KR20050083799A

KR20050083799A - 파장 안정성을 제공하는 회절 격자를 구비하는 펌프레이저의 킹크 없는 동작

Info

Publication number: KR20050083799A
Application number: KR1020057006962A
Authority: KR
Inventors: 루돌프 카자리노브; 서지 프롤로브; 조셉프 쉬물로브치
Original assignee: 인플레인 포토닉스 인코퍼레이트
Priority date: 2002-10-22
Filing date: 2003-10-22
Publication date: 2005-08-26
Also published as: WO2004038873A2; US20040076208A1; JP2006504273A; WO2004038873A3; US6882666B2; CN1706080A; AU2003301606A1; AU2003301606A8; EP1570555A2; EP1570555A4

Abstract

반도체 레이저 소스는 전면(301)과 후면(302)을 가지는 레이저 다이오드(300)를 포함한다. 이 레이저 다이오드는, 기판과, 이 기판 상에 배치된 하부 클래딩 층(310)을 포함한다. 활성 층(330)은 상기 하부 클래딩 층 상에 배치되며, 상부 클래딩 층(320)은 상기 활성 층 상에 배치된다. 적어도 하나의 전극은 상기 다이오드의 제 1 외부 층 상에 배치된다. 한 쌍의 전극(321 및 322)은 상기 다이오드의 제 2 외부 층 상에 배치된다. 한 쌍의 전극은 이 한 쌍의 전극에 있는 각 전극에 다른 전류를 인가하도록 구성된다. 레이저 다이오드의 외부에 위치된 반사기(341)는 상기 활성 영역에 광 피드백을 제공하기 위해 상기 레이저 다이오드의 전면과 광학적으로 연결된다.

Description

파장 안정성을 제공하는 회절 격자를 구비하는 펌프 레이저의 킹크 없는 동작{KINK FREE OPERATION OF PUMP LASERS HAVING DIFFRACTION GRATING FOR PROVIDING WAVELENGTH STABILIZATION}

본 발명은, 광 섬유 응용에서 희토류로 도핑된 증폭기를 광 펌핑하기에 충분한 세기 및 파장의 제어와 안정성을 갖는 고 출력의 광 복사선을 제공하는 레이저 소스에 관한 것이다.

반도체 레이저 다이오드는 고속이고 큰 용량의 증가하는 통신 요구조건을 실현할 것으로 기대되는 종류의 광 증폭기 시스템을 위한 핵심적인 성분이다. 특히, 고밀도 파장 분할 다중(DWDM : dense wavelength division multiplexing) 동작에서 통신 채널의 밀도를 증가시키려면, 출력의 증가와 섬유 증폭기 이득의 평탄성에 대한 훨씬 더 엄격한 정도의 제어를 요구한다. 이것은 차례로 펌프 다이오드 레이저의 출력 용량, 파장 안정성 및 제어와 관련된 것이다. 이러한 상황에서, 다이오드 성능의 핵심적 요소는 그 전체 동작 범위에 걸쳐 주입되는 전류 입력(I)에 대해 출력 광의 세기(L)가 연속적으로 변동하는지에 있다.

초기 시기부터, 다이오드 레이저는 레이저 공동의 외부로부터의 반사에 의해 유도된 광 피드백(optical feedback)에 대해 영향을 매우 잘 받는 것으로 나타났다. 그러나, 외부 미러(mirror) 또는 회절 격자(gratings)를 사용하는 것에 의하여 제어되는 방식으로 다이오드 출력의 일부를 레이저 공동 내로 다시 연결하는 것과 같은 적절한 제어 하에서, 이러한 초기의 원치않는 특성이 오히려 유리하게 사용될 수 있는 것으로 곧 밝혀졌다. 전류의 변조와 피드백의 세기의 함수로서 가능한 동작 범위에 대해 완전히 설명하는 것은 매우 복잡한 일이지만, 약한 피드백 구조와 강한 피드백 구조 모두에서 외부 공동 레이저로 안정된 좁은 라인폭의 단일 모드 동작이 성공적으로 얻어졌다. 이들 두 부류 모두에서, 수 kHz만큼 낮은 레이저 라인폭과, 100kHz를 초과하는 연속하는 파장 동조(tunings)를 갖는 수 개의 디바이스 구성이 개발되었다. 그러나, 안정된 단일 모드 안정성을 갖는 이들 2개의 범위 사이에 있는 중간 세기의 피드백 구조에서, 다이오드 공동 필드(field)와 반사된 필드 사이에는 가간섭성(coherence)이 결여된 것으로 나타났다. 그 결과, 라인폭이 크게 넓어지고, 레이저는 문헌에서 '가간섭성 붕괴(coherence collapsed)' 상태라고 말하는 구조로 전이하게 된다.

