KR100910979B1

KR100910979B1 - 폴리머 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈

Info

Publication number: KR100910979B1
Application number: KR1020070075807A
Authority: KR
Inventors: 노영욱; 윤지성; 이철희; 이형종
Original assignee: (주)켐옵틱스
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2009-08-05
Also published as: US20100208756A1; WO2009017335A1; CN101652941A; KR20090011837A

Abstract

본 발명은 넓은 파장 영역에서 파장 가변이 가능한 폴리머 광 도파로형 레이저 모듈에 관한 것으로, 상세하게는 광 신호를 발생하는 외부공진기형 광대역 광원; 광 도파로; 상기 광 도파로 상에 형성된 하나 이상의 브래그 격자; 상기 광원과 상기 광 도파로 사이에 구비된 광학 렌즈; 박막 히터로 구성된 제 1 온도 조절 장치; 온도 센서 및 열전냉각기를 포함하는 제 2 온도 조절장치;를 포함하여 구성되어, 상기 광원에서 출력된 광이 상기 광학 렌즈를 통해 집광되어 상기 광 도파로에 입력되고, 상기 제 1 온도 조절장치에 의한 열광학 효과에 의해 상기 브래그 격자의 반사 대역이 조절되며, 상기 제 2 온도 조절장치에 의해 외부 온도환경과 무관하게 상기 반사 대역이 조절되게 된다.

본 발명의 레이저 모듈은 광원과 광 도파로 사이에 집광 렌즈가 구비됨으로써, 광원과 출력 커플러 사이의 광결합 효율을 높일 수 있어 파장가변 레이저의 출력을 높일 수 있으며, 단일한 레이저 모듈로 광통신 밴드 중의 하나인 C-밴드 또는 L-밴드 내의 모든 파장을 생성할 수 있으며, 광원 및 브래그 격자필터 각각에 온도센서를 포함하는 온도조절기를 사용하여 외부환경에 독립적인 열적 환경을 조성하여 안정되고 재현성 및 신뢰성 있는 파장을 얻을 수 있으며, 티오-캔 패키지된 광원을 사용함으로써 광대역 발진 레이저 다이오드 칩의 열적/전기적/기계적 안정성이 높으며, 브래그 격자 필터, 티오-캔 패키지된 광원, V-그루브의 실장 시 능동 정렬 구조 도입을 통하여 생산율(yield)이 높은 장점이 있다.

파장가변 레이저, 폴리머 도파로, 브래그 격자, 열광학 효과, 광파장분할 다중방식

Description

폴리머 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈{Tunable Laser Module Based on Polymer Waveguides}

본 발명은 넓은 파장 영역에서 파장 가변이 가능한 폴리머 광 도파로형 레이저 모듈에 관한 것이다.

WDM(Wavelength Division Multiplexing) 광통신 기술은 현재 대부분 기간망 및 메트로망에 적용되는 기술로 하나의 광섬유로 구성된 광선로에 파장분할 다중화하여 다수의 고속신호를 전송하는 기술이다. WDM 방식의 전송망은 광전변환 없이 일부의 광파장을 선별적으로 분기/결합할 수 있고 또 일부는 통과시킬 수 있는 OADM(Optical Add/Drop Multiplexer) 기능이 필수적이다. OADM은 전송선로에 존재하는 중간 노드들 사이를 파장단위로 연결할 수 있도록 함으로써 망의 연결성을 확장하고 효율성을 높일 수 있다. ROADM(Reconfigurable OADM)은 전문 기술자의 투입 없이 원격지에서 노드의 분기/결합 파장을 재구성 할 수 있고 전체 망의 파장연결 상태를 효율적으로 재구성하여 트래픽 상황변화에 유연하게 대처할 수 있게 함으로써 망의 유지/보수 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 장점을 가진다.

ROADM은 크게 스위치 기반의 구조와 Broadcast and select(BS) 방식의 구조로 구분되어 활용되고 있고 최근에는 후자의 방식이 경로의 손실이 적어 다수의 노드를 수용하는데 유리한 특징이 있어 시스템에서 더 선호하는 방식으로 자리잡고 있다. BS 방식의 ROADM 시스템은 광분배기, 파장다중/역다중화기, 광감쇄기(VOA; Variable Optical Attenuator), 파장가변 필터 및 파장가변 레이저 등이 시스템을 구성하는 핵심 부품이다. 특히 파장가변 레이저와 파장가변 필터가 통합된 파장가변 트랜스폰더(tunable transponder)는 원격지에서 파장을 가변시켜 망을 재구성할 수 있는 기능을 제공하기 때문에 망 운영자에게 백업용 광부품의 재고 부담을 줄여주며 망 관리에 소요되는 시간을 줄일 수 있고, add/drop의 파장선택에 있어 임의 파장을 add/drop 할 수 있어 트래픽 상황변화에 효율적으로 대처 할 수 있어 망의 유지/보수 비용을 줄이는 가장 효율적인 ROADM 기술이다.

그러나 파장가변 필터 기술이 성숙되지 않았고, 파장가변 레이저가 매우 고가이기 때문에 파장가변 트랜스폰더 개발에 많은 장애가 되고 있다.

파장가변 필터의 경우 현재 광섬유 브래그 격자 기반의 필터가 개발되어 활 용되고 있어나 파장가변 응답 시간이 5초로 매우 느리고 가격 또한 높아 상용시스템에 활용도가 낮다.

파장가변 레이저 또한 DFB(Distributed Feed Back)구조를 활용한 레이저가 개발되어 활용되고 있어나 DFB 레이저의 파장가변 범위가 10 nm 이하로 좁아 C-밴드(1535 nm ~1565 nm) 내의 모든 파장을 지원하기 위하여 3-4 세트(set)의 파장가변 DFB 레이저 모듈을 사용해야 하는 단점이 있다. 또한 DFB 레이저를 이용한 파장가변 트랜스폰더는 광원이 고가이기 때문에 다채널 트랜스폰더를 백업용으로 구비해야 하기 때문에 망 운영자에게 재고 부담을 줄이는데 효율적인 해결책을 제공하지 못하고 있다.

따라서 효율적이고 경제성이 높은 ROADM 시스템용 파장가변 트랜스폰더를 구현하기 위해, 한 개의 모듈로 필요한 WDM 밴드(예를 들면 C-band)의 모든 파장을 가변 할 수 있는 파장가변 필터 및 광대역 파장가변 기능을 제공하는 파장가변 필터를 이용한 외부공진기형 파장가변 광원 개발이 필요한 실정이다.

파장가변 필터 기술로 가변 파브리-페로 필터 (Tunable Fabry-Perot Filter), 미세 기계 소자 (Micro Machined Device), 막 젠더 간섭계 (Mach-Zehnder Interferometer), 광섬유 브래그 회절 격자 (Fiber Bragg Gratings), 음향 광학 가변 필터 (Acousto-Optic Tunable Filters), 전기 광학 가변 필터 (Electro-Optic Tunable Filters), 배열 도파로 격자 (Arrayed Waveguide Grating, AWG), 활성 필터 (Active Filter), 링 공진기 가변 필터 (Ring Resonator Tunable Filters) 등이 있다.

이러한 가변 필터에 대한 설명은 D. Sadot과 E. Boimovich가 IEEE Communications Magazine의 1998년 12월호 pp. 50-55에 게시한 "Tunable Optical Filters for Dense WDM Networks"에 잘 설명되어 있다.

