초록 ▼

I. 제목
반도체 광 증폭기를 기반으로 하는 파장 변환 소자 개발
II. 연구개발의 목적
광통신에서 가용한 모든 파장을 재 사용하는 파장 변환 기술은 통신망에서 특정 광파장에 실려 있는 정보의 추출이나 혹은 반대로 임의의 파장을 이용한 정보의 통신망상 분배를 가능케 함으로써 통신용량을 증가시킬 뿐만 아니라 통신망에 유연성을 부가하게 된다. 특히 입력 광 신호를 별도의 처리 과정 없이 소자를 통과하여 다른 파장의 광 신호로 변환하는 전광 파장 변환기는 향후 초고속 광통신의 핵심 부품이 될 것이다. 본 연구는 반도

I. 제목
반도체 광 증폭기를 기반으로 하는 파장 변환 소자 개발
II. 연구개발의 목적
광통신에서 가용한 모든 파장을 재 사용하는 파장 변환 기술은 통신망에서 특정 광파장에 실려 있는 정보의 추출이나 혹은 반대로 임의의 파장을 이용한 정보의 통신망상 분배를 가능케 함으로써 통신용량을 증가시킬 뿐만 아니라 통신망에 유연성을 부가하게 된다. 특히 입력 광 신호를 별도의 처리 과정 없이 소자를 통과하여 다른 파장의 광 신호로 변환하는 전광 파장 변환기는 향후 초고속 광통신의 핵심 부품이 될 것이다. 본 연구는 반도체 광증폭기의 비선형성을 이용하여 초고속, 광대역 가변범위의 전광 파장 변환기를 개발하는 것으로 세부기술 목표로는 40Gbps급의 변환속도와 20 nm급의 파장가변 범위의 파장 변환기의 설계 및 제작기술을 획득하는 것이다.
III. 연구개발의 내용 및 범위
1. 반도체 광 증폭기의 설계 및 제작
양자우물 구조를 기반으로 하는 반도체 광증폭기의 최대 단점인 편광 의존성 및 협대역 대역폭 특성을 극복하기 위한 연구를 수행하였다. 편광의존성은 현재 광통신 시스템에 사용되어지려면 1dB이하의 편광의존성이 필요하다. 본 연구에서는 delta strained 양자우물 구조를 도입하여 편광 무의존 연구를 하여, 새로운 구조의 편광 무의존 반도체 광증폭기를 제안하였다. 기본적으로 사용되고 있는 양자 우물 구조의 경우, 이득 대역폭을 넓게 할 수는 있지만 그 영역에서 평탄한 특성은 가지지 못한다. 이러한 평탄성을 보완하기 위해 넓은 대역폭에 걸쳐 평탄한 이득 특성을 가지는 반도체 광 증폭기의 제작을 위해 양자 우물층의 두께를 각각 달리하는 불균일 양자 우물의 이득 특성을 조사해 보았고, 또한 장벽층의 두께에 따른 이들 구조의 이득 특성을 조사하였다. 또한 이러한 양자우물 구조의 소자를 제작하여 특성을 조사하였다.
2. 반도체 광 도파로의 제작
건식식각 기법은 화학적인 습식식각 기법에 비해 많은 장점들을 갖고 있다. 즉 건식식각 기법은 식각된 시료의 균일성과 재현성이 좋을 뿐만 아니라 결정에 거의 영향을 미치지 않으면서 임의 방향으로 미세 패턴들을 식각할 수 있게 한다. 그러므로 건식식각 기법은 InP 계열의 화합물 반도체를 이용하여 도파로형 광소자를 만들 때 아주 중요한 기술이다. 특히 ECR (electron cyclotron resonance) 플라즈마 방전은 RF를 기본으로 하는 플라즈마에 비해 많은 장점들을 갖고 있다. ECR은 낮은 압력에서 고급의 이온화를 제공할 뿐만 아니라 기판과 멀리 떨어진 곳에서 독립적으로 방전을 만든다. 그러므로 식각될 시료는 너무 많은 이온의 충격을 받지 않게 될 뿐만 아니라 가능한 한 낮은 dc 전압에서 식각이 이루어지기 때문에 시료가 작은 damage를 받게 된다. 따라서 ECR 식각방법은 광소자의 기능저하가 이온 충격에 민감한 도파로형 광소자를 만들 때 필수적이다. 이러한 ECR 건식 식각 방법으로 InP/InGaAsP 계열의 도파로를 식각하기 위한 공정을 확립하기 위해 다양한 조건에서 연구를 수행하였고 제작된 도파로의 전파손실은 측정된 삽입손실과 계산된 Fresnel 반사손실과 2차원 유한요소 방법으로 얻어진 결합손실로부터 평가되었다. 그리고 곡선 도파로의 복사손실은 측정된 직선과 곡선 도파로의 삽입손실로부터 얻어졌다.
