KR20170070397A

KR20170070397A - 실리콘 링-변조기 기반 파장분할다중화 송수신기의 온칩 구현방법 및 이를 이용한 100기가비트 광 송수신기

Info

Publication number: KR20170070397A
Application number: KR1020150177851A
Authority: KR
Inventors: 오원석; 박강엽
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2015-12-14
Filing date: 2015-12-14
Publication date: 2017-06-22

Abstract

실리콘 링-변조기 기반 파장분할다중화 송수신기의 온칩 구현방법 및 이를 이용한 100기가비트 광 송수신기가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 파장분할다중화 광 송수신기는, MRM을 이용하여 광신호를 다중화하는 송신부, MRM을 이용하여 송신부에서 다중화된 광신호를 역다중화 하는 수신부, 송신부에서 다중화된 광신호를 수신부로 전달하는 광채널부 및 광신호를 송신부로 전달하는 광 I/O부를 포함하고, 송신부, 수신부, 광채널부 및 광 I/O부는 온칩으로 구현된다. 이에 의해, 파장분할다중화 송수신기의 칩 사이즈를 크게 줄일 수 있으며, 높은 성숙도를 갖고 있는 실리콘 전기회로를 통한 광소자의 보상 기술이라는 점에서 종래의 개별부품 방식에 비해 값싸게 WDM 시스템의 구현이 가능하다.

Description

실리콘 링-변조기 기반 파장분할다중화 송수신기의 온칩 구현방법 및 이를 이용한 100기가비트 광 송수신기{On-chip implementation method of WDM transceiver based on silicon ring-modulator and 100 Gigabit/s optical transceiver thereof}

본 발명은 광통신 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대용량 광 데이터 전송 시스템에 관한 것이다.

최근 인터넷 기술의 발달로 데이터 용량이 급속도로 증가하면서 40기가비트급, 100기가비트급의 대용량 광통신 시스템이 주목을 받고 있다. 40기가비트급 이상의 대용량 광통신 시스템은 전송라인의 효율성을 극대화하기 위해 광 파장을 분할하여 하나의 광섬유로 전송하는 파장분할다중화 (Wavelength Division Multiplexing, WDM) 방식을 사용하는 것이 일반적이다.

기존 고속 광통신용 부품은 전-광, 광-전 변환 역할을 하는 능동 광소자와 광-커플러 등의 수동 광소자를 화합물반도체로 제작하고, 이를 구동하는 구동회로는 CMOS, SiGe 등 실리콘 기반의 반도체로 제작하여 이를 조립하는 형태로 개발 및 생산을 해왔다. 특히, WDM 시스템을 위한 광 다중화기 (Multiplexer, MUX) 및 역다중화기 (Demultiplexer, DeMUX)는 고품질의 화합물반도체를 이용하여 별도로 제작되었다.

그러나 최근 실리콘 기반의 광 집적회로 공정기술이 발전하면서 능동 광소자, 수동 광소자, 그리고 광 다중화기 및 역다중화기를 칩-레벨로 집적화하려는 연구가 높은 관심을 받고 있다. 특히, 마이크로 링 변조기 (Micro-Ring Modulator, MRM)은 작은 칩 면적과 높은 동작속도로 실리콘 기반 광 집적회로 구현의 주요 부품으로 급부상하고 있다.

MRM은 특정조건에서 특정파장을 갖는 빛이 공진하는 원리를 이용하는 변조기로서, MRM에 인가되는 전기신호에 따라 공진하는 파장이 변하는 성질을 갖고 있다. MRM은 종래에 주로 사용되던 마흐-젠더 변조기 또는 리튬-나이오베이트 변조기에 비해 약 1/50에서 1/100의 크기로 제작이 가능하며, 작은 칩 면적으로 인해 높은 동작속도를 가질 수 있다.

