KR100882882B1 - 자동전력제어 및 자동변조제어를 동시제하는 제어기와 제어방법 및 이를 채택한 브이씨에스이엘 다이오드의 구동기및 구동 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제어기 및 제어 방법에 관한 것으로서, 외부 신호에 대응하는 전압을 생성하는 전압 생성부와, 상기 전압생성부로부터 입력되는 전압의 첨두값, 첨미값 및 평균값을 구하여 출력하는 검출부와, 상기 첨두값 및 첨미값을 입력받아 그 차이를 출력하는 제1 차동증폭부와, 상기 제1 차동증폭부의 출력 및 상기 평균값을 입력받아 상기 전압 크기 변동량과 전압 평균 변동량을 검출하여 이를 출력하는 전압 변동 검출부와, 상기 전압 변동 검출부의 출력을 양자화하여 이에 따른 n 비트 출력을 생성하는 양자화부와, 상기 양자화부의 n 비트 출력에 따라 APC 제어값과 AMC 제어값을 동시에 출력하는 제어신호 생성부를 포함함으로써 자동 전력 제어(APC) 및 자동 변제 제어(AMC)를 동시에 수행하는 제어기 및 이를 통한 제어 방법을 제공한다.

또한, 전술한 APC/AMC 동시제어기와 제어 방법을 채택한 VCSEL 다이오드의 구동기 및 구동 방법을 제공한다.

APC, AMC, VCSEL 다이오드, 동시 제어, 광전송

Description

자동전력제어 및 자동변조제어를 동시제하는 제어기와 제어 방법 및 이를 채택한 브이씨에스이엘 다이오드의 구동기 및 구동 방법{CONTROL DEVICE AND METHOD FOR APC AND AMP AT THE SAME TIME AND DIRIVING DIVICE AND METHOD USING THEREOF}

본 발명은 제어기 및 제어 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 광전송용 다이오드의 자동 전력 제어 및 자동 변조 제어를 동시에 수행할 수 있는 제어기 및 제어 방법에 대한 것이다.

최근 인터넷 및 멀티미디어 데이터 통신의 급속한 발전으로 인해 통신시스템내의 동작속도는 기가비트급으로 증가하고 있다. 따라서, 구리 케이블보다 데이터 손실률이 적고, EMI 영향이 적은 광 섬유를 이용한 광 통신 시스템이 주목을 받고 있다.

광 통신 시스템에 사용되는 광 송신기는 예컨대 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser diode, VCSEL 다이오드)과 같은 발광 다이오드에 의하여 광을 방출하도록 구성된다.

VCSEL 다이오드는 문턱전류(Ith)와 ER(Extinction Ratio)의 특성 파라미터를 가진다. VCSEL 다이오드가 구동될 때, 문턱전류(Ith) 이하에서는 자발적 방 출(spontaneous emission)이 일어나고 문턱전류(Ith) 이상에서는 자극 방출(stimulated emission)이 일어나게 된다. 이 과정에서 지연이 발생되게 되는데 이를 동작 지연(turn-on delay)라 한다. 이 동작 지연은 타이밍 지터(timing jitter)를 유발하게 되므로, 동작 지연을 방지하기 위하여 VCSEL 구동기는 login '0' 일 때도 항상 문턱전류(Ith)보다 높은 전류를 흐르게 해야 한다. 따라서 이러한 역할을 바이어스 전류가 수행한다.

login '1' 일 때는 변조(modulation) 전류와 바이어스 전류가 모두 흐르게 되어 이에 맞는 광파워가 VCSEL 다이오드를 통해 출력된다. 따라서 VCSEL 다이오드는 항상 문턱전류(Ith) 이상의 입력전류를 받으며 입력전류에 상응하는 ER(Extinction Ratio)에 따른 광 파워를 출력한다.

VCSEL 다이오드를 CMOS를 이용한 직접변환방식에 의해 구동시킬 경우 출력 버퍼단에서 매우 큰 대역폭을 갖는 CMOS 트랜지스터의 사용이 불가피하다. 따라서 VCSEL 구동기는 전구동단(Pre-driver)을 이용하여 점차 부하를 증가시켜 VCSEL 다이오드를 원하는 동작속도로 구동시킨다.

