WO2014163449A1 - Wavelength-tunable laser - Google Patents

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WO2014163449A1
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wavelength
laser
light
diode chip
laser diode
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PCT/KR2014/002979
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김정수
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주식회사 포벨
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    • HELECTRICITY
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    • H01S5/024Arrangements for thermal management
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/14External cavity lasers
    • H01S5/141External cavity lasers using a wavelength selective device, e.g. a grating or etalon

Definitions

  • the present invention relates to a laser device, and more particularly, to a tunable laser device that can be manufactured in a small size capable of varying a laser wavelength to oscillate.
  • DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing
  • the present invention uses a low-cost TO-type package, but the size of the TO-type package can be manufactured in a smaller size than the conventional butterfly-type package through the arrangement of the laser diode package to be mounted on the conventional SFP transceiver case It is an object of the present invention to provide a tunable laser device that can be manufactured as.
  • Laser device for achieving the above object is a laser diode chip for emitting a laser light; A partial reflection mirror for light feedback reflecting part of the light emitted from the laser diode chip and returning it back to the laser diode chip; A collimating lens disposed on an optical path between the laser diode chip and the partial reflecting mirror for optical feedback, the collimating lens for collimating light emitted from the laser diode chip, a tunable variable filter whose wavelength is transmitted according to temperature; Refractive index changes with temperature to compensate for the change in refractive index according to the temperature of the semiconductor laser diode chip or the tunable selective filter, and the laser light traveling horizontally with respect to the package bottom surface perpendicular to the package bottom surface.
  • thermoelectric element 45 degree reflective mirror for changing the direction of the laser light to proceed; and the laser diode chip, the tunable selective filter and the phase compensation are disposed on the thermoelectric element is a wavelength that is oscillated in accordance with the temperature change of the thermoelectric element Will change.
  • the light reflecting partial reflection mirror is preferably arranged on top of the 45 degree reflection mirror.
  • the 45-degree reflection mirror is made of a partial reflection mirror having a partial reflection / partial transmission characteristics, one side of the 45-degree reflection mirror is emitted from the partial reflection mirror for the light feedback to transmit the 45 degree reflection mirror
  • the light monitoring photodiode receiving the laser light and monitoring the light intensity of the laser light may be further disposed.
  • the tunable selective filter is manufactured to transmit light having a specific wavelength using a Ga (x1) Al (1-x1) As / Ga (x2) Al (1-x2) As compound semiconductor on a GaAs substrate.
  • the composition is preferably between 1 and 0.1.
  • the wavelength tunable selective filter may be fabricated by alternately depositing amorphous silicon (a-Si) and SiN (silicon nitride) layers on a transparent substrate.
  • the tunable selective filter is composed of an etalon filter having a plurality of transmission wavelength bands, and the optical feedback partial reflecting mirror has a predetermined reflectance in the wavelength band to be oscillated and reflectance in the other wavelength bands.
  • Silver may be formed to 80% or less, preferably 25% or less, compared to the reflectance of the oscillating wavelength band.
  • the variable wavelength selective filter is preferably a reflective film is formed by alternately depositing dielectric thin films having different refractive indices on both surfaces of a semiconductor substrate including any one of silicon, GaAs, and InP to have a plurality of transmission wavelength bands.
  • phase compensation box is preferably manufactured based on a polymer material containing any one of PMMA, polyvinyl, polyethylene, polycarbonate, epoxy.
  • the length of the laser resonator including the semiconductor laser diode chip and the light reflecting partial reflection mirror is 5.8 mm to 6.2 mm when converted into an effective refractive index 1.
  • the stand for fixing the flat reflective mirror to 45 degrees with respect to the horizontal is formed of a silicon substrate in the form of a rectangular parallelepiped, and the silicon substrate has a through hole having an angle of 45 degrees with respect to one side to form a flat reflective mirror. It is configured to be inserted and fixed, the through hole formed in the silicon substrate is preferably formed by a dry etching method.
  • the tunable selective filter is fabricated by alternately depositing GaAs / GaAlAs layers on a GaAs semiconductor substrate.
  • the temperature dependence of the transmission wavelength of the tunable selective filter is approximately 90 pm / ° C.
  • the laser proposed in the present invention is determined in a Fabry-Perot mode in which the oscillation wavelength is determined by a resonator composed of a semiconductor laser diode chip and a partial reflection mirror within a wavelength range passing through such a tunable selective filter.
  • variable wavelength selective filter and the phase compensation based on the semiconductor laser diode chip and GaAs are disposed on the thermoelectric element, the semiconductor laser diode chip, the tunable selective filter and the phase compensation are arranged in the resonator by changing the temperature of the thermoelectric element.
  • the temperature of the ruler will change.
  • the tunable selective filter composed of a semiconductor laser diode chip and a GaAs-based semiconductor material exhibits a refractive index change of + that increases with increasing temperature, and a phase compensation exhibits a refractive index change of-with increasing temperature. Therefore, the semiconductor laser diode chip, the tunable selective filter, and the phase compensator are disposed on one thermoelectric element, and thus all experience the same temperature change.
  • the total effective refractive index change of the laser resonator is eliminated even if the thermoelectric element changes in temperature.
  • the Fabry-Perot mode determined by the laser resonator is fixed at a constant wavelength regardless of the temperature of the thermoelectric element.
  • a resonator composed of a laser diode chip and a feedback reflecting mirror is manufactured in a fold type, and a feedback partial reflecting mirror is disposed above the 45 degree reflecting mirror so that the laser light emitted horizontally from the laser diode chip is vertical. Since the direction is changed, the light path is adjusted to be suitable for the TO-type package having a through hole through which the laser light escapes on the vertical surface of the TO-type package, thereby enabling the use of a low-cost TO-type package. Compared with the conventional laser package, there is an advantage that the manufacturing cost is low.
  • the laser diode chip and the light reflection partial reflection mirror are manufactured in a fold type and the light reflection partial reflection mirror is disposed on the 45 degree reflection mirror, the bottom area of the resonator can be minimized. By minimizing the floor area, it can be mounted in a small TO package with a diameter of 7 mm or less, which makes it possible to manufacture an SFP transceiver using the TO package.
  • 1 is an external view showing a schematic view of a TO-type package
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating an operating principle of an extended resonator laser diode package according to the present invention
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing the determination of the oscillation wavelength in the extended resonator laser type
  • Figure 3 (a) is an example of the transmittance curve of the tunable selective filter
  • Figure 3 (b) of the Fabry-Perot mode is determined in the expansion resonator 3
  • (c) shows an example of wavelength characteristics of laser light oscillated by an expansion resonator and a tunable wavelength selective filter.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating determination of an oscillation wavelength in an extended resonator type wavelength tunable laser.
  • FIG. 4A illustrates an example of a curve in which transmittance of the tunable selective filter changes with temperature.
  • FIG. 3 (c) shows the laser light oscillated by the Fabry-Perot mode of the expansion resonator that changes with temperature and the wavelength tunable selective filter that changes with temperature.
  • An example of the characteristic of changing wavelength
  • FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating determination of an oscillation wavelength in an extended resonator type tunable laser having a phase compensation according to the present invention.
  • FIG. 7A illustrates an example of a curve in which transmittance of the tunable selective filter changes with temperature.
  • B is an example in which the Fabry-Perot mode determined in the expansion resonator has a constant wavelength according to the temperature, and
  • FIG. 7 (c) shows the Fabry-Perot mode and the temperature change which are kept constant regardless of the temperature change.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating a state in which a laser wavelength oscillating changes according to a temperature change of a resonator in a laser resonator structure according to the present invention
  • FIG. 9 is a conceptual diagram illustrating the installation of a laser device having a clamshell resonator structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a conceptual diagram of installation of a laser device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating the installation of a laser device including a photodiode for monitoring light according to the present invention
  • FIG. 13 is a conceptual diagram of installation of a laser device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a conceptual diagram of installation of a laser device according to another embodiment of the present invention.
  • 16 is an example of transmittance according to the wavelength of light passing through the etalon filter manufactured by the method of FIG. 15;
  • FIG. 17 shows an example of an oscillation laser wavelength when a tunable selective filter having a plurality of transmission wavelength bands is applied to the external resonator laser shown in FIG. 2;
  • 18 is a conceptual diagram illustrating an installation of an external resonator type laser package to which a tunable selective filter having a plurality of transmission wavelength bands and a partial reflection mirror in which reflection occurs only for a specific wavelength according to the present invention
  • FIG. 19 is a conceptual view illustrating a laser operating principle in the external resonator laser structure of FIG. 18;
  • FIG. 20 is a conceptual diagram illustrating a process of varying a wavelength in the external resonator laser structure of FIG. 18;
  • FIG. 1 is an external view showing a schematic view of a TO-type package applied to the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating an operating principle of an extended resonator laser diode package according to the present invention.
  • the laser diode package includes a laser diode chip 100 installed in a submount 110 for a laser diode chip, and parallel light of laser light emitted from the laser diode chip 100.
  • the laser diode chip 100 and the tunable selective filter 300 are disposed on a thermoelectric element (not shown) for controlling temperature.
  • the laser diode chip 100 is an edge emitting type laser diode chip, and the edge emitting type laser diode chip 100 emits laser light at both incision surfaces.
  • the laser diode chip 100 has a semiconductor laser fabricated on an InP substrate, and may have an oscillation wavelength of 1100 nm to 1700 nm.
  • the incision surface of the laser diode chip 100 facing the partial reflection mirror 500 for the light feedback of both incision surfaces becomes an antireflective coating surface (reflective surface) having a reflectance of 1% or less.
  • This antireflection surface has a reflectance of 1% or less, preferably 0.1% or less, and more preferably 0.01% or less.
  • the incision surface opposite the antireflective surface of the laser diode chip 100 typically has a reflectance of 1% or more, preferably 10% or more, more preferably 80% or more. Since the laser diode chip 100 having one side of the incision is antireflectively coated, no light is fed back from the laser diode chip 100 itself, so that the Fabry-Perot mode using the laser diode chip 100 as a resonator is not formed. .
  • the light emitted from the laser diode chip 100 exhibits a wavelength of light having a very wide wavelength band (typically, a half width of 20 nm or more).
  • the resonator length of 24 mm or 12 mm is difficult to be embedded in a small TO can package, and there is a problem of uneven temperature inside the thermoelectric element due to the increase in the resonator length.
  • a frequency difference of 12.5 GHz requires a resonator length of 3 mm.
  • the length of the resonator converted into refractive index of 6mm is suitable to make a laser having a wavelength interval of 50GHz or 100GHz, which is an international communication protocol, and to secure wavelength accuracy (+/- 12.5GHz) required by international communication standards. It is preferable that the length of the laser resonator converted into the refractive index 1 is adjusted within 5.8 mm to 6.2 mm.
  • a TO-type package mounted on an SFP transceiver should have all components mounted in the inner diameter of the cap 2 in FIG. 1, and the light escaping from the TO-type package should be emitted from the center portion of the TO-type package. Therefore, in order to emit the horizontally moving laser light to the outside of the TO package cap 2 in FIG. 2, a 45 degree reflective mirror for converting the horizontal laser light into the vertical laser light is required. The reflecting mirror should be located underneath the cap 2 of the TO package.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram illustrating a laser device having a clamshell resonator structure according to an exemplary embodiment of the present invention, wherein a 45-degree reflecting mirror converts a direction of laser light vertically on one side of the light reflecting partial reflection mirror 500 ( A structure in which 400 is disposed is shown.
  • the inner diameter of the cap (2) of the TO-type package mounted on the SFP transceiver is about 4.4 mm, and in order for the light to escape from the center of the cap (2) of the TO-type package, the laser diode chip 100 and the 45 degree reflection mirror ( The length to the center of 400) shall be physically within 2.2mm.
  • DWDM recommends that the wavelength be within +/- 100pm from a wavelength predefined by the international organization. Therefore, it is preferable that the optically effective resonator length of the expansion resonator is at least about 5.8 mm to 6.2 mm so that the wavelength is within the range of 100 pm at the predetermined wavelength even during mode hopping.
  • the resonators have a one-dimensional arrangement as shown in FIG. 6, increasing the effective resonator length of the expansion resonator inevitably increases the horizontal length of the resonator. The problem of moving away from the center occurs.
  • FIG. 10 is a conceptual diagram illustrating a laser device according to another embodiment of the present invention, and includes a variable wavelength selective filter 300, a phase compensation 350, and a partial reflection for light feedback on a 45 degree reflective mirror 400.
  • positioned is shown.
  • the horizontal length of the resonator can be within 1.5 mm, and the optical length of the resonator can be 6 mm or more.
  • FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating an installation of a laser device in which a photodiode for monitoring light according to an embodiment of the present invention is disposed.
  • the 45 degree reflective mirror 400 is manufactured as a partial reflection mirror, and the photo-monitoring photo diode 600 attached to the photodiode submount 610 is arrange
  • a portion of the light incident on the 45 degree reflective mirror 400 is transmitted through the 45 degree reflective mirror 400 to be incident on the photodiode 600 for light monitoring so that the intensity of the laser light can be monitored.
  • the light intensity monitoring photodiode 600 is disposed on the opposite side of the laser resonator with respect to the center point of the TO package, the internal space of the TO-type package can be efficiently utilized.
  • the light intensity may be monitored by entering the photodiode 600 for light monitoring.
  • a light monitoring photodiode 600 may be installed below the island reflection mirror 400 to monitor light intensity.
  • FIG. 12 shows an installation conceptual view in which the photodiode for light monitoring is disposed below the 45 degree reflective mirror.
  • the 45 degree reflecting mirror 400 has the function of a partial reflecting mirror
  • the 45 degree reflecting mirror 400 is reflected by the 45 degree reflecting mirror 400 and is incident on the upper part reflecting mirror 500 for light feedback.
  • the light passing through the 45 degree reflection mirror 400 even when the light of the path reflected by the light feedback partial reflection mirror 500 and returned to the laser diode chip 100 reaches the 45 degree reflection mirror 400. Transmission occurs.
  • the light passing through the 45 degree reflective mirror 400 from the partial reflection mirror 500 for light feedback and passes through the 45 degree reflective mirror 400 reaches the lower surface of the 45 degree reflective mirror 400,
  • the light intensity monitoring function can be performed in the same manner. Since the 45 degree reflective mirror 400 underlay of the optical monitoring photodiode 600 does not increase the horizontal axis length of the expansion resonator, it is also a method that can make the best use of the internal area of the TO-type package.
  • the characteristics of the wavelength filter 700 do not change with temperature, or that the wavelength characteristics are changed within 15 pm / ° C. according to the temperature. More preferably, the wavelength characteristics are changed within 3 pm / ° C. according to the temperature.
  • FIG. 14 is a conceptual view illustrating the installation of a laser device according to another embodiment of the present invention, in which a wavelength filter 700 having a transmittance varying according to a wavelength is disposed on a path of light passing horizontally through a 45 degree reflective mirror 400.
  • the photodiode 650 for wavelength monitoring is attached to a path of light passing through the wavelength filter 700.
  • the photodiode 620 for output monitoring is disposed on a path of light reflected by the wavelength filter 700.
  • the wavelength tunable selective filter capable of selecting a plurality of wavelengths is manufactured in a structure that allows a plurality of wavelengths to pass through the filter at a constant frequency interval, which can be easily manufactured as an etalon filter.
  • the etalon filter may be manufactured by reflecting coating so as to have a predetermined reflectance on both sides of the substrate transparent to light in the wavelength band to be transmitted.
  • FIG. 15 illustrates an example of a tunable selective filter including an etalon filter.
  • the etalon filter constituting the tunable selective filter 330 includes a semiconductor substrate 333 through which laser light, such as silicon, GaAs, or InP, passes. It is made of a structure in which the reflective film 335 is deposited so as to have a predetermined reflectance with a dielectric thin film having different refractive indices on both sides of the C).
  • the method of manufacturing the reflective film 335 from the dielectric thin film is a method that is very widely applied to lens coating and optical filter fabrication and has a very high technical maturity. This method has the advantage of being very simple compared to the method of alternately growing a GaAs layer and an AlGaAs layer on a GaAs substrate or by depositing amorphous silicon and SiN on a substrate such as silicon.
  • FIG. 16 shows the transmittance according to the wavelength of light passing through the etalon filter manufactured by the method of FIG. 15.
  • the etalon filter used for measuring the transmittance has reflectances on both sides of a 50 ⁇ m thick silicon substrate. It is a case where a reflecting film coating is performed using a dielectric thin film layer so that it may become 70%.
  • the silicon etalon filter having the above structure has a plurality of transmission wavelength bands having a wavelength interval of about 1000 GHz.
  • the laser diode chip 100 has a tunable selective filter ( Wavelength locking and laser oscillation occur in the resonator Fabry-Perot mode of the wavelength band passing through 330.
  • a tunable selective filter Wavelength locking and laser oscillation occur in the resonator Fabry-Perot mode of the wavelength band passing through 330.
  • Oscillation is performed in the Fabry-Perot mode within the transmission wavelength band of), thereby generating laser light having a plurality of wavelengths.
  • variable wavelength selective filter 330 having a plurality of transmission wavelength bands
  • a function of causing only one wavelength to oscillate in the laser resonator is required.
  • This function can be implemented by changing the characteristics of the partially reflective mirror 500 for the light feedback shown in FIGS. That is, in FIG. 2 and FIG. 6, the light reflection partial reflection mirror 500 is described as a partial reflection mirror having a constant reflectance irrespective of the wavelength, but the wavelength variable selective filter 330 having a plurality of transmission wavelength bands is used.
  • the partial reflection mirror 500 for light feedback has a predetermined specific reflectance for a specific wavelength but is manufactured to have a completely transmissive characteristic for a wavelength band in which no oscillation should occur do.
  • FIG. 18 is a conceptual diagram illustrating an installation of an external resonator type laser package including a wavelength tunable selective filter having a plurality of transmission wavelength bands and a partial reflection mirror in which reflection occurs only for a specific wavelength
  • FIG. 19 is an external resonator type laser structure of FIG. 18. Shows the laser operating principle in.
