KR101093661B1 - 외부공동 가변파장 레이저에서의 위상제어 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이득 매질, 가변파장 소자 및 채널할당 격자소자를 포함하는 단일모드 외부공동 가변파장 레이저에 관한 것이다. 채널할당 격자소자는 바람직하게는 ITU 채널격자에 해당하는 등간격의 복수의 투과 피크, 예컨대, 200, 100, 50, 또는 25GHz를 형성하도록 구성되고 배열된 FP 에탈론이다. 가변파장 소자, 바람직하게는 가변파장 미러는 격자 에탈론의 피크들을 식별하는 저밀도 동조소자로서 사용된다. 본 발명의 가변파장 레이저는 15㎜보다 크지 않는, 바람직하게는 12㎜보다 크지 않는 비교적 짧은 공동길이를 갖는다. FP 에탈론이 캐비티 모드의 압축, 즉, 에탈론 투과 피크에 따른 캐비티 모드 간격에서의 감소를 유발하는 외부공동에서 위상 비선현성을 도입하는 것을 발견하였다. 모드 압축은 이하 (FWHM)FP라고 하는 격자 FP 에탈론의 FWHM 대역폭의 감소에 따라 증가한다. (FWHM)FP는 약 2GHz 내지 약 8GHz의 범위로 구성되어야 한다. 바람직하기로, (FWHM)FP는 대략 3GHz 내지 6GHz 사이에 포함된다.

Description

외부공동 가변파장 레이저에서의 위상제어{Phase-Control In An External-Cavity Tuneable Laser}
본 발명은 특히 파장분할 다중화 광통신망에 적합한 광트랜시버(optical transceiver)로서 외부공동 가변파장 레이저에 관한 것이다.
가변파장 광원으로서 레이저의 사용은 파장분할 다중화(WDM) 시스템 또는 새롭게 진화된 고밀도 WDM(dense WDM, DWDM) 시스템의 재구성(reconfigurability)을 크게 향상시킬 수 있다. 예컨대, 파장을 단순히 동조시킴으로써 다른 채널들이 노드에 할당될 수 있다. 또한, 가변파장 레이저는 파장 라우팅에 기초한 가상 사설망, 즉, 광통신망(photonic networks)을 형성하는데 사용될 수 있다.
다른 접근들은 분포 브래그 반사기(distributed bragg reflector) 레이저, 이동식 톱미러(top mirror)를 갖는 VCSEL 레이저, 또는 외부공동 다이오드 레이저와 같은 가변파장 레이저를 형성하는데 사용될 수 있다. 외부공동 가변파장 레이저는 고출력전력, 넓은 동조범위, 양호한 인접 모드 억제 및 협소한 선폭과 같은 다수의 이점을 제공한다. 다양한 레이저 동조장치들이 기계적으로 조절되거나 전기적으로 작동되는 공동 내 선택기 소자(intracavity selector elements)와 같이 외부공동 파장선택을 형성하도록 개발되었다.
미국특허 제6,526,071호는 국제전기통신연합(International Telecommunications Union, ITU) 격자상의 임의의 채널에 대한 중심 파장을 발생시키기 위해 통신기기에 사용될 수 있는 외부공동 가변파장 레이저를 기술하고 있다. 개시된 가변파장 레이저는 이득 매체, 격자 발생기 및 채널 선택기를 포함하고, 상기 격자 발생기와 채널 선택기 모두는 빔의 광경로에 배치되어 있다. 격자 발생기는 채널 간격에 상응하는 간격으로 공동의 주기적인 길이방향 모드를 선택하고 인접 모드들을 거부한다. 채널 선택기는 파장 격자내의 채널을 선택하고 다른 채널들은 버린다.
증가하는 광통신 트래픽을 수용하기 위해, 50GHz 및 결국에는 25GHz의 채널 간격을 갖는 DWDM 시스템이 개발중에 있다. DWDM은 더 협소한 채널간격을 사용하므로, 전체 동조 및 동작 온도범위에 걸친 송신기 레이저의 파장(주파수) 정확도가 중요 문제가 되었다. 50GHz 채널 간격을 갖는 DWDM 시스템은 일반적으로 레이징 주파수(lasing frequency)에 대해 ±2.5GHz의 정확도를 필요로 하는 반면에, 25GHz 채널 간격을 갖는 시스템은 일반적으로 ±1.25GHz의 주파수 정확도를 필요로 한다. 따라서, 빠르고 정확하게 소정의 동작 파장을 설정하고 유지하기 위한 신뢰할 수 있는 파장 안정성 고안이 가변파장 레이저의 조립 및 동작에서 중요 문제이다.
레이저 파장 및 다른 출력 파라미터의 능동 제어 시스템은 일반적으로 외부공동 가변파장 레이저에서 구현된다. 종종, 이들 능동 제어 시스템은 레이저 파장을 소정의 동작 파장에 고정시키는데 따른다. 통상적인 고정 기술은 소정의 값으로 조정된 파장을 유지하도록 전류나 온도 피드백을 통한 피드백 신호를 사용할 수 있다. 파장 고정 시스템은 외부 지원 회로망으로서 주어지거나 레이저 모듈에 집적될 수 있다.
미국특허 제6,366,592호는 가변파장 페브리-페롯(Febry-Perot, FP) 공동과 공동길이(cavity length) 변조기를 포함하는 공동의 광 길이를 제어하는 가변파장 레이저를 기술하고 있다. FP 공동은 먼저 소정의 동작 파장에 동조되고, 그런 후 공동길이 변조기가 일반적으로 동작 파장에서 광의 한 파장 미만의 양 만큼 레이저 공동의 물리적 길이를 가변시키도록 구동된다. 파장 고정기(wavelength locker)에 의해 검출되는 절대 파장과 관련하여 미세 공동내 모드 동조가 달성된다. 대안으로, 공동길이는 출력전력이 최대가 될 때까지 조절되며, 이는 캐비티 모드(cavity mode)가 FP 필터의 중심 파장으로 조정될 때 발생된다. 상기 특허에 기술된 방안은 주로 바람직하게는 3㎝ 미만, 바람직한 실시예에서는 1㎝ 미만의 짧은 레이저 공동을 갖는 가변파장 레이저에 적용될 수 있다고 한다.
본 발명자는 연속적으로 파장 가변될 수 있는 공동내 소자의 불연속적 파장선택이 파장 동조의 정확도를 한정하고 파장을 소정의 동작값으로 유지시키는데 필요한 파장 고정시스템을 사용할 수 있게 함을 주목했다. 본 발명자는 파장 고정시스템의 사용으로, 또한 집적된 경우, 레이저 모듈의 비용이 증가되고 레이저 시스템의 소형화에 불리할 수 있음을 또한 주목했다.
미국특허출원 제2003/0012230호는 이득 매질(gain medium)과 엔드 미러(end mirror) 사이의 광경로에 배치된 격자 에탈론(grid etalon)과 웨지 에탈론(wedge etalon) 채널 선택기를 포함하는 외부공동 레이저를 기술하고 있다. 격자 에탈론은 ITU 격자의 격자선들 사이 간격에 상응하는 자유 스펙트럼 영역(free spectral range, FSR)을 갖는다. 채널 선택기의 선폭의 반치전폭(full width half maximum, FWHM)은 약 120GHz에 해당하는 1.0㎚ 보다 더 크고, 약 190GHz에 해당하는 1.5㎚ 보다 작다고 한다. 특정한 예에서, 격자 발생기는 약 25GHz에 해당하는 약 0.2㎚ 의 FWHM 선폭을 갖는다.
본 출원인은 파장 격자의 각 채널 사이에 있는 외부공동 레이저의 인접 모드들을 억제하기 위해 격자 발생기(즉, 선택된 채널)는 특히 상기 격자 발생기가 캐비티 모드 간격에 비해 낮은 파이니스(finesse)를 갖는 경우 선택된 피크로 캐비티 모드를 조정하기가 어렵다는 것을 주목했다. 이 경우, 능동적으로 공진 파장을 선택된 채널에 대해 제어하고 고정시키는 피드백 시스템이 일반적으로 요구된다.
레이저 및 관련된 WDM 시스템 부품에서 파장 선택을 위한 전기적 가변파장 스펙트럼 필터로서 많은 액정(LC)소자들이 개발되었다.
LC 필터는 종종 전기기계적 효과로 인해 액정의 성능저하를 방지하기 위해 교류전류(AC) 전압에 의해 구동된다. Journal of Applied Physics, vol. 71, p2464-66에 간행된 "Frequency locking of a tuneable liquid-crystal filter"에서, 가변파장 LC 페브리-페롯(FP) 필터의 주파수 고정 기술이 설명되어 있다. 필터의 공진을 제어하기 위해 LC-FP 필터에 인가되는 주파수 ω에서의 AC 전압으로 인해 투과된 광강도에서 2ω의 작은 변조가 초래된다. 온도 변동을 보상하기 위해, 상기 2ω 신호로 발생되는 파생 신호를 최소화하는 피드백 시스템에 의해 FP 필터의 주파수 추적이 수행된다.
