KR101429208B1 - 광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부 환경에 무관하게 일정한 발진 파장을 가지는 레이저에 있어서, 레이저 다이오드 칩; 상기 레이저 다이오드 칩에서 발산된 빛을 레이저 다이오드 칩으로 궤환시키는 반사 거울; 상기 레이저 다이오드 칩과 반사거울 사이에 시준화 렌즈, 파장 선택성 필터 및, 위상보상자;를 더 포함하여 구성하고, 상기 시준화 렌즈는 레이저 다이오드 칩으로부터 발산된 빛을 시준화시키고, 상기 위상보상자는 외부 온도 변화에 따른 확장 공진기의 유효 광학적 길이 변화를 상쇄시키는 것을 특징으로 하는 광소자에 관한 것이다.

Description

광소자 {OPTICAL DEVICE}

본 발명은 외부 환경 변화에 무관하게 일정한 파장의 레이저 빛을 내는 광소자에 관한 발명이다.

최근에 스마트폰 등의 동영상 서비스를 비롯하여 통신 용량이 매우 큰 통신 서비스들이 개시되고 있다. 이에 따라 기존의 통신 용량을 대폭적으로 증가시킬 필요가 대두 되고 있으며, 이미 기존에 포설되어 있는 광섬유를 이용하여 통신 용량을 증대시키는 방법으로 DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing) 방식의 통신 방식을 채택하고 있다. DWDM은 파장이 서로 다른 레이저 빛들은 서로 간섭하지 않아 하나의 광섬유를 통하여 동시에 여러 가지 파장의 빛 신호를 전송하여도 신호간에 간섭이 없는 현상을 이용하여, 하나의 광섬유로 여러 파장의 빛을 동시에 전송하는 방식을 말한다. 근래 광통신에서 사용되는 DWDM 방법은 빛의 주파수 간격을 100GHz 또는 50GHZ 간격이 되게 적용하고 있으며, 이러한 주파수 간격은 1.55um 파장 대역에서 0.8nm 또는 0.4nm 정도의 파장 간격을 가진다. 이에 비해 광통신에 주로 사용되는 반도체 레이저 다이오드인 DFB-LD(Distributed Feedback Laser Diode)의 경우 반도체 레이저 다이오드 칩의 온도가 1℃ 정도 바뀔 때 반도체 레이저에서 발진하는 레이저 빛은 대략 0.1nm 정도 바뀌게 된다. 그러므로 일반적인 DFB-LD의 온도를 8℃(100GHz 간격)또는 4℃(50GHz 간격)정도 바꾸면 이 레이저에서 발진하는 파장이 DWDM의 다른 채널에 해당되어 통신의 혼신을 가져오게 된다.

또한 기존의 반도체 레이저 다이오드 칩은 레이저 다이오드 칩을 구동하는 주입전류의 양에 따라 대략 5pm~10pm/℃ 정도로 파장이 바뀌게 되며 나아가 레이저 다이오드 칩의 자체 특성 변화에 의해서도 발진 파장이 달라지게 된다. 특히 50GHz 파장 간격 DWDM 방식에서는 파장 안정도가 50pm 정도를 요구하므로 기존의 DFB-LD의 온도만을 단순히 일정하게 유지하는 방법으로는 레이저의 파장을 일정하게 유지하기 어렵다.

또한 기존에는 DFB-LD의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 가열 및 냉각이 모두 가능한 열전소자 (Thermo electric cooler )를 사용하는데 이러한 열전소자는 외부 환경 온도가 일정하게 유지하고자 하는 레이저 다이오드 칩의 온도에 비해 높아 질 경우 소모 전력이 급격히 증가하며, 또한 열전소자 자체의 발열이 열전소자의 냉각 능력을 급격히 저해하는 요소가 된다.

