KR102654185B1 - 고감도 to형 광 수신기 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 고감도 TO형 광 수신기는, 외부에서 전달되는 광 신호를 투과시키는 윈도우가 구비된 TO 캡; 상기 TO 캡의 일측에 접하며, 상기 TO 캡과 함께 내부 공간을 형성하는 TO 스템; 상기 내부 공간에 배치되며, 상기 윈도우를 투과하는 광 신호를 증폭하여 방출하는 광 신호 증폭기; 상기 내부 공간에 배치되며, 상기 광 신호 증폭기에서 방출되는 광 신호를 전기 신호로 변환하는 광 검출기; 및 상기 내부 공간에 배치되며, 상기 광 검출기에 의해 변환된 전기 신호를 증폭하는 전기 신호 증폭기를 포함한다. 이러한 본 발명에 의하면, 광 검출기의 전단에 배치되는 광 신호 증폭기가 광 신호를 광학적으로 증폭하고, 광 검출기의 후단에 배치되는 전기 신호 증폭기가 전기 신호를 전기적으로 증폭하기 때문에, 외부에서 전달되는 광 신호의 수신 감도를 대폭 향상시킬 수 있다.

Description

고감도 TO형 광 수신기{HIGH SENSITIVITY TO TYPE OPTICAL RECEIVER}
본 발명은 외부에서 전달되는 광 신호를 고감도로 수신할 수 있는 TO형 광 수신기에 관한 것이다.
스마트폰, 고성능 텔레비전(HDTV, 3D TV, 스마트 TV), 전자상거래 및 주문형 비디오(VOD: Video On Demand) 등 다양한 멀티미디어 서비스에 대한 요구를 충족시키기 위해서는 현존하는 광 통신망의 용량 확장이 요구되며, 이러한 이유로 인해 파장 분할 멀티플렉싱(WDM: Wavelength-Division Multiplexing) 기술이 궁극적인 대안으로 인식되고 있다.
WDM 기술은 한 가닥의 광 섬유를 통해 서로 다른 파장을 갖는 광을 묶어서 전송하는 기술로서, 각 가입자에게 고유의 독립적인 파장 할당을 통해 점대점(point-to-point)의 전용 채널을 제공한다. 각 가입자는 자신에게 할당된 파장을 갖는 광 신호를 사용하기 때문에 비교적 높은 통신 속도로 중앙국과 통신할 수 있게 된다.
하기 특허문헌 1은 양방향 광 서브어셈블리에 관해 개시하고 있다. 특허문헌 1에 개시된 양방향 광 서브어셈블리가 가입자 측에 설치된 것일 경우, 중앙국에서 송신되는 광 신호는 가입자 측에 설치된 광 수신기의 집속 렌즈를 거쳐 포토다이오드에 입력되며, 이때 포토다이오드는 광 신호를 전기 신호로 변환하여 제어기(미도시)에 전달한다. 다만, 포토다이오드에 입력되는 광 신호의 세기가 너무 작을 경우에는 중앙국과 가입자 간 통신이 원활하게 이루어지지 않기 때문에, 도 1에 도시된 바와 같이 포토다이오드에 의해 변환된 전기 신호를 증폭할 것이 요구된다.
도 1은 종래의 TO형 광 수신기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 TO형 광 수신기(1)는 TO 캡(10), TO 스템(20), 포토다이오드(50) 및 TIA(transimpedance amplifier)(60)를 포함한다.
TO 캡(10)에는 외부에서 전달되는 광 신호를 투과시키는 윈도우(12)가 구비되어 있다. 여기서, 상기 외부에서 전달되는 광 신호의 일 예는 광 섬유(미도시)를 통해 전달되는 광 신호가 이에 해당될 수 있다. TO 스템(20)은 TO 캡(10)의 일측에 접하며, TO 캡(10)과 함께 광 수신기(1)의 내부 공간(25)을 형성한다.
