KR100420796B1 - 반도체양자점 광증폭모듈 및 이를 이용한 광전송 시스템 - Google Patents

반도체양자점 광증폭모듈 및 이를 이용한 광전송 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 파장분할다중(WDM) 광통신시스템을 위한 광증폭모듈 및 광전송시스템에 관한 것으로서, 증폭수단으로 반도체양자점 광증폭기를 사용함으로써 이득의 편광의존도 및 채널간 신호누화가 없으면서 기존의 광섬유증폭기가 해결할 수 없는 넓은 증폭대역을 가질 수 있는 반도체양자점 광증폭모듈 및, 여러 개의 광증폭모듈을 연결하여 사용할 때 반도체양자점 광증폭모듈을 사용함으로써 자동으로 이득이 평탄화되며, 채널수나 입력신호의 크기가 달라지더라도 자동으로 이득이 고정되는 광전송시스템을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명의 반도체양자점 광증폭모듈은 중계기, 메트로 WDM 시스템의 증폭기, 그리고 WDM 방식의 다른 시스템의 증폭용으로 사용할 수 있다. 또한 본 발명의 반도체양자점 광증폭모듈을 이용한 광전송시스템은 광증폭모듈을 여러번 통과하게 되는 WDM 방식 장거리 전송시스템과 WDM 네트워크에 사용할 수 있다.

Description

반도체양자점 광증폭모듈 및 이를 이용한 광전송 시스템{Semiconductor quantum dot optical amplification modules and optical transmission systems employing those modules}
본 발명은 광통신에 관한 것으로서, 자세하게는 파장분할다중(WDM) 광통신시스템에 적합한 특성을 가지면서 기존의 광증폭기로는 증폭할 수 없었던 파장 대역을 포함한 넓은 이득 대역을 가지는 반도체양자점 광증폭모듈을 형성하고, 상기 광증폭모듈을 이용하여 여러개의 광증폭기가 연결된 광전송시스템에서 자동으로 이득평탄화가 이루어지고 채널수의 변화가 있더라도 자동으로 이득이 고정되도록 만들기 위한, 반도체양자점 광증폭모듈 및 이를 이용한 광전송 시스템에 관한 것이다.
최근 들어 한 개의 광섬유에 서로 다른 파장을 가진 많은 수의 채널을 싣는 파장분할다중(이하 'WDM'으로 표기) 방식의 광통신이 등장하면서 통신용량의 급격한 증가가 가능해졌다.
도 1은 종래 장거리 WDM 광통신에서의 광전송시스템 구성도이고, 도 2는 종래 WDM 네트워크에서의 광전송시스템 구성도이다.
이러한 WDM 시스템에서는 도 1의 종래 광전송 시스템이나 도 2의 종래 WDM 네트워크에서 보여주는 바와 같이, 여러 파장을 한번에 증폭하고 대부분 여러개의 증폭기(1101, 1102, …, 110N)를 사용하게 된다. 그러나, 이 경우 이득이 파장에 대해 동일하지 않으면 마지막 수신단에서 채널간의 광세기의 차이가 너무 커지는 문제가 생긴다. 즉, 여러개의 증폭기(1101, 1102, …, 110N)를 지나게 되면 각파장에서의 이득이 곱해지는 현상이 발생하기 때문에, 처음에는 이득이 비슷하더라도 지나가는 증폭기의 수에 따라 이득차이가 아주 커지는 문제가 발생한다.
도 2에서와 같이, 종래 WDM 네트워크의 경우 일부 채널의 추가/탈락(add/drop)이 있게되어 채널수에 변동을 가져오게 되고 따라서 입력신호의 세기가 변하게 된다. 종래의 광섬유증폭기의 경우 입력신호의 세기에 따라 이득 스펙트럼이 달라지기 때문에 이득이 평탄화된 광증폭기의 경우도 채널에 따라 신호의 세기가 크게 달라지고 남은 채널에서의 이득도 크게 변하기 때문에 신호의 수신에 큰 문제가 발생된다.
도 3은 종래의 에르븀첨가광섬유증폭기가 연결된 광전송 시스템에서의 이득 스펙트럼 측정결과를 나타낸 도면으로, 1550nm의 큰 신호는 증폭된 입력광을 나타내며 넓은 영역에 걸쳐있는 선이 이득의 평탄도를 나타낸다. 곡선A는 1개의 광증폭기를 사용하여 증폭한 경우를, 곡선B는 30개의 증폭기가 연결되어 증폭된 경우의 이득결과를 나타내고 있다. 도시한 바와 같이 도 3에는 한 개의 증폭기를 통과하였을 때는 1532nm와 1557nm 에서의 이득 차이가 1 dB 이내이지만 30개의 증폭기를 통과한 경우 그 차이가 24 dB에 이름을 잘 보여주고 있어 신호광이 여러개의 증폭기(1101, 1102, …, 110N)를 통과하면서 발생되는 이러한 문제점이 잘 나타나 있다.
