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KR20060094224A - 광 대역 파장 가변 결합 링 반사기 레이저 다이오드 - Google Patents

광 대역 파장 가변 결합 링 반사기 레이저 다이오드 Download PDF

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KR20060094224A
KR20060094224A KR1020050015213A KR20050015213A KR20060094224A KR 20060094224 A KR20060094224 A KR 20060094224A KR 1020050015213 A KR1020050015213 A KR 1020050015213A KR 20050015213 A KR20050015213 A KR 20050015213A KR 20060094224 A KR20060094224 A KR 20060094224A
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South Korea
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crr
wavelength
laser diode
waveguide
ring
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KR1020050015213A
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영 철 정
나디르 데글리
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영 철 정
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Abstract

본 발명은 방향성 결합기를 통하여 광 파워의 교류가 있도록 고안된 두 개의 링 공진기와 이들에 결합된 직선 도파로로 구성된 상호 결합 링 공진기 반사기 (CRR : Coupled-Ring Reflector)를 이득 물질과 집적함으로써, 광대역 파장 가변 레이저를 실현하고자 하는 것이다. 이 구성에서 결합된 두 링 공진기의 FSR(Free Spectral Range)을 서로 약간 다르게 하고 (즉, 두 공진기의 주회 길이를 약간 상이하게 함), 굴절률을 적절히 조절하면, FSR 주기로 발생하는 반사율의 크기가 특정 파장에서 가장 크고, 최대 반사율을 나타내는 파장으로부터 FSR 주기의 정수 배만큼 떨어진 파장에서 발생하는 반사율 최대치는 점차 감소하는 형태를 보이게 된다. 또한, 두 링 공진기의 굴절률 차이를 적절히 조절하면, 작은 굴절률 변화에도 최대 반사율 파장을 수십 nm 에 걸쳐서 변경시킬 수 있다. 이와 같은 CRR의 반사 특성을 이용하여 광 대역 파장 가변 레이저를 구현할 수 있다.
레이저 다이오드, 광대역 파장 가변 레이저, 광 도파로, 반사기, 링 공진기, 공진기, 광 집적회로

Description

광 대역 파장 가변 결합 링 반사기 레이저 다이오드 { Widely Tunable Coupled-Ring Reflector Laser Diode }
도 1a는 종래 기술에 의한 것으로, 발진 되는 레이저의 파장을 가변할 수 있는 추출 격자 분포 브래그 반사 반도체 레이저 다이오드의 개략적인 구성도,
도 1b는 도 1a에 도시된 레이저 다이오드의 SG-DBR영역에 구비되는 회절격자 개념도,
도 1c는 도 1a에 도시된 레이저 다이오드에서의 SG-DBR 영역의 반사 스펙트럼을 개략적으로 도시한 도면,
도 2a는 다른 종래 기술에 의한 것으로, 격자주기가 변조된 브래그 반사단 의 회절격자 개념도,
도 2b는 도 2a에 도시된 회절격자에 의한 반사 스펙트럼을 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 광대역 파장 가변 CRR (Coupled-Ring Reflector) 레이저 다이오드 개 략적인 사시도,
도 4a는 도 3의 CRR에서 R0 = R1 = 50μm 이고, neff0 = neff1 =3.29, 직선 도파로와 링 도파로 사이의 결합 비율 κin 과, 링과 링 사이의 결합 비율 κ0 는 각각 0.64와 0.08로 가정한 경우, CRR의 파장에 따른 반사 스펙트럼,
도 4b는 도 3의 CRR에서 R0 = 50μm, R1 = 52μm, 링 공진기 0의 굴절률은 3.29, 링 공진기 1의 굴절률은 3.29+1.9x10-4인 경우의 반사 스펙트럼,
도 4c는 도 3의 CRR에서 R0 = 50μm, R1 = 52μm, 링 공진기 0의 굴절률은 3.29, 링 공진기 1의 굴절률은 3.29+3.8x10-4인 경우의 반사 스펙트럼,
도 4d는 도 3의 CRR에서 R0 = 50μm, R1 = 52μm, 링 공진기 0의 굴절률은 3.29, 링 공진기 1의 굴절률은 3.29+5.7x10-4인 경우의 반사 스펙트럼,
도 5는 전반사 거울 및 다중 모드 간섭 결합기가 포함된 링 공진기로 구성된 CRR의 개략적인 평면도,
도 6은 InGaAsP 계열로 제작된 패브리 페로(Fabry-Perot) 레이저 다이오드를 실리카 또는 폴리머 재질에 구현된 CRR과 하이브리드로 집적한, 광대역 파장 가변 CRR (Coupled-Ring Reflector) 레이저 다이오드 개략적인 사시도.