포토다이오드(50)는 광 수신기(1)의 내부 공간(25)에 배치되며 윈도우(12)를 투과하는 광 신호를 전기 신호로 변환하고, TIA(60)는 포토다이오드(50)에 의해 변환된 전기 신호를 증폭한다. TIA(60)에 의해 증폭된 전기 신호에는 DC 전압 신호와 AC 전압 신호가 포함될 수 있다. 상기 DC 전압 신호는 DC 전압 신호 핀(도 1의 RSSI)을 통해 제어기(미도시)에 전달되며, 제어기는 상기 DC 전압 신호를 이용하여 광 신호의 세기를 감지한다. 상기 AC 전압 신호는 AC 전압 신호 핀(도 1의 Data+ 및 Data-)을 통해 제어기에 전달되며, 제어기는 상기 AC 전압 신호를 이용하여 상기 외부에서 전달되는 광 신호와 동일한 형태의 신호를 생성한다.
이와 같이, 종래의 TO형 광 수신기(1)는 포토다이오드(50)의 후단에 TIA(60)를 배치하고, 포토다이오드(50)에 의해 변환된 전기 신호를 TIA(60)가 전기적으로 증폭하는 방법을 통해 광 신호의 수신 감도를 향상시키고 있었다. 하지만, TIA(60)의 동적 범위(dynamic range)에는 제한이 있고, 전기 신호의 증폭 시 노이즈도 함께 증폭되기 때문에, 광 신호에서 변환된 전기 신호가 매우 작을 경우에는 전기 신호와 노이즈를 구분하는 것이 매우 어렵다는 문제점이 있다. 즉, 종래와 같이 단순히 TIA(60)를 통한 전기 신호의 증폭만으로는 광 신호의 수신 감도를 향상시키는 데 있어서 한계가 존재하였다.
한국 등록특허공보 제10-2233342호(2021.03.23.)
본 발명은 외부에서 전달되는 광 신호의 수신 감도를 향상시킬 수 있는 고감도 TO형 광 수신기를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제만으로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 고감도 TO형 광 수신기는, 외부에서 전달되는 광 신호를 투과시키는 윈도우가 구비된 TO 캡; 상기 TO 캡의 일측에 접하며, 상기 TO 캡과 함께 내부 공간을 형성하는 TO 스템; 상기 내부 공간에 배치되며, 상기 윈도우를 투과하는 광 신호를 증폭하여 방출하는 광 신호 증폭기; 상기 내부 공간에 배치되며, 상기 광 신호 증폭기에서 방출되는 광 신호를 전기 신호로 변환하는 광 검출기; 상기 내부 공간에 배치되며, 상기 광 검출기에 의해 변환된 전기 신호를 증폭하는 전기 신호 증폭기; 상기 내부 공간이자 상기 광 신호 증폭기의 외부에 배치되며, 상기 광 신호 증폭기의 온도를 센싱하는 온도 센서; 상기 내부 공간이자 상기 광 신호 증폭기의 외부에 배치되며, 상기 온도 센서에 의해 센싱된 광 신호 증폭기의 온도에 기초하여 상기 광 신호 증폭기의 온도를 조절하는 열전 냉각기; 상기 열전 냉각기의 상부에 배치되며, 상기 광 신호 증폭기, 상기 광 검출기, 상기 전기 신호 증폭기 및 상기 온도 센서가 안착되는 금속 재질의 안착 부재; 상기 온도 센서에 의해 센싱된 광 신호 증폭기의 온도 정보를 상기 고감도 TO형 광 수신기의 외부에 존재하는 제어기로 전달하기 위하여 상기 TO 스템에 구비되어 있는 온도 센서 핀; 및 상기 제어기가 상기 열전 냉각기를 제어하기 위하여 상기 TO 스템에 구비되어 있는 온도 조절 핀을 포함하며, 상기 온도 센서는 상기 안착 부재의 온도를 상기 광 신호 증폭기의 온도로서 센싱하고, 상기 온도 센서에 의해 센싱된 광 신호 증폭기의 온도 정보는 상기 온도 센서 핀을 통해 상기 제어기로 전달되어 상기 제어기가 상기 광 신호 증폭기의 온도 정보를 이용하여 상기 광 신호 증폭기의 온도를 감지하도록 하고, 상기 제어기가 상기 온도 조절핀을 통해 상기 열전 냉각기를 제어할 경우, 상기 열전 냉각기는 상기 광 신호 증폭기의 온도가 상기 제어기에 기 설정된 온도 범위 내에 존재하도록 상기 광 신호 증폭기의 온도를 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 고감도 TO형 광 수신기는, 상기 내부 공간에 배치되며, 상기 광 신호 증폭기에서 방출되는 광 신호의 파장이 기 설정된 파장 범위 내에 존재하도록 상기 광 신호 증폭기에서 방출되는 광 신호를 필터링하는 광학 필터를 더 포함할 수 있으며, 이때 상기 광 검출기는 상기 광학 필터에 의해 필터링된 광 신호를 전기 신호로 변환할 수 있다.
