KR101028246B1

KR101028246B1 - 광수신기 광전집적회로

Info

Publication number: KR101028246B1
Application number: KR1020070018714A
Authority: KR
Inventors: 이상훈
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2007-02-23
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2011-04-11
Also published as: KR20080078485A

Abstract

본 발명의 실시예에 의한 광수신기 광전집적회로는 광전송선로로부터 입사되는 광신호를 검출하고, 검출된 광신호를 전류 신호로 광전증폭시키는 이종접합 광트랜지스터(HPT; Heterojunction Photo-Transistor); 상기 광전증폭된 전류 신호의 전압 레벨을 조정하는 출력 버퍼부; 상기 광트랜지스터와 연결되어 부성 궤환 루프를 형성하는 궤환 저항; 및 상기 광트랜지스터 및 상기 궤환 저항과 연결되어 상기 광트랜지스터의 입력신호의 전력 레벨을 조정하는 능동소자부를 포함한다.

본 발명의 실시예에 의하면, 광전변환효율 및 수신감도의 특성이 향상되고, 입력되는 신호의 전력 레벨에 변화가 생기더라도 왜곡없이 증폭시킬 수 있으므로 신호를 안정적으로 복원할 수 있는 효과가 있다. 또한, 광다이오드 대신에 HPT를 사용하여 HBT와 동일한 기판상에 집적화한 광수신기 광전집적회로를 구현함으로써, 공정을 단순화하고 제조 원가를 절감할 수 있게 된다.

Description

광수신기 광전집적회로{Opto-electronic integrated circuit of photoreceiver}

도 1은 종래의 광수신기의 일반적인 구성을 개략적으로 나타낸 회로도.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 광수신기 광전집적회로의 구성 요소를 개략적으로 도시한 회로도.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 다른 광수신기 광전집적회로에 구비되는 광트랜지스터의 베이스 입력 전류에 따른 광이득을 측정한 그래프.

도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 광수신기 광전집적회로에 구비되는 능동소자부의 입력 임피던스 특성을 측정한 그래프.

도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 광수신기 광전집적회로의 차동 출력 구조를 개략적으로 도시한 회로도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

200, 300: 광트랜지스터 205, 325: 부하 저항

210: 제1 출력 버퍼부 215, 330a, 330c: 궤환 저항

220: 제2 출력 버퍼부 225, 330b, 330d: 능동소자부

310a, 310b, 301c: 출력 버퍼부

320a, 320b, 320c, 320d: 위상 반전 차동 증폭부

본 발명은 광수신기 광전집적회로에 관한 것이다.

최근, 인터넷을 통한 데이터의 전송량이 급격히 증가함에 따라 전기 신호에 의한 기존의 통신 시스템은 한계를 갖게 되었으며, 따라서 광신호를 이용하여 대용량의 데이터를 주고 받을 수 있는 광통신 시스템이 이를 각광을 받고 있다. 이와 같은 광통신 시스템은 크게 광섬유, 광송신기 및 광수신기로 이루어진다.

특히, 광수신기는 광검출소자와 전치 증폭기의 조합으로 구성되는데, 광검출소자는 광신호를 흡수하여 전기적 신호로 변환하는 소자로서, PIN, 애벌런치, MSM 광다이오드 등과 같은 광다이오드가 주류를 이루어 사용되어 왔다. 특히 PIN 광다이오드는 동작 원리 뿐만 아니라 에피구조도 간단하여 광검출소자로 널리 사용되고 있다.

또한, 10Gbps급 이상의 초고속 전자소자들은 Si에 비해 월등한 전기적 특성을 나타내는 화합물 반도체 소자 기술이 주로 사용되고 있다. 즉, 고주파 특성이 우수한 HEMT(High Electron Mobility Transistor) 또는 이종 접합 쌍극자 트랜지스터(Heterojunction Bipolar Transistor, 이하 'HBT'라 칭함) 기술을 이용하여 개발되고 있는데, 특히 HBT기술은 디지털 형태의 광신호 처리에 매우 중요한 위상 잡음 특성이 우수하여 광수신기 광전집적회로의 전치 증폭기로 널리 사용되고 있다.

