KR100298004B1 - 무편광출력특성을가지는가변다파장광발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 발생장치로부터 출력되는 광을 출력 채널별로 다른 파장을 가질 수 있도록 하고, 동시에 각 채널별 파장은 임의로 가변시킬 수 있도록 하는 무편광 출력특성을 가지는 가변 다파장 광 발생 장치에 관한 것으로, 각 출력광의 파장을 임의로 가변시킬 수 있으므로 시스템 설계 및 구축, 또는 운용상에 높은 자유도를 제공할 수 있는 잇점이 있고, 출력광이 무편광성이기 때문에 이를 이용하는 광소자가 편광 의존성을 가질 경우에도 부가장치가 불필요하거나 간단한 부가장치를 삽입하므로써 해결할 수 있는 장점이 있으며, 또한 광유광원 구조로 되어 있어 하나의 소스광원으로 다수의 다파장광원을 만들 수 있으므로 시스템의 경제성을 높이는 효과를 수반한다.

Description

무편광 출력특성을 가지는 가변 다파장 광 발생 장치

본 발명은 무편광 출력특성을 가지는 가변 다파장 광 발생 장치에 관한 것으로, 광 발생장치로부터 출력되는 광을 출력 채널별로 다른 파장을 가질 수 있도록하고, 동시에 각 채널별 파장은 임의로 가변시킬 수 있도록 하며, 이 출력광은 편극성이 없도록 하는 기술에 관한 것이다.

일반적으로 광소자는 편극성을 가지는 것이 많아서 광전송 시스템을 구성할때 해당소자에 요구되는 광의 편극을 유지해 주거나 필요한 편극을 추출해서 이용하게 된다.

이때 편극을 유지해 주는 것 보다 필요한 편극을 추출해서 이용하는 쪽이 기술적으로나 소요장치 비용면에서 훨씬 유리하다.

이러한 광전송 기술의 종래 광 발생장치를 보면 제1도에 도시된 바와 같이, 단일파장의 광을 출력하는 반도체 레이저(1)와; 상기 반도체 레이저(1)로 부터 출력되는 단일파장과 광을 증폭하는 광섬유 증폭기(2)와; 상기 광섬유 증폭기(2)를 통해 증폭된 광을 적절히 분배하는 제1광분재기(3)와; 상기 제 1 광분배기(3)를 통해 분배된 각각의 광에 대해 재 분배하는 다수의 제 2 광분배기(4a ∼ 4d)를 구비한다.

이때 상기 광 분배기(3,4a ∼ 4d)들은 종류에 따라 구조를 달리 할수 있으나, 편리상 1x4 광분배기로 나타낸다.

상기와 같이 구성된 종래 광 발생장치는 반도체 레이저(1)로 부터 발생된 단일 파장의 광을 그대로 증폭한 후 다수의 광으로 분배하므로써, 동일 특성을 가지는 다수의 광을 발생시키는 결과가 된다.

즉, 상기 종래 공유광원은 한 개의 광원의 출력을 증폭하고 이를 다단분기하여 수많은 광원을 발생시키는 장치로서, 고가의 고정밀 분산 귀환 레이저(Distribuited Feed-Back laser : DBF) 또는 분배 브래그 반사기(Distribuited Brag Reflector : DBR)반도체 레이저를 한 개만을 사용하여 여러 가입자에게 신호를 전송할 수 있기 때문에 비용이 적게 든다는 장점이 있다.

그러나 이와 같은 방식은 크게 두가지 문제점을 가지고 있다.

첫째, 출력광은 근본적으로 편광성을 가지기 때문에 이 출력광을 이용할 광소자(예 : 변조기)가 편광 의존형일 경우에는 공유광원과 광소자 사이에 편광을 정합시켜 주는 제어장치가 필요하게 된다.

이러한 편광제어장치는 고가이며, 또한 설치면에서 볼때 광원과 광원을 이용하는 소자간 거리가 멀거나 편광상태가 빠르게 변하는 환경에서는 실질적으로 기술 구현이 불가능한 상태이다.

둘째, 파장다중 전송을 할 경우 종래 방식에서도 다른 파장의 광을 출력하는 레이저를 사용하여 상기 제1도와 같은 구성을 여러개 준비해 사용하면 가능하나, 각 레이저의 파장은 고정되어 있기 때문에 임의로 가변이 불가능한 문제점이 있다.

또한 파장다중화 장치의 통과대역과 레이저의 출력파장을 일치시켜야 하므로 시스템 설계 및 구축시에 자유도가 저하되는 단점이 있다.

