KR100343310B1 - 파장안정화 광원 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광원과 함께 하나의 모듈에 내장하여 광원의 출력과 파장을 동시에 감시/제어하는 파장안정화 모듈에 관한 것으로, 하나의 패브리-페롯 필터(Fabry-Perot filter)의 반사 또는 투과율이 파장에 따라서 변하는 특성을 이용하여 광검출기(Photo Detector)로 패브리-페롯 필터의 앞 또는 뒤에서 광을 검출함으로써 파장분할다중(DWDM)방식의 파장간격을 만족하는 다채널 또는 단일채널의 파장안정화 기능을 수행할 수 있다.
Description
본 발명은 광원 모듈에 관한 것으로, 특히 파장검출 및 안정화 방법을 이용한 소형의 파장안정화 집적형 광원 모듈에 관한 것이다.
광통신 기술은 기가비트(Gbps) 시대를 거쳐 테라비트(Tbps) 시대로 발전하였으며, 이에 따른 대용량, 초고속 광통신 기술로 파장분할다중(Dense Wavelength Division Multiplex, 이하 DWDM이라 함) 방식을 이용한 전송장치가 연구되고 있다. DWDM에 있어서 용량을 결정하는 요인중의 하나가 광신호의 파장간격(grid)을 작게 하는 것으로 현재 DWDM용 파장분할 간격은 1.6nm(200GHz Grid)을 채택하고 있으나 앞으로 초대용량을 위해서는 0.8nm(100GHz Grid), 0.4nm(50GHz Grid)까지 줄어들 것으로 예상된다. 이렇게 파장분할 간격이 좁아짐에 따라 광원의 파장안정화(wavelength stabilization)기능이 필수적인 요구사항이 된다. 또한 시분할다중(Time Division Multiplex, 이하 TDM이라 함) 방식의 광통신이나 아날로그 광통신에서도 고속 광변조신호의 원할한 송수신을 위하여 파장의 안정성이 요구된다.
현재, 파장을 감시하기 위한 세부적인 기술로는 크리스탈 회절격자(crystal grating), 광섬유 회절격자(fiber grating)와 같은 회절격자 구조를 이용하는 경우로써 브래그 회절각(Bragg diffraction angle)의 파장의존성을 이용하는 기술과, 협대역 통과 필터(narrow bandpass filer), 에탈론(etalon)등의 패브리-페롯 간섭계(Fabry-Perot Interferometer)의 파장 선택성을 이용한 기술들이 있다.
광원의 파장을 제어하기 위한 안정화기는 외장형과 내장형이 있으며, 외장형의 경우는 SANTAC사를 비롯한 몇몇 기업에서 제조하고 있다. 외장형 파장안정화기로 WDM 시스템의 파장선택 및 안정화를 위하여 광원에서의 신호를 광섬유에서 분기하여 외장형 파장안정기(wavelength locker)에서 파장의 변화를 감시하고 다시 감시 신호를 이용하여 광원의 온도를 조절하여 파장을 일정하게 유지시키고 있다. 따라서 별개의 파장안정화 모듈과 광원모듈을 사용하기 때문에 시스템을 구성할 때 그 크기를 소형화 할 수 없을 뿐만 아니라 더 많은 비용이 소요된다.
내장형의 파장안정화 기능을 포함한 광원 모듈로는 유일하게 NORTEL사 제품이 있다. 도 1은 종래 NORTEL사의 광원 모듈을 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 세라믹 평면기판(10)위에 고정된 단일모드 광원(11), 단일모드 광원(11)에서 발사되는 레이저 빔의 발산 각도를 조절하여 평행 광으로 하기 위한 렌즈(12), 파장선택 특성을 갖는 패브리-페롯 필터(15, 이하 F-P 필터라 함), F-P 필터(15)에서 투과되는 빔을 검출하는 광검출기(18, 이하 PD라 함)로 구성된다.
단일모드 광원(11)인 레이저 다이오드의 후면부에서 나오는 빔이 패브리-페롯 필터(Fabri-Perot filter)(15)을 투과하였을 때 나오는 파장의존성을 가지는 광을 어레이 광검출기(Array Photo Detector)(18)로 검출하여 파장 변화를 감시하는 방법을 사용한다. 광원모듈에 파장검출기능을 집적함으로써 작고 경제적인 모듈의 제조가 가능하지만, 모듈 내부에서 자체적으로 광원의 출력을 감시할 수 있는 기능이 없으므로 광섬유에서 분기하여 외부에서 이 기능을 수행하여야 하는 단점이 있다.
