KR20140117972A - 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치 - Google Patents

광통신용 레이저 다이오드의 구동장치 Download PDF

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이상수
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치에 관한 것으로, 광 송수신장치의 송신 단에서 광통신용 레이저 다이오드의 안정된 대역폭과 높은 이득을 간단하고 효율적으로 제공할 수 있는 다채널 어레이에 적합한 구조의 고성능의 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치를 구현함으로써 저가격 및 저전력의 광 송수신장치를 제작할 수 있도록 한 것이다.

Description

광통신용 레이저 다이오드의 구동장치{laser diode Driving apparatus for optical transmission}
본 발명은 레이저 다이오드의 구동회로와 관련한 것으로, 특히 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치에 관한 것이다.
미래에 요구되는 광통신용 레이저 다이오드 드라이버는 현재보다 50~75% 더 전력소모를 줄여야 하고 향후 고성능 광통신 시스템은 높은 에너지 효율을 갖는 수 테라급 대역폭 요구조건을 구현하기 위한 광 입출력(I/O)을 필요로 한다. 테라급 광 입출력(I/O) 용량을 지원하기 위해서는 포트 밀도를 크게 향상하도록 폼 팩터를 줄여야 한다. 이럴 경우, 포트당 가격도 획기적으로 줄일 수 있다.
단기적인 광 입출력(I/O) 솔루션은 패키지에 광 및 전기 컴포넌트를 통합하는 것이고, 장기적인 광 입출력(I/O) 솔루션은 대역폭과 에너지 효율을 높이기 위해 광 엘리먼트를 직접 CMOS에 집적화하는 것이다. CMOS는 매우 적은 에너지를 소모하며, 계속적으로 전력소모가 감소하는 경향을 보여주고 있다. 따라서, 고속 신호처리 또는 계산이 필요할 때 에너지 효율이 높다.
단기적인 광 입출력(I/O) 솔루션의 이슈는 상용 패키지를 이용하여 CMOS 통합 송신회로(CMOS integrated transceiver circuit), 이산 검출 어레이(discrete detector array) 및 도파관(waveguide)을 집적화하는 것이다. 궁극적으로는 WDM-PON(Wavelength Division Multiplexed Passive Optical Network) 상용화에 가장 큰 장애 요인인 저가화 문제를 해결하기 위해 CMOS 포토닉스 기술을 적용하여 OLT(Optical Line Terminal) 장비의 광 송수신 모듈을 단일 칩으로 만들어 저가화, 소형화, 저전력화를 이루고, 라인 카드 제작 단가를 낮추는 것이다.
따라서, 본 발명자는 광 송수신장치의 송신 단에서 광통신용 레이저 다이오드의 안정된 대역폭과 높은 이득을 간단하고 효율적으로 제공할 수 있는 다채널 어레이에 적합한 구조의 고성능 드라이버에 대한 연구를 하게 되었다. 레이저 다이오드 구동 회로와 관련해서는 미국등록특허 제6,272,160호(2001. 08. 07)에서 제시한 기술 등이 있다.
미국등록특허 제6,272,160호(2001. 08. 07)
본 발명은 상기한 취지하에 발명된 것으로, 광 송수신장치의 송신 단에서 광통신용 레이저 다이오드의 안정된 대역폭과 높은 이득을 간단하고 효율적으로 제공할 수 있는 다채널 어레이에 적합한 구조의 고성능의 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치를 제공함을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따르면, 광통신용 레이저 다이오드(Laser Diode)의 구동장치가 프리 구동부(Pre driver)와, 주 구동부(Main driver)를 포함하고, 상기 프리 구동부가 pnp형 트랜지스터(M1, M2)와 npn형 트랜지스터(M3, M4)의 드레인(drain)이 각각 복수의 출력단(Vout1, Vout2)과 공통 접속되고, pnp형 트랜지스터(M1, M2)의 소스(source)는 전원 전압단(VDD)과 접속되고, npn형 트랜지스터(M3, M4)의 소스는 접지단(VSS)과 공통 접속되고, pnp형 트랜지스터(M1, M2)의 게이트(gate)는 DC 바이어스 전압단(Vb2)과 접속되고, npn형 트랜지스터(M3, M4)의 게이트는 복수의 저전압 차동신호 입력단(Vin1, Vin2)과 각각 접속되어, 복수의 차동 증폭 신호를 각각 주 구동부로 출력하는 복수의 캐스코드(cascode) 증폭기(CA1, CA2)를 포함하는 제1 차동 증폭부를; 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 프리 구동부가 