반도체 레이저의 직접 변조를 이용한 광전 발진기 구현 :Optoelectronic oscillators using a directly-modulated semiconductor laser

조준형

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자료유형: 학위논문

저자정보: 조준형 (홍익대학교, 홍익대학교 대학원)

지도교수: 성혁기

발행연도: 2013

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2018

반도체 레이저의 직접 변조를 이용한 광전 발진기 개발

조준형 전자정보통신공학과 2018.01 학위논문

2014

레이저 직접 변조를 이용한 광전 발진기의 성능 분석

조준형 , 허서원 , 성혁기 한국정보통신학회논문지 2014.08 학술저널

2013

반도체 레이저의 직접 변조를 이용한 광전 발진기 구현

조준형 전자정보통신공학과 2013.01 학위논문

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본 논문에서는 반도체 레이저 직접 변조를 이용한 광전 발진기(Optoelectronic oscillators, OEO)의 성능 향상 및 구조 개선에 대한 연구를 수행하였다. 광전 발진기란 광 신호 에너지와 전기적 신호 에너지의 교환을 통해 고품질의 발진 신호를 얻는 기술로, 높은 주파수의 낮은 위상잡음을 가진 발진 신호를 생성할 수 있다. 더불어 전기적/ 광학적 시스템에 다양하게 적용될 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그럼에도 불구하고 레이저와 외부 변조기를 사용하는 전통적인 구조의 광전 발진기에 대해서 다음과 같은 단점들 또한 존재한다. 1) 광 신호와 전기적 신호의 상호 변환 과정에서 발생하는 손실을 보상하여 발진 신호를 얻어야 하므로 발진 루프 내에 높은 이득(일반적으로 > 60dB)을 제공하여야 한다. 2) 낮은 위상 잡음을 얻기 위해 광 발진 루프 내에 긴 길이의 광섬유(일반적으로 수 km 이상)를 사용하여야 하므로 좁은 주파수 간격으로 형성된 수많은 부 모드들이 발생한다. 3)광전 발진기 구현을 위해서는 레이저 및 광변조기가 필요하므로 광전 발진기의 구조가 비교적 복잡하다. 본 논문에서는 아래의 두 가지 접근법을 통해 광전 발진기의 단점들을 극복하고자 하였다.
첫 번째로 루프의 발진 이득 향상과 부 모드 억제를 동시에 개선하기 위하여 강한 광 주입 잠금 상태의 반도체 레이저의 직접변조와 이중 광 발진 루프 구조를 이용한 15 GHz 대역의 광전 발진기를 개발하였다. 이를 통하여 발진 루프의 필요 이득을 기존의 전통적인 구조에 비하여 30 dB 이상 낮출 수 있었으며, 원치 않는 부 모드 발진 신호를 70 dB 이상 억제시킨 발진기를 개발하였다.
두 번째 방법으로 위의 첫 번째 접근법에 의한 발진기 구조의 복잡성을 개선하기 위하여, 광 주입 레이저 두 개를 사용하는 구조 대신 이중 전극을 가진 하나의 반도체 레이저를 이용하여 광전 발진기를 구성하였다. 이를 통해 성능의 열화 없이 보다 단순화된 구조의 저전력 광전발진기를 구현하였으며, 결과로 8 GHz 대역의 ?108 dBc/Hz(오프셋 주파수 5 kHz)의 위상 잡음을 가진 발진 신호를 얻었다.
위의 두 가지 접근법을 통하여 개발된 광전 발진기는 광전 발진 신호 생성 및 이를 응용한 시스템 구현시 소자 및 시스템의 제한 요소를 극복할 수 있으며, 다양한 시스템에 적용 가능하므로 주파수 표준, 광/바이오 신호 처리, 광/RF 융합 시스템 등에 다양한 분야에 이용될 수 있다.

We performed a research on optoelectronic oscillators (OEOs) using directly-modulated semiconductor lasers with enhanced performance and simple configuration. OEOs, which generate pure RF/millimeter wave signals by converting optical energy into electrical energy, have attracted much attention owing to their low phase noise, superior performance at high frequency, and versatility in both RF and photonics applications. However, conventional OEOs using continuous-wave (CW) lasers and external modulators have several potential drawbacks: 1) High loop gain (typically up to ~60 dB) is necessary to compensate for the optical-to-electrical and electrical-to-optical conversion loss in the feedback loop, 2) Spurious tones produced by the long fiber loop necessitate the use of an high-Q electrical bandpass filter, 3) Several discrete optical components such as CW lasers and external modulators complicate the design of an OEO and limit its applications. In this dissertation, we proposed and developed an OEO with improved gain and noise performance as well as a simpler structure.
First, we developed an OEO operating at 15-GHz range using a direct modulation of injection-locked semiconductor lasers and dual optical loop. We achieved about 30-dB reduction in loop gain requirements and 70-dB reduction of spurious tones.
Second, we simplified the OEO structure without sacrificing its frequency and phase noise performance. The simple structure of OEO is configured by an single semiconductor laser with two-separate electrodes instead of using two discrete semiconductor lasers. By applying the optical self-pulsation in a semiconductor laser with two-separate electrodes, we achieved a 8-GHz OEO with a phase noise of ?108dBc/Hz(at 5-kHz offset frequency).
The proposed OEO system using direct-modulation of semiconductor lasers can overcome the challenges of OEO (loop gain requirement, spurious tones reduction and simple configuration) could greatly increase the practicality of OEOs in a wider range of RF and photonics applications such as frequency standards, optical/bio signal processing and photonic/RF convergences systems.

제 1 장 서 론 1
제 2 장 배경 이론 11
2.1 발진기 11
2.1.1 소개 11
2.1.2 위상 잡음 13
2.2 광전 발진기 16
2.2.1 소개 16
2.2.2 발진 이득 19
2.2.3 높은 Q 계수에 의한 협 대역 통과 필터링 20
2.3 요약 23
제 3 장 광 주입 상태의 레이저 직접 변조와 이중 루프 구성을 이용한 광선 발진기 24
3.1 직접 변조 방식 구성에 따른 광전 발진기의 효율 비교 실험 24
3.2 직접 변조와 이중 루프를 이용한 광전 발진기 실험 31
3.2.1 이중 루프 구성 31
3.2.2 광전 발진 실험 구성 33
3.2.3 실험 결과 37
3.3 요약 42
제 4 장 집적화된 이중 구조 반도체의 직접 변조를 적용한 광전 발전기 43
4.1 집적화된 이중 구조 레이저 반도체와 자기 발진 43
4.2 광전 발진기 구성 및 실험 50
4.2.1 단일 루프 광전 발진 실험 구성 50
4.2.2 단일 루프 광전 발진기 실험 결과 54
4.2.3 이중 루프를 이용한 광전 발진 실험 및 결과 61
4.3 요약 68
제 5 장 결론 및 향후 연구 69
5.1 결론 69
5.2 향후 연구 과제 72
참고문헌 73
ABSTRACT 78

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