KR102636656B1 - 광집적회로 및 마이크로파 수신기 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 마이크로파 수신기는 제1 펄스 광 신호를 출력하는 펄스 광 신호 발생기, 상기 제1 펄스 광 신호 및 마이크로파 신호를 수신하고, 상기 제1 펄스 광 신호를 이용하여 상기 마이크로파 신호를 하향 변환한 전기 신호를 출력하는 광집적회로, 상기 전기 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기, 및 상기 광집적 회로를 제어하는 컨트롤러를 포함한다. 상기 광집적회로는 상기 컨트롤러에 의해 조절 가능한 통과 대역을 기준으로 상기 제1 펄스 광 신호를 밴드패스 필터링하여 제2 펄스 광 신호를 출력하는 가변형 필터, 상기 제2 펄스 광 신호를 광 증폭하여 제3 펄스 광 신호를 출력하는 광 증폭기, 상기 제3 펄스 광 신호를 이용하여 상기 마이크로파 신호를 전광 변조하여 하향 변환된 광 신호를 출력하는 전광 변조기, 및 상기 하향 변환된 광 신호를 상기 전기 신호로 변환하는 제1 광 검출기를 포함한다.
Description
본 발명은 실리콘(Si) 광집적회로(Photonic integrated circuit) 및 이를 이용한 마이크로파 수신기에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 펄스 광 신호의 높은 피크 파워(peak power)로 인해 발생할 수 있는 실리콘(Si) 광 도파로에서의 비선형 현상을 제거할 수 있는 펄스 광 신호 대역폭 제어 회로를 이용한 광집적회로 및 마이크로파 수신기에 관한 것이다.
종래의 전자회로 기반의 마이크로파 수신기의 경우, 수신기를 구성하는 전자 소자의 제한된 대역폭 특성으로 인하여 넓은 대역폭의 신호를 수신하는 데 제한이 있다. 대역폭이 제한되는 문제를 해결하기 위해, 전광 변조기(Electro-optic modulator)를 이용하여 넓은 대역폭의 마이크로파 신호를 광 영역(Optical domain)으로 변조시킨 뒤 변조된 광 신호에 대하여 신호처리를 수행하는 광자 기반 수신 기술이 연구되고 있다.
펄스 광 신호를 이용하는 서브-샘플링(Sub-sampling) 기술을 이용하면, 주파수 하향 변환을 통해 고주파의 마이크로파 신호를 낮은 클럭 속도의 아날로그-디지털 컨버터(ADC)로도 수신할 수 있다. 이와 같은 광자기반 수신 기술을 상용화된 광 소자로 구현할 경우, 소형화 및 경량화에 어려움이 발생하므로, 드론과 같은 소형 무인 기기, 초소형 레이다 등과 같은 미래 레이다 기술에는 적용할 수 없다.
실리콘으로 구현되는 실리콘 광집적회로는 반도체 CMOS(Complementary metal-oxide-semiconductor)공정과 호환 가능하고 실리콘 물질의 높은 굴절률로 인해 고밀도 집적화가 가능하다. 그리고 실리콘 광집적회로는 III-V족 기반의 이종 물질로 구현되는 광원과 증폭기, 및 광 검출기 등과 집적화 되어 초소형 단일 칩 시스템(System-on-chip, SOC) 구현이 가능하다는 장점을 갖는다.
이때 실리콘 광집적회로를 이용하는 마이크로파 수신기가 마이크로파 신호를 높은 효율로 수신하기 위해서는 실리콘 광집적회로에 입력되는 펄스 광신호의 평균 광파워가 높아야 한다. 그러나, 실리콘 광집적회로 내부의 실리콘 광 도파로에 높은 광 파워가 인가될 경우, 추가 광 손실, 신호 왜곡 및 파장 변화 등과 같은 비선형 현상이 발생하여 수신 성능에 문제가 발생한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전술한 종래 실리콘 광집적회로 기반의 마이크로파 수신기가 갖는 문제를 해결하기 위한 것으로서, 실리콘 광집적회로의 비선형 현상을 억제하고 마이크로파 수신기의 수신 효율을 개선하기 위해 펄스 광 신호의 폭을 제어할 수 있는 광집적회로 및 마이크로파 수신기를 제공하는 것이다.
상술한 기술적 과제들을 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 광집적회로는 제1 펄스 광 신호를 수신하고, 조절 가능한 통과 대역을 기준으로 상기 제1 펄스 광 신호를 밴드패스 필터링하여 제2 펄스 광 신호를 출력하는 가변형 필터, 상기 제2 펄스 광 신호를 광 증폭하여 제3 펄스 광 신호를 출력하는 광 증폭기, 마이크로파 신호를 수신하고, 상기 제3 펄스 광 신호를 이용하여 상기 마이크로파 신호를 전광 변조하여 하향 변환된 광 신호를 출력하는 전광 변조기, 및 상기 하향 변환된 광 신호를 하향 변환된 전기 신호로 변환하는 제1 광 검출기를 포함한다.
