KR20200129804A - 펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신기 및 방법 - Google Patents

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박강엽
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Abstract

본 발명은 펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신기 및 방법이 개시된다. 본 발명의 선형 광 수신기는 광신호를 전류신호로 변환하는 전류 버퍼부, 전류 버퍼부로부터 변환된 전류신호를 전압신호로 변환하면서 전압신호를 증폭하는 전치 증폭부, 전치 증폭부로부터 출력되는 전압신호를 증폭하는 후치 증폭부 및 후치 증폭부로부터 출력되는 전압신호의 피크값을 검출하고, 검출된 피크값을 전치 증폭부 및 후치 증폭부에 피드백하여 전치 증폭부 및 후치 증폭부의 이득을 제어하는 자동이득 제어부를 포함한다.

Description

펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신기 및 방법{Linear optical receiver and method for pulse amplitude modulation}
본 발명은 광 수신기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 입력신호의 크기와 상관없이 수신기의 선형성을 유지하는 펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신기 및 방법에 관한 것이다.
최근 데이터센터 및 이더넷 시장에서 펄스진폭변조(pulse amplitude modulation, PAM) 신호 포맷을 이용한 광전송 시스템에 대한 관심이 높아지면서 다양한 형태의 PAM 광부품 및 모듈에 대한 니즈(needs)가 발생하고 있다. PAM 신호 포맷은 기존의 강도변조/직접검출(Intensity Modulation/Direct Detection, IM/DD) 체계를 유지하면서도 하드웨어에 큰 부담없이 비제로 복귀(Non-Return-to-Zero, NRZ)의 2배 주파수 효율을 얻을 수 있다. 당초 100G 이더넷 시장까지는 NRZ 기반으로 진행하고 200G/400G 이더넷 시장부터 PAM-4를 적용하고 있었으나, 최근에는 100G 시장은 물론이고, 기존 10G, 40G 시장도 PAM-4를 사용하여 주파수 효율을 높이고, 주변 부품들의 사양을 낮추려는 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
광 수신기는 보통 포토다이오드의 미세출력 전류를 전압으로 변환하는 전치 증폭기, 이 전압을 증폭하는 메인증폭기로 구성된다. PAM-4 신호는 기본적으로 NRZ와 같은 신호진폭을 4단계로 나누어 각각의 신호레벨에서 데이터를 추출해 낼 수 있어야 하므로, 만약 광 수신기의 전류-전압 변환이득(transimpedance gain)이 너무 커서 신호가 전원전압에 의해 제한되면 신호레벨의 비선형에 따른 에러로 인해 에러가 발생한다. 따라서 PAM-4 광신호를 그대로 전기신호로 변환하는 선형성이 매우 중요하다.
한국등록특허공보 제10-1953861호(2019.03.05.)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 신호레벨 감지를 통해 전치 증폭기의 변환이득과 후치 증폭기의 전압이득을 자동으로 조절하여 데이터가 전원에 의해 제한되지 않아 선형성을 확보하는 펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신기 및 방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신기는 광신호를 전류신호로 변환하는 전류 버퍼부, 상기 전류 버퍼부로부터 변환된 전류신호를 전압신호로 변환하면서 상기 전압신호를 증폭하는 전치 증폭부, 상기 전치 증폭부로부터 출력되는 전압신호를 증폭하는 후치 증폭부 및 상기 후치 증폭부로부터 출력되는 전압신호의 피크값을 검출하고, 상기 검출된 피크값을 상기 전치 증폭부 및 상기 후치 증폭부에 피드백하여 상기 전치 증폭부 및 상기 후치 증폭부의 이득을 제어하는 자동이득 제어부를 포함한다.
