KR100362385B1 - 광전 혼합형 광 클럭 재생장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광전송신호의 광 펄스 열로부터 클럭 성분을 추출 및 재생하는 기술에 관한 것이다. 본 발명은 일반적으로 사용되는 저가격 광검출기를 이용하여 재생하고자 하는 광전송신호를 전기신호로 변환하고, 저가격 광검출기의 전기신호를 이용하여 반도체 광증폭기를 강도 변조시켜 광신호를 발생시키고, 강도 변조된 반도체 광증폭기의 광신호를 반도체 광증폭기를 포함하는 광섬유 링 공진기 내에서 모드 잠김시키므로서, 광 클럭을 추출하고 재생하는 방법 및 장치를 제안한다.

이러한 본 발명에 따르면, 구성이 단순하고, 재생된 클럭의 특성이 매우 안정적이며, 저가격인 광 클럭 재생장치를 구현할 수 있다. 또한, 비교적 외부 환경특성에 민감하지 않고 편광의 영향이 적은 광부품들을 사용하기 때문에, 특성이 매우 안정적이며, 따라서 추가적인 제어 회로가 요구되지 않고, 구성이 단순하고, 경제적이며, 특성이 안정적인 광 클럭 재생 장치를 구현할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 종래의 전광학적인 광 클럭 재생방법이 갖는 구성의 난이도 및 재생된 클럭의 불안정성을 개선하며, 소량의 광부품을 사용하고, 제어 기능을 최소화하여, 경제적이고, 효율적인 광 클럭 재생방법을 제공할 수 있다.

Description

광전 혼합형 광 클럭 재생장치 및 방법{Opto-electronic Hybrid Apparatus and Method for Optical Clock Recovery }

본 발명은 광전송 신호의 광 펄스 열(optical pulse stream)로부터 클럭(clock) 성분을 추출 및 재생하는 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면 광학적인 방법으로 광신호의 클럭을 추출 및 재생하고, 이를 이용하여 광신호의 파형을 재생 및 증폭하는 광전 혼합형 광 클럭 재생장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전송되는 광 신호는 0과 1의 세기를 갖는 광 펄스들의 조합(광 펄스 열)으로 구성된다. 이들 광 펄스 열은 전송되면서 여러 가지 요인들에 의해 열화되어, 수신측에서는 변형되고 왜곡된 광신호, 즉 광 펄스 열을 수신하게 된다. 이러한 왜곡된 광 펄스 열로부터 클럭 성분을 광학적으로 추출하는 기술이 광 클럭 재생 기술이다. 종래에는 전기적인 방법으로 클럭 성분을 추출하고 재생하였으나, 이를 위해서는 광전(optical to electrical) 또는 전광(elctrical to optical) 변환과 같은 복잡한 구성이 필요하고, 또한 재생된 전기적 펄스들을 처리하기 위한 고속 전자소자들이 요구된다. 그러나 광전송 속도가 빨라지면서 전자소자의 신호처리 속도가 한계에 이르렀고, 이를 해결하기 위한 방법으로 광학적 클럭 추출 및재생 방법이 고안되었다.

초고속 광신호의 클럭 성분을 광학적으로 추출 및 재생하기 위한 종래의 기술로는, 광섬유 링 레이저(fiber ring laser) 또는 비선형 광섬유 루프 미러(NOLM: nonlinear optical loop mirror)를 이용하거나, 모드 잠김 레이저다이오드(mode locked laser diode)등의 반도체 광소자를 이용하는 방법 등이 제안되었다.

