KR100464359B1 - 파장 가변형 레이저 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 파장 가변형 레이저 장치는, 상부 및 하부 클래드와; 상기 상부 및 하부 클래드 사이에 배치되며 광을 발진시키기 위한 제1 활성층과, 상기 제1 활성층 및 하부 클래드 사이에 배치되며 상기 제1 활성층에서 생성된 광을 필터링하기 위한 제1 격자를 갖는 분배 브락 반사경 영역과; 상기 상부 및 하부 클래드 사이에 배치되며 상기 발진된 광의 이득을 조절하기 위한 제2 활성층을 갖는 이득 영역과; 상기 상부 및 하부 클래드 사이에 배치되며 상기 이득 조절된 광을 고정된 이득으로 증폭하기 위한 제3 활성층과, 상기 제3 활성층 및 하부 클래드 사이에 배치되며 상기 제3 활성층을 지나는 광을 필터링하기 위한 제2 격자를 갖는 이득 고정된 반도체 광증폭기 영역을 포함하고, 상기 분배 브락 반사경 영역, 이득 영역 및 이득 고정된 반도체 광증폭기 영역은 각각 독립적으로 전류가 인가됨과 더불어 차례로 인접한다.

Description

파장 가변형 레이저 장치{TUNABLE LASER APPARATUS}
본 발명은 광통신 시스템에 관한 것으로서, 특히 상기 광통신 시스템에 구비되는 반도체 레이저에 관한 것이다.
현재 광통신 시스템에서는 파장분할 다중화(WDM : Wavelength Division Multiplexing) 방식을 이용하고 있는데, 파장 분할 다중화 방식은 광섬유의 저손실 파장 대역을 여러개의 채널들(channels)로 분할하고, 상기 채널들을 다중화하여 하나의 광섬유에 동시에 전송하는 방식이다.
분배 브락 반사경(distributed Bragg reflector, DBR)을 갖는 반도체 레이저의 예로는 프랭크 델로메(Franck Delorme) 등에 의해 발명되어 특허허여된 미국특허번호 제5,748,660호(SAMPLE GRATING DISTRIBUTED BRAGG REFLECTOR LASER, VERY WIDELY MATCHABLE BY PHASE VARIATION AND PROCESS FOR USING THIS LASER)를 들 수 있으며, 활성 영역(active section)과, 상기 활성 영역의 양측에 위치된 두 개의 샘플 격자 영역을 포함하는 반도체 레이저가 개시되어 있다.
또한, 분배 브락 반사경(distributed Bragg reflector, DBR)을 구비하며 입력 전류에 따라 출력 파장을 변화시킬수 있는 반도체 레이저의 예로는 유이찌 토모리 등에 의해 발명되어 특허허여된 미국특허번호 제5,325,392호(DISTRIBUTED REFLECTOR AND WAVELENGTH-TUNABLE SEMICONDUCTOR LASER)를 들 수 있으며, 분배 반사경 형태이거나 분배 피드백(distributed feedback) 형태일 수 있는 분배 반사경을 구비하고, 분배 반사경 영역과 위상 조절 영역을 포함하는 파장 가변형 레이저가 개시되어 있다.
종래에 따른 파장 가변형 레이저는 활성 분배 브락 반사경 레이저 구조를 이용하여, 전류 주입에 따라 활성 분배 브락 반사경 영역의 굴절률을 변화시킴으로써 발진 파장을 변화시키는 방식으로 제작된다. 이러한 방식의 파장 가변형 레이저는 전류 주입에 따라 발진 파장이 단파장 쪽으로 변하며, 이러한 파장 변화가 클수록 광출력이 급격히 감소하기 때문에 별도로 반도체 광증폭기(semiconductor optical amplifier, SOA)를 구비함으로써 파워 부스팅(power boosting)을 수행하게 된다.
