KR100260749B1 - 파장분할다중 광전송시스템에서의 다파장 에러 검출 장치 - Google Patents

Abstract

가. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

파장분할다중 광전송시스템에서의 파장 에러 검출 기술

나. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

파장분할다중 광전송시스템에서 보다 간단한 구성으로 레이저의 파장 에러를 검출하며, 비교적 저렴한 비용으로 레이저의 파장 에러를 검출한다.

다. 그 발명의 해결방법의 요지

파장분할다중 광전송시스템의 레이저 파장 에러 검출 장치에 있어서, 미리 설정된 다수 파장의 광신호를 유도하며 유도한 광신호의 출력단이 단면인 광섬유와, 광섬유의 단면에서 자연 퍼지며 출력되는 광신호를 입사받으며 상기 다수 파장에 미리 설정된 편이만큼 편이된 파장 투과 특성을 가지는 에탈론필터와, 에탈론필터를 통과하는 광신호를 서로 상대적 편이를 가지는 두 위치에서 각각 수신하는 제1,제2수광소자와, 제1, 제2수광소자의 각 출력을 비교하여 비교결과를 파장에러신호로 출력하는 비교기를 가진다.

라. 발명의 중요한 용도:

파장분할다중 광전송시스템에서의 다수 파장의 에러 검출에 적용된다.

Description

파장분할다중 광전송시스템에서의 다파장 에러 검출 장치

본 발명은 파장분할다중 광전송시스템에 관한 것으로, 특히 전송 레이저들이 표준주파수에서 안정된 광출력을 발생할 수 있도록 하기 위해 파장 에러를 검출하는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 파장분할다중(Wavelength Division Multiplexed: 이하 WDM이라 함) 광전송시스템이란 파장이 각기 다른 여러 개의 전송용 레이저들을 하나의 광섬유에 다중화하여 전송하는 시스템으로, 광섬유 당 전송용량을 크게 증가시킬 수 있는 이점을 가지는 시스템을 말한다. 이러한 시스템을 이용하면 각 레이저들이 상대적으로 낮은 전송속도에서 동작하더라도 광섬유 당 전송용량을 크게 증가시킬 수 있으므로 이미 포설되어 있는 광섬유를 분산천이 광섬유로 교체하지 않고도 사용하는 것이 가능하다.

이러한 WDM 광전송 시스템에서는 각 레이저들은 시스템의 수명동안 특정하게 지정된 파장에서만 동작되어야 할 필요가 있다. 따라서 WDM 광전송 시스템에 사용하기 위한 여러 가지 방식의 가변 파장 레이저들이 제안되었다. 그런데 이러한 가변 파장 레이저들을 대량 생산하는 것에는 아직까지 어려움이 많이 있을 뿐만 아니라 신뢰성이나 모드의 안정도에 있어서도 부족하기 때문에 WDM 광전송 시스템에서도 기존의 광전송 시스템에서 사용된 방식과 마찬가지로 분포궤환형(Distributed Feedback: 이하 DFB라 함) 레이저가 사용될 전망이다.

그런데 DFB 레이저의 파장 가변 능력은 매우 제한적이며, 표준주파수에서 정확하게 동작하는 레이저를 생산하기란 결코 용이하지 않다는 단점이 있다. 그러므로 가장 현실적인 방법은 생산된 많은 DFB 레이저 중에서 표준주파수 부근에서 동작하는 레이저들을 각 채널별로 선별한 뒤 온도 등을 이용하여 표준주파수에서 동작하도록 조정하여 주는 것이다. 이러한 조정의 동작은 광전송 장치를 생산하는 공장이나 광전송 장치를 사용하는 현장에서 정밀하게 이루어져야 한다. 또한 각 레이저들은 시스템의 수명동안 표준주파수에서 동작하도록 관리되어야 한다. 왜냐하면, 레이저의 주파수는 그 동작 조건이 일정하게 유지되더라도 노화(aging) 효과 등으로 인하여 주파수가 수십 기가헤르쯔(GHz) 이상 천이될 수 있기 때문이다. 레이저 주파수의 천이는 시스템의 이득 여유를 감소시키거나 신호의 누화를 유발하여 통신 장애를 일으킨다.

