KR101098605B1 - 열 광학 튜너블 레이저 장치 - Google Patents

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Abstract

외부 캐비티 레이저에 사용될 수 있는 열 광학 장치 및 기술을 제공한다. 파장 선택 디바이스가 외부 캐비티 내에 위치할 수 있으며, 열 응답 기판과 열 응답 기판으로부터 연장하는 튜너블 광학 소자를 포함할 수 있다. 가열 및 온도 모니터 액추에이터가 기판 자체에 형성될 수 있으며, 튜너블 광학 소자는 열 광학적 튜닝을 위해 기판의 리세스 내에 기계적으로 배치된다. 일부 실시예들에서, 각각의 광 경로 길이 조정 요소가 또한 각 주파수 튜닝을 위해 열 응답 기판의 소정 위치에 배치된다. 이 조정 요소는 레이저 튜닝에 사용된 정상 서보 제어부들에서 배제된 제어부의 일부일 수 있다.
열 광학, 레이저 장치, 파장 선택, 이득 매질, 에탈론

Description

열 광학 튜너블 레이저 장치{THERMO-OPTIC TUNABLE LASER APPARATUS}
본 발명의 실시예들은 광전자 어셈블리들(optoelectronic assemblies)에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 레이저 장치에서의 튜닝을 용이하게 하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
광파이버 전기통신은 지속적으로 대역폭 증가가 요구되고 있다. 대역폭의 확장을 달성하는 한 방법은 고밀도 파장분할 다중 방식(dense wavelength division multiplexing; DWDM)을 통하는 것이다. DWDM 시스템을 통해 많은 상이하고 개별적인 데이터 스트림들이 단일 광파이버에 동시에 존재할 수 있다. 각 데이터 스트림은 광파이버 내에서 다른 채널을 나타내며, 각각의 채널은 다른 채널 파장에 존재한다. 소정의 채널 파장에서 동작하는 레이저의 변조된 출력 빔이 데이터 스트림을 생성한다. 다수의 데이터 스트림들을 생성하는데 다수의 레이저들이 사용되고, 이들 데이터 스트림들은 그 각 채널에서 전송을 위해 하나의 파이버 상에서 결합된다.
국제 전기통신 연합(ITU)에 의하면 현재 대략적으로 0.4nm 또는 약 50GHZ의 채널 분리가 필요하다. 이러한 채널 분리에 의하면 현재 가용한 파이버들 및 파이버 증폭기들의 대역폭 범위 내에서 하나의 파이버가 최대 128 채널들을 실어나를 수 있다.
다수의 조밀한 간격의 채널들이 요구됨에 따라서, 레이저 소스 및 출력 주파수에 대한 안정적인 제어가 시스템 효율에 중요하다. DWDM 시스템에 사용되는 레이저는 통상적으로 ITU 파장 그리드(wavelength grid)를 정의하는 튜닝 에탈론(tuning etalon)에서 동작하는 분포 궤환(distributed feedback; DFB)을 기반으로 하고 있다. 제조뿐만 아니라 성능 제한으로 인해, DFB 레이저는 단일 채널 레이저 또는 소수의 인접 채널들 간의 튜닝으로 제한된 레이저로서 사용되고 있다. 결과적으로, DWDM 응용은 각기 다른 채널 파장에 있는 다수의 다른 DFB 레이저들 필요로 한다.
연속 튜너블 외부 캐비티 레이저가 DFB 레이저의 한계를 극복하도록 개발되었다. 이들 레이저는, 레이저 소스 및 파장 튜닝을 위해 사용된 외부 캐비티를 정의하는 종단 미러를 구비한다. 예를 들어, 에탈론 디바이스 등의 외부 캐비티 내의 튜닝 소자가 레이저 소스 및 종단 미러 사이에서 연장하는 플랫폼(platform)에 고정된 지지부에 장착된다. 플랫폼의 온도를 제어하면, 외부 캐비티의 광 경로 길이가 변함으로써 레이저를 튜닝할 수 있다. 그리드 파장들 사이의 개별 튜닝은 또한 튜닝 소자를 개별적으로 튜닝함으로써 달성될 수 있다.
이러한 레이저는 어느 정도 성공적으로 사용될 수 있지만, 연속 튜너블 전기통신 레이저는 몇가지 설계 고려사항이 존재한다. 이들 레이저는 다소 고비용이 들고 제조에 시간이 많이 소요된다. 특히, 긴 순차적 빌드업(build-up) 프로세스로 인해 다수의 연속 튜너블 레이저들에서 튜닝 어셈블리들이 사용된다. 이러한 프로세스 동안, 어떤 부품들은 다른 부품들이 완성된 후에 비로소 제조될 수 있다. 또한, 일단 제조되면, 연속 튜너블 레이저의 튜닝 속도는 어셈블리에 사용된 튜닝 방법의 타입으로 제한된다. 보다 구체적으로는, 많은 현재의 튜닝 방법들은 다수의 상호의존적 시스템들의 조정을 필요로 하므로 제어 복잡성 및 연장된 튜닝 시간이 더해지게 된다.
도 1은 일 실시예에 따른 파장 선택 디바이스를 갖는 튜너블 레이저 장치의 측면도이다.
도 2는 기판에 장착된 열적 튜너블 에탈론들 형태의 일례의 파장 선택 디바이스의 사시도.
도 3은 도 2의 디바이스에서 일례의 열적 가열 및 감지 구성의 상면도.
도 4는 가열 층 및 모니터 층을 노출한 도 3의 디바이스의 단면도.
도 5A는 일례의 파장 선택 디바이스의 다른 위치들에서 열적 가열 및 냉각의 천이 동작의 플롯을 도시한 도면.
도 5B는 도 5A의 플롯을 위해 측정된 다른 위치들을 도시한 도면.
도 6은 다른 실시예에 따른 열적 가열 및 냉각의 천이 동작을 도시한다.
도 7A 및 도 7B는 조립중 사용될 수 있는 장착 지지부들을 갖는 파장 선택 디바이스의 일 부분을 도시한 도면.
도 8은 주파수 튜닝을 위해 사용될 수 있는 능동 광 경로 길이 조정 디바이 스를 포함하는 대안의 튜너블 레이저 장치를 도시한다.
도 9는 도 8의 광 경로 길이 조정 디바이스의 상세한 예를 도시한 도면.
도 10은 파장 선택 부품과 조합된 다른 광 경로 길이 조정 디바이스의 상세한 예를 도시한 도면.
도 11은 도 10의 구성을 이용하는 레이저 장치를 도시한 도면.
도 12는 주파수 튜닝의 독립적 서보 제어를 위해 광 경로 조정 디바이스를 분리한 일례의 튜닝 제어를 도시한 도면.
