KR100626270B1 - Widely Tunable Coupled-Ring Reflector Laser Diode - Google Patents
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Abstract
본 발명은 방향성 결합기를 통하여 광 파워의 교류가 있도록 고안된 두 개의 링 공진기와 이들에 결합된 직선 도파로로 구성된 상호 결합 링 공진기 반사기 (CRR : Coupled-Ring Reflector)를 이득 물질과 집적함으로써, 광대역 파장 가변 레이저를 실현하고자 하는 것이다. 이 구성에서 결합된 두 링 공진기의 FSR(Free Spectral Range)을 서로 약간 다르게 하고 (즉, 두 공진기의 주회 길이를 약간 상이하게 함), 굴절률을 적절히 조절하면, FSR 주기로 발생하는 반사율의 크기가 특정 파장에서 가장 크고, 최대 반사율을 나타내는 파장으로부터 FSR 주기의 정수 배만큼 떨어진 파장에서 발생하는 반사율 최대치는 점차 감소하는 형태를 보이게 된다. 또한, 두 링 공진기의 굴절률 차이를 적절히 조절하면, 작은 굴절률 변화에도 최대 반사율 파장을 수십 nm 에 걸쳐서 변경시킬 수 있다. 이와 같은 CRR의 반사 특성을 이용하여 광 대역 파장 가변 레이저를 구현할 수 있다. According to the present invention, an integrated coupling resonator reflector (CRR) consisting of two ring resonators designed to allow optical power exchange through a directional coupler and a linear waveguide coupled thereto is integrated with a gain material. It is to realize a laser. In this configuration, if the FSR (free spectral range) of the two ring resonators combined is slightly different (i.e. slightly different circumferential length of the two resonators), and the refractive index is properly adjusted, the amount of reflectance generated in the FSR period is determined. The maximum reflectance at the wavelength that is the largest in the wavelength and separated by an integer multiple of the FSR period from the wavelength representing the maximum reflectance gradually decreases. In addition, if the refractive index difference between the two ring resonators is properly adjusted, the maximum reflectance wavelength can be changed over several tens of nm even with small refractive index changes. By using the reflection characteristics of the CRR it is possible to implement a wide-band wavelength tunable laser.
레이저 다이오드, 광대역 파장 가변 레이저, 광 도파로, 반사기, 링 공진기, 공진기, 광 집적회로 Laser Diodes, Wideband Tunable Lasers, Optical Waveguides, Reflectors, Ring Resonators, Resonators, Optical Integrated Circuits
Description
도 1a는 종래 기술에 의한 것으로, 발진 되는 레이저의 파장을 가변할 수 있는 추출 격자 분포 브래그 반사 반도체 레이저 다이오드의 개략적인 구성도, 1A is a schematic configuration diagram of an extraction grating distribution Bragg reflective semiconductor laser diode that can vary the wavelength of an oscillated laser according to the prior art;
도 1b는 도 1a에 도시된 레이저 다이오드의 SG-DBR영역에 구비되는 회절격자 개념도,1B is a conceptual diagram of a diffraction grating provided in the SG-DBR region of the laser diode shown in FIG. 1A;
도 1c는 도 1a에 도시된 레이저 다이오드에서의 SG-DBR 영역의 반사 스펙트럼을 개략적으로 도시한 도면,FIG. 1C schematically shows a reflection spectrum of the SG-DBR region in the laser diode shown in FIG. 1A;
도 2a는 다른 종래 기술에 의한 것으로, 격자주기가 변조된 브래그 반사단 의 회절격자 개념도,2a is a conceptual diagram of a diffraction grating of a Bragg reflection stage modulated by a grating period, according to another conventional technique,
도 2b는 도 2a에 도시된 회절격자에 의한 반사 스펙트럼을 개략적으로 도시한 도면,FIG. 2B schematically illustrates a reflection spectrum by the diffraction grating shown in FIG. 2A;
도 3은 광대역 파장 가변 CRR (Coupled-Ring Reflector) 레이저 다이오드 개 략적인 사시도,3 is a schematic perspective view of a broadband wavelength variable CRR (Coupled-Ring Reflector) laser diode;
도 4a는 도 3의 CRR에서 R0 = R1 = 50μm 이고, neff0 = neff1 =3.29, 직선 도파로와 링 도파로 사이의 결합 비율 κin 과, 링과 링 사이의 결합 비율 κ0 는 각각 0.64와 0.08로 가정한 경우, CRR의 파장에 따른 반사 스펙트럼,4A is R 0 = R 1 = 50 μm in the CRR of FIG. 3, and n eff 0 = n eff1 = 3.29, where the coupling ratio κ in between the linear waveguide and the ring waveguide and the coupling ratio κ 0 between the ring and the ring are assumed to be 0.64 and 0.08, respectively,
도 4b는 도 3의 CRR에서 R0 = 50μm, R1 = 52μm, 링 공진기 0의 굴절률은 3.29, 링 공진기 1의 굴절률은 3.29+1.9x10-4인 경우의 반사 스펙트럼,FIG. 4B shows R 0 at CRR of FIG. = 50 μm, R 1 = 52 μm, the reflection spectrum when the
도 4c는 도 3의 CRR에서 R0 = 50μm, R1 = 52μm, 링 공진기 0의 굴절률은 3.29, 링 공진기 1의 굴절률은 3.29+3.8x10-4인 경우의 반사 스펙트럼, 4C shows R 0 at CRR of FIG. = 50 μm, R 1 = 52 μm, the reflection spectrum when the
도 4d는 도 3의 CRR에서 R0 = 50μm, R1 = 52μm, 링 공진기 0의 굴절률은 3.29, 링 공진기 1의 굴절률은 3.29+5.7x10-4인 경우의 반사 스펙트럼, FIG. 4D shows R 0 at CRR of FIG. = 50 μm, R 1 = 52 μm, the reflection spectrum when the
도 5는 전반사 거울 및 다중 모드 간섭 결합기가 포함된 링 공진기로 구성된 CRR의 개략적인 평면도,5 is a schematic plan view of a CRR composed of a ring resonator including a total reflection mirror and a multimode interference coupler;
도 6은 InGaAsP 계열로 제작된 패브리 페로(Fabry-Perot) 레이저 다이오드를 실리카 또는 폴리머 재질에 구현된 CRR과 하이브리드로 집적한, 광대역 파장 가변 CRR (Coupled-Ring Reflector) 레이저 다이오드 개략적인 사시도.FIG. 6 is a schematic perspective view of a broadband wavelength-variable coupled-ring reflector (CRR) laser diode incorporating a Fabry-Perot laser diode fabricated from InGaAsP series in hybrid with a CRR implemented in silica or polymer materials.