따라서, 레이저가 표준주파수에서 동작하도록 지속적으로 조정하는 작업이 필요하게 된다. 이를 파장 안정화 작업이라 하며, 출력되는 각 레이저의 파장을 분석하여 표준주파수에서 동작하는가를 지속적으로 감시하고 오차가 있을 경우에 해당 레이저의 동작을 조정하는 것으로 이루어진다. 상기를 위해 출력되는 레이저의 파장을 분석하여 오차를 검출하는 파장 에러 검출 장치가 필요하다.

그런데, 상기한 파장 에러 검출 장치는 일반적으로 각 레이저의 파장 각각에 따라 구비되는 필터가 요구되거나, 위상비교를 위한 미분회로 등 복잡한 회로적 구성이 요구되었다.

따라서 본 발명의 목적은 파장분할다중 광전송시스템에 있어서, 보다 간단한 구성으로 레이저의 파장 에러를 검출할 수 있는 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 파장분할다중 광전송시스템에 있어서, 비교적 저렴한 비용으로 레이저의 파장 에러를 검출할 수 있는 장치를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 파장분할다중 광전송시스템의 레이저 파장 에러 검출 장치에 있어서, 미리 설정된 다수 파장의 광신호를 유도하며 유도한 광신호의 출력단이 단면인 광섬유와, 광섬유의 단면에서 자연 퍼지며 출력되는 광신호를 입사받으며 상기 다수 파장에 미리 설정된 편이 만큼 편이된 파장 투과 특성을 가지는 에탈론필터와, 에탈론필터를 통과하는 광신호를 서로 상대적 편이를 가지는 두 위치에서 각각 수신하는 제1,제2수광소자와, 제1, 제2수광소자의 각 출력을 비교하여 비교결과를 파장 에러 신호로 출력하는 비교기를 가짐을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파장분할다중 광전송시스템의 개략적인 일 예시 블록 구성도

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장분할다중 광전송시스템에서의 다파장(multi wavelength) 에러 검출 장치의 개략적인 구성도

도 3은 도 2의 각 부 출력 파형도

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.

하기에서는 먼저 표준주파수(파장)로부터 일정한 대역폭만큼 점유되는 일련의 기준정보를 제공하는 표준주파수 발생장치가 설명될 것이다. 이 표준주파수 발생장치로는 에탈론필터(etalon filter)가 사용될 수 있다. 이하 상기 에탈론필터를 이용하는 콜드스타트(cold start) 방식의 WDM 광전송시스템을 설명하기로 한다.

표준주파수를 발생하는 장치로는 몇가지 다른 방식이 사용될 수 있으나, 대표적으로 에탈론필터를 사용하는 방법이 이용될 수 있다. 에탈론필터를 표준주파수 발생장치로 사용하기 위해서는 모든 필터가 동일한 공진주파수를 제공할 수 있어야 한다. 에탈론필터의 m번째 공진주파수는 하기의 수학식 1과 같이 주어진다.

V_m=mL=mC/(2nlcosθ)

상기 수학식 1에서 m은 모드(mode) 번호이고, L은 자유스펙트럼범위(free-spectral-range)이며, C는 빛의 속도, n은 굴절률, l은 필터의 길이, θ 입사각이다.

에탈론필터로는 기계적인 안정성이 우수하고 간단한 구조를 가지는 고체 형태의 에탈론필터를 사용하는 것이 바람직하다. 그런데, 길이와 굴절률을 완전히 동일한 에탈론필터를 다수 제작하는 것은 사실상 불가능하다. 이러한 굴절률의 차이는 입사각을 조정함으로써 보정할 수 있으나 이를 위하여는 두 개의 서로 다른 절대 주파수가 필요하다는 사실에 유의하여야 한다. 예를 들어, 에탈론필터의 공진주파수 V_m과 V_m-k가 각각 두 개의 절대주파수에 일치하도록 하면, 이렇게 조정된 에탈론필터는 완벽하게 똑같은 공진주파수를 제공하게 될 것이다.