상기 각 캐스코드(cascode) 증폭기(CA1, CA2)의 pnp형 트랜지스터(M1, M2)의 게이트와 DC 바이어스 전압단(Vb2)간에 각각 접속되어, 동작점 변화에 민감하지 않은 전류를 pnp형 트랜지스터(M1, M2)의 게이트에 각각 인가하는 복수의 능동부하를; 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 능동부하가 저항(RL1)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 프리 구동부가 복수의 캐스코드(cascode) 증폭기(CA1, CA2)의 npn형 트랜지스터(M3, M4)의 소스(source)와 접지단(VSS)간에 공통 접속되어 출력 저항이 무한대가 되도록 함으로써 공통 모드 전압 이득이 0이 되도록 하는 이득 조정부를; 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 이득 조정부가 드레인이 상기 복수의 캐스코드(cascode) 증폭기(CA1, CA2)의 npn형 트랜지스터(M3, M4)의 소스와 공통 접속되고, 소스는 접지단(VSS)에 접속되고, 게이트는 DC 바이어스 전압단(Vb1)과 접속되는 npn형 트랜지스터(M5)로 구현되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 주 구동부가 드레인(drain)은 복수의 저항(RL2) 각각을 통해 전원 전압단(VDD)과 각각 접속되고, 소스(source)는 접지단(VSS)에 공통 접속되고, 게이트(gate)는 각각 상기 프리 구동부의 복수의 출력단(Vout1, Vout2)에 접속되고, 드레인(drain)과 저항(RL2)간에서 각각 복수의 차동 증폭 신호를 출력하는 복수의 npn형 트랜지스터(M6, M7)를 포함하는 제2 차동 증폭부와; 두 npn형 트랜지스터(M8, M9)를 포함하되, 하나의 npn형 트랜지스터(M8)의 드레인(drain)은 전원 전압단(VDD)과 접속되고, 다른 하나의 npn형 트랜지스터(M9)의 소스(source)는 접지단(VSS)에 접속되고, 상기 npn형 트랜지스터(M8)의 소스와 상기 npn형 트랜지스터(M9)의 드레인은 단일의 출력단(Vout3)과 공통 접속되고, 두 npn형 트랜지스터(M8, M9)의 게이트(gate)는 상기 제2 차동 증폭부에 의해 각각 출력되는 복수의 차동 증폭 신호를 각각 인가받는 캐스코드 증폭기(CA3)를 포함하는 출력 제어부를; 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 주 구동부가 상기 단일의 출력단(Vout3)을 통해 레이저 다이오드(Laser Diode)로 출력되는 전류의 온도 의존 특성에 의한 변화를 자동으로 보상 제어하는 보상 제어부를; 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 보상 제어부가 복수의 npn형 트랜지스터(M10, M11)를 포함하되, 복수의 npn형 트랜지스터(M10, M11)의 게이트는 변조 전류단(Imod)에 공통 접속되고, 복수의 npn형 트랜지스터(M10, M11)의 소스는 각각 접지단(VSS)에 접속되고, 하나의 npn형 트랜지스터(M10)의 드레인은 변조 전류단(Imod)과 접속되고, 다른 하나의 npn형 트랜지스터(M11)의 드레인은 상기 제2 차동 증폭부의 복수의 npn형 트랜지스터(M6, M7)의 소스와 공통 접속되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 주 구동부가 상기 단일의 출력단(Vout3)을 통해 레이저 다이오드(Laser Diode)로 출력되는 출력 전압 범위를 설정하는 전력 제어부를; 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 전력 제어부가 복수의 npn형 트랜지스터(M12, M13)를 포함하되, 복수의 npn형 트랜지스터(M12, M13)의 게이트는 바이어스 전류단(Ibias)에 공통 접속되고, 복수의 npn형 트랜지스터(M12, M13)의 소스는 각각 접지단(VSS)에 접속되고, 하나의 npn형 트랜지스터(M12)의 드레인은 상기 캐스코드 증폭기(CA3)의 npn형 트랜지스터(M8)의 소스와 단일의 출력단(Vout3)간에 접속되고, 다른 하나의 npn형 트랜지스터(M13)의 드레인은 상기 바이어스 전류단(Ibias)에 접속되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 광 송수신장치의 송신 단에서 광통신용 레이저 다이오드의 안정된 대역폭과 높은 이득을 간단하고 효율적으로 제공할 수 있는 다채널 어레이에 적합한 구조의 고성능의 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치를 구현함으로써 저가격 및 저전력의 광 송수신장치를 제작할 수 있는 유용한 효과가 있다.
