KR100609387B1 - 광통신용 광원의 파장 안정화 장치 - Google Patents

Abstract

광통신용 광원의 구동시 파장의 천이가 발생하는 경우 파장을 안정화 시키기 위하여 디지털 제어 회로부와 아날로그 제어 회로부를 혼재하여 구성된 광통신용 파장 안정화 장치를 제공한다. 본 발명을 이용하면, 광통신용 광원이 적용되는 변조 방식에 따라 정밀한 파장 제어가 가능하여 성능의 안정화를 이룰 수 있다.

디지털 회로, 아날로그 회로, 파장 안정, 파장 잠금기

Description

광통신용 광원의 파장 안정화 장치{Apparatus for stabilizing wavelength of Optical Source for Optical Communications}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광통신용 광원의 안정화 장치의 개략적인 구성도이다.

도 2는 도 1의 디지털 제어 회로부의 상세한 구성의 일예를 도시한 구성도이다.

도 3은 도 1의 아날로그 제어 회로부의 상세한 구성의 일예를 도시한 구성도이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광통신용 광원의 안정화 장치의 세부적으로 구성한 일예를 도시한 도면이다.

도 5는 본 발명이 적용된 실험예에서 온도 변화(상온 +/-10도)에 따른 파장 안정화를 얻은 결과 데이터이다.

본 발명은 광통신용 광원의 파장 안정화 장치에 관한 것으로, 광통신용 광원의 구동시 파장의 천이가 발생하는 경우 파장을 안정화 시키기 위하여 디지털 회로와 아날로그 회로를 혼재한 파장 안정화 장치를 제공한다.

광통신 시스템에서, 종래의 비영복귀(NRZ) 변조 방식 이외의 다양한 광신호 변조 방식에 대한 요구로 인하여, 광원, 특히 분배궤환형 레이저 다이오드(Distributed Feedback Laser Diode;DFB-LD)의 파장 및 온도 안정화에 대한 요구 범위가 달라지므로 각 변조 방식에 따른 분배궤환형 레이저의 제어가 중요시되고 있다.

일반적으로 광통신 시스템에서 광원으로 사용하는 레이저는 분배궤환형 레이저 다이오드(Distributed Feedback Laser Diode)이고, 광통신 시스템에 적용되는 변조 방식이 비영복귀 변조에서는 분배궤환형 레이저 다이오드의 출력 광 세기, 파장, 선폭(Line Width), 인접 모드 억압 비(Side Mode Suppression Ratio)등에 대해서 일정 규격들이 제시되고 있으나, 새롭게 적용되는 차동 위상 변조(DPSK: Differential Phase Shift Keying)를 위한 광원 안정화에 대한 규격은 제시되고 있지 않았다.

특히 10Gbps급 차동 위상 변조에서는 일반적인 레이저 규격으로는 안정화 범위를 얻을 수 없는 문제점이 있었다. 한편, 광 신호의 레이저 출력시 발생하는 파장 천이에 대해서 정밀하게 제어하여 파장 안정화가 절실히 요구되고 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 광통신용 광원의 정밀한 파장 안정도가 요구되는 광변조 방식에 있어서 정밀한 파장 안정화를 위한 회로를 구현하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 광통신용 광원의 정밀 파장 안정화를 위하여, 디지털 제어 회로부와 아날로그 제어 회로부를 혼합하는 방식으로 구현한 파장 안정화 장치를 제공하는 것이다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일측면은 광원의 파장을 검출하여 안정화시키는 광통신용 파장 안정화 장치에 있어서, 상기 광원으로부터 광세기 측정값 정보와 파장 측정값 정보를 수신하고, 아날로그 제어 회로부로부터 온도 상태 정보를 수신하여, 아날로그 제어 회로부에 각종 정보 신호들을 전달하는 디지털 제어 회로부; 및 상기 디지털 제어 회로부에 연결되어, 상기 광원으로부터 온도 측정값 정보를 수신하여 이를 기초로 상기 온도 상태 정보를 전송하고, 상기 각종 정보 신호들을 기초로 전류 제어 신호와 온도 제어 신호를 상기 광원으로 전송하는 아날로그 제어 회로부를 구비하는 광통신용 파장 안정화 장치를 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한 다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 한편, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭하며, 중복되는 요소에 대해서는 설명을 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광통신용 광원의 안정화 장치(1)의 개략적인 구성도이다.

