KR101053372B1 - 외부 공진기를 이용한 파장 가변형 반도체 레이저 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레이저 다이오드 칩의 전면 또는 후면에 경사거울을 설치하고 이 경사거울의 상부에 렌즈와 선택 파장을 가변시킬 수 있는 파장선택 필터를 설치하여 레이저 칩의 전면 또는 후면에서 방출되는 빛이 경사거울에서 반사되어 상부의 렌즈 및 필터로 전송된 후 필터에서 조절되어 선택된 특정 파장이 다시 렌즈 및 경사거울을 거쳐 레이저 다이오드 칩으로 피드백될 수 있도록 하는 외부 공진기를 이용한 파장 가변형 반도체 레이저에 관한 것이다.
본 발명에 따른 외부 공진기를 이용한 파장 가변형 반도체 레이저는 레이저 다이오드 칩의 일측에서 방출되는 레이저 빛 중 선택된 파장의 빛의 일부 또는 전부를 레이저 다이오드 칩의 외부에서 파장 가변 필터를 이용하여 레이저 다이오드 칩으로 피드백시키는 외부 공진기형 반도체 레이저에 있어서, 상기 레이저 다이오드 칩(100)의 일측 단면에서 수평으로 방출되는 레이저 빛을 상부에 설치된 파장 가변 필터(410)에 입사시키는 경사거울(500)이 상기 레이저 다이오드 칩(100)의 일측에 설치되는 것을 특징으로 한다.
공진기, 반도체 레이저, 파장 가변 필터, 경사거울, 회절 격자

Description

외부 공진기를 이용한 파장 가변형 반도체 레이저 {Tunable Semiconductor laser with external cavity}
본 발명은 외부 공진기(external cavity)를 이용한 파장 가변형 반도체 레이저에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저 다이오드 칩의 전면 또는 후면에 경사거울을 설치하고 이 경사거울의 상부에 렌즈와 선택 파장을 가변시킬 수 있는 파장선택 필터를 설치하여 레이저 칩의 전면 또는 후면에서 방출되는 빛이 경사거울에서 반사되어 상부의 렌즈 및 필터로 전송된 후 필터에서 조절되어 선택된 특정 파장이 다시 렌즈 및 경사거울을 거쳐 레이저 다이오드 칩으로 피드백될 수 있도록 하는 외부 공진기를 이용한 파장 가변형 반도체 레이저에 관한 것이다.
현재 대량의 정보를 수송하는 방법으로써 광통신이 널리 사용되고 있다. 광통신은 국가간의 정보통신뿐만 아니라, FTTH(Fiber To The Home), FTTP(Fiber To The Pole) 등의 방식으로 가정에 집적 광 중계를 통한 대용량의 정보가 소통되는 상황에 이르고 있다. 이러한 대량 정보 유통을 위한 광통신은, 광통신에 사용되는 빛을 만드는 소자인 발광소자와, 광신호를 전달하는 매체로인 광섬유와, 전달된 광신호를 전기신호로 바꾸어 주는 수광소자를 필수적으로 필요로 하게 된다. 이 중 광통신에 이용되는 빛을 만드는 발광소자로 반도체 소자 제조 기법을 사용하는 레이저 다이오드가 사용된다. 이 레이저 다이오드는 전기 신호를 빛(광) 신호로 바꾸어주는 소자이다.
반도체 레이저 다이오드에는 전기를 빛으로 만들어주는 이득 매질에 빛의 방향성을 결정하여 주는 광도파로가 설정되고, 빛을 피드백(Feedback) 시킬 수 있는 반사거울이 조합된다. 가장 간단한 반도체 레이저 다이오드는 Fabry-Perot(이하, "FP"로 약칭한다)형의 레이저 다이오드로써, 이득 매질의 양 끝단이 반사거울로 작용하는 구조가 된다. 빛이 반사하여 공진되는 부분을 공진기라 하며 통상의 반도체 레이저 다이오드 칩은 반도체 레이저 다이오드 칩의 양 단면 사이에서 빛이 공진하므로 이 양단면이 공진기를 형성하게 된다. 이러한 FP형 레이저 다이오드에서 레이저 발진하는 빛의 파장은 레이저 다이오드 칩의 양 끝단을 빛이 왕복할 때 빛의 위상이 2π(360°) 바뀌는 조건인 Bragg law를 만족하는 빛 중에서 레이저 다이오드의 이득 분포내에 있는 파장들로 구성된다. 통상적으로 반도체 레이저 다이오드 칩의 길이가 300㎛ 정도일 때 Bragg law에 의한 허용 파장들의 간격은 대략 0.8nm에 해당한다. 그러므로 1550nm 대역의 광통신용 레이저 다이오드를 기준으로 할 때 FP 발진 모드는 파장 간격이 0.8nm인 수많은 모드들이 허용된다. 이러한 허용 모드들에서 반도체 이득 매질의 이득 특성과 일치하는 파장의 빛들이 실질적으로 FP형의 발진 모드로 발진하게 된다. 통상적으로 FP형 레이저 다이오드 칩에서는 10개 정도 의 모드가 동시에 발진한다. 즉 FP형 레이저 다이오드 칩의 총 발진 선폭은 10개의 발진 모드 넓이의 절반인 5nm 정도의 발진 선폭을 가지게 된다.
근래에 하나의 광섬유를 이용하여 여러 가지 다른 파장의 빛을 동시에 전송하는 파장 다중화형의 광통신이 널리 채택되고 있다. 파장 다중화형 광통신의 한 방법인 DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)은 각각의 통신 채널간 간격을 2nm로 설정하고 있다. 앞서 언급한 FP형 레이저 다이오드 칩의 발진 모드 반가폭은 5nm 정도되므로 FP형 레이저 다이이오드 칩을 DWDM의 광원으로 사용할 수 없게 된다. DWDM 광원에서는 각각의 레이저 다이오드 칩에서 발진하는 모드가 매우 좁은 선폭을 가질 것을 요구하고 있으며, 발진 모드의 중심파장이 국제 규격으로 할당된 채널의 중심 파장과 일치할 것을 요구하고 있다.
파장 선폭이 매우 좁은 반도체 레이저 다이오드 칩을 만드는 방법으로 반도체 레이저 다이오드의 이득 매질 안에 굴절률이 매우 짧은 거리(예를 들면, 대략 250nm 주기)에서 변화하는 격자를 삽입하는 방법이 사용되었다. 이러한 반도체 레이저 다이오드 중 한 예를 분포 궤환형 레이저 다이오드(distributed feedback laser diode: DFB-LD)라고 부른다. 이 DFB-LD에서 허용되는 파장 모드는 격자 주기에 해당하는 Bragg law를 만족하여야 하는데 격자 주기가 매우 짧으므로 격자 주기에 대한 Bragg law를 만족하는 파장의 간격은 1500nm로 매우 커져 실질적으로 하나의 모드만이 허용되게 된다. 허용된 모드 하나의 선폭은 대략 0.1nm이하의 반가폭을 가져 DWDM 통신방식에서 요구하는 광원의 선폭을 만족하게 된다. 그러나 DFB-LD의 파장을 허용된 채널의 중심에 맞추기 위해서는 반도체 레이저의 격자 주기와 광 도파로 부분의 굴절률을 1/1000 단위에서 조절하여야 하나 광도파로의 유효 굴절률은 광도파로 두께, 폭 등 여러 요인에 의해 결정되므로 광도파로의 굴절률 및 주기를 완벽하게 맞추는 일은 불가능하다. 그러므로 DWDM의 허용 채널 중심에 파장을 정확히 맞추기 위해서 반도체 레이저 제작 이후에 파장을 조절할 수 있는 방법이 요구된다. 격자 분포에서 Bragg law를 만족하기 위해서는 온도의 변화에 따른 매질의 굴절률 변화와 온도의 변화에 따른 열 팽창 또는 수축에 따른 격자 주기 변화가 DFB-LD에서의 허용 모드의 온도 변화를 결정하게 된다. 이 중에 열 팽창 및 수축에 의한 허용 모드 파장 변화는 대략 10pm/℃(picometer/℃)로써 120℃의 온도 변화에 대해 1.2nm의 파장 변화만을 허용한다. 그러나 DFB-LD를 온도 변화에 따라 무관하게 같은 출력으로 동작시키게 하기 위해서는 운용 온도 변화에 따른 이득 특성의 변화를 상쇄하기 위해 반도체 레이저 다이오드로 주입되는 전류의 양을 변화시켜야 하는데, 반도체 레이저로 주입되는 전류 양에 따라 반도체 매질의 굴절률이 변화하게 되고 이에 따라 격자의 유효 간격이 변화되게 되는 특성이 나타나게 된다. 통상의 DFB-LD에서 이러한 요인들이 모두 고려된 파장 변화는 80pm/℃가 된다. 이런 정도는 격자 크기의 열팽창에 의한 효과에 비해 8배 정도 큰 효과이다. 이러한 점 등을 고려하여 DFB-LD를 레이저 다이오드의 특성이 크게 변화하지 않는 영역인 40 범위내에서 온도를 조절하게 되면 최대 3.2nm의 파장 변화를 가져올 수 있고 이는 허용된 채널 중심 부근의 파장을 가지는 DFB-LD를 허용된 채널 중심에 맞는 파장을 가지도록 조절 할 수 있게 한다. 그러나 DWDM에서는 최소 수십 개의 허용 채널들이 있으므로 이 허용된 채널을 모두 채우기 위해서는 기본적인 발진 특성이 모두 다른 DFB-LD가 채널 수만큼 필요로 하게 된다. 이러한 방법은 동일한 DFB-LD를 여러 채널에 쓸 수 없게 만드므로, 동일한 반도체 칩으로 여러 DWDM 채널에 사용할 수 있는 반도체 레이저가 요구된다. 이러한 요구를 만족하는 광원을 파장 가변형 레이저라 하는데, 파장 가변형에서 파장의 가변폭은 통상적으로 20nm 이상 정도이고 이는 DWDM에서 10개의 채널에 동시에 사용될 수 있다.
