KR20030023301A - 다중모드 광도파로에서의 모드 필터링 및 선택 방법과그를 이용한 광도파로 증폭기, 반도체 레이저, ｖｃｓｅｌ - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중모드 광도파로에서의 모드 필터링 및 선택 방법과 그를 이용한 광도파로 증폭기, 반도체 레이저, VCSEL에 관한 것으로서, 더 상세하게는 광도파로의 클래드 부분에 주기적인 굴절률 변화를 줌으로써 얻을 수 있는 필터링 또는 선택효과에 의해 단면 방향에 대하여 단일모드만이 도파될 수 있도록 하고, 이를 EDF, 반도체 레이저, VCSEL 등의 광소자에 적용하는 것에 관한 것이다.

본 발명의 모드 필터링 방법은, 코어와 클래드로 이루어진 다중모드 광도파로의 클래드 부분을 주기적인 굴절률 구조를 갖도록 하여 어느 특정 모드의 단면 방향 파장에 대해서만 반사율을 크게 하고 그외 다른 모드에 대해서는 반사율을 작게 함으로써 다중모드의 어느 특정한 모드만이 도파로를 따라서 투과됨을 특징으로 한다.

상기 발명에 의하면, 주기적인 굴절률에 의한 필터링 또는 선택효과를 EDF, 반도체 레이저 그리고 VCSEL등에 적용하면 종래의 제품보다 단면적이 매우 크면서도 단일모드로 작동하는 성능이 월등히 높은 고출력(high power) 단일모드 증폭기, 레이저 등을 만들 수 있다.

Description

다중모드 광도파로에서의 모드 필터링 및 선택 방법과 그를 이용한 광도파로 증폭기, 반도체 레이저, ＶＣＳＥＬ {Methods and applications for filtering, selecting a mode in a multi-mode waveguide}

본 발명은 다중모드 광도파로에서의 모드 필터링 및 선택 방법과 그를 이용한 광도파로 증폭기, 반도체 레이저, VCSEL에 관한 것으로서, 더 상세하게는 광도파로의 클래드 부분에 주기적인 굴절률 변화를 줌으로써 얻을 수 있는 필터링 또는 선택효과에 의해 단면 방향에 대하여 단일모드만이 도파될 수 있도록 하고, 이를 EDF, 반도체 레이저, VCSEL 등의 광소자에 적용하는 것에 관한 것이다.

최근 들어 실리카 유리에 공기 구멍(air hole)들이 주기적인 구조를 갖고 클래드를 형성하는 광자 결정 광섬유(photonic crystal fiber)의 제작 방법 및 그 광 투과 특성에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

이러한 광자 결정 광섬유에서는 일반 광섬유의 투과 특성과 상반되거나 설명되기 어려운 놀라운 효과를 갖는 것으로 알려져 있다.

이 효과를 설명하기 위해 크게 두 가지 논리가 도입되어 왔다.

첫째는 광자 밴드갭(photonic bandgap) 효과에 의한 해석이고, 둘째는 굴절률 구조에 대한 전자기파 방정식인 헬름홀츠 방정식(Helmholtz equation)을 풀어서이에 대한 유효 굴절률(Effective Refractive Index)을 계산을 하는 해석 방법이다.

첫째, 광자 밴드갭(photonic bandgap) 효과에 의한 해석은 클래드의 구멍들이 결정구조로 배열되어 있음으로 해서 브라그(bragg)조건을 만족하는 전파 상수(propagation vector)에 대해서 비투과 영역인 밴드갭이 형성된다는 설명이다.

둘째, 유효 굴절률에 의한 방법은 수치적 해석이 가능하므로 여러 사람들에 의해 보고되고 있다.

그 설명에 의하면, 그 광섬유는 클래드를 형성하고 있는 여러 구멍들이 평균적으로 클래드의 굴절률을 실리카 굴절률 값 보다 작은 값으로 낮추는 효과를 갖고 있다.

따라서 입사된 빛은 구멍이 없는 코어가 상대적으로 굴절률이 높게 느끼기 때문에 도파될 수 있다는 주장이다.

