KR100680918B1 - 적어도 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드를이용한 파장 제어장치 - Google Patents

적어도 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드를이용한 파장 제어장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적어도 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드를 이용한 파장 제어장치에 관한 것으로, 특히 파장분할 다중방식 수동형 광가입자망의 전송광원으로 사용되는 페브리-페롯 레이저 다이오드의 발진모드 파장 및 이득 최대치 파장을 전극이 여러 개인 페브리 페롯 레이저의 주입전류로 제어함으로써 온도에 의한 발진파장의 변화로 인한 시스템의 성능저하를 해결하는 장치에 관한 것이다.
본 발명의 적어도 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드를 이용한 파장 제어장치는 광대역 비간섭성 광원; 상기 광원에서 나온 빛을 통과시켜 도파로 배열격자로 보내는 광회전기; 상기 광회전기를 통과한 빛을 필터링하는 도파로 배열격자; 상기 도파로 배열격자에서 필터링된 빛을 주입받는 적어도 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드; 상기 적어도 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드에 주입된 전류를 제어하는 전류제어장치; 및 상기 도파로 배열격자로부터 빛을 수신받는 수신단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
전극, 페브리 페롯 레이저 다이오드, 파장 제어

Description

적어도 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드를 이용한 파장 제어장치{The wavelength control device using Fabry-Ferot laser diode with three over contact}
도 1a는 종래의 페브리 페롯 레이저 다이오드의 파장 잠김 실험 구성도를 나타낸 것이다.
도 1b는 종래의 레이저의 다중모드 발진 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 1c는 종래의 파장 잠김된 레이저의 유사 단일모드 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드의 파장 잠김 실험 구성도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드의 구조를 나타낸 것이다.
도 4a는 본 발명의 레이저 주입전류에 따른 레이저 출력을 나타낸 것이다.
도 4b는 본 발명의 레이저 주입전류에 따른 캐리어 농도 N1의 변화를 나타낸 것이다.
도 4c는 본 발명의 레이저 주입전류에 따른 캐리어 농도 N2의 변화를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 펌핑레벨의 변화에 따른 주파수에 대한 이득을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 레이저 모드의 파장의 변화를 측정하기 위한 실험 구성도를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드에서 실제로 측정된 전류에 따른 광전력 그래프를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드에서 주입전류의 비율에 따른 모드 파장의 변화를 나타낸 것이다.
도 9a는 본 발명의 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드에서 이득 최대치의 파장변화를 나타낸 것이다.
도 9b는 본 발명의 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드에서 온도와 주입전류의 비율에 따른 이득 최대치 파장변화를 나타낸 것이다.
본 발명은 적어도 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드를 이용한 파장 제어장치에 관한 것으로, 특히 파장분할 다중방식 수동형 광가입자망의 전송광원으로 사용되는 페브리-페롯 레이저 다이오드의 발진모드 파장 및 이득 최대치 파장을 전극이 여러 개인 페브리 페롯 레이저의 주입전류로 제어함으로써 온도에 의한 발진파장의 변화로 인한 시스템의 성능저하를 해결하는 장치에 관한 것이다.
도 1a는 종래의 페브리 페롯 레이저 다이오드의 파장 잠김 실험 구성도를 나타낸 것이다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 광대역 비간섭성 광원(Broadband Light Source, 10)에서 나온 빛은 광회전기(40)를 통과하여 광섬유를 거쳐 일종의 주파수 선택성 필터인 도파로 배열격자(AWG, 20)를 통과한 후, 특정 파장영역의 빛이 페브리 페롯 레이저 다이오드(Fabry-Ferot laser diode, 이하 FP LD, 30a)에 주입되면 FP LD는 유사 단일 모드로 발진하게 된다.
도 1b는 종래의 레이저의 다중모드 발진 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 비간섭성 광원이 주입되기 전의 레이저의 발진 스펙트럼으로 여러 개의 모드가 발진하고 있음을 알 수 있다.
도 1c는 종래의 파장 잠김된 레이저의 유사 단일모드 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 도 1b와 같이 다중 모드로 발진하는 레이저에 비간섭성 광원을 주입한 후 측정한 스펙트럼으로 다중 모드로 발진하던 레이저가 유사 단일 모드로 발진하게 되었음을 알 수 있다. 이 때 발진 파장은 주입된 비간섭성 광원의 파장과 같다. 이와 같이 파장 잠김 되어 유사 단일모드로 발진하는 레이저의 출력은 시간영역에서 안정하기 때문에 파장분할 다중방식 광통신용 광원으로 사용할 수 있다.
