KR20030047966A - 광수신기의 클락 추출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 NRZ 데이터를 PRZ 데이터로 변환하는 광학적 클락 추출장치에 관한 것으로, 특히 본 발명의 장치는 수신된 광신호의 NRZ 데이터를 입사받으며 입사된 광신호 펄스 에지에서 일어나는 주파수 처핑으로 PRZ 데이터를 발생하는 반도체 페브리-페롯 광필터와, 반도체 페브리-페롯 광필터의 PRZ 데이터를 클락 신호로 하여 출력 경로에 전달하는 써큘레이터를 포함한다. 그러므로 본 발명은 반도체 페브리-페롯 광필터에서 자기 위상 변조(SPM)에 의해 입사 광(NRZ 데이터)의 주파수 처핑으로 반사된 광을 PRZ 데이터로 하고 이 PRZ 데이터를 써큘레이터를 통해 분리하여 광수신기의 클락 정보로 이용하기 때문에 클락 추출을 저가격 및 안정적으로 얻을 수 있다.

Description

광수신기의 클락 추출장치{CLOCK EXTRACTION CIRCUIT OF THE OPTICAL RECEIVER DEVICE}

본 발명은 광통신 시스템의 광수신기에서 전광 클락 신호(all-optical clock signal)를 재생하는데 필요한 클락을 추출하는 장치에 관한 것으로서, 특히 반도체 페브리-페롯(Fabry-Perot) 광필터 소자의 자기 위상 변조(self-phase modulation: SPM)에 의한 주파수 처핑을 이용하여 클락 신호를 추출하는 장치에 관한 것이다.

클락 재생 장치는 일반적인 광수신기 및 광 신호 재생기, 광 논리 소자, 시 분할 다중화 등에 사용되는 광통신의 필수 시스템이다. 이러한 클락 재생을 위해서는 광수신된 NRZ 데이터 자체에 클락 정보를 가지고 있지 않으므로 도 1과 같이 중간에 클락을 추출하는 장치가 반드시 필요하다.

종래에는 전기적인 방법으로 클락을 추출하기 때문에 고속 전자 소자들이 필요하지만, 광의 전송 속도가 수십 Gbps 정도로 높아지면서 소자의 신호처리 속도가 한계에 다다르고 있으며 그 비용도 상당히 높아지게 되었다.

고속 신호처리와 비용 감소를 위하여 광수신기에서는 상기 광전기 방식이 아닌 광학적 클락 추출 기술로만 클락 신호를 재생할 필요가 있으며 이를 위하여 클락 정보를 이미 가지고 있는 광수신 RZ(Return-to-Zero) 데이터로부터 클락 신호를 추출하는 연구가 시도되고 있다. 그러나 현재 광통신 시스템은 대역폭의 효율성을 위해 NRZ 형태의 광 데이터를 사용하고 있으며 이를 위한 클락 추출 기술에 대한 연구는 상대적으로 빈약한 실정이다. 이에 대해 기존에 발표된 클락 추출 방법들은 다음과 같다.

첫 번째 클락 추출 방법은 반도체 광증폭기의 자기 위상 변조(SPM)를 이용하는 것이고, 두 번째는 간섭계를 이용하는 것이다. 첫 번째 반도체 광증폭기의 자기 위상 변조(SPM) 방식을 이용한 클락 추출은 값비싼 반도체 광증폭기와 좁은 대역의 광필터가 필요하기 때문에 전체적으로 비용이 비싼 단점이 있으며 필터의 안정성 또한 문제가 된다. 두 번째 간섭계를 이용한 클락 추출은 불안정한 특성을 갖는 간섭계를 사용하기 때문에 부가적인 안정화 회로가 필요하며 이 역시 비용과 안정성에 문제가 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 반도체 페브리-페롯 광필터의 자기 위상 변조(SPM)에 의해 입사 광 펄스의 시작과 끝 에지에서 발생하는 주파수 처핑(chirping)으로 클락 신호를 추출함으로써 광학적 클락 추출을 저가격 및 안정적으로 구현하는 광수신기의 클락 추출장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 수신된 광신호에서 클락 신호를 추출하는 장치에 있어서, 수신된 광신호의 NRZ 데이터를 입사받으며 입사된 광신호 펄스 에지에서 일어나는 주파수 처핑으로 PRZ 데이터를 발생하는 반도체 페브리-페롯 광필터와, 반도체 페브리-페롯 광필터의 PRZ 데이터를 클락 신호로 하여 출력 경로에 전달하는 써큘레이터를 포함한다.