일 예에 따르면, 상기 가변형 필터, 상기 광 증폭기, 및 상기 전광 변조기는 실리콘 도파로를 가질 수 있다.
다른 예에 따르면, 상기 가변형 필터는 상기 제1 펄스 광 신호가 입력되는 제1 도파로, 상기 제2 펄스 광 신호를 출력하는 제2 도파로, 상기 제1 도파로와 상기 제2 도파로 사이에 배치되는 적어도 하나의 링 도파로, 및 상기 적어도 하나의 링 도파로의 일부분 상에 각각 배치되는 적어도 하나의 마이크로 히터를 포함할 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 가변형 필터의 상기 통과 대역은 상기 적어도 하나의 마이크로 히터에 의해 조절될 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 광집적회로는 상기 제3 펄스 광 신호를 전기 신호로 변환한 모니터링 신호를 출력하는 제2 광 검출기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 마이크로파 수신기는 제1 펄스 광 신호를 출력하는 펄스 광 신호 발생기, 상기 제1 펄스 광 신호 및 마이크로파 신호를 수신하고, 상기 제1 펄스 광 신호를 이용하여 상기 마이크로파 신호를 하향 변환한 전기 신호를 출력하는 광집적회로, 상기 전기 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기, 및 상기 광집적 회로를 제어하는 컨트롤러를 포함한다. 상기 광집적회로는 상기 컨트롤러에 의해 조절 가능한 통과 대역을 기준으로 상기 제1 펄스 광 신호를 밴드패스 필터링하여 제2 펄스 광 신호를 출력하는 가변형 필터, 상기 제2 펄스 광 신호를 광 증폭하여 제3 펄스 광 신호를 출력하는 광 증폭기, 상기 제3 펄스 광 신호를 이용하여 상기 마이크로파 신호를 전광 변조하여 하향 변환된 광 신호를 출력하는 전광 변조기, 및 상기 하향 변환된 광 신호를 상기 전기 신호로 변환하는 제1 광 검출기를 포함한다.
일 예에 따르면, 상기 가변형 필터는 상기 제1 펄스 광 신호가 입력되는 제1 실리콘 도파로, 상기 제2 펄스 광 신호를 출력하는 제2 실리콘 도파로, 상기 제1 실리콘 도파로와 상기 제2 실리콘 도파로 사이에 배치되는 적어도 하나의 링 도파로, 및 상기 적어도 하나의 링 도파로의 일부분 상에 각각 배치되고, 상기 컨트롤러에 의해 제어되는 적어도 하나의 마이크로 히터를 포함할 수 있다.
다른 예에 따르면, 상기 가변형 필터의 상기 통과 대역은 상기 컨트롤러에 의해 상기 적어도 하나의 마이크로 히터를 통해 조절될 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 광집적회로는 상기 제3 펄스 광 신호를 전기 신호로 변환한 모니터링 신호를 출력하는 제2 광 검출기를 더 포함할 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 컨트롤러는 상기 제2 광 검출기로부터 상기 모니터링 신호를 수신하고, 상기 모니터링 신호를 기초로 상기 가변형 필터 및 상기 광 증폭기를 제어하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 광집적회로는 제1 펄스 광 신호를 수신하고, 조절 가능한 통과 대역을 기준으로 상기 제1 펄스 광 신호를 밴드패스 필터링하여 제2 펄스 광 신호를 출력하는 가변형 필터, 상기 제2 펄스 광 신호를 광 증폭하여 제3 펄스 광 신호를 출력하는 광 증폭기, 마이크로파 신호를 수신하고, 상기 제3 펄스 광 신호를 이용하여 상기 마이크로파 신호를 전광 변조하여 서로 위상차를 갖는 제1 광 신호와 제2 광 신호를 출력하는 전광 변조기, 및 상기 제1 광 신호와 상기 제2 광 신호를 하향 변환된 전기 신호로 각각 변환하는 제1 및 제2 광 검출기를 포함한다.
일 예에 따르면, 상기 전광 변조기는 상기 마이크로파 신호가 인가되는 제1 전극, 접지되는 제2 전극과 제3 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이로 연장되고 상기 제1 광 검출기에 연결되는 제1 암, 상기 제1 전극과 상기 제3 전극 사이로 연장되고 상기 제2 광 검출기에 연결되는 제2 암, 상기 제3 펄스 광 신호를 상기 제1 암과 상기 제2 암에 분배하는 광 분배기, 및 상기 제2 암의 일부분 상에 배치되고 컨트롤러에 의해 제어되는 마이크로 히터를 포함할 수 있다. 상기 제2 암의 상기 일부분은 상기 제1 암의 일부분과 인접히 평행하게 연장될 수 있다.
