KR100354336B1

KR100354336B1 - 초고속 광신호처리용 파장변환장치

Info

Publication number: KR100354336B1
Application number: KR1020000061076A
Authority: KR
Inventors: 김동환; 최경선; 조재철; 이상배; 손정영
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2000-10-17
Filing date: 2000-10-17
Publication date: 2002-09-28
Also published as: US20020075558A1; KR20020030445A; JP2002182255A; DE10146365A1

Abstract

본 발명은 초고속 광신호처리용 파장 변환장치에 관한 것이다. 특히, 기존의 단일 패스방식의 반도체 증폭기-4광파혼합(SOA-FWM) 방법과는 달리 반도체 광증폭기(SOA)를 레이저 이득체로 하는 고리형 반도체-광섬유 레이저를 구성하여 외부의 펌프광이 없어도 구동되는 초고속 파장 변환기에 관한 것이다.

종래 SOA를 이용한 파장 변환 기술은 단일 패스 방식의 4광파 혼합현상을 이용하여 파장변환기를 구현 하였으나, SOA에서 입력 광신호파의 파장변환을 구현하려면 입력 파장외에도 다른 파장의 펌프파가 필요하다.

이에, 본 발명은 1) 기존의 펌프파가 필요한 파장변환기와는 달리 고리형 SOA-광섬유 레이저를 구성하여 외부의 펌프광이 필요 없는 파장변환기를 구현 하였으며; 2) 레이저 공진기내에 장착한 파장가변 광대역통과필터에 의해 SOA의 증폭 대역폭(약 40nm)이내에서는 언제나 파장 변환이 가능하여 동작되도록 구현하는 초고속 광신호처리용 파장 변환장치를 제시한다.

따라서, 본 발명은 1) 변환 파장을 SOA 증폭 밴드폭내에서 가변이 되고 자체 레이저 발진 파장을 펌프광으로 사용하기 때문에 외부의 펌프광이 필요 없으며; 2) 1.55um 영역에서 사용할 수 있으므로 기본의 WDM 광통신 파장 변환기로서 이용될 수 있으며; 3)파장변환기로 사용된 SOA의 반응속도가 서브 피코초 수준이므로 최대 초당 테라 비트 정도의 속도까지 파장 변환이 가능하므로 차세대 초고속 광통신 소자(예: 10Gbps급 이상 초고속 전광 파장변환기)뿐만 아니라 광스위칭 소자(예: 광신호 연결기)로도 활용될 수 있다.

Description

초고속 광신호처리용 파장변환장치{WAVELENGTH CONVERTER APPARATUS FOR ULTRA-HIGH SPEED OPTICAL SIGNAL PROCESS}

최근 초고속 대용량의 정보 전송이 필요하게 되면서 파장 분할 다중화(Wavelength Division Multiplexing 이하; WDM) 방식에 의한 광 전송망 연구가 활발히 진행되고 있다.

파장 변환기술은 이러한 WDM 광통신망에서 서로 다른 파장 채널들간의 연결하거나 혹은 변환소자로서 사용되며, 광 스위칭 기술로서도 연구가 집중되고 있다.

특히, 반도체-광증폭기(Semiconductor Optical Amplifier 이하; SOA)를 이용한 파장변환 기술에서 SOA는 반도체 광원 및 광소자와의 집적화가 가능하며, 광섬유에 비해 소형이므로 파장 변환기의 매질로서 이를 응용한 많은 연구결과가 발표되고 있다.

비선형 광매질에서의 파장변환 현상은 비선형 전기분극(Nonlinear Electric Polarization) 유도에 의한 입력 파장들의 파동 혼합에 의해 이루어지는데, 광통신 분야에서 활용되는 대표적인 파장변환은 SOA와 광섬유 등의 비선형 매질에서 발생되는 4광파혼합(Four Wave Mixing 이하; FWM) 현상에 의해 새로운 파장이 발생되므로서 구현된다.