이런 특성은 에르븀첨가광섬유증폭기가 균질확대(homogeneous broadening)의 경향이 크기 때문에 나타나게 된다. 도 4는 종래 이득평탄 광섬유증폭기의 구성도로, 상기의 문제를 개선하기 위해 각 파장마다 적절한 손실을 주도록 이득평탄필터(145)를 광증폭기에 삽입하여 전체적으로 이득이 평탄해지도록 설계한광증폭기가 잘 나타나고 있다.
그러나, 이 경우 하나의 증폭기에서 이득을 미세하게 조정하는 것은 매우 어렵다. 아울러 이러한 이득조정을 한 하나의 증폭기에서 이득 차이가 l dB 이내라 하더라도, 여러단의 광증폭기, 예를 들어 100개의 광증폭기를 지나게 되면 수십 dB 이상의 이득차이가 발생하게 된다. 또한 이러한 이득평탄필터(145)를 가진 광증폭기는 입력되는 신호의 세기가 바뀌거나 채널수가 달라지게 되면 설계된 광증폭기의 이득평탄도가 나빠지는 문제점을 가지게 된다.
WDM 방식의 광통신은 한 개의 광섬유에 서로 다른 파장을 가진 많은 수의 채널을 싣는 방법으로 급격하게 통신량을 증가시킬 수 있으며 이에 따라 이득 대역이 넓으면 더 많은 신호량을 보낼 수 있다. 현재의 통신량 증가추세가 계속되면 머지않아 현재 사용하는 광섬유증폭기의 사용가능 대역인 70 nm로는 대처하기 어려울 것이라고 예측된다. 따라서 광섬유의 낮은 흡수대역인 1250 nm에서 1650 nm 까지의 영역을 다 사용할 필요가 있으며 이를 위한 광증폭기가 필요해 질 것이다.
도 5는 종래의 라만광섬유증폭기에 대한 이득스펙트럼 결과도이다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 종래 라만광섬유증폭기는 광섬유에서의 비선형 현상을 이용하여 증폭대역을 넓힘으로써, 통신용량을 증가시키려는 용도로 사용되고 있다. 이러한 종래 라만광섬유증폭기에서 충분한 이득을 얻기 위해서는 단일모드 광섬유내에 l W 정도의 강한 여기광이 필요하지만, 이러한 광원은 부피가 크고 전력소모가 많아 실용적이지 못하다. 또한 한 개의 광원으로부터 얻을 수 있는 증폭대역은 도 5에서 보여주듯이 약 20 nm정도이다. 따라서 넓은 영역의 증폭이득을 얻기 위해서는 많은 수의 고출력소자들이 추가적으로 필요하기 때문에, 실제 시스템에 사용하는 데는 어려움이 많다.
도 6은 종래 반도체광증폭기에서의 입력광 편광에 따른 이득 스펙트럼의 결과도이다.
도시한 바와 같이, 종래의 반도체 광증폭기는 입력 신호의 편광에 따라 이득이 크게 달라져[M. Asada, A. Kameyama, and Y. Suematsu, "Gain and intervalence band absorption in quantum-well lasers", IEEE J. Quantum Electronics, QE-2, 745-753 (1984)] 편광이 시간에 따라 불규칙하게 변하는 광전송시스템에서는 이득의 크기가 불규칙하게 변해버리는 문제점이 있어 실제 시스템에 사용하기는 거의 불가능하였다. 또한 파장분할다중 광통신시스템 같이 여러 파장이 같이 증폭되는 시스템에서는 균질확대(homogeneous broadening)이 크기 때문에 채널간 이득 간섭이 심각하여 통신용 광증폭기로는 사실상 실용화가 불가능하였다.
아울러, 향후 전송용량이 증가함에 따라 이러한 넓은 이득 대역의 광증폭시스템이 많이 필요할 것으로 예상된다. 이러한 넓은 이득 대역의 광증폭시스템은 장거리 전송에서의 중계기, 송신단의 후치증폭기 또는 수신단의 전치증폭기, 그리고 최근 메트로 WDM 시스템에서도 반드시 필요하다.
따라서, 전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 파장분할다중(WDM) 광통신시스템에 적합한 특성을 가지면서 기존의 광증폭기로는 증폭할 수 없었던 파장 대역을 포함한 넓은 이득 대역을 가지는 반도체양자점 광증폭모듈을 형성하고, 상기 광증폭모듈을 이용하여 자동으로 이득을 평탄화시키고 채널의 변화가 있더라도 자동으로 이득을 고정시킬수 있는, 반도체양자점 광증폭모듈 및 이를 이용한 광전송 시스템에 대한 기술을 제공함에 있다.
