KR101282414B1 - Ｒｚ－ｄｐｓｋ 및 ｒｚ－ｄｑｐｓｋ 광 송신 장치 - Google Patents

Abstract

광 송신 장치가 개시된다. 광 송신 장치는 단일의 위상 변조기를 구비하여 제로 복귀(Return-to-zero) 및 차동 위상 편이(Differential Phase Shift Key)된 신호의 패턴과 위상 특성이 동일한 신호를 출력함을 특징으로 한다. 이에 의해 별도의 RZ 변조기를 사용하지 않고 RZ-DPSK 신호를 생성하는 것이 가능하다.

Description

ＲＺ－ＤＰＳＫ 및 ＲＺ－ＤＱＰＳＫ 광 송신 장치{Optical transmitting apparatus for RZ-DPSK and RZ-DQPSK}

초고속 광신호의 전송을 위한 광 송신 장치에 관한 것으로, 특히 위상 편이 변조 방식을 갖는 광 송신 장치에 관한 것이다.

본 연구는 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.[과제관리번호: 2008-F-017-01, 과제명: 100Gbps급 이더넷 및 광전송기술개발]

인터넷 트래픽은 지속적으로 증가하고 있다. 특히 인터넷 TV, UCC(User Created Contents) 등 이더넷 기반 서비스의 등장으로 트래픽은 날로 증가하고 있으며, 네트워크의 광역화는 필수적이 되었다. 그리고 여러 개의 파장을 하나의 광섬유 내에 다중화하여 전송하는 파장분할 다중방식 광전송 시스템은 증가된 트래픽을 가장 효율적으로 수용할 수 있는 수단으로 인식되고 있으며, 이를 위해 파장(채널)당 전송 속도를 증가시킬 뿐만 아니라 고속 채널을 중심으로 다양한 변조방식들이 등장하고 있다.

고성능 컴퓨팅, 서버, 데이터 센서, 엔터프라이즈 네트워크, 인터넷 교환 센 터 등과 같은 데이터 트래픽이 집중되는 지점에서의 대역폭 요구를 충족시키기 위해 파장당 40G급 이상의 신호가 등장하고 있으며, 이러한 고속 신호를 전송하기 위해서 광송신기는 광신호의 크기를 On/Off하는 단순한 NRZ(Non-Return-to-Zero)나 RZ(Return-to-Zero) 뿐만 아니라 광신호의 위상을 변조하는 DPSK(Differential Phase Shift Key)나 하나의 심볼당 2비트 이상을 보낼 수 있는 DQPSK(Differential Quaternary Phase Shift Key) 변조 방식 등이 등장하고 있다. 여기서 DPSK 혹은 DQPSK 방식은 고속 광전송 시스템에서 광학/전기 소자의 한계를 극복하고, 광선로에서 발생하는 각종 제한요소를 억제할 수 있는 장점이 있다.

별도의 RZ 변조기를 사용하지 않고 RZ-DPSK 또는 RZ-DQPSK 신호를 생성할 수 있는 광 송신기를 제공함을 목적으로 한다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 RZ-DPSK 광 송신 장치는 단일의 위상 변조기를 구비하여 제로 복귀(Return-to-zero) 및 차동 위상 편이(Differential Phase Shift Key)된 신호의 패턴과 위상 특성이 동일한 신호를 출력한다. 일 양상에 따른 RZ-DPSK 광 송신 장치는 프리코더(precoder)로부터 출력된 데이터 신호와 데이터 전송속도의 절반 주파수를 가지는 클록 신호를 입력받아 혼합하여 구동 데이터 신호를 출력하는 혼합기; 및 혼합기로부터 출력되어 인가된 구동 데이터 신호를 이용하여 광원에서 출력된 광신호를 변조하는 위상 변조기;를 포함한다.

한편 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 RZ-DQPSK 광 송신 장치는 병렬 연결된 두 위상 변조기를 통해 제로 복귀(Return-to-zero) 및 DQPSK(Differential Quaternary Phase Shift Key)된 신호의 패턴과 위상 특성이 동일한 신호를 출력한다. 일 양상에 따른 RZ-DQPSK 광 송신 장치는 프리코더에 의해 생성된 제1데이터 신호와 제1데이터 신호 전송속도의 절반 주파수를 가지는 클록 신호를 입력받아 혼합하여 제1구동 데이터 신호를 출력하는 제1혼합기; 프리코더에 의해 생성된 제2데이터 신호와 제2데이터 신호 전송속도의 절반 주파수를 가지는 클록 신호를 입력받아 혼합하여 제2구동 데이터 신호를 출력하는 제2혼합기; 및 제1혼합기로부터 출력 되어 인가된 제1구동 데이터 신호를 이용하여 광원의 광신호를 변조하는 제1위상 변조기, 제2혼합기로부터 출력되어 인가된 제2구동 데이터 신호를 이용하여 광원의 광신호를 변조하는 제2위상 변조기, 및 제1위상 변조기와 제2위상 변조기의 출력 위상 차를 발생시키기 위한 위상 편이기를 포함하는 위상 변조기;를 포함한다.

