KR100430603B1 - 광섬유모듈을 이용한 비선형 광섬유 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비선형 광섬유에 관한 것으로 특히 다수 개의 광섬유모듈을 이용하여 브릴루앙 이득의 폭을 확장시키고 광 매개 혼합을 용이하게 하는 비선형 광섬유에 관한 것이다.

길이가 4 ㎞ 내지 6 ㎞이고, 스톡스 천이가 다르면서 그 차이가 브릴루앙 이득폭의 두배 정도 되는 2 개의 광섬유모듈을 용융접합(splicing)하여 구성되거나, 길이가 4 ㎞ 내지 6 ㎞이고, 스톡스 천이가 다르면서 그 차이가 브릴루앙 이득폭의 두배 정도 되는 3개의 광섬유모듈을 천이가 큰 순서로 조합하여 구성된다.

본 발명에 의한 광섬유모듈을 이용한 비선형 광섬유는 브릴루앙 이득을 발생시키며, 브릴루앙 이득의 대역폭을 확장시킬 수 있다. 또한 이 비선형 광섬유의 부가적인 특성으로 광 매개 혼합을 용이하게 할 수 있다는 장점이 있다.

Description

광섬유모듈을 이용한 비선형 광섬유{Non-linear Optical Fiber using Fiber Optics Modules}

본 발명은 비선형 광섬유에 관한 것으로, 특히 다수 개의 광섬유모듈을 이용하여 브릴루앙 이득의 폭을 확장시키고 광 매개 혼합을 용이하게 하는 비선형 광섬유에 관한 것이다.

일반적으로 광섬유 내에서의 비선형 현상은 빛이 진행할 때 빛과 물질의 상호작용에 의해 편극이 발생하고 굴절률의 변화가 생겨나는 것을 의미한다. 또 다른 형태의 비선형 현상으로는 광섬유 내에서 발생하는 음향 진동파(acoustic wave)에 의한 산란(scattering), 증폭, 광 매개 혼합 등이 있다. 전자의 비선형 현상은 외부 전기장의 세기가 충분히 강하여 물질 내부의 전자에 가해지는 힘과 견줄만할 때 발생하지만, 후자의 경우는 외부 전기장의 세기가 보다 약하더라도 음향 진동파가 발생하면 나타나는 현상이다.

음향 진동파는 빛이 가지는 파장과 비슷하여 빛과의 상호작용이 가능하므로, 이 상호작용을 억제시키거나 혹은 최대화시키기 위한 목적으로 여러 방식들이 사용되어 왔다. 음향 진동파의 파장은 산란되는 스톡스 파(Stokes wave)를 통하여 알 수 있고, 이는 스톡스 천이와 관련되어 있다. 스톡스 천이의 크기를 조절함으로서음향 진동파의 파장을 조절할 수 있고, 따라서 빛과 음향 진동파의 상호작용을 조절할 수 있다. 스톡스 천이(Stokes shift)의 크기를 조절하는 방식으로는 광섬유의 물질에 특별한 원소를 첨가하는 방식과 광섬유의 굴절율 분포를 조절하여 도파로의 구조를 변화시키는 방식이 있다.

음향 진동파는 광섬유를 이용하여 유도 브릴루앙 산란(SBS; Stimulated Brillouin Scattering)을 일으킬 때, 광섬유 내부에 발생하는 전계왜곡(electrostriction)의 영향으로 쉽게 발생한다. 이때 스톡스 천이와 브릴루앙 이득(Brillouin Gain)이 함께 발생하는데, 브릴루앙 이득은 스톡스 파와 동일한 대역에 위치하며, 대개 20 MHz 정도의 매우 좁은 이득 대역(gain bandwidth)을 갖는다. 이 상호작용을 광섬유 내에서 유용하게 이용하는 기술로서 다음과 같은 방식들이 사용되어져 왔다.

브릴루앙 증폭기를 만드는 기술, 광 능동 필터로서 광통신의 수신부에 활용하는 기술, 광 능동 소자로서 초고주파 광신호를 중간대역 주파수대로 변환하는 기술, 4광파 혼합(four wave mixing)과 같은 광 매개과정에서 스톡스 파의 고조파를 얻거나 반 스톡스 파를 형성하는 방식 등이 그것이다.

상기한 기술들이 가지는 공통적인 문제점은 브릴루앙 이득이 매우 좁은 대역(gain bandwidth)을 갖는다는 것이다. 따라서, 대역폭을 최대화하려는 목적으로 다음과 같은 방식들이 이용되었다. 브릴루앙 이득을 얻고자 하는 광섬유에 특별한 원소를 배합하여 광섬유를 제조하는 방식과 브릴루앙 이득을 위하여 펌핑하는 펌프 레이저를 주파수 변조시킨 후 펌핑하는 방식이 그것이다.

