KR20150051792A - 반사형 파장무의존 광원 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 반사형 파장무의존 광원은 연속광인 캐리어 신호를 입력 받고 변조된 광신호를 출력한다. 본 발명의 반사형 파장무의존 광원은 입력되는 광신호가 이득을 가지도록 증폭 동작을 수행하는 반도체 광 증폭기; 상기 반도체 광 증폭기와 연결되고 변조된 광신호를 발생하는 광 변조기; 상기 광 변조기의 변조된 광신호를 반사하는 고 반사 막; 및 상기 고 반사 막, 상기 광 변조기, 그리고 상기 반도체 광 증폭기에 직렬 연결되는 브래그 반사경을 포함하되, 상기 브래그 반사경과 상기 고 반사 막에 의해 브래그 공진기가 형성된다.

Description

반사형 파장무의존 광원{reflective colorless optical transmitter}
본 발명은 광통신에 사용되는 반사형 파장무의존 광원(reflective colorless optical transmitter)에 관한 것이다.
최근 초고속 인터넷 및 다양한 멀티미디어 서비스가 등장함에 따라 대용량의 정보를 제공하기 위해서 전화국에서 집까지 광섬유로 연결하는 FTTH (Fiber To The Home) 기술이 세계적으로 활발히 개발되고 있다. FTTH 구현을 위해서 여러 가지 방식의 광 가입자 망이 요구되고 있다. 그 중 가장 중요한 관건은 대용량의 전송뿐만 아니라, 저가격화 하는 것이다. 일반적으로 수동형 광 가입자 망 (Passive Optical Network; PON)은 수동 소자의 특성상 망의 관리 및 유지 보수 측면에서 우수하며, 여러 가입자가 광섬유를 공유하여 사용하므로 경제적이다.
특히, 파장분할 다중방식 수동형 광가입자망 (WDM-PON) 방식은 가입자마다 각각 다른 파장을 할당하므로, 보안성과 확장성이 높다. 하지만, 가입자마다 각기 다른 파장을 가지는 고가의 분포궤환형 레이저 다이오드 (Distributed Feedback Laser Diode;DFB LD)와 같은 광원이 필요하고, 고장을 대비하여 재고에 각 가입자마다 파장이 다른 특정 광원을 준비해야 하는 파장 관리 문제로 인해 가격 경쟁력이 떨어지는 문제점이 있다. 따라서, WDM-PON 광원으로 파장무의존성 광원 (colorless optical transmitter)이 요구된다. 최근에는 10 Gbps 이상의 초고속 동작이 가능한 파장무의존성 광원의 필요성이 대두되면서, 반사형 광변조기가 집적된 반도체 광증폭기 (Semiconductor Optical Amplifier; SOA)에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다.
일반적으로 수동형 광가입자망 (PON) 에서 반사형 파장무의존 광원은 가입자(optical network unit, ONU)에 위치하고, 반사형 파장무의존 광원의 입력 캐리어 (input carrier) 광원은 집중국 (OLT, optical line terminal) 위치하므로, 반사형 파장무의존 광원의 입력 캐리어의 광세기는 AWG (array waveguide grating), 광분배기(splitter), feeding fiber 등의 분배망 (ODN, optical distribution network)의 다양한 경로에 따라 감쇄 정도가 다르므로, 반사형 파장무의존 광원은 넓은 입력 광세기 범위에서도 왜곡 없는 변조신호를 생성하는 것이 중요하다.
본 발명의 목적은 포화 입력 광 세기가 증가된 반사형 파장무의존 광원을 제공하는 데 있다. 본 발명의 다른 목적은 넓은 입력 광 세기 범위에서 변조된 신호의 왜곡을 줄일 수 있는 반사형 파장무의존 광원을 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 반사형 파장무의존 광원은 연속광인 캐리어 신호를 입력 받고 변조된 광신호를 출력한다. 본 발명의 반사형 파장무의존 광원은 입력되는 광신호가 이득을 가지도록 증폭 동작을 수행하는 반도체 광 증폭기; 상기 반도체 광 증폭기와 연결되고 변조된 광신호를 발생하는 광 변조기; 상기 광 변조기의 변조된 광신호를 반사하는 고 반사 막; 및 상기 고 반사 막, 상기 광 변조기, 그리고 상기 반도체 광 증폭기에 직렬 연결되는 브래그 반사경을 포함하되, 상기 브래그 반사경과 상기 고 반사 막에 의해 브래그 공진기가 형성된다.
실시 예로서, 상기 연속광인 캐리어 신호는 상기 브래그 반사경, 상기 반도체 광 증폭기, 상기 광 변조기를 통과하고, 상기 고 반사 막에서 반사되고, 상기 광 변조기, 상기 반도체 광 증폭기, 상기 브래그 반사경을 통과하는 광 경로를 갖는다.