  • variable wavelength selective filter 330 applied to FIGS. 18 and 19 has a plurality of transmission wavelength bands, and the optical feedback partial reflection mirror 550 reflects at a predetermined ratio only in a specific wavelength band and does not generate laser oscillation. For wavelengths in other bands, the wavelength-dependent optical feedback partially reflecting mirror transmits.
  • the laser diode chip 100 emits light having a wide wavelength band suitable for gain characteristics of a semiconductor laser.
  • the light emitted from the laser diode chip 100 reaches the tunable selective filter 330 having a plurality of transmission wavelength bands, and the plural wavelength bands of the tunable selective filter 330 are wavelengths. It is transmitted through the variable selectivity filter 330 and transmitted to the partial reflection mirror 550 for light feedback.
  • the laser light that does not pass through the tunable selective filter 330 and reflects is reflected by the tunable selective filter 330 which is turned at a predetermined angle with respect to the laser optical axis and sent to another path to be fed back to the laser diode chip 100. I can't.
  • light corresponding to a plurality of wavelength bands transmitted through the tunable selective filter 330 passes through the phase compensation 350 and has a wavelength dependency partial reflection mirror 550. Is sent to.
  • the reflectance characteristic curve of the light reflection partial reflection mirror 550 having the wavelength dependence is as shown in FIG. 20C, and the light reflection partial reflection mirror 550 having the wavelength dependence passes through the tunable filter 330.
  • the plurality of wavelengths only a specific wavelength is partially reflected and the remaining wavelengths are manufactured to show transmission characteristics.
  • the laser light that does not pass through the tunable filter 330 among the light emitted from the laser diode chip 100 is reflected by the tunable filter 330 and cannot be fed back to the laser diode chip 100.
  • Light having a plurality of wavelength bands passing through the filter 330 reaches the partial reflection mirror 550 having the wavelength dependency through the phase compensation 350.
  • the light reflected from the partial reflection mirror 550 among the light arriving at the light reflection partial reflection mirror 550 having the wavelength dependency is again passed through the phase compensation box 350 and the wavelength tunable selector filter 330. 100 and the light having a wavelength corresponding to the transmission band among the light arriving at the light reflection partial reflection mirror 550 passes through the light reflection partial reflection mirror 550 and is returned to the laser diode chip 100. You won't be. Therefore, the wavelength of the laser light finally oscillating in the external resonator type laser structure of FIG. 18 passes through the wavelength tunable selective filter 330 having a plurality of transmission wavelength bands as shown in FIG. Among the a)), the Fabry-Perot mode (Fig. 20 (d)) corresponding to the resonance mode of the wavelength band (Fig. 20 (c)) where reflection occurs in the light reflection partial reflection mirror 550 having wavelength dependence is do.
  • the light reflecting partial reflection mirror 550 having the wavelength dependence applied to FIGS. 18 and 19 does not have to be reflectance for wavelengths other than the reflection band without reflection, and at least 80% or less than the reflectance of the reflection band. Preferably, even when it is 50% or less, operation
  • the tunable selective filter 330 having a plurality of transmission wavelength bands forms a reflective film by depositing a plurality of dielectric films having a high refractive index and low refractive index on both surfaces of a semiconductor substrate such as silicon, GaAs, or InP. It is preferable that it is an etalon filter manufactured in form. In the etalon filter using the semiconductor substrate, the refractive index of the semiconductor substrate is changed according to temperature. By using this characteristic, the wavelength band of transmission can be changed by changing the temperature of the etalon filter. Accordingly, FIGS. 2 and 6 It is possible to manufacture a wavelength tunable laser capable of varying the oscillating laser wavelength described in. This method is a highly industrial method by fabricating a tunable filter through a very well established dielectric thin film deposition.
  • the Fabry-Perot mode (FIG. 20B) in the reflection band (FIG. 20C) of the partial reflection mirror 550 for optical feedback among the transmission band wavelengths of the variable tunable selectivity filter 330 is As a result, since the oscillation is performed as shown in FIG. 20 (d), the oscillation wavelength of the laser is also changed as the oscillation wavelength of the laser is changed as the temperature of the tunable selective filter 330 having a plurality of transmission wavelength bands is changed.
  • Figure 21 shows the form of a stand for 45-degree reflective mirror for easily mounting the 45-degree reflective mirror in the TO-type package according to an embodiment of the present invention.
  • the 45 degree reflective mirror stand 450 is made of a rectangular parallelepiped, and the 45 degree reflective mirror stand 450 has a through hole having an angle of 45 degrees with respect to the base. have.
  • a flat 45 degree reflective mirror 400 is inserted into the through hole formed in the stand 450 and mounted on the thermoelectric element, and a partial reflective mirror 500 is attached to the upper part of the stand 450.
  • the stand 450 having the above structure allows the 45 degree reflective mirror 400 and the partially reflective mirror 500 to be easily attached.
  • the stand 450 is preferably a material having a good heat transfer rate.
  • the material is a silicon substrate having a heat transfer rate of 170 W / m and easy to manufacture through holes by a dry etching process.
  • the silicon is very easy to adjust the width of the through hole by the dry etching method, and the angle to the base is easy to adjust, so the flat 45 degree reflective mirror 400 is simply inserted into the through hole of the silicon stand. Positioning the reflecting mirror 400 at a 45 degree angle facilitates the assembly process.
  • the extended environmental temperature of the TO-type package varies, heat exchange occurs between the outer circumferential surface of the TO-type package and the internal components of the TO-type package. Since the distance between each internal component of the TO package and the outer circumferential surface of the TO package can vary widely, an extended environmental temperature change of the TO package can unevenly change the temperature of the internal components of the TO package. This independent change in temperature of the resonator material will result in a non-uniform change in the effective optical length of the resonator, so it is desirable to minimize heat exchange between the resonator component and the outer circumferential surface of the TO-type package. Therefore, it is preferable to keep the inside of the TO package in a vacuum, and the degree of vacuum is preferably 0.2 atm or less.
  • the laser resonator is disposed by arranging the light reflecting partial reflection mirror 500 on the 45 degree reflection mirror 500 installed in the horizontal direction of the laser diode chip 100.
  • the semiconductor laser diode chip 100, the tunable wavelength selective filter 300, and the phase compensation 350 are disposed on one thermoelectric element 900, so that the entire laser resonator due to the temperature change of the thermoelectric element 900 is effectively used.
  • the Fabry-Perot mode determined by the laser resonator can be fixed at a constant wavelength regardless of the temperature of the thermoelectric element 900.

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Abstract

The present invention relates to a wavelength-tunable laser, which can tune an oscillating laser wavelength and can be manufactured in a small size, comprising: a laser diode chip (100) for emitting a laser beam; a partial reflection mirror (500) for optical feedback, which partially reflects the beam emitted from the laser diode chip (100) so as to enable the reflected beam to be fed back to the laser diode chip (100); a collimation lens (200) provided on an optical path between the laser diode chip (100) and the partial reflection mirror (500) for optical feedback so as to collimate the beam emitted from the laser diode chip (100); a wavelength-tunable selective filter (300) for converting the wavelength transmitted according to the temperature; a phase compensator (350) of which a refractive index is changed according to the temperature and which offsets a change in the refractive index according to the temperature of the semiconductor laser diode chip (100) or the wavelength-tunable selective filter (300); and a 45 degree reflection mirror (400) for switching the direction of the laser beam from the laser beam traveling in the horizontal direction with respect to a bottom surface of a package, to the laser beam traveling in the vertical direction with respect to the bottom surface of the package, wherein the laser diode chip (100), the wavelength-tunable selective filter (300), and the phase compensator (350) are disposed at an upper part of a thermoelectric element (900) so as to change the wavelength oscillating according to a change in the temperature of the thermoelectric element (900).

Description

파장 가변 레이저 장치Tunable laser device
본 발명은 레이저 장치에 관한 것으로, 특히 발진하는 레이저 파장을 가변 할 수 있는 소형으로 제작 가능한 파장 가변 레이저 장치에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser device, and more particularly, to a tunable laser device that can be manufactured in a small size capable of varying a laser wavelength to oscillate.
근래에 들어 스마트폰 등의 동영상 서비스를 비롯하여 통신 용량이 매우 큰 통신 서비스들이 출시되고 있다. 이에 따라 종래의 통신 용량을 대폭적으로 증가시킬 필요가 대두 되고 있으며, 이미 종래에 포설되어 있는 광섬유를 이용하여 통신 용량을 증대시키는 방법으로 DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing) 방식의 통신 방식을 채택하고 있다. 상기 DWDM 통신 방식은 파장이 서로 다른 레이저 빛들은 서로 간섭하지 않아 하나의 광섬유를 통하여 동시에 여러 가지 파장의 빛 신호를 전송하여도 신호 간에 간섭이 없는 현상을 이용하여, 하나의 광섬유로 여러 파장의 빛을 동시에 전송하는 방식을 말한다. Recently, communication services with a large communication capacity, including video services such as smartphones, have been released. Accordingly, there is a need to greatly increase the conventional communication capacity, and has adopted a DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) communication method as a method of increasing communication capacity by using an optical fiber that is already conventionally installed. In the DWDM communication method, laser light having different wavelengths does not interfere with each other, and thus, even when light signals of different wavelengths are transmitted through one optical fiber at the same time, there is no interference between signals. It refers to the method of transmitting at the same time.
현재 세계적으로 NG-PON2(Next Generation - Passive Optical Network version 2)라는 규격이 세계적으로 합의되고 있으며, 이러한 NG-PON2 규격에는 가입자에 설치할 광통신 모듈의 규격으로 100GHz 주파수 간격의 4channel을 수용할 수 있는 파장 가변 레이저가 채택되어 있다. NG-PON2의 가입자용 광모듈은SFP(Small Form factor Pluggable)라는 트랜시버 모듈을 기본 규격으로 하는데, SFP 모듈 패키지는 부피가 작아 4channel 파장 가변 레이저 모듈의 크기가 소형화 되어야 한다.Currently, NG-PON2 (Next Generation-Passive Optical Network version 2) standard is globally agreed, and this NG-PON2 standard is a standard of optical communication module to be installed in subscribers and can accommodate 4 channels of 100GHz frequency interval. Variable laser is adopted. The subscriber optical module of NG-PON2 has a transceiver module called Small Form Factor Pluggable (SFP) as a standard. The SFP module package is small in volume, and the size of the 4channel tunable laser module must be miniaturized.
현재 여러 가지 방식의 파장 가변 레이저가 개발되고 출시되고 있으나 대부분의 경우 버터플라이 패킷 형태로 매우 부피가 큰 광소자 규격을 가지고 있어 이러한 큰 부피의 광소자는 SFP 트랜시버 모듈에 내장이 불가능하다. SFP 트랜시버에 내장 가능한 크기의 광소자 패키지는 TO(transistor outline)형 패키지인데, 현재 TO형으로 파장 가변이 가능한 파장 가변형 TO형 광소자는 제안되지 않고 있는 실정이다. There are many different wavelength tunable lasers currently being developed and marketed, but in most cases they have a very bulky optical device in the form of a butterfly packet, which makes it impossible to embed this large volume into an SFP transceiver module. An optical device package having a size that can be embedded in an SFP transceiver is a TO (transistor outline) type package. Currently, there is no proposal for a wavelength variable TO optical device having a variable wavelength in the TO type.
[선행기술문헌][Preceding technical literature]
[특허문헌][Patent Documents]
(특허문헌 1) 대한민국 등록특허공보 제10-1124171호 (2012.02.29)(Patent Document 1) Republic of Korea Patent Publication No. 10-1124171 (2012.02.29)
본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 초소형이며 제작 비용이 저렴한 TO(Transistor Outline)형 패키지 형태로 제작 가능한 파장 가변형 확장 공진기형 레이저 장치를 제공하는 데 있다. The present invention has been proposed in order to solve the problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a tunable extended resonator laser device that can be manufactured in the form of a small (TO) transistor (Transistor Outline) package with a low manufacturing cost. .
특히, 본 발명은 저가의 TO형 패키지를 사용하되 레이저 다이오드 패키지의 배치를 통하여 TO형 패키지의 크기를 종래의 버터플라이형 패키지에 비해 소형으로 제작 가능하도록 하여 종래 규격화된 SFP 트랜시버 케이스에 장착 가능한 크기로 제작 가능한 파장 가변형 레이저 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.In particular, the present invention uses a low-cost TO-type package, but the size of the TO-type package can be manufactured in a smaller size than the conventional butterfly-type package through the arrangement of the laser diode package to be mounted on the conventional SFP transceiver case It is an object of the present invention to provide a tunable laser device that can be manufactured as.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저 장치는 레이저 빛을 발산하는 레이저 다이오드 칩과; 상기 레이저 다이오드 칩에서 발산된 빛을 일부 반사하여 다시 레이저 다이오드 칩으로 궤환시키는 광 궤환용 부분 반사 거울과; 상기 레이저 다이오드 칩과 광 궤환용 부분 반사 거울 사이의 광 경로 상에 설치되어, 레이저 다이오드 칩으로부터 발산된 빛을 시준화시키는 시준화 렌즈와, 온도에 따라 투과되는 파장이 변화하는 파장 가변 선택성 필터와, 온도에 따라 굴절률이 변화되어 상기 반도체 레이저 다이오드 칩 또는 파장 가변 선택성 필터의 온도에 따른 굴절율 변화를 보상하는 위상보상자와, 패키지 바닥면에 대해 수평으로 진행하는 레이저 빛을 패키지 바닥면에 대해 수직으로 진행하는 레이저 빛으로 방향을 전환하는 45도 반사 거울;을 포함하여 이루어지며, 상기 레이저 다이오드 칩과 파장 가변 선택성 필터 및 위상보상자는 열전소자 상부에 배치되어 열전소자의 온도 변화에 따라 발진되는 파장이 변화되게 된다. Laser device according to the present invention for achieving the above object is a laser diode chip for emitting a laser light; A partial reflection mirror for light feedback reflecting part of the light emitted from the laser diode chip and returning it back to the laser diode chip; A collimating lens disposed on an optical path between the laser diode chip and the partial reflecting mirror for optical feedback, the collimating lens for collimating light emitted from the laser diode chip, a tunable variable filter whose wavelength is transmitted according to temperature; Refractive index changes with temperature to compensate for the change in refractive index according to the temperature of the semiconductor laser diode chip or the tunable selective filter, and the laser light traveling horizontally with respect to the package bottom surface perpendicular to the package bottom surface. 45 degree reflective mirror for changing the direction of the laser light to proceed; and the laser diode chip, the tunable selective filter and the phase compensation are disposed on the thermoelectric element is a wavelength that is oscillated in accordance with the temperature change of the thermoelectric element Will change.
또한, 상기 광 궤환용 부분 반사 거울은 45도 반사 거울의 상부에 배치되는 것이 바람직하다. In addition, the light reflecting partial reflection mirror is preferably arranged on top of the 45 degree reflection mirror.
한편, 상기 45도 반사 거울은 부분 반사/부분 투과 특성을 갖는 부분 반사 거울로 이루어지고, 상기 45도 반사 거울의 일측에는 레이저 다이오드 칩에서 발산되어 상기 45도 반사 거울을 투과하는 성분의 레이저 빛을 수신하여 레이저 빛의 광 세기를 감시하는 광 감시용 포토 다이오드가 더 배치되게 된다. On the other hand, the 45-degree reflection mirror is made of a partial reflection mirror having a partial reflection / partial transmission characteristics, and one side of the 45-degree reflection mirror is emitted from the laser diode chip to transmit the laser light of the component that transmits the 45 degree reflection mirror A photodiode for monitoring light is further arranged to receive and monitor the light intensity of the laser light.
또한, 상기 45도 반사 거울은 부분 반사/부분 투과 특성을 갖는 부분 반사 거울로 이루어지고, 상기 45도 반사 거울의 일측에는 광 궤환용 부분 반사거울로부터 발산되어 상기 45도 반사 거울을 투과하는 성분의 레이저 빛을 수신하여 레이저 빛의 광 세기를 감시하는 광 감시용 포토 다이오드가 더 배치될 수 있다. In addition, the 45-degree reflection mirror is made of a partial reflection mirror having a partial reflection / partial transmission characteristics, one side of the 45-degree reflection mirror is emitted from the partial reflection mirror for the light feedback to transmit the 45 degree reflection mirror The light monitoring photodiode receiving the laser light and monitoring the light intensity of the laser light may be further disposed.
뿐만 아니라, 상기 45도 반사 거울은 부분 반사/부분 투과 특성을 갖는 부분 반사 거울로 이루어지고, 상기 45도 반사 거울의 일측에는 레이저 다이오드 칩에서 발산되어 상기 45도 반사 거울을 투과하는 성분의 광 경로상에 파장에 따라 투과율이 변화하는 파장 필터와 포토 다이오드가 배치되고, 상기 45도 반사 거울의 하부에는 광 궤환용 부분 반사거울에서 발산되어 상기 45도 반사 거울을 투과하는 광 경로상에 포토 다이오드가 배치되어, 상기 포토 다이오드를 흐르는 광 전류의 비교를 통하여 상기 파장 필터의 투과율 및 레이저 빛의 파장을 파악할 수 있게 된다. In addition, the 45-degree reflection mirror is made of a partial reflection mirror having a partial reflection / partial transmission characteristics, the light path of the component emitted from the laser diode chip on one side of the 45-degree reflection mirror and transmitted through the 45 degree reflection mirror A wavelength filter and a photodiode, the transmittance of which is changed according to the wavelength, are disposed on the upper surface of the 45-degree reflective mirror, and a photodiode is disposed on the optical path that is emitted from the partial reflection mirror for light feedback and passes through the 45-degree reflective mirror. It is arranged, it is possible to determine the transmittance of the wavelength filter and the wavelength of the laser light through the comparison of the light current flowing through the photodiode.