도 1은 대표적인 종래기술에 따른 비선형 광변조기 및 광섬유 링 레이저를 이용한 전광(all-optical) 광클럭 재생장치를 도시한 구성도이다. 전송된 광신호(파장 λ1)는 파장분할다중소자(WDM)(1)를 통해 광섬유 링 레이저의 광출력(파장 λ2)과 다중되어 비선형 광변조기(2)로 입력된다. 비선형 광변조기(2)는 전송되어온 광신호(파장 λ1)의 펄스 열에 따라 광섬유 링 레이저의 광출력(파장 λ2)을 상호위상변조(cross phase modulation)시켜 동일한 정보를 갖는 펄스 열로 변조시킨다. 비선형 광변조기(2)를 통과한 후 전송되어온 광신호(파장 λ1)는 파장분할다중소자(3)를 통해 출력되고, 상호위상 변조된 광신호(파장 λ2)는 다시 광섬유 링 레이저의 공진기로 입력된다. 한편, 광섬유 링 레이저는 공진기 내에 이득 매질로 에르븀첨가 광섬유(Er-doped fiber)(7), 여기광원(5), 그리고 파장분할다중소자(6)으로 구성된 에르븀첨가 광섬유증폭기(EDFA)와, 광신호를 한 방향으로만 진행시키는 광아이솔레이터(optical isolator)(4), 클럭 성분을 갖는 광신호의 중심파장을 선택하기 위한 대역투과 광 필터(8), 공진기의 길이를 조절하기 위한 광지연기(fiber stretcher)(9), 광클럭 신호를 출력시키기 위해 사용되는 광커플러(10) 등으로 구성된다.

비선형 광변조기(2)는 분산천이 광섬유(Dispersion shifted fiber)와 같은 광섬유로 구성할 수 있으며, 상호위상변조(cross phase modulation)와 같은 물리적 현상을 이용하여, 전송되어온 광신호(파장 λ1)의 펄스 열(정보)에 따라 파장이 다른 광신호(여기서는 파장 λ2)를 변조시킨다. 이때, 상호위상변조 효율을 높이기 위해 영분산파장을 중심으로 대칭이 되도록 파장 λ2를 선택하며, 광섬유 링 레이저의 대역투과 광필터(8)을 이용하여 조절한다. 파장 λ2인 광신호는 광섬유 링 레이저에 의해 발생되며, 비선형 광변조기(2)에 의해 상호위상 변조되어 전송된 광신호(파장 λ1)에 동기된 후 다시 광섬유 링 레이저의 공진기 내에서 모드잠김된다. 따라서, 광섬유 링 레이저의 출력인 광신호 λ2는 비선형 광변조기(2)에 의해 상호위상 변조되어 광섬유 링 레이저의 공진기 내에서 모드 잠김이 되고, 전송되어온 입력 광신호(파장 λ1)의 비트율에 동기되어 클럭 성분을 얻을 수 있다.

도 1과 같은 종래의 기술은 비선형 광변조기의 상호위상변조 특성이 불안정하고, 효율적인 상호위상변조를 위해 미세한 파장조정이 필요하며, 광섬유 링 레이저가 온도나 진동과 같은 외부 환경에 민감하여 파장 안정도 등의 특성이 불안정하다. 또한, 상기 불안정한 특성을 보상하기 위해 제어회로들이 필요하며, 따라서 구성이 매우 복잡해진다.

이와 같이 종래의 방법들로서 비선형 광섬유 루프 미러나 광섬유 링 레이저를 이용하는 방법은, 온도나 진동과 같은 외부 환경에 매우 민감하며, 편광(polarization)의 영향을 크게 받으므로 이들을 제어하기 위하여, 특성이 매우 불안정한 편광제어기, 온도 제어회로 등 추가적인 광 부품 및 제어장치 등 많은 수의 부품이 요구된다. 따라서, 구성이 복잡하고, 재생된 광 클럭의 특성이 불안정하다는 등의 문제점이 있다. 또한 모드 잠김 레이저다이오드 등의 반도체 광소자를 이용하는 방법은 상기 전광학적(all-optical) 방법에 비해 구성이 단순하지만, 편광특성을 제어하기 위한 추가적인 부품이 요구되며, 이들 부품의 환경특성을 제어하기 위한 장치가 요구되고, 소자기술이 아직 성숙되어 있지 못하다는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 반도체 광증폭기(SOA: semiconductor optical amplifier) 및 이를 포함하는 광섬유 링 공진기(fiber ring resonator)를 구성하고, 일반적으로 사용되는 저가격의 광검출기(PD: photodiode)의 출력으로 반도체 광증폭기를 구동하여, 반도체 광증폭기의 출력이 광섬유 링 공진기 내에서 모드 잠김(mode locking) 되도록 하여 광 클럭 성분을 추출 및 재생하는 광전(opto-electronic) 혼합형 광클럭 재생장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은, 종래의 방법인 전광학적(all optical) 광 클럭 재생방법이 갖는 광 클럭 특성의 불안정성 및 구성상의 난이도 등의 문제점을 극복하고, 보다 경제적이고, 효율적인 광 클럭 재생장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 비선형 광 변조기 및 광섬유 링 공진기를 이용한 전광 광 클럭 재생장치의 구성도,

