Journal of e Korea Academia-Industrial cooeration Society Vol. 13, No. 3. 1263-1269, 2012 htt://dx.doi.org/10.5762/kais.2012.13.3.1263 저온파장보상을위한히터내장형 CWDM(Coarse Waveleng Division Multilexing) 광송수신기에관한연구 권윤구 1*, 박경수 1, 이지현 1, 김창봉 2 1 ( 주 ) 빛과전자광전자연구소, 2 공주대학교정보통신공학부 The esearch on e Heated CWDM(Coarse Waveleng Division Multilexing) Otical Transceiver for e Waveleng Comensation at e Low Temerature. Yoon-Koo Kwon 1*, Kyoung-Su Park 1, Ji-Hyun Lee 1 and Chang-Bong Kim 2 1 Oto-electrionics &D Center, Lightron Fiber-otic Devices Inc. 2 Division of adio-wave Engineering, Kongju National University 요약본논문은광통신용 CWDM(Coarse Waveleng Division Multilexing) 광송수신기레이저에히터를내장시켜저온파장을보상하기위한연구이다. 일반적으로 DFB(Distributed Feedback) 레이저파장의온도변화량은약 0.1 nm/ 정도이다. 즉온도가올라가면파장도올라가고, 온도가내려가면파장도내려간다. 따라서각채널별기준중심파장간의간격이 20 nm인 CWDM 광통신망에서는근접채널간의파장간섭을막기위해서동작온도범위를넓힐수없는문제를갖고있다. 이를보완하기위해히터를 CWDM LD(Laser Diode) TO-CAN 패키지바닥면에부착하여저온에서의파장을보상할수있다. 따라서이를이용해서산업용광송수신기동작온도범위인 -40~+85 에서기준파장대비 +/-6.5 nm 변화폭에만족시킬수가있었다. Abstract This aer is e research on e heated CWDM otical transmitter for e waveleng comensation at e low temerature. In general, e waveleng deviation of DFB laser is around 0.1 nm/c. The waveleng of DFB laser shifts to longer(shorter) waveleng according to e temerature increase(decrease). Tyical CWDM otical communication network has 20 nm channel sacing from reference center waveleng er each channel. There is some limitation roblem in e range of oerating temerature due to e channel interference. For solving e limited temerature range roblem, esecially at e low temerature, we use e heater on e DFB laser. As a result, we could realize e CWDM otical transmitter to meet +/-6.5 nm from reference center waveleng in e range of temerature at -40~+85, which is alicable to e industrial field. Key Words : CWDM(Coarse Waveleng Division Multilexing), DFB(Distributed Feedback), Otical Transceiver, Heater 1. 서론 일반적으로사용되는광송신기는언쿨드레이저다이오드를이용하므로, 온도에따른파장의변화폭이넓어사용하고자하는동작온도범위가상당히제한적이다. ITU(International Telecommunication Union) G.694.2에서정의하는 CWDM(Coarse Waveleng Division Multilex) 의각채널중심파장분포는 1271 nm부터 1611 nm까지총 18 채널이며, 각채널의간격은 20 nm이다.[1] 즉, CWDM의광송신기에사용되는언쿨드레이저다이오드는온도 1 당약 0.08~0.1 nm의파장변화폭을갖는데, 채널상호간의간섭을받지않기위해서는기준파장에서최대 +/-6.5 nm의변화폭이허용된다. 이로인해산업용동작온도환경인 -40~+85 에서 CWDM 레이저 * 교신저자 : Yoon-Koo Kwon Tel: +82-10-2372-5107 e-mail: ykkwon@lightron.co.kr 접수일 12 년 01 월 09 일수정일 (1 차 12 년 02 월 15 일, 2 차 12 년 02 월 27 일 ) 게재확정일 12 년 03 월 08 일 1263
