KR20180024476A - 어레이형 광소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수의 통신 파장이 필요한 광소자에 있어서, 각각의 복수개의 광파장을 복수개의 반도체 레이저 다이오드 칩으로 발생시키는 광소자에 있어서 하나의 monitor photo diode로 복수개의 반도체 레이저 다이오드의 동작 상태를 감시 할 수 있게하여 줌으로써, 광소자제작에 필요한 부품수와 광소자 부피와, 광소자의 공정 비용과, 광소자의 복잡성을 저감시키는 특성을 가진다.

Description

어레이형 광소자{ARRAY TYPE OPTICAL DEVICE}
본 발명은 복수개의 발광소자가 하나의 광소자에 배치되는 어레이형 광소자에 관한 발명이다.
최근에 NG-PON2라는 이름으로 표준화되고 있는 통신 방식은 TWDM(time wavelength division multiplexing)방식을 채택하고 있다. TWDM 방식은 하나의 광섬유에 동시에 연결되어 있는 복수의 가입자가 4개 또는 8개의 허용되는 파장 채널중 어느 하나를 임의로 선정할 수 있으며, 동일한 파장 채널을 사용하는 복수의 가입자는 서로 정하여진 시간에만 시간을 주고받는 TDM(time division multiplexing) 방법으로 광섬유를 공유하는 방법을 말한다. 이러한 복수개의 파장 채널을 임의로 설정하는 기능은 레이저가 파장 가변의 특성을 가지므로 하나의 레이저로 복수의 채널에 대응하게 하는 방법이 가능하다. 또한, 복수개의 레이저를 하나의 광소자에 장착하여 각각의 레이저가 미리 설정된 파장 채널에 대응하도록 하는 방법이 사용될 수 있다.
하나의 레이저로 파장 가변을 시킬 경우 파장 가변에 소요되는 시간이 길어져서, 통신의 품질이 매우 중요한 광통신 서비스에서 끊김 없는 고품질의 통신 서비스를 제공하기 어려운 단점이 있다. 이에 비해 복수개의 레이저가 하나의 광소자로 패키지 될 경우, 하나의 레이저를 사용하는 경우에 비해 부피가 커지고, 가격이 비싸지는 단점이 발생하나, 파장의 안정성, 채널 전환 시간의 단축 등 통신 시스템의 입장에서 많은 장점을 가지는 해결책이 될 수 있다.
TWDM 방식의 통신을 하는 광소자는 파장 채널을 임의로 선택할 수 있도록 복수의 발진 파장을 가져야 한다. 또한, 같은 파장 채널대역의 다른 가입자가 통신을 하고 있을 때는 통신을 하지 않는 상태에서 레이저 빛이 발진 되지 않도록 하여야 한다. 이렇게 TDM(time division multiplexing)기법을 적용할 경우 반도체 레이저가 빛을 내고 있지 않다가 갑자기 빛을 내는 상태로 전환하는 것을 burst mode 동작이라 한다.
도 1은 종래의 zig-zag filter를 이용한 복수개의 레이저 다이오드 칩을 이용한 광소자의 일례를 나타내는 도면이다.
도 1과 같이 하나의 광소자의 서로 파장이 다른 복수개의 반도체 레이저를 장착시키는 방법이 발표되어 있다. 도 1에서 각각의 반도체 레이저에서 발산되는 레이저 빛은 시준화렌즈를 거쳐 평행광으로 집속된 후, 파장 선택성 필터와 반사 거울을 거쳐 동일한 광 경로를 가지도록 혼합되어 하나의 렌즈를 거쳐 하나의 광섬유로 집속된다. 이러한 구조로 하나의 광소자에 복수개의 파장을 가지는 레이저를 장착할 수 있다. 도 1의 광소자의 동작 방법을 도 2 및 도 3에서 상세히 설명한다.
도 2 및 도 3은 종래의 zig-zag filter를 이용한 복수개의 레이저 다이오드 칩을 이용한 광소자를 상세히 설명하기 위한 도면이다.
