KR100617799B1

KR100617799B1 - 모니터 광전류 증폭을 이용한 광송신기

Info

Publication number: KR100617799B1
Application number: KR1020040105895A
Authority: KR
Inventors: 계용찬; 권진욱
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-12-14
Filing date: 2004-12-14
Publication date: 2006-08-28
Also published as: KR20060067046A

Abstract

본 발명은 광통신 시스템에 관한 것으로, 특히 레이저 다이오드(Laser Diode : LD)의 모니터 광전류를 증폭시키는 광송신기에 관한 것으로 본 발명의 장치는 캐소드(cathode)가 전원 전압 단자(Vcc)에 연결되고 상기 LD로부터 광신호를 수신하여 광전류로 변환시키는 모니터 포토 다이오드(Monitor Photo Diode : MPD)와 상기 MPD의 애노드(anode)에 연결되어 상기 광전류를 수신하여 상기 수신된 광전류를 N 배 증폭시켜 상기 LD 드라이버 IC에 전송하는 전류 증폭 회로를 구비하여 구성된다. 상기 증폭 전류 회로는 적어도 2개의 트랜지스터가 구비된 전류 미러(Current Mirror)로 구성된다.

본 발명은 상기 MPD의 광전류가 상기 드라이버 IC의 허용 한계 최소 전류보다 작은 경우에도 전류 증폭을 통해 자동 광출력 제어 기능을 구현할 수 있다. 또한 상기 드라이버 I.C.에서 제공되는 한계 최대 동작 전압 내에서 전류 증폭이 가능하다. 뿐만 아니라 상기 MOSFET를 사용함으로써 추가 비용 부담이 적고 간단한 회로 구성으로 공간 제약을 극복할 수 있는 효과가 있다. 또한 온도에 따라 상기 MPD의 역전압, MOSFET 드레인 누설 전류 및 전류 미러 이득 등의 특성변화가 적으므로 추가적인 온도 보상을 위한 회로를 구비할 필요가 없다.

LD, MPD, 드라이버 IC, 전류 미러

Description

모니터 광전류 증폭을 이용한 광송신기{A OPTICAL TRANSMMITER FOR USING AMPLIFYING MONITOR OPTICAL CURRENT}

도 1은 일반적인 광통신시스템에서 광전류 증폭 장치를 구비한 광송신기를 나타낸 도면

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광송신기를 나타낸 도면

도 3a는 본 발명의 전류 증폭 회로(200)에서 온도에 따른 상기 MPD전류 변화를 나타낸 그래프

도 3b는 본 발명의 바람직한 실시 예에서 온도 변화에 따른 트랜지스터의 게이트와 소스간 전압을 나타낸 그래프

도 3c는 본 발명의 바람직한 실시 예에서 고온에서 트랜지스터의 드레인과 소스간의 전압에 의해 발생되는 드레인 누설 전류를 나타낸 그래프

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 N배 전류 증폭 회로를 나타낸 도면

본 발명은 광통신 시스템에 관한 것으로, 특히 레이저 다이오드(Laser Diode : LD)의 모니터 광전류를 증폭시키는 광송신기에 관한 것이다.

일반적으로 광송신기는 드라이버 IC(Driver IC)로 상기 LD를 구동하는 경우 상기 LD신호의 입력파워와 무관하게 출력 파워를 일정하게 유지하는 자동 광출력 제어(Automatic Power Control; : APC) 기능을 구현하게 된다. 상기 APC를 간략히 설명하면 상기 LD에 일정의 전류를 보내고 출력되는 광신호의 세기를 감지하여 상기 광신호의 출력수준이 기준이 되도록 인가되는 전류의 양을 변화시켜서 항상 광신호의 출력이 일정수준이 되도록 하는 기능이다. 여기서 상기 광신호의 세기는 모니터 포토 다이오드(Monitor Photo Diode : MPD)를 이용하여 검출하게 된다. 일반적으로 상기 MPD는 수신되는 광신호에서 대략 8% 정도 광전류로 변환하게 된다.

