KR20110101016A - 파장 가변 레이저 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 페브리-페롯형의 반도체 레이저 다이오드 칩과 파장 선택성 필터를 가지는 외부 공진기형 레이저에서 파장 선택성 필터를 파장 가변이 가능한 구조로 구성하여 파장 가변이 가능한 외부 공진기형 레이저 구조를 개시하고, 파장 가변시에 모드 천이에 의한 금지 대역 파장이 없는 파장 가변형 레이저를 제작하는 방법을 개시한다. 그리고, 이러한 레이저 구조를 초소형이며 저가형의 패키지인 TO(transistor outline)형 패키지에 장착하는 방법을 개시하여 소형화 및 비용 절감 효과를 가져올 수 있다.

Description

파장 가변 레이저 장치 {WAVE VARIABLE LASER DEVICE}

본 발명은 발진 파장의 불연속이 없는 파장 가변형 레이저 장치에 관한 발명이다.

근래에 들어 대용량의 정보 전송 및 고속의 정보 통신을 위하여 빛을 정보 전송의 매개로 하는 광통신이 일반화되어 있다. 근래에 있어서 가로 길이 및 세로 길이가 각각 0.3㎜ 정도인 반도체 레이저 다이오드 칩을 이용하여 손쉽게 10Gbps(giga bit per sec)의 전기 신호를 레이저 빛으로 변환할 수 있으며, 반도체 광 수광소자를 이용하여 광섬유를 통해 전송되어오는 광신호를 전기신호로 손쉽게 변환할 수 있다. 빛은 매우 특이한 특성을 갖는 에너지파로서 어느 한 지역에 동시에 존재하는 여러 빛들이 서로 상호 작용을 하기 위해서는 상호 작용의 대상이 되는 빛들이 동일한 파장을 가지거나, 빛의 위상(phase)가 맞아야 하며, 또한 진행 방향이 일치하여야 한다.

그러므로 빛은 서로 간의 간섭성이 매우 떨어지며 이러한 빛의 특성을 이용하여 파장이 다른 여러 가지의 파장의 레이저 빛을 하나의 광섬유로 전송하는 파장 다중화 (wavelength division multiplexing : WDM) 방법이 널리 채택되고 있다. 파장 다중화 방법을 적용하기 위해서는 인접한 파장 사이의 간격에 맞게 적절하게 고정된 파장의 레이저 빛을 방출 할 수 있는 레이저 광원이 필요하다.

현재 고밀도 파장 다중화 방식에 있어서 파장 사이의 간격은 1.6nm(nano meter) 또는 0.8nm 또는 0.4nm 정도로 점점 좁아지는 추세에 있다. 통상적으로 통신에서 사용되는 1528nm~1660nm의 파장 대역을 C-Band라 부르며, 이 C-band에 수용될수 있는 채널수는 0.8nm 간격의 DWDM 일 경우 40채널, 0.4nm의 채널 간격일 경우에는 80 채널이 수용 될 수 있다. 이러한 DWDM은 매우 좁은 선폭을 가지며 특정한 파장으로 발진하는 레이저를 필요로 한다.

분포궤환형 반도체 레이저 다이오드 칩 (Distributed feedback laser diode : DFB-LD)는 레이저의 파장 선폭이 0.1nm 이하로 상기한 1.6nm 또는 0.8nm 또는 0.4nm 파장 간격의 고밀도 파장 다중화에 사용 될 수 있는 레이저 다이오드 칩이며, 이러한 레이저 다이오드 칩은 그 크기가 매우 작아 TO형, mini-dil형, mini-flat형, butterfly형 등의 패키지에 잘 장착 될 수 있다. DFB-LD는 반도체 레이저 다이오드 칩 내부에 발진 파장을 선택 할 수 있는 파장 선택성 격자가 포함되어 있는 레이저 다이오드 칩으로써, 격자 삽입을 위한 매우 정밀한 공정이 요구되어 가격이 매우 비싸다.

이에 반해 반도체 레이저 다이오드 칩의 내부에 파장 선택성 격자가 없는 구조의 레이저 다이오드 칩을 페브리-페롯(Fabry-Perot; FP) LD라 부른다. DFB-LD에서는 발진하는 레이저 빛의 선폭이 0.1nm 이하의 단일선이지만, 일반적인 FP형 레이저 다이오드 칩에서는 반도체 레이저 다이오드 칩의 길이에 의해 결정되는 파장 간격의 수 개의 모드가 발진하며 통상적으로 이러한 수 개의 발진 모드 폭을 합한 파장 선폭은 2 ∼ 3nm 정도에 이른다.

그러나 페브리-페롯 모드 하나 하나의 선폭은 0.05nm 이하의 선폭을 가져 페브리-페롯 모드중 하나만을 선택하여 발진시킨다면 이러한 레이저도 단일 파장 모드로 동작하게 된다. 그러므로 DFB-LD는 단일 파장 모드에서 동작하며, 일반적인 FP-LD는 다중 파장 모드에서 동작한다. DFB-LD는 그 파장이 레이저 제작시의 격자 구조와 동작온도 등에 의해 결정된다. 레이저 다이오드의 파장을 주로 결정하는 격자 구조는 한번 만들어지면 고정되어 변화 시킬수 없는 반면 레이저 다이오드 칩의 운용 온도는 외부적으로 온도 조절 회로를 부가하여 조절 할 수 있다.

그러므로 DFB-LD의 경우 특정한 반도체 칩은 레이저를 구동하기 위한 주입전류 및 외부 온도등이 고정되어 있을 때 특정한 파장으로만 발진하게 된다. 외부 온도를 변화시켜 DFB-LD의 파장을 변화시킬수 있는데 이러한 온도 변화에 따른 DFB-LD의 파장 변화는 대략 0.1nm/℃ 정도이다. 그러므로 DFB-LD의 온도를 변화시켜 레이저의 발진 파장을 어느정도 조절 할 수 있다.

그러나 파장 조절을 위한 레이저 다이오드 칩의 온도 조절은 대기 온도와 같이 인위적으로 조절이 가능하지 않는 외부 환경 조건과는 무관하게 레이저 다이오드 칩의 온도를 조절 할 수 있어야 한다. 대기 온도등의 외부 환경 조건은 겨울 혹한기의 -40℃에서 혹서기에 햇빛이 직접 조사되는 영역의 온도에 해당하는 85℃까지 변할 수 있으며, 레이저 다이오드 칩의 온도 조절 범위는 이러한 외부 대기 환경 온도 변화에 무관하게 레이저 다이오드 칩의 온도를 정해진 온도로 조절 가능하여야 한다. 외부 환경온도 변화에 무관하게 레이저 다이오드 칩의 온도를 정해진 온도로 일정하게 유지시켜주는 소자로 열전소자(thermo electric cooler)를 사용 할 수 있다.

열전소자는 열전소자로 흐르는 전류의 크기와 전류의 방향을 조절하여 열전소자 상부에 부착된 부품의 온도를 올리거나 내릴수 있는 소자로써, 열전소자를 이용하면 외부 환경 변화와 무관하게 레이저 다이오드 칩의 온도를 일정하게 유지시키거나 또는 조절하여 가변시킬 수 있다.

그러나 통상적으로 열전소자의 냉각 최대 능력은 대략 70℃ 정도이며, 열전소자위에 부착되는 레이저 다이오드 칩에 의한 발열등을 고려하면 40 ∼ 50℃ 정도의 조절 능력을 가진다. 그러므로 외부 환경온도가 85℃일 때 열전소자를 이용하여 냉각시킬수 있는 최저 온도는 대략 40℃ 정도에 머무르게 된다. 열전소자를 가열의 특성을 가지도록 할 때는 매우 쉽게 온도를 올릴수 있다.

또한 반도체 레이저 다이오드 칩은 레이저 다이오드 칩의 온도가 증가하면 레이저 빛의 세기가 약해지는 문제가 있다. 그러므로 일반적으로 열전소자를 사용하여 온도를 조절하는 DFB-LD 패키지에 있어서 DFB-LD는 열전소자의 특성과 레이저 다이오드 칩의 온도 특성을 감안하여 대략 40 ∼ 50℃ 정도의 범위에서 조절하게 된다. 그러므로 유효하게 열전소자를 이용하여 조절할 수 있는 온도 범위는 대략 10℃ 정도이며 이는 1nm의 DFB-LD 파장 조절로 귀결되게 된다. 하나의 DFB-LD 칩의 온도를 변화시켜 얻을수 있는 레이저 파장의 범위를 고려하면 32nm의 C-Band 전체를 0.8nm 간격의 DWDM 시스템으로 사용하기 위해서는 최소한 32 종류의 DFB-LD 칩을 제작하여야 한다.

특정한 파장을 위한 DFB-LD 칩의 제작이 매우 정밀한 공정을 거쳐야 하므로 32종류의 DFB-LD 칩을 제작하는 것은 매우 어려운 일이고, 또한 시스템 운용면에 있어서도 32종류의 DFB-LD 패키지를 보관하여야 하므로 운용 보수 비용이 매우 높아지는 문제가 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래에 하나의 레이저 다이오드 칩으로 레이저 다이오드 칩에서 발진하는 파장을 넓은 파장 범위에서 가변 시킬 수 있는 파장 가변형 레이저에 대한 많은 연구가 있었다.

그중에 한 방법인 3-section DBR-LD(Distributed Bragg Grating- Laser Diode) 같은 경우는 레이저 다이오드 칩이 세 부분의 영역으로 나뉘고, 각 영역에 적절한 격자를 삽입하며, 또한 각 영역에 서로 다른 전류를 주입하여 파장을 조절하는 방법을 사용하고 있으나, 이러한 3-section DBR-LD는 그 제작 및 운용이 매우 어려워 연구실 수준에서 구현되고 있으나, 실제로 널리 상용화되고 있지는 않다. 현재 파장 가변형 레이저는 전술한 바와 같이 DFB-LD의 온도 의존성을 이용하되, 온도 운용 범위를 30℃ 정도로 늘려 20 ∼ 50℃ 범위내에서 레이저 다이오드 칩의 온도를 선정하여 조절하는 방법으로 3nm 정도의 가변성을 가지도록 한 후 미리 설정된 파장 간격의 DFB-LD 칩을 병렬로 배치 한 후 이러한 칩 중에서 어떤 하나의 칩을 선택하여 동작시킴으로써 넓은 파장 범위에서 파장 가변성을 가지도록 하는 방법이 사용되고 있다.

