KR100236976B1 - 솔리톤 전송용 주파수이동 유도 필터 - Google Patents

Abstract

광섬유의 비선형성과 분산현상을 이용한 솔리톤 전송은 광증폭기의 ASE 잡음 누적에 의한 고든-하우스효과에 의해 최대 전송 거리가 제한 받는다. 주파수이동 유도필터는 이러한 고든-하우스효과를 효과적으로 감소시킬 뿐 아니라 솔리톤의 상호작용도 크게 줄이고 수동 소자로 제작될 수 있다는 장점이 있다. 필터마다 다른 공진주파수를 설정해야 하는, 종래의 주파수이동 유도필터가 갖는 단점을 해결하기 위해, 본 발명에 따른 주파수이동 유도필터는 항상 입력 솔리톤 주파수에서 일정량 만큼 이동된 곳에 필터의 공진주파수가 위치하도록 하여 한 번의 설계로 서로 다른 공진주파수를 갖는 필터를 대신할 수 있다.

Description

솔리톤 전송용 주파수이동 유도 필터

본 발명은 솔리톤 전송용 주파수이동 유도필터(sliding-frequency guiding filter, 이하 “SFG필터”라 한다)에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 SFG필터로 입력되는 솔리톤의 주파수에 대하여 일정 주파수만큼 이동된 위치에 SFG필터의 공진주파수가 있도록 설계하여, SFG필터 하나로 수 백 개의 서로 다른 공진주파수에 대응할 수 있는, 종래의 SFG필터를 대신할 수 있는 SFG필터에 관한 것이다.

솔리톤(soliton)이란 광섬유에 의한 색분산 효과를 광섬유의 비선형성을 이용하여 보상함으로써, 장거리를 전송하더라도 고유 형태를 원상태를 유지할 수 있도록 한 특별한 펄스이다. 따라서, 솔리톤 전송시에 광증폭기를 이용하여 광섬유에 의한 손실을 보상해 주면, 솔리톤은 광섬유에 의한 분산 제한을 받지 않으므로 초장거리 전송에 사용될 수 있다. 그러나, 광섬유에 의한 손실을 보상하기 위해 주기적으로 배치되어야 하는 광증폭기는 ASE(amplified spontaneous emission) 잡음을 발생시키고, 이러한 잡음이 계속 누적되어 솔리톤의 최대 전송 거리를 크게 제한하게 되는데, 이와 같은 현상을 고든-하우스(Gordon-Haus) 효과라 한다.

최근 들어, 이러한 고든-하우스 효과를 극복하기 위하여, 주파수이동유도(SFG)필터가 제안되었다(참조 : L.F. Mollenauer, et al., Optics Lett., 17(22) : 1575-1577(1992)). 광섬유에 의한 손실을 보상하기 위해 주기적으로 배치되어 있는 광증폭기마다 공진주파수가 조금씩 다른 대역필터(bandpass filter)를 배치하면 솔리톤은 비선형 파동이므로 솔리톤의 주파수가 필터의 공진주파수를 따라 유도되지만, ASE 잡음은 필터의 공진주파수를 따라 유도되지 않으므로 ASE 잡음의 누적을 막을 수 있다. 일반적으로, 광전송선상에 배치되어 있는 첫 번째 SFG필터의 공진주파수를 f₀라고 할 때, 두 번째, 세 번째 SFG필터의 공진주파수를 각각 f₀+df, f₀+2·df가 되도록 하면, n번째 SFG필터의 공진주파수는 f₀+(n-1)·df가 된다. 여기에서, df는 SFG필터 간의 공진주파수 차이를 나타낸다. 이렇게 공진주파수가 조금씩 다른 대역필터가 배치되었을 경우, f₀의 주파수를 가진 솔리톤은 이러한 SFG필터의 각 공진주파수를 따라 유도되므로, n번째 SFG필터를 지난 후에는 솔리톤의 중심주파수가 필터의 공진주파수와 같은 f₀+(n-1)·df가 된다. 반면에, ASE 잡음은 SFG필터에 따라 유도되지 않으므로 n번째 SFG필터를 거친 후에는 마지막 광증폭기에 의하여 발생한 ASE 잡음만 남게 된다. SFG필터는 이와 같이 필터의 공진주파수 대역에서(솔리톤의 주파수 대역과 일치한다) ASE 잡음의 누적을 크게 줄여 고든-하우스 효과에 의한 솔리톤 전송 거리의 제한을 효과적으로 감소시킬 뿐만 아니라, 솔리톤 신호간의 상호작용도 크게 줄임으로써 솔리톤의 전송용량을 증가시킬 수 있다. 또한, 파장분할 방식(wavelength division multiplexing : WDM)을 사용할 경우, 다른 채널의 솔리톤 신호와의 상호작용도 줄일 수 있어 보다 많은 채널의 사용을 가능하게 한다(참조 : EP 576208; JP 06104844; USP 5357364).

