KR100693862B1 - 외부 공진기를 가지는 단일 모드 광원 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외부 공진기를 가지는 단일 모드 광원 장치에 관한 것이다.

본 발명에 의한 단일 모드 광원 장치는 레이저 다이오드, 집적용 렌즈, 레이저 다이오드에서 출력되는 광의 일부를 반사시켜 레이저 다이오드로 되돌릴 수 있는 소정 각도로 절단된 입사면을 가지는 광섬유를 포함한다. 레이저 다이오드 자체의 내부 공진기와, 다중모드 발진을 하는 레이저 다이오드의 발광면과 광섬유의 입사면 사이에 형성되는 외부 공진기가 결합하여, 단일 모드(파장)의 광신호만 선택하여 출력한다.

이러한 본 발명에 따르면, 손쉽고 저렴하게 단일 모드 광원 장치를 용이하게 구현할 수 있으며, 이러한 광원 장치는 파장 분할 다중 광통신망에서 파장 가변 광원으로 사용 가능하다.

단일모드 광원, 레이저다이오드, 외부공진기, 파장다중분할, 광통신망, 파장가변광원

Description

외부 공진기를 가지는 단일 모드 광원 장치{Single mode light source device having external cavity}

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 단일 모드 광원 장치의 구조도이다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 단일 모드 광원 장치에서, 외부 공진기를 이용하여 단일 모드를 선택하는 원리를 나타낸 도이다.

도 3은 기존의 다중 모드 광원의 스펙트럼과 본 발명의 실시 예에 따른 단일 모드 광원 장치의 스펙트럼의 예를 나타낸 도이다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시 예에 따른 단일 모드 광원 장치의 변조 특성을 보여주는 예를 나타낸 도이다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 단일 모드 광원 장치의 파장 가변 성능을 보여주는 예를 나타낸 도이다.

본 발명은 광원 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게 말하자면 파장 분할 다중 광통신망(Wavelength Division Multiplexing Network - WDM network) 등에서 사용될 수 있는 외부 공진기를 가지는 단일 모드(파장)의 광원 장치에 관한 것이다.

정보 통신량 및 다양한 서비스의 요구가 증가함에 따라 각종 아날로그 및 디지탈 광통신 시스템이 활용되고 있으며, 광통신 초기에는 시분할 방식(Time Division Multiplex : TDM)을 통해 데이터 전송량을 증가시켜 왔으나, 정보 용량의 증가와 전자소자의 한계 등으로 인해 광신호의 파장성분을 분할하여 사용할 수 있는 파장 분할 다중화(Wavelength DivisionMultiplex : WDM) 기술이 접목되었다.

파장 분할 다중화 방식(WDM)은 여러 파장의 광을 다중하여 전송한 다음 수신단에서 각 파장을 역으로 분리해 내는 방법이다. 주요 구성으로는 광 송신기, 광 수신기, 파장 다중기, 파장 역다중기, 광 증폭기, 광섬유, 광신호 보상기로 이루어진다. 이들 구성 중, 핵심 모듈이면서 비용이 가장 많이 소요되는 부품은 광 송신기이다.

광 송신기에서 사용되는 광원으로 주로 분포 궤환형 레이저 다이오드(DFB-LD: Distributed Feedback-Laser Diode)를 이용한다. 이것은 높은 인접 모드 억제율(Side Mode Suppression Ratio, SMSR), 고출력, 좁은 선폭(narrow linewidth)을 갖는 장점이 있으나, 가격이 비싼 단점을 갖고 있다. 따라서 가격이 매우 중요한 파장 분할 다중화 방식의 광가입자 망에서는 현실적으로 DFB-LD를 적용하기 어려운 문제점이 있다.