그러나, 이와 같은 종래의 방식에 의하면, 대역폭을 늘리는데 높은 펌프 입력이 요구되거나, 오직 한 개의 음향진동파만을 만들어 내므로 두 개 이상의 음향 진동모드에서 얻어지는 광 매개 혼합을 얻을 수 없다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 다수 개의 광섬유모듈을 이용하여 브릴루앙 이득의 폭을 확장시킬 뿐만 아니라 광 매개 혼합을 용이하게 하는 비선형 광섬유를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 브릴루앙 이득의 폭을 확장시키는 비선형 광섬유를 만들기 위하여 전계왜곡이 가지는 밀도파(density wave)의 특성을 이용하였다. 광섬유 내부의 밀도는 진행하는 광파의 파장과 비슷하게 변화되는데, 이 밀도의 변화는 낮은 정도의 결(coherence)을 가질 수 있다. 파장이 매우 근소하게 다른 두 밀도파는 위상이 보존되는 광섬유 내에서 결 맞게(coherent) 작용하여 왜곡 비트(electrostriction beat)가 발생하게 된다. 이 왜곡 비트는 브릴루앙 이득을 가지는데, 이 이득이 각 밀도파에 의한 브릴루앙 이득의 골(valley)을 메우는 역할을 수행한다. 이 경우 연속적인 브릴루앙 이득이 가능하여 브릴루앙 이득 폭이 확장된다.

도 1은 스톡스 천이가 다른 두 개의 광섬유모듈로 구성된 비선형 광섬유를 나타내는 도면,

도 2는 광섬유모듈을 하나만 사용했을 경우의 이득폭을 보여주는 도면,

도 3은 두 개의 광섬유모듈을 용융접합하여 사용하였을 경우의 이득폭을 보여주는 도면,

도 4는 본 발명의 광섬유모듈을 이용한 비선형 광섬유에 의하여 이득폭이 확장되었음을 보여주는 도면,

도 5는 스톡스 천이가 다른 세 개의 광섬유모듈을 천이가 큰 순서로 조합하여 만드는 비선형 광섬유를 나타내는 도면,

도 6은 3 개의 광섬유모듈을 계단식으로 결합할 경우 매개이득이 발생하는 현상을 보여주는 도면,

도 7은 스톡스 천이가 다른 광섬유모듈을 스톡스 천이가 동일한 두 모듈 사이에 넣어서 만드는 비선형 광섬유를 나타내는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 광섬유모듈 A

200 : 광섬유모듈 B

300 : 광섬유모듈 C

400 : 분산천이 광섬유 연결선

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 길이가 4 ㎞ 내지 6 ㎞인 광섬유모듈 A와; 길이가 4 ㎞ 내지 6 ㎞이고 상기 광섬유모듈 A와 스톡스 천이가 다르면서 그 차이가 브릴루앙 이득폭의 두배 정도가 되는 광섬유모듈 B를 상호 용융접합하여 구성한다.

또한 본 발명은 상기 광섬유모듈 A 및 상기 광섬유모듈 B와 스톡스 천이가 다르면서 그 차이가 브릴루앙 이득폭의 두배 정도가 되는 4 ㎞ 내지 6 ㎞의 광섬유모듈C를 더 추가하여, 스톡스 천이가 다른 3개의 광섬유모듈을 천이가 큰 순서로 조합하여 구성할 수도 있다.

또한 본 발명은 상기 광섬유모듈 B의 양쪽에 상기 광섬유모듈 A를 각각 용융접합하여 구성할 수도 있다.

상기의 광섬유모듈은 유도 브릴루앙 산란을 위한 펌핑레이저의 위상을 보존할 수 있는 편극보존 광섬유 또는 분광천이 광섬유를 사용한다.

또한 본 발명에 의한 비선형 광섬유는 4개 이상의 광섬유모듈을 상기와 같은 방식으로 연결하여 구성할 수도 있다.