본 발명에서는 상기에 기술한 바와 같은 종래 문제점을 감안하여 각 출력광의 파장을 임의로 가변시킬 수 있고, 동시에 각 출력광은 편광성이 없도록 하는 특성을 가지는 광 발생장치를 구현하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명에서는 파장다중전송을 할 경우에 고정된 파장의 광원보다 환경에 따라 임의의 파장을 선택할 수 있다면 시스템 설계 혹은 운용상 훨씬 높은 자유도를 가질 수 있다라는 점을 고려하여, 다양한 서비스 환경이 요구되는 광전송 시스템의 전송용 광원으로 활용할 수 있는 광 발생장치를 제공하는 것이다.

제1도는 일반적인 광 발생장치의 구성을 나타내는 블럭도.

제2도는 본 발명에 의해 구현된 광 발생장치의 구성을 나타내는 블럭도.

제3도는 본 발명의 광 발생장치를 적용한 광 전송 시스템의 구성을 나타내는 블럭도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 광섬유 중폭기 11 : 광분배기

12a ∼ 12d : 가변형 밴드패스필터

13a ∼ 13d : 광섬유 증폭기 14a ∼ 14d : 광분배기

153 ∼ 15d : 광 변조기 16, 17 : 파장다중화기

18a ∼ 18d : 광 수신기

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에서 제공하는 광 발생장치와 구성은 파장을 가변선택할 수 있도록 하기위해, 무편광성을 가지면서 선폭이 매우 넓은 광을 출력하는 소스 광원부와; 상기 소스 광원부로 부터 출력된 광을 :적절히 분배시키는 광분배기와,

상기 광분배기를 통해 출력된 각 광에 대해 각기 다른 대역으로 광을 통과시키는 가변형 밴드패스필터부와; 상기 각각의 가면형 밴드패스필터로부터 출력된 각기 다른 대역의 광을 각각 증폭시키는 광섬유 증폭부와; 상기 각각 광섬유 증폭기로부터 출력된 광을 다수의 광으로 각각 분배하는 광분배부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적 및 특징들, 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다.

먼저 본 발명의 설명에 앞서 본 발명에서 사용하는 발광다이오드와 광섬유증폭기에 대한 성질과 실험 데이터를 설명한다.

1) 발광다이오드 또는 광섬유 증폭기의 출력광 특성

광원은 여러 가지 특징으로 나눌 수 있으나, 하기에서는 광원에서 출력되는 광의 편광성에 대하여 설명한다. 일반적으로 장원에서 광이 발생되는 원리는 그림가와 같이 발광재료에 전기적 입력을 걸어 주면 발광재료내의 에너지 밴드내의 낮은 준위의 전자가 높은 준위의 상태로 여기 된 후 다시 낮은 준위의 상태로 돌아 올 때 발생된다.

즉, 높은 준위에서 낮은 준위로 환원 될 때는 에너지가 작아져야 하는데, 이여분의 에너지가 빛으로 나타나는 것이다. 이때 그림 가에는 하나의 에너지 준위만 표시되었으나, 발광재료에 따라 각각 다른 에너지 준위를 가지게 된다.

따라서 발광 재료별로 방출되는 광의 파장이 다르게 되는 것이고 한 재료 내에서도 여러 개의 에너지 준위를 가지므로 하나의 파장만 나오는 것이 아니라 특정 파장을 중심으로 선폭을 가지게 된다. 이때 발생되는 빛을 자연 방출광이라 하고 이것은 무작위의 특성을 가진다.

즉, 각각의 전자 알갱이로부터 방출되는 각각의 광은 파장별 또는 같은 파장 내에서도 위상이 랜덤하게 된다.

[그림 가]

광 발생 개략도

가. 발광다이오드와 레이저 광원

상기에서 언급한 바와 같이 발광재료에 전원을 걸어 전자를 여기 시키면 자연 방출광이 출력 된다. 이러한 소자의 대표적인 것이 발광다이오드며, 하기 그림 나의 (a)와 같다. 이에 대하여 발광 재료의 구조적 가공을 통하여 특정 파장과 위상만 가진 광이 발진 되도록 하는 방법이 있는데, 이 방법에는 공진기형 레이저(Fabry-Perot type laser)와 분산 피드백 레이저(Distributed feedback laser)등이 있으며, 각각 그림 나의 (b), (c)와 같다.

즉, 발광다이오드와 레이저는 동일한 발광재료를 이용할 수도 있지만, 레이저는 그림 나의 (b)와 같이 발광 재료의 앞 뒷면에 반사체를 두어 공진기를 구성하고 공진 조건에 맞는 광 파장만 발진되며 출력 되도록 한다. 이때 출력되는 광의 위상은 일정하게 유지된다.

