KR102036539B1

KR102036539B1 - 고효율 광신호 전송을 위한 펄스진폭변조 기반 광송신기

Info

Publication number: KR102036539B1
Application number: KR1020160091770A
Authority: KR
Inventors: 오원석; 박강엽
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2016-07-20
Filing date: 2016-07-20
Publication date: 2019-10-28
Also published as: KR20180010352A

Abstract

본 발명은 고효율 광신호 전송을 위한 펄스진폭변조 기반 광송신기에 관한 것으로, N개의 입력신호를 증폭하는 전치구동부, 전치구동부로부터 순차적으로 전달받은 N개의 이진(binary) 입력신호를 일진 코드(unary code)로 변환하는 디지털 로직부, 디지털 로직부로부터 전달받은 2^N-1개의 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털-아날로그 변환부, 디지털-아날로그 변환부로부터 전달받은 2^N-1개의 전류신호를 결합하여 단일 구동신호를 생성하는 전류 결합부, 및 전류 결합부로부터의 구동신호에 따라 구동되어 광신호를 전송하는 광소자부를 포함하며, 이를 통해 펄스진폭변조 기반 광송신기의 선형성을 향상시킬 수 있어 비트에러율 성능을 낮출 수 있고 전송거리를 향상시킬 수 있다.

Description

고효율 광신호 전송을 위한 펄스진폭변조 기반 광송신기{Pulse-Amplitude-Modulation-based Optical Transmitter for High-Efficiency Optical Signal Transmission}

본 발명은 광통신을 위한 광송신기와 관련한 것으로, 더욱 상세하게는 펄스진폭변조 방식을 채용하여 변조효율을 개선한 고효율 광신호 전송을 위한 펄스진폭변조 기반 광송신기에 관한 것이다.

광통신은 저손실 대역의 특정 파장(850nm, 1310nm, 1550nm)의 광신호를 정보를 담고 있는 전기신호로 변조하여 데이터를 전송하는 통신 방법으로서, 최근 광통신 시스템의 전송용량이 기존 10Gb/s에서 25, 40, 100, 400Gb/s까지 급속도로 발전함에 따라 광 변조 방식의 효율성이 문제된다. 특히, 광신호를 구동하고 수신하는 광송수신 반도체회로가 공정 및 패키징 부문에서 속도의 한계에 도달했음에도 전송용량 확대를 위해 기존 무선통신과 같이 다양한 변조기술을 광통신에도 적용하는 추세이다.

이에 따라 종래의 광통신에서 위상천이변조방식(PSK, Phase Shift Keying), 직교주파수변조방식(OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 등을 적용하려는 노력이 있었으나, 추가로 복잡한 하드웨어가 필요하거나 추가의 광소자가 필요한 문제점 때문에 적용에 어려움이 있다.

또한 종래 광통신에서는 주로 2진수(Binary) 기반의 비제로 복귀(NRZ, Non-Return-to-Zero) 전기신호로 레이저 또는 광변조기를 구동하였는데, 비제로 복귀 신호를 변조 신호로 사용하는 경우 간단한 푸쉬-풀(push-pull) 구조의 광송수신기를 구성할 수 있는 장점이 있으나, 초당 N개의 비트를 전송하기 위해 N-Hz의 대역폭이 필요하여 변조 효율 면에서 단점이 있다.

그리고 종래의 펄스진폭변조(PAM, Pulse Amplitude Modulation) 기반 광송신기는 구동하고자 하는 광변조기를 N개의 구동신호로 직접 동시에 구동하여 2^N개의 레벨을 생성하였으나, 광변조기의 비선형성 및 공정변화에 따른 진폭의 불안정성으로 인해 비트에러율(BER, Bit Error Rate)이 높아지고 이에 따라 전송거리에 제약을 받았다.

공개특허공조 제10-2007-0082215호(2007년 08월 21일 공개)