이러한 복수개의 레이저 다이오드 칩을 이용한 넓은 파장 범위에서의 파장 가변성을 위해서는 고가의 DFB-LD 칩이 복수로 사용되며, 복수의 LD 칩 중 어느것을 선택하더라도, 각 레이저 다이오드 칩에서 방출되는 레이저 빛이 하나의 광섬유로 결합되도록 빛의 진행 방향을 조절하는 특별한 수단이 요구된다. 이러한 파장 가변형 레이저 다이오드 패키지는 부피가 매우크고, 가격이 매우 비싸며, 운용이 어렵다는 단점이 있다. 그러므로 부피가 작으며, 가격이 싸며, 운용이 손쉬운 파장 가변형 레이저 필요성이 큰 상황이다.

상기한 종래 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 내부에 격자가 없는 반도체 레이저 다이오드 칩을 이용하여 레이저 다이오드 칩의 온도에 무관하게 파장 가변 특성을 얻을 수 있는 파장 가변 반도체 레이저의 제작 방법을 제시하는 데 있다.

상기한 종래 문제점을 해결하고 본 발명에 따른 기술적 과제를 달성하기 위한 외부 공진기형의 파장가변 레이저는, 적어도 한쪽 단면이 5% 이하의 반사율을 가지도록 무반사 코팅 처리된 레이저 다이오드 칩과, 시준화 렌즈, 파장가변성필터, 반사거울로 이루어진 공진기 내부에 공진기의 공진 모드 파장의 조절이 가능하도록 위상보정판이 삽입되는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 위상보정판은 파장가변형 필터에서 선택되어지는 파장의 변화와 동일하게 공진기의 공진 모드 파장을 변화시키도록 온도가 조절되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 위상보정판은 Silicon, GaAs, InP 중 어느 하나의 반도체 재료로 구성한 것을 특징으로 한다.

또한, 적어도 한쪽 단면이 5% 이하의 반사율을 가지도록 무반사 코팅 처리된 레이저 다이오드 칩과, 시준화 렌즈, 파장가변성 필터, 반사거울로 이루어진 외부 공진기형의 파장가변 레이저로써, 상기 레이저 다이오드 칩이 열전소자 위에 배치되고, 상기 레이저 다이오드 칩의 온도는 열전소자에 의해 조절되며, 파장 가변을 위해 상기 파장가변성 필터의 선택되어지는 파장이 모드 천이 구간에 해당하지 않도록 상기 레이저 다이오드 칩의 온도를 바꾸어 전체 공진기의 공진 모드 파장을 조절하는 것을 특징으로 한다.

또한, 적어도 한쪽 단면이 5% 이하의 반사율을 가지도록 무반사 코팅 처리된 레이저 다이오드 칩과, 시준화 렌즈, 파장가변성필터, 반사거울로 이루어진 외부 공진기형의 파장가변 레이저로써, 공진기 내부가 아닌 레이저 다이오드 칩의 일측면에 입사하는 레이저 빛에 45도의 경사각을 가지는 반사거울을 비치하여 패키지 바닥 면에 대해 수평으로 진행하는 레이저 빛을 수직으로 절환하는 것을 특징으로 한다.

또한, 레이저 다이오드 칩과, 시준화 렌즈, 파장가변성필터, 반사거울로 이루어진 외부 공진기형의 파장가변 레이저로써, 공진기 내부에 입사하는 레이저 빛에 45도의 경사각을 가지는 빔스플리터를 비치하여 패키지 바닥면에 대해 수평으로 진행하는 레이저 빛의 일부를 수직으로 절환하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 파장 가변형 레이저의 외형은 TO형인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 빔스플리터의 하부에 레이저 동작 상태를 감시하기 위한 감시용 포토 다이오드가 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 레이저 다이오드 칩이 열전소자 위에 배치되고, 상기 레이저 다이오드 칩의 온도는 열전소자에 의해 조절되며, 파장 가변을 위해 파장가변성 필터의 선택되어지는 파장이 모드 천이 구간에 해당하지 않도록 레이저 다이오드 칩의 온도를 바꾸어 전체 공진기의 공진 모드 파장을 조절하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 파장가변형 필터는 온도에 의해 선택되어지는 파장이 조절되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 파장가변형 필터는 전압에 의해 선택되어지는 파장이 조절되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 파장가변형 필터는 유리 또는 aerogel 형태로 구성하며 열전달률이 1W/m K 이하인 물질인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 레이저 공진기는 적어도 한쪽 단면이 5% 이하의 반사율을 가지도록 무반사 코팅 처리된 레이저 다이오드 칩과, 시준화 렌즈, 45도 빔스플리터, 파장가변성필터, 반사거울의 순서로 조립되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 45도 빔스플리터 레이저 빛이 출입하는 양면이 서로 평행인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 45도 빔스플리터의 적어도 한 단면은 10% 내지 70%의 반사율을 가지며 상기 빔스플리터의 다른 단면은 무반사 코팅 처리되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 파장가변형 필터는 GaAs와 AlGaAs를 적층으로 쌓은 구조로 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 파장 가변형 레이저는 내부에 격자를 포함하지 않는 단일의 FP형 레이저 다이오드 칩을 이용하여 제작되므로 반도체 레이저 다이오드 칩의 가격이 저렴하며, 파장 선택성 필터에 의해 단일 모드가 발진하여 DFB-LD와 같은 매우 좁은 선폭의 레이저를 구현 할 수 있으며, 파장 선택성 필터의 온도를 변화시켜 발진되는 파장을 조절하므로 레이저 다이오드 칩의 특성에 영향을 미치는 레이저 다이오드 칩의 운용 온도에 제한을 가하지 않아도 되며, 레이저 다이오드 칩의 운용 온도를 변화시키거나 별도의 공진기 길이를 가변 시킬 수 잇는 부품을 삽입하여 페브리-페롯 모드의 불연속성이 제거된 파장 가변 단일 파장 모드 레이저를 제작 할 수 있다.

도 1 : 종래 기술에 의한 반도체 레이저 다이오드 칩 구조
도 2 : 페브리-페롯형 반도체 레이저의 동작 원리
도 3 : 페브리-페롯형 반도체 레이저 다이오드 칩을 사용하는 외부 공진기형 레이저의 동작 원리
도 4 : 페브리-페롯형 반도체 레이저 다이오드 칩을 사용하는 파장 가변형 외부 공진기형 레이저의 동작 원리
도 5 : 페브리-페롯형 반도체 레이저 다이오드 칩을 사용하는 파장 가변형 외부 공진기형 레이저에서의 모드 천이 현상의 발생 원리
도 6 : 본 발명에 의한 모드 천이에 따른 금지 파장 대역이 없는 페브리-페롯형 반도체 레이저 다이오드 칩을 사용하는 파장 가변형 외부 공진기형 레이저의 동작 원리
도 7 : 페브리-페롯형 반도체 레이저 다이오드 칩을 사용하는 파장 가변형 외부 공진기형 레이저의 동작 원리
도 8 : 본 발명의 일 실시예에 의한 파장 가변형 필터의 구조도
도 9 : 본 발명의 일 실시예에 의한 모드 천이에 따른 금지 파장 대역이
없는 파장 가변형 외부 공진기형 레이저 동작 원리
도 10 : 본 발명의 일 실시예에 파장 가변형 레이저
도 11 : 본 발명의 다른 일실시예에 따른 파장 가변형 레이저
도 12 : 종래의 TO형 레이저 패키지의 외형
도 13 : 본 발명의 일 실시예에 의한 TO형의 외형을 가지는 파장 가변 레이저
도 14 : 본 발명에 다른 일 실시예에 의한 TO형의 외형을 가지는 파장 가변
레이저
도 15 : 본 발명에 다른 일 실시예에 의한 TO형의 외형을 가지는 파장 가변
레이저

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 도 2는 페브리-페롯형 반도체 레이저의 동작 원리, 도 3은 페브리-페롯형 반도체 레이저 다이오드 칩을 사용하는 외부 공진기형 레이저의 동작 원리, 도 4는 페브리-페롯형 반도체 레이저 다이오드 칩을 사용하는 파장 가변형 외부 공진기형 레이저의 동작 원리, 도 5는 페브리-페롯형 반도체 레이저 다이오드 칩을 사용하는 파장 가변형 외부 공진기형 레이저에서의 모드 천이 현상의 발생 원리, 도 6은 본 발명에 의한 모드 천이에 따른 금지 파장 대역이 없는 페브리-페롯형 반도체 레이저 다이오드 칩을 사용하는 파장 가변형 외부 공진기형 레이저의 동작 원리, 도 7은 페브리-페롯형 반도체 레이저 다이오드 칩을 사용하는 파장 가변형 외부 공진기형 레이저의 동작 원리, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 파장 가변형 필터의 구조도, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 모드 천이에 따른 금지 파장 대역이 없는 파장 가변형 외부 공진기형 레이저 동작 원리, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 파장 가변형 레이저, 도 11은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 파장 가변형 레이저, 도 12 는 종래의 TO형 레이저 패키지의 외형, 도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 TO형의 외형을 가지는 파장 가변 레이저, 도 14는 본 발명에 다른 일 실시예에 의한 TO형의 외형을 가지는 파장 가변 레이저, 도 15는 본 발명에 다른 일 실시예에 의한 TO형의 외형을 가지는 파장 가변 레이저 도면이다.