본 발명에 따른 광집적회로 기반의 마이크로파 수신기는 실리콘 광집적회로에 입력되는 펄스 광 신호의 높은 피크 파워(Peak power)로 인한 비선형 현상을 억제하고 최대의 수신 효율을 갖도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 광집적회로 기반의 마이크로파 수신기는 가변형 필터 및 광증폭기 구조로 구성된 대역폭 제어 회로를 통해 광 주파수 빗 발생기(Optical Frequency Comb Generator)로부터 전달되는 펄스 광 신호의 펄스 폭을 제어함으로써, 펄스 광 신호의 피크 파워로 인한 실리콘 광 도파로에서의 비선형 현상을 억제하면서도 최적의 효율로 수신할 수 있다.
본 발명에 따르면, 대역폭 제어 회로와 전광 변조기 사이의 모니터링 광 검출기를 통해 외부 온도 또는 구동 동작 조건 변화에 의한 전광 변조기에 입력되는 펄스 광 신호의 파워 변화를 확인하고 항상 미리 설정된 크기로 유지할 수 있도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로파 수신기의 블록도를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 필터링 전의 펄스 광 신호 및 이의 광 스펙트럼을 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 필터링 후의 펄스 광 신호 및 이의 광 스펙트럼을 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 광집적회로의 일부 구성을 도시한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전광 변조기를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 필터링 전의 펄스 광 신호 및 이의 광 스펙트럼을 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 필터링 후의 펄스 광 신호 및 이의 광 스펙트럼을 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 광집적회로의 일부 구성을 도시한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전광 변조기를 도시한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 개시의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 다양한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나 본 개시의 기술적 사상은 다양한 형태로 변형되어 구현될 수 있으므로 본 명세서에서 설명하는 실시예들로 제한되지 않는다. 본 명세서에 개시된 실시예들을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술을 구체적으로 설명하는 것이 본 개시의 기술적 사상의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 공지 기술에 대한 구체적인 설명을 생략한다. 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 오로지 특정 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 해당 용어의 사전적 의미로 한정하려는 의도로 사용한 것이 아니다. 본 명세서에서 어떤 요소가 다른 요소와 "연결"되어 있다고 기술될 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 요소를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 어떤 요소가 다른 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 요소 외에 또 다른 요소를 배제하는 것이 아니라 또 다른 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로파 수신기의 블록도를 도시한다.
도 1을 참조하면, 마이크로파 수신기(100)는 펄스 광 신호 발생기(110), 광집적회로(120), 아날로그-디지털 변환기(ADC, Analog-Digital Converter)(130) 및 컨트롤러(140)를 포함한다.
펄스 광 신호 발생기(110)는 제1 펄스 광 신호(OP1)를 출력한다. 펄스 광 신호 발생기(110)는 모드 잠금 레이저(MLL, Mode-locked laser) 장치 또는 광 주파수 빗 발생기(Optical Frequency Comb Generator)일 수 있다.
제1 펄스 광 신호(OP1)는 수 ㎓의 주파수로 출력될 수 있다. 예를 들면, 제1 펄스 광 신호(OP1)는 2㎓의 주파수에 해당하는 500㎰마다 주기적으로 출력될 수 있다. 제1 펄스 광 신호(OP1)의 펄스 폭은 0.25㎰일 수 있다. 제1 펄스 광 신호(OP1)의 평균 광 파워는 수 내지 수십 ㎽일 수 있다. 예를 들면, 제1 펄스 광 신호(OP1)의 평균 광 파워는 20㎽일 수 있다. 제1 펄스 광 신호(OP1)의 피크 파워는 수 내지 수십 W일 수 있다. 예를 들면, 제1 펄스 광 신호(OP1)의 피크 파워는 37W일 수 있다.
수 내지 수십 W의 피크 파워를 갖는 제1 펄스 광 신호(OP1)가 실리콘 도파로에 직접 인가될 경우, 비선형 현상이 발생하며, 추가적인 광 손실이 발생하게 된다.
광집적회로(120)는 제1 펄스 광 신호(OP1) 및 마이크로파 신호(SRF)를 수신하고, 제1 펄스 광 신호(OP1)를 이용하여 마이크로파 신호(SRF)를 하향 변환한 전기 신호(ES)를 출력한다.
광집적회로(120)는 가변형 필터(210), 광 증폭기(220), 전광 변조기(230) 및 제1 광 검출기(240)를 포함한다. 광집적회로(120)는 실리콘(Si) 기반의 광집적회로일 수 있으며, 실리콘 광 도파로를 포함할 수 있다. 예를 들면, 가변형 필터(210), 광 증폭기(220), 및 전광 변조기(230) 중 적어도 하나는 실리콘 물질로 형성되는 광 도파로를 포함할 수 있다.
가변형 필터(210)는 제1 펄스 광 신호(OP1)를 밴드패스 필터링하여 제2 펄스 광 신호(OP2)를 출력한다. 가변형 필터(210)는 조절 가능한 통과 대역의 신호만을 통과시킨다. 가변형 필터(210)의 통과 대역은 컨트롤러(240)에 의해 조절될 수 있다. 통과 대역의 중심 주파수는 컨트롤러(240)에 의해 조절될 수 있다.
