KR19990043107A - Integrated semiconductor optical amplification system with high saturation output - Google Patents
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Abstract
반도체 광증폭기(SOA; Semiconductor Optical Amplifier)에 있어서 입력 광신호의 세기가 일정 수준 이하에서는 이득률이 일정하나 그 이상일 때는 이득률이 감소하는 현상이 발생하게 된다. 이를 이득 포화 현상이라 일컫는다. 본 발명은 이러한 이득 포화 현상을 개선하기 위한 광증폭 시스템에 관한 것이다.In a semiconductor optical amplifier (SOA), a gain ratio is constant when the intensity of an input optical signal is lower than or equal to a predetermined level, but a decrease occurs when the gain ratio is higher. This is called gain saturation phenomenon. The present invention relates to an optical amplification system for improving this gain saturation phenomenon.
본 발명으로부터 제공되는 반도체 광증폭 시스템은 입력단 도파로를 통해 입력된 광신호를 N(자연수)개의 광신호로 분리하는 광분리부; 상기 광분리부로부터 입력된 N개의 광신호를 각각 증폭하는 반도체 광증폭부; 및 상기 광증폭부의 출력을 입력받아 하나의 광신호로서 출력단 도파로로 출력하는 광결합부를 포함하여 이루어진다.The semiconductor optical amplification system provided by the present invention comprises: an optical separation unit for separating an optical signal input through an input waveguide into N (natural numbers) optical signals; A semiconductor optical amplifier for amplifying each of N optical signals input from the optical separator; And an optical coupling unit configured to receive the output of the optical amplifier and output the output signal as a single optical signal to an output waveguide.
Description
본 발명은 반도체 분야에 관한 것으로, 특히 광통신 시스템에 사용되는 반도체 광증폭 시스템에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to the field of semiconductors and, more particularly, to semiconductor optical amplification systems used in optical communication systems.
입력 광신호에 대하여 증폭이 일어나는 모든 매질에 있어서 증폭이 무한정으로 일어나는 것이 아니고 증폭된 신호가 일정 수준 이상의 출력 밀도를 갖게 되면 더 이상 증폭이 되지 않는 현상을 이득 포화 현상이라 한다.Amplification does not occur indefinitely in all the media where the amplification of the input optical signal occurs, and when the amplified signal has an output density higher than a certain level, it is no longer amplified.
반도체 도파로형 광증폭기에 있어서도 입력 광신호가 도파로 방향으로 진행하면서 증폭된 신호의 세기가 일정 수준 이상이 되면 이득률이 감소하여 더 이상 출력이 증가하지 않게 된다. 이 때의 광출력을 포화 출력으로 정의한다. 입력 신호의 세기가 작으면 출력 포화가 발생하지 않으나, 세기가 커지면 출력 포화 현상이 발생하게 되는 것이다. 모든 증폭 물질은 이러한 이득 포화 현상을 내포하고 있으므로 포화 특성 개선을 위해서는 소자의 구조를 최적화 하는 노력이 요구된다.Even in a semiconductor waveguide type optical amplifier, when the input optical signal travels in the waveguide direction and the intensity of the amplified signal exceeds a certain level, the gain decreases and the output does not increase any more. The light output at this time is defined as the saturation output. If the intensity of the input signal is small, output saturation does not occur, but if the intensity is large, output saturation occurs. Since all amplification materials contain this gain saturation, efforts to optimize the structure of the device are required to improve the saturation characteristics.
이러한 포화 현상을 개선하기 위한 노력의 일환으로 제시된 종래의 광증폭기 구조를 도 1에 개략적으로 도시하였다.A conventional optical amplifier structure presented as part of an effort to improve such a saturation phenomenon is schematically illustrated in FIG. 1.
도시된 바와 같이 종래 기술에 따른 높은 포화 출력을 가진 광증폭기는 그 도파로의 폭이 점점 커지게 함으로써 단일 모드를 유지하게 하면서 활성층(3)을 넓게 형성하여 총 포화 출력을 증가시키는 구조이다. 이러한 구조에서는 단위 부피당 포화 출력은 변함이 없지만 총 포화량이 커지게 된다. 이러한 구조의 광증폭기는 포화 특성을 개선할 수 있으나, 모드 크기의 변환이 이루어져 있어 다른 단일 모드 도파로와의 단일칩 집적화가 불가능하고 렌즈를 이용한 광섬유와의 모듈화 만이 가능한 문제점이 있었다.As shown, the optical amplifier having a high saturation output according to the prior art has a structure that increases the total saturation output by forming a wide active layer 3 while maintaining the single mode by increasing the width of the waveguide. In this structure, the saturation output per unit volume remains unchanged, but the total saturation amount becomes large. The optical amplifier of such a structure can improve the saturation characteristics, but the conversion of the mode size makes it impossible to integrate a single chip with other single mode waveguides and there is a problem that only the optical fiber using a lens can be modularized.