예시의 실시예들은 파장 안정성과, 파장 또는 주파수 튜닝을 제공하기 위해 외부 레이저 캐비티의 열 광학 조정을 사용하는 레이저 장치들 및 방법들을 제공한다. 레이저 장치들은 플랫폼에 연결된 이득 매질을 포함할 수 있으며, 이 이득 매질은 외부 레이저 캐비티를 향해 제1 광 빔을 방사하는 방사 면을 갖는다. 외부 레이저 캐비티는 레이저 장치의 출력 파장, 예를 들어 DWDM 시스템 내의 채널 파장을 튜닝하기 위한 파장 선택 디바이스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 외부 레이저 캐비티는 열적으로 조정가능한 기판에 장착될 수 있으며, 기판의 응답성은 온도 제어 장치로 제어될 수 있으며, 외부 캐비티에 대한 열 조정은 레이저 장치를 튜닝하는데 사용될 수 있다. 임의의 예시의 실시예들에서 이하 기술하지만, 파장 선택 부품은 하나 이상의 에탈론, 격자, 프리즘, 필터 또는 유사 장치들 또는 이들의 여러 조합들을 포함할 수 있으며, 기계적으로, 전기적으로, 열적으로 또는 다른 메커니즘으로 튜닝하여 이득 매질에 파장 선택 궤환을 제공할 수 있다.
파장 선택 부품은 일체적으로 장착된 파장 선택 소자들을 갖는 열 응답 기판을 포함하는 하이브리드 디바이스를 통해 구현될 수 있다. 기판은 기판에 열적으로 결합된 외부 캐비티 내의 파장 선택 디바이스들 및 기타 부품들의 급격한 온도 변화 및 이들에 양호한 온도 전달을 제공하기 위해 열 전도 물질을 포함할 수 있다. 열 응답 기판과 파장 선택 소자들은 전체 조립 시간을 줄이도록 공지의 반도체 프로세싱을 이용하여 동시에 제조될 수 있다. 기판과 파장 선택 디바이스들은 예를 들어, 반도체 웨이퍼들에서 일괄적으로 제조될 수 있다.
레이저 장치의 일부 다른 실시예들 각각은 이득 매질과 종단 반사기 사이의 광 빔에 위치한 외부 캐비티 광 경로 제어 장치를 포함할 수 있다. 경로 길이 제어 디바이스는 레이저 장치에 대해 독립적 주파수 튜닝을 제공하도록 배치된 능동 광학 소자일 수 있다. 예를 들어, 광 경로 길이 제어 디바이스는 온도 변화에 따라 굴절률이 변화하는 열 응답 광학 물질로 이루어질 수 있다. 레이저 장치의 열 튜닝 시스템에 따르는 종래의 수동 광 경로 길이 제어와는 달리, 이 광 경로 길이 제어 디바이스는 독립적으로 제어가능하여, 전체 레이저 플랫폼을 튜닝하는 부피가 큰 느린 레이저 장치의 열 튜닝 시스템에서 독립적으로 디튜닝(detuning)될 수 있다. 따라서 외부 캐비티 광 경로 길이 제어는, 주파수 튜닝을 위한 신속한 독립적 서보 제어의 부분이 될 수 있다.
여러 기술을 특정 실시예들을 참조로 설명하였지만, 설명들은 이러한 예들에 한정되는 것이 아니다. 또한, 도면들은 설명을 목적으로 예시하였지만, 여기에서 기술한 기본 개념을 일탈하지 않고, 장치들은 구성 및 부품의 상세에 관해 변경될 수 있으며, 방법들은 이벤트들의 상세 및 순서에 관해 변경될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 주로 외부 캐비티 레이저에서 실시예들을 기술하였지만, 실시예들은 이에 제한되는 것이 아니다. 도면들에서 도시한 바와 같이, 부품들의 상대적 크기들과 이들 사이의 간격은 명확화를 위해 일부 실시예들에서 과장될 수 있으며, 제한하는 것으로 고려되어서는 안된다. 또한, 이 설명에서 명확화를 위해 임의의 정의들을 사용하지만, 제한하는 것으로 고려되어서는 안되며, 이 설명의 임의의 기술적 및 과학적 용어들은 당업자들이 일반적으로 이해하는 것과 같은 의미로 사용되어야 한다. 또한, 여기서 사용된 용어들은 특정 실시예들만을 기술하기 위한 목적으로 사용되고 본 발명의 영역이 첨부 청구범위들에 의해서만 제한되므로 제한하는 것으로 의도된 것이 아니다.
도 1은 외부 캐비티 광 경로 길이 및 주파수 튜닝의 열 제어를 이용하는 레이저 장치(110)를 도시한다. 장치(110)는, 이득 매질(112) 및 열 전도 베이스, 기판 또는 플랫폼(116)에 결합된 종단 미러 등의 반사 장치(114)를 포함한다. 이득 매질(112)은, 예를 들어, 반사 방지(AR) 코팅 면(118)을 갖는 페브리 페로트(Fabry-Perot) 다이오드 에미터 칩 및 부분 반사 면(120)을 포함할 수 있다. 반사 장치(114)는 미러, 격자, 프리즘, 또는 기타 반사기 또는 재귀반사기를 포함할 수 있다. 외부 레이저 캐비티는 반사 면(120)과 반사 장치(114)로 도시되고, 광 경로 길이를 갖는다. 이득 매질(112)은 광 경로(124)를 한정하도록 렌즈(122)로 시준된 면(118)으로부터 광 빔(119)을 방사한다. 빔(119)은 종단 반사기(114)로부터 반사된 다음 경로(124)를 따라 복귀하여 렌즈(122)에 의해 이득 매질로 복귀한 다. 파장 선택 디바이스(125)는 경로(124)에 배치하여 광을 소정의 파장에서 이득 매질(112)로 궤환한다. 종단 미러(114)는 임의의 실시예들에서 굴곡될 수 있어서 렌즈(112)는 생략될 수 있다. 대안들은 당업자들에 명백한데, 예를 들어, 복귀 빔(119)을 면(118) 상에 재 영상화할 수 있는 원환체(圓環體) 렌즈 시스템 또는 기타 광학 소자(들)를 사용하여, 이득 매질(112)이 렌즈(112) 대신에 외부 캐비티로부터 궤환을 수신할 수 있다.
파장 선택 디바이스(125)는 플랫폼(116)에 장착되고, 플랫폼은 열전 제어기(thermoelectric controller; TEC)(126) 등의 온도 제어 디바이스에 결합하고 있으며, 이 열전 제어기는 열 전도를 통해 전체 플랫폼의 온도를 제어한다. 따라서 TEC(126)는 장치(110)의 부품들의 열 튜닝 동안 플랫폼(116)의 온도를 제어하는데 사용될 수 있으며, 온도 튜닝은 레이저 장치(110)의 광 경로 길이를 조정하는데 사용될 수 있다.
열 전도 플랫폼(116)은 임의의 열 전도 물질로 이루어질 수 있다. 여러 금속, 금속 질화물, 카바이드 및 산화물, 또는 합금, 블렌드(blend), 혼합물, 또는 그 합성물은 양호한 열 전도율과 비교적 낮은 열 팽창 계수(CTE)를 갖는 물질들을 제공할 수 있다. 어떤 실시예들에 있어서 알루미늄 질화물(AIN)이 플랫폼 물질로서 사용될 수 있다. 플랫폼(116)의 물질은 플랫폼(116)에 장착된 부품들에 CTE 매칭이 이루어지게 하는 특정 CTE를 갖도록 선택될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 플랫폼(116)은 알루미늄, 구리, 아연 또는 다른 금속, 또는 금속 합금 등의 높은 CTE 물질을 포함할 수 있어서 TEC(126)의 온도 제어에 따라 소정 량의 물리적 팽창 및 수축이 발생할 수 있다. 제어기(127)는 TEC(126)의 동작을 제어할 수 있다. 플랫폼(116)은 어떤 실시예들에서는 실리콘으로 이루어질 수 있어서 열적으로 튜닝된 에탈론과 같은 실리콘 부품과 매칭될 수 있다. 또한, 플랫폼(116)으로 실리콘을 사용하면 플랫폼(116) 상에 직접적으로 도체 경로들이 통합될 수 있고, 종래의 실리콘 가공 및 제조 기술을 이용하여 플랫폼(116) 상에 특정 기하구조가 형성될 수 있다.