도 1 은 고속 데이터 송수신 구조도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치의 개요도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치의 프리 구동부의 일 실시예의 구성을 도시한 회로도이다.
도 4 는 본 발명에 따른 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치의 주 구동부의 일 실시예의 구성을 도시한 회로도이다.
도 5 는 본 발명에 따른 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치의 전체 회로도의 일 예를 도시한 도면이다.
도 6 은 본 발명에 따른 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치의 입력 전압과 출력 전압간 관계 그래프도이다.
도 7 은 본 발명에 따른 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치의 주파수 및 이득 특성 그래프이다.
도 8 은 본 발명에 따른 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치의 전력 이득 특성 그래프이다.
도 9 는 본 발명에 따른 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치의 대역폭과 이득간 상관관계 그래프이다.
도 10 은 본 발명에 따른 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치의 성능 확인을 위한 아이 다이어그램(eye diagram)이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)은 단거리 싱글 또는 고밀도 광 링크를 위한 레이저로, 수 기가 데이터 속도로 저가격 및 단거리 응용에서 상용 CMOS 기술을 이용해 저가격 저전력의 높은 집적도를 제공할 수 있기 때문에 VCSEL 드라이버 기술을 구현하는데 적합하여 큰 관심을 받고 있다.
VCSEL(vertical cavity surface emitting laser)은 주입되는 전류특성에 따라 광 전력이 시간과 온도에 따라 감소하므로 변조전류와 바이어스 전류를 동시에 제어하고, 온도 영향에 대하여 광 출력 데이터 스트림의 열화를 보상하도록 구동 회로를 구현해야 한다.
도 1 은 고속 데이터 송수신 구조도이다. 송신단의 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치(100)에 의해 구동되는 VCSEL과 같은 광통신용 레이저 다이오드(200)의 출력은 멀티모드 광섬유(MMF : MultiMode Fiber)(300)를 통해 전송되고, 수신단의 포토 다이오드(400)에 의해 검출되어 트랜스 임피던스 증폭기(TIA : TransImpedance Amplifier)(500)를 통해 수신된다.
도 2 는 본 발명에 따른 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치의 개요도이다. 도 2 에 도시한 바와 같이, 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치(100)는 프리 구동부(Pre driver)(110)와, 주 구동부(Main driver)(120)를 포함하여 이루어진다.
상기 프리 구동부(Pre driver)(110)는 주 구동부(120) 전단에 구현되며, 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치(100)로 입력되는 입력전압의 이득 및 대역폭을 향상시켜 차동 증폭 출력하기 위한 회로이다.
광통신용 레이저 다이오드의 구동장치는 큰 전류 구동과 고속 동작 간에 밀접하게 상관 관계를 나타내는데, 출력 트랜지스터를 큰 출력전류를 구동하도록 매우 크게 설계할 경우 큰 기생용량을 일으키고, 궁극적으로는 대역폭을 제한하기 때문에 이를 개선할 수 있도록 프리 구동부(110)를 구현한다.
상기 주 구동부(Main driver)(120)는 프리 구동부(Pre driver)(110) 후단에 구현되며, 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치(100)로부터 레이저 다이오드(200)로 출력되는 단일 종단 출력전압의 이득 및 대역폭 향상을 위한 회로이다.
주 구동부(Main driver)(120)는 레이저 다이오드(200)에 충분한 전류를 제공하며, 레이저 다이오드의 광 전력은 레이저 다이오드에 주입되는 전류특성에 따라 변화(시간과 온도에 따라 감소)하기 때문에 주 구동부(120)는 변조 전류와 바이어스 전류(전류 미러)가 제어 가능하고, 평균 전송 광 전력과 소광비를 유지하도록 구현된다.
도 3 은 본 발명에 따른 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치의 프리 구동부의 일 실시예의 구성을 도시한 회로도이다. 도 3 에 도시한 바와 같이, 이 실시예에 따른 프리 구동부(110)는 제1 차동 증폭부(111)를 포함하여 이루어진다.