본 발명은 상기 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 열전소자 대신에 가열만이 가능한 히터(heater)를 사용하여, 열전소자에 사용되는 소모전력을 줄이면서도 레이저의 발진 파장이 안정된 광소자를 제작하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에서는 빛을 발산하는 레이저 다이오드 칩; 상기 레이저 다이오드 칩에서 발산된 상기 빛을 상기 레이저 다이오드 칩으로 궤환시키는 부분 반사 거울; 상기 레이저 다이오드 칩과 상기 부분 반사 거울 사이에 위치하여 상기 레이저 다이오드 칩에서 발산된 상기 빛을 시준화하고, 시준화된 평행광을 출력하는 시준화 렌즈, 상기 시준화 렌즈와 상기 반사거울 사이에 위치하여 상기 시준화 렌즈에서 출력된 상기 시준화된 평행광으로부터 투과 파장 대역의 파장을 필터링하는 파장 선택성 필터, 상기 파장 선택성 필터의 온도를 외부의 온도에 무관하게 유지시키는 히터, 상기 파장 선택성 필터와 상기 반사거울 사이에 위치하여 상기 파장 선택성 필터를 통과한 빛을 전달받고, 상기 파장 선택성 필터를 통과한 빛의 위상을 조절하여 외부 온도 변화에 따른 확장 공진기의 유효 광학적 길이 변화를 상쇄시키는 위상보상자, 그리고 상기 레이저 다이오드 칩, 상기 위상 보상자, 상기 부분 반사 거울 및 상기 히터가 위치하는 기판을 포함하고,상기 기판은 상기 기판을 관통하는 관통공을 구비하고,상기 레이저 다이오드 칩, 상기 위상 보상자 및 상기 부분 반사 거울은 상기 기판 위에 위치하고, 상기 히터는 상기 관통공 내에 위치한다.

여기서, 상기 파장 선택성 필터는 히터(heater)에 의해 온도 조절이 되는 것을 특징으로 하고, 상기 위상 보상자는 폴리비닐, 폴리에틸렌, 폴리이미드 및, 폴리카보네이트 중 어느 하나인 고분자 재료인 것을 특징으로 한다.

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상기 반사 거울은 20% 내지 90%의 반사율을 가지는 부분 반사 거울의 특징을 가지고, 더 적절하게는 30% 내지 60%의 반사율을 가지며, 부분 반사 거울을 투과한 레이저 빛을 광섬유로 집속시켜 광통신의 기능을 갖도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 레이저 다이오드 칩과 시준화 렌즈가 구비되는 광소자에 있어서, 상기 시준화 렌즈는 레이저 다이오드 칩이 놓여 있는 레이저 다이오드 칩 서브마운트의 측면에 고정되어 부착되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 광소자는 레이저 다이오드 칩, 렌즈, 파장 선택성 필터, 위상 보상자 및 부분 반사 거울을 포함하여 구성됨으로써, Fabry-Perot 모드 중에서 파장 선택성 필터를 투과하는 빛의 파장으로 결정된다. 이는 통상적으로 파장 선택성 필터는 3 pm/℃~5pm/℃로 투과 파장이 변화하는데 비해 본 발명의 광소자는 파장 선택성 필터가 히터(heater)를 이용하여 일정한 온도로 유지되므로 외부 환경 온도 변화에 영향을 받지 않는다는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 광소자에서, 외부 환경 온도 변화로 인해 발생된 레이저 다이오드 칩의 굴절률 변화는 동일한 외부 환경 온도에 노출되는 위상 보상자에서 상쇄되고, 전체 광소자의 유효 광학적 길이는 변화하지 않음으로써 Fabry-Perot 모드 파장이 바뀌지 않는다. 그러므로 Fabry-Perot 모드 중에서 파장 선택성 필터를 투과하는 파장의 빛이 발진하는 광소자에서 외부 환경 온도가 바뀌어도 레이저의 발진 파장이 바뀌지 않게 된다는 효과가 있다.

따라서, 본 발명은 열전소자를 사용하지 않고 단지 히터(heater) 만을 이용하여 레이저의 파장이 고정하고, 이는 고가의 열전소자를 사용하지 않으므로 경제적이며, 열전소자가 냉각으로 동작할 때 소모되는 큰 소모전력 대신 단지 가열만으로 파장 선택성 필터의 온도를 일정하게 유지하므로 소모 전력이 적게 든다는 장점이 있다.

