KR0170487B1 - 비선형 광섬유 루프 거울 스위치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비선형 광섬유 루프거울 스위치에 관한 것으로, 종래 비선형 광섬유 루프거울 스위치의 구조에 조절광에 시간 지연을 주기 위한 광섬유 시간 지연기; 및 상기 광섬유 시간 지연기의 끝단에 설치되며, 상기 광섬유 시간 지연기를 통해 시간 지연된 상기 조절광을 다시 광섬유 루프로 희귀시키기 위한 거울을 포함하는 것을 특징으로 하여, 분산천이 광섬유와 같은 특수한 광섬유를 사용하지도 않으면서 조절광의 파장에 관계없이 스위칭 폭을 광섬유의 길이와 종류를 바꾸지 않고도 조절할 수 있는 효과가 있다.

Description

비선형 광섬유 루프 거울 스위치

제1도는 종래의 비선형 광섬유 루프거울을 이용한 완전 광 스위치의 구조도.

제2도의 (a)는 종래의 비선형 루프 거울을 이용한 완전 광섬유 스위치의 조절광과 같이 진행하는 신호광의 위상 변화.

(b)는 종래의 비선형 루프 거울을 이용한 완전 광섬유 스위치의 조절광과 반대 방향으로 진행하는 신호광의 위상 변화.

(c)는 종래의 비선형 루프 거울을 이용한 완전 광섬유 스위치의 조절광과 같이 진행하는 신호광과 반대 방향으로 진행하는 신호광의 위상차.

(d)는 종래의 비선형 루프 거울을 이용한 완전 광섬유 스위치의 출력 파형을 도시한 도면.

제3도는 본 발명에 의한 비선형 광섬유 루프거울을 이용한 완전 광스위치 구조도.

제4도의 (a)는 본 발명에 의한 비선형 광섬유 루프 거울을 이용한 완전 광섬유 스위치의 조절광과 같이 진행하는 신호광의 위상변화.

(b)는 본 발명에 의한 비선형 광섬유 루프 거울을 이용한 완전 광섬유 스위치의 조절광과 반대 방향으로 진행하는 신호광의 위상 변화.

(c)는 본 발명에 의한 비선형 광섬유 루프 거울을 이용한 완전 광섬유 스위치의 조절광과 같이 진행하는 신호광과 반대 방향으로 진행하는 신호광의 위상차.

(d)는 본 발명에 의한 비선형 루프 거울을 이용한 완전 광섬유 스위치의 출력 파형을 나타낸 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

H1 : 반사포트 H2 : 출력포트

WDM1, WDM2 : 파장분할 광섬유 결합기

Φa, Φb : Ia, Ib 각각의 광섬유 루프 통과시 위상항의 값

L : 광섬유의 길이

본 발명은 비선형 광섬유 루프 거울 스위치에 관한 것으로 특히 종래의 비선형 광섬유 루프 거울에 광섬유 시간 지연기와 거울을 도입하여 조절광과 신호광 사이의 워크-오프에 의한 스위치 성능의 제한을 보상하므로 초고속 광통신에서 핵심 소자인 완전 광 스위칭(All-Optical Signal Processing)를 구현하는데 적용되는 비선형 광섬유 루프 거울 (Nonlinear Fiber Loop Mirror : NFLM) 스위치에 관한 것이다.

비선형 광섬유 루프 거울은 온도나 진동 등의 외부 환경으로부터 가장 안정된 사냑(Sagnac) 간섭계를 스위치의 기본 구조로 하고 비선형 작용이 일어나는 매질로 광섬유를 사용한다.

간섭계라는 것은 일반적으로 입사되는 빛을 두 개로 나누고 이 두 빛을 각각 서로 다른 환경의 경로를 진행시킨 다음 다시 결합시켜 간섭 무늬 또는 간섭 강도등을 측정하는 광학계이다.

즉, 간섭계 내부의 위상 변화를 빛의 강도의 변화로 변환 시켜주는 일종의 위상-강도 변환기이다.

이와 같은 간섭계를 스위치에 사용한다고 함은 원하는 때에 간섭계 내부의 위상을 0도에서 180도로 변화 시켜서 결국 간섭계 출력 강도가 on 또는 off 되도록 조절하는 것을 의미한다.

완전 광 스위치의 의미는 빛과 빛 사이의 상호작용을 이용하여 위와같은 위상변화를 유도한다는 것이고 빛과 빛사이의 상호 작용은 사용하는 매질의 비선형 굴절율을 매개로 이루어진다.

모든 물질의 굴절율은 상수가 아니며 입사되는 빛의 강도에 따라서 그 양이 변하게 된다.