이득 매질(112)은 플랫폼(116)에 열적으로 결합되어 열전 제어기(126)가 플랫폼(116)을 통해 열 전도에 의해 이득 매질(112)의 온도를 제어할 수 있다. 여기서 사용된 "열적으로 결합"은 열적으로 결합된 부품들의 열 제어를 위해 효과적인 열 흐름을 제공하는 장착 또는, 결합 배치 또는 구성을 의미한다. 이득 매질(112)은 열 전도 캐리어(128)에 장착되고, 이어서 이 캐리어는 플랫폼(116)에 결합된다. 따라서 이득 매질(112)은 캐리어(128)를 통해 플랫폼(116)에 열적으로 결합된다. 플랫폼(116)과 같이, 캐리어(128)는 금속, 금속 산화물, 금속 질화물, 금속 카바이드 또는, 합금, 블렌드, 혼합물 또는 그 합성물 등의 열 전도 물질을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 제한이 아닌 예로서, 캐리어(128)는 알루미늄 질화물, 실리콘 카바이드, 또는 실리콘 카바이드 블렌드(합금)를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 캐리어(128)는 구리 텅스텐 (CuW) 합금을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 기판(116) 및 캐리어(128)는 CTE에서 서로 또한 이득 매질(112)에 대해 매칭될 수 있다. 캐리어(128)에 이득 매질(112)을 장착하는데 또한 캐리어(128) 및/또는 기타 다른 구조물들을 플랫폼(116)에 장착하는데 열 전도 접착제 또는 땜납들이 사용될 수 있다.
반사 소자(114)는 또한 전술한 바와 같이 플랫폼(116)에 장착될 수 있으며, 어떤 실시예들에서는 열 전도 접착제, 땜납 및/또는 캐리어 또는 지지부를 이용하여 플랫폼(116)에 열적으로 결합될 수 있다. 반사기(114)는 레이저 가동중 온도 제어될 수 있지만, 이는 필요치 않다. 반사기는 플랫폼(116)에 열적으로 결합하지 않고 플랫폼상에 장착된다.
도시된 예에 있어서, TEC(126)를 통한 전체적 주파수 튜닝에 더하여 파장 선택 디바이스(125)는 개별적으로 튜닝가능하다. 예를 들어, 파장 선택 디바이스(125)는 플랫폼(116)에 장착된 열 응답 기판(134)에서 연장하는 에탈론들(130 및 132) 형태의 두 개의 광학 소자들을 포함할 수 있다. 이 구성은 일례로서 도시한 것이다. 파장 선택 디바이스(125)는 하나 이상의 광학 소자들을 포함할 수 있는데, 예를 들어, 이득 매질(112)에 궤환을 제공할 수 있거나 또는 아니면 외부 레이저 캐비티의 튜닝에 유용한 에탈론, 격자, 프리즘, 또는 다른 요소들을 포함한다. 파장 선택 디바이스(125)는 이득 매질(112)과 반사기(114) 사이의 광 경로(119)에 배치하는 것으로 도시된다. 파장 선택 디바이스(125)는, 장치(110)가 예컨대, 이득 매질(124)의 이득 대역폭, ITU(국제 전기통신 연합) "C" 밴드(대략 192.1THz 내지 대략 196.1THz, 또는 대략 1525 내지 대략 1565nm)의 파장 범위, 또는 다른 파장 범위와 같은 이득 파장 범위 내에서 단일 전송 피크를 갖는다.
제어기(127) 또는 다른 제어 소자는 이득 매질(112)을 제어하는 이외에 예를 들어, 파장 선택 디바이스(125)에 작동적 결합에 의해 파장 선택 디바이스(125)를 제어하여 파장 선택 디바이스(125)에 의해 정의된 전송 피크의 파장을 조정 또는 선택하여 이득 매질(112)로 궤환하는 광의 파장을 조정 또는 선택할 수 있다. 예시의 제어 요소들, 및 기술한 특징들 중 일부에 대한 다른 예들이 또한 미국특허 제6,763,047호에 개시되어 있으며, 본 명세서에 참조로 포함되어 있다.
도 2는 파장 선택 디바이스(125)의 일례의 실시예를 보다 상세히 도시한 장치(110)를 나타낸다. 도시된 예에 있어서, 파장 선택 디바이스(125)는 제1 및 제2 튜너블 에탈론들(130 및 132)을 포함하고, 이들은 각기 종단 미러(114)와 면(120)으로 형성된 외부 캐비티 내에 위치한다. 에탈론들(130, 132)은 레이저 장치(110)의 동작중 선택된 파장의 광을 이득 매질(112)에 우선적으로 궤환하도록 함께 동작할 수 있다. 에탈론들(130, 132)은 제1 및 제2 튜너블 페브리 페로트(Fabry-Perot) 에탈론들의 형태로 도시되는데, 이 페브리 페로트 에탈론들은 병렬 판 고체, 액체, 또는 가스 이격 에탈론들을 포함할 수 있으며, 광학적 두께 또는 경로 길이의 정밀한 치수조정으로 튜닝될 수 있다. 에탈론들(130, 132)은 일례로서 도시된다. 예를 들어, 격자, 프리즘, 박막 간섭 필터, 또는 기타 튜너블 소자 등의 더 적은 수의, 추가의 및/또는 다른 광학 소자들이 파장 선택 디바이스(125)에 사용될 수 있다.
제1 에탈론(130)은 면들(200, 202)을 포함하고, 면들(200, 202) 사이의 간격과 굴절률에 따른 제1 자유 스펙트럼 범위(free spectral range; FSR)를 갖는다. 제2 에탈론(132)은 면들(204, 206)을 포함하고, 면들(204, 206) 사이의 간격과 에탈론(132)의 굴절률에 따른 제2 FSR을 갖는다. 에탈론들(130, 132)은 같은 물질 또는 다른 굴절률들을 갖는 다른 물질들을 포함할 수 있다. 또한, 에탈론들(130, 132)은 그들의 광학 두께 조정으로 튜닝가능하여 그 각각의 FSR을 조정 또는 튜닝할 수 있으며, 이하 상세히 기술하는 바와 같이 레이저 장치(110)에 선택적 파장 튜닝을 제공한다. 에탈론들(130, 132)의 튜닝은 에탈론들(130, 132)의 면들(200, 202)과 면들(204, 206) 사이의 각각의 거리 조정, 및/또는 에탈론 물질의 굴절률의 조정을 포함할 수 있다. 열 광학, 전기 광학, 음향 광학, 압전 광학, 기계적, 또는 다른 튜닝을 포함하는 각종의 기술을 포함하는 각종 튜닝 메커니즘을 사용하여 에탈론 물질의 굴절률 및/또는 에탈론 면들의 간격을 변화시킬 수 있다. 또한, 이러한 하나의 튜닝 효과 이상이 본 발명의 특정 실시예에 따라 에탈론들(130, 132) 중 하나 또는 그 모두에 동시에 적용될 수 있다.
