KR20070104196A - 파장 가변 외부 공진 레이저 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파장 가변 외부 공진 레이저에 있어서, 다파장 광신호를 출력하고 제 1 기판에 실장된 반도체 레이저 다이오드; 및 제 2 기판에 실장되고 상기 다파장 광신호중 소정의 주기를 가지는 회절 격자의 공진을 이용하여 단일파장 광신호를 출력하고 상기 회절격자의 굴절률을 변화시켜 상기 출력되는 단일파장 광신호의 파장을 가변시키는 파장 가변 반사 필터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 파장 가변 Bragg-grating 반사 필터와 반도체 레이저 다이오드를 개별 기판 상에 실장하고, 능동 정렬 방법을 사용하여 반도체 레이저 다이오드와 도파로형 Bragg-grating 반사 필터간의 광결합 효율을 높여 광 출력 파워를 높이고 안정적인 발진 모드가 가능한 구조를 제시하고자 한다.
파장 가변, 반도체 레이저, 회절 격자.

Description

파장 가변 외부 공진 레이저{Wavelength tunable external cavity laser}
도 1은 도파로형 Bragg-grating 반사 필터와 반도체레이저 다이오드가 실장된 파장 가변 외부 공진 레이저 구조의 상면도(a)와 측면도(b)를 보여주는 도면이다.
도 2는 도파로형 Bragg-grating 반사 필터 구조(a)와 온도에 다른 굴절률 변화 그래프(b)를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로서 결합 렌즈를 이용하여 별개의 파장 가변 Bragg-grating 반사필터에 광결합되는 파장 가변 외부공진 레이저 구조의 상면도(a)와 측면도(b)를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 다른 실시예로서 결합 렌즈 없이 별개의 파장 가변 Bragg-grating 반사필터에 광결합되는 파장 가변 외부공진 레이저 구조의 상면도(a)와 측면도(b)를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 파장 가변 외부 공진 레이저의 동작 원리를 보여주는 도면이다.
본 발명은 파장 가변 레이저에 관한 것으로, 보다 상세하게는 grating이 있는 반사 필터를 외부 공진기로 이용하여 출력되는 광신호의 파장을 조절하는 레이저에 관한 것이다.
정보화의 진행과 인터넷의 보급 증가에 따라 통신용량은 기하 급수적으로 증가함에 따라 이를 수용하기 위한 대용량 광통신의 수요는 폭발적으로 증가하고 있다.
이에 따른 광통신 용량증가의 방법으로는 광신호의 속도를 증가시키는 방법이 있으나, 현재 약 10Gbps 또는 40Gbps에 도달하면서 한계에 도달하게 되었으며, 이를 극복하기 위하여 하나의 광섬유에 여러 개의 파장을 동시에 전송하는 파장분할 다중(WDM) 전송 방식이 많이 보급되고 있다.
WDM 기반의 Passive Optical Network(PON)망은 (이하, WDM-PON)은 중앙 기지국과 가입자간의 통신이 각 가입자에게 정해진 각각의 파장을 사용하여 통신이 이루어지는 방식이다.
가입자별로 전용 파장이 사용되므로 보안이 우수하고, 대용량의 통신서비스가 가능하며, 가입자별 혹은 서비스별로 다른 전송기술(예를 들면, linke rate, frame format 등) 적용이 가능한 장점을 갖는다.
그러나, WDM-PON망은 WDM 기술을 사용하여 단일 광 섬유에 여러 파장을 다중화하는 기술이므로 하나의 Remote Node(RN)에 속하는 가입자 수만큼의 서로 다른 광원을 필요로 하게된다.
이러한 파장별 광원의 생산, 설치, 관리는 사용자와 사업자 모두에게 커다란 경제적 부담으로 작용하여 WDM-PON의 상용화에 커다란 걸림돌이 되고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 출력 광원의 파장을 선택적으로 가변할 수 있는 가변형 광원의 적용방안이 활발히 연구되고 있다.
파장 가변형 외부 공진 레이저는 반도체 레이저 다이오드와 외부 파장 가변 Bragg-grating 반사 필터를 사용하기 때문에 구조가 단순하다.
통상적으로 저가의 광원을 위하여 도파로 플랫폼상에 파장 가변 Bragg-grating 반사 필터와 반도체 레이저 다이오드를 같이 실장하는 하이브리드 집적 방법을 사용한다.
