KR20030031206A - 모니터링 장치를 구비한 반도체 광증폭기 모듈 - Google Patents

모니터링 장치를 구비한 반도체 광증폭기 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따라 제1 광섬유 및 제2 광섬유의 통로를 형성하기 위하여 대향된 양측벽에 윈도우가 각각 형성된 하우징과, 상기 하우징 내에 고정되며 입력된 광신호를 증폭하여 출력하는 반도체 광증폭기와, 상기 제1 광섬유를 지지하는 제1 지지부와, 상기 제2 광섬유를 지지하는 제2 지지부를 구비한 모니터링 장치를 구비한 반도체 광증폭기 모듈은, 상기 제1 광섬유의 선단면에서 발생하는 비커플링된 광을 검출하도록 정렬된 제1 광검출부를 포함한다.

Description

모니터링 장치를 구비한 반도체 광증폭기 모듈{SEMICONDUCTOR OPTICAL AMPLIFIER WITH MONITORING DEVICE}
본 발명은 광통신 소자에 관한 것으로서, 특히 반도체 광증폭기 모듈에 관한 것이다.
통상적으로 광통신에 이용되는 광증폭기로서는 광섬유 증폭기와 반도체 광증폭기(semiconductor optical amplifier, SOA)를 들 수 있다. 광섬유 증폭기의 일예로 어븀(Erbium) 원소가 첨가된 광섬유를 펌핑하고, 상기 여기된 어븀 원소의 유도 방출을 이용하여 입력된 광신호를 증폭하는 어븀첨가 광섬유 증폭기를 들 수 있다. 통상적으로 반도체 광증폭기는 반도체 기판 상에 광증폭을 위하여 다중(또는 단일) 양자 우물(quantum well) 구조를 갖는 활성층(active layer), 입력된 광신호의 전파 매체가 되는 도파로층, 상기 도파로층을 둘러싸서 입력된 광신호를 가두는 기능을 하는 클래드층(clad layer), 상부 전극층, 하부 전극층 등을 적층하여 구성된다. 또한, 상기 반도체 광증폭기의 이득은 상기 상부 전극층에 인가되는 전류의 레벨을 조절함으로써 원하는 설정될 수 있다.
한편, 이러한 반도체 광증폭기에 있어서 입력되는 광신호 파워와 그로부터 출력되는 광신호 파워의 비, 즉 광증폭비를 일정하게 유지하는 것이 중요하다. 즉, 상기 반도체 광증폭기의 광증폭비가 기설정된 값을 초과하는 경우에는 상기 반도체 광증폭기와 연결된 타 광학 소자의 동작에 악영향을 미칠 수 있으며, 상기 반도체 광증폭기의 광증폭비가 기설정된 값보다 작은 경우에는 출력된 광신호의 신호대 잡음비와 같은 특성이 악화될 수 있다.
도 1은 종래에 따른 반도체 광증폭기의 모니터링 장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 1에는 반도체 증폭기(110)와, 빔 스플리터(beam splitter, 120)와, 광검출부(130)와, 아날로그/디지털 변환부(analog/digital converter, ADC, 140)와, 바이어스 회로(bias circuit, 150)와, 디지털/아날로그 변환부(digital/analog converter, DAC, 160)와, 제어부(170)가 도시되어 있다.
상기 반도체 광증폭기(110)는 입력된 광신호를 소정 광증폭비로 증폭하여 출력하며, 상기 빔 스플리터(120)는 상기 반도체 광증폭기(110)로부터 출력된 광신호의 전체 파워에서 x %의 파워에 해당하는 일부 광신호(이하, 광신호 샘플이라고 칭함)를 분기하여 상기 광검출부(130)로 출력하고, (100-x) %의 파워에 해당하는 나머지 광신호를 그대로 통과시킨다.
상기 광검출부(130)는 상기 빔 스플리터(120)로부터 입력된 광신호 샘플을 전기 신호로 변환하여 출력한다.