비선형 굴절율은 빛의 입사에 의해 변화된 굴절율의 양을 가리키는 것이며 그 크기는 물질에 따라서 매우 다양하다.

따라서 일반적인 간섭계에 비교적 강도가 강한 빛이 입사하여 비선형 작용에 의해 매질의 굴절율을 변화 시키면 이것은 간섭계를 통과하는 다른 빛의 위상의 변화를 유도하고 결국 간섭계의 원리에 의해 출력 강도의 변화를 일으켜 스위칭이 일어나도록 한다.

이러한 스위치의 대역폭(band-width)은 비선형 매질의 반응 시간에 의해 주로 좌우된다.

광섬유는 비선형 반응 시간이 수 펨토초로서 알려진 비선형 매질 가운데 가장 빠르다. 그러나 이러한 비선형 광섬유 루프 거울의 비선형 매질인 광섬유의 비선형 굴절 계수가 다른 비선형 매질들에 비해 매우 작으므로 스위칭에 필요한 180도의 위상 변화를 얻기 위해서는 비선형 작용 거리, 즉 광섬유의 길이가 충분히 길어져야 한다.

간섭계를 형성하는 빛(신호광)과 이것을 스위칭하기 위해 입사되는 다른 빛(조절광)은 간섭계 입사전에 서로 다른 경로를 진행한다.

통신 시스템의 예를 들면, 신호광은 한 개의 단말국에서 교환기로 전송된 빛이고 조절광은 교환기 내부에 있는 빛이기 때문이다.

이와같이 서로 다른 경로의 두 빛을 하나의 간섭계에 결합/분리하기 위해서는 두 빛이 서로 구별되어야 하고, 일반적으로 편광이나 파장이 달라야만 한다.

매질 가운데 가장 빠르다.

따라서 광섬유를 비선형 매질로 사용하는 비선형 광섬유 루프 거울은 지금까지 실현된 스위치 중에 가장 대역폭이 넓고 안정된 스위치이다.

광섬유의 길이가 길어지고 신호광과 조절광 사이의 파장이나 편광이 다르면 광섬유가 가지고 있는 고유한 성질인 색분산과 편광분산에 의해 스위치의 대역폭이 결정되게 된다.

색분산과 편광분산은 각각 빛의 파장과 편광에 따라서 광섬유 진행 속도가 다른 것을 의미한다.

이와 같은 신호광과 조절광의 진행속도 차이에 따른 신호광과 조절광의 시간적 분리를 워크-오프(walk-off)라고 한다.

조절광과 신호광 사이의 속도가 다르게 되면 비선형 작용거리가 짧아지게 되어 스위칭에 필요한 조절광의 강도가 높아져야 함은 물론 스위칭 창문(switching window)이 넓어진다.

스위칭 창문이 넓어지는 효과는 전송되온 입력 신호광의 시간 요동(timming jitter)에 대해 융통성을 발휘 할 수 있어 광섬유 스위치의 장점중에 하나이긴 하나 신호의 전송용량이 커져 비트 속도가 올라 가면 스위치의 대역폭을 제한하는 결정적인 요소로 작용한다.

따라서 광섬유 스위치를 구성코자 할 때에는 신호광의 시간 요동과 비트 속도를 모두 감안하여 스위치 구성 요소들의 사양(specification)을 적절히 결정 하여야 한다.종래의 방법은 간섭계를 구성하는 광섬유의 길이를 조절하거나 사용하는 광섬유를 분산이동 광섬유(dispersion shifted fiber)나 분산이 편평한 광섬유(dispersion plattened fiber)등 특수한 광섬유를 사용하여 색분산에 의한 워크-오프를 보상하여 주고 있다. 광섬유 길이로서 조절하여 주는 것은 그 원리가 간단하기는 하나 사용하는 시스템이 융통성을 가지지 못한다는 단점을 지니고 있다.

특수한 광섬유를 쓰는 것은 스위치의 구성 가격이 올라가는 주요한 원인이 된다.

또한 시간요동에 대한 융통성과 스위칭 소광비 사이에 존재하는 trade-off의 한계가 있다.

제1도는 종래의 비선형 광섬유 루프 거울의 구조도이다.

입사되는 신호광을 50:50의 비로 나누어 주는 3 dB 광섬유 결합기와 광섬유 루프로 이루어진 사냑(Sagnac) 간섭계에 조절광을 간섭계에 입사시키는 파장분할 광섬유 결합기(wavelength division fiber coupler) WDM1과 조절광을 간섭계로부터 추출하는 파장 분할 광섬유 결합기 WDM2로 이루어져 있다.

