KR102130587B1 - 버스트모드로 동작하는 광송신기 및 광송신기 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 다이오드를 포함하는 광송신기에 관한 것으로, 상기 레이저 다이오드의 일면에 열적으로 결합되어 있는 히터; 상기 히터를 동작시키는 제1히터전력, 제2히터전력, 제3히터전력를 포함하고, 상기 제1 내지 3 히터전력 중 어느 하나를 선택하여 히터에 전력을 제공하는 전력제공부; 상기 제2히터전력은 제1히터전력보다 크고, 제1히터전력은 제3히터전력보다 큰 것을 특징으로 한다.

Description

버스트모드로 동작하는 광송신기 및 광송신기 제어방법{OPTICAL TRANSMITTER OPERATING BURST MODE AND CONTROL METHOD OF OPTICAL TRANSMITTER OPERATING BURST MODE}

본 발명은 광송신기 및 광송신기 제어방법에 관한 발명이다. 특히, 광송신기가 버스트모드로 동작하는 경우, 파장변화에 따른 채널간의 누화를 억제하는 기능을 포함하는 광송신기 및 누화를 억제하는 광송신기 제어방법에 관한 발명이다.

최근에 NG-PON2라는 이름으로 표준화되고 있는 통신 방식은 TWDM(time wavelength division multiplexing) 방식을 채택하고 있다. TWDM 방식은 하나의 광섬유에 동시에 연결되어 있는 복수의 가입자가 4개또는 8개의 허용되는 파장 채널중 어느 하나를 임의로 선정 할 수 있으며, 동일한 파장 채널을 사용하는 복수의 가입자는 서로 정하여진 시간에만 시간을 주고 받는 TDM(time division multiplexing) 방법으로 광섬유를 공유하는 방법을 말한다.

TWDM 방식에서는 4개 또는 8개의 서로 다른 파장이 동시에 사용되는데, 이들 채널 사이의 주파수 간격은 100GHz로 설정되어 있다. 또한 같은 파장 채널을 사용하는 가입자들은, 어느 한 가입자가 통신을 하고 있을 때 같은 채널의 다른 가입자들은 통신을 하지 않게 되며, 이는 통신에 참여하지 않는 가입자의 송신용 레이저는 동작을 하지 않는 상태가 되게된다. 이렇게 time division multiplexing 기법을 적용 할 경우 통신에 참여하지 않는 상태의 가입자의 반도체 레이저는 빛을 방출하지 않는 상태에 있다가, 전화국사에서 통신에 참여하라는 신호를 받으면 그때부터 가입자 쪽의 반도체 레이저가 빛을 방출 할 수 있는 상태로 전환하게 된다. 이런 특성은 각 가입자 입장에서 볼 때 통신이 지정된 짧은 시간에 폭발적으로 일어나는 형태가 되며 이러한 동작 특성을 “버스트모드(burst mode) 동작”이라한다.

그러나 반도체 레이저에서 레이저가 빛을 내지 않고 있는 상태에서 전류를 흘려주어 빛을 발산하는 상태로 바뀌게 되면, 흐르는 전류에 의해 발생하는 joule열이 발생하게 되고, 이에 따라 반도체 레이저 활성층의 온도가 바뀌게 된다.

즉 반도체 레이저가 동작을 하지 않는 상태에서 반도체 레이저에 전류가 흘러 동작을 하는 상태가 되면, 흐르는 전류에 따라 joule열이 발생하게 되고, 이 joule열이 점차 누적되게 되어 반도체 레이저의 활성층의 온도가 점차적으로 상승하게 된다. 활성층의 온도 상승에 따라 외부로 방출되는 열도 증가하여, 결국 발생하는 열과 외부로 방출되는 열이 균형을 이루는 시점에서 반도체 레이저의 활성층의 온도는 안정화 된다. 이러한 온도 변화는 통상적으로 수 msec 이내의 시간에 이루어진다.

한편, 반도체 레이저의 파장은 반도체 레이저의 활성층의 온도에 의해 결정되는데, 구동 전류의 변화에 따른 반도체 레이저 활성층의 온도 변화는 레이저의 발진 파장의 변화를 가져온다.

반도체 레이저의 온도는 반도체 레이저에서 발생하는 열과 반도체 레이저가 배치되어 있는 기판의 온도에 의해 결정되는데, 이러한 기판의 온도는 최종적으로 대기 온도와 반도체 레이저에서 발생하는 열에 의한 온도 사이에 열 균형을 이루는 온도에서 반도체 레이저 활성층의 온도가 안정화 되게 된다. 즉 반도체 레이저가 일정한 열을 발생시키고 있다하더라도, 외부 환경 온도가 바뀌면, 이런 외부 환경 온도의 변화는 반도체 레이저가 배치되어 있는 기판의 온도를 바꾸어서, 다시 열적 균형을 깨트리게 되고, 반도체 레이저의 활성층의 온도는 바뀌게 된다.

현재 NG-PON2의 방식에 가능한 반도체 레이저는 DFB-LD(distributed feedback laser diode)가 가능하다. 그러나 반도체 레이저는 앞서 설명한 바와 같이 활성층의 온도에 따라 발진 파장이 달라지게 되며, 반도체 레이저 활성층의 온도는 외부 환경 온도에 직접적으로 영향을 받게 되어, 통상적으로 1의 외부 환경 온도 는 대략 90pm의 반도체 레이저 발진 파장의 변화를 가져온다. 현재 100GHz의 주파수 간격으로 정의되어 있는 NG-PON2 규격에서 이런 주파수 간격은 대략 800pm의 파장 간격에 해당하고, 인접 채널로의 혼선을 없애기 위해서는 현재 NG-PON2 규격에서는 반도체 레이저의 파장 안정화를 설정 파장 +/-160pm로 정의하고 있다. 즉 반도체 레이저에서 실제 레이저과 형성되고 방출되는 반도체 레이저 활성 영역의 온도는 +/-2에서 안정화되어야 한다. 외부 환경 온도 변화는 대략 -40~85 까지 변화할 수 있기 때문에 외부 환경 온도의 변화가 반도체 레이저의 활성층의 온도 변화를 야기하지 않도록 하여야 할 필요가 있고, 이런 방법으로써 열전소자(thermo-electric cooler)를 사용해 레이저 다이오드 칩의 온도를 외부 환경 온도의 변화와 무관하게 일정하게 유지 할 수 있다.