상기 아날로그/디지털 변환부(140)는 상기 광검출부(130)로부터 입력된 전기 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 제어부(170)로 출력한다.
상기 제어부(170)는 상기 전기 신호의 파워로부터 상기 반도체 광증폭기(110)로부터 출력되는 증폭된 광신호의 파워를 파악한다. 즉, 상기 제어부(170)는 기설정된 파워와 상기 증폭된 광신호의 파워와의 차를 파악하며, 상기 반도체 광증폭기(110)가 기설정된 광증폭비를 나타내도록 상기 반도체 광증폭기(110)에 인가되는 전류의 레벨을 조절한다. 따라서, 상기 제어부(170)는 변경된 전류 레벨을 나타내는 제어 신호를 출력하며, 상기 디지털/아날로그 변환부(160)는 상기 제어 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 바이어스 회로(150)로 출력한다.
상기 바이어스 회로(150)가 상기 제어 신호에 따른 전류를 상기 반도체 광증폭기(110)에 인가함에 따라서, 상기 반도체 광증폭기(110)의 이득이 인가된 전류에 따라 변경되며, 이러한 이득 변화는 상기 반도체 광증폭기(110)의 광증폭비 변화를 야기한다. 따라서, 상기 제어부(170)는 상기 반도체 광증폭기(110)로부터 출력되는광신호의 파워를 모니터링하면서 상기 반도체 광증폭기의 광증폭비(110)가 기설정된 값을 갖도록 제어할 수 있다.
그러나, 도 1에 도시된 바와 같은 반도체 광증폭기(110)의 모니터링 장치는 출력 광신호의 파워를 모니터링하기 위하여 고가의 빔 스플리터(120)를 구비해야 하므로 제작비가 높다는 문제점이 있다. 또한, 정확한 측정을 위해서는 반도체 광증폭기(110), 빔 스플리터(120) 및 광검출부(130)의 정렬이 정밀하게 이루어져야 하므로, 이를 위한 정렬 장치들(미도시)을 추가로 구비해야된다는 문제점이 있다. 더욱이, 출력 광신호의 일부를 분기함에 따라서 상기 반도체 광증폭기(110)의 최대 출력 파워가 저하된다는 문제점이 있다.
상술한 문제점들로 인하여, 반도체 광증폭기와 모니터링 장치를 하우징 내에 실장한 반도체 광증폭기 모듈을 구성함에 있어서, 그 제작 비용이 높다는 문제점과, 빔 스플리터, 정렬 장치 등을 실장함에 따라 집적도가 저하된다는 문제점과, 출력 광신호의 일부를 분기함에 따라서 최대 출력 파워가 저하된다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 그 제작 비용이 저렴하고, 높은 집적도를 가지며, 최대 출력 파워를 향상시킬 수 있는 모니터링 장치를 구비한 반도체 광증폭기 모듈을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라 제1 광섬유 및 제2 광섬유의 통로를 형성하기 위하여 대향된 양측벽에 윈도우가 각각 형성된 하우징과, 상기 하우징 내에 고정되며 입력된 광신호를 증폭하여 출력하는 반도체 광증폭기와, 상기 제1 광섬유를 지지하는 제1 지지부와, 상기 제2 광섬유를 지지하는 제2 지지부를 구비한 모니터링 장치를 구비한 반도체 광증폭기 모듈은,
상기 제1 광섬유의 선단면에서 발생하는 비커플링된 광을 검출하도록 정렬된 제1 광검출부를 포함한다.
도 1은 종래에 따른 반도체 광증폭기의 모니터링 장치를 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모니터링 장치를 구비한 반도체 광증폭기 모듈을 개략적으로 나타낸 단면도,
도 3은 도 2에 도시된 반도체 광증폭기 모듈의 모니터링 과정을 설명하기 위한 개략도.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 모듈 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모니터링 장치를 구비한 반도체 광증폭기 모듈을 개략적으로 나타낸 단면도이다. 상기 반도체 광증폭기 모듈(200)은 박스형의 하우징(housing, 210)과, 열전냉각소자(260)와, 기판(270)과, 서브 마운트(submount, 280)와, 반도체 광증폭기(290)와, 제1 지지부(300 및 310)와, 제2 지지부(320 및 330)와, 제1 및 제2 광검출부(340 및 350)를 포함하여 구성된다.
