KR100323585B1 - 오프레벨 샘플링에 의한 전기광학광변조기의 바이어스 안정화방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬나이오베이트(LiNbO3)나 전기광학 폴리머 등으로 구성된 마하-젠더(Mach-Zehnder)(MZ) 간섭계형 광변조기의 출력특성을 안정화시키기 위한 방법에 관한 것이다. 종래의 디더링 신호(Dithering signal)와 락인 측정(lock-in detection)을 이용한 광변조기 안정화 방법은, 바이어스 전압 제어를 위해 사용되는 에러신호(error signal)가 출력 광신호의 트래픽 특성에 따라서 달라지기 때문에 버스트한 입력신호에 대한 시스템의 적응적 제어가 불가능하다. 본 발명은 이러한 종래 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 광변조기의 출력광 신호의 일부를 피드백받아 전기적신호로 검출하고, 전기적 신호가 오프(OFF)일 때만 출력광의 세기를 선택적으로 측정하여(Low-level sampling) 이를 최소화함으로서 광신호의 트래픽 특성에 관계 없이 버스트 모드에서도 항상 높은 소광비를 유지하도록 동작하고 평균 출력광의 열화를 보상해주는 전기광학 광변조가 바이어스 안정화 방법을 제공한다.

Description

오프레벨 샘플링에 의한 전기광학 광변조기의 바이어스 안정화 방법
본 발명은 리튬나이오베이트(LiNbO3)나 전기광학 폴리머 등으로 구성된 마하-젠더(Mach-Zehnder)(MZ) 간섭계형 광변조기의 출력특성을 안정화시키기 위한 오프레벨 샘플링에 의한 전기광학 광변조기의 바이어스 안정화 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기광학 광변조기(Electrocily-Optical Modulator)의 동작점은 응용 시스템에 따라서 달라지게 되며, 이를 위하여 신호전극에 DC 전압을 부가하던지 또는 별도의 바이어스 전극을 두어 변조기의 동작점을 제어하게 된다. 그러나 일반적인 전기광학 변조기는 인가되는 직류전원에 대하여 직류 표류(DC drift) 현상을 나타내며, 또한 주위 온도 습도 및 스트레스 등에 의해서도 동작점이 변화하는 불안정한 특성을 나타낸다. 이러한 동작점의 변화는 고속 변조된 광신호의 왜곡 및 소광비의 열화 등의 원인이 된다.
도 1은 동일한 디지탈 신호가 입력될 때 광변조기의 초기 동작점에 따른 출력형태로서 (A)의 경우에는, 디지탈 전기신호가 ①과 같이 입력되어 ②와 같은 변조기 출력특성을 가진 광변조기에서 광신호로 변환되어 ③과 같이 출력되는데, 이때 변조기의 출력 특성 곡선의 최저점인 초기 바이어스점 ⓐ가 전기적 신호의 바이어스점과 일치된 상태로서 전기적 신호가 광신호로 잘 변환된 경우이다.
그러나 (B)의 경우와 같이 변조기 출력특성 곡선의 최저점인 동작점이 초기 바이어스점 ⓐ로 부터 이동되어 전기적 신호 ①의 일정한 레벨 위치로 이동되면, ③과 같이 광신호는 왜곡되어 논리적 신호 레벨(High bit와 Low bit)의 구별이 어렵게 되고, 상기 초기 바이어스 점에서 더 벗어나면 변환된 광신호의 출력 신호 레벨이 바뀌어 질 수 있다.
따라서 동작점의 조절이 필요하고 이를 위하여 일반적으로 광변조기에 별도의 바이어스 전극을 설치하여 동작점을 조절하여 준다. 그러나 광도파층에 가해지는 직류 바이어스 전압에 의하여 결정된 초기의 광변조기 동작점은 매질의 광굴절 효과 및 공간전하(space charge)의 누적에 의한 직류 표류 현상, 주위 온도 변화등에 의하여 시간에 따라 변화하게 된다.
지속적으로 초기와 같은 동작점을 유지하려면 광변조기의 출력 상태에 따라서 바이어스 전압을 적응적으로 변화시켜 주는 출력광 안정화 방법이 필요하게 된다.
종래의 기술로 가장 많이 사용되어온 첫째 방법은 디더링 신호를 사용한 안정화 방법으로 도 2에 개략적인 회로 구성도를 나타내었다.