예를 들어 파장분할다중 방식 수동형 광 가입자망(Wavelength Division Multiplex Passive Optical Network: WDM-PON)에서 사용되는 광송신기는 상기 LD의 후방 거울면(Back Facet)에서 출력되는 광신호의 세기를 상기 MPD가 수신하여 전류로 변환하게 된다. 여기서 광신호의 출력 파워가 매우 작아 상기 MPD에 검출되는 광전류가 드라이버 IC의 허용 한계 최소 광전류값(약 10㎂)보다 작아 지게 되면 상기 APC 동작이 불완전하거나 혹은 동작하지 않게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 일반적으로 사용하는 광송신기를 다음의 도 1에 나타내었다.

상기 도 1을 참조하면, 일반적인 광송신기는 광전류 증폭기(103)를 구비하여 광신호가 LD드라이버 IC(105)의 허용 한계 최소 광전류값 보다 작은 경우 상기 광전류 증폭기(103)를 이용하여 전류를 증폭시킨다. 일반적으로 상기 광전류 증폭기(103)는 공통 이미터(Common Emitter)나 연산 증폭기(Operation Amplifier : OP AMP)등을 사용하게 된다.

우선 상기 공통 이미터는 폴라 정션 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor : BJT), 저항, 커패시터등을 이용하여 구성된 회로이다. 상기 CE를 사용하는 방법은 전압과 전류 이득이 높지만 온도에 따라 이득이 달라지는 문제가 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 온도 보상을 하는 경우 그 구현 회로가 복잡해지게 된다. 상기 광송신기는 제한된 공간으로 인해 적용하기 힘든 문제점이 발생한다. 다음으로 상기 OP AMP를 사용하는 방법은 많은 부품이 필요하므로 가격이 올라갈 뿐만 아니라 특히 공간 문제를 극복하기 힘들다는 문제점이 발생한다.

따라서 본 발명의 목적은 콤팩트(Compact)하면서도 저비용의 전류 증폭 회로가 구비된 광송신기를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 온도에 따라 전류 이득과 모니터 포토 다이오드에 걸리는 역전압이 안정된 전류 증폭 회로가 구비된 광송신기를 제공함에 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광송신기는 전원 전압 단자(Vcc)에 연결되고 상기 LD로부터 광신호를 수신하여 광전류로 변환시키는 모니터 포토 다이오드(Monitor Photo Diode : MPD)와 상기 MPD의 애노드(anode)에 연결되어 상기 광 전류를 수신하여 상기 수신된 광전류를 N 배 증폭시켜 상기 LD 드라이버 IC에 전송하는 전류 증폭 회로를 구비하여 구성된다.

상기 증폭 전류 회로는 적어도 2개의 트랜지스터가 구비된 전류 미러(Current Mirror)로 구성된다.

상기 트랜지스터는 모스 전계 효과 트랜지스터(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor : MOSFET) 또는 바이폴라 정션 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor : BJT)로 구성된다.

상기 전류 증폭 회로는 상기 MPD에서 출력되는 광전류가 기준 전류(Reference Current)임을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들 을 나타내고 있음을 유의하여야 한다. 하기 설명에서 구체적인 특정사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

일반적인 광송신기의 구성은 크게 모니터 포토 다이오드(Monitor Photo Diode : MPD)를 포함하는 LD 모듈, 상기 레이저 다이오드 모듈을 구동하기 위한 드 라이버 IC(Driver IC)와 상기 장치들을 실장하기 위한 인쇄 회로기판(Printed Circuit Board : PCB)을 구비하여 구성된다. 본 발명에서는 상기 PCB에 실장된 LD 모듈과 상기 드라이버 IC사이에 전류 미러(Current Mirror) 회로를 구성하여 상기 MPD의 광전류를 증폭시키게 된다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광송신기(200)의 구조를 나타낸 도면이다.

