WO2020130305A1 - 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치 및 방법 - Google Patents

멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치 및 방법 Download PDF

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WO2020130305A1
WO2020130305A1 PCT/KR2019/013039 KR2019013039W WO2020130305A1 WO 2020130305 A1 WO2020130305 A1 WO 2020130305A1 KR 2019013039 W KR2019013039 W KR 2019013039W WO 2020130305 A1 WO2020130305 A1 WO 2020130305A1
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WO
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bias voltage
avalanche photodiode
level
reverse bias
optical
Prior art date
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PCT/KR2019/013039
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서인식
박성훈
백준현
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(주)자람테크놀로지
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Publication date
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/60—Receivers
    • H04B10/66—Non-coherent receivers, e.g. using direct detection
    • H04B10/69—Electrical arrangements in the receiver
    • H04B10/691—Arrangements for optimizing the photodetector in the receiver
    • H04B10/6911—Photodiode bias control, e.g. for compensating temperature variations
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/07—Arrangements for monitoring or testing transmission systems; Arrangements for fault measurement of transmission systems
    • H04B10/075—Arrangements for monitoring or testing transmission systems; Arrangements for fault measurement of transmission systems using an in-service signal
    • H04B10/079—Arrangements for monitoring or testing transmission systems; Arrangements for fault measurement of transmission systems using an in-service signal using measurements of the data signal

Definitions

  • the present invention relates to an avalanche photodiode optimization device and method for multi-level optical reception, in particular, to perform multi-level optimization of reception performance by grasping the reception characteristics of optical signals received at multi-level in an installation environment without additional measurement equipment
  • An avalanche photodiode optimization device and method for level photoreception is an avalanche photodiode optimization device and method for level photoreception.
  • the passive optical network (PON) technology which is generally most widely used as a subscriber network technology in optical communication, is intended to construct a high-speed subscriber network, and is configured to process simultaneous access of multiple subscribers through a time division method or a wavelength division method.
  • a time-sharing method with high cost-effectiveness is mainly used, such as EPON (Ethernet PON) according to Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 802.3av/ah or International Telecommunication Union-Telecommunication Standardization Sector (ITUT) G.984 GPON (Gigabit PON) according to /7 is typical.
  • one optical line terminal (OTL) installed in a telephone company and an optical network terminal (ONT) or optical network unit (ONU) of a plurality of subscribers are remote nodes, which are passive optical branch devices. It has a point-to-multipoint network structure through (using an optical splitter).
  • the OLT 10 and the ONT 20 are connected through an optical path, and direct communication through the optical path is performed by the optical transceivers 11 and 21.
  • the characteristics of the optical transceiver laser diode and the characteristics of the photodiode of the optical transceiver are first considered as factors that directly determine the communication quality.
  • FIG. 2 shows a communication configuration between general optical transceivers, and as shown, the transceivers 11 and 21 are transmitted from the laser diode through the photodiodes and the transmitters 11a and 21a providing a light source having a wavelength set by the laser diode. It consists of a receiving unit (11b, 21b) for receiving the light of the set wavelength provided.
  • the characteristic curve changes, such as an increase in the threshold current and a decrease in the slope.
  • the photocurrent output characteristic according to the received optical power is also different for each manufacturer and individual products.
  • avalanche photodiodes APDs
  • APDs avalanche photodiodes
  • These avalanche photodiodes rapidly expand the response to photoelectrons due to their structural characteristics. Because it operates in this way, it has different reception characteristics even with slight process variations.
  • the operation method of an optical transceiver that is currently commonly used is a modulation method according to NRZ (Non-Return-to-Zero) codes of 0 and 1, and the output can be divided into 0 or 1. Therefore, a linear section is selected from the characteristic curves of the laser diode and used as a section to be used.
  • the laser diode used for the purpose of responding to the NRZ code needs to have a certain linear section, so that the linear characteristics are not good depending on the manufacturer or product grade, and the avalanche photodiode is similarly used for NRZ modulation. Since it aims to provide a divided photocurrent corresponding to high speed, it is used as a product of the same standard even if there is some variation in the photocurrent output characteristics according to the received photoelectric power.
  • the signal to be transmitted to the laser diode is divided into 4 or 8 different levels, and PAM (Pulse Amplitude Modulation)-4/8 that can transmit 2 or 3 bits of data as one optical signal.
  • PAM Pulse Amplitude Modulation
  • modulating in a manner. In this case, a problem arises in that an expensive product having a high uniformity and a wide linear area should be used.
  • both the transmitting side and the receiving side that generate it must have a characteristic that supports high linearity, and among them, various factors including the transmission side deviation and line characteristics and length Even in the reflected installation environment, the importance of linearity on the receiving side, which must accurately classify multi-levels, is higher.
  • the object of the present invention for solving the above problems is to automatically use it in its installed state without a separate precision instrument or connection configuration for measurement in the actual installation environment for optimal multilevel classification according to the characteristics of the avalanche photodiode It is to provide an avalanche photodiode optimization apparatus and method for multilevel photoreception in which the avalanche photodiode is operated by estimating a reverse bias voltage.
  • Another object of the present invention is to receive a multi-level optical signal according to a test pattern promised from a counterpart transmitter in an actual installation environment while sequentially varying a reverse bias voltage of a received avalanche photodiode based on a set of unit patterns to adjust the multilevel angle.
  • the multi-level optical reception performance is obtained by calculating the minimum difference value at which the difference between the received voltages for each level is the minimum and selecting the reverse bias voltage at which the minimum difference value is the maximum in the entire reverse bias voltage region and applying it to the avalanche photodiode operation. It is to provide an avalanche photodiode optimization device and method for multilevel optical reception to be optimized.
  • Another object of the present invention is to optimize the reception performance between devices at the transmitter level through only a relatively simple configuration, so that the avalanche photodiode optimization device for multi-level optical reception can improve communication quality at a low cost. And to provide a method.
  • the avalanche photodiode optimization device for multi-level optical reception receives a multi-level optical signal according to a predetermined test pattern from an opposite optical transmission device connected through an optical path to output a corresponding photocurrent A photodiode, a bias voltage variable providing unit that provides the photodiode while changing a reverse bias voltage according to a setting, a transimpedance amplifier for converting and amplifying the photocurrent of the photodiode to a receive voltage, and receiving the transimpedance amplifier While collecting the voltage based on the promised test pattern, the reverse bias voltage of the photodiode is sequentially varied through the bias voltage variable providing unit, and the minimum difference value is calculated by minimizing the difference between the received voltages of each level of the multilevel. And a control unit configured to select the reverse bias voltage in which the minimum difference value becomes the maximum in the entire reverse bias voltage region varied and set the bias voltage variable providing unit.
  • the test pattern is a series of data sets provided to provide various multi-level optical signals, and may include at least a plurality of unit pattern sets including patterns for all multi-levels.
  • control unit collects the received voltage of the transimpedance amplifier for each unit pattern set of the promised test pattern and sets the process of varying the reverse bias voltage of the avalanche photodiode through the bias voltage variable providing unit.
  • the voltage range can be performed sequentially.
  • control unit calculates a difference between the received voltages for each level according to the received voltages collected for the unit pattern set, calculates a minimum difference value, and stores it together with a set value for a corresponding bias voltage variable providing unit. .
  • the control unit sets the bias voltage variable providing unit when the minimum difference value is largest. After selection, the bias voltage variable providing unit may be set to a corresponding set value.
  • test pattern storage unit that stores a test pattern, which is a transmission pattern of a multi-level signal promised with an opposite-side optical transmission device, and provides it to the control unit may be further included.
  • the photodiode may be an avalanche photodiode.
  • the multilevel optical signal may be an optical signal according to PAM-4 or PAM-8 modulation.
  • the controller operation may be performed according to an initial driving, a preset period, or a separate external request signal.
  • the avalanche photodiode optimization method for multi-level light reception according to another embodiment of the present invention is previously promised from an opposing optical transmission device connected through an optical path through an avalanche photodiode that receives an optical signal and outputs a corresponding photocurrent.
  • the reverse bias voltage of the avalanche photodiode is sequentially varied through a bias voltage variable providing unit that provides a reverse bias voltage to the avalanche photodiode by varying according to a setting, and multilevel Calculating a minimum difference value having a minimum difference between received voltages for each level, and selecting a reverse bias voltage in which the minimum difference value becomes the maximum in the entire reverse bias voltage region varied; and the control unit selecting the selected reverse bias voltage.
  • setting the bias voltage variable providing unit to be a voltage.
  • the step of selecting the reverse bias voltage where the minimum difference value becomes maximum is the control unit collecting the received voltage of the transimpedance amplifier for each unit pattern set of the promised test pattern, and avalanche photo through the variable bias voltage providing unit.
  • the step of varying the reverse bias voltage of the diode may include sequentially performing for all set reverse bias voltage ranges.
  • the control unit calculates the difference between the received voltages for each level according to the received voltage collected for the unit pattern set, calculates the minimum difference value, and responds It may include the step of storing together with the set value for the bias voltage variable providing unit.
  • the control unit stores the minimum difference value for all the reverse bias voltage ranges and the minimum difference value is stored when the set value of the corresponding bias voltage variable providing unit is stored. And selecting a setting value for a large bias voltage variable providing unit and setting the bias voltage variable providing unit with a corresponding setting value.
  • the avalanche photodiode optimization apparatus and method for multi-level photoreception according to an embodiment of the present invention are automatically used in an installed state without a separate precision instrument or connection configuration for measurement in a real installation environment. Characteristics of the avalanche photodiode By operating the avalanche photodiode by estimating the reverse bias voltage for optimal multi-level classification according to, it provides optimal reception performance considering the avalanche photodiode characteristics of the current photoreceiving device by simply performing it after installation. It has the effect.
  • the reverse bias voltage of the receiving avalanche photodiode is sequentially varied based on a set of unit patterns to receive voltage for each level of the multilevel
  • the avalve showing different characteristics according to the received optical power Even using a lunch photodiode, it is possible to improve the reception resolution reflecting the characteristics according to the actual usage environment, and this process can be performed whenever necessary, not only during initial installation, but also during use.
  • 1 is a configuration example of a typical passive optical network.
  • Figure 2 is an exemplary optical path connection of an optical transceiver applied to a general passive optical network.
  • Figure 3 is an exemplary comparison of the laser diode output resolution according to the NRZ modulation scheme and PAM 4 modulation scheme.
  • Figure 4 is a characteristic graph showing the light reception characteristics of the avalanche photodiode in correspondence with the NRZ modulation method.
  • 5 is a characteristic graph showing the light reception characteristics of the avalanche photodiode in correspondence with the PAM 4 modulation method.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram showing a range of photocurrents for distinguishing each received optical signal in a PAM 4 modulation scheme.
  • FIG. 7 is a characteristic graph showing characteristic variation between a plurality of avalanche photodiodes for the same received optical signal.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram showing a reason for a decrease in reception performance due to differences in characteristics of different avalanche photodiodes in a PAM 4 modulation scheme.
  • FIG. 9 is a block diagram of an avalanche photodiode optimization device for multilevel optical reception and an optical communication system using the same, according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a characteristic graph of an avalanche photodiode for explaining an operating method of the avalanche photodiode optimization apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is an exemplary conceptual diagram for explaining a test pattern and a multi-level signal and an avalanche photodiode optimization device receiving the same.
  • FIG. 12 is a graph showing photocurrent characteristics for a multilevel optical signal according to a reverse bias voltage selected according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a graph showing a reverse bias voltage selection difference when an environmental change or other avalanche photodiode is applied.
  • first and second used in the present invention may be used to describe elements, but the elements should not be limited by terms. The terms are used only to distinguish one component from another component.
  • first component may be referred to as a second component without departing from the scope of the present invention, and similarly, the second component may be referred to as a first component.
