WO2020196957A1 - 장거리 통신이 가능하며 파장 가변 범위가 넓은 광소자 - Google Patents

장거리 통신이 가능하며 파장 가변 범위가 넓은 광소자 Download PDF

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WO2020196957A1
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optical device
laser light
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김정수
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김정수
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/024—Arrangements for thermal management
    • H—ELECTRICITY
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30

Definitions

  • the present invention relates to a light emitting optical device capable of long-distance communication and a wide range of wavelength tunability.
  • the number of channels used for communication varies according to various standards.
  • the NG-PON2 (ITU-T G.989.2) communication standard using a tunable laser defines 4 channels or 8 channels with a wavelength interval of 100 GHz as the number of channels.
  • the tunable laser currently used for communication is a method using an external cavity laser structure, a method using a 3-section DBR-LD (Distributed Bragg Laser Diode), or a method of controlling the temperature of DFB-LD (Distributed Feedback Laser Diode).
  • the wavelength is converted using a method.
  • the method using the external resonator laser structure is to change the wavelength by forming a resonator including a semiconductor laser, inserting a configuration capable of varying the wavelength inside the resonator, and then varying the wavelength selectivity of the tunable configuration.
  • this method requires very precise optical alignment between components, and since it is not easy to insert and adjust the wavelength selection mechanism in the resonator, the cost of the optical device is increased. There is a difficult drawback.
  • DBR-LD is a semiconductor laser diode chip obtained by separating the gain region of the laser and the wavelength selective grating, and can obtain a wavelength tunable region of about 5 to 10 nm, so that the wavelength is tunable with one semiconductor laser manufacturing process. You can make a laser diode. Therefore, DBR-LD has the advantage of being simpler to manufacture compared to the external resonator laser structure. However, the DBR-LD has a disadvantage in that the semiconductor composition of the laser gain region and the grating region are different, and thus it is necessary to grow the semiconductor crystal several times.
  • the method of varying the wavelength using DFB-LD uses the characteristic that the wavelength emitted from the semiconductor laser varies depending on the temperature of the semiconductor laser.
  • DFB-LD has the advantage of simple fabrication because the number of semiconductor crystal growth is reduced.
  • InP-based semiconductors are used to manufacture semiconductor lasers in the corresponding wavelength band.
  • the active layer that generates laser light in the semiconductor shows a wavelength change according to a temperature change of 0.09 nm/°C.
  • the wavelength interval of 100GHz corresponds to 0.8nm.
  • the wavelength change occurs as much as one channel at 100GHz. Therefore, in the case of having 4 channels of 0.8 nm interval, the wavelength range of 4 channels is 2.4 nm corresponding to 3 channels. This means that when the temperature of the semiconductor laser diode changes by about 27°C, the semiconductor laser diode can implement all 1, 2, 3, and 4 channels.
  • the wavelength of the semiconductor laser changes according to the change of temperature, and the external environment temperature changes from time to time.
  • an element called a thermoelectric element capable of heating and cooling by an electric method is used.
  • the cooling capacity of the thermoelectric element is only about 50°C, and the external environment temperature can rise to 85°C. Therefore, the semiconductor laser needs to be kept constant even at a temperature of 35°C or higher than the cooling capacity of the thermoelectric element.
  • the semiconductor laser needs to be kept constant even at a temperature of 35°C or higher than the cooling capacity of the thermoelectric element.
  • the semiconductor laser As the temperature of the semiconductor laser rises, the laser emission characteristics rapidly deteriorate. Therefore, it is generally desirable to use a semiconductor laser within 80°C.
  • DFB-LD changes the temperature of the semiconductor laser to implement each channel.
  • thermoelectric element temperature 35°C, 35°C, 44°C, 53°C, 62°C, 71°C . Only 6 channels of 80°C can be implemented. Therefore, in the case of 8 channels, it is very difficult to implement using DFB-LD.
  • the optical signal is composed of a “1” signal with a strong signal strength and a “0” signal with a weak signal strength.
  • the signal changes from “0” signal to “1” signal
  • the current injected into the semiconductor laser diode changes, and accordingly, a chirp phenomenon in which the wavelength of the laser light changes minutely occurs at the time the signal changes. do.
  • the wavelength of the laser light constituting the “1” signal is composed of various wavelengths. This chirp phenomenon occurs more severely when the difference between the current injected into the semiconductor laser diode according to the “1” signal and the “0” signal is large.
  • the external cavity structure has a long resonator length, making it difficult to obtain a bit rate of 10 Gbps, and DBR-LD or DFB-LD with a short resonator length is relatively easy to obtain a bit rate of 10 Gbps, but a chirp phenomenon. Due to this serious problem, long distance communication over 20Km is difficult.
  • a conventional optical device includes a dichroic filter disposed at 45 degrees in the path of each laser light after collimating the laser light emitted from two laser diode chips having an orthogonal optical path. , One laser light is transmitted through the dichroic filter, and the other laser light is reflected by the dichroic filter. Accordingly, the two laser beams emitted from the conventional optical device can be combined into one optical fiber by matching their traveling paths into one.
  • a dichroic filter disposed at 45 degrees with respect to the optical path is not implemented in a narrow wavelength range with transmission and reflection characteristics.
  • FIG. 1 is a graph showing transmission/reflection characteristics according to wavelength of a 45 degree dichroic filter.
  • the laser light incident at 45 degrees in FIG. 1 shows a characteristic in which the transmission/reflection characteristics gradually change over a range of 20 nm. That is, when the laser light emitted from the plurality of laser diode chips has an interval of at least 20 nm or more, the conventional optical device can operate effectively.
  • the optical device should be able to control transmission/reflection differently by classifying light having a wavelength difference of 100 GHz according to wavelength.
  • the characteristics of the transmission wavelength vary according to the incident angle of the laser light, and the incident angle dependence of the transmission wavelength has a characteristic of about 6 nm/1 o .
  • the angle of the laser light incident on the filter must be stabilized within 0.7°.
  • the wavelength used for communication cannot be exactly matched to the ITU-T channel, a certain amount of wavelength mismatch must be allowed, and in general, an error of +/- 20GHz is allowed for the wavelength of each channel.
  • the angle at which the laser light enters the filter is preferably within 0.4°. It needs to be adjusted within 0.1°. Since the precision of this angle adjustment requires very precise control, it is shown that the conventional optical device is not suitable for mixing laser light having a wavelength interval within 100 GHz (0.8 nm) to be attempted in the present invention.
  • a conventional optical device laser light emitted from a plurality of laser diode chips is optically coupled to an array-type waveguide device and combined to have one optical path, and then some laser power is branched on the combined optical path. It is sent to the etalon filter, and the rest of the laser light is combined with an optical fiber without passing through the etalon filter.
  • Such an array-type waveguide device is a very expensive component because it is difficult to fabricate, which increases the price of an optical device.
  • An embodiment of the present invention provides an optical device manufactured using a flat filter that is capable of tunable in a wide wavelength range, which is difficult to obtain with a single semiconductor laser diode chip, can transmit a long distance, and is easy to manufacture. Dale has a purpose.
  • a plurality of light sources for outputting laser light having a preset polarization direction, and a polarizer for changing a polarization direction of the laser light in front of any one of the plurality of light sources in a direction in which the light travels
  • An optical device comprising: a first filter for selectively transmitting or reflecting incident light according to a polarization direction of laser light, and a second filter for improving an extinction ratio of laser light that has passed through the polarization filter.
  • the optical device further comprises a first beam splitter for branching a part of light flowing into the second filter and a second beam splitter for branching a part of light exiting through the second filter. It is characterized.