현재의 광가입자 망에서는 TDM/TDMA(time division multiplexer/time division multiple access) 방식을 이용하여 시간상에서 각 사용자가 대역폭을 나누어 사용하는 방식이 보편적으로 사용되고 있다. 그러나, 이 방식은 시간을 나누어 사용하기 때문에 연결 가입자가 많아지면 전송 속도가 떨어지며, 시간상에서 각 가입자 데이터를 다른 가입자 데이터와 충돌 없이 위치시키는 프로토콜 구현이 복잡해지는 단점을 갖는다. 그래서, 많은 연구자들은 값싼 WDM 레이저 광원을 구현해서 파장 다중 분할 방식 광가입자 망(WDM-PON)에 적용하려는 시도를 계속하고 있다.

이러한 시도의 첫 번째 방법으로는 광 대역의 비간섭성 광원을 파장영역에서 쪼개어 쓰는 방법이 있다. 이 방법은 주로 LED, SLD(Single mode Laser Diode), 광증폭기 등을 이용한다. LED는 출력 광전력이 약해 사용하기 힘들고, SLD는 가격이 비싼 것이 단점이며, 광 증폭기는 광신호 발생을 위해 고가의 외부 변조기가 필요한 문제점을 갖고 있다.

두 번째 방법으로는 저가의 페브리 페롯 레이저(Febry-Perot laser)에 외부 빔을 주입하여 선택된 파장 대역에 해당하는 모드만 반사시키는 파장 잠김(wavelength-locked) 현상을 유도하여 SMSR(side mode suppression ratio)을 높임으로써, 페브리 페롯 레이저를 WDM 광원으로 사용하는 방법이다. 외부빔으로는 간섭성 혹은 비간섭성 빔을 주입할 수 있다.

그러나, 위의 두 방법 모두 주입되는 외부빔을 생성하는 외부 광원이 고가인 단점을 갖고 있다. 그리고 구조가 복잡하기도 하고, 외부빔을 사용하므로 외부빔에 의존하여 신뢰성이 약한 단점이 있다.

세 번째 방법으로는 페브리 페롯 레이저의 자기 빔을 이용하여 파장 잠김을 유도하는 방법이다. 이것은 광섬유 페브리 페롯 레이저에 광섬유 브래그 격자 필터를 이용하여 자기 빔을 주입하는 방법인데, 일단 저가로 구현하기가 어렵고, 레이 저빔을 직접 변조하기 어렵다.

또 다른 방법으로, 페브리 페롯 레이저 다이오드 외부에 광섬유 격자 필터로부터 반사된 빔으로 파장 잠김을 유도하는 방법이 있는데, 이 방법은 페브리 페롯 레이저 다이오드를 이득 스위칭(gain switching) 구동하여 광펄스열을 만드는 방법으로 제한되고, 또한 자기 파장간의 광 간섭 때문에 좋은 성능의 광 펄스를 만들기 어려운 단점을 갖는다.

이와 같이, 페브리 페롯 레이저 다이오드는 구조가 간단하고 값이 싼 장점을 가지고 있지만 여러 파장이 동시에 발진하는 다중 모드 레이저이므로 파장 분할 다중 광통신망의 광원으로 적합하지 않다. 또한 광파장 필터를 이용하여 단일 모드만 선택하는 경우에도 모드 호핑(mode hopping) 현상에 의해 안정된 출력을 발진할 수 없기 때문에 파장 분할 다중 광통신망에 사용할 수 없다.

그러므로 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 파장 분할 다중 광통신망에 사용할 수 있는 최적의 단일 모드 광원 장치를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 안정적으로 동작하면서 저가로 구현할 수 있는 단일 모드 광원 장치를 제공하는데 있다.

또한 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 다중 모드 레이저 다이오드를 이용하여 단일 모드의 광을 제공하는 단일 모드 광원 장치를 제공하는데 있다.