이러한 열전소자는 도 1에서 보이는 바와 같이 열전 소자를 최대 전력으로 구동하여도 최대 0.08/msec정도의 매우 느린 온도 변화 속도를 가진다. 하지만, 통상적으로 NG-PON2의 TWDM-PON에서 버스트모드로 동작하는 시간동안에 레이저 다이오드 칩의 발열량이 burst 동작 하지 않을 때와 달라지게 되고, 이에 따라 레이저 다이오드 칩의 온도 변화가 발생하게 되는데, 이와같이 반도체 레이저가 구동함에 따라 발생하는 열에 의해 반도체 레이저의 활성층 온도가 변화하는 것은 nano sec에서 usec의 짧은 시간에 대부분의 온도 변화가 발생하게 된다.

도 2는 통상적인 heat sink 위에 장착된 반도체 레이저를 펄스(pulse)로 구동 할 때, 펄스시간에 따른 반도체 레이저의 활성 영역의 온도 변화를 보여주는 그래프이며, 활성층 영역의 온도 변화에 영향을 미치는 주된 영역을 표현한 도면이다. 도2에서 반도체 레이저가 펄스 동작을 시작하면, 펄스의 길이에 따라 활성 영역의 온도 변화가 급격하게 일어나며, 펄스의 길이가 길어지면 활성층의 온도는 계속 증가하나, 증가 속도가 떨어지게 된다. 이러한 특성은 반도체 레이저 활성층으로부터의 거리와 열이 확산되는 물질의 열전달률 등에 따라 펄스에 의해 생성된 열 에너지가 반도체 레이저의 온도 증가에 미치는 영향이 다르기 때문이다.

도2의 그림으로부터 반도체 활성영역의 온도 변화는 주로 반도체 활성층과 거리가 가까운 부분에 크게 영향을 받으며 수십 usec의 매우 짧은 시간에서 급격한 온도 변화를 보이게 된다. 그러므로 반응속도가 느린 열전소자는 반도체 레이저가 버스트로 동작 할 경우 반도체 레이저의 동작에 따라 발생하는 Joule 열에 의한 반도체 활성층 영역의 온도 변화를 제어하지 못한다.

도 3은 주로 usec ~ sec의 시간에서의 반도체 레이저 활성영역의 온도 변화를 보여주고 있다. 도3은 Arris Enterprises의 Ayham Al-Banna 등이 2014년에 발표한 자료에 따르면 활성 영역에서의 온도 변화는 반도체 레이저가 동작하기 시작한 후 nsec 크기의 시간에서도 변화가 측정 될 수 있는 반응속도가 매우 빠른 효과이다.

반도체 레이저를 burst로 동작시킬 때, 반도체 레이저가 burst 동작하지 않을때와 burst 동작 할 경우에 발생하는 열량이 달라지며, 이에따라 반도체 레이저의 활성 영역에서는 매우 급격한 온도 변화가 발생하게 된다. Burst mode 반도체 레이저 구동에서 이러한 nsec~msec 영역의 짧은 시간에 반도체 레이저 활성 영역에서 일어나는 온도 변화를 최소화하기 위해 레이저 다이오드 칩에 히터를 작동시키는 방법이 제기되어 왔다.

미국특허 5,140,605에서 Paoli등은 고출력 레이저 프린터에서 레이저의 “on" 시간이 10~100nanosec의 pulse 특성을 가지며, 프린트하는 패턴에 따라, 레이저가 "on" "off" 시간에 많은 변화가 있으며, 이에따라 반도체 레이저가 일정한 온도에 있지 못함으로써, 반도체 레이저의 출력이 안정되지 못하게되며, 이에따라 print 품질이 떨어지는 문제를 제기하였다. Paoli등은 이에따라 반도체 레이저 다이오드 칩의 상부에 금속의 저항을 형성하고, 반도체 레이저가 동작을 하지 않을때는 히터를 구동시켜 반도체 레이저의 구동과 관계없이 반도체 레이저가 일정한 온도에 있게함으로써, 반도체 레이저를 “on", "off"의 패턴과 관계 없이 일정한 ”on"상태의 레이저 출력을 안정화시키려는 노력을 하였다.

도4는 통신용에 사용되는 반도체 레이저의 구조를 보여주고 있다. 도 4에 보여지는 미국특허 5,345,459에서는 광통신에 있어서 두 개의 활성 영역을 가지는 반도체 레이저를 구조로 만들고, 어느 하나의 활성 영역에서 방출되는 레이저 빛을 이용하여 통신을 하되, 다른 활성 영역은 통신에 참여하는 활성 영역의 레이저와 교대로 활성화시키는 방법을 사용하고 있다. 도4의 (b)에서와 같이 하나의 반도체 활성 영역을 이용하여 레이저를 발진시키게 되면 레이저의 "on" "off" 주기에 따라 통신에 참여하는 반도체 레이저의 활성 영역의 온도가 매우 심하게 교란되지만 두 개의 반도체 레이저 활성 영역을 교대로 "on" "off"시키게 되면 통신에 참여하는 레이저 활성 영역의 온도 변화를 최소화 시킬수 있다.

미국특허 5,345,459에서는 도5와 같이 두 개의 레이저 활성 영역은 동일한 전력으로 구동되는데, 이에따라 통신에 참여하는 레이저 활성 영역의 동작과 무관하게 반도체 레이저 다이오드 칩에서의 전체적인 소모 전력은 동일하고, 이에따라 반도체 칩 전체적으로 발열량은 시간에 무관하게 일정한 열량을 발생시킬 수 있다. 이 같은 히터를 이용한 레이저 활성 영역 온도조절 방법을 이하 '제1히터제어방법'이라 하겠다.

