KR102237784B1 - 파장 안정화 장치가 구비된 레이저 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레이저 빛의 선폭이 줄어들어 장거리 전송이 가능한 TO 형 레이저 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 레이저 장치는 레이저 빛을 발산하는 레이저 다이오드 칩(100); 파장 선택성 필터; 상기 레이저 다이오드 칩(100)과 파장 선택성 필터 사이의 광 경로 상에 설치되어, 레이저 다이오드 칩(100)으로부터 발산된 빛을 시준화시키는 시준화 렌즈(200); 상기 레이저 다이오드 칩(100)과 파장 선택성 필터 사이의 광 경로 상에 설치되어, 패키지 바닥면에 대해 수평으로 진행하는 레이저 빛을 패키지 바닥면에 대해 수직으로 진행하는 레이저 빛으로 방향을 전환하는 45도 부분반사거울(300); 상기 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산된 후 파장 선택성 필터에서 반사하는 레이저 빛이 45도 부분반사거울(300)을 투과하는 광경로 상에 배치된 광파장 감시용 포토 다이오드(500);를 포함하여 이루어지며, 레이저 다이오드 칩이 부착되는 열전소자의 온도를 조절하거나 에탈론 필터의 온도를 조절하여 레이저 빛과 에탈론 필터의 파장 사이의 관계가 일정하도록 유지하며, 레이저 빛의 "1" 신호에 비해 "0" 신호가 더 감쇄되도록 하여 레이저 신호의 선폭이 좁아지도록 하여 고속 변조 광신호가 더 장거리까지 전송되도록 한다. 본 발명에서는 부품의 배치가 45도 부분반사 거울을 중심으로 배치되어 저가의 TO형 패키지를 이용하여 고속 변조, 장거리 통신이 가능한 레이저 신호를 얻는데 그 목적이 있으며, 레이저 빛의 파장을 일정한 값으로 유지하는 경우와, 레이저 빛의 파장을 원하는 파장으로 가변하는 경우와, 레이저 빛의 파장을 조절하지 않는 경우에 고속 변조된 레이저 빛이 장거리까지 전송되도록 하는 저가형의 TO형 패키지를 이용한 레이저 장치를 제공한다.

Description

파장 안정화 장치가 구비된 레이저 장치 {Laser Device with wavelength stabilizer}
본 발명은 레이저 장치에 관한 것으로, 특히 파장 안정화 장치를 갖추고 초소형으로 제작 가능하며 패키지에서 발산되는 레이저 빛의 선폭이 줄어들어 장거리 전송이 가능한 파장 안정화 장치가 구비된 레이저 장치에 관한 것이다.
근래에 들어 스마트폰 등의 동영상 서비스를 비롯하여 통신 용량이 매우 큰 통신 서비스들이 출시되고 있다. 이에 따라 종래의 통신 용량을 대폭적으로 증가시킬 필요가 대두 되고 있는데, 이렇게 통신 용량을 대폭적으로 증가시키는 방법으로 광통신에 사용되는 bit rate를 늘리는 방법과, 하나의 광섬유에 여러 가지 파장의 광신호를 동시에 전송하는 방법인 WDM(wavelength division multiplexing) 방법이 사용되고 있다. WDM 방식도 종래에 널리 사용되던 1310um 대역 광신호와 1550um 대역 광신호의 두 가지 파장의 WDM 방식에서 현재는 주파수 간격이 100GHz, 50GHz인 매우 조밀한 WDM(DWDM;Dense WDM)이 채택되고 있다. 더 나아가 광통신 용량을 더 증가시키기 위해서 하나의 파장을 가지는 광신호의 bit rate를 올리는 방법과 여러 가지 파장의 빛을 하나의 광섬유로 통과시키는 WDM 방법이 동시에 적용되기 시작하고 있다.
그러나 반도체 레이저 다이오드에서 레이저 빛을 "1" 신호와 "0" 신호에 해당하는 전류를 흘려주어 빛의 강도를 변조시키고 이러한 빛의 강도 변화에 따른 신호를 "1"과 "0" 신호로 해석하는 방식의 광통신에 있어서, 반도체 레이저 다이오드 칩에서 발생되는 레이저 빛의 파장이 주입 전류의 크기에 따라 파장이 변화하는 chirp 현상이 발생하게 된다. 여기서 "1" 신호는 통상적으로 광세기가 강한 bit의 신호를 나타내고, 광세기가 약한 빛의 신호는 "0" 신호라 한다. 반도체 레이저 다이오드 칩은 주입된 전류의 양이 클 경우 더 큰 광 출력이 발생하므로, 앞서 설명한 "1" 신호는 레이저 다이오드 칩에 상대적으로 큰 전류가 흐를 경우에 해당하며, "0" 신호는 레이저 다이오드 칩에 상대적으로 작은 전류가 흐를 때의 광출력에 해당한다. 예를 들어 10Gbps 급의 변조속도에 있어서 "1" 신호와 "0" 신호 사이에는 대략 5GHz 내지 10GHz의 파장 변화가 생기게 되며 이러한 파장의 차이를 chirp이라고 한다. 통상적인 DFB-LD 에 있어서 "1" 신호는 "0" 신호에 비해 주파수가 5GHz 내지 10GHz 정도 커지며, 이에 따라 "1" 신호의 파장은 "0" 신호에 비해 파장이 짧은 특성이 있다. 광섬유에서는 dispersion 현상에 의해 빛의 파장에 따라 빛의 전달 속도가 달라지게 되고, 이러한 dispersion 현상은 반도체 레이저를 "1"과 "0"으로 구동할 때 발생하는 chirp 특성에 따라 "1" 신호와 "0" 신호의 전송 속도를 달라지게 하며, 이에 따라 광수신기에 광신호가 도달할 무렵에는 "1" 신호와 "0" 신호가 섞이게 되어 신호 분리가 어려운 현상이 발생하게 된다.
이러한 현상은 특히 bit rate가 높을 때, 그리고 전송 거리가 멀어질 때 더 심각하게 발생되게 되어, 10Gbps 급으로 구동되는 1550nm 대역의 반도체 레이저에서 발생하는 광신호의 경우 10Km 이상의 광전송은 매우 어려울 뿐만 아니라 심지어 5Km의 광전송도 어려운 경우가 있다.
반도체 레이저 다이오드 칩을 10Gbps 급의 고속으로 동작시키기 위해서는 "0" 신호에 해댕하는 bias 전류와 "1" 신호에 해당하는 modulation 전류를 흘려주어야 하는데, "0" 신호에서는 반도체 레이저 다이오드 칩으로 bias 전류가 흐르게 되고, "1" 신호에 대해서는 bias 전류에 modulation 전류가 더해진 전류가 흐르게 된다. 10Gbps 급의 고속 통신을 위해서는 반도체 레이저 다이오드 칩의 광반응이 10Gbps 급의 RF(radio frequency) 주파수의 신호에 대해 빠른 반응도를 가져야 하나, 반도체 레이저 다이오드 칩의 RF 전기 신호에 대한 광반응도를 높이기 위해서는 bias 전류를 높이는 것이 바람직하다. Modulation 전류의 크기는 반도체 레이저 다이오드 칩을 구동하는 전자회로의 특성에 의해 결정되는데, 전자회로가 높은 주파수 반응 특성을 가지게 하기 위해서는 modulation 전류의 크기를 낮추는 것이 바람직하다. 그러므로 반도체 레이저 다이오드 칩의 RF 반응 특성을 개선하기 위해서 반도체 레이저 다이오드 칩으로 흐르는 bias 전류를 높이고, 또한 반도체 레이저 다이오드 칩의 구동 회로의 RF 특성을 개선하기 위하여 낮은 전류의 modulation 전류 크기를 가질 경우 "1"에 해당하는 광신호의 세기와 "0"에 해당하는 광신호의 세기의 차이가 작아지게 된다. "1"에 해당하는 광신호와 "0"에 해당하는 광신호의 세기의 비율을 ER(extinction ratio)라 한다. 이 ER이 낮을 경우 반도체 레이저 다이오드 칩의 chirp 현상과 광섬유의 dispersion 현상에 의해 광수신단에서 "1"과 "0" 신호가 섞이게 되어 광수신단에서 광신호를 해독하기가 어려워진다. 이러한 반도체 레이저 다이오드 칩의 chirp 현상과 광섬유의 dispersion에 의해 광신호의 혼선이 발생하는 것은 ER을 크게 하여 줄일 수 있으나, ER을 크게 하기 위해서는 bias 전류를 줄여야 하고, modulation 전류는 키워야 한다. 그러나 bias 전류를 줄이면 반도체 레이저 다이오드 칩의 전기신호에 대한 광반응 속도가 떨어지게 되고, modulation의 크기를 증가시키면 반도체 레이저 다이오드 칩을 구동하기 위한 구동회로의 반응속도가 떨어지는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 Chang-Hee Lee 등은 CLEO' 95(CLEO 1995, CTuI10)에서 DFB-LD(Distributed feedback laser diode) 광원에서 출력된 레이저 빛을 광학적으로 필터링(filtering) 하여 "0" 신호를 제거하거나 또는 줄여주는 방법으로 ER을 개선하여, 반도체 레이저 다이오드 칩으로부터 출력된 레이저 빛을 광학적으로 필터링 하지 않았을 경우에 비해 더 장거리의 전송이 가능함을 보이고 있다. 이는 광학적 필터의 투과 대역 파장을 "1"에 맞추어 주면 이러한 "1" 신호에 비해 파장이 긴 "0" 신호는 광학적 필터에 의해 차단되므로, 광섬유로 전송되는
"0" 신호는 "1" 신호에 비해 상대적으로 강도가 약해지게 되어 ER이 증가하고 이에 따라 광수신기에서 광신호의 수신이 용이해지게 되어 더 장거리까지 광신호를 보낼 수 있게 된다. 그러므로 광학적 필터의 투과 대역의 선폭은 "1" 신호와 "0" 신호의 파장 차이에 따라 의미있는 수준의 투과율 차이를 가져야 하는데, 이러한 투과율의 차이는 광학적 필터의 투과 대역 선폭으로 조절될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 "1" 신호와 "0" 신호는 5GHz 내지 10GHz 정도의 주파수 차이를 보이므로, 광학적 필터의 투과 파장 대역의 선폭은 이러한 정도의 파장 차이에 대해 의미있는 투과율 차이를 보이도록 설정되어야 한다.