또한 상기 전류 버퍼부는, 상기 광신호를 입력받고, 상기 입력된 광신호를 전류신호로 변환하는 포토다이오드와, 상기 포토다이오드로부터 출력되는 전류신호를 상기 전치 증폭부로 전달하는 제1 전류버퍼를 포함하는 제1 전류버퍼회로 및 상기 제1 전류버퍼회로와 차동구조를 가지고, 상기 광신호를 미입력받는 더미 포토다이오드와, 상기 더미 포토다이오드와 연결되어 상기 제1 전류버퍼와 대칭구조를 가지는 제2 전류버퍼를 포함하는 제2 전류버퍼회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 전치 증폭기는, 상기 전압신호를 증폭시키는 전압 증폭기의 출력단과 입력단 사이에 저항을 구비시켜 네거티브 피드백(negative feedback)을 구성하는 저항-피드백 구조를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 후치 증폭부는, 전압 증폭기를 3단 내지 5단으로 구성하고, 출력값이 리미팅(limiting)이 되지 않도록 뒷단으로 갈수록 높은 전압 스윙(voltage swing)을 가지는 전압 증폭기를 배치하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 자동이득 제어부는, 피크 검출기(peak detector)를 이용하여 상기 후치 증폭부의 출력진폭에 대한 피크값을 검출하고, 피드백 증폭기(feedback amplifier)를 이용하여 상기 피크값을 변환하여 상기 이득을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 자동이득 제어부는, 상기 피크 검출기를 이용하여 리미팅이 시작하는 지점의 바이어스값을 감지하고, 상기 감지된 바이어스값을 점진적으로 낮춰가며 리미팅이 되지 않는 범위에서 최대의 이득을 가지도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 자동이득 제어부는, 최종출력신호의 DC레벨을 감지하여 DC-오프셋 에러(DC-offset Error)를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신방법은 선형 광 수신기가 광신호를 전류신호로 변환하는 단계, 상기 선형 광 수신기가 상기 변환된 전류신호를 전압신호로 변환하면서 상기 전압신호를 제1 증폭하는 단계, 상기 선형 광 수신기가 상기 제1 증폭된 전압신호를 제2 증폭하는 단계 및 상기 선형 광 수신기가 상기 제2 증폭된 전압신호의 피크값을 검출하고, 상기 검출된 피크값을 피드백하여 상기 제1 증폭 및 상기 제2 증폭 과정에서의 이득을 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명의 펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신기 및 방법은 출력신호의 피크값을 모니터링하고, 모니터링된 피크값을 피드백함으로써, 전치 증폭기의 변환이득과 후치 증폭기의 전압이득을 자동으로 조절할 수 있다.
이를 통해 입력신호의 크기와 상관없이 수신기의 선형성을 유지시켜 높은 이득으로 인한 수신기의 비선형 왜곡을 막아 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR)를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 선형 광 수신기를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 선형 광 수신기를 설명하기 위한 회로도이다.
도 3은 도 2의 전류 버퍼부 및 전치 증폭부를 상세하게 설명하기 위한 회로도이다.
도 4는 도 2의 후치 증폭부를 상세하게 설명하기 위한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 선형 광 수신방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 당업자에게 자명하거나 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 선형 광 수신기를 설명하기 위한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 선형 광 수신기를 설명하기 위한 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 선형 광 수신기(100)는 펄스진폭변조(PAM-4)를 위한 광 수신기로써, 신호레벨 감지를 통해 전치 증폭기의 변환이득과 후치 증폭기의 전압이득을 자동으로 조절한다. 이를 통해 선형 광 수신기(100)는 데이터가 전원에 의해 제한되지 않아 선형성을 확보한다. 선형 광 수신기(100)는 전류 버퍼부(10), 전치 증폭부(30), 후치 증폭부(50) 및 자동이득 제어부(70)를 포함한다.
전류 버퍼부(10)는 광신호를 미세 전류신호로 변환한다. 이때 전류 버퍼부(10)는 선형 광 수신기(100)의 대역폭을 확보하고, 입력 임피던스를 낮출 수 있다. 전류 버퍼부(10)는 제1 전류버퍼회로(11)를 포함한다. 제1 전류버퍼회로(11)는 광신호를 입력받고, 입력된 광신호를 미세 전류신호로 변환하는 포토다이오드(12)와, 포토다이오드(12)로부터 출력되는 미세 전류신호를 전치 증폭부(30)로 전달하는 제1 전류버퍼(13)를 포함한다. 여기서 포토다이오드(12)는 오프칩 또는 온칩으로 구성할 수 있다.
한편 포토다이오드(12)는 수광부의 소재 및 크기에 따라 접합(junction) 커패시턴스가 정해진다. 이로 인해 포토다이오드(12)와의 연결부에 작게는 수십 fF에서 크게는 수 pF까지 큰 커패시턴스가 있고, 이 노드에 도미넌트 폴(dominant pole)이 생성되어 전체 선형 광 수신기(100)의 대역폭에 큰 영향을 미칠 수 있다. 따라서 포토다이오드(12)와 전치 증폭부(30)를 바로 연결할 경우, 전치 증폭부(30)의 높은 입력 임피던스로 인해 대역폭이 감소하게 되므로 이를 막기위해 전치 증폭부(30)의 입력 임피던스를 크게 낮추면 전치 증폭부(30)의 트랜스임피던스 이득이 줄어들 뿐만 아니라 전체 선형 광 수신기(100)의 잡음특성에 악영향을 미치게 되는 트레이드-오프(trade-off)가 발생한다.
