KR20100034232A - 파장 가변 외부 공진 레이저 - Google Patents

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Abstract

파장 가변 외부 공진 레이저는 브래그 격자를 가지는 티오 캔(TO can), 광신호를 방출하는 고발광 다이오드, 및 광섬유를 포함하되, 상기 고발광 다이오드로부터 방출된 광신호가 상기 브래그 격자에서 특정 파장으로 반사되고, 상기 반사된 광신호는 상기 고발광 다이오드를 경유하여 광섬유에 출력된다.
브래그 격자, 고발광 다이오드, 광출력

Description

파장 가변 외부 공진 레이저{a wavelength-tunable external cavity laser}
본 발명은 파장 가변 외부 공진 레이저에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 높은 광출력을 가지는 파장 가변 외부 공진 레이저에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 FTTH 고도화 광부품 기술개발 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2008-S-008-01, 과제명: FTTH 고도화 광부품 기술개발].
서로 다른 파장의 신호들을 하나의 광섬유에 실어 전송할 경우, 상기 신호들은 서로간의 간섭없이 광섬유를 따라 전송된다. 이러한 전송 방식을 파장 분할 전송 방식(WDM: Wavelength Division Multiplexing)이라 한다. 파장 분할 전송 방식을 사용함으로써 광섬유의 정보 전송 용량을 크게 증가시킬 수 있다.
경제적인 파장 분할 전송 방식의 가입자망 시스템을 구현하기 위해서는 안정적이고 가격효율적인 광원의 개발이 필수적이다. 이러한 관점에서 대표적으로 3종류의 WDM-PON(Passive optical network)용 광원이 개발되어 있다. 첫째, Wavelength-locked(WL) FP-LD(Fabry Perot Laser Diode) 방식으로 FP-LD를 WDM 가입자망의 광원으로 사용할 경우 모드 분할 잡음으로 인해 전송특성이 저하되는 단 점이 있으며, 이러한 잡음 특성을 개선한 구조가 제안되어 1.25Gb/s 데이터 전송이 가능한 것으로 알려져 있다. 둘째, Re-modulation scheme의 RSOA(Reflective Semiconductor Optical Amplifier)를 이용하는 방식으로, 하향에서 내려온 광신호를 직접 재변조하여 사용하는 loop-back 형 WDM-PON을 위한 RSOA가 활발히 연구되고 있으며, 1.25Gb/s까지 데이터 전송이 가능한 것으로 알려져 있다. 셋째, 파장 가변 광원인 PLC-ECL를 이용한 방식으로, WL FP-LD, RSOA의 성능은 주입되는 광원의 특성에 의해 좌우될 뿐만 아니라, 직접 변조가 가능한 데이터 라이트가 1.25Gb/s로 제한되는 단점이 있다. 이러한 점에서 궁극적인 WDM 광가입자 망의 광원은 경제적이면서 2.5Gb/s 이상의 직접변조가 가능한 파장 가변 레이저라고 할 수 있다. 이러한 연구의 일환으로 양산성이 우수한 PLC 기반의 파장 가변 형 레이저에 대한 연구가 진행되고 있다.
본 발명의 목적은 광출력 손실을 감소시킬 수 있는 파장 가변 외부 공진 레이저를 제공하는 것이다.
파장 가변 외부 공진 레이저는 브래그 격자를 가지는 티오 캔(TO can), 광신호를 방출하는 고발광 다이오드, 및 광섬유를 포함하되, 상기 고발광 다이오드로부터 방출된 광신호가 상기 브래그 격자에서 특정 파장으로 반사되고, 상기 반사된 광신호는 상기 고발광 다이오드를 경유하여 광섬유에 출력된다.
상기 티오 캔은 상기 고발광 다이오드의 제1면과 결합하고, 상기 광섬유는 상기 고발광 다이오드의 제2면에 결합되며, 상기 반사된 광신호는 상기 제2면에서 다시 반사되어 공진(cavity)에 의하여 상기 제2면으로부터 상기 광섬유로 출력될 수 있다.
상기 브래그 격자는 평판 광파 회로(planar lightwave circuit) 구조물에 배치될 수 있다.
