KR20130140181A - 진폭 변조 신호용 광 수신기 - Google Patents
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Abstract
프리러닝(free-running) 광 로컬 발진기 소스의 이용을 가능하게 하는 방식으로 진폭 변조된 광 입력 신호를 복조하기 위해 코히어런트 광 직교 검출 방식(coherent optical quadrature detection scheme)을 이용하는 광 수신기가 개시된다. 광 수신기는 광 입력 신호의 직교 검출의 결과로서 생성된 동상(in-phase) 및 직교 위상 전기 신호를 전기 출력 신호에 결합하는 신호 결합기를 채용한다. 로컬 발진기 신호와 입력 신호 사이의 주파수 오프셋에 따라, 신호 결합기에 의해 생산된 전기 출력 신호는 바람직한 베이스밴드 신호 또는 중간 주파수 신호일 수 있다. 후자의 신호는, 예컨대, 신호 결합기에 연결된 종래의 중간 주파수 전기 복조기를 이용하여 비교적 간단한 방식으로 베이스밴드 신호를 복구하도록 복조될 수 있다.
Description
본 발명은 광 통신 장비에 관한 것으로, 더 상세하게는, 배타적이지 않지만, 억압 캐리어 진폭 변조 신호(suppressed-carrier amplitude-modulated signal)를 위한 광 수신기에 관한 것이다.
이 섹션은 본 발명(들)의 이해를 더 용이하게 할 수 있다. 따라서, 이 섹션의 진술은 이러한 관점에서 읽혀야 할 것이고 종래기술에 있는 것 또는 종래기술에 없는 것에 대한 인정으로 이해되지 않아야 할 것이다.
억압 캐리어 진폭 변조(SC-AM)는, 송신 신호가 캐리어 주파수에서 비교적 낮은 진폭을 갖는 송신 형태이고, 예컨대, 그 신호는 캐리어 주파수에서 실질적으로 억압될 수 있다. 예컨대, 신호의 광 전력의 대부분이 주파수 측파대(들)와 캐리어-주파수 성분 사이에 분산되는 것이 아니라 정보 운반 주파수 측파대(들)에 포함되기 때문에, 억압 캐리어 진폭 변조는 다른 진폭 변조(AM) 형태보다 유리할 수 있다. 억압 캐리어 신호의 이 특성은, 예컨대, 다른 진폭 변조 신호의 특성에 비해 관련 신호 전력 및/또는 전송 거리를 증가시키기 위해 사용될 수 있다.
수신된 SC-AM 신호를 복조하기 위해, 캐리어 신호(예컨대, CW 레이저빔)와의 혼합은 일반적으로 광 수신기에서 수행된다. 광 로컬 발진기 신호는 수신 신호의 (억압된) 광 캐리어파와 대략 동일한 주파수를 갖기 때문에, 일반적인 광 수신기는 수신된 SC-AM 신호를 광 로컬 발진기(OLO) 신호와 혼합하기 위해 방향성 커플러(예컨대, 2×2 광 신호 혼합기)를 사용한다. 불리하게도, 예컨대, OLO와 캐리어 신호 사이의 주파수 오프셋의 위상 노이즈 및/또는 변동에 의해 야기된 임의의 위상 변동은, 그 결과의 베이스밴드 신호의 전력을 감소시키고 및/또는 심지어 대응하는 메시지 신호를 완전히 복호 불가능하게 할 수 있다. 그러나, OLO 소스가 광 캐리어파에 위상 및 주파수 고정(phase- and frequency-locked)되도록 할 수 있는 회로는 비교적 복잡하고 비싸다.
광 수신기의 여러가지 실시예는 프리러닝(free-running) 광 로컬 발진기 소스의 이용을 가능하게 하는 방식으로 진폭 변조된 광 입력 신호를 복조하기 위해 코히어런트 광 직교 검출 방식(coherent optical quadrature detection scheme)을 이용한다. 광 수신기는 광 입력 신호의 직교 검출의 결과로서 생성된 동상(in-phase) 및 직교 위상 전기 신호를 전기 출력 신호에 결합하는 신호 결합기를 채용한다. 로컬 발진기 신호와 입력 신호 사이의 주파수 오프셋에 따라, 신호 결합기에 의해 생산된 전기 출력 신호는 바람직한 베이스밴드 신호 또는 중간 주파수 신호일 수 있다. 후자의 신호는, 예컨대, 신호 결합기에 연결된 종래의 중간 주파수 전기 복조기를 이용하여 비교적 간단한 방식으로 베이스밴드 신호를 복구하도록 복조될 수 있다. 유리하게, 신호 결합기에 의해 생산된 전기 출력 신호의 전력은 종종 광 로컬 발진기 소스의 프리러닝 구성에 의해 야기된 위상 및/또는 주파수 변동에 비교적 안정적이고 둔감하다.
하나의 실시예에 따르면, 각각의 그 제 1, 제 2, 제 3, 제 4 광 출력 포트에서 제 1, 제 2, 제 3, 제 4의 혼합 광 신호를 생성하기 위해, 그 제 1 광 입력 포트에서 수신된 광 신호를 그 제 2 광 입력 포트에서 수신된 광 로컬 발진기 신호와 혼합하도록 구성된 광 하이브리드를 포함하는 광 수신기를 갖는 장치가 제공된다. 광 수신기는 각각의 제 1 및 제 2 광 출력 포트로부터 광 신호를 수신하도록 접속된 제 1 및 제 2 광 검출기를 포함하는 제 1 광-전기(O/E) 컨버터 - 제 1 광-전기 컨버터는 각각의 제 1 및 제 2 광 검출기에 의해 생산된 전기 신호 사이의 차이를 나타내는 제 1 전기 신호를 출력하는 제 1 전기 포트를 가짐 - 와, 각각의 제 3 및 제 4 광 출력 포트로부터 광 신호를 수신하도록 접속된 제 3 및 제 4 광 검출기를 포함하는 제 2 O/E 컨버터 - 제 2 O/E 컨버터는 각각의 제 3 및 제 4 광 검출기에 의해 생산된 전기 신호 사이의 차이를 나타내는 제 2 전기 신호를 출력하는 제 2 전기 포트를 가짐 - 를 더 포함한다. 광 수신기는 제 1 및 제 2 전기 신호의 결합인 제 3 전기 신호를 출력하도록 접속된 신호 결합기를 더 포함한다.