또한 그림 나의 (c)는 발광층 내부에 반사주름을 형성해 원하는 파장을 통과시키고, 그 외 파장 성분은 반사되어 출력되지 않도록 한 것이다. 이때도 마찬가지로 출력되는 층의 위상이 일정하게 유지된다.

[그림 나]

발광다이오드와 레이저 구조

나. 광원의 편광과 위상 관계

광원의 편광에 대한 설명은 다음과 같다. 여기서 광원의 동작 온도등 외부조건은 일정하게 유지된다고 가정한 상태에서 설명한다. 즉, 하기 그림 다와 같이 발광면의 정면에서 보아 출력광의 수직 성분과 수평성분이 있다고 보면, 이것이 시간에 따라 변하지 않고 계속 일정한 상태로 있으면 편광이 유지된다고 본다. 즉, 편광이란 수평과 수직의 광 성분이 그 크기와 위상을 일정하게 유지하면 편광이 고정되게 되는 것으로 레이저가 이러한 종류의 광원에 속한다.

이에 비하여 발광다이오드 광원은 무작위의 발광 상태로 여기 된 전자 알갱이 하나 하나에서 발생되는 광은 수직 및 수평 성분의 위상이 모두 다르다. 따라서 모든 상태의 편광이 다 존재하게 되는 것이고, 이에 따라 발광다이오드 광 출력은 편광성이 없고, 전체적으로 보아 수직 성분과 수평성분의 광전력이 어떤 시점에서도 반반으로 보이는 것이다.

[그림 다]

편광 상태 개략도

다. 광섬유 증폭기의 특성

광섬유 증폭기의 증폭 매카니즘도 상기 발광다이오드와 유사하다. 단지 발광다이오드는 여기를 전기적으로 수행하나 광섬유 증폭기의 여기는 여기 광펌프를 통해 광신호로 여기 시키는 것이 다르다.

광섬유 증폭기는 여기광을 통해 광성유 내에 전자를 여기 시켜두고 입력측에 장신호를 입사시키면 이 입사광이 여기 전자의 낮은 에너지로 환원을 유도한다. 이를 유도 방출이라 하며, 그 입력신호의 특성을 그대로 닮은 신호(파장, 편광 상태등)를 크기만 증폭시켜 출력 시키는 것이다(그림 라의 (a)).

그러나 입력 신호가 없을 때는 발광다이오드와 마찬가지로 자연 방출광을 출력하게 되는데, 이 자연 방출광은 앞에서 언급한 바와 같이 무편광성 이다(그럼 라의 (b)).

[그림 라]

광섬유 증폭기의 출력

2) 발광다이오드 또는 광섬유 증폭기 출력의 무편광성 증명

발광다이오드와 광섬유 증폭기의 자연 방출광이 무편광성을 가짐을 인정하는 사항은 이미 공지된 사항으로, 이를 더욱 확실히 하기 위한 실험적 증명은 다음과 같다.

광원의 편광성은 앞에서 설명한 바와 같이 광원의 수직 및 수편성분의 위상에 의존한다. 따라서 하기 그림 마와 같은 구성을 통하여 출력 광원의 수직 및 수평 성분의 위상을 변화시켜(편광 제어기란 두 편광의 위상을 변화시켜 주는 장치임) 그 수직성분과 수평 성분이 변하지 않는다면, 그 광원은 편광성을 가지지 않음을 증명할 수 있는 것이다.

[그림 마]

광원의 편광성 측정 실험도

3) 발광다이오드 광원의 활용

종래에도 발광다이오드 광원이 전송에 사용되어 왔다. 그러나 발광다이오드는 그 특성상 광원의 선폭이 넓고 또한 레이저와 같이 공진 등을 통한 발진 매카니즘을 가지고 있지 않기 때문에 광 출력이 작다. 전송에는 광원뿐만 아니라 전달 매체인 광선로가 필요한데 광선로는 파장대역별로 전달특성이 다르다. 분산특성(파장별 전달속도의 차이)에서는 1.3미크론에서 가장 작은 분산특성을 가지고 1.5미크론파장에서는 1.3보다 큰 분산특성을 가진다. 그리고 전송 손실은 1.5미크론 파장에서 최저치를 가지며 1.3미크론에서는 1.5미크론 보다 큰 손실치를 갖는다.