본 발명에 따르면, 반도체 페브리-페롯 광필터에서는 자기 위상 변조(SPM)에 의해 입사되는 광(NRZ 데이터) 펄스의 '1'비트열의 시작과 끝 에지에서 주파수 처핑이 발생하게 되는데, 이 주파 처핑으로 반사된 광을 PRZ 데이터로 변환하고 이 PRZ 데이터를 클락 신호로 하여 써큘레이터를 통해 출력 경로로 내보낸다.

도 1은 NRZ 데이터의 클락 재생 과정을 나타낸 도면,

도 2는 본 발명에 따른 광수신기의 클락 추출장치를 나타낸 구성도,

도 3은 본 발명의 페브리-페롯 광필터의 반사 스펙트럼을 나타낸 도면,

도 4는 본 발명에 따른 광수신기의 클락 추출장치에서 발생되는 주파수 처핑을 나타낸 도면,

도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 광수신기의 클락 추출장치에 입사되는 광 파장의 NRZ 파형, 아이 패턴 파형, RF 파형을 각각 나타낸 도면들,

도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 광수신기의 클락 추출장치에서 출력되는 광 파장의 PRZ 파형, 아이 패턴 파형, RF 파형을 각각 나타낸 도면들,

도 7은 본 발명에 따른 클락 추출의 결과가 주파수 처핑에 의한 것임을 보여주는 도면.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

10 : 써큘레이터 12 : 편광 제어기

14 : 반도체 페브리-페롯 광필터(FP-LD)

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명하고자 한다.

도 2는 본 발명에 따른 광수신기의 클락 추출장치를 나타낸 구성도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광수신기의 클락 추출장치는 써큘레이터(circulator)(10)와, 반도체 페브리-페롯 광필터(14)로 구성된다. 본 실시 예에서는 반도체 페브리-페롯 광필터 소자로서 페브리-페롯 레이저 다이오드를 사용하였다.

여기서 써큘레이터(10)는 반도체 페브리-페롯 광필터(14)에 수신된 광신호의 NRZ 데이터(S_NRZ)를 전달하고, 반도체 페브리-페롯 광필터(14)로부터 반사된 PRZ 데이터(S_PRZ)를 클락 신호로 분리하여 출력 경로인 도 1의 클락 재생기에 전달한다.

반도체 페브리-페롯 광필터(14)는 써큘레이터(10)로부터 전달된 NRZ 데이터(S_NRZ)의 광 신호를 페브리-페롯 광필터의 공진 모드와 일치하는 부분을 흡수하는데, 흡수되는 광 펄스의 '1'비트열의 시작과 끝 에지에서 발생하는 주파수 처핑 부분이 공진 모드를 벗어나게 되어 흡수되지 않고 반사됨으로써 클락 정보를 갖는 PRZ 데이터(S_PRZ)로 변환되어 써큘레이터(10)에 보내진다.

본 발명의 반도체 페브리-페롯 광필터(14)는 페브리-페롯 레이저다이오드(FP-LD; Febry-Perot Laser Diode), 광섬유 페브리-페롯 레이저, 자기 위상 변조(SPM)의 매질층 물질을 갖는 페브리-페롯 광필터 소자중에서 어느 하나를 사용한다. 이러한 페브리-페롯의 레이저 다이오드, 광섬유 페브리-페롯 레이저, 페브리-페롯 광필터 등은 자체적으로 광을 필터링하는 역할을 하기 때문에 별도의 외부 필터가 필요하지 않다.