상기 제1 차동 증폭부(111)는 복수의 캐스코드(cascode) 증폭기(CA1, CA2)를 포함하며, 하나의 캐스코드(cascode) 증폭기(CA1)는 pnp형 트랜지스터(M1)와 npn형 트랜지스터(M3)로 구성되고, 다른 하나의 캐스코드(cascode) 증폭기(CA2)는 pnp형 트랜지스터(M2)과 npn형 트랜지스터(M4)로 구성된다.
pnp형 트랜지스터(M1, M2)와 npn형 트랜지스터(M3, M4)의 드레인(drain)이 각각 복수의 출력단(Vout1, Vout2)과 공통 접속되고, pnp형 트랜지스터(M1, M2)의 소스(source)는 전원 전압단(VDD)과 접속되고, npn형 트랜지스터(M3, M4)의 소스는 접지단(VSS)과 공통 접속되고, pnp형 트랜지스터(M1, M2)의 게이트(gate)는 DC 바이어스 전압단(Vb2)과 접속되고, npn형 트랜지스터(M3, M4)의 게이트는 복수의 저전압 차동신호 입력단(Vin1, Vin2)과 각각 접속되어, 복수의 차동 증폭 신호를 각각 주 구동부(120)로 출력한다.
pnp형 트랜지스터(M1, M2)의 게이트(gate)에 DC 바이어스 전압 Vb2가 인가되고, npn형 트랜지스터(M3, M4)의 게이트에 각각 저전압 차동신호 입력 Vin1 및 Vin2가 인가되면, 상기 트랜지스터들이 포화 영역에서 동작하여 전원전압단(VDD)으로부터 접지단(Vss)으로 증폭된 전류가 흐르고, pnp형 트랜지스터(M1, M2)와 npn형 트랜지스터(M3, M4)의 드레인(drain)간에 각각 접속된 복수의 출력단(Vout1, Vout2)을 통해 복수의 차동 증폭 신호가 각각 주 구동부(120)로 출력된다.
한편, 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 프리 구동부(110)가 복수의 능동부하(112)를 더 포함할 수 있다. 상기 복수의 능동부하(112)는 상기 각 캐스코드(cascode) 증폭기(CA1, CA2)의 pnp형 트랜지스터(M1, M2)의 게이트와 DC 바이어스 전압단(Vb2)간에 각각 접속되어, 동작점 변화에 민감하지 않은 전류를 pnp형 트랜지스터(M1, M2)의 게이트에 각각 인가한다. 예컨대, 상기 능동부하(112)가 저항(RL1)일 수 있다.
만약, 능동부하(112)로 매우 높은 저항값을 가지는 저항(RL1)을 사용하면, 제1 차동 증폭부(111)의 pnp형 트랜지스터(M1, M2)의 게이트에 인가되는 전류 민감도를 낮출 수 있어 동작점 변화에 강인한 안정된 차동증폭 동작을 얻을 수 있다.
한편, 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 프리 구동부(110)가 이득 조정부(113)를 더 포함할 수 있다. 상기 이득 조정부(113)는 복수의 캐스코드(cascode) 증폭기(CA1, CA2)의 npn형 트랜지스터(M3, M4)의 소스(source)와 접지단(VSS)간에 공통 접속되어 출력 저항이 무한대가 되도록 함으로써 공통 모드 전압 이득이 0이 되도록 한다.
예컨대, 상기 이득 조정부(113)가 드레인이 상기 복수의 캐스코드(cascode) 증폭기(CA1, CA2)의 npn형 트랜지스터(M3, M4)의 소스와 공통 접속되고, 소스는 접지단(VSS)에 접속되고, 게이트는 DC 바이어스 전압단(Vb1)과 접속되는 npn형 트랜지스터(M5)로 구현될 수 있다.
즉, pnp형 트랜지스터(M1, M2)의 게이트에 각각 인가되는 DC 바이어스 전압 Vb2와, npn형 트랜지스터(M3, M4)의 게이트에 각각 인가되는 저전압 차동신호 입력 Vin1 및 Vin2에 의해 프리 구동부(110)에서 출력되는 차동 신호의 출력 범위가 결정되고, npn형 트랜지스터(M5)의 게이트에 인가되는 DC 바이어스 전압 Vb1에 의해 프리 구동부(110)의 주파수 이득이 조정되어 이득 및 대역폭이 향상된 차동 증폭 출력이 이루어지게 된다.
