KR100683006B1 - 광학적 제한 증폭을 이용한 초고속 광수신 장치 - Google Patents

광학적 제한 증폭을 이용한 초고속 광수신 장치 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 광학적 제한 증폭을 이용한 초고속 광수신 장치에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은, 광학적 제한 증폭을 이용함으로써, 예를 들어 40Gb/s 이상의 초고속 광통신 시스템에서도 높은 수신감도와 넓은 광전력 수신범위를 획득할 수 있게 하는, 광학적 제한 증폭을 이용한 초고속 광수신 장치를 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 광통신 시스템에서의 광 수신 장치에 있어서, 외부로부터 광신호를 수신하여 소정의 레벨의 광신호로 증폭하되, 상기 증폭된 광신호에서 잡음을 제거한 후 그 광전력 크기를 모니터링하여 상기 모니터링된 광전력의 크기에 따라 상기 증폭되는 광신호가 소정 레벨의 광 전력이 되도록 증폭이득을 조절하는 광학적 제한 증폭 수단; 상기 광학적 제한 증폭 수단에서 출력되는 광신호를 전류신호로 변환하기 위한 광전 변환 수단; 상기 전류신호로부터, 선형적으로 증폭된 전압신호와 상기 전압신호에 대한 반전신호(반전 전압신호)를 생성하기 위한 트랜스임피던스 증폭 수단; 상기 트랜스임피던스 증폭 수단에서 출력되는 상기 전압신호와 상기 반전 전압신호 중 어느 하나를 입력받아 클럭을 추출하기 위한 클럭 추출 수단; 및상기 클럭 추출 수단에서 추출된 클럭을 이용하여, 상기 트랜스임피던스 증폭 수단에서 출력되는 나머지 다른 신호를 입력받아 데이터신호를 복원하기 위한 데이터 판별 수단을 포함함.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 광통신 시스템에서의 초고속 광 수신기 등에 이용됨.
광 수신기, 제한 증폭기, 광학적 제한 증폭기, 트랜스임피던스 증폭기, TIA

Description

광학적 제한 증폭을 이용한 초고속 광수신 장치{High speed optical receiving Apparatus using optical limiting amplification}
도 1 은 종래의 전기적 제한 증폭기를 이용한 광 수신기의 구성예시도,
도 2 는 본 발명에 따른 광학적 제한 증폭을 이용한 초고속 광수신 장치의 일실시예 구성도,
도 3 은 본 발명에 따른 도 2의 광학적 제한 증폭기의 일실시예 상세구성도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
201: 광학적 제한 증폭기 202: 광전 변환기
203: 트랜스임피던스 증폭기 204: 클럭 추출기
205: 데이터 판별기 206: 위상 조절기
본 발명은 광통신 시스템에서의 초고속 광수신 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광학적 제한 증폭을 이용함으로써, 예를 들어 40Gb/s 이상의 초고속 광통신 시스템에서도 높은 수신감도와 넓은 광전력 수신범위를 획득할 수 있게 하는, 광학적 제한 증폭을 이용한 초고속 광수신 장치에 관한 것이다.
도 1 은 종래의 전기적 제한 증폭기를 이용한 광 수신기의 구성예시도이다.
종래의 광수신기는 크게 광 수신 모듈(100)과, 클럭 및 데이터 재생(CDR: Clock and Data Recovery) 모듈(110)로 구성되며, 각 모듈은 세부 소자로 구성되어 있다. 기존의 10Gb/s 이하의 광 수신기에서는 각 모듈은 하나로 집적되어 있는 것이 일반적이다.
광 수신 모듈(100)은 광 신호를 전기 신호로 변환하는 포토다이오드(PD: Photo Diode)(101), 포토다이오드(PD)(101)를 통해 변환된 전류를 전압으로 바꾸면서 약간의 증폭을 하는 트랜스임피던스 증폭기(TIA)(102), 및 트랜스임피던스 증폭기(TIA: Trans-Impedance Amplifier)(102)의 출력을 받아서 다음 단의 CDR 모듈의 디지털 회로의 입력 조건에 맞도록 증폭하는 주 증폭기인 전기적 제한 증폭기(Electrical Limiting Amplifier)(103)로 구성된다. 이 때, 전기적 제한 증폭기(103)는 입력 신호의 크기와 상관없이 일정한 크기로 출력하는 제한 증폭(Limiting amplification) 기능을 갖는 것이 일반적이다.
