KR100398997B1 - 다이오드레이저에서초단펄스를발생시키기위한광학적q-스위칭 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 시스템은, 반도체 프로우브 레이저로부터의 광펄스로 반도체 신호 레이저를 펌핑함으로써 초단광 펄스를 발생시키기 위한 것이다. 신호 레이저는 각각 서로 다른 d.c. 주입 전류 레벨로 동작하는 이중 세그먼트들을 갖는다. 프로우브 레이저는 펄스 입력으로 변조되고, 이 프로우브 레이저의 광출력은 광학 수단을 경유하여 신호 레이저에 결합되어, 신호 레이저를 Q 스위칭한다. 65ps 범위의 광펄스가 발생된다.

Description

다이오드 레이저에서 초단 펄스를 발생시키기 위한 광학적 Q-스위칭
전기 통신산업에서, 비디오, 고밀도 컴퓨터 데이타(high density computer data) 등의 더 많은 통신 서비스의 전달을 가능하게 하기 위해 전송 대역폭을 증가시키는 것에 대한 요구가 점점 더 증가되고 있다. 단일 모드 광섬유(optical fibers)가 광대역 데이타의 전송에 이상적인 매개체로 알려져 있고, 결과적으로, 이러한 특성을 이용하도록 특별히 설계된 전송 시스템들이 계속해서 개발되고 있다. 이러한 시스템들은 파장 분할 멀티플렉싱(wavelength division multiplexing, WDM) 및 시분할 멀티플렉싱(time division multiplexing, TDM) 광자 네트워크들을 포함한다. 제로(RZ) 코딩 및 펄스 위치 코딩(PPC)으로의 복귀에서, 데이타열의 펄스폭이 짧아질수록 시간 슬롯이 짧아져서 TDM 시스템들의 전체 용량이 커진다.
더욱이, 광학 정보 처리(optical information processing) 및 광학 계산 시스템들(optical computing systems)에서, 시간축의 비트 길이를 단축하는 것은 처리 또는 계산을 가속화할 수 있다. 또한 단펄스들에 의해 정확한 신호 트리거링을통해 처리 정확도를 제공한다.
본 발명은, 한 반도체 레이저의 출력을 이용하여 다른 반도체 레이저의 Q-스위칭을 행함으로써 초단 펄스가 광학적으로 발생되는 시스템에 관한 것이다. 또한, 이 시스템은 2개의 레이저들의 파장들 사이에서 파장 변환이 가능하다.
피크 전력 출력을 증가시키고 및/또는 펄스폭을 줄이기 위해서 반도체 레이저 다이오드들의 출력으로 고체 상태 레이저들을 Q-스위칭하는 것이 공지되어 있다.
1993년 3월 9일자로 재허여된 미국 특허 제 34,194호(T.M. Bear)에서, 레이저 다이오드는 50ns 정도의 펄스폭을 갖는 출력 펄스를 생성시키기 위해 Nd : YAG 또는 Nd : YLF의 로드(rod)를 엔드 펌핑(end pump)하는데 사용된다.
1993년 11월 23일자로 Amano에게 허여된 미국 특허 제 5,265,115에서, 반도체 레이저는 레이저 공진기에서 고체 상태 레이저 매체를 펌핑하는데 사용된다. 합성은 발진 조건(oscillation condition)에 관계없이 실제로 일정한 출력 레이저의 빔의 세기를 유지하는데 사용된다.
1994년 2월 1일자로 Mecherle에게 허여된 미국 특허 제 5,283,801호에서, 레이저 다이오드가 공동 덤핑(cavity dumping) 또는 Q-스위칭을 생성시키도록 외부 공진 링(external resonant ring) 공동에서 사용되는 시스템이 개시되어 있다.
1994년 5월 31일자로 Baird외 다수에게 허여된 미국 특허 제 5,317,447호에서, 한 실시예에서 주파수를 레이저 다이오드들의 적외선 출력에서 가시적 또는 근자외선 출력으로 변환시키는 다이오드 펌프 파장 가변 고체 상태 레이저(diode-pumped tunable solid state)가 개시된다.
출원인들이 알고 있는 어떠한 종래의 기술도 초단 출력 펄스들을 발생시키기 위해 특별히 고안된 다이오드 프로우브 레이저에 의해 Q-스위칭되는 다중-세그먼트 다이오드 레이저를 이용하지 않는다.
