KR20140121312A

KR20140121312A - 파장 가변 레이저 장치

Info

Publication number: KR20140121312A
Application number: KR1020130044221A
Authority: KR
Inventors: 김정수
Original assignee: 주식회사 포벨
Priority date: 2013-04-05
Filing date: 2013-04-22
Publication date: 2014-10-15
Also published as: KR20140130398A; US20160056608A1; CN105103389A; US9627847B2; KR101541403B1; KR101459495B1

Abstract

본 발명은 발진하는 레이저 파장을 가변할 수 있는 소형으로 제작 가능한 파장 가변 레이저 장치에 관한 것으로, 레이저 빛을 발산하는 레이저 다이오드 칩(100)과; 상기 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산된 빛을 일부 반사하여 다시 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환시키는 광 궤환용 부분 반사 거울(500)과; 상기 레이저 다이오드 칩(100)과 광 궤환용 부분 반사 거울(500) 사이의 광 경로 상에 설치되어, 레이저 다이오드 칩(100)으로부터 발산된 빛을 시준화시키는 시준화 렌즈(200)와, 온도에 따라 투과되는 파장이 변화하는 파장 가변 선택성 필터(300)와, 온도에 따라 굴절률이 변화되어 상기 반도체 레이저 다이오드 칩(100) 또는 파장 가변 선택성 필터(300)의 온도에 따른 굴절율 변화를 상쇄하는 위상보상자(350)와, 패키지 바닥면에 대해 수평으로 진행하는 레이저 빛을 패키지 바닥면에 대해 수직으로 진행하는 레이저 빛으로 방향을 전환하는 45도 반사 거울(400);을 포함하여 이루어지며, 상기 레이저 다이오드 칩(100)과 파장 가변 선택성 필터(300) 및 위상보상자(350)는 열전소자(900) 상부에 배치되어 열전소자(900)의 온도 변화에 따라 발진되는 파장이 변화되는 것을 특징으로 한다.

Description

파장 가변 레이저 장치 {TUNABLE LASER DEVICE}

본 발명은 레이저 장치에 관한 것으로, 특히 발진하는 레이저 파장을 가변 할 수 있는 소형으로 제작 가능한 파장 가변 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 있으며, 이미 종래에 포설되어 있는 광섬유를 이용하여 통신 용량을 증대시키는 방법으로 DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing) 방식의 통신 방식을 채택하고 있다. 상기 DWDM 통신 방식은 파장이 서로 다른 레이저 빛들은 서로 간섭하지 않아 하나의 광섬유를 통하여 동시에 여러 가지 파장의 빛 신호를 전송하여도 신호 간에 간섭이 없는 현상을 이용하여, 하나의 광섬유로 여러 파장의 빛을 동시에 전송하는 방식을 말한다.

현재 세계적으로 NG-PON2(Next Generation - Passive Optical Network version 2)라는 규격이 세계적으로 합의되고 있으며, 이러한 NG-PON2 규격에는 가입자에 설치할 광통신 모듈의 규격으로 100GHz 주파수 간격의 4channel을 수용할 수 있는 파장 가변 레이저가 채택되어 있다. NG-PON2의 가입자용 광모듈은SFP(Small Form factor Pluggable)라는 트랜시버 모듈을 기본 규격으로 하는데, SFP 모듈 패키지는 부피가 작아 4channel 파장 가변 레이저 모듈의 크기가 소형화 되어야 한다.

현재 여러 가지 방식의 파장 가변 레이저가 개발되고 출시되고 있으나 대부분의 경우 버터플라이 패킷 형태로 매우 부피가 큰 광소자 규격을 가지고 있어 이러한 큰 부피의 광소자는 SFP 트랜시버 모듈에 내장이 불가능하다. SFP 트랜시버에 내장 가능한 크기의 광소자 패키지는 TO(transistor outline)형 패키지인데, 현재 TO형으로 파장 가변이 가능한 파장 가변형 TO형 광소자는 제안되지 않고 있는 실정이다.

대한민국 등록특허공보 제10-1124171호 (2012.02.29)

본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 초소형이며 제작 비용이 저렴한 TO(Transistor Outline)형 패키지 형태로 제작 가능한 파장 가변형 확장 공진기형 레이저 장치를 제공하는 데 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 장착 가능한 크기로 제작 가능한 파장 가변형 레이저 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저 장치는 레이저 빛을 발산하는 레이저 다이오드 칩과; 상기 레이저 다이오드 칩에서 발산된 빛을 일부 반사하여 다시 레이저 다이오드 칩으로 궤환시키는 광 궤환용 부분 반사 거울과; 상기 레이저 다이오드 칩과 광 궤환용 부분 반사 거울 사이의 광 경로 상에 설치되어, 레이저 다이오드 칩으로부터 발산된 빛을 시준화시키는 시준화 렌즈와, 온도에 따라 투과되는 파장이 변화하는 파장 가변 선택성 필터와, 온도에 따라 굴절률이 변화되어 상기 반도체 레이저 다이오드 칩 또는 파장 가변 선택성 필터의 온도에 따른 굴절율 변화를 보상하는 위상보상자와, 패키지 바닥면에 대해 수평으로 진행하는 레이저 빛을 패키지 바닥면에 대해 수직으로 진행하는 레이저 빛으로 방향을 전환하는 45도 반사 거울;을 포함하여 이루어지며, 상기 레이저 다이오드 칩과 파장 가변 선택성 필터 및 위상보상자는 열전소자 상부에 배치되어 열전소자의 온도 변화에 따라 발진되는 파장이 변화되게 된다.

또한, 상기 광 궤환용 부분 반사 거울은 45도 반사 거울의 상부에 배치되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 45도 반사 거울은 부분 반사/부분 투과 특성을 갖는 부분 반사 거울로 이루어지고, 상기 45도 반사 거울의 일측에는 레이저 다이오드 칩에서 발산되어 상기 45도 반사 거울을 투과하는 성분의 레이저 빛을 수신하여 레이저 빛의 광 세기를 감시하는 광 감시용 포토 다이오드가 더 배치되게 된다.

또한, 상기 45도 반사 거울은 부분 반사/부분 투과 특성을 갖는 부분 반사 거울로 이루어지고, 상기 45도 반사 거울의 일측에는 광 궤환용 부분 반사거울로부터 발산되어 상기 45도 반사 거울을 투과하는 성분의 레이저 빛을 수신하여 레이저 빛의 광 세기를 감시하는 광 감시용 포토 다이오드가 더 배치될 수 있다.

뿐만 아니라, 상기 45도 반사 거울은 부분 반사/부분 투과 특성을 갖는 부분 반사 거울로 이루어지고, 상기 45도 반사 거울의 일측에는 레이저 다이오드 칩에서 발산되어 상기 45도 반사 거울을 투과하는 성분의 광 경로상에 파장에 따라 투과율이 변화하는 파장 필터와 포토 다이오드가 배치되고, 상기 45도 반사 거울의 하부에는 광 궤환용 부분 반사거울에서 발산되어 상기 45도 반사 거울을 투과하는 광 경로상에 포토 다이오드가 배치되어, 상기 포토 다이오드를 흐르는 광 전류의 비교를 통하여 상기 파장 필터의 투과율 및 레이저 빛의 파장을 파악할 수 있게 된다.

한편, 상기 파장 가변 선택성 필터는 GaAs 기판에 Ga(x1)Al(1-x1)As /Ga(x2)Al(1-x2)As 화합물 반도체를 이용하여 특정 파장의 빛을 투과하도록 제작되되 상기 Ga 조성은 1에서 0.1 사이인 것이 바람직하다. 여기에서, 상기 파장 가변 선택성 필터는 투명한 기판 위에 비정질 실리콘(a-Si)과 SiN(silicon nitride)층이 교대로 증착되어 제작될 수 있다.

또한, 상기 파장 가변 선택성 필터는 복수의 투과 파장 대역을 가지는 에탈론형 필터로 이루어지고, 상기 광 궤환용 부분 반사 거울은 발진시키고자 하는 파장 대역에서 미리 정해진 반사율을 가지며 나머지 다른 파장 대역에서의 반사율은 발진하는 파장 대역의 반사율에 비해 80％ 이하, 바람직하게 25％ 이하로 형성될 수 있다. 여기에서, 상기 파장 가변 선택성 필터는 복수의 투과 파장 대역을 갖도록 실리콘, GaAs, InP 중 어느 하나를 포함하는 반도체 기판 양면에 굴절률이 다른 유전체 박막이 교대로 증착되어 반사막이 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 위상보상자는 PMMA, 폴리비닐, 폴리에틸렌, 폴리카보네이트, 에폭시 중 어느 하나를 포함하는 고분자 재료를 기반으로 제작되는 것이 바람직하다.

