KR100442066B1 - 상부 펌핑방식의 광소자 - Google Patents

Abstract

펌프 광원에서 나온 펌핑광을 이득매질 구조로 효율적으로 전달할 수 있는 상부 펌핑방식의 광소자에 대해 개시한다. 본 발명의 주요 특징은, 상부 펌핑방식의 광소자가, 펌핑광을 이득매질 구조로 전달하는 광 유도 구조체, 예컨대 광 파이프 또는 타원체 반사기를 더 구비한다는 것이다. 본 발명에 따르면, 상부 펌핑방식의 광소자의 펌핑 효율을 획기적으로 높일 수 있다.

Description

상부 펌핑방식의 광소자 {Top-pumped optical device}

본 발명은 상부 펌핑방식의 광소자에 관한 것으로, 특히 펌프 광원에서 나온 펌핑광을 이득매질 구조로 효율적으로 전달하는 광 유도 구조체를 구비함으로써 펌핑 효율을 높일 수 있는 상부 펌핑방식의 광소자에 관한 것이다.

현재, 광 펌핑에 의한 이득을 제공하는 PLC(Planar Lightwave Circuit)의 대부분은 펌프 광원으로서 레이저를 이용하며, 이 펌프 광원에서 나오는 빛을 광섬유에 의해 상기 PLC의 펌핑 대상 이득매질 구조체의 광 합파기에 커플링하는 엔드-파이어(end-fire)방식을 적용하고 있다. 그런데, 레이저 광원은 고가이며, 엔드-파이어 방식은 PLC의 집적화(integration)에 취약하다는 문제점을 가지므로, 이를 개선하기 위해 저가의 LED 광원을 펌프 광원으로 사용하고, 펌프 광원에서 나온 광을 이득매질 구조체에 대해 상부에서 쪼여주는 상부 펌핑방식이 최근 제안되었다. 그런데, 엔드-파이어 방식에 의하면 펌프 광원에서 나오는 빛은 광도파로를 따라서 전달되므로 거의 모두 이득매질 구조체에 커플링할 수 있음에 반하여 최근 개발된 상부 펌핑방식에 의하면 펌프 광원에서 나오는 빛은 신호의 광도파로에 수직하게 입사되므로, 이 펌프광이 모두 이득매질 구조체 안으로 유도되지 않는다면 실질적인 펌프파워는 광원에서 나오는 파워보다 훨씬 약하며, 이 때문에 여기(excitation) 효율이 낮을 우려가 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 상부 펌핑을 행하면서도 펌프 광원에서 나오는 광을 이득매질 구조체 안으로 효율적으로 유도할 수 있는 광소자를 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 상부 펌핑방식의 광 도파로 증폭기의 개략적 단면도; 및

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 상부 펌핑방식의 광 도파로 증폭기의 개략적 단면도이다.

* 도면 중의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

100 : 기판

110 : 하부 클래딩층

120 : 도파로

130 : 상부 클래딩층

140 : 광 파이프

142 : 타원체 반사기

150 : LED 광원

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제1 관점에 따른 상부 펌핑방식의 광소자는: 기판과; 상기 기판 상에 형성된 하부 클래딩층과; 상기 하부 클래딩층 상에 형성되며, 펌핑광의 흡수에 의해 여기되는 이득매질 구조와; 상기 이득매질 구조의 상부에 위치하며, 상기 이득매질 구조를 상부에서 펌핑하기 위한 광을 내보내는 광원과; 상기 광원과 대면하는 부분에 광 입사면을, 상기 이득매질 구조와 대면하는 부분에 광 출사면을 각각 가지며, 상기 광원으로부터 나온 광을 상기 이득매질 구조로 전달하는 유도로 역할을 하는 광 파이프를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 광 파이프는 직립 기둥형태를 가질 수도 있지만, 상기 광원의 크기가 상기 이득매질 구조보다 더 클 경우, 상기 광 파이프가 원뿔대 또는 각뿔대의 형태를 가질 수도 있다.

한편, 상기 광 파이프의 내부는 비어 있을 수도 채워져 있을 수도 있는데, 비어 있다면 그 내면에 광 반사면을 형성하는 것이 바람직하며, 채워져 있다면 상기 광 파이프의 굴절률이 상기 광 파이프의 외부 물질의 굴절률보다 높도록 상기광 파이프의 재질을 선택하여 상기 광원으로부터 나온 광이 전반사에 의해 상기 이득매질 구조로 전달되게 하고, 이와 더불어 그 외면에 광 반사면을 더 형성하는 것이 바람직하다.