레이저 공동의 파장 선택 및 동조는 능동 가변파장 미러를 사용하여 수행될 수 있다. LC를 사용하고 능동 가변파장 미러로서 사용될 수 있는 전자광학적으로 제어되는 소자가 미국특허 제6,215,928호에 개시되어 있다. 레이저의 레이징 파장은 미러의 공진 파장이 되는 능동 가변파장 미러에 의해 판단된다. 공진파장은 전자광학적으로 제어되는 소자에 공급되는 전압 또는 전류를 가변시킴으로써 이동될 수 있다.
미국특허 제6,205,159호는 LC-FP 간섭계에 전압을 변경시킴으로써 불연속적 파장 세트에 동조되는 외부공동 반도체 레이저를 개시하고 있다. 동조될 수 있는 불연속적 파장 세트는 정적 공동내 에탈론(static intracavity etalon)에 의해 형성된다. 정적 공동내 에탈론의 FSR은 LC FP 간섭계의 해상도 대역폭보다 더 크도록 설계된다. 정적 에탈론의 FWHM 선폭은 외부공동의 길이방향 모드 간격보다 작아야 한다. 25㎜의 외부공동 광경로 길이에 대해, 100GHz의 FSR과 3.3GHz의 FWHM을 갖는 고체 에탈론은 안정적인 동작을 위한 요건을 충족한다고 한다.
본 발명은 상술한 문제 중 적어도 하나를 해결하기 위한 것이다.
본 발명은 이득 매질, 가변파장 소자 및 채널할당 격자소자를 포함하는 단일모드 외부공동 가변파장 레이저에 관한 것이다. 채널할당 격자소자는 바람직하게는 FP 에탈론으로서, 상기 에탈론은 복수의 등간격의 투과 피크들을 정의하도록 구성되고 배열되어 있다. WDM 또는 DWDM 통신 시스템에 대한 적용에서, 투과 피크 간격, 즉, 격자 소자의 FSR은 ITU 채널 격자, 예컨대, 200, 100, 50, 또는 25GHz에 해당한다. FP 에탈론은 광경로를 지나 서로 마주보며 이격되어 있는 한 쌍의 부분적인 반사미러를 포함한다. FP 에탈론은 고체 또는 공기층 에탈론일 수 있다.
가변파장 소자, 바람직하게는 가변파장 미러는 격자 에탈론의 피크들을 식별할 수 있는 저밀도(coarse) 동조 소자로서 사용된다. 가변파장 소자의 FWHM 대역폭은 격자 에탈론의 FWHM 대역폭보다 작지 않다. 길이방향의 단일모드 동작에 대해, 특정한 채널 주파수에 상응하는 FP 에탈론의 투과 피크는 단일 캐비티 모드를 선택, 즉, 투과시켜야 한다. 따라서, FP 에탈론은 FWHM으로 나누어지는 FSR로서 형성되는 파이니스(finess)를 가져야 하며, 이는 각 채널 사이의 공동(cavity)의 인접 모드를 억제한다. 단일모드 레이저 방출에 대해, 길이방향 캐비티 모드는 에탈론 투과피크들 중 하나(가변파장 소자에 의해 선택된 하나)의 최대치 너머로 위치되어야 한다. 이런 식으로, 단지 특정한 주파수만이 에탈론을 통과하게 되며 다른 경쟁하는 인접 캐비티 모드들은 억제되어 진다.
본 발명의 가변파장 레이저는 비교적 짧은 공동길이, 즉, 많아야 약 15㎜의 길이를 갖는다. 짧은 레이저 공동은 레이저 시스템이 표준 패키지, 예컨대 버터플라이 패키지(butterfly package)로 조립되는 경우 크기 제한이 요구된다. 더욱이, 아래의 논의로부터 더 맹백해지는 바와 같이, 짧은 공동은 긴 공동보다 에탈론을 투과하는 모드에 대해 양호한 모드 억제를 나타낸다. 에탈론에 의한 레이징 모드에 인접한 캐비티 모드의 억제를 이하 스펙트럼 에탈론 주변억제(etalon side suppression, ESS)라고 한다. 바람직하기로, 공동 길이는 약 12㎜ 보다 크지 않다.
레이저 공동 길이를 줄임으로써 길이방향 캐비티 모드의 간격, 즉, 레이저 공동의 자유 스펙트럼 범위(이하, 아래의 관계식에 의해 (FSR)공동이라 함)의 증가가 초래된다:
Figure 112010056426637-pat00001
여기서, c0는 진공에서의 광의 속도이고, ni(i=1,…,m)는 광이 공동에서 조우하는 i번째 광소자를 채우고 있는 매질과 공동 자체(즉, 자유공간)의 굴절률이며, Li는 i번째 소자의 광이동의 물리적 길이이다. 레이저 공동에서 광의 광경로를 유효 공동길이, 즉, L유효라고 하며, 이는 다음과 같이 정의된다:
Figure 112010056426637-pat00002
유효 공동길이는 물론 외부공동의 물리적 길이 L0에 관한 것이다. 레이저 외부공동은 공동의 물리적 길이 L0로서 정의되는 길이만큼 이격된 2개의 마주보고 반사하는 일반적으로 평행한 면들로 구성되는 광공진기로서 생각될 수 있다. 일반적으로, L유효≥L0이다.
수학식 (1)은 다음과 같이 다시 쓸 수 있다:
Figure 112010056426637-pat00003
15㎜보다 작은 L0를 갖는 외부공동 레이저에 대해, (FSR)공동은 일반적으로 약 8-10GHz보다 더 크다.
더 짧은 공동이 사용되는 경우, 더 낮은 파이니스 FP 에탈론이 원칙적으로 사용될 수 있다. 더 낮은 파이니스 FP 에탈론을 사용하는 능력은 정렬 허용오차를 완화시키고, 이에 의해 장치의 복잡도를 감소시킨다.
본 발명자는 FP 에탈론이 에탈론 투과 피크에 따라 캐비티 모드의 압축, 즉, 캐비티 모드 간격의 감소를 유발하는 위상 비선형성을 외부공동에 도입하는 것을 알았다. 모드 압축은 격자 FP 에탈론의 FWHM 대역폭(이하 (FWHM)FP라고 함)이 감소함에 따라 증가한다. (FWHM)FP의 충분히 큰 값에 대해, 공동 길이에 따른 값, 즉, 캐비티 모드 압축은 무시된다. 첫번째 근사로, 모드 압축의 효과는 현저한데, 즉, 2.5(FSR)공동 보다 낮은 (FWHM)FP에 대해 약 10% 이상 더 크다.
모드 압축이 특히 FP 에탈론의 매우 협소한 대역폭 해상도에 대해 현저하나, 다른 고려사항들도 실제로 (FWHM)FP에 하한을 설정한다. FP 에탈론은 (FWHM)FP 감소에 따라 증가하는 광손실을 레이저 공동에 도입한다. 본 발명자는 (FWHM)FP이 광손실을 억제하기 위해 약 2GHz보다 작지 않아야하는 것을 관찰하였다.
본 발명자는 (FWHM)FP이 약 2GHz 에서 약 8GHz 까지의 범위에 포함되어야 하는 것을 알았다. 바람직하기로, (FWHM)FP은 약 3GHz 내지 6GHz 사이에 포함된다. 채널 간격, (FSR)공동은 바람직하게는 25GHz 내지 20GHz 사이에 포함된다.
에탈론 모드내의 캐비티 모드 압축효과는 레이저 공동(cavity)의 위상을 제어하는데 사용될 수 있다. 본 발명자는 주어진 동공 길이에 대해, 이에 따른 주어진 "고유" 캐비티 모드 간격 (FSR)공동에 대해(즉, 에탈론 비선형을 고려하지 않고), (FWHM)FP은 에탈론 모드(즉, 피크값)의 중심으로부터 소정 거리를 넘지 않을 정도로 위치되어 있는 하나의 에탈론 피크내에 적어도 하나의 캐비티 모드가 있도록 선택될 수 있는 것으로 판단했다. 다르게 말하면, 가변파장 소자에 의해 선택되었던 임의의 채널에 대해, 레이저 방출 파장은 선택된 에탈론 피크의 피크 파장에 대한 소정 파장범위내에 정의될 수 있다. 이 조건을 만족하는 레이저 시스템은 레이저 공동의 기하학적 형태에 의해 달성되고 능동 제어를 필요로 하지 않는 수동 위상 "준 동기(quasi-synchronism)"를 나타낸다.
