KR100386421B1 - 색분산 측정 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 매우 짧은 길이의 광섬유(수 m)에서 긴 길이의 광섬유(수백 Km)까지 매우 정확한 해상도로 색분산을 측정할 수 있으며, 부가적인 보상이나 기준을 위한 전자회로나 광섬유가 필요하지 않아 측정 시스템이 매우 간단한 색분산 측정 시스템 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예는 서큘레이터를 통해 파장 가변 레이저에서 제공되는 광의 경로를 분리하는 광섬유 3dB 결합기와; 상기 광섬유 3dB 결합기를 통해 시계방향과 반시계 방향으로 분리되어 제공되는 광을 외부로부터 제공되는 RF신호에 의해 각각 순방향 및 역방향 변조하는 MZ(Mach Zehnder)변조기와; 상기 광섬유 3dB 결합기와 MZ변조기 사이의 시계방향 경로상에 삽입되어 상기 MZ변조기의 순방향 변조시 해당 길이만큼 지연된 신호에 의해 변조되도록 하는 측정용 광섬유를 갖는 Sagnac간섭기와; 상기 MZ변조기에서 순방향 및 역방향 변조된 광을 상기 광섬유 3dB 결합기 및 서큘레이터를 통해 수신하는 광 수신기와; 상기 MZ변조기에 RF신호를 제공하며, 상기 광 수신기에 수신된 신호의 전달함수를 구하는 회로망 분석기와; 상기 회로망 분석기에서 구해진 전달함수를 이용하여 상기 측정용 광섬유의 비대칭 길이에 해당하는 지연시간을 구하여 이로부터 색분산을 얻는 컴퓨터를 구비함을 특징으로 한다.

Description

색분산 측정 시스템 및 방법{CHROMATIC DISPERSION MEASUREMENT SYSTEM AND THE METHOD}
본 발명은 색분산 측정 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 측정하고자 하는 광섬유의 길이를 일정하게 유지하고 광파장을 변화시켜 각 파장들이 느끼는 유효굴절률의 차에 의해 발생하는 지연시간을 측정하여 이로부터 색분산을 측정하는 색분산 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다.
단일모드 광섬유에서 색분산은 광섬유를 제작하거나 광통신 시스템 설계시에 매우 중요한 파라메터 중의 하나이다.
색분산 측정은 Nd-YAG/Raman 레이저를 이용한 time-of-flight 법(L. G. Cohen and C. Lin, "Pulse delay measurements in the zero material dispersionwavelength region for optical fibers," Appl. Opt., vol. 16, pp. 2136-2139, 1977.), 위상천이(phase-shift)법(B. Costa, D. Mazzoni, M. Puleo, and E. Vezzoni, "Phase-shift technique for the measurement of chromatic dispersion in optical fibers using LED's," IEEE J. Quantum Electron., vol. QE-18, no. 10, pp. 1509-1515, Oct. 1982.), 간섭을 이용한 측정법(J. Stone and L. G. Cohen, "Minimum-dispersion spectra of single-mode fibers measured with subpicosecond resolution by white-light cross correlation," Electron. Lett., vol. 18, pp. 716-718, 1982.), 그리고 광섬유의 전달함수를 이용한 방법(B. Christensen, J. Mark, G. Jacobsen, and E. Bodtker, "Simple dispersion measurement technique with high resolution." Electron. Lett., vol. 29, no. 1, pp. 132-134, 1993.) 등이 발표되었다.
간섭을 이용한 방법은 매우 짧은 길이의 광섬유(1-2m)만이 측정이 가능하기 때문에 긴 광섬유의 색분산은 파라메터의 불안정성 때문에 곤란하다는 단점을 갖는다.
매우 짧은 펄스의 광섬유 Raman 레이저를 이용한 time-of-flight 법과 위상천이법은 긴 광섬유의 색분산 측정에 모두 사용이 가능하다. 하지만 time-of-flight 법의 측정의 정확성은 레이저와 전자회로의 불안정성, 펄스의 모양이 광파워에 민감한 특성의 단점을 갖는다. 이러한 문제가 부분적으로 해결된 논문(A. C. Van Bochove, J. F. Jacobs, and J. T. Nijnuis, "Improved Raman-fibre pulsedelay measurement system," Electron. Lett., vol. 21, pp. 282-283, 1985.)이 발표되었지만 측정 시스템이 너무 복잡하고 부피가 크다는 단점을 가진다.