하이브리드 집적 방법의 경우에 flip-chip bonding 장비의 정렬 오차로 인하여 광결합 효율이 능동 정렬 방식에 비하여 작고, 또한 spot-size converter가 집적된 고가의 레이저 다이오드가 필요한 단점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 파장 가변 도파로형 Bragg-grating 반사 필터와 반도체 레이저 다이오드의 광결합이 수동 정렬 방식이 아닌 별개의 기판을 사용한 능동 정렬 방식으로 광결합 시킴으로써 안정적인 광결합 효율과 발진 특성을 갖는 파장 가변 외부 공진 레이저를 제공하는데 있다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 파장 가변 외부 공진 레이저의 일 실시예는,다파장 광신호를 출력하고 제 1 기판에 실장된 반도체 레이저 다이오드; 및 제 2 기판에 실장되고 상기 다파장 광신호에서 소정의 주기를 가지는 회절 격자의 공진을 이용하여 단일파장 광신호를 출력하고 상기 회절격자의 굴절률을 변화시켜 상기 출력되는 단일파장 광신호의 파장을 가변시키는 파장 가변 반사 필터;를 포함한다.
이하 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하도록한다.
도 1은 도파로형 Bragg-grating 반사 필터와 반도체레이저 다이오드가 실장된 파장 가변 외부공진 레이저 구조의 상면도(a)와 측면도(b)를 보여주는 도면이다.
도파로 플랫폼 상에 도파로형 Bragg-grating 반사 필터와 반도체 레이저 다이오드가 실장된 파장 가변 외부 공진 레이저 구조의 상면도(a)를 보여주는 도면이다.
반도체 레이저 다이오드(200)의 출사면(201)은 anti-reflection (AR) 코팅이되어있고, 후면(202)은 high-reflection (HR) 코팅을 한다.
AR 코팅이 된 출사면(201)에서 출력되는 광을 파장 가변이 가능한 Bragg-grating 반사 필터(103)에 광 결합시키면 grating이 새겨진 반사 필터에서 외부 공진이 일어난다.
공진시 발진 파장은 Bragg-grating(110)의 반사 대역에 의해서 결정된다.
또한, 발진 파장의 미세 조정을 위하여 추가의 위상 조절용 히터(102)를 첨가할 수 있다.
통상적으로 외부 공진 레이저는, 파장 가변 Bragg-grating 필터(103)가 집적 된 도파로(100) 플랫폼 상에 반도체 레이저 다이오드(200)를 플립칩 본딩 방법을 이용하여 수동 정렬 및 실장한다.
이 경우에 광 결합 효율은 반도체 레이저 다이오드(200)의 출력 광의 far-field angle에 의하여 결정된다.
통상적으로 20도 이하의 far-field angle을 사용하여, 광결합 효율을 약 40%까지 얻을 수 있다.
그러나, 20도 이하의 far-field angle을 위하여 반도체 레이저 다이오드의 출사면에는 spot-size converter가 집적되어야 하기 때문에 소자의 가격이 고가이고, 또한 능동 정렬 방법을 사용하지 않기 때문에 안정적인 광결합 효율을 얻기가 어려운 단점이 있다.
도 2는 도파로형 Bragg-grating 반사 필터 구조(a)와 온도에 다른 굴절률 변화 그래프(b)를 보여주는 도면이다.
파장 가변 가능한 도파로형 Bragg-grating 반사 필터(103)는 도파로 core 영역(100)에 일정한 주기를 갖는 격자(waveguide Bragg-grating) (110)를 형성하고 있고, overclad(104) 상부에 thin-film 히터(101)를 증착하여 열광학 효과를 이용한다.
격자 형성은 core 영역 일부를 습식 혹은 건식 식각 방법을 이용하거나, 자외선 반응성 core 물질을 사용하여 굴절률을 주기적으로 변화시켜서 얻을 수 있다.
본 발명에서는 식각 방법을 이용하여 도파로 core(100) 영역에 일정한 깊이로 주기적으로 식각하여 Bragg-grating(110)을 형성한다.
Thin-film 히터(101,102)는 Cr, Au, Ni, Ni-Cr 등의 metal 물질을 적절한 두께를 갖도록 증착시켜서 형성된다.
Thin-film 히터(101,102)에 전류를 인가하면 극부적으로 온도가 증가하고, 다시 열광학 효과에 의하여 굴절률이 증가하거나 감소하여 Bragg-grating의 반사 대역이 가변된다.
금속 산화 물질은 통상적으로 온도가 증가하면 굴절률이 상승하지만, 폴리머 물질은 온도가 증가하면 굴절률이 감소한다.
도2의 (b)는 폴리머 물질의 열광학 효과의 일시 예를 나타내었다.
