KR100389482B1

KR100389482B1 - 실시간 편광상태 파악 및 제어장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR100389482B1
Application number: KR10-2000-0043095A
Authority: KR
Inventors: 신서용
Original assignee: 커미넷 주식회사; 신서용
Priority date: 2000-07-26
Filing date: 2000-07-26
Publication date: 2003-06-27
Also published as: KR20020009318A; WO2002012947A1

Abstract

시간에 따라 무작위적으로 변하는 광의 편광상태를 실시간으로 파악하고 이를 근거로 광의 편광상태를 자유자재로 제어하는 장치 및 방법에 관해 개시하고 있다. 본 발명의 의하면, 기준 광신호의 SOP를 전송 광신호의 SOP와 일치시키는 알고리즘의 개발에 의해 편광제어에 따른 계산시간을 최소화할 수 있으므로 최단시간 내에 편광상태를 파악하고 이를 제어할 수 있다.

Description

실시간 편광상태 파악 및 제어장치 및 그 방법 {Apparatus and method for real-time detection and control of polarization state}

본 발명은 광신호의 편광 제어장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 시간에 따라 무작위적으로 변하는 광의 편광상태를 실시간으로 파악하고 이를 근거로 광의 편광상태를 자유자재로 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 편광제어 시스템은 광섬유 센서, 광 간섭계 및 광통신 시스템에 많이 응용되고 있다. 광섬유를 이용한 광통신 시스템의 일례를 들자면, 좁은 파장대역의 반도체 레이저 광원 등에서 방출된 광이 단일 모드 광섬유를 통해 전파된다. 광 변조기는 상기 단일 모드 광섬유를 통해 전파되는 신호광을 변조시키는데, 광섬유의 고유 복굴절이나 광섬유에 가해지는 열적, 기계적 스트레스에 의해 변조 광신호의 편광상태(State of Polarization; 이하, "SOP")는 광통신 시스템의 수신기에서 시간에 대해 변화하게 된다. 예컨대, 광섬유를 통해 전파되는 선형 편광된 광신호가 수신기에 도달할 때에는 타원편광된 광신호로 바뀌는 경우가 일반적이다. 따라서, 이러한 편광 변화를 보상해 줄 필요가 있다.

도 1에 입력 광신호와 기준광원 광신호의 편광상태에 따른 광파워를 알아보기 위한 시스템의 개략도를 나타내었다. 도 1을 참조하면, 입력 광신호(100)와 기준광원의 광신호(110)가 빔 결합기(120)에 의해 합쳐진 후 광 검출기(130)에 의해 검출된다. 입력 광신호(100)는 통상적으로 광 검출기(130)에서 멀리 떨어진 곳으로부터 광섬유 등의 광도파로를 통해 전송되며, 기준광원의 광신호(110)는 광 검출기(130) 부근에 있는 레이저 광원 등으로부터 출력된다. 검출된 신호는 전자회로(140)에 의해 비트 스트림(bit stream; 150) 형태로 출력된다.

여기서, 입력 광신호(100)와 기준광원의 광신호(110)의 전기장 벡터및는 다음 수학식 1 및 2와 같이 각각 표현된다.

여기서,는 입력 광신호의 주파수,와는 입력 광신호의 진폭 및 위상,는 기준광원 광신호의 주파수,와는 기준광원 광신호의 진폭 및 위상을 각각 나타낸다.

이 때, 입력 광신호(100)와 기준광원 광신호(110)의 SOP가 정확하게 일치한다면, 광검출기(130)에서 검출되는 광파워는 다음 수학식 3과 같이 표현된다.

단, 여기서,,이며, K는 상수이다.

그러나, 입력 광신호(100)와 기준광원 광신호(110)의 SOP가 정확하게 일치하지 않는다면, 수학식 3의 광파워는 다음 수학식 4와 같이 표현된다.

수학식 3과 수학식 4의 차이점은 수학식 4에라는 별도의 항이 더 내포된다는 것인데,와를 입력 광신호(100)와 기준광원 광신호(110)의 편광방향에 대한 단위벡터라고 각각 정의하면,는와간의 각도를 나타낸다.

도 2에 현재 가장 실용화에 근접한 무한 편광 제어방식의 개념도를 나타낸다. 도 2에서 도 1의 구성요소와 동일한 것은 동일 참조번호로 표시하였다. 도 2를 참조하면, 광섬유(80)에 의해 전송된 광신호(100)는 기준 광원(90)의 출력 광신호(110)와 빔 결합기(120a)에서 합쳐진다. 기준 광원(90)의 출력 광신호(110)의 편광을 조절하기 위한 제1 편광조절기(95)가 기준 광원(90)의 다음 단에 마련된다. 합쳐진 전송 광신호(100)와 기준 광원(90)의 출력 광신호(110)는 빔 분할기(120b)를 거치며, 그 일부는 이를 원하는 SOP로 바꾸기 위한 제2 편광조절기(160)로 보내진다. 빔 분할기(120b)에서 나뉘어진 나머지 광신호(112)는 광 검출기(130)에 의해 검출된다. 중앙처리장치(145)는 광 검출기(130)의 검출결과에 따라 동작하며, 제1 편광조절기(95)에 제어신호를 보내어 전송 광신호(100)의 SOP에 따라 기준 광원 출력 광신호(110)의 SOP를 변환시켜 두 신호의 편광이 일치하도록 해준다. 또한, 중앙처리장치(145)의 제어 알고리즘에 따른 결과에 의해 제2 편광조절기(160)에 전압을 가하여 전송 광신호(100)의 편광을 원하는 상태로 바꾸어준다.

