KR101124173B1

KR101124173B1 - 레이저 다이오드 패키지

Info

Publication number: KR101124173B1
Application number: KR1020100013707A
Authority: KR
Inventors: 김정수; 정종술
Original assignee: 주식회사 포벨
Priority date: 2010-02-16
Filing date: 2010-02-16
Publication date: 2012-03-27
Also published as: KR20110094376A

Abstract

본 발명은 레이저 다이오드 패키지 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 TO형 패키지의 바닥에 열전소자를 장착하고 열전소자의 상부에 레이저 다이오드 칩의 레이저 방출 단면 중 적어도 하나의 단면이 1% 이하의 반사율을 가지는 레이저 다이오드 칩과, 레이저 다이오드 칩에서 방출 되는 레이저 빛을 시준화하기 위한 시준화 렌즈와, 레이저 다이오드 칩에서 방출되는 레이저 빛 중 특정한 파장을 선택하는 파장 선택성 필터로 구성되어, 레이저 다이오드 칩에서 방출되는 레이저 빛의 파장이 파장 선택성 필터에 의해 선택되게 한다. 이때 파장 선택성 필터는 온도의 변화에 대해 매우 작은 선택 파장 변화를 가져오도록 하여 TO형 패키지로 제작되는 DWDM용 광원이 매우 정밀하게 파장이 고정되도록 한다.

Description

레이저 다이오드 패키지 {Laser Diode Package}

본 발명은 TO(transistor outline)형 외형을 가지는 고밀도 파장다중화 (dense wavelength division multiplexing : DWDM)용 레이저 다이오드 패키지 구조에 관련된 발명이다.

근래에 들어 대용량의 정보 전송 및 고속의 정보 통신을 위하여 빛을 정보 전송의 매개로 하는 광통신이 일반화되어 있다. 근래에 있어서 가로 길이 및 세로 길이가 각각 0.3㎜ 정도인 반도체 레이저 다이오드 칩을 이용하여 손쉽게 10Gbps(giga bit per sec)의 전기 신호를 레이저 빛으로 변환할 수 있으며, 반도체 광 수광소자를 이용하여 광섬유를 통해 전송되어 오는 광신호를 전기신 호로 손쉽게 변환할 수 있다. 빛은 매우 특이한 특성을 갖는 에너지파로서 어느 한 지역에 동시에 존재하는 여러 빛들이 서로 상호 작용을 하기 위해서는 상호 작용의 대상이 되는 빛들이 동일한 파장을 가지거나, 빛의 위상(phase)가 맞아야 하며, 또한 진행 방향이 일치하여야 한다. 그러므로 빛은 서로 간의 간섭성이 매우 떨어지며 이러한 빛의 특성을 이용하여 파장이 다른 여러 가지의 파장의 레이저 빛을 하나의 광섬유로 전송하는 파장 다중화 (wavelength division multiplexing : WDM) 방법이 널리 채택되고 있다. 파장 다중화 방법을 적용하기 위해서는 인접한 파장 사이의 간격에 맞게 적절하게 고정된 파장의 레이저 빛을 방출 할 수 있는 레이저 광원이 필요하다.

현재 고밀도 파장 다중화 방식에 있어서 파장 사이의 간격은 1.6nm(nano meter) 또는 0.8nm 또는 0.4nm 정도로 점점 좁아지는 추세에 있다. 그러므로 이러한 파장 다중화를 위해서는 광원의 파장 선폭이 매우 좁아야하며, 온도 및 레이저 구동 전류등 여러 가지 레이저 광원의 구동 환경 변화에 대해 레이저 광원의 파장이 매우 엄밀하게 고정되어 있어야하며, 통상적으로 파장 간격의 1/4 이내의 파장 정밀성이 요구 된다. 그러므로 파장 다중화의 파장 간격이 1.6nm 또는 0.8nm 또는 0.4nm인 경우 파장의 안정화 정도는 +/-0.2nm, +/-0.1nm, +/-0.05nm 정도 이내에서 정밀하게 조절되어야 한다.

분포궤환형 반도체 레이저 다이오드 칩 (Distributed feedback laser diode : DFB-LD)는 레이저의 파장 선폭이 0.1nm 이하로 상기한 1.6nm 또는 0.8nm 또는 0.4nm 파장 간격의 고밀도 파장 다중화에 사용 될 수 있는 레이저 다이오드 칩이며, 이러한 레이저 다이오드 칩은 그 크기가 매우 작아 TO형, mini-dil형, mini-flat형, butterfly형 등의 패키지에 잘 장착 될 수 있다. 그러나 통상적인 DFB-LD의 발진 파장은 외부 구동 온도에 의해 0.1nm/℃로 파장이 변화하게 되어 파장 다중화의 파장 간격이 1.6nm 또는 0.8nm 또는 0.4nm인 경우 레이저 다이오드 칩의 온도를 각각 +/-2℃, +/-1℃, +/-0.5℃ 정도로 매우 정밀하게 조절하여야 한다. 레이저 다이오드 칩의 온도 조절은 레이저 다이오드 칩을 열전소자 위에 장착하고 열전소자 위에 온도를 감시할 수 있는 써미스터(thermistor)를 장착하여 열전소자 상부판의 온도를 측정하고 열전소자를 구동하여 레이저 다이오드 칩의 온도를 조절하는 방법을 사용 할 수 있다. 그러나 이런 방법에서 써미스터는 써미스터의 온도를 측정하는 것이지, 레이저 다이오드 칩의 온도를 직접 측정하는 것이 아니며, 이에따라 레이저 다이오드 칩의 온도를 직접 검증하는 것은 매우 어려우며, 또한 레이저 다이오드 칩의 온도를 정밀하게 조절하기가 어려운 단점이 있다.

현재 통신용 광원으로 널리 쓰이는 레이저는 도 1에서와 같은 TO(transistor outline)형(110)의 패키지 외양을 가지는 광모듈이다. TO형 패키지는 금속 재질의 기판(120)에 관통공이 마련되고, 관통공을 통하여 금속 재질의 전극핀(180)이 삽입되며, 금속 재질의 전극핀(180)과 금속 재질의 기판(120) 사이를 유리로 결합하여 밀봉하는 구조의 스템과 상부에 레이저 빛(190)이 출입할 수 있는 관통공이 뚤려 있는 cap으로 이루어 진 구조의 패키지를 이야기 한다. 캡의 관통공은 레이저 빛이 출입은 가능하나 습기 또는 먼지 등이 침입하지 못하도록 유리 재질의 평판형 창이나 또는 렌즈(170)가 캡의 관통공에 상입되는 구조를 가지게 된다. 이러한 TO형 패키지 하우징은 매우 일반적이며, 앞으로의 발명의 설명에서도 공통적으로 사용되므로 도 1 이후의 도면에서는 도면의 표시를 용이하게 하기 위해 스템의 전극핀과 캡의 렌즈등은 생략하여 도시하기로 한다.