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상기 TO 스템에는 상기 광 신호 증폭기에 바이어스 전류를 주입하기 위한 바이어스 전류 핀이 구비될 수 있다.
상기 광 신호 증폭기는 상기 윈도우를 투과하는 광 신호의 세기에 따라 상이한 크기를 갖는 바이어스 전류 신호를 상기 바이어스 전류 핀을 통해 주입받을 수 있다.
상기 광 검출기는 단일의 PIN PD(positive-intrinsic-negative photodiode)일 수 있다. 또는, 상기 광 검출기는 APD(avalanche photodiode)일 수 있다.
본 발명은 광 검출기의 전단에 배치되는 광 신호 증폭기가 광 신호를 광학적으로 증폭(1차 증폭)하고, 광 검출기의 후단에 배치되는 전기 신호 증폭기가 전기 신호를 전기적으로 증폭(2차 증폭)하도록 구성되어 있기 때문에, 외부에서 전달되는 광 신호의 수신 감도를 대폭 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 금속 재질의 안착 부재, 온도 센서 및 열전 냉각기에 의해 광 신호 증폭기의 동작 온도가 안정화되도록 구성되어 있기 때문에 광 신호 증폭기의 증폭 동작이 안정적으로 수행될 수 있으며, 그 결과 광 신호의 수신 감도 향상에 크게 기여할 수 있다.
도 1은 종래의 TO형 광 수신기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 TO형 광 수신기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 광 신호의 파장이 1310nm일 때, 광 신호 증폭기에 입력되는 광 신호의 세기와 광 신호 증폭기의 최대 게인 간 관계를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 고감도 TO형 광 수신기에 대해 상세히 설명한다. 첨부한 도면들은 통상의 기술자에게 본 발명의 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 어디까지나 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명은 이하 제시되는 도면들로 한정되지 않고 다른 형태로 얼마든지 구체화될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 TO형 광 수신기(1000)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 TO형 광 수신기(1000)는 TO 캡(100), TO 스템(200), 광 신호 증폭기(300), 광 검출기(500) 및 전기 신호 증폭기(600)를 포함할 수 있다.
도 2는 고감도 TO형 광 수신기(1000)의 단면을 도시한 것으로서, 고감도 TO형 광 수신기(1000)의 단면은 4개의 테두리를 갖는, 대략적으로 직사각형의 형상일 수 있다. 광 수신기(1000)의 4개의 테두리는 TO 캡(100) 및 TO 스템(200)에 의해 형성될 수 있다. 구체적으로, TO 캡(100)은 광 수신기(1000)의 우측 테두리, 상측 테두리 및 하측 테두리를 형성할 수 있고, TO 스템(200)은 광 수신기(1000)의 좌측 테두리를 형성할 수 있다.
TO 캡(100)에는 외부에서 전달되는 광 신호를 투과시키는 윈도우(120)가 구비될 수 있다. 도 2를 참고하면, 윈도우(120)는 TO 캡(100)의 우측에 구비될 수 있으며 평면 형상일 수 있다. 다만, 경우에 따라서 윈도우(120)는 볼(ball) 형상일 수도 있고, 비구면(aspherical) 형상일 수도 있다. 외부에서 전달되는 광 신호의 일 예는 광 섬유(미도시)를 통해 전달되는 광 신호가 이에 해당될 수 있다.
TO 스템(200)은 TO 캡(100)의 일측(도 2에서는 TO 캡(100)의 좌측)에 접하며, TO 캡(100)과 함께 광 수신기(1000)의 내부 공간(250)을 형성한다. 외부에서 전달되는 광 신호는 TO 캡(100)에 구비된 윈도우(120)를 투과한 뒤, TO 캡(100)과 TO 스템(200)에 의해 형성되는 내부 공간(250)으로 입력된다.
