KR100670829B1 - 레이저 다이오드의 소광비 보상 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 다이오드의 소광비를 일정하게 유지하는 장치 및 방법에 관한 것으로 레이저 다이오드의 광출력을 일정하게 유지하는 자동 출력 제어 회로부; 상기 레이저 다이오드의 바이어스 전류 및 상기 레이저 다이오드 소광비를 일정하게 유지하기 위한 변조 전류와의 상관 관계를 도출하는 상관 관계 도출부; 상기 도출된 상관 관계를 기초로 상기 레이저 다이오드 소광비를 일정하기 유지하기 위한 변조 전류를 제어하는 변조 전류 제어 회로부;를 포함하며, 온도 센서등을 이용하지 아니하고 레이저 다이오드의 바이어스 전류 변화와 변조 전류 변화의 온도 변화에 따른 함수관계를 도출하여 이 함수 관계를 기초로 변조 전류를 제어하여 레이저 다이오드의 소광비를 일정하게 유지하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

레이저 다이오드, LD, 소광비, 온도

Description

레이저 다이오드의 소광비 보상 장치 및 방법{Apparatus and method for maintaing constant extinction ratio of laser diode}

도 1 은 온도 상승에 따른 레이저 다이오드의 특성곡선을 보여주는 도면이다.

도 2 는 자동 광 출력 제어 회로를 가진 레이저 다이오드의 특성 곡선을 보여주는 도면이다.

도 3 는 종래의 레이저 다이오드의 소광비를 보상하기 위한 장치의 구성을 보여주는 도면이다.

도 4 은 온도 변화에 따른 레이저 다이오드의 소광비 변화 특성을 보여주는 도면이다.

도 5 는 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 소광비를 보상하는 장치의 구성을 보여주는 도면이다.

도 6 는 온도 변화에 따른 바이어스 전류와 변조 전류와의 함수 관계를 도출하는 단계를 보여주는 흐름도이다.

도 7 는 레이저 다이오드의 온도 변화에 따른 바이어스 전류와 변조 전류 제어 전압의 상관관계를 보여주는 도면이다.

도 8는 바이어스 전류와 변조 전류 제어 전압의 함수 관계에 따라 자동으로 바이어스 전류 변화에 따라 변조 전류 전압이 변화하도록 프로그래밍 하는 단계를 보여주는 흐름도이다.

도 9는 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 소광비를 일정하게 유지하는 장치의 동작 과정을 보여주는 흐름도이다.

본 발명은 광트랜시버에서 레이저 다이오드의 소광비를 일정하게 유지하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바이어스 전류 변화량과 변조 전류량의 상관 관계를 이용하여 소광비를 일정하게 유지하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 레이저 다이오드는 (LD; Laser Diode)의 특성 곡선은 도 1 에 나타낸 바와 같이 온도가 증가하거나 자체 성능의 악화됨에 따라 문턱 전류(Ith)가 증가하고 기울기가 감소하게 된다.

이와 같이 기울기가 감소된 상태에서 동일한 바이어스 전류와 변조 전류로 레이저 다이오드를 구동하게 되면 광출력 레벨이 낮아지고, 소광비가 감소하게 되어 전송 성능을 저하시키는 원인이 된다.

소광비 (Extinction Ratio) 는 디지털 광전송에서 "0" 레벨의 광세기 대비 "1"레벨의 광세기의 비를 나타낸 것으로, 보통 dB 의 단위로 표현한다.

소광비가 클수록 수신기에서 "0" 레벨과 "1" 레벨을 판단하기 쉬워지므로 송신 기에서는 온도가 증가하거나 기타 환경이 변하더라도 일정한 소광비를 유지하는 것이 중요한 성능 지표가 된다.

광통신 시스템에서 일반적으로 사용되는 광송수신 모듈 (광트랜시버) 은 자동광출력 제어 (APC: Automatic Power Control) 를 통하여 도 2 와 같이 특성 곡선의 기울기가 감소할 경우에도 일정한 광출력이 유지되도록 제작되고 있다.

소광비가 감소되는 것을 보상하기 위해서는 서미스터 (Thermistor) 를 이용하거나 도 3 와 같이 온도 센서를 이용하여 온도 변화를 감지하여 변조 전류를 변화시키는 회로 등이 발명되었다.