< 도면 중 주요부분의 부호에 대한 설명 >
30 : n형 InP 기판 31 : p형 InP 클래드층
32a : 다중양자 우물 활성층 33b : InGaAsP 수동 도파로층
33 : n형 전극 34 : p형 전극 (활성층 전류 주입 전극)
35 : 도파로 형성을 위한 리지 구조 36a : 굴절률 제어 전극
36b : 굴절률 제어 전극 36c : 굴절률 제어 전극
37a : CRR의 링 공진기 0 37b: CRR의 링 공진기 1
37c : CRR의 직선도파로 38 : 반사 단면 (반사율 : RL)
39 : CRR에 의한 반사(반사율:RR) 40 : 반사 방지 코팅된 단면
50 : 전반사 거울 51 : 다중모드 간섭결합기
52 : 입사파 53 반사파
54 : 투과파 60 : 실리카 또는 폴리머 기판
61a : 실리카 또는 폴리머 하부 클래드 층
61b : 실리카 또는 폴리머 도파로 층
61c : 실리카 또는 폴리머 상부 클래드 층
62a : 다중양자 우물 활성 층 62b : InGaAsP 하부 클래드 층
62b : InGaAsP 상부 클래드 층 63a : 반사 단면 (반사율 : RL)
63b : 반사 방지 코팅된 단면 64 : p형 전극 (활성층 전류 주입 전극)
65 : 레이저 다이오드 도파로 형성을 위한 리지 구조
66a : 굴절률 제어 전극 66b : 굴절률 제어 전극
66c : 굴절률 제어 전극 67a : CRR의 링 공진기 0
67b: CRR의 링 공진기 1 67c : CRR의 직선도파로
본 발명은 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, 특히 상호 결합된 링의 파장 선택 반사 특성을 이용하여 광 대역 파장을 가변할 수 있는 결합 링 공진기 반사기 레이저 다이오드 (Widely Tunable Coupled-Ring Reflector Laser Diode)에 관한 것이다.
통신을 통해 전송되는 정보의 양이 급격히 늘어나면서, 전송 용량을 높이기 위한 방법으로 파장 분할 방식의 광신호 전송이 사용되고 있다. 이 방식은 다른 색깔을 가지는 광파 사이의 비 간섭성을 이용하여 하나의 광섬유를 통해 서로 다른 파장(채널)의 광신호를 전송하여 결과적으로 전송속도를 증가시키는 것이다. 파장 분할 방식의 광신호 전송은 광통신 시스템의 확장성과 유연성을 보장하는데 유리하다. 이러한 파장분할 방식의 광신호 전송을 위해서는 여러 파장 대의 고정된 파장의 레이저 다이오드나 파장을 가변할 수 있는 레이저 다이오드가 필요하다.
파장 가변 레이저 다이오드는 종래의 파장 고정 레이저 다이오드에 비해 여러 이점을 지니는데, 시스템 유지, 보수를 위한 백업용 광원의 수를 줄일 수 있으며, 동적으로 파장을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 네트워크 제어 소프트웨어를 단순화할 수 있다. 이러한 이점으로 인해 파장 가변 레이저 다이오드는 가입자 네트워크에서 매트로 네트워크, 장거리 네트워크에 이르기까지 모든 응용 영역에서의 광 네트워크 개발에 필수적인 소자로 인식되고 있다.
파장 가변 레이저 다이오드는 여러 응용영역에서 요구하는 사양을 만족하기 위해서는 고출력(>10mW), C-band 전체에 대한 파장 가변(>32nm), 빠른 파장 가변(>10ns), 고속 직접변조(>2.5Gbps) 및 대량 생산이 가능해야 한다.
현재까지 개발되거나 제안된 대표적인 파장 가변 레이저 다이오드는 추출 격자 분포 브래그 반사(Sampled grating distributed Bragg reflector: SG-DBR) 레이저 다이오드, 주기적으로 격자 주기가 변조된 브래그 반사기(Super-Structure Grating Distributed Bragg Reflector: SSG-DBR) 레이저 다이오드, 추출 격자 반사기가 결합 된 격자 도움 양 방향성 결합기(Grating-Assisted Codirectional-coupler with Sampled grating Reflector: GCSR) 레이저 다이오드 등이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술에 의한 대표적인 여러 파장 가변 레이저 다이오드에 대해 설명한다.