도 2에서 레이저 다이오드 칩(101, 102, 103, 104)은 각기 다른 파장을 방출하는 반도체 레이저이다. 레이저 다이오드 칩(101)에서 방출된 레이저 빛은 시준화 렌즈(200)에 의해 평행광으로 시준화 된 후 서로 다른 파장의 레이저 빛을 하나의 광경로로 결합시키는 Mux(400)로 진입한다. 본 발명의 예시에서 Mux는 zig-zag 형의 Mux를 예로 들지만 AWG(arrayed waveguide)형의 Mux도 사용될 수 있다. Zig-zag 형의 Mux로 진입한 레이저 빛은 Zig-zag 형 Mux의 고반사코팅(High reflection coating : HR coating)영역에서 반사하여 filter(F2)영역으로 진입한다. filter(F2)는 레이저 다이오드 칩(102)에서 방출되는 레이저 빛의 파장에 대해서는 투과하고, 레이저 다이오드 칩(101)에서 방출되는 레이저 빛에 대해서는 반사의 특징을 가지게 제작된다. 레이저 다이오드 칩(101)에서 방출된 레이저 빛은 filter(F2)에서 반사되어 다시 HR coating 영역으로 진행한 후 HR coating 영역에서 반사하여 filter(F3)로 진입한다. filter(F3)는 레이저 다이오드 칩(101 및 102)에서 방출된 레이저 빛은 반사하고, 레이저 다이오드 칩(103)에서 방출된 레이저 빛은 투과하는 성질을 가지게 된다. 레이저 다이오드 칩(101)에서 방출되어 filter(F3)에서 반사된 레이저 빛은 다시 filter(F4)에서 반사한 후 zig-zag 형 Mux의 AR coating 영역을 거쳐 zig-zag 형 Mux를 탈출한다. 레이저 다이오드 칩(102)에서 방출된 레이저 빛은 filter(F2)를 투과하여 zig-zag 형 Mux(400)으로 진입한 후 filter(F3 및 F4)에서 반사하여 zig-zag 형 Mux(400)를 탈출한다. 도 3에서 보이는 바와 같이 레이저 다이오드 칩(101)에서 방출되는 레이저 빛과 레이저 다이오드 칩(102, 103, 104)에서 방출되는 레이저 빛은 zig-zag 형 Mux(400)를 탈출하는 공통 광 경로 영역에서는 모두 동일한 광 경로를 가지게 되며, 동일한 광경로를 가지는 레이저 다이오드 칩(101, 102, 103, 104)에서 방출되는 레이저 빛은 하나의 렌즈를 거쳐 하나의 광섬유로 집속될 수 있다.
반도체 레이저 다이오드 칩의 광 출력은 반도체 레이저의 노화 등의 상태에 따라 달라지며, 이에 따라 반도체 레이저의 출력을 감시하는 반도체 레이저 출력을 감시하는 monitor photo diode가 배치된다. monitor photo diode는 반도체 레이저 다이오드에서 방출되는 레이저 빛을 전류로 변환시켜 전류의 크기를 측정함으로써 반도체 레이저 다이오드 칩의 출력 상태를 감시할 수 있는 장치이다. 하나의 광소자 내에 복수개의 반도체 레이저 다이오드가 있는 경우 각각의 레이저 다이오드 칩을 독립적으로 감시하기 위해 하나의 반도체 레이저에 대응하는 복수개의 photo diode가 필요하다.
도 4는 복수개의 레이저 다이오드 칩과 복수개의 monitor photo diode가 배치되는 종래 기술을 설명하는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이 하나의 광소자에 4개의 반도체 레이저가 있을 때 4개의 감시용 monitor photo diode가 배치됨을 보여준다. 하나의 광소자에 복수개의 레이저 다이오드가 배치되고 복수개의 monitor photo diode가 배치될 경우 부품이 늘어나고 각각의 monitor photo diode의 전류를 감지하기 위한 전극핀의 개수가 늘어나게 되어 제품 가격이 증가하고, 광소자의 부피가 커지며, 광소자의 구성이 복잡해지는 단점이 있다.
본 발명은 복수개의 반도체 레이저가 장착되는 광소자에서 각각의 반도체 레이저의 동작 상태를 감시하기 위해 복수개의 monitor photo diode를 사용할 경우, 많은 부품으로 인해 광소자의 구성이 복잡해지며, 가격이 상승하며, 많은 전극핀이 필요하고, 각각의 monitor photo diode에서 신호를 받아서 인식하는 회로가 복잡해지는 어려움이 있다.
