KR100628299B1 - 광변조기 바이어스 전압 제어 장치 및 방법 - Google Patents

광변조기 바이어스 전압 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

광 변조기 바이어스 전압 제어 장치 및 방법이 개시되어 있다. 광 변조기 바이어스 전압 제어 장치는 광변조기의 평균 출력 전력을 검출하는 평균 전력 검출부 및 검출된 평균 출력 전력을 기준 전력과 비교하고, 검출된 평균 출력 전력이 기준 전력과 일치하도록 광변조기의 바이어스 전압을 조절하는 바이어스 전압 제어부를 포함하고, 광변조기 바이어스 전압 제어 방법은 광변조기의 평균 출력 전력을 검출하는 검출 단계, 검출된 평균 출력 전력을 기준 전력과 비교하는 비교 단계 및 검출된 평균 전력이 기준 전력과 일치하도록 광변조기의 바이어스 전압을 조절하는 제어 단계를 포함한다.

Description

광변조기 바이어스 전압 제어 장치 및 방법{Apparatus and method for controlling optical modulator bias voltage}
도 1은 종래의 비제로 복귀 데이터를 이용한 제로 복귀 또는 반송파 억압 제로 복귀 변조기의 개략적인 블록도이다.
도 2는 도 1의 비제로 복귀 데이터를 이용한 제로 복귀 변조기 동작 원리를 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 반송파 억압 제로 복귀 변조기 동작 원리를 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 비제로 복귀 데이터를 이용한 제로복귀 변조에서 제1외부 변조기의 바이어스 전압 이동에 따른 출력 신호를 도시한 도면이다.
도 5는 도 1의 반송파 억압 제로복귀 변조에서 제1외부 변조기의 바이어스 전압 이동에 따른 출력 신호를 도시한 도면이다.
도 6은 도 1의 비제로 복귀 데이터를 이용한 제로복귀 변조에서 제1외부 변조기의 바이어스 전압 이동에 따른 출력 파워 검출 결과를 도시한 도면이다.
도 7은 도 1의 반송파 억압 제로복귀 변조에서 제 1외부 변조기의 바이어스 전압 이동에 따른 출력 파워 검출 결과를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 광변조기 바이어스 전압 제어 장치를 포함하는 광변 조기의 일 실시예의 개략적인 블록도이다.
도 9는 본 발명에 따른 광변조기 바이어스 전압 제어 방법의 일 실시예를 수행하는 흐름도이다.
본 발명은 광통신에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광전송 시스템에서 광송신장치의 광변조기의 동작을 안정화시키기 위한 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
파장분할 다중방식(WDM: Wavelength Division Multiplexing)의 장거리 광전송 시스템에서 송신 신호의 변조는 마흐젠더(Mach-Zehnder)형의 외부 변조기를 사용하여 비제로 복귀 변조(NRZ: Non Return-to-Zero)로 이루어져 왔다.
이때, 외부 변조기는 온도의 변화 등에 따라 전달특성 곡선(transfer curve)이 좌우로 이동하는(DC bias drift) 현상이 발생한다. 이것에 의해 광출력 신호가 일그러져 소광비가 나빠지고 불안정한 파워가 출력되어 시스템의 성능 저하를 초래한다. 따라서, 온도 변화에도 안정된 신호를 출력할 수 있도록 바이어스 전압 자동 보정 제어 장치가 필요하다.
비제로 복귀 변조를 기반으로 한 변조기에 대해서는 이미 많은 특허들이 등록 된 상태이다. 파일럿 톤을 추가하여 바이어스 전압을 제어하는 방법은 데이터가 실린 기존 광신호에 영향을 주는 단점이 있으며 이를 해결하기 위해 광신호와 역방 향으로 탐색(probe)신호를 인가하는 방법이 제안되었으나 이것도 새로운 광원이 추가되어야 하는 단점이 있다.
광전송망에서 전송 속도가 고속화되고 채널간 간격이 좁아지면서 기존의 비제로 복귀 변조 방식 외에 제로 복귀(RZ: Return-to-Zero) 변조 방식을 기반으로 한 여러 변조 방식들이 연구되었다. 비제로 복귀 데이터를 이용한 제로 복귀 변조 및 반송파 억압 제로 복귀 변조(CSRZ: Carrier Suppressed Return-to-Zero ) 방식도 새롭게 관심 받고 있는 변조 방식들 중의 하나이다.