도 1은 레이저 공동내에 다양한 모드들을 도시한 도면이다: (A)에서, 캐비티 모드는 공진 외부공동, 즉, (FSR)공동에 의해 유도되고; (B)에서, FP 에탈론의 모드들은 표준 ITU 채널간격(도시된 예에서 (FSR)FP는 100GHz임)에 고정된 피크 위치를 가지며; 그리고 (C)는 가변파장 소자, 즉, 채널 선택기의 통과대역이다.
주어진 "고유" 캐비티 모드간격, (FSR)공동에 대해, 에탈론 비선형성의 효과를 포함하는 에탈론 투과 피크내의 캐비티 모드간격은 최소 모드간격 smin 에서 최대 모드간격 smax까지 변한다. 도 2a를 참조하면, smin은 에탈론 투과 피크내에 적어도 2개의 캐비티 모드들이 있는 조건에 해당하며 (선택된) 에탈론 피크의 최대치에 해당하는 주파수 fFP에 인접한 상기 2개의 모드들은 실질적으로 상기 주파수 fFP로부터 등거리에 있다. 이 조건에서, 필요한 가간섭성 길이(coherenece length)를 제공하는데 충분한 어떠한 지배적인 주파수도 없고, 길이방향 모드 호핑(mode hopping)이 발생할 수 있다. 모드 호핑 조건하에서, 모드는 레이저 출력파장 및 전력에서 갑작스러운, 불연속적 변화가 발생하는 길이방향 캐비티 모드들 사이에서 점프한다. 에탈론 피크 외부 및 내부의 캐비티 모드의 위치들이 빈 사각형으로 도 2a에 도시되어 있다.
도 2b를 참조하면, smax는 한 캐비티 모드의 주파수가 실질적으로 최적의 단일모드 레이저 동작, 즉, (완전한) 위상 동기를 갖는 안정적인 레이징에 해당하는 fFP에 중첩하는 조건을 제공한다.
본 발명자는 격자 에탈론의 이점적인 필터링 특성이 가변파장 레이저 시스템에서 얻고자 하는 소정의 주파수(파장) 정확도와 관련있는 것을 관찰하였다. 본 발명자는, 주어진 주파수 정확도 ±Δυ에 대해, (FWHM)FP는 아래의 관계가 만족되도록 선택되어야 한다:
Figure 112010056426637-pat00004
수학식 (4)로 표현된 조건이 만족되는 경우, 레이저 공동의 위상 준동기가 얻어진다.
위상 준동기 조건을 이해하는 것은, 예컨대, 다른 고객의 요구에 맞출 수 있는 레이저 설계에 있어 융통성을 허용한다. 본 발명에 따르면, 약 0.5GHz 아래로 레이저 출력 주파수에서 주파수 정확도가 달성된다.
본 발명자는 가변파장 소자, 즉, 채널 선택기의 해상도 대역폭상에 smin의 매우 약한 의존도를 주목했다. (FWHM)FP에서 0.1 - 0.2 GHz내의 변화가 약 50 내지 200 GHz에 이르는 가변파장 소자의 FWHM에 대해 발견되었다.
일태양으로, 본 발명은 물리적 길이 L0 및 복수의 캐비티 모드(cavity mode)들을 갖는 외부공동; 상기 외부공동에 광빔을 방출하는 이득 매질(gain medium); 선택된 파장 격자의 상응하는 채널과 실질적으로 정렬되고 반치전폭(FWHM)의 대역폭을 갖는 복수의 통과대역을 형성하도록 상기 외부공동에 배열되는 채널할당 격자소자; 및 상기 광빔을 동조하기 위한 채널을 선택하도록 상기 통과대역 중 하나를 동조가능하게 선택하기 위해 상기 외부공동에 배열되는 가변파장 미러를 구비하고, 상기 길이 L0는 15㎜보다 크기 않고 상기 채널할당 격자소자의 FWHM에서의 대역폭은 2GHz 내지 8GHz로 구성되는 레이저 방출 주파수에서 단일 길이방향 모드상에 출력 방사를 방출하도록 구성되는 가변파장 레이저 시스템에 관한 것이다.
또 다른 태양으로, 본 발명은 (FSR)공동에 의해 서로 이격된 복수의 캐비티 모드들을 형성하는 외부공동을 갖는 가변파장 레이저 시스템의 단일 길이방향 캐비티 모드상에 선택되는 레이저 방출 주파수 제어방법으로서, 이득 매질로부터 방출된 광빔을 선택된 파장격자 소자의 해당 채널과 실질적으로 정렬되는 복수의 통과대역들로부터 선택된 통과대역의 해당하는 중심 주파수에 대해 동조하는 단계; 및 FWHM<2.5(FSR)공동과, FWHM≥2GHz이도록 상기 선택된 통과대역의 FWHM에서의 대역폭을 선택하는 단계를 포함하는 레이저 방출 주파수 제어방법에 관한 것이다.
바람직한 실시예에서, 가변파장 소자는 외부공동의 엔드 미러(end mirror)를 형성하고 이득 매질, 예컨대, 반도체 레이저 다이오드의 반사 전면과 함께 길이방향으로 형성되어 있는 가변파장 미러이다. 도 3은 가변파장 미러를 포함하는 외부공동 레이저 구성을 개략적으로 도시한 것이다. 이득 매체(1)는 전면(2)과 후면(3)을 포함한다. 전면(2)은 부분적으로 반사시키고 외부공동의 엔드 미러들 중 하나로서 사용된다. 후면(3)은 반사율이 낮다. 일반적으로 반사방지 코팅(미도시)으로 코팅되어 있다. 조준렌즈(4)는 이득 매질에 의해 방출된 광빔을 ITU 채널 격자에 고정된 모드를 갖는 FP 에탈론(5)에 수렴시킨다. FP 에탈론(5) 다음에, 빔은 상기 외부공동의 타단 미러를 형성하는 가변파장 미러(6)에 부딪히고 이득 매질의 전면과 함께 공동(cavity)의 물리적 길이 L0를 형성한다. 가변파장 미러는 에탈론 투과 피크 중 하나를 선택함으로써 소정의 채널 주파수로 동조된다. 가변파장 미러(6)는 전압 발생기(7)에 의해 인가된 인가 전압을 전기적으로 가변시킴으로써 동조된다.
레이저 공동에서 발생하는 레이저 효과에 대해, 2개의 조건들, 즉, 공진조건 및 이득조건이 충족되어야 하며, 이 조건은 각각 다음과 같은 식들로 표현될 수 있다:
Figure 112010056426637-pat00005
Figure 112010056426637-pat00006
여기서, N은 정수이고, GLD는 레이저 다이오드의 스펙트럼 이득이며, ΦLD는 레이저 다이오드에 의해 도입된 위상 지연이고, ΦFP는 에탈론에 의해 도입된 위상지연이며, ΦFS는 자유공간에 의해 도입된 위상 지연이고, GFP는 에탈론의 투과 스펙트럼이며, R1은 레이저 다이오드의 전면의 반사율이고, R2(λ)는 가변파장 미러의 반사율이며, ΦR2는 가변파장 미러에 의해 도입된 위상지연이다. 에탈론 위상지연 ΦFP는 에탈론 미러의 반사율과 관련있다. 파이니스(finesse)로 표현되는 투과 선명도는 에탈론의 미러의 반사율에 따라 증가하는 것이 알려져 있다. 따라서, ΦFP는 적절한 함수를 통해 (FWHM)FP와 관련된다.
수학식 (5) 및 수학식 (6)은 레이저 캐비티 모드를 얻기 위해 조합될 수 있다:
Figure 112010056426637-pat00007
본 발명자는 FP 에탈론이 공동(cavity)에 있는 다른 소자들과 공동 자체에 의해 도입된 기여에 비해 레이저 공동에서의 위상 비선형성에 지배적인 기여를 초래하는 것을 주목하였다. 가변파장 소자는 에탈론 피크들 중 하나를 선택한다. 따라서, 선택된 에탈론 피크의 위상 비선형성은 가변파장 소자의 비선형성과 결부되는 FP 에탈론의 비선형성으로서 고려될 수 있다. 상술한 바와 같이, FP 에탈론에 의해 초래된 모드 압축은 가변파장 소자의 해상도 대역폭에 대한 약한 의존성을 나타낸다.
수학식 (7)에 의해, 소정의 smin값에 대한 에탈론 위상지연 및 이에 따른 (FWHM)FP의 값, 또는 값들의 범위를 도출할 수 있다. 소정의 smin값은 가변파장 레이저의 필요한 또는 소정의 주파수 정확도와 관련있다.
