KR100426624B1 - 전광 게이팅/변조 소자 - Google Patents

전광 게이팅/변조 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전광 게이팅/변조 소자를 개시한다.
본 발명에서는 제1 장주기 1광섬유 격자와 직렬로 제2 장주기 광섬유 격자가 설치되어 있으며, 상기 제1 장주기 광섬유 1격자와 제2 장주기 광섬유 격자 사이의 연결 광섬유 길이에 따라 상기 제1 장주기 광섬유 격자 및 제2 장주기 광섬유 격자의 투과 억제 밴드의 파장 대역폭이 가변된다. 여기서, 제1 및 제2 장주기 광섬유 격자는 단일 모드 광섬유로 이루어질 수 있다.
이러한 본 발명에 따르면 장주기 광섬유 격자를 이용한 비선형 전광 게이팅의 효율을 높일 수 있으며, 따라서, 사용되는 광파의 광세기를 효과적으로 낮출 수 있으며, 또한, 다른 파장의 펌프 광파를 사용하여 신호 광파를 효과적으로 제어할 수 있다.

Description

전광 게이팅/변조 소자{ALL-OPTICAL GATING/MODULATING DEVICE}
본 발명은 전광 게이팅/변조 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게 말하자면, 장주기 광섬유 격자를 이용하여 광통신에서 신호 광파를 제어하는 전광 게이팅/변조 소자에 관한 것이다.
일반적으로 장주기 광섬유 격자는 광통신용 및 광섬유 센서용으로 널리 쓰이고 있는데, 그 특성상 특정 파장 영역에서 투과 억제 필터로 사용된다. 이러한 성질은 광섬유 코어 굴절률의 주기적인 변조에 의해서 광섬유 내를 도파하는 코어 모드와 클래딩 모드 사이의 상호간 결합에 의해 결정된다.
광파의 선형적인 특성에 따라 작용하는 광필터에 강한 세기의 광파를 입사하게 되면, 매질의 비선형적인 성질에 의해서 필터 특성이 초기의 선형적인 특성에 비해서 달라지게 된다. 이에 대한 연구로 반사 필터의 형태인 광섬유 브래그 격자와 투과 억제 필터 형태인 장주기 광섬유 격자에서 비선형 현상을 이용한 연구 결과들이 있다.
비선형 효과를 이용하는 전광 스위칭(All-Optical Switching)의 경우, 효과적인 스위칭 조건을 만족시키기 위해서는 광세기에 따른 파장 이동량이 커야 하고, 또한, 필터 스펙트럼의 파장 대역이 좁아야 한다. 기존의 브래그 격자를 이용한 비선형 스위칭은 필터 스펙트럼의 파장 대역이 좁으나 비선형 파장 이동량은 적은 단점이 있으며, 장주기 격자를 이용한 경우는 비선형 파장 이동량은 많으나 필터 스펙트럼 파장 대역이 넓은 단점이 있다.
따라서, 광섬유 브래그 격자 및 장주기 광섬유 격자를 사용한 기존의 연구 결과에서는 효과적인 비선형 스위칭을 위해서 수십 GW/cm2이상의 광세기가 필요하다.
그러므로 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광섬유 격자 소자에서 비선형 현상을 이용하는 광 스위칭의 효율을 제고하여 작동 광세기를 효과적으로 줄일 수 있는 전광 게이팅/변조 소자를 제공하고자 하는데 있다.
또한 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 펌프 광파의 광세기에 의해 신호 광파의 투과도를 효율적으로 제어할 수 있는 전광 게이팅/변조 소자를 제공하고자 하는데 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전광 게이팅/변조 소자 및 이 소자의 특성을 측정하기 위한 실험 장치 구조를 나타낸 도이다.
도 2는 실제로 측정된 본 발명의 실시예에 따른 전광 게이팅/변조 소자의 투과 스펙트럼이다.
도 3은 본 발명의 실시예 따른 전광 게이팅/변조 소자의 이론치인 투과 스펙트럼이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 투과 측정시 사용된 1565 nm 파장대를 확대한 투과 스펙트럼이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전광 게이팅/변조 소자를 투과한 신호 광파의 파형도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전광 게이팅/변조 소자를 투과한 다른 신호 광파의 파형도이다.
도 7은 신호 광파와 함께 입사되는 Q-스위칭된 Nd:YAG 레이저 펄스의 파형도이다.
