KR100584697B1 - 변조 주파수 가변형 광 발진기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차세대(~5세대) 초고속 무선 인터넷 서비스를 위한 밀리미터파 무선 가입자 통신 시스템의 기지국에서 무선 가입자에게 전송되는 밀리미터파의 발진 주파수 신호원으로 사용될 수 있는 밀리미터파 대역 주파수 광 발진기에 관한 것으로, 루프 거울의 입/출력포트에 각각 광섬유 증폭기 및 광섬유 격자 거울을 병렬로 연결하여 각각의 파장에 적합한 레이저 모드 두 개가 동시에 발진할 수 있는 이중 모드 레이저 공진기를 형성함으로써, 두 개의 레이저 모드 사이의 맥놀이 현상에 의해 초고주파(60㎓ 이상)로 변조되는 광원을 얻을 수 있다.
광 발진기, 루프 거울, 광증폭 광섬유, 광섬유 격자 거울, 이중 모드

Description

변조 주파수 가변형 광 발진기{Modulated frequency tunable light oscillator}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 변조 주파수 가변형 광 발진기를 개략도.
도 2a 및 도 2b는 광의 파장에 따라 편광 조절기의 변화로 얻은 이득을 비교하여 도시한 그래프.
도 3은 본 발명의 일실시예에 적용된 편광 조절기의 방위각 변화에 따른 광 발진기의 광 스펙트럼을 도시한 그래프.
도 4는 변조 주파수가 편광 조절기의 각 변화에 의해 변화되는 특성을 비교하여 도시한 그래프.
도 5는 광섬유 격자 거울의 반사광 파장 변화에 대한 광 발진기의 변조 주파수 변화를 도시한 그래프.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 ***
100a,100b : 파장 결합기, 200 : 50％ 결합기,
300 : 루프 거울, 310 : 분상보상 광섬유,
320 : 편광 조절기, 330 : 10％ 결합기,
400a,400b : 광증폭 광섬유, 500a : 파장 고정형 광섬유 격자 거울,
500b : 파장 가변형 광섬유 격자 거울
본 발명은 차세대(~5세대) 초고속 무선 인터넷 서비스를 위한 밀리미터파 무선 가입자 통신 시스템의 기지국에서 무선 가입자에게 전송되는 밀리미터파의 발진 주파수 신호원으로 사용될 수 있는 밀리미터파 대역 주파수 광 발진기에 관한 것으로, 루프 거울의 입/출력포트에 각각 광섬유 증폭기 및 광섬유 격자 거울을 연결하여 각각의 파장에 적합한 레이저 모드 두 개가 동시에 발진할 수 있도록 한 변조 주파수 가변형 광 발진기에 관한 것이다.
일반적으로, 통신 기술을 연구하는 국내외 기관에서는 차세대(~5세대) 개인용 무선 기술로서 100 Mbps 정도의 대용량 정보를 가입자에게 서비스하기 위해 밀리미터파 대역을 사용하는 통신 기술을 연구 개발하고 있다. 상기 밀리미터파 대역은 대기 감쇄가 크기 때문에 ~200m 정도의 짧은 사거리 영역에서 무선 통신이 이루어져야 한다. 그러므로, 가입자와 근접한 위치에 중계기가 있어야 한며, 정보를 실은 밀리미터파 대역의 고주파 광 신호가 광선로를 통해 중계기로 보내진다. 이때, 고주파 광 신호를 발생시키는 발진 주파수 신호원으로 고주파 광 발진기가 이용된다.
5~ 6년 전부터 국내외의 이 기술 분야에서는 반도체 고주파수 광 변조를 이용하는 방법과 공진기 자체 변조를 이용하는 방법들이 연구 개발하고 있다. 광 변 조를 이용하는 방법으로는 주파수 영역이 최대 ~40㎓로 연구 개발 중에 있으며, 자체 변조를 이용하는 방법으로는 60㎓~80㎓ 주파수 영역의 복합 공진기 구조 광섬유 발진기들이 개발되었다.
즉, 대한민국 특허출원 2002-3529호(2002.1.22)애는 광섬유 격자 거울을 가진 링형 공진기가 제안되었으며, 링형 공진기를 기본으로 하는 비슷한 개념의 고주파수 레이저 광원도 개발되었다.
