KR100859713B1 - 온도 무의존성 외부공진레이저 - Google Patents

온도 무의존성 외부공진레이저 Download PDF

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Abstract

본 발명은 별도의 온도 제어 부품의 사용 없이 외부 온도에 무관하게 출력 광파워와 출력 파장이 일정하게 유지될 수 있는 온도 무의존성 외부공진레이저를 제공한다. 그 외부공진레이저는 반도체 증폭기; 브라그 격자(Bragg Grating)가 형성된 코어 및 상기 코어를 감싸는 클래드를 구비한 광섬유; 및 광섬유를 페룰(ferrule)에 고정하고 음의 열광학 계수를 갖는 열경화성 폴리머;를 포함하고, 브라그 격자가 형성된 부분의 코어를 감싸는 클래드의 두께가 다른 부분의 클래드보다 얇게 형성되며, 상기 열경화성 폴리머가 상기 클래드를 감싸고 있다. 본 발명의 외부공진레이저는 별도의 온도 제어 장치를 부착할 필요가 없어서, 소형 및 저가형으로 제작할 수 있기 때문에, 경제적인 WDM 광가입자망 설계에 있어서, DWDM 시스템 광원으로 유용하게 사용될 수 있다.
Figure R1020060071649
외부온도 무의존 광원, 외부공진레이저, thin-film 필터, 브라그 격자

Description

온도 무의존성 외부공진레이저{Athermal external cavity Laser}
도 1a는 종래의 TO-CAN 패키지 구조의 브라그 격자를 이용한 외부공진레이저를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 I-I 부분을 절단하여 보여주는 단면도이다.
도 2a ~ 2c는 외부공진레이저가 단일 모드로 발진하는 경우에, 모드 호핑 현상이 발생하는 현상을 설명하는 그래프들이다.
도 3은 온도에 따른 모드 호핑을 보여주는 그래프이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 외부공진레이저에 대한 단면도들이다.
도 5a ~ 5d는 제1 실시예의 외부공진레이저에 이용되는 브라그 격자에 대한 조건을 보여주는 그래프들이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 외부공진레이저에 대한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 외부공진레이저에 대한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 외부공진레이저에 대한 단면도이다.
<도면에 주요 부분에 대한 설명>
100:반도체 증폭기 110:반도체 증폭기의 후면
120:반도체 증폭기의 전면 또는 출사면 200:포커싱 렌즈
300:광섬유 320:코어
340:브라그 격자 360:클래드
370:광섬유 단면 380:클래드의 식각 부분
400:열경화성 폴리머 500:페룰
600:광섬유 구조체 700:캐버티
800:광경로보상체 810:광경로보상체 후면
820:광경로보상체 전면 900:TFML 투과형 필터
910:TFML 투과형 필터의 후면 920:TFML 투과형 필터의 전면
1000:외부공진레이저
본 발명은 파장 분할 다중화(Wavelength Division Multiplexing:WDM) 방식의 광가입자망(Passive Optical Network) 시스템에 관한 것으로, 특히 WDM 광가입자망 시스템에 사용되는 광원으로서의 외부공진레이저에 관한 것이다.
일반적으로 WDM 방식은 채널 간격을 조밀히 할수록 채널 수를 대폭 늘릴 수 있는 장점을 가진다. 그에 따라, WDM 시스템에서는 외부 온도 변화에 따라 생길 수 있는 광원의 파장 오차에 관한 허용 범위가 엄격하고, 대부분 기존 WDM 시스템에서는 써모일렉트릭쿨러(Thermo-Electric Cooler:TEC), 써미스터(thermistor)와 같은 온도 제어 부품이 내장된 고가의 버터플라이 타입으로 패키징된 DFB- LD(Distributed Feedback-Laser Diode) 광송신 모듈을 사용하고 있다.
예컨대, 채널 간격이 50 GHz 또는 100 GHz(0.4 nm 또는 0.8 nm)로 조밀한 고밀도파장다중(Dense Wavelength Division Multiplexing:DWDM) 방식에 쓰이는 광송신 모듈은 외부 온도 변화에 상관없이 인접 채널과의 간섭에 의한 누화(crosstalk)가 허용치 이상을 넘지 않도록 발진 파장이 안정화되어 있어야 함은 물론 네트워크에 사용되는 다중화/역다중화의 통과대역을 통과해 나가는 광출력도 안정되어야 한다. 이를 위해 TEC, 써미스터와 같은 온도 제어 부품이 별도로 내장된 버터플라이 패키지 형태를 사용하여 광소자의 온도가 항상 일정하도록 유지시켜 주는 방법을 사용해왔다.
그러나 이와 같이 DFB 레이저에 TEC, 써미스터와 같은 온도 제어 부품, 방열판, 온도 제어 회로 등을 추가적으로 부착하여야 할 뿐 아니라, 고가의 버터플라이 타입의 패키지 형태를 선택하여야 하기 때문에, 광송신 모듈의 가격은 어느 이상으로 낮아지기 힘들다. 또한, 발진 파장과 광출력을 고도로 안정시키기 위해서는 모니터링 광검출기와 파장 고정기 등을 추가해야 하는데, 이럴 경우 가격이 높아져서 가격 경쟁력을 최우선으로 하는 광가입자망에 적용하기 어렵다. 이러한 고가의 DFB-LD를 대체하기 위하여 외부공진레이저 구조가 광원 구조로 제시되고 있다.