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 광검출기, 반도체 광증폭기 및 광섬유 링 공진기를 이용한 광전 혼합형 광 클럭 재생장치의 일 실시예도,

도 3은 본 발명에 따른 광전 혼합형 광 클럭 재생장치를 이용하여 추출 및 재생된 클럭 성분을 도시한 그래프도이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※

WDM : 파장분할 다중소자

NOM : 비선형 광조기

EDFA : 에르븀첨가 광섬유증폭기

Er : 에러븀

F : 광필터

I : 광아이솔레이터

FS : 광지연기

FC : 광커플러

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광전 혼합형 광 클럭 재생장치는, 광전송신호의 광 펄스를 전기적 펄스로 변환하는 광검출기와, 상기 전기적 펄스에 따라 강도 변조된 광 펄스를 출력하는 반도체 광증폭기, 및 상기 반도체 광증폭기를 포함하며 상기 강도 변조된 광 펄스를 모드 잠김시키는 링 공진기를 포함한 것을 특징으로 한다.

양호하게는, 상기 링 공진기는, 상기 반도체 광증폭기에서 출력되는 강도 변조된 광 펄스를 한 방향으로만 진행시키는 광아이솔레이터와, 상기 광아이솔레이터를 통과한 광 펄스 중 일정한 대역의 파장만을 투과시키는 대역투과 광필터, 및 상기 광신호의 광경로를 조절하며 상기 대역투과 광필터를 통과한 광 펄스를 반도체 광증폭기로 전송하는 광지연기를 더 포함하며, 상기 대역투과 광필터를 투과한 광 펄스의 일부를 외부로 분리하고 나머지를 상기 광지연기로 전달하는 광 커플러를 더 포함한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 광전 혼합형 광클럭 재생방법은, 상기 광전송신호를 전기적 광 펄스로 변환하는 제 1 단계와, 상기 전기적 광 펄스를 강도 변조된 광 펄스로 변환하는 제 2 단계, 및 상기 강도 변조된 광 펄스를 모드 잠김시키는 제 3 단계를 포함한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 한 실시예에 따른 "광전 혼합형 광 클럭 재생장치 및 방법"을 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 반도체 광증폭기 및 광섬유 링 공진기를 이용한 광전 혼합형 광클럭 재생장치의 일 실시예이다. 본 발명의 광전 혼합형 광클럭 재생장치는 입력된 광신호를 수신하여 전기신호로 변환하는 광검출기(11)와 강도변조(intensity modulation)된 광신호를 발생시키고, 이를 광섬유 링 공진기(fiber ring resonator)(13) 내에서 모드잠김(mode locking)시키기 위한 반도체 광증폭기(12), 및 반도체 광증폭기(12)를 포함하는 광섬유 링 공진기(13)로 구성된다.

광검출기(11)는 일반적으로 사용되는 저가격의 광검출기가 사용되며, 전송되어 온 광신호의 광 펄스 열은 광검출기(11)에 의해 전기신호, 즉 전기적 펄스 열로 변환된다. 광검출기(11)의 출력인 전기적 펄스 열은 광섬유 링 공진기(13) 내의 반도체 광증폭기(semiconductor optical amplifier)(12)를 구동시켜 다시 강도변조된 광신호, 즉 광 펄스 열로 변환된다.

광섬유 링 공진기(13)는 강도 변조된 광신호를 발생시키고, 이를 공진기 내에서 모드 잠김시키기 위해 사용되는, 일정한 파장 대역에서 일정한 이득을 갖는 반도체 광증폭기(12), 일반 광섬유(14), 광신호를 한 방향으로만 진행시키는 광아이솔레이터(optical isolator)(15), 일정한 대역의 파장만을 투과시키는 대역투과 광필터(optical band pass filter)(16), 광신호의 일부를 분리하는 광커플러(17) 및 광경로의 길이를 조절하는 광지연기(optical delay line)(18) 등으로 구성되며, 반도체 광증폭기(12)의 출력인 강도 변조된 광신호를 모드 잠김시킨다.

