광소자란 외부에서 에너지를 흡수하여 광을 방출하거나 광을 흡수하여 임의의 형태로 방출하는 소자를 말한다. 광소자에는 레이저 다이오드나 광다이오드와 같은 발광소자와 검파기의 광다이오드 수광소자가 있다.
발광소자는 전기적인 신호를 광신호로 변환하는 소자로
1962년의 반도체 주입 레이저(Semiconductor Injection Laser)의 개발로 광기록,
광섬유를 통한 고속데이터 전송, 광센서, 유도전파의 신호처리 등의 분야에 응용되고
있다.
데이터 전송분야에 있어서 발광소자로는 500Mbps 이하의 전송속도와
5km 이하의 전송거리를 가지는 데이터 통신의 내부 데이터 링크로서 사용되는
발광다이오드와 고속의 장거리 통신에 사용되는 레이저 다이오드가 있다.
발광다이오드는 순방향 전압이 가해진 경우에 빛을 방출하는 Pn 접합 반도체로서 순방향 전압, 즉 전기에너지가 Pn 반도체에 가해지면 반도체 내의 전자, 정공(hole)이 여기되어 재결합하면서 빛을 방출하게 되는 현상을 이용한 에너지 변환소자이다. 발광다이오드는 레이저 다이오드에 비해 제조가 간단하고 가격이 저렴해서 오랫동안 이용되어 왔으나 출력이득(-15dBm)이 낮고 스펙트럼 폭(50~150mm)이 넓어 저속의 단거리 전송의 경우에만 이용되고 있다.
레이저 다이오드와 발광다이오드의 차이점은 발광다이오드는 빛이 전자와 정공의 재결합에 의하여 자연적으로 방출되므로 다양한 파장의 빛이 방출되어 출력이득이 낮으나 레이저 다이오드는 반도체 내의 광공진기(optical resonator)를 만들어 미리 일정한 파장의 광자를 주입시켜 유도방출되는 광을 광공진기 내의 활성영역(Active Layer)에서 증폭시켜 균일한 파장의 광을 방출하는 소자이다. 따라서 레이저 다이오드는 방출효률이 커 높은 출력이득을 얻을 수 있으며 스펙트럼 폭이 좁아 전송매체(광섬유)에서의 분산이 적고 짧은 펄스파를 유도할 수 있다. 하지만 발광다이오드에 비해 제조가 어렵고 온도변화에 민감하며 수명이 짧은 단점을 지니고 있다. 특히 가격이 비싸 현재 폭 넓게 이용되지 못하고 있다.
수광소자는 반도체에 빛을 쬐면 전류가 발생하는 현상을
이용한 소자로 전송된 광신호를 검출하여 전기적인 신호(즉 전류)로 변환하는
소자를 의미한다.
수광소자는 신호대 잡음비, 대역폭, 수광효율, 암전류(dark
current) 그리고 응답속도 등이 소자의 특성을 결정하는 주 요소이며, 일반적으로
pin 광다이오드, 어벨런치 광다이오드(avalanche PD)가 광통신의 수신부에 사용되고
있다.
현재 광통신의 수광소자로써 가장 많이 사용되고 있는 pin 광 다이오드는 반도체의 P 층과 N 층 사이에 높은 저항을 갖는 진성(intrinsic)층을 성장시킨 단순한 구조로 진성층에서 광에너지를 전기적 에너지로 변환하는 현상을 이용한 소자이다.
어벨런치 광다이오드는 어벨런치 항복현상을 이용하여 광신 입력을 증폭시켜 감도를 증가시킨 수광소자이다. 어벨런치 항복현상은 큰 역방향 전압에서 발생하므로 어벨런치 광다이오드는 pin 광 다이오드보다 높은 역방향 전압이 필요하다. 따라서 어벨런치 광다이오드는 광신호의 증폭으로 수광감도가 높고, 큰 출력의 전류이득을 얻을 수가 있다. 또한, 전류이득 대역폭이 넓기 때문에 고속, 고이득을 필요로 하기면서 직진성이 필요로 하지 않는 경우에 사용된다.
광소자는 아직 전자소자에 비해 시장규모나 활용범위가
매우 적으나, 급속한 기술발달로 인하여 활용범위가 매우 빠르게 확산되고 있다,
특히 통신부분에서는 성장속도가 빨라 머지 않아 전자소자에 버금갈 것으로 보인다.
신소재,
신기술을 이용한 광소자 개발이 선진국에서는 활발하게 이루어지고 있는 반면,
국내에서는 광소자 제조방법상의 어려움, 개발기간의 장기간소요, 많은 개발비용
등으로 몇몇 업체만이 개발 생산을 추진하고 있는 실정이다.