상기 장치의 일부 실시예에서, 제 1 광 입력 포트에서 수신된 광 신호가 아날로그 또는 디지털 메시지 신호에 의해 변조되는 진폭을 갖는 광 억압 캐리어 신호인 경우, 제 3 전기 신호는 메시지 신호에 비례하는 베이스밴드 신호 또는 메시지 신호에 의해 변조되는 진폭을 갖는 중간 주파수 신호이다.
임의의 상기 장치의 일부 실시예에서, 광 하이브리드는 제 1 및 제 2 광 입력 포트에서 수신된 광 신호의 상이한 관련 위상과의 혼합물로 될 상기 제 1, 제 2, 제 3, 제 4 혼합 광 신호를 생성하도록 구성된다.
임의의 상기 장치의 일부 실시예에서, 제 3 전기 신호의 전기 캐리어 주파수가 광 로컬 발진기 신호의 주파수에 의해 제어되도록, 광 수신기는 광 로컬 발진기 신호를 생성하도록 구성된 광원을 더 포함한다.
임의의 상기 장치의 일부 실시예에서, 광원은 광 하이브리드의 제 1 광 입력 포트에서 수신된 광 입력 신호의 주파수에 위상 고정되지 않는다.
임의의 상기 장치의 일부 실시예에서, 신호 결합기는 전기 전력이 제 1 O/E 컨버터로부터 수신한 제 1 전기 신호 및 제 2 O/E 컨버터로부터 수신한 제 2 전기 신호의 전기 전력의 합에 대략 비례하는 제 3 전기 신호를 출력하도록 구성된다.
임의의 상기 장치의 일부 실시예에서, 신호 결합기는 대략 제 1 O/E 컨버터로부터 수신한 제 1 전기 신호의 제곱 및 대략 제 2 O/E 컨버터로부터 수신한 제 2 전기 신호의 제곱의 합에 대략 비례하는 제 3 전기 신호를 출력하도록 구성된다.
임의의 상기 장치의 일부 실시예에서, 광 수신기는 제 1 광 입력 포트에서 수신된 광 신호에 대응하는 전기 베이스밴드 신호를 생성하기 위해 제 3 전기 신호를 처리하도록 구성된 중간 주파수 복조기를 더 포함한다.
임의의 상기 장치의 일부 실시예에서, 광 하이브리드는, 광 입력 신호를 제 1 감쇠 복제본 및 제 2 감쇠 복제본으로 분할하도록 구성된 제 1 광 스플리터와, 광 로컬 발진기 신호를 제 1 감쇠 복제본 및 제 2 감쇠 복제본으로 분할하도록 구성된 제 2 광 스플리터와, 제 1 및 제 2 혼합 광 신호를 생성하기 위해 광 입력 신호의 제 1 감쇠 복제본과 광 로컬 발진기 신호의 제 1 감쇠 복제본을 혼합하도록 구성된 제 1 광 혼합기와, 제 3 및 제 4 혼합 광 신호를 생성하기 위해 광 입력 신호의 제 2 감쇠 복제본과 광 로컬 발진기 신호의 제 2 감쇠 복제본을 혼합하도록 구성된 제 2 광 혼합기를 포함한다.
임의의 상기 장치의 일부 실시예에서, 신호 결합기는 제 1 전기 신호와 제 2 전기 신호의 선형 조합으로 될 제 3 전기 신호를 생성하도록 구성된다.
임의의 상기 장치의 일부 실시예에서, 신호 결합기는 제 1 포트와 제 2 포트 사이에 접속된 제 1 마이크로스트립선과, 제 1 포트와 제 3 포트 사이에 접속된 제 2 마이크로스트립선과, 제 2 포트와 제 3 포트 사이에 접속된 저항을 포함하고, 여기서, 제 2 포트는 제 1 전기 신호를 수신하도록 접속되고, 제 3 포트는 제 2 전기 신호를 수신하도록 접속되고, 제 1 포트는 제 3 전기 신호를 출력하도록 접속된다.
임의의 상기 장치의 일부 실시예에서, 신호 결합기는 하나 이상의 스테이지를 갖는 윌킨슨 타입(Wilkinson-type) 전력 결합기이다.
임의의 상기 장치의 일부 실시예에서, 신호 결합기는 제 1 전기 신호와 제 2 전기 신호를 디지털 형태로 결합하도록 구성된 디지털 회로를 포함한다.