전술한 Chang-Hee Lee 등의 CLEO' 95( CLEO 1995, CTuI10)의 참고문헌에는 이러한 광학적 필터의 투과 대역의 -3dB 대역폭을 12GHz로 설정하고 있으나 광학적 필터의 투과 대역폭은 5GH 내지 30GHz에서 적절한 값을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 광학적 필터는 적어도 10nm 내지 100nm의 파장 대역에서 하나의 투과 파장 대역 피크를 가지는 형태의 광학적 필터를 사용할 수 있으나 이러한 파장 대역에서 복수개의 투과 파장 대역을 가지는 필터도 사용이 무방하다. 복수개의 투과 파장 대역을 가지는 광학적 필터의 경우 전술한 -3dB 대역폭은 어느 하나의 투과 파장 피크의 -3dB 대역폭으로 정의된다. 복수개의 투과 파장 대역을 가지는 경우 복수개의 투과 파장 대역 사이의 주파수 차이는 적어도 투과 파장 대역의 -3dB폭보다 커져야 한다.
한편, DFB-LD 형태의 반도체 레이저의 경우 운용온도에 따라 파장이 달라지는데, 통상적으로 0.1nm/℃ 정도의 파장 변화율을 가진다. 그러므로 -40℃∼85℃의 환경 온도 변화에 따라 반도체 레이저 다이오드 칩은 약 12.5nm 정도의 파장 변화를 가지게 된다. 그러므로 인접하는 파장이 20nm 정도 떨어진 경우에는 반도체 레이저 다이오드 칩의 온도를 조절하지 않아도 각 파장의 혼선 현상을 없앨 수 있다. 그러므로 통상적으로 20nm 이상의 파장 간격을 가지는 광신호의 경우에는 반도체 레이저 다이오드 칩의 온도를 조절하지 않고 사용한다. 그러나 인접하는 파장과의 파장 간격이 10nm 이내일 경우 반도체 레이저 다이오드 칩은 온도 변화를 억제하기 위하여 열전소자를 사용하여 반도체 레이저 다이오드 칩의 온도를 일정하게 유지하여야 한다.
10Gbps 급의 고속 광통신의 경우 DFB-LD 칩의 chirp 현상과 광섬유의 dispersion 현상은 반도체 레이저 다이오드 칩의 운용 온도와 무관하게 발생하는 현상이므로, 10Gbps 급의 고속 광통신을 장거리 전송하기 위해서는 광통신에 사용되는 파장들간의 파장 간격과 무관하게 반도체 레이저 다이오드 칩에서 출력되는 광신호를 광학적으로 필터링 할 필요가 있다.
또한, 현재 세계적으로 표준화되고 있는 광통신 모듈인 SFP(small form factor pluggable)이라는 형태의 제품은 내부 규격이 매우 작아 소형화된 광소자가 필요하다. 현재 반도체 레이저 칩을 장착하는 패키지는 TO(transistor outline)형, 미니플랫형, 버터플라이형 등의 패키지 하우징이 있는데, 이 중에서 TO형 패키지의 경우 부피가 매우 작고 상대적으로 가격이 매우 저렴하여 수량이 많이 필요한 가입자용의 광통신망에 적극적으로 사용되고 있다. 그러나 기존의 TO형의 패키지에 DFB-LD 칩과 DFB-LD 칩에서 방출되는 레이저 빛을 광학적으로 필터링 하여 "1" 신호와 "0" 신호의 비율인 ER을 증가시키기 위한 광학 필터(optical filter)가 내장되는 형태의 패키지는 보고된 바가 없다.
반도체 레이저 다이오드 칩은 운용 온도에 따라 발진 파장이 달라지므로 반도체 레이저 다이오드 칩에서 방출되는 레이저 빛 신호 중 "1" 신호는 효과적으로 전송시키고, "0" 신호는 효과적으로 차단하기 위해서 외부 환경 온도의 변화에 따라 반도체 레이저 다이오드 칩에서 방출되는 레이저 빛의 파장과 광학적 필터의 투과 대역 파장 사이에 미리 정해진 일정한 관계를 유지하여야 한다. 그렇지 않으면 전송하여야 할 "1" 신호가 차단되고, 전송을 차단하여야 할 "0" 신호가 잘 전송되는 문제가 발생하여 광통신이 어려워지게 된다.
대한민국 등록특허공보 제10-1124171호 (2012.02.29)
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명은 DFB-LD 칩에서 방출되는 레이저 빛을 광학적으로 필터링 하여 "1" 신호와 "0" 신호의 상대적 세기 비율인 ER을 증가시켜 광신호의 선폭을 줄임으로써, 발진 선폭이 줄어든 레이저 빛을 방출하는 초소형이며 저가형인 TO형 레이저 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
특히, 본 발명은 저가의 TO형 패키지를 사용하되 레이저 다이오드 패키지의 배치를 통하여 TO형 패키지의 크기를 종래의 버터플라이형 패키지에 비해 소형으로 제작 가능하도록 하여, 종래 규격화된 SFP 트랜시버 케이스에 장착이 가능한 크기로 제작 가능한 파장 가변형 레이저 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 DFB-LD(Distributed feedback laser diode)를 사용하여 고속의 광통신을 수행할 때, 반도체 레이저 다이오드 칩에서 방출되는 레이저 빛의 파장과 광학적 필터의 투과 파장 대역 사이에 일정한 상대 파장 위치를 고정하는 방법을 제공하기 위한 파장 안정화 장치를 내장하는 레이저 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
고속의 광통신에 사용되는 DFB-LD의 경우 인접한 광통신 파장 채널 간격이 20nm가 넘을 경우도 있으며, 광통신 파장 채널 간격이 주파수로 변환하여 50GHz 또는 100GHz의 파장 간격을 가지는 경우도 있다. 특히 광통신의 파장 채널 간격이 50GHz 또는 100GHz의 경우 DFB-LD의 온도에 따른 파장 변화를 이용하여 하나의 DFB-LD 칩을 다수의 DWDM급 광통신의 광파장에 해당하는 광원 모듈로 사용하는 파장 가변형 광원으로 사용할 수 있다.
10Gbps 급의 고속, 장거리 광통신에 있어서 광모듈의 저가화를 위해서는 TO형의 패키지를 사용하는 것이 바람직하므로, 광통신의 파장 간격이 20nm 이상이어서 DFB-LD의 파장을 조절하지 않는 경우에도 광신호의 ER을 증가시키기 위해 레이저 광신호를 광학적으로 필터링 하는 방법이 필요하고, 인접하는 파장 채널이 DWDM 급의 파장 간격을 가져 DFB-LD의 온도를 일정하게 유지할 경우에도 광신호의 ER을 증가시키기 위해 레이저 광신호를 광학적으로 필터링 하는 방법이 필요하다. 또한, DWDM 급의 광통신에서 반도체 레이저 다이오드 칩의 온도를 가변하여 DFB-LD의 파장을 가변시킴으로써 하나의 광소자로 여러 채널의 파장에 적용시킬 수 있도록 하는 파장 가변 레이저형의 경우에도 광신호의 ER을 증가시키기 위해 레이저 광신호를 광학적으로 필터링 하는 방법이 필요하다.
본 발명에서는 고속 광통신에 있어서, TO형 패키지를 이용하여 DFB-LD를 패키지 하는 과정에 있어서 반도체 레이저 다이오드 칩에서 방출된 레이저 빛을 광학적으로 필터링 하여 장거릴 광통신이 가능하게 하는 방법을 제시하되, DFB-LD의 운용 온도를 일정하게 유지하지 않아도 되는 경우의 광학적 필터링 방법과, 외부 환경의 온도 변화에 무관하게 열전소자를 이용하여 DFB-LD의 온도를 일정하게 유지하여 DFB-LD를 일정한 파장을 가지게 조절하는 경우에 있어서 TO 형 패키지 내부에 레이저 빛을 광학적으로 필터링 하는 방법과, 열전소자를 이용하여 DFB-LD의 파장을 변화시켜 DWDM 급 광통신에서 DFB-LD를 파장 가변형 레이저로 사용할 경우에 TO형 패키지에 광학적 필터를 장착하여 장거리 통신을 이루게 하는 방법을 제시한다.
