850nm oxide VCSEL의 저전류 동작 가능성을 확인하기 위하여 off 전류와 on 전류를 최대한 낮춘 상태에서 VCSEL의 특성을 살펴보았다. Oxide VCSEL의 모델링을 위해 비율 방정식을 이용하여 대신호 등가회로를 만들었고, 실험 결과와 시뮬레이션 결과의 비교를 통해 각각의 계수와 특성변수를 추출하였다. 동특성에 큰 영향을 주는 커패시턴스 성분은 C-V 미터로 측정, 분석하였다. 완성된 대신호 등가회로 모델을 이용하여 커패시턴스 성분, 그리고 on 전류와 off 전류가 turn-on 특성과 turn-off 특성, eye-diagram에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과 지금까지는 무시해왔던 요소인 depletion 커패시턴스가 turn-on 특성에 큰 영향을 미치고, eye-diagram에도 큰 영향을 준다는 사실을 확인하였다. 그러므로 VCSEL의 고속 동작과 저전류 동작을 동시에 구현하기 위해서는 depletion 커패시턴스를 감소시키는 공정이 필요하다.
850nm oxide VCSEL의 저전류 동작 가능성을 확인하기 위하여 off 전류와 on 전류를 최대한 낮춘 상태에서 VCSEL의 특성을 살펴보았다. Oxide VCSEL의 모델링을 위해 비율 방정식을 이용하여 대신호 등가회로를 만들었고, 실험 결과와 시뮬레이션 결과의 비교를 통해 각각의 계수와 특성변수를 추출하였다. 동특성에 큰 영향을 주는 커패시턴스 성분은 C-V 미터로 측정, 분석하였다. 완성된 대신호 등가회로 모델을 이용하여 커패시턴스 성분, 그리고 on 전류와 off 전류가 turn-on 특성과 turn-off 특성, eye-diagram에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과 지금까지는 무시해왔던 요소인 depletion 커패시턴스가 turn-on 특성에 큰 영향을 미치고, eye-diagram에도 큰 영향을 준다는 사실을 확인하였다. 그러므로 VCSEL의 고속 동작과 저전류 동작을 동시에 구현하기 위해서는 depletion 커패시턴스를 감소시키는 공정이 필요하다.
We have studied the characteristics of oxide VCSELS when their off-current and on-current are kept small in order to find out the possibility of low current operation. A large signal equivalent circuit model has been used. By comparing measured data and simulation results, the parameters of the larg...
We have studied the characteristics of oxide VCSELS when their off-current and on-current are kept small in order to find out the possibility of low current operation. A large signal equivalent circuit model has been used. By comparing measured data and simulation results, the parameters of the large signal models are obtained including the capacitances. Using the large signal model, we have investigated the effects of capacitance and on/off currents upon the turn-on/turn-off characteristics and eye diagram. According to the experiment and simulation, the depletion capacitance, which has been neglected, is found to have significant influence on the him-on delay and eye-diagram. Therefore, for high speed and low current operation, the reduction of the depletion capacitance is essential.
We have studied the characteristics of oxide VCSELS when their off-current and on-current are kept small in order to find out the possibility of low current operation. A large signal equivalent circuit model has been used. By comparing measured data and simulation results, the parameters of the large signal models are obtained including the capacitances. Using the large signal model, we have investigated the effects of capacitance and on/off currents upon the turn-on/turn-off characteristics and eye diagram. According to the experiment and simulation, the depletion capacitance, which has been neglected, is found to have significant influence on the him-on delay and eye-diagram. Therefore, for high speed and low current operation, the reduction of the depletion capacitance is essential.
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문제 정의
상품으로 생산되는 oxide VCSEL을 저전류로 동작시킬 때 나타날 수 있는 문제점에 대하여 알아보았다. 가장 심각한 문제는 turn-on 지연과 timing noise였고, 레이저 다이오드의 커패시턴스와 on/off 전류에 의해 결정된다.
이 연구에서는 비율 방정식을 이용하여 VCSEL의 등가회로 모델을 보이고, 이를 이용하여 저전류 동작에 영향을 미치는 요소들을 살펴보았다. 특히 depletion 커패시턴스의 영향에 주목하였다.
가설 설정
변화하게 된다. 이에 따라 선형 저항과 비선형 저항의 합으로 주어지는 것으로 가정하였다.
제안 방법
대신호 등가회로를 이용하여 분석한 결과 커패시턴스 성분 중에서 지금까지 거의 무시되었던 요소인 depletion 커패시턴스가 turn-on 지연과 timing noise에 상당한 영향을 끼친다는 것을 확인하였다. 그리고 이렇게 중요한 커패시턴스를 C-V meter로 측정한 data에서 depletion 커패시턴스와 기타 기생 커패시턴스로 구분하는 방법을 제시하였다. 그 반면, tum-off 특성에 미치는 depletion 커패시턴스의 영향은 미미한 수준이었다.
