KR100378677B1 - 비가역 광파장 필터 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양방향 광전송장치, 양방향 광통신망, 양방향 광증폭기 등의 적용 및 응용이 가능한 비가역 광파장 필터 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 비가역 광파장 필터는 각 단자를 통해 입력되는 임의의 편광을 가진 광파를 쇄교한 편광의 두 광파로 공간적으로 분리하거나 쇄교한 편광의 두 광파를 결합하는 제 1 및 제 2편광 분리수단(BC1,BC2)과, 진행 방향에 따라 광파의 편광을 서로 다른 방향으로 회전시키는 비가역성을 갖는 패러데이 편광 회전수단(FR)과, 입사된 광파를 진행 방향에 따라 동일한 방향으로 회전시키는 가역 편광 회전수단(RR)과, 파장에 따른 편광 상태가 바뀌는 파장 의존 편광 변환수단(WDPC)으로 구성한다. 그 구현 동작은 단자 1에서 단자 2로의 통과되는 광파의 파장에 따른 전달 특성과 단자 2에서 단자 1로 통과되는 광파의 파장에 따른 전달 특성이 서로 엇갈리게 동작하도록 한다.
따라서, 본 발명에 따른 비가역 광파장 필터는 양방향 파장 교대 광전송에서 발생하는 다중 광반사를 억제할 수 있으며, 다단 광증폭기에 사용할 경우 경제적이고 효율적인 광증폭기 구현이 가능하다.
Description
본 발명은 양방향 광전송장치, 양방향 광통신망, 양방향 광증폭기 등의 적용 및 응용이 가능한 비가역 광파장 필터 장치에 관한 것이다. 특히, 서로 다른 주기적인 통과 파장 특성을 가지고 각 방향에 따라 통과 파장이 서로 엇갈리는 동작 특성을 갖는 비가역 광파장 필터 및 응용 기술에 관한 것이다.
양방향 파장 분할 다중 광전송 방식은 광신호의 파장 할당 방법에 따라 크게 광대역 분할 방식과 광파장 교대 방식으로 나눌 수 있다.
먼저, 광대역 분할 방식은 광대역 통과 필터를 이용하여 각 방향의 전송 대역을 할당한 후, 같은 방향으로 진행하는 광신호의 파장을 각 대역 내에서 서로 인접하게 배치하는 방법이다.
광파장 교대 방식은 각 광신호들의 파장이 서로 반대 방향의 광신호들 사이의 파장을 가지도록 배치하여 양방향으로 진행하는 광신호들이 서로 엇갈리게 하는 방식이다.
이러한 광파장 교대 방식은 광대역 분할 방식에서 필요한 보호 파장 대역을 필요로 하지 않고, 광섬유의 비선형 현상을 줄일 수 있는 장점이 있다.
일반적으로 양방향 광전송 장치에서는 광신호의 양방향 전송을 위한 광단향관(optical isolator) 사용이 제한되고, 이로 인해 광섬유의 레일레이 역산란(Rayleigh back scattering) 및 광소자의 광반사(optical reflection)에 의해 유발되는 다중 반사광에 의한 광전송 장치의 성능이 저하된다.
특히, 광섬유나 광소자에서 발생하는 광손실을 보상하기 위하여 광증폭기를 사용하는 경우 반사광이 광증폭기에서 증폭되므로 다중 반사광의 영향은 더욱 증가하게 된다. 따라서 이러한 다중 반사광을 감소시키는 방안이 필요하다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 주파수 의존 광단향관을 나타낸 개략도이다.
도 1a 및 도 1b는 반사광의 영향을 억제하기 위한 대표적인 방안인 주파수 의존 광단향관의 구조로써 이는 미국특허 US 5,280,549(1993.2.5) 의 " 파장 의존 광단향관 " 에 의해 제시되어 있다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 주파수 의존 광단향관은 두개의 광 단향관(OI1,OI2 : Optical Isoiator)와 두개의 광대역통과 필터(OBPF1,OBPF2 : Optical Band Pass Filter)를 사용하여 반사광이 광단향관(OI1,OI2)이나 광대역통과필터(OBPF1,OBPF2)에 의해 감쇄되도록 하였다.
도 1b는 4단자 광서큘레이터의 두 단자에 광대역제거 필터(OBRF : Optical Band Rejection Filter)를 사용하여 구현한 것이다. 이러한 방식은 광대역통과 필터를 이용하므로 주로 광대역 분할 방식에 적합하다.
광파장교대 방식의 양방향 광전송을 위해서는 도 1a에 도시된 광대역통과 필터(OBPF1,OBPF2)를 주기적인 통과 특성을 가지는 광필터로 대체함으로 가능하다.
