KR20200041177A - 실시간 모니터링용 광 수신기 - Google Patents

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KR20200041177A
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박강엽
오원석
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전자부품연구원
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Abstract

본 발명은 실시간 모니터링용 광 수신기가 개시된다. 본 발명의 광 수신기는 차동구조를 가지고, 광검출소자로부터 입력된 전류를 증폭하는 전류증폭부, 입력단이 전류증폭부의 출력단과 연결되고, 전류증폭부로부터 입력된 전류신호를 전압으로 증폭하는 Shunt-Shunt TIA(Transimpedance Amplifier)부 및 입력단이 Shunt-Shunt TIA의 출력단과 연결되고, 출력단이 전류증폭부의 입력단과 연결되는 피드백(Feedback) 구조로 구성되어 암전류(dark current)를 제거하는 암전류 제거부를 포함한다.

Description

실시간 모니터링용 광 수신기{Optical receiver for real-time monitoring}
본 발명은 광 수신기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 낮은 입력 임피던스를 구현하고, 일정 대역폭을 유지하면서 넓은 이득범위를 가져 실시간으로 모니터링이 가능한 실시간 모니터링용 광 수신기에 관한 것이다.
데이터센터의 비약적인 발전으로 이를 더욱 효율적으로 구성하기 위한 광 송수신 시스템 및 회로기술에 대한 연구개발이 주목받고 있다. 대용량 광전송 장치의 효율적인 운용과 시스템 상에서 실시간으로 광신호를 모니터링하여 전자회로 및 광신호를 능동적으로 조절하려는 시도가 계속되고 있다.
특히 실리콘 포토닉스 기술의 대두로 광-집적회로(Photonic Integrated Circuit, PIC)와 전자-집적회로(Electronic Integrated Circuit) 간에 단일기판 또는 이종기판으로 집적화가 이루어지면서 온도, 파장 등 주변 환경에 의해 변화하는 파라미터들에 대해 실시간 모니터링을 통한 대응이 가능해지고 있다.
종래의 광 수신기는 대용량 광전송을 위해 높은 대역폭에 초점을 두어 설계하였다. 이에 Shunt Feedback 구조의 트랜스임피던스 증폭기(Transimpedance Amplifier)를 사용하였다. Shunt Feedback 구조의 트랜스임피던스 증폭기는 트랜스임피던스 이득과 대역폭 사이에 분명한 상관관계가 있어 사용하고자 하는 대용량 전송시스템에 최적화된 설계가 용이하고 높은 대역폭에 대해 최첨단 공정기술로 대응하면서 단순한 구조의 트랜스임피던스 증폭기 사용에 아무런 문제가 없었다. 그러나 실시간 모니터링을 위한 광 수신기는 높은 대역폭보다 값싸고 범용적이어야 하며 수신하고자 하는 전류의 양이 작기 때문에 일정 대역폭을 유지하면서 넓은 이득범위를 갖는 것이 중요하다. 따라서 이러한 문제점을 보완할 광 수신기가 필요한 실정이다.
한국등록특허공보 제10-1725878호(2017.04.05.)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 낮은 입력 임피던스 구현을 통해 다양한 광검출소자에 대해 일정수준 이상의 대역폭을 유지하는 실시간 모니터링용 광 수신기를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 이득의 필요에 따라 넓은 범위로 이득을 조절하는 실시간 모니터링용 광 수신기를 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 모니터링용 광 수신기는 차동구조를 가지고, 광검출소자로부터 입력된 전류를 증폭하는 전류증폭부, 입력단이 상기 전류증폭부의 출력단과 연결되고, 상기 전류증폭부로부터 입력된 전류신호를 전압으로 증폭하는 Shunt-Shunt TIA(Transimpedance Amplifier)부 및 입력단이 상기 Shunt-Shunt TIA의 출력단과 연결되고, 출력단이 상기 전류증폭부의 입력단과 연결되는 피드백(Feedback) 구조로 구성되어 암전류(dark current)를 제거하는 암전류 제거부를 포함한다.