상기 어려움을 해결하기 위해 본 발명에서는 각각의 반도체 레이저 다이오드에 대응하는 독립적인 monitor photo diode를 사용하지 않고, 각가의 반도체 레이저 다이오드 칩에서 방출된 레이저 빛이 동일한 진행 경로를 가지는 공통 광 경로 영역에서 진행하는 복수개의 파장의 광신호를 일정한 비율로 분기시키는 beam splitter를 배치하고, beam splitter에서 분기된 레이저 빛의 세기를 측정하는 하나의 monitor photo diode를 배치함으로써, 복수개의 레이저 다이오드의 동작 상태를 감시하는 방법을 제시한다.
이러한 본 발명은 기존의 복수개의 레이저 다이오드 칩에 각각 대응되는 레이저 다이오드 칩 동작 감시용 monitor photo diode를 사용하는 경우 부품 수가 많아지고, 부피가 커지며, 회로가 복잡해지는 단점을 제거한다.
도 1은 종래의 zig-zag filter를 이용한 복수개의 레이저 다이오드 칩을 이용한 광소자의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 zig-zag filter를 이용한 복수개의 레이저 다이오드 칩을 이용한 광소자를 상세히 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 종래의 zig-zag filter를 이용한 복수개의 레이저 다이오드 칩을 이용한 광소자를 상세히 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 복수개의 레이저 다이오드 칩과 복수개의 monitor photo diode가 배치되는 종래 기술을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명에 의한 복수개의 레이저 다이오드 칩과 하나의 monitor photo diode를 이용하는 광소자에 대한 도면이다.
도 6은 에폭시를 이용하여 렌즈를 부착 고정시킬 때, 에폭시와 서브마운트의 젖음성(surface wetting)에 의해 다음 렌즈 정렬이 어려워지는 점을 설명하는 도면이다.
도 7은 에폭시의 퍼짐을 제한하는 표면에 요철이 있는 서브마운트를 이용하여 복수개의 렌즈를 광정렬하는 과정을 설명하는 모식도이다.
NG-PON2와 같이 burst-mode로 동작하는 광소자에 있어서 하나의 광소자에 장착되는 반도체 레이저가 모두 동시에 동작하는 것은 아니며, 어느 한 반도체 레이저가 동작하고 있을 때, 다른 반도체 레이저는 동작하지 않는다. NG-PON2 규격의 TWDM-PON에서는 하나의 통신 파장 채널이 설정될 경우 다른 파장의 신호는 전송되지 않아야 하므로, NG-PON2 규격의 TWDM-PON에서는 복수개의 레이저 다이오드 칩이 장착된 광소자의 경우에도 어느 한 반도체 레이저가 동작할 경우에는 다른 반도체 레이저는 off 상태에 있다.
도 3은 종래의 zig-zag filter를 이용한 복수개의 레이저 다이오드 칩을 이용한 광소자를 상세히 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명에 의한 복수개의 레이저 다이오드 칩과 하나의 monitor photo diode를 이용하는 광소자에 대한 도면이다.
도시된 바와 같이, 도 3 및 도 5에서는 하나의 예시로서 레이저 다이오드 칩(101)에서 방출된 신호와 레이저 다이오드 칩(104)에서 방출된 파장의 레이저 빛이 공통 광 경로 영역에서 합쳐지는 것을 도시하고 있지만, 시간 축 상에서 공통 광 경로 영역을 진행하는 레이저 빛은 항상 어느 한 레이저 다이오드 칩에서 방출되는 레이저 빛이다. 그러므로 공통 광 경로 영역에서 분기된 레이저 빛에 의해 흐르는 monitor photo diode의 전류는 monitor photo diode로 흐른 전류에 해당하는 시간축에서 동시에 동작하는 레이저 다이오드 칩의 동작에 의한 monitor photo current이다. 그러므로 monitor photo diode에 전류가 흐를 때 동작하는 레이저 다이오드 칩의 번호를 알면, 동작하는 레이저 다이오드 칩의 출력과 관계된 정보를 알 수 있다. 이에 따라 NG-PON2와 같이 시간축상으로 어느 한 파장의 채널만 동작하는 시스템에 있어서, 복수개의 레이저 다이오드 칩의 동작 상태를 동일한 하나의 monitor photo diode로 동작 상태를 감시 할 수 있다.