또한 본 발명에서 레이저 모듈 바깥으로 방출되어 광섬유를 통하여 통신에 적용되는 레이저 빛은 시준화된 형태를 가지므로 외부 렌즈를 이용하여 광섬유로 레이저 빛을 집속시킬 때 레이저 모듈과 외부 렌즈 사이의 거리의 제한이 없어져 광섬유로 광 집속이 편리해진다는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 광소자의 동작 원리를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 광소자에서 발진 파장 결정을 보여주는 특성 도면,
도 3 본 발명에 따른 광소자의 한 실시 예를 나타낸 도면,
도 4 본 발명에 따른 기판의 (a) 사시도 (b)측면도 (c)평면도,
도 5 는 본 발명에 따른 광소자의 측면도,
도 6 은 시준화 렌즈를 레이저 다이오드 칩에 대해 광정렬하는 방법 및 시준화 렌즈를 고정시키는 방법을 나타낸 도면,
도 7 은 본 발명의 다른 한 실시 예를 나타낸 도면.

이하 본 발명의 한정하지 않는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하되, 본 명세서에서는 광소자를 확장 공진기 또는 확장 공진기 레이저라고도 혼용하여 표기할 수 있으며, 이는 설명의 편의를 위한 것으로, 발명을 한정하지 않는 범위 내에서 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 광소자의 동작 원리를 나타낸 도면이다. 본 그림에서 레이저 다이오드 칩(100)은 edge emitting형의 레이저 다이오드 칩이며, 이 edge emitting형 레이저 다이오드 칩의 양 절개면에서 빛이 방출된다. 이 절개면 중 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(낮은 반사 코팅)을 가지며, 더 바람직하게는 0.1% 이하의 반사율을 가지며 더욱 더 바람직하게는 0.01% 이하의 반사율을 가진다. 레이저 다이오드 칩 (100) 의 무반사면 반대의 절개면은 통상적으로 1% 이상의 반사율(고반사 코팅)을 가지는데 바람직하게는 10% 이상의 반사율, 더욱 바람직하게는 80% 이상의 반사율을 가지는 것이 바람직하다. 본 발명의 광소자에서 부분 반사 거울(500)은 20%내지 90%의 반사율을 가지는 부분 반사 거울이고, 더 적절하게는 30%내지 60%의 반사율을 가지며, 부분 반사 거울을 투과한 레이저 빛을 광섬유로 집속시켜 광통신의 기능을 갖도록 한다.

이렇게 절개면의 한쪽이 무반사 코팅된 레이저 다이오드 칩(100)은 레이저 다이오드 칩(100) 자체에서 빛이 궤환되지 못하므로 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 반사폭이 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 좁은 파장 선택성 필터(300)에서 파장 선택성 필터(300)를 투과하는 빛을 제외하고는 파장 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 선택성 필터(300)를 투과한 성분은 위상 보상자(400)를 거쳐 부분 반사 거울(500)에 도착한다. 위상 보상자(400) 직육면체의 형상을 가지며 빛이 통과하는 면들에 무반사 코팅이 되어 있어 반사가 최소화 된다. 부분 반사 거울(500)에 도달한 빛 중에서 부분 반사 거울(500)에서 반사한 빛은 다시 위상 보상자(400)과 파장 선택성 필터(300)를 거친 후 시준화 렌즈(200)을 거쳐 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환된다. 그러므로 레이저 다이오드 칩(100)과 시준화 렌즈(200), 파장 선택성 필터(300), 위상 보상자(400) 및 부분 반사거울(500)을 포함하는 광소자가 완성된다.

