A MQW electroabsorption modulator is one of the key elements for high-speed optical communication, because it has merits such as low operating voltage, small size and easy integration with semiconductor devices. However, for high-speed operation, the size of the device should be small, which requires integration with a lossy passive waveguide for handling. In addition, the short device length results in low extinction ratio and poor power handling ability. Recently, there have been many efforts to overcome the resistance-bandwidth limit and a high bandwidth has been achieved using the TWEAM.
In this dissertation, we deal with the characterization and analysis of the microwave properties of TWEAM. This work has been motivated by the attempts to understand the operation of TWEAM as a microwave device as well as an optical one.
Chapter 2 presents the design and fabrication of an EAM. Multiple quantum well structure was designed by simulation. The absorption spectrum of the designed epi-structure was measured by fabricating vertical photo-detectors. Lumped EAM devices were fabricated and characterized.
In Chapter 3, we deal with the fabrication and the measurement of TWEAM. Extinction ratio of 14, 18 and 25 dB at 1.5V reverse voltage was measured for 400, 600 and 800 μm-long devices, respectively. S-parameter measurement was performed for the devices with three types of feeding line and their microwave loss characteristics were compared. The 3 dB frequency of electrical to optical response was observed to be 10.5, 8.1 and 4.6 GHz for 400, 600 and 800 μm-long devices, respectively.
In Chapter 4, the microwave characteristics are analyzed to understand high-frequency response of TWEAM. Slow-wave mode in which TWEAM operates was introduced and the microwave behavior in the mode was shown by approximated equations. For exact analysis of the microwave behavior on the active electrode, de-embedding was done using measured S-parameter data. The calculated characteristic impedance and the propagation constants confirmed the operation of TWEAM in slow-wave mode. The characteristic impedance is between 4 and 10 at the frequencies over 20 GHz. At the frequency over 10 GHz, the attenuation constant and the effective refractive index is about -15 dB/mm and 7, respectively.
Finally, in Chapter 5, we propose a circuit model of TWEAM including both electrical and optical feature for the first time. The absorption was straightforwardly realized using non-linear circuit components. The model was verified by fitting the measured response of the fabricated TWEAM. It was found that the electrical to optical frequency response is limited by the microwave attenuation in the fabricated TWEAM. Using the model electrical to optical frequency response was estimated for various lengths of TWEAM and optical input power. It was observed that with proper impedance matching TWEAM could have better performance than lumped EAM with the same length. The photocurrent effect on the microwave properties such as the characteristic impedance hence on the electrical to optical frequency response was easily simulated using the model. We suggested that a TWEAM with proper impedance matching scheme could operate over 60 GHz even in the velocity -mismatched case. The model can be used in commercially available circuit simulators. Moreover it is applicable to large signal operation with proper model parameter extraction.
이 논문에서는 진행파 전극을 가진 전계흡수형 광변조기 (TWEAM)의 마이크로파 특성 평가 및 분석에 대해서 연구하였다. 단일 소자 및 전계흡수형 광변조기를 설계 제작하여 특성을 평가하고, 마이크로파 특성을 분석하였다. 마이크로파로 구동되는 광소자로서의 TWEAM의 고주파 특성을 이해하기 위해, 광 특성과 마이크로파 특성을 유기적으로 고려한 등가 회로 모델을 새로이 제안하였다.
다중 양자 우물 구조를 계산하여 설계하였다. 설계한 구조의 다중 양자 우물 구조를 포함하는 에피를 성장하여 수직 입사 광수신기(PD) 구조를 제작하고 흡수 스펙트럼을 조사하였다. 여러 번의 흡수 스펙트럼 측정을 통해 1.55 μm 파장에서 최적화된 에피 구조를 성장하고, 그 위에 단일 소자 광변조기를 제작하여 특성을 분석하였다.
진행파 전극을 설계하여 TWEAM을 제작하였다. 400, 600, 800 μm의 TWEAM로부터 각각 1.5 V 바이어스 전압에서 14, 18, 25 dB 의 소광비를 얻었다. 공정상의 용의성과 마이크로파 손실특성을 고려하여 세가지 구조의 피딩 라인(feeding line)을 가지는 TWEAM를 제작하여 특성을 비교 분석하였다. 소신호 주파수 특성을 측정하여 400, 600, 800 μm의 TWEAM로부터 각각 10.5, 8.1, 4.6 GHz의 3dB 주파수를 얻었다. 측정된 고주파 특성을 면밀히 분석하기 위하여, 광도파로 위의 전극 부분의 마이크로파 특성을 디임베딩(De-embedding) 하였다. 디임베딩 한 S파라메터 값으로부터 특성 임피던스와 전파상수를 구하고 슬로우웨이브 모드(slow-wave mode)로 동작함을 보였다.
마지막으로 광특성과 마이크로파 특성 모두를 고려한 TWEAM의 회로모델을 제안하였다. 광 흡수를 회로 성분으로 직접적으로 표현하여 마이크로파 회로 모델에 포함시켰다. 제안된 모델은 제작된 TWEAM의 측정 결과와 비교하여 그 유효성을 입증하였다. 제작된 TWEAM의 고주파 특성을 마이크로파의 전달 손실에 의해 제한됨을 알 수 있었다. 제안된 모델은 기존의 상용화 되어 쓰이는 회로 시뮬레이터에 적용하여 쓰일 수 있으며, 모델 파라메터를 추가 보강하여 대신호 모델로 확장할 수 있다.
모델을 이용하여 여러 가지 길이의 TWEAM 소자의 동작 한계를 계산하였다. 속도 정합이 이루어지지 않은 TWEAM의 경우에도 임피던스 정합을 잘 하면 같은 길이의 단일소자 EAM 보다 나은 고주파 특성을 가짐을 알 수 있었다. 입력광 세기가 큰 경우에서 입력광 세기에 따른 마이크로파 특성을 변화, 또 그로 인한 고주파 특성의 변화를 쉽게 계산하였다.