한편, 상기 파장 가변 선택성 필터는 GaAs 기판에 Ga(x1)Al(1-x1)As /Ga(x2)Al(1-x2)As 화합물 반도체를 이용하여 특정 파장의 빛을 투과하도록 제작되되 상기 Ga 조성은 1에서 0.1 사이인 것이 바람직하다. 여기에서, 상기 파장 가변 선택성 필터는 투명한 기판 위에 비정질 실리콘(a-Si)과 SiN(silicon nitride)층이 교대로 증착되어 제작될 수 있다. Meanwhile, the tunable selective filter is manufactured to transmit light having a specific wavelength using a Ga (x1) Al (1-x1) As / Ga (x2) Al (1-x2) As compound semiconductor on a GaAs substrate. The composition is preferably between 1 and 0.1. The wavelength tunable selective filter may be fabricated by alternately depositing amorphous silicon (a-Si) and SiN (silicon nitride) layers on a transparent substrate.
또한, 상기 파장 가변 선택성 필터는 복수의 투과 파장 대역을 가지는 에탈론형 필터로 이루어지고, 상기 광 궤환용 부분 반사 거울은 발진시키고자 하는 파장 대역에서 미리 정해진 반사율을 가지며 나머지 다른 파장 대역에서의 반사율은 발진하는 파장 대역의 반사율에 비해 80% 이하, 바람직하게 25% 이하로 형성될 수 있다. 여기에서, 상기 파장 가변 선택성 필터는 복수의 투과 파장 대역을 갖도록 실리콘, GaAs, InP 중 어느 하나를 포함하는 반도체 기판 양면에 굴절률이 다른 유전체 박막이 교대로 증착되어 반사막이 형성되는 것이 바람직하다. Further, the tunable selective filter is composed of an etalon filter having a plurality of transmission wavelength bands, and the optical feedback partial reflecting mirror has a predetermined reflectance in the wavelength band to be oscillated and reflectance in the other wavelength bands. Silver may be formed to 80% or less, preferably 25% or less, compared to the reflectance of the oscillating wavelength band. Here, the variable wavelength selective filter is preferably a reflective film is formed by alternately depositing dielectric thin films having different refractive indices on both surfaces of a semiconductor substrate including any one of silicon, GaAs, and InP to have a plurality of transmission wavelength bands.
또한, 상기 위상보상자는 PMMA, 폴리비닐, 폴리에틸렌, 폴리카보네이트, 에폭시 중 어느 하나를 포함하는 고분자 재료를 기반으로 제작되는 것이 바람직하다. In addition, the phase compensation box is preferably manufactured based on a polymer material containing any one of PMMA, polyvinyl, polyethylene, polycarbonate, epoxy.
상기 반도체 레이저 다이오드 칩과 광 궤환용 부분 반사 거울을 포함하는 레이저 공진기의 길이가 유효 굴절률 1로 환산하였을 때 5.8mm 내지 6.2mm인 것이 바람직하다.It is preferable that the length of the laser resonator including the semiconductor laser diode chip and the light reflecting partial reflection mirror is 5.8 mm to 6.2 mm when converted into an effective refractive index 1.
한편, 평판형의 반사 거울을 수평에 대해 45도로 고정하는 스탠드는 직육면체 형태의 실리콘 기판으로 형성되되, 상기 실리콘 기판은 어느 한 변에 대해 45도의 각도를 갖는 관통공이 형성되어 평판형의 반사 거울이 삽입되어 고정될 수 있도록 구성되는데, 상기 실리콘 기판에 형성된 관통공은 건식 식각 방법으로 형성된 것이 바람직하다.Meanwhile, the stand for fixing the flat reflective mirror to 45 degrees with respect to the horizontal is formed of a silicon substrate in the form of a rectangular parallelepiped, and the silicon substrate has a through hole having an angle of 45 degrees with respect to one side to form a flat reflective mirror. It is configured to be inserted and fixed, the through hole formed in the silicon substrate is preferably formed by a dry etching method.
파장 가변 선택성 필터는 GaAs 반도체 기판위에 GaAs/GaAlAs 층을 교대로 증착하여 제작되는데 이러한 파장 가변 선택성 필터의 투과 파장의 온도 의존성은 대략 90pm/℃이다. 본 발명에서 제안하는 방식의 레이저는 발진 파장이 이러한 파장 가변 선택성 필터를 투과하는 파장 범위 내에서 반도체 레이저 다이오드 칩과 부분 반사 거울로 이루어지는 공진기에 의해 결정되는 Fabry-Perot 모드로 결정된다. 본 발명에서 반도체 레이저 다이오드 칩과 GaAs를 기반으로 하는 파장 가변 선택성 필터와 위상보상자가 열전소자 위에 배치되므로, 열전소자의 온도를 바꾸어주면 공진기 내에 배치되는 반도체 레이저 다이오드 칩과 파장 가변 선택성 필터와 위상보상자의 온도가 바뀌게 된다. 반도체 레이저 다이오드 칩과 GaAs 기반의 반도체 물질로 구성된 파장 가변 선택성 필터는 온도가 상승함에 따라 굴절률이 커지는 +의 굴절률 변화를 보이며, 위상보상자는 온도 상승에 따라 -의 굴절률 변화를 보이게 된다. 그러므로 반도체 레이저 다이오드 칩과 파장 가변 선택성 필터와 위상보상자가 하나의 열전소자 위에 배치되므로 모두 동일한 온도 변화를 겪게 된다. 반도체 레이저 다이오드 칩과 파장 가변 선택성 필터의 굴절률 변화를 상쇄할 수 있는 두께의 고분자 재료를 레이저 공진기 내에 배치시킬 때 열전소자가 온도가 변화하여도 레이저 공진기의 전체 유효 굴절률 변화는 없어지게 되며, 이에 따라 레이저 공진기에 의해 결정되는 Fabry-Perot 모드는 열전소자의 온도와 관계없이 일정한 파장으로 고정되게 된다. 열전소자의 온도가 바뀌게 되면 파장 가변 선택성 필터에서 선택하는 파장이 바뀌게 되고, 이에 따라 레이저 공진기에서 발진하는 레이저 발진 파장이 바뀌게 되므로 저렴하고 간단하게 파장 가변형 레이저를 만들 수 있게 된다.The tunable selective filter is fabricated by alternately depositing GaAs / GaAlAs layers on a GaAs semiconductor substrate. The temperature dependence of the transmission wavelength of the tunable selective filter is approximately 90 pm / ° C. The laser proposed in the present invention is determined in a Fabry-Perot mode in which the oscillation wavelength is determined by a resonator composed of a semiconductor laser diode chip and a partial reflection mirror within a wavelength range passing through such a tunable selective filter. In the present invention, since the variable wavelength selective filter and the phase compensation based on the semiconductor laser diode chip and GaAs are disposed on the thermoelectric element, the semiconductor laser diode chip, the tunable selective filter and the phase compensation are arranged in the resonator by changing the temperature of the thermoelectric element. The temperature of the ruler will change. The tunable selective filter composed of a semiconductor laser diode chip and a GaAs-based semiconductor material exhibits a refractive index change of + that increases with increasing temperature, and a phase compensation exhibits a refractive index change of-with increasing temperature. Therefore, the semiconductor laser diode chip, the tunable selective filter, and the phase compensator are disposed on one thermoelectric element, and thus all experience the same temperature change. When the polymer material having a thickness capable of offsetting the refractive index change of the semiconductor laser diode chip and the tunable wavelength selective filter is placed in the laser resonator, the total effective refractive index change of the laser resonator is eliminated even if the thermoelectric element changes in temperature. The Fabry-Perot mode determined by the laser resonator is fixed at a constant wavelength regardless of the temperature of the thermoelectric element. When the temperature of the thermoelectric element is changed, the wavelength selected by the tunable selective filter is changed, and thus the laser oscillation wavelength oscillated by the laser resonator is changed, thereby making it possible to make the tunable laser cheaply and simply.
또한, 본 발명에서는 레이저 다이오드 칩과 궤환용 반사 거울로 이루어지는 공진기가 폴더형으로 제작되고, 궤환용 부분 반사 거울이 45도 반사 거울 상부에 배치되어 레이저 다이오드 칩에서 수평으로 발산된 레이저 빛이 수직으로 방향 전환되므로, TO형 패키지의 수직면에 레이저 빛이 탈출하는 관통공을 가진 TO형 패키지에 적합하게 빛의 경로가 조절되어 저가의 TO 형 패키지를 사용할 수 있게 됨으로써 고가의 버터플라이형 패키지를 사용하는 종래 레이저 패키지에 비해 제작 비용이 저렴해지는 장점이 있다.In addition, in the present invention, a resonator composed of a laser diode chip and a feedback reflecting mirror is manufactured in a fold type, and a feedback partial reflecting mirror is disposed above the 45 degree reflecting mirror so that the laser light emitted horizontally from the laser diode chip is vertical. Since the direction is changed, the light path is adjusted to be suitable for the TO-type package having a through hole through which the laser light escapes on the vertical surface of the TO-type package, thereby enabling the use of a low-cost TO-type package. Compared with the conventional laser package, there is an advantage that the manufacturing cost is low.
뿐만 아니라, 본 발명에서는 레이저 다이오드 칩과 광 궤환용 부분 반사 거울이 폴더형으로 제작되고 광 궤환용 부분 반사 거울이 45도 반사 거울의 상부에 배치되므로 공진기의 바닥 면적이 최소화될 수 있으며, 이에 따라 바닥 면적을 최소로 줄여 직경 7mm 이하의 소형 TO 패키지에 장착이 가능하여 TO 패키지를 이용한 SFP 트랜시버의 제작을 가능하게 하는 효과가 있다.In addition, in the present invention, since the laser diode chip and the light reflection partial reflection mirror are manufactured in a fold type and the light reflection partial reflection mirror is disposed on the 45 degree reflection mirror, the bottom area of the resonator can be minimized. By minimizing the floor area, it can be mounted in a small TO package with a diameter of 7 mm or less, which makes it possible to manufacture an SFP transceiver using the TO package.
도 1은 TO 형 패키지의 개략적인 모습을 나타낸 외형도,1 is an external view showing a schematic view of a TO-type package,
도 2는 본 발명에 따른 확장 공진기형 레이저 다이오드 패키지의 동작 원리를 나타내는 개념도,2 is a conceptual diagram illustrating an operating principle of an extended resonator laser diode package according to the present invention;
도 3은 확장 공진기형 레이저형에서 발진 파장 결정을 나타내는 개념도로서, 도 3의 (a)는 파장 가변 선택성 필터의 투과도 곡선 일례, 도 3의 (b)는 확장 공진기에서 결정되는 Fabry-Perot 모드의 일례, 도 3의 (c)는 확장 공진기와 파장 가변 선택성 필터에 의해 발진하는 레이저 빛의 파장 특성 일례,3 is a conceptual diagram showing the determination of the oscillation wavelength in the extended resonator laser type, Figure 3 (a) is an example of the transmittance curve of the tunable selective filter, Figure 3 (b) of the Fabry-Perot mode is determined in the expansion resonator 3 (c) shows an example of wavelength characteristics of laser light oscillated by an expansion resonator and a tunable wavelength selective filter.
도 4는 확장 공진기형 파장 가변 레이저에서 발진 파장 결정을 나타내는 개념도로서, 도 4의 (a)는 파장 가변 선택성 필터의 투과도가 온도에 따라 변화하는 곡선 일례, 도 3의 (b)는 확장 공진기에서 결정되는 Fabry-Perot 모드가 온도에 따라 변화하는 일례, 도 3의 (c)는 온도에 따라 변화하는 확장 공진기의 Fabry-Perot 모드와 온도에 따라 변화하는 파장 가변 선택성 필터에 의해 발진하는 레이저 빛의 파장이 변화하는 특성 일례,FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating determination of an oscillation wavelength in an extended resonator type wavelength tunable laser. FIG. 4A illustrates an example of a curve in which transmittance of the tunable selective filter changes with temperature. FIG. In the example in which the Fabry-Perot mode is determined to change with temperature, Fig. 3 (c) shows the laser light oscillated by the Fabry-Perot mode of the expansion resonator that changes with temperature and the wavelength tunable selective filter that changes with temperature. An example of the characteristic of changing wavelength,
도 5는 상기 도 2의 레이저 공진기 구조에서 공진기의 온도 변화에 따라 발진하는 레이저 파장이 변화하는 모습을 보여주는 개념도, FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating a state in which a laser wavelength oscillating changes according to a temperature change of a resonator in the laser resonator structure of FIG. 2;
도 6은 본 발명에 따른 위상보상자가 구비된 공진기 구조를 갖는 레이저 장치의 설치 개념도,6 is a conceptual diagram illustrating the installation of a laser device having a resonator structure having a phase compensation according to the present invention;
도 7은 본 발명에 따른 위상보상자가 있는 확장 공진기형 파장 가변 레이저에서 발진 파장 결정을 나타내는 개념도로서, 도 7의 (a)는 파장 가변 선택성 필터의 투과도가 온도에 따라 변화하는 곡선 일례, 도 7의 (b)는 확장 공진기에서 결정되는 Fabry-Perot 모드가 온도에 따라 일정한 파장을 가지는 일례, 도 7의 (c)는 온도 변화와 무관하게 일정하게 유지되는 Fabry-Perot 모드와 온도 변화에 따라 변화하는 파장 가변 선택성 필터에 의해 발진하는 레이저 빛의 파장 변화 특성 일례,FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating determination of an oscillation wavelength in an extended resonator type tunable laser having a phase compensation according to the present invention. FIG. 7A illustrates an example of a curve in which transmittance of the tunable selective filter changes with temperature. (B) is an example in which the Fabry-Perot mode determined in the expansion resonator has a constant wavelength according to the temperature, and FIG. 7 (c) shows the Fabry-Perot mode and the temperature change which are kept constant regardless of the temperature change. An example of the wavelength change characteristic of the laser light oscillated by the tunable selective filter
도 8은 본 발명에 따른 레이저 공진기 구조에서 공진기의 온도 변화에 따라 발진하는 레이저 파장이 변화하는 모습을 보여주는 개념도, 8 is a conceptual diagram illustrating a state in which a laser wavelength oscillating changes according to a temperature change of a resonator in a laser resonator structure according to the present invention;
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 폴더형의 공진기 구조를 갖는 레이저 장치의 설치 개념도,9 is a conceptual diagram illustrating the installation of a laser device having a clamshell resonator structure according to an embodiment of the present invention;
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 장치의 설치 개념도,10 is a conceptual diagram of installation of a laser device according to another embodiment of the present invention;
도 11은 본 발명에 따른 광 감시용 포토 다이오드가 배치된 레이저 장치의 설치 개념도,11 is a conceptual diagram illustrating the installation of a laser device including a photodiode for monitoring light according to the present invention;
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 광 감시용 포토 다이오드가 배치된 레이저 장치의 또 다른 설치 개념도,12 is another installation conceptual diagram of a laser device in which a photodiode for monitoring light according to an embodiment of the present invention is disposed;
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 장치의 설치 개념도, 13 is a conceptual diagram of installation of a laser device according to another embodiment of the present invention;
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 장치의 설치 개념도, 14 is a conceptual diagram of installation of a laser device according to another embodiment of the present invention;
도 15는 본 발명에 따른 에탈론 필터로 이루어진 파장 가변 선택성 필터의 일례,15 is an example of a tunable selective filter consisting of an etalon filter according to the present invention,
도 16은 상기 도 15의 방법으로 제작된 에탈론 필터를 투과하는 빛의 파장에 따른 투과율 일례, 16 is an example of transmittance according to the wavelength of light passing through the etalon filter manufactured by the method of FIG. 15;
도 17은 상기 도 2에 도시된 외부 공진기형 레이저에 복수의 투과 파장 대역을 가지는 파장 가변 선택성 필터가 적용되는 경우의 발진 레이저 파장 일례, FIG. 17 shows an example of an oscillation laser wavelength when a tunable selective filter having a plurality of transmission wavelength bands is applied to the external resonator laser shown in FIG. 2;
도 18은 본 발명에 따른 복수의 투과 파장 대역을 갖는 파장 가변 선택성 필터와 특정 파장에 대해서만 반사가 일어나는 부분 반사 거울이 적용된 외부 공진기형 레이저 패키지의 설치 개념도, 18 is a conceptual diagram illustrating an installation of an external resonator type laser package to which a tunable selective filter having a plurality of transmission wavelength bands and a partial reflection mirror in which reflection occurs only for a specific wavelength according to the present invention;
도 19는 상기 도 18의 외부 공진기형 레이저 구조에서의 레이저 동작 원리를 개념도, 19 is a conceptual view illustrating a laser operating principle in the external resonator laser structure of FIG. 18;
도 20은 상기 도 18의 외부 공진기형 레이저 구조에서 파장을 가변시키는 과정을 나타낸 개념도,20 is a conceptual diagram illustrating a process of varying a wavelength in the external resonator laser structure of FIG. 18;
도 21은 본 발명에 따른 45도 반사 거울을 고정시키는 스탠드의 설치 개념도이다. 21 is a conceptual view illustrating the installation of a stand for fixing a 45 degree reflective mirror according to the present invention.
이하 본 발명의 한정하지 않는 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 적용되는 TO 형 패키지의 개략적인 모습을 나타낸 외형도이다. 1 is an external view showing a schematic view of a TO-type package applied to the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, TO형 패키지는 크게 스템(1)과 캡(cap)(2)으로 구성되는데, 스템(1)의 바닥면에 부품들을 배치하고 캡(2)으로 밀봉하는 형태로 제작된다. 이러한 구조에서 레이저 빛은 캡(2)의 상부에 뚫려있는 관통공을 통하여 TO형 패키지 확장로 방출된다. 통상적으로 캡(2)의 관통공에는 렌즈가 형성되거나 평면형 유리창으로 밀봉되게 된다. 도 1에서 이후 본 발명의 설명에 사용될 수평 방향과 수직 방향을 화살표 방향으로 정의하였다. As shown in FIG. 1, the TO-shaped package is largely composed of a stem 1 and a cap 2, in which parts are placed on the bottom of the stem 1 and sealed with a cap 2. Is produced. In this structure, the laser light is emitted to the TO-type package extension through the through hole drilled in the upper portion of the cap (2). Typically a through-hole of the cap 2 is formed with a lens or sealed with a flat glass window. In FIG. 1, a horizontal direction and a vertical direction to be used in the following description of the present invention are defined as arrow directions.
