KR100430269B1 - 광자결정과 반도체 광 증폭기를 이용한 디지털 파장 가변레이저 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 광자결정과 반도체 광 증폭기를 이용한 디지털 파장 가변 레이저는, 기판과; 기판 상에 굴절률이 다른 복수의 유전체가 주기적으로 배열되어 형성되며, 입사되는 빛의 파장에 따라 광 경로를 상이하게 제공하는 광자결정과; 기판의 일단에 복수로 형성되며, 광자결정을 통해 전파되는 빛을 입사받는 복수의 반도체 광 증폭기와; 반도체 광 증폭기의 일단에 형성되며, 반도체 광 증폭기에 입사되어 진행되는 빛을 반사시키는 고반사 거울과; 기판의 타단에 형성되며, 광자결정을 통하여 전파되는 빛을 입사받는 도파로; 및 도파로의 일단에 형성되며, 도파로에 입사되어 진행되는 빛을 반사시키고 레이징된 빛을 출사시키는 출사면 거울; 을 포함하여 구성되며, 도파로, 광자결정 및 각 반도체 광 증폭기가 특정 파장에 대한 레이저 캐비티를 각각 형성하고, 각각의 레이저 캐비티 내에서 특정 파장의 빛이 레이징된다.

여기서, 복수의 반도체 광 증폭기는 광자결정을 통해 다른 파장의 빛이 전파되는 위치에 각각 배열되며, 또한 광자결정을 통해 전파되는 빛의 중심 파장 및 파장 변화 폭은, 광자결정의 설계와 사용된 반도체의 종류에 의해 결정된다.

Description

광자결정과 반도체 광 증폭기를 이용한 디지털 파장 가변 레이저{Digital tunable laser using photonic crystal and semiconductor optical amplifier array}

본 발명은 파장 가변 레이저에 관한 것으로서, 특히 광자결정의 분산특성을 이용하여 파장에 따른 빛의 진행경로를 조절하고, 반도체 광 증폭기 어레이를 통하여 특정 파장만 선택하고 레이징(lasing)을 용이하게 할 수 있는 광자결정과 반도체 광 증폭기를 이용한 디지털 파장 가변 레이저에 관한 것이다.

일반적으로, 파장다중분할(WDM) 광통신은 별개의 신호를 각각 다른 파장을 가지는 레이저에 실어서 한 가닥의 광섬유에 합쳐서 전송한 후, 이를 수신단에서 다시 갈라내어 신호를 추출하는 방법을 이용하여 신호를 전송한다.

따라서, 작은 선폭과 파장 안정성을 갖는 서로 다른 파장의 레이저가 필요하게 된다. 현재의 파장다중분할 광통신에서는 파장이 정해진 레이저가 사용되고 있으나, 정확히 요구되는 파장을 갖는 레이저를 제작하는 것은 매우 어려운 실정이다. 그러므로, 많은 수의 레이저를 제작하여, 원하는 파장에서 작동하는 레이저를 선택하는 방법이 이용되고 있다.

만약, 적은 비용으로 파장 선택이 가능한 레이저를 제작할 수 있다면, 이러한 문제들은 해결될 수 있다. 더구나, 장래의 광 전송 시스템에서는 파장 가변 레이저의 중요성이 증대되리라 전망된다. 근거리 통신망(LAN) 또는 시내 통신망 (MAN) 에서는 수십 나노 초의 시간 내에 특정한 파장으로 변환할 수 있는 파장 가변 레이저가 요구되며, 장거리 통신망(WDN)에서는 고속의 변환은 필요 없지만, 파장 라우팅을 위한 파장 가변 레이저가 요구된다.

종래의 파장 가변 레이저는 구현 방법에 따라 두 가지로 분류된다. 하나는그레이팅(grating)에 인접한 DBR(Distributed Bragg Reflector) Cavity 부분의 굴절률을 전류에 의해 변화시키는 방법이다. 다른 하나는 레이저의 외부 그레이팅에서 반사되는 빛의 파장을 변화시키는 방법이다. 그러나, 전자는 가변 범위가 제한되고, 전류와 파장 변화의 정확한 예측이 어려우며, 후자는 그레이팅의 기계적 운동을 이용하므로 상대적으로 느리다는 한계가 있다.

