KR100566197B1

KR100566197B1 - Ａｐｄ 광수신기의 온도 보상 장치

Info

Publication number: KR100566197B1
Application number: KR1020030000143A
Authority: KR
Inventors: 정희원; 황성택; 강병창; 이한림
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2003-01-02
Filing date: 2003-01-02
Publication date: 2006-03-29
Also published as: JP3957304B2; CN1516362A; JP2004215274A; US20040129863A1; US7060970B2; KR20040062334A; CN1276598C

Abstract

본 발명은 광 수신 장치에 관한 것으로, 특히 APD(Avalanche Photo Diode)를 이용한 광 수신 장치에서의 온도에 따른 손실보상을 위한 온도 보상 장치에 관한 것으로, APD의 온도 변화에 따른 이득 감소를 보상함에 있어서, 데이터 룩업을 통해 선형적인 보상이 가능한 디지털 포텐셔미터를 채용한 APD 광수신 장치의 온도 보상 회로를 제공하는데 그 목적이 있으며, 전압 생성(Voltage Generator)부, 및 APD(Avalanche Photo Diode)와 APD의 온도 변화를 감지하기 위한 써미스터를 포함하는 APD 수신부를 구비한 APD 광수신기의 온도 보상 장치에 있어서, 상기 써미스터와 연결되어 상기 써미스터로부터 제 1 저항값을 전달받고, 상기 전달받은 제 1 저항값을 이용하여 상기 APD의 온도 데이터를 찾고, 상기 APD의 온도 데이터에 따른 출력 전압 데이터를 찾고, 상기 출력 전압 데이터에 따른 출력 전압을 만들기 위한 제 2 저항값 데이터를 출력하도록 제어하기 위한 제어 수단; 및 상기 제어 수단에서 출력한 상기 제 2 저항값 데이터에 따라, 상기 제 2 저항값을 상기 전압 생성부의 입력단으로 출력하는 저항 수단을 포함하여, 광 전송 등에 이용됨.

APD, 써미스터, PWM, 온도 보상

Description

ＡＰＤ 광수신기의 온도 보상 장치{Apparatus of Temperature Compensating in APD Optic Receiver}

도 1 은 일반적인 APD 광 수신장치의 일실시예 구성도.

도 2 는 도 1 의 일반적인 APD 광 수신장치의 일실시예 상세 구성도.

도 3a 내지 도 3b 종래의 온도 보상에 따른 전압변화 및 증폭양상의 예시도.

도 4 는 본 발명에 따른 온도 보상 장치를 구비한 APD 광 수신장치의 일실시예 구성도.

도 5 는 본 발명에 따른 온도 보상 장치의 일실시예 구성도.

도 6a 내지 도 6b 는 본 발명에 따른 온도 보상 장치를 구비한 경우 온도에 따른 저항과 전압 그래프의 예시도.

도 7 은 본 발명에 따른 온도 보상 장치의 일실시예 동작 흐름도.

본 발명은 광수신 장치에 관한 것으로, 특히 APD(Avalanche Photo Diode)를 이용한 광수신 장치에서의 온도에 따른 손실보상을 위한 온도 보상 장치에 관한 것이다.

일반적으로 APD라 함은, 광다이오드에 빛을 입사시켜 역 바이어스 전압을 증가시켜 가면, 발생된 전자가 높은 전계에서 가속되어 원자와 충돌하여 새로운 전자와 정공이 발생하는 눈사태 현상(Avalanche Phenomenon)이 생기는데, 이 현상을 이용하여 광신호를 전기 신호로 변환하는 것으로 광통신용의 수광 소자로 이용되고 있다. 그 특징으로는 고속 디지털 회선에는 적합하지만 APD 자체의 눈사태 효과에 의한 전류 증폭 작용으로 신호 대 잡음비(S/N : Signal/Noise)가 높고, 바이어스 전압이 높으며, 온도 의존성이 크다는 등의 결점이 있다.