그런데, 파장 잠김 된 레이저의 성능은 레이저의 모드 파장과 주입된 빛의 파장이 유사한 경우에 매우 좋고, 주입된 빛의 파장이 레이저 모드 파장 사이에 있는 경우에는 출력의 세기도 감소되고, 잡음도 증가하게 된다. 한편, 레이저 모드 파장은 온도에 따라 변하게 되므로 특정한 온도에서 주입되는 빛의 파장과 레이저 모드 파장 이 일치하더라도 주위 온도가 변하면 두 파장이 틀어져 레이저의 성능이 저하된다. 따라서, 이러한 현상을 방지할 수 있는 방법이 필요하다.
상기 문제를 해결하는 간단한 방법은 레이저 공진기의 길이를 길게 하여 레이저 모드 파장간의 간격을 좁히고, 상대적으로 넓은 대역폭을 갖는 비간섭성 광을 주입하는 것이다. 즉, 주입하는 비간섭성 광의 대역폭 안에 최소한 하나의 레이저 모드가 있도록 하면 된다. 예를 들어, 파장의 간격이 100GHz인 도파로 배열격자의 경우에 필터링 된 비간섭성 광의 반치폭은 약 0.4nm이며, 600um FP LD(모드간격은 0.6nm)을 사용할 수 있다. 보다 많은 채널을 수용하기 위해서는 파장 간격을 좁혀야 하고, 그 결과로 공진기의 길이를 늘려야 한다. 그러나, 이 경우에는 레이저를 다루기가 어려워지며, 레이저 가격도 상승하게 된다. 따라서, 보다 많은 채널을 수용할 수 있는 파장분할 다중방식 수동형 광 가입자망을 위해서는 레이저 모드 파장을 가변 하여 이를 주입된 광의 파장에 맞출 수 있는 레이저가 필요하다. 레이저 발진모드의 파장을 가변 하는 방법으로는 레이저의 동작온도를 제어하는 것이다. 그러나 온도 제어를 위해서는 별도의 열전냉각기(thermo-electric cooler, 이하 TEC)를 사용해야 하므로 가격이 상승한다. 또한, 부피도 커지고, 파워소모도 증가한다.
한편, 주위온도가 높아지면 레이저의 활성 층을 형성하는 매질의 에너지 밴드 갭이 낮아진다. 따라서, 레이저의 이득은 긴 파장 쪽으로 이동하고, 레이저 출력이 최대가 되는 파장도 길어진다. 통상적으로 이득의 최대치는 0.5nm/℃의 비율로 긴 파장 쪽으로 이동한다. 만약, 온도의 변화가 크게 되면 비간섭성 광이 주입되는 파장에서 레이저의 이득이 매우 낮아져 레이저의 특성이 저하되고, 결국 파장분할 다중방식 수동형 광가입자망용 광원으로 사용할 수 없게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 이득 대역폭이 넓은 레이저를 개발하거나, 온도에 따라 이득이 변화하지 않는 레이저가 필요하다. 지금까지는 이득 대역폭을 넓히는 방법으로 레이저의 활성층을 구성하는 양자우물의 두께를 여러 가지로 하는 것과 레이저 거울의 반사도를 매우 낮게 하는 방법이 있다. 그러나, 이 경우는 레이저의 동작전류가 증가하여, 결과적으로는 TEC를 필요로 하게 된다.
상기와 같이 TEC를 사용하는 종래의 방법은 본 발명이 제시하는 다수의 전극을 갖는 레이저의 주입전류 제어에 의한 발진모드 가변방법에 비해 파워 소모가 많고 부피가 커지는 단점이 있다. 또한, 각각의 전극에 흐르는 전류의 비를 조정하여 레이저 이득 최대치의 온도에 대한 변화율을 줄이는 방법을 제시하고 있지 않고, 레이저가 이득을 갖는 이득 대역폭을 늘릴 수 있는 방법도 제시하지 못하는 문제점이 있다.
이에 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 레이저에 전류를 공급하는 전극을 다수 개로 분리하여 각각의 전극에 흐르는 전류를 제어함으로써 레이저 모드 파장을 제어하고, 레이저 이득의 온도에 따른 변화를 감소시킬 수 있으며, 레이저 발진 대역폭을 늘릴 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 적어도 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드를 이용한 파장 제어장치에 관한 것으로, 특히 파장분할 다중방식 수동형 광가입자망의 전송광원으로 사용되는 페브리-페롯 레이저 다이오드의 발진모드 파장 및 이득 최대치 파장 을 전극이 여러 개인 페브리 페롯 레이저의 주입전류로 제어함으로써 온도에 의한 발진파장의 변화로 인한 시스템의 성능저하를 해결하는 장치에 관한 것이다.