도 5에서 도시된 바와 같이 beam splitter(600)는 공통 광 경로를 진행하는 레이저 빛의 일부를 monitor photo diode(500)로 분기하여 보내는 성질을 가지게 된다. 이때 분기비율은 레이저 빛 출력의 20% 이하의 일부 부분만 분기하는 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 기술은 반드시 NG-PON2와 같은 TWDM-PON에서만 사용할 수 있는 것으로 사용이 제한되는 것은 아니다. Burst mode에 대응되는 개념으로 continuous mode의 레이저 동작 상태의 구분이 있으며, continuous mode에서는 항상 레이저가 "on" 상태에 있다. 이때 항상 신호를 전송하는 것은 아니며, 신호를 전송할 때는 레이저 빛의 신호 세기가 modulation이 되어 신호를 전송하고, 신호를 전송하지 않을 경우에는 일정한 세기의 레이저 빛이 연속으로 출력된다. 그러므로 복수개의 레이저 다이오드 칩이 배치된 본 발명의 경우, 복수개의 레이저 다이오드 칩이 동시에 동작하되, 미리 정하여진 특정 시점에서 어느 하나의 반도체 레이저만 구동시키고 나머지 반도체 레이저는 레이저 출력이 나오지 않는 "off" 상태가 되면, monitor photo diode는 동작하는 특정한 레이저 다이오드 칩에 해당하는 출력 특성을 알 수 있다. 각각의 레이저 다이오드 칩의 특성은 시간에 따라 매우 빨리 변화하는 요인이 아니며, 짧게는 수일에서 길게는 수십년에 걸쳐 천천히 변화하는 요인이다. 각각의 레이저 다이오드 칩의 출력 특성을 확인하기 위한 시간은 수십 microsec의 짧은 시간에 가능하므로 복수개의 레이저 다이오드 칩의 출력 특성을 모두 확인하는데 1 msec의 짧은 시간이면 가능하다. 예를 들어 1분(minute)에 한번씩 레이저 다이오드 칩의 출력을 점검하여도 이에 따른 통신의 효율 저하는 1/60,000 정도로 매우 미약하다. 그러므로 본 발명에 의한 공통 광 경로 영역에서 분기된 레이저 빛을 이용하여 복수개의 레이저 다이오드 칩의 동작 상태를 하나의 monitor photo diode로 감시하는 방법은 burst mode 또는 continuous mode에 상관없이 적용이 가능하다.
복수개의 파장 채널이 설정될 경우 반도체 레이저 다이오드 칩은 운용 환경 온도에 따라 발진 파장이 달라지므로, 레이저 다이오드 칩의 운용 온도를 일정하게 유지시켜주는 열전소자가 광소자 내부에 배치될 수 있음은 자명하다. 광소자에 열전소자가 배치될 경우 복수개의 반도체 레이저 다이오드 칩은 열전소자의 상부판에 부착되어 배치된다.
도 1은 종래의 zig-zag filter를 이용한 복수개의 레이저 다이오드 칩을 이용한 광소자의 일례를 나타내는 도면이고, 도 6은 에폭시를 이용하여 렌즈를 부착 고정시킬 때, 에폭시와 서브마운트의 젖음성(surface wetting)에 의해 다음 렌즈 정렬이 어려워지는 점을 설명하는 도면이며, 도 7은 에폭시의 퍼짐을 제한하는 표면에 요철이 있는 서브마운트를 이용하여 복수개의 렌즈를 광정렬하는 과정을 설명하는 모식도이다.
