KR100759820B1 - 긴 공동 단일모드 레이저 다이오드 - Google Patents

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Abstract

긴 공동 단일모드 레이저 다이오드가 개시된다. 종래의 AWG-based laser 또는 CG-based laser 등과 같은 긴 공동 단일모드 레이저에 광증폭기를 갖는 링 도파로를 집적함으로써 단일모드 안정성을 향상시킨다.
긴 공동 단일모드 레이저 다이오드, 링 도파로

Description

긴 공동 단일모드 레이저 다이오드{Long cavity single-mode laser diode}
도 1은 종래의 AWG-based 레이저의 구조를 개략적으로 도시한 도면,
도 2a 내지 도 2d는 도 1에 도시된 AWG-based 레이저의 파장영역의 동작 특성을 도시한 도면,
도 3은 종래의 CG-based 레이저의 구조를 개략적으로 도시한 도면,
도 4 및 도 5는 도 3에 도시된 CG-based 레이저에 전류를 주입시켰을 때의 광출력 특성을 도시한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 링-타입(ring-type) 구조가 집적된 AWG-based 레이저를 개략적으로 도시한 도면,
도 7a는 광증폭기가 없는 링-타입 구조를 도시한 도면이고, 도 7b는 도 7a의 링-타입 구조의 동작 특성을 도시한 도면,
도 8a은 본 발명에 따른 광증폭기가 있는 링-타입 구조를 도시한 도면이고, 도 8b는 도 8a의 링-타임 구조의 동작특성을 도시한 도면,
도 9a 내지 도 9d는 도 6에 도시된 본 발명에 따른 광증폭기가 있는 링-타입 구조가 집적된 AWG-based 레이저의 동작 특성을 도시한 도면,
도 10은 본 발명에 따른 링-타입 구조가 집적된 CG-based 레이저를 도시한 도면,
도 11은 본 발명에 따른 링-타입 구조가 집적된 파장 가변용 CG-based 레이저의 일 실시예의 구조를 도시한 도면, 그리고,
도 12는 본 발명에 따른 링-타입 구조가 집적된 파장 가변용 CG-based 레이저의 다른 실시예의 구조를 도시한 도면이다.
본 발명은 축방향 단일모드 안정상을 향상시킨 긴 공동 단일모드 레이저 다이오드에 관한 것이다.
축방향 단일모드 레이저 다이오드(longitudinal single-mode semiconductor laser diode)는 코히런트 광통신(coherent optical communication) 및 파장다중 광통신(wavelength division multiplexing optical communication)에 필수적으로 사용되는 광 부품이다.
일반적으로 축방향 다중모드(longitudinal multi-mode)를 가지는 반도체 다이오드(예를 들어, 페브리-페롯(Febry-Perrot) 레이저 다이오드)에서 단일모드를 얻기 위해서는, 파장 선택성(wavelength selection)을 가지는 필터(filter) 또는 회절격자(grating)를 공동(cavity)내에 삽입하여 하나의 모드만 출사되도록 구성한다.
단일모드를 얻기 위한 다양한 종류의 방법들이 보고되어 있으며, 레이저 다이오드는 길이에 따라 짧은 공동 레이저 다이오드(short cavity laser diode)와 긴 공동 레이저 다이오드(long cavity laser diode)로 구분할 수 있다.
짧은 공동 레이저 다이오드에는 분포 궤환형 레이저 다이오드(distributed feedback laser diode, 이하, 'DFB-LD'라고 함)와 분포 반사형 레이저 다이오드(distrributed bragg reflector laser diode, 이하, 'DBR-LD'라고 함)가 대표적이다. 짧은 공동 레이저 다이오드는 공동 내부에 축방향으로 굴절율 또는 이득 주기를 가지를 회절격자가 삽입되어 축방향 단일모드를 얻는다.