광원의 제어를 위해서는 아날로그와 디지털 회로를 혼재하여 사용하고 있으며 제어의 정밀도 또는 제어 알고리즘에 따라 아날로그 회로와 디지털 회로를 각기 다르게 구성해서 사용가능하다.

광원(300)은 레이저 다이오드(310)를 포함가능하며, 파장 안정화를 위해 파장 잠금기(320)를 내장하거나 외장으로 사용되고 있다. 도 1에서는 일 예로 광원(300) 내에 파장 잠금기(320)를 구비한 것을 도시하였다. 또한, 파장측정값 정보(301)는 파장잠금기(320)로부터 전달되는 것으로 도시되어 있다.

한편, 광원의 안정화 장치(1)는 아날로그 제어 회로부(200)와 디지털 제어회로부(100)를 구비한다.

아날로그 제어 회로부(200)는 전류 제어 신호(201), 온도 제어 신호(202)를 레이저 다이오드(310)로 전송하고, 레이저 다이오드(310)로 부터 온도 측정값 정보(203)를 수신한다.

디지털 제어회로부(100)는 아날로그 제어회로부(200)로부터 온도 상태 정보 (205)를 전달 받고, 아날로그 제어 회로부(200)에 각종 정보 신호들(101,102,103,104)을 송신한다. 이들 신호들에 대해서는 상세히 후술한다. 디지털 제어회로부(100)는 레이저 다이오드(310)로부터 광 세기를 파악하기 위해 위한 광세기 측정값 정보(204)를 송신받고, 파장잠금기(320)로부터 파장 측정값 정보(301)를 수신한다.

다음으로, 본 실시예에 따른 안정화 장치(1)를 보다 구체적으로 상세히 설명한다.

먼저, 도 1의 안정화 장치(1)의 디지털 제어회로부(100)의 구성예를 도 2를 참조하여 설명한다. 도 2는 도 1의 디지털 제어 회로부의 상세한 구성의 일예를 도시한 구성도이다.

도 2를 참조하면, 디지털 제어 회로부(100)는 마이크로 프로세서(Micro Processor; 130)와 A/D 컨버터(A/D Converter 12Bit; 110)과 디지털 아날로그 변화기(D/A Converter; 120)를 구비한다.

디지털 제어 회로부(100)에서, 광원(300)으로부터 전달된 파장 측정값 정보(301)와 광세기 측정값 정보(204)와 아날로그 회로 제어부(200)부터 전달된 온도 상태 정보(205)를 A/D 컨버터(110)을 통해 샘플링한다. 샘플링된 정보신호는 마이크로 프로세서(130)으로부터 계산되고 D/A 컨버터(120)를 거쳐 안정화 제어를 위한 정보 신호(101,102,103,104)들로 변환되어 아날로그 제어회로부(200)로 전달한다.

마이크로 프로세서로(130)는 계산된 신호들과 기설정된 기준 설정값 들을 이 용하여 각종 정보 신호(101,102,103,104)들을 생성하여 이들을 아날로그 제어회로부(200)로 전달한다. 도면부호 101은 전류 초기 설정값 신호, 102는 전류 변화값 신호, 103은 온도 초기 설정값 신호, 104는 온도 변화값 신호를 의미한다.

다음으로, 도 1의 안정화 장치의 아날로그 제어 회로부의 구성예를 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3은 도 1의 아날로그 제어 회로부(200)의 상세한 구성의 일예를 도시한 구성도이다. 아날로그 제어 회로부(200)는 덧셈기와 뺄셈기를 포함하여 구성가능하다.

도 3을 참조하면, 레이저 다이오드(310)의 전류 제어를 위해서는 디지털 제어 회로부(100)로부터 전류 초기 설정값 신호(101)과 전류 변화값 신호(102)을 전달받아 아날로그 처리하여 광원(300)에 전류 제어 신호(201a, 201b)를 전달한다.

온도 제어를 위해서는 디지털 제어 회로부(100)로부터 온도 초기 설정값 신호(103) 및 온도 변화값 신호(104)과 광원(300)으로부터 레이저 다이오드(310)의 온도 측정값 신호(203)를 입력 받아 아날로그 처리하여 레이저 다이오드(310)에 온도 제어 신호(202)를 전달한다. 아날로그 처리된 광세기 측정값 신호(204)와 온도 상태 신호(205)는 디지털 제어 회로부(100)로 전달된다.

한편, 도 3에서의 아날로그 제어 회로부(200)는 예컨대 차동 위상 변조 방식의 파장 안정화를 위해 최소로 요구되는 구성만을 도시하였다.