이러한 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 단일 모드 광원 장치는, 서로 다른 파장의 다수 광신호를 생성하는 내부 공진기를 포함하는 레이저 다이오드; 상기 레이저 다이오드에서 발생되는 광신호를 집적하는 집적용 렌즈; 및 상기 집적용 렌즈에 의하여 집적되어 입사되는 광신호를 전송하는 전송용 광섬유를 포함한다. 그리고 상기 광섬유의 광이 입사되는 입사면이 소정 각도로 경사져서, 상기 광섬유의 입사면과 상기 레이저 다이오드의 발광면 사이에 외부 공진기가 형성되어, 상기 광원 장치는 단일 모드로 발진한다.

상기 광섬유의 입사면의 경사 각도는 입사면에서 반사된 광신호가 다시 레이저 다이오드로 도달하여 공진될 수 있도록 조절되어 있다. 이 경우, 상기 광섬유의 입사면에서 반사된 광이 레이저 다이오드로 입사될 때, 간섭을 포함하는 잡음의 발생과 불안정한 출력이 발생하는 것을 방지하기 위해 위상맞춤이 잘 일어나도록 외부 공진기의 소정 길이로 설정될 수 있다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

본 발명의 실시 예에서는 다중 모드 레이저 다이오드를 사용하여 모드 호핑 없이 안정된 단일 모드 발진이 이루어지도록 한다. 이를 위해 현재 상용화된 다중 모드 레이저 다이오드(예: 페브리 페롯 레이저 다이오드)와 결합되는 광섬유의 입사면의 경사 각도를 조절하여 상기 레이저 다이오드와 광섬유 사이의 유격 구조를 피드백 공진기로 사용함으로써, 다중 모드 레이저 다이오드에서 발생하는 여러 모드 중에서 안정된 단일 모드만을 발진하는 새로운 구조의 광원 장치를 제공한다.

다음에는 이러한 본 발명의 실시 예에 따른 광원 장치의 구체적인 구조에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 단일 모드 광원 장치의 구조도이다.

본 발명의 실시 예에 따른 단일 모드 광원 장치는 첨부한 도 1에 기재되어 있듯이, 광을 생성하는 레이저 다이오드(10), 레이저 다이오드에서 발생되는 광을 집적하는 집적용 렌즈(20), 및 렌즈를 통하여 집적된 광을 전송하는 광섬유(30)를 포함한다.

레이저 다이오드(10)는 동시에 여러 개의 파장을 가지는 광을 생성하는 다중 모드 레이저 다이오드이며, 예를 들어 페브리 페롯 에탈롱(Fabry Perot etalon)구조의 레이저 다이오드 칩 등이 사용될 수 있다. 여기서는 상기 구조의 레이저 다이오드 칩을 사용하였으나 반드시 이에 한정되지는 않는다. 레이저 다이오드에서 생성되는 서로 다른 파장에서, 각 파장 사이의 간격은 칩의 길이에 의해 결정될 수 있다. 이러한 레이저 다이오드에서 방출되는 광은 소정 각도로 퍼질 수 있다.

집적용 렌즈(20)는 레이저 다이오드(10)에서 방출되는 광을 집적하여 광섬유(30)로 전달한다. 이 집적용 렌즈(20)는 비구면 또는 구면 렌즈일 수 있다. 한편 특수 처리하지 않은 광섬유 단면의 반사율은 약 15dB 정도로 매우 작기 때문에 외부 공진기의 역할을 키우기 위하여 렌즈에 의한 커플링 효율은 높을수록 좋고, 따라서 비구면 렌즈를 사용하는 것이 보다 유리하다.

광섬유(30)는 집적용 렌즈(20)에 의하여 집적된 광을 도시하지 않은 외부 장치로 전달하며, 특히, 상기 광이 입사되는 면이 설정 각도로 절단되어 있다.

다음에는 이러한 구조로 이루어지는 본 발명의 실시 예에 따른 단일 모드 광원 장치의 동작에 대하여 설명한다.