또한, 종래에서는 광 다중화기 및 역다중화기를 주로 광섬유 브래그 격자 (Fiber Bragg Grating, FBG) 기술을 이용하여 별도로 개발해 왔다. 그러나 이는 매우 큰 칩 면적으로 요구하여 실리콘 기반의 광 집적회로에는 적용하기 힘든 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, MRM을 이용한 광 다중화기 및 역다중화기 구현을 통해 WDM 광 송수신기의 온칩 구현 방법 및 이를 이용한 100기가비트급의 대용량 광 송수신기를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 파장분할다중화 광 송수신기는, MRM(Micro-Ring Modulator)을 이용하여, 광신호를 다중화하는 송신부; MRM을 이용하여, 송신부에서 다중화된 광신호를 역다중화 하는 수신부; 송신부에서 다중화된 광신호를 수신부로 전달하는 광채널부; 및 광신호를 송신부로 전달하는 광 I/O부;를 포함하고, 송신부, 수신부, 광채널부 및 광 I/O부는 온칩으로 구현된다.

그리고, 송신부는, 광 I/O부로부터 입력되는 광신호에서 특정 파장의 광신호들을 각각 분리하는 다수의 MRM들; MRM들의 공진 파장을 제어하는 파장제어 회로들; 및 다수의 MRM들에서 분리되는 광신호들에 각기 다른 정보들을 수록하는 다수의 구동회로들;을 포함할 수 있다.

또한, 구동회로들은, 고속 동작을 위한 Anode 구동부; 및 저속 동작을 위한 Cathode 구동부;를 포함할 수 있다.

그리고, 수신부는, 광채널부를 통해 전달되는 광신호에서 특정 파장의 광신호들을 각각 분리하는 다수의 MRM들; MRM들의 공진 파장을 제어하는 파장제어 회로들; MRM들에서 분리된 광신호들을 전기신호들로 각각 변환하는 광 검출기들; 및 광 검출기들에서 출력되는 전기신호들로부터 원 데이터들을 복원하는 광 수신회로들;을 포함할 수 있다.

또한, 광 수신회로들은, 광 검출기들에서 출력되는 전류신호들을 전압신호들로 변환하면서 증폭하는 인버터 방식의 다단 증폭기들일 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 파장분할다중화 광 송수신 방법은, 광 I/O부가, 광신호를 송신부로 전달하는 단계; 송신부가, MRM(Micro-Ring Modulator)을 이용하여 광신호를 다중화하는 단계; 광채널부가, 송신부에서 다중화된 광신호를 수신부로 전달하는 단계; 및 수신부가, MRM을 이용하여 다중화된 광신호를 역다중화 하는 단계;를 포함하고, 송신부, 수신부, 광채널부 및 광 I/O부는 온칩으로 구현된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, MRM을 이용한 광 다중화기 및 역다중화기 구현을 통해 WDM 광 송수신기의 온칩 구현 및 100기가비트급의 대용량 광 송수신기 제작이 가능해진다.

그리고, 본 발명의 실시예들에 따르면, 파장분할다중화 송수신기의 칩 사이즈를 크게 줄일 수 있으며, 높은 성숙도를 갖고 있는 실리콘 전기회로를 통한 광소자의 보상 기술이라는 점에서 종래의 개별부품 방식에 비해 값싸게 WDM 시스템의 구현이 가능하다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 광소자 및 구동회로를 온칩으로 구현할 수 있어 개별 구현방식에 비해 와이어 본딩, 패키징 등의 외부 연결횟수가 현저히 줄어 신뢰성 면에서도 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 마이크로 링 변조기를 이용한 온칩 파장분할다중화 송수신기,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 온칩 파장분할다중화 광 송수신기 구현을 위한 광 구동회로, 그리고,
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 온칩 파장분할다중화 광 송수신기 구현을 위한 광 수신회로이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

MRM은 매우 작은 크기를 가지면서도 높은 동작속도를 갖고 있어 광 집적회로 구현에 적합한 핵심 소자이며, 전기신호를 통한 제어기술을 통해 중심파장의 제어가 가능하여 광 다중화기 및 역 다중화기로서 동작이 가능하다.

본 발명의 실시예에서는 실리콘 기반의 마이크로 링 변조기를 이용하여 이를 온칩으로 집적화하는 구현 방법과 이를 이용한 100기가비트급의 대용량 광 송수신기를 제시한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 링 변조기를 이용한 온칩 파장분할다중화 광 송수신기를 도시한 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 '마이크로 링 변조기를 이용한 온칩 파장분할다중화 광 송수신기'(이하, '온칩 파장분할다중화 광 송수신기'로 약칭)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 송신부(110), 온칩 광채널부(120), 수신부(130) 및 광 I/O부(140)를 포함한다.

