KR20110063251A

KR20110063251A - 단기 전압 스파이크 제거 방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR20110063251A
Application number: KR1020100028111A
Authority: KR
Inventors: 강세경
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2010-03-29
Publication date: 2011-06-10
Also published as: KR101333806B1

Abstract

단기 전압 스파이크 제거 장치는 외부로부터 입력받은 광 신호에서 광자를 검출하는 제1 포토다이오드, 외부로부터 입력받은 광 신호에서 광자를 검출하는 제2 포토다이오드, 그리고 제1 포토다이오드의 제1 출력 신호와 제2 포토다이오드가 출력하는 제2 출력 신호에서 동일한 신호 성분을 제거하고, 제1 출력 신호와 제2 출력 신호의 전압차를 증폭하는 차동 증폭기를 포함한다.
이러한, 단기 전압 스파이크 제거 장치는 차동 증폭기를 사용하여 게이트 가이거 모드에서 동작하는 애벌렌치 포토다이오드에서 발생하는 단기 전압 스파이크를 제거할 수 있다.

Description

단기 전압 스파이크 제거 방법 및 그 장치{Method and apparatus for cancellation of transient voltage spike}

본 발명은 단기 전압 스파이크 제거 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 특히 본 발명은 단일 광자 검출기에서 발생하는 단기 전압 스파이크를 제거하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

본 발명은 지식경제부의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2008-F-035-02, 과제명: 상용 양자암호통신시스템을 위한 요소 기술 개발].

양자암호 통신 시스템에서 수신부는 애벌렌치 포토다이오드(Avalanche photodiode)를 사용하여 단일 광자를 검출한다.

수신부에서는 단일 광자 수준에 대응하는 광의 세기가 인가되어, 애벌렌치 포토다이오드를 이용하여 광신호를 검출하기 어렵다. 따라서, 수신부에서는 애벌렌치 포토다이오드를 게이트 가이거 모드(gated geiger mode)로 동작시키고, 단일 광자에 대응하는 광 신호를 검출한다. 여기서, 애벌렌치 포토다이오드의 역바이어스를 브레이크다운(breakdown) 전압 부근에서 전압 펄스를 인가하는 경우에는 무한대의 순간 이득을 얻을 수 있다.

반면에, 애벌렌치 포토다이오드의 음의 전극에 직류(direct current, DC) 전압과 같이 게이팅 펄스(Gating pulse)를 인가하는 경우에는 애벌렌치 포토다이오드의 기생 캐패시턴스(capacitance) 성분에 의하여, 양의 전극에 전압 신호 성분이 결합되는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 애벌렌치 포토다이오드의 단기 전압 스파이크를 제거하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른, 단기 전압 스파이크 제거 장치는

외부로부터 입력받은 광 신호에서 광자를 검출하는 제1 포토다이오드, 외부로부터 입력받은 광 신호에서 광자를 검출하는 제2 포토다이오드, 그리고 상기 제1 포토다이오드의 제1 출력 신호와 상기 제2 포토다이오드가 출력하는 제2 출력 신호에서 동일한 신호 성분을 제거하고, 상기 제1 출력 신호와 상기 제2 출력 신호의 전압차를 증폭하는 차동 증폭기를 포함한다.

