KR100368790B1 - Method for optical wavelength converter based on laterally coupled semiconductor optical amplifier with semiconductor laser - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 레이저와 반도체-광증폭기의 수평 결합을 이용한 전광 파장변환기의 구현방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 기존의 간섭계 방식을 대신에 수평 결합 방식을 이용하여 파장변환기를 구현토록 하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a method for implementing an all-optical wavelength converter using a horizontal coupling of a semiconductor laser and a semiconductor-optoamp. More specifically, the present invention relates to a technique for implementing a wavelength converter using a horizontal coupling method instead of an existing interferometer method.
본 발명에 의하면 소자의 활성층이 InGaAsP의 다중 양자 우물 구조로 이루어지고 그 상부에 제 1도파로와 제 2도파로를 구비하는 파장변환기의 구현 방법에 있어서, 상기 제 1 및 제 2도파로 중에 적어도 어느 한 쪽의 도파로 양 끝면을 각각 식각한 후 무반사 코팅한 다음 클리빙을 통하여 분리함으로서 반사면과 무반사면을 갖는 파장변환 소자를 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저와 반도체-광증폭기의 수평 결합을 이용한 전광 파장변환기의 구현방법이 제공된다.According to the present invention, the active layer of the device is a multi-quantum well structure of InGaAsP and has a first waveguide and a second waveguide on top of the method of implementing a wavelength converter, at least one of the first and second waveguide All wavelengths using a horizontal combination of a semiconductor laser and a semiconductor-optoelectronic amplifier are formed by etching both ends of the waveguides of the waveguide and then performing anti-reflective coating and then separating through cleaving to form a wavelength conversion element having a reflective surface and an anti-reflective surface. An implementation method of the converter is provided.
따라서, 본 발명의 파장변환기에 따르면 기존의 마흐젠더 간섭계의 구조를 필요치 않으므로 상당히 큰 입력전력의 범위를 갖게 된다. 이는 파장가변 레이저 다이오드(LD) 등의 기존 반도체 레이저의 특징을 살릴 수 있는 장점이 있다. 또한, 광원이 따로 필요치 않으므로 소자의 집적화가 용이하며, 파장 가변성과 제작의 용이성을 제공할 수 있다.Therefore, according to the wavelength converter of the present invention, since the structure of the existing Mahzander interferometer is not required, the wavelength converter has a considerably large input power range. This has the advantage of utilizing the characteristics of the existing semiconductor lasers, such as wavelength tunable laser diode (LD). In addition, since no light source is required, integration of the device is easy, and wavelength variability and ease of manufacture can be provided.
Description
본 발명은 반도체 레이저와 반도체-광증폭기의 수평 결합을 이용한 전광 파장변환기의 구현방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 기존의 간섭계 방식을 대신하여 수평 결합 방식을 이용하여 파장변환기를 구현토록 하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a method for implementing an all-optical wavelength converter using a horizontal coupling of a semiconductor laser and a semiconductor-optoamp. More specifically, the present invention relates to a technique for implementing a wavelength converter using a horizontal coupling method instead of the conventional interferometer method.
멀티미디어의 정보 사회를 구현하기 위해서는 기존 통신망의 한계를 극복해야 하고, 다양한 정보 용량을 수용할 수 있어야 한다. 또한, 다수의 이용자들이 정보를 공유할 수 있는 충분한 대역폭을 갖는 통신기반 기술인 전광 파장변환 소자들을 이용한 파장분할 다중방식의 광통신망 구현이 요구된다.In order to realize a multimedia information society, it is necessary to overcome the limitations of the existing communication network and to accommodate various information capacities. In addition, there is a need for a wavelength division multiplex optical communication network using all-optical wavelength conversion elements, which is a communication-based technology having a sufficient bandwidth for a large number of users to share information.
특히, 전광 네트워크를 구현하는데 있어 각기 다른 파장을 쓰는 망간의 정보연결이나 네트워크 내에서 채널당 사용가능한 파장간의 충돌 현상을 일으키는 문제를 해결해야 한다. 또한, 파장 재사용과 공간 분배(spatial routing)를 위해서는 반드시 파장변환기를 필요로 한다. 이를 위해 많은 방법들이 연구되어 제안되고 있는 실정이다.In particular, in implementing an all-optical network, it is necessary to solve the problem of causing an information connection between networks using different wavelengths or collisions between wavelengths available per channel in the network. In addition, wavelength converters are necessary for wavelength reuse and spatial routing. Many methods have been studied and proposed for this purpose.