발광다이오드는 특성상 선폭이 크기 때문에 주로 1.3미크론 파장용이 단거리 전송에 이용되었다. 왜냐하면, 광 출력 문제(수백 미터 단거리는 가능)보다도 선로의 분산이 크면, 광원의 선폭이 크면 클수록 신호의 퍼짐 현상이 커져 앞 신호와 다음 신호간의 겹침이 커져 수신단에서 신호 구분이 안되어 통신이 불가능하기 때문이다.

따라서 1.3미크론의 발광다이오드가 주로 근거리통신망(LAN) 등 구내통신에 이용되고는 있는 것이다. 이때 출력이 작기 때문에 발광다이오드 출력 스팩트럼의 전부를 단일 채널 전송용으로 사용한다. 또한 발광다이오드의 넓은 스팩트럼의 광을 가능한 많이 수용하기 위해서 주로 다 모드 광선로를 사용한다(현재 일반적으로는 단일 모드 광선로를 사용하는데 다 모드 광선로는 단일 모드 광선로보다 고가임).

이에 본 발명에서는 파장 다중을 위한 광원으로 발광다이오드나 광섬유 증폭기의 파장 스팩트럼을 대역별로 잘라서 사용하므로써,

- 여러 파장의 광 생성이 가능하도록 하고,

- 대역폭을 적절히 좁혀 광선로과 분산문제에 유리하도록 하며,(1.3미크론 대역 뿐만 아니라 1.5미크론 대역에서도 분산문제를 크게 줄일 수 있음)

- 장치내의 증폭기를 통한 광 전력 문제를 해결하도록 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

제2도는 본 발명에 의해 구현된 광 발생장치로써, 무편광성을 가지며 선폭이 매우 넓은 광을 출력하는 발광 다이오드(10)와; 상기 발광 다이오드(10)로 부터 출력된 광을 적절히 분배시키는 광분배기(11)와; 상기 광분배기(11)를 통해 출력된 각 광에 대해 각기 다른 대역으로 광을 통과시키는 가변형 밴드패스필터(12a ∼ 12d)와; 상기 각각의 가변형 밴드패스필터(12a ∼ 12d)로 부터 출력된 각기 다른 대역의 광을 각각 증폭시키는 광섬유 증폭기(13a ∼ 13d)와; 상기 각각의 광섬유 증폭기(13a ∼ 13d)로 부터 출력된 광을 다수의 광으로 각과 분배하는 광분배기(14a ∼ 14d)를 구비한다.

이때 상기 발광 다이오드(10) 대신 발광 다이오드와 동일한 특성의 광을 출력하는 광섬유 증폭기(EDFA)를 소스광원으로 사용하여도 되며, 광분배기(14a ∼14d) 역시 종류에 따라 구조를 달리할 수 있으나, 편리상 1x4 광분배기를 사용한다.

상기와 같이 구성되는 광 발생장치의 동작을 보면, 소스광원인 발광다이오드 또는 광섬유증폭기(17)는 연속파(Continuous Wave)로 작동하는 바, 항상 일정한 크기의 광출력이 광분배기(11)로 입력된다.

광분배기(11)에서는 상기 입력된 광을 적절히 분배하여 각각의 가변형 밴드 패스 필터(12a ∼ 12d)로 출력하며, 각 필터(12a ∼ 12d)에서는 서로 다른 대역으로 광을 통과시킨다.

따라서 각 필터마다 중심파장이 다른 광 신호를 출력하게 되며, 각 밴드패스 필터(12a ∼ 12d)의 통과대역 중심파장을 임의로 조정하여 다양한 파장의 광을 얻을 수 있도록 한다.

상기 각 필터(12a ∼ 12d)를 통과한 각 광신호는 광섬유 증폭기(13a ∼ 13d)에 입력되어 증폭 된 다음 다시 한번 각각의 광분배기(14a ∼ 14d)를 통해 다파장으로 분배된다.

그리고 상기에서도 언급한 바와 같이 상기 광분배기(14a ∼ 14d)의 종류 및 다단 구성방법에 따라 다양한 크기의 광출력을 얻을 수 있다.

상기와 같은 광 발생장치를 가입자계 광전송 시스템에 적용하여 사용하는 예를 들면 제3도에 도시된 바와 같이 광을 변조시키는 광변조기(15a ∼ 15d)와; 상기 각각의 광변조기(15a ∼ 15d)를 통해 변조된 각 채널별 광신호를 다중화시키는 제 1 파장 다중화기(16)와; 가입자측에 설치되며, 상기 제 1 파장 다중화기(16)를 통해 다중화된 신호를 입력받아 각 채널의 파장에 따라 분리 출력하여 해당 가입자 광수신기(18a ∼ 18d)로 각각 출력하는 제 2 파장 다중화기(17)를 포함하여 구성된다.