광 신호 증폭기(300)는 광 수신기(1000)의 내부 공간(250)에 배치되며, 윈도우(120)를 투과하는 광 신호를 증폭하여 방출하는 역할을 한다. 여기서, 광 신호 증폭기(300)는 SOA(semiconductor optical amplifier)로 이루어지거나, 이를 포함해서 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같이 종래에는 포토다이오드에 의해 변환된 전기 신호를 TIA가 증폭하는 방법만으로 광 신호의 수신 감도를 향상시키고 있었으나, TIA의 동적 범위 제한, 및 전기 신호의 증폭 시 노이즈도 함께 증폭되는 문제로 인해 광 신호의 수신 감도를 향상시키는 데 한계가 있었다. 이에 본 발명에서는 광 검출기(500)의 전단에 광 신호 증폭기(300)를 배치하고, 광 검출기(500)가 광 신호를 전기 신호로 변환하기 전에 광 신호 증폭기(300)가 광 신호를 광학적으로 증폭함으로써, 광 신호의 수신 감도가 대폭 향상될 수 있도록 한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 수신기(1000)는 먼저 광 신호 증폭기(300)가 광 신호를 광학적으로 적정량 증폭(1차 증폭)하고, 후술하는 전기 신호 증폭기(600)가 전기 신호를 전기적으로 적정량 증폭(2차 증폭)하도록 구성됨으로써, 광 신호의 수신 감도가 대폭 향상될 수 있도록 한다.
광 신호 증폭기(300)에서 방출되는 광 신호는 광 검출기(500)에 전달된다. 광 검출기(500)는 광 수신기(1000)의 내부 공간(250)에 배치되며, 광 신호 증폭기(300)에서 방출되는 광 신호를 전기 신호(예를 들어, 전류 신호)로 변환한다.
여기서, 광 검출기(500)는 단일의 PIN PD(positive-intrinsic-negative photodiode)일 수 있다. 광 검출기(500)가 단일의 PIN PD인 경우에는 광 검출기(500)가 APD(avalanche photodiode)인 경우에 비해 광 수신기(1000)를 비교적 저렴한 비용으로 제조할 수 있다.
또는, 광 검출기(500)는 단일의 PIN PD 대신 APD일 수 있다. 일반적으로 APD는 단일의 PIN PD에 비해 광 신호의 수신 감도가 10dB 정도 높기 때문에, 광 검출기(500)를 APD로 구성할 경우에는 광 신호의 수신 감도 향상에 기여할 수 있게 된다. 다만, APD는 손상 범위(damage level)가 낮기 때문에 본 발명의 경우에는 손상 범위가 높은 APD를 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 외부에서 광 수신기(1000)로 전달되는 광 신호는 특정 파장의 세기만 세고, 나머지 파장(즉, 특정 파장 이외의 파장)의 세기는 약한 스펙트럼을 가질 수 있다. 이러한 광 신호가 광 신호 증폭기(300)에 의해 증폭될 경우에는 특정 파장뿐 아니라 나머지 파장 또한 광 신호 증폭기(300)에서 방출될 수 있기 때문에, 전체적으로 넓은 파장 범위를 갖는 스펙트럼이 광 신호 증폭기(300)에서 방출될 수 있다. 이와 같이 광 신호 증폭기(300)가 넓은 파장 범위를 갖는 스펙트럼을 방출할 경우에는 특정 파장을 갖는 광 신호의 수신 감도는 낮아질 수 있다.
따라서, 광 신호 증폭기(300)에서 방출되는 광 신호는 광학 필터(400)에 전달된 후 광 검출기(500)에 전달되는 것이 바람직할 수 있다. 광학 필터(400)는 광 수신기(1000)의 내부 공간(250)에 배치되며, 광 신호 증폭기(300)에서 방출되는 광 신호의 파장이 광학 필터(400)에 기 설정된 파장 범위 내에 존재하도록, 상기 광 신호 증폭기(300)에서 방출되는 광 신호를 필터링하는 역할을 한다. 이 경우 광 검출기(500)는 광 신호 증폭기(300)에서 방출되는 광 신호이자, 광학 필터(400)에 의해 필터링된 광 신호를 전기 신호로 변환하게 된다. 이와 같이 광 수신기(1000)에 광학 필터(400)를 구비할 경우에는 특정 파장을 갖는 광 신호의 수신 감도를 향상시킬 수 있게 된다.
광 검출기(500)에 의해 변환된 전기 신호는 전기 신호 증폭기(600)에 전달된다. 전기 신호 증폭기(600)는 광 수신기(1000)의 내부 공간(250)에 배치되며, 광 검출기(500)에 의해 변환된 전기 신호를 증폭(예를 들어, 전류 신호를 전압 신호 형태로 증폭)하는 역할을 한다. 여기서, 전기 신호 증폭기(600)는 TIA(transimpedance amplifier)로 이루어지거나, 이를 포함해서 이루어질 수 있다.