도 2에 도시된 바와 같이, 디더링 신호(1)를 대역통과 필터(2), 주파수 체배기(3) 및 위상제어기(4)를 통해서 2차 고조파 신호를 발생시키고, 광변조기(5)로부터 출력되는 광신호를 광검출기(6)를 통해서 검출하여 저잡음 증폭기(7)를 통하고, 그 저잡음 증폭기(7)를 통해 출력되는 광신호에 대해서 상기 위상 제어기(4)를 통해 출력되는 디더링 신호의 2차 고조파신호에 의해 락-인(Lock-in) 증폭기(8)에서 제어하고, 그 락-인 증폭기(8)의 출력신호를 저역통과 필터(9) 및 적분기(10)를 통하여 가산기(12)에 입력하며, 그 가산기(12)에는 상기 대역통과 필터(2)를 통한 상기 디더링 신호(1)의 기본파신호와 DC바이어스(11)로부터 입력되는 DC바이어스신호를 상기 적분기(10)의 신호와 가산하여 상기 광변조기(5)를 제어하도록 구성된다.
이는 입력광에 1∼100 kHz의 작은 전기적인 엔빌로프 디더링(envelop dithering) 신호를 인가하여 변조된 디더링 신호의 기본파 또는 2차 고조파 신호를 추출하여 에러 신호를 구하며, 이 신호를 이용하여 궤환(feedback) 제어를 통해 바이어스 전압을 제어하는 방법이다.
만약 디더링 신호의 2차 고조파 신호를 추출하여 에러신호로 사용하면 선형성이 가장 좋은 지점에서 에러신호 값이 0가 되며 이 지점을 전후 해서 에러신호의부호가 변한다. 따라서 락-인 증폭기(8)의 출력 신호의 부호에 따라 가산기(12)에 입력되는 DC바이어스(11) 즉, 기준 전압만 조절하면 광변조기(5)의 동작점의 위치를 선형성이 최대인 지점에서 안정화시킬 수 있게 된다.
그러나, 광변조기의 디더링 신호의 기본파 또는 2차 고조파를 에러 신호로 사용하여 궤환회로를 구성하면 트래픽 특성에 따라서 추적해야 할 에러 신호의 값이 달라 지게 된다. 따라서 기존의 디더링 신호에 의한 락-인 검출방법은, 광변조기의 광게이트 응용에 사용하기에는 부적절하다.
도 3은 종래 방법에 의한 전기적 입력신호와 광출력 신호의 유효 DC 성분을 비교하여 동일한 트래픽 특성을 갖게끔 바이어스를 조절하는 회로이다.
입력신호를 변조신호(23)로서 광변조 드라이버(24)에 입력하고, 레이저 다이오드(21)의 소스광을 광변조기(22)가 받아서 상기 광변조 드라이버(24)의 구동에 의해 변조신호(23)를 광신호로 변환하게 된다. 이때, 상기 변조신호(23)를 저역통과 필터(25)를 통하여 그 저역통과필터(25)를 통한 신호와 기준전압(27)을 제1 차동 증폭기(26)에서 차동 증폭하고, 상기 광변조기(22)에서 출력되는 광신호를 광검출기(29)를 통해 검출하여 저역통과 필터(30)를 통하고 전치 증폭기(31)를 통하여 광신호를 검출하고, 그 전치 증폭기(31)의 출력신호와 상기 제1차동 증폭기(26)의 출력신호를 제2 차동증폭기(32)에서 차동 증폭하여 비례적분(PI ; Proportional Integrated)) 제어회로(33)에 입력하고, 그 PI제어회로(33)에서 상기 광변조기(22)의 출력특성을 제어하도록 구성된다.
이는 광변조기(22)에 입력되는 전기 신호인 변조신호(23)를 저역 통과필터(25)를 사용하여 필터링 하면 신호의 트래픽 양에 비례하는 기준 전압을 얻을 수 있다. 또한 광 변조기(22)의 광 출력을 광검출기(29)로 측정한 후 역시 저역 통과 필터(30)를 사용하여 필터링 하면 출력광의 트래픽 신호에 비례하는 직류 전압을 얻을 수 있다. 광변조기(22)의 출력 신호가 입력되는 전기적 신호와 동일하게 변조된 경우에는 광변조기(22) 출력의 직류 전압(즉, 전치증폭기(31)의 출력전압)과 전기적 기준 전압(즉, 제1 차동증폭기(26)의 출력전압)의 값이 동일 하여야 한다. 따라서 전기적 신호의 기준 전압과 광출력의 전압 차이를 제2 차동증폭기(32)를 통해서 구하고 이를 PI제어회로(33)를 통해서 에러 신호로 광변조기(22)를 제어하도록 한다. 이에따라 입력되는 전기적 신호와 동일하게 변조된 광출력을 얻을 수 있다.