도 2는 본 발명에 따른 확장 공진기형 레이저 다이오드 패키지의 동작 원리를 나타내는 개념도이다. 2 is a conceptual diagram illustrating an operating principle of an extended resonator laser diode package according to the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 다이오드 패키지는 레이저 다이오드 칩용 서브마운트(110)에 설치되는 레이저 다이오드 칩(100)과, 상기 레이저 다이오드 칩(100)에서 방출되는 레이저 빛을 평행광으로 시준화하는 시준화 렌즈(200)와, 상기 시준화 렌즈(200)를 통하여 시준화된 레이저 빛 중 특정 파장의 빛을 선택적으로 투과하되 온도에 따라 선택되는 파장이 가변되는 파장 가변 선택성 필터(300)와, 상기 파장 가변 선택성 필터(300)를 투과하는 레이저 빛 중 일부 레이저 빛은 반사하고 나머지 빛은 투과시키는 광 궤환용 부분 반사 거울(500)을 포함하여 이루어진다. 상기 레이저 다이오드 칩(100)과 상기 파장 가변 선택성 필터(300)는 온도를 조절하기 위한 열전소자(도면 미도시) 위에 배치된다. As shown in FIG. 2, the laser diode package according to the present invention includes a laser diode chip 100 installed in a submount 110 for a laser diode chip, and parallel light of laser light emitted from the laser diode chip 100. A collimated lens 200 for collimating with a wavelength, and a variable wavelength selective filter that selectively transmits the light of a specific wavelength of the laser light collimated through the collimating lens 200, the wavelength selected according to the temperature ( 300 and a partial reflection mirror 500 for light feedback reflecting some laser light of the laser light passing through the tunable selective filter 300 and transmitting the remaining light. The laser diode chip 100 and the tunable selective filter 300 are disposed on a thermoelectric element (not shown) for controlling temperature.
상기 레이저 다이오드 칩(100)은 edge emitting 형(type)의 레이저 다이오드 칩으로, 이 edge emitting 형의 레이저 다이오드 칩(100)은 양 절개면에서 레이저 빛이 방출된다. 상기 레이저 다이오드 칩(100)은 InP 기판에 반도체 레이저가 제작된 것으로 발진 파장이 1100nm∼1700nm의 발진 파장을 가질 수 있다. 양 절개면 중 광 궤환용 부분 반사 거울(500)을 향한 레이저 다이오드 칩(100)의 절개면은 1% 이하의 반사율을 가지는 무반사 코팅면(무반사면)이 된다. 이 무반사면은 1% 이하의 반사율, 바람직하게는 0.1% 이하의 반사율을 갖는데, 더욱 바람직하게는 0.01% 이하의 반사율을 갖는 것이 바람직하다. 상기 레이저 다이오드 칩(100)의 무반사면 반대쪽의 절개면은 통상적으로 1% 이상의 반사율을 가지는데, 바람직하게는 10% 이상의 반사율, 더욱 바람직하게는 80% 이상의 반사율을 가지는 것이 바람직하다. 이렇게 절개면의 한쪽이 무반사 코팅된 레이저 다이오드 칩(100)은 레이저 다이오드 칩(100) 자체에서 빛이 궤환되지 못하기 때문에 레이저 다이오드 칩(100) 자체를 공진기로 하는 Fabry-Perot 모드가 형성되지 않는다. 이러한 레이저 다이오드 칩(100)에서 방출되는 빛은 매우 넓은 파장 대역(통상적으로 반가폭이 20nm 이상)을 가지는 빛의 파장을 보인다. 레이저 다이오드 칩(100)의 무반사면을 통하여 방출된 넓은 파장 대역의 빛은 시준화 렌즈(200)에 의해 평행광으로 시준화 된다. 시준화 렌즈(200)에 의해 시준화된 넓은 파장 대역의 빛은 투과 파장 대역폭이 좁은 파장 가변 선택성 필터(300)로 입사하는데, 파장 가변 선택성 필터(300)로 입사하는 빛 중 파장 가변 선택성 필터(300)를 투과하는 빛을 제외하고 나머지는 파장 가변 선택성 필터(300)에 의해 반사되어 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환되지 못하는 다른 경로로 보내진다. 레이저 다이오드 칩(100)에서 시준화 렌즈(200)를 거쳐 파장 가변 선택성 필터(300)를 투과한 성분의 빛은 광 궤환용 부분 반사 거울(500)에 도착한다. 상기 광 궤환용 부분 반사 거울(500)에 도달한 빛 중에서 광 궤환용 부분 반사 거울(500)에서 반사하는 빛은 다시 파장 가변 선택성 필터(300)를 거친 후 시준화 렌즈(200)를 거쳐 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환된다. 그러므로 레이저 다이오드 칩(100)과 시준화 렌즈(200), 파장 가변 선택성 필터(300), 광 궤환용 부분 반사 거울(500)을 포함하는 확장 공진기형 레이저가 완성된다. The laser diode chip 100 is an edge emitting type laser diode chip, and the edge emitting type laser diode chip 100 emits laser light at both incision surfaces. The laser diode chip 100 has a semiconductor laser fabricated on an InP substrate, and may have an oscillation wavelength of 1100 nm to 1700 nm. The incision surface of the laser diode chip 100 facing the partial reflection mirror 500 for the light feedback of both incision surfaces becomes an antireflective coating surface (reflective surface) having a reflectance of 1% or less. This antireflection surface has a reflectance of 1% or less, preferably 0.1% or less, and more preferably 0.01% or less. The incision surface opposite the antireflective surface of the laser diode chip 100 typically has a reflectance of 1% or more, preferably 10% or more, more preferably 80% or more. Since the laser diode chip 100 having one side of the incision is antireflectively coated, no light is fed back from the laser diode chip 100 itself, so that the Fabry-Perot mode using the laser diode chip 100 as a resonator is not formed. . The light emitted from the laser diode chip 100 exhibits a wavelength of light having a very wide wavelength band (typically, a half width of 20 nm or more). Light of a wide wavelength band emitted through the non-reflective surface of the laser diode chip 100 is collimated by parallel light by the collimating lens 200. The light of the wide wavelength band collimated by the collimation lens 200 is incident on the wavelength variable selectivity filter 300 having a narrow transmission wavelength bandwidth, and the wavelength variable selectivity filter among the light incident on the wavelength variable selectivity filter 300 ( Except for the light passing through 300, the rest is reflected by the tunable selective filter 300 and sent to another path that cannot be fed back to the laser diode chip 100. The light of the component transmitted from the laser diode chip 100 through the collimation lens 200 and the tunable selective filter 300 arrives at the partial reflection mirror 500 for light feedback. The light reflected from the light feedback partial reflection mirror 500 among the light reaching the light reflection partial reflection mirror 500 passes through the wavelength variable selectivity filter 300 and then passes through the collimation lens 200 and the laser diode. The chip 100 is fed back. Therefore, an extended resonator type laser including a laser diode chip 100, a collimating lens 200, a tunable wavelength selective filter 300, and a light reflecting partial reflection mirror 500 is completed.
상기 파장 가변 선택성 필터(300)의 투과 대역폭이 너무 좁으면 파장 가변 선택성 필터(300)를 투과하는 빛의 삽입 손실이 커지게 되며, 파장 가변 선택성 필터(300)의 투과 대역폭이 너무 넓으면 효과적으로 하나의 Fabry-Perot 모드를 선택하기가 어렵다. 그러므로 파장 가변 선택성 필터(300)의 투과 대역폭은 빛의 삽입 손실 및 효과적인 Fabry-Perot 모드 선택을 위하여 적절히 설정되는 것이 바람직한데, 본 발명의 실시예에서 상기 파장 가변 선택성 필터(300)의 투과 대역폭은 10nm 이하, 더욱 바람직하게는 0.25nm 내지 3nm 정도로 설정되는 것이 바람직하다. 상기 파장 가변 선택성 필터(300)는 GaAs 기판위에 Ga(x1)Al(1-x1)As /Ga(x2)Al(1-x2)As의 화합물 반도체를 이용하여 미리 지정된 특정 파장에서만 빛을 효과적으로 투과하고 그 이외의 파장에서는 빛을 반사하도록 제작되는데, 상기 Ga(x)Al(1-x)As에서 Ga 조성은 1에서 0.1 정도인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게, 상기 파장 가변 선택성 필터(300)는 GaAs 기판을 기반으로 GaAs/AlGaAs를 순차적으로 적층하여 제작되는 것이 바람직하다. 이러한 GaAs/AlGaAs 기반의 파장 가변 선택성 필터(300)는 온도에 따라 굴절률이 바뀌게 되며, 이에 따라 투과하는 파장 대역이 90pm/℃ 내지 100pm/℃ 정도 바뀌게 되고, 이에 따라 확장 공진기형 레이저에서 선택되는 발진 파장이 바뀌게 된다. 또한, 상기 파장 가변 선택성 필터(300)는 글라스(Glass)나 쿼츠(Quartz) 등 고려되는 파장에 투명한 기판 위에 비정질 실리콘(a-Si)과 SiN(silicon nitride)층이 교대로 증착되어 제작될 수 있다. If the transmission bandwidth of the tunable selective filter 300 is too narrow, the insertion loss of light passing through the tunable selective filter 300 becomes large, and if the transmission bandwidth of the tunable selective filter 300 is too wide, one effectively Difficult to choose Fabry-Perot mode Therefore, it is preferable that the transmission bandwidth of the tunable selective filter 300 is appropriately set for insertion loss of light and effective Fabry-Perot mode selection. In the embodiment of the present invention, the transmission bandwidth of the tunable selective filter 300 is It is preferably set to 10 nm or less, more preferably about 0.25 nm to 3 nm. The tunable selective filter 300 effectively transmits light only at a predetermined wavelength using a compound semiconductor of Ga (x1) Al (1-x1) As / Ga (x2) Al (1-x2) As on a GaAs substrate. In addition, other wavelengths are produced to reflect light. The Ga composition of Ga (x) Al (1-x) As is preferably about 1 to about 0.1. More preferably, the tunable wavelength selective filter 300 may be manufactured by sequentially stacking GaAs / AlGaAs based on a GaAs substrate. The GaAs / AlGaAs-based tunable selective filter 300 is changed in refractive index according to temperature, and thus the wavelength band transmitted is changed by about 90 pm/°C to 100pm / ° C, and thus the oscillation selected by the extended resonator laser The wavelength will change. In addition, the tunable selective filter 300 may be fabricated by alternately depositing amorphous silicon (a-Si) and silicon nitride (SiN) layers on a transparent substrate having a wavelength considered to be glass or quartz. have.
상기 광 궤환용 부분 반사 거울(500)의 경우에도 반사율이 너무 낮으면 파장 잠금을 위하여 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환되는 빛이 양이 너무 작아 레이저의 파장 잠금이 잘 일어나지 않게 되고, 상기 광 궤환용 부분 반사(500) 거울의 반사율이 너무 높으면 광 궤환용 부분 반사 거울(500)을 투과하여 광 전송에 사용될 신호가 너무 약해지는 문제가 발생하게 된다. 그러므로 광 궤환용 부분 반사 거울(500)의 반사율 또한 적절하게 설정되는 것이 바람직한데, 본 발명의 실시예에서 상기 광 궤환용 부분 반사 거울(500)의 반사율은 약 20% 내지 80% 정도로 설정된다. Even in the case of the light reflection partial reflection mirror 500, if the reflectance is too low, the amount of light fed back to the laser diode chip 100 is too small to lock the wavelength, so that wavelength locking of the laser does not occur easily. If the reflectance of the partial reflection 500 mirror is too high, a problem may occur that the signal to be used for the light transmission is too weak to pass through the partial reflection mirror 500 for light feedback. Therefore, it is preferable that the reflectance of the light reflection partial reflection mirror 500 is also appropriately set. In the embodiment of the present invention, the reflectance of the light feedback partial reflection mirror 500 is set to about 20% to 80%.
도 3은 이러한 확장 공진기형 레이저형에서 발진 파장 결정을 나타내는 개념도로서, 도 3의 (a)는 파장 가변 선택성 필터의 투과도 곡선 일례이고, 도 3의 (b)는 확장 공진기에서 결정되는 Fabry-Perot 모드의 일례이며, 도 3의 (c)는 확장 공진기와 파장 가변 선택성 필터에 의해 발진하는 레이저 빛의 파장 특성 일례를 나타낸 것이다. 상기 확장 공진기형 레이저에서 결정되는 파장은, 도 3의 (a)에서와 같이 고려되는 파장 대역에서 하나의 투과 파장 대역을 가지는 파장 가변 선택성 필터의 투과 대역과, 도 3의 (b)에서와 같이 확장 공진기 길이에 의해 결정되는 주기적이고 불연속적인 Fabry-Perot 모드의 두 가지 요소에 의해 결정되어, 도 3의 (c)와 같이 결정된 특정 파장이 발진하게 된다. FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating the determination of the oscillation wavelength in the extended resonator laser type. FIG. 3 (a) shows an example of a transmission curve of the tunable selective filter, and FIG. 3 (b) shows a Fabry-Perot determined in the extended resonator. 3 (c) shows an example of the wavelength characteristics of the laser light oscillated by the expansion resonator and the tunable wavelength selective filter. The wavelength determined by the extended resonator laser includes a transmission band of a wavelength tunable selective filter having one transmission wavelength band in the wavelength band considered as shown in FIG. 3A, and as shown in FIG. 3B. It is determined by two factors of the periodic and discontinuous Fabry-Perot mode determined by the expansion resonator length, so that a specific wavelength determined as shown in FIG.
즉, 상술한 도 2의 공진기 구조에서는, 도 3(b)의 확장 공진기에 의한 레이저 발진 가능한 불연속적인 Fabry-Perot 허용 모드 중에서, 도 3(a)의 파장 가변 선택성 필터의 투과 대역 내에 있는 모드만이 확장 공진기를 공진하여 레이저 발진에 이르게 되어, 도 3(c)와 같이 특정한 파장을 가지는 레이저 빛이 발생하게 되는 것이다. That is, in the above-described resonator structure of FIG. 2, only the mode within the transmission band of the wavelength tunable selective filter of FIG. 3 (a) among the discontinuous Fabry-Perot allowable modes capable of laser oscillation by the expansion resonator of FIG. 3 (b). This expansion resonator is resonated and leads to laser oscillation, so that laser light having a specific wavelength is generated as shown in FIG.
한편, 도 2의 공진기 구조를 열전소자 위에 장착하고 열전소자의 온도를 바꾸어주면 열전소자 위에 배치된 반도체 레이저 다이오드 칩(100)과 파장 가변 선택성 필터(300)의 온도가 바뀌게 된다. InP 기판을 이용하여 제작된 반도체 레이저 다이오드 칩(100)과 GaAs 기판을 기본으로 하여 제작되는 파장 가변 선택성 필터(300)는 온도에 따라 대략 2x10-4 정도의 굴절률 변화를 가져온다. Meanwhile, when the resonator structure of FIG. 2 is mounted on the thermoelectric element and the temperature of the thermoelectric element is changed, the temperatures of the semiconductor laser diode chip 100 and the tunable selective filter 300 disposed on the thermoelectric element are changed. The tunable selective filter 300 fabricated based on the semiconductor laser diode chip 100 and the GaAs substrate fabricated using an InP substrate may bring about a refractive index change of about 2 × 10 −4 depending on temperature.
도 4는 이러한 온도 변화에 따른 확장 공진기형 파장 가변 레이저에서 발진 파장 결정을 나타내는 개념도로서, 도 4의 (a)는 파장 가변 선택성 필터의 투과도가 온도에 따라 변화하는 곡선 일례이고, 도 4의 (b)는 확장 공진기에서 결정되는 Fabry-Perot 모드가 온도에 따라 변화하는 일례이며, 도 4의 (c)는 온도에 따라 변화하는 확장 공진기의 Fabry-Perot 모드와 온도에 따라 변화하는 파장 가변 선택성 필터에 의해 발진하는 레이저 빛의 파장이 변화하는 특성 일례를 나타낸 것이다. FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating determination of an oscillation wavelength in an extended resonator type tunable laser according to such a temperature change. FIG. 4A illustrates an example of a curve in which transmittance of the tunable selective filter changes with temperature. b) is an example in which the Fabry-Perot mode determined in the expansion resonator changes with temperature, and FIG. 4 (c) shows the tunable-Perot mode and the wavelength-variable selective filter in the expansion resonator that changes with temperature. Shows an example in which the wavelength of the laser light oscillated changes.
이러한 열전소자의 온도 변화에 대해 도 4의 (a)에 표시한 바와 같이 파장 가변 선택성 필터(300)의 투과 대역은 90pm/℃ 내지 100pm/℃ 정도 이동하게 된다. 이때 공진기를 구성하는 구성 성분인 레이저 다이오드 칩(100)과 파장 가변 선택성 필터(300)의 굴절률이 바뀌므로 전체 공진기의 Fabry-Perot 모드 또한 도 4의 (b)와 같이 바뀌게 된다. 그러므로 실제 발진하는 파장은 도 4의 (c)와 같이 파장이 변환 Fabry-Perot 모드중 파장 가변 선택성 필터(300)의 투과 대역 내에 있는 Fabry-Perot 모드가 발진하게 되어 레이저 공진기에서 방출되는 레이저 빛의 파장이 가변되게 된다.As shown in FIG. 4A, the transmission band of the tunable selective filter 300 shifts about 90 pm/°C to about 100pm / ° C. In this case, since the refractive indices of the laser diode chip 100 and the tunable selective filter 300 which constitute the resonator are changed, the Fabry-Perot mode of the entire resonator is also changed as shown in FIG. Therefore, the wavelength of the actual oscillation of the laser light emitted from the laser resonator is generated by the oscillation of the Fabry-Perot mode, which is within the transmission band of the wavelength variable selectivity filter 300, among the conversion Fabry-Perot modes. The wavelength is variable.