레이저 다이오드(10)에서 다중 모드 즉, 서로 다른 파장의 광신호들이 생성되며, 이러한 광신호는 집적용 렌즈(20)에 의하여 광섬유(30)로 전달된다. 이 때 집적용 렌즈(20)에 의하여 집광되어 광섬유(30)에 도달한 광 신호 중 일부(예를 들어, 약 4%)는 매질굴절률 차이(공기와 광섬유의 굴절률 차이)에 의하여 반사된다.

이 때, 광섬유의 입사면이 소정 각도로 경사져 있으면 즉, 소정 각도로 절단되어 있으면 광섬유의 입사면에서 반사된 광 신호가 다시 레이저 다이오드로 들어가는 것을 막을 수 있다. 광섬유(30)의 입사면이 소정 각도 예를 들어 6ㅀ∼8ㅀ로 절단되어 있으면, 상기 반사되는 광신호가 레이저 다이오드(10)로 입사되지 않는다. 이 경우 상기 각도를 줄이거나 아예 0도로 만들면 반사된 광이 대부분 다시 레이저 다이오드로 들어가게 된다. 이것은 레이저 다이오드(10)에서 광이 출력되는 발광면과 광섬유(30)의 입사면 사이에 공진기가 형성되는 효과를 만든다. 따라서 본 발명의 실시 예에서는 광섬유의 입사면의 경사 각도를, 입사면에서 반사된 광이 다시 레이저 다이오드로 도달하여 공진될 수 있도록 설정한다. 이러한 공진이 형성되도록 하는 상기 입사면의 경사 각도를 "설정 각도"라고 명명할 수 있으며, 이와 같이 형성되는 공진기를 "외부 공진기"라고 명명한다. 상기 설정 각도는 레이저 다이오드의 고정 위치와 각도를 고려하여 광섬유 단면으로부터 반사된 빛이 레이저 다이오드에 최대한 입사할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

상기 외부 공진기는 레이저 다이오드(10)의 자체 공진기(이하, "내부 공진기"라고 명명함)와 결합하여 특정 조건에서 특정 파장의 발진을 유도한다. 즉 페브리 페롯 에탈롱 구조의 레이저 다이오드의 내부 공진기와, 상기 레이저 다이오드(10)와 광섬유(30) 사이에 형성된 외부 공진기에 의하여 특정 파장의 광신호가 선택된다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 단일 모드 광원 장치에서, 외부 공진기와 내부 공진기의 결합에 의하여 특정 파장 즉, 단일 모드의 광신호가 선택되는 원리를 나타내고 있다.

도 2의 (a)는 레이저 다이오드의 이득분포를 나타내며, 내부 공진기에서 선택된 파장들 중 이득이 손실을 넘어서는 파장만이 발진된다. 도 2의 (b)는 레이저 다이오드의 내부 공진기에서 선택된 파장을 나타내고, 도 2의 (c)는 레이저 다이오드의 발광면과 광섬유 절단면 사이의 외부 공진기에서 선택된 파장을 나타낸다.

각 공진기에서 선택되는 파장들 사이의 간격은 매질의 굴절률과 공진기의 길이에 반비례하게 되는데 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.

여기서

는 파장 사이의 간격을 나타내고,

는 해당 모드의 파장을 나타내며, L은 공진기의 길이, 그리고 n은 공진기를 이루는 매질의 굴절률을 나타낸 다.

본 발명의 실시 예에서는 외부 공진기의 길이가 내부 공진기의 길이보다 크기 때문에 위의 수학식 1에 따라 외부 공진기에서 선택되는 파장들이 더 작은 간격을 갖게 된다. 레이저 다이오드(10)에서의 발진은 도 2의 (a)의 이득분포 안에 들어가는 파장 중에서, 도 2의 (b)와 도 2의 (c)가 일치하는 파장에서 일어나게 되며, 이를 도 2의 (d)에 나타내었다. 즉 레이저 다이오드의 내부 공진기에서 선택된 파장들과, 레이저 다이오드의 발광면과 광섬유 절단면 사이의 외부 공진기에서 선택된 파장들 중에서, 서로 동일한 파장만이 선택된다.

