KR100303266B1 - 광rf신호프로세싱시스템 - Google Patents

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KR100303266B1
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마이클 지. 위크함
필립 에이치. 위세만
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윌리엄 이. 갈라스
티알더블류 인코포레이티드
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/2804—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers
    • G02B6/2861—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using fibre optic delay lines and optical elements associated with them, e.g. for use in signal processing, e.g. filtering

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Abstract

본 발명은 광섬유 브래그 격자(46,70), 가변 웨이트 탭(variable weight tap)들, 양 및 음의 탭(positive and negative tap)들 및 짧은 간섭 길이를 갖는 광 소스를 가지고 분기 딜레이 라인(tapped delay line)(42, 44, 72, 74, 86, 88, 127, 128)에 의하여 여러 가지 필터 기능을 제공해 줄 수 있는 RF 광 신호 프로세싱 시스템(20,54,79,120)에 관한 것이다. 그러한 RF 광 신호 프로세싱 시스템은 해당 RF 전자 시스템보다 유익하고 증가된 대역폭과 낮은 전력 소모를 제공하여 항공 전자 공학과 위성 통신과 같은 여러 가지 분야에 적합한 RF 광 신호 프로세싱 시스템을 만들게 해준다.

Description

광 ＲＦ 신호 프로세싱 시스템{OPTICAL RF SIGNAL PROCESSING SYSTEM}
본 발명은 광 RF 신호 프로세싱 시스템에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 광섬유 브래그 격자(fiber Bragg gratings), 가변 웨이트 탭(weight tap), 양 및 음의 탭(positive and negative tap), 및 짧은 간섭 길이의 광 소스를 갖춘 분기 딜레이 라인(tapped delay line)에 의하여 여러 가지 필터 기능을 제공하기 위해 적용되는 RF 광 신호 프로세싱 시스템에 관한 것이다.
광 신호 프로세싱 시스템은 RF 신호 프로세싱 시스템에 대하여 보다 뚜렷한 장점을 제공하는 것으로 알려져 있다. 이러한 장점들은 통신 속도의 증가, 전력 소비의 감소, 크기의 감소 및 이로인한 무게의 감소, 및 대역 폭의 증가를 포함한다. 이러한 장점으로 인하여 그러한 광 프로세싱 시스템은 위성 통신 시스템과 항공 전자 공학 시스템과 같은 몇 분야에서는 전력 소모와 대역폭이 중요한 결정적인 요소(crucial factor)이기 때문에 그 용도가 점차 대중화되어 가고 있다. 사실, ARINC 629 및 DOD-STD- 1773과 같은 여러 가지 항공 전자 공학의 표준이 우주선에 탑재되는 광 프로세싱 시스템을 사용하도록 개발되어왔었다. 불운하게도, 스피처(Kerry R. Spitzer)가 저술한 "디지털 항공 전자 공학 시스템의 원리 및 실무"(1993년 제 2판, 맥그로 힐 출판사. pp.42)("Digital Avionics Systems Principals and Practice", second edition, by Kerry R. Spitzer, McGraw Hill, Inc. 1993.pp.42)에서 인정되는 바와 같이, 무게가 더 나가고 전력을 요구하는 전자 장비의 요소를 완전히 대체하기에 충분한 광학 장치가 개발되지 못했다. 그러한 것으로, 여러 가지 전자 장비의 요소는 아직도 항공 전자 공학 분야에서 사용되고 있다.
본 발명의 목적은 종래 기술에 있는 여러 문제를 해결하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 아날로그 전자 장치를 대체할 수 있는 광 RF 신호 프로세싱 시스템을 제공하는 것이다.
간단하게, 본 발명은 광섬유 브래그 격자, 가변 웨이트 탭(weight tap), 양 및 음의 탭(positive and negative tap), 짧은 간섭 길이의 광 소스를 갖춘 분기 딜레이 라인(tapped delay line)에 의하여 여러 가지 필터 기능을 제공할 수 있는 RF 광 신호 프로세싱 시스템에 관한 것이다. 그러한 RF 광 신호 프로세싱 시스템은 해당 RF 전자 시스템보다 유리하고 대역폭을 증가시키고 전력 소모를 낮추어 항공 전자 공학과 위성 통신과 같은 여러 가지 분야에 적합한 RF 광 신호 프로세싱 시스템을 만들게 해준다.