도 2는 본 발명의 광소자에서 발진 파장 결정을 보여주는 특성 도면이다. 도 2(a)는 파장 선택성 필터의 투과도 곡선, 도 2(b)는 본 발명의 광소자에서 결정되는 Fabry-Perot 모드, 도 2(c)는 본 발명의 광소자에서 파장 선택성 필터에 의해 발진하는 레이저 빛의 파장 특성을 나타낸 도면이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 광소자에서 결정되는 파장은 도 2(a)에서 고려되는 파장 대역에서 하나의 투과 파장 대역을 가지는 파장 선택성 필터(300)의 투과 대역과, 도 2(b)와 같이 확장 공진기 길이에 의해 결정되는 주기적이며, 불연속적인 Fabry-Perot 모드의 두 가지 요소에 의해 결정된다. 즉 도 2(b)의 광소자에 의한 주기적이며 불연속적인 Fabry-Perot 모드 중 도 2(a)의 파장 선택성 필터(300)의 투과 대역 내에 있는 모드만이 광소자를 공진하여 레이저 발진에 이르게 된다.

레이저 다이오드 칩(100)과 시준화 렌즈(200), 파장 선택성 필터(300), 위상 보상자(400) 및 부분 반사거울(500) 전체를 포함하는 광소자의 온도가 바뀌게 되면, 먼저 레이저 다이오드 칩(100)의 온도가 바뀌게 된다. 광소자의 Fabry-Perot 모드 파장은 다음의 식으로 주어진다

[식 1]

n : 공진기의 유효 굴절률 d : 공진기의 길이

m : 정수 π : 원주율

λ : 빛의 파장

확장 공진기형 레이저에서는 다음의 식으로 Fabry-Perot 모드가 결정된다.

[식 2]

nLD : 레이저 다이오드 칩의 굴절률 tLD : 레이저 다이오드 칩의 길이

nlens : 시준화 렌즈의 굴절률 tlens : 시준화 렌즈의 길이

nfilter : 파장 선택성 필터의 굴절률 tfilter : 파장 선택성 필터의 길이

npc : 위상 보상자의 굴절률 tpc : 위상 보상자의 길이

space: 확장 공진기에서 레이저 다이오드 칩(100), 렌즈(200), 파장 선택성 필터(300) 및 위상보상자(400)를 제외한 공간 영역의 길이

위 식(2)에서 외부 온도 변화에 따라 달라지는 요소는 nLD, npc이며 glass가 주요한 구성재료인 렌즈(200) 및 파장 선택성 필터(300)의 굴절률은 외부 환경 온도 변화에 대해 매우 미미하게 변화하므로 무시 할 수 있다. 외부 온도 변화에 따라 레이저 다이오드 칩(100)의 길이 변화 또는 위상보상자(400)의 길이 변화는 무시 할 만 하므로 외부 온도 변화에 따른 Fabry-Perot 모드 변화는 다음의 식으로 주어진다.

[식 3]

그러므로 tLD x dnLD/dT + tpc x dnPC/dT = 0이 되면 확장 공진기의 온도가 바뀌어도 확장 공진기의 Fabry-Perot 모드는 변화하지 않는다. 레이저 다이오드 칩(100)의 굴절률은 온도가 상승함에 따라 굴절률이 증가하는 (+)의 굴절률 변화를 보이지만 폴리이미드, 폴리프로필렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리비닐 등의 고분자 재료로 구성되는 위상보상자(400)는 온도 상승에 따라 (-)의 굴절률변화를 보인다. 그러므로

[식 4]

의 식이 성립하도록 위상 보상자의 종류와 두께를 선정하게 되면 이러한 확장 공진기형 레이저는 온도가 변화하여도 Fabry-Perot 모드가 변화하지 않는다.

본 발명의 설명에서 유리 등의 재질로 이루어진 시준화 렌즈(200) 및 파장 선택성 필터(300)등의 온도에 따른 굴절률 변화 또는 확장 공진기의 구성 부품의 열팽창은 고려하지 않았지만 위상 보상자(400)의 두께와 굴절률 변화율을 위상 보상자 (400)를 제외한 나머지 확장공진기 구성 부품에 의한 유효 굴절률 변화를 보상하도록 선택될 수 있다. 이러한 과정을 통하여 위상보상자를 포함한 확장 공진기의 Fabry-Perot 모드는 외부 환경 온도에 대해 무의존성을 가져 고정된 파장의 Fabry-Perot 모드를 가진다.

