KR100562942B1 - The Semiconductor Laser Devices Having High Degree of Polarization - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광통신, 광학측정, 광센서, 광신호처리 등에 요구되는 편광도가 높은 반도체 레이저 장치에 관한 것으로, 기판 상에 형성된 광도파로와, 상기 광도파로의 입력 단에 설치된 고정된 반도체 레이저와, 상기 반도체 레이저의 출력 단의 광도파로 상에 집적된 격자형 편광수단을 포함하여 이루어짐으로써, 레이저 빔이 광도파로에 입력되어 도파하다가 편광수단을 지나면서 특정한 방향으로 편광되도록 한다.The present invention relates to a semiconductor laser device having a high degree of polarization required for optical communication, optical measurement, optical sensor, optical signal processing, etc., comprising: an optical waveguide formed on a substrate, a fixed semiconductor laser provided at an input end of the optical waveguide, It comprises a lattice-shaped polarizing means integrated on the optical waveguide of the output end of the semiconductor laser, the laser beam is input to the optical waveguide and guided so as to polarize in a specific direction while passing through the polarizing means.
편광, 반도체 레이저, 도파, 편광필터, 편광자, 편광변환장치, 파장판Polarization, semiconductor laser, waveguide, polarization filter, polarizer, polarization converter, wave plate
Description
도 1은, 본 발명에 따른 편광도가 높은 반도체 레이저 장치를 구현하기 위해서 도파로에 집적한 편광에 의존하는 필터의 동작 예를 설명하는 도면이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure explaining the operation example of the filter which depends on the polarization integrated in the waveguide in order to implement the semiconductor laser device with high polarization degree which concerns on this invention.
도 2는, 본 발명에 따른 TE 모드로 동작하도록 구성한 편광도가 높은 반도체 레이저 장치에 대한 도면으로서, (a)는 평면도이고, (b)는 정면도이고, (c)는 TM/TE 모드의 동작도이다.2 is a diagram of a semiconductor laser device having a high degree of polarization configured to operate in the TE mode according to the present invention, where (a) is a plan view, (b) is a front view, and (c) is an operation diagram of the TM / TE mode. to be.
도 3은, 본 발명에 따른 TM 모드로 동작하도록 구성한 편광도가 높은 반도체 레이저 장치에 대한 평면도이다.3 is a plan view of a semiconductor laser device having a high degree of polarization configured to operate in a TM mode according to the present invention.
도 4는, 본 발명에 따른 TE 모드로 동작시킬 수 있도록 반도체 레이저의 외부공진기 안에 편광에 의존하는 필터를 삽입하여 구성한 반도체 레이저 장치에 대한 도면으로서, (a)는 평면도이고, (b)는 정면도이고, (c)는 TM/TE 모드의 동작도이다.4 is a diagram of a semiconductor laser device constructed by inserting a filter depending on polarization into an external resonator of a semiconductor laser according to the present invention, where (a) is a plan view and (b) is a front view (C) is an operation diagram of the TM / TE mode.
도 5는, 본 발명에 따른 TM 모드로 동작시킬 수 있도록 반도체 레이저의 외부공진기 안에 편광에 의존하는 필터를 삽입하여 구성한 반도체 레이저 장치의 다른 예를 나타내는 도면으로서, (a)는 평면도이고, (b)는 정면도이고, (c)는 TM/TE 모드의 동작도이다.5 is a view showing another example of a semiconductor laser device constructed by inserting a filter depending on polarization in an external resonator of a semiconductor laser so as to operate in a TM mode according to the present invention, where (a) is a plan view and (b ) Is a front view, and (c) is an operation diagram of a TM / TE mode.
도 6은, 편광에 의존하는 한 개의 필터와 분배기 및 여러가지 편광변환기를 이용하여 다양한 편광모드가 방출하도록 한 레이저 장치의 예를 나타낸 도면이다.6 is a diagram showing an example of a laser device that emits various polarization modes using one filter, a splitter, and various polarization converters depending on polarization.
도 7은, 각각 서로 다른 다수 개의 편광모드를 방출하도록 도파로 상에 구성한 반도체 레이저 장치의 예를 나타낸 도면이다.7 is a diagram illustrating an example of a semiconductor laser device configured on a waveguide so as to emit a plurality of different polarization modes, respectively.
도 8은, 마스크를 이용한 격자형 편광필터를 나타내는 평면도이다.8 is a plan view illustrating a lattice type polarizing filter using a mask.
도 9는, 레이저 간섭계를 이용한 격자 형성구조를 나타내는 도면이다.9 is a diagram showing a grating formation structure using a laser interferometer.
도 10은, 위상 마스크를 이용한 단주기 격자의 형성구조를 나타내는 도면이다.Fig. 10 is a diagram showing a structure of forming a short period grating using a phase mask.
도 11은, 종래예 1에 따른 반도체 레이저장치를 나타내는 구성도이다.11 is a configuration diagram showing a semiconductor laser device according to a conventional example 1. FIG.
도 12는, 종래예 2에 따른 편광장치의 구조를 나타내는 도면으로서, (a),(b)는 편광장치의 동작원리를 나타내는 도면이고, (c)는 편광장치의 부분 정단면도이다.12 is a view showing the structure of a polarizer according to the prior art example 2, (a) and (b) are views showing the operation principle of the polarizer, and (c) is a partial front cross-sectional view of the polarizer.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
2 : 광원 4 : 편광필터2: light source 4: polarization filter
5 : 반사경 6 : 광분배기5: reflector 6: optical splitter
10 : 편광변환기 15 : 기판10: polarization converter 15: substrate
20 : 광도파로 30,32 : 레이저 시스템20:
본 발명은 편광도가 높은 반도체 레이저 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광통신, 광학측정, 광센서, 광신호처리 등의 분야에서 편광필터를 중간에 삽입함으로써 특정한 성분의 편광도가 높은 빛을 얻을 수 있도록 한 반도체 레이저 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor laser device having a high degree of polarization, and more particularly, in order to obtain light having a high degree of polarization of a specific component by inserting a polarization filter in the middle in the fields of optical communication, optical measurement, optical sensor, and optical signal processing. One semiconductor laser device relates.
