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KR100744548B1 - 광증폭기, 빔 조종기 및 오목 회절 격자가 집적된 파장가변 광원 소자 - Google Patents

광증폭기, 빔 조종기 및 오목 회절 격자가 집적된 파장가변 광원 소자 Download PDF

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KR100744548B1
KR100744548B1 KR1020050124176A KR20050124176A KR100744548B1 KR 100744548 B1 KR100744548 B1 KR 100744548B1 KR 1020050124176 A KR1020050124176 A KR 1020050124176A KR 20050124176 A KR20050124176 A KR 20050124176A KR 100744548 B1 KR100744548 B1 KR 100744548B1
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KR
South Korea
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diffraction grating
optical amplifier
wavelength
concave diffraction
light source
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KR1020050124176A
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KR20070003520A (ko
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권오기
김강호
오광룡
김종회
심은덕
김현수
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 광증폭기, 빔 조종기, 및 로렌드 원 형태를 갖는 오목 회절 격자를 단일 기판에 집적시켜 전기적으로 파장을 가변시킬 수 있는 파장 가변 광원 소자를 제공한다. 본 발명은 빔 조종기 내부의 두 개의 전극에 전기 신호를 인가하여 빔 경로를 조종하고, 조종된 빔의 경로는 회절 격자의 입사각을 변경시켜 발진 파장이 가변됨을 특징으로 한다. 본 발명은 전기적으로 파장 가변을 시키기 때문에 구조적으로 안정적이며, 파장 가변 속도도 빠른 장점을 가진다.

Description

광증폭기, 빔 조종기 및 오목 회절 격자가 집적된 파장 가변 광원 소자{wavelength tunable light source device integrated with optical amplifier, beam steering unit and concave diffraction grating}
도 1은 종래의 파장 가변 광원 소자중 리트로(Littrow) 형태의 외부 공진기형 파장 가변 광원 소자의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 종래의 파장 가변 광원 소자중 리트먼(Littman) 형태의 외부 공진기형 파장 가변 광원 소자의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제1 실시예에 의한 파장 가변 광원 소자를 설명하기 위하여 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 의한 파장 가변 광원 소자를 설명하기 위한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 의한 파장 가변 광원 소자를 설명하기 위한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 파장 가변 광원 소자에 이용될 수 있는 빔 조종기의 구조의 일 예를 설명하기 위하여 도시한 개략도이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 파장 가변 광원 소자의 빔 조종기의 굴절률에 따른 빔 이동 특성을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 10은 도 3과 도 6의 구조로 제작된 파장 가변 광원 소자의 실제 사진이다.
도 11은 도 10의 파장 가변 광원 소자의 광출력 스펙트럼 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12는 도 10의 파장 가변 광원 소자의 파장 가변 특성을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 파장 가변 광원 소자(wavelength tunable light source)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 본 발명은 광증폭기(optical amplifier), 빔 조종기(beam steering unit), 및 오목 회절 격자(concave diffraction grating)를 단일 기판에 집적시켜 전기적으로 파장을 가변시킬 수 있는 파장 가변 광원 소자에 관한 것이다.
일반적으로, 파장 가변 반도체 레이저(파장 가변 광원 소자)는 파장 분할 다중 방식(wavelength division multiplexing)과 같은 광 전송 방식을 사용하게 됨에 따라 그 중요성이 증대되고 있다. 상기 파장 가변 반도체 레이저는 각기 다른 파장을 방사하는 여러 개의 파장 고정 반도체 레이저들을 대체할 수 있을 뿐만 아니라, reconfigurable optical add/drop multiplexer(ROADM), 전광통신망(all optical network)에서의 고속 패킷 스위칭(fast packet switching), 파장 변환기 (wavelength converter), 파장 라우터(wavelength routing) 등에도 적극 활용되고 있다. 이외에도, 광 검침 및 센서, 의료용, 측정용 등 그 응용 범위가 매우 넓고 다양하다. 이에 따라 세계 선진 업체들은 매우 다양한 형태의 파장 가변 반도체 레이저들을 발표하고 있다. 여기서, 후술되는 본 발명의 구조와 명확한 비교를 위하여 종래의 파장 가변 반도체 레이저중 외부 공진기형 파장 가변 반도체 레이저를 설명한다.
도 1은 종래의 파장 가변 광원 소자중 리트로(Littrow) 형태의 외부 공진기형 파장 가변 광원 소자의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
구체적으로, 상기 외부 공진기형 파장 가변 광원 소자는 무반사막(anti-reflection film, 12)이 코팅된 반도체 레이저(레이저 다이오드(LD), 14)와 외부 회절 격자(external diffraction grating, 16) 및 렌즈(18)로 구성되어 있다. 상기 반도체 레이저(14)에는 전류(ILD)를 인가하여 빔(20)을 발생시킬 수 있다. 반도체 레이저(14)에 발생된 빔(20)은 렌즈(18)를 거쳐 회절 격자(16)에 도달하면, 회절격자 면의 수직선(2)에 대한 입사각(θ)에 대해 다음 수학식 1의 리트로우(Littrow) 회절 격자 공식에 따라 회절되는 빔(21)의 파장이 결정되고, 특정 파장의 회절빔(21)만 반도체 레이저(14)로 궤환되어 광(Pout)이 출력된다.
mλ = 2dsinθ
여기서, m은 회절 차수, λ는 파장, d는 회절 격자의 주기이고, θ는 입사각 이다.
