KR100439086B1 - 하나의 배열 도파로형 격자를 이용한 광분기/결합기 - Google Patents

하나의 배열 도파로형 격자를 이용한 광분기/결합기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하나의 배열 도파로형 격자를 이용한 광분기/결합기에 관한 것이다. 본 발명은 입력 광섬유를 통해 입력되는 다중화된 광신호를 역다중화시켜 N개의 연결 포트로 분기시키고, 상기 N개의 연결 포트로부터 입력되는 광신호를 다중화시켜 출력 광섬유로 출력하는 배열 도파로형 격자와, 상기 N개의 연결 포트에 1:1로 연결되며, 입력 역다중화된 광신호를 적어도 두 출력으로 분기시키는 N개의 광수동 소자, 상기 복수의 광수동 소자중 적어도 2개로부터 입력받으며, 선택적 스위칭에 의해 입력을 채널 수신기로 전달하고, 채널 송신기로부터 수신되는 광신호를 연결된 광수동 소자로 전달하는 N개의 광스위치를 포함하며, 상기 광스위치의 두 입력중 하나와 이 하나에 연결된 광수동 수자로서 폴드백 경로를 형성한다. 그리고, 광수동 소자의 출력이 상기 광스위치에 전달되지 않게 폴드백 경로에 단향기를 설치하여 누화를 억제한다. 이에 따라 본 발명은 하나의 배열 도파로형 격자를 이용하였으므로 제어가 간단하고 경제적이며, 배열 도파로형 격자의 포트의 수만큼의 광신호 채널을 모두 수용할 수 있다.

Description

하나의 배열 도파로형 격자를 이용한 광분기/결합기{Optical add/drop multiplexer using one arrayed-waveguide grating}
본 발명은 파장분할다중(wavelength division mutiplexing) 기술에 관한 것으로, 특히, 하나의 배열 도파로형 격자와 광수동 소자를 이용하여 누화를 억제하면서 N개의 광 신호 채널을 수용하는 하나의 배열 도파로형 격자를 이용한 광분기/결합기에 관한 것이다.
최근 한가닥의 광섬유 내에서 여러 개의 파장을 사용하는 파장분할다중 기술이 실용화됨에 따라 다수의 초고속 대용량 광신호의 전송이 가능하게 되었다. 뿐만 아니라, 소자 기술의 발달로 광 계층에서 광신호의 경로설정, 스위칭 및 분기/결합이 가능해짐으로써, 파장분할다중 기술에 기반한 광통신망의 구축이 가능하게 되었다.
파장분할다중방식 광통신망은 광분기/결합기를 사용하는 환형 망과 광회선 분배기를 사용하는 그물형 망으로 구분할 수 있다. 광분기/결합기는 자기치유가 가능한 환형 광통신망을 구성하는 핵심 장치일 뿐만 아니라, 광회선 분배기를 구현하기 위한 기반이 되는 장치이다. 따라서, 파장분할다중방식 광통신망을 효율적이고 경제적으로 운용하기 위해 간단하고 경제적인 광분기/결합기의 개발은 필수적인 요소이다.
광분기/결합기는 역다중화기, 광스위치, 다중화기의 주요 세가지 장치로 구성된다. 역다중화기는 입력 광섬유를 통해 입력되는 광신호를 각 파장별로 분리한 후, 각 파장에 해당하는 광스위치로 전달하고, 광스위치는 각 파장별 광신호를 분기/결합 혹은 통과시킨 후, 다중화기로 전달한다. 그리고, 다중화기는 각 파장별 광신호를 합친 후, 출력 광섬유를 통해 내보낸다. 다중화기와 역다중화기로는 광신호 채널의 확장이 쉽고 제어가 간단하며 집적도(integration)가 우수한 배열 도파로형 격자(AWG: Arrayed-Waveguide Grating)가 많이 사용된다.