종래와 달리 별도의 RZ 변조기를 사용하지 않고 RZ-DPSK 또는 RZ-DQPSK 신호를 생성하므로, 광학적 삽입 손실이 작고 구조가 간단하며 경제적인 광 송신기를 구성할 수 있는 효과를 창출한다. 또한 대역폭이 좁은 RF 증폭기를 사용할 수 있어 신호를 용이하게 증폭할 수 있다. 또한 데이터 자체의 클록 주파수의 크기만을 측정하여 바이어스를 제어하므로, 별도의 외부적인 주파수 인가회로 없이 간단하게 바이어스 제어회로를 구성할 수 있다.

전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 DPSK 광송신기의 구성도이고, 도 2는 DPSK 생성 원리를 나타내는 참조도이며, 도 3은 RZ 변환 및 RZ-DPSK 생성 원리를 나타내는 참조도이다.

광원(100)은 광신호를 출력하기 위한 구성으로서, 레이저 다이오드(Laser Diode, LD)일 수 있다. DPSK 변조기(110)는 광원(100)에서 출력된 광신호를 입력 받아 변조하기 위한 구성으로서, 마흐 젠더(Mach-Zehnder, MZ) 변조기일 수 있다. DPSK 변조기(110)에서 변조되는 광신호는 프리코더(precoder)에서 생성되어 DPSK 변조기(110)에 인가되는 전기적인 데이터(111)에 따라 위상이 0 또는 π로 변조되게 된다. 도 2에 도시된 바와 같이 바이어스를 DPSK 변조기의 전달 곡선상의 최저점에 두고, 입력되는 전기 데이터(111)를 전달 곡선의 한 주에 해당하는 2Vπ만큼 인가하면 도 1에 나타낸 DPSK의 아이 다이어그램(Eye-diagram)을 얻을 수 있다.

그리고 DPSK 변조기(110)에 직렬로 별도의 RZ 변조기(120)를 연결하면, 최종 출력으로써 도 1에 나타낸 RZ-DPSK의 아이 다이어그램을 얻을 수 있다. DPSK 변조기(110)에 RZ 변조기(120)를 직렬로 연결하면, DPSK 생성시 사용되는 광학/전기 소자의 패턴에 따른 영향을 감소시킬 수 있으며, DPSK보다 낮은 광신호대 잡음비에서 동일한 성능을 얻을 수 있다. 그리고 인가하는 클록 신호(121)를 도 3과 같이 전달 곡선상의 최저점에 두고 주파수를 전송 비트 레이트의 1/2을 사용하는 방법과 전달 곡선의 가운데에 두고 전송 비트 레이트와 같은 주파수를 사용하는 방법을 통해 duty cycle을 조절할 수 있다.

따라서 RZ-DPSK 출력은 사인파 형태의 신호 패턴을 보이며 위상평면에서 0과 π의 값을 가진다. 이러한 RZ-DPSK의 장점에도 불구하고, 두 개의 MZ 변조기를 사용하므로 광학적인 손실이 증가한다. 또한 DPSK 변조기와 RZ 변조기와의 광학적 동기화를 위해 부가적으로 광학/전기 소자가 필요하여 구조가 복잡해지는 문제를 가지고 있다. 그리고 MZ 변조기에 인가되는 전기적인 데이터의 크기를 증폭하는 RF 증폭기의 경우, DC부터 data 전송속도 주파수까지 광대역의 대역폭을 가져야 하 는 문제가 있다.

도 4는 RZ-DQPSK 광 송신기 구성도이다.

DQPSK 변조기(400)는 두 개의 MZ 변조기(401, 402)와 어느 한 MZ 변조기(402)의 출력에 연결된 위상 편이기(403)를 포함하여 구성된다. 각각의 MZ 변조기(401, 402)는 DPSK 변조기에 해당한다. 그리고 위상 편이기(403)를 통해 MZ 변조기(402)의 출력 신호를 π/2 위상 편이한 후, 두 개의 MZ 변조기(401, 402)의 출력 신호를 더하면 DQPSK 신호가 출력된다. 이에 따라 도 4에 나타낸 DQPSK의 아이 다이어그램(Eye-diagram)을 얻을 수 있다. DQPSK 방식은 DPSK 방식에 비해 전송속도를 2배로 증가시킬 수 있는 이점이 있다. 참고로 MZ 변조기(401)에 인가되는 데이터 신호(data1)와 MZ 변조기(402)에 인가되는 데이터 신호(data2)는 도 1의 data 신호(111)와 동일한 역할을 위한 신호로써, 프리코더에 의해 생성된 서로 다른 패턴을 가지는 신호이다.