< 도면 중 주요부분의 부호에 대한 설명 ><Description of Signs of Major Parts in Drawings>
30 : n형 InP 기판 31 : p형 InP 클래드층30: n-type InP substrate 31: p-type InP cladding layer
32a : 다중양자 우물 활성층 32b : InGaAsP 수동 도파로층32a: multi-quantum well
33 : n형 전극 34 : p형 전극 (활성층 전류 주입 전극)33 n-type electrode 34 p-type electrode (active layer current injection electrode)
35 : 도파로 형성을 위한 리지 구조 36a : 굴절률 제어 전극35 ridge structure for
36b : 굴절률 제어 전극 36c : 굴절률 제어 전극36b: refractive
37a : CRR의 링 공진기 0 37b: CRR의 링 공진기 137a: CRR
37c : CRR의 직선도파로 38 : 반사 단면 (반사율 : RL)37c: CRR linear waveguide 38: reflection cross section (reflectance: R L )
39 : CRR에 의한 반사(반사율:RR) 40 : 반사 방지 코팅된 단면 39: reflection by CRR (reflectance: R R ) 40: antireflection coated cross section
50 : 전반사 거울 51 : 다중모드 간섭결합기50: total reflection mirror 51: multimode interference coupler
52 : 입사파 53 반사파 52:
54 : 투과파 60 : 실리카 또는 폴리머 기판 54
61a : 실리카 또는 폴리머 하부 클래드 층61a: silica or polymer lower clad layer
61b : 실리카 또는 폴리머 도파로 층61b: silica or polymer waveguide layer
61c : 실리카 또는 폴리머 상부 클래드 층61c: silica or polymer top clad layer
62a : 다중양자 우물 활성 층 62b : InGaAsP 상부 클래드 층62a: multi-quantum well active layer 62b: InGaAsP top clad layer
62c : InGaAsP 하부 클래드 층 63a : 반사 단면 (반사율 : RL)62c: InGaAsP
63b : 반사 방지 코팅된 단면 64 : p형 전극 (활성층 전류 주입 전극)63b: antireflection coated cross section 64: p-type electrode (active layer current injection electrode)
65 : 레이저 다이오드 도파로 형성을 위한 리지 구조65: Ridge structure for forming laser diode waveguide
66a : 굴절률 제어 전극 66b : 굴절률 제어 전극66a: refractive
66c : 굴절률 제어 전극 67a : CRR의 링 공진기 066c: Refractive index control electrode 67a:
67b: CRR의 링 공진기 1 67c : CRR의 직선도파로67b: CRR ring resonator 1 67c: CRR linear waveguide
본 발명은 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, 특히 상호 결합된 링의 파장 선택 반사 특성을 이용하여 광 대역 파장을 가변할 수 있는 결합 링 공진기 반사기 레이저 다이오드 (Widely Tunable Coupled-Ring Reflector Laser Diode)에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
통신을 통해 전송되는 정보의 양이 급격히 늘어나면서, 전송 용량을 높이기 위한 방법으로 파장 분할 방식의 광신호 전송이 사용되고 있다. 이 방식은 다른 색깔을 가지는 광파 사이의 비 간섭성을 이용하여 하나의 광섬유를 통해 서로 다른 파장(채널)의 광신호를 전송하여 결과적으로 전송속도를 증가시키는 것이다. 파장 분할 방식의 광신호 전송은 광통신 시스템의 확장성과 유연성을 보장하는데 유리하다. 이러한 파장분할 방식의 광신호 전송을 위해서는 여러 파장 대의 고정된 파장의 레이저 다이오드나 파장을 가변할 수 있는 레이저 다이오드가 필요하다.As the amount of information transmitted through communication increases rapidly, wavelength division optical signal transmission is used as a method for increasing transmission capacity. This method uses non-coherence between light waves of different colors to transmit optical signals of different wavelengths (channels) through one optical fiber, thereby increasing the transmission speed. The wavelength division optical signal transmission is advantageous to ensure the scalability and flexibility of the optical communication system. In order to transmit the optical signal of the wavelength division method, a laser diode having a fixed wavelength of several wavelength bands or a laser diode capable of varying the wavelength is required.
파장 가변 레이저 다이오드는 종래의 파장 고정 레이저 다이오드에 비해 여러 이점을 지니는데, 시스템 유지, 보수를 위한 백업용 광원의 수를 줄일 수 있으며, 동적으로 파장을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 네트워크 제어 소프트웨어를 단순화할 수 있다. 이러한 이점으로 인해 파장 가변 레이저 다이오드는 가입자 네트워크에서 매트로 네트워크, 장거리 네트워크에 이르기까지 모든 응용 영역에서의 광 네트워크 개발에 필수적인 소자로 인식되고 있다. Tunable laser diodes have several advantages over conventional wavelength-fixed laser diodes, which can reduce the number of back-up light sources for system maintenance and maintenance, provide dynamic wavelengths, and simplify network control software. Can be. These advantages make tunable laser diodes an essential component for optical network development in all application areas, from subscriber networks to macro and long-haul networks.
