KR100818448B1 - 반도체 레이저, 광학 부품, 레이저 장치 및 반도체레이저의 제어 방법 - Google Patents

반도체 레이저, 광학 부품, 레이저 장치 및 반도체레이저의 제어 방법 Download PDF

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유디나 디바이스 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명은 새로운 구성에 의한 SG-DR 도파로에 의해, 레이저 발진의 모드 안정화를 도모할 수 있는 파장 가변 반도체 레이저를 제공하기 위한 것이다. 반도체 레이저(200)는, 회절 격자(2)를 갖는 제1 영역과, 제1 영역에 연결되며 또한 베이스부로 되는 제2 영역을 구비하는 세그먼트를 복수 구비한 제1 회절 격자 영역(3)을 구비하며, 복수의 제2 영역 중 적어도 2개의 광학적 길이는 서로 다르고, 각 세그먼트의 굴절률은 각각 가변인 것을 특징으로 한다. 복수의 제2 영역 중 적어도 2개의 광학적 길이가 서로 다르기 때문에, 제1 회절 격자 영역에서의 세로 모드의 피크 반사 강도는, 파장 의존성을 갖는다. 그것에 의해, 제1 회절 격자 영역에서의 세로 모드의 피크 반사 강도가 상대적으로 커지는 파장 범위에서 안정된 레이저 발진을 실현하는 것이 가능하다.
도파로 코어, 클래드층, 레이저 장치, Gain 영역, SG-DR 영역, 전원 전극, 레이저 모듈, 서미스터

Description

반도체 레이저, 광학 부품, 레이저 장치 및 반도체 레이저의 제어 방법{SEMICONDUCTOR LASER, OPTICAL ELEMENT, LASER DEVICE, AND METHOD OF CONTROLLING SEMICONDUCTOR LASER}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 파장 가변 반도체 레이저를 설명하기 위한 모식도.
도 2는 레이저부의 상세 내용을 설명하기 위한 도면.
도 3은 도파로 코어의 반사 스펙트럼의 계산예를 도시하는 도면.
도 4는 임계값 이득의 계산기 시뮬레이션에 의해 계산한 레이저 발진 임계값에서의 발진 스펙트럼을 도시하는 도면.
도 5는 각 세그먼트간의 온도차를 2℃로 설정한 경우에 있어서의 도파로 코어의 반사 스펙트럼을 도시하는 도면.
도 6은 도 5의 경우에 있어서 임계값 이득의 계산기 시뮬레이션에 의해 계산한 레이저 발진 임계값에서의 발진 스펙트럼을 도시하는 도면.
도 7은 레이저부의 모식적 단면도.
도 8은 레이저부의 모식적 단면도.
도 9는 레이저 장치의 전체 구성을 도시하는 모식도.
도 10은 레이저 모듈의 더욱 상세한 모식도.
도 11은 2개의 SG-DR 도파로의 세로 모드 간격을 각각 194㎓ 및 170㎓로 설정한 경우에 있어서의 2개의 SG-DR 도파로의 반사 스펙트럼의 계산예를 도시하는 도면.
도 12는 2개의 SG-DR 도파로를 갖는 파장 가변 반도체 레이저를 이용해서 임계값 해석에 의해 계산한 레이저 발진 임계값에서의 발진 스펙트럼을 도시하는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
2 : 추출 회절 격자
3, 4, 5, 15, 17, 19 : 도파로 코어
6 : 클래드층
9, 10 : 저반사막
11 : 박막 저항체
100 : 레이저 장치
200, 200a, 200b, 200c : 레이저부
300 : 제어부
A : CSG-DR 영역
B : Gain 영역
C : SG-DR 영역
E : SG-DFB영역
F : PC 영역
[특허 문헌 1] 일본 특개평 9-270568호 공보
[특허 문헌 2] 일본 특개 2004-336002호 공보
[특허 문헌 3] 일본 특개 2003-17803호 공보
[특허 문헌 4] 미국특허 제6432736호 명세서
[특허 문헌 5] 미국특허 출원 공개 제2003/0128724호 명세서
[특허 문헌 6] 미국특허 출원 공개 제2002/0105991호 명세서
[특허 문헌 7] 미국특허 출원 공개 제2002/0061047호 명세서
[특허 문헌 8] 미국특허 제6590924호 명세서
[특허 문헌 9] 미국특허 제6317539호 명세서
[특허 문헌 10] 미국특허 제4896325호 명세서
[비특허 문헌 1] Proc. IEEE Selected Topics in QE, 11, 2005, 11
본 발명은, 반도체 레이저, 광학 부품, 레이저 장치 및 반도체 레이저의 제어 방법에 관한 것이다.
광 파이버를 이용한 파장 다중 통신(WDM:Wavelength Division Multiplexing)의 보급에 수반하여, 1개의 소자에서 다양한 파장의 레이저 발진이 얻어지는 파장 가변 반도체 레이저의 개발이 많은 기관에서 행하여지고 있다. 지금까지 제안되어 온 파장 가변 반도체 레이저는, 반도체 광 증폭 소자(SOA : Semiconductor Optical Amplifier)를 외부 공진기 내에 배치해서 외부 공진기에 구비되는 파장 선택 기구에 의해 발진 파장을 제어하는 반도체 레이저와, 레이저 발진에 대한 이득 기능을 갖는 반도체 소자 내에 파장 선택 기능을 가진 공진기를 내장함으로써 형성되는 반도체 레이저로 대별된다.
반도체 소자 내에 공진기가 내장된 대표적인 파장 가변 반도체 레이저는, 추출 회절 격자 분포 귀환 반사(SG-DR:Sampled Grating Distributed Reflector) 도파로를 이용한 레이저이다(예를 들면, 특허 문헌 1∼특허 문헌 10을 참조). 특허 문헌 8에 상세하게 설명되어 있는 레이저는, 버니어(Vernier) 효과로 불리는 효과를 이용하고 있으며, 레이저 발진을 위한 이득을 갖는 도파로의 양측에 세로 모드 간격이 서로 다른 SG-DR 도파로를 접속하고, 한쪽의 SG-DR 도파로의 반사 피크 파장과 다른 한쪽의 SG-DR 도파로의 세로 모드의 반사 피크 파장을 온도, 전류 등에 의해 변화시켜, 양자의 피크 파장이 일치하는 파장에서 레이저 발진이 이루어지는 구성을 갖고 있다.
혹은, 특허 문헌 1에 기술되어 있는 레이저는, 레이저 발진에 대하여 이득을 갖는 파브리 페로(FP : Fabry-Perot) 공진기에 SG-DR 도파로를 접속하고, FP 공진기 및 SG-DR 도파로의 세로 모드의 반사 피크 파장을 온도, 전류 등에 의해 변화시켜, 양자의 피크 파장이 일치하는 파장에서 레이저 발진이 이루어지는 구성을 갖고 있다.
특허 문헌 8에 기재된 레이저 및 특허 문헌 1에 기재된 레이저의 양자 모두 반도체 도파로에 의한 버니어 효과를 이용한 동일한 원리에 기초하는 레이저 발진을 행하지만, 후자는 전자에 비해서 소자 길이를 짧게 할 수 있다는 점에서 유리하다. 그러나, 단순한 FP 공진기는 반사 스펙트럼의 Q값이 작기 때문에, 후자의 레이저에서는 안정된 레이저 발진을 얻는 것은 어렵다. 그래서, 특허 문헌 2에 기술되어 있는 바와 같이, SG-DR 도파로의 도파로 코어를 이득 매질로 한 추출 회절 격자 분포 귀환형 반도체 레이저(SG-DFB:Sampled Grating Distributed Feedback Laser) 도파로에 SG-DR 도파로를 접속한 구성도 제안되어 있다.
SG-DR 도파로는, 회절 격자를 갖는 영역과 회절 격자를 갖지 않는 영역을 연결한 세그먼트를 복수 연결해서 구성된다. 종래 기술에서 이용되는 SG-DR 도파로에서는 각 세그먼트의 길이가 실질적으로 동일하다. 파장 가변을 행하는 경우, 각 세그먼트의 굴절률을 동일 조건에서 제어한다.
그러나, 종래 기술에 의한 SG-DR 도파로를 이용한 파장 가변 레이저에서는, 파장 가변 범위를 넓히고자 하면, 목적으로 하는 파장 이외라도 동시에 레이저 발진이 발생하기 쉬워진다. 따라서, 레이저 발진의 모드 안정성이 나빠진다고 하는 문제가 있었다. 이 사정을, 서로 세로 모드 간격이 다른 2개의 SG-DR 도파로의 입사광에 대한 반사 스펙트럼을 이용하여 설명한다.
버니어 효과를 이용한 파장 가변 레이저에서는, 2개의 SG-DR 도파로, 혹은, SG-DR 도파로 및 SG-DFB 도파로의 각각의 세로 모드 파장의 1개를 동시에 상정 파장과 일치시키는 것이 필요하다. SG-DR 도파로의 세로 모드 파장은, SG-DR 도파로의 굴절률을 변화시킴으로써 변화된다. 이 굴절률 변화는, SG-DR 도파로에 공급하 는 전류, SG-DR 도파로의 온도 변화 등에 의해 실현할 수 있다. 예를 들면, SG-DR 도파로의 세로 모드 간격이 200㎓ 정도인 경우, 소자 온도에 의해 세로 모드를 상정 파장에 맞추어 넣기 위해서는 약 15℃ 범위의 조정이 필요하다. 이 온도 범위는 통상의 온도 제어 기구에 의해 실현된다.