*레이저 출력전력을 감시하고 하나의 레이저 파라미터, 예컨대, 전력이 최대가 될 때까지 이득 매질의 주입전류에 대한 작은 조절을 함으로써 정확한 채널 센터링(channel centering) 및 장기간의 주파수 안정성을 얻을 수 있다. 하기의 논의로부터 명백해지는 바와 같이, 캐비티 모드의 채널 센터링은 격자 에탈론 광투과 특성의 적절한 선택에 의해 형성된 위상 준동기로 인해 순전히 출력전력의 최대화만을 이용함으로써 달성될 수 있다.
레이저 시스템은 온도 안정성 시스템을 포함할 수 있는 표준 14핀 버터플라이 패키지에 수용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 이득 매질은 제 1 열전 냉각기((thermoelectric cooler, TEC)상에 장착된다.
또 다른 실시예에 따르면, 채널 할당 격자소자가 제 2 TEC상에 장착된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 이득 매질, 채널할당 격자 소자, 및 선택적으로 가변파장 미러가 동일한 TEC상에 장착된다.
본 발명의 레이저 시스템의 한가지 또 다른 이점은 동조도(tunability)를 달성하기 위해 어떠한 이동부분들도 포함하지 않을 수 있다는 것이다.
본 발명에 따른 레이저 시스템은 특히 ITU 50 GHz 채널 격자상에 전체 C대역을 통해 빠른 스위칭을 형성하도록 설계되어 있다. 본 발명에 따른 능동제어 시스템을 사용하여, 25GHz DWDM 채널 간격으로 주파수 안정성을 달성하기 위해 어떠한 파장 고정기도 필요로 하지 않는다.
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도 1은 외부 길이방향 캐비티 모드(A), 채널할당 격자의 투과모드(B), 및 채널 선택기, 즉, 가변파장 소자의 대역폭(C)의 그래프이다;
도 2a는 레이저 발진조건이 한 모드 호핑일 때 가변파장 소자에 의해 선택된 채널할당 격자의 통과대역내에 있는 길이방향 캐비티 모드의 그래프이다;
도 2b는 위상 동기조건에 따른 가변파장 소자에 의해 선택된 채널할당격자의 통과대역내에 있는 길이방향 캐비티 모드의 그래프이다;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가변파장 미러를 포함하는 외부공동 가변파장 레이저의 블록도이다;
도 4a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가변파장 레이저 어셈블리의 개략도이다;
도 4b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가변파장 레이저 어셈블리의 개략도이다;
도 5는 50GHz의 FSR을 갖고 0.5°의 광빔에 수직한 입사각도로 공동에 배치되는 FP 에탈론의 FWHM에서의 대역폭의 함수로서 레이저 외부공동의 광손실을 도시한 도면이다;
도 6은 레이저 다이오드의 주입전류의 함수로서 레이저 출력전력(실선) 및 출력 광주파수(점선)를 도시한 예시적인 측정이다;
도 7은 AC 인가 전압으로 인한 발진을 나타내는 가변파장 미러의 스펙트럼 응답을 도시한 도면이다;
도 8은 또한 입사파장에 대한 변조깊이의 의존성을 도시한 가변파장 미러의 스펙트럼 응답을 도시한 도표이다;
도 9는 주파수 fA(두꺼운 실선) 및 2fA(점선)에서 파장(얇은 실선)의 함수로서 집적된 레이저 출력전력과 레이저 출력전력의 AC 부품의 예시적인 측정이다; 그리고
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 가변파장 레이저의 파장 안정성에 대한 제어회로의 개략도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가변파장 레이저 시스템이 도 4a에 개략적으로 도시되어 있다. 이득 매질(19)은 반도체 레이저 다이오드, 예컨대 특히 외부공동 레이저 기기용으로 설계된 InGaAs/InP 다중 양자우물 FP 이득 칩에 기초한 것이다. 다이오드는 전면(17)과 후면(16)을 구비한다. 다이오드의 후면(16)은 공동내 전면이고 잔여 반사율(residual reflectance)이 10-4/10-5 크기로 측정되는 반사방지 코팅을 갖는다. 바람직하기로, 이득 칩 도파관은 후면 반사를 더 줄이기 위해 후면상에 비스듬히 입사되도록 휘어져 있다. 전면(17)은 부분적으로 반사되고 외부공동의 엔드 미러들 중 하나로서 사용된다. 전면의 반사율은 5% 내지 30% 사이 범위이다. 다이오드 후면으로부터 방출되는 빔은 페브리 페롯 에탈론 필터(12)상에 빔을 조준하는 조준렌즈(11)에 의해 조준된다. 바람직한 실시예에서, 레이저 다이오드 이득 대역폭은 약 100㎚이다.
*레이저는 동작 파장들이 ITU 채널 격자와 정렬되는 식으로 설계될 수 있다. 이 경우, 레이저 파장은 복수의 투과 피크를 형성하도록 구성되고 배열되어 있는 FP 에탈론(12)을 통해 ITU 격자에 집중된다. 채널 간격에 해당하는 투과 피크 간격, 즉, 자유 스펙트럼 영역 (FSR)FP은, 예컨대, 200GHz, 100GHz, 50GHz 또는 25GHz일 수 있다. 투과 피크의 선명도는 (FWHM)FP 또는 에탈론의 FSR 대 FWHM의 비인 파이니스(finesse)로 표현된다.
바람직하기로, FP 에탈론은 상기 FP 에탈론의 반사광이 레이저 다이오드로 되돌아오지 못하도록 광빔(15)의 수직면에 대하여 약간의 경사각도를 가지며 공동내에 배치된다. FP 에탈론의 입사각도는 바람직하게는 0.4°내지 0.8°, 더 바람직하게는 약 0.5°로 구성된다.
FP 에탈론(12)을 지난 후, 빔은 제 1 엔드 미러와 함께 공동의 물리적 길이 L0를 형성하는 가변파장 미러(13)에 부딪힌다. 가변파장 미러(13)는 광신호를 이득 매질로 다시 반사시켜, 가변파장 미러와 이득 매질의 전면(17) 사이의 공동내에 공진 작용이 발생된다. 다르게 말하면, 이득 매질의 후면으로부터 가변파장 미러까지의 광경로는 외부공동의 유효 공동길이 Leff에 반비례하는 (FSR)공동을 갖는 공진기를 형성한다[수학식 (3)]. 레이저 빔은 이득 매질의 부분적인 반사 전면(17)에 의해 외부공동 밖에서 결합된다. 선택적으로, 전면렌즈(14)가 레이저 출력빔의 광경로를 따라 배치될 수 있다.
레이저 어셈블리는 실질적으로 단일 길이방향 모드 방사(mode radiation), 및 바람직하게는 횡방향 모드 방사를 만들도록 설계되어 있다. 길이방향 모드는 레이저 공동내에 다수의 별개 주파수들에서의 동시 레이징을 말한다. 횡방향 모드는 레이징 복사의 횡방향으로 빔강도 횡단면에서의 공간적 변화에 해당한다. 일반적으로, 이득 매질, 예컨대, 도파관을 포함하는 상용의 반도체 레이저 다오오드의 적절한 선택은 하나의 공간모드 또는 횡모드 동작을 보장한다.
레이저는 WDM 또는 DWDM 시스템에서 등간격의 채널 주파수를 정합시키는 복수의 등간격의 출력 주파수 중 선택된 하나에서 출력방사(output radiation)를 방출하도록 구성되어 있다. 레이저는 공동내에 있는 광소자의 스펙트럼 응답과 공동의 위상에 따른 파장 λCM(CM=캐비티 모드)에서 단일의 길이방향 모드출력을 방출하도록 동작된다.
FP 에탈론은 캐비티 모드의 압축을 유도하는 레이저 공동에서 위상 지연, 즉, 에탈론 투과피크에 따른 캐비티 모드 간격에서의 감소를 도입한다. 도 2a를 참조하면, (FWHM)FP는 캐비티 모드 압축효과를 고려함으로써 소정의 smin값을 얻도록 선택된다. smin값은 수학식 (4)를 통해 레이저의 필요한 주파수 정확도, Δν와 관련있다.
표 1 및 표 2는 (FSR)FP=100GHz에 대한 (FWHM)FP의 다른 값들에 대한 smin값, smax값, 및 에탈론 주변억제(ESS)의 다양한 값을 나타낸다. 값들은 수학식 (7)의 수치 시뮬레이션으로부터 도출되었다. 표 1은 비교적 긴 레이저 공동, 즉, L0=25㎜에 관한 것이고, 표 2는 비교적 짧은 레이저 공동, 즉, L0=12.5㎜에 관한 것이다. 표 1 및 표 2 모두에 대해, 가변파장 미러의 FWHM, 즉, (FWHM)TM은 100GHz이다. (FWHM)FP의 값들에서 0.1-0.2GHz의 차가 상당한 범위내의 (FWHM)TM상에서 (FWHM)FP의 약한 의존성을 나타내며 50 에서 200GHz에 이르는 (FWHM)TM에 대해 발견되었다.