이러한 방법은 버스트한 트래픽 특성에 대하여도 적용이 가능하나 직류 전압의 절대 값에 비례하는 에러신호를 사용하기 때문에 온도 등에 의한 전자회로 소자의 불안정성에 영향을 받기 쉬운 단점이 있다. 그러므로, 이 역시 광변조기의 버스트 모드 광게이트 응용에 상용하기에는 부적절하다.
이와 같이, 아날로그 신호를 변조하는 경우나 디지탈 전송에서는, 광변조기의 주기적인 출력특성 때문에 신호의 왜곡이 문제가 되므로 광변조기의 출력 특성 곡선의 선형성이 가장 좋은 점에 동작점을 고정시킨다. 이 경우는 보통 바이어스 전극에 작은 디더링 신호를 싣거나, 혹은 변조하고자 하는 신호를 낮은 주파수의 작은 디더링 신호로 변조하면 그 디더링 신호에 의하여 변조된 광신호의 2차 고조파가 가장 작은 점이 선형성이 가장 좋은 점, 즉 상대적인 위상 차이가 π/2 가 되는 점, 이 되기 때문에 이를 이용한 방법이 일반적으로 사용된다.
그러나 전기광학 변조기를 광게이트로서 사용하고자 하는 경우는 출력광의 ON, OFF 상태가 최대의 소광비를 유지하는 것이 중요하다. 즉, OFF 상태가 최소의 광변조기 투과상태로 있어야 한다.
따라서 광게이트 응용을 위하여는 전기적 입력신호가 OFF 인 경우 변조기의 바이어스 전압은 변조기 출력의 최저점으로 조절되어 있어야 한다. 이를 위하여 디더링 신호방법을 사용할 경우에는 기본 주파수 성분이 투과 곡선의 최저점에서 가장 작아지므로 출력광의 기본 디더링 주파수 성분을 최소화 하는 방법으로 바이어스 전압을 제어 할 수 있다.
그러나 이 경우는 입력신호의 트래픽 특성이 균일하게(scambled data) 또는 일정하게 정의되는 경우이며, 만약 입력 신호가 계속하여 ON 이거나 OFF 인 경우 등과 같이 버스트한 특성을 나타내는 경우는 출력 안정화를 위한 에러신호 크기가 트래픽 특성에 따라서 달라져 광변조기의 적응적 제어가 불가능하다.
이와 같이 기존의 디더링 방법이 트래픽 특성에 따라서 적응적 제어가 어려운 이유는 출력광의 ON 과 OFF 상태 모두에서 에러신호를 추출하기 때문이다.
따라서 본 발명은, 출력광의 OFF 상태를 선택적으로 추출하여 측정하고 이 값을 최소화하는 방법으로 바이어스를 제어함으로써, 신호의 트래픽 특성과는 무관하게 적응적 바이어스 제어가 가능하도록 하기 위한 것이다.
이와 같은 목적을 달성 하기 위한 본 발명은, 출력광 신호의 OFF 레벨을 샘플링 앤드 홀드 방법으로 선택적으로 측정하여 이 값을 최소 동작점으로 하여 동작하도록 초기 동작점으로 정하고 항상 이점을 동작점으로 유지하도록 하여 출력광의 소광비를 최대로 유지하는 전기광학 광변조기용 바이어스 안정화 방법을 제공한다.
본 발명의 광변조기의 바이어스 안정화 방법은, 출력광신호의 최저 동작점을 샘플 앤드 홀드 방식을 이용하여 선택적으로 추출하고, 그 추출된 값을 최소화 시키도록 업/다운 카운트하여 바이어스를 조절하도록 함으로써, 버스트 모드에서의 다양한 형태의 트래픽 특성에 영향을 받지 않고 지속적이고 자동적으로 전기광학 광변조기의 바이어스를 안정화 하도록 한다.