상술한 구조에 대해 반도체 레이저(14)의 왼쪽 끝과 회절격자(16) 면이 만나는 가상의 점인 피봇점(4, Pivot point)에 대해 회절 격자(16)를 움직이게 되면, 회절 격자(16)는 회전(rotation, 22)하게 되어 상기 입사각(θ)은 변화하게 되고 수학식 1에 의해 파장은 변화하게 된다. 상술한 구조에서 입사각(θ)만 변화시키게 되면, 파장 가변 특성은 계단식으로 나타나는 문제점이 있기 때문에, 연속적인 파장가변 특성을 얻기 위해 회절 격자의 평행이동(translation, 24)도 병행하여 움직이게 한다.
다시 말해, 도 1의 외부 공진기형 파장 가변 광원 소자는 피봇점(4)에 대해 회절 격자의 공간적 변이(displacement), 즉 회전(rotation), 이동(translation, 평행 이동)으로 회절 조건(diffraction condition)을 변화시켜 연속적인(continuous) 파장 가변 특성을 얻을 수 있는 구조이다. 도 1의 외부 공진기형 파장 가변 광원 소자는 높은 광출력(high output power), 좁은 선폭(narrow linewidth), 넓은 파장 가변 특성(wide tunability)의 장점을 가져 계측장비에 많이 활용되고 있다.
그런데, 도 1의 외부 공진기형 파장 가변 광원 소자는 반도체 레이저(14)와 회절 격자(16) 간에 정렬이 어렵고, 파장 가변시 회절 격자(16)의 공간적 이동으로 인한 기계적 진동, 피봇점(4) 위치의 노화(aging)에 따른 파장 이동(wavelength shift) 문제가 발생한다. 특히, 도 1의 외부 공진기형 파장 가변 광원 소자는 파장 가변을 위한 속도가 매우 느리기 때문에 광통신 및 다양한 응용 시스템에 활용되는 데 다소 무리가 따른다.
도 2는 종래의 파장 가변 광원 소자중 리트먼(Littman)형태의 외부 공진기형 파장 가변 광원 소자의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
구체적으로, 파장 가변 광원 소자는 무반사막(anti-reflection film, 12)이 코팅된 반도체 레이저(레이저 다이오드(LD), 14)와 외부 회절 격자(external diffraction grating, 16), 렌즈(18), 반사거울(6)로 구성되어 있다. 상기 반도체 레이저(14)에는 전류를 인가하여 빔(20)을 발생시키며, 반도체 레이저(14)에 발생된 빔(20)은 렌즈(18)와 회절 격자(16)를 거쳐 반사거울(6)에 도달되고, 상기 반사거울(6)에 수직으로 입사된 빔(20)만 회절격자(16)로 다시 반사된다. 상기 반사된 빔(21)은 회절격자(16)와 렌즈(18)를 거쳐 다시 반도체 레이저(14)로 궤환되어 광(Pout)이 출력된다. 상기 구조에서 회절격자 면의 수직선(2)에 대한 입사각(α)과 회절각(β)에 대해 다음 수학식 2의 리트만(Littman) 회절 격자 공식에 따라 빔의 파장이 결정된다.
mλ = d(sinα+sinβ)
여기서, m은 회절 차수, λ는 파장, d는 회절 격자의 주기이고, α는 입사각, β는 회절각이다.
상술한 구조에 대해 피봇점(Pivot point, 4)에 대해 반사거울(6)을 움직이게 되면 회전(rotation, 22)하게 되어, 상기 동일한 입사각(α)에 대해 회절각(β)은 변화하게 되고, 수학식 2에 의해 파장은 변화하게 된다. 상술한 구조에서 회절각( β)만 변화시키게 되면, 파장 가변 특성은 계단식으로 나타나는 문제점이 있기 때문에, 연속적인 파장 가변 특성을 얻기 위해 반사 거울(6)의 평행이동(translation, 24)도 병행하여 움직이게 한다.
다시 말해, 도 2의 외부 공진기형 파장 가변 광원 소자는 피봇점(4)에 대해 반사 거울(6)의 공간적 변이(displacement), 즉 회전(rotation, 22), 이동(translation, 평행 이동, 24)으로 회절 조건(diffraction condition)을 변화시켜 연속적인(continuous) 파장 가변 특성을 얻을 수 있는 구조이다. 도 2의 외부 공진기형 파장 가변 광원 소자는 파장 가변시 회절 격자(16)는 고정시키고 반사 거울(6)만을 움직이기 때문에, 도 1의 구조에 비해 구조적으로 안정적인 장점을 가지고 있다.