도 3은 본 발명에 따른 광소자의 한 실시 예를 나타낸 도면이다. 도3에서 레이저 다이오드 칩(100)은 레이저 다이오드 칩의 서브마운트(110)에 부착된 후 레이저 다이오드 칩의 서브마운트(110)는 기판(700)의 상부에 부착되게 된다. 기판(700)은 패키지 하우징(900)의 내부 바닥면 위에 부착되게 된다. 레이저 다이오드 칩(100) 전면에는 시준화 렌즈(200)가 부착되어 있어 레이저 다이오드 칩(100)의 일측면에서 발산되는 빛을 시준화시킨다. 레이저 다이오드 칩(100) 다른 일측면에는 레이저 다이오드 칩(100)의 빛 방출 상태를 감시하기 위한 감시용 포토 다이오드(150)가 배치되어, 레이저 다이오드 칩(100)에서 방출된 빛을 전기신호로 변환하는 역할을 한다. 시준화 렌즈(200)에 의해 시준화된 빛은 파장 선택성 필터(300)로 보내지게 되어 파장 선택성 필터(300)를 투과하는 파장 대역의 빛은 파장 선택성 필터(300)를 통과하여 위상 보상자(400)로 보내진다. 파장 선택성 필터는 히터(600)에 의해 광소자 외부의 온도에 무관하게 일정한 온도를 유지한다. 파장 선택성 필터(300)에서 반사된 빛이 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환되지 못하도록 파장 선택성 필터(300)의 광축은 시준화 렌즈(200)를 통과한 빛의 광축과 미리 정하여진 각도로 배치되게 된다. 이때 파장 선택성 필터(300)의 광축과 파장 선택성 필터(300)로 입사하는 빛 사이의 각도는 2^o~20^o 정도가 적절하다. 파장 선택성 필터(300)를 통과한 빛은 위상보상자(400)를 통과하여 위상이 조절된다. 위상보상자(400)는 빛이 통과하는 면들에 무반사 코팅되어 있는 것이 바람직하다. 위상보상자(400)를 통과한 빛은 부분 반사 거울(500)에서 부분 반사 되어 반사된 빛은 다시 레이저 다이오드 칩(100)으로 궤환되어 레이저를 파장 잠금 하는 역할을 하며 부분 반사 거울(500)을 투과한 시준화된 레이저 빛은 도면에 도시되지 않은 또 다른 렌즈를 통하여 역시 도면에 도시되지 않은 광섬유로 집속되어 광통신에 사용되게 된다. 시준화 렌즈(200), 위상보상자(400)는 기판(700)의 상부에 배치되게 된다.

파장 선택성 필터는 굴절률이 높고 낮은 다층의 박막을 유리 기판에 증착하여 만들어지는데 이러한 파장 선택성 필터는 온도에 따라 투과 파장이 3pm~15pm/℃정도 바뀌게 된다. 도 2에서 Fabry-Perot 모드의 파장이 바뀌지 않아도 파장 선택성 필터의 투과 대역 파장이 바뀌게 되면 확장 공진기형 레이저는 다른 Fabry-Perot 모드로 발진하여 파장이 바뀌게 된다. 그러므로 파장 선택성 필터(300)는 히터(600)를 이용하여 일정한 온도로 유지한다.

이렇게 확장 공진기형 레이저에서 주로 레이저 다이오드 칩(100)의 굴절률 변화에 기인한 확장 공진기의 Fabry-Perot 모드 파장의 변화는 위상 보상자(400)에 의해 상쇄되게 되고, 파장 선택성 필터(300)는 히터(600)에 의해 일정한 온도로 유지되므로 파장 선택성 필터(300)의 투과 파장 대역이 변화하지 않아 이렇게 제작된 확장 공진기형 레이저는 외부 환경 온도 변화에 따라 발진 파장이 변화하지 않는 고정된 발진 파장을 가지게 된다.