그러나 도6에서 보이는 바와 같이 같은 열량이 발생하더라도 열원과의 거리에 따라 각 지점에서의 온도는 달라질 수 있다. 즉 레이저의 활성 영역(20)에서 통신에 참여하는 레이저 활성 영역(A)으로 주입되는 전력이 통신에 참여하는 레이저 활성 영역에 미치는 열적 영향과, 통신에 참여하지 않는 레이저 활성 영역(B)에 주입되는 전력이 통신에 참여하는 레이저 활성 영역에 미치는 영향은 달라지게 된다. 즉 미국특허 5,345,459에서와 같이 통신에 참여하는 레이저 활성 영역(A)에 주입되는 전력은 매우 좁은 영역에 전력이 집중되는 반면, 통신에 참여하지 않는 레이저 활성 영역(B)에 주입되는 전력이 통신에 참여하는 레이저 활성 영역에 미치는 영향은 넓은 면적에 평균화된 전력의 영향을 받기 때문에, 두 개의 활성 영역에 동일한 전력을 교대로 주입한다고 해서 통신에 참여하는 레이저 활성 영역의 온도를 완전히 보상하기 힘들다.

따라서, 종래 방법으로는 파장 간격이 800pm인 NG-PON2에 있어서 상기한 방법으로는 수 nanosec 이내에서 활성층의 급격한 온도 변화를 억제하기 어렵다.

도 6은 레이저의 활성 영역(20)이 반도체 칩 내부에 매립되어 있는 매립형(Buried Hetero structure- BH) 반도체 레이저의 레이저 활성 영역(20)의 상부 표면에 히터(10)가 설치되어 있는 경우, 레이저 활성 영역에 전류가 주입되어 열을 발생시킬 경우와 히터(10)에 전력이 주입되어 열을 발생 시킬 경우의 동일 온도 분포선(30)을 보여주고 있다.

반도체 레이저에서 발진하는 레이저의 파장의 안정성은 레이저 활성 영역의 온도에 의존한다. 그러므로 히터(10)에서 열이 발생하는 열량이 중요한 것이 아니라, 히터(10)에서 발생한 열이 레이저 활성 영역(20)의 온도에 미치는 영향이 중요하다. 열이 좁은 지역에서 발생 할 경우 좁은 지역의 온도는 매우 높아지며, 열원에서부터 멀어질수록 온도는 하강하게 된다. 도2에서 펄스로 반도체 레이저에 전력을 주입 할 경우 레이저 활성영역(20)의 온도 상승에 영향을 미치는 시간은 레이저의 전력 주입 지역인 레이저 활성 영역에 가까울수록 반응이 빠르게 된다.

반도체 레이저 활성 영역에 전력을 주입 할 경우 레이저 활성 영역에서 가까운 부분의 영향에 의한 활성 영역의 온도 상승은 시간에 따라 매우 급격하게 일어나며, 레이저 다이오드 칩 전체적으로 열이 확산되어 이에따라 레이저 활성 영역의 온도 상승 속도는 완만하여진다. 이러한 과정을 도 7에 설명하였다. NG-PON2와 같이 burst mode 동작하는 네트웍에서 burst mode 레이저의 동작은 전화국사의 통신장비인 OLT(Optical Line Terminal)에서 "burst enable(BEN)" 시그널을 받아 동작을 시작한다. Burst mode laser가 BEN 시그널을 받으면 burst mode 레이저의 활성영역에 전류가 주입되며, 이에따라 발생하는 joule 열이 레이저 활성 영역의 온도를 상승시킨다. 레이저 활성 영역에서 발생하는 열은 외부로 전파되어 나가면서 인접한 지역의 온도를 상승시키고, 이 상승한 인접 지역의 온도는 다시 활성 영역의 온도를 상승시켜 레이저 활성 영역과 인접한 지역사이의 온도차가 있도록 하여 열이 전파되어 나가도록한다. Burst mode 레이저가 동작을 시작하면, 인접 지역의 영향에 의해 초기에 급격한 온도 상승을 일으키게 되며, 열이 외부로 전파 되면서 레이저 활성 영역 온도의 상승효과는 완만하게 되어진다. 레이저 활성 영역의 온도 상승은 반도체 레이저로 주입되는 전류에 따라 달라지게 되나, 통상적으로 길이 300micrometer의 활성 영역 길이를 가지는 반도체 레이저의 경우에 100mW의 전력 주입에 통상적으로 20 정도의 활성 영역 온도 상승을 가져온다. 여기서 주의하여야 할 점은 반도체 레이저의 경우 주입된 전력의 일부는 빛으로 변환되어 반도체 칩을 탈출하기 때문에 반도체 활성 영역의 온도 상승에 영향을 미치는 전력은 통상적으로 주입 전력의 2/3 정도가 된다. 즉 반도체 레이저의 활성 영역에서 약 66mW의 열이 발생 할 경우 반도체 레이저의 온도 상승은 대략 20정도가 된다. 그러므로 본 발명에서 레이저 활성 영역으로 주입되는 전력과 열 및 온도를 이야기 할 때 레이저 활성 영역으로 주입되는 전력이라는 것은 빛으로 전환되는 전력을 제하고 열 및 온도에 영향을 미치는 전력만을 지칭하여 이야기 한다.

도 7에서 열전소자를 일정한 온도를 유지한 상태에서 레이저 다이오드 칩의 활성 영역으로 흐르는 전력을 100mW 정도 흘리면 레이저 활성영역의 온도는 20도 이상 변하게 되며, 이러한 온도 변화는 1.8nm 이상의 파장 변화를 가져온다. 도 7에서 파장의 변화에 영향을 미치는 레이저 전력이라 함은 앞서 설명한 바와 같이 레이저 활성 영역에 주입되는 전력중 빛으로 변환되는 전력을 제외하고 열로 전환되는 전력으로 해석되어야 함은 당연하다.

레이저 다이오드가 ON되는 시점(BEN)에서 레이저 다이오드의 활성 영역의 근접영역에서는 급격한 온도변화(31, near active area effect)를 야기되고, 레이저 다이오드의 활성 영역에서 먼 지점은 온도의 변화가 천천히 일어난다(32, far from active area effect).

도 7과 같은 경우에 1.8nm이상의 파장 변화는 채널간의 간격이 100GHz(대략 0.8nm)인 NG-PON2에 있어서 2채널 이상의 변화를 가져오며, 이에 따라 이러한 방식의 레이저로는 각 채널에서 안정적인 통신이 일어나지 못하게 한다.