본 발명은, 상기 샘플 앤드 홀드된 OFF 레벨의 데이타를 입력받아 이전에 들어온 신호 레벨의 값과 현재값의 비교에 의해 광변조기의 출력특성 곡선의 기울기를 판단하고, 상기 곡선의 상승구간에서는 현재값이 이전값보다 크면 다운 카운트를, 크지 않으면 업카운트 하며, 상기 곡선의 하강구간에서 현재값이 이전값보다 크면 업카운트를, 크지 않으면 다운카운트를 수행하여 상기 업/다운 카운트된 바이어스 값을 출력하여 출력광 신호의 최저점을 찾아가는 것이 가능하며 제로('0')점 부근에서 동작 최저점을 유지하도록 제어함을 특징으로 한다. 제로점에서는 섭동을 임의로 인가하여 동작점이 올라가면 내려주고 내려가면 올려주는 동작을 지속적으로 수행하여 항상 이값을 유지하게 된다.
따라서, 종래의 디더링 신호를 이용한 락-인 검출 방법은, 입력 신호의 트래픽 특성이 시간에 따라서 변하는 버스트한 트래픽에서 동작하지 못하는 반면, 본 발명의 출력광의 OFF점(LOW LEVEL) 샘플링에 의한 방법은 광신호의 트래픽 특성에관계없이 버스트 모드에서도 동작하고 항상 높은 소광비를 유지하며, 평균 광출력의 열화를 보상해 준다.
이러한 본 발명은, 전기광학 광변조기를 이용하는 광게이트로서 WDM(Wavelength Division Multiplex) 기반의 광패킷 스위치, 고속 100Gb/s급의 광신호 링크, 고속 다파장 변환을 위해 필요한 고속 파장 광원(high-speed light source), 광 버퍼(optic-buffer)등의 기술 분야에 응용이 가능해진다.
도 1은 동일한 전기적 신호 입력에 대하여 초기 바이어스 동작점에 따른 광변조기의 출력 신호형태를 설명하는 그림이다.
도 2는 기존의 디더링 방식에 의한 광변조기의 안정화 회로의 구조를 설명하는 기능 블록도로서 락-인 검출(Lock-in detection) 증폭기를 이용하여 바이어스를 제어하는 안정화 회로의 기능 블록도이다.
도 3은 전기적 입력신호와 광출력 신호의 트래픽 신호를 비교하여 광변조기 바이어스를 제어하는 안정화 회로 기능 블록도이다.
도 4는 본 발명의 샘플 앤드 홀드(Sample and Hold) 방식에 의한 광변조기 바이어스 안정화 방법의 기능 블록도이다.
도 5는 전기적 입력 신호가 OFF 일 때만 출력광 세기를 샘플링함으로써 광변조기의 최저 바이어스점을 동작점으로 유지하기 위해 샘플링 트리거신호를 생성(sampling triggering signal generation)하는 방법을 설명하는 논리도이다.
도 6은 본 발명의 샘플 앤드 홀드(Sampling and Hold) 방식에 의하여 적응적으로 신호의 최저 동작점을 유지하기 위한 원리를 설명하는 그림이다.
도 7은 광변조기에 입력되는 출력광 게이트 신호의 최저점 바이어스 유지를 위한 알고리즘이다.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
100 : 출력광 온, 오프 검출부 111 : 샘플링 트리거신호 발생부
112 : 전치 증폭부 113 : 샘플 앤드 홀드부
114 : 저역통과 필터부 115 : 이득 조절부
116 : A/D 변환부 200 : 적응적 바이어스 조절부
211 : 라인 드라이브부 212 : 8비트 제어부
213 : 바이어스 업다운 제어부 214 : 클럭제공부
300 : 바이어스 제어 전압 출력부 311 : 엣지 트리거형 래치부
312 : 디지탈/아날로그 변환부 313 : 기준전압 조정부
314 : 전류-전압 변환 및 이득제어부
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 샘플 앤드 홀드 방식에 의한 광변조기 바이어스 안정화 회로의 블록도이다.
