KR20200126565A - 맨체스터 변조 포맷을 이용한 고속 광전송 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 맨체스터 변조 포맷을 이용한 고속 광전송 시스템이 개시된다. 본 발명의 고속 광전송 시스템은 랜덤 데이터 및 클록 신호가 XOR(Exclusive OR) 게이트에 입력되면 맨체스터 코드를 생성하는 구동 회로부, 외부변조 방식으로 생성된 맨체스터 코드의 전기신호를 광신호로 변환하는 전기-광신호 변환부 및 변환된 광신호에 포함된 맨체스터 코드의 스펙트럼폭(Spectral Width)을 줄이는 필터부를 포함한다.

Description

맨체스터 변조 포맷을 이용한 고속 광전송 시스템{High-speed optical transmission system using Manchester modulation format}
본 발명은 광전송 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 코딩된 신호에 데이터 정보와 동기화 정보를 동시에 가지는 맨체스터 변조 포맷을 이용한 고속 광전송 시스템에 관한 것이다.
현대사회에서 정보를 얼마나 빠르게 효율적으로 전달하느냐는 사용하고 있는 네트워크 시스템의 속도에 의해 좌우되며 인터넷, 모바일, 멀티미디어 분야 모두에서 초고속 대용량 전송시스템에 대한 요구가 커지고 있다. 이 중심에 데이터센터를 필두로 하는 광전송 시스템이 있으며 이에 대한 다양한 연구개발이 경쟁적으로 지속되고 있다. 글로벌 시장에서 광전송 시스템에 요구하는 것은 낮은 가격과 기존의 하드웨어를 기반으로 높은 데이터속도와 효율적인 스펙트럼을 갖는 것이며, 이를 위해서는 종래의 강도 변조(Intensity Modulation, IM)과 직접 검출(Direct Detection, DD) 체계를 유지하는 것이다. 이를 유지하면서도 높은 전송속도와 스펙트럼의 효율성을 얻기 위해 다양한 변조 포맷이 시도되고 있다.
종래의 NRZ(Non-Return-Zero) 또는 이진코드(binary code)는 가장 간단한 하드웨어의 구성이 가능하지만 기본적으로 2가지의 한계를 가지고 있다. 첫 번째는 동기화에 대한 것이고, 두 번째는 직접 전류(Direct Current)에 의한 것이다. 데이터는 기본적으로 랜덤(random)한 비트 스트림(Bit Stream)을 가지며 제공하는 최대 데이터 속도보다 훨씬 낮은 주파수의 신호도 문제없이 보내야 하는데 DC전류에 의해 문제가 발생한다. 맨체스터(Manchester) 코드는 이러한 2가지 문제점을 해결해준ㄷㆍ. 맨체스터 코드는 Logic 0 또는 Logic 1에 머물지 않고 지속적으로 변화(transition)함으로 데이터와 동기화에 대한 정보를 동시에 갖고 있고, 저주파에서 DC 문제도 원천적으로 없다. 그러나 맨체스터 코드는 기본적으로 NRZ보다 2배의 대역폭을 요구하며 이는 광전송 시스템에서 큰 퍼짐 현상을 초래하는 문제를 가지고 있다.
한국공개특허공보 제10-2014-0117971호(2014.10.08.)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 코딩된 신호에 데이터 정보와 동기화 정보를 동시에 포함하고, 스펙트럼 효율을 향상시키며, 신호퍼짐 현상을 억제하는 맨체스터 변조 포맷을 이용한 고속 광전송 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 맨체스터 변조 포맷을 이용한 고속 광전송 시스템은 랜덤 데이터 및 클록 신호가 XOR(Exclusive OR) 게이트에 입력되면 맨체스터 코드를 생성하는 구동 회로부, 외부변조 방식으로 상기 생성된 맨체스터 코드의 전기신호를 광신호로 변환하는 전기-광신호 변환부 및 상기 변환된 광신호에 포함된 맨체스터 코드의 스펙트럼폭(Spectral Width)을 줄이는 필터부를 포함한다.