  • a transmitter applied to a passive optical network (PON) equipment is described as an example, but the optical receiving device according to an embodiment of the present invention is not only a PON, but also a characteristic of a receiving side photodiode of various optical communication systems. Since it can be used for estimating and thereby increasing the optical reception resolution, the technical category is not limited to the receiving device of the transmitter for the PON, and includes various optical receiving devices for optical communication.
  • PON passive optical network
  • FIG 3 is an exemplary view comparing laser diode output resolutions according to the NRZ modulation method and the PAM 4 modulation method.
  • the transmitter of an optical transceiver includes a digital analog converter (DAC) that converts data to be transmitted into an analog signal, a laser diode driver (LDD) that drives a laser diode, and a laser diode (LD),
  • DAC digital analog converter
  • LDD laser diode driver
  • LD laser diode
  • MPD monitoring photodiode
  • the laser diode configured in the transmitter of the optical transceiver is for long distance digital optical communication, it is necessary to be able to distinguish the signal even if there is an environmental change or its own deterioration.
  • the laser The output of 0 provided by the diode and the output of 1 should be clearly distinguishable.
  • the ratio of the light intensity of the 1 level to the light intensity of the 0 level is called an extinction ratio. For example, if the extinction ratio is 3 dB, it means that the difference between the light intensity at the 0 level and the light intensity at the 1 level is twice.
  • the extinction ratio for the use section is maintained.
  • the graphs shown in FIGS. 3A and 3B are exemplary diagrams of a characteristic curve of a laser diode, and as shown, the threshold current (current at the time when the output starts to change) and saturation current (current at the time when the output does not increase) ), a constant section (I0 to I1) with high linearity is selected as a use section.
  • the laser diode shown in FIG. 3A is exemplary and is a high-quality laser diode in which a considerable area of the control area has a linear characteristic, and the output difference (difference between P0 and P1) of the use section is significant. That is, the high extinction ratio can provide high reliability in NRZ-modulated communication.
  • the optical receiver must have a fairly high resolution in order to clearly distinguish them with different signals. That is, in the case of providing the 2-level light output, the extinction ratio is determined by the output ratios of P0 and P3, but when it is subdivided into 4 levels, the extinction ratio is reduced to 1/3.
  • the illustrated case is an example of a high-quality laser diode in which a considerable area of the control area has a linear characteristic. If the quality is inevitably lowered and the quality of the laser diode used is poor, this problem is inevitably exacerbated.
  • FIG. 4 is a characteristic graph showing the light reception characteristics of the avalanche photodiode in correspondence with the NRZ modulation method.
  • avalanche photodiodes Unlike normal photodiodes, avalanche photodiodes have a photomultiplier region to generate secondary carriers for incident photons, thereby increasing efficiency and sensitivity. Most avalanche photodiodes are used.
  • the avalanche photodiode has a characteristic curve as shown, and in order to generate an electron-hole pair by an incident photon, a reverse voltage must be applied like a general photodiode.
  • the avalanche photodiode outputs a rapid photocurrent by an incident photon when a reverse bias voltage of a predetermined size or more is applied. As shown in the figure, since a linear region exists for a certain period, the light is normally operated at an appropriate position (BV1) among the regions.
  • a receiving circuit is constructed.
  • the avalanche photodiode outputs photocurrents (A0, A1) with relatively large differences, thus receiving without errors. It is possible to distinguish the level of the optical signal.
  • the shape of the characteristic curve is different according to the received optical power even with the same bias voltage. That is, the reception characteristic of one avalanche photodiode is different depending on the received light amount, which means that the change in the received photocurrent according to the different light amount in the same reference (BV1) is nonlinear.
  • the nonlinearity of the photocurrent according to the received light amount causes a significant problem.
  • FIG. 5 is a characteristic graph showing the light reception characteristics of the avalanche photodiode in correspondence with the PAM 4 modulation scheme, and output light current (A0) for four levels of optical power, which is doubled from 0.25 ⁇ s to 2 ⁇ s as shown. Looking at A3), it can be seen that the degree of change is not linear.
  • the avalanche photodiode outputs a photocurrent that changes nonlinearly with respect to the received linear photoelectric power change, it causes a problem in classification even for an increase in resolution of four different level levels.
  • the light output according to the PAM 4 modulation of the laser diode is a plurality of levels separated by similar size differences, and an avalanche photodiode having characteristics as shown in FIG. If an optical signal of a level is received, levels in which the division is ambiguous among output photocurrents according to the reception of the multilevel optical signal may appear.
  • the photocurrent of the avalanche photodiode is not used as it is, the photocurrent is converted to a voltage through a transimpedance amplifier and amplified, so as shown in FIG. 5, the difference between the optical signal levels can be distinguished to some extent. If so, the level difference can be distinguished based on the converted and amplified voltage.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram showing a range of photocurrents for distinguishing each received optical signal in the PAM 4 modulation method, and after expanding some areas illustrated in FIG. 5, an intermediate value between each photocurrent is set as a standard for dividing the level.
  • the received optical power that is, the optical current A0 output when the received light quantity is the smallest optical signal level
  • the environmental changes according to the reception transmission-side change, optical path change, reception noise, temperature rise of the receiver, transmitting/receiving element
  • photocurrent within the range square area based on A0
  • the received light quantity is the largest optical signal level
  • the photocurrent within the range a rectangular area based on A3
  • an avalanche photodiode even if only a small number of photons are incident, it is configured to increase the output photocurrent by causing the electron-hole pairs of several tens to hundreds of times to be avalanche by light multiplication, thereby increasing the output photocurrent. Differences in characteristics are also caused by the degree of minute deviations (for example, impurity doping deviations) of the diode manufacturing process (typically comprising a drift region of p- and an avalanche region of p) between p+ and n+ regions. .
  • FIG. 7 is a characteristic graph showing characteristic deviations among a plurality of avalanche photodiodes for the same received optical signal, and the photocurrent output of each avalanche photodiode is significantly different even in the environment of the same bias voltage (BV1) and the same received optical signal ( dA).
  • This difference may also occur between avalanche photodiodes sold as the same product, and this characteristic deviation may be greater for different products or manufacturers.
  • the NRZ environment which is divided into '1' or '0', Although the difference in reception sensitivity due to is not large, when a multi-level optical signal is received, it is difficult to fix the criteria for classifying the photocurrent of the avalanche photodiode to classify the multiple levels.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram showing a reason for a decrease in reception performance due to a difference in characteristics of different avalanche photodiodes in a PAM 4 modulation scheme. As shown, FIG. 8a is based on the first avalanche photodiode as shown in FIG. It shows the range of the photocurrent according to the measured optical signal of different levels and the reception level division range set based on this.
  • reception level division range even if there is little noise in the received optical signal, a plurality of levels of the reception light may be divided into the photocurrent range.
  • the range of the reception level division has been divided into two stages in the NRZ signal method, and it was a level to allow variation according to the production lot and production method of the avalanche photodiode.
  • the range of receiving level division is not reliable even with slight photocurrent variations such as 8b depending on production lot and production process.
  • the photocurrent output is the reception level division range provided by the first avalanche photodiode (each hatched area indicated)
  • the received light amount is the second lowest optical signal level
  • the second smallest optical signal level for example, 0 ⁇
  • the photocurrent output when 1 of 3 is within the range that distinguishes the second largest optical signal level (hatched in the lower right: the range to which level 2 belongs).
  • the level of the received optical signal cannot be normally distinguished.
  • the characteristics are automatically identified to distinguish the optimal multilevel optical signal, and a separate precision instrument or measurement connection is performed in an actual installation environment. It is possible to discriminate the optimal multilevel optical signal by grasping the light reception characteristics of the current avalanche photodiode corresponding to the connected multilevel optical transmission device in the installed state without configuration.
  • FIG. 9 is a block diagram of an avalanche photodiode optimization device for multilevel optical reception and an optical communication system using the same, according to an embodiment of the present invention.
  • the illustrated optical communication system is a block diagram showing a multi-level optical receiving device 200 and a corresponding counterpart optical transmitting device 100 selected and optimized, and avalanche photodiode optimization for multi-level optical receiving according to an embodiment of the present invention
  • the device may be the multi-level light receiving device 200 itself or some components included therein. Since the multilevel photoreception device 200 constitutes a receiver of the transmitter, the avalanche photodiode optimization device for multilevel photoreception according to an embodiment of the present invention can be regarded as being included in the transmitter.
  • PAM 4 modulation As an example, but a higher resolution PAM 8 modulation may be used, or further resolution may be applied according to the development of technology.
  • a separate light transmitting device is disposed adjacent to the illustrated multi-level light receiving device 200 to configure a single transceiver, and similarly, the opposite side In the multi-level optical transmission device 100, a separate optical reception device may be arranged adjacently to configure one transceiver. That is, since the multi-level optical transmission device 100 and the multi-level optical reception device 200 as illustrated in the transceiver according to the embodiment of the present invention can be configured together, the illustrated connection configurations are parallel to each other in opposite directions. Can be configured.
  • the multilevel optical transmission device 100 of one transceiver and the multilevel optical reception device 200 of the other transceiver are described as an example among such parallel configurations, and the multilevel optical reception according to an embodiment of the present invention
  • the avalanche photodiode optimization device for the description will be considered as the same as the illustrated multilevel photoreception device 200.
  • the illustrated embodiment of the present invention is a multi-level optical receiving apparatus for remotely receiving a multi-level optical signal provided by the multi-level optical transmitting apparatus 100 from an opposite side through an optical path 10 in an environment installed according to an actual network configuration ( Since it is to automatically determine the avalanche photodiode characteristics of 200), the multilevel optical receiving device 200 according to the present invention is promised to each other from the multilevel optical transmitting device 100 connected via the optical path 10 By receiving the test pattern, the reception characteristics of the avalanche photodiode are grasped.
  • the multi-level optical transmission apparatus 100 includes a driving unit 110 for driving the laser diode 120 as shown, a test pattern storage unit 140 storing information about the promised test pattern, and the test It is configured to control the driving unit 110 according to the test pattern stored in the pattern storage unit 140 to output a multilevel optical signal according to the promised test pattern through the laser diode 120.
  • the promised test pattern is a series of data sets provided to provide various multi-level optical signals.
  • One test pattern may be transmitted once, multiple transmissions, or several types of test patterns once or multiple times. You can also send.
  • the embodiment of the present invention needs to examine the characteristics of the received photocurrent while varying the reverse bias voltage of the avalanche photodiode, it is necessary to check the received photocurrent and the received voltage for all levels for one reverse bias voltage. Therefore, the test pattern must be configured by repeating at least one unit pattern set including data for all levels.
  • the multi-level optical signal transmission according to the test pattern is performed at the initial driving or at a preset time point, or an external control signal to the control unit 130 (a control signal of a device configured with a corresponding optical transmission device or a control signal according to a request from a counterpart transceiver) ).
  • the equipment (A) configured with a transceiver including the multilevel optical transmission device 100 and the equipment (B) configured with a transceiver containing the multilevel optical transmission device 200 are configured, when communication performance is low
  • the equipment (A) can request the equipment (B) to perform the reception optimization process (and vice versa)
  • the transceiver configured in the equipment (A) and the transceiver configured in the equipment (B) are mutually promised (one equipment This test pattern transmission can be made at the initial operation or at the promised time) or at the request of one side of the transceiver.
  • the multi-level optical receiving device 200 including the avalanche photodiode optimization device for multi-level optical receiving according to an embodiment of the present invention is previously connected from the optical transmission device 100 connected via the optical path 10
  • the avalanche photodiode 210 that receives a multi-level optical signal according to the promised test pattern and outputs a corresponding photocurrent, and a bias voltage variable that provides the avalanche photodiode 210 while changing a reverse bias voltage according to a setting Provider 230, a transimpedance amplifier 200 for converting and amplifying the photocurrent of the avalanche photodiode 210 to a received voltage, and a test pattern storage 250 storing information about the promised test pattern, While collecting the received voltage of the transimpedance amplifier 200 based on the promised test pattern stored in the test pattern storage unit 250, the reverse bias voltage of the avalanche photodiode 210 is obtained through the variable bias voltage providing unit 230.