레이저는 통상적으로 공진기를 구성하는 두 개의 반사거울과 이 두 개의 반사 거울 사이에 있는 이득 매질로 구성된다. 이득 매질에서 발생되는 빛은 공진기를 구성하는 반사 거울 사이에서 왕복하면서 이득 매질에 의해 특정한 파장의 빛이 계속적으로 증폭되게 되며, 이렇게 증폭된 빛은 위상과 파장등이 일치하는 빛이 되며, 이러한 빛을 레이저 빛이라 부른다.

본 발명에서는 반도체 레이저 다이오드 칩의 내부에 격자가 형성되지 않은 FP(Fabry-Perot)형 반도체 레이저 다이오드 칩의 일 측면에 선택되어지는 파장을 가변시킬 수 있는 파장 선택성 필터와 반사 거울을 배치한다.

이하 본 발명의 설명에서 선택되어지는 파장을 가변 시킬수 있는 파장 선택성 필터를 파장 가변성 필터라 부르기로 한다.

본 발명에서 파장 가변성 필터는 여러 방법으로 제작될 수 있는데 그 중의 한 방법은 반도체 기판에 굴절률이 서로 다른 복수의 반도체 층을 적층시켜 제작하는 방법이다. 이러한 반도체 기판과 반도체 물질을 이용하여 제작되는 파장 가변성 필터는 반도체 물질의 굴절률이 온도에 따라 변화하는 특성을 이용하여 선택되어지는 파장을 가변할 수 있다. 이외에도 통상의 에탈론 필터의 반사 박막 사이에 온도에 따라 유효 굴절률이 변화하는 물질을 채운 구조의 파장 가변성 필터도 채택 될 수 있다. 또한 온도에 따라 굴절률의 변화가 매우 큰 비결정질 실리콘(amorphous-silicon)을 포함하는 것을 특징으로 하는 에탈론 필터가 채택될 수 있다. 이렇게 제작된 파장 가변성 필터의 온도를 변화시켜 투과되어 선택되어지는 파장을 조절한다. 파장 가변성 필터로 선택되어지는 파장은 공진기에 의해 결정되는 페브리 페롯 모드중 공진기에서 가장 이득이 큰 모드로 결정된다. 즉 파장 선택성 필터는 공진기에 의한 불연속적인 페브리-페롯 모드중 하나를 선택하는 것이므로 기본적으로 본 발명에 의해 발진하는 레이저의 파장은 불연속적이다.

레이저 파장의 불연속은 매우 조밀한 파장 간격을 가져야하는 통신용 레이저 광원으로 사용하기에 불편함을 가하므로 본 발명에 의해 발진되는 레이저 빛의 파장을 연속적으로 가변 시킬 수 있는 방법이 필요하다. 본 발명에서는 파장 가변성 필터와 더불어 레이저 다이오드 칩 자체의 온도를 변화시키거나 파장 가변성 필터 및 레이저 다이오드 칩과 별도로 공진기의 유효 길이를 변화시킬 수 있는 독립적인 방법을 도입하여 레이저의 파장이 불연속적인 특성을 가지지 않도록 한다.

공진기에 의해 결정되는 특정한 파장의 빛은 공진기의 양 끝에서 빛의 정상파 조건을 만족하는 파장의 빛이 선택되며, 이렇게 선택된 빛 중에서 이득 매질에 의해 증폭 될수 있는 파장의 빛이 레이저 파장으로 결정되게 된다. 통상적으로 반도체 레이저 다이오드 칩(100)은 도 1에서와 같이 레이저 이득 매질 양옆의 레이저 빛 방출 단면(150,151)이 일부 반사 / 일부 투과의 특성을 가지게 되며, 레이저 빛 방출단면(150,151)의 반사 특성이 공진기를 구성하는 반사 거울의 역할을 하게 한다. 이러한 구조의 레이저 다이오드 칩에서는 레이저 다이오드 칩의 양 쪽 방출단면(150, 151)을 통하여 레이저 빛(157, 158)이 방출되게 되는데 통상적으로는 이 중 어느 한 거울면(150)을 통하여 방출되는 레이저 빛(157)을 통신용등의 레이저 활용에 적용하고 다른 쪽 방출단면(151)을 통하여 방출되는 레이저 빛(158)을 이용하여 레이저 다이오드 칩(100)의 동작을 감시하는등 주 목적과는 관계 없이 활용하는 경우가 많다. 본 발명의 설명에서 레이저 빛을 레이저 패키지 외부로 송출하여 통신등 본래의 목적에 맞게 활용하는 레이저 빛이 방출되는 레이저 다이오드 칩의 방출단면을 “주방출면” 이라 칭하기로 하고 레이저 빛을 외부로 전송하여 활용하는 방향이 아닌 방향으로 레이저 빛을 방출하는 방출단면을 레이저 다이오드 칩의 “부방출면”이라 칭하기로 한다. 반도체 레이저 다이오드가 레이저 다이오드의 역할을 하기 위해서는 공진기를 구성하는 반사 거울이 필요하며, 반도체 레이저 다이오드에서 방출되는 레이저 빛은 이들 반사 거울의 사이 거리와 이득 매질의 유효 굴절률에 따르는 페브리-페롯(Fabry-Perot) 간섭에 의해 선택된 파장의 빛이 이득 매질에 의해 증폭된 후 레이저 다이오드 칩 외부로 방출되게 된다.

이러한 레이저 다이오드의 동작원리를 좀 더 상세히 설명하기로 한다. 레이저 다이오드 칩의 양쪽 반사면에 의해 공진기가 결정되면 이러한 공진기 내부에서 공진하는 레이저 빛은 위상 간섭에 의해

2 x L = m x λ / n (식 1)

L : 공진기 길이

m : 임의의 정수

n : 공진기의 유효굴절률

λ : 공진하는 레이저 빛의 파장

의 관계를 만족하여야 한다. 즉 공진기의 길이가 정해지고, 유효굴절률이 정해지면, m은 정수이므로 각각의 m에 대응하는 불연속적인 특정한 파장의 빛만 공진기내에 허용되는 파장의 빛이 된다. 이러한 m에 의해 허용되는 불연속적인 파장을 모드라 부른다. 도 2a는 일정한 길이의 공진기에 있어서 m에 의해 결정되는 공진기의 허용 공진 모드를 보여준다. 이러한 모드는 단지 물리적으로 가능한 파장만을 의미하는 것으로 1에서부터 무한대까지의 자연수가 동일한 가능성으로 허용된다.

도 2b는 반도체 레이저 다이오드의 이득 매질의 이득 곡선이다. 통상적으로 반도체 레이저는 반도체의 밴드갭과 유사한 파장에서 이득이 최대가 되며 이보다 짧거나 긴 파장대에서는 이득이 줄어든다. 실제적으로 반도체 레이저 다이오드 칩에서 발진하는 레이저 빛은 도 2a의 허용 모드와 도 2b의 이득곡선의 곱이 증폭되어 나타난다. 그 결과로써 나타나는 반도체 레이저의 출력을 파장으로 보면 도 2c와 같다.

통상적으로 반도체 레이저의 이득특성은 -3dB(decibel,데시벨) 파장 폭이 수십 nm ∼ 수백 nm에 이르는 매우 완만한 경사를 이루고 있다. 그러나 약간의 이득차이가 레이저 동작에서 증폭되어 이득이 가장 큰 영역에 해당하는 몇 개의 모드만이 레이저로 발진하게 되며 나머지 공진모드들은 매우 약하게 감쇄된다. 이는 증폭이 기하급수적으로 일어나서 약간의 이득차이가 매우 큰 발진 출력 차이로 나타나기 때문이다. 본 발명에서는 레이저 공진기내에 특정한 파장을 선택하는 파장 선택성 필터를 구비한다. 이러한 파장 선택성 필터의 파장 선택성은 -3dB 파장 선택율이 수 nm의 좁은 선폭을 가지게 한다. 그러면 레이저 공진기내에서 증폭되는 레이저 빛의 파장은 도 3a의 공진 모드와, 도 3b의 반도체 레이저 다이오드의 이득곡선과 도 3c의 파장 선택성 필터의 파장 선태율의 곱이 증폭에 참여하게 된다.

도 3c의 파장 선택성 필터의 파장 선택성은 매우 좁은 특성을 가지므로 매우 완만한 이득 변화 곡선을 가지는 도 3b의 이득 특성과의 곱은 대부분 도 3c의 파장 선택성 필터의 특성을 따르게 된다. 그러므로 증폭되는 레이저 빛의 파장은 도 3c의 파장 선택성 필터에서 결정되는 도 3c의 공진모드가 압도적으로 증폭되게 된다.

파장 선택성 필터에 의해 선택되어지는 파장은 파장 선택성 필터의 구조에 따라 다양한 방법으로 선택되어지는 파장을 변화시킬 수 있다. 가장 많이 사용되는 파장 선택성 필터는 Fabry-Perot형의 간섭을 이용한 에탈론 필터가 된다. 이러한 에탈론 필터는 사용되어지는 재료에 따라 여러 가지 구조가 가능하지만 일례로 GaAs 반도체 기판에 GaAs와 AlGaAs 층을 교대로 성장하는 구조로 에탈론 필터를 제작 할 수 있다. 이러한 에탈론 필터는 GaAs 기판위에 결정 성장으로 이루어지는 공진기가 형성되며, 이러한 에탈론 필터에 의해 결정되는 선택 파장은 앞서 언급한 (식 1)로 계산되어 질 수 있다. 에탈론 필터에서의 허용 모드는 에탈론 필터 내의 공진기 길이와 공진기의 굴절률에 의해 결정된다. GaAs/AlGaAs로 구성되는 에탈론 필터의 공진기는 온도에 따라 2 x 10-4 /℃ 정도의 굴절률 변화를 보이며, 그러므로 에탈론 필터의 온도가 바뀌게 되면 선택 되어지는 파장도 변화하게 된다. 이러한 특성을 이용하여 에탈론 필터의 온도를 바꾸어주게 되면, 에탈론 필터에 의해 선택되어지는 파장이 바뀌게 되어 도4와 같이 다른 파장의 레이저 빛이 발진하게 된다.