상기 반도체 레이저 다이오드 칩과 광 궤환용 부분 반사 거울을 포함하는 레이저 공진기의 길이가 유효 굴절률 1로 환산하였을 때 5.8mm 내지 6.2mm인 것이 바람직하다.

한편, 평판형의 반사 거울을 수평에 대해 45도로 고정하는 스탠드는 직육면체 형태의 실리콘 기판으로 형성되되, 상기 실리콘 기판은 어느 한 변에 대해 45도의 각도를 갖는 관통공이 형성되어 평판형의 반사 거울이 삽입되어 고정될 수 있도록 구성되는데, 상기 실리콘 기판에 형성된 관통공은 건식 식각 방법으로 형성된 것이 바람직하다.

파장 가변 선택성 필터는 GaAs 반도체 기판위에 GaAs/GaAlAs 층을 교대로 증착하여 제작되는데 이러한 파장 가변 선택성 필터의 투과 파장의 온도 의존성은 대략 90pm/℃이다. 본 발명에서 제안하는 방식의 레이저는 발진 파장이 이러한 파장 가변 선택성 필터를 투과하는 파장 범위 내에서 반도체 레이저 다이오드 칩과 부분 반사 거울로 이루어지는 공진기에 의해 결정되는 Fabry-Perot 모드로 결정된다. 본 발명에서 반도체 레이저 다이오드 칩과 GaAs를 기반으로 하는 파장 가변 선택성 필터와 위상보상자가 열전소자 위에 배치되므로, 열전소자의 온도를 바꾸어주면 공진기 내에 배치되는 반도체 레이저 다이오드 칩과 파장 가변 선택성 필터와 위상보상자의 온도가 바뀌게 된다. 반도체 레이저 다이오드 칩과 GaAs 기반의 반도체 물질로 구성된 파장 가변 선택성 필터는 온도가 상승함에 따라 굴절률이 커지는 +의 굴절률 변화를 보이며, 위상보상자는 온도 상승에 따라 -의 굴절률 변화를 보이게 된다. 그러므로 반도체 레이저 다이오드 칩과 파장 가변 선택성 필터와 위상보상자가 하나의 열전소자 위에 배치되므로 모두 동일한 온도 변화를 겪게 된다. 반도체 레이저 다이오드 칩과 파장 가변 선택성 필터의 굴절률 변화를 상쇄할 수 있는 두께의 고분자 재료를 레이저 공진기 내에 배치시킬 때 열전소자가 온도가 변화하여도 레이저 공진기의 전체 유효 굴절률 변화는 없어지게 되며, 이에 따라 레이저 공진기에 의해 결정되는 Fabry-Perot 모드는 열전소자의 온도와 관계없이 일정한 파장으로 고정되게 된다. 열전소자의 온도가 바뀌게 되면 파장 가변 선택성 필터에서 선택하는 파장이 바뀌게 되고, 이에 따라 레이저 공진기에서 발진하는 레이저 발진 파장이 바뀌게 되므로 저렴하고 간단하게 파장 가변형 레이저를 만들 수 있게 된다.

또한, 본 발명에서는 레이저 다이오드 칩과 궤환용 반사 거울로 이루어지는 공진기가 폴더형으로 제작되고, 궤환용 부분 반사 거울이 45도 반사 거울 상부에 배치되어 레이저 다이오드 칩에서 수평으로 발산된 레이저 빛이 수직으로 방향 전환되므로, TO형 패키지의 수직면에 레이저 빛이 탈출하는 관통공을 가진 TO형 패키지에 적합하게 빛의 경로가 조절되어 저가의 TO 형 패키지를 사용할 수 있게 됨으로써 고가의 버터플라이형 패키지를 사용하는 종래 레이저 패키지에 비해 제작 비용이 저렴해지는 장점이 있다.

뿐만 아니라, 본 발명에서는 레이저 다이오드 칩과 광 궤환용 부분 반사 거울이 폴더형으로 제작되고 광 궤환용 부분 반사 거울이 45도 반사 거울의 상부에 배치되므로 공진기의 바닥 면적이 최소화될 수 있으며, 이에 따라 바닥 면적을 최소로 줄여 직경 7mm 이하의 소형 TO 패키지에 장착이 가능하여 TO 패키지를 이용한 SFP 트랜시버의 제작을 가능하게 하는 효과가 있다.

도 1은 TO 형 패키지의 개략적인 모습을 나타낸 외형도,
도 2는 본 발명에 따른 확장 공진기형 레이저 다이오드 패키지의 동작 원리를 나타내는 개념도,
도 3은 확장 공진기형 레이저형에서 발진 파장 결정을 나타내는 개념도로서, 도 3의 (a)는 파장 가변 선택성 필터의 투과도 곡선 일례, 도 3의 (b)는 확장 공진기에서 결정되는 Fabry-Perot 모드의 일례, 도 3의 (c)는 확장 공진기와 파장 가변 선택성 필터에 의해 발진하는 레이저 빛의 파장 특성 일례,
도 4는 확장 공진기형 파장 가변 레이저에서 발진 파장 결정을 나타내는 개념도로서, 도 4의 (a)는 파장 가변 선택성 필터의 투과도가 온도에 따라 변화하는 곡선 일례, 도 3의 (b)는 확장 공진기에서 결정되는 Fabry-Perot 모드가 온도에 따라 변화하는 일례, 도 3의 (c)는 온도에 따라 변화하는 확장 공진기의 Fabry-Perot 모드와 온도에 따라 변화하는 파장 가변 선택성 필터에 의해 발진하는 레이저 빛의 파장이 변화하는 특성 일례,
도 5는 상기 도 2의 레이저 공진기 구조에서 공진기의 온도 변화에 따라 발진하는 레이저 파장이 변화하는 모습을 보여주는 개념도,
도 6은 본 발명에 따른 위상보상자가 구비된 공진기 구조를 갖는 레이저 장치의 설치 개념도,
도 7은 본 발명에 따른 위상보상자가 있는 확장 공진기형 파장 가변 레이저에서 발진 파장 결정을 나타내는 개념도로서, 도 7의 (a)는 파장 가변 선택성 필터의 투과도가 온도에 따라 변화하는 곡선 일례, 도 7의 (b)는 확장 공진기에서 결정되는 Fabry-Perot 모드가 온도에 따라 일정한 파장을 가지는 일례, 도 7의 (c)는 온도 변화와 무관하게 일정하게 유지되는 Fabry-Perot 모드와 온도 변화에 따라 변화하는 파장 가변 선택성 필터에 의해 발진하는 레이저 빛의 파장 변화 특성 일례,
도 8은 본 발명에 따른 레이저 공진기 구조에서 공진기의 온도 변화에 따라 발진하는 레이저 파장이 변화하는 모습을 보여주는 개념도,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 폴더형의 공진기 구조를 갖는 레이저 장치의 설치 개념도,
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 장치의 설치 개념도,
도 11은 본 발명에 따른 광 감시용 포토 다이오드가 배치된 레이저 장치의 설치 개념도,
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 광 감시용 포토 다이오드가 배치된 레이저 장치의 또 다른 설치 개념도,
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 장치의 설치 개념도,
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 장치의 설치 개념도,
도 15는 본 발명에 따른 에탈론 필터로 이루어진 파장 가변 선택성 필터의 일례,
도 16은 상기 도 15의 방법으로 제작된 에탈론 필터를 투과하는 빛의 파장에 따른 투과율 일례,
도 17은 상기 도 2에 도시된 외부 공진기형 레이저에 복수의 투과 파장 대역을 가지는 파장 가변 선택성 필터가 적용되는 경우의 발진 레이저 파장 일례,
도 18은 본 발명에 따른 복수의 투과 파장 대역을 갖는 파장 가변 선택성 필터와 특정 파장에 대해서만 반사가 일어나는 부분 반사 거울이 적용된 외부 공진기형 레이저 패키지의 설치 개념도,
도 19는 상기 도 18의 외부 공진기형 레이저 구조에서의 레이저 동작 원리를 개념도,
도 20은 상기 도 18의 외부 공진기형 레이저 구조에서 파장을 가변시키는 과정을 나타낸 개념도,
도 21은 본 발명에 따른 45도 반사 거울을 고정시키는 스탠드의 설치 개념도이다.