본 발명의 적어도 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드는 적어도 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드의 공통 접지전극을 제1전극으로 선택하여 접지시키는 제1단계; 상기 제1전극을 제외한 나머지 전극들에 같은 전류를 주입하여 일정한 광출력을 내도록 하는 제2단계; 상기 제1전극을 제외한 나머지 전극들 중에서 하나의 전극을 제2전극으로 선택하여 주입전류를 조절함으로써 레이저의 이득 최대치 파장 또는 발진모드의 발진파장을 일정한 파장대역으로 이동시키는 제3단계; 상기 제3단계에 의해 제2단계에서 조절한 레이저의 광출력의 변화를 보상하기 위해 제2전극을 제외한 나머지 전극들에 주입되는 전류를 조절하여 레이저의 광출력이 제2단계에서 조절한 값과 같도록 하는 제4단계; 상기 제4단계에서 조절된 레이저의 이득 최대치 파장 또는 발진모드의 발진파장을 제2전극에 주입되는 전류를 조절하여 제3단계에서 조절한 파장대역으로 이동시키는 제5단계; 및 상기 제3단계 내지 제5단계를 반복하여 레이저의 광출력과 이득 최대치 파장 또는 발진모드의 발진파장을 일정한 값으로 고정시키는 제6단계;를 포함하여 온도에 따라 변하는 레이저의 이득 최대치 파장과 발진모드의 발진파장을 고정시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 적어도 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드를 이용한 파장 제어장치는 광대역 비간섭성 광원; 상기 광원에서 나온 빛을 통과시켜 도파로 배열격자로 보내는 광회전기; 상기 광회전기를 통과한 빛을 필터링하는 도파로 배열격자; 상기 도파로 배열격자에서 필터링된 빛을 주입받는 적어도 3개의 전극 을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드; 상기 적어도 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드에 주입된 전류를 제어하는 전류제어장치; 및 상기 도파로 배열격자로부터 빛을 수신받는 수신단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다.
일반적인 FP형 반도체 레이저는 P층과 N층의 반도체로 구성되어 있고, 각각의 층에 형성된 전극을 통해서 임계전류 이상의 전류를 흘리면 레이저로 발진하게 된다. 레이저 공진기는 거울로 작용하는 레이저의 양 단면으로 구성된다. 본 발명에서 이용하는 레이저는 P층, N층, 또는 양쪽 층 모두의 전극을 다수 개로 분리하여 각각의 전극에 서로 다른 전류(혹은 전압)를 인가할 수 있도록 한다. 레이저는 활성층에 사용하는 물질에 따라 파장영역이 결정된다. 예를 들어, GaAs를 활성층에 사용하면 800 nm 영역의 빛을 얻을 수 있고, InGaAsP를 사용하면, 1300 nm 혹은 1550 nm 영역에서 빛을 얻을 수 있다. 레이저의 특성을 개선하기 위해서 거울을 구성하는 레이저 단면에 무반사 혹은 고반사 코팅을 할 수도 있다.
그러면, 2개의 전극(실제로는 3개로 P형이나 N형 중의 하나에 2개 및 나머지 하나에 1개, 전극이 하나인 층을 공통접지로 사용)을 갖는 FP LD에서 본 발명에서 제안하는 방법들의 동작원리에 있어 레이저 발진모드 튜닝, 레이저 이득의 온도에 대한 변화율 감소 및 레이저 이득 대역폭 증대에 대하여 설명해보기로 한다.
일반적인 반도체로 구현된 FP LD의 동작 원리를 살펴보자. 반도체 레이저는 P-N 접합면 사이에 존재하는 활성층에 충분한 전자와 정공이 쌓이면 광학적 이득을 갖게 된다. 활성층에 전자와 정공을 쌓는 가장 보편적인 방법은 P-N 접합에 순방향 바이어스를 가하여 전류를 흐르게 하는 것이다. 전류가 증가하면 전자와 정공의 양이 증가한다. 이 이득이 증가하여 발진 임계이득이 되면 레이저는 발진하게 되고 출력으로 강한 빛을 얻을 수 있다. 발진 임계이득은 공진기의 손실과 같아지는 이득값으로 레이저가 발진을 시작하면 전류를 증가시켜도 이득은 더 이상 증가하지 않고, 출력으로 나오는 빛의 세기가 증가한다.