  • the optical device further comprises a first photodiode sensing light diverging from the first beam splitter and a second photodiode sensing light diverging from the second beam splitter To do.
  • a first light source that outputs laser light having a preset polarization direction
  • a second light source that outputs laser light having a polarization direction different from that of the first light source, and incident according to the polarization direction of the laser light It provides an optical device comprising a first filter for selectively transmitting or reflecting light, and a second filter for improving an extinction ratio of laser light passing through the polarizing filter.
  • any one of the first light source and the second light source is arranged in a different direction from the other one or has a TM mode (Transverse Magnetic Field).
  • the first filter transmits a part of the incident light irrespective of the polarization direction and reflects the remaining part of the incident light instead of selectively transmitting or reflecting the incident light according to the polarization direction of the laser light. It is characterized.
  • a wavelength can be tunable in a wide wavelength range that is difficult to obtain with a single semiconductor laser diode chip, long-distance transmission is possible, and manufacturing is easy.
  • 1 is a graph showing transmission/reflection characteristics according to wavelength of a 45 degree dichroic filter.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an optical device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a graph showing transmission/reflection characteristics according to polarization and wavelength of a polarization filter.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating signal characteristics output from an optical device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing polarization characteristics of a conventional semiconductor laser diode chip.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration of an optical device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing a configuration of an optical device according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram showing a configuration of an optical device according to a fourth embodiment of the present invention.
  • first, second, A, and B may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. These terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, without departing from the scope of the present invention, a first element may be referred to as a second element, and similarly, a second element may be referred to as a first element.
  • the term and/or includes a combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
  • each configuration, process, process, or method included in each embodiment of the present invention may be shared within a range not technically contradicting each other.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an optical device according to a first embodiment of the present invention.
  • the optical device 200 includes semiconductor laser diodes 101 and 103, collimating lenses 201 and 202, a polarizing filter 301, a beam splitter 302, and 303), photodiodes 401 and 402, an etalon filter 500, and a polarizer 601.
  • the plurality of semiconductor laser diodes 101 and 103 output laser light toward the collimating lenses 201 and 202 disposed on the front surface of each laser diode chip.
  • Light output from each of the semiconductor laser diodes 101 and 103 is output with the same polarization direction.
  • each of the semiconductor laser diodes 101 and 103 may have a polarization direction in a direction passing through the polarization filter 301 or may have a polarization direction in a direction reflected from the polarization filter 301.
  • the collimating lenses 201 and 202 collimate the light output from the respective semiconductor laser diodes 101 and 103.
  • the polarizer 601 is disposed in front of any one of the collimating lenses 201 and 202 on the path through which light is output through the collimating lens to change the polarization state of the light passing through the collimating lenses 201 and 202. .
  • the polarizer 601 is disposed in front of the collimating lens 201 so that the laser light emitted from the laser diode 101 has a polarization direction transmitted from the polarizing filter 301 or in front of the collimating lens 202 It is disposed so that the laser light emitted from the laser diode 103 has polarization reflected by the polarization filter 301.
  • the polarization filter 301 selectively transmits or reflects incident light according to a polarization direction and wavelength band of incident light.
  • the characteristics of the polarization filter 301 are shown in FIG. 3.
  • FIG. 3 is a graph showing transmission/reflection characteristics according to polarization and wavelength of a polarization filter.
  • the polarization filter 301 has different transmission/reflection characteristics depending on whether the incident laser light is S-polarized or P-polarized. According to the graph of FIG. 3, when the laser light incident at 45 degrees to the polarization filter 301 is P-polarized light, the polarization filter 310 has a characteristic of transmitting most of the light. On the other hand, when the laser light incident at 45 degrees to the polarization filter 301 is S-polarized light, the polarization filter 310 has a characteristic of reflecting most of the light. That is, even if the light incident on the polarization filter 301 has the same wavelength, the transmittance of the polarization filter 301 is 100% and 10% according to the polarization state, which has a very severe difference. Therefore, when the incident light is P-polarized light, the polarizing filter 301 transmits most of the incident light, and when the incident light is S-polarized light, the polarizing filter 301 reflects most of the incident light.
  • the polarization states of the lights output from each semiconductor laser diode are the same.
  • the polarizer 601 is disposed on any one optical path, so that the polarization state of any one light varies.
  • the polarizer 601 is disposed in front of the collimating lens 201 so that the laser light emitted from the laser diode 101 is P -Have a polarization state.
  • the laser light emitted from the semiconductor laser diode 101 passes through the polarizing filter 601, while the laser light emitted from the semiconductor laser diode 103 is reflected by the polarizing filter 601.
  • the polarizer 601 is disposed in front of the collimating lens 202 so that the laser light emitted from the semiconductor laser diode 101 is S- Try to have a polarization state. Accordingly, the laser light emitted from the semiconductor laser diode 101 passes through the polarizing filter 601, while the laser light emitted from the semiconductor laser diode 103 is reflected by the polarizing filter 601.
  • the laser light output from each of the semiconductor laser diodes 101 and 103 passes through the polarization filter 301 and is output through one optical path, each of the semiconductor laser diodes 101 and 103
  • the laser light output from) is described as if it is orthogonal, but it may be set to an arbitrary angle in connection with the angle of the polarization filter 301. It is important that the laser light reflected from the polarizing filter 301 and the laser light transmitted through the polarizing filter 301 have a single optical path.
  • the beam splitter 302 is disposed in front of the polarization filter 301 on the path of the light passing through the polarization filter 301 and diverges a part of the light passing through the polarization filter 301 into the photodiode 401.
  • the beam splitter 302 transmits a part of the incident light at a certain ratio and reflects the remaining part to branch into the photodiode 401 regardless of the wavelength or polarization direction of the laser light.
  • the intensity of the laser light branched to the photodiode 401 may be 10% or less of the total intensity of light incident on the beam splitter 302.
  • the etalon filter 500 introduces light that has passed through the beam splitter 302 and increases the ratio of the intensity of the “1” signal and the “0” signal by using the difference in wavelength between the “1” signal and the “0” signal.
  • the optical characteristics of the etalon filter 500 are shown in FIG. 4.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating signal characteristics output from an optical device according to an embodiment of the present invention.
  • the conventional etalon filter adjusts the signal of laser light emitted from a single laser diode chip to make it suitable for long-distance transmission characteristics, so the optical device including the conventional etalon filter performs a wavelength tunable function. This has not enough problems.
  • the optical device 200 according to an embodiment of the present invention is an element that enables long-distance transmission while expanding a wavelength variable region of a conventional DFB-LD, and transmits laser light output from a plurality of laser diode chips. Combined, the combined light passes through the etalon filter 500 so that light can be simultaneously transmitted in a wide wavelength variable range and long distance.
  • the wavelength of the laser light In order to increase the extinction ratio of the signal (the ratio of the signal intensity of the “1” signal and the “0” signal) for long distance transmission, the wavelength of the laser light must match the peak of the etalon filter accurately. For this, the intensity of laser light must be measured before and after the etalon filter.
  • the beam splitters 302 and 303 before and after the etalon filter 500 are disposed on the path of light, and the photodiodes 401 and 402 sense a part of the light diverged from the beam splitters 302 and 303
  • the peak of the etalon filter 500 and the wavelength of the laser light can be exactly matched.
  • the laser light that has passed through the etalon filter 500 is again diverged by the beam splitter 303, and a part of the light incident on the beam splitter 303 is incident on the photodiode 402.
  • the laser light passing through the beam splitter 303 proceeds to an optical fiber (not shown) and is used for optical communication.
