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문제 정의
- 본 연구에서는 현재 WDM-PON용 광원으로 많은 관심을 끌고 있는 주입 잠금 패브리-페롯 레이저 다이오드에 대한 특성을 시영역 대신호 모델을 이용하여 분석하였다. 벌크 구조의 무편광 활성층과 MQW 구조의 무편광 활성층 구조를 제시하고, 이득 특성을 모델링하고, 편광 MQW 구조의 특성과 비교하였다.
가설 설정
- 주입된 NB-ASE(Narrow band amplified spontaneous) 잡음의 중심파장은 TE 모드의 발진모드들 중 하나의 모드에 일치하도록 하였고, 3-dB 밴드 폭은 50GHz 이며 -13dBm의 파워를 갖는다. 또한 주입 NB-ASE 잡음은 TE, TM 편광이 균일하게 섞여 있는 것으로 가정하였다. 레이저 다이오드에 인가되는 전류는 19.
제안 방법
- 각각의 활성층 구조에 대한 이득 특성을 알아보기 위해 앞 절에서 기술된 절차에 따라서 캐리어 밀도에 따른 물질 이득 특성을 계산하였다. 무편광 벌크의 경우는 활성층의 두께가 200 nm 이고, 편광 또는 무편광 MQW의 경우는 양자 우물층의 두께의 합이 30 nm이며, TE 및 TM 모드이 구속인자 값이 활성층 구조에 따라 다르므로, 주입되는 sheet 캐리어 밀도에 따른 최대 모드 이득을 도시하여 비교할 필요가 있다.
- 본 연구에서는 편광 MQW, 무편광 벌크, 무편광 MQW 활성층의 이득 특성을 Luttinger-Kohn Hamiltonian을 기반으로 하여 모델링 하였다. 계산된 TE, TM 이득 특성에서 얻어 지는 차분 이득 및 투명 전자 밀도를 시영역 대신호 모델링에 적용하여 잡음 주입 발진 특성을 살펴보았다. 비교 분석 결과, 2.
- 특히, 무편광 MQW의 경우 벌크 활성층에 비하여 임계전류가 작고, 인가 전류대 광파워 기울기가 훨씬 크기 때문에 고속 변조에 가장 유리할 것으로 보인다. 또한 편광 다중양자우물 구조와 무 편광 벌크 활성층을 가지는 레이저 다이오드에 대한 주입 잠금 시의 2.5 Gbps 급 변조 시의 아이 특성을 비교하였다. TE와 TM의 이득 특성이 거의 동일한 무편광 구조의 경우가 아이 열림 특성이 훨씬 우수함을 확인하였다.
- 레이저 다이오드에 인가한 전류 패턴의 High 신호는 광 출력이 약 7 mW가 되고, Low 신호는 임계 전류 근처로 인가하였다. 또한, 약 0.2 ns의 상승 시간, 즉 약 1.75 GHz의 대역폭을 가지는 저역 필터를 이용하여 저역 필터링하였다. TE 모드가 TM 모드에 비교하여 광 이득 특성이 크고 TM 모드의 광 이득 특성이 현저히 작은 편광 MQW 구조의 경우는 아이 다이어그램의 눈 열림이 작고 노이즈가 심한 것을 확인할 수 있다.
- 15%의 인장 스트레인을 가지도록 하였다. 무편광 MQW 구조는 그림 1(c)에 보인 바와 같이 5개의 1.72Q 양자 우물(6 nm) 들과 6개의 1.42Q 배리어(8 nm) 및 100 nm의 1.13Q SCH 층으로 구성되어 있으며, 양자 우물에는 0.8%의 인장 스트레인을 가하였다.
- 벌크 구조는 0.2 μm의 활성층과 0.1 μm의 SCH 층이 있는 구조이고, 활성층은 0.15%의 인장 스트레인을 가지도록 하였다.
- 본 연구에서는 현재 WDM-PON용 광원으로 많은 관심을 끌고 있는 주입 잠금 패브리-페롯 레이저 다이오드에 대한 특성을 시영역 대신호 모델을 이용하여 분석하였다. 벌크 구조의 무편광 활성층과 MQW 구조의 무편광 활성층 구조를 제시하고, 이득 특성을 모델링하고, 편광 MQW 구조의 특성과 비교하였다. 적절히 설계된 무편광 MQW 구조의 경우 무편광 벌크 구조에 비하여 우수한 모드 이득 특성을 보임을 확인하였다.