한편, 이러한 종래의 파장 가변 레이저의 단점을 극복하기 위하여, 도 1에 나타낸 바와 같이, 광 증폭기와 1 ×N 파장 분파기를 단일 칩에 집적하는 것이 제안되고 있다. 도 1에 나타낸 파장 가변 레이저는 파장에 따라 빛의 경로를 조절하는 1 x N 파장 분파기(12)와, 상기 1 x N 파장 분파기(12)에서 전송되는 빛을 증폭시키는 광 증폭기 어레이(13)와, 상기 광 증폭기 어레이(13)에 입력되는 빛을 반사시키는 고반사 거울(14) 및 상기 1 x N 파장 분파기(12)와 광 증폭기 어레이(13)를 통하여 레이징(lasing)된 빛을 출사하는 출사면 거울(11)을 포함한다.

이러한 방법을 실제로 구현한 것으로서, 도 2에 나타낸 바와 같은, Arrayed Waveguide Grating(AWG)와 반도체 광 증폭기가 결합된 파장 가변 레이저가 있다 (Zirngible et al. IEEE Photonics Tech. Lett. 6, 516(1994)). 이 파장 가변 레이저의 광 캐비티(cavity)는 파장 분파기와 이득 부분을 포함하며, 두 개의 절단면에 의해 정의된다. 이러한 종류의 레이저는 연속적인 파장 변화는 불가능하며, 반도체 광 증폭기의 개수와 같은 수의 파장만을 선택할 수 있는 디지털 파장 가변 레이저이다.

도 2에 나타낸 파장 가변 레이저는, 파장에 따라 빛의 경로를 조절하는AWG(Arrayed Waveguide Grating)(22)와, 상기 AWG(22)에서 전송되는 빛을 증폭시키는 광 증폭기 어레이(23)와, 상기 광 증폭기 어레이(23)에 입력되는 빛을 반사시키는 고반사 거울(24) 및 상기 AWG(22)와 광 증폭기 어레이(24)를 통하여 레이징 (lasing)된 빛을 출사하는 출사면 거울(21)을 포함한다.

그런데, 이와 같은 디지털 파장 가변 레이저를 구성하는 AWG(22)는 그 설계와 제작 공정이 어려우며, 채널 수가 증가함에 따라 그 크기가 커지게 된다. 이에 따라 전체 디지털 파장 가변 레이저의 크기도 커지게 되는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 여건을 감안하여 창출된 것으로서, 광자결정의 분산특성을 이용하여 파장에 따른 빛의 진행경로를 조절하고, 반도체 광 증폭기를 통하여 특정 파장만 선택하여 레이징(lasing)을 용이하게 할 수 있는 광자결정과 반도체 광 증폭기를 이용한 디지털 파장 가변 레이저를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 파장 가변 레이저의 구성을 개념적으로 나타낸 도면.

도 2는 종래의 파장 가변 레이저가 구현된 예를 나타낸 도면.

도 3은 본 발명에 따른 광자결정과 반도체 광 증폭기를 이용한 디지털 파장 가변 레이저를 간략하게 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11, 21... 출사면 거울 12... 1 x N 파장 분파기

13, 23... 광 증폭기 어레이 14, 24... 고반사 거울

22... AWG(Arrayed Waveguide Grating)

