WO2015016466A1 - 실리콘 링 변조기의 중심 파장을 제어하는 실시간 피드백 시스템 - Google Patents

실리콘 링 변조기의 중심 파장을 제어하는 실시간 피드백 시스템 Download PDF

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WO2015016466A1
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modulator
silicon
feedback system
time feedback
silicon ring
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PCT/KR2014/004131
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오원석
박강엽
정명근
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전자부품연구원
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/21—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference
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    • G02F1/2257—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference in an optical waveguide structure the optical waveguides being made of semiconducting material
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    • H04B10/501—Structural aspects
    • H04B10/503—Laser transmitters
    • H04B10/505—Laser transmitters using external modulation
    • H04B10/5057—Laser transmitters using external modulation using a feedback signal generated by analysing the optical output
    • H04B10/50575—Laser transmitters using external modulation using a feedback signal generated by analysing the optical output to control the modulator DC bias

Definitions

  • the present invention relates to a real-time feedback system for controlling the center wavelength of a silicon ring modulator.
  • a light source device serving as a high speed all-optical conversion is manufactured from a compound semiconductor.
  • a driving circuit for driving a light source device has been fabricated from a silicon-based semiconductor and assembled at a module-level.
  • SR modulators very small silicon ring modulators having high conversion efficiency and very small size have received high attention.
  • the silicon ring modulator can be manufactured in a size of about 1/100 of that of the Mach-Zhender Modulator (MZM). Therefore, the electric parasitic component, which is a factor limiting the speed of the modulator, is significantly smaller than that of MZM and can have a high speed.
  • MZM Mach-Zhender Modulator
  • the silicon ring modulator has a high all-optical modulation efficiency, which can be described as a change in resonance wavelength according to an electric signal, and thus high modulation efficiency can be obtained even with a small electric signal. Therefore, there is a great advantage in terms of speeding up the driving circuit for driving the silicon ring modulator.
  • the operating wavelength of the silicon ring modulator is very sensitive to changes in the surrounding environment such as temperature and process conditions, which makes it difficult to operate the modulator stably.
  • thermal tuning is mainly used to compensate for the resonant wavelength change caused by the change of the surrounding environment of the silicon ring modulator, but there is a narrow range that can be compensated by this technique.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a real-time feedback system for controlling to stabilize the center resonance frequency of the SR ring modulator (SR modulator) using a method of tuning the electrical bias (Bias) through a real-time feedback system. .
  • the real-time feedback system for controlling the center wavelength of the silicon ring modulator modulates the received optical signal by using the property that the wavelength resonating in the ring-shaped optical waveguide according to the applied electrical signal
  • a modulator configured to analyze an operation state of the modulator based on an optical signal output by the modulator, and a controller configured to feed back a bias for controlling the modulator to the modulator according to an operating state of the modulator output by the detector.
  • the modulator The modulator,
  • It may include a silicon ring modulator doped with N-type silicon outside and doped with P-type silicon inside.
  • the semiconductor device may further include a driver configured to be a silicon-based circuit to apply a driving voltage to the silicon ring modulator.
  • the driving unit The driving unit,
  • the control unit controls the driving unit
  • a bias tuning controller which stores a characteristic curve of the silicon ring modulator measured in advance, and calculates a bias for controlling the modulator according to a result of comparing the digital signal output by the sensing unit with the characteristic curve, and the bias of the silicon It may include a tuning digital analog converter applied to the ring modulator.
  • the control unit controls the driving unit
  • the apparatus may further include a reference digital analog converter configured to input a reference voltage to the detector.
  • the detection unit calculates the ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • a coupler receiving an optical signal output from the modulator, a photo detector for converting the optical signal output by the coupler into an electrical signal, a trend impedance amplifier for amplifying the electrical signal output by the photo detector, and the trend impedance amplifier
  • the apparatus may further include a comparator for determining one electrical signal as a digital signal.
  • the modulator The modulator,
  • a second coupler that receives the optical signal and outputs the modulated optical signal output by the silicon ring modulator to the sensing unit.
  • the output of the SR ring modulator is analyzed and fed back in real time so that the appropriate electrical signal is according to the silicon ring modulator It is applied to stabilize the center wavelength. Therefore, the characteristic change compensation efficiency of the silicon ring modulator can be greatly improved.
  • the silicon-photonics technology has an advantage of being able to control in an on-chip state by being one-chip with a silicon ring modulator.
  • FIG. 1 is a block diagram of a real-time feedback system for controlling the center wavelength of the silicon ring modulator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of a single mode driver IC according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram of a tuning digital-to-analog converter according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a real-time feedback system for controlling a center wavelength of a silicon ring modulator according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a configuration diagram of a single mode driver IC according to an embodiment of the present invention
  • the real-time feedback system includes a driver 100, a modulator 200, a detector 300, and a controller 400.