본 발명은 상기한 유효 굴절률 이론과 광자 밴드갭 이론을 조합하여, 도파가 가능한 여러 가지 다중모드 중에서 클래드의 주기적인 구조에 의해서 형성되는 브라그(bragg)조건을 만족하는 단면 방향 전파 상수(transverse propagation vector)를 갖는 단일모드만이 존재할 수 있다는 유효 굴절률 이론에 의거, 이러한 모드의 필터링 또는 선택효과(selection rule)에 의해 일반적으로 다중모드 도파로라고 생각되어지는 도파로에서 클래드 부분에 주기적인 굴절률 구조를 형성함으로써 어느 특정한 모드만을 선택할 수 있고, 이러한 광자 격자 형태의 클래드 구조에 의한 모드 필터링 효과를 이용해서 특수 광도파로와 광섬유 그리고 그를 이용한 광소자에 여러 가지 중요한 특성을 갖도록 하게 하는 다중모드 광도파로에서의 모드 필터링 및 선택 방법과 그를 이용한 광도파로 증폭기, 반도체 레이저, VCSEL을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 코어와 클래드로 이루어진 다중모드 광도파로의 클래드 부분을 주기적인 굴절률 구조를 갖도록 하여 어느 특정 모드의 단면 방향 파장에 대해서만 반사율을 크게 하고 그외 다른 모드에 대해서는 반사율을 작게 함으로써 다중모드의 어느 특정한 모드만이 도파로를 따라서 투과됨을 특징으로 하는 다중모드 광도파로에서의 모드 필터링 방법을 제공하고자 한다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 코어와 클래드로 이루어진 다중모드 광도파로의 횡단면에 대해서 주기적인 굴절률 변화를 주어서 다중모드의 어느 특정한 모드만이 도파로를 따라서 투과되도록 하여 원하는 모드를 선택하고 원하지 않는 모드를 제거함을 특징으로 하는 다중모드 광도파로에서의 모드 선택 방법을 제공하고자 한다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 코어와 클래드로 이루어진 다중모드 광도파로의 코어 크기를 크게 하고 클래드의 굴절률 구조로 인한 클래드의 반사율이 단일모드에 대해서만 높은 반사율이 되도록 한 광도파로 증폭기, 반도체 레이저, VCSEL을 제공하고자 한다.

도 1은 1차원 상에서 유효굴절률 효과에 의해 도파될 수 있는 스텝인텍스 광도파로의 다중모드를 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 다중모드들 중 기저모드(fundamental mode)을 표시한 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 다중모드들 중 제1 여기모드(excited mode)를 표시한 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 수직방향의 파장에 대한 주기적인 굴절률 구조의 반사율을 표시한 도면이다.

도 5는 본 발명의 제1응용예로서 EDF에 적용한 도면이다.

도 6은 본 발명의 제2응용예로서 반도체 레이저에 적용한 도면이다.

도 7은 본 발명의 제3응용예로서 VCSEL에 적용한 도면이다.

도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예로서 주기적인 굴절률의 변화를 주는 예시도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 다중모드12 : 기저모드

14 : 제1여기모드16 : 주기적인 굴절률 구조

20 : Er 첨가코어22 : 주기적인 굴절률 변화

30 : 코어32 : 클래드

이하 본 발명을 첨부된 도면을 참고로 하여 설명하면 다음과 같다.

먼저 본 발명의 기본적인 구성을 살펴보면, 코어와 클래드로 이루어진 다중모드 광도파로의 클래드 부분을 주기적인 굴절률 구조를 갖도록 하여 어느 특정 모드의 단면 방향 파장에 대해서만 반사율을 크게 하고 그외 다른 모드에 대해서는 반사율을 작게 함으로써 다중모드의 어느 특정한 모드만이 도파로를 따라서 투과됨을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 코어와 클래드로 이루어진 다중모드 광도파로의 횡단면에 대해서 주기적인 굴절률 변화를 주어서 다중모드의 어느 특정한 모드만이 도파로를 따라서 투과되도록 하여 원하는 모드를 선택하고 원하지 않는 모드를 제거함을 특징으로 한다.

도 1은 1차원 상에서 유효귤절률 효과(effective index effect)에 의해 도파될 수 있는 스텝인덱스 광도파로의 다중모드(10)을 도식화한 것이다.