광섬유에서의 FWM 현상은 파라메트릭(Parametric) 광변환이므로 입력파들의 세기가 매우 커야만 FWM 신호가 발생되는 반면, SOA에서는 비선형 파장혼합과 광증폭이 동시에 이루어지므로 작은 세기의 입력만 주입하여도 쉽게 FWM 신호를 관측할 수 있다.

상기 종래의 SOA를 이용한 파장 변환 기술은 단일 패스 방식의 4광파 혼합현상을 이용하여 파장변환기를 구현 하였으나, SOA에서 입력 광신호파()의 파장변환을 구현하려면 입력 파장외에도 다른 파장의 펌프파()가 필요하다.

따라서, SOA 내부에서 두 입력파의 혼합에 의해 새로운 파장, 즉 FWM 신호파는 이들의 결합인과의 2개의 새로운 광파가 발생된다.

그런데, SOA에서의 FWM 효율은 다운-컨버젼(down-conversion)의 효율이 업-컨버젼(up-conversion)의 효율 보다 높으므로, 입력파장을 펌프파 보다 장파장으로 셋팅하여 짧은 파장의 FWM 신호()를 출력 신호로서 이용한다.

이때, FWM 신호의 세기는 펌프파 세기의 제곱에 비례하고, 입력파 세기에는 선형으로 비례하므로, 입력파의 위상정보를 FWM 신호가 그대로 간직하므로 SOA-FWM현상은 위상동기루프(PLL) 광시스템에서 위상검출기로서도 활용된다.

즉, 변환 파장을 가변시키기 위해서는 외부의 펌프광이 파장 가변되어야 함으로 시스템이 복잡해지고 그에 따라 가격이 비싸지는 단점이 발생되었다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명의 목적은 WDM 광통신망에서의 광연결이나 초고속 광신호 처리에 사용되는 파장 변환기를 구현토록 하는 초고속 광신호처리용 파장 변환장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 파장변환 응답 속도가 서브 피코초(sub-pico second) 수준으로 빠르게 반응하면서 적은 세기의 입력파 세기에서도 파장 변환이 가능한 SOA-광섬유 레이저형 파장 변환기를 구현토록 하는 초고속 광신호처리용 파장 변환장치를 제공하는데 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로써 본 발명은 1) 기존의 펌프파가 필요한 파장변환기와는 달리 고리형 반도체-광섬유 레이저를 구성하여 외부의 펌프광이 필요 없는 파장변환기를 구현 하였으며; 2) 레이저 공진기내에 장착한 파장가변 광대역통과필터에 의해 SOA의 증폭 대역폭(약 40nm)이내에서는 언제나 파장 변환이 가능하여 동작되도록 구현하는 초고속 광신호처리용 파장 변환장치가 제시된다.

도 1은 본 발명에 따른 초고속 광신호처리용 파장 변환장치를 나타낸 전체적인 실험구성도

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실험 결과에 따른 입력 펄스열과 파장 변환된 신호광의 펄스열을 비교하여 나타낸 그래프

도 3은 본 발명의 실험 결과에 따라 입력 광신호(1548nm)와, 레이저 광신호(1544nm) 및 파장 변환된 광신호(1540nm)의 광스펙트럼을 비교하여 나타낸 그래프

도 4는 본 발명의 실험 결과에 의해 파장 변환기의 입력 펄스광 출력세기에 따른 FWM 신호의 출력세기 변화를 나타낸 그래프

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 모드록킹 레이저 120: 광감쇠기

140: 제1 편광 조절기(PC:Polarization Controller)

160: 3-dB 광섬유커플러

180: 광격리기 200: 반도체 광증폭기(SOA)

220: 출력가변 광섬유커플러 240: 파장가변 광대역통과필터

260: 제2 편광 조절기(PC:Polarization Controller)

280: 광스펙트럼분석기

300: 어븀첨가광섬유증폭기(EDFA) 320: 광대역통과필터

340: 오실로스코프

이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 초고속 광신호처리용 파장 변환장치를 나타낸 전체적인 실험구성도이다.

