KR20010019755A - Wavelength Stabilized Laser Diode Module - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광통신 시스템에서 사용되는 광원모듈에 관한 것으로, 특히 광원의 중심파장이 정확하고 일정하게 유지될 수 있도록 하는 파장안정화기가 내장된 광원모듈에 관한 것이다.The present invention relates to a light source module used in an optical communication system, and more particularly, to a light source module in which a wavelength stabilizer is built so that the center wavelength of the light source can be maintained accurately and consistently.
광통신 기술은 기가비트(Gbps) 시대를 거쳐 테라비트(Tbps) 시대로 발전하게 되며, 이에 따른 대용량, 초고속 광통신 기술의 하나로서 파장분할다중(Wavelength Division Multiplexing : 이하, 간단히 "WDM" 이라함) 방식을 이용한 전송장치가 연구되고 있다.Optical communication technology has developed from the gigabit (Gbps) era to the terabit (Tbps) era, and thus, one of the large-capacity, high-speed optical communication technologies, wavelength division multiplexing (hereinafter, simply referred to as "WDM") method. The transmission device used is being studied.
WDM 방식에 있어서 용량을 결정하는 요인중의 하나가 광신호의 파장간격(grid)을 작게 하는 것으로, 현재 WDM 용 파장분할 간격은 1.6nm(200GHz Grid)를 채택하고 있으나 앞으로 초대용량을 위해서는 0.8nm(100GHz Grid), 0.4nm(50GHz Grid)까지 줄어들 것으로 예상된다. 이렇게 파장분할 간격이 좁아짐에 따라 광송신 모듈의 파장을 일정하게 유지시켜야 하는 파장안정화(wavelength stabilization)가 가장 필수적인 요구사항이 된다.One of the factors that determine the capacity in the WDM method is to reduce the wavelength grid of the optical signal. Currently, the wavelength division interval for the WDM adopts 1.6 nm (200 GHz Grid), but in the future, 0.8 nm is used for ultra large capacity. (100GHz Grid), 0.4nm (50GHz Grid) is expected to shrink. As the wavelength division interval becomes narrower, wavelength stabilization, in which the wavelength of the optical transmission module is kept constant, becomes the most essential requirement.
종래의 기술에 있어서는, WDM 시스템의 파장선택 및 안정화를 위하여 광원에서의 신호를 광섬유에서 분기하여 외장형 파장안정기(wavelength locker)에서 파장의 변화를 감시하고, 다시 감시 신호를 이용하여 광원의 온도를 조절하여 파장을 일정하게 유지시키고 있다. 이 경우 시스템의 구성이 복잡하고 고가일 뿐 아니라 전체 모듈이 크므로 파장안정화기를 내장하는 광원모듈의 개발에 대한 연구가 필요하게 되었다.In the related art, a signal from a light source is branched from an optical fiber to monitor a change of wavelength in an external wavelength locker for wavelength selection and stabilization of a WDM system, and then the temperature of the light source is adjusted using a monitoring signal. To keep the wavelength constant. In this case, since the configuration of the system is not only complicated and expensive, but also the entire module is large, research on the development of a light source module having a wavelength stabilizer is required.
종래의 외장형 파장안정기의 구성 및 이를 이용하여 광원의 파장을 일정하게 유지시키는 개념도를 도 1 에 도시하였으며, 도 1 을 참조하여 종래의 기술을 설명하면 다음과 같다.The structure of a conventional external wavelength stabilizer and a conceptual diagram of maintaining a constant wavelength of a light source using the same are illustrated in FIG. 1, and the conventional technology will be described below with reference to FIG. 1.
도 1 은 종래의 파장안정화기의 일실시예 구성도이다.1 is a configuration diagram of an embodiment of a conventional wavelength stabilizer.
도면에 도시된 바와 같이, 광원(laser diode)(101)에서 방출되는 단일 파장의 빛을 제 1 광결합기(102)를 사용하여 분기한 후 이를 제 2 광결합기(103)가 재분기 하여, 분기된 두개의 신호를 각각 상이한 파장(1,2) 투과 특성을 갖는 두개의 필터(104,105)로 투과시켜 각각 포토다이오드(photo diode)와 같은 광검출소자(106, 107)로 광전류 값을 측정하고, 이중 제 2 광검출소자(107)에 의해 측정된 광전류 값을 증폭기(108)에 의해 증폭한 후, 이들 광전류값을 비교회로(111)를 통하여 비교한다. 이 비교값이 초기의 원하는 파장에 대한 이들 광전류값의 비교치에서 벗어나게 되면 초기의 파장에서 벗어나는 것을 의미하므로 초기의 광전류 비교치를 유지하도록 구동회로(112)를 통하여 광원(101)의 온도를 조절하여 일정한 파장을 유지시킨다.As shown in the figure, the light of a single wavelength emitted from the laser diode 101 is branched using the first optical coupler 102 and then the second optical coupler 103 rebranches, thereby branching. Two signals with different wavelengths ( One, 2) The photocurrent values are measured by the photodetectors 106 and 107, such as photodiodes, respectively, through the two filters 104 and 105 having the transmission characteristics, and are measured by the second photodetector 107. After the photocurrent values are amplified by the amplifier 108, these photocurrent values are compared through the comparison circuit 111. If the comparison value deviates from the comparison value of these photocurrent values with respect to the initial desired wavelength, it means to deviate from the initial wavelength. Thus, the temperature of the light source 101 is adjusted through the driving circuit 112 to maintain the initial photocurrent comparison value. Maintain a constant wavelength.