이하 도면을 참조하여 종래의 광수신기에 대하여 설명한다.

도 1은 종래의 광수신기의 일반적인 구성을 개략적으로 나타낸 회로도이다.

도 1을 참조하면, 광수신기는 광검출소자(100), 전치 증폭기(120), 상기 광검출소자(100)와 전치 증폭기(120)의 각 소자를 본딩 패드에서 연결하기 위한 와이어(110)로 구성된다.

상기 광검출소자(100)는 광섬유를 통해 입사하는 광신호를 흡수하여 전기적 신호로 변환하는 것으로서, 광다이오드일 수 있다.

상기 광검출소자(100)는 응용 목적에 따라 주로 PIN 광다이오드, 애벌런치 광다이오드를 사용하는데, PIN 광다이오드의 경우, 동작 원리 뿐만 아니라 에피 구조도 간단하여 제작 공정이 용이하며, 전치 증폭기(120)의 공급 전원으로 주로 사용되는 3.3V 혹은 5V에서 충분한 성능을 발휘하므로 부가적인 전원이 필요없이 단일 전원으로 광수신기를 지원할 수 있는 편리성 때문에 가장 널리 사용되고 있다.

또한 애벌런치 광다이오드의 경우, 높은 전계에서의 충돌 이온화를 이용한 애벌런치 증배 작용에 의해 자체 광이득을 가지므로 높은 감도를 요구하는 응용분야에서 주로 사용된다.

상기 전치 증폭기(120)는 상기 광검출소자(100)로부터 전송된 입력 전류 신호를 증폭해서 출력 전압 신호(Vout)를 생성한다.

상기 전치 증폭기(120)는 궤환저항(Rf)(129)을 통한 부성 궤환 루프를 포함하는 공통 에미터형의 위상 반전 증폭단(Q1)(122), 에미터 팔로워 쌍으로 이루어진 제1 출력 버퍼단(Q2)(124), 제2 출력 버퍼단(Q3)(126)를 포함한다.

상기 위상 반전 증폭단(Q1)(122)은 와이어(110)를 통하여 광검출소자(100)로 부터 전송된 전류 신호를 내부 이득에 의해 위상 반전 증폭한 후, 부하 저항(R1)(128)에 의해 전압 신호로 출력한다.

상기 위상 반전 증폭단(Q1)(122)에서 출력된 전압 신호는 제1 출력 버퍼단(Q2)(124)과 제2 출력 버퍼단(Q3)(126)을 통하여 레벨이 조정되어 출력된다.

이때, 상기 제1 출력 버퍼단(Q2)(124)의 에미터로부터 병렬 궤환 저항(Rf)(129)을 통해 상기 위상 반전 증폭단(Q1)(122)의 입력으로 부성궤환 루프를 형성하는데, 상기 병렬 궤환 저항값을 변화시켜 광수신기의 전체 이득 및 등가 입력 잡음 밀도를 최적화한다.

상기와 같은 전치증폭기(120)는 광검출소자(100)에 의해 검출된 미약한 전류 신호를 다음 경로단의 제한 증폭기에 필요한 충분한 전압 신호로 변환, 증폭시키는 역할을 하는것으로서, 10Gbps급 이상의 고속 광통신 응용에는 주로 HBT나 HEMT공정에 의해 제작된다.

그러나, 종래에 광검출소자로 PIN 광다이오드를 사용하는 경우, 근본적으로 역방향 바이어스된 다이오드 동작 원리를 이용하므로 내부 이득이 없기 때문에 광전변환효율이 작아서 수신기의 감도 특성의 제한을 초래하는 문제점이 있다.