TO형 패키지는 광모듈에서 사용되는 다른 형태의 패키지인 mini-flat형, mini-Dil형, butterfly형 등의 패키지에 비해 가공이 용이하여 패키지 하우징 제조 비용이 저렴하며, 양산성이 높아 특히 저가형 광원의 패키지로 널리 사용되고 있다. 또한 TO형 레이저 다이오드 패키지는 여러 형태의 패키지 중에서 가장 작은 부피를 가지고 있을 뿐만 아니라, 원형 대칭성을 가지고 있어 원형 대칭성이 없는 butterfly, mini-dil, mini-flat형의 패키지에 비해 광섬유와의 광정렬이 매우 용이한 특성을 가지고 있으며, 또한 양방향 통신용 광모듈을 매우 작은 크기로 제작 할 수 있어 통신용 트랜시버 (transceiver)의 국제 규격인 SFF(small form factor)/ SFP(small form factor pluggable)등의 매우 작은 트랜시버 외형에 장착 될 수 있는 양방향 통신용 광원의 기본 패키지로 널리 사용되고 있다.

그러나 TO형 레이저는 그 직경이 5 내지 6mm 정도로 매우 작은 크기이며, 이에 따라 열전소자 장착이 매우 어렵고 또한 열전소자를 장착하더라도 TO형 패키지의 열 방출 면적의 제한 등으로 인해 매우 정밀한 온도 조절이 어려워 전술한 바와 같이 온도 조절에 의한 DFB-LD의 매우 정밀한 파장 조절이 어려우므로 종래에 출시되어 있는 DWDM용의 파장 안정성을 가지며, TO형의 외형을 가지는 레이저 다이오드 패키지는 발표된 바가 없는 제품이다.

상기한 종래 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 직경 7mm 이하의 초소형의 TO형 패키지를 이용하여 외부의 온도 변화에 따른 레이저 다이오드 칩의 발진 파장 이동이 극소화 된 DWDM용 레이저 다이오드 모듈을 제공하는 데 있다.

상기한 종래 문제점을 해결하고 본 발명에 따른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레이저 다이오드 패키지는, TO형 패키지 내부에 외부 공진기형 레이저를 포함하는 레이저 다이오드 패키지에 있어서, 상기 외부 공진기형 레이저는 반사거울, 파장선택성 필터, 시준화 렌즈, 레이저 다이오드 칩의 순서로 배치하고, 상기 레이저 다이오드 칩의 주방출면에 45도 반사거울 또는 45도 빔스플리터를 배치하여 레이저 광 출력의 방향이 절환되는 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 레이저 다이오드 패키지에 있어서, 상기 외부 공진기형 레이저는 레이저 다이오드 칩, 시준화 렌즈, 45도 빔스플리터, 파장선택성 필터, 반사거울의 순서로 배치하고, 상기 45도 빔스플리터가 TO형 패키지의 중심에 배치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 레이저 다이오드 패키지에 있어서, 상기 45도 빔스플리터의 하부에 상기 레이저 다이오드 칩의 동작 상태를 감시하기 위한 포토 다이오드를 더 배치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 레이저 다이오드 패키지에 있어서, 상기 TO형 패키지의 바닥면에 열전소자를 더 배치하고, 상기 열전소자 상부에 상기 외부 공진기형 레이저를 배치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 레이저 다이오드 패키지에 있어서, 상기 레이저 다이오드 칩와 상기 시준화 렌즈 사이에 고분자 재료를 더 삽입하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 레이저 다이오드 패키지에 있어서, 상기 고분자 재료는 온도에 따른 유효 굴절률의 변화가 -0.5 x 10-4/℃ 내지 -5 x 10-4/℃ 범위인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 레이저 다이오드 패키지에 있어서, 상기 고분자 재료는 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리비닐, 에폭시 중 어느 하나 또는 둘 이상의 조합인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 레이저 다이오드 패키지에 있어서, 상기 고분자 재료는 반도체 레이저 다이오드 칩을 포함하는 전체 공진기의 온도에 따른 Fabry-Perot 모드의 파장 이동도가 파장 선택성 필터의 온도에 따른 파장 이동도에 Fabry-Perot 모드 간격/ 20℃ 이내로 조절되도록 상기 고분자 재료의 두께 및 온도에 따른 유효 굴절률 변화를 갖도록 하는 것을 특징으로 한다.

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이상에서와 같이, 본 발명에 따른 레이저 다이오드 패키지 구조는, 매우 작은 부피를 가지며, 또한 매우 가격이 싼 TO형 패키지를 사용함으로써 저가격화와 SFF/SFP등의 초소형 트랜시버에 장착될 수 있는 외부 한경 온도 변화에 대해 파장 정밀도가 매우 높은 레이저 광원의 제작을 가능하게 하는 효과를 가진다.

도 1 은 종래 기술에 의한 TO형 레이저 다이오드 모듈 패키지
도 2 는 종래 기술에 의한 반도체 레이저 다이오드 칩
도 3 은 본 발명에 의한 외부 온도 변화에 따라 파장 변화가 적은 외부 공진기형 레이저 개념도
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 의한 외부 온도 변화에 따라 파장 변화가 적은 외부 공진기형 레이저를 이용한 TO형 DWDM 광원 구조도
도 5 는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 외부 온도 변화에 따라 파장 변화가 적은 외부 공진기형 레이저를 이용한 TO형 DWDM 광원 구조도
도 6 은 도 5의 구조에서 파장선택성 필터에서 빔스플리터로 향하는 빛의 투과 및 반사 경로
도 7 은 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 레이저 동작 상태 감시용 포토 다이오드 칩이 내장된 외부 온도 변화에 따라 파장 변화가 적은 외부 공진기형 레이저를 이용한 TO형 DWDM 광원 구조도
도 8 은 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 레이저 동작 상태 감시용 포토 다이오드 칩이 내장된 외부 온도 변화에 따라 파장 변화가 적은 외부 공진기형 레이저를 이용한 TO형 DWDM 광원 구조도
도 9 는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 레이저 동작 상태 감시용 포토 다이오드 칩이 내장된 외부 온도 변화에 따라 파장 변화가 적은 외부 공진기형 레이저를 이용한 TO형 DWDM 광원 구조도
도 10 은 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 열전소자 및 레이저 동작 상태 감시용 포토 다이오드 칩이 내장된 외부 온도 변화에 따라 파장 변화가 적은 외부 공진기형 레이저를 이용한 TO형 DWDM 광원 구조도
도 11 은 본 발명에 의한 외부 공진기형 레이저의 온도에 따른 발진 레이저 파장 도시 도면
도 12 는 본 발명의 레이저 다이오드 칩의 온도에 따른 유효 굴절률 변화를 상쇄하기 위한 고분자 재료가 삽입된 TO형 DWDM 광원 구조도

