KR100232709B1 - 선택적 광 투과 필터를 구비한 반도체 레이저 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 레이저 모듈을 구성하는 케이싱 내부로 연장된 플랜지의 내측 선단에 일정한 파장의 광만을 선택적으로 투과시킬 수 있는 선택적 광 투과필터를 설치한 것을 그 요지로 하며, 본 발명에 따른 광 투과 필터는 유리 표면에 유전체막을 증착함으로서 형성되며, 이 광 투과 필터는 프레임에 고정된 상태에서 플랜지의 홈에 수용된 프레임의 양축이 플랜지의 홈내에서의 자유로운 회전이 이루어짐에 따라 프레임이 양 축을 기준으로 회전되어 광 투과 필터에 대한 광의 입사각을 조절할 수 있다.

Description

선택적 광 투과 필터를 구비한 반도체 레이저 모듈

본 발명은 반도체 레이저 모듈에 관한 것으로서, 특히 출력되는 광의 파장중 일정한 파장을 가진 광만을 선택적으로 투과시키는 광 투과 필터를 구비한 반도체 레이저 모듈에 관한 것이다.

반도체 레이저 모듈(semiconductor laser module)은 크게 광 통신용과 희토류 원소인 어븀이 첨가된 광섬유 증폭기(erbium doped fiber amplifier : 이하 편의상 “광섬유 증폭기”라 칭함)를 여기(pumping)시키는 용도로 사용되며, 각 용도에 따라 서로 다른 파장의 레이저(이하 편의상 “광”으로 칭함)를 발진시키게 된다. 즉, 광통신에 사용되는 광은 그 파장이 1.3 내지 1.5㎛임에 반하여 광섬유 증폭기의 여기용으로는 0.98㎛ 파장의 광이 이용된다. 광섬유 증폭기를 여기시키기 위하여 0.98㎛ 파장대의 광을 발진하는 레이저 다이오드(laser doide)는 광섬유가 구비된 반도체 레이저 모듈내에 장착되며, 반도체 레이저 모듈의 성능을 좌우하는 주요소로는 광섬유(optical fiber)를 통한 광의 출력과 파장이다. 즉, 출력이 높을수록 광섬유 증폭기의 증폭율을 높일 수 있으며 광의 파장을 0.98㎛로 정확하게 유지할 경우 광섬유 증폭기 시스템의 증폭율을 향상시킬 수 있다.

현재 0.98㎛의 광을 발생시키는 반도체 레이저 모듈의 고출력화는 레이저 다이오드 자체의 고출력화 및 레이저 다이오드와 광섬유 사이의 광결합 효율 향상으로 상당한 수준에 이르러 실용화에는 큰 문제가 없으나, 레이저 모듈에서 출력되는 광의 파장은 레이저 다이오드의 제작 상태 및 구동 조건에 따라 0.98㎛에서 벗어나게 되어 광섬유 증폭기의 여기 효율을 급감시키게 된다. 즉, 최대 이득이 존재하는 파장 영역에서 다중종 모드로 작동하는 레이저 다이오드는 활성 영역의 최대 이득 파장이 제작 상태에 따라 다르게 주어질 뿐만 아니라 구동 전류 인가와 동작 온도 변화등 각종 조건에 따라서 최대 이득 파장이 변화하기 때문에 출력되는 광의 파장이 0.98㎛로 정확하게 유지되지 않는다. 최근에는 레이저 다이오드 자체에 파장 선택성 회절 격자를 내장시키거나 광섬유에 회절 격자를 새겨넣는 방법이 시도되고 있으나 레이저 다이오드의 수율이 낮아지는 반면 모듈 제작비가 높아지는 단점을 가지고 있다. 이와 같은 일반적인 반도체 레이저 모듈의 구성 및 문제점을 제1도를 참고하여 설명하면 다음과 같다.