그런데, 도 2의 구조 또한, 도 1의 구조와 마찬가지로 반도체 레이저(14)와 회절 격자(16) 간에 정렬이 어렵고, 파장 가변시 반사 거울(6)의 공간적 이동으로 인한 기계적 진동, 피봇점(4) 위치의 노화(aging)에 따른 파장 이동(wavelength shift) 문제를 가지고 있으며, 파장 가변을 위한 속도가 매우 느리기 때문에 광통신 및 다양한 응용 시스템에 활용되는 데 다소 무리가 따른다.
상술한 도 1과 2의 외부 공진기형 파장 가변 광원 소자의 느린 파장 가변 속도를 해결하기 위해 지금까지 전기적인 조절로 파장을 가변시키는 구조들이 제안되었다. 예컨대, M. Kourogi외 4인은 "continuous tuning of an electrically tunable external-cavity semiconductor laser"라는 명칭으로 "Optics Letters, vol. 25, No. 16, pp.1165-1167, Aug. 15, 2000"에 파장 가변을 위해 회절격자를 이동시키는 대신 AOM(Acouto-optic modulator)를 레이저 다이오드와 회절 격자 사이에 삽입하여 외부 전기 신호의 주파수 변화 따른 빔 편향 특성을 이용하여 파장 가변이 이루어지는 것을 제안하였다. 그러나, 상기 M. Kourogi외 4인이 제안한 구조는 AOM의 부피가 크고, 삽입 손실이 크며, 게다가 파장 가변량이 고작 2nm 정도로 매우 작은 단점이 있다.
이상을 요약해 보면, 회절 격자의 공간적 변이를 통해 파장을 가변시키는 종래의 파장 가변 광원 소자는 신뢰성 및 속도 면에서 많은 문제점을 가지고 있다. 그리고, 전기적으로 파장 가변시키는 종래의 벌크 타입 구조의 파장 가변 광원 소자는 회절 격자와 레이저 다이오드간의 정렬이 까다롭고, 상기 AOM의 삽입으로 인해 소자의 부피가 큰 단점을 가지고 있다.
따라서, 본 발명의 기술적 과제는 벌크 타입 구조의 광 부품들을 단일 집적 시켜 추가적인 광학 부품이나 광 정렬이 필요 없는 파장 가변 광원 소자를 제공하는데 있다.
본 발명의 기술적 과제는 종래의 광 편향기를 채용할 때 발생하는 외부 공진기의 광 경로 변형으로 인한 불연속적인 파장 가변 특성을 극복하고, 광 손실을 줄여 광출력을 높이며, 동시에 광출력 변동이 적은 파장 가변 광원 소자를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 기술적 과제는 간단한 패턴으로 제조 공정을 쉽고 단순화시켜 소자의 신뢰성을 높일 수 있는 파장 가변 광원 소자를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 예에 의한 파장 가변 광원 소자는 빔을 증폭시켜 출력시킬 수 있는 광증폭기와, 상기 광증폭기를 통하여 출력되는 빔의 경로를 전기 신호에 의해 이동시킬 수 있는 빔 조종기와, 상기 빔 조종기를 거쳐 입사되는 빔의 각에 따라 특정의 파장을 갖는 빔으로 회절시켜 반사시킬 수 있고 로렌드 원 형태를 갖는 오목 회절 격자를 포함하여 이루어진다.
상기 광증폭기에서 발생한 빔은 상기 빔 조종기에 전기 신호를 인가함에 따라 빔 경로가 변경되어 상기 오목 회절 격자로 입사되며, 상기 오목 회절 격자에 의해 회절 및 반사되어 특정의 파장을 갖는 빔은 상기 빔 조종기 및 상기 광증폭기로 궤환됨으로써 상기 빔 조종기에 의하여 빔의 파장이 가변될 수 있다.
본 발명의 다른 예에 의한 파장 가변 광원 소자는 빔을 증폭시켜 출력시킬 수 있는 제1 광증폭기와, 상기 제1 광증폭기를 통하여 출력되는 빔의 경로를 전기 신호에 의해 이동시킬 수 있는 빔 조종기와, 상기 빔 조종기를 거쳐 입사되는 빔의 각에 따라 특정 또는 다수의 파장을 갖는 빔으로 회절시켜 반사시킬 수 있고 로렌드 원 형태를 갖는 오목 회절 격자와, 상기 오목 회절 격자를 통하여 반사되는 특정 또는 다수의 파장의 빔을 출력시킬 수 있는 제2 광증폭기 또는 광도파로를 포함하여 이루어진다.
상기 광증폭기에서 발생한 빔은 상기 빔 조종기에 전기 신호를 인가함에 따라 빔 경로가 변경되어 상기 오목 회절 격자로 입사되며, 상기 오목 회절 격자에 의해 회절 및 반사되어 특정 또는 다수의 파장을 갖는 빔은 상기 빔 조종기를 거쳐 상기 제1 광증폭기로 궤환되거나, 제2 광증폭기 또는 광도파로로 궤환됨으로써 빔 의 파장이 가변될 수 있다.