도 1a은 종래의 TO-CAN 패키지 구조의 브라그 격자를 이용한 외부공진레이저를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 1a을 참조하면, 외부공진레이저는 증폭 물질로서 반도체 증폭기(10), 포커싱 렌즈(20), 및 브라그 격자(34,Bragg Grating)가 형성된 코어(32) 및 상기 코 어를 감싸는 클래드(36)를 구비한 광섬유(30)를 포함한다. 여기서 사용되는 광섬유(30)의 브라그 격자(34)는 온도에 안정적이며, 반도체 증폭기(10)의 후면(11)과 브라그 격자(34)가 외부공진기(External Cavity Laser:ECL)를 형성한다. 도면상 외부공진을 형성하는 외부공진기의 길이(Lcavity)가 양쪽 화살표로 표시되어 있다.
브라그 격자(34)가 형성된 광섬유(30)는 티오-캔(TO-CAN) 패키지를 구성하기 위해, 페룰(50,ferrule)에 열경화성 에폭시(40)로 고정되어 광섬유 구조체(60)를 형성한다. 반도체 증폭기(10)는 일반적으로 후면(11)으로 고반사(High Reflection:HR) 코팅이 될 수 있고, 전면(12), 즉 출사면으로는 무반사(Anti-Reflection:AR) 코팅될 수 있다.
한편, 포커싱 렌즈(20)는 반도체 증폭기(10)와 광섬유(30)의 광결합 효율을 향상시키기 위하여 사용된다. 광섬유(30)의 단면(37)은 광경로(Poptic)의 수직면에 일정 각도 기울어져 단면에서의 잔반사(residual reflection)를 감소시킨다. 레이저의 광경로(Poptic)는 캐버티(70,cavity) 내부로 점선으로 표시되어 있다. 이와 같은 구조에서 외부공진이 형성되면, 위상 정합(phase matching) 조건을 만족하는 파장들 중에서 브라그 격자(34)에서 반사되는 파장이 발진되어 출력되게 된다.
도 1b는 도 1a의 I-I 부분을 절단하여 보여주는 단면도로서, 코어(32), 클래드(36), 열경화성 에폭시(40) 및 페룰(50)이 동심원 구조로 적층되어 있는 구조를 보여준다.
상기 DFB-LD가 TO-CAN 패키지된 외부공진레이저의 외부온도 변화에 따른 파장 안정성을 설명하면 다음과 같다. 발진 파장을 결정짓는 격자가 반도체 이득 영역에 있는 DFB 레이저의 경우, 양산 가격은 저렴하나 온도 제어를 별도로 하지 않을 경우, 반도체 물질의 열광학 계수(∂nLD/∂T)는 2.4x10-4/K 정도이고, [식 1]에 따라 발진 파장이 1℃ 당 약 0.1 nm 정도 변화하게 된다. 여기서, nLD 는 DFB 레이저의 반도체 물질의 굴절률을 나타낸다.
∂λ/∂T = λ(∂n/∂T)/n ............[식 1]
광원의 파장 안정성을 향상시키기 위하여, 격자를 반도체 이득 물질이 아닌 열광학 계수가 낮은 광섬유에 새기는 외부공진레이저의 경우는 1℃ 당 약 0.01nm 정도로 파장 안정성이 개선될 수 있다.
그러나 외부공진레이저가 단일 모드(single-mode)로 발진하는 경우에 온도에 따른 파장 스펙트럼을 살펴보면, 일정한 외부 온도 변화마다 발진 파장이 점프하는 모드 호핑(mode hoping) 현상이 발생한다.
도 2a ~ 2c는 외부공진레이저가 단일 모드로 발진하는 경우에, 모드 호핑 현상이 발생하는 현상을 설명하는 그래프들이다.
도 2a는 외부공진의 위상 정합 조건에 의하여 결정된 외부공진모드들(92)과 광섬유의 브라그 격자에 의하여 결정되는 반사 스펙트럼(94)에 대한 그래프로서, 반사 스펙트럼(94) 내에 있는 외부공진모드들(92) 중에 제일 높은 반사율을 느끼는 m 번째 모드가 외부공진레이저의 발진 모드(90)가 됨을 보여준다.
도 2b는 외부공진모드들(110)과 반사 스펙트럼(120)이 온도의 증가에 따라 변화하는 모습을 보여주는 그래프로서, 전류가 오랫동안 주입되거나, 외부 환경 변화 등에 의해 외부공진레이저의 온도가 증가하게 되면, 외부공진모드들(92)과 반사 스펙트럼(94)이 각각 제1 이동 외부공진모드들(93) 및 제1 이동 반사 스펙트럼(95)으로 변화하게 되고, 그에 따라, 외부공진레이저의 발진 모드(90)도 제1 이동 발진 모드(91)로 변하게 된다.
여기서 외부공진모드들의 이동 정도(Δm1)는 ∂λECL/∂T이고, 이는 [식 2]에 의해 외부공진레이저를 구성하는 물질들의 열광학 계수와 광경로의 길이에 의해 정해진다.
∂λECL/∂T = λ(∑(∂ni/∂T) Li)/∑∂ni Li ................[식 2]
또한, 반사 스펙트럼의 이동 정도(ΔR1)는 격자가 새겨진 광도파로의 열광학 계수에 비례하므로, ∂λWBG/∂T 만큼 이동한다. 여기서, 첨자 WBG는 도파로 브라그 격자(Waveguide Bragg Grating)를 의미한다. 따라서, 어느 온도 범위 내에서는 최종 출력 파장은 발진 모드(90)에서 제1 이동 발진 모드(91)로 이동하여 외부공진모드들의 이동 정도(Δm1)에 준한다.
도 2c는 도 2b에서보다 외부공진레이저의 온도가 더 증가할 경우를 그린 것으로, 외부공진모드들(92)과 반사 스펙트럼(94)이 각각 제2 이동 외부공진모드들(93a)과 반사 스펙트럼(95a)으로 변하게 된다. 그러나 발진 모드는 m 번째 모드가 느끼는 반사율보다 m-1 번째 모드가 느끼는 반사율이 크기 때문에, 외부공진레 이저의 최종 출력 파장의 발진 모드는 제1 이동 발진 모드(91a)가 되는 것이 아니라 제2 이동 발진 모드(96)가 된다. 이처럼 외부 변화에 따라 발진 모드가 바뀌는 것(Hm)을 모드 호핑이라 하고, 이러한 모드 호핑 현상은 외부 온도 변화에 주기적으로 일어난다.