그러나, 상기와 같은 종래의 광 발진기는 한 쌍의 광섬유 격자 거울을 왕복하는 레이저 모드가 투과하는 레이저 모드에 비해 약 2배의 공진 길이를 경유하므로 복굴절 현상과 공진 주파수가 크게 차이가 나게 되어 두 모드 사이의 변조 주파수가 높아지는 반면, 두 모드를 동시에 발진시키기 위해 편광 조절기(편광 상태)의 조절 폭이 상대적으로 좁아지는 단점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 현재 상용화되어 있지 않은 60GHz 이상의 높은 변조 주파수에서 발진되는 우수한 변조 주파수 가변형 광 발진기를 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면은, 소정 파장의 펌프광을 입력받는 한 쌍의 파장 결합기; 그 양측 포트에 상기 한 쌍의 파장 결합기의 일측이 각각 연결되는 루프 거울; 출력광을 위해 상기 루프 거울과 연결되는 결합기; 상기 한 쌍의 파장 결합기의 타측에 각각 연결되는 광증폭 광섬유; 및 상기 광증폭 광섬유에 각각 연결되는 광섬유 격자 거울을 포함하며, 상기 광증폭 광섬유로부터 출력된 광이 상기 루프 거울에서 파장마다 다른 반사율로 반사된 후 상기 광증폭 광섬유를 거쳐 상기 광섬유 격자 거울로 입력되고, 상기 광섬유 격자 거울에서 서로 다른 파장 영역의 광이 각각 반사되어 이중 레이저 모드의 공진기가 형성되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 변조 주파수 가변형 광 발진기를 제공하는 것이다.
여기서, 상기 한 쌍의 파장 결합기와 상기 루프 거울이 50％ 결합기를 통해 연결됨이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 루프 거울은 분상보상 광섬유 및 편광조절기를 구비한다.
바람직하게는, 상기 광섬유 격자 거울 중 하나는 파장 고정형 광섬유 격자 거울이고, 다른 하나는 파장 가변형 광섬유 격자 거울이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 변조 주파수 가변형 광 발진기를 개략도이다.
도 1을 참조하면, 980nm 파장의 펌프광 입력을 위한 한 쌍의 파장 결합기(980/1550nm)(100a)(100b)의 일측에는 50％ 결합기(200)를 통해 분상보상 광섬유 (L=1m)(310), 편광 조절기(320) 및 출력광을 위한 10％ 결합기(330)를 구비하는 루프 거울(300)의 입/출력포트에 각각 연결되어 있다.
상기 한 쌍의 파장 결합기(100a)(100b)의 타측에는 광을 증폭하기 위한 광증폭 광섬유(Er, 2m)(400a)(400b)가 각각 연결되어 있으며, 상기 광증폭 광섬유(Er, 2m)(400a)(400b)의 다음 단에는 광섬유 격자 거울 즉, 파장 고정형 광섬유 격자 거울(500a)과 파장 가변형 광섬유 격자 거울(500b)이 각각 연결되어 있다.
상기 루프 거울(300)은 50％ 결합기(200) 즉, 2 X 2 광섬유 결합기의 두 출력포트를 적당한 길이의 광섬유로 연결하여 입력된 광이 50% 씩 나누어 진행한 후, 상기 광섬유 내를 서로 반대 방향으로 진행했다가 되돌아 나오도록 설계된 회로이다. 입력된 광이 광섬유를 돌아 나와 원래의 포트로 결합되는 비율이 반사율이 된다. 이때, 결합 비율은 편광에 의존하며, 상기 루프 거울(300)의 광섬유 내에 내재된 복굴절이 없다면 100% 결합하여 전반사가 일어나고, 복굴절이 있으면 반사율(>10%)이 줄어든다. 즉, 상기 루프 거울(300)의 반사율은 루프 거울을 구성하는 광섬유의 복굴절에 의해 결정된다.
상기 광섬유 격자 거울(500a)(500b)은 광섬유 중심에 있는 광 통로 부분의 굴절율을 주기적으로 다르게 하여 소정 주기에 의해 결정되는 특정 파장 영역의 광은 반사시키고, 다른 파장의 광은 통과시키는 기능을 가진 선택 파장형 거울이다.
즉, 상기 광섬유 격자 거울(500a)(500b)을 상기 광증폭 광섬유(400a)(400b)의 일측에 각각 배치됨으로써, 상기 광증폭 광섬유(400a)(400b)로부터 출력된 광이 상기 루프 거울(300)에서 파장마다 다른 반사율을 가지고 반사된 후, 상기 광증폭 광섬유(400a)(400b)에서 증폭되어 상기 광섬유 격자 거울(500a)(500b)에 각각 입력된다. 이때, 상기 광섬유 격자 거울(500a)(500b)에서 특정 파장 영역의 광은 반사되고 다른 파장 영역의 광은 통과하게 되므로, 상기 광섬유 격자 거울(500a)(500b)에서 반사된 광만이 왕복하는 공진기가 형성된다.