한국산학기술학회논문지제 13 권제 3 호, 2012 를적용하기가쉽지않다. 이로인해상용 CWDM 광송신기는 0~+70 에서동작하는제품이대부분이다.[2][3] 본논문에서는온도 1 가올라가면약 0.08~0.1 nm 의파장이올라가거나, 온도 1 가떨어지면약 0.08~ 0.1 nm의파장이내려가는 DFB 레이저의온도특성을이용하여제한적인동작온도범위를 -40~+85 온도범위에서도사용할수있도록확장하고자하였다.[4] 이는그림 1에서비교해서볼수가있는데, X축의오른쪽으로갈수록장파장이며, 왼쪽으로갈수록단파장을의미한다. 그리고온도범위를 -40~+85 로하고, 히터가없는경우는저온에서는단파장이 ITU규격을만족하지못하고, 히터가있는경우는 ITU 규격안으로모든파장이들어오는것을알수있다. 저온몇 이하에서히터를켜는것은상황에따라다르겠지만, 본논문에서는 0 이하에서켜는것으로하였다. 장파장쪽은온도보상을할수없어서 25 기준파장에서 +0.5 nm 마진을갖는 DFB 레이저칩만사용해야한다. 즉 25 에서 85 까지 60 차이이므로, 약 6 nm 정도의파장이증가한다고보면 0.5 nm 정도의마진을포함한다. 그림 1은히터가없는경우는저온에서는단파장이 ITU규격을만족하지못하고, 히터가있는경우는 ITU 규격안으로모든파장이들어오는것을나타내며, 봉우리모양은 DFB 레이저의주모드를의미한다. 이용하여저온에서의파장보상이가능하며이로써전온도대역에서의 CWDM 파장의변화폭을줄일수있었다. 즉, 산업용동작온도환경인 -40~+85 범위에서도 CWDM 광송신파장의범위가기준파장에서 +/-6.5 nm 이내에들어올수있도록구현하여온도범위가확장된광송신모듈을개발하였다. 히터제어를위해서는써미스터 ( ) 를적용하여원하는온도이하가되면자동으로히터를켤수있는 O-Am와트랜지스터로간단히구현가능하면된다. 구동회로의히터구동전류를계산하기위한공식은아래와같이정의할수있다. 즉, 온도가내려갈수록써미스터 ( ) 값이증가하여일정온도이하에서만히터가켜질수있다는것을알수있다. [ 그림 1] 온도변화에따른파장변환 [Fig. 1] Waveleng changes according to temerature changes. 히터를적절하게적용하기위해서는 CWDM DFB 레이저와가장가까운위치에히터를부착하여열을발생하여레이저의온도를올려줌으로써저온에서레이저파장이내려가는것을막아줄수있다. 이와같이히터를 // I Heat I = Ic Ie = V + / e Heat // V + = = + V + + = V + = V = Ve Ie = Ve / e = V + / e // V + s ref Vref S + + + V ref S + + = e - I heat : 히터구동전류 - V ref : 2.5 V - : 82 kω - s : 100 kω - e : 10 Ω - : 써미스터, 10 kω (@25 ) 1264
저온파장보상을위한히터내장형 CWDM(Coarse Waveleng Division Multilexing) 광송수신기에관한연구 2. 본론 2.1 히터제작및조립 히터의재질은주위온도에따라자체저항이변경되어발열량을조정하는소재로제작하여적용하였으며, 구동회로가간단하고, 가격이저렴해서광송수신모듈의가격경쟁력을높일수있다. 일부업체에서는다양한방법으로다양한재질의히터를이용하여동작온도환경 -40~+85 에서사용가능하도록하고있지만, 복잡한구동회로와높은소비전력의단점을가지고있다. 본논문에서사용된히터는온도가일정온도이하로내려가면자체저항값이작아져서적정온도로발열하고일정온도이상이되었을경우에는자체저항값이급격하게상승하여발열을멈추게된다. 따라서저온에서만발열하여 LD 칩에열을가하여 LD 칩의온도를상승하게한다. 결국주변온도가하강한만큼을히터가발열하여온도를보상해주는것인데, 이는레이저다이오드의주변온도에따른파장변화폭을줄일수있는것이다. 본논문에사용되는히터형상은기존언쿨드 LD-TO 스템바닥면에부착할수있도록최대직경 6 mm, 두께 1 mm의원형모양으로그림 2와같이제작하였다. 이런형상은상용 TO-56 또는 TO-46을그대로사용할수있다는장점이있다. 