도 11은, 2개의 SG-DR 도파로의 세로 모드 간격을 각각 194㎓ 및 170㎓로 설정한 경우에 있어서의 2개의 SG-DR 도파로의 반사 스펙트럼의 계산예를 도시한다. 이 예에서는, 194000㎓에서 양쪽의 SG-DR 도파로의 세로 모드가 일치하도록, 각 SG-DR 도파로의 온도를 조정하였다. 도 11의 횡축은 주파수를 나타내며, 도 11의 종축은 dB 단위로 측정한 각각의 SG-DR 도파로의 반사율을 나타낸다. 194000㎓에서 양쪽의 SG-DR 도파로의 세로 모드가 일치하기 때문에, 194000㎓에서 레이저 발진이 이루어진다. 그러나, 각각의 SG-DR 도파로의 세로 모드 간격이 서로 다르기 때문에, 주파수가 194000㎓로부터 벗어남에 따라서 세로 모드의 피크 주파수가 서로 어긋나게 된다. 따라서, 194000㎓의 주변의 세로 모드 주파수에서는 레이저 발진이 이루어지지 않는다. 이것이 버니어 효과이다.
그러나, 도 11의 예에서는, 주파수가 194000㎓로부터 1400㎓ 정도 떨어진 195400㎓ 및 192600㎓ 근처에서 재차 양쪽의 SG-DR 도파로의 세로 모드 반사 피크가 일치하게 된다. 그 때문에, 이들 2개의 주파수에서도 레이저 발진이 발생하기 쉽다. 그 결과, 194000㎓로 상정한 레이저 발진의 모드 안정성이 나빠진다고 하는 문제가 있다.
도 12은, 도 11에서 도시한 2개의 SG-DR 도파로를 갖는 파장 가변 반도체 레 이저에 대해서 임계값 해석에 의해 계산한 레이저 발진 임계값에서의 발진 스펙트럼을 도시한다. 도 12의 횡축은 주파수를 나타내며, 도 12의 종축은 광 강도를 나타낸다. 도 12에 도시하는 바와 같이, 195600㎓ 근처에서도 레이저 발진하고 있는 것을 알 수 있다.
이 기구에 의한 모드 불안정성을 억제하기 위해서는, 반사 피크가 재차 일치하는 주파수가 파장 가변할 주파수 범위 밖으로 되도록 2개의 SG-DR 도파로의 세로 모드 간격차를 작게 설정하며, 또한, 파장 가변할 주파수 범위 밖에서 작아지는 이득을 갖는 도파로 코어를 설계할 필요가 있다. 또한, 예를 들면 C 밴드대의 WDM 광통신에서는, 파장 가변할 주파수는, 대략 192000㎓ 내지 196000㎓의 범위이다.
계속해서, 2개의 SG-DR 도파로의 세로 모드 간격을 각각 194㎓와 184㎓로 하여 모드 간격차를 10㎓까지 작게 한 경우의 계산 결과에 대해서 설명한다. 이 경우에서는, 192000㎓ 내지 196000㎓의 범위에서 재차 반사 피크가 일치하는 일은 없다. 그러나, 목적으로 하는 194000㎓의 인접 세로 모드에서, 2개의 SG-DR 도파로의 세로 모드 피크 주파수의 차이가 작아지게 된다. 그 결과, 목적으로 하는 주파수에 인접하는 세로 모드에서도 레이저 발진이 발생하기 쉽다고 하는 문제가 발생한다.
이상과 같이, 종래 기술에서는, 넓은 주파수 범위에서 파장 가변을 행할 수 있도록 소자를 설계한 경우, 상정 파장 이외에서도 발진이 발생하기 쉬워, 레이저 발진의 모드 안정성이 나빠진다고 하는 문제가 있었다.
2개의 SG-DR 도파로를 이용한 경우를 상술하였지만, FP 도파로 및 SG-DR 도 파로의 조합이나, SG-DR 도파로 및 SG-DFB 도파로의 조합을 갖는 반도체 레이저에서도, 사정은 완전히 동일하다. 종래 기술에 의한 모드 불안정성의 본질은, 도 11에 도시하는 바와 같이, 반사 스펙트럼의 세로 모드 피크 반사율의 파장 의존성이 작은 점에 있다. 즉, 종래 기술에 의한 SG-DR 도파로를 이용한 넓은 주파수 범위에서 파장 가변을 행할 수 있는 파장 가변 레이저에서는, 레이저 발진의 모드 불안정성을 억제하는 것이 매우 어렵다.
이러한 문제를 회피하기 위해, 예를 들면 특허 문헌 3에 기술되어 있는 바와 같이, 추출 회절 격자의 피치를 일단으로부터 타단을 향해서 변화시키는 것이 제안되어 있다. 이 구성에 의해, 특정 파장 주변의 세로 모드의 반사율을 높일 수 있다. 그러나, 이러한 회절 격자를 제작하기 위해서는, 전자선 리소그래피에 의한 고도의 노광 기술이 필요하다. 또한, 각 세그먼트의 추출 회절 격자간의 위상 관계를 일정하게 유지하는 것이 매우 어렵다. 따라서, 각 세그먼트로부터의 반사광의 간섭 효과가 감소되게 되는 문제를 안고 있다.
또한, 예를 들면 비특허 문헌 1 등에 제안되어 있는 바와 같이, 주기가 일정하지 않은 회절 격자에 의해 특정 파장 주변의 파장에서의 반사율을 높이는 방법도 알려져 있다. 그러나, 이 구조에는 SG-DR 도파로와 같은 명확한 세로 모드가 없다. 따라서, 조합해서 이용하는 FP 도파로나 SG-DR 도파로 혹은 SG-DFB 도파로의 인접 세로 모드에서의 발진을 억제하는 것이 어렵다고 하는 문제가 있다.
본 발명의 목적은, 새로운 구성에 의한 SG-DR 도파로에 의해, 레이저 발진의 모드 안정화를 도모할 수 있는 반도체 레이저를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 반도체 레이저는, 회절 격자를 갖는 제1 영역과, 제1 영역에 연결되며 또한 스페이스부로 되는 제2 영역을 구비하는 세그먼트를 복수 구비한 제1 회절 격자 영역을 구비하며, 복수의 제2 영역 중 적어도 2개의 광학적 길이는 서로 다르고, 각 세그먼트의 굴절률은 각각 가변인 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 따른 반도체 레이저에서는, 복수의 제2 영역 중 적어도 2개의 광학적 길이가 서로 다르기 때문에, 제1 회절 격자 영역에서의 세로 모드의 피크 반사 강도는, 파장 의존성을 갖는다. 이 경우, 제1 회절 격자 영역에서의 세로 모드는, 소정의 파장 범위에서 상대적으로 높은 피크 반사 강도를 갖게 된다. 그것에 의해, 제1 회절 격자 영역에서의 세로 모드의 피크 반사 강도가 상대적으로 낮아지는 파장 범위에서의 레이저 발진을 방지하면서, 제1 회절 격자 영역에서의 세로 모드의 피크 반사 강도가 상대적으로 커지는 파장 범위에서 안정된 레이저 발진을 실현하는 것이 가능하다. 그 결과, 레이저 발진의 모드 안정화를 도모할 수 있다. 또한, 제1 회절 격자 영역의 굴절률이 각각 가변이기 때문에, 레이저 발진 파장을 용이하게 변화시킬 수 있다.
회절 격자를 갖는 제1 영역과, 제1 영역에 연결되며 또한 스페이스부로 되는 제2 영역을 구비하는 세그먼트를 복수 구비한 제2 회절 격자 영역을 더 구비하며, 제2 회절 격자 영역에 포함되는 제2 영역의 광학적 길이는 실질적으로 동일하여도 된다. 이 경우, 제1 회절 격자 영역에서의 세로 모드의 피크 반사 강도가 상대적 으로 커지는 파장 범위 내에서 제1 회절 격자 영역 및 제2 회절 격자 영역의 세로 모드가 일치하는 파장에서, 안정된 레이저 발진이 실현된다.
제1 회절 격자 영역에서, 각 제2 영역의 광학적 길이와 다른 제2 영역의 광학적 길이와의 차의 최소값은, 각 제2 영역의 광학적 길이의 평균값의 1% 이상 6% 이하의 범위이어도 된다. 이 경우, 길이 차의 최소값이 평균 길이의 1% 이상이기 때문에, 소정의 파장 범위에서 상대적으로 높은 피크 반사 강도를 갖게 된다. 또한, 길이 차의 최소값이 평균 길이의 6% 이하이기 때문에, 상대적으로 높은 피크 반사 강도를 갖는 다른 피크 주파수를 파장 가변할 주파수 범위 밖으로 할 수 있다.