도시된 예에서, 에탈론들(130, 132)은 각기 열 광학적으로 튜닝가능하며, 용어, "열 광학" 튜닝은 에탈론 물질 굴절률의 온도 유도 변화, 에탈론의 물리적 두께의 온도 유도 변화 또는 이들 모두에 의한 튜닝을 의미한다.
TEC 튜닝과는 따로 에탈론들(130, 132)을 열 광학적으로 튜닝하기 위해서, 각각은 열 응답 기판(134) 내에 또는 그 위에 배치된다. 도시된 예에 있어서, 에탈론(130)은 기판(134) 내의 제1 리세스(210)에 장착되고, 에탈론(132)은 제2 리세스(212)에 장착된다. 도시된 예에서는, 제1 리세스(210)는 제1 가열 영역(214) 내에 배치되고, 제2 리세스는 다른 가열 영역(216)에 배치된다. 본 예의 구성에서, 에탈론들(130, 132) 각각은 영역들(214과 216) 내에서 가열을 개별적으로 제어함으로써 개별적으로 열 광학적으로 튜닝될 수 있다. 두 개의 영역들(214, 216) 사이 의 열적 분리를 용이하게 하기 위해, 열 장벽(218)이 이들 영역들을 분리함으로써 히트 싱크, 플랫폼(116) 또는 기타 장착 기판에 대한 열적 그라운드(thermal ground)로서 동작하는데, 이 히트 싱크, 플랫폼 또는 장착 기판에 장치(125)가 동작중 결합될 수 있다. 장벽의 두께 및 조성은 원하는 분리를 이루어서 충분한 열적 간섭(thermal cross-talk) 분리를 제공하도록 튜닝될 수 있다. 도시된 예에 있어서, 각 리세스의 가열 영역(214, 216)이 기판(134) 내에 형성되어 전체 기판(134)이 이들 영역들을 열적 그라운드 경계(220)로 둘러싸는데, 이 그라운드의 장벽(218)은 위의 경계에 그라운드된다.
도시된 구성은 하이브리드 파장 선택 부품 어셈블리를 도시하는데, 능동 튜닝 구조 즉, 기판(134)은 동조 소자들인 에탈론들(130, 132)로부터 분리되어 있다. 이는 종래 기술에 비해 장점을 가져서 두 개의 구조물들의 동시 가공을 가능케 하여 모노리식 빌드업 어셈블리에 비해 제조 및 조립 시간을 단축할 수 있다. 에탈론들(130, 132)은 한 웨이퍼 상에서 일괄 제조될 수 있으며, 기판(134)은 다른 웨이퍼 상에서 일괄 제조되는데, 이와 달리 각각의 세트가 함께 하나의 웨이퍼 위에 제조될 수도 있다. 기판(134)은 플루오르화 수소산(HFC) 제조와 같은 실리콘 에칭 및 성장 가공 기술을 포함해서 공지의 기술들로 형성될 수 있으며, 유리 기판이 기판(134)에 대한 레이저 스캔으로 직접 기록되고, 자외선에 노출된 다음, 산 세척에 노출되어 패턴화되지 않은 영역들을 제거하여 리세스들(210, 212)을 남겨둔다. 일부 실시예들에 있어서, 기판(134)은 균일하고 시간 응답적인 가열이 가능하도록 충분한 열적 특성을 갖는 물질로 형성되는 한편, 기판(134)에 에탈론들(130, 132) 을 장착하는 조립 프로세스를 견디기에 충분하도록 기계적으로 강력하다.
임의의 실시예들에 사용된 에탈론 물질들은, 온도 의존성 굴절률 뿐만 아니라 열 팽창 계수들을 가져서 열 광학적 튜닝이 선택적 가열 또는 냉각에 의해 에탈론 물질 굴절률의 동시 열 제어뿐만 아니라 에탈론 물리적 두께의 열 제어도 수행한다. 실리콘 및 갈륨 아세나이드 등의 반도체 물질들은 온도에 따라 굴절률에 큰 변화를 제공하며, 효과적인 열 광학적 튜닝을 위해 에탈론 물질로 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 에탈론들(130, 132)은 InGaAs, InGaAsP, 및 기타 이득 매질의 이득 대역폭 또는 출력 파장 범위에 대해 투명한 실리콘을 포함할 수 있다. 다른 물질들로는 액정 폴리머(LCPs), 또는 불활성 비 유체(no-hydroscopic) 물질들로 형성된 물질이 있다. 에탈론들(130, 132)은 기판(134) 물질과 동일하거나 다른 물질들로 형성될 수 있다. 다수의 실시예들에 있어서, 에탈론 각각에 사용된 물질들은 유사하거나, 동일한 열 팽창 계수를 갖는다. 기판(134)과 에탈론들(130, 132)이 형성되면, 파장 선택 부품(125)은 이 한정이 아니라 일례로서 에탈론들(130, 132)을 리세스들(210, 212) 내에 각각 장착하는 픽 앤드 플래이스(pick-and-place) 조립 프로세스를 이용하여 형성될 수 있다. 일단 장착되면, 에탈론들(130, 132)은 에폭시, 땜납 또는 기타 접착제로 소정 위치에 고정될 수 있다.
기판(134)은 제어기(127)와 같은 제어기, 예를 들어, 종래의 데이터 프로세서로 제어될 수 있으며, 룩업 테이블에 저장된 선택가능 파장 정보 또는 기타 파장 선택 기준에 따라 에탈론들(130, 132)의 열 조정 또는 튜닝을 위해 장치(125)에 튜닝 신호들을 제공한다. 기판(134)은 히터와, 기판(134) 상의 또는 기판 내의 온도 조건들을 모니터하는데 사용된 저항성 열 디바이스(resistive thermal device; RTD) 형태의 가열 및 온도 모니터링 소자들을 포함하는데, 그 예들을 도 3과 도 4에 도시하고, 이 도면들을 참조하여 설명한다. 이들 요소들은 예를 들어 도 3에 도시한 와이어 접착 패드들을 통해 제어기에 동작적으로 결합될 수 있다.
도시된 예들의 경우에, 4개의 와이어 접착 패드들(300-306)은 영역(214)에서 열을 모니터하는데 사용되고, 와이어 접착 패드들(300 및 302)은 각기 모니터 리드들(308 및 310)에 결합되고, 와이어 접착 패드들(304 및 306)은 각기 모니터 요소 리드들(312 및 314)에 결합된다. 요소 리드들(308-314)은 일례로서 도시하였다. 한 쌍(예를 들어, 입/출력 패드들(300 및 306))이 정전류를 전달하는데 사용될 수 있는 한편, 다른 입/출력 쌍(예를 들어, 패드들(302 및 304))이 전압 강하 또는 변화를 검지하는데 사용될 수 있다. 모니터된 데이터는 레이저의 튜닝 동작을 수정하도록 제어기에 제공되거나, 튜닝 동작의 서버 제어의 일부로서 제어기에 제공될 수 있다.
