광통신 선로의 광파워 및 손실광통신 선로의 광파워 및 손실광통신 선로의 광파워 및 손실광통신 선로의 광파워 및 손실

측정기 개발에 관한 보고서측정기 개발에 관한 보고서측정기 개발에 관한 보고서측정기 개발에 관한 보고서

최종보고서최종보고서최종보고서최종보고서( )( )( )( )

2003. 11. .2003. 11. .2003. 11. .2003. 11. .

주 관 기 관 주 오 에 이 전 자주 관 기 관 주 오 에 이 전 자주 관 기 관 주 오 에 이 전 자주 관 기 관 주 오 에 이 전 자( )( )( )( )

참 여 기 관 주 오 에 이 전 자참 여 기 관 주 오 에 이 전 자참 여 기 관 주 오 에 이 전 자참 여 기 관 주 오 에 이 전 자( )( )( )( )

위 탁 기 관 조선대학교위 탁 기 관 조선대학교위 탁 기 관 조선대학교위 탁 기 관 조선대학교

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

- 2 -

최 종 보 고 서 제 출 서최 종 보 고 서 제 출 서최 종 보 고 서 제 출 서최 종 보 고 서 제 출 서

년 산업기술개발사업에 의하여 완료한 광통신 선로의 광파워 및 손실 측2001

정기 개발에 관한 기술개발사업의 최종보고서를 별첨과 같이 제출합니다 동사. (

업운영요령 제 조 개발사업결과의 활용 에 따라 전담기관이 최종보고서를 관련31 ( )

연구기관 산업계 학계 등으로의 배포에 동의합니다, , .)

첨 부첨 부첨 부첨 부 :::: 최종보고서 부최종보고서 부최종보고서 부최종보고서 부1. 101. 101. 101. 10

참여기업대표의 기술개발성과 확약서 및 평가의견서 각 부참여기업대표의 기술개발성과 확약서 및 평가의견서 각 부참여기업대표의 기술개발성과 확약서 및 평가의견서 각 부참여기업대표의 기술개발성과 확약서 및 평가의견서 각 부2. 12. 12. 12. 1

2003 . 11 . .2003 . 11 . .2003 . 11 . .2003 . 11 . .

총괄 관리 책임자총괄 관리 책임자총괄 관리 책임자총괄 관리 책임자( ) :( ) :( ) :( ) : 김 택 영김 택 영김 택 영김 택 영

주관기관 주 오에이전자주관기관 주 오에이전자주관기관 주 오에이전자주관기관 주 오에이전자: ( ): ( ): ( ): ( )

산업자원부장관 귀하산업자원부장관 귀하산업자원부장관 귀하산업자원부장관 귀하

- 3 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 광통신 선로의 광파워 및 손실 측정기 개발에 관한 기술개발 개발본 보고서를 광통신 선로의 광파워 및 손실 측정기 개발에 관한 기술개발 개발본 보고서를 광통신 선로의 광파워 및 손실 측정기 개발에 관한 기술개발 개발본 보고서를 광통신 선로의 광파워 및 손실 측정기 개발에 관한 기술개발 개발“ ” (“ ” (“ ” (“ ” (

기간 과제의 최종보고서로 제출합니다기간 과제의 최종보고서로 제출합니다기간 과제의 최종보고서로 제출합니다기간 과제의 최종보고서로 제출합니다: 2001. 9. ~ 2003. 8.) .: 2001. 9. ~ 2003. 8.) .: 2001. 9. ~ 2003. 8.) .: 2001. 9. ~ 2003. 8.) .

2003 . 11 . .2003 . 11 . .2003 . 11 . .2003 . 11 . .

개발사업주관기관명 주 오에이 전자개발사업주관기관명 주 오에이 전자개발사업주관기관명 주 오에이 전자개발사업주관기관명 주 오에이 전자: ( ): ( ): ( ): ( )

개발사업총괄 관리 책임자 김 택 영개발사업총괄 관리 책임자 김 택 영개발사업총괄 관리 책임자 김 택 영개발사업총괄 관리 책임자 김 택 영( ) :( ) :( ) :( ) :

연 구 원 최 선 희연 구 원 최 선 희연 구 원 최 선 희연 구 원 최 선 희::::

김 영 호김 영 호김 영 호김 영 호::::〃〃〃〃

최 현 용최 현 용최 현 용최 현 용::::〃〃〃〃

구 대 섬구 대 섬구 대 섬구 대 섬::::〃〃〃〃

정 래 성정 래 성정 래 성정 래 성::::〃〃〃〃

- 4 -

산업기술개발사업 보고서 초록산업기술개발사업 보고서 초록산업기술개발사업 보고서 초록산업기술개발사업 보고서 초록

관리번호 A-14-03-01

과제명 광통신 선로의 광파워 및 손설 측정기 개발

더 워드| 포토다이오드 레이저다이오드 광손실 안정화 광원 광파워메터 핸디타입/ / / / / /

개발목표 및 내용

최종 개발목표최종 개발목표최종 개발목표최종 개발목표1.1.1.1.

본 연구개발의 최종목표인 광손실 측정기는 안정화 광원과 광파워메터로 구성되어있으며 굉부품.

특성 시험과 광선로 유지보수를 위해 필수적으로 사용되는 안정화된 파장 안정화광원2 (1310nm,

과 광손실을 측정 할 수 있는 광파워메타 를 개발하는데 있다1550nm) (1100nm~1600nm) .

파장 안정화 광원은 레이저 다이오드로부터 출럭되는 광출력파워를 안정적으로 출력하기위한 광2

학적 마진을 고려하여 최대 의 제품을 사용하였으며 개발 목표치는 이고 이는2mW -3dBm .

이다 또한 온도 및 환경변화에도 이내의 광출럭 안정화를 실현하는데 있다 광출력0.5mW . ±0.5dB .

은 독립적으로 와 의 광을 출력할 수 있고 선로 유지보수를 위한 광 발생 기1310nm 1550nm , CW

능을 갖는다.

한편 광파워메터는 타입의 를 사용하므로써 측정파장이 의 광을 측정InGaAs PD 1100nm~1600nm

할 수 있어 광선로 포설 및 현장 사용에 주로 이용되는 와 를 측정 범위에 대해서1310nm 1550nm

문제되지 않는 것으로 판단된다 이와 같은 광의 측정범위는 이며 안정도는. 3dBm~-60dBm

인 광파워 메터를 개발하므로 광통신용 소자 및 광선로 유지보수에 따른 광손실 측0.01dB WDM

정에 사용될 수 있다.

당해연도 개발내용 및 결과당해연도 개발내용 및 결과당해연도 개발내용 및 결과당해연도 개발내용 및 결과2.2.2.2.

온 연구개발의 최종 목표인 파장 안정화 광원은 레이저 다이오드 구동회로로 광파워 안정화 제2

어부와 광출릭 검출회로 광윈 제어회로 전원회로 온도보상회로 주파수 발생회로로 크게 나뉘어, . , .

져 있으며 광출럭 파장은 이며 광출럭은 과 광출력 변화랑, 1310nm, 1550nm -3dBm(0.5nW) ±

의 안정성을 갖도록 하기위하여 온도보상회로에 의해 설계 하였으며 광원의 출력 형태는O.5dB ,

모드와 변조광의 형태를 갖도록 한다CW .

광파워메터는 변환기 자동이득제어 회로 변환기PIN-PD. I-V , , AMP . OFFSET ZERO. Filter. A/D ,

마이크로 컨트롤러 키보드 디스플레이부로 구성되어 있다 또 타입의 를 사용하므로, . . InGaAs PO

측정파장은 를 측정 할 수 있으므로 광통신에 사용되고 있는 와1110nm ~ 1600nm 1310nm

롤 측정범위에 가지고 있으므로 문제가 되지 않는 것으로 판단된다 광파워메터의 측정범1550nm .

위는 이며 측정안 정도는 로 광선로 유지보수와 광통신용 소자의 특성을+3dBM~-60dBm , 0.0ldB

측정하는데 충분한 범위를 갖도록하였다.

한편 개발된 광손실 측정기의 광원은 타 회사 일본 의 제품과 비교시험하였. ( ADVANTEST Q8134)

으며 광파워메터는 타 회사 일온 의 제품과 비교 시험을 분간격으로 회, ( ANRITSU MG9001A) 30 10

실시하였다 또한 수일에 거쳐 실시한뒤 평균화하여 본 결과 데스크타입의 타사제품과 개발한 핸.

디타임의 안정도가 내인 안정성을 가짐을 알수 있었다0.1dB .

기대효과 기술적 및 경제적 효과기대효과 기술적 및 경제적 효과기대효과 기술적 및 경제적 효과기대효과 기술적 및 경제적 효과3. ( )3. ( )3. ( )3. ( )

현재 쌍방항 광전화기 광손실 측정장치에 대한 연구를 통하여 및 회. OTDR. LD PO driver, AMP

로 및 변환회로 및 회로 구동 등의 기술적인 를A/O . Processing Display , Software Know-How

보유함으로써 기술 경쟁력을 갖추고 생산단가를 줄일수 있어 수입에 의존한 광 계측장비를 수입,

대체할 수 있으며 경제적 파급효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다, .

적용운야적용운야적용운야적용운야4444

파장 안정화 광원과 광파워메터는 광산업 전반에 걸쳐 광 부품 생산 광 부품 시험 광 선로 시2 , ,

험 등 모든 광산업에 필수적으로 이용되고 있으며 본 연구개발을 통해 제작된 광원 및 광파워메,

터를 저가격으로 생산한다면 광소자 부분 개발시 성능확인과 광통신 시설 시공 및 운용 유지보, ,

수등 여러분야에서 교육용 및 생산 연구용으로도 널리 사용할 수 있을 것으로 판단된다.

- 5 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 장 개발 내용제 장 개발 내용제 장 개발 내용제 장 개발 내용2222

절 광 손실 요인분석절 광 손실 요인분석절 광 손실 요인분석절 광 손실 요인분석1111

절 광 파워측정 시스템 회로설계 및 조건 분석절 광 파워측정 시스템 회로설계 및 조건 분석절 광 파워측정 시스템 회로설계 및 조건 분석절 광 파워측정 시스템 회로설계 및 조건 분석2222

포토다이오드포토다이오드포토다이오드포토다이오드1. PIN1. PIN1. PIN1. PIN

변환기변환기변환기변환기2. I- V2. I- V2. I- V2. I- V

스위칭 소자의 특성 분석스위칭 소자의 특성 분석스위칭 소자의 특성 분석스위칭 소자의 특성 분석3.3.3.3.

자동이득 제어 밤법자동이득 제어 밤법자동이득 제어 밤법자동이득 제어 밤법4.4.4.4.

회로회로회로회로5. AMP5. AMP5. AMP5. AMP

6. OFFSET ZERO6. OFFSET ZERO6. OFFSET ZERO6. OFFSET ZERO

7. FILTER7. FILTER7. FILTER7. FILTER

변환기변환기변환기변환기8. AD8. AD8. AD8. AD

9. Micro-controller9. Micro-controller9. Micro-controller9. Micro-controller

10. KEYBOARD10. KEYBOARD10. KEYBOARD10. KEYBOARD

11. DISPLAY11. DISPLAY11. DISPLAY11. DISPLAY

절 광원 시스템 회로 설계절 광원 시스템 회로 설계절 광원 시스템 회로 설계절 광원 시스템 회로 설계3333

레이져 다이오드 특성레이져 다이오드 특성레이져 다이오드 특성레이져 다이오드 특성1.1.1.1.

레이져 다이오드 구동회로레이져 다이오드 구동회로레이져 다이오드 구동회로레이져 다이오드 구동회로2.2.2.2.

가 광 파워 안정화 제어부가 광 파워 안정화 제어부가 광 파워 안정화 제어부가 광 파워 안정화 제어부....

