Motivated by the huge data transmission capacity required for multimedia communications, passive optical network (PON) based on fiber-to-the-home (FTTH) is considered an emerging access network technology to solve the last mile problem of communications. A typical PON system is basically a point-to-multipoint (PtMP) optical network with no active elements in the signal path. Based on TDMA, this passive PtMP ability shares a single optical fiber making it feasible to implement a cost effective solution for the subscriber line that supports broad-band voice, data, and even video services. A key component of such a PON system is the burst-mode up-stream transmitter located inside each subscriber optical network unit (ONU). For real burst-mode operation, together with the stable transmitted optical power under wide temperature variation from -40$\deg$C to +85$\deg$C, laser turn-on/turn-off delay is one of the critical performance parameters of the up-stream transmitter.
In addition to this, an extinction ratio (ER) should be kept constant and suitably high to guarantee no errors in the OLT receiver. However, the inherent characteristics of the laser diode (LD), which depend strongly on ambient temperature and aging, make it very difficult to keep the transmitter constant. Laser output power is roughly proportional to the laser current above the threshold ($\It{I_{th}}$) at which the LD starts lasing and increases with ambient temperature. Note that the optical gain beyond $\It{I_{th}}$, known as the slope efficiency ($\eta$), decreases with the ambient temperature. Therefore, for obtaining a reliable and constant laser operation, both the modulation and the bias current of the LD must be properly regulated according to the desired values of averaged optical power and extinction ratio. This results in the optical transmitter compulsorily adopting temperature compensation circuits.
In this thesis, a fully integrated burst-mode upstream transmitter chip for gigabit-level passive optical network applications is implemented in a 0.18$\mum$ CMOS technology. In order to control consecutive burst data, the proposed optical transmitter uses a reset mechanism with TX_EN as a burst envelope signal given from the system. The feedback from the monitoring photodiode (MPD) is separated by two independent paths for temperature compensation.
The chip has been tested on a chip-on-board (COB) configuration using pig-tailed type Fabry-Perot (FP) and distributed feedback (DFB) LD/MPD assembly. Power dissipation is about 200mW in an area of $1.2\times1.2mm^{2}$ with a single 3.3V power supply, not including the LD driving current. A simple ESD protection circuit of SCR structure is considered at the input pads for the reliable test. With a good eye opening, the measurement shows optical rise/fall times of less than 200psec and average power of 2dBm with an extinction ratio of above 12dB for the 1.25Gb/s PRBS input burst. The laser turn-on/turn-off from the TX enable/disable takes about less than 10nsec. The temperature characteristics of the chip are under measurement. However, preliminary testing shows a less than 2dB extinction ratio variation on the negligible averaged power variation. Therefore, the developed upstream optical transmitter, in this thesis, is confirmed to be available to gigabit-level burst-mode applications. And this work complies with the IEEE EPON (Ethernet PON) 802.3ah standard and even GPON (Gigabit-capable PON) ITU-T Recommendation G.984.2.
Currently many works for the burst-mode optical transmitter has been in the over the world. Most of them adopt feed-forward APC (Automatic Power Control) topology using internal or external temperature sensor like thermister, and digital function blocks such as EEPROM and microprocessor for DSP. One example architecture with feed-forward APC is shown in below. Even though digital APC can give better response times than analog one and be possible to simplify the required functions, with the reset mechanism proposed in this thesis, the analog APC using conventional feedback from the monitoring photodiode could be confirmed to be applicable in the gigabit-level burst-mode transmitter. Furthermore, the increasing demands for lower cost and higher integration can be sufficiently satisfied with CMOS based implementation of high-speed analog circuits.
최근 인터넷 및 이동통신 서비스의 가입자 수는 폭발적으로 증가 추세를 보이고 있으며, 이를 바탕으로 한 인터넷과 이동통신서비스의 성장은 일반인들이 언제 어디에서나 다양한 멀티미디어 서비스를 제공받을 수 있게 만들고 있다. 여기에 초고속 인터넷 서비스의 확대, 멀티미디어 서비스가 가능한 IMT-2000 서비스의 개시, 디지털 방송 서비스 개시 등을 배경으로 앞으로도 데이터 트래픽의 폭발적인 증가는 지속될 것으로 예측된다. 이와 같은 데이터 통신의 급격한 증가를 배경으로 대용량 통신이 가능하도록 통신망에 광 기술을 활용해야 한다는 요구가 높아지고 있으며, 이러한 시대적 요구에 부합하기 위해서는 광 부품의 저가화가 선행되어야 함은 물론이다.