VCSEL 다이오드는 시간이 지나고, 온도가 증가함에 따라 문턱전류(Ith)가 증가하고, ER(Extinction Ratio)가 감소하는 특성을 가지고 있다. 이러한 현상이 나타나면 출력 광 파워의 평균값이 줄어들고, 광 파워의 크기(peak-to-peak)가 줄어들게 된다. 이러한 현상은 수신기에서 ‘0’과 ‘1’의 판단을 어렵게 하여 BER(Bit Error Rate)을 증가시키며 전체 시스템의 성능을 악화시킨다.

종래의 VCSEL 구동기는 APC(Automatic Power Control)와 AMC(Automatic Modulation Control)를 동시에 처리할 제어 회로가 없어 시간의 경과 또는 온도의 변화에 따른 VCSEL 다이오드의 특성 변화에 대한 보상기변이 없다. 예컨대, 국내특허출원 제10-2005-7008399호는 LPF(Low Pass Filter)등을 이용한 APC (Automatic Power Control) 회로를 사용하여 문턱전류(Ith)가 증가하는 문제만을 대응하고 있다.

따라서 시간이 지나고, 온도가 상승함에 따라 생기는 문제를 해결할 수 없어 전체적인 시스템의 저하를 초래하는 등의 문제점이 있다.

전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 VCSEL 자체의 특성변화로 인한 문턱전류의 증가와 ER(Extinction Ratio)의 감소에 대한 동시적이고 정밀한 제어를 가능하게 하는 제어기 및 제어 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 전술한 제어기 및 제어 방법을 채택하여 VCSEL 특성변화와 관계없이 광 송신기의 출력 광 파워를 일정하게 유지할 수 있는 구동기 및 구동 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명은 자동 전력 제어(APC) 및 자동 변제 제어(AMC)를 동시에 수행하는 제어기로서, 외부 신호에 대응하는 전압을 생성하는 전압 생성부와, 상기 전압생성부로부터 입력되는 전압의 첨두값, 첨미값 및 평균값을 구하여 출력하는 검출부와, 상기 첨두값 및 첨미값을 입력받아 그 차이를 출력하는 제1 차동증폭부와, 상기 제1 차동증폭부의 출력 및 상기 평균값을 입력받아 상기 전압 크기 변동량과 전압 평균 변동량을 검출하여 이를 출력하는 전압 변동 검출부와, 상기 전압 변동 검출부의 출력을 양자화하여 이에 따른 n 비트 출력을 생성하는 양자화부와, 상기 양자화부의 n 비트 출력에 따라 APC 제어값과 AMC 제어값을 동시에 출력하는 제어신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 APC/AMC 동시수행 제어기를 제공한다.

상기 전압 변동 검출부는 상기 전압의 크기에 해당하는 상기 제1 차동증폭부의 출력값을 미리 설정된 제1 고정값의 차이를 구하는 제2 차동증폭부와, 상기 평균 값과 미리 설정된 제2 고정값과의 차이를 구하는 제3 차동증폭부를 포함하는 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 면에 따라, 구동신호를 입력받아 이를 증폭하는 입력부와, 상기 입력부의 증폭 구동신호의 전압이득과 대역폭 확장을 수행하는 전구동부와, 전류 스위칭 방식으로 동작하며 VCSEL 다이오드를 구동하는 구동부와, 상기 VCSEL 다이오드의 특성 변동을 보상하기 위한 전술한 APC/AMC 동시수행 제어기를 포함하는 VCSEL 다이오드 구동기가 제공된다.

삭제

APC/AMC 동시수행 제어기는 VCSEL 다이오드 구동부의 바이어스 전류 및 변조 전류를 동시에 제어한다.