도 2는 본 발명의 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드의 파장 잠김 실험 구성도를 나타낸 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 광대역 비간섭성 광원(Broadband Light Source, 10)에서 나온 빛은 광회전기(40)를 통과하여 전송용 광섬유(100)를 지나서, 일종의 주파수 선택성 필터인 도파로 배열격자(AWG, 20)를 통과한 후, 특정 파장영역의 빛이 3개의 전극을 가진 FP LD(30b)에 주입된다. FP-LD(30b)의 전류는 전류제어장치(90)에 의하여 제어된다. 상기 비간섭성 광원(10)으로는 발광 다이오드(LED), 초발광 다이오드(SLD) 또는 자연 방출광을 내는 어븀 첨가 광 증폭기를 사용할 수 있다. 상기 도파로 배열격자(20)의 우측 포트에는 레이저 다이오드들이 결합된다. 상기 FP LD(30b)는 비반사 코팅 또는 고반사 코팅된다. 상기 전류제어장치(90)는 상기 FP LD(30b)에 주입된 전류를 조절하여 레이저의 특정한 발진모드의 파장을 제어하고, 레이저의 이득 최대치 파장을 제어하며, 레이저의 이득 대역폭을 제어할 수 있다. 광섬유(100)는 단일모드 광섬유이다. 전류제어 장치에 의해 제어되는 전극이 3개인 FP LD의 특정한 발진모드 파장의 빛은 다시 AWG(20)를 거슬러 올라가 다중화 되어 광섬유(100)에 의해 전달되고, 광회전기(40)에 의해 수신단(70)으로 전송 된다. 이때 상기 수신단(70) 앞에 도파로 배열격자(110)가 첨가되어 다중화된 신호를 역다중화한다. 상기 도파로 배열격자(110)의 오른쪽 포트에는 다수의 수신단(70)이 첨가되어 채널용량을 확장할 수 있다.
도 3은 본 발명의 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드의 구조를 나타낸 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 3개의 전극(P형이나 N형 중의 하나에 2개 및 나머지 하나에 1개)을 갖는 레이저는 양쪽에 양의 전류 I1, I2를 인가하면 전극이 하나인 일반적인 FP LD와 같이 동작한다. 반면에 I1에는 양의 전류를 주입하고, I2에는 매우 적거나 음의 전류를 주입하면 영역 1(200a)은 이득영역(gain region)으로써 일반적인 레이저 다이오드처럼 동작하여 유도 방출에 의해 광자(photon)를 생성시키고, 영역 2(200b)는 포토다이오드(photo diode)처럼 동작하여 이득영역에서 형성된 광자를 흡수하게 된다. 이 경우는 주입 전류에 따른 빛의 세기가 I2 = 0 mA이 경우나, I2 = -0.3 mA인 경우처럼 비선형 특성(쌍안정성)을 보인다.
도 4a는 본 발명의 레이저 주입전류에 따른 레이저 출력을 나타낸 것이다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 도 3의 광-전류(light-current) 곡선을 그려보면 주입전류에 따라 빛의 세기가 I2 = 1.5 mA인 경우처럼 선형적으로 증가하게 됨을 알 수 있다.
레이저의 발진파장은 공진기의 길이, 공진기를 구성하는 매질의 굴절률, 및 이득이 최대가 되는 파장에 의해서 결정된다. 일반적으로, 반도체 레이저에서는 전자밀도가 증가하면 이득이 최대가 되는 파장은 감소하고(전자밀도가 증가하면 이득이 최대가 되는 주파수가 증가함), 이득의 최대치는 증가한다. 레이저의 발진 임계이득 을 증가시키면 발진파장은 짧아진다. 한편, 레이저의 동작온도가 증가하면 반도체의 밴드 갭이 감소하므로 이득이 최대가 되는 파장은 길어지고, 이득은 감소한다. 따라서, 온도가 증가하면 발진파장은 긴 파장 쪽으로 이동한다. 지금까지의 설명은 반도체 레이저 발진파장의 거시적인 특성을 설명한 것이고, 특정한 발진모드에서 미시적으로 보면 발진모드의 파장은 온도가 증가하면 증가하고, 전자밀도가 증가하면 감소한다. 이것은 온도가 증가하면 굴절률이 증가하고, 전자밀도가 증가하면 굴절률이 감소하기 때문이다.
이러한 특성을 온도의 관점에서만 본다면, 발진중심 파장(이득이 최대가 되는 파장)은 온도가 증가하면 길어지고, 각각의 발진모드도 온도가 증가하면 긴 파장 쪽으로 이동된다. 따라서, 주위 온도가 증가할 때 레이저가 온도에 무관한 특성을 보이도록 하려면 거시적으로는 이득이 최대가 되는 파장을 짧은 파장으로 이동시킬 수 있는 방법이 필요하며, 미시적으로도 레이저 모드의 파장을 짧은 파장 쪽으로 이동시킬 수 있는 방법이 필요하다.
첫째, 레이저 발진모드 튜닝에 대하여 살펴보기로 한다.
