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문제 정의
- [2] 그래서 PON 방식의 OLT에서 사용되는 광 수신기는 수신감도가 낮으며, 또한 버스트모드로 동작하고, 동시에 가격이 저렴한 버스트모드 광 수신소자의 개발이 기가급 PON 시스템의 보급에 필수적으로 요구된다. 이에 본 논문에서는 광 수신기의 수신감도를 향상시키기 위해 정전용량이 다른 포토다이오드를 사용하여 광 수신소자를 제작하고 대역폭과 정전용량에 따른 수신감도의 변화를 측정하였다.
제안 방법
- ONU 송신기의 on/off 시간은 13 ns이고 광 감쇄기로 인해 -3 dBm이 최고 출력이였다. 1.25 Gb/s의 PRBS 25-1 데이터를 ONU1과 ONU2에서 광 변조한 후, 광 감쇄기로 광의 세기를 조정하여 커플러를 통해 두 신호를 섞어 광 수신소자에 입력하였다. E-PON의 선로 전송 규격은 연속적으로 발생하는 DC신호의 발생을 억제하기 위하여 ANSI FC 8B/10 규정하였으며 8B/10B코딩을 패턴 발생기에서 PRBS 25-1 모사하여 측정하였다.
- E-PON용APD-TIA 버스트모드 광 수신소자의 측정은 PIN-TIA 버스트모드 광 수신소자와 마찬가지로 그림 4와 같은 구성으로 PIN-TIA 대신 APD-TIA를 사용하여 측정 하였다. IEEE 802.
- 25 Gb/s의 PRBS 25-1 데이터를 ONU1과 ONU2에서 광 변조한 후, 광 감쇄기로 광의 세기를 조정하여 커플러를 통해 두 신호를 섞어 광 수신소자에 입력하였다. E-PON의 선로 전송 규격은 연속적으로 발생하는 DC신호의 발생을 억제하기 위하여 ANSI FC 8B/10 규정하였으며 8B/10B코딩을 패턴 발생기에서 PRBS 25-1 모사하여 측정하였다. IEEE 802.
- 4 ns(128 bit)로 하여 작은 신호(soft power signal)는 ONU1에 큰 신호(loud power signal)는 ONU2에 각각 인가하여 수신감도와 loud/soft ratio를 측정하였다. ONU2에 -3 dBm의 큰 신호를 인가하고 ONU1에 -24 dBm이하의 작은 신호를 점차 낮게 인가하여 수신감도를 측정하였다. 그림 5와 같이 수신감도는 BER 10-12일 때 ONU2의 큰 신호가 -3 dBm이면 -26 dBm이고 loud/soft ratio는 23 dB였다.
- 4 ns(128 bit)로 하여 작은 신호(soft power signal)는 ONU1에 큰 신호(loud power signal)는 ONU2에 각각 인가하여 수신감도와 loud/soft ratio를 측정하였다. ONU2에 -6 dBm의 큰 신호를 인가하고 ONU1에 -27 dBm 이하의 작은 신호를 점차 낮게 인가하여 수신감도를 측정하였다. 이와 다른 방법으로 ONU2에 -4 dBm의 큰 신호를 인가하고 ONU1에 -25 dBm 이하의 작은 신호를 점차 낮게 인가하여 수신감도를 측정하였다.
- 패키지 내부에 커패시터를 사용하여 포토다이오드와 TIA 전원 잡음을 제거 한다. 그 후 신뢰성 향상을 위하여 질소가 충전된 렌즈캡을 씌운 후 레이저 웰딩 시스템을 이용하여 X-Y-Z축 정렬하면서 응답도(responsivity)가 0.9이상이 되도록 정밀하게 패키징 한다.
- 먼저 버스트모드 특성을 테스트 하기 전 두 ONU중 하나의 ONU만 사용하여 연속모드에서 BER을 테스트 하였다. 그 결과 수신감도는 -28 dBm, overload는 +1.
- 버스트모드 광 수신소자의 대역폭을 보장하기 위하여 0.6 pF 이하의 작은 정전용량과 6 G 이상의 대역폭을 가진 PIN-PD를 사용하여 5핀 TO-46 패키지 형태로 제작하였다. TO패키지는 2개의 데이터 출력, 포토다이오드의 전원, TIA의 전원, 그리고 패키지 전체의 그라운드 단자로 이루어 진다.