상기 도 2를 참조하면, 본 발명의 따른 광송신기(200)는 광신호(S1)를 출력하는 LD 모듈(미도시), 상기 LD 모듈을 구동시키는 LD 드라이버 IC(201), 상기 LD로부터 송신된된 광신호(S1)를 수신하여 광전류로 변환시키는 MPD(205), 상기 MPD(205)로부터 상기 광전류를 입력으로 하여 증폭시키는 광전류 증폭 회로(210)로 구성된다.

상기 전류 증폭 회로(210)는 전류 미러로 구성된 회로로서 두 개의 트랜지스터(TR)(211, 213)를 구비하게 된다. 상기 두 개의 TR(211, 213)는 MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor field-effect transistor : 모스 전계 효과 트랜지스터)으로 구성할 수 있다. 상기 전류 증폭 회로(210)는 TR1(211)에 기준 전류(Current Reference)가 될 수 있도록 전원 전압(Vcc)(203)에 상기 MPD(205)의 캐소드(Cathode)를 연결하고, 상기 TR1(211)에 드레인(D)에 상기 MPD(205)의 애노드(Anode)를 각각 연결한다. 그리고 상기 TR1(211)과 상기 TR2(213)의 소스(S)가 만나는 지점(P1)과 상기 드라이버 IC(201)의 입력단자인 Vpin(213)에 연결한다.

상기 전류 증폭 회로(210)는 전류 미러로 구성되므로 기본적으로 상기 TR1(211)에 기준 전류(Im)가 흐르게 되면 같은 양의 전류가 상기 TR2(213)에 흐르게 된다. 따라서 상기 TR1(211)의 기준 전류(Im)와 같은 양의 전류가 상기 TR2(213)에 흐르게 되므로 상기 TR1(211)과 TR2(213)의 소스(S)에서 합쳐진 지점(P1)에서는 상기 MPD(205)에서 출력된 광전류의 2배의 전류(2Im)가 상기 드라이버 IC(201)의 Vpin(213)을 통해 입력되게 된다. 따라서 상기 충분한 양의 광전류를 수신한 상기 드라이버 IC(201)는 자동 광 파워 제어(Automatic Power Control : APC)동작을 수행할 수 있게 된다.

상기 전류 증폭회로(210)가 제대로 동작하기 위해서는 몇가지 조건을 만족하여야 한다. 우선 상기 트랜지스터에서 분배되는 전압이 낮아야 한다. 왜냐하면 상기 드라이버 I.C에서 제공되는 MPD 역전압 중 일부가 트랜지스터에 분배되므로 상기 트랜지스터의 전압강하 분을 뺀 전압이 MPD 역전압으로 걸리기 때문이다. 상세히 설명하면, 상기 TR1(211)과 상기 TR2(213)는 각각 온(ON)상태가 되어야하는데 이를 위해서는 상기 TR들(211, 213)의 게이트(G)와 소스(S)간의 전압인 Vgs(215)가 트랜지스터의 문턱 전압(Threshold Voltage : Vt) 또는 턴온 전압(Turn-On Voltage)보다 큰 상태가 되어야 한다. 일반적으로 상기 드라이버 IC(201)에서 제공되는 상기 MPD(205) 역전압은 약 2V 내외로 상기 도 2의 Vcc(203)와 Vpin(213)간의 전압에 해당된다. 상기 전압은 상기 MPD(205)와 상기 Vgs(215)로 분배되게 되므로 상기 트랜지스터의 턴온전압이 너무 크면, MPD 에 걸린 역전압이 작아져서 MPD 가 동작하지 않는 경우가 발생할 수도 있다. 본 발명에 있어, 상기 TR1(211)의 드레인(D) 전류 즉 상기 MPD(205)의 광전류는 대략 수 ㎂ ~ 수십 ㎂영역에 존재하고 이때 상기 Vgs(215)는 MOSFET를 사용하게 되므로 약 0.5V 근처 값을 가지게 된다. 따라서 상기 MPD(205)에 걸리는 역전압(Vr)은 상기 드라이버 IC(201)에서 제공되는 전압보다 상기 Vgs(215)만큼 작아지게 되어 1.5V정도가 된다. 일반적으로 MPD 에 걸리는 역전압이 1 V 이상되면 MPD 특성에 거의 변화가 생기지 않으므로 트랜지스터 전압 강하에 의한 MPD 광전류 변화는 무시할 수 있게 된다.