그러나, 상기한 바와 같은 종래의 기술은, WDM 시스템의 파장선택 및 안정화를 위하여 광원에서의 신호를 광섬유에서 분기하여 외장형 파장안정기(wavelength locker)에서 파장의 변화를 감시하고, 다시 감시 신호를 이용하여 광원의 온도를 조절하여 파장을 일정하게 유지시키고 있으므로, 시스템의 구성이 복잡하고 고가이며, 별개의 필터를 사용하므로 파장안정화기를 제작할 때 그 크기를 소형화 할 수 없을 뿐만 아니라, 원하는 파장간격으로 개별적인 필터를 제작하기가 매우 어렵기 때문에 저가의 광원모듈을 제작하기 곤란하다는 문제점이 있다.However, the conventional technique as described above, by branching the signal from the light source to the optical fiber for the wavelength selection and stabilization of the WDM system to monitor the change of wavelength in an external wavelength locker, and again using the monitoring signal Since the temperature is kept constant by controlling the temperature of the light source, the configuration of the system is complicated, expensive, and a separate filter is used. Therefore, the size of the wavelength stabilizer cannot be miniaturized. There is a problem that it is difficult to manufacture a low-cost light source module because it is very difficult to manufacture.
또한, 통상적인 광원의 파장은 그 폭이 매우 작은데, 연속발진(CW : continuous wave) 레이저인 경우 0.01nm이하 이므로 이렇게 좁은 파장을 분리해 낼 수 있는 분해능이 높은 필터를 제작하는데 한계가 있으며, 고속으로 변조되는 레이저 다이오드의 경우에도 그 파장폭이 약 0.3nm에 이르므로, 상기한 바와 같은 종래의 기술을 적용하기는 곤란하다는 문제점이 있다.In addition, the wavelength of a conventional light source is very small. In the case of a continuous wave (CW) laser, since it is 0.01 nm or less, there is a limitation in manufacturing a high resolution filter capable of separating such narrow wavelengths. In the case of a laser diode that is modulated with a wavelength of about 0.3 nm, the conventional technique as described above is difficult to apply.
상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은, 간단하면서도 소형인 파장안정화기를 내장한 광원모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention devised to solve the above problems is to provide a light source module incorporating a simple and compact wavelength stabilizer.
도 1 은 종래의 파장안정화기의 일실시예 구성도.1 is a configuration diagram of an embodiment of a conventional wavelength stabilizer.
도 2a 는 본 발명에 따른 파장안정화기가 내장된 광원모듈의 평면도.Figure 2a is a plan view of a light source module with a built-in wavelength stabilizer according to the present invention.
도 2b 는 본 발명에 따른 파장안정화기가 내장된 광원모듈의 측면도.Figure 2b is a side view of a light source module with a built-in wavelength stabilizer according to the present invention.
도 3a 는 본 발명에 따른 파장안정화기 부분의 확대 평면도.3A is an enlarged plan view of a portion of a wavelength stabilizer according to the present invention;
도 3b 는 본 발명에 따른 파장안정화기 부분의 확대 측면도.3b is an enlarged side view of a portion of a wavelength stabilizer in accordance with the present invention;
도 4a 는 본 발명에 따른 파장안정화소자의 평면도.4A is a plan view of a wavelength stabilizing device according to the present invention;
도 4b 는 본 발명에 따른 파장안정화소자의 단면도.4b is a sectional view of a wavelength stabilizing device according to the present invention;
도 4c 는 본 발명에 따른 파장안정화소자의 사시도.4c is a perspective view of a wavelength stabilizing device according to the present invention;
도 5a 는 본 발명에 따른 회절격자 없이 제작된 광검출소자쌍의 평면도.5A is a plan view of a pair of photodetecting devices fabricated without a diffraction grating in accordance with the present invention.
도 5b 는 광검출 소자쌍(Twin PD)과 별도의 회절격자를 접합하여 제작한 파장안정화소자의 단면도.5B is a cross-sectional view of a wavelength stabilizing device fabricated by bonding a photodetector pair Twin PD and another diffraction grating.
