KR100566202B1 - 광대역 이득 레이저를 이용한 파장분할다중 방식의 광송신기 - Google Patents

광대역 이득 레이저를 이용한 파장분할다중 방식의 광송신기 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 파장분할다중 방식의 광송신기는, 각각 주입된 해당 비간섭광을 증폭하여 해당 채널을 출력하는 복수의 광대역 이득 레이저와; 상기 광대역 이득 레이저들에서 출력된 채널들을 파장분할 다중화하여 광신호를 출력하는 파장분할 다중화기를 포함하며, 상기 각 광대역 이득 레이저는, 문턱 전류에서 40㎚ 이상의 3 ㏈ 대역폭을 갖는 이득 매질과; 상기 비간섭광이 주입되는 상기 이득 매질의 일측에 코팅되며 상대적으로 낮은 반사율을 갖는 무반사층과; 상기 이득 매질의 타측에 코팅되며 상대적으로 높은 반사율을 갖는 고반사층을 포함한다.
파장분할다중, 광송신기, 이득 매질, 레이저

Description

광대역 이득 레이저를 이용한 파장분할다중 방식의 광송신기{WAVELENGTH DIVISION MULTIPLEXING OPTICAL TRANSMITTER USING WIDEBAND GAIN LASER}
도 1a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광대역 이득 레이저를 이용한 파장분할다중 방식의 광송신기를 나타내는 도면,
도 1b는 도 1a에 도시된 광대역 이득 레이저의 구성을 나타내는 도면,
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 제n 광대역 이득 레이저에 대한 비교예를 나타내는 도면들,
도 3a부터 도 4b까지는 도 1에 도시된 제n 광대역 이득 레이저의 동작 특성을 설명하기 위한 도면들.
본 발명은 파장분할다중 방식의 광전송 시스템에 관한 것으로서, 특히 상기 시스템에 포함되는 파장분할다중 방식의 광송신기에 관한 것이다.
파장분할다중 방식의 광원으로 분포 귀환 레이저 어레이(distributed feedback laser array: DFB laser array), 다파장 레이저(multi-frequency laser: MFL), 스펙트럼 분할 방식 광원(spectrum-sliced light source), 비간섭성 광에 파장 잠김된 페브리-페롯 레이저(mode-locked Fabry-Perot laser with incoherent light), 반사형 반도체 광 증폭기(reflective semiconductor optical amplifier: R-SOA) 등이 제안되었다. 최근에 활발히 연구되고 있는 스펙트럼 분할 방식 광원은 넓은 대역폭의 광 신호를 광학 필터(optical filter) 또는 도파로형 회절 격자(waveguide grating router: WGR)를 이용하여 스펙트럼 분할함으로써 많은 수의 파장분할된 채널들을 제공할 수 있다. 따라서, 특정 발진 파장의 광원이 필요하지 않으며, 파장 안정화를 위한 장비 역시 필요하지 않다. 이러한 스펙트럼 분할 방식 광원으로서 발광 다이오드(light emitting diode: LED), 초발광 다이오드(superluminescent diode: SLD), 페브리-페롯 레이저(Fabry-Perot laser: FP laser), 광섬유 증폭기 광원(fiber amplifier light source), 극초단 광 펄스 광원 등이 제안되었다. 비간섭성 광에 파장 잠김된 페브리-페롯 레이저는 발광 다이오드 또는 광섬유 증폭기 광원과 같은 비간섭성 광원에서 생성되는 넓은 대역폭의 광 신호를 광학 필터 또는 도파로형 회절 격자를 이용하여 스펙트럼 분할한 다음, 편향기(isolator)가 장착되지 않은 페브리-페롯 레이저에 주입하여 출력되는 파장 잠김된 신호를 전송에 사용한다. 일정 출력 이상의 스펙트럼 분할된 신호가 페브리-페롯 레이저에 주입될 경우 페브리-페롯 레이저는 주입되는 스펙트럼 분할된 신호의 파장과 일치하는 파장만을 출력한다. 반사형 반도체 광 증폭기는 스펙트럼 분할된 비간섭성 광을 반사형 반도체 광 증폭기에 주입하고 광 증폭되어 출력되 는 광신호를 전송에 이용한다.