도 8은 히터가 동작할 때 히터에 주입되는 전력에 따라 레이저 활성 영역의 온도가 바뀌는 모습(Variation of temp. of laser active area with heater operation)을 보여준다. 히터(10)와 레이저 활성영역은 거리상에서 이격되어 있기 때문에 히터에 가해지는 전력이 레이저 활성영역에 가해지는 전력(열 변환 되는 전력)과 동일하다 하더라도, 히터에 의한 레이저 활성 영역의 온도 상승은 레이저 활성 영역으로 주입되는 전력에 비해 낮아지게 된다.

도 9는 히터와 레이저 활성영역으로 주입되는 전력이 교대로 주입될 경우, 레이저 활성 영역의 온도 변화를 보여준다. 레이저 활성 영역으로 전력이 주입되기 시작 할 때 이미 레이저 활성 영역은 히터에 의해 온도가 상승한 상태이므로 레이저 활성 영역의 온도는 레이저 활성 영역으로 주입되는 전력에 의한 온도 상승 효과와 히터가 꺼짐으로 발생하는 온도 하강 효과를 동시에 겪게 된다. 그러나 같은 전력이 레이저 활성영역(열로 변환되는 전력만 고려)과 히터로 공급된다하여도, 각 전력이 레이저 활성영역의 온도에 미치는 영향이 다르며, 레이저 활성 영역에 주입되는 전력에 의한 레이저 활성 영역의 온도 반응속도가 히터에 의한 레이저 활성 영역의 온도 반응속도보다 빠르므로, 레이저 활성 영역에 전력이 주입된 시점부터 레이저 활성 영역의 온도는 급격히 상승하나, 시간이 지남에 따라 히터의 꺼짐에 의한 효과에 의해 도9에서 보이는 바와 같이 레이저 활성 영역의 온도 상승이 줄어들게 된다. 즉 도9에서 제1 히터제어방법인 히터와 레이저 활성 영역으로 주입되는 전력을 교대로 주입함으로써 도 7의 레이저 활성 영역의 온도 변화폭보다 줄어든 온도 변화를 가지게 되고, 이에따라 레이저 파장 변화가 줄어들게 된다.

도 10은 4채널의 NG-PON2 가 동작 하고 있을 때, 종래의 히터와 레이저 활성 영역의 구동을 단순히 교대로 구동 하는 제1 히터제어방법을 사용하는 경우, 채널2의 레이저가 동작 할 경우 채널1의 반응을 측정한 그림이다. 채널2에서 burst mode로 동작하는 레이저의 경우 채널1에서는 반응이 없어야 하지만, 종래의 방법에서는 채널1으로의 누화가 발생한다. 이는 종래의 방법에서 히터가 레이저 활성 영역의 온도 변화를 충분히 상쇄시키지 못하고 있음을 보여준다.

즉 레이저 활성 영역이 구동을 시작할 때 레이저 활성 영역의 온도는 히터에 의해 안정된 온도 상태에 있고, 레이저 활성 영역으로 전력이 주입됨에 따라 레이저 활성 영역의 온도가 상승하며, 이에 따라 파장이 증가하게 된다. 그러므로 레이저 활성 영역으로 전력이 주입되기 시작할 때 레이저 활성 영역의 온도는 가장 낮은 상태에 있고, 이 때 파장이 가장 짧은 상태가 된다. 그러므로 레이저 동작 초기에는 낮은 채널로의 누화가 가능한 시점이다.

도 11은 레이저 동작 초기의 레이저 활성 영역의 온도가 낮음에 의해 발생하는 파장이 짧은 채널로의 누화를 막기 위해 레이저 활성 영역으로 주입되는 전력에 비해 히터로 주입되는 전력을 크게 한 경우의 그림(본 방법을 제2 히터제어방법이라 함)이다. 도 11에서 히터만에 의한 레이저 활성 영역의 온도를 채널2에 적절하게 맞춰놓은 경우에 레이저 활성영역으로 전력이 주입되면, 레이저 활성 영역의 온도는 이 히터에 의한 온도에서 출발하여 급격한 온도 상승을 이루게 되게, 그림에서 보이는 바와 같이, 채널2에 비해 파장이 긴 채널에 해당하는 온도로 레이저 활성 영역의 온도가 증가하게 된다. 그러므로 이러한 경우에는 채널2에서 파장이 더 긴 채널3로의 누화가 발생하게 된다.

본 발명은 반도체 레이저를 버스트모드로 구동할 때 burst 시작의 수 nanosec에서 수백 nanosec 이내에서 발생하는 반도체 레이저의 파장 drift를 줄여서 100GHz의 파장 간격을 가지는 NG-PON2에 채널간의 누화를 방지하는 반도체 레이저 광원을 포함하는 광송신기 및 광송신기 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다

본원발며으이 과제를 해결하는 수단으로 일실시예로 레이저 다이오드를 포함하는 광송신기는 상기 레이저 다이오드의 일면에 열적으로 결합되어 있는 히터, 상기 히터를 동작시키는 제1히터전력, 제2히터전력, 제3히터전력를 포함하고, 상기 제1 내지 3 히터전력 중 어느 하나를 선택하여 히터에 전력을 제공하는 전력제공부, 상기 제2히터전력은 제1히터전력보다 크고, 제1히터전력은 제3히터전력보다 큰 것을 특징으로 한다.

일실시예에 있어서, 상기 제1히터전력 및 제2 히터전력이 상기 레이저 다이오드에 공급될 때는 광송신기는 '0' 신호를 송신하고, 제3히터전력이 상기 레이저 다이오드에 공급될 때는 광송신기는 '1' 신호를 송신하는 것을 특징으로 한다.

일실시예에 있어서, 광송신기가 '0'신호를 연속적으로 송신 또는 유휴상태인 경우에는 상기 제1히터전력을 상기 히터에 공급하여, 상기 레이저 다이오드의 온도를 소정의 온도로 유지하고, 상기 광송신기가 버스트모드 신호(burst mode enable, BEN)를 받은 경우, 상기 제1히터전력은 제2히터전력으로 변경되고, 소정의 시간 후에, 상기 레이저 다이오드에 전류를 인가하여 레이저 다이오드를 'ON' 시킴과 동시에, 상기 제2히터전력을 상기 제3히터전력으로 변경하는 것을 특징으로 한다.