그러나 온도를 감지하여 변조 전류를 피드백 하는 회로를 가지고 소광비를 보상하는 방법은 온도 변화에 따른 변조 전류의 변화를 하나의 기울기를 가진 1차 함수로 가정하고 보상하기 때문에 넓은 온도 범위에 대해서는 소광비를 일정하게 유지시킬 수 없는 단점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 일정한 광출력 레벨을 얻기 위한 바이어스 전류와 일정한 소광비를 얻기 위한 변조 전류는 서로 상관 관계를 갖고 있다는 실험을 바탕으로, 두 변수간의 함수 관계를 이용하여 레이저 다이오드의 소광비를 일정하게 유지하는 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 레이저 다이오드의 소광비 보상 장치의 일 실시 예는, 레이저 다이오드의 광출력을 일정하게 유지하는 자동 출력 제어 회로부; 상기 레이저 다이오드의 바이어스 전류 및 상기 레이저 다이오드 소광비를 일정하게 유지하기 위한 변조 전류와의 상관 관계를 도출하는 상관 관계 도출부; 상기 도출된 상관 관계를 기초로 상기 레이저 다이오드 소광비를 일정하기 유지하기 위한 변조 전류를 제어하는 변조 전류 제어 회로부;를 포함한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 레이저 다이오드의 소광비 보상 방법의 일 실시 예는, 레이저 다이오드의 광출력을 일정하게 유지하는 자동 출력 제어 단계; 상기 레이저 다이오드의 바이어스 전류 및 상기 레이저 다이오드 소광비를 일정하게 유지하기 위한 변조 전류와의 상관 관계를 도출하는 상관 관계 도출 단계; 상기 도출된 상관 관계를 기초로 상기 레이저 다이오드 소광비를 일정하기 유지하기 위한 변조 전류를 제어하는 변조 전류 제어 단계;를 포함한다.

이하 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하도록 한다.

도 4 은 온도 변화에 따른 레이저 다이오드의 소광비 변화 특성을 보여주는 도면이다.

레이저 다이오드는 온도 변화에 의해 특성 곡선에 변화가 생기고, 이로 인해 광출력의 소광비에 변화가 생기게 되어 전송 성능에 영향을 미치게 된다.

도 4의 실험 결과 그래프에서 알 수 있듯이 동작 온도에 따라 소광비는 직선이 아닌 약간의 곡선의 형태의 특성을 보인다.

즉, 온도 변화에 따른 변조 전류의 변화를 1차 함수로 가정하고 보상하는 종래의 방법은 넓은 온도 범위에 대해서는 소광비를 일정하게 유지시킬 수 없는 단점 이 있다는 것을 보여주는 것이다.

도 5 는 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 소광비를 보상하는 장치의 구성을 보여주는 도면이다.

레이저 다이오드 드라이버 (501), 변조 전류 제어부 (505), 바이어스 전류 모니터링부 (504), 바이어스 전류 제어부 (506), A/D 변환기 (507, 510) 및 D/A 변환기 (508,509), 마이크로 컨트롤러 (511) 를 포함하는 하드웨어 블록과, 하드웨어 블록을 이용하여 온도 변화에 따른 바이어스 전류와 변조 전류와의 함수 관계를 도출하는 제 1 단계, 상온에서의 바이어스 전류 값과 변조 전류 값을 기준으로 제 1 단계에서 도출된 함수 관계에 따라 자동으로 바이어스 전류 변화에 따라 변조 전류가 변화하도록 프로그래밍하는 제 2 단계를 포함한 소프트웨어 블록으로 구성되어 있다.

동작 원리는 다음과 같다.

일정한 광출력을 유지하기 위하여 마이크로 컨트롤러 (511) 는 D/A 변환기 (Digital to Analog Converter) 를 통하여 바이어스 전류 제어부 (506) 에 아날로그 전압 형태의 제어 신호를 출력하고, 이를 통해 레이저 다이오드 (502) 는 일정한 바이어스 전압이 걸려 전류를 흐르게 된다.

이 때 전광 변환된 광출력 레벨은 모니터 PD (503) 와 저항 (512) 에 의해 전압 신호로 바뀌고, 이 전압 신호는 A/D 변환기 (510) 에 의해 디지털 신호로 변환되어 마이크로 컨트롤러 (511) 에 입력된다.