그러나 에탈론 필터에 의해 선택되어지는 파장이 에탈론 필터의 공진기의 굴절률에 따라 바뀌게 되며, 에탈론 필터의 공진기의 굴절률은 온도에따라 연속적으로 변화하는 특성을 가지고 있는 반면 도 3a, 도 4a와 같은 전체 레이저 공진기에 의한 공진 모드는 불연속적인 특성을 가지고 있다. 그러므로 에탈론 필터가 파장을 바꾸는 과정에서 도 3a와 도 4a의 레이저 공진기 모드중 2개가 동시에 발진하는 경우가 발생한다. 이러한 과정을 도 5에 설명하였다.

즉 불연속적인 레이저 공진기 모드가 고정되어 있는 경우에 파장선택성 필터가 연속적으로 파장을 이동함에 따라 인접한 두 개의 모드가 동시에 발진하는 경우가 생기게 된다. 또는 이러한 지점에서는 아주 미약한 환경 변화에 대해서도 발진 레이저 모드가 이쪽에서 저쪽으로 건너뛰는 현상이 발생되게 되고 이러한 현상을 모드 천이라 한다. 이러한 모드 천이 현상은 레이저의 발진 파장이 불안정해지는 것으로 모드 천이 없는 파장 가변 레이저의 개발이 세계적으로 매우 중요한 과제로 되고 있다.

본 발명에서는 파장 가변 레이저를 구성함에 있어서 FP-LD와 파장 선택성 필터와 반사 거울로 이루어지는 외부 공진기를 구성하고, 파장 선택성 필터의 온도를 변화시켜 선택되어지는 파장을 조절함으로써 파장 가변 레이저를 구현하고 또한 발진 레이저 파장의 불연속이 없는 레이저를 개발하는 방법을 제시한다.

도 6은 본 발명에서 채택하고자 하는 발진 파장의 불연속이 없는 파장 가변 레이저의 동작 원리이다. 본 발명에서는 레이저 공진기내에 여러 가지 방법에 의해 공진기내의 유효굴절률을 효과적으로 변화시킬수 있는 방법을 도입한다. 그러면 레이저 공진기의 길이가 고정되어 있어도 (식 1)의 유효굴절률 n 이 변화하므로 공진모드의 파장이 바뀌게 된다. 도 6a는 공진기의 공진 모드가 공진기의 길이는 고정된 상태에서 공진기의 유효 굴절률을 바꾸어주었을 때 공진 모드 파장이 변화함을 보여준다. 도 6b는 반도체 레이저 다이오드 칩의 이득특성을 보여준다.

반도체 레이저 다이오드 칩의 온도를 변화시켜 공진기의 유효 굴절률을 바꾸어주는 경우에는 레이저 다이오드 칩의 온도가 바뀜에 따라 이득특성 곡선도 변화가 생기나 실제 레이저 다이오드의 발진 모드를 결정하는 것은 페브리-페롯 모드와 파장 선택성 필터에 의한 파장 선택율에 대부분 영향을 받으므로 레이저 다이오드 칩 자체의 온도 변화에 의한 이득 특성의 변화는 무시 할 수 있다.

또한 레이저 공진기내에 레이저 다이오드 칩과 파장 가변성과는 별도로 레이저 공진기의 유효 굴절률을 바꿀수 있는 부품을 배치 할 수 있고 이러한 경우 도 6b의 반도체 레이저 이득 곡선은 고정 되어 있을 수 있다. 도 6a의 공진 모드의 파장 변화가 도 6c의 파장 가변성 필터의 선택 파장 변화와 동일한 값을 가지게 되면 파장 선택성 필터의 선택 파장의 변화에도 불구하고 페브리-페롯 모드의 파장 변화에 의해 항상 동일한 페브리페롯 모드가 발진하게 된다. 그러므로 이러한 개념의 반도체 레이저에서는 파장 가변성 필터의 선택 파장의 변화에 무관하게 항상 동일한 페브리-페롯 모드가 발진하므로 모드 천이 현상이 없이 파장이 연속적으로 변화하게 된다.

이러한 본 발명의 기본 개념을 구체적인 실시예를 예로 들어 설명한다. 도 7은 본 발명의 일실시예를 설명하는 그림이다. 레이저 공진기는 공진기에서 상당한 분량의 빛이 반사되어 다시 공진기의 반대쪽 단면으로 진행하게 되어야 한다. 통상적으로 반도체 레이저 다이오드 칩은 웨이퍼에서 개별의 반도체 칩으로 벽개(cleaving)하는 과정에서 반도체의 굴절률과 공기의 굴절률 차이에 의해 대략 35% 정도의 반사율을 가지게 된다. 그러므로 반도체 레이저의 각 단면에서는 35% 정도의 반사율을 가지므로 이 반사율에 의해 레이저 공진기가 형성되어 레이저 공진기의 공진 모드에서 레이저 발진이 일어나게 된다. 이러한 반도체 레이저의 적어도 어느 한 단면을 5% 이하, 바람직하게는 1% 이하, 더욱 바람직하게는 0.1% 이하의 반사율을 가지도록 조절하면 레이저 다이오드 칩 자체에서의 공진기가 형성되지 않는다. 반도체 레이저 다이오드 칩의 단면이 벽개 과정에서 자동적으로 형성되는 반사율보다 낮은 반사율을 가지도록 레이저 다이오드 칩의 단면에 유전체 박막을 증착하는 과정을 무반사막 코팅(anti-reflection coating)이라한다.

그러므로 도 7에서 레이저 다이오드 칩(100)의 렌즈(200) 쪽을 향한 단면(150)을 무반사 처리하고 레이저 다이오드 칩(100)의 렌즈 반대쪽 단면(151)을 고반사 코팅 처리한다. 이때 레이저 다이오드 칩(100)의 렌즈 반대쪽 단면(151)은 대략 30% 이상의 반사율을 가지는 것이 적절하며 더 나아가 70% 이상의 반사율을 가지는 것이 적절하다. 이렇게 레이저 다이오드 칩(100)의 일측단면(150)이 무반사 처리된 레이저 칩 단면(150)을 통해서 방출되는 빛을 시준화시키는 시준화 렌즈(200)를 무반사 처리된 레이저 다이오드 칩(100)의 일 측면에 비치한다.

통상적으로 반도체 레이저 다이오드 칩에서 방출되는 빛은 광축을 중심으로 발산각 30~40도 정도를 가지도록 퍼지면서 발산하는 발산광이다. 본 설명에서 사용되는 파장 가변성 필터(300)는 파장 가변성 필터(300)에서 선택되어지는 빛의 파장이 파장 가변성 필터(300)로 입사하는 레이저 빛의 입사 각도에 따라 달라지게 되기 때문에 매우 좁은 파장 선택성을 위해서는 파장 가변성 필터(300)로 입사하는 레이저 빛의 입사각도가 동일하여야 한다.

시준화 렌즈(200)는 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산광의 특성을 가지며 방출되는 빛을 평행광으로 시준화시켜 파장 가변성 필터(300)로 입사하는 레이저 빛의 입사각도가 일정하도록 만들어준다. 시준화 렌즈(200)에 의해 시준화된 빛은 파장 가변성 필터(300)로 진입하게 된다.

도 8은 파장 가변성 필터(300)의 일 실시예이다. 파장 가변성 필터는 투과하는 레이저 빛의 파장을 선택하는 파장 선택성이 있으며, 동시에 선택되어지는 파장을 외부에서 조절 할 수 있는 특성을 가지는 필터이다. 도 8의 실시예의 파장 가변성 필터는 GaAs 기판에 GaAs와 AlGaAs를 교대로 증착하면 GaAs와 AlGaAs의 굴절률 차이에 의해 반사거울이 형성된다. 이러한 두 개의 반사거울 사이에 GaAs의 공간층을 형성하면 GaAs 공간층의 공진 모드에 해당하는 파장의 빛은 반사거울에 영향을 받지않고 전체 파장 가변성 필터를 투과하게 된다.

그리고 공간층의 공진모드에 해당하지 않는 파장의 빛은 파장 가변성 필터의 반사 거울에 의해 반사되게 된다. 본 설명에서는 GaAs기판을 예로 들었는데 이러한 이유는 본 발명의 주된 응용이 통신용이며, 통신용의 레이저 빛 파장은 1.3um에서 1.55um 가 주된 파장이며, GaAs는 이러한 파장에 대해 투과의 특성을 가짐과 동시에 온도에 따른 굴절률 변화가 커서 파장 가변성 필터의 온도를 변화시켜 효과적으로 투과 파장을 조절 할 수 있는 장점이 있기 때문이다.

그러므로 다른 파장 영역에 대해서는 GaAs와 다른 기판과 다른 에탈론 필터 구조가 사용 될 수 있음은 자명한 사실이다. 또한 GaAs 와 AlGaAs는 공기와 굴절률 차이가 커서 표면에서 반사가 일어 날 수 있으므로 GaAs/AlGaAs의 파장 가변성 필터의 상 하면에 무반사 코팅을 하는 것이 적절하다.

도 7에서 레이저 다이오드 칩(100)에서 방출되어 시준화 렌즈(200)를 통하여 시준화 된 빛은 파장 가변성 필터(300)로 입사하게 된다. 이때 레이저 다이오드 칩(100)은 렌즈(200)를 향한 단면(150)이 무반사 코팅이 되어 있으므로 레이저 다이오드 칩(100) 자체에서 공진이 일어나지 않는다 그러므로 제일 처음 레이저 다이오드 칩(100)에서 방출되는 빛은 30nm 이상의 매우 넓은 파장대역을 가지는 빛이 된다 . 이렇게 넓은 파장 대역에서 방출되는 빛중에서 파장 가변성 필터(300)를 투과하는 특정한 파장은 파장 가변성 필터(300)를 투과하며, 나머지 다른 파장의 빛은 파장 가변성 필터(300)에 의해 반사되어지게 된다. 파장 가변성 필터(300)의 광축을 파장 가변성 필터(300)에 입사하는 빛의 광축에 대해 경사지게 배치하면 도 7에서와 같이 파장 가변성 필터(300)에서 반사되어지는 빛은 레이저 다이오드 칩(100)이 아닌 다른 방향으로 보내어지게 되어, 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환되지 못한다. 파장 가변성 필터(300)를 투과한 빛은 파장 가변성 필터(300)의 후단에 있는 반사 거울(600)에 의해 반사되어 다시 파장 가변성 필터(300)를 투과 한 후 렌즈(200)를 거쳐 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환되게 된다. 그러므로 레이저 다이오드 칩(100)에서 방출된 빛 중 다시 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환되는 빛은 파장 가변성 필터(300)에 의해 선택되어지는 파장의 빛이다.