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 구성되는데, 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 확장로 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 확장 공진기형 레이저 다이오드 패키지의 동작 원리를 나타내는 개념도이다.

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 특정 파장의 빛을 선택적으로 투과하되 온도에 따라 선택되는 파장이 가변되는 파장 가변 선택성 필터(300)와, 상기 파장 가변 선택성 필터(300)를 투과하는 레이저 빛 중 일부 레이저 빛은 반사하고 나머지 빛은 투과시키는 광 궤환용 부분 반사 거울(500)을 포함하여 이루어진다. 상기 레이저 다이오드 칩(100)과 상기 파장 가변 선택성 필터(300)는 온도를 조절하기 위한 열전소자(도면 미도시) 위에 배치된다.

상기 레이저 다이오드 칩(100)은 edge emitting 형(type)의 레이저 다이오드 칩으로, 이 edge emitting 형의 레이저 다이오드 칩(100)은 양 절개면에서 레이저 빛이 방출된다. 상기 레이저 다이오드 칩(100)은 InP 기판에 반도체 레이저가 제작된 것으로 발진 파장이 1100nm∼1700nm의 발진 파장을 가질 수 있다. 양 절개면 중 광 궤환용 부분 반사 거울(500)을 향한 레이저 다이오드 칩(100)의 절개면은 1％ 이하의 반사율을 가지는 무반사 코팅면(무반사면)이 된다. 이 무반사면은 1％ 이하의 반사율, 바람직하게는 0.1％ 이하의 반사율을 갖는데, 더욱 바람직하게는 0.01％ 이하의 반사율을 갖는 것이 바람직하다. 상기 레이저 다이오드 칩(100)의 무반사면 반대쪽의 절개면은 통상적으로 1％ 이상의 반사율을 가지는데, 바람직하게는 10％ 이상의 반사율, 더욱 바람직하게는 80％ 이상의 반사율을 가지는 것이 바람직하다. 이렇게 절개면의 한쪽이 무반사 코팅된 레이저 다이오드 칩(100)은 레이저 다이오드 칩(100) 자체에서 빛이 궤환되지 못하기 때문에 레이저 다이오드 칩(100) 자체를 공진기로 하는 Fabry-Perot 모드가 형성되지 않는다. 이러한 레이저 다이오드 칩(100)에서 방출되는 빛은 매우 넓은 파장 대역(통상적으로 반가폭이 20nm 이상)을 가지는 빛의 파장을 보인다. 레이저 다이오드 칩(100)의 무반사면을 통하여 방출된 넓은 파장 대역의 빛은 시준화 렌즈(200)에 의해 평행광으로 시준화 된다. 시준화 렌즈(200)에 의해 시준화된 넓은 파장 대역의 빛은 투과 파장 대역폭이 좁은 파장 가변 선택성 필터(300)로 입사하는데, 파장 가변 선택성 필터(300)로 입사하는 빛 중 파장 가변 선택성 필터(300)를 투과하는 빛을 제외하고 나머지는 파장 가변 선택성 필터(300)에 의해 반사되어 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환되지 못하는 다른 경로로 보내진다. 레이저 다이오드 칩(100)에서 시준화 렌즈(200)를 거쳐 파장 가변 선택성 필터(300)를 투과한 성분의 빛은 광 궤환용 부분 반사 거울(500)에 도착한다. 상기 광 궤환용 부분 반사 거울(500)에 도달한 빛 중에서 광 궤환용 부분 반사 거울(500)에서 반사하는 빛은 다시 파장 가변 선택성 필터(300)를 거친 후 시준화 렌즈(200)를 거쳐 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환된다. 그러므로 레이저 다이오드 칩(100)과 시준화 렌즈(200), 파장 가변 선택성 필터(300), 광 궤환용 부분 반사 거울(500)을 포함하는 확장 공진기형 레이저가 완성된다.

상기 파장 가변 선택성 필터(300)의 투과 대역폭이 너무 좁으면 파장 가변 선택성 필터(300)를 투과하는 빛의 삽입 손실이 커지게 되며, 파장 가변 선택성 필터(300)의 투과 대역폭이 너무 넓으면 효과적으로 하나의 Fabry-Perot 모드를 선택하기가 어렵다. 그러므로 파장 가변 선택성 필터(300)의 투과 대역폭은 빛의 삽입 손실 및 효과적인 Fabry-Perot 모드 선택을 위하여 적절히 설정되는 것이 바람직한데, 본 발명의 실시예에서 상기 파장 가변 선택성 필터(300)의 투과 대역폭은 10nm 이하, 더욱 바람직하게는 0.25nm 내지 3nm 정도로 설정되는 것이 바람직하다. 상기 파장 가변 선택성 필터(300)는 GaAs 기판위에 Ga(x1)Al(1-x1)As /Ga(x2)Al(1-x2)As의 화합물 반도체를 이용하여 미리 지정된 특정 파장에서만 빛을 효과적으로 투과하고 그 이외의 파장에서는 빛을 반사하도록 제작되는데, 상기 Ga(x)Al(1-x)As에서 Ga 조성은 1에서 0.1 정도인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게, 상기 파장 가변 선택성 필터(300)는 GaAs 기판을 기반으로 GaAs/AlGaAs를 순차적으로 적층하여 제작되는 것이 바람직하다. 이러한 GaAs/AlGaAs 기반의 파장 가변 선택성 필터(300)는 온도에 따라 굴절률이 바뀌게 되며, 이에 따라 투과하는 파장 대역이 90pm/℃ 내지 100pm/℃ 정도 바뀌게 되고, 이에 따라 확장 공진기형 레이저에서 선택되는 발진 파장이 바뀌게 된다. 또한, 상기 파장 가변 선택성 필터(300)는 글라스(Glass)나 쿼츠(Quartz) 등 고려되는 파장에 투명한 기판 위에 비정질 실리콘(a-Si)과 SiN(silicon nitride)층이 교대로 증착되어 제작될 수 있다.

상기 광 궤환용 부분 반사 거울(500)의 경우에도 반사율이 너무 낮으면 파장 잠금을 위하여 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환되는 빛이 양이 너무 작아 레이저의 파장 잠금이 잘 일어나지 않게 되고, 상기 광 궤환용 부분 반사(500) 거울의 반사율이 너무 높으면 광 궤환용 부분 반사 거울(500)을 투과하여 광 전송에 사용될 신호가 너무 약해지는 문제가 발생하게 된다. 그러므로 광 궤환용 부분 반사 거울(500)의 반사율 또한 적절하게 설정되는 것이 바람직한데, 본 발명의 실시예에서 상기 광 궤환용 부분 반사 거울(500)의 반사율은 약 20％ 내지 80％ 정도로 설정된다.

도 3은 이러한 확장 공진기형 레이저형에서 발진 파장 결정을 나타내는 개념도로서, 도 3의 (a)는 파장 가변 선택성 필터의 투과도 곡선 일례이고, 도 3의 (b)는 확장 공진기에서 결정되는 Fabry-Perot 모드의 일례이며, 도 3의 (c)는 확장 공진기와 파장 가변 선택성 필터에 의해 발진하는 레이저 빛의 파장 특성 일례를 나타낸 것이다. 상기 확장 공진기형 레이저에서 결정되는 파장은, 도 3의 (a)에서와 같이 고려되는 파장 대역에서 하나의 투과 파장 대역을 가지는 파장 가변 선택성 필터의 투과 대역과, 도 3의 (b)에서와 같이 확장 공진기 길이에 의해 결정되는 주기적이고 불연속적인 Fabry-Perot 모드의 두 가지 요소에 의해 결정되어, 도 3의 (c)와 같이 결정된 특정 파장이 발진하게 된다.

즉, 상술한 도 2의 공진기 구조에서는, 도 3(b)의 확장 공진기에 의한 레이저 발진 가능한 불연속적인 Fabry-Perot 허용 모드 중에서, 도 3(a)의 파장 가변 선택성 필터의 투과 대역 내에 있는 모드만이 확장 공진기를 공진하여 레이저 발진에 이르게 되어, 도 3(c)와 같이 특정한 파장을 가지는 레이저 빛이 발생하게 되는 것이다.