3. 다층막 무반사 코팅
국제 공동 과제 상대측인 일본의 동경대와 더불어 1.55μm 파장대역에서 반도체 광증폭기 제작에 필수적인 저반사막(반사율이 0.1%이하) 공정조건 및 코팅조건을 확립하였다. 이 기술은 전광 파장 변환기 소자를 구현하는데 필수적인 기술이다. 본 연구에서는 TiO2 및 SiO2를 번갈아 두 번 코팅한 이층막 무반사 코팅을 시도하여 0.01%이하의 좋은 무반사 코팅을 확립하였다. 또한 TiO2 및 SiO2를 번갈아 네 번 코팅한 사층막 무반사 코팅을 시도하여 광대역 대역폭과 극저 무반사 코팅 기술을 구현하였다. 또한, 0.01%의 반사율을 갖는i-Paoli 방법을 사용하여 저반사막을 측정하고, 저반사막 측정 분석용 소프트웨어를 개발하였다.
4. 반도체 광 증폭기를 기반으로 하는 파장 변환 기술 구현
고용량 초고속 광통신을 수행하기 위해서 변환기 (converter)는 넓은 파장 대역에서 extinction ratio가 저하되어선 안된다. 반도체 광 증폭기는 이득 대역을 충분히 넓힐 수 있으며 광학적 비선형성을 이용하므로 적절한 광 입력에 따른 변환 효율 및 응답 속도의 조절이 가능하다. 그러므로 소자의 설계 및 제작에 필요한 기본적인 특성 변수 및 동작 조건을 확립하기 위해서 본 연구에서는 반도체 광증폭기를 기반으로 한 파장변환에 초점을 두었다. 전광 파장 변환 기술로는 cross-gain modulation (XGM), cross-phase modulation (XPM) 및 FWM 등 이 있으며 그 외에도 반도체 광증폭기가 집적된 레이저 다이오드를 이용하는 방법 등을 연구하였다.
5. 새로운 파장 변환 소자 설계
동경대 상대측에서 제안한 수평 결합 방식을 이용한 파장 변환 구조를 개량하여, 하나는 LD로 또 한쪽은 광증폭기를 가지는 수평 결합 방식을 제안하였다. 이 수평 결합 구조는 LD를 자체적으로 가지고 있어, 광원이 필요 없는 집적된 파장 변환 장치로 40Gbit급 차세대 파장 변환 소자의 핵심 소자로 각광 받을 수 있을 것이라 사료된다. 또한 구조 자체가 파장 가변 기능을 내재하고 있음을 모의실험을 통해 확인하였다. 제안한 수평결합 방식의 파장 변환 소자는 파장 가변성을 동시에 갖고 있어, 현재 파장 변환 시스템이 극복해야 할 정확한 변환 파장의 조절이 가능 할 것으로 예견되어 진다.
6. optical thyristor를 기반으로 하는 파장 변환 기술 모색
Optical thyristor는 detection-regeneration (또는 detection-emission) 형태의 optical amplification 기능을 포함하는 광 소자이다. Optical thyristor의 기본적인 구조는 3 개의 pn 접합 (J1, J2, J3)에 의해 구성된다. 이러한 소자의 전류-전압 (I-V) 특성은 순방향 전압 영역에서 s-shape의 비선형 특성을 갖고 있으며, 이와 같은 비선형 특성에 의해 광 소자로서의 기능이 가능하게 된다. forward blocking 영역은 high-impedance의 OFF 상태로 (detection mode), negative resistance region을 지나forward conducting 영역은 low-impedance의 ON 상태 (regeneration or light emitting mode)를 갖는다. 이러한 I-V 특성을 갖는 thyristor가 적절한 저항과 직렬로 연결된 회로를 구성하면, 특정 load-line을 갖게 되고 안정적인 2 개 이상의 동작점이 가능하여 광 메모리 또는 optical hard limiter 등의 역할이 기대된다. 그런데, Optical thyristor 는 ON 상태에서 발광이 가능하므로 파장 변환이 가능하다. 소자에 일정 전압이 가해진 상태에서 파장 λ₁이 입사되면 optical thyristor의 기본동작 원리에 의해서 N,P층에 carrier가 유기되어 energy를 얻기 때문에 s-shape이 안쪽으로 들어간다. 이때 낮은 전류 동작점이 높은 전류 동작점으로 이동하면서 높은 전류가 흐르게 되어 소자의 구조에 맞는 파장λ₂의 빛을 방출하게 된다. 파장변환 방식은 신호의 noninverting특성으로 안정적인 output을 얻을 수가 있고, 넓은 변환대역폭을 가진다. 또한 입력 신호의 세기가 크지 않아도 되므로 큰 Extinction ratio를 얻을 수가 있고, 기존 SOA를 이용한 파장 변환에서 요구되는 다른 광원이 필요치 않다. 본 연구는 이러한 소자의 특성을 최적화하기 위한 구조를 제시하였으며, 소자를 제작하여 동작 특성을 조사하였다.
IV. 연구개발의 결과
1. 반도체 광 증폭기의 설계 및 제작
양자우물 구조를 기반으로 하는 반도체 광증폭기의 최대 단점인 편광 의존성을?입하여 편광 무의존 연구를 하였다. 양자우물 내부에 삽입된 delta strained 장벽층의 위치와 장벽의 높이를 변수로 하는 모의 실험을 통하여 1% 미만의 편광 의존성을 갖는 구조를 제시하였다.