제1도는 일반적인 반도체 레이저 모듈의 전체저인 구성도로서, 반도체 레이저 모듈(30)은 패캐이지(20)를 구성하는 베이스(1) 및 케이싱(2)으로 이루어지며 베이스(1)와 케이싱(2) 사이에 형성된 공간에 레이저 모듈을 구성하는 다수의 부재가 장착되어 있다. 베이스(1)상에는 열전소자(thermo-electric cooler: 3)가 고정되어 있으며 열전소자(3) 상부에는 세라믹 회로기판(4)과 렌즈(7)를 지지하기 위한 금속제 홀더(holder: 6)가 고정되어 있다. 회로기판(4)상에는 레이저 다이오드(laser diode: 5)가 고정된 블록과 모니터 수광소자가 고정된 블록(8)이 고정되어 있다. 케이스(2) 선단에는 개구(2A)가 형성되어 있으며, 개구(2A) 연변에는 원통형 플랜지(flange: 8)가 고정되어 있다. 플랜지(8)의 외측에는 페룰(10)을 지지하기 위한 페룰 지지대(9)가 고정되며 따라서 페룰(10)은 이 페룰 지지대(9)에 의하여 케이싱(2)에 지지된다. 한편 케이싱(2) 내부로 연장된 플랜지(8)의 내측 선단에는 유리창(13)이 고정되어 있다. 따라서 레이저 다이오드(5)가 위치하는 케이싱(2)과 베이스(1)간의 공간은 완전히 밀폐된 상태를 유지한다. 한편, 페룰(10) 내부에는 광섬유(11)가 삽입, 고정되어 있으며, 광섬유(11)의 광축정렬이 완료된 후 이 페룰 지지대(9)를 레이저 용접 등을 통하여 플랜지(8)에 고정시키게 된다. 한편, 케이싱(2) 선단 외측에는 페룰(10)을 에워싸는 형태의 보호커버(12)가 고정되어 외부 충격으로 인한 페룰(10) 및 광섬유(11)의 유동을 방지하게 된다.

이상과 같은 반도체 레이저 모듈(30)을 구성하는 각 부재의 기능을 설명하면 다음과 같다.

A. 열전 소자(3)는 레이저 다이오드(5)의 작동시 발생하는 열을 베이스(1)로 방출시킴으로서 레이저 다이오드(5)의 동작 온도를 안정적으로 유지시키는 기능을 수행하며,

B. 렌즈(7)는 레이저 다이오드(5)에서 발산된 광을 광섬유(11)가 삽입된 페룰(10)에 접속시키게 되며, 단일 또는 다중 렌즈군으로 구성된다.

C. 유리창(13)은 플랜지(8)에 고정되어 패캐이지(20) 공간을 밀폐시키는 기능을 수행하게 되며, 광 경로상에 위치하므로 광 출력의 손실을 방지하기 위하여 그 양면은 0.98㎛의 파장에 대하여 무반사 코팅되어 있다. 한편, 제1도에 도시된 바와 같이 유리창(13) 및 페룰(10)의 선단은 광축과 직각을 이루지 않도록 경사지게 고정되어 있으며, 이는 레이저 다이오드(5)에서 출력된 광이 유리창(13) 및 페룰(10) 선단에는 반사되는 경우에도 다시 레이저 다이오드(5)로 되돌아가는 것을 방지하여 레이저 다이오드(5)의 광출력과 파장 특성이 불안정해지는 것을 예방하기 위한 것이다.

D. 제1도에 도시된 바와 같은 구성을 가진 반도체 레이저 모듈(30)은 그 광학계가 단순히 집속 렌즈(7) 및 무반사 처리된 투명한 유리창(13)으로만 이루어짐으로서 출력된 광의 파장이 레이저 다이오드(5)의 파장 특성에 의해서만 결정되며, 따라서 레이저 다이오드(5)에서 발진되는 광의 파장이 0.98㎛에 일치할 가능성이 매우 적을 뿐만 아니라 파장이 0.98㎛에 일치하더라도 광 출력을 높이기 위하여 구동 전류를 증가시킴에 따라 파장이 0.98㎛보다 장파장으로 이동하여 광섬유 증폭기의 여기 효율이 저하되는 문제점이 발생된다.