또한 상기 구동 회로부는, 상기 XOR 게이트의 앞단에 프리 드라이버(Pre Driver) 회로 및 프리 엠퍼시스(Pre Emphasis) 회로 중 적어도 하나의 회로를 더 포함하여 속도보상을 하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 XOR 게이트는, CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)타입의 디지털회로 또는 CML(Current-Mode Logic)회로로 구현되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 전기-광신호 변환부는, 연속파 레이저(Continuous wave laser, CW laser)를 출력하는 레이저 발생기, 상기 연속파 레이저를 입력받고, 상기 입력된 연속파 레이저와 상기 맨체스터 코드를 외부 변조하는 외부 변조기 및 상기 변조된 맨체스터 코드의 광신호를 상기 필터부로 전달하는 광도파로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 필터부는, 잔류 측파대 변조(Vestigial Side Band Modulation, VSB) 필터를 이용하여 상기 맨체스터 코드의 스펙트럼폭을 줄이는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 VSB 필터는, 상기 맨체스터 코드가 필요한 대역폭을 20% 내지 30% 줄이는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 맨체스터 변조 포맷을 이용한 고속 광전송 시스템은 랜덤 데이터 및 클록 신호가 XOR 게이트에 입력되면 맨체스터 코드를 생성하는 구동 회로부, 직접변조 방식으로 상기 생성된 맨체스터 코드의 전기신호를 광신호로 변환하는 전기-광신호 변환부 및 상기 변환된 광신호에 포함된 맨체스터 코드의 스펙트럼폭을 줄이는 필터부를 포함한다.
또한 상기 전기-광신호 변환부는, 상기 맨체스터 코드의 전압 신호를 전류 신호로 변환하는 전압-전류 변환회로, 상기 전류 신호로 변환된 맨체스터 코드를 직접 변조하는 레이저 다이오드 및 상기 변조된 맨체스터 코드의 광신호를 상기 필터부로 전달하는 광도파로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 맨체스터 변조 포맷을 이용한 고속 광전송 시스템은 맨체스터 코드 기반으로 구현하고, 맨체스터 코드의 단점을 해결하기 위해 잔류 측파대 변조(Vestigial Side Band Modulation, VSB) 기술을 적용하여 코딩된 신호에 데이터 정보와 동기화 정보를 동시에 포함하고, 스펙트럼 효율을 향상시키며, 신호 퍼짐 현상을 억제할 수 있다.
또한 시스템의 하드웨어를 단순화하여 전력소모를 줄이고, 간편한 변복조 시스템을 갖추어 전송거리를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 외부변조 방식이 적용된 고속 광전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 맨체스터 코드 생성 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 직접변조 방식이 적용된 고속 광전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 종래의 광전송 시스템과 본 발명의 실시예에 따른 고속 광전송 시스템에 대한 성능을 비교한 실험예를 나타낸 도면이다.
종래의 NRZ 기반의 광전송 시스템은 데이터에 동기화 정보가 담겨 있지 않기 때문에 추가로 동기화를 위한 클록 추출 및 데이터 복원을 위한 하드웨어가 필요하였다. 또한 종래의 NRZ 기반의 광전송 시스템은 랜덤신호를 처리할 때 저주파신호가 연속적으로 들어오는 경우 DC 드롭(drop)현상이 일어나며 이를 위해 추가의 코딩기법이 필요하였다. 이는 주파수 효율을 크게 낮추는 문제를 가지고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 코드 안에 데이터 정보와 동기화 정보를 동시에 갖고 있는 맨체스터 코드 기반의 고속 광전송 시스템을 개시한다. 또한 본 발명은 맨체스터 코드의 단점인 넓은 대역폭과 신호 퍼짐(Dispersion) 현상을 해결하기 위해 VSB 기술을 적용하여 맨체스터 코드의 스펙트럼 효율을 높이고, 신호 퍼짐을 줄이는 효과를 얻을 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 1은 본 발명의 실시예에 따른 외부변조 방식이 적용된 고속 광전송 시스템을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 발명의 실시예에 따른 맨체스터 코드 생성 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 2(a)는 XOR 게이트를 통해 맨체스터 코드 생성을 나타낸 도면이고, 도 2(b)는 도 2(a)의 진리표(truth table)를 나타낸 도면이며, 도 2(c)는 도 2(a)의 타임 다이어그램(time diagram)을 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 고속 광전송 시스템(100)은 맨체스터 코드 기반으로 구현하고, 맨체스터 코드의 단점을 해결하기 위해 잔류 측파대 변조(Vestigial Side Band Modulation, VSB) 기술을 적용한다. 이를 통해 고속 광전송 시스템(100)은 코딩된 신호에 데이터 정보와 동기화 정보를 동시에 포함하고, 스펙트럼 효율을 향상시키며, 신호 퍼짐 현상을 억제할 수 있다. 또한 고속 광전송 시스템(100)은 시스템의 하드웨어를 단순화하여 전력소모를 줄이고, 간편한 변복조 시스템을 갖추어 전송거리를 향상시킬 수 있다. 고속 광전송 시스템(100)은 구동 회로부(10), 전기-광신호 변환부(30) 및 필터부(50)를 포함한다.