도 3은 온도에 따른 발진 파장의 이동 및 모드 호핑 현상을 보여주는 그래프로서, 온도 변화에 따라 주기적으로 모드 호핑이 발생하는 것을 보여주고 있다.
도 3을 참조하면, 외부공진레이저의 온도가 증가할수록 발진 파장이 점점 장파장 대역으로 이동하다가 [식 3]에 의해 정해진 일정 주기(97)마다 모드 호핑 현상이 일어나는 것을 알 수 있다.
ΔT = δλECL/［(dλ/dT)ECL -(dλ/dT)WBG] .................[식 3]
모드 호핑의 파장간격은 외부공진 광경로로 결정되는 외부공진 모드들의 간격(Δλ)만큼이다. 한편, 브라그 격자의 온도에 따른 파장 변화(99)는 ∂λWBG/∂T 이고, 모드 호핑을 의해 실제의 발진 파장의 온도에 따른 파장 변화(98)는 ∂λECL/∂T이다.
상기 단일 모드로 동작하는 외부공진레이저의 경우, 발진 파장이 급격하게 천이하는 모드 호핑 온도 영역에서 외부공진레이저의 출력 광파워는 50% 이상 급변한다고 알려져 있다. 이러한 출력 광파워의 변화는 WDM 광가입자망의 전송 품질을 급격하게 저하시킬 뿐만 아니라 소자의 온도 안정성(long-term reliability)을 떨어뜨리는 요인이 된다.
상기 단일 모드로 동작하는 외부공진레이저의 모드 호핑 문제점을 해결하기 위하여, 브라그 격자의 반사 스펙트럼은 온도에 무관하게 일정하게 유지되어야 하고, 또한, 외부공진 모드들이 온도에 무관하게 고정되도록 하여야 한다.
한편, 다중 모드(Multi-mode)로 동작되는 외부공진레이저의 경우에 모드 호핑에 의한 출력 광파워 변화는 단일 모드인 경우에 비하여 무시할만하다. 이유는 개개의 발진 모드들은 모드 호핑 시에 급격한 광출력 변화를 겪지만 각 모드들의 출력 광파워의 총합은 일정하기 유지되기 때문이다. 따라서, 다중 모드로 동작되는 외부공진레이저의 경우는 출력되는 발진파장들이 외부온도변화에 무관하도록 설계되어져야 한다. 또한, 다중 모드로 동작되는 경우, 스펙트럼 폭이 단일 모드로 발진되는 경우에 비하여 넓기 때문에 전송시 분산(dispersion)의 영향을 받으므로, 분산의 영향을 줄이기 위하여 발진되는 모드들의 간격과 수를 조절할 필요가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 WDM 광가입자망에 사용되는 광송신 모듈의 저가화를 실현을 위하여, 별도의 온도 제어 부품의 사용 없이 외부 온도에 무관하게 출력 광파워와 출력 파장이 일정하게 유지될 수 있는 온도 무의존성 외부공진레이저를 제공하는 데에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 반도체 증폭기; 브라그 격자(Bragg Grating)가 형성된 코어 및 상기 코어를 감싸는 클래드를 구비한 광섬유; 및 상기 광섬유를 페룰(ferrule)에 고정하고 음의 열광학 계수를 갖는 열경화성 폴 리머;를 포함하고, 상기 브라그 격자가 형성된 부분의 코어를 감싸는 클래드의 두께가 다른 부분의 클래드보다 얇게 형성되며, 상기 열경화성 폴리머가 상기 클래드를 감싸고 있는 온도 무의존성 외부공진레이저를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 열경화성 폴리머에 의해서 상기 브라그 격자의 반사 스펙트럼이 온도에 무관하게 유지되며, 상기 출력 광파워가 온도변화에 무관하게 유지될 수 있다.
상기 브라그 격자 부분의 클래드의 두께는 0.2 ~ 0.4 ㎛이고, 상기 열경화성 폴리머는 열광학 계수는 -1 x 10-4/deg ~ -1.6 x 10-4/deg 이고 굴절률이 1.43 ~ 1.445 정도 일 수 있다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 외부공진레이저는 상기 반도체 증폭기 및 광섬유 사이에 광경로보상체를 포함할 수 있다. 상기 외부공진레이저는 단일 모드(single-mode) 외부공진레이저일 수 있고, 상기 광경로보상체가 외부공진이 형성되는 광경로의 길이를 외부 온도에 무관하게 함으로써, 상기 외부공진레이저의 출력 파장을 온도에 무관하게 할 수 있다.
상기 광경로보상체의 열광학 계수는 -1 x 10-4/deg ~ -2.5 x 10-4/deg 이고, 상기 광경로보상체의 광경로의 길이는 500 ~ 2000 ㎛ 일 수 있다. 상기 광경로보상체는 전면과 후면으로 무반사(Anti-reflection:AR) 코팅되어 있으며, 상기 전면 및 후면이 광경로의 수직면에 대하여 일정 각도, 예컨대 1 ~ 3°로 기울어질 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 광섬유의 단면은 무반사 코팅되거나, 광경로의 수직 면에서 8°기울어져 있거나, 또는 무반사 코팅되고 광경로의 수직면에서 8°기울어질 수 있다.