이와 같이, 도 2의 레이저 공진기 구조에서 열전소자의 온도를 바꾸어주게 되면, 발진파장은 공진기의 Fabry-Perot 모드가 연속적으로 변화하는 특성과 파장 가변 선택성 필터(300)의 불연속적인 Fabry-Perot 모드 선택이 바뀌는 특성에 따라 불연속적인 파장 변화가 동시에 나타나게 된다. 도 5는 이러한 열전소자 온도 변화에 따른 레이저 공진기의 파장 변화 일례를 나타낸 것으로, 확장 공진기형 레이저에서 레이저 공진기의 온도를 바꾸어주면 레이저의 발진 파장이 연속적으로 변화하는 부분과 불연속적으로 변화하는 부분이 동시에 존재하게 되므로 레이저 공진기에서 발진 파장을 일정하게 유지하기 어렵게 된다. 도 5를 살펴보면, 발진파장이 연속적으로 변화하는 구간에서 레이저 발진파장은 60∼70pm/℃ 정도가 바뀌게 되므로, 레이저 빛의 파장을 정밀하게 조절하기 위해서는 열전소자의 온도를 매우 정밀하게 조절하여야 한다.As described above, when the temperature of the thermoelectric element is changed in the laser resonator structure of FIG. 2, the oscillation wavelength is characterized by continuously changing the Fabry-Perot mode of the resonator and the discontinuous Fabry-Perot mode selection of the tunable wavelength selective filter 300. According to this changing characteristic, discontinuous wavelength changes appear simultaneously. 5 shows an example of the wavelength change of the laser resonator according to the temperature change of the thermoelectric element. When the temperature of the laser resonator is changed in the expansion resonator type laser, a portion where the oscillation wavelength of the laser continuously changes and a portion that changes discontinuously are shown. Since they exist at the same time, it is difficult to keep the oscillation wavelength constant in the laser resonator. Referring to FIG. 5, since the laser oscillation wavelength is changed about 60 to 70 pm / ° C. in the section in which the oscillation wavelength is continuously changed, the temperature of the thermoelectric element must be adjusted very precisely in order to precisely control the wavelength of the laser light.
즉, 도 2의 레이저 공진기 구조에 있어 레이저 공진기의 온도가 변화하면 발진 파장이 불연속적으로 변화하는 구간 내에서 레이저 공진기의 온도에 따라 레이저 발진 파장이 연속적으로 변화하게 되어 발진 파장 조절의 어려움이 발생하게 된다. 본 발명에서는 이러한 발진 파장 조절이 어려운 문제를 해결하기 위해 레이저 공진기 내에 반도체 레이저 다이오드 칩(100)과 GaAs/AlGaAs 파장 가변 선택성 필터(300)의 온도에 따른 굴절률 변화를 상쇄하기 위한 위상보상자를 배치하는 구조를 제시한다.That is, in the laser resonator structure of FIG. 2, when the temperature of the laser resonator is changed, the laser oscillation wavelength is continuously changed in accordance with the temperature of the laser resonator within a section in which the oscillation wavelength is discontinuously changed, thereby causing difficulty in controlling the oscillation wavelength. Done. In the present invention, in order to solve such a problem that it is difficult to control the oscillation wavelength is arranged a phase compensation box to offset the change in refractive index according to the temperature of the semiconductor laser diode chip 100 and the GaAs / AlGaAs wavelength variable selectivity filter 300 in the laser resonator Present the structure.
도 6은 이러한 본 발명의 실시예에 따른 위상보상자가 구비된 폴더형 공진기 구조를 갖는 레이저 장치의 설치 개념도를 나타낸 것으로, 상기 위상보상자(350)는 파장 가변 선택성 필터(300)와 광 궤환용 부분 반사 거울(500) 사이의 광 경로 상에 배치된다. 6 is a conceptual diagram illustrating a laser device having a clamshell resonator structure having a phase compensation according to an exemplary embodiment of the present invention. The phase compensation 350 is a wavelength variable selective filter 300 and a light feedback module. Disposed on the optical path between the partially reflective mirrors 500.
본 발명의 실시예에서 상기 위상보상자(350)는 폴리비닐, 폴리에틸렌, 폴리카보네이트, PMMA, 에폭시 등 고분자 재료를 기반으로 제작되는데, 이러한 고분자 재료는 온도가 증가함에 따라 (-)의 굴절률 변화를 가져오게 된다. 상기 위상보상자(350)에서 빛이 반사되면 레이저의 동작을 방해하게 되므로 위상보상자(350)의 레이저 빛이 통과하는 면은 무반사 코팅되는 것이 바람직하다.In the embodiment of the present invention, the phase compensation box 350 is manufactured based on a polymer material such as polyvinyl, polyethylene, polycarbonate, PMMA, epoxy, and the like, and the polymer material changes the refractive index of (-) as the temperature increases. Will be imported. When light is reflected from the phase compensator 350, the laser beam may be disturbed. Therefore, the surface through which the laser light passes through the phase compensator 350 is preferably anti-reflective coating.
한편, 레이저 공진기의 Fabry-Perot 모드는 레이저 공진기의 광학적 길이에 의해 결정되는데, 반도체 레이저 다이오드 칩(100)과 GaAs/AlGaAs 파장 가변 선택성 필터(300)는 온도의 증가에 따라 (+)의 굴절률을 보이게 된다. 레이저 공진기 내에 글라스 렌즈 등이 추가될 수 있으나 이러한 물질 또한 미약하지만 온도의 증가에 따라 (+)의 굴절률을 보인다. 그러므로, 도 2의 공진기 구조에서는 전체 레이저 공진기의 유효 굴절률이 온도의 증가에 따라 (+)로 변화하므로, 레이저 공진기의 온도 증가에 따라 FAbry-Perot 모드가 (+)의 발진 파장 변화를 가져오게 된다.On the other hand, the Fabry-Perot mode of the laser resonator is determined by the optical length of the laser resonator. The semiconductor laser diode chip 100 and the GaAs / AlGaAs wavelength tunable filter 300 have a positive refractive index as the temperature increases. It becomes visible. A glass lens or the like may be added in the laser resonator, but this material is also weak, but shows a positive refractive index with increasing temperature. Therefore, in the resonator structure of FIG. 2, since the effective refractive index of the entire laser resonator is changed to (+) as the temperature increases, the FAbry-Perot mode causes a positive oscillation wavelength change as the temperature of the laser resonator increases. .
이에 비해 전술한 폴리비닐, 폴리에틸렌, PMMA 등의 고분자 재료는 온도의 증가에 따라 (-)의 굴절률 변화를 보이므로, 반도체 레이저 다이오드 칩(100)과 파장 가변 선택성 필터(300)의 온도에 따른 굴절률 변화가 보상되도록 적절한 두께의 고분자 재료로 제작된 위상보상자(350)를 공진기 내에 배치하게 되면, 반도체 레이저 다이오드 칩(100)과 파장 가변 선택성 필터(300)와 위상보상자(350)는 모두 동일한 열전소자에 의해 동일한 온도 변화를 보이므로 공진기 전체의 유효 굴절률은 열전소자의 온도 변화에 무관하게 일정한 값을 유지할 수 있게 된다. 그러므로 공진기의 유효 굴절률에 의해 결정되는 Fabry-Perot 모드는 열전소자의 온도와 관계없이 일정한 값을 가지게 된다. On the contrary, since the above-described polymer materials such as polyvinyl, polyethylene, and PMMA exhibit negative refractive index changes with increasing temperature, the refractive index according to the temperatures of the semiconductor laser diode chip 100 and the tunable selective filter 300 are varied. When the phase compensator 350 made of a polymer material having an appropriate thickness is disposed in the resonator to compensate for the change, the semiconductor laser diode chip 100, the tunable selective filter 300, and the phase compensator 350 are the same. Since the thermoelectric element exhibits the same temperature change, the effective refractive index of the entire resonator can maintain a constant value regardless of the temperature change of the thermoelectric element. Therefore, the Fabry-Perot mode, which is determined by the effective refractive index of the resonator, has a constant value regardless of the temperature of the thermoelectric element.
도 7은 이러한 위상보상자가 구비된 확장 공진기형 파장 가변 레이저에서 온도 변화에 따른 발진 파장 변화를 나타낸 개념도로서, 도 7의 (a)는 파장 가변 선택성 필터의 투과도가 온도에 따라 변화하는 곡선 일례이고, 도 7의 (b)는 확장 공진기에서 결정되는 Fabry-Perot 모드가 온도에 따라 일정한 파장을 가지는 일례이며, 도 7의 (c)는 온도 변화와 무관하게 일정하게 유지되는 Fabry-Perot 모드와 온도 변화에 따라 변화하는 파장 가변 선택성 필터에 의해 발진하는 레이저 빛의 파장 변화 특성 일례를 나타낸 것이다. FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating variation of an oscillation wavelength according to temperature change in an extended resonator type tunable laser having a phase compensation. FIG. 7A illustrates an example of a curve in which transmittance of a tunable selective filter changes with temperature. 7B is an example in which the Fabry-Perot mode determined in the expansion resonator has a constant wavelength according to temperature, and FIG. 7C is a Fabry-Perot mode and temperature maintained constant regardless of temperature change. An example of the wavelength change characteristic of the laser light oscillated by the wavelength variable selectivity filter which changes with a change is shown.
파장 가변 선택성 필터(300)는 온도 변화에 따라 투과되어 선택되는 파장이 변화하게 되므로, 도 7의 (a)와 같이, 파장 가변 선택성 필터의 투과 파장 대역이 온도에 따라 변화하게 된다. 이에 비해, 위상보상자가 삽입되어 있는 도 6의 공진기 구조에서는 전체 공진기의 Fabry-Perot 모드가 변화하지 않으므로 도 7의 (b)에서와 같이 온도에 따라 무관한 파장으로 Fabry-Perot 모드가 결정되게 된다. 그러므로 파장 가변 선택성 필터(300) 내의 Fabry-Perot 모드로 결정되는 레이저 발진 파장은 도 7의 (c)와 같이 결정되게 된다.Since the wavelength-selective selective filter 300 is transmitted and selected wavelengths change according to the temperature change, as shown in FIG. 7A, the transmission wavelength band of the wavelength-selective selective filter changes with temperature. On the other hand, in the resonator structure of FIG. 6 having a phase compensator inserted therein, the Fabry-Perot mode of the entire resonator does not change, so that the Fabry-Perot mode is determined at an independent wavelength according to the temperature as shown in FIG. . Therefore, the laser oscillation wavelength determined in the Fabry-Perot mode in the tunable selective filter 300 is determined as shown in FIG.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 공진기 구조에서 공진기의 온도 변화에 따라 발진하는 레이저 파장이 변화하는 모습을 나타낸 개념도이다. 8 is a conceptual diagram illustrating a state in which a laser wavelength oscillating changes according to a temperature change of a resonator in a laser resonator structure according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 8에 도시된 바와 같이, 도 6의 공진기 구조에 따라 반도체 레이저 다이오드 칩100)과 파장 가변 선택성 필터(300)와 고분자 재료의 위상보상자(350)가 하나의 열전소자 위에 배치되어 있을 때, 열전소자의 온도가 바뀜에 따라 레이저 공진기에서 발진하는 레이저 파장은, 도 5의 경우와 달리, 발진 레이저 파장이 일정하게 유지되다가 갑자기 파장이 바뀌는 형태로 변화하게 된다. As shown in FIG. 8, when the semiconductor laser diode chip 100, the tunable selective filter 300, and the phase compensation 350 of the polymer material are disposed on one thermoelectric element according to the resonator structure of FIG. 6, As the temperature of the thermoelectric element changes, the laser wavelength oscillated in the laser resonator changes in a form in which the oscillation laser wavelength is kept constant and then suddenly changes in wavelength, unlike in the case of FIG. 5.
현재 광통신은 100GHz 파장 간격 또는 50GHz 파장 간격으로 구현되므로, 본 발명에 따른 레이저 공진기의 모드 간격은 레이저 공진기의 길이에 따라 다음의 수학식 1로 표현된다.Currently, since optical communication is implemented at 100 GHz wavelength interval or 50 GHz wavelength interval, the mode interval of the laser resonator according to the present invention is represented by the following Equation 1 according to the length of the laser resonator.
수학식 1
Figure PCTKR2014002979-appb-M000001
Equation 1
Figure PCTKR2014002979-appb-M000001
여기에서, From here,
ω : 발진하는 레이저 빛의 진동수ω: the frequency of the oscillating laser light
λ : 발진하는 레이저 빛의 공기 중에서의 파장λ: wavelength in the air of the oscillating laser light
C : 진공 중에서의 광속C: luminous flux in vacuum
m : 정수(integer)m: integer
nd : 레이저 공진기의 굴절률을 1로 환산하였을 경우 레이저 공진기 길이nd: Laser resonator length when the refractive index of laser resonator is converted to 1
레이저 공진기의 Fabry-Perot 모드가 100GHz 간격일 경우 굴절률 1로 환산된 공진기의 길이는 24mm 정도이며, Fabry-Perot 모드가 50GHz 간격일 경우 굴절률 1로 환산된 공진기의 길이는 12mm 정도이며, Fabry-Perot 모드가 25GHz 간격일 경우 굴절률 1로 환산된 공진기의 길이는 6mm 정도가 된다. When the Fabry-Perot mode of the laser resonator is 100 GHz interval, the resonator converted to refractive index 1 is about 24 mm. When the Fabry-Perot mode is 50 GHz interval, the resonator converted to refractive index 1 is about 12 mm long. When the mode is 25GHz interval, the length of the resonator converted into refractive index 1 is about 6mm.
24mm 또는 12mm의 공진기 길이는 초소형의 TO can형의 패키지에 내장이 곤란하며, 공진기 길이가 커짐으로 인해 열전소자 내부에서 온도가 불균일한 문제가 있다. 또한 12.5GHz의 주파수 차이는 3mm의 공진기 길이를 요구하는데, 이러한 짧은 공진기 길이에는 시준화 렌즈(200) 및 파장 가변 선택성 필터(300), 위상보상자(350)를 배치하기가 매우 어렵다. 그러므로 국제 통신 규약인 50GHz 또는 100GHz의 파장 간격을 가지는 레이저를 만들기 위해서는 굴절률 1로 환산된 공진기의 길이가 6mm가 적당하며, 국제 통신규격에서 요구하는 파장 정밀도(+/- 12.5GHz)를 확보하기 위해서는 굴절률 1로 환산된 레이저 공진기의 길이가 5.8mm∼6.2mm 이내에서 조절되는 것이 바람직하다. The resonator length of 24 mm or 12 mm is difficult to be embedded in a small TO can package, and there is a problem of uneven temperature inside the thermoelectric element due to the increase in the resonator length. In addition, a frequency difference of 12.5 GHz requires a resonator length of 3 mm. In this short resonator length, it is very difficult to arrange the collimation lens 200, the tunable selective filter 300, and the phase compensator 350. Therefore, the length of the resonator converted into refractive index of 6mm is suitable to make a laser having a wavelength interval of 50GHz or 100GHz, which is an international communication protocol, and to secure wavelength accuracy (+/- 12.5GHz) required by international communication standards. It is preferable that the length of the laser resonator converted into the refractive index 1 is adjusted within 5.8 mm to 6.2 mm.
일반적으로 SFP 트랜시버에 장착되는 TO형 패키지는 도 1에서 캡(2)의 내경에 모든 부품이 장착되어야 하며, TO형 패키지를 탈출하는 빛은 TO형 패키지의 중심 부위에서 방출되어야 한다. 따라서, 도 2에서 수평으로 이동하는 레이저 빛을 상부에 위치한 TO 패키지 캡(2) 외부로 방출하기 위해서는 수평 방향의 레이저 빛을 수직 방향의 레이저 빛으로 바꾸어주는 45도 반사 거울이 필요한데, 이러한 45도 반사 거울은 TO형 패키지의 캡(2) 수직 하부에 위치하여야 한다. In general, a TO-type package mounted on an SFP transceiver should have all components mounted in the inner diameter of the cap 2 in FIG. 1, and the light escaping from the TO-type package should be emitted from the center portion of the TO-type package. Therefore, in order to emit the horizontally moving laser light to the outside of the TO package cap 2 in FIG. 2, a 45 degree reflective mirror for converting the horizontal laser light into the vertical laser light is required. The reflecting mirror should be located underneath the cap 2 of the TO package.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 폴더형의 공진기 구조를 갖는 레이저 장치의 설치 개념도로서, 광 궤환용 부분 반사 거울(500)의 일측에 레이저 빛의 방향을 수직으로 전환하는 45도 반사 거울(400)이 배치되는 구조를 나타낸다. FIG. 9 is a conceptual diagram illustrating a laser device having a clamshell resonator structure according to an exemplary embodiment of the present invention, wherein a 45-degree reflecting mirror converts a direction of laser light vertically on one side of the light reflecting partial reflection mirror 500 ( A structure in which 400 is disposed is shown.
일반적으로 SFP 트랜시버에 장착되는 TO형 패키지의 캡(2) 내경은 최대 4.4mm 정도이고, 빛이 TO형 패키지의 캡(2) 중심에서 탈출하기 위해서는 레이저 다이오드 칩(100)과 45도 반사 거울(400)의 중심까지의 길이가 물리적으로 2.2mm 이내여야 한다. In general, the inner diameter of the cap (2) of the TO-type package mounted on the SFP transceiver is about 4.4 mm, and in order for the light to escape from the center of the cap (2) of the TO-type package, the laser diode chip 100 and the 45 degree reflection mirror ( The length to the center of 400) shall be physically within 2.2mm.