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 도 3 은 본 발명에 의한 외부 온도 변화에 따라 파장 변화가 적은 외부 공진기형 레이저 개념도, 도 4 는 본 발명의 일 실시예에 의한 외부 온도 변화에 따라 파장 변화가 적은 외부 공진기형 레이저를 이용한 TO형 DWDM 광원 구조도, 도 5 는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 외부 온도 변화에 따라 파장 변화가 적은 외부 공진기형 레이저를 이용한 TO형 DWDM 광원 구조도, 도 6 은 도 5의 구조에서 파장선택성 필터에서 빔스플리터로 향하는 빛의 투과 및 반사 경로, 도 7 은 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 레이저 동작 상태 감시용 포토 다이오드 칩이 내장된 외부 온도 변화에 따라 파장 변화가 적은 외부 공진기형 레이저를 이용한 TO형 DWDM 광원 구조도, 도 8 은 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 레이저 동작 상태 감시용 포토 다이오드 칩이 내장된 외부 온도 변화에 따라 파장 변화가 적은 외부 공진기형 레이저를 이용한 TO형 DWDM 광원 구조도, 도 9 는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 레이저 동작 상태 감시용 포토 다이오드 칩이 내장된 외부 온도 변화에 따라 파장 변화가 적은 외부 공진기형 레이저를 이용한 TO형 DWDM 광원 구조도, 도 10 은 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 열전소자 및 레이저 동작 상태감시용 포토 다이오드 칩이 내장된 외부 온도 변화에 따라 파장 변화가 적은 외부 공진기형 레이저를 이용한 TO형 DWDM 광원 구조도, 도 11 은 본 발명에 의한 외부 공진기형 레이저의 온도에 따른 발진 레이저 파장, 도 12 는 본 발명의 레이저 다이오드 칩의 온도에 따른 유효 굴절률 변화를 상쇄하기 위한 고분자 재료가 삽입된 TO형 DWDM 광원 구조도이다.

레이저는 통상적으로 공진기를 구성하는 두 개의 반사거울과 이 두 개의 반사거울 사이에 있는 이득 매질로 구성된다. 이득 매질에서 발생되는 빛은 공진기를 구성하는 반사 거울 사이에서 왕복하면서 이득 매질에 의해 특정한 파장의 빛이 계속적으로 증폭되게 되며, 이렇게 증폭된 빛을 레이저 빛이라 부른다. 공진기에 의해 결정되는 특정한 파장의 빛은 공진기의 양 끝에서 빛의 정상파 조건을 만족하는 파장의 빛이 선택되며, 이렇게 선택된 빛 중에서 이득 매질에 의해 증폭 될수 있는 파장의 빛이 레이저 파장으로 결정되게 된다. 통상적으로 반도체 레이저 다이오드는 도 2에서와 같이 레이저 이득 매질 양옆의 레이저 빛 방출면이 일부 반사 / 일부 투과의 특성을 가지게 되며, 레이저 빛 방출면의 반사 특성이 공진기를 구성하는 반사 거울의 역할을 하게 한다.

이러한 구조의 레이저 다이오드 칩에서는 레이저 다이오드 칩의 양 쪽 거울면을 통하여 레이저 빛이 방출되게 되는데 통상적으로는 이 중 어느 한 거울면을 통하여 방출되는 레이저 빛을 통신용 또는 다른 목적의 레이저 활용에 적용하고 다른 쪽 거울면을 통하여 방출되는 레이저 빛을 이용하여 레이저 다이오드 칩의 동작을 감시하는 등 주 목적과는 관계 없이 활용하는 경우가 많다. 본 발명의 설명에서 레이저 빛을 레이저 패키징 외부로 송출하여 통신 등 본래의 목적에 맞게 활용하는 레이저 빛이 방출되는 레이저 다이오드 칩의 방출면을 “주방출면” 이라 칭하기로 하고 레이저 빛을 외부로 전송하여 활용하는 방향이 아닌 방향으로 레이저 빛을 방출하는 면을 레이저 다이오드 칩의 “부방출면”이라 칭하기로 한다.

반도체 레이저 다이오드가 레이저 다이오드의 역할을 하기 위해서는 공진기를 구성하는 반사 거울이 필요하며, 반도체 레이저 다이오드에서 방출되는 레이저 빛은 이들 반사 거울의 사이 거리와 이득 매질의 유효 굴절률에 따르는 페브리-페롯(Fabry-Perot) 간섭에 의해 선택된 파장의 빛이 레이저 다이오드 칩 외부로 방출되게 된다. 이 때 레이저 다이오드 칩의 어느 한 쪽 방출면을 1% 이하, 더욱 바람직하게는 0.1% 이하의 반사율을 가지도록 하면 레이저 다이오드 칩은 자체적으로 공진기 구성이 되지 않아 레이저로 작용하지 못하고, 자발 방출광(spontaneous emission)을 방출하는 단계에 머물게 된다.

도 3은 본 발명에 의한 외부 환경 온도 변화에 따라 파장 변화가 작은 레이저를 제작하는 단계를 보여준다. 도 2의 일반적인 레이저 다이오드 칩(150)의 구조에서 레이저 방출면의 어느 한 쪽을 10-2 이하의 반사율을 가지도록 레이저 빛 방출면을 무반사 코팅 처리하고, 이렇게 무반사 코팅 처리된 방출면을 통하여 방출되는 자발 방출되는 빛을 시준화 하기 위한 시준화 렌즈(170)를 레이저 다이오드 칩(150)의 일측면에 배치한다.

시준화 렌즈(170)를 통하여 시준화된 빛의 진행 경로에 특정한 파장을 선택하여 투과하며, 선택되어지는 특정한 파장이 아닌 다른 파장의 빛은 반사하는 파장 선택성 필터(220)를 배치한다. 이에 따라서, 레이저 다이오드 칩(150)에서 방출되는 빛 중에서 파장 선택성 필터(220)를 통과하는 파장의 빛은 파장 선택성 필터(220)의 후면에 배치되는 반사 거울(210)에서 반사되어 다시 파장 선택성 필터(220)와 시준화 렌즈(170)를 거쳐 레이저 다이오드 칩(150)으로 되돌아가게 된다.

도 3에서 빛의 진행 방향을 나타내는 화살표는 레이저 다이오드 칩(150)에서 반사거울(210)로 진행하는 방향만 도시되어 있는데 이는 혼란을 피하기 위한 것이며, 반사거울(210)에서 반사된 빛은 레이저 다이오드 칩(150)에서 반사거울(210)로 진행하는 레이저 빛의 역 경로를 따라 레이저 다이오드 칩(150)으로 궤환하게 된다. 여기서, 파장 선택성 필터(220)는 시준화 렌즈(170)에 의해 시준화된 빛의 진행 방향에 대해 수직이 아닌 방향으로 약간 기울어져 배치되게 되는데 파장 선택성 필터(220)에 의해 선택되어지지 않는 파장의 빛은 파장 선택성 필터(220)에서 반사 되어 레이저 다이오드 칩(150)으로 궤환되지 않는 방향으로 보내어지게 된다.

도 3의 도면에서 파장 선택성 필터(220)는 광축에 대해 경사진 각도를 가지는 것으로 표시 되었는데 이는 파장 선택성 필터(220)에서 선택되어지지 못하고 반사되는 빛이 다시 레이저 다이오드 칩(150)으로 되돌아가지 못하도록 하는 기능을 설명하고 있으며, 파장 선택성 필터(220)의 경사 방향 및 경사각은 임의로 선택되어 질수 있다.