도 4 는 본 발명에 따른 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치의 주 구동부의 일 실시예의 구성을 도시한 회로도이다. 도 4 에 도시한 바와 같이, 이 실시예에 따른 주 구동부(120)는 제2 차동 증폭부(121)와, 출력 제어부(122)를 포함하여 이루어진다.
상기 제2 차동 증폭부(121)는 드레인(drain)은 복수의 능동부하인 저항(RL2) 각각을 통해 전원 전압단(VDD)과 각각 접속되고, 소스(source)는 접지단(VSS)에 공통 접속되고, 게이트(gate)는 각각 상기 프리 구동부(110)의 복수의 출력단(Vout1, Vout2)에 접속되고, 드레인(drain)과 저항(RL2)간에서 각각 복수의 차동 증폭 신호를 출력하는 복수의 npn형 트랜지스터(M6, M7)를 포함한다.
상기 출력 제어부(122)는 두 npn형 트랜지스터(M8, M9)를 포함하되, 하나의 npn형 트랜지스터(M8)의 드레인(drain)은 전원 전압단(VDD)과 접속되고, 다른 하나의 npn형 트랜지스터(M9)의 소스(source)는 접지단(VSS)에 접속되고, 상기 npn형 트랜지스터(M8)의 소스와 상기 npn형 트랜지스터(M9)의 드레인은 단일의 출력단(Vout3)과 공통 접속되고, 두 npn형 트랜지스터(M8, M9)의 게이트(gate)는 상기 제2 차동 증폭부(121)에 의해 각각 출력되는 복수의 차동 증폭 신호를 각각 인가받는 캐스코드 증폭기(CA3)를 포함한다.
상기 제2 차동 증폭부(121)의 npn형 트랜지스터(M6, M7)의 게이트 각각에 프리 구동부(110)에서 출력되는 차동 증폭 신호가 각각 인가되면, 상기 트랜지스터들이 포화 영역에서 동작하여 전원 전압단(VDD)으로부터 접지단(VSS)으로 증폭된 전류가 흐르고, npn형 트랜지스터(M6, M7)의 드레인(drain)과 저항(RL2)간에서 각각 복수의 차동 증폭 신호가 출력된다.
npn형 트랜지스터(M6, M7)의 드레인(drain)과 저항(RL2)간에서 출력된 차동 증폭 신호는 각각 상기 출력 제어부(122)의 캐스코드 증폭기(CA3)를 이루는 복수의 npn형 트랜지스터(M8, M9)의 게이트에 인가되고, 포화 영역에서 동작하여 전원 전압단(VDD)으로부터 접지단(VSS)으로 증폭된 전류가 흐르고, 상기 npn형 트랜지스터(M8)의 소스와 상기 npn형 트랜지스터(M9)의 드레인에 공통 접속된 단일의 출력단(Vout3)을 통해 레이저 다이오드(200)로 이득 및 대역폭이 향상된 신호가 출력된다.
한편, 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 주 구동부(120)가 보상 제어부(123)를 더 포함할 수 있다. 상기 보상 제어부(123)는 상기 단일의 출력단(Vout3)을 통해 레이저 다이오드(Laser Diode)(200)로 출력되는 전류의 온도 의존 특성에 의한 변화를 자동으로 보상 제어한다.
예컨대, 상기 보상 제어부(123)가 복수의 npn형 트랜지스터(M10, M11)를 포함하되, 복수의 npn형 트랜지스터(M10, M11)의 게이트는 변조 전류단(Imod)에 공통 접속되고, 복수의 npn형 트랜지스터(M10, M11)의 소스는 각각 접지단(VSS)에 접속되고, 하나의 npn형 트랜지스터(M10)의 드레인은 변조 전류단(Imod)과 접속되고, 다른 하나의 npn형 트랜지스터(M11)의 드레인은 상기 제2 차동 증폭부의 복수의 npn형 트랜지스터(M6, M7)의 소스와 공통 접속되도록 구현될 수 있다.
한편, 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 주 구동부(120)가 전력 제어부(124)를 더 포함할 수 있다. 상기 전력 제어부(124)는 상기 단일의 출력단(Vout3)을 통해 레이저 다이오드(Laser Diode)(200)로 출력되는 출력 전압 범위를 설정한다.