일반적으로 배열 도파로형 격자를 이용하여 N 개의 광신호 채널을 수용할 수 있는 광분기/결합기를 구현하기 위해서는 2 개의 1xN 배열 도파로형 격자와 N개의 2x2 광스위치가 필요하다. 그러나, 배열 도파로형 격자 2 개를 이용한 구조에서는 배열 도파로형 격자들의 중심 주파수가 서로 정밀하게 일치하도록 제어되어야 하는 단점이 있다.따라서, 이러한 문제를 해결하고 경제적으로 구현하기 위해 1 개의 배열 도파로형 격자를 이용한 광분기/결합기가 제안된 바 있다. 그런데, 기존에 제안된 방식 중 루프백(loop-back) 광경로를 이용한 것은 NxN 배열 도파로형 격자를 사용할 경우 분기/결합 가능한 광신호 채널의 수가 N-1로 제한되는 단점이 있다. 이러한 루프백 방식을 사용하는 광분기/결합기는 배열 도파로형 격자의 누화에 의한 페널티(penalty)가 전송 신호의 성능에 영향을 미치게 되는 단점도 가지고 있다. 광신호 내에 발생하는 누화는 신호-누화 비트(beat) 잡음을 유발하고 이로 인해 신호의 세기가 불규칙적으로 변화한다. 기존에 제안된 방식 중 1 개의 2xN 배열 도파로형 격자와 폴드백(fold-back) 광 경로를 이용한 것은 루프백 방식의 단점인 누화를 억제하고자 한 것이다.
그러나, 이러한 방식은 배열 도파로형 격자의 누화를 억제할 수 있었지만, 2xN 배열 도파로형 격자를 사용할 때, 수용 가능한 광신호 채널의 수가 N/2 개로 제한되는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, N개의 광신호 채널을 수용하고, 누화의 영향을 억제하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 하나의 배열 도파로형 격자를 이용한 광분기/결합기의 기본 구조도.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 하나의 배열 도파로형 격자를 이용한 광분기/결합기의 구조도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하나의 배열 도파로형 격자를 이용한 광분기/결합기를 통과하는 신호의 비트오율과 누화의 양을 측정하기 위한 실험 구성도.
도 4는 도 3에 도시된 광분기/결합기에서 측정된 비트오율곡선.
도 5는 발명된 광분기/결합기의 출력 포트에서 측정된 광스펙트럼.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 하나의 배열 도파로형격자를 이용한 광분기/결합기는, 하나의 배열 도파로형 격자를 이용하여 N개 모두의 광신호 채널을 수용할 수 있게 한다. 이를 위해, 배열 도파로형 격자는 입력 광섬유와 출력 광섬유에 입력, 출력 포트가 연결되고 N개의 광수동 소자에 각각 N개의 연결 포트가 연결되면서 폴드 백(fold back) 경로를 형성하도록 구성한다. 폴드 백 경로는 N개의 광수동 소자와 N개의 광스위치에 의해 달성되는데, 바람직하게는, 광수동 소자는 적어도 2개의 출력으로 나누어져 2개의 광스위치로 입력되고, 광스위치는 적어도 2개의 출력을 입력받도록 구성함으로써 달성된다. 상기 광스위치는 선택적 스위칭에 의해 입력되는 신호를 채널의 수신기로 전달하고, 채널 송신기로부터 광신호를 입력받아 광수동 소자로 전달한다.바람직하게는 배열 도파로형 격자는 2xN배열 도파로형 격자이고, 광수동 소자는 1x2 광커플러이며, 상기 광스위치는 2x2 광스위치이다.
한편, 본 발명은 누화의 영향을 억제하기 위해 폴드백 경로에 단향기를 설치한다.
이하, 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 하나의 배열 도파로형 격자를 이용한 광분기/결합기를 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하나의 배열 도파로형 격자를 이용한 광분기/결합기의 기본 구조도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 광분기/결합기는 2xN배열 도파로형 격자(10), N의 1x2 광커플러(Ci, i=1, 2, ..., N)와, N개의 2x2 광스위치(Si, i=1, 2, ..., N)를 포함한다.