일반적으로, 광측정시스템, 광센싱시스템, 또는 광통신에 있어서, 특정한 편광모드의 빔을 방출하는 레이저가 필요한 경우가 종종 있다. 반도체 레이저에서 방출하는 레이저빔은 자체적으로도 어느 정도의 편광도를 가지고 있다. 예컨대, 보통 상용화 되어 있는 일반적인 측면 발광(edge-emitting) 반도체 레이저의 경우 선형 편광된 빔의 편광도는 20dB이하이다. 그리고, 표면 발광(surface-emitting) 반도체 레이저의 경우는 그 구조의 대칭성 때문에 두 개의 서로 수직인 선형 편광모드를 방출한다. 그러나, 이 경우에는 편광도가 매우 낮고, 전류나 횡모드 등에 의해 두 편광모드 사이에 불안정한 출력 변화 특성을 보이는 문제점도 갖고 있다.In general, in optical measurement systems, optical sensing systems, or optical communications, there is often a need for a laser that emits a beam of a particular polarization mode. The laser beam emitted by the semiconductor laser has its own degree of polarization. For example, in general commercially available edge-emitting semiconductor lasers, the polarization degree of the linearly polarized beam is 20 dB or less. And, in the case of surface-emitting semiconductor lasers, due to the symmetry of the structure, they emit two mutually perpendicular linear polarization modes. In this case, however, the polarization degree is very low, and there is also a problem of unstable output change characteristics between the two polarization modes due to current, lateral mode, and the like.
따라서, 충분한 편광도를 얻기 위해서는 반도체 레이저 출력 단에 편광자를 부착하여 사용하는 것이 일반적이다. 예컨대, 한국 등록특허공보 제174775호(종래예 1)에는 편광자를 포함하여 레이저의 편광도를 높이는 예가 개시되어 있다. 이를 도 11을 참조하여 개략적으로 설명하면 아래와 같다.Therefore, in order to obtain sufficient polarization degree, it is common to use a polarizer attached to a semiconductor laser output terminal. For example, Korean Patent Publication No. 174775 (Prior Example 1) discloses an example of increasing the degree of polarization of a laser including a polarizer. This will be described below with reference to FIG. 11.
반도체 레이저(18)에서 출사된 레이저광은 콜리메이터 렌즈(11) 및 포커스 렌즈(52)를 투과하여 기판(17)에 설치된 도파로(14)의 입사면과 결합하게 된다. 그리고, 분극 반전영역(16)에서 제2고조파광으로 변환된다. 이 때, 도파로(14)에 서 높은 변환효율을 얻기 위해서는 TM(Transverse Magnetic) 모드로 발진하는 반도체 레이저광을 상기 도파로(14)에 도입할 필요가 있다. 이를 위해서는, 반도체 레이저광의 빔 형상과 제2고조파광의 분포 형상을 일치시킬 필요가 있으며, 이는 반도체 레이저(18)에서 출사된 반도체 레이저광을 TE(Transverse Electric) 모드에서 TM 모드로 변환하여 도파로(14)에 결합하는 방식에 의해 이루어질 수 있다. 이를 위해, 종래예에서는, 반도체 레이저(18)의 출력 단에서, 콜리메이터 렌즈(11)와 포커스 렌즈(52) 사이에 브루스터 판(12)과 같은 편광자가 설치되어 있다.The laser light emitted from the
브루스터 판을 이용한 편광자의 다른 예가 한국 공개특허공보 제1998-021941호(종래예 2)가 개시되어 있다. 이는, 고출력 레이저광의 편광도를 증가시키고, 레이저광의 투과에 따른 광경로상의 변위차를 제거할 수 있도록 한 편광장치에 관한 것으로서, 도 12에 대표적인 도면이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 레이저용 편광장치는, 일측에 레이저광 입사부(7)가 구비되고, 대향측에 레이저광 투과부(8)가 형성된 케이싱(5), 및 상기 케이싱(5) 내에 소정의 간격을 두고 브루스터의 법칙에 따라 정해지는 각도와 소정의 수식에 의해 결정되는 장수(張數)의 매질판(1)으로 구성되어 있다. 이와 같이 구성하면, 99%에 가까운 편광도를 얻을 수 있으며 변위차도 제거할 수 있다.Another example of a polarizer using a Brewster plate is disclosed in Korean Laid-Open Patent Publication No. 1998-021941 (Prior Example 2). This relates to a polarizing device which increases the degree of polarization of a high power laser light and can remove the displacement difference on the optical path caused by the transmission of the laser light, and a representative drawing is shown in FIG. 12. As shown, the laser polarizer includes a
그러나, 이러한 종래 반도체 레이저 장치의 경우에는, 브루스터 판을 정확하게 정렬하는 것이 매우 어려워 시간소모가 많을 수 밖에 없었고, 일단 정렬한 후에 는 각도 조절이 곤란하여 편광조절이 어렵게 되는 문제점도 있었다.However, in the case of such a conventional semiconductor laser device, it is very difficult to align the Brewster plate accurately, which leads to a lot of time consumption, and there is also a problem that it is difficult to control the polarization because the angle adjustment is difficult once alignment.