그러나, 이러한 방식은 많은 수의 개별 광소자를 필요로 함으로서 제작 비용이 증가하는 단점이 있다. 따라서, 보다 간단하고 효과적인 방법으로 광파장 교대 방식의 양방향 광전송을 위한 반사광 감소 방법이 요구되었다.
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명의 목적은 양방향으로 서로 다른 전달 특성을 가지는 광파장 필터를 이용하여 각 방향의 반사광을 감쇄시킴으로서 진행 방향에 따라 서로 다른 주기적인 파장 특성을 갖는 비가역 광파장 필터 장치를 제공하는데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로써 본 발명은진행 방향에 따라 서로 다른 주기적인 통과 파장 특성을 갖는 2단자 비가역 광파장 필터에 있어서,단자 1로 입력되는 임의의 편광을 가진 광파는 쇄교한 편광의 두 광파로 공간적으로 분리해 주는 제 1편광 분리수단과 연결되고;상기 제 1편광 분리 수단은 광파의 진행 방향에 따라 서로 다른 방향으로 편광을 회전시키며 비가역성을 갖는 패러데이 편광 회전수단(FR)과 연결되고;상기 패러데이 편광 회전수단은 광파의 진행 방향에 따라 동일한 방향으로 회전시키는 가역 편광 회전수단(RR)과 연결되고;상기 가역 편광 회전수단은 파장에 따라 편광상태가 바뀌는 파장 의존 편광 변환수단(WDPC)으로 구성되고;
상기 파장 의존 편광 변환수단은 제 2편광 분리수단과 연결되고, 상기 제 2편광 분리수단은 제 2입출력단과 연결되는 것을 특징으로 하는 비가역 광파장 필터 장치가 제시된다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 주파수 의존 광단향관의 개략도
도 2는 본 발명에 따른 비가역 광파장 필터의 동작 특성을 나타낸 도면
도 3은 본 발명에 따른 파장 의존 편광 변환기의 동작 특성을 나타낸 도면
도 4는 본 발명에 따른 비가역 광파장 필터의 개략 구성도
도 5는 도 4에 도시된 단자 1에서 단자 2로 진행시 통과하는 파장의 광파에 대한 진행 경로 및 편광 상태를 나타낸 도면
도 6은 도 4에 도시된 단자 1에서 단자 2로 진행시 소멸되는 파장의 광파에 대한 진행 경로 및 편광 상태를 나타낸 도면
도 7은 도 4에 도시된 단자 2에서 단자 1로 진행시 통과하는 파장의 광파에 대한 진행 경로 및 편광 상태를 나타낸 도면
도 8은 도 4에 도시된 단자 2에서 단자 1로 진행시 소멸되는 파장의 광파에 대한 진행 경로 및 편광 상태
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비가역 광파장 필터를 이용한 양방향 광증폭기의 개략 구성도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
OI1,OI2 : 광단향관 OBPF : 광대역통과 필터
OBRF : 광대역제거 필터 WDPC : 파장의존편광변환기
BC1,BC2 : 편광분리기 FR : 패러데이편광회전자
RR : 가역편광회전자 EDF1,EDF2 : 에르븀첨가 광섬유
NRWF1,NRWF2 : 비가역광파장 필터 ISC : 중간단(段)소자
이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 비가역성 광파장 필터의 동작 특성을 나타낸 도면이다.
본 발명의 비가역 광파장 필터는 2단자 광소자로서 각 진행 방향으로 파장에 대한 주기적인 통과 특성을 갖는다. 즉, 단자 1에서 단자 2로의 통과되는 광파의 전달 특성과 단자 2에서 단자 1로 통과되는 광파의 전달 특성이 서로 엇갈리게 동작한다.
다시 말해, 단자 1에서 단자 2로 통과한 특정 파장의 광파가 반사되어 다시 단자 2로 입사될 때는 단자 1로 진행하면서 감쇄를 겪게 되며, 단자 2에서 단자 1로 통과한 특정 파장의 광파가 반사되어 다시 단자 1로 입사될 때는 단자 2로 진행하면서 감쇄를 겪게 된다.
따라서, 본 발명의 비가역 광파장 필터는 다중 광반사를 억제하게 된다. 이러한 특성을 지니는 비가역 광파장 필터는 양방향 광전송에 사용되기 위하여 간단한 구조를 가지고, 저가의 제작이 가능하여야 한다.