광통신용 광 부품은 초고속 정보통신 관련 전송 시스템의 성능을 좌우할 뿐 아니라 광 전송시스템의 가격 비중을 높이는 요소가 되고 있다. 특히 광 송수신모듈의 electrical subassembly를 구성하고 있는 핵심 부품인 전치증폭기(TIA: Transimpedance Amplifier), 제한증폭기(LA:Limiting Amplifier), 레이저다이오드 구동회로(LDD: LD Driver) 등의 능동회로들은 고가의 화합물 반도체공정(MESFET, HBT, PHEMT)을 이용한 제품들 이 주류를 이루고 있어서 광 송수신 모듈의 가격을 높이는 주된 원인이 되고 있다. 이에 반해 높은 수율 및 대량생산이 가능한 RF CMOS 공정을 활용한 제품 개발은, 가격 경쟁력 있는 부품 개발과 국산화를 동시에 이룩함으로써 국내 산업보호 및 시장 경쟁력 확보가 가능해짐으로써 외국 제품에 대한 수입대체가 가능하며, 다양한 분야에서의 활용 또한 가능하다.
FTTH(Fiber To The Home) 기반의 수동 광가입자망(Passive Optical Network: PON)은 수동 광분리기(passive optical splitter)를 이용하여 한 가닥의 광케이블로 여러 광 엑세스 시스템(Optical Network Unit: ONU)을 공유할 수 있어서 가입자망의 경제적인 광케이블화를 구축하기 위해 가장 가능성 있는 대안으로 제시되고 있다. ONU는 FTTH 기반의 망 구조에서 광케이블로부터 광신호를 수신하여 전기신호(O/E)로 변환하고, 전기신호를 광신호(E/O)로 변환하는 광신호 접합기능을 갖는 장치로서, 망측으로 OLT(Optical Line Termination)와의 사이에 수동 광분리기(Passive Optical Splitter)를 사용하여 접속된다. OLT로부터 ONU로의 하향신호(down-stream)는 TDM(Time Division Multiplexing)으로 다중화된 신호가 각 ONU로 broadcast되고, 상향측으로는 TDMA (Time Division Multiplexing Access) 기법을 이용하여 다중 엑세스가 가능하게 함으로써 멀티포인트 정합(Point-to-Multipoint: PtMP)을 구현한다. 따라서 광 가입자 망측의 ONU 내부에는 버스트 모드 동작을 요하는 광 송신기가 필수 적으로 요구 된다. 버스트 모드 광 송신기에서 요구되는 주요한 특성은 고속의 입력 버스트에 대해서 빠른 응답 속도를 제공할 수 있어야 하며, 입력 신호가 없을 시에는 완전히 shut-down 되어 수신측(OLT)에서 가능한 오동작을 하지 않도록 하여야 한다.
본 논문은 레이저 다이오드의 온도특성 보상 장치 및 이를 구비한 버스트모드 광 송신기 집적회로 설계에 관한 것으로, PON 시스템 내의 OLT와 ONU에서 전기적 신호를 광신호로 변환하는 역할을 수행한다. 일반적으로, 레이저 다이오드의 특성 곡선은 주변 온도가 상승할수록 문턱전류($I_{th}$: Threshold Current)가 증가하고 전류-광출력 곡선의 기울기($\eta$: slope efficiency)가 줄어드는 특성을 보인다. 따라서 디지털적으로 '1'레벨과 '0'레벨에 해당하는 광파워의 비로 정의되는 소광비(Extinction Ratio = P1/P0, P1='1'레벨의 광출력, P0='0'레벨의 광출력)가 감소하여 온도가 증가할수록 전송효율이 낮아지게 된다. 광 통신용 송신모듈의 경우 국제전기통신 규격상 소광비가 8dB내지 10dB이상으로 되어있기 때문에 레이저 다이오드(LD)의 온도 특성상 특정 온도범위 내에서는 이 규격을 충족하는데 문제가 생길 수 있다. 또한 광 수신기에서 수신이 용이하도록 하기위해선 '1'레벨과 '0'레벨에 해당하는 레이저 다이오드의 출력 파워 P1과 P0 역시 온도변화에 무관한 일정한 출력을 보여 평균 광출력이 0dBm 정도의 값을 가져야 한다. 그러므로, 온도 변화에 대해서 일정한 소광비와 일정한 광 출력파워를 제공하기 위해서는 레이저 다이오드의 바이어스 전류와 변조전류 모두를 제어 할 수 있어야만 한다. IEEE 802.ah 국제 표준에 정의된 EPON(Ethernet PON) 응용의 경우, 버스트 동작을 요하는 상향(down-stream) 광 송신기는 -1dBm에서 +4dBm 정도의 평균 광 출력 파워와 6dB이상의 소광비(ER: Extinction Ratio), 그리고 최대 512nsec 까지의 레이져 turn-on/turn-off time을 만족해야 한다. 또한 8B10B 라인코딩을 이용하는 EPON과는 달리 GPON 응용의 경우는 timing 파라미터에 있어서 더욱 엄격한 성능 사양을 요구하고 있다.