보통 LD-TO의경우, LD 어노드, LD 캐소드, 모니터 PD 어노드, 모니터 PD 캐소드로총 4개의핀을갖고있으므로, 히터는총 4 개의홀을뚫어가공했고, 윗면에전원을인가하고, 바닥면에그라운드를잡아주면작동이가능하며, 전원의방향성은없기때문에쉽게조립할수있다. Heater [ 그림 3] SFP 제품에조립된히터 [Fig. 3] Assembled heater on SFP roduct 2.2 실험결과 본히터를적용한광송수신모듈을제작하여실험을통해검증하였으며, 실험조건및제품사양은최근 CPI(Common Public adio Interface) 용으로사용되는 2.5 Gbs 광송수신기를기준으로하고있으며아래와같이실험조건과주요사양을요약할수있다. * 실험조건및주요사양 - 전송속도 : 2.5 Gbs - 데이터패턴 : PBS 2 23-1 - 온도범위 : -40~+85 - 소비전력 : 최대 1.5 W - 사용전원 : 3.3 V +/-5 % - 광파워 : -2~+3 dbm - 광소광비 : 최소 8.2 db - 송신파장 : 1464.5~1477.5 nm - 수신감도 : 최대 -21 dbm - LOS(Loss of Signal) : 최대 -22 dbm [ 그림 2] TO-CAN 에적합한원형히터형상 [Fig. 2] ound heater shae was designed to TO-CAN 히터가부착된 LD-TO CAN을조립하기위해서는 LD Stem의바닥면에히터를붙여야 LD와가장가까워지므로, 열전달에효과적이다. 실제 SFP(Small Form-factor Pluggable) 광송수신기에적용된히터는그림 3와같이구현할수있다. 위의실험조건에서와같이 -40 부터 +85 까지온도를변화시키면서, 각사용전원 3.3 V +/-5 % 인 3.135, 3.3 및 3.465 V에서주요파라메터를실제측정을통해확인하였다. 송신광파워는모든온도범위에서 -2 dbm~+3 dbm 을만족했고, 광소광비 (Otical Extinction atio) 역시최소 8.2 db 이상의값을유지하면서문제없이동작하는것을확인하였다. 또한본논문에서가장중요한송신파장변화에관한실험에서는아래쪽파장은 1468.16 nm로약 4 nm 정도의마진을확보하였고, 위쪽파장은 1476.06으로약 2 nm 정도의마진확보가가능하다는것을확인했다. 이는 1464.5~1477.5 nm를만족하는결과이다. 결 1265
한국산학기술학회논문지제 13 권제 3 호, 2012 국은상온 +25 기준에서 LD 칩을선별할수있는파장폭을확대할수있는데, 히터가부착된제품에서는 -3 nm 및 +1 nm 범위로 LD 칩선별이가능하다는것을알수있다. 하지만히터가없다면 -1 nm 및 + 1nm 정도의작은파장범위로 LD 칩을선별해야하는데, 생산수율이나쁘기때문에양산할수없는수치이다. 송신실험결과를요약하면아래의표 1과같고, 사용전원및온도변화에따른광파워, 광소광비, 송신파장의시험결과는그림 4, 5, 6에나타나있다. [ 표 1] 송신실험결과 [Table 1] Transmitter test results 측정항목 최소 최대 차이 광파워 -0.86 dbm -0.34 dbm 0.52 db 광소광비 9.43 db 10.30 db 0.87 db 송신파장 1468.16 nm 1476.06 nm 7.9 nm [ 그림 6] 송신파장시험결과 [Fig. 6] Test results of transmitter waveleng [ 그림 4] 광출력시험결과 [Fig. 4] Test results of otical outut 또한, -40, +25, +85 의각각의온도에서 2.5 Gbs 광송신 Eye 패턴다이어그램을 IEEE OC-48 기준으로확인했으며, 모든온도대역에서깨끗한 Eye 모양을확인할수있었다. 이것으로광송수신기의외부온도가변화더라도히터사용으로송신 Eye 다이어그램특성에영향을주지않음을입증할수있는것이다. 실제온도별 Eye 다이어그램의측정결과는그림 7, 8, 9에서확인할수있으며, 아래그림에서와같이마진 25 % 를설정할수있는데, 이보다충분히큰마진을확보가되고있는것을알수있다. 또한, 온도에따른 Eye 다이어그램은전온도에서약 10 db의광소광비를설정한상태이므로모두유사한모양이다. [ 그림 5] 광소광비시험결과 [Fig. 5] Test results of otical extinction ratio [ 그림 7] -40 에서의 Eye 다이어그램시험결과 [Fig. 7] Eye diagram test results at -40 1266