이와 같은 편광조절을 위한 초기의 방법에서는 광섬유에 기계적인 자극을 가해 광섬유의 복굴절이 변하게 하는 방식을 이용하였다. 따라서, 기계적으로 복굴절을 변화시키기 위해 모터를 사용하거나 PZT(piezoelectric transducer) 등을 사용하였으나 광섬유 자체에 가해지는 연속적인 기계적 자극으로 인해 손상이 발생하기도 하고 복굴절 변화가 온도에 민감하게 반응하는 등 안정된 편광조절에는 어려움이 있었다. 또한, 편광조절기의 동작속도가 모터나 PZT의 반응속도에 의해 좌우되므로 그 동작에 수 초 이상이 걸린다는 문제점이 있었다. 그 외의 편광조절방법에서는 전기광학 결정(electro-optic crystal), 패러데이 회전기(Faraday rotator), 회전 파장판 등을 사용하기도 하는데, 이러한 방법에 의하면 공정이 복잡하고 기계적인 동작이 일정치 않으며 동작 전압 혹은 전류가 너무 높다는 단점이 발생한다. 또는, 리튬 니오베이트(LiNbO₃)를 사용한 광집적 소자를 이용해 무한 편광조절을 실현하고자 노력하고 있으나, 이 방법에 의하더라도 삽입손실이 크고 반사 및 dc 드리프트(drift) 등의 많은 문제점이 있다.

이어서, 본 발명에 사용되는 파라미터들의 정의를 알아보기 위해 편광문제를 분석하고 이를 계산하는 방법에 대해 살펴본다.

[편광문제 분석 및 계산방법]

편광기(polarizer), 회전기(rotator), 혹은 지연기(retarder) 등을 이용하여 편광을 제어할 때, 정성적인 이해를 위해서는 뿌앵꺄레(Poincare) 구가 사용되며, 정량적인 계산을 위해서는 존스 행렬(Jones matrix)이나 뮬러 행렬(Muller matrix)과 같은 행렬 계산방법이 사용된다.

이러한 방법을 사용하면 편광문제가 간단한 행렬 계산으로 단순해지며 또한 일일이 복잡한 물리현상을 고찰할 필요가 없어져 실수를 범할 확률이 적어지게 된다.

뿌앵꺄레 구의 적도(equator)는 선형 편광상태를 의미하며 각 극(pole)은 우향 혹은 좌향으로 원형 편광된 상태를 의미한다. 구의 그 밖의 부분에 점이 위치하면 타원 편광상태임을 의미한다. 구의 반지름은 빛의 강도를 의미한다. 뿌앵꺄레구 상에서의 SOP는 S₀, S₁, S₂, S₃파라미터로 구성된 스톡스 벡터(Stokes vector) [S₀, S₁, S₂, S₃]^-1를 사용하여 표현한다. 도 3은 뿌앵꺄레 구와 뿌앵꺄레 구 상에서의 스톡스 파라미터를 나타낸 것이다.

여기서, S₀는 빛의 강도를 의미하며 뿌앵꺄레 구의 반지름에 해당한다. S₀는 항상 일정한 크기, 예를 들어 1값을 갖는다고 가정할 때 생략이 가능하다. S₁은 빛의 수평 편광성분과 수직 편광성분 크기의 차(difference)를 의미하여 S₁이 0보다 크면 빛이 수평 편광에 가깝고 0보다 작으면 수직 편광에 가까움을 의미한다. S₂는 빛의 편광이 어느 쪽으로 45°기울어졌는가를 의미한다. 즉, S₁가 0보다 크면 +45°, 0보다 작으면 -45°기울어져 있음을 의미한다. S₃가 0보다 크면 빛이 우향 편광되었음을, 0보다 작으면 좌향 편광되었음을 의미한다. 이러한 스톡스 파라미터는 구좌표계 (S0, 2χ, 2ψ)를 사용하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

여기서 χ(chi)는 타원율, ψ(psi)는 편광각을 의미한다. 따라서 빛의 스톡스 파라미터 값을 알면 수학식 5로부터 타원율과 편광각을 구할 수 있으며 이를 이용해 빛의 편광상태를 뿌앵꺄레 구상의 점으로 표현할 수 있다. 도 4는 구좌표계(S0, 2χ, 2ψ)를 이용하여 스톡스 파라미터를 표현할 수 있음을 나타낸 도면이다. 혹은 이와 반대로 타원율과 편광각을 알면 빛의 스톡스 파라미터 값을 알 수 있다.

입력 광신호의 SOP가 뿌앵꺄레 구상에서 Q_sig(S0, 2χ, 2ψ)로 표현되고 기준광원 광신호의 SOP가 Q_LO(S0', 2χ', 2ψ')로 표현될 때 이 두 성분간의 각도는 다음 수학식 6과 같이 주어진다.

따라서 이를 이용하여 수학식 4와 α=γ/2 라는 관계[참조; P. E. 그린 주니어, "광섬유 네트워크", 프렌티스 홀 출판사, 1993, 제3장]로부터 수신부에서의 수신 파워를 계산할 수 있게 된다. 빛의 편광상태를 행렬을 이용해 나타내는 대표적인 방법으로 존스 행렬과 뮬러행렬이 있으나 스톡스 벡터와 함께 사용하여 빛의 편광 문제를 분석할 때에는 네 개의 파라미터로 구성된 스톡스 벡터에 일치되게 하기 위해 2×2로 구성된 존스 행렬보다는 4×4로 구성된 뮬러 행렬을 사용한다. 선형 위상지연기를 사용하여 빛의 SOP를 변화시킬 때 이를 뮬러 행렬을 이용하여 나타내면 다음 수학식 7과 같다.