도시된 바와 같이, 도 1에서는 복수개의 렌즈가 하나의 블록으로 형성된 렌즈 블록을 이용하여 광소자를 제작하는 방법을 나타내고 있다. 그러나 렌즈 블록의 경우 각각의 반도체 레이저 다이오드 칩의 부정확한 위치에 의한 광섬유와의 광 결합 효율 저하를 피할 수 없다. 이를 개선하기 위해서는 각각의 레이저 다이오드 칩에 대응하는 독립적인 렌즈를 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 도 6에 도시된 바와 같이 렌즈(200)의 부착에는 에폭시(700) 등이 사용되는데 에폭시는 렌즈가 부착되는 기판 젖음성(surface wetting) 문제에 의해 렌즈 크기보다 더 넓은 면적에 에폭시가 도포된다. 어느 하나의 렌즈를 부착시키는데 사용되는 에폭시가 경화(curing)된 후에 인접 렌즈를 광정렬하고 고정시키고자 할 때 미리 부착된 렌즈의 경화된 에폭시가 새로운 렌즈의 광 정렬을 어렵게 만들 수 있다. 이러한 특성은 렌즈 사이의 거리가 짧아질수록 중요한 역할을 한다. 이 경우, 도 7에 도시된 바와 같이 각각 개별의 렌즈를 수용할 수 있는 구획화된 서브마운트(900)를 사용함으로써 해결할 수 있다. 복수의 렌즈를 수용하는 구획화된 서브마운트를 사용할 경우 어느 한 렌즈를 고정시키는데 사용된 에폭시는 어느 한 구획으로 제한되기 때문에 에폭시의 기판 젖음성(surface wetting)에 의한 다음 렌즈의 광정렬을 방해하지 않는다. 이러한 구획의 형태는 에폭시가 옆으로 퍼짐을 방지 할 수 있는 요철형의 모양을 가지는 것이 바람직하다. 구획화된 submount(900)의 형상은 도 7에서 예시하였듯이 직사각형 형태의 구획화 및 다양한 형태의 구획화가 가능하다. 그러나 구획화된 서브마운트(900)의 렌즈 수용 구획 숫자가 적어도 렌즈의 숫자보다는 많아야 함은 자명하다.
101, 102, 103, 104 : 각각 다른 파장을 방출하는 레이저 다이오드 칩
200 : 렌즈
300 : filter
400 : mux block
500, 501, 502, 503, 504 : monitor photo diode
600 : beam splitter
700 : 에폭시
800 : 렌즈가 부착되는 서브마운트
900 : 렌즈를 수용하기 위한 돌출 구획이 설치된 서브마운트

Claims (5)

  1. 복수개의 레이저 다이오드 칩에서 방출되는 레이저 빛이 복수개의 렌즈를 이용하여 평행광으로 전환되고, 복수개의 파장 선택성 필터와 반사 거울을 거쳐 하나의 광경로를 가지도록 결합 된 후 하나의 렌즈를 통하여 하나의 광섬유로 집속되는 광소자에 있어서, 각각의 레이저 다이오드 칩에서 방출된 레이저 빛의 광 경로가 결합된 공통 광 경로 영역에서 레이저 빛의 일부를 분기하여 복수개의 레이저 다이오드 칩의 광출력을 하나의 monitor photo diode로 감시하도록 하는 것을 특징으로 하는 어레이형 광소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기의 광출력 감시는, 각각의 반도체 레이저 다이오드 칩에서 방출된 레이저 빛이 결합된 공통 광 경로 영역에 배치된 beam splitter 를 통하여 갈라진 광 경로상에 monitor photo diode를 배치하여 레이저 다이오드 칩의 광출력을 감시하는 것을 특징으로하는, 어레이형 광소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    다른 레이저 다이오드 칩들은 구동을 중지한 상태에서 특정한 하나의 레이저 다이오드 칩을 구동하고, 이때 측정된 monitor photo diode로 흐르는 전류의 세기를 이용하여 특정한 레이저 다이오드 칩의 출력으로 인식하는 과정을 포함하고, 다른 레이저 다이오드 칩의 출력도 동일한 방법으로 측정하는 것을 특징으로 하는, 어레이형 광소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 반도체 레이저는 열전소자위에 배치되는 것을 특징으로 하는, 어레이형 광소자.
  5. 복수개의 레이저 다이오드 칩에서 방출되는 레이저 빛이 복수개의 렌즈를 이용하여 평행광으로 전환되고, 복수개의 파장 선택성 필터와 반사 거울을 거쳐 하나의 광경로를 가지도록 결합 된 후 하나의 렌즈를 통하여 하나의 광섬유로 집속되는 광소자에 있어서, 레이저 다이오드 칩에서 발산된 레이저 빛을 평행광으로 시준화 시키는 복수개의 렌즈는 표면이 요철형으로 제작된 서브마운트에 부착되어 정렬되는 것을 특징으로 하는, 어레이형 광소자.
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