분포 귀환 레이저 어레이와 다파장 레이저는 제작 과정이 복잡하며 파장분할다중방식을 위해 광원의 정확한 파장 선택성과 파장 안정화가 필수적인 고가의 소자들이다. 스펙트럼 분할 방식 광원으로 제안된 발광 다이오드와 초발광 다이오드는 광 대역폭이 매우 넓고 저렴하지만, 변조 대역폭과 출력이 낮으므로 하향 신호에 비해 변조 속도가 낮은 상향 신호를 위한 광원으로 적합하다. 페브리-페롯 레이저는 저가의 고출력 소자이나, 대역폭이 좁아 많은 수의 파장분할된 채널들을 제공할 수 없으며 스펙트럼 분할된 신호를 고속으로 변조하여 전송하는 경우에 모드 분할 잡음(mode partition noise)에 의한 성능 저하가 심각하다는 단점이 있다. 극초단 펄스 광원은 광원의 스펙트럼 대역이 매우 넓고 가간섭성(coherent)이 있으나, 발진되는 스펙트럼의 안정도가 낮고 또한 펄스의 폭이 수 ps(picosecond)에 불과하여 구현이 어렵다. 이와 같은 광원들을 대신하여 광섬유 증폭기에서 생성되는 자연 방출광(amplified spontaneous emission: ASE)을 스펙트럼 분할하여 많은 수의 파장분할된 고출력 채널들을 제공할 수 있는 스펙트럼 분할 방식 광섬유 증폭기 광원(spectrum-sliced fiber amplifier light source)이 제안되었다. 그러나, 이러한 스펙트럼 분할 방식 광원은 각 채널이 서로 다른 데이터를 전송하기 위하여 LiNbO3 변조기와 같은 고가의 외부 변조기를 별도로 사용해야만 한다.
비간섭성 광에 파장 잠김된 페브리-페롯 레이저는 페브리-페롯 레이저를 데이터 신호에 따라 직접 변조함으로써 보다 경제적으로 데이터를 전송할 수 있다. 그러나, 온도 조절기가 없는 저가의 광전송기에 사용하는 페브리-페롯 레이저의 경우에 온도에 따른 이득 파장의 변화로 인하여 사용할 수 있는 파장 범위가 좁기 때문에, 온도에 따른 출력이 균일하지 않게 된다.
또한, 페브리-페롯 레이저를 이용한 파장분할다중 방식의 광전송 시스템에서는 각 채널마다 고유한 페브리-페롯 레이저를 사용해야 하므로, 시스템 운용 비용이 높다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 사용 가능한 온도 범위가 넓고, 채널 호환성을 갖는 파장분할다중 방식의 광송신기를 제공함에 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 파장분할다중 방식의 광송신기는, 각각 주입된 해당 비간섭광을 증폭하여 해당 채널을 출력하는 복수의 광대역 이득 레이저와; 상기 광대역 이득 레이저들에서 출력된 채널들을 파장분할 다중화하여 광신호를 출력하는 파장분할 다중화기를 포함하며, 상기 각 광대역 이득 레이저는, 문턱 전류에서 40㎚ 이상의 3 ㏈ 대역폭을 갖는 이득 매질과; 상기 비간섭광이 주입되는 상기 이득 매질의 일측에 코팅되며 상대적으로 낮은 반사율을 갖는 무반사층과; 상기 이득 매질의 타측에 코팅되며 상대적으로 높은 반사율을 갖는 고반사층을 포함한다.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능이나 구성에 대한 구체적인 설 명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 1a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광대역 이득 레이저를 이용한 파장분할다중 방식의 광송신기를 나타내는 도면이며, 도 1b는 도 1a에 도시된 광대역 이득 레이저의 구성을 나타내는 도면이다. 상기 광송신기(100)는 자연 방출광 광원(ASE source, 110)과, 써큘레이터(circulator: CIR, 120)와, 파장분할 다중화기(wavelength division multiplexer: WDM, 130)와, 제1 내지 제n 광대역 이득 레이저(wideband gain laser: WGL, 140-1~140-n)를 포함한다.