현재 사용되는 확장 공진기형 레이저의 레이저 다이오드 칩(100)은 최소 400um 정도이며, 레이저 다이오드 칩(100)의 열 발산을 고려할 때 레이저 다이오드 칩(100)의 서브마운트(110)의 길이는 700um 정도이다. 현재 적절한 크기의 빔 사이즈를 제공하는 시준화 렌즈(200)의 두께는 400um 정도이며, 파장 가변 선택성 필터(300)의 두께는 파장 가변 선택성 필터(300)에 증착되는 유전체 박막에 의한 스트레스를 고려할 때 최소 500um 정도 된다. 또한, 광 궤환용 부분 반사 거울(500)은 두께가 통상적으로 300um에서 500um 정도이며, 45도 반사 거울(400)의 크기는 1000um 정도가 된다. 각 부품들의 정렬을 위해서는 각 부품 사이에 최소 150um 정도의 여유 공간이 필요하다. 그러므로 도 6에서와 같이 이러한 부품들을 TO형 패키지의 열전소자(900) 상부에 모두 일렬로 배치할 경우 레이저 다이오드 칩(100)에서 45도 반사 거울(400)의 중심점까지의 길이는 각 부품 사이의 필요 공간을 고려할 때 약 2.7mm 정도로 길어지게 되어 TO형 패키지의 중앙 부위에서 빛이 탈출하지 못하는 일이 발생하게 된다. The laser diode chip 100 of the extended resonator type laser currently used is at least about 400 μm, and considering the heat dissipation of the laser diode chip 100, the length of the submount 110 of the laser diode chip 100 is about 700 μm. . At present, the thickness of the collimation lens 200 that provides a beam size of an appropriate size is about 400 μm, and the thickness of the tunable selective filter 300 is considered in consideration of the stress caused by the dielectric thin film deposited on the tunable selective filter 300. At least 500um. In addition, the light reflection partial reflection mirror 500 has a thickness of about 300um to about 500um, and the size of the 45 degree reflective mirror 400 is about 1000um. In order to align each component, a minimum of 150um of free space is required between each component. Therefore, as shown in FIG. 6, when these parts are arranged in a line on the thermoelectric element 900 of the TO-type package, the length from the laser diode chip 100 to the center point of the 45 degree reflective mirror 400 is equal to the length of each part. Considering the required space, it is about 2.7mm long, which causes light to escape from the center of the TO-type package.
또한, 레이저 다이오드 칩(100)의 굴절률을 3.5 정도로 고려하고, 유리 재질의 시준화 렌즈(200), 파장 가변 선택성 필터(300), 광 궤환용 부분 반사 거울(500)의 굴절률을 1.5로 고려할 때, 레이저 다이오드 칩(100)과 광 궤환용 부분 반사 거울(500)을 포함한 확장 공진기의 유효 광학적 공진기 길이(굴절률 1로 환산)는 4mm 정도가 된다. 광학적 공진기 길이가 4mm일 때, 도 3의 (b)의 공진기 Fabry-Perot 모드 사이 간격이 300pm 정도가 된다. 레이저가 동작이 불안하여 인접 Fabry-Perot 모드로 발진 파장이 뛰어 넘는 경우가 발생하는데 이를 모드 호핑(mode hopping)이라 부른다. DWDM에서는 이러한 모드 호핑을 포함하여 파장이 국제 기구에서 미리 정하여진 파장으로부터 +/-100pm 이내에 있을 것을 권고하고 있다. 그러므로 모드 호핑시에도 파장이 정해진 파장에서 100pm 범위 내에 있기 위해서는 확장 공진기의 광학적 유효 공진기 길이가 적어도 5.8mm∼6.2mm 정도인 것이 바람직하다. 그러나 도 6의 구조와 같이 공진기가 1차원적인 배열을 할 경우 확장 공진기의 유효 공진기 길이를 증가시키는 것은 필연적으로 공진기의 수평 방향 길이를 증가시키므로 레이저 빛이 TO 패키지로부터 탈출하는 지점이 점점 더 TO 패키지 중심부에서 멀어지게 되는 문제점이 발생하게 된다. In addition, when the refractive index of the laser diode chip 100 is considered to be about 3.5 and the refractive index of the collimating lens 200, the tunable selective filter 300, and the light reflecting partial reflection mirror 500 of glass material is considered to be 1.5. The effective optical resonator length (in terms of refractive index 1) of the expansion resonator including the laser diode chip 100 and the light reflection partial reflection mirror 500 is about 4 mm. When the optical resonator length is 4 mm, the interval between the resonator Fabry-Perot modes in FIG. 3B becomes about 300 pm. When the laser is unstable, the oscillation wavelength may exceed the adjacent Fabry-Perot mode. This is called mode hopping. Including this mode hopping, DWDM recommends that the wavelength be within +/- 100pm from a wavelength predefined by the international organization. Therefore, it is preferable that the optically effective resonator length of the expansion resonator is at least about 5.8 mm to 6.2 mm so that the wavelength is within the range of 100 pm at the predetermined wavelength even during mode hopping. However, when the resonators have a one-dimensional arrangement as shown in FIG. 6, increasing the effective resonator length of the expansion resonator inevitably increases the horizontal length of the resonator. The problem of moving away from the center occurs.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 도 9와 같이 폴더형의 확장 공진기형 레이저 구조를 도입한다. 공진기를 도 9와 같이 배치할 경우 공진기의 길이와 레이저 빛의 TO 패키지 탈출 지점 사이에는 직접적인 연관성이 없어지게 되어 좁은 면적의 TO can 패키지를 사용하여 긴 공진기 구조의 확장 공진기형 레이저를 제작할 수 있는 장점이 생기게 된다. 도 9의 구조에서는 파장 가변 선택성 필터(300)가 열전소자에 직접 부착 고정되며 위상보상자(350)는 45도 반사 거울(400)의 상부에 배치되는 구조이다.In order to solve this problem, the present invention introduces a folding type resonator type laser structure as shown in FIG. When the resonator is arranged as shown in FIG. 9, there is no direct relationship between the length of the resonator and the escape point of the TO package of the laser light, and thus, an extended resonator type laser having a long resonator structure can be manufactured using a small TO can package. Will be produced. In the structure of FIG. 9, the variable wavelength selective filter 300 is directly attached and fixed to the thermoelectric element, and the phase compensation box 350 is disposed on the 45 degree reflective mirror 400.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 장치의 설치 개념도를 나타낸 것으로서, 45도 반사 거울(400) 상부에 파장 가변 선택성 필터(300)와 위상보상자(350) 및 광 궤환용 부분 반사 거울(500)이 배치되는 구조를 나타내고 있다. 이러한 배치에서는 공진기의 수평 방향 길이는 1.5mm 이내, 공진기의 광학적 길이는 6mm 이상이 가능해진다. 10 is a conceptual diagram illustrating a laser device according to another embodiment of the present invention, and includes a variable wavelength selective filter 300, a phase compensation 350, and a partial reflection for light feedback on a 45 degree reflective mirror 400. The structure in which the mirror 500 is arrange | positioned is shown. In this arrangement, the horizontal length of the resonator can be within 1.5 mm, and the optical length of the resonator can be 6 mm or more.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 광 감시용 포토 다이오드가 배치된 레이저 장치의 설치 개념도를 나타낸 것이다. FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating an installation of a laser device in which a photodiode for monitoring light according to an embodiment of the present invention is disposed.
도 11에서는 45도 반사 거울(400)을 부분 반사 거울로 제작하고, 이 45도 반사 거울(400)의 후단에 포토 다이오드용 서브마운트(610)에 부착된 광 감시용 포토 다이오드(600)를 배치하여, 45도 반사 거울(400)에 입사하는 빛의 일부를 45도 반사 거울(400)을 투과시켜 광 감시용 포토 다이오드(600)로 입사하도록 함으로써 레이저 빛의 세기를 감시할 수 있도록 하고 있다. 이러한 배치에서는 광 세기 감시용 포토 다이오드(600)가 TO 패키지의 중심점을 기준으로 레이저 공진기 반대 편에 배치되므로 TO형 패키지의 내부 공간을 효율적으로 활용할 수 있게 된다. In FIG. 11, the 45 degree reflective mirror 400 is manufactured as a partial reflection mirror, and the photo-monitoring photo diode 600 attached to the photodiode submount 610 is arrange | positioned at the rear end of this 45 degree reflective mirror 400. FIG. Thus, a portion of the light incident on the 45 degree reflective mirror 400 is transmitted through the 45 degree reflective mirror 400 to be incident on the photodiode 600 for light monitoring so that the intensity of the laser light can be monitored. In this arrangement, since the light intensity monitoring photodiode 600 is disposed on the opposite side of the laser resonator with respect to the center point of the TO package, the internal space of the TO-type package can be efficiently utilized.
상기 도 11에서와 같이 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되어 45도 반사 거울(400)로 입사하는 빛의 일부를 투과시켜 광 감시용 포토 다이오드(600)로 진입시켜 광 세기 감시할 수도 있지만, 45도 반사 거울(400)의 하부에 광 감시용 포토 다이오드(600)를 설치하여 광 세기를 감시하도록 할 수도 있다. As shown in FIG. 11, although a part of the light emitted from the laser diode chip 100 and incident on the 45 degree reflective mirror 400 is transmitted, the light intensity may be monitored by entering the photodiode 600 for light monitoring. A light monitoring photodiode 600 may be installed below the island reflection mirror 400 to monitor light intensity.
도 12는 이러한 광 감시용 포토 다이오드가 45도 반사 거울의 하부에 배치된 설치 개념도를 나타낸 것이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 45도 반사 거울(400)이 부분 반사 거울의 기능을 가질 때, 45도 반사 거울(400)에 의해 반사되어 상부의 광 궤환용 부분 반사 거울(500)로 입사하는 빛 중, 광 궤환용 부분 반사 거울(500)에 의해 반사되어 레이저 다이오드 칩(100)으로 돌아가는 경로의 빛이 45도 반사 거울(400)에 도달할 때에도 45도 반사 거울(400)을 통과하는 빛의 투과가 일어나게 된다. 이렇게 광 궤환용 부분 반사 거울(500)로부터 45도 반사 거울(400)로 진행하여 45도 반사 거울(400)을 투과하는 빛은 45도 반사 거울(400) 하부면으로 도달하게 되므로, 도 12에서와 같이 광 감시용 포토 다이오드(600)를 45도 반사 거울(400) 하부에 배치하여도 동일하게 광 세기 감시 기능을 수행할 수 있게 된다. 이러한 광 감시용 포토 다이오드(600)의 45도 반사 거울(400) 하부 배치는 확장 공진기의 수평 축 길이를 증가시키지 않으므로 역시 TO 형 패키지의 내부 면적을 최대한 활용할 수 있는 하나의 방법이 된다.FIG. 12 shows an installation conceptual view in which the photodiode for light monitoring is disposed below the 45 degree reflective mirror. As shown in FIG. 12, when the 45 degree reflecting mirror 400 has the function of a partial reflecting mirror, the 45 degree reflecting mirror 400 is reflected by the 45 degree reflecting mirror 400 and is incident on the upper part reflecting mirror 500 for light feedback. Among the lights, the light passing through the 45 degree reflection mirror 400 even when the light of the path reflected by the light feedback partial reflection mirror 500 and returned to the laser diode chip 100 reaches the 45 degree reflection mirror 400. Transmission occurs. In this way, the light passing through the 45 degree reflective mirror 400 from the partial reflection mirror 500 for light feedback and passes through the 45 degree reflective mirror 400 reaches the lower surface of the 45 degree reflective mirror 400, As described above, even if the photodiode 600 for light monitoring is disposed under the 45 degree reflective mirror 400, the light intensity monitoring function can be performed in the same manner. Since the 45 degree reflective mirror 400 underlay of the optical monitoring photodiode 600 does not increase the horizontal axis length of the expansion resonator, it is also a method that can make the best use of the internal area of the TO-type package.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 장치의 설치 개념도로서, 45도 반사 거울(400)을 수평으로 투과하는 빛과 수직으로 투과하는 빛을 이용하여 레이저 빛의 파장을 알아내는 방법에 관한 것이다. FIG. 13 is a conceptual view illustrating the installation of a laser device according to still another embodiment of the present invention, and a method for determining the wavelength of laser light using light transmitted vertically and light vertically transmitted through the 45 degree reflective mirror 400. It is about.
도 13에 도시된 바와 같이, 45도 반사 거울(400)을 수평으로 투과하는 빛의 경로상에 파장에 따라 투과도가 달라지는 파장 필터(700)를 삽입하고 파장 필터(700)를 투과하는 광의 경로상에 파장 감시용 포토 다이오드(650)를 부착한다. 그리고 45도 반사 거울(400)을 수직으로 투과하는 빛의 경로상에 출력 감시용 포토 다이오드(620)을 배치한다. 이렇게 배치된 파장 감시용 포토 다이오드(650)의 광전류를 출력 감시용 포토 다이오드(620)로 흐르는 광전류로 나누면 파장 필터(700)를 투과하는 비율을 알아낼 수 있고 이 비율로부터 레이저 빛의 파장을 알아낼 수 있다. 이때 파장 필터(700)의 특성은 온도에 따라 변화하지 않거나 온도에 따라 파장 특성이 15pm/℃ 이내로 바뀌는 것이 바람직한데, 더욱 바람직하게는 온도에 따라 파장 특성이 3pm/℃ 이내로 바뀌는 것이 적절하다.As shown in FIG. 13, a wavelength filter 700 having a transmittance that is different depending on the wavelength is inserted into a path of light passing horizontally through the 45 degree reflective mirror 400, and on the path of light passing through the wavelength filter 700. The photodiode 650 for wavelength monitoring is attached. The photodiode 620 for output monitoring is disposed on a path of light that vertically passes through the 45 degree reflective mirror 400. By dividing the photocurrent of the wavelength monitoring photodiode 650 thus divided by the photocurrent flowing through the output monitoring photodiode 620, the ratio of permeation through the wavelength filter 700 can be determined and the wavelength of laser light can be determined from this ratio. have. In this case, it is preferable that the characteristics of the wavelength filter 700 do not change with temperature, or that the wavelength characteristics are changed within 15 pm / ° C. according to the temperature. More preferably, the wavelength characteristics are changed within 3 pm / ° C. according to the temperature.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 장치의 설치 개념도로서, 45도 반사 거울(400)을 수평으로 투과하는 빛의 경로 상에 파장에 따라 투과도가 달라지는 파장 필터(700)를 배치하고, 파장 필터(700)를 투과하는 광의 경로 상에 파장 감시용 포토 다이오드(650)를 부착한다. 그리고 파장 필터(700)에서 반사하는 빛의 경로 상에 출력 감시용 포토 다이오드(620)을 배치한다. 이렇게 배치된 파장 감시용 포토 다이오드(650)의 광전류를 출력 감시용 포토 다이오드(620)로 흐르는 광전류와 비교하여 파장 필터(700)를 투과하는 빛의 세기와 반사하는 빛의 비율을 알아낼 수 있고, 이 비율로부터 레이저 빛의 파장을 알아낼 수 있게 된다.FIG. 14 is a conceptual view illustrating the installation of a laser device according to another embodiment of the present invention, in which a wavelength filter 700 having a transmittance varying according to a wavelength is disposed on a path of light passing horizontally through a 45 degree reflective mirror 400. The photodiode 650 for wavelength monitoring is attached to a path of light passing through the wavelength filter 700. The photodiode 620 for output monitoring is disposed on a path of light reflected by the wavelength filter 700. By comparing the photocurrent of the wavelength monitoring photodiode 650 disposed as described above with the photocurrent flowing through the output monitoring photodiode 620, the ratio of the intensity of light passing through the wavelength filter 700 and the reflected light can be determined. From this ratio, the wavelength of the laser light can be determined.
한편, 상술한 실시예에서는 파장 가변 선택성 필터(300)가 하나의 파장만을 선택하는 것으로 설명하였으며, 이러한 파장 가변 선택성 필터(300)는 복수의 파장을 선택할 수 있도록 구성되는 경우에도 구현하고자 하는 파장 가변 레이저 장치를 제작할 수 있다. Meanwhile, in the above-described embodiment, the wavelength tunable selective filter 300 has been described as selecting only one wavelength, and the tunable selective filter 300 is tunable even if it is configured to select a plurality of wavelengths. A laser device can be manufactured.
하나의 파장만을 선택하는 파장 가변 선택성 필터(300)는, 상술한 바와 같이 GaAs 기판위에 GaAs 층과 AlGaAs 층을 교대로 성장하는 방법으로 제작할 수 있으며, 또한 glass, quartz, silicon 등의 기판 위에 비정질 실리콘과 SiN을 교대로 증착하여 제작할 수 있다. The tunable selective filter 300 that selects only one wavelength may be manufactured by alternately growing a GaAs layer and an AlGaAs layer on a GaAs substrate as described above, and may also be made of amorphous silicon on a substrate such as glass, quartz, silicon, or the like. And SiN can be produced by alternately depositing.
이에 비해, 복수의 파장을 선택할 수 있는 파장 가변 선택성 필터는 일정한 주파수 간격으로 복수의 파장이 필터를 통과할 수 있는 구조로 제작되는데, 이러한 구조는 에탈론 필터로 쉽게 제작될 수 있다. 상기 에탈론 필터는 투과하고자 하는 파장대의 빛에 대해 투명한 기판의 양쪽에 미리 정하여진 반사율을 가지도록 반사 코팅을 함으로써 제작될 수 있다. In contrast, the wavelength tunable selective filter capable of selecting a plurality of wavelengths is manufactured in a structure that allows a plurality of wavelengths to pass through the filter at a constant frequency interval, which can be easily manufactured as an etalon filter. The etalon filter may be manufactured by reflecting coating so as to have a predetermined reflectance on both sides of the substrate transparent to light in the wavelength band to be transmitted.
