선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 논문에서는 온도 1 ℃가 올라가면 약 0.08～0.1 nm의 파장이 올라가거나, 온도 1 ℃가 떨어지면 약 0.08～ 0.1 nm의 파장이 내려가는 DFB 레이저의 온도 특성을 이용하여 제한적인 동작 온도범위를 -40~+85 ℃ 온도 범위에서도 사용할 수 있도록 확장하고자 하였다.[4] 이는 그림 1에서 비교해서 볼 수가 있는데, X축의 오른 쪽으로 갈수록 장파장이며, 왼쪽으로 갈수록 단파장을 의미한다.
제안 방법
- 다시 말하면, 히터를 광 송수신기에 적용하였을 때, 광출력 파워, 광 소광비, 송신 파장, 수신감도 등 주요 특성에 영향을 받는지의 여부를 확인하기 위하여, 각종 실험을 수행하였고, 각 결과를 분석하였다. 본 논문의 결과에 따라 히터를 적용하더라도 주요특성에 문제가 없다는 것을 검증하였다.
- 본 히터를 적용한 광 송수신 모듈을 제작하여 실험을 통해 검증 하였으며, 실험 조건 및 제품 사양은 최근 CPRI(Common Public Radio Interface)용으로 사용되는 2.5 Gbps 광 송수신기를 기준으로 하고 있으며 아래와 같이 실험 조건과 주요 사양을 요약 할 수 있다. 위의 실험 조건에서와 같이 -40℃부터 +85℃까지 온도를 변화시키면서, 각 사용전원 3.
- 5 Gbps 광 송수신기를 기준으로 하고 있으며 아래와 같이 실험 조건과 주요 사양을 요약 할 수 있다. 위의 실험 조건에서와 같이 -40℃부터 +85℃까지 온도를 변화시키면서, 각 사용전원 3.3 V +/-5%인 3.135, 3.3 및 3.465 V에서 주요 파라메터를 실제 측정을 통해 확인하였다.
- 이와 같이 히터를 이용하여 저온에서의 파장 보상이 가능하며 이로써 전 온도대역에서의 CWDM 파장의 변화 폭을 줄일 수 있었다. 즉, 산업용 동작 온도 환경인 -40~+85 ℃ 범위에서도 CWDM 광 송신 파장의 범위가 기준 파장에서 +/-6.5 nm 이내에 들어 올 수 있도록 구현하여 온도 범위가 확장된 광 송신 모듈을 개발하였다.
대상 데이터
- 일반적으로 사용되는 광 송신기는 언쿨드 레이저 다이오드를 이용하므로, 온도에 따른 파장의 변화폭이 넓어 사용하고자 하는 동작 온도 범위가 상당히 제한적이다. ITU(International Telecommunication Union) G.694.2에서 정의하는 CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex)의 각 채널 중심 파장분포는 1271 nm부터 1611 nm까지 총 18 채널이며, 각 채널의 간격은 20 nm이다.[1] 즉, CWDM의 광 송신기에 사용되는 언쿨드 레이저 다이오드는 온도 1 ℃당 약 0.
- 본 논문에 사용되는 히터 형상은 기존 언쿨드 LD-TO 스템 바닥면에 부착할 수 있도록 최대 직경 6 mm, 두께 1 mm의 원형 모양으로 그림 2와 같이 제작 하였다. 이런 형상은 상용 TO-56 또는 TO-46을 그대로 사용할 수 있다는 장점이 있다.
성능/효과
- 5 dB 간격으로 조정하면서 BER 카운트를 1E-3부터 1E-12까지 분석하여 얻어낸 수치를 그래프로 그린 것이다. 2.5 Gbps의 BER 1E-12에서 PIN-PD를 사용하는 조건에서는 사양 -21 dBm 이하의 수신감도 특성을 만족하여야 하는데, 표 3에서 보듯이 본 실험 결과에서는 모든 조건에서 대략 -26.9 dBm에서 -26.2 dBm 수준의 매우 좋은 수신감도 결과를 얻을 수 있었다. LD가 켜질 때와 꺼질 때의 수신감 도를 비교하여 전기적인 크로스톡(Cross-Talk)을 측정해 보니 약 0.
- 2 dBm 수준의 매우 좋은 수신감도 결과를 얻을 수 있었다. LD가 켜질 때와 꺼질 때의 수신감 도를 비교하여 전기적인 크로스톡(Cross-Talk)을 측정해 보니 약 0.04 dB의 좋은 결과를 얻을 수 있었다. 이는 히터와 송신기의 전원이 켜져 있더라도 수신기에 영향을 주지 않는 것을 의미한다.
- 또한, LOS(Los of Signal)의 설정에도 문제없이 최대 -22 dBm을 여유 있게 만족할 수 있었다. 결과적으로 히터의 사용으로 수신 특성에 전혀 영향을 주지 않고 문제없이 좋은 특성을 만족시킬 수 있다는 것을 증명해 주는 것이다.
- 5nm를 만족하는 결과이다. 결국은 상온 +25 ℃ 기준에서 LD 칩을 선별할 수 있는 파장 폭을 확대 할 수 있는데, 히터가 부착된 제품에서는 -3 nm 및 +1 nm 범위로 LD 칩 선별이 가능하다는 것을 알 수 있다. 하지만 히터가 없다면 -1 nm 및 + 1nm 정도의 작은 파장 범위로 LD 칩을 선별해야 하는데, 생산 수율이 나쁘기 때문에 양산할 수 없는 수치이다.