전기적 입력 데이터(DATA)로 부터 역 데이타(/DATA)를 취한 후 시스템 클럭 신호와의 논리곱(AND logic) 작용을 통하여 출력광의 최저점 즉, OFF 상태를 읽을 수 있는 샘플 트리거 신호(/DATA & CLK)를 생성하고, 이 샘플 트리거 신호를 이용하여 검출된 전기신호의 OFF점을 샘플링시켜(low level sampling) 검출하는 출력광 온/오프 검출부(100)와,그 출력광 온/오프 검출부(100)의 출력광의 ON, OFF점 포착에 따른 샘플 앤드 홀드 데이타를 입력 받아서 이전에 들어온 데이터에 설정된 섭동값을 가하여 현재 들어온 입력값을 비교하고, 출력광 신호의 상승 구간에서는 현재값이 이전값보다 크면 다운 방향으로, 하강 구간에서는 현재값이 이전값보다 크면 업 방향으로 바이어스값을 조절하여 항상 출력광 신호의 0점 부근에서 동작 최저점을 유지하도록 제어하는 적응적 바이어스 조절부(200)와, 그 적응적 바이어스 조절부(200)에서 출력되는 바이어스 값을 아날로그 신호로 변환시켜 광변조기의 초기 바이어스 제어 전압으로 출력하는 바이어스 제어 전압 출력부(300)로 구성된다.
상기 출력광 온/오프 검출부(100)는, 샘플 트리거 신호(/DATA & CLK)를 생성하는 샘플링 트리거신호 발생부(111)와, 광검출기(PD)의 신호를 증폭하는 전치 증폭부(112)와, 샘플 트리거 출력신호에 의거하여 광검출신호를 샘플 앤드 홀드 시키는 샘플 앤드 홀드부(113)와, 샘플 앤드 홀드신호를 필터링 하는 저역통과 필터부(114)와, 이득을 적정하게 증폭을 하는 이득 조절부(115)와, 디지탈 신호로 변환하여 상기 적응적 바이어스 조절부(200)에 출력하는 A/D변환부(116)로 구성된다.
상기 적응적 바이어스 조절부(200)는, 상기 A/D 변환된 디지탈 신호를 입력받아 쓰기 및 릭기 제어를 가능하게 하는 라인 드라이브부(211)와, 그 라인 드라이브부(211)를 통해 상기 디지탈 데이타를 입력받아 이전 입력과 현재 입력을 서로 비교하여 바이어스 값을 업/다운 카운트를 제어하고, 적응적 조절된 바이어스 값을 출력하는 제어부(212)와, 그 제어부(212)의 업/다운 제어에 의해 상기 바이어스값을 업/다운 시키는 바이어스 업/다운 제어부(213) 및 업/다운 제어를 위한 클럭을 제공하는 클럭제공부(214)를 포함하여 구성되며, 상기 각부들은 하나의 원칩 프로세서로 내장하여 구성된다.
상기 바이어스 제어 전압 출력부(300)는, 상기 8비트 제어부(212)에서 출력되는 업다운 데이터를 래치하고 래치된 2진 데이터를 출력하는 엣지트리거형 래치부(311)와, 그 엣지 트리거 래치부(311)로 부터 입력되는 디지탈 신호를 아날로그 신호로 변환하여 카운트값에 일치되는 바이어스 전류를 생성하는 디지탈/아날로그 변환부(312)와, 그 디지탈/아날로그 변환부(312)의 기준전압을 제공하는 기준전압 조정부(313)와, 디지탈 신호로 변환되어 출력되는 바이어스 전류값을 전압 출력 값으로 변환하고, 이를 적정 증폭도로 조절하여 외부 광변조기에 공급되는 바이어스 입력 전압 값을 제어하는 전류-전압변환 및 이득 제어부(314)로 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 기능 블록도를 참조해 본 발명의 전기광학 광변조기의 바이어스 안정화 방법에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명에서 제안하는 샘플 & 홀드(Sample and Hold) 방식에 의해 출력광의 OFF 상태만 선택적으로 추출하기 위해 필요한 샘플 트리거(sampling trigger signal)을 만들기 위한 타이밍도를 보여 준다.