또한, 종래의 브루스터 판은 부피가 크기 때문에 도파로 내에 직접 집적되기가 어려웠다.In addition, conventional Brewster plates have been difficult to integrate directly into the waveguide because of their bulky size.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 측면발광 반도체 레이저 또는 반도체 광증폭기(semiconductor optical amplifier : 이하 SOA라 함)로 구성된 레이저 시스템에 소정의 편광필터를 설치함으로써 특정한 성분의 편광도가 높은 빛을 방출할 수 있고, 아울러 방출하는 빔의 편광상태도 조절할 수 있도록 한 편광도가 높은 반도체 레이저 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and provides a specific polarization filter in a laser system composed of a side emitting semiconductor laser or a semiconductor optical amplifier (hereinafter referred to as SOA). It is an object of the present invention to provide a semiconductor laser device having a high degree of polarization, which can emit light having a high degree of polarization and can also control the polarization state of a beam that emits light.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 편광도가 높은 반도체 레이저 장치는,In order to achieve the above object, a semiconductor laser device having a high degree of polarization according to the present invention,
기판 상에 형성된 광도파로와,An optical waveguide formed on the substrate,
상기 광도파로의 입력 단에 설치된 고정된 반도체 레이저와,A fixed semiconductor laser installed at an input end of the optical waveguide,
상기 반도체 레이저의 출력 단의 광도파로 상에 집적된 격자형 편광필터와;A lattice type polarizing filter integrated on an optical waveguide at an output end of the semiconductor laser;
를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.Characterized in that comprises a.
또한, 상기 편광필터의 후방 출력 단에 편광변환기가 더 구비될 수 있다.In addition, a polarization converter may be further provided at the rear output terminal of the polarization filter.
본 발명에 따른 편광도가 높은 반도체 레이저 장치의 다른 예는,Another example of a semiconductor laser device having a high degree of polarization according to the present invention,
기판 상에 형성된 광도파로와;An optical waveguide formed on the substrate;
상기 광도파로의 입력 단에 설치되되 무반사 코팅부와 반사 코팅부로 구성된 반도체 레이저와;A semiconductor laser installed at an input end of the optical waveguide, the semiconductor laser comprising an antireflection coating and a reflection coating;
상기 반도체 레이저의 출력 단의 광도파로 상에 집적된 격자형 편광필터와;A lattice type polarizing filter integrated on an optical waveguide at an output end of the semiconductor laser;
상기 편광필터를 지나 특정 파장대역에서 반사되는 외부공진기용 반사경(5)과;An external resonator reflector (5) reflected through a polarization filter in a specific wavelength band;
를 포함하여 구성된 레이저 시스템(32)이 광도파로(20)의 입력 단에 설치된 것을 특징으로 한다.Laser system 32 configured to include is characterized in that installed on the input end of the optical waveguide (20).
또한, 상기 레이저 시스템의 출력 단의 광도파로 상에 편광변환기가 더 구비될 수 있다.In addition, a polarization converter may be further provided on the optical waveguide at the output end of the laser system.
본 발명에 따른 편광도가 높은 반도체 레이저 장치의 다른 예는,Another example of a semiconductor laser device having a high degree of polarization according to the present invention,
기판 상에 형성된 광도파로와; An optical waveguide formed on the substrate;
상기 광도파로의 입력 단에 설치되되 무반사 코팅부와 반사 코팅부로 구성된 반도체 레이저와, 상기 반도체 레이저의 출력 단의 광도파로 상에 집적된 격자형 편광필터와, 상기 편광필터를 지나 특정 파장대역에서 반사되는 외부공진기용 반사경으로 구성되어 광도파로의 입력 단에 설치된 레이저 시스템과; A semiconductor laser installed at an input end of the optical waveguide and comprising an anti-reflective coating portion and a reflective coating portion, a lattice type polarizing filter integrated on the optical waveguide at the output end of the semiconductor laser, and a reflection in a specific wavelength band passing through the polarizing filter A laser system comprising a reflector for an external resonator and installed at an input end of an optical waveguide;
상기 레이저 시스템의 출력 단의 광도파로 상에 설치된 광분배기와;An optical splitter installed on the optical waveguide at the output end of the laser system;
상기 광분배기에서 분기되어 나오는 다수의 광도파로 상에 설치된 편광변환기와;A polarization converter installed on a plurality of optical waveguides branched from the optical splitter;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.Characterized in that comprises a.
본 발명에 따른 편광도가 높은 반도체 레이저 장치의 다른 예는,Another example of a semiconductor laser device having a high degree of polarization according to the present invention,
기판 상에 형성된 m 개의 광도파로와; M optical waveguides formed on the substrate;
상기 광도파로의 입력 단에 설치되되 무반사 코팅부와 반사 코팅부로 구성된 반도체 레이저와, 상기 반도체 레이저의 출력 단의 광도파로 상에 집적된 격자형 편광필터와, 상기 편광필터를 지나 특정 파장대역에서 반사되는 외부공진기용 반사경으로 구성되어 상기 광도파로의 입력 단에 설치된 m 개의 레이저 시스템과; A semiconductor laser installed at an input end of the optical waveguide and comprising an anti-reflective coating portion and a reflective coating portion, a lattice type polarizing filter integrated on the optical waveguide at the output end of the semiconductor laser, and a reflection in a specific wavelength band passing through the polarizing filter M laser systems comprising a reflector for an external resonator and installed at an input end of the optical waveguide;
상기 m 개의 광도파로 중, m-1개의 광도파로에 각각 설치되는 편광변환기와;A polarization converter installed in m-1 optical waveguides among the m optical waveguides;
를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.Characterized in that comprises a.
상기 편광필터의 격자면은 브루스터 각(θB)으로 기울어진 격자인 것이 바람직하다.The grating plane of the polarizing filter is preferably a grating inclined at Brewster's angle θ B.
또한, 상기 편광필터의 격자면은 2개 이상으로 구성된 것이 바람직하다.In addition, the lattice plane of the polarizing filter is preferably composed of two or more.