도 1은 비제로 복귀 데이터를 이용한 제로 복귀 변조기(이하 제로 복귀 변조라 칭함)의 구성도 이다. 레이저 광원(103), 펄스를 발생시키는 외부변조기1(MZI1; 101), 및 종래의 비제로 복귀 데이터 변조를 수행하는 단일 포트 외부변조기(MZI2; 102)로 구성된다. 레이저 다이오드에서 나온 연속적인 광원(103)은 MZI1(Mach-Zehnder Interferometer1; 101) 즉, 첫번째 외부 변조기(101)에 인가된다.
도 2는 도 1의 비제로 복귀 데이터를 이용한 제로 복귀 변조기 동작 원리를 도시한 도면이다. MZI1(101)은 바이어스 전압이 도 2의 (201)점처럼 최고레벨에 위치하며 2Vπ의 전압크기로 (신호 클럭/2)에 따라 변조된다. 그 결과, (202)처럼 펄스형태의 신호로 바뀐다. 이 신호는 다시 두번째 외부변조기(102)에 인가된다. MZI2는 바이어스가 도 2의 (203)지점으로 경사면의 중간지점에 위치하여 데이터 신호에 따라 신호를 켜고 끄고(on-off) 하는 기능을 수행한다. 기존의 비제로 복귀 변조 방식과 같다. 그 결과 (204)처럼 데이터가 실린 펄스 신호가 발생한다.
도 3은 도 1의 반송파 억압 제로 복귀 변조기 동작 원리를 도시한 도면이 다. 반송파 억압 제로 복귀 변조 방식 또한 도 1의 구성을 가진다. 단, 외부변조기1(101)의 바이어스 전압이 최저레벨(301)에 위치하는 것이 제로 복귀 변조와 차이점이다. MZI1(101)의 바이어스 전압이 도 3의 (301)점처럼 최저레벨에 위치하고 2Vπ의 전압크기로 (신호 클럭/2)에 따라 변조된다. 그 결과, (302)처럼 펄스형태의 신호로 바뀌고 인접 펄스의 위상은 180도씩 차이가 나게 된다. 이때, 스펙트럼을 보면 반송파가 억압되어 보이지 않는다. 이 신호는 다시 두 번째 외부변조기(102)에 인가된다. MZI2는 기존의 비제로 복귀 변조 방식을 따르며 그 결과 (303)처럼 데이터가 실린 펄스 신호가 발생한다.
도 1에서 MZI2(102)는 기존의 바이어스 제어 방식을 사용하면 된다. 그러나, MZI1(101)은 그 기능 특성상 기존에 제안된 바이어스 전압 안정화 제어 방법을 그대로 사용할 수 없다. 따라서, 새로운 바이어스 제어 방식이 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 펄스 발생용 외부변조기에 대해 최적의 직류 바이어스 전압 위치를 검색하고 안정화시키는 간단한 제어 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 비제로 복귀(NRZ: Non Return-to-Zero) 데이터를 이용한 제로 복귀 변조(RZ: Return-to-Zero) 또는 반송파 억압 제로 복귀 변조(CSRZ: Carrier Suppressed Return-to-Zero )를 수행할 때 사용되는 펄스발생용 외부 변조기(external modulator)에 대해 자동으로 최적의 바이어스 전압을 검색하고 운 용 중 최적의 바이어스 전압을 유지할 수 있도록 자동 제어하는 방법에 대한 것이다.
마흐젠더(Mach-Zehnder)형 외부 광변조기는 온도 변화 등에 따라 전달특성 곡선(transfer curve)이 좌우로 이동하는(DC bias drift) 현상이 발생한다. 이것은 전송 시스템의 성능 저하를 초래하므로 온도 변화에도 안정된 신호를 출력할 수 있도록 바이어스 전압이 최적의 위치에서 유지되도록 자동 보정 제어 장치가 필요하다. 기존의 비제로 복귀 변조 방식에 근거한 외부 변조기의 바이어스 전압 안정화 방법은 이미 많은 특허들이 등록 된 상태이다. 본 특허는 비제로 복귀 데이터를 이용한 제로 복귀 또는 반송파 억압 제로복귀 변조에 사용되는 펄스발생용 외부 변조기에 대해 최적의 바이어스 전압을 자동으로 검색하고 유지할 수 있는 간단한 설계로 구현과 제어가 쉬운 방법을 제시하고자 한다.
본 발명은 변조기의 바이어스 전압을 변화시켜가며 각 평균 출력 파워를 측정하여 최저(비제로 복귀 데이터를 이용한 제로복귀 변조; 이하 생략) 또는 최고(반송파 억압 제로복귀 변조; 이하 생략)의 값을 가질 때 최적 바이어스 전압 위치로 결정한다. 그리고, 바이어스 이동으로 인해 평균 출력 파워가 최저 또는 최고점에서 벗어나면 자동으로 바이어스 전압을 △V 씩 감소 또는 증가하면서 최적의 최저, 최고 위치를 찾아간다.