브래그 격자를 이용한 광 도파로형 폴리머 파장가변 필터 기술은 M. Oh 등이 Applied Physics Letters, 1998년 11월호(no2) pp. 2543-2545에 게시한 "Tunable wavelength filters with Bragg gratings in polymer waveguides" 에서 최초로 구현되었으며, 이와 관련된 기술이 2001년 미국특허(번호 US 6,303,040 B1)로 등록되었다.

폴리머 광도파로 기반의 파장가변 필터 구현을 위한 종래의 기술은 열광학 효과를 이용하여 매질의 굴절률을 변화시켜 필요로 하는 특정 파장의 광을 선택적으로 반사 혹은 투과시키는 기술로, 폴리머 광도파로의 유효 굴절률을 변화시켜 필터의 동작파장을 가변하기 위해 광 도파로 상단에 국부적으로 열을 발생할 수 있는 발열체(일반적으로 금속 박막)를 이용하였다.

그러나 금속 발열체를 이용한 종래 기술은 외부 온도가 변할 때 금속 발열체에서 발생되는 발열량과 필요로 하는 필터동작 파장 사이의 관계가 외부환경에 따라 변하기 때문에 외부 환경에 무관하게 항상 일률적인 필터 동작파장을 제공할 수 없는 단점이 있다.

또한 폴리머 광도파로 기반의 파장가변 필터를 외부공진기형 파장가변 레이저의 출력 커플러(output coupler)로 활용한 기술은 G. Jeong 등이 IEEE Photonics Technology Letters, 2006년 10월호(no. 20), pp 2102-2104에 게시한 " over 26-nm wavelength tunable external cavity laser based on polymer waveguide platforms for WDM access networks"에서 제안되었다.

게시한 논문에서 파장가변 기술로 파장가변 필터를 활용하였고, 파장가변 방법으로 M.Oh 등이 고안한 방법인 금속박막 발열체를 사용하였다. 그러나 이 경우 또한 위에서 언급된 파장가변 필터 동작을 위한 금속박막 발열체의 문제점들을 동일하게 포함하고 있다. 따라서 폴리머 광도파로 기반의 파장가변 필터를 외부공진기형 레이저의 출력 커플러로 활용할 경우 또한 외부환경에 독립적인 동작특성, 반복적 동작 시 안정성 확보 등의 문제점들을 포함하고 있다.

G. Jeong 등이 게시한 외부공진기형 레이저의 경우, 광대역 광원용 레이저 다이오드 칩을 플립칩 접속 방법으로 칩과 폴리머 브래그 격자 필터를 정렬 및 결합하는 구조를 사용하고 있어 레이저 다이오드의 출력 광을 브래그 격자를 포함하는 광 도파로에 입출력 할 때 광원과 광 도파로의 모드 크기가 서로 상의하여 결합효율(coupling efficiency)이 낮은 문제점을 가지고 있다. 이와 같이 결합효율이 낮아 게시된 기술에서 파장가변 레이저의 출력 파워가 -5 dBm 의 출력 특성을 보고하고 있다. 현재 ROADM용 광통신 시스템에서 가변파장 레이저의 광 출력 power를 0 dBm 이상으로 요구하고 있어 시스템의 요구 사향을 만족하지 못하는 문제점을 가지고 있다.

또한 G. Jeong 등이 게시한 플립칩 접속 방법의 레이저 다이오드 실장 기술은 광 도파로의 코어 높이가 4.5 um으로 매우 작기 때문에 레이저 다이오드 실장 시 일률적으로 동일한 결합 효율을 낼 수 있도록 레이저 다이오드를 실장 하기 어 려운 문제점을 가지고 있어 대량 생산 시 생산 수율(yield)이 낮은 문제점을 가지고 있다. 또한 G. Jeong 등이 게시한 외부공진기형 레이저에서 레이저 다이오드 칩은 패키지가 없는 오픈 구조를 사용하고 있기 때문에 레이저 다이오드 칩 자체의 열적/전기적/기계적 안정성이 낮은 문제점을 가지고 있다.

상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 레이저 다이오드 칩에서 출력되는 광이 효율적으로 브래그 격자를 포함하는 광 도파로에 커플링 되는 신규한 외부공진기형 레이저 모듈을 제공하는 것이며, 외부환경과는 독립적으로 안정적이며 재현성 있고 신뢰성 있는 레이저 발진 파장이 생성되며, 높은 출력과 좁은 대역폭을 가지고 30nm 이상 파장이 가변되고, 양산시 생산 수율이 높고 레이저 다이오드 칩 자체의 열적/전기적/기계적 안정성을 확보할 수 있는 외부공진기형 파장가변 레이저 모듈을 제공하는데 있다.

본 발명의 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈은 광을 발생하는 외부공진기형 광대역 광원; 광 도파로; 상기 광 도파로 상에 형성된 하나 이상의 브래그 격자; 상기 광원과 상기 광 도파로 사이에 구비된 광학 렌즈; 상기 브래그 격자가 구비된 광도파로 상에 형성된 박막 히터를 포함하는 제 1 온도조절 장치; 및 온도 센서 및 열전냉각기를 포함 하는 제 2 온도 조절장치;를 포함하여 구성되어, 상기 광원에서 출력된 광이 상기 광학 렌즈를 통해 집광되어 상기 광 도파로에 입력되고, 상기 제 1 온도 조절장치에 의한 열광학 효과에 의해 상기 브래그 격자의 반사 대역이 조절되고, 제 2 온도 조절 장치에 의하여 외부 온도 환경에 무관하게 발진 파장이 조절되는 특징이 있다.

상기 광대역 광원은 티오-캔 패키지된 광대역 파장 발진용 반도체 레이저 다이오드 칩이며, 레이저 빔의 출사면에 반사율이 1 % 이하인 반사방지막이 구비되며, 출사면의 대응면에 반사율이 80 % 이상인 고반사막이 구비되어 있는 특징이 있으며, 상기 광도파로는 폴리머를 이용하여 형성된 것이 바람직하다.

상기 티오-캔 패키지 내부 또는 외부에 온도 센서, 열전냉각기를 포함하는 제 3 온도 조절장치가 구비되어 상기 반도체 레이저 다이오드칩의 온도를 특정 온도로 조절되는 특징이 있다.

상기 제 2 온도 조절장치의 상기 온도센서는 상기 브래그 격자가 형성된 광 도파로 하부에 구비되며, 상기 제 2 온도 조절장치의 상기 열전냉각기는 상기 브래그 격자가 형성된 광 도파로 하부에 구비되고, 상기 박막 히터는 상기 브래그 격자가 형성된 광 도파로 상부에 구비된 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 상기 광 도파로는 기판 상부에 구비되며, 상기 기판 하부에 제 2 온도 조절장치의 온도 센서가 위치하며, 상기 온도 센서 하부에 온도 센서 지지층이 구비되며, 상기 온도 센서 지지층 하부에 제 2 온도 조절장치의 열전냉각기가 구비된다.

폴리머 광 도파로 뿐만 아니라, 상기 브래그 격자 또한 물질이 폴리머인 폴 리머 브래그 격자이며, 상기 광 도파로 또는 브래그 격자를 형성하는 폴리머는 할로겐 원소를 포함하며, 자외선 또는 열에 의해 경화되는 관능기를 포함한다. 바람직하게는 상기 광 도파로 또는 브래그 격자를 형성하는 폴리머는 열광학 계수가 -9.9 x 10^-4 내지 -0.5 x 10^-4 ℃^-1이며, 더욱 바람직하게는 -3.5x 10^-4 내지 -1.5 x 10^-4℃^-1이다.