이 외에 짧은 공동 레이저 다이오드에는 분포 반사형 레이저 다이오드(distributed reflector laser diode), 결합 공동 레이저 다이오드(coupled cavity laser diode) 등이 있으며, 이러한 다이오드 소자들은 소자의 길이가 상대적으로 짧기 때문에(1mm 이하) 직접 변조 속도(direct modulation speed)가 빠르며, 모드 간격(mode spacing: 소자 길이에 반비례함)이 회절격자 또는 필터의 대역폭(bandwidth)보다 넓기 때문에 단일모드를 쉽게 얻을 수 있는 장점이 있다.
긴 공동 레이저 다이오드는 크게 어레이 도파로 회절격자(arrayed waveguide grating : AWG) 근간 레이저 다이오드(AWG-based LD)와 오목회절격자(concave grating : CG) 근간 레이저 다이오드(CG-based LD)로 구분할 수 있다.
AWG-based laser는 반도체 광증폭기(semiconductor optical amplifier, 이하, 'SOA'라고 함)와 어레이 도파로 회절격자(AWG)가 단일 집적되어 단일모드 광원으로 작동하는 광원이며, CG-based laser는 SOA와 오목회절격자가 단일 집적(monolithic integration)된 구조이다.
긴 공동 레이저 다이오드들은 광 이득(optical gain)을 생성하는 SOA와 파장 선택 기능을 수행하는 AWG 또는 CG가 단일 집적되어 있으나, 공간적으로 각기 떨어져 있는 공동의 길이가 수 mm로서 짧은 공동 레이저 다이오드에 비해 상대적으로 길다. 이로 인해 공동 내 긴 round-trip time으로 변조속도가 느린 단점이 있다.
긴 공동 레이저 다이오드들은 어레이 형태로 쉽게 제작 가능하기 때문에 다파장 광원(multi-wavelength laser source)으로 활용될 수 있으며, 광 증폭기 뿐만 아니라 광 변조기(optical modulator), 광 감쇄기(optical attenuator), 광 검출기(optical detector)등과 쉽게 집적가능하므로 그 활용범위가 넓다.
도 1은 종래의 AWG-based 레이저의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, AWG-based 레이저는 SOA pre-amp(100), AWG, 파장선택 SOA 어레이로 구성된다. SOA pre-amp(100)와 파정선택 SOA 어레이(120)는 전류 주입에 의해 광이득을 생성하고, AWG(110)는 파장선택 기능을 수행한다.
SOA pre-amp(100)에 전류를 주입하면 광이득이 발생하여 넓은 파장영역의 빛이 생성되며, 상기 생성된 빛은 AWG(110)를 지나면서 AWG의 파장선택 투과특성에 의거하여 각기 다른 파장으로 도파로 열을 따라 도파(guiding)된다.
파장선택 SOA 어레이(120)에 전류를 주입하면, 도파 빔들은 광이득을 얻어 파장선택 SOA 어레이(120) 우측 반사면을 맞고 다시 AWG(110), SOA pre-amp(100)로 궤환한다. SOA pre-amp(100) 좌측단면과 파장선택 SOA 어레이(120) 우측단면이 반사면이 되어 공진기로 작용하며, SOA pre-amp(100) 좌측단면으로 광출력이 된다(물론, 파장선택 SOA 어레이로도 광출력이 출사됨).
파장선택 SOA 어레이(120)에 전류를 주입하지 않으면, 도파빔은 흡수되어 광 이 출력되지 않는다. 따라서 도 1의 구조에서 SOA pre-amp(100)는 항상 on 상태에 있고, 파장선택 SOA 어레이(120) 중 어느 하나에만 전류를 주입하여 특정 파장의 빔만 SOA pre-amp 좌측단면으로 출사시킬 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1에 도시된 AWG-based 레이저의 파장영역의 동작 특성을 도시한 도면이다.