파장 가변 레이저 다이오드는 여러 응용영역에서 요구하는 사양을 만족하기 위해서는 고출력(>10mW), C-band 전체에 대한 파장 가변(>32nm), 빠른 파장 가변 속도(>10ns), 고속 직접변조(>2.5Gbps) 및 대량 생산이 가능해야 한다. Tunable laser diodes have high power (> 10mW), variable wavelength (> 32nm), fast variable wavelength (> 10ns), and fast direct modulation (> 2.5) to meet the specifications required by many application areas. Gbps) and mass production must be available.
현재까지 개발되거나 제안된 대표적인 파장 가변 레이저 다이오드는 추출 격자 분포 브래그 반사(Sampled grating distributed Bragg reflector: SG-DBR) 레이저 다이오드, 주기적으로 격자 주기가 변조된 브래그 반사기(Super-Structure Grating Distributed Bragg Reflector: SSG-DBR) 레이저 다이오드, 추출 격자 반사기가 결합 된 격자 도움 양 방향성 결합기(Grating-Assisted Codirectional-coupler with Sampled grating Reflector: GCSR) 레이저 다이오드 등이 있다.Typical tunable laser diodes developed or proposed to date include a sampled grating distributed Bragg reflector (SG-DBR) laser diode, and a periodic grating period-modulated Bragg reflector (SGG). (DBR) laser diodes, grating-assisted codirectional-couplers with sampled grating reflectors (GCSR) laser diodes combined with extraction grating reflectors.
이하 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술에 의한 대표적인 여러 파장 가변 레이저 다이오드에 대해 설명한다. Hereinafter, exemplary wavelength-variable laser diodes according to the related art will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1a는 미국특허 제4,896,325호에 기재된 추출 격자 분포 브래그 반사(Sampled grating distributed Bragg reflector: SG-DBR) 레이저 다이오드의 구조와 제어회로를 개략적으로 도시한 도면이다.FIG. 1A schematically illustrates a structure and a control circuit of a sampled grating distributed Bragg reflector (SG-DBR) laser diode described in US Pat. No. 4,896,325.
도 1a에 도시된 SG-DBR 레이저 다이오드는 파장 가변을 위해 레이저 다이오드의 양단의 SG-DBR영역(11, 14), 광파가 생성되는 이득 영역(12) 및 위상 조절 영역(13)의 총 4개 영역으로 구성되어 있다. 그리고 이러한 SG-DBR 레이저 다이오드에서 출력되는 레이저의 파장을 가변시키기 위해서는 연속적인 파장 가변을 위한 버니어 제어 회로 (Vernier control circuit: 17), 불연속적인 파장 이동을 위한 오프셋 제어 회로 (Offset control circuit: 18), 위상영역의 위상 제어 회로 (Phase control circuit: 16) 및 이득 제어회로 (Gain control circuit: 15)등의 외부 제어 회로가 필요하다. In the SG-DBR laser diode shown in FIG. 1A, a total of four SG-
이와 같은 SG-DBR 레이저 다이오드의 기본 동작 원리는 다음과 같다. 이득영역(12)에 전류를 인가시키면 자발 방출에 의해서 넓은 파장에 걸쳐 분포된 광파가 생성된다. 이러한 광파를 양단의 SG-DBR 영역에 의해서 특정한 파장의 광파만이 레이저 다이오드 내에서 공진이 가능하게 하여 그 파장에서 레이저 다이오드가 발진하도록 한다. The basic operation principle of the SG-DBR laser diode is as follows. Applying a current to the
여기서 도 1에 도시된 SG-DBR 영역에는 도 1b와 같은 추출 격자(Sampled Grating) 구조가 형성되어 있다. 이러한 추출 격자에 의해 도 1c와 같은 반사 스펙트럼 특성을 가지게 된다. 반사 스펙트럼의 중심 피크의 파장은 회절격자 주기(Λ)에 의해서 결정되는 브래그 파장(λB)이고 각 피크 치를 가지는 파장 간의 간격은 추출 격자의 주기(Z)에 의해서 결정된다. 즉 서로 다른 주기를 가지는 추출 격자의 SG-DBR영역 (11, 14)을 양단에 집적시키어, SG-DBR영역 (11, 14)의 반사 스펙트럼의 피크들 중 일치하는 피크의 파장에서 레이저 다이오드가 발진하게 된다. Here, a sampled grating structure as shown in FIG. 1B is formed in the SG-DBR region illustrated in FIG. 1. This extraction grating has the reflection spectral characteristics as shown in FIG. 1C. The wavelength of the center peak of the reflection spectrum is the Bragg wavelength λ B determined by the diffraction grating period Λ and the spacing between wavelengths having each peak value is determined by the period Z of the extraction grating. That is, the SG-
그리고 SG-DBR 영역(11, 14)의 굴절률을 전류 등에 의해 변화시키면, 반사 스펙트럼의 각 피크는 파장 간의 간격을 유지한 채 이동하게 된다. 이러한 반사 피크의 이동으로 인해 일치하는 반사 피크의 파장이 바뀌게 되어 발진 파장을 가변할 수 있게 된다. 위상 조절 영역(13)은 SG-DBR에 의해 생성된 이득 영역(12)의 종축 모드(Longitudinal mode)간의 간격을 조절하여 연속적인 파장 가변이나 반사 피크에 종축 모드를 일치시켜 발진 파장의 파워를 극대화시키는 역할을 한다. 이러한 원리로 양단의 SG-DBR 영역(11, 14)과 위상 조절영역(13)의 굴절률을 전류에 의해 적절히 조절함으로써 연속적/불연속적인 파장 가변이 가능하다. When the refractive indices of the SG-
그러나 이러한 SG-DBR 레이저 다이오드는 파장 가변을 하기 위해서 양단의 SG-DBR 영역의 굴절률과 위상 영역의 굴절률을 변화시켜야 하므로 이 소자를 제어하기 위한 외부 회로가 복잡해지고 파장 가변을 위해 양단에 집적된 SG-DBR 영역에서 발생하는 손실에 의해 출력 광 효율이 낮아지는 구조적인 한계가 있다. However, since the SG-DBR laser diode needs to change the refractive index of the SG-DBR region and the phase region of the both ends in order to change the wavelength, the external circuit for controlling the device is complicated and the SG integrated at both ends for the wavelength variable. There is a structural limitation that the output light efficiency is lowered by the loss occurring in the -DBR region.