두 개로 나뉘어진 신호광들은 간섭계내를 동일한 경로를 반대방향으로 진행하므로 외부의 비가역적(nonreciprocal)인 요동(perturbation)이 없는 한 3dB 광섬유 결합기에 의해 다시 결합되어 간섭을 일으킬 때 보강 간섭이 일어나 입사될 때의 에너지를 지닌 채 되돌아간다.

이와 같은 작용은 마치 거울과 같으므로 광섬유 루프 거울이라는 명칭을 사용하며, 따라서 3dB 광섬유 결합기의 포트 H1을 반사 포트라고 한다.

이 때 비가역적인 요동이란 반대 방향으로 진행하는 두 개의 신호광 중의 하나에 대해 다른 하나와 차별적인 요동이 가해지는 것으로 루프의 회전에 의한 사냑 효과, 자기-광학 파라데이 효과, 비선형 효과 등이 있다.

이러한 효과들은 앞서 기술한 바와 같이 간섭계 내부를 반대 방향으로 진행하는 두 빛 사이의 위상차를 유도하고, 위상차는 각각 그것의 원인이 되는 물리 현상(루프의 회전, 자기장, 비선형 굴절율)의 크기에 따라서 비례한다.

이와 같은 위상차는 간섭계 원리에 의해 간섭계 출력 강도의 변화를 일으키어 3dB 광섬유의 또 다른 포트인 H2 포트로 신호광의 일부분이 추출되게 된다.

따라서 H2포트를 투과 포트라고 한다. 완전 광 스위치는 이러한 비가역적요동 중에 비선형 효과를 이용하는 것이다.

WDM1 과 WDM2는 조절광과 신호광의 파장에 대해서 각각 100:0과 0:100의 결합/분리 비율을 가지고 있어 신호광은 무조건 by-pass 시키며 조절광은 WDM1에 의해 간섭계 내부로 들어오고 WDM2에 의해 나가게 된다.

간섭계 투과 포트인 H2에서의 신호광의 출력 강도 I는 다음과 같이 주어진다.

여기서 ΔΦ는 간섭계를 반대 방향으로 진행한 두 개의 신호광 Ia 와 Ib 의 위상차이로서

이고, I₀는 입력된 신호광의 강도이다. Φa와 Φb는 각각 Ia와 Ib의 광섬유 루프 통과시 위상항의 값이다.

비가역적인 위상 요동이 없으면 ΔΦ는 항상 0 으로서 투과 포트로 나오는 빛이 없으므로 OFF 상태이다.

비선형 현상에 의해 조절광에 의해 유도된 ΔΦ가 180도 가 되면 I=I₀로서 입력된 빛의 에너지가 고스란히 투과 포트 H₂로 나오게 되어 ON 상태가 된다.

조절광과 같이 진행하는 신호광 Ia에 조절광에 의해 유도되는 위상 변화량은 길이에 따른 비선형 굴절율의 누적으로 나타나고 이것은 수식적으로 길이에 따른 비선형 굴절율의 적분으로 나타낼 수 있다.

또한 조절광과 반대 방향으로 진행하는 Ib 에 유도되는 비선형 위상 변화는 조절광의 평균 강도에 의해 결정 된다.

이와 같은 점을 고려하면 Φa와 Φb는 각각 다음과 같이 주어진다.

여기서 ks=2π/λ_s이고 λ₅는 신호광의 파장이다.

L은 광섬유의 길이이고 n₂는 광섬유의 비선형 굴절계수이며, Ic는 조절광의 피크 강도이고 Ic는 조절광의 평균 강도이다.

(3)식에서 τ는 조절광과 신호광 사이의 단위 길이당 워크-오프 시간이며 조절광이 (t-τz)의 함수인 것은 이러한 워크-오프를 고려한 것이다.

따라서 위상차 ΔΦ는 다음과 같이 주어진다.

식(3)이 의미하는 바는 위상차 Φa 는 신호광과 조절광이 상호작용하도록 하는 매질인 광섬유의 길이에 단순히 비례하는 것이 아니고 길이에 따라서 포화 되는 현상이 일어나며 그 포화되는 크기는

로 주어진다.

여기서 Δt_o는 조절광의 펄스 폭이다.

Φa의 형태(profile)는 이와같은 ΔΦ1를 높이로 하고 τL을 반치폭으로 하는 사각형 형태이다.

이와 같은 현상은 제2도(a)에 나타나 있다.

제2도의 (b)는 식 (4)를 계산한 결과이다.

제2도의 (c)에서는 ΔΦ의 파형을 보여 주고, 제2도의 (c)는 그에 따른 스위칭 신호를 나타내는 데, 보는 바와 같이 상당한 크기의 DC 성분이 존재 함을 알 수 있다. 이것은 스위칭 출력의 ON/OFF 비를 나쁘게 하는 요소로 작용된다.