제어된 피드백이 독립된 미러 또는 회절 격자에 의해 제공되는 경우, 일반적으로 이 광을 조작하고 도파시키는데 추가적인 광학 요소가 요구된다. 이점에서 반사 요소를 위해 출력 섬유 자체 내에 기록된 섬유 브래그 회절격자(FBG)를 사용하는 것에 의해 매우 간소하게 된다. 최대의 회절격자 반사율을 갖는 파장이 다이오드 대역폭의 피크(peak) 가까이 놓이도록 선택된다면, 브래그 회절격자는 다이오드 공동(diode cavity)의 출력을 이 회절격자의 브래그 파장으로 고정시킨다. 이 고정으로 출력 잡음이 감소하게 되며, 측방향 모드(side-mode)의 억압이 증가하게 되고, 레이저의 안정성이 증가하게 된다. 원리적으로, 외부 공동 피드백 레이저는, 강한 피드백 구조(이 구조에서, 레이저의 전면에는 회절 격자의 피드백이 이 전면 피드백에 필적하거나 이보다 더 크도록 하기 위해 반사방지 코팅이 제공된다)에서 동작하는 경우, 효율적인 고 출력의 단일 모드 광 소스(source)로 동작하여야 한다. 그러나, 실제로, 레이저의 단일 모드 안정성은 주입되는 전류를 심지어 적절히 변조하는 경우에도 매우 크게 상실된다. 이 소스는, 기본적으로 (단독으로는 아니라 하더라도) 열의 유도 발생과 이로 인한 온도(T)의 변화를 통해 다이오드 물질의 굴절률(n)이 주입 전류 값에 매우 민감한 것으로 규명될 수 있다. 일반적인 다이오드 레이저 반도체 물질의 굴절률(dn/dT)의 온도 의존성의 크기는 FBG 물질(실리카)의 것보다 적어도 한 차수 정도는 더 크기 때문에, 레이저 공동 모드의 온도 의존성(약 0.1㎚/C)은, 회절 격자가 전 범위의 전류에 의해 유도된 온도 변동을 받는 경우에도, 브래그 파장의 온도 의존성(약 0.01㎚/C)을 훨씬 초과한다. 그 결과 전류의 변조와 모드의 고정이 깨어지게 된다. 단일 모드의 강한 피드백 동작에서, 반사 방지 코팅을 사용하면, 레이저는 약 0.1㎚의 일반적인 모드 분리를 갖고 동작한다. 이 정도의 모드 간격에 대해, 상기 메커니즘은 약 매 1C의 온도 변화에 대해 별개의 불안정한 모드 홉핑 결과(separate destabilizing mode-hopping event)를 야기한다.

일반적인 외부 공동 다이오드 레이저에서, 출력 섬유 내로 접착된 섬유 브래그 회절격자는, 예를 들어, 파장 에 중심이 있는 레이저 공동의 약 5-6개의 구간과 같은 반사 스펙트럼을 소유한다. FBG와 다이오드 레이저 공동 사이의 거리가 피드백 없이 레이저의 가간섭 길이보다 더 작은 경우, 단일 모드 패브리-페롯(FP : Fabry-Perot) 동작이 레이저 전면과 회절 격자로부터의 반사 사이에 상쇄 간섭에 의해 안정화될 수 있다. 펌핑 파장은 회절격자의 반사 스펙트럼 범위 내에 있는 레이저 FP 모드 중 하나와 연관된다. 그러나, 주입 전류를 증가시키면, 활성 영역의 온도도 증가하며, 그 결과 반도체와 유리 사이의 dn/dT의 차이가 크게 되면, 레이저 FP 모드는 에 대하여 적색 이동하여 하나의 FP 모드에서 다른 FP 모드로 일련의 레이저 파장의 펌핑을 유도한다. 이들 펌핑은 L-I 곡선에 킹크(kinks)를 초래한다. 하나의 예가 도 1 (M.Achtenhagen, S.Mohrdiek, T.Pliska, N.Matuschek, C.C.Harder, 및 A.Hardy, IEEE Photonics Technology Letters Vol. 13, pp.415-417에서 발췌한 것)에 도시되어 있는데, 여기서 연관된 출력 변동이 또한 전류 I의 함수로 미분한 것(즉, 효율) dL/dI로서 보다 상세하게 도시되어 있다.