도 15는 이러한 에탈론 필터로 이루어진 파장 가변 선택성 필터의 일례를 나타낸 것으로, 상기 파장 가변 선택성 필터(330)를 구성하는 에탈론 필터는 실리콘이나 GaAs 또는 InP 등의 레이저 빛이 투과하는 반도체 기판(333)의 양면에 굴절률이 서로 다른 유전체 박막으로 미리 지정된 반사율을 가지도록 반사막(335)을 증착한 구조로 이루어진다. 유전체 박막으로 반사막(335)을 제작하는 방법은 렌즈 코팅 및 광학 필터 제작에 매우 널리 적용되는 방법으로 기술적 성숙도가 매우 높은 기술이다. 이러한 방법은, GaAs 기판 위에 GaAs 층과 AlGaAs 층을 교대로 성장시키는 방법이나 실리콘 등의 기판 위에 비정질 실리콘과 SiN 등을 증착하여 제작하는 방법에 비해 제작이 매우 간단한 장점이 있다. FIG. 15 illustrates an example of a tunable selective filter including an etalon filter. The etalon filter constituting the tunable selective filter 330 includes a semiconductor substrate 333 through which laser light, such as silicon, GaAs, or InP, passes. It is made of a structure in which the reflective film 335 is deposited so as to have a predetermined reflectance with a dielectric thin film having different refractive indices on both sides of the C). The method of manufacturing the reflective film 335 from the dielectric thin film is a method that is very widely applied to lens coating and optical filter fabrication and has a very high technical maturity. This method has the advantage of being very simple compared to the method of alternately growing a GaAs layer and an AlGaAs layer on a GaAs substrate or by depositing amorphous silicon and SiN on a substrate such as silicon.
도 16은 상기 도 15의 방법으로 제작된 에탈론 필터를 투과하는 빛의 파장에 따른 투과율을 나타낸 것으로, 이 투과율 측정에 사용된 에탈론 필터는 50um 두께의 실리콘 기판의 양면에 각면에서의 반사율이 70%가 되도록 유전체 박막층을 이용하여 반사막 코팅을 한 경우이다. 도 16에서와 같이, 상기 구조의 실리콘 에탈론 필터는 대략 1000GHz 정도의 파장 간격을 가지는 복수의 투과 파장 대역을 가지게 된다. FIG. 16 shows the transmittance according to the wavelength of light passing through the etalon filter manufactured by the method of FIG. 15. The etalon filter used for measuring the transmittance has reflectances on both sides of a 50 μm thick silicon substrate. It is a case where a reflecting film coating is performed using a dielectric thin film layer so that it may become 70%. As shown in FIG. 16, the silicon etalon filter having the above structure has a plurality of transmission wavelength bands having a wavelength interval of about 1000 GHz.
도 17은 상기 도 2에 도시된 외부 공진기형 레이저에 복수의 투과 파장 대역을 가지는 파장 가변 선택성 필터가 적용되는 경우의 발진 레이저 파장을 나타낸 것이다.FIG. 17 illustrates the oscillation laser wavelength when the tunable selective filter having a plurality of transmission wavelength bands is applied to the external resonator laser shown in FIG. 2.
도 17의 (b)에서와 같이 외부 공진기형 레이저의 Fabry-Perot 모드는 통상적으로 0.1nm∼1nm 정도의 파장 간격으로 연속적으로 분포하게 된다. 이러한 레이저 공진기 내부에 광축에 대해 일정한 각도로 기울어져서 파장 가변 선택성 필터(330)에서 직접 반사하는 빛은 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환하지 못하게 되고, 이에 비해 파장 가변 선택성 필터(330)를 투과하는 빛은 광 궤환용 반사 거울(500)에서 반사되어 역으로 파장 가변 선택성 필터(330)를 투과하여 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환하게 되며, 이에 따라 레이저 다이오드 칩(100)은 파장 가변 선택성 필터(330)를 투과하는 파장 대역의 공진기 Fabry-Perot 모드로 파장 잠금과 레이저 발진이 일어나게 된다. 이때, 도 17의 (a)에서와 같이 파장 가변 선택성 필터(330)를 투과하는 빛이 복수의 파장 대역을 가지게 되면, 도 17의 (c)와 같이 레이저 공진기는 각각의 파장 가변 선택성 필터(330)의 투과 파장 대역 내의 Fabry-Perot 모드로 발진하게 되어 복수의 파장을 가지는 레이저 빛이 발생하게 된다. As shown in FIG. 17B, the Fabry-Perot mode of the external resonator laser is continuously distributed at a wavelength interval of about 0.1 nm to 1 nm. The light reflected directly from the tunable selective filter 330 by tilting at an angle with respect to the optical axis inside the laser resonator may not be fed back to the laser diode chip 100, whereas the tunable selective filter 330 may pass through the tunable selective filter 330. The light is reflected by the optical reflecting mirror 500 and is reversely transmitted through the tunable selective filter 330 to be fed back to the laser diode chip 100. Accordingly, the laser diode chip 100 has a tunable selective filter ( Wavelength locking and laser oscillation occur in the resonator Fabry-Perot mode of the wavelength band passing through 330. At this time, when the light passing through the tunable selective filter 330 has a plurality of wavelength bands as shown in (a) of FIG. 17, as shown in (c) of FIG. Oscillation is performed in the Fabry-Perot mode within the transmission wavelength band of), thereby generating laser light having a plurality of wavelengths.
이러한 서로 다른 파장은 통신에 있어서 잡음으로 작용하게 되어 특히 파장의 매우 정밀한 제어를 기반 기술로 하는 DWDM 방식의 통신을 불가능하게 한다. 그러므로 복수의 투과 파장 대역을 가지는 파장 가변 선택성 필터(330)를 사용할 경우에도 하나의 파장만이 레이저 공진기에서 발진하게 하는 기능이 필요해진다. These different wavelengths act as noise in communication, making DWDM communication impossible, especially based on very precise control of the wavelength. Therefore, even when the variable wavelength selective filter 330 having a plurality of transmission wavelength bands is used, a function of causing only one wavelength to oscillate in the laser resonator is required.
이러한 기능은 도 2 및 도 6에 도시된 광 궤환용 부분 반사 거울(500)의 특성을 바꾸어 줌으로서 구현될 수 있다. 즉, 도 2 및 도 6에서는 광 궤환용 부분 반사 거울(500)이 파장에 무관하게 일정한 반사율을 가지는 부분 반사 거울로 설명되었지나, 복수의 투과 파장 대역을 가지는 파장 가변 선택성 필터(330)를 이용하여 단일의 파장을 가지는 레이저를 제작하기 위해서는 광 궤환용 부분 반사 거울(500)이 특정 파장에 대해서는 미리 정해진 특정한 반사율을 갖도록 하되 발진이 일어나지 않아야 할 파장 대역에 대해서는 완전 투과형의 특성을 가지도록 제작하면 된다. This function can be implemented by changing the characteristics of the partially reflective mirror 500 for the light feedback shown in FIGS. That is, in FIG. 2 and FIG. 6, the light reflection partial reflection mirror 500 is described as a partial reflection mirror having a constant reflectance irrespective of the wavelength, but the wavelength variable selective filter 330 having a plurality of transmission wavelength bands is used. In order to fabricate a laser having a single wavelength, if the partial reflection mirror 500 for light feedback has a predetermined specific reflectance for a specific wavelength but is manufactured to have a completely transmissive characteristic for a wavelength band in which no oscillation should occur do.
도 18은 이러한 복수의 투과 파장 대역을 갖는 파장 가변 선택성 필터와 특정 파장에 대해서만 반사가 일어나는 부분 반사 거울이 적용된 외부 공진기형 레이저 패키지의 설치 개념도이고, 도 19는 상기 도 18의 외부 공진기형 레이저 구조에서의 레이저 동작 원리를 나타낸 것이다. FIG. 18 is a conceptual diagram illustrating an installation of an external resonator type laser package including a wavelength tunable selective filter having a plurality of transmission wavelength bands and a partial reflection mirror in which reflection occurs only for a specific wavelength, and FIG. 19 is an external resonator type laser structure of FIG. 18. Shows the laser operating principle in.
도 18 및 도 19에 적용된 파장 가변 선택성 필터(330)는 복수의 투과 파장 대역을 가지며, 광 궤환용 부분 반사 거울(550)은 특정한 파장 대역에서만 미리 정하여진 비율로 반사가 일어나고 레이저 발진이 일어나지 않는 다른 대역의 파장에 대해서는 투과하는 파장 의존형 광 궤환용 부분 반사 거울의 특성을 가지게 된다. The variable wavelength selective filter 330 applied to FIGS. 18 and 19 has a plurality of transmission wavelength bands, and the optical feedback partial reflection mirror 550 reflects at a predetermined ratio only in a specific wavelength band and does not generate laser oscillation. For wavelengths in other bands, the wavelength-dependent optical feedback partially reflecting mirror transmits.
이러한 외부 공진기형 레이저 구조에서, 먼저 레이저 다이오드 칩(100)은 반도체 레이저의 이득 특성에 맞는 넓은 파장 대역을 가지는 빛을 방출한다. 상기 레이저 다이오드 칩(100)에서 방출되는 빛은 복수의 투과 파장 대역을 가지는 파장 가변 선택성 필터(330)에 도달하게 되는데, 이러한 빛 중 파장 가변 선택성 필터(330)를 투과하는 복수의 파장 대역은 파장 가변 선택성 필터(330)를 투과하여 광 궤환용 부분 반사 거울(550)로 전송된다. 반면 파장 가변 선택성 필터(330)를 투과하지 못하고 반사하는 레이저 빛은 레이저 광축에 대해 일정한 각도로 틀어져 있는 파장 가변 선택성 필터(330)에 의해 반사되어 다른 경로로 보내져 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환되지 못하게 된다. In such an external resonator type laser structure, the laser diode chip 100 emits light having a wide wavelength band suitable for gain characteristics of a semiconductor laser. The light emitted from the laser diode chip 100 reaches the tunable selective filter 330 having a plurality of transmission wavelength bands, and the plural wavelength bands of the tunable selective filter 330 are wavelengths. It is transmitted through the variable selectivity filter 330 and transmitted to the partial reflection mirror 550 for light feedback. On the other hand, the laser light that does not pass through the tunable selective filter 330 and reflects is reflected by the tunable selective filter 330 which is turned at a predetermined angle with respect to the laser optical axis and sent to another path to be fed back to the laser diode chip 100. I can't.
한편, 파장 가변 선택성 필터(330)를 투과한 복수의 파장 대역에 해당하는 빛(도 20의 (a))은 위상보상자(350)를 거쳐 파장 의존도가 있는 광 궤환용 부분 반사 거울(550)로 전송된다. 파장 의존도가 있는 광 궤환용 부분 반사 거울(550)의 반사율 특성 곡선은 도 20의 (c)와 같은데, 이러한 파장 의존도가 있는 광 궤환용 부분 반사 거울(550)은 파장 가변 필터(330)을 투과한 복수의 파장 중에서 특정한 파장에 대해서만 부분적으로 반사를 하며 나머지 파장에 대해서는 투과의 특성을 보이게 제작된다. 이와 같이 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 빛 중 파장 가변 선택성 필터(330)를 투과하지 못하는 레이저 빛은 파장 가변 필터(330)에서 반사되어 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환되지 못하고, 파장 가변 선택성 필터(330)를 투과하는 복수의 파장 대역을 가지는 빛은 위상보상자(350)를 거쳐 파장 의존도를 가지는 광 궤환용 부분 반사 거울(550)에 도달하게 된다. On the other hand, light corresponding to a plurality of wavelength bands transmitted through the tunable selective filter 330 (FIG. 20 (a)) passes through the phase compensation 350 and has a wavelength dependency partial reflection mirror 550. Is sent to. The reflectance characteristic curve of the light reflection partial reflection mirror 550 having the wavelength dependence is as shown in FIG. 20C, and the light reflection partial reflection mirror 550 having the wavelength dependence passes through the tunable filter 330. Among the plurality of wavelengths, only a specific wavelength is partially reflected and the remaining wavelengths are manufactured to show transmission characteristics. As described above, the laser light that does not pass through the tunable filter 330 among the light emitted from the laser diode chip 100 is reflected by the tunable filter 330 and cannot be fed back to the laser diode chip 100. Light having a plurality of wavelength bands passing through the filter 330 reaches the partial reflection mirror 550 having the wavelength dependency through the phase compensation 350.
이러한 파장 의존도를 가지는 광 궤환용 부분 반사 거울(550)에 도착한 빛 중 부분 반사 거울(550)에서 반사되는 빛은 다시 위상보상자(350)와 파장 가변 선택성 필터(330)를 거쳐 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환되고, 광 궤환용 부분 반사 거울(550)에 도착하는 빛 중 투과 대역에 해당하는 파장의 빛은 광 궤환용 부분 반사 거울(550)을 투과하게 되어 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환되지 못하게 된다. 그러므로 이러한 도 18의 외부 공진기형 레이저 구조에서 최종적으로 발진하는 레이저 빛의 파장은, 도 19에서 보이는 바와 같이 복수의 투과 파장 대역을 가지는 파장 가변 선택성 필터(330)를 통과하는 빛(도 20의 (a)) 중에서 파장 의존도를 가지는 광 궤환용 부분 반사 거울(550)에서 반사가 일어나는 파장 대역(도 20의 (c))의 공진 모드에 해당하는 Fabry-Perot 모드(도 20의 (d))가 된다. The light reflected from the partial reflection mirror 550 among the light arriving at the light reflection partial reflection mirror 550 having the wavelength dependency is again passed through the phase compensation box 350 and the wavelength tunable selector filter 330. 100 and the light having a wavelength corresponding to the transmission band among the light arriving at the light reflection partial reflection mirror 550 passes through the light reflection partial reflection mirror 550 and is returned to the laser diode chip 100. You won't be. Therefore, the wavelength of the laser light finally oscillating in the external resonator type laser structure of FIG. 18 passes through the wavelength tunable selective filter 330 having a plurality of transmission wavelength bands as shown in FIG. Among the a)), the Fabry-Perot mode (Fig. 20 (d)) corresponding to the resonance mode of the wavelength band (Fig. 20 (c)) where reflection occurs in the light reflection partial reflection mirror 550 having wavelength dependence is do.
한편, 도 18 및 도 19에 적용된 파장 의존도를 가지는 광 궤환용 부분 반사 거울(550)은 반사 대역 이외의 파장에 대한 반사율이 꼭 무반사일 필요는 없으며 적어도 반사 대역의 반사율에 비해 80% 이하, 더 바람직하게는 50% 이하인 경우에도 동작이 가능하다. 하지만 가장 바람직하게는 부분 반사 거울(550)의 투과 파장 대역의 반사율이 반사 대역의 반사율에 비해 25% 이하인 것이 바람직하다. 또한, 파장에 따라 반사 특성이 달라지는 부분 반사 거울(550)의 반사 대역 파장폭은 복수의 투과 파장 대역을 가지는 파장 가변 선택성 필터(330)의 파장 간 간격의 1/2 이하가 되는 것이 바람직하다. On the other hand, the light reflecting partial reflection mirror 550 having the wavelength dependence applied to FIGS. 18 and 19 does not have to be reflectance for wavelengths other than the reflection band without reflection, and at least 80% or less than the reflectance of the reflection band. Preferably, even when it is 50% or less, operation | movement is possible. However, most preferably, the reflectance of the transmission wavelength band of the partial reflection mirror 550 is 25% or less than the reflectance of the reflection band. In addition, it is preferable that the reflection band wavelength width of the partial reflection mirror 550 whose reflection characteristics vary depending on the wavelength is 1/2 or less of the interval between wavelengths of the tunable selective filter 330 having a plurality of transmission wavelength bands.
특히, 도 18 및 도 19에서 복수의 투과 파장 대역을 가지는 파장 가변 선택성 필터(330)는 실리콘이나 GaAs 또는 InP 등의 반도체 기판의 양면에 굴절률이 높고 낮은 복수의 유전체 박막을 증착하여 반사막을 형성하는 형태로 제작되는 에탈론 필터인 것이 바람직하다. 이러한 반도체 기판을 이용한 에탈론 필터는 반도체 기판의 굴절률이 온도에 따라 바뀌게 되는데, 이러한 특성을 이용하여 에탈론 필터의 온도를 바꾸어 줌으로서 투과하는 파장 대역을 바꿀 수 있고, 이에 따라 도 2 및 도 6에서 설명된 발진하는 레이저 파장을 가변시킬 수 있는 파장 가변 레이저를 제작할 수 있게 된다. 이러한 방법은 매우 잘 정립되어 있는 유전체 박막 증착을 통하여 파장 가변 필터를 제작함으로써 산업적 이용도가 매우 높은 방법이다.In particular, in FIG. 18 and FIG. 19, the tunable selective filter 330 having a plurality of transmission wavelength bands forms a reflective film by depositing a plurality of dielectric films having a high refractive index and low refractive index on both surfaces of a semiconductor substrate such as silicon, GaAs, or InP. It is preferable that it is an etalon filter manufactured in form. In the etalon filter using the semiconductor substrate, the refractive index of the semiconductor substrate is changed according to temperature. By using this characteristic, the wavelength band of transmission can be changed by changing the temperature of the etalon filter. Accordingly, FIGS. 2 and 6 It is possible to manufacture a wavelength tunable laser capable of varying the oscillating laser wavelength described in. This method is a highly industrial method by fabricating a tunable filter through a very well established dielectric thin film deposition.