본 발명의 또 다른 예에 의한 파장 가변 광원 소자는 빔을 증폭시켜 출력시킬 수 있는 광증폭기와, 상기 광증폭기를 통하여 출력되는 빔의 경로를 전기 신호에 의해 이동시킬 수 있는 빔 조종기와, 상기 빔 조종기를 거쳐 입사되는 빔의 각에 따라 특정의 파장을 갖는 빔으로 회절시켜 반사시킬 수 있고 로렌드 원 형태를 갖는 오목 회절 격자를 포함하여 이루어진다. 상기 광증폭기에서 발생한 빔은 상기 빔 조종기에 전기 신호를 인가함에 따라 빔 경로가 변경되어 상기 오목 회절 격자의 폴(여기서, 폴은 오목 회절 격자 원과 로렌드 원이 만나는 점)로 입사되며, 상기 오목 회절 격자에 의해 회절 및 반사되어 특정의 파장을 갖는 빔은 상기 빔 조종기를 거쳐 상기 광증폭기로 궤환되어 리트로우 회절 격자 공식에 의해 파장이 가변될 수 있다.
본 발명의 또 다른 예에 의한 파장 가변 광원 소자는 빔을 증폭시켜 출력시킬 수 있는 제1 광증폭기와, 상기 제1 광증폭기를 통하여 출력되는 빔의 경로를 전기 신호에 의해 이동시킬 수 있는 빔 조종기와, 상기 빔 조종기를 거쳐 입사되는 빔의 각에 따라 특정 또는 다수의 파장을 갖는 빔으로 회절시켜 반사시킬 수 있고 로렌드 원 형태를 갖는 오목 회절 격자와, 상기 오목 회절 격자를 통하여 반사되는 특정 또는 다수의 파장의 빔을 출력시킬 수 있는 제2 광증폭기 또는 광도파로를 포함하여 이루어진다.
상기 광증폭기에서 발생한 빔은 상기 빔 조종기에 전기 신호를 인가함에 따라 빔 경로가 변경되어 상기 오목 회절 격자의 폴(여기서, 폴은 오목 회절 격자 원 과 로렌드 원이 만나는 점)로 입사되며, 상기 오목 회절 격자에 의해 회절 및 반사되어 특정 또는 다수의 파장을 갖는 빔은 상기 빔 조종기를 거쳐 상기 제1 광증폭기로 궤환되어 파장이 가변되거나, 상기 제2 광증폭기 또는 광도파로로 궤환됨으로써 리트먼 회절 격자 공식에 의해 파장이 가변될 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 파장 가변 광원 소자는 전기적으로 파장 가변을 시키기 때문에 구조적으로 안정적이며, 파장 가변 속도도 빠른 장점을 가질 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 각 도면에서, 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제1 실시예에 의한 파장 가변 광원 소자를 설명하기 위하여 도시한 개략도이다. 구체적으로, 도 3a 및 도 3b의 파장 가변 광원 소자(파장 가변 레이저, 100)는 리트로(Littrow) 조건을 만족시키는 구조이다.
도 3a에 도시한 파장 가변 광원 소자(100)는 반도체 기판(S), 예컨대 InP에 반도체 광증폭기(SOA, semiconductor optical amplifier, 102), 빔 조종기(104, beam steering unit), 및 오목 회절 격자(106)가 단일 집적되어 구현된다. 상기 반도체 광증폭기(102)는 반도체 레이저 다이오드로 구성할 수 있고, ISOA 전류가 인가 될 수 있다. 상기 빔 조종기(104)에는 두 개의 전극이 구성되며, 상기 두 개의 전극에는 전기 신호, 예컨대 IBS1 전류 및 IBS2 전류가 인가될 수 있다. 상기 오목 회절 격자(106)는 기판(101)의 일측에 위치하고, 반도체 기판(S)의 일측에 그레이팅을 만들어 구현한다.
상기 오목 회절 격자(106)는 특정 구조에 국한되지 않지만, 설명을 위해 로렌드 원(Rowland circle, 114) 형태로 나타내었고, 로렌드 원(114) 기반의 오목 회절 격자(106) 구조는 도 3b에 나타내었다. 상기 오목 회절 격자 원(116)과 로렌드 원(114)이 만나는 점을 폴(pole, P)이라 하며, 기준선(112)은 오목 회절 격자 원(116)의 중심(C)에서 폴(P)까지의 선이 된다. 상기 로렌드 원(114)의 일측은 빔 조종기(104)에 접하여 위치한다.
도 3a의 상기 구조에서 광증폭기(102)의 좌측 단면과 오목 회절 격자(106)는 각각 반사면을 가지므로 공진기(resonator)로 형성이 되어 레이저 다이오드 형태로 동작하게 된다. 광증폭기(102)에서 회절 격자(106) 방향으로 출사되는 빔(108)은 빔 조종기(104)를 거쳐 오목 회절 격자(106)의 폴(P)에 입사된다. 오목 회절 격자에 입사된 빔(108)은 오목 회절 격자(106)의 회절(diffraction) 특성에 의거해서 특정 파장만 입사각(θ)과 동일한 각으로 다시 광증폭기(102)로 궤환(feedback)되어 특정 파장의 빔(110)만 출력(Pout1)된다. 상기 특정 파장은 다음 수학식 3의 리트로우(Littrow) 회절 격자 공식에 따라 결정된다.