레이저 다이오드나 LED 열을 이용한 위상천이법은 정확한 측정을 위해서는 측정용 광섬유 외에 기준 광섬유나 전기선이 필요하고 이 단점을 보완하기 위해서 파장 다중화를 이용한 새로운 위상 천이 색분산 측정법(①. M. Fujise, M. Kuwazuru, M. Nunokawa, and Y. Iwamoto, "Highly accurate long-span chromatic dispersion measurement system by a new phase-shift technique," J. Lightwave Technol., vol. LT-5, no. 6, pp. 751-758, 1987, ②. L. Thevenaz and J. P. Plsux, "Modulation frequency-shift technique for dispersion measurements in optical fibres using LED's, "Electron. Lett., vol. 23, no. 20, pp. 1078-1079, 1987.)이 제안되었다. 하지만 이 두 방법의 단점은 온도와 전류에 매우 안정적인 레이저 다이오드를 필요로 한다는 것이다.
광섬유의 전달함수를 이용한 방법의 단점은 측정하고자 하는 광섬유가 매우 길어야(수십 Km이상)하고 변조 주파수가 20GHz까지의 큰 대역폭을 사용해야만 정확한 색분산을 측정할 수 있다. 그 이유는 변조된 두 측대파의 위상지연에 의해 발생하는 첫 번째 dip이 일어나는 주파수가 변조 주파수 안에서 발생하려면 큰 광섬유 길이가 필요하기 때문이다. 그리고 이 방법의 해상도는 dip이 일어나는 주파수를 얼마나 정확하게 측정할 수 있는가에 따라서 결정되는데 dip이 발생하는 주파수에서의 전달함수 크기가 매우 작기 때문에 검출기나 다른 측정장비의 잡음의 큰 영향을 받는 단점을 가진다.
따라서 본 발명은 이러한 점을 감안한 것으로, 매우 짧은 길이의 광섬유(수 m)에서 긴 길이의 광섬유(수백 Km)까지 매우 정확한 해상도로 색분산을 측정할 수 있으며, 부가적인 보상이나 기준을 위한 전자회로나 광섬유가 필요하지 않아 측정 시스템이 매우 간단한 색분산 측정 시스템 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 색분산 측정 시스템의 구성도.
도 2는 도 1의 MZ변조기의 양방향 변조를 이용한 Sagnac간섭기의 등가모델.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 예에서의 광경로차에 의한 전달함수 특성도.
도 4는 본 발명의 제 1 실시 예에서의 MZ변조기의 순방향 및 역방향 변조특성도로,
도 4a는 크기특성도.
도 4b는 위상특성도.
도 5는 각 파장에서의 지연시간에 대한 상관값을 나타낸 도.
도 6은 변조 주파수에 따른 정규화된 전달함수의 크기를 나타낸 도.
도 7은 측정된 km당 지연시간을 나타낸 도.
도 8은 측정된 색분산을 나타낸 도.
도 9는 측정된 색분산과 이론적인 값의 비교도.
도 10은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 색분산 측정 시스템의 구성도.
도 11은 도 10의 MZ변조기의 양방향 변조를 이용한 색분산 측정 시스템의등가모델.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10,110 : 파장 가변 레이저 20,120 : 서큘레이터
30 : 광섬유 3dB 결합기 40,130 : MZ변조기
50,140 : 광 수신기 60,150 : 회로망 분석기
70,160 : 컴퓨터 FUT : 측정용 광섬유
FM : 광섬유 반사체
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 색분산 측정 시스템은, 색분산 측정을 위한 광원인 파장 가변 레이저와; 서큘레이터를 통해 상기 파장 가변 레이저에서 제공되는 광의 경로를 분리하며, 후단으로부터 입력되는 소정의 광신호를 결합하는 광섬유 3dB 결합기와; 상기 광섬유 3dB 결합기를 통해 시계방향과 반시계 방향으로 분리되어 제공되는 광을 외부로부터 제공되는 RF신호에 의해 각각 순방향 및 역방향 변조하는 MZ(Mach Zehnder)변조기와, 상기 광섬유 3dB 결합기와 MZ변조기 사이의 시계방향 경로상에 삽입되어 상기 MZ변조기의 순방향 변조시 