L0=25㎜ (FSR)공동=5.3GHz (FSR)FP=100GHz
(FWHM)FP(GHz) 파이니스 smin(GHz) smax(GHz) ESS(dB)
1.97 50.8 1.4 1.9 12.8
4.07 25.6 2.3 2.6 8.0
5.94 16.8 2.8 3.1 6.0
7.92 12.6 3.2 3.4 4.6
10.05 9.9 3.6 3.7 3.6
L0=12.5㎜ (FSR)공동=5.3GHz (FSR)FP=100GHz
(FWHM)FP(GHz) 파이니스 smin(GHz) smax(GHz) ESS(dB)
1.97 50.8 1.6 2.8 19.8
4.07 25.6 2.9 3.9 13.8
5.94 16.8 3.7 4.7 10.9
7.92 12.6 4.5 5.3 8.9
10.05 9.9 5.2 5.9 7.4
표 1 및 표 2로부터 명백한 바와 같이, 캐비티 모드 압축은 (FWHM)FP의 값을 감소시킴에 따라 증가되고 공동길이가 더 짧은 경우에 향상된다. 예컨대, (FWHM)FP=4.07GHz에 대해, 최소 캐비티 모드 간격은 L0=25㎜인 경우 약 57%까지 감소되는 반면에, L0=12.5㎜인 경우에 모드간격 감소는 약 70%가 된다. 더욱이, 표 1 및 표 2에 나타난 결과들은 ESS가 더 짧은 레이저 공동에서 더 많이 만들어지며, 모든 다른 레이저 파라미터들도 동일한 것을 나타낸다.
따라서, 비교적 짧은 공동길이는 비교적 큰 ESS를 갖는 이점이 있다. 즉, 에탈론은 더 짧은 레이저 공동에서 더 양호한 스펙트럼 선택성을 갖는다. 본 발명자는 약 15㎜보다 크지 않는 공동길이가 격자 소자가 양호한 스펙트럼 선택성을 갖는 레이저 설계를 가능하게 함을 주목했다.
표 3 및 표 4는 (FWHM)FP, 파이니스, 및 공동길이 L0=12.5㎜와 50GHz 및 25GHz의 (FSR)FP에 대한 smin을 각각 나타낸다.
L0=12.5㎜, (FSR)공동=9.6GHz (FSR)FP=50GHz
(FWHM)FP(GHz) 파이니스 smin(GHz)
1.97 25.4 1.8
4.07 12.3 3.0
5.94 8.42 4.0
7.92 6.3 4.8
10.05 5.0 5.5
L0=12.5㎜, (FSR)공동=9.6GHz (FSR)FP=25GHz
(FWHM)FP(GHz) 파이니스 smin(GHz)
1.97 12.7 1.8
4.07 6.1 3.3
5.94 4.2 4.5
7.92 3.2 5.5
10.05 2.5 6.2
결과는 비교적 높은 주파수 정확도가 달성되어야 하는 경우 더 낮은 (FSR)FP는 약간 더 선택적인, 즉, 더 협소한 투과 대역폭들을 갖는, 에탈론을 필요로 하는 것을 나타낸다.
표 5는 (FWHM)FP의 값과 공동길이 L0=10㎜의 레이저 공동에 대한 (FSR)FP의 다른 값들에 대한 smin을 각각 나타낸다.
L0=10㎜, (FSR)공동=12GHz,
(FSR)FP= 25GHz 50GHz 100GHz
(FWHM)FP(GHz) smin(GHz) smin(GHz) smin(GHz)
1.97 1.9 1.8 1.7
4.07 3.6 3.2 3.0
5.94 5.0 4.3 4.0
7.92 6.2 5.3 4.9
10.05 7.1 6.2 5.7
(FWHM)FP와 smin 사이의 가능한 관계의 예로서, 본 발명자는 표 1 내지 표 5에 나타난 예들로부터 아래의 관계식으로 표현될 수 있는 (FWHM)FP 및 smin 사이의 대략적인 선형 의존성을 추론하였다:
Figure 112010056426637-pat00008
예컨대, L0=10㎜ 및 (FSR)FP=100GHz에 대한 표 5에 나타난 데이터를 참조하면, α∼-1.7GHz이고 β∼2.0이다. 필요한 Δν가 ±1.25GHz이고 smin∼2Δν[수학식 (4)]인 경우, (FWHM)FP∼3.3GHz이다.
*표 2에 나타난 예를 다시 참조하면, L0=12.5㎜, (FSR)FP=100GHz, 및 Δν=±1.25GHz에 대해, (FWHM)FP∼3.6GHz이다. 표 1 내지 표 5에 도시된 모든 예를 고려하면, 10㎜ 및 12.5㎜ 사이의 공동길이와 25GHz 내지 100GHz 범위의 (FSR)FP에 대해, ±1.25GHz의 주파수 정확도는 약 2.6GHz 에서 약 3.6GHz에 이르는 (FWHM)FP의 값에 해당한다.
(FWHM)FP 축 및 기울기에 대한 절편은 공동길이 및 채널간격, α=α[(FSR)FP, Leff] 및 β=β[(FSR)FP, Leff]에 따른다. 7.5㎜ 및 15㎜ 사이로 구성된 L0와 25GHz 내지 100GHz 사이로 구성된 채널 간격에 대해, α는 대략 -0.8GHz 내지 -2.7GHz에 이르고, β는 대략 1.2 내지 2.6에 이른다. 기울기 및 절편은, 절대값으로, 채널간격 증가 및 Leff(L0) 증가에 따라 증가한다.
본 발명자는 약 15㎜ 보다 크지 않는 광경로 길이에 대해, 약 8GHz보다 크지 않은 (FWHM)FP의 값에 대한 위상 준동기를 얻었다. 바람직하기로, (FWHM)FP은 6GHz보다 크지 않다.
최적의 (FWHM)FP의 선택은 레이저 공동에서의 광손실이 에탈론의 스펙트럼 선택성에 따라 증가하는 것을 또한 고려해야 한다. 또한, (FWHM)FP의 감소에 따라, 에탈론에서의 광출력 밀도는 열광학 효과에 의해 야기된 에탈론의 스펙트럼 응답에서의 있을 수 있는 불안정성을 유발하게 하여 증가된다. 이들 고려사항들은 최적의 (FWHM)FP 값 선택에서 실제로 하한을 설정한다.
도 5는 0.5°의 경사각도에 위치되고 (FSR)FP=50GHz를 갖는 FP 에탈론과 500㎛의 빔모드 필드직경(MFD)에 대해 (FWHM)FP의 감소에 따라 증가하는 광손실을 도시한 것이다. 약 3GHz보다 더 작은 (FWHM)FP에 대해, 광손실은 2dB보다 더 큰 반면에, 2GHz의 (FWHM)FP에 대해, 광손실은 3dB보다 더 크다.
따라서, (FWHM)FP는 바람직하게는 약 2GHz보다 더 크며, 바람직하게는 약 3GHz 보다 더 크다.
레이징 주파수의 수동 위상 준동기 조건이 충족되는 경우, 즉, 에탈론의 (FWHM)FP이 적절하게 선택되는 경우, 레이저가 (가변파장 미러에 의해 선택된 하나인) 에탈론 피크에 해당하고, 이에 따라 레이저 출력전력에서 국소적인 최대에 해당하는 소정의 파장에서 동작하게 하는 폐쇄루프 제어를 실현가능하게 한다.
선택된 에탈론 피크와 레이징 모드를 정렬시키기 위한 폐쇄루프 제어는 예컨대 이득 매질, 예를 들어, 레이저 다이오드의 주입전류를 조절함으로써 실행될 수 있다. 레이저 다이오드의 주입전류에서의 변화는 이득 매질의 굴절률에서 변화 및 이에 따라 레이저 출력의 위상에서 변화를 유발한다. 그런 후 레이저 다이오드의 주입전류의 작은 조절이 출력전력을 극대화시키는데 사용될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 예시적인 가변파장 레이저에 대한 주입 레이저 다이오드 전류 LD의 함수로서 레이저 출력전력(실선)을 도시한 것이다. 출력전력의 국소적인 최대에서, (선택된) 에탈론 피크를 사용하여 캐비티 모드의 정렬이 달성된다. 국소적인 최소는 모드 호핑 조건에 해당한다. 도 6은 ILD(점선)에 대한 레이저 주파수 의존성을 도시한 것이다. 최대 및 최소 주파수 사이의 차는 선택된 에탈론 피크내의 2개의 인접한 캐비티 모드 사이의 최소거리, 즉, smin에 해당한다.