도 4b는 본 발명의 레이저 주입전류에 따른 캐리어 농도 N1의 변화를 나타낸 것이고, 도 4c는 본 발명의 레이저 주입전류에 따른 캐리어 농도 N2의 변화를 나타낸 것이다. 도 4b 및 도 4c를 도 4a와 비교해 보면, 광출력을 일정하게 유지하도록 주입전류 I1, I2의 비율을 변화시키면 활성층의 캐리어 농도 N1, N2를 변화시킬 수 있음을 알 수 있다. 이렇게 양 전극에 주입되는 전류의 비율에 따라 공진기 내부의 캐리어 농도를 변화시키고, 결과적으로 공진기의 굴절률을 변화시킴으로써 레이저의 발진모드의 파장을 전기적으로 제어할 수 있다.
둘째, 레이저 이득 최대치의 온도에 대한 변화율 감소 방안에 대하여 살펴보기로 한다.
일반적으로 반도체 레이저는 전도대의 한 에너지 준위로부터 가전자대의 에너지 준위로 천이하면서 두 에너지의 차에 해당하는 만큼의 에너지를 가진 광자를 발생시킨다.
도 5는 본 발명의 펌핑레벨의 변화에 따른 주파수에 대한 이득을 나타낸 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 이득은 캐리어 밀도가 증가하면 증가하고 이득이 최대가 되는 주파수도 증가한다(이득이 최대가 되는 파장은 감소한다). 레이저의 동작온도가 증가하면 레이저 활성 층의 에너지 밴드 갭이 낮아지고, 이득이 최대가 되는 주파수도 낮아진다. 따라서, 발진 주파수가 낮아진다.
본 발명에서는 상기와 같이 온도에 따라 변하는 레이저 이득 최대치의 파장을 온도에 관계없이 일정하게 고정시키는 방안을 제안하고 있다. 즉, 3개의 전극을 가진 FP LD에 특정 비율의 전류를 주입시키는 방안을 제안한다. 종래의 주입 전극이 하나인 FP LD는 주입되는 전류가 증가할수록 레이저 이득 최대치 파장이 짧은 쪽으로 이동한다. 그러나, 3개의 전극을 가진 경우에는 FP LD의 이득은 도 3의 region 1과 region 2의 이득의 합에 의해 결정된다. 일정한 레이저 출력을 얻기 위해서는 이득영역(region 1)의 주입전류가 점점 증가할수록, 흡수영역(region 2)에 주입되는 전류는 점점 감소한다. 이러한 경우에 이득영역은 주입 캐리어가 증가하여 이득 최대치 파장 은 짧은 파장 쪽으로 이동하지만, 흡수영역은 반대의 경향을 띠게 된다. 그런데, 이득영역의 캐리어 농도는 비교적 높고 그에 비해 흡수영역의 캐리어 농도는 매우 낮기 때문에 이득의 총 변화량은 캐리어 농도가 낮은 흡수영역에 의해 큰 영향을 받게 된다. 즉, 3개의 전극을 가진 FP LD의 이득 최대치 파장은 두 region의 합에 의해 결정되고, 일정한 레이저 출력을 얻는 조건 하에서 캐리어 농도가 낮은 흡수영역의 영향이 더 커서 흡수영역에 주입되는 전류가 점점 증가할수록 이득 최대치 파장이 짧은 쪽으로 이동하게 된다. 따라서, 3개의 전극을 가진 FP LD의 주입 전류를 적절히 조절함으로써 레이저의 출력은 일정하게 유지하면서 레이저 활성 층에 주입되는 캐리어 수를 조절하여 원하는 레이저 발진파장이 출력되도록 할 수 있다는 것이다.
셋째, 레이저 이득 대역폭 증대방법에 대하여 살펴보기로 한다.
도 5에서 주파수에 대한 이득특성을 살펴보면, 주입된 캐리어 농도에 따라 특정 주파수에서의 이득이 변하면서 동시에 이득을 얻을 수 있는 주파수 범위도 변화됨을 알 수 있다. 이는 반도체 레이저의 에너지 준위가 의사 페르미 에너지 준위에 의해 결정되고, 일정한 주파수를 가진 광자를 발생시켜 이득을 얻기 위해서는 일정한 제약조건이 따르기 때문에 일어나는 현상으로서 유도되어 출력을 낼 수 있는 주파수의 범위는 다음과 같은 조건에 의해 제약되기 때문이다.