종래의 기술에서 도 1과 같이 파장을 안정화하는 방법은 광원의 출력을 검출할 수 있는 방법을 단일 모듈 안에 내장하지 않으므로 광원모듈의 밖에서 광섬유 탭(tap)을 이용하여 출력을 감시해야 하는 번거로움과 이로 인한 광원의 성능이 저하될 가능성이 있다.
또한 종래의 방법은 파장 검출을 위하여 광원의 후면부에서 나오는 레이저빔의 발산(divergence)특성을 이용하고 있다. 이 방법은 집적되는 부피를 줄일 수 있는 방법이기는 하지만, 광원의 후면부의 출력이 약한 경우 또는 F-P 필터에 입사하는 광의 세기가 약한 경우에는 파장 검출을 위한 충분한 광검출 세기를 보장하는 데 어려움이 있다.
따라서, DWDM 시스템을 위한 경제적이고 다기능을 포함한 광원모듈을 제조하기 위해서는 광원의 출력과 파장변화를 동시에 감지하고 제어할 수 있는 기능을 내장할 수 있는 기술이 필요하다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은 광원의 출력변화를 검출하기 위한 장치와 광원의 파장 변화를 감시하기 위한 장치를 하나의 모듈에 집적하여 패키징하는 방법을 제공함으로써 DWDM 시스템을 위한 작고, 저렴하고, 신뢰성 있는 다기능 광원 모듈을 제공하는 데 있다.
도 1은 종래에 따른 광원 모듈을 개략적으로 나타낸 평면도
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 광원 모듈을 개략적으로 나타낸 평면도
도 3은 도 2의 광원 모듈에서 광원의 파장변화를 나타낸 그래프
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 광원 모듈를 개략적으로 나타낸 평면도
도 5는 도 4의 광원 모듈에서 광원의 파장변화에 대한 F-P 필터의 투과특성을 나타낸 그래프
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
20, 40 : 기판 21, 41 : 단일모드 광원
22, 42 : 렌즈 23, 43 : 부분 광 반사기
24, 26, 27, 44 : 광검출기 25, 45 : 패브리-페롯 필터
47 : 칩 마운트 48 : 광검출기 어레이
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 제1실시예에 따른 본 발명의 광원 모듈은 세라믹 평면기판 위에 고정된 단일모드 광원과, 단일모드 광원에서 발사되는 레이저 빔의 발산 각도를 조절하여 평행 광으로 하기 위한 렌즈와, 렌즈에 통해 입사되는 레이저 빔의 일부를 분리하기 위한 부분 광 분리기와, 부분 분리된 레이저빔의 세기를 검출하기 위한 광원 출력 모니터용 광검출기와, 파장선택특성을 갖는 패브리-페롯 필터와, 패브리-페롯 필터에서 투과되는 빔을 검출하는 광검출기 및 패브리-페롯 필터에서 반사된 빔을 검출하는 광검출기로 구성됨을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 제2실시예에 따른 본 발명의 광원 모듈은 세라믹 평면기판 위에 고정된 단일모드 광원과, 단일모드 광원에서 발사되는 레이저 빔의 발산 각도를 조절하는 집광 렌즈와, 렌즈에 통해 입사되는 레이저 빔의 일부를 분리하는 부분 광 분리기와, 부분 분리된 레이저빔의 세기를 검출하기 위한 광원 출력 모니터용 광검출기와, 파장선택특성을 갖는 패브리-페롯 필터와 및 패브리-페롯 필터를 투과하는 빔을 검출하기 위한 광검출기 어레이로 구성됨을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 두 가지 방법의 각각에 대한 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 광원 모듈의 평면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 세라믹 평면기판(20)위에 고정된 단일모드 광원(21), 단일모드 광원(21)에서 발사되는 레이저 빔의 발산 각도를 조절하여 평행 광으로 하기 위한 렌즈(22), 렌즈(22)에 통해 입사되는 레이저 빔의 일부를 분리하기 위한 부분 광 분리기(23), 부분 분리된 레이저빔의 세기를 검출하기 위한 광원 출력 모니터용 광검출기(24), 파장선택특성을 갖는 패브리-페롯 필터(25), F-P 필터(25)에서 투과되는 빔을 검출하는 광검출기(26) 및 F-P 필터(25)에서 반사된 빔을 검출하는 광검출기(27)로 구성된다.