샘플 트리거 신호 발생부(111)는 광변조기의 동작 최저 바이어스점 유지를 위하여 샘플 트리거 신호를 발생한다. 이를 위해서 도 5의 논리도에 나타낸 바와 같이, 입력 데이타로서 20MHz∼200MHz의 패킷 데이타(상기 광신호를 발생시키기 소스 데이타, 도 5의 DATA)를 입력받아 역(/DATA)을 취한다. 그 역 데이타와 시스템 클럭(CLK)을 논리곱(AND logic) 하면, 출력광의 OFF 상태를 읽기 위한 ECL(Emitter Coupled Logic) 샘플 트리거 신호(/DATA & CLK)가 생성된다. 이 샘플 트리거 신호를 이용하여 상승에지(rising edge)에서 출력광 신호의 OFF점을 검출하고, 그 오프-레벨을 샘플앤드홀드시켜 디지탈 데이타로 변환한다.
상기 전치 증폭부(112)는, 광 검출기로 부터 입력되는 미소 전류(10 mA)를필요한 레벨까지 증폭한다.
샘플 앤드 홀드부(113)는 임의의 시간 구간 내에서 최종 입력 신호 레벨의 최저점을 기억하기 위한 아날로그 메모리 기능을 하며, 20dB 까지 증폭한 20 MHz∼200 MHz의 광검출기(PD)의 출력광 신호에 대해 샘플 트리거 신호의 상승 에지에서 트리거하여 출력광 데이터의 최저점을 포착하여 그 신호 전압 레벨을 샘플 & 홀드부(113) 내부 커패시터에 지속적으로 저장을 수행한다. 샘플 앤드 홀드부(113)는, 최대 250 MHz의 추적 대역까지 제공하는 디바이스(AD9100)가 사용되었다.
따라서, 상기 샘플 앤드 홀드부(113)는 상기 샘플 트리거 신호 발생부(111)의 샘플트리거신호에 의거하여 상기 전치 증폭부(112)의 출력신호 샘플 앤드 홀드 시킨다.
저역 통과 필터부(114)는 거의 직류에 가까운 맥류 신호 형태의 고속의 샘플 앤드 홀드 출력이 입력되며, 리플성분을 제거한다.
LPF부를 통과 후 이득 조절부(115)에서 비반전 모드에서 동작하는 증폭기에 의해 적절한 수준까지 이득이 증폭 조절된다.
A/D 변환부(116)는 클럭의 상승 에지(rising edge)에서 내부에서 발생하는 시퀀스의 순서를 디지탈 출력으로 다루는 방식으로 1클럭 시간에 결정되는 순서가 1비트 값으로 출력된다. 인코더, 래치 기능을 통해 다음 클럭의 상승에지에서 제어의 지연시간을 거쳐 데이터를 출력한다. 20 Mb/s로 동작시키기 위해서는 1클럭이 50 ns로 되므로 한계의 폭(duty ratio 50 %)에 여유(25 ns 이하의 duty cycle)가 있어야 데이터가 정상 출력된다. A/D 변환중 클럭이 정지되면 정지한 시점의 입력값을 (Counter와 DAC가) 유지하며 이는 전원 공급이 중단되지 않는 한 최종 데이터는 기억 유지된다.
라인 드라이버부(211)는 A/D 변환된 디지탈 신호가 제어부(212)에 인가될 때 읽기 인에이블(read enable)되고 8비트 제어부(212)에서 D/A변환부(312)에 전달될 때 쓰기 인에이블(write enable) 시키기 위한 기능을 한다.
8비트 제어부(212)는 전원 온에 의해 시작시 내부 소프트웨어에 의해 A/D 변환된 8비트의 디지털 출력 데이터를 읽어서 초기 바이어스 값으로 저장하고, 이후 들어오는 현재 신호 레벨을 읽어서 내부 레지스터에 저장한 후, 이전에 들어온 데이터(TA)와 현재 들어온 입력 신호(TB)를 비교한다.
일반적으로, 전기광학 광변조기는 바이어스 전압의 증감(up 또는 down)에 대하여 주기적인 성질을 갖고 있다. 따라서 off-레벨을 최소화 하기 위해서는 off-레벨의 출력값과 이 출력값을 최소화하기 위한 바이어스 전압의 변화 방향을 알 수 있어야 한다. 이는 현재의 출력값에서 바이어스 전압에 대한 기울기(slope)를 검사하여 알수 있으며, 작은 섭동을 계속적으로 인가하여 기울기(slope)를 추적한다.