여기서, M_β(δ)은 뮬러 행렬, β는 광 위상지연기가 광축에 대해 틀어진 각도, δ는 지연기에 의한 위상 지연값,은 입력 광신호 SOP의 스톡스 벡터,은 출력광 SOP의 스톡스 벡터를 각각 나타낸다.

특히 위상 지연기로 액정(liquid crystal)을 사용한 경우 M_β(δ)은 다음 수학식 8과 같이 표현된다.

여기서 C₂=cos2β, S₂=sin2β이다. 따라서 여러 개의 광 위상지연기로 구성된 편광조절기를 사용하여 빛, 특히 기준광원의 출력광의 SOP를 바꿀 경우 수학식 7을 이용하여 계산할 수 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 기준 광신호의 SOP를 전송 광신호의 SOP와 일치시키는 알고리즘의 개발에 의해 편광제어에 따른 계산시간을 최소화하는 실시간 편광상태 파악 및 제어방법 및 그 장치를 제공하는 데 있다.

도 1은 입력 광신호와 기준광원의 광신호의 편광상태에 따른 광파워의 변화를 알아보기 위한 시스템의 개략도;

도 2는 무한 편광 제어방식의 개념도;

도 3은 빛의 편광을 조절할 때 이의 분석에 쓰이는 뿌앵꺄레 구와 뿌앵꺄레 구 상에서의 스톡스 파라미터를 나타낸 도면;

도 4는 구좌표계(S0, 2χ, 2ψ)를 이용하여 스톡스 파라미터를 표현할 수 있음을 나타낸 도면;

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 실시간 편광상태 파악 및 제어장치의 개략적 구성도;

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 실시간 편광상태 파악 및 제어장치에 사용되는 편광조절기를 구성하는 4개의 액정 광 위상지연기 중 하나의 단면도;

도 7은 도 6의 액정 광 위상지연기에 외부 전압이 인가되었을 때의 동작을 나타내는 도면;

도 8은 도 6의 액정 광 위상지연기의 인가전압에 따른 위상지연 관계를 나타낸 그래프;

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 실시간 편광상태 파악 및 제어장치에 사용되는, 4개의 액정 광 위상지연기로 구성된 편광조절기의 개략도;

도 10은 도 9의 편광조절기가 편광조절을 행하는 과정을 뿌앵꺄레 구에서 나타낸 도면;

도 11은 본 발명의 편광제어 장치에서 실행되는 편광상태 파악 및 제어를 위한 알고리즘을 나타낸 순서도;

도 12는 비교 기준점의 이동을 나타내기 위한 도면;

도 13은 도 12의 2차원 원을 네 조각으로 나눈 후 입력신호의 편광점이 원상의 어느 4분원에 위치하는가를 알아내는 과정을 설명하기 위한 도면; 및

도 14는 본 발명의 장치를 상품화한 실시간 자동 편광제어기의 외관도이다.

상기 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 실시간 편광상태 파악 및 제어장치는: 입력광 신호의 편광상태를 파악 및 제어하기 위한 기준광 신호를 발생시키는 기준광원과; 상기 기준광 신호의 편광을 조절하기 위한 제1 편광조절기와; 편광 조절된 상기 기준광 신호를 임의의 편광상태의 입력광 신호와 합쳐주기 위한 커플러와; 합쳐진 상기 입력광 신호와 기준광 신호의 일부를 분기시키는 분기수단과; 상기 분기수단에서 나오는 상기 입력광 신호와 기준광 신호의 비팅신호를 검출하기 위한 광 검출수단과; 상기 광 검출수단에서 검출된 비팅신호를 증폭하는 수단과; 상기 증폭된 비팅신호를 디지털화시키는 A/D 변환기와; 상기 디지털화된 비팅신호를 컴퓨터에서 처리할 수 있도록 해주는 마이크로 콘트롤 유닛 및 시리얼 포트와; 상기 입력광 신호의 편광상태에 해당하는 제1 편광조절기 조절값을 알아내기 위해, (a) 입력광 신호의 파워정보를 입력받는 단계와, (b) 입력 광신호의 편광상태가 뿌앵꺄레 구상에서 (S0, 2χ, 2ψ)로 표현되고, 기준광 신호의 편광상태가 (S0', 2χ', 2ψ')로 표현될 때,의 식으로 나타나는 두 성분 간의 각도 γ를 반경으로 하고 타원율과 편광각이 0인 점을 기준점으로 하는 원 상에서, 상기 제1 편광조절기를 조절하여 편광상태 기준점을 이동시키면서 이동 전의 파워값과 이동 후의 파워값을 비교하는 방향설정하기를 실행하여 입력 광신호가 존재하는 4분원의 위치를 파악하는 단계와, (c) 타원율과 편광각이 변화하도록 상기 제1 편광조절기를 조절하여, 이동된 상기 기준점으로부터 상기 4분원 내의 점을 검색하여 상기 출력단에서 나오는, 입력광 신호와 기준 광신호의 합산 신호의 파워가 최대값이 되는 점을 알아내는 단계로 이루어진, 편광파악 알고리즘을 실행하는 컴퓨터와; 상기 컴퓨터에 의해 알아낸 제1 편광조절기 조절값에 해당하는 전압을 상기 제1 편광조절기에 인가하는 한편, 입력광 신호의 편광상태가 원하는 상태로 되도록 입력광 신호의 출력단에 위치한 제2 편광조절기에 전압을 인가하는 데이터 어큐지션 보드를 구비하는 것을 특징으로 한다. 단, 여기서, S0는 입력광의 강도, χ는 입력광에 대한 타원율, ψ는 입력광에 대한 편광각, S0'는 기준광의 강도, χ'는 기준광에 대한 타원율, ψ'는 기준광에 대한 편광각을 각각 나타낸다.

