KR101461158B1 - 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈 - Google Patents

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Abstract

파장 가변 외부 공진 레이저 모듈이 제공된다. 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈은 광을 생성시키는 이득 매질, 이득 매질에 결합되며 브래그 격자 및 브래그 격자의 온도를 조절하는 박막 히터를 포함하는 광도파로 및 이득 매질에 고주파 신호를 전달하는 고주파 전송매질을 포함하되, 고주파 전송매질은 광의 동작속도를 제어한다.

Description

파장 가변 외부 공진 레이저 모듈{WAVELENGTH-TUNABLE EXTERNAL CAVITY LASER MODULE}
본 발명은 외부 공진 레이저 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2008-S-008-02, 과제명: FTTH 고도화 광부품 기술개발].
파장분할 다중화(Wavelength Division Multiplexing: WDM) 기반 광기입자망(Passive Optical Network: PON)에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이하에서는, 파장 분할 다중화 기반 광이입자망을 'WDM-PON'이라고 한다. WDM-PON은 음성, 데이터, 방송 융합서비스를 제공할 수 있다.
WDM-PON은 중앙 기지국(Center Office: CO)과 가입자 간의 통신이 각 가입자에게 정해진 각각의 파장을 사용하여 이루어지는 방식이다. 가입자별로 전용 파장이 사용되므로, 보안이 우수하고, 대용량의 통신서비스가 가능하며, 가입자별 혹은 서비스별로 링크율(link rate), 프레임 포맷(frame format) 등이 다른 전송기술의 적용이 가능한 장점을 가진다.
하지만, WDM-PON 망은 WDM 기술을 사용하여 단일 광 섬유에 여러 파장을 다중화하는 기술이므로 하나의 옥외 노드(Remote Node: RN)에 속하는 가입자 수만큼의 서로 다른 광원을 필요로 하게 된다. 이러한 파장 별 광원의 생산, 설치, 관리는 사용자와 사업자 모두에게 커다란 경제적 부담으로 작용하여 WDM-PON의 상용화에 커다란 걸림돌이 되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 광원의 파장을 선택적으로 가변할 수 있는 파장 가변 광원 소자의 적용 방안이 활발히 연구되고 있다.
본 발명의 목적은 동작 특성이 향상된 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈은,광을 생성하기 위한 바이어스 전류가 제공되는 이득 매질; 상기 이득 매질로부터 분리되어 상기 광을 외부 공진하는 브래그 격자 및 상기 브래그 격자의 온도를 제어하여 상기 외부 공진되는 상기 광의 파장을 가변하는 박막 히터를 포함하는 광도파로; 상기 이득 매질에 고주파 신호를 전달하는 고주파 전송매질; 및 상기 이득 매질과 상기 광도파로를 실장하는 패키지를 포함한다. 여기서, 상기 이득 매질과 상기 광도파로는 서로 직접 결합되고, 상기 고주파 전송매질은 상기 광을 상기 고주파 신호와 동일한 주파수로 제어하도록 상기 고주파 신호를 상기 바이어스 전류에 더하여 전송하고, 상기 이득 매질은 상기 고주파 신호에 더해진 상기 바이어스 전류에 대응되는 상기 광을 생성하고, 상기 고주파 신호의 전류 값은 상기 광의 광 파워를 디지털 신호로 변조하도록 제어되고, 상기 고주파 신호의 주파수는 단위초당 10기가비트 이상의 상기 디지털 신호로 설정되고, 상기 고주파 전송 매질은 전송 선로와, 상기 전송 선로 및 상기 이득 매질 사이에 배치된 매칭 저항 부를 포함하고, 상기 전송 선로와 상기 매칭 저항부는 상기 패키지 내에 배치될 수 있다.
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본 발명의 실시예에 따른 상기 고주파 전송매질은 세라믹 유전체과 상기 세라믹 유전체 상의 금속 박막선으로 구성되는 서브마운트(submount)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 고주파 전송매질은 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board: PCB)을 포함할 수 있다.
삭제
본 발명의 실시예에 따른 상기 이득 매질은 반도체 광 증폭기 또는 레이저 다이오드를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈은 상기 이득 매질과 상기 광도파로 사이에 개재되는 렌즈를 더 포함하되, 상기 렌즈는 상기 이득 매질로부터 생성된 광을 상기 광도파로에 전달할 수 있다.
삭제
본 발명의 실시예에 따른 상기 광도파로는 기판, 상기 기판 상의 클래딩층 및 상기 클래딩층에 의하여 적어도 일부가 피복되는 코어층을 포함하며, 상기 브래그 격자는 상기 코어층 또는 클래딩층에 배치되며, 상기 박막 히터는 상기 클래딩층 상에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 광도파로는 위상 조절부를 더 포함할 수 있고, 상기 위상 조절부는 상기 클래딩층 상에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 광도파로는 입사면에 배치된 저반사막을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 광도파로의 입사면은 상기 광의 진행방향의 수직면에 대하여 경사질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 코어층 및 클래드층은 폴리머(polymer)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 코어층 및 클래드층은 실리카(silica)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈은 상기 광도파로의 하부에 배치되는 제 1 열전 냉각기 및 상기 광도파로의 온도를 측정하는 써미스터(thermistor)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈은 상기 이득 매질의 온도를 조절하는 제 2 열전 냉각기 및 상기 이득 매질의 온도를 측정하는 써미스터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈은 상기 광도파로 및 상기 이득 매질의 온도를 함께 조절하는 열전 냉각기 및 온도를 측정하는 써미스터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈은 상기 광을 모니터링하는 광검출기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈은 상기 이득 매질, 상기 광도파로 및 상기 고주파 전송매질이 실장되는 패키지를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈은 이득 매질에 고주파 신호를 전달하는 고주파 전송매질을 포함한다. 상기 고주파 전송매질은 이득 매질에서 생성되는 광의 동작 속도를 제어할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈은 고속 동작이 가능할 수 있다.
도 1a는 통상적인 WDM-PON 시스템 중 하나인 광대역 광원을 사용하는 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.
도 1b는 통상적인 WDM-PON 시스템 중 다른 하나인 파장 가변 광원을 사용하는 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2a 및 2b는 파장 가변 광원을 설명하기 위한 개략적인 개념도를 나타내는 도면들이다.
도 3a 내지 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈의 광도파로를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 6d는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈의 이득 매질을 구체적으로 설명하기 위한 도면들이다. 도 6b 내지 6d는 도 6a의 B-B′라인을 따라 취해진 단면도이다.
