KR100361034B1 - 마흐젠더 간섭기형 전광 파장변환기의 전광 앤드 논리연산방법 - Google Patents

마흐젠더 간섭기형 전광 파장변환기의 전광 앤드 논리연산방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마하젠더 간섭기형 전광 파장변환기의 전광 앤드(AND) 논리 연산방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 비선형 특성을 갖는 마하젠더 간섭계 형태의 반도체 광증폭기로 구성된 XPM 파장변환기를 이용하여 소형이면서 작은 입력강도의 초고속 논리연산을 구현토록 하는 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 일정 수준의 연산속도를 구현하기 위한 광펄스를 생성하는 광섬유 모드록 레이저와; 광출력을 감쇠시키는 광 감쇠기와; 다중화기와; 제 1광지연선로와; 50 : 50으로 광세기를 분리시키는 3-dB 광섬유커플러와; 최대의 광파장 효율을 얻기 위한 편광상태를 맞추기 위한 편광조절기와; 제 2광지연선로와; 광파장을 전송시키는 광 격리기와; XPM 파장변환기와; 어븀첨가광증폭기와; 광파장 필터와; 광신호분석기를 포함하여 구성됨으로서
상기 XPM 파장변환기에서 도파로 부분의 전류를 조절하여 신호 A의 출력이 정상적으로 신호 C로 출력되도록 간섭계를 구성하는 두 도파로의 전류를 조절하고, 신호 A의 지연시간을 적절히 조절하여 신호 B와 동조시킴으로서 앤드(AND) 논리 연산을 수행하는 것을 특징으로 하는 마하젠더 간섭기형 전광 파장변환기의 전광 앤드 논리 연산방법이 제시된다.

Description

마흐젠더 간섭기형 전광 파장변환기의 전광 앤드 논리 연산방법{All-Optical Logic AND in a SOA-Based Mach-Zehnder Inteferometer}
본 발명은 마흐젠더 간섭기형 전광 파장변환기의 전광 앤드(AND) 논리 연산방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 비선형 특성을 갖는 마흐젠더 간섭계 형태의 반도체 광증폭기로 구성된 XPM 파장변환기를 이용하여 소형이면서 작은 입력강도의 초고속 논리연산을 구현토록 하는 기술에 관한 것이다.
광을 기반으로 한 논리 연산은 전자 소자의 속도 한계 및 연산 용량의 한계를 극복할 대안으로 많은 관심을 끌고 있다. 초고속 전광 논리 연산의 구현은 대부분 물질의 비선형성을 이용하며, 특히 광섬유의 비선형 커 효과(Kerr effect)를 이용한 사냑 간섭계(Sagnac interferometer)의 형태를 이용한 논리 연산이 주로 연구되어 왔다.
그러나 광섬유의 비선형성을 이용하기 위해서는 충분히 큰 광 강도가 필요하며 회로 구성에 있어서도 크기가 크다는 단점이 있다.
최근에는 반도체 광증폭기의 비선형 이득 포화 현상을 이용한 TOAD 등이 발표되어 상대적으로 크기도 감소하였으며, 사용되는 광 강도 역시 감소시킬 수 있었다. 간섭계를 이용한 광논리의 구현은 사냑 간섭계 뿐만 아니라 비선형 특성을 갖는 도파로로 구성된 마흐젠더(Mach-Zehnder) 간섭계, 마이켈슨 간섭계(Michelson interferometer) 등도 이용이 가능하다.