이러한 파장변환 방식에는 입력 광신호를 전기적 신호로 바꾸어서 다시 다른 파장의 광신호로 바꾸어주는 광-전기적(Opto-Electronic) 파장변환 방식이 있으며, 입력 광신호의 세기에 따라 광소자의 특성이 변하는 비선형성을 이용한 파장변환 방식인 XGM(cross-gain modulation)과 XPM(cross-phase modulation)이 있다. 또한, 비선형 매질에서 나타나는 광파간의 비선형 상호작용을 이용하는 FWM(four-wave mixing)방식이 있다.The wavelength conversion method includes an opto-electronic wavelength conversion method in which an input optical signal is converted into an electrical signal and then converted into an optical signal having a different wavelength, and nonlinearity in which characteristics of the optical element are changed according to the intensity of the input optical signal. There are XGM (cross-gain modulation) and XPM (cross-phase modulation), which are wavelength conversion methods using the LM. There is also a four-wave mixing (FWM) method that utilizes nonlinear interactions between light waves present in nonlinear media.
그러나, 기존에 제안된 파장 변환기는 많은 장점 뿐만 아니라 그에 따른 문제점을 갖고 있다. 예컨대, FWM 방식은 모든 신호의 변조 형식을 수용할 수 있고, 속도가 빠르며, 많은 채널을 동시에 사용할 수 있다는 장점이 있으나 높은 펌핑 전력이 요구되며, 매우 낮은 변환 효율을 갖는 단점이 있다.However, the conventionally proposed wavelength converter has many advantages as well as problems. For example, the FWM scheme can accommodate the modulation format of all signals, is fast, and can use many channels at the same time, but requires a high pumping power, and has a disadvantage of having a very low conversion efficiency.
그리고, XGM 방식은 구현하기가 쉽고, 높은 전송 속도를 보여줄 수 있으나 매우 큰 처핑과 광 신호가 역변환되는 단점을 갖고 있다.In addition, the XGM method is easy to implement and can show a high transmission rate, but it has disadvantages of very large chirping and inverse conversion of an optical signal.
그리고, XPM 방식은 낮은 처핑과 높은 소광비를 가질 수 있으나 마흐젠더 간섭계를 사용함으로서 입력 전력이 작은 범위만을 허용한다는 단점을 갖고 있다.In addition, the XPM method may have a low chirping and high extinction ratio, but has a disadvantage in that only a small range of input power is allowed by using a Mahzander interferometer.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 반도체 광증폭기와 반도체 레이저를 수평 결합시킨 새로운 구조의 전광 파장변환기를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an all-optical wavelength converter having a novel structure in which a semiconductor optical amplifier and a semiconductor laser are horizontally coupled to each other.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로써 본 발명은As a technical idea for achieving the above object of the present invention
소자의 활성층이 InGaAsP의 다중 양자 우물 구조로 이루어지고, 그 상부에 제 1도파로와 제 2도파로를 구비하는 파장변환기의 구현 방법에 있어서,In the method of implementing a wavelength converter having an active layer of the device is composed of a multi-quantum well structure of InGaAsP, and having a first waveguide and a second waveguide thereon,
상기 제 1 및 제 2도파로 중에 적어도 어느 한 쪽의 도파로 양 끝면을 각각 식각한 후 무반사 코팅한 다음 클리빙을 통하여 분리함으로서 반사면과 무반사면을 갖는 파장변환 소자를 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저와 반도체-광증폭기의 수평 결합을 이용한 전광 파장변환기의 구현방법이 제공된다.A semiconductor laser, characterized in that a wavelength conversion element having a reflective surface and an antireflection surface is formed by etching both end surfaces of at least one of the first and second waveguides, respectively, by antireflective coating, and then separating them through cleaving. A method of implementing an all-optical wavelength converter using a horizontal coupling of a semiconductor and an optical amplifier is provided.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 레이저와 반도체-광증폭기의 수평 결합된 상태를 나타낸 파장변환기의 단면 구조도1 is a cross-sectional structure diagram of a wavelength converter showing a horizontally coupled state of a semiconductor laser and a semiconductor optical amplifier according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 파장변환기의 자체 발진 조건을 만족하는 상태를 나타낸 광파장 스펙트럼2 is an optical wavelength spectrum showing a state that satisfies the self-oscillation condition of the wavelength converter according to the present invention
도 3은 본 발명에 따른 파장변환기의 입력전원에 대한 출력전원의 동작 특성을 나타낸 그래프3 is a graph showing the operation characteristics of the output power to the input power of the wavelength converter according to the present invention
도 4는 본 발명에 따른 파장변환기의 눈열림비(EOR)를 나타낸 그패프4 is a graph showing an eye open ratio (EOR) of a wavelength converter according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
100 : 제 1도파로 100a,100b : 끝면(무반사 코팅부분)100: first waveguide 100a, 100b: end surface (reflective coating portion)
200 : 제 2도파로200: second waveguide
이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the configuration and operation of the embodiment of the present invention will be described in detail.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 레이저와 반도체-광증폭기가 수평 결합된 상태를 나타낸 파장변환기의 단면 구조도이다.1 is a cross-sectional structure diagram of a wavelength converter showing a state in which a semiconductor laser and a semiconductor-optical amplifier are horizontally coupled according to the present invention.