상기 평판 광파 회로 구조물은 상기 평판 광파 회로 기판 상의 하부 클래딩층, 상기 하부 클래딩층 상의 상부 클래딩층, 및 상기 하부 클래딩층과 상기 상부 클래딩층 사이에 개재된 제 1 도파로(waveguide)를 포함하되, 상기 브래그 격자는 상기 제 1 도파로에 형성될 수 있다.
상기 파장 가변 외부 공진 레이저는 상기 평판 광파 회로 구조물은 상기 평판 광파 회로 기판 하부면에 부착된 제 1 열전기 냉각 플랫폼을 더 포함할 수 있다.
상기 상부 클래딩층은 상기 브래그 격자의 온도를 변화시켜 동작 파장을 변화시키는 브래그 전극을 포함할 수 있다.
상기 고발광 다이오드는 기판 상의 활성층, 및 상기 활성층에 형성되고, 상기 회절 격자로부터 반사된 광신호를 상기 광섬유에 전달하는 제 2 광도파로를 포함할 수 있다.
상기 고발광 다이오드는 상기 기판의 하부면에 부착되는 제 2 열전기 냉각 플랫폼을 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 도파로와 상기 제 2 도파로는 능동 정렬 방식으로 결합될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 고발광 다이오드로부터 나온 빛이 브래그 격자에서 반사되어 고발광 다이오드를 경유하여 광섬유로 방출된다. 이러한 구조에서는 고발광 다이오드에서 광섬유로 광신호를 출력하므로 광손실을 줄일 수 있다. 또한, 도파로들이 능동정렬 방식으로 배치되므로, 결합손실을 줄일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 파장 가변 외부 공진 레이저는 높은 광출력이 가능한 구조이다. 높은 광출력으로 인하여 파장 가변 외부 공진 레이저는 1.25Gbps 이상의 변조 특성을 가질 수 있다.
이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 각각의 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되게 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 명세서의 실시예에서 제 1, 제 2의 용어가 도파로를 기술하기 위해서 사용되었지만, 도파로가 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이러한 용어들은 단지 어느 소정의 도파로와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다.
도 1 및 2를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 파장 가변 외부 공진 레이저가 설명된다. 상기 파장 가변 외부 공진 레이저(10)는 브래그 격자(bragg grating, 26)를 포함하는 티오 캔(TO can, 16), 상기 티오 캔(16)에 결합되며 광신호를 광섬유(14)로 출력하는 고발광 다이오드(Superluminescent diode,13)를 포함한다. 상기 브래그 격자(26)는 평판 광파 회로(planar lightwave circuit) 구조물(20)에 배치된다. 상기 티오 캔(16) 및 상기 광섬유(14)는 각각 상기 고발광 다이오드(13)의 제1면 및 제2면에 결합될 수 있다. 상기 제1면 및 제2면은 서로 대향될 수 있다.
상기 평판 광파 회로 구조물(20)은 평판 광파 회로 기판(22) 상의 하부 클래딩층(23), 상기 하부 클래딩층(23) 상의 상부 클래딩층(24) 및 상기 하부 클래딩층(23)과 상부 클래딩층(24) 사이에 개재된 제 1 도파로(waveguide, 25)를 포함한다. 상기 브래그 격자(26)는 제 1 도파로(25)에 형성되어 있다. 상기 브래그 격자(26)는 실리카 또는 폴리머로 제조될 수 있다.
상기 평판 광파 회로 구조물(20)은 평판 광파 회로 기판(22)의 하부면에 부착된 제 1 열전기 냉각층(21)을 더 포함할 수 있다. 상기 제 1 열전기 냉각층(21)은 열전효과를 이용하여 전류의 방향에 따라 온도를 변화시키는 기능을 할 수 있다. 상기 제 1 열전기 냉각층(21)을 이용하여 상기 평판 광파 회로 구조물(20)의 온도를 제어할 수 있다. 상기 상부 클래딩층(24)은 상기 브래그 격자(26)의 온도를 변화시켜 동작 파장을 변화시키는 브래그 전극(27)을 포함할 수 있다. 상기 브래그 전극(27)은 히터로서 기능할 수 있다. 상기 티오 캔(16)의 일측에 티오 캔 전극(18)이 연결된다. 상기 티오 캔 전극(18)은 상기 평판 광파 회로 구조물(20)에 연결될 수 있다. 예를 들면, 상기 티오 캔 전극(18)은 상기 브래그 전극(27), 제 1 열전기 냉각층(21)에 연결될 수 있다.
