We designed and fabricated a burst mode receiver (BMR) for optical-line-terminal in an asynchronous transfer mode passive optical network (ATM-PON) system. The configuration of this BMR consists of a photodiode, preamplifier, and limiting amplifier (LA) with peak detector. This BMR was designed with the specification based on the ITU-T G.983.1 Recommendation.
The bandwidth of a preamplifier and a LA was designed to 200MHz and 350MHz, respectively. And also these have $90dB\Omega$ and 36dB gains, respectively. For the class-C optical path, the BMR must have a high sensitivity with minimum sensitivity of -33dBm. So we could obtain the input noise current density of 1.07pA/sqrt(Hz) by designing a low noise preamplifier. The burst mode integrated circuit was designed using $0.35\mum$ CMOS technology. But the designed preamplifier is not work. So, we used the commercial preamplifier to verify the performance of the limiting amplifier. The commercial TIA has 3-dB bandwidth of 210MHz, sensitivity of -33dBm, and transimpedance gain of $87dB\Omega$.
To verify the performance of the fabricated BMR, we used the HP E4859A serial cell generator and analyzer system. This measurement is done with two packets. One is the packet with the largest available amplitude. The other is the packet with the smallest available amplitude. The result of packet transmission test is satisfied with the bit error rate of $10^(-10)$ mentioned in the ITU-T G.983.1 Recommendation in range from -28dBm to -7dBm. So, dynamic range is about 21dB.
ATM-PON은 인터넷 traffic 뿐만 아니라 기존의 데이터 서비스와 같은 일정한 데이터 Traffic을 효과적으로 지원할 수 있는access network을 구성하기 위해서 가장 위력 시 되는 optical access network이다. 이 access network의 데이터 전송은 사업자 측면서는 대칭적 데이터 전송이며 가입자 측에서는 비대칭 데이터 전송을 한다. 따라서 위의 전송 형태 중 실제 시스템을 구현하는데 어려운 문제는 비대칭 전송에서 비롯되는 burst mode 데이터 수신에 있다. ATM-PON에서는 다루는 burst mode 데이터는 각 가입자와 central office간의 거리차에 의한 광손실로 인해 각 패킷의 진폭이 다르다. 일반적인 광수신기로 이러한 데이터를 수신하기 어렵다. 따라서, 본 논문에서는 ATM-PON에서 사용 가능한 burst mode 광수신기를 설계 및 제작하였다.
Burst mode 광수신기의 사양은 ITU-T G.983.1 Rec.을 참고로 하여 설계 되었다. 설계 시 고려해야 할 점은 다음과 같이 나누어 볼 수 있다.
첫째, 본 시스템에서는 고감도의 광수신기를 필요로 한다. 따라서, 저잡음의 수신기를 설계해야 한다. 설계 시 소모전력, 3dB 주파수, 이득 등과의 tade-off가 있다. 본 논문에서는 전치 증폭기의 잡음밀도를 1pA/sqrt(Hz)과 $90dB\Omega$의 이득을 갖도록 설계 하였다. 하지만 제작된 TIA 의 미동작으로 인해 상용 TIA를 사용하여 제한 증폭기의 성능을 측정하였다. 상용 TIA는 -33dBm의 감도와 $87dB\Omega$의 이득을 갖는다.
둘째, 다이나믹 레인지(Dynamic range)가 큰 광수신기가 요구 시 된다. 위에서 언급했듯이 수신기에 들어 오는 각 패킷의 진폭이 다르다. 이러한 입력을 에러 없이 증폭하기 위해서는 큰 입력 다이나믹 레인지를 갖는 전치 증폭기를 설계해야 한다. 따라서, 우리는 전치 증폭기 단에서 피드백 저항과 병렬로 게이트-드레인이 연결된 NMOSFET을 넣음으로써 자동 이득 조절 기능을 갖도록 설계하였다.
셋째, 각 패킷의 진폭이 다르기 때문에 자동 문턱 전압 감지 회로가 필요하다. 본 논문에서는 피드포워드 방식의 버스트 모드 광수신기를 설계하였다. 이러한 구조에서 문턱전압 조절은 제한 증폭기 각 단에 레벨 감지 회로를 이용한 자동 문턱 전압 조절 회로를 연결하여 구현하였다.
위의 조건을 만족하도록 설계한 광수신기는 HP E4859A serial cell generator and analyzer system을 이용하여 패킷 전송 성능을 검증하였으며 입력 광파워가 -28dBm에서 -7dBm 범위의 경우 ITU-T G.983.1 권고안에서 제시한 $BER(10^(-10))$를 얻었다.
본 논문에서 제작된 회로를 보다 안정된 자동 이득 조절회로와 저잡음 설계 그리고 보다 빠른 문턱전압 감지회로를 보완하여 설계한다면 ATM-PON 뿐만 아니라 Ethernet-PON등에 사용 가능할 것으로 판단된다.