λ=0.63um 광신호에서 폴리머 물질이 온도에 따른 굴절률이 감소하는 것을 나타내고 있다.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로서 결합 렌즈를 이용하여 별개의 파장 가변 Bragg-grating 반사필터에 광결합되는 파장 가변 외부공진 레이저 구조의 상면도(a)와 측면도(b)를 보여주는 도면이다.
본 발명에서 제시하는 파장 가변 외부 공진 레이저의 일시 예로서, 도파로 플랫폼은 실리콘 기판(106)에 음의 열광학 계수 값을 갖는 폴리머 물질로 파장 가변 회절 격자(Bragg-grating) (110)와 위상조절 히터(102)로 구성된다.
반도체 레이저 다이오드(200)에서 출력되는 광신호는 광결합 렌즈(204)를 통하여 Bragg-grating 반사 필터(103)와 능동 정렬된다.
반도체 레이저 다이오드(200)은 기판(205) 상부에 실장되고 hermetic-sealing을 위하여 cap-sealing(207)되어져 있다.
반도체 레이저 다이오드(200)을 구동시키기 위한 lead-frame(206)과 반도체 레이저 다이오드(200)는 wire-bonding 되어진다.
반도체 레이저에 출사된 빛의 광축(400)은 window(210)과 광결합 렌즈(204)를 통하여 도파로 입력면(107)에 능동 정렬된다.
광 결합 렌즈(204)는 ball-lens 혹은 aspheric lens 형태이고, cap-sealing window(210)에 곧바로 부착될 수 있다.
도 3 에서는 반도체 레이저 다이오드(200)가 광신호의 광축(400)에 대하여 평행하게 그려졌으나, 30도 이내의 기울기를 갖도록 실장될 수 있다.
또한, 반도체 레이저 다이오드(200) 후방에 광출력을 모니터링하기 위하여 mPD(209)가 실장될 수 있다.
반도체 레이저 다이오드(200)와 mPD(209)가 실장된 구조를 TO-head(203)라고 부른다.
TO-head(203)에는 광결합렌즈(204)도 포함될 수 있다.
반도체 레이저 다이오드(200)의 출사면(201)은 anti-reflection 코팅된다. 보통 0.1% 이하가 바람직하다.
출사면(201)과 반대되는 후면은 high-reflection 코팅된다. 보통 30% 이상이 바람직하다.
출사면(201)은 도파로면(107)과의 효율적인 광결합을 위하여 spot-size converter가 집적될 수 있다.
통상적으로 far-field angle이 35도 이하가 바람직하다.
파장 가변 Bragg-grating 반사 필터(103)은 도 2의 (a)의 구조를 갖는다.
도파로 core 영역(100)의 식각 깊이는 1um 이내가 바람직 하다.
도파로 물질의 열광학계수의 절대값은 1.0x10-4/deg 보다 큰 물질을 사용함이 바람직하다.
도파로 구조는 매몰 채널(buried-channel),역 매몰 채널(reversed buried-channel) ,리브 (rib), 리지(ridge) 등의 구조가 가능하다.
본 발명에 따른 파장 가변 외부 공진레이저는 Bragg-grating(110) 상부에 있는 히터(101)에 전류를 인가하고, 극부적인 가열에 의하여 발진 파장을 제어하기 때문에 Bragg-grating(110)의 온도를 정밀하게 제어해야 한다.
이를 위하여 thermo-electric cooler(301, 이하 TEC)의 cooling면(302)에 실리콘 기판(106)과 TO-head(203) 하부가 접착된다.
접착 방식은 에폭시 경화, laser-welding, soldering, 기계적 접합 등을 이용할 수 있다.
TEC(301)의 하부면(303)은 방열 기능을 수행한다.
도 4는 본 발명에 따른 다른 실시예로서 결합 렌즈 없이 별개의 파장 가변 Bragg-grating 반사필터에 광결합되는 파장 가변 외부공진 레이저 구조의 상면도(a)와 측면도(b)를 보여주는 도면이다.
본 발명에서 제시하는 파장 가변 외부 공진 레이저의 일시 예로서, 도파로 플랫폼은 실리콘 기판(106)에 음의 열광학 계수 값을 갖는 폴리머 물질로 파장 가 변 회절 격자(Bragg-grating) (110)와 위상조절 히터(102)로 구성된다.
반도체 레이저 다이오드(200)에서 출력되는 광신호는 광결합 렌즈없이 Bragg-grating 반사 필터(103)와 능동 정렬된다.
광결합렌즈를 사용하지 않기 때문에, 광결합효율 20% 이상을 얻기 위해서는 반도체 레이저 다이오드(200)의 출사면(201)에서 출력되는 광세기의 far-field angle은 20도 이하의 spot-size converter가 집적됨이 바람직하다.
