반도체 레이저 기반 광전 발진기의 광 스펙트럼 특성 연구
Optical spectrum characteristics of optoelectronic
oscillator based on a diode laser
이정민, 장광훈, 윤두성, 송민수, 윤태현 고려대학교 물리학과 [email protected] 결합 광전 발진기는 주로 공진기 내부에 고속 변조기를 가진 레이저로부터 출력된 빔의 RF 비트신호 를 광 검출기로 검출하여 특정 주파수의 신호를 RF 필터로 선택하고 증폭 한 후 이 신호를 고속 변조 기의 변조 신호로 사용하여 주파수 안정화된 RF 및 광 스펙트럼을 동시에 얻을 수 있는 시스템이다(1). 본 논문에서는 852 nm의 파장을 갖는 반도체 레이저의 고속 전류변조 특성을 이용하여 2.3 GHz 광전 발진기를 구성하였을 때 발생하는 광대역 광 스펙트럼의 가간섭 특성을 852 nm의 파장을 갖는 단일모 드 연속발진 (cw) 레이저와의 비트신호 검출을 통하여 연구하였다. 즉, 외부공진기로 거울 또는 회절격 자를 사용한 광전 발진기와 외부공진기를 사용하지 않고 구성된 광전 발진기의 광 스펙트럼을 비교하고 단일모드 레이저와의 비트신호 검출을 통하여 각 시스템에서 발생한 광 스펙트럼의 가간섭 특성을 연구 하였다. 결론적으로 레이저 다이오드의 전류를 직접 변조하거나 외부 공진기를 갖지 않는 광전 발진기 를 구성할 때 발생한 광 모드와는 다르게 외부 공진기를 가진 광전 발진기의 광 스펙트럼은 능동 모드 록 된 레이저와 같이 광 모드가 가간섭성을 가짐을 확인하였다. 먼저 외부공진기 없이 852 nm의 파장을 갖는 다이오드 레이저로부터 직접 출력된 빔을 이용하여 광전 발진기를 구성하였다. 10 GHz의 대역폭을 갖는 광 검출기로 주파수가 2.3 GHz의 정수배에 해당하 는 비트신호를 검출하고 검출된 RF 신호를 중심 주파수가 2.3 GHz이고 대역폭이 5 MHz인 RF 필터로 선택하여 전압 조절 위상이동기로 위상을 조절한 후 RF 파워증폭기로 증폭하여 레이저 다이오드의 전 류변조 신호로 되먹여 광전 발진기를 구성하였다(2). 0.0 5.0x109 1.0x1010 1.5x1010 2.0x1010 -80 -60 -40 -20 0 20 P o w e r (d B m ) Frequency (Hz) (a) 840 845 850 855 860 865 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 P o w e r (d B m ) Wavelength (nm) (b) 그림 1. (a) 외부공진기 없이 구성된 광전 발진기의 RF 스펙트럼, (b) (a)에서의 광 스펙트럼 외부공진기 없이 광전 발진기를 구성하여 레이저 다이오드로 직류 전류와 함께 25 dBm의 파워를 갖는 2.3 GHz의 RF 신호를 되먹이면 그림 1-(b)와 같이 -3 dB 선폭이 5 nm 정도로 넓어진다. 이 레이 저로부터 출력된 빔의 RF 비트 신호를 측정하면 그림 1-(a)와 같이 2.3 GHz의 정수배에 해당하는 RF 비트 신호를 얻을 수 있다. 이 광전 발진기의 광 모드의 가간섭성을 확인하기 위해 852 nm의 파장을 갖 185