2xN배열 도파로형 격자(10)는 입력 광섬유에 연결된 입력포트(L1)와 출력 광섬유에 연결된 출력포트(L2)와 N개의 1x2 광커플러(Ci)에 대응되는 N개의 연결포트(Ri, i=1, 2, ..., n)가 형성되어 있다. N개의 광커플러(Ci) 각각은 하나의 연결포트와 하나의 광스위치 사이에 위치하고, N개의 2x2 광스위치(Si, i=1, 2, ..., N)는 이웃하는 두 개의 광커플러와 해당 채널(N개의 채널중 하나)의 수신기와 송신기 사이에 연결되어 있다.
이렇게 구성된 본원 발명의 광분기/결합기의 입력 광섬유를 통해 다중화된 광신호가 2xN 배열 도파로형 격자의 입력 포트 L(1)에 인가되면, 인가된 신호는 각 파장별로 역다중화되어 각 파장에 해당하는 배열 도파로형 격자(10)의 연결 포트 R(i)로 전달된다. 그러면, 연결 포트(Ri)로 전달된 역다중화된 광신호는 1x2 광커플러 C(i)를 통해 양방향으로 분기되어 연결된 2개의 광스위치(Si-1, Si)로 전달된다.
이때, 커플러(Ci)의 아래쪽 방향 즉, Si 광스위치로 전달되는 신호는 광스위치(Si)를 통해 해당 채널(i) 수신기로 분기되거나, 광스위치(Si)를 통과하여 인접 커플러 C(i+1)를 거쳐 배열 도파로형 격자(10)의 연결 포트 R(i+1)로 전달된다. R(i+1)로 전달된 신호는 배열 도파로형 격자(10)의 출력 포트 L(2)로 다중화되어 출력 광섬유로 인가된다.반면, 커플러(Ci)의 위쪽 방향 즉, Si-1 광스위치로 전달되는 신호는 광스위치(Si-1)를 통해 채널(i-1) 송신기에서 차단되거나, 광스위치(Si-1)을 통과하여 인접 커플러 C(i-1)를 거쳐 배열 도파로형 격자(10)의 연결 포트 R(i-1)로 전달된다. 그러나, R(i-1)로 전달된 광신호는 배열 도파로형 격자(10)의 출력 포트 L(2)로의 경로가 제공되지 않으므로 차단되고, 배열 도파로형 격자(10)의 누화에 의한 잡음만 전달된다. 따라서, 본 발명의 광분기/결합기는 2xN 배열 도파로형 격자(10)를 이용해 모든 N 개의 광신호 채널을 수용할 수 있게 된다.
그런데, 도 1을 참조로 한 본 발명의 제1 실시예에 따른 광분기/결합기는 광커플러(Ci)의 위쪽 방향으로 전달되어 출력 포트(L2)로 누화된 성분은 광커플러(Ci)의 아래쪽으로 전달되어 정상적으로 출력 포트(L2)로 다중화된 신호에 영향을 미치게 되는 문제점이 있으며, 입력된 광신호 채널(i)의 누화 성분은 연결 포트(Ri+2)로 전달되고 커플러 C(i+2), 2x2 광스위치 i+1, 그리고 다시 커플러 C(i+1)를 통해 오른쪽 포트 R(i+1)로 정상적으로 다중화된 신호에 영향을 미치는 또 하나의 잡음으로 작용하게 되는 문제점이 있다.따라서, 본 발명은 이러한 누화를 억제하는 제2 실시예에 따른 광분기/결합기를 제시한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 하나의 배열 도파로형 격자를 이용한 광분기/결합기의 구조도이다. 도 2에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 하나의 배열 도파로형 격자를 이용한 광분기/결합기는 누화로 인한 잡음의 영향을 억제하기 위하여 1x2 광커플러(Ci)의 위쪽 단자에 신호 방향으로 단향기(isolator; 20)를 두어 1x2 커플러(Ci)의 위쪽 단자를 통해 신호가 역방향으로 전달되는 경로를 차단한다.