Figure 112005005018081-pat00001
즉, 유도되어 출력을 낼 수 있는 주파수는 밴드 갭 에너지보다는 크고, 전도대에서의 의사 페르미 준위(quasi-Fermi level)와 가전자대에서의 의사 페르미 준위의 차보다 작은 에너지를 가지고 있어야 한다. 반도체 레이저의 주입전류를 증가시키게 되면 전도대의 전자밀도와 가전자대의 정공의 밀도가 증가하여 전도대의 에너지 준위는 높아지고, 가전자대의 에너지 준위는 낮아져 차가 커지게 되므로, 실제 출력 파워를 낼 수 있는 주파수의 범위가 증가하게 되는 것이다. 상기와 같은 사실은 전극이 하나인 FP LD와 마찬가지로 반도체 레이저인 다수의 전극을 가진 FP LD에도 적용된다. 각각의 전극에 주입되는 전류를 조절하면, 일정한 출력을 유지하면서 이득을 얻을 수 있는 주파수 범위를 증가시킬 수 있다. 도 5에서는 주입된 캐리어의 농도가 증가할수록 이득상수의 주파수 범위가 증가함을 보여준다.
상기의 내용을 바탕으로 본 발명에서 실험한 결과를 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 레이저 모드의 파장의 변화를 측정하기 위한 실험 구성도를 나타낸 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 일정한 온도에서 주입전류에 따른 모드 파장변화의 영향을 측정하기 위해 레이저의 온도를 일정하게 유지시키는 TEC(300)를 부가하여 접지시켰고 이는 컴퓨터(1100)에 의해 제어된다. 레이저(1200)의 한쪽에는 430Ω(900)의 저항을 연결하여 가변 직류전압을 인가하고 볼트미터(400)를 사용하여 양단의 전압을 측정한다. 그리고 레이저(1200)의 다른 한쪽에는 2개의 215Ω저항(1000a, 1000b)을 병렬로 연결하여 가변 직류전압을 인가하고 볼트미터(800)를 사용하여 병렬로 연결된 2개의 저항(1000a, 1000b)의 양단의 전압을 측정한다. 또한, 레이저의 출력을 일정하게 관찰하면서 파장변화를 살펴보기 위해 OPM (Optical Power Meter, 500)과 OSA (Optical Spectrum Analyzer, 600)를 광 커플러(700)로 연결하였다.
도 7은 본 발명의 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드에서 실제로 측정된 전류에 따른 광전력 그래프를 나타낸 것이다. 도 7에 도시된 바와 같이,레이저 공동(laser cavity)의 길이가 800 um, 레이저 모드 간격(laser mode spacing)은 약 0.44 nm에 해당하는 특성을 가지고 있는 3개의 전극을 갖는 FP LD의 광-전류(light-current) 그래프를 나타낸 것인데, 도 3a에 보인 이론적으로 계산된 L-I 곡선과 유사한 형태를 띠는 것을 확인할 수 있다. I2를 제어전류(control current), I1을 바이어스 전류(bias current), Ith는 적절한 상수로서 2개의 주입 전극을 갖는 LD의 특징이 나타나기 시작하는 I2의 임계값 이라고 하면 I2>Ith인 경우에 전형적인 FP LD와 거의 동일한 L-I 특성을 보이지만, I2<Ith인 경우에는 레이저 공동의 일부가 포토다이오드로 동작하여 쌍안정(bistability) 또는 히스테리시스(hysteresis) 등의 특성이 나타난다.
도 8은 본 발명의 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드에서 주입전류의 비율에 따른 모드 파장의 변화를 나타낸 것이다. 도 8에 도시된 바와 같이, FP LD를 전송용 광원으로 쓰기 위해서는 출력이 -5 dBm 이상이 되어야 한다. 따라서, FP LD를 전송용 광원으로 사용할 수 있는 출력을 낼 수 있도록 도 7에 회색으로 표시된 부분인 -4 ∼ -2 dBm 영역에서 실험을 하였다. I1, I2의 주입전류를 조절하여 레이저의 광출력은 -2dBm, 발진파장은 1585nm 근방이 되도록 하였다. 초기에 주입시켜 준 I2를 -10mA에서 약 10mA까지 변화시켜 가면서, 각 I2에 따른 레이저의 광출력이 -2dBm이 되도록 I1을 조절하면서 1585nm 근방의 발진파장의 변화를 측정한 결과이다.
I2가 음의 방향으로 증가할수록 흡수에 의한 광자의 감소가 커지므로 동일 출력을 유지하기 위해 더 큰 I1을 인가해야 한다. I2가가 -5 mA 이상인 경우는 흡수에 의한 효과가 비교적 미미하여 파장 변화가 0.1 nm 정도이다. I2가가 -5 mA 미만으로 더 감소하면 모드 파장의 변화가 더 급격해져서 약 0.25 nm의 추가 변화가 가능해진다. 이는 본 발명에서 제시하는 3개의 전극을 갖는 FP LD의 발진파장이 전류에 의해 제어됨을 보여주는 결과이다.