이에 본 발명의 소자는 집적화가 가능하고, 구조가 간단하여 저가의 제작이 가능하여, 양방향 광증폭기등에 쉽게 이용이 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 비가역 광파장 필터는 패러데이 회전자의 진행 방향에 따른 비가역적인 편광 회전 특성 및 파장 의존 편광 변환기의 파장에따른 편광 회전 특성을 기본 원리로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 파장 의존 편광 변환기의 동작 특성을 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 파장 의존 편광 변환기(WDPC : Wavelength Dependent Polarization Converter)는 복굴절이 큰 이방성 결정으로 이루어지며, 파장 의존 편광 변환기에 입사되는 광파는 이방성 결정의 결정축과 45°각을 이루게 된다.
본 발명의 파장 의존 편광 변환기는 파장의 변화에 따라 주기적으로 광파의 편광을 변화 시킨다. 파장 의존 편광 변환기를 통과할 때 입력 편광이 그대로 유지되는 파장을 짝수 채널(Even Channels)이라 하고, 파장 의존 편광 변환기가 λ/ 2 파장판(half wave plate)처럼 동작하여 90°회전하게 되는 파장을 홀수 채널(Odd Channels)이라 하면 홀수 채널의 파장(λpo) 및 짝수 채널의 파장(λpe)은 복굴절률과 길이 L에 의해 정해진다.
여기서, ns 과 nf 는 이방성 결정의 결정축에 따른 굴절율이다.
도 4는 본 발명에 따른 비가역 광파장 필터의 개략 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 비가역성 광파장 필터는 비가역성을 지니는 패러데이 편광 회전자(FR: Faraday Rotator), 파장에 따른 편광 상태가 바뀌는 파장 의존 편광 변환기(WDPC: Wavelength Dependent Polarization Converter), 이방성 결정을 이용하여 광파의 편광을 쇄교한 두 편광의 광파로 분리하는 편광 분리기(BC1,BC2: Birefringent Crystal), 입사된 광파를 진행 방향에 따라 회전시키는 가역 편광 회전자(RR: Reciprocal Rotator)로 구성되어 다양한 형태로 구현이 가능하다.
이들 소자들은 표면에서의 광반사를 없애기 위한 무반사 코팅(anti-reflection coating)이 되어 있다. 편광 분리기(BC1,BC2)는 각 단자를 통해 입력되는 임의의 편광을 가진 광파를 쇄교한(orthogonal) 편광의 두 광파로 공간적으로 분리하거나 쇄교한 편광의 두 광파를 결합하는 편광 분리/결합 수단이다.
가역 편광 회전자(RR)는 입사된 광파를 진행 방향에 따라 항상 +45°회전 시키지만, 패러데이(또는 비가역성)편광 회전자(FR)는 +Z 방향으로 진행하는 광파는 +45°회전 시키나 -Z 방향으로 진행하는 광파는 -45°회전 시킨다.
따라서, 광파가 +Z 방향으로 진행하는 광파는 패러데이 편광 회전자(FR)와 가역 편광 회전자(RR)를 지나면 +90°회전을 하지만, -Z 방향으로 진행하는 광파는 가역 편광 회전자(RR)와 패러데이(또는 비가역성)편광 회전자(FR)를 지나면 원래의 편광 상태를 그대로 유지하게 된다.
도 5는 도 4에 도시된 단자 1에서 단자 2로 진행시 통과하는 파장의 광파에 대한 진행 경로 및 편광 상태를 나타낸 도면으로서, 비가역 광파장 필터의 단자 1에 짝수 채널의 광파가 입사된 경우의 광경로와 편광 상태를 나타낸 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 단자(Port)1 또는 단자(Port)2로 입사되는 광파는 렌즈 등을 통하여 평행한 상태로 입사된다.
단자 1로 입사된 짝수 채널의 광파는 편광 분리기(BC1)을 지나면서 정상파 (ordinary wave)와 이상파 (extraordinary wave)로 분리되고, 분리된 쇄교한 편광의 두 광파는 패러데이 편광 회전자(FR) 및 가역 편광 회전자(RR)를 지나면서 +90°회전하고, 파장 의존 편광 변환기(WDPC)에서는 편광의 변화 없이 통과하게 된다.
이후, 두번째 편광 분리기(BC2)를 지나면서 두개의 쇄교한 편광의 광파는 하나로 합쳐저 단자 2로 전달 된다.
도 6은 도 4에 도시된 단자 1에서 단자 2로 진행시 소멸되는 파장의 광파에 대한 진행 경로 및 편광 상태를 나타낸 도면으로서, 비가역 광파장 필터의 단자 1에 홀수 채널의 광파가 입사된 경우의 광경로와 편광 상태를 나타낸 것이다.