일실시예에 있어서,상기 전력제공부는 제3 히터전력보다 낮은 제4 히터전력을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

일실시예에 있어서, 상기 제1히터전력 및 제2 히터전력이 상기 레이저 다이오드에 공급될 때는 광송신기는 '0' 신호를 송신하고, 제3히터전력과 제4히터전력이 상기 레이저 다이오드에 공급될 때는 광송신기는 '1' 신호를 송신하는 것을 특징으로 한다.

일실시예에 있어서, 광송신기가 '0'신호를 연속적으로 송신 또는 유휴상태인 경우에는 상기 제1히터전력을 상기 히터에 공급하여, 상기 레이저 다이오드의 온도를 소정의 온도로 유지하고; 상기 광송신기가 버스트모드 신호(burst mode enable, BEN)를 받은 경우, 상기 제1히터전력은 제2히터전력으로 변경되고, 소정의 시간 후에, 상기 레이저 다이오드에 전류를 인가하여 레이저 다이오드를 'ON' 시킴과 동시에, 상기 제2히터전력을 상기 제4히터전력으로 변경하며, 소정의 시간 후에 제4히터전력은 상기 제3히터전력으로 변경하는 것을 특징으로 한다.

본원발명의 과제를 해결하기 위한 수단으로 일실시예에 있어서, 레이저 다이오드를 포함하는 광송신기에 있어서, 상기 광송신기를 통해서 전송해야하는 데이터를 입력받는 데이터 입력부; 상기 데이터에 해당하는 변조된 전류와 추가 전류를 상기 레이저 다이오드에 공급하는 드라이버를 포함하고, 상기 광송신기가 버스트모드 신호(burst mode enable, BEN)를 받은 경우, 상기 드라이버는 상기 레이저 다이오드에 소정의 시간동안 상기 데이터에 해당하는 변조된 전류를 제외한 추가 전류만을 공급하고, 소정의 시간이 지난 이후에는 변조된 전류를 레이저 다이오드에 인가하여, 광송신기가 데이터를 전송하도록 하는 것을 특징으로 한다.

일실시예에 있어서, 상기 소정의 시간이 지난 이후에 제공되는 변조된 전류는 상기 추가 전류에 더하여 레이저 다이오드에 인가되는 것을 특징으로 한다.

일실시예에 있어서, 상기 추가 전류는 직류, 상기 데이터와 다른 주파수로 변조된 전류 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

일실시예에 있어서, 상기 추가 전류의 최고값은 I_bias, I_bias+I_mod, I_bias+I_mod/2 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

일실시예에 있어서, 상기 소정의 시간은 500nsec 이하인 것을 특징으로 한다.

일실시예에 있어서, 상기 소정의 시간동안 레이저 다이오드에 공급되는 추가 전류는, 소정의 값까지 증가하는 것을 특징으로 한다.

일실시예에 있어서, 상기 증가하는 추가 전류는 선형적 증가, 점진적 증가, 스탭 증가 중 적어도 어느 하나의 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.

일실시예에 있어서, 상기 소정의 시간동안 레이저 다이오드에 공급되는 추가 전류는, 상기 소정의 시간동안 중 일부의 시간동안에만 증가하는 것을 특징으로 한다.

일실시예에 있어서, 상기 소정의 시간 중 상기 일부의 시간이 뺀 나머지 시간에 대해서는 상기 추가 전류가 유지되는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명은 버스트모드로 동작하는 레이저의 파장 변화를 최소화하든지 또는 파장 변화로 인한 다른 채널로의 간섭을 줄여 100GHz등의 좁은 채널간 간격을 가지는 NG-PON2와 같은 TWDM-PON에서 반도체 레이저를 사용 할 수 있게 하여 준다.

도 1 열전소자에 의한 온도 하향 속도. (Temp. cooling speed with TEC control)
도 2 펄스 폭에 의한 활성영역 온도 증가 (Temp. arising with current pulse width through laser active area)
도 3 펄스 폭에 의한 활성영역 온도 증가 (Temp. arising with current pulse width through laser active area)
도 4 종래 기술의 실시예
도 5 레이저와 히터의 교차 동작 실시예 (Alternative driving between laser active and heater)
도 6 히터와 레이저 활성화 시, 각각의 온도 분포 (Comparison of equi. temp. contour with laser on state and heater on state)
도 7 소정의 폭을 갖는 신호 인가 시, 레이저 활성화 영역의 온도 변화 (Temperature of laser active area with injected power through laser active area)
도 8 히터에 의한 레이저 활성화 영역의 온도 변화 (Temperature of laser active area with injected power through heater)
도 9 히터와 소정의 폭을 갖는 신호를 교차 인가 시, 레이저 활성영역의 온도 변화 (Temperature of laser active area when laser active area and heater operate alternatively)
도 10 히터와 소정의 폭을 갖는 신호를 교차 인가 시, 레이저 활성영역의 온도 변화에 따른 채널 누화현상 실험 결과 (Temperature of laser active area when laser active area and heater operate alternatively)
도 11 히터와 소정의 폭을 갖는 신호를 교차 인가 시, 레이저 활성영역의 온도 변화 (Temperature of laser active area when laser active area and heater operate alternatively, but heat generation by heater is larger than heat generation by laser operation. )
도 12 본 발명의 히터전력 제어방법에 따른 히터와 소정의 폭을 갖는 신호를 교차 인가 시, 레이저 활성영역의 온도 변화 실시예 (Temperature of laser active area when laser active area and heater operate alternatively, but with additional heat pulse at the burst on time)
도 13 도 12의 실시예의 경우 출력되는 레이저의 파장 (Laser wavelength when laser active area and heater operate alternatively, but with additional heat pulse at the "burst on" time)
도14 본 발명의 히터전력 제어방법에 따른 히터와 소정의 폭을 갖는 신호를 교차 인가 시, 레이저 활성영역의 온도 변화 실시예 (Burst mode operation method with "heater high" and "heater low" mode)
도 15 본 발명의 레이저 인가 전류 제어방법 (laser driving current status in burst mode)
도 16 본 발명의 레이저 인가 전류 제어방법 (laser driving current status in burst mode)

도 12는 본 발명에 의한 레이저 다이오드를 포함하는 광송신기 및 그 송신기의 레이저 다이오드 칩의 구동 방법의 일 실시예를 보여준다. 본 실시예의 레이저 다이오드 칩을 구동하는 방법으로 사용된 히터제어방법은 제3 히터제어방법이라 한다.