또한, 파장 선택성 필터(220)를 투과하는 파장의 빛은 레이저 다이오드 칩(150)의 방출면에서 방출되어 시준화 렌즈(170), 파장 선택성 필터(220), 반사 거울(230), 파장 선택성 필터(220), 시준화 렌즈(170)를 거쳐 다시 레이저 다이오드 칩(150)으로 궤환되는 공진기가 형성되어 레이저 증폭 과정이 일어나게 된다. 파장 선택성 필터(220)에 의해 선택되지 못하는 파장의 빛은 파장 선택성 필터(220)에 의해 반사되는데. 파장 선택성 필터(220)가 입사하는 빛에 대해 수직이 아니므로 파장 선택성 필터(220)에 의해 반사된 빛은 파장 선택성 필터(220)로 입사하는 빛과는 다른 방향으로 빛을 반사하게 되며, 이에 따라 파장 선택성 필터(220)에 의해 반사되는 빛은 레이저 다이오드 칩(150)으로 궤환되지 못한다.

그러므로 도 3과 같은 구성의 레이저에서 무반사 코팅된 레이저 다이오드 칩(150)의 방출면을 통하여 방출된 빛 중에서 파장 선택성 필터(220)에 의해 선택된 파장의 빛만 레이저 다이오드 칩(150)으로 궤환되어 레이저 이득 매질에서 증폭이 일어날 수 있게 된다. 그러므로 레이저의 파장이 고정되는 레이저 동작이 일어난 이후의 레이저 빛의 파장은 파장 선택성 필터(220)에 의해 선택된 파장의 빛이며, 이러한 파장의 빛은 파장 선택성 필터(220)에 의해 반사되지 않고 레이저 다이오드 칩(150)과 반사거울(230) 사이를 왕복하게 된다.

그러므로 도 3의 경우 레이저 다이오드 칩(150)의 무반사 코팅된 방출면으로 방출된 레이저 빛은 파장 선택성 필터(220)에 의해 특정한 파장만 선택하는 용도로 사용되며 레이저 빛이 공진기 외부로 방출되어 활용되지 않으므로 이러한 레이저 다이오드 칩의 방출면은 “부방출면”이 된다. 레이저 다이오드 칩의 “부방출면”의 반대쪽 방출면은 통상적으로 수십 % 정도의 반사율을 가져 이 방출면에서 반사되는 빛은 레이저 공진기 형성에 참여하고 또한 이 방출면을 통하여 외부로 방출되는 빛은 통신등에 활용되므로 레이저 다이오드 칩의 무반사 코팅되지 않은 면을 “주방출면”으로 정의 할 수 있다.

여기서 “주방출면”과 “부방출면”은 단지 설명의 편의를 위하여 정의한 개념으로 무반사 코팅된 면이 항상 “부방출면”이 되어야 하는 것이 아니며, 수십% 의 반사율을 가지는 레이저 다이오드 칩의 방출면이 항상 “주방출면”이 되어야 하는 것은 아니다.

도 3에서 보이는 바와 같이 레이저 다이오드 칩(150)의 일측 방출면이 무반사 처리되고, 무반사 처리 된 레이저 다이오드 칩(150)의 단면을 통하여 방출된 빛이 시준화 렌즈(170)와 파장 선택성 필터(220)와 반사 거울(210)로 구성되는 구조를 통하여 다시 레이저 다이오드 칩(150)으로 궤환되는 외부 공진기형의 반도체 레이저가 구성 될 수 있으며, 이 때 레이저 다이오드 칩(150)에서 발진하는 파장은 파장 선택성 필터(220)에 의해 선택되는 파장이다.

통상적으로 도 2의 구조를 가지는 Fabry-Perot형 레이저 다이오드 칩에서는 레이저 다이오드 칩의 온도 변화에 따른 레이저 다이오드의 밴드갭 변화로 인해 대략 0.4nm/℃의 파장 변화가 발생하게 되며, 도 2의 구조를 가지되 내부에 파장 선택을 위한 격자가 있는 구조인 분포 궤환형 레이저 다이오드(distributed feedback laser diode :DFB-LD)에서는 반도체의 굴절률 변화에 의해 대략 0.1nm/℃의 파장 변화를 가지게 된다.

도 3의 구조에서 선택되는 파장은 레이저 다이오드 칩(150)에 의해 결정되는 것이 아니라, 파장 선택성 필터(220)에 의해 결정되므로, 레이저 파장이 레이저 다이오드 칩(150)의 온도와는 무관한 특성을 가지게 된다. 통상적으로 유리 재질의 물질을 이용한 파장 선택성 필터(220)의 경우 0.015nm/℃ 이하의 파장 변화를 가지게 되며, 0.004nm/℃의 파장 변화를 보이는 파장 선택성 필터(220)가 상용화 되어 있으며, 공간 이격 에탈론 필터 구조의 파장 선택성 필터에서는 온도에 따라 선택되는 파장이 변화하지 않는 온도 무의존성 파장 선택성 필터도 제작되고 있다. 그러므로 도 3의 구조와 같은 외부 공진기형 반도체 레이저는 기존의 Fabry-Perot 형 LD 또는 DFB-LD에 비해 온도 변화에 의한 파장 이동이 매우 적은 특징이 있다.

패키지 하우징의 제작 비용이 매우 저렴하며, 부피가 작은 TO형 패키지는 패키지의 스템 바닥면과 레이저 빛의 방출면이 직교하는 형태의 패키지이다. 레이저 다이오드 칩과 시준화 렌즈 및 파장 선택성 필터, 반사 거울 등이 TO형 패키지에 손쉽게 장착되기 위해서는 외부 공진기형 레이저 구조가 TO형 패키지의 바닥에 부착되어 조립되는 것이 적절하다. 그러나 이 경우에 레이저 다이오드 칩에서 방출되는 레이저 빛은 그 광축이 바닥면과 평행한 방향으로 방출되므로 스템 바닥면의 상부에 위치한 캡의 관통공을 통하여 레이저 빛이 방출되기 어렵다.

그러므로 외부 공진기형 레이저를 TO형 패키지에 장착하기 위해서는 특별한 구조의 TO형 패키지가 필요하다. 이러한 목적은 도 4와 같이 레이저 다이오드 칩(150)의 주방출면 전면에 45도 반사 거울(230)을 배치 함으로써 이루어 질 수 있다. 이 경우, 45도 반사거울(230)은 스템(120) 바닥면에 수평하게 배치된 레이저 다이오드 칩(150)의 주방출면에서 방출된 레이저 빛의 진행 방향을 스템(120) 바닥면에 대해 수직으로 절환하는 기능을 한다.

그러므로 레이저 다이오드 칩(150)과 시준화 렌즈(170), 파장 선택성 필터(220) 및 반사 거울(230)을 TO형 패키지의 바닥면에 부착하고 레이저 다이오드 칩(150)과 시준화렌즈(170), 파장 선택성 필터(220), 반사거울(230)을 포함하여 공진기를 형성 한 후 레이저 다이오드 칩(150)에서 발생하는 레이저 빛이 파장 선택성 필터(220)에 의해 선택되는 파장의 빛으로 파장 잠금되면, 레이저 다이오드 칩(150)의 주방출면을 통하여 방출되는 레이저 빛은 파장 선택성 필터(220)에 의해 파장 잠금된 레이저 빛이 된다.