그러므로 파장 가변성 필터(300)에 의해 선택되너진 파장의 빛이 레이저 다이오드 칩(100)에서 증폭되기 시작하며 종국에는 레이저 다이오드 칩(100)에서 생성되는 레이저 빛의 대부분이 파장 가변성 필터(300)에 의해 선택되어진 파장이다. 그러므로 레이저 동작이 일어난 이후에는 레이저 다이오드 칩(100)에서 방출되는 빛의 대부분이 파장 가변성 필터(300)를 투과하는 파장이므로 파장 가변성 필터(300)에 의해 반사하는 빛의 세기는 매우 약해진다. 파장 가변성 필터(300)를 투과하는 빛의 입장에서는 파장 가변성 필터(300)는 없는 것과 마찬가지가 되고, 레이저의 공진기는 레이저 다이오드 칩의 고반사 코팅 단면(151)과 반사 거울(600)에 의해 결정된다.

도 8의 구조에서 파장 가변성 필터(300)의 온도를 조절하게 되면 GaAs/AlGaAs 파장 가변성 필터에 의해 선택되어지는 파장은 다음의 식으로 설명된다.

dλ/dT = λ ( 1/n ) dn/dT (식 2)

λ : 파장 가변성 에탈론 필터에 의해 선택되어지는 파장

n : 파장 가변성 에탈론 필터의 공간층의 굴절률

T : 온도

즉 고려되는 파장을 1550nm로 하며, GaAs 공간층의 굴절률을 3.5로 하고 굴절율의 온도변화율 (dn/dT)을 1.8 x 10-4 로 하였을 경우 파장 가변성 필터의 선택되어지는 파장의 온도 변화율은 대략 0.08nm/℃ 가 된다. 그러므로 GaAs/AlGaAs파장 가변성 필터(300)의 온도를 200℃ 변화시켜 주면 파장 가변성 필터(300)에 의해 선택되어지는 파장은 16nm 바뀌게 된다.

통상적으로 반도체 레이저의 이득물질은 100nm의 폭을 가지며 빛을 방출할 수 있으므로 16nm 정도의 파장 가변성 필터(300)의 선택 파장 변화는 레이저 다이오드 칩(100)에서 레이저 동작을 방해하지 않는다. 그러므로 파장 가변성 필터(300)의 온도를 바꾸어주면 레이저 다이오드 칩(100)의 온도를 고정시킨 상태에서도 레이저에서 발진하는 레이저 빛의 파장을 변화시킬수 있으므로 레이저 다이오드 칩(100)의 동작 특성을 변화화시키지 않고도 레이저 발진 파장을 바꿀수 있다. GaAs/AlGaAs등의 물질은 400℃ 까지 안정한 물질이므로 더 넓은 범위에서도 레이저의 파장을 가변시킬수 있다. 이러한 파장가변성필터의 온도를 바꾸어주기 위해 열전소자 또는 히터가 필요하나 열전소자는 최고 조절온도가 200℃ 정도로 온도 조절 범위가 좁으므로 열전소자보다는 히터(heater)가 더 적절하며 이러한 heater는 파장가변성필터에 금속 박막을 부착하는 형태로 제작 할 수 있다.

그러나 도 7의 구조로는 파장 가변성 필터(300)의 선택 파장을 가변시켜 레이저의 발진 파장을 바꾸어주는 과정에서 모드 천이 현상을 피 할 수 없다. 이는 레이저 다이오드 칩(100)과 반사거울(600)로 이루어진 레이저 공진기의 길이가 변화하지 않기 때문이다. 좀 더 엄밀하게 설명하면 레이저 공진기 내부에 파장 가변성 필터(300)가 삽입되어 있고 파장 가변성 필터(300)를 포함하여 레이저 공진기가 형성되므로 파장 가변성 필터(300)의 온도를 바꾸어 파장 가변성 필터(300)의 굴절률을 바꾸어주게 되면 전체 공진기의 유효 굴절률이 바뀌게 되어 레이저 공진 모드가 변화하게 된다.

그러나 파장 가변성 필터가 전체 레이저 공진기 중에서 일부분만 차지하며 전체 레이저 공진기 중 파장 가변성 필터(300)를 제외한 영역의 온도는 바뀌지 않으므로 파장 가변성 필터(300)의 굴절률 변화율의 일부분만이 전체 공진기의 유효 굴절률 변화로 나타난다. 그러므로 파장 가변성 필터(300)의 온도를 바꾸어주면 파장 가변성 필터(300)는 앞서 설명한 1.8 x 10-4 비율로 바뀌어 선택되는 파장을 바꾸게 되나, 전체 공진기의 굴절률은 전체 공진기 길이중에서 파장 가변성 필터(300)의 비율만큼 낮아진 굴절률 변화를 느끼게 된다. 그러므로 전체 공진 모드는 파장 가변성 필터(300)의 선택된 파장 변화율보다 느린 속도로 움직이므로 파장 가변성 필터(300)의 선택 파장의 변화 속도와 전체 공진기의 공진 모드의 파장 변화 속도의 불일치에 따라 모드 천이 현상을 피 할 수 없다.

도 9는 파장 가변 레이저에서 모드 천이현상을 없애기 위해 위상보정판(500)을 삽입한 경우의 실시예이다. 이러한 위상 보정판(500)은 파장 가변성 필터(300)의 파장 변화율과 동일하게 전체 레이저 공진기의 모드 파장을 변화시키는 역할을 한다. 일 실시예로 GaAs의 기판의 양면에 무반사처리된 기판을 위상보정판(500)으로 삽입하고 파장 가변성 필터(300)의 온도와 무관하게 위상 보정판(500)의 온도를 조절하면 위상보정판(500)의 굴절률 변화로 인하여 전체 레이저 공진기의 유효 굴절률이 변화하게 된다. 여기서 레이저 공진기의 유효 굴절률이라함은 다음의 식으로 정의된다. (식 1)을 변형하면

2 x n x L = m x λ (식 3)

이 된다. 전체 공진기가 반도체 레이저 다이오드 칩(100), 렌즈(200), 파장 가변성 필터(300), 위상보정판(500), 반사거울(600), 그리고 각 부품 사이의 공간으로 구성되므로 이러한 각 요소들의 굴절률을 고려하여 (식 3)을 다시쓰면 (식 4)와 같다.

2 x( nc x Lc + nl x Ll + nf x Lf + np x Lp + ns x Ls) = m x λ (식 4)

nc : 반도체 칩(100)의 굴절률, Lc : 반도체 칩(100)의 길이

nl : 시준화 렌즈(200)의 굴절률, Ll : 시준화 렌즈(200)의 길이

nf : 파장가변성 필터(300)의 굴절률, Lf : 파장가변성 필터(300)의 두께

np : 위상보정판(500)의 굴절률, Lp :위상보정판(500)의 두께

ns : 공진기내의 공기층 굴절률, Ls : 공진기내의 공기층의 두께

공진기내의 공기층의 굴절률은 1이며, 공기층의 두께 Ls는 전체 공진기 길이 L에서 Lc, Ll , Lf, Ld,를 뺀 것과 같다. 그러므로 (식 4)를 정리하면

2 x ( nc x Lc + nl x Ll + nf x Lf + np x Lp + Ls ) = 2 x neff x L

= m x λ (식 5)

그러므로

neff = (nc x Lc + nl x Ll + nf x Lf + np x Lp + Ls ) / L (식 6)

그러므로 (식 2)에서 전체 공진기 모드의 유효 굴절률 변화에 의한 모드 파장 변화는 다음의 식으로 주어진다

dλ/dT = λ ( 1/neff ) d neff/dT (식 7)

위상 보정판을 제외하고 공진기의 온도가 변화하지 않는 경우, 레이저 다이오드 칩의 굴절률 변화, 렌즈의 굴절률 변화, 공기층의 굴절률 변화는 없으므로 (식 6은 다음과 같이 수정 될 수 있다.

d neff = (d nf x Lf + d np x Lp ) / L (식 8)

파장가변성 필터와 위상보정판의 온도에 따른 굴절률 변화율을 달리 할수 있고, 파장가변성 필터와 위상 보정판의 온도를 달리 설정 할 수 있으므로, 동일한 파장을 고려하므로 파장을 상쇄하면

( 1/ nf ) x d nf / dT x ΔTf

= (1/neff) x (d nf x Lf + d np x Lp ) / L / dT x ΔTp (식 9)

ΔTf : 파장가변성 필터의 온도변화량, ΔTp : 위상보정판의 온도변화량

이 된다. (식 9)에서 등호의 좌변은 파장가변성필터(300)의 온도 변화에 따른 선택되어지는 파장의 변화량에 해당하고 (식 9)의 우변은 파장가변성 필터(300)와 위상보정판(500)의 온도변화에 따른 전체 공진기의 공진모드 파장의 변화량이다. 즉 (식 9)를 만족하도록 위상보정판(500)의 온도 또는 두께 또는 위상보정판(500)의 온도에 따른 굴절률 변화량을 조정함으로써 파장가변성 필터(300)에 의한 파장 변화와 동일하게 전체 레이저의 공진 모드 파장을 변화시킬수 있고 이에따라 모드 천이가 없는 레이저를 만들 수 있다.