넓은 대역폭에 걸쳐 평탄한 이득 특성을 가지는 반도체 광 증폭기의 제작을 위해 양자 우물층의 두께를 각각 달리하는 불균일 양자 우물의 이득 특성을 조사해 보았고, 또한 장벽층의 두께에 따른 이들 구조의 이득 특성을 조사하였다. 양자 우물층 30, 50, 70, 90의 조합으로 한 경우가 가장 넓은 대역폭과 평탄성을 가짐을 알 수 있다. 이때 3dB 대역폭은 약 170nm 정도이다. 또한 전체적으로 장벽층 두께 100Å의 경우가 장벽층 두께 60Å에 대한 것보다 넓은 대역을 가지는 것을 알 수 있다. 이러한 양자우물 구조의 소자를 제작하여 특성을 조사하였다. P측으로부터 50Å, 50Å, 70Å, 90Å 순으로 배열되어 있는 구조와 반대로 P측으로부터 90Å, 70Å, 50Å, 50Å 순으로 배열되어 있는 구조의 레이저 다이오드를 제작하여 특성을 평가하였다. 레이저 다이오드의 공진기 길이 400㎛에서 임계 전류치는 76㎃, 43㎃ 이고 3dB 대역폭은 각각 50㎚, 57㎚ 로서 일반적인 구조의 40㎚보다는 1.3에서 1.4배정도 넓은 값을 얻었다. 임계 전류치가 20∼30㎃인 일반 릿지형 구조에 비하여 조금 높은 것을 알 수 있는데, 이는 각 양자 우물 두께가 달라서 이득분포가 각각의 층에 분산되어 있기 때문이다.
2. 반도체 광 도파로의 제작
건식식각 기법은 화학적인 습식식각 기법에 비해 많은 장점들을 갖고 있다. 즉 건식식각 기법은 식각된 시료의 균일성과 재현성이 좋을 뿐만 아니라 결정에 거의 영향을 미치지 않으면서 임의 방향으로 미세 패턴들을 식각할 수 있게 한다. 본 연구에서는 ECR CAIBE 장비가 건식식각을 위해 사용되었다. ECR 챔버 안으로 들어가는 CH4와 Ar의 양은 각각 2.5와 4.0 sccm이고 식각할 때 챔버 내의 압력은 0.4 mTorr 이었다. ECR 플라즈마를 얻을 때 사용된 자기장과 마이크로파의 세기는 각각 900 Gauss와 210 Watt이었다. InP 계열의 시료에서 측정된 식각률은 32 ㎚/min이었고 식각면의 거칠기는 약 28 Å이므로 상당히 좋은 광도파로가 얻어졌다. 측정된 삽입손실과 계산된 결합손실 및 Fresnel 반사손실을 이용하여 구한 광도파로의 전파손실은 -2.05 ㏈/㎝ 이었다. Bend에 의해 생기는 복사손실은 곡선 도파로에서 측정된 삽입손실과 직선 도파로의 삽입손실의 차이로부터 얻어졌으며 곡률 반경이 700 ㎛와 1092 ㎛일 때 각각 -1.83 ㏈와 -1.29 ㏈이었다.
3. 다층막 무반사 코팅
본 연구는 반도체 광소자와 광섬유가 결합된 경우의 반도체와 광섬유 경계면의 반사를 줄이기 위한 무반사 박막 기술을 연구 개발하였다. 반도체 광증폭기의 단면으로부터 TiO2와 SiO2 이중층으로 코팅되기 전과 후의 증폭된 자연 방출(ASE) 스펙트럼을 비교하였다. 박막 증착 후 측정 결과 ripple이 매우 적은 ASE 스펙트럼을 얻을 수 있었다. 제작된 광증폭기 단면 반사율은 30 nm 이상의 대역폭을 갖고, 단면 반사율이 2×10-4 정도인 광대역 극저 반사막을 가짐을 Hakki-Paoli방법을 사용하여 알 수 있었다. 본연구에서는 다층막 무반사 코팅의 설계 기술을 광어드미턴스 메칭 어긋남을 도입하여 설계시 계산상의 복잡함을 간단히 했으며, 그예로 사층막 무반사 코팅의 설계를 연구하였다. 그 결과 사층막 무반사 코팅의 최적 조건은 얼마나 정확히 첫번째 층의 굴절률과 두께를 정확히 제어 할 수 있는지에 따라, 그 코팅의 특성이 결정됨을 알았다. 또한 이중층 무반사 코팅을 실제 1.55μm 반도체 레이저 다이오드에 함으로써, 광증폭기의 경우는 이중층 무반사 코팅으로도 충분히 좋은 광증폭기 특성을 만족 시킬 수 있음을 실험으로 구현하였다. 광어드미턴스 메칭 어긋남이 증가 할수록 대역폭이 따라서 증가함을 알 수 있다. 여기서 R<10-5인 영역(파장 가변 외부 공진기 모드 잠김 레이저 다이오드의 사용가능 무반사 반사율)에서 최대 대역폭은 104nm 이다.