이렇게 레이저 다이오드 칩(150) 주방출면을 통하여 방출된 레이저 빛은 45도 반사거울(230)을 통하여 빛의 진행 방향이 스템(120) 바닥면에 대해 수직으로 절환되어, 캡의 관통공을 통하여 TO 패키지(110) 외부로 방출된다. 이와같이 도 4와 같은 TO형 패키지는 조립이 매우 용이하며, TO형의 저가형 패키지를 사용하므로 조립 비용이 적게 들며, 레이저 빛의 파장은 온도에 의한 파장 변화가 매우 적은 파장 선택성 필터에 의해 결정되므로, 외부 온도 변화에 따른 파장 안정도가 매우 뛰어나며, 저가형이며, 조립이 용이한 TO형 DWDM 레이저 광원을 제작 할 수 있다.

한편, 45도 반사거울(230)은 여러 가지 형태로 제작 할 수 있으며, 일부반사/일부투과 등 새로운 기능을 부가하기 위한 여러 가지 특성과 모양과, 제작방법으로 제작 될 수 있다.

통상적으로 TO형 레이저 다이오드 패키지에서 레이저 빛을 잘 활용하기 위해서는 TO형 패키지의 중심에서 레이저 빛이 방출되는 것이 적절하다. 이는 통신용의 경우 광섬유와 레이저 다이오드 패키지를 광 결합 할 때, TO형 레이저 다이오드 패키지의 중심에서 방출되는 레이저 빛의 경우 광섬유와의 광결합이 용이하게 이루어지기 때문이다.

도 4의 구성에서는 레이저 다이오드 칩(150)과 외부 공진기를 구성하기 위한 모든 부품이 TO형 패키지의 중심을 기준으로 어느 한 쪽 방향으로 치우쳐 있다. 통신용으로 표준화된 TO형 패키지의 경우 직경이 6mm 정도로 매우 작은 점을 고려 할 때 TO형 패키지의 중심을 기준으로 어느 한 쪽 방향으로 모든 부품을 배치하는 것은 공간 활용 측면에서 바람직하지 못하다. 그러므로 TO형 패키지의 내부 공간을 최대한 활용할 수 있게 되면, TO형 패키지에 내장되어야 하는 부품의 규격에 대한 제한이 완화되어, 좀 더 용이하게 파장 고정형 DWDM 광원을 제작 할 수 있다.

도 5는 TO형 패키지의 내부 공간을 좀 더 활용 하기 위한 구성이다. 서브마운트(140) 상부에 위치한 레이저 다이오드 칩(150)의 한 쪽 방출면에서 방출된 빛은 시준화 렌즈(170)를 통하여 시준화된 후 45도의 경사 각도를 가지며 일부 반사 일부 투과의 기능을 가지는 빔스플리터(270)를 통과한다. 상기 빔스플리터(270)에서 반사 되는 빛은 진행 방향이 90도 절환되어 캡의 관통공을 통하여 외부로 방출된다. 빔스플리터(270)를 투과한 빛은 빔스플리터(270)의 후면을 통과한 후 파장 선택성 필터(220)에 의해 파장이 선별되어, 파장 선택성 필터(220)의 투과 대역에 해당하는 빛은 파장 선택성 필터(220)를 투과 한 후 반사거울(280)로 진입한 후 반사 거울(280)에서 반사되어 다시 파장선택성 필터(220)와 빔스플리터(270), 시준화 렌즈(170)을 거쳐 레이저 다이오드 칩(150)으로 돌아가게 된다.

상기한 구조로써 레이저 다이오드 칩(150)과 시준화렌즈(170), 빔스플리터(270), 파장선택성 필터(220), 반사거울(230)로 이루어지는 외부 공진기형 레이저가 제작 될 수 있으며, 이러한 구조에서 선택되어지는 레이저 빛의 파장은 파장 선택성 필터(220)에 의해 선택되어지는 파장이다. 빔스플리터(270)는 레이저 다이오드 칩(150)과 반사거울(280) 사이에서 공진하는 레이저 빛의 일부를 TO형 패키지(110)의 상부 관통창으로 보내는 역할을 한다. 그러므로 도 5의 구조에서는 수평으로 공진하는 레이저 빛의 일부가 외부공진기형 레이저 구조의 중심에 위치하는 빔스플리터에 의해 반사되어 패키지의 관통공으로 탈출하게 되므로 패키지 스템 바닥면을 좀 더 효율적으로 화용 할 수 있다.

도 5의 구조에서 빔 스플리터(270)의 레이저 다이오드 칩(150) 쪽 경사면은 일부 반사/일부 투과의 특성을 가지는 것이 바람직하며, 상기 빔스플리터(270)의 반사거울(280) 쪽 경사면은 무반사 코팅 처리되는 것이 바람직하다. 레이저 다이오드 칩(150)에서 반사거울(280)로 향하는 방향성을 가지는 레이저 빛이 빔스플리터(270)의 레이저 다이오드 칩(150) 쪽 경사면에 도달할 때 빔스플리터(270)의 경사면에서 반사하는 레이저 빛은 TO 스템(120) 상부의 관통창으로 반사된다.

그러나 반사거울(280)에서 반사되어 레이저 다이오드 칩(150)으로 향하는 레이저 빛이 빔스플리터(270)를 투과하여 빔스플리터(270)의 레이저 다이오드 칩(150) 쪽 경사면에 도달 할 경우 레이저 빛의 일부분이 반사를 하게 되는데, 이때 반사하는 반사 빛의 경로는 도 6과 같이 TO 스템(120) 바닥면이 된다. TO 스템(120) 바닥면으로 향하는 레이저 빛의 경로에 레이저의 동작 상태를 감시하기 위한 감시용 포토 다이오드를 배치하면, 반사거울(280)에서 반사되어 레이저 다이오드 칩(150)으로 향하는 레이저 빛이 빔스플리터(270)에서 반사 한 빛을 이용하여 레이저의 동작 상태를 감시 할 수 있다. 이러한 도 5의 구조에서 레이저 다이오드 칩(150)의 파장 선택성 필터(220) 쪽 방출면은 무반사 코팅 되는게 바람직하며, 적절하게는 10-2 이하의 반사율을 가지는 것이 바람직하다.

레이저 다이오드 칩(150)의 파장 선택성 필터(220) 쪽 방출면은 무반사 코팅되어 있으나 이 면으로 방출되는 레이저 빛의 일부를 TO형 패키지 외부로 방출하여 활용하므로 도 5의 경우 무반사 코팅된 면이 레이저 “주방출면”이 된다. 레이저의 “부방출면”의 반사율은 70% 이상이 적절하며, 레이저 다이오드 칩의 부방출면으로 방출되는 빛을 활용하지 않을 경우에는 “부방출면”의 반사율을 90% 이상으로 높은 반사율을 가지도록 코팅하는 것이 바람직하다.

도 5의 구조에서는 레이저 빛이 레이저 다이오드 칩(150)과 시준화렌즈(170), 빔스플리터(270), 파장 선택성 필터(220), 반사거울(230)로 이루어지는 공진기의 중간에서 레이저 빛의 일부가 TO 스템(120) 바닥면에 대해 수직한 방향으로 방향 절환이 이루어져 TO형 패키지 외부로 방출되게 되므로, TO형 패키지의 중심점을 기준으로 양쪽의 공간을 모두 효과적으로 활용하는 장점이 있어 직경 6mm 정도의 매우 작은 공간에 효과적으로 여러 부품들을 배치 할 수 있게 된다.

