KR100237379B1

KR100237379B1 - 파장분할다중 통신용 파장가변 광 드롭/패스 필터 시스템 구조

Info

Publication number: KR100237379B1
Application number: KR1019970043514A
Authority: KR
Inventors: 이경식; 이영탁; 오민철; 원용협
Original assignee: 이계철; 한국전기통신공사; 정선종; 한국전자통신연구원
Priority date: 1997-08-30
Filing date: 1997-08-30
Publication date: 2000-01-15
Also published as: KR19990020073A

Abstract

본 발명은 파장분할다중(WDM) 통신용 파장가변 광 드롭/패스(drop/pass) 필터 시스템 구조에 관한 것으로서, WDM을 이용한 여러 개의 광망을 구성하는데 필요한 필수 기능의 하나로 여러개의 파장으로 다중화된 파장들 중에서 원하는 신호의 파장을 가변하여 선택할 수 있고 동시에 입력된 모든 신호들을 다음 노드로 전송할 수 있는 광도파로를 이용한 파장가변 가능형 드롭/패스(drop/pass) 필터 시스템을 구현하고, 브라그 회절격자의 주기와 굴절률을 외부의 신호를 통해 변하게 하여 동작파장을 가변할 수 있도록 하고, 효율적인 전광통신망을 구성하기 위해 노드에서 필요한 신호룰 선택하고 입력된 모든 신호를 추가적인 신호 삽입과 광전변환/전광변환 없이 다음 노드로 전송할 수 있도록 함으로써, 전체적인 시스템의 크기를 작게 만들 수 있고, 파장가변이 쉬우며, 통과파장폭이 좁아서 고속채널선택이 가능할 뿐만 아니라 파장이 서로 다른 수많은 신호를 동시에 전송할 수 있다는 장점을 가지며, 광전변화/전광변환 없이 다음 노드로 전송할 수 있어 중간 노드들에서는 다른 노드들간에 전달되는 트래픽에 대하여 전기적으로 아무런 처리를 할 필요가 없는 장점으로 인하여 전체적인 시스템을 소형으로 제작하기가 가능함에 따라 앞으로 WDM 통신망의 다양한 기술 발전을 가능케하는 기반기술로 자리할 수 있는 효과가 있다.

Description

파장분할다중 통신용 파장가변 광 드롭/패스 필터 시스템 구조{Tunable optical drop/pass filter system for WDM}

본 발명은 광수신부의 여러 개의 파장중에서 하나 또는 둘 이상의 원하는 파장을 효과적으로 분리하고 다음 단으로 모든 입력신호를 전달할 수 있는 파장분할다중(Wavelength Division Multiplexing, 이하 WDM라 칭함) 통신용 파장가변 광 드롭/패스(drop/pass) 필터 시스템에 관한 것이다.

광도파로를 전송 매체로 사용하는 광통신시스템은 기술리 발전할수록 한 가닥의 광도파로에 많은 정보를 실어 보내는 것에 많은 시간과 노력을 투자하고 있다.

이러한 노력의 결과로 서로 다른 신호를 각기 서로 다른 파장의 빛에 실어 한 가닥의 광도파로룰 통하여 전송하고, 수신측에서 원하는 파장의 신호를 선택하여 수신하는 파장다중 전송시스템이 적용되어지고 있다.

파장다중 전송시스템은 각각 다른 파장을 발광하는 여러 개의 광원과 이를 묶어 보내는 파장합파기 그리고 전송매체인 광도파로, 묶여진 파장을 각각으로 분리해내는 파장분리기 및 이들 광을 수신하는 검출기로 구성되어진다.

종래에 WDM 소자로서 사용되어진 방법으로는 우선 Fabry-Perot 공진기를 사용해서 주파수를 선별하는 방법, 벌크형태의 회절격자를 사용한 방법, 특정 파장만을 반사시키는 박막필터를 이용해서 원하는 파장을 선택해내는 방법이 사용되어졌다.

Favry-Perot 공진기를 사용한 방법은 공진기 양쪽에 반사율이 높은 거울을 형성시키고 빛을 입사시키면 공진기에서 공진되는 파장만이 투과되는 특성을 이용하였다.

Fabry-Perot 공진기는 공진기의 길이를 변화시킴으로써 투과되는 파장을 가변시킬 수 있다.

벌크형태의 회절격자를 이용한 방법은 입사된 다파장의 빛이 회절격자에서 각 파장마다 다른 각도로 회절되는 원리를 이용한 방법이다.

