[논문]1550 nm InGaAsP LD 광송신회로의 PSPICE 모델 및 광변조 특성 해석

구유림; 김종대; 이종창

doi:10.3807/kjop.2011.22.1.035

초록
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다층 비율 방정식을 이용한 1550 nm InGaAsP 레이저 다이오드의 PSPICE 등가회로 모델을 제안하고 구현하였다. 비율 방정식에 필요한 레이저 다이오드 파라미터들은 자기충족적 양자우물 해석법을 이용하여 도출하였다. 이 모델을 이용하여 실제 레이저 다이오드와 드라이버 IC를 포함하는 광송신기 회로 전체를 PSPICE로 구현하여 그 출력 값과 측정치를 비교하였다. 이 비교를 통하여 실제 레이저 다이오드의 패키징 시 발생하는 기생 커패시터 값을 산출하였다. 이를 바탕으로 한 PSPICE 출력 값은 여러 동작 주파수에서 실제 회로의 측정값과 일치함을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The PSPICE equivalent circuit elements of a 1550 nm InGaAsP laser diode were derived by using multi-level rate equations. The device parameters were extracted by using a self-consistent numerical method for the optical gain properties of the MQW active regions. The resulting equivalent circuit model...

The PSPICE equivalent circuit elements of a 1550 nm InGaAsP laser diode were derived by using multi-level rate equations. The device parameters were extracted by using a self-consistent numerical method for the optical gain properties of the MQW active regions. The resulting equivalent circuit model is also applied to an actual optical transmitter, and its PSPICE simulation results show good agreement with the measured results once the parasitic capacitance due to the packaging is taken into account.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

발광 특성을 고려하지 않고 기존 상용프로그램을 이용하여 구동회로를 설계하여 시제품을 개발할 경우 필연적으로 여러 번의 시행 착오를 거치게 될 것이다. 본 논문에서는 레이저 다이오드의 이러한 발광특성을 원리적이고 효율적으로 고려하여 주입전류 레벨에 따라 변화되는 레이저 다이오드의 PSPICE 용 등가회로 모델을 개발하였다^[2-7]. 본 논문에서 제안된 방법의 특징은 다층 비율방정식으로부터 직접 유도한 회로모델을 사용함으로써 레이저 다이오드의 동작특성을 완벽하게 반영할 수 있으며, 아울러 비율방정식에 필요한 파라미터 역시 다층 양자우물의 광이득 특성을 자기충족법으로 해석하여 도출해냄으로써 보다 실제적으로 양자우물구조에 따른 레이저 특성의 변화를 실제 회로에 반영할 수 있다는 점이다^[8].

제안 방법

이 방법을 통하여 1550 nm InGaAsP 레이저 다이오드의 등가회로 모델을 구현하였고, 이를 바탕으로 하여 드라이버 IC 및 레이저 다이오드를 포함하는 광송신기 전체 회로를 PSPICE를 이용하여 구현하였다. 그리고 이를 측정값과 비교 분석 하였다.
본 논문에서는 4단계의 다층 비율 방정식을 통하여 레이저 다이오드의 등가회로 모델을 구현 하였다. 이를 LD 구동 IC의 등가회로 및 패키징 시 야기되는 기생 커패시터 값과 결합하여 실제 광송신기 전체의 PSPICE 용 등가회로를 구현하였다.
또 다른 등가회로 모델은 SCH(Separate Confinement Hetero structure) 영역과 QW(Quantum Well) 영역의 2단계 및 3단계 비율 방정식을 해석한 모델이었다[5, 6]. 본 논문에서는 Gateway 영역을 포함한 등가회로 모델을 제시하였고, QW 영역에서 발광 결합 시간 및 비 발광 결합 시간까지 고려하여 1550 nm InGaAsP MQW(Multiple QW) 레이저 다이오드의 등가회로 모델을 제시하였다.
본 논문에서 제안된 방법의 특징은 다층 비율방정식으로부터 직접 유도한 회로모델을 사용함으로써 레이저 다이오드의 동작특성을 완벽하게 반영할 수 있으며, 아울러 비율방정식에 필요한 파라미터 역시 다층 양자우물의 광이득 특성을 자기충족법으로 해석하여 도출해냄으로써 보다 실제적으로 양자우물구조에 따른 레이저 특성의 변화를 실제 회로에 반영할 수 있다는 점이다^[8]. 이 방법을 통하여 1550 nm InGaAsP 레이저 다이오드의 등가회로 모델을 구현하였고, 이를 바탕으로 하여 드라이버 IC 및 레이저 다이오드를 포함하는 광송신기 전체 회로를 PSPICE를 이용하여 구현하였다. 그리고 이를 측정값과 비교 분석 하였다.
본 논문에서는 4단계의 다층 비율 방정식을 통하여 레이저 다이오드의 등가회로 모델을 구현 하였다. 이를 LD 구동 IC의 등가회로 및 패키징 시 야기되는 기생 커패시터 값과 결합하여 실제 광송신기 전체의 PSPICE 용 등가회로를 구현하였다. 이 등가회로의 PSPICE 출력 값을 여러 주파수에서 제작된 광송신기의 측정파형과 비교하여 등가회로 모델의 타당성을 보여주었다.

