The wavelength-division-multiplexed passive optical network (WDM-PON) is one of the most prom-ising solutions to accommodate the ever-increasing demand for broadband access services. However, it has been considered to be too expensive for the practical deployment mainly due to the wavelength-inventory problem inherent in this network. There have been numerous efforts to solve this problem by utilizing the col-orless light sources such as the tunable laser, spectrum-sliced light source, and reflective semiconductor optical amplifier. Among these light sources, the network based on the tunable laser is conceptually simple and usually provides better performances. However, it is challenging to fabricate cost-effective tunable lasers suit-able for the use in WDM-PON. In this dissertation, a polymer-based tunable external-cavity laser (ECL) capa-ble of operating at 10 Gb/s is proposed and demonstrated. In particular, various issues for implementing such an ECL, including the design considerations for 10-Gb/s operation, mitigation of wavelength chirp for a long-distance transmission over standard single-mode fiber (SSMF), and automated device control method for performance optimization, are investigated.
To overcome the speed limitation and simplify the device structure of the previously-proposed poly-mer-based tunable ECL’s, we develop a directly modulated 10-Gb/s tunable ECL by shortening the cavity length and utilizing a gain medium having a large modulation bandwidth. For this purpose, we determine the maximum cavity length needed for the 10-Gb/s operation by evaluating its frequency responses at various cavity lengths. In this evaluation, we set the lengths of the superluminescent diode (SLD) and polymer Bragg grating reflector (PBR) to be identical to their actual physical lengths (500 μm and 4.3 mm, respectively) and vary only the separation between the SLD and PBR. The results show that the 3-dB modulation bandwidth of this ECL can be increased to >7 GHz when the separation is <1 mm. Thus, to fabricate an ECL operating at 10 Gb/s, it is required to set this separation to be <1 mm. To achieve this objective, we use the butt coupling method instead of using a coupling lens with a very short focal length.
We evaluate the chirp reduction achievable by using the detuned loading effect in the polymer-based tunable ECL capable of operating at 10 Gb/s. In particular, we estimate the achievable linewidth enhance-ment factor (LEF) of this ECL considering the stable operation region increased by the nonlinear gain. The results show that, due to the nonlinear gain, we can detune the lasing mode further away from the nominal detuning limit (i.e., half of the mode spacing) by ~4 GHz for an ECL with a mode spacing of ~30 GHz under the continuous-wave (CW) operating condition. As a result of this additional detuning, the effective LEF is reduced from 1.3 to 0.8, although its material LEF is ~5. However, when we change the operating wavelength of this ECL, the minimum achievable LEF is deteriorated due to the parasitic reflection occurring at the anti-reflection (AR) coated facet. For example, when the optical power reflected at the AR-coated facet is ~5 % of the feedback power from the PBR, the effective LEF is increased from 0.8 to 3.4. To verify these results ex-perimentally, we fabricate a polymer-based tunable ECL and measure its chirp characteristics. For example, we directly modulate this ECL at 10 Gb/s and measure its effective LEF as a function of the detuned frequency. The result shows that we can reduce the effective LEF to ~1 by detuning the operating mode by 18 GHz. This value is slightly larger than the value achievable under the nearly CW operating condition (i.e., 0.8) due to the chirp-induced mode hopping. We also confirm that, by optimizing the detuning condition, this ECL can be used for the transmission of a 10-Gb/s signal over 20 km of SSMF with a power penalty of <2 dB. However, an error-free transmission cannot be achieved at some wavelengths due to the parasitic reflection. To avoid this problem, we find that it is necessary to suppress the parasitic reflection to be <0.1 % of the feedback power from the PBR.
There are many technical problems to implement a polymer-based 10-Gb/s tunable ECL. For exam-ple, since the potential modulation bandwidth of the gain medium sets the fundamental limit on the operating speed of this ECL, it is necessary to maximize it by reducing the parasitic capacitance of the SLD. Thus, we use a high-speed SLD with a ridge waveguide structure. The SLD is integrated with a spot-size converter (SSC) to enhance the coupling to the PBR. We then set the stopband width of the PBR to be ~0.24 nm, which corresponds to the grating length of 3.5 mm. By using this setting, we obtain a moderately reduced modulation bandwidth and a large detuning region. An ECL is implemented simply by butt-coupling the PBR to the SLD. For this purpose, a plate mounting the SLD is UV-cured to the PBR platform. To control the oper-ating wavelength of this ECL precisely, a stable thermal path should be formed between the UV-cured mod-ule and package case. However, due to the low thermal conductivity of the UV-curable epoxy and height difference between the SLD plate and the PBR platform, it is difficult to stabilize both of them thermally. Thus, we use an elastic spacer between the thermo-electric cooler (TEC) and PBR to support the PBR and form a thermal path. In addition, the TEC is controlled by monitoring the temperature by using a thermistor mounted on the PBR platform so that the influence of the ambient change can be reduced by fixing the grating temperature.
We also propose a simple detuning method for the minimum-chirp operation by monitoring the output power from the high-reflection (HR) coated facet. We choose this ‘HR power’ rather than the output power from the polymer Bragg grating reflector (referred to as ‘PBR power’) because the power variation is much larger at the HR-coated facet. In addition, this HR power has a similar trend to the wavelength shift of the lasing mode in the longer wavelength region while sweeping the current applied to the phase control (PC) heater. For this method, we first measure the output power while sweeping the current applied to the PC heater under various conditions. We then identify the optimal values of the grating heater current and the operating temperature from where the minimum peak power is observed in this swept curve. After setting these two val-ues, we can achieve the lowest chirp by detuning the lasing mode to the longer wavelength limit with the PC heater. This is because the in-phase condition between the lights reflected from the PBR and the AR-coated facet is satisfied at the longer wavelength limit while sweeping this PC current. On the other hand, these lights become out-of-phase near the zero detuning, where the HR power is maximized. To verify the effectiveness of this method, we directly modulate the fabricated ECL at 10 Gb/s with an extinction ratio of ~6 dB and evaluate its performance after the transmission over 20 km of SSMF. The results show that we can indeed obtain the minimum power penalty under the conditions set by the proposed detuning method. We also confirm that this method can be integrated with a wavelength-locking algorithm to ensure the minimum-chirp operation at any available wavelength.
In summary, we attempt to realize a polymer-based 10-Gb/s tunable ECL in this dissertation. For this purpose, we first optimize its design through a comprehensive theoretical analysis of SLD, PBR, and the packaging structure. We then implement such a device and evaluate its performances under the optimally detuned condition. We also develop the automated detuning control technique for the minimum-chirp opera-tion of this ECL. We believe that this polymer-based tunable ECL can be utilized as a low-cost light source for providing >10-Gb/s service to each subscriber in the next-generation WDM-PON.
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.