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 변조신호의 크기(Amplitude)를 2N개의 레벨로 세분화하여 종래의 Binary 방식보다 N배의 변조효율을 갖는 고효율 광신호 전송을 위한 펄스진폭변조 기반 광송신기를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고효율 광신호 전송을 위한 펄스진폭변조 기반 광송신기는, N개의 입력신호를 증폭하는 전치구동부, 상기 전치구동부로부터 순차적으로 전달받은 N개의 이진(binary) 입력신호를 일진 코드(unary code)로 변환하는 디지털 로직부, 상기 디지털 로직부로부터 전달받은 2^N-1개의 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털-아날로그 변환부, 상기 디지털-아날로그 변환부로부터 전달받은 2^N-1개의 전류신호를 결합하여 단일 구동신호를 생성하는 전류 결합부, 및 상기 전류 결합부로부터의 구동신호에 따라 구동되어 광신호를 전송하는 광소자부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 고효율 광신호 전송을 위한 펄스진폭변조 기반 광송신기에 있어서, 상기 전치구동부는, N배의 변조효율을 갖기 위한 N개의 전치구동부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 고효율 광신호 전송을 위한 펄스진폭변조 기반 광송신기에 있어서, 상기 광소자부는, 직접변조방식의 레이저다이오드 또는 표면방출레이저를 포함하고, 상기 전류 결합부의 저항 위치에 연결되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 고효율 광신호 전송을 위한 펄스진폭변조 기반 광송신기에 있어서, 상기 광소자부는, 외부변조방식의 마흐젠더변조기(Mach-Zehnder modulator) 또는 링변조기이고, 상기 전류 결합부와 병렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고효율 광신호 전송을 위한 펄스진폭변조 기반 광송신기는, 순차적으로 입력된 N개의 이진(binary) 입력신호를 일진 코드(thermometer code)로 변환하는 디지털 로직부, 상기 디지털 로직부로부터 전달받은 2^N-1개의 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털-아날로그 변환부, 상기 디지털-아날로그 변환부로부터 전달받은 2^N-1개의 전류신호를 결합하여 단일 구동신호를 생성하는 전류 결합부, 및 상기 전류 결합부로부터의 구동신호에 따라 구동되어 광신호를 전송하는 광소자부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 고효율 광신호 전송을 위한 펄스진폭변조 기반 광송신기에 따르면, 변조신호의 크기(Amplitude)를 2^N개의 레벨로 세분화하여 종래의 이진(binary) 방식보다 N배의 변조효율을 갖게 되고, 대역폭에 따른 전송용량을 향상시킬 수 있다.

이때 디지털-아날로그 변환기(DAC, Digital-to-Analog Converter) 기반 구동회로에서 N개의 신호를 더하여 하나의 구동 신호를 형성한 후 광변조기 또는 광원소자를 구동할 수 있어, 펄스진폭변조 기반 광송신기의 선형성을 향상시킬 수 있고 비트에러율 성능을 낮출 수 있으며 전송거리도 향상시킬 수 있다.

또한 전류를 그대로 결합하는 방식으로 구동신호를 형성하여 레이저다이오드(LD, Laser Diode), 표면방출레이저(VCSEL, Vertical-Cavity Surface Emitting Laser)와 같은 직접변조방식과, 마흐젠더변조기(Mach-Zehnder modulator)와 링변조기(ring modulator) 같은 외부변조방식 모두에 적용할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스진폭변조 기반 광송신기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털-아날로그 변환부와 전류 결합부를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 결합부의 출력 파형을 나타낸 도면이다.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 광송신기와 관련한 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스진폭변조 기반 광송신기(100)의 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털-아날로그 변환부(30)와 전류 결합부(40)를 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 결합부(40)의 출력 파형을 나타낸 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면 본 실시예에 따른 광송신기(100)는, 전치구동부(10), 디지털 로직부(20), 디지털-아날로그 변환부(30), 전류 결합부(40) 및 광소자부(50)를 포함하여 구성된다.

전치구동부(10)는 N개의 입력 신호를 증폭하여 디지털 로직부(20)로 전달하는 역할을 한다. 전치구동부(10)는 N개의 고속 입력신호가 디지털 로직부(20)와 디지털-아날로그 변환부(30)의 높은 입력 커패시턴스를 구동할 수 있도록 하는 일종의 전압 증폭기 및 버퍼의 역할을 수행하며, N개의 신호 각각을 증폭을 위한 N개 전치구동부를 포함한다. 이를 통해 전치구동부(10)는 N배의 변조효율을 가지게 된다.

디지털 로직부(20)는 전치구동부(10)로부터 순차적으로 전달받은 N개의 이진(binary) 입력신호를 일진 코드(unary code)로 변환하는 역할을 한다. 디지털 로직부(20)는 고속의 디지털 신호 처리를 위한 전류모드로직(CML, Current-Mode Logic) 회로로 이루어질 수 있다. 디지털 로직부(20)는 일진 코드로 변환된 2^N-1개의 디지털 신호를 디지털-아날로그 변환부(30)로 전달한다.

디지털-아날로그 변환부(30)는 디지털 로직부(20)로부터 전달받은 2^N-1개의 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 역할을 한다. 이때 디지털-아날로그 변환부(30)에서 전달받는 신호는 디지털 로직부(20)에서 일진 코드로 변환된 디지털 신호이므로, 도 2에 도시된 바와 같은 디지털-아날로그 변환부(30)의 각 전류단위셀(current unit cell)은 서로 같은 크기의 전류를 구동하게 된다. 이를 통해 펄스진폭변조 기반 광송신기의 최대 단점인 선형성 문제를 해결할 수 있다.

전류 결합부(40)는 디지털-아날로그 변환부(30)로부터 전달받은 2^N-1개의 전류신호를 결합하여 광소자부(50)의 구동을 위한 단일 구동신호를 생성하는 역할을 한다.

