KR100749815B1

KR100749815B1 - 다수의 다파장 고휘도 발광소자(ｓｌｄ)칩과 1×ｎ 광섬유커플러를 이용한 광대역 광원 시스템

Info

Publication number: KR100749815B1
Application number: KR1020050086220A
Authority: KR
Inventors: 이용탁; 이석정
Original assignee: 주식회사 와이텔포토닉스
Priority date: 2005-09-15
Filing date: 2005-09-15
Publication date: 2007-08-16
Also published as: KR20070031604A

Abstract

본 발명은 여러 개의 다파장 고휘도 발광소자(SLD) 칩들을 1×N 광섬유 커플러를 이용하여 파장 다중화함으로써 실현한 광대역 광원 시스템에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 각각 중심파장이 스펙트럼선 폭 Δλ 만큼 차이가 나는 λ1, λ2, …, λN (λ2=λ1+Δλ, …, λN=λN-1+Δλ)인 N 개의 다파장 고휘도 발광소자(SLD)칩들과; 이들을 구동하는 고휘도 발광소자(SLD) 구동기와; N개의 다파장 고휘도 발광소자(SLD) 칩들로부터 방출되는 광을 합성하기 위한 1×N 광섬유 커플러; 이로부터 출력되는 광의 일부분을 피드백제어에 이용하기 위하여 광의 일부분을 분리하는 광섬유 커플러와; 분리된 광의 일부분을 모니터링하기 위한 모니터링 PD와; 모니터링 된 광의 특성에 따라 고휘도 발광소자(SLD) 구동기의 파워를 피드백 제어하기 위한 파워 컨트롤러를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광대역 광원 시스템이 제시된다.

고휘도 발광소자, 발광소자, SLD, 광대역 광원, 스펙트럼 선폭

Description

다수의 다파장 고휘도 발광소자(ＳＬＤ)칩과 1×Ｎ 광섬유 커플러를 이용한 광대역 광원 시스템{Broadband Source System using several multi-wavelength superluminescent diode chips and 1×N optical fiber coupler}

도 1a 는 종래의 희토류 첨가 단일모드 광섬유(REDF)를 이용한 단일-진행 전방향 전방 초형광 신호(SFS) 방식에 의한 광대역 광원의 구성도이다.

도 1b 는 종래의 희토류 첨가 단일모드 광섬유(REDF)를 이용한 이중-진행 전방향 전방 초형광 신호(SFS) 방식에 의한 광대역 광원의 구성도이다.

도 1c 는 종래의 희토류 첨가 단일모드 광섬유(REDF)를 이용한 이중-진행 후방향 전방 초형광 신호(SFS) 방식에 의한 광대역 광원의 구성도이다.

도 2 는 종래의 장주기 Bragg 광섬유 격자를 가진 Nd:silica REDF 광대역 광원의 구성도이다.

도 3 은 종래의 WDM 필터링된 Yb:silica REDF 광대역 광원의 구성도이다.

도 4 는 본 발명에 따른 다수의 다파장 SLD 칩과 1×N 광섬유 커플러를 이용한 광대역 광원의 구성도이다.

도 5a 는 본 발명에 따른 다수의 다파장 SLD 칩과 1×N 광섬유 커플러를 이용한 광대역 광원에서 각각의 SLD 출력 스펙트럼을 합성하는 것을 설명하는 도식도이다.

도 5b 는 본 발명에 따른 다수의 다파장 SLD 칩과 1×N 광섬유 커플러를 이용한 광대역 광원에서 각각의 SLD 출력 스펙트럼을 합성한 결과 광대역의 스펙트럼을 얻는 것을 설명하는 도식도이다.

<도면의 주요부호에 대한 설명>

40 : 파워 컨트롤러 41 : SLD 구동기

42 : 모니터 PD 43a,43b,43c,43d : 다파장 SLD

44 : 1×N 커플러 45 : 광섬유 커플러

본 발명은 여러 개의 다파장 고휘도 발광소자(SLD:superluminescent diode; 이하 SLD라 함)칩들을 1×N 광섬유 커플러를 이용하여 파장 다중화함으로써 실현한 광대역 광원 시스템에 관한 것이다. 특히, 여러 개의 다파장 SLD 칩들은 각각의 중심파장이 각각의 스펙트럼 선폭의 크기만큼 차이가 나는 SLD 칩을 1×N 광섬유 커플러를 이용하여 방출 스펙트럼을 합성함으로써 각각의 SLD 광원의 스펙트럼 폭보다 넓은 대역의 스펙트럼 선폭을 얻는 것이 가능하고 고출력 광원 시스템 구현이 가능토록 하는 기술에 관한 것이다.