도 7a 내지 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 광도파로와 광도파로 지지부를 설명하기 위한 도면들이다. 도 7a는 광도파로와 광도파로 지지부가 결합된 부분의 상부면도이며, 도 7b는 도 7a의 좌측면도이고, 도 7c는 도 7a의 우측면도이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 이득 매질로부터 광도파로에 전달되는 광의 결합효율을 설명하기 위한 도면이다. 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광의 결합효율을 설명하기 위한 전산모사 그래프이다.
도 9a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈을 설명하기 위한 상부면도이다. 도 9b는 도 9a의 C 부분의 확대도이다. 도 10a은 도 9a의 Ⅱ-Ⅱ′라인을 따라 취해진 단면도이다. 도 10b는 도 10a의 D 부분의 확대도이다. 도 10c는 본 발명의 일 실시예에 따른 광의 결합효율을 설명하기 위한 전산모사 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 광도파로의 온도에 따른 파장 튜닝 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12a 및 12b는 본 발명의 실시예에 따른 고주파 신호의 전달 특성을 나타내는 그래프이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 형성 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 형성 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 1a는 통상적인 WDM-PON 시스템 중 하나인 광대역 광원을 사용하는 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.
도 1a를 참조하면, WDM-PON 시스템(100)은 크게 중앙 기지국(central office) 측에 놓이는 기지국 송신단(110, Optical Line Terminal; OLT), 가입자측의 가입자망(130, Optical Network Unit or Terminal: ONU/ONT), 및 옥외 노드(120, Remote Node: RN)를 포함한다. OLT(110)와 RN(120) 사이는 단심의 피더(feeder) 광섬유(117)로 연결되고 RN(120)과 ONU/ONT(130) 사이는 분배(distribution) 광섬유(125)로 연결된다.
하향 광은 OLT(110) 내의 광대역 광원(112, Broadband Light Source; BLS)으로부터 제 1 써큘레이터(114, optical circulator), WDM 다중화/역다중화 기능의 AWG(Arrayed Waveguide Grating, 113), OLT용 광송신기(Reflective Semiconductor Optical Amplifier, 111), AWG(113) 및 제 1 및 제 2 써큘레이터(114)를 거쳐 피더 광섬유(117)를 통해 RN(120)의 AWG(123)로 전달되고, 다시 분배 광섬유(125)를 통해 ONU/ONT(130) 내의 1 x 2 광 커플러(133, optical coupler) 또는 써큘레이터를 거쳐 최종적으로 ONU용 광송신기(131) 및 광수신기(132)로 전달되게 된다.
상향 광은 앞선 하향 광과 반대 방향으로 전달되게 된다. 즉, 상향 광은 ONU용 광송신기(131)로부터 1 x 2 광커플러(133), 분배 광섬유(125), RN(120)의 AWG(123), 피더 광섬유(117), 제 2 써큘레이터(115), AWG(118)를 거쳐 OLT용 광수신기(116)로 전달된다.
이 방식의 장점은 OLT쪽의 광원을 ONU에서도 사용하기 때문에 가입자 단에서 별도의 광원을 확보할 필요가 없이 색 무의존도 (colorless)의 시스템을 꾸밀 수 있는 장점이 있다. 하지만, RSOA를 증폭 및 변조 매질로 사용하기 때문에 속도의 제한이 생겨 10 Gbps급 시스템에서는 사용하기 힘든 방식으로 인식되고 있다.
도 1b는 통상적인 WDM-PON 시스템 중 다른 하나인 파장 가변 광원을 사용하는 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.
도 1b를 참조하면, WDM-PON 시스템(200)은 중앙 기지국(central office) 측에 놓이는 기지국 송신단(210, Optical Line Terminal; OLT), 가입자측의 가입자망(230, Optical Network Unit or Terminal: ONU/ONT), 및 옥외 노드(220, Remote Node: RN)를 포함한다. OLT(210)와 RN(220) 사이는 단심의 피더(feeder) 광섬유(217)로 연결되고 RN(220)과 ONU/ONT(230) 사이는 분배(distribution) 광섬유(225)로 연결된다.
하향 광은 기지국 송신단(210)의 파장 가변 광원(211)으로부터 WDM 필터(213)을 거쳐 AWG(214), 피더 광섬유(217), AWG(223), 분배 광섬유(225), WDM 필터(233)을 통하여 가입자단 수광부(232)에 전달된다. 상향 광은 앞선 하향 광과 반대 방향으로 진행하여 기지국 송신단(210)의 수광부(212)에 전달된다.
도 1a와 다르게, 파장에 대한 의존성이 없는 시스템을 구성하기 위하여 파장 가변 광원(211, 231)을 기지국 송신단(210)과 가입자망(230) 각각에 사용한다. 기지국 송신단(210)과 가입자망(230) 각각에 광원을 보유해야 한다는 제한이 있으나 레이저를 사용하는 구조이므로 속도 측면에서 높은 성능을 구현할 수 있는 장점이 있다. 이러한 시스템을 구현하는데 중요한 열쇠는 저가의 비용으로 신뢰성 있는 파장 가변 광원을 만들 수 있는지에 달려있다.
도 2a 및 2b는 파장 가변 광원을 설명하기 위한 개략적인 개념도를 나타내는 도면들이다.
도 2a를 참조하면, 파장 가변 광원의 각 구성요소가 단일 집적된 경우를 보여준다. 파장 가변 광원은 제 1 브래그 격자(317)을 가지는 제 1 브래그 영역(310), 이득 매질(320), 위상 조절 영역(330) 및 제 2 브래그 격자(307)를 가지는 제 2 브래그 영역(340)을 포함한다. 제 1 전극(305)과 제 2 전극(302)은 이득 전류를 공급하기 위한 전극들이고, 제 1 전극(305)과 제 3 전극(303)은 위상 전류를 공급하기 위한 전극들이며, 제 1 전극(305)과 제 4 전극(301)은 제 1 브래그 영역(310)의 굴절률을 변화시켜 브래그 파장을 조정하기 위한 전류를 공급할 수 있다. 상기 제 1 전극(305)과 제 5 전극(304)은 제 2 브래그 영역(340)의 굴절률을 변화시켜 브래그 파장을 조정하기 위한 전류를 공급할 수 있다.
