There have been substantial interests in the development of 100-Gb/s Ethernet systems for the relief of the ever-increasing data traffic congestion in the local area network (LAN) such as data center, internet exchange server, lab/enterprising network, and data aggregation center. Recently, 100-Gb/s Ethernet standards have been proposed for the transmission of 100-Gb/s Ethernet signals over the long and extended reaches (i.e., 10 km, and 40 km) of single-mode fiber. The transmitters specified in these standards require the use of four 1.3-um light sources operating at 25 Gb/s. In this thesis, we investigate the electroabsorption-modulated laser (EML) and its integrated laser array (i.e., EMLA) which are considered to be one of the most promising candidates for the 100-Gb/s optical transmitters. The results include various research activities performed for the realization of the most competitive EMLAs in terms of the cost, power consumption, and performances.
Firstly, in order to improve the single-mode-yield and achieve the high output efficiency of EML simultaneously, we investigate the effects of the asymmetry in the grating structure on the lasing characteristics of the quarter-wavelength-shifted (QWS) DFB laser (which is widely used as a CW light source in EML). By using the asymmetric coupling coefficient (ACC) grating structure, we show that it is possible to significantly improve both the output efficiency and single-mode stability. In particular, when we fabricate the DFB lasers with the ACC structure and coupling coefficient ratio of 0.55, the output power ratio between the front and rear facets of ~2.5 and the side-mode suppression ratio (SMSR) of >50 dB can be achieved as long as its operating current is limited to be less than ~200 mA.
Secondly, in order to enhance the integration compatibility between the DFB and EAM and the modulation performance (i.e., high extinction ratio and low driving voltage) of this integrated laser, we optimize the integration structures, RF signal lines, and quantum well structure of EAM by analyzing the waveguide structures of individual functional elements, testing the beam propagation between them, performing the EM simulation of each region in EAM, and examining the electro-absorption of EAM, respectively, based on the n-substrate traveling wave (TW)-EAM which can provide a low crosstalk property in packaging and array structure and have high modulation efficiencies. The discrete devices (i.e., DFB laser and EAM) were made and analyzed before fabricating the EML chip. We then perform the re-modeling for improved modulation performances, and fabricate and test single channel TW-EMLs with different channel wavelengths. In these fabricated EMLs, the output power of >10 mW (@I= 100 mA) and 3-dB modulation bandwidth of about 32 GHz (@Vb= -2V) are obtained under the semi-cooled operation (40 °C). The dynamic extinction ratio (ER) is measured to be about 8 dB at the data rate of 25 Gb/s and a clear eye opening is observed after 10-km and 40-km transmissions.
Thirdly, we investigate the effect of the residual output facet reflection on the device performances in the integrated laser in details since the optical light reflected from the output facet can perturb the lasing condition of the DFB laser, which, in turn, leads to the power fluctuation and chirp of the output signal under the modulation. We develop an accurate time-domain transfer-matrix-based laser model and perform the static and large-signal analyses of EML for various devices and operation parameters such as the coupling coefficient, facet reflectivity, and data rate. Through these analyses, we find the device parameters required for the stable operation and discover several distinctive features including the phase conditions of the reflected light (i.e., in-phase, orthogonal, and anti-phase conditions), the influence of the data rate on the power fluctuation and chirp in the EML with non-zero facet reflectivity, and the effect of the damping factor due to the longitudinal spatial hole-burning (LSHB) in the DFB laser for the first time. Experimentally, it is also found that, for the EML chip with a poor AR coated facet, a clear eye-opening is observed only at a certain condition of the bias voltage in the EAM or injection current in the DFB laser.
Fourthly, we develop a simple and cost-effective technique for improving the modulation bandwidth of EML by optimizing the bonding wire. This technique utilizes the RF resonance caused by the EML chip (i.e., junction capacitance) and bonding wire (i.e, wire inductance). We analyze the effects of the lengths of the bonding wires on the frequency responses of EML by using an equivalent circuit model. To verify this analysis, we package a lumped EML chip on the sub-mount and measure its frequency responses. The results show that, by using this technique, the modulation bandwidth of EML can be increased from ~26 GHz to > 40 GHz.
Fifthly, we design, fabricate, and demonstrate a new-type EMLA, which consists of a DFB laser array, monitor photo-diode array, EAM array, spot size converter (SSC) array, and silica-based arrayed waveguide grating (AWG). The fabricated EMLA has the output power of > 5 mW (@ I=120 mA) and the side-mode suppression ratio (SMSR) of >40 dB for all channels in static operation. In addition, the full-width at half maximum (FWHM) of the far-field pattern (FFP) of the output signal is measured to be 14.7° by 17.1°, which is sufficient to achieve the excellent coupling efficiency with the AWG (i.e., ~ 1.5 dB) owing to the SSC. The 3-dB modulation bandwidth of >20 GHz is achieved under the semi-cooled (40 °C) 4-channel operation. The dynamic extinction ratio (ER) is measured to be about 8 dB (@Vb= -1.2 V).
