KR101953859B1 - 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 별도의 계측 장비 없이도 설치 환경에서 멀티레벨로 수신되는 광신호의 수신특성을 파악하여 수신성능 최적화를 수행하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치 및 방법에 관한 것으로, 실제 설치 환경에서 별도의 정밀 계측기나 계측을 위한 연결 구성 없이도 설치된 그 상태에서 자동으로 사용 애벌런치 포토다이오드의 특성에 따른 최적의 멀티레벨 구분을 위한 역방향 바이어스 전압을 추정하여 애벌런치 포토다이오드를 동작시키도록 함으로써 실제 설치 후 필요에 따른 간단한 수행만으로 현재 광수신 장치의 애벌런치 포토다이오드 특성을 고려한 최적 수신 성능을 제공하는 효과가 있다.

Description

멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치 및 방법{Avalanche photodiode optimizing apparatus for receiving multilevel optical signal and method thereof}

본 발명은 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 별도의 계측 장비 없이도 설치 환경에서 멀티레벨로 수신되는 광신호의 수신특성을 파악하여 수신성능 최적화를 수행하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치 및 방법에 관한 것이다.

5세대 이동통신의 도입과 고품질 서비스의 확산, IoT(Internet of Things) 장비의 보급에 따라 가입자망에서 요구하는 통신 용량이 급증하고 있다. 따라서, 이러한 가입자망과 매트로망에 사용되는 광통신에 요구되는 대역폭 역시 가파르게 증가하고 있는 실정이다 .

이렇듯 가파르게 요구 대역폭이 증가하는 광통신 방식이지만 아직까지 대부분은 광신호의 세기를 2단계, '1' 또는 '0'으로 구분하는 NRZ(NonReturn to Zero) 변조 방식을 사용하고 있다. 하지만 25기가, 50기가 및 100기가 초광대역 통신에 NRZ통신을 사용할 경우에는 펨토초 수준의 극초단위의 비트전환시간으로 인하여 개발에 어려움이 있다. 이러한 배경으로 인하여 최근 한 번의 신호 전달을 통해 복수의 데이터를 전송할 수 있는 멀티레벨 광신호를 이용하는 변조 방식(예를 들어, PAM(Pulse Amplitude Modulation) 4나 PAM 8 등)을 적용하고자 하는 여러 연구들이 진행되고 있다.

광통신에서 가입자망 기술로 통상 가장 널리 사용되는 수동형 광네트워크(PON) 기술은 고속 가입자망을 구성하기 위한 것으로, 시분할 방식이나 파장 분할 방식을 통해서 복수 가입자의 동시 접속을 처리할 수 있도록 구성된다. 이러한 방식들 중에서 비용 대비 효율이 높은 시분할 방식이 주로 사용되는데, IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.3av/ah에 따른 EPON(Ethernet PON)이나 ITUT(International Telecommunication Union-Telecommunication Standardization Sector) G.984/7에 따른 GPON(Gigabit PON)이 대표적이다.

이러한 PON의 구성을 보면, 기본적으로 전화국사에 설치된 하나의 OLT(Optical Line Terminal)와 복수 가입자의 ONT(Optical Network Terminal) 혹은 ONU(Optical Network Unit)가 수동 광분기 장치인 리모트 노드(Remote Node)(광스플리터 이용)를 통해 일대다(Point to Multipoint) 네트워크 구조를 가진다.

기본적인 PON의 구성은 도 1에 도시된 바와 같이 OLT(10)와 ONT(20)가 광선로를 통해 연결되며, 이러한 광선로를 통한 직접적 통신은 광트랜시버(11, 21)에 의해 이루어진다.

이러한 광 네트워크의 통신 품질에 영향을 미치는 다양한 요소들이 존재하지만 직접적으로 통신 품질을 결정하는 요소로서 광트랜시버 레이저 다이오드의 특성과 광트랜시버의 포토다이오드의 특성이 우선적으로 고려된다.

도 2는 일반적인 광트랜시버들 간의 통신 구성을 보인 것으로, 도시된 바와 같이 트랜시버(11, 21)는 레이저 다이오드에 의해 설정된 파장의 광원을 제공하는 송신부(11a, 21a)와 포토다이오드를 통해 레이저 다이오드로부터 제공되는 설정된 파장의 광을 수신하는 수신부(11b, 21b)로 이루어진다.

이러한 광트랜시버의 송신부 레이저 다이오드는 그 특성상 문턱 전류(Ith)와 입력 전류에 따른 출력의 기울기, 포화 전류(Isat)에 대한 특성 곡선이 존재하는데, 이는 제조사와 개별 제품마다 상이하며, 온도가 증가함에 따라 문턱 전류가 증가하고 기울기가 감소하는 등 특성 곡선이 변화하게 된다.

나아가, 이러한 편차가 존재하는 레이저 다이오드의 출력을 광선로를 통해 전달 받아 이를 레벨에 따라 분류해야 하는 포토다이오드의 경우 역시 수신 광전력에 따른 광전류 출력 특성이 제조사와 개별 제품마다 상이하다. 특히, Gbps 이상의 고속 신호 수신을 위해서 효율과 감도가 높으며 고속 동작이 가능한 애벌런치 포토다이오드(APD: Avalanche PhotoDiode)를 이용하게 되는데, 이러한 애벌런치 포토다이오드는 그 구조적 특성상 광전자에 대한 반응을 급격히 확장하는 방식으로 동작하기 때문에 약간의 공정 편차에 의해서도 상이한 수신 특성을 가지게 된다.

현재 통상적으로 사용되고 있는 광트랜시버의 동작 방식은 0과 1의 NRZ(Non-Return-to-Zero) 코드에 따른 변조 방식으로, 그 출력을 0이나 1로 구분할 수 있으면 된다. 따라서, 레이저다이오드의 특성 곡선 중 선형 구간을 선별하여 사용 구간으로 이용하고 있다. 이렇게 NRZ 코드에 대응하기 위한 용도로 사용되는 레이저 다이오드는 선형 구간이 일정 정도이면 되므로 제조사나 제품의 등급에 따라 선형 특성이 좋지 않은 것도 사용되고 있는 실정이며, 애벌런치 포토다이오드 역시 이와 유사하게 NRZ 변조에 고속 대응하여 구분된 광전류를 제공하는 것을 목적으로 하므로 수신 광전력에 따른 광전류 출력 특성에 일부 편차가 있더라도 동일 규격의 제품으로 사용되고 있는 실정이다.

하지만, 더욱 고속의 통신을 위해서 레이저 다이오드로 전송할 신호를 4단계나 8단계의 상이한 레벨로 구분하여 2비트나 3비트의 데이터를 하나의 광신호로 전송할 수 있는 PAM(Pulse Amplitude Modulation)-4/8 방식으로 변조하는 경우도 등장하고 있다. 이러한 경우 높은 균일도와 넓은 선형 영역을 가지는 고가의 제품을 사용해야 하는 문제가 발생한다.

이와 같이 고품질 레이저 다이오드나 고품질 애벌런치 포토다이오드를 이용할 경우 비용이 크게 증가하며 이러한 고품질 레이저 다이오드나 애벌런치 포토다이오드를 이용한다 하더라도 사용에 따른 성능 열화나 환경에 따른 특성 변화가 발생할 경우 통신 품질이 낮아지는 한계가 있고, 각각 정확한 특성을 파악하기 위해서는 전용 계측장비가 필요하므로 제조 수율이 낮아지게 되며, 송신과 수신이 서로 대향되어 사용되고 그 전송을 위한 광케이블의 품질과 거리와 같은 설치 환경에 따른 특성 변화에 대응하기 어려우며, 이러한 실제 설치 환경에서의 성능이나 사용에 따른 열화를 매번 전용 계측장비로 확인하기 어려운 문제가 발생한다.

결국, 고속 통신을 위한 멀티레벨 광신호의 경우 이를 생성하는 송신측과 수신측 모두가 높은 선형성을 지원하는 특성을 가져야만 하며, 그 중에서도 송신측 편차및 선로의 특성과 길이를 포함하는 다양한 요인들이 반영된 설치환경에서도 정확하게 멀티레벨을 구분해야하는 수신측 선형성에 대한 중요성이 더욱 높은 상황이다.