본 발명은 또한 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 반도체 증폭기; 페룰에 열경화성 폴리머에 의해 고정된 광섬유; 및 상기 반도체 증폭기 및 광섬유 사이에 형성된 박막 다중층(thin-film multi-layer:TFML) 투과형 필터;를 포함하는 온도 무의존성 외부공진레이저를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 반도체 증폭기와 상기 반도체 증폭기 방향의 상기 광섬유의 단면 사이에 외부공진이 형성되며, 상기 외부공진 레이저는 출력 광파워를 온도변화에 무관하게 할 수 있다. 상기 광섬유의 단면은 프레넬(Frenel) 반사도가 3 ~ 5 % 이거나, 상기 광섬유 단면에 0.1 ㎛ 이하의 두께의 금속이 코팅되어 프레넬 반사도가 20 ~ 50 % 이거나, 또는 상기 광섬유 단면에 실리콘옥사이드(SiO2) 또는 금속 산화물 박막이 코팅되어 프레넬 반사도가 95 % 이하일 수 있다.
상기 TFML 투과형 필터는 실리콘옥사이드 및 금속 산화물 박막 중에서 굴절률과 두께가 서로 다른 적어도 두 종류의 박막들이 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다. 상기 적층 구조는 유리(glass) 기판 상에 형성되며, 상기 TFML 투과형 필터의 온도에 따른 투과 파장 변화도는 0.01 ㎚/deg 보다 작을 수 있고, 바람직하게는 상기 변화도가 온도 변화에 따라 0.003 ㎚/deg 이하일 수 있다.
상기 TFML 투과형 필터는 전면과 후면으로 AR 코팅되어 있으며, 상기 전면 및 후면이 광경로의 수직면에 대하여 일정 각도 기울어질 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 외부공진레이저는 상기 반도체 증폭기와 TFML 투과형 필터 사이 또는 상기 TFML 투과형 필터와 광섬유 사이에 광경로보상체를 포함할 수 있다. 상기 외부공진레이저는 단일 모드 외부공진레이저일 수 있고, 상기 광경로보상체가 외부공진이 형성되는 광경로의 길이를 외부 온도에 무관하게 함으로써, 상기 외부공진레이저의 출력 파장을 온도에 무관하게 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 외부공진레이저는 상기 반도체 증폭기와 상기 광섬유와의 광결합 효율을 향상시키기 위하여 포커싱 렌즈를 포함하고, 상기 반도체 증폭기는 레이저가 발진하는 출사면인 전면으로 AR 코팅이 형성되고, 후면으로 고반사(High-Reflection:HR) 코팅이 형성되며, 상기 브라그 격자와 상기 반도체 증폭기의 후면 사이에 외부공진이 형성될 수 있다.
상기 반도체 증폭기의 출사면은 반사도 1x10-3 이하이고, 다운-테이퍼(down-taper) 구조의 광모드변환기를 포함하며, 상기 출사면에서 출력되는 빔(beam)의 파필드 각도(far-field angle)가 수직 및 수평 방향으로 25°이하일 수 있다.
본 발명의 외부공진레이저는 모드 호핑 문제점을 해결하기 위하여, 격자가 새겨진 광섬유 등의 도파로의 물질 조성을 바꾸거나, 도파로의 구조를 변경해서 반사 스펙트럼이 온도에 무관하게 함으로써 출력 광파워를 일정하게 유지하게 하고, 또한 외부공진레이저의 외부공진 길이를 고정하여 외부공진 모드들을 온도에 무관하게 고정함으로써, 출력 파장을 일정하게 유지하게 한다.
이러한 본 발명의 외부공진레이저는 별도의 온도 제어 부품의 사용 없이 외 부 온도에 무관하게 출력 광파워와 출력 파장이 일정하게 유지될 수 있으므로, 파장 분할 다중화 방식의 장점인 파장 자원의 활용도를 극대화할 수 있으며 광원 모듈의 저가화로 전체 시스템의 경제성을 향상시킬 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 상부에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 구성 요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었고, 설명과 관계없는 부분은 생략되었다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 한편, 사용되는 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
출력 광파워가 외부 온도 변화에 무관하려면, 브라그 격자의 반사 스펙트럼이 일정하게 유지되어야 하고, 그러기 위해서는 도 3의 설명에서, 브라그 격자의 온도에 따른 파장 변화(99)인 ∂λWBG/∂T를 낮추어야 한다. ∂λWBG/∂T를 낮추는 방법으로 열광학 계수가 낮은 물질에 격자를 새기거나, 격자를 새기는 광도파로의 구조를 변경하여 유효굴절률을 변화시키는 등의 방법을 사용할 수 있다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 외부공진레이저에 대한 단면도들로서, 출력 광파워가 외부 온도 변화에 무관한 외부공진레이저를 보여준다.
도 4a를 참조하면, 본 실시예의 외부공진레이저(1000)는 증폭 물질로서 반도 체 증폭기(100), 포커싱 렌즈(200), 및 브라그 격자(340)가 형성된 코어(320) 및 상기 코어(320)를 감싸는 클래드(360)를 구비한 광섬유(300)를 포함한다.
여기서, 브라그 격자(340)가 형성된 부분의 코어(320)를 감싸는 클래드(360)의 두께(t)는 다른 부분의 클래드보다 얇게 형성된다. 즉, 클래드(360) 중 클래드 식각 부분(380)의 두께가 나머지 부분보다 얇게 형성된다. 또한, 클래드(360)를 감싸는 열경화성 폴리머(400)는 적절한 열광학 계수, 예컨대 음의 열광학 계수를 갖는다. 클래드(360)의 두께(t) 및 열경화성 폴리머(400)의 열광학 계수에 대해서는 이하의 도 5에 대한 설명에서 좀더 상세히 설명한다.