(식 9)의 일례로써 파장가변성 필터(300)와 위상보정판(500)의 온도를 동일한 온도로 설정 할 경우 (식 9)는 다음과 같이 변형된다.

d np / dT

= (neff / nf x L -Lf) / Lp x d nf / dT (식 10)

즉 (식 10)이 만족하는 위상 보정판(500)의 온도에 따른 굴절률 변화 물질을 공진기내에 삽입 할 경우 파장가변성필터(300)와 동일한 온도변화를 위상보정판(500)에 가할 경우 이 레이저는 모드 천이 현상이 없이 레이저의 발진 파장이 바뀔수 있다.

하나의 예를 들어보면

nc : 3.5 , Lc : 300um

nl : 1.5, Ll : 300um

nf : 3.5, Lf : 300um

np : 3.5, Lp :600um

ns : 1, Ls : 300um

인 레이저 시스템을 구성하고 (dnf/dT)을 1.8 x 10-4 이라하면, 전체 공진기의 길이는 L = 1800um가 되므로 (d np / dT) 는 3.34 x 10-4 이 된다. 즉 위상보정판의 3.34 x 10-4 의 큰 굴절률 변화율은 전체 공진기의 효과적인 유효 굴절률 변화율을 파장 선택성 필터와 동일한 값으로 바꾸게 된다. 위 식에서 위상보정판(500)의 두께가 두꺼우면 두꺼울수록 전체 공진기에서 위상보정판(500)의 비율이 증가하므로 위상보정판의 온도에 따른 굴절률 변화율이 낮아지게 된다. 즉 위상보정판(500)의 길이를 900um로 할 경우 필요한 위상보정판(500)의 온도에 따른 굴절률 변화율은 2.83 x 10-4 이 된다.

위상보정판(500)의 온도에 따른 굴절률변화율은 물질에 따라 결정되므로 적절한 물질을 찾기가 어려울 경우 위상보정판의(500) 온도를 파장가변성필터(300)와 달리하여 전체 공진기의 공진 모드 파장의 변화를 파장가변성필터(300)의 파장 변화율과 일치시킬수 있다.

(식 9)를 변형하면

ΔTp =

neff x L / nf / ( dnf / dT x Lf + dnp / dT x Lp) x dnf /dT x ΔTf (식 11)

위 (식 11)로부터 위상보정판(500)과 파장가변성필터(300)을 GaAs로 할 경우 dnp/dT = dnf/dT 가 되고 np = nf 가 된다. 다음과 같은 예로 든 레이저 시스템의 경우

nc : 3.5 , Lc : 300um

nl : 1.5, Ll : 300um

nf : 3.5, Lf : 300um

np : 3.5, Lp :600um

ns : 1, Ls : 300um

dnf/dT = dnp/dT = 1.8 x 10-4 이되며 ΔTp = 1.86 x ΔTf 이다. 즉 파장 가변성필터 (300)의 공간층과 위상보정판(500)의 물질을 동일한 물질로 할 경우 위상보정판(500)의 온도 변화를 파장가변성필터(300)에 비해 크게하여 위상보정판(500)의 굴절률 변화를 이용하여 전체 공진기의 유효 굴절률 변화를 파장선택성 필터의 굴절률 변화와 동일하게 만들 수 있다. 이 경우 파장선택성 필터의 온도에 따른 선택 파장의 변화와 동일하게 레이저의 모드 파장이 변화하므로 모드 천이가 없는 레이저를 만들 수 있다. 위상보정판은 온도에 따라 굴절률이 크게 변화하는 물질이 적절하며 이러한 위상보정판은 고려되는 레이저 파장에 투명하여야한다.

통신용에 적용할 경우 레이저 파장이 1250nm~1650nm 정도의 파장을 가지므로 이러한 파장대역에 투명하며, 굴절률 변화가 큰 물질로 GaAs, InP, Si등의 반도체 재료가 적절하다.이러한 위상보정판은 그 굴절률이 3 이상으로 커 공기와의 계면에서 30% 이상의 반사가 일어나므로 위상보정판의 양면은 고려되는 파장에 대해 무반사 코팅 처리되어야 한다.

모드 천이가 발생하는 레이저의 경우 모드 천이 구간내에 해당하는 파장은 구현 할 수 없는 문제가 발생한다. 이러한 모드 천이 현상을 근본적으로 없애기 위한 방법으로 앞 절에서 설명한 방법들이 채택 될 수 있으나, 물질의 선택과 위상 보정판의 과다한 온도 변화라는 문제가 발생 할 수 있다. 모드 천이가 없는 파장 가변형 레이저는 파장 선택성 필터에서 선택되는 모드가 파장이 가변되어도 동일한 모드로 유지되는 경우를 말하는데, 모드 천이가 있어도 모드 천이에 의한 금지 대역 파장이 존재하지 않도록 하는 방법이 가능 할 수 있다.

즉 모드 천이 구간에 해당하는 파장을 선택하도록 파장가변성필터(300)의 투과 파장을 조절할 경우에 레이저는 모드 천이 구간 밖의 파장으로 조절되며, 파장가변성필터(300)에서 선택된 파장으로 동작하지 않는 현상이 벌어지게 된다. 이때 파장가변성필터(300)의 선택 파장은 동일하게 유지 한 상태에서 위상보정판(500) 또는 레이저 다이오드 칩(100)의 온도를 변화시키면 전체 레이저 공진기의 유효 굴절률 변화가 발생하게 되고 이에 따라 전체 공진기에 의한 Fabry-Perot 모드의 파장 변화가 발생하게 된다.

그러므로 전체 공진기의 Fabry-Perot 모드가 파장가변성 필터(300)에서 선택된 파장과 동일하게 조절되면, 위상보정판(500) 또는 레이저다이오드 칩(100)의 온도를 변화시키지 않는 상태에서는 얻을 수 없었던 파장의 레이저 빛을 얻을 수 있게 된다. 이러한 방식은 앞서 언급한 바와 같이 레이저에서 얻고자하는 전 파장 가변 구간에 대해 파장가변성필터(300)의 선택 파장 변화율과 동일한 속도로 공진 모드의 파장을 변화시켜 근본적으로 모드 천이 현상을 없애는 방법과 달리, 모드 천이 구간 만을 피해가기 위해 위상 보정판(500) 또는 레이저 다이오드 칩(100)의 온도를 조절하여 주는 방법으로 그 구동 방법은 다르나 모드 천이 구간에 따른 금지 파장대를 피 할 수 있는 방법이다.

또한 이와같이 단지 모드 천이에 따른 금지 파장을 회피하기 위해서는 위상보정판(500)을 사용하지 않고 단지 레이저 다이오드 칩의 온도를 조절함으로써 원하는 목적을 달성 할 수 있다. 본 발명의 설명에서 파장가변 필터(300) 및 위상보정판(500) 및 레이저 다이오드 칩(100)의 온도 변화를 위한 특별한 기구를 설명하지 않았다하더라도 각 구성부품의 온도 조절이 필요 할 경우에는 적절한 온도 조절 수단이 더 부가 될 수 있는 것은 자명하다.

즉 파장가변성 필터(300)의 온도를 조절하기 위해서는 파장가변성 필터(300)를 독립적으로 온도 조절이 가능한 열전소자 위에 부착한다든지 또는 파장가변성 필터(300)를 히터에 부착하고 파장가변성 필터(300)의 운용 온도를 외부 환경보다 높은 온도 구간에서 조절한다든지 하는 방법이 가능하다. 즉 예를 들어 파장가변성필터(300)가 부착되어 있는 외부환경의 온도가 40~50℃ 정도로 유지 될 때 파장가변성 필터(300)을 히터에 부착한 후 파장가변성 필터(300)를 60~240℃로 조절하면 파장가변성 필터(300)의 온도조절에 따라 레이저의 발진 파장을 조절할 수 있다. 또한 파장가변성 필터(300)에 금속 박막 히터를 부착하는 방법도 가능하다.

도 1 내지 도 9는 본 발명에 의한 파장 가변성 레이저의 동작 기본 원리에 대해 설명한 것이다. 그러나 본 발명의 주요한 응용이 광통신인 것을 감안 할 때 본 발명에 의해 파장이 가변되어 설정되는 레이저 빛이 광섬유로 집적 될 수 있는 방법이 필요하다. 도 10은 본 발명에 의한 레이저 빛을 광섬유로 집적하는 일례를 보이고 있다. 레이저 다이오드 칩(100)에서 렌즈(200)와 파장가변성 필터(300), 반사거울(600)을 포함하는 공진기에서 파장이 가변되어 설정된 레이저 빛은 반도체 레이저 다이오드 칩(100)의 다른쪽 단면(151)을 통하여 공진기 외부로 방출된다.

반도체 레이저 다이오드 칩의 일측 단면(151)을 통하여 퍼지면서 발산되는 레이저 빛은 렌즈(220)를 통하여 광섬유(700)로 집속되어 광통신의 목적을 달성하게 된다. 이러한 구도에서 레이저 다이오드 칩의 일측단면(151)은 공진기를 형성하기 위하여 어느 정도의 반사율을 가져야 하며 또한 레이저 빛을 공진기 외부로 추출하기 위해 어느 정도의 투과율을 가져야 한다. 이러한 요구되는 반사의 특성과 투과의 특성을 만족하기 위해 레이저 다이오드 칩의 일측단면(151) 반사율은 20~80% 정도가 적절하다.

도 11은 파장가변 레이저의 레이저 빛을 광섬유로 집속하는 다른 방법을 보여준다. 도 11에서는 레이저 빛이 반사거울을 통하여 공진기 외부로 추출되어 렌즈(220)를 통하여 광섬유(700)으로 집속되는 경우를 보여준다. 이러한 구조에서 반사거울(600)은 일부투과/ 일부반사의 특성을 가져야 하며 이때 반사거울의 반사율은 20~80% 가 적절하다.