이를 위하여 본 발명에 따른 레이저 장치는, 레이저 빛을 발산하는 레이저 다이오드 칩; 파장 선택성 필터; 상기 레이저 다이오드 칩과 파장 선택성 필터 사이의 광 경로 상에 설치되어, 레이저 다이오드 칩으로부터 발산된 빛을 시준화시키는 시준화 렌즈; 상기 레이저 다이오드 칩과 파장 선택성 필터 사이의 광 경로 상에 설치되어, 패키지 바닥면에 대해 수평으로 진행하는 레이저 빛을 패키지 바닥면에 대해 수직으로 진행하는 레이저 빛으로 방향을 전환하는 45도 부분반사거울; 상기 레이저 다이오드 칩에서 발산된 후 파장 선택성 필터에서 반사하는 레이저 빛이 45도 부분반사거울을 투과하는 광경로 상에 배치된 광파장 감시용 포토 다이오드;를 포함하여 이루어진다.
DWDM급의 파장 안정도를 가지는 반도체 레이저 다이오드 칩을 사용하는 경우 광소자를 특정한 파장만에서 사용하는 경우와, 또는 반도체 레이저 다이오드 칩의 온도를 변화하여 50GHz 또는 100GHz 간격의 여러 파장에 대응하는 파장 가변형 레이저로 사용할 경우에는, 상기 레이저 다이오드 칩과 파장 선택성 필터는 하나의 열전소자 위에 배치되는 것이 바람직하다. 그러므로 열전소자를 이용하여 레이저 다이오드 칩의 온도를 조절하는 경우에는 열전소자를 이용하여 레이저 다이오드 칩의 발진 파장을 조절하여 "1" 신호가 파장 선택성 필터에서 상대적으로 잘 투과하도록 조절하고, "0" 신호는 파장 선택성 필터에서 상대적으로 잘 투과되지 않도록 하여 광섬유로 전송되는 레이저 빛의 ER이 레이저 다이오드 칩에서 방출되는 상태의 ER 보다 커지도록 하여 장거리 전송이 가능하게 한다.
레이저 다이오드 칩의 온도를 조절하지 않는 경우에는 파장 선택성 필터의 온도를 변화시켜서 파장 선택성 필터의 투과 파장 대역이 "1" 신호를 더 잘 투과시키고 "0" 신호는 상대적으로 더 차단함으로서 ER을 증가시킬 수 있으며, 이러한 과정으로 고속 신호를 장거리까지 전송시킬 수 있다. 또한 레이저 다이오드 칩의 온도를 조절하지 않는 경우, 히터(heater)를 이용하여 파장 선택성 필터의 온도를 조절하여 레이저 빛의 파장과 파장 선택성 필터의 투과 파장과의 일정한 파장 간격을 유지하는 방법은 열전소자를 사용하여 레이저 빛의 파장과 파장 선택성 필터의 파장 대역과 일정한 관계를 유지시키는 방법에 비해 전기소모가 적게 드는 장점이 있다. 이는 열전소자의 경우 냉각모드로 작용할 때 전기 소모량이 커지나, 레이저 다이오드 칩의 온도를 일정하게 유지하여 미리 정하여진 파장을 방출하고자 하면, 레이저 다이오드 칩의 온도를 외부 환경 온도의 변화에 따라 가열 모드 또는 냉각모드로 사용하여야 하나, 파장 선택성 필터의 온도는 레이저 빛의 파장을 변화시키지 않고 단지 "1" 신호와 "0" 신호의 상대적 세기만을 조절하므로 항상 가열모드에서 파장 선택성 필터의 온도를 제어할 수 있다.
또한, 상기 파장 선택성 필터는 FP형의 에탈론 필터인 것이 바람직한데, 상기 파장 선택성 필터는 고려되는 레이저 빛의 파장에 대해 투명한 기판 위에 굴절률이 높고 낮은 유전체 박막이 적층되어 제작될 수 있다. 상기 파장 선택성 필터는 레이저 다이오드 칩의 온도 변화의 파장 구간에서 하나의 투과 피크(peak) 또는 여러 개의 투과 피크(peak)를 가지는 필터일 수 있다.
앞서 설명하였듯이, 상기 파장 선택성 필터가 여러 개의 투과 파장 피크를 가지는 경우 상기 파장 선택성 필터의 여러 개의 투과 피크 사이의 관계는 적용 형태에 따라 다양한 관계가 적용된다.
특히, 반도체 레이저 다이오드 칩의 온도를 조절하지 않아 반도체 레이저 다이오드 칩의 파장이 외부 환경 온도에 따라 달라지는 경우와 반도체 레이저 다이오드 칩을 미리 정해진 특정한 파장만으로 구동하는 경우에 있어서, 상기 파장 선택성 필터의 투과 파장 피크(peak)는 단수 또는 복수의 어떠한 파장 간격도 무방하다.
그러나, 상기 반도체 레이저 다이오드 칩의 온도를 열전소자를 이용하여 온도를 조절함으로써 파장 가변형의 특성을 가지는 광소자에 있어서, 상기 파장 선택성 필터는 다음의 수학식 1에 의해 투과 주파수 간격이 결정된다.
[수학식 1]
에탈론 필터의 투과모드 주파수간격 = (Ff - Ff × Ffilter / Flsaser)GHz
(여기에서, Ff는 구하고자 하는 투과 파장의 주파수 간격, Ffilter는 에탈론 필터의 온도에 따른 투과 주파수 이동도, Flaser는 레이저 다이오드 칩에서 방출되는 레이저 빛의 온도에 따른 주파수 이동도)
한편, 상기 레이저 다이오드 칩에서 발산된 레이저 빛이 45도 부분반사거울을 투과하는 광 경로상에 광세기 감시용 포토 다이오드가 배치되거나, 상기 레이저 다이오드 칩의 후면에서 발산된 레이저 빛이 진행하는 광 경로 상에 광세기 감시용 포토 다이오드가 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 45도 부분반사거울은 어느 한 변에 대해 45도의 각도를 갖는 관통 구멍이 건식 식각 방법으로 형성된 직육면체 형태의 실리콘 기판으로 이루어진 스탠드의 관통 구멍에 결합 고정되어, 바닥에 대해 45도의 각도를 갖도록 설치되는 것이 바람직하다.
반도체 레이저 다이오드 칩의 온도를 조절하지 않는 경우와, 반도체 레이저 다이오드 칩의 온도를 반도체 레이저 다이오드 칩에서 방출된 레이저 빛의 파장이 일정하도록 조절하는 경우와, 반도체 다이오드 칩에서 방출되는 레이저 빛의 파장을 가변하여 사용하는 경우와 무관하게, 상기 광파장 감시용 포토 다이오드로 흐르는 전류를 광세기 감시용 포토 다이오드로 흐르는 전류로 나눈 값이 일정한 값이 되도록 열전소자 또는 파장 선택성 필터의 히터(heater) 온도를 조절하여 레이저의 발진 파장을 파장 선택적 필터와 투과 파장 대역과 일정한 관계를 가지도록 함으로써 레이저 다이오드 칩에서 방출된 레이저 빛이 "1" 신호와 "0" 신호에 대해 상대적으로 투과율이 다른 필터링을 수행한다.
한편, 상기 포토 다이오드용 서브마운트는 실리콘을 모재로 하여, 실리콘 {100}면과 {111}면에 연속하여 금속 패턴이 도포된 형상으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 열전소자는 상부에 부착된 써미스터에 의해 온도가 측정되며, 상기 써미스터는 써미스터와 분리되어 열전소자 상부에 부착된 써미스터 연결용 서브마운트를 거쳐 전극핀과 전기적으로 연결되는 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 써미스터는 에폭시 등의 비전도성 고분자 물질로 도포될 수 있다.
상기 45도 부분반사거울은 두께가 0.1mm∼0.25mm 인 것이 바람직하다.
또한, 상기 광파장 감시용 포토 다이오드는 열전소자 위에 직접 부착될 수 있다.
본 발명은 예를 들어 2.5Gbps 급 이상 또는 10Gbps 급 이상의 고속의 변조 신호를 가지는 광통신용 레이저 빛에 있어서 "1" 신호에 해당하는 신호는 투과율이 크도록 하며, "0" 신호에 해당하는 레이저 빛은 투과율이 작도록 선택하는 파장 선택성 필터를 삽입하여 고속 장거리 통신을 가능하게 하되, 버터플라이형 또는 미니 플랫형 패키지 하우징에 비해 저가격인 TO 형의 패키지를 효과적으로 사용하게 함으로써 고속 장거리용의 광소자의 제조 비용을 낮추는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 TO형의 패키지를 이용하여 레이저 다이오드 칩의 온도를 조절하지 않는 경우와, 외부환경온도와 무관하게 레이저 다이오드 칩이 특정한 파장만을 가지도록 하는 경우와, 외부 환경과 무관하게 레이저 다이오드 칩에서 방출되는 레이저 빛의 파장을 가변하여 조절하는 경우를 막론하고, 고속의 광신호를 장거리까지 전송하도록 하는 효과가 있다.