본 발명의 이러한 및 다른 목적은 다음의 명세서 및 첨부되는 도면을 참조하여 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a 내지 도 1d 는 본 발명에 따른 네 개의 대안의 RF 광 신호 프로세싱 시스템의 개략도.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 짧은 간섭 길이를 갖는 광 소스의 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 상보 출력 광 변조기의 개략도.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명에 따른 가변 웨이트 광 탭(tap)에 대하여 스트레칭(stretching)이나 온도가 증가함에 따라 브래그 격자의 반사율이 100% 에서 0% 까지 달라지는 반사율의 변화를 도시하는 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 RF 광 신호 프로세싱 시스템의 RF 위상 변화를 도시하는 그래프.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
20,54,79,120 : RF 광 신호 프로세싱 시스템 22,56,80,122 : 레이저
24,58,82,124 : 듀얼 출력 변조기 52,76,132 : 광검출기
42,44,72,74,86,88,102,104,106,108,110,112,127,128 : 분기 딜레이 라인
46,70,113,130,146,160 : 브래그 격자 134,136 : 광 소스
141,148 : 펌핑 다이오드 143,156 : WDM 광커플러
138,150 : 도우핑된 광섬유 162 : 마흐-젠더 변조기
본 발명은, 큰 대역폭과 낮은 전력 소모가 중요하고, 항공 전자 공학이나 위성 통신 분야와 같은 분야에 적합한 RF 광 신호 프로세싱 시스템에 관한 것이다. RF 광 신호 프로세싱 시스템이 도 1a 내지 도 1d 에 도시되어 있는데, 광섬유 브래그 격자를 갖춘 분기 딜레이 라인(tapped delay line)을 포함하고 있다. 양 및 음의 탭(positive and negative tap), 가변 웨이트 탭(variable weight tap)들, 및 가변 위상 탭(variable phase tap)을 갖는 본 발명의 또하나의 실시예가 도 3 내지 도 5에 각각 도시되어 있다. 본 발명에 사용하기 위한 짧은 간섭 길이(short coherent length) 광 소스가 도 2에 도시되어 있다.
도 1a 내지 도 1d 는 본 발명에 따른 RF 광 신호 프로세싱 시스템을 도시하는데, 상기 시스템은 여러 가지 광 필터 기능, 즉 대역 통과 필터, 노치 필터(notch filter), 이쿼리제이션 필터(equalization filter) 등과 같은 여러 가지 광 필터 기능을 수행하는데 사용되도록 적용된다. 낮은 전력 소모와 증가된 대역폭을 가지는 것에 더하여, 본 발명에 따른 RF 광 신호 프로세싱 시스템은 또한 더 높은 주파수에서 동작하는데에 적용되고 그리고 비용이 절감되며 해당 전자 장비의 대응물(counterpart)보다 무게가 더 가볍다.
도 1a를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 것으로, 일반적으로 도면 부호 20으로 지정된 RF 광 신호 프로세싱 시스템이 도시되어 있다. RF 광 신호 프로세싱 시스템은 짧은 간섭 길이를 갖는 광 소스와 같은 광 캐리어 신호(optical carrier signal)를 발생시키는 소스(22)를 포함하고 있다. 광 캐리어 소스(22)는 도 2a 및 도 2b와 관련하여 아래에서 상세히 논의된다. 광 캐리어 신호는 마흐-젠더 변조기(Mach-Zehnder modulator)와 같은 듀얼(dual) 출력 광 변조기(24)의 광 입력에 적용된다. 그러한 마흐-젠더 듀얼 출력 변조기의 일례는, 본 명세서에 인용되어 있는, "APE 도파관의 가속된 노화(Accelerated Aging of APE Waveguides)"(광파 공학 저널지, 제 13권 제 7호, 1995년 7월호 pp. 1523)(Journal of Lightwave Technology, Vol.13, no.7, July, 1995, pp.1523)에서 논의되어 있다. RF 신호(26)는 변조기(24)의 RF 입력에 인가된다. 도시된 바와 같이, 도면 부호 28로 지정된 예시적인 RF 신호는 변조기(24)의 RF 입력에 인가된다. 아래에서 좀더 상세히 논의되는 바와 같이, 변조기(24)는 일반적으로 도면 부호 30 및 32로 지정되는 상보 RF 변조된 광 신호를 제공하도록 구성된다. 단일 모드의 광섬유 케이블과 같은 한 쌍의 광 라인(34 및 36)은 변조기(24)의 출력에 연결된다. 라인(34 및 36)은 한 쌍의 광 서큘레이터(circulator)(38 및 40)에 접속된다. 특히, 광 라인(34)은 광 서큘레이터(38)의 입력 포트(1)에 연결되는 반면, 광 라인(36)은 광 서큘레이터(40)의 포트(1)에 광학적으로 연결된다. 한 쌍의 분기 딜레이 라인(42 및 44)은 광 서큘레이터(38 및 40)의 포트(2)에 각각 연결된다. 분기 딜레이 라인(42 및 44)은 각각, 아래에서 좀더 상세하게 논의되어 있는 바와 같이, 동일하거나 서로 다른 파장에 대해 분기 딜레이 라인(42 및 44)을 따라서 서로 다른 간격으로 기입되고, 일반적으로 도면 부호 46으로 지정되는 하나 또는 그 이상의 브래그 격자를 갖는 광섬유 케이블을 포함하고 있다. 분기 딜레이 라인(42 및 44)은 이리하여 브래그 격자가 대응하는 파장에 해당하는 광 신호의 일부를 반사하고 그 나머지 부분을 전송한다. 분기 딜레이 라인(42 및 44)으로부터 반사된 광 신호는 광 서큘레이터(38 및 40)의 포트(2)에 각각 다시 입사되고, 라인(48 및 50)을 따라 포트(3)을 빠져 나가며 희망하는 필터 기능을 수행하기 위하여 광검출기(52)에서 결합된다.