  • the reverse bias voltage in which the minimum difference value becomes the maximum in the entire reverse bias voltage region that is varied is variable. It comprises a control unit 240 for setting the providing unit 230.
  • the test pattern stored in the test pattern storage unit 250 is a series of data sets provided to provide various multilevel optical signals, and may include at least a plurality of unit pattern sets including patterns for all multilevels. It should be the same as the test pattern information stored in the test pattern storage 140 of the transmitting device 100. Of course, since the control unit 240 may have such a test pattern itself, the test pattern storage unit 250 is not essential.
  • the illustrated bias voltage variable providing unit 230 provides a reverse bias voltage to the avalanche photodiode 210, and checks a received current characteristic of the avalanche photodiode 210 by varying a bias voltage according to external setting information Provides criteria for doing so.
  • the illustrated control unit 240 collects the received voltage of the transimpedance amplifier 220 for each unit pattern set of the promised test pattern and reverse biases the avalanche photodiode 210 through the bias voltage variable providing unit 230
  • the process of varying the voltage is sequentially performed for all set reverse bias voltage ranges.
  • the control unit 240 calculates the minimum difference value among the received voltages for each level according to the received voltage collected for the unit pattern set, calculates the minimum difference value, and then provides the corresponding bias voltage variable providing unit 230. Save with the setting value for.
  • control unit 240 sets the bias voltage variable providing unit 230 when the minimum difference value is largest when the minimum difference value and the set value of the bias voltage variable providing unit corresponding to the minimum difference value are stored for all the reverse bias voltage ranges. After selecting a value, the bias voltage variable providing unit 230 is set to a corresponding set value so that the classification of the photocurrent of the avalanche photodiode 210 for the multilevel is most obvious. Through this, it is possible to improve multi-level optical reception performance.
  • FIG. 10 is a characteristic graph of an avalanche photodiode for explaining an operation method of an avalanche photodiode optimization apparatus according to an embodiment of the present invention, and shows an example of a reverse bias voltage range for varying a reverse bias voltage as illustrated will be.
  • the bias voltage (BV0) at the starting position of the variable of the reverse bias voltage and the bias voltage (BVn) at the ending position
  • the photocurrent characteristics for the same multilevel optical signals by the corresponding reverse bias voltage (BV) You can see this is completely different.
  • looking at the photocurrent characteristics according to the bias voltage BV0 at a specific location it can be seen that there are some differences between the photocurrents according to different optical signal levels, and some differences are small.
  • the characteristics of the photocurrent according to the bias voltage (BVn) at different positions it can be seen that the difference between the photocurrents according to the optical signal level is relatively uniform, but the difference is not large.
  • the difference between the photocurrents according to the optical signals of different levels is preferably as large as possible.
  • the difference between the smallest photocurrents must be large in order to distinguish accurate multilevel optical signals. That is, in the illustrated example, the bias voltage may be more preferably VB1 than VB0.
  • the avalanche photodiode optimization device measures the photocurrent for each level of the multilevel optical signal for each reverse bias voltage while sequentially changing the reverse bias voltage in the reverse bias voltage range. It is to find the smallest difference value with the smallest deviation between photocurrents corresponding to the level and to find the smallest difference value calculated from the entire reverse bias voltage range.
  • FIG. 11 is an exemplary conceptual diagram for explaining a test pattern and a multi-level signal and an avalanche photodiode optimization device receiving the same.
  • FIG. 11A shows an example of a test pattern for PAM 4, and for convenience of description, it is displayed by dividing (offset) every 2 bits, but the actual test pattern can be made of a list of bits without such a distinction.
  • the actual test pattern after the constant preparation signals 1111...11 is configured such that 2-bit data that can be represented at 4 different levels used in PAM 4 are changed at a time. That is, the 2-bit data patterns shown in FIG. 11A represent four different levels as shown in FIG. 11B, and a test pattern may be configured to clearly distinguish each pattern. For example, n patterns may be listed, and the distribution of included patterns may be similar, and this set of test patterns may be repeatedly configured multiple times, and a plurality of different test patterns may be provided.
  • a plurality of unit pattern sets may be included to provide outputs for all levels of a modulation scheme used at least once (including patterns for all multi-levels) as illustrated.
  • one unit pattern set may be configured as “00 01 10 11 10 01”, and this unit pattern set may be repeated.
  • a unit pattern set may be composed of simpler or more patterns than this.
  • the multilevel optical transmission apparatus 100 controls the driving unit 110 according to the test pattern shown in FIG. 11A stored in the test pattern storage unit 140 to laser the multilevel optical signal according to the promised test pattern.
  • the avalanche photodiode 210 of the multilevel optical receiving device 200 receives the multilevel optical signal transmitted through the optical path 10 and outputs a photocurrent therefor.
  • the control unit 240 collects the received voltage of the transimpedance amplifier 200 on the basis of the promised test pattern as shown in FIG. 11A stored in the test pattern storage unit 250 while avalanche photo through the variable bias voltage providing unit 230
  • the reverse bias voltage of the diode 210 is sequentially varied (the set value of the bias voltage variable providing unit 230 is changed) (this process is sequentially performed for all set reverse bias voltage ranges).
  • the difference between the received voltages for each level according to the received voltage collected for the unit pattern set is calculated to calculate a minimum difference value among them, and is then stored together with a set value for a corresponding bias voltage variable providing unit 230. If the stored minimum difference value (voltage) is arranged according to the bias voltage, it can be expressed as in FIG. 11C.
  • the largest value among the minimum difference values may be selected and a selection bias voltage VBs at this time, that is, a setting value for the variable bias voltage providing unit 230 for providing the bias voltage may be selected.
  • FIG. 12 is a graph showing the photocurrent characteristics for a multilevel optical signal according to the reverse bias voltage (VBs) selected according to an embodiment of the present invention, as shown in the reverse bias voltage (VBs) selected through the selection process
  • the distinguishing characteristic of the photocurrent according to the reception of an optical signal having four different levels is best. Since the photocurrent of the avalanche photodiode 210 is converted to a voltage through the transimpedance amplifier 220 and amplified, it is possible to stably distinguish the optical signals of different levels, thereby increasing the reception level resolution.
  • the optimum reverse bias voltage may vary greatly if the characteristics of the avalanche photodiode used are slightly different or the characteristics change due to deterioration due to use.
  • FIG. 13 is a case in which the avalanche photodiode exemplified in FIG. 12 changes in some light reception characteristics according to use.
  • the process of selecting the optimal reverse bias voltage according to the characteristic change is performed again, and the selected reverse bias voltage VBs has many differences compared to FIG. 12.
  • the resolution characteristic according to the reception of the multilevel optical signal may be better due to the change of the characteristic.
  • the multi-level optical receiving device 200 does not use the output of the transimpedance amplifier 220 as it is, but adds a limiting amplifier to classify the received voltage output from the transimpedance amplifier into a certain range and corresponds to each range. It also produces an output voltage. That is, when the received voltage provided by the transimpedance amplifier 200 falls within the first reference range, the limiting amplifier may output the first voltage representing the first level of the received voltage, and the received voltage is the second reference range In the case of belonging to, when outputting the second voltage indicating the second level, and outputting the fourth level, four different output voltages may be provided according to the divided four reference ranges.
  • the control unit 240 may check the distribution of the received voltage according to the respective bias voltage based on the test pattern, thereby distinguishing each level based on the distribution of the received voltage.
  • the reference range can be set. Through this, a reference to clearly distinguish the photocurrent of the avalanche photodiode according to the optimal bias voltage may be provided to provide a limiting amplifier output according to an accurate received optical signal level.
  • This process can be performed only once during initial installation, but it can be performed whenever the actual transmitters are configured or periodically, or when communication performance decreases, so it is always optimal even if environmental changes or performance degradation occur. It can be adaptively optimized to provide the reception performance of the state.
  • the multi-level optical transmission apparatus of the opposite side starts to provide the multi-level optical signal according to the predetermined test pattern through the laser diode according to a predetermined time point or a predetermined condition.
  • the avalanche photodiode optimization device for multilevel optical reception receives a multilevel optical signal through an optical path, and receives the photocurrent of the avalanche photodiode according to the received optical signal through a transimpedance amplifier. And amplify.
  • the control unit of the avalanche photodiode optimization device for multilevel optical reception collects the received voltage of the multilevel optical signal provided as a voltage through these transimpedance amplifiers by unit pattern set based on the promised test pattern, and sets the avalanche photodiode
  • the reverse bias voltage is variable according to the setting.
  • the control unit collects the reverse bias voltage of the avalanche photodiode for a unit pattern set and calculates a minimum difference value at which a difference between received voltages for each level of the multilevel is minimum. Thereafter, the process of changing to the next reverse bias voltage is repeated for the entire region.
  • the controller compares the minimum difference values calculated for each unit in the entire reverse bias voltage region varied to select the reverse bias voltage at which the minimum difference value becomes the maximum. That is, it was found that when the corresponding reverse bias voltage (BVs) was provided to the avalanche photodiode, the distinction of the photocurrent for each level for the multilevel optical signal was most obvious.
  • BVs reverse bias voltage
  • control unit provides the selected reverse bias voltage to the avalanche photodiode, optimization of reception performance is completed.
  • control unit of the aforementioned optical transmitting device or optical receiving device may be composed of an electronic circuit including a combination of active and passive elements having a control function, and is composed of a chip including a microcontroller or equivalent control means
  • the specific implementation method may cover various known methods.

Abstract

본 발명은 별도의 계측 장비 없이도 설치 환경에서 멀티레벨로 수신되는 광신호의 수신특성을 파악하여 수신성능 최적화를 수행하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치 및 방법에 관한 것으로, 실제 설치 환경에서 별도의 정밀 계측기나 계측을 위한 연결 구성 없이도 설치된 그 상태에서 자동으로 사용 애벌런치 포토다이오드의 특성에 따른 최적의 멀티레벨 구분을 위한 역방향 바이어스 전압을 추정하여 애벌런치 포토다이오드를 동작시키도록 함으로써 실제 설치 후 필요에 따른 간단한 수행만으로 현재 광수신 장치의 애벌런치 포토다이오드 특성을 고려한 최적 수신 성능을 제공하는 효과가 있다.

Description

멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치 및 방법
본 발명은 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 별도의 계측 장비 없이도 설치 환경에서 멀티레벨로 수신되는 광신호의 수신특성을 파악하여 수신성능 최적화를 수행하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치 및 방법에 관한 것이다.
5세대 이동통신의 도입과 고품질 서비스의 확산, IoT(Internet of Things) 장비의 보급에 따라 가입자망에서 요구하는 통신 용량이 급증하고 있다. 따라서, 이러한 가입자망과 매트로망에 사용되는 광통신에 요구되는 대역폭 역시 가파르게 증가하고 있는 실정이다.
이렇듯 가파르게 요구 대역폭이 증가하는 광통신 방식이지만 아직까지 대부분은 광신호의 세기를 2단계, '1' 또는 '0'으로 구분하는 NRZ(NonReturn to Zero) 변조 방식을 사용하고 있다. 하지만 25기가, 50기가 및 100기가 초광대역 통신에 NRZ통신을 사용할 경우에는 펨토초 수준의 극초단위의 비트전환시간으로 인하여 개발에 어려움이 있다. 이러한 배경으로 인하여 최근 한 번의 신호 전달을 통해 복수의 데이터를 전송할 수 있는 멀티레벨 광신호를 이용하는 변조 방식(예를 들어, PAM(Pulse Amplitude Modulation) 4나 PAM 8 등)을 적용하고자 하는 여러 연구들이 진행되고 있다.
광통신에서 가입자망 기술로 통상 가장 널리 사용되는 수동형 광네트워크(PON) 기술은 고속 가입자망을 구성하기 위한 것으로, 시분할 방식이나 파장 분할 방식을 통해서 복수 가입자의 동시 접속을 처리할 수 있도록 구성된다. 이러한 방식들 중에서 비용 대비 효율이 높은 시분할 방식이 주로 사용되는데, IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.3av/ah에 따른 EPON(Ethernet PON)이나 ITUT(International Telecommunication Union-Telecommunication Standardization Sector) G.984/7에 따른 GPON(Gigabit PON)이 대표적이다.