도 1은 종래 장거리 WDM 광통신에서의 광전송시스템 구성도.
도 2는 종래 WDM 네트워크에서의 광전송시스템 구성도.
도 3은 종래의 에르븀첨가광섬유증폭기가 연결된 광전송 시스템에서의 이득 스펙트럼 측정결과를 나타낸 도면.
도 4는 종래 이득평탄 광섬유증폭기의 구성도.
도 5는 종래의 라만광섬유증폭기에 대한 이득스펙트럼 결과도.
도 6은 종래 반도체광증폭기에서의 입력광 편광에 따른 이득 스펙트럼의 결과도.
도 7a는 본 발명의 일실시예에서 이용하는 반도체양자점 광증폭기의 구조를 설명하기 위한 도면.
도 7b는 도 7a의 반도체양자점 광증폭기에서의 입력 편광에 따른 이득 스펙트럼의 결과를 설명하기 위한 도면.
도 8a 내지 도 8e는 본 발명의 일실시예에 따라 도 7a의 반도체 양자점 광증폭기를 이용한 반도체 광증폭모듈의 구조를 설명하기 위한 도면.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체양자점 광증폭모듈을 이용한 광전송 시스템의 블록도.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 WDM 네트워크에서의 반도체양자점 광증폭모듈을 이용한 광전송시스템의 구성도.
도 11은 본 실시예에 따른 광전송시스템의 각 채널에서의 이득 동작 특성을 나타낸 도면.
도 12는 본 실시예에 따른 광전송시스템의 이득 스펙트럼을 나타낸 도면.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
30 : 반도체기판 32 : 제1도전형 클래드층
34 : 양자점 활성층 36 : 제2도전형 클래드층
41 : 아이솔레이터 42 : 광섬유
43 : 반도체양자점 광증폭기 44 : 파장분할다중화기
45 : 광섬유증폭기
501, 502 : 파장분할다중화기
5101, 5102, …, 510N: 반도체양자점 광증폭모듈
5201, 5202, …, 520N: 아이솔레이터
5301, 5302, …, 530N: 멀티플렉서
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체양자점 광증폭모듈은,
반도체기판(substrate); 상기 반도체 기판 상부에 형성되어 상기 광신호의 증폭에 필요한 전도성 입자들이 통과하는 제1도전형 클래드층; 상기 제1도전형 클래드층의 상부에 접하여 형성되며, 입사된 상기 광신호를 증폭시키는 양자점들이 층을 이루어 내포되어 있는 양자점 활성층; 상기 양자점 활성층의 상부에 접하여 형성되고 상기 제1도전형 클래드층과 대응을 이루도록 동작하여 증폭에 필요한 전도성 입자들이 통과하는 제2도전형 클래드층을 포함하여 입사되는 광신호를 반도체 양자점의 활성 작동을 통해 증폭하는 반도체양자점 광증폭기; 및, 상기 반도체양자점 광증폭기에 광신호를 전달하는 광섬유를 포함하고 있다.
아울러 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 반도체양자점 광증폭모듈은,
상기 신호광의 입사부분에 위치하여 상기 광신호를 적어도 하나 이상의 파장대역으로 분할하는 제1파장분할다중화기; 상기 제1파장분할다중화기로부터 분할된 대역에 각각 결합되고, 입사된 광신호 각각을 반도체 양자점의 활성 작동을 통해 증폭하는 적어도 하나 이상의 반도체양자점 광증폭기들; 상기 적어도 하나 이상의 반도체양자점 광증폭기들로부터 증폭된 광신호 각각을 결합하여 출력하는 제2파장분할다중화기; 및, 상기 각 광증폭모듈의 각 구성부들을 결합하여 광신호를 전달하는 광섬유를 포함하고 있다.
또한, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체양자점 광증폭모듈을 이용한 광전송시스템은, 광신호를 전송하는 광전송시스템에 있어서,
적어도 하나 이상의 서로 다른 파장의 채널이 하나의 광신호로 결합되어 출력되는 입력부; 상기 입력부로부의 광신호를 입력받아 상기 서로 다른 파장의 채널을 증폭하도록 적어도 하나 이상의 반도체양자점 광증폭모듈이 일정거리로 배열된 증폭부; 상기 증폭부로부터 전송된 광신호를 적어도 하나 이상의 서로 다른 파장의 채널로 분할하는 출력부; 및, 상기 광전송시스템에 포함되는 각 구성부들간을 서로 연결시키는 전송부를 포함하고 있다.
