Novel applications of Fabry-Perot laser diodes (FP-LDs) are presented for wavelength division multiplexing (WDM) networks. A tunable single-mode laser is obtained using a weakly coupled cavity structure assembled into a co-axially packaged FP-LD. The cleaved end-facet of the coupling fiber becomes an optical reflector and forms an external cavity with a laser facet. The single-mode oscillation condition is controlled and stabilized by tuning the operating temperature. The tuning range is about 10 nm with the side mode suppression ratio of more than 27 dB when the temperature changes from 11.5$deg$C to 25$deg$C. Direct modulation characteristics were investigated and the results show that shorter externalcavity can bear deeper modulation depth. For 8 mm external cavity, an error free operation was achieved with extinction ratio (ER) of 3.7 dB, but an error floor was shown at the bit error rate (BER) level of $10^{-8}$ when the corresponding ER is 4.11 dB. For 4 mm external cavity, however, the maximum ER increased to more than 9 dB. The only additional component is a thermo-electric cooler (TEC) module used to tune the mode matching condition. This tunable single-mode laser can be used to other applications due to its inherent multi-mode characteristics. When the external pump beam of $\lambda_{pump}$ which is close to one longitudinal mode of the solitary FP-LD, is injected into this single-mode FP-LD, the single-mode operation at $\lambda_{probe}$ collapses. This is because the injection locking on the selected mode by the pump beam causes the change of carrier density that results in the red shift of laser cavity modes and, thus, the mode matching condition of the coupled cavities is disturbed. As a result, the probe beam at $\lambda_{probe}$ can be modulated by the pump beam which carries digital data. In the experiment to verify the performance, a power penalty was less than 3.5 dB at 2.5 Gbit/s NRZ wavelength conversion. Furthermore, a novel scheme of all-optical flip-flop is proposed using above results. The flip-flop consists of only two laser diodes, a conventional FP-LD and the proposed tunable laser. The on-off state of the proposed optical flip-flop is determined by whether the former FP-LD is injection locked or not in accordance with separate set and reset pulses. The rising and falling times of the output signal in on-off operation of the flip-flop were about 50 ps. The required powers of both triggering pulses were less than -9 dBm. The proposed applications of tunable single-mode laser, wavelength converter, and all-optical flip-flop memory using low-cost FP-LDs have the advantages of a simple and cost-effective configuration. Especially, the tunable single-mode laser would be a low cost source of optical transmitter in WDM access networks, and an all-optical flip-flop will be useful for future all-optical signal processing systems such as optical buffering, optical memory and the self-routing network.
본 학위논문에서는 외부 공진기를 내장한 페브리 페롯 레이저 다이오드 (FP-LD)를 이용하여 파장 변환이 가능한 단일 모드 광원을 구현하였으며 이를 바탕으로 새로운 방식의 파장변환과 전광 플립-플롭 메모리 시스템을 제안하였다.
본래의 FP-LD 는 이득 매질과 매질 양단면의 반사면에 의해 형성된 공진기를 가지는 가장 간단한 구조의 레이저로서 여러 개의 파장 모드로 발진하는 특성을 가지고 있다. 단일 모드 광원을 만드는 방법은 기본적으로 레이저 다이오드에 파장 선택 필터를 장착하여 한 가지 파장 모드로만 발진을 일으키는 것이다. 이러한 방법 중 대표적인 방법이 외부 공진기를 사용한 파장 가변 광원인데 레이저 다이오드 외부에 반사면을 두어 파장 모드 선택이 가능한 외부 공진기를 만들 수 있다. 기존의 방법은 별도의 반사면을 레이저 다이오드 뒷면에 장착한 후 전기적 혹은 기계적인 힘으로 반사면의 위치를 변화시켜 가며 원하는 파장 모드를 선택할 수 있었다. 그러나 본 논문에서는 별도의 반사면을 추가하는 대신 레이저 다이오드로부터 출력된 빛이 입사될 광섬유의 단면을 반사면으로 사용하여 외부 공진기를 구성하였다. 광섬유의 단면은 별도의 고반사 코팅을 하지 않아도 굴절률 차이에 의하여 자체적으로 약 4%의 반사율을 가진다. 레이저 다이오드의 공진 모드와 외부 공진기의 모드가 일치하는 파장 모드에 대해서만 발진이 일어나고 이외의 모드들은 강하게 위축되었고 인접 모드 억제율은 최대 33 dB에서 최소 27 dB 로 측정되었다. 외부 공진기의 길이가 레이저 다이오드의 공진기 길이 (300 $\mum$) 보다 크기 때문에 외부 공진기의 모드 간격이 레이저 다이오드의 공진 모드보다 촘촘하다. 따라서 레이저 다이오드의 공진 모드를 이동시키면 두 개의 공진기가 만드는 모드 선택 조건을 변화시켜 다른 파장의 발진을 유도할 수 있다. 이 때 레이저 다이오드의 공진 모드의 이동은 외부에 장착한 열전소자를 조절함으로써 가능했다. 본 논문에서는 열전소자를 이용하여 레이저 다이오드의 작동 온도를 11.5$deg$C 에서 25$deg$C까지 변화시켰으며 이 범위 안에서 파장 가변 범위는 약 10 nm였다. 또한 제작된 파장 가변 광원의 직접 변조 특성을 여러 가지 외부 공진기 길이에 대하여 실험적으로 분석하였다. 그 결과 8 mm 의 외부 공진기에서는 최대 소광비가 4 dB 이하였던데 반해 4 mm의 외부 공진기를 가질 때는 9 dB 이상의 소광비를 가짐을 확인하고 최대 변조 깊이는 외부 공진기의 길이에 반비례 함을 확인하였다.