좀 더 상세히 그 장단점을 살펴보면, APD는 그 자체의 이득(gain)을 가지고 있으며 아주 작은 레벨(level)의 빛도 검출할 능력이 있기에, 섬유-광(fiber-optic) 수신기에서 최적의 감도(optimum sensitivity)를 요구하는 개발자들에게 선호된다.

그러나, 이러한 내부 이득의 만족할 만한 레벨을 얻기 위해 APD는 높은 바이어스(bias)(30~40V)공급을 필요로 하며, 또 다른 단점으로는 APD가 온도에 민감한 이득 함수(gain function)를 가지고 있다는 것이다. 따라서, APD의 상수 이득(constant gain)을 얻기 위한, 또한 높은 전압을 공급하는 APD를 이용한 광수신 시스템에서 온도변화에 따른 보상회로가 필수적이다.

현재, APD를 도입한 광수신 시스템의 제어 회로(control circuit)는 높은 전압을 공급하는 전력 공급부(power generator)에서 전류량은 매우 작게 흘려주지만 전압을 크게 증폭시켜주는 "PWM(Pulse Width Modulation)"이라는 전력 스위칭(power switching) 기술을 이용한다.

그런데, 일반적으로 이 기능이 있는 "Maxim Integrated Products(120 San Gabriel Dr., Sunnyvale, CA 94086 USA)"사의 "MAXIM1771" 칩(chip)이 전압증폭의 코어 칩(core chip)으로 사용된다. 따라서, 온도변화에 따라 전압레벨이 변화한다. 이와같은 온도변화에 따른 전압레벨의 변화는 이 칩의 피트 백(feedback) 단자에 인가되는 전압레벨에 의해 조절된다. 피트 백(feedback) 단자가 조절하여 전압의 변화량이 결정되는데, 전압의 변화량의 기울기를 조절하는 저항과 APD 내부에 포함된 써미스터(Thermistor)와 연결된 온도에 따른 저항의 선형적인 동작을 위한 저항을 조합시켜서 온도보상회로를 구성하고 있다.

도 1 은 일반적인 APD 광 수신장치의 일실시예 구성도이다. 도시된 바에 따르면, 일반적인 APD 광 수신장치는 작은 입력 전압에 대해 큰 출력의 역 바이어스를 생성시키는 전압 생성(Voltage Generator)부(11), APD(131)와 APD의 온도 변화를 감지하기 위한 써미스터를 포함하는 APD수신부(13), 및 APD(131)의 온도에 따른 이득 요소의 감소 부분의 보상하여, 상기 전압 생성부의 선형화된 출력 전압을 생성하기 위한 온도 보상부(12)를 포함한다.

도 2 는 도 1 의 일반적인 APD 광 수신장치의 일실시예 상세 구성도이다.

도 2 에 도시된 바에 대해 설명하면, 전압 생성부(11)는 PWM 전력 스위칭(power switching) 기술을 이용하는 "Maxim Integrated Products(120 San Gabriel Dr., Sunnyvale, CA 94086 USA)"사의 "MAXIM 1771"칩을 포함하여 구성되 며, 5~8V의 입력전압에 대해 30~40V의 역 바이어스를 생성시킨다. 여기서, 전압 생성부(11)의 출력(Vo)과 연결된 APD(131)는 온도증가에 따라 0.2%/℃ 의 이득 요소의 감소가 있으므로 동일한 수신감도를 유지하기 위하여 온도증가에 따라 똑같은 변화율을 가지고 역 바이어스를 증가시켜줘야 한다.

이러한 온도에 따른 역 바이어스 증가를 위하여 온도 보상부(12)의 저항을 APD의 써미스터(132)와 병렬 연결시킴으로써, 전체 회로에서 전압 생성부(11)의 출력 전압(Vo)을 위한 온도변화에 따른 저항변화의 비율을 써미스터(132)의 저항(RT)과 온도 보상부(12)의 선택된 저항(R2, R3, R4)의 조합으로 맞출 수 있으며 결과적으로 기준 전압(Vref)과 출력 저항의 관계식인 하기 <수학식 1>을 통해 전체 회로에서 전압 생성부(11)의 출력 전압(Vo)의 양을 조절할 수 있다.