레이저 다이오드의 특성을 검출하여 이를 보상하거나, 정밀하게 제어하고자 하는 연구는 일부 존재하였으나, 정작 중요성이 더 높은 애벌런치 포토다이오드의 특성에 따라 수신 해상도를 높이고자 하는 연구는 거의 진행되고 있지 않은 상황이며, 실제 설치 환경에서 애벌런치 포토다이오드의 광수신 특성에 따라 멀티레벨 수준의 최적화를 수행하는 기술 역시 아직 제공되고 있지 못한 실정이다.

한국등록특허 제10-1541975호 [발명의 명칭: 광통신 수신기 및 이에 사용되는 칩] 한국 등록특허 제10-1513372호 [발명의 명칭: 이득 또는 트랜스컨덕턴스를 조절하는 광통신 수신기]

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 실제 설치 환경에서 별도의 정밀 계측기나 계측을 위한 연결 구성 없이도 설치된 그 상태에서 자동으로 사용 애벌런치 포토다이오드의 특성에 따른 최적의 멀티레벨 구분을 위한 역방향 바이어스 전압을 추정하여 애벌런치 포토다이오드를 동작시키도록 한 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 실제 설치 환경에서 상대측 송신부로부터 약속된 테스트 패턴에 따른 멀티레벨 광신호를 수신하면서 단위 패턴 세트를 기준으로 수신 애벌런치 포토다이오드의 역방향 바이어스 전압을 순차적으로 가변시켜 멀티레벨의 각 레벨별 수신 전압들간 차이가 최소인 최소 차이값을 산출하고, 전체 역방향 바이어스 전압 영역에서 최소 차이값이 최대가 되는 역방향 바이어스 전압을 선별하여 이를 애벌런치 포토다이오드 동작에 적용함으로써 멀티레벨 광 수신 성능을 최적화하도록 한 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

나아가, 본 발명의 또 다른 목적은 비교적 간단한 구성 만을 통해서 트랜스미터 수준에서 각 장치들 간 수신 성능 최적화가 가능하므로 낮은 비용으로 통신 품질을 개선할 수 있도록 한 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치는 광선로를 통해 연결된 상대측 광송신 장치로부터 미리 약속된 테스트 패턴에 따른 멀티레벨 광신호를 수신하여 대응되는 광전류를 출력하는 포토다이오드와, 상기 포토다이오드에 역방향 바이어스 전압을 설정에 따라 가변하면서 제공하는 바이어스 전압 가변 제공부와, 상기 포토다이오드의 광전류를 수신 전압으로 변환 및 증폭하는 트랜스임피던스 증폭기와, 상기 트랜스임피던스 증폭기의 수신 전압을 약속된 테스트 패턴을 기준으로 수집하면서 상기 바이어스 전압 가변 제공부를 통해 상기 포토다이오드의 역방향 바이어스 전압을 순차적으로 가변시키고, 멀티레벨의 각 레벨별 수신 전압들간 차이가 최소인 최소 차이값을 산출하여, 가변시킨 전체 역방향 바이어스 전압 영역에서 상기 최소 차이값이 최대가 되는 역방향 바이어스 전압을 선별하여 상기 바이어스 전압 가변 제공부를 설정하는 제어부를 포함한다.

일례로서, 테스트 패턴은 다양한 멀티레벨 광신호를 제공하기 위해 마련된 일련의 데이터 세트로서, 모든 멀티레벨에 대한 패턴이 포함되는 단위 패턴 세트를 적어도 복수로 포함할 수 있다.

일례로서, 제어부는 트랜스임피던스 증폭기의 수신 전압을 약속된 테스트 패턴의 각 단위 패턴 세트에 대해 수집하고 상기 바이어스 전압 가변 제공부를 통해 상기 애벌런치 포토다이오드의 역방향 바이어스 전압을 가변시키는 과정을 설정된 모든 역방향 바이어스 전압 범위에 대해 순차적으로 수행할 수 있다. 또한, 제어부는 단위 패턴 세트에 대해 수집된 수신 전압에 따른 각 레벨별 수신 전압의 차이를 연산하여 그 중에서 최소 차이값을 산출한 후 대응되는 바이어스 전압 가변 제공부에 대한 설정값과 함께 저장할 수 있다.

일례로서, 제어부는 모든 역방향 바이어스 전압 범위에 대해 상기 최소 차이값과 대응되는 바이어스 전압 가변 제공부에 대한 설정값이 저장되면 상기 최소 차이값이 가장 클 때의 바이어스 전압 가변 제공부에 대한 설정값을 선별한 후 해당 설정값으로 상기 바이어스 전압 가변 제공부를 설정할 수 있다.

일례로서, 상대측 광송신 장치와 약속된 멀티레벨 신호의 전송 패턴인 테스트 패턴을 저장하여 제어부에 제공하는 테스트 패턴 저장부를 더 포함할 수 있다.

일례로서, 포토다이오드는 애벌런치 포토다이오드일 수 있다.

일례로서, 멀티레벨 광신호는 PAM-4나 PAM-8 변조에 따른 광신호일 수 있다.

일례로서, 제어부 동작은 초기 구동이나 미리 설정된 주기 또는 별도의 외부 요청 신호에 따라 수행될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 방법은 광신호를 수신하여 대응되는 광전류를 출력하는 애벌런치 포토다이오드를 통해 광선로를 통해 연결된 상대측 광송신 장치로부터 미리 약속된 테스트 패턴에 따른 멀티레벨 광신호를 수신하는 단계와, 트랜스임피던스 증폭기를 통해 상기 광수신부의 애벌런치 포토다이오드 광전류를 수신 전압으로 변환 및 증폭하는 단계와, 제어부가, 상기 트랜스임피던스 증폭기의 수신 전압을 약속된 테스트 패턴을 기준으로 수집하면서 상기 애벌런치 포토다이오드에 역방향 바이어스 전압을 설정에 따라 가변하여 제공하는 바이어스 전압 가변 제공부를 통해 상기 애벌런치 포토다이오드의 역방향 바이어스 전압을 순차적으로 가변시키고, 멀티레벨의 각 레벨별 수신 전압들간 차이가 최소인 최소 차이값을 산출하여, 가변시킨 전체 역방향 바이어스 전압 영역에서 상기 최소 차이값이 최대가 되는 역방향 바이어스 전압을 선별하는 단계와, 상기 제어부가 상기 선별된 역방향 바이어스 전압이 되도록 상기 바이어스 전압 가변 제공부를 설정하는 단계를 포함한다.

일례로서, 최소 차이값이 최대가 되는 역방향 바이어스 전압을 선별하는 단계는 상기 제어부가 트랜스임피던스 증폭기의 수신 전압을 약속된 테스트 패턴의 각 단위 패턴 세트에 대해 수집하고 바이어스 전압 가변 제공부를 통해 애벌런치 포토다이오드의 역방향 바이어스 전압을 가변시키는 과정을 설정된 모든 역방향 바이어스 전압 범위에 대해 순차적으로 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 최소 차이값이 최대가 되는 역방향 바이어스 전압을 선별하는 단계는 제어부가 단위 패턴 세트에 대해 수집된 수신 전압에 따른 각 레벨별 수신 전압의 차이를 연산하여 그 중에서 최소 차이값을 산출한 후 대응되는 바이어스 전압 가변 제공부에 대한 설정값과 함께 저장하는 단계를 포함할 수 있다.