본 발명의 또 다른 면에 따라, 자동 전력 제어(APC)와 자동 변조 제어(AMC)가 동시에 수행가능하도록 하는 APC/AMP 동시수행 제어 방법으로서, 외부 신호에 대응하는 전압을 생성하는 전압 생성단계와, 상기 전압생성부로부터 입력되는 전압의 첨두값, 첨미값 및 평균값을 구하여 출력하는 검출단계와, 상기 첨두값 및 첨미값을 입력받아 그 차이를 전압 크기값으로서 출력하는 전압크기신호 생성단계와, 상기 전압 크기값 및 상기 평균값을 입력받아 상기 전압 크기 변동량과 전압 평균 변동량을 검출하여 이를 출력하는 전압 변동 검출단계와, 상기 전압 변동 검출부의 출력을 양자화하여 이에 따른 n 비트 출력을 생성하는 양자화단계와, 상기 양자화부의 n 비트 출력에 따라 APC 제어값과 AMC 제어값을 동시에 출력하는 제어신호 생성단계를 포함하는 것을 특징으로하는 APC/AMC 동시제어 방법이 제공된다.

아울러, 상기 제어 방법을 채택한 VCSEL 구동방법으로서, 구동신호를 입력받 아 이를 증폭하는 구동신호 입력단계와, 상기 증폭된 구동신호의 전압이득과 대역폭 확장을 수행하는 전구동단계와, 전류 스위칭 방식에 따라 VCSEL 다이오드를 구동하는 구동단계와, 상기 VCSEL 다이오드의 특성 변동을 보상하기 위한 전술한 APC/AMC 동시제어 방법을 수행하는 단계를 포함하는 VCSEL 다이오드 구동방법이 제공된다.

종래의 구동기에서는 AMC회로와 APC회로를 따로 이용하여 VCSEL 다이오드의 특성에 대한 보상 회로를 구현하지만 본 발명 따른 VCSEL 구동기는 AMC와 APC를 동시에 수행할 수 있는 제어기 및 제어 방법을 제공하며, 따라서 종래의 광 송신기와 달리 VCSEL 다이오드의 특성변화에 대해 매우 정밀한 제어가 가능하고 이로 인해 VCSEL의 특성변화에 영향을 거의 받지 않고 일정한 출력 광 파워를 얻을 수 있다.

즉, 본 발명을 통하여 VCSEL 자체의 특성변화에 따른 문턱전류의 증가와 ER(Extinction Ratio)의 감소에 대한 동시적이고 정밀한 제어가 가능하다. 따라서 VCSEL 특성변화와 관계없이 광 송신기의 출력 광 파워를 일정하게 유지할 수 있다.

이에 따라 시간이 지나거나, 온도가 증가함에 따라 VCSEL 특성이 변하여도 송신기의 교체가 불필요해 지고, 그로 인한 비용 절감의 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 VCSEL 다이오드 구동기의 구성도이다.

도시된 바와 같이, 구동기는 총 3단의 구동부(10, 20, 30)와 보상 제어를 위한 APC & AMC 제어회로(200)를 포함한다.

CMOS 직접변환방식을 이용한 VCSEL 구동기는 전류 스위칭 방식이므로 VCSEL 다이오드를 구동하게 될 경우, 출력버퍼단(30)에서 매우 큰 대역폭을 가지는 CMOS 트랜지스터를 사용하여야 하므로, 따라서 출력버퍼단의 부하가 커지게 되고 원하는 동작속도로 구동시키기 위해 구동부를 세 단으로 나누어 구동시키는 방식이 바람직하다.

첫 번째 단은 LVDS/CML 두 가지 형식의 입력을 모두 받아들일 수 있는 입력버퍼(10)이다. 입력버퍼(10)는 rail-to-rail fully differential folded cascode amplifier를 이용하여 설계되었다. 입력 버퍼에서는 각 입력 형식에 따라 CML_VDD를 open 시키거나 VDD를 인가해 입력을 증폭시킨다.

다음은 출력버퍼의 부하를 덜어주기 위한 전구동단(pre-driver)(20)이다. 전구동단(20)은 충분한 전압이득과 대역폭을 얻기 위해 cherry-hooper amplifier를 이용하였고, 여기에 source degeneration 기법을 추가하여 더 넓은 대역폭을 구현하는 것이 좋다.