이러한 문제점을 보완하기 위해 본 발명은 입력 임피던스가 작은 전류버퍼인 제1 전류버퍼(13)를 포함하나, 고속 응용에서 요구하는 데이터 속도에 비해 고가의 포토다이오드를 사용하여 입력노드의 커패시턴스가 전체 시스템 성능에 영향을 미치지 않을 경우, 제1 전류버퍼(13)를 생략할 수 있다. 여기서 제1 전류버퍼(13)는 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 공정 기준으로 공통 게이트(common-gate) 전류증폭회로를 구성하는 것이 일반적이나 입력임피던스를 더욱 낮추기 위해 로컬-피드백(local-feedback) 회로를 추가하는 형태로 구성할 수 있다.
기본적으로 선형 광 수신기(100)에서 포토다이오드(12)는 1개를 사용해야 하나 전치 증폭부(30) 및 전류 버퍼부(10)에서 공통모드(common-mode) 잡음을 억제하기 위해 차동구조를 구성할 수 있다. 즉 전류 버퍼부(10)는 제2 전류버퍼회로(14)를 더 포함할 수 있다.
제2 전류버퍼회로(14)는 제1 전류버퍼회로(11)와 차동구조를 가진다. 제2 전류버퍼회로(14)는 광신호를 미입력받는 더미 포토다이오드(15)와, 더미 포토다이오드(15)와 연결되어 제1 전류버퍼(13)와 대칭구조를 가지는 제2 전류버퍼(16)를 포함한다.
전치 증폭부(30)는 전류 버퍼부(10)로부터 변환된 전류신호를 전압신호로 변환하면서 전압신호를 증폭한다. 전치 증폭부(30)는 다양한 형태로 구성이 가능하나, 외부잡음에 강하고, 전류-전압 변환이득의 제어에 유리한 저항-피드백 구조로 구성한다. 저항-피드백 구조는 전압신호를 증폭시키는 전압 증폭기의 출력단과 입력단 사이에 저항을 구비시켜 네거티브 피드백(negative feedback)을 구성한다. 이때 전압 증폭기의 이득이 충분하다고 가정하였을 때 전류-전압 변환이득은 피드백 저항값에 수렴한다. 따라서 전치 증폭부(30)는 피드백 저항값을 조절하여 외부에서 전류-전압 변환이득을 조정할 수 있다. 즉 전치 증폭부(30)는 모스펫(MOSFET)과 같은 액티브(active) 소자를 선형모드에서 동작시키면 저항으로 동작하게 되고, 게이트 전압에 따라 저항값이 변하게 되는 원리를 이용하여 외부에서 원활하게 전류-전압 변환이득을 제어할 수 있다.
후치 증폭부(50)는 전치 증폭부(30)로부터 출력되는 전압신호를 증폭한다. PAM-4 광 수신기의 특성상, 입력된 광 파워의 신호가 단순히 하이(high), 로우(low)가 아니라 4개의 레벨을 가지게 되므로, 후치 증폭부(50)는 리미팅(limiting)이 될 경우 신호에 심각한 왜곡이 발생할 수 있다. 따라서 후치 증폭부(50)는 전압 증폭기를 3단 내지 5단으로 구성하고, 출력값이 리미팅이 되지 않도록 뒷단으로 갈수록 높은 전압 스윙(voltage swing)을 가지는 전압 증폭기를 배치한다. 여기서 후치 증폭부(50)는 고속응용에서 요구하는 사양에 따라 전압 증폭기의 단 개수를 결정할 수 있다.
