방법을 통해 1㎛ 내지 2㎛ 정도의 광정렬 허용 오차 범위내에서 광결합시킨다. 따라서 본 발명에서는 렌즈가 없이 직접 결합을 하기 때문에 광결합효율이 높다.

둘째, 레이저 다이오드 모듈 제작에 있어서 렌즈, 광 아이솔레이터, 전기부품 등과 같은 각종 모듈 내부의 부품들의 결합 및 광정렬시 결합손실 등에 의해 레이저 다이오드 모듈의 성능에 직접적인 영향을 미치게 되고, 또한 광정렬 공정은 접착제의 재질과 공정 조건을 적절히 조절하여 광결합 효율과 신뢰성을 확보할 수 있도록 하여야 하기 때문에 본 발명에서는 렌즈 및 광 아이솔레이터의 수동부품을 줄임으로써, 레이저 다이오드의 신뢰성을 최대로 확보할 수 있게 되었다.

셋째, 레이저 다이오드와 광섬유 사이의 렌즈를 사용하지 않고, 렌즈 대용으로 코아 확대 광섬유를 사용함으로써 레이저 다이오드 모듈과 광섬유 간의 결합시간 단축 및 결합효율을 증가시켰다.

넷째, 반사광의 억제를 위하여 사용하던 광 아이솔레이터 대신에 레이저 다이오드와 결합되는 광섬유 자체의 코아부분에 회절격자를 형성하여 기존 광 아이솔레이터 부품의 기능을 대체함으로써 광섬유와 광 아이솔레이터 사이의 결합손실을 없앴고, 결합시간을 단축 시켰다.

다섯째, 이러한 레이저 다이오드는 렌즈, 광 아이솔레이터 등의 수동 부품을 줄임으로써, 레이저 다이오드에서 방출되는 광파장의 효율이 증가하여 고효율화 및 저손실화가 가능하게 되었다.

여섯째, 레이저 다이오드와 연결되는 광섬유에 부가되는 수동부품이 없고, 코아확대 및 회절 격자를 동시에 하나의 광섬유에 형성함으로써, 수동부품의 감소에 의한 결합손실의 감소로 결합효율이 향상되었다.

일곱째, 광섬유와 레이저 다이오드의 직접결합에 의해 100만시간 이상을 사용할 수 있을 정도의 고신뢰도 및 광출력을 최대로 얻을 수 있는 레이저 다이오드의 제작이 가능하다.

이상에서 본 발명에 따른 코아 확장 및 회절격자 광섬유로 최적화된 레이저 다이오드 모듈에 대하여 대표적인 예를 통해 상세히 설명하였으나 단지 예시적인 목적으로 설명한 것일 뿐 당해기술분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 명세서를 통하여 다양한 변형예나 응용예를 실시할 수 있다는 것이 이해할 수 있으나 이는 본 발명자가 의도하는 기술적 사상과 범주에 포함된다는 것을 밝혀둔다.

Claims (4)

1. 레이저 다이오드칩으로부터 발광된 광신호를 집광시키기 위한 렌즈와, 상기 렌즈와 연결되는 피그테일 광섬유와, 상기 피그테일 광섬유상에 설치되어 광신호가 상기 레이저 다이오드 칩쪽으로 반사되지 않도록 하는 광 아이솔레이터로 구성된 레이저 다이오드 모듈에 광섬유를 접속시킴에 있어서, 상기 모듈에 페룰을 부착하여 내부로부터 출력되는 광신호를 유도하고 상기 페룰상에 광섬유의 코아를 확장하여 결합한 뒤 상기 광 섬유선상에 광 아이솔레이터를 설치한 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 모듈.
2. 제 1항에 있어서, 상기 광섬유의 단부를 마이크로 버너를 이용하여 가열하여 코아의 길이는 약 5mm 정도, 코아의 직경은 약 7∼12㎛확장시킨 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 모듈.
3. 레이저 다이오드 칩으로부터 발광된 광신호를 집광시키기 위한 렌즈와, 상기 렌즈와 연결되는 피그테일 광섬유와, 상기 피그테일 광섬유상에 설치되어 광신호가 상기 레이저 다이오드 칩쪽으로 반사되지 않도록 하는 광 아이솔레이터로 구성된 레이저 다이오드 모듈에 광섬유를 접속시킴에 있어서, 상기 광섬유의 코아속에 회절격자를 형성하여 레이저 다이오드로 반사되는 반사광을 차단한 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 모듈.
4. 레이저 다이오드칩으로부터 발광된 광신호를 집광시키기 위한 렌즈와, 상기 렌즈와 연결되는 피그테일 광섬유와, 상기 피그테일 광섬유상에 설치되어 광신호가 상기 레이저 다이오드 칩쪽으로 반사되지 않도록 하는 광 아이솔레이터로 구성된 레이저 다이오드 모듈에 광섬유를 접속시킴에 있어서, 상기 모듈에 페룰을 부착하여 내부로부터 출력되는 광신호를 유도하고 상기 페룰상에 광섬유의 코아를 확장하여 결합한 뒤 상기 광섬유의 코아속에 회절격자를 형성하여 레이저 다이오드로 반사되는 반사광을 차단한 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 모듈.