일례로서, 최소 차이값이 최대가 되는 역방향 바이어스 전압을 선별하는 단계는 제어부가 모든 역방향 바이어스 전압 범위에 대해 최소 차이값과 대응되는 바이어스 전압 가변 제공부에 대한 설정값이 저장되면 최소 차이값이 가장 클 때의 바이어스 전압 가변 제공부에 대한 설정값을 선별한 후 해당 설정값으로 상기 바이어스 전압 가변 제공부를 설정하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치 및 방법은 실제 설치 환경에서 별도의 정밀 계측기나 계측을 위한 연결 구성 없이도 설치된 그 상태에서 자동으로 사용 애벌런치 포토다이오드의 특성에 따른 최적의 멀티레벨 구분을 위한 역방향 바이어스 전압을 추정하여 애벌런치 포토다이오드를 동작시키도록 함으로써 실제 설치 후 필요에 따른 간단한 수행만으로 현재 광수신 장치의 애벌런치 포토다이오드 특성을 고려한 최적 수신 성능을 제공하는 효과가 있다.

또한, 실제 설치 환경에서 상대 송신부로부터 약속된 테스트 패턴에 따른 멀티레벨 광신호를 수신하면서 단위 패턴 세트를 기준으로 수신 애벌런치 포토다이오드의 역방향 바이어스 전압을 순차적으로 가변시켜 멀티레벨의 각 레벨별 수신 전압들간 차이가 최소인 최소 차이값을 산출하고, 전체 역방향 바이어스 전압 영역에서 최소 차이값이 최대가 되는 역방향 바이어스 전압을 선별하여 이를 애벌런치 포토다이오드 동작에 적용함으로써 수신 광전력에 따라 상이한 특성을 보이는 애벌런치 포토다이오드를 사용하더라도 실제 사용 환경에 따른 특성을 반영한 수신 해상도 개선이 가능하며, 이러한 과정을 최초 설치시에는 물론이고 사용 중에도 필요한 경우마다 수행할 수 있으므로 환경의 변화나 성능의 열화가 발생하더라도 4레벨 이상의 고해상도 사용 구간을 실효성 있게 구분함으로써 항상 최상의 수신 성능을 제공할 수 있는 효과가 있다.

나아가, 비교적 간단한 구성 만을 통해서 트랜스미터 수준에서 각 장치들 간 수신 성능 최적화가 가능하므로 낮은 비용으로 통신 품질을 개선할 수 있어 성능 개선 비용이 낮고 호환성 유지가 가능하여 활용성을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 수동형 광네트워크의 구성 예.
도 2는 일반적인 수동형 광네트워크에 적용되는 광트랜시버의 광선로 연결 예시도.
도 3은 NRZ 변조 방식과 PAM 4 변조 방식에 따른 레이저 다이오드 출력 해상도를 비교한 예시도.
도 4는 애벌런치 포토다이오드의 광수신 특성을 NRZ 변조 방식에 대응하여 보인 특성 그래프.
도 5는 애벌런치 포토다이오드의 광수신 특성을 PAM 4 변조 방식에 대응하여 보인 특성 그래프.
도 6은 PAM 4 변조 방식에서 각 수신 광신호를 구분하기 위한 광전류 범위를 보인 개념도.
도 7은 동일한 수신 광신호에 대한 복수 애벌런치 포토다이오드들 간 특성 편차를 보인 특성 그래프.
도 8은 PAM 4 변조 방식에서 서로 다른 애벌런치 포토다이오드의 특성 차이에 의한 수신 성능 감소의 이유를 보이는 개념도.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치 및 이를 이용하는 광통신 시스템의 구성도.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치의 동작 방식을 설명하기 위한 애벌런치 포토다이오드의 특성 그래프.
도 11은 테스트 패턴과 그에 따른 복수 레벨 신호 및 이를 수신한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치의 동작 방식을 설명하기 위한 예시적 개념도.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 선별된 역방향 바이어스 전압에 따른 멀티레벨 광신호에 대한 광전류 특성을 보인 그래프도.
도 13은 환경 변화나 다른 애벌런치 포토다이오드를 적용한 경우 역방향 바이어스 전압 선별 차이를 보인 그래프도.
도 14는 본 발명의 동작 과정을 설명하기 위한 순서도.

본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.

또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서 "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 발명에서 사용되는 제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성 요소는 제 2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성 요소도 제 1 구성 요소로 명명될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.

특히, 본 발명의 실시예로서 수동형 광네트워크(PON) 장비에 적용되는 트랜스미터를 예로 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 실시예에 따른 광수신 장치는 PON 뿐만 아니라 다양한 광통신 시스템의 수신측 포토다이오드의 특성을 추정하고 이를 통해 광수신 해상도를 높이는 용도로 활용될 수 있으므로, 그 기술 범주는 PON을 위한 트랜스미터의 수신 장치로 한정되지 않으며 다양한 광 통신용 광수신 장치를 포괄한다.

도 3은 NRZ 변조 방식과 PAM 4 변조 방식에 따른 레이저 다이오드 출력 해상도를 비교한 예시도이다.

통상 광트랜시버의 송신부는 전송할 데이터를 아날로그 신호로 변환하는 디지털 아날로그 변환기(DAC:Digital Analog Converter)와 레이저 다이오드를 구동하는 레이저 다이오드 구동부(LDD:Laser Diode Driver) 및 레이저 다이오드(LD)를 포함하며, 레이저 다이오드의 출력을 모니터링하기 위한 모니터링 포토다이오드(MPD)가 구성된다.

광트랜시버의 송신부에 구성되는 레이저 다이오드는 원거리 디지털 광통신을 위한 것이므로 환경적인 변화나 자체적인 열화가 존재하더라도 그 신호를 구분할 수 있어야 하는데, 예를 들어 입력이 0과 1인 NRZ 변조를 사용하는 경우 레이저 다이오드에서 제공되는 0의 출력과 1의 출력을 명확하게 구분할 수 있어여 한다. 이렇게 0 레벨의 광세기 대비 1 레벨의 광세기의 비를 소광비(Extinction Ratio)라 한다. 예컨대 소광비가 3dB라면 0 레벨의 광세기와 1 레벨의 광세기의 차이가 2배라는 것을 의미한다.

이러한 소광비가 클수록 전송 데이터에 대한 BER(Bit Error Rate)이 작아지게 되며 이는 거의 완전한 반비례 관계를 가지게 되므로 레이저 다이오드를 동작시킬 때 소광비를 유지하기 위해서 모니터링 포토다이오드를 통한 피드백으로 제어 전류를 가변하여 설정된 사용 구간에 대한 소광비를 유지하도록 하고 있다.

다만, 이러한 모니터링 포토다이오드는 피드백 용도이고 이러한 포토다이오드에서도 특성과 편차가 존재하므로 이를 레이저 다이오드의 특성을 파악하기 위한 용도로 활용하기는 어렵다.

도시된 도 3a와 도 3b에 나타난 그래프는 레이저 다이오드의 특성 곡선 예시도로서, 도시된 바와 같이 문턱 전류(출력이 변화되기 시작하는 시점의 전류)와 포화 전류(출력이 증가하지 않게 되는 시점의 전류) 사이의 제어 영역 중에서 선형성이 높은 일정 구간(I0~I1)을 사용 구간으로 선택한다.

도 3a에 도시된 레이저 다이오드는 예시적인 것으로 제어 영역 중 상당한 영역이 선형 특성을 가지는 고품질 레이저 다이오드로서, 사용 구간의 출력 차이(P0과 P1의 차이)가 상당하다. 즉 소광비가 높아 NRZ 변조 방식의 통신에서 높은 신뢰성을 제공할 수 있다.

이러한 고품질 레이저 다이오드라 하더라도 도 3b에 도시된 바와 같이 그 제어 영역을 복수 레벨로 구분할 경우 제어 전류(I0 내지 I3)에 따른 출력들(P0 내지 P3) 간 출력 차이는 크게 줄어들게 되며, 이는 이를 수신하는 광수신 장치에서 이들을 서로 다른 신호로 명확하게 구분하기 위해 상당히 높은 해상도를 가져야 함을 의미한다. 즉, 2레벨 광출력을 제공하는 경우라면 P0과 P3의 출력 비로 소광비가 결정되겠지만 이를 4레벨로 세분화할 경우 소광비는 1/3로 줄어들게 된다.