한편, 상술한 본 발명의 일 실시예에서는 상기 루프 거울(300)에 연결된 50％ 결합기(200)의 두 개의 입/출력포트를 독립적으로 사용하여 상기 광증폭 광섬유(400a)(400b)와 광섬유 격자 거울(500a)(500b)을 한 쌍씩 병렬로 연결하면, 하나의 루프 거울(300)에 두 개의 공진기가 형성되어 초기위상이 같은 이중 모드의 레이저 발생이 가능해진다.
즉, 특정 파장에서만 반사하는 한 쌍의 광섬유 격자 거울(500a)(500b)을 각각 병렬로 설치함으로써, 각각의 광섬유 격자 거울(500a)(500b)과 연계한 두 개의 공진기가 형성되고, 루프 거울(300)의 반사율에 의해 독립된 레이저 모드들이 발생하며, 복굴절에 의한 반사율을 분석하고 반사율에 적합한 광섬유 격자 거울(500a)(500b)을 제작하여 두 개의 레이저 모드를 발생시킬 수 있으며, 20㎓에서 160㎓로 변조 주파수가 폭넓게 변화될 수 있는 광원을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 공진기 내에서는 1회 공진하는 동안 광증폭 매질에서의 이득과 공진기 양끝에 있는 광섬유 격자 거울(500a)(500b)의 반사율에 의한 이득을 종합한 총이득이 최대로 되는 파장에서 레이저가 발진된다.
도 2a 및 도 2b는 광의 파장에 따라 편광 조절기의 변화로 얻은 이득을 비교하여 도시한 그래프로서, 도 2a는 기존의 직렬형(serial) 광 발진기를 이용하여 광 의 파장에 따라 편광 조절기의 변화로 얻은 이득을 비교하여 도시한 그래프이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 발진기를 이용하여 광의 파장에 따라 편광 조절기의 변화로 얻은 이득을 비교하여 도시한 그래프이다.
이때, 기존의 직렬형(serial) 광 발진기는 미도시된 루프 거울, 파장 결합기, 광증폭 광섬유, 파장 고정형 및 파장 가변형 광섬유 격자 거울을 직렬로 연결하여 각각의 파장에 적합한 두 개의 레이저 모드가 동시에 발진할 수 있는 이중 모드 레이저 공진기를 형성하도록 구성되어 있다.
이러한 기존의 직렬형(serial) 광 발진기는 두 개의 레이저가 같은 광 증폭 매질의 이득을 나누어 가져야 하기 때문에, 상기 광섬유 격자 거울의 파장과 편광의 선택이 매우 적절해야 하며, 상기 루프 거울의 반사율이 광섬유 내에 존재하는 불규칙한 복굴절에 의존한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형(parallel) 광 발진기는 광섬유의 복굴절의 의존도가 비교적 낮아 편광에 대해 안정하고, 광증폭 광섬유(400a)(400b)의 이득을 나누어 가지는 기술적인 어려움을 극복할 수 있다. 또한, 하나의 광섬유 격자 거울을 조정함으로써, 변조 주파수를 간편하게 변화시킬 수 있는 고기능을 구현할 수 있는 초고주파수(예컨대, 약 60㎓ 이상) 광원을 얻을 수 있다. 이 밖에 종래의 광 발진기에 구성된 방향지시기 또는 편광기 등과 같은 고가의 부품들이 필요 없게 되어 보다 간편한 구조의 광 발진기를 구현할 수 있다.
도 2a를 참조하면, 길이가 5m인 분상보상 광섬유와 980nm에서 40mW 광전력일 때 종합 이득을 모의 분석한 결과로서, 이득의 최대가 되는 두 개의 레이저 모드들 을 비교해 볼 때 이득의 크기가 많이 차이가 나는 것을 알 수 있다.
도 2b를 참조하면, 도 2a와 같은 조건에서 모의 분석한 결과로서, 두 개의 이중 모드가 광섬유 격자 거울(500a)(500b)의 중심 파장들에서 크기의 차이가 약간 있지만, 도 2a와 비교해 볼 때 균형 있게 얻어질 수 있는 것을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 적용된 편광 조절기의 방위각 변화에 따른 광 발진기의 광 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 도 2b와 같은 이득을 가지고 있을 때 레이저 모드의 광전력을 모의 실험한 결과로서, 상기 루프 거울(300) 내에 내재한 편광 조절기(320)에 의해 90°주기로 약간씩 변화하는 것을 볼 수 있다.