도 1에 도시된 초고속 파장 변환장치의 전체적인 구성은 모드-록킹 레이저(Mode locking laser)(100)와, 광섬유의 광출력을 감쇠시키는 광감쇠기(Attenuator)(120)와, 반도체 광증폭기를 이용한 FWM 현상은 편광의존성이 있으므로, 최대의 FWM 효율을 얻기 위해 편광 상태를 맞추어 주기 위한 제 1 및 제 2 편광 조절기(Polarization Controller)(140)(260)과, 50: 50으로 광세기를 분리시키는 3-dB 광섬유커플러(Optical coupler)(160)와, 광섬유의 광파장을 전송시키는 광격리기(Optical isolater)(180)와, 레이저 이득체 및 파장변환기로 작용하는 반도체 광증폭기(SOA)(200)와, 광섬유의 출력 세기를 가변시켜 커플링시키는 출력가변 광섬유커플러(Tunable coupler)(220)와, 광섬유의 광파장을 가변시켜 필터링하는 파장가변 광대역통과필터(240)와, 광스펙트럼분석기(280)와, 어븀이 첨가된 광섬유의 광파장을 증폭시키는 어븀첨가광섬유증폭기(EDFA)(300)와, 광대역통과필터(320)와, 오실로스코프(340)로 이루어져 있다.

여기서, FWM 신호발생기로 사용된 SOA(200)는 중심 파장이 1.5um 근처에서 40nm 증폭 대역폭을 가지며, 길이가 1 mm, 운반자 수명이 2 ns정도이고 양면에 반사율이정도가 되도록 무반사 박막 증착 되었다.

또한, 200 mA의 최대 펌핑 전류에서 약 23 dB의 fiber-to-fiber 이득과 7.5 dBm 정도의 포화 출력 파워를 가지고 있다.

이어서, 도 1의 구현 동작에 대하여 살펴보면 SOA(200)에 전기적 파워(160∼ 180mA)를 가해주면, 입력 광신호가 없어도 공진기내의 SOA(200)와 파장가변 광대역통과필터(240)에 의해 광필터의 중심 파장에서 지속파(Continuous Wave)형태의 레이저 파장의 광이 출력가변 광섬유커플러(220)를 통하여 발생 된다.

이 때, 1.55mu 근처의 3dB-광섬유커플러(160)를 통하여 10Gbit/s 속도의 입력 광펄스열()을 주입시키면 SOA(200)에서 발생된 레이저 파장()과 비선형 4광파 혼합이 유도되어 출력가변 광섬유커플러(220)를 통하여의 파장이 출력된다.

한편, 출력가변 광섬유커플러(220)의 다음단에 레이저 파장만을 투과시키는 파장가변 광대역통과필터(240)가 있으므로 새로 발생된 FWM 신호파()는 다시 공진기를 궤환할 수 없으므로 펌프파의 역할을 하는 레이저파의 세기에 전혀 영향을 끼치지 않게 된다.

또한, 공진기내에 위치한 편광 조절기(260)는 레이저 파장의 편광상태와 입력파의 편광상태를 일치시켜주는 역할을 하여 FWM 현상의 효율을 최대화 시키는 역할을 한다.

본 발명에 사용된 출력가변 광섬유 커플러(220)는 커플링 비율이 조절되는 것으로서 SOA-광섬유 레이저의 손실을 조정하여 SOA(200)의 이득율을 조정하므로서 출력되는 FWM 신호의 세기를 어느 정도 조절이 가능하게 제어할 수 있다.

이어서, 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실험 결과에 따른 입력 펄스열과 파장 변환된 신호광의 펄스열을 비교하여 나타낸 광스펙트럼의 그래프로서 10Gbit/s 급의 입력광펄스 열(도 2a)이 본 발명의 파장변환기에 의해 입출력된 변환파장의 10Gbit/s 급 출력 광펄스열(도 2b)을 나타낸 것이다.

또한, 도 3은 파장변환기에서 출력된 광파장의 스펙트럼을 나타낸 것으로서 좌로부터 10 Gbps FWM에서의 파장변환된 FWM 광파장(a)과, 고리형 반도체-광섬유 레이저(SFRL)의 광파장(b)과, 10 Gbps의 입력 광파장(c)의 스펙트럼을 나타낸 것이다.