도 1b는 도 1a에서 도시되어 있는 RF 광 신호 프로세싱 시스템의 또다른 실시예를 도시하며 일반적으로 도면 부호(54)로 지정되어 있다. 이 실시예에서, 레이저와 같은 광 캐리어 주파수의 소스(56)는 RF 입력 신호(60)와 함께 듀얼 출력 광 변조기(58), 예를 들면 마흐-젠더 변조기에 적용된다. 변조기(58)로부터의 상보 출력은 일련의 재귀형(recursive) 및 비재귀형(non-recursive) 루프 구성 요소(62,64,66 및 68)에 적용되는데, 각 루프 요소는 일반적으로 도면 부호 70으로 지정되는 하나 이상의 브래그 격자를 포함하고 있다. 좀더 특별하게는, 출력 라인(72)은 재귀형 루프 구성 요소(62)에 광학적으로 연결될 수 있고, 차례로 비재귀형 루프 구성 요소(64)에 연결된다. 마찬가지로 출력 라인(74)은 재귀형 루프 구성 요소(66)에 광학적으로 연결되고, 차례로 비재귀형 루프 구성 요소(68)에 연결된다. 각각의 루프 구성 요소(62,64,66,68)는 희망하는 딜레이 및 필터 기능에 의존하는 루프 주위로 서로 다른 간격으로 여러 가지 파장을 위하여 기입되는 브래그 격자를 갖춘 광섬유 케이블로부터 구성될 수 있다. 출력 라인(72 및 74)은 광검출기(76)에서 결합되는데, 광 검출기(76)에서 두 라인의 신호들의 세기가 희망하는 필터 기능을 이루기 위하여 보태어진다.
비록 루프 구성 요소(62,64,66,68)를 위한 특정한 구성이 도시되어 있더라도, 다른 결합도 가능하며, 본 발명의 넓은 범주 내에 있다는 것을 도 1b와 관련하여 이해할 수 있을 것이다. 예를 들면, 루프 구성 요소(62 및 66)는 재귀형 루프 요소(recursive loop element)로 도시되는 반면에 루프 구성 요소(64 및 68)는 비재귀형 루프 구성 요소(non-recursive loop element)로서 도시된다. 교대로, 출력 라인(72 및 74)은, 재귀형 구성 요소 또는 비재귀형 구성 요소 중 어느 하나일 수있는 단일 루프 요소에만 각각이 연결될 수 있다. 출력 라인(72 및 74)은 동일(즉 재귀 또는 비재귀)하거나 또는 다르게 구성될 수 있는 3개 또는 그 이상의 요소에 또한 연결될 수 있다. 모든 그러한 실시예는 본 발명의 넓은 범주 내에 있는 것으로 간주된다.
도 1c는 일반적으로 도면 부호 79로 지정되는 RF 광 신호 프로세싱 시스템의 또다른 대안적 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 광 캐리어 신호, 예를 들면 짧은 간섭 길이를 갖는 광 소스로부터의 광 캐리어 신호에 대한 소스(80)는 RF 입력 신호(84)와 함께 듀얼 출력 광 변조기(82)에 접속된다. 이 실시예에서, 변조기(82)로부터의 각각의 상보 출력(86 및 88)은 광 서큘레이터(90, 92, 94, 96, 98, 100)와 분기 딜레이 라인(102, 104, 106, 108, 110, 112)의 일련의 단계에 인가된다. 각각의 분기 딜레이 라인(102,104,106,108,110,112)은 희망하는 필터 기능을 수행하기 위하여 특정한 파장용으로 기입되는 분기 딜레이 라인(102, 104, 106, 108, 110, 112)을 따라서 일정 간격으로 배치된, 일반적으로 도면 부호 113로 지정된, 하나 이상의 브래그 격자를 포함한다. 광 서큘레이터(90,92,94,96,98,100)는 분기 딜레이 라인(102, 104, 106, 108, 110, 112)으로부터 반사된 모든 광을 분리시킨다. 분기 딜레이 라인의 각각의 쌍(102/108,104/110,106/112)으로부터의 반사된 광은 광 서큘레이터(114,116,118)에 의하여 서로 결합되고 차례로 NXI 파우어 결합기(power combiner) 내로 입력되며 NXI 파우어 결합기의 출력은 희망하는 필터 기능을 수행하기 위하여 광검출기(도시되지 않음)에 연결된다.