상기 장치에 있어서, 상기 기준광원으로부터 나오는 기준광 신호가 상기 입력 광신호와 동일한 파장을 갖는 신호이며, 상기 기준광 신호와 입력광 신호가 소정의 비팅신호를 발생하도록 상기 기준광원의 온도를 가변제어하는 온도제어기가더 마련되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1 및 제2 편광조절기가, 4개의 일렬로 정렬된 액정 광 위상지연기들로 각각 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 기준광원은, DFB-LD 또는 파장가변 레이저로 구성할 수 있다.

한편, 상기한 장치를 이용한 실시간 편광상태 파악 및 제어방법은: 입력광 신호의 파워정보를 입력받는 단계와; 입력 광신호의 편광상태가 뿌앵꺄레 구상에서 (S0, 2χ, 2ψ)로 표현되고, 기준광 신호의 편광상태가 (S0', 2χ', 2ψ')로 표현될 때,의 식으로 나타나는 두 성분 간의 각도 γ를 반경으로 하고 타원율과 편광각이 0인 점을 기준점으로 하는 원 상에서, 상기 제1 편광조절기를 조절하여 편광상태 기준점을 이동시키면서 이동 전의 파워값과 이동 후의 파워값을 비교하는 방향설정하기를 실행하여 입력 광신호가 존재하는 4분원의 위치를 파악하는 단계와; 타원율과 편광각이 변화하도록 상기 제1 편광조절기를 조절하여, 이동된 상기 기준점으로부터 상기 4분원 내의 점을 검색하여 상기 출력단에서 나오는, 입력광 신호와 기준 광신호의 합산 신호의 파워가 최대값이 되는 점을 알아내는 단계와; 상기 최대값을 나타내는 점으로부터 입력 광신호의 편광상태를 알아낸 후, 상기 제2 편광조절기를 조절하여 상기 입력 광신호의 편광을 원하는 상태로 조절하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 실시간 편광상태 파악 및 제어장치의 개략적 구성도이다. 도 5의 장치에서, 입력신호(500)는 임의의 파장을 갖기 때문에 기준광원(510)은 입력신호(500)와 같은 파장을 사용하였으며, 비팅 신호(beating signal)의 주파수가 약 2㎓가 되도록 온도제어기(512)를 이용하여 기준광원(510)의 온도를 조절함으로써 파장을 변화시켰다. 기준광원(510)에서 나오는 광의 편광은 4개의 액정 광위상 지연기로 구성된 제1 편광조절기(520)를 통해 변환되고 커플러를 통해 합쳐진 입력신호(500)와 기준광원의 광신호는 3GHz 핀 광 다이오드(pin photodiode; 530)를 통해 검출된다. 검출된 비팅 신호는 미약한 신호이기 때문에 증폭기(540)에 의해 증폭된 후 일부는 비팅 신호를 모니터링하는 장치(542)로 입력되고, 나머지 일부는 A/D변환기(550)를 거쳐 MCU(Micro Control Unit; 560)로 입력된다. MCU(560)에서 출력되는 신호는 MCU(560)의 UART(Universal Asynchronous Receiver and Transmitter)라 부르는 시리얼포트(570)를 이용하여 컴퓨터(575)에서 본 발명의 방법에 포함된 편광파악 알고리즘이 수행되게끔 비팅신호의 정보를 전달한다. 편광파악 알고리즘에 의해 컴퓨터(575)를 실행시켜 입력신호(500)의 편광상태에 해당하는 액정 인가 전압값을 알아낸다. 그리고 이 값을 DAQ(Data Acquisition Board; 580)를 통해 제1 편광조절기(520)에 전압을 인가하여 기준광원(510)의 편광을 조절한다. 커플러를 통해 합쳐진 입력신호(500)와 기준광원 신호를 광 다이오드(530)에 의해 검출함으로써 궤환(Feedback)을 하게 되고 그 결과 기준광원(510)의 편광상태를 입력신호(500)의 편광상태에 맞추어 줌으로써 입력신호(500)의 편광상태를 파악하고 출력신호(595)로 출력되는 단자의 앞단에 위치한 4개의 액정 광 위상지연기로 이루어진 제2 편광조절기(590)에 전압을 인가하여 입력신호의 편광을 원하는 값으로 제어하게 된다. 필드에서 사용될 경우 기준광원(510)은 입력신호(500)와 같은 파장을 갖는 DFB-LD(Distributed Feed Back Laser Diode)를 이용하고, 연구소와 같이 특정 입력신호의 편광을 파악하거나 제어하기 위해서는 파장가변 레이저(Wavelength Tunable Laser)를 이용할 수 있게끔 한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 실시간 편광상태 파악 및 제어장치에 사용되는 편광조절기를 구성하는 4개의 액정 광 위상지연기 중 하나의 단면도이다. 사용된 액정(600)은 평행으로 정렬된 네마틱(nematic) 액정으로서, 이는 투명한 ITO(Indium- Tin-Oxide) 전극(610)으로 코팅된 두 개의 유리판(620) 사이에 약 10∼15㎛ 두께로 삽입되어 있다. ITO 전극(610)과 유리판(620) 사이에는 폴리머층(630)이 위치하며, 두 개의 유리판의 간격을 유지하기 위한 스페이서(640)가 유리판(620)의 테두리에 마련된다.