도 6를 살펴보면, 입사된 홀수 채널의 광파가 BC1, FR, RR를 지나면서 겪는 광경로 및 편광 상태의 변화는 짝수 채널의 광파의 경우와 같지만, 파장 의존 편광 변환기(WDPC)를 지나면서 홀수 채널은 편광 상태가 90°회전하게 된다.
그리고, 이 두 광파는 두번째 편광 분리기(BC2)를 지나면서 흩어져 소멸된다. 따라서, 단자 1에서 단자 2로는 짝수 채널의 광파만이 전달된다.
도 7 및 도 8은 비가역 광파장 필터의 단자 2에 홀수 채널 및 짝수 채널의 광파가 입사된 경우 광경로 및 편광 상태를 나타낸 것이다.
도 7 및 도 8를 살펴보면, 단자 1에서 입사된 경우와 달리 패러데이 편광 회전자(FR)의 비가역성에 의해 가역 편광 회전자(RR) 및 패러데이 편광 회전자(FR)를지나는 광파의 편광은 바뀌지 않는다.
이로 인해 단자 2에서 단자 1로 홀수 채널의 광파는 전달 되지만 짝수 채널의 광파는 소멸하게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 비가역 광파장 필터에서 단자 1에서 단자 2로는 도 5,6 에 도시된 바와 같이 짝수 채널의 광파만을 전달 하며, 단자 2에서 단자 1로는 도 7,8 에 도시된 바와 같이 홀수 채널의 광파만을 전달하게 된다.
이상에서와 같이, 본 발명의 비가역 광파장 필터는 편광 분리 및 결합, 패러데이 편광 회전자의 비가역성 및 파장 의존 편광 변환기의 파장에 따른 주기적인 편광 상태의 변환에 의해 동작한다.
따라서, 비가역 광파장 필터는 상술한 실시예 이외에 기존의 다양한 형태의 패러데이 편광 회전자를 이용한 광단향관에 파장 의존 편광 변환기를 삽입함으로써 구현이 가능하다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비가역 광파장 필터를 이용한 양방향 광증폭기의 개략 구성도이다.
도 9를 살펴보면, 에르륨 첨가 광섬유(EDF1,EDF2: Erbium Doped Fiber)와, 비가역 광파장 필터(NRWF: Non-Reciprocal Wavelength Filter) 및 중간단소자(ISC: Inter-Stage Component)로 이루어져 있다.
이 때, 성능 향상을 위한 중간단 소자(ISC)로서는 분산 보상 광섬유(DCF: Dispersion Compensation Fiber), 광증폭기 이득 평탄화기(Gain Flattening Filter), 애드-드롭 모듈 등이 가능하다.
이러한 구조는 다단 양방향 광증폭기에 의해 광섬유의 반사광 및 중간단 소자의 삽입으로 인해 발생하는 추가적인 반사광을 억제할 수 있으며, 양방향으로 진행하는 광신호가 중간단 소자를 공유함으로서 경제적인 광증폭기의 구현을 가능하게 한다.
이상에서와 같이, 본 발명에 의한 비가역 광파장 필터 장치에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명에 따른 비가역 광파장 필터는 2단자 사이의 진행 방향에 따라 전달 되는 파장 특성이 다르므로 양방향 파장 분할 다중화 광전송에서 발생하는 다중 반사에 의한 전송 품질 저하를 막을 수 있다.
둘째, 본 발명에 따른 비가역 광파장 필터의 양방향의 통과 파장들은 서로 엇갈리게 배치가 됨으로서 양방향 파장 교대 광전송 방식에 적합하다.
셋째, 본 발명에 따른 비가역 광파장 필터는 양방향 파장 교대 광전송 장치의 광증폭기에 이용이 가능하다. 본 발명에 따른 비가역 광파장 필터를 이용한 광증폭기는 양방향으로 진행하는 광신호들이 중간단 소자를 공유할 수 있게 함으로 광증폭기의 구조를 간단히 만들수 있으며, 경제성을 높일 수 있다.
Claims (11)
- 진행 방향에 따라 서로 다른 주기적인 통과 파장 특성을 갖는 2단자 비가역 광파장 필터에 있어서,단자 1로 입력되는 임의의 편광을 가진 광파는 쇄교한 편광의 두 광파로 공간적으로 분리해 주는 제 1편광 분리수단과 연결되고;상기 제 1편광 분리 수단은 광파의 진행 방향에 따라 서로 다른 방향으로 편광을 회전시키며 비가역성을 갖는 패러데이 편광 회전수단(FR)과 연결되고;상기 패러데이 편광 회전수단은 광파의 진행 방향에 따라 동일한 방향으로 회전시키는 가역 편광 회전수단(RR)과 연결되고;상기 가역 편광 회전수단은 파장에 따라 편광상태가 바뀌는 파장 의존 편광 변환수단(WDPC)으로 구성되고;상기 파장 의존 편광 변환수단은 제 2편광 분리수단과 연결되고, 상기 제 2편광 분리수단은 제 2입출력단과 연결되는 것을 특징으로 하는 비가역 광파장 필터 장치.