구동 회로부(10)는 맨체스터 코드를 생성한다. 구동 회로부(10)는 랜덤 데이터 및 클록 신호가 XOR(Exclusive OR) 게이트(11)로 입력하여 맨체스터 코드를 생성한다. 즉 구동 회로부(10)는 랜덤 데이터와 클록 신호의 XOR 조합을 통해 맨체스터 코드를 간단히 생성할 수 있다. 이때 생성된 맨체스터 코드는 한주기(Tb) 중 반주기를 데이터에 대한 정보, 나머지 반주기를 동기화에 대한 정보를 포함한다.
또한 구동 회로부(10)는 적용하는 시스템의 비트율에 따라 높은 속도가 요구되거나, 높은 전압진폭이 요구되는 경우, XOR 게이트(11)의 앞단에 프리 드라이버(Pre Driver) 회로 및 프리 엠퍼시스(Pre Emphasis) 회로 중 적어도 하나의 회로를 더 포함하여 속도보상을 할 수 있다. 바람직하게는 구동 회로부(10)는 프리 드라이버 회로를 포함하여 속도를 높일 수 있으며, 반도체 회로를 제작하는 공정의 한계를 뛰어넘는 속도를 구현하고자 하는 경우, 프리 드라이버 회로와 함께 프리 엠퍼시스 회로를 포함할 수 있다.
예를 들어 구동 회로부(10)는 제1 프리 드라이버(13) 및 제2 프리 드라이버(15)가 각각 XOR 게이트(11)의 입력단과 연결되고, XOR 게이트(11)의 출력단이 전기-광신호 변환부(30)와 연결된다. 여기서 구동 회로부(10)는 제1 프리 드라이버(13)를 통해 랜덤 데이터가 XOR 게이트(11)에 입력되도록 하고, 제2 프리 드라이버(15)를 통해 클록 신호가 XOR 게이트(11)에 입력되도록 할 수 있다. 여기서 XOR 게이트(11)는 단순히 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 타입의 디지털회로로 구현이 가능하나, 고속의 신호처리를 위해서 CML(Current-Mode Logic)회로와 같은 아날로그 기반 로직 또는 TSPC(True Single Phase Clock) 기반의 회로로 구현될 수 있다.
한편 구동 회로부(10)는 넓은 대역폭을 충분히 활용하기 위해 고속동작이 가능한 형태로 구성된다. 구동 회로부(10)는 화합물 반도체, CMOS 등의 공정으로 구현이 가능하다. 이때 구동 회로부(10)는 단순히 속도 측면으로 구현할 경우, 화합물 반도체 공정으로 구현하는 것이 유리하고, 광전 패키징 등을 고려하여 가격경쟁력 측면으로 구현할 경우, CMOS 등 실리콘 기반 공정으로 구현하는 것이 유리하다.
전기-광신호 변환부(30)는 실리콘 기반으로 집적화되어 구현가능하고, 외부변조 방식으로 구동 회로부(10)로부터 생성된 맨체스터 코드의 전기신호를 광신호로 변환한다. 이때 전기-광신호 변환부(30)는 고속의 전기신호를 입력받아 이에 비례하는 광신호를 출력할 수 있다. 또한 전기-광신호 변환부(30)는 외부변조 방식을 적용함으로써, 25Gbps 이상의 고속 동작을 수행하는 시스템에서 사용될 수 있다. 전기-광신호 변환부(30)는 레이저 발생기(31), 외부 변조기(33) 및 광도파로(35)를 포함한다.
레이저 발생기(31)는 일정한 파워를 가지는 광신호를 출력한다. 이때 레이저 발생기(31)는 연속파 레이저(Continuous wave laser, CW laser)를 출력할 수 있다.