도 7은 도 6의 액정 광 위상지연기에 외부 전압이 인가되었을 때의 동작을 나타내는 도면이다. 도 7의 경우 도 6과 동일한 구성요소를 가지므로 참조번호를 생략한다. 도 7에서, (a)는 외부전압이 인가되지 않았을 때, (b)는 약한 전압의 인가시, (c)는 강한 전압의 인가 시를 각각 나타낸다. 인가 전압이 액정의 임계전압, 즉 액정입자(molecule)가 회전하기 시작하는데 필요한 전압보다 크게 되어 액정입자가 θ만큼 회전하면 액정의 이상(extraordinary) 굴절률 n_e가 n_e(θ)로 변하게 된다. 이 때 인가 전압에 의한 액정입자 회전각도 θ와, θ에 의한 n_e의 변화 n_e(θ)는 다음의 수학식 9와 10으로 각각 표현할 수 있다.

여기서 V는 인가 전압, V_th는 액정의 임계전압, V₀는 상수, n₀는 정상 굴절률, n_e는 이상굴절률을 각각 나타낸다. 한편, 인가전압에 따라 액정의 복굴절의 변화량인 n_e(θ)-n_o은 그 값이 변화하게 되며 이때 이로 인한 광 위상지연은 다음 수학식 11과 같이 표현된다.

여기서 λ는 빛의 파장, d는 액정층의 두께를 의미한다. 본 실시예에 사용된 편광조절기의 구성요소인 액정 광 위상지연기는 ne=1.8160, no=1.5300의 특성을 가지는 액정(모델명:BL006)을 선택하였는데, 그 임계전압은 2V, 두께는 10㎛였다.

사용하는 빛의 파장이 1550㎚일 때, 상기 액정 광 위상지연기의 인가전압에 따른 위상지연 관계를 도 8에 나타내었다. 따라서 이 관계와 수학식 7 및 8로부터 액정에 걸어주는 인가전압의 변화에 따른 스톡스 파라미터의 변화 즉, 편광의 변화를 이끌어낼 수 있다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 실시간 편광상태 파악 및 제어장치에 사용되는, 4개의 액정 광 위상지연기로 구성된 편광조절기의 개략도이다.

무한 편광제어를 위한 종래기술에서는 임의의 SOP를 생성하기 위해 두 개 혹은 세 개의 복굴절 변환기를 사용하고 있다. 이론적으로 적어도 세 개의 변환기만 있으면 임의의 SOP에 대해서도 이를 원하는 SOP로 변환시킬 수 있다. 이는 뿌앵꺄레 구 상에서 임의의 점을 원하는 임의의 점으로 이동시키는 것을 생각하면 쉽게 이해가 된다. 그러나, 대부분의 복굴절 변환 장치는 그 동작범위에 한계가 있으며 이로 인해 뿌앵꺄레 구 상의 특정의 점으로 SOP를 이동시킬 때 세 개의 복굴절 변환기 가운데 하나가 동작 범위 한계에 다다를 가능성이 있다. 이를 해결하기 위해 하나의 복굴절 변환기를 더 추가하여 4개를 사용한다. 따라서, 도 9에는 4개의 액정 광 위상지연기(800, 810, 820, 830)로 구성된 편광조절기를 도시하였다. 각각의 위상지연기에는 그 복굴절 변환량을 조절하기 위해 외부 전압이 인가된다.

도 9의 편광조절기를 뿌앵꺄레 구를 사용하여 설명하기로 한다. 도 10은 도 9의 편광조절기가 편광조절을 행하는 과정을 뿌앵꺄레 구에서 나타낸 도면이다. 도 10에서와 같이 수평 및 수직 선형 편광 성분을 각각 H와 V로, +45°및 -45°선형 편광 성분을 각각 P와 Q로, 좌향 및 우향 원형 편광 성분을 각각 L과 R로 나타내자. 도 10에서 점선은 네 개의 액정 광지연기를 사용하여 임의의 SOP 점 A를 원하는 SOP 점 E로 변환시켜 나가는 과정을 보여주고 있다. 이는 먼저 도 9의 제1 광지연기(800)에 의해 구의 HV 축을 회전축으로 해서 점 A를 점 B로 이동시키고 제2 광지연기(810)에 의해 PQ 축을 중심으로 C로 이동시키며 제3 광지연기(820)에 의해 다시 HV 축을 회전축으로 하여 점 D로, 그리고 마지막으로 제4 광지연기(830)에 의해 다시 PQ 축을 중심으로 원하는 SOP 점 E로 이동시키는 것이다. 이와 같이 제1 및 제3 광지연기(800, 820)는 HV 축을 중심으로 그리고 제2 및 제4 광지연기(810, 830)는 PQ 축을 중심으로 SOP 점을 이동시키기 위해 도 9에서와 같이 그 배열을 서로 π/4 만큼씩 어긋나게 하였다. 본 실시예에서는 도 8의 관계를 나타내는 액정을 포함하는 광지연기를 사용하였다. 도 8에서와 같이 인가전압의 변화에 따른 광위상지연의 최대범위는 3.5π 이상이 된다. 그러나, 안정적인 동작을 보장하기 위해 동작범위를 ±π로 제한하였고 이는 편광제어를 위해 확보하여야할 광 위상지연 범위를 만족시킨다.