다른 실시 예로서, 상기 브래그 반사경, 상기 반도체 광 증폭기, 상기 광 변조기, 그리고 상기 고 반사 막은 반도체 칩에 단일 집적된다. 상기 브래그 반사경, 상기 반도체 광 증폭기, 그리고 상기 광 변조기는 하부 및 상부 클래드 층 사이에 위치한 광 도파로 층을 포함한다. 상기 광 도파로 층은 상기 브래그 반사경의 수동 도파로 층, 상기 반도체 광 증폭기의 이득 층, 그리고 상기 광 변조기의 흡수 층을 갖는다. 상기 브래그 반사경은 상기 수동 도파로 층의 하부 또는 상부 클래드 층 에 형성되는 브래그 회절 격자들을 포함한다.
상기 광 변조기는 전계 흡수형 광 변조기일 수 있다. 이때 상기 브래그 회절 격자들의 브래그 파장은 상기 반도체 광 증폭기의 이득 곡선 내에 있고, 통신 파장 대역 밖에 있으며, 상기 전계 흡수형 광 변조기의 흡수 곡선 밖에 위치한다. 한편, 상기 광 변조기는 마흐젠더 또는 마이켈슨 간섭계형 광 변조기일 수 있다. 이때 상기 브래그 회절 격자들의 브래그 파장은 상기 반도체 광 증폭기의 이득 곡선 내에 있고, 통신 파장 대역 밖에 있으며, 상기 반도체 광 증폭기의 이득 곡선 중심 파장에서 장파장 또는 단파장에 위치한다. 상기 브래그 반사경의 입력단에 연결되는 무반사막을 더 포함한다.
또 다른 실시 예로서, 상기 반도체 광 증폭기, 상기 광 변조기, 그리고 상기 고 반사 막은 반도체 칩에 단일 집적되고, 상기 브래그 반사경은 상기 반도체 칩 외부에 형성된다. 상기 브래그 반사경은 FBG(fiber bragg gratin), 폴리머 또는 실리카 도파로 상에 형성된다. 상기 브래그 반사경은 상기 FBG(fiber bragg gratin), 상기 폴리머 또는 상기 실리카 도파로 내에 형성되는 브래그 회절 격자들을 포함한다. 상기 반도체 광 증폭기와 상기 브래그 반사경 사이에 무반사막을 더 포함한다.
또 다른 실시 예로서, 상기 브래그 반사경과 상기 고 반사 막 사이에 위상 천이기가 더 포함될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 반사형 파장무의존 광원은 직렬로 연결된 브래그 반사경, 반도체 광 증폭기, 광 변조기, 및 고 반사 막을 포함할 수 있다. 브래그 반사경과 고 반사 막에 의해 브래그 공진기가 형성 할 수 있다. 반도체 광 증폭기에 주입된 전류가 브래그 공진기의 문턱 전류(threshold current) 이상으로 주입될 경우, 반도체 광 증폭기의 이득 층 내의 이동자 농도는 브래그 공진기의 문턱 전류에 해당하는 이동자 농도로 고정될 수 있다. 문턱 전류 이상의 이동자 농도는 모두 브래그 공진기에 의해 레이징 된 광으로 전환될 수 있다.
이러한 이득 고정 현상으로 인해 일반적인 반도체 광 증폭기에 비해 비 포화 영역의 이득은 낮아지지만, 포화 입력 광 세기는 증가하는 장점이 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 다른 반사형 파장무의존 광원은 넓은 입력 광 세기 범위에서 변조된 신호(λsig)의 왜곡을 줄일 수 있다.
도 1은 반사형 파장무의존 광원(reflective colorless optical transmitter)을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 2는 도 1의 반사형 파장무의존 광원 내에서의 캐리어 신호(λcarrier)의 진행 과정을 구체적으로 보여주는 블록도이다.
도 3은 도 1에 도시된 반사형 파장무의존 광원의 이득 분포 곡선을 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 4 및 도 5는 도 3의 (a)와 (b) 부분에서의 변조된 신호(λsig)를 시간에 따른 파워로 계산하여 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 1에 도시된 반사형 파장무의존 광원의 단면을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 7은 반사형 파장무의존 광원을 포함하는 파장 분할 다중방식 수동형 광가입자망(Wavelenth Division Multiplexed-Passive Optical Network: WDM-PON)을 예시적으로 보여주는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 반사형 파장무의존 광원을 보여주는 블록도이다.
도 9는 도 8에 도시된 반사형 파장무의존 광원의 이득 분포 곡선과 도 1에 도시된 반사형 파장무의존 광원의 이득 분포 곡선을 보여주는 그래프이다.
도 10은 도 9에서의 (c) 부분에서의 변조된 신호를 시간에 따른 파워로 계산하여 나타낸 그래프이다.
도 11은 도 9에서의 (d) 부분에서의 변조된 신호를 시간에 따른 파워로 계산하여 나타낸 그래프이다.
