KR20160116354A - 전송 잡음 특성이 개선된 광 송신 장치, 이를 포함하는 광 송수신 장치, 및 이의 검출 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 장거리 전송용 광 선로에서 잡음 특성이 개선된 광 송신 장치는, 장거리 송신할 전기적 송신 신호를 출력하는 송신신호 입력단, 상기 송신 신호에 따라 구동 전류를 제공하는 레이저 다이오드 드라이버, 음향 신호를 출력하는 음향신호 발생기, 및 상기 구동 전류에 따라 광 신호를 생성하되, 상기 송신 신호와 상기 음향 신호를 동시에 광 변조하는 레이저 다이오드를 포함한다. 이와 같은 본 발명의 구성에 의하면, 장거리 통신에서 광 선로에 의한 잡음이 미치는 영향을 최소화하여 광 통신 모듈의 안정적 동작을 가능하게 할 수 있다.

Description

전송 잡음 특성이 개선된 광 송신 장치, 이를 포함하는 광 송수신 장치, 및 이의 검출 장치 {Optical transmitting device for improving transmission noise characteristic, optical transmitting-receiving device including the same, and optical detecting device thereof}

본 발명은, 장거리 광 전송에 있어서 광 선로에 의하여 발생되는 잡음을 억제하여 광 통신 품질을 향상시키기 위한 광 송수신 장치에 관한 것으로, 특히 수십 킬로미터의 장거리 전송에서 크게 증가하는 사이드 밴드 스캐터링(SBS) 잡음을 효과적으로 상쇄시켜 광 수신 장치에서 안정된 신호를 출력할 수 있도록 하는 광 송신 장치에 관한 것이다.

가령, 장거리 전송용 광 송수신 장치에서 광 선로가 길어질수록 광 선로에 의하여 발생되는 SBS 잡음 성분에 의하여 전송 특성이 저하되며, 광 파워가 높은 경우 위 전송 특성이 더 악화되어 통신 품질이 나빠지는데, 본 발명은 이러한 전송 특성의 저하를 방지하기 위하여 신호 변조와 더불어 음향 주파수를 동시에 변조하여 광 신호를 발생시킴으로써, 통신 품질을 개선하고, 장거리 통신에서 광 선로에 의한 잡음이 미치는 영향을 최소화하여 광 통신 모듈의 안정적 동작을 가능하게 하는 잡음 특성이 개선된 광 송신 장치 및 이를 포함하는 광 송수신 장치, 및 광 송수신 장치에서 잡음 특성의 검출 장치에 관한 것이다.

최근 광전송 시스템에서 전광 변환/광전 변환을 통해서 장거리 광 신호 전송을 가능하게 하려는 노력이 계속 되고 있다.

우선 광 전송에 사용되는 광원으로 어떤 것을 사용하느냐에 따라서 전송 가능한 통신 거리는 달라질 수 있다. 근거리 통신에 사용되는 LED(Light Emitted Diode)로부터 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser), FP-LD(Fabry-Perot Laser Diode), DFB LD(Distributed Feedback Laser Diode) 등 광 스펙트럼 대역이 좁아질수록 장거리 전송이 가능하다.

파장에 관해서는 광 섬유(optical fiber)의 분산 특성이 가장 작은 1310㎚의 장파장 대역의 파장이 장거리 전송에 주로 이용이 되고, 이후 비교적 손실이 적은 1550㎚의 단파장 대역의 분산 특성이 작은 광 섬유가 개발되고 있다.

수신용 광 모듈에서는 수광 소자로는 PIN PD(PIN Photo Diode)와 APD(Avalanche Photo Diode)를 사용하는데 APD는 자체의 이득(gain)을 가지고 있어서 아주 작은 레벨의 빛을 검출할 수 있기 때문에 높은 수신 감도가 요구되는 장거리 통신에 사용된다.

단거리가 아닌 중장거리 이상의 거리에서는 광섬유에서 발생되는 잡음의 영향이 레이저 다이오드에 최소의 영향을 미치게 하기 위해서 레이저 다이오드의 광 출력 부분에 방향성을 가지는 능동 소자로써 최소의 삽입 손실 특성을 가지며 역방향 신호 성분의 인입을 방지하는 광 아이솔레이터를 삽입하여 반사된 잡음에 의한 특성 저하를 방지할 수 있다. 그래서 초장거리의 경우에는 이와 같은 잡음 신호의 반사를 최소화하기 위해 아이솔레이션(isolation) 특성이 높은 광 아이솔레이터(Optic Isolator)를 채택한다.