또 다른 실시예에 따르면, 제 1, 제 2, 제 3, 제 4 혼합 광 신호를 생성하기 위해 광 입력 신호와 광 로컬 발진기 신호를 광학적으로 혼합하는 단계와, 차동 검출(differential detection)을 위해 접속된 각각의 제 1 및 제 2 광 검출기에서 제 1 및 제 2 혼합 광 신호를 수신함에 응답하여 제 1 전기 신호를 생성하는 단계와, 차동 검출을 위해 접속된 각각의 제 3 및 제 4 광 검출기에서 제 3 및 제 4 혼합 광 신호에 기초하여 제 2 전기 신호를 생성하는 단계와, 제 3 전기 신호를 생성하기 위해 제 1 전기 신호와 제 2 전기 신호를 결합하는 단계를 갖는 신호 처리 방법이 제공된다. 광 입력 신호는 진폭이 아날로그 또는 디지털 메시지 신호에 의해 변조되는 광 억압 캐리어 신호일 수 있다. 그 결과의 제 3 전기 신호는 메시지 신호에 비례하는 베이스밴드 신호 또는 진폭이 메시지 신호에 의해 변조되는 중간 주파수 신호일 수 있다.
상기 방법의 일부 실시예에서, 광 입력 신호는 아날로그 또는 디지털 메시지 신호에 의해 변조되는 진폭을 갖는 광 억압 캐리어 신호이고, 제 3 전기 신호는 아날로그 메시지 신호에 비례하는 베이스밴드 신호 또는 메시지 신호에 의해 변조되는 진폭을 갖는 중간 주파수 신호이다.
임의의 상기 방법의 일부 실시예에서, 상기 제 1, 제 2, 제 3, 제 4 혼합 광 신호는 상이한 관련 위상을 갖는 광 입력 신호와 광 로컬 발진기 신호의 혼합물로 생성된다.
임의의 상기 방법의 일부 실시예에서, 제 3 전기 신호는 제 1 전기 신호와 제 2 전기 신호의 전기 전력의 합에 대략 비례하는 전기 전력에 의해 생성된다.
임의의 상기 방법의 일부 실시예에서, 광 로컬 발진기 신호는 광 입력 신호의 주파수에 위상 고정되지 않는다.
임의의 상기 방법의 일부 실시예에서, 제 3 전기 신호는 제 1 전기 신호와 제 2 전기 신호의 선형 조합이다.
임의의 상기 방법의 일부 실시예에서, 결합하는 단계는, 제 1 전기 신호를 대략 제곱하는 단계와, 제 2 전기 신호를 대략 제곱하는 단계와, 대략 제 1 전기 신호와 제 2 전기 신호의 상기 제곱의 합에 기초하여 제 3 전기 신호를 생성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 여러가지 실시예의 다른 관점, 특징 및 이점은, 예로서, 다음의 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 더 완전히 분명해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 수신기의 블럭도를 도시하는 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 광 수신기에 사용될 수 있는 신호 결합기의 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 광 수신기에 사용될 수 있는 신호 결합기의 블럭도이다.
억압 캐리어 신호의 일례는 이중 측파대 억압 캐리어(DSB-SC) 신호이다. DSB-SC 신호의 진폭 A(t)(예컨대, 전기장 또는 자기장의 진폭)는 대략 식 (1)에 의해 표현되는 바와 같이, 종종 메시지 신호 m(t) 및 광 캐리어 신호의 진폭 Ac에 관련된다.
여기서 사용된 바와 같이, 용어 "진폭"은 대응하는 광 캐리어 주파수에서 각 각의 발진에 의해 변동 가능한 발진에서의 변화의 진폭에 관한 것이다. 따라서, 진폭 A(t)는 실질적으로 광 파(optical wave)의 주기에 비교해 느린 시간 척도 상의 시간에 따라 변할 수 있는 즉각적인 값이다. 전형적으로, 메시지 신호 m(t)는 대역 제한, 아날로그, 무선 주파수(RF) 또는 음성 주파수 신호이다. 광 캐리어 주파수의 일반적인 값이 100THz의 차수이기 때문에, 메시지 신호 m(t)의 대역폭은 광 캐리어 주파수보다 더 작다. 이상적인 DSB-SC 신호의 스펙트럼은 종종 캐리어 주파수에 대해 실질적으로 대칭이고 종종 캐리어 주파수 성분과 분리되지 않는다. 신호의 전력은 캐리어 주파수 아래 및 위의 주파수에 배치되는 변조 측파대에 주로 포함된다. m(t)는 폴라 바이너리 데이터 신호이면, 식 (1)은 BPSK(Binary Phase-Shift Keying) 변조 포맷을 표현한다.