이런 종류의 킹크는 레이저 동작에 매우 해로운 것이며, 그래서, 구동 전류를 디더링(dithering)시키는 것(M.Ziarri 등의 "내부 디더링 회로를 사용하여 가까이 연결된 광 반사기를 갖는 레이저 소스의 안정화(Stabilization of Laser Sources with Closely-Coupled Optical Reflectors using an Internal Dither Circuit)", US 특허 번호 6,215,809)에 의해, 또는 레이저의 가간섭 길이를 초과하는 길이까지 FBG를 이동시키는 것(예를 들어, B.F.Ventrudo 및 G.Rogers의 "섬유 회절격자 안정화된 다이오드 레이저(Fibre-Grating-Stabilized Diode Laser)", US 특허 번호 6,044,0,93 참조)에 의해 그 해법을 찾아왔다. 후자의 경우에, 그 거리는 일반적으로 50 내지 100㎝ 정도이며, 반사는 더 이상 보강하는 방식으로 간섭하지 않고 FBG로부터의 피드백은 다이오드 레이저 방출의 가간섭성을 깨뜨린다. 어느 경우이든, 펌프 레이저는, 과도 다중 모드 구조(transient multimode regime)-소위 가간섭 붕괴 구조(H.Temkin, N.Anders Olssen, J.H.Abeles, R.A.Logan 및 M.B.Panish 등의 'Reflection Noise in Index-Guided InGaAsP Lasers', IEEE J. Quantum Electronics, Vol.22, pp.286-293 참조) 내에 레이저를 유지하는 출력 변동을 나타낸다. 이 다중 모드 구조에서, 광의 세기는 전류에 연속적으로 좌우되어 단일 모드 동작의 L-I 킹크를 제거한다. 그러나, 이 구조에서 획득된 최대 광 출력은 단일 모드 동작의 광 출력보다 상당히 더 낮다. 멀리떨어진 FBG를 갖는 외부 공동 레이저에 의해 도시된 바와 같이 종래 기술의 개략적 도면이 도 2에 도시된다. 이 도 2는 광섬유 도파로(206)에 전면(201)을 통해 광학적으로 연결된 반도체 레이저 다이오드와 같은 레이저 소스(203)를 포함한다. 이 레이저 소스(203)는 전극(204)을 통해 공급 전류(205)에 의하여 펌핑되는 활성 영역(202)을 구비한다. 섬유 도파로(206) 내에 기록된 브래그 회절격자(207)는 보강 간섭이 전혀 일어나지 않을만큼 다이오드 공동의 전면(201)으로부터 충분히 먼 거리에 배치된다. 전면(201)에 반사 방지 코팅이 제공되는 경우, 브래그 회절 격자는 이렇게 형성된 외부 공동 레이저의 전면을 이제 효과적으로 형성하며, '가간섭성이 붕괴'된 킹크 없는 상태의 동작을 유도한다. 펌프 다이오드 레이저에 대한 이러한 접근법은 널리 사용된다. 그러나, 이 접근법은 많은 단점을 가지고 있다. 첫째, 최대 동작 출력은 킹크 및 저주파 잡음으로 인한 불안정성에 의해 여전히 제한된다. 둘째, 그러한 설계는 콤팩트하지 못하며, 추가적으로 이 설계는 다른 레이저 설계에 대해 특별한 회절격자 배열을 요구한다.

따라서, 전술된 단점을 극복하는 레이저 소스를 제공하는 것이 바람직하다.

도 1은 FBG 안정화된 레이저 모듈을 위한 일반적인 광 출력 대 전류 및 미분 효율 곡선을 도시하는 도면.

도 2는 '가간섭성 붕괴' 구조에서 동작하도록 하기 위해 멀리 위치된 외부 섬유 브래그 회절 격자에 연결된 종래 기술의 다이오드 레이저의 개략도.

도 3은 본 발명에 따라 구성된 2개 부분의 반도체 다이오드 레이저의 개략도.

본 발명에 따라, 전면과 후면을 구비하는 레이저 다이오드를 포함하는 반도체 레이저 소스가 제공된다. 이 레이저 다이오드는 기판과, 이 기판 상에 배치된 하부 클래딩 층을 포함한다. 이 하부 클래딩 층은 제 1 전도성 타입의 불순물로 도핑된다. 활성 층은 이 하부 클래딩 층 상에 배치되며 상부 클래딩 층은 이 활성 층 위에 배치된다. 이 상부 클래딩 층은 제 2 전도성 타입의 불순물로 도핑된다. 적어도 하나의 전극이 다이오드의 제 1 외부 층에 배치된다. 한 쌍의 전극은 다이오드의 제 2 외부 층에 배치된다. 이 제 2 외부 층은 제 1 외부 층과 마주하는 다이오드 측에 배치된다. 이 한 쌍의 전극은 한 쌍의 전극에 있는 각 전극에 다른 전류를 인가하도록 구성된다. 레이저 다이오드의 외부에 위치된 반사기는 활성 영역에 광 피드백을 제공하기 위해 레이저 다이오드의 전면과 광학적으로 연결된다.