다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 광통신용 광원의 파장 안정화 장치를 더 욱 상세히 설명한다. 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광통신용 광원의 안정화 장치의 세부적으로 구성한 일예를 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 전술한 바와 같이, 광원의 안정화 장치(1)는 아날로그 제어 회로부(200)와 디지털 제어회로부(100)를 구비한다.

사용자가 원하는 출력 광세기와 출력 파장을 얻기 위해서 입력 전류와 입력 온도를 설정하기 위해서는 디지털 제어 회로부(100)의 기준 설정값 저장부(140)에 각기 전류와 온도의 기준값들을 미리 설정하여 저장하고, D/A 컨버터(120)를 통해 아날로그 제어 회로부(200)에 전류 초기 설정값 신호(101)와 온도 초기 설정값 신호(103)을 전달한다. 광원의 상대적인 변화가 발생하였을 때 변화량에 대해서는 전류 변화값 신호(102)와 온도 변화값 신호(104)를 D/A 컨버터(120)를 거쳐 아날로그 제어 회로부(200)에 전달한다.

광원의 파장 측정값 정보(301a, 301b)는 예컨대 파장잠금기(320)를 통해 디지털 제어 회로부(100)에 전달되어 마이크로 프로세서(130) 내에서 처리과정을 통해서 아날로그 제어 회로부(200)로 전달한다. 상술한 과정을 통해 출력된 제어신호(201,202)는 아날로그 제어 회로부(200)를 거쳐 광원(300)에 전달 된다. 여기서 파장의 정밀한 제어를 위해서는 A/D 컨버터(110)와 D/A 컨버터(120)는 12비트 이상의 샘플링이 가능한 변환기를 사용하는 것이 바람직하다.

본 파장 안정화 장치를 이용하여 광원에 발생된 변화를 보정하기 위한 제어 절차를 살펴보면 다음과 같다.

우선, 전류에 대한 보정 방법을 알아보기 위해 전류 제어를 위한 회로 구성을 간단하게 수식화 하면 전류 제어는 다음과 같은 식에 의해 이루어 진다.

전류 제어신호(201) = 전류 초기 설정값 신호(101) - [전류 아날로그 설정 값 신호(230) - 전류 변화값 신호(102)]

전류 아날로그 설정값 신호(230)는 기준 설정값 저장부(240)에 저장된 값으로, 전압의 기준으로 사용되는 고정된 값이며, 변화가 없을 때는 전류 변화값 신호(102)와 전류 아날로그 설정값 신호(230)이 동일하다. 따라서 이 경우는 결국 전류 초기 설정값 신호(101)만 남게 되어 전류 초기 설정값의 상태로 전류가 제어 된다. 그러나, 외부 환경 변화나 광원의 퇴화로 인하여 광 출력 세기의 변화가 생길 경우, 전류 변화 기준값이 바뀌어 제어를 가능하게 한다.

한편, 전류 제어에서 정밀한 전류 조절을 위해서는 전류 제어 상에서의 잡음의 변화에 대해 보정하는 방법이 필수적으로 요구된다. 그러므로 전류 제어 회로 부분에서는 도면부호 213에 표시된 바와 같은 궤환 동작이 필요하게 된다. 전류궤환이 없을 경우는 전류 제어시 회로상에서 발생되는 잡음이 그대로 광원에 전류 제어로 전달되므로 정밀한 제어가 불가능하게 된다. 정밀한 파장의 제어를 위해서는 전류 제어 회로 부분에 도면부호 213과 같은 전류궤환 기능이 삽입되어 정밀 전류의 미세 조절 기능을 갖추어는 것이 바람직하다.

다음으로, 온도에 대한 보정 방법을 알아보기 위해 온도 제어를 위한 회로 구성을 간단하게 수식화 하면 온도 제어는 다음과 같은 식에 의해 이루어 진다.

온도 제어 신호(202) = 3 * 온도 아날로그 기준값 신호(230) - [온도 초기 설정값 신호(103) + 온도 변화값 신호(104) + 온도 측정값 신호(203)]

여기서 파장 제어의 정밀도를 높이기 위해 뺄셈기(224)의 기능을 추가할 수 있다. 온도 측정값 신호(203)을 덧셈기(223)에 인가되는 방법을 사용할 수 있으나 온도 아날로그 기준값 신호(230)으로 온도 측정값을 정량화함에 따라 온도 측정에 대한 정확도를 높였다. 온도 아날로그 기준값 신호(230)와 온도 측정값 신호(224)내 동시에 존재하는 잡음이 존재할 경우 뺄셈기(224)를 통해 잡음이 상쇄되므로 미세한 변화에 따른 정확도를 높일 수 있다. 온도 제어 보정 방법의 동작은 온도 변화값과 측정값에 따라서 온도를 제어하게 된다.