본 발명은 반도체 레이저(semiconductor lasers)에 관한 것으로, 특히 한 반도체 레이저가 제2 반도체 레이저에 의해 광학적으로 Q-스위칭되어 초단 펄스(ultra short pulse)를 발생하는 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 시스템의 블럭도.
도 2는 신호 레이저의 사시도.
도 3은 프로우브 레이저로부터의 광입력이 있거나 없이 동작하는 신호 레이저의 파장 특성들을 설명하는 도면.
도 4는 프로우브 레이저의 출력 파형의 도면.
도 5는 도 4의 파형으로 펌핑될때의 신호 레이저의 출력 파형의 도면.
도 6은 입력 전력에 대한 신호 레이저에 따른 출력 전력을 그래프로 도시하는 도면.
본 발명의 목적은 한 다이오드 레이저가 다른 다이오드 레이저에 의해 광학적으로 Q-스위칭되는 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 한 프로우브 레이저로부터의 광을 특별히 고안된 신호 레이저로 펌핑함으로써 65ps(FWHM) 정도로 폭이 압축된 단광 펄스(width compressed short optical pulse)를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 프로우브 레이저(probe laser)로부터의 제2 파장의 광으로 제1 파장의 출력을 갖는 신호 레이저를 펌핑함으로써 파장 변환을 제공하는 것이다. 변환이 원리상으로는 단지 이득 스펙트럼에 의해 국한되는 반면에 실제로는 5-50 nm의 범위로 변환된다.
따라서, 본 발명의 제1 측면에 따르면, 단폭 광펄스를 광학적으로 발생시키기 위한 시스템이 제공된다. 이 시스템은 주입된 전류에 응답하여 제1 파장의 레이저 출력을 생성시키도록 다중-양자-웰(multi-quantum-well, MQW) 활성 영역을 갖는 제1 분포 귀환(DFB) 반도체 레이저 (신호 레이저)를 갖는데, 제1 레이저는 한 극성의 공통 접촉부와 반대 극성의 분리된 한 쌍의 접촉부들을 갖는다. 한 쌍의 분리된 접촉부들 각각에 주입 전류를 개별적으로 제공하는 수단이 제공된다. 이 시스템은또한 그 위의 한 접촉부에 공급되는 주입 전류에 응답하여 제2 파장의 레이저 출력을 생생시키도록 활성 영역을 갖는 제2 DFB 레이저(프로우브 레이저)를 갖는다. 양호한 실시예에서, 제2 파장은 제1 파장보다 길다. 변조 입력 전류가 적당한 제공 수단에 의해 제2 레이저에 제공된다. 양호한 실시예에서, 단일 모드 섬유, 분리기, 조정가능 감쇠기, 분극 제어기 및 섬유 결합기를 포함하는 광전송 수단이 제2 레이저의 활성 영역으로부터의 광을 제1 레이저의 활성 영역에 결합시키는데 사용된다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 신호 레이저를 프로우브 레이저로부터의 광으로 Q-스위칭함으로써 단폭 광펄스(예컨대, 65ps)를 발생시키는 방법이 제공된다. 이 방법에 따르면, MQW 활성 영역을 갖는 DFB 반도체 신호 레이저가 제1 파장의 출력을 발생시키도록, 개별적으로 제어 가능한 바이어스 전류를 장치상의 한 극성의 한 쌍의 분리된 접촉부들에 제공함으로써 동작된다. 제2 DFB 다이오드 레이저는 제2 파장의 출력을 생성시키도록 변조 전류에 의해 동작된다. 양호하게는, 제2 파장은 제1 파장보다 더 길다. 제2 레이저의 출력은 Q-스위칭 기능을 제공하기 위해 제1의 공동(cavity)에 광학적으로 결합된다.