통상적으로 레이저 다이오드 패키지는 내부의 레이저 다이오드 칩의 동작 상태를 감시하기 위한 목적으로 감시용 포토 다이오드 칩을 패키지 내에 배치한다. 본 발명에 의한 패키지 외부 온도 변화에 대해 파장 변화가 극히 억제된 외부 공진기형 TO 패키지형 DWDM 레이저 패키지에 있어서도 레이저 다이오드 칩의 동작 상태를 감시하기 위한 감시용 포토 다이오드 칩이 TO형 패키지 내부에 장착 될 수 있다. TO형 패키지 내에 장착되는 감시용 포토 다이오드 칩은 다양한 광 경로에 배치 될 수 있다.

도 7은 도 4의 구조와 같이 반사거울과 파장선택성 필터, 시준화 렌즈, 레이저 다이오드 칩이 스템 중심점을 기준으로 한쪽 방향으로 치우쳐 있을 때 감시용 포토 다이오드를 배치하는 하나의 방법이다. 도 7에서 레이저 다이오드 칩의 “주방출면” 전면에 배치되는 45도 반사거울은 빔스플리터의 특성을 가지도록 제작된다. 빔스플리터(270)는 미리 정해진 비율로 레이저 빛을 투과 및 반사시키는 기능을 한다. 빔스플리터(270)에서 반사되는 비율의 레이저 빛은 TO형 패키지에서 외부로 방출되게 되며, 빔스플리터(270)를 투과하는 비율의 레이저 빛은 감시용 포토다이오드 칩(350)으로 입사하여 전기신호로 바뀜으로써 레이저 다이오드 칩(150)의 동작 상태를 감시하는 용도로 사용된다.

도 8은 도 5의 구조에서 감시용 포토 다이오드 칩(350)을 배치하는 일 실시예이다. 도 8의 구조는 레이저 다이오드 칩(150)의 “부방출면”에서 방출되는 레이저 빛을 이용하여 레이저 다이오드 칩(150)의 동작 상태를 감시하는 방법이다. 이때 레이저 다이오드 칩(150)의 부방출면을 통하여 방출되는 레이저 빛을 이용하여 레이저의 동작 상태를 감시하므로 부방출면을 통하여 방출되는 레이저 빛의 세기가 어느 정도 필요하며, 이를 위하여 레이저 다이오드 칩(150)의 부방출면이 50~90% 정도의 반사율을 가지는 것이 적절하다.

도 5의 구조에서 “주방출면”을 통하여 방출된 빛의 일부를 이용하여 감시용 포토다이오드 칩을 동작시키는 방법이 가능하다. 도 5의 구조에서 레이저 다이오드 칩(150)에서 발산하여 빔스플리터(270)를 투과한 후 파장 선택성 필터(220)를 투과하여 반사거울(280)에서 반사된 레이저 빛은 다시 파장 선택성 필터(220)를 거친 후 빔스플리터(270)로 진입하게 된다. 빔스플리터(270)의 파장 선택성 필터(220) 쪽 면은 무반사 코팅되어 있고 빔스플리터(270)의 레이저 다이오드 칩(150) 쪽 면은 일부 반사/일부 투과의 특성을 가지므로 파장 선택성 필터(220)에서 빔스플리터(270) 방향으로 진행 한 빛 중 빔스플리터(270)를 투과 한 빛은 레이저 다이오드 칩(150)으로 궤환되어 레이저 다이오드 칩(150)의 파장 고정에 활용된다.

도 5의 구조에서 파장 선택성 필터(150)에서 빔스플리터(270)로 진행한 빛 중 빔스플리터(270)에서 반사하는 빛은 도 6에서 보이는 바와 같이 스템(120) 바닥면을 향하게 된다. 그러므로 도 9에서와 같이 빔스플리터(270)의 하부에 감시용 포토 다이오드 칩(350)을 배치하면 레이저 다이오드 칩(150)의 “주방출면”에서 방출되는 레이저 빛 중에서 빔스플리터(270)에서 반사하여 스템(120) 상부로 향하는 레이저 빛은 TO형 패키지를 탈출하여 패키지 외부에서 레이저 빛을 활용하는 목적에 사용되며, 반사 거울(280)에서 반사되어 빔스플리터(270)로 진행하는 빛 중 빔스플리터(270)에서 반사하는 성분의 레이저 빛은 스템(120) 바닥면으로 진행하여 스템(120) 바닥면에 배치되는 포토 다이오드 칩에(350)서 레이저 다이오드 동작 상태 감시에 사용된다.

도 8과 도 9의 경우 파장 선택성 필터(220)가 레이저 다이오드 칩(150)의 “주방출면” 쪽에 배치되는 것은 동일하나, 레이저 다이오드 칩(150)의 동작 상태를 감시하는 용도의 포토 다이오드 칩(350)으로 입사하는 레이저 빛은 도 8의 경우 “부방출면”으로 방출되는 레이저 빛이며, 도 9의 경우는 레이저 다이오드 칩(150)의 “주방출면”으로 방출되는 빛을 이용한다는 점이 다르다.

그러므로 도 9의 경우 “부방출면”으로 방출되는 레이저 빛은 순수한 손실되는 빛이므로 이 경우 “부방출면”의 반사율을 90% 이상으로 처리하여 레이저 빛의 손실을 최소화하는 것이 바람직하다. 도 8의 경우에서는 “부방출면”으로 방출되는 레이저 빛이 레이저 다이오드 칩(150)의 동작 상태를 감시하는 용도로 사용하므로 “부방출면”의 반사율을 50~90% 정도로 조절하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용되는 레이저 다이오드 칩 자체의 이득 특성은 외부 온도에 의해 영향을 받게 된다. 이러한 광출력에 대한 외부 환경 온도의 영향은 그 민감성이 떨어지지만 레이저 다이오드 칩의 가장 적절한 동작 온도는 0~50℃ 정도이다. 이러한 온도 범위는 실제 레이저 다이오드 칩이 겪게 되는 외부 환경 온도가 -40~85℃임에 비추어 보면 레이저 다이오드 칩의 온도를 조절하여야 할 필요가 있다. 이때 레이저 다이오드 칩의 온도를 조절하는 것은 파장의 안정화와는 관계없이 레이저 다이오드 칩의 출력 특성을 안정화시키기 위한 용도이다.

도 10은 본 발명의 외부공진기형 DWDM 레이저에 열전소자(310)를 부가하여 레이저 다이오드의 출력 특성 및 파장 안정화를 개선하는 방법이다. 도 10에서는 도 9의 외부 공진기형 레이저 구조가 열전소자(310)에 배치되는 형태를 예시하였는데, 도 4, 도 7, 도 8의 어떤 구조도 열전소자(310)의 장착과 병행하여 적용 할 수 있다.

도 10에서 파장 선택성 필터(220)는 열전소자(310) 위에 배치되는데 TO형 패키지에 있어서 열전소자(310)를 이용하여 +/-2℃의 온도 조절은 매우 용이하게 이루어지므로 0.004nm/℃의 파장 변화 특성을 가지는 파장 선택성 필터를 사용 할 경우 외부 환경 온도가 -40~85℃이 구간에서 레이저의 파장을 +/- 0.008nm로 조절하는 것은 매우 용이하게 이루어 진다. 이러한 파장 안정도는 통신의 파장 사이 간격이 0.2nm인 25GHz 간격 DWDM 광원에도 적용 될 수 있다.