대상 데이터

모델링 한 레이저 다이오드는 InGaAsP SCH MQW 구조로서 그림 1에 도시되어 있다^[2]. 이 구조는 10 nm의 QW 3개 층을 가지고 있으며, 계산에 사용된 활성 층(Active layer)의 길이는 300um이다.
그림 3은 LD를 구동하기 위한 Driver IC까지 포함한 전체 광 송신기(Optical transmitter)를 등가회로로 모델링 한 것이다. 실험에 사용한 Driver IC는 Maxim3296을 사용하였으며 입력단과 출력단 등가회로는 제조사 사양을 참조하였다.

성능/효과

다음으로 같은 회로를 2 Gbps로 동작하였을 경우에도 그림 5의 측정 신호 파형과 그림 7의 PSPICE 출력 신호를 비교하여볼 때 기생 커패시터 C_B의 값이 50pF인 경우 비교적 서로 잘 일치하고 있음을 볼 수 있다. 그러므로 제작된 광송신기에서 구동 IC와 LD 자체의 등가회로를 본 논문에서 제안한 PSPICE로 구현하여 그 출력 값을 실험 치와 비교하였을 때 패키징 과정에서 야기되는 기생 커패시터 값만 책정해 주게 되면 실제 광송수신기를 보다 완벽하게 PSPICE 등가회로로 구현할 수 있음을 보여주게 되었다.
본 논문에서는 레이저 다이오드의 이러한 발광특성을 원리적이고 효율적으로 고려하여 주입전류 레벨에 따라 변화되는 레이저 다이오드의 PSPICE 용 등가회로 모델을 개발하였다^[2-7]. 본 논문에서 제안된 방법의 특징은 다층 비율방정식으로부터 직접 유도한 회로모델을 사용함으로써 레이저 다이오드의 동작특성을 완벽하게 반영할 수 있으며, 아울러 비율방정식에 필요한 파라미터 역시 다층 양자우물의 광이득 특성을 자기충족법으로 해석하여 도출해냄으로써 보다 실제적으로 양자우물구조에 따른 레이저 특성의 변화를 실제 회로에 반영할 수 있다는 점이다^[8]. 이 방법을 통하여 1550 nm InGaAsP 레이저 다이오드의 등가회로 모델을 구현하였고, 이를 바탕으로 하여 드라이버 IC 및 레이저 다이오드를 포함하는 광송신기 전체 회로를 PSPICE를 이용하여 구현하였다.
이를 LD 구동 IC의 등가회로 및 패키징 시 야기되는 기생 커패시터 값과 결합하여 실제 광송신기 전체의 PSPICE 용 등가회로를 구현하였다. 이 등가회로의 PSPICE 출력 값을 여러 주파수에서 제작된 광송신기의 측정파형과 비교하여 등가회로 모델의 타당성을 보여주었다. 이렇게 제안된 LD 및 광송신기 전체의 PSPICE 모델은 광송신 회로의 설계 및 최적화 과정에서 시행착오를 줄이고 보다 최적화된 회로 구현에 필수적인 모델이 될 것이다.