와이어 접착 패드들(300-306)이 모니터링 시에 사용되는 한편, 와이어 접착 패드들(320 및 322)은 열 광학적 튜닝을 위한 가열기를 형성하는데 사용된다. 접착 패드들(320 및 322)은 균일한 가열을 위해 가열 소자들(324 및 326)에 각각 결합된다. 예를 들어, 가열 소자들(324 및 326)은 에탈론(130)에 균일한 온도 변화를 주도록 패턴화될 수 있다. 상세히 설명하지는 않았지만, 에탈론(132)은 유사한 모니터 및 가열 와이어 접착 영역들(328 및 330)과 같은 추가 요소를 포함할 수 있다. 접착 패드 또는 핀을 절감하고 또한 전기 회로 복잡도를 줄이기 위해 정전류 출력 패드(예를 들어, 패드(306))는 제2 온도 제어 영역, 즉 도 3에서 에탈론(132)에 대한 정전류 패드용 입력으로 단축될 수 있다.
도 4는 히터(400)와 RTD(402)의 일례의 실시예를 도시하는데, 이들 각각은 기판(134) 내에서 다른 평면에 배치된다. 제조 프로세스 동안, 기판(134)은 디바이스 층(404), 멤브레인 외부 층(406), 모니터 층(408) 및 가열 층(404)으로 형성될 수 있다. 디바이스 층(404)은 실리콘으로 형성될 수 있으며, 멤브레인 층은 예를 들어, SiN4 등의 실리콘 합성물로 형성될 수 있다. 모니터 층(408)은 광학 축(412)에 나란한 모니터 평면(XY-평면) 내에 있을 수 있다. 모니터 층(408)은 RTD 리드들(308, 310, 312 및 314)을 포함할 수 있다. 도시된 예에 있어서, 유전 패시베이션 층(411)이 모니터 층(408)과 가열 층(410) 사이에 형성된다. 또한, 도시된 예에 있어서, 제2 유전 패시베이션 층(413)이 모니터 층(408) 위에 형성된다. 가열 층(410)은 광학 축(412)에 나란한 가열 평면 내에 있을 수 있으며, 가열 층(410)의 가열 효과는 이 평면에 제한되는 것이 아니며, 이 평면의 위와 아래, 예를 들어, 광학 소자 장착 리세스들의 전 범위로 연장됨은 물론이다. 가열 층(410)은 가열 소자 리드들(324 및 326)을 포함할 수 있다. 가열 층(410)과 모니터 층(408)의 평면들은 실질적으로 광학 축(412)에 평행하지만, 소자들(130, 132) 각각의 면들(414, 416)을 포함하는 입사 평면에 실질적으로 수직이다. 각 층은 실리콘으로 형성될 수 있으며, 개별적으로 성장하고, 금, 주석, 또는 그 층에서 리드 궤적들을 형성하는 다른 물질로 패턴화될 수 있다. 도시된 예들은 특정 방위에서 그리고 기판(134)의 외부 면 아래에 임베딩된 모니터 및 가열 층들을 도시하지만, 이 방위들은 다를 수 있다. 또한, 열적 또는 광학적 목적으로 더 많은 또는 더 적은 층들이 사용될 수 있다.
도 1 내지 도 4의 구성들은 열 광학 튜너블 소자들의 예들을 도시하며, 튜너블 요소들(예를 들어, 에탈론)은, 파장 튜닝을 위해 병행하여(두 개의 에탈론들이 실질적으로 같은 온도 변화 속도에서 가열 또는 냉각됨), 그리고, 차등적으로(에탈론들이 실질적으로 다른 온도 변화 속도에서 가열 또는 냉각됨) 튜닝될 수 있다. 다른 튜너블 소자들이 다르게 동작할 수 있지만, 에탈론들은 버니어 효과(Vernier effect)를 통해 선택적 파장 튜닝을 제공한다. 버니어 튜닝으로 에탈론들 각각은 에탈론들의 결합 효과에 따른 파장 범위 내에서 단일 전송 피크를 생성하도록 함께 동작하는 복수의 전송 피크들을 정의한다. 이러한 단일 결합 전송 피크의 위치는 에탈론들과 일체적으로 형성된 열 응답 기판을 통해 하나 또는 두 개의 에탈론들의 열 광학 적 튜닝으로 조정가능하다. 한 디바이스에서 2 이상의 튜너블 에탈론들을 가지고 버니어 튜닝을 사용함으로써 단일 튜너블 에탈론을 사용하여 가능한 것보다 작은 동작 온도 범위에 걸쳐서 파장 선택을 위한 열 광학적 튜닝이 가능한 장점을 갖는다. 이러한 낮은 전체적 동작 온도로 바람직하지 못한 대류 효과를 저감하고, 전력 소모를 저감시켜서 다수의 에탈론 물질들이 큰 온도 범위에 걸쳐서 가열 또는 냉각될 때 발생하는 온도 분산 효과를 방지한다. 위의 분산은 물질의 열 팽창 계수 변화로 유도된 변화하는 물질 열 광학 계수, 응력 또는 스트레인(strain) 및 온도 증가로 열적으로 여기된 자유 캐리어들의 유리(liberation)로부터 발생할 수 있 다. 예를 들어, 단일 반도체 에탈론 요소의 열 광학적 튜닝은 큰 온도 범위가 요구되기 때문에, 제한된 파장 범위에서만 파장 튜닝을 제공하는데, 이는 튜닝을 위해 필요한 높은 온도가 에탈론에서 열적으로 여기된 자유 캐리어들로 인해 과도하게 손실되기 때문이다.
기판(134)은 에탈론들 또는 기타 튜너블 소자들을 고르게 가열하고, 비교적 낮은 전력 요건에서 이러한 가열을 수행하기 위한 충분한 열 응답성을 갖는 동작가능한 열 응답성을 형성하도록 조정될 수 있다. 예를 들어, 기판(134)의 물질들 및 치수들은 비교적 낮은 열 팽창 계수를 가져서, 보다 균일한 가열을 제공하는 물질들로 이루어질 수 있다. 낮은 CTEs를 갖는 물질들을 사용함으로써 기판과 에탈론 사이의 접합부에서 스트레인을 방지할 수 있다. 그렇지 않으면 스트레인이 에탈론의 개구에 걸쳐서 균일하지 않은 광학 경로 길이로서 나타날 수 있으며, 스트레인이 충분히 높으면, 제품의 상승(lift)시 위의 접합부가 구현되지 못할 수 있다. 또한, 물질은 양호한 열적 응답, 한정은 아니지만 일례로서 가열 소자 리드들에 대해 입력 전기 전력의 와트당 1200K 이상의 응답을 갖는 한 물질일 수 있다. 예를 들어, 25㎛ 두께 기판은 Z 축을 따라서 50mW의 입력 전력만을 이용하여 70℃로 가열될 수 있어서, 3400K/Watts 열 응답성을 나타낸다. 역시 일례로서 100㎛ 두께 기판에서 유사한 조건들의 경우에 2650K/Watt 열 응답성을 나타낸다. 따라서 기판들(314 및 500)은 임의의 튜너블 레이저 장치들의 경우에 1와트 박스 전력 사용 요건 내에서 동작하도록 형성될 수 있다.
예 Ⅰ
도 5A는 제1 및 제2 에탈론들(502 및 504)(도 5B)을 갖는 일례의 기판(500)의 열적 가열 및 냉각을 위한 일례의 응답 도를 제공한다. 100㎛ 두께 기판과 0.25초에서 35℃의 개시 온도에서 노드 B에서 100℃로 상승한 경우에, 다른 센서 노드들 A, B, C(또는 측정 위치들)에서 에탈론(502)에 적용된 온도 가열이 도시된다. 열 시정수, 또는 기판 가열에서 1/e 이완(relaxation)은 예시한 예에서 대략적으로 315ms이다.