도 1은 본 발명의 양호한 실시예에서의 다양한 구성 요소들을 블럭 형태로 도시한 것이다. 이 구성 요소들은 신호 레이저(20)와 프로우브 레이저(22)를 포함한다. 신호 레이저의 보다 나은 이해를 위해, 도 2가 참조될 수 있다. 양호한 실시예에서 신호 레이저(20)는 InGaAsP/InP 시스템과 MOCVD 성장 절차에 기초한다. 그러나, 이해해야 할 것은 다른 반도체 재료들 및 성장 기술들이 신호 및 프로우브 레이저들의 양자의 준비에 사용될 수 있다는 것이다. 예를 들면, 양자 웰 구조는 InGaAs를 내포할 수 있는데, 이런 경우에서는 Ⅲ-Ⅴ 합금계가 InGaAs/InGaAsP/InP로서 정의될 수 있다.
도 2에 설명된 바와 같이, 신호 레이저(20)는 4개의 5.5nm 두께로 1.5 % 압축된 InGaAsP 양자 웰들(26)과 3개의 압축되지 않은 InGaAsP (λg = 1.25 ㎛) 장벽들(28)로 구성되는 다중-양자-웰 활성 영역(24)을 갖는다. 다시, 이것은 예시적인 것일 뿐이고, 본 발명은 이러한 구조에 국한되지 않는다. 대략 65nm의 깊이로 인덱스 커플링하기 위한 제1열 격자(30)가 P형 InGaAsP 층(32)에서 형성되었다. 격자는 포토리쏘그라피 (photolithography) 및 습식 화학 에칭(wet chemical etching)에 의해 형성되었다. p형 InP 층이 격자의 상부에 성장되고, 후속하여 P형 InGaAs 접촉층이 성장된다. 릿지 도파관 구조(34)가 횡측 광학 제한(lateral opticalconfinement)을 위해 구조 내에 형성된다.
SiO2및 Au/Cr이 당기술에 공지된 바와 같이 p형 접촉부를 형성하도록 사용된다. n형 접촉부는 InP 기판측의 상부에 형성된다.
릿지 도파관(34)이 이온 반응성 에칭 채널(ion reactive etching channel)(36)에 의해 분할되어 분리된 접촉부들(40 및 42)을 갖는 한 쌍의 세그먼트들(38 및 39)을 각각 생성시킨다. 여기서 논의된 예시적 실시예에서, 세그먼트들(38 및 39)의 길이는 각각 240 ㎛ 및 120 ㎛이다. 릿지 도파관(34)은 2 ㎛의 명목상의 폭을 갖는다. 세그먼트(38)의 면(43)은 5% 반사 방지 코팅되었고 전면부로서 사용되었다. 세그먼트(38 및 39) 사이의 분리 저항은 대략 800Ω이었다. 상기 저항값은 예로든것 뿐이고, 본 발명은 이 값에 국한되지 않는다. 200Ω보다 더 큰 저항이 적당한 것으로 고려된다. 레이저(20)의 파장은 도 3에 도시된 바와 같이 대략 1563nm이었다. 이 도면에서, 파형B가 프로우브 레이저로부터의 어떠한 광입력 없이 상대적 피크를 보이는 반면 파형A는 프로우브 레이저(22)로부터 광입력이 있는 파장 피크를 나타낸다.
프로우브 레이저(22)는 양호하게 분할된 도파관은 없으나 격자(30)를 가진 분배 귀환(DFB) 구조를 갖는다. 레이저(22)의 파장은 대략 1580nm이었다.
도 1에서 도시된 바와 같이, 신호 레이저(20)에는 각각 전원들(41, 43)을 통해서 접촉부들(40, 42)로 흐르는 제어되는 d.c.전류가 제공된다. 프로우브 레이저(22)에는 전원(45)으로부터의 d.c. 바이어스 전류와 a.c. 제어기(44)에 의해제공되는 변조 성분이 제공된다. 레이저(20과 22)는 모두 펠티에 장치(Peltier devices)(46 및 48) 각각에 의해 온도가 제어된다.
프로우브 레이저(22)의 출력은, 단일 모드 광섬유(50)를 통해 분리기(51), 조정가능 감쇠기(52), 분극 제어기(54), 섬유 결합기(56)를 경유하여 신호 레이저(20)에 결합된다. 결합기(56)는 도 1에 표시된 바와 같이, 5% 및 95%의 출력단들을 갖는다. 결합기(56)를 통한 신호 레이저(20)의 출력은 광분리기(optical isolator)(58)에 전송되고, 조정가능 파장 필터(tunable wavelength filter)(60)를 통해 에르븀 도핑된 섬유 증폭기(EDFA)(61)에 의해서 증대된다. 신호 파형은 22 ㎓ 의 변환기/샘플링 헤드가 구비된 샘플링 오실로스코프(62)를 이용해 측정된다. 광신호들의 파장들은 광스펙트럼 분석기(64)에 의해 감시된다.