전기 신호 증폭기(600)에 의해 증폭된 전기 신호에는 DC 전압 신호와 AC 전압 신호가 포함될 수 있다. 상기 DC 전압 신호는 DC 전압 신호 핀(도 2의 RSSI)을 통해 광 수신기(1000)의 외부에 존재하는 제어기(미도시)에 전달되며, 제어기는 상기 DC 전압 신호를 이용하여 광 신호의 세기를 감지한다. 상기 AC 전압 신호는 AC 전압 신호 핀(도 2의 Data+ 및 Data-)을 통해 제어기에 전달되며, 제어기는 상기 AC 전압 신호를 이용하여 상기 외부에서 전달되는 광 신호와 동일한 형태의 신호를 생성한다.
한편, 광 수신기(1000)의 내부 공간(250)에 배치되는 부품 중에서 광 신호 증폭기(300)는 열적 의존성이 큰 부품이기 때문에, 광 신호 증폭기(300)의 동작 온도를 안정화시키기 위한 방안이 마련될 필요가 있다. 즉, 광 신호 증폭기(300)가 증폭 동작을 안정적으로 수행할 수 있도록 광 신호 증폭기(300)의 동작 온도를 적정 온도로 유지시켜야 한다.
광 신호 증폭기(300)의 동작 온도를 안정화시키기 위한 방안 중 하나는 광 신호 증폭기(300)를 금속 재질의 안착 부재(700)에 안착시키는 것이다. 광 신호 증폭기(300)는 광학 필터(400), 광 검출기(500) 및 전기 신호 증폭기(600)와 함께 안착 부재(700)에 안착될 수 있다. 안착 부재(700)로 인해 광 신호 증폭기(300), 광학 필터(400), 광 검출기(500) 및 전기 신호 증폭기(600)는 광 수신기(1000)의 내부 공간(250) 중 특정 위치에 고정 및 정렬될 수 있고, 그 결과 광 신호 증폭기(300)에서 방출되는 광 신호는 광 검출기(500)에 최대한 결합될 수 있게 된다.
금속 재질은 그 외 재질에 비해 열 전도성이 높기 때문에, 광 신호 증폭기(300)에서 발생하는 열은 금속 재질의 안착 부재(700)에 적어도 일부분 전도될 수 있다. 즉, 안착 부재(700)가 금속 재질로 이루어질 경우 광 신호 증폭기(300)의 동작 온도는 안정화될 수 있으며, 그 결과 광 신호 증폭기(300)의 증폭 동작이 안정적으로 이루어지게 되어 광 신호의 수신 감도를 향상시키는 데 크게 기여할 수 있다.
광 신호 증폭기(300)의 동작 온도를 안정화시키기 위한 다른 방안은 온도 센서(800) 및 열전 냉각기(900)를 활용하는 것이다.
온도 센서(800)는 광 수신기(1000)의 내부 공간(250)에 배치되며, 광 신호 증폭기(300)의 온도를 센싱하는 역할을 한다. 온도 센서(800)에 의해 센싱된 광 신호 증폭기(300)의 온도 정보는 온도 센서 핀(도 2의 Temp.)을 통해 제어기에 전달되며, 제어기는 상기 광 신호 증폭기(300)의 온도 정보를 이용하여 광 신호 증폭기(300)의 온도를 감지할 수 있다.
열전 냉각기(900)는 광 수신기(1000)의 내부 공간(250)에 배치되며, 온도 센서(800)에 의해 센싱된 광 신호 증폭기(300)의 온도에 기초하여 광 신호 증폭기(300)의 온도를 조절하는 역할을 한다.
이와 관련하여, 광 수신기(1000)의 외부에 존재하는 제어기(미도시)에는 광 신호 증폭기(300)가 증폭 동작을 안정적으로 수행할 수 있는 온도 범위가 기 설정되어 있을 수 있다.
만일 광 신호 증폭기(300)의 온도가 상기 기 설정된 온도 범위를 초과하는 것으로 제어기가 판단할 경우, 제어기는 온도 조절 핀(도 2의 TEC+ 및 TEC-)을 통해 열전 냉각기(900)를 제어하여, 광 신호 증폭기(300)의 온도가 상기 기 설정된 온도 범위 내에 존재하도록 광 신호 증폭기(300)의 온도를 감소시킬 수 있다.