한편, 도시된 경우는 제어 영역 중 상당한 영역이 선형 특성을 가지는 고품질 레이저 다이오드의 예로서, 이러한 경우라 하더라도 광선로 전송을 통해 그 전달 광량이 다르게 전달되므로 수신측이 고정된 기준으로 수신할 경우 수신 품질이 낮아질 수 밖에 없고, 사용되는 레이저 다이오드의 품질이 좋지 않을 경우, 이러한 문제는 더욱 심화될 수 밖에 없다.

도 4는 애벌런치 포토다이오드의 광수신 특성을 NRZ 변조 방식에 대응하여 보인 특성 그래프이다.

애벌런치 포토다이오드는 일반 포토다이오드와 달리 광증배 영역을 두어 입사 광자에 대한 2차적인 캐리어를 생성함으로써 효율과 감도가 높아지도록 한 것으로, 높은 광전 변화 효율과 고속 동작에 의해 Gbps 이상의 광수신 장치는 대부분 애벌런치 포토다이오드를 사용하게 된다.

이러한 애벌런치 포토다이오드는 도시된 바와 같은 특성 곡선을 가지는데, 입사되는 광자에 의한 전자-정공 쌍의 생성을 위해 일반적인 포토다이오드와 마찬가지로 역전압을 가해주어야 한다.

애벌런치 포토다이오드는 일정한 크기 이상의 역방향 바이어스 전압이 걸리면 입사되는 광자에 의해 급격한 광전류를 출력하게 되는데, 도시된 바와 같이 일정 구간 선형 영역이 존재하므로, 통상 해당 영역 중 적당한 위치(BV1)에서 동작하도록 광수신 회로가 구성된다.

도시된 바와 같이 2개의 상이한 광전력(도시된 예에서는 0.25㎼와 2㎼)이 수신되는 NRZ 변조 신호의 경우 애벌런치 포토다이오드는 비교적 큰 차이를 보이는 광전류(A0, A1)를 출력하므로 오류 없이 수신되는 광신호의 레벨을 구분할 수 있다.

한편, 도시된 애벌런치 포토다이오드의 특성 곡선을 살펴보면 동일한 바이어스 전압이라 하더라도 수신되는 광전력에 따라 그 특성 곡선의 형상이 다른 것을 알 수 있다. 즉, 하나의 애벌런치 포토다이오드의 수신 특성이 수신 광량에 따라 다르며, 이는 동일한 기준(BV1)에서 상이한 광량에 따른 수신 광전류의 변화가 비선형적임을 의미한다.

수신되는 광량이 2개의 상이한 레벨을 제공하는 NRZ 변조 방식에서 4개의 상이한 레벨이 되는 PAM 4 변조 방식으로 변화될 경우, 이러한 수신 광량에 따른 광전류의 비선형성은 상당한 문제를 유발하게 된다.

도 5는 애벌런치 포토다이오드의 광수신 특성을 PAM 4 변조 방식에 대응하여 보인 특성 그래프로서, 도시된 바와 같이 0.25㎼에서 2㎼로 2배씩 증가하는 4개 레벨의 광전력에 대한 출력 광전류(A0 내지 A3)를 살펴보면 그 변화 정도가 선형적이지 않음을 알 수 있다.

이와 같이 애벌런치 포토다이오드는 수신되는 선형적 광전력 변화에 대해 비선형적으로 변화되는 광전류를 출력하기 때문에 4개의 상이한 레벨 수준의 해상도 증가에 대해서도 구분에 문제를 유발하게 된다.

앞서 도 3을 통해 설명했던 바와 같이 레이저 다이오드의 PAM 4 변조에 따른 광 출력이 서로 유사한 수준의 크기 차이로 구분된 복수 레벨이고, 도 5에 도시된 바와 같은 특성을 가지는 애벌런치 포토다이오드가 이러한 복수 레벨의 광신호를 수신한다면 복수 레벨 광신호 수신에 따른 출력 광전류들 중 구분이 모호해지는 레벨들이 나타날 수 있게 된다.

하지만 일반적인 광수신 장치의 경우 애벌런치 포토다이오드의 광전류를 그대로 사용하는 것이 아니라 트랜스임피던스 증폭기를 통해 광전류를 전압으로 변환하면서 증폭하기 때문에 도 5에 도시된 바와 같이 광신호 레벨 간 차이가 어느정도 구분만 가능하다면 이를 변환 증폭한 전압을 기준으로 레벨 차이를 구분할 수 있다.

도 6은 PAM 4 변조 방식에서 각 수신 광신호를 구분하기 위한 광전류 범위를 보인 개념도로서, 도 5에 도시된 일부 영역을 확대한 후 각 광전류 간 중간 값을 레벨을 나누는 기준으로 설정한 것이다.

도시된 바와 같이 수신되는 광전력, 즉 수신 광량이 가장 작은 광신호 레벨일 때 출력되는 광전류 A0의 경우 수신에 따른 환경 변화(송신측 변화, 광선로 변화, 수신 노이즈, 수신부 온도 상승, 송수신측 소자의 열화 등)에 의해 일부 광전류의 변화가 있더라도 해당 범위(A0을 기준으로 하는 사각형 영역)에 속하는 광전류가 출력되면 이를 가장 낮은 레벨로 구분하며, 동일한 방식으로 수신 광량이 가장 큰 광신호 레벨일 때 출력되는 광전류 A3의 경우 수신에 따른 환경 변화에 의해 일부 광전류의 변화가 있더라도 해당 범위(A3을 기준으로 하는 사각형 영역)에 속하는 광전류가 출력되면 이를 가장 높은 레벨로 구분하면 된다.

하지만, 일반적인 모든 종류의 반도체 소자는 제품의 종류마다, 같은 제품이라도 공정 라인마다, 같은 공정 라인이라도 웨이퍼마다, 같은 웨이퍼라도 각 소자마다 특성의 편차가 존재한다.

특히, 애벌런치 포토다이오드의 경우 앞서 설명했던 바와 같이 작은 수의 광자만 입사하더라도 광 증배에 의해 수십~수백배의 전자-정공 쌍이 눈사태처럼 생기도록 하여 출력 광전류를 증가시키도록 구성된 것이어서, 애벌런치 포토다이오드의 제조 공정(통상 p+와 n+ 영역 사이에 p-로 된 드리프트 영역과 p로 된 애벌런치 영역을 구성)의 미세한 편차(예를 들어, 불순물 도핑 편차) 정도에 의해서도 특성의 차이를 유발하게 된다.

도 7은 동일한 수신 광신호에 대한 복수 애벌런치 포토다이오드들 간 특성 편차를 보인 특성 그래프로서, 동일한 바이어스 전압(BV1)과 동일한 수신 광신호의 환경에서도 각 애벌런치 포토다이오드의 광전류 출력은 상당한 차이(dA)를 나타내는 것을 볼 수 있다.

동일한 제품으로 판매되는 애벌런치 포토다이오드들 간에도 이와 같은 차이가 발생할 수 있으며, 상이한 제품이나 제조사의 경우 이러한 특성 편차는 더욱 커질 수 있는데, 기존의 '1' 또는 '0'으로 구분되는 NRZ 환경에서는 편차에 의한 수신감도의 차이가 크지 않았으나, 복수 레벨 광신호가 수신될 경우 이러한 복수 레벨을 구분하기 위한 애벌런치 포토다이오드의 광전류 구분 기준을 고정하기 어렵게 된다.

도 8은 PAM 4 변조 방식에서 서로 다른 애벌런치 포토다이오드의 특성 차이에 의한 수신 성능 감소의 이유를 보이는 개념도로서, 도시된 바와 같이 도 8a는 앞서 도 6과 같은 제 1 애벌런치 포토다이오드를 기준으로 측정한 서로 다른 레벨의 광신호에 따른 광전류와 이를 기준으로 설정한 수신 레벨 구분 범위를 보인 것이다.

이러한 수신 레벨 구분 범위에 따라 수신되는 광신호에 약간의 노이즈가 있더라도 수신광의 복수 레벨을 광전류 범위로 구분할 수 있다.