도 1은 TO형 패키지의 개략적인 모습을 나타낸 외형도이다.
도 2는 본 발명에 따른 "1" 신호에 비해 "0" 신호의 투과율이 줄어들어 좁은 선폭의 레이저 빛을 광섬유로 출사하는 레이저의 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 좁은 선폭 레이저에서 파장 선택성 필터의 역할을 설명하는 개념도로써, 도 3의 (a)는 파장 선택성 필터의 투과도 곡선 일례이고, 도 3의 (b)는 파장 선택성 필터의 반사도 일례이며, 도 3의 (c)는 파장 선택성 필터에 의해 반사되어 광파장 감시용 포토 다이오드로 입사하는 빛에 의해 생성되는 광전류의 일례이다.
도 4는 본 발명에 따른 좁은 선폭 레이저의 개념도로서 광파장 감시용 포토 다이오드와 광세기 감시용 포토 다이오드가 있는 구조의 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 좁은 선폭 레이저의 개념도로서, 광파장 감시용 포토 다이오드와 광세기 감시용 포토 다이오드가 있는 또 다른 구조의 개념도이다.
도 6은 본 발명의 따른 좁은 선폭 레이저의 동작 원리를 나타내는 개념도로서, 도 6의 (a)는 파장 선택성 필터의 투과도 일례이고, 도 6의 (b)는 레이저 다이오드 칩을 고속으로 변조시킬 때 레이저 다이오드 칩에서 방출되는 "1" 신호와 "0" 신호의 레이저 빛의 주파수 특성 일례이며, 도 6의 (c)는 레이저 다이오드 칩에서 방출되는 레이저 빛의 주파수 특성과 파장 선택성 필터의 투과도가 곱하여져서 파장 선택성 필터를 투과하는 레이저 빛의 "1" 신호에 비해 "0" 신호가 상대적으로 줄어들어 선폭이 좁아진 레이저 빛의 주파수 특성을 보여주는 개념도이다.
도 7은 본 발명에 사용되는 파장 선택성 필터의 주파수 특성이 온도에 따라 바뀌는 모습을 보여주는 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 주기적인 투과 특성을 가지는 FP형 에탈론 필터를 사용하여 레이저 다이오드에서 방출되는 레이저 빛이 복수의 ITU 채널에 해당하는 레이저 빛을 가변하여 방출하는 레이저 장치의 동작 설명도로서, 도 8의 (a)는 파장 선택성 필터가 열전소자의 온도에 따라 투과하는 주파수 특성이 달라지는 일례이고, 도 8의 (b)는 고속으로 변조되는 레이저 다이오드 칩의 방출 파장 특성이 열전 소자의 온도에 의해 달라지는 일례이며, 도 8의 (c)는 파장 선택성 필터를 투과하여 방출되는 레이저 빛의 파장 특성이 열전 소자의 온도에 따라 달라지는 일례를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따라 TO형 패키지에 열전소자가 장착되지 않고 레이저 다이오드 칩이 부착된 서브마운트가 직접 스템 바닥면에 배치된 경우를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 45도 반사거울을 손쉽게 고정시키는 스탠드의 설치 개념도이다.
도 11은 레이저 다오이드 칩으로부터 발산되는 레이저 빛의 세기를 측정하는 포토 다이오드의 설치 개념도이다.
도 12는 단면이 직사각형 형태인 직육면체 형의 포토 다이오드용 서브마운트의 일례이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 포토 다이오드용 서브마운트의 금속 패턴 증착 일례이다.
도 14는 종래 일반적인 써미스터 배치 방법의 일례이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 써미스터 배치 방법의 일례를 나타낸 것이다.
이하 본 발명의 한정하지 않는 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 적용되는 TO 형 패키지의 개략적인 모습을 나타낸 외형도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, TO형 패키지는 크게 스템(1)과 캡(cap)(2)으로 구성되며, 스템(1)의 바닥면에 부품들을 배치하고 캡(2)으로 밀봉하는 형태로 제작된다. 이러한 구조에서 레이저 빛은 캡(2)의 상부에 뚫려있는 관통공을 통하여 TO형 패키지 외부로 방출된다. 통상적으로 캡(2)의 관통공에는 렌즈가 형성되거나 평면형 유리창으로 밀봉되게 된다. 도 1에서 이후 본 발명의 설명에 사용될 수평 방향과 수직 방향을 화살표 방향으로 정의하였다.
도 2는 본 발명에 따른 TO형 패키지 내에서 반도체 레이저 다이오드 칩과 반도체 레이저 다이오드 칩에서 방출된 레이저 빛의 광경로 상에 파장 선택성 필터를 장착하여, 예를 들어 10Gbps 급의 광신호가 장거리로 전송될 수 있는 광소자의 동작 원리를 보여주는 개념도이다.
이하, 본 설명에서는 설명의 편의를 위해 파장 선택성 필터를 복수의 투과 피크를 가지는 FP형 에탈론 필터로 예시하여 본 발명의 특성을 설명하지만, 이러한 파장 선택성 필터는 FP형 에탈론 필터 대신 선폭이 0.5nm 이하인 thin film filter를 사용할 수도 있다. 상기 Thin film filter 라는 것은 레이저 다이오드 칩에서 발생하는 레이저 빛의 가능한 파장 대역, 예를 들어 10nm 내지 50nm 파장 대역 내에 단지 하나의 투과 피크(peak)를 가지는 필터를 말한다. 통상적으로 이러한 thin film filter도 FP 에탈론 필터의 구조를 가질 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 다이오드 패키지는 레이저 다이오드 칩용 서브마운트(110)에 설치되는 레이저 다이오드 칩(100)과, 상기 레이저 다이오드 칩(100)에서 방출되는 레이저 빛을 평행광으로 시준화하는 시준화 렌즈(200)와, 상기 시준화 렌즈(200)를 통하여 시준화된 레이저 빛 중 미리 정해진 비율의 빛만 반사시키는 45도 부분반사거울(300)과, 상기 45도 부분반사거울(300)을 반사한 레이저 빛 중 일부 레이저 빛은 투과하고 나머지 빛은 반사시키는 파장 선택성 필터인 FP형의 에탈론 필터(400)를 포함하여 이루어진다. 상기 FP형의 에탈론 필터(400)에서 반사한 빛은 다시 45도 부분반사거울(300)로 되돌아 와서 미리 정해진 비율만큼 45도 부분반사거울(300)을 투과하여 45도 부분반사거울(300) 하부에 배치된 광파장 감시용 포토 다이오드(500)로 입사하게 된다.
한편, 상기 에탈론 필터(400)에서 반사한 빛이 45도 부분반사거울(300)에서 다시 반사되어 레이저 다이오드 칩(200)으로 되돌아가게 되면 레이저 다이오드 칩(200)의 동작 특성이 불안하게 되는데, 이를 방지하기 위하여 도 2에서와 같이 상기 에탈론 필터(400)는 에탈론 필터(400)로 입사하는 레이저 빛에 대해 최소한 1도 이상의 반사 각도를 가지도록 부착되어 에탈론 필터(400)에서 반사되는 빛이 레이저 다이오드 칩(200)으로 되돌아가지 않도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 도 2에서 45도 부분반사거울(300)의 반사도가 높으면 광파장 감시용 포토 다이오드(500)로 입사하는 빛의 세기가 약해져서 파장 감시의 기능을 수행하기 어렵고, 반대로 45도 부분반사거울(300)의 반사도가 너무 낮으면 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되어 에탈론 필터(400)에 도달하는 레이저 빛의 세기가 약해진다. 그러므로 상기 45도 부분반사거울(300)의 반사율은 적절한 수준으로 조정되어야하는데, 본 발명에 실시예에 따른 시험 결과에 의하면 상기 45도 부분반사거울(300)의 반사율은 80％ 내지 97％ 정도인 것이 바람직하다.
도 3의 (a)는 FP형의 에탈론 필터의 주파수에 따른 투과 특성 일례를 나타낸 것이다 에탈론 필터는 주기적으로 투과 및 반사 특성이 반복되는 특성이 있다. FP형의 에탈론 필터가 주기적인 투과 특성을 가진다는 것은, 동시에 도 3의 (b)와 같이 주기적인 반사 특성을 가진다는 것을 의미한다. 그러므로 도 2에서 레이저 다이오드 칩에서 방출되어 FP형 에탈론 필터(400)에 도달한 레이저 빛 중에서 레이저 빛의 주파수에 따라 특정한 반사 비율을 가지며 반사하는 레이저 빛은 45도 부분반사거울(300)을 투과하여 45도 부분반사거울(300)의 하부에 있는 광파장 감시용 포토 다이오드(500)로 입사하게 된다. FP형의 에탈론 필터(400)에서 반사되는 빛의 반사율이 도 3의 (b)와 같이 레이저 빛의 주파수에 따라 특정한 반사 비율을 가지므로, 광파장 감시용 포토 다이오드(500)로 입사하는 레이저 빛세기의 주파수 의존도는 도 3의 (b)와 같고, 이에 따라 광파장 감시용 포토 다이오드(500)에서의 광전류는 레이저 빛의 주파수에 따라 도 3의 (c)와 같은 형태를 보이게 된다. 이에 따라 광파장 감시용 포토 다이오드(500)에서 흐르는 광전류를 측정함으로써 레이저 빛의 주파수 특성을 알아낼 수 있게 된다. 예를 들어 레이저 다이오드 칩(100)에서 일정한 세기로 방출되는 레이저 빛의 세기에 대해서 광파장 감시용 포토 다이오드(500)로 흐르는 광전류의 세기가 변화하게 되면, 이는 레이저 빛의 파장과 에탈론 피크의 중심 파장의 상대 파장이 변화하고 있음을 의미한다.