미설명 도면 부호 '1'은 활성 영역, '2'는 클래드 영역, '4'는 상부 클래드층, '5'는 기판 클래드층을 각각 나타낸 것이다.Reference numeral '1' represents an active region, '2' represents a clad region, '4' represents an upper clad layer, and '5' represents a substrate clad layer.
본 발명은 단일칩으로의 집적화가 가능하며 광포화 출력 특성을 개선하는 반도체 광증폭 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor optical amplification system capable of integration into a single chip and improving optical saturation output characteristics.
즉, 본 발명은 포화 특성을 개선시키면서도 입/출력단의 도파로가 단일 모드로 형성되어 있어 다른 기능의 광도파로와도 단일 집적화가 가능한 광증폭 시스템을 구현하고자 한다.That is, the present invention is to implement an optical amplification system that can be integrated with the optical waveguide of the other function because the waveguide of the input / output stage is formed in a single mode while improving the saturation characteristics.
도 1은 종래의 반도체 광증폭기 개략적 구성도.1 is a schematic configuration diagram of a conventional semiconductor optical amplifier.
도 2는 본 발명에 따른 높은 포화 출력을 갖는 반도체 광증폭 시스템의 개념적 구성도.2 is a conceptual diagram of a semiconductor optical amplification system having a high saturation output according to the present invention.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 집적형 광증폭 시스템의 개념적 구성도.3 is a conceptual diagram of an integrated optical amplification system according to a first embodiment of the present invention;
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광증폭 집적형 시스템의 개념적 구성도.4 is a schematic structural diagram of an optical amplification integrated system according to a second embodiment of the present invention;
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 집적형 광증폭 시스템의 개념적 구성도.5 is a conceptual diagram of an integrated optical amplification system according to a third embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
1 : 활성 영역 2 : 클래드 영역1: active area 2: cladding area
3 : 활성층 4 : 상부 클래드층3: active layer 4: upper clad layer
5 : 기판 클래드층 6 : 입력단 도파로5 substrate cladding layer 6 input waveguide
7 : 1 x N MMI(Multimode Interference) 광분리기7: 1 x N MMI (Multimode Interference) Optical Separator
8 : 반도체 증폭기 9 : N x 1 MMI 광결합기8: semiconductor amplifier 9: N x 1 MMI optocoupler
10 : 출력단 도파로10: output waveguide
본 발명으로부터 제공되는 반도체 광증폭 시스템은 입력단 도파로를 통해 입력된 광신호를 N(자연수)개의 광신호로 분리하는 광분리부; 상기 광분리부로부터 입력된 N개의 광신호를 각각 증폭하는 반도체 광증폭부; 및 상기 광증폭부의 출력을 입력받아 하나의 광신호로서 출력단 도파로로 출력하는 광결합부를 포함하여 이루어진다.The semiconductor optical amplification system provided by the present invention comprises: an optical separation unit for separating an optical signal input through an input waveguide into N (natural numbers) optical signals; A semiconductor optical amplifier for amplifying each of N optical signals input from the optical separator; And an optical coupling unit configured to receive the output of the optical amplifier and output the output signal as a single optical signal to an output waveguide.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상술한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
첨부된 도면 도 2는 본 발명에 따른 높은 포화 출력을 갖는 반도체 광증폭 시스템의 개념적 구성을 도시한 것이다.Figure 2 shows a conceptual configuration of a semiconductor optical amplification system having a high saturation output according to the present invention.
도시된 바와 같이 본 발명의 광증폭 시스템은 도파로 상에 제공되는 N개의 반도체 광증폭기(8), 1 x N 다모드 간섭(MMI; Multimode Interference) 광분리기(7), N x 1 MMI 광결합기(9)로 이루어진다.As shown, the optical amplification system of the present invention includes N semiconductor optical amplifiers 8, 1 x N multimode interference (MMI) optical splitters 7, and N x 1 MMI optical couplers provided on the waveguide. 9)
우선, 입력단 도파로(6)로 입력되는 광신호를 1 x N MMI 광분리기(7)를 통과시켜 N개의 광신호로 분리하고, 각각의 광신호를 N개의 반도체 광증폭기(8)에 입사 시켜 각각 증폭시킨다.First, the optical signal input to the input waveguide 6 is separated into N optical signals through a 1 x N MMI optical splitter 7, and each optical signal is incident on the N semiconductor optical amplifiers 8, respectively. Amplify.
