This thesis demonstrates novel optical logic operations with symmetric self electro-optic effect devices (S-SEEDs), and discusses the physics related to the optical logic operations and studies the feasibility of a novel optical information and processing system. Using an impulse photocurrent response function one can theoretically derive the minimum switching energy for various S-SEED structures. This approach provides a way to determine the optimum structure for the implementation of the devices such as a low drive-voltage, high operation power, device electrical parameters (resistance, inductance and capacitance) and simple device geometry. An impedance-matched asymmetric Fabry-Perot SEED with high power performance is investigated in terms of absorption saturation and ohmic heating problem. Although the operation power is one of the key parameters, the signal properties are degraded mainly by thermal and saturation effect. In order to lessen the problem, the most important condition was to reduce the drive-voltage. However, other parameters such as the signal difference, the contrast ratio, and the operation power have to be improved in terms of bit rate and noise characteristics for a practical switching scheme of various device structures.
Utilizing multiple shallow quantum wells (MSQWs) instead of conventional MQWs structures improved the performance of the devices and exploited the fast sweep-out time and high absorption saturation power. A pin diode with stacked structure was constructed and the device showed optimized electric field swing and reduced driving voltage. This structure also showed a low switching energy and reduced thermal problem while maintaining signal properties, which are comparable with other conventional devices. We also employed the asymmetric Fabry-Perot (AFP) cavity in the stacked pin-structure to obtain a sufficiently large contrast ratio
comparable to that of the conventional pin-structure. A new device scheme without an external bias voltage was explored to overcome some serious problems in conventional devices such as high drive voltage, thermal problem and complex metal lines. Adapting the stacked pin diode and the AFP structure provided a considerable improvement of the device performances comparable with other SEED devices. Although the AFP structure was best adapted on the device performance (low capacitance, high contrast ratio), there was further exploitation for epitaxy uniformity through the growth technology.
Also, the self-oscillator using the MSQWs pin diode has been studied under the illumination of a high power laser. The oscillation mechanism was understood by both intrinsic and extrinsic behaviors of the electrical circuit and electrostatic feedback effect. Our findings are very useful because of large amplitude optical oscillations in phase with the electrical oscillations and a wide tunnability of the oscillations frequency, which can be controlled by either the electrical bias or the laser power. Furthermore, we demonstrated the all-optical scheme of a self-oscillator with dual optical inputs and the inverted optical outputs. We believe that the self-oscillator will be useful in the application of wavelength conversion and optical regeneration.
We finally considered a free-space optical digital packet switching scheme based on S-SEED. In this scheme, optical packets of constant length are self-routing and no conversion of optical signal to electric signal is necessary. At the same time, there is no need of intelligent switch controllers. The packets are self-routing while sacrificing an address bit at each 1 × 2 switching node. Analyzing the detailed mechanism, we find that the non-biased S-SEED with an asymmetric Fabry-Perot optical cavity is most suitable for its large signal margin, low noise characteristics, simple structure, low thermal dissipation and low switching energy.
광 신호처리 기술은 기존의 전자식 처리 기술에 비해 대용량 정보 /신호처리를 가능케 하여 차세대 정보통신의 핵심기술로서 지난 수 십년 간 활발이 연구되어 왔으며, 광 병렬 신호처리를 위한 광 공간 스위치는 고속성 및 병렬성의 특징으로 차세대 광 정보/신호 처리의 핵심소자의 한 분야로 떠오르고 있다. 대표적으로 성숙된 반도체 에피탁시 성장기술과 공정기술을 바탕으로 하는 화합물 반도체를 이용한 광 논리 및 신호처리소자가 크게 연구되고 있다. 특히, 화합물 반도체 다중양자우물구조의 비선형 전기-광 흡수를 이용한 수직 구조형 광 소자는 입력 신호광에 대하여 전기적으로는 부저항 특성을 가지며, 전자식 신호처리소자의 기능을 광학적으로 모두 가능케 한 대표적인 광 소자이며, 기능적으로 전자식 소자가 구현하기 어려운 대용량 고집적의 입/출력을 광 병렬로 가능케 할 수 있다.