억압 캐리어 변조의 다른 예는 단일 측파대(single-sideband, SSB) 변조 및 잔류 측파대(vestigial-side band, VSB) 변조를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 광 억압 캐리어 신호를 생성하는 데 사용될 수 있는 대표적인 광 송신기가, 예컨대, (1) C. Middleton and R. DeSalvo, "Balanced Coherent Heterodyne Detection with Double Sideband Suppressed Carrier Modulation for High Performance Microwave Photonic Links," 2009 IEEE Avionics, Fiber-Optics, and Photonics Technology Conference(AVFOP' 09), Digital Object Identifier: 10.1109 /AVFOP.2009.5342725, pp. 15-16, (2) A. Siahmakoun, S. Granieri, and K. Johnson, "Double and Single Side-Band Suppressed-Carrier Optical Modulator Implemented at 1320nm Using LiNbO3 Crystals and Bulk Optics", (3) S.Xiao 및 A.M. Weiner, "Optical Carrier-Suppressed Single Sideband (O-CS-SSB) Modulation Using a Hyperfine Blocking Filter Based on a Virtually Imaged Phased-Array(VIPA)", IEEE Photonics Technology Letters, 2005, v.17, No.7, pp.1522-1524에 개시되고, 이들 모두 전체적으로 참조로서 여기에 포함된다. 광 억압 캐리어 신호를 생성하기 위해 광 송신기를 제작 및 이용하는 추가의 국면은, 예컨대, 미국특허 제7,574,139, 7,379,671, 7,149,434, 6,525,857 및 6,115,162에 개시되며, 이들 모두는 전체적으로 참조로서 여기에 포함된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 수신기(100)의 블럭도를 도시한다. 광 수신기(100)는 식 (1)의 메시지 신호 m(t) 등의 대응하는 아날로그 메시지 신호(예컨대, 베이스밴드 신호)를 복구하기 위해 광 입력(102)에서 수신된 광 신호, 예컨대, 억압 캐리어 신호의 코히어런트 직교 검출을 구현한다. OLO 소스(110)가 광 입력(112)에 인가하는 광 로컬 발진기(OLO) 신호의 주파수에 따라, 광 수신기(100)는 전기 출력(142)에서 베이스밴드 신호 또는 중간 주파수 신호를 생성할 수 있다. 중간 주파수 신호는 베이스밴드 주파수 대역과 광 캐리어의 주파수 사이의 중간에 있는 주파수를 갖는다. 전기 출력(142)이 중간 주파수 신호를 출력하는 실시예에서, 광 수신기(100)는, 예컨대, 중간 주파수 신호를 대응하는 베이스밴드 신호로 변환하기 위해, 중간 주파수(IF) 스테이지(150)를 포함한다. 예컨대, IF 스테이지(150)는, 입력(112)에 인가된 OLO 신호의 주파수가 입력(102)에서 수신된 입력 신호의 광 캐리어 주파수와 비교적 많은 양만큼 다를 때, 또는 광 캐리어 또는 OLO가, 예컨대, 비교적 큰 선폭으로 인해 시간에 따라 변동하는 주파수를 가질 때 사용될 수 있다. 입력(112)에서의 OLO 신호의 주파수가 입력(102)에서의 입력 신호의 캐리어 주파수와 비교적 가깝거나 실질적으로 동일한 경우에는 스테이지(150)가 존재하지 않을 수 있다.
일 실시예에서, OLO 소스(110)는 입력 단자(108)에서 수신된 제어 신호에 기초하여 OLO 신호의 주파수를 변경할 수 있는 회전 가능한 광원(예컨대, 회전 가능한 레이저)이다. 일 실시예에서, 단자(108)에서 수신된 제어 신호는 OLO 소스(110)가 입력(102)에서 수신된 광 신호의 캐리어 주파수 파장에 위상 및/또는 주파수 고정되는 OLO 신호를 생성할 수 있게 한다. 다른 실시예에서, OLO 소스(110)는 입력(102)에서 광 신호의 캐리어 주파수에 위상 및/또는 주파수 고정되지 않고, 제어 신호는 OLO 신호와 입력 신호의 캐리어 주파수 사이에서의 주파수 오프셋을 갖는 OLO 신호를 생성하도록 OLO 소스를 구성한다. 하나의 구성에서, 주파수 오프셋은 관심있는 특정 주파수 대역 바깥쪽에 포함되도록 선택되고, 상기 대역은 상한 및 하한을 갖는다. 하나의 예시적 실시예에서, 관심있는 상기 주파수 대역의 중심 주파수는 대략 2GHz와 대략 18GHz 사이에 배치되고 대략 4GHz보다 크지 않은 3dB 대역폭을 갖는다. 다른 실시예에서, 다른 적당한 주파수 오프셋값이 또한 사용될 수 있다.
광 하이브리드(120)는 광 출력(1341-1344)에서 4개의 개별 혼합 광 신호를 생성하기 위해 광 입력(102)에서 수신된 입력 신호와 광 입력(112)에서 수신된 OLO 신호를 혼합한다. 여러가지 혼합 신호는 상이한 상대적 위상을 가진, 광 입력(102, 112)으로부터의 광 신호의 조합이다.
예시된 실시예에서, 입력(102, 112)에서 수신된 광 신호 각각은 두개의 신호, 예컨대, 종래의 3-dB 전력 분할기(도 1에 명시적으로 도시하지 않음)에 의한 처리를 통해 생성된 대략 동일한 강도의 두개의 신호로 전력 분할된다. 대략 90도(대략 π/2 라디안)의 상대적 위상 시프트는 위상 시프터(128)를 이용하여 OLO 신호의 하나의 복제본에 인가된다. 그 후 여러가지 신호 복제본이 2개의 2x2 광 신호 혼합기(130)를 이용하여 도 1에 도시된 바와 같이 광학적으로 혼합되고, 이는 출력 포트(1341-1344)에서 적외선 신호를 생성한다. 다른 실시예에서, 90도의 상대적 위상 시프트는 OLO 신호에 인가되는 대신, 광 입력(102)을 통해 수신된 입력 신호의 한 복제본에 인가될 수 있다.
여러가지 광 혼합기가 광 하이브리드(120)를 구현하는 데 적합할 수 있다. 예컨대, 광 하이브리드(120)를 구현하기 위한 일부의 적당한 광 혼합기는 미국 캘리포니아 프레몬트의 옵토플렉스사(Optoplex Corporation) 및 미국 메릴랜드 실버스프링의 씨라이트(CeLight, Inc.)로부터 상업적으로 이용 가능할 수 있다. 광 수신기(100)의 다른 실시예에서 광 하이브리드(120)를 구현하는 데 사용될 수 있는 여러가지 추가의 광 하이브리드 및 MMI 혼합기는, 예컨대, (1) 미국특허 출원공개 제 2010/0158521, (2) 미국특허 출원공개 제 2011/0038631,(3) 국제특허출원 제 PCT/US09/37746(2009년 3월 20 출원), (4) 미국특허 출원공개 제2010/0054761에 개시되고, 이들 모두는 참조로서 전체적으로 여기에 포함된다.