즉, 실시예에서는 "Maxim1771" 칩이 포함된 전압 생성부(11)에 의해 전력 스위칭에 따른 전압 생성이 이루어지며, 이 전압 생성은 위의 <수학식 1>의 비율에 따른 전압 증폭으로 이루어지므로, 여기에 관계된 저항 R2 와 R3은 각각 온도변화에 따른 APD 전압 증폭의 슬로프 이득(slop gain)과 온도 선형화(temperature linearization)를 담당하게 된다. 이때, R2, R3의 결정에 따른 전압변화 및 증폭양상은 도 3a 내지 도 3b 와 같다.

도 3a는 병렬 저항값(RT)과 온도의 상관 관계를 도시한다. 여기서, 도 3a의 X축은 APD(131)의 온도를 표시하며, Y축은 써미스터(132)의 저항값을 나타낸다. 그리고, 도 3b는 출력 전압(Vo)과 온도의 상관 관계를 표시한다. 여기서, 도 3b의 X축은 APD(131)의 온도를 표시하며, Y축은 전체 회로의 출력 전압(Vo)을 나타낸다.

도 2, 도 3a 내지 도 3b 에 도시된 일반적인 APD 광 수신장치의 동작을 좀 더 상세히 살펴보면, 우선 전체적인 전압 증폭의 기울기 및 전압 크기를 온도 보상부(12)의 저항 R2에 의해 선택해야 하며 또한, 써미스터(132)와 병렬 연결된 온도 보상부(12)의 저항 R3의 선택에 의해 온도에 따른 저항변화의 선형성을 맞추어 줘야 한다.

하지만, APD(131)마다 고유의 이득 요소(Gain factor)를 얻기 위해 필요한 역 바이어스(reverse bias)의 값이 각기 다르며, 온도 보상부(12)의 저항인 R2, R3의 저항 변화에 따라 전압 변화가 민감하게 반응한다.

따라서, 하나의 회로 보드에서 APD(131)가 바뀌어질 때마다 그리고, 주위 온도변화가 있을 때마다 수신감도가 일정토록 하기 위하여(즉, 출력 전압이 선형화될 수 있도록 하기 위하여) 온도 보상부(12)의 저항 R2와 저항 R3을 설정하는 것이 필요하다. 그러나, 도 2 에 도시된 장치와 같이 저항 R2를 가변 저항으로 하여 상기와 같이 수신감도가 일정하도록 하는 것은, 전체 변화온도 영역에서 첫 단과 끝 단의 0.2%변화라는 거시적인 조건으로 맞추는 것은 가능하지만 개개의 온도 구간별 0.2%/℃라는 변화량의 전압 변화는 얻기 힘들며 얻을지라도 R2와 R3, 두 개의 저항값을 일일이 디버깅해야 하는 문제점이 있다.

또한, 아날로그 적으로 그 저항값을 만들기 위한 상기 <수학식 1>을 보면 분수함수로 표현됨으로 인해, 선형적인 값을 만들어주는 것이 힘든 문제점이 있다.