여기서, 단일모드 광원(21)은 DFB(Distributed Feedback) 레이저 다이오드,DBR(Distributed Bragg Reflection) 레이저 다이오드, 변조기 집적(modulator integrated) DFB 레이저 다이오드 등과 같이 단일모드 파장의 빔을 일정 각도로 발산하는 특성을 가진 것이다.
렌즈(22)는 단일모드 광원(21)으로부터의 빔의 발산각을 제어하여 평행광으로 만들거나 작은 발산각을 가지도록 하는 기능을 하며, 이것은 광검출기의 크기 및 정렬거리, 광검출기의 출력세기와 관련되는 중요한 역할을 한다.
부분 광분리기(23)는 레이저빔의 일정부분만을 반사하고 나머지는 투과시키는 기능을 하며, 이 때 파장변화에 대한 간섭현상이 생기지 않도록 제조되어야 한다. 광검출기(24)는 부분 광분리기에서 반사된 레이저빔을 측정하여 광원의 출력변화를 감지하고 이 결과를 광원의 전류제어기에 궤환(Feedback)하여 광원의 출력이 일정한 값을 가지도록 제어한다.
F-P 필터(25)는 고체 에탈론 필터(solid etalon filter)나 협대역 통과 필터(narrow bandpass filter)등과 같은 패브리-페롯 공진기(Fabry-Perot resonator)로서, 주기적인 파장 의존성을 가지고 투과율과 반사율이 변화하는 특성을 가지며, 입사빔의 입사각에 대하여도 주기적으로 변화하는 특성을 가진다. 예로 용융 실리카(fused silica)의 양면을 동일 반사율을 가지도록 코팅한 고체 에탈론 필터의 경우에 입사빔에 대한 투과특성에서 자유 스펙트럼 범위(free spectral range)와 피크(peak)의 FWHM(Full Width Half Maximum)의 크기는 에탈론의 두께, 굴절율, 코팅 반사율의 크기, 빔의 파장 및 입사각에 의존한다. 따라서 에탈론의 두께, 굴절율, 코팅반사율의 크기가 결정된 경우에 특정파장에서 입사빔의 투과 및반사율은 입사각에 따라 변하고, 특정입사각에 대하여는 파장에 따라 변한다. 이것은 F-P 필터의 일반적인 특성으로서, 본 발명은 이러한 F-P 필터의 특성을 이용한다.
광검출기(26)은 F-P 필터(25)의 투과출력의 파장의존성을 검출하기 위한 것이고, 광검출기(27)은 F-P 필터(25)의 반사출력의 파장의존성을 검출하는 역할을 한다.
두 광검출기(26, 27)는 주파수 응답(frequency response)특성이 같은 것을 사용하기 위하여 동일한 제조공정에서 동시에 제조된 것을 사용하도록 한다.
광원 모듈의 구조가 나비형 패키지 내부(Butterfly Package Housing)에 열전쌍냉각기(TEC), 칩 써미스터와 함께 내장되고 광원(21)의 전면 출력이 광섬유에 광결합되도록 모듈이 구성되어 있다.
도 3은 도 2의 광원 모듈에서 두 개의 광검출기(26, 27)에 의해 광원의 파장변화를 광검출기로 검출한 그래프이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 투과빔에 대한 광검출기(26)에 의해 측정된 광원의 파장변화에 따른 곡선은 36과 같고, 반사빔에 대한 광검출기(27)에 의해 측정된 광원의 파장변화에 따른 곡선은 37과 같은 모양이 된다.
두 곡선의 교점에 해당하는 파장(λL1, λL2), 즉 두 광검출기의 출력이 같은 경우의 파장이 안정화하고자 하는 목표 파장이다. 두 광검출기 출력의 차이는 곡선31로 나타나며, 영(zero)이 되는 지점이 안정화 파장이 된다. 따라서 본 발명에서 제안하는 시스템은 두 광검출기의 출력 교점에 해당하는 두 개의 파장 λL1, λL2의 간격이 DWDM 파장 간격과 일치하도록 F-P 필터를 선택함으로서 동일 시스템으로 최소 두 개의 파장안정화가 가능하다. 광원(21)의 출력변화 감지 신호를 광원의 전류 입력에 궤환하여 출력을 제어하고 광원의 파장감지 신호를 광원의 온도 제어 입력에 궤환하여 파장을 제어한다.