파장 가변형 단일 모드 광원을 제작하는 방법으로 외부 공진기형 파장 가변 레이저가 사용되고 있다. 도 1은 종래의 폴리머 브라그 그레이팅(Polymer Bragg Grating :PBG)을 이용한 파장 가변형 외부 공진기 반도체 레이저의 개념도이다.
도 1에서 반도체 레이저 다이오드 칩(10)의 PBG 광도파로(30) 쪽을 향한 전면(11)은 무반사 코팅이 되어 있는데 이는 Fabry-Perot 모드를 억제하기 위한 것이다. 반도체 레이저 다이오드 칩(10)의 PBG 광도파로(30) 반대쪽의 후면(12)은 통상적으로 고반사 코팅이 되어 있다. 레이저 다이오드 칩(10)에서 출력된 방출 광은 렌즈(20)를 통하여 PBG 광도파로(30)로 입사한다. PBG 광도파로(30)에 내장된 grating(31)은 grating과 Bragg 조건을 만족하는 빛들을 선택한 후 이중 절반을 반도체 레이저 칩(10)으로 피드백시키고 나머지 절반을 외부로 전송하게 된다. PBG 광도파로(30)와 레이저 다이오드 칩(10)의 후면(12) 반사면 사이에서 빛이 공진하게 되어 외부 공진기 레이저가 작동하게 된다. PBG 광도파로(30)의 grating(31)에서 반도체 레이저 다이오드 칩(10)으로 피드백되는 빛은 반도체 레이저 다이오드 칩(10)의 발진 파장을 결정하게 되어 종국에는 PBG 광도파로(30)의 Bragg 조건을 만족하는 빛만 레이저 다이오드 칩(10)에서 발진하게 되며 이 빛이 PBG 광도파 로(30)를 거쳐 외부로 방출되게 되어 통신의 기능을 이루게 된다. 이러한 외부 공진기형 레이저에서 레이저는 반도체 레이저 다이오드 칩(10)과 렌즈(20), PBG 광도파로(30)를 포함하는 시스템이 된다. 이러한 레이저에서 외부 온도 변화는 반도체 레이저 다이오드 칩(10)의 굴절률을 변화시키지만 레이저 빛의 파장이 PBG 광도파로(30)의 grating(31)에 의해 선택되므로 반도체 레이저 다이오드 칩(10)의 굴절률 변화가 레이저의 파장을 변화시키지 못하고 된다. 반면, 레이저의 파장은 PBG 광도파로(30)의 온도에 따른 PBG 광도파로(30)의 유효 격자 주기 변화에 의해 결정되는데, 유효 격자 주기는 광도파로 격자의 물리적인 주기와 광도파로의 유효 굴절률에 의해 결정된다. 이 PBG 광도파로(30)의 유효 격자주기의 변화를 위하여 이 PBG 광도파로(30)는 열전소자(35) 상부에 위치된다. 통상적으로 고분자 재료인 polymer 소재의 경우 외부 온도 변화에 따른 굴절률 변화가 3×0-4/℃ 정도로 유리 또는 실리콘 등의 무기질 재료에 비해 온도에 따른 굴절률 변화가 매우 심하여 PBG 광도파로(30)에 형성된 grating(31)의 굴절률과 격자 주기에 의해 결정되는 레이저 발진 파장이 0.3nm/℃의 발진 파장 변화를 보인다. PBG 광도파로(30)는 레이저 다이오드 칩(10)과 독립적이므로 PBG 광도파로(30)의 온도 변화가 레이저 다이오드 칩(10)의 특성을 변화시키지 않고 단지 발진 파장의 조절 수단으로 사용된다. 그러나, 이와 같은 PBG 광도파로(30)는 grating(31) 영역의 길이가 통상적으로 10mm 이상으로 매우 길어 직경이 5.6mm이고 높이가 2~3mm 이내인 TO형과 같은 초소형 패키지에 실장되지 못하는 문제점이 있다. 그러므로 PBG 광도파로(30)를 이용한 외부 공진기형 단일 모드 레이저는 하나의 독립된 부품으로 구현되기 어려워 실제 사용하기에는 불편한 문제점이 있었다.
도 2는 레이저 다이오드 칩에서 발산되는 빛이 PBG 광도파로로 수렴되는 과정를 나타낸 상세 개념도이다.
레이저 다이오드 칩(10)에서 발산되는 빛의 광축은 레이저 다이오드 칩(10)의 위치와 자세에 의해서 결정되므로 레이저 다이오드 칩(10)에서 발산되는 빛이 PBG 광도파로(30)로 효과적으로 수렴되기 위해서는 렌즈(20)의 광축과 PBG 광도파로(30)의 광축이 모두 일치하여야 한다. 이를 위해서 먼저 레이저 다이오드 칩(10)의 위치 및 자세가 결정되어 있을 경우 렌즈(20) 및 PBG 광도파로(30)의 광축을 레이저 다이오드 칩(10)의 광축과 일치시키기 위하여 렌즈(20)를 x-z 평면상에서 정렬하여야 하며, 또한 렌즈(20)의 경사를 조절하여야 한다. 또한, PBG 광도파로(30)의 경우에도 PBG 광도파로(30)의 위치를 x-z 평면상에서 정렬하여야 하며 PBG 광도파로(30)의 방향을 조절하여야 한다. x-z 평면은 수직면으로 이 수직면에서 렌즈(20) 및 PBG 광도파로(30)의 위치 및 자세를 조절하는 것은 매우 어려운 일이다.
도 3은 대한민국 공개특허 2007-0028463호에 적용된 외부 공진기를 이용한 파장 가변 레이저의 개념도이다.
도 3에 도시된 구조에서, 레이저 다이오드 칩(2)의 파장 선택성 필터(8) 쪽은 무반사 코팅되어 레이저 다이오드 칩(2)에서의 FP 모드 발진이 억제되어 있다. 레이저 다이오드 칩(2)의 파장 선택성 필터 쪽 단면을 레이저 다이오드 칩(2)의 전면(23)이라 하면, 레이저 다이오드 칩(2)의 전면(23)에서 방출된 레이저 빛은 렌 즈(3)를 거쳐 시준된 후 반사빛이 직접 레이저 다이오드 칩(2)으로 궤환되지 않도록 경사가 져 있는 에탈론 필터(4)를 통과한다. 에탈론 필터(4)에서는 에탈론 필터(4)의 두께에 의해 결정되는 주기적인 피크를 가지는 빛들이 선택된다. 이렇게 선택된 주기성을 가지는 빛은 경사거울(인용 특허에서는 편향기로 표현됨)(6)을 통해 파장 선택성 필터(인용 특허에서는 동조형 미러로 표현됨)(8)로 입사하게 된다. 파장 선택성 필터(8)는 액정 등으로 이루어져 에탈론 필터(4)에 의해 선택된 주기적인 피크 중의 하나를 선택하여 다시 경사거울(6)과 에탈론 필터(4)와 렌즈(3)를 거쳐 레이저 다이오드 칩(2)으로 궤환한다. 그러므로 이러한 경우에는 레이저 다이오드 칩(2)의 후면(22)과 레이저 다이오드 칩(2)의 전면(23), 렌즈(3), 에탈론 필터(4), 경사거울(6), 파장 선택성 필터(8)를 포함하여 공진기가 형성된다. 상기 인용된 공개특허에서는 파장 선택성 필터(8)를 열전소자 등의 heat sink와의 열 접촉을 원활히 하기 위해 바닥에 수평으로 부착하는 방법을 제시하고 있다.