AWG의 파장선택 투과특성은 도 2a에 도시된 바와 같이, 통산 0.4㎚ ~ 0.8㎚(50Ghz ~ 100GHz) 정도의 폭을 가진다. 소자 전체의 공동 길이(L)는 최소 2㎜ 이상이므로, 동작파장(λ)이 1550㎚이고 도파로의 군 굴절율(group refractive index, ng)이 3.7인 매질의 경우, 공동모드간격(△λ)(=λ2/(2ngL))은 약 0.16㎚이므로, 도 2b에 도시된 바와 같이 공동모드 간격이 AWG의 passband 폭 보다 좁게 나타난다.
이 경우 AWG의 투과 특성만으로 공진될 경우, 도 2c에 도시된 바와 같이, 다모드(multi-mode) 특성이 예상될 수 있다. 그러나 실제 실험에서는 특정조건에서 도 2d와 같은 단일모드로 발진됨이 보고되었으며(참고문헌 1 : M. Zinrngibl et al, "Digitally tunabel laser based on the integration of a waveguide grating multiplexer and an optical amplifier," IEEE Photon. Technol. Lett., vol.6, no.4, pp.516-518, April 1994, 참고문헌 2 : M. Zirngibl et al, "Characterization of a multiwavelength waveguide grating router laser," IEEE Photon. Technol. Lett., vol.6, no.9, pp.1082-1084, Sept. 1994), 이는 SOA 내부 의 비선형특성(참고문헌 3 : C.R.Doerr, et al, "Single longitudinal-mode stability via wave mixing in long-cavity semiconductor lasers," IEEE Photon. Technol. Lett., vol.7, no.9, pp.962-964, Sept. 1995, 참고문헌 4 : C.R. Doerr, "Theoretical stability analysis of single-mode operation in uncontrolled mode-selection semiconductor lasers," IEEE Photon. Technol. Lett., vol.9, no.11, pp.1457-1459, Nov. 1997)에 의한 광 이득 스펙트럼의 변화에 기인한다.
좀 더 구체적으로 설명하면, SOA의 비선형특성은 자가-안정(self-stabilization, 참고문헌 5 : R.F. Kazarinov, et al, "Longitudinal mode self-stabilization in semiconductor laser," J.Appl. Phys. vol.53, no.7, pp.4631-4644, July 1982)과 사파장믹싱(four-wave mixing, 참고문헌 6 : A.P. Bogatov, et al, "Anomalous interaction of spectral modes in a semiconductor laser," IEEE J. Quantum Electron., vol. QE-11, no.7, pp.510-515, July 1975)에 비롯된다.
자가-안정은 특정파장에서 레이저가 발진하고 있을 때 계속 그 상태를 유지하려는 특성으로, 도 2a의 AWG 투과특성 피크치의 파장이 공동모드의 특정파장과 일치하는 경우, 이 파장에서의 광이득치가 인접 공동모드의 광이득치보다 훨씬 커짐으로 인해 발진모드의 광출력이 증가하는 현상이다.
사파장믹싱은 AWG 투과특성 피크치의 파장과 공동모드들의 파장이 일치하지 않은 경우, 두 모드 이상의 빛이 서로 비팅(beating)하게 되는데, 이 경우 단파장편(short wavelength side)의 광이득보다 장파장편(long wavelength side)의 광이득이 증가함으로 인해 발생하는 현상이다. 상술한 비선형특성으로 인해 약 30dB 이 상의 측모드 억압율(side mode suppression raito:SMSR)을 얻을 수 있다.
도 3은 종래의 CG-based 레이저의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, CG-based 레이저(참고문헌 7 : Oh-kee Kwon et al, "Monolithically integrated grating cavity tunable laser," IEEE photon. Technol. Lett., vol.17, no.9, pp.1794-1796, 2005)는 SOA(300), PCS(Phase control section)(310), DE(Dispersive element)(320), CG(Concave grating)(330)로 구성된다.