도 5c 는 광검출소자쌍(Twin PD)과 레이저다이오드 사이에 별도의 회절격자를 삽입한 파장안정화기의 구성도.5C is a block diagram of a wavelength stabilizer in which a separate diffraction grating is inserted between a photodetector pair (Twin PD) and a laser diode.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
101 : 레이저다이오드 102,103 : 광결합기(optical coupler)101: laser diode 102, 103: optical coupler
104,105 : 파장필터 106,107 : 포토다이오드104,105 wavelength filter 106,107 photodiode
108 : 증폭기 112 : 구동회로108: amplifier 112: drive circuit
109,110 : 풀다운 저항(pull-down resistor)109,110: pull-down resistor
111 : 비교회로 (comparator)111: comparator
201 : 광아이소레이터 202 : 광섬유 페룰201: photoisolator 202: optical fiber ferrule
203 : 광섬유 홀더 204 : 광섬유 프로텍터203: optical fiber holder 204: optical fiber protector
205 : 광커넥터 206 : 패키지 케이스205: optical connector 206: package case
207 : 열전 냉각소자(TEC) 208 : 열전냉각소자(TEC)207: thermoelectric cooling element (TEC) 208: thermoelectric cooling element (TEC)
209 : 파장안정화기209 wavelength stabilizer
301 : 파장안정화 소자 302 : 파장안정화 소자 마운트301: wavelength stabilizer element 302: wavelength stabilizer element mount
303 : 써어미스터 304 : 전선303: thermistor 304: electric wire
305 : 파장안정화 기판 306 : 볼렌즈305: wavelength stabilized substrate 306: ball lens
307 : 레이저다이오드 308 : 써어미스터307: laser diode 308: thermistor
309 : 부모듈 기판 310 : 히트싱크309: submodule substrate 310: heat sink
311 : L-자형 웰딩기판 312 : 웰드링311: L-shaped welding substrate 312: welding ring
313 : 렌즈홀더 314 : 렌즈313: lens holder 314: lens
315 : 볼렌즈 마운트315: Ball Lens Mount
401 : PD-A 402 : PD-B401: PD-A 402: PD-B
403 : 입사광 404 : 전극용 메탈층403: incident light 404: metal layer for electrodes
405 : p형 반도체층 406 : 반절연 반도체층405 p-type semiconductor layer 406 semi-insulating semiconductor layer
407 : 절연층 408 : 회절격자 및 전극용 메탈층407 insulating layer 408 diffraction grating and electrode metal layer
409 : n형 반도체409: n-type semiconductor
501 : 회절격자 없는 광검출소자쌍501: photodetector pair without diffraction grating
502 : 수광영역 503 : 전극용 금속층502: light receiving area 503: electrode metal layer
504 : 전극용 금속층 505 : 접속용 범프504: metal layer for electrode 505: bump for connection
506 : 투명 유리 507 : 회절격자506 transparent glass 507 diffraction grating
508 : 무반사 박막 509 : 회절격자508: antireflective thin film 509: diffraction grating
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 광통신 시스템에 사용되는 광원모듈에 있어서, 파장에 따라 변화하는 간섭무늬 신호로부터 광전류를 형성하고, 상기 광전류 값을 비교하여 파장을 일정하게 유지하기 위한 파장안정화수단을 포함한다.The present invention for achieving the above object, in the light source module used in the optical communication system, wavelength stabilizing means for forming a photo current from the interference fringe signal that changes with the wavelength, and comparing the photo current value to maintain the wavelength constant It includes.
즉, 상기와 같은 본 발명은, 한 쌍으로 제작되는 광검출소자쌍(twin PD)과, 파장에 따라 변화하는 간섭무늬 신호를 이 광검출소자쌍(twin PD)에 제공하기 위한 회절격자로 구성된 파장안정화기(wavelength stabilizer)를 내장한 광원모듈에 관한 것이다.That is, the present invention as described above, the wavelength stabilization consisting of a pair of photo-detecting device pair (twin PD) and a diffraction grating for providing to the twin PD the interference fringe signal that changes depending on the wavelength The present invention relates to a light source module having a built-in wavelength stabilizer.
본 발명을 적용할 경우 한 종류의 간단한 파장안정화기를 제작하여 모든 파장에 대한 안정화를 실시할 수 있어 매우 경제적이며, 그 크기도 작게 할 수 있어 파장안정화기가 내장된 소형의 광원모듈을 제작할 수 있으므로 실제사용에 편리함을 제공한다.In the case of applying the present invention, one kind of wavelength stabilizer can be manufactured and stabilized for all wavelengths, so it is very economical and its size can be reduced, so that a small sized light source module with a wavelength stabilizer can be manufactured. It is convenient to use.
이하, 도 2 내지 도 4 를 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 4.
도 2a 및 도 2b 는 본 발명에 따른 파장안정화기가 내장된 광원모듈의 일실시예 구성도이며, 도 3a 및 도 3b 는 본 발명에 따른 파장안정화기 부분의 일실시예 구성도이고, 도 4a 내지 도 4b 는 본 발명에 따른 파장안정화 소자의 일실시예 구성도이다. 즉, 도 2a 및 도 2b 는 본 발명에 따른 파장안정화기가 내장된 광원모듈의 구조를 보이고 있으며, 도 3a 및 도 3b 는 상기 광원모듈 내부에 장착된 상기 파장안정화기의 세부구조를 나타내고 있고, 도 4a 내지 도 4c 는 상기 파장안정화기의 구성 요소인 파장안정화 소자를 상세히 나타내고 있다.2a and 2b is a configuration diagram of an embodiment of a light source module with a built-in wavelength stabilizer according to the present invention, Figures 3a and 3b is an embodiment configuration of a portion of the wavelength stabilizer according to the present invention, Figures 4a to Figure 4b is a configuration diagram of an embodiment of a wavelength stabilizing device according to the present invention. That is, FIGS. 2A and 2B show a structure of a light source module having a wavelength stabilizer built therein, and FIGS. 3A and 3B show a detailed structure of the wavelength stabilizer mounted inside the light source module. 4A to 4C show in detail a wavelength stabilizing element which is a component of the wavelength stabilizer.