제1 회절 격자 영역에서, 각 제2 영역의 광학적 길이와 다른 제2 영역의 광학적 길이와의 차의 최소값은, 모두 동일해도 된다. 이 경우, 각 세그먼트의 변화시킬 굴절률 변화량을 임의의 단위 변화량의 정수배로 할 수 있다. 그것에 의해, 제어 알고리즘의 관점으로부터 유리하다.
제1 회절 격자 영역에서의 각 세그먼트는, 제2 영역의 광학적 길이의 오름차순 또는 내림차순으로 배치되어 있어도 된다. 이 경우, 일정한 구배로 각 세그먼트의 굴절률을 변화시킴으로써, 피크 반사율이 상대적으로 커지는 파장 범위를 변화시킬 수 있다.
회절 격자를 갖는 제1 영역과, 제1 영역에 연결되며 또한 스페이스부로 되는 제2 영역을 구비하는 세그먼트를 복수 구비한 제3 회절 격자 영역을 더 구비하며, 제3 회절 격자 영역에서, 복수의 제2 영역 중 적어도 2개의 광학적 길이는 서로 다 르고, 각 세그먼트의 굴절률은 각각 가변이어도 된다. 이 경우, 제1 회절 격자 영역 및 제3 회절 격자 영역에서의 세로 모드의 피크 반사 강도가 상대적으로 커지는 파장 범위에서 세로 모드를 일치시킴으로써, 보다 안정된 레이저 발진을 실현할 수 있다.
반도체 레이저의 단면에서, 광 흡수 영역 또는 광 증폭 영역을 더 구비하고 있어도 된다. 이 경우, 광 흡수 영역에서 전파 손실이 발생한다. 그것에 의해, 출사 단부면으로부터의 귀환광의 영향이 배제되게 된다. 그 결과, 본 발명에 따른 파장 가변 반도체 레이저의 모드 안정성이 향상한다. 또한, 반도체 레이저의 단부면으로부터의 귀환광의 영향이 경미할 때에는, 광 증폭 영역을 구비함으로써 레이저 광을 증폭시킬 수 있다.
제1 회절 격자 영역에서의 세그먼트의 굴절률을 제어하기 위한 히터를 더 구비하고 있어도 된다. 이 경우, 제1 회절 격자 영역의 온도 변화에 의해 굴절률이 제어된다. 그것에 의해, 제1 회절 격자 영역에 전류를 공급하지 않고 제1 회절 격자 영역의 굴절률을 제어할 수 있다. 그 결과, 제1 회절 격자 영역에서의 광 전파 손실을 방지할 수 있다.
제1 회절 격자 영역 내 및 제2 회절 격자 영역 내의 광의 위상을 조정하기 위한 위상 조정 영역을 더 구비하고 있어도 된다. 이 경우, 레이저 광의 위상이 위상 조정 영역에서 조정된다. 그것에 의해, 보다 안정된 레이저 발진을 실현할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 레이저의 제어 방법은, 회절 격자를 갖는 제1 영역과 제1 영역에 연결되며 또한 스페이스부로 되는 제2 영역을 구비하는 세그먼트를 복수 구비한 제1 회절 격자 영역을 구비하며, 복수의 제2 영역 중 적어도 2개의 광학적 길이는 서로 다르고, 각 세그먼트의 굴절률은 각각 가변인 반도체 레이저에 대하여, 적어도 2개의 세그먼트의 굴절률을 서로 다르게 하는 제어를 함으로써, 제1 회절 격자 영역의 복수의 세로 모드의 피크 파장 및 피크 파장의 강도를 조정하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 따른 반도체 레이저의 제어 방법에서는, 적어도 2개의 세그먼트의 굴절률을 서로 다르게 하는 제어를 함으로써, 제1 회절 격자 영역의 복수의 세로 모드의 피크 파장 및 피크 파장의 강도가 조정된다. 이 경우, 제1 회절 격자 영역에서의 세로 모드의 피크 반사 강도가 상대적으로 낮아지는 파장 범위에서의 레이저 발진을 방지하면서, 제1 회절 격자 영역에서의 세로 모드의 피크 반사 강도가 상대적으로 커지는 파장 범위에서, 안정된 레이저 발진을 실현하는 것이 가능하다. 그 결과, 레이저 발진의 모드 안정화를 도모할 수 있다.
복수의 세그먼트의 굴절률의 평균값을 일정하게 유지하는 제어를 행함으로써, 제1 회절 격자 영역은 복수의 세로 모드의 피크 파장을 유지하고, 피크 파장의 강도를 변화시켜도 된다. 이 경우, 세로 모드의 피크 파장을 일정값으로 유지하면서 세로 모드의 피크 파장의 강도를 변화시킴으로써 레이저 발진 파장을 제어할 수 있다.
복수의 세그먼트의 굴절률의 차를 일정하게 유지하는 제어를 행함으로써, 제1 회절 격자 영역의 세로 모드의 피크 파장을 변화시키면서, 피크 파장의 강도를 유지해도 된다. 이 경우, 세로 모드의 피크 파장을 변화시킴으로써 레이저 발진 파장을 제어할 수 있다.
각 세그먼트의 굴절률과 다른 세그먼트의 굴절률과의 차의 최소값이 모두 동일하게 되도록, 각 세그먼트의 굴절률을 제어해도 된다. 이 경우, 각 세그먼트의 변화시킬 굴절률 변화량을 임의의 단위 변화량의 정수배로 할 수 있다. 그것에 의해, 제어 알고리즘의 관점으로부터 유리하다.
각 세그먼트의 온도를 제어함으로써 각 세그먼트의 굴절률을 제어해도 된다. 이 경우, 제1 회절 격자 영역에 전류를 공급하지 않고 제1 회절 격자 영역의 굴절률을 제어할 수 있다. 그 결과, 제1 회절 격자 영역에서의 광 전파 손실을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 광학 부품은, 회절 격자를 갖는 제1 영역과, 제1 영역에 연결되며 또한 스페이스부로 되는 제2 영역을 구비하는 세그먼트를 복수 구비한 제1 회절 격자 영역을 구비하며, 복수의 제2 영역 중 적어도 2개의 광학적 길이는 서로 다르고, 각 세그먼트의 굴절률은 각각 가변인 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 따른 광학 부품에서는, 복수의 제2 영역 중 적어도 2개의 광학적 길이가 서로 다르기 때문에, 제1 회절 격자 영역에서의 세로 모드의 피크 반사 강도는, 파장 의존성을 갖는다. 이 경우, 제1 회절 격자 영역에서의 세로 모드는, 소정의 파장 범위에서 상대적으로 높은 피크 반사 강도를 갖게 된다. 그것에 의해, 제1 회절 격자 영역에서의 세로 모드의 피크 반사 강도가 상대적으로 낮아지는 파장 범위에서의 레이저 발진을 방지하면서, 제1 회절 격자 영역에서의 세로 모드 의 피크 반사 강도가 상대적으로 커지는 파장 범위에서, 안정된 레이저 발진을 실현하는 것이 가능하다. 그 결과, 레이저 발진의 모드 안정화를 도모할 수 있다. 또한, 제1 회절 격자 영역의 굴절률이 각각 가변이기 때문에, 레이저 발진 파장을 용이하게 변화시킬 수 있다.
제1 회절 격자 영역에서, 각 제2 영역의 광학적 길이와 다른 제2 영역의 광학적 길이와의 차의 최소값은, 각 제2 영역의 광학적 길이의 평균의 1% 이상 6% 이하의 범위이어도 된다. 이 경우, 길이 차의 최소값이 평균 길이의 1% 이상이기 때문에, 소정의 파장 범위에서 상대적으로 높은 피크 반사 강도를 갖게 된다. 또한, 길이 차의 최소값이 평균 길이의 6% 이하이기 때문에, 상대적으로 높은 피크 반사 강도를 갖는 다른 피크 주파수를 파장 가변할 주파수 범위 밖으로 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 광학 부품은, 안정된 레이저 발진을 실현할 수 있다.
제1 회절 격자 영역에서의 세그먼트의 굴절률을 제어하기 위한 히터를 더 구비하고 있어도 된다. 이 경우, 제1 회절 격자 영역의 온도 변화에 의해 굴절률이 제어된다. 그것에 의해, 제1 회절 격자 영역에 전류를 공급하지 않고 제1 회절 격자 영역의 굴절률을 제어할 수 있다. 그 결과, 제1 회절 격자 영역에서의 광 전파 손실을 방지할 수 있다.
제1 회절 격자 영역에서의 각 세그먼트는, 제2 영역의 광학적 길이의 오름차순 또는 내림차순으로 배치되어 있어도 된다. 이 경우, 각 세그먼트의 변화시킬 굴절률 변화량과 다른 세그먼트의 변화시킬 굴절률 변화량과의 차의 최소값을 모두 동일하게 할 수 있다. 그것에 의해, 각 세그먼트의 변화시킬 굴절률 변화량을 임 의의 단위 변화량의 정수배로 할 수 있다. 따라서, 제어 알고리즘의 관점으로부터 유리하다.