상기 고발광 다이오드(13)는 높은 광출력(high optical power), 넓은 광 파장대역폭(wide optical bandwidth) 및 작은 스펙트럼 변화(spectral modulation)의 특성을 제공할 수 있는 광학 소자이다. 상기 고발광 다이오드(13)는 높은 광출력을 얻기 위해 레이저 다이오드와 유사하게 유도방출에 의한 광 증폭 현상을 이용하지만, 넓은 광 파장 대역을 얻기 위해 레이저 다이오드와 달리 광 공진 현상을 줄이도록 구성된다. 이에 따라, 상기 고발광 다이오드 광소자(13)는 발광 다이오드(light emitting diode:LED)에 비해서는 훨씬 큰 광출력을 가지며, 레이저 다이오드에 비해서는 훨씬 넓은 광 파장대역폭을 가진다.
구체적으로, 상기 고발광 다이오드(13)는 기판(12) 상의 활성층(17), 및 상기 활성층(17)에 형성되고 상기 브래그 격자(26)로부터 반사된 광신호를 상기 광섬유(14)에 전달하는 제 2 도파로(15)를 포함한다. 상기 고발광 다이오드(13)는 상기 기판(12)의 하부면에 부착되는 제 2 열전기 냉각층(21)을 더 포함할 수 있다. 상기 제 2 열전기 냉각층(21)은 열전효과를 이용하여 전류의 방향에 따라 온도를 변화시키는 기능을 할 수 있다. 상기 제 2 열전기 냉각층(21)은 고발광 다이오드(13)의 온도 상승을 억제하여 높은 광 출력을 유지시켜 준다.
상기 활성층(17)에 전류가 인가되면, 상기 활성층(17)의 전자들은 발광 현상에 참여할 수 있도록 여기된 상태(excited state)를 가진다. 이러한 여기된 전자들은 자연 방출(spontaneous emission)과 유도 방출(stimulated emission)에 의해 낮은 에너지 레벨로 천이(transition)하여 정공들과 재결합함으로써 빛을 방출한다. 상기 제 2 도파로(15)는 띠(stripe)-형태를 가질 수 있고, 상기 활성층(17)에서 생성되는 빛은 소정의 공간적 분포(즉, mode)를 가지고 상기 제 2 도파로(15)를 따라 진행하며, 상기 활성층(17)에 인가되는 전류에 의해 증폭된다. 광 공진 현상을 줄이기 위해, 상기 제 2 도파로(15)는 굽어진 부분을 가지도록 형성할 수 있으며, 또한, 제 2 도파로(15)의 일측에 무반사 코팅(antireflection coating layer)을 형성하거나, 상기 제 2 도파로(15)의 일측에 흡수 영역(absorption region)을 제공하는 방법이 적용될 수 있다.
파장 가변 외부 공진 레이저의 동작은 다음과 같다. 상기 고발광 다이오드(13)의 제1면은 무반사 코팅(antireflection coating)이 되어 있어 활성층(17)에서 발생된 광은 먼저 제1면을 통해 상기 티오 캔(16)에 배치된 브래그 격자(26)에 입사된다. 브래그 격자(26)의 반사도는 고발광 다이오드(13)의 제2면의 반사도보다 높게 형성되어 있으므로, 외부 공진에 의해 고발광 다이오드(13)의 제2면에서 발진을 하게 된다. 상기 브래그 격자(26)의 반사도가 높을수록 브래그 격자를 통해 나가는 광의 손실을 줄일 수 있다. 상기 브래그 격자(26)는 브래그 법칙을 따르는 특정파장을 반사시킨다. 상기 브래그 격자(26)의 격자주기에 의하여 반사되는 특정 파장이 정해질 수 있다.
상기 브래그 전극(27)에 인가된 전류에 의하여 상기 브래그 격자(26)의 온도를 변화시켜 유효 굴절률을 변화시킴으로써 반사되는 특정 파장을 조정할 수 있다. 특정파장의 변화는 유효 굴절률의 변화에 비례한다. 상기 제 1 도파로(25)가 폴리머(polymer) 도파로인 경우는 파장의 가변 범위는 약 30㎚ 이상일 수 있다. 상기 브래그 격자(26)에서 특정 파장의 빛을 상기 고발광 다이오드(13)로 반사시키고, 상기 고발광 다이오드(13)를 경유하여 광섬유(14)로 특정 파장의 빛이 출력된다. 이에 따라, 서로 다른 파장의 신호를 하나의 광섬유(14)에 실어 전송할 수 있는 파장 분할 전송 방식을 사용할 수 있다.