SOA(300)는 전류 주입(ISOA)에 의해 광이득을 생성하고, PCS(310)는 전류 주입(IPCS)에 의해 도파빔의 위상을 조절하고, DE(320)는 전류 주입((IDE)에 의해 파장을 가변시키고, CG(330)는 도 1에서 설명한 바와 같이 파장선택기능을 수행한다. 도 3에 도시된 CG-based 레이저는 단일 모드 광원으로 사용됨과 동시에 DE(320) 내 전류 주입으로 발진 빔의 파장을 변화시킴으로써 파장가변 광원으로도 활용될 수 있다.
SOA(300)에 전류를 주입하면, 광 이득이 발생되어 넓은 파장 영역의 빛이 생성되며, 상기 생성된 빛은 PCS(310)를 통과하고 A 지점에서 빔은 퍼져서 CG(330)로 입사된다. CG(330)로 입사된 빔은 회절격자의 회절특성에 의거하여 특정파장의 빔만 입사빔과 동일한 방향으로 반사되며, 반사된 빔은 다시 A지점에 모여, PCS(310), SOA(300)로 궤환된다.
SOA(300)의 좌측 단면과 CG(330) 면이 반사면이 되어 공진기로 작용하므로, SOA(300) 좌측단면으로 광출력이 된다. CG 기반의 파장가변 광원은 DE를 제외하고는 다양한 형태로 제작될 수 있다(참고문헌 8 : Oh-kee Kwon et al, "Monolithically integrated multi-wavelength grating cavity laser," IEEE photon. Technol. Lett., vol.17, no.9, pp.1788-1790, 2005, 참고문헌 9 : J.B.D Soole, et al, "Monolithic InP/InGaAsP/InP grating spectrometoer for the 1.48-1.56㎛ wavelength range," Appl. Phys. Lett. vol.58, no.l8, pp.1949-1951, May 1991).
CG는 AWG와 동일한 역할을 수행하므로, CG-based 레이저의 동작특성은 도 2a 내지 도 2d에 도시된 동작특성과 동일하다. 즉, 도 2a는 CG의 회절 반사 특성에 대응되며, 도 2b는 공동 모드 특성, 도 2d는 광출력 특성에 각각 대응된다. CG-based 레이저 또한 SOA의 비선형특성으로 인해 30 dB 이상의 측모드 억압율을 얻을 수 있다.
도 4 및 도 5는 도 3에 도시된 CG-based 레이저에 전류를 주입시켰을 때의 광출력 특성을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 도 3에 도시된 CG-based 레이저(SOA 길이:800㎛, 공동길이:약 4㎜, CG의 회절차수:4차)에 대해 주입전류(ISOA)가 10㎃일때의 측정된 광출력 스펙트럼이 도시되어 있다. 광출력은 광섬유(optical fiber)를 통해 얻어지며, 약 35㏈이상의 높은 측모드 억압율을 나타낸다.
도 5를 참조하면, CG-based 레이저에 주입전류(ISOA=300㎃)를 높이면, 다모 드(multi-mode) 특성이 나타난다. 다모드 특성은 동일구조에 대해 동작전류(operating current)를 높일수록 쉽게 발생한다. 쉽게 발생하는 원인은 높은 주입전류로 인해 주 모드(main mode)의 광이득이 포화(saturation)되어 더 이상 비선형특성이 모드 선택에 기여하지 못한데서 비롯되며, 도 2c에 도시된 바와 같은 결과로 나타남을 알 수 있다.
CG-based 레이저가 CG의 회절 반사특성의 폭이 넓은 구조(회절차수가 작은 구조, 회절격자 주기가 긴 구조, A 지점에서 오목회절격자 단면까지의 거리가 짧은 구조 등)로 제작될 경우, 낮은 주입전류에 대해서도 쉽게 다모드 특성이 나타난다.
긴 공동 레이저 다이오드들의 단일모드 특성은 SOA의 비선형 특성에 의존하며, 비선형 특성은 소자의 구조와 동작조건에 따라 크게 영향을 받음으로 인해 단일모드 안정성(single mode- stability)이 좋지 않음을 알 수 있다.