아울러 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 반도체양자점 광증폭모듈을 이용한 광전송시스템은, 네트워크에서의 광신호를 전송하는 광전송시스템에 있어서,
적어도 하나 이상의 반도체양자점 광증폭모듈을 포함하여 전송되는 광신호를 구간별로 증폭시키는 증폭부; 및, 상기 광신호를 외부와 통신이 가능하도록 주고 받기 위한 입출력부를 포함하고 있다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 장파장대역용 에르븀첨가 광섬유증폭기의 실시예들을 자세히 설명한다.
도 7a는 본 발명의 일실시예에서 이용하는 반도체양자점 광증폭기의 구조를, 도 7b는 도 7a의 반도체양자점 광증폭기에서의 입력 편광에 따른 이득 스펙트럼의결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 7a에 도시한 바와 같이, 본 실시예에서 이용하는 반도체 양자점 광증폭기는 반도체기판(30, substrate) 상부로부터 제1도전형 클래드층(32), 양자점 활성층(34), 제2도전형 클래드층(36) 순으로 증착된 반도체층들을 포함하여 구성된다.
도 7a와 같이, 본 반도체 양자점 광증폭기의 한쪽에서 입사된 신호광은 양자점 활성층(34)의 불연속적인 에너지 레벨들에서 증폭되어 반대쪽으로 출사된다.
이러한 양자점 활성층(34)은 도시한 바와 같이, 여러층의 양자점으로 이루어 질 수 있다. 양자점 활성층(34)을 이루고 있는 각 층의 에너지레벨(energy level)은 본 실시예에 따른 반도체 양자점 광증폭기가 사용되는 특성에 따라 서로 같거나 다르게 조절하는 것이 가능하다. 이러한 에너지 레벨의 변화는 양자점의 크기를 다르게 조성함으로써 조절할 수 있다. 또한 양자점 활성층(34)의 사이사이에 서로 다른 에너지갭(energy gap)을 갖는 배리어 물질(barrier material)을 증착시키는 것으로 가능하다.
본 실시예에서 이용하는 반도체 양자점 광증폭기는 도 7b에 도시한 바와 같이, 증폭이득을 제공하는 활성층을 반도체 양자점으로 사용함으로써 기존의 반도체광증폭기의 문제였던 이득의 편광의존도를 해결할 수 있다. 즉 반도체 양자점 광증폭기에 서로 다른 방향에서 입사한 광신호의 두 이득특성곡선(TM, TE)이 파장의 영역대에 걸쳐서 거의 동일한 이득을 나타내고 있음을 알 수 있다.
반도체 양자점 광증폭기의 경우 양자점 활성층(34)에 구속된 운반자가 모든방향으로 제한되어 있어 활성 매질의 구조에 따른 편광의존도가 거의 나타나지 않게 된다. 따라서 시간에 따라 불규칙하게 변하는 광통신시스템에 사용하기가 어려웠던 종래 반도체 광증폭기에 대한 문제를 해결하였다. 아울러 이와 같은 사실은 최근의 Herrmann 등의 논문에 의해 양자점 활성층의 편광에 따른 이득을 측정한 결과, 주된 증폭대역인 양자점의 기저상태에서 그 차이가 없음이 확인된 바 있다[E. Herrmann et al, "Modal gain and internal optical mode loss of a quantum dot laser", Applied Physics Letters, 77, 163-165, 2000].
또한 본 실시예에서 이용하는 반도체 양자점 광증폭기는 증폭이득을 제공하는 활성층을 반도체 양자점으로 사용함으로써 기존의 반도체 광증폭기의 문제였던 인접 채널간 신호 누화 현상을 해결할 수 있다. 양자우물구조를 활성층으로 사용한 기존의 반도체 광증폭기의 경우 해당 에너지 레벨의 균질확대(homogeneous broadening)가 비교적 커서 파장분할다중시스템 같이 여러 개의 인접한 파장이 같이 증폭되는 광통신시스템에서는 인접 채널간 이득 간섭이 심각하게 나타나는 신호누화 현상으로 사실상 실용화가 불가능하였다. 그러나 반도체 양자점의 경우 에너지 레벨의 불연속성으로 인하여 균질확대가 충분히 적어지게 되고 이 경우 고밀도파장분할다중 광통신시스템같이 인접 채널간 간격이 매우 작은 경우에도 신호누화 현상이 없게 되어 기존의 반도체 광증폭기가 가졌던 어려운 문제점을 해결할 수 있다.
도 8a 내지 도 8e는 본 발명의 일실시예에 따라 도 7a의 반도체 양자점 광증폭기를 이용한 반도체 광증폭모듈의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 이러한 본 실시예의 반도체 광증폭모듈에 있어서, 도 8a는 단일형을, 도 8b는 병렬형을, 도 8c는 복합병렬형을, 도 8d는 직렬형을, 그리고 도 8e는 종래 광증폭기와의 병렬결합형을 각각 나타낸다.