도 10과 도 11은 공진기 방향으로 레이저 빛이 추출되어 광섬유로 집속되는 경우를 보여준다. 그러므로 이러한 파장가변 레이저 구도를 가장 잘 적용 할 수 있는 패키지는 버터플라이형 또는 미니플랫형 또는 미니딜형 패키지가 된다. 그러나 버터플라형 패키지 또는 미니플랫형 패키지 미니딜형 패키지등은 패키지 외형 자체의 크기가 매우 크며 가격이 매우 비싼 단점이 있다. 현재 저가의 통신용 레이저 패키지로는 TO(transistor outline)형 패키지가 많이 사용되고 있다.

도 12는 TO형 패키지의 외형을 보여준다. TO형 패키지는 금속 재질의 기판에 관통공이 마련되고, 관통공을 통하여 금속 재질의 전극핀(250)이 삽입되며, 금속 재질의 전극핀(250)과 금속 재질의 기판 사이를 밀봉 유리(260)로 결합하여 밀봉하는 구조의 스템(240)과 상부에 레이저 빛이 출입할수 있는 관통공이 뚫려 있는 cap(950)으로 이루어 진 구조의 패키지를 말한다. 캡(950)의 관통공은 레이저 빛이 출입은 가능하나 습기 또는 먼지 등이 침입하지 못하도록 유리 재질의 평판형 창이나 또는 렌즈(230)가 캡의 관통공에 장입되는 구조를 가지게 된다.

이러한 TO형 패키지 하우징은 매우 일반적이며, 앞으로의 발명의 설명에서도 공통적으로 사용되므로 도 12 이후의 도면에서는 도면의 표시를 용이하게 하기 위해 스템(240)의 전극핀(250)과 캡(950)의 렌즈(230)등은 생략하여 도시하기로 한다. TO형 패키지는 광모듈에서 사용되는 다른 형태의 패키지인 mini-flat형, mini-Dil형, butterfly형 등의 패키지에 비해 가공이 용이하여 패키지 하우징 제조 비용이 저렴하며, 양산성이 높아 특히 저가형 광원의 패키지로 널리 사용되고 있다.

그러나 파장가변 레이저의 경우 레이저 다이오드 칩 및 파장가변성 필터, 반사거울 등 여러개의 광부품이 필요하게 되고 이러한 많은 광 부품들은 패키지 바닥면에 늘어놓는 것이 조립에 용이하다. 이러한 특성은 여러 광부품이 놓이게 될 패키지의 바닥면과 패키지의 상부에 형성되는 관통공을 통하여 레이저 빛의 출입 방향이 패키지 바닥면과 수직하게 되는 TO형 패키지에서는 파장 가변 레이저를 구현하기 어려운 특성이 있다.

패키지 바닥면에 여러 부품을 고정 배치하고 패키지 외부로 레이저 빛을 추출하는 방향은 패키지 바닥면에 수직이 되기 위해서는 패키지 바닥면에 부착되어 패키지 바닥에 수평으로 진행하는 레이저 빛을 패키지 바닥면에 수직으로 절환하는 방법이 필요하다. 또한 TO형 패키지는 패키지 중심에서 레이저 빛이 추출될 때 외부 광섬유와의 정밀 결합이 용이한 특성이 있으므로 TO형 패키지를 사용하여 파장 가변 레이저를 구현하기 위해서는 패키지의 중심부분에서 패키지 바닥면에 대해 수평으로 진행하는 레이저 빛을 수직으로 전환하는 특별한 수단이 필요하다.

도 13과 도 14는 TO형 패키지를 이용하여 파장 가변 레이저를 구현하는 방법이다. 도 13은 기본적으로 도 10과 같이 공진기 외부로 빛을 방출하는 레이저 다이오드 칩(100)의 단면의 일측면에 레이저 빛을 90도로 방향 전환하는 레이저 빛 광축의 입사각에 대해 45도의 경사각을 가지는 반사 거울(650)을 장착한 경우이다. 도 13에서 위상보정판은 미도시 되어 있지만 위상보정판이 레이저 공진기내에 더 추가 될 수 있음은 자명하다. 도 13의 경우는 레이저 공진기의 구성부품이 모두 스템의 중심점을 기준으로 한쪽 방향으로 몰려 있어 스템 패키지 공간의 효과적인 사용을 저해한다.

도 14는 TO형 패키지의 내부 공간을 더 활용하기 위하여 안출된 것이다. 즉 공진기 내부에 레이저 빛을 90도 방향 절한하는 기능을 가지는 빔스플리터(660)를 배치한다. 이 빔스플리터(660)는 빔스플리터(660)로 입사하는 빛에 대해 정해진 비율만큼 반사하고 정해진 비율만큼 투과하는 특성을 가진다. 이러한 도 14의 구성을 가지는 파장 가변형의 레이저의 동작에 대해 설명한다. 먼저 레이저 동작이 되기 전에 레이저 다이오드 칩(100)에서 자발 방출에 의해 공진기의 파장가변형 필터(300) 방향으로 방출되는 레이저 빛은 시준화렌즈(200)에 의해 시준화된다. 이렇게 시준화된 자발 방출 빛은 패키지 바닥면에 대해 45도의 경사각을 가지는 빔스플리터(660)로 진입하여 빔스플리터(660)에 미리 설정된 반사율에 해당하는 반사 빛은 패키지 바닥에 대해 수직 방향으로 방향 전환되어 TO형 패키지 외부로 추출된다.

빔스플리터를 투과한 레이저 빛은 빔스플리터의 후면을 거쳐 파장가변형 필터(300)로 입사한다. 파장가변형 필터(300)는 파장가변형 필터(300)로 입사하는 빛의 광축에 대해 경사지게 배치되어 파장가변형 필터(300)에서 반사되는 빛은 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환되지 못한다. 파장가변형 필터(300)에서 선택되어 파장가변형 필터(300)를 투과하는 빛은 반사거울(600)에서 반사되어 다시 파장가변형 필터(300)로 진입한다. 반사거울(600)에서 파장가변형 필터로 진입하는 빛은 이미 파장가변형 필터(300)에서 선택되어져 투과한 파장의 빛이므로 그대로 파장가변형 필터(300)를 투과하여 빔스플리터(660)로 진입한다.

반사거울(600)에서 빔스플리터(660)로 진입하는 빛중에서 빔스플리터(660)에 의해 미리 정해진 비율은 빔스플리터(660)를 투과하여 시준화 렌즈(200)를 거쳐 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환된다. 그러므로 레이저 다이오드 칩(100)에서 방출되어 다시 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환되는 빛은 파장가변성 필터(300)에 의해 선택되어진 파장의 빛이다. 이렇게 파장가변형 필터(300)에 의해 선택되어지는 파장의 빛은 궤환이 되므로 이 파장의 빛이 증폭 작용이 일어나게 되어 공진기가 레이저로 작동하는 시점에서 레이저 다이오드 칩(100)에서 방출되는 빛은 대부분 파장가변형필터(300)에 의해 파장이 결정되게 된다. 그러므로 레이저 동작이 일어난 시점이후에 레이저 다이오드 칩(100)에서 방출되는 빛은 파장가변형 필터(300)에 의해 파장 잠금된 레이저 빛이 되므로 이러한 레이저 빛이 레이저 다이오드 칩(100)을 출발하여 시준화렌즈(200)를 거친 후 빔스플리터(660)에서 미리 정해진 비율만큼 반사하여 TO형 패키지 외부로 추출되고 빔스플리터(660)를 투과하는 레이저 빛은 공진기를 궤환하여 레이저의 파장 잠금 기능을 수행하게 된다.

이러한 특성을 구현하기 위해서 빔스플리터(660)는 레이저 빛이 투과또는 반사하는 빔스플리터(660)의 두 출입면이 서로 평행인 것이 바람직하다. 본 발명의 예시에서 빔스플리터(660)는 빔스플리터의 빛이 투과되는 양 면이 평행하며, 모두 바닥에 대해 45도의 경사각을 가지며 빔스플리터(660)의 일 측면이 빔스플리터(660)의 빛이 출입하는 양면에 대해 45도의 경사각을 가져 자립형으로 제작되는 것을 예시하고 있으나 평판형의 빔스플리터를 다른 기구물을 이용하여 바닥에 대해 45도의 경사각을 가지게 제작 할 수도 있다.

상기 빔스플리터(660)는 레이저 다빛이 출입하는 양 단면 중 적어도 한 단면은 적절한 크기의 반사율을 가져야하며, 다른쪽 단면은 무반사 처리되는 것이 바람직하다. 이는 양면에서 모두 반사가 일어날 경우 광섬유로의 집속이 어려워지기 때문이다. 또한 빔스플리터의 반사면의 반사율은 적절한 크기로 조절되어야 하는데 이는 반사율이 너무 높을 경우 레이저 다이오드 칩으로 궤환되는 빛의 양이 작아져 레이저 동작이 잘 일어나지 않기 때문이며, 반사율이 너무 낮을 경우 패키지 외부로의 광추출이 잘 않되어 출력 레이저 세기가 약해지는 문제가 있다. 그러므로 빔스플리터의 반사면의 반사율은 10~70% 정도이어야 하며 바람직하게는 20~50% 정도이면 레이저 다이오드 칩으로 궤환되는 빛의 양이 64%~25% 정도로 가장 적절하다.

도 14의 예시에서 위상보정판은 빠져 있는데 위상보정판이 추가 될 수 있음은 자명하다. 또한 파장가변형 필터(300)의 선택되어지는 파장을 조절하기 위해 파장 가변형 필터의 온도를 조절할 수 있는 수단이 미도시 되어 있는데 파장가변형 필터의 온도를 제어하기 위한 온도 측정 수단과 온도 조절 방법이 더 추가 될 수 있음은 자명하다. 본 발명의 주요한 예시에서 파장가변형 필터(300)를 온도에 의해 선택되어지는 파장을 가변시키는 것을 예로 들고 있지만 이는 온도가 파장가변형필터의 굴절률을 변화시켜 선택되어지는 파장을 가변시킬 수 있는 방법을 활용한 것뿐이며 액정(liquid crystal)을 이용한 에탈론 필터 또는 압전소자를 이용한 에탈론 필터등의 파장가변형 필터는 필터의 온도를 변화시키지 않고 단지 필터에 가해지는 전압만을 조절하여 필터에서 선택되어지는 파장을 가변시킬 수 있으므로 이러한 전압조절형 파장가변형 필터에서는 필터의 온도를 조절하여 주기 않아도 되는 것은 자명한 사실이다.

