소개글
"레이저다이오드"에 대한 내용입니다.
목차
1. 레이저다이오드 개요
1.1. Laser Diode 구조 및 동작원리
1.1.1. Quantum Wells(QW)
1.1.2. LD 구조
1.1.3. LD 종류
1.1.4. LD 동작원리
1.2. InGaAsP MQW LD 설계
1.2.1. LD Equivalent Circuit Model
1.2.2. LD PSPICE Circuit
2. 10Gbps clock and data recovery
2.1. 클럭 / 데이터 복원회로(CDR)
2.1.1. 위상 동기 회로(PLL)
2.1.2. 위상 주파수 검출기(PFD)
2.1.3. 전하펌프 루프 필터(CP, LPF)
2.1.4. 전압제어 발진기(VCO)
2.1.5. 데이터 복원단(D-FF)
2.2. 10Gbps CDR 설계
2.2.1. 위상 주파수 검출기 설계
2.2.2. 전하펌프 루프 필터 설계
2.2.3. 전압제어 발진기 설계
2.2.4. 데이터 복원단 설계
3. 전체 회로 설계 및 시뮬레이션
3.1. InGaAsP MQW LD
3.2. 10Gbps CDR
4. 분석 및 결론
4.1. InGaAsP MQW LD
4.2. 10Gbps CDR
5. 참고 문헌
본문내용
1. 레이저다이오드 개요
1.1. Laser Diode 구조 및 동작원리
1.1.1. Quantum Wells(QW)
양자 우물(Quantum Wells, QW)은 불연속 에너지 값만을 갖는 잠재 우물이다. 넓은 밴드갭을 갖는 물질의 두 층 사이에 끼워 놓은 반도체로 형성된다. 양자 우물에서 감소된 양의 활성 물질과 함께 이 두 가지 요소는 레이저 다이오드와 같은 광학 장치에서 더 나은 성능을 제공한다. 결과적으로 양자 우물은 DVD 및 레이저 포인터용 적색 레이저, 광섬유 송신기의 적외선 레이저 또는 청색 레이저를 포함한 다이오드 레이저에 널리 사용된다.
1.1.2. LD 구조
LD 구조는 다음과 같다. PN접합을 기반으로 하며, n형 반도체와 p형 반도체가 접합되어 있다. 이때 접합면의 p형 영역에서 정공이 유출하면 (-)전하가 흘러나가게 되고, n형 영역에서 자유전자가 흘러나가므로 (+)전하가 된다. 따라서 접합면에서는 자유전자와 정공이 결핍한 영역이 생기게 되는데, 이를 공핍층 또는 공핍영역이라고 한다. 공핍층의 크기는 p형과 n형의 농도에 따라 결정된다. 전극에 인가된 전계의 방향과 세기에 따라 공핍층의 두께가 얇아지거나 두꺼워져서 정공과 자유전자의 이동이 자유롭게 된다. LD는 이러한 PN접합 구조를 능동 매질로 사용하여 레이저를 발생시키는 다이오드이다. 재료로는 갈륨비소(GaAs) 등이 사용된다.
1.1.3. LD 종류
(LD 종류)
동종접합은 양쪽 반도체가 같은 재료로 이루어져 있는 구조이다. 파브리-페롯(Fabry-Perot) 공진기 구조를 갖으며, 공진기 길이가 약 300㎛ 정도로 비교적 길다. 동종접합 LD는 LED에서 광범위하게 사용되고 있다.
이중이종(DH) LD는 얇은 반도체 물질 양쪽에 다른 반도체 물질이 접합된 2중 헤테로 구조로 되어 있다. 에피택셜 결정 성장 기법으로 제작되며, 매우 작은 전류로도 동작할 수 있다.
DH LD는 접합면 전체 면적에서 복사가 방출되기 때문에 광면적 레이저라고 불린다. 스트라이프 DH LD는 접합면에서의 광 방출 영역을 좁은 스트라이프 형태로 제한하여 동작 전류를 줄일 수 있다. 산화층은 스트라이프 금속 접촉을 제외한 모든 영역을 고립시키는 역할을 한다.