또한, 광검출소자(100)로 애벌런치 광다이오드를 사용하는 경우, PN 접합에 높은 전계를 인가하기 위한 부가적인 큰 바이어스가 필요하며 애벌런치 현상에 따른 높은 잡음 지수, 균일한 애벌런치를 유도하기 위한 가드링 형성등의 문제점이 있다.

또한, 광다이오드들은 전치 증폭기(120)를 제작하기 위한 HBT, HEMT공정과 에피 구조가 틀려서 공정 호환성이 없으므로 단일 기판위에 집적화하여 제작하기 위해서는 광 다이오드를 위한 에피박막을 재성장시켜야하므로 제작 공정이 복잡해지고 제조 단가가 상승하는 단점이 있다.

또한, 광 다이오드 칩 및 전치 증폭기칩을 각각 제작하여 와이어(110)를 통해 연결할 경우, 본딩 패드와 연결 와이어 자체의 기생 캐패시턴스 및 인덕턴스 성분이 부가되므로 광대역이 요구되는 고속 광수신기 응용에서는 이들 기생성분에 의한 성능 열화를 감수하여야 하는 문제점이 있다.

또한, 전치 증폭기(120)는 자체 이득을 가지고 있으며, 이로 인하여 큰 수치의 전력이 인가되는 경우 증폭 동작의 동적 범위(Dynamic range)를 초과하게 되므로, 클램핑 현상이 발생되는 등 증폭된 신호의 왜곡이 초래되는 문제점이 있다.

특히, 위상 반전 증폭단(Q1)(122)의 베이스와 연결된 부성궤환 루프의 이득에 의하여 큰전력의 신호가 입력될수록 증폭 동작의 동적 범위가 더욱 감소되는 문제점이 있다.

본 발명의 실시예는 광다이오드를 대체하여 광전변환효율이 향상되고, 광검출소자와 전치 증폭기를 동일 공정에서 제조할 수 있는 광수신기 광전집적회로를 제공한다.

또한, 본 발명의 실시예는 광섬유를 통해 입사되는 광신호가 큰 수치의 광전력을 가지고 있더라도 증폭된 출력 신호에 왜곡이 발생되지 않도록 넓은 다이내믹 레인지를 가지는 광수신기 광전집적회로를 제공한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 광수신기 광전집적회로에 대하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 광수신기 광전집적회로의 구성 요소를 개략적으로 도시한 회로도이다.

도 2에 의하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 광수신기 광전집적회로는 크게 이종접합 광트랜지스터(HPT; Heterojunction Photo-Transistor)(200), 출력버퍼부(210, 220), 궤환 저항(Rf)(215), 능동소자부(225)를 포함하여 이루어지는데, 상기 궤환 저항(Rf)(215)은 광트랜지스터(200) 및 출력버퍼부(210, 220)와 연결되어 부성 궤환 루프를 형성하고, 상기 출력버퍼부(210, 220)는 부하 저항(R1)(205)을 포함한다.

상기 광트랜지스터(200)는 광선로를 통하여 외부의 광송신기로부터 입사되는 광신호를 검출하여 내부이득에 의해 증폭된 전류 신호로 변환한 후, 부하저항(R1)(205)에 위상 반전된 전압 신호로 출력한다.

상기 광트랜지스터(200)는 이종접합 쌍극자 트랜지터(HBT)와 동일한 에피 구조를 사용하며 단지 원활한 광흡수를 위해 광이 입사할 수 있는 윈도우가 에미터 전극 사이에 넓게 열려있는 형태이다.

즉, 광신호가 에미터를 통해 입사되면, 베이스-콜렉터 공핍 영역에서 흡수되어 잉여 전자 전공쌍을 생성한 후, 베이스-콜렉터 접합 전계에 의해 전자가 콜렉터로 방출되면서 광전류를 형성하게 된다.