본 발명의 일 측면에 따라, 적어도 하나의 전극과 상기 한 쌍의 전극들 중 제 1 전극 사이에 위치된 활성 영역의 제 1 부분은 광 이득을 제공하도록 순방향 바이어스되는 반면, 적어도 하나의 전극과 상기 한 쌍의 전극들 중 제 2 전극 사이에 위치된 활성 영역의 제 2 부분은 광 흡수를 제공하도록 역방향 바이어스 된다.

본 발명의 다른 측면에 따라, 상기 한 쌍의 전극에 있는 전극은 약 10옴(Ω)보다 더 큰 전기 저항으로 서로 전기적으로 분리된다.

본 발명의 다른 측면에 따라, 상기 레이저 다이오드는 희토류 도핑된 광 증폭기를 펌핑하는데 충분한 파장의 광 에너지를 생성한다.

본 발명의 다른 측면에 따라, 상기 활성 영역은 다중 양자 우물 영역을 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따라, 상기 반사기는 상기 활성 영역으로 광 출력의 일부를 되 반사하기 위해 출력면에 광학적으로 연결된 브래그 회절격자를 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따라, 상기 활성 영역의 제 2 부분은 자려 펄스 발진(self-pulsation)으로 되는 단일 모드 레이저 동작의 불안정성을 생성하도록 역방향 바이어스 된다.

본 발명의 다른 측면에 따라, 상기 제 1 전극에 인가되는 전류에 대한 제 2 전극에 인가된 전류의 비는 레이저 다이오드에서 발생하는 상대적 이득 압축 양을 초과한다.

본 발명의 다른 측면에 따라, 상기 한 쌍의 전극은 상기 상부 클래딩 층 상에 배치되며, 상기 적어도 하나의 전극은 상기 기판 상에 배치된다.

본 발명의 다른 측면에 따라, 적어도 하나의 전극은 전기적으로 연속적인 단일 전극이다.

본 발명의 다른 측면에 따라, 제 1 전도성 타입은 n 타입이며 제 2 전도성 타입은 p 타입이다.

본 발명의 다른 측면에 따라, 상기 레이저 다이오드와 상기 반사기는 공통 평면 도파로 회로 상에 위치된다.

본 발명의 다른 측면에 따라, 평면 도파로는 레이저 다이오드의 전면에 상기 반사기를 연결하는 공통 평면 도파로 회로 상에 형성된다.

본 발명의 다른 측면에 따라, 희토류로 도핑된 평면 도파로는 레이저 다이오드로부터 펌핑 에너지를 수용하는 공통 평면 도파로 회로 상에 형성된다.

본 발명의 다른 측면에 따라, 희토류 광 증폭기는 희토류로 도핑된 섬유 증폭기이다.

본 발명의 다른 측면에 따라, 상기 희토류로 도핑된 섬유 증폭기는 에르븀으로 도핑된 섬유 증폭기이다.

본 발명의 다른 측면에 따라, 반도체 레이저를 동작시키는 방법이 제공된다. 본 방법은, 레이저 다이오드 내에 광 이득을 생성하기 위해 제 1 전류를 레이저 다이오드의 제 1 부분에 인가하는 것으로 시작한다. 제 2 전류는, 레이저 동작의 자려 펄스 발진 모드가 발생하도록, 레이저 다이오드 내에 광 흡수를 생성하기 위해 레이저 다이오드의 제 2 부분에 인가된다. 마지막으로, 레이저 동작을 생성하기 위해 외부 반사기로부터 레이저 다이오드로 광 피드백이 제공된다.

본 발명의 다른 측면에 따라, 레이저 다이오드는 희토류로 도핑된 광 증폭기를 펌핑하는데 충분한 파장의 광 에너지를 생성한다.

본 발명의 다른 측면에 따라, 상기 레이저 다이오드는 다중 양자 우물 영역을 포함하는 활성 영역을 구비한다.

본 발명의 다른 측면에 따라, 상기 외부 반사기는, 레이저 다이오드의 활성 영역으로 광 출력의 일부를 되 반사하기 위해 레이저 다이오드의 출력면에 광학적으로 연결된 브래그 회절 격자를 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따라, 제 1 전류에 대한 제 2 전류의 비는 상기 레이저 다이오드에서 발생하는 상대적 이득 압축 양을 초과한다.