저온파장보상을위한히터내장형 CWDM(Coarse Waveleng Division Multilexing) 광송수신기에관한연구 [ 표 2] 소비전력시험결과 [Table 2] Power consumtion test results 측정항목히터저항최대전류소모전력 측정값 11.7 Ω 379 ma 1.31 W [ 그림 8] +25 에서의 Eye 다이어그램시험결과 [Fig. 8] Eye diagram test results at +25 [ 그림 10] 최대소비전류시험결과 [Fig. 10] Test results of maximum ower suly current [ 그림 9] +85 에서의 Eye 다이어그램시험결과 [Fig. 9] Eye diagram test results at +85 하지만광송수신기에히터를사용함에따라소비전력이증가되는것이우려되는데, 히터가없는일반적인광송수신기의소비전력은 1 W 이하가되어야하지만, 히터가있는광송수신기의소비전력은 1.5 W까지는통상적으로허용이가능하다. 소비전력을줄이기위해서는히터의저항값을키우면되겠지만, 히터의저항값이커지면히터효율이같이떨어지기때문에파장마진을가질수있는적절한히터저항값을찾아서선택하는것이중요하다. 본논문에서는위의송신파장실험결과에따라히터저항값은 11.7 Ω으로선정하여사용하였다. 이때의광송수신기의최대소비전류는그림 10과같이최대 379 ma이며, 최대소비전력으로는 1.31 W임을확인하였는데, 이는 1.5 W의소비전력기준에만족한다. 소비전력실험결과를요약하면아래의표 2과같고, 사용전원및온도변화에따른최대소비전류시험결과는그림 10에나타나있다. 그리고그림 11는위와동일한샘플로전송속도 2.5 Gbs에서비트에러시험기를이용하여얻은수신감도와 BE(Bit Error ate) 결과그래프시험결과이다. 이때의광수신기는 PIN-PD(Photo Diode) 이다. 본시험결과를얻기위해서는광수신기에입력되는광파워를광감쇄기로조정하면서비트에러를확인해야한다. 이 BE 커브를통해선형성있는수신감도특성확보가되는지와히터의영향으로특성저하가일어나는지를확인할수있으며, BE 커브를통해광입력범위에따라선형적으로기울기가형성되는것을볼수있었다. 이는수신되는광입력을 -30 dbm부터 -20 dbm까지 0.5 db 간격으로조정하면서 BE 카운트를 1E-3부터 1E-12까지분석하여얻어낸수치를그래프로그린것이다. 2.5 Gbs의 BE 1E-12에서 PIN-PD를사용하는조건에서는사양 -21 dbm 이하의수신감도특성을만족하여야하는데, 표 3에서보듯이본실험결과에서는모든조건에서대략 -26.9 dbm에서 -26.2 dbm 수준의매우좋은수신감도결과를얻을수있었다. LD가켜질때와꺼질때의수신감도를비교하여전기적인크로스톡 (Cross-Talk) 을측정해보니약 0.04 db의좋은결과를얻을수있었다. 이는히터와송신기의전원이켜져있더라도수신기에영향을주지않는것을의미한다. 또한, LOS(Los of Signal) 의설정에도문제없이최대 -22 dbm을여유있게만족할수 1267
한국산학기술학회논문지제 13 권제 3 호, 2012 있었다. 결과적으로히터의사용으로수신특성에전혀영향을주지않고문제없이좋은특성을만족시킬수있다는것을증명해주는것이다. [ 표 3] 수신실험결과 [Table 3] eceiver test results 측정항목 최소 최대 차이 수신감도 -26.9 dbm -26.2 dbm 0.7 db LOS -33.0 dbm -32.6 dbm 0.4 db X-talk -26.63 dbm (LD On) [ 그림 11] 수신감도시험결과 [Fig. 11] Test results of sensitivity -26.67 dbm (LD Off) 0.04 db 3. 결론 광송수신기설계하고생산하는대부분의제조업체에서는 ITU G.694.2에서정의하는각채널의 CWDM LD사용에있어서 +/-6.5 nm 파장범위의제한으로온도범위확장에가장큰문제를갖고있었다. 따라서 CWDM LD 칩의파장범위를선별해서사용할수밖에없는데, 이는제품설계를어렵게하고생산수율을떨어뜨리는주요요인이될수있다. 따라서히터를광송수신기내부에적용함으로써사용온도범위를 -40에서 +85 까지확장시킬수있다는것을본논문을통해입증하였다. 다시말하면, 히터를광송수신기에적용하였을때, 광출력파워, 광소광비, 송신파장, 수신감도등주요특성에영향을받는지의여부를확인하기위하여, 각종실험을수행하였고, 각결과를분석하였다. 본논문의결과에따라히터를적용하더라도주요특성에문제가없다는것을검증하였다. 결국현실적으로 CWDM 광송수신기에서는히터를적용함으로써사용온도범위를 -40에서 +85 까지확장시키는것이좋은방안이될수있다. 반면에일반적인 SFP 제품은전력소모량은 1W 이하인데, 본논문과같이히터를적용함으로인해전력소모량이커지게되므로, 최대 1.5 W이하까지는허용되어야한다. 