KR100281410B1 - 광섬유 편광 간섭계를 이용한 파장 가변 광필터링 시스템 - Google Patents

광섬유 편광 간섭계를 이용한 파장 가변 광필터링 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 안정화된 광섬유 편광 간섭계를 이용한 파장 가변 광필터링 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따르면, 광섬유 간섭계를 이용한 파장 가변 광필터링 시스템에 있어서, 입력되는 광을 편광하여 광섬유에 입사시키기 위하여, 입력단 측에 설치된 제 1 편광 빛살 가르게(PBS : Polarization Beam Splitter)와; 상기 제 1 편광 빛살 가르게에 의하여 편광된 두 광이 진행하는 광섬유와; 상기 광섬유를 진행한 편광된 두 광을 합광시키기 위하여 출력단 측에 설치된 제 2 편광 빛살 가르게와; 상기 제 2 편광 빛살 가르게에 의하여 합광된 광을 여과 신호와 안정화 광원으로 분리하기 위하여 출력단 측에 설치된 파장 분할 광커플러와; 상기 편광된 두 광 사이의 위상차를 일정하게 유지시키는 위상 변조기(Phase Modulator)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 파장 가변 광필터링 시스템이 제공된다.

Description

광섬유 편광 간섭계를 이용한 파장 가변 광필터링 시스템 (Tunable optical filtering system using fiber-optic polarimetric interferometer)
본 발명은 파장 가변 광필터링 시스템에 관한 것이며, 특히, 안정화된 광섬유 편광 간섭계를 이용한 파장 가변 광필터링 시스템에 관한 것이다.
파장 분할 다중 광통신 기술은 급증하는 통신 수요를 만족시킬 수 있는 테라 비트 급 광통신 기술로서 각광을 받고 있으며, 이의 구현을 위하여 파장 영역에서 빛을 조절할 수 있는 좋은 성능의 광필터, 광 파장 다중기 및 역다중기 등의 소자가 필요하다.
이러한 측면에서 1980년대 말에 발표된 배열된 도파로 격자(AWD : Arrayed Waveguide Grating)는 만족할만한 성능의 파장 분할 다중 소자를 얻을 수 있는 소자로서 각광을 받아왔다.
한편, 파장에 따라 투과 특성이 주기적으로 변하는 광섬유 간섭계를 파장 분할 다중 소자로 이용하고자하는 연구와 노력이 계속되어 왔다.
간섭계형 광필터는 여러 개의 파장을 통시에 투과시키는 다파장 투과형 광필터로서, 투과 파장 및 그 간격은 간섭계의 광경로차에 의하여 결정된다. 그러나, 온도와 진동 등 광섬유가 놓여있는 주위 환경의 변화에 따라 광섬유의 굴절률 및 길이가 매우 민감하게 변화하기 때문에, 간섭계의 광경로차가 바뀌게 되어 간섭계형 광필터에 의하여 투과되는 파장이 불규칙적으로 변화하는 문제점이 발생한다.
또한, 주위 환경의 영향을 받아 광섬유를 진행하는 빛의 편광이 바뀌게 되어, 광필터의 소광비(Extinction Ratio)가 변화하는 문제점도 발생한다.
위에서 서술한 문제점들을 극복하기 위하여, 마하 젠더(Mach - Gender) 광섬유 간섭계 광필터링 시스템을 안정화시키는 방법이 제안되었는데, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 마하 젠더 광섬유 간섭계를 이용한 광필터링 시스템을 나타낸 구성도로서, 빛이 입력되는 입력 단자, 광섬유 노드(혹은 광섬유 결합기), 출력 단자 및 광섬유로 구성되어 있다.
입력 단자에 입사된 빛은 첫 번째 광섬유 노드에서 둘로 갈라져, 서로 다른 광통로를 진행한 후에, 두 번째 광섬유 노드에서 합쳐져 서로 간섭한다. 간섭하는 두 빛의 편광이 같을 경우, 광필터의 출력은 아래의 [수학식 1]과 같이 된다.