그러나, 상술한 종래의 SFG필터는 간단한 패브리-페롯(F뮤교-Parot)필터 등을 이용하여 쉽게 구성할 수 있지만, 공진주파수가 조금씩 다른 수많은 필터를 각각 설계, 제작하여야 하기 때문에, 많은 장점에도 불구하고 실용화되지 못하고 있는 실정이다. 예를 들어, 태평양을 가로지르는 약 10,000km의 장거리 솔리톤 전송시스템을 가정하는 경우, 30 내지 50km의 광증폭기간 거리를 고려할 때 약 300개의 SFG필터가 필요하게 되고, 각 필터는 서로 다른 공진주파수를 가져야 하므로, 수백개의 필터를 각각 따로 설계, 제작, 설치하여야 하는 매우 비효율적인 문제점이 있었다.

따라서, 상술한 종래 SFG필터의 문제점을 해결할 수 있는 개량된 SFG필터의 개발이 절실히 요구되어 왔다.

이에, 본 발명자들은 이러한 종래의 SFG필터가 가지고 있는 문제점을 해결하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 종래의 SFG필터에서는 각 필터마다 공진주파수가 각기 달라야 하지만, 솔리톤은 SFG필터의 공진주파수를 따라 유도되므로 SFG필터의 공진주파수와 입력 솔리톤 주파수의 차이는 항상 일정함에 착안하여, 필터로 입력되는 솔리톤의 주파수에 대하여 일정 주파수 만큼 이동된 곳에 필터의 공진주파수가 있도록 필터를 설계하므로써, SFG필터 하나로 수백개의 서로 다른 종래 SFG필터를 대신할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

결국, 본 발명의 주된 목적은 솔리톤 전송시 한가지 종류의 SFG필터로 다수의 서로 다른 종래의 SFG필터를 대신할 수 있도록 한, 주파수이동유도(SFG)필터를 제공하는 것이다.

제1도는 본 발명에 따른 주파수이동 유도필터의 한 실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 그림이다.

제2도는 실리콘 에탈론 필터의 전달특성을 나타내는 그래프이다.

제3도는 입력 솔리톤의 주파수 범위에 따른 주파수이동 유도필터의 고정 능력을 나타내는 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 실리콘 웨이퍼 2 : 열전냉각기

3 : 광분배기

본 발명은 솔리톤 전송용 주파수이동 유도필터에 관한 것으로, 제1도에서 보듯이, 입력 솔리톤 신호를 되먹임 회로부와 필터부로 분배시키는 기능을 지닌 광분배기(3); 전기 광분배기(3)로부터 분배된 주파수가 이동하는 웨이퍼(1)중 코팅된 반원부와 이 웨이퍼의 코팅층 내부에 설치된 열전 냉각기(2), 광수신기(PD) 및 서보루프가 일련의 회전형태로 이루어진 되먹임 회로부; 및, 웨이퍼(1) 중 코팅되지 않은 나머지 반원부를 포함하는 필터부를 포함하며, 전기 되먹임 회로부로부터 입력 솔리톤 신호의 주파수에 대한 정보를 추출한 다음, 이 정보를 이용하여 필터부의 공진주파수를 입력 솔리톤의 주파수로부터 일정량 만큼 이동된 위치에 발생시키는 것을 특징으로 한다.