본 발명에서 파장 선택성 필터는 레이저 공진기가 노출되는 외부 온도보다 5℃ 이상 높은 온도로 설정되는 것이 좋다. 즉 레이저 모듈이 노출되는 외부 환경 온도가 0 ~ 60℃일 경우 파장 선택성 필터는 65℃ 이상으로 설정되는 것이 바람직하다. 이렇게 파장 선택성 필터의 온도가 다른 부위의 온도에 비해 높게 설정되면 파장 선택성 필터의 온도를 높이는데 사용되는 히터로부터 레이저의 다른 부위로 열전달이 일어나게 된다. 히터로부터 레이저의 다른 부위로의 열전달은 히터(heater)의 소모전력을 높이는 역할을 하므로 가능하면 히터로부터 레이저의 다른 부위로의 열전달을 차단하는 것이 바람직하다. 히터는 레이저 모듈 내부에 장착되어야 하며 히터는 레이저 모듈에 장착되어야 하므로 히터는 열전달률이 낮은 물질을 사용하며, 히터가 부착되는 바닥과의 거리가 멀면 멀수록 히터의 열효율은 높아진다. 그러나 레이저 빛이 파장 선택성 필터를 통과하여야 하므로 히터의 높이가 레이저 높이로 제한된다. 또한 반도체 레이저 다이오드 칩(100)은 레이저 구동 전류에 따라 열이 발생하며 이러한 열에 의한 레이저 다이오드 칩(100)의 온도 상승은 레이저 다이오드 칩(100)의 발광 효율을 떨어트린다. 즉 레이저 다이오드 칩 (100) 은 방열이 잘되는 것이 레이저 구동에 유리하며 히터는 방열이 잘되지 않는 것이 열효율 측면에서 유리하다. 또한 레이저 다이오드 칩(100)의 높이와 파장 선택성 필터(300)의 높이는 일치하여야 하므로 레이저 다이오드 칩(100)과 파장 선택성 필터(300)의 높이를 일치시킴과 동시에 레이저 다이오드 칩(100)에서 발생하는 열은 레이저 모듈의 바닥으로 쉽게 전달 되도록 함과 동시에 히터에서 발생하는 열은 레이저의 타 부분으로 전달되는 것을 차단 할 필요가 있다. 또한 레이저 다이오드 칩(100)이 겪는 온도변화와 위상 보상자(400)가 겪는 온도가 가능하면 유사한 것이 좋다. 그러므로 레이저 다이오드 칩(100)이 놓여있는 지점과 위상 보상자(400)가 놓여있는 지점이 열전달률이 높은 물질로 연결되어 있는 것이 바람직하다. 그러나 레이저 다이오드 칩(100)과 위상 보상자(400)사이에는 열적으로 독립되는 것이 바람직한 파장 선택성 필터(300)가 배치된다. 이러한 열적으로 특성이 달라야 하는 레이저 다이오드 칩(100), 위상 보상자(400)와 파장 선택성 필터(300)의 배치는 도 4와 도5의 구조로 해결이 가능하다.