상기 제 1 도파로(25)와 제 2 도파로(15)는 능동정렬방식(active alignment method)으로 결합될 수 있다. 상기 능동정렬 방식은 고발광 다이오드(13)로부터 나온 빛이 제 1 도파로(25)에서 제 2 도파로(15)에 최대한 들어갈 수 있도록 인위적으로 조절이 가능하여 제 1 도파로(25)와 제 2 도파로(15)의 결합 효율을 획기적으로 높일 수 있다. 이때, 가장 빛의 강도가 강한 지점에서 레이저 용접을 통해 고정시켜 정렬시키는 방법이다.
만일, 도 1의 구조와 다르게, 고발광 다이오드에서 나온 빛이 브래그 격자를 통과하여 곧바로 광섬유로 출력된다면, 브래그 격자와 브래그 격자가 형성된 도파로에서 광손실이 커지게 된다. 반면, 본 발명의 실시예에 따르면, 고발광 다이오드(13)로부터 나온 빛이 브래그 격자(26)에서 반사되어 다시 고발광 다이오드(13)를 경유하여 광섬유(14)로 방출된다. 이러한 구조에서는 고발광 다이오드(13)에서 광섬유(14)로 광신호를 출력하므로 광손실을 줄일 수 있다. 또한, 제 1 도파로(25)와 제 2 도파로(15)가 능동정렬 방식으로 배치되므로, 결합손실을 줄일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 파장 가변 외부 공진 레이저는 높은 광출력이 가능한 구조이다. 높은 광출력으로 인하여 파장 가변 외부 공진 레이저는 1.25Gbps 이상의 변조 특성을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 파장 가변 외부 공진 레이저를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 평판 광파 회로 구조물을 설명하기 위한 개략도이다.

Claims (9)

  1. 브래그 격자를 가지는 티오 캔(TO can);
    광신호를 방출하는 고발광 다이오드; 및
    광섬유를 포함하되,
    상기 고발광 다이오드로부터 방출된 광신호가 상기 브래그 격자에서 특정 파장으로 반사되고, 상기 반사된 광신호는 상기 고발광 다이오드를 경유하여 광섬유에 출력되는 파장 가변 외부 공진 레이저.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 티오 캔은 상기 고발광 다이오드의 제1면과 결합하고, 상기 광섬유는 상기 고발광 다이오드의 제2면에 결합되며,
    상기 반사된 광신호는 상기 제2면에서 다시 반사되어 공진(cavity)에 의하여 상기 제2면으로부터 상기 광섬유로 출력되는 파장 가변 외부 공진 레이저.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 브래그 격자는 평판 광파 회로(planar lightwave circuit) 구조물에 배치되는 파장 가변 외부 공진 레이저.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 평판 광파 회로 구조물은:
    평판 광파 회로 기판 상의 하부 클래딩층;
    상기 하부 클래딩층 상의 상부 클래딩층; 및
    상기 하부 클래딩층과 상기 상부 클래딩층 사이에 개재된 제 1 도파로(waveguide)를 포함하되,
    상기 브래그 격자는 상기 제 1 도파로에 형성되는 파장 가변 외부 공진 레이저.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 평판 광파 회로 구조물은 상기 평판 광파 회로 기판 하부면에 부착된 제 1 열전기 냉각 플랫폼을 더 포함하는 파장 가변 외부 공진 레이저.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 상부 클래딩층은 상기 회절 격자의 온도를 변화시켜 동작 파장을 변화시키는 브래그 전극을 포함하는 파장 가변 외부 공진 레이저.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 고발광 다이오드는:
    기판 상의 활성층; 및
    상기 활성층에 형성되고, 상기 브래그 격자로부터 반사된 광신호를 상기 광 섬유에 전달하는 제 2 광도파로를 포함하는 파장 가변 외부 공진 레이저.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 고발광 다이오드는 상기 기판의 하부면에 부착되는 제 2 열전기 냉각 플랫폼을 더 포함하는 파장 가변 외부 공진 레이저.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제 1 도파로와 상기 제 2 도파로는 능동 정렬 방식으로 결합되는 파장 가변 외부 공진 레이저.
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