최근에 이러한 문제점들을 극복하기 위한 다양한 방법들이 제시되고 있다.
먼저, 서로 다른 두 개의 AWG와 광 결합기(optical coupler)를 사용하여, 각각의 AWG passband를 서로 중첩시켜 양질의 단일모드 특성을 얻는 구조가 있다(참고문헌 10 : D. Van Thourhout et al, "Compact digitally tunable laser," IEEE Photon. Tech. Lett., vol.15, no.2, pp.182-184, Feb. 2003, 참고문헌 11 : J.H. den Besten et al, "An integrated 4-channel multiwavelength laser on InP," IEEE Photon. Techonol. Lett. vol.15, no.3, pp.368-370, March 2003).
이러한 구조들은 약 40㏈정도의 높은 측모드 억압율이 보고될 뿐만 아니라, 채널 수를 크게 증가시킬 수 있다. 그러나 이런 구조들은 2개의 AWG의 사용으로 인 해 소자의 크기가 클 뿐만 아니라, 두 AWG의 passband를 맞추기 위한 동작조건이 복잡하여 단일모드를 얻기 위한 조건이 까다롭다. 또한 원하지 않는 wave-mixing 효과들로 인해 side peak이 발생하는 문제점을 가지고 있다.
다음으로, 스펙트럼상에 좁은 필터링 특성을 가지는 DiDomenico-Seidel cavity(또는 Vernier-Michelson cavity)를 AWG-based 레이저에 추가하여 단일모드 안정성을 향상시키는 구조가 있다(참고문헌 12 : L. Moller et al, "Multifrequency laser based on integrated Vernier-Michelson cavity for mode stabilization," IEE Electron Lett. vol.36, no.6, pp.540-542, 2000).
이 구조는 AWG의 passband 폭이 다소 넓더라도 DiDomenico-Seidel cavity의 필터 특성으로 인해 하나의 공동 모드(cavity mode)만 선택 가능하므로, 매우 우수한 단일모드 특성이 예상된다. 그러나, AWG-based laser에 DiDomenico-Seidel cavity를 구현하기 위해서는 매우 정교한 설계와 제작이 요구되며, 소자의 크기가 커져 손실이 증가하는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 소자의 크기를 변화시키지 않고 간단한 설계와 제작방법으로 축방향 단일모드 안정성을 향상시키며 광 손실이 적은 긴 공동 단일모드 레이저 다이오드를 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 긴 공동 단일모드 레이저 다이오드의 일 실시예는, 빔을 증폭하여 출력하는 제1 광증폭기; 도파로열에 따라 상기 빔을 다수의 파장으로 분리하는 어레이 도파로 회절격자; 상기 분리된 각 파장의 광을 증폭하는 파장선택 SOA 어레이; 및 상기 제1 광증폭기와 연결되어 궤환루프를 형성하고 상기 궤환루프 내 제2 광증폭기를 포함하는 링 도파로;를 포함한다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 긴 공동 단일모드 레이저 다이오드의 다른 실시예는, 빔을 증폭하여 출력하는 제1 광증폭기; 상기 빔의 위상을 조절하는 위상조정기; 입사되는 빔의 각에 따라 특정의 파장을 갖는 빔으로 회절시켜 반사하는 오목회절격자; 및 상기 제1 광증폭기와 연결되어 궤환루프를 형성하고 상기 궤환루프 내 제2 광증폭기를 포함하는 링 도파로;를 포함한다.
이로써, 단일모드의 안정성을 향상시킬 수 있다.
이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 긴 공동 단일모드 레이저 다이오드에 대해 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명에 따른 링-타입(ring-type) 구조가 집적된 AWG-based 레이저를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 7a는 광 증폭기가 없는 링-타입 구조를 도시한 도면이고, 도 7b는 도 7a의 링-타입 구조의 동작 특성을 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 종래의 긴 공동 단일모드 반도체에 링-타입 구조(600)가 단일 집적된 구조이며, 링-타입 구조(600)는 링 도파로내에 추가적인 광 증폭기(SOA2)(610)를 포함한다.