i=1…4에 대해, 광 출력(134i)에서 혼합된 신호의 전기장 Ei는, 식 (2)
에 의해 주어지고, 여기서 B는 상수(|B|≤1)이고, ES는 광 입력(102)에서의 신호의 전기장이고, ER는 광 입력(112)에서의 OLO 신호의 전기장이다. 식 (2)는 여러가지 광 출력(1341-1344)에서의 개별적인 광 신호가 입력 전기장 ES 및 ER의 상이한 혼합에 대응하는 것을 나타낸다. 특히, 광 출력(1341, 1342, 1343, 1344)에서, 초기 입력 신호 ES 및 ER는 대략 180도, 0도, 270도 및 90도의 각각의 상대적 위상과 조합된다. 여러가지 대안적 실시예에서, 광 하이브리드(120)는 수신된 광 신호를, 180도, 0도, 270도 및 90도로부터 예컨대, 대략 10도씩 벗어나는 상대적 위상과 혼합하도록 구현될 수 있다.
출력(1341-1344)에서의 광 신호는 도 1에 표시된 바와 같이 균형잡힌 쌍을 형성하기 위해 전기적으로 접속되는 4개의 대응하는 광 검출기(예컨대, 광 다이오드)(136)에 의해 검출된다. 광 출력(1341, 1342)으로부터의 혼합 광 신호를 수신하는 2개의 광 검출기(136)는 전기 포트(138I)에서 전기적 아날로그 신호(예컨대, 광 전류)를 생성한다. 광 출력(1343, 1344)으로부터의 혼합 광 신호를 수신하는 2개의 광 검출기(136)는 전기 포트(138Q)에서 전기적 아날로그 신호(예컨대, 광 전류)를 생성한다. 대표적 실시예에서, 광 검출기(136)는 또한 광 검출기가 광 신호를 전기 신호로 제곱법칙 변환(square-law conversion)한 것에 의해 생성된 합 주파수를 거부하는 로우패스 필터로서 기능할 수 있다. 식 (3a) 및 (3b)는 각각, 전기 출력 포트(138I, 138Q)에서 전기 신호에 대한 표현을 제공한다.
여기서, S0은 상수이고, m(t)는 메시지 신호(식 (1) 참조)이고, Δω는 광 입력(112)에서 수신한 OLO 신호의 주파수 ωOLO와 광 입력(102)에서 수신한 광 캐리어의 주파수 ωOC 사이의 주파수 차이, 즉, ωOLO-ωOC이고, Δφ는 광 입력(112)에서 수신한 OLO 신호의 위상 중 시간에 무관한 부분과 광 입력(102)에서 수신한 광 캐리어의 위상 중 시간에 무관한 부분 사이의 차이이다. 식 (3a) 및 (3b)는 송신기에서 사용한 광 캐리어 신호와 OLO 신호 모두 S0으로 포개지는, 실질적으로 일정한 진폭을 갖는 것으로 가정하는 것을 유의한다.
식 (3a) 및 (3b)는, 포트(138I, 138Q)가 다른 하나에 대하여 대략 90도의 시간 독립 위상 시프트를 갖고, 2차원 벡터 V=(SI, SQ)(SI 및 SQ는 각각 벡터 V의 동상 및 직각 위상 성분임)의 데카르트(Cartesian) 성분의 측정치를 각각 제공하는 것으로 해석될 수 있는 것을 밝힌다. Δω가 0이 아니면, 벡터 V는 초당 Δω 라디안의 각속도로 원점 주위를 회전한다. Δω가 실질적으로 0이면, 벡터 V는 대략 일정 각도의 Δφ에서 X 좌표축에 대해 지향된다. 벡터 V의 길이는 메시지 신호 m(t)의 값에 비례한다.
신호 결합기(140)는 전기 출력 포트(142)에서 결합된 전기적 아날로그 신호를 생산하기 위해 전기 포트(138I, 138Q)에서 수신한 전기 신호를 부가한다. 주파수차 Δω에 따라, 신호(142)는 중간 주파수 신호 또는 베이스밴드 신호일 수 있다. 여러가지 실시예에서, 신호 결합기(140)는, 전기 포트(138I, 138Q)에서 신호로부터의 전기 출력 포트(142)에서 전기 출력 신호를 생성하는 프로세스에서, 신호 결합기(140)는, (i) 2개의 입력 신호의 선형 조합을 생성하고, (ii) 2개의 신호의 벡터 합에 대응하는 신호를 생성하고, (iii) 신호를 정류하고, (iv) 신호의 진폭을 결정하고, (v) 2개의 신호 사이의 위상 오프셋을 결정하고, (vi) 신호를 제곱하고, (vii) 로우패스 필터링을 적용하고, (viii) 대역 통과 필터링을 적용하는 신호 처리 동작 중 하나 이상을 수행하도록 설계될 수 있지만 이에 한정되지 않는다. 신호 결합기(140)는 전체적 신호 처리가, 다음의 목표 (i) 전기 출력 포트(142)에서 생산된 신호에 대한 주파수 변동의 부정적 영향을 완화하고, (ii) 전기 출력 포트(142)에서 생산된 신호에 대한 위상 노이즈 및/또는 드리프트의 부정적 영향을 완화하는 것 중 적어도 하나를 달성하기 위해 신호 결합기에 구현되게 하는 방식으로 이들 동작 중 하나 이상을 수행하도록 구성된다.