  • the driver 100 drives the modulator 200.
  • the driving unit 100 includes a continuous wave (hereinafter, referred to as CW) laser 110 and a driver IC (Integrated Circuit (IC)) 130.
  • CW continuous wave
  • IC Integrated Circuit
  • the driver IC 130 generates a driving voltage according to a control signal transmitted from the outside and outputs the driving voltage to the silicon ring modulator 210.
  • the driver IC 130 is developed with a silicon based circuit technology.
  • the silicon ring modulator 210 is designed in a process suitable for an application field and a speed specification.
  • the driver IC 130 may apply an electrical signal to an N-type silicon that is designed in a single mode and disposed outside the silicon ring modulator 210. Alternatively, it can be designed in a differential mode to apply electrical signals to both the inside and outside of the silicon ring modulator 210.
  • the driver IC 130 includes a MUX (Multiplexer) 1 131, a MUX 2 132, a MUX 133, a pre-driver 134, and a frequency divider 1 135.
  • the MUX1 131, the MUX2 132, and the MUX 133 convert parallel data into serial data.
  • the MUX1 131 is an 8: 4 MUX and muxes 8 parallel data into 4 serial data.
  • MUX2 132 is a 4: 2 MUX, which muxes four parallel data into two serial data.
  • MUX3 133 is a 2: 1 MUX, which muxes two parallel data into one serial data. The speed is doubled due to the MUX1 131, MUX2 132, and MUX 133 so that the throughput of data is always kept constant.
  • the pre-driver 134 drives the pre-emphasis driver 138.
  • the frequency divider 1 135 and the frequency divider 2 136 divide the input clock clock to provide a clock suitable for the speed of each MUX.
  • the signal converter 137 converts a current-mode logic (CML) signal type into a signal of a rail-to-rail swing (CMOS) type.
  • CML current-mode logic
  • CMOS rail-to-rail swing
  • the pre-emphasis driver 138 amplifies the signals converted by the MUX1 131, the MUX2 132, and the MUX 133 and applies them to the silicon ring modulator 210.
  • the modulator 200 modulates an input optical signal by using a property of changing a resonant wavelength according to an electrical signal applied from a ring-shaped optical waveguide, and uses a silicon-based ring resonator. Perform modulation.
  • the modulator 200 includes a silicon ring modulator 210, a first coupler 230, and a second coupler 250.
  • the silicon ring modulator 210 is a modulator using a ring resonator in which light having a specific wavelength resonates under a specific condition in a ring-shaped waveguide (WG).
  • the optical signal is modulated according to the electric signal by using a property in which the resonant wavelength is changed according to the applied electric signal.
  • the outer ring of the silicon ring modulator 210 includes N + type doped silicon, and the inner region contains P + type doped silicon.
  • the silicon ring modulator 210 is implemented in a through manner having only one arm 270.
  • the arm 270 refers to an optical waveguide between the first coupler 230 and the second coupler 250.
  • the silicon ring modulator 210 is referred to as a single-arm ring modulator.
  • the silicon ring modulator 210 may be implemented with two arms, that is, an add-drop method having two arms.
  • the first coupler 230 receives and outputs an optical signal from the CW laser 230.
  • the optical signal output from the first coupler 230 is modulated by the silicon ring modulator 210 and output to the outside through the second coupler 250.
  • first coupler 230 and the second coupler 250 may be implemented as a grating coupler of a vertical incidence method or an edge coupler of a horizontal incidence method.
  • the detector 300 detects the output of the modulator 200, that is, the silicon ring modulator 210. That is, the operation state of the modulator 200 is analyzed based on the optical signal output from the modulator 200.
  • the detector 300 includes a coupler 310, a photo detector (PD) 330, a trans-impedance amplifier (hereinafter, referred to as TIA) 350, and a comparator. 370.
  • PD photo detector
  • TIA trans-impedance amplifier
  • the coupler 310 receives a modulated optical signal output from the second coupler 250 through a fiber 500.
  • the photo detector 330 converts the optical signal output from the coupler 310 into an electrical signal.
  • the TIA 350 amplifies the electrical signal output from the photodetector 330. That is, amplification to enable analysis.
  • the comparator 370 determines the electrical signal amplified by the TIA 350 as a digital signal.
  • the comparator 370 is an output value of the TIA 350 when the silicon ring modulator 210 stored in the reference digital-analog converter 430 operates normally, and a value that is amplified and output by the current TIA 350. Compare the output values showing the operating status and compare the results.