본 발명은 반도체 레이저 모듈에서 발생되는 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 레이저 다이오드에서 발진된 광중 일정한 파장을 가진 광만을 선택적으로 투과시키는 광 투과 필터를 조절가능하게 설치함으로서 광섬유 증폭기의 여기 효율을 향상시킬 수 있는 반도체 레이저 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 실현하기 위한 본 발명은 패캐이지를 구성하는 베이스 및 케이스와, 상기 베이스상에 고정된 다수의 열전소자와, 상기 열전소자 상부에 고정된 세라믹 회로기판 및 렌즈와, 상기 회로기판상에 고정된 레이저 다이오드와, 상기 케이스 선단의 개구 연변에 고정된 원통형 플랜지에 고정되어 광섬유를 지지하는 페룰과, 상기 플랜지 선단에 부착되어 상기 패캐이지를 밀폐시키는 유리창으로 이루어지는 반도체 레이저 모듈에 있어서, 상기 케이싱 내부로 연장된 상기 플랜지의 내측 선단에 유리창 대신에 일정한 파장의 광만을 선택적으로 투과시킬 수 있는 선택적 광 투과 필터를 설치하여 레이저 다이오드 후면과 광섬유 입사면으로 구성되는 외부 공진기에 의해 선택된 파장에서만 레이저 공진하도록 한 것을 특징으로 한다.

제1도는 일반적인 반도체 레이저 모듈의 전체적인 구성도.

제2도는 본 발명에 따른 선택적 광 투과 필터의 정면도.

제3도는 제2도의 선택적 광 투과 필터를 지지하기 위한 플랜지의 일부 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 베이스 2 : 케이싱

5 : 레이저 다이오드 7 : 렌즈

8 : 플랜지 9 : 페룰 지지대

10 : 페룰 11 : 광섬유

40 : 광 투과 필터 41 : 프레임

42 및 43 : 축 44 : 노브

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 반도체 레이저 모듈의 전체적인 구성은 제1도에 도시된 일반적인 반도체 레이저 모듈의 구성과 동일하다. 즉, 본 발명 역시 패캐이지를 구성하는 베이스(1) 및 케이싱(2)으로 이루어지며 베이스(1)와 케이싱(2) 사이에 형성된 공간에 레이저 모듈을 구성하는 다수의 부재가 장착되어 있다. 베이스(1)상에는 다수의 열전소자(3)가 고정되어 있으며 열전소자(3) 상부에는 세라믹 회로기판(4)과 렌즈(7)를 지지하기 위한 금속제 홀더(6)가 고정되어 있다. 회로기판(4)상에는 레이저 다이오드(laser diode: 5)가 고정된 블록과 모니터 수광소자가 고정된 블록(8)이 고정되어 있다. 케이싱(2) 선단에는 개구(2A)가 형성되어 있으며, 개구(2A)연변에는 원통형 플랜지(8)가 고정되어 있다. 플랜지(8)의 외측에는 페룰(0)을 지지하기 위한 페룰 지지대(9)가 고정되며 따라서 페룰(10)은 이 페룰 지지대(9)에 의하여 플랜지(8)에 지지된다.(상술한 바와같이 페룰(10) 내부에는 광섬유(11)가 삽입, 고정되어 있다). 광섬유의 광축정렬이 완료된 후 이 페룰 지지대(9)를 레이저 용접 등을 통하여 플랜지(8)에 고정시키게 된다. 한편, 케에싱(2) 선단 외측에는 페룰(10)을 에워싸는 형태의 보호커버(12)가 고정되어 외부충격으로 인한 페룰(10) 및 광섬유(11)의 유동을 방지하게 된다.

본 발명의 가장 큰 특징은 케이싱(2) 내부로 연장된 플랜지(8)의 내측 선단에 유리창 대신 일정한 파장의 광만을 선택적으로 투과시킬 수 있는 선택적 광 투과 필터(40)를 설치한 점이다. 보다 상세히 설명하면, 제2도는 본 발명에 따른 광투과 필터의 정면도로서, 프레임(41)의 내부에 광 투과 필터(40)가 고정된 상태를 도시하고 있다. 프레임(41)의 양측에는 수평으로 연장된 축(42 및 43)이 형성되어 있으며, 상단에는 프레임(41)의 각도를 조절하기 위한 노브(44: knob)가 위치한다.