우선, 도 2a 는 본 발명에 따른 파장안정화기가 내장된 광원모듈의 일실시예 평면도이며, 도 2b 는 본 발명에 따른 파장안정화기가 내장된 광원모듈의 일실시예 측면도이다.First, FIG. 2A is a plan view of an embodiment of a light source module having a wavelength stabilizer according to the present invention, and FIG. 2B is a side view of an embodiment of a light source module having a wavelength stabilizer according to the present invention.
상기 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광원모듈은 광아이소레이터(201), 광섬유 페룰(202), 광섬유 홀더(203), 광섬유 프로텍터(204), 광커넥터(205), 패키지 케이스(206), 열전 냉각소자(TEC)(207,208) 및 파장안정화기(209)로 구성되어 있다.As shown in the drawings, the light source module according to the present invention includes an optical isolator 201, an optical fiber ferrule 202, an optical fiber holder 203, an optical fiber protector 204, an optical connector 205, and a package case 206. ), Thermoelectric cooling elements (TEC) 207 and 208 and wavelength stabilizer 209.
도 3a 는 본 발명에 따른 파장안정화기 부분의 일실시예 확대 평면도이며, 도 3b 는 본 발명에 따른 파장안정화기 부분의 일실시예 확대 측면도이다. 또한, 도 4a 는 본 발명에 따른 파장안정화 소자의 일실시예 평면도이며, 도 4b 는 본 발명에 따른 파장안정화 소자의 일실시예 단면도이고, 도 4c 는 본 발명에 따른 파장안정화 소자의 일실시예 사시도이다.3A is an enlarged plan view of an embodiment of a wavelength stabilizer portion according to the present invention, and FIG. 3B is an enlarged side view of an embodiment of a wavelength stabilizer portion according to the present invention. In addition, Figure 4a is a plan view of an embodiment of a wavelength stabilizing device according to the present invention, Figure 4b is a cross-sectional view of an embodiment of the wavelength stabilizing device according to the present invention, Figure 4c is an embodiment of a wavelength stabilizing device according to the present invention Perspective view.
레이저다이오드 광원(307) 뒷면으로 부터 방출되는 방사형 광신호를 볼렌즈(306)를 통하여 평행광으로 바꾼 후 파장안정화 소자(301)의 표면으로 입사 시키면, 도 4 에서와 같이 입사광(403)은 소자의 뒷면에 형성된 회절격자(diffraction grating)(408)에서 회절되어 아래의 [식 1]과 같이 임의의 각도( d)에 간섭무늬를 형성시킨다.When the radial light signal emitted from the back of the laser diode light source 307 is converted into parallel light through the ball lens 306 and then incident on the surface of the wavelength stabilizing element 301, the incident light 403 is formed as shown in FIG. 4. Diffraction grating (408) formed on the back of the diffraction grating (408) is a random angle as shown in [Equation 1] below d ) to form an interference fringe.
그런데, 입사광의 파장은 유한한 폭을 갖고 있으므로 아래의 [식 2]와 같은 격자분산(D)을 갖게 되고 따라서 검출소자가 위치하고 있는 면(406)에서는 유한한 각도의 강도분포를 형성한다. 따라서 광검출소자쌍(twin PD) PDA(401)와 PDB(402)에는 간섭무늬에 의한 광전류(photo current)가 형성되고, 이는 전선 혹은 회로를 통하여 외부에서 감지할 수 있다.However, since the wavelength of the incident light has a finite width, it has a lattice dispersion D as shown in [Equation 2] below, thus forming a finite angle intensity distribution on the surface 406 where the detection element is located. Therefore, a photo current due to an interference fringe is formed in the twin PD PD A 401 and PD B 402, which can be sensed from the outside through a wire or a circuit.
( d: 간섭무늬 생성 각도, ig: 매질 내에서의 빛의 입사각, D: 분산(d d/d), m : 회절무늬 차수, n : 매질의 굴절률, L : 격자주기 )( d : angle of interference pattern generation, ig : angle of incidence of light in the medium, D: dispersion (d d / d ), m: diffraction pattern order, n: refractive index of the medium, L: lattice period)
[수학식 1]을 보면 입사광이 회절되어 무늬를 형성하는 회절 각도는 파장이 변함에 따라 변함을 알 수 있다. 이를 이용하기 위해서 파장변화에 의한 회절각도 변화에 따라 광검출소자쌍(twin PD)의 수광면적이 변하도록 도 4 와 같이 제작한다.Equation 1 shows that the diffraction angle of diffracted incident light to form a pattern changes as the wavelength changes. In order to use this, the light receiving area of the twin PD is changed as the diffraction angle changes due to the wavelength change.