그러므로 반도체 광 증폭기가 집적화된 소자를 이용하여 논리를 구현함으로써 저전력 소형화가 가능하다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명의 목적은 마흐젠더 간섭계 형태의 반도체 광증폭기로 구성된 XPM 파장변환기를 이용하여 소형이면서 작은 입력 강도를 갖는 초고속 논리연산기를 구현토록 하는 마흐젠더 간섭기형 전광 파장변환기의 전광 앤드 논리 연산방법을 제공하는데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로써 본 발명은
일정 수준의 연산속도를 구현하기 위한 광펄스를 생성하는 광섬유 모드록 레이저와; 광출력을 감쇠시키는 광 감쇠기와; 다중화기와; 제 1광지연선로와; 50 : 50으로 광세기를 분리시키는 3-dB 광섬유커플러와; 최대의 광파장 효율을 얻기 위한 편광상태를 맞추기 위한 편광조절기와; 제 2광지연선로와; 광파장을 전송시키는 광 격리기와; XPM 파장변환기와; 어븀첨가광증폭기와; 광파장 필터와; 광신호분석기를 포함하여 구성됨으로서
상기 XPM 파장변환기에서 도파로 부분의 전류를 조절하여 신호 A의 출력이 정상적으로 신호 C로 출력되도록 간섭계를 구성하는 두 도파로의 전류를 조절하고, 신호 A의 지연시간을 적절히 조절하여 신호 B와 동조시킴으로서 앤드(AND) 논리 연산을 수행하는 것을 특징으로 하는 마흐젠더 간섭기형 전광 파장변환기의 전광 앤드 논리 연산방법이 제시된다.
도 1은 본 발명에 따라 반도체 광증폭기로 구성된 마하젠더 간섭기의 전광 파장변환기의 개략 구성도
도 2는 본 발명에 따라 전광 파장변환기에서 입력 광신호의 크기에 따른 간섭 특성을 나타낸 그래프
도 3은 본 발명에 따른 초고속 전광 AND 논리 구현을 위한 실험 구성도
도 4는 본 발명에 의한 20 Gbps의 고속 AND 논리 구현에 따른 실험 결과를 나타낸 그래프
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 광섬유 모드록 레이저 120: 광 감쇠기
140: 다중화기 160: 제 1광지연선로
180: 3-dB 광섬유커플러 200: 편광조절기
220: 제 2광지연선로 240: 광 격리기
260: XPM 파장변환기 280: 어븀첨가광증폭기
300: 광파장 필터 320: 광신호분석기
이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따라 반도체 광증폭기로 구성된 마흐젠더 간섭기형 전광 파장변환기의 개략 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따라 전광 파장변환기에서 입력 광신호의 크기에 따른 간섭 특성을 나타낸 그래프이다.
도 1은 마흐-젠더 간섭계 형태의 반도체 광증폭기(Semiconductor Optical Amplifier 이하; SOA)로 구성된 XPM 파장변환기을 이용하였다.
XPM 파장변환기는 프로우브(probe) 신호 입력단의 제 1SOA(10)에서 전치 증폭된 λ1파장의 지속파(CW) 신호가 두 개의 반도체 광증폭기 즉, 제 3 SOA(30a)와 제 4 SOA(30) 도파로로 분기되어 진행되며, 한쪽 도파로에 적절한 강도의 λ2파장의 광 신호를 펌프(pump) 신호 입력단의 제 3' SOA(30b)에 입력하여 한쪽 도파로의 비선형 굴절율 변화를 일으켜 도파로에서 진행된 두 파의 위상차를 생성하게 된다.
두 도파로의 결합단에서는 위상차가 0 또는 π 만큼 유도될 수 있어, 펌프 입력단의 제 3' SOA(30b)에 λ2파장의 강도가 다른 온/오프(ON/OFF)의 신호를 인가하게 되면 λ1파장의 출력은 이에 따라 온/오프 형태의 광신호로 출력된다.
이러한 역할을 하는 소자를 λ2파장의 광신호를 λ1파장의 광신호로 변환하는 전광 파장변환기라고 한다.
그런데, 프로우브 입력단의 광 강도 수준을 적절히 조절하여 펌프 입력단에 입사된 광신호의 수준에 따른 프로우브 파장의 강도를 조사하여 보면 도 2에서와 같은 형태의 응답 특성을 얻을 수 있으며, 그에 따른 테이블 값은 표 1과 같다.