본 발명의 다른 특징에 따른, 제1 포토다이오드, 제2 포토다이오드, 그리고 차동 증폭기를 포함하는 장치가 단기 전압 스파이크를 제거하는 방법은

상기 장치가 브레이크다운 전압에 해당하는 게이팅 펄스를 인가받는 단계, 상기 제1 포토다이오드와 제2 포토다이오드가 각각 입력받은 광 신호에서 광자를 검출하는 단계, 그리고 상기 차동 증폭기가 상기 제1 포토다이오드의 제1 출력 신호와 상기 제2 포토다이오드가 출력하는 제2 출력 신호를 전달받아, 상기 제1 출력 신호와 상기 제2 출력 신호가 동일하게 포함하는 동일 신호 성분을 제거하여 상기 단기 전압 스파이크를 제거하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 게이트 가이거 모드에서 동작하는 애벌렌치 포토다이오드의 신호 출력단에서는 차동 입출력 단자를 가지는 하나의 차동 증폭기를 사용하여 단기 전압 스파이크를 제거할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 게이트 가이거 모드에서 동작하는 애벌렌치 포토다이오드의 신호 출력단에서 발생하는 단기 전압 스파이크를 제거함으로써, 양자 암호 시스템의 수신부를 소형화 시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단기 전압 스파이크 제거 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차동 증폭기를 통해 단기 전압 스파이크가 제거되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 단기 전압 스파이크를 제거하는 방법을 나타내는 흐름도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 정8통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 단기 전압 스파이크 제거 방법 및 그 장치에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단기 전압 스파이크 제거 장치를 나타내는 도면이다.

도 1을 참고하면, 단기 전압 스파이크 제거 장치는 2개의 애벌렌치 포토다이오드(Avalanche photodiode, 이하 "APD"라고 함)(100, 200), 차동 증폭기(300), 2개의 전압 비교기(Comparator_0, Comparator_1)(400, 500) 및 카운터부(Counter)(600)를 포함한다.

제1 APD(100)의 애노드(Anode)는 차동 증폭기(300)의 제1 입력 단자(+)와 연결되어 있으며, 제2 APD(100)의 애노드는 차동 증폭기(300)의 제2 입력 단자(-)와 연결되어 있다. 또한, 저항(R)은 제1 APD(100)의 애노드와 접지단 사이와, 제2 APD(100)의 애노드와 접지단 사이에 각각 연결되어 있다.

차동 증폭기(300)의 제1 출력 단자(OUTP)는 제1 전압 비교기(400)와 연결되어 있다. 또한, 차동 증폭기(300)의 제2 출력 단자(OUTN)는 제2 전압 비교기(500)와 연결되어 있다.

본 발명의 실시예에 따른, 제1 APD(100)와 제2 APD(200)의 각 캐소드(cathode)에는 브레이크다운(breakdown) 전압에 해당하는 직류(direct current, DC) 바이어스와 같은 게이팅 펄스(gating pulse)가 인가된다. 또한, 제1 APD(100)와 제2 APD(200)는 각각 전달받은 광 신호(optical signal_0, optical signal_1)에서 광자(이하, "광자 신호"라고 함)를 검출한다.

차동 증폭기(300)는 제1 APD(100)의 제1 출력 신호와 제2 APD(100)의 제2 출력 신호에서 동일한 신호 성분을 제거하고, 두 개의 출력 신호의 전압차를 증폭한다. 여기서, 제1 출력 신호 또는 제2 출력 신호는 각각의 APD에서 광자를 검출한 경우, 광자를 포함한다.

제1 APD(100)에서 광자가 검출되는 경우(①), 차동 증폭기(300)의 제1 입력 단자(+)는 제1 펄스를 입력 받는다. 이때, 제1 펄스는 광자 검출 신호와 게이팅 펄스에 의한 단기 전압 스파이크 성분을 포함하고 있다. 즉, 차동 증폭기(300)의 입력 단자(제1 입력 단자(+) 및 제2 입력 단자(-))에는 동일한 신호 성분을 포함하는 신호가 인가된다.

차동 증폭기(300)의 제1 출력 단자(OUTP)는 단기 전압 스파이크 성분이 제거된 출력 신호를 증폭하고, 증폭 결과를 출력한다. 반면에, 차동 증폭기(300)의 제2 출력 단자(OUTN)는 단기 전압 스파이크 성분이 제거된 출력 신호를 증폭하고, 증폭 결과를 반전하여 출력한다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 제1 APD(100)에서 광자가 검출되고, 제2 APD(200)에서 광자가 검출되지 않은 경우(①), 제1 APD(100)와 제2 APD(200)의 출력단에서는 동일한 게이팅 펄스에 의한 동일한 단기 전압 스파이크가 각각 발생한다.