송신부(110)는, 4개의 MRM(111), 4개의 MRM 구동회로(112), 그리고 4개의 파장제어 회로(113)를 포함한다.

송신부(110)는 광 I/O부(140)로부터 지속파(Continuous Wave) 광신호를 입력받아 광 다중화기 역할을 수행하는 4개의 MRM(111)으로 전달한다.

4개의 MRM(111)은 각 파장제어 회로(113)의 전기신호에 따라 특정파장에서만 공진을 일으키고 각 파장들은 WDM 동작을 위해 일정한 간격을 갖는다.

각 MRM(111)은 4개의 각기 다른 정보(데이터)를 담고 있는 4개의 구동회로(112)에 의해 구동되며, 이렇게 구동된 전기신호들은 4개의 파장에 각각 실리게 된다.

이렇게 구현된 WDM 송신부(110)의 광 신호들은 온칩 광채널부(120)를 통해 수신부(130)로 전달된다.

온칩 광채널부(120)는 실리콘 기판상에 광도파로 (Waveguide) 형태로 구현된다. 송신부(110)에서 구현한 4개의 파장과 각각에 실린 데이터를 최소한의 손실로 수신부(130)에 전달하는 역할을 수행한다.

수신부(130)는, 4개의 MRM(131), 4개의 게르마늄 광검출기 (Ge Photodetector, Ge PD)(132), 4개의 광 수신회로(133), 그리고 4개의 파장제어 회로(134)로 구성된다.

온칩 광채널부(120)로부터 전달된 광신호는 4개의 파장신호를 모두 포함하고 있다. 4개의 파장제어 회로(134)는 송신부(110)와 같은 파장에서 공진이 일어나도록 각 MRM(131)을 제어함으로써 각 파장을 분리해내는 광 역다중화기 역할을 수행한다.

각 파장의 광 신호는 온칩 구현이 용이한 Ge PD(132)에 의해 각각 전기신호로 변환되며 이는 광 수신회로(133)를 거쳐 원래 데이터로 복원된다.

광 I/O부(140)는 2개의 광 커플러(141, 142)를 포함한다. 광 커플러(141, 142)는 응용에 따라 Grating 방식의 수직 커플러 또는 Edge 방식의 수평 커플러로 구현이 가능하다. 최소한의 손실로 외부의 광 신호를 입출력할 수 있도록 광 손실 특성을 최적화하여 온칩으로 구현한다.

도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 온칩 파장분할다중화 광 송수신기는, 종래의 광섬유 브래그 격자 방식을 통한 파장분할다중화 방식과는 다르게 1/100 수준의 사이즈를 갖는 MRM의 공진특성을 이용하여 온칩 구현에 적합하다.

특히, 본 발명의 실시예에 따른 온칩 파장분할다중화 광 송수신기는, 100기가비트급의 파장분할다중화 광 송수신기 구현에 있어 최적의 가격경쟁력을 갖을 수 있다.

도 2는 온칩 파장분할다중화 광 송수신기 구현을 위한 광 구동회로(Tx)(112)의 상세 회로도이다.

MRM(111)을 구동하는 전압의 크기는 MRM(111)의 전송속도에 따라 결정된다. 높은 전송속도를 얻기 위해서는 높은 구동전압을 가져야 하지만 이에 따라 전력소모도 높아지는 상관관계가 있다.

도 2는 저속에서 단일모드로 고속에서 듀얼모드로 MRM(111)을 구동하기 위해 Anode Enable 신호를 따로 둔 경우를 나타낸다. Anode 구동부는 고속동작을 Cathode 구동부는 저속동작을 담당한다.

도 3은 온칩 파장분할다중화 광 송수신기 구현을 위한 광 수신회로(Rx)(133)의 실시예이다.