상기 하우징(210)은 20 ㎜×7㎜×7㎜ 정도의 크기를 가지며 외부로부터의 전류 인가 및 외부와의 신호 송수신을 위하여 다수의 전극(미도시)을 구비한다. 광신호의 입력을 위한 제1 광섬유(230)의 통로를 형성하기 위하여 일 측벽 상에 제1 윈도우(window, 220)가 형성되며, 증폭된 광신호의 출력을 위한 제2 광섬유(250)의 통로를 형성하기 위하여 상기 일 측벽과 대향된 타 측벽 상에 제2 윈도우(240)가 형성된다. 이 때, 상기 제1 및 제2 윈도우(220 및 240)는 각각 3 ㎜ 정도의 직경을 가지며, 상기 제1 및 제2 광섬유(230 및 250)로는 그 단부가 'V'자 형태로 테이퍼진 단일모드 광섬유(tapered single mode fiber)를 사용할 수 있다.
상기 열전냉각소자(270)는 20 ㎜×7㎜×7㎜ 정도의 크기를 가지며, 상기 하우징(210)의 바닥면에 고정된다. 상기 열전냉각소자(270)는 외부로부터 인가된 전류에 의해 동작하며, 상기 반도체 광증폭기(290)의 온도를 일정하게 유지하는 기능을 수행한다.
상기 기판(270)은 130℃의 녹는점을 갖는 InAg 재질의 결합 물질을 이용하여 상기 열전냉각소자(260)의 상면에 고정되며, 상기 기판(270)은 레이저 용접을 용이하게 수행할 수 있도록 코바(Kovar) 재질일 수 있다.
상기 서브 마운트(280)는 280℃의 녹는점을 갖는 AuSn 재질의 결합 물질을 이용하여 상기 기판(270)의 상면에 고정되고, 상기 서브 마운트(280)는 상기 제1 윈도우(220)와 제2 윈도우(240)를 잇는 가상의 직선을 따라 정렬된다.
상기 반도체 광증폭기(290)는 280℃의 녹는점을 갖는 AuSn 재질의 결합 물질을 이용하여 상기 서브 마운트(280)의 상면에 고정되고, 제1 단면을 통해 입력된 광신호를 증폭하여 제2 단면을 통해 출력한다. 또한, 상기 반도체 광증폭기(290)는 양방향 광소자로서 제2 단면을 통해 입력된 광신호를 증폭하여 제1 단면을 통해 출력할 수 있다. 상기 반도체 광증폭기(290)는 1 ㎜ 정도의 크기를 갖는 반도체 기판(미도시) 상에 광증폭을 위한 다중 양자 우물 구조의 활성층(미도시), 입력된 광신호의 전파 매체가 되는 도파로층(미도시), 상기 도파로층을 둘러싸서 입력된 광신호를 가두는 기능을 하는 클래드층(미도시), 외부 전류 인가를 위한 상부 전극층(미도시) 및 하부 전극층(미도시)을 적층하여 구성된다. 또한, 상기 반도체 광증폭기(290)의 이득은 외부로부터 상기 상부 전극층에 인가되는 전류의 레벨을 조절함으로써 원하는 값으로 설정될 수 있다.
상기 제1 지지부(300 및 310)는 제1 페룰(ferrule, 310) 및 제1 서브 모듈(submodule, 300)로 구성되며, 상기 기판(270)의 상면에 고정된다.
상기 제1 서브 모듈(300)은 상기 기판(270)의 것과 동일한 재질로 형성되며, 상기 반도체 광증폭기(290)의 제1 단면과 상기 제1 윈도우(220)를 잇는 가상의 직선을 따라 정렬된다.