도 1를 살펴보면, 소자의 활성층은 InGaAsP의 다중 양자 우물 구조로 이루어져 있으며, 그 상부에 형성된 두 개의 제 1,2도파로(cavity)(100,200) 중에 한 쪽의 제 1도파로(100)의 양 끝면(100a,100b)을 각각 식각한 후 무반사 코팅(Anti-Reflection coating)한 다음 클리빙(cleaving)을 통하여 분리된 각각의 반사면과 무반사면을 얻게 된다.Referring to FIG. 1, the active layer of the device is formed of a multi-quantum well structure of InGaAsP, and both end surfaces of one of the first waveguides 100 of one of the two first and second waveguides 100 and 200 formed thereon. 100a and 100b) are etched and then subjected to anti-reflection coating, followed by cleaving to obtain separate reflection and reflection surfaces.
이 때, 제 1도파로(100)는 반도체-광증폭기(Semiconductor Optical Amplifire; SOA)로 구성되며, 제 2도파로(200)는 파브리-페롯형 레이저 다이오드(Fabri-Perot type laser diode)로 구성된다.At this time, the first waveguide 100 is composed of a semiconductor optical amplifier (SOA), the second waveguide 200 is composed of a Fabri-Perot type laser diode.
또한, 제 1도파로(100)의 재질로서 반도체-광증폭기 대신에 분포궤환 레이저(Distributed FeedBack laser; DFB)나 DBR 레이저(Distributed Bragg Reflection laser)을 사용하여도 무방하다.As a material of the first waveguide 100, a distributed feedback laser (DFB) or a distributed bragg reflection laser (DBR) laser may be used instead of the semiconductor-optical amplifier.
이는 기존의 파장변환기에서 신호를 넘겨주는 방식인 간섭계 구조를 대신하여 결합기 방식을 이용하여 다른 파장에 신호를 넘겨주게 된다. 따라서, 기존의 간섭계가 갖고 있던 낮은 입력 전력의 문제를 해결할 수 있으며, 한 쪽의 제 1도파로(100)를 레이저 다이오드(LD)로 설계함으로서 LD가 갖고 있는 장점을 그대로 수용할 수 있을 뿐만 아니라 따로 광원이 필요치 않으므로 소자의 집적화가 용이해진다.This is to pass the signal to other wavelengths using the combiner method in place of the interferometer structure, which is the method of passing the signal in the existing wavelength converter. Therefore, it is possible to solve the problem of low input power of the existing interferometer, and by designing one first waveguide 100 as a laser diode (LD), it is possible to accept the advantages of LD as it is, and separately. Since no light source is required, integration of the device is facilitated.
도 2는 파장변환기의 자체 발진 조건을 만족하는 상태를 나타낸 광파장의 스펙트럼으로서 부가적인 광원이 필요치 않고 자체적으로 광원을 생성할 수 있음을보여주기 위한 것이다.FIG. 2 is a spectrum of an optical wavelength showing a state of satisfying a self-oscillation condition of a wavelength converter to show that a light source can be generated by itself without an additional light source.
이는 결합모드 이론으로서 설명할 수 있으며, 두 개의 모드가 약하게 결합되었을 때에는 그 파장의 크기나 전파 상수는 서로 영향을 미치게 된다.This can be explained by the theory of coupling mode, when the two modes are weakly coupled, the magnitude of their wavelength or propagation constant affect each other.