상기 브래그 격자의 반사 대역의 중심 파장이 상기 제 1 온도조절장치에 의해 30nm 이상 조절되어 상기 발진되는 레이저 빔의 중심파장이 30nm 이상 조절되며, 상기 발진되는 레이저 빔의 파워는 0dBm 이상이고, 상기 발진되는 레이저 빔의 중심파장의 FWHM(full Width Half Maximum)이 0.3nm 이하인 특징을 갖는다.

상기 광도파로는 코어 및 크래드로 구성되어 있으며, 상기 코어 또는 크래드에 상기 브래그 격자가 형성될 수 있으며, 상기 코어를 구성하는 물질의 굴절률이 상기 크래드를 구성하는 물질의 굴절률 보다 높으며, 상기 브래그 격자를 구성하는 물질의 굴절률은 상기 코어를 구성하는 물질의 굴절률 내지 상기 크래드를 구성하는 물질의 굴절률인 것이 바람직하다.

상기 하나 이상의 브래그 격자는 단일한 광 도파로에 주기적으로 직렬 연결된 것이며, 상기 하나 이상의 브래그 격자의 차수는 서로 독립적으로 1, 3, 5 또는 7차의 차수를 갖는 특징이 있으며, 상기 광 도파로의 기하학적 형태는 립(rib) 구조, 리지(ridge) 구조, 인버티드 립(inverted rib) 구조, 인버티드 리지(inverted ridge)구조 또는 채널 구조일 수 있다.

상기 렌즈의 양면에 반사방지막이 형성되어 있는 것이 바람직하며, 상기 렌즈는 상기 티오-캔 패키지와 일체형으로 티오-캔 패키지의 내부 또는 외부에 구비되어 있는 것이 바람직하다.

상기 광 도파로의 광 입사면에 반사율이 1% 이하인 반사 방지막이 형성되어 있는 것이 바람직하며, 상기 광 도파로의 광 입사면 또는 적어도 코어를 포함하는 입사면의 일부면이 입사되는 광의 진행방향의 수직인 면을 기준으로 3도 내지 13도로 경사가 진 경사면인 것이 바람직하다. 상기 광 도파로의 광 입사면에 경사면이 형성되어 있는 경우, 상기 광 도파로 코어 중 입사면을 형성하는 코어를 포함하는 일부분이 스넬의 법칙을 만족하는 각도로 형성되어 있는 것이 바람직하다.

상기 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈은 광이 출력되는 상기 광 도파로의 끝단에 V-그루브 형태의 광섬유 지지체를 더 포함할 수 있으며, 상기 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈은 능동 정렬 방식으로 실장되는 특징이 있다.

본 발명의 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈은 광원과 광 도파로 사이에 집광 렌즈가 구비됨으로써, 광원과 출력 커플러 사이의 광결합 효율을 높일 수 있어 파장가변 레이저의 출력을 높일 수 있으며, 열광학 계수가 높은 폴리머 광도파로 브래그 격자 필터를 사용함으로써 단일한 레이저 모듈로 광통신 밴드 중의 하나인 C-밴드 또는 L-밴드 내의 모든 파장을 생성할 수 있으며, 광원 및 브래그 격자필터 각각에 온도센서를 포함하는 온도조절기를 사용하여 외부환경에 독립적인 열적 환경을 조성하여 안정되고 재현성 및 신뢰성 있는 파장을 얻을 수 있으며, 티오-캔 패키지된 광원을 사용함으로써 광대역 발진 레이저 다이오드 칩의 열적/전기적/기계적 안정성을 높으며, 브래그 격자 필터, 티오-캔 패키지된 광원, V-그루브의 실장 시 능동 정렬 구조 도입을 통하여 생산율(yield)이 높은 장점이 있다.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈의 일 구성도이다. 도 1에서 알 수 있듯이 광을 발생하는 외부공진기형 광원(110)과 브래그 격자(240)가 구비된 광 도파로(200) 및 광학렌즈(120)를 포함하여 구성되어, 상기 광 원(110)에서 출력된 광이 상기 광학 렌즈(120)를 통해 집광되어 상기 광 도파로(200)로 입력되게 된다. 상기 광원은 도 1과 같이 티오-캔 패키지(100)된 반도체 레이저 다이오드(110)인 것이 바람직하며, 상기 렌즈(120)는 상기 티오-캔 패키지(100) 내부에 구비되는 것이 바람직하다.

상기 렌즈(120)의 양면에 반사율이 1% 이하인 반사방지막이 형성되어 상기 광원에서 출력된 광이 렌즈에서 반사되는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 도 1의 점선 화살표로 표시한 바와 같이, 물리적인 연결이 아닌 본 발명의 핵심적 특징인 상기 렌즈(120)의 집광 과정을 통해 상기 광원(110)과 상기 광 도파로(200)가 연결되게 된다. 좀 더 상세하게는 상기 광 도파로(200)는 전반사를 유도하는 상부 크래드(210) 및 하부 크래드(220)과 광의 전송이 일어나는 코어(230)로 구성되게 되는데, 상기 렌즈(120)에 의해 집광된 광이 상기 코어(230)로 입력되는 것이다. 따라서 바람직하게는 상기 광 도파로(200)와 대면하는 렌즈면의 초점이 렌즈(120)에 의해 광이 입력되는 코어(230)의 입력면인 것이 바람직하다. 이때, 상기 광 도파로(200)는 물리적 지지를 위한 기판(250)상에 구비될 수 있다.

도 1의 기호(300)와 같이 광이 출력되는 상기 광 도파로(200)의 끝단에 광 섬유(310)를 지지 및 고정시키는 V-그루브 형태의 광섬유 지지체(300)를 더 포함할 수 있다.

상기 렌즈(120)에 의해 상기 광원(110)과 상기 광 도파로(200)가 연결되는 구조이므로, 상기 렌즈가 구비된 티오-캔 패키지(100), 상기 광 도파로(200) 및 상기 광섬유 지지체(300)는 물리적 지지를 위한 지지대(mechanical bench)에 능동 정 렬 방식으로 실장 될 수 있다.

상세하게는 도 2에 도시한 바와 같이 상기 광 도파로(200) 및 상기 광섬유 지지체(300)는 상기 지지대에 자외선 또는 열 경화 고분자 수지(1)를 이용하여 실장되며, 상기 티오-캔 패키지(100)는 상기 지지대와 기계적 결합을 통해 실장될 수 있다. 상기 기계적 결합은 상세하게는 레이저 웰더를 이용하여 광축의 정렬과 결합을 할 수 있다.

상술한 본 발명의 외부공진기형 레이저 모듈은 광원과 광 도파로가 물리적으로 연결되는 구조가 아닌 광학 렌즈를 통해 연결되므로 광학 렌즈가 구비된 상기 티오-캔 패키지, 상기 광 도파로를 능동 정렬하는 방법으로 결합 효율을 크게 증가시킬 수 있으며, 생산 효율을 높이고, 불량률을 낮추는 장점이 있다.

상기 렌즈는 렌즈의 양면에 반사방지막이 형성되어 상기 광원에서 출력된 광이 렌즈에서 반사되는 것을 방지하는 것이 바람직하며, 상기 렌즈가 상기 티오-캔 패키지 내부에 구비되어 티오-캔 패키지의 능동 실장에 의해 상기 렌즈에 의해 집광된 광이 상기 광 도파로로 입력되는 것이 바람직하다.

본 발명의 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈은 광이 출력되는 상기 광 도파로의 끝단에 V-그루브 형태의 광섬유 지지체를 더 포함할 수 있으며, 본 발명의 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈은 능동 정렬 방식으로 실장될 수 있다.