먼저 도 8a와 같이, 반도체 광증폭모듈에 대한 단일형태의 제1예는 2개의 아이솔레이터(41), 광섬유(42), 그리고 반도체양자점 광증폭기(43)를 포함하여 구성된다. 이러한 제1예의 단일형 반도체 광증폭모듈에서는 신호광의 입사부분에 하나의 아이솔레이터(41)가 위치하고 중간의 연결통로로 광섬유가 연결되어 있다. 이후 입사된 광신호는 반도체 양자점 광증폭기에서 증폭된 다음, 다시 하나의 아이솔레이터(41)를 통하여 출력된다.
도 8a에 나타낸 본 발명의 반도체 양자점 광증폭모듈에 대한 단일형태의 제1예는 채택된 반도체양자점 광증폭기(43)에서 양자점의 크기나 양자점을 싸고 있는 배리어 물질을 변화시킴으로써 광섬유의 사용가능 전 영역에서 이득을 가지도록 만들 수 있다. 현재 보고된 방에 의하면 양자점의 발광영역이 1.3μm보다 짧은 영역에서는 GaAs를 기판으로 하는 In(Ga)As 양자점(G. Park et al, "Room-temperature continuous-wave operation of a single-layered 1.3 um quantum dot laser", Appl. Phys. Lett. 75, 3267-3269 (1999), U. H. Lee et al, "Optical characteristics of self-assembled InAs/GaAs quantum dots at various temperatures and excitations", J. Korean Phys. Soc. 37, 593-597 (2000))이, 1.3μm보다 긴 영역에서는 InP를 기판으로 하는 InAs 양자점이 각각 이미 발표된 바 있다(W. G. Jeong et al, "Epitaxial growth and optical characterization ofInAs/InGaAsP/InP self-assembled quantum dots", Appl. Phys. Lett. 78, 1171-1173 (2001)).
도 8b에 나타낸 본 발명의 반도체 양자점 광증폭모듈에 대한 병렬형태의 제2예는 광신호의 입사부분과 출사부분에 2개의 파장분할다중화기(44)가 위치하고 있으며, 중간에 병렬형태로 반도체양자점 광증폭기(43)들이 병렬로 결합된 형태를 취하고 있다.
도 8c에 나타낸 본 발명의 반도체 양자점 광증폭모듈에 대한 복합병렬형태의 제3예는 파장분할다중화기(44)들을 복합적으로 배치하고, 여기에 각각 반도체양자점 광증폭기(43)들이 병렬적으로 결합된 형태를 취하고 있다.
도 8d에 나타낸 본 발명의 반도체 양자점 광증폭모듈에 대한 직렬형태의 제4예는 반도체양자점 광증폭기(43)들이 직렬로 배치된 형태를 취하고 있다. 여기서 짧은 파장대역의 신호는 앞쪽의 반도체양자점 광증폭기(43)에서 증폭되어 파장분할다중화기(44)와 직접연결 광섬유(42a)를 통해 긴 파장대역의 신호가 증폭되는 반도체양자점 광증폭기(43)를 거치지 않도록 앞뒤에서 직접 연결하는 예를 보이고 있다.
도 8e에 나타낸 본 발명의 반도체 양자점 광증폭모듈에 대한 종래 광증폭기와 병렬결합형의 제5예는, 종래의 광섬유증폭기(45)와 함께 결합하여 본 발명의 실시예에 따른 반도체 양자점 광증폭모듈을 형성할 수 있음을 보이고 있다.
전술한 실시예들에 의한 본 발명의 반도체 양자점 광증폭모듈에서는 광섬유의 손실이 충분히 적은 약 1.2μm에서 1.7μm까지의 넓은 영역에서 충분한 이득을가지도록 설계할 수 있다. 아울러 본 발명의 반도체 양자점 광증폭모듈은 반도체 양자점 광증폭기를 사용하기 때문에 부피가 아주 작으며, 양자점의 상태밀도 특성상 문턱 전류가 작아 전력도 적게 소모하는 등 다양한 잇점이 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체양자점 광증폭모듈을 이용한 광전송 시스템의 블록도이다.