해당 길이만큼 지연된 신호에 의해 변조되도록 하는 측정용 광섬유를 갖는 Sagnac간섭기와; 상기 MZ변조기에서 순방향 및 역방향 변조된 광을 상기 광섬유 3dB 결합기 및 서큘레이터를 통해 수신하는 광 수신기와; 상기 MZ변조기에 RF신호를 제공하며, 상기 광 수신기에 수신된 신호의 전달함수를 구하는 회로망 분석기와; 상기 회로망 분석기에서 구해진 전달함수를 이용하여 상기 측정용 광섬유의 비대칭 길이에 해당하는 지연시간을 구하여 이로부터 색분산을 얻는 컴퓨터로 구성됨을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 색분산 측정 방법은, 색분산 측정을 위한 광원인 파장 가변 레이저와; 서큘레이터를 통해 상기 파장 가변 레이저에서 제공되는 광의 경로를 분리하는 광섬유 3dB 결합기와; 상기 광섬유 3dB 결합기를 통해 시계방향과 반시계 방향으로 분리되어 제공되는 광을 외부로부터 제공되는 RF신호에 의해 각각 순방향 및 역방향 변조하는 MZ변조기와, 상기 광섬유 3dB 결합기와 MZ변조기 사이의 시계방향 경로상에 삽입되어 상기 MZ변조기의 순방향 변조시 해당 길이만큼 지연된 신호에 의해 변조되도록 하는 측정용 광섬유를 갖는 Sagnac간섭기와; 상기 MZ변조기에서 순방향 및 역방향 변조된 광을 상기 광섬유 3dB 결합기 및 서큘레이터를 통해 수신하는 광 수신기를 구비하여, 상기 광 수신기에 수신된 신호를 이용하여 색분산을 측정하는 색분산 측정 시스템에서의 색분산 측정 방법에 있어서, 상기 광 수신기에 수신된 신호의 전달함수를 구하는 단계와; 상기 전달함수를 이용하여 상기 측정용 광섬유의 비대칭 길이에 해당하는 지연시간을 구하는 단계와; 상기 구해진 지연시간으로부터 색분산을 계산하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 제 2 실시 예의 색분산 측정 시스템은, 색분산 측정을 위한 광원인 파장 가변 레이저와; 색분산을 측정하기 위해 삽입된 측정용 광섬유와; 상기 파장 가변 레이저로부터 서큘레이터 및 상기 측정용 광섬유를 통해 도달하는 광을 반사하는 광섬유 반사체와; 상기 서큘레이터와 측정용 광섬유 사이에 위치하여 상기 서큘레이터를 통해 파장 가변 레이저로부터 제공되어 오른쪽으로 진행하는 광을 외부로부터 제공되는 RF신호에 의해 순방향 변조하고, 상기 광섬유 반사체로부터 반사되어 상기 측정용 광섬유를 통해 왼쪽으로 진행하는 광을 상기 측정용 광섬유 길이의 소정배수에 해당하는 시간만큼 지연된 RF신호에 의해 역방향 변조하는 MZ변조기와; 상기 MZ변조기에 의해 두변 변조된 광신호를 상기 서큘레이터를 통해 수신하는 광 수신기와; 상기 광 수신기에 수신된 신호의 전달함수를 구하는 회로망 분석기와; 상기 회로망 분석기에서 구해진 전달함수를 이용하여 상기 측정용 광섬유의 길이에 해당하는 지연시간을 구하여 이로부터 색분산을 얻는 컴퓨터로 구성됨을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 색분산 측정 방법은, 색분산 측정을 위한 광원인 파장 가변 레이저와; 색분산을 측정하기 위해 삽입된 측정용 광섬유와; 상기 파장 가변 레이저로부터 서큘레이터 및 상기 측정용 광섬유를 통해 도달하는 광을 반사하는 광섬유 반사체와; 상기 서큘레이터와 측정용 광섬유 사이에 위치하여 상기 서큘레이터를 통해 파장 가변 레이저로부터 제공되어 오른쪽으로 진행하는 광을 외부로부터 제공되는 RF신호에 의해 순방향 변조하고, 상기 광섬유 반사체로부터 반사되어 상기 측정용 광섬유를 통해 왼쪽으로 진행하는 광을 상기 측정용 광섬유 길이의 소정배수에 해당하는 시간만큼 지연된 RF신호에 의해 역방향 변조하는 MZ변조기와; 상기 MZ변조기에서 각각 역방향 및 순방향 변조된 광을 상기 서큘레이터를 통해 수신하는 광 수신기를 구비하여, 상기 광 수신기에 수신된 신호를 이용하여 색분산을 측정하는 색분산 측정 시스템에서의 색분산 측정 방법에 있어서, 상기 광 수신기에 수신된 신호의 전달함수를 구하는 단계와; 상기 전달함수를 이용하여 상기 측정용 광섬유의 길이에 해당하는 지연시간을 구하는 단계와; 상기 구해진 지연시간으로부터 색분산을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조로 하여 보다 상세히 설명한다.