도 1 내지 도 2는 본 발명의 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈의 한 특징적 구성인 렌즈를 상세히 설명하기 위한 일 도시예이며, 바람직한 본 발명 의 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈은 도 3과 같은 구성을 갖는다.

도 3은 본 발명의 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈의 구성도이다. 도 1을 기반으로 설명한 바와 같이 렌즈를 이용하여 광원과 도파로를 연결시키고, 열광학 효과를 이용하여 발진하는 레이저 빔의 파장 대역을 조절하므로 도 1과 유사한 구성은 기호(')를 사용하여 표기하였다. 따라서 하기의 설명에서 기호(')로 표기된 구성의 상세한 설명은 이에 대응하는 도 1의 구성에 유사하게 적용된다.

도 3에서 알 수 있듯이 본 발명의 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈은 광 신호를 발생하는 외부공진기형 광대역 광원(110'), 광 도파로(200'), 상기 광 도파로(200') 상에 형성된 하나 이상의 브래그 격자(240'), 상기 광원(110')과 상기 광 도파로(200') 사이에 구비된 광학 렌즈(120') 및 박막 히터(420)를 포함하는 제 1 온도 조절장치, 온도 센서(410) 및 열전냉각기(430)를 포함하는 제 2 온도 조절장치를 포함하여 구성되어, 상기 광원(110')에서 출력된 광이 상기 광학 렌즈(120')를 통해 집광되어 상기 광 도파로(200')에 입력되고, 상기 제 1 온도 조절장치에 의한 열광학 효과에 의해 상기 브래그 격자(240')의 반사 대역이 조절되게 되며, 상기 제 2 온도 조절장치에 의해 외부의 온도 환경과 무관하게 상기 반사 대역이 조절되게 된다. 상기 광대역 광원(110')은 티오-캔 패키지(100')된 광대역 파장 발진용 반도체 레이저 다이오드 칩(110')인 것이 바람직하다.

상기 광대역 광원(110')에는 레이저 빔의 출사면에 반사율이 1% 이하인 반사방지막이 구비되며, 출사면의 대응면에 반사율이 80% 이상인 고반사막이 구비되고, 상기 브래그 격자(240')에서 반사되는 파장이 상기 출사면으로 재입력되는 피드 백(feed back)에 의해 상기 반사된 파장이 발진되어 상기 브래그 격자의 반사 대역 및 반사 대역의 중심파장을 갖는 레이저 빔을 얻게 되는 것이다.

또한 상기 제 2 온도 조절장치와 독립적으로 제어되는 제 3 온도 조절장치(510 및 520)가 구비될 수 있는데, 상기 티오-캔 패키지(100') 내부 또는 외부에 온도 센서(510) 및 열전냉각기(520)를 포함하는 제 3 온도 조절장치가 구비되어 상기 반도체 레이저 다이오드칩(110')의 온도를 외부 온도 환경과 무관하게 조절하게 된다. 상기 제 3 온도 조절장치에 의해 상기 반도체 레이저 다이오드칩(110')의 온도가 외부 환경과는 무관하게 조절되어 상기 반도체 레이저 다이오드칩(110')의 파브리-페로 공진 모드(Fabry-Perot resonance mode)의 중심 파장이 조절되게 되며, 이때, 상기 조절된 중심 파장이 상기 브래그 격자(240')에 의해 반사되는 파장과 일치하는 것이 바람직하다. 이는 반도체 레이저 다이오드 칩에서 발진된 파브리-페로 공진 모드의 중심 파장과 브래그 격자의 중심 파장이 일치하지 않을 때 레이저의 출력이 최대가 되지 않은 경우가 발생되는데, 이러한 경우 파브리-페로 공진 모드의 중심 파장을 브래그 필터의 중심 동작 파장에 일치시키는 수단으로 상기 제 3 온도 조절장치를 사용하는 것이다.

효율적이고 정확한 열광학 효과를 야기하기 위해, 상기 제 2 온도 조절장치의 상기 온도센서(410)는 상기 브래그 격자(240')가 형성된 광 도파로 하부에 구비되며, 상기 제 2 온도 조절장치의 상기 열전냉각기(430)는 상기 브래그 격자(240')가 형성된 광 도파로 하부에 구비되고, 상기 제 1 온도 조절장치의 상기 박막 히터(420)는 상기 브래그 격자(240')가 형성된 광 도파로 상부에 구비된 것이 바람직 하다.

상기 제 1 온도 조절장치의 박막 히터(420)는 전력이 인가되어 열이 발생하는 통상적인 금속 박막 히터가 모두 사용가능하나 바람직하게는 Cr, Ni, Cu, Ag, Au, Pt, Ti, Al 원소들 및 니크롬과 같은 이들의 합금으로 구성된 적층 박막으로 이루어진 군에서 선택되는 박막형의 발열체가 구비된 히터인 것이 바람직하다.

상기 제 2 온도 조절장치의 온도 센서(410) 또는 상기 제 3 온도 조절장치의 온도 센서(510)는 열에 의해 전기적 성질(전압, 저항 또는 전류량)이 바뀌는 통상적인 온도 센서에 사용되는 소자로 구성될 수 있으나 바람직하게는 써미스터를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 제 2 온도 조절장치의 열전 냉각기(430) 또는 상기 제 3 온도 조절장치의 냉각기는 통상적으로 집적 소자 또는 장치의 냉각을 위해 사용되는 냉각기가 모두 사용가능하나 바람직하게는 열전소자가 구비된 냉각기인 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이 본 발명의 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈은 집광 렌즈(120')가 구비된 티오-캔 패키지(100')된 광대역 광원(110'), 브래그 격자(240')를 포함하는 광 도파로(200') 구조의 파장가변 필터를 output coupler로 사용하며, 열전냉각기(430)와 박막 히터(420)를 동시에 사용하여 필터 동작의 중심 파장을 외부 환경에 독립적으로 가변 할 수 있는 특징을 갖는다.

이때, 상기 제 2 온도 조절장치 또는 상기 제 3 온도 조절장치의 열전냉각기는 0.1 ˚C 미만의 온도 정밀도로 온도를 조절할 수 있는 것이 바람직하며, 온도 센서는 0.1 ˚C 미만의 정밀도로 온도를 측정 할 수 있는 것이 바람직하다.

상세하게, 광 도파로(200')의 열광학 효과를 이용하여 브래그 필터(240')에서 반사되는 파장을 조절함으로써 레이저 출력 파장을 조절하는 방법을 사용하며, 브래그 격자(240')를 포함하는 광도파로(200')를 열전냉각기(430) 상부에 위치시킴으로써 레이저 출력의 중심 파장이 외부환경에 독립적인 안정된 파장 출력 특성을 갖게 된다. 파장 가변은 광도파로 상부 클래드(210') 위에 설치된 박막 히터(420)에서 발생되는 열에 따라 광도파로(200')의 유효 굴절률이 변하기 때문에 필터 동작의 중심파장이 가변 되고 따라서 박막 히터(420), 온도 센서(410) 및 열전냉각기(430)와 전기적으로 연결되어 온도 센서(410)로부터 입력되는 온도를 기반으로 상기 박막 히터(420)와 상기 열전냉각기(430)의 발열 및 흡열을 조절하는 제어부(미도시)를 통해 발진되는 레이저의 중심 파장이 가변되게 된다. 이때 상기 제어부(미도시)는 제어 프로그램이 실행되는 통상적인 마이크로프로세서 및 컴퓨터 판독 가능한 저장매체를 포함하여 구성될 수 있다.