Figure 112005073525012-pat00001
여기서, m은 회절 차수, λ는 파장, n1은 도파층의 굴절률, d는 오목 회절 격자의 주기이고, θ는 입사각이고, 상기 입사각(θ)은 도 3a 및 도 3b에 도시한 바와 같이 기준선(112)과 입사하는 빔 경로간의 각도를 나타낸다.
특히, 본 발명의 빔 조종기(104)는 내부에 두 개의 전극을 구비하고, 두 개의 전극에 인가되는 전류량의 차를 조절하여 빔 경로를 조종할 수 있고, 이에 따라 경로가 이동된 빔(108)들은 오목 회절 격자(106)에 입사되는 입사각(θ)이 변하게 된다. 상기 입사각(θ)의 변화에 따라 상기 수학식 3에 의거 회절되는 빔(108)의 파장이 바뀌게 된다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 의한 파장 가변 광원 소자를 설명하기 위한 개략도이다.
구체적으로, 도 4의 파장 가변 광원 소자(파장 가변 레이저, 200)는 리트먼(Littman) 조건을 만족시키는 구조이다. 도 4의 구조는 도 3과 유사한 구조를 가지면서 파장 가변 특성을 나타내는 구조를 다음 수학식 4의 리트먼(Littman) 회절 격자 공식에 따른 것이다.
Figure 112005073525012-pat00002
여기서, m은 회절 차수, λ는 파장, n1은 도파층의 굴절률, d는 회절 격자의 주기이고, α는 입사각, β는 회절각이고, 상기 입사각(α)은 오목 회절 격자 원의 중심에서 상기 폴(P)까지의 기준선(112)과 입사하는 빔(108)의 경로간의 각도이고, 회절각(β)은 상기 기준선(112)과 상기 제2 광증폭기(202) 또는 광도파로(202)로 반사되는 빔(204)간의 각도이다.
도 4에서, 고정된 회절각(β)에 대해 빔 조종기의 전류 주입에 따른 빔의 경로 이동으로 인해 입사각(α)이 변하게 되어 파장이 가변된다. 제1 광증폭기(SOA1)에서 출사되는 빔(108)이 빔 조종기(104)를 거쳐 오목 회절 격자(106)에 입사되며, 입사된 빔(108)은 오목 회절 격자(106)의 회절 특성에 따라 특정 파장에 해당되는 빔(204)만 β의 각으로 추가적인 제2 광증폭기(SOA2, 202)나 광도파로(202)로 궤환되어 출력(Pout2, 210)된다. 상기 구조에서 제1 광증폭기(SOA1, 102)의 좌측 단면과 제2 광증폭기(SOA2)의 좌측 단면이 각각 반사면을 가지므로 공진기(resonator)로 형성이 되어 레이저 다이오드로 동작하게 된다.
도 4의 구조는 오목 회절 격자(106)에서 β의 회절각으로 회절된 빔(204)을 도파시키거나 증폭시키기 위한 광도파로(202) 또는 제2 광증폭기(SOA2, 202)가 추가적으로 필요한 반면, 파장 가변 특성이 도 3의 구조에 비해 좀 더 안정적인 동작이 가능하며 설계에 있어 선택의 폭을 넓힐 수 있다. 도 3의 구조에서는 광출력 단자가 하나인 반면에, 도 4에서는 제1 광증폭기(102)와 광도파로(202) 또는 제2 광증폭기(202) 단면에서 광출력을 얻을 수 있으므로 광출력 단자가 두 개가 된다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 의한 파장 가변 광원 소자를 설명하기 위한 개략도이다.
구체적으로, 도 5의 파장 가변 광원 소자(파장 가변 레이저, 300)는 리트먼(Littman) 조건을 만족시키는 구조이다. 도 5의 구조는 도 4의 구조를 확장한 것이다. 도 5의 추가적인 광도파로(302) 또는 광증폭기(302)들은 리트먼 공식에 따라 각각 다른 파장의 빔들(204, 306)을 도파 또는 증폭시켜 출력(Pout2(210), Poutn(310))한다. 즉, 추가적인 광증폭기들(302)에서는 채널 수만큼의 다른 파장의 빔을 공진시켜 방출하게 된다.
도 5에서, 상기 광도파로나 광증폭기(302)에 따른 각 채널의 파장들은 빔 조종기(104)의 전류주입으로 파장 가변된다. 도 5에서, 광도파로나 광증폭기(302)에 따른 각 채널간의 파장 간격을 일정하게 지정할 경우 전체적인 파장 가변량은 빔 조종기(104)의 전류주입에 따른 한 채널의 파장 가변량과 채널수의 곱이 되므로, 채널수만큼 파장 가변량을 증가시킬 수 있다. 도 5의 도파로(302) 또는 제2 광증폭기(302) 단면에서는 각 채널의 파장 영역(빔 조종기에 의한 파장 가변량)만큼 광출력 (Pout2, Poutn(310))을 얻을 수 있고, 제1 광증폭기(102)에서는 모든 채널의 파장을 얻을 수 있다.
