KR100373761B1

KR100373761B1 - 전광 동기 신호의 추출이 동시에 가능한 초고속 광파장변환장치

Info

Publication number: KR100373761B1
Application number: KR10-2000-0072036A
Authority: KR
Inventors: 김동환; 이상배; 최상삼; 변영태; 한일기
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2000-11-30
Filing date: 2000-11-30
Publication date: 2003-02-26
Also published as: US20020063944A1; JP2002246676A; KR20020042229A; DE10146366A1

Abstract

본 발명은 전광 동기 신호의 추출이 동시에 가능한 초고속 광파장 변환장치에 관한 것이다. 본 발명은 1) 반도체 광증폭기를 레이저 이득체로 하는 고리형 반도체-광섬유 레이저를 구성하여 외부의 펌프광이 없어도 되는 초고속 파장 변환기를 구현한다. 2) 그와 더불어 입력 신호광에 의해 인젝션 모드-록킹(injection mode locking)이 되어 입력 신호열에 대해 위상이 동기된 광펄스열을 발생시키는 클럭 펄스 발생기를 동시에 구현토록 한다.

이에, 본 발명은 반도체-광섬유 레이저를 구성하여 공진기내의 적절한 위치에서 출력을 얻으면 인젝션 모드록킹 레이저를 이용한 위상동기 신호가 발생되고, 다른 위치에서는 외부의 펌프광이 필요없는 파장 변환 장치를 동시에 구현시킬 수 있는 전광 동기 신호의 추출이 가능한 초고속 광파장 변환장치가 제시된다.

따라서, 본 발명은 SOA-광섬유 레이저를 구성한 후 적절한 위치에서 출력을 뽑아내면 1.55mu m 영역에서 파장이 가변되고, 외부 펌프광이 필요없는 초고속 파장 변환기와 입력 광펄스열에 위상 동기된 광펄스가 동시에 구현됨으로서 WDM 광통신 시스템에 10Gbps급 이상 초고속 전광 파장변환기 및 위상 동기신호 발생기로서 사용될 수 있다.

Description

전광 동기 신호의 추출이 동시에 가능한 초고속 광파장 변환장치{ULTRA-HIGH SPEED OPTICAL WAVELENGTH CONVERTER APPARATUS WHICH IS ABLE TO IMPLEMENT ALL-OPTICAL CLOCK EXTRACTION SIMULTANEOUSLY}

본 발명은 전광 동기 신호의 추출이 동시에 가능한 초고속 광파장 변환장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 반도체 광증폭기를 레이저 이득체로 하는 고리형 반도체-광섬유 레이저를 구성하여 외부의 펌프광이 없어도 되는 초고속 파장 변환기를 구현함과 더불어 입력 신호광에 의해 인젝션 모드-록킹(injection mode-locking)이되어 입력 신호열에 대해 위상이 동기된 광펄스열을 발생시키는 클럭 펄스 발생기를 동시에 구현토록 하는 기술에 관한 것이다.

최근에 초고속, 대용량의 정보의 전송이 필요하게 되면서 파장 분할 다중화 (Wavelength Division Multiplexing 이하; WDM) 방식에 의한 광 전송망 연구가 활발히 진행되고 있다. WDM 광통신은 파장별 다채널을 다중화하여 전송 및 수신후 다시 각각의 채널별로 분리하는 기술이므로, 통신망과의 링크점에 이용되는 파장 변환 기술 및 수신단에서 입력신호로부터 위상 동기된 신호를 추출하는 기술은 가장 핵심이 되는 기술 중에 하나이다.

특히, 차세대 광통신은 현재의 부분적 광기술을 완전 광기술로 발전시키려는 노력들이 집중되고 있다. 먼저, 초고속 입력 광펄스 열로부터 위상 동기된 신호는각 채널별로 역다중화를 이루기위한 기술로서 현재 전자적 방법과 광 PLL(Phase Lock Loop) 기술이 사용되고 있으며, 전자적 신호 처리 없이 완전 광기술로 위상동기된 신호를 추출하기 위해 다양한 형태의 주입형 모드록킹 레이저(injection mode-locked laser)를 이용하고 있다.

한편, 파장 변환기술은 반도체 광증폭기(Semiconductor Optical Amplifier 이하; SOA)를 이용한 파장변환기가 많이 연구되고 있는데, 이는 SOA가 반도체 광원 및 광소자와 집적화가 가능하고, 광섬유에 비해 소형이므로 앞으로 광통신 시스템에 실질적으로 이용될 가능성이 매우 높기 때문이다.