또한, 광생성된 정공도 전계에 의해 베이스로 주입되게 되는데, 이들 정공들의 수명시간내에서 베이스 내부 전위를 증가시켜 결국 에미터-베이스 순방향 바이어스를 증가시키게 된다.

따라서, 에미터-베이스 전위장벽보다 높은 에너지를 가지고 있는 더 많은 전자들이 에미터로부터 베이스로 주입되고 다시 콜렉터로 표동될 수 있으므로 전자전류를 증가시킬수 있다.

이와 같이 주입된 전자들의 수명시간이 베이스 통과 시간보다 길다면 일반적인 트랜지스터 작용에 의해 전류 이득이 얻어지게 되며, 결국 축적된 전공에 의한 에미터-베이스 전위 장벽의 변화가 광이득을 발생시켰다고 볼 수 있다.

상기 광트랜지스터(200)는 전술한 바와 같이 HBT와 근본적인 동작 원리가 동일한 뿐만 아니라, 에피 구조가 같기 때문에 두 소자의 결합 회로를 제작하더라도 동일한 반도체 공정을 통하여 제작할 수 있게 된다.

즉, 광소자와 전자 소자를 따로 제작할 필요없이 동일 기판상에 집적화하여 동시에 제작이 가능하기 때문에 단위 공정 개수를 줄여 제조 비용이 감소할뿐만 아 니라 광수신기의 전체 크기를 최소화할 수 있다. 또한, 광소자와 전자 소자간에 칩내 배선으로 연결되므로 각각 따로 제작하여 와이어를 통해 연결할때 발생하는 기생 성분에 의한 성능 열화를 배제할 수 있다.

또한, 광트랜지스터(200)는 광검출소자이면서도 PIN 광다이오드와 달리 트랜지스터 고유의 증폭 동작으로 자체의 내부 이득을 가지고 있으며, 이득을 발생시킴에 있어서 애벌런치 광다이오드와는 달리 큰 애벌런치 잡음이나 높은 바이어스를 필요로 하지 않는다.

따라서, 광트랜지스터(200)와 HBT를 동일 기판상에 집적화하면, 소형의 고감도, 광대역의 광수신기 광전집적회로를 구현할 수 있다.

상기 출력 버퍼부(210, 220)는 상기 광트랜지스터(200)로부터 전송된 전압 신호를 일정 레벨로 조정하여 출력 전압 신호를 생성하는 트랜지스터 소자로서, 제1 출력 버퍼부(210), 제2 출력 버퍼부(220)의 에미터 팔로워 쌍으로 구성된다.

이때, 상기 제1 출력 버퍼부(210)의 에미터 및 제2 출력 버퍼부(220)의 베이스와 병렬연결된 궤환저항(Rf)(215)은 광트랜지스터(200)의 베이스와 열결되어 부성 궤환 루프를 형성하는데, 상기 궤환 저항의 수치를 변화시킴으로써 광수신기의 전체 이득, 대역폭 및 등가 입력 잡음 밀도를 최적화할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 제1 출력 버퍼부(210), 제2 출력 버퍼부(220)는 광트랜지스터(200) 공정과 호환이 가능한 HBT를 능동 소자를 이용한 것으로 한다.

상기 광트랜지스터(200)와 출력 버퍼부(210, 220)는 응용 파장 영역에 따라 단파장 영역에 GaAs계, 장파장 영역에 InP계의 화합물 반도체 재료를 기반으로 하 는 HBT 공정을 이용하여 광전집적회로를 구성한다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 제1실시예에 따른 광전집적회로의 동작에 대하여 설명하기로 한다.

광선로로부터 일정 광전력(Pin)으로 입사되는 광신호는 광트랜지스터(200)의 베이스-콜렉터 공핍영역에서 흡수되어 전류로 광전 변환되는데, 내부 이득에 의해 위상 반전 증폭되고 부하 저항(R1)(205)에 의해 전압 신호로 출력된다. 그 후, 신호 채널의 동적 범위를 최대화하기 위해 제1 출력 버퍼부(210), 제2 출력 버퍼부(220)의 에미터 팔로워 쌍으로 구성된 출력 버퍼부에 의하여 레벨 조정된 출력 전압 신호가 생성된다.