- 참고로, TEC를 사용하는 경우에 소모 전력이 큰 이유는 약 +35～40℃ 정도의 일정한 TEC 온도에 모든 주변 온도에서도 고정해야 하므로, 주변 온도가 변화하면 TEC의 일정 온도를 유지하기 위해서 TEC의 전류가 크게 늘어나게 된다. 결론적으로 소모전력 뿐만 아니라 TEC 가격이 비싸고, LD-TO CAN 내부에 내장해야 하므로, 제작이 어려워 제작 단가가 올라 갈 수밖에 없는 구조이다. 따라서 일부 DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex)광 송수신기와 같은 고가의 제품에만 적용이 가능할 수 있고, 지속적인 연구 개발이 필요하다.
- 따라서 CWDM LD 칩의 파장범위를 선별해서 사용 할 수밖에 없는데, 이는 제품 설계를 어렵게 하고 생산 수율을 떨어뜨리는 주요 요인이 될 수 있다. 따라서 히터를 광 송수신기 내부에 적용함으로써 사용 온도범위를 -40에서 +85 ℃까지 확장시킬 수 있다는 것을 본 논문을 통해 입증하였다.
- 2dB 이상의 값을 유지하면서 문제없이 동작하는 것을 확인하였다. 또한 본 논문에서 가장 중요한 송신 파장 변화에 관한 실험에서는 아래쪽 파장은 1468.16 nm로 약 4nm 정도의 마진을 확보하였고, 위쪽 파장은 1476.06으로 약 2 nm 정도의 마진 확보가 가능하다는 것을 확인했다. 이는 1464.
- 또한, -40, +25, +85℃의 각각의 온도에서 2.5 Gbps 광 송신 Eye 패턴 다이어그램을 IEEE OC-48 기준으로 확인했으며, 모든 온도 대역에서 깨끗한 Eye 모양을 확인 할 수 있었다. 이것으로 광 송수신기의 외부 온도가 변화더라도 히터 사용으로 송신 Eye 다이어그램 특성에 영향을 주지 않음을 입증할 수 있는 것이다.
- 이는 히터와 송신기의 전원이 켜져 있더라도 수신기에 영향을 주지 않는 것을 의미한다. 또한, LOS(Los of Signal)의 설정에도 문제없이 최대 -22 dBm을 여유 있게 만족할 수 있었다. 결과적으로 히터의 사용으로 수신 특성에 전혀 영향을 주지 않고 문제없이 좋은 특성을 만족시킬 수 있다는 것을 증명해 주는 것이다.
- 다시 말하면, 히터를 광 송수신기에 적용하였을 때, 광출력 파워, 광 소광비, 송신 파장, 수신감도 등 주요 특성에 영향을 받는지의 여부를 확인하기 위하여, 각종 실험을 수행하였고, 각 결과를 분석하였다. 본 논문의 결과에 따라 히터를 적용하더라도 주요특성에 문제가 없다는 것을 검증하였다. 결국 현실적으로 CWDM 광 송수신기에 서는 히터를 적용함으로써 사용 온도범위를 -40에서 +85 ℃까지 확장 시키는 것이 좋은 방안이 될 수 있다.
- 송신 광 파워는 모든 온도 범위에서 -2dBm～+3dBm 을 만족했고, 광 소광비(Optical Extinction Ratio) 역시 최소 8.2dB 이상의 값을 유지하면서 문제없이 동작하는 것을 확인하였다. 또한 본 논문에서 가장 중요한 송신 파장 변화에 관한 실험에서는 아래쪽 파장은 1468.
- 본 시험 결과를 얻기 위해서는 광 수신기에 입력되는 광 파워를 광 감쇄기로 조정하면서 비트 에러를 확인해야 한다. 이 BER 커브를 통해 선형성 있는 수신감도 특성 확보가 되는지와 히터의 영향으로 특성 저하가 일어나는지를 확인 할 수 있으며, BER 커브를 통해 광 입력 범위에 따라 선형적으로 기울기가 형성되는 것을 볼 수 있었다. 이는 수신되는 광 입력을 -30 dBm부터 -20 dBm까지 0.
- 히터를 적절하게 적용하기 위해서는 CWDM DFB 레이저와 가장 가까운 위치에 히터를 부착하여 열을 발생하여 레이저의 온도를 올려줌으로써 저온에서 레이저 파장이 내려가는 것을 막아 줄 수 있다. 이와 같이 히터를 이용하여 저온에서의 파장 보상이 가능하며 이로써 전 온도대역에서의 CWDM 파장의 변화 폭을 줄일 수 있었다. 즉, 산업용 동작 온도 환경인 -40~+85 ℃ 범위에서도 CWDM 광 송신 파장의 범위가 기준 파장에서 +/-6.
- 구동 회로의 히터 구동 전류를 계산하기 위한 공식은 아래와 같이 정의 할 수 있다. 즉, 온도가 내려갈수록 써미스터(Rth)값이 증가하여 일정 온도이하에서만 히터가 켜질 수 있다는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 또한 향후에는 히터 대신에 LD-TO CAN에 TEC (Thermoelectric Cooler)를 내장한 Cooled LD-TO CAN을 적용하는 것도 좋은 방법이 될 수 있다. 하지만, 현재는 히터 타입보다는 소비 전력이 훨씬 크고, 제작 공정이 까다로우며, TEC 가격이 높아서 CWDM용 제품으로는 적용이 어렵다.
- 이때의 광 수신기는 PIN-PD(Photo Diode)이다. 본 시험 결과를 얻기 위해서는 광 수신기에 입력되는 광 파워를 광 감쇄기로 조정하면서 비트 에러를 확인해야 한다. 이 BER 커브를 통해 선형성 있는 수신감도 특성 확보가 되는지와 히터의 영향으로 특성 저하가 일어나는지를 확인 할 수 있으며, BER 커브를 통해 광 입력 범위에 따라 선형적으로 기울기가 형성되는 것을 볼 수 있었다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.