  • the optical device 200 can transmit the laser light emitted from the semiconductor laser diode 101 toward the etalon filter 500 almost without loss using the polarization filter 301, and the semiconductor laser The laser light emitted from the diode 103 may be reflected toward the etalon filter 500 with little loss. Therefore, the optical device 200 includes a polarizer 601 for converting a polarization direction of light output from any one semiconductor laser diode.
  • the semiconductor laser diode 101 since the laser diode chip has a TE mode (transverse electric field mode) in a direction parallel to the active layer of the chip, the semiconductor laser diode 101 is vertically arranged or TM mode (transverse magnetic field) is set from the beginning.
  • the branch In the case of using the semiconductor laser diode 103, the branch can operate in the same manner as the optical device 200 even if it does not include a polarizer.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration of an optical device according to a second embodiment of the present invention.
  • the optical device 600 does not include a polarizer 601 in the configuration of the optical device 200.
  • the semiconductor laser diode 101 when the semiconductor laser diode 101 is vertically arranged, or when the semiconductor laser diode 103 operates in TM mode (transverse magnetic field) from the beginning, the semiconductor laser diode 101 does not include a polarizer.
  • the output light may pass through the polarization filter 301, and the light output from the semiconductor laser diode 103 may be reflected by the polarization filter 301.
  • laser light emitted from a plurality of laser diode chips is combined into a single optical path with almost no loss by using a polarization filter 301.
  • a certain amount of laser light insertion loss is allowed, it is possible to manufacture an optical device capable of performing long-distance transmission by varying the wavelength in a wide wavelength range in a more convenient way.
  • the optical device using a plurality of DFB-LDs, a plurality of photodiodes before and after the etalon filter and a plurality of photodiodes before and after the etalon filter for enabling long-distance communication of laser light emitted from each laser diode chip
  • the laser diode chip is commonly used, the number of parts is reduced and assembly is simplified compared to the case where each etalon filter is applied to each laser diode chip. Therefore, the optical device according to an embodiment of the present invention can be tuned in a wide wavelength, and long-distance transmission is possible.
  • FIG. 7 is a diagram showing a configuration of an optical device according to a third embodiment of the present invention.
  • the optical device 700 further includes a light intensity branching filter 701 instead of the polarizing filter 301 and the beam splitter 302 of the optical device 600. do.
  • the light intensity branching filter 701 is disposed at an intersection point of laser light having the same polarization emitted from each of the semiconductor laser diodes 101 and 103 to branch the beam at a constant ratio regardless of the wavelength. It is preferable that the light intensity branching filter 701 divides the transmitted light and the reflected light at a 50:50 ratio.
  • the light intensity branching filter 701 preferably has a transmittance of 50%.
  • the transmittance of the light intensity branching filter 701 may vary according to circumstances. Since the light intensity branching filter 701 operates regardless of polarization, each of the semiconductor laser diodes 101 and 103 may output laser light in the same polarization direction.
  • the laser light emitted from the semiconductor laser diode 101 and reflected by the light intensity branching filter 701 is reflected by the photodiode 401.
  • the laser light emitted from the semiconductor laser diode 101 and transmitted through the light intensity branching filter 701 is transmitted to the optical fiber.
  • the laser light emitted from the semiconductor laser diode 103 and transmitted through the light intensity branching filter 701 is transmitted to the photodiode 401, and is emitted from the semiconductor laser diode 103 to be emitted from the light intensity branching filter 701.
  • the reflected laser light is transmitted to the optical fiber.
  • the extinction ratio of the "1" signal and the "0" signal is increased by the etalon filter 500 for the laser light combined into one optical path by the light intensity branching filter 701. Part of the laser light that has passed through the etalon filter 500 is reflected by the beam splitter 303 and reflected by the photodiode 402, and the laser light passing through the beam splitter 303 is combined into an optical fiber and used for optical communication. .
  • FIG. 8 is a diagram showing a configuration of an optical device according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the optical device 800 according to the fourth embodiment of the present invention further includes photodiodes 403 and 404 instead of the beam splitter 302 and photodiode 401 of the optical device 600. .
  • the photodiodes 403 and 404 receive laser light emitted from the rear surface of each semiconductor laser diode 101 and 103 (based on the normal optical path), and before the light enters the etalon filter, the semiconductor laser diode The intensity of laser light output at (101, 103) is sensed.
  • the photodiodes 403 and 404 replace the function of the photodiode 401 in the optical device 600.
  • the optical device 600 may also include photodiodes 403 and 404 instead of the photodiode 401.
  • the beam splitter 302 in the optical device 600 is also eliminated.
  • the laser light emitted by the semiconductor laser diodes 101 and 103 in the optical device according to each embodiment of the present invention is a laser light having one optical path by the polarization filter 301 or the light intensity branching filter 701 Although it is expressed as being combined, this does not mean that the (101) laser diode chip and the (103) laser diode chip operate simultaneously.
  • the respective semiconductor laser diodes 101 and 103 operate at different times, if the path of the laser light emitted from the semiconductor laser diode 101 and the path of the laser light emitted from the semiconductor laser diode 103 become the same, the present invention Satisfies the characteristics according to each embodiment of.
  • the laser diode chip according to each embodiment of the present invention sensitively changes the wavelength according to the temperature of about 0.09 nm/°C, but the etalon filter moves about 0.003 nm/°C with respect to the temperature.
  • etalon filters whose transmission wavelength is fixed almost regardless of temperature, but this is a very expensive etalon filter. Therefore, since the transmission wavelength of the low-cost etalon filter varies depending on the temperature, the etalon filter must be set to have a transmission wavelength corresponding to a preset channel at a specific temperature. To do this, the transmission wavelength of the etalon filter must be adjusted to a specific temperature corresponding to the channel.
  • thermoelectric devices are arranged in these small devices to independently control the temperature. It is preferable that the diode chip and the etalon filter are mounted and operated at the same time. Since the etalon filter has a cyclic characteristic having a period that matches the interval of the channel, it is more preferable to control the temperature of the laser diode chip regardless of the temperature of the thermoelectric element. This characteristic can be achieved by mounting a separate heater on the laser diode chip.
  • the temperature of Ch 1 is 35°C
  • the temperature of Ch 2 is 44°C
  • the temperature of Ch 3 is 53°C
  • the temperature of Ch 4 is 62°C. Therefore, if the etalon filter is adjusted to have the transmission peaks of the etalon filter at 35°C, 44°C, 53°C and 62°C, the wavelength of the four channels can be easily adjusted.
  • the semiconductor laser diode 103 it is necessary to make Ch 5 at 35°C, Ch 6 at 44°C, Ch 7 at 53°C, and Ch 4 at 62°C. Since it is difficult to precisely select the temperature of the laser diode chip as described above, it is difficult to finely control the temperature of each laser diode chip by installing a heater on the semiconductor laser diode 101 or the semiconductor laser diode 103. desirable.
  • thermoelectric element that controls the temperature of the optical module can control the channel of each semiconductor laser using the heater while maintaining the temperature at a constant temperature.
  • each channel can be implemented by the etalon filter having a free spectral range (FSR) corresponding to the channel interval.
  • the heater attached to the laser diode chip is made of a metal thin film, has a certain resistance, is driven by a separate power source, and may be formed on an active layer in which the laser light of the laser diode chip is formed.
  • the resistance of the heater may have a resistance value of about 5 ⁇ to 50 ⁇ .
  • an optical device having a wide wavelength tunable range and capable of long-distance transmission can be manufactured using a simple flat filter and a beam splitter.
  • an optical device when long-distance transmission characteristics are not required, an optical device may be implemented using a low-cost DFB-LD that does not include an etalon filter, thereby enabling a wide wavelength tunability.