특히, 도 3의 입력 광파장(c) 스펙트럼의 경우 모드록킹된 광섬유 레이저를 사용하였으므로 파장 폭이 비교적 넓게 나타내 보이고 있다는 것을 알 수 있다.

도 4는 입력 광펄스열의 세기와 FWM 신호파의 세기의 상관 관계(도 4의 (b))를 나타낸 것으로서 입력 광펄스열의 세기가 -20 dBm 이상이면 이득 포화현상에 의해 파장변환 신호의 세기가 더 이상 증가되지 않음을 보여주고 있다.

한편, 단일 패스방식의 FWM신호 세기를 입력 펄스열 세기에 대한 상관관계(도4의 (a))도 비교하였는데, -20 dBm 이하의 낮은 입력 세기에 대해서는 출력을 관측할 수 없다는 것을 알 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 의한 초고속 파장 변환장치에 따르면, 반도체- 광증폭기를 레이저 이득체로 하는 고리형 반도체-광섬유 레이저를 구성하여 외부의 펌프광이 없어도 되는 초고속 파장 변환기 즉, 1.55 um 영역에서 파장이 가변되고, 외부 펌프광이 필요없는 초고속 파장 변환기를 구현할 수 있다.

따라서, 본 발명에 의한 반도체-광섬유형 파장 변환기는 첫째, 변환 파장을SOA 증폭 밴드폭내에서 가변이 되고 자체 레이저 발진 파장을 펌프광으로 사용하기 때문에 외부의 펌프광이 필요없다.

둘째, 1.55 um 영역에서 사용할 수 있으므로 기본의 WDM 광통신 파장 변환기로서 이용될 수 있다.

셋째, 파장변환기로 사용된 SOA의 반응속도가 서브 피코초 수준이므로 최대 초당 테라 비트 정도의 속도까지 파장 변환이 가능하므로 차세대 초고속 광통신 소자(예: 10Gbps급 이상 초고속 전광 파장변환기)뿐만 아니라 광스위칭 소자(예: 광신호 연결기)로도 활용될 수 있다.

Claims

반도체-광섬유 레이저를 이용한 초고속 파장 변환장치에 있어서,

편광 상태를 조절하기 위한 제 1 및 제 2 편광 조절기와;

50: 50으로 광세기를 분리시키는 3-dB 광섬유커플러와;

광섬유의 광파장을 전송시키는 광격리기와;

레이저 이득체 및 파장변환기로서 반도체 광섬유의 광파장을 증폭시키는 반도체 광증폭기(SOA)와;

광섬유의 출력 세기를 가변시켜 커플링시키는 출력가변 광섬유커플러와;

광섬유의 광파장을 가변시켜 필터링시키는 파장가변 광대역통과필터를 포함하여 구성되어,

상기 반도체 광증폭기에 전기적 파워가 인가될 때 입력 펌프광 광신호가 없어도 공진기내의 상기 반도체 광증폭기와 파장가변 광대역통과필터에 의해 광필터의 중심 파장에서 지속파 형태의 레이저 파장이 자동 펌프광 역할을 하여 출력가변 광섬유커플러를 통하여 파장변환된 광펄스가 발생되는 것을 특징으로 하는 초고속 광신호처리용 파장변환장치.
청구항 1에 있어서, 상기 3dB-광섬유커플러를 통하여 입력 광펄스열()이 주입될 때 상기 반도체-광섬유 레이저에서 발생된 레이저 파장()과 비선형 4광파 혼합이 유도되어 상기 출력가변 광섬유커플러를 통하여 ()의 광파장이 출력되는 것을 특징으로 하는 초고속 광신호처리용 파장변환장치.
청구항 2에 있어서, 상기 3dB-광섬유커플러가 1.55 um 일때 입력 광펄스열()은 10Gbit/s 속도로 주입되는 것을 특징으로 하는 초고속 광신호처리용 파장변환장치.