KR100201474B1 - 광검출기 - Google Patents

Abstract

디지탈 광신호를 검출하는데 사용되는 광검출기는 수신된 광신호를 두신호부로 분리하는 광섬유 커플러(2)를 갖는다. 커플러(2)는 한 신호부가 다른 신호부에 비해 상대적으로 지연되어 관련 광검파기 12,14에 부딪치도록 서로 다른길이의 출력 섬유 8,10을 갖는다. 광검파기 12,14는 직렬, 비대향으로 연결된다. 그 지연이 광신호의 비트기간과 같을 때, 검파기의 출력은 고입력 임피던스 즉, 적분증폭기에 의해 복구 될 수 있는 수신된 신호의 미분코드(dicode)이다. 광영역에서 그 미분코드를 형성함으로써 큰 DC 및 AC 다이내믹영역이, 광신호가 미분코드로써 전송될 때 인가하는 광 전송소스상의 선형성 제한 없이 얻어진다.

Description

광검출기

본 발명은 광검출기에 관한 것이다. 광검출기는 입사광신호를 수신하여 전자 장치에 의해 증폭, 처리되는 상응하는 전기 신호로 변환할 목적으로 디지털 광섬유 통신에 사용된다.

수신기 감도의 중요성을 고려할 때, 고 입력 임피던스 전치증폭기가 저 임피던스 또는 저 트랜스임피던스 증폭기보다 낮은 열잡음을 갖기에 보통 고입력 임피던스 전치증폭기가 사용된다. 고입력 임피던스 전치증폭기에서, 입력 트랜지스터를 바이어스하기 위해 사용되는 입력 바이어스 저항의 값은 그 증폭기의 열잡음을 줄이기 위해 임의로 높게 설정된다.

그러나, 고입력 임피던스 증폭기는 3가지의 단점을 가지고 있다. 첫째, 트랜지스터의 입력 커패시턴스와 연결된 고입력 저항은 입력 디지털 신호를 처리하는데 이용하는 대역폭을 크게 제한한다. 수신기는 누설(leaky) 적분기의 역할을 하며, 대역폭을 복구하기 위해 후속적인 균등화(equalization)를 필요로 한다. 그러므로, 균등화가 출력신호 변동을 감소시킬 때 데이터율이 증가하기 때문에 펄스형성은 이루기가 점점 어려워진다. 이것은 그 출력의 S/N비의 감소를 초래할 수 있다. 둘째, 펄스의 적분이 초래한 램핑(ramping)효과는 전송된 데이터 시퀀스를 형성하는데 이용하는 코딩 체계에 의존하는 2진 시퀀스가 사용될 때, AC 다이내믹 영역의 제한을 가져온다. 그 다이내믹 영역은 한 디지털 상태가 오랫동안 연속되면 가장 크게 제한을 받는다. 세번째, 평균 광전류는 입력 바이어스 저항기를 통하여 흐르며, 수신기의 DC 다이내믹 영역을 제한하는 그 저항기를 가로질러 큰 전압강하를 일으킨다. 이것은 흔히 상기 전압강하를 보상할 목적으로 그 저항기의 한 끝에 전압조정용 제어루프를 형성함으로써 완화된다. 그러나, DC 다이내믹 영역은 여전히 제어회로의 전원 제한에 의해 제한된다. DC 다이내믹 영역을 증가시키기 위해 저항기으 값을 감소시키면, 수신기의 감도가 감소한다.

광검출기의 DC 다이내믹 영역을 확장하는 문제를 해결하기 위한 하나의 해결책이 1980년 5-6월, V. A. druchevskii 등의 측정 및 실험기술, Nol. 23, No. 3, Part 2, pp. 758-760의 포토다이오드에 기초한 광수신기의 다이내믹 영역의 확장이란 논문에 제안되어 있다. 이 논문에 기술된 회로는 포토다이오드의 연산증폭기 다운스트림(downstream)의 출력으로부터 포토다이오드에 바이어스 전압을 공급함으로써 포토다이오드 검출기의 다이내믹 영역을 증가시키며, 그 바이어스 전압은 연산증폭기의 출력 전압이 설정된 임계 레벨을 초과하면 변환된다.