도 1a는 미국특허 제4,896,325호에 기재된 추출 격자 분포 브래그 반사(Sampled grating distributed Bragg reflector: SG-DBR) 레이저 다이오드의 구조와 제어회로를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1a에 도시된 SG-DBR 레이저 다이오드는 파장 가변을 위해 레이저 다이오드의 양단의 SG-DBR영역(11, 14), 광파가 생성되는 이득 영역(12) 및 위상 조절 영역(13)의 총 4개 영역으로 구성되어 있다. 그리고 이러한 SG-DBR 레이저 다이오드에서 출력되는 레이저의 파장을 가변시키기 위해서는 연속적인 파장 가변을 위한 버니어 제어 회로 (Vernier control circuit: 17), 불연속적인 파장 이동을 위한 오프셋 제어 회로 (Offset control circuit: 18), 위상영역의 위상 제어 회로 (Phase control circuit: 16) 및 이득 제어회로 (Gain control circuit: 15)등의 외부 제어 회로가 필요하다.
이와 같은 SG-DBR 레이저 다이오드의 기본 동작 원리는 다음과 같다. 이득영역(12)에 전류를 인가시키면 자발 방출에 의해서 넓은 파장에 걸쳐 분포된 광파가 생성된다. 이러한 광파를 양단의 SG-DBR 영역에 의해서 특정한 파장의 광파만이 레이저 다이오드 내에서 공진이 가능하게 하여 그 파장에서 레이저 다이오드가 발진하도록 한다.
여기서 도 1에 도시된 SG-DBR 영역에는 도 1b와 같은 추출 격자(Sampled Grating) 구조가 형성되어 있다. 이러한 추출 격자에 의해 도 1c와 같은 반사 스펙트럼 특성을 가지게 된다. 반사 스펙트럼의 중심 피크의 파장은 회절격자 주기(Λ)에 의해서 결정되는 브래그 파장(λB)이고 각 피크 치를 가지는 파장 간의 간격은 추출 격자의 주기(Z)에 의해서 결정된다. 즉 서로 다른 주기를 가지는 추출 격자의 SG-DBR영역 (11, 14)을 양단에 집적시키어, SG-DBR영역 (11, 14)의 반사 스펙트럼의 피크들 중 일치하는 피크의 파장에서 레이저 다이오드가 발진하게 된다.
그리고 SG-DBR 영역(11, 14)의 굴절률을 전류 등에 의해 변화시키면, 반사 스펙트럼의 각 피크는 파장 간의 간격을 유지한 채 이동하게 된다. 이러한 반사 피크의 이동으로 인해 일치하는 반사 피크의 파장이 바뀌게 되어 발진 파장을 가변할 수 있게 된다. 위상 조절 영역(13)은 SG-DBR에 의해 생성된 이득 영역(12)의 종축 모드(Longitudinal mode)간의 간격을 조절하여 연속적인 파장 가변이나 반사 피크에 종축 모드를 일치시켜 발진 파장의 파워를 극대화시키는 역할을 한다. 이러한 원리로 양단의 SG-DBR 영역(11, 14)과 위상 조절영역(13)의 굴절률을 전류에 의해 적절히 조절함으로써 연속적/불연속적인 파장 가변이 가능하다.
그러나 이러한 SG-DBR 레이저 다이오드는 파장 가변을 하기 위해서 양단의 SG-DBR 영역의 굴절률과 위상 영역의 굴절률을 변화시켜야 하므로 이 소자를 제어하기 위한 외부 회로가 복잡해지고 파장 가변을 위해 양단에 집적된 SG-DBR 영역에서 발생하는 손실에 의해 출력 광 효율이 낮아지는 구조적인 한계가 있다.
이러한 구조적인 한계를 극복하기 위해 반도체 광증폭기(Semiconductor Optical Amplifier: SOA)를 집적시켜서 출력 광 파워를 높여 주는 연구가 활발히 진행되고 있지만, 레이저 다이오드의 구조가 더 복잡하게 되어 제작상 어려움이 존재하는 문제점이 발생한다.
도 2a는 출력되는 레이저의 파장을 가변할 수 있는 격자주기가 변조된 브래그 반사(SSG-DBR) 레이저 다이오드의 회절격자 개념도 이고, 도 2b는 도 2a에 도시 된 회절격자에 의한 생성되는 반사 스펙트럼을 개략적으로 도시한 도면이다. 이하에서는 또 다른 대표적인 파장 가변 레이저 다이오드인 SSG-DBR 레이저 다이오드를 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명한다.