광대역 광원은 광섬유 자이로스코프(FOG), 광 영상 단층촬영장치(OCT), 광통신 파장 다중화 시스템(WDM) 등과 같은 광센서 및 광통신 시스템의 광원으로 폭넓게 사용된다. 광섬유 자이로스코프와 광 영상 단층촬영장치에서는 분해능을 높이기 위하여 스펙트럼 선폭이 넓은 광원이 필요하며, 광통신 파장 다중화 시스템(WDM)에서는 고밀도의 정보를 전송하기 위하여 광대역 광원이 요구된다. 재래식 광대역 광원을 구성하는 방법은 여러 가지 방식이 제안되었으며, 그 중에서 OCT 영상 시스템의 표준인 AFC 광원은 다중 양자우물 반도체 광증폭기를 기초로 한다. 이 광원의 대역폭은 50~80 nm이고, 광섬유 결합파워는 9~30 mW이다. 그러나 이 광원의 단점은 출력광이 비편광인(unpolarized) 점이다. 한편 높은 파워의 저 가간섭성(coherence) 광원을 얻기 위해 사용되는 다이오드로 펌핑되는 희토류첨가 광섬유(Rare earth doped fiber; 이하 REDF)를 이용한 광대역 광원이 있는데, 첨가물의 종류에 따라 네오디뮴이 첨가된 Nd:silica REDF, 이터븀이 첨가된 Yb:silica REDF, 어븀이 첨가된 Er:silica REDF, 프라세오디뮴이 첨가된 Pr:silica REDF, 툴륨이 첨가된 Tm:silica REDF가 있다.

도 1a, 도 1b 및 도 1c는 이상과 같은 REDF를 이용한 광대역 광원를 구성하는 3가지 방식을 설명하는 도면이다.

도 1a는 종래의 희토류 첨가 단일모드 광섬유(REDF)를 이용한 단일-진행 전방향 전방 초형광 신호(SFS) 방식에 의한 광대역 광원의 구성도이다.

도 1a를 참조하면, 펌프 레이저(110)로부터 출사된 광은 렌즈(111)에 의해 초점이 모아져서 REDF(113)의 경사절단면(112a)로 입사되어 REDF(113)를 지나면서 초형광 신호(이하 SFS)를 발생하며, 반대 측 경사절단면(112b)을 통하여 전방향 SFS(114)를 출사한다. 이때, REDF(113)의 양측 경사절단면(112a, 112b)은 발진을 방지하기 위하여 피드백을 억제하는 효과를 가진다. 이 구성은 이행하기가 가장 간 단하지만, 유용한 초형광 파워를 50 % 가량 잃어버린다.

도 1b를 참조하면, 펌프 레이저(120)로부터 출사된 광이 렌즈(121)에 의해 초점이 모아져서 이색성 거울(dichroic mirror)(122)를 통하여 REDF(123)로 입사되어 진행하면서 초형광 신호를 발생하여 경사절단면(124)를 통하여 전방향 SFS(125)를 출사한다.

도 1c를 참조하면, 펌프 레이저(131)로부터 출사된 광이 이색성 거울 혹은 WDM(132)에 반사되어 렌즈(133)에 의해 초점이 모아져서 경사절단면(136)를 통하여 REDF(134)로 입사되어 진행하면서 초형광 신호를 발생한다. 이 신호는 거울(135)에 반사되어 다시 REDF(134)를 거쳐 반대방향으로 진행하여 렌즈(133)와 이색성 거울 혹은 WDM(132)를 통하여 후방향 SFS(130)를 출사한다.

이상에서 알 수 있듯이 희토류첨가 광대역 광원의 구성방식에서 가장 큰 단점은 높은 파워로 단일모드 펌핑을 해야 하기 때문에 고가의 펌핑 레이저를 필요로 한다는 점이다.

도 2는 종래의 장주기 Bragg 광섬유 격자를 가진 Nd:silica REDF 광대역 광원의 구성도이다.