이러한 수신 레벨 구분 범위는 그동안 NRZ 신호방식에서는 2단계로 구분되어, 애벌런치 포토다이오드의 생산 로트별, 생산 방식에 따른 편차를 허용하는 수준이었다. 하지만 멀티레벨(PAM 4 3단계 레벨, PAM8 7단계 레벨)에서는 생산 로트별, 생산 공정에 따른 8b와 같은 약간의 광전류 편차에도 수신레벨 구분 범위를 신뢰할 수 없다.

즉, 도시된 바와 같이 수신 광량이 가장 작은 광신호 레벨(예를 들어 0~3 중 0)일 때 출력되는 광전류가 제 1 애벌런치 포토다이오드에 의해 마련된 수신 레벨 구분 범위(표시된 각 빗금 영역들)에 따르면 수신 광량이 두 번째로 낮은 광신호 레벨인 경우의 수신 레벨 구분 범위(수평 빗금 영역: 레벨 1이 속하는 범위)에 속하게 되고, 수신 광량이 두 번째로 작은 광신호 레벨(예를 들어 0~3 중 1)일 때 출력되는 광전류는 이전 기준에 따르면 수신 광량이 두 번째로 큰 광신호 레벨을 구분하는 범위(우하 방향 빗금: 레벨 2가 속하는 범위)에 속하게 되므로 도 8a와 같은 수신 레벨 구분 범위를 고정할 경우 도 8b와 같은 특성을 가지는 애벌런치 포토다이오드를 이용한다면 수신 광신호의 레벨을 정상적으로 구분할 수 없게 된다.

특히, 이는 동일한 애벌런치 포토다이오드를 이용한 광수신 장치라 하더라도 실제 설치 환경이 달라지는 경우 전체적인 수신광의 광전력 특성이 광선로에 따라 달라지게 되므로 도 8b와 같은 문제가 발생할 수 있게 된다.

따라서, 본 발명에서는 다양한 편차를 가지는 애벌런치 포토다이오드를 이용한다 하더라도 그 특성을 자동적으로 파악하여 최적의 멀티레벨 광신호를 구분할 수 있도록 함과 아울러, 실제 설치 환경에서 별도의 정밀 계측기나 계측을 위한 연결 구성 없이도 설치된 그 상태에서 연결된 멀티레벨 광송신 장치에 대응되는 현재의 애벌런치 포토다이오드의 광 수신 특성을 파악하여 최적의 멀티레벨 광신호를 구분할 수 있도록 한다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치 및 이를 이용하는 광통신 시스템의 구성도를 보인 것이다.

도시된 광통신 시스템은 멀티레벨 광수신 장치(200) 및 대응되는 상대측 광송신 장치(100) 부분을 선별하여 보인 구성도로서, 본 발명의 실시예에 따른 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치는 멀티레벨 광수신 장치(200) 자체이거나 그에 포함되는 일부 구성일 수 있다. 이러한 멀티레벨 광수신 장치(200)는 트랜스미터의 수신부를 구성하는 것이므로, 본 발명의 실시예에 따른 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치는 트랜스미터에 포함되는 것으로 간주할 수 있다.

이후 본 발명의 실시예는 PAM 4 변조 방식을 예로 들어 설명하지만 그 보다 높은 해상도의 PAM 8 변조 방식을 이용할 수도 있고, 기술 발전에 따라 그 이상의 해상도가 적용될 수도 있다.

실질적으로 하나의 트랜시버에는 광송신 장치와 광수신 장치가 한 쌍으로 구성되므로 도시된 멀티레벨 광수신 장치(200)에 별도의 광송신 장치가 인접 배치되어 하나의 트랜시버를 구성할 수 있고, 마찬가지로 상대측 멀티레벨 광송신 장치(100) 역시 별도의 광수신 장치가 인접 배치되어 하나의 트랜시버를 구성할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 트랜시버에는 각각 도시된 바와 같은 멀티레벨 광송신 장치(100)와 멀티레벨 광수신 장치(200)가 함께 구성될 수 있으므로, 도시된 연결 구성이 상호 반대 방향으로 병렬 구성될 수 있다.

도시된 실시예에서는 이러한 병렬 구성 중에서 일측 트랜시버의 멀티레벨 광송신 장치(100)와 타측 트랜시버의 멀티레벨 광수신 장치(200)만 예를 들어 설명하며, 본 발명의 실시예에 따른 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치는 도시된 멀티레벨 광수신 장치(200)와 동일한 것으로 간주하여 설명한다.

본 발명의 도시된 실시예는 실제 네트워크 구성에 따라 설치된 환경에서 상대측 멀티레벨 광송신 장치(100)에서 제공하는 멀티레벨 광신호를 광선로(10)를 통해 원거리에서 수신하는 멀티레벨 광수신 장치(200)의 애벌런치 포토다이오드 특성을 자동적으로 파악하기 위한 것이므로, 본 발명에 따른 멀티레벨 광수신 장치(200)는 광선로(10)를 통해 연결된 상대측 멀티레벨 광송신 장치(100)로부터 서로 약속된 테스트 패턴을 수신하여 애벌런치 포토다이오드의 수신 특성을 파악한다.

이를 위한 상대측 멀티레벨 광송신 장치(100)는 도시된 바와 같이 레이저 다이오드(120)를 구동하는 구동부(110)와, 약속된 테스트 패턴에 대한 정보가 저장된 테스트 패턴 저장부(140)와, 상기 테스트 패턴 저장부(140)에 저장된 테스트 패턴에 따라 구동부(110)를 제어하여 약속된 테스트 패턴에 따른 멀티레벨 광신호를 레이저 다이오드(120)를 통해 출력하도록 구성된다.

여기서, 약속된 테스트 패턴은 다양한 멀티레벨 광신호를 제공하기 위해 마련된 일련의 데이터 세트로서, 하나의 테스트 패턴을 일회 전송할 수도 있고, 복수회 전송할 수도 있으며, 여러 종류의 테스트 패턴들을 한번 씩 혹은 여러 번 전송할 수도 있다. 나아가 본 발명의 실시예는 애벌런치 포토다이오드의 역방향 바이어스 전압을 가변하면서 그 수신 광전류 특성을 검사해야 하므로 하나의 역방향 바이어스 전압에 대해서 모든 레벨에 대한 수신 광전류 및 그에 따른 수신 전압을 확인해야 한다. 따라서, 테스트 패턴은 모든 레벨에 대한 데이터를 포함하는 단위 패턴 세트가 적어도 한번 이상 반복 구성되어야만 한다. 예컨대 애벌런치 포토다이오드의 역방향 바이어스 전압을 100 스탭으로 가변하면서 PAM 4 변조 방식의 멀티레벨 수신 특성을 파악한다면 약속된 테스트 패턴에는 적어도 4개의 상이한 광신호 레벨을 출력하는 4종류의 데이터들('00', '01', '10', '11')이 포함되는 단위 패턴 세트가 적어도 100개 존재하거나 이러한 단위 패턴 세트를 적어도 100번 반복하여 전송해야 한다.

이러한 테스트 패턴에 따른 멀티레벨 광신호 전송은 초기 구동이나 미리 설정된 시점에 수행되거나, 제어부(130)에 대한 외부 제어 신호(해당 광송신 장치가 구성된 장비의 제어 신호나 상대측 트랜시버의 요청에 따른 제어 신호)에 따라 수행될 수 있다.