그러므로 광파장 감시용 포토 다이오드(500)로 흐르는 전류의 변화를 감시하여 레이저 빛의 파장과 에탈론 필터(400)의 투과 파장 대역의 상대 파장이 변화함을 알 수 있고, 이를 이용하여 레이저 빛의 파장을 에탈론 필터(400)의 투과 파장에 대해 상대적으로 일정한 파장 간격 관계를 가지게 할 수 있다. 통상적으로 유리 재질의 에탈론 필터(400)는 10pm/℃ 정도로 작은 파장의 온도 의존성을 가지는데 비해 DFB-LD는 100pm/℃ 정도로 큰 파장의 온도의존성을 가진다. 그러므로 광소자를 조립할 경우 에탈론 필터(400)의 피크가 ITU에서 설정한 주파수로 설정하고, 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 파장을 에탈론 필터(400)의 피크에 설정 한 후, 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 레이저 빛의 파장의 변화를 광파장 감시용 포토 다이오드(500)를 흐르는 전류로 파악하여 이러한 변화를 상쇄하는 방향으로 레이저 다이오드 칩(100)의 온도를 조절할 경우에는 레이저 다이오드 칩(100)의 발진 파장이 ITU에서 설정한 주파수로 안정화되는 효과가 나타나게 된다. 또한 레이저 빛의 "1" 신호의 파장은 상대적으로 에탈론 필터(400)를 잘 통과하고, 레이저 빛의 "0" 신호는 상대적으로 에탈론 필터(400)를 잘 투과하지 못하는 파장으로 레이저 빛의 파장과 에탈론 필터(400)의 투과 파장 대역을 설정할 경우, "1" 신호에 비해 "0" 신호의 감쇄가 커서 에탈론 필터(400)를 투과하는 빛은 레이저 다이오드 칩(100)에서 방출된 레이저 빛의 신호보다 ER이 커서 광수신기에서 신호 판별이 쉽게 되는 장점이 있다.
상기 광파장 감시용 포토 다이오드(500)로 흐르는 광전류는 에탈론 필터(400)에서의 반사율 파장 대역과 레이저 빛의 파장과의 차이 변화에 의해서 변할 뿐만 아니라, 레이저 다이오드 칩(100)에서 방출된 빛의 세기가 변화할 때도 광파장 감시용 포토 다이오드(500)로 흐르는 광전류가 달라지게 된다. 레이저 다이오드 칩(100)에서 방출되는 레이저 빛의 세기 변화에 의한 광파장 감시용 포토 다이오드(500)에서의 광전류 변화는 실제 에탈론 필터(400)와 레이저 빛의 파장의 상관 관계를 변화시킨 것이 아니므로 이러한 레이저 다이오드 칩(100)에서 방출되는 레이저 빛의 세기 변동에 의한 효과는 제거되어야 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 레이저 다이오드 칩에서 발산되는 레이저 빛의 세기를 직접 측정하여 광파장의 변화만을 알아낼 수 있는 방법을 나타낸 것이ㄷ다.
도 4에 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산된 레이저 빛은 시준화 렌즈(200)에서 시준화된 후 45도 부분반사거울(300)에 도달하게 된다. 45도 부분반사거울(300)은 미리 정해진 일정한 비율의 투과/반사 비율을 가지므로, 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되어 45도 부분반사거울(300)에 도달한 레이저 빛 중 45도 부분 반사거울(300)을 투과하는 빛 성분은 45도 부분 반사거울(300)의 일 측면에 배치된 광세기 감시용 포토 다이오드(600)으로 입사하게 된다. 그러므로 광세기 감시용 포토 다이오드(600)에서는 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 레이저 빛의 세기에 비례한 광전류 신호를 줌으로써 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산된 레이저 빛의 세기를 알아낼 수 있다. 그러므로 광파장 감시용 포토 다이오드(500)로 흐르는 광전류의 크기를 광세기 감시용 포토 다이오드(600)로 흐르는 전류로 나누어준 값이 일정한 값으로 유지될 때, 레이저 빛의 중심주파수는 파장 선택성 필터인 에탈론 필터(400)의 투과 모드의 중심주파수와 일정한 관계에 있게 되며, 이에 따라 "0" 신호를 "1" 신호에 비해 상대적으로 더 감쇄시켜 장거리 통신을 가능하게 한다. 도 4에서 광파장 감시용 포토 다이오드(500)와 광세기 감시용 포토 다이오드(600)로 흐르는 광전류를 비교하여 에탈론 필터(400)의 투과 대역 중심 주파수와 레이저 빛의 중심주파수 사이의 변화 관계를 알아낸 후, 에탈론 필터(400)의 투과 파장을 기준으로 레이저 빛의 광파장의 변화를 상쇄시키는 방향으로 열전소자(900)의 온도를 변화시키면 레이저 빛이 에탈론 필터(400)의 투과 파장 대역에 대해 상대적으로 일정한 파장을 가지도록 할 수 있다.
이때, 상기 파장 선택성 필터인 에탈론 필터(400)의 투과 모드의 중심 주파수가 ITU 설정 주파수가 되도록 설정한 후 광파장 감시용 포토 다이오드(500)로 흐르는 광전류의 크기를 광세기 감시용 포토 다이오드(600)로 흐르는 전류로 나누어준 값이 일정하게 되도록 열전소자(900)의 온도를 바꾸어 주면 발진하는 레이저 빛의 중심 주파수가 ITU 설정 주파수가 되도록 안정화시킬 수 있게 된다. 상기 온도가 조절되는 열전소자(900)는 스템(1000) 상부에 배치된다.
상기 광세기 감시용 포토 다이오드(600)는 다른 구성으로도 구현할 수 있는데, 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 레이저 빛의 세기는 도 5와 같이 레이저 다이오드 칩(100)의 후면에서 발산되는 레이저 빛의 세기를 측정하는 광감시 세기용 포토 다이오드(700)을 배치함으로써 측정이 가능하다.
도 6의 (a)는 FP형 에탈론 필터의 주파수에 따른 투과 특성이다. 또한, 도 6의 (b)는 레이저 다이오드 칩에서 발산되는 "1" 신호와 "0" 신호의 레이저 빛의 주파수 특성이다. 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산된 "1" 신호와 "0" 신호의 레이저 빛은 FP형 에탈론 필터(400)를 투과하며 FP형의 에탈론 필터(400)의 주파수 특성이 곱해져서, 도 6의 (c)와 같이 "1" 신호에 비해 "0" 신호의 세기가 줄어든 레이저 빛이 FP형의 에탈론 필터(400)를 투과하여 광섬유로 집속되게 된다. 그러므로 광섬유를 통해서 전송되는 레이저 빛의 선폭은 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산된 레이저 빛에 비해 "0" 신호가 "1" 신호에 비해 줄어든 좁아진 선폭을 가지므로 광섬유의 분산 특성에 덜 영향을 받아 FP형의 에탈론 필터(400)를 이용하여 선폭이 좁아지지 않은 레이저 빛에 비해 더 장거리 전송이 가능하게 된다.
통상적으로 FP형의 에탈론 필터(400)는 평행면을 가지는 유리로 제작된다. 이러한 유리 재질의 경우 온도에 따라 굴절률이 달라지며, 이에 따라 FP형 에탈론 필터(400)의 온도가 바뀌게 되면 도 7과 같이 주기적으로 변화하는 에탈론 필터(400)의 투과 주파수의 이동이 발생하게 된다.
레이저 다이오드 칩(100)은 통상적으로 10∼12 GHz/℃ 정도의 주파수 이동을 가져 온다. 이에 비해 FP형의 에탈론 필터(400)는 1∼3 GHz/℃의 주파수 이동을 가져온다. 광통신에서는 국제통신규약(ITU-T)에서 정해진 특정한 주파수의 레이저 빛을 이용하여 통신을 하여야 하므로 레이저 빛을 가변시켜 광통신을 하기 위해서는 ITU-T에서 설정한 주파수로만 파장을 가변시켜야 한다. ITU-T에서는 50GHz, 100GHz 주파수 간격을 가지는 레이저 빛을 통신용으로 설정하고 있으며, 이에 따라 레이저 빛의 주파수는 50GHz, 100GHz 간격으로 변화시켜야 한다. 레이저 다이오드 칩(100)이 10GHz/℃로 변화하고 FP형의 에탈론 필터(400)가 2GHz/℃로 변화하게 된다면, 레이저 다이오드 칩(100)과 FP형의 에탈론 필터(400)가 열전소자(900)에 의해 동일한 온도로 조절될 경우, 레이저 빛의 파장을 조절하기 위해 열전소자(900)의 온도를 바꾸어 주게 되면 에탈론 필터(400)의 투과 파장대역 자체도 이동하게 된다. 그러므로 레이저 빛(100)의 파장이 50GHz, 100GHz 바뀌는 온도 변화를 겪을 때, 에탈론 필터(400)는 이러한 온도 변화를 거친 후에 투과 파장이 ITU 설정 주파수 대역에 정합되어야 한다.
