This thesis proposes a novel method of temperature compensation for VCSEL driver IC. The perfor-mance degradation due to temperature is one of the significant problems of optical transmitter in optical communication system. The output light power of the light source, especially VCSEL, decreases as tem-perature increases. In this method, temperature sensing (TS) circuit which can detect temperature as voltage level was used for compensating degradation of VCSEL driver IC. The additional current source which biased from TS circuit was located at drive stage of driver IC. The increase of current was obtained from the additional current source when temperature increases and it could sufficiently compensate temperature issue. This method does not need monitoring photodiode (M-PD), which could increase total chip area, while other method, automatic power control (APC), needs. Even though, the additional circuit, which is TS circuit, was used in proposed method, total area of TS circuit is only 104 ⅹ 78.8 um2. The proposed compensation method simulated with CMOS 0.13 um technology. This compensation method demonstrates 0.6 mA~16 mA of modulation current control, and it works up to 10 GHz with stable output performance until 95 ºC. The proposed compensation method with TS circuit demonstrates 98.725 % of output power compensation performance. The total current of compensated VCSEL driver IC which contains TS circuit is 24 mA, and the current consumption of only compensation module is 210.7 uA which is negligible. This method could modify like external component to control compensation sensitivity. Since TS circuit has quite small current consumption and chip area, it could be attached to anywhere. For example, it could be attached to each channel to detect each temperature in multi-channel system. And when Si VCSEL is developed, this TS chip could be applied within VCSEL. This in chip-integration with VCSEL would give stable and precise compensation performance. Therefore, TS chip could bring high reliability of optical interconnection system and develop Si-photonics technology.
본 연구에서는 광 데이터 송신에 쓰이는 VCSEL 구동 회로의 온도에 따른 광 출력 세기 감소 특성에 대한 보상 방법을 제안하였다. VCSEL과 그 구동 회로의 온도에 따른 성능 저하는 광 통신 시스템에서의 중요한 문제점 중 하나이다. 광원, 즉 VCSEL의 출력 광 세기는 온도가 증가함에 따라 감소하는 특성을 가진다.
본 연구에서는 회로 주변의 온도를 출력 전압으로 감지하는 온도 감지 회로를 이용한 VCSEL 구동 회로 보상 방법이 제안 되었다. 제안된 온도 감지 회로는 온도가 상승함에 따라 온도 감지 회로의 출력 전압이 증가하는 특성을 가지고 있다. 이러한 온도 감지 회로의 출력 전압을 인가하여 구현된 전류원을 VCSEL 구동 회로의 drive 단에 추가로 연결하여 온도가 상승함에 따라 온도 감지회로의 출력 전압이 높아지고, 그로 인해 추가로 부착된 전류원이 점점 활성화 되면서, 최종적으로 drive 단에 흐르는 전류를 증가시켜 주었다. 따라서 온도가 증가할 때 출력 광 세기가 감소했던 VCSEL의 성능 저하 특성이 온도 의존도가 존재하는 전류의 양으로 보상이 되어, 온도가 변함에도 출력 광 세기를 일정한 수준으로 유지할 수 있게 된다.
온도에 따른 출력 광 세기의 감소를 보상하기 위한 다른 방법인 자동 전원 제어기 (APC) 는 현재 출력 광 세기를 측정하기 위해서 monitoring photodiode (M-PD) 가 필요하다. 이러한 M-PD와 APC 회로는 전체 칩 면적을 심각하게 증가시키는 요인이 된다. 본 연구에서 제안된 보상 방법에서도 온도 감지 회로가 추가적으로 들어가 전체 칩 면적을 증가 시키지만 비교적 간단한 논리회로와 104ⅹ78.8 um2 의 작은 면적을 차지하여 전체 칩 면적과 총 전력 소모에서의 이점을 가지고 있다. 제안된 보상 회로는 CMOS 0.13 um 공정 기술을 기반으로 구현되었으며, 온도 감지 회로로 인해, 온도에 따라 조절되는 0.6 mA ~ 16 mA 의 온도 보상 전류를 이용하여 10 GHz에서 95 ºC 까지 VCSEL Driver의 출력 광 세기를 일정하게 유지시켜준다. VCSEL의 출력 광 세기는 25 ºC 일 때의 세기를 기준으로 95 ºC 까지 98.725 % 수준으로 유지시켜 준다. 온도 보상 회로를 포함한 차동 VCSEL 구동 회로의 총 전류 소모는 24 mA 이며, 온도 보상 회로 자체의 전류 소모는 1.3 V 에서 210.7 uA 로 아주 적은 양의 소모 전류를 가지고 있다. 이러한 온도 감지 회로를 이용한 온도 보상 방법은 외부 가변 저항을 이용하여 온도 감지 회로의 온도 민감도를 조절하여 온도 보상 전류의 양을 조절 가능하도록 변경이 가능하다.
본 연구에서 제안된 온도 보상 방법은 VCSEL 구동 회로뿐만 아니라 광 데이터 송수신 시스템 내에서 발생하는 발열 문제를 해결함에 있어 가능성을 제시해 주었고, 적은 전류소모와 작은 칩 면적이라는 장점을 살려 다채널 광 연결에 적용하여 채널 별 온도 보상법을 제시할 수 있으며, 미래의 Si VCSEL 내에 집적하여 온도 의존성을 낮추어주는 역할을 해줄 수 있는 응용 가능성을 보여주었다.