광섬유 내부를 진행하는 광파(optical wave)의 위상이 잘 보존되면, 그 광파의 세기에 의해 발생하는 전계왜곡도 위상이 어느 정도 보존되게 된다. 전계왜곡은 밀도파의 특성을 가지는데, 광섬유 내부의 밀도가 진행하는 광파의 파장과 비슷하게 변화되기 때문이다. 잘 발달된 밀도파는 어느 정도의 결을 가질 수 있지만, 광섬유가 지니는 비정질(amorphous) 특성으로 결의 정도(coherence)가 매우 낮다. 하지만, 위상이 보존되는 광섬유 내에서 결의 길이 (coherence length)만큼 파장이 근소하게 다른 두 밀도파는 결 맞게(coherent) 작용하여 왜곡 비트가 발생하게 된다. 이 왜곡 비트는 결이 밀리면서 퍼지는 (dispersive roll-off) 모양으로 형상화할 수 있을 것이다. 이 왜곡 비트는 좁은 대역에서 존재하지만 브릴루앙 이득을 가지게 되어 두 밀도파의 사이의 이득 공간(valley)을 메우는 역할을 수행한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 스톡스 천이가 다른 두 개의 광섬유모듈로 구성된 비선형 광섬유를 나타내는 도면으로, 스톡스 천이가 다른 두 개의 광섬유모듈을 용융접합(splicing)하여 이루어진 비선형 광섬유이며, 광섬유모듈의 배치에 따라 다른 광학적 특징을 지닐 수 있게 된다. 상기한 광섬유모듈 A와 모듈 B는 길이는 수km 정도로서 독립적으로 음향 진동파를 발생할 수 있는 길이로 정의한다. 비선형 광섬유를 구성하는 광섬유모듈은 스톡스 천이가 다르며 그 차이가 브릴루앙 이득폭의 두배 정도 되는 두 광섬유모듈을 사용한다.

도 1에서처럼 광섬유모듈 A(100)에서 발생한 전계왜곡이 다른 광섬유모듈 B(200)로 전파할 때, 광섬유모듈 B(200)에서 발생하는 전계왜곡과 겹치게 된다. 이 경우 두 전계왜곡 사이에 왜곡비트가 발생하고, 상술한 바와 같이 브릴루앙 이득이 불연속인 골(valley)을 메우게 된다. 따라서 두 광섬유모듈(100),(200)로 구성된 비선형 광섬유에서는 연속적이며, 대역폭이 확장된 브릴루앙 이득이 발생하게 된다. 이 비선형 광섬유를 사용하는 용도에 따라, 왜곡비트가 광 매개 혼합을 유도하는 매개 역할을 하기도 한다. 비선형 광섬유의 입력 혹은 출력은 광섬유의 끝 부분(400)을 통하여 이루어진다.

도 2는 광섬유모듈을 하나만 사용했을 경우 이득폭을 보여주는 도면이고, 도 3은 두 개의 광섬유모듈을 용융접합하여 사용하였을 경우의 이득폭을 보여주는 도면이다. 도 2에 의하면, 광섬유모듈을 하나만 사용하였을 경우에 이득폭이 약 15MHz정도가 되는 것을 볼 수 있다. 도 2에서 검정색 그래프(b)는 브릴루앙 이득이포함된 스톡스 신호를 나타내고 중앙부분의 뾰족하게 솟은 직선(a)은 검침신호가 브릴루앙 이득을 받아서 1000배 이상 증폭된 모습을 나타내는 그래프이다.

도 3에서는 광섬유 모듈 두 개를 용융접합하여 사용함으로써 이득폭이 하나의 모듈만을 사용할 때의 15MHz보다 3배 이상이 증가된 50MHz가 되었음을 보여준다. 도 3에서 그래프의 두 봉우리는 각각의 광섬유모듈이 가진 부릴루앙 이득 신호이다.

도 4는 본 발명의 광섬유모듈을 이용한 비선형 광섬유에 의하여 이득폭이 확장되었음을 보여주는 도면이다. 여기서 그래프의 각각의 뾰족한 직선들은 브릴루앙 이득을 나타내는 검침신호이며, 도 2의 직선(a)들을 연속적으로 검침한 것이다. 이에 의하면 골(valley)에도 브릴루앙 이득이 존재하는 것을 확인할 수 있다.

도 5는 스톡스 천이가 다른 세 개의 광섬유모듈을 천이가 큰 순서로 조합하여 만든 비선형 광섬유를 나타내는 도면으로, 이에 의한 비선형 광섬유는 다음의 특징을 지니게 된다.

1) 이득 폭의 확장 : 이 경우 브릴루앙 이득이 불연속인 곳이 두 군데(two valleys) 있게 되는데, 한 곳은 광섬유모듈 A(100)와 광섬유모듈 B(200)의 왜곡비트가 채우고, 또 다른 곳은 광섬유모듈 B(200)와 광섬유모듈 C(300)의 왜곡비트가 채우게 되어 이득 폭이 도 1 의 경우보다 더욱 확장된다.