한편, 도 2의 공진기 구조를 열전소자 위에 장착하고 열전소자의 온도를 바꾸어주면 열전소자 위에 배치된 반도체 레이저 다이오드 칩(100)과 파장 가변 선택성 필터(300)의 온도가 바뀌게 된다. InP 기판을 이용하여 제작된 반도체 레이저 다이오드 칩(100)과 GaAs 기판을 기본으로 하여 제작되는 파장 가변 선택성 필터(300)는 온도에 따라 대략 2x10^-4 정도의 굴절률 변화를 가져온다.

도 4는 이러한 온도 변화에 따른 확장 공진기형 파장 가변 레이저에서 발진 파장 결정을 나타내는 개념도로서, 도 4의 (a)는 파장 가변 선택성 필터의 투과도가 온도에 따라 변화하는 곡선 일례이고, 도 4의 (b)는 확장 공진기에서 결정되는 Fabry-Perot 모드가 온도에 따라 변화하는 일례이며, 도 4의 (c)는 온도에 따라 변화하는 확장 공진기의 Fabry-Perot 모드와 온도에 따라 변화하는 파장 가변 선택성 필터에 의해 발진하는 레이저 빛의 파장이 변화하는 특성 일례를 나타낸 것이다.

이러한 열전소자의 온도 변화에 대해 도 4의 (a)에 표시한 바와 같이 파장 가변 선택성 필터(300)의 투과 대역은 90pm/℃ 내지 100pm/℃ 정도 이동하게 된다. 이때 공진기를 구성하는 구성 성분인 레이저 다이오드 칩(100)과 파장 가변 선택성 필터(300)의 굴절률이 바뀌므로 전체 공진기의 Fabry-Perot 모드 또한 도 4의 (b)와 같이 바뀌게 된다. 그러므로 실제 발진하는 파장은 도 4의 (c)와 같이 파장이 변환 Fabry-Perot 모드중 파장 가변 선택성 필터(300)의 투과 대역 내에 있는 Fabry-Perot 모드가 발진하게 되어 레이저 공진기에서 방출되는 레이저 빛의 파장이 가변되게 된다.

이와 같이, 도 2의 레이저 공진기 구조에서 열전소자의 온도를 바꾸어주게 되면, 발진파장은 공진기의 Fabry-Perot 모드가 연속적으로 변화하는 특성과 파장 가변 선택성 필터(300)의 불연속적인 Fabry-Perot 모드 선택이 바뀌는 특성에 따라 불연속적인 파장 변화가 동시에 나타나게 된다. 도 5는 이러한 열전소자 온도 변화에 따른 레이저 공진기의 파장 변화 일례를 나타낸 것으로, 확장 공진기형 레이저에서 레이저 공진기의 온도를 바꾸어주면 레이저의 발진 파장이 연속적으로 변화하는 부분과 불연속적으로 변화하는 부분이 동시에 존재하게 되므로 레이저 공진기에서 발진 파장을 일정하게 유지하기 어렵게 된다. 도 5를 살펴보면, 발진파장이 연속적으로 변화하는 구간에서 레이저 발진파장은 60∼70pm/℃ 정도가 바뀌게 되므로, 레이저 빛의 파장을 정밀하게 조절하기 위해서는 열전소자의 온도를 매우 정밀하게 조절하여야 한다.

즉, 도 2의 레이저 공진기 구조에 있어 레이저 공진기의 온도가 변화하면 발진 파장이 불연속적으로 변화하는 구간 내에서 레이저 공진기의 온도에 따라 레이저 발진 파장이 연속적으로 변화하게 되어 발진 파장 조절의 어려움이 발생하게 된다. 본 발명에서는 이러한 발진 파장 조절이 어려운 문제를 해결하기 위해 레이저 공진기 내에 반도체 레이저 다이오드 칩(100)과 GaAs/AlGaAs 파장 가변 선택성 필터(300)의 온도에 따른 굴절률 변화를 상쇄하기 위한 위상보상자를 배치하는 구조를 제시한다.

도 6은 이러한 본 발명의 실시예에 따른 위상보상자가 구비된 폴더형 공진기 구조를 갖는 레이저 장치의 설치 개념도를 나타낸 것으로, 상기 위상보상자(350)는 파장 가변 선택성 필터(300)와 광 궤환용 부분 반사 거울(500) 사이의 광 경로 상에 배치된다.

본 발명의 실시예에서 상기 위상보상자(350)는 폴리비닐, 폴리에틸렌, 폴리카보네이트, PMMA, 에폭시 등 고분자 재료를 기반으로 제작되는데, 이러한 고분자 재료는 온도가 증가함에 따라 (-)의 굴절률 변화를 가져오게 된다. 상기 위상보상자(350)에서 빛이 반사되면 레이저의 동작을 방해하게 되므로 위상보상자(350)의 레이저 빛이 통과하는 면은 무반사 코팅되는 것이 바람직하다.

한편, 레이저 공진기의 Fabry-Perot 모드는 레이저 공진기의 광학적 길이에 의해 결정되는데, 반도체 레이저 다이오드 칩(100)과 GaAs/AlGaAs 파장 가변 선택성 필터(300)는 온도의 증가에 따라 (+)의 굴절률을 보이게 된다. 레이저 공진기 내에 글라스 렌즈 등이 추가될 수 있으나 이러한 물질 또한 미약하지만 온도의 증가에 따라 (+)의 굴절률을 보인다. 그러므로, 도 2의 공진기 구조에서는 전체 레이저 공진기의 유효 굴절률이 온도의 증가에 따라 (+)로 변화하므로, 레이저 공진기의 온도 증가에 따라 FAbry-Perot 모드가 (+)의 발진 파장 변화를 가져오게 된다.

이에 비해 전술한 폴리비닐, 폴리에틸렌, PMMA 등의 고분자 재료는 온도의 증가에 따라 (-)의 굴절률 변화를 보이므로, 반도체 레이저 다이오드 칩(100)과 파장 가변 선택성 필터(300)의 온도에 따른 굴절률 변화가 보상되도록 적절한 두께의 고분자 재료로 제작된 위상보상자(350)를 공진기 내에 배치하게 되면, 반도체 레이저 다이오드 칩(100)과 파장 가변 선택성 필터(300)와 위상보상자(350)는 모두 동일한 열전소자에 의해 동일한 온도 변화를 보이므로 공진기 전체의 유효 굴절률은 열전소자의 온도 변화에 무관하게 일정한 값을 유지할 수 있게 된다. 그러므로 공진기의 유효 굴절률에 의해 결정되는 Fabry-Perot 모드는 열전소자의 온도와 관계없이 일정한 값을 가지게 된다.

도 7은 이러한 위상보상자가 구비된 확장 공진기형 파장 가변 레이저에서 온도 변화에 따른 발진 파장 변화를 나타낸 개념도로서, 도 7의 (a)는 파장 가변 선택성 필터의 투과도가 온도에 따라 변화하는 곡선 일례이고, 도 7의 (b)는 확장 공진기에서 결정되는 Fabry-Perot 모드가 온도에 따라 일정한 파장을 가지는 일례이며, 도 7의 (c)는 온도 변화와 무관하게 일정하게 유지되는 Fabry-Perot 모드와 온도 변화에 따라 변화하는 파장 가변 선택성 필터에 의해 발진하는 레이저 빛의 파장 변화 특성 일례를 나타낸 것이다.

파장 가변 선택성 필터(300)는 온도 변화에 따라 투과되어 선택되는 파장이 변화하게 되므로, 도 7의 (a)와 같이, 파장 가변 선택성 필터의 투과 파장 대역이 온도에 따라 변화하게 된다. 이에 비해, 위상보상자가 삽입되어 있는 도 6의 공진기 구조에서는 전체 공진기의 Fabry-Perot 모드가 변화하지 않으므로 도 7의 (b)에서와 같이 온도에 따라 무관한 파장으로 Fabry-Perot 모드가 결정되게 된다. 그러므로 파장 가변 선택성 필터(300) 내의 Fabry-Perot 모드로 결정되는 레이저 발진 파장은 도 7의 (c)와 같이 결정되게 된다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 공진기 구조에서 공진기의 온도 변화에 따라 발진하는 레이저 파장이 변화하는 모습을 나타낸 개념도이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 도 6의 공진기 구조에 따라 반도체 레이저 다이오드 칩100)과 파장 가변 선택성 필터(300)와 고분자 재료의 위상보상자(350)가 하나의 열전소자 위에 배치되어 있을 때, 열전소자의 온도가 바뀜에 따라 레이저 공진기에서 발진하는 레이저 파장은, 도 5의 경우와 달리, 발진 레이저 파장이 일정하게 유지되다가 갑자기 파장이 바뀌는 형태로 변화하게 된다.

