For this thesis, a 1.25Gb/s burst mode optical receiver that can be operated in the Ethernet PON (Passive Optical Network) system, is designed and fabricated. The fabricated receiver has the features of automatically controllable preamplifier and high sensitive peak detector etc. Most of all, the new proposed function of the receiver is that it operates with a reset signal that is self-generated inside of the receiver not applied externally.
We tried to meet the standard of "IEEE 802.3ah Ethernet in the First Mile" for the OLT (Optical Line Termination) receiver and the TSMC 0.18$\mum$ CMOS technology was used for IC fabrication. We measured the fabricated IC and discussed the differences between designed values and measurement results. The receiver has the principal designed specifications of -28dBm sensitivity, -8dBm overload, 1.17GHz bandwidth of whole receiver and 3.9PA/$\sqrt{Hz}$ equivalent input noise at 1.25Gb/s input signal in the simulation using the Cadence as a design tool.
본 논문에서는 최근 광 가입자 망의 대안으로 유력하게 대두되고 있는 Ethernet PON 시스템에서 필요로 하는 기가 비트급 버스트 모드 광 수신기 설계 및 제작에 관한 내용을 중점으로 한다.
Ethernet PON은 가입자 망과 백본(Back bone) 망의 접속을 담당하는 한 개의 OLT와 가입자측에 해당하는 다수의 ONU사이에 수동 광 분리기를 설치하여 이들간의 상하향 전송이 이루어지는 가입자 망이다. 이 때, 하향 전송간에는 OLT가 ONU방향으로 시분할 다중접속 방식을 통해 신호를 전송하게 되고 각각의 ONU는 해당하는 시간영역의 데이터만을 수신하게 된다. 역으로, 상향 전송간에는 각각의 ONU가 OLT방향으로 할당된 시간영역에 데이터를 전송한다.
수신기의 구조를 설명하기에 앞서, 이러한 송수신 구조에서 발생하는 신호의 특성을 먼저 살펴볼 필요가 있다. 먼저 ONU측에 전달되는 신호는 앞서 설명한 방식으로 신호를 수신하기 때문에 OLT측 송신기의 출력 광 파워나 전송선로의 추가적인 감쇄요인이 없다고 가정할 경우 신호크기가 일정한 특성을 보인다. 그러나 OLT측에 전달되는 신호는 각각의 ONU로부터 OLT까지의 전송 경로차이로 인해 각기 다른 광 손실을 유발하여 수신되는 신호의 크기가 달라지게 되는데, 이러한 신호를 일반적으로 버스트 특성을 가졌다고 한다.
따라서, 이러한 입력 신호의 정확한 판별이 가능한 버스트 모드용 광 수신기는 입력신호의 판별 기준 값이 일정 전압에 고정되어 있지 않고 신호의 크기에 따라 자동적으로 변해야 하는 필수적인 특성을 요구한다. 본 논문에서는 이러한 기능의 구현을 위해 아래와 같은 특징을 가진 회로 기능 블록과 수신기에 관한 내용을 구체적으로 기술하였다.
첫째, 포토다이오드로부터 발생한 전류를 전압으로 변환하는 전치증폭기는 수신감도 향상을 위해 자동 이득조절 기능을 사용하였는데, 이를 위해 추가적인 기능 블록의 사용을 피하고 피크검출기의 출력을 이용하는 새로운 방법을 시도하였다. 둘째, 피크전압검출기는 전치증폭기 출력의 피크전압을 검출하여 신호의 판별 값을 결정하고, 셋째로 주증폭기는 전치증폭기의 출력과 피크전압검출기의 판별 값을 기준으로 차동 증폭하는 구조를 가지고 LVPECL 레벨로 수신기 최종 출력을 발생시킨다. 마지막으로 본 논문의 가장 큰 특징이라고 할 수 있는 수신기의 자체 리셋 발생기능은 차동 출력된 최종출력 신호 중 한 신호의 포락선을 검출하여 이를 사전에 결정한 전압 값과 비교하여 신호가 없는 구간에서 자동으로 리셋 신호를 발생시키는 구조를 가지고 있다.
지금까지 언급한 특징들을 반영한 버스트 모드 광 수신기는 외부로부터 유입되는 리셋 신호를 필요로 하지 않기 때문에, 시스템의 복잡도를 완화하는데 기여 할 수 있으며, 최근의 Ethernet PON 표준화 내용 중에서 버스트 모드 수신기 사양을 결정하는 Optical PMD (Physical Medium Dependant) Task Force의 표준화 흐름과 부합한다.