본 발명은, 다중 모드를 유지하여 고 출력 레벨에서 킹크 없는 동작(klink free operation)을 유지하면서 도 1에 도시된 종래 배열에 부과된 저 출력의 제한을 제거하는 레이저 소스(laser source)를 제공한다. 이러한 결과는 레이저 다이오드의 활성 영역으로 별도의 이득 부분(gain section)과 흡수체 부분(absorber section)을 삽입하는 것에 의해 달성되며, 이에 의해 자려 펄스 발진(self-pulsation)으로 유도된 다중 모드 동작을 유발한다(예를 들어, G.Pham 및 G-H Duan의 'Self-Pulsation in Two-Section DFB Semiconductor Lasers and its Synchronization to an External Signal" (IEEE J. Quantum Electronics Vol.34, pp.1000-1008 참조). 아래 서술되는 바와 같이, 본 발명은 또한 콤팩트한 방식으로 레이저 소스를 패키지로 구성할 수 있게 한다. 예를 들어, 펌프 레이저는 또한 하나 이상의 에르븀으로 도핑된 도파로를 포함하는 평면 도파로 회로(PLC : planar lightguide circuit) 칩 상에 직접 장착될 수 있다.

본 발명의 원리

본 발명에 사용되는 펌프 다이오드 레이저는 피드백 회절격자와 함께 별개의 이득 부분과 흡수체 부분으로 구성된다. 아래에 개시되는 바와 같은 특정 상태 하에서, 이러한 레이저는 고 출력에서 다중 모드 구조와 자려 펄스 발진으로 되는 이완 발진(relaxation oscillation)에 대해 불안정성을 소유하는 것으로 보일 수도 있다. 2 부분을 갖는 레이저는 매우 높은 주파수에서 모드 고정을 유도하기 위해 이전에 사용되었으며 본 발명에서는 중요한 이완 발진이 관측되었다(Kam Y.Lau의 "Dynamics of Quantum Well Lasers", Chap.5 of "Quantum Well Lasers", ed. Peter S. Zory, Academic Press Inc. 1993).

2부분을 갖는 레이저의 불안정성의 가능성을 분석하기 위해, 우리는, 이득 부분의 활성 층 내에 레이저 역학에 관한 기본 방정식으로 시작하며, 이 기본 방정식은 이득 부분(각각 S 및 N)에서 광자와 캐리어 밀도를 지배하는 한 쌍의 비율 방정식으로 다음과 같다(전술된 Kam Y. Lau 문헌 참조):

dN/dt = I_g/eV_g - N/ _s - vg(N,S)S (1)

dS/dt = vg(N,S)S - S/ _p(P) (2)

여기서, 는 광 제한 계수(optical confinement factor)이며, I_g 는 펌프 전류이며, V_g 는 활성 층의 볼륨이며, _s 는 재결합 수명 시간이며, v 는 그룹 속도이며, g(N,S)는 광 이득이고, 다시 말해,

g(N,S) = g(N)/(1+S) (3)

여기서 는 이득 압축 계수이며, _p(P)는 광자의 수명이며, 이는

1/ _p(P) = v/L_g*ln(R_fR_b exp(- (P)L_a))^-1 =

v/L_g*ln(R_fR_b)^-1+ v (P)L_a/L_g (4)

여기서, * 는 곱셈을 의미하며, R_b 는 레이저 후면의 반사 계수이며, R_f 는 레이저 전면과 회절 격자의 결합된 반사 계수이며, L_g 및 L_a 는 각 이득 부분과 흡수체 부분의 길이이며, 그리고 (P) = - g(P) 및 P 는 각각 흡수 부분의 활성 층의 흡수 계수와 캐리어 농도이며, 여기서

dP/dt = - I_a(P)/eV_a - P/ _s + v (P)S (5)

여기서, V_a = V_gL_a/L_g 는 흡수체 활성 층의 볼륨이다. P는 투명 농도(transparency concentration) 아래에 있으므로, (P)는 양의 값(positive quantity)이다. 정상 상태, 즉 dN/dt = dS/dt = dP/dt = 0에서,

I_g = I_g0 = (N₀/ _s + vg(N₀,S₀)S₀)*eV_g (6)

S=S₀, N=N₀, P=P₀, I_a0 = I_a(P₀) (6a)

vg(N₀,S₀)-1/ _p(P₀) = 0 (7)

v (P₀)S₀=I_a0/eV_a-P₀/ _s (8)

여기서, I_a0 는 역방향 바이어스 상태에서 흡수체 전기 회로 내 DC 전류이다.

이들 정상 상태의 안정성을 조사하기 위하여, 우리는,

I_g = I_g0 + i(); S=S₀ + s; N=N₀ + n; P=P₀+ p (9)

의 형태의 전류 섭동{i()=i*exp(jt)}에 대한 작은 신호 응답(s,n, 및 p)을 고려한다.