이 경우 초기의 파장 0(실선표시)에서의 중심각도를 0, 이때의 검출소자 PDA(401)의 광전류를 PA0, 검출소자 PDB(402)의 광전류를 PB0라 하면 두 검출소자의 광전류의 차이는 일정한 값 P(A0-B0)을 갖게 될 것이다.Initial wavelength in this case Center angle at 0 (solid line) If the photocurrent of the detection elements PD A 401 is P A0 and the photocurrent of the detection elements PD B 402 is P B0 , the difference between the photo currents of the two detection elements will have a constant value P (A 0 -B 0) . will be.
이때 광원의 파장이 변하여 1(점선)로 길어졌다면 회절 각도도 1(점선의 1이 이루는 각)로 증가하게된다. 이 경우 검출소자 PDA가 빛을 받는 면적은 도 4a 의 △S 만큼 증가하게 되어 광전류 PA1도 PA0보다 증가하게 된다. 반면 검출소자 PDB가 빛을 받는 면적은 도 4a 의 (S 만큼 감소하게 되어 광전류 PB1도 PB0보다 감소하게 되므로 검출소자의 광전류의 차이 P(A1-B1)는 P(A0-B0)보다 큰 값을 갖게 될 것이고, 외부회로에서 이를 감지하여 열전냉각소자(TEC)(207)로의 조절 전류를 조정하여 광원(307)의 온도를 낮추면 두 검출소자의 광전류 차이를 원래의 P(A0-B0)값을 갖도록 할 수 있다. 이렇게 함으로서 광원의 파장을 0로 되돌릴 수 있어 파장을 안정화 시킬 수 있다.At this time, the wavelength of the light source changes If it is lengthened to 1 (dotted line), the diffraction angle 1 (dotted To 1 ). In this case, the area in which the detection element PD A receives light increases by ΔS in FIG. 4A, so that the photocurrent P A1 also increases than P A0 . While detecting element PD B is, because it is the area subjected to light is decreased by (S in Figure 4a photocurrent P B1 is reduced than P B0 difference P (A1-B1 of the detection elements photoelectric current) is more than P (A0-B0) If the external circuit senses this and adjusts the regulating current to the thermoelectric cooling element (TEC) 207 to lower the temperature of the light source 307, the difference between the photocurrents of the two detection elements is reduced to the original P (A0-B0). ) you may have a value. by doing this the wavelength of the light source It can be returned to zero to stabilize the wavelength.
반대로 광원의 파장이 변하여 2로 짧아졌다면 회절 각도도 2로 감소하On the contrary, the wavelength of the light source changes If shortened to 2 , the diffraction angle Decreasing to 2
게 된다. 이 경우 검출소자 PDA가 빛을 받는 면적은 감소하게 되어 광전류 PA1도 PA0보다 감소하게 되고, 반면 검출소자 PDB가 빛을 받는 면적은 증가하여 광전류 PB2도 PB0보다 증가 되므로 광검출소자쌍(twin PD)의 광전류의 차이 P(A2-B2)는 P(A0-B0)보다 작은 값을 갖게 될 것이고, 역시 외부회로에서 이를 감지하여 열전냉각소자(TEC)(207)로의 조절 전류를 조정하여 광원(307)의 온도를 높이면 파장이 증가하여 0로 되도록 하여 두 검출소자의 광전류 차이를 원래의 P(A0-B0)값을 갖게 할 수 있다. 특히 회절격자의 모양을 비대칭으로 제작하는 브레이징(blazing) 기술을 사용하면 회절되는 빛의 대부분을 원하는 특정 차수(order)로 만들 수 있고, 회절 차수가 증가할수록 [수학식 2]와 같이 분산(dispersion)이 증가하여 더욱 미세한 파장변화도 감지할 수 있게 된다. 그러나 회절 차수가 커지면 회절 각도가 커지게 되고 신호를 받기 위한 검출소자가 입사지점으로부터 멀리 떨어지게 되어 파장안정화 소자가 커져야 하므로 적절한 차수의 회절무늬를 선택하여야 한다.It becomes. In this case, the area in which the detection element PD A receives light decreases and the photocurrent P A1 also decreases than P A0 . On the other hand, the area in which the detection element PD B receives light increases and the photocurrent P B2 also increases than P B0 . The difference P (A2-B2 ) of the photocurrent of the twin PD will have a smaller value than P (A0-B0) , which is also sensed by an external circuit to detect the regulated current to the thermoelectric cooling element (TEC) 207. Adjust the temperature of light source 307 to increase the wavelength By setting it to 0 , the photocurrent difference between the two detection elements can be made to have the original P (A0-B0) value. In particular, the use of the blazing technique to asymmetrically shape the diffraction grating can make most of the diffracted light in the desired order, and as the diffraction order increases, dispersion as shown in [Equation 2] ) Increases to detect even finer wavelength changes. However, as the diffraction orders become larger, the diffraction angle becomes larger and the detection element for receiving the signal is farther from the incident point, so that the wavelength stabilization element needs to be larger.