링-타입 필터는 참고문헌 13("D.G. Rabus et al, "MMI-coupled ring resonators in GaInAsP-InP," IEEE Photon. Technol. Lett., vol.13, no.8, pp.812-814, Aug. 2001")에 나타난 바와 같이 SOA2 없이 일반적으로 band rejection filter(Notch filter)로 사용된다.
도 7a를 참조하면, 광 증폭기가 없는 링-타입 구조는 a1 광신호가 입사될 때 B 지점에서 a2 광신호 및 a3 광신호로 분기되며, a3 광신호는 링(ring) 형 도파로를 지나 A지점에서 a1 광신호와 합쳐지는 구조이다. A 지점부터 B 지점까지는 광 결합기가 사용된다.
링-타입 구조에서 링 형태의 궤환 루프(feedback loop)는 파장별로 a1 광신호와 a3 광신호의 위상 조건(상쇄 또는 보강간섭)에 따라 주기적인 특성이 나타나며, 통상적인 전달특성을 얻기 위한 방식(예를 들면, 참고문헌 13의 식 (3))으로 풀이하게 되면, 도 7b와 같은 주기적인 Notch filter의 전달특성을 얻을 수 있다. 여기서, a1 광신호에 비해 a3 광신호의 세기가 작기 때문에, 도 7b의 전달특성은 음수로 나타난다.
도 7a 구조에 대한 도 7b의 전달특성을 정량적으로 설명하면 다음과 같다.
결합기 손실을 0 ㎝-1, 결합기 길이(800㎛)를 제외한 링 공동(ring cavity)의 둘레(Lring)는 1200㎛ (L1=800㎛, 2*L2=400㎛), 도파로의 유효굴절율(neff)은 3.49, 링 공동의 손실은 1㎝- 1 로 설정하여 계산할 경우, 도 7b에서 나타난 바와 같이 transmission 폭은 약 17㏈(peak 치 : -3㏈, valley 치 : -20㏈)이고, 0.57㎚ 파장간격의 필터링 특성이 나타난다. 여기서, tranmission 폭을 증가시키기 위해서는 링 공동의 손실을 줄여야 하며, 필터링 간격을 넓히거나 좁히기 위해서는 링 공 동 둘레를 줄이거나 늘리면 된다.
링-타입 필터는 특정 파장들만 거부(rejection)하는데 사용되므로, 통과(pass)되는 광신호의 파장 폭은 상대적으로 넓다. 따라서, 도 7a의 링-타입 구조를 종래의 긴 공동 단일모드 반도체 레이저에 집적할 경우, 넓은 패스밴드(passband) 특성 때문에 단일모드 안정성을 높이는 효과가 적음을 알 수 있다.
도 8a은 본 발명에 따른 광 증폭기가 있는 링-타입 구조를 도시한 도면이고, 도 8b는 도 8a의 링-타임 구조의 동작특성을 도시한 도면이다.
도 8a를 참조하면, SOA2(800)에 전류를 주입함으로써 a3 광신호를 증폭하여 그 크기를 a1 광신호의 크기와 비슷하거나 크게 할 수 있다. SOA2(800)의 이득을 0.3㎝-1로 설정하여, 전달특성을 계산하면 되면, 도 8b에 나타난 바와 같이 약 50㏈ 정도의 transmission 폭을 갖는 특성을 얻을 수 있다.
도 8b의 전달특성을 살펴보면, 도 8a의 링-타입 구조는 특정파장만 증폭시켜 투과시키므로, 도 8a의 링-타입 구조를 종래의 긴 공동 단일모드 반도체 레이저에 집적할 경우, 단일모드 안정성을 높이는데 매우 효율적임을 알 수 있다.