도 4a는 상기 도 3에서 모든 부품이 정 위치에 있을 때 에탈론 필터를 제외한 상태에서의 광 경로를 나타낸 것이고, 도 4b는 부품의 일부가 정 위치에 있지 않을 때의 광 경로를 나타낸 것이다.
레이저 빛이 잘 궤환되기 위해서는 파장 선택성 필터(8)에 수직으로 빛이 입사하고 수직으로 빛이 반사하여야 한다. 이러한 빛의 궤환에 영향을 줄 수 있는 요인으로는 레이저 다이오드 칩(2)에서 발산되는 광축 방향, 렌즈(3)의 위치 및 경사, 경사거울(6)의 경사각, 파장 선택성 필터(8)의 경사각 등이 있다. 이러한 경우에 먼저 레이저 다이오드 칩(2)과, 경사거울(6), 파장 선택성 필터(8)를 고정시키 고, 레이저 다이오드 칩(2)에서 발산되는 빛의 광축이 파장 선택성 필터(8)에 수직으로 입사/반사할 수 있도록 렌즈(3)의 위치를 정밀 조절하여 레이저 빛의 궤환이 이루어지도록 할 수 있다. 그러나 인용된 공개특허에서는 렌즈(3)를 수직면 상에서 정렬하여야 하므로 렌즈(3)를 고정시켜 줄 수 있는 별도의 홀더가 필요하여, 렌즈(3) 정렬과 렌즈(3) 고정의 전 과정에서 렌즈(3)를 붙잡고 있어야 하는 제약이 따른다.
또한, 상기 공개특허에서는 렌즈(3)에 의해 확대된 레이저 빛을 편향시키는 경사거울(6)을 사용하게 되므로 경사거울(6)의 크기가 커지게 되며, 이에 따라 레이저 다이오드 칩(2)에서 파장 선택성 필터(8)까지의 거리가 멀어지게 된다. 레이저 다이오드 칩(2)의 빛 발산점인 광도파로의 크기가 수 ㎛ 정도의 크기이며, 빛이 궤환되기 위해서는 파장 선택성 필터(8)에서 반사된 빛이 레이저 다이오드 칩(2)의 광도파로 영역으로 입사하면 된다. 하나의 예로 파장 선택성 필터(8)가 광축에 대해 미세한 각도로 틀어져 있을 때 레이저 다이오드 칩(2)으로 궤환되는 빛이 레이저 다이오드 칩(2)에 맺는 위치 이동은 파장 선택성 필터(8)의 틀어진 각도뿐만 아니라, 레이저 다이오드 칩(2)에서 파장 선택성 필터(8)까지의 거리의 함수로 결정되게 된다. 따라서, 레이저 다이오드 칩(2)에서부터 파장 선택성 필터(8)까지의 거리가 짧으면 짧을수록 정렬 각도의 허용오차가 커지는 장점이 있으나, 상기 공개특허는 레이저 다이오드 칩(2)에서부터 파장 선택성 필터(8)까지의 거리가 경사 거울(6)의 크기만큼 멀어져 정렬 각도의 허용오차가 작으므로 인해 정렬이 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 외부 공진기를 사용하는 반도체 레이저에서 렌즈 및 파장 선택성 필터를 정렬하고 고정하는 과정을 x-y 수평면 상에서 바닥에 접촉한 상태로 이루어지도록 하여 조립을 용이하게 하는 외부 공진기를 이용한 파장 가변형 반도체 레이저를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 경사거울의 크기를 최소화하여 레이저 다이오드 칩에서부터 파장 선택성 필터까지의 거리를 최소화하여 각 부품의 정렬 각도 허용 오차를 최대한 크게 하여 정렬을 손쉽게 하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 레이저 다이오드 칩의 적어도 한 면을 무반사 코팅하여 레이저 칩 자체에서의 Fabry-Perot 모드 레이저 발진을 억제한 상태에서 레이저 칩의 최소 일측면에 경사거울을 배치하여 레이저 칩의 전면 또는 후면에서 방출되는 빛을 레이저 칩의 상부로 꺽어 올린 후, 발산하는 특성을 갖는 빛을 렌즈를 이용하여 평행광으로 시준한 후 렌즈 위에 파장 선택 필터를 구비하여 특정한 파장만 선택하여 반사시키되 선택된 파장을 가변할 수 있도록 하며, 가변되어 선택된 파장을 다시 렌즈 및 경사거울을 거쳐 레이저 칩으로 피드백시키는 외부 공진기를 이용한 파장 가변형 반도체 레이저를 제공한다.
또한, 렌즈와 파장 가변 필터를 일체화하여 렌즈 및 파장 가변 필터를 한 번의 정렬로 정렬과정이 끝나게 되며 렌즈와 파장 가변 필터가 일체화되어 있는 렌즈-필터 블록이 수평면 상에서 접촉된 채로 정렬되도록 하여, 렌즈를 정렬하고 고정시키는 전 과정에 있어서 렌즈-필터 블록을 붙잡아 주지 않아도 되어 조립 장비 및 공정에 자유도를 높일 수 있도록 하는 파장 가변형 반도체 레이저를 제공한다.
본 발명에 따른 외부 공진기를 이용한 파장 가변 반도체 레이저는 레이저 다이오드 칩의 전면 또는 후면의 최소한 일면을 무반사 코팅을 하고 레이저 다이오드 칩의 전면 또는 후면의 최소 일측면에 경사거울을 배치하고 경사거울 상부에 렌즈와 파장 가변 필터를 배치하는 구조로서, 레이저 다이오드 칩에서 빛이 발산되는 영역에 근접하게 경사거울이 배치되므로 경사거울의 크기는 매우 작게 제작될 수 있고 레이저 다이오드 칩에서부터 파장 가변 필터까지의 거리를 최소화시킬 수 있으므로 매우 좁은 범위 내에서 외부 공진기형 레이저를 제작할 수 있다.
또한, 렌즈와 필터를 부착하고 광 정렬을 할 경우 평면상에서 광 정렬이 이루어지므로 조립이 매우 간단해지는 효과가 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 외부 공진기를 이용한 파장 가변형 반도체 레이저의 설치 개념도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 레이저에서는 레이저 다이오드 칩(100)의 한 면을 무반사 코팅하여 레이저 다이오드 칩(100) 자체에서의 레이저 발진을 억제한 상태에서, 레이저 다이오드 칩(100)의 한 면에 인접하게 45°경사면이 형성된 경사거울(500)을 배치하여 레이저 다이오드 칩(100)의 단면에서 방출되는 빛을 레이저 다이오드 칩(100)의 상부로 꺽어 올린 후, 발산하는 특성을 갖는 빛을 렌즈(210)를 이용하여 평행광으로 시준한 후, 렌즈(210) 위에 특정한 파장만 선택하여 반사시키는 파장 가변 필터(410)를 구비하여 조절되어 선택된 특정한 파장을 다시 렌즈(210) 및 경사거울(500)을 거쳐 레이저 다이오드 칩(100)으로 피드백시키게 된다. 이러한 구조에서 레이저의 공진기는 레이저 다이오드 칩(100)의 전면(101), 레이저 다이오드 칩(100), 레이저 다이오드 칩의 후면(102), 45°경사거울(500), 렌즈(210) 그리고 파장 가변 필터(410)를 포함하여 구성된다. 상기 파장 가변 필터(410)는 파장 가변의 특성을 갖는 여러 형태의 파장 가변 필터가 사용될 수 있는데, 본 발명에 사용될 수 있는 여러 가지 형태의 파장 가변 필터의 예는 후술하기로 한다.
본 발명의 실시예에서 상기 경사거울(500)에는 레이저 빛을 반사하는 45°경사면이 형성되는데, 이 경사거울(500)의 경사면은 45°기준으로 약 5°내외의 오차가 발생하여도 파장 선택 특성에 큰 영향을 미치지 않는다.
본 발명의 실시예에서 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산하는 특성을 가지며 방출되는 빛이 렌즈(210)에 도달하기 이전에 방향을 편향시키므로 경사거울(500)의 크기가 최소화될 수 있는데, 상기 경사거울(500)의 크기는 경사거울(500)과 레이저 다이오드 칩(100) 사이의 거리에 따라 달라지게 된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 경사거울의 설치 일례를 나타낸 것이다.