방정식 (9)를 방정식 (1),(2),(5)에 대입하고, 방정식 (6),(6a),(7), 및 (8)을 사용하면, 우리는 정상 상태의 값으로부터 광 및 캐리어 밀도의 작은 편차에 대한 방정식을 다음과 같이 얻는다:

jn=-n/ _s-vg_n(N₀)S₀*n-vg(N,S)s (10)

js = vg_n(N₀)S₀*n-S₀/ _p*s+ vg_n(P₀)S₀L_a/L_g*p (11)

j(1-C/C₁)p=-p/ _s-vg_n(P₀)S₀*p+v(P₀)s (12)

여기서, C₁=(dU/dP)^-1*eV_a ∼100pF이며, U는 전자와 홀(hole)의 페르미 레벨의 차이며, N=N₀에서 g_n(N₀)=dg/dN이며, N=P₀에서 g_n(P₀)=-d(P)/dP=dg/dN이다.

흡수체 부분에서 캐리어 농도는 이득 부분에서의 것보다 훨씬 더 작기 때문에, 우리는 N₀ >> P₀를 가진다. 또한 g(N)이 N에 대해 강한 준 선형 함수(sub-linear function)이므로, vg_n(P₀)S₀ >> vg_n(N₀)S₀ > 1/ _s가 된다(전술된 Kam Y Lau 문헌 참조). 이들 관계식과 상태 C/C₁=1, I_a(P₀)/eV_a >> P₀/ _s를 사용하면, 우리는 방정식 (11),(12), 및 (8)로부터 댐핑된 발진 형태, 즉

s= vg_n(N₀)S₀/[ ²-j -(2f_r)²] (13)

를 얻을 수 있는데,

여기서, 이완 발진(f_r)의 공진 주파수는

(2 f_r)²=vg_n(N₀)S₀/ _p(P₀) (14)

로 주어지고, 그 연관된 댐핑율(damping rate)은

=(S₀-I_a0/I_g0)/ _p(P₀) (15)

로 주어진다.

만약 가 음이라면, 펌프 레이저는 자려 펄스 발진(self-pulsation)을 나타내며, 그 결과로 다중 종방향 모드의 킹크 없는 구조에서 동작한다. 이 경우에 방정식 (15)로부터, 흡수체에 의해 소비되는 광 출력의 비율(I_a0/I_g0)은 광 필드에 의한 전자 가열로 인한 이득 압축에 의해 소비된 광 출력의 비율(S₀)을 초과한다, 즉

I_a0/I_g0 > S₀ (16).

그러나, 상대적 이득 압축 양(S₀)은 매우 높은 광 출력에서조차도 1보다 작다(S₀ << 0.1). 따라서, 자려 펄스 발진(self-pulsation) 하에서 흡수체 부분에 의해 유발된 펌프 레이저의 양자 효율의 감소가 상대적으로 작게 될 수 있다. 다른 한편, 그 최대 광출력은 열의 소진(heat sinking)에 의해서만 제한되며, 따라서 FBG에 의해 안정화된 파장을 갖는 임의의 종래의 펌프 레이저의 광 출력을 크게 초과할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예

본 발명의 개략도가 도 3에 도시된다. 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드 칩과 같은 레이저 소스(300)는 전면(front facet)(301)을 통해 브래그 회절격자(BG : Bragg grating)(341)를 구비하는 외부 도파로 구조(340)에 광학적으로 연결된다. 레이저 소스(300)는 n 도핑된 하부 클래딩 층(cladding layer)(310), p 도핑된 상부 클래딩 층(320), 및 활성 층(active layer)(330)을 구비한다. 상부 클래딩 층의 전극은 2개의 전기적으로 절연된 부분, 즉 이득 부분(gain section)(321)과 흡수체 부분(absorber section)(322)으로 구성된다. 이득 부분은 전기 접점(321)을 통해 순방향 바이어스되고, 흡수체 부분은 전기 접점(322)을 통해 역방향 바이어스된다. 접점(323 및 324)으로부터의 I_g0 및 I_a0 는 이득 부분과 흡수체 부분을 각각 흐르는 전기 전류이다. 레이저 광 공동(cavity)은 레이저 칩 후면(back facet)(302)과, 전면(301)과 BG(341)에 의해 형성된 결합된 반사기 사이에 연장한다. BG의 스펙트럼 폭은 레이저 칩 FP 모드의 5- 6개의 구간으로 선택된다. 전술된 바와 같이, 이러한 펌프 레이저의 킹크 없는 동작은 다중 FP 모드 동작으로 달성될 수 있다. 이것은 차례로 이완 동작의 불안정성으로 인한 자려 펄스 발진(self-pulsation)을 나타낼 때 일어난다. 높은 광 출력에서 이완 발진은 이득 압축 효과에 의해 대부분 댐핑된다(damped). 다른 한편, 흡수체 부분의 부분적인 표백(bleaching)에 의해 반대 효과가 유발되며, 이는 이전 문단의 방정식 (16)으로 기술된 상태 하에서의 제 1 효과를 저하시킨다. 커패시터(340)의 값(C)은 동일한 문단에 서술된 바와 같이 선택된다.