자동이득 제어부(70)는 후치 증폭부(50)로부터 출력되는 전압신호의 피크값을 검출하고, 검출된 피크값을 전치 증폭부(30) 및 후치 증폭부(50)에 피드백하여 전치 증폭부(30) 및 후치 증폭부(50)의 이득을 제어한다. 이때 자동 이득 제어부(70)는 피크 검출기(peak detector)를 이용하여 후치 증폭부(50)의 출력진폭에 대한 피크값을 검출하고, 피드백 증폭기(feedback amplifier)를 이용하여 피크값을 변환하여 이득을 제어할 수 있다. 상세하게는 자동이득 제어부(70)는 피크 검출기를 이용하여 리미팅이 시작하는 지점의 바이어스값을 감지하고, 감지된 바이어스값을 점진적으로 낮춰가며 리미팅이 되지 않는 범위에서 최대의 이득을 가지도록 제어함으로써 최적값으로 적응(adaptation)할 수 있다. 또한 자동이득 제어부(70)는 후치 증폭부(50)의 DC레벨을 일정 수준으로 유지하기 위해 수동 저항 및 커패시터를 구성하여 공통모드 피드백(common-mode feedback) 용도로 이용될 수 있다. 자동이득 제어부(70)는 최종출력신호의 DC레벨을 감지하여 1개의 포토다이오드(11)로만 빛이 들어오는 유사 차동(pseudo differential) 구조의 DC-오프셋 에러(DC-offset Error)를 제어할 수 있다.
도 3은 도 2의 전류 버퍼부 및 전치 증폭부를 상세하게 설명하기 위한 회로도이다.
도 3을 참조하면, 전류 버퍼부(30) 및 전치 증폭부(50)는 차동 구조로 연결된다.
전류 버퍼부(30)는 선형 광 수신기(100)의 차동특성을 유지하기 위해 대칭형으로 2개의 전류 버퍼(13, 16)를 포함한다. 실제로 광신호는 포토다이오드(12)에서만 입력되지만 광신호가 입력되지 않는 더미 포토다이오드(15)에도 실제 포토다이오드를 배치하거나, 포토다이오드의 전기적 모델링과 같은 전류 버퍼(16)를 배치하여 대칭성을 유지한다.
전치 증폭부(50)는 피드백 저항값을 조절할 수 있도록 피드백 저항과 병렬로 NMOS 트랜지스터를 위치시키고, 선형 영역에서 동작하도록 한다. 전치 증폭부(50)는 게이트 전압에 따라 선형적으로 저항값을 변화시켜 피드백 저항값을 조절할 수 있다. 또한 차동출력(VOP/VON) 양단에 저항(RD2)을 연결하고, 그 사이에 가변저항 역할을 수행하는 NMOS 트랜지스터를 배치함으로써, 전류-전압 변환이득과 함께 대역폭을 조정할 수 있는 옵션을 추가할 수 있다.
도 4는 도 2의 후치 증폭부를 상세하게 설명하기 위한 회로도이다.
도 4를 참조하면, 후치 증폭부(50)는 3단 내지 5단의 전압 증폭기를 순차적으로 배치한다. 이를 통해 후치 증폭부(50)는 충분한 전압이득과 대역폭을 확보할 수 있다. 또한 후치 증폭부(50)는 수신기의 선형성을 유지하기 위해 출력값이 전원전압에 의해 제한되지 않도록 이득값을 조정할 수 있다.
이를 위해 후치 증폭부(50)의 각 차동출력(VOP/VON) 양단에 저항(RD2)을 연결하고, 그 사이에 가변저항 역할을 수행하는 NMOS 트랜지스터를 배치함으로써, 전압이득을 조정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 선형 광 수신방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 선형 광 수신방법은 출력신호의 피크값을 모니터링하고, 모니터링된 피크값을 피드백함으로써, 전치 증폭기(30)의 변환이득과 후치 증폭기(50)의 전압이득을 자동으로 조절할 수 있다. 이를 통해 선형 광 수신방법은 입력신호의 크기와 상관없이 수신기의 선형성을 유지시켜 높은 이득으로 인한 수신기의 비선형 왜곡을 막아 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR)를 향상시킬 수 있다.
S110단계에서, 선형 광 수신기(100)는 광신호를 전류신호로 변환한다. 이때 선형 광 수신기(100)는 대역폭을 확보하고, 입력 임피던스를 낮출 수 있다. 여기서 전류신호는 미세 전류신호일 수 있다.
S130단계에서, 선형 광 수신기(100)는 변환된 전류신호를 전압신호로 변환하면서 전압신호를 제1 증폭한다. 선형 광 수신기(100)는 외부잡음에 강하고, 전류-전압 변환이득의 제어에 유리한 저항-피드백 구조를 이용하여 전압신호를 제1 증폭한다.