여기서 I0(λ) 는 입력광의 스펙트럼, n(λ) 는 광섬유의 굴절률, ▵l 은 두 광통로의 길이 차이이다.
상기 [수학식 1]로부터 알 수 있듯이, 광섬유가 주변 환경의 영향을 받을 때, 굴절률 및 길이가 변하므로, 투과되는 파장이 변하게 됨을 알 수 있다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 안정화 장치를 구비한 마하 젠더 광섬유 간섭계 광필터링 시스템이 발표되었다. 그러나, 상기 안정화 장치를 구비한 마하 젠더 광섬유 간섭계 광필터링 시스템에서 간섭계를 일반 광섬유로 제작할 경우, 간섭하는 두 빛의 편광이 변하여 서로 다르게 되므로, 광필터의 소광비가 변하는 또 다른 문제점이 발생한다.
상기 마하 젠더 광섬유 간섭계 광필터를 이용한 광필터링 시스템에 대한 보다 상세한 설명은 미국 특허 등록 번호 5,295,205, 'Environmentally stable monolithic Mach - Zehnder device'에서 기술되어 있다.
한편, 마하 젠더 광섬유 간섭계 광필터를 이용한 광필터링 시스템의 편광 변화에 따른 상기 문제점을 해결하기 위하여 편광 유지 광섬유로 간섭계를 구성한 광필터링 시스템이 제작되었으며, 이를 상세히 도시한 것이 도 2다.
도 2는 종래의 편광 간섭계를 이용한 광필터링 시스템을 나타낸 구성도로서, 빛이 입력되는 입력 단자, 편광기, 편광 빛살 가르게(PBS : Polarization Beam Splitter), 제 1 광섬유 노드(A), 제 2 광섬유 노드(B) 및 출력 단자로 구성되어 있으며, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 입력 단자로 입사된 광은 상기 편광기에 의하여 편광되고, 상기 편광된 광은 상기 편광기 뒤에 있는 편광 유지 광섬유의 두 복굴절 축 중에서 한 복굴절 축을 따라 진행한다. 이와 같이, 진행한 편광된 광은 두 개의 편광 유지 광섬유를 복굴절 축이 서로 45도 틀어지도록 연결된 상기 제 1 광섬유 노드에서 같은 강도로 두 복굴절 축에 나뉘어 입사된다.
이렇게 나뉘어진 두 광은 두 복굴절 축을 따라 진행한 후에, 45도로 연결된 상기 제 2 광섬유 노드에서, 다시 두 광이 같은 강도로 두 개의 복굴절 축에 나뉘어 입사되면서 서로 섞여지게 된다.
그러므로, 두 복굴절 축을 따라 두 개의 간섭 신호가 발생되고, 이 두 간섭 신호는 상기 편광 빛살 가르게를 통과하면서, 서로 분리되어 각각 출력 단자 1과 출력 단자 2를 통하여 출력된다.
한편, 도면 아래에 위치한 좌표계 ne와 no는 편광 유지 광섬유의 두 복굴절 축을 나타낸다. 두 편광 유지 광섬유를 45도 각도로 어긋나게 붙인 점인 A(제 1 광섬유 노드)와 B(제 2 광섬유 노드)는 도 1의 마하 젠더 간섭계에서 두 광섬유 결합기에 해당하고, A와 B 사이에 있는 편광 유지 광섬유의 두 복굴절 축, 즉 두 편광축은 도 1에서 두 광통로에 해당한다. 따라서, 도 2에서 A와 B 사이의 광섬유의 길이를 l 이라 하고, 광섬유의 복굴절 상수를 B라 할 경우, 광필터의 출력은 아래의 [수학식 2]와 같이 된다.