도 12에서는 히터가 “heater on" 상태(제1 히터전력)(도8의 heater on과 실질적으로 동일함)에 있을 때. 시스템으로부터 ”burst enable(BEN)" 신호가 도착하면 히터는 “heater on" 상태보다 높은 전력 상태인 "heater high"모드(제2 히터전력)로 변화하게 된다. 그러면 레이저 활성 영역의 온도는 "heater on" 모드에 비해 상승하게 되고, "heater high"모드에서 heater가 꺼지거나 소정의 파워 아래로 되는 경우(" heater idle" 모드로 진입, 제3 히터전력)와 동시에 레이저 활성 영역으로 레이저를 동작시키기 위한 레이저 전류가 주입되게 된다. 이와같이 레이저를 발진 시키기 위해 레이저 활성영역으로 전류가 주입되는 시점을 "laser diodee on (LD on)" 모드(제1 LD전력)라 한다. "LD on" 모드의 시작시점에 레이저의 활성 영역의 온도는 "heater on"모드에 의한 온도가 아니라 “heater on" 모드보다 높은 "heater high" 모드에 있게 되고 이에따라 "LD on"에 의해 레이저가 동작할때의 레이저 파장은 채널2 허용 영역에 근접해 있게 된다. "heater high"모드는 소정의 시간으로 정할 수 있으며, 바람직하게는 수십 nanosec에서 수백 nanosec 정도가 적절하며, 이러한 짧은 "heater high"모드는 레이저 다이오드 칩 전체를 온도를 올리지 못하고, heater 주변 영역의 온도만 집중적으로 상승시키게 된다. 통상적으로 레이저의 활성 영역과 히터는 가능하면 짧은 거리를 유지하며 통상적으로 5um 이내의 거리에 존재하므로 수백 micrometer의 길이를 가지는 반도체 레이저 다이오드 칩의 크기에 비하면 히터와 레이저 활성 영역의 거리는 매우 짧은 편이다. 그러므로 "heater high" 모드는 레이저 활성 영역의 온도를 선택적으로 높힐 수 있으며, 레이저 칩 전체적으로는 "heater on" 모드에 의한 낮은 온도 상태에 있으므로 "heater high" 모드가 끄남과 동시에 "heater high" 모드는 도 8의 "heate on" 모드가 끝나고 나서의 레이저 활성 영역의 온도 하강 속도에 비해 매우 빠른 속도로 레이저 활성 영역의 온도를 하강시킨다. “heater high" 모드가 끝나고 히터에 의한 레이저 활성 영역의 온도 하강과 "LD on" 모드에 의한 레이저 활성 영역의 온도 상승 효과는 서로 부분적으로 상쇄되나, 레이저 활성 영역으로 주입되는 전력의 효과가 더 커서 ”LD on" 시점부터 레이저 활성 영역의 온도는 상승하게 된다. 그러나 레이저 활성 영역의 온도는 궁극적으로 "heater hgh" 모드가 꺼짐에 따른 온도차이를 겪으므로 “LD on" 모드에서의 레이저 활성 영역의 온도 변화는 도9에 비해 줄어들게 되며, 이러한 "LD on" 모드에서의 줄어든 레이저 활성 영역의 온도 차이는 도13에서 보이는 바와 같이 레이저의 파장 변화가 최소화된 레이저 파장의 특징을 가지게 된다. 그러므로써 채널2에서 동작하는 burst mode 레이저가 채널1의 짧은 파장 채널로의 누화 또는 채널3의 긴 파장 채널로의 누화가 최대한 억제된다. (본 실시예의 히터제어방법은 '제3 히터제어방법'이라 함)

표1(도9와 같은 종래의 기술을 이용하여 채널2를 burst 구동 할 경우 채널2에서 채널1으로의 누화의 효과))은 종래와 같이 히터 동작을 "heater on"과 "heater idle"의 두 모드로 동작시킬 경우 채널2의 burst 동작이 채널1에 미치는 영향을 측정한 표이다.

표2는 도13과 같이 본 발명에 의해 채널2를 burst 구동 할 경우 채널2에서 채널1으로의 누화의 효과이다.

	채널1 총전송신호수	채널 1 에러신호수
채널1만 혼자 동작중일 경우	92020	1135
채널1 동중중에 채널2가 burst 동작 할 경우	92020	1797
채널 1 에러 증가 비율		58.3%

	채널1 총전송신호수	채널 1 에러신호수
채널1만 혼자 동작중일 경우	92020	141
채널1 동중중에 채널2가 burst 동작 할 경우	92020	154
채널 1 에러 증가 비율		9.2%

종래의 기술에 의하면 채널2에서 채널1으로의 누화에 의해 채널1의 에러가 58.3% 증가하는 것으로 나타났다. 이에 비해 본원 발명에 의해 히터를 "heater on", "heater high", "heater idle"의 세가지 모드로 구성하고 "heater high“ 모드를 "heater on" 모드 보다 높은 전력으로 설정하고, "heater idle"모드를 "heater on" 모드보다 낮은 전력으로 설정한 경우 채널2의 레이저가 burst 동작할 때 채널1의 신호 수신이 받는 에러를 측정 한 결과 약 9.2% 의 에러 증가만을 보였다.

그러므로 본원 발명에 의해 히터 모드를 "heater on", "heater high", "heater idle"의 세가지 전력 모드로 구성하고 ”heater high"모드를 "heater on" 모드 보다 높게 설정하고, "heater idle" 모드의 전력을 "heater on" 모드 보다 낮은 전력으로 설정한 경우 종래의 기술에 비해 상당히 큰 폭으로 채널간의 누화를 막을수 있음이 증명되었다.