상기 이득매질 구조 상에 상부 클래딩층을 더 형성할 수도 있는데, 이 경우에는, 상기 상부 클래딩층이 상기 펌프 광원에서 나오는 광을 투과하는 물질로 만들어지는 것이 바람직하다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제2 관점에 따른 상부 펌핑방식의 광소자는: 기판과; 상기 기판 상에 형성된 하부 클래딩층과; 상기 하부 클래딩층 상에 형성되며, 펌핑광의 흡수에 의해 여기되는 이득매질 구조와; 상기 이득매질 구조의 상부에 위치하며, 상기 이득매질 구조를 상부에서 펌핑하기 위한 광을 내보내는 광원과; 제1 및 제2의 두 개의 초점을 가지면서 상기 광원을 둘러싸되 상기 제2 초점을 포함한 자신의 일부가 제거된 타원체 반사기를 구비하되, 상기 광원이 상기 타원체 반사기의 제1 초점에 위치하고, 상기 이득매질 구조가 상기 타원체 반사기의 제2 초점에 위치하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 타원체 반사기의 내부는 비어 있을 수도 채워져 있을 수도 있는데, 비어 있다면 그 내면에 광 반사면을 형성하고, 채워져 있다면 타원체 반사기의 굴절률이 그 외부 물질의 굴절률보다 높도록 상기 타원체 반사기의 재질을 선택하여 상기 광원으로부터 나온 광이 전반사에 의해 상기 이득매질 구조로 전달되게 하고, 이와 더불어 그 외면에 광 반사면을 더 형성하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 실시예에 있어서, 상부 펌핑방식의 광소자 중에서 대표적인 광 도파로 증폭기에 대해 설명하기로 한다.

[제1 실시예]

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 상부 펌핑방식의 광 도파로 증폭기의 개략적 단면도이다. 도 1을 참조하면, 기판(100) 상에 실리카로 이루어진 하부 클래딩층(110)이 형성되어 있고, 그 위에 나노결정과 희토류 원소가 공동 도핑된 실리카 계열물질로 이루어진 코어층이 도파로(120)로서 형성되어 있다. 도파로(120) 위에는, 펌프 광원인 LED 광원(150)으로부터 나온 펌프광을 투과시켜 펌프광이 도파로(120)에 도달하게 해주는 재질로 만들어진 상부 클래딩층(130)이 형성된다. 한편, LED 광원(150)과 상부 클래딩층(130) 사이에는 자신의 외면이 반사면으로 코팅되고 원뿔대 형태를 갖는 유리재질의 광 파이프(140)가 설치되어 LED 광원(150)에서 나온 펌프광을 전반사 및 외면에서의 반사에 의해 손실 없이 도파로(120)에 흡수시키는 역할을 수행한다. 본 실시예에서는 광 파이프(140)가 원뿔대 형태를 갖는 것으로 설명했지만, 이에 제한되는 것은 아니고, 직립 기둥형태, 더욱 상세히는 직립 원기둥이나 직립 다면 기둥형태를 가질 수도 있다. 또한, 본 실시예에서는, 공기보다 굴절률이 높은 재질인 유리의 외면에 반사면을 마련한 것을 사용하여 전반사 및 외면에서의 반사에 의해 펌프광을 도파로에 유도하였으나, 광 파이프의 내부가 빈 것을 사용하고 그 내면에 광 반사면을 형성하여도 무방하다.

[제2 실시예]

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 상부 펌핑방식의 광 도파로 증폭기의개략적 단면도이다. 도 2에서 도 1의 참조부호와 동일한 것은 동일 구성요소를 나타내므로 중복적인 설명은 피하기로 한다.

도 2를 참조하면, 기판(100) 상에 하부 클래딩층(110), 도파로(120) 및 상부 클래딩층(130)이 차례로 형성되어 있는데 이는 도 1의 경우와 동일하다. 한편, LED 광원(150)은 자신의 일부가 제거된 타원체 반사기(ellipsoidal reflector; 142)에 의해 둘러싸여져 있다. 타원체 반사기(142)의 제1 초점에는 LED 광원(150)이 위치하며, 제거된 부분에 포함되어 있는 제2 초점에는 도파로(120)가 위치한다. 원리 상, 타원체(ellipsoid)는 2개의 초점을 가진다. 제1 초점에 광원을 설치하여 광을 내보내서 타원체의 벽면에서 반사시키면 반사광은 제2 초점을 향해 집속되는 성질을 가진다. 따라서, LED 광원(150)에서 나온 펌프광이 제2 초점에 있는 도파로(120)에 모이게 된다. 타원체 반사기(142)는 내부가 채워진 유리로 만들어지며, 그 외면에 광 반사면을 갖도록 코팅된다. 또한, 타원체 반사기(142)의 굴절률이 그 외부 물질의 굴절률보다 높도록 타원체 반사기(142)의 재질을 선택하여 LED 광원(150)으로부터 나온 광이 전반사 및 외면에서의 반사에 의해 상기 이득매질 구조로 전달되게 한다. 이와 같이 타원체 반사기(142)의 내부가 채워져 있는 경우에는, LED 광원(150)을 타원체 반사기(142) 내에 삽입함으로써 고정시킨다. 내부가 비어있는 타원체 반사기를 사용할 경우에는, 그 내면에 광 반사면을 갖도록 하는 것이 바람직하다. 그러나, 이 경우에는 LED 광원(150)을 제1 초점에 고정하기 위한 지지대(미도시)가 더 필요함은 자명하다.