그러나 이러한 광 아이솔레이터의 추가 조립은, 첫째 전송 광 부조립체(Transmit optical Sub Assemblies: TOSA)의 크기를 크게 하고, 둘째 광 아이솔레이터의 추가 삽입에 의해 삽입 손실이 발생하며, 이는 광 출력 신호의 크기를 저하시켜 동일 출력 대비 레이저 다이오드(LD)의 운용 전류를 크게 적용하여 온도 환경에서 광 신호 품질 저하를 가져오는 문제점이 있다.

또한 광 아이솔레이터에 대한 비용 및 광 아이솔레이터 조립 비용이 발생하여 광 통신 모듈의 전체 원가 상승의 원인이 된다.

(공개문헌 1) 특2000-0002357

전술한 바와 같이, 장거리 광 전송에 있어서 광 선로에 의한 잡음이 미치는 영향을 최소화하기 위해서 레이저 다이오드와 광 선로 사이에 광 아이솔레이터(Optic Isolator)를 삽입하여 광 출력 신호가 장거리 선로에 의해 발생되는 잡음 특성(SBS)에 의한 영향을 최소화시키는데 한계가 있고, 특히 광 아이솔레이터는 최소 20dB의 아이솔레이션과 0.5dB의 삽입 손실 특성을 가지고, 광 접속부의 접속에 의한 반사파 및 수 킬로미터의 광 선로에 의한 잡음이 광 출력에 미치는 영향을 차단하는데 어느 정도 효과적이지만, 광 파워 밀도가 높은 선로에서는 아이솔레이션 특성이 20dB 정도라고 하여도 수신 감도가 높은 경우에는 그 잡음에 의한 영향이 나타날 수 있기 때문에, 수십 킬로미터(가령, 30km 이상)의 광 선로에 의한 잡음을 제거하기 위해서는 아이솔레이터를 추가로 연결하여 더 높은 아이솔레이션 조건을 유지하는데 한계가 있고, 따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 장거리 전송에서 광 선로에 의한 잡음 영향을 최소화하는데 그 목적이 있다.

이에 본 발명의 목적은 음향 주파수를 전송 신호와 함께 변조함으로써 아이솔레이션(isolation) 사양의 상향 조정 없이 잡음 특성을 감소시켜 장거리 전송 특성을 개선하는 방안을 제공하고자 한다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 전송하고자 하는 신호를 레이저 다이오드 드라이버(LDD)에서 변조 신호로 변환하고, 이 변환된 신호를 음향 주파수와 동시에 레이저 다이오드(LD)에 주입하여 광 신호를 발생시킨다.

이러한 광 신호는 광선로를 지나 수신용 포토 다이오드(PD)에서 복조되는데, 이때 광선로를 진행하면서 발생하는 잡음(SBS)은 통상적으로 레이저 다이오드(LD)에 궤환되어 레이저 다이오드(LD)에서 변조되는 광 신호의 품질을 저하시키지만, 본 발명은 이러한 잡음 성분을 음향 주파수를 이용하여 상쇄시킴으로써 레이저 다이오드(LD)는 장거리 광선로에 의한 영향이 최소화되고, 잡음 성분이 비교적 낮은 광 신호를 만들 수 있게 된다.

따라서 이러한 광 신호를 수신용 포토 다이오드(PD)로 복조하여 전기 신호로 변환하고, 전치 증폭기(TIA)에 의해 증폭하고, 후단 증폭기(LA)는 출력에 알맞게 증폭하여 잡음이 최소화된 송신 신호를 출력할 수 있게 된다.

여기서 음향 주파수는 수 kHz 대역(가령, 10kHz 이하)의 주파수를 사용하며, 저가의 RC 궤환 발진기를 이용하여 발생한다. 그리고 음향 주파수는 송신 신호의 품질에 영향을 주지 않는 범위에서 송신 신호의 크기보다 40dB 정도 낮은 파워로 송신 신호와 함께 변조된다.

위에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 구성에 의하면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

본 발명에 따르면, 광 통신 모듈을 이용하는 장거리 광 전송망에서 발생하는 광 선로 잡음의 영향을 음향 주파수를 이용하여 효과적으로 제거함으로써 전송용 광 통신 모듈의 효율적인 설계 및 저비용의 제조를 가능하게 한다.