그러나, 파장 가변형 레이저의 일측에 반도체 광증폭기를 직렬로 연결함으로써 파워 부스팅(power boosting)은 가능하지만, 포화 출력 파워 레벨(saturationoutput power level)이 낮고 내부 반사에 의한 증폭된 자발 방출광(amplified spontaneous emission)으로 인한 잡음 증가가 문제될 수 있다. 또한, 충분한 이득을 얻기 위해서는 소자의 길이가 길어져야 한다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 고출력을 얻을 수 있으며, 파장 가변 영역이 넓고, 증폭된 자발 방출광의 발생을 억제할 수 있는 파장 가변형 레이저 장치를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 파장 가변형 레이저 장치는,상부 및 하부 클래드와;상기 상부 및 하부 클래드 사이에 배치되며 광을 발진시키기 위한 제1 활성층과, 상기 제1 활성층 및 하부 클래드 사이에 배치되며 상기 제1 활성층에서 생성된 광을 필터링하기 위한 제1 격자를 갖는 분배 브락 반사경 영역과;상기 상부 및 하부 클래드 사이에 배치되며 상기 발진된 광의 이득을 조절하기 위한 제2 활성층을 갖는 이득 영역과;상기 상부 및 하부 클래드 사이에 배치되며 상기 이득 조절된 광을 고정된 이득으로 증폭하기 위한 제3 활성층과, 상기 제3 활성층 및 하부 클래드 사이에 배치되며 상기 제3 활성층을 지나는 광을 필터링하기 위한 제2 격자를 갖는 이득 고정된 반도체 광증폭기 영역을 포함하고,상기 분배 브락 반사경 영역, 이득 영역 및 이득 고정된 반도체 광증폭기 영역은 각각 독립적으로 전류가 인가됨과 더불어 차례로 인접한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파장 가변형 레이저 장치의 구성을 나타내는 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 파장 가변형 레이저 장치의 출력 특성을 설명하기 위한 도면.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파장 가변형 레이저 장치의 구성을 나타내는 단면도이다. 상기 레이저 장치는 크게 분배 브락 반사경 영역(240)과, 이득 영역(gain section, 250)과, 이득 고정된 반도체 광증폭기 영역(gain-clamped SOA section, 260)으로 구성되며, 세부적으로 하부 클래드(clad, 120), 하부 전극(110), 제1 및 제2 격자(grating, 130 및 140), 제1 내지 제3 활성층(active layer, 150, 160 및 170), 상부 클래드(180), 제1 내지 제3 상부 전극(190, 200 및 210), 고반사층(high reflection layer, 220) 및 무반사층(antireflection layer, 230)으로 구성된다.
상기 분배 브락 반사경 영역(240)은 하부 전극(110)과, 하부 클래드(120)와, 제1 격자(130)와, 제1 활성층(150)과, 상부 클래드(180)와, 제1 상부 전극(190)과, 고반사층(220)으로 구성된다.
상기 하부 클래드(110)는 n형 InP 재질의 기판으로서, 상기 제1 내지 제3 활성층(150, 160 및 170)에 비하여 상대적으로 낮은 굴절률을 갖는다. 상기 하부 전극(110)은 상기 하부 클래드(120)의 밑면에 적층된다.
상기 상부 클래드(180)는 p형 InP 재질이며, 상기 제1 내지 제3 활성층(150, 160 및 170)에 비하여 상대적으로 낮은 굴절률을 갖는다. 상기 상부 및 하부 클래드(120 및 180)는 상기 제1, 제2 또는 제3 활성층(150, 160 또는 170)으로부터 입사된 광이 그 내부로 입사되지 못하도록 상대적으로 낮은 굴절률을 갖는다.
상기 제1 활성층(150)은 InGaAsP 재질이며 양자 우물 구조(mutiple quantum well)를 갖는다. 상기 제1 상부 전극(190)에 소정 레벨의 전류가 인가되어 상기 분배 브락 반사경 영역(240) 내에 전기장이 형성되면, 하부 클래드(110)로부터의 전자가 상기 제1 활성층(150)으로 이동하고, 상기 상부 클래드(180)로부터의 정공이 상기 제1 활성층(150)으로 이동하며, 상기 전자와 정공의 재결합에 의해 상기 제1 활성층(150) 내에 광이 발생하게 된다.
상기 제1 격자(130)는 상기 제1 활성층(150)과 하부 클래드(110) 사이에 개재되며, 상기 분배 브락 반사경 영역(240)의 발진 파장을 조절하는 기능을 수행한다. 즉, 상기 제1 활성층(150)에서 발생된 광은 상기 제1 격자(130)에 의해 기설정된 파장을 기준으로 필터링된다. 즉, 상기 제1 격자(130)로 입사되는 광 중 기설정된 파장을 갖는 광은 상기 제1 격자(130)에 의해 반사되며, 기설정된 파장에서 벗어난 파장을 갖는 광은 상기 제1 격자(130)를 투과하여, 즉 상기 하부 클래드(110)로 입사되어 손실된다.
상기 고반사층(220)은 상기 이득 영역(250)에 접하지 않는 상기 분배 브락 반사경 영역(240)의 일단에 위치하며, 바람직하게는 상대적으로 높은 반사율을 갖도록 하나 이상의 박막으로 구성된다. 상기 고반사층(220)은 상대적으로 반사율이 낮은 상기 무반사층(230)과 더불어 상기 파장 가변형 레이저 장치의 파워 부스팅을 구현한다.
상기 이득 영역(250)은 상기 분배 브락 반사경 영역(240)의 일측에 접하여 형성되며, 상기 하부 전극(110)과, 상기 하부 클래드(120)와, 제2 활성층(160)과, 상기 상부 클래드(180)와, 제2 상부 전극(200)으로 구성된다.