상기 자연 방출광 광원(110)은 기설정된 파장 대역의 비간섭광(160)을 출력하며, 상기 자연 방출광 광원(110)은 자연 방출광을 출력하는 어븀 첨가 광섬유 증폭기(erbium doped fiber amplifier: EDFA)를 포함할 수 있다. 상기 어븀 첨가 광섬유 증폭기는 어븀 첨가 광섬유와, 상기 어븀 첨가 광섬유를 펌핑하기 위한 펌프 레이저 다이오드(pump laser diode)를 포함할 수 있다.
상기 써큘레이터(120)는 제1 내지 제3 포트(1201~1203)를 구비하며, 제1 포트(1201)는 상기 자연방출광 광원(110)과 연결되고, 제2 포트(1202)는 상기 파장분할 다중화기(130)의 다중화 포트(multiplexing port: MP)와 연결되며, 제3 포트(1203)는 전송 링크(transmission link, 150)와 연결된다. 상기 써큘레이터(120)는 제1 포트(1201)에 입력된 비간섭광(160)을 제2 포트(1202)로 출력하고, 제2 포트(1202)에 입력된 다중화된 광신호(190)를 제3 포트(1203)로 출력한다. 상기 써큘레이터(120)는 그 상위 포트에 입력된 광을 그 인접한 하위 포트로 출력하도록 구성된다.
상기 파장분할 다중화기(130)는 하나의 다중화 포트(MP)와 제1 내지 제n 역다중화 포트(demultiplexing port: DP)(DP1~DPn)를 구비하고, 다중화 포트(MP)는 상기 써큘레이터(120)의 제2 포트(1202)와 연결되며, 제1 내지 제n 역다중화 포트(DP1~DPn)는 상기 제1 내지 제n 광대역 이득 레이저(140-1~140-n)와 일대일 연결된다. 상기 파장분할 다중화기(130)는 다중화 포트(MP)에 입력된 비간섭광(160)을 파장분할 역다중화하며, 파장별로 역다중화된 각 비간섭광(170-1~170-n)을 해당 역다중화 포트(DP1~DPn)로 출력한다. 또한, 상기 파장분할 다중화기(130)는 제1 내지 제n 역다중화 포트(DP1~DPn)에 입력된 제1 내지 제n 채널(180-1~180-n)을 파장분할 다중화하며, 다중화된 광신호(190)를 다중화 포트(MP)로 출력한다. 상기 파장분할 다중화기(130)는 도파로형 회절 격자(waveguide grating router: WGR)를 포함할 수 있다.
상기 제1 내지 제n 광대역 이득 레이저(140-1~140-n)는 상기 파장분할 다중화기(130)의 제1 내지 제n 역다중화 포트(DP1~DPn)와 일대일 연결된다. 상기 제1 내지 제n 광대역 이득 레이저(140-1~140-n)는 각각 주입된 해당 비간섭광(170-1~170-n)을 증폭하여 해당 채널(180-1~180-n)을 출력한다. 상기 제1 내지 제n 광대역 이득 레이저(140-1~140-n)는 모두 동일한 구성을 가지며, 상기 제n 광대역 이득 레이저(140-n)의 구성을 도 1b를 참조하여 기술하기로 한다.