도 6에 도시된 경사거울(500)은 빛을 상향으로 반사하는 경사면이 아래의 하향 방향 45°경사면과 만나는 형태로 제작되는데, 이러한 형태로 경사거울(500)을 제작할 경우, 경사거울(500)과 레이저 다이오드 칩(100) 사이의 거리를 20㎛ 이내로 밀착시킬 수 있게 된다. 상기 경사거울(500)의 하부 경사면에 아래에 형성된 공간은 경사거울(500)과 레이저 다이오드 칩(100)을 밀착시킬 때 접착제로 사용되는 여분의 솔더가 채워질 수 있는 공간으로 솔더가 레이저 다이오드 칩(100)과 경사거울(500)의 밀착을 방해하는 것을 막아준다. 통상적으로 사용하는 시준화기 렌즈에 있어서 레이저 다이오드 칩(100)에서 렌즈(210)까지의 촛점거리는 160㎛ 정도에 달하며 레이저 다이오드 칩(100)의 두께는 100㎛에 달한다. 그러므로 도 6과 같은 형태의 45°경사거울(500)을 사용할 경우 손쉽게 렌즈(210)의 초점거리 안에 45°경사거울(500)을 배치할 수 있게 된다. 이러한 경우 도 3에서 설명하였던 공개특허에서 렌즈와 파장 선택 필터 사이의 45°경사거울이 차지하는 부피에 의해 발생하는 렌즈와 파장 선택 필터 사이의 거리가 최소화될 수 있어 각 부품의 정렬 각도 허용 오차가 커지게 되어 조립 생산성이 증가하는 장점이 생기게 된다.
도 7은 상기 도 6의 형태로 배치된 경사거울과 레이저 다이오드 칩의 일실시예를 나타낸 것이다. 본 실시예에서 레이저 다이오드 칩의 길이는 300um이며 경사거울의 높이는 270um이다. 본 실시예에서 경사 거울의 높이를 220um로 낮추게 되면 렌즈의 촛점거리안에 경사거울을 배치 할 수 있게 된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 도 3의 공개특허에서 45°경사거울에 의해 발생하는 필요 거리가 제거되며, 파장 선택 필터(410)가 렌즈(210)에 밀착될 정도로 가깝게 배치될 수 있어 공진기의 길이가 매우 짧아질 수 있게 된다.
본 발명의 한 실시예에서 상기 렌즈(210)와 파장 가변 필터(410)는 렌즈(210) 및 파장 가변 필터(410)가 일체로 이루어지는 렌즈-필터 블록으로 구성될 수 있는데, 이 렌즈-필터 블록을 통하여 렌즈(210) 및 파장 가변 필터(410)의 정렬이 한 번의 과정으로 끝나게 되며, 이 렌즈-필터 블록이 지지대에 올려져 있는 상태로 수평면상에서 정렬되게 되어 렌즈(210)를 정렬하고 고정시키는 전 과정에 있어서 렌즈-필터 블록을 별도로 지지하지 않아도 되므로 조립 장비 및 공정에 자유도를 높인 제작 방법을 제공할 수 있게 된다.
도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 블록의 사시도이고, 도 8b는 렌즈 블록의 정면도이며, 도 8c는 렌즈 블록의 측면도를 나타낸 것이다.
도 8a 내지 도 8c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 블 록(200)은 렌즈(210)의 마주 보는 양 측면에 스탠드(Stand) 형태로 돌출된 지지대(220)가 구비되어 렌즈 블록(200)이 자립할 수 있도록 하며, 지지대(220) 사이의 렌즈(210) 하부에 빈 공간이 형성되어 이 빈 공간에 레이저 다이오드 칩(100) 및 경사거울(500)이 배치될 수 있도록 한다.
이때 렌즈 블록(200)의 지지대(220) 높이는 렌즈(210)의 초점 거리와 레이저 다이오드 칩(100)의 두께 등을 고려하여 레이저 다이오드 칩(100)의 후면(102)에서 경사거울(500)을 거쳐 렌즈(210)에 이르는 경로의 길이가 렌즈(210)의 초점 거리에 해당하도록 미리 설정되어 제작된다. 이때 렌즈(210)의 곡률은 구면 또는 비구면 렌즈로 설정될 수 있다.
상기 렌즈 블록(200)은 유리를 기계적으로 가공하여 제작될 수 있으며, 또한 몰딩(Molding)의 방법으로 제작될 수 있다. 상기 렌즈(210)의 표면은 고려되는 파장의 빛에 대해 무반사 코팅되는 것이 바람직하다.
도 9는 상기 렌즈 블록 상부에 파장 가변 필터가 부착되는 과정을 나타낸 개념도이다. 또한, 도 10a는 상기 도 9의 과정으로 결합된 렌즈-필터 블록의 사시도이고, 도 10b는 렌즈-필터 블록의 정면도이며, 도 10c는 렌즈-필터 블록의 측면도를 나타낸 것이다.
도 9 내지 도 10c에 도시된 바와 같이, 렌즈 블록(200)의 지지대(220) 상부에 평판형의 파장 가변 필터(410)를 부착하여 일체로 조립하게 되는데, 렌즈 블록(200)과 파장 가변 필터(410)는 수평면상에서 에폭시 등의 접착제를 이용하여 손 쉽게 조립될 수 있다. 본 발명에서 상기와 같이 렌즈 블록(200)과 파장 가변 필터(410)가 일체형으로 조립된 블록을 렌즈-필터 블록(400)으로 부르기로 한다. 상기 렌즈-필터 블록(400)의 렌즈(210) 하부에는 경사거울(500) 및 레이저 다이오드 칩(100)이 배치될 수 있는 공간이 형성된다.
도 11은 상기 렌즈-필터 블록의 렌즈 하부에 레이저 다이오드 칩과 경사거울이 조립되는 과정을 나타낸 개념도이고, 도 12은 레이저 다이오드 칩과 경사거울이 배치되어 있는 서브마운트 위에 렌즈-필터 블록이 정렬된 상태를 나타낸 개념도이다.
도 11과 도 12에 도시된 바와 같이, 경사거울(500)과 레이저 다이오드 칩(100)이 상부에 부착된 평판형의 서브마운트(150) 상부에 렌즈-필터 블록(400)을 덮어 씌우는 것으로 외부 공진기형 반도체 레이저가 조립되는데, 상기 렌즈-필터 블록(400)은 레이저 다이오드 칩(100)과 경사거울(500)이 상부에 배치된 서브마운트(150) 위에서 정렬하기 위해 x-y 평면(수평면)에서 위치 이동을 하여 광축 정렬을 하게 된다. 이때 렌즈-필터 블록(400)은 상기 서브마운트(150) 상부에 접촉된 상태로 정렬되므로 정렬 도중에 렌즈-필터 블록(400)을 별도로 지지하고 있지 않아도 위치가 변경되지 않으므로 조립이 용이해진다.
도 13은 상기 도 12의 과정으로 정렬된 레이저 다이오드 칩, 경사거울 및 렌즈-필터 블록에서 빛의 진행 경로를 나타낸 개념도로서, 도 13에서는 설명의 편의 를 위해 빛의 광축 성분만 표시하였다.
상기 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산된 수평 방향의 레이저 빛은 경사거울(500)을 통하여 상부로 반사되어 렌즈(210)를 투과한 후 파장 가변 필터(410)로 입사되고, 파장 가변 필터(410)에서 조절되어 선택되는 파장의 레이저 빛은 반사되어 렌즈(210)를 투과한 후 경사거울(500)을 통하여 반사되어 레이더 다이오드 칩(100)으로 피드백되게 된다.
한편, 렌즈(210)와 파장 선택성 필터(410)의 제작시에 미세한 제작 오차가 발생할 수 있고, 렌즈(210)와 파장 선택성 필터를(410) 부착할 때에도 부착 각도에 미세한 차이가 발생할 수 있다.
도 14는 렌즈 블록과 파장 선택성 필터를 부착할 때 경사지게 부착된 파장 선택성 필터의 일례를 과장되게 나타낸 개념도이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 빛의 광축이 렌즈(210)의 광축을 중심으로 이격되어 있을 때, 렌즈(210)를 투과하는 빛의 광축은 렌즈(210)의 광축에 대해 경사각을 가지게 된다. 이때 렌즈(210)를 투과하는 광축의 방향과 각도는 렌즈(210)에 도착하는 광축의 위치에 의해 결정된다. 즉 렌즈-필터 블록(400)을 x-y 평면에서 위치를 조절함으로써 렌즈(210)에 도착하는 광축의 위치를 조절할 수 있고, 이에 따라 렌즈(210)를 투과하는 광축과 렌즈 광축 사이의 경사각 및 방향을 조절할 수 있게 된다. 따라서, 경사각과 방향성이 조절된 투과 광축이 파장 가변 필터(410)의 광축과 일치하도록 렌즈-필터 블록(400)을 x-y 평면상에서 정렬하면 렌즈(210)를 투과한 광축이 파장 가변 필터(410)에 수직으로 입사하여 파장 가변 필터(410)에서 반사된 빛이 파장 가변 필터(410)로 입사하는 빛의 경로와 동일한 경로로 레이저 다이오드 칩(100)으로 피드백되어 효과적인 외부 공진기형 반도체 레이저를 구성할 수 있게 된다.