이러한 구조적인 한계를 극복하기 위해 반도체 광증폭기(Semiconductor Optical Amplifier: SOA)를 집적시켜서 출력 광 파워를 높여 주는 연구가 활발히 진행되고 있지만, 레이저 다이오드의 구조가 더 복잡하게 되어 제작상 어려움이 존재하는 문제점이 발생한다. In order to overcome these structural limitations, studies are being actively conducted to increase output optical power by integrating a semiconductor optical amplifier (SOA), but there are difficulties in manufacturing due to the complexity of the laser diode structure. This happens.
도 2a는 출력되는 레이저의 파장을 가변할 수 있는 주기적으로 격자주기가 변조된 브래그 반사(SSG-DBR) 레이저 다이오드의 회절격자 개념도 이고, 도 2b는 도 2a에 도시된 회절격자에 의한 생성되는 반사 스펙트럼을 개략적으로 도시한 도면이다. 이하에서는 또 다른 대표적인 파장 가변 레이저 다이오드인 SSG-DBR 레이저 다이오드를 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명한다. FIG. 2A is a conceptual diagram of a diffraction grating of a Bragg reflection (SSG-DBR) laser diode periodically modulated to vary the wavelength of an output laser, and FIG. 2B is a reflection generated by the diffraction grating shown in FIG. 2A. It is a figure which shows the spectrum schematically. Hereinafter, another representative SSG-DBR laser diode, which is a tunable laser diode, will be described with reference to FIGS. 2A and 2B.
SSG-DBR 레이저 다이오드는 미국특허 제 5,325,392호에 기재되었다. SSG-DBR 레이저 다이오드는 기본적으로 도 1에 도시된 SG-DBR 레이저 다이오드와 유사한 구조와 원리로 동작한다. 즉, 도 1에서 SG-DBR 영역 대신에 SSG-DBR 영역이 구비되는 것이다.SSG-DBR laser diodes are described in US Pat. No. 5,325,392. The SSG-DBR laser diode basically operates in a similar structure and principle to the SG-DBR laser diode shown in FIG. That is, in FIG. 1, the SSG-DBR region is provided instead of the SG-DBR region.
도 2a에 나타낸 그림과 같이 파장 가변을 위한 구비되는 회절격자의 구조는 SG-DBR과 달리 일정한 주기로 회절격자를 공간 변조시킨 구조이다. 이러한 회절격자의 공간 변조에 의해서 반사 스펙트럼은 도 2b와 같은 특성을 지니게 된다. 각 반사 피크의 간격은 주기(Z)에 의해서 결정되고 각각의 반사 피크 크기는 회절격자 공간 변조에 의해서 정해진다.As shown in FIG. 2A, the structure of the diffraction grating provided for the variable wavelength is different from the SG-DBR. Due to the spatial modulation of the diffraction grating, the reflection spectrum has the characteristics as shown in FIG. 2B. The spacing of each reflection peak is determined by the period Z and each reflection peak size is determined by the diffraction grating spatial modulation.
그러나 SSG-DBR 레이저 다이오드는 넓은 파장 가변 영역을 가지고 있으며, 파장 가변에 따라 비교적 일정한 출력 광 파워를 낼 수 있지만, SG-DBR 레이저 다이오드와 마찬가지로 양단의 SSG-DBR 영역에서 손실이 발생하고, 복잡한 회절 격자 구조로 인해 제작상 많은 어려움을 가질 수 있는 문제점이 있다. However, the SSG-DBR laser diode has a wide wavelength variable region and can produce a relatively constant output optical power according to the wavelength variable, but similar to the SG-DBR laser diode, loss occurs in the SSG-DBR region at both ends and complex diffraction. Due to the lattice structure there is a problem that can have a lot of difficulties in manufacturing.
상술한 파장 가변 레이저 다이오드 외에도 종래기술에 의한 파장 가변 레이저 다이오드로는 GCSR 레이저 다이오드와 파장 가변 쌍 유도 (Tunable twin-guide)레이저 다이오드 등이 있다. 그러나 이러한 구조의 레이저 다이오드는 제작하기 위해 재성장 (Re-growth)과 식각 (Etching)을 반복해야 하기 때문에, 제작이 어렵고 대량생산에 적합하지 못한 문제점이 있다.In addition to the tunable laser diode described above, the tunable laser diode according to the prior art includes a GCSR laser diode and a tunable twin-guide laser diode. However, since the laser diode of such a structure needs to repeat re-growth and etching to manufacture, it is difficult to manufacture and is not suitable for mass production.