박막필터를 사용한 방법은 특정 파장을 반사시키는 박막필터를 사용해서 입사된 다파장에서 원하는 파장을 분리해내는 방법이다.

그리고 브라그 회절격자를 사용한 파장분할분기/결합장치(wavelength division add/drop multiplexer)를 이용해 필요한 파장을 선택하고 다음 노드로 추출된 신호 또는 새로운 신호를 추가하여 광전변환/전광변환 없이 다음 노드로 전송하였다.

브라그 회절격자의 특징은 반사필터로 특정한 파장 영역(stop band)을 반사하고 다른 파장은 통과시키는 기능을 갖고 있다.

특히 브라그 회절격자를 좀더 상세히 설명하면 브라그 회절격자는 광도파로내의 굴절률을 주기적으로 변화시켜 만들어 내는데, 도파로내의 굴절룰을 주기적으로 변화시키기 위해 여러 가지 방법을 사용하고 있으며, 모두가 광도파로의 감광성(Photosensitivity)를 이용하여 광도파로의 굴절률을 변화시킨다는 공통점을 가지고 있다.

감광성은 광도파로에 240㎚대의 강한 자외선을 조사하면, 광도파로에 자외선이 인가된 부분의 굴절률이 상승하는 현상을 말한다.

감광성은 브라그 회절격자의 반사율(Reflectivity)에 영향을 미치며, 감광성이 높은 경우 반사율이 높아진다.

브라그 회절격자 내에서 특정한 파장이 반사되어 나오는 개략적인 원리는 다음과 같다.

빛이 브라그 회절격자를 통과하면서 각 격자들에서 반사되는데, 반사되는 빛중 각 격자 사이에서 반사되는 빛의 위상이 정확하게 2nπ가 되는 파장이 서로 보강간섭을 일으켜 반사되어 나오게 된다.

즉, 반사되는 파장과 격자의 주기와의 관계는 아래 식과 같다.

여기서,

는 격자사이의 평균굴절률, Λ는 격자 주기, m는 정수, λ는 반사파장을 나타낸다.

상기 Fabry-Perot 공진기를 사용한 방법은 입사된 다파장 신호중에서 동작파장을 가변시킬 수 있다는 장점이 있지만, 높은 파장선택도를 유지하기 위해서는 반사율이 상당히 높은 거울을 사용하여야 한다.

그러나 반사율이 높은 거울을 제작하는 것은 상당히 어렵고, 고가이다.

브라그 회절격자를 사용한 방법은 광도파로내에 격자를 형성시키는 것만으로 원하는 파장을 선택해낼 수 있으며, 높은 주파수 선택도를 가지고 동작파장도 가변시킬 수 있다.

벌크형태의 회절격자를 사용한 방법은 시스템이 벌크형태이므로 부피도 크고, 광섬유 시스탬과 연결할 때 신호의 손실이 크다는 단점이 있다.

박막필터를 사용한 방법은 박막필터의 동작파장이 고장되어 있으므로 동작파장이 변하는 경우 새로운 박막필터를 사용해야만 하는 단점이 있다.

상기 단점을 해결하기 위해 본 발명은, 브라그 회절격자를 사용하여 동작파장이 변해도 브라그 회절격자의 주기와 굴절률을 외부의 신호를 통해 변하게 함으로써, 동작파장을 가변할 수 있다.

또한 효율적인 전광통신망을 구성하기 위해 노드에서 필요한 신호를 선택하고, 입력된 모든 신호를 추가적인 신호 삽입과 광전변환/전광변환 없이 다음 노드로 전송할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 파장분할다중(WDM) 통신용 파장가변형 필터 시스템 구조도.

도 2는 본 발명의 파장분할다중(WDM) 통신용 파장가변형 드롭/패스 필터 시스템의 예시도.

도 3은 본 발명의 파장가변형 드롭/패스 필터의 위상차에 따른 각 단자에서의 파워비 특성도.

도 4는 본 발명에 따른 파장가변선택기 구성도.