이때, 광트랜지스터(200)의 콜렉터에서 출력되는 위상 반전된 신호는 제1 출력 버퍼부(210)의 에미터를 거치고 병렬 궤환 저항(Rf)(215)을 통해 다시 광트랜지스터(200)의 베이스로 부성궤환되는데, 이 궤환저항 값을 변화시킴으로써 광수신기의 전체 이득, 대역폭 및 등가 입력 잡음 밀도를 최적화한다.

즉, 수학식 1과 같이 궤환저항(Rf)(215) 값이 커질수록 열 잡음은 감소하므로 전체 수신기의 등가 입력 잡음 전류(

)는

의 비율로 낮아지는 반면에 수학식2와 같이 궤환저항(Rf)(215) 값이 커질수록 전체 수신기의 대역폭(

)은

의 비율로 감소하게 된다.

여기서 상기

는 오픈 루프 이득,

는 입력 저항,

는 베이스 저항,

는 확산 정전용량 합,

은 베이스-에미터 접합 정전 용량을 의미한다.

따라서 궤환저항값은 응용 목적에 따라 잡음 및 대역폭의 트레이드 오프(trade-off) 관계를 고려하여 최적화여야 한다.

Rf(215)값이 고정되면, 광수신기의 전체 이득은 광트랜지스터(200)의 콜렉터와 연결된 부하 저항(R1)(205)값에 의해 결정된다.

상기 부하 저항(R1)(205)을 증가시킴으로써 전체 이득을 증가시킬수 있지만 이와 함께 피킹(peaking)이 심화되어 시간 영역상에 파형의 진동이 커지게 되므로 일반적으로 피킹(peaking)을 +/-1dB이하에서 최대한의 이득을 갖도록 적절한 값을 선택한다.

이와 같은 본 발명의 제1실시예에 따른 광전집적회로는 GaAs HBT 공정을 이용하여 850nm 단파장 영역의 가입자 루프의 케이블 TV망, LAN, SAN, VSR 광접속 모듈과 같은 단거리 고속 광전송에 응용되어질 수 있을뿐만 아니라, InP HBT공정을 이용하면 1310nm 혹은 1550nm장파장 영역의 중장거리 기간망의 고속 광전송에 응용 될 수 있는 상승효과가 있다.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 다른 광수신기 광전집적회로에 구비되는 광트랜지스터(200)의 베이스 입력 전류에 따른 광이득을 측정한 그래프이고, 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 광수신기 광전집적회로에 구비되는 능동소자부(225)의 입력 임피던스 특성을 측정한 그래프이다.

도 3에 의하면, 광트랜지스터(200)가 InGaP/GaAs 및 AlGaAs/GaAs 반도체 재질로 이루어지는 경우, 베이스 입력 전류가 증가함에 따라 광트랜지스터(200)의 자체 이득(Optical gain)이 비례적으로 증가함을 알 수 있는데, 이는 일정 전력의 광신호가 광수신기로 입사되는 경우에는 장점으로 작용되나(충분한 크기의 전력신호로 변환할 수 있음), 한계 전력 이상의 큰 광전력을 가지는 광신호가 입사되는 경우에는 신호가 왜곡될 수 있는 여지가 있다.

즉, 광트랜지스터(200)는 소정의 동적 범위(Dynamic range)를 가지고 있으며, 한계 전력 이상의 광전력이 입사되는 경우 출력신호가 포화(Saturation) 상태에 이르게 되어 신호 파형이 클램핑되는 현상이 발생되고, 따라서 신호의 진폭 왜곡이 발생될 수 있다.