또한, 광 신호 증폭기(300)의 온도가 상기 기 설정된 온도 범위 미만인 것으로 제어기가 판단할 경우, 제어기는 온도 조절 핀(도 2의 TEC+ 및 TEC-)을 통해 열전 냉각기(900)를 제어하여, 광 신호 증폭기(300)의 온도가 상기 기 설정된 온도 범위 내에 존재하도록 광 신호 증폭기(300)의 온도를 증가시킬 수 있다.
이와 같이 이루어지는 광 신호 증폭기(300)의 온도 조절을 통해 광 신호 증폭기(300)의 동작 온도가 안정화될 수 있으며, 광 신호의 수신 감도 역시 향상될 수 있다.
광 신호 증폭기(300)의 동작 온도를 안정화시키기 위한 또 다른 방안은 금속 재질의 안착 부재(700), 온도 센서(800) 및 열전 냉각기(900)를 모두 활용하는 것이다. 여기서, 안착 부재(700)는 열전 냉각기(900)의 상부에 배치될 수 있고, 광 신호 증폭기(300)는 광학 필터(400), 광 검출기(500), 전기 신호 증폭기(600) 및 온도 센서(800)와 함께 안착 부재(700)에 안착될 수 있다. 안착 부재(700)로 인해 광 신호 증폭기(300), 광학 필터(400), 광 검출기(500), 전기 신호 증폭기(600) 및 온도 센서(800)는 광 수신기(1000)의 내부 공간(250) 중 특정 위치에 고정 및 정렬될 수 있고, 그 결과 광 신호 증폭기(300)에서 방출되는 광 신호는 광 검출기(500)에 최대한 결합될 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 금속 재질은 그 외 재질에 비해 열 전도성이 높기 때문에, 광 신호 증폭기(300)에서 발생하는 열은 금속 재질의 안착 부재(700)에 적어도 일부분 전도될 수 있다. 상기 안착 부재(700)에 전도된 열은 열전 냉각기(900)를 통해서 외부로 방출되며, 그 결과 광 신호 증폭기(300)의 동작 온도는 안정화될 수 있다. 이때 온도 센서(800)는 안착 부재(700)의 온도를 광 신호 증폭기(300)의 온도로서 센싱할 수 있다. 온도 센서(800)에 의해 센싱된 광 신호 증폭기(300)의 온도 정보는 온도 센서 핀(도 2의 Temp.)을 통해 제어기에 전달되며, 제어기는 상기 광 신호 증폭기(300)의 온도 정보를 이용하여 광 신호 증폭기(300)의 온도를 감지할 수 있다.
열전 냉각기(900)는 광 수신기(1000)의 내부 공간(250)에 배치되며, 온도 센서(800)에 의해 센싱된 광 신호 증폭기(300)의 온도에 따라 광 신호 증폭기(300)의 온도를 조절하는 역할을 한다. 즉, 열전 냉각기(900)는 광 신호 증폭기(300)에서 발생하여 안착 부재(700)로 전도된 열을 흡수하는 흡열 작용을 통해 광 신호 증폭기(300)의 온도를 감소시킬 수 있다. 또는, 열전 냉각기(900)는 안착 부재(700)를 거쳐 광 신호 증폭기(300)로 열을 전도하는 발열 작용을 통해 광 신호 증폭기(300)의 온도를 증가시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 제어기에는 광 신호 증폭기(300)가 증폭 동작을 안정적으로 수행할 수 있는 온도 범위가 기 설정되어 있을 수 있다.
만일 광 신호 증폭기(300)의 온도가 상기 기 설정된 온도 범위를 초과하는 것으로 제어기가 판단할 경우, 제어기는 온도 조절 핀(도 2의 TEC+ 및 TEC-)을 통해 열전 냉각기(900)를 제어하여, 광 신호 증폭기(300)의 온도가 상기 기 설정된 온도 범위 내에 존재하도록 광 신호 증폭기(300)의 온도를 감소시킬 수 있다(즉, 흡열 작용).