31... 기판 32... 광자결정

33... 광 증폭기 어레이 34... 도파로

35... 고반사 거울 36... 출사면 거울

37... 화이버

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광자결정과 반도체 광 증폭기를 이용한 디지털 파장 가변 레이저는, 기판과; 상기 기판 상에 굴절률이 다른 복수의 유전체가 주기적으로 배열되어 형성되며, 입사되는 빛의 파장에 따라 광 경로를 상이하게 제공하는 광자결정(photonic crystal)과; 상기 기판의 일단에 복수로 형성되며, 상기 광자결정을 통해 전파되는 빛을 입사받는 복수의 반도체 광 증폭기와; 상기 반도체 광 증폭기의 일단에 형성되며, 상기 반도체 광 증폭기에 입사되어 진행되는 빛을 반사시키는 고반사 거울과; 상기 기판의 타단에 형성되며, 상기 광자결정을 통하여 전파되는 빛을 입사받는 도파로; 및 상기 도파로의 일단에 형성되며, 상기 도파로에 입사되어 진행되는 빛을 반사시키고 레이징(lasing)된 빛을 출사시키는 출사면 거울; 을 포함하여 구성되며,상기 도파로, 광자결정 및 각 반도체 광 증폭기가 특정 파장에 대한 레이저 캐비티를 각각 형성하고, 상기 각각의 레이저 캐비티 내에서 특정 파장의 빛이 레이징되는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 상기 복수의 반도체 광 증폭기는 상기 광자결정을 통해 다른 파장의 빛이 전파되는 위치에 각각 배열되며, 또한 상기 광자결정을 통해 전파되는 빛의중심 파장 및 파장 변화 폭은, 광자결정의 설계와 사용된 반도체의 종류에 의해 결정되는 점에 그 특징이 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 광자결정의 분산특성을 이용하여 파장에 따른 빛의 진행경로를 조절하고, 반도체 광 증폭기를 통하여 특정 파장만 선택하여 레이징(lasing)을 용이하게 할 수 있는 장점이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 광자결정과 반도체 광 증폭기를 이용한 디지털 파장 가변 레이저를 간략하게 나타낸 도면이다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 광자결정과 반도체 광 증폭기를 이용한 디지털 파장 가변 레이저는 2 차원 광자결정을 이용한 파장 분파기와 반도체 광 증폭기를 단일 칩에 집적한 형태의 파장 가변 레이저이다. 여기서, 2차원이란 그 구조가 두축으로 정의되는 평면 상에서 주기적으로 변하는 것을 말한다. 또한, 1차원은 한 방향으로만 주기를 가진다.

그리고, 광자결정이란 굴절률이 다른 유전체를 주기적으로 배열한 물질을 말한다. 이로 인하여 생기는 중요한 현상이 바로 광자 띠 간격(photonic band gap)의 형성이다, 이러한 광자 띠 간격에 해당하는 에너지를 갖는 빛은 광자결정 내에 존재할 수 없고, 이를 이용하여 광자결정 레이저, 90도로 꺽이는 도파로 등을 제작할 수 있다.

그러면, 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 광자결정과 반도체 광 증폭기를 이용한 디지털 파장 가변 레이저의 동작을 설명하여 보도록 한다.

기판(31) 상의 가운데에 형성된 2 차원 광자결정(32)은 일종의 프리즘 역할을 한다. 즉, 좌측으로부터 여러 파장이 중첩된 빛이 입사되면, 그 각각의 입사된 파장에 따라 다른 위치로 전파해 가게 된다. 따라서, 좌측 하단의 도파로(34)로부터 입사된 빛은 그 파장에 따라 서로 다른 위치로 분리되어, 각각의 광 증폭기(33)로 들어가게 된다.

또한, 이와는 반대로 상기 광 증폭기(33)로부터 나오는 빛은 상기 광자결정 (32)을 통과한 후, 특정한 파장의 빛만이 좌측 하단의 도파로(34)로 들어갈 수 있다. 이러한 성질을 이용하면, 상기 광자결정(32)의 설계를 통하여, 좌측의 도파로 (34)와 어느 한 광 증폭기(33) 사이에서만 진행 경로를 갖는 빛의 파장 예컨대, 도 3의 λ1, λ2를 결정할 수 있다.

그리고, 반도체 결정의 절단면(35)(36)은 레이저의 거울의 역할을 한다. 이때, 거울의 반사율을 조절하기 위하여 절단면에 고 반사율의 물질을 코팅하게 된다. 이에 따라, 각각의 거울은 광 증폭기(33)의 빛을 반사시키는 고반사 거울(35)과 레이징된 빛을 투과시키는 출사면 거울(36)을 형성하게 된다. 이때, 상기 출사면 거울(36)에서 출사되는 빛은 화이버(37) 등을 통하여 전송될 수 있다.

이와 같은 파장 가변 레이저의 원리에 대하여 부연 설명하면 다음과 같다. 예를 들어, 광 증폭기 어레이(33) 중에서 가장 위쪽의 광 증폭기를 작동시키면 넓은 선폭의 빛이 발생되고, 그 발생된 빛은 좌측으로 진행된다. 그리고, 그 진행되는 빛은 광자결정(32)을 통과하면서, 특정한 파장 λ1을 갖는 좁은 선폭의 빛만이 좌측 하단의 도파로(34)로 진행된다. 이때, 상기 도파로(34)를 통과한 빛은 출사면거울(36)에서 반사되어, 상기 광자결정(32)을 다시 통과하여 처음 빛이 발생된 광 증폭기(33)로 들어간다.