SSG-DBR 레이저 다이오드는 미국특허 제 5,325,392호에 기재되었다. SSG-DBR 레이저 다이오드는 기본적으로 도 1에 도시된 SG-DBR 레이저 다이오드와 유사한 구조와 원리로 동작한다. 즉, 도 1에서 SG-DBR 영역 대신에 SSG-DBR 영역이 구비되는 것이다.
도 2a에 나타낸 그림과 같이 파장 가변을 위한 구비되는 회절격자의 구조는 SG-DBR과 달리 일정한 주기로 회절격자를 공간 변조시킨 구조이다. 이러한 회절격자의 공간 변조에 의해서 반사 스펙트럼은 도 2b와 같은 특성을 지니게 된다. 각 반사 피크의 간격은 주기(Z)에 의해서 결정되고 각각의 반사 피크 크기는 회절격자 공간 변조에 의해서 정해진다.
그러나 SSG-DBR 레이저 다이오드는 넓은 파장 가변 영역을 가지고 있으며, 파장 가변에 따라 비교적 일정한 출력 광 파워를 낼 수 있지만, SG-DBR 레이저 다이오드와 마찬가지로 양단의 SSG-DBR 영역에서 손실이 발생하고, 복잡한 회절 격자 구조로 인해 제작상 많은 어려움을 가질 수 있는 문제점이 있다.
상술한 파장 가변 레이저 다이오드 외에도 종래기술에 의한 파장 가변 레이저 다이오드로는 GCSR 레이저 다이오드와 파장 가변 쌍 유도 (Tunable twin-guide)레이저 다이오드 등이 있다. 그러나 이러한 구조의 레이저 다이오드는 제작하기 위해 재성장 (Re-growth)과 식각 (Etching)을 반복해야 하기 때문에, 제작이 어렵고 대량생산에 적합하지 못한 문제점이 있다.
즉, 종래 기술의 파장 가변 레이저 다이오드는 구조가 복잡하여 제작공정이 복잡하거나, 출력 광 효율이 낮으며, 파장 가변 제어가 복잡하다는 단점들을 가지고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 격자 (Grating) 구조가 포함되는 종래의 파장 선택 반사기를 대치할 수 있는 평판 도파로형 반사기를 이용하여 광대역 파장 가변 레이저 다이오드를 제공하는 데 있다.
결합 링 공진기 반사기 (CRR: Coupled-Ring Reflector) 구조를 파장 선택 소자로 사용함으로써, DBR 격자의 제작 공정이 필요 없어지므로, 저가의 대량 생산 가능한 광대역 파장 가변 레이저 다이오드를 제공할 수 있다.
본 발명에서는 CRR 구조에 포함된 두 링의 반경을 각각 약간 상이하게 하고, 두 링의 유효 굴절률을 적절히 상대적으로 다르게 조절함으로써, 양 링이 동시에 공진 할 수 있는 파장에서만 반사가 크게 일어나게 하여, 전체 레이저 공진기가 해당 파장에서 발진하도록 고안되었다. 이와 같은 개념에 의하여 조절 가능한 발진 파장의 범위는 수십 나노미터에 이르게 된다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
(실시 예 1)
도 3은 본 발명의 바람직한 제 1 실시 예에 따라 발진 되는 레이저의 파장을 가변할 수 있는 광 대역 파장 가변 링 공진기 반사기(Coupled-Ring Reflector, 이하 CRR 이라 칭함) 레이저 다이오드의 개략적인 사시도이다.
본 실시 예에 따른 CRR 파장 가변 레이저 다이오드의 가장 큰 특징은 도 3에 도시된 바와 같이 파장선택 반사기로서 CRR 구조를 사용하는 것이다. CRR 구조는 도 3에 예시하였듯이 두 개의 링 공진기(37a, 37b)가 서로 광 파워를 교류할 수 있도록 결합되어 있고, 이 링 공진기들이 입출력 직선 도파로와 결합되어 있는 구조이다. 이와 같은 CRR 구조는 격자 구조를 채용하지 않고서도 반사기를 실현할 수 있음으로써 파장 가변 레이저 다이오드의 공정을 단순화할 수 있을 것이다. 이 CRR의 파장 가변 특성을 뒤에 설명한다.
본 실시 예에 따른 CRR 레이저 다이오드는 링 공진기에 구비되는 굴절률 제어 영역(36a, 36b)의 굴절률을 변화시킴으로써 출력되는 레이저의 파장을 연속적/불연속적으로 넓은 범위 (50nm이상)로 가변이 가능하게 된다.