제 1 실시예(간섭형)
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 색분산 측정 시스템의 구성도를 도시한 것이다.
도시한 바와 같이, 파장 가변 레이저(Tunable Laser Source : TLS)(10)에 의해 공급된 광은 서큘레이터(20)를 통해 광섬유 3dB 결합기(30)로 입력되어 MZ(Mach Zehnder)변조기(40)와 측정용 광섬유(fiber under test)(FUT)가 삽입된 Sagnac간섭기를 시계 방향과 반시계 방향으로 진행하게 되며, 회로망 분석기(60)에서 제공되는 RF신호에 의해 변조된다. 즉, 시계방향으로 진행하는 광은 RF신호에 의해 MZ변조기(40)의 순방향(설계된 입력단자에 광이 입사됨) 변조되고, 반시계 방향으로 진행하는 광은 RF신호에 의해 MZ변조기(40)의 역방향(설계된 출력단자로 광이 입사됨) 변조된다.
이와 같이, 서로 반대 방향으로 진행하는 광은 회로망 분석기(60)에서 제공되는 RF신호에 의해 순방향 및 역방향 변조된 후, 상기 광섬유 3dB 결합기(30)에 의해 합해져 상기 서큘레이터(20)를 통해 광 수신기(Photo Detector : PD)(50)에 수신되며, 수신된 신호는 회로망 분석기(60)에 의해 전달함수가 구해진 후, 컴퓨터(70)로 입력되어 광섬유의 비대칭 길이에 해당하는 지연시간이 구해져 이로부터색분산이 측정되도록 구성된다.
상기 파장 가변 레이저(10)는 광섬유의 색분산을 측정하기 위한 광원으로써 1500nm∼1580nm의 파장가변 레이저이며, MZ변조기(40)는 1550㎚에서 Vπ=3.8V, 삽입 손실이 약 5dB 특성을 갖고 입력단에 편광유지 광섬유와 편광조절기가 부착된 Sumitomo에서 제작한 MZ변조기를, 광 수신기(50)로는 1.5㎛ 대역에서 20㎓까지 수신이 가능한 PIN-PD를 이용하였으며, 광 수신기(50)에 수신된 신호는 회로망 분석기(60) 내에 구비된 20dB증폭기를 이용하여 증폭하며, RF 주파수는 50㎒에서 1㎓의 범위를 사용하였다.
색분산 측정은 2.235km 길이의 Corning SMF -28TM광섬유를 사용하며, 측정은 파장가변 레이저(10)의 파장을 1500nm에서 1580nm까지 5nm의 간격을 변화시키면서 각각의 MZ변조기(40)의 순방향과 역방향 전달함수를 측정하고, 측정용 광섬유(FUT)를 삽입하여 전체 전달함수를 측정하였다.
도 1의 MZ변조기(40)가 삽입된 Sagnac간섭기의 변조과정은 등가적으로 도 2와 같이 나타낼 수 있다.
도 1에서 시계방향으로 진행하면서 변조되는 광은 도 2의 윗 부분에 해당하고, 반시계 방향은 도 2의 아랫부분에 해당된다. 따라서 두 개의 MZ변조기가 있는 것으로 생각할 수 있다. 여기에서 사용된 변조기는 진행파형 MZ변조기이며 도 2에서 MZ변조기 내부의 화살표 방향은 진행파형 MZ변조기가 설계된 입력 방향을 나타내며, 화살표 방향으로 광이 입력되면 순방향 변조를 하게된다. 따라서 시계 방향으로 진행하는 광은 RF와 같은 방향으로 진행하는 순방향 변조가 되고, 반시계 방향으로 진행하는 광은 RF와 광이 서로 반대로 진행하는 역방향 변조 상태가 된다.
일반적으로 진행파형 MZ변조기는 주파수가 낮을 때 순방향이나 역방향의 경우 비슷한 변조특성을 보이고, 주파수가 증가하면 순방향에 비해 역방향의 변조 특성이 -15dB 이하로 떨어지는 특성을 보인다.
광학적인 관점에서 반대 방향으로 진행하는 두 광은 동일한 경로를 진행하므로 광섬유 3dB 결합기(30)에서 상호 결합하면서 보강간섭을 일으키게 된다. 그러나 RF 주파수 영역에서 살펴보면 MZ변조기의 위치에 따라 변조 특성이 크게 변하게 된다.