전구동단(20)은 출력버퍼에서 충분한 이득과 속도로 동작할 수 있도록 도와주는 역할을 하며, 이해의 증진을 위하여 도 3에 본 발명의 바람직한 일 실시예로서의 전구동단(20) 회로도를 도시하였다.

마지막 단은 출력버퍼단(30)으로 칩 외부로 VCSEL 다이오드(40)와 연결되어 VCSEL 다이오드(40)를 구동시킨다. 출력버퍼단은 전류 스위칭방식으로 구성되며, 문턱전류보다 항상 높은 전류를 인가하기 위한 바이어스 전류(I_BIAS)와 출력 광 파워의 크기를 결정하는 변조 전류(I_MOD)로 스위칭 된다. 도 4에 출력버퍼단을 구현하기 위한 회로의 일 실시예를 도시하였다.

전술한 3개의 블록을 통하여 VCSEL 다이오드(40)로부터 출력된 광 신호는 MPD(Monitoring Photodiode)(50)를 통해 APC & AMC 제어회로(200)에 다시 입력되어 이하에 상술하는 과정을 거쳐 APC & AMC 제어를 통해 일정한 광 파워 출력을 구현한다.

도 2는 APC & AMC 동시 제어를 위한 APC & AMC 제어회로(200)를 구체 구성을 도시한 도면이다.

종래의 기술에서는 각각 제어되거나 APC회로만 사용하는 경우가 일반적이었으나 본 발명에서는 APC(Automatic Power Control)회로와 AMC(Automatic Modulation Control)회로의 동시적인 제어가 가능하도록 개선하였다. 따라서 VCSEL 다이오드의 특성에 따라 시간이 흐름에 따라, 온도가 증가함에 따라 일어나는 문턱전류(Ith)의 증가와 ER(Extinction Ratio)의 감소에 대한 동시적인 제어가 가능하다. APC & AMC 회로의 동시적인 제어는 다음과 같이 이루어지며 총 여섯 개의 블록으로 나누어져 있다.

첫 번째 블록은 TIA(transimpedance amplifier)블록(210)이다. VCSEL 다이오드를 통해 전송된 광 출력은 MPD(50)를 통해 수신이 된다. 이렇게 수신된 광 입력은 전류로 전환되어진다. 전환된 전류는 TIA블록(210)을 통해 일정한 이득을 갖고 전압으로 변환된다.

두 번째 블록은 PD(Peak Detector)블록(220)이다. PD블록(220)에서는 앞 블록(210)에서 얻어진 전압 신호를 받아 첨두값, 첨미값을 출력하게 되고, 간단한 저항을 이용한 전압 분배기를 통해 평균전압을 산출한다. 두 번째 PD블록(220)에서는 이렇게 총 3가지의 신호를 얻을 수 있다.

세 번째 블록은 제1 차동 증폭기(230)로 구성된다. 여기에서는 이전 블록(220)에서 얻은 첨두값과 첨미값의 차이, 즉 전압의 크기를 각 저항 이득에 맞게 출력한다.

네 번째 블록은 두 개의 차동 증폭기를 이용하여 전압의 크기와 전압의 평균값을 미리 설정한 고정된 값과 비교하여 그 차이를 출력하는 블록이다.

먼저, 세 번째 블록에서 구한 첨두값과 첨미값의 차이를 고정된 전압(이하, "제1 고정값"이라 칭함)과 비교하여 출력하는 제2 차동 증폭기가 있고, 이와 병렬로 배치되며 두 번째 블록(220)에서 구한 평균전압을 역시 고정된 전압(이하, "제2 고정값"이라 칭함)과 비교하여 출력하는 제3 차동 증폭기가 포함된다.

이렇게 구성된 회로를 통하여 입력 신호의 전압 크기 및 평균값에 대한 비교가 이루어진다. 비교를 통해 이루어진 결과는 전압 크기 변동량 및 전압 평균 변동량으로서 전압의 형태로 출력된다.

다섯 번째 블록은 n-bit 양자화 블록(250)으로서 이전 블록(240)에서 얻은 비교 출력 전압 두 가지를 각각 양자화 하여 총 n-bit의 출력을 생성한다.