본 발명은 기존의 방법과 달리 광원의 레이저빔을 평행광 또는 평행광에 가깝게 작은 발산각을 가지도록 하여 F-P 필터에 입사하도록 하고, 개별 광검출기를 사용하여 투과 및 반사 빔의 세기를 측정함으로써 광원으로부터의 광출력을 효율적으로 사용할 수 있다. 즉, 어레이 광검출기를 사용하지 않으므로 광검출기의 크기에 제한이 없으며, 레이저빔이 발산각을 가지지 않거나 작은 발산각을 가지도록 함으로써 F-P 필터를 투과 및 반사하는 광이 위치에 따른 상대적인 각도의존성을 가지지 않기 때문에 투과 및 반사되는 모든 광을 각각 두 개의 광검출기로 측정할 수 있으므로 광검출효율이 매우 크므로 광원의 후면부의 출력이 약한 경우에 효과적이 방법이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 광원 모듈의 평면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 세라믹 평면기판(40)위에 고정된 단일모드 광원(41), 단일모드 광원(41)에서 발사되는 레이저 빔의 발산 각도를 조절하여 작은 발산각을 가지도록 하기 위한 집광 렌즈(42), 렌즈(42)에 통해 입사되는 레이저 빔의 일부를 분리하기 위한 부분 광 분리기(43), 부분 분리된 레이저빔의 세기를검출하기 위한 광원 출력 모니터용 광검출기(44), 파장선택특성을 갖는 패브리-페롯 필터(45)와 F-P 필터(45)를 투과하는 빔을 검출하기 위한 광검출기 어레이(48)로 구성된다.
본 방법에서 기본적으로 부분 광분리기(43)에 의해 광원의 출력을 감지하는 방법은 도 2의 경우와 동일하지만, 광원의 파장을 검출하기 위한 방법 및 구성부품의 정렬 방법을 달리한다. 즉, 주기적인 파장선택성을 가지는 광학계의 투과특성이 광원의 파장과 레이저빔의 발산각에 의존하는 특성을 이용하여 파장안정화를 위한 파장검출을 하는 방법이며, 이 방법은 종래의 기술과 같은 방법이다. 그러나 기존의 방법에서는 PD 어레이(48)를 세라믹 평면 기판에 광원의 출력세기 중심부에 위치하도록 정렬하여 고정한 다음 그 앞단에 별개의 F-P 필터의 각도를 제어하여 정렬 및 고정하는 방법을 사용하지만, 본 발명에 있어서는 PD 어레이(48)를 금속 패턴이 형성된 세라믹 마운트블럭(47)에 본딩하고, 그 위에 고정지지대(fixer)(49)를 사용하여 F-P 필터(45)를 고정 부착하여 PD 어레이(48)와 F-P필터(45)를 하나의 몸체로 만들고 투과 특성이 검출되도록 정렬하는 방법을 사용함으로써 제조 공정을 단순화하고 시간을 단축할 수 있는 장점을 가진다.
본 발명에서 레이저다이오드 광원(41)은 일반적으로 20도 이상의 비교적 큰 반치폭(FWHM) 각도를 가지므로, F-P 필터의 입사각에 따른 간섭 특성에 의해 수십 마이크로 정도의 F-P 필터를 사용해도 투과빔은 공간적으로 여러 개의 피크(peak)를 형성한다. 그러나 실제 사용하는 피크는 하나이며 나머지 피크들은 불필요한 손실이 된다. 따라서 집광렌즈(42)를 사용하여 레이저빔의 발산각을 작게함으로써 레이저빔의 세기를 효율적으로 이용하고, 협대역 통과 필터 뿐만 아니라 고체 에탈론(Solid Etalon)과 같은 수십 마이크로미터 이상의 비교적 큰 두께를 가진 F-P 필터(45)를 사용할 수 있도록 한다.
도 5는 도 4의 광원 모듈에서 PD 어레이의 두 광검출기에 의해 측정되는 광원의 파장변화에 대한 F-P 필터의 투과특성을 나타낸 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 58a와 58b는 각각 PD 어레이(48)에서 서로 다른 두개의 광검출기에 의해 형성되는 출력 곡선으로 그 교점, 즉 두 광검출기의 출력이 같은 점이 안정화 파장이 된다. 두 광검출기의 출력의 차이는 곡선 51와 같으며 안정화 파장에서 영(zero)이 된다.