도 8은 펌프 광파의 광세기에 따른 신호 광파의 투과율을 나타낸 파형도이다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 전광 게이팅/변조 소자는,
제1 장주기 광섬유 격자; 및 상기 제1 장주기 광섬유 격자와 직렬로 연결된 제2 장주기 광섬유 격자를 포함하고, 상기 제1 장주기 광섬유 격자와 제2 장주기 광섬유 격자 사이의 연결 광섬유 길이에 따라 상기 제1 장주기 광섬유 격자 및 제2 장주기 광섬유 격자의 광 투과 억제 밴드의 파장 대역폭이 가변된다.
본 발명의 다른 특징에 따른 전광 게이팅/변조 소자는,
제1 장주기 광섬유 격자; 및 상기 제1 장주기 광섬유 격자와 직렬로 연결된 제2 장주기 광섬유 격자를 포함하는 직렬 장주기 광섬유 격자쌍을 적어도 하나 이상 포함하고, 상기 제1 장주기 광섬유 격자와 제2 장주기 광섬유 격자 사이의 연결 광섬유 길이에 따라 상기 직렬 장주기 광섬유 격자쌍의 광 투과 억제 밴드의 파장 대역폭이 가변된다.
이러한 특징을 가지는 본 발명의 전광 게이팅/변조 소자에서, 상기 제1 및 제2 장주기 광섬유 격자와 이들 사이의 연결 광섬유가 단일 모드 광섬유로 이루어지나 이에 한정되지는 않는다.
이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있는 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도 1에 본 발명의 실시예에 따른 전광 게이팅/변조 소자의 구조 및 이 소자의 특성을 측정하기 위한 실험 장치의 구조가 도시되어 있다.
첨부한 도 1에 도시되어 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 전광 게이팅/ 변조 소자(10)는 서로 직렬로 연결되어 있고 동일한 필터 특성를 가지는 두 개의 제1 및 제2 장주기 광섬유 격자(LPFG I, LPFG II)를 포함한다. 제1 장주기 광섬유 격자(LPFG I)와 제2 장주기 광섬유 격자(LPFG II)는 광섬유로 연결되어 있으며, 두 광섬유 격자 사이의 간격은 Ls이며 선형 투과 스펙트럼의 대역폭에 따라 임의로 결정할 수 있다. 여기서 제1 및 제2 장주기 광섬유 격자(LPFG I,LPFG II)와 이 두격자 사이의 연결 광섬유는 단일 모드 광섬유로 이루어지나 이에 한정되지는 않는다.특히, 제1 및 제2 장주기 광섬유 격자와 이들 사이의 연결 광섬유 중 적어도 하나 이상이 이종의 광섬유로 이루어질 수 있으며, 이종의 광섬유는 광세기에 대한 비선형성 효율이 높은 칼코겐화물(chalcogenide) 광섬유, 납 첨가(lead-doped) 광섬유 등으로 이루어진다.
이러한 구조로 이루어지는 전광 게이팅/변조 소자(10)의 특성을 측정하기 위하여, 펌프 광원(20)과 신호 광원(30)으로부터 출력되는 광파가 광 커플러(40)를 통하여 직렬화된 장주기 광섬유 격자(LPFG I, LPFG II)로 입사되도록 설치하고, 제2 장주기 광섬유 격자(LPFG II)의 출력측에 콜리메이터(50)를 설치하고, 콜리메이터(50)의 출력측에 광세기에 해당하는 전기적인 신호를 출력하는 포토 다이오드(PD1,PD2)와, 포토 다이오드(PD1,PD2)에서 출력되는 전기적 신호에 따라 전광 게이팅/변조 소자 즉, 직렬화된 장주기 광섬유 격자 소자(10)에서 출력되는 광파의 특성을 표시하는 오실로스코프(60)를 설치하며, 콜리메이터(50)와 포토 다이오드(PD) 사이에 광파를 펌프 광과 신호 광으로 분리하기 위한 프리즘(70)을 설치한다.
여기서 제1 및 제2 장주기 광섬유 격자(LPFG I, LPFG II)는 3㎝이고, 약 60㎝(Ls)의 간격을 두고 떨어져 있다. 그리고 펌프 광원(20)으로는 1064 nm의 Nd:YAG 레이저가 사용되고 신호 광원(30)으로는 1550 nm 대역의 가변 반도체 레이저가 사용되었다.