본 연구에서는 기존의 외부 전압 인가형 광 논리소자의 단점을 개선하고자 외부에서 전압 없이 작동하는 새로운 동작구도를 갖는 광 소자 및 동작특성, 또한 부저항 (negative differential resistance) 특성에 의한 자체 진동효과를 이용한 전기-광학 진동소자의 물리적 특o}o} 및 응용에 대하여 연구하였으며, 이러한 광 소자를 이용한 병렬 스위칭 구도를 제안하여 활용 가능성 들에 대하여 검증하고자 하였다.
일반적인 광 스위칭 구도에서 요구되는 광 스위치 소자는 구도에서 효율적인 동작을 수행하기 위해서, 낮은 스위칭 에너지, 간단한 스위칭 구도, 열적 안정성, 높은 신호 특성 등이 요구되고 있다. 그러나 기존에 이용되는 깊은 우물 다중양자우물 구조는 높은 광 흡수 효율에 비하여, 높은 광신호 획득을 위한 전계가 크게 요구되어 동작전압이 높을 뿐만 아니라, 광 흡수 층에서의 여기자의 transit 시간이 길어 스위칭 속도를 떨어뜨릴 뿐만 아니라, 광 재생 및 증폭을 위한 클락 광의 세기가 높을 경우 광 흡수-포화 (absorption saturation) 효과 및 높은 광 전류와 큰 동작전압과 관계된 오믹 열원 (ohmic-heating)에 의한 광 소자의 열적 성능 감퇴 (thermal degradation) 효과를 일으킨다. 이를 극복하기위한 방법으로 물질 측면에서 낮은 장벽을 갖는 얕은 우물구조의 다중양자우물이 빠른 여기자 transit 시간 및 높은 광 흡수-포화 특성, 그리고 이와 관련된 낮은 전압변화에서도 충분한 광 흡수 효과의 장점을 가지고 있다. 또한 소자의 물리적 특성? }동작전압이 낮을수록 매우 유리하며, 이러한 소자동자의 물리적 연구를 바탕으로 본 연구에서는 다이오드구조의 내재전위 (built-in potential)만을 이용하여 외부전압 없이 작동하는 무전압 광 논리소자 (nonbiased optical bistable device)를 제안 및 구현하였다.
무전압 광 논리동작을 수행하기 위해서 소자를 구성하는 다이오드가 가져야 할 조건은 다음과 같다. 첫째, 다이오드의 내재 전위는 약 1.4 V, turn-on 전압 약 1 V로 두개의 다이오드가 외부전압 없이 동작하기 위해서는 각 구성다이오드의 광 전류-전압 특성 곡선의 부저항 특성과 광 전류 최대점이 순방향구간에 존재하여야 한다. 둘째로, 구성 다이오드에 의한 부하곡선 분석으로부터 외부전압 없이 동작전압이 약 ± 1V 임을 고려할 때, 소자가 충분히 큰 전기-광흡수 효과를 얻기 위해서는 큰 광 흡수변화에 필요한 소자구조의 최적화를 필요로 하였다.
따라서 본 연구에서는 Al 몰 분율이 약 5 %이하인 GaAs/AlGaAs 얕은우물 구조를 사용하였으며, 이에 필요한 전기-광흡수를 위한 전계량이 약 ~7 V/μm임을 확인하고, 이를 위한 무전압 구도로부터 주어진 전압량 ±1V를 고려한 최적의 핀 다이오드의 양자우물 주기를 설계하였다. 또한 충분한 광 흡수변화를 얻기 위하여 최적화된 핀 다이오드구조로부터, 무전압 광 논리소자의 신호특성 향상을 위하여 비대칭 공명구조 (asymmetric Fabry-Perot)를 이용하였으며, 또한 비공명 구조로서 적층 구조를 도입하였다. 2층의 비공명 적층 구조 (pinip)로부터 광신호차 24 %, 신호비 2 를 얻었으며, 여기에 공명구조를 결합한 구조로부터 신호차 19 %, 신호비 17을 얻었다. 비공명 구조는 이론적으로 무전압 동작시 신호비를 6 까지 향상할 수 있으며, 균일한 어레이 소자 제작이 가능하였다. 반면 공명구조는 충분히 높은 신호비를 얻을 수 있었으나, 이용된 성장기술 및 제작기술에서 어레이 소자간 성능의 균일도에서 큰 단점을 보였다.