  • the optical device according to each embodiment of the present invention uses a plurality of laser diode chips, but unlike the conventional optical device, which is applied only when the wavelength band covered by each laser diode chip is divided into a wide wavelength of at least 20 nm or more, 0.8 nm It can be applied even if it has a narrow wavelength interval within the range.
  • the optical device according to each embodiment of the present invention has excellent advantages in terms of manufacturing and cost in that it does not include an expensive array-type waveguide device.
  • the optical device according to each embodiment of the present invention may be usefully used in DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) having a wavelength spacing of 0.8 nm, which is of increasing importance recently.
  • DWDM Dens Wavelength Division Multiplexing
  • thermoelectric element and the optical fiber are not shown in the city of the present invention, it is obvious that a thermoelectric element and an optical fiber are required to implement the present invention.

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Abstract

장거리 통신이 가능하며 파장 가변 범위가 넓은 광소자를 개시한다. 본 실시예의 일 측면에 의하면, 기 설정된 편광방향을 갖는 레이저 광을 출력하는 복수의 광원과 광이 진행하는 방향으로 상기 복수의 광원 중 어느 하나의 광원의 전방에 레이저 광의 편광방향을 변경하는 편광자와 레이저 광의 편광 방향에 따라 입사되는 광을 선택적으로 투과시키거나 반사시키는 제1 필터 및 상기 편광 필터를 거친 레이저 광의 소광비를 향상시키는 제2 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자를 제공한다.

Description

장거리 통신이 가능하며 파장 가변 범위가 넓은 광소자
본 발명은 장거리 통신이 가능하며 파장 가변의 범위가 넓은 발광 광소자에 관한 발명이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 일 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
최근에 채널간의 간격이 100GHz 정도로 조밀한 파장 가변 레이저를 이용한 광통신이 수행되고 있다. 광통신의 주파수와 파장의 곱셈(product)은 광속으로 일정하므로 주파수의 변화는 파장의 변화와 1:1의 관계를 가진다. 그러므로 앞으로는 파장과 주파수를 혼용하여 쓰도록 한다. 통신에 사용되는 채널의 숫자는 여러 가지 규격에 따라 달라지고 있다. 예를 들어, 파장 가변 레이저를 이용하는 NG-PON2(ITU-T G.989.2) 통신 규격은 100GHz의 파장 간격을 가지는 4채널 또는 8채널을 채널 수로 정의하고 있다. 현재 통신에 사용되는 파장 가변 레이저는 외부 공진기 레이저(External Cavity Laser) 구조를 이용하는 방법, 3섹션 DBR-LD(Distributed Bragg Laser Diode)를 이용한 방법 또는 DFB-LD(Distributed Feedback Laser Diode)를 온도 조절하는 방법을 이용하여 파장을 변환시키고 있다.
이러한 방법 중 외부 공진기 레이저 구조를 이용한 방법은 반도체 레이저를 포함하는 공진기를 형성하고, 이 공진기 내부에 파장을 가변 시킬 수 있는 구성을 삽입한 후 파장 가변 구성의 파장 선택성을 달리함으로써, 파장을 가변시킨다. 그러나 이러한 방법은 각 구성간 매우 정밀한 광 정렬이 필요하고, 공진기 내에 파장 선택 메커니즘을 삽입하고 이를 조절하기가 용이하지 않으므로 광소자의 가격이 높아지는 단점이 있으며, 또한 공진기가 길어짐으로써 10Gbps급의 고속 통신이 어려운 단점이 있다.
이에 비해, DBR-LD는 레이저의 이득 영역과 파장 선택성 격자 영역(grating)을 분리한 반도체 레이저 다이오드 칩으로써, 5~10nm 정도의 파장 가변 영역을 얻을 수 있어, 하나의 반도체 레이저 제작 공정으로 파장 가변 레이저 다이오드를 제작할 수 있다. 따라서 DBR-LD는 외부 공진기 레이저 구조에 비해 제작이 간단한 장점이 있다. 그러나 DBR-LD는 레이저 이득 영역과 격자 영역(grating)의 반도체 조성이 달라지게 되어, 여러 번의 반도체 결정 성장이 필요하게 되는 단점이 있다.
위의 두 가지 방법에 비해, DFB-LD를 이용하여 파장을 가변하는 방법은 반도체 레이저에서 발진하는 파장이 반도체 레이저의 온도에 따라 달라지는 특성을 이용한다. DBR-LD와 달리, DFB-LD는 반도체 결정 성장의 횟수가 줄어들어 제작이 간단한 장점이 있다. 광통신 영역에 주로 사용되는 1.26nm~1.65nm 영역의 파장 대역에서는 InP를 기반으로 하는 반도체가 해당 파장대역의 반도체 레이저 제작에 사용된다. 이러한 반도체 내 레이저 광을 만들어내는 활성층(active layer)은 0.09nm/℃ 의 온도 변화에 따른 파장변화를 보인다. 장거리 광통신에 주로 사용되는 1.55um 파장대에서 100GHz의 파장 간격은 0.8nm에 해당한다. DFB-LD의 온도가 9℃ 정도 바뀌면, 100GHz 1개 채널 만큼의 파장 변화가 발생한다. 그러므로 0.8nm 간격의 4채널을 가지는 경우, 4개 채널의 파장의 범위는 3개 채널에 해당하는 2.4nm이다. 이는 반도체 레이저 다이오드의 온도가 27℃ 정도 변할 경우, 반도체 레이저 다이오드는 1, 2, 3, 4 채널 모두를 구현 할 수 있게 된다.
반도체 레이저는 온도의 변화에 따라 파장이 달라지게 되며, 외부 환경온도는 수시로 달라지게 된다. 이와 같이 수시로 변화하는 외부 온도에 대해 일정하게 반도체 레이저의 온도를 유지하기 위해, 전기적 방법으로 가열과 냉각이 가능한 열전소자라는 소자가 이용되고 있다. 그러나 열전소자의 냉각능력은 50℃ 정도에 불과하며, 외부 환경 온도는 85℃까지 올라갈 수 있다. 그러므로 반도체 레이저는 열전소자의 냉각능력보다 35℃ 이상의 온도에서도 일정하게 온도가 유지될 필요가 있다. 그리고 반도체 레이저는 온도가 올라감에 따라, 레이저 발광 특성이 급격히 나빠지는 특성이 있다. 그러므로 통상적으로 반도체 레이저는 80℃ 이내에 사용하는 것이 바람직하다. 100GHz 간격인 경우에서, DFB-LD는 반도체 레이저의 온도를 변화시켜 각 채널을 구현함에 있어 채널1을 열전소자 온도 35℃에서 구현 할 경우, 35℃, 44℃, 53℃, 62℃, 71℃, 80℃의 6개의 채널만 구현이 가능하다. 그러므로 8개의 채널인 경우에는 DFB-LD를 이용하여 구현하는 것이 매우 어렵다.