특히, 광트랜지스터(200)에 궤환 저항을 통하여 부성 궤환 루프가 형성된 경우, 도 3에 도시된 것처럼 베이스 전류에 비례하여 광이득이 더욱 커지며, 큰 수치의 광전력 신호가 입사될수록 부성 궤환 루프에 의한 루프 이득이 더욱 증가하여 광트랜지스터(200)의 동적 범위가 더욱 감소되는 현상이 발생될 수 있다.

이러한 이유로, 광트랜지스터(200)의 동적 범위를 보다 넓게 하기 위하여, 상기 궤환 저항(Rf)(215)에 병렬로 연결되는 능동소자부(225)가 구비되는데, 능동소자부(225)는 광트랜지스터(200) 및 궤환 저항(Rf)(215)과 연결되어 광트랜지스터(200)의 입력신호의 전력 레벨을 조정하는 동작을 수행한다.

본 발명의 실시예에서 상기 능동소자부(225)는 다이오드를 이용하는 것으로 하며, 능동소자부(225)의 동작에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

즉, 광수신기 광전집적회로의 전체 이득은 광트랜지스터(200)의 광이득과 함께, 궤환 저항(Rf)(215)을 통한 부성 궤환 루프의 루프 이득에 의하여 결정되어지며, 트랜스임피던스 이득은 궤환 저항(Rf)(215)에 비례하는 관계이므로, 궤환 저항(Rf)(215)의 폭넓은 변화에 결쳐 안정된 동작이 보장되어야 넓은 동적 범위를 확보할 수 있게 된다.

도 4에 도시된 능동소자부(225)의 입력 임피던스 특성에서 알 수 있듯이, 적은 광전력의 신호가 광트랜지스터(200)로 입사되면 부성 궤환 루프에 적은 양의 입력 전류가 공급되고 다이오드(225)가 궤환 저항(Rf)(215)에 비하여 충분히 큰 임피던스를 가지므로 다이오드(225)에 저전압이 인가된다.

따라서, 다이오드(225)의 저항을 무시될 수 있으므로 궤환저항만으로 부성 궤환 루프가 이루어질 수 있다.

반면, 큰 광전력의 신호가 광트랜지스터(200)로 입사되면 부성 궤환 루프의 입력 전류가 증가하게 되어 다이오드(225)에 고전압이 인가되고, 다이오드(225)를 통하여 흐르는 전류 역시 증가하게 되므로, 도 4에 도시된 것처럼, 다이오드(225)의 임피던스는 감소된다.

따라서, 부성 궤환 루프의 전체 저항은 감소되고, 루프 이득이 궤환 저항만으로 설계된 경우보다 감소되는 효과가 생긴다.

이는 큰 광전력의 신호가 입사되더라도 진폭 왜곡이 발생되지 않으며, 광트랜지스터(200)가 보다 넓은 동적 범위에서 증폭 동작을 수행할 수 있음을 의미한다.

도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 광수신기 광전집적회로의 차동 출력 구조를 개략적으로 도시한 회로도이다.

차동 구조는 근본적으로 위상이 같은 교류 잡음을 제거하므로 우수한 잡음 면역력을 가지며 저잡음 특성이 중요한 수신기에 많이 사용되는 구조이다. 따라서, 전술한 제1실시예의 단일 입출력 구조는 제2실시예와 같이 단일 입력 대 차동 출력 구조 형태로 구성할 수 있다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 광전집적회로는 광트랜지스터(300), 출력버퍼부(310), 위상 반전 차동 증폭부(320) 및 부성 궤환 루프를 형성하는 궤환 저항(Rf)(330a, 330c)과 능동소자부(330b, 330d)를 포함하여 이루어지는데, 상기 출력버퍼부(310)는 에미터 팔로워 구조를 이루는 Q1(310a), Q4(310b), Q5(310c)의 트랜지스터를 포함한다.