여기서 상기 제2도의 광 발생장치와 제3도의 각 광변조기(15a ∼ 15d) 및 제 1 파장다중화 장치(16)까지는 전화국에 설치되고, 각 광수신기(18a ∼ 18d)는 가입자댁 내에 설치된다.

그리고 제 2 파장다중화 장치(17)는 가입자군이 모여 있는 인입 전신주상에 혹은 아파트나 빌딩의 인입 단자함에 설치된다.

상기와 같은 광전송 시스템의 동작을 설명하면 제2도의 각 광출력단은 그룹별(a, b, c, d)로 파장을 달리 선택 가능하다.

즉, 제2도의 밴드패스필터(12a ∼ 12d)의 중심파장을 제3도의 제 1 파장다중화장치(16)의 각 채널별 통과대역파장과 일치되도록 조정해 두면 된다.

이어 제2도의 광 출력단(a, b, c, d) 중에서 각 그룹별로 임의의 한 개 출력단과 제3도의 입력단(e, f, g, h)을 연결시키고, 각 채널별 변조기(15a ∼ 15d)로 변조시키면 변조된 각 채널별 광신호는 전화국측 제 1 파장다중화기(16)를 통해 다중화되고 광섬유를 거친 후, 가입자측의 제 2 파장다중화기(17)에서 각 채널의 파장에 따라 분리 출력되어 해당 가입자 광수신기(18a ∼ 18d)에 전달된다.

이때 상기 제2도의 출력단(a, b, c, d)을 제3도의 입력단(e, f, g, h)과 연결함에 있어 만약의 경우 각 변조기(15a ∼ 15d)가 편광성을 가지는 경우(현재 상용화된 변조기의 대부분이 TE 및 TM 편광중 한 편광만 변조시키고 나머지 편광은 그대로 도파시키던지 아니면 차단하는 구조로 되어 있응)를 고려해볼때 본 발명의 광원 출력은 무편광성이기 때문에 변조기의 특성이 변조되지 않은 편광을 차단시키는 타입 일 때는 그대로 연결하면 죄고, 변조되지 않은 편광을 통과시키는 타입일 때는 변조기 앞단에 간단히 편광자를 부착하므로써 해결할 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 각 출력광의 파장을 임의로 가변시킬 수 있으므로 시스템 설계 및 구축, 또는 운용상에 높은 자유도를 제공할 수 있는 잇점이 있고, 출력광이 무편광성이기 때문에 이를 이용하는 광소자가 편광 의존성을 가질 경우에도 부가장치가 불필요하거나 간판한 부가장치를 삽입하므로써 해결할 수 있는 장정이 있으며, 이는 실험을 통하여 증명이 되었다.

또한 본 발명은 공유광원 구조로 되어 있어 하나의 소스광원으로 다수의 다파장광원을 만들 수 있으므로 시스템의 경제성을 높이는 효과를 수반한다.

아울러 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위안에서 다양한 수정, 변경, 부가등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허 청구의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (3)

1. 파장을 가변선택할 수 있도록 하기위해, 무편광성을 가지면서 선폭이 매우 넓은 광을 출력하는 소스 광원부와; 상기 소스 광원부로 부터 출력된 광을 분배시키는 광분배기와; 상기 광분배기를 통해 출력된 각 광에 대해 각기 다른 대역으로 광을 통과시키는 가변형 밴드패스펄터부와; 상기 각각의 가변형 밴드패스펄터로 부터 출력된 각기 다른 대역의 광을 각각 증폭시키는 광섬유 증폭부와; 상기 각각의 광섬유 증폭기로 부터 출력된 광을 다수의 광으로 각각 분배하는 광분배부를 구비하는 것을 특징으로 하는 무편광 출력특성을 가지는 가변 다파장 광 발생 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 소스 광원으로는 발광 다이오드 또는 광섬유 증폭기(EDFA)를 사용하는 것을 특징으로 하는 무편광 출력특성을 가지는 가변 다파장 광 발생 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 광 발생 장치를 광전송 시스템에 사용할때 입력된 광을 입력받는 광소자가 단일 편광성을 가지는 경우, 입력단의 특성이 변조되지 않은 편광을 차단시키는 타입일 때는 그대로 연결하여 구성하고, 반대로 변조되지 않은 편광을 통과 시키는 타입일 때는 입력단 앞단에 편광자를 부착하여 구성하는 것을 특징으로 하는 무편광 출력특성을 가지는 가변 다파장 광 발생 장치.

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