반도체 레이저의 직접 변조를 이용한 광전 발진기 개발 :Development of optoelectronic oscillator using directly-modulated semiconductor laser

조준형

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자료유형: 학위논문

저자정보: 조준형 (홍익대학교, 홍익대학교 대학원)

지도교수: 성혁기

발행연도: 2018

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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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반도체 레이저의 직접 변조(direct modulation)를 이용한 광전 발진기(optoelectronic oscillator, OEO)의 이론 분석 및 성능을 향상시키는 연구를 수행하였다. 다양한 구조의 발진기 중에서 루프 구조 내의 신호 전달을 이용한 발진기는 닫힌 루프 구조 내에서 얻어지는 신호의 공진 현상을 이용한 고성능 정현파 신호 발진기로서 저위상 잡음을 얻기 위해서는 큰 값의 루프 내 신호 지연 시간을 필요로 한다. 광전 발진기는 루프 내 신호의 지연시간을 극대화하고, 동시에 신호 진행시 발생할 수 있는 손실을 극소화할 수 있는 전달 매체로써 광섬유(optical fiber)를 발진기 루프에 적용하여 극저 위상잡음 발진 신호를 생성하는 기술이다. 이 때, 광전 발진기가 작동하기 위해서는 발진 루프를 구성하는 광섬유를 통해 진행되는 광신호가 변조되어야 한다. 기존의 광전 발진기는 광원과 별개로 독립적인 광변조기를 이용하여 광신호를 변조하는 외부 광 변조 방식을 채택하고 있다. 외부 광 변조 기술을 이용한 광전 발진기는 시스템의 크기와 효율, 변조기 및 관련 구동 회로의 복잡성, 경제성 등의 문제를 가지고 있어 광전 발진기가 실제로 적용되는데 제한적일 수 밖에 없다. 본 연구에서는 외부 광변조기를 이용한 광전 발진기의 문제점을 해결하기위해, 광원인 반도체 레이저를 직접 변조하여 광전 발진기를 구현한 직접 변조 광전 발진기(directly-modulated optoelectronic oscillator, DM-OEO)를 제안하고 이에 대한 이론을 정립하고 실험 구현을 하였다. 또한 직접 변조 광전 발진기의 성능 향상을 위해 1)광전 발진기 출력 신호에 수반하는 부모드(spurious modes) 억제 기술 및 2)발진기 전력 소모 및 잡음 감소를 위한 전/광 변조 효율 향상 기술을 제안, 실현하였다. 부모드는 수십 kHz 간격으로 발생하는 원치않는 출력 신호로 주신호 주변에 아주 좁은 간격으로 발생하므로 일반적인 전기적 대역 통과 필터로는 필터링 할 수 없다. 이를 억제하기 위해 직접 변조 광전 발진기에 지연 시간이 서로 다른 이중 루프를 결합한 이중 루프 광전 발진기 (dual-loop OEO, DOEO)를 제안하고 이에 대한 이중 루프 구조에 대한 분석 이론과 실험을 정립/수행하였다. 전/광 변조 효율 향상을 위해서는 광 주입 잠금(optical injection locking, OIL) 레이저를 이용한 광전 발진기를 제안, 개발하였다. 광주입 잡금 레이저는 두 개의 동일한 레이저에서 발생한 광신호 상호 작용을 이용하는 구조로써 이를 이용하면 광신호의 chirp감소, relaxation oscillation frequency 증가, 변조 속도/효율 향상, 그리고 상대 강도 잡음(relative intensity noise, RIN)향상 등의 다양한 장점을 실현할 수 있다. 본 연구에서는 광주입 잠금을 이중 루프 구조의 직접 변조 광전 발진기에 이용하여 광전 변환 효율 향상, 부모드 억제 향상을 동시에 실현하였다.
고성능 초저잡음 발진 신호 기술은 광대역 통신, 초정밀 전자 회로, 바이오 센서 및 이미징, 우주/군사 통신, 라이다 등 다양한 분야를 가지고 있으며, 본 연구를 통해 실현된 직접 변조 광전 발진기술은 광전 발진기 기술이 다양한 분야에 넓고, 빠르게 적용될 수 있게 할 것이다.