AC 다이내믹 영역 제한의 문제를 해결하기 위한 하나의 기존 해결책은 증폭기 출력에서 램핑을 막기 위하여 광전송된 정보를 부호화하는 미분코드(dicode) 체계를 이용하는 것이다. 광미분코딩을 성취하기 위한 장치가 영국 특허 명세서 GB 2,135,551에 기술되어 있다. 이 방법은 디지털 데이터를 나타내는 송신기의 2레벨 입력전기신호를 3레벨 광신호로 부호화하는 것을 포함하며, 그 결과 저에서 고로의 입력신호 전이는 제1광세기 레벨로 부호화되고, 고에서 저로의 입력신호 전이는 제2광세기 레벨로 부호화되며, 전이가 없으면 제1 및 제2광세기 레벨의 중간인 제3광세기 레벨로 부호화된다.

송신기의 광원을 변조하기 위하여 사용되는 2진 데이터의 전기적 미분 코드를 얻는 방법은 비트 시간 지연을 도입하고, 지연되지 않는 전기파형에서 지연된 전기파형을 감산하는 것이다. 3레벨 코드는 미분화 코드이기 때문에 고 입력 임피던스 수신기의 적분 동작에 의해 직접 디코드된다. 그러나, 3레벨 코드는 3레벨 코더(coder)가 입력 2진 상태와 독립되도록 유지해야 하는 중간레벨에 대칭인 펄스를 생성해야 하기 때문에 광원과 그 구동회로에 선형성 제한을 부여한다.

본 발명의 한 태양에 따르면, 광검출기는 직렬, 비대향으로 연결된 2개의 광검파기, 2개의 광검파기 중 관련된 하나에 충돌시키기 위해 광신호를 2개의 신호부로 분리하는 광분리기 및 광검파기에서 상기 한 신호부를 다른 신호부에 비해 상대적으로 지연시키는 상기 광분리기와 상기 광검파기 사이에 배치된 지연장치를 포함한다.

그러한 광검출기가 광분리기와 각 광검파기 사이의 광경로 길이의 차이가 1비트기간에 상당하도록 하는 데이터율을 갖는 2진 부호화 광신호를 검출하기 위해 사용될 때, 광 검파기 사이의 한 점에 연결된 출력라인에서의 조합된 광전류는 수신된 2진 디지털 데이터에 상응하는 미분 코드이다. 이 광전류는 미분코드를 디코드하는 적분을 실행하기 위해 고 임피던스 전치증폭기에 연결될 수 있다. 그러므로 그 검출기는 광 미분코드 신호를 전송하기 위한 기존의 방법과 관련된 개선된 AC 다이내믹 영역의 장점을 제공하나, 미분코딩이 검출기에서 성취되기 때문에 전송 광원과 구동회로의 선형성 제한의 문제는 제거된다. 게다가, 동시에 광 미분코딩을 성취하기 위한 비대향 광검파기의 사용은 광검파기의 바이어스 전압을 조절하기 위하여 피드백 제어에 의존하지 않고 큰 DC 다이내믹 영역을 제공한다.

광검파기들의 응답성은 정확하게 매칭되고, 각각은 50:50 분리기에 양호하게 광연결되는 것이 이상적이지만, 최초의 두 조건 측면 중 어느 하나에 있어서의 미스매칭은 비(非) 50:50 커플러를 사용함으로써 보상될 수 있다. 그러나, 미스매칭은 DC 다이내믹 영역의 감소와 저주파 펄스의 왜곡 때문에 피해야 한다.