즉, 종래 기술의 파장 가변 레이저 다이오드는 구조가 복잡하여 제작공정이 복잡하거나, 출력 광 효율이 낮으며, 파장 가변 제어가 복잡하다는 단점들을 가지고 있다. That is, the wavelength tunable laser diode of the prior art has a disadvantage in that the structure is complicated, the manufacturing process is complicated, the output light efficiency is low, and the wavelength tunable control is complicated.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 회절격자 (Grating) 구조가 포함되는 종래의 파장 선택 반사기를 대치할 수 있는 평판 도파로형 반사기를 이용하여 광대역 파장 가변 레이저 다이오드를 제공하는 데 있다. An object of the present invention is to provide a wideband tunable laser diode using a flat waveguide reflector that can replace a conventional wavelength selective reflector including a diffraction grating structure.
결합 링 공진기 반사기 (CRR: Coupled-Ring Reflector) 구조를 파장 선택 소자로 사용함으로써, 분포 브래그 반사(Distributed Bragg Reflector: DBR) 격자의 제작 공정이 필요 없어지므로, 저가의 대량 생산 가능한 광대역 파장 가변 레이저 다이오드를 제공할 수 있다. The use of a coupled ring resonator (CRR) structure as a wavelength selector eliminates the need for the fabrication of a distributed Bragg reflector (DBR) grating, resulting in a low-cost, high-volume, broadband, tunable laser diode. Can be provided.
본 발명에서는 CRR 구조에 포함된 두 링의 반경을 각각 약간 상이하게 하고, 두 링의 유효 굴절률을 적절히 상대적으로 다르게 조절함으로써, 양 링이 동시에 공진 할 수 있는 파장에서만 반사가 크게 일어나게 하여, 전체 레이저 공진기가 해당 파장에서 발진하도록 고안되었다. 이와 같은 개념에 의하여 조절 가능한 발진 파장의 범위는 수십 나노미터에 이르게 된다. In the present invention, the radius of the two rings included in the CRR structure is slightly different, and the effective refractive index of the two rings is appropriately adjusted relatively differently, so that the reflection occurs largely only at the wavelength at which both rings can resonate simultaneously. The resonator is designed to oscillate at that wavelength. By this concept, the range of oscillation wavelength that can be adjusted reaches several tens of nanometers.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. do. The present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be implemented in various different forms, only the present embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention and to those skilled in the art to fully understand the scope of the invention. It is provided to inform you.
(실시 예 1)(Example 1)
도 3은 본 발명의 바람직한 제 1 실시 예에 따라 발진 되는 레이저의 파장을 가변할 수 있는 광 대역 파장 가변 링 공진기 반사기(Coupled-Ring Reflector, 이하 CRR 이라 칭함) 레이저 다이오드의 개략적인 사시도이다. FIG. 3 is a schematic perspective view of a wide-band tunable ring resonator (CRR) laser diode capable of varying a wavelength of a laser oscillated according to a first preferred embodiment of the present invention.
본 실시 예에 따른 CRR 파장 가변 레이저 다이오드의 가장 큰 특징은 도 3에 도시된 바와 같이 파장선택 반사기로서 CRR 구조를 사용하는 것이다. CRR 구조는 도 3에 예시하였듯이 두 개의 링 공진기(37a, 37b)가 서로 광 파워(optical power)를 교류할 수 있도록 결합되어 있고, 이 링 공진기들이 입출력 직선 도파로와 결합되어 있는 구조이다. 이와 같은 CRR 구조는 격자 구조를 채용하지 않고서도 반사기를 실현할 수 있음으로써 파장 가변 레이저 다이오드의 공정을 단순화할 수 있을 것이다. 이 CRR의 파장 가변 특성을 뒤에 설명한다. The biggest feature of the CRR tunable laser diode according to the present embodiment is to use the CRR structure as the wavelength selective reflector as shown in FIG. 3. As illustrated in FIG. 3, the CRR structure is a structure in which two
본 실시 예에 따른 CRR 레이저 다이오드는 링 공진기에 구비되는 굴절률 제어 전극(36a, 36b)의 하부 영역의 굴절률을 변화시킴으로써 출력되는 레이저의 파장을 연속적/불연속적으로 넓은 범위 (50nm이상)로 가변이 가능하게 된다.The CRR laser diode according to the present embodiment can vary the wavelength of the laser output to a wide range (more than 50 nm) continuously / discontinuously by changing the refractive index of the lower region of the refractive
도 3의 실시 예에서는 광 도파로를 실현하기 위하여 리지(Ridge) 구조(35)인 경우를 고려하였다. 광 도파로는 레이저 다이오드의 제작에 많이 사용되는 매립형 구조가 채용될 수도 있으나, 본 실시 예를 설명하기 위하여 도시가 간편한 리지 구조를 고려한다. 이 리지 구조형인 경우는 n형 InP 중간에 다중 양자 우물 활성층(32a) 및 그에 접한 InGaAsP 수동 도파로 층(32b) 위에 p형 InP 클래드 층(31)을 성장한 구조로 되어 있다. 이 층 위에 전극 형성을 위한 p형 오믹 접촉(Ohmic Contact) 층을 성장한 후에, 도 3에 나타낸 형태의 마스크를 이용하여 p형 전극(34)과 p형 전극 하부에 형성되는 광증폭영역, 굴절률 제어전극(36c)과 굴절률 제어전극 하부에 형성되는 위상제어 영역(36c) 및 CRR의 링공진기(37a, 37b)와 직선도파로(37c)로 구성되는 수동 도파로 영역을 동시에 형성한다. 이와 같이 한 번의 리소그래피 작업을 통하여 증폭영역, 위상제어 영역, 링 공진기 수동 도파로 영역을 동시에 형성하기 때문에 공정 과정을 단순화할 수 있다. 여기서 웨이퍼 성장구조는 파장 가변 CRR 레이저 다이오드의 실시 예를 보이기 위한 것으로, 구체적인 웨이퍼의 성장 형태는 제작 상황에 따라 다양한 형태로 설계될 수 있다. p형 InP 클래드 층(31) 상부에는 전극들이 형성되는데, 다중 양자우물 활성 층(32a) 상부에는 전류 주입용 p형 전극(34), 링 공진기 수동 도파로 층 상부에는 굴절률 제어 전극들(36a, 36b, 36c)이 형성된다. 특히 CRR의 링 공진기0(37a)와 링 공진기1(37b)의 굴절률을 제어하는 전극에 주입되는 전류 또는 인가되는 역 바이어스 전압을 적절히 조절함으로써 열 광학 효과 또는 전기광학 효과에 의하여 굴절률을 제어하고 이를 통하여 위상 제어를 함으로써 레이저 다이오드의 발진 파장을 선택한다. In the embodiment of FIG. 3, the case of the