즉, 도 9에 도시한 편광조절기를 광통신 시스템의 수신부에 적용하면, 종래기술에서 광섬유 압착을 위해 모터를 돌리거나 PZT를 변화시키는 데 걸리는 수 초보다 1000배 이상 빠른 수 밀리초(㎳)로 편광변화를 시킬 수 있다. 일반적으로 전송신호의 SOP는 수 백 km에 걸쳐 포설된 광케이블에 대해 수 시간 내지는 수 일에 걸쳐 변화하기 때문에, 수 초대의 편광조절 속도로도 충분하지만 광케이블의 유지 보수를 위해 케이블에 의도적인 충격이 가해진 경우 밀리초 단위의 편광조절이 수반되어야 한다. 따라서 이러한 경우 액정 광지연기로 이루어진 편광조절기를 사용함으로써 그 목적을 달성할 수 있게 된다.

또한, 광지연을 위한 복굴절 변환기로 액정을 사용하면 그 동작범위가 다른 장치에 비해 넓어 SOP 변환에 여유가 있기 때문에 광통신 수신 시스템의 운용이 안정적이다.

상기한 바와 같은 편광조절기가 포함된, 도 5의 편광상태 파악 및 제어장치의 작동에 있어서, 본 발명자는, 편광제어의 원리에 입각해서 기준광(Reference Light Source) 신호의 SOP를 입력신호의 SOP와 일치시키는 알고리즘의 개발에 의해 편광제어에 따른 계산시간을 최소화하는 방법을 개발하였다. 수신단에서 SOP의 일치를 확인할 수 있는 유일한 정보는 수학식 4에 나타난 바와 같이 수신 신호의 파워값이다. 따라서, 이 편광제어 알고리즘에서는 수신신호의 파워값을 이용하여 수신되는 SOP를 보다 빨리 찾는 것을 목표로 한다.

[편광제어 알고리즘]

편광제어 알고리즘의 구성은 아래의 기재와 같이 편광파악 알고리즘과 이를 이용하여 편광을 제어하는 과정으로 이루어진다.

임의의 광신호의 편광은 도 4에 도시한 바와 같이 타원율 χ와 편광각 ψ로 표현된다. χ와 ψ의 각도가 0인 지점의 편광을 기준점으로 정한다면 뿌앵꺄레 구상의 임의의 점, 즉, 임의의 편광은 수학식 6과 같이 두 점간의 각도인 γ로 표현될 수 있다. 따라서, 뿌앵꺄레 구 상의 모든 점은 χ와 ψ의 각도가 0인 점을 기준으로 모두 다른 γ값으로 나타내진다. 이 때, 기준광 신호의 χ와 ψ의 값이 0이 되기 때문에 결국 수학식 6은 반지름이 γ인 2차원 원을 나타내게 되며, 결국 입력신호의 SOP는 2차원 원의 한 점을 나타내게 된다. 이러한 개념을 바탕으로 먼저 구 상의 각 점을 1도 간격으로 설정한다면, 입력신호의 SOP는 2차원 원의 한 점을 나타내기 때문에 입력신호의 SOP를 찾기 위해서 구상의 180 ×360 개의 모든 점을 검색할 필요가 없고, 2차원 원의 360개의 값에 대해서만 검색하게 된다. 이 때, 최단 시간 내에 입력신호의 SOP를 찾기 위해 방향설정하기(Dithering)를 통해 새로운 기준점을 설정한 후, 입력신호의 SOP를 찾게 된다. 입력신호의 SOP가 파악되면, 이값을 바탕으로 입력신호의 편광을 제어 할 수 있다.

도 11의 순서도(Flow Chart)에 실시간 자동 편광상태 파악 및 제어를 위한 알고리즘을 나타내었다. 도 11을 참조하면, 우선 입력신호의 파워 정보를 입력받은 후(S1110), χ와 ψ의 각도가 0인 기준점을 중심으로 같은 파워값을 갖는 구상의 점, 즉 도 12에서 보는 바와 같이 동일 반경의 원 상에 360개(2차원 원주상 1도 간격으로 늘어선 점의 개수)의 점을 파악한다. 이 때의 전제는 입력 광신호 및 기준 광신호 각각의 파워값은 미리 알 수 있다는 것으로 한다.

이어서, 입력신호의 SOP의 본격적인 찾기 작업에 앞서 방향설정하기(dithering) 작업이 먼저 수행된다. 즉, 도 13에서처럼 2차원 원을 네 조각으로 나눈 후 입력신호의 편광점이 원상의 어느 곳에 위치하는가를 모르는 상황에서 도 12의 비교 기준점 A(χ와 ψ의 각도가 0인 점)를 HV축을 따라 기준점 우측으로 이동 시킨 후, 파워값(P_new)을 측정하고 기준점을 이동하기 전 신호의 파워(P_old)와 비교한 후, 비교 기준점을 다시 PQ축을 따라 위로 움직여 파워값(P_new)을 측정한다(S1120).