상기 [수학식 2]로부터 알 수 있듯이, 사용하는 편광 유지 광섬유의 길이 l 을 조절하여 투과 파장 간격을 조절할 수 있다.
위에서 서술하였다시피, 편광 유지 광섬유 간섭계 광필터링 시스템은 두 광통로가 한 가닥 광섬유 안에 있기 때문에, 주변 환경의 영향을 서로 동일하게 받으므로, 마하 젠더 광섬유 간섭계 광필터링 시스템에 비하여, 주변 환경의 영향을 적게 받으며, 또한 편광 유지 광섬유를 사용하므로, 편광 변화에 따른 소광비 감소 문제점은 해결하였다.
그러나, 상기 편광 유지 광섬유 간섭계 광필터링 시스템이 소광비 감소 문제점은 해결하였지만, 오동작을 일으키지 않을 정도로 주변 환경으로부터 안정화되지는 못하였기 때문에, 실용화에는 문제점이 있었다.
상기 편광 유지 광섬유 간섭계 광필터링 시스템에 대한 보다 상세한 설명은 K. Okamoto, T. Morioka, I. Yokohama, J. Noda가 IEE Electronics Letters, Vol. 22, No. 4에서 발표한 논문 'All - panda - fiber multi / demultiplexer utilising polarization beat phenomena in birefringent fibers'에 기술되어 있다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 독립된 안정화 광원을 사용하는 능동 위상 추적 방법을 이용하여 투과 파장을 안정화시키고, 편광 유지 광섬유를 사용한 편광 간섭계 방식을 이용함으로써, 편광 요동으로 인한 문제점을 제거하는 안정화된 광섬유 편광 간섭계를 이용한 파장 가변 광필터링 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 마하 젠더(Mach-Zehnder) 광섬유 간섭계를 이용한 광필터링 시스템을 나타낸 구성도이고,
도 2는 종래의 편광 간섭계를 이용한 광필터링 시스템을 나타낸 구성도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화된 광섬유 편광 간섭계를 이용한 파장 가변 광필터링 시스템을 나타낸 구성도이다.
앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 광섬유 간섭계를 이용한 파장 가변 광필터링 시스템에 있어서, 입력되는 광을 편광하여 광섬유에 입사시키기 위하여, 입력단 측에 설치된 제 1 편광 빛살 가르게(PBS : Polarization Beam Splitter)와; 상기 제 1 편광 빛살 가르게에 의하여 편광된 두 광이 진행하는 광섬유와; 상기 광섬유를 진행한 편광된 두 광을 합광시키기 위하여 출력단 측에 설치된 제 2 편광 빛살 가르게와; 상기 제 2 편광 빛살 가르게에 의하여 합광된 광을 여과 신호와 안정화 광원으로 분리하기 위하여 출력단 측에 설치된 파장 분할 광커플러와; 상기 편광된 두 광 사이의 위상차를 일정하게 유지시키는 위상 변조기(Phase Modulator)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 파장 가변 광필터링 시스템이 제공된다.
또한, 보다 바람직하게는 상기 파장 분할 광커플러에 의하여 분리된 안정화 광원이 입력되고, 상기 안정화 광원에 의하여 출력된 전압을 이용하여, 상기 위상 변조기를 구동시키는 안정화 회로와; 상기 제 1 편광 빛살 가르게에 의하여 편광된 두 광의 복굴절 축이 45도 각도로 어긋나도록 입력단 측에 설치되는 제 1 광섬유 노드와; 상기 제 1 광섬유 노드를 통과한 편광된 두 광의 복굴절 축이 상기 제 1 광섬유 노드를 통과하기 이전의 복굴절 축으로 원상 복귀되도록 출력단 측에 장착되는 제 2 광섬유 노드와; 상기 제 1 광섬유 노드를 통과한 두 광의 복굴절 축이 90도 각도로 어긋나도록 상기 제 1 광섬유 노드와 상기 제 2 광섬유 노드 사이에 설치된 제 3 광섬유 노드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 광필터링 시스템이 제공된다.