도 3은 발명된 광분기/결합기를 통과하는 광신호의 비트오율(BER: Bit Error Rate)과 누화의 양을 측정하기 위한 실험 구성도로서, 16 채널을 수용할 수 있는 광회선/분기결합기를 예시한 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 실험용 광분기/결합기는 2x16 배열 도파로형 격자(11)를 사용하며, 실험에 적용된 폴드백(fold back) 경로의 연결은 배열 도파로형 격자의 인접 포트간의 연결을 피해 일정 간격(실험에서는 한 포트 간격)을 두고 연결한다. 즉, 포트 R(1)은 1x2 커플러를 사용해 포트 R(3, 5, 7, ..., 15)과 연결되도록 하고, 포트 R(2)은 R(2, 4, 6, ..., 16)과 연결되도록 한다. 이렇게 하여 포트 번호가 홀수인 것은 홀수끼리 짝수인 것은 짝수 포트끼리 연결된다. 이는 일반적으로 AWG(American Wire Gauge)의 누화가 인접 포트보다 비인접 포트에서 그 양이 작기 때문이다.광원인 레이저(b1, b2, ..., b16)는 1546.9 nm에서 1558.9 nm 사이의 100 GHz 채널 간격을 가지며, 모든 16개의 레이저(b1, b2, ..., b16)에서 출력된 광은 16x1 광다중화기(1)를 통해 다중화한 후, 리튬 나이오 베이트(LiNOb3) 변조기(2)를 통해 2.5 Gbps로 외부 변조한다. 변조기(2)에 의해 변조된 광은 각 채널 신호의 상관관계를 없애기 위해 40Km 길이의 단일 모드 광섬유(f)로 전송하여 실험용 광분기/결합기(100)에 인가되는 광신호의 채널당 전력이 -1 dBm이 되도록 한다.
그리고, 광분기/결합기(100)에서 발생하는 누화의 양과 누화가 신호에 미치는 영향을 알아보기 위해 모든 채널을 전송시킨 후, 각 채널별 폴드백 경로를 차단하여 신호를 분기시킴으로써 광분기/결합기(100)의 출력 포트(L2)에서 분기된 신호의 누화의 양을 측정할 수 있도록 한다. 또, 누화가 신호에 미치는 영향을 알아보기 위해 16 채널을 모두 전송시킨 상태에서 출력부에서 전송된 신호를 광커플러(3)를 거쳐 역다중화기(4)에 입력시켜 역다중화 되도록하고, 역다중화된 신호를 16개의 채널 수신기(CH1, CH2, ..., CH16)를 통해 수신한 후 비트오율 측정기(5)에 입력되도록 하여 각 채널별로 비트오율을 측정한다.또한, 광분기/결합기(100)에서 발생하는 누화를 1 차 누화가 포함된 성분과 1 차 누화가 제거된 성분으로 분리하여 측정할 수 있도록 분기된 폴드백 경로 중 한 곳에 신호 전송방향으로 단향기를 삽입하여 실험하며, 이러한 단향기의 삽입 위치는 실험이 반복될 때마다 달리하여 실험한다.
도 3과 같이 구성된 상태에서 측정된 본 발명의 실시예에 따른 광분기/결합기(11)의 비트오율 곡선은 도 4와 같다.
도 4는 도 3에 도시된 광분기/결합기(100)에서 측정된 비트오율곡선으로서, 채널 8에 대한 비트오율 곡선이다. 도 4에서 단향기를 사용하지 않을 때에 비트오율 측정기(5)에서 측정한 비트오율 값은 '*'로 표시되어 있고, 단향기를 사용할 때에 비트오율 측정기(5)에서 측정한 비트오율 값은 '□' 로 표시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 단향기를 사용하지 않을 때에 측정된 비트오율 곡선은 정상치의 백투백(back-to-back) 비트오율 곡선에 벗어나 있음을 알 수 있다. 이는 비트오율 값에 배열 도파로형 격자(11)에서 발생한 누화 성분이 포함됨에 기인한 것이다. 그러나, 단향기를 사용하였을 때에 측정된 비트오율 곡선은 정상치의 백투백 비트오율 곡선과 비교해도 펜널티가 거의 없음을 알 수 있다. 이러한 사실로 단향기에 의해 누화 성분이 억제되었음을 알 수 있다.