프레임(41)에 고정된 광 투과 필터(40)은 투명한 유리의 표면에 박막의 유전체(dielectric)를 증착한 것으로서, 이러한 광 투과 필터(40)는 설정된 입사각(예를들어 15°)의 광에 대하여 투과 중심 파장이 0.98㎛이며, 투과되는 광 파장의 오차범위가 ±0.01㎛인 광영역 투과필터(optical band pass filter)의 특성을 갖는다. 이는 유전체막을 형성한 필터일지라도 유리 표면에 유전체막을 증착하는 과정에서 발생하는 증착두께의 오차로 인하여 투과 중심파장이 정확하게 0.98㎛에 일치하지 않기 때문이며, 이러한 파장범위를 보정하기 위하여 본 발명에서는 광 투과 필터(40)가 고정된 프레임(41)의 플랜지(8)에 대한 각도, 즉 광축에 대한 각도를 조절할 수 있도록 구성하였다.

제3도는 제2도에 도시된 선택적 광 투과 필터를 지지하는 플랜지의 일부 단면도로서, 케이싱(제1도의 2) 내측으로 연장된 플랜지(8)의 선단부를 도시한다. 플랜지(8)의 선단의 양측에는 프레임(41)의 양측에 수평으로 연장된 축(42 및 43)을 수용하는 홈(8A: 1개만이 도시됨)이 형성되어 있으며, 상부에는 프레임(41), 상단에 형성된 노브(44)를 수용하는 일정 길이의 개구(8B)가 형성되어 있다.

플랜지(8)의 홈(8A)에 수용된 프레임(41)의 양 축(42 및 43)은 홈(8A)내에서 자유로운 회전이 가능하며, 개구(8B)에 수용된 노브(44)는 개구(8B)의 구성방향, 즉 제3도의 A 및 B 방향으로의 이동이 이루어진다. 따라서 노브(44)의 개구(8B)를 따르는 이동에 따라 프레임(41: 즉 광 투과 필터)은 양 축(42 및 43)을 기준으로 하는 자전(自轉)이 가능하며, 결과적으로 광 투과 필터(40)에 대한 광(제3도의 C)의 입사각이 자유롭게 변환될 수 있다.

이상과 같은 선택적 광 투과 필터를 이용한 본 발명의 동작원리는 다음과 같다.

0.98㎛ 파장의 광을 발진하는 레이저 다이오드(5: 전면은 무반사막을, 후면을 고반사막을 각각 형성하여 발진된 광의 대부분이 전면으로 진행되도록 제조됨)에 구동 전류를 인가하여 최대 이득을 얻을 수 있는 0.98㎛의 파장을 가진 광을 중심으로 넓은 파장 범위에 걸친 자연방출광(spontaneous emission)이 발진된다. 이 광이 프레임(41)에 고정된 광 투과 필터(40)를 통과하는 과정에서 0.98㎛ 파장을 가진 광만이 필터(40)를 투과하여 페룰(제1도의 10)에 삽입된 광섬유(11)에 도달하게 되며, 나머지 범위의 파장을 가진 광은 광 투과 필터(40) 표면에서 반사되어 케이싱(2) 내부로 조사된다. 여기서 제3도에 도시된 바와같이 광 투과 필터(40)를 광축(C)과 수직이 아닌 일정한 각도로 경사지게 설치한 이유는 광 투과 필터(40) 표면에서 반사된 광이 레이저 다이오드(5)로 입사되는 것을 방지하기 위한 것이다.

광섬유(11)에 도달한 0.98㎛ 파장의 광 대부분(약 96%)은 광섬유를 통하여 전송되며 나머지 4%의 광은 광섬유(11) 표면에서 반사되어 다시 광 투과 필터(40)를 거쳐 레이저 다이오드(5)로 궤환함으로서 레이저 다이오드(5)의 발진 파장은 0.98㎛로 고정된다. 이때, 본 발명의 페룰(10)의 선단은 기존의 경사진 모양 대신에 광축과 직각을 이루도록 되어 있어(결과적으로 페룰(10)내에 고정된 광섬유(11)도 직각의 단면을 갖음) 0.98㎛ 파장의 광이 레이저 다이오드(5)로 궤환할 수 있다. 즉, 0.98㎛ 파장의 광만을 투과시키는 광 투과 필터(40)를 사이에 두고 레이저 다이오드(5)의 후면과 반사율이 4%인 광섬유(11) 표면이 공진기를 형성함으로써 레이저 다이오드(5)의 최대이득 파장과 상관없이 공진기를 왕복할 수 있는 0.98㎛ 파장의 광만이 발진하는 것이다.