레이저 다이오드 칩(110') 자체의 전기적/기계적 안정성을 확보를 위하여 레이저 다이오드 칩(110')을 티오-캔 패키지(100')를 이용하여 실장하며, 상기 제 3 온도 조절장치는 레이저 다이오드 칩(110')의 열적 안정성 확보를 위하여 티오-캔 패키지(100') 자체의 온도를 독립적으로 조절하게 된다. 상기 제 3 온도 조절장치를 제어하는 제어부(미도시)는 제 2 온도 조절장치의 제어부와 유사한 구성을 가질 수 있다.

상기 렌즈(120')는 렌즈(120')의 양면에 반사율이 1% 이하인 반사방지막이 형성되어 상기 광원에서 출력된 광이 렌즈에서 반사되는 것을 방지하는 것이 바람 직하며, 또한 상기 렌즈(120')가 상기 티오-캔 패키지(110') 내부에 구비되어 티오-캔 패키지(110')의 능동 실장에 의해 상기 렌즈(120')에 의해 집광된 광이 상기 광 도파로(200')로 입력되는 것이 바람직하다.

상기 광 도파로는 기판(250') 상부에 구비되며, 상기 기판(250') 하부에 제 2 온도 조절장치의 온도 센서(410)가 위치하며, 상기 온도 센서(410) 하부에 온도 센서 지지층(411)이 구비되며, 상기 온도 센서 지지층(411) 하부에 열전냉각기(430)가 구비되는 것이 바람직하다. 광 도파로를 지지하는 상기 기판(250')은 실리콘 기판, 폴리머 판, 유리 판 등이 될 수 있다.

상기 티오-캔 패키지(110')하부에 제 3 온도 조절장치의 온도 센서(510)가 위치하며, 상기 온도센서(510) 하부에 온도 센서 지지층(511)이 구비되며 상기 온도 센서 지지층(511) 하부에 열전 냉각기(520)가 구비되는 것이 바람직하다.

도 3의 기호(300')와 같이 광이 출력되는 상기 광 도파로(200')의 끝단에 광 섬유(310')를 지지 및 고정시키는 V-그루브 형태의 광섬유 지지체(300')를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈은 도 4에 도시한 바와 같이 물리적 지지를 위한 지지대(mechanical bench)에 능동 정렬 방식으로 실장될 수 있다. 상기 지지대는 바람직하게 열 전도율이 높은 금속으로 이루어 진 것이 바람직하다. 상세하게는 도 4에 도시한 바와 같이 상기 제 2 온도 조절장치의 열전냉각기(430) 및 상기 제 3 온도 조절장치의 열전 냉각기(520)가 상기 지지대에 자외선 또는 열 경화 고분자 수지(1)를 이용하여 실장된 후, 제 2 온도 조절장치 및 제 3 온도 조절장치의 온도 센서(510 및 410) 각각이 자외선 또는 열 경화 고분자 수지(1)를 이용하여 실장 되고, 광 도파로(200') 및 광섬유 지지체(300')가 자외선 또는 열 경화 고분자 수지(1)를 이용하여 실장 될 수 있다. 상기 티오-캔 패키지(100')는 상기 지지대와 레이저 웰더에 의한 기계적 결합을 통해 실장될 수 있다.

도 4는 렌즈를 사용한 접속 방법 및 티오-캔 패키지된 광원의 구성상 특징에 의해 결합 효율이 높으면서 능동 실장이 가능한 본 발명의 장점을 상세히 설명하기 위해 예시로 제시된 것이며, 본 발명을 구성하는 각 구성체의 능동실장 방법 및 순서, 실장된 구조가 도 4에 의해 한정되는 것은 아니다.

상기 레이저 다이오드 칩(110')은 InP 양자 우물(quantum well) 구조 및 파브리-페로(Fabry-Perot) 공진기 구조의 레이저 다이오드에 스팟-사이즈 컨버터(spot-size converter)가 집적된 구조를 포함하는 것이 바람직하다. 또한 레이저 발진의 파장 스펙트럼은 도 5와 같이 광대역 스펙트럼의 레이저가 발진되는 것이 바람직하다.

도 6을 기반으로 도 5와 같은 광대역 스펙트럼을 갖는 광원을 이용한 파장 가변 레이저의 작동 원리를 좀 더 상세히 살펴보고자 한다. 광 도파로(200')에 입사된 다 파장의 광대역 광신호(λ1, λ2, … , λn) 들은 브래그 격자에 의해 아래의 브래그 조건을 만족하는 특정 파장

mλ = 2nΛ, ----------- (식 1)

(식 1에서 m은 브래그 격자의 차수를 나타내는 1,3,5,7 의 홀수 이고, n 는 광 도파로의 유효 굴절률, 그리고 Λ는 브래그 격자의 주기(period)를 나타낸다)

의 광 신호(도 6의 λi)는 일정부분 반사되어 입력부로 되돌아가고, 나머지 파장의 광 신호들(λ1, …, λn)은 출력부로 모두 출력된다. 이때 입력부로 되 반사된 특정파장(도 6의 λi)은 반도체 레이저 다이오드 칩 내에서 광의 세기가 증폭되어 브래그 격자가 형성된 광 도파로로 피드 백되고 결과적으로 좁은 선폭을 가지는 파장이 λi 인 레이저가 발진되게 된다. (상기 도 6에서 화살표는 광의 진행방향을 의미하며, 각 화살표의 두께는 광의 세기를 의미한다.)

상기 광 도파로(200')의 물질이 폴리머인 폴리머 광 도파로이고, 상기 브래그 격자(240')의 물질이 폴리머인 폴리머 브래그 격자이며, 상기 광 도파로(크래드(210'및 220') 및 코어(230')) 또는 브래그 격자(240')를 형성하는 폴리머는 저손실 광학 폴리머를 포함한다. 상기 저손실 광학 폴리머는 일반적인 폴리머에 불소등의 할로겐 원소 또는 중수소를 포함하며, 열 또는 자외선 경화 가능한 관능기를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 광 도파로 또는 브래그 격자를 형성하는 폴리머는 열광학 계수가 -9.9 x 10^-4 내지 -0.5 x 10^-4 (℃^-1)인 것이 바람직하다. 일 예로, 수소가 불소로 치환된 UV 경화 가능한 아크릴레이트(acrylate) 계열의 폴리머, 불소계 폴리이미드, 불소 치환 폴리아크릴레이트, 불소 치환 메타아크릴레이트, 폴리실록산, 불소계 폴리아릴렌 에테르, 퍼풀루오르 시크로부탄 계열 폴리머 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 광 도파로 또는 브래그 격자는 대한민국 등록 특허 10-0350412, 10-0536439, 10-0511100 또는 미국 특허 US6,946,534 B2, US7,202,324에 제시된 폴리머를 사용하여 구현할 수 있다.

상기 광 도파로(200')의 세부구조 및 코어(230') 내에 형성되는 브래그 격자(240')의 위치에 대한 세부적인 설명을 도 7을 기반으로 설명하고자 한다. 상기 광도파로(200')는 코어(230') 및 크래드(210'및 220')로 구성되어 있으며, 도 7에 도시한 바와 같이 상기 코어, 상부 크래드 또는 하부 크래드에 상기 브래그 격자가 형성될 수 있으며, 상기 광 도파로의 기하학적 형태는 도 7에서 알 수 있듯이 립(rib) 구조, 리지(ridge) 구조, 인버티드 립(inverted rib) 구조, 인버티드 리지(inverted ridge)구조 또는 채널(channel) 구조일 수 있다.