동기화된 에탈론필터가 본 발명의 표준주파수 발생장치로서 이용될 수 있다. 상기 동기화된 에탈론필터의 기술은 Y.C.Chung and L.W.Stulz, "Synchronized etalon filter for standardizing WDM transmitter laser wavelength", IEEE photonics Technol. Lett., vol. 5, no.2, pp. 186189, Feb. 1993과, Y.C.Chung and L.W.Stulz, "Synchronized etalon filter". US Patent number: 5,434,877, Jul. 18, 1995 하에 개시되어 있다. 상기 동기화된 에탈론필터는 2개의 서로 다른 크립톤(Krypton: Kr) 원자의 천이선에 안정화된 레이저의 절대주파수를 사용하여 입사각을 조정해줌으로써 에탈론필터간의 두께나 굴절률의 차이를 보정할 수 있게 된다. 이에 따라 결과적으로 각 필터들의 공진주파수가 완전히 일치하게 될 것이다.

그런데 원자의 천이선은 원자의 물리적 특성에 의하여 결정됨에 따라 이러한 방식으로 제작된 에탈론필터의 공진주파수도 원자의 특성에 따라 함께 결정될 것이다. 한편 에탈론필터를 보정하기 위하여 사용하는 절대주파수가 원자의 천이선과 같이 특정한 값이 아니라 임의의 값을 갖도록 하는 기술에 대해서는 본원 출원인에 의해 선출원된 특허번호 "1997-17558"호(발명자:정윤철, 발명의 명칭:콜드스타트방식 파장분할다중 광전송시스템 및 그의 표준주파수 발생방법, 출원일:1997.5.7)에 개시되어 있다. 상기 "1997-17558"호에서는 콜드스타트 방식의 파장분할다중 광전송시스템에서의 파장 안정화에 대한 기술이 개시되어 있으며, 각 레이저의 출력 파장을 안정화시키기 위해 파장 에러를 검출하는 기술이 개시되어 있다. 파장 에러를 검출하기 위해 상기 "1997-17558"호에 개시된 기술은 각 레이저의 출력되는 파장을 에탈론필터를 이용하여 필터링한 후, 각 파장별로 구비되는 위상감지검출기를 이용하여 일차 미분곡선으로 표현되는 위상을 검출한다. 검출한 위상을 이용하여 각 레이저의 출력 파장의 에러 정도를 알 수 있게 된다.

그런데 본 발명에서는 에러 검출을 위해 상기와 같은 위상감지검출기 등 복잡한 회로를 구비하지 않고 간단한 구성으로 이를 수행한다. 이하 첨부한 도면을 참조하여 이를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파장분할다중 광전송시스템의 개략적인 일 예시 블록 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같은 콜드스타트방식 WDM 광전송시스템은 파장 에러 검출 부분을 제외한 부분은 상기 "1997-17558"에 개시된 바와 같은 광전송시스템과 그 구성 및 동작이 동일하다고 할 수 있다.

도 1을 참조하면 콜드스타트방식 WDM 광전송시스템은 레이저부 10과, 다중화기 12와, 역다중화기 14, 수신기 16, 파장에러검출부 18, 비례증폭기/적분기 22, 스위치 24 및 컨트롤러 20으로 구성된다. 도시된 광전송시스템의 표준주파수는 1547.82+n×0.8nm(193.686-n×0.100THz)라고 가정한다. 여기서 n은 채널번호이다.