도 5는 도 3에 도시된 광분기/결합기의 출력 포트에서 측정된 광스펙트럼이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 입력된 각 신호의 전력이 - 1 dBm일 때, 광분기/결합기(100)를 통과한(bypass) 신호들의 삽입 손실은 15 dB에서 18 dB 사이에 분포한다. 이는 발명된 구조에서 사용된 배열 도파로형 격자(11)의 삽입 손실과 폴드백 경로를 위해 사용된 1x2 커플러의 손실, 그리고 결합 손실에 따른 것이다. 배열 도파로형 격자(11)의 삽입 손실이 3.5 dB와 5 dB 사이에 분포하고 커플러 손실이 약 3.5 dB, 결합 손실이 약 1 dB일 경우, 광분기/결합기(100)를 통과한 광 신호들은 배열 도파로형 격자(11)의 삽입 손실과 커플러 손실을 두 번씩 겪게 되므로 측정한 결과와 같이 분포하게 된다. 도 5의 하단부에 보여지는 두 스펙트럼은 각각 단향기를 삽입한 경우와 그렇지 않은 경우의 스페트럼을 나타낸다. 도 5에서 볼 수 있듯이 단향기를 삽입할 때에 측정되는 누화가 단향기를 삽입하지 않을 때에 측정되는 누화보다 작음을 알 수 있다. 즉, 단향기에 의해 누화가 억제되었음을 알 수 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 파장분할다중방식 광통신망의 노드를 구성하는 광분기/결합기를 하나의 배열 도파로형 격자와 간단한 수동 광소자를 이용하여 구현하고, 배열 도파로형 격자의 포트를 최대로 활용함으로써 최대의 광신호 채널을수용할 수 있다.
또한, 본 발명은 간단한 광수동소자인 단향기를 사용할 경우 발명된 광분기/결합기의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.또한, 본 발명은 하나의 배열 도파로형 격자를 이용하였으므로 제어가 간단하고 경제적이며, 배열 도파로형 격자의 포트의 수 만큼의 광신호 채널을 모두 수용할 수 있다.

Claims (4)

  1. 입력 광섬유를 통해 입력되는 다중화된 광신호를 역다중화시켜 N개의 연결 포트로 분기시키고, 상기 N개의 연결 포트로부터 입력되는 광신호를 다중화시켜 출력 광섬유로 출력하는 배열 도파로형 격자;
    상기 N개의 연결 포트에 1:1로 연결되며, 입력 역다중화된 광신호를 적어도 두 출력으로 분기시키는 N개의 광수동 소자; 및
    상기 복수의 광수동 소자중 적어도 2개로부터 입력받으며, 선택적 스위칭에 의해 입력을 채널 수신기로 전달하고, 채널 송신기로부터 수신되는 광신호를 연결된 광수동 소자로 전달하는 N개의 광스위치를 포함하며,
    상기 광스위치의 두 입력중 하나와 이 하나에 연결된 광수동 수자로서 폴드백 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 하나의 배열 도파로형 격자를 이용한 광분기/결합기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폴드 백 경로에 연결되어 상기 광수동 소자의 출력이 상기 광스위치에 전달되지 않게 하는 단향기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하나의 배열 도파로형 격자를 이용한 광분기/결합기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광수동 소자는 1x2 광커플러인 것을 특징으로 하는 배열 도파로형 격자를 이용한 광분기/결합기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광스위치는 2x2 광스위치인 것을 특징으로 하는 배열 도파로형 격자를 이용한 광분기/결합기.
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JPH11313349A (ja) * 1998-04-30 1999-11-09 Fujitsu Ltd 光クロスコネクト制御方式
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