도시한 바와 같이, 본 실시예의 광전송시스템은 입사측과 출사측에 각각 제1 및 제2의 파장분할다중화기(501, 502)가 위치하여 입력부 및 출력부를 형성하고 있으며, 그 사이에 다수의 반도체양자점 광증폭모듈(5101, 5102, …, 510N; QDOA)에 의해 증폭부가 구성된다. 따라서 넓은 파장대역의 광신호가 제1파장분할다중화기(501)로 입사되면, 중간의 반도체양자점 광증폭모듈(5101, 5102, …, 510N; QDOA)에서 전송에 필요한 만큼이 증폭되면서 전송된다. 그리고 최초 광신호는 입력부의 제1파장분할다중화기(501)에 의해 결합되어 전송된 다음, 출력부의 제2 파장분할다중화기(502)에서 다수의 파장신호로 분할된다. 그리고 이러한 본 실시예의 반도체양자점 광증폭모듈에서 상기 각각의 구성부는 광섬유를 총칭하는 전송부에 의해 각 신호가 전송된다.
이러한 본 실시예에 따른 광전송시스템은 비균질확대(inhomogeneous broadening) 성질이 강한 반도체 양자점 광증폭모듈을 사용함으로써, 여러개의 증폭기를 통과하면서 이득의 스펙트럼 변화가 전혀 다르게 나타나게 된다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 WDM 네트워크에서의 반도체양자점 광증폭모듈을 이용한 광전송시스템의 구성도이다.
도시한 바와 같이, 본 실시예의 반도체양자점 광증폭모듈을 이용한 광전송시스템은 다수의 반도체양자점 광증폭모듈(5101, 5102, …, 510N; QDOA), 다수의 아이솔레이터(5201, 5202, …, 520N) 그리고 다수의 멀티플렉서(5301, 5302, …, 530N)를 포함하고 있다.
증폭부를 구성하는 다수의 반도체양자점 광증폭모듈(5101, 5102, …, 510N; QDOA)은 반도체양자점 광증폭기를 포함하고 있어 전송되는 광신호를 구간에서 증폭하는 기능을 수행한다. 그리고 다수의 아이솔레이터(5201, 5202, …, 520N)는 각각의 구간별로 나누어 광신호 전송을 위한 노드를 구성함으로써, 노드부를 형성한다. 신호의 입출력을 담당하는 다수의 멀티플렉서(5301, 5302, …, 530N)는 입출력부를 구성하며, 본 실시예에 따른 WDM 네트워크에서의 광전송을 외부와 연계시키는 부분이다.
이러한 본 실시예의 전송시스템도 광증폭모듈이 반도체양자점 광증폭모듈로 이루어져 여러개의 광증폭모듈을 통과하더라도 이득평탄도를 유지하고 채널의 이득이 고정되는 성능을 발휘한다.
상기의 여러 실시예에서 아이솔레이터 (41, 5201, 5202, …, 520N)는 광통신시스템의 특성 또는 필요에 따라 사용하지 않을 수도 있다.
도 11은 본 실시예에 따른 광전송시스템의 각 채널에서의 동작특성을 나타낸도면이다.
이러한 광전송시스템은 많은 수의 증폭기가 연결되어 사용되므로써, 레이저와 거의 같은 효과를 얻을 수 있다. 레이저의 경우 발진조건은 포화이득값과 손실값이 동일하게 되는 특성이 있는 데, 본 광전송시스템의 증폭기의 경우는 포화이득값과 구간손실값이 같아지는 경우로 점근해 가도록 동작하게 된다. 따라서 본 발명에 따른 광전송시스템은 평탄한 이득을 보이기 때문에 이득이 고정된 듯한 특성을 보이며, 안정된 상태로 작동한다.
도 12는 본 실시예에 따른 광전송시스템의 이득 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도시한 바와 같이, 본 실시에의 광전송시스템은 이득이 국소적으로 작아지는 홀버닝(hole burning) 현상을 나타낸다. 따라서 이러한 홀버닝(hole burning) 현상으로 인해, 도 11과 같이 광세기가 커지면 커질수록 그에 따른 홀버닝(hole burning)도 커져 신호의 증가비율이 감소하게 된다. 이러한 현상은 다른 파장에서도 같은 경향을 보이며, 따라서 사용하는 모든 파장에서 증폭이득이 동일한 구간손실로 점근해 가게 된다. 이 경우 처음 몇 개의 증폭기를 통과할 때는 이득이 높은 파장에서 광세기가 더 커지게 되지만, 그 이후에는 아무리 통과하는 증폭기의 수가 많다하더라도 모든 채널에서 같은 이득을 가지기 때문에 더 이상 파장에 따른 신호의 세기 차이가 커지지 않는다.
이러한 본 실시예의 광전송시스템의 뛰어난 효과로 인해 수신단에서 발생된 수 dB 이내의 신호세기 차이는 전송시스템에서 문제가 되지 않는다. 따라서, 반도체양자점 광증폭기만을 연결하는 단순한 방법으로도 초장거리 전송시스템에서 아주 심각한 이득불균일 문제가 간단하게 해소된다.