4. 반도체 광 증폭기를 기반으로 하는 파장 변환 기술 구현
4-1 XGM 전광 파장 변환
1549 nm의 파장을 가지는 pump 신호는 Tunable LD를 사용하여 생성하였고 probe 신호는 1553.8 nm의 파장을 가지는 DFB (Distributed FeedBack) LD를 사용하였다. 이때 DFB LD에서 생성되는 신호는 파워를 0 dBm으로 고정시킨 후 SOA로 주입시켰다. 그리고 pump 신호도 점차 일정한 간격으로 크기를 변화시켜 SOA로 주입시켰다. 그리고 SOA의 구동 전류를 100 mA로 구동하였을 때 출력 신호의 gain saturation 현상을 볼 수 있었다. 5 GHz의 주파수를 가지는 Mode Lock pulse generator를 사용하여 1549 nm 의 파장을 가지는 RZ (return-to-zero) 형식의 pump 신호를 만들었다. 그리고 DFB (distributed FeedBack) LD를 사용하여 1553.8 nm의 파장을 가지는 probe 신호를 생성하였다. 두 신호를 역방향 (counter-propagation)으로 SOA안으로 주입하여 신호가 역변환된 파장 변환을 구현하였다. pulse가 SOA에 입력되었을 때 출력 신호가 역변조 되나 다시 pulse가 떨어질 때 출력 신호가 다시 회복하는 데는 일정한 시간이 걸린다. 이것은 SOA의 recovery time이 대략 50 ps 정도이기 때문이다.
4-2 XPM 전광 파장 변환
반도체 광증폭기로 구성된 Mach-Zehnder interferometer 의 static characteristics를 측정하고 파장변환 (wavelength conversion)을 구현해 보았다. 한쪽의 SOA 에 광 신호를 주입시켰을 때 SOA의 안에서는 운반자 밀도 (carrier density)의 변화가 생기게 되며 이러한 변화는 굴절률 (refractive index)의 변화를 가져와 결합단에서 위상차에 따른 간섭현상이 생긴다. 사용된 probe 신호의 source는 DFB LD 였고 구동 파장은 1553.8 nm 였다. DFB LD가 생성하는 신호의 파워는 각각 0, -10, -20 dBm로 맞추어 주었다. Tunable LD를 이용하여 1545 nm의 파장을 갖는 pump 신호를 생성하였다. XPM wavelength converter의 probe 신호와 pump 신호에 따른 출력 신호의 static characteristics에 따라 inverting 또는 noninverting 특성을 이용한 파장변환을 얻을 수 있다. 10 Gb/s에서의 정상 상태의 파장 변환을 수행하였다. 펌프 신호를 만들어 주기 위해서 Mode Lock LD가 사용되었으며 파장은 1549 nm 이었다. probe 신호를 생성하기 위해서는 1553.8 nm의 파장을 가지는 DFB LD가 사용되었다. 10Gb/s 의 신호에서는 carrier recovery time 에 의해 입력 신호에 비해 펄스의 선폭이 증가하였다.
4-3. FWM을 이용한 파장 변환
반도체 광증폭기는 이득변조에 의해 FWM 현상이 일어나는데 광증폭이 함께 일어나므로 낮은 입력 신호에 대해서도 FWM 신호를 얻을 수 있다. 반도체 광증폭기의 길이는 매우 작으므로 증폭기 내에서의 분산효과를 무시할 수 있어 FWM 이 일어나기 위한 위상정합의 조건은 불필요하다. 입력 빔은 고정된 주파수의 DFB 레이저와 가변 파장 레이저를 사용하였다. 두 입력광의 파장 차이에 대해 발생하는 FWM 신호광의 세기와 효율을 측정하였다. 100GHz 의 파장 차이에서 약 -10dB 정도의 효율을 얻었다.
4-4. SOA 가 집적된 DFB 레이저의 파장 변환
기존의 파장 변환기는 파장변환 대역이 gain 영역에 따라 제한되는데 반도체 증폭기가 증폭된 DFB 레이저의 경우는 전체적인 gain이 증가되어 파장변환 대역을 충분히 넓힐 수 있다. 1.3 Ith 정도의 DFB LD 의 전류 및 50mA 변조기 전류 인가상태에서 발진파장의 power를 측정?? 급격한 신호 감소를 볼 수 있다. -10dBm 정도의 작은 입??을 확인하였다. Mach-Zehnder 형태의 변조기로 강도 변조하여 2.5GHz 로 변조된 sine 파 광신호를 입력하였을 때 EDFA gain bandwidth 1530 ~ 1560nm 의 입력파장에서 효과적인 파장변환을 확인하였다.
5. 새로운 파장 변환 소자 설계
본 연구에서는 차세대 광 네트워크를 구성하게 될 WDM의 핵심 소자인 파장 가변 레이저 다이오드와 파장 가변기의 구현을 위해 새로운 구조를 제안하였다. 반도체 광 증폭기와 레이저를 측면 결합시킨 구조로서 결합모드 이론과 수정된 TMM을 사용하여 이를 모델링 하였으며 이의 가능성과 우수성을 보였다. 제안된 소자가 기존의 lateral coupled 방식을 사용한 다른 소자들과 다른 것은 한 쪽 cavity를 SOA로 제작함에 있다. 제안된 소자는 한쪽 cavity가 SOA로 설정 되어 있다. 양쪽다 LD로 구성된 lateral coupled laser의 경우는 약 14nm정도의 튜닝 특성을 보여 주었다. 그러나 cavity 1을 SOA로 만든 본 소자는 coupled 된 후에는 넓은 frequency의 range를 갖는다. 이것은 특정 모드에 대한 gian의 차이를 크게 함으로써 위상 비정합도을 높여 튜닝 range를 넓힐 수 있는 것이다. simulation 결과는 cavity2의 바이어스 전류를 조절함으로써 36nm정도의 안정된 tuning 특성을 보여준다. 그리고 side mode suppression을 위해 short current의 전류 조정을 통한 반사면의 위상을 조절하면 약 35dB 정도의 side mode suppression을 얻을 수 있다.