도 9a는 본 발명의 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드에서 이득 최대치의 파장변화를 나타낸 것이다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 도 6과 같은 실험 장치를 이용해 2개의 주입 전극에 인가한 전류의 비를 다르게 하여 광 스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer)를 통해 넓은 간격(wide span)으로 이득 최대치 (gain peak)의 파장 변화를 살펴보았다. 2개의 주입 전극에 인가한 전류의 비에 따라서 약 18 nm의 이득 최대치의 파장변화가 생기는 것을 알 수 있다. 이로부터 3개의 전극을 갖는 FP LD에 주입되는 두 전류의 비율을 변화시킴으로써 FP LD의 이득 최대치의 파장을 제어할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 9b는 본 발명의 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드에서 온도와 주입전류의 비율에 따른 이득 최대치 파장변화를 나타낸 것이다. 도 9a에 도시된 바와 같이, TEC 온도는 20℃로 제어하였고 레이저의 출력 파워가 0 dBm으로 고정되도록 하는 조건에서 I2를 점점 증가시키면서 출력 파장을 살펴보았다. I2가 증가함에 따라 이득 최대치 파장이 짧은 파장으로 이동하게 되는데, I2의 5mA 변화에 따른 이득 최대치 파장의 변화는 대개 4nm정도이다. 또한, 위와 같은 실험을 TEC 온도를 20℃, 25℃, 30℃로 점점 증가시키면서 파장의 변화를 살펴보았다. 온도가 증가함에 따라, 이득 최대치 파장은 열효과에 의해 장파장 쪽으로 이동하는 것을 확인하였다. 또한, 각각의 온도에 대해서 동일한 I2의 변화에 따른 이득 최대치 파장 변화율은 거의 일정함을 알 수 있었다. 상기 결과들을 종합하여 볼 때, 레이저 주위의 온도가 변화하여 이득 최대치 파장이 이동하더라도 I1과 I2를 조절함으로써 이득 최대치 파장을 고정시킬 수 있다.
I1, I2를 조절하여 레이저의 이득 최대치 파장을 고정시키는 방법에 대해 자세히 기술하면 다음과 같다. 우선, 사용하고자 하는 레이저의 광출력을 결정한다. 레이저의 광출력이 초기 설정해 준 값과 같도록 하면서, I1과 I2를 조절하여 특정 온도에서 레이저의 이득 최대치 파장이 사용하고자 하는 파장값이 되도록한다. 온도가 변하여 위에서 결정한 레이저의 이득 최대치 파장이 변하게 되면, I1을 조절하여 우선 레이저의 이득 최대치 파장을 원래의 값으로 이동시킨다. 처음 설정해둔 I1이 변하게 되어, 레이저의 광출력이 변하게 되므로, 이를 보상해 주기 위해 I2를 조절하여 레이 저의 광출력을 초기에 설정해 준 값이 되도록 한다. 이 경우, 레이저의 광출력은 초기 설정값과 같지만, 레이저의 이득 최대치 파장은 I2의 영향으로 다시 이동하게 된다. 따라서, I1을 조절하면서 레이저의 이득 최대치 파장을 제어하고, I1의 변화에 따른 레이저의 광출력 변화를 보상하기 위해서 I2를 조절하는 과정을 반복하면서 최종적으로 처음에 설정한 레이저의 광출력 값과 레이저의 이득 최대치 파장을 만족하는 값이 될 때까지 I1과 I2를 조절한다. 이와 같은 과정을 통해 온도 변화에 상관없이 레이저의 이득 최대치 파장을 I1과 I2를 조절함으로써 고정시킬 수 있는 것이다.
위의 내용을 실험 내용에 비추어 설명하면 다음과 같다. 20℃, I2=3 mA일 때, 이득 최대치 파장은 대략 1580 nm인데 이 때, 주위 온도가 증가해 이득 최대치 파장이 장파장 쪽으로 이동한 경우 일정한 출력 파워를 유지시키는 조건에서 I1을 감소시키고, I2는 증가시키면서 I1, I2를 잘 조절하면 이득 최대치 파장을 원래의 파장 1580 nm에 고정시킬 수 있다. 이로부터 3개의 전극을 갖는 FP LD에 주입되는 두 전류를 조절함으로써 FP LD의 이득 최대치 파장을 원하는 파장대역에 고정시키도록 제어할 수 있음을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 내용을 통해 본 업에 종사하는 당업자라면 본 발명의 기술사상을 이탈하지 아니하는 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용만으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의하여 정해져야 한다.