광대역 신호 분배기(111)는 광 수신 모듈(100)을 거쳐 일정한 크기로 증폭되어 나오는 신호를 클럭 추출기(112)와 데이터 판별기(113)로 분배한다. 이 때, 데이터 신호는 광대역에 걸쳐 정보를 지니고 있다. 예를 들어, 기존의 10Gb/s NRZ 데 이터의 경우도 10kHz ~ 7.5GHz에 해당하는 넓은 대역폭을 갖고 있게 된다. 따라서, 광대역 신호 분배기(111)의 주파수 특성이 매우 중요하며, 특히 저항(resistive) 소자를 별도로 이용할 경우 데이터 크기에 대한 손실이 매우 크다는 문제점이 있다.
일단 분배된 데이터 신호는 각각 클럭 추출기(112)와 데이터 판별기(113)로 입력되게 된다. 이 두 회로는 주로 디지털 회로로 구성되기 때문에 일정한 입력 레벨을 유지하여야 한다. 예를 들어, 10Gb/s 경우에는 약 1.0Vp-p, 40Gb/s의 경우에는 500mVp-p의 크기가 요구된다. 일단 클럭이 추출되면, 이 클럭을 이용하여 데이터를 다시 복원하게 된다. 이 때, 데이터와 클럭 사이의 미세한 위상 차이를 조절하기 위한 위상 조절기(114)가 클럭 패스에 놓이게 된다. 최종적으로 CDR 모듈(110)에서 출력되는 신호는 완전히 복원된 데이터 신호와 그 데이터에 동기된 클럭 신호가 된다.
한편, 40Gb/s 이상의 초고속 광신호를 수신하기 위해서는 이 속도와 대역폭을 만족하는 광소자와 전자소자의 개발이 필수적이다. 그러나, 이러한 초고속 신호에 대한 광-전 변환용 p-i-n PD의 경우에는, 10Gb/s 이하의 상대적으로 저속 광신호에 대한 포토다이오드(PD)와 같은 - 30dBm의 수신감도와 20dB 이상의 유효한 수신 광 전력 범위(dynamic range)를 가지는 특성을 나타내기는 매우 힘들다. 설령, 포토다이오드(PD)가 그러한 특성을 만족한다고 하더라도, 그러한 수신 광 전력 범위(dynamic range)를 만족시키는 전기적 제한 증폭기를 개발하는 것은 매우 힘든 과제이다.
종래의 광 수신기에서의 전기적 제한 증폭기(103)의 역할은 포토다이오드 (PD)에 수신되는 광 전력(power)이 변하더라도(예를 들어, - 30dBm에서 - 10dBm까지) 포토다이오드(PD)에서 광-전 변환된 전기신호를 일정한 크기의 출력 신호로 증폭하는 것이다.
그러나, 이와 같은 전기적 제한 증폭기(103)를 40Gb/s 이상의 초고속 신호용으로 제작하는 것은 매우 힘들다는 문제점이 있다. 왜냐하면, 일단 이러한 전기적 제한 증폭기는 10kHz ~ 30GHz에 해당하는 광대역(특히, low-frequency cut-off를 구현하기 힘들다) 특성이 구현되어야 하고, 광-전 변환을 통하여 광 전력(power)이 전기 신호로 바뀌면서(즉, 전류 혹은 전압이 되면서) 전기적 전력(power)의 범위는 광 전력(power)의 범위(dynamic range)의 2배에 해당하는 범위를 전기적 제한 증폭기가 담당해야 하기 때문이다. 따라서, 종래의 광 수신기로는 수신감도 및 수신 광 전력(power) 허용범위 측면에 있어서 장거리 전송용 광 수신기의 요구사항을 만족시킬 수 없다는 문제점이 있다.
요컨대, 40Gb/s 이상의 초고속 광통신 시스템에서는 광-전 변환용 포토다이오드(PD)에서와 같은 수신감도 특성 및 수신 광전력 범위(dynamic range) 특성, 그리고 전기적 제한 증폭기의 전력 범위(dynamic range) 특성으로 인하여 10Gb/s 이하의 경우와 같은 종래의 광 수신기 구성으로는 원하는 요구사항을 만족시킬 수 없다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 광학적 제한 증폭을 이용함으로써, 예를 들어 40Gb/s 이상의 초고속 광통신 시스템에서도 높은 수신감도와 넓은 광전력 수신범위를 획득할 수 있게 하는, 광학적 제한 증폭을 이용한 초고속 광수신 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 광통신 시스템에서의 광 수신 장치에 있어서, 외부로부터 광신호를 수신하여 소정의 레벨의 광신호로 증폭하되, 상기 증폭된 광신호에서 잡음을 제거한 후 그 광전력 크기를 모니터링하여 상기 모니터링된 광전력의 크기에 따라 상기 증폭되는 광신호가 소정 레벨의 광 전력이 되도록 증폭이득을 조절하는 광학적 제한 증폭 수단; 상기 광학적 제한 증폭 수단에서 출력되는 광신호를 전류신호로 변환하기 위한 광전 변환 수단; 상기 전류신호로부터, 선형적으로 증폭된 전압신호와 상기 전압신호에 대한 반전신호(반전 전압신호)를 생성하기 위한 트랜스임피던스 증폭 수단; 상기 트랜스임피던스 증폭 수단에서 출력되는 상기 전압신호와 상기 반전 전압신호 중 어느 하나를 입력받아 클럭을 추출하기 위한 클럭 추출 수단; 및상기 클럭 추출 수단에서 추출된 클럭을 이용하여, 상기 트랜스임피던스 증폭 수단에서 출력되는 나머지 다른 신호를 입력받아 데이터신호를 복원하기 위한 데이터 판별 수단을 포함한다.