이제 도 3의 실시 예에 나타낸 CRR의 동작원리 및 특성 시뮬레이션 결과를 설명한다. CRR 은 두 개의 링 공진기가 서로 결합되어 있고, 이 링 공진기들이 직선 도파로와 결합되어 있다. 직선 도파로의 좌측에서 입사하는 광파는 좌측의 링 공진기0(37a)로 결합되어 시계방향의 광파를 형성하고, 이 광파는 우측의 링 공진기1(37b)로 결합되어 반시계 방향의 광파를 형성한다. 이 광파가 직선 도파로에 결합되어 역방향의 광파가 직선 도파로(37c)에서 진행하게 된다. 특히 여기서 두 링 공진기의 주회 길이를 약간 다르게 함으로써, 두 링 공진기의 자유 파장 영역(Free Spectral Range: FSR)이 약간 다르게 된다. 이와 같은 구조에서 한쪽 링 공진기의 유효 굴절률을 조금씩 조절하면, 두 공진기가 동시에 공진하는 파장에서만 강한 반사가 일어나게 됨으로써, 최대 반사율 파장을 선택할 수 있다. 즉 한쪽 링 공진기의 굴절률을 고정시키고, 다른 쪽 공진기의 굴절률을 점차 증가시키거나 감소시키면 한 FSR 만큼씩 증가하거나 감소하는 파장에서 반사율 피크가 차례로 나타나게 된다. 파장의 선택 범위는 다음의 수학식1과 같이 주어진다. The operation principle and characteristic simulation results of the CRR shown in the embodiment of FIG. 3 will now be described. In CRR, two ring resonators are coupled to each other, and these ring resonators are coupled to a straight waveguide. The light waves incident on the left side of the linear waveguide are combined into the ring resonator 0 (37a) on the left side to form light waves in the clockwise direction, and the light waves are combined into the ring resonator 1 (37b) on the right side to form light waves in the counterclockwise direction. . The optical wave is coupled to the linear waveguide so that the reverse wave travels in the
여기서 λ0는 파장 가변 범위의 중심 파장이고, ng는 링 공진기의 군 굴절률, R0과 R1은 링 공진기의 반경이다. 중심파장이 1550nm이고, 군 굴절률이 3.7, 링 공진기의 반경이 R0 = 50μm, R1 = 52μm 일 때, 파장 가변 범위는 52 nm 에 이른다.Λ 0 is the center wavelength of the variable wavelength range, n g is the group refractive index of the ring resonator, R 0 and R 1 is the radius of the ring resonator. When the center wavelength is 1550 nm, the group refractive index is 3.7, and the radius of the ring resonator is R 0 = 50 µm and R 1 = 52 µm, the wavelength variable range reaches 52 nm.
몇 가지 굴절률 조합에 대해서, 파장에 따른 반사 스펙트럼을 도 4 에 보였다. 여기서 직선 도파로와 링 공진기 사이의 결합 비율 κin과, 링 공진기0과 링 공진기1 사이의 결합 비율 κ0는 각각 0.64와 0.08로 가정하였다. 도 4a 에서는 R0 = R1 = 50μm 이고, 링 공진기0의 유효 굴절율(neff0), 링 공진기1의 유효 굴절률(neff1)이 모두 3.29로 가정하였다. 이 경우는 두 링 공진기의 FSR이 동일하기 때문에 FSR인 2.17 nm의 주기로 반사 피크가 발생함을 알 수 있다. 여기서 최대 반사율은 0.86으로 1 이하인데 이는 직선 도파로와 링 도파로 사이의 결합비율이 0.64로 비교적 크기 때문이다. 한편, 광 도파로의 손실이 있는 경우는 반사율이 감소하게 될 것으로 예상된다. 도 3a 에 도파로 손실이 3 dB/cm 인 경우의 반사율을 점선으로 보였는데, 피크 반사율이 0.63으로 감소함을 볼 수 있다. 도 4b, 4c, 4d 에는 두 링 공진기의 반경이 약간 다른 경우, 즉 R0 = 50μm , R1 = 52μm 인 경우의 반사율을 나타내었다. 링 공진기 0의 굴절률을 3.29로 고정하고, 링 공진기 1의 굴절률을 3.29+1.9x10-4, 3.29+3.8x10-4, 3.29+5.7x10-4로 한 경우의 반사 스펙트럼을 도 4b, 4c, 4d 에 각각 나타냈다. 반사 피크에 해당하는 파장이 각각 1.587746μm, 1.589918μm, and 1.5921μm와 같이 순차적으로 선택됨을 알 수 있다. 순차적으로 선택되는 파장 사이의 간격은 2.17 nm로서 링 공진기 0의 FSR 과 같음을 알 수 있다. For some combinations of refractive indices, reflection spectra with wavelengths are shown in FIG. 4. The combination ratio between the coupling ratio κ 0 and κ in the ring resonator and a
도 4b, 4c, 4d 와 같은 반사 특성은 광대역 파장 가변 CRR 레이저 다이오드의 파장 선택 소자로서 사용하기에 적절하다. 도 3 에 보인 광대역 파장 가변 레이저 다이오드에 반경이 서로 다른 CRR을 적용하는 경우에, 레이저 다이오드의 특성을 예측해 본다. 링 공진기 0의 굴절률은 3.29, 반경은 50μm이고, 링 공진기 1의 굴절률은 3.29+1.9x10-4, 반경은 52μm인 경우를 고려한다. 이 경우 CRR의 반사스펙트럼의 형태는 도 4b와 같다. Reflective properties such as FIGS. 4B, 4C and 4D are suitable for use as the wavelength selection element of a wideband tunable CRR laser diode. When the CRR having different radii is applied to the wideband tunable laser diode shown in FIG. 3, the characteristics of the laser diode are predicted. Consider a case where the