본 발명에 따른 레이저 장치는, 회절 격자를 갖는 제1 영역과, 제1 영역에 연결되며 또한 스페이스부로 되는 제2 영역을 구비하는 세그먼트를 복수 구비한 제1 회절 격자 영역을 구비하는 제1 광학 부품과, 광 증폭기를 구비하며, 복수의 제2 영역 중 적어도 2개의 광학적 길이는 서로 다르고, 각 세그먼트의 굴절률은 각각 가변인 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 따른 레이저 장치에서는, 광 증폭기에 의해 레이저 광이 발생하고, 발생한 광은 제1 광학 부품에 부여된다. 복수의 제2 영역 중 적어도 2개의 광학적 길이가 서로 다르기 때문에, 제1 회절 격자 영역에서의 세로 모드의 피크 반사 강도는, 파장 의존성을 갖는다. 이 경우, 제1 회절 격자 영역에서의 세로 모드는, 소정의 파장 범위에서 상대적으로 높은 피크 반사 강도를 갖게 된다. 그것에 의해, 제1 회절 격자 영역에서의 세로 모드의 피크 반사 강도가 상대적으로 낮아지는 파장 범위에서의 레이저 발진을 방지하면서, 제1 회절 격자 영역에서의 세로 모드의 피크 반사 강도가 상대적으로 커지는 파장 범위에서, 안정된 레이저 발진을 실현하는 것이 가능하다. 또한, 제1 회절 격자 영역의 굴절률이 각각 가변이기 때문에, 레이저 발진 파장을 용이하게 변화시킬 수 있다.
제1 광학 부품 및 광 증폭기는, 온도 제어 장치 상에 배치되어 있어도 된다. 이 경우, 제1 광학 부품 및 광 증폭기를 따라 전파되는 광의 파장을 온도 제어 장치에 의해 제어할 수 있다. 제1 회절 격자 영역은, 세그먼트의 굴절률을 제어하기 위한 히터를 더 구비하고 있어도 된다. 이 경우, 히터에 의해 세그먼트의 굴절률을 제어할 수 있다. 그것에 의해, 본 발명에 따른 레이저 장치는, 보다 안정된 레이저 발진이 가능하다.
레이저 장치는, 회절 격자를 갖는 제1 영역과 제1 영역에 연결되며 또한 스페이스부로 되는 제2 영역을 구비하는 제2 광학 부품을 더 구비하며, 제2 회절 격자 영역에 포함되는 제2 영역의 광학적 길이는 실질적으로 동일해도 된다. 이 경우, 제1 회절 격자 영역에서의 세로 모드의 피크 반사 강도가 상대적으로 커지는 파장 범위 내에서 제1 회절 격자 영역 및 제2 회절 격자 영역의 세로 모드가 일치하는 파장에서, 안정된 레이저 발진이 실현된다.
<실시예>
이하, 본 발명을 실시하기 위한 최량의 형태를 설명한다.
<실시예 1>
도 1은, 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 장치(100)를 설명하기 위한 모식도이다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 레이저 장치(100)는, 레이저부(200) 및 제어부(300)를 포함한다. 제어부(300)는, CPU(중앙 연산 처리 장치), ROM(리드 온리 메모리) 등으로 구성된다. 제어부(300)의 ROM에는, 레이저부(200)의 제어 정보, 제어 프로그램 등이 저장되어 있다. 제어부(300)는, 레이저부(200)에 공급하는 전류 등의 전기 신호에 의해, 레이저부(200)의 레이저 발진 파장을 제어한다.
도 2는, 레이저부(200)의 상세 내용을 설명하기 위한 도면이다. 도 2의 (a)는 레이저부(200)의 상면도이며, 도 2의 (b)는 도 2의 (a)의 A-A선 단면도이다. 이하, 도 2의 (a) 및 도 2의 (b)를 참조하면서 레이저부(200)의 설명을 행한다. 도 2의 (a) 및 도 2의 (b)에 도시하는 바와 같이, 레이저부(200)는, CSG-DR(CSG-DR:Chirped Sampled Grating Distributed Reflector) 영역 A, Gain 영역 B 및 SG-DR 영역 C를 순서대로 연결시킨 구조를 갖는다.
CSG-DR 영역 A는, 기판(1) 상에 도파로 코어(3), 클래드층(6) 및 절연층(8)이 순서대로 적층되며, 절연층(8) 상에 복수의 박막 저항체(11), 복수의 전원 전극(12) 및 그라운드 전극(13)이 적층된 구조를 갖는다. Gain 영역 B는, 기판(1) 상에 도파로 코어(4), 클래드층(6), 컨택트층(7) 및 전극(14)이 순서대로 적층된 구조를 갖는다. SG-DR 영역 C는, 기판(1) 상에 도파로 코어(5), 클래드층(6) 및 절연층(8)이 순서대로 적층된 구조를 갖는다.
CSG-DR 영역 A, Gain 영역 B 및 SG-DR 영역 C에서의 기판(1) 및 클래드층(6)은, 각각 일체적으로 형성되어 있다. 도파로 코어(3, 4, 5)는, 동일면 상에 형성되어, 1개의 도파로를 형성하고 있다. SG-DR 영역 C 측의 기판(1), 도파로 코어(5) 및 클래드층(6)의 단부면에는, 저반사막(9)이 형성되어 있다. 한편, CSG-DR 영역 A 측의 기판(1), 도파로 코어(3) 및 클래드층(6)의 단부면에는, 저반사막(10)이 형성되어 있다. 추출 회절 격자(2)는, 도파로 코어(3, 5)에 소정의 간격을 두고 복수 형성되며, 그것에 의해서 샘플드 그레이팅이 형성된다.
기판(1)은, 예를 들면, InP로 이루어지는 결정 기판이다. 도파로 코어(3, 5)는, 예를 들면, 흡수단이 레이저 발진 파장보다도 단파장 측에 있는 InGaAsP 결정으로 이루어지며, 1.3㎛ 정도의 PL 파장을 갖는다. 도파로 코어(4)는, 예를 들 면, 목적으로 하는 파장에서의 레이저 발진에 대하여 이득을 갖는 InGaAsP 결정으로 이루어지며, 1.57㎛ 정도의 PL 파장을 갖는다.
추출 회절 격자(2)는, 결합 상수가 200㎝-1 정도이고, 피치가 약 O.24㎛ 정도이며, 요철 반복수가 17 정도인 회절 격자이다. 따라서, 각 추출 회절 격자(2)의 길이는 4㎛ 정도이고, 각 추출 회절 격자(2)의 브래그 파장은 1.55㎛ 정도이다. 이 경우, 각 추출 회절 격자(2)의 브래그 파장에 대한 반사율은, 약 1% 정도로 된다.
도파로 코어(3)에는, 세그먼트가 5개 형성되어 있다. 여기에서, 세그먼트란, 도파로 코어에서 추출 회절 격자(2)가 설치되어 있는 영역과 추출 회절 격자(2)가 설치되어 있지 않은 스페이스부가 1개씩 연속되는 영역을 말한다. 일반적으로, 이 세그먼트수를 늘림으로써 추출 회절 격자에 의해 반사되는 광의 간섭 효과가 높아진다. 그것에 의해, 레이저 발진의 모드 안정성이 향상한다. 그러나, 세그먼트수가 증가하면 소자 길이가 증가하게 된다. 또한, 도파로 코어(3)의 전체 길이가 2㎜ 정도를 초과하면, 도파로 코어(3) 내의 내부 로스의 영향에 의해 모드 안정성은 포화하게 된다. 따라서, 도파로 코어(3)에서의 세그먼트수는, 5 정도인 것이 바람직하다.
도파로 코어의 세로 모드의 파장을 용이하게 변화시키기 위해서는, 각 세그먼트의 길이를 길게 하고 세로 간격을 좁게 하면 되지만, 그 경우에는 도파로 코어의 길이가 길어지게 된다. 따라서, 본 실시예에서는, 도파로 코어(3)에서의 각 세 그먼트의 길이는, 예를 들면, Gain 영역 B 측으로부터 순서대로 260㎛, 265㎛, 270㎛, 275㎛ 및 280㎛로 설정하고 있다. 이 경우의 각 세그먼트의 세로 모드 간격은, 176㎓, 173㎓, 170㎓, 167㎓ 및 164㎓로 된다.
각 세그먼트의 길이는, 스페이스부의 길이를 변화시킴으로써 변화시키고 있다. 또한, 각 세그먼트의 길이 및 순서는 상기한 것의 반대의 순서라도 되며, 모든 세그먼트의 길이가 서로 다를 필요도 없고, 세그먼트 길이의 차가 일정할 필요도 없다. 그러나, 후술하는 바와 같이, 본 실시예와 같은 구성은, 파장 제어를 행하기 위한 인접한 세그먼트간의 굴절률 변화량을 일정하게 할 수 있기 때문에, 제어의 관점으로부터 유리하다.
도파로 코어(5)에서의 세그먼트수는, 도파로 코어(3)에서의 세그먼트수와 동일 정도가 바람직하며, 예를 들면 5이다. 도파로 코어(5)에서의 각 세그먼트 길이는, 실질적으로 동일하며, 예를 들면 240㎛ 정도이다. 여기에서 말하는 「실질적으로 동일」이란, 각 스페이스부의 길이 차가 각 스페이스부의 평균 길이의 1% 이하 정도인 것을 의미한다.