한편, 상술한 바와같이 광 투과 필터(40)는 그 표면에서 반사된 광이 레이저 다이오드(5)로 입사되는 것을 방지하기 위하여 광축(C)에 대하여 일정한 각도를 가지고 경사지게 설치되며, 따라서 광 투과 필터(40)는 이와같이 경사진 상태에서 0.98㎛ 파장의 광만이 투과될 수 있도록 제조하여야 한다. 그러나 실제 광 투과 필터(40)의 제조시 발생하는 광 파장의 투과 중심파장의 오차범위가 0.98㎛±0.01㎛정도로 나타나게 되므로서 광 투과 필터(40)가 고정된 프레임(41)을 조절하여 이를 보정할 수 있다.

즉, 프레임(41)의 상단에 형성된 노브(44)를 이용하여 프레임(41)을 양축(42 및 43)을 중심으로 미세하게 회전시킴으로서 광축(C)에 대한 광 투과 필터(40)의 경사각을 조절할 수 있어 결과적으로 광 투과 중심파장의 오차범위를 보상할 수 있게 된다. 광 투과 필터(40)의 각도가 ±1.0도 변화할 경우 광 투과 필터(40)의 투과 중심파장은 ±0.0045㎛정도 변화시킬수 있어 투과되는 광의 정확한 파장을 선택할수 있음은 물론이다. 여기서 광 투과 필터(40)가 고정된 프레임(41)의 직경은 플랜지(8)의 내경보다 작게 이루어지며, 조정이 완료된 프레임(41)은 패캐이지 내부가 밀폐될 수 있도록 플랜지(8)에 납땜(soldering)시킴으로 완전하게 고정된다.

이상과 같은 본 발명은 반도체 레이저 모듈 제작시 설정된 파장의 광만을 선택적으로 투과시킬 수 있는 광 투과 필터를 설치함으로서 레이저 다이오드의 제작조건 및 구동조건에 좌우됨이 없이 출력되는 광의 파장을 항상 일정하게 유지할 수 있으며, 일정한 파장의 광을 이용하여 원하는 작업을 실행할 수 있다. 또한 광 투과 필터의 위치(각도)를 조절하여 투과될 수 있는 광의 파장을 용도에 맞추어 조절할 수 있는 우수한 효과를 기대할 수 있다.

Claims (3)

1. 패캐이지를 구성하는 베이스 및 케이스와, 상기 베이스상에 고정된 다수의 열전소자와, 상기 열전소자 상부에 고정된 세라믹 회로기판 및 렌즈와, 상기 회로 기판상에 고정된 레이저 다이오드와, 상기 케이스 선단의 개구 연변에 고정된 원통형 플랜지에 고정되어 광섬유를 지지하는 페룰과, 상기 플랜지 선단에 부착되어 상기 패캐이지를 밀폐시키는 유리창으로 이루어진 반도체 레이저 모듈에 있어서, 상기 케이싱 내부로 연장된 상기 플랜지의 내측 선단에 유리창 대신에 일정한 파장의 광만을 선택적으로 투과시킬 수 있는 선택적 광 투과 필터를 설치하고 상기 광섬유를 광섬유축에 대하여 직각인 입사 단면을 가지도록 구성함으로써 레이저 다이오드 후면과 광섬유 입사면으로 구성되는 외부 공진기에 의해 선택된 파장에서만 레이저 공진하도록 한 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 모듈.
2. 제1항에 있어서, 상기 레이저 다이오드는 전면 출력면에 무반사막이 형성되고 후면 출력면에 고반사막이 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 모듈.
3. 제1항에 있어서, 상기 광 투과 필터는 프레임에 고정되며, 상기 프레임은 그 양측에 수평으로 연장된 축이 형성되어 있으며, 상단에는 각도를 조절하기 위한 노브가 형성되며, 상기 프레임이 설치되는 플랜지는 그 양측에 상기 프레임 양측의 축을 수용하는 홈이 형성되어 있으며, 상부에는 상기 프레임, 상단의 노브를 수용하는 개구가 형성되어 있어 상기 플랜지의 홈에 수용된 상기 프레임의 양 축은 상기 홈내에서의 자유로운 회전이 가능하며, 상기 개구에 수용된 노브는 개구의 구성방향으로의 이동이 이루어져 상기 프레임이 양 축을 기준으로 회전되어 상기 광 투과 필터에 대한 광의 입사각이 조절할수 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 모듈.