예컨대, 신호 결합기(140)는 식 (4)
(여기서, Sc는 전기 출력 포트(142)에서의 신호이고, 나머지 표기는 식 (3)에서와 동일함)
에 따라 전기 포트(138I, 138Q)로부터 수신된 제곱 신호의 합에 비례할 포트(142)에서의 전기 출력 신호를 생성하도록 구성된 전기 전력 결합기일 수 있다. sin2x + cos2x ≡ 1이기 때문에, 식 (3a), (3b), (4)는 Sc 2가 [m(t)]2에 비례하는 것을 내포한다. 이런 이유로, 메시지 신호 m(t)의 진폭은, (1) 포트(102)에서의 광 입력 신호와 포트(112)에서의 OLO 신호 사이의 주파수 오프셋, (2) 위상 노이즈, 및/또는 (3) 주파수/위상 변동에 대응하는 주파수 성분이 광 검출기(136) 또는 신호 결합기(140)의 전기적 필터링에 의해 통과되는 주파수 대역 바깥쪽에 포함되는 것을 제공한 위상 드리프트를 제어하기 어려움에도 관계없이, 전기 출력 포트(142)에서의 신호로부터 효과적으로 복구될 수 있다. 예시를 위해, 전기 포트(138I)(SI, 식 (3a))에서의 동상의 베이스밴드 신호의 진폭은, Δωt + Δφ
90도인 경우에 0에 가깝고, 이는 메시지 신호 m(t)가 전기 포트(138I)에서의 신호에서 크게 감쇠되게 하고, 및/또는 그 신호로부터 단독으로 완전히 복구될 수 없게 한다. 마찬가지로, 전기 포트(138Q)(SQ, 식 (3b))에서의 직각 위상의 베이스밴드 신호의 진폭은, Δωt + Δφ
0도인 경우에 0에 가깝고, 이는 메시지 신호 m(t)가 전기 포트(138Q)에서의 신호에서 크게 감쇠되게 하고, 및/또는 그 신호로부터 단독으로 완전히 복구될 수 없게 한다.
상기에 이미 기술된 바와 같이, IF 스테이지(150)는 선택적이고, OLO 소스(110)가 광 입력(102)에서 수신된 신호의 광 캐리어 주파수로부터 비교적 많은 양만큼 디튜닝(detune)되는 경우 사용될 수 있다. 예컨대, OLO 주파수가 광 캐리어 주파수에 근접하는 경우, IF 스테이지(150)는 적당한 전기적 밴드패스 필터에 의해 제거 또는 교체될 수 있다. 주파수 오프셋이 비교적 크면, IF 스테이지(150)는 종래의 수퍼헤테로다인 무선 수신기에 사용된 것과 유사할 수 있다. IF 스테이지(150)에 의해 생산된 포트(152)에서 전기 출력 신호는 메시지 신호 m(t)에 대응하는 베이스밴드 신호이다. 여러가지 실시예에서, 포트(152)에서 출력 신호는 디지털 전기 신호 또는 아날로그 전기 신호일 수 있다. IF 스테이지(150)를 구현하는 데 사용될 수 있는 대표적 전기적 IF 복조기는, 예컨대, 미국특허 제 7,916,813, 7,796,964, 7,541,966, 7,376,448, 및 6,791,627에 개시되고, 이들 모두는 참조로서 전체적으로 여기에 포함된다.
도 2는 일부 실시예에 따른 신호 결합기(140)로서 사용될 수 있는 신호 결합기의 블럭도를 도시한다. 결합기(200)는 윌킨슨 타입 전력 결합기/분할기이다. 결합기(200)가 신호 결합기(140)로서 구성되는 경우, 포트 2 및 포트 3은 각각 전기 출력 포트(138I, 138Q)로부터 출력된 신호를 수신하기 위해 접속되고, 포트 1은 전기 출력 포트(142)에서 전기 신호 출력을 전달하도록 접속된다(또한 도 1 참조).
결합기(200)는 한쪽에서 포트 1에 모두 접속된 2개의 1/4파 마이크로스트립선(210a, 210b)을 갖고, 다른 쪽에서 포트 2 및 포트 3에서 각각 접속된다. 결합기(200)는 포트 2 및 포트 3 사이에 접속된 발라스트 저항(220)을 더 갖는다. 마이크로스트립선(210a, 210b)의 각각은 
의 임피던스를 갖고, 발라스트 저항(220)은 2Z0의 임피던스를 갖고, 여기서, Z0는, 예컨대, 결합기(200)의 상이한 포트에 접속된 외부의 선의 임피던스일 수 있다.
결합기(200)가 중간 주파수 동작을 위해 설계된 광 수신기(100)에 사용되는 경우, 1/4파 마이크로스트립선(210a, 210b)의 길이를 정의하는 파장 λ는, 예컨대, 관련 매체에서, 예상 중간 주파수 f(여기서 f=2πΔω)에 대응하는 파의 파장과 대략 동일할 수 있다. 전기 포트(138I, 138Q)에서의 신호가 항상 동일한 전력을 갖지 않는다는 사실로 인해, 결합기(200)는 일부 삽입 손실을 가질 수 있다. 그러나 이들 손실은 비교적 낮을 수 있고, 포트 2 및 3은 다른 하나로부터 상당히 분리되어 유지될 수 있고, 이는 포트 사이의 누화를 유리하게 감소시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 포트 2 및 포트 3(또는 포트(138I, 138Q))에서의 신호 사이의 전력 불균형은, 다른 것에 대하여 결합기의 하나의 입력을 지연시키고 대략 90°의 보상하는 위상 시프트를 초래하기 위해, 상이한 임피던스를 갖는 송신선 섹션을 이용하여, 또는 적절한 길이의 추가 송신선 섹션을 포함하여 완화될 수 있다. 신호 결합기(200)의 전기 출력(142)에서의 출력 신호는 전형적으로 전기 포트(138I, 138Q)에서의 신호의 선형 조합을 나타낸다.