본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, APD의 온도 변화에 따른 이득 감소를 보상함에 있어서, 데이터 룩업을 통해 선형적인 보상이 가능한 APD 광수신 장치의 온도 보상 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전압 생성(Voltage Generator)부, 및 APD(Avalanche Photo Diode)와 APD의 온도 변화를 감지하기 위한 써미스터를 포함하는 APD 수신부를 구비한 APD 광수신기의 온도 보상 장치에 있어서, 상기 써미스터와 연결되어 상기 써미스터로부터 제 1 저항값을 전달받고, 상기 전달받은 제 1 저항값을 이용하여 상기 APD의 온도 데이터를 찾고, 상기 APD의 온도 데이터에 따른 출력 전압 데이터를 찾고, 상기 출력 전압 데이터에 따른 출력 전압을 만들기 위한 제 2 저항값 데이터를 출력하도록 제어하기 위한 제어 수단; 및 상기 제어 수단에서 출력한 상기 제 2 저항값 데이터에 따라, 상기 제 2 저항값을 상기 전압 생성부의 입력단으로 출력하는 저항 수단을 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 4 는 본 발명에 따른 온도 보상 장치를 구비한 APD 광 수신장치의 일실시예 구성도이다. 도 4 에 도시된 바에 대해 설명하면, 전압 생성부(11)는 PWM 전력 스위칭(power switching) 기술을 이용하는 "Maxim Integrated Products(120 San Gabriel Dr., Sunnyvale, CA 94086 USA)"사의 "MAXIM 1771"칩으로 구성되며, 5~8V의 입력전압에 대해 30~40V의 역 바이어스를 생성시킨다. 여기서, 전압 생성부(11)의 출력(Vo)과 연결된 APD(131)는 온도증가에 따라 0.2%/℃ 의 이득 요소의 감소가 있으므로 동일한 수신감도를 유지하기 위하여 온도증가에 따라 똑같은 변화율을 가지고 역 바이어스를 증가시켜줘야 한다. 이러한 온도에 따른 역전압 증가를 위하여, 전압 생성부(11)의 입력부에 연결되어 그 입력 전압의 레벨을 조절하는 온도 보상부(12)를 통해, 전압 생성부(11)의 입력 전압을 변화시킴으로써, 그 온도에 따른 출력 전압 변화를 보상한다.

그리고, 온도 보상부(12)는 저항부(401)와 제어부(402)로 구성되는데, 제어부(402)는 써미스터(132)의 저항값을 전달받아 해당 저항값으로부터 APD(131)의 온도를 알아내고 해당 온도에 맞는 Vo을 찾아 그를 보상하는 저항값을 저항부(401)에 전달하여 해당 저항값을 나타내도록 한다. 그리고, 저항부(401)는 스텝 식의 디지털 저항기로 제어부(402)로부터 전달받은 저항값을 출력하여 전압 생성부(11)의 입력부에 연결되어 그 입력 전압의 레벨을 조절한다. 본 발명에 따른 온도 보상부(12)는 이하 도 5에서 좀 더 상세히 설명하기로 한다.

도 5 는 본 발명에 따른 온도 보상 장치의 일실시예 구성도이다. 본 발명의 온도 보상 장치는 APD의 온도를 감지하여 해당 온도에 의한 전압 생성부의 출력 전 압 값의 감소를 보상하도록 제어하기 위한 제어부(402)와 제어부의 제어에 따라 그 저항값을 출력하는 저항부(401)로 구성된다.

특히, 제어부(402)는 써미스터(132)와 연결되어 써미스터(132)로부터 그 저항값(RT)을 전달받아 저항 제어부(52)로 전달하는 온도 감지부(51), 써미스터(132)의 저항값에 따른 APD(131)의 온도 관계 데이터를 저장하는 온도-저항(RT) 저장부(53), APD의 온도에 따른 출력 전압(Vo) 데이터를 저장하는 온도-전압(Vo) 저장부(54), 기준 전압(Vref)값과, 전압(Vo)-저항(R) 관계 데이터를 포함하는 초기값을 저장하는 초기값 저장부(55), 온도 감지부(51)로부터의 저항값(RT)을 온도-저항(RT) 저장부(53)로 전달하여 온도 데이터를 전달받고 전달된 온도 데이터를 온도-전압(Vo) 저장부(54)로 전달하여 해당 온도에 따른 출력 전압(Vo) 데이터를 전달받고, 전달받은 츨력 전압(Vo) 데이터를 초기값 저장부(55)에 전달하여 출력 전압(Vo)에 따른 저항값(R) 데이터를 구하여 전달하도록 제어하는 저항 제어부(52), 및 저항 제어부(52)로부터의 저항값(R)을 전달받아 저항부(401)에 전달하여 해당 저항을 설정하도록 하는 저항값 설정부(56)를 포함한다.