일반적으로, 모드 필드의 자가 재생(self-reproducing)을 위한 정성 조건은In general, the qualitative condition for self-reproducing the mode field is
로 표현할 수 있다. 여기서, U는 독립된 채널 모드의 크기로 표현되는 광 필드의 크기를 나타내는 벡터이며, TROUND는 라운드 트립(round-trip)의 전파 매트릭스를 나타낸다.Can be expressed as Here, U is a vector representing the size of the optical field represented by the size of the independent channel mode, and T ROUND represents a propagation matrix of round-trips.
이는 대각 행렬 형태의 라운드-트립 방정식에서 제 1도파로(100)의 반사율이 제로(0) 즉, 반도체-광증폭기로 구성되어 있더라도 제 2도파로(200)가 적당한 이득과 파장을 갖는다면 라운드-트립 조건을 만족시킬 수 있다.This is true in the diagonal matrix round-trip equation, even if the reflectance of the first waveguide 100 is zero (0), that is, a semiconductor-optical amplifier, even if the second waveguide 200 has a proper gain and wavelength. The condition can be satisfied.
본 발명에서 제안된 소자는 제 1도파로(100)을 반도체-광증폭기로 만들었기 때문에 새로운 λ의 파장을 소자내로 입사시키기가 용이하다. 만일으로 입사된 파장의 영향으로 제 2도파로(200)의로 발진하는 파장을 어떤 형태로든 변조시킬 수 있다면 파장변환기의 구현이 가능하게 된다.The device proposed in the present invention makes the first waveguide 100 a semiconductor-optical amplifier, so that it is easy to inject a new wavelength of λ into the device. if Of the second waveguide 200 under the influence of the incident wavelength If the wavelength can be modulated in any form, the wavelength converter can be implemented.
실제로 제 2도파로(200)는 특정 모드에 대해 아주 큰 증폭율을 갖는 증폭기로 생각할 수 있으며, 새롭게 주입되는 모드의 파장이 발진하는 특정 모드의 시드(seed)에 영향을 준다면 이는 가능하다. 그리고, 위상이 비정합 되더라도 어느범위까지는 광결합 현상이 일어나므로 이는 현실성이 적다.In practice, the second waveguide 200 can be thought of as an amplifier with a very large amplification factor for a particular mode, and this is possible if the wavelength of the newly injected mode affects the seed of a particular mode that oscillates. And even if the phase is mismatched, the optical coupling phenomenon occurs to a certain extent, which is less practical.
즉, 본 발명에 의한 소자는 무반사 코팅된 반도체-증폭기로 구성된 제 1도파로(100)와 전기적으로 제어되는 반사계수를 갖는 제 2도파로(200)로 구성되어 있으므로 제 1도파로(100)에 입사된 외부의 광원에 의해 야기된 캐리어 밀도의 변화는 제 1도파로(100)의 굴절율의 실수부와 허수부의 변화를 가져오게 된다. 이는 전파상수와 결합계수의 변화를 일으킴으로서 결국 제 2도파로(200)의 전파상수와 필드크기의 변화를 일으킨다.That is, the device according to the present invention is composed of a first waveguide 100 composed of an antireflective coated semiconductor amplifier and a second waveguide 200 having an electrically controlled reflection coefficient, which is incident on the first waveguide 100. The change in carrier density caused by the external light source causes a change in the real part and the imaginary part of the refractive index of the first waveguide 100. This causes a change in the propagation constant and the coupling coefficient, which in turn causes a change in the propagation constant and field size of the second waveguide 200.
그 결과로 제 1도파로(100)에 입사시킨 입력단의 입력신호의 강도 변조에 따른 변화를 제 2도파로(200)의 출력포트에서 출력단의 강도 변조된 출력신호로 얻을 수 있다.As a result, a change according to the intensity modulation of the input signal of the input terminal incident on the first waveguide 100 can be obtained as the intensity modulated output signal of the output terminal from the output port of the second waveguide 200.