상기 제1 페룰(310)은 2.7㎜ 정도의 직경을 가지며 레이저 용접에 의해 상기 제1 서브 모듈(300)을 관통하여 고정되고, 상기 제1 페룰(310)이 구비하는 원통형의 홀(미도시)에는 상기 제1 광섬유(230)가 삽입되며, 상기 제1 광섬유(230)의 선단면은 상기 반도체 광증폭기(290)의 제1 단면과 대향되게 위치한다.
상기 제1 광검출부(340)는 상기 서브 마운트(280)와 제1 서브 모듈(300) 사이에 위치하도록 상기 기판(270)의 상면에 고정되고, 상기 제1 광섬유(230)의 선단면에서 발생하는 비커플링된(not coupled) 광을 검출하도록 상기 서브 마운트(280)의 제1 단면과 상기 제1 광섬유(230)의 선단면을 잇는 가상의 직선을 따라 정렬된다. 상기 제1 광검출부(340)로는 포토다이오드 칩(photodiode chip)을 사용할 수 있으며, 280℃의 녹는점을 갖는 AuSn 재질의 결합 물질을 이용하여 상기 기판(270)의 상면에 고정된다. 상기 제1 광검출부(340)는 상기 반도체 광증폭기(290)에 의해 증폭된 후 상기 반도체 광증폭기(290)의 제1 단면을 통해 출력된 광신호가 상기 제1 광섬유(230)의 선단면에 입사하면서 발생하게 되는 산란광, 반사광과 같은 비커플링된 광을 검출하며, 상기 비커플링된 광의 파워를 나타내는 제1 전기 신호를 출력한다.
상기 제2 지지부(320 및 330)는 제2 페룰(330) 및 제2 서브 모듈(320)로 구성되며, 상기 기판(270)의 상면에 고정된다.
상기 제2 서브 모듈(320)은 상기 기판(270)의 것과 동일한 재질로 형성되며, 상기 반도체 광증폭기(290)의 제2 단면과 상기 제2 윈도우(240)를 잇는 가상의 직선을 따라 정렬된다.
상기 제2 페룰(330)은 2.7㎜ 정도의 직경을 가지며 레이저 용접에 의해 상기 제2 서브 모듈(320)을 관통하여 고정되고, 상기 제2 페룰(320)이 구비하는 원통형의 홀(미도시)에는 상기 제2 광섬유(250)가 삽입되며, 상기 제2 광섬유(250)의 선단면은 상기 반도체 광증폭기(290)의 제2 단면과 대향되게 위치한다.
상기 제2 광검출부(350)는 상기 서브 마운트(280)와 제2 서브 모듈(320) 사이에 위치하도록 상기 기판(270)의 상면에 고정되고, 상기 제2 광섬유(250)의 선단면에서 발생하는 비커플링된 광을 검출하도록 상기 서브 마운트(280)의 제2 단면과 상기 제2 광섬유(250)의 선단면을 잇는 가상의 직선을 따라 정렬된다. 상기 제2 광검출부(350)로는 포토다이오드 칩을 사용할 수 있으며, 280℃의 녹는점을 갖는 AuSn 재질의 결합 물질을 이용하여 상기 기판(270)의 상면에 고정된다. 상기 제2 광검출부(350)는 상기 반도체 광증폭기(290)에 의해 증폭된 후 상기 반도체 광증폭기(290)의 제2 단면을 통해 출력된 광신호가 상기 제2 광섬유(250)의 선단면에 입사하면서 발생하게 되는 산란광, 반사광과 같은 비커플링된 광을 검출하며, 상기 비커플링된 광의 파워를 나타내는 제2 전기 신호를 출력한다.