도 2를 참조하면, 810 nm 파장의 펌프 레이저(20)로부터 출사되는 높은 파워 인 600 mW의 펌핑광이 WDM(23)을 통하여 약 3.7 m의 Nd:silica REDF에 입사되어 800 nm에서 여기된다. 높은 펌핑 파워에 의해서 증폭된 자연방출 광은 1060 nm 파장의 주 방출선 스펙트럼에서 심각한 이득 좁힘(narrowing) 현상이 발생하기 때문에 광 노치(notch) 필터인 장주기의 Bragg 광섬유 격자(25)를 사용하여 1060 nm에서의 피크를 제거하여 스펙트럼을 평탄화한다. 이러한 신호 광이 금으로 코팅된 거울(26)에 반사되어 반대방향으로 진행하여 아이솔레이터(21)를 통하여 출사되며 출사광의 파워는 약 7 mW, 피크 폭은 62 ㎛의 가간섭성 길이에 해당되는 단지 8 nm에 불과하다. 이와 같이 높은 파워로 펌핑하기 위해서는 가격이 매우 비싸며, 크기가 크고, 시스템이 복잡한 고출력 Ti:Al₂O₃ 레이저를 필요로 하기 때문에 실용성이 없다.

도 3은 종래의 WDM 필터링된 Yb:silica REDF 광대역 광원의 구성도이다.

도 3을 참조하면, 높은 파워로 펌핑해야 하기 때문에, 각각 3개의 독립된 980 nm의 펌프 레이저 다이오드인 pump1(34a), pump2(34b), pump3(34c)로부터 출사된 광이 두 가지 길이의 Yb:silica REDF(32a, 32b)를 거쳐 오른쪽 경사절단면을 통하여 SFS를 출사하며, 왼쪽으로 진행하는 광은 거울(30)에서 반사하여 다시 오른쪽으로 진행한다. 850~1,000 nm까지의 흡수스펙트럼을 가지는 Yb:silica REDF의 대역폭은 약 35 ㎛의 가간섭성 길이에 해당되는 15 nm이다. Er:silica REDF는 980 nm에서 펌핑되며 1550 nm에서 피크를 방출하고 약 50 nm의 대역폭을 가진다. 590 nm에서 펌핑된 Pr:silica REDF 광원은 FWHM이 약 25 nm이다. 785 nm 파장대에서 500 mW 의 파워로 펌핑되는 Tm:silica REDF의 대역폭은 약 18 ㎛의 가간섭성 길이에 해당되는 80 nm이다. 이상의 희토류첨가 광대역 광원들의 가장 큰 단점은 약 500 mW의 높은 파워로 단일모드 펌핑을 해야 하기 때문에 고가의 펌핑레이저 다이오드를 필요로 한다. Pr:silica REDF 광원의 경우는 590 nm로 펌핑할 수 있는 고출력 단일모드 레이저 다이오드가 없기 때문에 고가이며, 부피가 크고 복잡한 색소(dye) 레이저를 필요로 한다. 마찬가지로 Tm:silica REDF 광원의 경우에도 785 nm 파장대에서 500 mW의 파워로 펌핑하기 위하여 역시 고가이며 크기가 크고 복잡한 T_i:Al₂O₃ 레이저를 요한다. 이와 같이 고가이며, 부피가 크고 복잡한 레이저를 펌핑용 광원으로 요하는 광대역 광원의 경우는 광원시스템 자체가 고가격화, 크기의 대형화, 시스템의 복잡화를 초래하여 이를 응용하려는 시스템의 실용화를 거의 불가능하게 할 수 있다.

이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 다수개의 다파장 SLD 칩과 1×N 광섬유 커플러를 이용한 광대역 광원을 제공하는데 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 한 기술적 사상으로서, 본 발명에서는 각각 중심파장이 스펙트럼 선폭 Δλ 만큼 차이가 나는 λ1, λ2, …, λN (λ2=λ1+Δλ, …, λN=λN-1+Δλ)인 N 개의 다파장 SLD 칩과; 상기 N 개의 다파장 SLD 칩에서 출사되는 광을 받아 합성하기 위한 1×N 커플러와; 상기 1×N 커플러에서 출 사한 광의 일부를 분리하여 모니터 PD로 전송하기 위한 광섬유 커플러와; 광섬유 커플러로부터 입사된 광을 전기신호로 바꾸기 위한 모니터 PD와; 상기 모니터 PD로부터 전송된 전기신호에 기초하여 스펙트럼 폭을 비교하여 비교신호를 제어신호로 바꾸기 위한 파워 컨트롤러와; 상기 파워 콘트롤러로부터의 제어신호를 이용하여 제어되고 상기 각각의 다파장 SLD칩에 조정된 전류신호를 전송하는 SLD 구동기를 포함하는 다파장 SLD와 1×N 광섬유 커플러를 이용한 광대역 광원이 제시된다.

