이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 파장 가변 레이저의 전체 구조를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 2는 상기 파장 가변 레이저에 사용되는 슬릿판의 예시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 파장 가변 레이저는, 광대역 파장 영역의 광 신호를 발생하는 광증폭기(11)와, 상기 광증폭기(11)의 출력측과 피드백 입력측에 각각 연결되어 최대 전송 및 이득을 갖도록 광 신호의 편광 상태를 정렬하는 제1,2 편광 제어기(Polarization controller)(12,13)와, 상기 제1 편광 제어기(12)로부터 입력된 광신호를 콜리메이터(15)로 전달하고 상기 콜리메이터(15)로부터 입력된 광신호를 상기 광 커플러(6)로 전달하는 광 서큘레이터(Optical circulator)(14)와, 상기 광서큘레이터(14)로부터 입력되는 광증폭기(11)의 출력 광신호를 평행광선으로 변형하여 파장 선택 필터(16)로 전달하는 콜리메이터(15)와, 일정 속도로 회전하는 하나 이상의 슬릿을 통해 상기 광증폭기(11)의 출력 광신호에서 특정 파장을 필터링하는 파장 선택 필터(16)와, 상기 파장 선택 필터(16)에서 필터링한 파장의 광신호의 일부를 상기 제2 편광 제어기(13)를 통해 광증폭기(11)로 피드백시키고 상기 광신호의 나머지를 출력단으로 출력시키는 광 커플러(17)를 포함한다.
더하여, 상기 파장 선택 필터(16)는, 상기 콜리메이터(15)로부터 입사된 평행광의 방향을 파장별로 다르게 조정하여, 상기 광증폭기(11)의 출력 광신호의 파장을 공간적으로 분리하는 회절 격자(diffraction grating)(161)와, 상기 회절 격자(161)에 의해 파장이 공간적으로 분리된 광신호를 수평방향으로는 시준하고 수직방향으로 집중시키는 렌즈(162)와, 하나 이상의 슬릿을 구비하고 상기 렌즈(162)의 초점 면에서 일정 속도로 회전하여 렌즈(162)로부터 전달된 광신호에서 특정 파장의 광신호를 필터링하는 슬릿판(163)과, 상기 렌즈(162)의 초점 면에 상기 슬릿 판(163)과 근접하도록 배치되어 상기 슬릿판(163)을 통과한 특정 파장의 광신호를 전반사하는 반사부재(164)를 포함한다.
상술한 구성에 있어서, 광증폭기(11)는, 광대역 파장 영역의 광신호를 발생시키면서, 피드백 입력단으로 입력된 광신호를 증폭 출력하기 위한 것으로서, 바이어스 전류가 인가되면 자연 증폭 방출(ASE:Amplified spontaneous emission)이 발생하여 광대역의 광신호를 출력하면서, 피드백 입력단으로 입력된 광신호를 증폭 출력하는 SOA(Semiconductor Optical Amplifier)로 구현되는 것이 바람직하다. 그러나 이에 꼭 한정되지는 않으며, SOA뿐만 아니라, gain chip, EDF를 이용한 광대역 광원, Fabry-perot 레이저 등 그 외 모든 광대역 광원을 이용하여 구현될 수 도 있다.
제1,2 편광 제어기(12,13)는 상기 광증폭기(11)로부터 출력되거나, 상기 광증폭기(11)로 피드백 입력되는 광신호의 편광 상태를 정렬한다.
광 서큘레이터(14)는 상기 제1 편광 제어기(12)를 통해 광대역 증폭기(11)의 출력에 연결된 제1 포트(P1)와, 상기 콜리메이터(15)와 연결된 제2 포트(P2)와, 광 커플러(17)와 연결된 제3 포트(P3)를 구비하고 있으며, 제1 포트(P1)로 입력된 광신호는 제2 포트(P2)로 전달하며, 제2 포트(P2)로 입력된 광신호는 제3포트(P3)로 전달하여, 상기 파장 선택 필터(16)에서 필터링된 광신호가 상기 광증폭기(11)의 출력측으로 되돌아가는 것을 방지한다.
파장 선택 필터(16)는 광대역 광신호에서 특정 파장의 광신호를 필터링하기 위한 것으로서, 상기 파장 선택 필터(16)에서 필터링되는 광신호의 대역 폭(bandwidth)는 슬릿의 폭에 비례하고, 파장 가변 속도는 슬릿의 회전 속도에 비례하며, 필터링 반복 속도는 슬릿의 개수에 비례한다. 더하여, 상기 파장 선택 필터(16)에서 필터링되는 광 신호의 파장은 상기 슬릿판(163)의 수평방향 위치, 즉, 상기 슬릿판(163)에 형성된 슬릿의 광축상에서의 위치에 따른다.