다음으로 상기 전류 증폭 회로(210)가 온도에 따라 영향을 민감하게 받지 않아야 한다. 광통신 시스템에서는 상온에서의 광출력과 동작 범위내의 온도내에서의 광출력의 차이, 즉 트래킹 에러(Tracking Error)가 ±1dB 를 넘지 않아야 한다. 이를 위해서는 LD 자체의 특성, 광정렬 기구의 특성 등이 ±1dB 범위 내를 만족하여야 하는데, 특히 MPD를 이용하여 자동 광출력 제어를 할 경우 온도에 따라 MPD 광전류가 ±1dB 이상 변하지 않아야 함은 당연하다.

그럼 이하에서 다음의 도 3a, 3b, 3c에 나타낸 그래프를 이용하여 상기 도 2의 전류 증폭 회로(200)에서 온도에 따른 변화를 영향을 설명하기로 한다. 도 3a는 본 발명의 전류 증폭 회로(200)에서 온도에 따른 상기 MPD(205) 전류 변화를 나타낸 그래프이다. 본 그래프에서는 증폭 전류 회로의 출력 광전류(2Im)를 5㎂, 10㎂, 50㎂ 경우로 나누어 나타내었다. 상기 도 3a를 참조하면, 상기 출력 광전류(2Im)가 5㎂, 10㎂, 50㎂인 경우 상기 MPD(205) 전류는 각각 2.5㎂, 5㎂, 25㎂ 전류가 검출됨을 알 수 있을 뿐만 아니라 상기 출력 광전류가 5㎂인 경우 -30℃ ~ 80℃까지 대략 2.5㎂임을 유지함을 알 수 있다. 10㎂, 50㎂인 경우에도 동일하게 -30℃ ~ 80℃까지 거의 변화가 없음을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 전류 증폭 회로(200)의 상 기 MPD(205)의 전류는 온도에 거의 영향을 받지 않음을 알 수 있다.

다음으로 도 3b는 온도 변화에 따른 상기 TR1(211)의 게이트(G)와 소스(S)간의 전압인 Vgs를 나타낸 그래프이다. 상기 도 3b에서 나타나듯이 상기 2Im이 5㎂, 10㎂, 50㎂인 경우를 살펴보면 상기 TR1(211)의 게이트(G)-소스(S) 전압인 Vgs가 -30℃ ~ 80℃까지 대략 최소 0.2V에서 최대 0.6V로 변화함을 알 수 있다. 즉 상기 증폭 회로(200)의 TR1(211)에서의 Vgs는 온도에 따라 최대 0.6V가 되므로 상기 TR1(211)에 의해 발생되는 전압 강하로 인해 상기 MPD 역전압이 최소 1.4 V 까지 저하될 수 있다. 전술하였듯이, MPD 역전압이 1 V 이상이면 MPD 특성에 거의 변화가 생기지 않으므로 트랜지스터에서의 전압 강하는 상기 MPD 및 상기 드라이버 I.C. 의 동작에 영향을 주지 않음을 알 수 있다.

마지막으로 도 3c는 고온에서 상기 TR1(211)의 드레인(D)-소스(S)간의 전압에 의해 발생되는 드레인(D)누설 전류를 나타낸 그래프이다. 여기서 온도는 60℃와 80℃로 실험하였다. 상기 도 3c를 참조하면, 상기 온도가 80℃인 경우 최대 60㎁ 정도의 누설 전류가 발생함을 알 수 있다. 60 nA 정도의 누설 전류는 상기 MPD 광전류를 5 uA 정도로 생각했을 때의 1/1000 수준이므로, 트래킹 에러에 미치는 영향은 거의 없게 된다.