  • the controller 400 receives an operating state of the silicon ring modulator 210 from the detector 300 and feeds back a control signal corresponding thereto to the silicon ring modulator 210.
  • the controller 400 feeds back an electrical signal controlling the modulator 200 to the modulator 200 according to an operation state of the modulator 200 output by the detector 300.
  • the controller 400 includes a bias tuning control (BTC) 410, a reference digital-to-analog converter (Ref.DAC) 430, and a tuning digital analog converter (Tuning). Digital-to-Analog Converter, Tuning DAC) 450.
  • BTC bias tuning control
  • Ref.DAC reference digital-to-analog converter
  • Tuning tuning digital analog converter
  • the bias tuning controller 410 receives the digital signal output from the comparator 370 and compares the digital signal with a preset digital signal so that the silicon ring modulator 210 is close to normal operation.
  • the modulator 210 is controlled. That is, the bias is adjusted little by little so that the silicon ring modulator 210 operates almost similarly to a normal operating state, that is, a state that outputs the highest speed and stable optical power.
  • the bias tuning controller 410 may be replaced by a processing unit or a flash memory according to an application.
  • the bias tuning controller 410 measures the characteristic information or the characteristic curve of the silicon ring modulator 210 in advance and stores it in the reference digital analog converter 430. Or input from an external storage device (not shown). The digital signal output from the comparator 370 may be compared with a characteristic curve stored in a memory device (not shown).
  • the bias tuning controller 410 may compare the characteristic information of the silicon ring modulator 210 input from the outside with the digital signal output from the comparator 370.
  • the reference DAC 430 stores an output value of the TIA 350 when the silicon ring modulator 210 operates normally or receives an output value of the TIA 350 from an external source.
  • the reference DAC 430 inputs the reference voltage of the comparator 370 based on the digital signals output from the bias tuning controller 410 under the control of the bias tuning controller 410. And, by inputting such a digital signal to the reference DAC (430), it is possible to shorten the tuning time.
  • the tuning DAC 450 inputs a bias to the silicon ring modulator 210 according to the characteristic curve of the silicon ring modulator 210 stored in the bias tuning controller 410 to control the center wavelength to a desired wavelength, that is, the desired center wavelength in the system. do.
  • the tuning DAC 450 shifts to the desired center wavelength using such a tuning technique because the center wavelength varies from a desired value according to the surrounding environment.
  • the tuning DAC 450 may be implemented as shown in FIG. 3.
  • the tuning DAC 450 includes a plurality of resistors (R, 2R, 4R, 64R, 128R, 96R) 451 to which a VDD voltage is applied, and each resistor (R, 2R, 4R, 64R, 128R, 3-bit Most Significant Bit (MSB) Non-Linear DAC 452 including a plurality of switches connected to the 96R), two amplifiers 453 and 454 each connected to some of the plurality of switches, such as 6-bit Least Significant Bit (LSB) Linear R-2R DAC (455) and 6-bit LSB Linear R-2R DAC (455) with multiple switches connected to each of two amplifiers 453 and 454. It includes a plurality of resistors (R, 2R), a dummy resistor (Dummy R) connected to some of the plurality of switches included in the switch and the amplifier 456 connected to these resistors.
  • LSB Least Significant Bit
  • Dummy R
  • the plurality of resistors (R, 2R, 4R, 64R, 128R, 96R) 451 is a 3-bit resistor array divided between VDD (power supply voltage) and ground voltage (0V) in several stages.
  • the corresponding voltage is output to the two amplifiers 453 and 454 according to the digital value input to the MSB nonlinear DAC 452.
  • the two amplifiers 453 and 454 are level shifters, shifting the output voltage of the 3-bit MSB nonlinear DAC 452 to a level that matches the 6-bit LSB linear R-2R DAC 455 to further subdivide the current voltage. do.
  • the 6-bit LSB linear R-2R DAC 455 is the switch portion of the R-2R DAC
  • the amplifier 456 is an amplifier that drives the output of the final DAC.
  • the real time feedback system of FIG. 1 analyzes and feeds back the output of the silicon ring modulator 210 in real time.
  • an electrical signal according to the feedback is applied to the silicon ring modulator 210 to stabilize the center wavelength. That is, unlike the conventional method using the thermal tuning technique, the center wavelength of the silicon ring modulator 210 is stabilized using a method of tuning an electrical bias through a real-time feedback system.