- 버스트모드 광 수신소자의 수신감도를 향상 시키기 위하여 그림 9와 같이 정전용량이 서로 다른 PIN-PD를 사용하여 버스트모드 광 수신소자를 제작하였다. 정전용량을 다르게 하기 위해서 PN정션의 넓이와 광흡수층의 두께가 다른 포토다이오드를 사용하였다.
- 5 dB이상의 측정은 불가능했다. 버스트모드 측정의 guard time과 preamble time은 각각 102.4 ns(128 bit)로 하여 작은 신호(soft power signal)는 ONU1에 큰 신호(loud power signal)는 ONU2에 각각 인가하여 수신감도와 loud/soft ratio를 측정하였다. ONU2에 -3 dBm의 큰 신호를 인가하고 ONU1에 -24 dBm이하의 작은 신호를 점차 낮게 인가하여 수신감도를 측정하였다.
- 그림 7. 버스트모드와 연속모드의 BER 비교.
- 누설전류는 광 검출 시 산탄잡음(shot noise)의 원인이 되고 누설전류가 크면 소자의 수명이 짧아지므로 낮을수록 좋다. 실제 암전류 측정은 Cats장비(Keithley 4200)를 사용하여 I-V를 측정하여 실제사용 전압에서의 암전류값과 항복 전압(breakdown voltage)을 측정하였다. 측정된 포토다이오드의 암전류는 -3 V일 때 상온에서 25 pA였고 항복전압은 -32 V 이상에서 10 nA 이상의 암전류가 발생하였다.
- 실제 응답도를 측정하기 위해서는 포토다이오드에 -3.3 V의 역전압을 가한 후 레이저 광원(laser source)에서 출력된 광 전력을 광 감쇄기를 통하여 -10 dBm의 광 전력으로 조정한 후 포토다이오드에서 출력되는 전류를 측정하여 식 1에 대입하여 환산한다. 포토다이오드의 응답도는 X-Y-Z 3축 정렬하여 측정하였기 때문에 0.
- 이 연구에서 1.25 Gb/s 버스트모드 광 수신소자를 개발하는데 있어 PIN-PD, APD의 포토다이오드와 버스트모드 TIA를 사용하여 광 수신소자를 제작하고 1.25 Gb/s OLT 수신기의 10, 20 Km 전송 규격인 IEEE 802.3 ah 표준에 만족하는지 특성을 측정하였다. 제작된 버스트모드 광 수신소자의 수신감도는 BER 10-12일 때 연속모드로 측정 시 PIN-PD를 사용한 광 수신소자의 수신감도는 -28 dBm, overload는 +1.
- ONU2에 -6 dBm의 큰 신호를 인가하고 ONU1에 -27 dBm 이하의 작은 신호를 점차 낮게 인가하여 수신감도를 측정하였다. 이와 다른 방법으로 ONU2에 -4 dBm의 큰 신호를 인가하고 ONU1에 -25 dBm 이하의 작은 신호를 점차 낮게 인가하여 수신감도를 측정하였다. 수신감도는 BER 10-12일 때 ONU2의 큰 신호가 -6 dBm이면 -34 dBm이고 loud/soft ratio는 28 dB였다.
- 그림 13은 정전용량이 다른 PIN-PD로 제작된 광 수신소자의 BER을 측정한 것이다. 측정 조건은 1.25 Gb/s의 데이터 전송속도, PRBS 27-1, PIN-PD에 -3 V의 역전압을 인가한 후 BER 10-12로 하여 측정하였다. -3 V에서 정전용량이 작은 PIN-PD를 사용한 버스트모드 광 수신소자일수록 수신감도가 향상되는 것을 확인할 수 있다.
- 그림 12는 PD4를 사용해 제작한 버스트모드 광 수신소자의 BER을 측정한 것이다. 측정 조건은 1.25 Gb/s의 데이터 전송속도, PRBS 27-1, PIN-PD의 역전압을 -1V에서 점차 크게 증가시켜 -5 V까지 인가하고 BER 10-12로 하여 측정하였다. 역전압이 커질수록 수신감도가 향상되는 것을 확인할 수 있으며 광 수신소자의 대역폭은 PD에 가해진 역전압이 2 V일 때 보다 5 V일 때 120 MHz 증가하고 수신감도는 0.