차동 증폭기(300)는 두 개의 입력 단자를 통해 제1 출력신호 및 제2 출력 신호를 수신하고, 두 개의 출력 신호에서 동상의 신호 성분 즉, 단기 전압 스파이크 성분을 제거한다.

이처럼, 차동 증폭기(300)는 단기 전압 스파이크 성분을 제거함으로써, 게이팅 펄스의 진폭을 감소시킨다.

본 발명의 실시예에 따른 단기 전압 스파이크 제거 장치는 게이팅 펄스의 진폭을 감소시킴으로써 APD의 신호 검출속도를 증가시키고, 양자암호 시스템의 수신부 전체의 처리 속도를 향상 시킬 수 있다.

제2 APD(200)에서 광자가 검출되는 경우(②), 차동 증폭기(300)의 제2 입력 단자(-)는 제2 펄스를 입력 받는다.

차동 증폭기(300)의 제2 출력 단자(OUTN)는 단기 전압 스파이크 성분이 제거된 광자 성분을 증폭하고, 증폭 결과를 출력한다. 반면에, 차동 증폭기(300)의 제1 출력 단자(OUTP)는 단기 전압 스파이크 성분이 제거된 광자 성분을 증폭하고, 증폭 결과를 반전하여 출력한다.

제1 APD(100)와 제2 APD(200)에서 동시에 광자가 검출되는 경우(③), 차동 증폭기(300)의 제1 입력 단자(+) 및 제2 입력 단자(-)는 동상의 신호 성분을 포함하는 제3 펄스를 입력받는다. 그러면, 차동 증폭기(300)의 제1 출력 단자(OUTP)과 제2 출력 단자(OUTN)는 동상의 신호 성분을 모두 제거하여 출력한다.

전압 비교기(400, 500)는 차동 증폭기(300)로부터 전달받은 신호를 기준 전압(Vref0 또는 Vref1)과 비교한다. 여기서, 기준 전압의 전압 레벨은 각각의 전압 비교기 내에서 임의로 설정할 수 있다.

다음, 전압 비교기(400, 500)는 전달받은 신호에 해당하는 전압이 기준 전압 보다 높을 경우, 제1 전압 신호(예를 들어, "1")를 카운터부(600)로 전달한다. 전압 비교기(400, 500)는 전달받은 신호에 해당하는 전압이 기준 전압 보다 낮은 경우, 제2 전압 신호(예를 들어, "0")를 카운터부(600)로 전달한다.

제1 APD(100)에서 광자가 검출되는 경우(①), 제1 전압 비교기(400)는 차동 증폭기(300)의 제1 출력 단자(OUTP)로부터 전달받은 제1 출력 단자 신호를 기준 전압(Vref0)과 비교한다.

제1 출력 단자 신호가 기준 전압 내에 존재하는 경우, 제1 전압 비교기(400)는 비교 결과에 대응하는 제1 전압 신호(예를 들어, "1")를 카운터부(600)로 전달한다.

제1 APD(100)에서 광자가 검출되는 경우(①), 제2 전압 비교기(500)는 차동 증폭기(300)의 제2 출력 단자(OUTN)로부터 전달받은 제2 출력 단자 신호를 기준 전압(Vref1)과 비교한다. 이때, 제2 출력 단자 신호는 제1 출력 단자 신호의 역상에 해당하는 성분을 포함한다.

제2 출력 단자 신호가 기준 전압(Vref1)에서 벗어난 경우, 제2 전압 비교기(500)는 비교 결과에 대응하는 제2 전압 신호(예를 들어, "0")를 카운터부(600)로 전달한다.

카운터부(600)는 제1 전압 비교기(400)와 제2 전압 비교기(500)의 출력 신호 즉, 제1 전압 신호와 제2 전압 신호 중에서 특정 값(예를 들어, "1")을 가지는 전압 신호를 카운터한다.