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Abstract

실리콘 링 변조기의 중심 파장을 제어하는 실시간 피드백 시스템은 인가되는 전기 신호에 따라 링 모양의 광도파로에서 공진하는 파장이 변하는 성질을 이용하여 입력받은 광 신호를 변조하는 변조부, 상기 변조부가 출력하는 광 신호를 토대로 상기 변조부의 동작 상태를 분석하는 감지부, 그리고 상기 감지부가 출력하는 상기 변조부의 동작 상태에 따라 상기 변조부를 제어하는 바이어스를 상기 변조부로 피드백하는 제어부를 포함한다.

Description

실리콘 링 변조기의 중심 파장을 제어하는 실시간 피드백 시스템
본 발명은 실리콘 링 변조기의 중심 파장을 제어하는 실시간 피드백 시스템에 관한 것이다.
종래에 고속 디지털 광통신 시스템에서는 고속 전-광 변환 역할을 하는 광원 소자를 화합물 반도체로 제작한다. 그리고 광원 소자를 구동하는 구동 회로는 실리콘 기반의 반도체로 제작하여 모듈-레벨에서 조립하여 왔다.
그런데 최근 고속 디지털 광통신 시스템이 생활 가전 분야로 확대되어 가격 경쟁력 확보에 대한 요구가 급증하고 있다.
따라서, 실리콘 기반으로 고속 전-광 변환 소자와 구동 회로를 하나의 칩에 집적화하려는 연구가 전 세계적으로 활발하게 진행 중이다.
특히, 높은 변환 효율을 가지면서도 크기가 매우 작은 실리콘 링 변조기(Silicon Ring Modulator, SR Modulator)가 높은 관심을 받고 있다.
실리콘 링 변조기는 종래에 주로 이용되었던 마흐-젠더 변조기(Mach-Zhender Modulator, MZM)에 비해 약 1/100의 크기로 제작이 가능하다. 따라서, 변조기의 속도를 제한하는 요소인 전기 기생 성분이 MZM에 비해 현저히 작아 높은 속도를 가질 수 있다.
또한, 실리콘 링 변조기는 전기 신호에 따른 공진 파장의 변화량으로 설명할 수 있는 전광 변조 효율이 높아 작은 전기 신호로도 높은 변조 효율을 얻는 것이 가능하다. 따라서, 실리콘 링 변조기를 구동하는 구동 회로의 속도 향상 측면에서도 큰 장점을 갖는다.
하지만, 실리콘 링 변조기의 동작 파장은 온도, 공정조건 등 주변 환경 변화에 매우 민감하여 안정적으로 변조기를 동작시키는데 어려움이 있다. 종래에는 주로 열적 튜닝(Thermal Tuning) 기법을 이용하여 이러한 실리콘 링 변조기의 주변 환경 변화에 따른 공진 파장 변화를 보상하였으나, 이 기술에 의해 보상할 수 있는 범위가 좁은 한계가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전기적인 바이어스(Bias)를 실시간 피드백 시스템을 통해 튜닝하는 방법을 이용하여 실리콘 링 변조기(SR Modulator)의 중심 공진 주파수를 안정화시키도록 제어하는 실시간 피드백 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 특징에 따르면, 실리콘 링 변조기의 중심 파장을 제어하는 실시간 피드백 시스템은 인가되는 전기 신호에 따라 링 모양의 광도파로에서 공진하는 파장이 변하는 성질을 이용하여 입력받은 광 신호를 변조하는 변조부, 상기 변조부가 출력하는 광 신호를 토대로 상기 변조부의 동작 상태를 분석하는 감지부, 그리고 상기 감지부가 출력하는 상기 변조부의 동작 상태에 따라 상기 변조부를 제어하는 바이어스를 상기 변조부로 피드백하는 제어부를 포함한다.
상기 변조부는,
외부에 N-타입의 실리콘이 도핑되고, 내부 영역에 P-타입의 실리콘이 도핑된 실리콘 링 변조기를 포함할 수 있다.
실리콘 기반의 회로로 구현되어 상기 실리콘 링 변조기에 구동 전압을 인가하는 구동부를 더 포함할 수 있다.
상기 구동부는,
상기 실리콘 링 변조기의 바깥쪽에 배치된 N-타입 실리콘에 전기신호를 가하는 싱글모드 또는 상기 실리콘 링 변조기의 안쪽에 배치된 P-타입 실리콘 및 상기 N-타입 실리콘에 모두 전기 신호를 가하는 차동모드로 구현되는 드라이버 집적회로를 포함할 수 있다.