대상 데이터
- 버스트모드 광 수신소자의 수신감도를 향상 시키기 위하여 그림 9와 같이 정전용량이 서로 다른 PIN-PD를 사용하여 버스트모드 광 수신소자를 제작하였다. 정전용량을 다르게 하기 위해서 PN정션의 넓이와 광흡수층의 두께가 다른 포토다이오드를 사용하였다.
성능/효과
- -3 V에서 정전용량이 작은 PIN-PD를 사용한 버스트모드 광 수신소자일수록 수신감도가 향상되는 것을 확인할 수 있다. -3 V에서 정전용량이 0.53 pF인 PD4 보다 0.26 pF인 PD1을 사용한 버스트모드 광 수신소자의 수신감도가 0.7 dBm 향상 되었고 그림 12와 같이 PD4보다 PD1의 수신소자의 대역폭이 190 MHz 증가하였다.
- 25 Gb/s의 데이터 전송속도, PRBS 27-1, PIN-PD에 -3 V의 역전압을 인가한 후 BER 10-12로 하여 측정하였다. -3 V에서 정전용량이 작은 PIN-PD를 사용한 버스트모드 광 수신소자일수록 수신감도가 향상되는 것을 확인할 수 있다. -3 V에서 정전용량이 0.
- APD를 사용하여 제작된 버스트모드 광 수신소자의 연속모드에서 수신감도는 -35.5 dBm, overload는 +1.5 dBm 그리고 동작 영역은 37 dB였다. 그리고 버스트모드에서의 수신감도는 ONU2의 큰 신호가 -6 dBm이면 -34 dBm이고 loud/soft ratio는 -28 dB이다.
- [4,5] 그런데, 버스트모드 광 수신소자의 경우에는 패킷의 길이와 광 세기의 다양한 변화에 관계없이 낮은 수신감도, 짧은 정착시간, 충분한 동작영역을 갖는 수신소자를 구현하는 것이 용이하지 않다.[2] 그래서 PON 방식의 OLT에서 사용되는 광 수신기는 수신감도가 낮으며, 또한 버스트모드로 동작하고, 동시에 가격이 저렴한 버스트모드 광 수신소자의 개발이 기가급 PON 시스템의 보급에 필수적으로 요구된다. 이에 본 논문에서는 광 수신기의 수신감도를 향상시키기 위해 정전용량이 다른 포토다이오드를 사용하여 광 수신소자를 제작하고 대역폭과 정전용량에 따른 수신감도의 변화를 측정하였다.
- 이것은 연속모드 보다 버스트모드로 동작할 때 수신감도가 낮아지는 것을 볼 수 있다.[7] ONU2에 -4 dBm을 인가하는 것보다 -6 dBm을 인가하는 것이 수신감도가 향상된다. 그리고 그림 8과 같이 작은 신호의 데이터 패킷에서 큰 신호의 데이터 패킷으로 변할 때 작은 신호의 복원은 큰 신호의 데이터 패킷에서 작은 신호의 데이터 패킷으로 바뀔 때 보다 신호의 복원이 ac-커플링 효과에 의해 더 천천히 복구된다.
- 먼저 버스트모드 특성을 테스트 하기 전 두 ONU중 하나의 ONU만 사용하여 연속모드에서 BER을 테스트 하였다. 그 결과 수신감도는 -28 dBm, overload는 +1.5 dBm 그리고 동작 영역은 29.5 dB였다. ONU의 광 출력 한계로 overload는 +1.
- 먼저 버스트모드 특성을 테스트 하기 전 두 ONU중 하나의 ONU만 사용하여 연속모드에서 BER을 테스트 하였다. 그 결과 수신감도는 -35.5 dBm, overload는 +1.5 dBm 그리고 동작영역은 37 dB였다. ONU의 광 출력 한계로 overload는 +1.