킹크 없는 동작은, 방정식 (16)이 만족되는 한, 유지된다. 따라서, 첫째, 본 발명은, 열 효과만이 광 출력을 제한하도록 LI 곡선에서 킹크에 의해 유발된 출력의 제한을 제거하는 방법을 제공한다. 둘째, 본 발명은, BG(341)가 레이저 칩의 전면(301)에 훨씬 더 가까이 놓일 수 있기 때문에 콤팩트한 패키지 구성을 가능하게 한다. 예를 들어, 펌프 레이저는 에르븀으로 도핑된 도파로가 위치되는 평면 도파로 회로(PLC) 칩 상에 직접 장착될 수 있다. 셋째, 특별한 파장 안정화 회절격자는, 본 제안된 방법이 심지어 광대역 외부 반사기와 함께 작동하기 때문에, 본 발명에 의한 것이 아니다. 본 발명의 몇몇 응용은, 긴 섬유 줄 없이 콤팩트한 안정화된 펌프 패키지로 구성된 레이저를 조립하는 능력, 작은 패키지 내에 PLC 칩과 함께 패키지로 구성된 펌프 레이저 다이오드의 집적하는 능력, 및 외부 반사기를 안정화시키는데 필요한 PLC 칩 상에 패키지 되지 않은 레이저 다이오드를 직접 연결하는 능력을 포함한다.

전술된 바와 같이, 본 발명은 고 출력 광 복사를 제공하는 레이저 소스 등에 이용가능하다.

Claims

반도체 레이저 소스(laser source)에 있어서,

전면과 후면을 구비하는 레이저 다이오드로서,

기판과,

상기 기판 상에 배치되는 하부 클래딩 층(cladding layer)으로서, 상기 하부 클래딩 층은 제 1 전도성 타입으로 도핑되어 있는, 하부 클래딩 층과,

상기 하부 클래딩 층 상에 배치된 활성 층(active layer)과,

상기 활성 층 상에 배치된 상부 클래딩 층으로서, 상기 상부 클래딩 층은 제 2 전도성 타입으로 도핑되어 있는, 상부 클래딩 층과,

상기 다이오드의 제 1 외부 층(outer layer) 상에 배치된 적어도 하나의 전극과,

상기 다이오드의 제 2 외부 층 상에 배치된 한 쌍의 전극으로서, 상기 제 2 외부 층은 상기 제 1 외부 층과 마주하는 상기 다이오드 측 상에 배치되며, 상기 한 쌍의 전극은, 상기 한 쌍의 전극에 있는 각 전극에 다른 전류를 인가하기 위하여 구성된, 한 쌍의 전극과,

상기 레이저 다이오드의 외부에 배치되며, 상기 활성 영역으로 광 피드백(optical feedback)을 제공하기 위해 상기 레이저 다이오드의 상기 전면과 광학적으로 연결된 반사기