이러한 서로 다른 기능을 하는 구성요소를 하나의 소자에 집적하면 형성 공정의 특성상 소자의 균일성이 문제될 수 있다. 보통 이득 매질(320)의 전후 위치에 DBR (distributed Bragg reflector) 등의 거울면을 달고 위상 조절 영역(330)을 집적하게 되는데 여기에 출력 파워의 향상을 위해 광증폭기까지 집적하기도 한다. 각 기능부는 다른 조성의 매질을 사용하므로, 물질의 성장 및 식각 공정 등을 통해 이들을 집적하게 되면 계면에서의 내부 반사 및 흡수 등 각종 문제가 일어나기 쉽게 된다. 아울러 다양한 소자의 각 부분을 따로 제어하기 위해서는 특성 측정의 자동화가 이루어져야 하고, 자동화가 되더라도 다양한 조합의 전류를 이용해 특정 파장을 찾아내야 하므로 많은 시간이 소모된다. 이로 인해, 모듈 제작 후에도 제어부의 복잡성을 피할 수 없다.
도 2b는 이득 매질(350)과 외부 브래그 격자(external grating, 360)을 패키징하여 레이저를 제작하는 하이브리드 방식의 구조를 보여준다. 이득 매질(350)로 사용되는 단일한 소자와 반사 및 파장 제어가 가능한 별도의 외부 브래그 격자(360)을 패키징하여 외부공진기 레이저를 제작하는 것으로 각각의 부분을 따로 제작하기에 각 부품별로 제작시의 수율을 높일 수 있고, 기존의 광소자 패키징 방법을 사용하여 제작이 가능한 장점이 있다. 외부 브래그 격자(360)은 화합물 반도체, 실리카 또는 폴리머 재질을 사용하여 제작한다.
도 3a 내지 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈을 설명하기 위한 도면들이다. 도 3a는 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈의 상부면도이다. 도 3b는 도 3a의 A 부분에 대한 확대도이다. 도 4b는 도 3a의 Ⅰ-Ⅰ′라인을 따라 취해진 단면도이다. 도 4c는 도 4b의 B 부분에 대한 확대도이다.
도 3a 내지 4c를 참조하면, 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈(1000)은 광을 생성시키고 증폭시키는 이득 매질(500), 상기 이득 매질(500)과 결합하여 거울면을 형성하는 광도파로(400) 및 상기 이득 매질(500)에 고주파 신호를 전달하는 고주파 전송매질(600)을 포함한다. 상기 고주파 전송매질(600)은 생성된 광의 동작속도를 제어할 수 있다. 구체적으로, 상기 이득 매질(500)에 바이어스(bias) 전류가 가해지면 광의 생성 및 증폭이 일어나게 되고, 이 바이어스 전류가 임계값 이상이 되면 상기 이득 매질(500)과 광도파로(400)에 의해 형성된 거울면 내에서 발진(lasing)이 일어나게 된다. 상기 바이어스 전류에 고주파 전송매질(600)에 의하여 전달되는 고주파 신호가 더해져 레이저 내에서 생성되는 광 파워의 크기가 조절되게 된다. 상기 고주파 신호의 주파수에 의하여 상기 광의 동작 속도가 결정될 수 있다. 여기서, 광신호의 동작속도는 디지털 신호 또는 아날로그 신호의 반복되는 정도(bit per second)로 이해될 수 있다.
상기 고주파 전송매질(600)은 상기 광신호의 광 파워를 조절할 수 있다. 또한, 상기 고주파 신호는 상기 광 파워에 의하여 정의되는 디지털 신호로 변조될 수 있다. 구체적으로, 상기 고주파 전송매질(600)에 의하여 전달되는 고주파 신호의 전류값을 조절하는데, 임계 전류 이상에서 상대적으로 높은 광 파워은 1, 상대적으로 낮은 광 파워는 0으로 정의되는 디지털 신호로 변조될 수 있다. 이러한 디지털 신호가 10Gbps(Giga bit per second) 이상의 값을 가질 수 있다.
상기 고주파 전송매질(600)은 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board) 또는 서브마운트(submount)일 수 있다. 상기 인쇄 회로 기판 또는 서브마운트는 도전성의 금속박막선(610), 유전체(620) 및 매칭 저항부(630)를 포함할 수 있다. 상기 고주파 전송매질(600)이 인쇄회로기판인 경우, 상기 유전체(620)는 에폭시 수지 또는 페놀 수지를 포함할 수 있다. 상기 고주파 전송매질(600)이 서브마운트인 경우, 상기 유전체(620)는 세라믹 유전체를 포함할 수 있다. 매칭 저항부(630)는 상기 이득매질(500)의 저항값과 더해져 고주파 전송매질(600)를 통한 신호 전달이 양호해지도록 조절하는 기능을 할 수 있다. 상기 매칭 저항부(630)에 의하여 상기 이득매질(500)을 포함한 전체 저항은 전송 신호원의 내부 저항과 같은 25, 50, 75Ω 등으로 조절될 수 있다. 상기 고주파 전송매질(600) 상의 상기 금속박막선(610)은 마이크로스트립 라인(microstrip line) 또는 CPW(Coplanar Waveguide) 등을 포함할 수 있으며, 상기 유전체와 결합해 전송선로를 형성하게 된다.
상기 이득 매질(500), 상기 광도파로(400) 및 상기 고주파 전송매질(600)은 패키지(710)에 모두 실장될 수 있다. 상기 패키지(710)는 버터플라이(butterfly), 미니 딜(mini DIL), 미니 플랫(mini flat), 토사(Transmitter Optical Sub-assembly: TOSA) 형태 등의 패키지일 수 있다. 상기 패키지(710)는 외부의 전기적 신호를 전달하는 리드 프레임(705)을 포함할 수 있다. 상기 고주파 전송매질(600)은 고주파 커넥터(730)를 통해 전달되는 고주파 신호를 상기 이득 매질(500)에 전송할 수 있다.
상기 이득 매질(500)과 광도파로(400)는 렌즈의 개입없이 직접 광결합하여 상기 광을 생성할 수 있다. 이러한 직접 결합 방식에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈은 레이저 신호가 발생하는 공진기 길이가 줄어들게 되어 대역폭 확보가 용이해질 수 있다. 즉, 주파수 동작 특성을 측정해 보면 외부 공진기의 길이에 해당하는 공진 피크가 발생하게 되는데 이를 짧은 공진기 구현으로 더 높은 주파수 영역으로 보냄으로써 공진 피크에 의해 야기되는 대역폭 감소 효과를 줄여 고속 동작을 수행하는데 유리할 수 있다.