본 실시예의 외부공진레이저(1000)는 저가형 TO-CAN 패키지 구조를 가지며, 외부공진이 형성되는 광경로의 길이(Lcavity)는 반도체 증폭기(100)의 후면(110)에서 광섬유(300)의 브라그 격자(340)까지이다. 반도체 증폭기(100)는 외부에서 전류가 주입되면 광이 생성되는 능동 영역 및 광섬유와의 결합 효율을 향상시키는 역할을 하는 광모드변환기(Spot Size Converter:SSC)가 집적된 형태가 바람직하다. 또한, 반도체 증폭기(100)의 능동 영역은 다중 양자우물(multi-quantum well)구조가 바람직하다. 외부 전류 주입시 생성된 광은 전면(120), 즉 출사면을 통하여 광섬유 단면(370)으로 광결합 된다.
한편, 반도체 증폭기(100)의 후면(110)은 HR 코팅되고 전면(120)은 AR 코팅될 수 있다. 출사면(120)의 경우, AR 코팅 정도는 외부공진레이저의 성능에 중요한 역할을 하기 때문에, 반사도는 10- 3이하가 됨이 바람직하다. 또한, 광섬유(300)의 단면(370)은, 잔반사에 의한 소자의 성능 저하를 막기 위하여 AR 코팅되거나 또는 광경로 수직면에 8°의 경사를 가질 수 있다. 물론 AR 코팅 및 8°의 경사의 조합도 가능하다.
반도체 증폭기(100)의 광모드변환기(미도시)의 도파로는 다운-테이퍼(down-taper) 구조를 사용하여, 반도체 증폭기(100)의 능동영역에서 생성된 광 모드 크기가 출사면(120)으로 진행할수록 점진적으로 크기가 증가되도록 한다. 출사면(120)에 출력되는 파필드(far-field) 광 분포의 분산각 또는 파필드 각도(far-field angle)는 수직/수평 방향으로 25° 이하가 바람직하다.
통상 광섬유에 브라그 격자를 새겼을 경우, 브라그 격자(340)의 반사 스펙트럼은 외부 온도 변화 1℃ 당 약 0.01nm 정도 장파장으로 움직인다. 이것을 보상하기 위하여 광섬유 격자의 클래드(360)의 영역을 일부 제거하여 페룰(500)에 삽입하고, 적절한 열광학 계수를 갖는 폴리머(400) 물질로 충전한 후 고정시킨다. 이때 식각된 광섬유의 클래드(360)와 광섬유의 코어(320) 사이의 갭 또는 식각된 클래드(360)의 두께(t)는 주어진 폴리머 물질의 열광학 계수에 대하여 외부 온도 변화에 대한 광섬유의 유효 굴절률 변화가 적절한 값 이하가 되도록 조절된다.
결국, 본 실시예의 외부공진레이저는 브라그 격자(340)가 형성되는 부분의 클래드(360)의 두께를 얇게 하고 그 둘레를 음의 열광학 계수를 갖는 열경화성 폴리머(400)로 채움으로써, ∂λWBG/∂T를 낮춘다. 그에 따라, 브라그 격자의 반사 스펙트럼을 일정하게 유지할 수 있고, 출력 광파워를 외부 온도 변화에 무관하게 할 수 있다.
도 4b는 도 4a의 Ⅱ-Ⅱ 부분에 대한 단면도로서, 광섬유 구조체(600)는 코어(320)를 중심으로 클래드(360), 열경화성 폴리머(400) 및 페룰(500)이 동심원 구조로 적층되어 있음을 보여준다. 종래와 달리, 브라그 격자 부분의 클래드(360)의 두께(t)가 얇아지고 그 외각의 폴리머(400) 물질이 적절한 열광학 계수를 가짐은 전술한 바와 같다.
도 5a ~ 5d는 제1 실시예의 외부공진레이저에 이용되는 브라그 격자에 대한 조건을 보여주는 그래프들이다. 이하, 도 4를 참조하여 설명한다.
도 5a는 폴리머(400)의 굴절률이 1.43 일 때, 브라그 격자(340) 영역에 형성된 클래드(460)의 두께(t)를 적절히 변화하면서, 온도에 따른 파장 변화를 보여주고 있다. 또한, 도 5b는 폴리머(400)의 굴절률이 1.435, 도 5c는 폴리머(400)의 굴절률이 1.44, 및 도 5d는 폴리머(400)의 굴절률이 1.445인 경우 각각에, 클래드(360)의 두께(t)를 변화시키면서 온도에 따른 파장 변화를 보여주고 있다. 한편, 여기서 폴리머(400)는 열광학 계수가 음인 물질, 예컨대 열광학 계수가 -1x10-4/deg ~ -1.6x10-4/deg 정도의 물질을 사용한다.
도 5의 그래프들을 통해서, 본 발명의 외부공진레이저에 사용할 수 있는 폴리머(400)의 재질 및 클래드(360)의 두께(t)를 결정할 수 있다. 예컨대, 도 5c에서, 폴리머(400) 굴절률 값이 1.44인 경우, 클래드(360)의 두께(t)가 0.4 ㎛ 이하에서 60 ℃의 외부온도 변화에 대해 0.1nm 이하로 발진 파장 변화를 줄일 수 있다. 바람직하게는 브라그 격자 부분의 클래드(360)의 두께는 0.2~0.4 ㎛ 정도가 적절하다.
브라그 격자가 새겨진 광섬유의 클래드(360)를 제거하는 방법은 기계적 연마 또는 화학적 식각이 바람직하다. 화학적 식각의 일례로, 불산(HF) 수용액 또는 비오이(buffered-oxide etcher:BOE ) 용액에 광섬유를 적절한 시간 동안 담그는 방법 등이 있다. 시간에 따른 광섬유 클래드(320)의 식각률은 일정하므로 쉽게 식각 정도를 결정할 수 있다.