상기 격자는, 자외선(UV) 레이저 빔을 위상 마스크나 진폭 마스크를 통과시킨 후 광감도가 있는 광도파로 상에 조사함으로써 집적될 수 있다.The grating can be integrated by irradiating an ultraviolet (UV) laser beam through a phase mask or amplitude mask and then irradiating it on an optical waveguide with light sensitivity.
대신에, 상기 격자는, 자외선 레이저 빔을 자외선 레이저 간섭계를 통과시킨 후 광감도가 있는 광도파로 상에 조사함으로써 집적될 수 있다.Instead, the grating can be integrated by passing an ultraviolet laser beam through an ultraviolet laser interferometer and then irradiating it on an optical waveguide with light sensitivity.
또한, 상기 마스크의 축은 상기 광도파로에 대하여 소정 각도만큼 기울어질 수 있다.In addition, the axis of the mask may be inclined by a predetermined angle with respect to the optical waveguide.
또한, 상기 편광변환기는 파장판인 것이 바람직하다. 이 때, 상기 파장판은, UV빔을 광도파로에 조사하여 광도파로에 복굴절을 야기시켜서 형성될 수 있다.In addition, the polarizer is preferably a wave plate. In this case, the wave plate may be formed by irradiating a UV wave to the optical waveguide to cause birefringence in the optical waveguide.
또한, 상기 편광변환기는 열 또는 전계에 의해 튜닝이 가능하도록 하는 것이 바람직하다.In addition, the polarizer may be tuned by heat or electric field.
또한, 상기 외부공진기용 반사경은 격자로 이루어질 수 있다. 이 때, 상기 격자는, 자외선 레이저 빔을 위상 마스크에 통과시킨 후, 광감도가 있는 광도파로 상에 조사함으로써 집적된 것이 바람직하다.In addition, the reflector for the external resonator may be made of a grating. At this time, the grating is preferably integrated by passing an ultraviolet laser beam through a phase mask and then irradiating it on an optical waveguide with light sensitivity.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 기초로 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
첨부된 도면 중에서, 도 1은 본 발명에 따른 편광도가 높은 반도체 레이저 장치를 구현하기 위해서 도파로에 집적한 편광에 의존하는 필터의 동작 예를 설명하는 도면이고, 도 2는 TE 모드로 동작하도록 구성한 본 발명의 편광도가 높은 반도체 레이저 장치에 대한 도면, 도 3은 TM 모드로 동작하도록 구성한 본 발명의 편광도가 높은 반도체 레이저 장치에 대한 도면, 도 4는 TE 모드로 동작시킬 수 있도록 반도체 레이저의 외부공진기 안에 편광에 의존하는 필터를 삽입하여 구성한 본 발명의 편광도가 높은 반도체 레이저 장치에 대한 도면, 도 5는 TM 모드로 동작시킬 수 있도록 반도체 레이저의 외부공진기 안에 편광에 의존하는 필터를 삽입하여 구성한 본 발명의 편광도가 높은 반도체 레이저 장치에 대한 도면, 도 6은 편광에 의존하는 한 개의 필터와 분배기 및 여러가지 편광변환기를 이용하여 다양한 편광모드가 방출하도록 한 레이저 장치의 예를 나타낸 도면, 도 7은 각각 서로 다른 다수 개의 편광모드를 방출하도록 도파로 상에 구성한 반도체 레이저 장치의 예를 나타낸 도면, 도 8은 마스크를 이용한 격자형 편광필터를 나타내는 도면, 도 9는 레이저 간섭계를 이용한 격자 형성구조를 나타내는 도면, 도 10은 위상 마스크를 이용한 단주기 격자의 형성구조를 나타내는 도면이다.In the accompanying drawings, Figure 1 is a view illustrating an operation example of a filter depending on the polarization integrated in the waveguide to implement a semiconductor laser device having a high degree of polarization according to the present invention, Figure 2 is a configuration configured to operate in TE mode 3 is a diagram of a semiconductor laser device having a high degree of polarization of the invention, FIG. 3 is a diagram of a semiconductor laser device having a high degree of polarization of the present invention configured to operate in a TM mode, and FIG. 4 is an internal resonator of a semiconductor laser to operate in a TE mode. FIG. 5 is a view illustrating a semiconductor laser device having a high degree of polarization according to the present invention configured by inserting a filter depending on polarization. FIG. 5 is a view illustrating a semiconductor laser device having a polarization dependent filter inserted into an external resonator of a semiconductor laser to operate in a TM mode. A diagram of a semiconductor laser device having a high degree of polarization, FIG. 6 shows one filter and a minute depending on polarization. Showing an example of a laser device that emits various polarization modes using a polarizer and various polarization converters. FIG. 7 is a view showing an example of a semiconductor laser device configured on a waveguide so as to emit a plurality of different polarization modes. 8 is a diagram showing a lattice type polarization filter using a mask, FIG. 9 is a diagram showing a lattice forming structure using a laser interferometer, and FIG. 10 is a diagram showing a forming structure of a short period grating using a phase mask.
본 발명의 기본 구성은, 출력광의 편광상태를 선택하고 편광도를 높이기 위해서 입력되는 빔의 편광상태에 따라 선택적으로 투과나 산란 또는 반사시킬 수 있는 편광수단을 구비시킨 것이다.The basic configuration of the present invention is to provide polarization means that can selectively transmit, scatter or reflect depending on the polarization state of the input beam in order to select the polarization state of the output light and to increase the degree of polarization.