예를 들어 멀티레벨 광송신 장치(100)가 포함된 트랜시버가 구성된 장비(A)와 멀티레벨 광수신 장치(200)가 포함된 트랜시버가 구성된 장비(B)가 구성된 상황에서, 통신 성능이 낮아지면 장비(A)가 장비(B)에게 수신 최적화 과정을 수행하도록 요청(그 반대도 가능)할 수 있고, 장비(A)에 구성된 트랜시버와 장비(B)에 구성된 트랜시버가 상호 약속된 시점(일측 장비의 초기 구동이나 약속된 시간)이나 일측 트랜시버의 요청에 의해 이러한 테스트 패턴 전송이 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치를 포함하는 멀티레벨 광수신 장치(200)는, 광선로(10)를 통해 연결된 상대측 광송신 장치(100)로부터 미리 약속된 테스트 패턴에 따른 멀티레벨 광신호를 수신하여 대응되는 광전류를 출력하는 애벌런치 포토다이오드(210)와, 애벌런치 포토다이오드(210)에 역방향 바이어스 전압을 설정에 따라 가변하면서 제공하는 바이어스 전압 가변 제공부(230)와, 애벌런치 포토다이오드(210)의 광전류를 수신 전압으로 변환 및 증폭하는 트랜스임피던스 증폭기(200)와, 약속된 테스트 패턴에 대한 정보가 저장된 테스트 패턴 저장부(250)와, 트랜스임피던스 증폭기(200)의 수신 전압을 테스트 패턴 저장부(250)에 저장된 약속된 테스트 패턴을 기준으로 수집하면서 바이어스 전압 가변 제공부(230)를 통해 애벌런치 포토다이오드(210)의 역방향 바이어스 전압을 순차적으로 가변시키고, 멀티레벨의 각 레벨별 수신 전압들간 차이가 최소인 최소 차이값을 산출하여, 가변시킨 전체 역방향 바이어스 전압 영역에서 상기 최소 차이값이 최대가 되는 역방향 바이어스 전압을 선별하여 바이어스 전압 가변 제공부(230)를 설정하는 제어부(240)를 포함하여 구성된다.

테스트 패턴 저장부(250)에 저장되는 테스트 패턴은 다양한 멀티레벨 광신호를 제공하기 위해 마련된 일련의 데이터 세트로서 모든 멀티레벨에 대한 패턴이 포함되는 단위 패턴 세트를 적어도 복수로 포함할 수 있으며, 광송신 장치(100)의 테스트 패턴 저장부(140)에 저장된 테스트 패턴 정보와 동일해야 한다. 물론, 제어부(240)가 이러한 테스트 패턴을 자체적으로 구비할 수도 있으므로 테스트 패턴 저장부(250)는 필수적이지 않다.

도시된 바이어스 전압 가변 제공부(230)는 애벌런치 포토다이오드(210)에 역방향 바이어스 전압을 제공하는 것으로, 외부 설정 정보에 따라 바이어스 전압을 가변하여 애벌런치 포토다이오드(210)의 수신 전류 특성을 확인하기 위한 기준을 제공한다.

도시된 제어부(240)는 트랜스임피던스 증폭기(220)의 수신 전압을 약속된 테스트 패턴의 각 단위 패턴 세트에 대해 수집하고 바이어스 전압 가변 제공부(230)를 통해 애벌런치 포토다이오드(210)의 역방향 바이어스 전압을 가변(바이어스 전압 가변 제공부(230)에 대한 설정값 변경)시키는 과정을 설정된 모든 역방향 바이어스 전압 범위에 대해 순차적으로 수행한다. 이 과정에서 제어부(240)는 이렇게 단위 패턴 세트에 대해 수집된 수신 전압에 따른 각 레벨별 수신 전압의 차이를 연산하여 그 중에서 최소 차이값을 산출한 후 대응되는 바이어스 전압 가변 제공부(230)에 대한 설정값과 함께 저장한다.

이후 제어부(240)는 모든 역방향 바이어스 전압 범위에 대해 최소 차이값과 대응되는 바이어스 전압 가변 제공부에 대한 설정값이 저장되면 최소 차이값이 가장 클 때의 바이어스 전압 가변 제공부(230)에 대한 설정값을 선별한 후 해당 설정값으로 상기 바이어스 전압 가변 제공부(230)를 설정하여 멀티레벨에 대한 애벌런치 포토다이오드(210)의 광전류 구분이 가장 명확하도록 한다. 이를 통해서 멀티레벨 광수신 성능을 개선할 수 있게 된다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치의 동작 방식을 설명하기 위한 애벌런치 포토다이오드의 특성 그래프로서, 도시된 바와 같이 역방향 바이어스 전압을 가변시키는 역방향 바이어스 전압 범위의 예를 보인 것이다. 도시된 바와 같이 역방향 바이어스 전압의 가변을 시작하는 위치의 바이어스 전압(BV0)과 종료하는 위치의 바이어스 전압(BVn)을 보면 해당 역방향 바이어스 전압(BV)에 의해 동일한 멀티레벨 광신호들에 대한 광전류 특성이 완전히 다름을 알 수 있다. 도시된 예시에서, 특정 위치의 바이어스 전압(BV0)에 따른 광전류 특성을 보면 상이한 광신호 레벨에 따른 광전류 간 차이가 큰 것도 있고, 그 차이가 작은 것도 있음을 알 수 있다. 다른 위치의 바이어스 전압(BVn)에 따른 광전류 특성을 보면 광신호 레벨에 따른 광전류 간 차이가 비교적 균일하지만 대체적으로 그 차이가 크지 않음을 알 수 있다.

실질적으로 사용 환경에 따른 노이즈나 성능 열화등을 고려하면 가급적 상이한 레벨의 광신호에 따른 광전류간 차이는 클수록 좋다. 하지만, 이보다 더 중요한 것은 정확한 멀티레벨 광신호들을 구분하기 위해서 가장 작은 광전류간 차이가 커야만 한다는 것이다. 즉, 도시된 예에서, 바이어스 전압은 VB0보다 VB1이 더 바람직할 수 있다.

결국, 본 발명의 실시예에 따른 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치는 역방향 바이어스 전압을 역방향 바이어스 전압 범위에서 순차적으로 가변시켜가면서 각 역방향 바이어스 전압에 대한 멀티레벨 광신호의 각 레벨에 대한 광전류를 측정하고 각 레벨에 대응되는 광전류간 편차가 가장 작은 최소 차이값을 산출하고 전체 역방향 바이어스 전압 범위에서 산출된 최소 차이값이 가장 큰 것을 찾는 것이다.

좀 더 정확한 최적화를 위해서 역방향 바이어스 전압 범위 내에서 가변되는 역방향 바이어스 전압의 단위 변화량이 적을 수록 높은 해상도로 최적화가 가능할 수 있으나, 이 경우 이러한 최적화 과정에 필요한 시간이 증가할 수 있다.

도 11은 테스트 패턴과 그에 따른 복수 레벨 신호 및 이를 수신한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치의 동작 방식을 설명하기 위한 예시적 개념도이다.

도시된 바와 같이 도 11a는 PAM 4에 대한 테스트 패턴의 일례를 보인 것으로, 설명의 편의를 위해서 2비트 씩 구분(띄어쓰기)하여 표시하였으나 실제 테스트 패턴은 이러한 구분 없이 비트들의 나열로 이루어질 수 있다.

도시된 바와 같이 일정한 준비 신호(1111...11) 후 실제 테스트 패턴은 PAM 4에서 사용되는 4가지 종류의 상이한 레벨로 한 번에 나타낼 수 있는 2비트 데이터들이 변화되도록 구성된다. 즉, 도 11a에 도시된 2비트 데이터 패턴들은 도 11b와 같은 서로 다른 4개 레벨을 나타내며, 각 패턴을 명확하게 구분할 수 있도록 테스트 패턴이 구성될 수 있다. 예를 들어 n개의 패턴이 나열될 수 있고, 포함되는 패턴의 분포는 유사할 수 있으며, 이러한 테스트 패턴 세트는 여러번 반복 구성될 수 있고, 상이한 복수의 테스트 패턴들이 마련될 수도 있다.

특히, 도시된 바와 같이 사용되는 변조 방식의 모든 레벨들에 대한 출력을 적어도 한번씩 제공하도록 하는(모든 멀티레벨에 대한 패턴이 포함) 단위 패턴 세트가 복수로 포함될 수 있다. 도시된 예에서 하나의 단위 패턴 세트는 "00 01 10 11 10 01"와 같이 구성될 수 있으며, 이러한 단위 패턴 세트가 반복될 수 있다. 물론, 이보다 더 간단하거나 혹은 더욱 더 많은 패턴들로 단위 패턴 세트가 구성될 수 있다.