입력A 입력B 입력C
하이(1) 로우(0) 로우(0)
하이(1) 하이(1) 하이(1)
로우(0) 하이(1) 로우(0)
로우(0) 로우(0) 로우(0)
이때, 프로우브(probe) 입력단에 입사된 광 신호를 A 라고 하고, 펌프(pump) 입력단으로 입사된 광신호를 B 라고 하면, 응답 특성에 A 신호의 강도가 최소 수준에 있는 경우 B 신호의 크기에 크게 영향을 받지 않으면서 일정한 수준을 유지하는데 이를 논리 0 상태 라고 하고, A 신호의 강도가 최고 수준인 경우 이때를 A 신호의 논리 1 상태라고 하고, 응답특성은 B 신호의 크기에 따라 최소값을 지나 다시 최대값으로 진행된다.
여기서, A 신호가 최소값을 갖는 B 신호의 수준을 B 신호의 논리 0 이라고 하면 표 1과 같은 논리 연산을 만족한다. 이러한 조건에서 적절한 변조 깊이를 갖는 입력 신호 A 가 논리 1 일 때, 펌프 신호 B 의 크기를 변화시키면 B 의 논리가 1 인 경우 출력된 신호 C 는 논리 1 을 갖게 되어 앤드(AND) 논리연산을 수행하게 된다. 즉,의 논리 연산을 수행한다.
도 3은 본 발명에 따른 초고속 전광 앤드(AND) 논리 구현을 위한 실험 구성도이고, 도 4는 본 발명에 의한 20 Gbps의 고속 AND 논리 구현에 따른 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3에 도시된 실험 구성도를 살펴 보면, 광섬유 모드록 레이저(Mode locked laser)(100)와, 광출력을 감쇠시키는 광 감쇠기(Attenuator)(120)와, 다중화기(MUX)(140)와, 광출력의 속도를 지연시키는 제 1광 지연선로(Opticaldelay line)(160)과, 50 : 50으로 광세기를 분리시키는 3-dB 광섬유커플러(180)와, 최대의 광파장 효율을 얻기위한 편광상태를 맞추기 위한 편광조절기(Polarization Controller)(200)와, 광출력의 속도를 지연시키는 제 2광 지연선로(220)와, 광파장을 전송시키는 광 격리기(Optical isolator)(240)와, XPM 파장변환기(260)와, 어븀첨가광증폭기(EDFA)(280)와, `광파장 필터(Wavelength fiter)(300)와, 광신호분석기(Signal analyzer)(320)로 이루어져 있다.
먼저, 수십 Gbps 수준의 연산 속도를 구현하기 위하여 광섬유 모드록 레이저(100)를 이용하여 평균 광 강도 0dBm의 펄스 폭 20ps 이하, 5GHz 반복율을 갖는 펄스를 생성한 후, 3-dB 광섬유커플러(180)에서 50 : 50 으로 신호를 분배하여 한쪽은 편광조절기(200)와 광 감쇄기(120)를 지나고, 다른 한쪽은 제 1광 지연선로(160)를 통해 50ps 지연한 후 결합하여 20Gbps 급의 1100 의 패턴을 갖는 제로화(Return to Zero 이하; RZ) 신호를 생성하였고, 이 신호를 분기하여 제 1광 지연선로(160)를 거쳐 편광조절기(200)를 통과한 후 프로우브 신호 입력단으로 신호 A를 입력하였다. 이어서, 분기된 20Gbps 급의 RZ 신호를 광 증폭기를 거쳐 펌프 입력단에 신호 B 로 입력하였다.
이 때, 반도체 광증폭기 도파로 부분의 전류를 적절히 조절하여 신호 A의 출력이 정상적으로 출력단에서 신호 C 로 출력 되도록 간섭계를 구성하는 두 도파로의 전류를 조절하고, 신호 A 의 지연시간을 적절히 조절하여 신호 B 와 동조시켜 신호 A 가 1100 일 때 신호 B 가 0110 또는 0011 이 되도록 하였다.