외부공진기형 레이저에서 파장 선택성 필터는 단일의 파장만 선택하는 것이 아니라 선택되어지는 파장의 폭이 존재한다. 이러한 파장 선택 필터의 선택 파장 폭은 파장 선택성 필터의 제작 방법에 따라 달라지게 되나, 통상적으로 반가폭이 0.1~0.5nm 정도의 폭을 가지게 된다. 실질적으로 본 발명의 구조의 레이저에서 발진하는 레이저 빛의 파장은 파장 선택성 필터에 해당되는 Fabry-Perot 공진 모드에 의해 파장이 결정되며, 이때 공진기는 레이저 다이오드 칩과, 시준화렌즈, 파장 선택성 필터, 반사거울 및 상기 부품 사이의 공간을 포함하여 결정된다. 파장 선택성 필터의 온도에 따른 투과 최대치 파장은 0.004nm/℃ 로 움직이나, 실질적인 레이저 발진 파장은 파장 선택성 필터의 투과 내역내의 Fabry-Perot 공진 모드로 결정된다. 레이저 다이오드 칩의 온도가 바뀌게 되면 레이저 다이오드 칩의 굴절률이 바뀌게 되며, 이에따라 공진기 길이가 효과적으로 바뀌게 되는 현상이 발생한다. 이는 본 발명의 외부공진기형 레이저에서 실제 발진 파장은 파장 선택성 필터의 투과 파장의 온도 의존성과 다른 파장 이동을 가져 올 수 있다.

도 11은 실제 본 발명의 도 10의 구조로 제작된 레이저에서 레이저 다이오드 칩(150)과 파장 선택성 필터(220)가 동일한 열전소자(310) 상부에 놓여져 있을 때 열전소자(310)의 온도를 20~40℃로 바꾸어 주었을 때의 발진 레이저 파장을 그린 그림이다.

도시된 바와 같이, 온도가 상승함에 따라 레이저 발진 파장은 23pm/℃ 의 속도로 서서히 증가하다가 급격히 떨어지는 과정을 반복한다. 이는 레이저의 온도가 증가함에 따라 레이저 다이오드 칩의 유효 굴절률 증가에 따라 공진기의 유효 길이가 증가하게 되고 이에 따라 공진기의 Fabry-Perot 모드의 파장이 변화하여 발진 파장의 증가를 가져온다.

그러나 파장 선택성 필터의 온도 의존도는 4pm/℃ 정도로 Fabry-Perot 모드와 파장 선택성 필터의 투과 대역 파장에 불일치가 발생하여, 기존에 발진하던 Fabry-Perot 모드의 옆 모드가 파장 선택성 필터의 투과 대역에 해당할 경우 Fabry-Perot 모드의 천이가 발생하면서 파장이 급격히 감소하게 된다. 발진하던 Fabry-Perot 모드가 인접한 Fabry-Perot 모드로 변화하는 것을 모드 천이라 한다. 도 11의 발진 파장의 최대치를 연결할 경우 이는 2.5pm/℃ 로써 이는 파장 선택성 필터의 온도 의존도에 의해 발생하는 발진 파장 이동이다. 즉, 도 11의 발진 파장 최대치의 이동도인 2.5pm/℃는 파장 선택성 필터의 온도의존성에 기인한 것이나, 파장이 급격하게 떨어지는 영역 사이에서 레이저 발진 파장이 23pm/℃의 기울기를 가지고 증가하는 현상은 파장 선택성 필터의 투과 대역 안에서 움직이는 Fabry-Perot 모드가 레이저 다이오드 칩의 온도 변화에 따른 유효 공진기 길이 변화에 의한 이동에 기인한다. 그러므로, 전체적으로는 레이저 발진 파장이 20℃의 온도 변화 구간에서 1550.620nm에서 1550.780nm 사이에서 파장이 안정화 되어 있다 하더라도, 이 구간 내에서 파장의 급격한 변화는 없어지는게 더 바람직하다. 즉 모드 천이가 없이 넓은 온도 범위에서 발진 파장이 안정화 되어 있는 것이 레이저의 안정적 운용에 훨씬 유리하다. 이는 모드 천이가 있을 경우 레이저의 발진 상태가 불안해 지기 때문이다.

도 11의 경우 레이저 발진 파장이 23pm/℃의 기울기를 가지고 증가하는 현상은 앞서 설명하였듯이 파장 선택성 필터의 투과 대역 안에서 움직이는 Fabry-Perot 모드가 레이저 다이오드 칩의 온도 변화에 따른 유효 공진기 길이 변화에 의해 발생하며, 이러한 유효 공진기 길이의 변화는 레이저 다이오드 칩의 유효 굴절률이 온도에 따라 대략 1~2*10-4/℃ 정도로 온도에 따라 증가하는 현상 때문에 발생한다.

시준화렌즈 또는 파장선택성 필터, 빔스플리터, 반사거울 등은 온도에 따라 유효 굴절률이 ~ 10-6/℃ 정도로 매우 작게 변화하므로 레이저 공진기의 온도 변화에 따라 공진기의 유효 공진기 길이를 변화시키는 요인은 대부분 반도체 레이저 다이오드 칩의 유효 굴절률 변화이다. 반도체 레이저 다이오드 칩의 유효 굴절률은 온도에 따라 양의 부호를 가지고 증가한다. 그러므로 공진기 내부에 온도의 상승에 따른 반도체 레이저 다이오드 칩의 유효 굴절률 증가를 상쇄할 수 있는 방법을 부가하면 온도 변화에 따라 하나의 Fabry-Perot 모드 내에서 온도 변화에 따른 유효 공진기 변화를 줄여줄 수 있어 파장을 더욱 안정화 시킬 수 있다. 공진기 온도의 증가에 따라 굴절률이 감소하는 특성을 가진 재료는 고분자 재료가 일반적이다. 즉 폴리이미드(polyimid), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에틸렌(polyethylen), 폴리비닐(polyvinyl), 에폭시(epoxy) 등 대부분의 고분자 재료는 온도가 증가하면 굴절률이 감소하는 특성을 가지고 있다.

도 12는 상기한 파장 선택성 필터의 투과 대역 내에서의 공진기의 유효굴절률 변화에 따른 공진기 길이 변화에 기인하는 Fabry-Perot 모드 파장의 이동을 최소화하기 위해 레이저 공진기내에 고분자 재료(450)를 삽입한 구조이다. 반도체 레이저 다이오드 칩과 고분자 재료의 온도에 따른 유효 굴절률 변화는 일정하므로 반도체 레이저 다이오드 칩(150)의 유효 굴절률 변화와 반도체 칩의 길이에 대해 이를 상쇄하기 위한 고분자재료(450)의 유효굴절률 변화 및 고분자 재료의 두께가 설정되었을 경우 반도체 레이저 다이오드 칩과 고분자 재료가 모두 동일한 온도 변화를 겪는 것이 바람직하다.