이를 참조하여 보면, 멀티레벨 광송신 장치(100)가 테스트 패턴 저장부(140)에 저장된 도 11a와 같은 테스트 패턴에 따라 구동부(110)를 제어하여 약속된 테스트 패턴에 따른 멀티레벨 광신호를 레이저 다이오드(120)를 통해 출력하는데, 멀티레벨 광수신 장치(200)의 애벌런치 포토다이오드(210)는 광선로(10)를 통해서 전달된 멀티레벨 광신호를 수신하여 그에 대한 광전류를 출력한다.

제어부(240)는 트랜스임피던스 증폭기(200)의 수신 전압을 테스트 패턴 저장부(250)에 저장된 도 11a와 같은 약속된 테스트 패턴을 기준으로 수집하면서 바이어스 전압 가변 제공부(230)를 통해 애벌런치 포토다이오드(210)의 역방향 바이어스 전압을 순차적으로 가변(바이어스 전압 가변 제공부(230)에 대한 설정값 변경)한다(이 과정을 설정된 모든 역방향 바이어스 전압 범위에 대해 순차적으로 수행한다). 이렇게 단위 패턴 세트에 대해 수집된 수신 전압에 따른 각 레벨별 수신 전압의 차이를 연산하여 그 중에서 최소 차이값을 산출한 후 대응되는 바이어스 전압 가변 제공부(230)에 대한 설정값과 함께 저장하는데, 저장된 최소 차이값(전압)을 바이어스 전압에 따라 나열하면 도 11c와 같이 표현될 수 있다.

이러한 최소 차이값들 중 가장 큰 값을 선택하고 이때의 선택 바이어스 전압(VBs), 즉 해당 바이어스 전압을 제공하기 위한 바이어스 전압 가변 제공부(230)에 대한 설정값을 선별할 수 있다.

즉, 해당 선택 바이어스 전압(VBs)으로 애벌런치 포토다이오드의 동작 환경을 구성했을 때 수신되는 멀티레벨 광신호에 대한 광전력을 가장 잘 구분할 수 있게 된다.

한편, 앞서 설명했던 각 애벌런치 포토다이오드의 특성 그래프들을 보면 입력 광신호와 무관하게 암전류(Dark current)가 존재하는데, 이는 바이어스 전압이 커짐에 따라 급격히 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서, 최적의 멀티레벨 광전류 구분 특성을 나타내는 바이어스 전압을 선별할 때 암전류를 고려하여 최종적으로 판단할 수 있다. 예컨대 유사한 수준의 특성을 보이는 바이어스 전압이 복수로 있는 경우 바이어스 전압의 크기가 낮은 것(특성 그래프에서 왼쪽)을 우선 선택하는 것이 바람직하다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따라 선별된 역방향 바이어스 전압(VBs)에 따른 멀티레벨 광신호에 대한 광전류 특성을 보인 그래프도로서, 도시된 바와 같이 선별 과정을 통해 선택된 역방향 바이어스 전압(VBs)에서 4종류의 상이한 레벨을 가지는 광신호 수신에 따른 광전류의 구분 특성이 가장 좋아진다. 이러한 애벌런치 포토다이오드(210)의 광전류는 트랜스임피던스 증폭기(220)를 통해서 전압으로 변환되어 증폭되기 때문에 상이한 레벨의 광신호를 안정적으로 구분할 수 있게 되어 그 수신 레벨 해상도를 높일 수 있다.

한편, 이러한 최적의 역방향 바이어스 전압은 사용되는 애벌런치 포토다이오드의 특성이 조금이라도 다르거나 혹은 사용에 따른 열화로 그 특성이 변하는 경우 크게 달라질 수 있다.

도 13은 도 12에서 예로 든 애벌런치 포토다이오드가 사용에 따라 일부 광수신 특성에 변화가 발생한 경우이다.

이 경우, 약간의 수신 특성 변화 뿐이지만 최적 역방향 바이어스의 설정 전압은 크게 변화되며, 이는 불규칙하다. 도시된 경우는 특성 변화에 따라 최적 역방향 바이어스 전압을 선별하는 과정을 다시 수행한 경우이며, 선택된 역방향 바이어스 전압(VBs)은 도 12와 비교하여 많은 차이가 존재한다. 이러한 특성 변화에 의해 멀티레벨 광신호 수신에 따른 해상도 특성은 오히려 더 좋아질 수도 있다.

이와 같이, 수신 광에 대한 특성 편차가 심하고 이러한 특성이 사용에 따라 변화되는 애벌런치 포토다이오드의 경우 사용 중에도 주기적으로 최적 수신 특성 제공을 위해 최적 역방향 바이어스 전압 선별 과정을 수행하는 것이 바람직하다.

한편, 멀테레벨 광수신 장치(200)는 트랜스임피던스 증폭기(220)의 출력을 그대로 이용하기보다는 리미딩 증폭기를 더 부가하여 트랜스임피던스 증폭기에서 출력하는 수신 전압을 일정한 범위로 구분하여 각 범위에 대응되는 출력 전압을 생성하기도 한다. 즉, 트랜스임피던스 증폭기(200)가 제공하는 수신 전압이 제 1 기준 범위에 속하는 경우 리미팅 증폭기는 해당 수신 전압을 제 1 레벨을 의미하는 제 1 전압을 출력할 수 있고, 수신 전압이 제 2 기준 범위에 속하는 경우 제 2 레벨을 의미하는 제 2 전압을 출력하는 식으로 4개 레벨을 의미하는 경우 구분된 4개 기준 범위에 따라 4개의 상이한 출력 전압을 제공할 수 있다.

따라서, 현재 애벌런치 포토다이오드의 최적 바이어스 전압이 선택된 경우 제어부(240)는 해당 각 바이어스 전압에 따른 수신 전압의 분포를 테스트 패턴을 기준으로 확인하여 수신 전압의 분포를 기준으로 각 레벨을 구분할 수 있는 기준 범위를 설정할 수 있다. 이를 통해서 최적의 바이어스 전압에 따른 애벌런치 포토다이오드의 광전류를 명확하게 구분할 수 있는 기준을 만들어 정확한 수신 광신호 레벨에 따른 리미팅 증폭기 출력을 제공할 수도 있다.

앞서 설명했던 구성과 동작 방식을 통해서 실제 설치 환경에서 상대 광송신 장치로부터 약속된 테스트 패턴에 따른 멀티레벨 광신호를 수신하여 수신 광전력에 따라 상이한 특성을 보이는 개별 애벌런치 포토다이오드의 실제 사용 환경에 따른 특성을 반영한 해상도 개선이 가능하게 된다.

이러한 과정은 초기 설치시 한 번만 수행할 수도 있으나 실제 트랜스미터가 구성된 장비들의 기동 시마다 수행하거나 주기적으로 수행할 수도 있고 통신 성능이 낮아지는 경우 수행할 수도 있어 환경의 변화나 성능의 열화가 발생하더라도 항상 최적 상태의 수신 성능을 제공할 수 있도록 적응적으로 최적화될 수 있다.

도 14는 본 발명의 동작 과정을 설명하기 위한 순서도이다.

도시된 바와 같이 약속된 시점이거나 소정의 조건에 따라 상대측 멀티레벨 광송신 장치가 레이저 다이오드를 통해서 미리 약속된 테스트 패턴에 따른 멀티레벨 광신호 제공을 시작한다.

본 발명의 실시예에 따른 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치는 광선로를 통해 멀티레벨 광신호를 수신하는데, 수신 광신호에 따른 애벌런치 포토다이오드의 광전류를 트랜스임피던스 증폭기를 통해 수신 전압으로 변환 및 증폭한다.

멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치의 제어부는 이러한 트랜스임피던스 증폭기를 통해 전압으로 제공되는 멀티레벨 광신호의 수신 전압을 약속된 테스트 패턴을 기준으로 단위 패턴 세트별로 수집하면서 애벌런치 포토다이오드에 역방향 바이어스 전압을 설정에 따라 가변한다. 제어부는 이러한 애벌런치 포토다이오드의 역방향 바이어스 전압을 단위 패턴 세트에 대해 수집한 후 해당 멀티레벨의 각 레벨별 수신 전압들간 차이가 최소인 최소 차이값을 산출한다. 이후 다음 역방향 바이어스 전압으로 가변시키는 과정을 전체 영역에 대해 반복한다.

