본문내용
1. 실험 목적
실험 목적은 Photo detector와 laser diode의 특성을 알아보고 실험을 통해 직접 그 내용을 확인하는 것이다.
레이저 다이오드(이하 LD)는 반도체 내에서 전자의 광학 천이에 의한 광자의 유도방출을 이용한 광파의 발진기 및 증폭기를 총칭하는 명칭이다. LD는 순방향 바이어스에서 사용되는 pn 접합소자로, 유도방출과정에서 생성되는 coherent한 빛을 방출한다. pn접합 다이오드에 순방향 바이어스를 인가하면 전도대의 전자와 가전자대의 정공이 재결합되고, 그 에너지 차이에 해당하는 파장의 빛이 발생한다. 그 빛이 반사경에 의해 왕복 반사되고, 이로 인해 특정 주파수의 빛이 증폭되는 성질을 이용하여 출력을 발생시킨다.
포토 다이오드(이하 PD)는 광 신호를 전기 신호로 변환할 수 있는 반도체 디바이스를 뜻한다. PD는 역방향 바이어스에서 동작하는 PN 접합 소자로, p-n 접합에 빛이 인가되면 n영역, p영역, 공핍층에서 EHP가 발생된다. 발생된 전자는 n영역으로, 정공은 p영역으로 내부 전계에 의해 가속되고, n영역에서 발생한 전자는 전도대, 정공은 공핍층까지 확산한 다음 전계에 의해 가속되어 p영역으로 흐른다. 이러한 과정의 결과로 전자는 n영역의 전도대에 축적되고, 정공은 p영역의 가전자대에 축적된다. 따라서 P영역이 (+), n영역이 (-)의 전위가 형성된다.
Bias-T는 AC를 통과시키지만 DC 바이어스를 차단하고, 혹은 AC를 차단하지만 DC를 허용하는 이상적인 인덕터와 이상적인 캐패시터로 볼 수 있다. 일부 Bias-T는 간단한 인덕터와 커패시터로 만들 수 있다. Bias-T는 RF회로를 바이어싱하기 위해 DC전류 또는 전압을 공급하는데 사용되는 구성 요소이다. Bias-T는 3포트 장치로, RF+DC로 구성된 신호는 포트1(RF+DC)에 발생되고, 커패시터는 모든 DC 신호가 포트2(RF ONLY)로 통과하는 것을 차단하여 AC/RF 신호만을 통과시킨다. 반면 회로의 인덕터는 모든 RF 신호가 포트3(DC)으로 통과하는 것을 차단하고 모든 DC 신호가 통과하도록 허용한다.
이번 실험에서는 함수발생기를 이용해 광신호를 생성하고, 이를 광케이블을 통해 전송한 후 PD로 전기신호로 변환하여 그 출력을 오실로스코프로 관찰하였다. 실험 결과, 입력 파형과 출력 파형이 동일한 것을 확인하여 광신호 전송 과정에서 손실이나 왜곡이 발생하지 않았음을 알 수 있었다. 이는 LD와 PD의 동작 원리를 이해하고 Bias-T를 적절히 구현한 결과라고 볼 수 있다.
종합적으로, 이번 실험을 통해 LD와 PD의 동작 메커니즘을 이해하고, Bias-T 구현의 중요성을 확인할 수 있었다. 특히 Bias-T를 활용하여 LD와 PD를 적절히 구동함으로써 무왜곡의 광신호 전송이 가능함을 확인하였다. 이러한 기술은 광통신, 광센서 등 광전자 분야의 핵심 기반이 된다.
2. 배경이론
2.1. 레이저 다이오드의 동작원리
반도체 내에서 전자의 광학 천이에 의한 광자의 유도방출을 이용한 것이 레이저 다이오드(Laser Diode)이다. 레이저 다이오드는 pn 접합 소자로, 순방향 바이어스 하에서 전도대의 전자와 가전자대의 정공이 재결합되면서 에너지 차이에 해당하는 파장의 빛이 발생한다. 이 빛이 반사경에 의해 왕복 반사되면서 특정 주파수의 빛이 증폭되어 레이저 출력이 발생하게 된다.
...
1
2
3
4
5
6
7