또한, 도 6의 구조에서 SOA1(620)과 링-타입 구조(600) 사이(또는 SOA1 우측 또는 링 형 도파로 좌측도 가능)에 위상 조정기(Phase Control Selection:PCS)(미도시)를 집적하여, 긴 공동 레이저 다이오드에서 출사되는 빔의 위상을 링-공동 투과특성의 최대치에 맞출 수 있다.
도 9a 내지 도 9d는 도 6에 도시된 본 발명에 따른 링-타입 구조가 집적된 AWG-based 레이저의 동작 특성을 도시한 도면이다.
도 9a 내지 도 9d는 하나의 AWG 투과 특성에 대한 각 요소별 투과특성을 도시한 도면이다. 도 9a를 참조하면, AWG 투과 특성의 패스밴드 폭은 약 0.6㎚이다. 도 9b를 참조하면, 공동모드 간격(λ2/(2ngL), 여기서, 동작파장 λ는 1.55㎛, 군 굴절율 ng는 3.7, 공동의 길이 L은 2㎜ 인 구조)은 약 0.16㎚이다. 도 9c를 참조하면, 링 투과특성 간격(λ2/(neffLring), 여기서, 동작파장 λ는 1.55㎛, 유효 굴절율 neff는 3.49, 링 공동 둘레 Lring는 1200㎛인 구조)은 0.57㎚이다.
종래 긴 공동 단일모드 반도체 레이저에서 AWG 패스밴드 특성 내 단일모드 선택특성은 SOA 비선형 특성에 의존하였지만, 도 7a 및 도 7b에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 링 도파로 도입으로 인해 링 투과특성이 단일모드 선택에 영향을 줌을 알 수 있고, 도 8a의 링-타입 구조는 단일모드 안정성을 크게 향상시킬 수 있다.
도 8a의 링-타입 구조에서 링 공동 둘레를 좀 더 줄여 링 공동 모드 간격을 넓히면 하나의 AWG 패스밴드 폭 내에 하나의 링 공동 모드만 둘 수 있다.
본 발명에 따른 링-타입 구조는 도 6에 도시된 AWG-based 레이저 외에 도 10 내지 도 12와 같이 다양한 형태의 긴 공동 단일모드 레이저에 집적될 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 링-타입 구조가 집적된 CG-based 레이저를 도시한 도면이다.
도 10의 CG-based 레이저는 도 6의 링-타임 구조가 집적된 AWG-based 레이저와 같이 우수한 파장안정성이 예측된다. 종래의 CG-based 레이저 기반의 파장가변 광원에서는 구조 변수에 따라 파장 가변량과 단일모드 안정성인 trade-off 관계(즉, 회절차수가 작을수록, 회절격자 주시가 길수록, A 지점에서 오목회절격자 단면까지의 거리가 짧을수록, 파장가변량은 증대되나 모드 안정성은 떨어짐)이므로, 적절한 모드 안정성을 얻기 위해 파장 가변량은 희생되어야 한다.
그러나, 본 발명에 따른 링-타입 구조(1000)가 집적된 CG-based 레이저는 모드 안정성이 크게 향상되며, 이로 인해 넓은 파장 가변량을 얻을 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 링-타입 구조가 집적된 파장 가변용 CG-based 레이저의 일 실시예의 구조를 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 파장 가변용 CG-based 레이저는 하나의 광증폭기와 여러개의 채널(각 채널도 광증폭기임)을 구비한 어레이 구조를 가지는 형태이다. 도 11의 CG-based 레이저는 채널 개수(n)에 따라 n 개의 각기 다른 파장으로 독립적으로 동작되며, 동작원리는 다음과 같다.
광증폭기(SOA)(1110)에서 출사되는 빔은 위상조종기(PCS)(1120) 및 분산 구성요소(dispersive element:DE)(1130)를 거쳐, 입사각 α로 오목 회절격자(1140)에 입사되며, 입사된 빔은 오목회절격자(1140)의 회절 특성(동일입사각에서 회절각에 따라 파장이 달라짐)에 따라 특정 파장에 해당하는 빔만 β의 각으로 각각의 채널(각 채널은 광증폭기임)로 궤환된다. 여기서, 각 채널별로 다른 파장이 궤환된다.