광분리기는 광섬유 커플러가 바람직한데, 이것은 비교적 값이 싸고 제조하기에 편리하기 때문이며, 한 신호부를 다른 신호부에 비해 지연시키는 것은 간단히 분리기의 출력섬유 중 하나를 다른 것보다 더 길게 구성함으로써 쉽게 이루어진다. 신호부의 상대적인 지연과 광분리를 성취하기 위해 사용되는 특별한 장치를 결코 사용하지 않는 본 발명의 장점을 얻기 위해 분리기의 다른 형태, 예를 들면 1/2 반사경 또는 Y 분리기 및 광경로 길이의 차이를 두기 위한 다른 장치, 예를 들면 한 검출기를 다른 검출기보다 멀리 분리기로부터 떨어진 위치에 배치하는 것이 사용될 수 있다.

광검파기는 사용자의 필요에 따라 선택될 것이다. 예를 들면, 보다 큰 감도가 필요하다면 PIN 다이오드보다 애벌런치 포토다이오드(APD)가 사용될 것이다. 하지만, 이것은 이득이 정밀 조절되고 매칭되는 것을 가능하게 하는 전력 공급기의 안정성에 보다 큰 제한을 초래한다.

2개의 광검파기를 사용하면, 다른 기존의 직접 검파기에 비해 감도는 약간 감소하지만, AC 다이내믹 영역의 제한을 피하기 위하여 저 입력 임피던스 증폭기 또는 트랜스 임피던스 증폭기를 사용할 때만큼은 아니다.

본 발명의 제2태양에 따르면, 광신호를 검출하는 방법은 광신호를 2개의 신호부로 분리하는 단계, 광신호를 광분리한 후에 한 신호부를 다른 신호부에 비해 상대적으로 지연시키는 단계 및 각 신호부를 직렬, 비대향으로 연결된 2개의 광검파기 중 관련된 어느 한 광검파기에 충돌시키는 단계를 포함한다.

이제 본 발명의 실시예들과 그 동작방법을 첨부된 도면을 참조하여 단지 예로서 기술한다.

제1도는 본 발명에 따른 광검출기의 도식적인 표현, 제2(a)도 내지 제2(d)도는 각각 전형적인 수신된 비영(NRZ) 2진 광신호, 광검파기에 충돌하는 2개의 광신호부 및 제1도의 실시예에서의 대응하는 미분코드 전기출력을 나타내는 도면, 제3(a)도 및 제3(b)도는 각각 제2(b)도의 전기적 미분코드 출력의 적분과 제3(a)도의 출력이 제공된 임계 검출기로부터의 전기적 출력을 나타내는 도면, 제4도 및 제5도는 광분리기로서 1/2 반사경을 사용하는 본 발명의 다른 실시예의 도식적인 표현 및 제6도는 본 발명에 따른 동조 가능 광검출기의 도식적인 표현이다.

제1도에 있어서, 광검출기(2)는 예를 들어 한 쌍의 광섬유를 끝을 모아 결합함으로써 제조되고, 입력 섬유부(6)와 제1 및 제2섬유 출력부(8, 10)를 각각 갖는 종래의 50:50 광섬유 커플러(4)를 포함한다. 광섬유부(10)는 광섬유부(8)보다 길다. 2개의 매칭된 광검파기(12, 14)는 공급전압(도시되지 않음)이 인가되는 전기 접속단자(16, 18) 사이에 직렬, 비대향으로 연결된다. 전기 출력단자(20)는 광검출기(12, 14) 사이에 연결된다.

섬유부(8, 10)의 단부는 각각 광검파기(12, 14)로부터 같은 거리만큼 떨어져 광접속된다.

디지털 광신호는 편리한 기술, 예를 들면 섬유부(6)를 광신호가 전송되는 통신섬유에 이음으로써 섬유부(6)에 연결된다. 수신된 광신호는 각각 섬유부(8, 10)를 따라 전송되는 같은 세기의 2부분으로 분리되어 광검파기(12, 14)에 충돌한다. 광검파기(12, 14)는 광검파기의 2개의 광신호의 세기의 차에 비례하는 전기신호를 출력단자(20)에 제공한다.