를 구비한 레이저 다이오드

를 포함하는 것을 특징으로하는 반도체 레이저 소스.
제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전극과, 상기 한 쌍의 전극들 중 제 1 전극 사이의 상기 활성 영역의 제 1 부분은 광학적 이득(optical gain)을 제공하기 위해 순방향 바이어스되어 있고, 상기 적어도 하나의 전극과, 상기 한 쌍의 전극들 중 제 2 전극 사이의 상기 활성 영역의 제 2 부분은 광학적 흡수(optical absorption)를 제공하기 위해 역방향 바이어스되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소스.
제 1 항에 있어서, 상기 한 쌍의 전극에 있는 전극들은 약 10옴(Ω)보다 더 큰 전기 저항에 의해 서로 전기적으로 절연되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소스.
제 1 항에 있어서, 상기 레이저 다이오드는 희토류로 도핑된 광 증폭기(rare-earth doped optical amplifier)를 펌핑하기에 충분한 파장의 광 에너지를 생성하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소스.
제 1 항에 있어서, 상기 활성 영역은 다중 양자 우물 영역(multi-quantum well region)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소스.
제 1 항에 있어서, 상기 반사기는 광 출력의 일부를 상기 활성 영역으로 되반사하기 위해 상기 출력 면에 광학적으로 연결된 브래그 회절격자(Bragg grating)를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소스.
제 2 항에 있어서, 상기 반사기는 광 출력의 일부를 상기 활성 영역으로 되반사하기 위해 상기 출력 면에 광학적으로 연결된 브래그 회절격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소스.
제 2 항에 있어서, 상기 활성 영역의 상기 제 2 부분은 자려 펄스 발진(self-pulsation)으로 되는 단일 모드 레이저 동작의 불안정성을 생성하도록 역방향 바이어스되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소스.
제 2 항에 있어서, 상기 제 1 전극에 인가된 전류에 대한 상기 제 2 전극에 인가된 전류의 비는 상기 레이저 다이오드에서 발생하는 상대적 이득 압축 양을 초과하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소스.
제 7 항에 있어서, 상기 제 1 전극에 인가된 전류에 대한 상기 제 2 전극에 인가된 전류의 비는 상기 레이저 다이오드에서 발생하는 상대적 이득 압축 양을 초과하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소스.
제 1 항에 있어서, 상기 한 쌍의 전극은 상기 상부 클래딩 층 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소스.
제 11 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전극은 상기 기판 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소스.
제 12 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전극은 전기적으로 연속하는 단일 전극인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소스.
제 11 항에 있어서, 상기 제 1 전도성 타입은 n 타입이며, 상기 제 2 전도성 타입은 p 타입인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소스.
제 11 항에 있어서, 상기 레이저 다이오드와 상기 반사기는 공통 평면 도파로 회로(common planar lightguide circuit) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소스.
제 15 항에 있어서, 상기 레이저 다이오드의 상기 전면에 상기 반사기를 연결하는 상기 공통 평면 도파로 회로 상에 형성된 평면 도파로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소스.
제 16 항에 있어서, 상기 레이저 다이오드로부터 펌프 에너지를 수신하는 상기 공통 평면 도파로 회로 상에 형성된 희토류로 도핑된 평면 도파로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소스.
제 1 항에 있어서, 상기 레이저 다이오드로부터 펌프 에너지를 수신하는 희토류 광 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소스.
제 18 항에 있어서, 상기 희토류 광 증폭기는 희토류로 도핑된 섬유 증폭기인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소스.
제 19 항에 있어서, 상기 희토류로 도핑된 섬유 증폭기는 에르븀 도핑된 섬유 증폭기인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소스.
반도체 레이저를 동작시키는 방법에 있어서,

레이저 다이오드 내의 광 이득을 생성하기 위해 상기 레이저 다이오드의 제 1 부분에 제 1 전류를 인가하는 단계와,

레이저 동작의 자려 펄스 발진 동작 모드가 발생하도록 광 흡수를 생성하기 위해 상기 레이저 다이오드의 제 2 부분에 제 2 전류를 인가하는 단계와,

레이저 동작을 생성하기 위해 외부 반사기로부터 상기 레이저 다이오드로 광 피드백을 제공하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 21 항에 있어서, 상기 레이저 다이오드는 희토류로 도핑된 광 증폭기를 펌핑하기에 충분한 파장의 광 에너지를 생성하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 21 항에 있어서, 상기 레이저 다이오드는 다중 양자 우물 영역을 포함하는 활성 영역을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
제 21 항에 있어서, 상기 외부 반사기는, 상기 레이저 다이오드의 활성 영역으로 광 출력의 일부를 되반사하기 위해 상기 레이저 다이오드의 출력면에 광학적으로 연결된 브래그 회절격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 22 항에 있어서, 상기 외부 반사기는, 상기 레이저 다이오드의 활성 영역으로 광 출력의 일부를 되반사하기 위해 상기 레이저 다이오드의 출력면에 광학적으로 연결된 브래그 회절격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 21 항에 있어서, 상기 제 1 전류에 대한 상기 제 2 전류의 비는 상기 레이저 다이오드에 발생하는 상대적 이득 압축 양을 초과하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 24 항에 있어서, 상기 제 1 전류에 대한 상기 제 2 전류의 비는 상기 레이저 다이오드에서 발생하는 상대적 이득 압축 양을 초과하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 21 항에 있어서, 희토류로 도핑된 광 증폭기에 상기 레이저 다이오드로부터의 광 에너지를 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 28 항에 있어서, 상기 희토류로 도핑된 광 증폭기는 상기 레이저 다이오드와 함께 공통 평면 도파로 회로 상에 위치된 희토류로 도핑된 평면 도파로를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 28 항에 있어서, 상기 희토류로 도핑된 광 증폭기는 희토류로 도핑된 섬유 증폭기인 것을 특징으로 하는 방법.