도 12는 도 8에 도시된 반사형 파장무의존 광원의 단면을 개략적으로 보여 주는 단면도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반사형 파장무의존 광원을 보여주는 단면도이다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 반사형 파장무의존 광원에서 광 변조기가 전계 흡수형 광 변조기인 경우의 파장 분포도를 보여 주는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 반사형 파장무의존 광원에서 광 변조기가 마흐젠더 또는 마이켈슨 간섭계형 광 변조기인 경우의 파장 분포도를 보여 주는 그래프이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 반사형 파장무의존 광원을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 반사형 파장무의존 광원(reflective colorless optical transmitter)을 개략적으로 보여주는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 반사형 파장무의존 광원(1)은 고 반사 막(high reflectivity facet, 10), 광 변조기(MOD; optical modulator, 20), 그리고 반도체 광 증폭기(SOA; semiconductor optical amplifier, 30)를 포함한다.
고 반사 막(10), 광 변조기(20), 그리고 반도체 광 증폭기(30)는 직렬로 연결될 수 있다. 고 반사 막(10)은 광 신호를 반사하고, 광 변조기(20)는 광 신호를 변조한다. 즉, 광 변조기(20)는 광원의 출력 광을 광통신 매체에 맞게 변조한다. 반도체 광 증폭기(30)는 광 신호를 증폭한다.
도 1을 참조하면, 캐리어 신호(λcarrier)가 반도체 광 증폭기(30)에 입력된다. 캐리어 신호는 반도체 광 증폭기(30)에서 증폭되고, 광 변조기(20)에서 변조된다. 변조된 신호는 고 반사 막(10)에서 반사되고, 반사된 신호는 광 변조기(20)에서 다시 변조되고, 반도체 광 증폭기(30)에서 다시 증폭되어 출력된다. 캐리어 신호(λcarrier)는 연속 광(CW: Continuous wave)일 수 있다. 캐리어 신호(λcarrier)와 변조된 신호(λsig)의 파장은 동일할 수 있다.
도 2는 도 1의 반사형 파장무의존 광원 내에서의 캐리어 신호(λcarrier)의 진행 과정을 구체적으로 보여주는 블록도이다.
연속 광(CW; Continuous Wave)인 입력 캐리어 신호(λcarrier, A 신호)가 반도체 광 증폭기(30)로 입력된다. 반도체 광 증폭기(30)는 입력 캐리어 신호(λcarrier, A 신호)를 증폭하고, 증폭된 B 신호를 출력한다. B 신호는 광 변조기(20)로 입력된다. 광 변조기(20)는 B 신호를 변조하고, 변조된 C 신호를 출력한다. C 신호는 고 반사 막(10)에서 반사된다. 고 반사 막(10)에서 반사된 D 신호는 광 변조기(20)로 다시 입력된다. 광 변조기(20)는 D 신호를 다시 변조하고, 변조된 E 신호를 출력한다.
E 신호는 반도체 광 증폭기(30)로 다시 입력된다. 반도체 광 증폭기(30)는 E 신호를 증폭하고, 증폭 변조된 F 신호(λsig)를 출력한다. 여기에서, 변조된 E 신호가 반도체 광 증폭기(30)에 입력될 때, 이득 포화 입력 광세기(Psat) 이상의 광 세기를 가지게 되면 오버슈팅(overshooting) 등의 신호 왜곡 현상이 발생될 수 있다. 이러한 신호 왜곡 현상은 도 3 내지 도 5에서 자세하게 설명된다.
도 3은 도 1에 도시된 반사형 파장무의존 광원의 이득 분포 곡선을 예시적으로 보여주는 그래프이다. 도 3에서, 가로축은 입력 파워(input power)을 나타내고, 세로축은 이득(gain)을 나타낸다.
반도체 광 증폭기(30)에 일정 파워의 신호가 입력될 경우, 이득은 낮은 광 세기에서는 일정하지만, 이득 포화 입력 광세기(Psat) 이상에서는 점차 감소하는 이득 포화 현상이 나타난다. 도 3을 참조하면, 도 1에 도시된 반사형 파장무의존 광원(1)의 이득 분포 곡선에서 이득 포화 입력 광세기(Psat)는 -25dBm 정도로 매우 작다.
도 4 및 도 5는 도 3의 (a)와 (b) 부분에서의 변조된 신호(λsig)를 시간에 따른 파워로 계산하여 나타낸 그래프이다. 도 3에 도시된 이득 분포 곡선에서, 포화 입력 광 세기(Psat) 이상의 약 -20dBm 내지 -10dBm 정도의 입력 광 세기의 신호가 입력되면, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 오버슈팅(overshooting) 등의 신호 왜곡 현상이 발생할 수 있다.