종래의 SOA를 이용한 파장 변환 기술은 단일 패스 방식의 4광파 혼합현상(Four Wave Mixing; FWM)을 이용하여 파장변환기를 구현하는데, SOA에서 입력 광신호파의 파장변환을 유도하려면 입력 파장외에도 다른 파장의 펌프파가 필요하다. 따라서, 두 파장을 SOA에 주입시키면, SOA 내부에서 두 입력파의 비선형 파장 혼합(nonlinear wave mixing)에 의해 새로운 파장, 즉 FWM 신호파는 이들의 결합인과의 2개의 새로운 광파가 발생된다.

그런데, SOA에서의 FWM 효율은 다운-컨버젼(down-conversion)의 효율이 업-컨버젼(up-conversion) 보다 높다고 보고되어 있으므로, 통상, 입력파장을 펌프파보다 장파장으로 셋팅하여 짧은 파장의 FWM 신호를 다양한 광신호 처리용 출력 신호로서 이용한다.

이때, FWM 신호의 세기는 펌프파 세기의 제곱에 비례하고, 입력파 세기에는선형으로 비례하므로, 입력파의 위상정보를 FWM 신호가 선형적으로 그대로 간직하게 되므로 SOA-FWM 현상은 광 PLL시스템에서 입력신호의 위상검출기로서도 활용된다.

이러한 기존의 단일 패스 방식의 4광파 혼합에 의해 발생된 변환 파장을 임의로 가변시키기 위해서는 외부의 펌프광이 동시에 파장 가변되어야 하기 때문에 전체 시스템이 복잡해지고 가격이 비싸지는 단점이 발생되었다.

이와 같이, 종래의 위상동기 신호 발생기와 파장변환기는 각각 별개의 기술로서, 현재까지 연구 발전 되고 있다.

이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 1) 반도체 광증폭기를 레이저 이득체로 하는 고리형 반도체-공섬유 레이저를 구성하여 외부의 펌프광이 없어도 되는 초고속 파장 변환기를 구현한다. 2)그와 더불어 입력 신호광에 의해 인젝션 모드록킹이되어 입력 신호열에 대해 위상이 동기된 광펄스열을 발생시키는 클럭펄스발생기를 동시에 구현토록 하는 전광 동기 신호의 추출이 가능한 초고속 광파장 변환장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로써 본 발명은 반도체-광섬유 레이저를 구성하여 공진기내의 적절한 위치에서 출력을 얻으면 인젝션 모드록킹 레이저를 이용한 위상동기 신호가 발생되고, 다른 위치에서는 외부의 펌프광이 필요없는 파장 변환 장치를 동시에 구현시킬 수 있는 전광 동기 신호의 추출이 가능한 초고속 광파장 변환장치가 제시된다.

도 은 본 발명에 따른 전광 동기 신호의 추출이 동시에 가능한 초고속 광파장 변환 장치의 구성도

도 2는 본 발명의 실험 결과에 따라 입력 펄스열과 이에 위상 동기된 펄스열을 비교하여 나타낸 그래프

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실험 결과에 따라 입력 펄스열과 파장 변환된 신호광의 펄스열을 각각 비교하여 나타낸 그래프

도 4는 본 발명의 실험 결과에 따라 입력 광신호(1548nm)와, 레이저 광신호(1544nm)와, 파장 변환된 광신호(1540nm)의 광스펙트럼을 비교하여 나타낸 그래프

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 모드록킹 레이저 120: 광감쇠기

140, 280: 제 1 및 제 2편광조절기(Polarization Controller; PC)

160: 3-dB 광섬유커플러 180: 광격리기

200: 반도체 광증폭기(SOA) 220: 지연선로

240: 출력가변 광섬유커플러 260: 파장가변 광대역통과필터

300, 340: 제 1 및 제 2광대역통과필터

320: 오실로스코프

이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 은 본 발명에 따른 전광 동기 신호의 추출이 동시에 가능한 초고속 광파장 변환 장치의 구성도이다.