도 11의 CG-based 레이저는 광증폭기(1110)의 좌측 단면과 채널들의 좌측 단 면이 각각 반사면을 가지므로 공진기(resonator)로 형성되어 레이저 다이오드로 동작하게 된다. 또한, 도 10에서 설명한 바와 같이 광증폭기 좌측단에 링-타입 구조(1100)를 삽입하여 출사되는 광신호의 단일모드 특성을 향상시킬 수 있다.
도 12는 본 발명에 따른 링-타입 구조가 집적된 파장 가변용 CG-based 레이저의 다른 실시예의 구조를 도시한 도면이다.
도 12의 구조는 하나의 광증폭기와 n 개의 채널로 구성된 도 11의 구조와 달리, m개의 광증폭기와 n 개의 채널을 구비해 n*m개의 각기 다른 파장으로 동작되는 구조이다. 도 12의 구조는 도 11의 구조에 비해 많은 수의 파장을 가질 수 있는 장점이 있다. 또한 도 12의 구조에서는 링-타입 구조(1200)를 결합기(combiner)를 이용하여 광증폭기들의 좌측편에 위치하여 단일모드 안정성을 향상시킬 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따르면, 링-타입 구조가 집적된 긴 공동 단일모드 레이저는 링 도파로내에 위치하는 광증폭기의 전류 조정으로 특정파장의 빔만 증폭시켜 투과시키 는 특성을 가진다. 따라서 긴 공동 단일모드 레이저의 단일 모드 안정성을 크게 향상시켜, 소자의 신뢰성 및 수율을 높일 수 있다. 또한, 링 공동 내에 위치하는 광 증폭기의 광 증폭특성으로 광출력이 높아지며, 특히 파장가변 레이저에 대해서는 단일 모드 안정성의 향상뿐만 아니라 넓은 파장가변특성을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 링-타입 구조를 긴 공동 단일모드 레이저에 집적하더라도 소자의 크기는 크게 변화되지 않고, 단일모드를 얻기 우한 동작과 구조가 매우 간단하며, 링 도파로 내 SOA 주입전류로 궤환 광이 증폭되므로, 광출력이 오히려 증가하는 장점이 있다.

Claims (5)

  1. 빔을 증폭하여 출력하는 제1 광증폭기;
    도파로열에 따라 상기 빔을 다수의 파장으로 분리하는 어레이 도파로 회절격자;
    상기 분리된 각 파장의 광을 증폭하는 파장선택 SOA 어레이; 및
    상기 제1 광증폭기와 연결되어 궤환루프를 형성하고 상기 궤환루프 내 제2 광증폭기를 포함하는 링 도파로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 긴 공동 단일모드 레이저 다이오드.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 광증폭기와 상기 링 도파로 사이에 위치하여 출사되는 빔의 위상을 조정하는 위상 조정기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 긴 공동 단일모드 레이저 다이오드.
  3. 빔을 증폭하여 출력하는 제1 광증폭기;
    상기 빔의 위상을 조절하는 위상조정기;
    입사되는 빔의 각에 따라 특정의 파장을 갖는 빔으로 회절시켜 반사하는 오목회절격자; 및
    상기 제1 광증폭기와 연결되어 궤환루프를 형성하고 상기 궤환루프 내 제2 광증폭기를 포함하는 링 도파로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 긴 공동 단일모드 레이저 다이오드.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 위상조정기로부터 출력되는 빔의 파장을 가변하는 분산부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 긴 공동 단일모드 레이저 다이오드.
  5. 제 3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 제1 광증폭기는 적어도 하나 이상의 광 증폭기 어레이로 구성되며, 상기 광증폭기 어레이별로 각기 다른 파장이 출사되는 것을 특징으로 하는 긴 공동 단일모드 레이저 다이오드.
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