상기 제n 광대역 이득 레이저(140-n)는 광대역의 이득을 갖는 이득 매질(gain medium, 141-n)과, 상기 제n 역다중화 포트(DPn)와 대향된 상기 이득 매질(141-n)의 일단에 코팅되며 상대적으로 낮은 반사율(reflectance)을 갖는 무반사 층(antireflection layer, 142-n)과, 상기 이득 매질(141-n)의 타단에 코팅되며 상대적으로 높은 반사율을 갖는 고반사층(high reflection layer, 143-n)을 포함한다. 상기 무반사층(142-n)은 0.01~30% 범위의 반사율을 갖고, 상기 고반사층(143-n)은 60~100% 범위의 반사율을 갖는다. 또는, 상기 제n 광대역 이득 레이저(140-n)의 일단에 상기 무반사층(142-n)과 더불어 윈도우(window) 구조를 적용하여 낮은 반사율을 이룰 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 제n 광대역 이득 레이저에 대한 비교예를 나타낸다. 도 2a는 전형적인 페브리-페롯 레이저의 이득 곡선을 나타내며, 도 2b는 상기 제n 광대역 이득 레이저(140-n)의 이득 곡선을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 전형적인 페브리-페롯 레이저의 이득 곡선은 어느 한 중심 파장에서 이득 피크치를 나타내고 있으나, 상기 제n 광대역 이득 레이저(140-n)의 이득 곡선은 넓은 파장 대역에 대하여 평탄화되어 있다. 이에 따라서, 상기 제n 광대역 이득 레이저(140-n)의 이득 곡선은 전형적인 페브리-페롯 레이저의 이득 곡선에 비하여 가용 파장 대역폭이 넓으며, 문턱 전류에서 40~150㎚ 범위의 3㏈ 대역폭(3㏈ bandwidth)을 갖는다. 또한, 이러한 이득 곡선을 가짐에 따라서, 상기 제n 광대역 이득 레이저(140-n)는 넓은 온도 범위에서 동작할 수 있다. 상기 제n 광대역 이득 레이저(140-n)의 이득 곡선은 온도가 변함에 따라 약 0.5 ㎚/℃로 이동하고, 그 출력은 주입된 비간섭광의 스펙트럼과 그 이득 곡선의 컨볼루션(convolution)으로 주어진다. 상기 전형적인 페브리-페롯 레이저와 비교해보면, 상기 제n 광대역 이득 레이저(140-n)는 보다 넓은 온도 범위에서 동작 가능하며, 별도의 온도 조절기가 필요 하지 않다. 또한, 상기 제n 광대역 이득 레이저(140-n)는 필요에 따라 기설정된 채널 이외의 채널을 출력하는데 사용될 수 있으므로, 광송신기의 유지 및 관리에 유리한 채널 호환성을 갖는다.
상기 제n 광대역 이득 레이저(140-n)를 구현하기 위한 방법들로는, 에피 구조(epitaxial structure) 자체를 설계하는 방법, 선택영역 성장법, 그리고 전류 주입시 상기 이득 매질(141-n)의 위치에 따라(길이 방향에 따른) 차이를 두는 방법 등이 있다.
에피 구조 자체를 설계하는 방법으로서, 대칭적인 다중 양자 우물 구조 대신 비대칭적인 다중 양자 우물 구조를 이용하고, 상기 비대칭 다중 양자 우물을 구성하는 양자 우물층들의 두께 및/또는 조성을 변화시키는 방법이 제안된 바 있다(Michael J. Hamp and Daniel T. Cassidy, “Critical Design Parameters for Engineering Broadly Tunable Asymmetric Multiple-Quantum-Well Lasers”, IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 36, NO. 8, pp. 978-983, 2000).
선택 영역 성장법으로서, 대칭적인 양자 우물 구조를 이용하나 마스크 등을 이용하여 영역별로 정점 이득 파장을 다르게 조절하는 방법이 제안된 바 있다(공개특허 제2005-20056호).