- 여기서 detuning은 주입되는 ASE의 중심파장과 주입잠금 레이저 다이오드의 모드 위치가 어긋나는 주파수 값이다. 앞에 설명한 바와 같이 가우시안 필터링된 잡음이 주입되도록 한 후에, 주입잠금 레이저 다이오드의 주입단면에서 나오는 레이저 출력을 동일하게 잡음 필터와 동일한 필터로 필터링한 후에 RIN을 계산하였다. 그림 7, 8, 9에 편광 MQW, 무편광 벌크, 무편광 MQW 인 경우를 나타내었다.
- 는 주입잠금 레이저 다이오드의 오른쪽 단면 전계 반사율이다. 주입 잡음은 주파수 영역에서 주파수 성분들의 진폭은 일정하고, 위상이 랜덤하도록 잡음 스펙트럼을 발생시킨 후에 가우시안 필터링하여 역 FFT 함으로써 시 영역에서의 랜덤 잡음을 생성하여 시뮬레이션에 사용하였다.
- 표 2, 3, 4에 제시된 세 가지 활성층 구조 파라미터을 이용하여, RIN (Relative Intensity Noise)을 계산하여 detuning의 함수로 도시하였다. 출력 광 파워가 6 mW 인 경우를 기준으로 하여 고려하였다.
- 입력 단에 주입되는 NB-ASE(Narrowband-amplified spontaneous emission) 잡음은 화이트 잡음 주파수 영역에서 각 주파수 성분들의 위상이 랜덤하도록 잡음을 발생한 후 적절히 대역 필터링하여 얻었다. 필터링 된 잡음을 역 푸리에 변환하여 시영역 잡음 신호로 만든 다음에 이를 FP-LD의 입력 단에 주입하여 시뮬레이션을 행하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 편광 MQW, 무편광 벌크, 무편광 MQW 활성층의 이득 특성을 Luttinger-Kohn Hamiltonian을 기반으로 하여 모델링 하였다. 계산된 TE, TM 이득 특성에서 얻어 지는 차분 이득 및 투명 전자 밀도를 시영역 대신호 모델링에 적용하여 잡음 주입 발진 특성을 살펴보았다.
성능/효과
- 시영역 대신호 시뮬레이션을 이용한 RIN 계산 결과를 보면, 무편광 특성을 가지는 활성층을 사용한 주입잠금 레이저 다이오드가 약 2~3 dB 작은 RIN 특성을 보임을 알 수 있다. RIN 스펙트럼을 계산한 결과를 보면, 편광 MQW의 경우는 RIN 값이 -109 dB/Hz1/2, 무 편광 벌크의 경우는 -112 dB/Hz1/2, 무 편광 MQW의 경우는 -114 dB/Hz1/2 정도로 나타나서, 무 편광 벌크 또는 MQW 구조의 FP-LD가 고속 동작에 훨씬 유리한 것으로 나타났다. 특히, 무편광 MQW의 경우 벌크 활성층에 비하여 임계전류가 작고, 인가 전류대 광파워 기울기가 훨씬 크기 때문에 고속 변조에 가장 유리할 것으로 보인다.
- 75 GHz의 대역폭을 가지는 저역 필터를 이용하여 저역 필터링하였다. TE 모드가 TM 모드에 비교하여 광 이득 특성이 크고 TM 모드의 광 이득 특성이 현저히 작은 편광 MQW 구조의 경우는 아이 다이어그램의 눈 열림이 작고 노이즈가 심한 것을 확인할 수 있다. 반면에 TE, TM 모드 간에 광이득 특성이 유사한 무편광 구조의 경우는 아이 다이어그램의 눈열림이 크고 편광 MQW 구조에서 보다 노이즈가 훨씬 작음을 알 수 있다.
- 3 mA로 하여, 주입 잠금전 출력 파워가 6 mW가 되도록 하였다. TE 모드와 TM 모드의 발진파장이 거의 일치하는 경우의 시뮬레이션 결과이며, 주입 잠금 전에 TE와 TM 모드가 거의 비슷하게 발진하며, 주입 잠금 후에 TE와 TM 모드 둘 다 20 dB 이상의 부 모드 억제율을 보인다. 주입 광은 무 편광 상태를 유지하기 때문에, 무 편광 MQW LD의 주입 잠금 효율이 편광 MQW LD에 비하여 약 2배 정도 우수하여 고속 동작에 유리할 것으로 기대된다.
- 5 Gbps 급 변조 시의 아이 특성을 비교하였다. TE와 TM의 이득 특성이 거의 동일한 무편광 구조의 경우가 아이 열림 특성이 훨씬 우수함을 확인하였다. 결과적으로 2.