Finally, we implement evaluation (E/V) boards for the EML TOSA and EMLA TOSA. To implement the E/V board for a single-channel EML TOSA, we separate the RF lines and control signals spatially by using a multi-layer structure, and optimize the RF lines by performing the RF simulation for the given structure. The fabricated device has S11 of <-20 dB (@20 GHz) and S21 of <-1 dB (@20 GHz). The E/V board for the 4-channel EMLA TOSA is designed by using four EAM drivers, two dual channel 25-Gb/s CDRs, four DFB drivers, four power monitors, and a TEC driver.
In summary, we report our research activities performed for the realization of the most competitive EMLA in this thesis including the developments of the ACC grating structure, n-substrate TW-EML, theoretical analysis of the effect of the residual facet reflection, simple wire-bonding technique based on the RF resonance, monolithically integrated EMLA together with SSC and mPD, and its evaluation board. We believe that these results could be useful for the development of the cost-effective and power-efficient optical transmitters for the 100-Gb/s Ethernet systems.
광통신망에서 지속적으로 증가하는 트래픽을 해소하기 위해 데이터 센터를 중심으로100 Gb/s 급 이더넷 시스템의 필요성이 대두되고 있다. 이에 맞춰 최근 100 Gb/s 이더넷 신호의 통신을 위한 전송거리 별 표준안들이 제안되었으며, 최대 40 km 까지의 통신을 위해서는 4개의 채널에서 채널 당 25 Gb/s의 변조속도를 가진 광 송신기를 요구한다. 본 논문에서는 이러한 초고속 이더넷 시스템의 표준 광원인 전계 흡수 변조 레이저 (EML)와 이의 단일 집적된 어레이 형태인 EMLA에 대해 연구하였고, 저가격화와 구동 에너지 절감을 도모하기 위해서 소자를 구성하는 각 요소별 구조의 최적 설계와 개선구조에 대한 제안 및 실험적 검증을 수행하였다. 더불어 EML 동작에 대한 정확한 정적 및 동적 모델을 개발하여 동작특성에 대한 물리적인 이해와 해석을 수행하였으며, EMLA를 포함한 패키징 어셈블리와 이를 평가하기 평가 보드에 대한 설계 및 제작을 통해 EMLA 에 대한 연구의 높은 완성도를 추구하였다.
본 논문에서는 우선 EML 내에 CW 광원으로 사용되는 QWS DFB-LD에서 고 수율과 고 출력 효율을 얻기 위해서 회절격자의 비 대칭성이 레이저 특성에 미치는 영향을 검토하였다. 이를 통해 asymmetric coupling coefficient (ACC) QWS DFB-LD에서 높은 단일모드 안정성과 높은 광 출력 효율을 동시에 달성할 수 있음을 이론적으로 확인하였다. 소자 제작 후 결합계수 비가 0.55인 구조에서 단면 출력 비는 2.5배, 주입전류가 200 mA 까지 50 dB 이상의 side mode suppression ratio (SMSR) 을 얻을 수 있었다.
둘째로 DFB-LD와 단일집적이 용이하고, 고속 변조 하에서 우수한 변조 특성을 얻기 위해서 n-기판 traveling wave (TW)-EML 구조를 도출하였다. n-기판 TW-EML은 sub-mount위에 패키징을 할 경우 혹은 다채널 어레이 구현 시 낮은 RF crosstalk을 얻을 수 있고, 고속 변조 시 기생효과가 적기 때문에 고속 동작이 가능한 구조이다. 각 영역별 도파로 구조와 집적 구조, RF 신호선, EAM의 전광효과 등에 대한 해석을 통해 소자 구조를 최적화 하였다. 단일채널 형태의 EML 소자 제작 전에 DFB-LD와 EAM 을 독립적으로 제작한 후 특성을 분석하였고, 분석결과를 통한 재 설계 후 제작된 EML 칩은 semi-cooled operation (40 °C) 하에서 10 mW@I= 100 mA 이상의 높은 광출력을 얻었고, 회절격자 주기조정을 통해 4채널 동작을 확인하였다. 동적 특성으로는 EAM 바이어스 역 전압이 -2 V 이상에서는 약 32 GHz의 3 dB 대역폭을 확인하였고, 25 Gb/s 동작에서 약 8 dB정도의 dynamic ER 을 얻었고, 10 km와 40 km 전송 후에도 clear eye opening을 확인할 수 있었다.