상기 광도파로(400)는 상기 패키지(710)에 직접 또는 별도의 광도파로 지지구조물(740)을 통해 결합될 수 있다. 상기 광도파로(400)가 상기 패키지(710)에 직접 결합하는 경우, 상기 웰딩용 금속지지물(720) 및 상기 광도파로 지지부(740)는 불필요할 수 있다. 이 경우 상기 이득 매질(500) 또는 광도파로(400) 중에 하나를 미리 고정시키고, 다른 하나를 플립 칩 본딩(flip chip bonding) 등의 수동 정렬(passive alignment) 방식에 의해 1-50㎛ 거리 범위 내에서 광결합시킬 수 있다.
상기 광도파로(400)는 별도의 광도파로 지지부(740)에 결합될 수 있다. 상기 광도파로 지지부(740)와 상기 패키지(710)는 웰딩용 금속지지물(720)에 의하여 능동 정렬(active alignment) 방식에 의해 광결합될 수 있다.
상기 광도파로(400)의 하부에 제 1 열전 냉각기(405)가 배치될 수 있다. 상기 제 1 열전 냉각기(405)는 상기 광도파로(400)의 온도를 특정 온도로 조절할 수 있다. 상기 이득 매질(500)은 제 1 열전 냉각기(405) 또는 별도의 제 2 열전 냉각기(570) 상부에 배치될 수 있다. 상기 제 1 열전 냉각기(405) 또는 별도의 제 2 열전 냉각기(570)는 상기 이득 매질(500)의 온도를 특정 온도로 조절할 수 있다. 상기 제 1 열전 냉각기(405) 또는 별도의 제 2 열전 냉각기(570)와 상기 이득 매질(500) 사이에 구조 지지부(590)가 배치될 수 있다. 상기 구조 지지부(590)는 소자 정렬을 위한 패턴이 새겨진 실리콘 또는 화합물 반도체 기판이나 가공성이 우수한 SUS(Super Used Stainless Steel)를 포함할 수 있다. 상기 구조 지지부(590) 상에 상기 이득 매질(500)의 온도 측정을 위한 써미스터(thermistor, 585)가 배치될 수 있다. 상기 구조 지지부(590) 상에 상기 이득 매질(500)의 광신호를 모니터링하는 광검출기(575)가 배치될 수 있다. 상기 광검출기(575)는 포토 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 웰딩용 금속지지물(720)은 상기 광도파로(400)의 열방출 경로를 형성할 수 있는데, 패키지를 조립한 상태에서 솔더(solder) 또는 실버 성분의 에폭시 등을 접합부에 도포하여 열방출 경로를 형성할 수 있다.
상기 광도파로(400)는 별도의 광도파로 지지부(740)에 결합될 수 있다. 상기 광도파로 지지부(740)와 상기 패키지(710)는 웰딩용 금속지지물(720)에 의하여 능동 정렬(active alignment) 방식에 의해 광결합될 수 있다. 상기 웰딩용 금속지지물(720)은 상기 광도파로(400)의 열을 방출하는데 사용될 수 있다. 또는, 패키지를 조립한 상태에서 솔더(solder) 또는 실버 성분의 에폭시 등을 사용하여 열방출 경로를 형성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈의 광도파로(400)를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 상기 광도파로(400)는 평판형 광파 회로(PLC: Planar Lightwave Circuit)일 수 있다. 상기 광도파로(400)는 실리콘 또는 화합물 반도체 기판(403) 상에 코어(401) 및 클래딩층(402)으로 이루어진 광도파로를 포함한다. 상기 클래딩층(402)은 상기 코어(401)의 적어도 일부를 피복할 수 있다. 상기 코어(401) 및 클래딩층(402)은 폴리머 및 실리카 물질을 포함할 수 있다. 폴리머 및 실리카의 열광학 계수(thermo-optic coefficient)는 -9.9X10-4/K 내지 -0.5X10-4/K 일 수 있다. 상기 코어(401)의 굴절률은 상기 클래딩층(402)보다 굴절률이 높아야 한다. 상기 코어(401) 또는 클래딩층(402)은 브래그 격자(410)를 포함할 수 있다. 상기 브래그 격자(410)는 건식 또는 습식 식각 방법으로 형성될 수 있으며, 특정 파장을 반사시킬 수 있다. 상기 코어(401)가 폴리머 물질인 경우, 실리카에 비하여 열광학 계수가 높을 수 있으며, 외부에서의 온도 조절에 의하여 열광학 계수에 비례하여 굴절률이 변할 수 있다. 상기 코어(401)의 굴절률 변화는 반사되는 파장의 변화를 초래할 수 있다.
예를 들어, 상기 코어(401)의 열광학 계수(thermo-optic coefficient)가 -3X10-4/K이고 굴절률이 1.4인 경우, 약 105 K의 온도 변화를 통해 1530 ~ 1565nm 범위에서 파장을 변화시킬 수 있다. 상기 코어(401)의 온도를 조절하기 위하여, 금속 재질의 박막 히터(404)가 증착되고, 상기 박막 히터(404)에 전류를 인가하여 온도를 조절할 수 있다. 구체적으로, 상기 박막 히터(404)에 전류를 주입하면 상기 코어(401)의 온도가 상승하고, 열광학 효과에 의하여 코어(401)의 굴절률이 감소하게 되며, 브래그 격자(410)의 유효 주기가 짧게 변화하여 외부 공진 레이저의 출력 광파장을 단파장 쪽으로 가변시킬 수 있다. 상기 브래그 격자(410)의 반사 대역의 중심 파장이 상기 박막 히터(404)에 의하여 30nm 이상 조절될 수 있다. 이에 의하여, 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈이 발진하는 레이저 빔의 중심파장이 30nm 이상 조절될 수 있다. 한편, 특정 파장의 안정화를 위해 위상 조절부(406)가 상기 박막 히터(404)와 함께 증착되어 역시 전류 주입에 의한 온도 변화와 이에 따른 굴절률 변화에 의해 미세한 위상의 변화를 조절하게 될 수 있다. 상기 브래그 격자(410)는 상기 코어(401)에 주기적으로 배열되어 직렬적으로 연결될 수 있다. 상기 브래그 격자(410)는 1, 3, 5 또는 7차의 차수를 가질 수 있다.