예를 들어 격자주기가 0.93um이고, 두께 1000um인 굴절률 3.5의 반도체 소For example, a semiconductor element with a refractive index of 3.5um with a lattice period of 0.93um and 1000um
자를 이용하며, 2차 회절 무늬에 맞춰 브레이징(blazing) 한 경우 0 ( i=0)도로Ruler, 0 (for brazing to the second diffraction pattern) i = 0) road
입사 되는 파장 1550nm인 빛에 대하여 회절각( d)은 약 72도 정도이므로 검출소자가 위치해야 할 위치가 입사지점으로부터 3,123um 떨어져야 한다. 이때 1550nm 파장의 광원이 1550.02nm로 변하였을 경우 0.02nm(0.2A)만큼의 분산에 의해 검출소자 위치에서는 약 0.5um의 변위를 일으키게 되고 검출소자간 광전류의 변화는 검출소The diffraction angle for light having an incident wavelength of 1550 nm d ) is about 72 degrees, so the position where the detection element should be placed should be 3,123um away from the incident point. At this time, when the light source of 1550nm wavelength is changed to 1550.02nm, the dispersion of 0.02nm (0.2A) causes about 0.5um of displacement at the position of detection element, and the change of photocurrent between detection elements is
자의 자체 광전류의 약 1%정도로 나타나므로 충분히 감지가 가능하여 파장 안정화 신호로 사용할 수 있다. 또한 렌즈를 사용하는 경우에는 광전류의 변화를 조절할 수 도 있다.Approximately 1% of the photoelectric current of the ruler can be sufficiently detected and can be used as a wavelength stabilization signal. In addition, when using a lens, it is possible to adjust the change of the photocurrent.
또한 다른 파장을 갖는 광원모듈에 대해서는 동일한 파장안정화소자를 사용하더라고 입사각을 조절하여 초기의 간섭무늬를 광검출소자쌍(twin PD)의 중심부에 위치시킬 수 있으므로 특정파장을 위한 파장안정화 소자를 만들 필요가 없기 때문에 매우 경제적임을 알 수 있다.In addition, even if the same wavelength stabilization element is used for light source modules having different wavelengths, the initial interference fringes can be positioned at the center of the twin PD by adjusting the angle of incidence, so it is necessary to make the wavelength stabilization element for a specific wavelength. It is very economical because there is no.
예를 들어 상기 예의 파장안정화기를 사용하여 파장이 1560nm인 빛을 같은 각도(0도)로 입사시키면 회절각도가 커져서 입사지점으로부터 3,363um 떨어진 곳에 2차 회절무늬 극대가 형성되므로 3,123um 근처에 형성되어 있는 검출소자로는 신호를 감지할 수 없게 된다. 그러나 파장안정화기를 회전시켜 입사각( i)을 0도에서 1.23도로 변화시키면 회절무늬 극대 위치도 3,363um에서 3,124um 부근으로 옮겨오기 때문에 한 종류의 파장안정화기를 여러 파장에 대한 안정화를 실시할 수 있으므로 경제적이다.For example, when the light having a wavelength of 1560 nm is incident at the same angle (0 degree) using the wavelength stabilizer of the above example, the diffraction angle is increased, so that the second diffraction pattern maximum is formed at 3,363 um from the incidence point. The detection element can not detect the signal. But by rotating the wavelength stabilizer, If i ) is changed from 0 degree to 1.23 degree, the diffraction pattern maximum position is also moved from 3,363um to 3,124um, so it is economical because one kind of wavelength stabilizer can stabilize several wavelengths.
상기 광검출소자쌍(twin PD)(401,402) 및 회절격자(408)를 포함하는 파장안정화 소자(301)의 구조 및 제작 과정을 도 3 및 도 4 를 참조하여 상세히 설명한다.The structure and fabrication process of the wavelength stabilizing element 301 including the photodetector pairs (twin PD) 401 and 402 and the diffraction grating 408 will be described in detail with reference to FIGS. 3 and 4.
도 4b 와 같이 n형으로 도우핑되고 광원의 파장이 투과 될 수 있도록 밴드갭이 큰 반도체(409) 웨이퍼 위에 반 절연체의 흡수층(406)을 1~2um 성장시킨 후 그 위에 1um정도의 얇은 p형 도우핑된 콘택층(contact layer)(405)을 성장시킨다.As shown in FIG. 4B, the semiconductor film 409 is doped with n-type and the band gap is large so that the absorption layer 406 of the semi-insulator is grown on the wafer 409 with a large bandgap, and then a thin p-type of about 1 μm is formed thereon. A doped contact layer 405 is grown.