나 광 출력 검출 회로나 광 출력 검출 회로나 광 출력 검출 회로나 광 출력 검출 회로....

광원 제어 회로광원 제어 회로광원 제어 회로광원 제어 회로3.3.3.3.

- 6 -

전원회로 구성전원회로 구성전원회로 구성전원회로 구성4.4.4.4.

온도 보상 회로 구성온도 보상 회로 구성온도 보상 회로 구성온도 보상 회로 구성5.5.5.5.

주파수 발생 회로주파수 발생 회로주파수 발생 회로주파수 발생 회로6.6.6.6.

7. PCB Artwork7. PCB Artwork7. PCB Artwork7. PCB Artwork

제 장 시제품 제작 및 성능 시험제 장 시제품 제작 및 성능 시험제 장 시제품 제작 및 성능 시험제 장 시제품 제작 및 성능 시험3333

절 시제품 제작절 시제품 제작절 시제품 제작절 시제품 제작1 .1 .1 .1 .

가 광원 외형 사진가 광원 외형 사진가 광원 외형 사진가 광원 외형 사진....

나 광원 내부 사진나 광원 내부 사진나 광원 내부 사진나 광원 내부 사진....

다 파워 메터의 외형 사진다 파워 메터의 외형 사진다 파워 메터의 외형 사진다 파워 메터의 외형 사진....

라 광 파워메터의 키보드와 디스플레이 사진라 광 파워메터의 키보드와 디스플레이 사진라 광 파워메터의 키보드와 디스플레이 사진라 광 파워메터의 키보드와 디스플레이 사진....

마 광 파워메터 내부 사진마 광 파워메터 내부 사진마 광 파워메터 내부 사진마 광 파워메터 내부 사진....

절 광 손실 측정 장치 실험절 광 손실 측정 장치 실험절 광 손실 측정 장치 실험절 광 손실 측정 장치 실험2 .2 .2 .2 .

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론4444

별첨 시스템 회로도별첨 시스템 회로도별첨 시스템 회로도별첨 시스템 회로도< 1.>< 1.>< 1.>< 1.>

파워메터 회로파워메터 회로파워메터 회로파워메터 회로A. AMPA. AMPA. AMPA. AMP

파워메터 회로파워메터 회로파워메터 회로파워메터 회로B. DIGITAL MAINB. DIGITAL MAINB. DIGITAL MAINB. DIGITAL MAIN

광원 디지털부와 전원부광원 디지털부와 전원부광원 디지털부와 전원부광원 디지털부와 전원부C.C.C.C.

레이져 다이오드 구동부레이져 다이오드 구동부레이져 다이오드 구동부레이져 다이오드 구동부D.D.D.D.

별첨 인쇄 회로 기판별첨 인쇄 회로 기판별첨 인쇄 회로 기판별첨 인쇄 회로 기판< 2.> PCB< 2.> PCB< 2.> PCB< 2.> PCB

광파워메타광파워메타광파워메타광파워메타A.A.A.A.

광원 디지털 제어부광원 디지털 제어부광원 디지털 제어부광원 디지털 제어부B.B.B.B.

광원 레이져 구동부 모듈광원 레이져 구동부 모듈광원 레이져 구동부 모듈광원 레이져 구동부 모듈C.C.C.C.

광파워 와 출력전류와의 관계표광파워 와 출력전류와의 관계표광파워 와 출력전류와의 관계표광파워 와 출력전류와의 관계표D.D.D.D.

- 7 -

표 차 례표 차 례표 차 례표 차 례< >< >< >< >

표 커넥터 손실표 커넥터 손실표 커넥터 손실표 커넥터 손실1.1.1.1.

표 물질에 따른 의 특성표 물질에 따른 의 특성표 물질에 따른 의 특성표 물질에 따른 의 특성2. PD2. PD2. PD2. PD

표 광 파장에 따른 반응도 연산 표표 광 파장에 따른 반응도 연산 표표 광 파장에 따른 반응도 연산 표표 광 파장에 따른 반응도 연산 표3.3.3.3.

표 센싱 회로표 센싱 회로표 센싱 회로표 센싱 회로4.4.4.4.

표 개의 포토다이오드 센싱 회로 특성표 개의 포토다이오드 센싱 회로 특성표 개의 포토다이오드 센싱 회로 특성표 개의 포토다이오드 센싱 회로 특성5. 45. 45. 45. 4

표표표표 6. AD645 specification6. AD645 specification6. AD645 specification6. AD645 specification

표 스위칭 소자 비교표 스위칭 소자 비교표 스위칭 소자 비교표 스위칭 소자 비교7.7.7.7.

표 변환기의 자동이득 조절표 변환기의 자동이득 조절표 변환기의 자동이득 조절표 변환기의 자동이득 조절8. I · V8. I · V8. I · V8. I · V

표 오피앰프표 오피앰프표 오피앰프표 오피앰프9. AD6489. AD6489. AD6489. AD648

표 사양표 사양표 사양표 사양10. MAX191BCNG10. MAX191BCNG10. MAX191BCNG10. MAX191BCNG

표표표표 11. Microprocessor specification11. Microprocessor specification11. Microprocessor specification11. Microprocessor specification

표 프로세서 사양표 프로세서 사양표 프로세서 사양표 프로세서 사양12. ATMEGA812. ATMEGA812. ATMEGA812. ATMEGA8

표표표표 13. MAX856 CSA13. MAX856 CSA13. MAX856 CSA13. MAX856 CSA

표 사양표 사양표 사양표 사양14. MAX66714. MAX66714. MAX66714. MAX667

표 사양표 사양표 사양표 사양15. MAX66015. MAX66015. MAX66015. MAX660

표 안정화 제어방법표 안정화 제어방법표 안정화 제어방법표 안정화 제어방법16.16.16.16.

표 실험방법 에 의한 측정결과표 실험방법 에 의한 측정결과표 실험방법 에 의한 측정결과표 실험방법 에 의한 측정결과17. 117. 117. 117. 1

표 실험방법 에 의한 측정결과표 실험방법 에 의한 측정결과표 실험방법 에 의한 측정결과표 실험방법 에 의한 측정결과18. 218. 218. 218. 2

표 실험밤법 에 의한 측정결과표 실험밤법 에 의한 측정결과표 실험밤법 에 의한 측정결과표 실험밤법 에 의한 측정결과19. 319. 319. 319. 3

표 실험방법 에 의한 측정결과표 실험방법 에 의한 측정결과표 실험방법 에 의한 측정결과표 실험방법 에 의한 측정결과20. 420. 420. 420. 4

- 8 -

그 림 차 례그 림 차 례그 림 차 례그 림 차 례< >< >< >< >

그림 파이버의 접속 손실그림 파이버의 접속 손실그림 파이버의 접속 손실그림 파이버의 접속 손실1. SM1. SM1. SM1. SM

그림 등가회로그림 등가회로그림 등가회로그림 등가회로2. PIN PD2. PIN PD2. PIN PD2. PIN PD

그림 재료 와 파장에 따른 반응도 곡선그림 재료 와 파장에 따른 반응도 곡선그림 재료 와 파장에 따른 반응도 곡선그림 재료 와 파장에 따른 반응도 곡선3.3.3.3.

그림 앰프회로 구성도그림 앰프회로 구성도그림 앰프회로 구성도그림 앰프회로 구성도4.4.4.4.

그림 앰프회로의 스위치 발진 방지그림 앰프회로의 스위치 발진 방지그림 앰프회로의 스위치 발진 방지그림 앰프회로의 스위치 발진 방지5.5.5.5.

그림 앰프포화 방지를 위한 스위칭 방법그림 앰프포화 방지를 위한 스위칭 방법그림 앰프포화 방지를 위한 스위칭 방법그림 앰프포화 방지를 위한 스위칭 방법6.6.6.6.

그림 앰프회로 구성도그림 앰프회로 구성도그림 앰프회로 구성도그림 앰프회로 구성도7.7.7.7.

그림 단 과 인쇄회로 패턴그림 단 과 인쇄회로 패턴그림 단 과 인쇄회로 패턴그림 단 과 인쇄회로 패턴8. I · V R-BLOCK8. I · V R-BLOCK8. I · V R-BLOCK8. I · V R-BLOCK

그림 제로 조정그림 제로 조정그림 제로 조정그림 제로 조정9. OP·AMP OFFSET9. OP·AMP OFFSET9. OP·AMP OFFSET9. OP·AMP OFFSET

그림 이동 평균법그림 이동 평균법그림 이동 평균법그림 이동 평균법10.10.10.10.

그림 변환 부그림 변환 부그림 변환 부그림 변환 부11. A/D11. A/D11. A/D11. A/D

그림 변환 회로그림 변환 회로그림 변환 회로그림 변환 회로12. A/D12. A/D12. A/D12. A/D

그림 처리 흐름도그림 처리 흐름도그림 처리 흐름도그림 처리 흐름도13. Data13. Data13. Data13. Data

그림 디지털 제어부 구성그림 디지털 제어부 구성그림 디지털 제어부 구성그림 디지털 제어부 구성14.14.14.14.

그림 디지털 제어부 구성도그림 디지털 제어부 구성도그림 디지털 제어부 구성도그림 디지털 제어부 구성도15.15.15.15.

그림그림그림그림 16. Schematic of keyboard part16. Schematic of keyboard part16. Schematic of keyboard part16. Schematic of keyboard part

그림 키보드 제어 회로그림 키보드 제어 회로그림 키보드 제어 회로그림 키보드 제어 회로17.17.17.17.

그림그림그림그림 18. Schematic of display part18. Schematic of display part18. Schematic of display part18. Schematic of display part

그림 레이져 다이오드 내부 구성도그림 레이져 다이오드 내부 구성도그림 레이져 다이오드 내부 구성도그림 레이져 다이오드 내부 구성도19.19.19.19.

그림 레이져 다이오드 광 증폭도그림 레이져 다이오드 광 증폭도그림 레이져 다이오드 광 증폭도그림 레이져 다이오드 광 증폭도20.20.20.20.

그림 레이져 다이오드 안정화 제어 구성도그림 레이져 다이오드 안정화 제어 구성도그림 레이져 다이오드 안정화 제어 구성도그림 레이져 다이오드 안정화 제어 구성도21.21.21.21.

그림 모니터 포토다이오드 광 검출회로그림 모니터 포토다이오드 광 검출회로그림 모니터 포토다이오드 광 검출회로그림 모니터 포토다이오드 광 검출회로22.22.22.22.

그림 광 출력 모듈그림 광 출력 모듈그림 광 출력 모듈그림 광 출력 모듈23.23.23.23.

그림그림그림그림 24. ATMEGA 8L Pin Assignment24. ATMEGA 8L Pin Assignment24. ATMEGA 8L Pin Assignment24. ATMEGA 8L Pin Assignment

그림 광원 제어회로그림 광원 제어회로그림 광원 제어회로그림 광원 제어회로25.25.25.25.

- 9 -

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

급속하게 발전한 전자 통신 기술은 정보 고속도로라고 불리는 초고속 종합 정보 통

신망 구축을 촉진하고 있다 이에 다양하고 고품질 특성을 갖는 대량의 정보를 적.

은 손실로 경제성 있게 고속으로 전송할 수 있는 통신망의 전송 매체로 광섬유 케

이블이 최적으로 알려져 있다 광 케이블은 지난 수년간의 급속한 기술 개발로 시.

외 장거리 전송선로 및 전화국간 중계 선로용으로 일반화 되었다 또한 동선으로.

이루어진 가입자 전송망은 광 케이블이 제한적으로 사용되는 FTTO(Fiber To The

를 시작으로 를 거쳐 가입자 댁내까지 전구간 광Office) FTTC(Fiber To The Curb)

케이블이 사용되는 에 까지 점진적으로 대처할 전망이FTTH(Fiber To The Home)

며 년대 중반부터는 미국 일본 및 프랑스 등을 중심으로 또는, 1980 , FTTO FTTH

의 실현을 위한 시범 사업이 이루어지고 있다 이에 따라 국내에서도 초고속 종합.