단일 종모드(longitudinal mode) 동작을 살펴보기 위해서는 레이저 공진기에 대한 인접 모드의 부 모드(side mode) 억제와 링 공진기 모드의 부 모드 억제율을 조사하여야 한다. 레이저 공진기의 모드 간격을 구하기 위해서는 CRR의 유효 길이 (Effective Length)를 고려하여야 한다. CRR의 유효 길이는 수학식 2와 같다.To investigate the single longitudinal mode operation, the side mode suppression of the adjacent mode and the ring mode suppressor of the ring resonator mode should be investigated. To determine the mode spacing of the laser resonator, the effective length of the CRR must be taken into account. The effective length of CRR is shown in
상술한 파라미터를 가정한 경우 CRR의 유효 길이는 4260μm 정도로 계산되며, 일반적인 레이저 다이오드 공진기의 길이보다 훨씬 길다. 여기서 φ는 반사계수의 위상이며, β는 도파로의 전파상수이다. 따라서 활성영역의 길이 (lg)를 400μm 라고 가정하는 경우 레이저 공진기의 모드 간격은 약 0.16 nm 정도로 계산된다. 도 3의 (b)에서 반사 피크 값은 0.83이며, 0.16nm 떨어진 파장에서의 반사율은 0.132이다. 인접한 부 모드에 대한 손실 마진은 다음의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.Assuming the above-mentioned parameters, the effective length of the CRR is calculated to be about 4260 μm, which is much longer than that of a typical laser diode resonator. Where φ is the phase of the reflection coefficient and β is the propagation constant of the waveguide. Therefore, if the length of the active region (l g ) is assumed to be 400μm, the mode interval of the laser resonator is calculated to be about 0.16 nm. In FIG. 3B, the reflection peak value is 0.83 and the reflectance at a wavelength 0.16 nm apart is 0.132. The loss margin for the adjacent sub mode can be expressed as
여기서 (RRRL)0과 (RRRL)1는 각각 주 모드와 인접 부 모드에 대한 파워 반사율 곱이고 lg는 이득 활성 영역의 길이이다. 인접한 레이저 공진기 모드의 부 모드에 대한 손실 마진을 계산하면 Δαlg = 0.94 와 같다. 이 값과 아래의 공식을 이용하여 부 모드 억제율 (SMSR: Side Mode Suppression Ratio)을 계산하면 58 dB로 큰 값을 얻을 수 있다. Wherein (R R R L) 0 and (R R R L) 1 is multiplied by the power reflectivity of the portion close to the main mode, each mode and l g is the length of the gain active region. Calculating the loss margin for the negative mode of the adjacent laser resonator mode is equal to Δαg g = 0.94. Using this value and the formula below, you can get a large 58 dB value by calculating the Side Mode Suppression Ratio (SMSR).
여기서 Γ는 구속인자 (Confinement Factor), gth는 임계 조건에서의 이득 계수, υg는 군속도, αm은 주 모드에 대한 미러 손실이다. 레이저 출력 파워 P0는 4mW로 가정하였고, 활성 영역의 도파로 손실(αact)은 30cm-1, 활성영역의 길이는 400μm, Γgth=(αact+αm)lg이다. Where Γ is the confinement factor, g th is the gain factor at critical conditions, υ g is the group velocity, and α m is the mirror loss for the main mode. Assuming that the laser output power P 0 is 4 mW, the waveguide loss (α act ) of the active region is 30 cm −1 , the length of the active region is 400 μm, and Γ g th = (α act + α m ) l g .
CRR의 인접 링 모드에 대한 부 모드 억제율을 추정하기 위하여 도 4b의 경우를 다시 고려한다. 이 특정한 경우에 두 링 공진기의 공진 파장은 λ=1,587746μm 에 일치되어 있고, 이 파장에서 반사율(RR)은 0.86이다. λ=1,587746μm에서 한 FSR 만큼 떨어진 파장에서 반사율은 0.68 정도로 감소한다. 따라서 인접 링 모드에 대한 손실 마진은 0.11 정도이고, SMSR은 49dB 정도이다. 파장 가변 범위를 유지하면서 SMSR을 증대하기 위해서는 직선 도파로와 링 공진기 사이의 결합률을 더 작게 하여 반사 스펙트럼의 선폭을 좁게 하여야 한다. 한편, CRR의 유효 길이가 4000μm에 이를 정도로 길기 때문에 본 발명에서 제시된 광대역 파장 가변 CRR 레이저 다이오드의 선폭은 1 MHz 이하가 가능하다. CRR의 파장 가변 범위가 52 nm 에 이르기 때문에, 여기서 제시된 특정 파라미터의 CRR을 채용한 레이저 다이오드의 파장 가변 범위도 52nm에 이를 수 있다. Consider the case of FIG. 4B again to estimate the negative mode suppression rate for the adjacent ring mode of the CRR. In this particular case, the resonant wavelengths of the two ring resonators are coincident with λ = 1,587746 μm at which the reflectance R R is 0.86. At λ = 1,587746μm, the reflectance decreases by 0.68 at a wavelength separated by one FSR. Therefore, the loss margin for adjacent ring mode is about 0.11 and SMSR is about 49dB. In order to increase the SMSR while maintaining the tunable range, the coupling ratio between the linear waveguide and the ring resonator must be smaller to narrow the line width of the reflection spectrum. On the other hand, since the effective length of the CRR is as long as 4000μm, the line width of the wideband tunable CRR laser diode proposed in the present invention can be 1 MHz or less. Since the wavelength variable range of the CRR reaches 52 nm, the wavelength variable range of the laser diode employing the specific parameter CRR presented herein may also reach 52 nm.