이제, 섬유부(8)를 따라 전송되는 신호부에 비하여 섬유부(10)의 더 긴 길이로 인해 생긴 신호부의 지연이 광검파기(14)로 하여금 광검파기(12)에 의해 수신된 신호에 비해 1비트만큼 지연된 신호를 수신하도록 하는 비트율을 갖는 디지털 광신호를 생각한다. 한 예로, 수신된 광신호가 제 2(a) 도에 도시된 것과 같은 디지털 신호라 가정하면, 광검파기(13, 14)에 의해 검파된 신호부들은 각각 제 2(b) 도 및 제 2(c) 도에 도시된 것처럼 될 것이다. 그리고, 출력단자(20)의 전기출력전류는 제 2(d) 도에 도시된 것처럼 될 것이다. 즉, 그 출력은 입력 광신호(제 2(a) 도)의 미분코드일 것이다. 제 3(a) 도 및 제 3(b) 도를 참조하면, 원래의 데이터 신호와 동일한 전기신호의 복구가 도시되어 있다. 특히, 제 3(a) 도에는 0볼트의 중간레벨을 갖는 입력신호(제 2(d) 도)에 대한 적분 고 입력 증폭기(도시되지 않음)의 출력이 도시되어 있다. 일정한 진폭의 신호가 임계 검출기(도시되지 않음)에 의해 2진 신호로 복구된다.

제4도 및 제5도에는 본 발명에 따른 다른 실시예들이 도시되어 있고, 각 실시예들은 입력 광신호(28)로부터 같은 세기의 2개의 신호부(24, 26)를 도출하기 위해 1/2 반사경(22)을 사용하며, 신호부(24)는 대응하는 광검파기(12)에 도달하기 위하여 전반사경(28)을 경유하는 신호부(26)보다 더 먼 경로로 진행한다. 따라서 신호부(24)의 검파는 신호부(26)에 비해 지연된다. 이 실시예에서, 입력 광신호는 렌즈(32)에 시준된 통신섬유(30)의 출력이다. 렌즈(31)는 빔분리기(22)에서 광검파기(12, 14)로 광의 2부분을 집중한다. 제5도의 실시예는 반사경(28)이 없다는 것을 제외하고 제4도와 동일하며, 광검파기는 1/2 반사경(22)에서 직접 신호부(240를 인터셉트하도록 위치하고, 신호부(24, 26)의 검출에서 필요한 상대적인 지연을 얻기 위하여 광검파기(14)보다 1/2 반사경(22)으로부터 멀리 떨어져 있다.

수신된 광신호를 2개의 신호부로 분리하고, 한 신호부가 다른 실호부에 비해 지연되도록 하는 장치가 본 발명에 이용될 수 있다는 것은 자명하다.

검출되는 광신호의 데이터율이 주지되고 고정된다면, 본 발명에 따른 광검출기는 신호부에 대응하는 지연을 제공하도록 고정된 광분리기 및 광검파기르 가질 수 있다. 데이터율이 주지되지 않고 가변이라면, 광검파기는 광분리기 및 각 포토다이오드 사이의 광경로 길이의 차이를 변화시키는 장치를 제공함으로써 데이터율에 동조 가능하도록 구성될 수 있다. 본 발명에 따른 동조 가능 광검출기의 한 예가 제6도에 도시되어 있다. 이것은 제1도의 장치와 유사하며, 동일 구성요소는 유사한 인용부호를 갖지만, 이동식 지지대(34)에 의해 시준렌즈(32)에 비해 상대적으로 고정된 섬유(10)를 갖는다. 섬유(10)로부터의 시준된 광은 렌즈(36)에 의해 광검파기(14)에 집중된다. 섬유(10)와 렌즈(32)는 광검파기(14)와 렌즈(36)에 비례하여 이동될 때 커플러(4)에서 광검파기(14)까지의 광경로 길이를 조절하고, 이에 의해 소정의 동조 가능성이 도입된다. 관련된 광검파기에 충돌하는 광의 세기를 크게 변화시키지 않는 가변 지연, 예를 들면 리튬 니오베이트(niobate) 기관에 대한 전환된 광지연을 제공하는 대체 수단이 이용될 수 있다.