도 4는 변조 주파수가 편광 조절기의 각 변화에 의해 변화되는 특성을 비교하여 도시한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 최고의 이득을 갖는 두 레이저 모드 사이의 맥놀이 주파수를 모의 분석한 것으로서, 상기 루프 거울(300) 내에 내재한 광섬유의 광 축이 광섬유의 제작 시에 불가항력적으로 발생할 수 있는 광 축 불일치 각을 50°정도 예측해 보았을 때 결과이다.
즉, 광 축이 일치하는 경우에는 기존의 직렬형(serial)과 본 발명의 병렬형(parallel) 모두 편광 조절기(320)의 방향각 변화에 대해 크게 변화하지 않는 것을 알 수 있으며, 편광에 대한 우수한 안정성을 보인다. 한편, 광 축이 불일치할 경우에는 기존의 직렬형(serial)은 반사율의 변화를 통한 이득의 변화에 매우 민감하지만, 본 발명의 병렬형(parallel)은 광섬유의 이득을 독자적으로 얻기 때문에, 편광 조절기(320)의 각 변화 즉, 편광의 변화에 대해 대단히 안정적이라는 것을 알 수 있다.
도 5는 광섬유 격자 거울의 반사광 파장 변화에 대한 광 발진기의 변조 주파수 변화를 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 상기 파장 고정형 광섬유 격자 거울(500a)을 편광 조절기(320)에 의한 최대 이득이 되는 파장인 1542.0nm에 맞도록 고정시키고, 상기 파장 가변형 광섬유 격자 거울(500b)을 사용하여 반사광의 중심 파장을 1541.5nm 에서 1543.5nm 까지 변화시킨 모의 실험 결과, 도 7에 도시한 바와 같이 20GHz ~ 160GHz의 가변 주파수 특성을 얻을 수 있었다.
전술한 본 발명에 따른 변조 주파수 가변형 광 발진기에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 변조 주파수 가변형 광 발진기에 따르면, 루프 거울의 입/출력포트 두 개에 각각 한 세트(광증폭 광섬유 및 광섬유 격자 거울)씩 병렬로 연결하여 각각의 파장에 적합한 레이저 모드 두 개가 동시에 발진할 수 있는 이중 모드 레이저 공진기를 형성함으로써, 단일의 레이저 광 발생기로부터 광섬유 격자 거울의 반사파장을 조정하여 발생되는 레이저의 변조 주파수를 20GHz∼160GHz 까지 연속 가변되는 고주파수 광 발진기를 간단한 구성으로 얻을 수 있고, 초고속 무선 인터넷 서비스를 위한 광무선 통합 밀리미터파 통신 장비에 주파수 발진기 및 고주파수 광신호 발생기로 사용될 수 있으며, 더 나아가 유선 초고속 광 전송 시스템에 중요 핵심 부품으로 활용될 경우 수입품 대체 및 경비 절감 효과를 가져 올 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 두 개의 공진기가 루프 거울의 서로 다른 입/출력포트를 이용하여 광증폭 광섬유의 이득을 독자적으로 획득함으로써, 매우 안정적으로 두 개의 레이저 모드가 발진될 수 있는 이점이 있다.

Claims (5)

  1. 소정 파장의 펌프광을 입력받는 한 쌍의 파장 결합기;
    그 양측 포트에 상기 한 쌍의 파장 결합기의 일측이 각각 연결되는 루프 거울;
    출력광을 위해 상기 루프 거울과 연결되는 결합기;
    상기 한 쌍의 파장 결합기의 타측에 각각 연결되는 광증폭 광섬유; 및
    상기 광증폭 광섬유에 각각 연결되는 광섬유 격자 거울을 포함하며,
    상기 광증폭 광섬유로부터 출력된 광이 상기 루프 거울에서 파장마다 다른 반사율로 반사된 후 상기 광증폭 광섬유를 거쳐 상기 광섬유 격자 거울로 입력되고, 상기 광섬유 격자 거울에서 서로 다른 파장 영역의 광이 각각 반사되어 이중 레이저 모드의 공진기가 형성되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 변조 주파수 가변형 광 발진기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 한 쌍의 파장 결합기와 상기 루프 거울이 50％ 결합기를 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 변조 주파수 가변형 광 발진기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 루프 거울은 분상보상 광섬유 및 편광조절기를 구비하는 것을 특징으로 하는 변조 주파수 가변형 광 발진기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 결합기는 10％ 결합기인 것을 특징으로 하는 변조 주파수 가변형 광 발진기.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 광섬유 격자 거울 중 하나는 파장 고정형 광섬유 격자 거울이고, 다른 하나는 파장 가변형 광섬유 격자 거울인 것을 특징으로 하는 변조 주파수 가변형 광 발진기.
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