아래에서, 본 발명에 따른 양호한 일 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화된 광섬유 편광 간섭계를 이용한 파장 가변 광필터링 시스템을 나타낸 구성도로서, 본 실시예에서 제안한 안정화된 광섬유 편광 간섭계를 이용한 파장 가변 광필터링 시스템은 1980년 Dandridge 등이 개발한 능동 위상 추적(Active Phase Tracking) 방법을 이용한 것이다.
본 실시예에 따른 안정화된 광섬유 편광 간섭계를 이용한 파장 가변 광필터링 시스템은 안정화 광원, 제 1 편광 빛살 가르게, 위상 변조기(Phase Modulator), 제 2 편광 빛살 가르게, 파장 분할 다중기, 제 1 광섬유 노드(A), 제 2 광섬유 노드(B), 제 3 광섬유 노드(C), 출력 단자 및 안정화 회로로 구성되어 있으며, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 안정화 광원은 능동 위상 추적 방법으로 간섭계를 안정화시키기 위하여 필요한 것으로서, 안정화 광원의 파장은 여과될 신호광의 파장과 서로 달라야 하며, 예를 들면, 1550 nm 광통신 대역에서 동작하는 광필터를 구현하기 위하여 1300 nm 파장대의 레이저 다이오드를 안정화 광원으로 사용할 수 있다.
상기 제 1 편광 빛살 가르게는 상기 안정화 광원에 의하여 입사되는 빛을 편광시켜 상기 광섬유에 입사시키는 기능을 하고, 상기 위상 변조기는 간섭계의 두 광통로 역할을 하는 부분에 설치되며, 광섬유의 길이를 변화시키기 위한 기능을 한다. 한편, 상기 위상 변조기는 압전 소자에 광섬유를 부착한 형태의 것이 이용될 수 있다.
또한, 상기 제 2 편광 빛살 가르게는 상기 제 1 편광 빛살 가르게를 통과한 편광된 두 광을 합광시키기 위하여 출력단 측에 설치되고, 상기 제 2 편광 빛살 가르게를 통과한 합광된 광의 여과 신호와 안정화 광원을 서로 분리시키기 위하여 파장 분할 다중기(WDM : Wavelength Division Multiplexer)가 출력단 측에 설치된다.
광섬유를 함께 진행한 안정화 광원과 여과 신호는 파장 분할 다중기에서 서로 분리되어, 안정화 광원은 안정화 회로로 들어가고, 여과 신호는 광필터의 출력단으로 출력된다. 상기 안정화 회로에서 출력된 전압은 간섭계에 장착된 위상 변조기를 구동하여 두 광경로 사이의 위상차를 일정하게 유지시킨다. 즉, 외부 영향으로 두 광경로 사이에 위상차가 발생하게 되면, 안정화 장치는 같은 크기의 위상차를 반대 방향으로 간섭계에 가하여, 항상 일정한 위상차를 갖도록 안정화시킨다.
결과적으로 여과 신호는 일정한 크기의 위상차를 갖는 간섭계 광필터링 시스템에서 안정화 광원의 파장이 변화하게 되면, 일정한 위상차를 유지하기 위하여 두 광경로간의 광경로차가 조금씩 변하게 된다.
이 때, 광경로차가 조금씩 변하게 되면, [수학식 1] 또는 [수학식 2]의 위상을 나타내는 항이 변하게 되어, 광필터의 투과 파장이 변하게 된다. 따라서, 안정화 광원의 파장을 조절하여 주면, 투과 파장을 바꿀 수 있는 파장 가변 간섭계 광필터링 시스템을 얻게 된다.
한편, 안정화 광원으로서, 파장 가변 레이저 다이오드를 사용하거나, 일반 레이저 다이오드를 안정화 광원으로 사용하는 경우, 구동 온도를 조절함으로써, 파장을 바꿀 수 있다.