신호 왜곡은 변조된 신호(λsig)의 전송 특성에서 파워 패널티(power penalty)를 발생시켜 전송 특성을 저해하는 요소가 된다. 오버 슈팅 현상은 반도체 광 증폭기(30)의 이득 포화에 의해 기인하는 현상이다. 따라서, 이러한 왜곡 현상을 제거 또는 완화하기 위해서는 이득 포화 입력 광 세기(Psat)를 증가할 필요가 있다.
도 6은 도 1에 도시된 반사형 파장무의존 광원의 단면을 개략적으로 보여주는 단면도이다. 도 6을 참조하면, 반사형 파장 무의존 광원(1)은 고 반사 막(10), 광 변조기(20), 반도체 광 증폭기(30), 및 광 모드 변환기(SSC; Spot Size Converter, 40)를 포함한다. 그리고 광섬유(90)와 광학적으로 연결되어 빛의 반사를 줄일 수 있도록, 광 모드 변환기(40)의 일단에는 무반사막(50)이 형성될 수 있다.
계속해서 도 6을 참조하면, 하부 전극 층(52) 상에 하부 클래드 층(60)과, 광 도파로 층(70), 및 상부 클래드 층(80)이 배치될 수 있다. 광 도파로 층(70)은 광 변조기(20)의 광 흡수 층(72)과, 반도체 광 증폭기(30)의 이득 층(gain layer, 74), 및 광 모드 변환기(40)의 수동 도파로 층(76)을 포함할 수 있다. 광 도파로 층(70)의 광 흡수 층(72), 이득 층(74), 및 수동 도파로 층(76)은 butt-joint 결합될 수 있다. 광 도파로 층(70)은 광섬유(90)에 정렬될 수 있다.
광 변조기(20)는 제 1 상부 오믹 층(22) 및 제 1 상부 전극 층(24)을 포함할 수 있다. 반도체 광 증폭기(30)는 제 2 상부 오믹 층(32) 및 제 2 상부 전극 층(34)을 포함할 수 있다. 제 1 상부 오믹 층(22)과 제 2 상부 오믹 층(32)은 분리될 수 있다. 마찬가지로, 제 1 상부 전극 층(24)과 제 2 상부 전극 층(34)은 분리될 수 있다. 따라서, 광 변조기(20)와 반도체 광 증폭기(30)는 각각 독립적인 전류 주입이 가능하게 분리될 수 있다.
반도체 광 증폭기(30)의 이득 층(74)에는 순방향 직류 바이어스(DC bias)가 인가될 수 있다. 그리고 광 변조기(20)의 흡수 층(72)에는 역방향 고주파 바이어스(RF bias)가 인가될 수 있다. 광 변조기(20)는 이득 층(74)에서 발생되는 광을 흡수하여 변조된 신호를 생성할 수 있다.
일반적으로 전계 흡수형 광 반도체는 Franz-Keldysh 현상 또는 Quantum Confinement Stark Effect(QCSE) 현상에 의해 광세기를 변조시킬 수 있다. Franz-Keldysh 현상은 역 방향의 전류를 인가하게 되면 흡수 파장이 장파장으로 천이되는 현상이다. 광 변조기(20)의 흡수 층(72)의 밴드 갭은 반도체 광 증폭기(30)의 이득 층(74)의 밴드 갭보다 40~70nm 정도 단파장을 갖는 방향으로 이동될 수 있다. 광 변조기(20)의 흡수 층(72)은 InGaAsP bulk 또는 다중양자우물(Multiquntum well: MQW)을 포함할 수 있다. 광 변조기(20)의 흡수 층(72)에서는, 역방향 바이어스가 없을 때에 흡수 손실이 적고, 역방향 바이어스가 인가되면 흡수 손실이 증가하여, 광 변조가 일어날 수 있다.
도 7은 반사형 파장무의존 광원을 포함하는 파장 분할 다중방식 수동형 광가입자망(Wavelenth Division Multiplexed-Passive Optical Network: WDM-PON)을 예시적으로 보여주는 블록도이다. 도 7을 참조하면, 파장 분할 다중방식 수동형 광가입자망(100)은 중앙기지국(Central Office, 110), 옥외 노드(Remote Node, 120), 가입자단(Optical Network Terminal: ONT, 130), 그리고 광섬유(140)로 구성될 수 있다.
중앙기지국(110)은 하향 광 신호를 송출하기 위한 광원부(Tx), 상향 광 신호를 수신하는 광수신부(Rx), 광 결합기/분배기(111), 그리고 광다중화/역다중화기(Optical Mux/DeMux, 112)를 포함할 수 있다. 통상적으로, 단일 모드 광원(예를 들면, 분포 궤환형 레이저)이 중앙기지국(110)의 광원부(Tx)로 사용된다. 하향 광 신호는 광섬유(140)를 통해 옥외 노드(120)로 입력된다. 하향 광 신호는 옥외 노드(120)의 광다중화/역다중화기(121)에 의해 파장 별로 나누어진 후, 가입자단(130)으로 전송된다.
