KR100528976B1 - 단일 주파수 레이저 - Google Patents

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Abstract

부가적인 회절 격자의 요구없이 단순한 구조 및 좁은 면적을 갖는 단일 주파수 레이저를 개시한다. 개시된 본 발명의 단일 주파수 레이저는, 이득 매질로 구성되고, 다중 모드 및 이득간의 간섭을 유발하는 다중 모드 간섭 이득 결합기, 및 상기 다중 모드 간섭 이득 결합기의 양단 중 적어도 한곳에 각각에 설치되는 적어도 하나의 출력 도파로를 포함한다. 이때, 상기 다중 모드 간섭 이득 결합기는, 상기 다중모드 간섭 이득 결합기 양끝 경계면에서 광원을 반사시켜 내부 공진을 유도하는 수단과, 상기 다중 모드 간섭형 이득 결합기의 일측 경계면과 반대쪽 출력 도파로 단면 사이의 반사로 인한 내부 공진을 유도하는 수단과, 상기 내부 공진들 사이의 중첩을 유도하는 수단, 및 상기 내부 공진들 사이의 중첩에 의해 생성된 단일 주파수 광원의 일부를 출력 도파로로 출력하는 수단을 포함한다.

Description

단일 주파수 레이저{Single frequency laser}
본 발명은 반도체 레이저에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 파장 선폭이 충분히 좁고 단일의 주파수 성분만을 출력시키는 단일 주파수 레이저에 관한 것이다.
단일 주파수 레이저는 광통신 시스템의 파장 분할 다중화 방식에서 이웃 채널과 신호 겹침이 없이 원하는 신호를 전송하기 위한 단일 주파수의 광원으로 널리 이용되고 있다. 이러한 단일 주파수 레이저는 양 단면의 반사면을 갖는 공진기 구조를 가지면서 여러개의 주파수를 동시에 발진하는 일반적인 반도체 레이저 공진기(혹은, 레이저 다이오드)와 달리, 단일의 주파수만을 출력하면서 유한한 선폭을 가지므로, 이에 대한 연구가 계속적으로 진행되고 있다.
이러한 단일 주파수 레이저를 제작하기 위한 방법으로는, 우선, 분포 궤환(Distributed Feedback:DFB) 방식이 있다. 이 방식은, 일정한 주기의 회절 격자를 레이저의 이득 매질 위쪽이나 아래쪽에, 길이 방향으로 형성하여, 회절 격자로부터 반사되는 1차 모드를 공진시켜 단일 주파수를 생성한다. 다른 방법으로는, 공진이 발생되는 일정한 주기의 회절 격자 구조가 이득 매질 영역의 양끝이나 한쪽 끝에 길이 방향으로 형성되어 단일 주파수를 생성하는 분포 브라그 반사(Distributed Bragg Reflector:DBR) 방식이 있다. 그 밖의 다른 방법으로는 일정 반경의 고리 주기와 같은 주기를 갖는 특정한 단일 주파수만을 출력시키는 고리 레이저 다이오드 방식이 있다.
그러나, 상기한 DFB 방식 및 DBR 방식은 초소형으로 레이저(레이저 다이오드)를 제작할 수 있지만, 단일 주파수를 발생시키기 위하여 이득 매질 상,하부 또는 전,후면에 일정한 주기의 회절 격자를 형성하여야 한다. 그렇기 때문에, 레이저 공진기 구조가 복잡해지고, 상기와 같은 회절 격자를 제작하는 과정이 추가되어야 할 뿐만 아니라, 회절 격자를 형성하기 위한 부가적인 장비 혹은 시스템이 필요하다.
또한, 고리 레이저 다이오드는 단일 주파수 생성을 위한 회절 격자는 필요하지 않으나, 고리에 의한 추가적인 도파 손실이 발생한다. 더욱이 기존의 레이저 보다 넓은 면적을 차지하는 고리 구조를 포함하기 때문에 소자의 면적이 증대되고, 단위 면적당 소자의 개수가 감소하게 되어 수율이 낮아지는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 부가적인 회절 격자의 요구없이 단순한 구조 및 좁은 면적을 갖는 단일 주파수 레이저를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 단일 주파수 레이저는 이득 매질로 구성되고, 다중 모드 및 이득간의 간섭을 유발하는 다중 모드 간섭 이득 결합기, 및 상기 다중 모드 간섭 이득 결합기의 양단 중 적어도 한곳에 각각에 설치되는 적어도 하나의 출력 도파로를 포함한다.
이때, 상기 다중 모드 간섭 이득 결합기는, 상기 다중모드 간섭 이득 결합기 양끝 경계면에서 광원을 반사시켜 내부 공진을 유도하는 수단과, 상기 다중 모드 간섭형 이득 결합기의 일측 경계면과 반대쪽 출력 도파로 단면 사이의 반사로 인한 내부 공진을 유도하는 수단과, 상기 내부 공진들 사이의 중첩을 유도하는 수단, 및 상기 내부 공진들 사이의 중첩에 의해 생성된 단일 주파수 광원의 일부를 출력 도파로로 출력하는 수단을 포함한다.
상기 다중모드 간섭 이득 결합기를 구성하는 이득 매질은 반도체 또는 희토류가 첨가된 광섬유 중 선택되는 하나일 수 있다.
상기 출력 도파로는 반도체, 광섬유, 무기 재료 도파로 및 유기 재료 도파로중 선택되는 하나일 수 있다.
상기 출력 도파로는, 상기 다중모드 간섭 이득 결합기의 측면 길이를 상기 도파로의 직경으로 나눈 정수값 정도의 수만큼 설치하는 것이 바람직하다.
(실시예)
이하 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 단일 주파수 레이저 공진기를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 단일 주파수 레이저 공진기는 도 1에 도시된 바와 같이, 이득 매질로 구성된 다중모드 간섭 이득 결합기(100) 및 다중모드 간섭 이득 결합기(100)의 적어도 일측 경계면에 설치되고 다중 모드 간섭 이득 결합기(100)내에서 생성된 단일 주파수 광원을 출력시키는 도파로를 포함한다.
본 실시예에서의 출력 도파로는 다중모드 간섭 이득 결합기(100)의 일측 경계면에 설치되는 제 1 출력 도파로(111)와, 타측 경계면에 설치되는 제 2 출력 도파로(112)를 포함한다.