또한, 상기 본 발명은, 상기 클럭 추출 수단에서 추출된 클럭과 상기 데이터 판별 수단에서 복원된 데이터 간의 위상차를 조절하기 위한 위상 조절 수단을 더 포함한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2 는 본 발명에 따른 광학적 제한 증폭을 이용한 초고속 광수신 장치의 일실시예 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광수신 장치는, 종래의 광수신기에서 전기적 제한 증폭기(103)와 광대역 신호 분배기(111)를 제거하고, 광학적 제한 증폭기(201)와 이중 출력의 트랜스임피던스 증폭기(TIA)(203)를 사용한다는 점에 특징이 있다.
먼저 광링크를 통하여 전송된 광신호는, 광-전 변환용 포토다이오드(PD) (202)에 입력되기 전에, 광학적 제한 증폭기(201)를 거쳐 일정한 출력의 광 전력(power)으로 광전 변환기(202)에 입력된다. 여기서, 광-전 변환용 포토다이오드(PD)는 광전 변환기(202)의 일실시예이다.
포토다이오드(PD)(202)는 광-전 변환을 하여 광 전력(power)(광신호)을 전류로 변환시킨다. 이 때, 전류는 포토다이오드(PD)의 효율에 따라 달라지게 되지만, 일반적으로는 매우 작은 값이 되고, 이를 다음 단의 전자소자와 연결하기 위해서는 임피던스 정합이 이루어져야 한다. 따라서, 전류를 전압으로 변환시키면서 입력 전류값에 대해 선형적으로 출력 전압값으로 증폭하는 소자가 필요한데, 이러한 소자를 트랜스임피던스 증폭기(TIA: Trans-Impedance Amp.)(203)라고 한다.
도 2에서 사용한 트랜스임피던스 증폭기(TIA)(203)는 차동(differential) 출력을 내는 소자로서 2개의 출력단자를 가지는데, 이 중 하나는 원래 데이터의 0, 1값을 그대로 유지하는 출력 단자이고, 나머지 하나는 입력 데이터를 반전시키는 출력단자이다. 두 단자의 출력 값은 반전만 되어 있다는 점을 제외하고는 출력 크기나 위상 등은 모두 같은 특성을 갖는다.
트랜스임피던스 증폭기(TIA)(203)를 통해 나온 2개의 데이터(전압신호와 반전 전압신호)는 각각 클럭 추출기(204)와 데이터 판별기(205)로 입력된다. 여기서, 트랜스임피던스 증폭기(TIA)(203)의 두 개의 출력 중 어느 것이 클럭추출기(204)나 데이터 판별기(205)로 입력되어도 상관없다.
광학적 제한 증폭기(201)에서 일정한 전력(power)으로 포토다이오드 (PD)(202)에 입력되었고, 트랜스임피던스 증폭기(TIA)(203)는 입력 전류값에 선형적인 전압값을 출력하기 때문에 클럭 추출기(204)와 데이터 판별기(205)에 입력되는 데이터 크기는 언제나 일정한 크기의 전압을 갖게 된다. 따라서, 사용한 클럭 추출기와 데이터 판별기의 입력 레벨 요구사항에 맞추어 광학적 제한 증폭기(201) 의 출력 전력(power)을 조정하면 최적의 성능을 갖는 초고속 광수신기를 구성할 수 있게 된다.