도 6a 내지 6d는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈의 이득 매질(500)을 구체적으로 설명하기 위한 도면들이다. 도 6b, 6c 및 6d는 각각 도 6a의 B-B′라인을 따라 취해진 단면도들이며, 다른 형태의 능동 도파로 영역을 나타내고 있다.
상기 이득 매질(500)은 일반 광증폭기나 반사형 광증폭기(RSOA) 또는 레이저 다이오드 등일 수 있다. 이하에서는, 상기 이득 매질(500)이 반사형 광증폭기(RSOA)인 경우에 대하여 설명한다.
도 6a을 참조하면, 상기 이득 매질(500)은 능동 도파로 영역(511) 이외에 수동 도파로 영역(512)을 포함할 수 있다. 상기 능동 도파로(521)은 전류 주입에 의하여 이득을 얻을 수 있으며, 상기 수동 도파로(522)는 이득없이 도파관의 역할을 수행할 수 있다. 생성된 광은 A-A′라인을 거쳐 광도파로(400)에 의해 형성되는 거울면에 전달된다. 먼저, 상기 광도파로(400)에서 되먹임(feedback)된 광은 저반사 코팅된 저반사막(514)을 통하여 다시 입력되고, 수동 도파로(522)을 거쳐 능동 도파로(521)에서 이득을 얻은 후 고반사 고팅된 고반사막(513)에서 반사된다. 이러한 과정을 내부에서 반복하여 레이징된 광은 반사막에서 일부가 외부로 출력되어 신호로 사용되게 된다.
상기 이득 매질(500)의 내부 저반사막을 통해 직접 이득 매질로 입력되는 내부 반사는 외부 공진기 구조의 레이저 특성에 악영향을 주므로 반사율을 더욱 낮추기 위해 능동 영역의 출사면과 5~30도 정도의 일정한 각도 θ로 기울어진 수동 도파로(522)를 포함할 수 있다. 이 경우 스넬 법칙에 의해 저반사막을 통해 직접 반사되는 광은 대부분 도파로 외부로 빠져 나가게 된다. 수동 도파로(522)는 광섬유의 광모드와 형태를 비슷하게 만들어 광결합 효율을 증가시키는 모드 크기 변환기(Spot Size Converter: SSC)가 포함될 수 있다. 모드 크기 변환기의 구현은 수동 도파로(522) 끝단의 폭을 테이퍼링 시키거나 증가시켜 모드 크기를 변화시킨다. 이득 매질(500)과 광도파로(400)의 직접 결합의 경우 두 도파로 요소간의 모드 크기나 형태의 차이로 렌즈를 사용한 경우에 비해 높은 광결합 효율을 얻기 힘든데, 모드 크기 변환기를 집적함으로써 좀 더 높은 광결합 효율을 얻을 수 있다.
외부 공진기 구조의 레이저가 10 Gbps 이상의 고주파에서 동작하기 위해서는 이득매질(500)의 자체 동작 주파수가 이보다 큰 값을 가져야 한다. 예를 들면, 이득매질(500)을 이용해 파브리 페롯 레이저(Fabry-Perot Laser Diode: FPLD)를 만들었을 때, 이 소자의 동작 주파수가 사용 전류 범위에서 10 Gbps급의 동작 특성을 보일 때, 이를 이용해 외부 공진 구조의 레이저를 만들었을 경우 10Gbps급의 주파수 특성을 보일 가능성이 생기게 된다. 이러한 고주파 동작이 가능한 레이저 구조로는 샐로우 리지(shallow ridge) 구조 및 디프 리지(deep ridge) 구조의 레이저, 베리드 리지(buried ridge) 구조의 레이저, Fe 도핑된 레이저, 트렌치를 파낸 레이저 등이 있다.
트렌치(528)를 파낸 레이저인 도 6b를 참조하면, 능동 도파로 영역(511)은 전류가 주입되는 p형 전극(523) 및 n형 전극(557), 능동 도파로(521), 능동 도파로(521)를 피복하는 상부 클래딩층(553) 및 하부 클래딩층(551), 상부 클래딩층(553)과 p형 전극(523) 사이의 저항을 감소시켜주는 오믹층(554)를 포함할 수 있다. 능동 도파로(521)의 양 측면에는 p-InP/n-InP/p-InP (561/562/553) 전류 차단층을 갖는 매립된 헤테로 구조(buried heterostructure)가 배치될 수 있다. 매립된 헤테로 구조는 큰 기생 커패시턴스 성분에 의해 높은 주파수 영역에서의 동작이 제한된다. 따라서, 도 6b와 같이 트렌치(528)를 능동도파로 가까이까지 형성하고 상기 트렌치(528)를 덮는 유전체 박막(529)을 형성하여 기생 커패시턴스를 줄여 주게 된다.
능동 도파로(521)는 이득 매질층(521b)을 포함한다. 능동 도파로(521)는 벌크, 양자우물, 양자선, 양자점 등의 이득물질과 빛을 효과적으로 구속하는 상부 및 하부 SCH(Separate Confinement Heterostructure)층(521c,521a)을 더 포함할 수 있다. 상부 클래딩층(553)은 p-InP으로 형성될 수 있고, 하부 클래딩층(551)은 n-InP으로 형성될 수 있으며, 상부 오믹층(554)은 p+-InGaAs으로 형성될 수 있다. 하부 오믹층(미도시)은 n+InGaAs로 형성될 수 있다. 여기서, 여기서 p+, n+ 등은 보통 1X1018/㎤이상의 도핑을 해 준 경우를 의미한다.
도 6c를 참조하면, 도 6b와 비교할 때 전류 차단층을 제외한 부분은 거의 동일하며 리지(ridge)를 능동 도파로의 어느 부분까지 형성시켜주었는지가 다를 뿐이다. 도 6c에 도시된 구조는 샐로우 리지(shallow ridge) 구조로 구분될 수 있다. 도 6b에서 설명한 중복되는 기술 내용은 설명의 간략함을 위하여 생략하기로 한다. n형 전극(857), n형 전극(857) 상의 하부 클래딩층(851), 하부클래딩층(851) 상의 능동 도파로(821), 능동 도파로(821) 상의 상부 클래딩층(853), 상부 클래딩층(853) 상의 오믹층(854), 상기 오믹층(854) 상의 p형 전극(823)이 배치된다. 상기 능동 도파로(821)는 이득 매질층(821b)와 상부 및 하부 SCH층(821c, 821a)으로 형성될 수 있다. 상기 상부 클래딩층(853)과 p형 전극(823) 사이에 상부 오믹층(854)이 형성되며, 상기 상부 클래딩층(853)과 p형 전극(823) 사이에 배치되는 유전체층(829)과 폴리이미드층(827)이 배치된다.