사용되는 폴리머(400) 물질은 열경화 혹은 자외선 경화가 가능한 물질을 사용한다. 특히, 자외선 경화성 폴리머 물질을 사용하는 경우, 페룰(500) 물질은 자외선에 투명해야 하므로 실리카 등의 글라스(glass) 혹은 자외선 영역에서 투과율이 좋은 물질을 사용함이 바람직하다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 외부공진레이저에 대한 단면도로서, 출력 파장과 출력 광파워가 외부 온도에 무관한 외부공진레이저의 구조를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 본 실시예의 외부공진레이저(1000)는 출력 파워 제어 측면, 즉 외부 온도에 출력 광파워가 무관하도록 하는 구조에 있어서, 제1 실시예의 외부공진레이저와 기본구조가 유사하다. 그러나 출력 파장을 외부 온도와 무관하게 유지시켜 주기 위하여, 본 실시예의 외부공진레이저(1000)는 광경로보상체(800)를 더 포함한다.
광경로보상체(800)는 외부공진이 형성되는 광경로 상에 형성되어 광경로의 길이(Lcavity)가 외부 온도에 따라 변화하는 것을 보상한다. 즉, 단일 모드 외부공진레이저에서 외부공진 길이를 고정하여 외부공진 모드들을 온도에 무관하게 고정함으로써, 출력 파장을 일정하게 유지하게 할 수 있다.
[식 2] 및 [식 3]을 이용하여 요구되는 온도 범위 내에서 모드 호핑이 억제되도록 광경로보상체(800)의 굴절률, 열광학 계수, 광경로 길이가 결정될 수 있다.
예컨대, 반도체 칩(100)의 길이가 600um, 반도체 칩(100)의 열광학 계수가 2.2x10-4/deg, 포커싱 렌즈(200)의 길이가 1000um, 브라그 격자(340) 길이가 4000um, 광섬유의 코어(320)의 열광학 계수가 0.1x10-4/deg 인 경우에, 광경로보상체(800)의 열광학 계수가 -1.5x10-4/deg 이면, 광경로보상체(800)의 광경로 길이는 1200um 정도이다. 광경로보상체(800)의 물질의 열광학 계수는 -1.0x10-4/deg ~ -2.5x10-4/deg 가 바람직하고, 이때 광경로보상체(800)의 광경로의 길이는 500um ~ 2000um 정도이다. 여기서, 광경로보상체(800)의 광경로 길이는 일반적으로 광경로보상체(800)의 두께가 될 수도 있지만, 광경로보상체(800)가 광경로에 대하여 기울어진 경우에는 실제로 광이 통과되는 경로의 길이를 의미한다.
한편, 광경로보상체(800)의 전면(820)과 후면(810)은 AR 코팅을 하고, 또한 광경로의 수직면에 대하여 광경로보상체(800)를 일정한 각도(θ)로 기울임으로써, 표면에서의 잔반사를 감소시킬 수 있다. 기울임 각도(Φ)는 1 ~ 3°정도가 바람직하다.
본 실시예의 외부공진레이저는 특히 단일 모드 외부공진레이저에 유용하게 적용할 수 있다. 즉, 단일 모드인 경우에는 모드 호핑에 의해 출력 광파워 및 출력 파장의 변화가 심하므로, 본 실시예에서와 같이 반사 스펙트럼 및 외부공진모드들의 변화 두 가지 모두를 제어함으로써, 이러한 모드 호핑을 억제시키고, 그에 따라 출력 광파워와 출력 파장이 온도 변화에 무관한 단일 모드 외부공진레이저를 용이하게 구현할 수 있다.
한편, 다중 모드의 경우, 출력 광파워는 온도 변화에 상관없이 거의 일정하므로, 광경로보상체를 삽입하는 것에 의해 출력 광파워 및 출력 파장이 온도 변화에 무관한 외부공진레이저를 구현할 수도 있다.
도 4 및 도 6에서 설명한 제1 및 제2 실시예의 외부공진레이저는 외부공진을 형성시키기 위하여 반사 필터로서 브라그 격자를 사용하는 구조를 이용한다. 그러나 광섬유의 브라그 격자는 광감광 광섬유 등을 이용하면 쉽게 제작이 가능하지만, 현실적으로 페룰에 삽입하여 열경화성 폴리머 또는 에폭시(epoxy)를 이용하여 경화하는 공정을 거치면서 반사 필터의 특성이 변화될 수 있다. 이는 열경화성 폴리머가 경화되는 과정에서 광섬유 격자에 스트레스(stress) 혹은 스트레인(strain)을 유발시키기 때문이다.
이하에서는 출력 파장과 출력 광파워가 외부 온도에 무관한 외부공진레이저로서, 광섬유의 브라그 반사 격자가 아닌 새로운 투과형 필터를 채용한 외부공진레이저에 대하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 외부공진레이저에 대한 단면도로서, 출 력 광파워가 외부 온도 변화에 무관한 외부공진레이저의 구조를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 외부공진레이저는 발진 파장을 선택하는 필터로서, 브라그 격자 대신에 박막 다중층(thin-film multi-layer:TFML) 투과형 필터(900)를 광경로 상에 삽입한다. 투과형 필터이기 때문에 별도의 반사체가 필요하다. 이를 위하여, 광섬유 단면(370)에 적절한 반사도를 갖는 물질을 코팅하여 외부공진을 형성시킨다.
