10-Gb/s급 폴리머 기반 파장 가변 외부 공진기 레이저 = Polymer-based tunable external cavity laser for 10-Gb/s applications

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WDM-PON 기반 광네트워크는 꾸준히 증가하고 있는 광대역 가입자 서비스를 충족시켜 줄 수 있는 유망한 해법 중에 하나이다. 하지만, 필요 파장을 모두 구비해야 하는 한다는 이 네트워크가 본질적으로 가지는 inventory 문제로 인해 실제적인 설치를 위해서는 너무 큰 비용이 든다는 단점을 가지고 있다. 이러한 문제를 파장 가변 광원, 스펙트럼 분할 광원, 그리고 반사형 반도체 광증폭기와 같은 colorless 광원을 이용해 해결하고자 하는 노력이 꾸준히 진행되어 왔다. 이러한 광원 중에, 파장 가변 광원을 이용한 방식은 개념적으로 간단할 뿐만 아니라 우수한 특성을 보일 수 있는 장점을 가지고 있다. 하지만, WDM-PON에 적합한 경제적인 광원을 제작하는 것은 쉽지 않은 일이다. 이 논문에서는, 10-Gb/s급으로 동작 가능한 폴리머 기반의 파장 가변 광원을 제안하고 성능을 증명한다. 특히, 이러한 외부 공진기 레이저를 구현하는데 필요한 10-Gb/s급 동작을 위한 설계상의 고려 사항, 단일 모드 광섬유를 통한 장거리 전송 시의 chirp 저감 문제, 성능 최적화를 위한 자동화된 소자 제어 방법과 같은 소자 구현에 필요한 다양한 문제점들에 대해 논의해 본다. 속도에 대한 제한을 극복하고 이전에 제안되었던 폴리머 기반 파장 가변 외부 공진기 레이저의 구조를 단순화 시키기 위해, 레이저의 공진기 길이를 줄이고 변조 대역폭이 넓은 이득 매질을 사용하여 10-Gb/s급 직접 변조형 파장 가변 레이저를 개발하였다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 10-Gb/s 동작에 적합한 최대 공진기 길이를 다양한 길이에 대해 파장 응답 특성을 평가하여 결정하였다. 이러한 평가에서, 수퍼루미네슨트 다이오드의 길이와 폴리머 브래그 그레이팅 반사경(PBR)의 길이는 그들의 실제 길이인 500 um와 4.3mm를 사용하였으며, 이 두 부품 사이의 거리를 변화시켜 가면서 계산하였다. 이를 통해 이들 사이의 거리가 1mm 이하가 되어야만 7 GHz 이상의 변조 대역폭을 가질 수 있는 것을 확인하였다. 따라서, 10-Gb/s급 동작이 가능한 소자 구현을 위해서 매우 짧은 광결합 거리를 갖는 광학계 대신 버트 결합 방식의 광결합 방식을 사용하였다. 우리는 폴리머 기반 파장 가변 외부 공진기 레이저에서 디튠드 로딩 효과에 의해 도달 가능한 chirp 저감 범위에 대해 평가해 보았다. 특히, 비선형 이득에 의한 모드의 안정적 동작 영역의 변화를 고려한 선폭 향상 계수(LEF)의 변화를 예측해 보았다. 비선형 이득에 의해 연속파 동작 시 일반적으로 예측되는 모드 간격 30 GHz의 절반을 넘어 4 GHz 정도 더 장파장으로 모드가 디튜닝 되는 결과를 얻을 수 있었다. 이러한 추가적인 디튜닝을 통해, 물질의 LEF가 5인 매질에서 유효 LEF의 값은 1.3에서 0.8까지 감소되는 것을 알 수 있었다. 하지만, 우리가 동작 파장을 변화시켜 주면 도달 가능한 최소 LEF는 저반사 코팅면에서의 기생 반사에 의한 영향으로 악화된다. 예를 들어, 저반사 코팅면에서 반사되어 들어 오는 광의 비율이 PBR을 통해 반사되어 들어 오는 광의 5% 수준일 때, 최소 도달 가능한 LEF는 0.8에서 3.4로 증가된다. 이러한 결과를 실험적으로 증명하기 위해, 우리는 폴리머 기반의 파장 가변 ECL을 제작하고 특성을 측정하였다. 예를 들어, 우리가 10-Gb/s로 직접 변조하고 유효 LEF를 디튜닝 파장의 함수로 측정할 경우, 중심으로부터 18 GHz 디튜닝에 의해 유효 LEF 1정도의 값을 얻을 수 있다. 이 값은 연속파 동작 시에 비해 더 커진 것으로 이는 안정적 동작 영역의 한계에 존재하던 모드가 대신호 변조에 의한 chirp에 기인한 모드 호핑 발생으로 이 범위를 벗어나게 되어 결과적으로 안정적 동작 영역이 줄어들었기 때문이다. 우리는 이러한 결과를 바탕으로 디튜닝 조건을 최적화 하여 변조 속도 10-Gb/s에서 20 km 단일 모드 광섬유 전송 시 2 dB 이하의 파워 페널티를 얻었다. 하지만, 이러한 전송 특성은 다른 파장에서는 달성할 수 없었는데, 이는 기생 반사에 의한 영향이다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는, 기생 반사에 의한 비율을 0.1 % 이하로 줄여야 함을 알 수 있었다. 10-Gb/s급 파장 가변 외부공진기 레이저를 구현하기 위해서는, 기술적으로 극복해야 하는 문제들이 많이 있다. 예를 들어, 이득 매질의 잠재적인 변조 대역폭은 이 소자가 낼 수 있는 기본적인 대역폭을 결정하기 때문에 SLD의 기생 반사율을 최소화 시켜 대역폭을 최대로 끌어 올리는 것이 필요하다. 따라서, 우리는 ridge 도파로 구조의 고속 SLD를 사용하였다. SLD는 PBR과의 광결합을 좋게 하기 위해 모드 변환기가 집적되어 있다. PBR은 반사율 대역폭을 0.24 nm로 만들어 주기 위해 3.5 mm로 고정하였다. 