본 발명에 따른 RF 광 신호 프로세싱 시스템의 네 번째 실시예가 일반적으로도면 부호 120으로 지정되어 도 1d에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 짧은 간섭 길이를 갖는 광 소스와 같은 광 캐리어 주파수를 위한 소스(122)는 RF 신호(126)와 함께, 듀얼 출력 광 변조기(124)의 입력에 인가된다. 변조기(124)의 듀얼 출력은 한 쌍의 분기 딜레이 라인(127 및 128)에 인가된다. 이 실시예에서, 각각의 분기 딜레이 라인(127,128)은 분기 딜레이 라인(127 및 128)을 따라 서로 다른 길이에 특정한 파장을 위해 기입되는, 일반적으로 도면 부호 130으로 지정된, 다수의 브래그 격자를 포함한다. 이 실시예에서, 도 1a 내지 도 1c에서 도시된 실시예와는 달리, 상보 출력 신호의, 반사(reflection)된 것 보다는 오히려 전송된 것(transmission)이 희망하는 필터 기능을 수행하기 위하여 광검출기(132)에 결합된다.
도 2a 및 도 2b는 도 1a 내지 도 1d에서 도시되어 있는 광 신호 프로세싱 시스템(20,54,79, 및 120)과 함께 사용되기 위하여 적용된 짧은 간섭 길이를 갖는 광 소스를 도시한다. 그렇지 않으면, 광검출기에서의 여러 가지 시간 딜레이 신호의 간섭 광의 결합으로 희망하는 필터 기능을 저해하게 하는 원치 않는 광의 세기 변조를 일으킬 것이다. 그러한 것으로서, 도 2a 및 도 2b에서 일반적으로 도면 부호 134와 136으로 각각 지정되는 광 소스는 도 1a 내지 도 1d에서 각각 도시되어 있는 짧은 간섭 길이를 갖는 광 소스(22,56,80,122)로서 사용될 수 있도록 적용된다.
각각의 광 소스(134 및 136)는 브래그 격자 아웃커플러(outcoupler)와 광 섬유 레이저에 고유한 상대적으로 긴 공동 길이(cavity length)를 포함한다. 브래그 격자 아웃커플러는 출력 전력의 스펙트럼 폭과 그에 의해 국부적 간섭 길이를 정의하는 역할을 한다. 간섭 길이는 아래의 수학식 1로 주어진다:
Lcoherence=c/(nΔv)
여기에서 c는 진공 속에서의 빛의 속도, n은 광섬유 레이저에서 굴절률, 및 Δv는 브래그 격자 스펙트럼 폭이다.
이러한 스펙트럼 폭 내에 있는, 레이징 스펙트럼(lazing spectra)은 연속이 아니나 공동 모드 간격(cavity mode spacing)인 δv = c/(n Lcavity)만큼의 주파수로 분리된 다수의 개별 모드로 구성되어 있는데, 여기에서 Lcavity는 공동(cavity) 또는 국부적인 간섭 길이이다. 이 레이저는 Lcoherence와 같은 공동 길이에 대하여 간섭 영향을 디스플레이할 것이다. 거리가 공동 길이와 같게 된 후에, 그 레이저는 길이(Lcoherence)에 대하여 다시 간섭하게 될 것이다. 광 섬유 공동 길이는 소스가 간섭 길이(Lcoherence)를 가지는 것으로 간주되는 길이를 정의한다. 도 1a 내지 도 1d에서 도시되어 있는 듀얼 출력 변조기(24,58,82,124)의 출력에 있는 분기 딜레이 라인은 간섭 길이(Lcoherence)보다도 더 짧다. 섬유 레이저는 길이가 수 십미터이기 때문에, 그 구속 조건(restriction)은 본 발명의 유용성을 제한하지 않는다.