또한 상기 전류증폭부는, 상기 입력된 전류를 증폭하는 전류 증폭단 및 피드포워드(Feedforward) 구조를 가지고, 피드포워드 이득만큼 입력 임피던스를 더 낮추는 RGC(Regulated Cascode)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 Shunt-Shunt TIA는, 상기 전류신호를 전압으로 증폭하는 메인 증폭기 및 상기 메인 증폭기의 각각에 대한 입력단과 출력단 사이에 배치되는 피드백 저항를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 Shunt-Shunt TIA는, 상기 메인 증폭기의 안정도 및 전류-전압 변환 이득(Transimpedance Gain)을 높여주는 보상 커패시터더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 Shunt-Shunt TIA는, 상기 메인 증폭기의 공통모드 전압을 안정화하는 CMFB(Common-Mode Feedback) 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 암전류 제거부는, 상기 Shunt-Shunt TIA의 출력단 및 상기 전류증폭부의 입력단 사이에 배치되어 암전류를 제거하는 에러 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 에러 증폭기는, 상기 Shunt-Shunt TIA의 출력단에 대한 DC 변화를 모니터링하고, 상기 모니터링된 결과를 상기 전류증폭부의 입력단에 피드백해주는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 실시간 모니터링용 광 수신기는 싱글 엔드형(single-ended) 구조를 가지고, 광검출소자로부터 입력된 전류를 증폭하는 전류증폭부, 입력단이 상기 전류증폭부의 출력단과 연결되고, 상기 전류증폭부로부터 입력된 전류신호를 전압으로 증폭하는 Shunt-Shunt TIA(Transimpedance Amplifier)부 및 입력단이 상기 Shunt-Shunt TIA의 출력단과 연결되고, 출력단이 상기 전류증폭부의 입력단과 연결되는 피드백(Feedback) 구조로 구성되어 암전류(dark current)를 제거하는 암전류 제거부를 포함한다.
본 발명의 실시간 모니터링용 광 수신기는 종래의 Shunt Feedback 구조의 TIA 앞에 피드포워드 구조의 전류증폭회로와 암전류 제거회로를 포함하여 낮은 입력 임피던스 구현을 할 수 있다.
이를 통해 본 발명은 다양한 광검출소자에 대해 일정수준 이상의 대역폭을 유지하고, 이득의 필요에 따라 넓은 범위로 이득을 조절할 수 있다.
도 1은 종래의 Shunt Feedback 구조의 광 수신기를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 실시간 모니터링용 광 수신기를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 실시간 모니터링용 광 수신기가 차동구조인 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 실시간 모니터링용 광 수신기가 싱글 엔드형 구조인 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 Shut Feedback 구조의 광 수신기는 광검출소자(CPD)를 직접 입력단에 위치시켜 높은 대역폭을 구현한다. 하지만 피드백 저항(RF)의 값에 따라 이득과 대역폭 사이에 심각한 상관관계가 있어 실시간 모니터링용 광 수신기로는 적합하지 못하다.
이에 반해 본 발명의 실시간 모니터링용 광 수신기는 종래의 광 수신기에서 발생되는 이득과 대역폭의 반비례 관계를 해소할 수 있으며 낮은 입력 임피던스 구현을 통해 다양한 광검출소자에 대해 일정수준 이상의 대역폭을 유지하면서도 이득을 필요에 따라 넓은 범위로 조절이 가능하다. 따라서 본 발명의 실시간 모니터링용 광 수신기는 범용성을 확보할 수 있으며 암전류 제거를 통해 높은 수신감도를 가질 수 있다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 당업자에게 자명하거나 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 실시간 모니터링용 광 수신기를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 실시간 모니터링용 광 수신기(100)(이하 ‘광 수신기’라 함)는 낮은 입력 임피던스 구현을 통해 다양한 광검출소자에 대해 일정수준 이상의 대역폭을 유지한다. 광 수신기(100)는 이득의 필요에 따라 넓은 범위로 이득을 조절할 수 있다. 광 수신기(100)는 전류증폭부(10), Shunt-Shunt TIA(Transimpedance Amplifier)부(30) 및 암전류 제거부(Dark Current Cancelation)(50)를 포함한다.
전류증폭부(10)는 Shunt-Shunt TIA부(30)의 입력단과 연결된다. 전류증폭부(10)는 광검출소자(CPD)로부터 입력된 전류를 증폭한다. 전류증폭부(10)는 전류 증폭단(11) 및 RGC(Regulated Cascode)(13)를 포함한다.