상기 웨이퍼의 재료로는 솔리톤 신호의 주파수대역인 1.5㎛ 파장대에서 투명하고 온도에 대한 굴절율 변화가 크며, 코팅을 하지 않더라도 솔리톤을 유도할 수 있는, 굴절률이 2~4정도로 비교적 큰 물질이 적절하다. 전술한 조건을 만족시키는 재료로서는 실리콘(Si), 비화갈륨(GaAs), 셀레늄화아연(ZnSe) 및 황화아연(ZnS) 등을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 온도에 대한 굴절률 변화가 매우 크고굴절률이 3.48로 비교적 클 뿐만 아니라, 재료가 풍부하고 웨이퍼 제작 기술이 잘 알려져 있는 물질인 실리콘이 적절하다.

이하에서는, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 솔리톤 전송용 주파수이동 유도필터의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명의 SFG필터의 한 실시태양을 개략적으로 나타낸 구성도로서, 실리콘 웨이퍼(1)의 한쪽 반원부는 양면에 다층 유전체를 코팅하고, 다른 한쪽 반원부는 그대로 두어 본 발명의 SFG필터를 구성한다. 이때 양면의 코팅면측은 전달대역이 좁은 에탈론(etalon)필터가 되어, 필터로 입사하는 솔리톤의 주파수에, 코팅된 에탈론의 공진주파수를 고정(locking)시킨다. 에탈론이란 평행한 두 개의 반사막으로 구성된 장치를 말하는 것으로, 한쪽 반원부만 다층 유전체로 코팅된 웨이퍼는 두 개의 서로 다른 전달특성을 갖는 에탈론을 형성하게 된다. 코팅되지 않은 반원부는 웨이퍼와 공기와의 굴절율 차이에 의한 낮은 반사율을 가진 에탈론을 형성하게 되며, 코팅된 반원부는 다층 유전체에 의한 높은 반사율을 가진 에탈론을 형성하게 된다. 에탈론의 공진주파수 전달특성은 두 반사막의 거리 및 반사막의 반사율에 의해 결정된다. 반사막간의 거리는 공진주파수를 결정하며, 반사막의 반사율은 전달 대역의 폭을 결정한다. 코팅되지 않은 반원부와 코팅된 반원부는 동일 웨이퍼에서 제작되었으므로 두 반사막 간의 거리는 동일하다. 따라서, 두 반원부의 온도와 광신호의 입사각도가 동일할 경우, 코팅되지 않은 반원부에 의하여 형성된 에탈론의 공진주파수 위치와 코팅된 반원부에서 형성된 에탈론의 공진주파수의 위치는 같게 된다. 코팅되지 않은 반원부는 반사막의 낮은 반사율로 인하여 전달 대역이 넓은 에탈론 필터가 되어 솔리톤 신호를 유도하기에 적합하게 된다. 반면에, 코팅된 반원부는 다층 유전체의 높은 반사율로 인하여 전달 대역이 좁은 에탈론 필터가 되어, 필터로 입사하는 솔리톤의 주파수에 대한 정보를 추출하기에 적합하게 된다.

제1도를 보면, 입력 솔리톤은 광분배기(3)에 의하여 분배되어 웨이퍼(1)의 코팅되지 않은 면으로 99%가 코팅된 면으로 1%가 입사된다. 99%의 솔리톤 신호가 코팅되지 않은 면에 입사되는 입사각을 θ로 표시하였다. 코팅된 면에는 열전 냉각기(2)가 부착되어 있다. 일반적으로 물질의 굴절률은 온도의 함수이고, 에탈론의 공진주파수는 굴절률에 의존하므로, 열전 냉각기(2)를 이용하여 코팅된 면의 온도를 제어함으로써 코팅된 면의 공진주파수를 제어할 수 있게 된다. 코팅된 면으로 입사하는 1% 솔리톤 신호는 광수신기(PD)를 거쳐 전기 신호로 변환된 후 서보루프를 거쳐 열전 냉각기(2)를 제어하는데 사용된다.