현재 광통신은 100GHz 파장 간격 또는 50GHz 파장 간격으로 구현되므로, 본 발명에 따른 레이저 공진기의 모드 간격은 레이저 공진기의 길이에 따라 다음의 수학식 1로 표현된다.

여기에서,

ω : 발진하는 레이저 빛의 진동수

λ : 발진하는 레이저 빛의 공기 중에서의 파장

C : 진공 중에서의 광속

m : 정수(integer)

nd : 레이저 공진기의 굴절률을 1로 환산하였을 경우 레이저 공진기 길이

레이저 공진기의 Fabry-Perot 모드가 100GHz 간격일 경우 굴절률 1로 환산된 공진기의 길이는 24mm 정도이며, Fabry-Perot 모드가 50GHz 간격일 경우 굴절률 1로 환산된 공진기의 길이는 12mm 정도이며, Fabry-Perot 모드가 25GHz 간격일 경우 굴절률 1로 환산된 공진기의 길이는 6mm 정도가 된다.

24mm 또는 12mm의 공진기 길이는 초소형의 TO can형의 패키지에 내장이 곤란하며, 공진기 길이가 커짐으로 인해 열전소자 내부에서 온도가 불균일한 문제가 있다. 또한 12.5GHz의 주파수 차이는 3mm의 공진기 길이를 요구하는데, 이러한 짧은 공진기 길이에는 시준화 렌즈(200) 및 파장 가변 선택성 필터(300), 위상보상자(350)를 배치하기가 매우 어렵다. 그러므로 국제 통신 규약인 50GHz 또는 100GHz의 파장 간격을 가지는 레이저를 만들기 위해서는 굴절률 1로 환산된 공진기의 길이가 6mm가 적당하며, 국제 통신규격에서 요구하는 파장 정밀도(+/- 12.5GHz)를 확보하기 위해서는 굴절률 1로 환산된 레이저 공진기의 길이가 5.8mm∼6.2mm 이내에서 조절되는 것이 바람직하다.

일반적으로 SFP 트랜시버에 장착되는 TO형 패키지는 도 1에서 캡(2)의 내경에 모든 부품이 장착되어야 하며, TO형 패키지를 탈출하는 빛은 TO형 패키지의 중심 부위에서 방출되어야 한다. 따라서, 도 2에서 수평으로 이동하는 레이저 빛을 상부에 위치한 TO 패키지 캡(2) 외부로 방출하기 위해서는 수평 방향의 레이저 빛을 수직 방향의 레이저 빛으로 바꾸어주는 45도 반사 거울이 필요한데, 이러한 45도 반사 거울은 TO형 패키지의 캡(2) 수직 하부에 위치하여야 한다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 폴더형의 공진기 구조를 갖는 레이저 장치의 설치 개념도로서, 광 궤환용 부분 반사 거울(500)의 일측에 레이저 빛의 방향을 수직으로 전환하는 45도 반사 거울(400)이 배치되는 구조를 나타낸다.

일반적으로 SFP 트랜시버에 장착되는 TO형 패키지의 캡(2) 내경은 최대 4.4mm 정도이고, 빛이 TO형 패키지의 캡(2) 중심에서 탈출하기 위해서는 레이저 다이오드 칩(100)과 45도 반사 거울(400)의 중심까지의 길이가 물리적으로 2.2mm 이내여야 한다.

현재 사용되는 확장 공진기형 레이저의 레이저 다이오드 칩(100)은 최소 400um 정도이며, 레이저 다이오드 칩(100)의 열 발산을 고려할 때 레이저 다이오드 칩(100)의 서브마운트(110)의 길이는 700um 정도이다. 현재 적절한 크기의 빔 사이즈를 제공하는 시준화 렌즈(200)의 두께는 400um 정도이며, 파장 가변 선택성 필터(300)의 두께는 파장 가변 선택성 필터(300)에 증착되는 유전체 박막에 의한 스트레스를 고려할 때 최소 500um 정도 된다. 또한, 광 궤환용 부분 반사 거울(500)은 두께가 통상적으로 300um에서 500um 정도이며, 45도 반사 거울(400)의 크기는 1000um 정도가 된다. 각 부품들의 정렬을 위해서는 각 부품 사이에 최소 150um 정도의 여유 공간이 필요하다. 그러므로 도 6에서와 같이 이러한 부품들을 TO형 패키지의 열전소자(900) 상부에 모두 일렬로 배치할 경우 레이저 다이오드 칩(100)에서 45도 반사 거울(400)의 중심점까지의 길이는 각 부품 사이의 필요 공간을 고려할 때 약 2.7mm 정도로 길어지게 되어 TO형 패키지의 중앙 부위에서 빛이 탈출하지 못하는 일이 발생하게 된다.

또한, 레이저 다이오드 칩(100)의 굴절률을 3.5 정도로 고려하고, 유리 재질의 시준화 렌즈(200), 파장 가변 선택성 필터(300), 광 궤환용 부분 반사 거울(500)의 굴절률을 1.5로 고려할 때, 레이저 다이오드 칩(100)과 광 궤환용 부분 반사 거울(500)을 포함한 확장 공진기의 유효 광학적 공진기 길이(굴절률 1로 환산)는 4mm 정도가 된다. 광학적 공진기 길이가 4mm일 때, 도 3의 (b)의 공진기 Fabry-Perot 모드 사이 간격이 300pm 정도가 된다. 레이저가 동작이 불안하여 인접 Fabry-Perot 모드로 발진 파장이 뛰어 넘는 경우가 발생하는데 이를 모드 호핑(mode hopping)이라 부른다. DWDM에서는 이러한 모드 호핑을 포함하여 파장이 국제 기구에서 미리 정하여진 파장으로부터 +/-100pm 이내에 있을 것을 권고하고 있다. 그러므로 모드 호핑시에도 파장이 정해진 파장에서 100pm 범위 내에 있기 위해서는 확장 공진기의 광학적 유효 공진기 길이가 적어도 5.8mm∼6.2mm 정도인 것이 바람직하다. 그러나 도 6의 구조와 같이 공진기가 1차원적인 배열을 할 경우 확장 공진기의 유효 공진기 길이를 증가시키는 것은 필연적으로 공진기의 수평 방향 길이를 증가시키므로 레이저 빛이 TO 패키지로부터 탈출하는 지점이 점점 더 TO 패키지 중심부에서 멀어지게 되는 문제점이 발생하게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 도 9와 같이 폴더형의 확장 공진기형 레이저 구조를 도입한다. 공진기를 도 9와 같이 배치할 경우 공진기의 길이와 레이저 빛의 TO 패키지 탈출 지점 사이에는 직접적인 연관성이 없어지게 되어 좁은 면적의 TO can 패키지를 사용하여 긴 공진기 구조의 확장 공진기형 레이저를 제작할 수 있는 장점이 생기게 된다. 도 9의 구조에서는 파장 가변 선택성 필터(300)가 열전소자에 직접 부착 고정되며 위상보상자(350)는 45도 반사 거울(400)의 상부에 배치되는 구조이다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 장치의 설치 개념도를 나타낸 것으로서, 45도 반사 거울(400) 상부에 파장 가변 선택성 필터(300)와 위상보상자(350) 및 광 궤환용 부분 반사 거울(500)이 배치되는 구조를 나타내고 있다. 이러한 배치에서는 공진기의 수평 방향 길이는 1.5mm 이내, 공진기의 광학적 길이는 6mm 이상이 가능해진다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 광 감시용 포토 다이오드가 배치된 레이저 장치의 설치 개념도를 나타낸 것이다.

도 11에서는 45도 반사 거울(400)을 부분 반사 거울로 제작하고, 이 45도 반사 거울(400)의 후단에 포토 다이오드용 서브마운트(610)에 부착된 광 감시용 포토 다이오드(600)를 배치하여, 45도 반사 거울(400)에 입사하는 빛의 일부를 45도 반사 거울(400)을 투과시켜 광 감시용 포토 다이오드(600)로 입사하도록 함으로써 레이저 빛의 세기를 감시할 수 있도록 하고 있다. 이러한 배치에서는 광 세기 감시용 포토 다이오드(600)가 TO 패키지의 중심점을 기준으로 레이저 공진기 반대 편에 배치되므로 TO형 패키지의 내부 공간을 효율적으로 활용할 수 있게 된다.