도 6은 본 발명의 파장 가변 광원 소자에 이용될 수 있는 빔 조종기의 구조의 일 예를 설명하기 위하여 도시한 개략도이다.
구체적으로, 본 발명의 파장 가변 광원 소자에 이용될 수 있는 빔 조종기(104) 구조의 일 예로써, 위 도면은 평면도이고, 아래 도면은 단면도이다. 상기 빔 조종기(104)는 p-n 접합의 도파로 구조를 이용하며, n-InP 기판(S) 상에 InGaAsP 가이드 코어층(402), n-InP 전류 블록층(404), p-InP층(406), SiNx 유전체층(408), p-InGaAs층(412)이 형성되어 있다. 상기 n-InP 기판(S) 기판의 상부 및 하부에 각각 p-금속층(412) 및 n-금속층(414)이 형성되어 있다.
일반적으로, 빔은 굴절률이 높은 곳으로 이동하고, 전류량이 증가할수록 굴절률은 감소하므로, 결국 전류를 적게 주입한 영역으로 빔은 이동하게 된다. 따라서, 화살표로 표시한 바와 같이 빔 조종기(104)의 주입되는 두 전류, 즉 IBS1과 IBS2의 차에 의해 (a)영역과 (b)영역의 굴절률의 차이가 발생하고 이에 따라 후술하는 바와 같이 빔의 경로가 조종될 수 있다. 여기서, 가이드 코어층(guide-core layer, 402) 위에 존재하는 n-InP층(404)은 전류 블록층(current-blocking layer)으로써, 전류 주입에 의해 특정 영역, 즉 점선 안으로만 전류를 통과시키도록 작용한다. 그러나, 실제 전류는 화살표로 표시한 바와 같이 가이드 코어층(404)에 주입된 뒤, 캐리어 확산(carrier diffusion)에 의해 좌우로 약간 퍼지게 된다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 파장 가변 광원 소자의 빔 조종기의 굴절률에 따른 빔 이동 특성을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 7 내지 9에서, 위 도면은 평면도이고, 아래 도면은 거리에 따른 굴절률 변화를 나타낸 그래프이다. 도 7 내지 도 9에서, 도 6과 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타내고, 참조번호 422는 전류 퍼짐을 고려하지 않는 굴절률 변화를 나타내고, 참조번호 424는 전류 퍼짐을 고려한 굴절률 변화를 나타낸다. 도 7 내지 도 9는 본 발명의 파장 가변 광원 소자의 광증폭기(102)에서 발생된 빔 (416, 418, 420)이 빔 조종기(104)를 지나갈 때, IBS1과 IBS2에 따른 도파로 굴절률 변화와 빔 이동 특성을 도시한 것이다.
파장 가변 광원 소자의 광증폭기(102)에서 발생된 빔(416, 418, 420)이 빔 조종기(104)를 지나간다. 이때, 앞서 설명한 바와 같이 IBS1과 IBS2에 따라 도파로의 굴절률이 변화하고 이에 따라 빔(416, 418, 420)의 이동 특성이 변화한다. 도 7은 IBS1과 IBS2가 동일한 경우로써, IBS1과 IBS2가 동일하여 두 개의 전극 사이로 빔(416)이 이동한다. 도 8은 IBS1이 IBS2보다 큰 경우로써, IBS1이 IBS2보다 커서 IBS2 전극쪽으로 치우쳐서 빔(418)이 이동한다. 도 9는 IBS2가 IBS1보다 큰 경우로써, IBS2가 IBS1보다 커서 IBS1쪽 전극쪽으로 치우쳐서 빔(420)이 이동한다.
그리고, 본 발명의 빔 조종기(104)는 빔(416, 418, 420)이 도파되는 주변 지역에 전류를 주입하기 때문에, 빔(416, 418, 420)의 경로 이동 후에도 참조번호 424로 표시한 바와 같이 굴절률의 변화가 크지 않고, 굴절률 변화에 의한 광손실도 작게 된다. 따라서, 본 발명의 파장 가변 광원 소자는 종래의 광 편향기 구조에 비해 전류 주입시 광 경로(광 경로는 굴절률 x 외부 공진기 길이임)의 변형이 적다.
다시 말해, 본 발명의 파장 가변 광원 소자는 단지 빔의 경로 이동으로 인한 파장 가변 특성이 지배적이므로 광 경로 변형이 적어 연속적인 파장 가변 특성이 가능하고, 전류주입에 따른 광손실이 적어 높은 광출력과 낮은 광출력 변동을 얻을 수 있다. 추가적으로, 본 발명의 빔 조종기(104)는 2개의 직선 패턴을 이용하여 구 현할 수 있으므로 제조 공정이 쉬워 소자 제조시 높은 신뢰성을 얻을 수 있다.
도 10은 도 3과 도 6의 구조로 제작된 파장 가변 광원 소자의 실제 사진이다.