도 3의 실시 예에서는 광 도파로를 실현하기 위하여 리지(Ridge) 구조(35)인 경우를 고려하였다. 광 도파로는 레이저 다이오드의 제작에 많이 사용되는 매립형 구조가 채용될 수도 있으나, 본 실시 예를 설명하기 위하여 도시가 간편한 리지 구조를 고려한다. 이 리지 구조형인 경우는 n형 InP 중간에 다중 양자 우물 활성 도파층(32a) 및 그에 접한 수동 도파로 층(32b) 위에 p형 InP 클래드 층을 성장한 구조로 되어 있다. 이 층 위에 전극 형성을 위한 p형 Ohmic Contact 층을 성장한 후에, 도 3에 나타낸 형태의 마스크를 이용하여 증폭영역(34), 위상제어 영역(36c) 및 링 공진기 수동 도파로 영역(37a, 37b, 37c)을 동시에 형성한다. 이와 같이 한 번의 포토 리소그라피(Photo Lithography) 작업을 통하여 증폭영역과 파장선택 반사기(CRR)를 동시에 형성하기 때문에 공정 과정을 단순화할 수 있다. 여기서 웨이퍼 성장구조는 CRR 파장 가변 레이저 다이오드의 실시 예를 보이기 위한 것으로, 구체적인 웨이퍼의 성장 형태는 제작 상황에 따라 다양한 형태로 설계될 수 있다. p형 InP 클래드 층(31) 상부에는 전극들이 형성되는데, 다중 양자우물 활성 층(32a) 상부에는 전류 주입용 전극(34), 수동 도파로 층 상부에는 굴절률 제어용 전극들(36a, 36b, 36c)이 형성된다. 특히 링 공진기의 굴절률을 제어하는 전극에 주입되는 전류 또는 역 바이어스 전압을 적절히 조절함으로써 레이저 다이오드의 발진 파장을 선택한다.
이제 도 3의 실시 예에 나타낸 CRR의 동작원리 및 특성 시뮬레이션 결과를 설명한다. CRR 은 두 개의 링 공진기가 서로 결합되어 있고, 이 링 공진기들이 직선 도파로와 결합되어 있다. 직선 도파로의 좌측에서 입사하는 광파는 좌측의 링 공진기로 결합되어 시계방향의 광파를 형성하고, 이 광파는 우측의 링 공진기로 결합되어 반 시계 방향의 광파를 형성한다. 이 광파가 직선 도파로에 결합되어 역방향의 광파가 직선 도파로에서 진행하게 된다. 특히 여기서 두 링 공진기의 주회 길이를 약간 다르게 함으로써, 두 링 공진기의 FSR (Free Spectral Range)가 약간 다르게 된다. 이와 같은 구조에서 한쪽 링 공진기의 유효 굴절률을 조금씩 조절하면, 두 공진기가 동시에 공진하는 파장에서만 강한 반사가 일어나게 됨으로써, 최대 반사율 파장을 선택할 수 있다. 즉 한쪽 링 공진기의 굴절률을 고정시키고, 다른 쪽 공진기의 굴절률을 점차 증가시키거나 감소시키면 한 FSR 만큼씩 증가하거나 감소하는 파장에서 반사율 피크가 차례로 나타나게 된다. 파장의 선택 범위는 다음의 수학식1과 같이 주어진다.
Figure 112005009711030-PAT00001
여기서 λ0는 파장 가변 범위의 중심 파장이고, ng는 링 도파로의 군 굴절률, R0과 R1은 링 공진기의 반경이다. 중심파장이 1550nm이고, 군 굴절률이 3.7, 링 공진기의 반경이 R0 = 50μm, R1 = 52μm 일 때, 파장 가변 범위는 52 nm 에 이른다.