도 4에 도시된 20Gbps 신호의 AND 논리 연산이 수행된 결과를 살펴보면, 신호 A는 1100 패턴(patern)을 갖는 모드록 펄스이며, 신호 B는 같은 신호가 시간 지연되어 논리 연산을 수행할 신호이다. 출력된 신호 C는 신호 A와 B가 연산된 앤드(AND) 논리 결과의 펄스로 명확한 AND 논리가 수행됨을 나타내었다.
여기서, 출력 C는 선폭이 넓어 보이는데 이는 반도체 광 증폭기형 파장변환기의 출력에서 동반된 에이.에스.이(Amplified Spontaneous Emission; ASE)을 제거하기 위해 신호 펄스의 본래의 파장 선폭보다 밴드 폭이 좁은 파장 필터를 투과시켜 나타난 현상으로 보인다.
XPM 파장변환기를 구성하는 광 증폭기의 이득포화 현상에서 복귀하는 시간이 100ps 정도 되는 것으로 보고되어 있으나, 본 발명의 실험에서는 연산에 사용된 펄스폭의 간격이 50ps 임에도 불구하고 먼저 진행된 신호가 다음 신호에 영향을 주지 않은 것으로 나타났다.
이상에서와 같이 본 발명에 의한 마하젠더 간섭기형 전광 파장변환기의 전광 앤드 논리 연산방법에 따르면 다음과 같은 이점이 있다.
첫째, 단위 논리 소자의 구현은 광 컴퓨터의 구현에 있어서 필수 적이며, 초고속 광통신의 교환 속도한계를 극복하기 위한 전광 신호 처리의 기본 소자로 이용할 수 있다.
둘째, 반도체 소자의 비선형 특성을 이용하였기 때문에 집적화 과정을 통하여 단일 소자로서 광신호를 처리하는 기능을 부여할 수 있다. 이러한 광 신호 처리의 소자화 기술은 향후 초고속 광통신 및 초고속 정보처리의 기반인 광 컴퓨터의소형화를 이룰 수 있다.

Claims (4)

  1. 일정 수준의 연산속도를 구현하기 위한 광펄스를 생성하는 광섬유 모드록 레이저와; 광출력을 감쇠시키는 광 감쇠기와; 다중화기와; 광출력의 속도를 지연시기 위한 제 1 및 제 2광 지연선로와; 50 : 50으로 광세기를 분리시키는 3-dB 광섬유커플러와; 최대의 광파장 효율을 얻기 위한 편광상태를 맞추기 위한 편광조절기와; 광파장을 전송시키는 광 격리기와; XPM 파장변환기와; 어븀첨가광증폭기와; 광파장 필터와; 광신호분석기를 포함하여 구성됨으로서
    상기 XPM 파장변환기에서 도파로 부분의 전류를 조절하여 신호 A의 출력이 정상적으로 신호 C로 출력되도록 간섭계를 구성하는 두 도파로의 전류를 조절하고, 신호 A의 지연시간을 적절히 조절하여 신호 B와 동조시킴으로서 A 신호와 B 신호의 앤드(AND) 논리 연산을 수행하는 것을 특징으로 하는 마흐젠더 간섭기형 전광 파장변환기의 전광 앤드 논리 연산방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 XPM 파장변환기에서는 RZ 형태의 펄스 데이터 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 마하젠더 간섭기형 전광 파장변환기의 전광 앤드 논리 연산방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 신호 A의 논리가 1100 일 때 신호 B의 논리가 0110 또는 0011 이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 마하젠더 간섭기형 전광 파장변환기의 전광 앤드 논리 연산방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 간섭계의 출력부분이 최소가 되는 B 신호의 강도를 논리 0으로 하고, A 신호의 출력이 최대 상태를 유지하는 영역을 논리 1로 하는 것을 특징으로 하는 마하젠더 간섭기형 전광 파장변환기의 전광 앤드 논리 연산방법.
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