가변형 필터(210)는 제1 펄스 광 신호(OP1)의 대역폭을 제어함으로써 제1 펄스 광 신호(OP1)의 피크 파워를 낮출 수 있다. 가변형 필터(210)는 1개 이상의 링 공진기 구조를 갖는 필터 소자를 포함할 수 있다. 링 공진기는 열 광학(Thermo-optic) 효과를 통해 투과 특성이 가변 또는 제어될 수 있도록 구성될 수 있다.
가변형 필터(210)에 의해 제1 펄스 광 신호(OP1)의 대역폭이 제어됨으로써, 제2 펄스 광 신호(OP2)의 피크 파워, 평균 광 파워, 및 시간 축 상의 펄스 폭이 조절될 수 있다.
제1 펄스 광 신호(OP1)와 제1 펄스 광 신호(OP1)를 밴드패스 필터링하여 생성되는 제2 펄스 광 신호(OP2)에 대하여 도 2a 및 도 2b를 참조하여 아래에서 더욱 자세히 설명한다.
광 증폭기(220)는 제2 펄스 광 신호(OP2)를 광 증폭하여 제3 펄스 광 신호(OP3)를 출력한다. 광 증폭기(220)는 반도체 광 증폭기일 수 있다. 광 증폭기(220)는 GaAs/AlGaAs, InP/InGaAs, InP/InGaAsP 및 InP/InAlGaAs와 같은 III-V 화합물 반도체로 만들어지지만 II-VI와 같은 직접 밴드갭 반도체를 사용할 수 있다. 광 증폭기(220)의 이득은 컨트롤러(240)에 의해 조절될 수 있다. III-V 화합물 반도체를 사용하는 광 증폭기(220)는 실리콘 기반의 광집적회로(120)에 집적될 수 있다.
제1 펄스 광 신호(OP1)이 가변형 필터(210)를 통과함에 따라 제2 펄스 광 신호(OP2)의 평균 광 파워는 제1 펄스 광 신호(OP1)의 평균 광 파워보다 낮아지게 된다. 광 증폭기(220)는 제2 펄스 광 신호(OP2)의 손실된 광 파워를 보상할 수 있다.
광집적회로(120)는 제3 펄스 광 신호(OP3)를 전기 신호로 변환한 모니터링 신호(MS)를 출력하는 제2 광 검출기(250)를 더 포함할 수 있다. 모니터링 신호(MS)는 컨트롤러(140)에 제공될 수 있다. 모니터링 신호(MS)를 통해 외부 온도 및 구동 동작조건 변화에 의해 제3 펄스 광 신호(OP3)의 광 파워가 어떻게 변화했는지를 확인할 수 있다.
전광 변조기(230)는 마이크로파 신호(SRF)를 수신하고, 제3 펄스 광 신호(OP3)를 이용하여 마이크로파 신호(SRF)를 전광(electro-optical) 변조하여 하향 변환된 광 신호(OS)를 출력한다. 전광 변조기(230)는 마하 젠더 변조기(Mach Zehnder Modulator)일 수 있다. 제3 펄스 광 신호(OP3)는 전광 변조기(230)에서 마이크로파 신호(SRF)와 서브-샘플링(sub-sampling)을 수행하게 된다.
마이크로파 신호(SRF)의 주파수가 fRF이고, 제3 펄스 광 신호(OP3)의 펄스 반복률이 f0이라면, 서브-샘플링에 의해 하향 변환된 광 신호(OS)는 |f0-fRF|의 주파수 성분을 갖게 된다. 전광 변조기(230)와 제1 광 검출기(240) 사이에 |f0-fRF|를 포함하는 주파수 대역을 통과시키는 밴드패스 필터 또는 로우패스 필터가 배치될 수도 있다.
제1 광 검출기(240)는 하향 변환된 광 신호(OS)를 전기 신호(ES)로 변환한다. 전기 신호(ES)는 ADC(130)에 제공된다.
ADC(130)는 전기 신호(ES)를 디지털 신호(DS)로 변환한다. ADC(130)는 마이크로파 신호(SRF)의 주파수보다 낮은 클럭 속도로 전기 신호(ES)를 디지털 신호(DS)로 변환할 수 있다. 디지털 신호(DS)는 컨트롤러(140)에 제공될 수 있다. 다른 예에 따르면, 디지털 신호(DS)는 복호 회로에 제공될 수 있다.