DQPSK 변조기(400)에 직렬로 별도의 RZ 변조기(410)를 연결하면, 최종 출력으로써 도 4에 나타낸 RZ-DQPSK의 아이 다이어그램을 얻을 수 있다. DQPSK 변조기(400)에 RZ 변조기(410)를 직렬로 연결하여 RZ-DQPSK 신호를 생성하면, DQPSK 생성시 사용되는 광학/전기 소자의 패턴에 따른 영향을 감소시킬 수 있다. 또한 DPSK보다 낮은 광신호대 잡음비에서 동일한 성능을 얻을 수 있다. 결과적으로, 출력은 사인파 형태의 신호 패턴을 보이고 위상평면에서 0, π/2, π, 3π/2 값을 가진다. 그러나 이 경우에도 별도의 RZ 변조기를 사용하므로, 광학적인 손실이 증가하고 DQPSK 변조기와 RZ 변조기의 동기가 필요하며 구조가 복잡해진다. 또한 경제적인 광 송신기를 구성할 수 없는 단점을 가진다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 RZ-DPSK 광 송신 장치 구성도이다.

광원(500)은 광신호를 출력하기 위한 구성으로서, 레이저 다이오드(Laser Diode, LD)가 이용될 수 있다. 위상 변조기(510)는 광원(100)에서 출력된 광신호를 입력받아 변조하기 위한 DPSK 변조기이다. 일 실시예에 있어서, 위상 변조기(510)는 MZ 변조기이다. 본 발명의 일 양상에 따른 위상 변조기(510)는 프리코더로부터 출력된 데이터를 입력받아 광신호를 변조하는 것이 아니라, 혼합기(520)로부터 출력된 구동 데이터(driving data) 신호를 입력받아 광신호를 변조함에 특징이 있다. 여기서 혼합기(mixer)(520)는 프리코더로부터 출력된 데이터(521)와 이 데이터 전송속도의 절반 주파수를 가지는 클록(522) 신호를 입력받아 혼합한 후, 혼합된 구동 데이터(531) 신호를 위상 변조기(510)로 출력한다.

도 6은 도 5의 구동 데이터 신호 생성 방법을 설명하기 위한 참조도이며, 도 7은 구동 데이터 신호 인가 방법을 설명하기 위한 참조도이다.

프리코더로부터 출력된 데이터(521)와 데이터 전송속도의 1/2 주파수를 가지는 클록(522)을 혼합기(520)에 인가하여 구동 데이터(531) 신호를 만든다. 데이터는 ground level을 기준으로 양과 음의 신호를 만들며, 1/2 주파수 클록 성분은 데이터 신호와 전기적으로 동기화되어 혼합기(520)에 인가된다. 따라서 혼합기(520)의 출력에서는 데이터(521)와 1/2 클록(522) 신호의 곱에 해당하는 신호가 생성된다. 이때, 데이터와 구동 데이터는 표 1과 같은 관계를 가지며, 1/2 클록(clock/2)의 위상이 180 바뀔 경우 구동 데이터의 위상도 180도 바뀐다.

Data	Driving data
1 -1	1 1
1 1	1 -1
-1 -1	-1 1
-1 1	-1 -1

즉, 구동 데이터 신호에서 ‘1 1’은 ‘1 -1’이 되고, ‘1 -1’은 ‘1 1’로 바뀐다. 이와 같이 생성된 신호는 도 7에서와 같이 MZ 변조기의 전달 곡선상에서 최저점 혹은 최고점에 DC 바이어스를 두고, 이를 기준으로 2Vπ 크기를 가지도록 증폭된 신호를 인가하면, 주파수가 2배 증가하여 도 5에서 RZ-DPSK와 같은 신호 패턴과 위상 평면에서 0과 π 값을 가지는 신호가 생성된다.