도 2는 본 발명에 의해 1차원 상에서 유효굴절률 이론에 의해 도파될 수 있는 다중 모드 중 필터링 또는 선택효과에 의한 단일모드 도파를 설명한 것이다.

즉, 1차원 상에서 클래드 부분을 주기적인 굴절률 구조(16)를 갖도록 형성함으로써 유효굴절률 효과에 의해서 도파될 수 있는 다중모드들 중 유효굴절률(effective refractive index)이 가장 높은 기저모드((12),fundamental mode)를 나타낸 도면이다.

일반적으로 광자 격자 형태의 굴절률 구조를 갖는 광도파로에 대한 전자기파 방정식인 헬름홀츠 방정식(Helmholtz equation)을 풀면 여러 가지 다중모드(10)에 해당하는 유효굴절률(Effective Refractive Index)의 해답을 얻을 수 있다.

이들 해답에 대한 단면 방향 전파 상수(transverse propagation vector)는 수학식 1을 사용하여 구할 수 있다.

여기서 n_eff는 광도파로 모드의 유효굴절률이다.

상기 단면 방향 전파 상수와 단면 방향 파장(Transverse wavelength)은 수학식 2로 연관된다.

상기 단면 방향 파장은 기저모드(12)가 가장 길고 고차모드(higher order mode)로 갈수록 점차 짧아진다.

도 2에 나타난 것과 같이 코어의 지름을 크게 한 14 마이크로미터이고 10 마이크로미터를 주기로 하여 3 마이크로미터의 공기층과 7 마이크로미터의 실리카가 주기적으로 반복되게 형성된 클래드로 구성된, 즉 주기적인 굴절률 구조(16)를 갖는 광자 격자 구조의 1차원 광도파로의 모드들을 계산하여 굴절률의 크기가 큰 순서대로 나열하면 표 1과 같다.

상기 수학식 2을 사용하여 이들 모드들에 해당하는 단면 방향 파장을 계산하면 기저상태인 기저모드((12),Fundamental mode)의 경우만이 29㎛ 근처이고 나머지는 모두 15㎛ 근처임을 알 수 있다.

도 3은 1차원 상에서 클래드 부분을 주기적인 굴절률 구조(16)를 갖도록 형성함으로써 유효굴절률 효과에 의해서 도파될 수 있는 다중모드들 중 유효굴절률이 두번째로 높은 첫번째로 여기된 모드, 제1여기모드((14),first excited mode)를 나타낸 도면이다.

도 4는 수직방향의 파장(transverse wavelength)에 따른 주기적인 굴절률 구조의 반사율을 나타낸 도면이다.

도 2 또는 도 3에 나와있는 주기적인 굴절률 구조(16)에 대해서 도파로의 코어부분에서 클래드 쪽으로 투과하는 파의 단면 방향 파장에 대한 반사율을 계산하면 도 4와 같다.

도 4에서, 25㎛에서 30㎛까지의 횡단 방향 파장에서만 반사율이 100% 가까이 되고 나머지 파장에 대해서는 반사율이 매우 작은 값을 가짐을 알 수 있다.

그러므로, 나머지 고차 모드(Higher order mode)에 대한 주기적인 굴절률 구조(16)를 갖는 클래드의 반사율이 매우 낮게 되어 클래드 쪽으로 빛이 새어나가게 된다.

따라서, 도 3과 같은 고차 모드는 클래드의 반사율이 낮아서 길이 방향으로 빛이 도파되지 못하고 클래드 부분으로 새어나가게 되지만 도 2의 기저모드(12)는 클래드의 반사율이 100% 가까이 되므로 도파로의 길이방향으로 빛이 도파할 수 있게 된다.

즉, 도 2는 광도파로 코어를 크게 한 다중모드 광도파로에서 클래드 부분이 주기적인 굴절률 구조(16)를 갖도록 하여 클래드의 반사율이 기저모드(12)에 대해서만 높은 반사율이 되도록하여 기저모드(12) 만이 투과하도록 한 것으로 단말모드의 모드 필드 크기를 크게 만들 수 있음을 보여준다.