폴리머 광도파로 기반의 브래그 필터의 일 예로 광 도파로 물질은 LFR을 사용하여 파장가변 필터를 제작하는 것이 바람직하며, 필터 동작을 위한 브래그 격자는 광 도파로 코어(4.5μm x 4.5μm squire shape)와 상부 크래드(굴절률 : 1.37(1550 nm 파장)) 사이에 도 8과 같이 surface relief 구조의 브래그 격자를 사용하는 것이 바람직하다. 브래그 격자는 광도파로 코어와 동일한 굴절률을 가지는 LFR 폴리머(굴절률 : 1.39(1550 nm 파장))를 사용하고, 이때 브래그 격자는 m=1차로 주기가 약 568 nm인 격자를 사용하며, 브래그 격자의 반사율은 약 40% 가 되도록 격자의 높이를 0.5 μm 미만으로 식각하는 것이 바람직하며, 도파로의 모양은 사각형(squire shape) 구조를 사용하여 파장가변 필터를 제작하는 것이 바람직하다.

상기의 일 예와 같이 상기 브래그 격자(240')를 구성하는 물질은 코어(230')를 구성하는 물질과 동일하거나, 또는 상이할 수 있으며, 상이한 경우에는 코 어(230') 물질의 굴절률 보다 높은 폴리머를 사용하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 상기 브래그 격자(240')의 굴절률은 상기 코어(230')의 굴절률 내지 상기 크래드(210'및 220')의 굴절률인 것이 바람직하다. 브래그 격자(240') 제작용 폴리머 물질이 광 도파로 코어(230') 물질 보다 굴절률이 높은 경우에는 브래그 격자(240')의 반사율을 높이는 목적으로 용의하게 활용할 수 있다. 그리고 광 도파로(200')의 유효 굴절률은 도 7에 도시된 브래그 격자의 위치, 브래그 격자의 두께, 브래그 격자의 ON/OFF 비율, 브래그 격자의 차수, 코어 및 크래딩 폴리머 물질들의 굴절률과 코어의 물리적 모양의 함수이기 때문에 도 7에 게시된 다양한 구조에서 필터 동작(특정대역의 파장을 반사시키는 동작)의 중심파장을 이론적으로 예측하기 용의하지 않으며, 제작하는 공정 또한 오차를 포함하고 있기 때문에 정확한 예측이 어렵다. 따라서 본 발명에서는 제 1 및 제 2 온도조절장치를 이용하여 브래그 격자(240')가 형성된 부분의 광 도파로(200')의 온도를 조절하여 광도파로의 유효 굴절률을 용의하게 조절함으로써 필터 동작의 중심파장을 특정 파장으로 용의하게 고정 또는 가변 할 수 있는 것이다.

필터 동작 및 outer coupler 역할을 하는 브래그 격자(240')가 형성된 광 도파로(200')는 다수의 브래그 격자가 단일한 광 도파로에 주기적으로 형성되어 직렬로 연결되어 있을 수 있으며, 상기 다수의 브래그 격자는 브래그 격자의 차수가 1, 3, 5 및 7차인 격자가 직렬로 연결되어 있는 것이 바람직하다. 동일한 브래그 격자의 두께 및 ON/OFF 비율에서 브래그 격자의 차수가 높아지면 반사스펙트럼의 대역폭이 좁아지고 반사율이 낮아지는 특징을 가지기 때문에 브래그 격자의 반사율 및 반사스펙트럼의 대역폭을 조절하기 위해, 격자의 차수가 3차 이상인 다수의 격자를 이용하는 것이다. 폴리머 광도파로에서 1차수의 브래그 격자 주기는 약 550 nm, 3차수의 브래그 격자 주기는 약 1650 nm, 5차수의 브래그 격자 주기는 약 2750 nm, 7 차수의 브래그 격자 주기는 약 3850 nm 근방이고, 이때 필터의 중심 동작 파장은 약 1550 nm 이다.

기존의 브래그 격자 필터는 주로 1차의 브래그 격자를 활용하여 파장가변 필터(본 명세서에서 필터는 물리적으로 브래그 격자가 형성된 광 도파로를 의미하며, 브래그 격자에 의한 특정 대역의 파장의 반사라는 성질에 의해 통상적으로 사용되는 필터라는 용어를 설명의 명료함을 위해 혼용하였다.)를 제작하였다. 그러나 본 발명은 1차의 브래그 격자 이외에 3차, 5차, 7차, 9차에서 선택된 하나 이상의 고차 브래그 격자를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 이들 고차의 브래그 격자의 경우 앞에서 설명한 바와 같이 주기가 1500 nm 이상이기 때문에 격자 제작 방법으로 포토마스크를 이용한 포토리소그래피(photolithography) 방법을 적용할 수 있다. 이는 브래그 격자 제작에 있어 보다 복잡하고 정밀한 방법인 레이저 간섭계(laser interferometer) 방식, 이 빔 방식(e-beam writing), 나노-임프린팅(nano-imprinting) 등의 기존 방법 보다 간단한 방법인 포토리소그래피 방법으로 대체 적용함으로써 대량 생산이 용의한 브래그 격자 제작방법을 제공할 수 있다. 이때 일반적으로 브래그 격자의 차수가 높아짐에 따라 반사율이 낮아지고, 스펙트럼 대역 폭이 좁아지는 특성을 가지기 때문에 높은 반사율 및 넓은 대역폭이 필요한 경우에는 고차(3, 5, 7차) 브래그 격자의 두께를 증가시켜 반사율을 높이거나 혹은 고차 브래그 격자의 길이를 길게 하여 반사스펙트럼 대역폭을 넓히는 방법을 사용하는 것이 바람직하다.

도 1 내지 도 8을 바탕으로 하여 본 발명의 사상을 구현하기 위한 실시예를 설명하였으나, 이때, 광원과 광 도파로가 렌즈에 의해 좀 더 효율적으로 연결되기 위해서 도 9(a)와 같이 광 도파로의 광 입사면에 반사 방지막(231)이 형성되어 있거나, 광 도파로의 입사면 또는 적어도 코어를 포함하는 면이 입사되는 광의 진행방향의 수직인 면을 기준으로 경사가 진 경사면인 것이 바람직하다. 도 9(a)의 도면은 설명의 명료함을 위해 광의 진행방향에 수직인 면이 경사지기 전 광도파로의 입사면과 동일하다는 가정하에 도시된 것이다. 도 9(a)와 같이 광 도파로에서 광이 입사되는 입사면중 적어도 코어를 포함하는 면이 α의 각도로 경사면으로 형성되어 있는 것이다. 상기의 경사면 또는 상기의 반사 방지막(231)은 광 도파로로 입사되는 광이 공기와 도파로 물질간의 굴절률 차에 의해 야기되는 광의 반사(약 4%)에 의해 다시 렌즈를 통해 광원으로 반사된 광이 입사되는 것을 방지하기 위함이다. 상술한 바와 같이 반사된 광이 다시 광원으로 입사되는 것을 방지함으로써 보다 안정적이며 잡음(noise)이 억제된 레이저 동작을 얻을 수 있는 것이다. 상기의 경사면은 건식 또는 습식 에칭을 통해 형성될 수 있으며 경사각도(α)는 3 내지 12도인 것이 바람직하며, 상기의 반사 방지막(231)은 반사율이 1% 이하인 반사방지막이 형성되는 것이 바람직하다.