한편, 저항부(401)는 제어부(402)로부터의 제어에 따라, 그 값이 정하여지며 일반적인 디지털 포텐셔미터(digital potentiometer)로 구성하는 경우, 현재 출시되어 있는 일반적인 고 스펙의 포텐셔미터의 경우, 2채널 256 스텝의 저항값을 가지기 때문에 1㏀ ~ 10㏀ 범위에서 저항값을 출력할 수 있게 구성된다.

도 6a 내지 도 6b 는 본 발명에 따른 온도 보상 장치를 구비한 경우 온도에 따른 저항과 전압 그래프의 예시도이다. 도 6a는 X축은 APD(131)의 온도를 표시하 며, Y축은 써미스터(132)의 저항값을 나타낸다. 그리고, 도 6b의 X축은 APD(131)의 온도를 표시하며, Y축은 전체 회로의 출력 전압(Vo)을 나타낸다.

도 7 은 본 발명에 따른 온도 보상 장치의 일실시예 동작 흐름도이다. 본 발명의 온도 보상 장치는 우선, 본 발명을 적용하기 위한 APD의 온도와 써미스터 저항(RT)간의 관계데이터, APD의 온도와 출력 전압(Vo)의 관계 데이터 및 출력 전압(Vo)과 저항(R)간의 관계 데이터를 저장한다(701).

그리고, 현재 APD에 대한 정보를 통해, 써미스터와 APD의 온도와의 관계인 온도 계수의 변경이 필요한지를 확인한다(702). 그리고, 온도 계수의 변경이 필요할 경우는 "Steinhart & hart" 식(Equation)을 이용하여 써미스터와 APD의 온도와의 관계 데이터를 재 작성한다(703). 이 방법을 통해 APD가 바뀌어도 본 발명에 따른 온도 보상 장치는 같은 방법으로 동작한다. 즉, APD의 교체를 감지하여 APD 내의 써미스터의 저항값과 온도와의 새로운 관계 데이터를 저장하는 것이다.

그리고, 저장된 데이터를 새로 작성된 데이터로 대치하여 저장한다(704).

온도 계수의 변경을 한 경우 또는 온도 계수의 변경이 필요치 않은 경우, 저장된 APD의 온도와 써미스터 저항(RT)간의 관계데이터를 로딩하여(705) APD의 온도를 감시한다. 즉, 써미스터 저항(RT)값의 변화를 감시한다.

그리고, APD의 온도(즉, 써미스터 저항(RT)값)가 변하면(707), APD의 온도와 출력 전압(Vo)의 관계 데이터를 통해 해당 온도에 따른 출력 전압(Vo)을 룩업(Look-Up)한다(708). 룩업된 해당 온도에 따른 출력 전압(Vo)을 이용해 "Vo=Vref×R"을 만족하는 저항(R)을 설정하여 출력하도록 한다(709).

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

상기와 같은 본 발명은, 디지털로 제어되는 APD 수신 장치의 온도 보상 장치를 제공하여, 기존의 아날로그 온도 보상 회로에 비해 간소하고 정밀한 수신감도를 가지는 온도 보상 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은, 서로 다른 이득 요소(Gain factor)를 가지는 각각의 APD를 사용하여도 온도 변화에 따른 보상전압의 변화를 일정하게 유지시켜 불확실한 저항 디버깅의 한계를 극복하여 어느 APD를 사용하여도 최적의 수신감도를 유지할 수 있는 효과가 있다.