도 6d를 참조하면, 도 6b와 비교할 때 전류 차단층을 제외한 부분은 거의 동일하며 리지(ridge)를 능동 도파로의 어느 부분까지 형성시켜주었는지가 다를 뿐이다. 도 6d에 도시된 구조는 디프 리지(deep ridge) 구조로 구분될 수 있다. 도 6b에서 설명한 중복되는 기술 내용은 설명의 간략함을 위하여 생략하기로 한다.
n형 전극(957), n형 전극(957) 상의 하부 클래딩층(951), 하부 클래딩층(951) 상의 능동 도파로(921), 능동 도파로(921) 상의 상부 클래딩층(953), 상부 클래딩층(953) 상의 p형 전극(923)이 형성된다. 상기 능동 도파로(921)는 이득 매질층(921b)와 상부 및 하부 SCH층(921c, 921a)으로 형성될 수 있다. 상기 상부 클래딩층(953)의 양측면과 능동 도파로(921)의 상부면을 따라 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막(929)이 형성될 수 있다. 상기 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막(929)을 덮으면서 p형 전극(923)과 능동 도파로(921) 사이에 폴리이미드층(927)이 형성될 수 있다.
도 7a 내지 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 별도의 광도파로 지지부를 사용하는 경우의 광도파로(400)와 광도파로 지지부(740)를 설명하기 위한 도면들이다. 도 7a는 광도파로(400)와 광도파로 지지부(740)가 결합된 부분의 상부면도이며, 도 7b는 도 7a의 좌측면도이고, 도 7c는 우측면도이다.
도 7a 내지 7c를 참조하면, 광도파로(400)는 수평 방향에서 기울어진 상태에서 상기 광도파로 지지부(740)에 고정될 수 있다. 이는 상기 광도파로(400)의 입사면에서 광이 이득매질(500)로 직접 반사되는 것을 최소화하기 위해 일정 각도로 끝단을 식각해 주었기 때문으로, 스넬 법칙에 의해 입출력 광이 수평방향을 기준으로 일정 각도 꺾이게 되어 이를 보정하기 위한 것이다. 이는 이득 매질(500)의 수동 도파로를 꺾어 주는 것과 비슷한 원리이다. 즉, 광도파로(400) 입사면으로부터의 원하지 않는 반사를 막아 외부 공진기 구조의 레이저 특성의 저하를 막기 위함이다. 또한, 상기 광도파로(400)는 입사면에 배치된 저반사막(420)을 더 포함할 수 있다. 상기 저반사막(420)만으로 상기 광도파로(400)의 표면은 1% 이하의 반사율을 가질 수 있다. 상기 광도파로(400)의 하부에 위에서 설명된 제 1 열전 냉각기(405)가 배치될 수 있다. 상기 광도파로(400)에 인접하여 광도파로(400)의 온도를 모니터링하는 온도 센서(미도시)가 더 배치될 수 있다. 상기 광도파로 지지부(740)는 상기 광도파로(400)의 입출력 광을 뽑아 낼 수 있는 광섬유(미도시)가 결합될 수 있는 홀(745)을 포함할 수 있다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 이득 매질(500)로부터 광도파로(400)에 전달되는 광의 결합방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광의 결합효율을 설명하기 위한 전산모사 그래프이다.
도 8a를 참조하면, 이득 매질(500)은 능동 도파로(521)와 수동 도파로(522)를 포함한다. 앞서 언급한 바와 같이, 이득 매질(500)의 광 출력면에서 능동 도파로로 직접 반사되어 들어오는 광의 크기를 줄이기 위해 수동 도파로(522)는 능동 도파로(521)로부터 일정 각도 기울어져 있게 된다. 이에 의해 출력되는 광은 출력면에 수직이 되지 않고 스넬의 법칙을 만족하는 조건에서 일정 각도로 기울어져 출력된다. 광이 광도파로(400)에 수직으로 입사되도록, 이득 매질(500)이 각도 θ1 만큼 기울어지도록 보정하여 배치된다.
한편, 광도파로(400)는 앞서 설명한 바와 같이 광도파로 지지부(740)에 일정 각도 θ2 만큼 기울어지도록 고정된다. 다시 말하면, 상기 광도파로(400)의 도파로는 상기 광의 입사각과 θ2 만큼 경사질 수 있다. 이는, 광도파로(400)의 입사면에서 광이 반사되는 것을 최소화하기 위해 광도파로(400)의 입사면을 일정 각도로 자르거나 입사면에 홈(430)을 형성하였기 때문으로, 도파로(440) 표면이 도파로의 법선 방향에 대하여 각도 θ3를 가져 직접 반사된 광이 이득 매질(500)로 직접 들어갈 수 없게 된다. 상기 홈(430) 부근에 상기 이득 매질(500)이 조립될 수 있다.
도 8b를 참조하면, 도 8a에서 설명한 각도 θ2가 스넬 법칙을 만족하는 각도를 갖는 경우와 각도 θ2가 0인 경우의 결합효율(coupling efficiency)을 나타낸다. 횡축에서 L은 이득매질과 광도파로의 거리를 나타낸다. 각도 θ2가 스넬의 법칙을 만족하는 각인 경우가 광의 결합효율이 더 높은 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 각도 θ2가 0인 경우에 비하여 약 10% 정도 높은 결합효율을 보여준다. 만약 광도파로(400) 상의 도파로 형태를 이득 매질 상의 도파로 형태와 비슷한 형태를 가지면서 스넬의 법칙에 따른 광 경로를 따르도록 각도를 주어 형성해준다면 이득 매질과 광도파로는 수평하게 대향하도록 배치할 수 있고, 구조상의 기울기에 의한 접근 거리의 제약을 없앨 수 있기 때문에 둘 사이의 거리를 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈은 제 1 열전 냉각기(405)에 의하여 외부 환경의 온도 변화와 무관하게 특정 온도를 유지하면서 박막 히터(404)에 의하여 파장이 튜닝될 수 있다. 동시에 고주파 전송매질(600)에 의하여 고주파 동작이 가능할 수 있다.