WDM 네트워크의 경우 일부 채널의 추가/탈락(add/drop)이 있게 되어 입력신호의 세기가 변화할 수 있으며 구간마다 손실이 일정하지 않은 문제가 있을 수 있다. 그러나, 본 발명의 광전송시스템은 비균질확대(inhomogeneous broadening)성질이 강한 반도체 양자점 광증폭모듈을 사용하기 때문에 이러한 채널 추가/탈락(add/drop)과 구간손실 변동 문제를 해결할 수 있다.
비균질확대 성질의 광증폭기에서는 광증폭기에 주어지는 여기에너지가 일정하면 거의 같은 이득 스펙트럼을 가지게 된다. 따라서 몇 채널의 탈락으로 인해 전체 입력신호가 감소하더라도 다른 채널의 이득, 또는 출력에 별 영향을 주지 못한다. 또한 구간손실의 변동이 있더라도 도 11에서 보여주는 것과 같이 자동이득조절이 각 파장에서 이루어지기 때문에 출력의 세기와 평탄도가 유지되는 특성을 가지게 된다. 기술한 바와 같이 다른 복잡한 방법없이 반도체 양자점 광증폭모듈만 연결하여 사용하면 이득 및 출력 고정이 되어 어려운 문제점이 간단하게 해소되어 WDM 광통신 시스템이 아주 간단하게 된다.
본 발명의 반도체 양자점 광증폭모듈의 경우 양자점의 근본적인 특성상 비균질확대(inhomogeneous broadening) 특성이 강하게 나타나기 때문에 광증폭기가 여러번 사용되는 광통신시스템에서 이득평탄, 이득 고정, 그리고 신호 누화면에서 우수한 특성을 보이면서도, 크기, 전력사용, 사용가능 대역 등에서 아주 우수한 특성을 발휘한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.
이상 상술한 바와 같이 본 발명의 반도체 양자점 광증폭 모듈은 입력신호에 대한 편광의존도가 없으며 고밀도파장분할다중 광통신시스템에서도 인접 채널간 누화현상이 없다는 특징을 가진다. 또한, 서로 다른 이득 대역을 가진 여러 개의 양자점 광증폭기를 직렬, 병렬, 또는 그 조합으로 연결하여 광섬유의 손실이 작은 1.2μm 에서 1.7μm까지의 전 영역에서 충분한 이득을 나타낸다. 아울러 본 발명의 반도체 양자점 광증폭모듈은 이러한 특성을 가지면서 크기가 작고 전력 소모가 작기 때문에 기존의 광섬유증폭기로 가능하였던 대역에서도 경쟁력을 가질 수 있을 것이며, 장거리 전송시스템의 중계기, 송신단의 후치증폭기, 수신단의 전치증폭기, 메트로 WDM 시스템, 그리고 그 외 신호의 증폭이 필요한 시스템 등 다양한 분야에 사용될 수 있을 것으로 예상된다.
그리고 반도체양자점 광증폭모듈을 이용한 광전송시스템은, 광증폭모듈이 여러개 연결된 통신 시스템의 경우 각 채널의 이득을 같게 해주기 위한 이득평탄화 소자 없이도 마지막에 출력되는 신호의 이득 평탄화가 이루어지기 때문에 시스템 설계에 유리하다. 또한 채널수의 변동이나 구간간의 손실차이에서 오는 문제점들도자동으로 해결하는 뛰어난 기능을 발휘한다.

Claims (10)

  1. 반도체기판(substrate);
    상기 반도체 기판 상부에 형성되어 상기 광신호의 증폭에 필요한 전도성 입자들이 통과하는 제1도전형 클래드층;
    상기 제1도전형 클래드층의 상부에 접하여 형성되며, 입사된 상기 광신호를 증폭시키는 양자점들이 층을 이루어 내포되어 있는 양자점 활성층; 및
    상기 양자점 활성층의 상부에 접하여 형성되고 상기 제1도전형 클래드층과 대응을 이루도록 동작하여 증폭에 필요한 전도성 입자들이 통과하는 제2도전형 클래드층;을 포함하여 입사되는 광신호를 반도체 양자점의 활성 작동을 통해 증폭하는 것을 특징으로 하는 반도체양자점 광증폭기.