정보 광 통신망을 구축하기 위하여 년 가입자 선로 기술 발전 대책을 수립1987

하여 음성 위주의 서비스만을 제공해 오던 가입자 선로에 데이터나 화상등의 서비

스를 제공하기 위해 가입자 선로를 케이블로 개선한 바 있으며 고속 광대역F/S ,

서비스 수요에 대비하여 가입자 에게 고품질의 다양한 서비스를 제공하고자 전송

시설과 교환 시설의 디지틀화와 더불어 동케이블에 의한 가입자 선로를 광케이블로

대처하기 위한 연구 수행과 함께 년도에는 전자통신 연구소 에서 광1992 (ETRI)

시스템을 개발한 후 가입자 댁내까지 광케이블을 설치하여 현장시험을 실시CATV

하였으며 년에는 동선으로 구성된 기존의 가입자 선로를 광케이블로 전환시켜. 1994

이용자들의 욕구를 충족시키기 위한 가입자 선로 광케이블화 기본계을 수립하여 대

형 건물가입자 구간 에 광케이블 망을 구축하였다 이와 같은 초고속 정92 249Km .

보통신망의 발전에 따라서 대용량의 광케이블이 매설되었으며 현재 시험 운용단계

에 있는 외국의 사업 및 시외전화사업에 필수적으로 필요하게 된 개념은 바FTTC

로 어떻게 하면 손실을 최소화하고 통신품질을 높일 수 있을 것인가에 있다.

- 10 -

또한 연구자들은 정보통신망이 활성화 되면서부터 광통신에 필요한 여러 광소자에

연구를 거듭하고 있으며 이에 따라 연구실에서 시험 제작된 광학 소자 및 광학 기

기의 손실을 측정할 수 있는 장치가 필요하게 되었다 뿐만 아니라 현장의 실무자.

들은 광케이블을 포설 하면서 융착 접속기 등의 광섬유 접속기 등을 이용하고 있는

현실에서 광소자와 광섬유의 결합 광섬유와 광섬유의 결합 광섬유와 광도파로의, ,

결합 그리고 광섬유와 광커넥터 사이에서 나타나는 광학적 손실을 측정할 수 있도

록 하여 신뢰성 있는 통신망 구축과 선로의 유지보수에 필요한 광 파워 손실 측정

장치를 개발 하였다.

- 11 -

제 장 개발 내용제 장 개발 내용제 장 개발 내용제 장 개발 내용2222

제 절 광 손실 요인분석제 절 광 손실 요인분석제 절 광 손실 요인분석제 절 광 손실 요인분석1111

광통신에 있어서 전송된 광 파워의 손실은 파이버 자체에서 발생하는 손실과 접속

기술상에서 발생하는 접속손실이 있으며 광파이버 심선의 접속은 종래의 금속도체,

사이의 접속과는 달리 파장 의 정밀도로 위치를 맞추어야할 필요가 있으며order

이에 따라 각종 접속손실이 생긴다 접속손실을 일으키는 요인은 다음 표 과 같. 1

다.

표 커넥터 손실표 커넥터 손실표 커넥터 손실표 커넥터 손실1.1.1.1.

- 12 -

그림 파이버의 접속 손실그림 파이버의 접속 손실그림 파이버의 접속 손실그림 파이버의 접속 손실. 1 SM. 1 SM. 1 SM. 1 SM

A : Taterial misalignmentA : Taterial misalignmentA : Taterial misalignmentA : Taterial misalignment

B : End seperationB : End seperationB : End seperationB : End seperation

구부러진 부분에서 손실이 가장 큼구부러진 부분에서 손실이 가장 큼구부러진 부분에서 손실이 가장 큼구부러진 부분에서 손실이 가장 큼C : Angular tiIt ( )C : Angular tiIt ( )C : Angular tiIt ( )C : Angular tiIt ( )

D : Core size mismatchD : Core size mismatchD : Core size mismatchD : Core size mismatch

E : ProfiIe mismatchE : ProfiIe mismatchE : ProfiIe mismatchE : ProfiIe mismatch

그림 은 단일 모드 광파이버에 있어서 접속손실을 도시하였으며 접혀 굽혀짐이1

가장 큰 손실을 나타냄을 알 수 있다 이러한 손실요인을 분석해내기 위해서는 안.

정화된 광원과 이에 접속 손실을 측정할 수 있는 파워 메터가 필요하다 두기기는.

상호 결합하여 하나의 손실 측정기가 된다.

- 13 -

제 절 광 파워측정 시스템 회로설계 및 조건 분석제 절 광 파워측정 시스템 회로설계 및 조건 분석제 절 광 파워측정 시스템 회로설계 및 조건 분석제 절 광 파워측정 시스템 회로설계 및 조건 분석2 .2 .2 .2 .

포토다이오드포토다이오드포토다이오드포토다이오드1. PIN1. PIN1. PIN1. PIN

파이버를 통하여 입사된 광 파워를 측정하기 위해서는 광을 그에 비례하는 전기신

호로 변환하는데 필요한 광전 변환소자가 필수적이며 현재 포토다이오드가 일반적

으로 사용되고 있다 포토다이오드의 동작특성은 등가회로의 개념에서 이상적인 다.

이오드와 이와 병렬로 연결된 일정한 특성을 갖는 전류원으로 표현할 수 있다 이.

상적인 다이오드는 입사되는 빛이 없는 곳에서 접합의 특성을 나타내고 다이p-n ,

오드와 병렬관계에 있는 전류원은 빛이 있는 곳에서 빛에 의해 생성된 드리프트 전

류를 발생하는 전류원 으로 동작하며 등가 회로는 그림 와 같다2 .

그림 등가회로그림 등가회로그림 등가회로그림 등가회로2 PIN PD2 PIN PD2 PIN PD2 PIN PD

포토다이오드에서의 광자 흡수현상은 내부에 전자 정공 쌍을 만들어 내고 그 결과-

로 외부회로에 전류를 공급하며 광자에 의해 생성되는 포토전류와 반응도 사이의,

관계를 식으로 나타내면 다음과 같다.

- 14 -

윗 식에서

플랑크 상수: ( 6.63 x10-19)

광자주파수: ( Photon frequency )

전자전하: ( electron charge )

앙자효율: ( quantum efficiency)

입사 광전력: ( Incident optical power )

이때 반응도, 은 광전변환 이득을 나타내며 입사된 광 파워에 비례하여 생성되는

포토전류의 비율로서 로 표기한다 파장의존도에 관계된 반응도와Amperes / Watt .

의 의 관계식은 다음과 같다A/W .

이와 같이 포토다이오드에서 생성된 전류는 다음과 같이 두 가지 전류성분으로 구·

성된다.

이때 Idark 즉 암전류는 입사 광이 없어도 포토다이오드 내부에서 열적 으로 생성된

전자 정공쌍에 의해 생성되는 전류이며 포토다이오드의 경우 정도- ,· Si PIN 0.05nA

이며 본 연구에서 사용한 포토다이오드의 경우에는 정도이다, InGaAs PIN 0.1nA .

- 15 -

그림 재료에 와 파장에 따른 반응도 곡선그림 재료에 와 파장에 따른 반응도 곡선그림 재료에 와 파장에 따른 반응도 곡선그림 재료에 와 파장에 따른 반응도 곡선. 3. 3. 3. 3

반응도는 파장에 따른 양자효율의 변화로부터 일어나는 파장 연관성을 가지며 이

파장 연관성은 포토다이오드의 분광감도에 관계되어 있다 예로서 실리콘 포토다이. ,

오드는 에서 나타낸 바와 같이 의 광에 대해 최대의 양자효율 특성Fig. 4 800nm

을 가지며 이 파장에서 양자효율을 로 가정한다면 의 반응도를= 0.8 0.52 A/W

나타내며 에서 양자효율은. 400nm 로 의 반응도를 나타낸다= 0.15 0.1 A/W .

- 16 -

또한 포토다이오드의 분광감도는 반도체 물질의 종류와 다이오드의 구조에 의해 정

해지며 구성 재료에 따라 각 파장에 대해 상이한 반응도 곡선을 나타낸다 그럼. . 3

에서 보는 바와 같이 측정하고자 하는 파장 범위 내에서 포토다이오드는InGaAs

선형적인 응답을 보임을 알 수 있으며 물질에 따른 의 특성은 표 와 같다PD 2 .

표 물질에 따른 의 특성표 물질에 따른 의 특성표 물질에 따른 의 특성표 물질에 따른 의 특성2. . PD2. . PD2. . PD2. . PD

이와 같은 사실을 토대로 광 손실 특성 시험장치 에서 사용되어지는 포토다이오드

는 빠른 응답성 보다는 광의 세기에 비례하여 선형적인 전류응답을 생성 해줄 수

있는 포토다이오드가 요구되어지며 목표로 하는 측정범위 내에서 광 전변환을 할,

수 있는 센서로서 를 사용하였다InGaAs PIN PD .

- 17 -

표 광 파장에 따른 반응도 연산 표표 광 파장에 따른 반응도 연산 표표 광 파장에 따른 반응도 연산 표표 광 파장에 따른 반응도 연산 표3. .3. .3. .3. .

포토다이오드는 전체 시스템 중에 속하는 하나의 수동소자 이므로 동작은 센싱 회,

로에 의해 큰 영향을 받는다 포토다이오드 센싱 회로 에서 포토전도형 디텍터는.

입사광에 대해 포토전류를 생성하고 이에 반하여 포토 전지헝 디텍터는 입사 광에,

대한 응답으로 전압을 생성한다 또한 포토전지형 회로는 고부하 임피던스와 외부. ,

적인 바이어스가 없이 동작되고 포토전도형 회로는 외부 적인 역 방향 바이어스에

따라 동작한다 이러한 포토다이오드를 위한 센싱 회로에는 가지가 있으며 표. 4 4

와 같다.

- 18 -

표 센싱 회로표 센싱 회로표 센싱 회로표 센싱 회로4.4.4.4.

포토다이오드를 동작시키기 위한 가장 간단한 방법은 포토다이오드에 저항 부하를

병렬로 연결하여 생성된 전압을 측정하는 방법으로 출력전압은 다음 식과 같이

나타낼 수 있으나 이 회로의 결점은 포토다이오드의 단락 저항보다 부하저항이

배정도 적은 것을 사용하는 것이 실용적이고 또 이 회로를 사용하게 되면 포토100 ,

다이오드의 단락 저항의 수치가 온도에 따라 변화하기 때문에 병렬저항에 의한 일

관성 있는 응답을 얻기가 힘들다 또한 포토 전류형 모드의 회로는 인가된 외부 전.

압 바이어스의 레벨에 따라 접합용량을 줄여 신호응답시간을 빠르게 하고 선형성

을 증가시키기 위하여 사용된다 접합용량은 주로 공핍 층의 두께에 의해 결정되기.

때문에 외부적인 역 방향 바이어스를 인가하게 되면 이 공핍층 의 두께가 증가되

고 유효 접합 케페시턴스 가 감소하게 된다 따라서 신호응답시간을 빠르게 할 수, .

있다 그러나 포토 전도헝 회로는 암전류 에 기인하는 신호대 잡음비의 증가와 더.

불어 검출도가 감소 된다는 단점을 가지고 있다.

- 19 -

따라서 포토 전도형 회로는 적당한 선형성 이나 빠른 상승시간과 검출도가 결코,

명확하지 않는 시스템에 사용된다 앞에서 언급된 간단한 포토 전지형과 포토 전도.