도 3은 도 2에 도시된 반도체 광증폭기 모듈(200)의 모니터링 과정을 설명하기 위한 개략도이다. 도 3에는 반도체 광증폭기 모듈(200)과, 제1 및 제2 아날로그/디지털 변환부(440 및 470)와, 디지털 아날로그 변환부(510)와, 바이어스 회로(530)와, 제어부(490)가 도시되어 있다. 상기 반도체 광증폭기 모듈(200)은 양방향 광소자로서, 제1 광섬유(230)를 통해 상기 반도체 광증폭기 모듈(200)에 입력 및 증폭된 후 상기 제2 광섬유(250)를 통해 출력되는 순방향 광신호(410)와 제2 광섬유(250)를 통해 상기 반도체 광증폭기 모듈(200)에 입력 및 증폭된 후 상기 제1 광섬유(230)를 통해 출력되는 역방향 광신호(420)에 대해 동작 가능하도록 구성되어 있다. 이는 선택적인 사항으로서, 상기 반도체 광증폭기 모듈(200)이 일방향, 즉 순방향 또는 역방향 광신호(410 또는 420)에 대해서만 동작 가능하도록 제2 광검출부(350) 또는 제1 광검출부(340)만을 구비하도록 구성할 수도 있다. 이하, 먼저 상기 반도체 광증폭기 모듈(200)에 입력되는 순방향 광신호(410)에 대하여 기술하기로 한다.
상기 반도체 광증폭기 모듈(200)은 상기 제1 광섬유(230)를 통해 입력되는순방향 광신호(410)에 대하여 비커플링된 광의 파워를 나타내는 제2 전기 신호(460)를 출력한다.
상기 제2 아날로그/디지털 변환부(470)는 상기 반도체 광증폭기 모듈(200)로부터 입력된 제2 전기 신호(460)를 제2 디지털 신호(480)로 변환하여 상기 제어부(490)로 출력한다.
상기 제어부(490)는 상기 제2 디지털 신호(480)로부터 상기 반도체 광증폭기 모듈(200)로부터 출력되는 증폭된 순방향 광신호(410)의 파워를 파악한다. 상기 제어부(490)는 기설정된 파워와 상기 증폭된 순방향 광신호(410) 파워와의 차를 파악하며, 상기 반도체 광증폭기 모듈(200)이 기설정된 광증폭비를 나타내도록 상기 반도체 광증폭기 모듈(200)에 인가되는 전류의 레벨을 조절한다. 즉, 상기 제어부(490)는 변경된 전류 레벨을 나타내는 제어 신호(500)를 출력한다.
상기 디지털/아날로그 변환부(510)는 상기 제어 신호(500)를 아날로그 신호(520)로 변환하여 상기 바이어스 회로(530)로 출력하며, 상기 바이어스 회로는 상기 아날로그 신호(520)에 따른 전류를 상기 반도체 광증폭기 모듈(200)에 인가함에 따라서 상기 반도체 광증폭기 모듈(200)의 광증폭비를 변화시킨다. 결과적으로, 상기 제어부(490)는 상기 반도체 광증폭기 모듈(200)의 광증폭비를 모니터링하면서 상기 순방향 광신호(410)에 대한 광증폭비가 기설정된 값을 갖도록 제어한다.
다음으로, 상기 반도체 광증폭기 모듈(200)에 입력되는 역방향 광신호(420)에 대하여 기술하면 하기하는 바와 같다.
상기 반도체 광증폭기 모듈(200)은 상기 제2 광섬유(250)를 통해 입력되는역방향 광신호(420)에 대하여 비커플링된 광의 파워를 나타내는 제1 전기 신호(430)를 출력한다.
상기 제1 아날로그/디지털 변환부(440)는 상기 반도체 광증폭기 모듈(200)로부터 입력된 제1 전기 신호(430)를 제1 디지털 신호(450)로 변환하여 상기 제어부(490)로 출력한다.
상기 제어부(490)는 상기 제1 디지털 신호(450)로부터 상기 반도체 광증폭기 모듈(200)로부터 출력되는 증폭된 역방향 광신호(420)의 파워를 파악한다. 상기 제어부(490)는 기설정된 파워와 상기 증폭된 역방향 광신호(420) 파워와의 차를 파악하며, 상기 반도체 광증폭기 모듈(200)이 기설정된 광증폭비를 나타내도록 상기 반도체 광증폭기 모듈(200)에 인가되는 전류의 레벨을 조절한다. 즉, 상기 제어부(490)는 변경된 전류 레벨을 나타내는 제어 신호(500)를 출력한다.