전류 증폭단(11)은 복수의 트랜지스터로 이루어지며 전류를 증폭시킨다. 전류증폭단(11)은 트랜지스터의 이득만큼 입력 임피던스를 줄이는 효과를 가진다. 전류증폭단(11)은 트랜지스터의 이득인 트랜스컨덕턴스(gm)만큼 입력 임피던스를 줄여준다.
RGC(13)는 피드포워드(Feedforward) 구조를 가지고, 피드포워드 이득만큼 입력 임피던스를 낮춘다. 즉 RGC(13)는 전류 증폭단(11)에서 줄어든 입력 임피던스과 더불어 피드포워드 이득만큼 입력 임피던스를 더 낮춰준다. 여기서 RGC(13)는 광검출소자를 통해 입력된 전류의 범위가 넓지 않은 경우, 생략이 가능하다.
이를 통해 전류증폭부(10)는 실시간 모니터링을 수행할 수 있는 만큼의 입력 임피던스를 낮출 수 있다. 즉 전류증폭부(10)는 전류증폭단(11)만으로는 실시간 모니터링을 수행할 수 있는 입력 임피던스를 낮출 수 없으나, RGC(13)를 통해 실시간 모니터링을 수행할 수 있는 입력 임피던스까지 낮출 수 있다.
Shunt-Shunt TIA부(30)는 입력단이 전류증폭부(10)의 출력단과 연결되어 전류증폭부(10)로부터 전류신호를 입력받는다. Shunt-Shunt TIA부(30)는 입력된 전류신호를 전압으로 증폭한다. Shunt-Shunt TIA부(30)는 메인 증폭기(31) 및 피드백 저항(RF)(33)을 포함한다.
메인 증폭기(31)는 전류신호를 전압으로 증폭한다. 메인 증폭기(31)는 전압이득이 높을수록 큰 전류-전압 이득(Transimpedance Gain)을 얻게 되므로 2단의 증폭기로 구성될 수 있다. 하지만 이에 한정하지 않고 메인 증폭기(31)는 1단의 증폭기로 구성될 수 있다.
피드백 저항(33)은 메인 증폭기(31)의 각각에 대한 입력단과 출력 사이에 배치된다. 즉 피드백 저항(33)은 메인 증폭기(31)의 (+)입력단과 (-)출력단 사이 및 (-)입력단과 (+)출력단 사이에 각각 배치된다.
암전류 제거부(50)는 광검출소자에 빛이 들어오지 않는 상태에서 발생하는 암전류를 제거한다. 즉 암전류 제거부(50)는 실시간 모니터링을 하기 위해서 매우 낮은 전류(암전류)에 대한 검출하고, 암전류를 제거한다. 이를 위해 암전류 제거부(50)는 입력단이 Shunt-Shunt TIA부(30)의 출력단과 연결되고, 출력단이 전류증폭부(10)의 입력단과 연결되는 피드백(Feedback) 구조로 구성된다. 이때 암전류 제거부(50)는 에러 증폭기(51)를 포함한다. 에러 증폭기(51)는 일종의 DC 검출기로서, Shunt-Shunt TIA(30)의 출력단에 대한 DC 변화를 모니터링하고, 모니터링된 결과를 전류증폭부(10)의 입력단에 피드백하여 광검출소자에서 들어오는 DC전류, 즉 암전류를 제거한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 실시간 모니터링용 광 수신기가 차동구조인 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 광 수신기(100)는 차동구조의 전류 증폭기(10)를 포함하고, 보상 커패시터(Cc)(35) 및 CMFB(Common-Mode Feedback) 회로(37)를 더 포함할 수 있다.
전류 증폭기(10)는 차동구조를 가짐으로서, 2개의 입력에 동시에 들어오는 잡음 등의 성분을 제거한다. 보상 커패시터(CC)(35)는 메인 증폭기(31)가 2단의 증폭기인 경우, 안정도에 문제가 발생되는 현상을 보완한다. 즉 보상 커패시터(35)는 메인 증폭기(31)의 안정도 및 전류-전압 변환 이득을 높여준다. CMFB 회로(37)는 메인 증폭기(31)의 공통모드 전압을 안정화한다. 즉 CMFB 회로(37)는 피드백 구조를 가짐으로써 공통모드 전압을 안정화할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 실시간 모니터링용 광 수신기가 싱글 엔드형 구조인 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 광 수신기(100)는 싱글 엔드형 구조의 전류 증폭기(10)를 포함한다.