이러한 귀한 (Feed-back) 회로를 통하여, 마이크로 컨트롤러 (511) 에 A/D 변환기(510) 로부터 입력되는 전압의 레벨이 일정하게 유지 되도록 바이어스 전류제어부 (506) 를 제어하면 목표로 하는 광출력 레벨을 유지할 수 있게 된다. 이 때 바이어스 전류 모니터링부 (504) 를 통하여 레이저 다이오드에 흐르는 전류량을 모니터링하게 되면 뒤에 설명하게 될 바이어스 전류와 변조 전류의 상관관계를 통하여 변조 전류를 제어 할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 레이저 다이오드의 소광비 보상 장치는 온도를 감지하는 장치를 사용하지 않고 레이저 다이오드의 바이어스 전류량을 모니터링하여 변조 전류를 증가 또는 감소하도록 하는 것을 요점으로 한다.

도 6 는 온도 변화에 따른 바이어스 전류와 변조 전류와의 함수 관계를 도출하는 단계를 보여주는 흐름도이다.

상온에서 동작시키고자 하는 광세기가 출력되도록 바이어스 전류량을 설정하고 자동 출력 제어 (APC) 기능을 동작한다. 이 때 소광비도 원하는 목표 값에 맞도록 변조 전류 제어부 (505) 에 제어 전압 (513) 을 가한다 (610).

온도를 일정 범위 (예를 들면, -5 부터 +80 ℃) 에서 변화시켜 가면서 일정한 소광비를 유지하기 위한 변조 전류 제어 전압 (513) 을 측정한다 (620).

온도 범위내에서 일정한 소광비를 유지하기 위한 바이어스 전류량 (X 로 정의) 과 변조 전류 제어 전압 (Y 로 정의) 과의 함수 관계를 도 7과 같이 도출한다 (630).

도 7 는 레이저 다이오드의 온도 변화에 따른 바이어스 전류와 변조 전류 제어 전압의 상관관계를 보여주는 도면이다.

상온에서의 바이어스 전류량을 기준으로 전류량이 증가할 경우의 변조 전류 제어 전압 증가량을 산출하여 기울기 (A 로 정의) 를 계산 한다. 전류량이 감소할 경우의 변조 전류 제어 전압 증가량을 산출하여 기울기 (B 로 정의)를 계산한다.

도출된 기울기 값 (A, B) 은 레이저 다이오드 (502) 또는 레이저 다이오드 드라이버 (501) 의 종류가 변하지 않는 한 일정한 값을 유지한다. 따라서, 개발 또는 양산 초기에 한 번만 실험을 하면 되며, 도출된 A, B 값을 가지고, 개별 광트랜시버 단위로 도 8와 같은 순서에 따라 프로그래밍 하면 일정한 소광비를 유지할 수 있게 된다.

도 8는 바이어스 전류와 변조 전류 제어 전압의 함수 관계에 따라 자동으로 바이어스 전류 변화에 따라 변조 전류 전압이 변화하도록 프로그래밍 하는 단계를 보여주는 흐름도이다.

상온에서 동작시키고자 하는 광세기가 출력되도록 바이어스 전류량 (이때의 값을 C 로 정의) 을 설정하고 자동 출력 제어 (APC) 기능을 동작한다. 이 때 소광비도 원하는 목표 값에 맞도록 변조 전류 제어부 (505) 에 제어 전압 (513, 이때의 값을 D로 정의) 을 가한다 (810).

바이어스 전류량이 C 값보다 많을 경우에는 수학식 1에 의하여 얻어진 변조 전류 제어 전압 (513, Y) 을 가한다.(830)

변조 전류 제어 전압 (Y) = A x 바이어스 전류량 (X) + D

바이어스 전류량이 C 값보다 작을 경우에는 수학식 2 에 의하여 얻어진 변조 전류 제어 전압 (513, Y) 을 가한다 (840).

변조 전류 제어 전압 (Y) = - B x 바이어스 전류량 (X) + D

도 9는 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 소광비를 일정하게 유지하는 장치의 동작 과정을 보여주는 흐름도이다.

온도 변화에 따른 레이저 다이오드의 광출력이 일정하게 유지되도록 바이어스 전류를 조절한다(S900).

온도 변화에 따른 레이저 다이오드의 소광비를 일정하게 유지하기 위한 변조 전류량을 모니터링한다(S910).

온도 변화에 따른 바이어스 전류와 변조 전류와의 함수 관계를 도출한다 (S920).