다음에는 이러한 구조로 이루어지는 본 발명의 실시예에 따른 전광 게이팅/변조 소자의 작용 및 특성에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
광원(20,30)으로부터 각각 출력되는 펌프 광파와 신호 광파는 3 dB 광 커플러(40)를 통해 직렬화된 장주기 광섬유 격자(10)에 입사되며, 장주기 광섬유 격자(10)를 투과한 광파는 프리즘(70)에 의해 펌프 광 및 신호 광으로 분리된 다음에 포토 다이오드(PD1,PD2)로 입사되며, 포토 다이오드(PD1,PD2)는 각각 입사되는 펌프 광 및 신호 광에 해당하는 전기적인 신호를 오실로스코프(60)로 출력한다. 따라서 직렬화된 장주기 광섬유 격자(10)를 투과한 펌프 광과 신호 광의 특성이 측정된다.
도 2에 위에 기술된 실험 장치에 따라 측정된 본 발명의 실시예에 따른 전광게이팅/변조 소자 즉, 직렬화된 장주기 광섬유 격자의 선형 투과 스펙트럼이 도시되어 있다. 도 2에서 대시 및 점선은 각각의 장주기 격자의 스펙트럼을 나타내고 실선은 직렬화된 장주기 광섬유 격자 양단의 투과 스펙트럼을 나타낸다.
측정 결과에서 알 수 있는 바와 같이 초기의 넓은 투과 스펙트럼이 잘게 나누어져서, 개개의 투과 억제 밴드의 파장 대역폭이 매우 감소되었음을 알 수 있다. 입사 광세기가 증가하게 되면 비선형 굴절률이 증가하여 전체적으로 투과 스펙트럼은 장파장 쪽으로 이동하게 된다. 따라서, 같은 크기의 비선형 현상에 의한 공진 파장 이동이 있다고 가정할 때, 장주기 광섬유 격자를 독립적으로 사용하였을 때보다 직렬화된 장주기 광섬유 격자를 사용하였을 경우 투과도 변조량이 더 증가하게 된다.
도 3에 직렬화된 장주기 광섬유 격자의 이론값인 투과 스펙트럼이 도시되어 있으며, 도 3 및 도 2를 비교하면 도 1의 실험 결과에 대한 이론치와 실험치가 유사한 결과를 가지게 됨을 알 수 있다.
도 4에 1565 nm 대역의 투과 억제 밴드의 확대된 스펙트럼이 도시되어 있다. 실험에서 사용된 독립적인 장주기 광섬유 격자의 투과 억제 밴드의 파장 대역에 비해 수십분의 일에 해당하는 투과 억제 밴드 폭을 가짐을 알 수 있다.
따라서, 파장 대역폭이 감소한 만큼 비선형 파장 대역 이동에 의한 스위칭 효율은 더 증가한다. 신호 광파 보다 500 nm 정도 파장이 짧은 펌프 광파에 대해서는 장주기 광섬유 격자에 의한 모드 결합 현상이 거의 일어나지 않으므로 펌프 광파의 필터 투과도는 거의 100 %가 된다.
도 2에서와 같이 잘게 나누어진 개개의 투과 억제 밴드의 파장 대역폭은 근사적으로 다음 수학식 1과 같이 표현된다.
여기서 λ는 광파의 파장, △ng는 코어 모드와 공진 클래딩 모드의 진행 방향 효과 굴절률 차이를 나타내고, Ls는 단일 모드 광섬유로 연결된 장주기 광섬유 격자 사이의 간격을 나타낸다. Ls의 길이에 따라 투과 억제 밴드의 파장 대역폭을 바꿀 수 있다. 이 때, 광세기에 의한 비선형 광 굴절률 변화가 있을 경우, 파장 대역 이동량은 근사적으로 다음 수학식 2와 같이 표현된다.
여기서 n2,eff는 광세기 의존 굴절률 상수이고 Ieff는 효과 광세기를 나타낸다. 따라서, 광세기가 증가할 수록 파장 대역은 장파장 쪽으로 이동하게 된다. 여기서 효과 광세기는 자가 위상 변조(Self-Phase Modulation) 및 상호 위상 변조(Cross-Phase Modulation) 의해서 결정된다.