그러므로 반도체 레이저 다이오드 칩(150)과 굴절률 변화 보상용 고분자 재료(450)가 스템 바닥면(120) 또는 열전소자(310) 위에 동시에 장착되는 것이 바람직하다. 고분자 재료(450)는 판형으로 가공되데, 레이저에서 고려하는 파장에 대해 무반사 코팅되는 것이 바람직하다. 또한 상기 고분자재료(450)는 반도체 레이저 다이오드 칩의 온도에 따른 유효 굴절률 변화를 상쇄하기 위한 용도이므로 고분자 재료의 온도에 따른 유효 굴절률 변화가 반도체 레이저 다이오드 칩의 유효 굴절률 변화와 유사 할 때 반도체 레이저 다이오드 칩의 길이와 유사한 두께의 고분자 재료를 선택 할 수 있다.

그러므로 통상적으로 반도체 레이저 다이오드 칩의 온도에 따른 유효 굴절률 차이가 1~3 x 10-4/℃ 이므로 고분자 재료의 유효 굴절률의 변화가 -0.5 x 10-4/℃ 내지 -5 x 10-4/℃ 정도의 유효 굴절률 변화를 보이는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 -1 x 10-4/℃ 내지 -3 x 10-4/℃ 정도의 유효 굴절률 변화를 보이는 고분자 재료가 바람직하다.

도 12의 설명에서 고분자 재료(450)의 유효 굴절률의 온도에 따른 변화량 및 두께는 레이저 다이오드 칩(150)의 온도에 따른 유효 굴절률과 길이를 고려하여 공진기의 온도에 따른 유효 굴절률 변화를 상쇄시키는 고분자 재료(450)의 온도에 따른 유효 굴절률 변화와 고분자 재료(450)의 두께를 조절하는 것이 바람직하다고 하였으나, 더욱 바람직하게는 파장 선택성 필터(220)의 온도에 따른 파장 변화량과 동일하게 공진기의 Fabry-Perot 모드의 파장이동이 일어나도록 고분자 재료(450)의 온도에 따른 유효 굴절률 변화와 두께를 선정하는 것이 바람직하다.

즉, 공진기의 온도에 따른 유효굴절률 변화가 반도체 레이저 다이오드 칩(150)의 유효 굴절률 변화와 고분자 재료(450)의 유효 굴절률 변화에 의해서 완전히 상쇄되게 되면, Fabry-Perot 모드 파장은 고정되어 있는 반면, 파장 선택성 필터(220)의 투과 파장은 온도에 따라 변화하므로, Fabry-Perot 공진 모드와 파장 선택성 필터의 투과 파장사이의 불일치가 발생 할 수 있고 이러한 불일치가 커질 경우 모드 천이가 일어날 수 있다. 그러므로 공진기의 Fabry-Perot 모드의 온도에 따른 파장 이동도가 파장 선택성 필터의 온도에 따른 투과 파장 이동도가 일치 할 경우에는 전 온도 영역에서 모드 천이가 없어 질 수 있다.

실질적으로 Fabry-Perot 모드의 온도에 따른 파장 이동도를 파장 선택성 필터의 온도에 따른 파장 이동도와 매우 정밀하게 일치시키는 것은 매우 어려운 일이며, 실질적으로는 레이저의 운용 온도 범위 내에서 모드 천이가 일어나지 않으면 된다. 통상적으로 열전소자를 이용한 온도 조절형 레이저에 있어서 레이저 다이오드 칩의 온도 운용 범위는 대략 30~50℃ 이므로 20℃의 구간 내에서 모드 천이가 일어나지 않으면 된다. 이는 공진기의 온도에 따른 Fabry-Perot 모드 파장 이동도가 파장 선택성 필터의 온도에 따른 파장 이동도와의 차이가 Fabry-Perot 모드 간격을 20℃로 나눈 값 이내면 모드 천이 없이 20℃의 온도 운용 범위를 확보 할 수 있다. Fabry-Perot 모드 간격은 공진기의 크기에 따라 달라지는 특성이 있다.

도 12에서 고분자 재료(450)는 공진기 내의 어떤 위치에 있어도 무방하나, 더욱 바람직하게는 시준화 렌즈(170)와 반사거울(280) 사이에 배치되는 것이 바람직하다. 통상적으로 파장 선택성 필터(220)의 두께가 레이저 다이오드 칩(150)과 시준화 렌즈(170)의 길이보다 두꺼우므로 가장 효율적으로 배치되는 방법은 반도체 레이저 다이오드 칩(150), 시준화 렌즈(170), 고분자재료(450), 빔 스플리터(270), 파장 선택성 필터(220), 반사거울(280)의 순서가 된다.

이와 같이 본 발명을 이용하여 외부 온도 변화에 따라 레이저의 발진 파장 변화가 매우 작은 DWDM 용 광원을 저가화 및 초소형화가 용이한 TO형 패키지에 내장시키는 초소형, 파장 안정화, TO 패키지형 DWDM 레이저 광원의 제작이 가능하여 진다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있음을 이해하여야 한다.

110: TO 패키지 120: 스템
150: 레이저 다이오드 칩 170: 시준화 렌즈
190: 레이저 빛 220: 파장 선택성 필터
270: 빔스플리터 280: 반사거울
310: 열전소자 350: 감시용 포토다이오드
450: 고분자 재료

Claims

TO형 패키지 내부에 외부 공진기형 레이저를 포함하는 레이저 다이오드 패키지에 있어서,
상기 외부 공진기형 레이저는 반사거울, 파장선택성 필터, 시준화 렌즈, 레이저 다이오드 칩의 순서로 배치하고, 상기 레이저 다이오드 칩의 주방출면에 45도 반사거울 또는 45도 빔스플리터를 배치하여 레이저 광 출력의 방향이 절환되는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 패키지.
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TO형 패키지 내부에 외부 공진기형 레이저를 포함하는 레이저 다이오드 패키지에 있어서,
상기 외부 공진기형 레이저는 레이저 다이오드 칩, 시준화 렌즈, 45도 빔스플리터, 파장선택성 필터, 반사거울의 순서로 배치하고, 상기 45도 빔스플리터가 TO형 패키지의 중심에 배치하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 패키지.
제 4항에 있어서,
상기 45도 빔스플리터의 하부에 상기 레이저 다이오드 칩의 동작 상태를 감시하기 위한 포토 다이오드를 더 배치하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 패키지.
제 4항에 있어서,
상기 TO형 패키지의 바닥면에 열전소자를 더 배치하고, 상기 열전소자 상부에 상기 외부 공진기형 레이저를 배치하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 패키지.
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제 4항에 있어서,
상기 레이저 다이오드 칩와 상기 시준화 렌즈 사이에 고분자 재료를 더 삽입하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 패키지.
제 8항에 있어서,
상기 고분자 재료는 온도에 따른 유효 굴절률의 변화가 -0.5 x 10-4/℃ 내지 -5 x 10-4/℃ 범위인 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 패키지.
제 8항에 있어서,
상기 고분자 재료는 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리비닐, 에폭시 중 어느 하나 또는 둘 이상의 조합인 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 패키지.
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제 8항에 있어서,
상기 고분자 재료는 반도체 레이저 다이오드 칩을 포함하는 전체 공진기의 온도에 따른 Fabry-Perot 모드의 파장 이동도가 파장 선택성 필터의 온도에 따른 파장 이동도에 Fabry-Perot 모드 간격/ 20℃ 이내로 조절되도록 상기 고분자 재료의 두께 및 온도에 따른 유효 굴절률 변화를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 패키지.
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