도 2에서 시계 방향으로 진행하는 광은 Sagnac간섭기의 비대칭 길이에 해당하는t d 만큼 지연된f(t-t d ) 신호에 의해 변조되고, 반시계 방향으로 진행하는 광은f(t)에 의해 변조된다. 따라서 Sagnac간섭기에서 MZ변조기(40)의 양방향 변조에 의해 변조된 출력 신호는 다음의 식 (1)과 같이 쓸 수 있다.
(1)
여기에서H 1 (f)는 MZ변조기(40)의 순방향 변조의 전달함수이고,H 2 (f)는 MZ변조기(40)의 역방향 변조의 전달함수를 나타낸다.
식 (1)에서 Sagnac간섭기의 전체 등가 전달함수는 식 (2)와 같다.
(2)
만약, 도 2에서 MZ변조기(40)의 위치가 대칭되는 위치에 있고, 두 MZ변조기(40)의 전달함수, 즉 순방향과 역방향 전달함수는 동일하다고 가정한다면, 전체 전달함수 식 (2)는 식 (3)과 같다.
(3)
그러나 MZ변조기(40)가 대칭되는 위치에 있지 않을 경우는 도 2에서 보는 것처럼 한 쪽 변조기의 출력은 다른 쪽에 비해t d 만큼 지연된 신호에 의해 변조된다. 식 (2)에서,t d 는 도 2의 위 부분과 아랫부분의 RF 신호의 경로차에 의한 시간 지연을 나타내고 있으며, 식 (4)와 같은 관계를 갖고 있다.
(4)
여기에서l은 광경로차에 해당하는 광섬유의 길이이고,n eff 는 광섬유 내에서 광이 느끼는 유효굴절률,c와v는 각각 진공과 광섬유 내에서 빛의 속도이다.
도 3은 H1(f)와 H2(f)가 동일한 경우 대칭점에서 어긋난 정도l(지연시간t d )에 따른 전달함수 (1 + e-jwtd)의 크기를 보여주고 있다. 도 3에서 볼 수 있는 것처럼 MZ변조기(40)의 위치가 대칭에서 벗어나는 경우 전달함수에서 리플(ripple)이 발생하고 대칭에서 벗어난 정도, 다시 말해 지연시간이 증가하면 리플의 주기가 감소함을 알 수 있다. 즉, 지연시간과 리플의 주기와는 매우 밀접한 관계가 있기 때문에 역으로 리플의 주기를 알면 광섬유의 비대칭 길이에 해당하는 지연시간을 측정할 수 있다.
식 (2)에서 전달함수 H1(f)와 H2(f)가 동일하지 않은 경우에는 전체 전달함수 H(f)의 크기는 변하게 되지만 지연에 의해 발생한 전달함수 리플의 주기는 변하지 않는다.
이러한 원리를 이용하여 색분산을 측정할 수 있다. 광섬유에서 색분산은 각각 다른 파장에서 광이 느끼는 유효굴절률이 다르기 때문에 일정거리를 진행하면 각 파장의 속도차에 의한 다른 지연을 갖기 때문에 발생한다. 따라서 본 발명에서 제안하는 시스템에서 측정하고자 하는 광섬유의 길이를 일정하게 유지하고 광 파장을 변화시키면 각 파장들은 느끼는 유효굴절률의 차에 의해 각각 조심씩 다른 지연이 발생하고, 이러한 지연이 전달함수의 주기를 변화시키게 된다. 하지만 전달함수의 주기를 직접 측정한다면 dip이 발생하는 주파수에서의 전달함수가 매우 작기 때문에 광 수신기(50)에서의 잡음과 회로망 분석기(60)의 해상도의 영향으로 정확한 색분산 측정에 제한을 주게된다.
따라서 전달함수의 주기를 회로망 분석기(60)에서 직접 측정하지 않고 측정된 값과 식 (2)의 값을 지연시간t d 를 변화시키면서 비교하여 가장 상관관계가 큰t d 를 구하는 방식을 사용한다. 이때, 식 (2)의 전달함수 H1(f)와 H2(f)는 MZ변조기(40)의 순방향 변조와 역방향 변조를 직접 측정한 값을 이용하였다.
도 4a는 측정된 MZ변조기(40)의 순방향 변조특성과 역방향 변조의 크기특성을, 도 4b는 위상특성을 나타내고 있다. 크기특성은 주파수가 증가할수록 순방향에 비해 역방향의 변조특성이 급격히 떨어지지만 500㎒이하의 주파수에서는 순방향과 역방향 변조특성이 거의 동일한 특성을 보인다. 위상특성은 순방향과 역방향의 위상변화의 기울기가 조금 다른 특성을 보이고 있다.