예컨대, 광섬유 단면(370)에 코팅을 하지 않는 경우의 반사도가 3 ~ 5% 정도이면, 0.1um 두께 이하의 크롬, 금, 은, 백금 등의 금속 필름을 단일 코팅하는 경우는 20 ~ 50%정도까지, 실리콘옥사이드(SiO2) 또는 알루미늄옥사이드(Al2O3), 탄탈늄옥사이드(Ta2O3) 및 티타늄옥사이드(TiO2) 등의 금속산화물을 이용하여 다층 코팅을 하는 경우는 95% 정도까지 반사도를 증가시킬 수 있다. 또한, TFML 투과형 필터(900)의 전면(920)과 후면(910)에서의 잔반사를 줄이기 위하여, 광경로의 수직면에 대하여 일정한 각도(Φ)로 기울여 형성될 수 있다. 기울임 각도(Φ)는 1 ~ 3°가 바람직하다. 또한, TFML 투과형 필터(900)의 전면(920) 및 후면(910)에서의 반사를 줄이기 위하여 AR 코팅될 수 있다.
TFML 투과형 필터(900)는 글라스 기판 상에 굴절률과 두께가 서로 다른 두 종류의 SiO2 또는 Al2O3, Ta2O5, TiO2 등의 금속 산화막이 교대로 적층된 구조로 형성될 있다. TFML 투과형 필터(900)의 두께, 적층되는 층 수를 조절함으로써, 원하는 투과 대역폭, 투과 중심 파장, 투과도 등을 얻을 수 있다.
한편, TFML 투과형 필터(900)의 외부 온도에 따른 투과 파장 변화도는 0.01nm/deg 보다 작을 수 있고, 바람직하게는 0.003nm/deg 이하가 적절하다. 투과 파장 변화도가 0.003nm/deg 이하인 경우, 발진되는 파장의 온도 안정성은 외부 온도 100도 변화시에 0.3nm이하이다.
본 실시예의 외부공진레이저는 TFML를 이용하여 제1 실시예와 마찬가지로 반사 스펙트럼을 일정하게 유지함으로써, 출력 광파워가 외부 온도 변화에 무관하게 할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 외부공진레이저에 대한 단면도로서, 출력 파장과 출력 광파워가 외부 온도에 무관한 외부공진레이저의 구조를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 본 실시예의 외부공진레이저는 파장을 외부 온도 변화에 무관하도록 하는 기본 구조에 있어서는 도 7의 제3 실시예와 유사하다. 그러나 외부공진레이저의 출력 파장을 외부 온도 변화에 무관하게 유지시켜 주기 위하여, 본 실시예의 외부공진레이저(1000)는 제2 실시예에서와 같은 광경로보상체(800)를 더 포함한다.
광경로보상체(800)는 TFML 투과형 필터(900)의 좌우 적어도 어느 한쪽의 광경로 상에 형성되어 외부공진이 형성되는 광경로의 길이(Lcavity)가 외부 온도에 따른 변화하는 것을 보상한다. 광경로보상체(800)의 전면(820)과 후면(810)에 AR 코팅을 하고, 또한 광경로의 수직면에 대하여 광경로보상체(800)를 일정한 각도(θ)로 기울임으로써, 잔반사를 감소시킬 수 있음은 전술한 바와 같다.
또한, [식 2] 및 [식 3]을 이용하여 원하는 온도 범위 내에서 모드 호핑이 억제되도록 광경로보상체(800)의 굴절률, 열광학 계수, 광경로 길이가 결정될 수 있음은 물론이다. 예컨대, 반도체 칩(100)의 길이가 600um, 반도체 칩(100)의 열광학 계수가 2.2x10-4/deg, 포커싱 렌즈(200)의 길이가 1000um, TFML 투과형 필터(900)의 두께가 1000um, TFML 투과형 필터(900)의 열광학 계수가 0.04x10-4/deg 인 경우에, 광경로보상체(800)의 열광학 계수가 -1.5x10-4/deg 이면, 광경로보상체(800)의 광경로 길이는 1000um 정도이다. 한편, 광경로보상체(800)의 물질의 열광학 계수는 -1.0x10-4/deg ~ -2.5x10-4/deg 가 바람직하고, 이때의 광경로보상체(800)의 광경로 길이는 500um ~ 2000um 정도일 수 있다.
본 실시예의 외부공진레이저, 역시 제2 실시예와 마찬가지로 단일 모드 외부공진레이저에 유용하게 적용할 수 있다. 즉, 본 실시예의 외부공진레이저는 TFML 및 광경로보상체를 이용하여, 단일 모드에서의 모드 호핑을 억제시키고, 그에 따라 출력 광파워와 출력 파장이 온도 변화에 무관한 단일 모드 외부공진레이저를 용이하게 구현할 수 있다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 외부공진레이저는 격자가 새겨진 광섬유 등의 도파로의 물질 조성을 바꾸거나, 도파로의 구조를 변경 또는 새로운 형태의 필터를 사용하여 반사 스펙트럼이 온도에 무관하게 함으로써, 출력 광파워를 일정하게 유지하게 하고, 또한 외부공진레이저의 외부공진 길이를 고정하여 외부공진 모드들을 온도에 무관하게 고정함으로써, 출력 파장을 일정하게 유지하게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 외부공진레이저는 버터플라이 패키지에서와 같은 고가의 온도 제어 모듈을 사용하지 않음으로써, 온도 제어 모듈의 비용뿐 아니라 패키징 비용을 감소시켜 저가의 소자 제작을 가능케 한다.
더 나아가, 본 발명의 외부공진레이저는 외부 온도에 무관하게 출력 파장과 출력 광파워가 일정하므로, CWDM에 비해 채널 간격을 10배 이상 줄일 수 있는 DWDM 시스템 광원으로 유용하게 사용될 수 있다.