예컨대, 전력 제어부(124)가 복수의 npn형 트랜지스터(M12, M13)를 포함하되, 복수의 npn형 트랜지스터(M12, M13)의 게이트는 바이어스 전류단(Ibias)에 공통 접속되고, 복수의 npn형 트랜지스터(M12, M13)의 소스는 각각 접지단(VSS)에 접속되고, 하나의 npn형 트랜지스터(M12)의 드레인은 상기 캐스코드 증폭기(CA3)의 npn형 트랜지스터(M8)의 소스와 단일의 출력단(Vout3)간에 접속되고, 다른 하나의 npn형 트랜지스터(M13)의 드레인은 상기 바이어스 전류단(Ibias)에 접속되도록 구현될 수 있다.
레이저 다이오드(200)의 광 전력은 레이저 다이오드(200)에 주입되는 전류특성에 따라 변화(시간과 온도에 따라 감소)하기 때문에 주 구동부(120)는 변조 전류와 바이어스 전류(전류 미러) 제어를 통해 평균 전송 광 전력과 소광비를 유지해야 한다. 주 구동부(120)는 상기 보상 제어부(123)를 통해 변조 전류 Imod를 제어하고, 상기 전력 제어부(124)를 통해 바이어스 전류 Ibias를 제어한다.
레이저 다이오드의 구동장치(100)를 이루는 프리 구동부(110)와 주 구동부(120)의 트랜지스터들의 사이즈는 충분한 구동전류 흐름과 대역폭을 보장하기 위해 출력에서 기생용량(parasitic capacitance)을 줄일 수 있도록 선택되어야 하며, 레이저 다이오드의 구동장치(100)에 의한 레이저 다이오드(200)의 평균 구동전류는 (변조 전류 Imod + 바이어스 전류 Ibias)/2가 된다.
차동 증폭기가 차동 신호 전달을 위해서 능동부하로 부하 저항 R을 사용할 경우, 이 회로가 정상적으로 동작하기 위해서는 전류 반복기와 부하로서 작용하는 트랜지스터들이 정상적인 포화영역에서 동작하여야 한다.
차동 증폭기의 전압 이득 A는 다음의 식과 같이 표현된다.
A = Vo/Vi = gmR
여기서, gm은 컨덕턴스이고, R은 능동부하이다.
트랜지스터들이 부궤환을 형성하고 있어, 출력저항을 크게 해주는 역할을 하나 그 값이 제한되기 때문에 전압 이득이 어느 정도 제한된다. 따라서, 이를 보완하기 위해 본 발명의 경우 캐스코드 증폭기 구조를 채용한다.
도 5 는 본 발명에 따른 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치의 전체 회로도의 일 예를 도시한 도면이다. 프리 구동부(110)의 제1 차동 증폭부(111)의 트랜지스터(M3,M4)와, 주 구동부(120)의 제1 차동 증폭부(111)의 트랜지스터(M6,M7)을 공통으로 사용하여 구현한 것으로, 채용된 캐스코드 증폭기(CA1, CA2, CA3)는 복수의 트랜지스터를 직렬로 연결한 형태로, 출력 저항과 전압 이득을 크게 증가시키기 위해 사용된 것이다. 캐스코드 증폭기(CA1, CA2, CA3)의 트랜지스터들은 게이트로 흘러나가는 전류가 없으므로, 여러 개 직렬로 연결할 경우 포화영역에서 동작할 수 있는 출력 값의 범위가 제한적이기는 하지만, 원하는 출력저항을 얻을 수 있다.
프리 구동부(110)와 주 구동부(120)에 채용된 캐스코드 증폭기(CA1, CA2, CA3)는 게이트에 높은 저항값을 가지는 능동부하 RL1 및 RL2가 직렬로 연결되고, 출력단에 하나의 폴(pole)만 가지므로, 높은 DC 전압 이득을 얻기 위해 발진(Oscillation)을 고려하지 않아도 되고, 고속 응용에 적합하다. 컨덕턴스(gm)를 크게 하면, 선형 동작범위가 줄어들지만 적절한 값에서 이득이 향상된다. 주 구동부(120)의 전체 전압 이득은 제2 차동 증폭부(121)의 전압 이득과 캐스코드 증폭기(CA3)의 이득을 합한값이다.
도 6 은 본 발명에 따른 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치의 입력 전압과 출력 전압간 관계 그래프도이다. 도 6 의 위쪽 그래프는 본 발명에 따른 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치의 입력과 출력간 전압 응답 특성을 나타낸 것이고, 아래쪽 그래프는 광통신용 레이저 다이오드 등가회로(도면 도시 생략)를 연결한 회로조건에서 본 발명에 따른 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치의 입력신호와, 변조 전류(Imod)와 바이어스 전류(Ibias)를 통합한 신호합성회로(도면 도시 생략)를 통과 후, 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치의 출력 신호가 매칭을 이루는 것을 보여주는 것이며, 이는 5Gb/s에서 정상적으로 동작한다는 것을 보여준다.