SG-DR 영역 C의 SG-DR 구조는, 예를 들면, 간섭 노광법 및 부분 노광법을 이용한 기술에 의해 제작할 수 있다. 우선, 기판(1) 표면에 도포한 레지스트의 전체면에 간섭 노광법에 의해 회절 격자 패턴을 노광한다. 계속해서, 개구부를 구비함으로써 부분적으로 광을 차폐하는 노광 마스크를 이용한 부분 노광법에 의해, 기판(1) 표면의 회절 격자 패턴을 이격시키는 복수의 스페이스부의 패턴을 노광한다. 이 2중 노광 후에 레지스트를 현상함으로써 추출 회절 격자(2)의 구조가 형성되며, 이 레지스트 패턴의 기판(1)에의 전사에 의해 서로의 위상 관계가 정의된 본 실시예에 따른 추출 회절 격자(2)가 형성된다.
CSG-DR 영역 A의 CSG-DR 구조는, 예를 들면, 상술한 부분 노광법에서 사용하는 노광 마스크에 추출 회절 격자(2)를 갖지 않는 영역의 길이를 변화시킬 수 있는 패턴을 채용함으로써 제작할 수 있다. 또한, CSG-DR 영역 A 및 SG-DR 영역 C는, 상기 노광법에 의하면 동일 공정에 의해 형성하는 것이 가능하다. 따라서, 제조 공정이 단축화되고 또한 간략화된다. 그 결과, 생산 코스트가 저감된다.
클래드층(6)은, InP로 이루어지며, 전류 협착을 행함과 함께 도파로 코어(3, 4, 5)를 왕복하는 레이저 광을 가두는 기능을 한다. 컨택트층(7)은, InGaAsP 결정으로 이루어진다. 절연층(8)은, SiN, SiO2 등의 절연체로 이루어지는 보호막이다. 저반사막(9, 10)은, 예를 들면 MgF2 및 TiON으로 이루어지는 유전체막으로 이루어지며, 적어도 0.3% 이하 정도의 반사율을 갖는다.
박막 저항체(11)는, NiCr 등으로 이루어지며, 도 1의 제어부(300)로부터 부여되는 전류의 크기에 따라서 도파로 코어(3)의 각 세그먼트의 온도를 조정한다. 박막 저항체(11)는, 도파로 코어(3)의 각 세그먼트 상방의 절연층(8) 상의 각각에, 1개씩 형성되어 있다. 각 박막 저항체(11)에는, 각각 전원 전극(12)이 1개씩 접속되어 있고, 그라운드 전극(13)은, 각 박막 저항체(11)와 접속되어 있다. 전원 전극(12), 그라운드 전극(13), 전극(14)은, Au 등의 도전성 재료로 이루어진다.
계속해서, 레이저부(200)의 동작에 대해서 설명한다. 우선, 도 1의 제어 부(300)에 의해, 전극(14)에 소정의 전류가 공급된다. 그것에 의해, 도파로 코어(4)에서 광이 발생한다. 발생한 광은, 도파로 코어(3, 4, 5)를 따라 전파되면서 반복 반사 및 증폭됨과 함께, 외부로 발진된다.
도 3은, 도파로 코어(3)의 반사 스펙트럼 및 도파로 코어(5)의 반사 스펙트럼의 계산예를 도시한다. 도 3의 횡축은 주파수를 나타내며, 도 3의 종축은 반사율을 나타낸다. 도 3에서는, 간편화를 위해, 계산예를 모식화하고 있다. 도 3의 상측 도면에 도시하는 바와 같이, 도파로 코어(3)의 피크 반사율은, 194000㎓ 주변에서 상대적으로 높은 값을 나타내며, 194000㎓에서 극대값을 나타낸다. 194000㎓의 주파수에서 도파로 코어(3)의 각 세그먼트를 왕복하는 광의 위상이 2π의 정수배로 되기 때문이다.
한편, 주파수가 194000㎓로부터 멀어짐에 따라서 도파로 코어(3)의 피크 반사율은 저하한다. 각 세그먼트의 세로 모드 간격을 약간 어긋나게 한 결과, 위상 정합한 중첩이 발생하지 않기 때문이다. 본 실시예에서는, 극소 피크 반사율과 극대 피크 반사율과의 차가 5dB 정도로 된다. 또한, 도 3의 하측 도면과 같이, 도파로 코어(5)의 피크 반사율은, 어떠한 세로 모드에서도 일정값을 나타낸다.
도파로 코어(3)의 세로 모드는, 194000㎓ 외에 195400㎓ 및 192600㎓에서 도파로 코어(5)의 세로 모드와 일치한다. 그러나, 195400㎓ 및 192600㎓에서의 도파로 코어(3)의 반사율은 194000㎓의 반사율과 비교해서 충분히 작다. 따라서, 195400㎓ 및 192600㎓에서 레이저 발진할 가능성은 낮아진다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 레이저부(200)에서는, 도파로 코어(3)에서의 세로 모드의 피크 반사 강도는 파장 의존성을 갖는다. 즉, 도파로 코어(3)에서의 세로 모드의 피크 반사 강도는, 파장에 따라서 변화한다. 한편, 도파로 코어(5)에서의 세로 모드의 피크 반사 강도는, 파장 의존성을 갖지 않는다. 따라서, 도파로 코어(3)에서의 세로 모드의 피크 반사 강도가 상대적으로 낮아지는 파장 범위에서의 레이저 발진을 방지하면서, 도파로 코어(3)에서의 세로 모드의 피크 반사 강도가 상대적으로 커지는 파장 범위에서, 안정된 레이저 발진을 실현하는 것이 가능하다. 또한, 도파로 코어(3)의 굴절률을 변화시킴으로써 세로 모드의 피크 반사 강도가 상대적으로 커지는 파장 범위를 변화시킴으로써, 레이저 발진 파장을 용이하게 제어할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 도파로 코어(3, 5)에서는, 모두 단부면에서 회절 격자가 설치되어 있지만, 도파광에 영향은 없다.
도 4는, 임계값 이득의 계산기 시뮬레이션에 의해 계산한 레이저 발진 임계값에서의 발진 스펙트럼을 도시한다. 도 4의 횡축은 주파수를 나타내며, 도 4의 종축은 광 강도를 나타낸다. 이 해석에서는, 간단화를 위해 단부면 반사율은 0%로 하고 있다. 이 계산예에서는, 목적으로 하는 레이저 발진의 주파수인 194000㎓의 다음에 레이저 발진하기 쉬운 모드는, 저주파수 측의 인접 세로 모드이다. 그러나, 각각의 모드의 임계값 이득 차는, 4㎝-1이다. 이 값은, 안정된 레이저 발진을 실현하기 위해서는 충분하다. 이와 같이, 본 실시예에서는, 안정된 단일 모드 레이저 발진이 실현된다.
본 실시예에서는, 도파로 코어(3)의 세그먼트 길이를 260㎛로부터 5㎛ 간격 으로 280㎛까지 변화시키고 있는데, 임계값 이득의 계산기 시뮬레이션에 의하면, 도파로 코어(3)에서의 길이가 서로 다른 세그먼트의 최소의 길이 차는, 각 스페이스부의 평균 길이의 1%~6%의 범위 밖으로 된 경우에, 모드 안정성이 현저하게 열화된다.
정성적으로 이 모드 안정성 열화의 기구를 설명한다. 상기 최소의 길이 차가 각 스페이스부의 평균 길이의 1% 미만인 경우에 있어서는, 반사 스펙트럼이 종래 기술의 SG-DR 도파로의 경우에 근접한다. 즉, 목적으로 하는 발진 파장으로부터 떨어진 세로 모드 파장에서 레이저 발진될 가능성이 높아진다. 반대로, 상기 최소인 길이 차가 각 스페이스부의 평균 길이의 6%를 초과하는 경우에 있어서는, 피크 반사율이 극대로 되는 다른 파장이 가변할 파장 범위 내에 들어온다. 즉, 목적으로 하는 발진 파장과 반사율이 극대로 되는 다른 파장에서 레이저 발진될 가능성이 높아진다. 그 결과, 모드 안정성이 현저하게 열화되는 것이다. 따라서, 도파로 코어(3)에서의 길이가 서로 다른 세그먼트의 최소의 길이 차는, 각 스페이스부의 평균 길이의 1% 이상 6% 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는 도파로 코어(3)에서의 각 세그먼트의 길이 차는 일정하지만, 일반적으로는 본 실시예와 같이 각 세그먼트의 길이 차가 일정할 필요는 없다. 그러나, 세그먼트 길이 차가 일정하지 않은 경우에는, 파장 변화에 필요한 굴절률 변화량이 복잡하게 되기 때문에, 제어가 상대적으로 어렵게 된다. 따라서, 각 세그먼트간의 길이 차와 길이가 실질적으로 동일한 세그먼트를 제외한 각 세그먼트의 최소인 길이 차와의 차의 최소값을 모두 동일하게 하는 것이, 제어 알고리즘의 관 점으로부터 유리하다. 길이 차가 일정한 경우에는, 각 세그먼트의 변화시킬 굴절률 변화량을 임의의 단위 변화량의 정수배로 할 수 있기 때문이다.