외부 변조기(33)는 레이버 발생기(31)로부터 출력된 연속파 레이저 및 XOR 게이트(11)로부터 출력된 맨체스터 코드를 입력받는다. 외주 변조기(33)는 연속파 레이저와 맨체스터 코드를 외부 변조한다. 외부 변조기(33)는 변조된 맨체스터 코드의 광신호를 광도파로(35)로 전달한다.
광도파로(35)는 외부 변조기(33)과 필터부(50) 사이를 연결한다. 광도파로(35)는 광섬유로 구현되어 외부 변조기(33)로부터 변조된 맨체스터 코드의 광신호를 필터부(50)로 전달한다. 바람직하게는 광도파로(35)는 단일 모드 광섬유(single mode fiber)로 구현될 수 있다.
필터부(50)는 실리콘 기반으로 집적화되어 구현가능하고, 전기-광신호 변환부(30)로부터 변환된 광신호에 포함된 맨체스터 코드의 스펙트럼폭(Spectral Width)을 줄인다. 필터부(50)는 잔류 측파대 변조(Vestigial Side Band Modulation, VSB) 필터를 이용하여 상기 맨체스터 코드의 스펙트럼폭을 줄일 수 있다. 여기서 VSB 필터는 밴드패스필터(band-pass filter)로써, 맨체스터 코드가 필요한 대역폭을 20% 내지 30%로 줄일 수 있다. 이를 통해 필터부(50)를 통과하는 신호는 스펙트럼폭이 줄어들게 되어 필터링시 소모되는 전력을 줄일 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 직접변조 방식이 적용된 고속 광전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 고속 광전송 시스템(150)는 코딩된 신호에 데이터 정보와 동기화 정보를 동시에 포함하고, 스펙트럼 효율을 향상시키며, 신호퍼짐 현상을 억제한다.
이때 고속 광전송 시스템(150)는 20Gbps 이상의 고속 동작을 수행하는 시스템에서 사용되는 고속 광전송 시스템(100)과 달리 10Gbps 단거리 전송과 같은 저가형 시스템에 적용되어 사용될 수 있다. 이를 위해 고속 광전송 시스템(150)은 외부변조 방식이 아닌 직접변조 방식으로 시스템이 구현된다. 즉 고속 광전송 시스템(150)은 고속 광전송 시스템(100)과 전기-광 신호 변환부만 차이가 있고, 나머지가 동일한 구성을 가진다. 따라서, 고속 광전송 시스템(100)과 동일한 구성인 구동 회로부(10) 및 필터부(50)에 대한 설명은 생략하고, 차이가 있는 전기-광신호 변환부(40)만을 설명하기로 한다.
전기-광신호 변환부(40)는 실리콘 기반으로 직접화되어 구현가능하고, 직접변조 방식으로 구동 회로부(10)로부터 생성된 맨체스터 코드의 전기신호를 광신호로 변환한다. 전기-광신호 변환부(40)는 전압-전류 변환회로(41), 레이저 다이오드(43) 및 광도파로(45)를 포함한다.
전압-전류 변환회로(41)는 XOR 게이트(11)로부터 생성된 맨체스터 코드의 전압 신호를 전류 신호로 변환한다. 이를 통해 전압-전류 변환회로(41)는 레이저 다이오드(43)가 구동될 수 있도록 한다.
레이저 다이오드(43)는 전류 신호로 변환 맨체스터 코드를 직접 변조한다. 레이저 다이오드(42)는 맨체스터 코드의 전류 신호를 광신호로 직접 변조한다. 바람직하게는 레이저 다이오드(42)는 빅셀(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)일 수 있다. 레이저 다이오드(43)는 변조된 맨체스터 코드의 광신호를 광도파로(35)로 전달한다.
광도파로(45)는 레이저 다이오드(43)과 필터부(50) 사이를 연결한다. 광도파로(35)는 광섬유로 구현되어 레이저 다이오드(43)로부터 변조된 맨체스터 코드의 광신호를 필터부(50)로 전달한다. 바람직하게는 광도파로(35)는 단일 모드 광섬유(single mode fiber)로 구현될 수 있다.
도 4는 종래의 광전송 시스템과 본 발명의 실시예에 따른 고속 광전송 시스템에 대한 성능을 비교한 실험예를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 종래의 NRZ, RZ 코드와 본 발명의 맨체스터코드를 이용한 광전송 시스템의 성능을 비교 분석하였다.