도 5는 본 발명에 따른 방향성 결합기형 광스위칭부 구조도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 다중파장 신호 발생부 12 : 방향성 광 결합기

14 : 브라그 회절격자 16 : 광경로길이 조절기

17 : 가변형 반사 파장 천이부 18 : 신호 제어부

20 : 수신부 22 : 광도파로

30 : 패스(pass)부 40 : 광스위치부

50 : 아이솔레이터 70 : 가변형 파장 선택기

82 : 입력신호 84 : 브라그 회절격자의 반사신호

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 여러 개의 파장들로 구성된 광신호가 발생하는 다중파장 신호발생부와, 입사한 광신호는 모두 통과시키고 반사하는 빛은 차단시켜주는 광아이솔레이터와, 광아이솔레이터에서 입사하는 빛중 일부는 패스부로, 일부는 가변형 파장 선택기로 보내며, 가변형 파장 선택기로부터 되돌아오는 빛을 추출시켜주는 광스위칭부와, 가변형 파장선택기에서 추출더된 신호를 수신하는 수신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명이 적용되는 파장분할다중(WDM) 통신용 파장가변형 필터 시스템 구조도로서, 여러개의 파장으로 이루어진 신호가 발생하는 다중파장발생부(10)와, 발생된 다파장의 신호(82)를 전달시킬 수 있는 광섬유 또는 평면 광도파로(22)와, 두 개의 광경로를 갖는 광스위치부(40)와, 다파장의 신호중 일부분만을 반사시킬 수 있는 브라그 회절격자(14)로 구성된 파장선택기(70)와, 파장선택기에서 추출된 신호룰 수신하는 수신부(20)와, 입력된 모든 신호가 다음 단으로 전부 전달되는 패스(pass)부(30)로 구성되어 있다.

여러 파장을 발생시키는 다중파장발생부(10)에서 λ₁, λ₂, ……, λ_m의 신호를 발생시키게 되고, 광도파로(22)를 통해서 전파된다.

입력신호는 광스위치부(40)를 구성하고 있는 첫 번째 3dB 방향성 결합기(12)에 의해 광스위치부(40)의 양쪽 경로로 나누어져 진행하게 된다.

양쪽으로 나뉘어 진행해 나가는 신호는 3dB 방향성결합기(12)의 특성과 한쪽 경로에 부착된 경로길이 조절기(16)에 가해진 신호의 정도에 따라 양쪽 경로간에는 π/2+Φ 만큼의 위상차를 가지고 진행하여 다음번 3dB 방향성결합기(12)를 거쳐서 입력된 신호(90, 92)가 패스부(30) 및 파장선택기(70)로 빠져나오게 된다.

파장선택기(70)로 빠져나오는 신호(92)는 광섬유 또는 평면도파로형의 격자소자(14)에 부착된 가변형 반사 파장천이부(17)에 제어부(18)의 제어 신호를 인가해서 λ₁에서 λ_m중의 파장중 한 파장(94)만을 반사시켜 반사된 신호(94)가 돌아온 길을 다시 되돌아 입력단(10) 및 수신부(20)로 신호(98)가 각각 오게 된다.

이때 수신부(20) 및 패스부(30)로 나오는 광파의 크기와 궤환되어오는 양은 광스위치부(40)의 한쪽 경로에 부착된 광경로길이 조절기(16)를 조정함으로써 최적치를 얻을 수 있다.

여기서 파장선택기(70)를 구성하는 가변형 반사파장천이부(17)는 온도, 스트레스, 전압, 빛 등에 의해서 흔히 스트레인(strain)이 발생하는 재질로 되어 있으며, 제어부(18)에 제어 신호를 인가해 주면 가해진 신호의 크기 또는 크기의 제곱에 비례하는 스트레인이 발생하게 된다.

이렇게 발생된 스트레인은 이 재질이 부착된 브라그 회절격자 소자(14)에 전달되어 회절격자소자(14)의 격자 주기 혹은 굴절률을 변화시키고, 따라서 반사파장(94)이 변하며, 수신부(드롭)(20)으로 나오는 신호 파장(84)이 가변된다.

그리고 패스부를 통과한 파장들은 광도파로와 광스위칭부(40)를 통하여 전파된다.

도 2는 본 발명의 파장분할다중(WDM) 통신용 파장가변형 드롭/패스 필터 시스템의 예시도로서, 상기 도 1의 특수한 응용예로서 도 1의 시스템을 직렬로 연결시켜서 여러 개의 파장을 각각 반사시키고, 나머지 다른 파장은 다시 패스부로 통과시키는 시스템을 나타낸다.

입력된 파장은 첫 번째 시스템에서 광스위칭부(40) 양쪽 광경로 차를 조절함으로써 특정 파장이 반사되거나, 모든 파장을 다음 시스템으로 전송할 수 있다.