또한 도 9(a) 및 도 9(b)에 도시한 바와 같이 광이 도파로에 입사되는 입사면에 경사면이 형성되어 있을 경우, 스넬의 법칙에 만족하여 광의 손실을 방지하기 위해 광 도파로 코어 중 입사면을 형성하는 코어를 포함하는 일부분이 β의 각도로 꺾여져 있는 것이 바람직하다. 상기 β의 각도는 코어를 구성하는 물질 및 공기의 굴절률(각각 n_core, n_air)과 코어의 입사면을 기준으로 광이 입사되는 각도(도 9에서는 광의 진행방향에 수직인 면이 경사지기 전 광도파로의 입사면과 동일하다는 가정에서 도시된 것이므로) α에 의해 결정되며, n_airxsin(α)= n_corexsin(β)의 스넬의 법칙을 만족하는 각도이다.

도 10은 실 제작된 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈의 발진된 레이저의 파장 및 파워를 측정한 것으로, 본 발명의 사상에 따라 도 5의 파장특성 갖는 티오-캔 패키지된 광원(파브리-페로 공진기형 반도체 레이저 칩), 광원과 광 도파로를 연결하는 렌즈, LFR계 광학 폴리머(굴절률 : 1.39(1550 nm 파장), 열 광학계수 : -2.8 x 10^-4) 물질의 코어(4.5μm x 4.5μm squire shape) 및 브래그 격자(m=1차로 주기가 약 568 nm, surface relief구조, 반사율 약 40%), LFR계 광학 폴리머 (굴절률 : 1.37(1550 nm 파장), 열 광학계수 : -2.8 x 10^-4) 물질의 크래드, 광 도파로를 지지하는 Si기판, 금속 박막 히터, 열전소자로 구성된 열전 냉각기, 바리스터로 구성된 온도센서를 이용하여 도 3과 같이 능동실장된 것이다. 도 10의 결과에서 알 수 있듯이 브래그 격자 동작의 중심 파장에서 0.2 nm 미만의 좁은 선폭을 가지는 레이저가 발진되며, 발진 파장에서 대부분의 광 파워가 집중되며, 그 나머지 파장의 광들은 상대적으로 매우 낮은 파워로 출력되는 것을 알 수 있다. 특 히 0.2 nm 미만의 좁은 선폭을 가지면서도 레이저의 power가 2 dBm 이상임을 알 수 있으며, 이 결과는 G.Jeong 의 경우 보다 7dB 이상 출력이 향상된 결과이며, 이는 본 발명의 특징인 렌즈에 의해 높아진 결합 효율을 증명하는 것이라 할 수 있다.

도 11은 상기의 실 제작된 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈의 온도(도 11의 박막 히터에 공급되는 전력량)에 따른 발진 특성을 측정한 것으로 광원을 25˚C의 온도로 유지하고, 필터의 온도를 20˚C ~ 130˚C로 변화시키며 측정한 것이다. 상기의 도 11 결과는 (식 2)와 같이 이론적으로 기술할 수 있다.

-------(식2)

이때 dλ/dT는 온도에 따른 발진된 중심파장의 변화량이며, (1/n)*dn/dT는 온도에 따른 폴리머 광도파로 물질의 열광학계수(thermo-optic coefficient)의 상대적 변화량이며, (1/Λ)*(dΛ/dT)는 온도에 따른 열팽창계수(thermal expansion coefficient)의 상대적 변화량이다. 필터 동작의 중심파장이 광통신에 사용되는 C-band내의 특정 파장인 1550 nm일때, 필터용 광도파로 제작에 사용된 물질이 ㈜켐옵틱스에서 판매하는 LFR(loss free resin) 계 광학 폴리머(굴절률 : 1.39, 열광학계수 : -2.8x10^-4) 물질이므로, 파장가변 필터의 온도에 따른 중심파장 가변 특성으로 - 0.308 nm/˚C의 결과를 얻을 수 있다. 이때 (식 2) 사용된 물질의 열팽창 계수는 Si 기판의 열팽창 계수(2.63x10^-6 μm m^-1˚C^-1) 를 사용하였다. 파장가변 필터용 폴 리머 광도파로는 Si 기판(두께 약 1 mm)위에 0.1mm 미만의 두께로 제작되었기 때문에 폴리머 광도파로의 열팽창 계수는 상대적으로 두꺼운 기판의 열팽장 계수에 의존한다. 따라서 (식 2) 에서 Si 기판의 열팽창 계수를 사용하는 것이 타당하다할 수 있다. 상기의 (식 2)의 결과와 같이 본 발명의 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈은 1 ˚C의 온도변화에 대하여 0.308 nm 파장 가변이 가능하게 되고, 약 100 ˚C의 온도 변화에 의해 광통신 파장 대역인 C-band (1535~1565 nm, 30 nm 대역폭)를 모두 가변할 수 있는 것이다.

도 11의 각 점은 도 10와 같은 파형을 갖는 발진된 레이저 빔의 중심 주파수를 측정한 것이다. 따라서 도 11의 각 점은 파브리-페로 공진기형 반도체 레이저 칩에서 광대역의 파장 폭을 가지는 레이저 발진이 일어나고 발진된 광대역 파장은 파장가변 필터에서 약 40%는 반도체레이저 칩으로 되돌아가고 나머지 60%는 투과되는데, 이때 반사 되어 되돌아가는 광의 파장 대역폭은 도 9에서 알 수 있듯이 약 0.2 nm 미만의 좁은 반치폭을 가지며 파브리-페로 공진기에 입사되어, 입사된 좁은 선폭의 레이저 광은 파브리-페로 공진기 내에서 시딩(seeding) 역할을 하게 되어 공진기 내에서 좁은 선폭의 광은 높은 이득(gain)을 얻어 출력되며 파장가변 필터를 통하여 일정 부분은 다시 공진기로 피드백(feed-back) 되고 그 나머지 부분은 파장가변 필터를 통과하여 0.2 nm 미만의 좁은 선폭을 가지는 레이저로 발진된 것이다.

상기 도 10 및 도 11의 결과로 본 발명의 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈은 상기 브래그 격자의 반사 대역의 중심 파장이 온도조절장치에 의해 외 부 환경과 무관하게 30nm 이상 조절되며, 상기 발진되는 레이저 빔의 중심파장이 30nm 이상 조절되게 되며, 상기 발진되는 레이저 빔의 파워는 0dBm 이상이고, 상기 발진되는 레이저 빔의 중심파장의 FWHM(full Width Half Maximum)이 0.3nm 이하인 특징을 갖게 된다. 도 11의 결과는 또한 (식 2)의 이론적으로 해석에 부합하는 것을 알 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시형태를 도면 및 예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.

본 발명의 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈은 WDM 광통신 시스템에서 ROADM 및 WDM기반의 수동 광 통신망(PON; Passive Optical Network) 등에서 파장가변 광원으로 광범위하게 활용될 수 있다. 또한 본 발명의 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈이 광통신에 활용될 경우 낮은 소모전력으로 안정적인 파장가변 기능을 제공하며, 브래그 격자를 포함하는 폴리머 광도파로의 큰 열광학 계수를 활용하기 때문에 파장가변의 대역폭을 획기적으로 넓힐 수 있는 효과를 낼 수 있어 ROADM 및 WDM-PON 시스템에서 트랜스폰더(transponder)의 가격을 낮추는데 매우 효과적으로 기여할 수 있다

도 1은 본 발명의 외부공진형 레이저 모듈의 구성도의 일예이며,

도 2는 본 발명의 외부공진형 레이저 모듈의 능동 실장 방법의 일 예를 도시한 것이며,

도 3은 본 발명의 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈의 구성도의 일예이며,

도 4는 본 발명의 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈의 능동 실장 방법의 일 예를 도시한 것이며,

도 5는 본 발명의 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈의 광대역 광원의 파장 스펙트럼이며,

도 6은 본 발명의 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈의 파장 가변 및 발진의 작동 원리를 설명하기 위한 모식도이며,

도 7은 본 발명의 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈의 광 도파로의 세부구조 및 브래그 격자의 형성 위치의 일 예를 도시한 것이며,

도 8은 본 발명의 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈의 브래그 격자의 제조 예인 surface relief 구조의 브래그 격자의 SEM(Scanning Electron Microscopy) 사진이며,

도 9는 본 발명의 본 발명의 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈의 광 도파로의 광 입사면의 세부구조를 도시한 일 예이다.