상기 도 11에서와 같이 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되어 45도 반사 거울(400)로 입사하는 빛의 일부를 투과시켜 광 감시용 포토 다이오드(600)로 진입시켜 광 세기 감시할 수도 있지만, 45도 반사 거울(400)의 하부에 광 감시용 포토 다이오드(600)를 설치하여 광 세기를 감시하도록 할 수도 있다.

도 12는 이러한 광 감시용 포토 다이오드가 45도 반사 거울의 하부에 배치된 설치 개념도를 나타낸 것이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 45도 반사 거울(400)이 부분 반사 거울의 기능을 가질 때, 45도 반사 거울(400)에 의해 반사되어 상부의 광 궤환용 부분 반사 거울(500)로 입사하는 빛 중, 광 궤환용 부분 반사 거울(500)에 의해 반사되어 레이저 다이오드 칩(100)으로 돌아가는 경로의 빛이 45도 반사 거울(400)에 도달할 때에도 45도 반사 거울(400)을 통과하는 빛의 투과가 일어나게 된다. 이렇게 광 궤환용 부분 반사 거울(500)로부터 45도 반사 거울(400)로 진행하여 45도 반사 거울(400)을 투과하는 빛은 45도 반사 거울(400) 하부면으로 도달하게 되므로, 도 12에서와 같이 광 감시용 포토 다이오드(600)를 45도 반사 거울(400) 하부에 배치하여도 동일하게 광 세기 감시 기능을 수행할 수 있게 된다. 이러한 광 감시용 포토 다이오드(600)의 45도 반사 거울(400) 하부 배치는 확장 공진기의 수평 축 길이를 증가시키지 않으므로 역시 TO 형 패키지의 내부 면적을 최대한 활용할 수 있는 하나의 방법이 된다.

도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 장치의 설치 개념도로서, 45도 반사 거울(400)을 수평으로 투과하는 빛과 수직으로 투과하는 빛을 이용하여 레이저 빛의 파장을 알아내는 방법에 관한 것이다.

도 13에 도시된 바와 같이, 45도 반사 거울(400)을 수평으로 투과하는 빛의 경로상에 파장에 따라 투과도가 달라지는 파장 필터(700)를 삽입하고 파장 필터(700)를 투과하는 광의 경로상에 파장 감시용 포토 다이오드(650)를 부착한다. 그리고 45도 반사 거울(400)을 수직으로 투과하는 빛의 경로상에 출력 감시용 포토 다이오드(620)을 배치한다. 이렇게 배치된 파장 감시용 포토 다이오드(650)의 광전류를 출력 감시용 포토 다이오드(620)로 흐르는 광전류로 나누면 파장 필터(700)를 투과하는 비율을 알아낼 수 있고 이 비율로부터 레이저 빛의 파장을 알아낼 수 있다. 이때 파장 필터(700)의 특성은 온도에 따라 변화하지 않거나 온도에 따라 파장 특성이 15pm/℃ 이내로 바뀌는 것이 바람직한데, 더욱 바람직하게는 온도에 따라 파장 특성이 3pm/℃ 이내로 바뀌는 것이 적절하다.

도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 장치의 설치 개념도로서, 45도 반사 거울(400)을 수평으로 투과하는 빛의 경로 상에 파장에 따라 투과도가 달라지는 파장 필터(700)를 배치하고, 파장 필터(700)를 투과하는 광의 경로 상에 파장 감시용 포토 다이오드(650)를 부착한다. 그리고 파장 필터(700)에서 반사하는 빛의 경로 상에 출력 감시용 포토 다이오드(620)을 배치한다. 이렇게 배치된 파장 감시용 포토 다이오드(650)의 광전류를 출력 감시용 포토 다이오드(620)로 흐르는 광전류와 비교하여 파장 필터(700)를 투과하는 빛의 세기와 반사하는 빛의 비율을 알아낼 수 있고, 이 비율로부터 레이저 빛의 파장을 알아낼 수 있게 된다.

한편, 상술한 실시예에서는 파장 가변 선택성 필터(300)가 하나의 파장만을 선택하는 것으로 설명하였으며, 이러한 파장 가변 선택성 필터(300)는 복수의 파장을 선택할 수 있도록 구성되는 경우에도 구현하고자 하는 파장 가변 레이저 장치를 제작할 수 있다.

하나의 파장만을 선택하는 파장 가변 선택성 필터(300)는, 상술한 바와 같이 GaAs 기판위에 GaAs 층과 AlGaAs 층을 교대로 성장하는 방법으로 제작할 수 있으며, 또한 glass, quartz, silicon 등의 기판 위에 비정질 실리콘과 SiN을 교대로 증착하여 제작할 수 있다.

이에 비해, 복수의 파장을 선택할 수 있는 파장 가변 선택성 필터는 일정한 주파수 간격으로 복수의 파장이 필터를 통과할 수 있는 구조로 제작되는데, 이러한 구조는 에탈론 필터로 쉽게 제작될 수 있다. 상기 에탈론 필터는 투과하고자 하는 파장대의 빛에 대해 투명한 기판의 양쪽에 미리 정하여진 반사율을 가지도록 반사 코팅을 함으로써 제작될 수 있다.

도 15는 이러한 에탈론 필터로 이루어진 파장 가변 선택성 필터의 일례를 나타낸 것으로, 상기 파장 가변 선택성 필터(330)를 구성하는 에탈론 필터는 실리콘이나 GaAs 또는 InP 등의 레이저 빛이 투과하는 반도체 기판(333)의 양면에 굴절률이 서로 다른 유전체 박막으로 미리 지정된 반사율을 가지도록 반사막(335)을 증착한 구조로 이루어진다. 유전체 박막으로 반사막(335)을 제작하는 방법은 렌즈 코팅 및 광학 필터 제작에 매우 널리 적용되는 방법으로 기술적 성숙도가 매우 높은 기술이다. 이러한 방법은, GaAs 기판 위에 GaAs 층과 AlGaAs 층을 교대로 성장시키는 방법이나 실리콘 등의 기판 위에 비정질 실리콘과 SiN 등을 증착하여 제작하는 방법에 비해 제작이 매우 간단한 장점이 있다.

도 16은 상기 도 15의 방법으로 제작된 에탈론 필터를 투과하는 빛의 파장에 따른 투과율을 나타낸 것으로, 이 투과율 측정에 사용된 에탈론 필터는 50um 두께의 실리콘 기판의 양면에 각면에서의 반사율이 70％가 되도록 유전체 박막층을 이용하여 반사막 코팅을 한 경우이다. 도 16에서와 같이, 상기 구조의 실리콘 에탈론 필터는 대략 1000GHz 정도의 파장 간격을 가지는 복수의 투과 파장 대역을 가지게 된다.

도 17은 상기 도 2에 도시된 외부 공진기형 레이저에 복수의 투과 파장 대역을 가지는 파장 가변 선택성 필터가 적용되는 경우의 발진 레이저 파장을 나타낸 것이다.

도 17의 (b)에서와 같이 외부 공진기형 레이저의 Fabry-Perot 모드는 통상적으로 0.1nm∼1nm 정도의 파장 간격으로 연속적으로 분포하게 된다. 이러한 레이저 공진기 내부에 광축에 대해 일정한 각도로 기울어져서 파장 가변 선택성 필터(330)에서 직접 반사하는 빛은 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환하지 못하게 되고, 이에 비해 파장 가변 선택성 필터(330)를 투과하는 빛은 광 궤환용 반사 거울(500)에서 반사되어 역으로 파장 가변 선택성 필터(330)를 투과하여 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환하게 되며, 이에 따라 레이저 다이오드 칩(100)은 파장 가변 선택성 필터(330)를 투과하는 파장 대역의 공진기 Fabry-Perot 모드로 파장 잠금과 레이저 발진이 일어나게 된다. 이때, 도 17의 (a)에서와 같이 파장 가변 선택성 필터(330)를 투과하는 빛이 복수의 파장 대역을 가지게 되면, 도 17의 (c)와 같이 레이저 공진기는 각각의 파장 가변 선택성 필터(330)의 투과 파장 대역 내의 Fabry-Perot 모드로 발진하게 되어 복수의 파장을 가지는 레이저 빛이 발생하게 된다.

이러한 서로 다른 파장은 통신에 있어서 잡음으로 작용하게 되어 특히 파장의 매우 정밀한 제어를 기반 기술로 하는 DWDM 방식의 통신을 불가능하게 한다. 그러므로 복수의 투과 파장 대역을 가지는 파장 가변 선택성 필터(330)를 사용할 경우에도 하나의 파장만이 레이저 공진기에서 발진하게 하는 기능이 필요해진다.