함수 관계를 기초로 레이저 다이오드의 변조 전류를 변화시켜 소광비를 일정하게 유지한다(S930).

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정 되는 것은 아니며, 특허 청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 레이저 다이오드의 바이어스 전류 변화량과 변조 전류량의 상관 관계를 이용하여 소광비를 일정하게 유지하기 위한 장치 및 방법은 온도 변화에 의한 레이저 다이오드의 특성 곡선 변화뿐만 아니 라 레이저 다이오드 자체의 성능 저하로 인한 특성 곡선 변화에 의한 소광비 변화도 보상할 수 있다.

또한 온도에 따라 변조 전류를 보상하는 기존의 방법 즉 1차함수, 선형적으로 가정하여 보상하는 방법보다는 넓은 온도 범위에서 정확하게 보상할 수 있다.

Claims (7)

1. 레이저 다이오드의 광출력을 일정하게 유지하는 자동 출력 제어 회로부;

   상기 레이저 다이오드의 바이어스 전류 및 상기 레이저 다이오드 소광비를 일정하게 유지하기 위한 변조 전류와의 상관 관계를 도출하는 상관 관계 도출부;

   상기 도출된 상관 관계를 기초로 상기 레이저 다이오드 소광비를 일정하기 유지하기 위한 변조 전류를 제어하는 변조 전류 제어 회로부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 소광비 보상 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 자동 출력 제어 회로부는

   상기 레이저 다이오드의 바이어스 전류를 가변하는 바이어스 전류 제어부;

   상기 바이어스 전류 제어에 따라 변화된 상기 레이저 다이오드의 광 출력 레벨을 모니터링하는 광출력 모니터링부;

   상기 광 출력 레벨이 일정하게 유지되도록 상기 바이어스 전류 제어부를 제어하는 마이크로 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 소광비 보상 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 상관 관계 도출부는

   온도 변화에 따른 상기 레이저 다이오드의 바이어스 전류 변화량를 모니터링하는 바이어스 전류 모니터링부;

   온도 변화에 따른 상기 레이저 다이오드의 소광비를 일정하게 위한 변조 전류 변화량를 모니터링하는 변조 전류 모니터링부;

   소정의 소광비가 유지된 상태에서의 상기 레이저 다이오드의 바이어스 전류와 변조전류를 기준값으로하여 온도 변화에 따른 상기 바이어스 전류 변화량과 상기 변조 전류 변화량을 기초로 상관 관계를 도출하는 연산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 소광비 보상 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 변조 전류 제어 회로부는

   상기 레이저 다이오드의 변조 전류를 가변하는 변조 전류 제어부;

   상기 레이저 다이오드 소광비가 일정하게 유지되도록 상기 변조 전류 제어부를 제어하는 마이크로 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 소광비 보상 장치.
5. 레이저 다이오드의 광출력을 일정하게 유지하는 자동 출력 제어 단계;

   상기 레이저 다이오드의 바이어스 전류 및 상기 레이저 다이오드 소광비를 일정하게 유지하기 위한 변조 전류와의 상관 관계를 도출하는 상관 관계 도출 단계;

   상기 도출된 상관 관계를 기초로 상기 레이저 다이오드 소광비를 일정하기 유지하기 위한 변조 전류를 제어하는 변조 전류 제어 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 소광비 보상 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 자동 출력 제어 단계는

   상기 레이저 다이오드의 바이어스 전류의 변화에 따라 변화되는 상기 레이저 다이오드의 광 출력 레벨을 모니터링하는 광출력 모니터링 단계;

   상기 광 출력 레벨이 일정하게 유지되도록 상기 바이어스 전류를 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 소광비 보상 방법.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 상관 관계 도출 단계는

   온도 변화에 따른 상기 레이저 다이오드의 바이어스 전류 변화량을 모니터링하는 바이어스 전류 모니터링 단계;

   온도 변화에 따른 상기 레이저 다이오드의 소광비를 일정하게 위한 변조 전류 변화량를 모니터링하는 변조 전류 모니터링 단계;

   소정의 소광비가 유지된 상태에서의 상기 레이저 다이오드의 바이어스 전류와 변조전류를 기준값으로하여 온도 변화에 따른 상기 바이어스 전류 변화량과 상기 변조 전류 변화량을 기초로 상관 관계를 도출하는 연산 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드의 소광비 보상 방법.

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