제안된 적층구조의 무전압 광 논리소자에 대한 열적효과 및 스위칭 에너지 측면의 연구를 통하여, 무전압 소자는 기존 전압 인가형 소자에 비하여 크게 낮아진 동작전압으로 말미암아 여러 측면에서 장점을 확인할 수 있었다. 첫째, 비슷한 스위칭 신호특성에 대하여, 적층에 의한 캐퍼시턴스 증가에도 불구하고 적층 수가 3 이하일 경우 스위칭 에너지 측면에서 장점이 있으며, 얇아진 흡수층은 여기자의 운송속도를 크게 하여 광포화 흡수효과를 높이는 특성을 나타내었다. 둘째로, 낮은 동작전압과 적층으로 분산된 오믹 열원은 상대적으로 소자의 열적 감퇴를 크게 개선하여 적층수 만큼 개선되는 효과를 확인하였고, 이 구조에 대한 이론적 계산으로부터 약 10~20 psec의 빠른 스위칭 속도가 예측되었다. 따라서 스위칭 노드에서 요구하는 신호 잡음 특성을 고려하면, 균일한 어레이의 단점이 남아 있으나, 적층구조와 공명구조를 결합한 무전압 광 논리소자가 매우 효율적인 소자임을 알 수 있었다.
또한 제안된 새로운 다이오드 구조는 높은 입력광에 대한 선형 특성으로 기존의 부저항 다이오드를 이용한 진동소자 (oscillator)와 달리 매우 효율적인 전기-광학 진동구도를 가능케 하였으며, 본 연구에서는 이의 물리적 현상 및 응용구도를 제시하였다. 높은 광 입력을 통하여 소자의 부저항 값을 크게 제어하여 다이오드 자체 진동을 유발하며, 이로 인한 전기적 진동과 상응하는 변조된 출력광을 생성할 수 있으며, 더욱이 출력광의 세기 높/낮이 (amplitude)는 물론 진동 주파수를 역방향 정전압 및 입력광의 세기로 효과적으로 제어할 수 있는 장점을 보였다. 이는 전기-광 신호 생성기 뿐만 아니라 이를 이용한 광신호 재생기 (regenerator) 등의 기본 소자로서 매우 유용할 것으로 기대된다.
마지막으로 본 연구에서는 이러한 부저항 특성을 이용한 광전소자를 이용한 광 스위칭 구도를 제안하여, 검증하였다. 본 연구를 통한 광 논리소자 및 진동소자의 고유한 동작 특성은 제안된 병렬 광패킷 스위칭 (optical packet switching) 구도에서 입력 신호광이 초기에 설정된 어드레스 비트를 단계로 소진하여 최종의 단까지 신호를 노드에서 전기적 제어 없이 완전 광학적 구도 (all-optical self-routing switching scheme)로 도달하게 하는 구도로써 가능함을 보였다. 또한 이러한 구도연구를 통하여 소자 외부에서 전원이 필요 없는 간단한 에레이형 광소자인 무전압 광소자는 스위칭 구도 구성에서도 큰 장점이 있으며, 낮은 스위칭 에너지, 낮은 열적 성능감퇴 등의 광논리 동작의 우수한 물리적 특성으로 차세대 광병렬 스위칭의 핵심소자로 기대된다.