성장 완료된 웨이퍼 표면을 반 절연체 층이 분리될 수 있도록 충분히 에칭(etching)해 낸 후 전극이 형성될 부위를 제외하고는 SiNx등의 절연체(407)로 표면을 덮는다. 오믹전극용 금속(404)을 증착하여 도 4c 와 같은 광검출소자쌍(twin PD)(401,402)을 제작한다. 이때 SiNx 절연층(407)은 두께를 조절하여 입사광에 대한 무반사막으로도 사용된다.The grown wafer surface is sufficiently etched so that the semi-insulator layer can be separated and then covered with an insulator 407 such as SiNx except for the region where the electrode is to be formed. By depositing an ohmic electrode metal 404, a pair of photodetector elements (twin PD) 401 and 402 as shown in FIG. 4C are fabricated. At this time, the SiNx insulating layer 407 is used as an antireflection film for incident light by adjusting the thickness.
검출소자의 뒷면(408)은 광원의 파장에 대하여 원하는 각도에서 간섭무늬가 형성될 수 있도록 격자주기(L)를 결정하고, 비대칭에칭을 통하여 원하는 차수의 간섭무늬로 브레이징(blazing)한 후 오믹전극을 증착하면 광검출소자쌍(twin PD)의 다른 한 전극으로도 사용하고 회절격자의 반사효율도 높일 수 있는 파장안정화소자(wavelength stabilization device)가 완성된다. 완성된 파장안정화소자는 적절한 크기로 절단하여 단위소자로 사용한다.The back surface 408 of the detection element determines the lattice period L so that an interference fringe can be formed at a desired angle with respect to the wavelength of the light source, and after brazing the interference fringe of a desired order through asymmetric etching, the ohmic electrode After the deposition, the wavelength stabilization device can be used as another electrode of a pair of photodetector devices (twin PD), and the reflection efficiency of the diffraction grating can be improved. The completed wavelength stabilization element is cut into appropriate size and used as unit device.
상기와 같은 원리로 작동하는 파장안정화 소자(301)를 이용하여 파장안정화기(209)가 내장된 광원모듈을 제작하는 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.The method of fabricating the light source module having the wavelength stabilizer 209 embedded therein using the wavelength stabilizer 301 operating on the principle described above will now be described in detail.
도 2 와 같이 제작된 기존의 광원모듈 내부의 광소자(LD)(307) 뒷 쪽에 볼렌즈(306)를 부착하여 광소자의 후면에서 방출되는 빛을 평행광으로 만든다. 추가의 열전냉각소자(TEC)(208) 및 파장안정화 기판(305)을 부착하고 그 위에 파장안정화 소자(301)가 부착되어 광소자(LD)와 높이가 같도록 할 수 있는 파장안정화 소자 마운트(302)를 위치시킨다.By attaching a ball lens 306 to the rear of the optical element (LD) 307 in the existing light source module manufactured as shown in Figure 2 to make the light emitted from the rear of the optical element into parallel light. A wavelength stabilizing element mount which can be attached to an additional thermoelectric cooling element (TEC) 208 and a wavelength stabilizing substrate 305 thereon and a wavelength stabilizing element 301 attached thereto so that the height is the same as that of the optical element LD. 302).
이때 추가의 열전냉각소자(208)는 온도변화에 의해 파장안정화 소자의 파장분산특성이 변하는 것을 방지하기 위한 것으로 써어미스터(303)로 온도를 감지하여 항상 일정한 온도를 유지하여야 한다.At this time, the additional thermoelectric cooling element 208 is to prevent the wavelength dispersion characteristic of the wavelength stabilization element from being changed by the temperature change, so that the temperature is sensed by the thermistor 303 to maintain a constant temperature at all times.
이제 광소자(LD)(307) 및 열전냉각소자(TEC)(207)를 구동 시키고 원하는 파장이 되도록 감시하기 위하여 광소자(307)의 앞 쪽에 광결합된 광섬유 커넥커(205)를 파장검출기에 연결시킨다.Now, the optical fiber connector 205, optically coupled to the front of the optical element 307, to the wavelength detector to drive the optical element (LD) 307 and the thermoelectric cooling element (TEC) 207 to the desired wavelength. Connect it.
파장검출기를 관찰하면서 광소자(307)가 부착되어 있는 열전냉각소자(207)를 구동시켜 원하는 파장( 0)을 얻는 상태를 유지한다. 각각의 광검출소자 PDA(401) 및 PDB(402)의 광전류를 측정하면서 각 소자의 광전류가 초기치로 비슷한 값을 갖도록 파장안정화 소자마운트(302)의 방향을 조절한 후 땜납 혹은 에폭시로 고정시킨다.While observing the wavelength detector, the thermoelectric cooling element 207 to which the optical element 307 is attached is driven to drive the desired wavelength ( And keep getting 0 ). While measuring the photocurrent of each photodetector PD A 401 and PD B 402, the direction of the wavelength stabilizing element mount 302 is adjusted so that the photocurrent of each element has a similar value as an initial value, and then fixed with solder or epoxy. .