실제로 도 3에 도시된 바와 같이 λsignal= 1.55㎛, I1(제 1도파로)/I2(제 2도파로)=80/35㎃에 대한 입력전원 대비 출력전원의 동작 특성을 보여준다. - 5dBm 이상에서의 동작에서는 5dB 이상의 소광비(extinction ratio)가 증가됨을 볼 수 있다. 이는 소자의 동작 특성을 보이고, 소자의 장점을 조사하기 위하여 이 소자의 눈열림 패턴(EOR)을 그려 변조 속도를 관찰하는 방법을 사용하였다.In fact, as shown in FIG. 3, the operating characteristics of the output power versus the input power are shown for λ signal = 1.55 μm and I1 (first waveguide) / I2 (second waveguide) = 80/35 μs. -It can be seen that the extinction ratio is increased by more than 5dB in the operation above 5dBm. In order to show the operation characteristics of the device and to investigate the advantages of the device, a method of observing the modulation rate by drawing an eye opening pattern (EOR) of the device was used.
도 4는 본 발명의 소자 특성을 눈열림비(EOR)을 통하여 나타낸 것으로서 눈열림 패턴에서 공간의 최대값과 최소값의 비로서 정의되는 눈열림비를 통하여 변조 대역폭에 대한 의존성을 조사한 것이다.Figure 4 shows the device characteristics of the present invention through the eye opening ratio (EOR) to investigate the dependence on the modulation bandwidth through the eye opening ratio defined as the ratio of the maximum and minimum values of the space in the eye opening pattern.
도 4에 도시된 입력 신호의 소광비는 10dB이고, λsignal= 1.55㎛ 이고,λlasing= 1.561㎛ 이다. 이는 적당한 바이어스 전류와 결합계수를 만족시킨다면 40 G bit까지는 안정된 동작을 수행함을 알 수 있다.The extinction ratio of the input signal shown in FIG. 4 is 10 dB, lambda signal = 1.55 mu m, and lambda lasing = 1.561 mu m. It can be seen that stable operation is performed up to 40 G bit if the proper bias current and coupling coefficient are satisfied.
이상에서와 같이 본 발명에 의한 반도체 레이저와 반도체-광증폭기의 수평 결합을 이용한 전광 파장변환기의 구현방법에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.As described above, according to the implementation method of the all-optical wavelength converter using the horizontal coupling of the semiconductor laser and the semiconductor-opto-amp according to the present invention has the following effects.
첫째, 본 발명에 따르면 기존의 마흐젠더 간섭계의 구조를 필요치 않으므로 상당히 큰 입력전력의 범위를 갖게 된다. 이는 파장가변 레이저 다이오드(LD) 등의 기존 반도체 레이저의 특징을 살릴 수 있는 장점이 있다.First, according to the present invention, since the structure of the existing Mach-Zehnder interferometer is not required, the range of input power is quite large. This has the advantage of utilizing the characteristics of the existing semiconductor lasers, such as wavelength tunable laser diode (LD).
둘째, 본 발명에 따르면 광원이 따로 필요치 않으므로 소자의 집적화가 용이하며, 파장 가변성과 제작의 용이성 등을 제공할 수 있다. 그리고, 정상 상태에서 동작하므로서 처핑 효과가 매우 적음을 알수 있다.Second, according to the present invention, since a separate light source is not required, the device can be easily integrated and provide wavelength variability and ease of fabrication. And, it can be seen that the chirping effect is very small while operating in the steady state.
셋째, 본 발명에 따르면 적당한 전류가 인가되면 기존의 결과에 비하여 우수한 결과를 얻을을 알 수 있다. 이 결과는 전광 소자소자로서 더 빠른 구동능력을 보일 수 있으며, 동시에 재생(regenerating) 및 리쉐이핑(reshaping)의 중요한 특성을 가짐으로서 초고속 디지털 응용에 매우 유용하게 적용할 수 있다.Third, it can be seen that according to the present invention, when a proper current is applied, excellent results are obtained compared to the existing results. The result is a faster driving capability as an all-optical device, and at the same time has the important characteristics of regenerating and reshaping, which is very useful for ultra-high speed digital applications.
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| JPH0667236A (en) * | 1992-08-20 | 1994-03-11 | Furukawa Electric Co Ltd:The | Wavelength conversion element |
| JPH06120585A (en) * | 1992-10-08 | 1994-04-28 | Nec Corp | Laser oxide excitation solid state laser wavelength conversion apparatus |
| JPH1117276A (en) * | 1997-06-20 | 1999-01-22 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Semiconductor device with semiconductor laser and optical amplifier integrated thereon |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20020060523A (en) | 2002-07-18 |
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