기준점을 이동한 후의 신호의 파워값(P_new)과 이동하기 전 신호의 파워값(P_old)을 서로 비교해 1/4 원 상에 입력된 빛의 편광점이 존재함을 알 수 있게 된다. 이렇게 함으로써 원 전체를 대상으로 찾기 작업을 하는 수고를 1/4로 줄일 수 있게 되는데, 이는 편광제어 시스템의 동작 속도 개선을 의미한다. 이 때, 파워값과 편광점의 관계는 다음과 같다.

우선, 기준점을 HV축을 따라 기준점 우측으로 이동시켜 파워값을 비교.

1) P_newP_old인 경우 I 사분면 또는 IV 사분면에 입력신호의 SOP존재.

1-1) 기준점을 PQ축을 따라 기준점 위로 이동 시켜, 파워값을 비교하는 경우.

1-1-1) P_newP_old인 경우 I 사분면에 입력신호의 SOP존재.

1-1-2) P_new<P_old인 경우 IV 사분면에 입력신호의 SOP존재.

2) P_new<P_old인 경우 II 사분면 또는 III 사분면에 입력신호의 SOP존재.

2-1) 기준점을 PQ축을 따라 기준점 위로 이동 시켜, 파워값을 비교하는 경우.

2-1-1) P_newP_old인 경우 II 사분면 입력신호의 SOP존재.

2-1-2) P_new<P_old인 경우 III 사분면에 입력신호의 SOP존재.

방향설정작업에 의해 기준점을 설정한 후, 입력신호의 편광점이 존재하는 1/4 원 상에서 정확한 점을 찾아가는 작업은 도 12의 점 A, B, C의 예를 이용해 설명하고자 한다. 이 예에서는 방향설정 작업 결과, 편광점 찾기 작업 대상의 구는 평면상 2사분면에 위치한다. 이 경우, B점을 새로운 기준점으로 설정하고 이 기준점에서부터 C점으로 다가가면서, 즉, χ와 ψ의 각도를 변화시키면서(S1140) 광파워를 비교해 나간다(S1150). 이 과정에서 최대의 광파워를 얻게 되면 바로 그 점이 수신된 빛의 정확한 편광점임을 의미한다. 이와 같이 최단 시간 내에 찾기(Peak-Search) 알고리즘을 적용하여 광 파워값만이 유일한 정보인 상황에서 입력신호의 편광 성분인 타원율과 편광각 값을 얻을 수 있게 된다(S1160). 이와 같은 방법으로입력신호의 SOP의 파악한 후, 수신단의 액정 편광제어기를 이용하여 입력신호의 편광을 제어 할 수 있게 된다(S1170).

이상에서 설명한 알고리즘의 특징은 기준 광신호의 편광상태를 입력 광신호의 편광상태에 일치가 되게 편광을 제어하는 과정에서 방향 설정작업(dithering) 이외에는 직접적으로 편광조절기를 동작시키지 않는다는 것이다. 이에 반해, 종래의 궤환(feedback) 알고리즘에서는 정확한 편광상태값을 알 때까지 궤환을 통해 반복적으로 편광조절기를 동작시킨다. 편광조절기의 동작횟수가 적다는 것은 그만큼 전체 제어시스템의 동작속도가 빠르다는 것을 의미한다. 따라서, 본 발명의 방법은 광 위상지연기로 사용되는 물질(액정)의 우월할 특성과 빠른 제어 알고리즘 측면에서 종래의 편광 제어방법에 비해 상당히 개선된 것임을 알 수 있다.

도 14는 본 발명의 장치를 상품화한 실시간 자동 편광제어기의 외관도이다. 상품 안에는 도 5의 장치 구성도에 도시된 컴퓨터(PC)가 있고 이 컴퓨터에는 사용자 친화 접속(User Friendly Interface) 환경을 위해 윈도우(상표명) 상에서 작동하도록 프로그램을 장착하였다. 또한 이 컴퓨터는 실시간 자동 편광제어기의 핵심으로써 모든 하드웨어를 중앙에서 조절하게 해준다. 도 14에 도시된 화면은 컴퓨터 윈도우 환경에서 실시간 자동 편광제어기의 제어 알고리즘이 적용되는 과정을 뿌앵꺄레 구 상에서 보여주고 있다. 화면의 오른쪽 상단 부분에서는 입력광 신호와 기준광 신호의 파워 정보를 입력받는 부분과 제어 알고리즘을 적용시키는 버튼이 있고, 오른쪽 하단 부분에는 편광제어기인 액정 광 위상지연기에 인가되어야 할 전압값을 보여주고 있다. 화면에 보이는 뿌앵꺄레 구 상에서는 제어 알고리즘이 적용되어, 입력광 신호의 임의의(random) SOP를 기준광 신호의 SOP가 추적해 나가는 궤적과 전송신호의 SOP를 파악한 후, 전송신호의 SOP를 사용자가 원하는 SOP로 옮겨가는 궤적을 실시간 자동으로 보여준다. 뿌앵꺄레 구 밑부분에 보이는 부분은 전송신호와 기준광 신호의 SOP의 변화에 따른 파워의 값을 보여주는 부분이다. 이러한 제어 알고리즘의 수행 속도는 450MHz 펜티움 III(상표명) 컴퓨터를 이용한 경우 수 마이크로초에 불과하다.

본 발명에 의하면, 기준 광신호의 SOP를 전송 광신호의 SOP와 일치시키는 알고리즘의 개발에 의해 편광제어에 따른 계산시간을 최소화할 수 있으므로 최단시간 내에 편광상태를 파악하고 이를 제어할 수 있다.