본 발명의 전류 증폭 회로(200)에서 적용되는 전류 미러는 특성이 비슷한 두 개의 트랜지스터를 사용할 뿐만 아니라 상기 도 3a 혹은 도3c 에서 알 수 있듯이 다른 증폭 방식에 비해 온도에 따른 이득의 변화가 적음으로 인해 추가적인 온도 보상 회로가 필요없다. 여기서 상기 트랜지스터는 MOSFET를 사용하였지만 바이폴라 정션 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor : BJT)의 사용도 가능하다.

다음으로 본 발명에서 상기 MPD(205)전류를 N 배 증폭시키는 회로에 대해 다음의 도 4를 이용하여 설명하기로 한다. 도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 N배 전류 증폭 회로(300)의 구조를 나타낸 도면이다.

상기 도 4를 참조하면, 상기 N배 증폭 회로(300)는 상기 도 2에서의 전류 증폭 회로(210)에서 다수의 트랜지스터들(TRN)(305_N)을 구비하여 구성된다. 즉 상기 N배 증폭 회로(300)는 전류 미러를 2개 이상 병렬 연결하여 사용하게 된다. 상기 N배 전류 증폭 회로를 상세히 설명하면, 우선 MPD(303)가 미도시된 LD모듈로부터 광신호(S1)을 수신하여 생성된 광전류는 전류 미러의 기준 전류(Im)가 되어 각각의 트랜지스터의 소스(S)전류는 상기 기준 전류(Im)와 동일한 양의 전류(Im)을 생성하게 된다. 따라서 상기 모든 전류가 모이는 지점(P2)에서는 기준 전류(Im)의 N배의 전류(N×Im)가 된다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 상기 MPD의 광전류가 상기 드라이버 IC의 허용 한계 최소 전류보다 작은 경우에도 전류 증폭을 통해 APC 기능을 구현할 수 있다. 또한 상기 드라이버 I.C.에서 제공되는 한계 최대 동작 전압 내에서 전류 증폭이 가능하다.

뿐만 아니라 상기 MOSFET를 사용함으로써 추가 비용 부담이 적고 간단한 회로 구성으로 공간 제약을 극복할 수 있는 효과가 있다. 또한 온도에 따라 상기 MPD의 역전압, MOSFET 드레인 누설 전류 및 전류 미러 이득 등의 특성변화가 적으므로 추가적인 온도 보상을 위한 회로를 구비할 필요가 없다.

Claims

드라이버 IC를 이용하여 레이저 다이오드(Laser Diode : LD)를 구동시키는 광송신기에 있어서,

캐소드(cathode)가 전원 전압 단자(Vcc)에 연결되고 상기 LD로부터 광신호를 수신하여 광전류로 변환시키는 모니터 포토 다이오드(Monitor Photo Diode : MPD)와,

상기 MPD의 애노드(anode)에 연결되어 상기 광전류를 수신하여 상기 수신된 광전류를 N 배 증폭시켜 상기 LD 드라이버 IC에 전송하는 전류 증폭 회로를 구비하여 구성됨을 특징으로 하는 상기 장치.
제 1항에 있어서, 상기 증폭 전류 회로는,

적어도 2개의 트랜지스터가 구비된 전류 미러(Current Mirror)로 구성됨을 특징으로 하는 상기 장치.
제 2항에 있어서, 상기 트랜지스터는,

모스 전계 효과 트랜지스터(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor : MOSFET) 또는 바이폴라 정션 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor : BJT)로 구성됨을 특징으로 상기 장치.
제 2항에 있어서, 상기 전류 증폭 회로는,

상기 MPD에서 출력되는 광전류가 기준 전류(Reference Current)임을 특징으로 하는 상기 장치.
제 1항에 있어서, 상기 N배 증폭 전류는,

상기 LD 드라이버 I.C. 뿐만 아니라 다른 기능을 가지는 상기 드라이버 I.C 의 주변회로에 공급됨을 특징으로 하는 상기 장치.