2) 광 매개 혼합의 발생의 용이 : 광 매개 혼합을 매개하는 왜곡 비트가 광섬유모듈 A(100)와 광섬유모듈 C(300) 사이에서 발생한다. 따라서, 이러한 비선형 광섬유를 통과하거나 이에 의한 스톡스파는 광 매개 혼합의 발생이 용이해진다.

3) 한 방향으로 브릴루앙 이득이 발생 : 세 개의 광섬유 모듈을 스톡스 천이의 큰 순서로 조합하여 음향 진동파를 발생시키면 세 개의 음향 진동모드가 발생한다. 도 5와 같이 세 개의 광섬유모듈로 구성된 경우, 광섬유모듈 B(200)의 작용이 중요하다. 음향 진동 모드간의 상호 작용은 하향 컨벌루션(down-shift convolution)으로 알려져 있다. 하향 컨벌루션으로 광섬유모듈 B(200)에 의한 음향 진동 모드는 보다 낮은 주파수의 음향 진동 모드와 작용하게 된다. 따라서 광섬유모듈 A(100)에서 광섬유모듈 B(200)로, 그리고 광섬유모듈 B(200)에서 광섬유모듈 C(300)로의 작용은 용이하지만, 이와 반대 방향으로의 작용은 어렵게 된다. 따라서 한 방향으로 브릴루앙 이득이 훨씬 더 크게 발생하게 된다. 비선형 광섬유의 입력 혹은 출력은 광섬유의 끝 부분(400)을 통하여 이루어진다.

도 6은 3 개의 광섬유모듈을 계단식으로 결합할 경우 매개이득이 발생하는 현상을 보여주는 도면이다. 여기서 샘플링 스코프(Sampling Scope)의 횡축은 50 pico-sec/div이며, 이에 의하면 계단식으로 배열한 광섬유를 이용하여 10Gbps의 광펄스를 20Gbps로 변환시키는 것을 확인할 수 있다.

도 7은 스톡스 천이가 다른 광섬유모듈(200)을 스톡스 천이가 동일한 두 모듈(100) 사이에 넣어서 만드는 비선형 광섬유를 나타내는 도면이다. 도 3과 같이 광섬유모듈 B(200)에 대하여 대칭이 되도록 비선형 광섬유를 구성하면 음향 진동모드의 작용이 역방향과 순방향에서 모두 발생하게 된다. 광섬유모듈 B(200)의 스톡스 천이가 광섬유모듈 A(100)의 스톡스 천이 보다 높을 수 있고, 낮을 수도 있다. 이 경우 광섬유모듈 A(100)와 광섬유모듈 B(200) 사이에서 발생한 왜곡 비트는 광매개 혼합의 발생시 혼합파의 고조파 발생을 가능하게 한다. 비선형 광섬유의 입력 혹은 출력은 광섬유의 끝 부분(400)을 통하여 이루어진다.

상기한 바와 같이 본 발명에 의하면, 브릴루앙 이득의 폭을 확장시켜 브릴루앙 증폭기를 만드는 기술에 적용할 수 있으며, 광 매개혼합을 이용한 광 매개 증폭기의 대역폭 및 효율을 개선할 수 있다.

또한 광 능동 필터로서 광통신의 수신부에 대역폭을 늘림으로서 보다 높은 전송속도의 광 수신 시스템에 적용할 수 있으며, 링 공진기(ring cavity)를 구현하여 한 방향으로 이득을 얻는 브릴루앙 광 공진기를 만들 수 있다는 장점이 있다.

Claims (3)

1. 길이가 4 ㎞ 내지 6 ㎞인 광섬유모듈 A와;

   길이가 4 ㎞ 내지 6 ㎞이고 상기 광섬유모듈 A와 스톡스 천이가 다르면서 그 차이가 브릴루앙 이득폭의 두배 정도가 되는 광섬유모듈 B가 상호 용융접합되는 것을 특징으로 하는 광섬유모듈을 이용한 비선형 광섬유.
2. 제 1항에 있어서, 광섬유모듈 A 및 B와 스톡스 천이가 다르면서 그 차이가 브릴루앙 이득폭의 두배 정도가 되는 4 ㎞ 내지 6 ㎞의 광섬유모듈C를 더 추가하여, 스톡스 천이가 다른 3개의 광섬유모듈을 천이가 큰 순서로 조합하여 구성하는 것을 특징으로 하는 광섬유모듈을 이용한 비선형 광섬유.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 광섬유모듈 B의 상기 광섬유모듈 A가 연결되지 않은 쪽에, 광섬유모듈 A를 하나 더 용융접합하여 구성하는 것을 특징으로 하는 광섬유모듈을 이용한 비선형 광섬유.