도 1은 본 발명에 따른 장거리 광 전송에서 광 선로에 의해 발생되는 잡음 성분을 음향 주파수를 이용하여 제거하는 광 송수신 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 광 송수신 장치에서 개선된 잡음 특성을 측정하는 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 전송 잡음이 개선되지 않은 종래 기술에 의한 광 모듈의 광 출력 파형이다.
도 4는 전송 잡음이 개선된 본 발명에 의한 광 모듈의 광 출력 파형이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해 질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려 주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 블록 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 장거리 전송용 광선로에서 잡음 특성이 개선된 광 송수신 장치의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

본 발명에서는 이러한 광 아이솔레이터 대신(혹은 이와 결합하여) 음향 주파수를 발생하는 회로를 광전송 모듈에 삽입하여 전기적으로 장거리 광선로 잡음을 제거하여 광전송 모듈의 설계를 효율적으로 하고자 한다.

도 1은 본 발명에 따른 장거리 광 전송에서 광선로에 의해 발생되는 잡음 성분을 음향 주파수를 이용하여 제거하는 광 송수신 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 광 송수신 장치(100)는, 장거리 전송용 광 선로(102)를 이용하여 일 방향 혹은 양 방향 통신하는 광 송신 장치(110)와 광 수신 장치(120)를 포함한다. 여기서 광 송신 장치(110)와 광 수신 장치(120)는 상대적이다.

광 송신 장치(110)는, 송신하고자 하는 데이터의 전기적 신호원으로서 송신 신호를 외부에 받는 송신신호 입력단(112), 전기적 신호원에 따라 구동 전류를 제공하는 레이저 다이오드 드라이버(114), 구동 전류에 따라 광 신호를 생성하는 레이저 다이오드(116), 및 음향 신호원으로서 음향 주파수를 생성 및 제공하는 음향신호 발생기(118)를 포함한다. 이때 음향 신호는 송신 신호와 혼합(mixing)되어 함께 레이저 다이오드에서 광 변조된다.

송신신호 입력단(112)은, 광 송수신 장치(100)를 이용하여 송신하고자 하는 각종 데이터를 전기적 신호 형태(가령, 버스트 모드 이네이블 신호)로 외부와의 연결을 통해서 받을 수 있다. 이와 같이 형성된 송신 신호는 장거리 전송용 광선로(102)를 진행하면서 광선로(102)에 의하여 발생되는 잡음 성분 즉, 사이드 밴드 스캐터링 노이즈(side band scattering noise: SBS)로 인하여 전송 특성이 저하되기 마련인데, 본 발명은 송신 신호를 그대로 유지할 수 있도록 송신 신호와 함께 음향 신호를 함께 전송하는데 특징이 있다.

레이저 다이오드 드라이버(laser diode driver: LDD)(114)는, 입력된 전기신호와 같은 형태의 레이저 다이오드(116)의 발광에 필요한 구동 전류 신호를 제공한다. 레이저 다이오드 드라이버(114)는 데이터의 전기적 신호가 입력됨에 따라 가동되며, 레이저 다이오드(116)가 송신하고자 하는 데이터에 따른 광 신호를 생성하도록 레이저 다이오드(116)에 구동 전류를 생성 및 제공한다.

레이저 다이오드 드라이버(114)는 송신신호 입력단(112)으로부터 받은 전압 신호를 전류 신호로 변환하여 레이저 다이오드(112)에 주입하고, 또한 레이저 다이오드 드라이버(114)의 안정된 동작을 위한 자동 광 출력 제어(automatic power control: APC)기능을 지원하며, 레이저 다이오드(112)의 상태 감시 및 기타 제어 기능을 수행할 수 있다.

레이저 다이오드(laser diode: LD)(116)는, 발광에 의하여 광을 생성하는 소자로서, 다양한 반도체 물질을 이용하여 제조될 수 있다. 레이저 다이오드(116)는 두 개의 전극 사이에 전압을 인가하고 구동 전류를 흐르게 하여 반도체 소자 내에 형성된 광 공진기에 의해 레이저 발진이 발생하는 소자로서, 발광을 위해서는 높은 전류 밀도를 갖는 구동 전류가 필요하다.

음향신호 발생기(118)는, 수 kHz 내지 수십 kHz의 음향 주파수 성분을 발생시킨다. 이로써, 음향 신호원으로 발생된 주파수 성분은 송신신호 입력단(112)의 출력 신호인 전기적 신호원과 더불어 레이저 다이오드(116)에서 변조된다. 음향 신호 성분은 장거리 광 선로(102)에 의해 발생되어 궤환되는 잡음 성분(SBS)을 상쇄시켜 레이저 다이오드(116)의 광 출력 특성에 영향을 주지 않게 된다.