본 논문에서 제안된 버스트모드 광 송신기는 평균 광 출력과 소광비를 고려한 안정적인 레이저 다이오드 구동을 위해, 전체적으로 독립된 변조 전류 제어부와 바이어스 전류 제어부로 구성하였다. 또한 최근 상용으로 제공되는 레이저 다이오드의 특성은 slope efficiency의 경우 온도변화에 대해 어느정도 일정한 값을 유지하고 있으므로, 변조전류의 경우 외부에서 고정된 일정한 값으로 설정하고, 모니터링 수광다이오드(MPD)로부터의 피드백은 바이어스 전류만을 제어하도록 한 구조의 광 송신기 칩도 설계 및 제작 하였다.
본 설계에서는 MPD와 광대역 전치증폭기 형태의 전류-전압 변환기를 이용한 전형적인 피드백 구조를 이용하고 있으나, Electrical 입력 버스트 신호에 대해서 시스템으로부터 주어지는 TX_EN 즉, 버스트 Enable로 정의된 신호를 이용한 Reset 방식은 하나의 데이터 패킷 내에서 channel efficiency를 최대화 할 뿐 아니라, TX_DIS 구간에서는 레이저다이오드를 완전히 shut-down 시켜 소모전력을 최소화하는 버스트모드 광 송신이 가능하도록 하였다. 추가적으로 Band-gap Reference회로 구조를 이용한 안정적인 DC 바이어스와 트랜지스터 입력 게이트에 사용된 SCR(Silicon Controlled Rectifier) 구조의 ESD 방지회로는 광 송신기 모듈을 COB (Chip-on-Board) 로 제작함에 있어서 보다 신뢰성있는 측정을 가능하게 하였다.
본 논문에서 제안하는 광 송신기 구조는 1.25Gb/s 버스트모드 수동광가입자망 구현에 최적화된 설계가 수행되었으며, 0.18$\mum$ CMOS 공정을 이용한 칩 제작이 이루어 졌다. 제작된 칩의 평가를 위해 4층 기판의 평가보드에 MPD가 내장된 Pig-tailed형 FP/DFB 레이저를 이용한 COB 형태의 광 송신기 모듈을 설계 및 제작하였다. 실제 1.25Gb/s에서 버스트모드 동작을 확인하기위해 3Gb/s까지의 PRBS(Pseudo-Random Binary Sequences) 신호를 제공하는 에이질런트사의 Parallel BERT 장비를 이용하였으며, 칩 면적은 $1.2\times1.2mm^{2}$로 제작되어 단일 3.3V 공급 전압하에서 200mW 정도의 전력소모를 보여주었다. 또한, 1.25Gb/s 버스트모드 동작에 충분한 EYE 열림과 2dBm 정도의 평균 광 출력 그리고 12dB 이상의 소광비를 얻을 수 있었다 (160psec 이하의 rising/falling time과 +/-5% PWD 특성을 보여 줌).
더욱이 32-bits로 주어진 Guard time(입력 버스트 사이의 Gap-time)에 대해서도 10nsec 미만의 신속한 레이저 turn-on/turn-off 성능을 보여 IEEE 802.3ah에서 정의된 EPON 규격뿐 아니라 GPON 응용에도 사용될 수 있는 가능성을 확인할 수 있었다.
현재 Gb/s 급 버스트모드 광 송신기의 경우 MPD를 사용한 전형적인 피드백 방식 보다는, 외장 혹은 내장의 온도 센서에 EEPROM 등의 디지털 회로와 마이크로프로세서를 이용하여, 각각의 검출된 온도에 따라 미리 설정되어 저장된 값의 레이저 구동 전류로 레이저 다이오드의 온도특성을 보상하는 Feed-forward APC(Automatic Power Control) 방식이 선호되고 있다. 비록 디지털 회로를 이용한 Feed-forward APC 방식이 기능적인 측면을 단순화 시키고 피드백 구조보다 향상된 응답속도 특성을 얻을 수는 있겠으나, 아날로그 방식을 이용한 전형적인 피드백 구조에 비해 광 송신기 모듈 제작이 복잡하고 성능 평가가 번거로운 단점을 가지고 있다. 따라서, 본 논문에서 제안한 CMOS 공정을 이용한 버스트모드 광 송신기 구조는 기존의 전형적인 APC 방식을 사용해서 Gb/s 급 수동광가입자망 구현의 가능성을 확인하였으며, 경쟁력있는 광 송신기모듈 제작을 위한 선행 기술을 획득한데에 그 의미가 있다고 하겠다.