도 6은 본 발명을 설명하기 위한 바이어스 제어 특성도이고, 도 7은 본 발명에 의한 적응적 바이어스 조절을 위한 제어 흐름도이다.
일반적으로 전기광학 광변조기는 바이어스 전압의 증감(업 또는 다운)에 대하여 주기적인 성질을 갖고 있기 때문에 OFF-레벨을 최소화하기 위해서는 OFF-레벨의 출력값과 이 출력값을 최소화하기 위한 전압의 변화방향을 알 수 있어야 한다.이는 현재의 출력값에서 변조기 투과곡선의 바이어스 전압에 대한 slope를 추적하여 알 수 있으며 이는 출력광신호에 섭동을 지속적으로 인가함으로써 가능하다. 즉, 먼저, 데이타를 입력받는 방법은 수회(예; 8 회 입력값)의 입력 데이타를 평균하여 현재 입력값으로 결정한다.
최초의 입력값(TA)을 저장하여 바이어스 값으로 출력하며, 이어서 입력된 현재 입력값(TA)과, 상기 바이어스 값(TA')에 섭동값(+ΔV)(예를들면, 디바이스의 공급전압 x 8비트 = 12x1/256=50 mV)을 더한 값(TB= TA' + ΔV)과 비교한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 현재 바이어스 전압 Vb= V0에서의 출력값을 TA라 하고, +ΔV(up count)의 섭동을 바이어스에 인가한 후, Vb= V0+ ΔV에서의 출력값을 TB라고 할 때 TA＞ TB인 경우에는 off-레벨이 -Vx구간에 있으므로 이 때에는 계속 업 카운트 방향을 유지한다.
만약, TA＞ TB인 경우에는 off-레벨이 +Vx구간에 있으므로 피드백 바이어스 전압을 다운 카운트 방향으로 전환한다. 이와 같이 +ΔV에 대해서 출력값이 작아지면 섭동의 방향을 이전과 같이 계속적으로 유지하고 반대로 증가하면 방향을 전환한다. 이에 따라 궁극적으로는 출력광 신호의 최저점을 동작점으로 유지하게 하고 이를 최소화 하게 된다. 제로점에서는 섭동을 임의로 인가하여 동작점이 올라가면 내려주고 내려가면 올려주는 동작을 지속적으로 수행하며 항상 이 값을 유지하게 된다.
상기 제어부(200)의 예로서는 출력광 신호의 최저점 추적을 위한 알고리즘을 수행하기 위하여 소형 프로세서(AT89C2051)가 사용 가능하다.
도 7에 도시된 바와 같이, 현재 입력된 데이타(TA)와, 바이어스 값(TA')에 업/다운 기본 스텝값인 섭동값(ΔV)을 더하고(TB= TA' + ΔV), TA와 TB값을 비교한다. TA값이 TB값보다 크면, 업 카운트 모드로 동작되며, 업 카운트 진행에 의해 TA가 TB보다 크지 않으면 즉시 다운 카운트 모드로 전환하여 동작된다. 반면, 다음 데이타가 입력되기 전까지 상기 TA가 TB보다 큰 상태를 유지하면, 상기 섭동 값 만큼씩 업 카운트를 하면서 바이어스 제어값으로서 출력한다.
한편, 현재 입력값을 받아 비교한 결과, TA가 TB보다 크지 않으면, 다운 카운트 모드로 동작되고, 다운 카운트 진행에 의해 TA가 TB보다 크지 않으면, 즉시 업 카운트 모드로 전환하여 동작된다. 반면, 다음 데이타가 입력되기 전까지 상기 TA가 TB보다 큰 상태를 유지하면, 상기 섭동 값 만큼씩 업 카운트를 하면서 바이어스 제어값으로서 출력한다.
상승 엣지 트리거 래치부(311)는 8비트 제어부(212)에서 출력된 업다운 데이터를 래치하고, 8비트 제어부(212)로부터 다음 클럭의 상승 에지에서 D/A 변환부(312)에 디지탈 데이터를 출력한다.
D/A 변환부(312)는 제어부에서 최소화된 디지털 신호를 받아 아날로그 신호로 변환하여 광변조기에 안정된 직류 바이어스를 제공한다. 비트 당 분해능을 조절하기 위한 전압 값이 기준전압 제공부(313)를 통하여 제공된다.