컨트롤러(140)는 광집적 회로(120)를 제어한다. 컨트롤러(140)는 제1 제어 신호(CS1)를 이용하여 광집적회로(120)의 가변형 필터(210)의 통과 대역을 제어할 수 있다. 컨트롤러(140)는 제2 제어 신호(CS2)를 이용하여 광집적회로(120)의 광 증폭기(220)의 증폭 이득을 제어할 수 있다. 컨트롤러(140)는 모니터링 신호(MS)를 이용하여 가변형 필터(210)의 통과 대역 및 광 증폭기(220)의 증폭 이득 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로파 수신기(100)는 가변형 필터(210) 및 광 증폭기(220)를 포함하는 대역폭 제어 회로를 이용하여 펄스 광 신호 발생기(110)로부터 인가되는 제1 펄스 광 신호(OP1)의 펄스 폭을 제어함으로써, 실리콘 기반의 광집적회로(120)가 비선형 현상없이 마이크로파 신호(SRF)를 최대의 수신 효율로 수신할 수 있도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로파 수신기(100)는 가변형 필터(210) 및 광 증폭기(220)를 포함하는 대역폭 제어 회로로부터 전광 변조기(230)에 전달되는 제3 펄스 광 신호(OP3)를 모니터링하기 위한 제2 광 검출기(250)를 통해 외부 온도 또는 구동 동작조건 변화에 의한 제3 펄스 광 신호(OP3)의 광 파워 변화를 확인할 수 있다. 제3 펄스 광 신호(OP3)의 평균 광 파워, 피크 파워, 및 펄스 폭이 미리 설정된 수준으로 유지될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 필터링 전의 펄스 광 신호 및 이의 광 스펙트럼을 도시한다.
도 2a를 참조하면, 제1 펄스 광 신호(OP1)은 펄스 주파수(f0)에 대응하는 펄스 주기(T0)마다 피크 파워(p1)를 갖도록 출력된다. 예시적으로, 제1 펄스 광 신호(OP1)의 펄스 주파수(f0)가 2㎓인 경우, 펄스 주기(T0)는 500㎰이다. 제1 펄스 광 신호(OP1)의 펄스 폭(w1)은 0.25㎰이고, 피크 파워(p1)는 44W이며, 평균 광 파워는 14.0dBm으로서, 약 25㎽이다. 제1 펄스 광 신호(OP1)의 광 스펙트럼은 도 2b에 도시된다.
도 3a 및 도 3b는 필터링 후의 펄스 광 신호 및 이의 광 스펙트럼을 도시한다.
도 3a를 참조하면, 제2 펄스 광 신호(OP2)도 펄스 주기(T0)마다 피크 파워(p2)를 갖도록 출력된다. 제2 펄스 광 신호(OP2)는 제1 펄스 광 신호(OP1)가 통과 대역폭(BW)으로 필터링된 신호이므로, 제2 펄스 광 신호(OP2)의 피크 파워(p2)는 제1 펄스 광 신호(OP1)의 피크 파워(p1)보다 작다. 제2 펄스 광 신호(OP2)는 제1 펄스 광 신호(OP1)보다 큰 펄스 폭(w2)을 갖고, 제1 펄스 광 신호(OP1)보다 작은 평균 광 파워를 갖는다. 통과 대역폭(BW)이 좁을수록 제2 펄스 광 신호(OP2)의 피크 파워(p2)와 평균 광 파워는 작아지며, 펄스 폭(w2)은 넓어지게 된다.
예를 들면, 가변형 필터(210)의 통과 대역폭(BW)이 2㎚인 경우, 제2 펄스 광 신호(OP2)의 피크 파워(p2)는 0.29W, 펄스 폭(w2)은 3.2㎰, 평균 광 파워는 3.2dBm이었다. 가변형 필터(210)의 통과 대역폭(BW)이 1㎚인 경우, 제2 펄스 광 신호(OP2)의 피크 파워(p2)는 74.9㎽, 펄스 폭(w2)은 6.4㎰, 평균 광 파워는 0.024dBm이었다. 가변형 필터(210)의 통과 대역폭(BW)이 0.5㎚인 경우, 제2 펄스 광 신호(OP2)의 피크 파워(p2)는 19.7㎽, 펄스 폭(w2)은 11㎰, 평균 광 파워는 -3.5dBm이었다. 통과 대역폭(BW)이 2㎚인 경우, 1㎚인 경우, 및 0.5㎚인 경우 모두 제2 펄스 광 신호(OP2)의 펄스 폭(w2)은 기준치인 12.5㎰보다 작았다.
제2 펄스 광 신호(OP2)의 감소된 평균 광 파워는 광 증폭기(220)를 통해 보상될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 광집적회로의 일부 구성을 도시한다.
도 4를 참조하면, 가변형 필터(210), 광 증폭기(220) 및 전광 변조기(230)가 도시된다.
가변형 필터(210)는 제1 펄스 광 신호(OP1)가 입력되는 제1 도파로(211), 제2 펄스 광 신호(OP2)를 출력하는 제2 도파로(212), 및 제1 도파로(211)와 제2 도파로(212) 사이에 배치되는 적어도 하나의 링 도파로와 적어도 하나의 마이크로 히터를 포함할 수 있다.
적어도 하나의 링 도파로는 제1 링 도파로(213) 및 제2 링 도파로(215)를 포함할 수 있고, 적어도 하나의 마이크로 히터는 제1 마이크로 히터(214) 및 제2 마이크로 히터(216)를 포함할 수 있다. 제1 마이크로 히터(214)는 제1 링 도파로(213)의 일부분 상에 배치되고, 제2 마이크로 히터(216)는 제2 링 도파로(215)의 일부분 상에 배치될 수 있다.