형 회로는 성능상의 결점을 가지고 있으며 그 회로들은 선형성 응답 큰 동적 범, ,

위 최소의 암 전류 잡음 그리고 빠른 상승시간 등에 대해 이상적인 조합을 나타내, ,

지 못한다 따라서 이러한 특성을 나타내는 포토다이오드의 부하에 효과적인 단락. ,

회로를 삽입함으로써 특성곡선으로부터 실제 선형성 응답이 바이어스에서I-V Zero

포토다이오드를 동작시킴에 의해 나타날 수 있다는 것을 알수 있다 이를 위해 연.

산증폭기 회로를 사용하며 실제 연산 증폭기 회로는 바이어스에서 포토다이오Zero

드를 동작시킬 수 있도록 설계할 수 있고 높은 부하저항을 사용한 결과와 동일한,

부하전압을 생성하여 넓은 동작 대역폭을 가지므로 효과적민 단락회로 특성을 가질

수 있다 위와 같은 회로의 장단점을 표 에 나타내었다. 5. .

표 개의 포토다이오드 센싱 회로 특성표 개의 포토다이오드 센싱 회로 특성표 개의 포토다이오드 센싱 회로 특성표 개의 포토다이오드 센싱 회로 특성5. 45. 45. 45. 4

- 20 -

변환기변환기변환기변환기2. I-V2. I-V2. I-V2. I-V

위에서 언급한 제로 바이어스 형태의 포토다이오드 구동회로를 설계하기 위해

연산증폭기 를 사용하였으며 출력되는 전류를 마이크로 프로세서의(OP AMP) ,

입력으로 받아들여 이를 원하는 데이터의 형태로 변환하기 위해서는 검출이 용이한

형태의 전압레벨로 변환 시켜야한다 이를 구현하기 위해서 입력으로 주어지는.

전류를 출력에서는 전압으로 나타내는 변환기를 구성하여 전압으로 변환시킨I-V

뒤 이에 적절한 이득을 취해 필터링 하여 변환기의 입력으로 연결한다A/D . I-V

변환기에 사용되는 의 조건을 분석해보면 첫째는 입력 전류가OP AMP , bias

작아야 한다 파장이 인 경우 에서 광 전력에 대한. 1310nm -66.99 dBm

포토다이오드 출력이 가 되며 만약 의 입럭 전류가0.2 nA , OP AMP bias 0.2nA

이상이거나 근처의 값을 가진다면 정확한 측정을 하기는 어렵다 둘째는0.2nA .

전압이 작아야하며 역시 작아야한다 나 입력Offset ,Offset drift . Offset drift bias

전류는 온도에 따라 달라지며 이에 대한 보상 역시 필요하다 본(Compensation) .

연구에서 사용한 센서는 아래 표에서 나타낸 앰프를 사용하여 변환회로가I-V

구성되어 있으며 표 에서 나타낸 바와 같이 측정하고자 범위를 충분히, 6

만족시키고 있음을 알 수 있다.

표표표표 6. . AD645 specification6. . AD645 specification6. . AD645 specification6. . AD645 specification

- 21 -

스위칭 소자의 특성 분석스위칭 소자의 특성 분석스위칭 소자의 특성 분석스위칭 소자의 특성 분석3.3.3.3.

광 전력 측정범위는 이 된다 따라서 단일이득을 가지는 증폭0 dBm ~ -60 dBm .

기로서는 어려움이 따르며 각각의 신호레벨에 따라 이득이 자동으로 가변될 수 있,

는 회로를 설계해야 한다 이득을 가변 하는 방법으로 변환기의 궤환 저항. I-V

의 값을 가변시켜야 하며 궤환저항 를 가변시키는 방법으로는 기계적인 스위칭

소자 를 사용하는 방법과 스위치를 사용하는 두 가지 방법이 있다 표(relay) Analog .

에서는 이러한 두 가지 소자의 특성을 비교하여 나타내었다7 .

표 스위칭 소자 비교표 스위칭 소자 비교표 스위칭 소자 비교표 스위칭 소자 비교7. .7. .7. .7. .

가변 이득 증폭기에서 스위칭 소자의 저항이 이득에 어떠한 영향을 주는지를ON

검토해보면 소자의 경우 소비전력이 상대적으로 크나 저항이 이득에 거. Relay ON

의 영향을 미치지 않아 측정정확도 면에서 양호한 반면에 스위치의 경우Analog

인 경우 이득은 이 아니라 이 되며 이는 출력에 상당한 오차= 100 100 220Ω

를 나타내게 된다 그러나 의 궤환 루프에 동일한 특성을 가지는 스위치를 사. AMP

용함으로써 효과적으로 저항의 영향을 없앨 수 있으며 타입의ON CMOS

를 조합하여 사용하므로써 측정 속도의 개선과 소비전력을 감소시키는4051,4052

한편 내구성이 높은 회로를 구성할 수 있게 되었다.

- 22 -

그림 앰프회로 구성도그림 앰프회로 구성도그림 앰프회로 구성도그림 앰프회로 구성도4.4.4.4.

- 23 -

자동이득 제어 방법자동이득 제어 방법자동이득 제어 방법자동이득 제어 방법4.4.4.4.

변환기에서의 이득제어방법은 다음과 같이 제안 하였으며 측정가능 파장 중I-V

대와 를 표 에 나타내었다1.3 m 1.55 m 8. .μ μ

표 변환기의 자동이득 조절표 변환기의 자동이득 조절표 변환기의 자동이득 조절표 변환기의 자동이득 조절8. . I-V8. . I-V8. . I-V8. . I-V

그림 앰프회로의 스위치 발진 방지그림 앰프회로의 스위치 발진 방지그림 앰프회로의 스위치 발진 방지그림 앰프회로의 스위치 발진 방지5555

- 24 -

이득 변환 경계에서는 실험결과 두 가지 문제점이 발생하였다 첫째는 와 같은. A

경우로 이득변환의 경계점에서 미세한 노이즈의 영항으로 앰프의 스위치가 발진하

는 현상이 나타났다 따라서 이러한 현상을 피하기 위하여 그림 와 같이 이득변. , B

환의 경계를 서로 겹치게 설계한 결과 안정된 이득변환을 할 수 있었다(Overlap) .

둘째는 이득을 변환하는 순간에 있어서 현재 셋팅 되어 있는 저항을 Rp 라 하고 다

음에 셋팅 될 저항을 Rn 이라 할 경우 이득 변환을 위해 Rp 가 되는 순간Off Amp

의 궤환 루프가 개방되어 가 포화점에 이르게 된다 이러한 경우 회복하는데Amp .

시간이 걸리며 측정시간의 지연을 가져오게 된다 따라서 궤환 루프가 개방되는 시.

간을 없애기 위하여 그림 과 같은 방법을 제안하였다6 .

엠프의 포화 방지를 위한 궤환 저항의 변환순서엠프의 포화 방지를 위한 궤환 저항의 변환순서엠프의 포화 방지를 위한 궤환 저항의 변환순서엠프의 포화 방지를 위한 궤환 저항의 변환순서

그림 앰프포화 방지를 위함 스위칭 방법그림 앰프포화 방지를 위함 스위칭 방법그림 앰프포화 방지를 위함 스위칭 방법그림 앰프포화 방지를 위함 스위칭 방법6.6.6.6.

회로회로회로회로5. AMP5. AMP5. AMP5. AMP

센서의 출력은 센서내부에 있는 변환기를 통하여 광전 변환된 신호가 전압으: I-V

로 출력되며 변환기로 쉽게 읽어 들이기 위해서는 신호를 증폭하는 과정이 필, A/D

요하다 본 광 손실 특성 시험장치는 광을 측정할 수 있다 따라서 이를 안정. CW .

적으로 측정할 수 있는 회로가 설계되어야 한다AMP .

- 25 -

그림 앰프회로 구성도그림 앰프회로 구성도그림 앰프회로 구성도그림 앰프회로 구성도7777

위 그림에서는 앞서 스위칭 회로에서 언급한 바와 같이 아날로그 스위치를 사용하

였고 소자에서 발생하는 저항의 영향은 오피앰프와의 결합에서 상쇄 시키는 방ON

법을 사용하였다 위와 같은 미세전류 측정 시스템에서는 설계가 매우 중요하. PCB

며 오피앰프의 입력단과 가장 근접한 위치에는 최소 전류 측정 저항인, 10Mohm

의 저항부터 배열을 시켜야만 정확한 측정이 가능하다 따라서 에는 오피. R-Block

앰프로부터 순으로 설계되었으며 전류 궤환 루10M, 1M, 100K, 10K, 1K, 100.50

프도 최대한 짧고 굵게 설계하였다.

- 26 -

그림 단 과 인쇄회로 패턴그림 단 과 인쇄회로 패턴그림 단 과 인쇄회로 패턴그림 단 과 인쇄회로 패턴8.. I-V R-BLOCK8.. I-V R-BLOCK8.. I-V R-BLOCK8.. I-V R-BLOCK

표 오피앰프표 오피앰프표 오피앰프표 오피앰프9. A06489. A06489. A06489. A0648

- 27 -

6. OFFSET ZERO6. OFFSET ZERO6. OFFSET ZERO6. OFFSET ZERO

포토다이오드는 특성상 접합으로 구성되어있으며 접합에서는 입PIN p-j-n . p-j-n

력광신호가 없을 시에도 열적으로 생성된 전자 정공 쌍 에 의해(Electron Hole Pair)

암 전류를 생성하게 된다 이는 증폭 과정에서 광 신호에 중첩되어 나타나 측정오.

차가 된다 또한 각단의 앰프에서 발생하는 전압역시 신호와 같이 증폭이. Offset

된다 이러한 오차를 줄이기 위하여 광을 입사시키지 않고 의 출력을 측. DC AMP

정하여 나타난 값을 다시 디지탈 저항 변환기를 이용하여 암 전류 성분과 앰프의

성분이 더해진 신호만큼 감 하므로써 측정 정확도를 향상시킬 수 있Offset (Minus)

었다 그림 는 본 과제 에서 제안한 방법이다. 9 Offset Zero .

Offset Adjusting MethodOffset Adjusting MethodOffset Adjusting MethodOffset Adjusting Method

그 림 제로 조정그 림 제로 조정그 림 제로 조정그 림 제로 조정9 OP-AMP OFFSET9 OP-AMP OFFSET9 OP-AMP OFFSET9 OP-AMP OFFSET

기존에는 변환기를 이용하여 제어하므로 부가적인 부품 소요량이 많아졌으며D/A

이로 인한 소비전류의 증가 또한 휴대용장치에서 문제점의 한 부분으로 지적되고

있었으나 가변 저항을 디지탈 값으로 조정함으로써 실지 물리적인 저항부품을 사용

하는 것과 동일하게 이용할 수 있게 되었다.

- 28 -

광 파워 측정 시스템에서 광학적 입력이 없는 상태에서 나타나는 과 증폭OFFSET ,

소자에서 발생하는 은 측정시간 내내 온도 혹은 기타 전기적 요인에 의해OFFSET

수시로 변하여 측정치에 불균일한 값을 나타내며 극단적인 경우에는 측정치에서 다

소 벗어 난 오류를 범할 수 있다 위와 같은 구성으로 본 과제에서는 사용자가.

버튼을 눌렀을 경우 모든 측정 레인지에서 각각의 을 자동으로 측OFFSET OFFSET

정하여 이를 메모리하며 매 측정시 마다 이의 값을 적용하여 정확한 측정이 가능,

하도록 하였다 또한 시스템의 파워를 할 경우는 을 자동으로 측정하도. ON OFFSET

록 시스템을 구성하여 사용자의 부주의에 의해 측정치에 오차가 발생하는 것을 최

대한 감소시켰다 하지만 이는 일부 범위 내 에서 감소시킨 것이며 시스템이. ,

이 끝나는 시간인 여 분 후에는 다른 여타의 장비처럼 버튼Warming UP 30 ZERO

을 눌러 을 수행할 수 있다Zeroing .