계속해서 도 7을 참조하면, 가입자단(130)은 복수의 개별 가입자단들(ONT1~ONTn)을 포함한다. 개별 가입자단들 각각은 광결합기/분배기(131), 상향 광 신호를 송출하기 위한 반사형 파장무의존 광원으로 된 반사형 반도체 광 증폭기(RSOA), 그리고 하향 광 신호를 수신하기 위한 광수신기(Rx)를 포함할 수 있다. 반사형 반도체 광 증폭기(RSOA)에서 변조된 상향 광 신호는 옥외 노드(120) 및 광섬유(140)를 통해 중앙기지국(110)으로 전송된다.
앞에서 설명한 바와 같이, 반사형 파장무의존 광원(1)은 고 반사 막(10), 광 변조기(20), 반도체 광 증폭기(30), 그리고 광모드 변환기(40)를 포함할 수 있다. 반사형 파장무의존 광원(1)은 수동형 광가입자망(PON) 에서 가입자단(ONT; optical network terminal)에 위치하고, 입력 캐리어(input carrier) 광원은 집중국(OLT; optical line terminal)에 위치한다.
따라서 반사형 파장무의존 광원(1)의 입력 캐리어의 광세기는 AWG(array waveguide grating), 광분배기(splitter), feeding fiber 등의 분배망(ODN; optical distribution network)의 다양한 경로에 따라 감쇄 정도가 다르다. 이러한 이유 때문에 반사형 파장무의존 광원(1)은 넓은 입력 광세기 범위에서도 왜곡 없는 변조 신호를 생성하는 것이 중요하다. 본 발명의 이득 고정 현상을 이용한 반사형 파장무의존 광원은 넓은 입력 광세기에서 왜곡 없는 변조 신호를 생성 할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 반사형 파장무의존 광원을 보여주는 블록도이다. 도 8에 도시된 반사형 파장무의존 광원(2)은 고 반사 막(210), 광 변조기(220), 반도체 광 증폭기(230), 및 브래그 반사경(240)를 포함한다.
도 8을 참조하면, 고 반사 막(210), 광 변조기(220), 반도체 광 증폭기(230), 그리고 브래그 반사경(240)은 직렬로 연결될 수 있다. 광 변조기(220)와 반도체 광 증폭기(230)의 양단에는 고 반사 막(210)과 브래그 반사경(240)이 위치한다. 반도체 광 증폭기(230)에서 발생한 ASE(amplified spontaneous emission) 광은 브래그 반사경(240)와 고 반사 막(210)에 의해 브래그 공진기를 형성하여 레이징(lasing) 하게 된다.
반도체 광 증폭기(230)에 주입된 전류가 브래그 공진기의 문턱 전류(threshold current) 이상으로 주입될 경우, 반도체 광 증폭기(230)의 이득 층(도 6 참조, 74) 내의 이동자 농도는 브래그 공진기의 문턱 전류에 해당하는 이동자 농도로 고정된다. 문턱 전류 이상의 이동자 농도는 모두 브래그 공진기에 의해 레이징 된 광으로 전환하게 된다. 따라서 주입 전류를 증가하더라도 브래그 공진기의 문턱 전류에 해당하는 이동자 농도로 반도체 광 증폭기의 비포화 영역의 이득은 고정(gain clamping)이 된다. 이러한 이득 고정 현상으로 인해 일반적인 반도체 광 증폭기에 비해, 비 포화 영역의 이득(Gain)은 낮아지지만, 이득 포화 입력 광 세기(Psat)는 증가하게 된다.
도 9는 도 8에 도시된 반사형 파장무의존 광원의 이득 분포 곡선과 도 1에 도시된 반사형 파장무의존 광원의 이득 분포 곡선을 보여주는 그래프이다. 도 9에서, 실선(12)은 도 1에 도시된 반사형 파장무의존 광원(1)의 이득 분포 곡선을 보여주고, 역삼각형으로 된 점선(14)은 도 8에 도시된 반사형 파장무의존 광원(2)의 이득 분포 곡선을 보여준다.
도 9의 실선(12)과 점선(14)을 참조하면, 도 1에 도시된 반사형 파장무의존 광원(1)의 포화 입력 광 세기(Psat)는 약 -25dBm이고, 도 8에 도시된 반사형 파장무의존 광원(2)의 포화 입력 광 세기(P?at)는 약 -5dBm이다. 도 8의 포화 입력 광 세기(P?at)는 도 1의 포화 입력 광 세기(Psat)와 비교하여, 약 20dBm 정도 높은 값을 갖는다.
도 10은 도 9에서의 (c) 부분에서의 변조된 신호를 시간에 따른 파워로 계산하여 나타낸 그래프이다. 도 9의 (a) 부분에서의 그래프(도 4 참조)와 비교해보면, 본 발명의 이득 고정 반사형 파장무의존 광원(2)은 포화 입력 광 세기(P?at)가 -5dBm이므로, 입력 광 세기가 -20dBm인 경우에 오버 슈팅 현상이 발생하지 않는다.