도 5는 측정된 값과 식 (2)에서 지연시간t d 를 변화시키면서 구한 상관 값을 1500nm에서 1580nm 까지 10nm 간격의 파장에 대해서 나타낸 것이다. 여기에서 각 파장에서 가장 큰 상관 값를 나타내는 지연시간이 측정용 광섬유(FUT)의 전체 지연시간이 된다.
도 6은 1540nm(실선)와 1550nm(점선) 두 파장에서의 측정된 전달함수와 식 (2)를 이용하여 계산된 전달함수 값을 800MHz에서 800.5MHz까지 확대 비교한 것이다. 도 6에서에서 *와 ο는 측정된 값을 나타낸다. 두 파장에서 측정된 값과 계산된 값이 매우 잘 일치함을 확인할 수 있다.
도 7은 각 파장에서의 km당 측정된 지연시간(o)과 측정값을 2차 다항식으로 근사화한 것이며, 도 8은 근사화 함수를 근거로 계산한 색분산 값을 나타낸다.
본 발명의 정확성을 확인하기 위해 Corning사에서 주어진 색분산 방정식 (5)와 비교하였다(http://www.corningfiber.com/products/smf28_frame.htm).
[ps/nm·km] (5)
여기에서, λ0는 색분산이 0이 되는 파장을, SO는 λ0에서의 색분산 함수의 기울기를 나타낸다.
도 9는 본 발명에서 제안한 시스템으로 측정한 결과에 식 (5)의 값을 비교한 것으로, 이 때의 λ0는 1312nm, SO는 0.085[ps/nm2·km] 이다. 측정된 색분산과 계산된 색분산의 측정 파장영역에서 0.07[ps/nm.km] 보다 작은 오차를 나타내었으며 SO는 0.005 [ps/nm2·km]의 오차를 나타내었다. 본 실험에서는 2.235km 길이의 광섬유 색분산 만을 측정하였지만 다양한 길이의 색분산도 측정이 가능할 것이다.
제 2 실시예(반사형)
본 발명의 제 2 실시 예는 파장 가변 레이저, MZ변조기, 광섬유 반사체(FM :fiber mirror)를 이용한 색분산 측정 시스템이다.
도 10은 본 발명의 제 2 실시 예의 시스템 구성도를 도시한 것으로, 파장 가변 레이저(110)에 의해 공급된 광은 서큘레이터(120)를 거쳐 MZ변조기(130)를 통과하며, 이때 회로망 분석기(150)에서 공급되는 RF신호에 의해 순방향(설계된 입력단자에 광이 입사됨) 변조된 후, 측정용 광섬유(FUT)를 통과한 후, 광섬유 반사체(Fiber Mirror)(FM)에 의해 반사되고, 반사된 광은 다시 측정용 광섬유(FUT)를 거쳐 MZ변조기(130)를 통하게 되며, 이때 회로망 분석기(150)에서 공급되는 RF신호에 의해 역방향(설계된 출력단자로 광이 입사됨) 변조된 후, 서큘레이터(120)를 통해 광 수신기(140)에 수신되며, 회로망 분석기(150)에 의해 광 수신기(140)에 수신된 신호의 전달함수가 측정되고, 이를 바탕으로 컴퓨터(160)에 의해 정확한 지역시간이 측정된 후, 이로부터 색분산을 얻게 되며, 도면에서는 컨넥터이다.
제 2 실시 예에서의 색분산 측정원리를 살펴보면, 도 10에서 서큘레이터(120)를 거쳐 오른쪽으로 진행하는 광은 회로망 분석기(150)에서 제공되는 RF신호에 의해 MZ변조기(130)에서 순방향 변조되고, 광섬유 반사체(FM)에 의해 반사되어 왼쪽으로 진행하는 광은 측정용 광섬유(FUT)의 길이의 두 배에 해당하는 시간만큼 지연된 RF신호에 의해 MZ변조기(130)에서 역방향 변조된다.
이러한 변조과정의 등가모델은 도 11과 같이 변조기가 2개 있는 것으로 생각할 수 있다. 도 11에서 오른쪽으로 진행하는 광은f(t)에 의해 변조되고 광섬유 반사체(FM)에 의해 반사된 광은 측정용 광섬유(FUT)를 두 번 통과하면서 측정용 광섬유(FUT)의 길이에 해당하는 지연시간t d 의 두 배인 2t d 만큼 지연된f(t-2t d ) 신호에 의해 변조된다.
따라서 MZ변조기(130)의 양방향 변조에 의해 변조된 출력 신호는 식 (6)과 같이 쓸 수 있다.