또한, 반도체 레이저의 경우에 광신호는 신호의 세기가 강한 “1” 신호와 신호의 세기가 약한 “0” 신호로 구성된다. 특히, “0” 신호에서 “1” 신호로 신호가 바뀔 때 반도체 레이저 다이오드로 주입되는 전류가 달라지게 되며, 이에 따라 신호가 바뀌는 시점에서 레이저 광의 파장이 미세하게 바뀌는 첩(Chirp) 현상이 발생하게 된다. 이에 따라, “1” 신호를 구성하는 레이저 광의 파장이 다양한 파장으로 구성된다. 이러한 첩(Chirp) 현상은 “1” 신호와 “0” 신호에 따라 반도체 레이저 다이오드로 주입되는 전류의 차이가 크면 더 심하게 발생한다. 광섬유의 경우에는 파장에 따라 빛의 전파 속도가 달라지는 분산(Dispersion) 현상이 발생하게 되며, 이에 따라 광섬유로 전달되는 빛이 장거리로 진행됨에 따라 신호가 퍼져 각 신호의 구분이 곤란해진다. 분산(Dispersion) 현상은 광신호의 비트 레이트(Bit Rate)가 높아지게 되면 더 심해지게 되며, 통신의 거리가 멀어지면 더 심해지게 된다. 그러므로 반도체 레이저로 주입되는 전류의 차이가 적어 “1” 신호와 “0” 신호의 신호 차이가 작을 경우 신호 구분이 어려워지는 단점이 있다. 신호가 잘 구별될 수 있도록 “1” 신호와 “0” 신호의 세기 차이가 증가할 경우, 첩(Chirp) 현상이 심해져 장거리 전송이 어려워지는 단점이 있다.
그러므로 External cavity 구조는 공진기 길이가 길어져 10Gbps급의 비트 레이트를 얻기가 어렵고, 공진기의 길이가 짧은 DBR-LD 또는 DFB-LD는 10Gbps급의 비트 레이트를 얻기는 상대적으로 용이하나, 첩(Chirp) 현상이 심각하여 20Km 이상의 장거리 통신이 어려운 단점이 있다.
종래에 하나의 광소자 패키지 안에 복수의 레이저 다이오드 칩을 장착하여 다양한 파장에 대응하는 광소자가 존재한다. 종래의 광소자는 서로 직교하는 광 경로를 가지는 2개의 레이저 다이오드 칩에서 방출된 레이저 광을 각각 시준화 시킨 후, 각각의 레이저 광의 진행 경로에 45도로 배치되는 다이크로익 필터(Dichroic Filter)를 포함하며, 어느 하나의 레이저 광을 다이크로익 필터에 투과시키고, 나머지 하나의 레이저 광을 다이크로익 필터에서 반사시킨다. 이에 따라, 종래의 광소자에서 방출된 두 개의 레이저 광은 하나로 진행 경로가 일치되어 하나의 광섬유로 결집될 수 있다. 그러나 광 경로에 대해 45도로 배치되는 다이크로익 필터는 투과와 반사의 특성이 좁은 파장의 범위 내에서는 구현되지 아니한다.
도 1은 45도 다이크로익 필터의 파장에 따른 투과/반사 특성을 도시한 그래프이다. 도 1에서 45도로 입사하는 레이저 광은 투과/반사 특성이 20nm 의 범위에 걸쳐 서서히 변화하는 특성을 보여준다. 즉, 복수의 레이저 다이오드 칩에서 방출되는 레이저 광이 최소한 20nm 이상의 간격을 가질 때, 종래의 광소자는 효과적으로 작동할 수 있다. 그러나 본 발명에서 추구하는 바인 100GHz 간격의 8채널 이상을 파장 가변하는 레이저를 종래의 광소자와 같이 복수의 레이저 다이오드 칩으로 구현하고자 할 때, 각 레이저 다이오드 칩이 담당하는 파장 영역 사이의 간격은 100GHz이므로, 광소자가 100GHz의 파장 차이를 가지는 빛을 파장에 따라 구분하여 각각 투과/반사를 달리 제어할 수 있어야 한다. 도 1에서 45도 dichroic 필터의 경우, 레이저 광의 입사각도에 따라 투과 파장의 특성이 달라지며, 이러한 투과 파장의 입사 각도 의존성은 6nm/1o 정도의 특성을 갖는다. 이로부터 0.8nm의 간격을 파장을 효과적으로 투과/반사시키기 위해서는, 필터에 입사하는 레이저 광의 각도가 0.7° 이내로 안정화되어야 된다. 그러나 통신에 사용되는 파장이 정확히 ITU-T 채널에 일치 할 수는 없으므로 어느 정도의 파장 불일치가 허용되어야 하며, 통상적으로 각 채널의 파장은 +/- 20GHz의 오차가 허용된다. 이런 점들을 고려할 때, 45도 파장 선택성 필터에 60GHz의 파장 차이가 나는 레이저 광이 입사된다면, 파장에 따라 투과/반사가 달라지기 위해서는, 레이저 광이 필터에 입사하는 각도가 0.4° 이내 바람직하게는 0.1° 이내에서 조절되는 것이 필요하다. 이러한 각도 조절의 정밀도는 매우 정밀한 제어가 필요하므로, 종래의 광소자는 본 발명에서 시도하고자 하는 100GHz(0.8nm) 이내의 파장 간격을 가지는 레이저 광을 혼합하는 용도로는 적절하지 않음을 보여준다.
종래의 광소자는 복수의 레이저 다이오드 칩에서 방출되는 레이저 광을 어레이(Array)형 웨이브가이드(Waveguide) 소자에 광 결합시켜 하나의 광 경로를 가지도록 합친 후, 합쳐진 광경로상에서 일부 레이저 파워를 분기하여 에탈론 필터로 보내고, 나머지 레이저 광은 에탈론 필터를 거치지 않고 광섬유로 결합시키는 방법을 이용하고 있다. 이러한 어레이형 웨이브가이드 소자는 제작이 어려워 매우 고가의 부품이므로, 광소자의 가격을 상승시키는 요인이 된다.
본 발명의 일 실시예는, 하나의 반도체 레이저 다이오드 칩으로 얻기 어려운 넓은 파장의 범위에서 파장 가변이 가능하며, 장거리 전송이 가능하며, 제작이 용이한 평판형 필터를 이용하여 제작되는 광소자를 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 기 설정된 편광방향을 갖는 레이저 광을 출력하는 복수의 광원과 광이 진행하는 방향으로 상기 복수의 광원 중 어느 하나의 광원의 전방에 레이저 광의 편광방향을 변경하는 편광자와 레이저 광의 편광 방향에 따라 입사되는 광을 선택적으로 투과시키거나 반사시키는 제1 필터 및 상기 편광 필터를 거친 레이저 광의 소광비를 향상시키는 제2 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 광소자는 상기 제2 필터로 유입되는 광의 일부를 분기시키는 제1 빔 스플리터 및 상기 제2 필터를 거쳐 유출되는 광의 일부를 분기시키는 제2 빔 스플리터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 광소자는 상기 제1 빔 스플리터로부터 분기되는 광을 센싱하는 제1 포토 다이오드 및 상기 제2 빔 스플리터로부터 분기되는 광을 센싱하는 제2 포토 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 기 설정된 편광 방향을 갖는 레이저 광을 출력하는 제1 광원과 상기 제1 광원과 상이한 편광 방향을 갖는 레이저 광을 출력하는 제2 광원과 레이저 광의 편광 방향에 따라 입사되는 광을 선택적으로 투과시키거나 반사시키는 제1 필터 및 상기 편광 필터를 거친 레이저 광의 소광비를 향상시키는 제2 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제1 광원 및 제2 광원 중 어느 하나는 나머지 하나와 배치되는 방향이 상이하거나, TM mode(Transverse Magnetic Field)를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제1 필터는 레이저 광의 편광 방향에 따라 입사되는 광을 선택적으로 투과시키거나 반사시키는 대신, 편광 방향과 무관하게 입사되는 광의 일부를 투과시키고 나머지 일부를 반사시키는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 측면에 따르면, 하나의 반도체 레이저 다이오드 칩으로 얻기 어려운 넓은 파장의 범위에서 파장 가변이 가능하며, 장거리 전송이 가능하며, 제작이 용이한 장점이 있다.
도 1은 45도 다이크로익 필터의 파장에 따른 투과/반사 특성을 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 편광 필터의 편광과 파장에 따른 투과/반사 특성을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광소자에서 출력되는 신호 특성을 도시한 도면이다.