상기와 같이 다수개의 다파장 SLD와 1×N 광섬유 커플러를 이용한 광대역 광원을 사용하는 응용시스템의 성능을 높일 수 있는 동시에 실용화가 용이하게 할 수 있도록, 저가격화가 가능하고, 구조가 간단하며, 크기를 소형화할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 다수의 다파장 SLD와 1×N 광섬유 커플러를 이용한 광대역 광원의 구성도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 구성은 각각 중심파장이 스펙트럼 선폭 Δλ 만큼 차이가 나는 λ1, λ2, …, λN (λ2=λ1+Δλ, …, λN=λN-1+Δλ)인 N 개의 다파장 SLD(43a, 43b, 43c, 43d)와;

상기 N 개의 다파장 SLD(43a, 43b, 43c, 43d)에서 각각 출사되는 광신호를 합성하기 위한 1×N 커플러(44)와;

상기 1×N 커플러(44)로부터 합성된 광신호 중 일부를 분리하기 위한 광섬유 커플러(45)와;

상기 광섬유 커플러(45)에서 분리된 신호를 받아 광신호를 전기신호로 바꾸기 위한 모니터 PD(42)와;

상기 모니터 PD(42)로부터 받은 전기신호에 기초하여 스펙트럼 폭을 비교하여 비교신호를 제어신호로 바꾸기 위한 파워 컨트롤러(40)와;

상기 파워 컨트롤러(40)로부터의 제어신호에 의해 제어되고 상기 N 개의 다파장 SLD(43a, 43b, 43c, 43d)에 조정된 전류신호를 보내기 위한 SLD 구동기(41)를 포함하여 이루어지고, 스펙트럼 폭을 평탄화하고 대역폭을 넓히기 위해, 상기 제어신호는 상기 발광 소자로부터 출력되어 상기 1×N 커플러로 들어가는 상기 출사광의 강도가 적은 경우 광출력을 높이고, 상기 출사광의 강도가 많은 경우 광출력을 낮추도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 상기 도 4의 본 발명의 구성과 이에 따른 도식도인 도 5a 및 도 5b를 참조하여 본 발명의 작용을 설명하기로 한다.

도 5a는 본 발명에 따른 다수의 다파장 SLD와 1×N 광섬유 커플러를 이용한 광대역 광원에서 각각의 SLD 출력 스펙트럼을 합성하는 것을 설명하는 도식도이다.

도 5b는 본 발명에 따른 다수의 다파장 SLD와 1×N 광섬유 커플러를 이용한 광대역 광원에서 각각의 SLD 출력 스펙트럼을 합성한 결과 광대역의 스펙트럼을 얻는 것을 설명하는 도식도이다.

도 4에서 각각 중심파장이 스펙트럼 선폭 Δλ 만큼 차이가 나는 λ1, λ2, …, λN (λ2=λ1+Δλ, …, λN=λN-1+Δλ)인 N 개의 다파장 SLD 칩들(43a, 43b, 43c, 43d)에서 출사되는 광은 도 5a에서의 각각의 스펙트럼과 같이 출사된다. 상기 출사된 각각의 광신호는 상기 1×N 커플러(44)에서 합성되어 도 5b와 같이 합성된 스펙트럼을 제공하게 된다. 상기 광섬유 커플러(45)에서 상기 합성된 광신호의 일 부분을 분리하여 모니터 PD(42)로 보낸다. 상기 모니터 PD(42)에서는 입사된 광을 전기신호로 바꾸어 파워 컨트롤러(40)으로 보내며, 여기서 스펙트럼 폭을 비교하여 비교신호를 제어신호로 바꾼 후, 이 제어신호를 이용하여 SLD 구동기(41)를 제어하여 각각의 SLD칩(43a, 43b, 43c, 43d)에 조정된 전류신호를 보내어 도 5b의 스펙트럼 폭이 평탄화되고 대역폭이 넓게 나올 수 있도록 한다.

본 발명의 다른 실시예로써, 상기 본 발명의 구성에서 다수의 다파장 SLD(43a, 43b, 43c, 43d)를 사용하는 대신, 다수의 다파장 LED를 사용하여 본 발명의 광대역 광원을 구현할 수도 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예로써, 상기 본 발명의 구성에서 다수의 다파장 SLD(43a, 43b, 43c, 43d)를 사용하는 대신, 다수의 다파장 RCE-LED를 사용하여 본 발명의 광대역 광원을 구현할 수도 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예로써, 상기 본 발명의 구성에서 스펙트럼 선폭 Δλ 만큼 차이가 나는 중심파장이 각각 λ1, λ2, …, λN (λ2=λ1+Δλ, …, λN=λN-1+Δλ)인 N 개의 다파장 SLD(43a, 43b, 43c, 43d)를 사용하는 대신에 중심파장이 동일한 다수의 다파장 SLD와, 온도제어기를 포함하여 사용하여 본 발명의 광대역 광원을 구현할 수 있다.