한편, 코팅된 면의 공진주파수는 온도의 함수이므로 서보루프를 이용하여 열전 냉각기(2)의 온도를 제어함으로써, 코팅된 면의 공진주파수를 솔리콘의 주파수에 고정시킬 수 있게 된다. 여기서 “고정”이란 솔리톤의 주파수와 필터의 공진주파수를 일치시킨다는 것을 의미한다. 상술한 서보루프를 저주파수 발진기(low frequency oscillator)와 락-인 증폭기(lock-in amplifier), 그리고 P-I 컨트롤러(P-I controller)와 같은 장치를 이용하여 구성이 가능하다.

상술한 서보루프를 이용하여 코팅된 에탈론의 공진주파수가 솔리톤의 주파수에 고정되었고, 코팅된 면이 형성하는 에탈론과 코팅되지 않은 면이 형성하는 에탈론이 동일 웨이퍼에서 제작되었으므로, 코팅되지 않은 면으로 입사하는 솔리톤의 입사각도 θ가 코팅된 면으로 입사하는 솔리톤의 입사각도와 같을 경우 코팅되지 않은 에탈론의 공진주파수는 솔리톤의 중심주파수와 일치하게 된다. 따라서, 코팅된 에탈론으로 입사하는 솔리톤의 입사각도 θ를 조금씩 변화시키면 코팅된 에탈론의 공진주파수는 솔리톤의 중심주파수로부터 조금씩 변화시키면 코팅된 에탈론의 공진주파수는 솔리톤의 중심주파수로부터 조금씩 이동된 곳에 위치하게 된다. 다시 말해서, 필터로 입사하는 솔리톤의 중심주파수가 f₀일 경우, 코팅된 면의 공진주파수는 솔리톤의 중심주파수와 같은 f₀가 되고, 코팅되지 않은 면으로 입사하는 입사각도 θ를 적절히 조정함으로써 코팅되지 않은 에탈론의 공진주파수를 f₀+df로 맞출 수 있게 된다. 상술한 예의 경우, 코팅되지 않은 에탈론의 공진주파수는 입력 솔리톤의 중심주파수로부터 항상 df만큼 이동된 곳에 위치하므로, 이러한 필터를 사용할 경우 하나의 디자인으로 제작된 필터로 수백 개의 서로 다른 필터를 대신할 수 있을 것이다.

한편, 실리콘 에탈론의 온도 분포에 따른 굴절률 변화를 이용하여 공진주파수를 조정할 수도 있다. 열전 냉각기(2)는 코팅면측 에탈론에 부착되어 있으므로, 주변의 온도가 일정하다면 코팅되지 않은 면의 에탈론의 온도는 열전냉각기(2)로부터 멀어질수록 주변 온도에 가까워지게 된다. 실리콘은 온도에 따라 굴절률 변화가 크므로 이러한 온도분포를 이용하여, 코팅되지 않은 면의 에탈론 공진주파수를 코팅면측 에탈론의 공진주파수에 대해 원하는 만큼 이동된 위치에 위치시킬 수 있다. 전술한 방법을 사용하면, 솔리톤을 에탈론에 직각으로 입사시킬 수 있으므로 필터의 삽입손실을 줄일 수 있다.

제2도는 실리콘 웨이퍼로 구성한 에탈론 필터의 전달특성(transmission characteristics)을 측정한 그래프이다. 제2도에 나타낸 바와 같이, 실리콘은 1.5㎛ 파장대에서 투명하고 온도에 따른 굴절률 변화가 매우 크므로, 온도변화를 이용하여 필터의 공진주파수를 솔리톤에 고정시키기에 적절하다. 더욱이, 실리콘은 굴절률이 커서 코팅하지 않아도 전달대역이 넓고 전달특성 곡선이 완만한 에탈론 필터를 형성하므로 SFG필터로 사용하기가 적합하다.