도 5는 종래의 반도체 레이저 다이오드 칩의 편광 특성을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광소자의 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 광소자의 구성을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 광소자의 구성을 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자의 구성을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 광소자(200)는 반도체 레이저 다이오드(101, 103), 시준화 렌즈(201, 202), 편광 필터(301), 빔 스플리터(302, 303), 포토 다이오드(401, 402), 에탈론 필터(500) 및 편광자(601)를 포함한다.
복수의 반도체 레이저 다이오드(101, 103)은 각각의 레이저 다이오드 칩의 전면에 배치된 시준화 렌즈(201, 202)를 향해 레이저 광을 출력한다. 각 반도체 레이저 다이오드(101, 103)로부터 출력된 광은 동일한 편광 방향을 가지는 상태로 출력된다. 예를 들어, 각 반도체 레이저 다이오드(101, 103)는 모두 편광 필터(301)를 투과하는 방향의 편광 방향을 갖거나, 편광 필터(301)로부터 반사되는 방향의 편광 방향을 가질 수 있다.
시준화 렌즈(201, 202)는 각 반도체 레이저 다이오드(101, 103)로부터 출력된 광을 시준화한다.
편광자(601, Polarizer)는 시준화 렌즈를 거쳐 광이 출력되는 경로 상에서 어느 하나의 시준화 렌즈(201, 202)의 전방에 배치되어 시준화 렌즈(201, 202)를 거친 광의 편광 상태를 변경한다. 편광자(601)는 시준화 렌즈(201)의 전방에 배치되어 레이저 다이오드(101)에서 방출된 레이저 광이 편광 필터(301)에서 투과하는 편광 방향을 가지게 하거나, 시준화 렌즈(202)의 전방에 배치되어 레이저 다이오드(103)에서 방출된 레이저 광이 편광 필터(301)에서 반사하는 편광을 갖도록 할 수 있다.
편광 필터(301)는 입사하는 광의 편광 방향과 파장대역에 따라 입사되는 광을 선택적으로 투과시키거나 반사시킨다. 편광 필터(301)의 특성에 관해서는 도 3에 도시되어 있다.
도 3은 편광 필터의 편광과 파장에 따른 투과/반사 특성을 도시한 그래프이다.
편광 필터(301)는 입사하는 레이저 광이 S-편광이냐, P-편광이냐에 따라 투과/반사 특성이 달라진다. 도 3의 그래프에 따르면, 편광 필터(301)로 45도로 입사하는 레이저 광이 P-편광일 경우, 편광 필터(310)는 광의 대부분을 투과시키는 특성을 갖는다. 반면, 편광 필터(301)로 45도로 입사하는 레이저 광이 S-편광일 경우, 편광 필터(310)는 광의 대부분을 반사시키는 특성을 가지고 있다. 즉, 편광 필터(301)로 입사하는 광이 동일한 파장을 갖더라도, 편광상태에 따라 편광 필터(301)의 투과율은 100%와 10%로 매우 심한 격차를 갖는다. 그러므로 입사광이 P-편광의 광일 경우, 편광 필터(301)는 입사광 대부분을 투과시키고, 입사광이 S-편광의 광일 경우, 편광 필터(301)는 입사광 대부분을 반사시킨다.
다시 도 2를 참조하면, 각 반도체 레이저 다이오드로부터 출력되는 광들의 편광 상태는 동일하다. 다만, 출력되는 광의 편광 상태에 따라, 어느 하나의 광 경로 상에 편광자(601)가 배치되어, 어느 하나의 광의 편광 상태가 달라지게 된다. 예를 들어, 각 반도체 레이저 다이오드로부터 출력되는 광들이 모두 S-편광 상태를 가질 경우, 편광자(601)는 시준화 렌즈(201)의 전방에 배치되어 레이저 다이오드(101)에서 방출된 레이저 광이 P-편광 상태를 갖도록 한다. 이에 따라, 반도체 레이저 다이오드(101)에서 방출된 레이저 광은 편광 필터(601)를 투과하는 반면, 반도체 레이저 다이오드(103)에서 방출된 레이저 광은 편광 필터(601)에서 반사된다. 반대로, 각 반도체 레이저 다이오드로부터 출력되는 광들이 모두 P-편광 상태를 가질 경우, 편광자(601)는 시준화 렌즈(202)의 전방에 배치되어 반도체 레이저 다이오드(101)에서 방출된 레이저 광이 S-편광 상태를 갖도록 한다. 이에 따라, 반도체 레이저 다이오드(101)에서 방출된 레이저 광은 편광 필터(601)를 투과하는 반면, 반도체 레이저 다이오드(103)에서 방출된 레이저 광은 편광 필터(601)에서 반사된다. 편광 필터(301)의 전술한 특성에 따라, 각 반도체 레이저 다이오드(101, 103)에서 출력된 레이저 광은 편광 필터(301)를 거치며 하나의 광 경로로 출력된다, 각 반도체 레이저 다이오드(101, 103)에서 출력되는 레이저 광은 직교하는 것처럼 설명하고 있으나, 이는 편광 필터(301)의 각도와 연계되어 임의의 각도로 설정될 수 있다. 중요한 것은 편광 필터(301)에서 반사되는 레이저 광과 편광 필터(301)를 투과하는 레이저 광이 하나의 광 경로를 가지도록 설정되면 된다.
빔 스플리터(302)는 편광 필터(301)를 거친 광의 경로 상으로 편광 필터(301)의 전방에 배치되어, 편광 필터(301)를 거친 광의 일부를 포토 다이오드(401)로 분기시킨다. 빔 스플리터(302)는 레이저 광의 파장 또는 편광 방향 등과 무관하게, 입사되는 광의 일부를 일정한 비율로 투과시키고 나머지 일부를 반사시켜 포토 다이오드(401)로 분기시킨다. 여기서, 포토 다이오드(401)로 분기되는 레이저 광의 세기는 빔 스플리터(302)로 입사되는 광의 전체 세기 중 10% 이하일 수 있다.
에탈론 필터(500)는 빔 스플리터(302)를 거친 광을 유입하여 “1” 신호와 “0” 신호의 파장 차이를 이용하여 “1”신호와 “0”신호의 세기 비율을 확대한다. 에탈론 필터(500)의 광 특성은 도 4에 도시되어 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광소자에서 출력되는 신호 특성을 도시한 도면이다.
종래의 에탈론 필터는 하나의 레이저 다이오드 칩에서 방출되는 레이저 광의 신호를 조정하여 장거리 전송 특성에 적합하게 하므로, 종래의 에탈론 필터를 포함하는 광소자는 파장 가변 기능을 수행함에 있어, 파장 가변의 폭이 충분치 못한 문제를 갖는다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광소자(200)는 통상적인 DFB-LD가 가지는 파장 가변 영역을 확대함과 동시에, 장거리 전송을 가능하게 하는 소자로서, 복수의 레이저 다이오드 칩으로부터 출력되는 레이저 광을 합치고, 합쳐진 광이 에탈론 필터(500)를 거치게 함으로써, 광을 넓은 파장 가변 범위와 장거리 전송이 동시에 가능하도록 한다. 장거리 전송을 위하여 신호의 소광비 (“1”신호와 “0”신호의 신호 세기의 비율)를 키우기 위해서는, 에탈론 필터의 피크에 정확하게 레이저 광의 파장이 일치하여야 한다. 이를 위해 에탈론 필터의 전/후에서 레이저 광의 세기가 측정되어야 한다. 이를 위해, 광의 진행 경로 상에서 에탈론 필터(500)의 전/후로 빔 스플리터(302, 303)가 배치되고, 포토 다이오드(401, 402)가 빔 스플리터(302, 303)로부터 분기된 광의 일부를 센싱함으로써, 에탈론 필터(500)의 피크와 레이저 광의 파장이 정확히 일치할 수 있다.