본 발명의 광수신기 클락 추출장치는 반도체 페브리-페롯 광필터(14)에 입사된 광 파장의 편광을 TE(Transverse Electric) 또는 TM(Transverse Magnetic) 모드로 조절하는 편광 제어기(12)를 더 포함한다. 이러한 편광 제어기(12)를 거치는 이유는 페브리-페롯 광필터(14)로서 레이저 다이오드를 사용할 경우 자체의 편광 의존성이 발생하므로 이를 TE 또는 TM 편광 모드로 고정시켜야하기 때문이다. 만약 편광에 무관한 광필터 소자를 사용한다면 편광 제어기를 생략해도 된다.

한편, 본 발명의 반도체 페브리-페롯 광필터(14)는 주위 온도를 조절할 수 있는 온도 조절기나 혹은 수 ㎃ 크기의 전류를 공급하는 전류 제어부를 더 포함하여 페브리-페롯 공진 파장 대역의 주파수 위치를 조정함으로서 입력 신호의 파장에 무관한 광 추출 장치를 만들 수 있다.

도 3은 페브리-페롯 필터의 반사 스펙트럼을 나타낸 도면이다. 예를 들어, 본 발명의 클락 추출 장치 내 반도체 페브리-페롯 광필터에 1550nm∼1555nm 광대역 ASE(Amplified Spontaneous Emission) 광 파장이 입사되었다가 반사된 스펙트럼을 보면 도 3의 그래프와 같이 1550.9nm, 1552.2nm, 1553.3nm, 1554.5nm의 페브리-페롯 필터의 공진 모드 대역에서 입사 광이 출력되지 못함을 알 수 있다.

본 발명의 반도체 페브리-페롯 광필터는 이러한 필터링 효과 이외에, 광필터 내부의 도파로를 구성하고 있는 반도체 매질층에 의해 자기 위상 변조(SPM; Self-Phase Modulation)가 일어나게 된다. 즉 입사된 광 파장이 반도체의 에너지 밴드 갭(Band Gap)에 걸쳐 있으면 흡수가 일어나며 반도체의 굴절률이 변화하게 되고 따라서 입사된 광은 자기 위상 변조를 겪게 된다. 자기 위상 변조(SPM)는 광 굴절율이 광 신호의 세기에 의존하여 변화됨으로써 광 펄스의 위상을 변화시키는 현상인데, 광 신호의 시간에 따라 위상이 변화하게 되고 이로 인해 주파수 처핑이 발생된다.

도 4는 본 발명에 따른 광수신기의 클락 추출장치에서 발생되는 주파수 처핑을 나타낸 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 반도체 페브리-페롯 광필터는 입사 광의 자기 위상 변조(SPM)에 의해 광 파장(λ)의 펄스 내에서 시간적으로 주파수가 증가(λ+Δλ)하거나 감소(λ-Δλ)하는 주파수 처핑을 일으킨다. 입사 광 파장(λ)은 반도체 페브리-페롯 광필터의 공진 주파수(흡수 골 파장 영역)에 위치하므로 이렇게 처핑된 부분만이 공진 주파수 대역을 벗어난다. 주파수 처핑은 입사광의 NRZ 데이터에서 '1' 비트열의 시작과 끝 부분에서만 일어나므로 본 발명의 광필터는 에지 검출기(edge detector)로서 작용하게 된다. 이에 반도체 페브리-페롯 광필터를 통해 출력된 광 신호는 입사된 광의 NRZ 데이터에 상응하는 PRZ 데이터로 변환된다. 변환된 PRZ 데이터는 일반적인 RZ 데이터와 마찬가지로 클락 정보를 가지고 있으므로 이를 이용하여 클락 추출을 용이하게 할 수 있다. 그러므로 본 발명은 반도체 페브리-페롯 광필터에서 발생하는 자기 위상 변조(SPM) 현상에 의한 주파수 처핑을 이용하여 클락 정보를 추출한다.