도 11은 도 9에서의 (d) 부분에서의 변조된 신호를 시간에 따른 파워로 계산하여 나타낸 그래프이다. 도 9의 (b) 부분에서의 그래프(도 5 참조)와 비교해보면, 본 발명의 이득 고정 반사형 파장무의존 광원(2)은 포화 입력 광 세기(P?at)가 -5dBm이므로, 입력 광 세기가 -10dBm인 경우에도 오버 슈팅 현상이 거의 발생하지 않는다. 본 발명의 실시 예에 따른 반사형 파장무의존 광원(2)은 넓은 입력 광 세기 범위에서 변조된 신호의 왜곡을 줄일 수 있다.
도 12는 도 8에 도시된 반사형 파장무의존 광원의 단면을 개략적으로 보여 주는 단면도이다. 도 12를 참조하면, 반사형 파장무의존 광원(2)은 고 반사 막(210), 광 변조기(220), 반도체 광 증폭기(230), 및 브래그 반사경(240)이 직렬로 연결되어 있다
광 변조기(220)는 전계 흡수 형 광 변조기(EAM: Electro-Absorption Modulator) 또는 간섭계 형 광 변조기일 수 있다. 간섭계 형 광 변조기는 마흐 젠더(Mach-Zehnder) 간섭계 형 광 변조기 또는 마이켈슨(Michelson) 간섭계 형 광 변조기일 수 있다. 도 12에는 전계 흡수 형 광 변조기가 예시적으로 도시되어 있다.
광 변조기(220)는 하부 전극 층(52), 하부 클래드 층(60), 광 흡수 층(72), 상부 클래드 층(80), 제 1 상부 오믹 층(22), 및 제 1 상부 전극 층(24)을 포함할 수 있다. 하부 클래드 층(60)은 n-InP 층을 포함할 수 있다. 광 흡수 층(72)은 진성 InP 층을 포함할 수 있다. 상부 클래드 층(80)은 p-InP 층을 포함할 수 있다. 제 1 상부 오믹 층은 P+-InGaAs 층을 포함할 수 있다. 하부 전극 층(52)과 제 1 상부 전극 층(24)은 오믹 금속 층을 포함할 수 있다.
반도체 광 증폭기(230)는 하부 전극 층(52), 하부 클래드 층(60), 이득 층(74), 상부 클래드 층(80), 제 2 상부 오믹 층(32), 및 제 2 상부 전극 층(34)을 포함할 수 있다. 이득 층(74)은 이득 물질(gain)을 함유한 진성 InGaAsP 층을 포함할 수 있다. 제 2 상부 오믹 층(32)은 제 1 상부 오믹 층(22)과 동일한 P+-InGaAs 층을 포함할 수 있다. 제 2 상부 전극 층(34)은 오믹 금속 층을 포함할 수 있다.
도 12에 도시된 반사형 파장무의존 광원(2)은 수동 도파로 층(76)의 상부 또는 하부에 브래그 회절 격자들(62)을 형성함으로, 브래그 반사경(240)을 만들 수 있다. 브래그 회절 격자들(62)의 브래그 파장(λBragg)과 주기 (Λ)는 수학식 1을 만족한다.
Figure pat00001
여기서, neff는 수동 도파로 층(76)의 유효 굴절률이다.
수학식 1을 참조하면, 반사형 파장무의존 광원(2)은 브래그 회절 격자들(62)의 주기(Λ)를 조절하여 브래그 파장을 조절할 수 있다. 반사형 파장무의존 광원(2)은 브래그 파장을 조절함으로, 고 반사 막(210)과 브래그 반사경(240) 사이에서 브래그 공진기를 형성할 수 있다. 한편, 브래그 회절 격자들(62)은 반도체 광 증폭기(330)의 이득층(74)의 상부 클래드층(80) 또는 하부 클래드 층(60)에 형성될 수도 있다.
도 13은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반사형 파장무의존 광원을 보여주는 단면도이다. 도 13에 도시된 반사형 파장무의존 광원(3)은 고 반사 막(310), 광 변조기(320), 반도체 광 증폭기(330), 및 광 모드 변환기(340)를 포함한다.
도 13에 도시된 반사형 파장무의존 광원(3)은, 반도체 칩 상에 브래그 반사경을 형성한 도 12의 반사형 파장무의존 광원(2)과는 달리, 반도체 칩 외부에 브래그 반사경(390)을 형성한 예이다. 반도체 칩 외부에 형성된 브래그 반사경(390)은 광 도파로 층(70)에 정렬되고, 브래그 회절 격자들(92)을 갖는다. 브래그 회절 격자들(92)은 FBG(Fiber Bragg Grating) 또는 폴리머나 실리카 같은 PLC(Planar Lightwave circuit) 도파로 상에 형성될 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 반사형 파장무의존 광원에서 광 변조기가 전계 흡수형 광 변조기인 경우의 파장 분포도를 보여 주는 그래프이다.