전송된 파장은 패스부를 통하여 다음 시스템으로 입사되며, 두 번째 시스템에서도 첫 번째 시스템과 같은 원리로 특정 파장을 반사시킬 수 있으며 광경로차를 조절함으로써 역시 다음 시스템으로 모두 전송이 가능하다.

이러한 시스템을 원하는 파장을 선택하려는 수만큼 직렬로 연결하면 원하는 파장을 모두 선택할 수 있다.

드롭/패스(drop/pass) 필터를 직렬로 연결시켜서 시스템을 구성할 경우 두 번째단의 드롭/패스 필터의 궤환에 의해 첫 번째 단의 패스부(30)로 나오는 광파가 첫 번째단의 수신부(200에 영향을 줄 수 있으므로 아이솔레이터(50)에 의해 더 이상 진행하지 못하게하여 신호를 격리시킨다.

도 3은 본 발명의 파장가변형 드롭/패스 필터의 위상차에 따른 각 단자에서의 파워비 특성도로서, 상기 도 1의 시스템에서 광스위부(40) 양쪽 광경로차를 조절해서 위상을 변화시켰을 경우, 각각 입력부, 패스부, 신호수신부로 나오는 광파워를 나타낸다.

상기 도 3에서 보듯이 양쪽 광경로차에 의한 위상을 변화시키면 신호수신부나 패스부로 나오는 광파워를 조절할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 파장가변선택기 구성도로서, 브라그 회절격자를 사용한 파장 가변 선택기의 구성도이다.

제어부(18)에서 나오는 전류, 전압, 온도, 압력, 자계 등의 신호에 대해서 민감한 재질에 의해서 스트레인이 발생하여 브라그 회절격자의 주기 또는 굴절률을 동시에 변화시킬 수 있도록 영역전부 또는 일부에 접촉, 접착 또는 코팅되어 있다.

브라그 회절격자는 광섬유 또는 평면도파로위에 제작되며, 특정 파장만을 반사시키는 특성을 가지고 있는데, 이때 반사율은 다음 식 (1)과 같다.

여기서 S₂₁, S₂₂는 하기 식 (2), 식 (3)과 같이 주어진다.

여기서 h는 브라그 회절격자의 길이이며, q, r, δβ, k, λ_B는 다음과 같다.

λ_B: Bragg wavelength

δn : 브라그 회절격자의 굴절률 차이를 나타낸다.

도 5는 본 발명에 따른 방향성 결합기형 광스위칭부 구조도로서, 상기 설명한 광스위칭부(40)와 다른 구조를 지닌 광스위칭부(40)를 나타낸다.

광스위칭부(40)는 평면광도파로 또는 광섬유로 제작가능하며, 한쪽 경로의 광경로차를 조절할 수 있는 광경로 길이 조절기(16)와 광신호가 진행하면서 신호간섭을 일으킬 수 있는 방향성 광 결합기(60)로 구성되어 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 WDM용 광도파로를 사용한 파장가변형 드롭/패스(drop/pass) 필터 시스템은, 전체적인 시스템의 크기를 작게 만들 수 있고, 파장가변이 쉽고 통과파장폭이 좁아서 고속채널선택이 가능할 뿐만 아니라 파장이 서로 다른 수많은 신호를 동시에 전송할 수 있다는 장점이 있다.

또한 광전변환/전광변환 없이 다음 노드로 전송할 수 있어 중간 노드들에서는 다른 노드들간에 전달되는 트래픽에 대하여 적어도 전기적으로 아무런 처리를 할 필요가 없는 장점으로 인하여, 전체적인 시스템을 소형으로 제작하기가 가능함에 따라 앞으로 WDM 통신망의 다양한 기술발전을 가능케 하는 기반 기술로 자리할 수 있어 파급적인 효과가 있다.