대신호 등가회로 모델을 이용하여 depletion 커패시턴스의 영향을 알아보기 위해, off 전류가 0.4mA 일 때 C、를 바꾸어가면서 eye-diagram을 구하였다. 그림 19 에 보인 것처럼 depletion 커패시턴스에 따른 turn-off (0부분의 변화는 거의 나타나지 않는다.
동특성 측정을 위하여 펄스 파형을 입력하고 그에 따른 relaxation oscillation 주파수와 turn-on 특성, 그리고 turn-off 특성의 세 가지 방향에서 살펴보았다. 펄스 파형 입력을 구현하기 위해 pulse pattern generator의 주파수를 매우 낮게 조절하여, 50MHz 즉 입력파형의 on과 off가 20ns 간격으로 나타나도록 하였다.
동특성의 측정 및 분석에 앞서, 동특성에 큰 영향을 주는 내부 커패시턴스를 알아보기 위해 Agilent사의 C-V meter 4279A를 사용하여 전압에 따른 커패시턴스를 측정하였다.
25Gbps로 정하였고, 수신기 필터의 영향도 고려하였다. 또한 실제 eye-diagram과 동일한 환경을 구현하기 위해, 400MHz에서 2GHz의 noise를 입력신호와 함께 인가하였다. turn-on 부분에서, filter■의 영향에 의해 왜곡되어 시뮬레이션 결과와 차이가 나는 광출력 O.
비교하였다. 먼저 on 전류를 L07mA로 고정하고, off 전류를 변화시키면서 eye diagram을 측정하였다. 입력 pulse의 주파수는 L25Gbps, word length는 2訂 一 1로 설정하였고, 수신기에 Gaussian 필터를 사용하여 측정한 결과를 그림 17에 나타내었다.
앞에서 구한 대신호 등가회로와 특성변수를 사용하여 depletion capacitance의 값을 변화시켜가면서 그에 따른 동특성의 변화를 시뮬레이션 결과를 이용하여 살펴보았다.
이를 위해 C-V 측정기를 사용하여 소자의 실제 커패시턴스 값을 측정한 후, 간단한 모델링을 통해 인가전압에 따라 변화하는 depletion 커패시턴스 값을 구하였다. 이렇게 완성된 등가회로를 바탕으로, tum-on, turn-off 특성을 살펴보고, eye-diagram을 시뮬레이션하여, 낮은 동작 전류가 인가될 때의 depletion 커패시턴스의 영향을 알아보았다.
특히 depletion 커패시턴스의 영향에 주목하였다. 이를 위해 C-V 측정기를 사용하여 소자의 실제 커패시턴스 값을 측정한 후, 간단한 모델링을 통해 인가전압에 따라 변화하는 depletion 커패시턴스 값을 구하였다. 이렇게 완성된 등가회로를 바탕으로, tum-on, turn-off 특성을 살펴보고, eye-diagram을 시뮬레이션하여, 낮은 동작 전류가 인가될 때의 depletion 커패시턴스의 영향을 알아보았다.
해석할 수 있는 장점이 있다. 저전류 동작 특성을 정확히 시뮬레이션하기 위하여 실제 VCSEL의 정특성과 동특성을 측정한 후, simulation 결과와 비교하여 특성변수를 추출하는 방법을 사용하였다. 그림 3에 특성변수 추출 과정을 순서도로 나타내었다.
동특성 측정을 위하여 펄스 파형을 입력하고 그에 따른 relaxation oscillation 주파수와 turn-on 특성, 그리고 turn-off 특성의 세 가지 방향에서 살펴보았다. 펄스 파형 입력을 구현하기 위해 pulse pattern generator의 주파수를 매우 낮게 조절하여, 50MHz 즉 입력파형의 on과 off가 20ns 간격으로 나타나도록 하였다. 등가회로 해석에 사용한 software는 Agilent사의 ADS이다.
대상 데이터
펄스 파형 입력을 구현하기 위해 pulse pattern generator의 주파수를 매우 낮게 조절하여, 50MHz 즉 입력파형의 on과 off가 20ns 간격으로 나타나도록 하였다. 등가회로 해석에 사용한 software는 Agilent사의 ADS이다.
데이터처리
실제 송신기로 사용할 수 있는지를 판별할 수 있는 eye-diagram을 직 접 측정하고, 그 결과를 simulation 결과와 비교하였다. 먼저 on 전류를 L07mA로 고정하고, off 전류를 변화시키면서 eye diagram을 측정하였다.