  2. 신호광의 입사부분에 위치하여 상기 광신호를 적어도 하나 이상의 파장대역으로 분할하는 제1파장분할다중화기; 상기 제1파장분할다중화기로부터 분할된 대역에 각각 결합되고, 입사된 광신호 각각을 적어도 하나 이상의 반도체 광증폭기; 상기 반도체 광증폭기로부터 증폭된 광신호 각각을 결합하여 출력하는 제2파장분할다중화기; 상기 각 구성부들을 결합하여 광신호를 전달하는 광섬유를 포함하는 반도체 광증폭모듈에 있어서, 상기 반도체광폭기는,
    반도체기판(substrate);
    상기 반도체 기판 상부에 형성되어 상기 광신호의 증폭에 필요한 전도성 입자들이 통과하는 제1도전형 클래드층;
    상기 제1도전형 클래드층의 상부에 접하여 형성되며, 입사된 상기 광신호를 증폭시키는 양자점들이 층을 이루어 내포되어 있는 양자점 활성층; 및
    상기 양자점 활성층의 상부에 접하여 형성되고 상기 제1도전형 클래드층과 대응을 이루도록 동작하여 증폭에 필요한 전도성 입자들이 통과하는 제2도전형 클래드층;을 포함하여 입사되는 광신호를 반도체 양자점의 활성 작동을 통해 증폭하는 것을 특징으로 하는 반도체 광증폭모듈.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제1 및/또는 제2파장분할다중화기는
    2단 이상의 분리된 또 다른 파장분할다중화기와 연결되는 것을 특징으로 하는, 반도체 광증폭모듈.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 반도체양자점 광증폭기는,
    또 다른 하나 이상의 반도체양자점 광증폭기와 결합되는 것을 특징으로 하는, 반도체 광증폭모듈.
  5. 제 1항 내지 제4항의 어느 한 항에 있어서 반도체 양자점 광증폭기 어느 한쪽에는 아이솔레이터를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 광증폭모듈.
  6. 적어도 하나 이상의 서로 다른 파장의 채널이 하나의 광신호로 결합되어 출력되는 입력부; 상기 입력부로부의 광신호를 입력받아 상기 서로 다른 파장의 채널을 증폭하도록 적어도 하나 이상의 반도체 광증폭모듈이 일정거리로 배열된 증폭부; 상기 증폭부로부터 전송된 광신호를 적어도 하나 이상의 서로 다른 파장의 채널로 분할하는 출력부; 및 상기 광전송시스템에 포함되는 각 구성부들간을 서로 연결시키는 전송부를 포함하는 반도체 광증폭모듈을 이용한 광전송시스템에 있어서, 상기 반도체 광증폭모듈을 구성하는 반도체 광증폭기는,
    반도체기판(substrate);
    상기 반도체 기판 상부에 형성되어 상기 광신호의 증폭에 필요한 전도성 입자들이 통과하는 제1도전형 클래드층;
    상기 제1도전형 클래드층의 상부에 접하여 형성되며, 입사된 상기 광신호를 증폭시키는 양자점들이 층을 이루어 내포되어 있는 양자점 활성층; 및
    상기 양자점 활성층의 상부에 접하여 형성되고 상기 제1도전형 클래드층과 대응을 이루도록 동작하여 증폭에 필요한 전도성 입자들이 통과하는 제2도전형 클래드층;을 포함하여 입사되는 광신호를 반도체 양자점의 활성 작동을 통해 증폭하는 것을 특징으로 하는 반도체 광증폭모듈을 이용한 광전송시스템.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 입력부 및/또는 출력부는
    파장분할다중화기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 반도체 광증폭모듈을 이용한 광전송시스템.
  8. 적어도 하나 이상의 반도체 광증폭모듈을 포함하여 전송되는 광신호를 구간별로 증폭시키는 증폭부; 및 상기 광신호를 외부와 통신이 가능하도록 주고 받기 위한 입출력부를 포함하는 반도체 광증폭모듈을 이용한 광전송시스템에 있어서, 상기 반도체 광증폭모듈을 구성하는 반도체 광증폭기는,
    반도체기판(substrate);
    상기 반도체 기판 상부에 형성되어 상기 광신호의 증폭에 필요한 전도성 입자들이 통과하는 제1도전형 클래드층;
    상기 제1도전형 클래드층의 상부에 접하여 형성되며, 입사된 상기 광신호를 증폭시키는 양자점들이 층을 이루어 내포되어 있는 양자점 활성층; 및
    상기 양자점 활성층의 상부에 접하여 형성되고 상기 제1도전형 클래드층과 대응을 이루도록 동작하여 증폭에 필요한 전도성 입자들이 통과하는 제2도전형 클래드층;을 포함하여 입사되는 광신호를 반도체 양자점의 활성 작동을 통해 증폭하는 것을 특징으로 하는 반도체 광증폭모듈을 이용한 광전송시스템.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 입출력부는
    외부와의 신호 연계를 위한 멀티플렉서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 반도체 광증폭모듈을 이용한 광전송시스템.
  10. 제 6항 내지 제9항의 어느 한 항에 있어서
    반도체 양자점 광증폭기 어느 한쪽에는 아이솔레이터를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 광증폭모듈을 이용한 광전송시스템
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