제3도는 전체 이동 주파수에 따른 본 발명 주파수이동 유도필터의 고정 능력으 측정한 그래프이다. 필터의 공진주파수가 입력되는 솔리톤 주파수에 고정될 때에는 오차가 발생하는데, 제3도는 각기 다르게 입력되는 솔리톤 주파수에 대해서 코팅면의 공진주파수와 솔리톤 주파수와의 오차를 나타낸 그림이다. 솔리톤 주파수는 SFG필터에 의해 유도되므로 본 발명의 SFG필터로 입력되는 솔리톤의 주파수는 필터마다 서로 다르게 된다. 본 발명의 필터는 각기 다른 솔리톤 주파수에 대하여 항상 일정 주파수 만큼 이동된 곳에 공진주파수가 위치한 필터이므로 각기 다른 입력 솔리톤 주파수를 추적할 수 있다. 제3도를 보면, 전체 이동 주파수가 약 70GHz 변화할 때 본 발명의 SFG필터가 50MHz 범위 이내로 솔리톤 주파수를 추적하고 있음을 알 수 있다. 이때 코팅된 에탈론에 부착된 열전냉각기의 온도 변화는 약 6.5℃ 이하이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 SFG필터 하나로 수백 개의 서로 다른 공진주파수에 대응할 수 있는 신규한 SFG필터를 제공한다. 본 발명 SFG필터를 광섬유 증폭기에 부착하여 솔리톤 전송을 하게 되면, 입력된 솔리톤의 주파수가 각기 다른 주파수를 가지고 있더라도 각각의 주파수에 대하여 항상 일정량 이동된 곳에 공진주파수가 있게 되므로, 각기 다르게 입력된 솔리톤 주파수를 추적할 수 있어, 단일설계로 제작된 SFG필터 하나로 수 백 개의 서로 다른 종래 SFG필터를 대신할 수 있어 SFG필터를 실용화하기에 용이한 장점이 있다.

Claims (4)

1. 솔리톤신호가 입력되는 웨이퍼(1)로 구성되는 필터부, 상기 웨이퍼(1)의 한쪽 반원부의 양면에 다층의 유전체를 코팅하여 형성한 되먹임 회로부, 입력 솔리톤신호를 필터부와 되먹임 회로부로 각각 약 99% 대 1%의 비율로 분배시키는 광분배기(3), 상기 되먹임 회로부의 코팅층 내부에 설치되어 코팅면 온도를 제어하기 위한 열전 냉각기(2), 상기 필터부로 입력된 솔리톤신호를 전기적 신호로 변환하는 광수신기(PD), 상기 광수신기(PD)의 출력신호를 실리콘 웨이퍼(1)의 열전냉각기(2)로 피드백하는 서보루프로 구성되어, 상기 되먹임 회로로부터 입력되는 솔리톤신호의 주파수에 대한 정보를 추출한 다음, 이 정보를 이용하여 필터부의 공진주파수를 입력 솔리톤의 주파수로부터 이동시키는 것을 특징으로 하는 솔리톤 전송용 주파수 이동 유도필터.
2. 제1항에 있어서, 상기 필터부로 입사되는 솔리톤 신호의 입사각도를 변화시켜 필터부의 공진주파수를 입력 솔리톤의 주파수로부터 이동된 위치에 발생시키는 것을 특징으로 하는 솔리톤 전송용 주파수이동 유도필터.
3. 제1항에 있어서, 상기 열전냉각기(2)가 부착된 되먹임 회로부와, 상기 필터부 사이의 온도차이에 따른 웨이퍼의 굴절률 변화를 이용하여 필터부의 공진주파수를 입력 솔리톤의 주파수로부터 이동된 위치에 발생시키는 것을 특징으로 하는 솔리톤 전송용 주파수이동 유도 필터.
4. 제1,2,3항의 어느 한 항에 있어서, 상기 웨이퍼는 솔리톤신호의 파장대역에서 투명하며 온도에 대한 굴절률의 변화가 큰 실리콘(Si), 황화아연(ZnS), 또는 셀레늄화아연(ZnSe)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 솔리톤 전송용 주파수이동 유도 필터.