도 14는 본 발명의 다른 실시예로 “heater on" 모드 이후에 BEN 시그널을 받아 ”heater high" 모드가 동작한 후 미리 정해진 시간후에 "heater low"의 모드(제4 히터전력) 상태가 된 후 미리 정해진 시간 후에 “heater idle" 전력 상태로 진행하는 순서를 보여준다. 이때 "heater low" 전력은 ”heater idle" 전력보다 낮은 전력으로 설정되는 것을 특징으로한다. (본 실시예의 히터제어방법을 제4 히터제어방법'이라 함)

도 14의 경우에 "heater high" 모드가 끝난 후 히터는 "heater idle" 전력보다 낮은 전력 상태인 “heater low" 전력 상태로 진입하므로 히터에 의한 레이저 활성 영역의 온도는 도 13의 경우보다 더 빨리 하강하게 된다. 이러한 특성은 레이저 활성 영역으로 주입되는 레이저 구동전력에 의한 레이저 활성 영역의 온도 상승 속도가 더 빠른 상태에서, 도13의 경우보다 더 빨리 레이저 활성 영역의 온도 상승을 억제한다. 그러므로 히터의 동작 모드를 전력이 높은 순서로 ”heater high", "heater on", heater idle", "heater low"의 네단계 이상의 전력 모드를 구비하고, BEN 시그널 도착후에 "heater high", "heater low", "heater idle", "heater on"의 순서로 히터의 전력 모드를 구동한다. 물론 이러한 네단계의 전력 모드외에 여러 가지 전력 모드를 더 구비하여도 가능하다.

앞선 실시예는 히터의 제어방법을 이용하여 광송신기의 레이저 다이오드를 제어하여 채널간의 누화를 억제하는 장치 및 방법을 설명하였다.

다음의 실시예는 레이저 활성 영역으로 주입되는 전력의 모드, 즉 LD전력을 제어하는 방법을 제안한다. 본 실시예는 단독으로도 사용되어 질 수 있으며, 상기 설명한 제1 내지 제4 히터제어방법과 함께 사용할 수 있다.

NGPON2와 같이 여러 채널이 동시에 사용되는 TWDM-PON에서 burst로 동작하는 레이저가 신호를 전송하게 되면, 누화는 이러한 신호를 수신하는 수신단에서 채널 누화로 나타나게 된다. 수신단은 레이저 광신호를 전기신호로 전환시키는 photo diode(또는 avalanch photo diode)와 TIA(trans impedance amplifier)를 거쳐 광신호가 수신되게 된다. 그런데 TIA 소자는 DC(direct current) 성분의 신호는 걸러내고 AC(alternating current) 성분만을 가지고 “1” 신호와 “0” 신호를 구분한다.

통상적으로 TIA는 미리 설정된 주파수 성분만을 추출하여 신호로 복원하는 기능을 가지고 있어, TIA에 수신 가능한 주파수의 신호만을 수신하며, TIA에서 수신이 불가능한 주파수의 신호는 제거하는 기능을 가지고 있다. 예를들어 10Gbps신호를 수신하는 TIA는 100MHz등의 저주파 신호 또는 20GHz 이상의 고주파신호는 TIA에서 노이즈로 인식하여 제거하게 된다.

도 15는 burst 신호가 수신되어 반도체 레이저가 burst 동작 할 경우의 반도체 레이저의 활성층으로 주입되는 레이저 구동 전류의 특성을 보여준다. Burst로 구동되는 반도체 레이저는 BEN 신호가 오기전에는 최소한의 구동 전류 또는 무전류 상태에 있다. 여기서 최소한의 구동 전류라 함은 레이저 다이오드의 문턱전류(threshold current) 보다 낮은 전류 상태를 말한다. 통상적으로 PON에서 레이저 동작은 Extinction ratio(ER) 과 평균 광출력 (output light power) 가 정의되는데, 이러한 조건을 맞추기 위해서 레이저의 “0” 신호 레벨의 전류는 통상적으로 문턱 전류보다 높은 상태를 유지한다. 예를들어 문턱전류가 6mA 인 반도체 레이저의 경우 레이저 off 상태의 전류는 6mA 이하로 설정되며, "1" 신호는 80mA , “0” 신호는 30mA로 설정된다. 지금 설명한 수치는 단순히 설명을 위한 예시일뿐으로 다른 수치들이 얼마든지 가능하다.

AC coupling 방식의 레이저 구동 방식에서 반도체 레이저의 구동은 I_bias 와 I_mod의 두가지 전류로 구동되는데 “1” 신호는 I_bias + I_mod에 의해서 구성되고, "0" 신호는 I_bias 로 구성이 된다.

DC coupling 방식의 레이저 구동 방식에서는 반도체 레이저 구동 전류가 “1” 신호는 I_bias + I_mod/2으로 표현되고, "0" 신호는 I_bias - I_mod/2 로 표현된다. 여기서 I_bias는 DC 성분의 전류이고, I_mod은 통신 시스템에서 설정한 주파수를 가지는 AC 성분의 전류를 말한다.

"1" 신호와 “0” 신호를 수신하는 수신단에서는 DC 성분의 광 출력과 수신단의 TIA에서 허용하지 않는 주파수의 성분은 걸러내고, TIA에서 허용하는 주파수를 가지는 AC 성분의 광출력만을 이용아여 “1” 신호와 “0” 신호를 수신하게 된다.

도15의 (a)는 burst enable(BEN) 시그널을 보여준다. 이상적인 반도체 레이저 드라이버는 도 15(b)와 같이 BEN 신호의 수신과 동시에 “1”과 “0” 신호를 구동하는 전류를 레이저 구동전류로 출력하는 것이 바람직하나, 실질적인 반도체 레이저 구동소자는 도 15의 (c)에서 보이는 바와 같이 레이저 off에 해당하는 전류에서부터 시작하여 시간 지연을 가지고 정상적인 “1” 신호와 “0”신호에 해당하는 전류로 modulation(변조) 되는 전류를 인가하되, 시스템에서 설정된 주파수에 해당하는 주파수로 modulation 되는 전류신호를 발생하게 된다.

그러므로 도 15(c)에서 보이는 바와같이 레이저가 off 상태에서 정상적인 신호 레벨을 가질 때 까지의 경과시간 (도에서는 1~500nanosec로 표현하였지만, 통상적으로는 1~100nanosec)에도 통신에 사용하는 주파수로 변조된 신호가 전송되게 된다. 이 같은 경과시간은 도7에서 설명한 급격한 온도변화에 따라 야기되는 현상이다.