본 발명의 실시예에에 따른 실험에서는 상호 위상 변조에 의한 광세기 변조량이 주가 된다. 도 4에서 신호광의 파장이 Case I 및 II인 두 가지 경우를 생각할 수 있다. Case I의 경우 펌프 광파에 의한 광세기 입력이 없을 경우 신호 광파의투과는 최대가 되고, 펌프 광파가 입사할 경우 그 광세기에 따라 신호 광파의 투과는 감소한다. 반면, Case II의 경우는 펌프 광파에 의한 광세기 입력이 없을 경우 신호 광파의 투과는 최소가 되고, 펌프 광파가 입사할 경우 그 광세기에 따라 신호 광파의 투과는 증가한다. 이는 수학식2와 같이 광세기가 증가할수록 비선형 굴절률 효과에 의해 투과 스펙트럼의 파장 대역이 장파장 쪽으로 이동하기 때문이다.
도 2에 도시된 실험 장치에서 펌프 광파를 장주기 광섬유 격자로 입사하고 신호 광파의 파장을 도 4에서와 같이 1565.2 nm (Case I)와 1564.8 nm (Case II)로 했을 때 투과되는 신호 광파의 투과 스펙트럼이 도 5와 도 6에 도시되어 있다. 예측한 바와 같이 펌프 광파의 광세기에 따라 신호 광파의 투과도가 제어됨을 알 수 있다. 펌프 광파의 광세기가 1 GW/cm2이하에서 약 20 %의 전광 게이팅 효율을 가진다. 도 7은 입사하는 펌프 광파의 파형을 나타내고, 도 8은 펌프 광파의 광세기에 따른 신호 광파의 투과율의 실측치와 이론치를 나타낸다. 여기서 투과율은 변조된 신호 광파의 최고치 또는 최저치를 기준으로 산정되었다.
위에 기술된 실시예에서는 직렬화된 장주기 광섬유 격자쌍 하나에 대해서 기술하였지만, 하나 이상의 직렬화된 장주기 광섬유 격자쌍을 이용하여 전광 게이팅 및 변조 효율을 보다 향상시킬 수도 있다.
비록, 이 발명이 가장 실제적이며 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 이 발명은 상기 개시된 실시예에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위 내에 속하는 다양한 변형 및 등가물들도 포함한다.
이상에서와 같이 위에 기술된 이 발명의 실시예에 따라 직렬화된 장주기 광섬유 쌍의 격자 사이의 간격을 조절하여 좁은 대역의 투과 억제 필터를 구현함으로써, 장주기 광섬유 격자를 이용한 비선형 전광 게이팅의 효율을 높일 수 있다.
이에 따라 사용되는 광파의 광세기를 효과적으로 낮출 수 있게 되고, 또한, 다른 파장의 펌프 광파를 사용하여 신호 광파를 효과적으로 제어할 수 있다. 따라서, 광통신에 있어서 신호 광파를 제어하는 초고속 전광 게이팅과 신호광 전광 변조 등에 응용 가능할 것이다.

Claims (3)

  1. 제1 장주기 광섬유 격자; 및
    상기 제1 장주기 광섬유 격자와 직렬로 연결되어 있는 제2 장주기 광섬유 격자
    를 포함하고,
    상기 제1 장주기 광섬유 격자는 연결 광섬유에 의하여 상기 제2 장주기 광섬유 격자와 연결되어 있으며, 상기 연결 광섬유의 길이에 따라 상기 제1 장주기 광섬유 격자 및 제2 장주기 광섬유 격자의 광 투과 억제 밴드의 파장 대역폭이 가변되는 전광 게이팅/변조 소자.
  2. 제1 장주기 광섬유 격자; 및 상기 제1 장주기 광섬유 격자와 직렬로 연결된 제2 장주기 광섬유 격자를 포함하는 직렬 장주기 광섬유 격자쌍을 적어도 하나 이상 포함하고,
    상기 제1 장주기 광섬유 격자는 연결 광섬유에 의하여 상기 제2 장주기 광섬유 격자와 연결되어 있으며, 상기 연결 광섬유의 길이에 따라 상기 직렬 장주기 광섬유 격자쌍의 광 투과 억제 밴드의 파장 대역폭이 가변되는 전광 게이팅/변조 소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 장주기 광섬유 격자와 이들 사이의 연결 광섬유가 단일 모드 광섬유로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전광 게이팅/변조 소자.
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