본 발명은 클락 추출장치의 실시 예를 구현하기 위하여 다음과 같은 실험 조건으로 도 5 및 도 6의 NRZ 파형, PRZ 파형 과 각각의 RF스펙트럼 그래프를 구한다. 우선 반도체 페브리-페롯 광필터는 11mA의 문턱 전류를 가지며 공진 모드(흡수 골 주파수) 간격은 1.16nm인 레이저 다이오드를 이용하되 전류를 가하지 않고 수동 소자로서 사용한다. 가변 광원에서 나온 광은 1551.11nm의 파장을 가지며 10Gb/s 패턴 발생기와 LiNbO₃변조기를 통해 NRZ 형태로 변조되어 본 발명의 클락 추출장치로 입사된다. 변조된 NRZ 광은 편광 제어기를 거쳐 TM 편광 모드로 되어 반도체 페브리-페롯 광필터에 입사된다.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 광수신기의 클락 추출장치에 입사되는 광 파장의 NRZ 파형, 아이 패턴(eye pattern) 파형, RF 스펙트럼을 각각 나타낸 도면들이다. 도 5a는 클락 추출장치의 반도체 페브리-페롯 광필터로 입사되는 NRZ 데이터(a)의 광 파형도이고, 도 5b는 2³¹-1 길이를 가지는 PRBS(Pseudo Random Binary Sequence) 신호로 변조된 NRZ 데이터의 아이 패턴(b)을 나타낸 것이다. 도 5c는 NRZ 데이터의 RF 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도 5c의 RF 스펙트럼을 살펴보면, NRZ 데이터에 포함된 10GHz의 클락 신호(c) 정보가 -54.50dBm으로 매우 작은 것을 알 수 있으며 특히 이 클락 신호(c)는 베이스 밴드(Base Band) 신호보다 더 작은 것을 볼 수 있다.

입사된 NRZ 광의 세기는 0.46dBm이며 반도체 페브리-페롯 광필터로부터 반사되어 돌아온 PRZ 광은 써큘레이터를 통해 분리된다.

도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 광수신기의 클락 추출장치에서 NRZ 데이터의 입력에 대응해서 출력된 광 파장의 PRZ 파형, 아이 패턴 파형, RF 스펙트럼을 각각 나타낸 도면들이다. 도 6a는 주파수 처핑으로 인해 클락 추출장치의 반도체 페브리-페롯 광필터에 흡수되지 않고 반사되어 나온 PRZ 데이터(d)의 광 파형도이고, 도 6b는 PRZ 데이터의 아이 패턴(e)을 나타낸다. 도 6c는 PRZ 데이터의 RF 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도 6c의 RF 스펙트럼을 살펴보면, PRZ 데이터에 포함된 10GHz의 클락 신호(f) 정보가 약 -41.67dBm 크기로 NRZ 데이터에서의 클락보다 훨씬 커졌을 뿐만 아니라 베이스 밴드의 신호크기가 작아졌음을 알 수 있다. 그러므로, 본 발명에 따른 반도체 페브리-페롯 광필터에 의해 변환된 PRZ 신호는 정확한 10GHz 클락 정보를 가지고 있다.