한편 이 소자는 cavity 1을 SOA로 만들었기 때문에 새로운 파장의 신호를 소자내로 입사시키기가 용이하다. λ1으로 입사된 파의 영향으로 cavity2의 λ2로 발진하는 파는 modulation 되어 wavelength converter 구현이 가능하게 되는 것이다. λsignal=1.555μm, I1/I2=40=35mA에 대해 input power에 대한 output power의 동작 특성을 보여준다. -5dBm 이상에서의 동작에선 5dB이상의 Extinction Ratio가 증가됨을 볼 수 있다. 적당한 바이어스 전류와 coupling coefficient을 만족시킨다면 40Gbit 까지는 안정된 동작을 수행함을 볼 수 있었다.
6. optical thyristor를 기반으로 하는 파장 변환 기술 모색
optical thyristor에 일정 전압이 가해진 상태에서 파장λ1이 입사되면 optical thyristor의 기본동작 원리에 의해서 N,P층에 carrier가 유기되어 energy를 얻기 때문에 s-shape이 안쪽으로 들어간다. 이때 낮은 전류 동작점이 높은 전류 동작점으로 이동하면서 높은 전류가 흐르게 되어 소자의 구조에 맞는 파장λ2의 빛을 방출하게 된다.
optical thyristor는 벌크 구조와 다중 양자우물 구조로 MOCVD로 성장하였고 bulk와 MQW의 소자를 제작하였다. 이때 Device length는 각각 300μm 와 350μm이다. 측정된 스위칭 전압과 전류는 벌크에서는 2.11(V), 5.7(mA), MQW에서는 2(V), 0.6(mA)이다. holding 전압과 전류는 벌크에서 1.40(V), 6(mA), MQW에서 1.49(V), 1.2(mA)이다. n과 p층의 두께가 벌크구조가 MQW 구조보다 두껍기 때문에 MQW 구조의 optical thyristor가 벌크 구조보다 스위칭과 holding 전류가 작게 나왔다. 주입되는 전류의 양에 따른 발광세기를 측정한 결과 1.55μm파장에서 전류의 양이 증가함에 따라서 커짐을 알 수 있었다. 빛의 세기에 따른 I-V특성을 측정한 결과 입력되는 빛의 세기가 커짐에 따라서 s-shape이 안쪽으로 들어가는 것을 볼 수 있다. 이러한 광 특성은 광기능 소자로서 응용될 수 있다.
V. 연구개발 결과의 활용계획
1. 광소자 최적 설계
양자 우물 구조의 반도체 광증폭기의 이득 및 편광특성을 분석하고 소자의 목적에 따라 최적화 하기 위해 각종 물질 변수 및 구조 변수를 도입하여 모델링을 수행하였다. 이러한 모델링 방법은 대부분의 반도체 광 소자에 적용할 수 있으며 향후 광원, 검출기, 도파로, 변조기 등 여러 기능의 광소자가 집적된 경우에도 적용이 가능하다.
2. 광소자 제작 및 측정
광소자를 구현하는 기본기술인 도파로 제작에 있어서 ECR 건식식각을 통한 우수한 공정 기술을 확보함으로써 광도파로를 기반으로하는 단일 광소자 뿐만아니라 집적된 광소자 제작을 위한 기반을 확보하여 다기능 집적 광소자의 제작에 활용할 수 있다. 또한 도파로등의 평가 기술을 확보함으로써 집적된 광소자의 결합 특성 및 광 도파 특성을 평가하는데 활용할 수 있다.
3. 3R regeneration
광통신망이 확장 되면서 광 증폭기를 통한 장거리 전송이 가능해졌으나 수반되는 잡음 및 왜곡에 의해 최종단에서 신호 검출에 문제가 생길 수 있다. 이를 극복하기 위하여 선로의 중간 단계에서 신호를 재생하는 3R ( retiming, reamplifying, reshaping ) 의 기술이 요구된다. 이러한 기술에서 반도체 광 증폭기는 증폭기능과 비선형성을 이용한 신호 형태의 조작이 가능하여 핵심 소자로써 주목 받고 있다. 특히 간섭계형으로 집적된 반도체 광 증폭기는 이러한 기능의 소자로 사용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
4. optical cross connection
향후 구축될 전광 통신망에서는 수 Tb/s의 광 신호 전송 및 교환 용량을 요구하게 될 것이며 이는 국내ㅗ외에서 활발히 연구중에 있는 파장분할 다중화(WDM: wavelength division multiplexing) 기술을 기반으로 실현될 것이다. WDM 기술을 기반으로 광통신 망을 구축될 경우 광 신호들을 각 망이나 가입자에게 제공하기 위해서는 파장 다중화/역다중화 기술, 파장 라우터 기술, 가변 파장 변환 기술, 광교환(optical switching) 기술 등의 WDM 광 신호 처리 기술이 필요하다. 따라서 가변 파장 변환 기술은 전광 통신망을 구현하기 위한 WDM 신호들을 각 파장 채널별로 처리할 수 있는 핵심소자의 기능을 하게된다.