본 발명은 초고속 장거리 전송(high-speed long haul transmission)에 핵심 기술의 하나인 비제로 복귀 데이터를 이용한 제로복귀 및 반송파 억압 제로복귀 광변조 기술에서 외부변조기의 최적 바이어스 전압 검색 및 안정화 방법을 제안한 것 으로 출력 파워 및 신호 형태의 안정화를 위해 필수적인 기술이다. 본 발명의 장점은 출력 파워만을 측정하여 제어하므로 설계가 아주 간단하고 구성과 동작 방법이 단순하고 쉽다는 것이다.
본 발명의 제 1관점에 따른 광변조기 바이어스 전압 제어 장치는, 광변조기의 평균 출력 전력을 검출하는 평균 전력 검출부; 및 상기 검출된 평균 출력 전력을 기준 전력과 비교하고, 상기 검출된 평균 출력 전력이 상기 기준 전력과 일치하도록 상기 광변조기의 바이어스 전압을 조절하는 바이어스 전압 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는 바이어스 전압 제어부는, 상기 검출된 제 1 평균 출력 전력이 상기 기준 전력과 다른 경우, 상기 광변조기 바이어스 전압을 증가 또는 감소하는 제1방향으로 조절하고, 상기 광변조기의 평균 출력 전력을 다시 검출하여 상기 다시 검출된 제 2 평균 출력 전력과 상기 기준 전력과의 차이인 제 2 편차와 상기 제 1 검출된 평균 출력과 상기 기준 전력 차이인 제 1 편차를 비교하며, 상기 제 2 편차가 상기 제 1 편차 보다 큰 경우 상기 바이어스 전압을 상기 제1방향과 반대되는 제2방향으로 조절하며, 상기 제 2 편차가 상기 제 1 편차보다 작은 경우 상기 바이어스 전압을 상기 제1방향과 동일한 방향으로 조절하는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는 상기 기준 전력은 최저 평균 출력 전력인 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는 상기 기준 전력은 최고 평균 출력 전력인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2관점에 따른 광변조기 바이어스 전압 제어 방법은, 광변조기의 평균 출력 전력을 검출하는 검출 단계, 상기 검출된 평균 출력 전력을 기준 전력과 비교하는 비교 단계, 및 상기 검출된 평균 전력이 상기 기준 전력과 일치하도록 광변조기의 바이어스 전압을 조절하는 제어 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는 상기 제어 단계는, 상기 검출된 제 1 평균 출력 전력이 상기 기준 전력과 다른 경우, 상기 광변조기 바이어스 전압을 증가 또는 감소시키는 제1방향으로 조절하는 단계, 상기 광변조기의 평균 출력 전력을 다시 검출하는 단계, 상기 다시 검출된 제 2 평균 출력 전력과 상기 기준 전력과의 차이인 제 2 편차와 상기 제 1 검출된 평균 출력과 상기 기준 전력 차이인 제 1 편차를 비교하는 단계, 및 상기 제 2 편차가 상기 제 1 편차 보다 큰 경우 상기 바이어스 전압을 상기 제1방향과 반대되는 제2방향으로 조절하고, 상기 제 2 편차가 상기 제 1 편차보다 작은 경우 상기 바이어스 전압을 상기 제1방향과 동일한 방향으로 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는 상기 기준 전력은 최저 평균 출력 전력인 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는 상기 기준 전력은 최고 평균 출력 전력인 것을 특징으로 한다.
이와 같은 구성으로 인해, 본 발명은 펄스 발생용 외부변조기에 대해 자동으 로 최적의 직류 바이어스 전압 위치를 검색하고 안정화시키는 간단히 제어할 수 있게 된다.
본 발명의 이점 및 특징은 첨부된 도면과 함께 설명되는 본 발명의 바람직한 실시예에 의해 더욱 명확해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
본 발명에서 제시한 최적 바이어스 전압 자동 검색 및 안정화를 위한 간단한 제어 방법을 설명한다. 도 4는 제로 복귀 변조 방식에서 바이어스 전압의 변화에 따른 MZI1의 출력 신호(202)를 도시한 도면이다. 바이어스 전압이 최적의 위치인 (401)에 존재하면 하측 그래프(402)에 도시된 펄스 모양을 갖게 된다. 바이어스 전압이 우측 방향(403)으로 +Vπ/2 만큼 이동하면 우측 그래프(404)의 펄스모양을 갖게된다. 펄스모양의 변화에 의해 평균 파워가 최적 위치(401)의 지점의 값보다 증가된다. 바이어스 전압이 좌측(405)으로 -Vπ/2 만큼 이동하면 출력 펄스모양은 좌측 그래프(406)와 같이 되며 우측 그래프(404)와 동일한 형태를 가진다. 평균 파워도 우측(403) 지점의 경우와 동일하며 최적 (401)지점보다 증가된 값이다.