레이저 다이오드 칩(100)의 온도에 따른 주파수 이동도를 Flaser GHz/℃로 변화하고 에탈론 필터의 주파수는 온도에 따라 Ffilter GHz/℃로 바뀐다고 가정하자. 이 경우 에탈론 필터(400)의 투과 파장 대역의 주파수 간격이 다음과 같은 수학식 1이 될 경우, 도 8의 (b)와 같이 레이저 다이오드 칩(100)과 에탈론 필터(400)의 투과 모드 주파수가 어느 한 온도에서 ITU 설정 주파수에 일치한 후, 다른 온도에서 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 레이저 빛의 주파수가 다른 ITU 설정 주파수로 변화될 때, 이러한 온도 변화에 대해 에탈론 필터(400)의 투과 주파수가 ITU 설정 주파수와 일치하여 에탈론 필터(400)를 투과하는 빛은 ITU 설정 주파수로 설정 되게 된다.
[ 수학식 1]
에탈론 필터의 투과모드 주파수간격 = (100 - 100 × Ffilter / Flsaser)GHz
여기에서, Ffilter는 에탈론 필터의 온도에 따른 투과 주파수 이동도, Flaser는 레이저 다이오드 칩에서 방출되는 레이저 빛의 온도에 따른 주파수 이동도를 나타낸다.
상기 수학식 1은 100GHz 간격의 ITU 설정 주파수를 이용한 파장 가변 레이저에서의 에탈론 필터(400)의 투과모드 주파수 간격이며, 만약 50GHz 간격의 주파수를 이용하여 통신을 할 경우에 에탈론 필터(400)의 투과모드 주파수 간격은 다음의 수학식 2로 구현되어야 한다.
[ 수학식 2]
에탈론 필터의 투과모드 주파수간격 = (50 - 50 × Ffilter / Flsaser)GHz
이와 같이, 에탈론 필터(400)의 투과모드 간격은 임의로 정해 질 수 있으며, 통상적으로는 25GHz, 50GHz, 100GHz, 200GHz 등으로 바뀔 수 있으나 다른 임의의 주파수 간격도 채택될 수 있다.
상기 도 2 내지 도 9의 설명에서는 온도의 변화에 따라 레이저 다이오드 칩(100)에서 발진하는 레이저 빛에 비해 상대적으로 투과 파장 변화가 적은 파장 선택성 필터를 사용한 경우를 설명하고 있다. 즉, 레이저 다이오드 칩(100)의 온도를 변화시켜 레이저 빛의 파장을 파장 선택성 필터의 투과 파장 대역과 일정한 관계를 가지도록 하는 방법을 설명하고 있다. 이에 따라 레이저 다이오드 칩(100)을 열전소자(900) 상부에 배치하는 방법이 필요하며, 에탈론 필터(400) 또한 열전소자(900)에 부착하여 레이저 다이오드 칩(100)과 에탈론 필터(400)의 온도를 동일한 열전소자(900)로 조절하는 방법을 보여주고 있다. 그러나 이러한 열전소자(900)를 사용하는 방법은 에너지가 많이 소모되는 방법이다. 특히 열전소자(900)를 냉각모드에서 사용하게 될 경우에는 많은 에너지가 소요된다. 열전소자(900)를 이용하여 레이저 다이오드 칩(100)의 온도를 조절하여 레이저 다이오드 칩(100)에서 방출되는 레이저 빛의 파장을 조절하는 방법은, 레이저 빛의 파장과 에탈론 필터(400)의 파장과의 상관관계를 일정하게 하여 레이저 다이오드 칩(100)에서 방출되는 "1" 신호와 "0" 신호의 ER을 확대함으로써 고속 변조 광신호를 장거리 전송이 가능하게 할 뿐만 아니라, 레이저 빛의 파장이 고정되는 효과가 있으므로 DWDM의 방법에 적절한 방식이다.
그러나 레이저 빛의 파장을 조절할 필요가 없는 경우에 고속 변조 신호를 장거리 전송하고자 할 경우에는 레이저 다이오드 칩(100)의 온도를 조절할 필요가 없으며, 에탈론 필터(400)의 온도를 조절하여 에탈론 필터(400)의 투과 파장 대역이 레이저 빛의 파장과 일정한 파장 간격을 유지하도록 하면 상기한 "0" 신호를 "1" t신호에 비해 더 감쇄시키므로써 좁은 선폭의 레이저 빛을 만들어 장거리 전송이 가능하게 할 수 있다. 이를 위해서는 에탈론 필터(400)로서 히터가 코팅된 에탈론 필터를 사용하는 것이 바람직하다.
도 9는 이러한 TO형 패키지에 열전소자가 장착되지 않고 레이저 다이오드 칩이 부착된 서브마운트가 직접 스템 바닥면에 배치된 경우를 보여주고 있다. 상기 레이저 다이오드 칩(100)의 온도는 외부 환경 온도에 노출되며 이에 따라 외부 환경 온도가 바뀌게 되면 레이저 다이오드 칩(100)의 온도가 바뀌게 되어 발진하는 레이저 빛의 파장이 바뀌게 된다. 이때, 에탈론 필터(450)를 히터가 부착된 형태로 제작하게 되면, 에탈론 필터(450)의 온도를 조절하여 에탈론 필터(450)의 투과 파장 피크(peak)가 레이저 빛의 파장과 미리 정해진 파장 간격이 되도록 할 수 있고, 이에 따라 에탈론 필터(450)를 통과하는 레이저 빛의 "0" 신호는 "1" 신호에 비해 더 강하게 감쇄되어 고속 변조 광신호를 더 장거리까지 전송할 수 있게 된다. 이러한 도 9의 구조에서, 에탈론 필터(450)의 투과 파장은 온도에 따라 용이하게 바뀌는 것이 바람직한데, 이를 위해 에탈론 필터(450)는 투과 파장의 파장이 0.09nm/℃ 정도로 바뀌는 Silicon 또는 InP, GaAs 등의 반도체 재질로 제작되는 것이 적당하다. 또한, 이러한 에탈론 필터(450)의 온도를 조절하기 위해 에탈론 필터(450) 표면에 금속 박막의 저항체가 부착되어, 에탈론 필터(450)에 부착된 금속 박막으로 흐르는 전류에 의해 에탈론 필터(450)의 온도가 조절되는 것이 바람직하다. 상기 에탈론 필터(450)에 금속 박막을 부착하는 것은 포토리소그라피법과 금속 증착법에 의해 손쉽게 제작될 수 있다. 또한, 상기 에탈론 필터(450)는 복수의 투과 피크를 가지는 것이 바람직하며, 광소자 제작상의 손쉬움과 에탈론 필터(450)의 복수의 투과 피크(peak) 파장 사이를 고려하여 에탈론 필터(450)의 두께는 200um 내지 500um 정도가 적당하다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 TO형 패키지에 45도 반사거울을 손쉽게 장착하기 위한 45도 반사거울용 스탠드의 모습을 보여준다.
본 발명의 실시예에 따른 스탠드(350)는 직육면체형으로 제작되는데, 밑변에 대해 45도의 각도로 관통 구멍(351)을 가지고 있으며, 이 관통 구멍(351)에 평판형의 45도 부분반사거울(300)이 삽입되어 열전소자 위에 장착된다. 이러한 구조는 45도 부분반사거울(300)을 열전소자(900) 위에 손쉽게 부착할 수 있도록 하여 준다. 상기 스탠드(350)는 열 전달률이 좋은 물질이 적절하며 이러한 물질로는 열전달률이 170W/m 이며 건식 식각 공정에 의해 관통 구멍(351)의 제작이 용이한 실리콘 기판이 적절하다. 특히 실리콘은 건식 식각 방법에 의해 관통 구멍(351)의 폭 조절이 매우 용이하고, 밑변에 대한 각도 조절이 용이하므로 평판형의 부분반사거울(300)을 단지 실리콘 스탠드(350)의 관통 구멍(351)에 삽입하는 것만으로 평판형 부분반사 거울(300)을 45도 각도로 배치하게 하여 조립 공정을 용이하게 하여준다.