한편, 아날로그 제어 회로부는 광원을 제어할 수 있는 2가지 파라미터, 즉 전류와 온도 제어를 가능하게 하는 회로 구성을 가지고 있다. 따라서, 광원 파장을 제어하기 위해서는 2가지 파라미터를 동시에 제어하면 더욱 안정된 파장과 일정한 광 출력 파워를 유지할 수 있게 된다. 통신 시스템에서의 각 변조 방식에 따라 요구되는 특성에 맞게 일정한 광출력 세기, 일정한 광파장 유지는 중요한 성능 인자다.

이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 광통신용 파장 안정화 장치의 동작을 상세히 설명한다.

먼저, 광원 내의 내부 또는 외부의 영향으로 파장이 변하게 되면 이를 파장 잠금기로 파장 측정값 정보(301)를 검출하게 된다. 이 검출된 파장측정값 정보 (301)는 A/D 컨버터(110)을 통해 마이크로 프로세서(130)으로 전달된다. 마이크로 프로세서(130)는 온도와 전류를 제어하기 위해 파장의 변화 원인이 무엇인지를 검토한다. 즉, 현재 상태에서 표시 되고 있는 광 세기 측정 정보(204)와 온도 상태 정보(204)가 필요하게 된다. 도 4에 의하면, 온도 상태 정보(204)는 아날로그 제어 회로부(200)에서 소정의 처리 과정을 거쳐 입력된다.

파장의 변화 요인이 온도의 영향이면 온도 측정 수단(미도시)으로부터 받은 온도 측정값 정보(205)가 변하므로 마이크로 프로세서(130) 내의 이전의 온도 측정 값과 비교 판단부(134)에서 비교판단을 하여 온도를 제어하는 온도 제어 신호(104) 변화시켜서 제어하게 되며, 광원(300) 내부의 퇴화로 인해 기존에 인가하던 전류가 충분히 광원에 인가되지 못할 경우, 광 출력 세기의 변화로 인해 광출력 세기 측정 수단(미도시)으로부터 얻은 광세기 측정값 신호(204)가 변하므로 마이크로 프로세서(103) 내의 이전의 광세기 측정값과 비교 판단하여 전류를 제어하는 전류 변화 제어값 신호(102)를 변화시키게 된다.

비교 판단부(134, 133)으로부터 각 전류나 온도의 제어는 동시에 또는 각각 구분되어 제어 될 수 있다. 변화 요인은 동시에 발생 될 수 있으며, 각기 구분되어 발생될 수 있으나 대부분 제어는 온도 제어값을 변화시킴으로 전류 제어 상태의 변화를 야기시킬 수 있으므로 동시에 변화 요인이 발생된다. 그러므로 전류와 온도의 제어는 제어 회로상에서 궤환하는 동작으로 파장의 보정이 제어된다.

(실험예)

일반적으로 10GHz WDM 시스템의 레이저 요구 규격은 통산 50GHz 채널 간격에 대해 파장안정화는 < +/-0.02nm (2.5GHz) 이다. 따라서, 실제 구현된 제어 분해능은 0.005nm 정도이다. 이 정도의 파장 변화는 10G DPSK 전송에서는 1dB 이상의 페널티가 발생되는 값이므로 보다 정밀한 제어가 필요하다. 10Gb/s DPSK 신호의 파장 변화에 대한 BER 페널티를 측정한 결과에 의하면, 400MHz의 레이저 파장 변화에 대해 ~1dB 의 파워 페널티가 발생하였다. 따라서, 0.3 dB 미만의 페널티를 갖도록 0.002 nm(250MHz) 이내의 제어 분해능을 갖는 락킹회로를 설계하고자 하였다. 파장 잠금기가 광원의 내부에 내장된 회로로 구현하였고, 광원으로는 Nortel LD를 이용하였다. Nortel LD의 온도특성은 0.112 nm/℃이므로 12-bit 아날로그 디지털 변화기, 12-bit D/A 컨버터를 사용하면, 0.01℃의 온도 제어 분해능을 가지게 되고 < 0.002nm 의 파장 제어 분해능을 갖게 된다.