- 5 dBm 그리고 동작 영역은 37 dB였다. 그리고 버스트모드에서의 수신감도는 ONU2의 큰 신호가 -6 dBm이면 -34 dBm이고 loud/soft ratio는 -28 dB이다. 이때의 guard time과 preamble time은 각각 102.
- 실제 포토다이오드의 응답속도 측정은 대역폭을 측정함으로써 얻을 수 있다. 대역폭 측정은 Network analyzer인 Agilent 8703B를 사용하여 50 MHz의 출력전력보다 3 dB 감소하는 지점을 대역폭으로 정하고 측정한 결과 PIN-PD의 대역폭은 그림 3과 같이 6.8 GHz로 측정 되었다.
- 7 dBm, 대역폭은 190 MHz 향상되었다. 버스트모드 광 수신소자의 수신감도를 향상 시키기 위하여 정전용량이 다른 PIN-PD를 사용하여 제작한 광 수신소자는 정전용량이 작을수록 수신감도가 향상되었으며 대역폭도 증가하였다.
- 5 Gb/s로 상향하고 버스트모드 측정 전에 ONU1하나만 사용하여 연속모드에서 수신감도를 측정한 결과 -26 dBm였다. 버스트모드 측정은 guard time과 preamble time은 각각 102.4 ns(256 bit)로 그대로 유지하여 측정한 결과 ONU2의 큰 신호가 -3 dBm이고 ONU1의 작은 신호가 -22 dBm일 때 BER 10-12을 만족하였으며 수신감도는 -22 dBm, loud/soft ratio는 19 dB였다.
- 이와 다른 방법으로 ONU2에 -4 dBm의 큰 신호를 인가하고 ONU1에 -25 dBm 이하의 작은 신호를 점차 낮게 인가하여 수신감도를 측정하였다. 수신감도는 BER 10-12일 때 ONU2의 큰 신호가 -6 dBm이면 -34 dBm이고 loud/soft ratio는 28 dB였다. ONU2의 큰 신호가 -4 dBm일때 수신감도는 -32 dBm이고 loud/soft ratio는 28 dB이였다.
- 25 Gb/s의 데이터 전송속도, PRBS 27-1, PIN-PD의 역전압을 -1V에서 점차 크게 증가시켜 -5 V까지 인가하고 BER 10-12로 하여 측정하였다. 역전압이 커질수록 수신감도가 향상되는 것을 확인할 수 있으며 광 수신소자의 대역폭은 PD에 가해진 역전압이 2 V일 때 보다 5 V일 때 120 MHz 증가하고 수신감도는 0.5 dBm 향상되었다.
- 11 GHz로 측정되었다. 정전용량을 0.27 pF 작은 버스트모드 광 수신소자가 수신감도는 0.7 dBm, 대역폭은 190 MHz 향상되었다. 버스트모드 광 수신소자의 수신감도를 향상 시키기 위하여 정전용량이 다른 PIN-PD를 사용하여 제작한 광 수신소자는 정전용량이 작을수록 수신감도가 향상되었으며 대역폭도 증가하였다.
- 정전용량이 0.26 pF인 PIN-PD를 사용한 광 수신소자는 수신감도가 -27 dBm이고 대역폭은 1.26 GHz였다. 정전용량이 0.
- 3 ah 표준에 만족하는지 특성을 측정하였다. 제작된 버스트모드 광 수신소자의 수신감도는 BER 10-12일 때 연속모드로 측정 시 PIN-PD를 사용한 광 수신소자의 수신감도는 -28 dBm, overload는 +1.5 dBm, 그리고 동작영역은 29.5 dB이다. 버스트모드로 동작시 수신감도는 ONU2의 큰 신호가 -3 dBm이면 -26 dBm이고 loud/soft ratio는 23 dB이다.
후속연구
- 다양한 서비스의 보급으로 유무선 통신망에서의 정보량은 큰 폭으로 증가 하였으며, 향후에도 더욱 빠른 초고속 인터넷의 보급과 멀티미디어 서비스가 가능한 3세대 이동통신의 보급은 유무선 통신망의 트래픽을 더욱 증가 시킬 것으로 예상된다. 특히 가입자망에서 수백 Mb/s 이상의 가입자 사용대역을 제공할 수 있는 것은 광통신 기술만이 가능하다.
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