도 9a 내지 10b를 참조하면, 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈(2000)은 광를 생성시키고 증폭시키는 이득 매질(2500), 상기 이득 매질(2500)과 광결합하여 거울면을 형성하는 광도파로(2400) 및 상기 이득 매질(2500)에 고주파 신호를 전달하는 고주파 전송매질(2600)을 포함한다. 상기 고주파 전송매질(2600)은 생성된 광의 동작속도를 제어할 수 있다. 구체적으로, 상기 이득 매질(2500)에 바이어스(bias) 전류가 가해지면 광의 생성 및 증폭이 일어나게 되고, 이 바이어스 전류가 임계값 이상이 되면 상기 이득 매질(2500)과 광도파로(2400)에 의해 형성된 거울면 내에서 발진(lasing)이 일어나게 된다. 상기 바이어스 전류에 고주파 전송매질(2600)에 의하여 전달되는 고주파 신호가 더해져 레이저 내에서 생성되는 광 파워의 크기가 조절되게 된다. 상기 고주파 신호의 주파수에 의하여 상기 광의 동작 속가 결정될 수 있다. 여기서, 광신호의 동작속도는 디지털 신호 또는 아날로그 신호의 반복되는 정도(bit per second)로 이해될 수 있다.
상기 고주파 전송매질(2600)은 상기 광신호의 광 파워를 조절할 수 있다. 또한, 상기 고주파 신호는 상기 광 파워에 의하여 정의되는 디지털 신호로 변조될 수 있다. 구체적으로, 상기 고주파 전송매질(2600)에 의하여 전달되는 고주파 신호의 전류값을 조절하여, 임계 전류 이상에서 상대적으로 높은 광 파워는 1, 상대적으로낮은 광 파워는 0으로 정의되는 디지털 신호로 변조될 수 있다. 이러한 디지털 신호가 10Gbps(Giga bit per second) 이상의 값을 가질 수 있다.
상기 고주파 전송매질(2600)은 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board) 또는 서브마운트(submount)일 수 있다. 상기 인쇄 회로 기판 또는 서브마운트는 도전성의 금속박막선(2610), 유전체(2620) 및 매칭 저항부(2630)를 포함할 수 있다. 상기 고주파 전송매질(2600)이 인쇄회로기판인 경우, 상기 유전체(2620)는 에폭시 수지 또는 페놀 수지를 포함할 수 있다. 상기 고주파 전송매질(2600)이 서브마운트인 경우, 상기 유전체(2620)는 세라믹 유전체를 포함할 수 있다. 매칭 저항부(2630)는 상기 이득매질(2500)의 저항값과 더해져 고주파 전송매질(2600)를 통한 신호 전달이 양호해지도록 조절하는 기능을 할 수 있다. 상기 매칭 저항부(2630)에 의하여 상기 이득매질(2500)을 포함한 전체 저항은 전송 신호원의 내부 저항과 같은 25, 50, 75Ω 등으로 조절될 수 있다. 상기 고주파 전송매질(2600) 상의 상기 금속박막선(2610)은 마이크로스트립 라인(microstrip line) 또는 CPW(Coplanar Waveguide) 등을 포함할 수 있으며, 상기 유전체와 결합해 전송선로를 형성하게 된다.
상기 이득 매질(2500), 상기 광도파로(2400) 및 상기 고주파 전송매질(2600)은 패키지(2710)에 모두 실장될 수 있다. 상기 패키지(2710)는 버터플라이(butterfly), 미니 딜(mini DIL), 미니 플랫(mini flat), 토사(Transmitter Optical Sub-assembly: TOSA), TO(Transistor Outline) can 형태 등의 패키지일 수 있다. 상기 패키지(2710)는 외부의 전기적 신호를 전달하는 리드 프레임(2705)을 포함할 수 있다. 상기 고주파 전송매질(2600)은 고주파 커넥터(2730)를 통해 전달되는 고주파 신호를 상기 이득 매질(2500)에 전송할 수 있다.
상기 광도파로(2400)는 상기 패키지(2710)에 별도의 광도파로 지지구조물(2740)을 통해 결합될 수 있다. 이 경우 상기 이득 매질(2500) 또는 광도파로 (2400) 중에 하나를 상기 패키지(2710)에 미리 고정시키고, 다른 하나를 상기 패키지(2710)에 웰딩용 금속지지물(2720)을 사용하여 능동 정렬(active alignment)하여 웰딩 고정시키는 방식에 의해 광결합될 수 있다
상기 광도파로(2400)의 하부에 제 1 열전 냉각기(2405)가 배치될 수 있다. 상기 제 1 열전 냉각기(2405)는 상기 광도파로(2400)의 온도를 특정 온도로 조절할 수 있다. 상기 이득 매질(2500)은 별도의 제 2 열전 냉각기(2570) 상부에 배치될 수 있다. 상기 제 2 열전 냉각기(2570)는 상기 이득 매질(2500)의 온도를 특정 온도로 조절할 수 있다. 상기 제 2 열전 냉각기(2570)와 상기 이득 매질(2500) 사이에 구조 지지부(2590)가 배치될 수 있다. 상기 구조 지지부(2590)는 소자 정렬을 위한 패턴이 새겨진 실리콘 또는 화합물 반도체 기판이나 가공성이 우수한 SUS(Super Used Stainless Steel)를 포함할 수 있다. 상기 구조 지지부(2590) 상에 상기 이득 매질(2500)의 온도 측정을 위한 써미스터(thermistor, 2585)가 배치될 수 있다. 상기 구조 지지부(2590) 상에 상기 이득 매질(2500)의 광신호를 모니터링하는 광검출기(2575)가 배치될 수 있다. 상기 광검출기(2575)는 포토 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 웰딩용 금속지지물(2720)은 상기 광도파로(2400)의 열방출 경로를 형성할 수 있는데, 패키지를 조립한 상태에서 솔더(solder) 또는 실버 성분의 에폭시 등을 접합부에 도포하여 열방출 경로를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예와 다르게, 상기 이득 매질(2500)과 상기 광도파로(2400) 사이에 렌즈(2800)가 개재될 수 있다. 상기 렌즈(2800)는 상기 이득 매질(2500)과 상기 광도파로(2400)를 광결합시킬 수 있다. 즉, 상기 렌즈(2800)의 작용에 의해 이득 매질 모드의 크기와 형태가 조절되어 광결합 효율을 향상시킬 수 있다. 상기 렌즈(2800)의 양면에 저반사막(미도시)이 배치되어 광결합 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 상기 렌즈(2800)는 상기 패키지(2710) 내부에 상기 이득 매질(2500)과 광도파로(2400)와 함께 실장될 수 있다.