일반적으로 TO형 패키지의 외부 환경 온도가 다양하게 변화하게 되면, TO형 패키지의 외주면과 TO형 패키지의 내부 부품들 사이에 열 교환이 일어나게 된다. TO형 패키지의 각각의 내부 부품과 TO형 패키지의 외주면 사이의 거리는 다양하게 변화할 수 있으므로, TO형 패키지의 외부 환경 온도 변화는 TO형 패키지의 내부 부품의 온도를 불균일하게 변화시킬 수 있다. 이러한 공진기 구성 물질의 독립적인 온도 변화는 공진기의 유효 광학적 길이에 불균일한 변화를 가져오게 되므로, 공진기 구성 부품과 TO형 패키지의 외주면 사이에 열 교환이 최소화되는 것이 바람직하다. 따라서 TO형 패키지의 내부를 진공으로 유지하는 것이 바람직한데, 특히 진공도는 0.2 기압 이하인 것이 더욱 바람직하다.
한편, 본 발명은 다양한 형태로의 변형이 가능하다. 예를 들면, 본 발명의 특성을 파장 가변 레이저로 사용하지 않고 특정한 파장으로 구동되는 레이저로 구동시킬 수 있는데, 이때는 에탈론 필터(400)의 주파수 간격의 주기성이 필요하지 않으므로 에탈론 필터(400)의 주파수의 주기성이 수학식 1을 따를 필요가 없게 된다. 또한, 본 발명의 특성을 특정한 파장에서만 동작하는 레이저를 사용하는 것으로 하는 경우, FP형의 에탈론 필터(400) 대신 유리 또는 쿼츠 등 고려되는 파장의 레이저 빛에 투명한 기판에 굴절률이 높고 낮은 복수의 유전체 박막을 적층하여 제작되는 thin film filter 등 파장 선택성을 가지는 어떠한 종류의 필터도 사용할 수 있다.
또한, 평판형 45도 부분반사거울(300)의 경우, 두께가 너무 두꺼워지면 TO60의 제한된 규격에 삽입되기가 어려우며, 두께가 너무 얇아지면 기계적 강도가 약해지는 문제가 발생한다. 그러므로 평판형 45도 부분반사거울(300)의 두께는 TO60의 규격에 맞도록 0.1∼0.3mm 정도가 적절하며, 더욱 바람직하게는 0.1∼0.2mm 정도가 적절하다.
도 11은 레이저 다오이드 칩으로부터 발산되는 레이저 빛의 세기를 측정하는 포토 다이오드의 설치 개념도로서, 레이저 다이오드 칩(100)으로부터 광축이 수평으로 발산되는 레이저 빛의 세기를 측정하기 위해 통상적으로 사용되는 단면이 직각인 형태의 포토 다이오드용 서브마운트(710)(610)에 부착되는 포토 다이오드(700)(710)를 보여주고 있다.
한편, 도 12는 단면이 직사각형 형태인 직육면체 형의 포토 다이오드용 서브마운트의 일례를 나타낸 것이다.
도 12에서, 알루미나 등 세라믹 기판으로 이루어진 단면이 직사각형인 서브마운트에 포토 다이오드의 전기적 연결을 위한 금속 패턴이 증착되어 금속 박막 패턴이 형성되어야 하는데, 직각의 각도로 꺽어진 연속되는 두 면에 금속 패턴을 한꺼번에 증착하기 어려운 단점이 있다. 그러므로 기존에는 금속 패턴이 코팅되어야 하는 각면에 대해 따로 금속 패턴을 증착함으로써 비용이 증가하는 문제가 있었다.
이러한 문제점에 따라 본 발명에서는 포토 다이오드용 서브마운트에 금속 패턴을 한꺼번에 증착하는 방법을 제시하고 있는데, 도 13은 이러한 포토 다이오드용 서브마운트의 금속 패턴 증착 일례를 나타낸 것이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 실리콘 기판을 {100}면과 {111}면이 노출되도록 식각한 후, 식각된 실리콘 기판에 전기 절연막을 증착하고, {100}면과 {111}면에 동시에 금속 패턴을 증착하여 포토 다이오드용 서브마운트(615)(715)를 제작하는 방법을 제시하고 있다. 이렇게 제작된 포토 다이오드용 서브마운트(615)(715)는 제작 가격이 저렴할 뿐만 아니라 단면이 직사각형인 포토 다이오드 서브마운트(610)(710)와 달리 포토 다이오드(600)(700)가 평판형 45도 부분반사거울(300)의 기울어진 각도와 배치 각도 차이가 작아 평판형 45도 부분반사거울(300)에 더 밀접하게 배치할 수 있게 되어 TO 패키지 내부 공간 활용에 도움이 된다.
한편, 레이저 장치의 파장 안정화를 위하여서는 패키지 내부에서 열전소자(900)의 상부에 장착되어 온도를 측정하는 써미스터가 TO 패키지 외부 온도 변화에 영향을 받지 않아야 한다.
도 14는 종래 일반적인 써미스터 배치 방법을 나타낸 것으로, 써미스터(950)는 Au wire(1020)로 전극핀(1010)과 전기적 연결을 가지게 된다. 이때, 전극핀(1010)은 열전소자(900)에 의해 온도 조절이 되는 부분이 아니므로 열전소자(900)와는 다른 온도를 갖게 되고, 이에 따라 전극핀(1010)과 써미스터(950) 사이에는 열교환이 발생하게 되어, 써미스터(950)가 열전소자(900)의 온도를 측정하는데 부정확함을 유발하게 된다.
도 15는 이러한 문제점에 따라 제시된 본 발명의 실시예에 따른 써미스터 배치 방법을 나타낸 것이다.
도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 전극핀(1010)과 써미스터(950)의 열교환을 억제하기 위해서 전극핀(1010)과 써미스터(950) 사이에 써미스터 연결용 서브마운트(980)를 부착하여, 써미스터 연결용 서브마운트(980)를 거쳐 Au wire(1020)로 전극핀(1010)과 써미스터 연결용 서브마운트(980)를 연결하고, Au wire(1030)로 써미스터 연결용 서브마운트(980)와 써미스터(950)를 연결하게 된다. 이에 따라 전극핀(1010)과 열전소자(900)의 온도차에 의해 Au wire(1020)로 흐르는 열이 써미스터 연결용 서브마운트(980)에 의해 흡수되어 Au wire(1030)로 흐르는 열량이 최소화되기 때문에 써미스터(950)의 온도 측정이 보다 정확해질 수 있다. 이와 같이, 열전소자(900)와 써미스터(950) 사이의 열 경로와 분리되어 열전소자(900) 상부에 독립적으로 부착된 써미스터 연결용 서브마운트(980)를 통하여 써미스터(950)와 전극핀(1010)을 전기적으로 연결하는 경우, 써미스터(950)를 통한 열전소자(900)의 온도측정시 외부 환경 온도 변화에 따른 부정확도가 완화될 수 있다.
또한, 써미스터(950)와 TO 패키지 내부 공기와의 열교환도 써미스터(950)가 열전소자(900)의 온도를 측정하는데 부정확함을 야기하게 되므로, 써미스터(950)를 비전도성 에폭시 등으로 감싸주는 방법도 써미스터(950)의 열전소자(900) 온도 측정의 정밀도를 높여 주는 방법이 된다.
한편, 45도 부분반사거울(300)의 경우 너무 두꺼워지면 패키지 내의 공간이 줄어드는 단점이 있고, 너무 얇으면 진동에 흔들림이 발생할 우려가 있다. 본 발명에서는 상기 45도 부분반사거울(300)의 두께를 다양하게 제작하여 실험하였는데, 이러한 실험 결과에 따르면 상기 45도 부분반사거울(300)의 경우 두께가 0.1mm∼0.25mm 정도가 적절하다.
또한, 45도 부분반사거울(300)의 하부에 배치되는 광파장 감시용 포토 다이오드(500)는 광파장 감시용 포토 다이오드용 서브마운트(510)의 상부 일측에 고정되어 배치되는 형태로 설명하였지만, 상기 광파장 감시용 포토 다이오드(500)는 열전소자(900) 위에 배치될 수 있다. 이는 상기 열전소자(900)의 상부판은 열팽창률이 광파장 감시용 포토 다이오드(500)와 유사하여 온도 편차에 따라 광파장 감시용 포토 다이오드(500)에 가해지는 역학적 스트레스가 최소화되기 때문으로, 상기 광파장 감시용 포토 다이오드(50)가 직접 열전소자(900)의 상부에 부착되는 방법으로 조립되는 것이 가능하다. 이렇게 할 경우 상기 45도 부분반사거울(300)의 하부 공간을 최대한 효율적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.