다음으로, 증폭된 각각의 광신호를 N x 1 MMI 광결합기(9)를 통과시켜 결합시키고, 하나의 출력단 도파로(10)로 전달한다.Next, each of the amplified optical signals are combined by passing through the N x 1 MMI optical coupler (9), and transmitted to one output stage waveguide (10).
상기한 바와 같이 본 발명에서는 입력 신호를 N개로 나누어 N개의 광증폭기(8)에 각각 입력시킴으로써 입력 신호의 세기가 커지더라도 출력이 포화되지 않도록 함으로써 전체 증폭기의 포화 출력을 N배만큼 증가시키는 결과를 얻게 되는 것이다. 만일, 반도체 광증폭기(8)가 없고 같은 길이의 도파로로 연결되어 있으면 도파로 자체의 추가 손실을 무시할 때, 출력단에 입력 신호와 같은 세기의 광이 도파된다. 이러한 본 발명의 광증폭기는 포화 출력 특성을 N배만큼 개선하면서도 입/출력단의 도파로가 단일 모드 도파로이므로 단일칩으로의 집적화가 가능하다는 장점을 갖고 있어 광집적회로에도 적용이 가능하다.As described above, in the present invention, the input signals are divided into N and input to the N optical amplifiers 8, respectively, so that the output is not saturated even if the intensity of the input signal is increased, thereby increasing the saturation output of the entire amplifier by N times. You will get If there is no semiconductor optical amplifier 8 and is connected by a waveguide of the same length, light of the same intensity as the input signal is waveguided at the output terminal when the additional loss of the waveguide itself is ignored. The optical amplifier of the present invention has an advantage of being integrated into a single chip because the waveguide of the input / output stage is a single mode waveguide while improving the saturation output characteristic by N times.
첨부된 도면 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광증폭 시스템의 개념적 구성을 도시한 것으로, S형 곡선 도파로와 2개의 반도체 증폭기(33a, 33b)가 집적된 구조를 나타낸 것이다. 도면 부호 '31'은 입력단 도파로, '32'는 1×2 MMI 광분리기, '34'는 2×1 MMI 광결합기, '35'는 출력단 도파로를 각각 나타낸 것이며, 이러한 구조의 광증폭 시스템은 전체 증폭기의 포화 출력을 2배만큼 증가시키는 효과가 있다.FIG. 3 illustrates a conceptual configuration of an optical amplification system according to a first embodiment of the present invention, and illustrates a structure in which an S-type curved waveguide and two semiconductor amplifiers 33a and 33b are integrated. Reference numeral '31' denotes an input waveguide, '32' denotes a 1 × 2 MMI optical splitter, '34' denotes a 2 × 1 MMI optical coupler, and '35' denotes an output waveguide. This has the effect of doubling the saturation output of the amplifier.
여기서, 1×2 MMI 광분리기(32)에 의해 분리된 광신호가 동일한 위상을 갖도록 S형 도파로가 대칭적으로 삽입되며, 2×1 MMI 광결합기(34)로 입력되는 광신호가 동일한 위상을 갖도록 S형 도파로가 대칭적으로 삽입된다.Here, the S-type waveguide is symmetrically inserted so that the optical signal separated by the 1 × 2 MMI optical splitter 32 has the same phase, and the S signal is inputted to the 2 × 1 MMI optical combiner 34 so that the optical signal has the same phase. Type waveguides are inserted symmetrically.