상기 편광수단은 편광필터 또는 편광변환기를 들 수 있다. 그리고, 상기 편광필터는 브루스터 각(Brewster angle)으로 기울어진 격자를 이용하게 되어 있다. 또한, 상기 편광변환기의 한 예로써 파장판을 들 수 있다. 이에 기초하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다.The polarizing means may be a polarizing filter or a polarizing converter. The polarization filter uses a grating inclined at a Brewster angle. In addition, a wave plate may be cited as an example of the polarization converter. Based on this, an embodiment of the present invention will be described.
도 1은 편광도가 높은 반도체 레이저 장치를 구현하기 위해서 평판 도파로 상에 집적된 편광필터 또는 격자를 나타내는데, 그 격자면은 브루스터각으로 경사져 있으며, 격자는 굴절률이 n1과 n2 값을 갖는 주기적인 여러 층들로 이루어져 있다. 상기 격자면은 반드시 브루스터각과 일치할 필요는 없으며, 그 근방에 있는 것으로 충분하다.1 illustrates a polarization filter or a grating integrated on a flat waveguide in order to implement a semiconductor laser device having a high degree of polarization, the grating plane of which is inclined at the Brewster angle, and the grating has several periodic layers having refractive indexes of n1 and n2 values. Consists of The lattice plane need not necessarily coincide with the Brewster's angle, but is sufficient to be in the vicinity thereof.
이 경우, 굴절률 n1은 레이저빔에 노출되지 않는 부분의 평판 도파로(20)의 굴절률이며, n2는 빛에 노출된 부분의 변화된 평판 도파로(20)의 굴절률을 나타낸 다.In this case, the refractive index n1 is the refractive index of the
상기 격자에 있어서, 굴절률이 n2인 층이 주기 람다(Λ)마다 반복되는데 이 n2층을 격자면(grating plate)이라고 한다. 또한, 상기 격자면이 기울어진 경사각이 브루스터 각에 해당될 때, 이들 격자는 한 방향으로 편광된 빛을 만들기 위해서 다수의 브루스터 유리층을 사용하는 편광자와 같이 동작한다. 이에 따라, TE 편광성분 및 TM 편광성분을 모두 갖는 편광되지 않은 입사빔에 대해 TE 편광성분만 격자를 통과하여 출력되게 할 수 있다. 또한 브루스터 각(θB)은 아래와 같이 굴절률 n1 및 n2에 따라서 결정된다.In the lattice, a layer having a refractive index of
θB = tan-1(n2/n1) ............(1)θ B = tan -1 (n2 / n1) ... (1)
혹은 θB = tan-1(n1/n2)Or θ B = tan -1 (n1 / n2)
따라서, n1과 n2가 비슷한 경우에는 45°가 되며, n2값을 조절하는 경우 브루스터 각도 달라지게 된다. 또는, 경사각이 이미 고정되어 있는 경우에는 n2값을 조절하는 경우 경사진 격자를 투과하는 편광된 빛의 편광정도(소거비: TE 편광성분 크기 대 TM 편광성분의 크기)가 달라지게 된다. 또는, n1과 n2가 고정되어 있는 경우, θB 값으로부터 경사각을 변화시켜 주는 경우 편광정도가 달라진다.Therefore, when n1 and n2 are similar, the angle is 45 °, and when the n2 value is adjusted, the Brewster angle is changed. Alternatively, when the angle of inclination is already fixed, when the value of
본 실시예에 따른 평판 도파로형 레이저 장치에 있어서, 기판(15)은 실리카로 이루어져 있고, 코어에 해당하는 상기 도파로(20)는 게르마늄(Ge)과 같은 불순물이 도핑(doping)된 실리카로 이루어져 있다. 또한, 상기 평판 도파로형 편광필 터는 광도파로를 지나는 광파 중에서 특정한 방향으로 편광된 편광성분만을 필터링하는 소자로써, 각종 집적광학소자(intergrated optical optics)에 유용한 기본 소자이다.In the flat waveguide type laser device according to the present embodiment, the
구체적으로, 도 1에 있는 바와 같이, 격자에 TE(Transverse Electric mode) 및 TM(Transverse Magnetic mode) 편광모드가 다같이 입사하는 경우, TE 모드 성분은 전부 투과하고, TM 모드 성분의 일부 또는 전부는 수직방향으로 산란되기 때문에, 출력빔으로 일부가 나오거나 또는 전혀 나오지 않게 된다. 따라서, 도 1과 같은 격자는 편광필터 또는 편광자의 기능을 가지게 된다. 즉, 마치 브루스터 유리층(Brewster window)과 같이 동작하는 평판 도파로형 편광자 또는 편광필터가 제공되는 것이다.Specifically, as shown in FIG. 1, when the TE (Transverse Electric mode) and the TM (Transverse Magnetic mode) polarization modes enter the grating together, all of the TE mode components are transmitted and some or all of the TM mode components are transmitted. Because it is scattered in the vertical direction, some or no light comes out of the output beam. Accordingly, the grating as shown in FIG. 1 has a function of a polarizing filter or a polarizer. That is, a planar waveguide polarizer or a polarizing filter that acts as if it is a Brewster glass layer is provided.
여기서, 상기 TE파(Transverse Electric wave)란, 도파로 내의 광파 중에서 도파로의 축 방향에 대해 전기장은 수직이나 자기장은 수직이 아니고 축 방향 성분을 갖는 파를 말한다. 그리고, TM파(Transverse Magnetic wave)란, 도파로 내의 광파 중에서 도파로의 축 방향에 대해 자기장은 수직이나 전기장은 수직이 아니고 축 방향 성분을 갖는 모드를 의미한다.Here, the TE wave (Transverse Electric wave) refers to a wave in which the electric field is perpendicular to the axial direction of the waveguide among the optical waves in the waveguide but the axial component is not perpendicular to the magnetic field. The TM wave (Transverse Magnetic wave) means a mode in which the magnetic field is perpendicular to the axial direction of the waveguide among the optical waves in the waveguide, but the axial component is not perpendicular to the electric field.