이를 통해, 외부 공진기 레이저 형성 시 변조 대역폭 감소가 최소화된 소자를 얻을 수 있었다. 외부 공진기 레이저는 버트 결합 방식에 의해 제작되었다. 이를 위해, SLD를 실리콘 블락에 실장하고 PBR이 형성된 실리콘 기판에 UV cure 방식에 의해 결합시켰다. 이 소자의 동작 파장을 정확히 제어하기 위해서는, 열전단 경로가 UV cure된 모듈과 패키지 케이스 사이에 안정적으로 확보가 되어야 한다. 하지만, UV 에폭시의 낮은 열전달 계수와 두 실리콘 기판 사이의 높이 차이로 열적으로 안정화 시키는 것은 쉽지 않다. 따라서, 열전도도가 좋으면서 탄성이 있는 스페이서를 열전 소자와 PBR이 형성되어 있는 기판 사이에 위치시킴으로써 이를 극복하였다. 또한, 열전 소자는 PBR 상에 위치한 thermistor를 이용해 제어해 줌으로써 외부 기온 변화에 의한 소자의 동작 파장 변화를 최소화 하였다. 우리는 또한 고반사 코팅면을 통한 출력 파워 모니터링을 통해 최소 chirp 동작을 달성할 수 있도록 레이징 모드를 디튜닝해 주는 방법을 제안한다. 이러한 모니터링용으로 PBR을 통한 출력 파워 대신 고반사 코팅면을 통한 파워를 선택하였는데, 이는 디튜닝에 따른 파워의 변화량이 훨씬 크기 때문이다. 또한, 장파장쪽 안정적 동작 영역의 한계에서 위상 제어부 히터 전류의 변화에 따른 모드의 파장과도 단조 변화 양상을 보이기 때문에 적합한 모니터 신호로 사용할 수 있다. 이 방법을 위해, 우리는 우선 여러 조건에서 위상 제어부 전류 스윕에 따른 출력 파워의 변화를 측정하였다. 이를 통해 최적의 그레이팅 히터 전류와 모듈 온도는 위상 제어부 전류 스윕 시의 최대값이 최소로 나타나는 조건으로 결정할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 이 두 값을 결정한 후, 위상 제어부 전류를 이용해 레이징 모드를 장파장 한계로 보내 최소 chirp 조건에서 소자를 동작시키게 된다. 이러한 제어 방법이 가능한 이유는 위상 제어부 전류 스윕 시에 출력 파워의 최대값을 나타내게 되는 디튜닝 파장 0에서 PBR에서 반사된 광과 저반사 코팅면에서 반사된 광이 out-of-phase로 만나게 되어 최소의 출력 파워를 나타내지만, 위상 제어부 전류 변화에 따라 이 조건하에서 장파장 한계로 모드가 이동될 경우 180도 위상 변화가 일어나 in-phase로 만나게 되어 최적의 chirp 상태를 나타낼 수 있게 되기 때문이다. 이러한 방법의 유효성을 확인하기 위해, 10-Gb/s의 속도에 소광비 6 dB를 갖도록 해준 광신호를 20 km 전송하고 이의 성능을 평가하였다. 실험을 통해 제안된 방법을 사용할 경우 실제 최소 파워 페널티 조건에서 동작을 하게 되는 것을 확인하였다. 한편 최소 chirp 조건의 파장 의존성을 확인하여 이러한 최소 chirp 조건 설정 방법은 파장 가변 광원의 파장 잠금 알고리즘과 결합해 사용 가능함을 확인하였다. 요약하면, 우리는 이 논문에서 폴리머 기반의 10-Gb/s급 파장 가변 광원을 구현하고자 하였다. 이를 위해, 우선 이론적인 분석을 종합적으로 시행하여 SLD, PBR, 그리고 패키지 구조의 설계를 최적화 하였다. 그리고 이러한 각 부품을 구현하고 최적화된 디튜닝 조건에서 성능을 평가하였다. 우리는 또한 최소 chirp 동작이 될 수 있도록 자동화된 디튜닝 제어 방법을 개발하였다. 이를 통해, 우리는 폴리머 기반 파장 가변 외부 공진기 레이저가 차세대 WDM-PON에서 10 Gb/s급 이상의 서비스를 제공할 수 있는 유력한 광원이 될 것으로 생각한다.
Advisors
정윤철researcherChung, Yun-Churresearcher
Description
한국과학기술원 :전기및전자공학부,
Publisher
한국과학기술원
Issue Date
2016
Identifier
325007
Language
kor
Description

학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 전기및전자공학부, 2016.2 ,[x, 135 p. :]

Keywords

안정적 동작 영역; 바이스태빌리티; 파장 가변 레이저; 디튠드 로딩 효과; 변조 대역폭; 선폭 향상 계수; Polymer Bragg grating reflector; superluminescent diode; external cavity laser; nonlinear gain; stable operation region; bistability; tunable laser; detuned loading effect; modulation bandwidth; linewidth enhancement factor; 폴리머 브래그 그레이팅 반사경; 수퍼루미네슨트 다이오드; 외부 공진기 레이저; 비선형 이득

URI
http://hdl.handle.net/10203/222359
Link
http://library.kaist.ac.kr/search/detail/view.do?bibCtrlNo=648268&flag=dissertation
Appears in Collection
EE-Theses_Ph.D.(박사논문)
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