예 Ⅱ
도 6은 파장 선택 부품의 실시를 위한 다른 일례의 열적 응답을 도시한다. 25㎛ 두께 기판의 예에서, 노드 A(에탈론의 상부에서)가 110℃에 도달하기까지 0.1초 동안 기판을 가열하는데, 열 시정수는 대략적으로 290ms일 수 있다.
예시한 데이터는 일례로서 제공되며, 구성 파장 선택 디바이스에 대해 적합하게 빠른 응답 시간들을 도시한다. 열 시정수는 100ms 이하로 얻을 수 있는데, 이는 레이저 장치의 빠른 다채널 튜닝 및 테스트를 제공하는데 충분하며, 튜너블 트랜스폰더 DWDM 응용들에 유용할 수 있다.
파장 선택 디바이스는 튜너블 소자들을 미세 가열판(micro-hotplate)에 장착하는데 형성된 하이브리드 어셈블리일 수 있다. 예를 들어, 기판에 에탈론들의 장착 동안, 픽 앤드 플레이트 조립중 기판에 상당한 힘이 인가된다. 이들 힘은 주로 Z 축을 따라 기판 내로 인가되지만 기판의 XY 평면을 따르는 수평 힘이 인가될 수도 있다. 조립중 추가적 지지를 제공하기 위해, 기판은 조립중 기판에 인가된 힘과 같으며 반대의 힘을 제공하고, Z 축 삽입 힘으로부터 상당한 량의 수평 힘 전달 을 방지하는 국부적 장착 구조로 지지될 수 있다. 예를 들어, 도 7A는 기판 내에 형성된 리세스(604)와 대향하는, 기판(600) 아래에 위치한 장착 구조(602)를 도시한다. 도 7B는 리세스(604)와 대향하는 다른 예의 장착 구조(606)를 도시한다. 도 7A와 도 7B의 지지부들은 에탈론들의 기계적 부착 동안 신장 스트레인을 최소화하는 영구 고정물일 수 있다. 또한, 기계적 지지부는 조립중 에탈론들의 부착 동안 일시적으로 지지부를 제공하도록 툴링(tooling)으로 실시될 수 있다.
장착 구조들(604 및 606)은 도시된 예에 있어서 원통형이고, 불리한 수평 힘을 전달하지 않고 압축 부하를 카운트할 수 있는데, 수평 힘은 그 격자 방위와, 압축과 후의 기계적 강도 사이의 차이로 인해 기판에 보다 용이하게 손상을 줄 수 있다. 형상에서 원통형으로 도시하였지만, 장착 구조들의 형상은 이에 제한되는 것이 아니다.
현재의 레이저 장치의 튜닝 동안, TEC는 열 주파수 튜닝에 사용될 수 있지만, 이 튜닝은 레이저 소스, 종단 미러, 및 파장 선택 디바이스를 포함하는 TEC 상의 모든 부품들에 영향을 미친다. 레이저 장치(110)는, 예를 들어, 밑면 TEC로부터 기판의 가열 평면을 분리하기에 충분한 두께로 된 열 응답 기판을 형성함으로써 에탈론 튜닝이 TEC 튜닝에서 분리될 수 있는 일례를 제공한다. 튜닝과 동작의 분리(detangle)를 위해 레이저 장치 부품들의 추가적 격리가 또한 고려된다. 도 8은 예를 들어, 레이저 장치(110)와 관련하여 전술한 바와 것과 유사한 플랫폼(708) 상에 장착된 레이저 소스(702), 파장 선택 부품(704) 및 종단 미러(706)를 갖는 레이저 장치(700) 및 TEC(710)를 도시한다. 그러나 장치(700)는 레이저의 분리, 또는 서로 종속하지 않는 주파수 튜닝을 제공하도록 부품(704) 또는 TEC(710)에 독립적으로 열 광학적으로 튜닝될 수 있는 능동 광 경로 길이 동조 소자(712)를 포함한다. 광 경로 길이 동조 소자(712)는 광학 스페이서(도시되지 않음), 광학 웨지(optical wedge), 프리즘, 렌즈, 또는 기타 광학 소자일 수 있다. 전압 제어가능 디바이스들 또는 다른 유도 요소들을 사용하는 종래의 시스템들과는 달리, 광 경로 길이 튜닝 소자(712)는 예를 들어, DWDM 시스템에서 채널 파장들의 범위에 걸쳐 주파수 튜닝을 할 수 있는 열적으로, 기계적으로 또는 전기적으로 튜닝가능 메커니즘일 수 있다. 예를 들어, 분리 가열 또는 냉각을 통해 소자(712)는 완전한 주파수 튜닝을 위해 외부 캐비티 광 경로 길이를 능동적으로 조정 또는 제어할 수 있다.
새로운 예의 구성을 이하 설명한다. 텔레콤 C 밴드에서 실리콘에 대한 튜닝 속도는 약 ~10GHz/K이다. 이러한 변화 속도는 주로 열 광학 계수(dn/dT)로 얻어지고, CTE의 기여(실리콘에 대한)는 적다. 광 경로 길이의 부분적 변화는 d(OPL)/OPL = (1/n)dn/dT+CTE 로 표현될 수 있다. 버니어 채널들 사이를 호핑(hop)하는데 필요한 온도 변화는 또한 한 쌍의 에탈론들을 규정할 때 선택된 조인트 자유 스펙트럼 범위(Joint Free Spectrum Range; JFSR)와 평균 채널 스펙트럼 범위에 따른다. 예를 들어, 8.25THz의 JFSR과 275GHz의 평균 자유 스펙트럼 범위에서, 275GHz/(10GHz/K)=27.5K 의 온도 상승이 JFSR(설계 튜닝 범위) 내의 임의의 채널들을 처리하고, (~27.5K/8.3THz/275GHz)=0.917K의 두 개의 에탈론들 사이의 온도 차의 변화를 처리하는데 사용될 수 있다.
온도 영향이 없이 광 경로 길이 조정에 대한 집중으로, 광 경로 길이에 대한 변화를 기반으로 레이저를 고정하는데 다음의 식이 사용될 수 있다.
△L opl = -(v/f)*L opl
Lopl은 외부 캐비티 레이저의 광 경로길이이고, f는 레이징 주파수이고, v는 캐비티 모드 간격이다. 예를 들어, Lopl = 0.015m, f = 195THz, v = 10GHz의 경우, 레이저 튜닝 동안 하나의 캐비티 모드로부터 다른 캐비티 모드로의 호핑은 △L opl = 0.0000077m 또는 약 8㎛의 광 경로 길이 조정을 필요로 한다.
도시된 예에서, 소자(712)는 제1 광학 표면(714)과 제2 광학 표면(716)을 갖는 레이저 스페이서이고, 이 표면들 각각은 소자(712) 내에서 내부 반사를 방지하도록 AR 코팅으로 코팅될 수 있다. 부가적으로 또는 개별적으로, 소자(712)는 Z 축 에 대해 경사지고, 및/또는 XY 평면에서 대략적으로 1°내지 2°회전되어 반사의 공간 중첩을 줄여서 단일(공간) 모드 도파관에서 측정된 연속 스펙트럼 프린지들을 줄일 수 있다. 또한, 소자(712)는 나란한 표면들을 갖는 것으로 도시했지만, 대안으로, 장치는 웨지 형상을 가져서 프린지들의 각도 중첩을 줄이고 유사하게 스펙트럼 프린지들을 줄일 수도 있다. 소자(712)는 에탈론들을 사용할 때, 파장 선택 디바이스(704)를 형성하는 에탈론들을 형성하는데 사용된 물질과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 광학 스페이서로서, 소자(712)는 InGaAs, InGaAsP 및 다른 이득 매질의 이득 대역폭 또는 출력 파장 범위에 걸쳐 투명한 실리콘으로 형성될 수 있다. 다른 물질들로는 액정 폴리머(LCPs), 또는 불활성 비 유체 물질들 로 형성된 물질이 있다.