이러한 PON의 구성을 보면, 기본적으로 전화국사에 설치된 하나의 OLT(Optical Line Terminal)와 복수 가입자의 ONT(Optical Network Terminal) 혹은 ONU(Optical Network Unit)가 수동 광분기 장치인 리모트 노드(Remote Node)(광스플리터 이용)를 통해 일대다(Point to Multipoint) 네트워크 구조를 가진다.
기본적인 PON의 구성은 도 1에 도시된 바와 같이 OLT(10)와 ONT(20)가 광선로를 통해 연결되며, 이러한 광선로를 통한 직접적 통신은 광트랜시버(11, 21)에 의해 이루어진다.
이러한 광 네트워크의 통신 품질에 영향을 미치는 다양한 요소들이 존재하지만 직접적으로 통신 품질을 결정하는 요소로서 광트랜시버 레이저 다이오드의 특성과 광트랜시버의 포토다이오드의 특성이 우선적으로 고려된다.
도 2는 일반적인 광트랜시버들 간의 통신 구성을 보인 것으로, 도시된 바와 같이 트랜시버(11, 21)는 레이저 다이오드에 의해 설정된 파장의 광원을 제공하는 송신부(11a, 21a)와 포토다이오드를 통해 레이저 다이오드로부터 제공되는 설정된 파장의 광을 수신하는 수신부(11b, 21b)로 이루어진다.
이러한 광트랜시버의 송신부 레이저 다이오드는 그 특성상 문턱 전류(Ith)와 입력 전류에 따른 출력의 기울기, 포화 전류(Isat)에 대한 특성 곡선이 존재하는데, 이는 제조사와 개별 제품마다 상이하며, 온도가 증가함에 따라 문턱 전류가 증가하고 기울기가 감소하는 등 특성 곡선이 변화하게 된다.
나아가, 이러한 편차가 존재하는 레이저 다이오드의 출력을 광선로를 통해 전달 받아 이를 레벨에 따라 분류해야 하는 포토다이오드의 경우 역시 수신 광전력에 따른 광전류 출력 특성이 제조사와 개별 제품마다 상이하다. 특히, Gbps 이상의 고속 신호 수신을 위해서 효율과 감도가 높으며 고속 동작이 가능한 애벌런치 포토다이오드(APD: Avalanche PhotoDiode)를 이용하게 되는데, 이러한 애벌런치 포토다이오드는 그 구조적 특성상 광전자에 대한 반응을 급격히 확장하는 방식으로 동작하기 때문에 약간의 공정 편차에 의해서도 상이한 수신 특성을 가지게 된다.
현재 통상적으로 사용되고 있는 광트랜시버의 동작 방식은 0과 1의 NRZ(Non-Return-to-Zero) 코드에 따른 변조 방식으로, 그 출력을 0이나 1로 구분할 수 있으면 된다. 따라서, 레이저다이오드의 특성 곡선 중 선형 구간을 선별하여 사용 구간으로 이용하고 있다. 이렇게 NRZ 코드에 대응하기 위한 용도로 사용되는 레이저 다이오드는 선형 구간이 일정 정도이면 되므로 제조사나 제품의 등급에 따라 선형 특성이 좋지 않은 것도 사용되고 있는 실정이며, 애벌런치 포토다이오드 역시 이와 유사하게 NRZ 변조에 고속 대응하여 구분된 광전류를 제공하는 것을 목적으로 하므로 수신 광전력에 따른 광전류 출력 특성에 일부 편차가 있더라도 동일 규격의 제품으로 사용되고 있는 실정이다.
하지만, 더욱 고속의 통신을 위해서 레이저 다이오드로 전송할 신호를 4단계나 8단계의 상이한 레벨로 구분하여 2비트나 3비트의 데이터를 하나의 광신호로 전송할 수 있는 PAM(Pulse Amplitude Modulation)-4/8 방식으로 변조하는 경우도 등장하고 있다. 이러한 경우 높은 균일도와 넓은 선형 영역을 가지는 고가의 제품을 사용해야 하는 문제가 발생한다.
이와 같이 고품질 레이저 다이오드나 고품질 애벌런치 포토다이오드를 이용할 경우 비용이 크게 증가하며 이러한 고품질 레이저 다이오드나 애벌런치 포토다이오드를 이용한다 하더라도 사용에 따른 성능 열화나 환경에 따른 특성 변화가 발생할 경우 통신 품질이 낮아지는 한계가 있고, 각각 정확한 특성을 파악하기 위해서는 전용 계측장비가 필요하므로 제조 수율이 낮아지게 되며, 송신과 수신이 서로 대향되어 사용되고 그 전송을 위한 광케이블의 품질과 거리와 같은 설치 환경에 따른 특성 변화에 대응하기 어려우며, 이러한 실제 설치 환경에서의 성능이나 사용에 따른 열화를 매번 전용 계측장비로 확인하기 어려운 문제가 발생한다.
결국, 고속 통신을 위한 멀티레벨 광신호의 경우 이를 생성하는 송신측과 수신측 모두가 높은 선형성을 지원하는 특성을 가져야만 하며, 그 중에서도 송신측 편차및 선로의 특성과 길이를 포함하는 다양한 요인들이 반영된 설치환경에서도 정확하게 멀티레벨을 구분해야하는 수신측 선형성에 대한 중요성이 더욱 높은 상황이다.
레이저 다이오드의 특성을 검출하여 이를 보상하거나, 정밀하게 제어하고자 하는 연구는 일부 존재하였으나, 정작 중요성이 더 높은 애벌런치 포토다이오드의 특성에 따라 수신 해상도를 높이고자 하는 연구는 거의 진행되고 있지 않은 상황이며, 실제 설치 환경에서 애벌런치 포토다이오드의 광수신 특성에 따라 멀티레벨 수준의 최적화를 수행하는 기술 역시 아직 제공되고 있지 못한 실정이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 실제 설치 환경에서 별도의 정밀 계측기나 계측을 위한 연결 구성 없이도 설치된 그 상태에서 자동으로 사용 애벌런치 포토다이오드의 특성에 따른 최적의 멀티레벨 구분을 위한 역방향 바이어스 전압을 추정하여 애벌런치 포토다이오드를 동작시키도록 한 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 실제 설치 환경에서 상대측 송신부로부터 약속된 테스트 패턴에 따른 멀티레벨 광신호를 수신하면서 단위 패턴 세트를 기준으로 수신 애벌런치 포토다이오드의 역방향 바이어스 전압을 순차적으로 가변시켜 멀티레벨의 각 레벨별 수신 전압들간 차이가 최소인 최소 차이값을 산출하고, 전체 역방향 바이어스 전압 영역에서 최소 차이값이 최대가 되는 역방향 바이어스 전압을 선별하여 이를 애벌런치 포토다이오드 동작에 적용함으로써 멀티레벨 광 수신 성능을 최적화하도록 한 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
나아가, 본 발명의 또 다른 목적은 비교적 간단한 구성 만을 통해서 트랜스미터 수준에서 각 장치들 간 수신 성능 최적화가 가능하므로 낮은 비용으로 통신 품질을 개선할 수 있도록 한 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치는 광선로를 통해 연결된 상대측 광송신 장치로부터 미리 약속된 테스트 패턴에 따른 멀티레벨 광신호를 수신하여 대응되는 광전류를 출력하는 포토다이오드와, 상기 포토다이오드에 역방향 바이어스 전압을 설정에 따라 가변하면서 제공하는 바이어스 전압 가변 제공부와, 상기 포토다이오드의 광전류를 수신 전압으로 변환 및 증폭하는 트랜스임피던스 증폭기와, 상기 트랜스임피던스 증폭기의 수신 전압을 약속된 테스트 패턴을 기준으로 수집하면서 상기 바이어스 전압 가변 제공부를 통해 상기 포토다이오드의 역방향 바이어스 전압을 순차적으로 가변시키고, 멀티레벨의 각 레벨별 수신 전압들간 차이가 최소인 최소 차이값을 산출하여, 가변시킨 전체 역방향 바이어스 전압 영역에서 상기 최소 차이값이 최대가 되는 역방향 바이어스 전압을 선별하여 상기 바이어스 전압 가변 제공부를 설정하는 제어부를 포함한다.
일례로서, 테스트 패턴은 다양한 멀티레벨 광신호를 제공하기 위해 마련된 일련의 데이터 세트로서, 모든 멀티레벨에 대한 패턴이 포함되는 단위 패턴 세트를 적어도 복수로 포함할 수 있다.
일례로서, 제어부는 트랜스임피던스 증폭기의 수신 전압을 약속된 테스트 패턴의 각 단위 패턴 세트에 대해 수집하고 상기 바이어스 전압 가변 제공부를 통해 상기 애벌런치 포토다이오드의 역방향 바이어스 전압을 가변시키는 과정을 설정된 모든 역방향 바이어스 전압 범위에 대해 순차적으로 수행할 수 있다. 또한, 제어부는 단위 패턴 세트에 대해 수집된 수신 전압에 따른 각 레벨별 수신 전압의 차이를 연산하여 그 중에서 최소 차이값을 산출한 후 대응되는 바이어스 전압 가변 제공부에 대한 설정값과 함께 저장할 수 있다.
일례로서, 제어부는 모든 역방향 바이어스 전압 범위에 대해 상기 최소 차이값과 대응되는 바이어스 전압 가변 제공부에 대한 설정값이 저장되면 상기 최소 차이값이 가장 클 때의 바이어스 전압 가변 제공부에 대한 설정값을 선별한 후 해당 설정값으로 상기 바이어스 전압 가변 제공부를 설정할 수 있다.
일례로서, 상대측 광송신 장치와 약속된 멀티레벨 신호의 전송 패턴인 테스트 패턴을 저장하여 제어부에 제공하는 테스트 패턴 저장부를 더 포함할 수 있다.
일례로서, 포토다이오드는 애벌런치 포토다이오드일 수 있다.
일례로서, 멀티레벨 광신호는 PAM-4나 PAM-8 변조에 따른 광신호일 수 있다.
일례로서, 제어부 동작은 초기 구동이나 미리 설정된 주기 또는 별도의 외부 요청 신호에 따라 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 방법은 광신호를 수신하여 대응되는 광전류를 출력하는 애벌런치 포토다이오드를 통해 광선로를 통해 연결된 상대측 광송신 장치로부터 미리 약속된 테스트 패턴에 따른 멀티레벨 광신호를 수신하는 단계와, 트랜스임피던스 증폭기를 통해 상기 광수신부의 애벌런치 포토다이오드 광전류를 수신 전압으로 변환 및 증폭하는 단계와, 제어부가, 상기 트랜스임피던스 증폭기의 수신 전압을 약속된 테스트 패턴을 기준으로 수집하면서 상기 애벌런치 포토다이오드에 역방향 바이어스 전압을 설정에 따라 가변하여 제공하는 바이어스 전압 가변 제공부를 통해 상기 애벌런치 포토다이오드의 역방향 바이어스 전압을 순차적으로 가변시키고, 멀티레벨의 각 레벨별 수신 전압들간 차이가 최소인 최소 차이값을 산출하여, 가변시킨 전체 역방향 바이어스 전압 영역에서 상기 최소 차이값이 최대가 되는 역방향 바이어스 전압을 선별하는 단계와, 상기 제어부가 상기 선별된 역방향 바이어스 전압이 되도록 상기 바이어스 전압 가변 제공부를 설정하는 단계를 포함한다.