첨부된 도면 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광증폭 시스템의 개념적 구성을 도시한 것으로, S형 곡선 도파로와 4개의 반도체 증폭기(43a, 43b, 43c, 43d)가 집적된 구조를 나타내고 있다. 도시된 바와 같이 입력단 도파로(41)로부터 입력되는 광신호를 1×2 MMI 광분리기(42)에서 2개의 광신호로 분리하고, 이를 다시 2×1 MMI 광분리기(43a, 43b)에서 각각 2개의 광신호로 분리시킨다. 계속하여 4개의 반도체 증폭기(43a, 43b, 43c, 43d)에서 각각 증폭된 4개의 광신호는 2개의 2×1 MMI 광결합기(45a, 45b)에서 각각 결합되며, 결합된 신호는 다시 2×1 MMI 광결합기(46)에서 결합되어 하나의 광신호로써 출력단 도파로(47)를 통해 출력된다. 이러한 구조의 광증폭 시스템은 전체 증폭기의 포화 출력을 종래 보다 4배만큼 증가시키는 효과가 있다.4 is a diagram illustrating a conceptual configuration of an optical amplification system according to a second embodiment of the present invention, and showing an integrated structure of an S-shaped curved waveguide and four semiconductor amplifiers 43a, 43b, 43c, and 43d. have. As shown, the optical signal input from the input waveguide 41 is separated into two optical signals in the 1 × 2 MMI optical splitter 42, and these are respectively separated by two optical signals in the 2 × 1 MMI optical splitters 43a and 43b. Separate into optical signals. Subsequently, the four optical signals amplified by the four semiconductor amplifiers 43a, 43b, 43c, and 43d, respectively, are combined by two 2x1 MMI optical couplers 45a and 45b, respectively, and the combined signals are again 2x1. It is combined in the MMI optical coupler 46 and output through the output waveguide 47 as one optical signal. The optical amplification system of this structure has the effect of increasing the saturation output of the entire amplifier by four times than conventional.
여기서, 1×2 MMI 광분리기(42, 43a, 43b)에 의해 각각 분리된 광신호가 동일한 위상을 갖도록 S형 도파로가 대칭적으로 삽입되며, 2×1 MMI 광결합기(45a, 45b, 46)로 입력되는 광신호가 동일한 위상을 갖도록 S형 도파로가 대칭적으로 삽입된다.Here, the S-type waveguides are symmetrically inserted so that the optical signals separated by the 1 × 2 MMI optical splitters 42, 43a, 43b have the same phase, and are inserted into the 2 × 1 MMI optical couplers 45a, 45b, 46. The S-type waveguide is symmetrically inserted so that the input optical signal has the same phase.
첨부된 도면 도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광증폭 시스템의 개념적 구성을 도시한 것으로, S형 곡선 도파로와 8개의 반도체 증폭기(55a∼55h)가 집적된 구조를 나타내고 있다.5 is a diagram illustrating a conceptual configuration of an optical amplification system according to a third exemplary embodiment of the present invention, in which an S-shaped curved waveguide and eight semiconductor amplifiers 55a to 55h are integrated.
도시된 바와 같이 입력단 도파로(51)로 입력된 하나의 광신호를 3단으로 구성된 7개의 1×2 MMI 광분리기(52, 53a, 53b, 54a, 54b, 54c, 54d)를 통해 8개의 광신호로 분리하고, 8개의 반도체 증폭기(55a∼55h)를 통해 증폭된 광신호를 역시 3단으로 구성된 7개의 2×1 MMI 광결합기(56a, 56b, 56c, 56d, 57a, 57b, 58)를 통해 결합하여 하나의 광신호로써 출력단 도파로(59)를 통해 출력한다. 이 경우, 전체 증폭 시스템의 포화 출력을 종래 보다 8배만큼 증가시키는 효과가 있다.As shown, eight optical signals are inputted through seven 1 × 2 MMI optical splitters 52, 53a, 53b, 54a, 54b, 54c, and 54d having one optical signal input to the input waveguide 51 as three stages. The optical signal amplified by the eight semiconductor amplifiers 55a to 55h is then passed through seven 2x1 MMI optical couplers 56a, 56b, 56c, 56d, 57a, 57b and 58 which are also configured in three stages. Combined and output through the output waveguide 59 as a single optical signal. In this case, there is an effect of increasing the saturation output of the entire amplification system by 8 times than in the prior art.
상기한 바와 같이 본 발명을 실시하면 포화 출력 특성을 개선하면서도 입출력단의 도파로가 단일 모드 도파로이므로 단일칩으로의 집적화가 가능하다.As described above, the present invention can be integrated into a single chip because the waveguide of the input / output stage is a single mode waveguide while improving the saturation output characteristics.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes can be made in the art without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary knowledge.
반도체 광증폭기는 다양한 목적으로 시스템에 적용되어 응용되고 있으나 이득 포화 현상으로 인하여 응용성에 한계를 가져오고 있다. 본 발명의 광증폭기를 사용하면 광집적회로의 설계를 다양하게 할 수 있게 되어 고성능의 광기능 소자 개발을 할 수 있을 것으로 기대된다.Semiconductor optical amplifiers have been applied to systems for various purposes, but due to gain saturation, they are limiting their applicability. When the optical amplifier of the present invention is used, it is expected that the design of the optical integrated circuit can be diversified and the development of a high performance optical functional device can be achieved.
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