이러한 기능은 도 2 및 도 6에 도시된 광 궤환용 부분 반사 거울(500)의 특성을 바꾸어 줌으로서 구현될 수 있다. 즉, 도 2 및 도 6에서는 광 궤환용 부분 반사 거울(500)이 파장에 무관하게 일정한 반사율을 가지는 부분 반사 거울로 설명되었지나, 복수의 투과 파장 대역을 가지는 파장 가변 선택성 필터(330)를 이용하여 단일의 파장을 가지는 레이저를 제작하기 위해서는 광 궤환용 부분 반사 거울(500)이 특정 파장에 대해서는 미리 정해진 특정한 반사율을 갖도록 하되 발진이 일어나지 않아야 할 파장 대역에 대해서는 완전 투과형의 특성을 가지도록 제작하면 된다.

도 18은 이러한 복수의 투과 파장 대역을 갖는 파장 가변 선택성 필터와 특정 파장에 대해서만 반사가 일어나는 부분 반사 거울이 적용된 외부 공진기형 레이저 패키지의 설치 개념도이고, 도 19는 상기 도 18의 외부 공진기형 레이저 구조에서의 레이저 동작 원리를 나타낸 것이다.

도 18 및 도 19에 적용된 파장 가변 선택성 필터(330)는 복수의 투과 파장 대역을 가지며, 광 궤환용 부분 반사 거울(550)은 특정한 파장 대역에서만 미리 정하여진 비율로 반사가 일어나고 레이저 발진이 일어나지 않는 다른 대역의 파장에 대해서는 투과하는 파장 의존형 광 궤환용 부분 반사 거울의 특성을 가지게 된다.

이러한 외부 공진기형 레이저 구조에서, 먼저 레이저 다이오드 칩(100)은 반도체 레이저의 이득 특성에 맞는 넓은 파장 대역을 가지는 빛을 방출한다. 상기 레이저 다이오드 칩(100)에서 방출되는 빛은 복수의 투과 파장 대역을 가지는 파장 가변 선택성 필터(330)에 도달하게 되는데, 이러한 빛 중 파장 가변 선택성 필터(330)를 투과하는 복수의 파장 대역은 파장 가변 선택성 필터(330)를 투과하여 광 궤환용 부분 반사 거울(550)로 전송된다. 반면 파장 가변 선택성 필터(330)를 투과하지 못하고 반사하는 레이저 빛은 레이저 광축에 대해 일정한 각도로 틀어져 있는 파장 가변 선택성 필터(330)에 의해 반사되어 다른 경로로 보내져 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환되지 못하게 된다.

한편, 파장 가변 선택성 필터(330)를 투과한 복수의 파장 대역에 해당하는 빛(도 20의 (a))은 위상보상자(350)를 거쳐 파장 의존도가 있는 광 궤환용 부분 반사 거울(550)로 전송된다. 파장 의존도가 있는 광 궤환용 부분 반사 거울(550)의 반사율 특성 곡선은 도 20의 (c)와 같은데, 이러한 파장 의존도가 있는 광 궤환용 부분 반사 거울(550)은 파장 가변 필터(330)을 투과한 복수의 파장 중에서 특정한 파장에 대해서만 부분적으로 반사를 하며 나머지 파장에 대해서는 투과의 특성을 보이게 제작된다. 이와 같이 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되는 빛 중 파장 가변 선택성 필터(330)를 투과하지 못하는 레이저 빛은 파장 가변 필터(330)에서 반사되어 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환되지 못하고, 파장 가변 선택성 필터(330)를 투과하는 복수의 파장 대역을 가지는 빛은 위상보상자(350)를 거쳐 파장 의존도를 가지는 광 궤환용 부분 반사 거울(550)에 도달하게 된다.

이러한 파장 의존도를 가지는 광 궤환용 부분 반사 거울(550)에 도착한 빛 중 부분 반사 거울(550)에서 반사되는 빛은 다시 위상보상자(350)와 파장 가변 선택성 필터(330)를 거쳐 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환되고, 광 궤환용 부분 반사 거울(550)에 도착하는 빛 중 투과 대역에 해당하는 파장의 빛은 광 궤환용 부분 반사 거울(550)을 투과하게 되어 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환되지 못하게 된다. 그러므로 이러한 도 18의 외부 공진기형 레이저 구조에서 최종적으로 발진하는 레이저 빛의 파장은, 도 19에서 보이는 바와 같이 복수의 투과 파장 대역을 가지는 파장 가변 선택성 필터(330)를 통과하는 빛(도 20의 (a)) 중에서 파장 의존도를 가지는 광 궤환용 부분 반사 거울(550)에서 반사가 일어나는 파장 대역(도 20의 (c))의 공진 모드에 해당하는 Fabry-Perot 모드(도 20의 (d))가 된다.

한편, 도 18 및 도 19에 적용된 파장 의존도를 가지는 광 궤환용 부분 반사 거울(550)은 반사 대역 이외의 파장에 대한 반사율이 꼭 무반사일 필요는 없으며 적어도 반사 대역의 반사율에 비해 80％ 이하, 더 바람직하게는 50％ 이하인 경우에도 동작이 가능하다. 하지만 가장 바람직하게는 부분 반사 거울(550)의 투과 파장 대역의 반사율이 반사 대역의 반사율에 비해 25％ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 파장에 따라 반사 특성이 달라지는 부분 반사 거울(550)의 반사 대역 파장폭은 복수의 투과 파장 대역을 가지는 파장 가변 선택성 필터(330)의 파장 간 간격의 1/2 이하가 되는 것이 바람직하다.

특히, 도 18 및 도 19에서 복수의 투과 파장 대역을 가지는 파장 가변 선택성 필터(330)는 실리콘이나 GaAs 또는 InP 등의 반도체 기판의 양면에 굴절률이 높고 낮은 복수의 유전체 박막을 증착하여 반사막을 형성하는 형태로 제작되는 에탈론 필터인 것이 바람직하다. 이러한 반도체 기판을 이용한 에탈론 필터는 반도체 기판의 굴절률이 온도에 따라 바뀌게 되는데, 이러한 특성을 이용하여 에탈론 필터의 온도를 바꾸어 줌으로서 투과하는 파장 대역을 바꿀 수 있고, 이에 따라 도 2 및 도 6에서 설명된 발진하는 레이저 파장을 가변시킬 수 있는 파장 가변 레이저를 제작할 수 있게 된다. 이러한 방법은 매우 잘 정립되어 있는 유전체 박막 증착을 통하여 파장 가변 필터를 제작함으로써 산업적 이용도가 매우 높은 방법이다.

도 20은 상기 도 18 및 도 19의 외부 공진기형 레이저 구조에서 파장을 가변시키는 과정을 나타낸 것이다. 도 20의 (a)에서와 같이 실리콘 등의 반도체 기판의 양면에 유전체 박막으로 반사막을 형성한 에탈론 필터의 경우 온도의 변화에 따라 반도체의 굴절률이 변화하여 투과하는 파장 대역이 변화하게 된다.

상기 변화하는 파장 가변 선택성 필터(330)의 투과 대역 파장 중 광 궤환용 부분 반사 거울(550)의 반사 대역(도 20의 (c))에 있는 Fabry-Perot 모드(도 20의 (b))는 결국 도 20의 (d)와 같이 발진하게 되므로, 최종적으로 레이저의 발진 파장은 복수의 투과 파장 대역을 가지는 파장 가변 선택성 필터(330)의 온도가 바뀌게 됨에 따라 레이저의 발진 파장 또한 가변되게 되는 것이다.

도 21은 본 발명의 실시예에 따른 TO형 패키지에 45도 반사 거울을 손쉽게 장착하기 위한 45도 반사 거울용 스탠드의 형태를 나타낸 것이다.

도 21에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 45도 반사 거울용 스탠드(450)는 직육면체로 제작되는데, 이 45도 반사 거울용 스탠드(450)에는 밑변에 대해 45도의 각도를 갖는 관통공이 형성되어 있다. 상기 스탠드(450)에 형성된 관통공에 평판형의 45도 반사 거울(400)이 삽입되어 열전소자 위에 장착되며, 스탠드(450)의 상부에는 부분 반사거울(500)이 부착된다. 상기의 구조로 이루어진 스탠드(450)는 45도 반사 거울(400)과 부분 반사거울(500)을 손쉽게 부착할 수 있도록 해준다.