상기 제어부는,
미리 측정된 상기 실리콘 링 변조기의 특성 곡선을 저장하고, 상기 감지부가 출력하는 디지털 신호를 상기 특성 곡선과 비교한 결과에 따라 상기 변조부를 제어하는 바이어스를 산출하는 바이어스 튜닝 제어부, 그리고 상기 바이어스를 상기 실리콘 링 변조기에 인가하는 튜닝 디지털 아날로그 변환부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는,
상기 감지부에 기준전압을 입력하는 레퍼런스 디지털 아날로그 변환부를 더 포함할 수 있다.
상기 감지부는,
상기 변조부가 출력하는 광 신호를 입력받는 커플러, 상기 커플러가 출력하는 광 신호를 전기 신호로 변환하는 포토디텍터, 상기 포토디텍터가 출력하는 전기 신호를 증폭하는 트랜드 임피던스 증폭기, 그리고 상기 트랜드 임피던스 증폭기가 증폭한 전기 신호를 디지털 신호로 결정하는 비교기를 더 포함할 수 있다.
상기 변조부는,
상기 광 신호를 입력받아 상기 실리콘 링 변조기로 출력하는 제1 커플러, 그리고 상기 실리콘 링 변조기가 출력하는 변조된 광 신호를 상기 감지부로 출력하는 제2 커플러를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 열적 튜닝기법을 이용하여 중심 파장의 변화를 보상하는 종래와 달리 실리콘 링 변조기(SR Modulator)의 출력을 실시간으로 분석하고 피드백하하여 그에 따른 적절한 전기 신호를 실리콘 링 변조기에 인가함으로써 중심 파장을 안정화시킨다. 따라서, 실리콘 링 변조기의 특성 변화 보상 효율을 크게 개선할 수 있다. 그리고 높은 성숙도를 가지는 실리콘 전기 회로를 통한 소자의 보상 기술이라는 점에서 종래의 열적 튜닝 기술에 비해 효율적으로 중심 파장을 안정화시키는 것이 가능하다.
또한, 실리콘 링 변조기의 특성을 미리 측정하여 기억 장치에 저장해 놓고, 실시간으로 실리콘 링의 특성을 파악하는 기술로서 주변 환경이 급변하더라도 자동적으로 중심 파장을 안정화시키는 것이 가능하다.
또한, 실리콘-포토닉스 기술에서 실리콘 링 변조기와 원칩화(One-chip화)하여 온-칩(On-Chip) 상태에서 제어가 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 링 변조기의 중심 파장을 제어하는 실시간 피드백 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 싱글모드 드라이버 IC의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 튜닝 디지털 아날로그 변환부의 구성도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 링 변조기의 중심 파장을 제어하는 실시간 피드백 시스템에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 링 변조기의 중심 파장을 제어하는 실시간 피드백 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 싱글모드 드라이버 IC의 구성도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 튜닝 디지털 아날로그 변환부의 구성도이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 실시간 피드백 시스템은 구동부(100), 변조부(200), 감지부(300) 및 제어부(400)를 포함한다.
구동부(100)는 변조부(200)를 구동하는 역할을 한다.
구동부(100)는 연속파(Continuous wave, 이하, 'CW'라 통칭함) 레이저(laser)(110) 및 드라이버(Driver) IC(Integrated Circuit, 집적회로)(130)를 포함한다.
여기서, 드라이버 IC(130)는 외부로부터 전송되는 제어신호에 따라 구동전압을 생성하여 실리콘 링 변조기(SR Modulator)(210)에 출력한다. 드라이버 IC(130)는 실리콘 기반의 회로 기술로 개발된다. 그리고 실리콘 링 변조기(210)의 응용 분야, 속도 사양에 맞는 공정으로 설계된다.
드라이버 IC(130)는 도 2와 같이, 싱글 모드로 설계되어 실리콘 링 변조기(210)의 바깥쪽에 배치되어 있는 N-타입(type) 실리콘에 전기 신호를 인가할 수 있다. 또는 차동 모드로 설계되어 실리콘 링 변조기(210)의 안쪽 및 바깥쪽 모두에 전기 신호를 인가할 수 있다.
도 2를 참조하면, 드라이버 IC(130)는 MUX(Multiplexer, 먹스)1(131), MUX2(132), MUX(133), 전치 드라이버(134), 주파수 분주기(frequency divider)1(135), 주파수 분주기2(136), 신호 변환부(137), 프리 엠퍼시스 드라이버(Pre Emphasis Driver)(138)를 포함한다.
MUX1(131), MUX2(132), MUX(133)은 병렬(Parallel) 데이터를 직렬(Serial) 데이터로 변환한다. 이때, MUX1(131)은 8:4 MUX로서, 8개의 병렬 데이터를 4개의 직렬 데이터로 먹싱(Muxing)한다. MUX2(132)는 4:2 MUX로서, 4개의 병렬 데이터를 2개의 직렬 데이터로 먹싱한다. MUX3(133)은 2:1 MUX로서, 2개의 병렬 데이터를 1개의 직렬 데이터로 먹싱한다. MUX1(131), MUX2(132), MUX(133)로 인해 속도는 2배로 상승하여 데이터의 쓰루풋(throughput)은 항상 일정하게 유지된다.