광 수신기(100)는 일반적으로 도 3과 같은 차동구조의 전류 증폭기(10)를 포함하나, 칩 내부에 전원안정화 회로가 포함되어 있고, 저전력을 요구하는 경우, 싱글 엔드형 구조의 전류 증폭기(10)를 포함한다. 여기서 싱글 엔드형 전류 증폭기(10)는 하나의 입력과 하나의 출력을 가질 수 있으며, 출력 임피던스가 접지되는 구조를 가진다.
전술된 바와 같이 본 발명의 광 수신기(100)는 종래의 Shunt Feedback 구조의 TIA 앞에 피드포워드 구조의 전류증폭회로와 암전류 제거회로를 포함하여 실시간으로 모니터링이 가능하다. 이를 통해 광 수신기(100)는 값싸고 범용적이고, 일정 대역폭을 유지하면서 넓은 이득범위를 가질 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
10: 전류증폭부
11: 전류 증폭단
13: RGC
30: Shunt-Shunt TIA부
31: 메인 증폭기
33: 피드백 저항
35: 보상 커패시터
37: CMFB 회로
50: 암전류 제거부
51: 에러 증폭기
100: 실시간 모니터링용 광 수신기

Claims (8)

  1. 차동구조를 가지고, 광검출소자로부터 입력된 전류를 증폭하는 전류증폭부;
    입력단이 상기 전류증폭부의 출력단과 연결되고, 상기 전류증폭부로부터 입력된 전류신호를 전압으로 증폭하는 Shunt-Shunt TIA(Transimpedance Amplifier)부; 및
    입력단이 상기 Shunt-Shunt TIA의 출력단과 연결되고, 출력단이 상기 전류증폭부의 입력단과 연결되는 피드백(Feedback) 구조로 구성되어 암전류(dark current)를 제거하는 암전류 제거부;
    를 포함하는 실시간 모니터링용 광 수신기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전류증폭부는,
    상기 입력된 전류를 증폭하는 전류 증폭단; 및
    피드포워드(Feedforward) 구조를 가지고, 피드포워드 이득만큼 입력 임피던스를 더 낮추는 RGC(Regulated Cascode);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 모니터링용 광 수신기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 Shunt-Shunt TIA는,
    상기 전류신호를 전압으로 증폭하는 메인 증폭기; 및
    상기 메인 증폭기의 각각에 대한 입력단과 출력단 사이에 배치되는 피드백 저항;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 모니터링용 광 수신기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 Shunt-Shunt TIA는,
    상기 메인 증폭기의 안정도 및 전류-전압 변환 이득(Transimpedance Gain)을 높여주는 보상 커패시터;
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 모니터링용 광 수신기.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 Shunt-Shunt TIA는,
    상기 메인 증폭기의 공통모드 전압을 안정화하는 CMFB(Common-Mode Feedback) 회로;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 모니터링용 광 수신기.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 암전류 제거부는,
    상기 Shunt-Shunt TIA의 출력단 및 상기 전류증폭부의 입력단 사이에 배치되어 암전류를 제거하는 에러 증폭기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 모니터링용 광 수신기.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 에러 증폭기는,
    상기 Shunt-Shunt TIA의 출력단에 대한 DC 변화를 모니터링하고, 상기 모니터링된 결과를 상기 전류증폭부의 입력단에 피드백해주는 것을 특징으로 하는 실시간 모니터링용 광 수신기.
  8. 싱글 엔드형(single-ended) 구조를 가지고, 광검출소자로부터 입력된 전류를 증폭하는 전류증폭부;
    입력단이 상기 전류증폭부의 출력단과 연결되고, 상기 전류증폭부로부터 입력된 전류신호를 전압으로 증폭하는 Shunt-Shunt TIA(Transimpedance Amplifier)부; 및
    입력단이 상기 Shunt-Shunt TIA의 출력단과 연결되고, 출력단이 상기 전류증폭부의 입력단과 연결되는 피드백(Feedback) 구조로 구성되어 암전류(dark current)를 제거하는 암전류 제거부;
    를 포함하는 실시간 모니터링용 광 수신기.
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