구체적으로, 기판의 좌측단에 광증폭기(102)가 위치하고, 우측단에는 오목 회절 격자(106)가 위치한다. 상기 광증폭기(102)와 인접하여 빔 조종기(104)가 위치한다. 상기 빔 조종기(104)에는 두개의 전극이 설치되어 있고, 상기 두개의 전극에 각각 IBS1 및 IBS2가 인가된다. 상기 빔 조종기(104) 일측에는 오목 회절 격자(106)의 원(116)이 접하고, 상기 오목 회절 격자(106)는 로렌드 원(114)을 갖는다. 광증폭기(102)에서 출사된 빔은 오목 회절 격자에서 회절 및 반사되어 광파이버(130)를 통해 출력(110) 된다.
도 11은 도 10의 파장 가변 광원 소자의 광출력 스펙트럼 특성을 나타내는 그래프이다.
구체적으로, 도 11은 도 10의 파장 가변 광원의 ISOA, IBS1 및 IBS2에 각각 100mA, 60mA 및 60mA를 주입했을 때 광 파이버(optical fiber)에 출력되는 광출력 스펙트럼 특성이다. 도 11에 보는 바와 같이, 40dB이상의 높은 인접 모드 억압율(side mode suppression ratio)과 안정된 발진 특성이 나타남을 알 수 있다.
도 12는 도 10의 파장 가변 광원 소자의 파장 가변 특성을 나타내는 그래프이다.
구체적으로, 도 12는 도 10의 파장 가변 광원 소자에서 ISOA에 80mA를 주입하 고, 빔 조종기의 한쪽 전류는 60mA로 고정시키고, 다른 쪽 전류를 20mA에서 120mA로 증가시켰을 때의 파장 가변 특성을 각각 나타내고 있다. 도 12에 보듯이 연속적인 파장 가변 특성을 나타내며, 파장 가변량은 약 8.5nm이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 파장 가변 광원 소자는 광증폭기, 빔 조종기, 오목 회절 격자를 단일 집적시킴으로 인해 종래의 벌크 타입 구조에서 나타나는 문제점들, 즉 추가적인 광학 부품 필요하거나 광 정렬이 필요한 문제점을 해결할 수 있다.
본 발명의 파장 가변 광원 소자는 빔 조종기내의 두 개의 전극에 인가되는 전류량의 차이를 이용해 파장 가변을 구현함으로써, 종래의 기계적으로 파장 가변시키는 구조에 비해 구조적으로 안정적이며 파장 가변 속도도 빠르게 구현할 수 있다.
본 발명의 파장 가변 광원 소자는 빔 조종기에 전기 신호, 예컨대 전류 주입으로 인해 빔을 이동하기 때문에 종래의 편향기 구조에 비해 외부 공진기의 광 경로의 변형과 전류 주입으로 인한 광손실을 최소화할 수 있어 연속적인 파장 가변 특성, 높은 광출력 및 낮은 광출력 변동을 얻을 수 있다.
본 발명의 파장 가변 광원 소자는 빔 조종기를 구성하는 직선 패턴을 구현(제조)하기 쉬워 소자의 높은 신뢰성과 제작 수율을 높일 수 있다.

Claims (13)

  1. 빔을 증폭시켜 출력시킬 수 있는 광증폭기;
    상기 광증폭기를 통하여 출력되는 빔의 경로를 전기 신호에 의해 이동시킬 수 있는 빔 조종기; 및
    상기 빔 조종기를 거쳐 입사되는 빔의 각에 따라 특정의 파장을 갖는 빔으로 회절시켜 반사시킬 수 있고 로렌드 원 형태를 갖는 오목 회절 격자를 포함하여 이루어지고,
    상기 광증폭기에서 발생한 빔은 상기 빔 조종기에 전기 신호를 인가함에 따라 빔 경로가 변경되어 상기 오목 회절 격자로 입사되며, 상기 오목 회절 격자에 의해 회절 및 반사되어 특정의 파장을 갖는 빔은 상기 빔 조종기 및 상기 광증폭기로 궤환됨으로써 상기 빔 조종기에 의하여 빔의 파장이 가변되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 광원 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광증폭기, 상기 빔 조종기 및 상기 오목 회절격자는 하나의 기판에 단일 집적되어 구성되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 광원 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 빔 조종기는 상기 광증폭기와 오목 회절 격자 사이에 위치하고, 상기 빔 조종기의 두 개 전극에 인가하는 전류량 차이에 따른 굴절률 변화에 의해 빔 경로를 이동시키는 것을 특징으로 하는 파장 가변 광원 소자.
  4. 제3항에 있어서, 상기 빔 조종기는 상기 빔 경로를 따라 굴절률 변동과 광손실이 최소화 되도록 하기 위해서 상기 빔 경로의 좌우측에 전기 신호를 인가할 수 있는 두 개의 전극을 구비하는 것을 특징으로 파장 가변 광원 소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 빔 조종기는 상기 로렌드 원의 일측에 접하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 광원 소자.