상기와 같은 콜드 콜드스타트방식 WDM 광전송시스템을 구동시키면, 제어장치가 자동적으로 각 레이저들이 정상조건(예를 들어 40mA, 25℃라 가정한다)보다 5℃ 낮은 20℃에서 동작되도록 온도를 설정하며, 각 레이저들의 삽입전류 C는 정상조건과 같이 40mA가 되도록 한다. 또한 각 레이저들은 삽입전류를 이용하여 5∼9KHz의 서로 다른 정현파로 변조한다. 이때 시스템의 채널 간격은 100GHz이고 DFB 레이저의 주파수 가변성이 10GHz/℃인 것으로 가정한다. 각 레이저의 출력은 4×4 스타커플러(star coupler)인 다중화기 20으로 입력되며, 다중화기 20의 출력 중 하나는 전송용 광섬유(FIBER)에 연결되어 역다중화기 14에 인가되고 이후 수신기 16으로 입력된다. 또한 다중화기 20의 출력 중 또 다른 하나는 본 발명의 특징에 따라 구성되는 파장에러검출부 18로 입력된다. 파장에러검출부 18의 출력은 비례증폭기 23, 적분기 22 및 컨트롤러 20으로 인가된다. 상기 파장에러검출부 18, 비례증폭기 23. 적분기 22, 스위치 24 및 콘트롤러 20은 WDM 광전송시스템의 제어장치를 구성한다.

이후 상기 제어장치의 콘트롤러 20은 먼저 각 레이저의 광출력이 0dBm이 되도록 전송용 레이저 10의 패키지 내에 장착되어 있는 광검출기로부터의 신호 Pwr을 이용하여 관측하면서 각 레이저의 삽입전류를 조정한다. 다음으로, 파장에러검출부 18의 출력을 인가받아 각 레이저가 안정적으로 동작되도록 해당 채널의 레이저 동작온도를 점차적으로 증가시킨다. 레이저가 안정적으로 동작하는 것이 확인되면, 콘트롤러 20은 자동적으로 스위치 24를 구동하여 비례증폭기(proportional amplifier) 23과 적분기로 구성되어있는 서보루프(servo-loop)를 동작시킨다. 이 서보루프는 레이저의 삽입전류를 제어하여 각 레이저의 주파수를 원하는 에탈론필터의 공진주파수에 정밀하게 안정화시킨다. 이 과정에서 발생하는 전류 변화에 의한 광출력의 변화는 다시 온도 제어를 이용하여 보상한다.

이하 상기 파장에러검출부 18의 구성 및 동작을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장분할다중 광전송시스템에서의 파장 에러 검출 장치의 개략적인 구성도이며, 도 3은 도 2의 각 부 출력 파형도이다. 상기 도 3에는 표준주파수가 4개, 즉 4채널의 경우를 일 예로 들어 도시하였다.

먼저 도 2를 참조하면, 본 발명의 특징에 따른 파장에러검출부 18은 광신호를 유도하는 광섬유 30과, 광섬유 30의 단면에서 퍼져가는 광신호를 입사각을 달리하여 입사받는 에탈론필터 32와, 에탈론필터 32를 통과하는 광신호를 서로 다른 두 위치에서 수신하는 두 개의 수광소자 제1, 제2PD(Photo Diode) 34, 36과, 상기 제1, 제2PD 34, 36의 각 출력을 반전, 비반전 입력단으로 각각 입력받는 비교기 38 과, 상기 광섬유 30, 에탈론필터 32, 제1, 제2PD 34, 36을 보호하며, 내구성 및 온도유지를 위한 외부함체 39로 구성된다.

상기 광섬유 30은 도파로 형태를 가질 수도 있고, 광섬유와 도파로의 결합된 형태를 가질 수도 있다. 상기 광섬유 30은 표준주파수, 즉 파장기준을 삼고자 하는 광신호를 유도한다. 유도된 기준파장의 광신호는 광섬유 30의 단부에서 자연스럽게 퍼져 기울어진 에탈론필터 32에 입사각을 달리하며 입사된다. 상기 에탈론필터 32는 제1, 제2PD 34, 36에 각 채널별로 상대적 편이를 가지는 두가지 특성곡선을 입력시키기 위한 것으로서, 도 3에 도시된 바와 같이 입사광이 기준파장에서 제1PD 34와, 제2PD 36에 각각 ±편이를 가지며 입사되게 구성된다. 이러한 구성을 위해서 에탈론필터 32의 두께와, 굴절률 및 경사지는 각도 등 미리 적절히 계산되어져서 설정된다. 이러한 에탈론필터 32는 상기 표준주파수를 발생시키기 위한 에탈론필터의 제작 및 구성과 유사하게 이루어질 수 있다.