Claims

광도파로를 이용한 파장가변 가능형 드롭/패스(drop/pass) 필터 시스템에 있어서,

여러 개의 파장들로 구성된 광신호가 발생하는 다중파장 신호발생부와;

입사한 광신호는 모두 통과시키고 반사하는 빛은 차단시켜주는 광아이솔레이터와;

광 아이솔레이터에서 입사하는 빛중 일부는 패스부로, 일부는 가변형 파장 선택기로 보내며, 가변형 파장 선택기로부터 되돌아오는 빛을 추출시켜주는 광스위칭부와;

가변형 파장선택기에서 추출된 신호를 수신하는 수신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 파장분할다중 통신용 파장가변 광 드롭/패스 필터 시스템 구조.
제 1 항에 있어서, 상기 광스위칭부는

입사하는 빔을 분배하여 각각 다른 경로를 통해서 진행하도록 하는 광분배기와;

한쪽 경로 또는 양쪽 경로에 부착되어서 패스 파워 대 드롭 파워비를 조절해주는 광경로 길이조절기와;

양쪽 경로로 진행해온 광신호를 간섭시켜 다음 단으로 진행하도록 하는 광분배기를 포함하는 것을 특징으로 하는 파장분할다중 통신용 파장가변 광 드롭/패스 필터 시스템 구조.
제 1 항에 있어서, 상기 가변형 파장선택기는

특정파장을 반사시킬 수 있는 구조의 광섬유 또는 광도파로로 이루러진 브라그 회절격자와;

인가된 제어신호에 의해 스트레인을 인가시킬 수 있는 브라그 회절격자에 부착된 가변형 반사파장 천이부와;

상기 브라그 회절격자와 회절격자에 부착된 가변형 반사파장 천이부에 제어신호를 인가해주는 신호 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 파장분할다중 통신용 파장가변 광 드롭/패스 필터 시스템 구조.
제 1 항에 있어서,

파장가변형 드롭/패스 필터를 직렬로 연결시켜 여러 개의 파장을 선택할 수 있는 것을 특징으로 하는 파장분할다중 통신용 파장가변 광 드롭/패스 필터 시스템 구조.
제 2 항에 있어서, 상기 광경로 길이조절기는

인가된 전압, 전류, 자계에 의해 길이가 변하는 물질을 한쪽 경로 또는 양쪽 경로의 광경로의 광도파로에 의해 접착, 접촉 코팅시키는 것을 특징으로 하는 파장분할다중 통신용 파장가변 광 드롭/패스 필터 시스템 구조.
제 2 항에 있어서, 상기 광경로 길이조절기는

인가된 초음파 또는 압력에 의해 굴절률 또는 굴절률과 길이가 동시에 변하는 물질을 한쪽 경로나 양쪽 경로의 광도파로에 접착, 접촉, 코팅시키는 것을 특징으로 하는 파장분할다중 통신용 파장가변 광 드롭/패스 필터 시스템 구조.
제 2 항에 있어서, 상기 광경로 길이조절기는

인가된 열에 의해 굴절률 또는 굴절률과 길이가 동시에 변하는 물질, 초음파 또는 압력, 굴절룰과 길이가 변하는 물질을 한쪽 경로 또는 양쪽 경로의 광도파로에 접착이나 접촉, 코팅시키는 것을 특징으로 하는 파장분할다중 통신용 파장가변 광 드롭/패스 필터 시스템 구조.
제 2 항에 있어서, 광스위칭부는

양쪽 경로간의 광경로조절기에 인가된 전압, 전류, 자계에 의해 길이가 변하는 물질 또는 초음파, 압력 및 열에 의해 굴절률과 길이가 변하는 물질을 한쪽 경로 또는 양쪽 경로간의 광도파로에 접착시키는 것을 특징으로 하는 파장분할다중 통신용 파장가변 광 드롭/패스 필터 시스템 구조.
제 3 항에 있어서 가변형 파장선택기는

신호제어부에 의해 인가된 전압, 전류, 자계에 의해 길이가 변하는 물질을 브라그 회절격자에 접착, 접촉 코팅시키는 것을 특징으로 하는 파장분할다중 통신용 파장가변 광 드롭/패스 필터 시스템 구조.
제 3 항에 있어서, 가변형 파장선택기는

인가된 초음파 및 압력에 의해 굴절률 또는 굴절률과 길이가 동시에 변하는 물질을 브라그 회절격자에 접착, 접촉 및 코팅시키는 것을 특징으로 하는 파장분할다중 통신용 파장가변 광 드롭/패스 필터 시스템 구조.
제 3 항에 있어서, 상기 가변형 파장선택기는

신호제어부에 의해 인가된 열에 의해 굴절률 또는 굴절률과 길이가 동시에 변하는 물질, 빛의 세기에 의해 굴절률이 변하는 물질을 브라그 회절격자에 접착, 접촉 또는 코팅시키는 것을 특징으로 하는 파장분할다중 통신용 파장가변 광 드롭/패스 필터 시스템 구조.