본 발명의 추가적인 양상에 따라, 전기적인 신호의 크기를 적절하게 만들기 위해 도 5에서와 같이 RF 증폭기(530)가 더 포함될 수 있다. 종래에는 MZ 변조기를 구동하기 위한 NRZ 데이터를 증폭해야 하므로 광대역의 증폭기가 필요하다. 그러나 혼합기(520)의 출력 신호는 클록과 같은 패턴을 가지므로, RF 증폭기(530)는 데이터 전송속도의 1/2 주파수만을 증폭하면 된다. 따라서 협대역의 RF 증폭기를 사용할 수 있는 장점이 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 RZ-DQPSK 광 송신 장치 구성도이다.

광원(800)은 광신호를 출력하기 위한 구성으로서, 레이저 다이오드(Laser Diode, LD)가 이용될 수 있다. 위상 변조기(810)는 제1위상 변조기(811), 제1위상 변조기(811)와 병렬 연결된 제2위상 변조기(812), 및 제2위상 변조기(812)의 출력단에 직렬 연결된 위상 편이기(813)를 포함하여 구성되는 DQPSK 변조기이다. 일 실시예에 있어서, 제1위상 변조기(811)와 제2위상 변조기(812)는 MZ 변조기이다. 두 개의 MZ 변조기를 parallel하게 위치시키고, 이를 Mach-Zehnder 간섭계 형태로 구성하면, DQPSK 변조기가 구현된다.

제1위상 변조기(811)는 프리코더로부터 출력된 제1데이터(data1)를 입력받아 광신호를 변조하는 것이 아니라, 제1혼합기(820)로부터 출력된 제1구동 데이터(823) 신호를 입력받아 광신호를 변조한다. 제2위상 변조기(812) 또한 프리코더로부터 출력된 제2데이터(data2)를 입력받아 광신호를 변조하는 것이 아니라, 제2혼합기(830)로부터 출력된 제2구동 데이터(833) 신호를 입력받아 광신호를 변조한다. 위상 편이기(813)는 제2위상 변조기(812)의 출력 신호를 π/2 만큼 위상 편이한다. 이는 DQPSK 신호를 만들기 위함이며, 잘 알려진 바와 같다.

제1혼합기(820)는 프리코더로부터 출력된 제1데이터(821)와 이 데이터 전송속도의 절반 주파수를 가지는 클록(822) 신호를 입력받아 혼합하며, 혼합된 제1구동 데이터(823) 신호를 제1위상 변조기(811)로 출력한다. 제2혼합기(830) 또한 프리코더로부터 출력된 제2데이터(831)와 이 데이터 전송속도의 절반 주파수를 가지는 클록(832) 신호를 입력받아 혼합하며, 혼합된 제2구동 데이터(833) 신호를 제2위상 변조기(812)로 출력한다. 여기서 제1데이터(821)와 제2데이터(831)는 서로 다른 패턴을 가지며, 동일한 전송속도를 갖는다. 그리고 제1구동 데이터(823)와 제2구동 데이터(833)를 생성하고 변조기에 인가하는 방법은 도 6과 도 7을 참조로 설명한 방법과 동일하다. 결과적으로 단일의 MZ 형태의 DQPSK 변조기를 이용하여, 도 9와 같은 데이터 패턴과 위상평면에서 0, π/2, π, 3π/2 값을 갖는 신호를 생성할 수 있다.

본 발명의 추가적인 양상에 따라, 전기적인 신호의 크기를 적절하게 만들기 위해 도 8에서와 같이 제1RF 증폭기(840) 및 제2RF 증폭기(850)가 더 포함될 수 있다. 종래에는 MZ 변조기를 구동하기 위한 NRZ 데이터를 증폭해야 하므로 광대역의 증폭기가 필요하다. 그러나 제1혼합기(820)와 제2혼합기(830)의 출력 신호는 클록과 같은 패턴을 가지므로, 제1RF 증폭기(840) 및 제2RF 증폭기(850)는 데이터 전송속도의 1/2 주파수만을 증폭하면 된다. 따라서 협대역의 RF 증폭기를 사용할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 추가적인 양상에 따라, DQPSK 광 송신 장치는 바이어스 제어기(860)를 더 포함한다. 일 실시예에 있어서, 바이어스 제어기(860)는 광검출부(861), RF 파워 검출부(862), 및 바이어스 제어부(863)를 포함한다. 광검출부(861)는 위상 변조기(810)의 출력에서 분기된 광신호를 검출하여 전기신호로 변환하기 위한 구성으로, 포토다이오드(photodiode)일 수 있다. RF 파워 검출부(862)는 출력 광신호의 RF 파워 값을 검출하며, 바이어스 제어부(863)는 검출된 RF 파워 값에 따라 바이어스를 조절한다.