상기 광섬유 30으로 도 3에 도시된 바와 같은 기준파장의 광신호가 입력되면, 에탈론필터 32의 상기의 투과특성에 따라 상기 제1PD 34와, 제2PD 36에는 동일한 레벨의 광신호가 입력되므로, 제1, 제2PD 34, 36의 출력은 같게 된다. 따라서 비교기 38의 출력은 제로('0')가 된다. 그런데 예를 들어 일 채널의 파장이 어긋나게 되면 제1, 제2PD 34, 36에 입력되는 광신호의 레벨은 차이가 있게 되고, 따라서 비교기 38의 출력은 어떠한 레벨을 갖게 된다. 그러므로 상기 비교기 38의 출력을 에러신호로서 콘트롤러 20에 인가하여, 콘트롤러 20으로 하여금 상기 에러신호의 레벨을 바탕으로 현재 출력되는 레이저의 파장의 안정 여부를 알게 한다.

상기한 바와 같은 구성으로 본 발명의 특징에 따른 파장에러검출장치가 제공될 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명은 파장분할다중 광전송시스템의 레이저 파장 에러 검출 장치에 있어서, 미리 설정된 다수 파장의 광신호를 유도하며 유도한 광신호의 출력단이 단면인 광섬유와, 광섬유의 단면에서 자연 퍼지며 출력되는 광신호를 입사받으며 상기 다수 파장에 미리 설정된 편이 만큼 편이된 파장 투과 특성을 가지는 에탈론필터와, 에탈론필터를 통과하는 광신호를 서로 상대적 편이를 가지는 두 위치에서 각각 수신하는 제1,제2수광소자와, 제1, 제2수광소자의 각 출력을 비교하여 비교결과를 파장에러신호로 출력하는 비교기를 가짐으로, 보다 간단한 구성으로 레이저의 파장 에러를 검출하며, 비교적 저렴한 비용으로 레이저의 파장 에러를 검출할 수 있는 장치를 제공한다.

Claims (3)

1. 파장분할다중 광전송시스템의 미리 설정된 다수의 표준주파수의 파장을 출력하는 레이저의 출력 파장 에러 검출 장치에 있어서,

   상기 레이저에서 출력되는 광신호를 유도하며 유도한 광신호의 출력단이 단면인 광섬유와,

   상기 광섬유의 단면에서 자연 퍼지며 출력되는 광신호를 입사받으며 상기 다수 표준주파수의 파장에 미리 설정된 편이 만큼 편이된 파장 투과 특성을 가지는 에탈론필터와,

   상기 에탈론필터를 통과하는 각 파장의 광신호를 서로 상대적 편이를 가지는 두 위치에서 각각 수신하는 제1,제2수광소자와,

   상기 제1, 제2수광소자의 각 출력을 비교하여 비교결과를 파장에러신호로 출력하는 비교기를 가짐을 특징으로 하는 다파장 에러 검출 장치.
2. 제1항에 있어서, 내구성 및 온도유지를 위해 상기 광섬유와, 상기 에탈론필터 및 상기 제1, 제2수광소자를 내포하는 외부함체를 더 가짐을 특징으로 하는 파장 에러 검출 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 파장에러신호를 인가받아 상기 파장에러신호의 레벨에 따라 상기 레이저의 출력 파장 안정 여부를 판단하는 제어부를 더 가짐을 특징으로 하는 파장 에러 검출 장치.