또한, 본 발명에서의 평판 도파로형 편광자인 격자를 제작하는 방법에 관하여 보다 상세히 설명하면, 도 8에 나타낸 바와 같이, 마스크(위상 마스크나 진폭 마스크)를 광감도가 있는 평판 도파로(Ge이 도핑된 실리카) 위에 특정 각도를 이루도록 정렬시킨 후, 위에서 자외선(UV)을 조사시키면 도파로 내에 브루스터 각으로 기울어져서 격자가 생성될 수 있다.In addition, a method of manufacturing a lattice, which is a flat waveguide polarizer in the present invention, will be described in more detail. As shown in FIG. 8, a flat waveguide (Ge-doped silica) having a light sensitivity of a mask (phase mask or amplitude mask) is shown. After aligning at a specific angle on the upper side), irradiating ultraviolet (UV) light from above may tilt the Brewster angle in the waveguide to generate a grating.
대신에, UV 레이저 빔을 레이저 간섭계를 통과시킨 후 광감도가 있는 평판 도파로(Ge이 도핑된 실리카)에 조사시킴으로써 격자를 형성시킬 수도 있다.Alternatively, the lattice may be formed by passing a UV laser beam through a laser interferometer and then irradiating a flat waveguide (Ge doped silica) with light sensitivity.
이와 같이 격자를 구성하면, 도파로 내에 격자가 형성될 수 있기 때문에 전체 구조를 소형화할 수 있다.When the grating is constituted in this manner, the grating can be formed in the waveguide, so that the overall structure can be miniaturized.
이 경우, 정확하게 브루스터 각을 맞추지 않아도 편광자의 전체 길이를 증가시킴으로써 높은 효율을 얻는 것이 가능하다. 격자는 주기적으로 생성되며, 하나의 격자마다 하나의 브루스터 판 역할을 한다. 따라서, 한 번에 수백개에서 수천개이상의 격자를 소형으로 제작 가능하므로 손쉽게 높은 효율의 편광자를 얻을 수 있고, 정확한 브루스터 각을 유지하지 않더라도 많은 수의 격자를 이용함으로써 높은 효율을 유지할 수 있다.In this case, it is possible to obtain high efficiency by increasing the total length of the polarizer without accurately adjusting the Brewster angle. The gratings are generated periodically and serve as one Brewster plate per grating. Therefore, hundreds to thousands or more of gratings can be manufactured at a small size, so that a high efficiency polarizer can be easily obtained, and high efficiency can be maintained by using a large number of gratings without maintaining an accurate Brewster angle.
도 9의 (a)와 (b)에는, 자외선 레이저 간섭계를 이용한 격자 형성 방식이 도시되어 있으며, 도 10에는, 위상 마스크를 이용한 단주기 격자의 형성 방식이 도시되어 있다.9 (a) and 9 (b) show a grating formation method using an ultraviolet laser interferometer, and FIG. 10 shows a grating formation method using a phase mask.
도 2는 본 발명의 일 실시예를 나타낸 것으로, 기판에 형성된 광도파로(20)의 입력 단에 반도체 레이저(2)가 형성되고, 상기 반도체 레이저(2)의 출력 단 쪽의 광도파로(20) 상에 편광자(4)가 구비된 레이저 시스템(30)이 설치된 것이며, 상기 반도체 레이저(LD)(2)에서 나오는 레이저 빔을 도파로(20) 상에 집적된 편광자(4)를 투과함으로써 편광도를 높여주게 된다.2 illustrates an embodiment of the present invention, in which a
구체적인 구성 방법을 설명하면 다음과 같다.A detailed configuration method is as follows.
먼저, 실리카 기판에 도파로를 형성하기 위한 클래딩부와, Ge 등이 도핑되어 굴절율이 높은 코어(core) 부분을 제작하고, 제작된 도파로의 코어부분에 반도체 레이저를 부착시켜서 레이저에서 출력되는 광이 코어부분으로 도파되도록 정렬시킨다. 다음, PLC 상에 만들어진 코어부분에 마스크(도 8 참조)를 사용하여 UV 레이저 빔을 조사시키거나 레이저 간섭계를 이용하여 격자형 편광필터 또는 편광자를 형성시킨다.First, a cladding portion for forming a waveguide on a silica substrate, Ge, and the like are doped to fabricate a core portion having a high refractive index, and a semiconductor laser is attached to the core portion of the manufactured waveguide so that the light output from the laser is the core. Align to be guided into parts. Next, the core part made on the PLC is irradiated with a UV laser beam using a mask (see FIG. 8) or a lattice type polarizing filter or polarizer is formed using a laser interferometer.