는 cw 레이저를 이용하여 광전 발진기와의 비트 신호를 측정하는 실험을 하였으나 비트 신호가 측정되 지 않았다. 그리고 2.3 GHz를 갖는 외부 주파수 합성기를 이용해 전류를 직접 변조하여도 같은 광 스펙 트럼을 갖고 있고 cw 레이저와 RF 비트 신호가 발생하지 않음도 확인하였다. 비트 신호가 측정되지 않 은 원인을 분석하기 위하여 회절격자와 면도날을 이용하여 광 스펙트럼을 필터링하여 단일모드 레이저 와의 비트신호를 검출하는 실험을 하였으나(3) 같은 결과를 얻을 수 있었다. 따라서 외부 공진기 없이 전 류만 변조된 반도체 레이저나 광전 발진기의 출력은 측대파가 가간섭성을 유지하는 위상 변조가 아니라 가간섭성을 가지지 않는 이득 진폭 변조에 기인함을 알 수 있었다. 다음에는 70 %의 반사율을 갖는 거울을 외부공진기로 사용하여 구성된 레이저를 이용하여 광전 발 진기를 구성하여 그림 2-(a)와 같이 FWHM이 2 nm인 광 스펙트럼을 얻었다. 이 레이저로부터 출력된 빔의 광 스펙트럼은 전류 변조된 빔의 광 스펙트럼(그림 1(b))과는 다르게 중심 주파수에 대해 비대칭적 인 구조를 가지며 cw 레이저와 노이즈 레벨과 10 dB 차이내의 비트 신호가 측정됨을 확인하였다. 846 849 852 855 858 -50 -40 -30 -20 -10 P o w e r (d B m ) Wavelength (nm) (a) 835 840 845 850 855 860 865 870 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 P o w e r (d B m ) Wavelength (nm) (b) 0.0 5.0x108 1.0x109 1.5x109 2.0x109 -100 -80 -60 -40 -20 0 P o w e r (d B m ) Frequency (Hz) (c) 그림 2. (a) 거울을 외부공진기로 이용한 광전 발진기의 광 스펙트럼, (b) 회절격자를 외부공진기로 이용한 광전 발진기의 광 스펙트럼, (c) (b)에서 광전 발진기와 단일모드 레이저와의 비트신호 마지막으로 1800 lines/mm의 회절격자를 외부공진기로 사용하여 구성된 레이저로 광전 발진기를 구 성하여 단일모드 레이저와의 비트 신호를 측정하여 그림 2-(c)와 같이 노이즈 레벨과 30 dB 차이가 나 는 비트 신호를 얻을 수 있었다. 이때의 광 스펙트럼은 그림 2-(b)에서와 같이 외부공진기를 사용하지 않고 광전 발진기를 구성했을 때의 광 스펙트럼과 회절격자에 의해 파장이 선택된 광 스펙트럼, 두 가 지의 광 스펙트럼이 합쳐져서 나옴을 확인하였다. 그리고 전류변조에 의해 발생한 광 스펙트럼은 회절 격자의 각도에는 의존하지 않음을 확인 하였고 레이저 다이오드에 주입하는 전류를 증가시킴에 따라 파 장이 길어지는 쪽으로 이동하면서 스펙트럼이 넓어지는 특성이 있었다. 요약하면 외부 공진기 없이 광전 발진기를 구성하거나 레이저 다이오드를 직접 전류 변조한 경우 5 nm 폭을 갖는 광대역 광 스펙트럼을 얻을 수 있으나, 이득이 진폭 변조되어 가간섭성을 갖고 있지 않음 을 알 수 있었다. 그리고 평면 반사거울 또는 회절격자를 갖는 외부공진기 ECDL을 이용한 광전 발진기 는 이와는 다르게 되먹임 되는 빛에 의해 위상 변조된 측대파가 발생하여 광 스펙트럼이 넓어지고 모드 록된 레이저와 같이 광 영역에서 주파수 간격이 일정하고 위상관계가 있음을 확인하였다. 우리는 이러 한 외부 공진기를 가진 광전 발진기를 광주파수 빗 직접분광학에 이용할 예정이다.
1. N. Yu, E. Salik, and L. Maleki, Opt. Lett. 30, 1231-1233 (2005). 2. X. S. Yao and L. Maleki, J. Opt. Soc. Am B 13, 1725-1735 (1996).
3. Z. Jiang, D. E. Leaird, C. Huang, H. Miao, M. Kourogi, K. Imai, and A. M. Weiner, IEEE J.
Quantum Electron. 43, 1163-1174 (2007).