후속연구

이 등가회로의 PSPICE 출력 값을 여러 주파수에서 제작된 광송신기의 측정파형과 비교하여 등가회로 모델의 타당성을 보여주었다. 이렇게 제안된 LD 및 광송신기 전체의 PSPICE 모델은 광송신 회로의 설계 및 최적화 과정에서 시행착오를 줄이고 보다 최적화된 회로 구현에 필수적인 모델이 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	레이저 다이오드의 특징은 어떠한가?	특히 광통신용 광원으로서의 레이저 다이오드는 장거리 광통신뿐만 아니라 차세대 광중계기, FTTH 등의 가입자 망, 차량용 지능형 교통망, 유비쿼터스 센서네트워크 등에도 활용되고 있다[1]. 그러나 레이저 다이오드는 통상적인 다이오드와는 달리 전류주입량이 늘어날 경우 발광으로 인하여 전류전압 특성이 달라지며, 특히 스위칭 속도가 증가할수록 현저한 차이를 나타낸다. 현재 산업계에서 보편적으로 활용하고 있는 회로 설계 툴인 PSPICE 혹은 Cadence CAD 툴에는 이러한 특성을 효율적으로 반영하는 레이저 다이오드 용 라이브러리가 보급되지 못하고 있는 실정이다.
	PSPICE 용 등가회로 모델의 특징은?	본 논문에서는 레이저 다이오드의 이러한 발광특성을 원리적이고 효율적으로 고려하여 주입전류 레벨에 따라 변화되는 레이저 다이오드의 PSPICE 용 등가회로 모델을 개발하였다[2-7]. 본 논문에서 제안된 방법의 특징은 다층 비율방정식으로부터 직접 유도한 회로모델을 사용함으로써 레이저 다이오드의 동작특성을 완벽하게 반영할 수 있으며, 아울러 비율방정식에 필요한 파라미터 역시 다층 양자우물의 광이득 특성을 자기충족법으로 해석하여 도출해냄으로써 보다 실제적으로 양자우물구조에 따른 레이저 특성의 변화를 실제 회로에 반영할 수 있다는 점이다[8]. 이 방법을 통하여 1550 nm InGaAsP 레이저 다이오드의 등가회로 모델을 구현하였고, 이를 바탕으로 하여 드라이버 IC 및 레이저 다이오드를 포함하는 광송신기 전체 회로를 PSPICE를 이용하여 구현하였다.
	레이저 다이오드의 활용 범위는 어떠한가?	최근 반도체 발광소자 기술은 빠르게 발달 되고 있다. 특히 광통신용 광원으로서의 레이저 다이오드는 장거리 광통신뿐만 아니라 차세대 광중계기, FTTH 등의 가입자 망, 차량용 지능형 교통망, 유비쿼터스 센서네트워크 등에도 활용되고 있다[1]. 그러나 레이저 다이오드는 통상적인 다이오드와는 달리 전류주입량이 늘어날 경우 발광으로 인하여 전류전압 특성이 달라지며, 특히 스위칭 속도가 증가할수록 현저한 차이를 나타낸다.

참고문헌 (8)

J. I. Shim, J. C. Yi, and J. Kim, Fundamentals of Modern Seemiconductor Light Emitting Devices (Books Hill, Seoul, Korea, 2008), Chapter 3.
D. W. Lim, H. U. Cho, H. K. Sung, Y. M. Jhon, and J. C. Yi, “A PSPICE circuit modeling of strained AlGaInN laser diode based on the multilevel rate equations,” J. Opt. Soc. Korea 13, 386-391 (2009).

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M. Morishita, T. Ohmi, and J. Nishizawa, “Impedance characteristics of double hetero structure laser diodes,” Solid State Electronics 22, 951-962 (1979).

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J. Katz, S. Margalit, C. Harder, D. Wilt, and A. Yariv, “The intrinsic electrical equivalent circuit of a laser diode,” IEEE J. Quantum Electronics 17, 4-7 (1981).

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L. V. T. Nguyen, A. J. Lowery, P. C. R. Gurney, and D. Novak, “A time-domain model for high-speed quantum-well lasers including carrier transport effects,” IEEE J. Quantum Electronics 1, 494-504 (1995).
D. McDonald and R. F. O'Dowd, “Comparison of two-and three-level rate equations in the modeling of quantum-well lasers,” IEEE J. Quantum Electronics 31, 1927-1934 (1995).

상세보기
B. P. C. Tsou and D. L. Pulfrey, “A versatile SPICE model for quantum-well lasers,” IEEE J. Quantum Electron. 33, 246-254 (1997).

상세보기
J. C. Yi, H. U. Cho, and Y. M. Jhon, “Self-consistent analysis of the relative intensity noise characteristics in the strained AlGaInN laser diodes with a high frequency circuit modulation effects,” J. Opt. Soc. Korea 12, 42-48 (2008).

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