본 발명에서 레이저 다이오드 칩의 발진 파장은 파장가변형 필터에 의해 선택되어지는 파장이며 레이저 다이오드 칩 자체의 온도는 발진 파장에 영향을 주지않는다. 그러나 반도체 레이저 다이오드 칩의 온도는 이득 고선의 평탄도 및 발광 효율에 영향을 주기 때문에 레이저 다이오드 칩의 온도를 일정한 범위 내에서 온도를 조절할 필요가 있다. 도 15는 패키지의 바닥면인 스템(240)의 상부에 열전소자(1100)를 배치하고 열전소자(1100)의 상부판을 바닥면으로하여 레이저 공진기를 구성하는 방법을 보여준다.

이러한 배치는 파장가변형 필터(300)도 열전소자(1100) 위에 배치되는데 파장가변형 필터를 온도조절형으로 사용할 경우 파장 가변형 필터의 온도를 바꾸어주기 위해 파장가변형 필터에 가해지는 열이 열전소자의 전달될 경우 열전소자에 과부하가 걸릴수 있다. 그러므로 온도조절형의 파장가변형 필터(300)에서는 파장가변형 필터(300)에 가해지는 열이 열전소자(1100)로 전달되지 못하도록 열전달을 차단 할 필요가 있다. 이러한 경우에 파장가변형 필터(300)는 열전달률이 낮은 서브마운트(310)위에 부착되어 열전소자(1100) 상부에 부착되어야 한다.

열전달률이 낮은 물질로는 유리 또는 aerogel 형태의 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 특히 TO형 패키지의 경우 초소형의 열전소자를 사용하여야 하므로 열전소자에서 감당 할 수 있는 열량이 제한되어 있다. 파장가변 레이저를 70℃의 외부환경에서 사용하고 레이저 다이오드 칩을 40℃로 유지 하기 위해서는 열전소자 위에 가해지는 열량이 70mW 이상이 가해지면 않된다. 이 경우 레이저 다이오드 칩을 구동하는데 20mW 정도가 소요되면 파장가변형 필터에 가해질 수 있는 열량은 50mW 이내가 된다. 이러한 50mW 정도의 열량으로 파장가변형 필터의 온도를 100℃ 이상으로 조절하기 위해서는 파장가변형 필터의 서브마운트의 열전달률이 매우 낮아야 한다. 파장가변형 필터의 서브마운트는 규격이 가로 세로 높이 가 각각 0.6mm, 0.3mm, 0.4mm 정도를 예상할 때 서브마운트의 열전달률은 1 W/mK 이하의 열전달률을 가져야한다.

통상적으로 레이저는 레이저의 동작 상태를 감시하기 위한 감시용 포토 다이오드가 더 배치되는데, 도 15의 감시용포토다이오드(900)는 빔스플리터(660) 하부에 배치되어 반사거울(600)에서 반사되어 레이저 다이오드 칩(100)으로 향하는 레이저 빛이 빔스플리터(660)에서 반사된 빛을 이용하여 레이저의 동작 상태를 감시하는 것이 바람직하다. 빔스플리터(660)를 패키지에 부착하는 수단으로는 에폭시 계열의 접착제를 사용 할 수 있는데 특히 광흡수의 특성을 가지는 에폭시를 사용하여 빔스플리터(660)를 부착하면 빔스플리터에서 산란되에 레이저 동작에 영향을 줄 수 있는 잡음을 제거 할 수 있는 장점이 있다. 광흡수의 특징을 가지며 물질적으로 안정되어 있어 광패키지에 적합한 접착제는 광흡수계수 1000cm-1 이상이 적절하며 이러한 특성을 가지는 제품으로 epotek 사의 OH105등의 제품을 예로 들수 있으며 이러한 광흡수 에폭시는 광을 흡수하므로 black의 색깔을 띄고 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있음을 이해하여야 한다.

100 : 레이저 다이오드 칩
110: 레이저 다이오드 칩용 서브마운트
141 : 레이저 다이오드의 활성층 waveguide
150 : 레이저 다이오드 칩의 일측 단면
151 : 레이저 다이오드 칩의 다른 일측 단면
156 : 레이저 다이오드 칩의 일측 단면에서 방사되는 빛
157 : 레이저 다이오드 칩의 다른 단면에서 방사되는 빛
200 : 시준화 렌즈
220 : 렌즈
230 : 렌즈
240 : 스템
250 : 전극 핀
260 : 밀봉 유리
300 : 파장 가변형 필터
500 : 위상보정판
600 : 반사거울
650 : 45도 반사거울
660 : 45도 빔스플리터
700 : 광섬유
900 : 레이저 동작 감시용 포토 다이오드
950 : TO형 패키지의 캡
1100 : 열전소자

Claims (16)

1. 외부 공진기형의 파장가변 레이저 장치로써,
   적어도 한쪽 단면이 5% 이하의 반사율을 가지도록 무반사 코팅 처리된 레이저 다이오드 칩과, 시준화 렌즈, 파장가변성필터, 반사거울로 이루어진 공진기 내부에 공진기의 공진 모드 파장의 조절이 가능하도록 위상보정판이 삽입되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 레이저 장치
2. 제 1항에 있어서,
   상기 위상보정판은 파장가변형 필터에서 선택되어지는 파장의 변화와 동일하게 공진기의 공진 모드 파장을 변화시키도록 온도가 조절되는 것을 특징으로 하는 파장가변 레이저 장치
3. 제 1항에 있어서,
   상기 위상보정판은 Silicon, GaAs, InP 중 어느 하나의 반도체 재료로 구성한 것을 특징으로 하는 파장 가변 레이저 장치
4. 적어도 한쪽 단면이 5% 이하의 반사율을 가지도록 무반사 코팅 처리된 레이저 다이오드 칩과, 시준화 렌즈, 파장가변성 필터, 반사거울로 이루어진 외부 공진기형의 파장 가변 레이저 장치로써,
   상기 레이저 다이오드 칩이 열전소자 위에 배치되고, 상기 레이저 다이오드 칩의 온도는 열전소자에 의해 조절되며, 파장 가변을 위해 상기 파장가변성 필터의 선택되어지는 파장이 모드 천이 구간에 해당하지 않도록 상기 레이저 다이오드 칩의 온도를 바꾸어 전체 공진기의 공진 모드 파장을 조절하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 레이저 장치
5. 적어도 한쪽 단면이 5% 이하의 반사율을 가지도록 무반사 코팅 처리된 레이저 다이오드 칩과, 시준화 렌즈, 파장가변성필터, 반사거울로 이루어진 외부 공진기형의 파장 가변 레이저 장치로써,
   공진기 내부가 아닌 레이저 다이오드 칩의 일측면에 입사하는 레이저 빛에 45도의 경사각을 가지는 반사거울을 비치하여 패키지 바닥 면에 대해 수평으로 진행하는 레이저 빛을 수직으로 절환하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 레이저 장치
6. 레이저 다이오드 칩과, 시준화 렌즈, 파장가변성필터, 반사거울로 이루어진 외부 공진기형의 파장가변 레이저 장치로써,
   공진기 내부에 입사하는 레이저 빛에 45도의 경사각을 가지는 빔스플리터를 비치하여 패키지 바닥면에 대해 수평으로 진행하는 레이저 빛의 일부를 수직으로 절환하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 레이저 장치
7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
   상기 파장 가변형 레이저의 외형은 TO형인 것을 특징으로 하는 파장 가변 레이저 장치
8. 제 6항에 있어서,
   상기 빔스플리터의 하부에 레이저 동작 상태를 감시하기 위한 감시용 포토 다이오드가 배치되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 레이저 장치
9. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
   상기 레이저 다이오드 칩이 열전소자 위에 배치되고, 상기 레이저 다이오드 칩의 온도는 열전소자에 의해 조절되며, 파장 가변을 위해 파장가변성 필터의 선택되어지는 파장이 모드 천이 구간에 해당하지 않도록 레이저 다이오드 칩의 온도를 바꾸어 전체 공진기의 공진 모드 파장을 조절하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 레이저 장치
10. 제 1항, 5항 및 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파장가변형 필터는 온도에 의해 선택되어지는 파장이 조절되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 레이저 장치
11. 제 1항, 5항 및 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파장가변형 필터는 전압에 의해 선택되어지는 파장이 조절되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 레이저 장치
12. 제 9항에 있어서,
    상기 파장가변형 필터는 유리 또는 aerogel 형태로 구성하며 열전달률이 1W/m K 이하인 물질인 것을 특징으로 하는 파장 가변 레이저 장치
13. 제 6항에 있어서,
    상기 레이저 공진기는 적어도 한쪽 단면이 5% 이하의 반사율을 가지도록 무반사 코팅 처리된 레이저 다이오드 칩과, 시준화 렌즈, 45도 빔스플리터, 파장가변성필터, 반사거울의 순서로 조립되는 것을 특징으로하는 파장 가변형 레이저 장치
14. 제 6항에 있어서,
    상기 45도 빔스플리터 레이저 빛이 출입하는 양면이 서로 평행인 것을 특징으로 하는 파장 가변형 레이저 장치
15. 제 6항에 있어서,
    상기 45도 빔스플리터의 적어도 한 단면은 10% 내지 70%의 반사율을 가지며 상기 빔스플리터의 다른 단면은 무반사 코팅 처리되는 것을 특징으로 하는 파장 가변형 레이저 장치
16. 제 1항, 5항 및 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파장가변형 필터는 GaAs와 AlGaAs를 적층으로 쌓은 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 파장 가변형 레이저 장치
    
    
    

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