또한, 상기 위상 반전 차동 증폭부(320)는 두개의 증폭부로 구성되는데, 하나의 증폭부는 Q2(320a), Q3(320b)를 포함하고, 다른 증폭부는 Q6(320c), Q7(320d)를 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 궤환 저항(Rf)(330a, 330c)과 능동소자부(330b, 330d)는 두개의 위상 반전 차동 증폭부(320) 및 Q4(310b), Q5(310c)의 에미터를 Q2(320a), Q3(320b)의 베이스와 연결하여 부성 궤환 루프를 형성한다.

또한, 상기 궤환 루프를 통해 형성된 첫번째 증폭부 Q2(320a), Q3(320b)에서의 DC 옵셋 전압 차를 제거하기 위해 오프셋(offset)외부 단자가 옵셋 저항(R2)(340)과 연결된다.

이하 상기와 같이 구성된 본 발명의 제2실시예에 따른 광전집적회로의 동작에 대하여 설명한다.

광선로로부터 일정 광전력(Pin)으로 입사되는 광신호는 광트랜지스터(300)의 베이스 콜렉터 공핍영역에서 흡수되어 전류로 광전 변환되는데, 내부 이득에 의해 위상 반전 증폭되어 부하 저항(R1)(325)에 의해 전압 신호로 출력된다.

여기서, 광트랜지스터(300)의 DC 바이어스 입력(Vin)을 오픈시키거나 혹은 간단한 바이어스 회로로 꾸며 적절한 DC 바이어스를 인가하여 광이득을 증가시킬 수 있다. 그후, Q2(320a), Q3(320b) 및 Q6(320c), Q7(320d)의 위상 반전 차동 증폭부에 의해 충분한 광수신기 전체 이득을 가지게 되어 차동 출력 전압 신호

를 생성하게 된다. 이때, 상기 Q1(310a), Q4(310b), Q5(310c)의 에미터 팔로워 버퍼부는 각 증폭부 사이의 격리와 DC 레벨 조정을 위해 사용된다.

여기서, Q4(310b), Q5(310c)의 에미터에서 궤환저항(Rf)(330a, 330c) 및 능동소자부(330b, 330d)를 통하여 Q2(320a), Q3(320b)의 베이스로 연결되는 부성 궤환 루프는 궤환 저항값을 변화시킴으로써 광수신기의 전체 이득, 대역폭 및 등가 입력 잡음 밀도를 최적화한다.

또한, 상기 궤환 루프는 단일 입력 대 차동 출력 사이의 인터페이스를 구성하여 첫번째 증폭부 Q2(320a), Q3(320b)에 옵셋 전압을 형성시켜주며, 이때 발생하는 옵셋 전압차를 제거하기 위해 IC 외부에서 단자를 통해 DC 옵셋 보상 전압(

)을 인가하여 옵셋을 미세 조정할 수 있다.

즉, 두개의 궤환저항(Rf)(330a, 330c) 및 능동소자부(330b, 330d)는 각각 병렬회로를 구성하여 두개의 차동 증폭부(Q2(320a), Q3(320b) 및 Q6(320c), Q7(320d)) 와 연결되는 두 개의 부성 궤환 루프를 형성하며, 각각의 부성 궤환 루프는 해당 차동 증폭부에 대하여 전술한 제1실시예와 동일한 방식으로 동작된다.

상기 능동소자부(330b, 330d)는 제1실시예에와 같이 다이오드를 이용하여 구현될 수 있으며, 큰 광전력의 신호가 광트랜지스터로 입사되는 경우 부성 궤환 루프의 입력 전류가 증가하게 되어 다이오드(330b, 330d)에 고전압이 인가되고, 다이오드(330b, 330d)를 통하여 흐르는 전류 역시 증가하게 되므로, 다이오드(330b, 330d)의 임피던스는 감소된다.