몇 가지 굴절률 조합에 대해서, 파장에 따른 반사 스펙트럼을 도 4 에 보였 다. 여기서 직선 도파로와 링 도파로 사이의 결합 비율 κin과, 링과 링 사이의 결합 비율 κ0는 각각 0.64와 0.08로 가정하였다. 도 4a 에서는 R0 = R1 = 50μm 이고, neff0 = neff1 = 3.29로 가정하였다. 이 경우는 두 링 공진기의 FSR이 동일하기 때문에 FSR인 2.17 nm의 주기로 반사 피크가 발생함을 알 수 있다. 여기서 최대 반사율은 0.86으로 1 이하인데 이는 직선 도파로와 링 도파로 사이의 결합비율이 0.64로 비교적 크기 때문이다. 한편, 광 도파로의 손실이 있는 경우는 반사율이 감소하게 될 것으로 예상된다. 도 3a 에 도파로 손실이 3 dB/cm 인 경우의 반사율을 점선으로 보였는데, 피크 반사율이 0.63으로 감소함을 볼 수 있다. 도 4b, 4c, 4d 에는 두 링 공진기의 반경이 약간 다른 경우, 즉 R0 = 50μm , R1 = 52μm 인 경우의 반사율을 나타내었다. 링 공진기 0의 굴절률을 3.29로 고정하고, 링 공진기 1의 굴절률을 3.29+1.9x10-4, 3.29+3.8x10-4, 3.29+5.7x10-4로 한 경우의 반사 스펙트럼을 도 4b, 4c, 4d 에 각각 나타냈다. 반사 피크에 해당하는 파장이 각각 1.587746μm, 1.589918μm, and 1.5921μm와 같이 순차적으로 선택됨을 알 수 있다. 순차적으로 선택되는 파장 사이의 간격은 2.17 nm로서 링 공진기 0의 FSR 과 같음을 알 수 있다.
도 4b, 4c, 4d 와 같은 반사 특성은 광대역 파장 가변 레이저 다이오드의 파장 선택 소자로서 사용하기에 적절하다. 도 3 에 보인 광대역 파장 가변 레이저 다이오드에 반경이 서로 다른 CRR을 적용하는 경우에, 레이저 다이오드의 특성을 예 측해 본다. 링 공진기 0의 굴절률은 3.29, 반경은 50μm이고, 링 공진기 1의 굴절률은 3.29+1.9x10-4, 반경은 52μm인 경우를 고려한다. 이 경우 CRR의 반사스펙트럼의 형태는 도 4b와 같다.
단일 종모드 동작을 살펴보기 위해서는 레이저 공진기에 대한 인접 모드의 부 모드 억제와 링 공진기 모드의 부 모드 억제율을 조사하여야 한다. 레이저 공진기의 모드 간격을 구하기 위해서는 CRR의 유효 길이 (Effective Length)를 고려하여야 한다. CRR의 유효 길이는 수학식 2와 같다.
Figure 112005009711030-PAT00002
상술한 파라미터를 가정한 경우 CRR의 유효 길이는 4260μm 정도로 계산되며, 일반적인 레이저 다이오드 공진기의 길이보다 훨씬 길다. 여기서 φ는 반사계수의 위상이며, β는 도파로의 전파상수이다. 따라서 활성영역의 길이 (lg)를 400μm 라고 가정하는 경우 레이저 공진기의 모드 간격은 약 0.16 nm 정도로 계산된다. 도 3의 (b)에서 반사 피크 값은 0.83이며, 0.16nm 떨어진 파장에서의 반사율은 0.132이다. 인접한 부 모드에 대한 손실 마진은 다음의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112005009711030-PAT00003
여기서 (RRRL)0과 (RRRL)1는 각각 주 모드와 인접 부 모드에 대한 파워 반사율 곱이고 lg는 이득 활성 영역의 길이이다. 인접한 레이저 공진기 모드의 부 모드에 대한 손실 마진을 계산하면 Δαlg = 0.94 와 같다. 이 값과 아래의 공식을 이용하여 부 모드 억제율 (SMSR: Side Mode Suppression Ratio)을 계산하면 58 dB로 큰 값을 얻을 수 있다.
Figure 112005009711030-PAT00004
여기서 Γ는 구속인자 (Confinement Factor), gth는 임계 조건에서의 이득 계수, υg는 군속도, αm은 주 모드에 대한 미러 손실이다. 레이저 출력 파워 P0는 4mW로 가정하였고, 활성 영역의 도파로 손실(αact)은 30cm-1, 활성영역의 길이는 400μm, Γgth=(αact+αm)lg이다.
CRR의 인접 링 모드에 대한 부 모드 억제율을 추정하기 위하여 도 4b의 경우를 다시 고려한다. 이 특정한 경우에 두 링 공진기의 공진 파장은 λ=1,587746μm 에 일치되어 있고, 이 파장에서 반사율(RR)은 0.86이다. λ=1,587746μm에서 한 FSR 만큼 떨어진 파장에서 반사율은 0.68 정도로 감소한다. 따라서 인접 링 모드에 대한 손실 마진은 0.11 정도이고, SMSR은 49dB 정도이다. 파장 가변 범위를 유지하면서 SMSR을 증대하기 위해서는 직선 도파로와 링 공진기 사이의 결합률을 더 작게 하여 반사 스펙트럼의 선폭을 좁게 하여야 한다. 한편, CRR의 유효 길이가 4000μm에 이를 정도로 길기 때문에 본 발명에서 제시된 광대역 파장 가변 CRR 레이저 다이오드의 선폭은 1 MHz 이하가 가능하다. CRR의 파장 가변 범위가 52 nm 에 이르기 때문에, 여기서 제시된 특정 파라미터의 CRR을 채용한 레이저 다이오드의 파장 가변 범위도 52nm에 이를 수 있다.