또한, 본 논문에서는 구현된 파장 가변 광원을 이용하여 매우 간단한 방식의 파장 변환기를 제안하고 실험적으로 검증하였다. 외부 공진기를 내장한 FP- LD 를 이용한 파장 가변 광원은 FP-LD 본래의 다중 모드 발진 특성을 가지고 있어 외부에서 주입된 빛의 파장이 FP-LD 의 모드와 일치하거나 가까우면 그 파장으로 주입 잠김 현상이 일어난다. 주입 잠김 현상이 일어날 때의 특징은 모든 파장 모드의 적색 천이(red-shift) 현상이 발생한다는 것이다. 이로 인해 본래의 단일 모드 발진 조건은 깨어지게 되고 이득 매질의 모든 에너지는 주입 잠김된 파장으로 옮겨 가게 된다. 따라서 변조된 외부 주입광을 입사시키면 변조 신호에 따라 단일 모드 발진된 빛이 외부 신호에 의해 변조되는 효과를 얻게 된다. 본 논문에서는 이러한 원리를 이용하여 파장 변환기를 구성하였으며 2.5 Gbit/s 의 NRZ 신호를 주입하여 파장 변환 실험을 실시하였다. 변환된 신호는 원래의 신호에 비해 극성이 반전되었으며 BER 데이터는 약 3.5 dB의 파워 페널티를 가졌다.
FP-LD 의 주입 잠김 현상에 대한 또다른 특성은 외부 주입광의 세기에 대하여 이중 안정성(bistability)를 갖는다는 것이다. 주입 잠김 현상을 일으키기 위해서는 주입광의 세기가 일정 문턱값 (threshold) 이상이어야 하지만 일단 주입 잠김이 일어난 다음에는 이를 다시 깨뜨리기 위해서는 주입광의 세기를 초기의 문턱값 이하로 내려야만 한다. 본 논문에서는 이러한 현상을 이용하여 전광 플립-플롭 메모리를 제안하였다. 제안된 구조에서는 보통의 다중 모드 FP-LD 와 본 논문에서 제안한 구조의 파장 가변 광원을 사용하였다. 외부에서 주입된 SET 신호는 파장 가변 광원의 빛과 함께 다중 모드 FP-LD 를 특정 파장으로 주입 잠김시킨다. 또한 파장 가변 광원으로 주입된 RESET 신호는 이 광원의 단일 모드 발진을 일시적으로 약화 시켜 다중 모드 FP-LD 의 주입 잠김을 깨뜨리게 된다. 결과적으로 다중 모드 FP-LD 가 특정 파장으로 주입 잠김이 되느냐 안되느냐에 따라 On-Off 상태가 결정되는 플립-플롭 메모리를 구성할 수 있다. 이를 실험적으로 검증하기 위하여 SET 신호와 RESET 신호를 1 Gbit/s NRZ 펄스 패턴 발생 장치와 별도의 레이저 광원을 사용하여 구현하였으며 이 신호를 플립-플롭 장치에 입사시켜 On-Off 상태의 변환을 성공적으로 관측하였다.
본 논문에서 상기와 같이 제시한 파장 가변 광원, 파장 변환기, 전광 플립-플롭 메모리는 대량생산이 가능하고 저렴한 가격의 FP-LD 를 이용하여 구현하였다는 장점을 가진다. 이러한 기능들은 향후 WDM 광통신망의 광원 및 다양한 전광 신호 처리 시스템에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