도 4 는 본 발명에 따른 기판의 (a) 사시도 (b)측면도 (c)평면도이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 광소자는 레이저 다이오드 칩(100), 레이저 다이오드 칩(100)을 부착하고 있는 레이저 다이오드 칩 서브마운트(110), 위상 보상자(400) 및, 반사 거울(500)등이 배치되는 기판(700)을 보여준다. 기판(700)에는 관통공이 뚫려있고, 이 관통공 내부에 파장 선택성 필터를 부착하는 히터(600)가 배치된다. 이 때, 기판(700)은 열전도율이 좋으며 열팽창률이 낮은 물질이 적절하다. 이러한 기판의 열전도율은 10W/m K 이상이 적절하며 열팽창률은 3 x 10^-5 이하가 적절하다. 이러한 물질로는 AlN, SiC, Si, Kovar 등의 세라믹 계열의 물질과 CuW등의 물질이 적절하다. 이 기판(700)은 내부에 동공이 있어 도 5와 같이 이 동공에 파장 선택성 필터(300)를 부착한 히터(600)가 배치된다. 이렇게 배치 될 경우 히터(600)가 부착되는 높이가 모듈의 바닥면이 되므로 히터(600)를 기판(700)위에 부착하는 경우보다 기판(700) 높이만큼 히터의 높이를 늘릴 수 있다. 히터(600)는 열전달률이 낮은 물질로 제작되는 것이 바람직한데, 히터(600)의 높이가 높아지면 히터와 도면에는 도시되지 않은 히터가 놓이는 패키지 바닥면 사이의 열전달경로의 길이가 길어져 상대적으로 히터(600)의 열손실이 줄어들게 되며 이에 따라 히터(600)의 열효율이 높아져 소모 전력을 줄이게 된다. 히터(600)에 의한 발열이 레이저의 여타 부분으로 확산되는 것을 최대한 막기 위해서는 공기 또는 질소 등 패키지 하우징 내부의 기체의 의한 대류를 최대한 억제하는 것이 바람직하며 이에 따라 레이저 패키지 하우징 내부를 진공으로 유지하는 것이 바람직하다.

도 4에서 기판(700)은 열전달률이 좋은 물질로 일체형으로 제작되어 레이저 다이오드 칩(100)과 위상 보상자(400)가 하나의 기판(700)에 같이 부착되게 되므로 레이저 다이오드 칩(100)과 위상 보상자(400)의 온도 편차를 최소화 할 수 있다.

본 발명에서 레이저 다이오드 칩(100) 앞에 시준화 렌즈(200)가 놓이게 되는데 시준화 렌즈(200)는 시준화 렌즈(200)로 입사하는 빛의 광축과 일치하는 방향에 대해서는 5um 수준의 정밀도를 요구하며, 광축에 대해 수직한 평면에 대해서는 0.5um 수준의 매우 정밀한 위치 정렬을 필요로 한다. 즉 시준화 렌즈(200)는 레이저 다이오드 칩(100)에 대해 3차원 적으로 정밀한 정렬 및 고정 방법을 필요로 한다. 통상적인 방법에서는 레이저 다이오드 칩(100)을 일정한 높이로 정밀하게 조절 한 후 레이저 다이오드 칩의 서브마운트(110)가 놓여 있는 기판에 매우 정밀한 크기로 제작된 시준화 렌즈(200)를 올려놓는 것으로 시준화 렌즈(200)를 정렬한다. 이러한 방법의 경우 시준화 렌즈(200)의 높이 조절이 어려워 정밀한 시준화 렌즈(200)의 정렬이 어렵다. 본 발명에서는 시준화 렌즈(200)를 레이저 다이오드 칩(100)이 부착된 서브마운트(110)의 측면에 부착하는 방법을 사용한다. 이는 통상적인 방법에 있어서 시준화 렌즈(200)의 높이 정렬이 어려운데 비해 본 발명은 시준화 렌즈(200)를 광축에 수직한 평면에서 정렬이 매우 용이해지는 장점이 있다. 도 6은 시준화 렌즈(200)를 레이저 다이오드 칩(100) 에 대해 광정렬하는 방법 및 시준화 렌즈(200)를 고정시키는 방법을 나타낸 도면이다. 시준화 렌즈(200)의 아랫 부분은 기판(700)면에서 떨어진 상태로 레이저 다이오드 칩(100)에 광정렬되고 시준화 렌즈(100)의 빛이 통과하는 측면의 일부분과 레이저 다이오드 칩 서브마운트(110)의 측면 사이를 자외선 경화 에폭시(910)를 이용하여 부착된다. 이런 방법에서는 시준화 렌즈(200)가 빛의 광축에 수직한 평면에서 자유롭게 이동하므로 높은 광정렬 정밀도를 요구하는 광축에 수직한 평면에서 시준화 렌즈(200)를 정밀하게 광정렬 할 수 있다.