요약하면히터를이용한제품과일반제품간에비교가되는내용은단지온도범위와소비전력으로압축할수있고, 이에대해서는아래표 4와같이정리할수있다. [ 표 4] 히터에따른 CWDM 광송수신기비교 [Table 4] CWDM otical transceiver comarison according to heater 비교항목 히터미적용 히터적용 온도범위 0~+70-40~+85 소비전력 <1.0 W <1.5 W [ 그림 12] LOS 시험결과 [Fig. 12] Test results of LOS 또한향후에는히터대신에 LD-TO CAN에 TEC (Thermoelectric Cooler) 를내장한 Cooled LD-TO CAN을적용하는것도좋은방법이될수있다. 하지만, 현재는히터타입보다는소비전력이훨씬크고, 제작공정이까다로우며, TEC 가격이높아서 CWDM용제품으로는적용이어렵다. 참고로, TEC를사용하는경우에소모전력이큰이유는약 +35~40 정도의일정한 TEC 온도에모든주변온도에서도고정해야하므로, 주변온도가변화하면 TEC의일정온도를유지하기위해서 TEC의전류가크게늘어나게된다. 결론적으로소모전력뿐만아 1268
저온파장보상을위한히터내장형 CWDM(Coarse Waveleng Division Multilexing) 광송수신기에관한연구 니라 TEC 가격이비싸고, LD-TO CAN 내부에내장해야하므로, 제작이어려워제작단가가올라갈수밖에없는구조이다. 따라서일부 DWDM(Dense Waveleng Division Multilex) 광송수신기와같은고가의제품에만적용이가능할수있고, 지속적인연구개발이필요하다.[5] eferences [1] International Telecommunication Union, Sectral grids for WDM alications: CWDM waveleng grid", ITU-T G.694.2,.2-3, 2003.12 [2] United States Deartment of Defense,"Test Meod Stanard for Environment Engineering Considerations and Laboratory Tests",MIL-STD-810G,2008.10.31 [3] Written by Hyun-bum Choi et al. "Temerature Characteristics of CWDM system" Otical Society of Korea Summer Meeting, 2004 [4] Joseh C. Palais, "Fiber Otics Communications" Third Edition, Prentice-Hall International Editions,.159-161, 1992 [5] Written by Jong-duck Kim et al. "Waveleng stabilized high ower cw DFB laser module for DWDM transmission" Journal of e Otical Society of Korea, Volume 11, Number 3,.206-209, June 2000 박경수 (Kyoung-Su Park) [ 정회원 ] 광소자, 광트랜시버, CATV 2003 년 8 월 : 강원대학교전기전자정보통신공학부전기전자전공 ( 공학사 ) 2005 년 8 월 : 강원대학교대학원전자공학 ( 공학석사 ) 2005 년 8 월 ~ 현재 : ( 주 ) 빛과전자연구원 이지현 (Ji-Hyun Lee) [ 정회원 ] 광트랜시버, 광전송 1997 년 2 월 : 공주대학교정보통신공학 ( 공학사 ) 1999 년 8 월 : 공주대학교대학원전기전자공학 ( 공학석사 ) 2010 년 9 월 ~ 현재 : ( 주 ) 빛과전자연구소팀장 권윤구 (Yoon-Koo Kwon) [ 정회원 ] 광소자, 광트랜시버, 광전송, CATV 1998 년 2 월 : 공주대학교정보통신공학 ( 공학사 ) 2000 년 2 월 : 공주대학교대학원전기전자공학 ( 공학석사 ) 2009 년 3 월 ~ 현재 : 공주대학교대학원정보통신공학박사과정 2004 년 1 월 ~ 현재 : ( 주 ) 빛과전자연구소장 김창봉 (Chang-Bong Kim) [ 정회원 ] 1988 년 6 월 : 미국 Florida Institute of Technology 전기전자공학 ( 공학석사 ) 1992 년 5 월 : 미국 Texas A&M University 전기전자공학 ( 공학박사 ) 2000 년 9 월 ~ 현재 : 미국전기전자공학회 (IEEE) Senior Member 1993 년 3 월 ~ 현재 : 공주대학교전파전공정교수 광소자, 광전송, 태양전지 1269