RZ-DQPSK 신호의 패턴은 도 9에서와 같이 전송 속도와 동일한 주파수를 갖는 사인파 형태를 가지고 있으며, 이 신호의 RF 파워는 도 10에서와 같이 최적의 바이어스 값에서 최대가 되며 외부적인 환경에 따라 광 변조기의 전달 곡선 특성이 변할 경우 이와 같이 감소하게 된다. 따라서 바이어스 제어기(860)는 검출된 클록 주파수의 크기가 최대가 되도록 제1위상 변조기(811)와 제2위상 변조기(812)의 바이어스를 피드백하여 조절하면 RZ-DQPSK 광 송신 장치의 특성을 최적화할 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 DPSK 광 송신기 구성도.

도 2는 DPSK 생성 원리를 나타내는 참조도.

도 3은 RZ 변환 및 RZ-DPSK 생성 원리를 나타내는 참조도.

도 4는 RZ-DQPSK 광 송신기 구성도.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 RZ-DPSK 광 송신 장치 구성도.

도 6은 도 5의 구동 데이터 신호 생성 방법을 설명하기 위한 참조도.

도 7은 도 5의 구동 데이터 신호 인가 방법을 설명하기 위한 참조도.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 RZ-DQPSK 광 송신 장치 구성도.

도 9는 도 8에 따른 RZ-DQPSK 광 송신기 출력 아이 다이어그램 및 성상도.

도 10은 바이어스 값에 따른 RF 파워의 변화를 나타낸 그래프.

Claims (15)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 병렬 연결된 두 위상 변조기를 통해 제로 복귀(Return-to-zero) 및 DQPSK(Differential Quaternary Phase Shift Key)된 신호의 패턴과 위상 특성이 동일한 신호를 출력하되,

   프리코더에 의해 생성된 제1데이터 신호와 상기 제1데이터 신호 전송속도의 절반 주파수를 가지는 클록 신호를 입력받아 혼합하여 제1구동 데이터 신호를 출력하는 제1혼합기;

   프리코더에 의해 생성된 제2데이터 신호와 상기 제2데이터 신호 전송속도의 절반 주파수를 가지는 클록 신호를 입력받아 혼합하여 제2구동 데이터 신호를 출력하는 제2혼합기;

   상기 제1혼합기로부터 출력되어 인가된 제1구동 데이터 신호를 이용하여 광원의 광신호를 변조하는 제1위상 변조기, 상기 제2혼합기로부터 출력되어 인가된 제2구동 데이터 신호를 이용하여 상기 광원의 광신호를 변조하는 제2위상 변조기, 및 상기 제1위상 변조기와 상기 제2위상 변조기의 출력 위상 차를 발생시키기 위한 위상 편이기를 포함하는 위상 변조기; 및

   상기 위상 변조기의 출력을 검출하여 상기 제1위상 변조기 및 제2위상 변조기의 바이어스를 조절하는 바이어스 제어기;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 송신 장치.
10. 제9항에 있어서,

    상기 제1위상 변조기 및 제2위상 변조기는 마흐 젠더(Mach-Zehnder) 변조기임을 특징으로 하는 광 송신 장치.
11. 제9항에 있어서,

    상기 제1혼합기에 입력되는 상기 클록 신호는 상기 제1데이터 신호와 전기적으로 동기화되어 상기 제1혼합기에 입력되며, 상기 제2혼합기에 입력되는 상기 클 록 신호는 상기 제2데이터 신호와 전기적으로 동기화되어 상기 제2혼합기에 입력됨을 특징으로 하는 광 송신 장치.
12. 제9항에 있어서,

    상기 제1혼합기로부터 출력된 제1구동 데이터 신호를 증폭하여 상기 제1위상 변조기로 출력하는 제1알에프 증폭기; 및

    상기 제2혼합기로부터 출력된 제2구동 데이터 신호를 증폭하여 상기 제2위상 변조기로 출력하는 제2알에프 증폭기;

    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 송신 장치.
13. 제12항에 있어서,

    상기 제1알에프 증폭기 및 제2알에프 증폭기 각각은 데이터 신호 전송속도의 절반 주파수만을 증폭하는 협대역의 알에프 증폭기임을 특징으로 하는 광 송신 장치.
14. 삭제
15. 제9항에 있어서, 상기 바이어스 제어기는 :

    상기 위상 변조기의 출력 광신호를 전기신호로 변환하는 광검출부;

    상기 변환된 전기신호의 알에프 파워를 검출하는 알에프 파워 검출부; 및

    상기 검출된 알에프 파워에 기반하여 상기 제1위상 변조기와 상기 제2위상 변조기의 바이어스를 조절하는 바이어스 제어부;

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 송신 장치.

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