도 15(d)는 본원 발명에의한 laser turn의 시간지연동안 시스템에서 허용하는 주파수로 변조되지 않는 전류신호를 보냄으로써 수신단에서의 누화를 제거하는 본원 발명에서의 레이저 구동 방법의 일 실시예를 보여준다.

도15의(d)에서 보이는 바와 같이 레이저 구동소자가 turn-on 되는 도 15의 시간지연시간동안 전류의 변조(modulation)가 되지 않은 단순히 증가하는 전류 신호만을 보내고, 미리 설정된 시간지연 이후에 modulation 된 전류 신호로 레이저를 구동하는 방법을 사용한다. 증가하는 전류 신호는 광송신기의 특성에 따라 결정되어질 수 있고, 증가하는 전류의 크기는 문턱 전류(I_th) 보다 큰 것이 바람직하다. 또한, 수신단에서 TIA가 직류성분 외에 소정의 주파수 성분을 제거하는 경우, 상기 시간지연동안의 단순히 증가하는 전류 신호는 상기 소정의 주파수로 변조될 수도 있다.

레이저의 활성영역의 온도는 레이저의 활성 영역으로 주입되는 전류에만 의존할 뿐 그 전류가 modulation 되는지 여부는 느끼지 않는다. 그러므로 도 15의 시간 지연 기간동안 레이저는 레이저 활성 영역으로 주입되는 전류에 의해 가열된다.

그러나 도 15의 시간지연기간동안 레이저로 주입되는 전류는 통신 시스템에서 설정한 주파수로 변조되고 있지 않으므로 이러한 전류에 의해 구동된 광신호는 시스템에서 설정한 변조 주파수 성분을 가지지 못하며, 이러한 광 신호는 수신단의 TIA에서 자동으로 걸러지게 된다.

그러므로 도15의 시간지연 기간동안 반도체 레이저로 주입되는 전류는 레이저의 활성 영역의 온도를 상승시키는 역할을 하나, 이 기간동안 발생한 광신호는 시스템에서 미리 설정된 변조 주파수와는 달리 DC와 유사한 modulation 주파수 특성을 가지게 됨으로써 수신단의 TIA에서 자동으로 제거됨으로써 수신단에 누화로 작용하지 못하게 된다.

도 10의 상황에서 본 실시예를 다시 설명하면, 도 10의 누화되어 나타난 채널 1을 보면, 변조된 누화신호이다. 반면, 본 실시예를 적용하면, 채널 1에 누화된 신호는 변조가 되어 있지 않기 때문에, TIA를 거친 후에는 누화된 신호가 수신이 안되어서, 도10의 계측기에는 나타나지 않고 채널 2에도 영향을 주지 않는다.

이러한 시간지연동안에 레이저 활성 영역은 정상적인 온도로 가열되게 되므로, 도 15의 시간 지연 이후에 레이저가 정상적인 modulation 주파수로 modulation 될 때 레이저의 활성 영역의 온도는 정상 온도에 도달하여 modulation 된 광신호는 미리 설정된 채널에 적합한 파장을 가지게 되어 누화로 작용하지 않는다.

도 16은 다른 실시예로, 도15의 시간지연기간동안 레이저 구동전류가 상승하는 기간과 일정한 전류로 유지되는 경우를 보여준다.

도 15(d)와 도16에서 시간지연기간동안 상승하는 전류의 세기를 I_bias로 설정할 경우 시간지연기간이 끝나후 레이저에 I_mod만 인가함으로써 즉각적으로 정상적인 통신을 개시할 수 있다.

10 히터
20 활성 영역
30 동일온도분포선

Claims (15)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 레이저 다이오드를 포함하는 광송신기에 있어서,
   상기 광송신기를 통해서 전송해야하는 데이터를 입력받는 데이터 입력부;
   상기 데이터에 해당하는 변조된 전류와 추가 전류를 상기 레이저 다이오드에 공급하는 드라이버를 포함하고,
   상기 광송신기가 버스트모드 신호(burst mode enable, BEN)를 받은 경우, 상기 드라이버는 상기 레이저 다이오드에 소정의 시간동안 상기 데이터에 해당하는 변조된 전류를 제외한 추가 전류만을 공급하고, 소정의 시간이 지난 이후에는 상기 추가 전류에 변조된 전류를 더하여 레이저 다이오드에 인가하여, 광송신기가 데이터를 전송하도록 하며,
   상기 소정의 시간동안 레이저 다이오드에 공급되는 추가 전류는 소정의 값까지 증가하며, 상기 소정의 시간은 상기 레이저 다이오드에 공급되는 추가 전류가 소정의 값을 가질 때까지이며,
   상기 소정의 시간동안 공급되는 추가 전류는 기 설정된 변조 주파수 성분을 갖지 못하여 수신단에서 필터링되는 것을 특징으로 하는 광송신기.
   
8. 삭제
9. 제7항에 있어서,
   상기 추가 전류는 직류, 상기 데이터와 다른 주파수로 변조된 전류 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광송신기.
   
10. 제7항에 있어서,
    상기 추가 전류의 최고값은 I_bias, I_bias+I_mod, I_bias+I_mod/2 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광송신기.
    
11. 제7항에 있어서,
    상기 소정의 시간은 500nsec 이하인 것을 특징으로 하는 광송신기.
    
12. 제7항에 있어서,
    상기 소정의 시간동안 레이저 다이오드에 공급되는 추가 전류는, 소정의 값까지 증가하는 것을 특징으로 하는 광송신기.
    
13. 제12항에 있어서,
    상기 증가하는 추가 전류는 선형적 증가, 점진적 증가, 스탭 증가 중 적어도 어느 하나의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 광송신기.
    
14. 제7항에 있어서,
    상기 소정의 시간동안 레이저 다이오드에 공급되는 추가 전류는, 상기 소정의 시간동안 중 일부의 시간동안에만 증가하는 것을 특징으로 하는 광송신기.
    
15. 제14항에 있어서,
    상기 소정의 시간 중 상기 일부의 시간을 뺀 나머지 시간에 대해서는 상기 추가 전류가 유지되는 것을 특징으로 하는 광송신기.
    
    

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