소자(712)는 플랫폼(708)에 직접 배치하거나, 마운트(708)를 통해 장착될 수 있다. 마운트(718)는 열적 분리를 위한 물질 또는 열적 분리를 위한 다른 물질로 형성될 수 있다. 일부 구성들에 있어서, 소자(712)는 도 9에 도시한 바와 같이 모니터(또는 RTD) 전극들(720a, 720b, 722a, 722b) 및 가열 전극들(724a, 724b, 726a, 726b)을 갖는 광학 스페이서일 수 있으며, 가열 및 모니터 전극들은 예컨대 일부 예의 에탈론과 열 응답 기판 구성에서 사용된 다른 평면들에서 패턴화된 도체들일 수 있다.
또한, 소자(712)는 기판(134)과 유사하게 열 응답 기판 내에 배치된 열 전도 광학 소자일 수 있다. 예를 들어, 도 10은 파장 선택 디바이스(802) 및 별개의 광 경로 길이 조정 소자(804)를 갖는 튜닝 어셈블리(800)를 도시한다. 도시된 예에서, 전자는 열 응답 기판(810)의 리세스 내에 장착된 두 개의 에탈론들(806, 808)을 포함하고, 기판(810)은 각 에탈론(806, 808)마다 대응하는 다른 온도 영역들(812, 814)로 나누어진다. 기판(810)은 또한 광 경로 길이 조정 소자(804)를 제어하는 별개의 온도 영역(816)을 가지며, 소자(804)는 또한 기판(810) 내의 리세스 내에 배치된다. 소자들(804, 806, 808)의 온도 튜닝 및 제어 모니터는 와이어 접착 패드들(818, 820, 및 822로(일반적으로 도시)) 각각으로 구동/모니터링된 가열 및 RTD 전극들을 통해 수행될 수 있다. 도 11은 튜닝 어셈블리(800)를 갖는 것을 제외하고 도 8의 예에 도시된 것과 유사한 레이저 장치를 도시한다(따라서 동일한 참조 번호들을 공유한다).
따라서, 도 11의 구성은 현재 시스템들에서와 같이, TEC(710)의 조정을 통해서뿐만 아니라 조정 부품(804)을 이용하는 독립적 광 경로 길이 제어를 통해 레이저 장치의 파장 튜닝을 제공한다. TEC(710) 전체가 열적 변화에 수 초(many seconds)를 인가할 수 있는 큰 열 질량체로서 동작할 수 있는 반면, 조정 부품(804)은 비교적 작은 열 질량으로 인해, 작은 가열 시간 상수(예를 들어, 1초 이하)를 갖는 광학 스페이서 또는 다른 장치일 수 있다. 이는 레이저 장치 튜닝이 비교적 긴 TEC 튜닝에 의존하지 않고, 조정 부품(804)의 능동 튜닝으로 실시될 수 있음을 의미한다. 또한, 부품(804)의 열 광학 응답성은 TEC 또는 다른 제어 메커니즘을 통해서 얻을 수 있는 동일 광 경로 길이 조정이 위의 작은 열 질량체를 통해 수행될 수 있도록 선택될 수 있다. 제한이 아닌 일례로서, 단지 15℃의 온도 변화를 겪는 0.3mm 두께의 실리콘 광학 스페이서가 통상의 TEC 제어 설계의 동일량의 광 경로 길이 조정을 달성할 수 있다. 따라서, 이전과 같이, TEC 튜닝이 플랫폼상의 모든 부품들(예를 들어, 레이저 이득 매질, 파장 선택 디바이스, 및 종단 미러)에 대한 온도에 영향을 미치고, 따라서 광 출력 전력, 레이저 바이어스 전압, 및 광 경로 길이와 같은 제어 변수에 영향을 미치는 반면에, 별개의 능동 광 경로 길이 조정 부품을 도입함으로써, 광 경로 길이 서보 제어가 파장 선택 서보 제어, 레이저 서보 제어 및 TEC 서보 제어로부터 분리될 수 있도록 허용할 것이다.
도 12는 일례의 튜닝 제어 구성(900)을 도시하는데, 일련의 입력들(902)(예로, 5 입력 값으로 도시)이 제어기(904)에 공급되고, 제어기는 전술한 바와 같이 TEC(906)를 제어하는데, 이들은 전술한 바와 같다. 도시는 TEC(906)이외에 다수의 다른 제어 메커니즘들을 포함하는 것으로 변화될 수 있음을 보여주는데, 이들 메커니즘들은 각각의 서보 제어가능 프로세스들을 나타낼 수 있다. TEC(906)의 변화는, 레이저 소스를 위한 바이어스 전압 제어부(908)에 영향을 미칠 수 있으며, 예를 들어, 레이저 소스의 이득은 온도 의존성이므로 TEC 변화에 따라 변화하는 것으로 알려져 있다. 제어부(908)는, 예를 들어, 전압 제어기(908a), 전압원(908b) 및 전압 검출기(908c)를 포함하는 것으로 도시된다. TEC(906)의 변화는, 또한, 예를 들어, 레이저 소스 내의 도파관의 광 경로 길이를 조정함으로써 레이저 캐비티를 위한 광 경로 길이 제어부(910)에 영향을 미칠 수 있다. 제어부(900)는 제어기(910a), 하나의 광 경로 길이 조정가능 부품(910b), 및 검출기(910c)를 포함한다. TEC(906)의 변화는, 광 전력 레벨 제어부(912)에 영향을 미칠 수 있으며, 이 제어부는 열적 변화에 기인한 전력 변동을 방지하는 역할을 할 수 있다. 제어부(912)는 제어기(912a), 레이저(912b) 및 레이저 출력 전력 검출기(912c)를 포함한다. 또 한가지, TEC(906)의 변화는, 파장 선택 부품 제어부(914)에 영향을 미칠 수 있으며, 이는 제어기(914a), 에탈론 튜닝 소자(914b) 및 검출기(914c)를 포함한다.