상기 다중모드 간섭 이득 결합기(100)는 상술한 바와 같이 이득 매질로 구성되고, 이러한 이득 매질로는 반도체 및 희토류가 첨과된 광 섬유군이 이용될 수 있다. 또한, 출력 도파로(111,112)는 반도체, 광섬유, 무기 재료 도파로, 및 유기재료 도파로 중 선택되는 하나로 형성될 수 있다.
상기 다중 모드 간섭 이득 결합기(100)는 단일 주파수 광원을 생성하기 위하여, 상기 다중모드 간섭형 이득 결합기 양끝 경계면에서 광원을 반사시켜 내부 공진을 유도하는 파트와, 상기 다중 모드 간섭형 이득 결합기의 일측 경계면과 반대쪽 출력 도파로 단면 사이의 반사로 인한 내부 공진을 유도하는 파트와, 상기 내부 공진들 사이의 중첩을 유도하는 파트, 및 상기 내부 공진들 사이의 중첩에 의해 생성된 단일 주파수 광원의 일부를 출력 도파로로 출력하는 파트를 포함한다.
이때, 다중모드 간섭 이득 결합기(100)의 길이(경계면 사이의 거리)는 내부 공진에 의하여 생성된 광원의 일부가 제 1 또는 제 2 출력 도파로(111,112)를 통하여 출력될 수 있을 정도의 길이로 설정한다.
상기 내부 공진을 유도하는 파트에 의해서, 다중 모드 간섭 이득 결합기(100)는 내부 공진을 생성한다. 즉, 다중모드 간섭 이득 결합기(100) 내부에서 경계면으로 진행하는 빛은 경계면에서 반사되기 때문에, 파장에 따라 주기적인 공진 주파수를 갖는 내부 공진이 생성된다.
유한한 측면 길이를 갖는 다중모드 간섭 이득 결합기(100)는 그 내부에서 경계면으로 진행하는 모드가 두 개 이상이므로, 각 모드에 따른 여러개의 내부 공진이 발생한다. 내부 공진에 의하여 생성된 공진 주파수의 주기는 각 모드에 따라 미세한 차이를 나타낸다. 이에따라, 각 모드에 대한 내부 공진을 중첩을 유도하는 파트에서 중첩시키면 일치하는 공진 주파수가 여러개가 존재하게 된다. 그중 모드 경쟁(mode competition)을 통하여 이득 정점에 가장 근접한 파장에서 단일 주파수 광원이 생성된다.
도 2는 본 발명에 따른 단일 주파수 레이저의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하여, 다중 모드 간섭 이득 결합기(100)의 내부 반사에 의하여 생성된 두 개의 내부 공진(201,202)은 제 1 출력 도파로(111) 혹은 제 2 출력 도파로(112)에서 중첩된다. 이 과정에서 두 내부 공진(201,202) 사이에 일치하는 공진 주파수 성분들(210,221,222,223,224)중 이득 정점에 가장 근접한 주파수 성분(210)이 대부분의 이득을 얻기 때문에, 다른 공진 주파수 성분들(221,222,223,224)은 억제된다. 이와같이, 본 발명의 다중모드 간섭형 단일 주파수 레이저는 모드 경쟁을 통하여, 주변 공진 주파수 성분들을 억제하므로써, 그 세기가 주변 주파수 성분의 세기보다 매우 높은 단일 주파수 성분(210)을 출력한다.
도 3은 본 발명의 다중모드 간섭형 단일 주파수 레이저 공진기로부터 출력되는 광원을 스펙트럼 분석한 결과 그래프이다. 도 3에 의하면, 모드 경쟁에 의해 주변의 공진 주파수 성분이 억제되어, 레이저 공진기에서 단 한 개의 공진 주파수만이 발진함을 알 수 있다. 측모드 억제율(side-mode suppession ratio)은 30dB 이상이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단일 주파수 레이저 공진기를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 레이저 공진기는 이득 매질로 구성된 다중모드 간섭 이득 결합기(400), 상기 다중모드 간섭 이득 결합기(400)의 일측 경계면에 설치되는 제 1 및 제 2 출력 도파로(411,412) 및 상기 다중모드 간섭 이득 결합기(400)의 타측 경계면에 설치되는 제 3 및 제 4 출력 도파로(421,422)를 포함한다. 이때, 각각의 출력 도파로(411,412,421,422)는 서로 다른 단일 주파수 광원을 출력한다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 다중모드 간섭 이득 결합기(500)의 일측 경계면 및 타측 경계면에 다수의 출력 도파로(511∼550, 551∼590)를 설치할 수 있다. 이때, 본 발명의 다중모드 간섭 이득 결합기가 한쪽 경계면에서 가질 수 있는 최대 출력 도파로의 개수는 다중모드 간섭 이득 결합기의 일측 경계면의 길이를 출력 도파로의 직경으로 나눈 수 정도이다.
이상에서 자세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 단일 주파수 공진기는, 이득 매질로 구성된 다중모드 간섭 이득 결합기를 포함한다. 이러한 다중모드 간섭 이득 결합기 내부에서 공진이 유도되어, 단일 주파수가 생성된다.
이와같이 다중 모드 간섭 이득 결합기는 부가적인 회절 격자가 요구되지 않고, 구조가 간단하고, 제작이 단순하여, 대량 생산이 용이하다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 단일 주파수 레이저 공진기를 나타는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 단일 주파수 레이저의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 단일 주파수 레이저 공진기로부터 출력되는 광원을 스펙트럼 분석한 결과 그래프이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단일 주파수 레이저 공진기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
100,400,500 : 다중모드 간섭 이득 결합기
111,112,411,412,511,512,550,551,552,590 : 출력 도파로
201,202 : 내부 공진 210 : 최대 중첩 공진 주파수 성분
221,222,223,224 : 억제된 중첩 공진 주파수 성분