도 2의 입력포트 a로 입력된 광신호의 광펄스 열은 일반적인 광검출기(11)에 의해 전기적 펄스 열로 변환된다. 광검출기(11)에 의해 발생된 전기신호, 즉 전기적 펄스 열은 광섬유 링 공진기(13)의 반도체 광증폭기(12)를 구동하며, 반도체 광증폭기(12)는 광검출기(11)에 의해 발생된 전기적 펄스 열에 따라 강도 변조된 광신호, 즉 광 펄스 열을 발생시킨다. 반도체 광증폭기(12)에 의해 발생된 광신호의 펄스 열은 넓은 파장 범위에 걸쳐 이득을 가진다. 광검출기(11) 및 반도체 광증폭기(12)에 의해 강도 변조된 광신호는 일반 광섬유(14)로 입력되고, 한 방향으로만 광신호를 진행시키는 광아이솔레이터(15)를 거쳐, 대역투과 광필터(16)를 통과한다. 대역투과 광필터(16)는 넓은 파장대역에 걸쳐 있는 반도체 광증폭기의 광신호를 일정한 파장으로 한정하여 광섬유 링 공진기(13) 내에서 모드 잠김이 효율적으로 일어나도록 하는 역할을 한다. 대역투과 광필터(16)을 통과한 광신호는 광커플러(17)에 의해 광신호의 일부는 출력 포트 b로 출력되고, 나머지 광신호는 다시 일반 광섬유(14)를 거쳐 광지연기(18)로 진행하며, 광섬유 링 공진기(13) 내에서 모드 잠김된다. 광지연기(18)는 반도체 광증폭기(12), 일반 광섬유(14) 및 상기 광부품(15 ~ 17)으로 구성된 광섬유 링 공진기(13) 내에서 진행하는 광신호, 즉 광 펄스 열을 모드 잠김시킬 수 있도록 광경로를 조절하는 기능을 한다.

광섬유 링 공진기(13) 내에서 광신호의 모드잠김은 공진기의 길이와 광변조기의 변조주파수에 관계한다. 광경로가 L인 링 공진기(13) 내에서 존재하는 공진모드(resonating modes)들은 c/L의 간격으로 존재하며, 이들 공진모드들은 각각 서로 다른 위상과 진폭을 가진다. 이때 공진기 내에 변조기가 존재하고, 이 변조기가 공진모드의 간격에 해당되는 주파수로 광신호를 변조하는 경우 일정한 위상을 갖게 되어 모드 잠김이 일어난다. 반도체 광증폭기(12)에서 발생되는 강도 변조된 광신호, 즉 광 펄스 열을 광섬유 링 공진기(13) 내에서 모드 잠김시키기 위해서 공진기의 광경로 L(=nl, n은 광섬유의 굴절율, l은 광섬유 링 공진기(13)의 실제 길이)이 광클럭 속도와 위상이 일치되도록 조절하여야 한다. 빛 속도를 c[m/s], 광신호의 전송속도를 f[Hz]라고 하면, 공진기의 광경로 L은 L=Nc/f(N은 정수)가 되어야 하며, 이는 광섬유(14)의 길이와 광지연기(18)을 이용하여 정확히 조절한다. 즉, 광섬유 링 공진기(13)의 광경로는 반도체 광증폭기(12)에서 발생된 강도 변조된 광신호, 즉 광 펄스 열이 광섬유 링 공진기(13)를 한 바퀴 진행하는 시간이 광펄스 열의 시간적 간격의 정수배가 되도록 한다. 따라서 광섬유 링 공진기(13) 내에서 진행하는 광 펄스 열은 광섬유 링 공진기(13)을 한 바퀴 진행할 때마다 위상이 일치하게 되어(공진되어) 모드 잠김이 이루어진다. 모드잠김이 이루어진 광 펄스 열은 전송되어온 광 펄스 열의 클럭 성분과 정확히 일치하게 되어 광 클럭의 추출 및 재생이 이루어진다.