이와 달리, 광 신호 증폭기(300)의 온도가 상기 기 설정된 온도 범위 미만인 것으로 제어기가 판단할 경우, 제어기는 온도 조절 핀(도 2의 TEC+ 및 TEC-)을 통해 열전 냉각기(900)를 제어하여, 광 신호 증폭기(300)의 온도가 상기 기 설정된 온도 범위 내에 존재하도록 광 신호 증폭기(300)의 온도를 증가시킬 수 있다(즉, 발열 작용).
이와 같이 이루어지는 광 신호 증폭기(300)의 온도 조절을 통해 광 신호 증폭기(300)의 동작 온도는 더욱 확실하게 안정화될 수 있으며, 광 신호의 수신 감도 역시 한층 더 향상될 수 있게 된다.
한편, 광 신호 증폭기(300)를 동작시키기 위해서는 광 신호 증폭기(300)에 바이어스 전류를 주입해야 한다. 이를 위해 TO 스템(200)에는 광 신호 증폭기(300)에 바이어스 전류를 주입하기 위한 바이어스 전류 핀(도 2의 bias)이 구비되는 것이 바람직하다. 제어기는 상기 바이어스 전류 핀을 통해 광 신호 증폭기(300)에 바이어스 전류(아날로그 형태임)를 주입할 수 있으며, 주입된 바이어스 전류는 광 신호 증폭기(300)가 윈도우(120)를 투과하는 광 신호를 증폭시킬 수 있는 전력을 공급하기 때문에, 광 신호 증폭기(300)는 광 신호의 증폭 동작을 수행할 수 있게 된다.
도 3은 광 신호의 파장이 1310nm일 때, 광 신호 증폭기(300)에 입력되는 광 신호의 세기(Pin)와 광 신호 증폭기(300)의 최대 증폭률(Gain) 간 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참고하면, 광 신호 증폭기(300)에 입력되는 광 신호(즉, 윈도우(120)를 투과하는 광 신호)의 세기가 5dBm 미만인 구간에서는, 광 신호의 세기가 증가함에 따라 광 신호 증폭기(300)의 최대 증폭률이 비교적 소폭으로 감소한다. 이에 반해 광 신호 증폭기(300)에 입력되는 광 신호의 세기가 5dBm 이상인 구간에서는, 광 신호의 세기가 증가함에 따라 광 신호 증폭기(300)의 최대 증폭률이 비교적 큰 폭으로 감소한다.
일반적으로 광 신호 증폭기(300)의 증폭률은 광 신호 증폭기(300)에 주입되는 바이어스 전류에 비례해서 커진다. 즉, 윈도우(120)를 투과하는 광 신호를 높은 증폭률로 증폭시키고자 할 때에는, 광 신호 증폭기(300)에 주입되는 바이어스 전류의 크기를 크게 하면 된다.
다만, 도 3에 도시된 바와 같이, 광 신호 증폭기(300)에 입력되는 광 신호의 세기가 특정 세기 이상일 경우에는 광 신호 증폭기(300)의 최대 증폭률이 큰 폭으로 감소하기 때문에, 광 신호 증폭기(300)에 입력되는 광 신호의 세기가 특정 세기 이상임에도 불구하고 광 신호 증폭기(300)에 주입되는 바이어스 전류의 크기를 무작정 증가시키는 것은 소비전력의 낭비를 초래하게 된다.
이에 따라, 제어기는 윈도우(120)를 투과하는 광 신호의 세기에 따라 상이한 크기를 갖는 바이어스 전류 신호를 광 신호 증폭기(300)에 주입하는 것이 바람직하다. 즉, 광 신호 증폭기(300)는 윈도우(120)를 투과하는 광 신호의 세기에 따라 상이한 크기를 갖는 바이어스 전류 신호를 상기 바이어스 전류 핀을 통해 제어기로부터 주입받는 것이 바람직하다.
예를 들어, 제어기는 윈도우(120)를 투과하는 광 신호의 세기가 5dBm인 경우에는 0dBm인 경우에 비해 더 작은 크기를 갖는 바이어스 전류 신호를 광 신호 증폭기(300)에 주입하되, 윈도우(120)를 투과하는 광 신호의 세기가 10dBm인 경우에는 0dBm인 경우에 비해 훨씬 더 작은 크기를 갖는 바이어스 전류 신호를 광 신호 증폭기(300)에 주입할 수 있는 것이다. 이와 같이 제어기가 윈도우(120)를 투과하는 광 신호의 세기에 따라 상이한 크기를 갖는 바이어스 전류 신호를 광 신호 증폭기(300)에 주입할 경우에는 광 수신기(1000)가 소비하는 전력을 최소화할 수 있게 된다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예만으로 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명의 기술적 사상의 범주 안에 속한다고 할 것이다.