또한, 동일한 관점으로부터, 특히 인접 세그먼트간의 길이 차를 일정하게 하고, 길이가 큰 순 혹은 작은 순으로 각 세그먼트를 연결하는 것이 유리하다. 이것은, 일정한 구배로 각 세그먼트의 굴절률을 변화시킴으로써, 피크 반사율이 극대로 되는 파장을 변화시킬 수 있기 때문이다.
상기한 바와 같은 도파로 코어(3)의 극대 피크 반사율은, 도파로 코어(3)에 포함되는 각 세그먼트의 굴절률을 외부로부터 제어함으로써 제어할 수 있다. 이하, 도파로 코어(3)의 극대 피크 반사율의 제어 방법에 대해서 설명한다. 각 박막 저항체(11)에는, 제어부(300)로부터 각 전원 전극(12)을 통해서 각각 소정의 크기의 전류가 공급된다. 그것에 의해, 도파로 코어(3)의 각 세그먼트의 온도가 소정의 온도로 변화된다. 그 결과, 도파로 코어(3)의 각 세그먼트의 굴절률이 소정의 값으로 변화된다. 박막 저항체(11)를 흐른 전류는, 그라운드 전극(13)을 통해서 회수된다.
본 실시예에서는, 도파로 코어(3)는, 온도 구배가 없는 경우에 도파로 코어(3)의 극대 피크 반사율이 194000㎓로 되는 등가 굴절률을 갖는다. 이 경우에 있어서의 도파로 코어(3)의 등가 굴절률은, 3.2086이다. 또한, 본 실시예에서는, 도파로 코어(3)의 등가 굴절률의 온도 의존성은, 1℃당 약 0.0002이다.
도 5는, 길이가 큰 세그먼트로부터 길이가 작은 세그먼트에 걸쳐서 순서대로 온도가 낮아지도록 각 세그먼트의 온도를 조정하여, 도파로 코어(3)의 각 세그먼트 간의 온도차를 2℃로 설정한 경우에 있어서의 도파로 코어(3)의 반사 스펙트럼을 나타낸다. 도 5의 횡축은 주파수를 나타내며, 도 5의 종축은 반사율을 나타낸다.
도 5에 도시하는 바와 같이, 도파로 코어(3)의 각 세그먼트간의 온도차를 2℃로 설정한 경우의 도파로 코어(3)의 극대 피크 반사율은, 192500㎓ 정도이다. 이와 같이, 각 세그먼트간의 온도차를 2℃로 설정함으로써, 극대 피크 반사율을 -1500㎓ 이동시킬 수 있다. 반대로, 각 세그먼트간의 온도차를 -2℃로 설정함으로써, 극대 피크 반사율을 1500㎓ 이동시킬 수 있다. 이상의 점으로부터, 각 세그먼트간의 온도차를 변화시킴으로써, 극대 피크 반사율을 변화시킬 수 있다. 또한, 온도 구배에 의해 변화되는 것은, 각 세로 모드의 광 강도로서, 각 세로 모드의 주파수가 아니다.
도 6은, 도 5의 경우에 있어서 임계값 이득의 계산기 시뮬레이션에 의해 계산한 레이저 발진 임계값에서의 발진 스펙트럼을 나타낸다. 도 6의 횡축은 주파수를 나타내며, 도 6의 종축은 광 강도를 나타낸다. 이 해석에서는, 간단화를 위해 단부면 반사율은 0%로 하고 있다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 목적으로 하는 레이저 발진의 주파수인 192500㎓에서 안정된 단일 모드 레이저 발진이 실현되고 있다.
여기서, 세로 모드 반사 피크의 극대 주파수를 원하는 주파수에 맞춰 넣기 위해서는, 온도 구배 외에 도파로 코어(5)의 온도 및 도파로 코어(3)의 평균 온도를 제어해서 세로 모드의 주파수를 미세 조정할 필요가 있다. 따라서, 도파로 코어(3)에서, 인접 세그먼트 길이 차가 일정하며 또한 각 세그먼트가 길이가 큰 순 또는 역순으로 접속되어 있는 경우, 도파로 코어(5)의 온도 및 도파로 코어(3)의 평균 온도와 도파로 코어(3)의 온도 구배에 의해 파장을 제어할 필요가 있다. 그러나, 도파로 코어(3)의 온도 구배는 세로 모드 주파수 자체를 변화시키지 않으므로, 레이저 발진 중에 항상 피드백 제어할 필요는 없다. 또한, 항상 피드백 제어할 때에 제어해야 할 파라미터는, 고작 도파로 코어(5)의 온도 및 도파로 코어(3)의 평균 온도뿐이다. 따라서, 본 실시예와 같은 구성은, 제어 알고리즘의 관점으로부터 매우 유리하다.
또한, 실제로는 본 실시예에 따른 레이저부(200) 전체를 온도 제어 장치에 실어서 동작시키는 것이 통상이다. 이 온도 제어 장치에 의해 도파로 코어(5)의 온도를 변화시킨 경우에는, 동시에 도파로 코어(3)의 평균 온도도 변화된다. 그러나, 이것은 문제로는 되지 않는다. 도파로 코어(5)의 온도와 도파로 코어(3)의 평균 온도와의 차를 제어함으로써 파장 가변을 할 수 있기 때문이다. 특히, 도파로 코어(3)에서, 각 세그먼트를, 인접 세그먼트 길이 차가 일정하며 또한 각 세그먼트가 길이가 큰 순 또는 역순으로 되도록 접속함으로써 용이하게 실현할 수 있다. 이 경우, 외부 온도 변화에 의해서도 이 온도차는 요란되기 어렵기 때문에, 안정된 레이저 발진의 지속이 용이하게 된다.
또한, 본 실시예에서는 온도 제어에 의해 도파로 코어(3)의 각 세그먼트의 굴절률을 제어하고 있지만, 각 세그먼트에 전류를 공급함으로써 각 세그먼트의 굴절률을 제어할 수도 있다. 이 경우, 박막 저항체(11) 대신에 전극을 형성함으로써 실현 가능하다. 단, 도파로 코어(3)에 전류를 공급하면 도파로 코어(3)에서 광 전 파 손실이 발생하기 때문에, 본 실시예와 같은 온도 제어 쪽이 보다 효과적이다. 또한, 레이저부(200)는, SG-DR 영역 C 대신에 CSG-DR 영역 A를 1개 더 구비하고 있어도 된다. 이 경우, 각 CSG-DR 영역 A에서의 세로 모드의 피크 반사 강도가 상대적으로 커지는 파장 범위에서 세로 모드를 일치시킴으로써, 보다 안정된 레이저 발진을 실현할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, 각 스페이스부의 길이에 기초해서 각 세그먼트의 광학적 길이가 결정되고 있지만, 그 밖의 구성 또는 방법에 의해 각 세그먼트의 광학적 길이가 결정되어도 된다. 예를 들면, 각 스페이스부 또는 각 세그먼트의 재질에 기초해서 각 세그먼트의 광학적 길이가 결정되어도 된다. 또한, 각 세그먼트의 굴절률은 각 세그먼트의 온도에 기초해서 제어할 수 있기 때문에, 각 세그먼트의 굴절률은, 각 세그먼트의 온도 변화량(온도 구배)과 온도 절대값(온도 평균값)에 기초해서 제어할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 세로 모드 파장을 일정값으로 유지하면서 세로 모드의 최대 강도를 변화시킴으로써 레이저 발진 파장을 제어하고 있지만, 필요에 따라서 세로 모드 파장을 세로 모드의 최대 강도와 동시에 제어해도 된다. 이 경우, 각 세그먼트의 온도 평균값이 온도 제어전과 서로 다른 값으로 되도록 각 세그먼트의 온도를 제어하면 된다. 이 조건에 의하면 세로 모드가 가변으로 되므로, 각 세그먼트의 온도 평균값을 원하는 세로 모드 파장이 실현되는 온도로 제어하면, 세로 모드의 강도와 동시에 세로 모드 파장의 제어가 가능하게 된다.
본 실시예에서는, 추출 회절 격자(2)가 회절 격자에 상당하고, 도파로 코어 에서 추출 회절 격자를 갖는 영역이 제1 영역에 상당하며, 스페이스부가 제2 영역에 상당하고, 도파로 코어(3)가 제1 회절 격자 영역에 상당하며, 도파로 코어(4)가 이득 영역에 상당하고, 도파로 코어(5)가 제2 회절 격자 영역에 상당하며, 박막 저항체(11)가 히터에 상당하고, 레이저부(200)가 반도체 레이저 또는 광학 부품에 상당한다.
<실시예 2>
계속해서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 장치(100a)에 대해서 설명한다. 레이저 장치(100a)가 도 1의 레이저 장치(100)와 서로 다른 점은, 레이저부(200) 대신에 레이저부(200a)를 구비하는 점이다. 이하, 레이저부(200a)의 상세에 대해서 설명한다.