S150단계에서, 선형 광 수신기(100)는 제1 증폭된 전압신호를 제2 증폭한다. 선형 광 수신기(100)는 3단 내지 5단으로 배치된 전압 증폭기를 이용하여 전압신호를 제2 증폭한다. 이때 선형 광 수신기(100)는 충분한 전압이득과 대역폭을 확보할 수 있다.
S170단계에서, 선형 광 수신기(100)는 제2 증폭된 전압신호의 피크값을 검출하고, 검출된 피크값을 피드백하여 제1 증폭 및 제2 증폭 과정에서의 이득을 제어한다. 선형 광 수신기(100)는 피크 검출기를 이용하여 리미팅이 시작하는 지점의 바이어스값을 감한다. 선형 광 수신기(100)는 감지된 바이어스값을 점진적으로 낮춰가며 리미팅이 되지 않는 범위에서 최대의 이득을 가지도록 제어한다. 이를 통해 선형 광 수신기(100)는 이득이 최적값으로 적응되도록 할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
10: 전류 버퍼부
30: 전치증폭부
50: 후치증폭부
70: 자동이득 제어부
100: 선형 광 수신기

Claims (8)

  1. 광신호를 전류신호로 변환하는 전류 버퍼부;
    상기 전류 버퍼부로부터 변환된 전류신호를 전압신호로 변환하면서 상기 전압신호를 증폭하는 전치 증폭부;
    상기 전치 증폭부로부터 출력되는 전압신호를 증폭하는 후치 증폭부; 및
    상기 후치 증폭부로부터 출력되는 전압신호의 피크값을 검출하고, 상기 검출된 피크값을 상기 전치 증폭부 및 상기 후치 증폭부에 피드백하여 상기 전치 증폭부 및 상기 후치 증폭부의 이득을 제어하는 자동이득 제어부;
    를 포함하는 펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전류 버퍼부는,
    상기 광신호를 입력받고, 상기 입력된 광신호를 전류신호로 변환하는 포토다이오드와, 상기 포토다이오드로부터 출력되는 전류신호를 상기 전치 증폭부로 전달하는 제1 전류버퍼를 포함하는 제1 전류버퍼회로; 및
    상기 제1 전류버퍼회로와 차동구조를 가지고, 상기 광신호를 미입력받는 더미 포토다이오드와, 상기 더미 포토다이오드와 연결되어 상기 제1 전류버퍼와 대칭구조를 가지는 제2 전류버퍼를 포함하는 제2 전류버퍼회로;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전치 증폭기는,
    상기 전압신호를 증폭시키는 전압 증폭기의 출력단과 입력단 사이에 저항을 구비시켜 네거티브 피드백(negative feedback)을 구성하는 저항-피드백 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 후치 증폭부는,
    전압 증폭기를 3단 내지 5단으로 구성하고, 출력값이 리미팅(limiting)이 되지 않도록 뒷단으로 갈수록 높은 전압 스윙(voltage swing)을 가지는 전압 증폭기를 배치하는 것을 특징으로 하는 펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 자동이득 제어부는,
    피크 검출기(peak detector)를 이용하여 상기 후치 증폭부의 출력진폭에 대한 피크값을 검출하고, 피드백 증폭기(feedback amplifier)를 이용하여 상기 피크값을 변환하여 상기 이득을 제어하는 것을 특징으로 하는 펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 자동이득 제어부는,
    상기 피크 검출기를 이용하여 리미팅이 시작하는 지점의 바이어스값을 감지하고, 상기 감지된 바이어스값을 점진적으로 낮춰가며 리미팅이 되지 않는 범위에서 최대의 이득을 가지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신기.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 자동이득 제어부는,
    최종출력신호의 DC레벨을 감지하여 DC-오프셋 에러(DC-offset Error)를 제어하는 것을 특징으로 하는 펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신기.
  8. 선형 광 수신기가 광신호를 전류신호로 변환하는 단계;
    상기 선형 광 수신기가 상기 변환된 전류신호를 전압신호로 변환하면서 상기 전압신호를 제1 증폭하는 단계;
    상기 선형 광 수신기가 상기 제1 증폭된 전압신호를 제2 증폭하는 단계; 및
    상기 선형 광 수신기가 상기 제2 증폭된 전압신호의 피크값을 검출하고, 상기 검출된 피크값을 피드백하여 상기 제1 증폭 및 상기 제2 증폭 과정에서의 이득을 제어하는 단계;
    를 포함하는 펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신방법.
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