도 7 은 본 발명에 따른 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치의 주파수 및 이득 특성 그래프이다. 도 7 의 아래쪽 곡선은 본 발명에 따른 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치의 주파수 대역과 전압 이득이 3.3G, 2.7dB를 갖음을 볼 수 있고, 도 7 의 위쪽 곡선은 광통신용 레이저 다이오드 등가회로(도면 도시 생략)를 연결한 회로조건에서 Ibias+ Imod 신호를 합성한 결과를 시뮬레이션한 것이다.
도 8 은 본 발명에 따른 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치의 전력 이득 특성 그래프이다. 도 8 에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치의 전력 이득 특성은 도 7 에 도시한 주파수 및 전압이득 특성과 유사한 결과를 보여준다.
도 9 는 본 발명에 따른 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치의 대역폭과 이득간 상관관계 그래프이다. 0.8um CMOS를 이용한 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치는 보통 5G에서 설계가 가능한 것으로 판단된다. 차동증폭기의 CMOS FET의 W/L의 설계 값을 각각 W/L4, W/L6 및 W/L8로 변화시키면서 시뮬레이션하여 대역폭과 이득 곡선에 미치는 결과를 관찰하였을 때 대역폭과 이득은 도 9 에 도시한 바와 같이 각각 3.2G, 6.4dB, 3.1G, 3.8dB 그리고 2.8G, 2.2dB를 갖는다. 즉, CMOS W/L값에 따라 주파수 대역은 2.8G~3.2G, 이득은 6.4G~2.2G까지 민감하게 변하는 것을 알 수 있다.
도 10 은 본 발명에 따른 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치의 성능 확인을 위한 아이 다이어그램(eye diagram)이다. 이 아이 다이어그램은 30~100 m에서 800ps 동안 2 사이클 동안 측정된 결과이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 광 송수신장치의 송신 단에서 광통신용 레이저 다이오드의 안정된 대역폭과 높은 이득을 간단하고 효율적으로 제공할 수 있는 다채널 어레이에 적합한 구조의 고성능의 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치를 구현함으로써 저가격 및 저전력의 광 송수신장치를 제작할 수 있으므로, 상기에서 제시한 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만, 이러한 기재로부터 후술하는 특허청구범위에 의해 포괄되는 범위내에서 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변형이 가능하다는 것은 명백하다.
본 발명은 레이저 다이오드 구동 기술분야 및 이의 응용 기술분야에서 산업상으로 이용 가능하다.
100 : 레이저 다이오드의 구동장치 110 : 프리 구동부
111 : 제1 차동 증폭부 112 : 능동부하
113 : 이득 조정부 120 : 주 구동부
121 : 제2 차동 증폭부 122 : 출력 제어부
123 : 보상 제어부 124 : 전력 제어부
200 : 레이저 다이오드 300 : 멀티모드 광섬유
400 : 포토 다이오드 500 : 트랜스 임피던스 증폭기

Claims (10)

  1. 프리 구동부(Pre driver)와, 주 구동부(Main driver)를 포함하는 광통신용 레이저 다이오드(Laser Diode)의 구동장치에 있어서,
    상기 프리 구동부가:
    pnp형 트랜지스터(M1, M2)와 npn형 트랜지스터(M3, M4)의 드레인(drain)이 각각 복수의 출력단(Vout1, Vout2)과 공통 접속되고, pnp형 트랜지스터(M1, M2)의 소스(source)는 전원 전압단(VDD)과 접속되고, npn형 트랜지스터(M3, M4)의 소스는 접지단(VSS)과 공통 접속되고, pnp형 트랜지스터(M1, M2)의 게이트(gate)는 DC 바이어스 전압단(Vb2)과 접속되고, npn형 트랜지스터(M3, M4)의 게이트는 복수의 저전압 차동신호 입력단(Vin1, Vin2)과 각각 접속되어, 복수의 차동 증폭 신호를 각각 주 구동부로 출력하는 복수의 캐스코드(cascode) 증폭기(CA1, CA2)를 포함하는 제1 차동 증폭부를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 프리 구동부가:
    상기 각 캐스코드(cascode) 증폭기(CA1, CA2)의 pnp형 트랜지스터(M1, M2)의 게이트와 DC 바이어스 전압단(Vb2)간에 각각 접속되어, 동작점 변화에 민감하지 않은 전류를 pnp형 트랜지스터(M1, M2)의 게이트에 각각 인가하는 복수의 능동부하를;
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 능동부하가:
    저항(RL1)인 것을 특징으로 하는 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 프리 구동부가:
    복수의 캐스코드(cascode) 증폭기(CA1, CA2)의 npn형 트랜지스터(M3, M4)의 소스(source)와 접지단(VSS)간에 공통 접속되어 출력 저항이 무한대가 되도록 함으로써 공통 모드 전압 이득이 0이 되도록 하는 이득 조정부를;
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 이득 조정부가:
    드레인이 상기 복수의 캐스코드(cascode) 증폭기(CA1, CA2)의 npn형 트랜지스터(M3, M4)의 소스와 공통 접속되고, 소스는 접지단(VSS)에 접속되고, 게이트는 DC 바이어스 전압단(Vb1)과 접속되는 npn형 트랜지스터(M5)로 구현되는 것을 특징으로 하는 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 주 구동부가:
    드레인(drain)은 복수의 저항(RL2) 각각을 통해 전원 전압단(VDD)과 각각 접속되고, 소스(source)는 접지단(VSS)에 공통 접속되고, 게이트(gate)는 각각 상기 프리 구동부의 복수의 출력단(Vout1, Vout2)에 접속되고, 드레인(drain)과 저항(RL2)간에서 각각 복수의 차동 증폭 신호를 출력하는 복수의 npn형 트랜지스터(M6, M7)를 포함하는 제2 차동 증폭부와;
    두 npn형 트랜지스터(M8, M9)를 포함하되, 하나의 npn형 트랜지스터(M8)의 드레인(drain)은 전원 전압단(VDD)과 접속되고, 다른 하나의 npn형 트랜지스터(M9)의 소스(source)는 접지단(VSS)에 접속되고, 상기 npn형 트랜지스터(M8)의 소스와 상기 npn형 트랜지스터(M9)의 드레인은 단일의 출력단(Vout3)과 공통 접속되고, 두 npn형 트랜지스터(M8, M9)의 게이트(gate)는 상기 제2 차동 증폭부에 의해 각각 출력되는 복수의 차동 증폭 신호를 각각 인가받는 캐스코드 증폭기(CA3)를 포함하는 출력 제어부를;
    포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 주 구동부가:
    상기 단일의 출력단(Vout3)을 통해 레이저 다이오드(Laser Diode)로 출력되는 전류의 온도 의존 특성에 의한 변화를 자동으로 보상 제어하는 보상 제어부를;
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 보상 제어부가:
    복수의 npn형 트랜지스터(M10, M11)를 포함하되, 복수의 npn형 트랜지스터(M10, M11)의 게이트는 변조 전류단(Imod)에 공통 접속되고, 복수의 npn형 트랜지스터(M10, M11)의 소스는 각각 접지단(VSS)에 접속되고, 하나의 npn형 트랜지스터(M10)의 드레인은 변조 전류단(Imod)과 접속되고, 다른 하나의 npn형 트랜지스터(M11)의 드레인은 상기 제2 차동 증폭부의 복수의 npn형 트랜지스터(M6, M7)의 소스와 공통 접속되는 것을 특징으로 하는 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 주 구동부가:
    상기 단일의 출력단(Vout3)을 통해 레이저 다이오드(Laser Diode)로 출력되는 출력 전압 범위를 설정하는 전력 제어부를;
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전력 제어부가:
    복수의 npn형 트랜지스터(M12, M13)를 포함하되, 복수의 npn형 트랜지스터(M12, M13)의 게이트는 바이어스 전류단(Ibias)에 공통 접속되고, 복수의 npn형 트랜지스터(M12, M13)의 소스는 각각 접지단(VSS)에 접속되고, 하나의 npn형 트랜지스터(M12)의 드레인은 상기 캐스코드 증폭기(CA3)의 npn형 트랜지스터(M8)의 소스와 단일의 출력단(Vout3)간에 접속되고, 다른 하나의 npn형 트랜지스터(M13)의 드레인은 상기 바이어스 전류단(Ibias)에 접속되는 것을 특징으로 하는 광통신용 레이저 다이오드의 구동장치.
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