한편, 일단 분배된 데이터 신호(전압신호, 반전 전압신호)는 각각 클럭 추출기(204)와 데이터 판별기(205)로 입력되게 된다. 클럭 추출기(204)가 클럭을 추출하면, 데이터 판별기(205)는 이 클럭을 이용하여 데이터를 복원하게 된다. 이 때, 데이터와 클럭 사이의 미세한 위상 차이를 조절하기 위한 위상 조절기(206)가 클럭 패스에 놓이게 된다. 따라서, 최종적으로 본 발명에 따른 광 수신 장치에서 출력되는 신호는 완전히 복원된 데이터 신호와 그 데이터에 동기된 클럭 신호가 된다.
도 3 은 본 발명에 따른 도 2의 광학적 제한 증폭기의 일실시예 상세구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 광학적 제한 증폭기(201)는, 어븀첨가 광섬유 증폭기(EDFA: Eribium-Doped Fiber Amplifier)(301), 광학적 대역통과 필터(302), 광학적 탭 커플러(303), 광 전력 모니터(power monitor)용 포토다이오드(PD)(304), 및 광 증폭기의 이득 조절기(305)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 어븀첨가 광섬유 증폭기(EDFA)(301)는 저잡음 광 증폭기의 일예이다.
도 2의 광학적 제한 증폭기(201)는 단독으로 사용할 경우, 신호 이외의 대역에 ASE(Amplified Spontaneous Emission) 잡음이 발생하게 된다. 따라서, 이를 그대로 평균 전력(power)으로 읽어서 이 전력(power)을 일정하게 유지하도록 만들 경우는 ASE 잡음에 의한 전력(power)값 때문에, 실제 신호의 전력(power)값은 낮아지게 된다. 따라서, 이 경우는 광-전 변환용 포토다이오드(PD)(202)와 트랜스임피던 스 증폭기(TIA)(203)를 거친 후의 전압 값이 작아지게 되어 비트 에러가 증가하게 된다.
이와 같은 문제점을 완화하기 위해서는, 광 증폭기(301) 뒤에 광학적 대역통과 필터(302)가 있는 것이 바람직하다. 이 광학적 대역통과 필터(302)는 신호의 대역만 통과시키고 나머지 대역은 차단시킴으로써 적어도 신호 대역 이외의 ASE 잡음은 제거하는 효과를 얻을 수 있다.
단, 신호 대역에 섞이는 ASE 잡음은 분리할 수 없기 때문에, 광 증폭기(301)는 저잡음 특성을 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 광학적 대역통과 필터(302) 뒤에는 광 전력(power)을 모니터하기 위해 일단 광학적 탭 커플러(303)를 이용하여, 광학적 대역통과 필터(302)로부터 출력되는 신호의 매우 작은 일부만(예를 들면, 1%) 광전력 모니터(power monitor)용 포토다이오드(PD)(304)로 보내고, 나머지는 수신 장치의 포토다이오드(PD)(202)로 통과시킨다.
광전력 모니터(power monitor)용 포토다이오드(PD)(304)와 이득 조절기(305)는 '광전력 모니터링 및 이득조절부'의 구체적인 구성의 일예이다. '광전력 모니터링 및 이득조절부'는 광학적 탭 커플러(303)에서 분기된 광신호로부터 광전력의 크기를 모니터링하고, 모니터링된 광전력의 크기에 따라 광학적 대역통과 필터(302)에서 일정한 레벨의 광 전력이 출력되도록, 광 증폭기(301)의 이득을 조절한다.
보다 상세하게, 광전력 모니터용 포토다이오드(304)가 광 전력을 전기 신호로 선형적으로 변화시키면, 이득 조절기(305)에서는 그 변환된 전기신호의 크기에 따라 광 증폭기(301)의 이득을 조절하여 최종적으로 출력되는 광 전력(power)이 일 정하게 유지되도록 한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
상기와 같은 본 발명은, 전기적 제한 증폭기를 제거하는 대신 이를 대체할 광 증폭기(광학적 제한 증폭기)를 광-전 변환기(예를 들면, PD 등) 앞에 두어, 광학적으로 제한 증폭의 효과를 줌으로써, 원하는 수신감도 및 수신 광전력 범위(dynamic range) 특성을 얻을 수 있게 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 클럭 및 데이터 복원 회로에 각각 데이터를 입력하기 위해 광대역 특성을 갖는 신호 분배기 혹은 기판 상의 패턴을 구현해야 하는 기존의 CDR 모듈을 TIA의 차동 출력으로 대체함으로써, 신호의 손실을 최대한으로 줄일 수 있으며, 또한 저잡음 광증폭기 하나만을 사용하여 CDR의 디지털 소자를 구동하기에 충분한 크기의 출력을 얻을 수 있게 하는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 광통신 시스템에서의 광 수신 장치에 있어서,