도 15와 16은 본 발명의 실시예에 따라 경사거울이 평판형으로 제작된 다른 일례를 나타낸 것이다.
상기 경사거울(500)을 전면 경사면과 후면 경사면이 평행한 평판형으로 제작하고, 이 평판형 경사거울(500)의 레이저 다이오드 칩(100) 쪽 전면 경사면을 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산된 레이저 빛의 일부를 투과하고 일부를 반사하는 형태로 제작하면 경사거울(500)을 투과하는 일부 빛은 경사거울(500)의 후면 경사면으로 탈출하게 된다. 이때, 상기 경사거울(500)의 후면 경사면 방향에 감시용 포토 다이오드 칩(600)을 설치하면 이 감시용 포토 다이오드 칩(600)에 입사되는 레이저 빛을 통하여 레이저 다이오드 칩(100)의 동작 상태를 감시할 수 있게 된다.
상기 레이저 다이오드 칩(100)에서 직접 발산되는 빛이 경사거울(500)을 투과할 경우 경사거울(500)을 투과하는 빛은 경사거울(500) 이후에 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산될 때와 같은 광축 방향인 수평 방향을 갖는다. 그러나 파장 가변 필터(410)에 의해 반사된 빛이 경사거울(500)을 투과할 경우에는 경사거울(500)을 투과한 빛이 수직 방향의 진행 방향을 가진다. 이러한 경우에는 도 16과 같이, 감시용 포토 다이오드 칩(600)을 평판형 경사거울(500)의 하부에 배치함으로써 레이 저 다이오드 칩(100)의 동작 상태를 감시할 수 있게 된다.
상기 경사거울(500)의 레이저 다이오드 칩(100)을 향한 전면 경사면을 일부 투과/일부 반사의 특성을 가지도록 표면을 처리하여 경사거울(500)을 투과하는 빛을 이용하여 레이저 다이오드 칩(100)의 동작 상태를 감시하는 방법으로 꼭 평판형의 경사거울이 필요한 것은 아니며 프리즘을 사용할 수도 있는데, 이 경우 경사거울을 투과하여 경사거울을 탈출하는 빛의 진행 방향이 경사거울에 도착하기 전의 진행 방향과 일치하지 않는 문제만 발생한다. 그러므로 도 15와 도 16의 경사거울이 프리즘 형태가 되어도 경사거울을 투과하는 빛을 이용하여 레이저 다이오드 칩의 동작 상태를 감시하는 방법이 적용될 수 있는 것으로 이는 본 발명의 또 다른 실시예에 해당한다. 경사거울을 투과하는 빛을 이용하여 레이저 다이오드 칩의 동작 상태를 감시하는 방법에 사용되는 경사거울의 재료로는 투과하는 빛에 대해 흡수율이 낮은 어떠한 재질도 가능하나, 빛의 산란이 없고, 흡수가 없는 유리 또는 결정질 실리콘 등의 재질이 적용되는 것이 적절하다.
한편, 도 8에서 지지대 사이에 렌즈가 일체로 형성되는 렌즈 블록을 구성하였는데, 이러한 렌즈 블록은 다른 형태로 변경이 가능하다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 렌즈 블록을 나타낸 개념도로서, 렌즈(210)가 지지대(220) 사이에 일체로 형성되는 대신, 렌즈(210)가 평판형 렌즈로 이루어져 독립적으로 부착되는 지지대(220)의 상부에 이 평판형 렌즈(210)가 결합되어 렌즈 블록(200)을 형성하게 된다. 이러한 경우에도 평판형 렌즈(210)의 하부 의 지지대(220) 사이에는 레이저 다이오드 칩(100)과 경사거울(500)이 위치된다.
상기 도 5의 파장 가변 필터(410)는 반사성 필터를 예로 든 경우로써 빛을 파장에 따라 선택적으로 반사 또는 흡수하는 특징이 있다. 이 경우 빛이 파장 가변 필터(410)를 투과할 수 없으므로 레이저 다이오드 칩(100)의 후면(102)에 파장 가변 필터(410)를 배치하여야 한다. 한편, 이러한 파장 가변 필터(410)를 일부 반사/일부 투과의 특성을 갖도록 제작한다면 파장 가변 필터(410)를 레이저 다이오드 칩(100)의 후면(102) 뿐만 아니라 전면(101)에도 배치할 수 있게 된다.
도 18은 이러한 일부 반사/일부 투과의 특성을 갖는 파장 가변 필터를 이용한 파장 가변형 반도체 레이저의 설치 개념도이다.
도 18에 도시된 바와 같이, 상기 레이저 다이오드 칩(100)의 전면(101)에 45°경사거울(500)을 장착하여 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 레이저 빛의 광축이 수평 방향에서 수직방향으로 향하게 한 다음, 렌즈(210)를 사용하여 발산광을 평행광으로 시준한 후, 일부 반사/일부 투과의 특성을 갖는 파장 가변 필터(410)를 통하여 파장 가변 필터(410)에서 선택되어 반사되는 빛이 다시 레이저 다이오드 칩(100)으로 피드백 되도록 하여 레이저 다이오드 칩(100)에서 생성되는 레이저 빛을 단일 모드화하게 된다. 한편, 파장 가변 필터(410)를 투과하는 단일 모드 레이저 빛은 다른 광소자 등에 사용될 수 있도록 시준된 형태로 방출된다.
상기 레이저 다이오드 칩(100)의 전면(101)은 레이저 다이오드 칩(100)의 양단면에 의한 FP 모드의 발진을 억제하기 위해 무반사 코팅을 하는 것이 바람직하 고, 레이저 다이오드 칩(100)의 후면(102)은 대부분의 레이저 빛이 레이저 다이오드 칩(100)의 전면(101)으로 방출되도록 하기 위해 고반사 코팅을 하는 것이 바람직하다. 이때 무반사 코팅은 반사율이 10%이하인 것이 바람직한데, 더욱 바람직하게는 1% 이하인 것이 바람직하며, 고반사 코팅은 반사율이 50% 이상인 것이 바람직하다.
상기 구조로 레이저 다이오드 칩(100)의 광축과 렌즈(210)의 광축, 파장 가변 필터(410)의 광축을 쉽게 일치시키는 것은 도 5 내지 도 17에서의 과정과 동일하므로 매우 손쉬운 광축 정렬이 가능해진다.
이하에서는 본 발명에서 사용될 수 있는 여러 가지 반사성 파장 가변 필터와 일부 투과/일부 반사형 파장 가변 필터에 대하여 설명하기로 한다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 반사형 파장 가변 필터의 일례인 반사형 에탈론 필터의 개념도이다.
상기 반사형 에탈론 필터는 에탈론 필터의 양면에서 반사하는 빛들이 서로 상쇄/보강 간섭을 거쳐 특정한 파장만을 선택적으로 반사하는 필터이다. 보강간섭이 일어나는 조건은 에탈론 필터의 전면에서 반사하는 빛과 에탈론 필터의 후면에서 반사하는 빛의 위상차가 2π의 정수배의 차이를 보일 때이다. 위상차가 2π의 정수배에서 벗어나면 상쇄간섭으로 빛이 없어지는 현상이 발생한다. 에탈론 필터의 전/후면에서 반사하는 빛의 위상차는 에탈론 필터의 두께와 굴절률, 그리고 입사하는 빛의 파장에 의존한다. 여기서 편의를 위해 굴절률이 n인 경우의 에탈론 필터를 고려해보기로 한다. 이 경우 에탈론 필터의 전/후면에서 반사하는 빛의 위상차가 2π의 정수배가 되기 위해서는 에탈론 필터의 두께의 두 배를 입사 빛의 파장으로 나눈 값이 정수배가 되어야 하며 이는 다음의 수학식 1로 표현될 수 있다.
2 × n × d / λ = m
여기에서, m은 정수, n은 매질의 굴절률, d는 에탈론 필터의 두께, λ는 공기중 빛의 파장을 나타낸다.
상기 에탈론 필터의 두께 d는 고정되어 있으므로 에탈론 필터에 의해 선택되는 빛의 파장은 다음의 수학식 2로 표현된다.