또한, 출사면(201)과 도파로면(107) 사이에 존재하는 air-gap의 너비는 30um 이하가 바람직하다.
반도체 레이저 다이오드(200)의 출사면(201)은 anti-reflection 코팅된다. 보통 0.1% 이하가 바람직하다.
또한, 출사면(201)과 반대되는 후면은 high-reflection 코팅된다.
보통 30% 이상이 바람직하다.
반도체 레이저 다이오드(200)은 기판(500)에 실장되고 도파로면(107)과 능동 정렬된다.
또한, 반도체 레이저 다이오드(200) 후방에 광출력을 모니터링하기 위하여 동일한 기판(500)에 mPD(209)가 실장될 수 있다.
도 4에서는 반도체 레이저 다이오드(200)가 광축(400)에 대하여 평행하게 그려졌으나, 30도 이내의 기울기를 갖도록 실장될 수 있다.
파장 가변 Bragg-grating 반사 필터(103)은 도 2의 (a) 구조를 갖는다.
도파로 core 영역(100)의 식각 깊이는 1um 이내가 바람직 하다.
도파로 물질의 열광학계수의 절대값은 1.0x10-4/deg 보다 큰 물질을 사용함이 바람직하다.
도파로 구조는 매몰 채널(buried-channel),역 매몰 채널(reversed buried-channel) ,리브 (rib), 리지(ridge) 등의 구조가 가능하다.
상기 구조에서, Bragg-grating 반사 필터 (103)의 온도 안정성을 위하여 thermo-electric cooler(301, 이하 TEC)의 cooling면(302)에 실리콘 기판(106) 하부와 반도체 레이저 다이오드(200)을 실장하는 기판(500) 하부가 접착된다.
접착 방식은 에폭시 경화, laser-welding, soldering, 기계적 접합 등을 이용할 수 있다.
TEC(301)의 하부면(303)은 방열 기능을 수행한다.
도 5는 본 발명에 따른 파장 가변 외부 공진 레이저의 동작 원리를 보여주는 도면이다.
반도체 레이저 다이오드에서 출력되는 다파장 광신호를 광 결합렌즈를 통하여 Bragg-grating 반사 필터로 광결합시킨다(S500).
Bragg-grating 반사 필터의 Bragg-grating이 새겨진 반사 대역에서의 공진이 발생하여 특정한 파장 성분을 가지는 광신호를 출력한다(S510).
Bragg-grating 반사 필터의 상부clad 위에 실장된 thin-film 히터에 전류를 가하여 Bragg-grating 부분의 굴절율을 변화시켜 Bragg-grating 반사 필터에서 출력되는 광신호의 파장 성분을 변화시킨다(S520).
본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀 질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브 (예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허 청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 파장 가변 외부 공진 레이저에 의하여 반도체 레이저 다이오드와 도파로간의 능동 정력 방식을 사용함으로써 광결합 요율을 높여 높은 광 출력 파워을 얻을 수 있다.
수동 정렬 방식에 비하여 광결합 효율 공정의 안정성, 재현성을 확보하여 소자의 양품률을 높일 수 있다.
광결합 렌즈를 사용함으로써 반도체 레이저 다이오드의 spot-size converter의 far-field angle 허용 범위를 완화시켜주어 소자의 가격을 낮출 수 있다.

Claims (6)

  1. 다파장 광신호를 출력하고 제 1 기판에 실장된 반도체 레이저 다이오드; 및
    제 2 기판에 실장되고 상기 다파장 광신호중 소정의 주기를 가지는 회절 격자의 공진을 이용하여 단일파장 광신호를 출력하고 상기 회절격자의 굴절률을 변화시켜 상기 출력되는 단일파장 광신호의 파장을 가변시키는 파장 가변 반사 필터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 외부 공진 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 기판은
    Ⅲ- Ⅴ화합물 반도체 기판인 것을 특징으로 하는 파장 가변 외부 공진 레이저.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 기판은 실리콘계열의 기판이고, 상기 파장 가변 반사 필터는 음의 열광학 계수 값을 가지는 폴리머 물질이며 도파로 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 파장 가변 외부 공진 레이저.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다파장 광신호를 상기 파장 가변 반사 필터로 집중시키는 광 결합 렌즈;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 외부 공진 레이저.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 레이저 다이오드에서 출력되는 다파장 광신호의 특성을 모니터링하는 모니터링부;
    상기 파장 가변 필터의 온도를 제어하기 위한 온도 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 외부 공진 레이저.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 도파로 구조는
    매몰 채널 구조, 역 매몰 채널 구조, 리브(rib) 구조, 리지(ridge) 구조 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 파장 가변 외부 공진 레이저.
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