도 3은 상기와 같은 광전 혼합형 광클럭 재생장치로 실험한 결과로서, 입력되는 광신호의 펄스 열과, 재생된 광 클럭이다. 각 그래프에서 위 펄스는 입력되는 광신호 펄스 열의 비트 패턴(bit pattern)이며, 아래 펄스는 재생된 광 클럭 성분이다. 도 3의 a) 내지 h)는 비트 패턴이 11111111, 01111111, 00111111, 00011111, 00001111, 00000111, 00000011 및 00000001인 경우에 대해 각각 재생된 광클럭 성분을 보여준다. 이때, 입력되는 광신호는 RZ(return to zero) 형태이며, 전송속도는 309.9Mb/s이다. 본 발명에 따르면 재생된 클럭의 주파수가 전송되어온 입력 광신호의 클럭과 일치한다.

위에서 양호한 실시예에 근거하여 이 발명을 설명하였지만, 이러한 실시예는이 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이다. 이 발명이 속하는 분야의 숙련자에게는 이 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능함이 자명할 것이다. 그러므로, 이 발명의 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정될 것이며, 위와 같은 변화예나 변경예 또는 조절예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 저가격 광검출기를 이용하여 재생하고자 하는 광전송 신호를 전기신호로 변환하고, 저가격 광검출기의 전기신호를 이용하여 반도체 광증폭기를 강도 변조시켜 광신호를 발생시키고, 강도 변조된 반도체 광증폭기의 광신호를 광섬유 링 공진기를 이용하여 모드 잠김시킴으로써, 구성이 단순하고, 재생된 클럭의 특성이 매우 안정적이며, 저가격인 광 클럭 재생장치를 구현할 수 있다.

또한, 본 발명에서 사용하는 광섬유 링 공진기는 대역투과 광필터, 광아이솔레이터 및 광지연기 등 비교적 외부 환경특성에 민감하지 않고 편광의 영향이 적어 특성이 매우 안정적이며, 따라서 추가적인 제어 회로가 요구되지 않는 소량의 광부품을 사용하므로써, 구성이 단순하고, 경제적이며, 특성이 안정적인 광 클럭 재생 장치를 구현할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 종래의 전광학적인 광 클럭 재생방법이 갖는 구성의 난이도 및 재생된 클럭의 불안정성을 개선하며, 소량의 광부품을 사용하고, 제어 기능을 최소화하여, 경제적이고, 효율적인 광 클럭 재생방법을 제공할 수 있다.

Claims (6)

1. 광전송 신호의 광 클럭을 추출하고 재생하는 장치에 있어서,

   상기 광전송 신호의 광펄스를 전기적 펄스로 변환하는 광검출기;

   상기 전기적 펄스에 따라 강도 변조된 광 펄스를 출력하는 반도체 광증폭기;

   상기 반도체 광증폭기에서 출력되는 강도 변조된 광 펄스를 한 방향으로만 진행시키는 광아이솔레이터;

   상기 광아이솔레이터를 통과한 광 펄스 중 일정한 대역의 파장만을 투과시키는 대역투과 광필터;

   상기 광신호의 경로를 조절하며 상기 대역투과 광필터를 통과한 광 펄스를 상기 반도체 광증폭기로 전송하는 광 지연기; 및

   상기 대역투과 광필터를 투과한 광 펄스의 일부를 외부로 분리하고, 나머지를 상기 광 지연기로 전달하는 광 커플러를 포함하며;

   상기 반도체 광증폭기, 상기 광아이솔레이터, 상기 대역투과 광필터, 상기 광 지연기와 상기 광 커플러로서 링 공진기를 구성하는 것을 특징으로 하는 광전 혼합형 광 클럭 재생장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 광검출기는 포토다이오드인 것을 특징으로 하는 광전 혼합형 광 클럭 재생장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 광 펄스가 광섬유 링 공진기를 한 바퀴 진행하는 시간은 상기 광 펄스 열의 시간적 간격의 정수배인 것을 특징으로 하는 광전 혼합형 광 클럭 재생장치.
6. 광전송신호의 광 클럭을 추출하고 재생하는 방법에 있어서,

   상기 광전송신호를 전기적 광 펄스로 변환하는 제 1 단계와,

   상기 전기적 광 펄스를 강도 변조된 광 펄스로 변환하는 제 2 단계, 및

   상기 강도 변조된 광 펄스를 모드 잠김시키는 제 3 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 광전 혼합형 광 클럭 재생방법.