일례로서, 최소 차이값이 최대가 되는 역방향 바이어스 전압을 선별하는 단계는 상기 제어부가 트랜스임피던스 증폭기의 수신 전압을 약속된 테스트 패턴의 각 단위 패턴 세트에 대해 수집하고 바이어스 전압 가변 제공부를 통해 애벌런치 포토다이오드의 역방향 바이어스 전압을 가변시키는 과정을 설정된 모든 역방향 바이어스 전압 범위에 대해 순차적으로 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 최소 차이값이 최대가 되는 역방향 바이어스 전압을 선별하는 단계는 제어부가 단위 패턴 세트에 대해 수집된 수신 전압에 따른 각 레벨별 수신 전압의 차이를 연산하여 그 중에서 최소 차이값을 산출한 후 대응되는 바이어스 전압 가변 제공부에 대한 설정값과 함께 저장하는 단계를 포함할 수 있다.
일례로서, 최소 차이값이 최대가 되는 역방향 바이어스 전압을 선별하는 단계는 제어부가 모든 역방향 바이어스 전압 범위에 대해 최소 차이값과 대응되는 바이어스 전압 가변 제공부에 대한 설정값이 저장되면 최소 차이값이 가장 클 때의 바이어스 전압 가변 제공부에 대한 설정값을 선별한 후 해당 설정값으로 상기 바이어스 전압 가변 제공부를 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치 및 방법은 실제 설치 환경에서 별도의 정밀 계측기나 계측을 위한 연결 구성 없이도 설치된 그 상태에서 자동으로 사용 애벌런치 포토다이오드의 특성에 따른 최적의 멀티레벨 구분을 위한 역방향 바이어스 전압을 추정하여 애벌런치 포토다이오드를 동작시키도록 함으로써 실제 설치 후 필요에 따른 간단한 수행만으로 현재 광수신 장치의 애벌런치 포토다이오드 특성을 고려한 최적 수신 성능을 제공하는 효과가 있다.
또한, 실제 설치 환경에서 상대 송신부로부터 약속된 테스트 패턴에 따른 멀티레벨 광신호를 수신하면서 단위 패턴 세트를 기준으로 수신 애벌런치 포토다이오드의 역방향 바이어스 전압을 순차적으로 가변시켜 멀티레벨의 각 레벨별 수신 전압들간 차이가 최소인 최소 차이값을 산출하고, 전체 역방향 바이어스 전압 영역에서 최소 차이값이 최대가 되는 역방향 바이어스 전압을 선별하여 이를 애벌런치 포토다이오드 동작에 적용함으로써 수신 광전력에 따라 상이한 특성을 보이는 애벌런치 포토다이오드를 사용하더라도 실제 사용 환경에 따른 특성을 반영한 수신 해상도 개선이 가능하며, 이러한 과정을 최초 설치시에는 물론이고 사용 중에도 필요한 경우마다 수행할 수 있으므로 환경의 변화나 성능의 열화가 발생하더라도 4레벨 이상의 고해상도 사용 구간을 실효성 있게 구분함으로써 항상 최상의 수신 성능을 제공할 수 있는 효과가 있다.
나아가, 비교적 간단한 구성 만을 통해서 트랜스미터 수준에서 각 장치들 간 수신 성능 최적화가 가능하므로 낮은 비용으로 통신 품질을 개선할 수 있어 성능 개선 비용이 낮고 호환성 유지가 가능하여 활용성을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 수동형 광네트워크의 구성 예.
도 2는 일반적인 수동형 광네트워크에 적용되는 광트랜시버의 광선로 연결 예시도.
도 3은 NRZ 변조 방식과 PAM 4 변조 방식에 따른 레이저 다이오드 출력 해상도를 비교한 예시도.
도 4는 애벌런치 포토다이오드의 광수신 특성을 NRZ 변조 방식에 대응하여 보인 특성 그래프.
도 5는 애벌런치 포토다이오드의 광수신 특성을 PAM 4 변조 방식에 대응하여 보인 특성 그래프.
도 6은 PAM 4 변조 방식에서 각 수신 광신호를 구분하기 위한 광전류 범위를 보인 개념도.
도 7은 동일한 수신 광신호에 대한 복수 애벌런치 포토다이오드들 간 특성 편차를 보인 특성 그래프.
도 8은 PAM 4 변조 방식에서 서로 다른 애벌런치 포토다이오드의 특성 차이에 의한 수신 성능 감소의 이유를 보이는 개념도.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치 및 이를 이용하는 광통신 시스템의 구성도.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치의 동작 방식을 설명하기 위한 애벌런치 포토다이오드의 특성 그래프.
도 11은 테스트 패턴과 그에 따른 복수 레벨 신호 및 이를 수신한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치의 동작 방식을 설명하기 위한 예시적 개념도.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 선별된 역방향 바이어스 전압에 따른 멀티레벨 광신호에 대한 광전류 특성을 보인 그래프도.
도 13은 환경 변화나 다른 애벌런치 포토다이오드를 적용한 경우 역방향 바이어스 전압 선별 차이를 보인 그래프도.
도 14는 본 발명의 동작 과정을 설명하기 위한 순서도.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서 "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성 요소는 제 2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성 요소도 제 1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
특히, 본 발명의 실시예로서 수동형 광네트워크(PON) 장비에 적용되는 트랜스미터를 예로 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 실시예에 따른 광수신 장치는 PON 뿐만 아니라 다양한 광통신 시스템의 수신측 포토다이오드의 특성을 추정하고 이를 통해 광수신 해상도를 높이는 용도로 활용될 수 있으므로, 그 기술 범주는 PON을 위한 트랜스미터의 수신 장치로 한정되지 않으며 다양한 광 통신용 광수신 장치를 포괄한다.
도 3은 NRZ 변조 방식과 PAM 4 변조 방식에 따른 레이저 다이오드 출력 해상도를 비교한 예시도이다.
통상 광트랜시버의 송신부는 전송할 데이터를 아날로그 신호로 변환하는 디지털 아날로그 변환기(DAC:Digital Analog Converter)와 레이저 다이오드를 구동하는 레이저 다이오드 구동부(LDD:Laser Diode Driver) 및 레이저 다이오드(LD)를 포함하며, 레이저 다이오드의 출력을 모니터링하기 위한 모니터링 포토다이오드(MPD)가 구성된다.
광트랜시버의 송신부에 구성되는 레이저 다이오드는 원거리 디지털 광통신을 위한 것이므로 환경적인 변화나 자체적인 열화가 존재하더라도 그 신호를 구분할 수 있어야 하는데, 예를 들어 입력이 0과 1인 NRZ 변조를 사용하는 경우 레이저 다이오드에서 제공되는 0의 출력과 1의 출력을 명확하게 구분할 수 있어여 한다. 이렇게 0 레벨의 광세기 대비 1 레벨의 광세기의 비를 소광비(Extinction Ratio)라 한다. 예컨대 소광비가 3dB라면 0 레벨의 광세기와 1 레벨의 광세기의 차이가 2배라는 것을 의미한다.
이러한 소광비가 클수록 전송 데이터에 대한 BER(Bit Error Rate)이 작아지게 되며 이는 거의 완전한 반비례 관계를 가지게 되므로 레이저 다이오드를 동작시킬 때 소광비를 유지하기 위해서 모니터링 포토다이오드를 통한 피드백으로 제어 전류를 가변하여 설정된 사용 구간에 대한 소광비를 유지하도록 하고 있다.
다만, 이러한 모니터링 포토다이오드는 피드백 용도이고 이러한 포토다이오드에서도 특성과 편차가 존재하므로 이를 레이저 다이오드의 특성을 파악하기 위한 용도로 활용하기는 어렵다.
도시된 도 3a와 도 3b에 나타난 그래프는 레이저 다이오드의 특성 곡선 예시도로서, 도시된 바와 같이 문턱 전류(출력이 변화되기 시작하는 시점의 전류)와 포화 전류(출력이 증가하지 않게 되는 시점의 전류) 사이의 제어 영역 중에서 선형성이 높은 일정 구간(I0~I1)을 사용 구간으로 선택한다.
도 3a에 도시된 레이저 다이오드는 예시적인 것으로 제어 영역 중 상당한 영역이 선형 특성을 가지는 고품질 레이저 다이오드로서, 사용 구간의 출력 차이(P0과 P1의 차이)가 상당하다. 즉 소광비가 높아 NRZ 변조 방식의 통신에서 높은 신뢰성을 제공할 수 있다.
이러한 고품질 레이저 다이오드라 하더라도 도 3b에 도시된 바와 같이 그 제어 영역을 복수 레벨로 구분할 경우 제어 전류(I0 내지 I3)에 따른 출력들(P0 내지 P3) 간 출력 차이는 크게 줄어들게 되며, 이는 이를 수신하는 광수신 장치에서 이들을 서로 다른 신호로 명확하게 구분하기 위해 상당히 높은 해상도를 가져야 함을 의미한다. 즉, 2레벨 광출력을 제공하는 경우라면 P0과 P3의 출력 비로 소광비가 결정되겠지만 이를 4레벨로 세분화할 경우 소광비는 1/3로 줄어들게 된다.
한편, 도시된 경우는 제어 영역 중 상당한 영역이 선형 특성을 가지는 고품질 레이저 다이오드의 예로서, 이러한 경우라 하더라도 광선로 전송을 통해 그 전달 광량이 다르게 전달되므로 수신측이 고정된 기준으로 수신할 경우 수신 품질이 낮아질 수 밖에 없고, 사용되는 레이저 다이오드의 품질이 좋지 않을 경우, 이러한 문제는 더욱 심화될 수 밖에 없다.
도 4는 애벌런치 포토다이오드의 광수신 특성을 NRZ 변조 방식에 대응하여 보인 특성 그래프이다.
애벌런치 포토다이오드는 일반 포토다이오드와 달리 광증배 영역을 두어 입사 광자에 대한 2차적인 캐리어를 생성함으로써 효율과 감도가 높아지도록 한 것으로, 높은 광전 변화 효율과 고속 동작에 의해 Gbps 이상의 광수신 장치는 대부분 애벌런치 포토다이오드를 사용하게 된다.
이러한 애벌런치 포토다이오드는 도시된 바와 같은 특성 곡선을 가지는데, 입사되는 광자에 의한 전자-정공 쌍의 생성을 위해 일반적인 포토다이오드와 마찬가지로 역전압을 가해주어야 한다.
애벌런치 포토다이오드는 일정한 크기 이상의 역방향 바이어스 전압이 걸리면 입사되는 광자에 의해 급격한 광전류를 출력하게 되는데, 도시된 바와 같이 일정 구간 선형 영역이 존재하므로, 통상 해당 영역 중 적당한 위치(BV1)에서 동작하도록 광수신 회로가 구성된다.
도시된 바와 같이 2개의 상이한 광전력(도시된 예에서는 0.25㎼와 2㎼)이 수신되는 NRZ 변조 신호의 경우 애벌런치 포토다이오드는 비교적 큰 차이를 보이는 광전류(A0, A1)를 출력하므로 오류 없이 수신되는 광신호의 레벨을 구분할 수 있다.
한편, 도시된 애벌런치 포토다이오드의 특성 곡선을 살펴보면 동일한 바이어스 전압이라 하더라도 수신되는 광전력에 따라 그 특성 곡선의 형상이 다른 것을 알 수 있다. 즉, 하나의 애벌런치 포토다이오드의 수신 특성이 수신 광량에 따라 다르며, 이는 동일한 기준(BV1)에서 상이한 광량에 따른 수신 광전류의 변화가 비선형적임을 의미한다.
수신되는 광량이 2개의 상이한 레벨을 제공하는 NRZ 변조 방식에서 4개의 상이한 레벨이 되는 PAM 4 변조 방식으로 변화될 경우, 이러한 수신 광량에 따른 광전류의 비선형성은 상당한 문제를 유발하게 된다.
도 5는 애벌런치 포토다이오드의 광수신 특성을 PAM 4 변조 방식에 대응하여 보인 특성 그래프로서, 도시된 바와 같이 0.25㎼에서 2㎼로 2배씩 증가하는 4개 레벨의 광전력에 대한 출력 광전류(A0 내지 A3)를 살펴보면 그 변화 정도가 선형적이지 않음을 알 수 있다.