λ = 2 × n × d / m
상기 수학식 2에서 m은 어떠한 정수이어도 상관없으며, 굴절률 n과 에탈론 필터의 두께 d는 온도의 함수이므로 선택되는 파장 λ는 온도의 함수가 된다. 에탈론 필터의 재질이 고분자(polymer) 계열일 경우 굴절률의 온도 의존성은 2.8×10-4/℃ 정도이고, 열팽창률은 1×10-6/℃ 정도이므로 열팽창에 의한 선택 파장 변화는 크지 않다. 그러므로 고분자 에탈론 필터의 굴절률 변화량만을 고려할 때 온도에 따른 선택 파장 변화는 다음의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112008067587881-pat00001
상기 공기중 빛의 파장 λ가 1.5㎛인 경우를 고려하고, 에탈론 필터 고분자 재료의 굴절률을 1.39라 하며, 고분자 재료 굴절률의 온도의존성을 2.8×10-4/℃라 하면 고분자 재료인 에탈론 필터에 의해 선택되는 파장의 온도 의존성은 0.300nm/℃가 된다. 그러므로 이러한 특성을 가지는 에탈론 필터의 온도를 100℃ 변화시키면 최대 30nm의 파장 가변이 일어나게 된다. 에탈론 필터의 정밀한 두께 조절에 의해 조절할 수 있는 파장 영역이 통상적으로 수nm 정도이므로 이보다 더 좁은 영역에서의 선택 파장 조절을 온도 변화에 의한 굴절률 변화로 얻는다고 할 때, 온도에 의한 파장 가변 영역의 크기가 ±1nm 이면 되고, 이는 분자 재료 굴절률의 온도 의존성이 1×10-5/℃ 이상일 경우에 달성될 수 있다. 이때 에탈론 필터에 의해 선택되는 빛은 단일 모드 특성을 가지면서 파장이 변화하는 것이 특징이다.
도 19는 이러한 가변 파장 선택성을 가지는 고분자 재료를 이용한 반사성 가변 파장 에탈론 필터의 구조이다. 도 19에 도시된 고분자 재료를 이용한 에탈론 필터는 유리 또는 실리콘 등의 무기물 기판(710)의 일측면에 Au, Ag, Pt, Al 등의 반사성 금속으로 이루어진 제 1 금속 박막(720)과 고분자 재료로 이루어진 고분자 재료층(730) 및 Au, Ag, Pt, Al 등의 반사성 금속으로 이루어진 제 2 금속 박막(740)을 증착한 구조로 되어 있고, 무기물 기판(710)의 타측면은 전기 저항에 의해 에탈 론 필터의 온도를 조절할 수 있는 금속 박막 등의 히터(heater)용 전극(750)과 에탈론 필터의 온도를 측정할 수 있는 온도측정수단(760)이 설치된 구조로 이루어진다. 본 발명의 실시예에서 상기 온도측정수단(760)은 써미스터(themistor)로 이루어진다.
상기 에탈론 필터의 하부에서 에탈론 필터로 진행하는 빛의 일부는 제 2 금속 박막(740)에서 일부 반사하고 일부는 투과하여 고분자 재료층(730)으로 진행한다. 고분자 재료층(730)를 투과하여 제 1 금속 박막(720)에 도달하는 빛은 제 1 금속 박막(720)에서 반사하여 제 2 금속 박막(740) 쪽으로 진행 한 후 제 2 금속 박막(740)을 투과하여 제 2 금속 박막(740)에서 직접 반사한 빛과 보강/상쇄 간섭을 일으켜 파장이 선택된다. 이때 히터용 전극(750)에 전류를 흘려주게 되면 전극(750)에서 발생하는 열에 의해 에탈론 필터의 온도를 조절할 수 있게 되고, 에탈론 필터의 온도는 필터의 일측면에 장착된 온도측정수단(760)인 써미스터를 통하여 측정된다. 이러한 방법으로 에탈론 필터를 사용하여 파장을 선택할 수 있게 된다. 이때 히터용 전극(750)에 공급되는 전류를 통하여 파장 선택 필터인 에탈론 필터의 온도 특성을 조절하기 위해서는 에탈론 필터의 설정 온도가 최고 외부 환경 온도보다 높게 설정하여야 에탈론 필터의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있게 된다.
도 20은 일부 반사/일부 투과의 특성을 가지며 반사 및 투과되는 빛의 파장을 가변하여 선택 가능한 투과/반사형 파장 가변 에탈론 필터의 일례를 나타낸 것이다.
도 20에서 고분자 재료를 이용한 투과/반사형 파장 가변 에탈론 필터는 유리 또는 실리콘 등 고려되는 파장의 빛을 흡수하지 않는 무기물 기판(710)의 일측면은 일부 반사/일부 투과의 특성을 가지는 Au, Ag, Pt, Al 등의 반사성 금속을 이루어진 제 1 금속 박막(720)과 고분자 재료층(730) 및 Au, Ag, Pt, Al 등의 일부 반사/일부 투과의 특성을 가지는 반사성 금속으로 이루어진 제 2 금속 박막(740)을 증착한 구조로 되어 있다. 또한, 무기물 기판(710)의 타측면은 전기 저항에 의해 에탈론 필터의 온도를 조절할 수 있는 금속 박막 등의 히터용 전극(750)과 에탈론 필터의 온도를 측정할 수 있는 온도측정수단(760)이 장착된 구조로 이루어진다. 상기 제 1 금속 박막(720)에서 빛은 일부 투과 및 일부 반사의 특성을 가져야 하는데 이는 금속 박막의 두께를 조절함으로써 이루어질 수 있다. 에탈론 필터의 하부에서 에탈론 필터로 진행하는 빛의 일부는 제 2 금속 박막(740)에서 일부 반사하고 일부는 투과하여 고분자 재료층(730)으로 진행한다. 고분자 재료층(730)를 투과하여 제 1 금속 박막(720)에 도달하는 빛은 제 1 금속 박막(720)에서 일부 투과하고 일부 반사하게 된다. 에탈론 필터 내에서는 빛이 여러 번 투과 반사하므로 빛의 간섭성에 의해 특정한 파장의 빛만이 에탈론 필터를 반사하여 레이저 다이오드 칩(100)으로 피드백되고, 동일한 특정 파장의 빛이 에탈론 필터를 투과하여 히터용 전극(750) 쪽으로 필터를 투과하여 다른 광부품에 시준된 형태로 레이저 빛이 전달된다. 상기 에탈론 필터를 투과하는 빛이 적극(750)을 투과할 수 있도록 이 전극(750)은 투명 금속 박막으로 이루어지는 것이 바람직하다.
도 20에서는 레이저 빛이 특정한 경사각을 가진 채 에탈론 필터로 입사하는 것을 예로 들었으나 이는 설명을 편의를 위한 것으로 입사각이 필터에 수직인 경우에도 간섭 효과에 의한 파장 선택 기능은 구현된다. 이때 투명 금속 박막인 적극(750)으로 전류를 흘려주게 되면 투명 금속 박막에서 발생하는 열에 의해 에탈론 필터의 온도를 조절할 수 있고, 에탈론 필터의 온도는 에탈론 필터의 일측면에 장착된 온도측정수단(760)인 써미스터를 통하여 측정되게 된다. 이러한 방법으로 에탈론 필터를 사용하여 파장을 선택할 수 있게 된다.
상기 에탈론 필터의 온도 조절을 에탈론 필터 반대편의 전극(750)인 투명 금속 박막을 이용하여 조절하는 방법을 설명하였지만 이는 제 2 금속박막(740)을 이용하여 에탈론 필터의 온도를 조절하는 방법도 가능하다. 이때 제 전극(750)은 생략이 가능하다. 본 발명의 실시예에서 불필요한 반사를 줄이기 위한 무반사 코팅이 히터용 전극(750) 또는 전극(650)이 생략된 기판(610)에 증착될 수 있음은 자명하다. 한편, 상기 에탈론 필터의 온도 조절은 기판에 형성된 전극이나 금속 박막을 통해서가 아닌 다른 방법을 통하여 구현될 수 있는데, 예를 들면 에탈론 필터를 열전소자 위에 배치하여 열전소자의 온도 조절을 통하여 열전소자 위에 배치된 에탈론 필터의 온도를 조절할 수 있음은 당연하다.
도 21은 회절 격자 무늬(grating)에 파장 대역폭이 넓은 빛이 입사되었을 때 빛의 회절 및 간섭 현상에 의한 파장 선택의 일례를 나타낸 것이다.