이때 전류 결합부(40)는 디지털-아날로그 변환부(30)가 전류구동 방식으로 구현되기 때문에 단순히 각 노드(node)를 연결하는 형태로 구현 가능하며, 해당 전류를 전압으로 변환하기 위해 수동 저항을 사용한다. 전류 결합부(40)의 수동저항의 값은 전원전압 및 도 2에 도시된 각각의 트랜지스터가 정상적인 동작범위에 있도록 신중하게 설정되어야 한다.

한편 도 3에 도시된 전류 결합부(40)의 출력 파형을 참조하면, 하나의 주기에 2비트의 신호를 동시에 보내기 위하여 4개 레벨의 펄스진폭이 필요함을 알 수 있으며, '00'의 경우를 제외한 3개 레벨(2²-1)의 전류단위셀이 필요함을 알 수 있다. 즉 전류 결합부(40)가 N개의 신호를 동시에 보내기 위해서는 2^N-1의 전류단위셀을 구비하여야 한다.

광소자부(50)는 전류 결합부(40)로부터의 구동신호에 따라 구동되어 광신호를 전송하는 역할을 한다.

광소자부(50)의 광소자를 구동하는 방식에는 직접변조방식과 외부변조방식이 있고, 직접변조방식은 전류구동형태를 취할 수 있고, 외부변조방식은 전압구동형태를 취할 수 있다.

이때 광소자부(50)가 직접변조방식을 갖는 레이저다이오드(laser diode)나 표면방출레이저(VCSEL, Vertical-Cavity Surface Emitting Laser)와 같은 광소자를 포함하는 경우, 전류 결합부(40)의 저항위치에 광소자부(50)의 광소자를 배치하게 된다.

한편 광소자부(50)가 외부변조방식을 갖는 마흐젠더변조기(Mach-Zehnder modulator) 또는 링변조기(ring modulator)를 포함하는 경우, 전류 결합부(40)와 병렬로 연결될 수 있다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다. 또한, 본 명세서와 도면에서 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

10: 전치구동부 20: 디지털 로직부
30: 디지털-아날로그 변환부 40: 전류 결합부
50: 광소자부 100: 광송신기

Claims

N개의 입력신호를 증폭하는 전치구동부;
상기 전치구동부로부터 순차적으로 전달받은 N개의 이진(binary) 입력신호를 일진 코드(unary code)로 변환하는 디지털 로직부;
상기 디지털 로직부로부터 전달받은 2^N-1개의 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털-아날로그 변환부;
상기 디지털-아날로그 변환부로부터 전달받은 2^N-1개의 전류신호를 결합하여 단일 구동신호를 생성하는 전류 결합부; 및
상기 전류 결합부로부터의 구동신호에 따라 구동되어 광신호를 전송하는 광소자부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 광신호 전송을 위한 펄스진폭변조 기반 광송신기.
제1항에 있어서,
상기 전치구동부는,
N배의 변조효율을 갖기 위한 N개의 전치구동부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고효율 광신호 전송을 위한 펄스진폭변조 기반 광송신기.
제1항에 있어서,
상기 광소자부는,
직접변조방식의 레이저다이오드 또는 표면방출레이저를 포함하고, 상기 전류 결합부의 저항 위치에 연결되는 것을 특징으로 하는 고효율 광신호 전송을 위한 펄스진폭변조 기반 광송신기.
제1항에 있어서,
상기 광소자부는,
외부변조방식의 마흐젠더변조기(Mach-Zehnder modulator) 또는 링변조기이고, 상기 전류 결합부와 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 고효율 광신호 전송을 위한 펄스진폭변조 기반 광송신기.
순차적으로 입력된 N개의 이진(binary) 입력신호를 일진 코드(thermometer code)로 변환하는 디지털 로직부;
상기 디지털 로직부로부터 전달받은 2^N-1개의 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털-아날로그 변환부;
상기 디지털-아날로그 변환부로부터 전달받은 2^N-1개의 전류신호를 결합하여 단일 구동신호를 생성하는 전류 결합부; 및
상기 전류 결합부로부터의 구동신호에 따라 구동되어 광신호를 전송하는 광소자부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 광신호 전송을 위한 펄스진폭변조 기반 광송신기.
제5항에 있어서,
상기 광소자부는,
직접변조방식의 레이저다이오드 또는 표면방출레이저를 포함하고, 상기 전류 결합부의 저항 위치에 연결되는 것을 특징으로 하는 고효율 광신호 전송을 위한 펄스진폭변조 기반 광송신기.
제5항에 있어서,
상기 광소자부는,
외부변조방식의 마흐젠더변조기(Mach-Zehnder modulator) 또는 링변조기이고, 상기 전류 결합부와 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 고효율 광신호 전송을 위한 펄스진폭변조 기반 광송신기.