도 14를 참조하면, 101은 반도체 광 증폭기의 이득 층(74)의 이득 곡선(gain curve)이고, 102는 전계 흡수형 광 변조기(EAM, electro- absorption modulator)의 흡수 층의 흡수 곡선(EAM absorption curve)이다. 102'는 장파장으로 천이된 흡수 곡선이다.
여기서, 이득 곡선(gain curve) 및 흡수 곡선(absorption curve)은 각각 분포 함수로서 정규 분포 곡선(Gaussian distribution curve)를 이룰 수 다. 103은 수동형 가입자 망의 통신 파장 대역이다. λSOA, λEAM, λBragg는 각각 반도체 광 증폭기의 이득 곡선 중심 파장, 광 변조기의 흡수 곡선의 중심 파장, 브래그 회절 격자들(62, 92)의 주기에 대응되는 브래그 파장이다.
λSOA는 λEAM보다 40~70nm 장파장에 위치해 있으며, 반도체 광 증폭기의 이득 곡선(101)의 반치폭은 30~40nm 정도이다. 수동형 가입자 망의 파장 대역은 30nm 정도이다. 광 변조기의 역방향 바이어스를 증가시킬수록 Franz-Kedysh 현상 또는 QCSE(quantum confinement stark effect) 현상으로 반도체 광 증폭기의 흡수 곡선(102)은 장파장으로 천이되어, 흡수 곡선(102')으로 이동할 수 있다.
Bragg 공진기는 반도체 광 증폭기와 전계 흡수 형 광 변조기를 포함하기 때문에, 브래그 공진기의 발진 파장이 전계 흡수 형 광 변조기에 흡수되지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 브래그 회절 격자들(62, 92)의 브래그 파장(λBragg)은 반도체 광 증폭기의 이득 곡선(101) 내에 있으며, 통신 파장 대역(103) 밖에 있고, 전계 흡수 형 광 변조기의 광 변조기의 흡수 곡선(102) 밖에 있어야 한다.
따라서 브래그 회절 격자들(62, 92)의 브래그 파장(λBragg)은 반도체 광 증폭기의 중심 파장(λSOA)에서 약 30~60nm 정도의 장파장에 위치하는 것이 바람직하다. 이를 위해 브래그 회절 격자들(62, 92)은 반도체 광 증폭기의 중심 파장(λSOA)보다 약 30~60nm 긴 주기(Λ)를 가질 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 반사형 파장무의존 광원에서 광 변조기가 마흐젠더 또는 마이켈슨 간섭계형 광 변조기인 경우의 파장 분포도를 보여 주는 그래프이다. 마흐젠더 간섭계형 광 변조기 또는 마이켈슨 간섭계형 광 변조기는 전계 흡수 형 광 변조기의 흡수 곡선의 천이를 이용하는 것이 아니라, 수동 도파로 층(76)에 전류 또는 전압을 인가하여 굴절률 변화를 이용하는 변조기이다.
마흐젠더 또는 마이켈슨 광 변조기에서 사용되는 도파로의 밴드갭 파장(λMZM)은 반도체 광 증폭기의 이득 곡선(101)의 중심 파장(λSOA)에 비해 약 100nm 이상 단파장에 위치하며, 간섭계형 광 변조기에서의 흡수 손실은 무시할 정도로 매우 작다. 따라서 브래그 회절 격자들(62, 92)을 이용한 브래그 파장(λBragg)은 반도체 광 증폭기의 이득 곡선(101)의 중심 파장(λSOA)에서 약 30~60nm의 장파장 또는 단파장에 위치할 수 있다.
즉, 브래그 회절 격자들(62, 92)의 주기(Λ)는 동작 파장 밴드(operation wavelength band, 104) 내의 중심 파장(λSOA)에서 약 30~60nm 정도 짧거나, 약 30~60nm 정도 길 수 있다. 또한, 본 발명의 브래그 공진기에 의해 발생된 광(λBragg)은 PON 분배망에 위치한 AWG에 의해 광 감쇄가 크게 일어나므로 부가적인 제거 장치가 소요되지 않는다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 반사형 파장무의존 광원을 개략적으로 보여주는 블록도이다. 도 16을 참조하면, 반사형 파장무의존 광원(4)은 고 반사 막(410), 광 변조기(420), 반도체 광 증폭기(430), 위상 천이기(436), 및 브래그 반사경(440)이 직렬로 연결되어 있다.
