KOSEN 한인과학기술자네트워크

광전자 연구실은 반도체 물리와 광학을 기초로 하여 반도체 나노구조의 물리현상 연구, 반도체 레이저와 광증폭기의 제작 연구, 광섬유 증폭기 및 반도체 광증폭기의 광통신시스템 적용 연구의 세 개의 연구팀으로 이루어져 있다.

가. Spectroscopy Team (광학특성 연구팀)

먼저 반도체 나노 구조의 광학적 특성 및 나노 구조의 물리현상 연구는 우리학교 공동실험실습관에 있는 PL-Raman 실험실에서 수행한다. 현재 연구가 진행 중인 시료들은 LG전자기술원(청색 InGaN/GaN 양자우물 LD, LED), 성균관대학교(InAs/InP 양자점), 미국 Stanford 대학교(InGaNAs 양자우물), 영국 Sheffield 대학교(InAs/GaAs 양자점), 독일 Wuerzburg 대학교(단일 양자점), KAIST(광결정 반도체 레이저)로부터 제공받아 공동연구를 수행하고 있다.

연구에 사용하는 실험방법에는 photoluminescence (PL), photoluminescence excitation(PLE), electroluminescence(EL), 그리고 해상도가 피코초인 time-resolved photoluminescence(TR-PL) 등이 있다. 이러한 실험 방법들의 기본 원리는 아래의 그림처럼, ① 신호를 발생시키기 위해 시료에 레이저나 전류를 인가하면, ② 여러 파장의 빛이 섞여있는 신호가 발생되며, ③ 이 신호를 빛의 굴절이나 회절현상을 이용하여 파장별로 분광을 한 다음, ④ 컴퓨터가 연결된 검출기를 이용하여 신호를 검출하는 것이다. 시분해 특성의 경우 100 펨토초의 광 펄스로 순간적으로 전자-홀을 생성시키고 재결합할 때 나오는 빛을 파장과 시간에 따라 측정하면 양자구조 내에서의 자세한 정보를 알아 낼 수 있다. 이러한 방식으로 연구된 반도체의 물리적인 특성은 그 자체로도 의미가 있을 뿐만 아니라 광소자를 제작하는데 필요한 중요한 정보를 제공하게 된다.

나. Optical Device Team (광소자 연구팀)

반도체 나노 구조의 물리적인 특성들을 이용하여 광소자 연구팀에서는 광소자를 설계하고 반도체 공정을 이용하여 반도체 광증폭기와 레이저를 직접 제작하고 있다. 반도체 레이저와 광증폭기의 제작은 반도체 기판 위에 구현된 원자와 유사한 특성을 갖는 영차원 구조인 반도체 양자점을 이용하여 수행하고 있다. 공동연구를 진행하는 그룹으로부터 반도체 양자점 기판을 제공받고 이 기판을 이용하여 양자점의 특성을 구현할 수 있는 소자를 여러 가지 프로그램들을 이용하여 설계하고 컴퓨터 simulation을 통해서 특성을 예측하는 과정을 거쳐 이 자료들을 기초로 소자를 제작한다. 소자의 제작과정 중에 가장 중요한 사진 공정과 식각 공정 등을 우리 과의 청정실에서 직접 수행하고 있다.

소자 제작은 ① 광 구속을 좋게 하기위해 사진 공정과 식각 공정을 통한 ridge구현 ② ridge에만 전류를 주입하기위해 전연물질 증착 후 ridge위의 절연체 열기 ③ 전류 주입을 위한 p, n-metal 증착 ④ 전기적인 접합 특성을 좋게 할 목적으로 열처리 공정을 함으로써 모든 공정을 마치게 된다. 제작된 소자의 기본적인 특성 평가는 주입된 전류에 따른 광 출력의 변화를 보는 L-I 곡선과 인가된 전압에 따라 소자에 흐르는 전류의 변화를 측정하는 I-V 곡선 및 출력된 광의 파장별 세기를 얻는 스펙트럼 등과 같은 실험 자료의 분석을 통해 이루어지며 이를 바탕으로 다른 팀들과의 유기적인 협력을 통해 소자의 특성을 개선하는 과정을 거치게 된다.

제작한 양자점 광증폭기는 미국 Illinois 대학과의 공동연구를 통하여 slow light을 만드는데 사용하고 초고속 파장변환에 사용하는 연구를 진행시키고 있다. 현재 실험실에서는 InP 기판위에 성장된 양자점을 사용하여 좋은 특성의 광증폭기와 레이저 다이오드를 제작에 필요한 이론적인 기반과 기술을 확보하고 있다. 이를 바탕으로 광섬유에서의 Raman 증폭을 위한 반도체 레이저와 일차 증폭된 신호의 세기를 크게 하는 반도체 광증폭기를 한 기판위에 집적하여 기존의 광섬유증폭기보다 우수한 광증폭기를 만들기 위한 기술을 연구하고 있다.

다. Optical Amplifier & System Team (광통신 연구팀)

제작한 소자가 실제 광통신 시스템에서 어떤 특성을 보이는지, 또 기대했던 특성이 나타나는지 등은 광증폭기 응용 연구를 수행하는 팀에서 수행한다. 이런 과정을 통해 반도체 나노 구조의 물성을 이해하고, 이 물성을 기반으로 소자를 제작한 후에 제작된 소자가 실제 시스템에서 어떤 특성을 갖게 되는지 까지 넓은 범위의 연구를 수행하고 있다.
이 팀에서는 실험실에서 제작한 광증폭기 외에도 상용 반도체 광소자와 광섬유증폭기들을 이용하여 더 좋은 광통신 특성을 구현할 수 있는 시스템에 대한 연구도 함께 수행하고 있다. 특히 라만증폭용 반도체 레이저와 이득고정 반도체 광증폭기를 결합한 하이브리드 광증폭기를 독자적으로 개발하여 우수한 광전송 특성을 보여주었으며 기존의 광섬유증폭기를 대체하고자 하는 연구도 수행하고 있다. 최근에는 한국통신 연구소와 Fiber-to-the-Home을 구현하는 방법으로 원격 광증폭기를 이용한 우수한 성능의 WDM/TDM PON 시스템을 성공시켰으며 이의 최적화 연구도 수행하고 있다.

라. 실험실 동향

최근 본 연구실은 국가지정실험실로 지정되어 보다 좋은 연구 환경을 구축할 수 있게 되었으며, 전자통신연구원, 과학기술연구원, 표준연구원등 국가출연연구소와 LG전자기술원, 한국통신 연구소등의 산업체 그리고 KAIST, 성균관대학교와의 활발한 협동 연구를 하고 있다. 뿐만 아니라, 독일 Wuerzburg 대학, 프랑스 그레노블의 CEA/CNRS 연구소, 그리고 미국의 OFS 연구소등에 학생 파견을 통한 교류를 하였으며 앞으로 영국의 Sheffield 대학과 미국의 Illinois 대학 등과도 공동연구와 교류를 확대하기로 하였다. 이러한 최고 연구기관과의 공동연구와 교류는 현재 재학 중인 대학원 과정 학생들에게 견문을 넓히고 자신감을 줄 수 있을 뿐만 아니라 본 연구실이 세계적인 수준의 실험실로 나아가는데 큰 도움이 될 것이다.