도 1에 도시된 초고속 광파장 변환장치의 전체적인 구성은 모드-록킹 레이저(Mode locking laser)(100)와, 광섬유의 광출력을 감쇠시키는 광감쇠기(Attenuator)(120)와, 반도체 광증폭기를 이용한 FWM 현상은 편광의존성이 있으므로, 최대의 FWM 효율을 얻기 위해 편광 상태를 맞추어 주기 위한 제 1 및 제 2 편광 조절기(Polarization Controller)(140)(280)과, 50: 50으로 광세기를 분리시키는 3-dB 광섬유커플러(Optical coupler)(160)와, 광섬유의 광파장을 전송시키는 광격리기(Optical isolater)(180)와, 레이저 이득체 및 파장변환기로 작용하는 반도체 광증폭기(SOA)(200)와, 지연선로(Delay line)(220)와, 광섬유의 출력 세기를 가변시켜 커플링시키는 출력가변 광섬유커플러(Tunable coupler)(240)와, 광섬유의 광파장을 가변시켜 필터링하는 파장가변 광대역통과필터(260)와, 제 1 및 제 2광대역통과필터(300)(340)와, 오실로스코프(340)로 이루어져 있다.

여기서, SOA-광섬유 레이저의 이득 매질(Gain material)로 사용된 SOA는 중심 파장이 1.5mu m 근처에서 40nm 증폭 대역폭을 가지며, 길이가 1 mm, 운반자 수명이 2 ns정도이고 양면에 반사율이정도가 되도록 무반사 박막 증착되었으며, 200 mA의 최대 펌핑 전류에서 약 23 dB의 fiber-to-fiber 이득과 7.5 dBm정도의 포화 출력 파워를 가지고 있다.

먼저, 도 1과 같은 실험 장치에서 SOA에 전기적 파워(160 ∼ 180mA)를 가해주면, 입력 광신호가 없어도 공진기내의 SOA와 광필터에 의해 광필터의 중심 파장에서 지속파(Continuous Wave)형태의 레이저 파장의 광이 3-dB 광섬유커플러(160)와 출력가변 광섬유커플러(240)를 통하여 발생된다.

이 때, 1.55mu m 근처의 3dB-광섬유 커플러(160)를 통하여 10Gbit/s 속도의 입력 광펄스열을 주입시키고, 입력 광펄스열의 반복 주파수에 정수배가 되도록 SOA-Fiber 레이저의 공진기 길이를 지연선로(220)를 조절하여 맞추어주면, SOA-광섬유 레이저는 인젝션 모드록킹(injection mode-locking)이 구현되어 각각의 광섬유 커플러로부터 펄스형태로 출력을 내게 된다.

여기서, 출력가변 광섬유커플러(240)는 레이저 공진기의 손실을 조절하여 레이저가 발진할 수 있도록 하는 역할을 하게 된다. 이때 발진되는 레이저 펄스의 반복 주파수는 입력 신호의 펄스열 주파수의 정수배로 나타나게 되는데, 이러한 현상을 조화 고조파 모드-록킹(Harmonically mode-locking) 또는 유리 고조파 모드-록킹(Rationally mode-locking)이라고 한다.

이러한 모드 록킹에 의한 레이저 출력은 도 1에서 3dB 광섬유커플러(160)를 통하여 얻으며, 여기서 위상동기된 레이저 펄스열과 입력 펄스열이 동시에 출력 되므로 레이저 펄스열의 파장만 선택하는 광필터(레이저 공진기안의 광필터와 중심 주파수는 일치하여야 함)를 사용하여 검출기로 측정하면 오실로스코프(Oscilloscope)(320)에서 위상 동기된 펄스 열만 관측할 수 있다.

이러한 광신호는 입력 신호의 펄스열에 대해 위상 동기된 광신호이므로 이를 역다중화(Demultiplexing) 장치에 사용할 수 있다.

한편, SOA(200)에서 발생된 레이저 파장과 비선형 4광파 혼합이 유도되어 출력가변 광섬유커플러(240)를 통하는 FWM 신호파장와 레이저 파장의 파장이 동시에 출력된다. 따라서, 출력단에서 FWM 파장만 통과 시키는 광필터를 사용하여 FWM 신호만 얻을 수 있다.

또한, 레이저 공진기 내에는 출력가변 광섬커플러(240) 다음단에 레이저 파장만을 투과시키는 파장가변 광대역통과필터(260)가 있으므로 새로히 발생된 FWM 신호파는 다시 공진기를 궤환할 수 없으므로 펌프파의 역할을 하는 레이저파장만이 공진기를 궤환하게 된다.

또한, 공진기내에 위치한 제 2편광 조절기(280)는 레이저 파장의 편광상태와 입력파의 편광상태를 일치시켜주는 역할을 하여 FWM 현상의 효율을 최대화 시키는 역할을 한다.