이와 같이 애벌런치 포토다이오드는 수신되는 선형적 광전력 변화에 대해 비선형적으로 변화되는 광전류를 출력하기 때문에 4개의 상이한 레벨 수준의 해상도 증가에 대해서도 구분에 문제를 유발하게 된다.
앞서 도 3을 통해 설명했던 바와 같이 레이저 다이오드의 PAM 4 변조에 따른 광 출력이 서로 유사한 수준의 크기 차이로 구분된 복수 레벨이고, 도 5에 도시된 바와 같은 특성을 가지는 애벌런치 포토다이오드가 이러한 복수 레벨의 광신호를 수신한다면 복수 레벨 광신호 수신에 따른 출력 광전류들 중 구분이 모호해지는 레벨들이 나타날 수 있게 된다.
하지만 일반적인 광수신 장치의 경우 애벌런치 포토다이오드의 광전류를 그대로 사용하는 것이 아니라 트랜스임피던스 증폭기를 통해 광전류를 전압으로 변환하면서 증폭하기 때문에 도 5에 도시된 바와 같이 광신호 레벨 간 차이가 어느정도 구분만 가능하다면 이를 변환 증폭한 전압을 기준으로 레벨 차이를 구분할 수 있다.
도 6은 PAM 4 변조 방식에서 각 수신 광신호를 구분하기 위한 광전류 범위를 보인 개념도로서, 도 5에 도시된 일부 영역을 확대한 후 각 광전류 간 중간 값을 레벨을 나누는 기준으로 설정한 것이다.
도시된 바와 같이 수신되는 광전력, 즉 수신 광량이 가장 작은 광신호 레벨일 때 출력되는 광전류 A0의 경우 수신에 따른 환경 변화(송신측 변화, 광선로 변화, 수신 노이즈, 수신부 온도 상승, 송수신측 소자의 열화 등)에 의해 일부 광전류의 변화가 있더라도 해당 범위(A0을 기준으로 하는 사각형 영역)에 속하는 광전류가 출력되면 이를 가장 낮은 레벨로 구분하며, 동일한 방식으로 수신 광량이 가장 큰 광신호 레벨일 때 출력되는 광전류 A3의 경우 수신에 따른 환경 변화에 의해 일부 광전류의 변화가 있더라도 해당 범위(A3을 기준으로 하는 사각형 영역)에 속하는 광전류가 출력되면 이를 가장 높은 레벨로 구분하면 된다.
하지만, 일반적인 모든 종류의 반도체 소자는 제품의 종류마다, 같은 제품이라도 공정 라인마다, 같은 공정 라인이라도 웨이퍼마다, 같은 웨이퍼라도 각 소자마다 특성의 편차가 존재한다.
특히, 애벌런치 포토다이오드의 경우 앞서 설명했던 바와 같이 작은 수의 광자만 입사하더라도 광 증배에 의해 수십~수백배의 전자-정공 쌍이 눈사태처럼 생기도록 하여 출력 광전류를 증가시키도록 구성된 것이어서, 애벌런치 포토다이오드의 제조 공정(통상 p+와 n+ 영역 사이에 p-로 된 드리프트 영역과 p로 된 애벌런치 영역을 구성)의 미세한 편차(예를 들어, 불순물 도핑 편차) 정도에 의해서도 특성의 차이를 유발하게 된다.
도 7은 동일한 수신 광신호에 대한 복수 애벌런치 포토다이오드들 간 특성 편차를 보인 특성 그래프로서, 동일한 바이어스 전압(BV1)과 동일한 수신 광신호의 환경에서도 각 애벌런치 포토다이오드의 광전류 출력은 상당한 차이(dA)를 나타내는 것을 볼 수 있다.
동일한 제품으로 판매되는 애벌런치 포토다이오드들 간에도 이와 같은 차이가 발생할 수 있으며, 상이한 제품이나 제조사의 경우 이러한 특성 편차는 더욱 커질 수 있는데, 기존의 '1' 또는 '0'으로 구분되는 NRZ 환경에서는 편차에 의한 수신감도의 차이가 크지 않았으나, 복수 레벨 광신호가 수신될 경우 이러한 복수 레벨을 구분하기 위한 애벌런치 포토다이오드의 광전류 구분 기준을 고정하기 어렵게 된다.
도 8은 PAM 4 변조 방식에서 서로 다른 애벌런치 포토다이오드의 특성 차이에 의한 수신 성능 감소의 이유를 보이는 개념도로서, 도시된 바와 같이 도 8a는 앞서 도 6과 같은 제 1 애벌런치 포토다이오드를 기준으로 측정한 서로 다른 레벨의 광신호에 따른 광전류와 이를 기준으로 설정한 수신 레벨 구분 범위를 보인 것이다.
이러한 수신 레벨 구분 범위에 따라 수신되는 광신호에 약간의 노이즈가 있더라도 수신광의 복수 레벨을 광전류 범위로 구분할 수 있다.
이러한 수신 레벨 구분 범위는 그동안 NRZ 신호방식에서는 2단계로 구분되어, 애벌런치 포토다이오드의 생산 로트별, 생산 방식에 따른 편차를 허용하는 수준이었다. 하지만 멀티레벨(PAM 4 3단계 레벨, PAM8 7단계 레벨)에서는 생산 로트별, 생산 공정에 따른 8b와 같은 약간의 광전류 편차에도 수신레벨 구분 범위를 신뢰할 수 없다.
즉, 도시된 바와 같이 수신 광량이 가장 작은 광신호 레벨(예를 들어 0~3 중 0)일 때 출력되는 광전류가 제 1 애벌런치 포토다이오드에 의해 마련된 수신 레벨 구분 범위(표시된 각 빗금 영역들)에 따르면 수신 광량이 두 번째로 낮은 광신호 레벨인 경우의 수신 레벨 구분 범위(수평 빗금 영역: 레벨 1이 속하는 범위)에 속하게 되고, 수신 광량이 두 번째로 작은 광신호 레벨(예를 들어 0~3 중 1)일 때 출력되는 광전류는 이전 기준에 따르면 수신 광량이 두 번째로 큰 광신호 레벨을 구분하는 범위(우하 방향 빗금: 레벨 2가 속하는 범위)에 속하게 되므로 도 8a와 같은 수신 레벨 구분 범위를 고정할 경우 도 8b와 같은 특성을 가지는 애벌런치 포토다이오드를 이용한다면 수신 광신호의 레벨을 정상적으로 구분할 수 없게 된다.
특히, 이는 동일한 애벌런치 포토다이오드를 이용한 광수신 장치라 하더라도 실제 설치 환경이 달라지는 경우 전체적인 수신광의 광전력 특성이 광선로에 따라 달라지게 되므로 도 8b와 같은 문제가 발생할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명에서는 다양한 편차를 가지는 애벌런치 포토다이오드를 이용한다 하더라도 그 특성을 자동적으로 파악하여 최적의 멀티레벨 광신호를 구분할 수 있도록 함과 아울러, 실제 설치 환경에서 별도의 정밀 계측기나 계측을 위한 연결 구성 없이도 설치된 그 상태에서 연결된 멀티레벨 광송신 장치에 대응되는 현재의 애벌런치 포토다이오드의 광 수신 특성을 파악하여 최적의 멀티레벨 광신호를 구분할 수 있도록 한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치 및 이를 이용하는 광통신 시스템의 구성도를 보인 것이다.
도시된 광통신 시스템은 멀티레벨 광수신 장치(200) 및 대응되는 상대측 광송신 장치(100) 부분을 선별하여 보인 구성도로서, 본 발명의 실시예에 따른 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치는 멀티레벨 광수신 장치(200) 자체이거나 그에 포함되는 일부 구성일 수 있다. 이러한 멀티레벨 광수신 장치(200)는 트랜스미터의 수신부를 구성하는 것이므로, 본 발명의 실시예에 따른 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치는 트랜스미터에 포함되는 것으로 간주할 수 있다.
이후 본 발명의 실시예는 PAM 4 변조 방식을 예로 들어 설명하지만 그 보다 높은 해상도의 PAM 8 변조 방식을 이용할 수도 있고, 기술 발전에 따라 그 이상의 해상도가 적용될 수도 있다.
실질적으로 하나의 트랜시버에는 광송신 장치와 광수신 장치가 한 쌍으로 구성되므로 도시된 멀티레벨 광수신 장치(200)에 별도의 광송신 장치가 인접 배치되어 하나의 트랜시버를 구성할 수 있고, 마찬가지로 상대측 멀티레벨 광송신 장치(100) 역시 별도의 광수신 장치가 인접 배치되어 하나의 트랜시버를 구성할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 트랜시버에는 각각 도시된 바와 같은 멀티레벨 광송신 장치(100)와 멀티레벨 광수신 장치(200)가 함께 구성될 수 있으므로, 도시된 연결 구성이 상호 반대 방향으로 병렬 구성될 수 있다.
도시된 실시예에서는 이러한 병렬 구성 중에서 일측 트랜시버의 멀티레벨 광송신 장치(100)와 타측 트랜시버의 멀티레벨 광수신 장치(200)만 예를 들어 설명하며, 본 발명의 실시예에 따른 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치는 도시된 멀티레벨 광수신 장치(200)와 동일한 것으로 간주하여 설명한다.
본 발명의 도시된 실시예는 실제 네트워크 구성에 따라 설치된 환경에서 상대측 멀티레벨 광송신 장치(100)에서 제공하는 멀티레벨 광신호를 광선로(10)를 통해 원거리에서 수신하는 멀티레벨 광수신 장치(200)의 애벌런치 포토다이오드 특성을 자동적으로 파악하기 위한 것이므로, 본 발명에 따른 멀티레벨 광수신 장치(200)는 광선로(10)를 통해 연결된 상대측 멀티레벨 광송신 장치(100)로부터 서로 약속된 테스트 패턴을 수신하여 애벌런치 포토다이오드의 수신 특성을 파악한다.
이를 위한 상대측 멀티레벨 광송신 장치(100)는 도시된 바와 같이 레이저 다이오드(120)를 구동하는 구동부(110)와, 약속된 테스트 패턴에 대한 정보가 저장된 테스트 패턴 저장부(140)와, 상기 테스트 패턴 저장부(140)에 저장된 테스트 패턴에 따라 구동부(110)를 제어하여 약속된 테스트 패턴에 따른 멀티레벨 광신호를 레이저 다이오드(120)를 통해 출력하도록 구성된다.
여기서, 약속된 테스트 패턴은 다양한 멀티레벨 광신호를 제공하기 위해 마련된 일련의 데이터 세트로서, 하나의 테스트 패턴을 일회 전송할 수도 있고, 복수회 전송할 수도 있으며, 여러 종류의 테스트 패턴들을 한번 씩 혹은 여러 번 전송할 수도 있다. 나아가 본 발명의 실시예는 애벌런치 포토다이오드의 역방향 바이어스 전압을 가변하면서 그 수신 광전류 특성을 검사해야 하므로 하나의 역방향 바이어스 전압에 대해서 모든 레벨에 대한 수신 광전류 및 그에 따른 수신 전압을 확인해야 한다. 따라서, 테스트 패턴은 모든 레벨에 대한 데이터를 포함하는 단위 패턴 세트가 적어도 한번 이상 반복 구성되어야만 한다. 예컨대 애벌런치 포토다이오드의 역방향 바이어스 전압을 100 스탭으로 가변하면서 PAM 4 변조 방식의 멀티레벨 수신 특성을 파악한다면 약속된 테스트 패턴에는 적어도 4개의 상이한 광신호 레벨을 출력하는 4종류의 데이터들('00', '01', '10', '11')이 포함되는 단위 패턴 세트가 적어도 100개 존재하거나 이러한 단위 패턴 세트를 적어도 100번 반복하여 전송해야 한다.
이러한 테스트 패턴에 따른 멀티레벨 광신호 전송은 초기 구동이나 미리 설정된 시점에 수행되거나, 제어부(130)에 대한 외부 제어 신호(해당 광송신 장치가 구성된 장비의 제어 신호나 상대측 트랜시버의 요청에 따른 제어 신호)에 따라 수행될 수 있다.