또한, 레이저 공진기의 한쪽 반사는 CRR 구조, 다른 쪽의 반사는 절개된 반사면을 사용함으로써, 절개된 반사면에서 출력되는 광 파워를 상대적으로 크게 조절할 수 있어서, 고출력 파장 가변 레이저 다이오드를 얻을 수 있다. 또한, 이와 같은 레이저 다이오드의 CRR 출력단에는 다양한 형태의 변조기, 증폭기, 광필터 등을 집적할 수 있음으로 하여 고기능 광 집적회로의 실현을 가능하게 한다.In addition, by using a CRR structure on one side of the laser resonator and a reflecting surface on which the other side is cut off, the optical power output from the cut off reflective surface can be adjusted relatively large to obtain a high output wavelength tunable laser diode. . In addition, various types of modulators, amplifiers, optical filters, and the like can be integrated in the CRR output terminal of the laser diode, thereby realizing a high-performance optical integrated circuit.
한편, 도 3의 CRR 구조에서 링 공진기로 원형 도파로를 도시하였지만, 링 공진기의 구조는 원형 도파로로 제한되지 않고 전반사 거울이 내부에 포함된 사각형 구조(도 5) 또는 삼각형 구조 등의 다각형 구조가 사용될 수도 있다.Meanwhile, although the circular waveguide is shown as a ring resonator in the CRR structure of FIG. 3, the structure of the ring resonator is not limited to the circular waveguide, and a polygonal structure such as a triangular structure (FIG. 5) or a triangular structure including a total reflection mirror therein may be used. It may be.
(실시예 2) (Example 2)
도 6은 본 발명의 제 2 실시 예를 보여주기 위한 사시도이다. 도 3과의 차이점은 CRR부분(60, 61a, 61b, 61c, 66a, 66b, 66c, 67a, 67b, 67c)은 실리카 또는 폴리머 등의 재료를 이용하여 실현하고, CRR이 구현된 실리카 또는 폴리머 등의 일부를 적절히 식각한 후에 패브리 페로(Fabry-Perot) 레이저 다이오드(62a, 62b, 62c, 64, 65)를 식각한 영역에 CRR 직선 도파로와 정렬 배치하는 하이브리드 (Hybrid)로 집적한 광대역 파장 가변 CRR 레이저 다이오드를 구현하는 것이다. 도 6의 패브리 페로 레이저 다이오드의 좌측 단면은 반사가 존재하고, 우측 단면은 무반사 코팅이 되어 있는 것이 바람직하다. CRR 구조부의 우측 단면(63b) 또한 무반사 코팅이 되어 있는 것이 바람직하다. 도 6의 CRR 또한 반드시 원형 구조일 필요는 없으며, 도 5 에 나타낸 바와 같이 전반사 거울이 포함된 사각형 구조일 수도 있으며, 나아가서 삼각형 구조, 또는 다각형 구조가 있다. 도 6에서 굴절률 제어 전극(66a, 66b, 66c)에 흐르는 전류를 조절하거나, 인가되는 전압을 조절함으로써 열 광학 효과 또는 전기광학 효과에 의하여 굴절률을 제어하고, 이를 통하여 위상 제어를 함으로써 발진 파장을 선택한다. 6 is a perspective view illustrating a second embodiment of the present invention. The difference from FIG. 3 is that the
· 두 개의 링 공진기 및 직선 도파로 사이의 광 파워 결합을 통하여 파장 선택적인 반사를 유발하는 CRR (Coupled-Ring Reflector)을 분포 브래그 격자구조 반사기 (DBR: Distributed Bragg Reflector) 대신 사용함으로써, 단순화된 공정을 통하여 CRR 광대역 파장 가변 레이저 다이오드를 구현한다. A simplified process is used by using a Coupled-Ring Reflector (CRR) instead of the Distributed Bragg Reflector (DBR), which causes wavelength selective reflection through optical power coupling between two ring resonators and a straight waveguide. Through the implementation of the CRR wideband tunable laser diode.
· 레이저 공진기의 한쪽 반사는 CRR 구조, 다른 쪽의 반사는 절개된 반사면을 사용함으로써, 절개된 반사면에서 출력되는 광 파워가 상대적으로 커질 수 있기 때문에, 고출력 파장 가변 레이저 다이오드를 얻을 수 있다. By using a CRR structure on one side of the laser resonator and a reflection surface cut off on the other side, a high output wavelength tunable laser diode can be obtained because the optical power output from the cut reflection surface can be relatively large.
· CRR 반사율의 크기는 결합 비율의 조절을 통하여 조절할 수 있다.The magnitude of the CRR reflectance can be adjusted by adjusting the coupling ratio.
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