여기에 논의된 시작 부분에서, 프로우브 레이저(22)는 도 4의 파형으로 도시된 광출력 신호를 제공하여 50%의 듀티 싸이클로 500 Mbits의 속도로 변조된다. 신호 레이저(30)는 CW 조건 하에서 분리된 p형 접촉부들에 제공되는 서로 다른 주입 전류 레벨들로 동작된다.
여기서 보고된 결과들을 성취하기 위해 신호 레이저를 위한 구동 조건들은 세그먼트(38)에 대해 42mA였고 세그먼트(39)에 대해 28mA였다, 동작 온도는 25.15℃였다. 이전에 설명된 바와 같이, 이 값들은 예일 뿐이지 이 값들에 제한되는 것으로 의도되는 것이 아니다. 이러한 조건들 하에서, 신호 레이저의 출력은 프로우브 레이저의 50%의 듀티 싸이클에서 도 5의 파형으로 도시된 좁은 펄스로 스위칭된다. 출력 펄스폭은 입력 펄스의 하강 시간(falling time)이 약 200ps였을때65ps(FWHM)로 측정되었다. 이 시스템의 기본 파장은 신호 레이저 출력을 1563nm에서 신호 레이저 출력 1580nm으로 스위칭하였는데, 이 시스템의 기본 파장은 1580nm이다.
전술한 결과들은 다음과 같이 설명된다. 신호 레이저가 임계값 이상의 소정 레벨들에서 펌핑되는 경우, 공동 내에 원형 트립을 만드는 신호파에 대한 광학 이득(optical gain) 및 위상(phase) 양자가 외부 광신호에 의해 제어될 수 있다. 신호 레이저가 이득 피크로부티 재조정(detuning)하는 큰 파장을 갖도록 설계되면, 이 신호 레이저는 래싱 조건(lasing condition)을 만족시키도록 더 많은 캐리어들을 펌핑해야만 한다. 다른 한편으로, 이것은 외부로부터 주입된 프로우브 레이저광을 증대시킬 수 있다. 프로우브 광이 캐리어들(광 이득)을 원래의 신호광과 공유하기 때문에, 프로우브 광의 존재는 전체적인 레이저 공동의 Q 값을 빠르게 감소시키고 광학적 Q-스위칭을 유도할 수 있다. MQW 레이저 구조와 2개의 세그먼트 DFB 신호 레이저(20)의 다중 브랙 모드들(multiple Bragg modes) 양자로 인해 펄스폭이 좁을 것으로 여겨진다. MQW 구조에서, 캐리어 수명은 일반적으로 더 짧고 캐리어들은 벌크 카운터파트에 비하여 웰에 우세하게 집중된다. 따라서, 레이저 바이어스 레벨이 Q-스위칭 과정 동안 임계값에 접근했다 해도, 고감도로 단폭 펄스를 관측하는 것이 여전히 가능하다. 다중 브랙 모드들은 프로우브 레이저 신호가 턴 오프되는 경우 장치가 온 상태에서 항상 동작하기 때문에 이득 향상에 의해 동작 속도를 향상시키는 것과 마찬가지의 효과를 제공한다. 이 모드들은 공동에서 새로운 위상 조건들에 따라 더 강해지거나 더 약해질 수 있다.
본 발명의 시스템은 단펄스들을 발생시키는데 있어서 종래의 기술에 비하여 몇 가지 이점을 갖는다. 첫째로, 시스템이 완전하게 광학적이어서, 전형적인 전자 스위칭 네트워크의 내재적인 제한들을 피할 수 있다. 두 번째로는 파장이 변환될 수 있고, 즉, 출력 파장이 입력 파장과 다르다. 더욱이, 광학적 트리거링 때문에, 기생에 의해 부과되는 변조 속도의 제한이 완화된다. 전기-광변환 소자들이 요구되지 않기 때문에, 시스템이 보다 효율적인 비용으로 이루어진다. 결국, 시스템은 펄스 압축을 발생시키는 간단한 기술을 제공한다.