에탈론 필터(500)를 거친 레이저 광은 다시 빔 스플리터(303)에 의해 분기되어, 빔 스플리터(303)로 입사한 광의 일부가 포토 다이오드(402)로 입사된다. 빔 스플리터(303)를 투과하는 레이저 광은 광섬유(미도시)로 진행하여 광통신에 사용된다.
다시 도 2를 참조하면, 광소자(200)는 편광 필터(301)를 사용하여 반도체 레이저 다이오드(101)에서 방출되는 레이저 광을 거의 손실없이 에탈론 필터(500) 쪽으로 투과시킬 수 있으며, 반도체 레이저 다이오드(103)에서 방출되는 레이저 광을 거의 손실 없이 에탈론 필터(500) 쪽으로 반사시킬 수 있다. 그러므로 광소자(200)는 어느 하나의 반도체 레이저 다이오드로부터 출력되는 광의 편광 방향을 변환하기 위한 편광자(601)를 포함하고 있다.
다만, 레이저 다이오드 칩은 통상적으로 칩의 활성층과 평행한 방향의 TE mode(Transverse electric field mode)를 가지므로, 반도체 레이저 다이오드(101)를 세로로 세워 배치하거나 처음부터 TM mode(transverse magnetic field)를 가지는 반도체 레이저 다이오드(103)를 사용할 경우, 편광자를 포함하지 않더라도 광소자(200)와 동일하게 동작할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광소자의 구성을 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 광소자(600)는 광소자(200)의 구성 중 편광자(601)를 포함하지 않는다. 전술한 대로, 반도체 레이저 다이오드(101)가 세로로 세워 배치되거나, 반도체 레이저 다이오드(103)가 처음부터 TM mode(transverse magnetic field)로 동작할 경우, 편광자를 포함하지 않더라도 반도체 레이저 다이오드(101)로부터 출력되는 광은 편광 필터(301)를 투과하고, 반도체 레이저 다이오드(103)로부터 출력되는 광은 편광 필터(301)에서 반사될 수 있다.
도 2와 도 6에서는 편광 필터(301)를 사용하여 거의 손실 없이 복수의 레이저 다이오드 칩에서 방출된 레이저 광을 하나의 광 경로로 결합시키고 있다. 다만, 어느 정도의 레이저 광의 삽입손실이 허용될 경우, 더욱 간편한 방법으로 넓은 파장의 범위에서 파장을 가변시키며, 장거리 전송을 수행할 수 있는 광소자의 제작이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에서는 복수의 DFB-LD를 이용하여, 각각의 레이저 다이오드 칩에서 방출된 레이저 광이 장거리 통신이 가능하게 하기 위한 에탈론 필터와 에탈론 필터 전후의 복수의 포토 다이오드가 복수의 레이저 다이오드 칩에 대해 공용으로 사용됨으로써, 각각의 레이저 다이오드칩에 각각의 에탈론 필터가 적용되는 경우에 비해 부품수가 줄어들며 조립이 간단해 지는 장점이 있다. 그러므로 본 발명의 일 실시예에 따른 광소자는 넓은 파장의 파장 가변이 가능하며, 장거리 전송이 가능하다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 광소자의 구성을 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 광소자(700)는 광소자(600)의 편광 필터(301)와 빔 스플리터(302) 대신 광 세기 분기용 필터(701)를 더 포함한다.
광 세기 분기용 필터(701)는 각 반도체 레이저 다이오드(101, 103)에서 방출된, 동일한 편광을 가지는 레이저 광의 교점에 배치되어, 파장에 무관하게 일정한 비율로 빔을 분기한다. 광 세기 분기용 필터(701)는 투과시키는 광과 반사시키는 광을 50:50 비율로 분기시키는 것이 바람직하다. 이는 광 세기 분기용 필터(701)에서 반도체 레이저 다이오드(101)에서 방출된 레이저 광에 대한 투과율이 상승하면, 반도체 레이저 다이오드(103)에서 방출된 레이저 광의 반사율은 감소하게 된다, 따라서 반도체 레이저 다이오드(101)로부터 출력된 레이저 광과 반도체 레이저 다이오드(103)로부터 출력된 레이저 광을 동시에 효과적으로 광섬유로 보내기 위해, 광 세기 분기용 필터(701)는 50%의 투과율을 가지는 것이 바람직하다. 다만, 광 세기 분기용 필터(701)의 투과율은 상황에 따라 가변할 수 있다. 광 세기 분기용 필터(701)는 편광에 무관하게 동작하므로 각 반도체 레이저 다이오드(101, 103)는 동일한 편광 방향의 레이저 광을 출력해도 무방하다. 반도체 레이저 다이오드(101)에서 방출되어 광 세기 분기용 필터(701)에서 반사된 레이저 광은 포토 다이오드(401)로 반사된다. 반도체 레이저 다이오드(101)에서 방출되어 광 세기 분기용 필터(701)를 투과된 레이저 광은 광섬유로 전송된다. 반도체 레이저 다이오드(103)에서 방출되어 광 세기 분기용 필터(701)를 투과한 레이저 광은 포토 다이오드(401)로 전송되며, 반도체 레이저 다이오드(103)에서 방출되어 광 세기 분기용 필터(701)에서 반사된 레이저 광은 광섬유로 전송된다. 광 세기 분기용 필터(701)에서 하나의 광 경로로 합하여진 레이저 광은 에탈론 필터(500)에 의해 “1” 신호와 “0” 신호의 소광비가 증가한다. 에탈론 필터(500)를 투과한 레이저 광의 일부는 빔 스플리터(303)에 의해 반사되어 포토 다이오드(402)로 반사되고, 빔 스플리터(303)를 통과한 레이저 광은 광섬유로 결합되어 광통신에 활용된다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 광소자의 구성을 도시한 도면이다.
도 8츨 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 광소자(800)는 광소자(600)의 빔 스플리터(302)와 포토 다이오드(401) 대신 포토 다이오드(403, 404)를 더 포함한다.
포토 다이오드(403, 404)는 각 반도체 레이저 다이오드(101, 103)의 (통상의 광 경로를 기준으로)후면에서 방출되는 레이저 광을 수광하여, 에탈론 필터로 광이 유입되기 이전에 반도체 레이저 다이오드(101, 103)에서 출력되는 레이저 광의 세기를 센싱한다. 포토 다이오드(403, 404)는 광소자(600) 내 포토 다이오드(401)의 기능을 대신한다. 광소자(600)도 포토 다이오드(401) 대신에 포토 다이오드(403, 404)를 포함할 수 있다. 광소자(600)가 포토 다이오드(401) 대신에 포토 다이오드(403, 404)를 포함하는 경우, 광소자(600) 내 빔 스플리터(302)도 필요 없어지게 된다.
본 발명의 각 실시예에 따른 광소자에서 반도체 레이저 다이오드(101, 103)에 의해서 방출된 레이저 광은 편광 필터(301) 또는 광 세기 분기용 필터(701)에 의해 하나의 광 경로를 가지는 레이저 광으로 합쳐진다고 표현하였으나, 이는 (101) 레이저 다이오드 칩과 (103) 레이저 다이오드 칩이 반드시 동시에 동작한다는 것을 의미하는 것은 아니다. 각 반도체 레이저 다이오드(101, 103)가 시간을 달리하여 동작하는 경우에 반도체 레이저 다이오드(101) 에서 방출된 레이저 광의 경로와 반도체 레이저 다이오드(103) 에서 방출된 레이저 광의 경로가 같아지게 되면, 본 발명의 각 실시예에 따른 특성을 만족한다.