도 2는 본 발명에 의한 파장 가변 레이저에 구비되는 슬릿판(163)의 예시도로서, 중심점을 기준으로 반시계 방향(또는 시계방향)으로 회전하는 원형의 회전판(163a) 상에 일정 길이 및 일정 폭의 슬릿(163b)들이 중심점을 기준으로 일정 각도로 형성되어 이루어진다. 상기 회전판(163a)은 수평방향으로 이동가능하도록 구현된다. 여기서, 상기 슬릿(163b)이 직선인 것으로 예시되어 있으나, 상기 슬릿(163b)는 곡선의 형태를 갖을 수도 있다.
상술한 구성에 있어서, 광증폭기(11)와 제1,2 편광제어기(12,13)와 광 서큘레이터(14)와 광 커플러(17)는 광섬유에 의해 링 구조(ring-cavity geometry)로 연결되며, 파장 선택된 광 출력은 상기 광 커플러(17)로부터 얻어진다.
이어서 상술한 바와 같이 구성된 파장 가변 레이저의 동작을 설명한다.
먼저, 상기 광증폭기(11)에 바이어스 전류가 인가되면, 자연 증폭 방출(ASE)에 의해 광대역의 광신호가 발생된다. 상기 광증폭기(11)로부터 출력된 광신호는 제1편광제어기(12)에서 편광 상태가 정렬된 후, 광 서큘레이터(14)의 제1 포트(P1)로 입력되고, 광 서큘레이터(14)의 제2 포트(P2)로 출력된다.
상기 광 서큘레이터(14)의 제2 포트(P2)에는 콜리메이터(15)가 연결되어 있고, 상기 콜리메이터(15)의 뒤에는 회절 격자(161)가 배치되어 있어, 상기 광 서큘 레이터(14)의 제2 포트(P2)에서 출력된 광신호가 콜리메이터(15)에 의해 평행 광선으로 출력되며, 상기 회절 격자(161)는 상기 콜리메이터(15)로부터 출력된 평광선의 방향을 파장별로 다르게 조정하여, 파장을 공간적으로 분리한다.
상기 파장이 공간적으로 분리된 광신호는 상기 회절 격자(161)의 뒷 단에 배치된 렌즈(162)를 통과하면서 초점 조절되어 반사부재(164)로 입사된다. 상기 반사부재(164)는 거울로 구현될 수 있다. 상기 렌즈(162)는 수평방향으로는 각 파장을 평행하게 출력하고 수직방향으로는 한점으로 집중하여, 수평 스펙트럼 바(spectral bar)를 출력한다.
상기 렌즈(162)의 초점 면에 배치된 슬릿판(163) 및 반사부재(164)는, 상기 광대역의 수평 스펙트럼 바에서 특정 영역을 선택하여 반사한다. 더 구체적으로 설명하면, 상기 슬릿판(163)과 반사부재(164)는 기하학적으로 가능한 만큼 가깝게 배치되어 있으며, 상기 수평 스펙트럼 바가 상기 슬릿판(163)에 도달하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 수평 스펙트럼 바 중에서, 상기 슬릿판(163)에 형성된 슬릿(163b)에 도달한 영역의 파장이 상기 슬릿판(163)을 통과하여 반사부재(164)에서 반사된다. 여기서, 상기 슬릿판(163)을 통과하여 반사된, 즉 필터링된 광신호의 파장은 상기 슬릿판(163)의 수평 방향 위치(즉, 슬릿(163b)의 광축상에서의 위치)에 따른다. 따라서, 상기 슬릿판(163)을 수평 방향으로 이동시킴으로써, 선택되는 파장을 조정할 수 있다. 이때, 슬릿판(163)과 반사부재(164)는 일관성 있게 상기 렌즈(162)의 초점 면에 위치하여야 한다.
따라서 상기 파장 선택 필터(16)에서 필터링된 광신호의 대역폭은 상기 슬 릿(163b)의 폭에 비례하고, 필터링 속도는 상기 슬릿(163b)의 회전 속도에 비례하고, 필터링 반복 속도는, 상기 슬릿(163b)의 개수에 비례한다.