도 3의 (a)는 일반적인 페브리 페롯 레이저 다이오드의 발진 스펙트럼을 나타낸 것이며, 도 3의 (b)는 본 발명의 실시 예에 따른 외부 공진기를 가지는 광원 장치의 발진 스펙트럼을 나타낸다. 도 3을 보면, 기존의 레이저 다이오드에서는 다수 파장이 선택되는데 반하여, 본 발명의 실시 예에 따른 광원 장치에서는 도 3의 (b)와 같이 한 파장이 선택되고 나머지 파장들은 억압되는 것을 용이하게 알 수 있다.

이와 같이 선택된 파장이 안정적으로 출력되는 것을 증명하기 위하여 실험을 행하였다.

도 4a는 본 발명의 실시 예에 따른 광원 장치의 특성을 측정하기 위한 실험 장치를 나타낸 도이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 실험 장치에 의하여 측정된 결과를 나타낸다.

도 4a에서와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 광원 장치(100)에 광필터(200) 를 연결시키고, 이러한 광필터(200)에 오실로스코프(300)를 연결시켜서 변조 실험을 행하였다. 외부 공진기를 가지는 본 발명의 실시 예에 따른 광원 장치(100)의 출력을 광필터(200)로 전달하며 통과시킨다. 이 때 광필터(200)의 통과 대역 파장은 본 발명의 실시 예에 따른 광원 장치의 외부 공진기와 레이저 다이오드의 내부 공진기의 결합으로 선택된 특정 파장과 일치시킨다. 광필터(200)를 통과한 광신호를 오실로스코프(300)로 관찰한 결과, 도 4b와 같은 결과를 얻을 수 있었다. 변조 패턴은 PRBS(pseduo random bit sequence)로서, 오실로스코프 관찰 결과가 매우 깨끗하게 나타남을 알 수 있다.

따라서 종래의 페브리 페롯 레이저 다이오드에서는 임의의 파장을 광필터로 선택할 경우 모드 파티션 노이즈(mode partition noise)로 인해 깨끗한 파형을 얻을 수 없으나, 본 발명의 실시 에에 따른 외부 공진기를 가지는 광원 장치에서는 특정 파장의 광신호만을 선택하는 것이 가능하다는 것을 알 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 광원 장치의 발진 파장은 온도와 바이어스 전류의 값으로 조절이 가능하다. 발진 파장은 레이저 다이오드(페브리 페롯 에탈롱 구조의 레이저 다이오드)의 내부 공진기의 공진 조건과, 외부 공진기의 공진 조건이 일치되는 지점에서 결정된다.

레이저 다이오드의 발광면과 광섬유의 입사면 사이에서 형성되는 외부 공진기의 공진 조건은 레이저 다이오드와 광섬유의 위치가 고정되어 있으면 변하지 않는다. 따라서, 외부 공진기의 길이(레이저 다이오드의 발광면과 광섬유의 입사면 사이의 거리)는 광섬유의 입사면에서 반사된 광이 레이저 다이오드로 반사되어 입 사될 때, 간섭을 포함하는 잡음의 발생과 불안정한 출력이 발생하는 것을 방지하기 위해 위상 맞춤이 잘 일어나는 길이로 설정되는 것이 좋다. 또한, 외부 공진기의 길이가 내부 공진기의 길이의 정수배가 되면 위상 맞춤이 일어나는 파장이 동시에 여러개 발생하여 단일 모드 발진이 어려워지므로, 정수배가 되지 않도록 해야 한다.