전치 드라이버(134)는 프리 엠퍼시스 드라이버(138)를 구동한다.
주파수 분주기1(135), 주파수 분주기2(136)는 입력된 클록(Clock)을 분주하여 각 MUX의 속도에 맞는 클록을 제공한다.
신호 변환부(137)는 CML(current-mode logic) 신호 타입을 CMOS(rail-to-rail swing) 타입의 신호로 변환한다. 예를 들면, VIN(8bit)이 각각 125Mbps의 속도를 갖는다고 가정할 때, MUX1(131)의 출력은 250Mbps(4bit), MUX2(132)의 출력은 500Mbps(2bit), MUX(133)의 출력은 1Gbps(1bit)의 속도를 갖는다. 이때, 먹싱에는 그 속도에 맞는 클록 신호가 필요하며, 클록 입력은 1GHz이고, 주파수 분주를 통해 주파수 분주기1(135)의 출력은 250MHz가 되고, 주파수 분주기2(136)의 출력은 500MHz가 된다.
프리 엠퍼시스 드라이버(138)는 MUX1(131), MUX2(132), MUX(133)에 의해 변환된 신호를 증폭하여 실리콘 링 변조기(210)에 인가한다.
다시, 도 1을 참조하면, 변조부(200)는 링 모양의 광도파로에서 인가되는 전기 신호에 따라 공진하는 파장이 변하는 성질을 이용하여 입력받은 광 신호를 변조하며, 실리콘 기반의 링 공진기를 이용하는 변조를 수행한다. 변조부(200)는 실리콘 링 변조기(210), 제1 커플러(Coupler)(230) 및 제2 커플러(250)를 포함한다.
실리콘 링 변조기(210)는 링(Ring) 모양의 광도파로(Waveguide, WG)에서 특정 조건에서 특정 파장을 갖는 빛이 공진하는 링 공진기(Ring Resonator)를 이용하는 변조기이다. 그리고 인가되는 전기 신호에 따라 공진하는 파장이 변하는 성질을 이용하여 전기 신호에 따라 출력되는 광 신호를 변조한다.
이때, 실리콘 링 변조기(210)의 외부 링은 N+형의 도핑된 실리콘을 포함하고, 내부 영역은 P+형의 도핑된 실리콘을 포함한다.
또한, 실리콘 링 변조기(210)는 한 개의 암(Arm)(270)만을 가지는 쓰로우(Through) 방식으로 구현되었다. 여기서, 암(270)은 제1 커플러(230)와 제2 커플러(250) 사이의 광 도파로를 말한다. 이처럼, 암(270)이 한 개인 경우, 실리콘 링 변조기(210)는 싱글-암 링 변조기(single-arm ring modulator)라 한다.
이때, 실리콘 링 변조기(210)는 암이 상하 2개로 구현, 즉, 두 개의 암(Arm)을 갖는 애드-드롭(Add-Drop) 방식으로 구현될 수도 있다.
제1 커플러(230)는 CW 레이저(230)로부터 광 신호를 입력받아 출력한다. 제1 커플러(230)가 출력하는 광 신호는 실리콘 링 변조기(210)를 거쳐 변조되어 제2 커플러(250)를 거쳐 외부로 출력된다.
이때, 제1 커플러(230) 및 제2 커플러(250)는 수직 입사 방식의 그레이팅(Grating) 커플러로 구현되거나 또는 수평 입사 방식의 에지 커플러(Edge Coupler)로 구현될 수 있다.
감지부(300)는 변조부(200) 즉 실리콘 링 변조기(210)의 출력을 감지하는 역할을 수행한다. 즉, 변조부(200)가 출력하는 광 신호를 토대로 변조부(200)의 동작 상태를 분석한다.
이러한 감지부(300)는 커플러(310), 포토디텍터(Photo Dtetctor, PD)(330), 트랜스 임피던스 증폭기(Trans-Impedance Amplifier, 이하, 'TIA'라 통칭함)(350) 및 비교기(Comparator)(370)를 포함한다.
커플러(310)는 피버(fiber)(500)를 통해 제2 커플러(250)가 출력하는 변조된 광 신호를 입력받는다.
포토디텍터(330)는 커플러(310)가 출력하는 광 신호를 전기 신호로 변환한다.