이러한 음향 신호는, 송신 신호보다 크지 않는 것으로 한다. 가령, 음향 신호는 그 크기가 전기 신호원 대비 최대 40dB 정도 낮은 것으로 한다. 즉, 음향 성분은 송신 신호의 품질에 영향을 미치지 않게 하기 위해 신호의 크기를 제한하는데, 이는 송신 신호 대비 40dB 정도 낮은 레벨의 신호 성분으로 레이저 다이오드(116)에서 변조된다.

음향신호 발생기(118)는 10kHz 이하 대역의 주파수를 생성하는 저가의 RC 궤환 발진기가 이용될 수 있다.

광 수신 장치(120)는, 수신된 광 신호를 전기적 신호로 광전 변환하는 포토 다이오드(Photo Diode: PD)(122), 포토 다이오드(122)에서 출력되는 전기적 신호를 저잡음 증폭하는 전치 증폭기(Transmission Impedance Amplifier: TIA)(124), 및 전치 증폭기(124)의 출력 전기 신호를 적당한 크기의 레벨로 증폭시켜주는 이득 증폭기(Limiting Amplifier: LA)(126)를 포함하여 구성된다.

도 2는 본 발명에 의해 제안된 광 송수신 장치의 잡음 특성을 측정하기 위한 검출 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이 잡음 특성 검출 장치(200)는 도 1에서 도시된 광 송수신 장치(100)와 함께 이를 측정할 수 있는 디지털 신호 분석기(130, 140), 광 스펙트럼 분석기(150)를 더 포함하여 구성된다.

송신신호 입력단(112)은, 광 송수신 장치(100)의 성능 측정을 위한 전기적 신호를 신호원으로부터 차등 신호인 DATA+/ DATA-를 받을 수 있다.

디지털 신호 분석기(130, 140)는 전기적 디지털 신호분석기(130)와 광 디지털 신호분석기(140)의 두 가지 기능을 제공한다.

가령 전기적 디지털 신호 분석기(130)는 전술한 이득 증폭기(126)의 출력 신호를 수신하여 송신 신호의 품질을 측정할 수 있다.

광 디지털 신호분석기(140), 및 광 스펙트럼 분석기(150)는 광 커플러(도시되지 않음)에 의하여 유기된 광 신호를 수신하여 송신 신호의 품질을 측정할 수 있다.

<실험예>

본 발명의 효과를 극대화하기 위해서 레이저 다이오드(116)의 광 출력 부분에 광 아이솔레이터를 추가로 사용하지 않고 잡음 성분(SBS)의 개선 정도를 알 수 있도록 음향신호 발생기(118)만을 광 전송 장치(110)에 설치하는 것으로 한다. 또한, 광 선로(102) 또한 광 섬유에 의한 잡음 성분을 극대화하기 위하여 적어도 30km 이상을 사용하는 것으로 한다.

이와 같이 광 디지털 신호분석기(140)에 의하여 측정된 송신 신호의 품질은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같다. 이때, 음향신호 발생기(118)에서 출력된 음향 신호의 변조 유무에 따른 광 디지털 신호의 출력 파형은 도 3과 도 4에서 도시된 바와 같다.

음향 신호 없이 송신신호 입력단(112)에 입력된 신호만 레이저 다이오드(116)에 변조가 되어 전송된 경우 도 3에서와 같이 광 출력 성분은 옵티컬 아이 패턴(optical eye pattern)으로 출력된다. 옵티컬 아이 패턴은 30km 이상의 광 섬유로 인한 잡음 신호(SBS)가 영향을 미쳐서 두꺼운 형태로 출력이 되고 마스크 마진(Mask Margin)의 규격으로부터 24%의 마진을 가진다.

음향신호 발생기(118)로 부터의 음향 신호를 송신신호 입력단(112)에 입력된 신호와 동시에 레이저 다이오드(116)에 변조되어 전송되면 도 4에서와 같이 광 출력 성분은 30km 광섬유로 인한 잡음 신호가 영향이 감소된 옵티컬 아이 패턴(optical eye pattern) 형태로 출력이 되고 제한된 규격으로부터 마스크 마진(Mask Margin)이 35%까지 증가한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 광 신호를 생성하는 발광 레이저 다이오드(LD), 변조된 광 신호를 생성하도록 구동 전류를 레이저 다이오드(LD)에 주입하는 레이저 다이오드 드라이버(LDD), 광 신호를 수신하여 광전 변환을 통해 그에 상응하는 전류 신호를 출력하는 수광 포토 다이오드(PD), 포토 다이오드(PD)에서 출력되는 전류를 전압 신호로 변화하여 증폭하는 전치 증폭기(TIA), 전치 증폭기(TIA)에서 출력되는 전압 신호를 디지털 신호로 변화하여 증폭하는 이득 증폭기(LA) 그리고 잡음 성분을 제거하기 위한 음향 주파수를 발진하는 음향신호 발생기를 포함함으로써, 전송하고자 하는 송신 신호를 음향 주파수와 동시에 레이저 다이오드(LD)에서 변조 및 전광 변환하여 광 신호 형태로 장거리의 광선로를 지나 포토 다이오드(PD)로 입력되고, 광전 변환을 통해 전기 신호 형태로 전치 증폭기(TIA) 및 이득 증폭기(LA)를 지나 출력되는 광 통신 모듈의 구성을 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다. 이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.