따라서, 부성 궤환 루프의 전체 저항은 감소되고, 루프 이득이 궤환 저항(330a, 330c)만으로 설계된 경우보다 줄어드는 효과가 생기므로 두개 차동 증폭부(Q2(320a), Q3(320b) 및 Q6(320c), Q7(320d)) 및 광트랜지스터(300) 사이에서 궤환되는 증폭신호의 동적 범위는 넓어지게 되고 신호가 왜곡되는 현상을 방지할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명에 대하여 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명의 실시예에 의한 광수신기 광전집적회로에 의하면, 광전변환효율 및 수신감도의 특성이 향상되고, 입력되는 신호의 전력 레벨에 변화가 생기더라도 왜곡없이 증폭시킬 수 있으므로 신호를 안정적으로 복원할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 광다이오드 대신에 HPT를 사용하여 HBT와 동일한 기판상에 집적화한 광수신기 광전집적회로를 구현함으로써, 공정을 단순화하고 제조 원가를 절감할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 기존의 광다이오드 칩과 전치 증폭기 칩간의 와이어 연결 및 본딩 패드에 의한 기생 성분을 제거할 수 있으므로 더 넓은 광대역 특성을 구현할 수 있고, 높은 바이어스나 그에 따른 부가적인 잡음없이 높은 수신감도를 달성할 수 있는 효과가 있다.

Claims

광전송선로로부터 입사되는 광신호를 검출하고, 검출된 광신호를 전류 신호로 광전증폭시키는 이종접합 광트랜지스터(HPT; Heterojunction Photo-Transistor);

상기 광전증폭된 전류 신호의 전압 레벨을 조정하는 출력 버퍼부;

상기 광트랜지스터와 연결되어 부성 궤환 루프를 형성하는 궤환 저항; 및

상기 광트랜지스터 및 상기 궤환 저항과 연결되어 상기 광트랜지스터의 입력신호의 전력 레벨을 조정하고, 상기 광트랜지스터의 동적 범위(dynamic range)를 확장하는 다이오드를 포함하는 광수신기 광전집적회로.
제1항에 있어서,

상기 광전증폭된 전류 신호를 위상 반전된 전압 신호로 출력하는 부하 저항을 포함하는 광수신기 광전집적회로.
제1항에 있어서, 상기 다이오드는

상기 광트랜지스터의 베이스와 연결되는 광수신기 광전집적회로.
제1항에 있어서, 상기 다이오드는

상기 궤환 저항과 병렬로 연결되는 광수신기 광전집적회로.
삭제
제1항에 있어서, 상기 출력 버퍼부는

적어도 하나 이상의 이종접합 쌍극자 트랜지스터(HBT; Heterojunction Bipolar Transistor)를 포함하여 이루어지는 광수신기 광전집적회로.
제1항에 있어서, 상기 출력 버퍼부는

에미터 팔로워 쌍의 회로 구조를 형성하는 두 개 이상의 트랜지스터를 포함하여 이루어지는 광수신기 광전집적회로.
제1항에 있어서, 상기 광트랜지스터 및 상기 출력 버퍼부는

단일 반도체 공정을 통하여 기판상에 집적 회로로 구성되는 광수신기 광전집적회로.
제1항에 있어서,

쌍을 이루는 적어도 둘 이상의 증폭부를 구비하여 회로 전체의 이득을 조정하고, 차동 출력 전압 신호를 생성하는 위상 반전 차동 증폭부를 포함하는 광수신기 광전집적회로.
제9항에 있어서,

상기 위상 반전 차동 증폭부의 단일 입력 대 차동 출력 사이의 인터페이스를 제공하고, 상기 위상 반전 차동 증폭부의 첫째 증폭부의 옵셋 전압을 형성시키는 궤환루프회로를 포함하고,

상기 궤환 저항 및 상기 다이오드는 적어도 하나 이상으로서, 상기 궤환루프회로와 연결되는 광수신기 광전집적회로.