본 발명의 각 실시예에 따른 레이저 다이오드 칩은 0.09nm/℃ 정도로 온도에 따라 민감하게 파장이 변화하나, 에탈론 필터는 온도에 0.003nm/℃ 정도로 움직인다. 온도에 거의 무관하게 투과 파장이 고정되는 에탈론 필터도 있으나, 이는 매우 가격이 비싼 에탈론 필터이다. 그러므로 저가형의 에탈론 필터는 온도에 따라 투과 파장이 달라지므로, 특정한 온도에서 에탈론 필터가 미리 설정된 채널에 해당하는 투과 파장을 갖도록 설정되어야 한다. 이를 위해서는, 에탈론 필터의 투과 파장이 채널에 해당하는 특정 온도에 맞추어져야 한다. 통상적으로, 에탈론 필터 또는 반도체 레이저 다이오드 칩 등은 크기가 1mm 이하의 매우 작은 소자이므로, 이러한 작은 소자들에 서로 다른 각각의 열전소자가 배치되어 독립적으로 온도를 조절하기 보다는 하나의 열전소자가 레이저 다이오드 칩과 에탈론 필터에 동시에 장착되어 동작하는 것이 바람직하다. 에탈론 필터는 채널의 간격에 맞는 주기를 가지는 주기적인(Cyclic) 특성을 가지므로, 레이저 다이오드 칩의 온도를 열전소자의 온도와 무관하게 조절하는 방법이 더 바람직하다. 이러한 특성은 레이저 다이오드 칩에 별도의 히터를 장착함으로써 이루어 질 수 있다.
예를 들어, 반도체 레이저 다이오드(101)의 경우, Ch 1의 온도가 35℃이면 Ch 2의 온도는 44℃, Ch 3의 온도는 53℃ 및 Ch 4의 온도는 62℃로 발현된다. 그러므로 에탈론 필터가 35℃, 44℃, 53℃, 62℃에서 각각 에탈론 필터의 투과 피크를 갖도록 조절되면, 4개 채널의 파장 가변은 용이하게 이루어진다. 그러나 이때 반도체 레이저 다이오드(103) 경우, 정확히 35℃에서 Ch 5, 44℃에서 Ch 6, 53℃에서 Ch 7 및 62℃에서 Ch 4가 이루어져야 한다. 이처럼 정밀하게 레이저 다이오드 칩의 온도를 선정하는 것은 어려우므로, 반도체 레이저 다이오드(101) 또는 반도체 레이저 다이오드(103)에 히터가 장착되어, 히터를 이용해 각각의 레이저 다이오드 칩의 온도를 미세하게 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 각각의 반도체 레이저 다이오드에 장착되는 히터에 의해, 광모듈의 온도를 조절하는 열전소자는 일정한 온도에 유지시킨채, 히터를 이용하여 각 반도체 레이저의 채널을 조절 할 수 있다. 이러한 경우에 소광비를 증가시키는 에탈론 필터가 일정한 온도로 유지되므로, 채널 간격에 해당하는 FSR(Free Spectral Range)를 가지는 에탈론 필터에 의해 각각의 채널가 구현될 수 있는 장점을 갖는다.
레이저 다이오드 칩에 부착되는 히터는 금속 박막으로 이루어지되 일정한 저항을 가지고, 별도의 전원으로 구동되며 레이저 다이오드 칩의 레이저 빛이 형성되는 활성층 상에 형성될 수 있다. 최대 구동 전압 3.3V를 고려하고 구동 전압의 정밀한 조정을 위해서, 히터의 저항은 5Ω ~ 50Ω 정도의 저항값을 가질 수 있다.
이러한 방법으로 본 발명의 각 실시예에 따르면, 간단한 평판한 필터와 빔 스플리터를 이용하여 넓은 파장 가변 범위를 가지며, 장거리 전송이 가능한 광소자가 제작될 수 있다. 본 발명의 각 실시예에서 장거리 전송 특성이 필요하지 않을 경우, 에탈론 필터를 포함하지 않은 저가형의 DFB-LD를 이용하여 광소자를 구현함으로써, 넓은 파장 가변의 특성을 갖도록 할 수 있다.
본 발명의 각 실시예에 따른 광소자는, 복수 개의 레이저 다이오드 칩을 사용하되 각 레이저 다이오드 칩에서 담당하는 파장 대역이 최소 20nm 이상의 넓은 파장으로 분리된 경우에만 적용되는 종래의 광소자와 달리, 0.8nm 이내의 좁은 파장 간격을 가지는 경우에도 적용이 가능하다. 또한, 종래의 광소자와 달리, 본 발명의 각 실시예에 따른 광소자는 고가의 어레이형 웨이브가이드 소자를 포함하지 않는 점에서, 제작과 비용 측면에서 우수한 장점을 갖는다. 본 발명의 각 실시예에 따른 광소자는 최근 그 중요도가 더 늘어나고 있는 0.8nm 간격의 파장 간격을 가지는 DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)에 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명의 도시에서 열전소자와 광섬유등은 표시되지 않았지만, 본 발명의 구현을 위해 열전소자 및 광섬유등이 필요하다는 점은 자명하다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 기 설정된 편광방향을 갖는 레이저 광을 출력하는 복수의 광원;
    광이 진행하는 방향으로 상기 복수의 광원 중 어느 하나의 광원의 전방에 레이저 광의 편광방향을 변경하는 편광자;
    레이저 광의 편광 방향에 따라 입사되는 광을 선택적으로 투과시키거나 반사시키는 제1 필터; 및
    상기 편광 필터를 거친 레이저 광의 소광비를 향상시키는 제2 필터
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 필터로 유입되는 광의 일부를 분기시키는 제1 빔 스플리터 및
    상기 제2 필터를 거쳐 유출되는 광의 일부를 분기시키는 제2 빔 스플리터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 빔 스플리터로부터 분기되는 광을 센싱하는 제1 포토 다이오드 및
    상기 제2 빔 스플리터로부터 분기되는 광을 센싱하는 제2 포토 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 광원 각각에 장착되어, 상기 복수의 광원 각각의 온도를 조절하는 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자.
  5. 기 설정된 편광 방향을 갖는 레이저 광을 출력하는 제1 광원;
    상기 제1 광원과 상이한 편광 방향을 갖는 레이저 광을 출력하는 제2 광원;
    레이저 광의 편광 방향에 따라 입사되는 광을 선택적으로 투과시키거나 반사시키는 제1 필터; 및
    상기 편광 필터를 거친 레이저 광의 소광비를 향상시키는 제2 필터
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 광원 및 제2 광원 중 어느 하나는,
    나머지 하나와 배치되는 방향이 상이하거나, TM mode(Transverse Magnetic Field)를 가지는 것을 특징으로 하는 광소자.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 광원 및 상기 제2 광원 각각에 장착되어, 상기 제1 광원 및 상기 제2 광원 각각의 온도를 조절하는 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자.
  8. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제1 필터는,
    레이저 광의 편광 방향에 따라 입사되는 광을 선택적으로 투과시키거나 반사시키는 대신, 편광 방향과 무관하게 입사되는 광의 일부를 투과시키고 나머지 일부를 반사시키는 것을 특징으로 하는 광소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 필터를 거쳐 유출되는 광의 일부를 분기시키는 제2 빔 스플리터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자.
  10. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    레이저 광을 출력하는 광읜 중 적어도 하나의 광원의 활성층 상에서 별도의 전원으로 구동되는 금속 박막 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자.
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