Abstract ▼

I. Title
Development of photonic devices to perform wavelength conversion based on Semiconductor optical amplifier
II. Research Objectives
Wavelength conversion, which does not need any conversion process such as electro-optic and opto-electronic conversion is promising technology for ex

I. Title
Development of photonic devices to perform wavelength conversion based on Semiconductor optical amplifier
II. Research Objectives
Wavelength conversion, which does not need any conversion process such as electro-optic and opto-electronic conversion is promising technology for extracting, transmitting and redistributing the information in all range of wavelength. WDM (wavelength division multiplexing) system employing this technology can bring up increased capacity, faster transmission speed and improved flexibility of network into optical communication system. In this research, the wavelength converters that are ultrafast and broad-banded have been studied. Final research objective is to achieve the wavelength converter, which has the conversion speed of 40 Gbps and bandwidth of 20 nm.
III. Contents and scope of research and development
1. design and fabrication of semiconductor optical amplifiers
To indemnify the disadvantages of currently subsisting semiconductor optical amplifier(SOA)s that has polarization dependency and narrow bandwidth, SOA based on quantum well structure is researched. Delta strained quantum well structure is proposed to reduce the polarization dependency below 1dB. Currently developed quantum well structures are capable of wide gain bandwidth. However, gain characteristics are not so stabilized. To eliminate the stabilization matter, quantum well structure employing unequally distributed wells is studied. Also, various characteristics of gain and wavelength, etc. are measured for different well arrangement.
2. fabrication of semiconductor optical waveguide
Dry etching techniques are advantageous in many areas compared to wet etching technique. Dry etching techniques can operate microscopic patterning in any direction with uniformity and reproductivity. Therefore, these techniques are well suited for making optical waveguide in InP-based compound semiconductor, which requires fine patterning. In various dry etching techniques, ECR (electron cyclotron resonance) plasma discharge shows superiority over RF based plasma. ECR produces not only high quality ionization but also independent discharge in far-off from substrate. Thus, this etching technique that makes a sample almost damage-free environment is superb for optical waveguides, which are very sensitive to ionization damage. By using this technique, etching process and essential characteristics for developing InP/InGaAsP typed waveguide are researched. Signal loss of waveguide is calculated from insertion loss such as Fresnel reflection loss and coupling loss from 2-D finite method. Also, bending loss of curved waveguide is obtained from insertion loss occurred in connection of linear and curved waveguides.
3. Anti-reflection coating using multi-layer dielectric films
By cooperating with international co-work partner Tokyo University, coating and process conditions for producing low reflection film of semiconductor optical amplifier with wavelength of 1.55 μm has been obtained. Two-layer anti-reflection coating with reflection rate of 0.01% are obtained by applying TiO2 and SiO2 twice. Also, 4-layer anti-reflection coating technique with improved anti-reflection rate is realized by quadruply coating TiO2 and SiO2. By applying ASE of semiconductor optical amplifier to modified Hakki-Paoli method, low reflection below 0.01% is measured. Also, software for measuring low reflection rate is developed. Anti-reflection coating is the essential technology to realize all-optical wavelength converter.
4. wavelength conversion techniques based on semiconductor optical amplifier
Extinction ratio degradation of the converters should be eliminated to perform high capacity ultrafast optical communication. Here, semiconductor optical amplifier has broad gain bandwidth, high conversion efficiency, and efficient time controlling regarding of proper optical input. Characteristics of semiconductor optical amplifier are studied to obtain the conditions for wavelength conversion. For the wavelength conversion methods, there are cross-gain modulation (XGM), cross-phase modulation (XPM), four wave mixing (FWM), and laser diode embedded semiconductor optical amplifier, etc.
5. newly proposed device for wavelength conversion
By modifying a laterally coupled waveguide proposed by Tokyo University, laterally coupled wavelength converter with laser diode (LD) and semiconductor optical amplifier (SOA) embedded in two ravines are newly proposed. Since LD is included, no optical source is needed to turn on this device. This newly proposed device is expected to be an important factor for opening advanced wavelength conversion technology with capacity of 40 Gbits. By simulation with considering all the parameters expected for real device, wavelength conversion is verified.
6. study on the application of optical thyristor for wavelength conversion
Optical thyristor, the type of detection-regeneration or detection-emission, is one of newly developed optical device with amplification ability. It is composed of three pn junctions (J1, J2, J3). When forward bias is applied, it has nonlinear I-V characteristics of S-shape. Forward blocking, the state of high impedance, means suspension (OFF). Forward conducting, the state of low impedance, means operation (ON: regeneration or light emitting mode) of device. Thus, it is possible to perform the function of multi-functional optical devices such as optical memory and optical hard limiter by arranging RF circuits regarding to many purposes. Also, optical thyristor can function as a wavelength converter since emission occurs at ON state. There are many advantages for this device. First of all, output is stabilized since noninverting transfer characteristics are used. Also, optical thyristor has broad conversion bandwidth, high extinction ratio, and needlessness of probe signal. In this study, the characteristics of the optimized optical thyristor are obtained.