이에 따라 전체적인 광의 전송경로를 살펴보면, 먼저 반도체 레이저에서 출력된 빔은 PLC 상의 코어부분으로 집광되는데, 이 때의 빔은 TE/TM가 혼합되어 진행하게 되고, 전술한 바와 같이 동작하는 편광자(4)를 통과하면서, TM 모드의 빔은 전부(도 1의 경우) 또는 일부가 코어 외부로 반사 또는 산란됨으로써, 최종 출력단에서 편광정도가 다른 TE모드의 빔을 얻을 수 있다. 이 때, 상기 편광정도는 격자의 경사각도를 변경시키거나 격자의 길이를 조절함으로써 가능하게 된다. 결국, 편광정도에 따라 모든 TM모드의 빔이 편광필터를 통해 제거될 수도 있고, 일부가 투과되어 출력되게 할 수도 있다.Accordingly, looking at the overall transmission path of the light, first, the beam output from the semiconductor laser is condensed into the core portion on the PLC, in which the beam is mixed with TE / TM, and the
도 3은, 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 것으로, 상기 도 2에 개시된 반도체 편광장치에서 상기 편광자(4)의 출력 단의 광도파(20)로 상에 편광변환기(10)를 추가 구성하여 이루어진다.3 shows another embodiment of the present invention, in which the
상기 편광변환기(10)는 특수한 구조의 도파로 형태로 집적되거나, 결정형태로 도파로 중간에 삽입된 파장판이다.The
특히, 도 3에서는 편광변환기(10)가 λ/2 파장판(wave plate)인 경우에 대해서 설명하고 있다. 만일, TE 편광된 빛이 편광변환기(10)를 통과하면, 도 3에 나타낸 바와 같이 TM 편광된 빛으로 출력될 것이다.In particular, FIG. 3 illustrates a case where the
또한, 파장판이 λ/4 파장판으로 구성된다면, 원형 편광된 빛으로 출력됨을 알 수 있다. 그리고, 파장판에서의 TE, TM 모드 사이의 위상지연 값이 180°(λ/2 파장판) 또는 90°(λ/4 파장판)의 정수배 이외의 값이 되는 경우, 편광변환기(10)에서 출력되어 나오는 빔은 타원 편광된 빔이 될 것이다. 따라서, 여기에서 편광변환기(10)를 조절하면 어떤 편광상태의 빔이라도 출력시킬 수 있다.In addition, it can be seen that if the wave plate is composed of a λ / 4 wave plate, it is output as circularly polarized light. When the phase delay value between the TE and TM modes in the wave plate becomes a value other than an integral multiple of 180 ° (λ / 2 wave plate) or 90 ° (λ / 4 wave plate), the
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸 것으로, 반도체 레이저(2)와 외부공진기용 반사경(5) 사이에 편광필터(40)를 삽입시킴으로써 편광정도를 조절할 수 있는 ECL(External Cavity Laser)를 구성한 것이다.FIG. 4 shows another embodiment of the present invention. An external cavity laser (ECL) capable of adjusting the degree of polarization by inserting a polarization filter 40 between the
본 실시예에서는, 반도체 레이저(2)의 한쪽 면은 반사 코팅부(HR)이지만 다른 면은 무반사 코팅부(AR)로 구성되어 있고, 공진현상을 일으키기 위해 반도체 레이저(2)의 외부에 반사율을 조절할 수 있는 외부공진기용 반사경(5)으로 구성되어 있다. 상기 외부공진기 구성용 반사경(5)은 격자(grating)로 구현할 수 있다. 이 때, 격자는 위상 마스크에서 나오는 UV 레이저빔의 패턴을 광감도가 있는 평판 도파로에 일정시간 동안 노출시켜서, 단주기형으로 제작하는 것이 바람직하다.In this embodiment, one side of the
또한, 도 4(c)에 도시된 바와 같이, ECL의 특성상, 광의 진행 경로가 반도체 레이져(2)와 외부반사경/격자(5) 사이에서 수없이 왕복되는 공진현상으로 레이져의 빔이 출력되므로, 한번의 공진을 일으킬 때마다 편광필터/편광자(40)를 통과하므로 이 경우 역시 정확한 브루스터 각을 유지하지 않더라도 효율을 증가 시킬 수 있는 장점을 지니고 있다. 또한, 입력된 레이저 빔은 레이저(2)와 반사경(5) 사이에서 왕복하면서 특정한 편광모드로 발진하여 방출하게 되는데, 도 4의 경우 방출되는 빔은 소거비가 높은 TE 편광모드가 된다. In addition, as shown in FIG. 4 (c), because of the characteristics of the ECL, the laser beam is output as a resonance phenomenon in which the traveling path of the light is reciprocated numerous times between the
도 5는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 것으로, 전술한 도 4에서 레이저 시스템(32)의 출력 단에 있는 광도파로(20) 상에 편광변환기(10)를 추가 구성하여 이루어진 것이다.FIG. 5 shows another embodiment of the present invention, in which the
편광변환기(10)는 파장판을 도파로에 집적하여 구현할 수도 있고, 결정 형태의 파장판을 도파로 중간에 삽입시켜 제작할 수도 있다. 또한, 도 3에서 설명한 바와 같이, 특정한 편광변환기(10)를 선택하거나 튜닝함으로써 임의의 편광 빔도 출력할 수 있다. 여기서 파장판을 튜닝한다는 것은 파장판에서 두 모드간의 위상지연차를 튜닝한다는 것을 의미하며, 튜닝방법으로는 전계를 가하거나 열을 가하는 방법 등이 있다. 파장판을 도파로에 집적하여 편광변환기를 구현하는 방법으로, UV 빔을 도파로의 일정 부위에 일정시간 동안 조사하여 복굴절을 형성시켜주는 것이 선호된다. 이 방법은, T. Erdogan and V. Mizrahi의, "Characterization of UV-induced birefringence in photosensitive Ge-doped silica optical fibers," J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 11, pp21002105, 1994에 개시되어 있는 바와 같이, 도파로 방향과 수직인 방향으로 편광된 레이저 빔(흔히, 엑시머 레이저 빔)을 조사함으 로써 복굴절 (photoinduced birefringence)의 크기를 최대로 해줄 수 있다. 복굴절의 크기 및 복굴절에 의한 위상지연은 레이저빔의 조사시간에 따라서 달라지기 때문에 조사량을 조절하여 적당한 파장판을 형성시켜 줄 수 있다. 또한, 복굴절 값은 온도에 따라서 달라지기 때문에 온도를 조절하면 위상지연 차를 튜닝할 수 있다. The
도 6은 다수개의 서로 다른 편광된 빔을 방출하는 반도체 레이저 시스템을 구비한 본 발명의 실시예를 나타낸 것으로, 도 2 또는 도 4와 동일한 레이저 시스템(30,32)의 출력 단에 광분배기(6)를 연결하고, 편광변환기(10, 10-1, 10-2, …, 10-m)를 도면과 같이 구성하여 수평방향으로 편광된 빔, 수직으로 편광된 빔, 임의의 방향으로 편광된 선형편광 빔, 원형편광 빔(left-circularly polarized light 및 right-circularly polarized light ) 그리고 타원 편광된 빔을 모두 방출하는 레이저 시스템을 모두 하나의 기판 위에 집적시켜 구성한 것이다.FIG. 6 shows an embodiment of the invention with a semiconductor laser system that emits a plurality of different polarized beams, wherein an