(6)
여기에서H 1 (f)는 MZ변조기(130) 순방향 변조의 전달함수이고,H 2 (f)는 MZ변조기(130)의 역방향 변조의 전달함수를 나타낸다. 식 (6)에서 전체 등가 전달함수는 식 (7)와 같다.
(7)
식 (7)에서,t d 는 도 11의 측정용 광섬유(FUT)의 길이에 해당하는 RF 신호의 경로차에 의한 시간 지연을 나타내고 있으며, 식 (8)과 같은 관계를 갖고 있다.
(8)
여기에서l은 광경로차에 해당하는 광섬유의 길이이고,n eff 는 광섬유 내에서 광이 느끼는 유효굴절률,c와v는 각각 진공과 광섬유 내에서 빛의 속도이다.
광섬유에서 색분산은 각각 다른 파장에서 광이 느끼는 유효굴절률이 다르기 때문에 일정거리를 진행하면 각 파장의 속도차에 의한 다른 지연을 갖기 때문에 발생한다. 따라서 제안한 시스템에서 측정하고자 하는 광섬유의 길이를 일정하게 유지하고 광 파장을 변화시키면 각 파장들은 느끼는 유효굴절률의 차에 의해 각각 조심씩 다른 지연이 발생하고 이러한 지연이 전달함수의 주기를 변화시키게 된다. 하지만 전달함수의 주기를 직접 측정한다면 dip이 발생하는 주파수에서의 전달함수가 매우 작기 때문에 광 수신기(140)에서의 잡음과 회로망 분석기(150)의 해상도의 영향으로 정확한 색분산 측정에 제한을 주게된다.
따라서 전달함수의 주기를 직접 회로망 분석기(150)에서 측정하지 않고 측정된 값과 식 (7)의 값을 지연시간t d 를 변화시키면서 비교하여 가장 상관관계가 큰t d 를 구하는 방식을 사용한다. 이 때, 식 (7)의 전달함수 H1(f)와 H2(f)는 MZ변조기(130) 순방향 변조와 역방향 변조를 직접 측정한 값을 이용하였다.
이와 같은 본 발명의 제 2 실시 예의 기타 사항은 상기 제 1 실시 예와 동일하므로 그 상세한 설명은 약한다.
본 발명은 상기에 기술된 실시 예에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 다음과 같은 효과를 갖게 된다.
첫째, 매우 짧은 길이의 광섬유(수 m)에서 긴 길이의 광섬유(수백 Km)까지 매우 정확한 해상도로 색분산을 측정할 수 있으며, 이미 필드에 포설된 광섬유의 색분산을 매우 간단히 측정할 수 있다.
둘째, 부가적인 보상이나 기준을 위한 전자회로나 광섬유가 필요하지 않기 때문에 측정 시스템이 매우 간단하고, 광손실이나 출력파워 변화가 측정결과에 영향이 미치지 않고 측정시 기계적인 조작이 불필요하기 때문에 재현성 있는 측정이 가능하다.
셋째, 광섬유의 절대 지연시간을 직접 측정할 수 있어 dip이 발생하는 주파수를 찾는 방법보다 정확한 측정결과를 얻을 수 있는 장점을 가진다.

Claims (4)

  1. 색분산 측정을 위한 광원인 파장 가변 레이저와;
    서큘레이터를 통해 상기 파장 가변 레이저에서 제공되는 광의 경로를 분리하며, 후단으로부터 입력되는 소정의 광신호를 결합하는 광섬유 3dB 결합기와;
    상기 광섬유 3dB 결합기를 통해 시계방향과 반시계 방향으로 분리되어 제공되는 광을 외부로부터 제공되는 RF신호에 의해 각각 순방향 및 역방향 변조하는 MZ(Mach Zehnder)변조기와, 상기 광섬유 3dB 결합기와 MZ변조기 사이의 시계방향 경로상에 삽입되어 상기 MZ변조기의 순방향 변조시 해당 길이만큼 지연된 신호에 의해 변조되도록 하는 측정용 광섬유를 갖는 Sagnac간섭기와;
    상기 MZ변조기에서 순방향 및 역방향 변조된 광을 상기 광섬유 3dB 결합기 및 서큘레이터를 통해 수신하는 광 수신기와;
    상기 MZ변조기에 RF신호를 제공하며, 상기 광 수신기에 수신된 신호의 전달함수를 구하는 회로망 분석기와;
    상기 회로망 분석기에서 구해진 전달함수를 이용하여 상기 측정용 광섬유의 비대칭 길이에 해당하는 지연시간을 구하여 이로부터 색분산을 얻는 컴퓨터로 구성됨을 특징으로 하는 색분산 측정 시스템.