도 5a 는 본 발명에 따른 회절격자 없이 제작된 광검출소자쌍의 일실시예 평면도이며, 도 5b 는 도 5a 의 광검출 소자쌍(Twin PD)과 별도의 회절격자를 접합하여 제작한 파장안정화 소자의 일실시예 단면도이고, 도 5c 는 도 5a 의 광검출소자쌍(Twin PD)과 레이저다이오드 사이에 별도의 회절격자를 삽입한 파장안정화기의 일실시예 구성도이다.FIG. 5A is a plan view of an embodiment of a pair of photodetector devices fabricated without a diffraction grating according to the present invention, and FIG. 5B is a view of a wavelength stabilization device fabricated by bonding a pair of photodetector devices (Twin PD) of FIG. 5A and a separate diffraction grating. 5 is a cross-sectional view of an embodiment of a wavelength stabilizer in which a separate diffraction grating is inserted between the photodetector pair Twin PD and the laser diode of FIG. 5A.
즉, 상기한 바와 같이 반도체를 사용하여 회절격자(408)와 광검출소자쌍(401,402)이 한 몸인 파장안정화 소자를 제작할 수 도 있겠지만, 다른 대안으로 도 5b 와 같이 별도의 회절격자 위에 따로 제작된 도 5a 와 같은 광검출 소자쌍(501)을 접합시켜 파장안정화 소자를 제작할 수도 있다.That is, as described above, a wavelength stabilizing element having one body of the diffraction grating 408 and the photodetecting device pairs 401 and 402 may be manufactured using a semiconductor, but as another alternative, a figure manufactured separately on a separate diffraction grating as shown in FIG. 5B. A wavelength stabilizing element can also be fabricated by joining a pair of photodetecting elements 501 such as 5a.
또한, 도 5c 는 광검출소자쌍(twin PD)(501)과 별개의 회절격자(509)를 조5C also illustrates a pair of photodetector pairs (twin PD) 501 and a separate diffraction grating 509.
합하여 파장안정화 기능을 갖는 광원모듈을 제작하는 구성도의 다른 예이다. 동작원리는 상기한 파장안정화 소자와 동일하지만 회절격자(509)와 광검출소자쌍(twin PD)(501)이 분리되어 있으며, 회절격자가 없는 광검출소자쌍(twin PD)(501)은 통상의 PD 제작과 같은 방법으로 간단히 제작할 수 있다는 장점이 있다.In addition, it is another example of the block diagram which manufactures the light source module which has wavelength stabilization function. The operation principle is the same as the wavelength stabilization element described above, but the diffraction grating 509 and the photodetector pair (twin PD) 501 are separated, and the photodetector pair (twin PD) 501 without the diffraction grating is a conventional PD. The advantage is that it can be produced simply in the same way as production.
모듈 제작을 위해 우선 회절격자(509)를 광원(307) 뒤에 고정시킨 후 광원을 작동시켜 원하는 빛의 파장이 방출되도록 한 후 이 회절격자에 의해 간섭무늬가 형성되는 위치에 광검출소자쌍(twin PD)(501)이 부착된 파장안정화 소자 마운트(302)를 정렬 및 고정시켜 파장안정화기를 내장한 광원모듈을 제작할 수 있다.To fabricate the module, first fix the diffraction grating 509 behind the light source 307, operate the light source to emit the desired wavelength of light, and then place a pair of photodetector elements in the position where the interference fringe is formed by the diffraction grating. By aligning and fixing the wavelength stabilizing device mount 302 to which the 501 is attached, a light source module having a wavelength stabilizer can be manufactured.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니다.The present invention described above is capable of various substitutions, modifications, and changes without departing from the spirit of the present invention for those skilled in the art to which the present invention pertains, and the above-described embodiments and accompanying It is not limited to the drawing.
상기와 같은 본 발명은, 한 쌍으로 제작되는 광검출소자쌍(twin PD)과 파장에 따라 변화하는 간섭무늬 신호를 이 광검출소자쌍(twin PD)에 제공하기 위한 회절격자로 구성되는 한 종류의 간단한 파장안정화기를 제작하여 사용하므로써, 입사각도를 조절하면 모든 파장에 대한 안정화를 실시할 수 있어 매우 경제적일 뿐만 아니라, 소자의 크기도 작게 할 수 있어 간단하고 소형 저가이며, 대량생산이 가능한 파장안정화기가 내장된 광원모듈을 제작할 수 있는 우수한 효과가 있다.As described above, the present invention is a simple type consisting of a pair of photodetector pairs (twin PD) fabricated as a pair and a diffraction grating for providing a pair of interference fringe signals depending on the wavelength to the photodetector pairs (twin PD). By manufacturing and using the wavelength stabilizer, by adjusting the angle of incidence, stabilization of all wavelengths is possible, and it is very economical as well as the size of the device can be made small. There is an excellent effect to manufacture a built-in light source module.
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KR100675746B1 (en) * | 2004-11-16 | 2007-02-02 | 인하대학교 산학협력단 | Wavelength stabilizer having cube beam splitter and method for driving thereof |
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1999
- 1999-08-30 KR KR1019990036332A patent/KR100331684B1/en not_active IP Right Cessation
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KR100675746B1 (en) * | 2004-11-16 | 2007-02-02 | 인하대학교 산학협력단 | Wavelength stabilizer having cube beam splitter and method for driving thereof |
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