[물리실험] 광통신 실험

 

[물리실험] 광통신 실험

 

 

실험 1. Si, Ge 다이오드의 특성 측정

다이오드의 전류-전압특성은 그 양단에 전압을 인가하였을 때 그 다이오드에 전류가 얼마나 흐르는 가를 나타내는 그래프이다. 실험적으로 이러한 특성은 전압을 약간씩 높여 가면서 다이오드에 흐르는 전류를 측정하고 그 측정값을 전류 대 전압으로 그렸을 때 나타난다.

0.7V나 그보다 약간 높은 순방향전압에서 다이오드는 도통되고 전류가 흐르기 시작한다. 또한 0.7V 이상에서는 순방향전압이 약간 증가해도 다이오드에 흐르는 전류는 급격히 증가한다. 그림은 실리콘 다이오드의 전형적인 순방향 전류-전압 특성이다. 도통 순방향 바이어스전압은 일반적으로 실리콘은 약 0.7V이고 게르마늄은 약 0.3V이다.

① Si 전류-전압곡선

 

 

② Ge 전류-전압곡선

 

다이오드의 정류작용은 한방향으로만 전류를 흐르게 하는 것으로 교류를 직류로 전환하는 것이다.

 

③ 전류-전압 특성 그래프 (X-Y)

 

광다이오드의 특성중의 하나인 어느 정도 전압이 걸려야 전류가 흐르는 그래프가 보인다. 최초의 전류를 흘려보내기 위해서 Si는 Ge보다 더 큰 전압이 필요한 것으로 보인다.

실험 2. 전기-광 변환 소자인 LED의 특성 측정

발광다이오드(LED)는 pn접합 다이오드에 순방향 전류를 가하게 되면 각 재료 특성에 따른 빛의 파장을 방출하는 것을 말한다.

 

 

① LED의 입력파형과 출력파형

 

 

발광다이오드(LED)의 입출력 파형에 위상지연이 발생했다. 이는 LED에서 PD로 신호를 전달함에 있어서 PD가 반응할 수 있는 전류신호의 최대값에 이르기 까지 시간이 소요됨에 기인한다.

tr : 응답시간(펄스상승시간)
  ▶ 광이 변화할 때, 최종값의 10∼90% 까지 도달하는데 걸리는 시간으로 수광면적에 크게 의존

실험 3. 전기-광 변환 소자인 LD의 특성 측정

레이저다이오드(LD)는 순방향 바이어스를 가하면 활성층으로 주입된 전자들의 재결합으로 광자의 자연방출이 일어나며 방출된 광의 일부는 귀환하여 주입된 전자들을 유도하는 다이오드이다.

레이저다이오드의 디지털 및 아날로드 신호전송 특성

 

① LD 송신 전송 - 입력 파형에 따른 출력 파형

 

레이저다이오드(LD)는 입출력 파형에서 위상지연현상이 일어나지 않았다. 레이저다이오드는 LED보다 동작시작이 빠르다. 그 이유는 LED의 상승시간은 재료의 자연방출 수명시간에 의해 결정되는 반면 레이저다이오드의 상승시간은 유도 방출 수명시간에 의해 결정되기 때문이다. 반도체에서 자연 방출 수명시간은 자유전하 케리어인 전자와 정공이 자연 결합되기 전까지 활성층에 존재하는 평균시간이며 유도 방출 수명시간은 자유전하 케리어가 유도에 의해 강제로 재결합되기 전까지 자유전하 케리어가 존재하는 평균시간이다. 그러므로 레이저에서 재결합을 좌우하는 유도방출진행이 빠르면 빠를수록 주입된 전류의 변화에 대해 발광다이오드보다 신속한 응답을 할 수 있다.

② LD 송신 전송 - 전압전류 그래프

 

 

③ LD Bias Current 수치 증가에 따른 파의 변형

 

 

- 분석

LED (Light emitting diode) : 3-5족 혹은 2-6 족 화합물 반도체를 이용해서 주로 만들어지며 자연 방출을 이용한 위상이 무질서한 인코히어런트 광으로, 파장도 상당히 넓은 영역에 걸쳐 있는 것으로 저속 전송(100Mbps 이하)에 사용된다. 이 LED는 값이 싸고 넓은 온도 범위에서 동작하며, 수명도 길다.

LD (laser diode) : 반도체의 유도 방출을 이용한 코히어런트 광으로 직진성이 좋고, 파장의 범위도 매우 좁다. LED보다 구조가 복잡하나 더욱 고속 데이터 전송(Gbps)에 사용된다.

특 성	LED	LD
출력 광전력	작다	크다
스펙트럼 폭	넓다	좁다
상승시간	늦다	빠르다
취급의 용이성	쉽다	어렵다

광통신을 하기 위해서는 발광 스펙트럼의 폭이 좁아야 하며 광섬유와의 결합 효율과 신뢰성이 높아야 하고, 또한 발광 파장이 광섬유의 저손실 영역에 들고, 효율이 좋으며, 광출력이 크고, 변조 대역폭이 넓을수록 유리하다.

따라서, 주파수폭이 좁고, 지향성이 샤프한 특성을 가지고 있는 레이저다이오드(LD)가 광통신에 이용함에 있어서 장점이 많다.

 

 

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