구별하는데 도움이 된다면 정방형 입력 광펄스의 검출시 사다리꼴 형태의 펄스가 출력되도록 관련된 광검파기에서 신호부의 도달 사이의 상대적인 지연이 1비트 이상이도록 구성하는 것이 바람직하다.

Claims (11)

1. 전기적 출력(20)을 생성하기 위해 직렬 비대향으로 연결된 2개의 광검파기(12, 14), 상기 2개의 광검파기 중 관련된 하나에 각각 충돌시키기 위해 수신된 광신호를 2개의 신호부로 분리하는 광분리기(4, 22) 및 상기 2개의 광검파기의 접합부에서 한 신호부를 다른 신호부에 비해 지연시키는 상기 광분리기와 광검파기 사이에 위치하는 지연수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 광검출기.
2. 제1항에 있어서, 상기 광분리기는 한 출력섬유가 다른 것보다 긴 2개의 출력섬유(8, 10)를 갖는 광섬유 커플러를 포함하는 것을 특징으로 하는 광검출기.
3. 제1항에 있어서, 상기 광분리기는 광빔 분리기(22)로 구성되는 것을 특징으로 하는 광검출기.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 한 신호부의 지연이 상기 다른 신호부에 대해 상대적으로 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 광검출기.
5. 제1항에 있어서, 한 출력섬유에서 관련된 광검파기까지의 거리가 조절될 수 있고, 섬유부를 빠져나가는 신호부를 시준하기 위한 시준장치(32)와, 관련 광검파기 상에 상기 시준장치에 의해 시준된 한 신호부의 초점을 맞추기 위한 초점장치(36)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광검출기.
6. 고 임피던스 증폭기에 전기적으로 연결된 제1항 내지 제3항 또는 제5항 중 어느 한 항에 따른 광검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광수신기.
7. 고 임피던스 증폭기에 전기적으로 연결된 제4항에 따른 광검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광수신기.
8. 제6항에 있어서, 입력 디지털 광신호로서 광신호를 제공하는 입력 수단(6)을 구비하고, 광검파기(12,14)에서 상기 신호부의 상대적인 지연이 디지털 신호의 비트 주기와 일치하고, 그에 의해 출력(20)에서 미분코드 신호가 생성되는 것을 특징으로 하는 광수신기.
9. 제7항에 있어서, 입력 디지탈 광신호로서 광신호를 제공하는 입력 수단(6)을 구비하고, 광검파기(12,14)에서 상기 신호부의 상대적인 지연이 디지털 신호의 비트 주기와 일치하고, 그에 의해 출력(20)에서 미분코드 신호가 생성되는 것을 특징으로 하는 광수신기.
10. 광신호를 2개의 신호부로 광분리하는 단계, 전기적 출력(20)을 생성하기 위해 직렬 비대향으로 연결된 2개의 광검파기(12,14) 중 관련된 한 광검파기에 각 신호부를 충돌시키는 단계 및 상기 광분리 후에 한 신호부를 다른 신호부에 대해 상대적으로 지연시키는 단계를 포함하고, 그에 의해 상기 2개의 광검파기의 접합부에서 한 신호부가 다른 것에 비해 상대적으로 지연되는 것을 특징으로 하는 광 디지털 신호 검출방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 지연이 광신호의 비트율과 동일한 것을 특징으로 하는 광 디지털 신호 검출 방법.