도 2a는 광 섬유 링 레이저(134)로 구성되며, 본 명세서에 인용되는, 예를 들면 디노넷(Michel J. F. Dinonnet)이 저술한 "희토류 도우핑된 섬유 레이저 및 증폭기(Rare Earth Doped Fiber Lasers and Amplifiers)"(마셜 데커 인코포레이티드 1993년 P.267 (Marcel Dekker Inc., 1993, page 267)에서 상세하게 논의되는 바와 같이, 다이오드 레이저와 같은 펌핑되는 소스(141)를 포함한다. 펌핑되는 소스(141)는 예를 들면 단일 모드의 광섬유(140), 광 커플링 장치(142) 및 파장 분할 멀티플렉서 광 커플러(143)을 경유하여 도우핑된 섬유(138)에 광학적으로 연결된다. 도우핑된 광섬유(138)는 레이징 공동(lazing cavity)을 형성하고 길이가 2000cm 인 도우핑된 광섬유로 구성될 수 있다. 도우핑된 광섬유(138)는 링을 형성하는 광 커플러(142)의 두 개의 포트에 연결된다. 도우핑된 광섬유(138)는 도우핑된 광섬유(138)로부터 광을 수신하는 커플링 라인(147)을 포함하는 아웃커플러(144)에 광학적으로 연결된다. 아웃커플러는 산업에서는 일상화되어 있는 에버네슨트 파우어 스플리터(evanescent power splitter)이다. 커플링 라인(147)은 특정한 거리에서 특정한 파장에 대한 커플링 라인(147) 내에 기입되는, 가변 브래그 격자(146)를 포함한다. 브래그 격자(146)는 광(light)이 도우핑된 광섬유 피드백 루프로 되반사되게 해주고 레이징(lazing)을 단방향으로 만들며 또한 출력의 스펙트럼 대역폭을 한정하여 준다.
도 2b에서 도시된 광섬유 레이저(136)는 정재파(standing wave) 도우핑 광섬유 레이저인데, 예를 들면 본 명세서에 인용되고, 디노넷(Michel J. F. Dinonnet)이 저술한 "희귀한 접지 도우핑된 섬유 레이저 증폭기"(마셜 데커 인코포레이티드, 1993년, page 267)에서 상세하게 논의되어있다. 짧은 간섭 길이를 갖는 광 소스(136)는 단일 모드의 광 섬유(152), 광 커플러(154) 및 광 커플러(156)을 경유하여 도우핑된 광섬유(150)에 연결될 수 있는 펌프 공급원(148)을 포함한다. 광 커플러(156)의 한 포트는 광 증폭기를 구성하는 높은 반사율을 갖는 미러(158)에 연결된다. 도우핑된 광섬유(150)는 스펙트럼 대역폭을 정의하는 가변 브래그 격자 아웃커플러(160)에 연결된다.
두 레이저(136 및 134)에서 공동 길이(cavity length)는 공동 길이가 RF 광 신호 프로세싱 회로보다 더 길어야 한다는 요구 조건을 만족시킬만큼 길어질 수 있다. 두 실시예에서, 브래그 격자(146,160)는 히터 또는 피에조 패드(piezo pad)(도시되지 않음) 위에 배치될 수 있는데, 이들은 짧은 간섭 길이를 갖는 광 소스의 출력 중심 파장을 이동시켜서 아래에 논의되는 바와 같이 브래그 격자 반사율 스펙트럼의 파장 위치를 변화시키기 위하여, 도 1a 내지 도 1d 에 도시되어 있는, 분기 딜레이 라인에서 서로 다른 탭을 억세스하도록 해준다. 이러한 방식으로 출력 중심 파장은 변화될 수 있다. 분기 딜레이 라인은 브래그 격자의 세트를 가질 수 있는데, 각 세트는 하나의 파장에 대해 기입되고 특정한 필터 기능을 수행하도록 디자인 된다. 이러한 방식으로 서로 다른 필터 기능이 광 캐리어의 파장을 간단히 변화시킴으로써 신속히 억세스될 수 있다.