예를 들어 멀티레벨 광송신 장치(100)가 포함된 트랜시버가 구성된 장비(A)와 멀티레벨 광수신 장치(200)가 포함된 트랜시버가 구성된 장비(B)가 구성된 상황에서, 통신 성능이 낮아지면 장비(A)가 장비(B)에게 수신 최적화 과정을 수행하도록 요청(그 반대도 가능)할 수 있고, 장비(A)에 구성된 트랜시버와 장비(B)에 구성된 트랜시버가 상호 약속된 시점(일측 장비의 초기 구동이나 약속된 시간)이나 일측 트랜시버의 요청에 의해 이러한 테스트 패턴 전송이 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치를 포함하는 멀티레벨 광수신 장치(200)는, 광선로(10)를 통해 연결된 상대측 광송신 장치(100)로부터 미리 약속된 테스트 패턴에 따른 멀티레벨 광신호를 수신하여 대응되는 광전류를 출력하는 애벌런치 포토다이오드(210)와, 애벌런치 포토다이오드(210)에 역방향 바이어스 전압을 설정에 따라 가변하면서 제공하는 바이어스 전압 가변 제공부(230)와, 애벌런치 포토다이오드(210)의 광전류를 수신 전압으로 변환 및 증폭하는 트랜스임피던스 증폭기(200)와, 약속된 테스트 패턴에 대한 정보가 저장된 테스트 패턴 저장부(250)와, 트랜스임피던스 증폭기(200)의 수신 전압을 테스트 패턴 저장부(250)에 저장된 약속된 테스트 패턴을 기준으로 수집하면서 바이어스 전압 가변 제공부(230)를 통해 애벌런치 포토다이오드(210)의 역방향 바이어스 전압을 순차적으로 가변시키고, 멀티레벨의 각 레벨별 수신 전압들간 차이가 최소인 최소 차이값을 산출하여, 가변시킨 전체 역방향 바이어스 전압 영역에서 상기 최소 차이값이 최대가 되는 역방향 바이어스 전압을 선별하여 바이어스 전압 가변 제공부(230)를 설정하는 제어부(240)를 포함하여 구성된다.
테스트 패턴 저장부(250)에 저장되는 테스트 패턴은 다양한 멀티레벨 광신호를 제공하기 위해 마련된 일련의 데이터 세트로서 모든 멀티레벨에 대한 패턴이 포함되는 단위 패턴 세트를 적어도 복수로 포함할 수 있으며, 광송신 장치(100)의 테스트 패턴 저장부(140)에 저장된 테스트 패턴 정보와 동일해야 한다. 물론, 제어부(240)가 이러한 테스트 패턴을 자체적으로 구비할 수도 있으므로 테스트 패턴 저장부(250)는 필수적이지 않다.
도시된 바이어스 전압 가변 제공부(230)는 애벌런치 포토다이오드(210)에 역방향 바이어스 전압을 제공하는 것으로, 외부 설정 정보에 따라 바이어스 전압을 가변하여 애벌런치 포토다이오드(210)의 수신 전류 특성을 확인하기 위한 기준을 제공한다.
도시된 제어부(240)는 트랜스임피던스 증폭기(220)의 수신 전압을 약속된 테스트 패턴의 각 단위 패턴 세트에 대해 수집하고 바이어스 전압 가변 제공부(230)를 통해 애벌런치 포토다이오드(210)의 역방향 바이어스 전압을 가변(바이어스 전압 가변 제공부(230)에 대한 설정값 변경)시키는 과정을 설정된 모든 역방향 바이어스 전압 범위에 대해 순차적으로 수행한다. 이 과정에서 제어부(240)는 이렇게 단위 패턴 세트에 대해 수집된 수신 전압에 따른 각 레벨별 수신 전압의 차이를 연산하여 그 중에서 최소 차이값을 산출한 후 대응되는 바이어스 전압 가변 제공부(230)에 대한 설정값과 함께 저장한다.
이후 제어부(240)는 모든 역방향 바이어스 전압 범위에 대해 최소 차이값과 대응되는 바이어스 전압 가변 제공부에 대한 설정값이 저장되면 최소 차이값이 가장 클 때의 바이어스 전압 가변 제공부(230)에 대한 설정값을 선별한 후 해당 설정값으로 상기 바이어스 전압 가변 제공부(230)를 설정하여 멀티레벨에 대한 애벌런치 포토다이오드(210)의 광전류 구분이 가장 명확하도록 한다. 이를 통해서 멀티레벨 광수신 성능을 개선할 수 있게 된다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치의 동작 방식을 설명하기 위한 애벌런치 포토다이오드의 특성 그래프로서, 도시된 바와 같이 역방향 바이어스 전압을 가변시키는 역방향 바이어스 전압 범위의 예를 보인 것이다. 도시된 바와 같이 역방향 바이어스 전압의 가변을 시작하는 위치의 바이어스 전압(BV0)과 종료하는 위치의 바이어스 전압(BVn)을 보면 해당 역방향 바이어스 전압(BV)에 의해 동일한 멀티레벨 광신호들에 대한 광전류 특성이 완전히 다름을 알 수 있다. 도시된 예시에서, 특정 위치의 바이어스 전압(BV0)에 따른 광전류 특성을 보면 상이한 광신호 레벨에 따른 광전류 간 차이가 큰 것도 있고, 그 차이가 작은 것도 있음을 알 수 있다. 다른 위치의 바이어스 전압(BVn)에 따른 광전류 특성을 보면 광신호 레벨에 따른 광전류 간 차이가 비교적 균일하지만 대체적으로 그 차이가 크지 않음을 알 수 있다.
실질적으로 사용 환경에 따른 노이즈나 성능 열화등을 고려하면 가급적 상이한 레벨의 광신호에 따른 광전류간 차이는 클수록 좋다. 하지만, 이보다 더 중요한 것은 정확한 멀티레벨 광신호들을 구분하기 위해서 가장 작은 광전류간 차이가 커야만 한다는 것이다. 즉, 도시된 예에서, 바이어스 전압은 VB0보다 VB1이 더 바람직할 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 따른 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치는 역방향 바이어스 전압을 역방향 바이어스 전압 범위에서 순차적으로 가변시켜가면서 각 역방향 바이어스 전압에 대한 멀티레벨 광신호의 각 레벨에 대한 광전류를 측정하고 각 레벨에 대응되는 광전류간 편차가 가장 작은 최소 차이값을 산출하고 전체 역방향 바이어스 전압 범위에서 산출된 최소 차이값이 가장 큰 것을 찾는 것이다.
좀 더 정확한 최적화를 위해서 역방향 바이어스 전압 범위 내에서 가변되는 역방향 바이어스 전압의 단위 변화량이 적을 수록 높은 해상도로 최적화가 가능할 수 있으나, 이 경우 이러한 최적화 과정에 필요한 시간이 증가할 수 있다.
도 11은 테스트 패턴과 그에 따른 복수 레벨 신호 및 이를 수신한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치의 동작 방식을 설명하기 위한 예시적 개념도이다.
도시된 바와 같이 도 11a는 PAM 4에 대한 테스트 패턴의 일례를 보인 것으로, 설명의 편의를 위해서 2비트 씩 구분(띄어쓰기)하여 표시하였으나 실제 테스트 패턴은 이러한 구분 없이 비트들의 나열로 이루어질 수 있다.
도시된 바와 같이 일정한 준비 신호(1111...11) 후 실제 테스트 패턴은 PAM 4에서 사용되는 4가지 종류의 상이한 레벨로 한 번에 나타낼 수 있는 2비트 데이터들이 변화되도록 구성된다. 즉, 도 11a에 도시된 2비트 데이터 패턴들은 도 11b와 같은 서로 다른 4개 레벨을 나타내며, 각 패턴을 명확하게 구분할 수 있도록 테스트 패턴이 구성될 수 있다. 예를 들어 n개의 패턴이 나열될 수 있고, 포함되는 패턴의 분포는 유사할 수 있으며, 이러한 테스트 패턴 세트는 여러번 반복 구성될 수 있고, 상이한 복수의 테스트 패턴들이 마련될 수도 있다.
특히, 도시된 바와 같이 사용되는 변조 방식의 모든 레벨들에 대한 출력을 적어도 한번씩 제공하도록 하는(모든 멀티레벨에 대한 패턴이 포함) 단위 패턴 세트가 복수로 포함될 수 있다. 도시된 예에서 하나의 단위 패턴 세트는 "00 01 10 11 10 01"와 같이 구성될 수 있으며, 이러한 단위 패턴 세트가 반복될 수 있다. 물론, 이보다 더 간단하거나 혹은 더욱 더 많은 패턴들로 단위 패턴 세트가 구성될 수 있다.
이를 참조하여 보면, 멀티레벨 광송신 장치(100)가 테스트 패턴 저장부(140)에 저장된 도 11a와 같은 테스트 패턴에 따라 구동부(110)를 제어하여 약속된 테스트 패턴에 따른 멀티레벨 광신호를 레이저 다이오드(120)를 통해 출력하는데, 멀티레벨 광수신 장치(200)의 애벌런치 포토다이오드(210)는 광선로(10)를 통해서 전달된 멀티레벨 광신호를 수신하여 그에 대한 광전류를 출력한다.
제어부(240)는 트랜스임피던스 증폭기(200)의 수신 전압을 테스트 패턴 저장부(250)에 저장된 도 11a와 같은 약속된 테스트 패턴을 기준으로 수집하면서 바이어스 전압 가변 제공부(230)를 통해 애벌런치 포토다이오드(210)의 역방향 바이어스 전압을 순차적으로 가변(바이어스 전압 가변 제공부(230)에 대한 설정값 변경)한다(이 과정을 설정된 모든 역방향 바이어스 전압 범위에 대해 순차적으로 수행한다). 이렇게 단위 패턴 세트에 대해 수집된 수신 전압에 따른 각 레벨별 수신 전압의 차이를 연산하여 그 중에서 최소 차이값을 산출한 후 대응되는 바이어스 전압 가변 제공부(230)에 대한 설정값과 함께 저장하는데, 저장된 최소 차이값(전압)을 바이어스 전압에 따라 나열하면 도 11c와 같이 표현될 수 있다.
이러한 최소 차이값들 중 가장 큰 값을 선택하고 이때의 선택 바이어스 전압(VBs), 즉 해당 바이어스 전압을 제공하기 위한 바이어스 전압 가변 제공부(230)에 대한 설정값을 선별할 수 있다.
즉, 해당 선택 바이어스 전압(VBs)으로 애벌런치 포토다이오드의 동작 환경을 구성했을 때 수신되는 멀티레벨 광신호에 대한 광전력을 가장 잘 구분할 수 있게 된다.
한편, 앞서 설명했던 각 애벌런치 포토다이오드의 특성 그래프들을 보면 입력 광신호와 무관하게 암전류(Dark current)가 존재하는데, 이는 바이어스 전압이 커짐에 따라 급격히 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서, 최적의 멀티레벨 광전류 구분 특성을 나타내는 바이어스 전압을 선별할 때 암전류를 고려하여 최종적으로 판단할 수 있다. 예컨대 유사한 수준의 특성을 보이는 바이어스 전압이 복수로 있는 경우 바이어스 전압의 크기가 낮은 것(특성 그래프에서 왼쪽)을 우선 선택하는 것이 바람직하다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 선별된 역방향 바이어스 전압(VBs)에 따른 멀티레벨 광신호에 대한 광전류 특성을 보인 그래프도로서, 도시된 바와 같이 선별 과정을 통해 선택된 역방향 바이어스 전압(VBs)에서 4종류의 상이한 레벨을 가지는 광신호 수신에 따른 광전류의 구분 특성이 가장 좋아진다. 이러한 애벌런치 포토다이오드(210)의 광전류는 트랜스임피던스 증폭기(220)를 통해서 전압으로 변환되어 증폭되기 때문에 상이한 레벨의 광신호를 안정적으로 구분할 수 있게 되어 그 수신 레벨 해상도를 높일 수 있다.