전류 주입시 영역별 차이를 주는 방법으로서, 비대칭 듀얼 양자 우물 구조를 이용하고, 활성층을 길이 방향에 따른 두 영역들로 구분하며, 상기 두 영역들에 서로 다른 레벨의 전류를 주입하는 방법이 제안된 바 있다(Sotomitsu Ikeda, Akira Shimizu, Yoshinobu Sekiguchi, Mitsutoshi Hasegawa, Kumiko Kaneko, and Toshitami Hara, “Wide-range wavelength tuning of an asymmetric dual quantum well laser with inhomogeneous current injection”, Appl. Phys. Lett., Vol. 55, No. 20, pp. 2057-2059, 1989).
도 3a부터 도 4b까지는 도 1에 도시된 제n 광대역 이득 레이저의 동작 특성을 설명하기 위한 도면들이다.
도 3a 및 도 3b는 상기 제n 광대역 이득 레이저(140-n)에서 발생하는 다중 경로 이득(multi-path gain) 현상을 설명하기 위한 도면이다. 상기 제n 광대역 이득 레이저(140-n)가 문턱전류(threshold current) 이상에서 구동될 때, 일정 파장 간격으로 위치하는 복수의 발진 모드들(B)이 나타난다. 주입된 비간섭광(A)의 파장과 발진 모드들(B) 중 하나의 파장이 일치하고, 파장 일치된 발진 모드가 증폭되는 동시에 다른 모드들은 억제된 상태로 해당 채널(C)이 출력된다. 이러한 현상을 다중 경로 이득 현상이라고 칭하며, 이는 상기 비간섭광(A)의 파장이 상기 제n 광대역 이득 레이저(140-n) 내의 공진 조건을 만족함에 따라서, 상기 비간섭광(A)이 다중 경로 이득을 얻게 됨에 따른 것이다.
도 4a 및 도 4b는 상기 제n 광대역 이득 레이저(140-n)에서 발생하는 단일 경로 이득(sigle-path gain) 현상을 설명하기 위한 도면이다. 상기 제n 광대역 이득 레이저(140-n)가 문턱전류 이상에서 구동될 때, 일정 파장 간격으로 위치하는 복수의 발진 모드들(E)이 나타난다. 주입된 비간섭광(D)의 파장은 발진 모드들(E) 중 어느 것과도 파장이 일치하지 않으므로, 상기 비간섭광(D)은 단일 경로 이득만을 얻은 상태로 해당 채널(F)이 출력된다. 이러한 현상을 단일 경로 이득 현상이라고 칭하며, 이는 상기 비간섭광(D)의 파장이 상기 제n 광대역 이득 레이저(140-n) 내의 공진 조건을 만족하지 못함에 따라서, 상기 비간섭광(D)이 단일 경로 이득을 얻게 됨에 따른 것이다.
다시 도 1b를 참조하면, 낮은 반사율을 갖는 상기 무반사층(142-n)을 구비함으로써, 상기 제n 광대역 이득 레이저(140-n)는 하기하는 바와 같은 이점들을 갖는다.
첫째, 상기 무반사층(142-n)에서 반사되는 비간섭광의 파워가 작으므로, 주입된 비간섭광이 상기 이득 매질(141-n) 내로 결합되는 효율이 높아져서 파장 잠김 에 요구되는 비간섭광의 세기를 작게 할 수 있다. 따라서, 저가의 ASE 광원을 사용할 수 있게 된다.
둘째, 상기 제n 광대역 이득 레이저(140-n)에서 반사되는 비간섭광은 잡음으로서 작용하게 되는데, 상기 무반사층(142-n)을 사용함으로써 이러한 잡음을 최소화하고 상기 제n 광대역 이득 레이저(140-n)의 소광비(extinction ratio)를 증가시킨다.
셋째, 다중 경로 이득 현상 대신에 단일 경로 이득 현상이 일어날 때, 상기 무반사층(142-n)에서의 광 손실이 줄어듦으로써 증폭 효율이 높아지고, 전체적으로는 온도 변화에 의한 발진 모드의 변화와 상관없이 전송 특성을 유지할 수 있다.