몇몇 필터 기능, 즉 대역 통과, 고역 통과 및 이쿼리제이션과 같은 필터 기능을 달성하기 위하여, 음의 탭 웨이트(negative tapped weight)가 요구된다. 전기적 아날로그 회로에서, 그러한 음의 탭 웨이트는 쉽게 달성되는데 왜냐하면 필터에있는 여러 가지 탭으로부터의 기여도(contribution)가 간섭적으로 같이 더해지고, RF 필드가 함께 더해진다. 광학적 아날로그 회로에서, 광 세기는 더해지나 광 세기는 결코 음이 될 수 없다. 광학적 시스템에서 음의 탭 웨이트를 제공하기 위하여,본 발명의 중요한 측면에 따른 상보 출력 광 변조기(162)(도 3)가 제공된다. 도면 부호 164 및 165로 지정되는 광 변조기(162)의 상보 출력은 광 변조기(162)의 상보 출력을 형성하기 위하여 듀얼 출력 마흐-젠더 변조기를 사용하며 일상적인 Y 형(Y branch) 결합기를 도 3에서 도시되는 바와 같은 3db 커플러(166)로 교체함으로써 달성될 수 있다. 광 캐리어(168)는 상보 출력 광 변조기(162)의 광 입력에 적용된다. 일반적으로 도면 부호 170으로 지정되는 RF 입력 신호는 광 캐리어(168)에 RF 신호를 변조시켜 RF 신호를 대표하는 변조된 광 신호를 발생시키기 위하여, 변조기(162)의 RF 입력 포트에 인가된다. 도 3에서 도시되는 바와 같이, 마흐-젠더 변조기(162)의 출력을 3db 커플러와 결합시킴으로써, RF 변조된 광 신호(164)와 그 상보 신호(165)는 모두 이용 가능한데 이는 음의 탭 기능을 허용해준다. 두 개의 상보 출력 신호(164 및 165)가 더해질 때, 그 신호들은 변조 없이 더해진다.
광 딜레이 시스템에서 음의 탭 웨이트의 이전의 실행은 검출된 신호가 전기적 영역에서 공제되는 듀얼 광검출기 접근법을 사용하여왔다. 듀얼 출력 포트 마흐-젠더 변조기를 사용함으로써, 듀얼 변조기에 대한 필요성이 제거된다. 마흐-젠더 변조기(162)의 출력을 광학적으로 결합함으로써, 먼 위치까지의 전송하거나 또는 부가적인 광 필터링과 같은 시스템에 대한 부가적인 융통성이 제공된다.
RF 광 필터의 융통성은 가변 웨이트 복합 탭(weight complex tap)을 필요로 하는데, 그 탭 내에서, 반사율(진폭)과 위상은 필터의 기능을 변경하기 위하여 변화될 수 있다. 탭의 진폭의 변화는 광 캐리어의 고정된 파장에 대하여 브래그 격자의 반사율 스펙트럼의 입력 파장(in-wavelength)을 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 이것은 격자의 광 경로 길이 간격(optical path length spacing)을 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 광섬유 브래그 격자의 최대 반사율은 브래그 중심의 파장에 있고, 브래그 중심 파장은 아래의 수학식 2로 주어진다.
λBragg= 2 n ΔL,
여기에서 N은 광 캐리어 파장에서의 광 섬유 코어의 굴절률, ΔL 은 코어 내의 굴절률 변조의 물리적인 간격(the physical spacing of the index modulation)이다.
N과 ΔL 은 모두 두 가지 방식 중 어느 하나로 변화될 수 있다. 좀더 상세하게는 그 격자는 격자를 가열하기 위하여 히터 위에 놓여질 수 있다. 이러한 경우에, 굴절률은 굴절률의 온도 의존성으로 인하여 조절될 수 있는 반면에 ΔL 은 광 섬유 코어의 팽창 계수(co-efficient of expansion)를 통해 변화된다. 이러한 두 가지 효과의 결합으로 브래그 중심 파장을 조절하는데 수학식 3으로 도시된다.
굴절률과 길이는 또한 피에조 전기 패드(piezo electric pad)에 의하여 격자를 스트레칭(stretching)하는 것으로 변화될 수 있다. 굴절률은 굴절률의 스트레스로 인한 변화를 통해 변화된다. 길이는 또한 스트레칭 작용으로 물리적으로 변화된다. 두 가지 경우에, 브래그 중심 파장은 도 4a 내지 도 4d에서 도시되는 바와 같이, 광 캐리어의 고정된 파장과 상대적으로 변화한다. 광 캐리어 파장이 브래그 중심 파장과 같을 때, 반사율은 그 격자의 최대 반사율 상태에 있는데, 이 반사율은 매우 작을 수도 있고 또는 100% 반사율일 수도 있다. 만약 그 격자가 광 캐리어 파장과는 매우 다른 격자 중심 파장을 이동시키기 위하여 스트레칭되거나 가열된다면, 탭은 도 4d에서 도시된 바와 같이 광 캐리어에 사실상 보이지 않도록 만들어질 수 있다.