도 6으로부터, 레이저에 대해 하나 이상의 안정적인 동작조건이 달성될 수 있는 것을 알 수 있으며, 상기 안정적인 동작 조건들은 출력전력에서의 피크에 해당한다. 출력전력은 일련의 불연속 값들 중 하나에 해당하도록 주입전류를 가변시킴으로써 선택될 수 있고, 국소적인 최대에 대한 각 전력값은 시간에 걸쳐 안정적이다.
레이저가, 예컨대, 에이징(aging) 또는 열효과에 의해 초래된, 몇몇 이유로 드리프트되었다면, 주파수를 수정하기 위해 단지 주입전류만을 조절하는 것으로도 충분하게 되어, 이에 따라 빠르고 정확하게 주파수를 센터링함으로써 모드 호핑의 발생을 방지하게 한다.
가변파장 레이저는 레이저 다이오드상에 단일모드 동작을 보장하는 범위로 이루어진 소정의 주파수 전류를 사용하여 스위칭함으로써 동조된다. 단일모드 동작범위내에 주입전류의 임의의 초기값에서, 가변파장 레이저 구성은 심지어 에이징 또는 열효과로 인한 가능한 전류 드리프트를 고려해도 채널 주파수의 빠르고 정확한 센터링을 가능하게 한다.
*레이저 출력전력을 극대화하는 간단한 알고리즘은 에탈론 모드의 피크하에서 캐비티 모드의 미세동조에 대해 실행될 수 있다.
레이저 공동에서의 가변파장 소자는 FP 에탈론의 피크를 판별하는 저밀도(coarse) 동조소자로서 사용된다. 특히, 레이저 주파수 정확도가 요구되는 경우, 선택된 채널 주파수에 대한 가변파장 소자의 위치지정에서의 정확도와 제어가 매우 중요하다. 따라서, 제어 루프는 선택된 캐비티 모드와 정렬되는 가변파장 소자의 피크를 설정하고 유지하는 것이 요구된다.
바람직한 실시예에서, 가변파장 소자는 가변파장 미러이다. 도 4a를 참조하면, 바람직한 실시예들 중 하나에 따른 가변파장 미러(13)는 미국특허 제6,215,928호에 더 상세히 기술되어 있다. 간략히, 가변파장 미러는 기판상에 형성된 도파관을 포함하는 전자광학 소자이다. 예컨대 도파관 재료와 동일한 회절격자가 도파관상에 형성된다. 적어도 회절격자의 간격들을 채우는 클래딩층(cladding layer)이 상기 회절격자위에 형성된다. 클래딩층은 광범위한 전기적으로 선택가능한 굴절률을 갖는 액정재료로 제조된다. 선택적으로 클래딩층 위의 반사방지 코팅층 및/또는 도파관에 마주보는 기판의 표면상에 반사방지 코팅이 있을 수 있다. 2개의 투명한 도체들이 액정층의 마주보는 면에 배치된다. 전압 또는 전류원이 2개의 투명한 도체들에 걸쳐 결합된다. 도체에 인가된 전압을 가로지르는 전압 또는 전류에 따라, 가변파장 미러는 주어진 파장(λTM)에서만 방사를 반사시킨다. 다른 모든 파장에서의 방사는 가변파장 미러를 통과시킨다. 따라서, 본 실시예의 레이저 구성에서, 가변파장 미러는 파장선택소자 및 공동 엔드 미러로서 양 기능을 한다.
가변파장 미러는 dc 스트레스(stress)로 인한 액정의 열화를 방지하기 위해 주파수 fA[VTM(fA)]의 교류전압 VTM으로 구동된다. 인가 전압의 주파수는 20kHz 내지 200kHz에 이를 수 있다. 가변파장 미러의 스펙트럼 응답은 예컨대 약 50GHz 내지 약 250GHz의 범위에 이를 수 있는 (FWHM)TM 대역폭을 갖는 λTM에 중심을 둔 로렌츠 곡선의 선형태와 유사한 선형태를 갖는 스펙트럼선이다. 특정 실시예에서, λTM은 80㎚ 범위에 걸쳐 동조될 수 있다.
바람직하기로, 빔의 충돌은 실질적으로 가변파장 미러의 도파관 면에 수직하다. 파장 λ에서 일정한 전력(power)을 갖는 충돌빔은 입사 파장 λ가 λTM에 일치하거나 가까운 경우 미러에 의해 반사된다. 그런 후 가변파장 미러는 인가된 AC 전압으로 인해 주파수 fA 및 이와 관련된 고차 고조파 2fA, 3fA, …, nfA를 갖는 폭으로 변조되는 빔을 반사한다.
AC 전압은 가변파장 미러의 스펙트럼 응답의 중심 파장 λTM의 공진을 유발시킨다. 도 7은 스펙트럼선이 가우시안(Gaussian) 형태를 갖는 것으로 추정함으로써 파장의 함수로서 정규화된 반사전력(normalized reflected power)을 좌표로 표시함으로써 가변파장 미러의 스펙트럼 응답을 개략적으로 도시한 것이다. 스펙트럼선은 λTMmin 및 λTMmax의 피크값 사이의 주파수 fA로 공진한다. 도 7에서, 실선은 λTM에 중심을 둔 스펙트럼선을 나타내는 반면에, 점선은 λTMmin 및 λTMmax에 중심을 둔 스펙트럼선을 나타낸다. 이러한 공진은 λTM에 대한 입사 파장 λ의 위치에 따른 반사된 빔의 진폭 변조를 유도한다. 도 8은 가변파장 미러의 파장과 거의 동일한 파장, 즉, λ1∼λTM을 갖는 제 1 빔과 λTM과는 다른 파장, 예컨대, λ2<λTM을 갖는 제 2 파장의 2개의 입사빔에 대한 반사빔의 변조 효과를 도시한 것이다. λ1에서의 충돌빔에 대해, 스펙트럼선의 공진은 반사된 빔에서 주파수 fA(및 이의 고차 고조파)에서의 진폭 변조를 유발하고, 변조는 최소 변조깊이(modulation depth)를 갖는다. 반대로, 스펙트럼선의 공진은 입사파장 λ2가 λTM과 실질적으로 다른 경우 비교적 더 큰 변조깊이를 갖는 변조를 유발하며, 변조깊이는 파장차, 절대값으로, Δλ=｜λ-λTM｜를 증가시킴으로써 더 커진다. 따라서, 반사빔의 변조된 성분의 스펙트럼 분석으로부터 파장차 Δλ를 유도할 수 있다.
변조깊이는 20kHz 내지 200kHz 사이의 VTM 주파수 fA범위에 대해 약 0.1% 내지 약 10%의 범위에 이를 수 있다. 변조깊이는 또한 전압 VTM의 함수로서, 변조는 전압이 증가함에 따라 더 깊어지고 3V 내지 30V RMS까지의 범위에 이른다.
큰 변조깊이는 입사 캐비티 모드로의 가변파장 미러의 오정렬 조건에 해당하는 반면에, 최소 변조깊이는 (최적의) 정렬조건에 해당한다.
*Δλ, 즉, 입사파장을 가변파장 미러의 공진파장으로의 센터링 정도를 도출하는 한가지 방법은 반사된 빔의 전력의 변조된 성분을 측정하는 것이다. 바람직하게는 삽입 손실의 근원일 수 있거나 위상 변동을 도입할 수 있는 레이저 공동내에 있는 광소자들을 줄이기 위해 공동 외부에서 빔전력을 측정하는 것이다. 도 4b를 참조하면, 광검출기(18)는 레이저 출력에서 이득 매질(10)의 전면에 위치될 수 있다. 이 실시예에 따르면, 빔분리기(20), 예컨대, 98%/2% 탭에 의해 분리된 후에 레이저 출력빔이 검출된다.
대안으로, 가변파장 미러를 통해 투과된 전력의 변조된 성분이 측정될 수 있다. 도 4a를 참조하면, 가변파장 미러(13)는 일반적으로 입사광의 (작은) 일부가 투과되게 하는 70%~95%의 반사도를 갖는다. 명백히, λTM에서 투과율의 최소가 발생된다. 도 4a에 도시된 레이저 구성에서, 광검출기(18), 예컨대, 포토다이오드는 가변파장 미러를 통해 투과된 광을 측정하기 위해 공동 외부에 배치되어 있다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 양 구성에서, 외부로 투과된 광의 변조된 성분, 예컨대, AC 투과전력[도 4a] 또는 AC 레이저 출력전력[도 4b] Pf는 전기 스펙트럼 분석기, 예컨대, 오실로스코프(미도시)가 잇따르거나 전기 스펙트럼 분석기와 일체로 형성된 광검출기에 의해 측정될 수 있다. 예컨대, 포토다이오드가 오실로스코프에 직접 접속될 수 있다.