셋째로EML은 개별 기능요소들이 단일 집적된 형태이므로 집적 시 발생하는 성능 저하에 대해 검토하였다. 특히, 고속 변조 시 출력신호의 전송 품질 저하를 막기 위해서 소자 구조 및 구조 변수의 의존성에 대한 해석을 수행하였다. 이를 위해서 개선된 time-dependent TMM을 사용해서 소자를 모델링하고, 소자 구조변수와 변조 속도에 따른 단면 궤환 광의 세기와 위상 변화에 대한 동작 특성을 검토하였다. 단면 반사율 증가에 따른 광 출력 변동과 chirp량 증가 외에 몇 가지 중요한 결과가 확인되었으며, 궤환 광의 위상 조건에 따라 정적 및 동적 특성이 달라지는 결과, 변조 속도가 증가할수록 광 출력 변동과 chirp특성이 증가하고, 주로 1 level 신호의 변동에 영향을 미치는 결과, DFB-LD 의 결합계수 증가에 따른 광 출력 변동의 감소는 LSHB에 의한 damping 증가에 의한 효과라는 점 등은 향후 장거리 초고속 통신용 EML 구현을 위해 중요한 해석결과로 생각된다. 실험적으로는 코팅상태가 좋지 않은 EML 소자의 동적 특성을 측정하였으며, 특정 EAM 바이어스 전압과 DFB 주입전류에서만 clear eye opening이 확인되었다.
넷쩨로 현재 10 Gb/s 급 EML 소자는 이미 기술적으로 성숙한 양산 단계인 점을 감안해서, 변조 대역폭을 소자 밖에서 개선시켜 고속 EML 소자에 적용시키고자 하였다. 이를 위해서 EML을 sub-mount에 장착한 상태에서 변조 대역폭을 넓히는 방법을 도출하였고, 실험적으로 증명하고자 하였다. 사용된 방법은 EML chip의 junction capacitance와 bonding wire의 wire inductance 간에 RF 공진을 이용한 방법이며, EML의 등가 회로모델 해석결과에 의거해서 sub-mount 위에서 lumped EML chip을 패키지 한 뒤 wire-bonding에 의한 효과를 확인하였고, 변조 대역폭이 18 GHz인 소자에 대해서는 28 GHz 로, 26 GHz인 소자에 대해서는 40 GHz이상으로 확장시킬 수 있었다.
다섯째로 단일채널 EML 소자의 구현을 통해 얻어진 결과 및 경험들을 바탕으로 어레이 구현에 있어 요구되는 기능소자들을 포함시켜 새로운 형태의 EMLA를 설계, 제작, 구현하였다.. 제작된 칩에서 측정결과 모든 채널에서 40 dB이상의 SMSR이 얻어졌고, 모든 채널에서 -3 V 의 EAM 전압에서 최소 -18 dB 이상의 static ER 특성이 확인되었다. 광 출력과 SMSR은 모든 채널에서 각각 > 5 mW (7 dB) @ I=120 mA과 40 dB 이상이 얻어졌고, 구현된 SSC의 FFP의 FWHM는 14.7° by 17.1°로 얻어졌으며, TOSA 구조에 적용한 결과 1.5 dB 정도의 광 결합 효율이 확인되었다. 동적 특성으로는 모든 채널에서 20 GHz이상의 3 dB bandwidth를 얻을 수 있었고, 25 Gb/s 변조속도에 대한 출력 신호는 EAM 구동 전압이 -1.2 V에서 약 8 dB의 dynamic ER 특성을 얻을 수 있었다.
마지막으로 단일채널 및 다채널 용 EML TOSA 에 대한 특성 평가를 위해 사용되는 E/V board에 대해 구현하였다. 단일 채널 EML TOSA용 E/V board 설계의 경우는 PCB 구조에 대해 RF signal line과 구동선을 분리하였고, 우수한 RF 특성을 얻기 위해 RF signal line의 전달 특성의 해석결과로부터 소자 구조 변수를 최적화 하였다. 최적화된 구조에 대해 제작 후 양호한 성능 (S11 -23.5 dB@20 GHz, S21 -0.95 dB@20 GHz)을 확인하였으며, 비교적 저 가격인 Rogers 4350 유전 물질로도 25 Gb/s용 E/V board 구현에 손색이 없는 것으로 판단되었다. 4채널 TOSA용 E/V board 는 board내에 4개의 EAM driver, 2개의 25 Gb/s dual channel CDR, 4개의 DFB driver, 4개의 power monitor, 온도 안정화를 위한 TEC driver를 포함하고 있고, RF line의 경우 각 구성요소 별 input 구조, 단면 형태 등에 대한 정보를 바탕으로 설계를 수행하였다.
위에서 요약한 바와 같이 본 연구에서 설계 및 구현된 EMLA는 전송거리에 대해 안정적인 소자성능을 확보할 수 있는 구조를 바탕으로 저가격화와 저전력 소모를 도모하기 위한 일련의 연구개발을 포함하고 있다. 향후 100 Gb/s 이더넷 시장이 본격화 되는 시점까지 공정 안정화를 포함해서 더욱 개선된 성능을 얻기 위한 연구가 지속될 것이며, 본 연구를 통해 제안되거나 해석 및 검증된 내용은 EML 뿐만 아니라 다양한 초고속 소자에 적용될 것으로 판단한다.