브래그 격자의 온도 또는 스트레칭을 사용하면 탭의 진폭을 변화시키기에는 매우 효과적이나 RF 위상을 변화시키기에는 별로 효과적이지 않다. 위상은 광 경로길이의 증가 또는 감소를 통하여 RF 신호의 시간 딜레이를 변화시킴으로써 변화된다. 이러한 경로 길이의 변화는 그 격자가 전술한 바와 같이 가열되거나 스트레칭될 때에는 상대적으로 작으므로 이리하여서는 탭의 위상을 조절하는데 효과적인 방법이 되지 않는다. 경로 길이의 변화를 제공하기 위하여, 두 기법 중 하나가 아래에서 논의되는 바와 같은 본 발명의 중요한 측면을 따라 사용될 수 있다. 첫째, 연속적인 탭 사이의 위상 또는 시간 딜레이는, 모두가 동일한 파장에 기입되고 모두가 온도 또는 피에조 패드 위에 있는 일련의 브래그 격자를 구비함으로써 효과를 낼 수 있다. 그리하면 명시한 시간 딜레이는 그 격자의 반사율 스펙트럼 중 하나가 도 5에서 도시되는 바와 같은 광 캐리어의 파장으로 이동될 때 부과될 것이다. 분기 딜레이 라인에 있는 초기의 격자는 단일 격자이다. 후속 격자는 광 캐리어 파장과 일치하지 않는 반사율 스펙트럼 폭으로 기입된 실제로 격자의 세트이다. 피에조 패드 또는 히터 패드가 켜지고(turn on), 그 격자 중 하나가 세팅되는 때 브래그 중심 파장은 캐리어 파장의 위치로 이동되고 그래서 광 신호는 그 격자의 물리적인위치에서 반사한다. 몇몇 서로 다른 시간 딜레이는 이러한 방식으로 가능하다. 시간 딜레이 변화 또는 RF 위상 딜레이는 격자의 세트에서 격자들 사이의 왕복 여행 시간이다. 탭의 웨이트는 희망하는 필터 기능에 따른 피크 반사율과는 다르게 세팅될 수있다. 위상을 변화시키는 또 하나의 기술은 각 탭이 서로 다른 브래그 격자의 중심 파장에 기입되는 격자 세트를 제공함으로써 주어진다. 분기 딜레이 라인에서 첫 번째 격자는 또한 격자의 세트일 수 있다. 위상 변화는 광 캐리어의 파장을 변화시킴으로써 달성된다. 피에조 또는 히터 패드는 탭의 진폭을 변화시키는데에 필요하다.
위상을 변화시키는 세 번째 방법은 상대적으로 긴(즉 2cm) 처프 격자(chirped grating)를 사용하는 것이다. 격자의 길이에 대하여, 격자 간격은 선형적으로 변화한다. 광 캐리어 반사는 처프 격자를 따라 격자 보정이 브래그 기준, ΛBragg= 2nΔL, 을 만족시키는 지점에서 일어난다. 그러나 이러한 유형의 격자는 가변 웨이트 변화에 맞지 않는다. 그러나 노치 또는 대역 통과 필터와 같은 고정된 기능 RF 필터는 기능을 잘 하고 위상 변화의 능력은 노치 또는 대역 통과 주파수가 탭의 위상을 변화시킴으로써 변화되게 해준다. 위상 변화의 이러한 방법은 또한 노치 중심 주파수가 전술한 서로 다른 두 위상 변화의 방법에서와 같은 분리되어 있지 않는 단계(indiscrete steps) 대신에 연속적으로 변화될 수 있다는 장점을 갖는다.
분명하게, 본 발명의 많은 변경과 변화가 전술한 설명에 비추어볼 때 가능하다. 따라서 첨부되는 청구항의 범주 내에서 본 발명을 구체적으로 전술한 바와는 다르게 실시될 수도 있다.