이상에서와 같이 본 발명에 의한 적어도 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드를 이용한 파장 제어장치는 레이저에 전류를 공급하는 전극을 다수 개로 분리하여 각각의 전극에 흐르는 전류를 제어함으로써 레이저 모드 파장을 제어하고, 레이저 이득의 온도에 따른 변화를 감소시킬 수 있으며, 레이저 발진 대역폭을 늘릴 수 있다.

Claims (8)

  1. P형 반도체층과 N형 반도체층이 접합을 이루고 있고, 상기 어느 하나의 반도체층에 적어도 2개의 전극이 형성되고, 다른 하나의 반도체층에 하나의 전극이 형성되어 적어도 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드에서 전극이 하나인 반도체층의 전극을 제1 전극으로 선택하여 접지시키는 제1단계;
    상기 제1전극을 제외한 나머지 전극들에 같은 전류를 주입하여 일정한 광출력을 내도록 하는 제2단계;
    상기 제1전극을 제외한 나머지 전극들 중에서 하나의 전극을 제2전극으로 선택하여 주입전류를 조절함으로써 레이저의 이득 최대치 파장 또는 발진모드의 발진파장을 일정한 파장대역으로 이동시키는 제3단계;
    상기 제3단계에 의해 제2단계에서 조절한 레이저의 광출력의 변화를 보상하기 위해 제2전극을 제외한 나머지 전극들에 주입되는 전류를 조절하여 레이저의 광출력이 제2단계에서 조절한 값과 같도록 하는 제4단계;
    상기 제4단계에서 조절된 레이저의 이득 최대치 파장 또는 발진모드의 발진파장을 제2전극에 주입되는 전류를 조절하여 제3단계에서 조절한 파장대역으로 이동시키는 제5단계; 및
    상기 제3단계 내지 제5단계를 반복하여 레이저의 광출력과 이득 최대치 파장 또는 발진모드의 발진파장을 일정한 값으로 고정시키는 제6단계;
    를 포함하여 온도에 따라 변하는 레이저의 이득 최대치 파장과 발진모드의 발진파장을 고정시키는 것을 특징으로 하는 적어도 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드의 전류비 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류는 바이어스 전류로 하여 레이저의 이득을 갖는 주파수 영역을 제어하여 보다 넓은 영역에서 발진하도록 하는 것을 특징으로 하는 적어도 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드의 전류비 제어방법.
  3. 광대역 비간섭성 광원;
    상기 광원으로부터 주입되어 역방향으로 진행하는 파장잠김된 빛을 통과시켜 도파로 배열격자로 보내는 광회전기;
    상기 광회전기를 통과한 빛이 전달되는 신호 전송용 광섬유;
    상기 광회전기를 통과한 빛을 필터링하는 도파로 배열격자;
    상기 도파로 배열격자에서 필터링된 빛을 주입받는 적어도 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드;
    상기 적어도 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드에 주입된 전류를 제어하는 전류제어장치; 및
    상기 도파로 배열격자로부터 빛을 수신받는 수신단을 포함하고,
    상기 페브리 페롯 레이저 다이오드는 P형 반도체층과 N형 반도체층이 접합을 이루고 있고, 상기 어느 하나의 반도체층에 적어도 2개의 전극이 형성되고, 다른 하나의 반도체층에 하나의 전극이 형성되어 적어도 3개의 전극을 갖는 것을 특징으로 하는 적어도 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드의 전류비 제어방법을 이용한 광 네트워크.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 광원으로 발광 다이오드, 초발광 다이오드 또는 자연 방출광을 내는 어븀 첨가 광 증폭기 중에서 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 적어도 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드의 전류비 제어방법을 이용한 광 네트워크.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 페브리 페롯 레이저 다이오드는 비반사 코팅 또는 고반사 코팅된 것을 특징으로 하는 적어도 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드의 전류비 제어방법을 이용한 광 네트워크.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 전류제어장치가 상기 페브리 페롯 레이저 다이오드에 주입된 전류를 조절하여 레이저의 특정한 발진모드의 파장을 제어하는 것을 특징으로 하는 적어도 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드의 전류비 제어방법을 이용한 광 네트워크.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 전류제어장치가 상기 페브리 페롯 레이저 다이오드에 주입된 전류를 조절하여 레이저의 이득 최대치 파장을 제어하는 것을 특징으로 하는 적어도 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드의 전류비 제어방법을 이용한 광 네트워크.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 전류제어장치가 상기 페브리 페롯 레이저 다이오드에 주입된 전류를 조절하여 레이저의 이득 대역폭을 제어하는 것을 특징으로 하는 적어도 3개의 전극을 갖는 페브리 페롯 레이저 다이오드의 전류비 제어방법을 이용한 광 네트워크.
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