  2. 색분산 측정을 위한 광원인 파장 가변 레이저와; 서큘레이터를 통해 상기 파장 가변 레이저에서 제공되는 광의 경로를 분리하는 광섬유 3dB 결합기와; 상기 광섬유 3dB 결합기를 통해 시계방향과 반시계 방향으로 분리되어 제공되는 광을 외부로부터 제공되는 RF신호에 의해 각각 순방향 및 역방향 변조하는 MZ변조기와, 상기 광섬유 3dB 결합기와 MZ변조기 사이의 시계방향 경로상에 삽입되어 상기 MZ변조기의 순방향 변조시 해당 길이만큼 지연된 신호에 의해 변조되도록 하는 측정용 광섬유를 갖는 Sagnac간섭기와; 상기 MZ변조기에서 순방향 및 역방향 변조된 광을 상기 광섬유 3dB 결합기 및 서큘레이터를 통해 수신하는 광 수신기를 구비하여, 상기 광 수신기에 수신된 신호를 이용하여 색분산을 측정하는 색분산 측정 시스템에서의 색분산 측정 방법에 있어서,
    상기 광 수신기에 수신된 신호의 전달함수를 구하는 단계와;
    상기 전달함수를 이용하여 상기 측정용 광섬유의 비대칭 길이에 해당하는 지연시간을 구하는 단계와;
    상기 구해진 지연시간으로부터 색분산을 계산하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 색분산 측정 방법.
  3. 색분산 측정을 위한 광원인 파장 가변 레이저와;
    색분산을 측정하기 위해 삽입된 측정용 광섬유와;
    상기 파장 가변 레이저로부터 서큘레이터 및 상기 측정용 광섬유를 통해 도달하는 광을 반사하는 광섬유 반사체와;
    상기 서큘레이터와 측정용 광섬유 사이에 위치하여 상기 서큘레이터를 통해 파장 가변 레이저로부터 제공되어 오른쪽으로 진행하는 광을 외부로부터 제공되는RF신호에 의해 순방향 변조하고, 상기 광섬유 반사체로부터 반사되어 상기 측정용 광섬유를 통해 왼쪽으로 진행하는 광을 상기 측정용 광섬유 길이의 소정배수에 해당하는 시간만큼 지연된 RF신호에 의해 역방향 변조하는 MZ변조기와;
    상기 MZ변조기에 의해 두변 변조된 광신호를 상기 서큘레이터를 통해 수신하는 광 수신기와;
    상기 광 수신기에 수신된 신호의 전달함수를 구하는 회로망 분석기와;
    상기 회로망 분석기에서 구해진 전달함수를 이용하여 상기 측정용 광섬유의 길이에 해당하는 지연시간을 구하여 이로부터 색분산을 얻는 컴퓨터로 구성됨을 특징으로 하는 색분산 측정 시스템.
  4. 색분산 측정을 위한 광원인 파장 가변 레이저와; 색분산을 측정하기 위해 삽입된 측정용 광섬유와; 상기 파장 가변 레이저로부터 서큘레이터 및 상기 측정용 광섬유를 통해 도달하는 광을 반사하는 광섬유 반사체와; 상기 서큘레이터와 측정용 광섬유 사이에 위치하여 상기 서큘레이터를 통해 파장 가변 레이저로부터 제공되어 오른쪽으로 진행하는 광을 외부로부터 제공되는 RF신호에 의해 순방향 변조하고, 상기 광섬유 반사체로부터 반사되어 상기 측정용 광섬유를 통해 왼쪽으로 진행하는 광을 상기 측정용 광섬유 길이의 소정배수에 해당하는 시간만큼 지연된 RF신호에 의해 역방향 변조하는 MZ변조기와; 상기 MZ변조기에서 각각 역방향 및 순방향 변조된 광을 상기 서큘레이터를 통해 수신하는 광 수신기를 구비하여, 상기 광 수신기에 수신된 신호를 이용하여 색분산을 측정하는 색분산 측정 시스템에서의 색분산 측정 방법에 있어서,
    상기 광 수신기에 수신된 신호의 전달함수를 구하는 단계와;
    상기 전달함수를 이용하여 상기 측정용 광섬유의 길이에 해당하는 지연시간을 구하는 단계와;
    상기 구해진 지연시간으로부터 색분산을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 색분산 측정 방법.
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