또한, 상기 [수학식 2]로부터, 투과 파장 간격은 45도로 연결된 두 지점 A(제 1 광섬유 노드)와 B(제 2 광섬유 노드) 사이의 편광 유지 광섬유 길이 l 에 반비례하여 결정된다.
한편, 안정화를 위하여 장착한 상기 위상 변조기로 인하여 l 을 일정 길이 이하로 하기 어려운 경우가 발생할 수도 있다. 이러한 경우에는 두 지점 A와 B 사이의 임의의 지점 C(제 3 광섬유 노드)에서 편광 유지 광섬유를 서로 90도 각도로 돌려 연결하면, A와 B 사이에서 발생하는 위상차는 전체 길이 l 이 아닌 길이 차이 (l1- l2) 에 비례한다. 따라서, 90도 각도로 돌려 연결하는 임의의 지점 C를 잘 선택하면, 전체 편광 유지 광섬유 길이에 상관없이 원하는 투과 파장 간격을 얻을 수 있게 된다.
앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 독립된 안정화 광원을 사용하는 능동 위상 추적 방법과, 편광 유지 광섬유를 사용한 편광 간섭계 방식을 이용하기 때문에 투과 파장을 안정화시키고, 편광 요동으로 인한 문제점을 제거할 수 있으며, 안정화 광원의 파장을 바꾸어줌으로써, 간섭계 광필터의 투과 파장을 쉽게 변화시킬 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (7)

  1. 광섬유 간섭계를 이용한 파장 가변 광필터링 시스템에 있어서,
    입력되는 광을 편광하여 광섬유에 입사시키기 위하여, 입력단 측에 설치된 제 1 편광 빛살 가르게(PBS : Polarization Beam Splitter)와;
    상기 제 1 편광 빛살 가르게에 의하여 편광된 두 광이 진행하는 광섬유와;
    상기 광섬유를 진행한 편광된 두 광을 합광시키기 위하여 출력단 측에 설치된 제 2 편광 빛살 가르게와;
    상기 제 2 편광 빛살 가르게에 의하여 합광된 광을 여과 신호와 안정화 광원으로 분리하기 위하여 출력단 측에 설치된 파장 분할 광커플러와;
    상기 편광된 두 광 사이의 위상차를 일정하게 유지시키는 위상 변조기(Phase Modulator)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 파장 가변 광필터링 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 편광 빛살 가르게로 입사되는 광을 안정적으로 제공하는 안정화 광원 장치를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 파장 가변 광필터링 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 안정화 광원 장치는 파장 가변 레이저 다이오드인 것을 특징으로 하는 파장 가변 광필터링 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유는 편광 유지 광섬유인 것을 특징으로 하는 파장 가변 광필터링 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장 분할 광커플러에 의하여 분리된 안정화 광원이 입력되고, 상기 입력된 안정화 광원에 의하여 출력된 전압을 이용하여, 상기 위상 변조기를 구동시키는 안정화 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 광필터링 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 편광 빛살 가르게에 의하여 편광된 두 광의 복굴절 축이 45도 각도로 어긋나도록 입력단 측에 설치되는 제 1 광섬유 노드와;
    상기 제 1 광섬유 결합 장치를 통과한 편광된 두 광의 복굴절 축이 상기 제 1 광섬유 노드를 통과하기 이전의 복굴절 축으로 원상 복귀되도록 출력단 측에 장착되는 제 2 광섬유 노드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 광필터링 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 광섬유 노드를 통과한 두 광의 복굴절 축이 90도 각도로 어긋나도록 상기 제 1 광섬유 노드와 상기 제 2 광섬유 노드 사이에 설치된 제 3 광섬유 노드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 광필터링 시스템.
KR1019980050333A 1998-11-24 1998-11-24 광섬유 편광 간섭계를 이용한 파장 가변 광필터링 시스템 KR100281410B1 (ko)

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