이와 같이 광도파로의 클래드 부분을 광자 결정 구조로 대치하고 그 주기와굴절률 차이를 이용하면 다중모드 광도파로의 어느 특정한 모드만이 도파되도록 하는 광도파로를 제작할 수 있다.

이러한 원리는 반도체 레이저의 내부에 길이방향으로 주기적인 굴절률 구조(16)를 사용함으로써 길이 방향의 여러 다중모드(10) 중에서 한 개의 모드만이 공진하도록 필터링 해주는 DFB(Distributed FeedBack : 분포 궤환) 레이저나 DBR(Distributed Bragg Reflection) 레이저의 원리와 매우 비슷하지만, 길이방향의 모드가 아니라 도파로의 단면 방향으로의 모드를 필터링해 준다는 점이 다르다.

도 5는 주기적인 굴절률 변화에 의한 필터링 또는 선택효과의 EDF(Er-doped fiber) 응용에 관한 것이다.

EDF의 Er 첨가코어(20) 크기를 20-30㎛ 정도로 하고 주위에 주기적인 굴절률 변화(22)를 주어서 여러 가지 다중모드 중 기저모드(Fundamental mode)의 단면 방향 파장만이 반사율이 높게 하여 EDF안에 기저모드만이 도파되로록 한 것이다.

이렇게 하면 단일모드처럼 작동하면서도 EDF의 Er 첨가코어(20) 크기가 매우 커서 EDF 내의 빛의 밀도가 낮아질 수 있기 때문에 높은 출력의 증폭기에 사용될 수 있다.

도 6은 주기적인 굴절률 변화에 의한 필터링 또는 선택효과의 반도체 레이저 응용에 관한 것이다.

반도체 레이저에서는 레이저 이득 물질 내에서의 과다한 광 밀도가 레이저의 수명과 발광 특성에 많은 영향을 미친다.

일반적으로 레이저의 출력을 높이기 위해서는 반도체 레이저의 도파로의 단면적을 크게 하여야 하는데, 도파로의 단면적을 크게 하면 다중모드 도파로가 된다.

이때, 도파로의 클래드(32) 부분에 주기적인 층(layer)을 쌓아줘서 기저모드의 단면 방향 파장에 대해서만 반사율이 크도록 하면, 필터링 효과에 의해서 도파로의 단면적은 매우 크지만 단일모드로 작동하게 된다.

즉, 도 6은 빛이 통과하는 레이저 매체의 단면적 크기를 크게 하고 반도체 레이저 상하(上下)의 클래드(32) 부분에 주기적인 굴절귤 구조를 갖게 하여 모드 필드의 크기를 크게 한 것이다.

이를 이용하여 반도체 레이저 좌우(左右)의 클래드(32) 부분에 주기적인 굴절률 구조를 더 갖게 하여 모드 필드의 크기를 더 크게 할 수도 있다.

도 7은 주기적인 굴절률 변화에 의한 필터링 또는 선택효과를 VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)에 응용한 것이다.

VCSEL 주위에 주기적인 굴절률 변화를 주어서 표면에서 나오는 빛이 단일모드를 형성하게 하고, 빛이 나오는 부분의 면적도 필터링 또는 선택효과에 의해 수십㎛ 정도의 크기로 만들어서 높은 출력의 레이저가 되게 한다.

빛이 나오는 부분의 면적 즉, 레이저 발진영역을 수십㎛ 정도의 크기로 크게 만들어서 종래의 VCSEL 보다 높은 출력의 레이저가 되게 하였지만 VCSEL 주위에 주기적인 굴절률 변화인 주기적인 에어홀을 형성함으로써 다중모드 중 기저모드만이 공진되도록 한다.

도 8a는 주기적인 굴절률의 변화를 링 형태로 주는 것에 대한 것으로, 도파로 코어(30) 외측의 클래드 부분(32)을 굴절률이 서로 다른 물질을 이용해서 링의 형태로 배치하여 주기적인 굴절률 변화를 주는 방법을 나타내는 도면이다.