상기와 같이 슬릿판(163)을 통과하여 반사부재(164)에서 반사된 특정 파장의 광 신호는, 상기 렌즈(162)와 회절 격자(161)를 통해서 상기 콜리메이터(15)로 다시 전달된다.
상기 필터링된 광신호는 상기 콜리메이터(15)에 의해 광 서큘레이터(14)의 제2 포트(P2)로 입사된 후, 제3 포트(P3)를 통해 광 커플러(17)로 전달된다.
상기 광 커플러(17)는 입사된 빛의 일부를 피드백시켜 광증폭기(11)로 전달하고, 나머지를 출력단으로 출력시킨다. 예를 들면, 20:80의 분배율을 갖는 광 커플러를 사용하여, 입사된 빛의 20%를 광증폭기(11)로 피드백하고, 입사된 빛의 나머지 80%를 출력단으로 보낸다. 상기 광 커플러(17)의 분배율에 의해 출력 파워의 크기를 조절을 할 수 있다.
따라서 상기 파장 선택 필터(16)에서 필터링된 특정 파장의 광 신호는 광증폭기(11)로 피드백된다. 이때 상기 광증폭기(11)는 상기 피드백된 광신호의 파장에 동기하여 발진하며, 따라서 상기 특정 파장대의 광신호가 상기 광증폭기(11)에서 증폭되어 출력된다.
여기서, 제1,2 편광 제어기(12,13)는 편광 상태에 의존하는 광증폭기(11) 및 회절 격자(161)를 위하여, 상기 광증폭기(11)로부터 출력되거나, 광증폭기(11)로 입력되는 광 신호의 편광 상태를 정렬하여, 최대 전달 이득을 갖도록 한다.
상기 선택된 파장의 광 신호는, 링 구조에서 순환을 반복하면서 계속 증폭됨 에 의해 적정 출력(예를 들어, 5mW)에 도달하며, 상기 적정 출력을 갖는 선택된 파장의 광신호가 출력단으로 출력된다.
도 3은 본 발명에 의한 파장 가변 레이저에 있어서, 상기 파장 선택 필터의 출력 스펙트럼도이다. 여기서 상기 슬릿판(163)에 구비된 슬릿(163b)은 0.5mm의 폭으로 구현되었다. 도 3을 참조하면, 슬릿의 폭이 0.5mm인 파장 선택 필터(16)의 출력 신호에 대한 3dB-대역폭은 0.8nm로 측정되었으며, 이러한 3dB 대역폭 특성은 전 파장대에서 균일하게 나타난다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 파장 가변 레이저의 출력 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 상기 도 4는, 상기 슬릿판(163)를 100Hz의 속도로 회전시켰을때의 출력 파장을 피크 홀드(peak hold)방식으로 측정을 한 출력 스펙트럼이다. 상기 피크 홀드 방식은, 광 스펙트럼 분석기(OSA)에서 출력되는 최고 값만을 보여주는 방식으로, 보통 파장 가변 레이저의 스캔 속도를 측정을 할 때 많이 사용한다.
상기 측정에서, 파장 가변 레이저의 동작 온도는 25℃이며, 광증폭기(11)의 동작 전류는 250mA이었다. 여기서, 전체 파장 가변 범위는 80nm로 나타났으며, 피크 파장에서의 출력 파워는 약 5mW로 나타났다.
도 4를 참조하면, 해당 파장 가변 레이저의 3dB 가변 대역폭은 약 45nm이며, 1300nm 내지 1350nm 영역에서 상기 슬릿판(163)의 이동에 의해 결정된 0.8nm 간격으로 안정적인 발진이 발생하였다. 상기 모든 채널에서의 출력 파워는 5mW 이상이 고, SMSR(Side mode suppression ratio)는 70dB 이상으로 측정되었다.
도 5는 본 발명에 의한 파장 가변 레이저에 있어서, 슬릿판(163)을 회전 시키지 않고 고정 시켰을 때 파장 가변 레이저의 출력 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 선폭이 매우 좁은 단일 모드의 출력 스펙트럼으로 3dB-대역폭은 0.026nm이었다. 상기 출력 파워는 더 높은 출력 커플링 비율을 사용하고, 각 구성요소로부터의 손실을 감소시킴에 의해서 더 증가시킬 수 있다.
이상의 측정 결과로부터 본 발명에 의한 파장 가변 레이저가 안정적인 파장 가변 특성을 나타냄을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자에게 있어 명백할 것이다.