상기 스탠드(450)는 열 전달률이 좋은 물질이 바람직한데, 이러한 물질로는 열전달률이 170W/m이며 건식 식각 공정에 의해 관통공의 제작이 용이한 실리콘 기판이 적절하다. 특히 실리콘은 건식 식각 방법에 의해 관통공의 폭 조절이 매우 용이하고, 밑변에 대한 각도 조절이 용이하므로 평판형의 45도 반사 거울(400)을 단지 실리콘 스탠드의 관통공에 삽입하는 것만으로 평판형 반사 거울(400)을 45도 각도로 배치하게 하여 조립 공정을 용이하게 해준다.

한편, TO형 패키지의 확장 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 확장 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 바람직하며, 진공도는 0.2기압 이하인 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 파장 가변 레이저 장치는 레이저 다이오드 칩(100)의 수평 방향에 설치되는 45도 반사 거울(500)의 상부에 광 궤환용 부분 반사 거울(500)을 배치함으로써 레이저 공진기의 수평 방향 길이는 최소화하면서 광학적인 공진기 길이를 증가시켜 TO형 패키지의 내부 면적을 최대한 활용할 수 있게 된다. 또한, 반도체 레이저 다이오드 칩(100)과 파장 가변 선택성 필터(300) 및 위상보상자(350)를 하나의 열전소자(900) 위에 배치하여 열전소자(900)의 온도 변화에 의한 레이저 공진기의 전체 유효 굴절률 변화를 상쇄하도록 함으로써, 레이저 공진기에 의해 결정되는 Fabry-Perot 모드가 열전소자(900)의 온도와 관계없이 일정한 파장으로 고정될 수 있도록 하게 된다.

이러한 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 : 파장 가변 선택성 필터
330 : 복수의 통과 대역을 갖는 파장 가변 선택성 필터
333 : 반도체 기판 335 : 유전체 박막 반사막
350 : 위상보상자 400 : 45도 반사 거울
450 : 스탠드 451 : 관통공
500 : 광 궤환용 부분 반사 거울
550 : 파장 의존형 광 궤환용 부분 반사 거울
600 : 포토 다이오드 610 : 포토 다이오드용 서브마운트
620 : 출력 감시용 포토 다이오드
630 : 출력 감시 포토 다이오드용 서브마운트
650 : 파장 감시용 포토 다이오드
660 : 파장 감시 포토 다이오드용 서브마운트
700 : 파장에 따라 투과율이 변화하는 파장 필터
900 : 열전소자 910 : 패키지 스템

Claims

반도체 레이저 장치에 있어서,
레이저 빛을 발산하는 레이저 다이오드 칩(100)과;
상기 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산된 빛을 일부 반사하여 다시 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환시키는 광 궤환용 부분 반사 거울(500)과;
상기 레이저 다이오드 칩(100)과 광 궤환용 부분 반사 거울(500, 550) 사이의 광 경로 상에 설치되어, 상기 레이저 다이오드 칩(100)으로부터 발산된 빛을 시준화시키는 시준화 렌즈(200)와, 온도에 따라 투과되는 파장이 변화하는 파장 가변 선택성 필터(300, 330)와, 온도에 따라 굴절률이 변화되어 상기 반도체 레이저 다이오드 칩(100) 또는 파장 가변 선택성 필터(300)의 온도에 따른 굴절률 변화를 보상하는 위상보상자(350)와, 패키지 바닥면에 대해 수평으로 진행하는 레이저 빛을 패키지 바닥면에 대해 수직으로 진행하는 레이저 빛으로 방향을 전환하는 45도 반사 거울(400);을 포함하여 이루어지며,
상기 레이저 다이오드 칩(100)과 파장 가변 선택성 필터(300, 330) 및 위상보상자(350)는 열전소자(900) 상부에 배치되어 열전소자(900)의 온도 변화에 따라 발진되는 파장이 변화되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
제 1항에 있어서,
상기 광 궤환용 부분 반사 거울(500, 550)은 45도 반사 거울(400)의 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
제 1항에 있어서,
상기 45도 반사 거울(400)은 부분 반사/부분 투과 특성을 갖는 부분 반사 거울로 이루어지고, 상기 45도 반사 거울(400)의 일측에는 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되어 상기 45도 반사 거울(400)을 투과하는 성분의 레이저 빛을 수신하여 레이저 빛의 광 세기를 감시하는 광 감시용 포토 다이오드(600)가 더 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
제 1항에 있어서,
상기 45도 반사 거울(400)은 부분 반사/부분 투과 특성을 갖는 부분 반사 거울로 이루어지고, 상기 45도 반사 거울(400)의 일측에는 광 궤환용 부분 반사거울(500)로부터 발산되어 상기 45도 반사 거울(400)을 투과하는 성분의 레이저 빛을 수신하여 레이저 빛의 광 세기를 감시하는 광 감시용 포토 다이오드(600)가 더 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
제 1항에 있어서,
상기 45도 반사 거울(400)은 부분 반사/부분 투과 특성을 갖는 부분 반사 거울로 이루어지고, 상기 45도 반사 거울(400)의 일측에는 레이저 다이오드 칩(100)에서 발산되어 상기 45도 반사 거울(400)을 투과하는 성분의 광 경로상에 파장에 따라 투과율이 변화하는 파장 필터(700)와 포토 다이오드(650)가 배치되고, 상기 45도 반사 거울(400)의 하부에는 광 궤환용 부분 반사거울(500)에서 발산되어 상기 45도 반사 거울(400)을 투과하는 광 경로 상에 포토 다이오드(620)가 배치되어,
상기 포토 다이오드(650)(620)를 흐르는 광 전류의 비교를 통하여 상기 파장 필터(700)의 투과율 및 레이저 빛의 파장을 파악할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
제 1항에 있어서,
상기 파장 가변 선택성 필터(300)는 GaAs 기판에 Ga(x1)Al(1-x1)As /Ga(x2)Al(1-x2)As 화합물 반도체를 이용하여 특정 파장의 빛을 투과하도록 제작되되, 상기 Ga 조성은 1에서 0.1 사이인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
제 1항에 있어서,
상기 파장 가변 선택성 필터(300)는 투명한 기판 위에 비정질 실리콘(a-Si)과 SiN(silicon nitride)층이 교대로 증착되어 제작된 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
제 1항에 있어서,
상기 파장 가변 선택성 필터(330)는 복수의 투과 파장 대역을 가지는 에탈론형 필터로 이루어지고,
상기 광 궤환용 부분 반사 거울(550)은 발진시키고자 하는 파장 대역에서 미리 정해진 반사율을 가지며, 나머지 다른 파장 대역에서의 반사율은 발진하는 파장 대역의 반사율에 비해 80％ 이하로 형성된 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
제 8항에 있어서,
상기 광 궤환용 부분 반사 거울(550)에서
상기 발진시키고자 하는 파장 대역 이외의 다른 파장 대역에서의 반사율은 발진하는 파장 대역의 반사율에 비해 25％ 이하로 형성된 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
제 1항 또는 제 8항에 있어서,
상기 파장 가변 선택성 필터(330)는 복수의 투과 파장 대역을 갖도록, 실리콘, GaAs, InP 중 어느 하나를 포함하는 반도체 기판(333) 양면에 굴절률이 다른 유전체 박막이 교대로 증착되어 반사막(335)이 형성된 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
제 1항에 있어서,
상기 위상보상자(350)는 PMMA, 폴리비닐, 폴리에틸렌, 폴리카보네이트, 에폭시 중 어느 하나를 포함하는 고분자 재료를 기반으로 제작된 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
제 1항에 있어서,
상기 반도체 레이저 다이오드 칩(100)과 광 궤환용 부분 반사 거울(500)을 포함하는 레이저 공진기의 길이가, 유효 굴절률 1로 환산하였을 때 5.8mm 내지 6.2mm인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
평판형의 반사 거울을 수평에 대해 45도로 고정하는 스탠드에 있어서,
상기 스탠드(450)는
직육면체 형태의 실리콘 기판으로 형성되되,
상기 실리콘 기판은 어느 한 변에 대해 45도의 각도를 갖는 관통공(451)이 형성되어 평판형의 반사 거울이 삽입되어 고정될 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 스탠드.
제 13항에 있어서,
상기 실리콘 기판에 형성된 관통공(451)은 건식 식각 방법으로 형성된 것을 특징으로 하는 스탠드.