다음, 단기 전압 스파이크 성분을 제거하는 방법을 도 3을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 단기 전압 스파이크를 제거하는 방법을 나타내는 흐름도이다.

먼저, 단기 전압 스파이크 제거 장치는 제1 APD(100), 제2 APD(100), 차동 증폭기(300), 제1 전압 비교기(400), 제2 전압 비교기(500) 및 카운터부(600)를 포함한다. 이때, 제1 APD(100)와 제2 APD(100)는 게이트 가이거 모드로 동작하며, 각 출력단에서 단기 전압 스파이크가 발생한다.

도 3을 참고하면, 단기 전압 스파이크 제거 장치는 브레이크다운 전압에 해당하는 게이팅 펄스를 인가받고, 게이팅 펄스가 포함하는 광 신호에서 광자를 검출한다(S301). 이때, 단기 전압 스파이크 제거 장치는 제1 APD(100) 및 제2 APD(100)를 이용하여 광자를 검출한다. 이하에서는, 제1 APD(100)에서 광자가 검출되고 제2 APD(200)에서 광자가 검출되지 않은 경우의 단기 전압 스파이크를 제거하는 방법을 설명한다.

단기 전압 스파이크 제거 장치는 광자를 포함하는 제1 출력 신호와 광자를 포함하지 않는 제2 출력 신호에서 동일한 신호 성분을 제거한다(S303).

다음, 단기 전압 스파이크 제거 장치는 차동 증폭기(300)를 이용하여 동일한 신호 성분이 제거된 제1 출력 신호와 제2 출력 신호의 전압차를 증폭한다(S304).

구체적으로, 차동 증폭기(300)의 제1 출력 단자(OUTP)는 단기 전압 스파이크 성분이 제거된 출력 신호를 증폭한다. 반면에, 차동 증폭기(300)의 제2 출력 단자(OUTN)는 단기 전압 스파이크 성분이 제거된 출력 신호를 증폭하고, 증폭 결과를 반전한다.

단기 전압 스파이크 제거 장치는 차동 증폭기(300)의 각 출력 단자의 출력 즉, 출력 단자 신호에 해당하는 전압과 기준 전압을 비교한다(S305).

구체적으로, 단기 전압 스파이크 제거 장치는 차동 증폭기(300)의 제1 출력 단자(OUTP)의 출력 즉, 제1 출력 단자 신호에 해당하는 제1 전압과 기준 전압(Vref0)과 비교한다. 또한, 단기 전압 스파이크 제거 장치는 차동 증폭기(300)의 제2 출력 단자(OUTN)의 출력 즉, 제2 출력 단자 신호에 해당하는 제2 전압과 기준 전압(Vref1)과 비교한다.

단기 전압 스파이크 제거 장치는 비교 결과에 대응하는 전압 신호를 생성한다(S306). 예를 들어, 단기 전압 스파이크 제거 장치는 제1 전압이 기준 전압(Vref0) 보다 높을 경우에 제1 전압 신호(예를 들어, "1")를 생성한다. 반면에, 단기 전압 스파이크 제거 장치는 제2 전압이 기준 전압(Vref1) 보다 낮은 경우에 제2 전압 신호(예를 들어, "0")를 생성한다.

단기 전압 스파이크 제거 장치는 생성한 제1 전압 신호(예를 들어, "1") 또는 제2 전압 신호(예를 들어, "0") 중에서 특정 값을 가지는 전압 신호를 카운터한다(S307).

이로써 본 발명은 차동 증폭기를 이용하여 게이트 가이거 모드에서 동작하는 애벌렌치 포토다이오드의 신호 출력단에서 발생하는 단기 전압 스파이크를 제거할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims

외부로부터 입력받은 광 신호에서 광자를 검출하는 제1 포토다이오드,
외부로부터 입력받은 광 신호에서 광자를 검출하는 제2 포토다이오드, 그리고
상기 제1 포토다이오드의 제1 출력 신호와 상기 제2 포토다이오드가 출력하는 제2 출력 신호에서 동일한 신호 성분을 제거하고, 상기 제1 출력 신호와 상기 제2 출력 신호의 전압차를 증폭하는 차동 증폭기
를 포함하는 단기 전압 스파이크 제거 장치.
제1항에 있어서,
상기 동일한 신호 성분은 단기 전압 스파이크에 해당하는 단기 전압 스파이크 제거 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 포토다이오드와 제2 포토다이오드 각각 캐소드에는 브레이크다운 전압에 해당하는 게이팅 펄스가 동일하게 인가되는 단기 전압 스파이크 제거 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 출력 신호가 광자를 포함하는 경우,
상기 차동 증폭기는 제1 입력 단자와 제2 입력 단자를 통해 제1 펄스를 입력받으며,
상기 차동 증폭기의 제1 출력 단자는 동일한 신호 성분이 제거된 상기 제1 출력 신호와 상기 제2 출력 신호의 전압차를 증폭하여 출력하고,
상기 차동 증폭기의 제2 출력 단자는 동일한 신호 성분이 제거된 상기 상기 제1 출력 신호와 상기 제2 출력 신호의 전압차를 증폭하고, 증폭 결과를 반전하여 출력하는 단기 전압 스파이크 제거 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 출력 신호가 광자를 포함하는 경우,
상기 차동 증폭기는 제1 입력 단자와 제2 입력 단자를 통해 제2 펄스를 입력받으며,
상기 차동 증폭기의 제1 출력 단자는 동일한 신호 성분이 제거된 상기 상기 제1 출력 신호와 상기 제2 출력 신호의 전압차를 증폭하고, 증폭 결과를 반전하여 출력하고,
상기 차동 증폭기의 제2 출력 단자는 동일한 신호 성분이 제거된 상기 제1 출력 신호와 상기 제2 출력 신호의 전압차를 증폭하여 출력하는 단기 전압 스파이크 제거 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 출력 신호와 상기 제2 출력 신호가 모두 광자를 포함하는 경우,
상기 차동 증폭기는 제1 입력 단자와 제2 입력 단자를 통해 동상의 신호 성분을 포함하는 제3 펄스를 입력받고,
상기 차동 증폭기의 제1 출력 단자와 제2 출력 단자는 상기 동상의 신호 성분을 모두 제거하여 출력하는 단기 전압 스파이크 제거 장치.
제1항에 있어서,
상기 차동 증폭기의 출력에 대응하는 전압과 기준 전압을 비교하고, 비교 결과에 대응하는 제1 전압 신호 또는 제2 전압 신호를 출력하는 전압 비교기, 그리고
상기 제1 전압 신호 또는 상기 제2 전압 신호를 카운터하는 카운터부
를 더 포함하는 단기 전압 스파이크 제거 장치.
제1 포토다이오드, 제2 포토다이오드, 그리고 차동 증폭기를 포함하는 장치가 단기 전압 스파이크를 제거하는 방법에 있어서,
상기 장치가 브레이크다운 전압에 해당하는 게이팅 펄스를 인가받는 단계,
상기 제1 포토다이오드와 제2 포토다이오드가 각각 입력받은 광 신호에서 광자를 검출하는 단계, 그리고
상기 차동 증폭기가 상기 제1 포토다이오드의 제1 출력 신호와 상기 제2 포토다이오드가 출력하는 제2 출력 신호를 전달받아, 상기 제1 출력 신호와 상기 제2 출력 신호가 동일하게 포함하는 동일 신호 성분을 제거하여 상기 단기 전압 스파이크를 제거하는 단계
를 포함하는 단기 전압 스파이크 제거 방법.
제8항에 있어서,
상기 차동 증폭기의 출력에 대응하는 전압과 기준 전압을 비교하는 단계,
비교 결과에 대응하는 제1 전압 신호 또는 제2 전압 신호를 생성하는 단계, 그리고
생성한 상기 제1 전압 신호 또는 제2 전압 신호를 카운터하는 단계
를 더 포함하는 단기 전압 스파이크 제거 방법.