도 7은, 레이저부(200a)의 모식적 단면도이다. 레이저부(200a)가 도 2의 레이저부(200)와 서로 다른 점은, Gain 영역 B와 SG-DR 영역 C와의 사이에 PS(Phase shift) 영역 D가 더 형성되어 있는 점이다. PS 영역 D는, 기판(1) 상에 도파로 코어(15), 클래드층(6), 컨택트층(7) 및 전극(16)이 순서대로 적층된 구조를 갖는다.
CSG-DR 영역 A, Gain 영역 B, PS 영역 D 및 SG-DR 영역 C에서의 기판(1) 및 클래드층(6)은, 각각 일체적으로 형성되어 있다. 또한, 도파로 코어(3, 4, 5, 15)는, 동일면에 형성되어, 1개의 도파로를 형성하고 있다. 또한, 절연층(8)은, 전극(14)과 전극(16)과의 경계에도 형성되어 있다. 도파로 코어(15)는, 도파로 코어(3)와 마찬가지로 레이저 발진 파장보다도 흡수단이 단파장인 InGaAsP 결정으로부터 형성되어 있다. 이 도파로 코어(15)는, CSG-DR 영역의 도파로 코어(3)와 마 찬가지의 것이어도 된다. 전극(16)은, PS 영역 D에 전류를 공급하기 위한 전극으로서, Au 등의 도전성 재료로 구성된다.
PS 영역 D는, 전극(16)에 공급되는 전류에 기초하여, 도파로 코어(3)로부터 반사되는 목적으로 하는 파장광과 도파로 코어(5)로부터 반사되는 목적으로 하는 파장광과의 위상이 맞도록, 도파로 코어(15)에서 위상 조정을 행한다. 그것에 의해, 본 실시예에 따른 레이저부(200a)는, 목적으로 하는 파장광을 보다 안정적으로 레이저 발진시킬 수 있다. 본 실시예에서는, PS 영역 D가 위상 조정 영역에 상당하고, 레이저부(200a)가 반도체 레이저 또는 광학 부품에 상당한다.
<실시예 3>
계속해서, 본 발명의 제3 실시예에 따른 레이저 장치(100b)에 대해서 설명한다. 레이저 장치(100b)가 도 1의 레이저 장치(100)와 서로 다른 점은, 레이저부(200) 대신에 레이저부(200b)를 구비하는 점이다. 이하, 레이저부(200b)의 상세에 대해서 설명한다.
도 8은, 레이저부(200b)의 상세 내용을 설명하기 위한 도면이다. 도 8의 (a)는 레이저부(200b)의 상면도이며, 도 8의 (b)는 도 8의 (a)의 B-B선 단면도이다. 이하, 도 8의 (a) 및 도 8의 (b)를 참조하면서 레이저부(200b)의 설명을 행한다. 레이저부(200b)가 도 2의 레이저부(200)와 서로 다른 점은, Gain 영역 B 및 SG-DR 영역 C 대신에 PS 영역 D, SG-DFB 영역 E 및 PC(Power Control) 영역 F를 구비하는 점이다.
레이저부(200b)는, CSG-DR 영역 A, PS 영역 D, SG-DFB 영역 E 및 PC 영역 F 를 순서대로 연결시킨 구조를 갖는다. SG-DFB 영역 E는, 기판(1) 상에 도파로 코어(17), 클래드층(6), 컨택트층(7) 및 전극(18)이 순서대로 적층된 구조를 갖는다. PC 영역 F는, 기판(1) 상에 도파로 코어(19), 클래드층(6), 컨택트층(7), 전극(20)이 순서대로 적층된 구조를 갖는다. 본 실시예에서는, 저반사막(9)은, PC 영역 F 측의 기판(1), 도파로 코어(19) 및 클래드층(6)의 단부면에 형성되어 있다.
CSG-DR 영역 A, PS 영역 D, SG-DFB 영역 E 및 PC 영역 F에서의 기판(1) 및 클래드층(6)은, 각각 일체적으로 형성되어 있다. 도파로 코어(3, 15, 17, 19)는, 동일면에 형성되어, 1개의 도파로를 형성하고 있다. 절연층(8)은, 전극(16)과 전극(18)과의 경계 및 전극(18)과 전극(20)과의 경계에도 형성되어 있다. 도파로 코어(17)에서는, 복수의 추출 회절 격자(2)가 소정의 간격을 두고 형성되며, 그것에 의해서 샘플드 그레이팅이 형성된다.
도파로 코어(17)는, 목적으로 하는 파장에서의 레이저 발진에 대하여 이득을 갖는 InGaAsP 결정으로 이루어지며, 예를 들면 1.57㎛ 정도의 PL 파장을 갖는다. 도파로 코어(17)에서의 세그먼트수는, 도파로 코어(3)에서의 세그먼트수와 동일 정도가 바람직하며, 예를 들면 5이다. 도파로 코어(17)에서의 각 세그먼트 길이는, 실질적으로 동일하며, 예를 들면 240㎛ 정도이다. 도파로 코어(19)는, 출사광 출력을 변화시키기 위한 InGaAsP 결정으로 이루어지며, 예를 들면 1.57㎛ 정도의 PL 파장을 갖는다.
계속해서, 레이저부(200b)의 동작에 대해서 설명한다. 우선, 도 1의 제어부(300)에 의해, 전극(18)에 소정의 전류가 공급된다. 그것에 의해 도파로 코 어(17)에서 광이 발생한다. 발생한 광은, 도파로 코어(19)에서 증폭되어, 도파로 코어(3, 15, 17, 19)를 따라 전파되면서 반복 반사 및 증폭됨과 함께, 외부로 발진된다. 전극(20)에는, 제어부(300)로부터 소정의 전류가 공급된다. 그것에 의해, 출사광 출력이 일정하게 유지된다.
또한, 본 실시예에서는, 도파로 코어(17) 및 도파로 코어(19)의 PL 파장은 동일하지만, 반드시 동일할 필요는 없다. 그러나, 도파로 코어(17) 및 도파로 코어(19)의 PL 파장이 동일하면, 도파로 코어(17) 및 도파로 코어(19)를 동일 공정에서 형성할 수 있다. 따라서, 생산 공정이 단축화된다. 그 결과, 레이저 장치(100b)의 제작이 용이하게 된다.
또한, 도파로 코어(19)로서 흡수단이 레이저 파장보다도 단파장인 흡수층을 이용하면, 이 흡수층에의 전류 공급에 의해 레이저 광의 전파 손실을 증대시킬 수 있다. 따라서, 출사단으로부터의 출사광 강도를 제어할 수 있게 된다. 이 경우, 이 흡수층에서 편도 -3dB 정도의 전파 손실을 발생시킴으로써, 저반사막(9)의 반사율이 0.3% 정도인 것이어도 도파로 코어(17)의 단부면에 가장 가까운 세그먼트에의 반사율을 -30dB 이하로 할 수 있어, 레이저 발진의 모드 안정화를 도모할 수 있다. 또한, 도파로 코어(17)를 결정축에 대하여 비스듬하게 하는 것에 의해서도 상기 효과를 얻을 수 있다. 이 출사광 강도의 제어를 이용하면, 도파로 코어(17)에의 전류 공급량을 변화시킬 필요는 없다. 그것에 의해, 도파로 코어(17)의 굴절률이 변화되는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 도파로 코어(17)의 굴절률 변화에 기초하는 레이저 발진의 모드 안정성 저하를 방지할 수 있다.
본 실시예에서는, 도파로 코어(17)가 제2 회절 격자 영역에 상당하고, 도파로 코어(19)가 광 흡수 영역 또는 광 증폭 영역에 상당하며, 레이저부(200b)가 반도체 레이저 또는 광학 부품에 상당한다.
<실시예 4>
계속해서, 제4 실시예에 따른 레이저 장치(100c)에 대해서 설명한다. 도 9는, 레이저 장치(100c)의 전체 구성을 도시하는 모식도이다. 도 9에 도시하는 바와 같이, 레이저 장치(100c)는, 레이저 모듈(30) 및 제어부(40)를 구비한다. 레이저 모듈(30)은, 광학 부품(31), 광 증폭기(32), 광학 부품(33), 온도 제어 장치(34) 및 서미스터(35)를 구비한다. 광학 부품(31), 광 증폭기(32) 및 광학 부품(33)은, 동일 광축을 구성하도록 온도 제어 장치(34) 상에 순서대로 배치되어 있다.
광학 부품(31)은, 상기 실시예의 CSG-DR 영역 A를 구비하는 광학 부품이다. 광학 부품(33)은, 상기 실시예의 SG-DR 영역 C를 구비하는 광학 부품이다. 광 증폭기(32)는, 제어부(40)의 지시에 따라서, 소정의 유효 파장 대역을 갖는 입력광에 게인을 부여해서 레이저 광을 출력한다. 광 증폭기(32)에 의해 출력된 레이저 광은, 광학 부품(31, 33) 및 광 증폭기(32)를 따라 전파되면서 반복 반사 및 증폭됨과 함께, 외부로 발진된다. 서미스터(35)는, 온도 제어 장치(33)의 온도를 검출하여, 그 검출 결과를 제어부(40)에 부여한다. 또한, 외부로부터의 광학 출력을 검지한 결과가 제어부(40)에 부여된다. 제어부(40)는, 서미스터(35)의 검출 결과 및 외부로부터의 광학 출력의 검지 결과에 기초하여, 온도 제어 장치(34)의 온도 및 광학 부품(31)에서의 CSG-DR 영역 A의 각 세그먼트 온도 및 광 증폭기(32)를 제어한다.