회절 격자 무늬는 격자의 주기에 합당한 파장의 빛을 원래 빛의 진행 방향과 일치한 투과각 그리고 반사각을 가지도록 하며, 다른 파장의 빛은 다른 각도로 반 사 또는 투과시킨다. 그러므로 빛이 회절 격자 무늬에 수직하게 입사하는 경우 수직으로 회절 격자 무늬를 반사 또는 투과하는 빛은 회절 격자 무늬에 의해 선택된 특정 파장에 대해서만 이루어지며 다른 파장의 빛은 수직과 다른 각도로 반사 또는 투과하게 된다. 그러므로 레이저 다이오드 칩에서 레이저 다이오드 칩의 초기 발진 상태에서 넓은 대역폭의 파장에 걸쳐 넓은 각도로 발산하는 특성을 가지는 레이저 빛은 렌즈에 의해 시준된 후 회절 격자 무늬를 가지는 파장 선택 필터에 수직 입사되게 된다. 파장 선택 필터에 입사된 빛 중 회절 격자의 주기에 합당한 특정 파장만 수직 반사하거나 수직 투과하게 되고 다른 파장의 빛은 수직에서 이격된 방향으로 반사 또는 투과하게 된다. 그러므로 회절 격자 무늬 필터에 수직으로 입사한 빛 중 특정 파장의 빛만 수직으로 반사하여 다시 렌즈를 통해 레이저 다이오드 칩으로 되먹임되고 특정 파장이 아닌 다른 파장의 빛은 수직으로 반사하지 못하므로 레이저 다이오드 칩으로 되먹임되지 못한다. 레이저 다이오드 칩으로 되먹임된 특정 파장의 빛은 레이저 다이오드 칩에서 발생되는 빛의 파장을 특정 파장에 고정시켜 발생시키므로 결과적으로 회절 격자 무늬 필터에 도달하는 빛은 특정 파장 성분만 남게 된다. 이 특정 파장 성분의 빛 일부가 회절 격자 무늬 필터에서 반사하여 계속적으로 레이저 다이오드 칩으로 되먹임되며, 특정 파장 성분의 빛의 일부가 회절 격자 필터를 투과하게 된다. 이때 회절 격자 무늬 필터를 투과하는 빛의 파장은 특정 파장만 가지게 되며 발산각의 형태는 평행광의 형태를 가지게 되어 다른 광학적 목적에 적절하게 사용되어 질 수 있다. 하지만, 상기 도 21의 회절 격자 무늬형 필터로는 파장 가변의 특성을 갖지는 못한다.
도 22a와 22b는 본 발명의 실시예에 따른 파장 가변의 특성을 가지는 회절 격자 무늬형 파장 가변 필터의 일례를 타나낸 것이다.
일반적으로 회절 격자 무늬에서 선택되는 파장은 회절 격자의 주기에 의존한다. 도 22a와 22b에서 회절 격자 무늬(711)를 유리 또는 실리콘 등의 무기물 기판(710)에 구성하고 회절 격자 무늬(711)의 사이 사이를 고분자 재료로 채워 고분자 재료층(730)을 형성할 경우 회절 격자(711)의 광학적 주기는 고분자 재료층(730)의 굴절률과 기판(610)의 굴절률의 함수로 나타나게 된다. 그러므로 고분자 재료층(730)의 굴절률이 바뀌게 되면 회절 격자 무늬(711)의 광학적 주기성이 바뀌게 되는 현상이 나타나며, 이에 따라 수직으로 입사하는 빛에 대해 수직으로 반사 및 투과하는 빛의 파장이 바뀌게 된다. 그러므로 회절 격자 무늬(711)의 상부를 온도에 의한 굴절률 변화가 큰 광학적 고분자 재료를 사용하면 고분자 재료의 온도를 바꾸어 줌으로써 수직 입사 빛에 대해 수직 반사/투과하는 빛의 파장을 바꿀수 있게 된다. 도 22a에는 히터용 전극(750)이 기판(710)의 타측면에 형성되고 있고, 도 22b에는 고분자 재료층(730)의 일측면에 형성되어 있는데, 이 히터용 전극(750)은 기판(610)이나 고분자 재료층(730) 중 어느 일측에 형성되어도 무방하다.
또한, 회절 격자 무늬(711)가 유리 또는 실리콘 등의 무기물 기판(710)이 아닌 고분자 재료층(730)의 타측에 형성될 수도 있다.
도 23은 고분자 재료층의 일측에 회절 격자 무늬를 형성한 경우의 일례로서, 이때 고분자 재료층(730)에 형성되는 회절 격자 무늬(731)은 임프린팅(imprinting) 의 기법을 이용하여 제작될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서 명칭되는 고분자 재료로는 PMMA(Poly-methyl meth-acrylate), 폴리이미드(polyimides), ,PFCB (perfluoro cyclo butane), arylene ethers, polyether, acrylate, polysiloxane 등의 재료가 선택되어 질 수 있다.
도 24는 액정(Liquid crystal)을 이용하여 제작된 회절 격자 무늬 형태의 일부 투과/일부 반사 파장 가변 필터의 일례를 나타낸 것이다.
도 24에 도시된 파장 가변 필터는 유리나 실리콘 등의 고려되는 파장에 투명한 상측 기판(710)과 평판형의 하측 기판(780) 사이에 액정(770)이 밀봉되어 이루어지는데, 이 액정(770)은 상측 기판(710)의 일측면에 형성된 회절 격자 무늬(711)를 채우게 된다. 또한, 상측 기판(710)과 하측 기판(780)에는 전원이 공급되는 투명 전극(755)이 각각 형성되는데, 상기 액정(770)은 투명 전극(755)을 통하여 액정(770)에 가해지는 전압에 따라 액정(770)의 결정 방향 정렬이 달라지게 되며 이때 액정(770)의 유효 굴절률이 바뀌게 된다. 액정(770)의 유효 굴절률이 바뀌게 되면 액정(770)과 상측 기판(710) 사이의 회절 격자 무늬(711)에서의 유효 굴절률이 바뀌게 되어 수직 입사 빛에 대해 수직 반사 또는 수직 투과하는 빛의 파장이 액정(770)에 가해지는 전압에 따라 달라지게 된다.
이러한 특성에 따라 투명 전극(755)에 공급되는 전원을 조절하여 액정(770)에 가해지는 전압을 조절함으로써 레이저 빛의 반사율을 조절할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 폴리머 브라그 그레이팅(Polymer Bragg Grating :PBG)을 이용한 파장 가변형 외부 공진기 반도체 레이저의 개념도,
도 2는 종래 레이저 다이오드 칩에서 발산되는 빛이 PBG 광도파로로 수렴되는 과정를 나타낸 상세 개념도,
도 3은 종래 외부 공진기를 이용한 파장 가변 레이저의 개념도.
도 4a는 상기 도 3에서 모든 부품이 정 위치에 있을 때 에탈론 필터를 제외한 상태에서의 광 경로도,
도 4b는 상기 도 3에서 부품의 일부가 정 위치에 있지 않을 때 에탈론 필터를 제외한 상태에서의 광 경로도,
도 5는 본 발명에 따부 공진기를 이용한 파장 가변형 반도체 레이저의 설치 개념도,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 경사거울의 설치 일례,
도 7은 상기 도 6의 형태로 배치된 경사거울과 레이저 다이오드 칩의 일실시예,
도 8a는 본 발명에 따른 렌즈 블록의 사시도,
도 8b는 본 발명에 따른 렌즈 블록의 정면도,
도 8c는 본 발명에 따른 렌즈 블록의 측면도,
도 9는 본 발명에 따라 렌즈 블록 상부에 파장 가변 필터가 부착되는 과정을 나타낸 개념도.