Claims

입력광 신호의 편광상태를 파악 및 제어하기 위한 기준광 신호를 발생시키는 기준광원과;

상기 기준광 신호의 편광을 조절하기 위한 제1 편광조절기와;

편광 조절된 상기 기준광 신호를 임의의 편광상태의 입력광 신호와 합쳐주기 위한 커플러와;

합쳐진 상기 입력광 신호와 기준광 신호의 일부를 분기시키는 분기수단과;

상기 분기수단에서 나오는 상기 입력광 신호와 기준광 신호의 비팅신호를 검출하기 위한 광 검출수단과;

상기 광 검출수단에서 검출된 비팅신호를 증폭하는 수단과;

상기 증폭된 비팅신호를 디지털화시키는 A/D 변환기와;

상기 디지털화된 비팅신호를 컴퓨터에서 처리할 수 있도록 해주는 마이크로 콘트롤 유닛 및 시리얼 포트와;

상기 입력광 신호의 편광상태에 해당하는 제1 편광조절기 조절값을 알아내기 위해, (a) 입력광 신호의 파워정보를 입력받는 단계와, (b) 입력 광신호의 편광상태가 뿌앵꺄레 구상에서 (S0, 2χ, 2ψ)로 표현되고, 기준광 신호의 편광상태가 (S0', 2χ', 2ψ')로 표현될 때,의 식으로 나타나는 두 성분 간의 각도 γ를 반경으로 하고 타원율과 편광각이 0인 점을 기준점으로 하는 원 상에서, 상기 제1 편광조절기를 조절하여 편광상태 기준점을 이동시키면서 이동 전의 파워값과 이동 후의 파워값을 비교하는 방향설정하기를 실행하여 입력 광신호가 존재하는 4분원의 위치를 파악하는 단계와, (c) 타원율과 편광각이 변화하도록 상기 제1 편광조절기를 조절하여, 이동된 상기 기준점으로부터 상기 4분원 내의 점을 검색하여 상기 출력단에서 나오는, 입력광 신호와 기준 광신호의 합산 신호의 파워가 최대값이 되는 점을 알아내는 단계로 이루어진, 편광파악 알고리즘을 실행하는 컴퓨터와;

상기 컴퓨터에 의해 알아낸 제1 편광조절기 조절값에 해당하는 전압을 상기 제1 편광조절기에 인가하는 한편, 입력광 신호의 편광상태가 원하는 상태로 되도록 입력광 신호의 출력단에 위치한 제2 편광조절기에 전압을 인가하는 데이터 어큐지션 보드를 구비하는 실시간 편광상태 파악 및 제어장치, 단, S0는 입력광의 강도, χ는 입력광에 대한 타원율, ψ는 입력광에 대한 편광각, S0'는 기준광의 강도, χ'는 기준광에 대한 타원율, ψ'는 기준광에 대한 편광각을 각각 나타냄.
제1항에 있어서, 상기 기준광원으로부터 나오는 기준광 신호가 상기 입력 광신호와 동일한 파장을 갖는 신호이며, 상기 기준광 신호와 입력광 신호가 소정의 비팅신호를 발생하도록 상기 기준광원의 온도를 가변제어하는 온도제어기가 더 마련된 것을 특징으로 하는 실시간 편광상태 파악 및 제어장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 편광조절기가, 4개의 일렬로 정렬된 액정 광 위상지연기들로 각각 이루어진 것을 특징으로 하는 실시간 편광상태 파악 및 제어장치.
제1항에 있어서, 상기 기준광원이, DFB-LD 또는 파장가변 레이저인 것을 특징으로 하는 실시간 편광상태 파악 및 제어장치.
청구항 1에 기재된 장치를 이용한 실시간 편광상태 파악 및 제어방법에 있어서,

입력광 신호의 파워정보를 입력받는 단계와;

입력 광신호의 편광상태가 뿌앵꺄레 구상에서 (S0, 2χ, 2ψ)로 표현되고, 기준광 신호의 편광상태가 (S0', 2χ', 2ψ')로 표현될 때,의 식으로 나타나는 두 성분 간의 각도 γ를 반경으로 하고 타원율과 편광각이 0인 점을 기준점으로 하는 원 상에서, 상기 제1 편광조절기를 조절하여 편광상태 기준점을 이동시키면서 이동 전의 파워값과 이동 후의 파워값을 비교하는 방향설정하기를 실행하여 입력 광신호가 존재하는 4분원의 위치를 파악하는 단계와;

타원율과 편광각이 변화하도록 상기 제1 편광조절기를 조절하여, 이동된 상기 기준점으로부터 상기 4분원 내의 점을 검색하여 상기 출력단에서 나오는, 입력광 신호와 기준 광신호의 합산 신호의 파워가 최대값이 되는 점을 알아내는 단계와;

상기 최대값을 나타내는 점으로부터 입력 광신호의 편광상태를 알아낸 후, 상기 제2 편광조절기를 조절하여 상기 입력 광신호의 편광을 원하는 상태로 조절하는 단계를 구비하는 실시간 편광상태 파악 및 제어방법, 단, S0는 입력광의 강도, χ는 입력광에 대한 타원율, ψ는 입력광에 대한 편광각, S0'는 기준광의 강도, χ'는 기준광에 대한 타원율, ψ'는 기준광에 대한 편광각을 각각 나타냄.