넷째, 상기 무반사층(142-n)은 상기 고반사층(143-n)과 더불어 상기 무반사층(142-n)으로의 출력 비율을 높임으로써, 상기 고반사층(143-n)에서의 광 손실을 줄인다. 상기 무반사층(142-n)의 반사율은 전형적인 반도체 광증폭기의 무반사층의 반사율과 비교할 때 보다 큰 값을 가진다. 반도체 광증폭기의 경우에는 공진기 내의 발진 현상(lasing)을 억제하기 위하여, 무반사층에서 0.1% 이하의 반사율이 요구된다. 이를 구현하기 위하여, 통상적으로 사용되는 방법은 공정 상의 복잡성을 수반하는 경사진 도파로(tilted waveguide) 구조를 구현함과 더불어, 그 일단에 정밀한 다층의 무반사 코팅을 하는 것이다. 이에 반하여, 상기 제n 광대역 이득 레이저(140-n)는 내부의 발진 현상을 억제할 필요가 없으므로, 일반적인 도파로 구조를 가지며 상대적으로 간단한 무반사 코팅을 통하여 용이하게 구현될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 파장분할다중 방식의 광송신기는 문턱 전류에서 40 ㎚ 이상의 3 ㏈ 대역폭을 갖는 이득 매질을 이용한 광대역 이득 레이저를 포함함으로써, 사용 가능한 온도 범위가 넓고 채널 호환성을 갖는다는 이점이 있다.

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 파장분할다중 방식의 광송신기에 있어서,
    각각 주입된 해당 비간섭광을 증폭하여 해당 채널을 출력하는 복수의 광대역 이득 레이저와;
    상기 광대역 이득 레이저들에서 출력된 채널들을 파장분할 다중화하여 광신호를 출력하는 파장분할 다중화기를 포함하며, 상기 각 광대역 이득 레이저는,
    문턱 전류에서 40㎚ 이상의 3 ㏈ 대역폭을 갖는 이득 매질과;
    상기 비간섭광이 주입되는 상기 이득 매질의 일측에 코팅되며 상대적으로 낮은 반사율을 갖는 무반사층과;
    상기 이득 매질의 타측에 코팅되며 상대적으로 높은 반사율을 갖는 고반사층을 포함함을 특징으로 하는 광대역 이득 레이저를 이용한 파장분할다중 방식의 광송신기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 이득 매질은 문턱 전류에서 40~150㎚ 범위의 3㏈ 대역폭을 가짐을 특징으로 하는 광대역 이득 레이저를 이용한 파장분할다중 방식의 광송신기.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제2항에 있어서,
    상기 무반사층은 0.01~30% 범위의 반사율을 갖고, 상기 고반사층은 60~100%의 반사율을 가짐을 특징으로 하는 광대역 이득 레이저를 이용한 파장분할다중 방식의 광송신기.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 파장분할 다중화기는 도파로형 회절 격자를 포함함을 특징으로 하는 광대역 이득 레이저를 이용한 파장분할다중 방식의 광송신기.
  9. 제2항에 있어서, 상기 광송신기는,
    기설정된 파장 대역의 비간섭광을 출력하는 자연 방출광 광원과;
    상기 자연 방출광 광원으로부터 수신한 비간섭광을 상기 파장분할 다중화기로 출력하고, 상기 파장분할 다중화기로부터 수신한 광신호를 연결된 광전송 링크로 출력하는 써큘레이터를 더 포함하며,
    상기 파장분할 다중화기는 상기 써큘레이터로부터 수신한 비간섭광을 파장별로 역다중화하여 상기 광대역 이득 레이저들로 출력함을 특징으로 하는 광대역 이득 레이저를 이용한 파장분할다중 방식의 광송신기.
KR1020030064875A 2003-09-18 2003-09-18 광대역 이득 레이저를 이용한 파장분할다중 방식의 광송신기 KR100566202B1 (ko)

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