대안적 실시예에서, 신호 결합기(200)는 예컨대, 다음의 공보, (1) A. Grebennikov, "Power Combiners, Impedance Transformers and Directional Couplers: Part II," High Frequency Electronics, January 2008, pp. 42-53, (2) R.H. Chatim, "Modified Wilkinson Power Combiner for Applications in the Millimeter-Wave Range," Master Thesis, 2005, University of Kassel, Germany에 기술된 바와 같이, 추가의 스테이지 및/또는 회로 요소를 포함하도록 수정될 수 있고, 그 두 문헌은 모두 참조로서 전체적으로 여기에 포함된다. 이들 수정예는, 예컨대, 결합기의 가공성을 향상시키고, 그 주파수 특성을 변경하고, 및/또는 여러가지 포트 사이에서의 분리를 향상시키도록 만들어질 수 있다. 신호 결합기(140, 200)를 구현하는 데 사용될 수 있는 신호 결합기의 제작 및 이용의 추가적인 관점은 예컨대, 미국특허 제 7,750,740, 6,018,280, 및 5,872,491에 개시되고, 이들 모두는 참조로서 전체적으로 여기에 포함된다.
본 발명이 예시적 실시예를 참조하여 기술되었지만, 본 명세서는 제한적인 의미로 해석되도록 의도되지 않는다.
예컨대, 신호 결합기(140)(도 1)의 다양한 기능은 부수적인 아날로그-디지털 변환 및 적절한 소프트웨어를 이용하여 디지털 도메인에서 구현될 수 있다. 이와 달리, 출력(1341 - 1344)에서의 광 신호는 균형잡힌 쌍 대신에 단일 다이오드를 이용하여 전기적 디지털 신호로 변환될 수 있고, 그 후 디지털 도메인에서 전기 신호(138I, 138Q)를 생성하기 위해 이들 전기 신호에 감산 동작이 적용될 수 있다. 디지털 도메인에서의 계산은 소프트웨어를 이용하여 또는 FPGA, ASIC 또는 마이크로프로세서 등의 적당한 하드웨어에서 수행될 수 있다. 신호(138I, 138Q)의 전력 결합은 소프트웨어 또는 하드웨어에서 대응하는 디지털 값을 제곱함으로써 구현될 수 있다. 이와 달리 또는 이에 부가하여, 광 다이오드에 연결된 여러가지 능동 회로 소자의 이용은 하드웨어에서 여러가지 바람직한 신호 결합 기능을 달성하기 위해 구현될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예와 마찬가지로, 본 발명이 속하는 업계의 당업자에게 명백한, 기술된 실시예의 여러가지 수정예는, 다음의 청구범위에 표현된 바와 같이 본 발명의 원리 및 범위 내에 있다고 여겨진다.
명시적으로 다르게 기술되지 않는 한, 각각의 수치값 및 범위는, 단어 "약" 또는 "대략"이 값 또는 범위의 값 앞에 있던 것처럼 대략적인 것으로 해석되어야 한다.
다음의 청구범위에 표현된 바와 같이, 본 발명의 성질을 설명하기 위해 기술 및 예시된 부분의 세부사항, 재료 및 구성에서의 여러가지 변화는 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 당업자에 의해 이루어질 수 있음이 더 이해될 것이다.
청구범위에서의 도면 번호 및/또는 도면 참조 표시의 이용은 청구범위의 해석을 용이하게 하기 위해 청구된 청구 대상의 하나 이상의 가능한 실시예를 식별하도록 의도된다. 그러한 이용은 대응하는 도면에 도시된 실시예에 대해 반드시 그들 청구범위의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
여기서 언급된 "하나의 실시예" 또는 "일 실시예"는 그 실시예와 연관지어 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함될 수 있음을 의미한다. 명세서의 여러 부분에 "하나의 실시예에서"라는 구절의 출현은 반드시 모두가 동일한 실시예를 가리키는 것이 아니며, 개별 또는 대안적 실시예가 반드시 다른 실시예를 서로 제외시키는 것이 아니다. 용어 "구현"에 대해서도 이와 마찬가지다.
또한 본 명세서에 대해, 용어 "연결하다", "연결하는", "연결된", "접속하다", "접속하는" 또는 "접속된"은 에너지가 2 이상의 요소 사이에서 전달되게 하는, 당업계에 공지된 또는 이후에 개발되는 임의의 방식을 의미하고, 요구되지 않더라도, 하나 이상의 추가 요소의 삽입이 고려된다. 반대로, 용어 "직접 연결된", "직접 접속된" 등은 그러한 추가 요소의 부재를 내포한다.
명세서 및 도면은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 따라서 여기서 명시적으로 기술 또는 도시되지 않지만, 당업자는 본 발명의 원리를 구현하고 그 정신 및 범위 내에 포함되는 여러가지 구성을 고안할 수 있을 것임이 이해될 것이다. 또한, 여기에 인용된 모든 예는 원칙적으로, 기술을 발전시키기 위해, 독자가 발명자(들)에 의해 공헌된 본 발명의 원리 및 개념을 이해하는 것을 돕기 위한 교육 목적인 것으로 분명히 의도되고, 그러한 특별히 언급된 예 및 조건에 한정되지 않는 것으로 해석되어야 할 것이다. 더욱이, 본 발명의 원리, 관점 및 실시예를 언급하는 모든 기술은 그 특정 예와 마찬가지로 그 등가물을 포함하는 것으로 의도된다.