도 10은, 레이저 모듈(30)의 더욱 상세한 모식도이다. 도 10에 도시하는 바와 같이, 레이저 모듈(30)은, 제어부(40)로부터의 신호를 입력하기 위한 단자(36) 및 서미스터(35)로부터의 신호를 출력하기 위한 단자(37)를 구비한다. 단자(36)는, 온도 제어 장치(34)를 제어하기 위한 단자, 광학 부품(31)에서의 CSG-DR 영역 A의 각 세그먼트 온도를 제어하기 위한 단자 및 광 증폭기(32)를 제어하기 위한 단자를 포함한다. 또한, 단자(36) 및 단자(37)의 위치는 특별히 한정되지 않는다. 단자(36) 및 단자(37)는, 각각 반대측에 설치되어 있을 필요는 없으며, 동일 측에 설치되어 있어도 된다. 또한, 단자(36)와 단자(36)와의 사이에 단자(37)가 설치되어 있어도 된다.
이와 같이 각 광학 부품을 모듈화함으로써, 제어부로부터의 또는 제어부에의 신호의 배선이 컴팩트화된다. 그것에 의해, 레이저 장치를 소형화하는 것이 가능하다. 또한, 제1 실시예의 레이저부(200)를 모듈화해서 전원 전극(12) 및 전극(14)에 접속되는 단자를 설치함으로써 레이저 모듈을 구성해도 되고, 제2 실시예의 레이저부(200a)를 모듈화해서 전원 전극(12) 및 전극(14, 16)에 접속되는 단자를 설치함으로써 레이저 모듈을 구성해도 되며, 제3 실시예의 레이저부(200b)를 모듈화해서 전원 전극(12) 및 전극(16, 18, 20)에 접속되는 단자를 설치함으로써 레이저 모듈을 구성해도 된다.
본 발명에 따르면, 제1 회절 격자 영역에서의 세로 모드의 피크 반사 강도가 상대적으로 낮아지는 파장 범위에서의 레이저 발진을 방지하면서, 제1 회절 격자 영역에서의 세로 모드의 피크 반사 강도가 상대적으로 커지는 파장 범위에서, 안정된 레이저 발진을 실현하는 것이 가능하다. 그 결과, 레이저 발진의 모드 안정화를 도모할 수 있다.

Claims (22)

  1. 회절 격자를 갖는 제1 영역과, 상기 제1 영역에 연결되며 또한 스페이스부로 되는 제2 영역을 구비하는 세그먼트를 복수 구비한 제1 회절 격자 영역을 구비하며,
    상기 제1 회절 격자 영역에 포함되는 상기 제2 영역 중 적어도 2개의 광학적 길이는, 서로 다르고,
    상기 각 세그먼트의 굴절률은, 각각 가변인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  2. 제1항에 있어서,
    회절 격자를 갖는 제1 영역과, 상기 제1 영역에 연결되며 또한 스페이스부로 되는 제2 영역을 구비하는 세그먼트를 복수 구비한 제2 회절 격자 영역을 더 구비하며,
    상기 제2 회절 격자 영역에 포함되는 상기 제2 영역의 광학적 길이는, 실질적으로 동일하고,
    여기서 「실질적으로 동일」이란, 각 스페이스부의 길이 차가 각 스페이스부의 평균 길이의 1% 이하 정도인 것을 의미하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 회절 격자 영역에서, 상기 각 제2 영역의 광학적 길이와 다른 상기 제2 영역의 광학적 길이와의 차의 최소값은, 상기 각 제2 영역의 광학적 길이의 평균값의 1% 이상 6% 이하의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 회절 격자 영역에서, 상기 각 제2 영역의 광학적 길이와 다른 상기 제2 영역의 광학적 길이와의 차의 최소값은, 모두 동일한 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 회절 격자 영역에서의 상기 각 세그먼트는, 상기 제2 영역의 광학적 길이의 오름차순 또는 내림차순으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  6. 제1항에 있어서,
    회절 격자를 갖는 제1 영역과, 상기 제1 영역에 연결되며 또한 스페이스부로 되는 제2 영역을 구비하는 세그먼트를 복수 구비한 제3 회절 격자 영역을 더 구비하며,
    상기 제3 회절 격자 영역에서, 상기 복수의 제2 영역 중 적어도 2개의 광학적 길이는 서로 다르고, 상기 각 세그먼트의 굴절률은 각각 가변인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 레이저의 단부면에서, 광 흡수 영역 또는 광 증폭 영역을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 회절 격자 영역에서의 상기 세그먼트의 굴절률을 제어하기 위한 히터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 제1 회절 격자 영역 내 및 상기 제2 회절 격자 영역 내의 광의 위상을 조정하기 위한 위상 조정 영역을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  10. 회절 격자를 갖는 제1 영역과 상기 제1 영역에 연결되며 또한 스페이스부로 되는 제2 영역을 구비하는 세그먼트를 복수 구비한 제1 회절 격자 영역을 구비하며, 상기 복수의 제2 영역 중 적어도 2개의 광학적 길이는 서로 다르고, 상기 각 세그먼트의 굴절률은 각각 가변인 반도체 레이저에 대하여,
    상기 적어도 2개의 세그먼트의 굴절률을 서로 다르게 하는 제어를 함으로써, 상기 제1 회절 격자 영역의 복수의 세로 모드의 피크 파장 및 상기 피크 파장의 강도를 조정하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저의 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 세그먼트의 굴절률의 평균값을 일정하게 유지하는 제어를 행함으로써, 상기 제1 회절 격자 영역은 복수의 세로 모드의 피크 파장을 유지하고, 상기 피크 파장의 강도를 변화시키는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저의 제어 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 세그먼트의 굴절률의 차를 일정하게 유지하는 제어를 행함으로써, 상기 제1 회절 격자 영역의 세로 모드의 피크 파장을 변화시키면서, 상기 피크 파장의 강도를 유지하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저의 제어 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 각 세그먼트의 굴절률과 다른 상기 세그먼트의 굴절률과의 차의 최소값이 모두 동일하게 되도록, 상기 각 세그먼트의 굴절률을 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저의 제어 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 각 세그먼트의 온도를 제어함으로써 상기 각 세그먼트의 굴절률을 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저의 제어 방법.
  15. 회절 격자를 갖는 제1 영역과, 상기 제1 영역에 연결되며 또한 스페이스부로 되는 제2 영역을 구비하는 세그먼트를 복수 구비한 제1 회절 격자 영역을 구비하며,
    상기 복수의 제2 영역 중 적어도 2개의 광학적 길이는, 서로 다르고,
    상기 각 세그먼트의 굴절률은, 각각 가변인 것을 특징으로 하는 광학 부품.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 회절 격자 영역에서, 상기 각 제2 영역의 광학적 길이와 다른 상기 제2 영역의 광학적 길이와의 차의 최소값은, 상기 각 제2 영역의 광학적 길이의 평균의 1% 이상 6% 이하의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 광학 부품.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제1 회절 격자 영역에서의 상기 세그먼트의 굴절률을 제어하기 위한 히터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광학 부품.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제1 회절 격자 영역에서의 상기 각 세그먼트는, 상기 제2 영역의 광학적 길이의 오름차순 또는 내림차순으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 부품.
  19. 회절 격자를 갖는 제1 영역과, 상기 제1 영역에 연결되며 또한 스페이스부로 되는 제2 영역을 구비하는 세그먼트를 복수 구비한 제1 회절 격자 영역을 구비하는 제1 광학 부품과,
    광 증폭기를 구비하며,
    상기 복수의 제2 영역 중 적어도 2개의 광학적 길이는 서로 다르고,
    상기 각 세그먼트의 굴절률은 각각 가변인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 광학 부품 및 상기 광 증폭기는, 온도 제어 장치 상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 제1 회절 격자 영역은, 상기 세그먼트의 굴절률을 제어하기 위한 히터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치
  22. 제19항에 있어서,
    상기 레이저 장치는, 회절 격자를 갖는 제1 영역과 상기 제1 영역에 연결되며 또한 스페이스부로 되는 제2 영역을 구비하는 제2 광학 부품을 더 구비하며,
    상기 제2 회절 격자 영역에 포함되는 상기 제2 영역의 광학적 길이는, 실질적으로 동일하고,
    여기서 「실질적으로 동일」이란, 각 스페이스부의 길이 차가 각 스페이스부의 평균 길이의 1% 이하 정도인 것을 의미하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5164956A (en) 1991-10-21 1992-11-17 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Multiperiod-grating surface-emitting lasers
US5434879A (en) 1993-01-19 1995-07-18 Alcatel N.V. Gain-switched semiconductor light pulse source, and a soliton transmission system

Patent Citations (2)

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