성능/효과
off 전류가 낮을수록 turn-on delay가 커지는 것을 확인할 수 있고, 전체 tum-on 지연 시간에 미치는 depletion 커패시턴스의 영향도 상당히 커진다는 것을 알 수 있다. TO package 에 본딩된 여러 oxide VCSEL 의 depletion 커패시턴스를 측정한 결과 0.3pF에서 L7pF 사이에 있음을 확인할 수 있었다. 또한 거의 동일한 정특성을 갖는 소자도 (私의 차이가 약 0.
시간축은 150ps/div, 세로축인 광출력축은 25卩W/div으로 설정하였다. off 전류가 문턱 전류 이상일 때는 깨끗한 eye-diagram을 보이 고 있지만, off 전류가 문턱 전류 이하가 되면, turn-on delay가 크게 증가하면서 eye-diagram의 모양이 일그러지는 것을 확인할 수 있다. 한편, off 전류가 0.
이 4가지 커패시턴스중 지금까지는 depletion 커패시턴스의 영향은 거의 무시되어 왔다. 그렇지만, 연구 결과, off 전류가 문턱 전류 이하로 인가될 때 나타나는 turn-on 지연에 depletion 커패시턴스가 상당한 영향을 미친다는 사실을 알 수 있었다.
가장 심각한 문제는 turn-on 지연과 timing noise였고, 레이저 다이오드의 커패시턴스와 on/off 전류에 의해 결정된다. 대신호 등가회로를 이용하여 분석한 결과 커패시턴스 성분 중에서 지금까지 거의 무시되었던 요소인 depletion 커패시턴스가 turn-on 지연과 timing noise에 상당한 영향을 끼친다는 것을 확인하였다. 그리고 이렇게 중요한 커패시턴스를 C-V meter로 측정한 data에서 depletion 커패시턴스와 기타 기생 커패시턴스로 구분하는 방법을 제시하였다.
있다. 또, 웨이퍼 상태에서 테스트가 가능하여 대량 생산할 때 비용절감 효과도 크다. 850nm 파장의 VCSEL은 장거리 통신을 담당하는 1550nm, 중거리 통신을 담당하는 1310nm의 소자와는 달리 광섬유에서의 손실과 분산의 영향으로 단거리 데이터 전송으로 그 용도가 제한되지만 저렴한 가격과 낮은 동작 전류 등의 장점 때문에 여러 분야에서 응용되고 있다E
문턱 전류 이상의 off 전류가 인가됐을 때 turn-on 되는 지점을 기준으로 보면, off 전류가 감소함에 따라 turn-on 지연이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한 측정 결과와 시뮬레이션 결과가 일치하는 것을 확인할 수 있다.
정전용량이 크면 방전되는 시간이 오래 걸리기 때문에, falling time이 약간 증가한 것을 알 수 있다. 또한, 캐리어 밀도 변화도 정전용량의 영향을 받기 때문에 정전용량이 커지면 공진 주파수도 낮아지고, 진폭도 다소 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그렇지만 앞에서 밝혔듯이 on 전류와 문턱 전류에서의 캐리어 밀도차가 아주 작기 때문에, turn-on 특성처럼 depletion 커패시턴스에 따른 큰 시간 지연은 보이지 않고 있다.
그래프이다. 문턱 전류 이상의 off 전류가 인가됐을 때 turn-on 되는 지점을 기준으로 보면, off 전류가 감소함에 따라 turn-on 지연이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한 측정 결과와 시뮬레이션 결과가 일치하는 것을 확인할 수 있다.
전기적 특성 그리고 광학적 특성의 측면에서 살펴본 정 특성, 그리고 relaxation oscillation 주파수와 tum-on 및 turn-off 특성의 측면에서 살펴본 동특성이 시뮬레이션 결과와 측정 결과가 일치하는 것을 확인하였다. 시뮬레이션에 사용된 대신호 등가회로 모델의 특성 변수를 표 2에, 그리고 다른 특성 변수들을 구하기 위한 식을 표 3에 각각 정리하였다.
또한 eye-diagram 내의 turn-on 곡선의 폭, 즉 timing noise가 弓。의 증가에 따라 커지고 있는데, 이는 pulse pattern 변화에 따른 tum-on 시간의 변화가 0。에 크게 의존함을 나타내고 있다. 즉, 전력 소모를 낮 주기 위해 off 전류를 문턱전류 이하로 설정했을 때, depletion 커패시턴스가 고속 동작에 큰 장애 요소임을 확인할 수 있다.
후속연구
연구에 사용된 VCSEL은 다중 모드 동작을 하는 반면에 사용한 등가회로 모델은 단일 모드 모델이기 때문에 이에 대한 검토가 필요하다. 연구에 사용된 VCSEL은 산화막 직경, 즉 활성영역 직경이 10呻로 비교적 작다.
참고문헌 (11)
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