Claims (32)

  1. RF 광 신호 프로세싱 시스템으로서,
    광 캐리어 소스와;
    상기 광 캐리어 소스를 수신하기 위한 광 입력 포트와 RF 신호를 수신하기 위한 RF 입력 포트와, 듀얼(dual) 출력 포트들을 구비하며, 상기 듀얼 출력 포트에 상보 변조된(complementary modulated) 출력 신호들을 발생시키도록 구성된 광변조기와;
    상기 광 변조기의 상기 듀얼 출력 포트들 각각에 광학적으로 연결된(optically coupled), 하나 이상의 분기(tapped) 딜레이 라인과;
    상기 광 변조기의 상기 듀얼 출력 포트와 하나 이상의 분기 딜레이 라인 각각에 광학적으로 연결된 한 쌍의 출력 라인과;
    상기 한 쌍의 출력 라인으로부터의 출력들을 결합시키는 광검출기를
    포함하는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 분기 딜레이 라인 중 상기 하나는 입력 포트, 제 1 출력 포트와 제 2출력 포트를 갖는 광 서큘레이터(circulator)를 포함하는데, 상기 입력 포트는 상기 광 변조기의 상기 상보 출력들 중 하나에 연결되고, 상기 제 1 출력 포트는 브래그 격자에 연결되고, 상기 제 2 출력 포트는 상기 광검출기에 연결되는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 분기 딜레이 라인은 하나 또는 그 이상의 루프 구성 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 루프 구성 요소는 재귀형(recursive) 루프 구성 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 루프 구성 요소는 비재귀형 루프 구성 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 분기 딜레이 라인은 서로 다른 유형의 루프 구성 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 분기 딜레이 라인은 하나 또는 그 이상의 단(stage)을 포함하는데, 각 단은 광 서큘레이터와 하나 또는 그 이상의 브래그 격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  8. 제 7항에 있어서, 각 단으로부터 반사되는 광을 광학적으로 분리하기 위해 광 아이솔레이터(isolators)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 분기 딜레이 라인은 상기 광 변조기의 상기 상보 출력들 중 하나에 연결되는 광 섬유 브래그 격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 광 캐리어 소스는 짧은 간섭 길이를 갖는 광 소스인 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 짧은 간섭 길이를 갖는 광 소스는 광 섬유 링 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 짧은 간섭 길이를 갖는 광 소스는 정재파 광섬유 링 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  13. 제 1항에 있어서, 커플러를 더 포함하는데, 상기 커플러는 상기 상보 출력 신호들을 제공하기 위하여 상기 광 변조기의 상기 듀얼 출력 포트에 연결되는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 분기 딜레이 라인은 양의 탭(tap) 웨이트를 제공하는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 분기 딜레이 라인은 음의 탭 웨이트를 제공하는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  16. 제 1항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 분기 딜레이 라인은 다수의 브래그 격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  17. 제 16항에 있어서, 적어도 하나의 상기 브래그 격자(Bragg gratings)는 히터 패드(heater pad) 위에 장착되는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  18. 제 16항에 있어서, 적어도 하나의 상기 브래그 격자는 피에조 패드(piezo pad) 위에 장착되는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  19. 제 16항에 있어서, 모든 상기 브래그 격자는 동일한 파장을 위해 기입(written)되고, 모든 상기 브래그 격자는 히터 패드 위에 장착되는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  20. 제 16항에 있어서, 모든 상기 브래그 격자는 동일한 파장을 위해 기입되고, 모든 상기 브래그 격자는 피에조 패드 위에 장착되는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  21. 제 16항에 있어서, 상기 브래그 격자는 서로 다른 파장을 위해 기입되고, 상기 브래그 격자는 히터 패드 위에 장착되는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  22. 제 16항에 있어서, 상기 브래그 격자는 서로 다른 파장을 위해 기입되고, 상기 브래그 격자는 피에조 패드 위에 장착되는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  23. RF 광 신호 프로세싱 시스템으로서,
    광 캐리어 소스와,
    상기 광 캐리어 소스를 수용하는 광 입력 포트와 RF 입력 신호를 수신하는 RF 입력 포트를 갖는 광 변조기로서, 듀얼 출력 포트를 갖는 상기 광 변조기와,
    상기 듀얼 출력 포트들 각각에 광학적으로 연결된 하나 또는 그 이상의 분기 딜레이 라인과,
    상기 듀얼 출력 포트와 결합하는 광검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  24. 제 23항에 있어서, 상보 출력 신호를 제공하기 위하여 상기 듀얼 출력 광 변조기의 상기 듀얼 출력 포트에 광학적으로 연결되는 광 커플러를 더 포함하는데, 상기 상보 출력 신호는 양 및 음의 탭 웨이트를 형성하기 위하여 상기 분기 딜레이 라인에 연결되는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  25. 23항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 분기 딜레이 라인은 하나 또는 그 이상의 브래그 격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  26. 제 23항에 있어서, 분기 딜레이 라인에 가변 웨이트 탭을 제공하기 위하여 상기 격자로부터 반사된 광의 진폭을 변화시키기 위하여 상기 격자의 간격(spacing)을 변화시키기 위한 제 1 가변 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  27. 제 26항에 있어서, 상기 가변 수단은 상기 하나 또는 그 이상의 브래그 격자가 장착되는 피에조 패드를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  28. 제 26항에 있어서, 상기 가변 수단은 상기 하나 또는 그 이상의 브래그 격자가 장착되는 히터 패드를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  29. 제 23항에 있어서, 상기 RF 신호의 위상을 변화시키는 제 2 가변 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  30. 제 29항에 있어서, 상기 제 2 가변 수단은 하나 또는 그 이상의 브래그 격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  31. 제 30항에 있어서, 하나 또는 그 이상의 상기 브래그 격자는 히터 패드 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
  32. 제 30항에 있어서, 하나 또는 그 이상의 상기 브래그 격자는 피에조 패드 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 RF 광 신호 프로세싱 시스템.
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