도 10는 본 발명의 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈의 발진된 레 이저 빔의 파장을 측정한 것이며,

도 11은 본 발명의 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈의 박막 히터의 작동에 의한 온도에 따른 발진된 레이저 빔의 중심 파장을 측정한 것이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100, 100': 티오-캔 패키지된 광원 110, 110': 레이저 다이오드 칩

120, 120': 광학 렌즈 200, 200': 광 도파로

210, 220, 210', 220': 크래드 230, 230': 코어

240, 240': 브래그 격자 300, 300': 광섬유 지지대
250, 250': 기판

410, 510 : 온도 센서 420: 박막 히터

430 : 열전 냉각기 520 : 열전 냉각기

1 : 열 또는 자외선 경화 수지

Claims

광을 발생하는 외부공진기형 광대역 광원;

광 도파로;

상기 광 도파로 상에 형성된 하나 이상의 브래그 격자;

상기 광원과 상기 광 도파로 사이에 구비된 광학 렌즈;

상기 브래그 격자가 구비된 광도파로 상에 형성된 박막 히터를 포함하는 제 1 온도조절 장치; 및

온도 센서 및 열전냉각기를 포함 하는 제 2 온도 조절장치;

를 포함하여 구성되어,

상기 광원에서 출력된 광이 상기 광학 렌즈를 통해 집광되어 상기 광 도파로에 입력되고,

상기 제 1 온도 조절장치에 의한 열광학 효과에 의해 상기 브래그 격자의 반사 대역이 조절되고, 제 2 온도 조절 장치에 의하여 외부 온도 환경에 무관하게 발진 파장이 조절되는 것을 특징으로 하는 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈.
제 1항에 있어서,

상기 광대역 광원은 티오-캔 패키지된 광대역 파장 발진용 반도체 레이저 다이오드 칩이며, 레이저 빔의 출사면에 반사율이 1% 이하인 반사방지막이 구비되며, 출사면의 대응면에 반사율이 80% 이상인 고반사막이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈.
제 1항에 있어서,

상기 광도파로는 폴리머를 이용하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈.
제 2항에 있어서,

상기 티오-캔 패키지 내부 또는 외부에 온도 센서, 열전냉각기를 포함하는 제 3 온도 조절장치가 구비되어 상기 반도체 레이저 다이오드칩의 온도를 특정 온도로 조절하는 것을 특징으로 하는 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈.
제 1항에 있어서,

상기 제 2 온도 조절장치의 상기 온도센서는 상기 브래그 격자가 형성된 광 도파로 하부에 구비되며, 상기 제 2 온도 조절장치의 상기 열전냉각기는 상기 브래그 격자가 형성된 광 도파로 하부에 구비되고, 상기 박막 히터는 상기 브래그 격자가 형성된 광 도파로 상부에 구비된 것을 특징으로 하는 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈.
제 5항에 있어서,

상기 광 도파로는 기판 상부에 구비되며, 상기 기판 하부에 제 2 온도 조절장치의 온도 센서가 위치하며, 상기 온도 센서 하부에 온도 센서 지지층이 구비되며, 상기 온도 센서 지지층 하부에 제 2 온도 조절장치의 열전냉각기가 구비되는 것을 특징으로 하는 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈.
제 3항에 있어서,

상기 브래그 격자의 물질이 폴리머인 폴리머 브래그 격자이며,

상기 광 도파로 또는 브래그 격자를 형성하는 폴리머는 할로겐 원소를 포함하며, 자외선 또는 열에 의해 경화되는 관능기를 포함하는 것을 특징으로 하는 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈.
제 7항에 있어서,

상기 광 도파로 또는 브래그 격자를 형성하는 폴리머는 열광학 계수가 -9.9 x 10^-4 내지 -0.5 x 10^-4 ℃^-1인 것을 특징으로 하는 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈.
제 8항에 있어서,

상기 브래그 격자의 반사 대역의 중심 파장이 상기 제 1 온도조절장치에 의해 30nm 이상 조절되어 상기 발진 파장의 중심이 30nm 이상 조절되는 것을 특징으로 하는 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈.
제 8항에 있어서,

상기 발진 파장의 파워는 0dBm 이상인 것을 특징으로 하는 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈.
제 8항에 있어서,

상기 발진 파장의 FWHM(full Width Half Maximum)이 0.3nm 이하인 것을 특징으로 하는 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈.
제 8항에 있어서,

상기 광도파로는 코어 및 크래드로 구성되어 있으며, 상기 코어 또는 크래드에 상기 브래그 격자가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈.
제 12항에 있어서,

상기 코어를 구성하는 물질의 굴절률이 상기 크래드를 구성하는 물질의 굴절률 보다 높으며, 상기 브래그 격자를 구성하는 물질의 굴절률은 상기 코어를 구성하는 물질의 굴절률 내지 상기 크래드를 구성하는 물질의 굴절률인 것을 특징으로 하는 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈.
제 12항에 있어서,

상기 하나 이상의 브래그 격자는 단일한 광 도파로에 주기적으로 직렬 연결된 것이며, 상기 하나 이상의 브래그 격자의 차수는 서로 독립적으로 1, 3, 5 또는 7차의 차수를 갖는 것을 특징으로 하는 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈.
제 1항에 있어서,

상기 광 도파로의 기하학적 형태는 립(rib) 구조, 리지(ridge) 구조, 인버티드 립(inverted rib) 구조, 인버티드 리지(inverted ridge)구조 또는 채널 구조인 것을 특징으로 하는 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈.
제 1항에 있어서,

상기 렌즈의 양면에 반사방지막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈.
제 2항에 있어서,

상기 렌즈는 상기 티오-캔 패키지와 일체형으로 티오-캔 패키지의 내부 또는 외부에 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈.
제 1항에 있어서,

상기 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈은 광이 출력되는 상기 광 도파로의 끝단에 V-그루브 형태의 광섬유 지지체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈.
제 1항에 있어서,

상기 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈은 능동 정렬 방식으로 실장되어 있는 것을 특징으로 하는 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈.
제 3항에 있어서,

상기 광 도파로의 광 입사면에 반사율이 1% 이하인 반사 방지막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈.
제 3항에 있어서,

상기 광 도파로의 광 입사면 또는 적어도 코어를 포함하는 입사면의 일부면이 입사되는 광의 진행방향의 수직인 면을 기준으로 3도 내지 13도로 경사가 진 경사면인 것을 특징으로 하는 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈.
제 21항에 있어서,

상기 광 도파로 코어 중 입사면을 형성하는 코어를 포함하는 일부분이 스넬의 법칙을 만족하는 각도로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 외부공진 광 도파로형 파장가변 레이저 모듈.