ΔΦ₁- ΔΦ₂를 π가 되도록 I_c를 조절하면 조절광의 입사 시간으로부터 τ_L시간 안에 들어있는 신호광 성분은 전부 스위칭 된다.

이것은 앞서 설명한 바와 같이 스위칭 창문(switching window)이 τ_L까지 넓어지는 것을 의미하여 전송된 신호광에 다소간의 시간 요동이 있더라도 이 스위칭 창문안에만 들어오면 스위칭 해낼 수 있다.

그러나 신호광의 비트 속도가 증가 하여 신호광의 펄스 주기가 τ_L보다 짧게 되면 원하지 않는 부분도 스위칭이 되므로 신호광의 전송 비트 속도를 제한하는 요소가 된다. 따라서 시스템에서 요구되는 시간요동 유연성과 비트 속도에 의해서 광섬유 길이 L을 조절하여 스위칭 창문의 폭을 결정하여 사용한다.

그러나 이것은 한번 맞추어 놓으면 신호의 비트 속도를 바꿀 수가 없어 융통성이 없어진다.

또한 사용하는 신호의 형태가 nonreturn-to-zero 형태냐 return-to-zero형태냐에 따라서도 적응 능력이 없다.

이러한 신호의 형태나 비트 속도 제한 이외 에도 앞서 언급한 스위칭 소광비(on-off ratio)가 나빠진다.

즉, 신호의 소광비는 다음과 같이

주어진다.

여기서 T는 조절광의 주기이다.

만약 10 기가 비트에서 2.5 기가 비트로 역다중화 하려면 가장 바람직한 스위칭 창문의 크기는 10GHz의 역수인 100 피코초이다.

따라서 소광비는 4로서 25%의 DC 성분이 항상 존재한다.

따라서, 본 발명은 광섬유의 신호광과 조절광 사이에 존재하는 워크-오프를 보상하여 길이를 조절하지도 않고 특수한 광섬유를 사용하지도 않고도 스위칭 대역폭을 향상하고, 시스템의 상태에 따라서 스위칭 창문의 넓이를 인위적으로 조절할 수 있어 시간 요동에 대한 융통성을 지니고 최대의 스위칭 소광비가 가능한 비선형 광섬유 루프 거울 스위치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 조절광원; 상기 조절광원으로부터의 조절광에 의해 굴절률이 변화되며, 외부의 신호광원으로부터의 신호광이 양방향으로 진행하여 간섭작용을 일으키는 광섬유루프; 상기 광섬유 루프 내에 설치되며, 상기 조절광원으로부터의 조절광을 상기 광섬유 루프 내로 입사시키기 위한 제1파장분할 광섬유 결합기; 상기 광섬유 루프에 연결되며, 상기 신호광원으로부터의 신호광을 입력받아 2개의 신호광으로 나누어 상기 광섬유 루프에 제공하며, 상기 광섬유 루프를 통해 간섭되는 신호광을 출력하는 광섬유 결합기; 상기 광섬유 루프 내에 설치되며, 상기 광섬유 루프로부터 상기 조절광을 추출하기 위한 제2파장분할 광섬유 결합기; 상기 제2파장분할 광섬유 결합기의 끝단에 연결되며, 상기 제2파장분할 광섬유 결합기로부터 출력된 상기 조절광에 시간 지연을 주기 위한 광섬유 시간 지연기; 및 상기 광섬유 시간 지연기의 끝단에 설치되며, 상기 광섬유 시간 지연기를 통해 시간 지연된 상기 조절광을 다시 상기 광섬유 루프로 희귀시키기 위한 거울을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

제3도는 본발명에서 제안하는 수정된 비선형 루프 거울의 구조도이다.

종래의 비선형 루프 거울의 구조에서 사용하는 조절광 I_C1을 광섬유 루프에서 추출 하기 위해 사용하는 WDM2 광섬유 결합기의 끝에 가변 지연 경로와 광을 되돌려 반사하는 거울을 추가한 것이다.

WDM2를 통해서 루프 밖으로 나온 조절광은 거울에 의해 다시 루프로 들어 가게 되는데 이것을 I_c2로 부른다.

따라서 종래의 구조와는 달리 간섭계를 서로 반대 방향으로 진행하는 두개의 신호광 모두 같이 진행하는 조절광이 존재하게 된다.

두 개의 조절광이 시간지연 없이(즉, I_c2의 시간 지연이 조절광 주기의 정수배로) 간섭계에 입사되면 두 개의 신호광은 같은 위상 변화를 느끼고 결국 두 개의 신호광 사이의 위상차는 0이다.