제1 마이크로 히터(214)와 제2 마이크로 히터(216)는 컨트롤러(140)로부터 제공되는 제1 제어 신호들(CS1a, CS1b)에 의해 각각 제어될 수 있으며, 제1 마이크로 히터(214)와 제2 마이크로 히터(216)가 공급하는 열에 의해 제1 링 도파로(213) 및 제2 링 도파로(215)에는 열광학 효과가 발생하며, 가변형 필터(210)의 투과 특성이 가변 또는 제어된다. 컨트롤러(140)는 제1 제어 신호들(CS1a, CS1b)을 통해 가변형 필터(210)의 통과 대역을 제어할 수 있다. 컨트롤러(140)는 제1 제어 신호들(CS1a, CS1b)을 통해 가변형 필터(210)의 통과 대역의 중심 주파수를 제어할 수 있다.
컨트롤러(140)는 제1 제어 신호(CS1a)를 제1 링 도파로(213) 상의 제1 마이크로 히터(214)에 공급하여, 제1 링 도파로(213)로 구성되는 제1 링 공진기의 공진 주파수를 조절할 수 있다. 컨트롤러(140)는 제1 제어 신호(CS1b)를 제2 링 도파로(215) 상의 제2 마이크로 히터(216)에 공급하여, 제2 링 도파로(215)로 구성되는 제2 링 공진기의 공진 주파수를 조절할 수 있다. 제1 링 공진기의 공진 주파수와 제2 링 공진기의 공진 주파수가 개별적으로 조절됨에 따라 가변형 필터(210)의 통과 대역이 조절될 수 있다. 예를 들면, 제1 링 공진기의 공진 주파수와 제2 링 공진기의 공진 주파수가 동일하면, 가변형 필터(210)의 통과 대역은 좁아지고, 제1 링 공진기의 공진 주파수와 제2 링 공진기의 공진 주파수가 달라질수록, 가변형 필터(210)의 통과 대역은 넓어지고 이득은 감소하게 된다.
광 증폭기(220)는 제2 펄스 광 신호(OP2)가 입력되고 제3 펄스 광 신호(OP3)가 출력되는 도파로(221), 및 도파로(221)를 사이에 두는 제1 전극(222)과 제2 전극(223)을 포함한다. 도파로(221)는 가변형 필터(210)의 제2 도파로(212)가 연장된 것일 수 있다. 제1 전극(222)과 제2 전극(223) 사이에 p-n 정션과 도파로(221)가 배치될 수 있다. 제2 제어 신호(CS2)에 따라 제1 전극(222)과 제2 전극(223) 사이에 전기적 전류가 인가되면, 도파로(221)에 입력되는 제2 펄스 광 신호(OP2)가 증폭할 수 있다. 그에 따라, 제2 펄스 광 신호(OP2)가 증폭된 제3 펄스 광 신호(OP3)가 광 증폭기(220)로부터 출력될 수 있다.
전광 변조기(230)는 제3 펄스 광 신호(OP3)가 입력되는 광 분배기(231)와 하향 변환된 광 신호(OS)가 출력되는 광 결합기(232), 및 광 분배기(231)와 광 결합기(232) 사이의 제1 및 제2 암(233, 234), 마이크로파 신호(SRF)가 인가되는 제1 전극(235)과 제2 및 제3 전극(236, 237)을 포함할 수 있다.
광 분배기(231)는 제3 펄스 광 신호(OP3)를 제1 및 제2 암(233, 235)에 분배한다. 제1 암(233)은 마이크로파 신호(SRF)가 인가되는 제1 전극(235)과 접지되는 제2 전극(236) 사이에 배치된다. 제1 암(233)과 제1 전극(235)의 사이에는 p형 반도체층이 배치되고, 제1 암(233)과 제2 전극(236) 사이에는 n형 반도체층이 배치될 수 있다.
제2 암(234)은 마이크로파 신호(SRF)가 인가되는 제1 전극(235)과 접지되는 제3 전극(237) 사이에 배치된다. 제2 암(234)과 제1 전극(235)의 사이에는 p형 반도체층이 배치되고, 제2 암(234)과 제3 전극(237) 사이에는 n형 반도체층이 배치될 수 있다.
제3 펄스 광 신호(OP3)는 전광 변조기(230)에서 마이크로파 신호(SRF)와 서브-샘플링(sub-sampling)을 수행하게 된다. 마이크로파 신호(SRF)의 주파수가 fRF이고, 제3 펄스 광 신호(OP3)의 펄스 반복률이 f0이라면, 서브-샘플링에 의해 하향 변환된 광 신호(OS)는 |f0-fRF|의 주파수 성분을 갖게 된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전광 변조기를 도시한다.