이전 블록에서 신호의 전압 크기를 비교한 출력이 기준전압 이하이면 ‘0’, 이상이면 ‘1’ 의 신호를 만들어내고, 신호의 전압 평균값을 비교한 출력 역시 기준전압 이하이면 ‘0’, 이상이면 ‘1’ 의 신호를 출력하게 되며 이 두 출력을 합해서 총 n-bit의 신호가 출력된다.

마지막으로 여섯 번째 블록은 2ⁿ-level로 이루어진 룩업테이블(Look Up Table) 블록(260)으로서 이전 블록(250)에서 생성된 총 n-bit의 신호를 입력받아 이에 상응하는 APC 신호와 AMC 신호를 출력하게 된다. 이렇게 출력된 제어 신호는 각각 VCSEL 구동기의 바이어스 전류와 변조 전류를 미세하게 조정하여 VCSEL 다이오드의 특성변화를 보상하게 된다.

이상 바람직한 실시예와 첨부도면을 참조하며 본 발명의 구성에 대하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

당업자라면 본 명세서의 개시사항으로부터 다양한 변형과 변경례를 용이하게 이끌어 낼 수 있을 것인바, 본 발명의 권리범위는 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정하여져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 VCSEL 다이오드 구동기의 블록도.

도 2는 도 1에 도시된 구동기의 보상 제어를 위한 APC & AMC 제어기의 블록도.

도 3은 도 1에 도시된 구동기의 전구동단의 일 실시예를 도시한 회로도.

도 4는 도 1에 도시된 구동기의 출력 버퍼단의 일 실시예를 도시한 회로도.

Claims (14)

1. 자동 전력 제어(APC) 및 자동 변제 제어(AMC)를 동시에 수행하는 제어기로서,

   외부 신호에 대응하는 전압을 생성하는 전압 생성부와,

   상기 전압생성부로부터 입력되는 전압의 첨두값, 첨미값 및 평균값을 구하여 출력하는 검출부와,

   상기 첨두값 및 상기 첨미값을 입력받아 그 차이를 출력하는 제1 차동증폭부와,

   상기 제1 차동증폭부의 출력 및 상기 평균값을 입력받아 전압 크기 변동량과 전압 평균 변동량을 검출하여 이를 출력하는 전압 변동 검출부와,

   상기 전압 변동 검출부의 출력을 양자화하여 이에 따른 n 비트 출력을 생성하는 양자화부와,

   상기 양자화부의 n 비트 출력에 따라 APC 제어값과 AMC 제어값을 동시에 출력하는 제어신호 생성부

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 APC/AMC 동시수행 제어기.
2. 제1항에 있어서, 상기 전압 생성부는,

   수신된 광신호를 전류로 변환하는 포토다이오드와,

   상기 전류를 소정의 이득을 가지고 전압으로 변환하여 이를 출력하는 트랜스임피던스 증폭기

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 APC/AMC 동시수행 제어기.
3. 제1항에 있어서, 상기 검출부는,

   상기 전압의 첨두값 및 첨미값을 검출하여 출력하는 피크 검출수단와,

   저항으로 구성되고, 상기 첨두값 및 첨미값의 평균값을 출력하는 전압 분배회로

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 APC/AMC 동시수행 제어기
4. 제1항에 있어서, 상기 전압 변동 검출부는,

   상기 제1 차동증폭부의 출력값과 미리 설정된 제1 고정값과의 차이를 구하는 제2 차동증폭부와,

   상기 평균값과 미리 설정된 제2 고정값과의 차이를 구하는 제3 차동증폭부

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 APC/AMC 동시수행 제어기.
5. 제1항에 있어서, 상기 양자화부는,

   상기 전압 크기 변동량 및 전압 평균 변동량 각각에 대해서 미리 설정한 기준전압 이상인 경우 '1', 기준 전압 이하인 경우 '0'을 할당하고, 이를 합하여 n 비트 신호를 생성하여 출력하는 것을 특징으로 APC/AMC 동시수행 제어기.
6. 제1항에 있어서, 상기 제어신호 생성부는,