두 개의 조절광 사이의 시간지연을 주고 시간지연 양을 종래의 스위칭 창문인 τL보다 짧게하여 주면 본발명에서 제안한 광섬유 스위치 구조에서는 시간지연 양 만큼의 스위칭 창문이 열리게 된다.

즉, 스위칭 창문의 크기는 두 개의 조절광 사이의 입사 시간차이에 의해 결정되며 조절광과 신호광 사이의 워크-오프와 무관하다.

따라서 사용하는 조절광의 파장과는 관계가 없다는 것을 알 수 있다.

이것을 수식으로 표현 하면 다음과 같다.

여기서 t_d는 광섬유 시간 지연기에서 조절되는 I_c1과 I_c2사이의 시간 지연양이다.

제4도는 본 발명에 의한 비선형 광섬유 루프 거울을 이용한 완전 광섬유 스위치에서의 신호 파형을 도시한 도면이다.

제4도의 (a)는 Φ_a의 파형으로 제2도와 비교하면 DC성분이 포함되어 있다는 점이다.

그러나 이러한 DC성분은 Φ_b의 DC 성분(제4도 (b))에 의해서 상쇄 돼므로 스위칭 출력에는 DC 성분이 없다.

제4도의 (c)와 (d)를 보면 ΔΦ와 스위칭 파형이 나타나져 있다.

앞서 설명한 바와 같이 DC 성분은 존재 하지 않으며 스위칭 창문은 시간 지연 양에 의해서 조절 될 수 있음을 알 수 있고 스위칭 창문이 조절광 한 주기에 한 개가 더 존재함을 알 수 있다.

두 개의 스위칭 창문의 간격은 본래의 조절광과 신호광 사이의 워크-오프 시간과 같음을 알 수 있다.

만약 워크-오프 시간을 본래의 조절광 주기의 반이 되도록 광섬유의 길이로 조절하면 스위칭 주기는 종래의 구도 보다 2배 늘어난다.

상기한 본 발명에 의해 얻을 수 있는 효과는 다음과 같다.

첫째, 종래의 비선형 광섬유 루프 거울이 갖고 있는 조절광과 신호광 사이의 워크-오프에 의한 스위치 성능의 제한을 보상할 수 있다.

둘째, 초고속 대용량 신호의 역 다중화에 유용하다.

즉, 역 다중화코자 하는 주기보다 반저에 해당하는 주기의 조절광을 사용하면 되므로 조절광의 변조(modulation) 회로의 속도가 반으로 줄어들으므로 그만큼 제작이 용이 하고 비용이 적어진다.

Claims (3)

1. 조절광원; 상기 조절광원으로부터의 조절광에 의해 굴절률이 변화되며, 외부의 신호광원으로부터의 신호광이 양방향으로 진행하여 간섭작용을 일으키는 광섬유 루프; 상기 광섬유 루프 내에 설치되며, 상기 조절광원으로부터의 조절광을 상기 광섬유 루프 내로 입사시키기 위한 제1파장분할 광섬유 결합기; 상기 광섬유 루프에 연결되며, 상기 신호광원으로부터의 신호광을 입력받아 2개의 신호광으로 나누어 상기 광섬유 루프에 제공하며, 상기 광섬유 루프를 통해 간섭되는 신호광을 출력하는 광섬유 결합기; 상기 광섬유 루프 내에 설치되며, 상기 광섬유 루프로부터 상기 조절광을 추출하기 위한 제2파장분할 광섬유 결합기; 상기 제2파장분할 광섬유 결합기의 끝단에 연결되며, 상기 제2파장분할 광섬유 결합기로부터 출력된 상기 조절광에 시간 지연을 주기 위한 광섬유 시간 지연기; 및 상기 광섬유 시간 지연기의 끝단에 설치되며, 상기 광섬유 시간 지연기를 통해 시간 지연된 상기 조절광을 다시 상기 광섬유 루프로 희귀시키기 위한 거울을 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 광섬유 루프거울 스위치.
2. 제1항에 있어서, 상기 광섬유 시간 지연기에 의해 2개의 조절광 사이의 시간 지연량을 설정하여 스위칭 창문의 크기를 조정하는 것을 특징으로 하는 비선형 광섬유 루프거울 스위치.
3. 제1항에 있어서, 사용되는 광섬유의 길이를 조절하여 상기 조절광과 상기 신호광 사이의 시간적 분리(walk-off)의 시간을 조절광주기의 반이 되도록 한 것을 특징으로 한 비선형 광섬유 루프거울 스위치.