상기와 같은 본 발명은 빔 분리기를 사용하여 광원의 출력을 검출하면서 동시에 파장 검출을 위한 방법에 있어 F-P 필터의 투과 특성을 이용하고, 이를 위하여 F-P 필터 광검출기를 하나로 조립하여 광정렬하기 때문에 제조 공정이 간단하고, 비교적 작은 공간 내에서 구현이 가능한 장점이 있다. 또한, 광원의 출력 변화를 검출하기 위한 장치와 광원의 파장 변화를 감시하기 위한 장치를 하나의 모듈에 집적하여 패키징하는 방법을 제공함으로써 DWDM 시스템을 위한 작고, 저렴하고, 신뢰성 있는 다기능 광원 모듈의 제조가 가능하다.
Claims (12)
- 파장안정화 기능을 내장한 광원 모듈에 있어서,세라믹 평면기판 위에 고정된 단일모드 광원과,상기 단일모드 광원에서 발사되는 레이저 빔의 발산 각도를 조절하여 평행 광으로 하기 위한 렌즈와,상기 렌즈에 통해 입사되는 레이저 빔의 일부를 분리하기 위한 부분 광 분리기와,부분 분리된 레이저빔의 세기를 검출하기 위한 광원 출력 모니터용 광검출기와,파장선택특성을 갖는 패브리-페롯 필터와,상기 패브리-페롯 필터에서 투과되는 빔을 검출하는 광검출기, 및상기 패브리-페롯 필터에서 반사된 빔을 검출하는 광검출기로 구성됨을 특징으로 하는 광원 모듈.
- 제 1항에 있어서,상기 단일모드 광원은 DFB 레이저다이오드, 변조기 집적화된 DFB 레이저 다이오드 또는 DBR 레이저 다이오드 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광원 모듈.
- 제 2항에 있어서,상기 단일모드 광원은 단일모드 광섬유를 사용하는 것을 특징으로 하는 광원모듈
- 제 1항에 있어서,상기 패브리-페롯 필터는 에탈론 또는 다층박막 구조를 가지는 협대역통과 필터를 사용하는 것을 특징으로 하는 광원 모듈.
- 제 1항에 있어서,상기 패브리-페롯 필터는 특정파장을 투과 또는 반사시키는 부품을 사용하는 것을 특징으로 하는 광원 모듈.
- 제 1항에 있어서,상기 패브리-페롯 필터는 광의 진행 방향에 대하여 경사지도록 형성된 것을 특징으로 하는 광원 모듈.
- 파장안정화 기능을 내장하는 광원모듈에 있어서,세라믹 평면기판 위에 고정된 단일모드 광원과,상기 단일모드 광원에서 발사되는 레이저 빔의 발산 각도를 조절하는 집광 렌즈와,상기 렌즈를 통해 입사되는 레이저 빔의 일부를 분리하는 부분 광 분리기와,부분 분리된 레이저빔의 세기를 검출하기 위한 광원 출력 모니터용 광검출기와,파장선택특성을 갖는 패브리-페롯 필터와, 및상기 패브리-페롯 필터를 투과하는 빔을 검출하기 위한 광검출기 어레이로 구성됨을 특징으로 하는 광원 모듈.
- 제 7항에 있어서,상기 광검출기 어레이는 칩마운트에 본딩되고, 고정 지지대에 의해 상기 패브리-페롯 필터가 고정되어 하나의 몸체로 구성되는 것을 특징으로 하는 광원 모듈.
- 제 7항에 있어서,상기 광원은 DFB 레이저다이오드, 변조기 집적화된 DFB 레이저 다이오드, DBR 레이저 다이오드 또는 단일모드 광섬유 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광원 모듈.
- 제 7항에 있어서,상기 패브리-페롯 필터는 에탈론 또는 다층박막 구조를 가지는 협대역통과 필터를 사용하는 것을 특징으로 하는 광원 모듈.
- 제 7항에 있어서,상기 패브리-페롯 필터는 광의 진행 방향에 대하여 경사지도록 구성하는 것을 특징으로 하는 광원 모듈.
- 제 7항에 있어서,상기 광검출기 어레이는 상기 패브리-페롯 필터의 투과하는 빔의 입사각에 대한 의존성을 이용하여 정렬되는 것을 특징으로 하는 광원 모듈.
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