도 5를 참조하면, 전광 변조기(230a)는 제3 펄스 광 신호(OP3)를 이용하여 마이크로파 신호(SRF)를 전광 변조하여 서로 위상차를 갖는 제1 광 신호(OS1)와 제2 광 신호(OS2)를 출력할 수 있다. 제1 광 검출기(240a)는 제1 광 신호(OS1)를 전기 신호로 변환하고, 제2 광 검출기(240b)는 제2 광 신호(OS2)를 전기 신호로 변환하여, 마이크로파 신호(SRF)를 하향 변환한 전기 신호(ES)를 생성할 수 있다.
전광 변조기(230a)는 마이크로파 신호(SRF)가 인가되는 제1 전극(235), 및 접지되는 제2 전극(236)과 제3 전극(237)을 갖는다.
전광 변조기(230a)는 제3 펄스 광 신호(OP3)를 제1 암(233)과 제2 암(234)에 분배하는 광 분배기(231)를 포함한다. 제1 암(233)과 제2 암(234)은 광 도파로이다. 제1 암(233)은 제1 전극(235)과 제2 전극(236) 사이로 연장되고 제1 광 검출기(240a)에 연결된다. 제2 암(234)은 제1 전극(235)과 제3 전극(237) 사이로 연장되고 제2 광 검출기(240b)에 연결된다. 제2 암(234)의 일부분(234p) 상에 마이크로 히터(238)가 배치된다. 마이크로 히터(238)는 컨트롤러(도 1의 140)로부터 제공되는 제3 제어 신호(CS3)에 의해 제어될 수 있으며, 제3 제어 신호(CS3)에 따라 제2 암(234)의 일부분(234p)에 열을 방출함으로써 제2 암(235)을 통과하는 광 신호의 위상을 제어할 수 있다. 제2 암(234)의 일부분(234p)은 제1 암(233)의 일부분(233p)와 인접히 평행하게 연장될 수 있다.
마이크로 히터(238)가 공급하는 열에 의해 전광 변조기(230a)의 제2 암(234)에는 열광학 효과가 발생하며, 초기 위상을 제어할 수 있다. 기본적으로 마하 젠더(Mach Zehnder) 구조 기반의 전광 변조 회로(MZM)를 통해 마이크로 신호(SRF)를 변조시키기 위해서는 제1 전극(235)에 적절한 직류 전압을 인가하여 동작점을 설정할 수 있다. 이상적인 마하 젠더 구조 기반의 전광 변조 회로의 경우, 제1 암(233)과 제2 암(234)을 지나는 광 신호의 위상차가 π/2일 때 입력 신호의 크기에 대한 출력 신호의 크기가 가장 선형적인 관계를 갖는다.
마이크로 히터(238)가 공급하는 열에 의해 제2 암(234)의 일부분(234p)을 통과하는 광 신호의 위상을 제어할 수 있다. 그에 따라 제1 광 신호(OS1)와 제2 광 신호(OS2) 간의 위상차가 제어될 수 있다. 제1 암(233)과 제2 암(234)을 통과하는 광 신호들의 초기 위상 차이에 따라 가장 선형적인 신호 변조를 위해 마이크로파 신호(SRF)와 함께 제1 전극(235)에 인가하는 직류 전압의 크기가 달라질 수 있다. 마이크로 히터(238)가 열광학 효과를 발생시킴으로써 제1 암(233)과 제2 암(234)을 통과하는 광 신호들의 초기 위상차를 제어함으로써 제1 전극(235)에 인가해야 하는 직류 전압의 크기를 낮출 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 다양한 실시예들은 예시적이며, 서로 구별되어 독립적으로 실시되어야 하는 것은 아니다. 본 명세서에서 설명된 실시예들은 서로 조합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 마이크로파 수신기
110: 펄스 광 신호 발생기
120: 광집적회로
130: ADC
140: 컨트롤러
210: 가변형 필터
220: 광 증폭기
230: 전광 변조기
240: 제1 광 검출기
250: 제2 광 검출기
110: 펄스 광 신호 발생기
120: 광집적회로
130: ADC
140: 컨트롤러
210: 가변형 필터
220: 광 증폭기
230: 전광 변조기
240: 제1 광 검출기
250: 제2 광 검출기
Claims (12)
- 제1 펄스 광 신호를 수신하고, 조절 가능한 통과 대역을 기준으로 상기 제1 펄스 광 신호를 밴드패스 필터링하여 제2 펄스 광 신호를 출력하는 가변형 필터;
상기 제2 펄스 광 신호를 광 증폭하여 제3 펄스 광 신호를 출력하는 광 증폭기;
마이크로파 신호를 수신하고, 상기 제3 펄스 광 신호를 이용하여 상기 마이크로파 신호를 전광 변조하여 하향 변환된 광 신호를 출력하는 전광 변조기; 및
상기 하향 변환된 광 신호를 하향 변환된 전기 신호로 변환하는 제1 광 검출기를 포함하는 광집적회로. - 청구항 1에 있어서,
상기 가변형 필터, 상기 광 증폭기, 및 상기 전광 변조기는 실리콘 도파로를 갖는 것을 특징으로 하는 광집적회로. - 청구항 2에 있어서,
상기 가변형 필터는,
상기 제1 펄스 광 신호가 입력되는 제1 도파로;
상기 제2 펄스 광 신호를 출력하는 제2 도파로;
상기 제1 도파로와 상기 제2 도파로 사이에 배치되는 적어도 하나의 링 도파로; 및