도 5는 반송파 억압 제로 복귀 변조 방식에서 바이어스 전압의 변화에 따른 MZI1(101)의 출력 신호(302) 이다. 바이어스 전압이 최적의 위치(501)에 존재하면 하측 그래프(502)의 펄스 모양을 갖게 된다. 바이어스 전압이 우측 방향(503)으로 +Vπ/2 만큼 이동하면 우측 그래프(504)의 펄스 모양을 갖게된다. 펄스 모양의 변화에 의해 평균 파워가 최적(501)의 지점의 값보다 감소된다. 바이어스 전압이 (505)로 -Vπ/2 만큼 이동하면 출력 펄스 모양은 좌측 그래프(506)와 같이 되며 우 측 그래프(504)와 동일한 모양을 갖는다. 평균 파워도 우측(503)지점의 경우와 동일하며 최적(501)지점의 경우보다 감소된 값이다.
도 6은 도 1의 비제로 복귀 데이터를 이용한 제로복귀 변조에서 제1외부 변조기(101)의 바이어스 전압 이동에 따른 출력 파워 검출 결과를 도시한 도면이고, 도 7은 도 1의 반송파 억압 제로복귀 변조에서 제1외부 변조기(101)의 바이어스 전압 이동에 따른 출력 파워 검출 결과를 도시한 도면이다.
제로 복귀 변조에서는 최적의 바이어스 전압 위치에서 MZI1(101)의 출력 파워가 최저의 값(601)을 가지며, 반송파 억압 제로 복귀 변조에서는 최고의 값(701)을 갖게 된다. 이러한 특성을 이용하여 간단히 광파워 검출기만을 삽입하여 쉽게 최적 바이어스 전압 검색 및 안정화 제어를 하는 방법을 고안하였다.
제로 복귀와 반송파 억압 제로 복귀는 최적의 바이어스 전압이 최저와 최고치 일뿐 제어 수행 과정에는 차이가 없으므로 제로 복귀 변조만을 가지고 설명한다. 바이어스 전압의 최적 지점을 자동으로 찾기 위해 바이어스 전압을 변화시켜가며 MZI1(101)의 평균 출력 파워를 측정한다. 도 4와 같이 바이어스가 최적 지점(401)에서 벗어남에 따라 파워가 증가(반송파 억압 제로 복귀 변조에서는 감소)되며 증가는 도 6처럼 좌우 대칭의 형태가 된다. 따라서 최저(반송파 억압 제로복귀 변조에서는 최고) 평균파워를 가진 부분이 바이어스 전압의 최적 위치가 된다.
도 8은 본 발명에 따른 광변조기 바이어스 전압 제어 장치를 포함하는 광변조기의 일 실시예의 개략적인 블록도이다. 도 1과 비교하면 파워 검출부(802) 및 제어부(803)로 구성된 바이어스 전압 제어 장치가 부가되어 있다. 도 8에서 광분배기(미도시)를 사용하여 MZI1(101)의 출력 파워의 일부를 분기하여 광수신기 및 증폭기 등으로 구성된 광파워 검출부(802)에 인가한다. 검출된 파워 값은 제어부(803)로 전달된다.
제어부(803)는 아래에서 설명할 본 발명에 따른 광변조장치의 바이어스 전압 제어방법을 수행하여 최적의 바이어스 전압 값을 찾는다.
도 9는 본 발명에 따른 광변조기 바이어스 전압 제어 방법의 일 실시예를 수행하는 흐름도이다. 도 9에서, 우선 바이어스 전압을 변화시켜가며 평균 출력 파워가 최저(반송파 억압 제로 복귀 변조에서는 최고)인 바이어스 전압 최적 위치를 검색(901)한 다음, 그 때의 최저(반송파 억압 제로 복귀 변조에서는 최고치) 출력 파워 값을 레지스터1에 저장한다(902).