- 따라서, 무편광 MQW 구조가 무편광 벌크 구조에 비하여 고속 변조 특성이 우수하게 나타나는 것이다. 결과적으로 주입 잠금 레이저 다이오드를 2.5 Gbps 급 이상으로 고속 변조 하기 위해서는 TE, TM 모드 간에 광 이득 특성이 유사한 무편광 구조로 설계된 레이저 다이오드를 사용하는 것이 유리하다. 특히 무편광 MQW 구조를 적절히 설계 및 구현할 수 있다면 이 구조가 가장 유리할 것임을 확인하였다.
- 계산된 TE, TM 이득 특성에서 얻어 지는 차분 이득 및 투명 전자 밀도를 시영역 대신호 모델링에 적용하여 잡음 주입 발진 특성을 살펴보았다. 비교 분석 결과, 2.5 Gbps 급에서 주입잠금 레이저 다이오드 변조를 하기 위해서는 무편광 FP-LD가 훨씬 유리함을 시영역 시뮬레이션을 통하여 확인하였다.
- 시영역 대신호 시뮬레이션을 이용한 RIN 계산 결과를 보면, 무편광 특성을 가지는 활성층을 사용한 주입잠금 레이저 다이오드가 약 2~3 dB 작은 RIN 특성을 보임을 알 수 있다. RIN 스펙트럼을 계산한 결과를 보면, 편광 MQW의 경우는 RIN 값이 -109 dB/Hz1/2, 무 편광 벌크의 경우는 -112 dB/Hz1/2, 무 편광 MQW의 경우는 -114 dB/Hz1/2 정도로 나타나서, 무 편광 벌크 또는 MQW 구조의 FP-LD가 고속 동작에 훨씬 유리한 것으로 나타났다.
- 벌크 구조의 무편광 활성층과 MQW 구조의 무편광 활성층 구조를 제시하고, 이득 특성을 모델링하고, 편광 MQW 구조의 특성과 비교하였다. 적절히 설계된 무편광 MQW 구조의 경우 무편광 벌크 구조에 비하여 우수한 모드 이득 특성을 보임을 확인하였다. 이에 따라 무편광 MQW 구조가 벌크 구조에 비하어 임계 전류는 작고, 전류 대 광 파워 기울기는 크게 나타남을 알 수 있다.
- 5, 무편광 MQW의 경우는 -27 GHz 근처에서 약 -35 dB의 RIN 특성을 보임을 알 수 있다. 즉, 무편광 특성을 가지는 활성층을 사용한 주입잠금 레이저 다이오드가 약 2~3 dB 작은 RIN 특성을 보임을 알 수 있다. 그림 10에는 주입되는 NB-ASE 잡음과 세가지 활성층의 경우에 RIN 스펙트럼을 나타내었는데, 저주파 대역에서 무편광 벌크 구조가 편광 MQW 구조에 비하여 약 2.
- 5 Gbps 급 이상으로 고속 변조 하기 위해서는 TE, TM 모드 간에 광 이득 특성이 유사한 무편광 구조로 설계된 레이저 다이오드를 사용하는 것이 유리하다. 특히 무편광 MQW 구조를 적절히 설계 및 구현할 수 있다면 이 구조가 가장 유리할 것임을 확인하였다.
- 무편광 활성층의 경우가 편광 MQW 구조에 비하여 좋은 RIN 특성을 보이는 이유는 처음에 기대한 바와 같이 TE와 TM 편광 성분이 같이 주입 잠금되어 광 파워가 TE 및 TM 편광에 나누어 존재하기 때문에 beating noise 가 약 2배 정도 감소하기 때문이다. 편광 MQW의 경우는 RIN 값이 -109 dB/Hz1/2, 무 편광 벌크의 경우는 -112 dB/Hz1/2, 무 편광 MQW의 경우는 -114 dB/Hz1/2 정도로 나타나서, 무 편광 벌크 또는 무편광 MQW 구조의 FP-LD가 고속 동작에 훨씬 유리할 것으로 사료된다. 특히, 무편광 MQW의 경우 벌크 활성층에 비하여 임계전류가 작고, 인가 전류대 광파워 기울기가 훨씬 크기 때문에 고속 변조에 가장 유리할 것으로 보인다.
후속연구
- TE와 TM의 이득 특성이 거의 동일한 무편광 구조의 경우가 아이 열림 특성이 훨씬 우수함을 확인하였다. 결과적으로 2.5 Gbps 급의 고속주입잠금 WDM-PON용 광원으로서는 무편광 특성을 가지는 광원을 사용하는 것이 필요하다.
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