이들 제어부들(910 내지 914) 각각은 예로서 제공된다. 당업자들이라면 제어부들이, 추가의 더 적은 또는 다른 소자들을 포함하는 다른 구성을 가질 수 있음을 이해할 것이다. 도시된 예에 있어서, 제어부들(910 내지 914)은 제어부(904)에 궤환을 제공할 수 있어서 제어 값들에 대한 TEC 제어의 상호의존성을 나타내고, TEC가 변화할 때, 제어부들(910-914)로 측정된 정적 조건들이 변화할 수 있다. 그 러나 제어부(910)에서 별개의 능동 광 경로 길이 조정 부품을 사용함으로써 TEC 튜닝에서 광 경로 길이 조정 제어 메커니즘들 중 적어도 하나(예를 들어, 광학 스페이서의 메커니즘)를 배제할 수 있다. 즉, TEC가 광 경로 길이를 제어하도록 조정될 수 있지만, 주파수 튜닝을 수행할 수 있는 광 경로 길이 조정 디바이스를 독립적으로 제어할 수 있으며, TEC는 주파수 튜닝 동안 조정할 필요가 없다. 대신, TEC는 일정 또는 비교적 일정한 온도에서 유지될 수 있으며, 레이저 장치는 여전히 능동 주파수 튜닝 광 경로 길이 조정을 통해 주파수 튜닝을 수행할 수 있다. 이전에 디더링(dithering) 제어에만 사용되었고, 주파수 튜닝을 수행할 수 없었던 조정을 배제함으로써 레이저 장치는 조정 소자의 낮은 열 질량체로 인하여 보다 빠른 속도에서 주파수 튜닝을 할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 주파수 튜닝 시간이 10배 이상 개선될 수 있다.
본 발명의 교시에 따라 구성된 임의의 장치를 본 명세서에 기술하였지만, 이 특허의 보호 범위는 이에 제한되는 것이 아니다. 오히려, 이 특허는 사실상 또는 등가물의 교시하에서 첨부 청구범위의 범위 내에 있는 본 발명의 교시의 모든 실시예들을 포함한다.

Claims (23)

  1. 레이저 장치에 있어서,
    플랫폼;
    상기 플랫폼에 연결된 이득 매질 - 상기 이득 매질은 전기 입력에 응답하여 광 빔을 방사하는 제1 출력 면과 제2 출력 면을 가짐 -;
    상기 광 빔을 반사하도록 배치되고 상기 플랫폼에 연결된 반사기 - 상기 반사기 및 상기 제1 출력 면은 광 경로 길이를 갖는 레이저 캐비티를 정의함 -; 및
    상기 레이저 캐비티 내에 배치되고, 상기 플랫폼에 장착된 열 응답 기판, 및 상기 열 응답 기판의 리세스 내 장착되고 상기 열 응답 기판 내의 열 변화에 응답하여 상기 광 경로 길이를 조정하기 위해 상기 열 응답 기판으로부터 상기 레이저 캐비티 내로 연장하는 튜너블 광학 소자를 구비한 열 응답 파장 선택 디바이스를 포함하고,
    상기 튜너블 광학 소자는 상기 열 응답 기판의 제1 온도 영역 내에 장착된 제1 에탈론과 상기 열 응답 기판의 제2 온도 영역 내에 장착된 제2 에탈론을 포함하고, 상기 제1 온도 영역은 상기 제2 온도 영역과 열적으로 격리되는, 레이저 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 튜너블 광학 소자는 상기 열 응답 기판과의 열적 결합을 위해 기계적으로 장착되는 레이저 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 에탈론은 상기 열 응답 기판 내의 제1 리세스 내에 장착되고, 상기 제2 에탈론은 상기 열 응답 기판 내의 제2 리세스 내에 장착되는 레이저 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열 응답 파장 선택 디바이스의 기판은 상기 튜너블 광학 소자의 레이저 캐비티 입사 평면과 상이한 가열 평면을 갖는 레이저 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가열 평면은 상기 레이저 캐비티의 광학 축에 실질적으로 평행하고, 상기 튜너블 광학 소자의 입사 평면은 상기 가열 평면에 실질적으로 수직인 레이저 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 열 응답 기판 및 상기 튜너블 광학 소자는 실질적으로 동일한 열 팽창 계수를 갖는 레이저 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 열 응답 기판은 1200K/watt보다 크거나 같고 3400K/watt보다 작거나 같은 열 응답성을 갖는 레이저 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 열 응답 파장 선택 디바이스는 상기 레이저 장치용 제1 주파수 동조 소자이고, 상기 레이저 장치용 제2 주파수 동조 소자인 광 경로 길이 조정 디바이스를 더 포함하는 레이저 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 광 경로 길이 조정 디바이스는, 상기 열 응답 기판에 장착되고, 상기 제1 주파수 동조 소자로부터 열적으로 격리되는 레이저 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 열 응답 기판은 임베딩된 열 히터 및 임베딩된 온도 모니터를 포함하는 레이저 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 캐비티 내에 배치되고 제어기에 결합되어, 광 경로 길이 조정 디바이스에 유도된 열 변화에 응답하여 출력 빔의 주파수를 동조시키는 능동 광 경로 길이 조정 디바이스
    를 더 포함하는 레이저 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 능동 광 경로 길이 조정 디바이스는 광학 스페이서인 레이저 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 능동 광 경로 길이 조정 디바이스는 임베딩된 히터 및 임베딩된 온도 모니터를 포함하는 레이저 장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 광 경로 길이 조정 디바이스는 상기 열 응답 기판에 장착되어 상기 열 응답 기판 내의 열 변화에 응답하여 상기 광 경로 길이를 조정하는 튜너블 광학 소자를 포함하는 레이저 장치.
  17. 레이저 작동 방법에 있어서,
    광 경로 길이를 갖는 레이저 캐비티 내로 광 빔을 방사하는 제1 면과 제2 면을 갖는 이득 매질을 구비한 외부 캐비티 레이저를 제공하는 단계;
    파장 선택 디바이스를 상기 레이저 캐비티 내에 배치하는 단계 - 상기 파장 선택 디바이스는, 열 응답 기판 및 상기 열 응답 기판 내의 열 변화에 응답하여 상기 광 경로 길이를 조정하기 위해 상기 열 응답 기판으로부터 상기 레이저 캐비티 내로 연장하는 튜너블 광학 소자를 가지고, 상기 튜너블 광학 소자는 제1 에탈론 및 제2 에탈론을 포함함 -;
    상기 제1 에탈론을 상기 열 응답 기판 내의 제1 리세스 내에 장착시키고 상기 제2 에탈론을 상기 열 응답 기판 내의 제2 리세스 내에 장착시킴으로써, 상기 열 응답 기판 내로 적어도 부분적으로 연장하도록 상기 튜너블 광학 소자를 장착하는 단계; 및
    상기 제1 리세스를 상기 제2 리세스로부터 열적으로 격리하는 단계
    를 포함하는 레이저 작동 방법.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 제17항에 있어서,
    상기 열 응답 기판에 히터 소자를 배치하는 단계; 및
    상기 열 응답 기판에 온도 모니터링 소자를 배치하는 단계를 더 포함하는 레이저 작동 방법.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 열 응답 기판의 가열 평면을 상기 레이저 캐비티의 광학 축에 실질적으로 평행하게 배치하는 단계; 및
    상기 튜너블 광학 소자의 입사 평면을 상기 가열 평면에 실질적으로 수직으로 배치하는 단계를 더 포함하는 레이저 작동 방법.
  23. 제17항에 있어서,
    상기 파장 선택 디바이스는 레이저 장치의 주 열 튜닝 장치(primary thermal tuning device)이고,
    상기 방법은,
    광 경로 길이 조정 디바이스를 상기 레이저 캐비티 내에 배치하는 단계 - 상기 광 경로 길이 조정 디바이스는 능동 열 광학적 제어가능 디바이스임 -; 및
    상기 광 경로 길이 조정 디바이스를 상기 주 열 튜닝 장치로부터 열적으로 격리하는 단계를 더 포함하는 레이저 작동 방법.
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