또한, 레이저 공진기의 한쪽 반사는 CRR 구조, 다른 쪽의 반사는 절개된 반사면을 사용함으로써, 절개된 반사면에서 출력되는 광 파워를 상대적으로 크게 조절할 수 있어서, 고출력 파장 가변 레이저 다이오드를 얻을 수 있다. 또한, 이와 같은 레이저 다이오드의 CRR 출력단에는 다양한 형태의 변조기, 증폭기, 광필터 등을 집적할 수 있음으로 하여 고기능 광 집적회로의 실현을 가능하게 한다.
한편, 도 3의 CRR 구조에서 링 공진기로 원형 도파로를 도시하였지만, 링 공진기의 구조는 원형 도파로로 제한되지 않고 전반사 거울이 내부에 포함된 사각형 구조(도 4) 또는 삼각형 구조 등이 사용될 수도 있다.
(실시예 2)
도 6은 본 발명의 제 2 실시 예를 보여주기 위한 사시도이다. 도 3과의 차이점은 CRR부분(60, 61a, 61b, 61c, 66a, 66b, 66c, 67a, 67b, 67c)은 실리카 또는 폴리머 등의 재료를 이용하여 실현하고, CRR이 구현된 실리카 또는 폴리머 등의 일부를 적절히 식각한 후에 패브리 페로(Fabry-Perot) 레이저 다이오드(62a, 62b, 62c, 64, 65)를 식각한 영역에 CRR입력 도파로와 정렬 배치하는 하이브리드 (Hybrid) 집적 형태의 광대역 파장 가변 레이저 다이오드를 구현하는 것이다. 도 6의 패브리 페로 레이저 다이오드의 좌측 단면은 반사가 존재하고, 우측 단면은 무반사 코팅이 되어 있는 것이 바람직하다. CRR 구조부의 우측 단면(63b) 또한 무반사 코팅이 되어 있는 것이 바람직하다. 도 6의 CRR 또한 반드시 원형 구조일 필요는 없으며, 도 5 에 나타낸 바와 같이 전반사 거울이 포함된 사각형 구조일 수도 있으며, 나아가서 삼각형 구조일 수도 있다. 도 6에서 굴절률 조절 전극(66a, 66b, 66c)에 흐르는 전류를 조절하거나, 인가되는 전압을 조절함으로써 열 광학 효과 또는 전기광학 효과에 의하여 굴절률을 제어하고, 이를 통하여 위상 제어를 함으로써 발진 파장을 선택한다.
· 두 개의 링 공진기 및 직선 도파로 사이의 광 파워 결합을 통하여 파장 선택적인 반사를 유발하는 CRR (Coupled-Ring Reflector)을 분포 브래그 격자구조 반사기 (DBR: Distributed Bragg Reflector) 대신 사용함으로써, 단순화된 공정을 통하여 CRR 광대역 파장 가변 레이저 다이오드를 구현한다.
· 레이저 공진기의 한쪽 반사는 CRR 구조, 다른 쪽의 반사는 절개된 반사면을 사용함으로써, 절개된 반사면에서 출력되는 광 파워가 상대적으로 커질 수 있기 때문에, 고출력 파장 가변 레이저 다이오드를 얻을 수 있다.
· CRR 반사율의 크기는 결합 비율의 조절을 통하여 조절할 수 있다.

Claims (15)

  1. 광 파워의 교류가 가능하도록 설계된 결합 링 공진기 한 쌍과, 이 한 쌍의 링 공진기와 광 파워 교류가 가능한 입출력 직선 도파로로 구성된 광 집적 회로 형태의 CRR (Coupled-Ring Reflector) 반사기 구조를 파장 선택 소자로 사용하는 광대역 파장 가변 CRR 레이저 다이오드(도 3).