따라서, 이러한 실험 결과에 따른 도 5 및 도 6의 그래프들을 참조하면 클락 추출장치의 반도체 페브리-페롯 광필터에 의해서 클락 정보가 정확하게 추출됨을 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 클락 추출의 결과가 주파수 처핑에 의한 것임을 보여주는 도면이다. (ㄱ)은 NRZ 데이터로부터 변환된 PRZ 데이터의 파형 그래프이다. 이 PRZ 신호가 주파수 처핑에 의한 것임을 확인하기 위하여 별도의 외부 필터를 통과시켰다. (ㄴ)은 외부 필터의 통과 대역이 장파장 쪽에 치우치게 했을 때의 출력 파형이며 (ㄷ)은 외부 필터의 통과 대역이 단파장 쪽에 치우치게 했을 때의 출력 파형이다. 그러므로, NRZ 데이터의 '1' 비트열의 양쪽 단에서 발생한 펄스의 파장이 서로 다르다는 것을 볼 수 있으며 이는 분명히 주파수 처핑에 의한 효과임을 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 저가격의 페브리-페롯 레이저 다이오드를 수동식 반도체 페브리-페롯 광필터로 이용하고 그로 인한 자기 위상 변조(SPM)에 의해 광수신기의 NRZ 데이터를 PRZ 데이터로 변환하여 클락 정보를 추출할 수 있다.

그러므로, 본 발명은 종래의 광학적인 클락 추출 방법이 갖는 구성의 난이도 및 추출된 클락 신호의 불안정성을 개선하고, 최소한의 광 부품인 반도체 페브리-페롯 광필터와 써큘레이터를 사용하여 경제성이 높다.

한편, 본 발명은 상술한 실시 예에 국한되는 것이 아니라 후술되는 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주내에서 당업자에 의해 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (11)

1. 수신된 광신호에서 클락 신호를 추출하는 장치에 있어서,

   상기 수신된 광신호의 NRZ 데이터를 입사받으며 입사된 광신호 펄스 에지에서 일어나는 주파수 처핑으로 PRZ 데이터를 발생하는 반도체 페브리-페롯 광필터와,

   상기 반도체 페브리-페롯 광필터의 PRZ 데이터를 클락 신호로 하여 출력 경로에 전달하는 써큘레이터

   를 포함하는 광수신기의 클락 추출장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 반도체 페브리-페롯 광필터는 공진 모드 파장 대역의 NRZ 데이터를 입사 받아 NRZ 광신호 펄스의 '1'비트열의 시작과 끝 에지에서 발생하는 주파수 처핑 파장을 추출하여 PRZ 데이터로 발생하는 것을 특징으로 하는 광수신기의 클락 추출 장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 반도체 페브리-페롯 광필터에 상기 공진 모드 파장 대역의 주파수 위치를 제어하는 전류를 공급하는 전류 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광수신기의 클락 추출장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 전류 제어부의 전류 크기는 레이저 발진 문턱 전류 이하로 제어하는 것을 특징으로 하는 광수신기의 클락 추출장치.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 반도체 페브리-페롯 광필터는 주위 온도를 조절하여 상기 공진 모드 파장 대역의 주파수 위치를 제어하는 온도 조절기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광수신기의 클락 추출장치.
6. 제 2항에 있어서,

   상기 반도체 페브리-페롯 광필터는 입사한 광이 자기 위상 변조에 의한 주파수 처핑을 일으킴과 동시에 페브리-페롯 필터 역할을 하는 것을 특징으로 하는 광수신기의 클락 추출 장치.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 반도체 페브리-페롯 광필터는 페브리-페롯 레이저 다이오드인 것을 특징으로 하는 광수신기의 클락 추출장치.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 반도체 페브리-페롯 광필터는 광섬유 페브리-페롯 레이저인 것을 특징으로 하는 광수신기의 클락 추출장치.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 반도체 페브리-페롯 광필터는 자기 위상 변조를 일으키는 매질층 물질을 갖는 공진기 소자인 것을 특징으로 하는 광수신기의 클락 추출장치.
10. 제 1항에 있어서,

    상기 반도체 페브리-페롯 광필터에 입사된 광 파장의 편광을 조절하는 편광 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광수신기의 클럭 추출장치.
11. 제 1항에 있어서,

    상기 편광 제어기는 상기 입사된 광 파장을 TE 또는 TM 편광 모드로 제어하는 것을 특징으로 하는 광수신기의 클럭 추출장치.