제어부는 가변시킨 전체 역방향 바이어스 전압 영역에서 각각 단위별로 산출한 최소 차이값들을 비교하여 최소 차이값이 최대가 되는 역방향 바이어스 전압을 선별한다. 즉, 해당 선택된 역방향 바이어스 전압(BVs)을 애벌런치 포토다이오드에 제공했을 때 멀티레벨 광신호에 대한 레벨별 광전류 구별이 가장 명확하였음을 파악한 것이다.

이후 제어부가 선별된 역방향 바이어스 전압을 애벌런치 포토다이오드에 제공하면 수신 성능 최적화가 완료된다.

이와 같이 비교적 간단한 구성 만을 통해서 트랜스미터 수준에서 각 장치들 간 수신 성능 최적화가 가능하므로 낮은 비용으로 통신 품질을 개선할 수 있게 된다.

한편, 앞서 언급된 광송신 장치나 광수신 장치의 제어부는 제어 기능을 가지는 능동 및 수동 소자의 조합을 포함하는 전자회로로 구성될 수 있고, 마이크로 콘트롤러나 그와 동등한 제어 수단을 포함하는 칩으로 구성될 수도 있는 등, 그 구체적인 구현 방식은 알려져 있는 다양한 방법들을 포괄할 수 있다.

전술된 내용은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 멀티레벨 광송신 장치 110: 구동부
120: 레이저 다이오드 130: 제어부
140: 테스트 패턴 저장부 200: 멀티레벨 광수신 장치
210: 애벌런치 포토다이오드 220: 트랜스임피던스 증폭기
230: 바이어스 전압 가변 제공부 240: 제어부
250: 테스트 패턴 저장부

Claims (13)

1. 광선로를 통해 연결된 상대측 광송신 장치로부터 미리 약속된 테스트 패턴에 따른 멀티레벨 광신호를 수신하여 대응되는 광전류를 출력하는 포토다이오드와;
   상기 포토다이오드에 역방향 바이어스 전압을 설정에 따라 가변하면서 제공하는 바이어스 전압 가변 제공부와;
   상기 포토다이오드의 광전류를 수신 전압으로 변환 및 증폭하는 트랜스임피던스 증폭기와;
   상기 트랜스임피던스 증폭기의 수신 전압을 약속된 테스트 패턴을 기준으로 수집하면서 상기 바이어스 전압 가변 제공부를 통해 상기 포토다이오드의 역방향 바이어스 전압을 순차적으로 가변시키고, 멀티레벨의 각 레벨별 수신 전압들간 차이가 최소인 최소 차이값을 산출하여, 가변시킨 전체 역방향 바이어스 전압 영역에서 상기 최소 차이값이 최대가 되는 역방향 바이어스 전압을 선별하여 상기 바이어스 전압 가변 제공부를 설정하는 제어부를 포함하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 테스트 패턴은 다양한 멀티레벨 광신호를 제공하기 위해 마련된 일련의 데이터 세트로서, 모든 멀티레벨에 대한 패턴이 포함되는 단위 패턴 세트를 적어도 복수로 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치.
   
3. 청구항 2에 있어서, 상기 제어부는 트랜스임피던스 증폭기의 수신 전압을 약속된 테스트 패턴의 각 단위 패턴 세트에 대해 수집하고 상기 바이어스 전압 가변 제공부를 통해 상기 애벌런치 포토다이오드의 역방향 바이어스 전압을 가변시키는 과정을 설정된 모든 역방향 바이어스 전압 범위에 대해 순차적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치.
   
4. 청구항 3에 있어서, 상기 제어부는 단위 패턴 세트에 대해 수집된 수신 전압에 따른 각 레벨별 수신 전압의 차이를 연산하여 그 중에서 최소 차이값을 산출한 후 대응되는 바이어스 전압 가변 제공부에 대한 설정값과 함께 저장하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치.
   
5. 청구항 4에 있어서, 상기 제어부는 모든 역방향 바이어스 전압 범위에 대해 상기 최소 차이값과 대응되는 바이어스 전압 가변 제공부에 대한 설정값이 저장되면 상기 최소 차이값이 가장 클 때의 바이어스 전압 가변 제공부에 대한 설정값을 선별한 후 해당 설정값으로 상기 바이어스 전압 가변 제공부를 설정하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치.
   
6. 청구항 1에 있어서, 상기 상대측 광송신 장치와 약속된 멀티레벨 신호의 전송 패턴인 테스트 패턴을 저장하여 제어부에 제공하는 테스트 패턴 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치.
   
7. 청구항 1에 있어서, 포토다이오드는 애벌런치 포토다이오드인 것을 특징으로 하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치.
   
8. 청구항 1에 있어서, 멀티레벨 광신호는 PAM-4나 PAM-8 변조에 따른 광신호인 것을 특징으로 하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치.
   
9. 청구항 1에 있어서, 상기 제어부는 초기 구동이나 미리 설정된 주기 또는 별도의 외부 요청 신호에 따라 동작하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치.
   
10. 광신호를 수신하여 대응되는 광전류를 출력하는 애벌런치 포토다이오드를 통해 광선로를 통해 연결된 상대측 광송신 장치로부터 미리 약속된 테스트 패턴에 따른 멀티레벨 광신호를 수신하는 단계와;
    트랜스임피던스 증폭기를 통해 상기 애벌런치 포토다이오드의 광전류를 수신 전압으로 변환 및 증폭하는 단계와;
    제어부가, 상기 트랜스임피던스 증폭기의 수신 전압을 약속된 테스트 패턴을 기준으로 수집하면서 상기 애벌런치 포토다이오드에 역방향 바이어스 전압을 설정에 따라 가변하여 제공하는 바이어스 전압 가변 제공부를 통해 상기 애벌런치 포토다이오드의 역방향 바이어스 전압을 순차적으로 가변시키고, 멀티레벨의 각 레벨별 수신 전압들간 차이가 최소인 최소 차이값을 산출하여, 가변시킨 전체 역방향 바이어스 전압 영역에서 상기 최소 차이값이 최대가 되는 역방향 바이어스 전압을 선별하는 단계와;
    상기 제어부가 상기 선별된 역방향 바이어스 전압이 되도록 상기 바이어스 전압 가변 제공부를 설정하는 단계를 포함하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 방법.
    
11. 청구항 10에 있어서, 상기 최소 차이값이 최대가 되는 역방향 바이어스 전압을 선별하는 단계는 상기 제어부가 트랜스임피던스 증폭기의 수신 전압을 약속된 테스트 패턴의 각 단위 패턴 세트에 대해 수집하고 상기 바이어스 전압 가변 제공부를 통해 상기 애벌런치 포토다이오드의 역방향 바이어스 전압을 가변시키는 과정을 설정된 모든 역방향 바이어스 전압 범위에 대해 순차적으로 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 방법.
    
12. 청구항 11에 있어서, 상기 최소 차이값이 최대가 되는 역방향 바이어스 전압을 선별하는 단계는 상기 제어부가 단위 패턴 세트에 대해 수집된 수신 전압에 따른 각 레벨별 수신 전압의 차이를 연산하여 그 중에서 최소 차이값을 산출한 후 대응되는 바이어스 전압 가변 제공부에 대한 설정값과 함께 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 방법.
    
13. 청구항 12에 있어서, 상기 최소 차이값이 최대가 되는 역방향 바이어스 전압을 선별하는 단계는 상기 제어부가 모든 역방향 바이어스 전압 범위에 대해 상기 최소 차이값과 대응되는 바이어스 전압 가변 제공부에 대한 설정값이 저장되면 상기 최소 차이값이 가장 클 때의 바이어스 전압 가변 제공부에 대한 설정값을 선별한 후 해당 설정값으로 상기 바이어스 전압 가변 제공부를 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 방법.

Images