투과되거나 광검출기(18)에 의해 수신된 레이저 출력전력은 파장의 함수이다. 도 4b의 구성을 참조하면, 반사된 빔의 파장이 변하면 반사된 전력에서의 변화가 있게 된다. 도 9는 반사된 전력 대 파장의 예시적인 측정을 도시한 것이다. 얇은 실선은 가변파장 미러의 스펙트럼 응답인 통합검출된 전력 Pi(무변조)를 나타낸다. Pi의 최대는 공진 파장 λTM에 해당한다. 두꺼운 실선은 주파수 fA에서의 레이저 출력전력 Pf'의 변조된 성분으로서, 상기 공진 파장에 해당하는 선명한 최소값을 나타낸다. 고차 고조파의 변조된 성분도 또한 측정될 수 있다. 도 9에서, 주파수 2fA에서 변조된 성분 Pf"는 점선으로 도시되어 있다. 도 9는 명확히 레이저 출력 전력의 변조된 성분들이 통합된 전력 Pi보다 파장변화에 더 민감한 크기의 다수 차수들임을 도시하고 있다. 통합된 전력 및 변조된 성분 모두는 입력전력, 즉, 충돌빔의 전력에 따르므로, Pi/Pf 비는 파장제어용으로 감시될 수 있다.
가변파장 미러에 의해 반사되거나[도 4b] 투과된[도 4a] 빔의 변조 진폭은 캐비티 모드를 갖는 채널 선택기, 즉, 가변파장 미러의 정렬에 필요한 조절 크기를 나타낸다. 반사되거나 투과된 빔의 변조 위상은 조절 방향을 나타낸다. 동작적으로, 레이저 어셈블리에서, 레이저 출력 및 이와 관련된 위상에서 광전력의 AC 성분은 캐비티 모드 파장 λCM 및 가변파장 미러의 피크 파장 λTM 간의 파장차, 즉, Δλ=λCM-λTM의 크기 및 부호를 평가하기 위해 측정된다. 파장차 Δλ를 줄이거나 없애기 위해, 광전력의 AC 성분의 최소화는 가변파장 미러에 인가된 전압 VTM을 변경함으로써 구해진다.
변조된 신호의 스펙트럼 분석에 대한 대안으로, 2개의 다른 방법들이 사용될 수 있다. 가변파장 미러를 통해 투과된 전력을 감시하는 경우, λCM과 λTM을 정렬하기 위해 투과된 총 전력을 최소화하도록 그래디언트 알고리즘(gradient algorithm)이 구현될 수 있다. 투과된 전력의 최소화는 예컨대 제어 알고리즘을 실행함으로써 인가된 전압 VTM을 변경시키고 도 4a에 도시된 타입의 구성에서 투과된 전력을 측정함으로써 구해질 수 있다. 레이저 출력[도 4b]을 감시하는 경우, 레이저 출력의 광전력을 최대화하도록 그래디언트 알고리즘이 구현될 수 있다.
가변파장 소자의 정렬을 위한 제어 알고리즘은 변조깊이가 전체 레이저 동조범위, 예컨대, 1530㎚ 내지 1565㎚의 C대역에서 약 2%보다 크지 않는 것을 보장한다. 이런 식으로, 레이저 출력신호의 스펙트럼 선폭의 넓어짐은 1530㎚ 내지 1565㎚의 범위에 이르는 방출파장에 대해 약 10MHz보다 크지 않다.
변조 주파수는 투과동안 외부공동 레이저에 의해 형성된 변조된 캐리어 신호와의 간섭을 피할 정도로 충분히 낮게 선택된다. 바람직하기로, 변조 주파수는 20kHz 내지 200kHz로 구성된다.
이 시스템으로 실시간 신호 감시가 실행될 수 있다. ITU 격자상의 모든 채널에 대한 초기 동작지점들이 룩업 테이블(lookup table)에 저장된다. 상기 룩업 테이블에서, 모든 채널은 가변파장 미러에 인가된 전압 VTM 및 이에 따른 선택가능한 채널 파장 λTM과 연관있다.
모드 안정성을 위해 λFP에서 에탈론의 투과 피크의 중심과 λCM에서 캐비티 모드의 레이저 공동 정렬이 달성되어야 한다. 상술한 바와 같이, 에탈론 피크를 캐비티 모드로의 센터링은 레이저 다이오드의 주입전류 ILD를 조절하고 레이저 출력전력을 감시함으로써 얻어질 수 있다. 레이저 출력전력은 도 4b의 구성에서 예시된 바와 같이, 레이저 출력에서 이득 매질의 전면에 배치된 광검출기에 의해 측정될 수 있다. 룩업 테이블은 채널 주파수와 연관있는 주입전류 ILD의 초기 동작값을 또한 저장할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 가변파장 미러를 캐비티 모드에 그리고 상기 캐비티 모드를 에탈론 피크에 대해 정렬하기 위한 레이저 출력전력의 감시가 도 4b에 도시된 구성에서 포토다이오드에 의해 수행된다. 가변파장 미러를 선택된 캐비티 모드에 정렬시키기 위해, 출력전력의 AC 부품이 분석되는 한편, 상기 캐비티 모드를 상기 에탈론 피크에 정렬시키기 위해 집적된(무변조된) 출력전력의 최대값이 찾아진다. 연속적으로 동작되는 2개의 제어 알고리즘이 이 목적으로 구현될 수 있다.
2개의 제어 알고리즘이 서로 별개로 행해질 수 있어, 예컨대, 최소 손실조건, 즉, 캐비티 모드의 위상 동기가 실행되지 않는 경우 가변파장 미러를 캐비티 모드에 정렬시키는 제어 알고리즘이 또한 작동되는 것에 유의해야 한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 시스템의 파장 및 모드 안정성에 대한 제어회로의 구성 설정을 도시한 것이다. 동일한 참조번호들이 도 4b에 도시된 번호와 일치하는 가변파장 레이저의 소자들에도 주어지며, 상세한 설명은 생략한다. 레이저 어셈블리는 리드 핀(55)과 광섬유 피그테일(fiber pigtail)(51)을 사용하여 14핀 버터플라이 패키지(56)에 끼워진다. 출력 커넥션, 예컨대, 리드 핀 및/또는 광섬유 피그테일을 사용하여 레이저 어셈블리를 수용하는 패키지는 가변파장 레이저 모듈(50)을 형성한다. 광검출기(18)는 드라이버(53)에 전기적으로 접속되어 있다. 드라이버는 주파수 및 모드 제어를 위한 제어 알고리즘을 실행한다. 레이저가 켜지거나 채널이 스위치되는 경우, 드라이버는 룩업 테이블로부터 레이저 다이오드에 인가되는 전류 ILD와 가변파장 미러에 인가되는 전압 VTM을 읽는다. 그런 후, 드라이버는 선택된 에탈론 피크하에서 공동 모드를 정렬시키기 위한 모드 제어용 폐쇄루프 알고리즘과 채널 선택기를 공진 캐비티 모드에 정렬시키도록 주파수를 제어하기 위한 상기 알고리즘을 순차적으로 수행하기 시작한다. 설정에서, 모든 전류는 PC(54)상에 실행되는 프로그램에 의해 드라이버(53)를 통해 제어된다. 가변파장 미러의 정렬에 대한 피드백 정보가 실시간 광출력 감시회로에 의해 제공되고 PC는 소정의 파장을 달성하도록 동조전압을 조절하는 컨트롤러로서 사용된다. PC는 또한 위상동기 조건을 달성하도록 레이저 다이오드의 주입전류를 조절하는 컨트롤러로서 사용된다. 칩 카드상에 구현되는 피드백 회로가 PC 대신에 모든 파라미터들을 제어하는데 사용될 수 있음이 이해된다.
바람직하기로, 가변파장 레이저 모듈은 광공동 길이에서 표류를 최소화하고/하거나 레이저 공동의 위상을 안정시키기 위해 온도에 안정적이다. 도 10을 참조하면, 이득 매질(10) 및 전면 렌즈(14)는 약 0.2℃의 온도 안정성을 갖는 열전자 냉각기(TEC)(미도시)상에 장착될 수 있다.
온도 제어는 또한 주파수 안정성에 대한 미세 조절을 가능하게 한다. 이 경우, 룩업 테이블이 레이저 동작전에 만들어질 수 있고, 상기 룩업 테이블에서 ITU 격자의 각 채널은 레이저 다이오드의 주입전류와 TEC, 즉, 이득 매질의 온도 T1 모두와 연관있다. T1에서의 약간의 변화는 페브리 페롯 에탈론의 선택된 파장 피크, 즉, λCM~λTM를 사용하여 캐비티 모드의 파장의 미세 동조를 위해 조절될 수 있는 레이저 공동의 위상에 대한 작은 변경에 해당한다. 도 6에 도시된 행동과 유사한 행동이 출력전력과 레이저 다이오드 온도 사이에서 발견될 수 있다. 그러나, 불안정성에 대한 레이저의 응답을 일반적으로 더 느리게 하는 온도 변화에서의 급격한 비율로 인해 캐비티 모드 정렬을 위한 전류 ILD를 변경하는 방법이 바람직하다.