  6. 빔을 증폭시켜 출력시킬 수 있는 제1 광증폭기;
    상기 제1 광증폭기를 통하여 출력되는 빔의 경로를 전기 신호에 의해 이동시킬 수 있는 빔 조종기;
    상기 빔 조종기를 거쳐 입사되는 빔의 각에 따라 특정 또는 다수의 파장을 갖는 빔으로 회절시켜 반사시킬 수 있고 로렌드 원 형태를 갖는 오목 회절 격자; 및
    상기 오목 회절 격자를 통하여 반사되는 특정 또는 다수의 파장의 빔을 출력시킬 수 있는 제2 광증폭기 또는 광도파로를 포함하여 이루어지고,
    상기 광증폭기에서 발생한 빔은 상기 빔 조종기에 전기 신호를 인가함에 따라 빔 경로가 변경되어 상기 오목 회절 격자로 입사되며, 상기 오목 회절 격자에 의해 회절 및 반사되어 특정 또는 다수의 파장을 갖는 빔은 상기 빔 조종기를 거쳐 상기 제1 광증폭기로 궤환되거나, 제2 광증폭기 또는 광도파로로 궤환됨으로써 빔의 파장이 가변되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 광원 소자.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2 광증폭기 또는 광도파로는 복수개 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 파장 가변 광원 소자.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제1 광증폭기, 상기 빔 조종기, 상기 오목 회절 격자 및, 제2 광증폭기(또는 광도파로)는 하나의 기판에 단일 집적되어 구성되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 광원 소자.
  9. 제6항에 있어서, 상기 빔 조종기는 상기 광증폭기와 오목 회절 격자 사이에 위치하고, 상기 빔 조종기의 두 개 전극에 인가하는 전류량 차이에 따른 굴절률 변화에 의해 빔 경로를 이동시키는 것을 특징으로 하는 파장 가변 광원 소자.
  10. 빔을 증폭시켜 출력시킬 수 있는 광증폭기;
    상기 광증폭기를 통하여 출력되는 빔의 경로를 전기 신호에 의해 이동시킬 수 있는 빔 조종기; 및
    상기 빔 조종기를 거쳐 입사되는 빔의 각에 따라 특정의 파장을 갖는 빔으로 회절시켜 반사시킬 수 있고 로렌드 원 형태를 갖는 오목 회절 격자를 포함하여 이루어지고,
    상기 광증폭기에서 발생한 빔은 상기 빔 조종기에 전기 신호를 인가함에 따라 빔 경로가 변경되어 상기 오목 회절 격자의 폴(여기서, 폴은 오목 회절 격자 원 과 로렌드 원이 만나는 점)로 입사되며, 상기 오목 회절 격자에 의해 회절 및 반사되어 특정의 파장을 갖는 빔은 상기 빔 조종기를 거쳐 상기 광증폭기로 궤환되어 리트로우 회절 격자 공식에 의해 파장이 가변되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 광원 소자.
  11. 제10항에 있어서, 상기 리트로우 회절 격자 공식은
    Figure 112005073525012-pat00003
    여기서, m은 회절 차수, λ는 파장, n1은 도파층의 굴절률, d는 회절 격자의 주기이고, θ는 입사각이고, 상기 입사각(θ)은 오목 회절 격자 원의 중심에서 상기 폴까지의 기준선과 입사하는 빔의 경로간의 각도를 나타내는 것을 특징으로 하는 파장 가변 광원 소자.
  12. 빔을 증폭시켜 출력시킬 수 있는 제1 광증폭기;
    상기 제1 광증폭기를 통하여 출력되는 빔의 경로를 전기 신호에 의해 이동시킬 수 있는 빔 조종기;
    상기 빔 조종기를 거쳐 입사되는 빔의 각에 따라 특정 또는 다수의 파장을 갖는 빔으로 회절시켜 반사시킬 수 있고 로렌드 원 형태를 갖는 오목 회절 격자; 및
    상기 오목 회절 격자를 통하여 반사되는 특정 또는 다수의 파장의 빔을 출력 시킬 수 있는 제2 광증폭기 또는 광도파로를 포함하여 이루어지고,
    상기 광증폭기에서 발생한 빔은 상기 빔 조종기에 전기 신호를 인가함에 따라 빔 경로가 변경되어 상기 오목 회절 격자의 폴(여기서, 폴은 오목 회절 격자 원과 로렌드 원이 만나는 점)로 입사되며, 상기 오목 회절 격자에 의해 회절 및 반사되어 특정 또는 다수의 파장을 갖는 빔은 상기 빔 조종기를 거쳐 상기 제1 광증폭기로 궤환되어 파장이 가변되거나, 상기 제2 광증폭기 또는 광도파로로 궤환됨으로써 리트먼 회절 격자 공식에 의해 파장이 가변되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 광원 소자.
  13. 제12항에 있어서, 상기 리트먼(Littman) 회절 격자 공식은,
    Figure 112005073525012-pat00004
    여기서, m은 회절 차수, λ는 파장, n1은 도파층의 굴절률, d는 회절 격자의 주기이고, α는 입사각, β는 회절각이고, 입사각(α)은 오목 회절 격자 원의 중심에서 상기 폴까지의 기준선과 입사하는 빔의 경로간의 각도이고, 회절각(β)은 상기 기준선과 상기 제2 광증폭기 또는 광도파로로 반사되는 빔간의 각도인 것을 특징으로 하는 파장 가변 광원 소자.
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