IV. Research Results
1. design and fabrication of semiconductor optical amplifiers
To indemnify the disadvantages of currently subsisting semiconductor optical amplifier(SOA)s that has polarization dependency and narrow bandwidth, SOA based on quantum well structure is researched. Delta strained quantum well structure is proposed to reduce the polarization dependency below 1%. To acquire stabilization of gain characteristics over wide bandwidth, gain characteristics of quantum well structure with different well thickness are studied. After trial and error, quantum well structure with well arrangement of 30, 50, 70, 90 the optimized solution that has the widest bandwidth and stabilized gain characteristics. 3dB bandwidth is about 170 nm for optimized device. The two quantum well structures for well arrangement of 90, 70, 50, 30 and 30, 50, 70, 90 from p side have been fabricated and studied. For LD cavity of 400 ㎛, critical currents are 76㎃ and 43㎃, and 3dB bandwidth are 50㎚, 57㎚. These values are about 1.3 ~ 1.4 times higher than currently studied devices. The reason for higher values are owing to gain distribution over wells with different thickness.
2. fabrication of semiconductor optical waveguide
Dry etching techniques are advantageous in many areas compared to wet etching technique. Dry etching techniques can operate microscopic patterning in any direction with uniformity and reproductivity. Among several dry etching techniques, ECR CAIBE is utilized in this study. CH4 of 2.5 saccm and Ar of 4.0 sccm are injected into ECR chamber with pressure of 0.4 mTorr. Magnetic field and microwave intensity are 900 Gauss and 210 Watt, respectively. A fair optical waveguide with etching rate of 32 ㎚/min and surface roughness of 28 Å is obtained. Total loss considering insertion loss, propagation loss, and Fresnel reflection loss is -2.05 ㏈/㎝. Also, bending losses of -1.83 ㏈ and -1.29 ㏈ are obtained for curve radii of 700 ㎛ and 1092 ㎛, respectively.
3. Anti-reflection coating using multi-layer dielectric films
To minimize the reflection between semiconductor optical device and fiber, anti-reflection coating has been studied. Ripple of ASE after TiO2 and SiO2 coating is much smaller than that before coating. For fabricated semiconductor optical amplifier, surface reflection of 30 nm and reflection rate of 2×10-4 are measured. By using optical admittance mismatching, calculation process is simplified. The optimized calculation process is adopted to design 4-layer antireflection coating. As the simulation results, the most significant factor multi-layer antireflection coating is to control the thickness and refractivity of first layer. By using this simulation result, 2-layer antireflection coating is applied to fabricated 1.55 μm semiconductor laser diode. Maximum bandwidth of 104 nm is measured for a range of R<10-5.
4. wavelength conversion techniques based on semiconductor optical amplifier
4-1 Wavelength conversion by using XGM
To discover an optimized condition of saturation effect in SOA, following experiment is executed. Pump signal with wavelength of 1549 nm and probe signal with 1553.8 nm are generated by Tunable LD and DFB LD, respectively. Power of probe signal is fixed to 0 dBm, and injected into SOA. Power of pump signal is varied to discover the dependency of probe signal and pump signal on SOA. When the operation current of SOA is 100 mA, the saturation effect of SOA is detected. To realize a high speed wavelength conversion, 5 GHz Mode Lock pulse generator is employed to generate RZ format pump signal. For probe signal, the DFB LD with wavelength of 1553.8 nm is utilized. The wavelength conversion is successfully performed in counter-propagation at 10 Gbps.
4-2 Wavelength conversion by using XPM
First of all, static characteristics of XPM are measured. Probe signal (CW) with wavelength of 1553.8 nm generated by DFB LD is injected into XPM wavelength converter with varying pump signal (input) with wavelength of 1549 nm. As the result, output signal with wavelength of 1553.8 nm is obtained. Thus, wavelength conversion at low speed is successfully performed. To know the possibility of wavelength conversion for higher speed, 10 GHz Mode Lock LD is used to generate pump signal with wavelength of 1549 nm. For probe signal, the DFB LD with wavelength of 1553.8 nm is utilized. The wavelength conversion is successfully performed at 10 Gbps. Due to carrier recovery time, the pulse of output signal is broadened.
4-3. Wavelength conversion by using FWM
Since semiconductor optical amplifier has the amplification capability, FWM effect can be obtained under low input signal power. Also, phase matching is unnecessary since dispersion effect can be ignored in semiconductor optical amplifier with short length. Input signals are generated by DFB LD and tunable LD. The intensity and rate of FWM, which occurs owing to wavelength difference of input signals, are measured. Efficiency of -10 dB is measured under the frequency of 100 GHz.