비록 본 발명의 특정 실시예가 설명되고 기술되었지만, 당업자에게는 이 시스템에 있어서 변화들이 있을 수 있다는 것이 명백할 것이다. 그러나, 고려해야할 것은 이러한 변화들이 다음 특허 청구 범위에 의해 한정되는 바와 같은 본 발명의 범주 내에서 이루어져야 한다는 것이다.

Claims (16)

  1. 단폭(shot width) 광 펄스를 광학적으로 발생시키기 위한 시스템에 있어서,
    주입된 전류에 응답하여 제1 파장의 레이저 출력을 발생하는 MQW 활성 영역을 갖고, 한 극성의 공통 접촉부와 반대 극성의 분리된 접촉부 쌍을 갖는 제1 반도체 DFB 레이저;
    상기 분리된 접촉부 쌍 각각에 개별적으로 조정 가능한 주입 전류를 제공하는 수단;
    제2 파장의 레이저 출력을 발생하는 활성 영역을 갖는 제2 반도체 DFB 레이저 -상기 제2 파장이 상기 제1 파장보다 김-;
    상기 제2 레이저에 변조된 입력 전류를 제공하는 수단; 및
    상기 제1 레이저의 활성 영역과 상기 제2 레이저의 활성 영역 사이에 제공되어, 상기 제1 레이저를 상기 제2 레이저의 변조된 출력으로 펌핑하는 광 전송 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 반도체 레이저들이 Ⅲ-Ⅴ 합금 재료로부터 준비되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제2항에 있어서, Ⅲ-Ⅴ 합금 재료가 InGaAsP/InP인 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제2항에 있어서, Ⅲ-Ⅴ 합금 재료가 InGaAs/InGaAsP/InP인 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제1 DFB 레이저가 측면 광학적 제한(lateral optical confinement)을 위한 릿지 도파관을 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 릿지 도파관이 제1 및 제2 분리된 세그먼트들을 형성하도록 접촉부를 통해 횡방향 채널(transverse channel)을 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 분리된 세그먼트 쌍 사이의 전기 저항이 200Ω보다 큰 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 분리된 세그먼트가, 출력을 제공하는 제1 세그먼트의 자유면(free face)에 있어서 상기 제2 분리된 세그먼트보다 큰 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 제1 파장과 제2 파장의 차가 5nm에서 50nm의 범위인 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 레이저가 온도 제어 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제8항에 있어서, 상기 제1 세그먼트의 자유면이 반사 방지 코팅(antireflective coating)되어 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제5항에 있어서, 상기 제1 DFB 레이저가 MQW와 릿지 도파관 사이에 제1열 격자를 갖되, 제1열 격자가 다중 브랙 모드(multiple Bragg modes)를 제공하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 프로우브 DFB 레이저의 광출력에 의해, MQW를 갖는 DFB 이중 세그먼트 신호 레이저를 Q-스위칭함으로써 초단 광펄스(ultra short optical pulse)를 발생시키는 방법에 있어서,
    제1 파장의 출력을 발생시키도록, 상기 이중 세그먼트 각각에 제1 및 제2의 개별적으로 제어 가능한 전류 레벨을 주입함에 의해 상기 신호 레이저를 동작시키는 단계;
    제2 파장의 광펄스를 발생시키도록 변조 전류로 프로우브 DFB 레이저를 동작시키는 단계; 및
    상기 신호 레이저를 Q-스위칭하기 위해, 상기 프로우브 레이저로부터의 광펄스를 상기 신호 레이저에 결합시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제2 파장이 상기 제1 파장보다 긴 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제2 파장과 상기 제1 파장의 차가 5nm에서 50nm의 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 프로우브 레이저로부터의 광 펄스가 상기 신호 레이저의 공동(cavity)에 결합되는 것을 특징으로 하는 방법.
KR1019970703476A 1994-11-23 1995-10-11 다이오드레이저에서초단펄스를발생시키기위한광학적q-스위칭 KR100398997B1 (ko)

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US08/346,939 US5455836A (en) 1994-11-23 1994-11-23 Optical Q-switching to generate ultra short pulses in diode lasers
US08/346,939 1994-11-23

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KR980700715A KR980700715A (ko) 1998-03-30
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