도 8b는 주기적인 굴절률의 변화를 사각 형태로 주는 것에 대한 것으로, 도파로 코어(30) 외측의 클래드 부분(32)을 굴절률이 서로 다른 물질을 이용해서 사각형의 형태로 주기적인 굴절률 변화를 주는 방법을 나타내는 도면이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면 광도파로의 클래드 부분에 주기적인 굴절률 변화를 줌으로써 얻을 수 있는 필터링 또는 선택효과(selection rule)에 의해 단면 방향에 대하여 단일모드만이 도파될 수 있다.

또한, 이러한 주기적인 굴절률에 의한 필터링 또는 선택효과를 EDF, 반도체 레이저 그리고 VCSEL등에 적용하면 종래의 제품보다 단면적이 매우 크면서도 단일모드로 작동하는 성능이 월등히 높은 고출력(high power) 단일모드 증폭기, 레이저 등을 만들 수 있다.

Claims (9)

1. 코어와 클래드로 이루어진 다중모드 광도파로의 클래드 부분을 주기적인 굴절률 구조를 갖도록 하여 어느 특정 모드의 단면 방향 파장에 대해서만 반사율을 크게 하고 그외 다른 모드에 대해서는 반사율을 작게 함으로써 다중모드의 어느 특정한 모드만이 도파로를 따라서 투과됨을 특징으로 하는 다중모드 광도파로에서의 모드 필터링 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 코어의 크기를 크게 하고 주기적인 굴절률로 인한 클래드의 반사율이 기저모드에 대해서만 높은 반사율이 되도록 하여 기저모드만이 투과됨을 특징으로 하는 다중모드 광도파로에서의 모드 필터링 방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 클래드 부분을 굴절률이 서로 다른 물질을 이용해서 링 또는 사각형의 형태중 어느 하나의 형태로 배치하여 주기적인 굴절률 변화를 줌을 특징으로 하는 다중모드 광도파로에서의 모드 필터링 방법.
4. 코어와 클래드로 이루어진 다중모드 광도파로의 횡단면에 대해서 주기적인 굴절률 변화를 주어서 다중모드의 어느 특정한 모드만이 도파로를 따라서 투과되도록 하여 원하는 모드를 선택하고 원하지 않는 모드를 제거함을 특징으로 하는 다중모드 광도파로에서의 모드 선택 방법.
5. 코어와 클래드로 이루어진 다중모드 광도파로의 코어 크기를 크게 하고 클래드의 굴절률 구조로 인한 클래드의 반사율이 단일모드에 대해서만 높은 반사율이 되도록 하여, 단일모드만이 투과하도록 하는 단일모드이면서 모드 필드의 크기를 크게 한 것을 특징으로 하는 다중모드 광도파로에서의 모드 필터링을 이용한 광도파로 증폭기.
6. 코어와 클래드로 이루어진 다중모드 광도파로의 코어 크기를 크게 하고 클래드의 굴절률 구조로 인한 클래드의 반사율이 단일모드에 대해서만 높은 반사율이 되도록 하여, 단일모드만이 투과하도록 하는 단일모드이면서 모드 필드의 크기를 크게 하고 레이저 매체의 단면적을 크게 한 것을 특징으로 하는 다중모드 광도파로에서의 모드 필터링을 이용한 반도체 레이저.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 반도체 레이저의 상하 클래드 부분이 주기적인 굴절률 구조를 갖게 되어 모드 필드의 크기가 크게 형성됨을 특징으로 하는 다중모드 광도파로에서의 모드 필터링을 이용한 반도체 레이저.
8. 청구항 7에 있어서, 상기 반도체 레이저의 좌우 클래드 부분이 주기적인 굴절률 구조를 더 갖게 됨을 특징으로 하는 다중모드 광도파로에서의 모드 필터링을 이용한 반도체 레이저.
9. 코어와 클래드로 이루어진 다중모드 광도파로의 코어 크기를 크게 하고 클래드의 굴절률 구조로 인한 클래드의 반사율이 단일모드에 대해서만 높은 반사율이 되도록 하여, 단일모드만이 투과하도록 하는 단일모드이면서 레이저 매체의 단면적을 크게 한 것을 특징으로 하는 다중모드 광도파로에서의 모드 필터링을 이용한 VCSEL.