도 8의 반사형 파장무의존 광원(2)과 비교할 때, 도 16에 도시된 반사형 파장무의존 광원(4)은 반도체 광 증폭기(430)와 브래그 반사경(440) 사이에 위상 천이기(436)를 더 포함한다. 브래그 공진기의 공진 길이가 레이저 광의 파장의 정수배가 될 때, 레이저 광의 출력 세기가 가장 크다. 위상 천이기(436)는 브래그 공진기에서의 공진 길이를 레이저 광의 파장의 정수배가 되도록 조절할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들 및 응용 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에서는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 고 반사 막 20: 광 변조기
22: 제 1 상부 오믹 층 24: 제 1 상부 전극 층
30: 반도체 광 증폭기 32: 제 2 상부 오믹 층
34: 제 2 상부 전극 층 36: 위상 천이기
40: 브래그 반사경 50: 무 반사 막
52: 하부 전극 층 60: 하부 클래드 층
62: 제 1 브래그 격자들 70: 광 도파로 층
72: 광 흡수 층 74: 이득 층
76: 수동 도파로 층 80: 상부 클래드 층
90: 광섬유 92: 제 2 브래그 격자들
94: FBG 101: 이득 곡선
102: 흡수 곡선 102: 천이된 흡수 곡선
103: 통신 파장 대역 104: 동작 파장 밴드

Claims (15)

  1. 연속광인 캐리어 신호를 입력 받고 변조된 광신호를 출력하는 반사형 파장무의존 광원에 있어서:
    입력되는 광신호가 이득을 가지도록 증폭 동작을 수행하는 반도체 광 증폭기;
    상기 반도체 광 증폭기와 연결되고 변조된 광신호를 발생하는 광 변조기;
    상기 광 변조에서 변조된 광신호를 반사하는 고 반사 막; 및
    상기 고 반사 막, 상기 광 변조기, 그리고 상기 반도체 광 증폭기에 직렬 연결되는 브래그 반사경을 포함하되,
    상기 브래그 반사경과 상기 고 반사 막에 의해 브래그 공진기가 형성되는 반사형 파장무의존 광원.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속광인 캐리어 신호는 상기 브래그 반사경, 상기 반도체 광 증폭기, 상기 광 변조기를 통과하고, 상기 고 반사 막에서 반사되고, 상기 광 변조기, 상기 반도체 광 증폭기, 상기 브래그 반사경을 통과하는 광 경로를 가지는 반사형 파장무의존 광원.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 브래그 반사경, 상기 반도체 광 증폭기, 상기 광 변조기, 그리고 상기 고 반사 막은 반도체 칩에 단일 집적되는 반사형 파장무의존 광원.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 브래그 반사경, 상기 반도체 광 증폭기, 그리고 상기 광 변조기는 하부 및 상부 클래드 층 사이에 위치한 광 도파로 층을 포함하고;
    상기 광 도파로 층은 상기 브래그 반사경의 수동 도파로 층, 상기 반도체 광 증폭기의 이득 층, 그리고 상기 광 변조기의 흡수 층을 갖는 반사형 파장무의존 광원.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 브래그 반사경은 상기 수동 도파로 층의 하부 또는 상부 클래드 층 에 형성되는 브래그 회절 격자들을 포함하는 반사형 파장무의존 광원.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 광 변조기는 전계 흡수형 광 변조기인 반사형 파장무의존 광원.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 브래그 회절 격자들의 브래그 파장은 상기 반도체 광 증폭기의 이득 곡선 내에 있고, 통신 파장 대역 밖에 있으며, 상기 전계 흡수형 광 변조기의 흡수 곡선 밖에 위치하는 반사형 파장무의존 광원.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 광 변조기는 마흐젠더 또는 마이켈슨 간섭계형 광 변조기인 반사형 파장무의존 광원.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 브래그 회절 격자들의 브래그 파장은 상기 반도체 광 증폭기의 이득 곡선 내에 있고, 통신 파장 대역 밖에 있으며, 상기 반도체 광 증폭기의 이득 곡선 중심 파장에서 장파장 또는 단파장에 위치하는 반사형 파장무의존 광원.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 브래그 반사경의 입력단에 연결되는 무반사막을 더 포함하는 반사형 파장무의존 광원.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 광 증폭기, 상기 광 변조기, 그리고 상기 고 반사 막은 반도체 칩에 단일 집적되고;
    상기 브래그 반사경은 상기 반도체 칩 외부에 형성되는 반사형 파장무의존 광원.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 브래그 반사경은 FBG(fiber bragg gratin), 폴리머 또는 실리카 도파로 상에 형성되는 반사형 파장무의존 광원.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 브래그 반사경은 상기 FBG(fiber bragg gratin), 상기 폴리머 또는 상기 실리카 도파로 내에 형성되는 브래그 회절 격자들을 포함하는 반사형 파장무의존 광원.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 반도체 광 증폭기와 상기 브래그 반사경 사이에 무반사막을 더 포함하는 반사형 파장무의존 광원.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 브래그 반사경과 상기 고 반사 막 사이에 위상 천이기를 더 포함하는 반사형 파장무의존 광원.
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