바람직하기로, FP 에탈론은 약 0.2℃의 온도 안정성을 갖는 TEC 상에 배치된다. FP 에탈론의 온도 안정성은 에탈론 피크를 ITU 주변에 고정시키기 위해 중요하다. 일반적으로, 상용의 FP 에탈론에 대해, ITU 격자에 정렬하기 위한 피크 주파수 온도감도는 약 1.3GHz/℃이다. 온도는 레이저 시스템의 초기 특성동안 설정될 수 있다. 가변파장 미러는 FP 에탈론이 있는 TEC상에 배치될 수 있다. LC를 포함하는 가변파장 미러의 경우, 가변파장 미러의 온도 안정성이 특히 바람직한데, 왜냐하면 LC의 성질은 열변동으로 인해 발생되기 때문이다.
대안으로, 이득 칩, FP 에탈론 및 선택적으로 가변파장 미러는 동일한 TEC상에 배치될 수 있다. 명백히, 온도를 조절하여서는 레이저 공동의 어떠한 위상 동조도 가능하지 않다. 단일 TEC의 사용은 패키지 비용 및 간단한 온도 제어 면에서 이점적일 수 있다.
11: 조준렌즈
12: 페브리 페롯 에탈론 필터
13: 가변파장 미러
14: 전면렌즈
15: 광빔
16: 후면
17: 전면
18: 광검출기

Claims (25)

  1. 가변파장 레이저 시스템에 있어서,
    자유 스펙트럼 범위((FSR)공동)를 갖는 복수의 길이방향 캐비티 모드(cavity mode)들을 정의하는 물리적 길이를 갖는 외부 공동;
    이득 매질(gain medium);
    복수의 주기적 전송 피크들을 갖는 채널 할당 격자 소자; 및
    상기 복수의 주기적 전송 피크들 중 하나를 선택하는 가변파장 소자를 포함하며,
    상기 복수의 주기적 전송 피크 각각은 반치전폭(FWHMFP; full width half maximun) 및 전송 피크들 사이의 채널 간격(FSRFP)을 가지고,
    상기 이득 매질, 채널 할당 격자 소자 및 가변파장 소자는 상기 외부 공동 내에 배치되며,
    상기 채널 할당 격자 소자의 파이니스(finesse)는,
    - 상기 길이방향 캐비티 모드들 사이의 가장 작은 간격(Smin)이 상기 FSR공동보다 작아지도록 상기 길이방향 캐비티 모드들의 압축이 상기 전송 피크들 내에서 이루어지고;
    - 기결정된 수의 상기 길이방향 캐비티 모드들이 상기 전송 피크들의 전폭(full width)보다 좁은 상기 가변파장 레이저 시스템의 주파수 정확도 범위(2*Δυ) 내에 있으며;
    - 상기 채널 할당 격자 소자의 광손실이 기결정된 임계 광손실보다 작도록 선택되는 것을 특징으로 하는 가변파장 레이저 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이득 매질은 반도체 이득 매질인 것을 특징으로 하는 가변파장 레이저 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전송 피크들 내의 상기 길이방향 캐비티 모드들의 압축은 Smin이 2*Δυ보다 작아지도록 하는 것을 특징으로 하는 가변파장 레이저 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 채널 할당 격자 소자의 파이니스는,
    Figure 112010056426637-pat00009

    에 따라 Smin에 근거하여 채널 할당 격자 소자의 FWHMFP를 선택하는 것에 의하여 선택되며,
    여기서 α 및 β는 FSRFP 및 공동의 물리적 길이의 함수인 것을 특징으로 하는 가변파장 레이저 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    -2.7GHz≤α≤-8GHz이며, 1.2≤β≤2.6인 것을 특징으로 하는 가변파장 레이저 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 기결정된 임계 광손실은 3dB보다 작은 것을 특징으로 하는 가변파장 레이저 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기결정된 임계 광손실은 2dB보다 작은 것을 특징으로 하는 가변파장 레이저 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 FSRFP는 25GHz 및 200GHz 사이인 것을 특징으로 하는 가변파장 레이저 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 FWHMFP은 2GHz 내지 8GHZ 사이인 것을 특징으로 하는 가변파장 레이저 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 FWHMFP은 3GHz 내지 6GHZ 사이인 것을 특징으로 하는 가변파장 레이저 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 외부 공동의 물리적 길이는 7.5mm 내지 15mm 사이인 것을 특징으로 하는 가변파장 레이저 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 Smin은 1.4GHz 내지 6.2GHZ 사이인 것을 특징으로 하는 가변파장 레이저 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 주파수 정확도 범위(2*Δυ) 내의 상기 길이방향 캐비티 모드들은 상기 가변파장 소자에 의해 선택된 전송 피크들 중 하나 내의 길이방향 캐비티 모드들인 것을 특징으로 하는 가변파장 레이저 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 전송 피크들 내의 상기 길이방향 캐비티 모드들의 압축의 정도는 상기 채널 할당 격자 소자의 파이니스가 증가함에 따라 증가하는 것을 특징으로 하는 가변파장 레이저 시스템.
  15. 제3항에 있어서,
    상기 채널 할당 격자 소자의 광손실은 상기 채널 할당 격자 소자의 파이니스의 함수인 것을 특징으로 하는 가변파장 레이저 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 채널 할당 격자 소자의 파이니스는 5 및 50 사이인 것을 특징으로 하는 가변파장 레이저 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 채널 할당 격자 소자의 파이니스는 10 및 50 사이인 것을 특징으로 하는 가변파장 레이저 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 채널 할당 격자 소자의 파이니스는 25 및 50 사이인 것을 특징으로 하는 가변파장 레이저 시스템.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 2*Δυ는 FWHMFP보다 작고,
    상기 채널 할당 격자 소자의 파이니스는 25 및 50 사이인 것을 특징으로 하는 가변파장 레이저 시스템.
  20. 제1항에 있어서,
    복수의 리드 핀들을 구비하며 상기 외부 공동을 둘러싸는 패키지를 더 포함하는 가변파장 레이저 시스템.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 패키지는 버터플라이 패키지인 것을 특징으로 하는 가변파장 레이저 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 가변파장 레이저 시스템의 출력을 조정하기 위하여 상기 복수의 리드 핀들에 전기적으로 연결되며, 프로세서에 의해 제어되는 드라이버를 더 포함하는 가변파장 레이저 시스템.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 버터플라이 패키지로부터 외부로 연장되며 상기 이득매질에 광학적으로 결합된 광섬유 피그테일(fiber pigtain)을 더 포함하는 가변파장 레이저 시스템.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 가변파장 레이저 시스템의 출력 전력을 측정하기 위하여 상기 버터플라이 패키지 내에 배치되고 상기 드라이버에 전기적으로 연결된 광검출기를 더 포함하는 가변파장 레이저 시스템.
  25. 자유 스펙트럼 범위((FSR)공동)를 갖는 복수의 길이방향 캐비티 모드(cavity mode)들을 정의하는 물리적 길이를 갖는 외부 공동;
    이득 매질(gain medium);
    복수의 주기적 전송 피크들을 갖는 채널 할당 격자 소자; 및
    상기 복수의 주기적 전송 피크들 중 하나를 선택하는 가변파장 소자를 포함하며,
    상기 복수의 주기적 전송 피크 각각은 반치전폭(FWHMFP; full width half maximun) 및 전송 피크들 사이의 채널 간격(FSRFP)을 가지고,
    상기 이득 매질, 채널 할당 격자 소자 및 가변파장 소자는 상기 외부 공동 내에 배치되는 가변파장 레이저 시스템을 구성하는 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    - 상기 길이방향 캐비티 모드들 사이의 가장 작은 간격(Smin)이 상기 FSR공동보다 작아지도록 상기 길이방향 캐비티 모드들의 압축이 상기 전송 피크들 내에서 이루어지고;
    - 기결정된 수의 상기 길이방향 캐비티 모드들이 상기 전송 피크들의 전폭(full width)보다 좁은 상기 가변파장 레이저 시스템의 주파수 정확도 범위(2*Δυ) 내에 있으며;
    - 상기 채널 할당 격자 소자의 광손실이 기결정된 임계 광손실보다 작도록,
    상기 채널 할당 격자 소자의 파이니스를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변파장 레이저 시스템 구성 방법.
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