    외부로부터 광신호를 수신하여 소정의 레벨의 광신호로 증폭하되, 상기 증폭된 광신호에서 잡음을 제거한 후 그 광전력 크기를 모니터링하여 상기 모니터링된 광전력의 크기에 따라 상기 증폭되는 광신호가 소정 레벨의 광 전력이 되도록 증폭이득을 조절하는 광학적 제한 증폭 수단;
    상기 광학적 제한 증폭 수단에서 출력되는 광신호를 전류신호로 변환하기 위한 광전 변환 수단;
    상기 전류신호로부터, 선형적으로 증폭된 전압신호와 상기 전압신호에 대한 반전신호(반전 전압신호)를 생성하기 위한 트랜스임피던스 증폭 수단;
    상기 트랜스임피던스 증폭 수단에서 출력되는 상기 전압신호와 상기 반전 전압신호 중 어느 하나를 입력받아 클럭을 추출하기 위한 클럭 추출 수단; 및
    상기 클럭 추출 수단에서 추출된 클럭을 이용하여, 상기 트랜스임피던스 증폭 수단에서 출력되는 나머지 다른 신호를 입력받아 데이터신호를 복원하기 위한 데이터 판별 수단
    을 포함하는 광학적 제한 증폭을 이용한 초고속 광수신 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 클럭 추출 수단에서 추출된 클럭과 상기 데이터 판별 수단에서 복원된 데이터 간의 위상차를 조절하기 위한 위상 조절 수단
    을 더 포함하는 광학적 제한 증폭을 이용한 초고속 광수신 장치.
  3. 광통신 시스템에서의 광 수신 장치에 있어서,
    외부로부터 광신호를 수신하여 소정의 레벨의 광신호로 증폭하기 위한 광학적 제한 증폭 수단;
    상기 광학적 제한 증폭 수단에서 출력되는 광신호를 전류신호로 변환하기 위한 광전 변환 수단;
    상기 전류신호로부터, 선형적으로 증폭된 전압신호와 상기 전압신호에 대한 반전신호(반전 전압신호)를 생성하기 위한 트랜스임피던스 증폭 수단;
    상기 트랜스임피던스 증폭 수단에서 출력되는 상기 전압신호와 상기 반전 전압신호 중 어느 하나를 입력받아 클럭을 추출하기 위한 클럭 추출 수단;
    상기 클럭 추출 수단에서 추출된 클럭을 이용하여, 상기 트랜스임피던스 증폭 수단에서 출력되는 나머지 다른 신호를 입력받아 데이터신호를 복원하기 위한 데이터 판별 수단; 및
    상기 클럭 추출 수단에서 추출된 클럭과 상기 데이터 판별 수단에서 복원된 데이터 간의 위상차를 조절하기 위한 위상 조절 수단
    을 포함하는 광학적 제한 증폭을 이용한 초고속 광수신 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학적 제한 증폭 수단은,
    외부로부터 광신호를 수신하여 소정의 레벨의 광신호로 증폭하기 광 증폭 수단;
    상기 광 증폭 수단에서 증폭된 광신호에서 잡음을 제거하기 위한 광학적 대역통과 필터링 수단;
    상기 광학적 대역통과 필터링 수단에서 출력되는 광신호를 분기하기 위한 광학적 커플링 수단; 및
    상기 광학적 커플링 수단에서 분기된 광신호로부터 광전력의 크기를 모니터링하고, 상기 광전력의 크기에 따라 상기 광학적 대역통과 필터링 수단에서 소정 레벨의 광 전력이 출력되도록, 상기 광 증폭 수단의 이득을 조절하기 위한 광전력 모니터링 및 이득 조절 수단
    을 포함하는 광학적 제한 증폭을 이용한 초고속 광수신 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 광전력 모니터링 및 이득 조절 수단은,
    상기 광학적 커플링 수단에서 분기된 광신호를 전기적 신호로 변환하기 위한 광전력 모니터용 광전 변환 수단; 및
    상기 광전력 모니터용 광전 변환 수단에서 변환된 전기신호의 크기에 따라 상기 광학적 대역통과 필터링 수단에서 소정 레벨의 광 전력이 출력되도록, 상기 광 증폭 수단의 이득을 조절하기 위한 이득조절 수단
    을 포함하는 광학적 제한 증폭을 이용한 초고속 광수신 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 광신호는,
    40Gb/s 이상의 초고속 광신호인 것을 특징으로 하는 광학적 제한 증폭을 이용한 초고속 광수신 장치.
KR1020040100669A 2004-12-02 2004-12-02 광학적 제한 증폭을 이용한 초고속 광수신 장치 KR100683006B1 (ko)

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