- 청구항 1의 비가역 광파장 필터에서단자 1에서 단자 2로의 통과되는 광파의 전달 특성은 파장에 따라 주기적이며 단자 2에서 단자 1로 통과되는 광파의 전달 특성과 서로 엇갈리도록 하여,단자 1에서 단자 2로 통과된 특정 파장의 광파가 반사되어 다시 단자 2에서 단자 1로 진행될 경우에는 감쇄 시키고,단자 2에서 단자 1로 통과된 특정 파장의 광파가 반사되어 다시 단자 2에서 단자 1로 진행될 경우에도 감쇄시키는 동작 특성을 갖도록 하는 비가역 광파장 필터 장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 파장 의존 편광 변환수단은 이방성 결정판으로 구성이 되는 것을 특징으로 하는 비가역 광파장 필터 장치.
- 청구항 3에 있어서, 상기 파장 의존 편광 변환수단은 이방성 결정에 입사되는 광파는 이방성 결정의 결정축에 대해 45°각을 이루는 선형 편광의 광파인 것을 특징으로 하는 비가역 광파장 필터 장치.
- 청구항 3에 있어서, 상기 파장 의존 편광 변환 수단에 입사되는 두개의 쇄교한 선형 편광은 파장에 따라 주기적인 편광 변환을 겪으며, 그 주기는 이방성 결정의 복굴절률과 이방성 결정의 길이에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 비가역 광파장 필터 장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 2단자 비가역 광파장 필터는 광파를 쇄교한 편광의 두 광파로 분리 및 쇄교한 편광의 두 광파를 하나의 광파로 결합하는 편광 분리/ 결합 수단, 입사되는 광파의 편광에 따라 다른 두 광경로의 진행 방향에 따라 회전각을 달리하는 제 1편광 회전수단, 진행 방향에 무관한 제 2편광 회전수단, 통과 되는 파장에 따라 편광의 변환을 달리 하는 제 3편광 회전수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 비가역 광파장 필터 장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 비가역 광파장 필터에서 비가역 편광 회전수단은 제 1편광분리기의 후방에 연결되며, 가역편광 회전수단은 비가역편광 회전수단의 후방에 연결되며, 파장의존편광변환수단은 가역편광 회전수단의 후방에 연결이 되며, 제 2편광분리기는 파장의존편광변환수단의 후방에 연결되고, 제 1편광분리기의 전단 및 제 2편광분리기의 후단은 렌즈를 통해 광섬유와 연결된 것을 특징으로 하는 비가역 광파장 필터 장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 비가역 광파장 필터를 광전송 경로에 위치시켜 양방향 광전송 교대 전송장치에서 발생되는 다중 광반사에 의한 전송 품질 저하를 방지하는 것을 특징으로 하는 비가역 광파장 필터 장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 비가역 광파장 필터를 가지는 양방향 파장 교대 광전송을 위한 양방향 광증폭기로서;제 1증폭단은 비가역 광파장 필터의 한 단자와 연결되고, 비가역 광파장 필터의 다른 한 단자는 제 2증폭단과 연결되는 것을 특징으로 하는 비가역 광파장 필터 장치.
- 청구항 9에 있어서, 상기 비가역 광파장 필터를 가지는 양방향 파장 교대 광전송을 위한 양방향 광증폭기로서;제 1증폭단은 제 1비가역 광파장 필터의 한 단자와 연결되고;상기 제 1비가역 광파장 필터의 다른 한 단자는 중간단 광소자의 한 단자와 연결되고;상기 중간단 광소자의 다른 한 단자는 제 2비가역 광파장 필터의 한 단자와 연결되고;상기 제 2비가역 광파장 필터의 다른 한 단자는 제 2증폭단과 연결된 것을 특징으로 하는 비가역 광파장 필터 장치.
- 청구항 10에 있어서, 상기 중간단 광소자에는 분산 보상 광섬유와, 광증폭기 이득 평탄화기와, 애드-드롭 모듈 등을 가지는 양방향 광증폭기가 적용되는 것을 특징으로 하는 비가역 광파장 필터 장치.
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