TIA(350)는 포토디텍터(330)가 출력하는 전기 신호를 증폭한다. 즉, 분석이 가능하도록 증폭한다.
비교기(370)는 TIA(350)가 증폭한 전기 신호를 디지털 신호로 결정한다.
즉, 비교기(370)는 레퍼런스 디지털 아날로그 변환부(430)에 저장된 실리콘 링 변조기(210)가 정상 동작 하였을 경우의 TIA(350)의 출력값과, 현재 TIA(350)가 증폭하여 출력한 값 즉 현재 동작상태를 나타내는 출력값을 비교하고, 비교 결과를
바이어스 튜닝 제어부(410)에 전달한다.
제어부(400)는 감지부(300)로부터 실리콘 링 변조기(210)의 동작 상태를 입력받아 그에 맞는 제어 신호를 다시 실리콘 링 변조기(210)로 피드백한다. 제어부(400)는 감지부(300)가 출력하는 변조부(200)의 동작 상태에 따라 변조부(200)를 제어하는 전기 신호를 변조부(200)로 피드백한다.
이때, 제어부(400)는 바이어스 튜닝 제어부(Bias Tuning Control, BTC)(410), 레퍼런스 디지털 아날로그 변환부(Reference Digital-to-Analog Converter, Ref.DAC)(430) 및 튜닝 디지털 아날로그 변환부(Tuning Digital-to-Analog Converter, Tuning DAC)(450)를 포함한다.
바이어스 튜닝 제어부(410)는 비교기(370)가 출력하는 디지털 신호를 입력받아 기 설정된 디지털 신호와 비교하여 실리콘 링 변조기(210)가 정상 동작에 가깝도록 튜닝 디지털 아날로그 변환부(450)를 통해 실리콘 링 변조기(210)를 제어한다. 즉, 실리콘 링 변조기(210)가 정상 동작 상태 즉 최고의 속도 및 안정적인 광파워를 출력하는 상태와 거의 유사하게 동작하도록 조금씩 바이어스를 조절하는 것이다. 그리고 바이어스 튜닝 제어부(410)는 응용분야에 따라 프로세싱 유닛 또는 플래시 메모리가 대체가 가능하다.
이때, 바이어스 튜닝 제어부(410)는 실리콘 링 변조기(210)의 특성 정보 또는 특성 곡선을 미리 측정하여 레퍼런스 디지털 아날로그 변환부(430)에 저장한다. 또는 외부 기억장치(미도시)로부터 입력받는다. 그리고 비교기(370)가 출력하는 디지털 신호를 기억 장치(미도시)에 저장된 특성 곡선과 비교할 수 있다.
또한, 바이어스 튜닝 제어부(410)는 외부에서 입력해주는 실리콘 링 변조기(210)의 특성 정보와 비교기(370)가 출력하는 디지털 신호를 비교할 수 있다.
레퍼런스 DAC(430)는 실리콘 링 변조기(210)가 정상 동작 하였을 경우의 TIA(350)의 출력값을 저장하거나 또는 이러한 TIA(350)의 출력값을 외부로부터 입력받아 저장한다. 그리고 레퍼런스 DAC(430)는 바이어스 튜닝 제어부(410)의 제어에 따라 비교기(370)의 기준 전압을 바이어스 튜닝 제어부(410)가 출력하는 디지털 신호들을 바탕으로 입력한다. 그리고 이러한 디지털 신호를 레퍼런스 DAC(430)에 입력함으로써, 튜닝 시간을 단축할 수 있다.
튜닝 DAC(450)는 바이어스 튜닝 제어부(410)에 저장된 실리콘 링 변조기(210)의 특성 곡선에 따라 실리콘 링 변조기(210)에 바이어스를 입력하여 중심 파장을 원하는 파장 즉, 시스템에서 원하는 중심 파장으로 제어한다. 튜닝 DAC(450)는 주변 환경에 따라 중심 파장이 원하는 값에서 변동이 있기 때문에 이와 같은 튜닝 기법을 이용해서 원하는 중심 파장으로 이동시킨다.
여기서, 튜닝 DAC(450)는 도 3과 같이 구현될 수 있다. 도 3을 참조하면, 튜닝 DAC(450)는 VDD 전압이 인가되는 복수의 저항(R, 2R, 4R, 64R, 128R, 96R)(451), 각 저항(R, 2R, 4R, 64R, 128R, 96R)과 연결된 복수의 스위치를 포함하는 3-bit MSB(Most Significant Bit) 비선형(Non-Linear) DAC(452), 복수의 스위치 중 일부 스위치들과 각각 연결된 2개의 증폭기(453, 454), 이러한 2개의 증폭기(453, 454) 각각과 연결된 복수의 스위치를 포함하는 6-bit LSB(Least Significant Bit) 선형(Linear) R-2R DAC(455), 6-bit LSB 선형 R-2R DAC(455)에 포함되는 복수의 스위치 중 일부 스위치들과 연결되는 복수의 저항들(R, 2R), 더미 저항(Dummy R) 및 이러한 저항들과 연결된 증폭기(456)를 포함한다.