이와 같이, 도파로(34), 광자결정(32) 및 광 증폭기(33)가 하나의 레이저 캐비티(laser cavity)를 형성하게 된다. 이 캐비티 내에서 빛은 증폭되어 레이징 (lasing)이 시작되고, 그 빛은 상기 도파로(34)를 통과하여 화이버(37)에 입사하게 된다. 이때, 상기 광자결정(32)의 분산 특성에 의하여 이 캐비티에서 레이징 (lasing)되는 빛의 파장이 결정된다.

한편, 도 3의 광 증폭기 어레이(33) 중에서 세 번째 광 증폭기를 작동시키면, 그 광 증폭기(33)의 위치에 해당하는 경로를 갖는 다른 파장 λ2의 빛만이 새롭게 정의된 레이저 캐비티를 왕복하면서 레이징(lasing)이 수행된다. 그리고, 각각의 증폭기를 통해 발생시킬 수 있는 빛의 파장은, 광자결정(32)의 설계를 통하여 정할 수 있다. 따라서, 원하는 파장의 빛을 발생시키기 위해서는 그에 맞는 반도체 광 증폭기(33)를 작동시키면 된다.

또한, 경우에 따라서는 여러 파장의 빛을 동시에 레이징시킬 수도 있다. 이러한 경우에는 몇 개의 광 증폭기를 동시에 작동시킴으로써 구현될 수 있으며, 선택할 수 있는 파장의 수는 배치된 광 증폭기의 수에 의하여 결정된다. 이때, 파장은 상기 광자결정의 설계에 따라 불연속적으로 변화된다. 또한, 상기 광자결정을 통해 전파되는 빛의 중심 파장 및 파장 변화 폭은, 광자결정의 설계와 사용된 반도체의 종류에 의해 결정된다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 광자결정과 반도체 광 증폭기를 이용한 디지털 파장가변 레이저에 의하면, 광자결정의 분산특성을 이용하여 파장에 따른 빛의 진행경로를 조절하고, 반도체 광 증폭기를 통하여 특정 파장만 선택하여 레이징(lasing)을 용이하게 할 수 있는 장점이 있다.

Claims (3)

1. 기판과;

   상기 기판 상에 굴절률이 다른 복수의 유전체가 주기적으로 배열되어 형성되며, 입사되는 빛의 파장에 따라 광 경로를 상이하게 제공하는 광자결정(photonic crystal)과;

   상기 기판의 일단에 복수로 형성되며, 상기 광자결정을 통해 전파되는 빛을 입사받는 복수의 반도체 광 증폭기와;

   상기 반도체 광 증폭기의 일단에 형성되며, 상기 반도체 광 증폭기에 입사되어 진행되는 빛을 반사시키는 고반사 거울과;

   상기 기판의 타단에 형성되며, 상기 광자결정을 통하여 전파되는 빛을 입사받는 도파로; 및

   상기 도파로의 일단에 형성되며, 상기 도파로에 입사되어 진행되는 빛을 반사시키고 레이징(lasing)된 빛을 출사시키는 출사면 거울; 을 포함하여 구성되며,

   상기 도파로, 광자결정 및 각 반도체 광 증폭기가 특정 파장에 대한 레이저 캐비티를 각각 형성하고, 상기 각각의 레이저 캐비티 내에서 특정 파장의 빛이 레이징되는 것을 특징으로 하는 광자결정과 반도체 광 증폭기를 이용한 디지털 파장 가변 레이저.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 복수의 반도체 광 증폭기는 상기 광자결정을 통해 다른 파장의 빛이 전파되는 위치에 각각 배열되는 것을 특징으로 하는 광자결정과 반도체 광 증폭기를 이용한 디지털 파장 가변 레이저.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 광자결정을 통해 전파되는 빛의 중심 파장 및 파장 변화 폭은, 광자결정의 설계와 사용된 반도체의 종류에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 광자결정과 반도체 광 증폭기를 이용한 디지털 파장 가변 레이저.