또한, 본 발명에 사용된 출력가변 광섬유커플러(240)는 커플링 비율이 조절되는 것으로서 SOA-광섬유 레이저의 손실을 조정하여 SOA(200)의 이득율을 조정하므로서 출력되는 FWM 신호의 세기를 어느정도 조절이 가능하게 만들었다.

이어서, 도 2는 본 발명의 실험 결과에 따라 입력 펄스열과 이에 위상 동기된 펄스열을 비교하여 나타낸 그래프로서, 도 2를 살펴보면 입력된 5Gbit/s (도 2a) 및 10Gbit/s 급(도 2b)의 입력 광 펄스 열이 본 발명에 의해 구현된 다목적 광통신 모듈에 입력되어 3-dB 광섬유커플러(160)을 통하여 출력된 10Gbit/s 급의 위상 동기된 광 펄스 열을 나타낸 것이다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실험 결과에 따라 출력가변 광섬유커플러(240)에서 출력을 얻은 것으로서, 도 3a는 파장 변환된 신호광의 펄스열이고, 도 3b는 입력 펄스열을 나타낸 것이다.

도 4는 파장변환기에서 출력된 광파장의 스펙트럼을 나타낸 것으로서 좌로부터, 10 Gbps FWM에서의 파장변환된 FWM 광파장(a)과, 고리형 반도체-광섬유 레이저(SFRL)의 광파장(b)과, 10 Gbps의 입력 광파장(c)의 스펙트럼을 나타낸 것이다.

특히, 도 4의 입력 광파장(c) 스펙트럼의 경우 모드록킹된 광섬유 레이저를 사용하였으므로 파장 대역폭이 비교적 넓게 나타냄을 보여주고 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 의한 전광 동기 신호의 추출이 동시에 가능한 초고속 광파장 변환장치에 따르면, SOA-광섬유 레이저를 구성한 후 적절한 위치에서 출력을 뽑아내면 1.55mu m 영역에서 파장이 가변되고, 외부 펌프광이 필요없는 초고속 파장 변환기와 입력 광펄스열에 위상 동기된 광펄스가 동시에 구현됨으로서 WDM 광통신 시스템에 10Gbps급 이상 초고속 전광 파장변환기 및 위상 동기신호 발생기로서 사용될 수 있다.

Claims

반도체-광섬유 레이저를 이용한 초고속 광파장 변환장치에 있어서,

50 : 50으로 광세기를 분리시키는 3-dB 광섬유커플링 수단과; 광섬유의 광파장을 전송시키는 광격리 수단과; 레이저 이득체 및 파장변환기로서 반도체 광섬유의 광파장을 증폭시키는 반도체 광증폭 수단과; 반도체 광섬유의 광파장 길이를 조절하는 광파장 지연 수단과; 광섬유의 출력 세기를 가변시켜 커플링시키는 출력가변 광섬유커플링 수단과; 광섬유의 광파장을 가변시켜 필터링시키는 파장가변 광대역통과필터 수단과; 편광 상태를 조절하기 위한 편광 조절수단을 포함하여 구성됨으로서

상기 반도체 광증폭 수단에 전기적 파워가 인가될 때 입력 펌프광 광신호가 없어도 공진기내의 상기 반도체 광증폭 수단과 파장가변 광대역통과필터 수단에 의해 광필터 중심 파장에서 지속파 형태의 레이저 파장이 자동 펌프광 역할을 하여 상기 3-dB 광섬유 커플링 수단과 출력가변 광섬유커플링 수단을 통하여 파장변환된 광펄스가 발생되도록 함과 더불어

상기 3-dB광섬유 커플링 수단을 통하여 입력 광펄스열을 주입시키고 입력 광펄스열의 반복 주파수에 정수배가 되도록 상기 반도체 광증폭 수단의 광섬유 레이저의 공진기 길이를 상기 광파장 지연수단에서 조절함으로서 위상 동기된 레이저 광펄스가 발생되도록 하는 것을 특징으로 하는 전광 동기 신호의 추출이 동시에 가능한 초고속 광파장 변환장치.
청구항 1에 있어서, 상기 3dB-광섬유커플링 수단이 1.55 ㎛ 일 때 입력 광펄스열은 10 Gbit/s 속도로 주입시킴으로서 출력된 10 Gbit/s의 파장변환된 광펄스열과 위상 동기된 광펄스열을 발생시키는 것을 특징으로 하는 전광 동기 신호의 추출이 동시에 가능한 초고속 광파장 변환장치.