Claims (29)

  1. 삭제
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  7. 삭제
  8. 삭제
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  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 반도체 증폭기;
    페룰에 열경화성 폴리머에 의해 고정되고 상기 반도체 증폭기 방향의 단면이 소정 반사도를 갖는 광섬유; 및
    상기 반도체 증폭기 및 광섬유 사이에 형성되고, 실리콘옥사이드 및 금속 산화물 박막 중에서 굴절률과 두께가 서로 다른 적어도 두 종류의 박막들이 교대로 적층된 구조를 갖는 박막 다중층(thin-film multi-layer:TFML) 투과형 필터;를 포함하고,
    상기 반도체 증폭기와 상기 반도체 증폭기 방향의 상기 광섬유의 단면 사이에 외부공진이 형성되며,
    상기 TFML 투과형 필터가 온도에 따른 소정의 투과 파장 변화도를 가짐으로써, 상기 외부공진 레이저는 출력 광파워가 온도변화에 무관한 것을 특징으로 하는 온도 무의존성 외부공진레이저.
  13. 삭제
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 광섬유의 단면은 프레넬(Frenel) 반사도가 3 ~ 5 % 이거나, 상기 광섬유 단면에 0.1 ㎛ 이하의 두께의 금속이 코팅되어 반사도가 20 ~ 50 % 이거나, 또는 상기 광섬유 단면에 실리콘옥사이드(SiO2) 또는 금속 산화물 박막이 코팅되어 반사도가 95 % 이하인 것을 특징으로 하는 온도 무의존성 외부공진레이저.
  15. 삭제
  16. 제12 항에 있어서,
    상기 적층 구조는 유리(glass) 기판 상에 형성되며,
    상기 TFML 투과형 필터의 온도에 따른 투과 파장 변화도는 0.01 ㎚/deg 보다 작은 것을 특징으로 하는 온도 무의존성 외부공진레이저.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 투과 파장의 변화도는 온도 변화에 따라 0.003 ㎚/deg 이하인 것을 특징으로 하는 온도 무의존성 외부공진레이저.
  18. 제12 항 또는 제14 항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 알루미늄옥사이드(Al2O3), 탄탈늄옥사이드(Ta2O3) 및 티타늄옥사이드(TiO2) 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 온도 무의존성 외부공진레이저.
  19. 제12 항에 있어서,
    상기 TFML 투과형 필터는 전면과 후면으로 무반사 코팅되어 있으며,
    상기 전면 및 후면이 광경로의 수직면에 대하여 일정 각도 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 온도 무의존성 외부공진레이저.
  20. 제12 항에 있어서,
    상기 외부공진레이저는 상기 반도체 증폭기와 TFML 투과형 필터 사이 또는 상기 TFML 투과형 필터와 광섬유 사이에 형성되고, 열광학 계수가 -1 x 10-4/deg ~ -2.5 x 10-4/deg 이고, 통과하는 광의 광경로의 길이가 500 ~ 2000 ㎛ 인 광경로보상체를 포함한 것을 특징으로 하는 온도 무의존성 외부공진레이저.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 외부공진레이저는 단일 모드 외부공진레이저이고,
    상기 광경로보상체가 외부공진이 형성되는 광경로의 길이를 외부 온도에 무관하게 함으로써, 상기 외부공진레이저의 출력 파장이 온도에 무관한 특징으로 하는 온도 무의존성 외부공진레이저.
  22. 삭제
  23. 제20 항에 있어서,
    상기 외부공진레이저는 티오-캔(TO-CAN) 패키지 구조로 형성되고, 상기 외부공진레이저는 상기 반도체 증폭기와 상기 광섬유와의 광결합 효율을 향상시키기 위하여 포커싱 렌즈를 포함하며,
    상기 반도체 증폭기의 광경로 길이가 600㎛ 이고, 열광학 계수가 2.2x10-4/deg이고, 상기 포커싱 렌즈의 광경로의 길이가 1000 ㎛ 이며, 상기 TFML 투과형 필터의 광경로 길이가 1000 ㎛이고 열광학 계수가 0.04x10-4/deg 인 경우에,
    상기 광경로보상체의 열광학 계수는 -1.5 x 10-4/deg 이고, 광경로의 길이는 1000 ㎛인 것을 특징으로 하는 온도 무의존성 외부공진레이저.
  24. 제20 항에 있어서,
    상기 광경로보상체는 전면과 후면으로 무반사 코팅되어 있으며,
    상기 전면 및 후면이 광경로의 수직면에 대하여 일정 각도 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 온도 무의존성 외부공진레이저.
  25. 제19 항 또는 제24 항에 있어서,
    상기 일정 각도는 1 ~ 3°인 것을 특징으로 하는 온도 무의존성 외부공진레이저.
  26. 제12 항에 있어서,
    상기 외부공진레이저는 상기 브라그 격자의 반사 대역폭 또는 TFML의 통과 대역폭 및 외부공진 길이가 조절된 다중 모드(multi-mode) 외부공진레이저인 것을 특징으로 하는 온도 무의존성 외부공진레이저.
  27. 제12 항에 있어서,
    상기 외부공진레이저는 상기 반도체 증폭기와 상기 광섬유와의 광결합 효율을 향상시키기 위하여 포커싱 렌즈를 포함하고,
    상기 반도체 증폭기는 레이저가 발진하는 출사면인 전면으로 무반사 코팅이 형성되고, 후면으로 고반사(High-Reflection:HR) 코팅이 형성되며,
    상기 브라그 격자와 상기 반도체 증폭기의 후면 사이에 외부공진이 형성되는 것을 특징으로 하는 온도 무의존성 외부공진레이저.
  28. 제27 항에 있어서,
    상기 반도체 증폭기의 출사면은 반사도 1x10-3 이하를 가지는 것을 특징으로 하는 온도 무의존성 외부공진레이저.
  29. 제27 항에 있어서,
    상기 반도체 증폭기는 다운-테이퍼(down-taper) 구조의 광모드변환기를 포함하며,
    상기 출사면에서 출력되는 파필드 각도(far-field angle)가 수직 및 수평 방향으로 25도 이하인 것을 특징으로 하는 온도 무의존성 외부공진레이저.
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