도 20은 상기 도 18 및 도 19의 외부 공진기형 레이저 구조에서 파장을 가변시키는 과정을 나타낸 것이다. 도 20의 (a)에서와 같이 실리콘 등의 반도체 기판의 양면에 유전체 박막으로 반사막을 형성한 에탈론 필터의 경우 온도의 변화에 따라 반도체의 굴절률이 변화하여 투과하는 파장 대역이 변화하게 된다. FIG. 20 illustrates a process of varying a wavelength in the external resonator laser structures of FIGS. 18 and 19. As shown in FIG. 20A, in the case of an etalon filter in which a reflective film is formed of a dielectric thin film on both surfaces of a semiconductor substrate such as silicon, the refractive index of the semiconductor changes according to temperature change, and thus the wavelength band for transmission is changed.
상기 변화하는 파장 가변 선택성 필터(330)의 투과 대역 파장 중 광 궤환용 부분 반사 거울(550)의 반사 대역(도 20의 (c))에 있는 Fabry-Perot 모드(도 20의 (b))는 결국 도 20의 (d)와 같이 발진하게 되므로, 최종적으로 레이저의 발진 파장은 복수의 투과 파장 대역을 가지는 파장 가변 선택성 필터(330)의 온도가 바뀌게 됨에 따라 레이저의 발진 파장 또한 가변되게 되는 것이다. The Fabry-Perot mode (FIG. 20B) in the reflection band (FIG. 20C) of the partial reflection mirror 550 for optical feedback among the transmission band wavelengths of the variable tunable selectivity filter 330 is As a result, since the oscillation is performed as shown in FIG. 20 (d), the oscillation wavelength of the laser is also changed as the oscillation wavelength of the laser is changed as the temperature of the tunable selective filter 330 having a plurality of transmission wavelength bands is changed.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 TO형 패키지에 45도 반사 거울을 손쉽게 장착하기 위한 45도 반사 거울용 스탠드의 형태를 나타낸 것이다. Figure 21 shows the form of a stand for 45-degree reflective mirror for easily mounting the 45-degree reflective mirror in the TO-type package according to an embodiment of the present invention.
도 21에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 45도 반사 거울용 스탠드(450)는 직육면체로 제작되는데, 이 45도 반사 거울용 스탠드(450)에는 밑변에 대해 45도의 각도를 갖는 관통공이 형성되어 있다. 상기 스탠드(450)에 형성된 관통공에 평판형의 45도 반사 거울(400)이 삽입되어 열전소자 위에 장착되며, 스탠드(450)의 상부에는 부분 반사거울(500)이 부착된다. 상기의 구조로 이루어진 스탠드(450)는 45도 반사 거울(400)과 부분 반사거울(500)을 손쉽게 부착할 수 있도록 해준다. As shown in FIG. 21, the 45 degree reflective mirror stand 450 according to the present invention is made of a rectangular parallelepiped, and the 45 degree reflective mirror stand 450 has a through hole having an angle of 45 degrees with respect to the base. have. A flat 45 degree reflective mirror 400 is inserted into the through hole formed in the stand 450 and mounted on the thermoelectric element, and a partial reflective mirror 500 is attached to the upper part of the stand 450. The stand 450 having the above structure allows the 45 degree reflective mirror 400 and the partially reflective mirror 500 to be easily attached.
상기 스탠드(450)는 열 전달률이 좋은 물질이 바람직한데, 이러한 물질로는 열전달률이 170W/m이며 건식 식각 공정에 의해 관통공의 제작이 용이한 실리콘 기판이 적절하다. 특히 실리콘은 건식 식각 방법에 의해 관통공의 폭 조절이 매우 용이하고, 밑변에 대한 각도 조절이 용이하므로 평판형의 45도 반사 거울(400)을 단지 실리콘 스탠드의 관통공에 삽입하는 것만으로 평판형 반사 거울(400)을 45도 각도로 배치하게 하여 조립 공정을 용이하게 해준다. The stand 450 is preferably a material having a good heat transfer rate. The material is a silicon substrate having a heat transfer rate of 170 W / m and easy to manufacture through holes by a dry etching process. In particular, the silicon is very easy to adjust the width of the through hole by the dry etching method, and the angle to the base is easy to adjust, so the flat 45 degree reflective mirror 400 is simply inserted into the through hole of the silicon stand. Positioning the reflecting mirror 400 at a 45 degree angle facilitates the assembly process.
한편, TO형 패키지의 확장 환경 온도가 다양하게 변화하게 되면 TO형 패키지의 외주면과 TO형 패키지의 내부 부품들 사이에 열 교환이 일어나게 된다. TO형 패키지의 각각의 내부 부품과 TO형 패키지의 외주면 사이의 거리는 다양하게 변화할 수 있으므로 TO형 패키지의 확장 환경 온도 변화는 TO형 패키지의 내부 부품의 온도를 불균일하게 변화시킬 수 있다. 이러한 공진기 구성 물질의 독립적인 온도 변화는 공진기의 유효 광학적 길이에 불균일한 변화를 가져오게 되므로 공진기 구성 부품과 TO형 패키지의 외주면 사이에 열 교환이 최소화되는 것이 바람직하다. 따라서 TO형 패키지의 내부를 진공으로 유지하는 것이 바람직하며, 진공도는 0.2기압 이하인 것이 바람직하다.On the other hand, when the extended environmental temperature of the TO-type package varies, heat exchange occurs between the outer circumferential surface of the TO-type package and the internal components of the TO-type package. Since the distance between each internal component of the TO package and the outer circumferential surface of the TO package can vary widely, an extended environmental temperature change of the TO package can unevenly change the temperature of the internal components of the TO package. This independent change in temperature of the resonator material will result in a non-uniform change in the effective optical length of the resonator, so it is desirable to minimize heat exchange between the resonator component and the outer circumferential surface of the TO-type package. Therefore, it is preferable to keep the inside of the TO package in a vacuum, and the degree of vacuum is preferably 0.2 atm or less.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 파장 가변 레이저 장치는 레이저 다이오드 칩(100)의 수평 방향에 설치되는 45도 반사 거울(500)의 상부에 광 궤환용 부분 반사 거울(500)을 배치함으로써 레이저 공진기의 수평 방향 길이는 최소화하면서 광학적인 공진기 길이를 증가시켜 TO형 패키지의 내부 면적을 최대한 활용할 수 있게 된다. 또한, 반도체 레이저 다이오드 칩(100)과 파장 가변 선택성 필터(300) 및 위상보상자(350)를 하나의 열전소자(900) 위에 배치하여 열전소자(900)의 온도 변화에 의한 레이저 공진기의 전체 유효 굴절률 변화를 상쇄하도록 함으로써, 레이저 공진기에 의해 결정되는 Fabry-Perot 모드가 열전소자(900)의 온도와 관계없이 일정한 파장으로 고정될 수 있도록 하게 된다.As described above, in the tunable laser device according to the present invention, the laser resonator is disposed by arranging the light reflecting partial reflection mirror 500 on the 45 degree reflection mirror 500 installed in the horizontal direction of the laser diode chip 100. By increasing the optical resonator length while minimizing the horizontal length, the internal area of the TO-type package can be maximized. In addition, the semiconductor laser diode chip 100, the tunable wavelength selective filter 300, and the phase compensation 350 are disposed on one thermoelectric element 900, so that the entire laser resonator due to the temperature change of the thermoelectric element 900 is effectively used. By offsetting the change in refractive index, the Fabry-Perot mode determined by the laser resonator can be fixed at a constant wavelength regardless of the temperature of the thermoelectric element 900.
이러한 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.The present invention is not limited to the above-described embodiments and various modifications and variations within the equivalent range of the technical spirit of the present invention and the claims to be described below by those skilled in the art to which the present invention pertains. Of course this can be done.

Claims (14)

  1. 반도체 레이저 장치에 있어서, In a semiconductor laser device,
    레이저 빛을 발산하는 레이저 다이오드 칩(100)과; A laser diode chip 100 for emitting laser light;
    상기 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산된 빛을 일부 반사하여 다시 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환시키는 광 궤환용 부분 반사 거울(500)과; A partial reflection mirror (500) for light feedback reflecting part of the light emitted from the laser diode chip (100) and returning it back to the laser diode chip (100);
    상기 레이저 다이오드 칩(100)과 광 궤환용 부분 반사 거울(500, 550) 사이의 광 경로 상에 설치되어, 상기 레이저 다이오드 칩(100)으로부터 발산된 빛을 시준화시키는 시준화 렌즈(200)와, 온도에 따라 투과되는 파장이 변화하는 파장 가변 선택성 필터(300, 330)와, 온도에 따라 굴절률이 변화되어 상기 반도체 레이저 다이오드 칩(100) 또는 파장 가변 선택성 필터(300)의 온도에 따른 굴절률 변화를 보상하는 위상보상자(350)와, 패키지 바닥면에 대해 수평으로 진행하는 레이저 빛을 패키지 바닥면에 대해 수직으로 진행하는 레이저 빛으로 방향을 전환하는 45도 반사 거울(400);을 포함하여 이루어지며,A collimation lens 200 installed on an optical path between the laser diode chip 100 and the partial reflection mirrors 500 and 550 for optical feedback, and collimating the light emitted from the laser diode chip 100; The wavelength variable selectivity filters 300 and 330 whose wavelengths are transmitted according to temperature and the refractive index are changed according to temperature to change the refractive index according to the temperature of the semiconductor laser diode chip 100 or the variable wavelength selective filter 300. Comprising a phase compensation box 350 to compensate, and a 45-degree reflective mirror 400 for redirecting the laser light traveling horizontally with respect to the package bottom surface to the laser light traveling perpendicular to the package bottom surface; Lose,
    상기 레이저 다이오드 칩(100)과 파장 가변 선택성 필터(300, 330) 및 위상보상자(350)는 열전소자(900) 상부에 배치되어 열전소자(900)의 온도 변화에 따라 발진되는 파장이 변화되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.The laser diode chip 100, the tunable selective filters 300 and 330, and the phase compensation 350 are disposed on the thermoelectric element 900 to change the oscillation wavelength according to the temperature change of the thermoelectric element 900. Laser device, characterized in that.
  2. 제 1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 광 궤환용 부분 반사 거울(500, 550)은 45도 반사 거울(400)의 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.The light reflecting partially reflective mirror (500, 550) is a laser device, characterized in that disposed on top of the 45 degree reflective mirror (400).
  3. 제 1항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 45도 반사 거울(400)은 부분 반사/부분 투과 특성을 갖는 부분 반사 거울로 이루어지고, 상기 45도 반사 거울(400)의 일측에는 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되어 상기 45도 반사 거울(400)을 투과하는 성분의 레이저 빛을 수신하여 레이저 빛의 광 세기를 감시하는 광 감시용 포토 다이오드(600)가 더 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.The 45 degree reflecting mirror 400 is made of a partial reflecting mirror having a partial reflection / partial transmission characteristics, the one side of the 45 degree reflecting mirror 400 is emitted from the laser diode chip 100 to the 45 degree reflecting mirror ( And a light monitoring photodiode (600) for receiving the laser light of the component passing through the 400 and monitoring the light intensity of the laser light.
  4. 제 1항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 45도 반사 거울(400)은 부분 반사/부분 투과 특성을 갖는 부분 반사 거울로 이루어지고, 상기 45도 반사 거울(400)의 일측에는 광 궤환용 부분 반사거울(500)로부터 발산되어 상기 45도 반사 거울(400)을 투과하는 성분의 레이저 빛을 수신하여 레이저 빛의 광 세기를 감시하는 광 감시용 포토 다이오드(600)가 더 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.The 45-degree reflective mirror 400 is made of a partial reflection mirror having a partial reflection / partial transmission characteristics, and one side of the 45-degree reflective mirror 400 is emitted from the light reflection partial reflection mirror 500 to the 45 degrees The laser device, characterized in that the light-monitoring photodiode 600 for receiving the laser light of the component passing through the reflective mirror 400 to further monitor the light intensity of the laser light.
  5. 제 1항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 45도 반사 거울(400)은 부분 반사/부분 투과 특성을 갖는 부분 반사 거울로 이루어지고, 상기 45도 반사 거울(400)의 일측에는 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되어 상기 45도 반사 거울(400)을 투과하는 성분의 광 경로상에 파장에 따라 투과율이 변화하는 파장 필터(700)와 포토 다이오드(650)가 배치되고, 상기 45도 반사 거울(400)의 하부에는 광 궤환용 부분 반사거울(500)에서 발산되어 상기 45도 반사 거울(400)을 투과하는 광 경로 상에 포토 다이오드(620)가 배치되어, The 45 degree reflecting mirror 400 is made of a partial reflecting mirror having a partial reflection / partial transmission characteristics, the one side of the 45 degree reflecting mirror 400 is emitted from the laser diode chip 100 to the 45 degree reflecting mirror ( A wavelength filter 700 and a photodiode 650 having a transmittance that is changed according to a wavelength are disposed on an optical path of a component that passes through 400, and a partial reflection mirror for light feedback is disposed below the 45 degree reflective mirror 400. A photodiode 620 is disposed on an optical path that is emitted from 500 and passes through the 45 degree reflective mirror 400.
    상기 포토 다이오드(650)(620)를 흐르는 광 전류의 비교를 통하여 상기 파장 필터(700)의 투과율 및 레이저 빛의 파장을 파악할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.Laser device, characterized in that to determine the transmittance of the wavelength filter 700 and the wavelength of the laser light by comparing the light current flowing through the photodiode (650) (620).
  6. 제 1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 파장 가변 선택성 필터(300)는 GaAs 기판에 Ga(x1)Al(1-x1)As /Ga(x2)Al(1-x2)As 화합물 반도체를 이용하여 특정 파장의 빛을 투과하도록 제작되되, 상기 Ga 조성은 1에서 0.1 사이인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.The tunable selective filter 300 is manufactured to transmit light having a specific wavelength by using a Ga (x1) Al (1-x1) As / Ga (x2) Al (1-x2) As compound semiconductor on a GaAs substrate. And wherein said Ga composition is between 1 and 0.1.
  7. 제 1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 파장 가변 선택성 필터(300)는 투명한 기판 위에 비정질 실리콘(a-Si)과 SiN(silicon nitride)층이 교대로 증착되어 제작된 것을 특징으로 하는 레이저 장치.The wavelength tunable selective filter (300) is a laser device, characterized in that the amorphous silicon (a-Si) and SiN (silicon nitride) layers are deposited alternately on a transparent substrate.
  8. 제 1항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 파장 가변 선택성 필터(330)는 복수의 투과 파장 대역을 가지는 에탈론형 필터로 이루어지고, The tunable selective filter 330 is made of an etalon filter having a plurality of transmission wavelength bands,
    상기 광 궤환용 부분 반사 거울(550)은 발진시키고자 하는 파장 대역에서 미리 정해진 반사율을 가지며, 나머지 다른 파장 대역에서의 반사율은 발진하는 파장 대역의 반사율에 비해 80% 이하로 형성된 것을 특징으로 하는 레이저 장치.The light reflection partial reflection mirror 550 has a predetermined reflectance in the wavelength band to be oscillated, and the reflectance in the other wavelength bands is formed to be 80% or less than the reflectance of the oscillating wavelength band. Device.
  9. 제 8항에 있어서, The method of claim 8,
    상기 광 궤환용 부분 반사 거울(550)에서 In the light reflecting partial reflection mirror 550
    상기 발진시키고자 하는 파장 대역 이외의 다른 파장 대역에서의 반사율은 발진하는 파장 대역의 반사율에 비해 25% 이하로 형성된 것을 특징으로 하는 레이저 장치.And a reflectance in a wavelength band other than the wavelength band to be oscillated is 25% or less than the reflectance in the wavelength band to be oscillated.
  10. 제 1항 또는 제 8항에 있어서, The method according to claim 1 or 8,
    상기 파장 가변 선택성 필터(330)는 복수의 투과 파장 대역을 갖도록, 실리콘, GaAs, InP 중 어느 하나를 포함하는 반도체 기판(333) 양면에 굴절률이 다른 유전체 박막이 교대로 증착되어 반사막(335)이 형성된 것을 특징으로 하는 레이저 장치.The variable-wavelength selective filter 330 has a plurality of transmission wavelength bands, and dielectric films having different refractive indices are alternately deposited on both surfaces of the semiconductor substrate 333 including any one of silicon, GaAs, and InP so that the reflective film 335 is formed. Laser device, characterized in that formed.
  11. 제 1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 위상보상자(350)는 PMMA, 폴리비닐, 폴리에틸렌, 폴리카보네이트, 에폭시 중 어느 하나를 포함하는 고분자 재료를 기반으로 제작된 것을 특징으로 하는 레이저 장치.The phase compensation box 350 is a laser device, characterized in that produced on the basis of a polymer material containing any one of PMMA, polyvinyl, polyethylene, polycarbonate, epoxy.
  12. 제 1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 반도체 레이저 다이오드 칩(100)과 광 궤환용 부분 반사 거울(500)을 포함하는 레이저 공진기의 길이가, 유효 굴절률 1로 환산하였을 때 5.8mm 내지 6.2mm인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.The laser resonator including the semiconductor laser diode chip (100) and the light reflecting partial reflection mirror (500) has a length of 5.8mm to 6.2mm when converted into an effective refractive index of 1.
  13. 평판형의 반사 거울을 수평에 대해 45도로 고정하는 스탠드에 있어서, In the stand which fixes a flat reflection mirror to 45 degrees with respect to the horizontal,
    상기 스탠드(450)는 The stand 450 is
    직육면체 형태의 실리콘 기판으로 형성되되, It is formed of a rectangular parallelepiped silicon substrate,
    상기 실리콘 기판은 어느 한 변에 대해 45도의 각도를 갖는 관통공(451)이 형성되어 평판형의 반사 거울이 삽입되어 고정될 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 스탠드.The silicon substrate is a stand, characterized in that the through-hole (451) having an angle of 45 degrees with respect to any one side is formed so that the flat reflective mirror can be inserted and fixed.
  14. 제 13항에 있어서, The method of claim 13,
    상기 실리콘 기판에 형성된 관통공(451)은 건식 식각 방법으로 형성된 것을 특징으로 하는 스탠드.The through hole 451 formed in the silicon substrate is characterized in that formed by a dry etching method.
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