그리고 운용 중에 바이어스 전압이 바뀌어 현재의 파워 값과 레지스터1의 값을 비교하여(903) 서로 다르게 되면 현재 출력 파워 값을 레지스터2에 기록하고(904) 바이어스 전압을 △V 증가한다(905). 증가 후 출력 파워와 레지스터2의 값을 비교한다(906). 이때, 레지스터2 값이 현재 출력 파워보다 크면(반송파 억제 제로 복귀 변조에서는 작으면) 바이어스 전압을 △V 씩 증가시키면서(910) 레지스터1의 최저값(반송파 억제 제로 복귀 변조에서는 최고값)에 도달하도록 조정한다(911).
만일, 레지스터2의 값이 바이어스 전압의 +△V 이동 시 출력 파워보다 작다면(반송파 억제 제로 복귀 변조에서는 크다면) 바이어스 전압의 증가 방향은 최 적지점을 벗어나는 방향으로 가는 것이므로 반대로 △V 씩 바이어스 전압을 감소하면서(907) 최적위치에 도달하도록 조정한다(908). 바이어스 전압 이동방향을 찾기 위해 불필요한 전압 증가가 있을 수 있지만 추가적인 복잡한 설계 없이 간단히 안정화를 수행할 수 있다.
본 발명에 의해, 추가적인 광원이나 복잡한 설계 없이 광검출기 한 개와 간단한 제어부만으로도, 비제로 복귀 데이터를 이용한 제로 복귀 또는 반송파 억압 제로 복귀 변조에서 펄스를 발생시키는 변조기의 최적 바이어스 전압 위치를 자동으로 검색하고 안정화시킬 수 있게 된다.

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 광변조기의 평균 출력 전력을 검출하는 평균 전력 검출부; 및
    상기 검출된 평균 출력 전력을 기준 전력과 비교하고, 상기 검출된 평균 출력 전력이 상기 기준 전력과 일치하도록 상기 광변조기의 바이어스 전압을 조절하는 바이어스 전압 제어부를 포함하고,
    상기 바이어스 전압 제어부는, 상기 검출된 제 1 평균 출력 전력이 상기 기준 전력과 다른 경우, 상기 광변조기 바이어스 전압을 증가 또는 감소하는 제1방향으로 조절하고,
    상기 광변조기의 평균 출력 전력을 다시 검출하여 상기 다시 검출된 제 2 평균 출력 전력과 상기 기준 전력과의 차이인 제 2 편차와 상기 제 1 검출된 평균 출력과 상기 기준 전력 차이인 제 1 편차를 비교하며,
    상기 제 2 편차가 상기 제 1 편차보다 큰 경우 상기 바이어스 전압을 상기 제1방향과 반대되는 제2방향으로 조절하며, 상기 제 2 편차가 상기 제 1 편차보다 작은 경우 상기 바이어스 전압을 상기 제1방향과 동일한 방향으로 조절하는 것을 특징으로 하는 광변조기 바이어스 전압 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 기준 전력은 최저 평균 출력 전력인 것을 특징으로 하는 광변조기 바이어스 전압 제어 장치.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 기준 전력은 최고 평균 출력 전력인 것을 특징으로 하는 광변조기 바이어스 전압 제어 장치.
  5. 삭제
  6. 광변조기의 평균 출력 전력을 검출하는 검출 단계;
    상기 검출된 평균 출력 전력을 기준 전력과 비교하는 비교 단계;
    상기 검출된 평균 전력이 상기 기준 전력과 일치하도록 상기 광변조기의 바이어스 전압을 조절하는 제어 단계를 포함하고,
    상기 제어 단계는
    상기 검출된 제 1 평균 출력 전력이 상기 기준 전력과 다른 경우, 상기 광변조기 바이어스 전압을 증가 또는 감소시키는 제1방향으로 조절하는 단계;
    상기 광변조기의 평균 출력 전력을 다시 검출하는 단계; 및
    상기 다시 검출된 제 2 평균 출력 전력과 상기 기준 전력과의 차이인 제 2 편차와 상기 제 1 검출된 평균 출력과 상기 기준 전력과의 차이인 제 1 편차를 비교하는 단계;
    상기 제 2 편차가 상기 제 1 편차 보다 큰 경우 상기 바이어스 전압을 상기 제1방향과 반대되는 제2방향으로 조절하고, 상기 제 2 편차가 상기 제 1 편차보다 작은 경우 상기 바이어스 전압을 상기 제1방향과 동일한 방향으로 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광변조기 바이어스 전압 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 기준 전력은 최저 평균 출력 전력인 것을 특징으로 하는 광변조기 바이어스 전압 제어 방법.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 기준 전력은 최고 평균 출력 전력인 것을 특징으로 하는 광변조기 바이어스 전압 제어 방법.
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