도 10a는 본 발명에 따른 렌즈-필터 블록의 사시도,
도 10b는 본 발명에 따른 렌즈-필터 블록의 정면도,
도 10c는 본 발명에 따른 렌즈-필터 블록의 측면도,
도 11은 본 발명에 따라 렌즈-필터 블록의 렌즈 하부에 레이저 다이오드 칩과 경사거울이 조립되는 과정을 나타낸 개념도,
도 12은 본 발명에 따라 레이저 다이오드 칩과 경사거울이 배치되어 있는 서브마운트 위에 렌즈-필터 블록이 정렬된 상태를 나타낸 개념도,
도 13은 본 발명에 따라 정렬된 레이저 다이오드 칩, 경사거울 및 렌즈-필터 블록에서 빛의 진행 경로를 나타낸 개념도,
도 14는 본 발명에 따라 렌즈 블록과 파장 선택성 필터를 부착할 때 경사지게 부착된 파장 선택성 필터의 일례를 과장되게 나타낸 개념도,
도 15와 16은 본 발명에 따라 경사거울이 평판형으로 제작된 다른 일례,
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 렌즈 블록을 나타낸 개념도,
도 18은 본 발명에 따른 일부 반사/일부 투과의 특성을 갖는 파장 가변 필터를 이용한 파장 가변형 반도체 레이저의 설치 개념도,
도 19는 본 발명에 따른 반사형 파장 가변 필터의 일례인 반사형 에탈론 필터의 개념도,
도 20은 본 발명에 따른 일부 반사/일부 투과의 특성을 가지며 반사 및 투과되는 빛의 파장을 가변하여 선택 가능한 투과/반사형 파장 가변 에탈론 필터의 일례,
도 21은 본 발명에 따른 회절 격자 무늬(grating)에 파장 대역폭이 넓은 빛이 입사되었을 때 빛의 회절 및 간섭 현상에 의한 파장 선택의 일례,
도 22a와 22b는 본 발명에 따른 파장 가변의 특성을 가지는 회절 격자 무늬형 파장 가변 필터의 일례,
도 23은 본 발명에 따른 고분자 재료의 일측에 회절 격자 무늬를 형성한 경우의 일례,
도 24는 본 발명에 따른 액정(Liquid crystal)을 이용하여 제작된 회절 격자 무늬 형태의 일부 투과/일부 반사 파장 가변 필터의 일례를 나타낸 것이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 레이저 다이오드 칩 150 : 서브마운트
200 : 렌즈 블록 210 : 렌즈
220 : 지지대 400 : 렌즈-필터 블록
410 : 파장 가변 필터 500 : 경사거울
600 : 감시용 포토 다이오드 칩 710 : 기판
711 : 회절 격자 무늬 720 : 제 1 금속 박막
730 : 고분자 재료층 740 : 제 2 금속 박막
750 : 전극 760 : 온도측정수단

Claims (29)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 레이저 다이오드 칩의 일측에서 방출되는 레이저 빛 중 선택된 파장의 빛의 일부 또는 전부를 레이저 다이오드 칩의 외부에서 파장 가변 필터를 이용하여 레이저 다이오드 칩으로 피드백시키는 외부 공진기를 이용한 파장 가변형 반도체 레이저에 있어서,
    상기 파장 가변형 반도체 레이저에는 상기 레이저 다이오드 칩(100)의 일측에 설치되어 레이저 다이오드 칩(100)의 일측 단면에서 수평으로 방출되는 레이저 빛을 상부에 설치된 파장 가변 필터(410)에 입사시키는 경사거울(500)과, 상기 경사거울(500)과 파장 가변 필터(410) 사이의 광경로상에 배치되어 상기 경사거울(500)과 파장 가변 필터(410) 사이를 통과하는 빛을 시준하는 렌즈(210)가 구비되되,
    상기 렌즈(210)는 양측이 지지대(220)에 의해 지지되고, 이 지지대(220) 사이의 렌즈(210) 하부에는 공간이 형성되어 상기 경사거울(500)과 레이저 다이오드 칩(100)이 설치되며, 상기 렌즈(210)의 양측이 지지된 지지대(220)의 상부에 상기 파장 가변 필터(410)가 결합되는 것을 특징으로 하는 파장 가변형 반도체 레이저.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 경사거울(500)의 경사면은 유리(glass) 또는 실리콘의 세라믹 재질에 금속 박막이나 유전체 박막이 증착된 것을 특징으로 하는 파장 가변형 반도체 레이저.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 파장 가변 필터(410)는 가변되어 선택되는 레이저 빛의 파장에 대해 전부 반사 또는 일부반사/일부투과의 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 파장 가변형 반도체 레이저.
  6. 삭제
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 렌즈(210)는 지지대(220)와 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 파장 가변형 반도체 레이저.
  8. 삭제
  9. 청구항 3에 있어서,
    상기 파장 가변 필터(410)는 에탈론 필터로 이루어는 것을 특징으로 하는 파장 가변형 반도체 레이저.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 에탈론 필터는 기판(710)의 일측면에 제 1 금속 박막(720), 고분자 재료층(730), 제 2 금속 박막(740)이 순서대로 증착되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 파장 가변형 반도체 레이저.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 에탈론 필터는 상기 기판(710)의 타측면에 금속이나 금속 산화물로 이루어진 히터용 전극(750)이 형성되고, 이 히터용 전극(750)에 전원이 연결되는 것을 특징으로 하는 파장 가변형 반도체 레이저.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 에탈론 필터는 제 1 금속 박막(710)이나 제 2 금속 박막(740)에 전원이 연결되어 히터용 전극을 형성되는 것을 특징으로 하는 파장 가변형 반도체 레이저.
  13. 청구항 3에 있어서,
    상기 파장 가변 필터(410)는 회절 격자 무늬 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파장 가변형 반도체 레이저.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 파장 가변 필터(410)는 일측면에 회절 격자 무늬(711)가 형성된 기판(710)에 고분자 재료층(730)이 증착되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 파장 가변형 반도체 레이저.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 파장 가변 필터(410)는 회절 격자 무늬(711)가 형성된 고려되는 파장에 대해 투명한 기판(710)과 평판형의 투명 기판(780) 사이에 액정(770)이 봉입되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 파장 가변형 반도체 레이저.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 파장 가변 필터(410)는 기판(710)(780)의 최소 일측면에 금속이나 금속 산화물 박막이 증착되어 전극(755)을 형성하는 것을 특징으로 하는 파장 가변형 반도체 레이저.
  17. 청구항 13에 있어서,
    상기 파장 가변 필터(410)는 고려되는 파장에 대해 투명한 기판(710)의 일측면에 회절 격자 무늬(731)가 형성된 고분자 재료(730)가 접착되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 파장 가변형 반도체 레이저.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 파장 가변 필터(410)는 기판(710)의 타측면에 금속이나 금속 산화물 박막이 증착되어 히터용 전극(750)을 형성하는 것을 특징으로 하는 파장 가변형 반도체 레이저.
  19. 청구항 10, 14, 17, 18 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고분자 재료층(730)은 온도에 따른 굴절률 변화가 1×10-5/℃ 이상인 고분자 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 가변형 반도체 레이저.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 고분자 재료는 PMMA(Poly-methyl meth-acrylate), 폴리이미드(Polyimides), PFCB(Perfluoro cyclo butane), arylene ethers, polyether, acrylate, polysiloxane 중 어느 하나를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 파장 가변형 반도체 레이저.
  21. 청구항 3에 있어서,
    상기 경사거울(500)에 형성된 경사면의 경사각은 40°∼50°인 것을 특징으로 하는 파장 가변형 반도체 레이저.
  22. 청구항 3에 있어서,
    상기 경사거울(500)은 프리즘인 것을 특징으로 하는 파장 가변형 반도체 레이저.
  23. 청구항 3에 있어서,
    상기 경사거울(500)은 상향의 45°경사면과 하향의 45°경사면이 만나거나 이들의 연장선이 만나는 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파장 가변형 반도체 레이저.
  24. 청구항 3에 있어서,
    상기 경사거울(500)은 경사진 전면경사면과 후면경사면이 평행한 평판형 경사거울인 것을 특징으로 하는 파장 가변형 반도체 레이저.
  25. 청구항 22, 23, 24 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 경사거울(500)의 레이저 다이오드 칩(100) 쪽 경사면은 경사거울(500)로 입사하는 빛의 전부를 반사하거나 일부를 반사하고 일부는 투과시키는 유전체 박막이나 금속 박막이 증착된 것을 특징으로 하는 파장 가변형 반도체 레이저.
  26. 청구항 3에 있어서,
    상기 경사거울(500)의 레이저 다이오드 칩(100) 반대쪽 후면이나 하부 일측에는 경사거울(500)을 투과하는 레이저 빛을 수신하여 레이저 다이오드 칩(100)의 동작 상태를 감시하는 감시용 포토 다이오드 칩(600)이 설치되는 것을 특징으로 하는 파장 가변형 반도체 레이저.
  27. 청구항 3에 있어서,
    상기 파장 가변 필터(410)의 일측면에 상기 파장 가변 필터(410)의 온도를 측정하는 온도측정수단(760)이 설치된 것을 특징으로 하는 파장 가변형 반도체 레이저.
  28. 청구항 10, 14, 17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파장 가변 필터(410)는 열전소자를 통하여 온도가 조절되는 것을 특징으로 하는 파장 가변형 반도체 레이저.
  29. 청구항 10, 14, 17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파장 가변 필터(410)의 온도는 파장 가변 필터(410)를 지지하는 기판이 동작하여야 할 최고 외부 환경 온도보다 높게 설정되는 것을 특징으로 하는 파장 가변형 반도체 레이저.
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JPH1051061A (ja) 1996-07-30 1998-02-20 Nec Corp 狭帯域エキシマレーザ装置
KR20070028463A (ko) * 2006-12-28 2007-03-12 피렐리 앤 씨. 에스.피.에이. 열적으로 제어된 외부공동 동조형 레이저
KR100699626B1 (ko) * 2004-03-30 2007-03-23 안리츠 코포레이션 외부 공동 공진기형 가변파장 광원

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