Claims

APD(Avalanche Photo Diode)와 연결되어 작은 입력 전압에 대해 큰 출력의 역 바이어스를 생성시키는 전압 생성(Voltage Generator)부, 및 광 신호를 입력받아 전기신호로 변환하는 상기 APD와 상기 APD에 연결되어 그의 온도 변화를 감지하기 위한 써미스터를 포함하는 APD 수신부를 구비한 APD 광수신기의 온도 보상 장치에 있어서,

상기 써미스터와 연결되어, 상기 써미스터로부터 상기 제 1 저항값을 전달받아 저항 제어 수단으로 전달하는 온도 감지 수단;

상기 제 1 저항값에 따른 상기 APD의 온도 데이터를 저장하는 온도-저항 저장 수단과, 상기 APD의 온도 데이터에 따른 상기 출력 전압의 데이터를 저장하는 온도-전압 저장 수단과, 기준 전압(Vref)값과, 상기 출력 전압-상기 제 2 저항값 간의 관계 데이터를 포함하는 초기값을 저장하기 위한 초기값 저장 수단을 포함하는 룩업 테이블부;

상기 온도 감지 수단으로부터의 전달받은 상기 제 1 저항값을 상기 룩업 테이블부의 온도-저항 저장 수단으로 전달하여 상기 제 1 저항값에 따른 온도 데이터를 전달받고, 전달받은 상기 온도 데이터를 상기 룩업 테이블부의 온도-전압 저장 수단으로 전달하여 상기 온도에 따른 상기 출력 전압 데이터를 전달받고, 전달받은 상기 출력 전압 데이터를 상기 룩업 테이블부의 초기값 저장 수단에 전달하여 상기 출력 전압에 따른 제 2 저항값 데이터를 얻어 전달하도록 제어하는 상기 저항 제어 수단;

상기 저항 제어 수단으로부터의 상기 제 2 저항값 데이터를 전달받아 출력하는 저항값 설정 수단; 및

상기 저항값 설정 수단에서 출력한 상기 제 2 저항값 데이터에 따라, 상기 제 2 저항값을 상기 전압 생성부의 입력단으로 출력하는 저항 수단을 포함하는 APD 광수신기의 온도 보상 장치.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 저항 수단은,

1㏀ ~ 10㏀ 범위에서 2채널 256 스텝의 저항값을 출력하는 것을 특징으로 하는 APD 광수신기의 온도 보상 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 온도 보상 장치는,

상기 APD 광수신기의 상기 기준 전압(Vref)값, 상기 제 1 저항값에 따른 상기 APD의 온도 데이터, 상기 APD의 온도에 따른 상기 출력 전압 관계 데이터, 및 상기 출력 전압-상기 제 2 저항값 간의 관계 데이터를 포함하는 초기값을 저장하는 제 1 단계;

상기 온도 보상 장치의 온도 계수의 변경 여부를 확인하여 변경 시는 "Steinhart & hart" 식에 따른 새로운 관계 데이터를 저장하는 제 2 단계;

상기 써미스터로부터 상기 제 1 저항값을 전달받아 상기 APD의 온도 변화를 검색하는 제 3 단계;

상기 제 3 단계의 감시 결과, 상기 APD의 온도 변화가 감지되면, 상기 제 1 저항값에 따른 상기 APD의 온도 데이터, 상기 APD의 온도에 따른 상기 출력 전압 관계 데이터, 및 상기 출력 전압-상기 제 2 저항값 간의 관계 데이터를 통해 상기 제 2 저항값 데이터를 찾는 제 3 단계; 및

상기 제 2 저항값 데이터를 상기 저항 수단에 전달하여 상기 저항 수단이 상기 제 2 저항값을 가지도록 하는 제 4 단계를 포함하는 과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 APD 광수신기의 온도 보상 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제 2 저항값 데이터는, "출력 전압/기준 전압"의 값으로 하는 것을 특징으로 하는 APD 광수신기의 온도 보상 장치.
삭제