7. FILTER7. FILTER7. FILTER7. FILTER

본 과제에서 제안한 최소 광 측정 레벨은 이며 이와 같은 미세한 신호를-60dBm

검출하기 위해서는 첫 번째 검출단의 앰프 이득이 상대적으로 높아야 한다 반면에.

이득이 높은 경우 외부로부터 혼입 되는 노이즈에 노출되어 정확한 측정값을 얻는

데 문제가 된다 시험 과정에서 의 궤환 저항. OP-AMP Rf 가 상대적으로 큰 값인

경우에는 외부에서 혼입하는 노이즈로 인하여 측정을 위해 인체 가 접근하는( )人體

경우에도 오실로스코프 상에는 커다란 구형파 혹은 정현파 형태의 노이즈가 나타났

으며 심한 경우 가 포화되는 경우가 발생했다 따라서 이러한 현상을 피하기, AMP .

위해 본 연구 개발 과제 에서는 궤환 저항 Rf 에 병렬로 Cf 를 연결하여 필터를 구

성하였다 병렬로. Cf 를 연결함으로써 노이즈를 제거하며 이때 구성된 저역필터의

차단주파수는 다음식과 같다.

- 29 -

윗 식에서 알 수 있듯이 Cf 가 커지면 필터의 특성은 개선되나 시정수가 커져 응답

특성이 느려지므로 적절한 값을 선택하는 것이 중요하다 또한 응답시간을 고려해.

약간의 노이즈가 신호에 더해지는 것을 허용하였으며 이에 대한 대응책으로 정현파

형의 노이즈나 그 외의 성분이 신호성분에 섞여 있는 경우에 수 차례 값을 읽DC

어 들인 뒤 소프트웨어적인 일종의 디지탈 필터효과를 낼 수 있는 평균화 처리과정

을 행하여 노이즈 성분을 제거하였다(Moving averaging) .

D▶ AV 평균화 처리후의: Data.

D▶ i 평균화 처리 이전의: Data.

T▶ 평균화 처리 횟수: .

- 30 -

그림 이동 평균법그림 이동 평균법그림 이동 평균법그림 이동 평균법10.10.10.10.

위와 같은 이동 평균 방식의 장점은 현재 측정값을 시간에 따라 지속적으로 추적하

여 데이터에 반영하므로 실시간으로 현재 값을 측정할 수 있다 반면에 평균화 횟.

수가 수백 회 혹은 그 이상인 경우 마이크로 프로세서의 속도 저하로 큰 이득을 얻

을 수 없으므로 수회 수 십회에 국한하여 최적화된 평균화 과정 회수를 적용하였, ~

다.

변환기변환기변환기변환기8. A/D8. A/D8. A/D8. A/D

입사된 광의 파워가 어느 정도의 손실치를 나타내는지 읽어내기 위해서는 이를 사

용자가 판독할 수 있는 형태로 의 변환과정이 이루어져야 하며 이러한 과정을Data

마이크로프로세서가 처리하기 위해서는 신호인 전압이 형태 즉 이Analog Digital ,

진수로 변환이 선행되어야 한다 이에 앞서 광 손실 특성 시험장치에 사용한.

를 실험한 결과 전원전압이 인 경우 약 에서 포화됨을 확인하OP-AMP 4.7V 3.6V

였다.

- 31 -

따라서 변환기는 입력을 사이의 전압을 로 변환할 수 있는 모A/D 0~ 3.6V Digital

델이 요구되어지며 또한 소숫점 이하의 자리수 까지 계산해 내기 위해서는2 12

비트의 분해능을 가져야 한다 이러한 조건을 만족한 변환기로서 의. A/D MAXIM 社

를 사용하였다 특징 사항은 출력이 로 별도의 를MAX191BCNG . Three-state Buffer

필요로 하지 않고 직접 의 에 연결하여 사용할 수 있Micro-processor Data bus

다는 장점을 지니고 있으며 변환기의 출력은 개의 제어 단자에 의해. A/D Data 3

쉽게 얻을 수 있다 또한 개의 출력단자에 의 가 되어 있으. 8 12bit Data Muxing

며 내부에 발진회로를 내장하고 있어 구성이 간단하다 사용은 표, . MAX191BCNG

와 같다10 .

표 사양표 사양표 사양표 사양10. MAX191BCNG10. MAX191BCNG10. MAX191BCNG10. MAX191BCNG

- 32 -

그 림 변환 부그 림 변환 부그 림 변환 부그 림 변환 부. 11 A/D. 11 A/D. 11 A/D. 11 A/D

위 그림 은 변환구성도 이며 변환회로는 그림 와 같다 변환기의11 A/D . A/D 9 .

에러를 줄이기 위하여 입력단에 조정용 앰프를 구성하였다 내부에는Offset Offset .

의 기준전압을 가지고 있으나 외부에 별도의 기준전압 발생회로를 부가하4.096V ,

여 전압변환 범위를 사이로 제한하였다 또한 전원 노이즈의 영향을 줄이0~2.5V .

기 위하여 의 전원회로와 마찬가지로 저역통과 필터를 부착하여 구성하였Op-Amp

다 또한 회로에는 나와 있지 않으나 동일한 변환회로가 추가로 사용되었으며. , A/D

이는 암전류에 기인한 전압을 제로로 만들기 위하여 의 전압을 측Offset Bi-polar

정하도록 구성하였다 전압 측정은 위 회로의 단자에 신호를 인. Bi-polar BIP Low

가함으로써 구현할 수 있다.

- 33 -

그럼 변환 회로그럼 변환 회로그럼 변환 회로그럼 변환 회로12. A/D12. A/D12. A/D12. A/D

그림 의 처리 과정으로 얻어진 데이터는 단위로서 화면에 표시되며 각12 dBm LCD ,

종 변수에 저장된 데이터를 참고하여 광 출력 가변 데이터를 설정하게 된다.

그림 처리 흐름도그림 처리 흐름도그림 처리 흐름도그림 처리 흐름도13. Data13. Data13. Data13. Data

- 34 -

9. Micro-controller9. Micro-controller9. Micro-controller9. Micro-controller

프로세서는 사의 을 사용하였으며 메인보드 와 측정보드로 나누Winbond w78e58 ,

어서 구성하였다 보드 에서는 측정치 표시 키보드 입력 설정조건 저장 이. Main , , ,

득제어 변환기능 으로 구성되어 있다 다음 표 은 의,Offset-Zero. A/D . 11 w78e58

사양을 간략하게 나타내었다.

표표표표 11. Microprocessor specification11. Microprocessor specification11. Microprocessor specification11. Microprocessor specification

- 35 -

그림 디지털 제어 부 구성그림 디지털 제어 부 구성그림 디지털 제어 부 구성그림 디지털 제어 부 구성14.14.14.14.

위 회로는 제어 보드의 구성도를 나타내었다 프로세서의 외부에 각각Main .

의 과 을 연결하였으며 각각 메모리의 제어신호는 프로세서256Kbyte ROM RAM ,

의 그리고 어드레스 신호를 디코드 함으로써 쉽게 구성할 수 있다 하단의RD,WR .

회로는 어드레스 신호와 신호를 디코드 하여 키보드 버퍼신호와 디스플레GAL RD

이 장치의 제어신호로서 사용하였다.

- 36 -

그림 디지털 제어부 구성도그림 디지털 제어부 구성도그림 디지털 제어부 구성도그림 디지털 제어부 구성도15.15.15.15.

10. KEYBOARD10. KEYBOARD10. KEYBOARD10. KEYBOARD

그림그림그림그림. 16 Schematic of keyboard part. 16 Schematic of keyboard part. 16 Schematic of keyboard part. 16 Schematic of keyboard part

- 37 -

사용자와 파워메터간 인터페이스의 한 방법으로 키보드를 사용하였으며 키보드는,

내부에 있는 비트 타이머를 이용하여 간격으로 인터럽트를 발생w78e58 13 50ms

시켜 키보드의 데이터를 읽어 들이도록 구성하였다 의 시간은 키보드를 사. 50ms

용할 때 발생하는 현상에 의한 오동작을 방지하고 프로그램 수행에 영향chattering

을 미치지 않을 시간으로 설정하였다 키보드의 데이터는 버퍼의 입력에 연결하여.

인터럽트가 발생하는 순간 키 값을 프로세서의 데이터 버스로부터 읽어 들여50ms

각 키 값에 해당하는 기능을 실행할 수 있게 프로그램 하였다 키보드는 스위치를.

누를시 신호가 버퍼에 가해짐으로서 로 동작하며 버퍼의 제어단Low Low Active ,

자에 의해 눌려진 키 값은 프로세서의 데이터버스에 입력되어 그에 해당되는 기능

을 수행하게 된다 이때 키보드 제어 회로는 그림 과 같이 구성하였다 위와 동. 17 .

일한 회로를 이용하여 향후 업그레이드시 에도 개까지 기능 버튼을 추가할 수있도3

록 되어있으며 가장 오른쪽의 버튼은 전원을 온 오프 하기 위한 별도의 회로구성이/

다 버튼은 사의 을 이용하여 제작하였다. ALPS Push button .

그림 키보드 제어 회로그림 키보드 제어 회로그림 키보드 제어 회로그림 키보드 제어 회로17.17.17.17.

- 38 -

11. DISPLAY11. DISPLAY11. DISPLAY11. DISPLAY

표시장치로는 휴대용 장비에 적합한 를 사용하였다 표시는 부호를 포함총 라LCD . 4

인으로 구성되어 있다 표시부에는 소숫점과 광 파워에 대한 양 음 부호를 표시할. ,

수 있으며 각각의 측정상태와 측정이 진행 중임을 알리는 메시지가 구 성되어 있,

어 현재의 측정상태를 한눈에 알아볼 수 있도록 설계 제작하였다.

그림그림그림그림. 18 Schematic of display part. 18 Schematic of display part. 18 Schematic of display part. 18 Schematic of display part

- 39 -

제 절 광원 시스템 회로 설계제 절 광원 시스템 회로 설계제 절 광원 시스템 회로 설계제 절 광원 시스템 회로 설계3333

레이져 다이오드 특성레이져 다이오드 특성레이져 다이오드 특성레이져 다이오드 특성1.1.1.1.

광원 은 각종 광 톷신망 구축 및 통신부품 개발 시 광학적 소스로서(Light source)

사용된다 광원의 종류에는 크게 와. LED(Light emitting diode) Laser (Light

가 있으며 의 경우 값이amplification by stimulated emission of radiation) , LED

저렴하고 다루기 쉬운 장점이 있으나 소 출력 및 넓은 선폭 으로 인한 문제로 장, ,

거리 전송에 제한을 가지고 있다 반면에 는 좁은 선 폭 과. Laser (Narrow Iinewidth)

고출력을 가지므로 장거리 전송 및 각종 광소자 및 시스템에 쓰이고 있다 이러한.

이유로 본 연구 과제에서는 통신 부품 생산 및 검수 뿐 아니라 통신망 구축에 필수

적으로 사용되고 있는 를 이용한 광원을 개발하고자 한다Laser .

반도체 는 접합에 의하여 소수의 를 주입하여 반전분포를 얻고 있Laser PN carrier

는데 영역과 영역의 접합부에 활성 층을 삽입한 층 구조로 되어 있다 빛이P N 3 .

발생하는 활성 층의 두께는 수 이며 영역 또는 영역은 방열 판[um] . P N (Heat

에 접속되어 있어 온도 상승을 억제시키고 있다 그리고 다른 영역은 전극침이sink) .