상기 제2 활성층(160)은 InGaAsP 재질이며 양자 우물 구조를 갖는다. 상기 제2 상부 전극(200)에 인가된 소정 레벨의 전류에 따라서 상기 제1 활성층(150)에서 발생되어 입사된 광의 이득을 조절한다.
상기 이득 고정된 반도체 광증폭기 영역(260)은 분배 피드백 형태를 가지며, 하부 전극(110)과, 하부 클래드(120)와, 제2 격자(140)와, 제3 활성층(170)과, 상부 클래드(180)와, 제3 상부 전극(260)과, 무반사층(230)으로 구성된다.
상기 제3 활성층(170)은 InGaAsP 재질이며 양자 우물 구조를 갖는다. 상기 제3 상부 전극(210)에 소정 레벨의 전류가 인가된 소정 레벨의 전류에 따라서 상기 제1 활성층(150)에서 발생되어 입사된 광의 이득을 조절한다.
상기 제2 격자(140)는 상기 제3 활성층(170)과 하부 클래드(120) 사이에 개재되며, 상기 이득 고정된 반도체 광증폭기 영역(260)의 발진 파장을 조절하는 기능을 수행한다. 이 때, 자동 파워 보상(automatic power compensation)을 위하여 상기 이득 고정된 반도체 광증폭기 영역(260)의 발진 파장은 분배 브락 반사경 영역(240)의 발진 파장과 소정의 차이를 갖도록 설정된다.
상기 이득 영역(250)과 이득 고정된 반도체 광증폭기 영역(260)의 이득 중심 파장은 선택 영역 성장(selective area growth, SAG)에 의해 조절되며, 선택 영역 성장은 마스크(mask)를 이용하여 서로 조성이 다른 두 층을 동시에 성장시키는 경우에 사용되는 공정이다. 상기 선택 영역 성장에 따라 마스크의 노출 영역에는 비노출 영역보다 밴드갭(band-gap)이 작은 층이 성장되며, 두 층들 간의 밴드갭 에너지는 상기 노출 영역의 폭과 마스크 자체의 폭에 따라 결정된다.
도 2는 도 1에 도시된 파장 가변형 레이저 장치의 출력 특성을 설명하기 위한 도면이다. 선택 영역 성장을 이용하여 이득 영역(250) 및 이득 고정된 반도체 광증폭기 영역(260)의 이득 중심 파장을 1540㎚로 설정함에 따른 이득 곡선(310)이 도시되어 있다. 상기 제1 격자(130)를 이용하여 상기 분배 브락 반사경 영역(240)의 발진 파장(320)을 초기에 1565㎚로 설정한 후 3㏈ 대역폭(약 50㎚로 가정)에 해당하는 단파장화(1565㎚→1515㎚)에 따라 출력 파워가 저하되는 것을 상기 이득 영역(250) 및 이득 고정된 반도체 광증폭기 영역(260)이 보상하게 됨을 알 수 있다. 따라서, 상기 파장 가변형 레이저 장치의 발진 파장(320)이 단파장화되더라도 항상 일정 레벨 이상의 고출력을 구현할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 파장 가변형 레이저 장치는 이득 영역의 일측에 이득 고정된 반도체 광증폭기 영역을 모놀리식 집적(monolithic integration)함으로써, 고출력을 얻을 수 있는 파장 가변 영역이 넓으며 증폭된 자발 방출광의 발생을 억제할 수 있다는 이점이 있다.

Claims (2)

  1. 파장 가변형 레이저 장치에 있어서,
    상부 및 하부 클래드와;
    상기 상부 및 하부 클래드 사이에 배치되며 광을 발진시키기 위한 제1 활성층과, 상기 제1 활성층 및 하부 클래드 사이에 배치되며 상기 제1 활성층에서 생성된 광을 필터링하기 위한 제1 격자를 갖는 분배 브락 반사경 영역과;
    상기 상부 및 하부 클래드 사이에 배치되며 상기 발진된 광의 이득을 조절하기 위한 제2 활성층을 갖는 이득 영역과;
    상기 상부 및 하부 클래드 사이에 배치되며 상기 이득 조절된 광을 고정된 이득으로 증폭하기 위한 제3 활성층과, 상기 제3 활성층 및 하부 클래드 사이에 배치되며 상기 제3 활성층을 지나는 광을 필터링하기 위한 제2 격자를 갖는 이득 고정된 반도체 광증폭기 영역을 포함하고,
    상기 분배 브락 반사경 영역, 이득 영역 및 이득 고정된 반도체 광증폭기 영역은 각각 독립적으로 전류가 인가됨과 더불어 차례로 인접함을 특징으로 하는 파장 가변형 레이저 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파워 부스팅을 구현하기 위하여 상기 분배 브락 반사경 영역의 일단에 배치된 고반사층과, 상기 이득 고정된 반도체 광증폭기 영역의 일단에 배치된 무반사층을 더 포함함을 특징으로 하는 파장 가변형 레이저 장치.
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