최상부 에피층의 두께변화에 따른 VCSEL의 28Gbaud PAM-4 변조특성 분석

Abstract

데이터센터, 슈퍼컴퓨팅과 같은 Datacom 분야에서 높은 비트레이트의 수요가 많아지고 있다. 현재 IEEE 이더넷 통신에서는 200G/400G 와 같은 고속 통신규격이 표준화 되어있으며 이에 맞추어 고속 동작이 가능한 광통신 시스템이 개발되고 있다. 근거리 광통신망의 송신부에는 수직공진형 표면발광 레이저 다이오드(VCSEL)가 주로 사용되는데, 소자의 구조적 한계로 인해 대역폭을 더 이상 늘릴 수 없다. 현재 상용화된 Datacom 용 VCSEL 의 동작속도는 25Gbps 이며, 기존 변조방식인 NRZ(Non Return to Zero)으로 데이터 전송속도를 올리려면 많은 채널이 요구되고 이는 비용 및 소비전력 측면으로 봤을 때 비효율적이다. 이를 해결하기 위해 동일한 동작속도에서 더 많은 정보를 보낼 수 있도록 다중레벨 진폭변조방식(Multi-level PAM)을 사용하며, 현재 많은 고속 통신규격에서 PAM-4(Pulse Amplitude Modulation 4-level) 변조방식을 채택하고 있다. PAM-4 변조방식은 기존의 NRZ 변조방식보다 2배 많은 변조레벨을 갖고 있어 노이즈, 신호간섭에 더욱 민감하다. 본 연구에서는 VCSEL 의 최상부 에피층의 두께 변화가 PAM-4 변조특성에 미치는 영향을 전달행렬방법 및 등가회로모델을 이용하여 시뮬레이션 및 결과분석을 하였다. 그 결과, 최상부 에피층 두께가 줄어들수록 공진주파수 및 감쇠상수 가 감소하여 PAM-4 변조특성이 변화하는 결과를 얻을 수 있었다. 또한 이를 바탕으로 PAM-4 변조특성이 최적이 되는 최상부 에피층의 두께가 존재함을 확인함으로써 해당 변조방식의 광통신 시스템에 적합한 VCSEL 의 설계 방향제시가 가능하다.