설치되어 있어 전극과 와의 사이에 여기용 전압이 인가되도록 하고 있Heat sink

다 여기서 평행한 면은 광학적 공진기 를 형성하는데 이것을. 2 (Optical resonator)

형 공진기라 한다 반도체 의 발진원리는 공진기속Fabry Perot . Laser Fabry Perot

에 형 반도체가 있으므로 전자가 일반적으로 열 평형 상태 보다 다량으로 주입되P

어 반전 분포상태가 된다 이와 같이 는 빛의 유도방출을 이용한 것으. Laser diode

로 이때의 유도방출은 반전 분포상태에 있는 다수의 전자가 입사광으로 인하여 일

제히 광을 방출하며 이것은 장거리 통신에 이용되고 있다 광 손실 측정 시스템에.

서 광원 은 광 통신 부품의 손실을 파악하는데 기준이 되는 시스템으(Light Source)

로서 광 파워의 안정성이 중요시 되는 부분이다 일반적으로 통신 시스템에서는. LD

를 사용하고 있으며 이러한 통신망에서 사용되는 부품의 손실을 시험하기 위해서는

반드시 를 이용한 시험이 선행되어 해당 부품의 특성을 파악할 수 있어야 한다LD .

일반적으르 광원의 출력은 내의 광 출력 포트를 가지며 와0~-20dBm 1310nm

의 파장을 갖는다1550nm .

- 40 -

광 파워의 경우 수광측에서는 항상 기준값을 설정한 뒤 상대치 를(Relative Value)

측정하여 광소자의 손실 특성을 분석하므로 너무 낮지 않은 광출력을 갖는다면 측

정기로서 전혀 문제가 없으며 본 연구 과제에서는 일반적으로 가장 많은 기기에서,

사용하는 의 광 출력을 얻어낼 수 있도록 설계하였다-3dBm (0.5mW) .

반도체 레이져 다이오드의 일반적인 구성은 아래 그림과 같으며 두개의 거울을 통,

해 반사된 레이져 광은 아래 그림과 같이 반복하면서 위상이 정합되는 부분에서

된후 한쪽면을 통해 칩 밖으로 방출되는 원리를 가지고 있다AmpIifying .

그림 레이져 다이오드 내부 구성도그림 레이져 다이오드 내부 구성도그림 레이져 다이오드 내부 구성도그림 레이져 다이오드 내부 구성도19,19,19,19,

- 41 -

그림 레이져 다이오드 광증폭 도그림 레이져 다이오드 광증폭 도그림 레이져 다이오드 광증폭 도그림 레이져 다이오드 광증폭 도20.20.20.20.

세부적으로 살펴 본다면 그림에서와 같이 접합에 의하여 소수의 를 주PN carrier

입하여 반전분포를 얻고 있는데 영역과 영역의 접합부에 활성층을 삽입한 층P N 3

구조로 되어 있다 빛이 발생하는 활성 층의 두께는 수 이며 영역 또는 영. [ m] P Nμ

역은 방열판 에 접속되어 있어 온도 상승을 억제시키고 있다 그리고 다(Heat sink) .

른 염역은 전극침이 설치되어 있어 전극과 와의 사이에 여기용 전압이Heat sink

인가되도록 하고 있다 여기서 평행한 면은 광학적 공진기 를. 2 (Optical resonator)

형성하는데 이것을 형 공진기라 한다 반도체 의 발진원리는Fabry Perot . Laser

공진기 속에 형 반도체가 있으므로 전자가 일반적으로 열 평형 상태Fabry Perot P

보다 다량으로 주입되어 반전 분포상태가 된다 이와 같이 는 빛의 유. Laser diode

도방출을 이용한 것으로 이때의 유도방출은 반전 분포상태에 있는 다수의 전자가

입사광으로 인하여 일제히 광을 방출하게 되며 이의 파워를 이용하여 광통신 부품

의 성능을 시험하는 것이다.

- 42 -

레이져 다이오드 구레이져 다이오드 구레이져 다이오드 구레이져 다이오드 구돔돔돔돔회로회로회로회로2.2.2.2.

가 광 파워 안정화 제어 부가 광 파워 안정화 제어 부가 광 파워 안정화 제어 부가 광 파워 안정화 제어 부....

광 손실 측정용 광원은 출력광의 세기가 시간에 따라 일정 범위내에서 안정화 되어

야 하며 실지 현장에 사용시 온도 및 환경변화에 따라 레이져다이오드의 광 출력은

수시로 변하게 되며 마치 사인 곡선을 그러듯 출렁이게 되므로 정확한 부품 성능시

험에 이용할 수 없게 된다 본 연구 과제에서는 레이져 다이오드 내부에 내장되어.

있는 모니터 포토다이오드를 이용하여 레이져 광 출력을 실시간 모니터링 하며 기

준값과 차이를 보상하는 방법으로 시스템을 구성 하였다.

초기에 레이져 다이오드가 발진할 수 있도록 기본 바이어스 전원을 인가해주는 바

이어스 회로를 설계하고 이후 사용자의 요구에 따라 레이져를 출력할수 있는 시스

템을 구성하였다 레이져 다이오드의 광 파워는 앞서 언급한 바와 같이 레이져 다.

이오드 내부의 모니터 포토다이오드의 광전 변화량을 검출하고 증 폭한뒤 디지털,

값으로 환산하여 마이크로 프로세서가 수치화 할 수 있도록 프로그램하고 이를 기,

준값과 비교하여 레이져의 파워를 제어한다 레이져의 파워는 파워증폭단의 입력.

전압으로서 가능하며 이의 전압을 가변시키기 위하여 디지될 포텐쇼 메터를 이용,

하였다 디지털 포텐쇼 메터는 디지털 값을 이용하여 파워 제어 회로의 전압을 빠.

르고 간편하게 가변 시킬 수 있어 레이져 다이오드의 광 출력을 안정화 시키는데

매우 효과적임을 알 수 있다.

는 온도에 따라Laser diode Ith 가 증가하므로 일정한 바이어스 전류를 흘려주었을

경우 광 출력이 감소하게 된다 따라서 구동회로는 온도의 영향을 최소화 시키. LD

기 위해 우선적으로 정상온도 에서 안정화 되어야 하며 이후 온도 변화에 따(25 )℃

른 광 출력 변화는 모니터 에서 출력되는 전류를 기준으로 궤환회로를 거쳐 안PD

정화시키게 된다.

- 43 -

본 연구 개발에서는 온도에 따른 광 출력 변화율을 이내로 설정하였다 이±0.5dB .

를 위하여 가 임계전류LD Ith로 바이어스 되어 충분히 발진할 수 있게 하고 이때의

모니터용 출력을 읽어들인다 모니터용 의 출력은 마이크로 프로세서가 처PD . PD

리하기 위하여 디지털 신호로 변환되어야 하고 이를 위하여 출력된 전류는 변I-V

환기 및 차동 증폭기를 사용하여 전압으로 변환한 후 분해능을 가지는16bit A/D

변환기에 의해 광 출력 값을 모니터링 하며 광 출력 목표치는 이, -3dBm(0.5mW)

며 개발에 사용된 는 사의 제품 타입인 를 사용하였, LD Mitubishi Coaxial FP Laser

다 한편 의 반응도 는 일반적으로 의 광 파장에서 의 값을. . PD (R) 1310nm 0.75

갖는다 따라서 의 광 출력이 일 경우 모니터 에서 광전 변환된 전류. LD 1mW PD

값은

에 의해 이며 윗 식으로부터 얻어지는 전류 값 는A = RxW , A A = 0.75 x 1 =

가 된다 이를 마이크로 프로세서가 읽어들여 해석하기 위해서는 전류를0.75 mA .

전압으로 변환하는 변환 회로를 이용하여 전압으로 변환시킴과 동시에 적절한I-V

이득을 취해야 한다 이후 변환기를 거쳐 광 출력의 값을 수치화 할 수 있다. A/D .

본 과제에서 제안한 출력제어용 변환기 의 분해능은D/A (AD660) 216인 이며16bit

이에 적합한 로 의 을 사용하였다 내부에 자, A/D Analog devices ADC976AN .社

체 발진 클럭을 내장하고 있으며 개의 비트에서 회에 걸쳐 상위 비트와 하위. 8 2 8 8

비트의 데이터가 시간차를 두고 출력이 된다 이를 프로세서 내의 메모리에 각각.

저장한 후 상위 비트의 값에 을 곱한 후 하위 비트와 더해서 전압값을 읽어8 256 8

들인다.

- 44 -

그림 레이져 다이오드 안정화 제어 구성도그림 레이져 다이오드 안정화 제어 구성도그림 레이져 다이오드 안정화 제어 구성도그림 레이져 다이오드 안정화 제어 구성도21.21.21.21.

나 광 출력 검출 회로나 광 출력 검출 회로나 광 출력 검출 회로나 광 출력 검출 회로....

레이져 다이오드 내부에 내장된 모니터 포토다이오드는 레이져로부터 방출된 광의

일부를 받아들여 이를 지체 반응도 에 의존하여 이에 비례하는 광전 변환(A/W)

전류를 출력한다 고속의 응답을 측정을 요하는 부분이 아니므로 앞서 파워메터에. ,

서 언급한 회로를 구성하여 검출하였다 아래 회로에서 나타낸 바와 같Zero bias .

이 광전 변환된 전류를 마이크로 프로세서가 측정하기 위해서는 적정 수준의 증폭

과 전압변환과정이 필요하며 이를 동시에 만족시키는 변환회로를 이용하였다I/V .

광 파워 메터의 경우 수광 범위가 넓으므로 가변 이득 앰프를 요구하였으나 반면에

광원의 경우 광 출력 범위가 한정되어 있으므로 이에 따른 검출회로내의 앰프이득

도 단계만으로 충분하였다 본 연구 개발에서는 배를 증폭하여 검출하는데 충1 . 100

분함을 계산할 수 있었다.

- 45 -

그림 모니터 포토다이오드 광 검출회로그림 모니터 포토다이오드 광 검출회로그림 모니터 포토다이오드 광 검출회로그림 모니터 포토다이오드 광 검출회로22.22.22.22.

- 46 -

그림 광 출력 모듈그림 광 출력 모듈그림 광 출력 모듈그림 광 출력 모듈23.23.23.23.

위 사진은 앞에 언급한바와 같이 제작된 레이져 드라이브 모률이다 위 사진의 좌.

측 가장자리에 위치한 소자가 디지털 저항이며 중앙에는 형의 가 자리Coaxial LD

한다 또한 우측의 원형 소자는 고성능 앰프를 나타내었다 본 과제에서 제안한. OP .

광출력 파장은 와 이며 이를 각각 위 사진과 같이 모듈화 하여1310nm 1550nm ,

구성하였다 모듈화의 추후 문제시 쉽고 빠른 대처가 가능하며 다른 파장의 레이져. ,

다이오드를 추가한다면 새로운 형태의 모듈 개발도 쉽게 얻을수 있는 장점을 가지

고 있다 또한 소형화 부분에서도 큰 이점을 갖는다. .

- 47 -

광원 제어 회로광원 제어 회로광원 제어 회로광원 제어 회로3.3.3.3.

본 연구 과제의 중심은 휴대가 가능한 광 손실 측정 장비이므로 전력이나 크기 면

에서 여러 가지 고려가 필요하다 본 연구 과제는 안정화된 광원과 이를 측정할 수.

있는 파워메터로 구성되어있다 이 중 광원에서는 안정화된 광을 출력하기 위하여.

이의 파워를 모니터링하고 제어 할 수 있는 마이크로 프로세서가 사용되며 전력소,

모를 최소화하기 위해 메모리와 프로세서 그리고 변환기를 내잠한 비트 마A/D 8

이크로 프로세서인 사의 모델을 사용하여 설계하였다ATMEL ATMEGA8L .

그 림그 림그 림그 림 24. ATMEGA 8L Pin Assignment24. ATMEGA 8L Pin Assignment24. ATMEGA 8L Pin Assignment24. ATMEGA 8L Pin Assignment

- 48 -

표 프로세서 사양표 프로세서 사양표 프로세서 사양표 프로세서 사양12. ATMEGA812. ATMEGA812. ATMEGA812. ATMEGA8

본 칩은 내부에 까지 내장이 되 있어 파워 시에도 필요한 데이터. EEPROM OFF

를 보존해 낼 수 있도록 구성되어 있다 단일 칩 상에 메모리와 데이터를 획득 할.