본 발명의 설명은 하나의 예시일 뿐이며 본 발명을 다양한 형태로 변형 할 수 있다. 예를 들어 도 7 은 본 발명의 다른 한 실시 예를 나타낸 도면이다. 도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 광소자의 또 다른 실시 예에서는 레이저 다이오드 칩(100), 시준화 렌즈(200), 위상 보상자 (400), 파장 선택성 필터(300), 부분 반사 거울(500)을 포함하여 구성할 수 있다. 이 때, 시준화 렌즈(200)는 레이저 다이오드 칩(100)이 놓여 있는 레이저 다이오드 칩 서브마운트(110)의 측면에 고정되어 부착된다. 이와 같이 구성하여도 본 발명의 효과의 일부분인 부분 반사 거울을 이용하여 시준화 된 빛을 광섬유로 집속 시키는 방법 및 고가의 열전소자를 사용하지 않고 저가의 히터를 사용하여 레이저의 파장을 안정화 시키는 방법 등은 여전히 유효하다.

본 발명에서 외부 환경 온도 변화와 무관하게 일정한 파장을 가지는 광 소자에 대한 발명을 설명하였지만, “일정한”이라는 의미는 시스템에서 요구하는 파장 정밀도로 해석하여야 한다. 즉 50GHz 파장 간격 DWDM 시스템에서 레이저 광원에 요구되는 파장 정밀도는 +/- 50pm 정도이므로 외부 환경 온도에 대해 이런 정도의 파장 안정성을 가지면 된다.

100 : 레이저 다이오드 칩 110 : 레이저 다이오드 칩용 서브마운트
150 : 감시용 포토 다이오드 200 : 시준화 렌즈
300 : 파장 선택성 필터 400 : 위상 보상자
500 : 부분 반사 거울 600 : 히터(Heater)
700 : 기판 900 : 패키지 하우징
910 : 자외선 경화 에폭시

Claims (7)

1. 빛을 발산하는 레이저 다이오드 칩,
   상기 레이저 다이오드 칩에서 발산된 상기 빛을 상기 레이저 다이오드 칩으로 궤환시키는 부분 반사 거울,
   상기 레이저 다이오드 칩과 상기 부분 반사 거울 사이에 위치하여 상기 레이저 다이오드 칩에서 발산된 상기 빛을 시준화하고, 시준화된 평행광을 출력하는 시준화 렌즈,
   상기 시준화 렌즈와 상기 부분 반사 거울 사이에 위치하여 상기 시준화 렌즈에서 출력된 상기 시준화된 평행광으로부터 투과 파장 대역의 파장을 필터링하는 파장 선택성 필터,
   상기 파장 선택성 필터의 온도를 외부의 온도에 무관하게 유지시키는 히터,
   상기 레이저 다이오드 칩과 상기 부분 반사 거울 사이에 위치하여 상기 파장 선택성 필터를 통과한 빛을 전달받고, 상기 파장 선택성 필터를 통과한 빛의 위상을 조절하여 외부 온도 변화에 따른 확장 공진기의 유효 광학적 길이 변화를 상쇄시키는 위상 보상자, 그리고
   상기 레이저 다이오드 칩, 상기 위상 보상자 및 상기 부분 반사 거울을 부착하고 가운데 부분에 뚫린 부분인 관통공을 형성하는 기판
   을 포함하며, 상기 히터는 상기 관통공에 위치하되 상기 기판에 닿지 않도록 위치하는 광소자.
2. 제1항에서,
   상기 파장 선택성 필터는 상기 히터 위에 부착되게 위치하여 상기 히터에 의해 온도 조절이 되는 광소자.
3. 제1항에서,
   상기 위상 보상자는 폴리비닐, 폴리에틸렌, 폴리이미드 및 폴리카보네이트 중 어느 하나로 이루어진 광소자.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에서,
   상기 부분 반사 거울은 20% 내지 60%의 반사율을 갖는 광소자.
7. 삭제

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