현재 실용화되어 있는 반도체 재료계로는 III-V족 화합물 반도체가 주로 사용된다. GaAs, InGaP, InGaAsP, AlGaAs, AlGaInN 등이 대표적인 재료이다. 이러한 화합물 반도체는 밴드갭 에너지를 조절할 수 있어 다양한 파장의 광원 구현이 가능하다.
1.1.4. LD 동작원리
LD(Laser Diode)는 전류를 주입함으로써 발생한 빛이 증폭되어 발광하는 소자이다. LD에서는 전자와 정공의 재결합 과정에서 생성된 여기자(exciton)가 유도 방출(stimulated emission)을 통해 레이저 광을 발생시킨다.
먼저 LD 소자에 정방향 전압을 인가하면 p형 반도체와 n형 반도체의 접합부에서 전자와 정공이 주입된다. 이때 전자와 정공은 활성층(active layer)에 모이게 되며, 이 활성층에서 전자와 정공의 재결합이 일어나게 된다. 이 재결합 과정에서 에너지 차이만큼의 광자가 방출되는데, 이 광자들은 양 끝의 반사镜을 통해 공진을 하면서 증폭된다. 증폭된 광이 결국 레이저 광으로 방출되는 것이다.
LD에서는 전자와 정공이 재결합할 때 방출되는 광자의 파장이 일정하고, 위상이 일정하여 공간적 및 시간적 간섭성이 높은 레이저광이 발생하게 된다. 이러한 레이저광은 매우 좁은 빔 폭과 높은 지향성을 갖게 되어 광통신, 레이저 프린터, 광디스크 등의 다양한 분야에 활용되고 있다.
따라서 LD의 동작원리는 정방향 전압 인가에 의해 활성층에서 전자와 정공의 재결합으로 발생한 광자가 공진기 내에서 증폭되어 좁은 빔폭과 높은 지향성을 가진 레이저광이 방출되는 것이다.
1.2. InGaAsP MQW LD 설계
1.2.1. LD Equivalent Circuit Model
LD(Laser Diode)의 등가회로 모델은 전압원, 직렬 저항, 병렬 저항, 캐패시터로 구성된다. 전압원은 LD의 문턱전압을 나타내며, 직렬 저항은 LD의 동작 저항을, 병렬 저항은 LD의 누설 전류를, 캐패시터는 LD의 접합 및 기생 캐패시턴스를 나타낸다. 이러한 등가 회로 모델을 통해 LD의 전기적 특성을 예측할 수 있으며, LD 설계 및 구동 회로 구현 시 매우 유용하게 활용된다. 특히 고속 동작이 요구되는 광통신 분야에서 LD의 과도 응답 특성 분석을 위해 이 모델이 널리 사용된다. 등가 회로 모델의 파라미터들은 LD 소자의 재료와 구조에 따라 달라지며, 실험적으로 추출할 수 있다. 이를 통해 LD의 전기적, 광학적 특성을 정확히 예측할 수 있다.
1.2.2. LD PSPICE Circuit
LD의 내부 회로 구조는 그림 2.11과 같다. LD는 pn 접합 다이오드로 구성되어 있으며, 이 다이오드에 전류를 흘려주면 전자와 정공이 재결합하면서 빛을 방출한다. LD 내부에는 전압원 V와 직렬 저항 Rs, 병렬 저항 Rp가 있다. 전압원 V는 LD에 인가되는 전압을, Rs는 LD 내부 저항을, Rp는 LD의 누설 전류 경로에 해당하는 저항을 나타낸다.
LD의 외부 회로 구조는 그림 2.12와 같다. 외부 회로에는 전압 인가를 위한 전원 공급 장치와 LD의 동작 상태를 모니터링하기 위한 광검출기(PD)가 있다. 전원 공급 장치는 LD에 일정한 전류를 흘려주기 위해 전압을 조절할 수 있어야 하며, 광검출...
참고 자료
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