상기 디지털/아날로그 변환부(510)는 상기 제어 신호(500)를 아날로그 신호(520)로 변환하여 상기 바이어스 회로(530)로 출력하며, 상기 바이어스 회로(530)는 상기 제어 신호에 따른 전류를 상기 반도체 광증폭기 모듈(200)에 인가함에 따라서 상기 반도체 광증폭기 모듈(200)의 광증폭비를 변화시킨다. 결과적으로, 상기 제어부(490)는 상기 반도체 광증폭기 모듈(200)의 광증폭비를 모니터링하면서 상기 역방향 광신호(420)에 대한 광증폭비가 기설정된 값을 갖도록 제어한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 모니터링 장치를 구비한 반도체 광증폭기 모듈은 포토다이오드 칩을 이용하여 제1 광섬유 또는 제2 광섬유의 선단면에서 발생하는 비커플링된 광의 파워를 검출하며, 상기 비커플링된 광의 파워가 나타내는 증폭된 순방향 또는 역방향 광신호의 파워를 파악한다. 이에 따라서, 본 발명에 따른 모니터링 장치를 구비한 반도체 광증폭기 모듈은 고가의 빔 스플리터를 필요로 하지 않으며, 모니터링 장치의 정밀한 정렬도 필요로 하지 않고, 모니터링 과정이 출력 광신호에 영향을 미치지 않으므로 그 제작 비용이 저렴하고, 높은 집적도를 가지며, 최대 출력 파워를 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.

Claims (4)

  1. 제1 광섬유 및 제2 광섬유의 통로를 형성하기 위하여 대향된 양측벽에 윈도우가 각각 형성된 하우징과, 상기 하우징 내에 고정되며 입력된 광신호를 증폭하여 출력하는 반도체 광증폭기와, 상기 제1 광섬유를 지지하는 제1 지지부와, 상기 제2 광섬유를 지지하는 제2 지지부를 구비한 반도체 광증폭기 모듈에 있어서,
    상기 제1 광섬유의 선단면에서 발생하는 비커플링된 광을 검출하도록 정렬된 제1 광검출부를 포함함을 특징으로 하는 모니터링 장치를 구비한 반도체 광증폭기 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반도체 광증폭기 모듈은
    상기 하우징의 바닥면에 고정된 기판과;
    상기 기판의 상면에 고정된 서브 마운트를 더 구비하고,
    상기 반도체 광증폭기는 상기 서브 마운트의 상면에 고정되며 제1 단면을 통해 입력된 광신호를 증폭하여 제2 단면을 통해 출력함을 특징으로 하는 모니터링 장치를 구비한 반도체 광증폭기 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 지지부는 상기 기판의 상면에 고정되며 상기 제1 광섬유의 선단면이 상기 반도체 광증폭기의 제1 단면과 대향되도록 상기 제1 광섬유를 지지하고,
    상기 제1 광검출부는 상기 기판의 상면에 고정되며 상기 제1 광섬유의 선단면에서 발생하는 비커플링된 광을 검출하도록 상기 서브 마운트와 제1 지지부 사이에 정렬됨을 특징으로 하는 모니터링 장치를 구비한 반도체 광증폭기 모듈.
  4. 제2항에 있어서, 상기 반도체 광증폭기 모듈은
    상기 기판의 상면에 고정되며 상기 제2 광섬유의 선단면에서 발생하는 비커플링된 광을 검출하도록 상기 서브 마운트와 제2 지지부 사이에 정렬된 제2 광검출부를 더 구비하고,
    상기 제2 지지부는 상기 기판의 상면에 고정되며 상기 제2 광섬유의 선단면이 상기 반도체 광증폭기의 제2 단면과 대향되도록 상기 제2 광섬유를 지지함을 특징으로 하는 모니터링 장치를 구비한 반도체 광증폭기 모듈.
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