광 수신회로(133)는 광 검출기(132)로부터 출력되는 미세전류신호를 전압신호로 변환하는 동시에 증폭하는 역할을 수행한다. 광 수신회로(133)에 해당하는 Transimpedance Amplifier (TIA)를 여러 가지 방법으로 구현할 수 있지만, 도 3에는 가장 전력효율이 높고 온칩 게르마늄 광 검출기(Ge PD)(132)에 적합한 인버터 방식의 다단 증폭기를 나타내었다.

지금까지, 실리콘 링-변조기 기반 파장분할다중화 송수신기의 온칩 구현방법 및 이를 이용한 100기가비트 광 송수신기에 대해 바람직한 실시예들을 들어 상세히 설명하였다.

종래의 파장분할다중화 시스템에서는 광소자와 광 다중화기, 역다중화기를 개별 부품으로 개발하여 조립하는 형태의 개발이 일반적이었다.

또한, 종래의 WDM 송수신기에서는 광-전 변환소자, 전-광 변환소자, 구동회로, 광 다중화기, 광 역다중화기 등을 개별적으로 제작하여 조립해 왔고, 광 다중화기 및 광 역다중화기의 구현을 위해 광섬유 브래그 격자 기술을 주로 사용해 왔으나, 집적도가 매우 낮고 단가가 높아 칩-레벨의 집적화가 불가능하였다.

이에, 본 발명의 실시예에서는 실리콘 기반의 마이크로 링 변조기를 이용하여 이를 온칩으로 집적화하는 구현 방법과 이를 이용한 100기가비트급의 대용량 광 송수신기를 제시하였다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

110 : 송신부
120 : 온칩 광채널부
130 : 수신부
140 : 광 I/O부

Claims

MRM(Micro-Ring Modulator)을 이용하여, 광신호를 다중화하는 송신부;
MRM을 이용하여, 송신부에서 다중화된 광신호를 역다중화 하는 수신부;
송신부에서 다중화된 광신호를 수신부로 전달하는 광채널부; 및
광신호를 송신부로 전달하는 광 I/O부;를 포함하고,
송신부, 수신부, 광채널부 및 광 I/O부는 온칩으로 구현되는 것을 특징으로 하는 파장분할다중화 광 송수신기.
청구항 1에 있어서,
송신부는,
광 I/O부로부터 입력되는 광신호에서 특정 파장의 광신호들을 각각 분리하는 다수의 MRM들;
MRM들의 공진 파장을 제어하는 파장제어 회로들; 및
다수의 MRM들에서 분리되는 광신호들에 각기 다른 정보들을 수록하는 다수의 구동회로들;을 포함하는 것을 특징으로 하는 파장분할다중화 광 송수신기.
청구항 2에 있어서,
구동회로들은,
고속 동작을 위한 Anode 구동부; 및
저속 동작을 위한 Cathode 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 파장분할다중화 광 송수신기.
청구항 1에 있어서,
수신부는,
광채널부를 통해 전달되는 광신호에서 특정 파장의 광신호들을 각각 분리하는 다수의 MRM들;
MRM들의 공진 파장을 제어하는 파장제어 회로들;
MRM들에서 분리된 광신호들을 전기신호들로 각각 변환하는 광 검출기들; 및
광 검출기들에서 출력되는 전기신호들로부터 원 데이터들을 복원하는 광 수신회로들;을 포함하는 것을 특징으로 하는 파장분할다중화 광 송수신기.
청구항 4에 있어서,
광 수신회로들은,
광 검출기들에서 출력되는 전류신호들을 전압신호들로 변환하면서 증폭하는 인버터 방식의 다단 증폭기들인 것을 특징으로 하는 파장분할다중화 광 송수신기.
광 I/O부가, 광신호를 송신부로 전달하는 단계;
송신부가, MRM(Micro-Ring Modulator)을 이용하여 광신호를 다중화하는 단계;
광채널부가, 송신부에서 다중화된 광신호를 수신부로 전달하는 단계; 및
수신부가, MRM을 이용하여 다중화된 광신호를 역다중화 하는 단계;를 포함하고,
송신부, 수신부, 광채널부 및 광 I/O부는 온칩으로 구현되는 것을 특징으로 하는 파장분할다중화 광 송수신 방법.