그러나 반도체 레이저 다이오드는 온도와 바이어스 전류에 따라서 내부 공진기의 길이가 변하거나 혹은 굴절률의 변화로 길이 변화와 같은 효과를 줄 수 있으므로, 내부 공진기의 공진 조건을 조절하여 파장 선택 조건을 조절할 수 있다. 즉, 도 2의 (c)와 같은 외부 공진기의 공진 조건은 고정되어 있으나. 온도와 전류의 변화로 도 2의 (b)의 내부 공진기의 공진 조건을 변화될 수 있으므로, 결과적으로 외부 공진기와 내부 공진기의 결합에 의하여 결정되는 파장 선택 조건이 가변되어, 선택되어 출력되는 광신호의 파장을 가변시킬 수 있다.

이와 같이 특정 파장이 선택되는 조건을 충족시킨다면 레이저 다이오드의 이득 분포 안에서의 파장 가변이 가능하므로, 본 발명의 실시 예에 따른 광원 장치는 가변 파장 레이저 광원으로 사용될 있다. 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 광원 장치에서, 동일한 레이저 다이오드를 사용하였을 때, 온도와 레이저 다이오드로 인가되는 전류를 변화시켰을 때 본 발명의 실시 예에 따른 광원 장치의 발진 파장이 변화하는 것을 나타낸 예이다.

이상에서 설명한 발명의 구조와 실시 예는 예시적으로 설명한 것이지, 본 발명으로 한정하는 것은 아니다. 이 기술 분야의 통상적인 지식을 가진 자라면 누구 나 발명의 기본 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 모방 및 변형이 가능하다.

이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면 안정적으로 동작하면서 저가로 구현할 수 있는 단일 모드 광원 장치를 제공할 수 있다.

특히 종래의 레이저 다이오드에서는 위에서 살펴본 바와 같이 외부 공진기를 구현하기 위하여 별도의 거울 혹은 광섬유 격자를 사용하지만, 본 발명의 실시 예에서는 레이저 다이오드에서 출력된 광이 결합되는 광섬유의 입사면을 소정 각도로 절단시켜 반사면으로 이용하기 때문에, 별도의 수단 없이 기존의 패키징 구조를 사용하여 간단하고 값싸게 광원 장치를 구현할 수 있다.

이러한 본 발명의 실시 예에 따른 단일 모드 광원 장치는 파장 분할 다중 광통신망의 광원으로 사용될 수 있으며, 또한 파장 가변 광원으로도 사용될 수 있다. 특히, 파장 분할 다중 광통신망 중에서 특히, WDM-PON용의 저가의 광원으로서 활용될 수 있다.

Claims (6)

1. 서로 다른 파장의 다수 광신호를 생성하는 내부 공진기를 포함하는 레이저 다이오드;

   상기 레이저 다이오드에서 발생되는 광신호를 집적하는 집적용 렌즈; 및

   상기 집적용 렌즈에 의하여 집적되어 입사되는 광신호를 전송하는 전송용 광섬유

   를 포함하며,

   상기 광섬유의 광이 입사되는 입사면이 소정 각도로 경사져서, 상기 광섬유의 입사면과 상기 레이저 다이오드의 발광면 사이에 외부 공진기가 형성되고,

   상기 외부 공진기와 상기 레이저 다이오드의 내부 공진기의 결합으로 인하여, 상기 광원 장치가 단일 모드로 발진하여 소정 파장의 광신호만이 출력되는 단일 모드 광원 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 광섬유의 입사면은 상기 입사면에서 반사된 광이 상기 레이저 다이오드로 입사되는 설정 각도로 경사져 있는 단일 모드 광원 장치.
3. 삭제
4. 제1항 또는 제2항에 있어서

   상기 레이저 다이오드는 페브리 페롯 레이저 다이오드인 단일 모드 광원 장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 집적용 렌즈는 비구면 렌즈인 단일 모드 광원 장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 레이저 다이오드로 인가되는 전류 또는 상기 레이저 다이오드의 온도 변화에 의하여 상기 내부 공진기의 공진 조건이 가변되어, 상기 발진되는 단일 모드가 가변되는 단일 모드 광원 장치.

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