4-4. Wavelength conversion by using SOA-embedded DFB LD
SOA-embedded DFB LD has gain amplification effect that wavelength conversion bandwidth can be extended depending on gain modulation. Under DFB LD current of 50 mA, about 30 dB gain loss is detected at the wavelength range from 1520 nm to 1580 nm. With input power of -10 dBm, switching over 30 dB and 60 nm is measured. Sinusoidal input signal at 2.5 GHz is generated by Mach-Zehnder modulator, and injected into SOA-embedded DFB LD. Wavelength conversion is successfully demonstrated under EDFA gain bandwidth range of 1530 ~ 1560 nm.
5. newly proposed device for wavelength conversion
By modifying a currently existing laterally coupled waveguide , laterally coupled wavelength converter with laser diode (LD) and semiconductor optical amplifier (SOA) embedded in two ravines are newly proposed. The design is modeled and optimized by using couple mode theory and TMM. For the currently existing laterally coupled waveguide, tuning range is limited to about 14 nm. Our optimized design shows the better tuning range of 36 nm by increasing phase destruction. Side mode suppression of 35 dB is obtained by adjusting the phase of reflection surface. Signal with λ1 is injected into cavity 1, which is SOA waveguide. Injected signal experiences coupling effect, and output signal with λ2 from cavity 2 is obtained. By simulation, wavelength conversion up to 40 Gb/s is proved.
6. study on the application of optical thyristor for wavelength conversion
Optical thyristor, the type of detection-regeneration or detection-emission, can work as a wavelength converter by using ON state of s-shape I-V characteristics. Bulk and quantum well structure of optical thyristor are grown by MOCVD, and fabricated. At the wavelength of 1550 nm, light emission intensifies when injected current increases. Also, width of s-shape shrinks as the light emission intensity increases. Characteristics of s-shape can be applied to many optical devices with wavelength conversion ability.
V. Applications of research results
1. Optimization of optical devices
To indemnify the disadvantages of currently subsisting semiconductor optical amplifier(SOA)s that has polarization dependency and narrow bandwidth, SOA based on quantum well structure is modeled. Modeling method in this research can be applied into the complex designs such as optical source, waveguide, and modulator, etc.
2. Fabrication and measurement of optical devices
By investigating and improving ECR dry etching process, not only simple optical device but also integrated multi-function device can be fabricated. Also, complex designs of waveguides can be simulated and fabricated by ensuring advanced measurement technology of various waveguides.
3. 3R regeneration
As optical communication becomes the larger in capacity and the farther in distance, the possibility of signal distortion increases. To overcome this problem, signal regeneration technology of 3R (retiming, reamplifying, reshaping) is required. A semiconductor optical amplifier is a main technology for 3R regeneration since its nonlinearity enables easy signal modulation. Also, many SOA based devices are currently researched for effective signal regeneration.
4. optical cross connection
For near future, capacity of several tens Tb/s is required to meet the increasing demands. To establish the high capacity ultrafast network, WDM (wavelength division multiplexing) system that can bring up increased capacity, faster transmission speed and improved flexibility of network into optical communication system is necessary. Since wavelength conversion is capable of extracting, transmitting and redistributing the information in all range of wavelength, high capacity of information transmission is possible. Therefore, wavelength conversion is the essential technology for optical communication in near future.

목차 Contents

• 제1장 서론
  제2장 국내외 기술개발 현황
  제3장 연구개발수행 내용 및 결과
  제1절 반도체 광 증폭기의 설계
  제2절 반도체 광 증폭기의 제작
  제3절 InP/InGaAsP/InP Ridge 형태의 광도파로 특성
  1. 서론
  2. 실험
  가. 도파로 구조
  나. ECR CAIBE를 이용한 도파로 제작
  다. 광도파로의 모드 특성 측정
  3. 실험결과 및 논의
  4. 결론
  제4절 다층 무반사막 코팅
  1. 서 론
  2. 광학 계수의 결정
  3. 반도체 레이저의 무반사 코팅
  4. 이중층 무반사 코팅의 설계
  5. 이중층 무반사 코팅의 제작 및 평가
  6. 다층 박막의 광어드미턴스 매칭 이론
  7. 사층박막의 최적화 및 안정화 기술
  제5절 반도체 광증폭기를 기반으로 하는 파장변환기술
  1. 서론
  2. XGM 이용한 파장변환
  3. XPM 방식을 이용한 파장변환
  4. 4광파 중첩을 이용한 파장 변환
  5. 반도체 광 증폭기가 집적된 레이저의 파장변환
  제6절 측면 방향성 결합기 방식의 파장 변환 기술
  1. Coupled Optical Waveguides
  2.결합 모드 이론(Coupled mode theory)
  3. Laterally Coupled Active Waveguides
  가. Round-trip matrix
  나 Complex effective reflectivity
  (1) Coupled Cavity with different length
  (2) Coupled Cavity with Electrically Controlled Reflectiviti
  4. 모의 실험 결과
  가. SOA
  나. Fabry perot Laser Diode
  다. Coupled cavity tunable Laser
  라. laterally coupled wavelength converter
  5. 결론
  제7절 Optical thyristor을 이용한 파장변환
  1. 기본 개념
  2. Optical Thyristor
  3. optical thyristor 해석
  4. 실험 결과
  5. DFB DOT
  제4장 연구개발목표 달성도 및 대외기여
  1. 반도체 광 증폭기의 설계 및 제작