편광필터(4)는 격자면이 브루스터 각으로 기울어진 격자인 것이 바람직하며, 반사경(5)은 브라그 격자인 것이 바람직하다.It is preferable that the
도 7은, 다수개의 서로 다른 각각의 편광된 빔을 방출하는 반도체 레이저 시스템을 구비한 본 발명의 실시예를 나타낸 것으로, m개의 각기 다른 편광된 빔을 방출하기 위해서, 우선 수평방향으로 편광된 빔(TE 모드)를 레이저 시스템을 통해서 만들고, 편광변환기를 각각 다수로 구성하여 다양한 편광 빔을 방출할 수 있도 록 하게 할 수 있다. 도면에서와 같이 선형 편광 및 원형 편광 뿐만 아니라 다른 종류의 편광모드를 방출하는 레이저 시스템을 다수의 광원(2-1, 2-2, …, 2-m)들과, 편광필터를 포함하는 레이저 시스템(30,30-1, 30,32-2 …, 30,32-m), 그리고 편광변환기(10-1, 10-2, …, 10-(m-1))들을 기판 위에 설치하여 구현할 수 있다.FIG. 7 shows an embodiment of the invention with a semiconductor laser system that emits a plurality of different polarized beams, in order to emit m different polarized beams, first of all horizontally polarized beams (TE mode) can be made through the laser system, and each of the polarizers can be configured to emit various polarized beams. As shown in the drawing, a laser system that emits not only linear polarization and circular polarization but also other kinds of polarization modes may include a laser system including a plurality of light sources 2-1, 2-2, ..., 2-m, and a polarization filter. (30,30-1, 30,32-2…, 30,32-m) and polarization converters 10-1, 10-2,…, 10- (m-1) can be implemented on a substrate. have.
이와 같이, 여러 편광모드를 방출하는 레이저 시스템을 동시에 기판 위에 구성할 수도 있지만, 특정한 한 두개의 편광모드만을 방출하는 한 두개의 레이저 시스템만으로도 구성할 수 있다.As such, although a laser system emitting multiple polarization modes may be simultaneously configured on a substrate, only one or two laser systems emitting only one or two specific polarization modes may be configured.
한편, 상기 기판(15)으로는 광학 및 열적 특성이 우수하고 상용화가 용이한 실리카 기판이 사용되며, 광원(2) 또는 SOA는 실리카 기판 위에 고정시키고 도파로에 레이저 빔이 결합될 수 있도록 정렬해야 한다. 도파로는 반사경이나 편광필터 및 파장판이 UV빔으로 직접 집적될 수 있도록 게르마늄(Ge)이 실리카(SiO2)에 도핑되어 있는 것을 사용하는 것이 좋다. Meanwhile, a silica substrate having excellent optical and thermal characteristics and easy commercialization is used as the
상기 파장판을 집적하는 방법으로는 UV빔을 조사해 줌으로써 복굴절을 야기시켜 구현하는 방법이 있다.As a method of integrating the wave plate, there is a method of causing birefringence by irradiating a UV beam.
본 발명에 따른 반도체 레이저 장치는, 편광성분이 고정되어 방출되는 반도체 레이저 뿐만 아니라, 출력되어 나오는 레이저 빔의 편광상태를 튜닝하는 기능도 갖고 있다. 이 때, 편광을 조절하는 방법은 전기나 열을 파장판에 인가시켜서 파장판의 위상을 변화시켜줌으로써 가능하게 된다. The semiconductor laser device according to the present invention has a function of tuning the polarization state of the output laser beam as well as the semiconductor laser in which the polarization component is fixed and emitted. At this time, the method of controlling the polarization is possible by changing the phase of the wave plate by applying electricity or heat to the wave plate.
한편, 전원으로서 상기 반도체 레이저 대신 반도체 증폭기를 사용할 수도 있다.In addition, a semiconductor amplifier may be used as a power source instead of the semiconductor laser.
상기한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 소형의 편광필터 또는 편광변환기를 추가 장착함으로써 편광 빔이 요구되는 시스템에서 종래의 광원을 대신해서 사용될 수 있으며, 높은 편광도를 얻을 수 있으면서도 비용이 저렴하다는 이점이 있다.According to the present invention having the above-described configuration, by additionally equipped with a small polarization filter or a polarization converter can be used in place of the conventional light source in a system that requires a polarizing beam, it is possible to obtain a high degree of polarization and low cost There is this.
또한, 각각의 격자면이 브루스터 각과 정확히 일치하지 않는다 하더라도, 편광자의 전체 길이를 조절함으로써 효과적으로 높은 편광도를 얻을 수 있다는 이점도 있다.In addition, even if each grating plane does not exactly coincide with the Brewster angle, there is an advantage in that a high degree of polarization can be effectively obtained by adjusting the overall length of the polarizer.
또한, 편광변환기를 사용함으로써 하나의 반도체 레이저로도 여러가지 편광상태의 레이저 빔을 출력할 수 있는 장점이 있다.In addition, the use of a polarization converter has the advantage that it can output a laser beam of various polarization state even with a single semiconductor laser.
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