Claims (10)
- 광 수신기를 포함한 장치로서,
상기 광 수신기는,
제 1 광 출력 포트, 제 2 광 출력 포트, 제 3 광 출력 포트, 및 제 4 광 출력 포트 각각에서 제 1 혼합 광 신호, 제 2 혼합 광 신호, 제 3 혼합 광 신호, 및 제 4 혼합 광 신호를 생성하기 위해, 제 1 광 입력 포트에서 수신된 광 신호를 제 2 광 입력 포트에서 수신된 광 로컬 발진기 신호(an optical local-oscillator signal)와 혼합하도록 구성된 광 하이브리드(optical hybrid)와,
제 1 광 출력 포트 및 제 2 광 출력 포트 각각으로부터 광 신호를 수신하도록 접속된 제 1 광 검출기 및 제 2 광 검출기를 포함하는 제 1 광-전기(O/E) 컨버터 - 상기 제 1 O/E 컨버터는 각각의 제 1 광 검출기 및 제 2 광 검출기에 의해 생산된 전기 신호들 사이의 차이를 나타내는 제 1 전기 신호를 출력하는 제 1 전기 포트를 가짐 - 와,
제 3 광 출력 포트 및 제 4 광 출력 포트 각각으로부터 광 신호를 수신하도록 접속된 제 3 광 검출기 및 제 4 광 검출기를 포함하는 제 2 O/E 컨버터 - 상기 제 2 O/E 컨버터는 제 3 광 검출기 및 제 4 광 검출기 각각에 의해 생산된 전기 신호들 사이의 차이를 나타내는 제 2 전기 신호를 출력하는 제 2 전기 포트를 가짐 - 와,
상기 제 1 전기 신호 및 상기 제 2 전기 신호의 결합인 제 3 전기 신호를 출력하도록 접속된 신호 결합기를 포함하는
장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 광 입력 포트에서 수신된 광 신호가 아날로그 또는 디지털 메시지 신호에 의해 변조되는 진폭을 갖는 광 억압 캐리어 신호(optical suppressed-carrier signal)인 경우, 상기 제 3 전기 신호는 상기 메시지 신호에 비례하는 베이스밴드 신호이거나 상기 메시지 신호에 의해 변조되는 진폭을 갖는 중간 주파수 신호인
장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광 하이브리드는 상기 제 1 광 입력 포트 및 상기 제 2 광 입력 포트에서 수신된 광 신호들의 상이한 상대적 위상을 가지는 혼합제로 상기 제 1 혼합 광 신호, 상기 제 2 혼합 광 신호, 상기 제 3 혼합 광 신호, 및 상기 제 4 혼합 광 신호를 생성하도록 구성되고,
상기 광 수신기는,
상기 제 3 전기 신호의 전기 캐리어 주파수가 상기 광 로컬 발진기 신호의 주파수에 의해 제어되도록, 상기 광 로컬 발진기 신호를 생성하도록 구성된 광원을 더 포함하되,
상기 광원은 상기 광 하이브리드의 상기 제 1 광 입력 포트에서 수신된 광 입력 신호의 주파수에 위상 고정되지 않는
장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 신호 결합기는 전기 전력이 상기 제 1 O/E 컨버터로부터 수신된 상기 제 1 전기 신호 및 상기 제 2 O/E 컨버터로부터 수신된 상기 제 2 전기 신호의 전기 전력의 합에 대략 비례하는 상기 제 3 전기 신호를 출력하도록 구성되는
장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 신호 결합기는 대략 상기 제 1 O/E 컨버터로부터 수신된 상기 제 1 전기 신호의 제곱 및 대략 상기 제 2 O/E 컨버터로부터 수신된 상기 제 2 전기 신호의 제곱의 합에 대략 비례하는 상기 제 3 전기 신호를 출력하도록 구성되는
장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광 수신기는,
상기 제 1 광 입력 포트에서 수신된 광 신호에 대응하는 전기 베이스밴드 신호를 생성하기 위해 상기 제 3 전기 신호를 처리하도록 구성된 중간 주파수 복조기를 더 포함하는
장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 신호 결합기는 상기 제 1 전기 신호와 상기 제 2 전기 신호의 선형 조합으로 상기 제 3 전기 신호를 생성하도록 구성되는
장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 신호 결합기는,
제 1 포트와 제 2 포트 사이에 접속된 제 1 마이크로스트립 라인(micro-strip line)과,
상기 제 1 포트와 제 3 포트 사이에 접속된 제 2 마이크로스트립 라인과,
상기 제 2 포트와 상기 제 3 포트 사이에 접속된 저항을 포함하고,
상기 제 2 포트는 상기 제 1 전기 신호를 수신하도록 접속되고,
상기 제 3 포트는 상기 제 2 전기 신호를 수신하도록 접속되고,
상기 제 1 포트는 상기 제 3 전기 신호를 출력하도록 접속되는
장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 신호 결합기는 상기 제 1 전기 신호와 상기 제 2 전기 신호를 디지털 형태로 결합하도록 구성된 디지털 회로를 포함하는
장치.
- 제 1 혼합 광 신호, 제 2 혼합 광 신호, 제 3 혼합 광 신호, 제 4 혼합 광 신호를 생성하기 위해 광 입력 신호와 광 로컬 발진기 신호를 광학적으로 혼합하는 단계와,
차동 검출(differential detection)을 위해 접속된 제 1 광 검출기 및 제 2 광 검출기 각각에서 상기 제 1 혼합 광신호 및 상기 제 2 혼합 광 신호를 수신함에 응답하여 제 1 전기 신호를 생성하는 단계와,
차동 검출을 위해 접속된 제 3 광 검출기 및 제 4 광 검출기 각각에서 상기 제 3 혼합 광 신호 및 상기 제 4 혼합 광 신호에 기초하여 제 2 전기 신호를 생성하는 단계와,
제 3 전기 신호를 생성하기 위해 상기 제 1 전기 신호와 상기 제 2 전기 신호를 결합하는 단계를 포함하는
신호 처리 방법.
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