100: TO 캡
120: 윈도우
200: TO 스템
250: 내부 공간
300: 광 신호 증폭기
400: 광학 필터
500: 광 검출기
600: 전기 신호 증폭기
700: 안착 부재
800: 온도 센서
900: 열전 냉각기
1000: 고감도 TO형 광 수신기

Claims (9)

  1. 고감도 TO형 광 수신기로서,
    외부에서 전달되는 광 신호를 투과시키는 윈도우가 구비된 TO 캡;
    상기 TO 캡의 일측에 접하며, 상기 TO 캡과 함께 내부 공간을 형성하는 TO 스템;
    상기 내부 공간에 배치되며, 상기 윈도우를 투과하는 광 신호를 증폭하여 방출하는 광 신호 증폭기;
    상기 내부 공간에 배치되며, 상기 광 신호 증폭기에서 방출되는 광 신호를 전기 신호로 변환하는 광 검출기;
    상기 내부 공간에 배치되며, 상기 광 검출기에 의해 변환된 전기 신호를 증폭하는 전기 신호 증폭기;
    상기 내부 공간이자 상기 광 신호 증폭기의 외부에 배치되며, 상기 광 신호 증폭기의 온도를 센싱하는 온도 센서;
    상기 내부 공간이자 상기 광 신호 증폭기의 외부에 배치되며, 상기 온도 센서에 의해 센싱된 광 신호 증폭기의 온도에 기초하여 상기 광 신호 증폭기의 온도를 조절하는 열전 냉각기;
    상기 열전 냉각기의 상부에 배치되며, 상기 광 신호 증폭기, 상기 광 검출기, 상기 전기 신호 증폭기 및 상기 온도 센서가 안착되는 금속 재질의 안착 부재;
    상기 온도 센서에 의해 센싱된 광 신호 증폭기의 온도 정보를 상기 고감도 TO형 광 수신기의 외부에 존재하는 제어기로 전달하기 위하여 상기 TO 스템에 구비되어 있는 온도 센서 핀; 및
    상기 제어기가 상기 열전 냉각기를 제어하기 위하여 상기 TO 스템에 구비되어 있는 온도 조절 핀을 포함하며,
    상기 온도 센서는 상기 안착 부재의 온도를 상기 광 신호 증폭기의 온도로서 센싱하고, 상기 온도 센서에 의해 센싱된 광 신호 증폭기의 온도 정보는 상기 온도 센서 핀을 통해 상기 제어기로 전달되어 상기 제어기가 상기 광 신호 증폭기의 온도 정보를 이용하여 상기 광 신호 증폭기의 온도를 감지하도록 하고,
    상기 제어기가 상기 온도 조절핀을 통해 상기 열전 냉각기를 제어할 경우, 상기 열전 냉각기는 상기 광 신호 증폭기의 온도가 상기 제어기에 기 설정된 온도 범위 내에 존재하도록 상기 광 신호 증폭기의 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 고감도 TO형 광 수신기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내부 공간에 배치되며, 상기 광 신호 증폭기에서 방출되는 광 신호의 파장이 기 설정된 파장 범위 내에 존재하도록 상기 광 신호 증폭기에서 방출되는 광 신호를 필터링하는 광학 필터를 더 포함하며,
    상기 광 검출기는 상기 광학 필터에 의해 필터링된 광 신호를 전기 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 고감도 TO형 광 수신기.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 TO 스템에는 상기 광 신호 증폭기에 바이어스 전류를 주입하기 위한 바이어스 전류 핀이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 고감도 TO형 광 수신기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 광 신호 증폭기는 상기 윈도우를 투과하는 광 신호의 세기에 따라 상이한 크기를 갖는 바이어스 전류 신호를 상기 바이어스 전류 핀을 통해 주입받는 것을 특징으로 하는 고감도 TO형 광 수신기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광 검출기는 단일의 PIN PD(positive-intrinsic-negative photodiode)인 것을 특징으로 하는 고감도 TO형 광 수신기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광 검출기는 APD(avalanche photodiode)인 것을 특징으로 하는 고감도 TO형 광 수신기.
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