상기 적어도 하나의 링 도파로의 일부분 상에 각각 배치되는 적어도 하나의 마이크로 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광집적회로. - 청구항 3에 있어서,
상기 가변형 필터의 상기 통과 대역은 상기 적어도 하나의 마이크로 히터에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 광집적회로. - 청구항 1에 있어서,
상기 제3 펄스 광 신호를 전기 신호로 변환한 모니터링 신호를 출력하는 제2 광 검출기를 더 포함하는 광집적회로. - 제1 펄스 광 신호를 출력하는 펄스 광 신호 발생기;
상기 제1 펄스 광 신호 및 마이크로파 신호를 수신하고, 상기 제1 펄스 광 신호를 이용하여 상기 마이크로파 신호를 하향 변환한 전기 신호를 출력하는 광집적회로;
상기 전기 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기; 및
상기 광집적 회로를 제어하는 컨트롤러를 포함하고,
상기 광집적회로는,
상기 컨트롤러에 의해 조절 가능한 통과 대역을 기준으로 상기 제1 펄스 광 신호를 밴드패스 필터링하여 제2 펄스 광 신호를 출력하는 가변형 필터;
상기 제2 펄스 광 신호를 광 증폭하여 제3 펄스 광 신호를 출력하는 광 증폭기;
상기 제3 펄스 광 신호를 이용하여 상기 마이크로파 신호를 전광 변조하여 하향 변환된 광 신호를 출력하는 전광 변조기; 및
상기 하향 변환된 광 신호를 상기 전기 신호로 변환하는 제1 광 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 수신기. - 청구항 6에 있어서,
상기 가변형 필터는,
상기 제1 펄스 광 신호가 입력되는 제1 실리콘 도파로;
상기 제2 펄스 광 신호를 출력하는 제2 실리콘 도파로;
상기 제1 실리콘 도파로와 상기 제2 실리콘 도파로 사이에 배치되는 적어도 하나의 링 도파로; 및
상기 적어도 하나의 링 도파로의 일부분 상에 각각 배치되고, 상기 컨트롤러에 의해 제어되는 적어도 하나의 마이크로 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 수신기. - 청구항 7에 있어서,
상기 가변형 필터의 상기 통과 대역은 상기 컨트롤러에 의해 상기 적어도 하나의 마이크로 히터를 통해 조절되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 수신기. - 청구항 6에 있어서,
상기 광집적회로는 상기 제3 펄스 광 신호를 전기 신호로 변환한 모니터링 신호를 출력하는 제2 광 검출기를 더 포함하는 마이크로파 수신기. - 청구항 9에 있어서,
상기 컨트롤러는 상기 제2 광 검출기로부터 상기 모니터링 신호를 수신하고, 상기 모니터링 신호를 기초로 상기 가변형 필터 및 상기 광 증폭기를 제어하도록 구성되는 마이크로파 수신기. - 제1 펄스 광 신호를 수신하고, 조절 가능한 통과 대역을 기준으로 상기 제1 펄스 광 신호를 밴드패스 필터링하여 제2 펄스 광 신호를 출력하는 가변형 필터;
상기 제2 펄스 광 신호를 광 증폭하여 제3 펄스 광 신호를 출력하는 광 증폭기;
마이크로파 신호를 수신하고, 상기 제3 펄스 광 신호를 이용하여 상기 마이크로파 신호를 전광 변조하여 서로 위상차를 갖는 제1 광 신호와 제2 광 신호를 출력하는 전광 변조기; 및
상기 제1 광 신호와 상기 제2 광 신호를 하향 변환된 전기 신호로 각각 변환하는 제1 및 제2 광 검출기를 포함하는 광집적회로. - 청구항 11에 있어서,
상기 전광 변조기는,
상기 마이크로파 신호가 인가되는 제1 전극;
접지되는 제2 전극과 제3 전극;
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이로 연장되고 상기 제1 광 검출기에 연결되는 제1 암;
상기 제1 전극과 상기 제3 전극 사이로 연장되고 상기 제2 광 검출기에 연결되는 제2 암;
상기 제3 펄스 광 신호를 상기 제1 암과 상기 제2 암에 분배하는 광 분배기; 및
상기 제2 암의 일부분 상에 배치되고 컨트롤러에 의해 제어되는 마이크로 히터를 포함하고,
상기 제2 암의 상기 일부분은 상기 제1 암의 일부분과 인접히 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는 광집적회로.
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|---|---|---|---|
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- 2023-08-24 KR KR1020230111507A patent/KR102636656B1/ko active IP Right Grant
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