  2. 제 1항에 있어서,
    CRR에 사용되는 두 링 공진기의 주회길이를 약간 상이하게 설계함으로써, Vernier 효과에 의한 파장 가변 범위가 수십 나노 미터 이상 가능한 광 대역 파장 가변 CRR 레이저 다이오드.
  3. 제 1항에 있어서,
    위상 제어 영역의 굴절률 변화는 링 공진기의 일부 또는 전체와 수동 직선 도파로의 일부 전극에 전류량을 변화시키거나, 역 바이어스 전압을 변화시킴으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 대역 파장 가변 CRR 레이저 다이오드.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 링 공진기의 일부 또는 전체의 굴절률을 변화시킴으로써, 상기 발진하는 레이저의 파장이 불연속적으로 가변 되도록 하는 것을 특징으로 하는 광 대역 파장 가변 CRR 레이저 다이오드.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 링 공진기 0과 링 공진기 1의 굴절률을 적절한 크기로 변화시켜, 상기 발진하는 레이저의 파장이 연속적으로 가변 되도록 하는 것을 특징으로 하는 광 대역 파장 가변 CRR 레이저 다이오드.
  6. 제 1 항의 광 대역 파장 가변 CRR 레이저 다이오드에 광 변조기 또는 광 증폭기가 함께 집적되는 광통신소자.
  7. 서로 인접한 다중 양자 우물 활성층과 수동 도파로 층을 가지는 기판;
    상기 도파로 층상에 구비된 클래드 층;
    수동 도파로 층에 링 공진기 0과 링 공진기 1이 서로 결합되고, 두 공진기 모두에 직선 도파로가 결합된 CRR (Coupled-Ring Reflector) ;
    상기 직선 도파로 상의 클래드 층 위에 형성되며, 레이저 모드 위치 조절을 위하여 위상제어에 필요한 전류를 공급하는 위상제어용 전극;
    상기 링 공진기(공진기 0 및 1) 도파로 상의 클래드 층 위에 형성되며, 발진 파장 조절용 전류를 공급하거나, 전압 조절 가능한 위상제어용 전극;
    상기 양자 우물 활성층 상의 클래드 층 위에 형성되며, 양자 우물 활성층에 이득을 유발하기 위한 전류 공급용 전극을 구비하여 발진하는 레이저의 파장을 광 대역에 걸쳐 가변할 수 있는 CRR 레이저 다이오드.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 링 공진기 0 과 링 공진기 1의 주회 길이는 서로 다르게 구성된 것을 특징으로 하는 광 대역 파장 가변 CRR 레이저 다이오드.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 기판은 n형 InP 기판이고, 상기 도파로층 등은 InGaAsP계열로 이루어지며, 상기 클래드층은 p형 InP인 것을 특징으로 하는 광 대역 파장 가변 CRR 레이저 다이오드.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 수동 도파로 상의 위상제어영역 또는 상기 링 공진기 0 과 1상에 존재하는 위상제어영역의 굴절률을 변화시킴으로써, 상기 발진하는 레이저의 파장이 불연속적으로 가변 되도록 하는 것을 특징으로 하는 광 대역 파장 가변 CRR 레이저 다이오드.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 수동 도파로 상의 위상제어영역 또는 상기 링 공진기 0 과 1상에 존재하는 위상제어영역의 굴절률을 적절한 조합으로 변화시킴으로써, 상기 발진하는 레 이저의 파장이 연속적으로 가변 되도록 하는 것을 특징으로 하는 광 대역 파장 가변 CRR 레이저 다이오드.
  12. 제 7 항의 CRR 레이저 다이오드에 광 변조기 또는 광 증폭기가 함께 집적되는 광통신소자.
  13. 광도파로의 폭과 높이 및 상대 굴절률에 있어 특정한 값에 상관없이 적용된다. 광 도파로의 형태는 리지(Ridge) 형태로 제한될 필요가 없으며, 매립형 등 다양한 형태로 구비되는 광 대역 파장 가변 CRR 레이저 다이오드.
  14. 본 발명의 링 공진기는 원형일 필요가 없으며, 도 5와 같이 공진기 내부에 전반사 거울이 포함되는 다각형 공진기로 구성되는 광 대역 파장 가변 CRR 레이저 다이오드.
  15. 본 발명에 있어 수동 도파로가 포함된 기판의 재료는 실리카(Silica), 폴리머 등 어떠한 광 도파로 재료도 적용 가능하며, 양자 우물 활성층으로 구성된 증폭부와 분리되어 제작된 후, 정렬된 구조로 구현되는 하이브리드 (Hybrid) 형태의 파장 가변 CRR 레이저 다이오드(도 6).
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