수 있는 가 내장되어 있어 아래 나타낸 회로에서와 같이 간략하 게 구성10bit A/D

이 가능하며 이외의 제어 알고리즘은 프로그램을 통해 레이져 다이오드를 제어하게

된다 외부 에는 개의 광원 이 있으며 이에 관한 모니터링 된 아날로그 신호는. 2

아날로그 스위치를 동하여 선택적으로 입력된다.

- 49 -

그림 광원 제어회로그림 광원 제어회로그림 광원 제어회로그림 광원 제어회로25.25.25.25.

또한 외부에는 광 출력 상태를 표시할 수 있는 가 장착되어 있으며 범용LED , I/O

핀을 이용하여 각 레이져 다이오드의 동작 상태 및 전원 상태를 확인 할 수 있도록

구성하였다.

- 50 -

전원회로 구성전원회로 구성전원회로 구성전원회로 구성4.4.4.4.

휴대용 시스템에서 전원의 역할은 상당한 비중을 차지하고 있다 본 연구과제 에서.

는 휴대용이므로 저 전력 소비와 높은 효율을 갖는 전원 장치를 구성해야 하 며,

신호를 처리하기 위한 듀얼 전원 이 필요하게 된다(Positive, Negative) .

본 과제 에서는 전지 기준으로 개에서 개까지 자유롭게 설계가 가능하도1.5V 1 4

록 제작 하였다 아래 전원회로 구성은 크게 주 전원 발생부와 안정화 레 귤 레이.

터 그리고 변환기로 구성되어 있다 주 전원 발생에 사용된 사의, DC-DC . MAX lM

은 외부에 소형 인덕터 부품 한 개를 이용하여 내부 스위칭 작 용으로 전MAX856

압의 승압이 가능하도록 구성 되 있어 전지사용에 적합한 동작특성을 지니고 있다.

그림 광원 전원 회로 구성도그림 광원 전원 회로 구성도그림 광원 전원 회로 구성도그림 광원 전원 회로 구성도26.26.26.26.

- 51 -

또한 저전압 검출 회로를 내장하고 있어 외부에 검출용 저항을 바깥붙임 함으로서

쉽게 구현시킬 수 있다 반면에 높은 스위칭 주파수를 이용한 전원 시스템이므로.

이를 정류화 시켜 안정된 전압을 출력할 수 있는 전원 부품이 추가로 필요하며 본,

과제에서는 을 이용하여 안정한 전원을 제작할 수 있었다 아래 표에서는MAX667 .

의 사양을 나타내었다 의 넓은 전압범위를 가지며 까MAX856 . 0.8~6V 5V 500mA

지 의 출력에 이용이 가능하다.

표표표표 13. MAX856 CSA13. MAX856 CSA13. MAX856 CSA13. MAX856 CSA

- 52 -

표 사표 사표 사표 사앙앙앙앙14 MAX66714 MAX66714 MAX66714 MAX667

본 시스템은 레이져 다이오드의 드라이브와 이의 제어회로를 위하여 의 전원이, 5V

사용되며 신호처리 부분에서 오피앰프의 이용으로 인하여 의 부전원이 추가로, -5V

사용되게 된다 이에 관한 전압을 생성하기 위하여 본 연구에서는. MAX660 DC-DC

변환기를 사용하였다 이는 내부의 스위칭 회로와 외부에 개의 소형 콘덴서를 결. 2

합하여 간단한 회로 구성으로 부 전원을 발생시킬 수 있도록 구성되어 있다 아래.

표는 이에 사양을 나타내었다.

표 사양표 사양표 사양표 사양15. MAX66015. MAX66015. MAX66015. MAX660

- 53 -

위와 같은 부품 구성으로 전원 부를 소형화 및 저 전력화로 구동할 수 있다.

그림 전원회로그림 전원회로그림 전원회로그림 전원회로27.27.27.27.

위 그림은 입력 스위칭 전원부와 이를 안정화 전원으로 출력하는 전원부이다5V .

입력부분에 의 소형 타입의 인덕터와 주변 소자 만으로 간소화 시47uH SMD RC

켜 구성이 가능하였고 다음 단의 부분에서 레귤레이션 회로와 저전압 검, MAX667

출 회로를 추가로 구성하여 시스템용 전원을 설계하였다.

- 54 -

그림 부 전그림 부 전그림 부 전그림 부 전압압압압 발생회로발생회로발생회로발생회로28.28.28.28.

위 그림에서 나타낸 부 전압 발생회로는 내부의 스위칭 회로와 바깥붙임의 개의2

콘덴서로 입력에 대한 부 전원을 발생시킬 수 있는 회로이며 적은 공간과 높은 효,

율로 회로구성을 마무리 할 수 있었다.

온도 보상 회로온도 보상 회로온도 보상 회로온도 보상 회로5.5.5.5.

는 온도에 따라서 광출력이 변하는 비선형성을 보이는데 그럼 에서 알 수 있LD 29

듯이 온도가 증가함에 따라 의 순방향 전류가 감소하여 광출력이 작게된다LD .

- 55 -

그림 온도에 따른 의 특성그림 온도에 따른 의 특성그림 온도에 따른 의 특성그림 온도에 따른 의 특성29. LD I-V29. LD I-V29. LD I-V29. LD I-V

그림 에서 나타낸 바와 같이 를 기준으로 온도의 변화에 따라 동작점이 이29 25℃

동하는걸 알 수 있다 본 연구개발에서는 온도에 의해 변화하는 광 출력을 변. A/D

환기로 읽어들인 후 현재 설정된 출력을 유지하기 위하여 궤환루프를 구성하였다.

따라서 의 전압 변화에 따라 드라이버 칩 의 전압을 변화 시키고 다시 그D/A LD

때의 광 출력을 로 읽어들임으로서 오차를 보정할 수 있도록 설계하였다 표A/D 3

는 안정화 제어과정을 나타낸 것이다.

표 안정화 제어 방법표 안정화 제어 방법표 안정화 제어 방법표 안정화 제어 방법16.16.16.16.

- 56 -

구동회로는 와 입력신호를 가산증폭기를 거쳐 차동증폭기의Reference Voltage Q2

의 에 연결되었다 여기서 가산증폭기의 궤환저항Base . Rf를 온도계수를 갖는 써(+)

미스터를 사용하였고 온도증가에 따른 가산증폭기의 을 증가시켜 에 흐르, Gain LD

는 순방향 전류를 보상하였다 그리고 차동증폭기의 에미터에 제너다이오드를 이용.

한 온도보상 회로를 추가하였으며 회로는 그림 와 같다30 .

그림 온도 보상 회로그림 온도 보상 회로그림 온도 보상 회로그림 온도 보상 회로30.30.30.30.

- 57 -

주파수 발생 회로주파수 발생 회로주파수 발생 회로주파수 발생 회로6.6.6.6.

그림 변조 광 출력 제어용 파형 발생 부 구성도그림 변조 광 출력 제어용 파형 발생 부 구성도그림 변조 광 출력 제어용 파형 발생 부 구성도그림 변조 광 출력 제어용 파형 발생 부 구성도31.31.31.31.

안정화 광원은 두 가지의 광 출력 형태를 갖는다 모드는 연속 발진 모드로 서. CW

일정한 파장을 갖는 광을 출력하며 는 의 변조 광의 출력형태를, MOD Modulation

갖는다 선택된 레이져 다이오드는 내부의 구동회로에 의해 와 가지 모. CW MOD 2

드로 동작한다 변조 모드는 크게 와 가지 모드를 갖는다. 4khz. 2khz. 1khz 250hz 3 .

동작 회로는 일정하게 구형파를 발생 시킬 수 있는 레벨의 발진회로를 구성한TTL

뒤 를 구성하여 분주를 하였다 의 경우 입력 펄스의 듀티비가JK F/F 1/2 . JK F/F

일정치 않더라도 와 모드가 일때 입력 펄스 신호에 따라 출력상 태가 토J K High

글 되므로 항상 정확한 듀티 사이클을 갖게 된다 이러한 구성으로 의 기준. 8 khz

파형을 생성한 뒤 각각의 분주된 신호를 아날로그 스위치의 입력채널에 각각 접속

하여 원하는 파형을 마이크로 프로세서에 의해 선택할 수 있도록 구성하였다.

- 58 -

이때에 출력된 신호는 레이져 다이오드 구동부로 인가되어 흐르는 전류를 시간에

따라 제어할 수 있도록 동작한다 주파수 발생회로는 그림 과 같다. 31 .

그림 주파수 발생회로그림 주파수 발생회로그림 주파수 발생회로그림 주파수 발생회로32.32.32.32.

7. PCB Artwork7. PCB Artwork7. PCB Artwork7. PCB Artwork

은 사의 를 이용하여 설계하였다PCB Artwork ORCAD ORCAD LAYOUT PLUS . 2

장 의 사진은 각각의 부품 배치와 의 배선상태를 나타낸다 배선두TOP, BOTTOM .

께 는 를 가장 많이 사용하였고 전원라인과 에서는 각각 를 사0.2mm GND 0.5mm

용하였다 사진으로 볼 때 두 개의 로 분리되어있음을 알수 있고 위쪽 상단에. PCB

노란색으로 경계가 되는 부분이 에 해당한다 을 이용하여 키보드V-GUT . V-CUT

부분의 기판을 따로 떼어 사용할 수 있게 제작하였다 양면 기판이며 두께. EPOXY ,

는 이며 기판의 크기는 이다1.6T , 80mm*170mm .

- 59 -

그림그림그림그림 33. PCB Artworks33. PCB Artworks33. PCB Artworks33. PCB Artworks

- 60 -

그림그림그림그림 34. PCB Artworks34. PCB Artworks34. PCB Artworks34. PCB Artworks

- 61 -

제 장 시제품 제작 및 성능 시험제 장 시제품 제작 및 성능 시험제 장 시제품 제작 및 성능 시험제 장 시제품 제작 및 성능 시험3333

제 절 시제품 제작제 절 시제품 제작제 절 시제품 제작제 절 시제품 제작1111

가 광원 외형 사진가 광원 외형 사진가 광원 외형 사진가 광원 외형 사진....

- 62 -

나 광원 내부 사진나 광원 내부 사진나 광원 내부 사진나 광원 내부 사진....

- 63 -

다 광 파워 메터의 외형 사진다 광 파워 메터의 외형 사진다 광 파워 메터의 외형 사진다 광 파워 메터의 외형 사진....

- 64 -

라 광 파워메터의 키보드와 디스플레이 사진라 광 파워메터의 키보드와 디스플레이 사진라 광 파워메터의 키보드와 디스플레이 사진라 광 파워메터의 키보드와 디스플레이 사진....

- 65 -

마 광 파워메터 내부 사진마 광 파워메터 내부 사진마 광 파워메터 내부 사진마 광 파워메터 내부 사진....

- 66 -

제 절 광 손실 측정 장치 시험제 절 광 손실 측정 장치 시험제 절 광 손실 측정 장치 시험제 절 광 손실 측정 장치 시험2 .2 .2 .2 .

제작된 광 손실 시험 측정 장치는 크게 광파워메터부와 광원 부로 나뉘며 광 파워

메터의 경우 기존에 상용화된 제품과 파워메터를 이용하여 비교시험 하였다.

실험 방법실험 방법실험 방법실험 방법 1111

실험 에서는 의 광원인 와 의 파워1 ADVANTEST Q8134 ANRITSU MG9001社 社

메터 사이에 마스터 점퍼 코드를 사용하여 측정한 결과와 같은 방법으로,

사의 광원인 와 제작된 파워메터 사이에 마스터 점퍼코드를 사ADVANTEST Q8134

용하여 정확도를 측정하는 시험을 하였다.