상기한 바와 같이 본 발명의 실시예가 설명되었으나 이는 한정적인 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

따라서, 본 발명의 상부 펌핑방식의 광소자는 광 펌핑에 의한 이득을 통해 동작되는 PLC(Planar Lightwave Circuit), 예컨대 광 스플리터, 광 분파기, 광 합파기, AWG(Arrayed Waveguide Grating) 등에도 사용될 수 있다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따르면 펌프 광원에서 나온 펌핑광을 이득매질 구조로 효율적으로 전달할 수 있기 때문에 펌핑 효율을 높일 수 있는 상부 펌핑방식의 광소자의 제공이 가능하다.

Claims (9)

1. 기판과;

   상기 기판 상에 형성된 하부 클래딩층과;

   상기 하부 클래딩층 상에 형성되며, 펌핑광의 흡수에 의해 여기되는 이득매질 구조와;

   상기 이득매질 구조의 상부에 위치하며, 상기 이득매질 구조를 상부에서 펌핑하기 위한 광을 내보내는 광원과;

   상기 광원과 대면하는 부분에 광 입사면을, 상기 이득매질 구조와 대면하는 부분에 광 출사면을 각각 가지며, 상기 광원으로부터 나온 광을 상기 이득매질 구조로 전달하는 유도로 역할을 하는 광 파이프;

   를 구비하는 상부 펌핑방식의 광소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 광 파이프가 직립 기둥형태를 갖는 것을 특징으로 하는 상부 펌핑방식의 광소자.
3. 제1항에 있어서, 상기 광원의 크기가 상기 이득매질 구조보다 더 클 경우, 상기 광 파이프가 원뿔대 또는 각뿔대의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 상부 펌핑방식의 광소자.
4. 제1항에 있어서, 상기 광 파이프의 내부가 비어 있으며, 그 내면에 광 반사면을 갖는 것을 특징으로 하는 상부 펌핑방식의 광소자.
5. 제1항에 있어서, 상기 광 파이프의 내부가 채워져 있으며, 상기 광 파이프의 굴절률이 상기 광 파이프의 외부 물질의 굴절률보다 높고 그 외면에 반사면이 형성되어 있어서, 상기 광원으로부터의 광이 전반사 및 외면에서의 반사에 의해 상기 이득매질 구조로 전달되게 하는 것을 특징으로 하는 상부 펌핑방식의 광소자.
6. 제1항에 있어서, 상기 이득매질 구조 상에 형성된 상부 클래딩층을 더 구비하되, 상기 상부 클래딩층이 상기 펌프 광원에서 나오는 광을 투과하는 물질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 상부 펌핑방식의 광소자.
7. 기판과;

   상기 기판 상에 형성된 하부 클래딩층과;

   상기 하부 클래딩층 상에 형성되며, 펌핑광의 흡수에 의해 여기되는 이득매질 구조와;

   상기 이득매질 구조의 상부에 위치하며, 상기 이득매질 구조를 상부에서 펌핑하기 위한 광을 내보내는 광원과;

   제1 및 제2의 두 개의 초점을 가지면서 상기 광원을 둘러싸되 상기 제2 초점을 포함한 자신의 일부가 제거된 타원체 반사기;

   을 구비하되,

   상기 광원이 상기 타원체 반사기의 제1 초점에 위치하고, 상기 이득매질 구조가 상기 타원체 반사기의 제2 초점에 위치하는 것을 특징으로 하는 상부 펌핑방식의 광소자.
8. 제7항에 있어서, 상기 타원체 반사기의 내부가 비어 있으며, 그 내면에 광 반사면을 갖는 것을 특징으로 하는 상부 펌핑방식의 광소자.
9. 제7항에 있어서, 상기 타원체 반사기의 내부가 채워져 있으며, 상기 타원체 반사기의 굴절률이 상기 타원체 반사기의 외부 물질의 굴절률보다 높고 그 외면에 반사면이 형성되어 있어서, 상기 광원으로부터의 광이 전반사 및 외면에서의 반사에 의해 상기 이득매질 구조로 전달되게 하는 것을 특징으로 하는 상부 펌핑방식의 광소자.