구현된 광통신용 파장 안정화 장치를 이용하여 상온에서 15시간 이상 파장 안정도를 측정하였다. 그 결과, 100MHz 이내의 안정도를 보였다. 파장 측정기의 분해능 한계로 그 이하의 수치까지는 판단할 수 없으나 이 결과로도 상온에서 DPSK 변조 방식을 적용하는 것은 충분하다.

도 5는 도 4의 광통신용 파장 안정화 장치를 온도 변화(상온 +/-10도)에 따른 파장 안정화를 얻은 결과 데이터이다. 측정 구간은 각각 A와 B구간으로 나뉘는데 A구간은 인위적인 온도 환경 변화를 주기 위해 항온기를 사용하였을 때 항온기의 초기 상태 설정에 따른 극심한 온도 변화로 인해 정상 측정 범위에 속하지 않으므로 데이터를 무시하며, 실제 항온기의 정상적인 온도 환경을 동작은 구간 B이며 여기서 측정한 데이터를 채택하므로 실제 변화량은 +/- 200MHz범위 내에서 측정한 결과이다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야 만 할 것이다.

본 발명을 이용함으로써 광통신용 광원이 적용되는 변조 방식에 따라 정밀한 파장 제어가 요구될 때 성능의 안정화를 이룰 수 있다. 그 일 예로 10Gbps급 차동 위상 변조 등과 같은 변조 방식에 적용하여, 광통신 시스템에서 운영되는 10Gbps급 차동 위상 변조 방식에 사용되는 광원에 있어서 광 신호의 레이저 출력 시 발생하는 파장 천이에 대해서 정밀하게 제어하여 파장 안정화를 수행할 수 있다. 10Gbps급 DPSK 광통신용 광원 등으로 활용되는 DFB-LD의 파장을 정밀하게 제어가능하다.

정밀한 파장 안정도를 제공함으로써 차동 위상 변조의 수신부에서 어떤 보정 과정 없이도 안정된 시스템 성능을 얻을 수 있었다. 이로써 기존의 광원의 파장 안정도(+/-2.5GHz~5GHz)를 +/-200MHz이내로 정밀하게 제어할 수 있는 효과가 있다

기존의 이러한 파장 안정화가 2.5~5GHz범위 이하의 파장 정밀도로 구현되는 것에 비해 본 발명에 의하면, 정밀한 파장 안정화가 가능한 효과가 있다.

Claims (7)

1. 광원의 파장을 안정화시키는 광통신용 파장 안정화 장치에 있어서,

   상기 광원으로부터 광세기 측정값 정보와 파장 측정값 정보를 수신하고, 아날로그 제어 회로부로부터 온도 상태 정보를 수신하여, 아날로그 제어 회로부에 각종 정보 신호들을 전달하는 디지털 제어 회로부; 및

   상기 디지털 제어 회로부에 연결되어, 상기 광원으로부터 온도 측정값 정보를 수신하여 이를 기초로 상기 온도 상태 정보를 전송하고, 상기 각종 정보 신호들을 기초로 전류 제어 신호와 온도 제어 신호를 상기 광원으로 전송하는 아날로그 제어 회로부를 구비하는 광통신용 파장 안정화 장치.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 광원은 레이저 다이오드와 파장잠금기를 포함하는 광통신용 파장 안정화 장치.
3. 제2 항에 있어서,

   상기 파장 측정값 정보는 상기 파장잠금기로 부터 출력되는 광통신용 파장 안정화 장치.
4. 제1 항에 있어서, 상기 디지털 제어 회로부는,

   상기 광원으로부터 전달된 파장 측정값 정보와 광세기 측정값 정보와 상기 아날로그 회로 제어부로부터 전달된 온도 상태 정보를 샘플링하는 A/D 컨버터;

   상기 샘플링된 신호들을 계산하는 마이크로 프로세서; 및

   상기 마이크로 프로세서로부터 계산된 신호들과 기설정된 기준 설정값 들을 이용하여 상기 각종 정보 신호들을 출력하는 D/A 컨버터를 포함하는 광통신용 파장 안정화 장치.
5. 제4 항에 있어서,

   상기 A/D 컨버터와 상기 D/A 컨버터는 12비트 이상으로 샘플링하는 광통신용 파장 안정화 장치.
6. 제1 항에 있어서,

   상기 아날로그 제어 회로부는 덧셈기와 뺄셈기를 포함하여 구성된 광통신용 파장 안정화 장치.
7. 제1 항에 있어서,

   상기 아날로그 제어 회로부는 전류궤환 기능을 추가로 포함하는 광통신용 파장 안정화 장치.

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