이 경우, 중심파장이 동일한 다수의 다파장 SLD와 온도제어기를 접속하여 중심파장이 동일한 다수의 다파장 SLD로부터 출사되는 동일한 중심파장의 광신호를 상기 온도제어기를 이용하여 스펙트럼 폭을 넓힐 수 있으므로, 중심파장이 다른 N 개의 다파장 SLD(43a, 43b, 43c, 43d)를 사용하는 것과 같은 효과를 나타낼 수 있 다.

상술한 바와 같이 종래의 REDF를 이용하는 방식의 가장 큰 단점이 매우 높은 파워의 펌프 레이저가 필요하다는 점이다. 이러한 펌프 레이저는 가격이 매우 고가이고, 크기가 매우 크며, 시스템이 매우 복잡하여 구동조작절차가 까다롭다. 그러므로 이러한 광원 시스템을 이용한 센서 및 광통신 시스템은 실용화하기가 매우 어렵다.

이에 반하여 본 발명에 의하면, 첫째, 고가의 펌핑 레이저가 필요 없으므로 저가격화가 가능하고, 둘째로 소형화가 가능하다. 셋째로 시스템이 간단하고, 구동조작이 간편하다. 넷째로, 적용할 응용 시스템의 사양에 맞게 다파장 SLD 칩의 개수를 정하여 광원 시스템을 구현할 수가 있기 때문에 성능과 제작비용을 적용할 시스템에 맞도록 조절하는 것이 가능하다.

Claims

각각 중심파장이 스펙트럼 선폭 Δλ 만큼 차이가 나는 중심파장이 각각 λ1, λ2, …, λN (λ2=λ1+Δλ, …, λN=λN-1+Δλ)인 N 개의 다파장 발광소자들과;

상기 N 개의 다파장 발광소자들로부터 생성된 출사광을 합성하는 1×N 커플러와;

상기 1×N 커플러 합성된 합성 스펙트럼을 가진 광의 일부를 분리하는 광섬유 커플러와;

상기 광섬유 커플러로부터 분리된 일부 광신호를 전기신호로 변환하는 모니터 PD와;

상기 변환된 전기신호에서 스펙트럼 폭이 평탄화되고 대역폭이 넓게 나올 수 있도록 스펙트럼 폭을 비교하여 비교신호를 제어신호로 바꾸어 주는 파워 컨트롤러와;

상기 제어신호에 의해 각각의 다파장 발광소자를 구동하는 발광소자 구동기를 포함하며,

스펙트럼 폭을 평탄화하고 대역폭을 넓히기 위해, 상기 제어신호는 상기 발광 소자로부터 출력되어 상기 1×N 커플러로 들어가는 상기 출사광의 강도가 적은 경우 광출력을 높이고, 상기 출사광의 강도가 많은 경우 광출력을 낮추도록 제어하는 것을 특징으로 하는 광대역 광원.
청구항 1에 있어서,

상기 발광소자는 고휘도 발광소자(SLD)인 것을 특징으로 하는 광대역 광원.
청구항 1에 있어서,

상기 발광소자는 LED인 것을 특징으로 하는 광대역 광원.
청구항 1에 있어서,

상기 발광소자는RCE-LED인 것을 특징으로 하는 광대역 광원.
중심파장이 같은 N 개의 다파장 SLD들과;

상기 N 개의 다파장 SLD들과 접속되는 온도제어기와;

상기 N 개의 다파장 SLD들로부터 생성된 출사광을 합성하는 1×N 커플러와;

상기 1×N 커플러 합성된 합성 스펙트럼을 가진 광의 일부를 분리하는 광섬유 커플러와;

상기 광섬유 커플러로부터 분리된 일부 광신호를 전기신호로 변환하는 모니터 PD와;

상기 변환된 전기신호에서 스펙트럼 폭이 평탄화되고 대역폭이 넓게 나올 수 있도록 스펙트럼 폭을 비교하여 비교신호를 제어신호로 바꾸어 주는 파워 컨트롤러와;

상기 제어신호에 의해 각각의 다파장 SLD를 구동하는 SLD 구동기를 포함하며,

스펙트럼 폭을 평탄화하고 대역폭을 넓히기 위해, 상기 제어신호는 상기 발광 소자로부터 출력되어 상기 1×N 커플러로 들어가는 상기 출사광의 강도가 적은 경우 광출력을 높이고 상기 출사광의 강도가 많은 경우 광출력을 낮추도록 제어하는 것을 특징으로 하는 광대역 광원.