이때, 복수의 저항(R, 2R, 4R, 64R, 128R, 96R)(451)은 VDD(전원 전압)과 그라운드(Ground) 전압(0V) 사이를 여러 단계로 나누어 놓은 저항 어레이로서, 3-bit MSB 비선형 DAC(452)로 입력되는 디지털 값에 따라 해당되는 전압을 2개의 증폭기(453, 454)로 출력한다. 2개의 증폭기(453, 454)는 레벨 쉬프터로서, 현재 전압을 더 세분하기 위해 3-bit MSB 비선형 DAC(452)의 출력 전압을 6-bit LSB 선형 R-2R DAC(455)에 맞는 레벨로 쉬프팅한다. 6-bit LSB 선형 R-2R DAC(455)는 R-2R DAC의 스위치부이고, 증폭기(456)는 최종 DAC의 출력을 구동하는 증폭기이다.
전술한 바와 같이, 도 1의 실시간 피드백 시스템은 실리콘 링 변조기(SR Modulator)(210)의 출력을 실시간으로 분석하고 피드백한다. 그리고 피드백에 따른 전기 신호를 실리콘 링 변조기(210)에 인가하여 중심 파장을 안정화시킨다. 즉, 열적 튜닝 기법을 이용하는 종래와 달리 전기적인 바이어스를 실시간 피드백 시스템을 통해 튜닝하는 방법을 이용하여 실리콘 링 변조기(SR Modulator)(210)의 중심 파장을 안정화시킨다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (8)

  1. 인가되는 전기 신호에 따라 링 모양의 광도파로에서 공진하는 파장이 변하는 성질을 이용하여 입력받은 광 신호를 변조하는 변조부,
    상기 변조부가 출력하는 광 신호를 토대로 상기 변조부의 동작 상태를 분석하는 감지부, 그리고
    상기 감지부가 출력하는 상기 변조부의 동작 상태에 따라 상기 변조부를 제어하는 바이어스를 상기 변조부로 피드백하는 제어부
    를 포함하는 실시간 피드백 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변조부는,
    외부에 N-타입의 실리콘이 도핑되고, 내부 영역에 P-타입의 실리콘이 도핑된 실리콘 링 변조기를 포함하는 실시간 피드백 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    실리콘 기반의 회로로 구현되어 상기 실리콘 링 변조기에 구동 전압을 인가하는 구동부
    를 더 포함하는 실시간 피드백 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 실리콘 링 변조기의 바깥쪽에 배치된 N-타입 실리콘에 전기신호를 가하는 싱글모드 또는 상기 실리콘 링 변조기의 안쪽에 배치된 P-타입 실리콘 및 상기 N-타입 실리콘에 모두 전기 신호를 가하는 차동모드로 구현되는 드라이버 집적회로를 포함하는 실시간 피드백 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    미리 측정된 상기 실리콘 링 변조기의 특성 곡선을 저장하고, 상기 감지부가 출력하는 디지털 신호를 상기 특성 곡선과 비교한 결과에 따라 상기 변조부를 제어하는 바이어스를 산출하는 바이어스 튜닝 제어부, 그리고
    상기 바이어스를 상기 실리콘 링 변조기에 인가하는 튜닝 디지털 아날로그 변환부
    를 포함하는 실시간 피드백 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 감지부에 기준전압을 입력하는 레퍼런스 디지털 아날로그 변환부
    를 더 포함하는 실시간 피드백 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 감지부는,
    상기 변조부가 출력하는 광 신호를 입력받는 커플러,
    상기 커플러가 출력하는 광 신호를 전기 신호로 변환하는 포토디텍터,
    상기 포토디텍터가 출력하는 전기 신호를 증폭하는 트랜드 임피던스 증폭기, 그리고
    상기 트랜드 임피던스 증폭기가 증폭한 전기 신호를 디지털 신호로 결정하는 비교기
    를 더 포함하는 실시간 피드백 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 변조부는,
    상기 광 신호를 입력받아 상기 실리콘 링 변조기로 출력하는 제1 커플러, 그리고
    상기 실리콘 링 변조기가 출력하는 변조된 광 신호를 상기 감지부로 출력하는 제2 커플러
    를 더 포함하는 실시간 피드백 시스템.
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