한편, 이러한 최적의 역방향 바이어스 전압은 사용되는 애벌런치 포토다이오드의 특성이 조금이라도 다르거나 혹은 사용에 따른 열화로 그 특성이 변하는 경우 크게 달라질 수 있다.
도 13은 도 12에서 예로 든 애벌런치 포토다이오드가 사용에 따라 일부 광수신 특성에 변화가 발생한 경우이다.
이 경우, 약간의 수신 특성 변화 뿐이지만 최적 역방향 바이어스의 설정 전압은 크게 변화되며, 이는 불규칙하다. 도시된 경우는 특성 변화에 따라 최적 역방향 바이어스 전압을 선별하는 과정을 다시 수행한 경우이며, 선택된 역방향 바이어스 전압(VBs)은 도 12와 비교하여 많은 차이가 존재한다. 이러한 특성 변화에 의해 멀티레벨 광신호 수신에 따른 해상도 특성은 오히려 더 좋아질 수도 있다.
이와 같이, 수신 광에 대한 특성 편차가 심하고 이러한 특성이 사용에 따라 변화되는 애벌런치 포토다이오드의 경우 사용 중에도 주기적으로 최적 수신 특성 제공을 위해 최적 역방향 바이어스 전압 선별 과정을 수행하는 것이 바람직하다.
한편, 멀테레벨 광수신 장치(200)는 트랜스임피던스 증폭기(220)의 출력을 그대로 이용하기보다는 리미딩 증폭기를 더 부가하여 트랜스임피던스 증폭기에서 출력하는 수신 전압을 일정한 범위로 구분하여 각 범위에 대응되는 출력 전압을 생성하기도 한다. 즉, 트랜스임피던스 증폭기(200)가 제공하는 수신 전압이 제 1 기준 범위에 속하는 경우 리미팅 증폭기는 해당 수신 전압을 제 1 레벨을 의미하는 제 1 전압을 출력할 수 있고, 수신 전압이 제 2 기준 범위에 속하는 경우 제 2 레벨을 의미하는 제 2 전압을 출력하는 식으로 4개 레벨을 의미하는 경우 구분된 4개 기준 범위에 따라 4개의 상이한 출력 전압을 제공할 수 있다.
따라서, 현재 애벌런치 포토다이오드의 최적 바이어스 전압이 선택된 경우 제어부(240)는 해당 각 바이어스 전압에 따른 수신 전압의 분포를 테스트 패턴을 기준으로 확인하여 수신 전압의 분포를 기준으로 각 레벨을 구분할 수 있는 기준 범위를 설정할 수 있다. 이를 통해서 최적의 바이어스 전압에 따른 애벌런치 포토다이오드의 광전류를 명확하게 구분할 수 있는 기준을 만들어 정확한 수신 광신호 레벨에 따른 리미팅 증폭기 출력을 제공할 수도 있다.
앞서 설명했던 구성과 동작 방식을 통해서 실제 설치 환경에서 상대 광송신 장치로부터 약속된 테스트 패턴에 따른 멀티레벨 광신호를 수신하여 수신 광전력에 따라 상이한 특성을 보이는 개별 애벌런치 포토다이오드의 실제 사용 환경에 따른 특성을 반영한 해상도 개선이 가능하게 된다.
이러한 과정은 초기 설치시 한 번만 수행할 수도 있으나 실제 트랜스미터가 구성된 장비들의 기동 시마다 수행하거나 주기적으로 수행할 수도 있고 통신 성능이 낮아지는 경우 수행할 수도 있어 환경의 변화나 성능의 열화가 발생하더라도 항상 최적 상태의 수신 성능을 제공할 수 있도록 적응적으로 최적화될 수 있다.
도 14는 본 발명의 동작 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도시된 바와 같이 약속된 시점이거나 소정의 조건에 따라 상대측 멀티레벨 광송신 장치가 레이저 다이오드를 통해서 미리 약속된 테스트 패턴에 따른 멀티레벨 광신호 제공을 시작한다.
본 발명의 실시예에 따른 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치는 광선로를 통해 멀티레벨 광신호를 수신하는데, 수신 광신호에 따른 애벌런치 포토다이오드의 광전류를 트랜스임피던스 증폭기를 통해 수신 전압으로 변환 및 증폭한다.
멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치의 제어부는 이러한 트랜스임피던스 증폭기를 통해 전압으로 제공되는 멀티레벨 광신호의 수신 전압을 약속된 테스트 패턴을 기준으로 단위 패턴 세트별로 수집하면서 애벌런치 포토다이오드에 역방향 바이어스 전압을 설정에 따라 가변한다. 제어부는 이러한 애벌런치 포토다이오드의 역방향 바이어스 전압을 단위 패턴 세트에 대해 수집한 후 해당 멀티레벨의 각 레벨별 수신 전압들간 차이가 최소인 최소 차이값을 산출한다. 이후 다음 역방향 바이어스 전압으로 가변시키는 과정을 전체 영역에 대해 반복한다.
제어부는 가변시킨 전체 역방향 바이어스 전압 영역에서 각각 단위별로 산출한 최소 차이값들을 비교하여 최소 차이값이 최대가 되는 역방향 바이어스 전압을 선별한다. 즉, 해당 선택된 역방향 바이어스 전압(BVs)을 애벌런치 포토다이오드에 제공했을 때 멀티레벨 광신호에 대한 레벨별 광전류 구별이 가장 명확하였음을 파악한 것이다.
이후 제어부가 선별된 역방향 바이어스 전압을 애벌런치 포토다이오드에 제공하면 수신 성능 최적화가 완료된다.
이와 같이 비교적 간단한 구성 만을 통해서 트랜스미터 수준에서 각 장치들 간 수신 성능 최적화가 가능하므로 낮은 비용으로 통신 품질을 개선할 수 있게 된다.
한편, 앞서 언급된 광송신 장치나 광수신 장치의 제어부는 제어 기능을 가지는 능동 및 수동 소자의 조합을 포함하는 전자회로로 구성될 수 있고, 마이크로 콘트롤러나 그와 동등한 제어 수단을 포함하는 칩으로 구성될 수도 있는 등, 그 구체적인 구현 방식은 알려져 있는 다양한 방법들을 포괄할 수 있다.
전술된 내용은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 광선로를 통해 연결된 상대측 광송신 장치로부터 미리 약속된 테스트 패턴에 따른 멀티레벨 광신호를 수신하여 대응되는 광전류를 출력하는 포토다이오드와;
    상기 포토다이오드에 역방향 바이어스 전압을 설정에 따라 가변하면서 제공하는 바이어스 전압 가변 제공부와;
    상기 포토다이오드의 광전류를 수신 전압으로 변환 및 증폭하는 트랜스임피던스 증폭기와;
    상기 트랜스임피던스 증폭기의 수신 전압을 약속된 테스트 패턴을 기준으로 수집하면서 상기 바이어스 전압 가변 제공부를 통해 상기 포토다이오드의 역방향 바이어스 전압을 순차적으로 가변시키고, 멀티레벨의 각 레벨별 수신 전압들간 차이가 최소인 최소 차이값을 산출하여, 가변시킨 전체 역방향 바이어스 전압 영역에서 상기 최소 차이값이 최대가 되는 역방향 바이어스 전압을 선별하여 상기 바이어스 전압 가변 제공부를 설정하는 제어부를 포함하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 테스트 패턴은 다양한 멀티레벨 광신호를 제공하기 위해 마련된 일련의 데이터 세트로서, 모든 멀티레벨에 대한 패턴이 포함되는 단위 패턴 세트를 적어도 복수로 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 제어부는 트랜스임피던스 증폭기의 수신 전압을 약속된 테스트 패턴의 각 단위 패턴 세트에 대해 수집하고 상기 바이어스 전압 가변 제공부를 통해 상기 애벌런치 포토다이오드의 역방향 바이어스 전압을 가변시키는 과정을 설정된 모든 역방향 바이어스 전압 범위에 대해 순차적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 제어부는 단위 패턴 세트에 대해 수집된 수신 전압에 따른 각 레벨별 수신 전압의 차이를 연산하여 그 중에서 최소 차이값을 산출한 후 대응되는 바이어스 전압 가변 제공부에 대한 설정값과 함께 저장하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 제어부는 모든 역방향 바이어스 전압 범위에 대해 상기 최소 차이값과 대응되는 바이어스 전압 가변 제공부에 대한 설정값이 저장되면 상기 최소 차이값이 가장 클 때의 바이어스 전압 가변 제공부에 대한 설정값을 선별한 후 해당 설정값으로 상기 바이어스 전압 가변 제공부를 설정하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 상대측 광송신 장치와 약속된 멀티레벨 신호의 전송 패턴인 테스트 패턴을 저장하여 제어부에 제공하는 테스트 패턴 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 포토다이오드는 애벌런치 포토다이오드인 것을 특징으로 하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치.
  8. 청구항 1에 있어서, 멀티레벨 광신호는 PAM-4나 PAM-8 변조에 따른 광신호인 것을 특징으로 하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 제어부는 초기 구동이나 미리 설정된 주기 또는 별도의 외부 요청 신호에 따라 동작하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 장치.
  10. 광신호를 수신하여 대응되는 광전류를 출력하는 애벌런치 포토다이오드를 통해 광선로를 통해 연결된 상대측 광송신 장치로부터 미리 약속된 테스트 패턴에 따른 멀티레벨 광신호를 수신하는 단계와;
    트랜스임피던스 증폭기를 통해 상기 애벌런치 포토다이오드의 광전류를 수신 전압으로 변환 및 증폭하는 단계와;
    제어부가, 상기 트랜스임피던스 증폭기의 수신 전압을 약속된 테스트 패턴을 기준으로 수집하면서 상기 애벌런치 포토다이오드에 역방향 바이어스 전압을 설정에 따라 가변하여 제공하는 바이어스 전압 가변 제공부를 통해 상기 애벌런치 포토다이오드의 역방향 바이어스 전압을 순차적으로 가변시키고, 멀티레벨의 각 레벨별 수신 전압들간 차이가 최소인 최소 차이값을 산출하여, 가변시킨 전체 역방향 바이어스 전압 영역에서 상기 최소 차이값이 최대가 되는 역방향 바이어스 전압을 선별하는 단계와;
    상기 제어부가 상기 선별된 역방향 바이어스 전압이 되도록 상기 바이어스 전압 가변 제공부를 설정하는 단계를 포함하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 최소 차이값이 최대가 되는 역방향 바이어스 전압을 선별하는 단계는 상기 제어부가 트랜스임피던스 증폭기의 수신 전압을 약속된 테스트 패턴의 각 단위 패턴 세트에 대해 수집하고 상기 바이어스 전압 가변 제공부를 통해 상기 애벌런치 포토다이오드의 역방향 바이어스 전압을 가변시키는 과정을 설정된 모든 역방향 바이어스 전압 범위에 대해 순차적으로 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 방법.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 최소 차이값이 최대가 되는 역방향 바이어스 전압을 선별하는 단계는 상기 제어부가 단위 패턴 세트에 대해 수집된 수신 전압에 따른 각 레벨별 수신 전압의 차이를 연산하여 그 중에서 최소 차이값을 산출한 후 대응되는 바이어스 전압 가변 제공부에 대한 설정값과 함께 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 방법.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 최소 차이값이 최대가 되는 역방향 바이어스 전압을 선별하는 단계는 상기 제어부가 모든 역방향 바이어스 전압 범위에 대해 상기 최소 차이값과 대응되는 바이어스 전압 가변 제공부에 대한 설정값이 저장되면 상기 최소 차이값이 가장 클 때의 바이어스 전압 가변 제공부에 대한 설정값을 선별한 후 해당 설정값으로 상기 바이어스 전압 가변 제공부를 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 광수신을 위한 애벌런치 포토다이오드 최적화 방법.
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