I performed a theoretical analysis and experimental investigation of a directly-modulated optoelectronic oscillator (DM-OEO) to achieve an oscillation signal performance improvement using a simple modulation configuration. A loop-type oscillator utilizes resonance in the closed-loop to realize low phase noise signal, which is attained by a long loop delay. Among various types of loop oscillators, OEO uses silica optical fiber as a transmission media. The OEO technique has been found to be very effective to achieve ultra-low phase noise oscillation signal because the optical fiber can provide a larger loop-delay time as well as lower transmission loss through the oscillator loop compared with other transmission media such as electrical transmission lines and waveguides. In the OEO, optical requires to be modulated to generate micro/millimeter oscillation signal. In conventional OEOs, an optical signal from a laser source is modulated by an external modulator, which is physically separated device from a laser. The externally-modulated OEO (EM-OEO) exhibits several drawbacks such as a large footprint, low efficiency, and high complexity and price. In this research, I propose a directly-modulated OEO (DM-OEO) to overcome the drawbacks and perform a theoretical/experimental research on the DM-OEO. I achieved two major performance improves on the DM-OEO; 1) spurious tones reduction near the oscillation signal, 2) electric-to-optical conversion efficiency improvements. The spurious tones are unwanted modes located near the target oscillation signal and hardly removed by electrical/optical filters because of the close interval of ~kHz between the modes. To suppress the spurious tones, I performed a first theoretical analysis and experimental demonstration on the directly-modulated dual-loop OEO (DM-DOEO). To improve the electric-to-optical conversion efficiency, I applied an optically injection-locked (OIL) laser in the OEO loop as an optical source. The OIL laser is composed by a two lasers sources. The light from the one laser source interacts with the other laser light in cavity of the other laser. The light by the interactions which are carefully controlled by light injection conditions (power and frequency) exbibits various advantage over a free-running laser such as chirp reduction, relaxation oscillation frequency improvement, modulation bandwidth/efficiency improvements, relative intensity noise reduction. Using the OIL laser in the DM-DOEO, I successfully achieved a high performance of 10-GHz band oscillation signal with an ultra-low phase noise, high modulation efficiency and spur-free operation.
The DM-OEO technique with a high performance and simple configuration can be widely applied to a various application such as a broadband communication, high-speed electric/optical integrated circuits, bio sensors/image, space/military communications and lidar.

I. 서론 １
A. 반도체 레이저의 직접 변조와 광 주입 잠금 현상 １
１) 직접 변조 반도체 레이저와 광 주입 잠금 현상 １
B. 광전 발진기 ９
１) 발진기 9
２) 표준형 OEO와 역사 그리고 DM-OEO의 필요성 13
C. 연구 개요 １９
１) 반도체 레이저의 직접 변조를 이용한 광전 발진기 19
２) 광 주입 상태에서 반도체 레이저의 직접 변조를 이용한 광 위상 변조 21
II. 반도체 레이저의 직접 변조를 이용한 광전 발진기 개발 23
A. 반도체 레이저의 직접 변조를 이용한 광전 발진기의 이론 23
１) 서론 23
２) 원리 25
３) 해석과 토론 28
４) 요약 38
B. 광 간섭에 근거한 광학적으로 결합된 이중 루프 광전 발진기의 성능 최적화 40
１) 서론 40
２) 원리 43
３) 이론 해석 46
４) 수치 해석 결과 52
５) 요약 58
C. 이중 루프의 이중 변조를 이용한 광전 발진기 60
１) 서론 60
２) 동작 원리 61
３) 실험 구조와 결과 63
４) 요약 70
D. 루프 이득 조절을 이용한 spurious tone과 위상잡음을 동시에 향상시킨 광전 발진기 71
１) 서론 71
２) 동작 72
３) 이론과 실험 결과 75
４) 요약 81
E. 이중 섹션 DFB 레이저의 직접 변조를 이용한 광전 발진기 82
１) 서론 82
２) 원리와 동작 83
３) 실험 결과 85
４) 요약 91
III. 광 주입 잠금 상태 하에서 레이저의 직접 변조를 이용한 광 복소 신호 생성 92
A. 직렬 연결된 광 주입 잠금 레이저를 이용한 위상 변조 범위 향상 92
１) 서론 92
２) 원리 94
３) 수치 해석 97
４) 요약 105
B. 직접 변조된 OIL 레이저에서 발생한 진폭-위상 변조 신호에서 위상 변화량을 추출하는 방법 108
１) 서론 108
2) 동작 원리 109
３) 이론 113
４) 수치 해석 결과 118
５) 요약 123
IV. 결론 124
참고문헌 128
ABSTRACT 144
Acknowledgements 147

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