기본적인 맨체스터코드는 여러 가지 장점에도 불구하고 낮은 주파수 효율과 색 분산(Chromatic Dispersion, CD)에 대한 허용오차(Tolerance)가 부족하다는 단점을 확인있다. 이러한 문제점을 본 발명에서는 VSB 필터링을 통해 보완하였으며, 본 발명의 맨체스터코드 모드는 스펙트럼의 폭이 넓어짐으로써 색 분산에 대한 허용오차를 높일 수 있다.
이러한 허용오차는 종래의 NRZ 및 RZ 코드의 색 분산에 대한 허용오차보다 나은 성능임을 확인하였다.
따라서 본 발명의 맨체스터코드를 이용한 고속 광전송 시스템은 긴 전송거리를 갖는 광전송이 가능하다는 것을 확인하였다.
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: 구동회로부
11: XOR 게이트
13: 제1 프리 드라이버
15: 제2 프리 드라이버
30, 40: 전기-광신호 변환부
31: 레이저부
33: 외부변조기
35, 45: 광도파로
41: 전압-전류 변환회로
43: VCSEL
50: 필터부
100, 150: 고속 광전송 시스템

Claims (8)

  1. 랜덤 데이터 및 클록 신호가 XOR(Exclusive OR) 게이트에 입력되면 맨체스터 코드를 생성하는 구동 회로부;
    외부변조 방식으로 상기 생성된 맨체스터 코드의 전기신호를 광신호로 변환하는 전기-광신호 변환부; 및
    상기 변환된 광신호에 포함된 맨체스터 코드의 스펙트럼폭(Spectral Width)을 줄이는 필터부;
    를 포함하는 맨체스터 변조 포맷을 이용한 고속 광전송 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 구동 회로부는,
    상기 XOR 게이트의 앞단에 프리 드라이버(Pre Driver) 회로 및 프리 엠퍼시스(Pre Emphasis) 회로 중 적어도 하나의 회로를 더 포함하여 속도보상을 하는 것을 특징으로 하는 맨체스터 변조 포맷을 이용한 고속 광전송 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 XOR 게이트는,
    CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)타입의 디지털회로 또는 CML(Current-Mode Logic)회로로 구현되는 것을 특징으로 하는 맨체스터 변조 포맷을 이용한 고속 광전송 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전기-광신호 변환부는,
    연속파 레이저(Continuous wave laser, CW laser)를 출력하는 레이저 발생기;
    상기 연속파 레이저를 입력받고, 상기 입력된 연속파 레이저와 상기 맨체스터 코드를 외부 변조하는 외부 변조기; 및
    상기 변조된 맨체스터 코드의 광신호를 상기 필터부로 전달하는 광도파로;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 맨체스터 변조 포맷을 이용한 고속 광전송 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 필터부는,
    잔류 측파대 변조(Vestigial Side Band Modulation, VSB) 필터를 이용하여 상기 맨체스터 코드의 스펙트럼폭을 줄이는 것을 특징으로 하는 맨체스터 변조 포맷을 이용한 고속 광전송 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 VSB 필터는,
    상기 맨체스터 코드가 필요한 대역폭을 20% 내지 30% 줄이는 것을 특징으로 하는 맨체스터 변조 포맷을 이용한 고속 광전송 시스템.
  7. 랜덤 데이터 및 클록 신호가 XOR 게이트에 입력되면 맨체스터 코드를 생성하는 구동 회로부;
    직접변조 방식으로 상기 생성된 맨체스터 코드의 전기신호를 광신호로 변환하는 전기-광신호 변환부; 및
    상기 변환된 광신호에 포함된 맨체스터 코드의 스펙트럼폭을 줄이는 필터부;
    를 포함하는 맨체스터 변조 포맷을 이용한 고속 광전송 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 전기-광신호 변환부는,
    상기 맨체스터 코드의 전압 신호를 전류 신호로 변환하는 전압-전류 변환회로;
    상기 전류 신호로 변환된 맨체스터 코드를 직접 변조하는 레이저 다이오드; 및
    상기 변조된 맨체스터 코드의 광신호를 상기 필터부로 전달하는 광도파로;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 맨체스터 변조 포맷을 이용한 고속 광전송 시스템.
KR1020190050360A 2019-04-30 2019-04-30 맨체스터 변조 포맷을 이용한 고속 광전송 시스템 KR20200126565A (ko)

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