100: 광 송수신 장치 102: 광 선로
110: 광 송신 장치 112: 송신신호 입력단
114: 레이저 다이오드 드라이버 116: 레이저 다이오드
118: 음향신호 발생기 120: 광 수신 장치
122: 포토 다이오드 124: 전치 증폭기
126: 이득 증폭기 130: 전기적 디지털 신호 분석기
140: 광 디지털 신호 분석기 150: 광 스펙트럼 분석기
200: 잡음 특성 검출 장치

Claims (8)

1. 장거리 전송용 광 선로를 이용하여 전광 변환 기능의 광 송신 장치와 광전 변환 기능의 광 수신 장치가 광 통신하는 광 송수신 장치에 있어서,
   상기 광 송신 장치는,
   송신하고자 하는 데이터의 전기적 신호원으로부터 송신 신호를 받는 송신신호 입력단;
   상기 송신 신호에 따라 구동 전류를 제공하는 레이저 다이오드 드라이버;
   상기 구동 전류에 따라 광 신호를 생성하는 레이저 다이오드; 및
   음향 신호원으로서 음향 신호를 생성하고, 상기 음향 신호는 상기 송신 신호와 함께 상기 레이저 다이오드에서 광 변조되는 음향신호 발생기를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 광 송수신 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 음향 신호는 상기 광 신호가 30km 이상의 상기 광 선로를 지나면서 발생하는 잡음 성분(SBS)을 상쇄시키는 것을 특징으로 하는 광 송수신 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 음향신호 발생기는 10kHz 이하 대역의 주파수를 생성하는 RC 궤환 발진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 송수신 장치.
4. 장거리 송신할 전기적 송신 신호를 받는 송신신호 입력단;
   상기 송신 신호에 따라 구동 전류를 제공하는 레이저 다이오드 드라이버;
   음향 신호를 출력하는 음향신호 발생기; 및
   상기 구동 전류에 따라 광 신호를 생성하되, 상기 송신 신호와 상기 음향 신호를 동시에 광 변조하는 레이저 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 송신 장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 음향신호 발생기는, RC 궤환 발진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 송신 장치.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 음향 신호는, 잡음 성분을 억제하면서도 상기 송신 신호의 품질에 영향을 미치지 않을 정도의 크기로 제한되도록 상기 송신 신호보다 크지 않되, 상기 송신 신호 대비 최대 40dB 낮은 레벨을 유지하는 것을 특징으로 하는 광 송신 장치.
7. 신호원으로서 차등 신호를 송신 신호로 받는 송신신호 입력단;
   상기 송신 신호에 따라 구동 전류를 제공하는 레이저 다이오드 드라이버;
   음향 신호를 발생하는 음향신호 발생기;
   상기 구동 전류에 따라 광 신호를 생성하되, 상기 송신 신호와 상기 음향 신호를 동시에 광 변조하는 레이저 다이오드;
   광 선로를 통하여 수신된 상기 광 신호를 전기적 신호로 광전 변환하는 포토 다이오드; 및
   상기 광 선로에 설치되는 광 커플링을 통하여 유기된 상기 광신호를 수신하여 상기 송신 신호의 품질을 측정하는 광 디지털 신호분석기를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 광 송수신 장치의 잡음 특성 검출 장치.
8. 제 7 항에 있어서.
   상기 포토 다이오드에서 출력되는 상기 전기적 신호를 저잡음 증폭하는 전치 증폭기;
   상기 전치 증폭기의 출력 전기 신호를 적당한 크기의 레벨로 증폭시켜주는 이득 증폭기; 및
   상기 이득 증폭기의 출력 신호를 수신하여 상기 송신 신호의 품질을 측정하는 전기적 디지털 신호 분석기를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 광 송수신 장치의 잡음 특성 검출 장치.
   

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