Claims (4)

  1. 이득 매질로 구성되고, 다중 모드 및 이득간의 간섭을 유발하는 다중 모드 간섭 이득 결합기; 및
    상기 다중 모드 간섭 이득 결합기의 양단 중 적어도 한곳에 각각에 설치되는 적어도 하나의 출력 도파로를 포함하며,
    상기 다중 모드 간섭 이득 결합기는,
    상기 다중모드 간섭 이득 결합기 양끝 경계면에서 광원을 반사시켜 내부 공진을 유도하는 수단과, 상기 다중 모드 간섭형 이득 결합기의 일측 경계면과 반대쪽 출력 도파로 단면 사이의 반사로 인한 내부 공진을 유도하는 수단과, 상기 내부 공진들 사이의 중첩을 유도하는 수단, 및 상기 내부 공진들 사이의 중첩에 의해 생성된 단일 주파수 광원의 일부를 출력 도파로로 출력하는 수단을 포함하는 단일 주파수 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 다중모드 간섭 이득 결합기를 구성하는 이득 매질은 반도체 또는 희토류가 첨가된 광섬유 중 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 단일 주파수 레이저.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 출력 도파로는 반도체, 광섬유, 무기 재료 도파로 및 유기 재료 도파로중 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 단일 주파수 레이저.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 출력 도파로는, 상기 다중모드 간섭 이득 결합기의 측면 길이를 상기 도파로의 직경으로 나눈 정수값 정도의 수만큼 설치되는 것을 특징으로 하는 단일 주파수 레이저.
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