전류-전압 변환 및 이득제어부(314)는 OP 앰프에 의해 D/A 변환부(312)의 전류 출력 값을 반전 증폭기에 의해 부하조건에 맞추어서 전압 출력 값으로 변환하고, 적정 증폭도로 이득을 조절하여 광변조기에 필요한 직류 바이어스 전압 값(±6V)을 출력한다. 입력값의 옵셋을 조절하는 기능이 포함된다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 OFF-레벨 광신호 샘플링 및 이의 최소화 과정을 이용하여 광신호의 버스트한 트래픽 특성에 영향을 받지않고 항상 높은 소광비(extinction ratio)을 유지하는 효과가 있으며, 출력광 신호의 OFF-레벨(동작 최저점)을 검출하고 이를 동작점으로 지속적으로 유지함으로써, 시간에 따라 계속적으로 입력 트래픽 특성이 ON,OFF 변화하는 버스트한 트래픽 패턴에도 동작하게 하고, 검출된 출력광신호의 OFF-레벨을 최소화 함으로써, 소광비가 최대화되며, 동작과정동안 이 최저점을 연속적이고 자동적으로 유지하게 하여 광출력의 열화를 보상하게 된다.
또한, 본 발명은 전기광학 광변조기를 이용하는 광 게이트, 고속 다파장 변환을 위해 필요한 고속 가변 파장 광원, 광버퍼, 그리고 패킷 반복(packet repetition)이 약 200 Mb/s인 100Gb/s 급의 광신호 링크에도 사용 가능한 효과가 있다.
또한, 광변조기 출력광 신호의 궤환에 의해 출력광 소광비를 최대화하는 바이어스 안정화에 요구되는 시간은 수 sec 단위이나 본 발명을 이용하면, 시스템의특성에 따라서 m sec 정도까지 조절이 가능한 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 전기광학 광변조기의 바이어스 안정화 방법에 있어서,
    상기 광변조기의 입력신호가 OFF 상태일 때의 출력광을 추출하기 위한 샘플링 트리거 신호를 생성하는 단계와,
    상기 샘플링 트리거 신호를 이용하여 상기 광변조기로부터 출력되는 출력광이 OFF 상태가 되는 시점에서 상기 출력광을 샘플링하여 그 세기를 측정하는 단계와,
    상기 측정한 값과 기설정된 기준값을 비교하여 그 차이에 상응하며 상기 광변조기에 인가되는 바이어스 제어전압의 증감을 조절하여 상기 광변조기의 동작점을 최소로 유지시키는 단계를 수행하는 오프레벨 샘플링에 의한 전기광학 광변조기의 바이어스 안정화 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 샘플링 트리거 신호는,
    상기 출력광 신호의 소스 데이타인 전기적 데이터(DATA)의 역 데이타(/DATA)를 취한 후 시스템 클럭과의 논리곱에 의해 생성되어 상기 출력광 신호의 OFF-레벨을 샘플 앤드 홀드시키는 샘플링 트리거 신호(/DATA & CLK)인 오프레벨 샘플링에 의한 전기광학 광변조기의 바이어스 안정화 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 바이어스 제어전압을 조절하는 단계는,
    상기 샘플링된 OFF 레벨의 광신호 데이타를 입력받아 이전값과 현재값의 비교에 의해 출력광의 출력특성 곡선의 기울기를 판단하는 단계와,
    상기 곡선의 상승구간에서 현재값이 이전값보다 크면 바이어스 값을 감소시키는 다운 카운트를, 크지 않으면 바이어스 값을 증가시키는 업카운트 하며, 상기 곡선의 하강구간에서 현재값이 이전값보다 크면 바이어스 값을 증가시키는 업카운트를, 크지 않으면 바이어스 값을 감소시키는 다운카운트를 수행하여 바이어스 값을 조절하는 단계와,
    상기 업/다운 카운트된 바이어스 값을 출력하여 출력광 신호의 제로('0')점 부근에서 도작 최저점을 유지하도록 제어하는 단계를 수행하는 오프레벨 샘플링에 의한 전기광학 광변조기의 바이어스 안정화 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 기설정된 기준값은,
    상기 출력 광신호의 OFF-레벨 데이터 값을 일정한 횟수로 입력받아 그 평균을 낸 값인 오프레벨 샘플링에 의한 전기광학 광변조기의 바이어스 안정화 방법.
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