이와 같이, 본 발명은 다양한 형태로 변형될 수 있는 것으로, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
100 : 레이저 다이오드 칩
110 : 레이저 다이오드 칩용 서브마운트
200 : 시준화 렌즈
300 : 45도 부분반사거울
350 : 45도 부분반사거울용 스탠드
351 : 관통 구멍
400 : FP형의 에탈론 필터
450 : 히터가 포함된 에탈로 필터
500 : 광파장 감시용 포토 다이오드
510 : 광파장 감시용 포토 다이오드용 서브마운트
600 : 광세기 감시용 포토 다이오드
610 : 광세기 감시용 포토 다이오드용 서브마운트
700 : 광세기 감시용 포토 다이오드
710 : 광세기 감시용 포토 다이오드용 서브마운트
615, 715 : 포토 다이오드용 서브마운트
900 : 열전소자
950 : 써미스터
960 : 써미스터용 서브마운트
980 : 써미스터 연결용 서브마운트
1000 : 스템
1010 : 전극핀
1020, 1030 : Au wire

Claims (22)

  1. 반도체 레이저 장치에 있어서,
    레이저 빛을 발산하는 레이저 다이오드 칩(100);
    상기 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되어 전달되는 레이저 빛의 파장에 따라 일부 레이저 빛은 투과하고 나머지 빛은 반사시키는 파장 선택성 필터;
    상기 레이저 다이오드 칩(100)과 파장 선택성 필터 사이의 광 경로 상에 설치되어, 레이저 다이오드 칩(100)으로부터 발산된 빛을 시준화시키는 시준화 렌즈(200);
    상기 레이저 다이오드 칩(100)과 파장 선택성 필터 사이의 광 경로 상에 설치되어, 패키지 바닥면에 대해 수평으로 진행하는 레이저 빛을 패키지 바닥면에 대해 수직으로 진행하는 레이저 빛으로 방향을 전환하여 상부에 위치한 파장 선택성 필터로 전달하는 45도 부분반사거울(300);
    상기 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산된 후 파장 선택성 필터에서 반사하는 레이저 빛이 45도 부분반사거울(300)을 투과하는 광경로 상에 배치된 광파장 감시용 포토 다이오드(500);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드 칩(100)과 파장 선택성 필터는 하나의 열전소자(900) 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 파장 선택성 필터는 FP형의 에탈론 필터(400)인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 파장 선택성 필터는 굴절률이 높고 낮은 유전체 박막이 적층되어 제작된 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산된 레이저 빛이 45도 부분반사거울(300)을 투과하는 광 경로상에 광세기 감시용 포토 다이오드(600)가 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드 칩(100)의 후면에서 발산된 레이저 빛이 진행하는 광 경로 상에 광세기 감시용 포토 다이오드(700)가 배치되는 것을 특징으로 하는 선폭이 줄어든 파장 안정화 장치가 구비된 레이저 장치.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 FP형의 에탈론 필터(400)는 다음의 수학식 1에 의해 투과 주파수 간격이 결정되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
    [수학식 1]
    에탈론 필터의 투과모드 주파수간격 = (Ff - Ff × Ffilter / Flsaser)GHz
    (여기에서, Ff는 구하고자 하는 투과 파장의 주파수 간격, Ffilter는 에탈론 필터의 온도에 따른 투과 주파수 이동도, Flaser는 레이저 다이오드 칩에서 방출되는 레이저 빛의 온도에 따른 주파수 이동도)
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 Ff는 25, 50, 100, 200 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 파장 선택성 필터는 투과 파장 대역의 선폭이 0.5nm 이하인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 45도 부분반사거울(300)은
    어느 한 변에 대해 45도의 각도를 갖는 관통 구멍(351)이 건식 식각 방법으로 형성된 직육면체 형태의 실리콘 기판으로 이루어진 스탠드(350)의 관통 구멍(351)에 결합 고정되어, 바닥에 대해 45도의 각도를 갖도록 설치되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  11. 제 5항 또는 제 6항에 있어서 ,
    상기 광파장 감시용 포토 다이오드(500)로 흐르는 전류를 광세기 감시용 포토 다이오드(600)(700)로 흐르는 전류로 나눈 값이 최소가 되도록 열전소자(900)의 온도를 조절하여 레이저의 발진 파장을 안정화시키는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  12. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 포토 다이오드용 서브마운트(610)(710)는 실리콘을 모재로 하여, 실리콘 {100}면과 {111}면에 연속하여 금속 패턴이 도포된 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  13. 제 2항에 있어서,
    상기 열전소자(900)는 상부에 부착된 써미스터(950)에 의해 온도가 측정되며, 상기 써미스터(950)는 써미스터(950)와 분리되어 열전소자(900) 상부에 부착된 써미스터 연결용 서브마운트(980)를 거쳐 전극핀(1010)과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 써미스터(950)는 비전도성 고분자 물질로 도포된 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 45도 부분반사거울(300)은 두께가 0.1mm∼0.25mm 인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 광파장 감시용 포토 다이오드(500)는 열전소자(900) 위에 부착되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 파장 선택성 필터는 유리 또는 쿼츠(quartz) 기판에 굴절률이 높고 낮은 유전체 박막이 적층되어 제작된 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 파장 선택성 필터는 Silicon, InP, GaAs 중 어느 하나를 포함하는 반도체 기판에 굴절률이 높고 낮은 유전체 박막이 적층되어 제작된 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 파장 선택성 필터에는 박막 히터(heater)가 더 부착되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  20. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드 칩(100)과 파장 선택성 필터는 하나의 열전소자(900) 위에 배치되며,
    상기 열전소자(900)의 온도는 광파장 감시용 포토 다이오드(500)로 흐르는 광전류와 광세기 감시용 포토 다이오드(600)(700)를 흐르는 광전류의 값이 일정하도록 조절되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  21. 제 5항 또는 6항에 있어서,
    상기 파장 선택성 필터는 Silicon, InP, GaAs 중 어느 하나를 포함하는 반도체 기판에 굴절률이 높고 낮은 유전체 박막이 적층되어 제작되며,
    상기 파장 선택성 필터의 온도는 광파장 감시용 포토 다이오드(500)로 흐르는 광전류와 광세기 감시용 포토 다이오드(600)(700)를 흐르는 광전류의 값이 일정하도록 조절되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 파장 선택성 필터에는 금속 박막 패턴으로 형성된 저항체가 부착되어, 상기 금속 박막으로 흐르는 전류에 의해 온도가 조절되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102458485B1 (ko) 2016-04-25 2022-10-27 주식회사 포벨 광 아이솔레이터 기능을 가진 레이저 장치
US9865991B2 (en) * 2016-04-25 2018-01-09 Phovel.Co.Ltd. Laser device with optical isolator
KR102134333B1 (ko) 2016-04-27 2020-07-16 (주) 라이트론 광통신 네트워크에 사용되는 광 송신장치
JP6794140B2 (ja) * 2016-05-23 2020-12-02 オプト エレクトロニクス ソリューションズ 光送信機及びこれを含む光モジュール
WO2018043772A1 (ko) * 2016-08-30 2018-03-08 주식회사 포벨 어레이형 광소자
KR20190000078A (ko) * 2017-06-22 2019-01-02 김정수 필터를 포함하는 레이저 장치 및 그 운용방법
KR102154841B1 (ko) * 2018-03-14 2020-09-10 김정수 파장 안정화 장치가 구비된 레이저 장치
JP7090572B2 (ja) * 2019-03-08 2022-06-24 株式会社堀場製作所 半導体レーザ装置、及び分析装置
JP7350646B2 (ja) * 2019-12-17 2023-09-26 ＣＩＧ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｊａｐａｎ株式会社 光モジュール

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100871011B1 (ko) * 2008-01-23 2008-11-27 김정수 파장 잠금 기능을 갖는 티오형 레이저 다이오드 패키지 및 그 패키지에 구비된 경사필터의 제작 방법

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE460810B (sv) * 1988-06-08 1989-11-20 Astra Meditec Ab Termistor avsedd foer temperaturmaetning samt foerfarande foer tillverkning av densamma
JP4071917B2 (ja) 2000-04-21 2008-04-02 ユーディナデバイス株式会社 光半導体装置
JP3781982B2 (ja) 2000-12-06 2006-06-07 三菱電機株式会社 半導体レーザ装置
US6965622B1 (en) * 2002-01-28 2005-11-15 Ciena Corporation Wavelength locking scheme and algorithm for ultra-high density WDM system
JP4098812B2 (ja) 2006-03-16 2008-06-11 ユーディナデバイス株式会社 光半導体装置
US8259765B2 (en) * 2006-12-06 2012-09-04 Google Inc. Passive phase control in an external cavity laser
WO2008080171A1 (en) * 2006-12-22 2008-07-03 Finisar Corporation Optical transmitter having a widely tunable directly modulated laser and periodic optical spectrum reshaping element
JP2010522349A (ja) 2007-03-19 2010-07-01 ジョン・スー・キム 自立型平行板ビームスプリッタ、その製作方法、およびそれを用いたレーザーダイオードパッケージ構造
JP2009004903A (ja) * 2007-06-19 2009-01-08 Sumitomo Electric Ind Ltd 光データリンク及び光出力制御方法
KR20100030486A (ko) * 2008-09-10 2010-03-18 김정수 파장 가변 필터
KR101124173B1 (ko) 2010-02-16 2012-03-27 주식회사 포벨 레이저 다이오드 패키지
KR101124171B1 (ko) 2010-03-05 2012-03-27 주식회사 포벨 파장 가변 레이저 장치
CN103311802A (zh) * 2013-05-31 2013-09-18 华为技术有限公司 波长可调的激光输出方法和可调激光装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100871011B1 (ko) * 2008-01-23 2008-11-27 김정수 파장 잠금 기능을 갖는 티오형 레이저 다이오드 패키지 및 그 패키지에 구비된 경사필터의 제작 방법

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