   2ⁿ 레벨로 이루어진 룩업 테이블로 구성되며, 상기 양자화부로부터의 n 비트 출력에 대응하는 APC 제어값 및 AMC 제어값을 동시에 출력하는 것을 특징으로 하는 APC/AMC 동시수행 제어기.
7. 구동신호를 입력받아 이를 증폭하는 입력부와,

   상기 입력부로부터의 증폭 구동신호의 전압이득과 대역폭 확장을 수행하는 전구동부와,

   전류 스위칭 방식으로 동작하며 VCSEL 다이오드를 구동하는 구동부와,

   상기 VCSEL 다이오드의 특성 변동을 보상하기 위한 청구항 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 APC/AMC 동시수행 제어기

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 VCSEL 다이오드 구동기.
8. 제7항에 있어서,

   상기 APC/AMC 동시수행 제어기는 상기 구동부의 바이어스 전류 및 변조 전류를 동시에 제어하는 것을 특징으로 하는 VCSEL 다이오드 구동기.
9. 제7항에 있어서, 상기 입력부는,

   적어도 LVDS 및 CML 형식을 모두 받아들 수 있는 입력버퍼로 구성되는 것을 특징으로 하는 VCSEL 다이오드 구동기.
10. 제7항에 있어서, 상기 전구동부는,

    Cherry-Hooper 증폭기인 것을 특징으로 하는 VCSEL 다이오드 증폭기.
11. 자동 전력 제어(APC)와 자동 변조 제어(AMC)가 동시에 수행가능하도록 하는 APC/AMP 동시수행 제어 방법으로서,

    외부 신호에 대응하는 전압을 생성하는 전압 생성단계와,

    상기 생성된 전압의 첨두값, 첨미값 및 평균값을 구하여 출력하는 검출단계와,

    상기 첨두값 및 상기 첨미값을 입력받아 그 차이를 전압 크기값으로서 출력하는 전압크기신호 생성단계와,

    상기 전압 크기값 및 상기 평균값을 입력받아 전압 크기 변동량과 전압 평균 변동량을 검출하여 이를 출력하는 전압 변동 검출단계와,

    상기 전압 크기 변동량과 상기 전압 평균 변동량을 양자화하여 이에 따른 n 비트 출력을 생성하는 양자화단계와,

    상기 양자화된 n 비트 출력에 따라 APC 제어값과 AMC 제어값을 동시에 출력하는 제어신호 생성단계

    를 포함하는 것을 특징으로하는 APC/AMC 동시제어 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 양자화단계는,

    상기 전압 크기 변동량이 미리 설정한 기준전압 이상인 경우 '1', 기준 전압 이하인 경우 '0'을 할당하는 전압 크기 변동량 양자화단계와,

    전압 평균 변동량이 미리 설정한 기준전압 이상인 경우 '1', 기준 전압 이하인 경우 '0'을 할당하는 전압 평균 변동량 양자화단계와,

    상기 두 양자화 단계의 양자화 결과를 합하여 n 비트신호를 생성하여 출력하는 단계

    를 포함하는 것을 특징으로 APC/AMC 동시제어 방법.
13. 제11항에 있어서, 상기 제어신호 생성단계는,

    2ⁿ 레벨로 이루어진 룩업 테이블에 상기 n 비트 출력을 입력하는 단계와,

    상기 룩업 테이블에 저장된 APC 제어값 및 AMC 제어값 중 상기 n 비트 출력에 대응되는 값을 검색하여 이를 동시에 출력하는 단계

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 APC/AMC 동시제어 방법.
14. 구동신호를 입력받아 이를 증폭하는 구동신호 입력단계와,

    상기 증폭된 구동신호의 전압이득과 대역폭 확장을 수행하는 전구동단계와,

    전류 스위칭 방식에 따라 VCSEL 다이오드를 구동하는 구동단계와,

    상기 VCSEL 다이오드의 특성 변동을 보상하기 위한 청구항 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 기재된 APC/AMC 동시제어 방법을 수행하는 단계

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 VCSEL 다이오드 구동방법.

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