도 10c를 참조하면, 도 8a에서 설명한 각도 θ2가 0인 경우와 각도 θ2가 스넬 법칙을 만족하는 각도를 갖는 경우에 렌즈 개입에 의한 결합효율(coupling efficiency)을 예시한 것이다. 횡축에서 L은 이득매질과 광도파로의 거리를 나타낸다. 각도 θ2가 스넬의 법칙을 만족하는 각인 경우가 광의 결합효율이 더 높은 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 각도 θ2가 0인 경우에 비하여 약 2/3 수준의 결합효율을 보여준다. 최대 광결합 효율을 비교해 볼 때 이론적으로 거의 100%에 가까운 결합 효율을 보여 직접 결합 방식에 비해 1.5배 정도의 결합 효율 향상을 보여 출력 광파워 등 정적인 레이저 특성면에서 유리할 수 있다. 하지만 렌즈 개입에 의해 전체 공진기 길이가 증가하게 되어 사용하려는 주파수 범위내에 공진 피크가 생기기 쉽고, 이로인해 대역폭 감소가 생길 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 광도파로의 온도에 따른 파장 튜닝 특성을 나타내는 그래프이다.
도 11에서 횡축은 파장(λ)이며, 종축은 광파워 P(dBm)을 의미한다. 광도파로(400)의 온도에 따라 파장이 가변되는 것을 보여준다. Side Mode Suppression Ratio(SMSR)이 30dBm 이상으로 싱글 모드 특성이 잘 나타나고 있음을 알 수 있다. 구체적으로, 광도파로(400)의 온도는 제 1 열전 냉각기(405)를 이용하여 특정 온도로 고정시킨 후, 박막 히터(404)를 발열시켜 광도파로의 도파로 부분 온도를 조절하여 파장을 튜닝할 수 있다.
도 12a 및 12b는 본 발명의 실시예에 따른 고주파 신호의 전달 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12a에서 종축은 반사계수 S11을 나타내며, 횡축은 주파수(GHz)를 나타낸다. 반사계수 -10dB을 기준으로 10GHz까지 고주파 신호가 레이저에 잘 전달되고 있음을 알 수 있으며, 매칭 저항 등의 조정을 통해 그 이상의 주파수 특성을 얻는 것도 가능하다.
도 12b에서 종축은 레이저의 동작 대역폭 S21을 나타내며, 횡축은 주파수(GHz)를 나타낸다. -3dB 대역폭이 10 GHz로 10 Gbps급 이상의 고속 동작이 가능함을 알 수 있다.
400: 광 도파로 500: 이득 매질
600: 고주파 전송매질 610: 금속박막선
710: 패키지

Claims (19)

  1. 광을 생성하기 위한 바이어스 전류가 제공되는 이득 매질;
    상기 이득 매질로부터 분리되어 상기 광을 외부 공진하는 브래그 격자 및 상기 브래그 격자의 온도를 제어하여 상기 외부 공진되는 상기 광의 파장을 가변하는 박막 히터를 포함하는 광도파로;
    상기 이득 매질에 고주파 신호를 전달하는 고주파 전송매질; 및
    상기 이득 매질과 상기 광도파로를 실장하는 패키지를 포함하되,
    상기 이득 매질과 상기 광도파로는 서로 직접 광 결합되되,
    상기 고주파 전송매질은 상기 광을 상기 고주파 신호와 동일한 주파수로 제어하도록 상기 고주파 신호를 상기 바이어스 전류에 더하여 전송하되,
    상기 이득 매질은 상기 고주파 신호에 더해진 상기 바이어스 전류에 대응되는 상기 광을 생성하되,
    상기 고주파 신호의 전류 값은 상기 광의 광 파워를 디지털 신호로 변조하도록 제어되되,
    상기 고주파 신호의 주파수는 단위초당 10기가비트 이상의 상기 디지털 신호로 설정되되,
    상기 고주파 전송 매질은 전송 선로와, 상기 전송 선로 및 상기 이득 매질 사이에 배치된 매칭 저항 부를 포함하되,
    상기 전송 선로와 상기 매칭 저항부는 상기 패키지 내에 배치되는 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 고주파 전송매질은 세라믹 유전체와 상기 세라믹 유전체 상의 금속 박막선으로 형성된 상기 전송 선로와, 상기 전송 선로를 구비한 서브마운트(submount)를 포함하는 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 고주파 전송매질은 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board: PCB)을 포함하는 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 이득 매질은 반도체 광 증폭기 또는 레이저 다이오드를 포함하는 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈.
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 이득 매질과 상기 광도파로 사이에 개재되는 렌즈를 더 포함하되,
    상기 렌즈는 상기 광을 상기 이득 매질과 상기 광도파로 사이에 전달하는 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 광도파로는:
    기판 상의 클래딩층; 및
    상기 클래딩층에 의하여 적어도 일부가 피복되는 코어층을 더 포함하며,
    상기 브래그 격자는 상기 코어층 또는 클래딩층에 배치되며, 상기 박막 히터는 상기 클래딩층 상에 배치되는 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 광도파로는 상기 클래딩층 상에 배치되는 위상 조절부를 더 포함하는 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 광도파로는 입사면에 배치된 저반사막을 더 포함하는 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 광도파로의 입사면은 상기 광의 진행방향의 수직면에 대하여 경사진 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 코어층 및 클래딩층은 폴리머(polymer)를 포함하는 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈.
  15. 청구항 10에 있어서,
    상기 코어층 및 클래딩층은 실리카(silica)를 포함하는 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈.
  16. 청구항 10에 있어서,
    상기 광도파로의 하부에 배치되는 제 1 열전 냉각기를 더 포함하는 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 이득 매질의 온도를 조절하는 제 2 열전 냉각기; 및
    상기 이득 매질의 온도를 측정하는 써미스터를 더 포함하는 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 광을 모니터링하는 광검출기를 더 포함하는 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈.
  19. 청구항 1에 있어서,
    상기 이득 매질, 상기 광도파로 및 상기 고주파 전송매질이 실장되는 패키지를 더 포함하는 파장 가변 외부 공진 레이저 모듈.
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