표 실험방법 에 의한 시험 결과표 실험방법 에 의한 시험 결과표 실험방법 에 의한 시험 결과표 실험방법 에 의한 시험 결과17. 117. 117. 117. 1

- 67 -

위 데이터는 회 반복하여 측정한 값이며 이는 각각의 파워 메터의 커넥터에 마10

스터 점퍼코드 삽입시 발생하는 손실이며 동일한 파워에서 반복 커넥터 접속시 어,

떠한 광파워메터를 사용하는 경우에도 지속적인 파워의 변화가 발생된다 본 실험.

은 이러한 변화를 측정하는게 목적이아니며 개발된 파워메터의 광 파워가 기존 제,

품과의 정확도에 근접하는가를 확인하는 시험이다 시험걸과 표 에서 알수 있는 바.

와 같이 데스크 타입의 사의 광파워메터의 측정값과 개발하고ANRITSU MG9001A

자 하는 핸디 타입의 광파워메터외 측정값의 차가 약 로 본 개발하고자 하는5% ,

핸디 타입의 광파워메터는 충분한 정확도를 가졌음을 증명 할 수 있었다.

실험 방법실험 방법실험 방법실험 방법 2222

실험 은 실험 와 마찬가지방법으로 시험을 하였으며 의 감쇄를 갖는 감2 1 , -5dB

쇄기를 윗 그림과 같은 방법으로 구성한 뒤 시험한 결과는 아래와 같다.

- 68 -

표 실험방법 에 의한 측정결과표 실험방법 에 의한 측정결과표 실험방법 에 의한 측정결과표 실험방법 에 의한 측정결과18 218 218 218 2

위 데이터는 각각의 광 파워 레벨 에서 회 측정하여 평균 파워 량을 나타내었10

다 이는 각각의 파워메터 커넥터에 의 감쇄를 갖는 감쇄기 삽입시 발생 하는. -5dB

손실이며 이러한 결과에 의해 기존의 데스크 타입 의 측정기 와 개발하, (Desk Type)

고자 하는 핸디 타입의 측정기의 오차가 약 로 개발 가치가 있음을 확신 할±5%

수 있었다.

다음은 광원의 경우를 시험하였으며 와 에서 동일한 특성을 얻. 1310nm 1550nm

을수 있었으며 이는 광 검출기의 검출 범위내에 선형적인 반응도에 기인하는 것으,

로 결론을 얻을수 있었다 광원의 경우 광 파워 메터와 동일한 시험 방법으로 측정.

하였으며 측정시험 방법은 아래와 같다.

- 69 -

실험방법 광원시험실험방법 광원시험실험방법 광원시험실험방법 광원시험3333

광원의 경우 사의 광원과 사의 광 파워 메터 제품을ADVANTEST Q8134 Anritsu

이용하여 광원의 파워 정확도를 측정하였다 광 파워 메터 에서와 동일하게 광 마.

스터 점퍼 코드를 이용하여 측정하였으며 측정 결과는 아래와 같다.

표 실험방법 에 의한 측정 결과표 실험방법 에 의한 측정 결과표 실험방법 에 의한 측정 결과표 실험방법 에 의한 측정 결과19 319 319 319 3

한편 광 마스터 점퍼 코드 감쇄기를 삽입한 후 그림과 같이 광원 시험을 한 측정,

결과는 아래와 같다.

- 70 -

실험 방법 광원 시험실험 방법 광원 시험실험 방법 광원 시험실험 방법 광원 시험4444

표 실험방법 에 의한 측정 결과표 실험방법 에 의한 측정 결과표 실험방법 에 의한 측정 결과표 실험방법 에 의한 측정 결과20 420 420 420 4

이상의 측정 실험 결과 데스크 타입의 사의 광원의 측정값과ADVANTEST Q8134

개발하고자 하는 핸디 타입의 광원 측정값 차가 이내로 본 개발하고자 하는±5%

광파워메터는 충분한 정확도를 가졌음을 증명할 수 있다.

- 71 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론4 .4 .4 .4 .

연구 개발된 광 손실 특성 시험장치는 광 부품의 손실 특성을 분석하는데 반드시:

필요한 장비중 하나이며 안정화된 광을 출력하는 레이져 소스 광원 과 이의 광 파, ( )

워를 측정할 수 있는 광 파워메터로 구성된다 본 연구 개발의 최종 목표는 아래와.

같다.

위 표는 앞서 언급한 광원과 광 파워메터의 개발 목표와 결과이다 광원의 경우 광.

통신에 이용하는 와 의 파장을 사용하였으며 레이져 모듈은1310nm 1550nm ,

사의 제품을 이용하였다 타입이며 가격이 지속적으로 하락하는Mitubishi . Coaxial

추세에 있으므로 제품 단가를 낮추면서 효율성이 높은 손실 측정장비를 생산하는데

유리한 점이 있으며 다년간의 제품 생산 경험으로 안정성을 입증받은 제품이므로,

본 시스템의 충분한 안정성을 보장해 준다 광 출력파워는 최대 제품을 사용. 2mW

하였으며 이는 목표치인 최대값 를 안정적으로 출력하기 위한 광학적 파워0.5mW

마진을 고려한 결과이다 광 파워는 입력 광전류를 제어함으로써 이하의 파. 0.5mW

워는 자유롭게 설정할 수 있다.

- 72 -

본 연구 개발에서는 현장에서 사용자들의 손쉬운 검출과 환경에 강한 동작을 보장

하기 위해 의 출력 으로 설계하였다 안정도 부분에서는0.5mW (-3dBm) . ±0.5 dB

가 목표치이나 본 데이터는 장시간 구동하였을 경우를 고려한 스펙이며 실지 사용,

시 수 초이내에 측정이 완료 되므로 안정성은 까지 실현할 수 있음을 확10 ±0.5dB

인하였다 광 파워메터의 경우 검출 파장은 타입의 포토다이오드를 사용하. InGaAs

므로써 의 광파워를 측정할 수 있으며 상용화된 제품의 경우는1100nm~1600nm ,

파장에 따라 광검출기를 교체하여 사용할 수 있도록 구성되어 있으므로 보다 넓은

파장에서의 측정이 가능하다 반면에 본 휴대용 손실 측정 장비는 주로 광선로 포.

실 및 현장 사용에 주로 이용되므로 와 를 측정 범위에 가지고 있1310nm 1550nm

으므로 사용시에는 아무런 문제가 되지 않는 것으로 판단된다.

또한 상용제품의 여러개의 모듈을 만들어 측정을 가능하게 하였으나 기술적인 문,

제가 아닌 광 검출 포토다이오드의 교체로 쉽게 이루어 지므로 추후 시장 상황에,

따라 대처가 가능할 것으로 사료된다 또한 광 파워메터의 기능을 이용하여. REF

광선로등을 측정함으로써 보다 높은 신뢰성을 이롤 수 있음을 알 수 있었다. REF

기능의 경우 실제 광원의 파워가 어떠한 외적인 요인 혹은 내부 요인으로 인해

만큼 이동하였다 하더라도 현재값을 기준으로 설정한뒤 파워 값을 측정함+0.5dB

으로 어떠한 측정체의 광손실값을 동일한 정확도로 측정 가능 하다는 장점이 있다.

광 파워메터의 측정범위는 이며 이는 대부분의 광통신용 소자+3dBm ~ -60dBm

를 측정하는데 충분한 범위를 갖는다 광 소자의 경우 일반적으로 광점퍼코드 광. ,

커플러 광케이블등은 수 이내의 광손실을 갖는게 일반적이며 극단적인 경우 광, dB ,

감쇄기도 의 값을 갖는게 대부분이다 따라서 본 광파-5dB.-10dB.-15dB.-20dB .

워 검출범위는 광범위한 측정이 가능하며 이외의 여러 가지 응용에도 시용이 가능,

하다는 결론을 얻을수 있다 이상으로 종합해온 바와 같이 본 광손실 시험 장치는.

광통신망의 신뢰성 시험 및 현장에서 광부품의 손실측절등이 손쉽게 가능하여 통신

망 구축에 큰 도움이 되리라 사료된다.

- 73 -

본 손실측정 기기의 측정범위는 이며 이는 와1. +3 dBm ~ -60 dBm 1310nm

의 광통신용 파장대의 검출이 용이하다 정도의 광손실은 통신망1550nm . -60dBm

에 사용이 불가능한 레빌이나 검출범위내의 정확도를 향상시키기위한 확장 검출범

위 이며 이의 신호는 매우 미약하여 검출시 전기적인 노이즈를 동반하게된다 광파.

워 측정회로 부분에서 언급한대로 이러한 노이즈의 영향을 없애기 위해서 로 패스

필터를 사용했으나 회로 에서는 Cf 값이 커질수록 필터특성은 앙호해 졌으나 이와

는 반대로 출력 응답이 느려졌다 소프트웨어적인 디지탈 필터로서. Moving

알고리즘을 사용하여 본 결과 역시 데이터의 카운트 수가 증가할수록 측Averaging

정값은 정확해지나 더욱 긴 측정시간을 필요로 하기 때문에 측정레벨에 맞는 카운

트수의 최적값을 선택하여 평균레벨을 선택할 필요가 있다는 것을 알수 있었다.

본 연구에 의해 개발된 광 손실 특성 시험장치의 소프트웨어와 하드웨어적인 보2.

안문제를 해결하기 위하여 단일 칩 상에 구성 하여 소프트웨어와 하드웨어적인

을 실현할 수 있는 기술력 확보와 작업이 병행되어야 할 것이다 또한 저 가LOCK .

격화를 실현하여 일반 전기적인 테스터와 같이 향후 광통신망 구성이 완료될시 각

가정마다 필수적으로 보유할 수 있도록 기술 개발을 지속해야 할것이다.

이상을 종합해 본 결과 광파장의 측정범위를 넓히기 위해서는 광 검출 모듈을 추가

로 제작하여 손쉽게 바꿀 수 있도록 하는 방향이 검토되어야 하며 이는 시장 흐름,

에 따라 개발되어야 할 것이다 또한 정밀 측정 기기인 만큼 지속적인 시험과 프로.

그램의 업그래이드가 지속되어야 할 것으로 판단된다.

- 74 -

별 첨별 첨별 첨별 첨< >< >< >< >

시스템 회로도시스템 회로도시스템 회로도시스템 회로도1.1.1.1.

파워메터 회로파워메터 회로파워메터 회로파워메터 회로A. AMPA. AMPA. AMPA. AMP

- 75 -

파워메터 회로파워메터 회로파워메터 회로파워메터 회로B. DIGITAL MAINB. DIGITAL MAINB. DIGITAL MAINB. DIGITAL MAIN

- 76 -

광원 디지털부와 전원부광원 디지털부와 전원부광원 디지털부와 전원부광원 디지털부와 전원부C.C.C.C.

- 77 -

레이져 다이오드 구동부레이져 다이오드 구동부레이져 다이오드 구동부레이져 다이오드 구동부D.D.D.D.

- 78 -

인쇄 회로 기판인쇄 회로 기판인쇄 회로 기판인쇄 회로 기판2. PCB2. PCB2. PCB2. PCB

광파워메터광파워메터광파워메터광파워메터A.A.A.A.

- 79 -

광원 디지털 제어부광원 디지털 제어부광원 디지털 제어부광원 디지털 제어부B.B.B.B.

- 80 -

광원 레이져 구동부 모듈광원 레이져 구동부 모듈광원 레이져 구동부 모듈광원 레이져 구동부 모듈c.c.c.c.

- 81 -

광 파워와 출력전류와의 관계 표광 파워와 출력전류와의 관계 표광 파워와 출력전류와의 관계 표광 파워와 출력전류와의 관계 표D.D.D.D.

- 82 -

- 83 -