KR100710451B1 - 국제통신연합 표준 채널 그리드에 맞는 주파수를 가지는표준광원 수득방법 - Google Patents

국제통신연합 표준 채널 그리드에 맞는 주파수를 가지는표준광원 수득방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 진공 밀폐된 분자셀 내부의 분자 온도 및/또는 압력을 조절하여 흡수 스펙트럼의 선폭을 조절함으로써 레이저 광원의 주파수를 ITU-T 채널 그리드(ITU-T G.692 Recommendation) 주파수에 가까이 있는 분자 전이선의 옆선(slope)에 록킹(locking)하여 ITU-T 채널 그리드 주파수와 일치시키는 방법으로서 파장 분할 다중화(WDM:Wavelength Division Multiplexing)를 위한 안정화된 표준광원을 수득할 수 있다.
파장안정화 광원, 분자 전이선, DFB 레이저, PI 제어, 흡수 스펙트럼, 옆선, WDM.

Description

국제통신연합 표준 채널 그리드에 맞는 주파수를 가지는 표준광원 수득방법{ Getting method of the frequency of wavelength reference source which have one of the multi-channel grid frequencies recommended by ITU-T G.692 Recommendation(1998. 10.)}
도1은 본 발명에 의한 ITU-T 채널 그리드에 맞는 주파수를 가지는 표준광원 수득하기 위한 아세틸렌 분자 셀을 나타낸 구성도이다.
도2는 본 발명에 의한 ITU-T 채널 그리드에 맞는 주파수를 가지는 표준광원 수득하기 위한 시스템 구성도이다.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -
1 : DFB(Distribeted Feed Back) 레이저 2 : 광 분할기
3, 8 : 광 검출기 4, 13 : 온도조절장치
5 : GRIN(Gradient Index lens) 렌즈 6 : 유리관
7 : 아세틸렌가스 9 : 아세틸렌 분자셀
10 : 비교 및 증폭기 11 : 마이크로프로세서
12 : PI(Proportional Integrator)제어부
본 발명은 국제통신연합 표준화 섹터(ITU-T : International Telecommunication Union-Telecommunication Standardization Sector)에서 추천한 다채널 시스템에서 기준 광주파수 값으로 권고하고 있는 채널 그리드에 맞는 주파수를 가지는 표준광원 수득방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 레이저 광원의 주파수가 ITU-T 채널 그리드 주파수와 일치하도록 ITU-T 채널 그리드 주파수에 가까이 있는 분자 전이선의 옆선에 레이저 광원의 주파수를 록킹시켜 파장 분할 다중화를 위한 안정화된 표준광원을 수득할 수 있도록 하는 ITU-T 채널 그리드에 맞는 주파수를 가지는 표준광원 수득방법에 관한 것이다.
광통신에서의 파장 분할 다중화(WDM : Wavelength Division Multiplexing) 전송방식은 하나의 광섬유에 서로 다른 파장을 가지는 다채널의 광신호들을 동시에 전송하는 것으로서 이를 통해서 광섬유의 정보 전송용량을 크게 증가시킬 수 있다. 또, 인터넷의 발달과 함께 전송용량의 수요증가로 전송용량을 증가시키기 위해서는 채널 사이의 파장 간격을 좁히는 고밀도 파장 분할 다중화(Dense Wavelength Division Multiplexing) 전송방식에 의한 전송시스템이 이용되고 있다.
이러한 전송시스템은 광원들 사이의 파장 간격이 좁기 때문에 광원들의 파장변화로 인해 서로 간섭을 일으켜서 통신품질을 떨어뜨릴 수 있다는 것이 가장 큰 문제점으로 지적되고 있다. 그리고 각각의 광원의 파장이 제어가 된다고 하더라도 광원의 파장이 ITU-T 채널 그리드 파장과 다른 경우에 통신망에서 많은 장애요인이 발생하게 된다.
상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 ITU-T는 1998. 10. 의 권고안 및 2002. 06.의 권고안(Recommendation)에서 절대 주파수기준(Absolute Frequency Reference) 및 채널 그리드 주파수(또는 파장)값을 ITU-T G.692 및 ITU-T G.694.1 규격으로 표준화하고, 모든 고밀도 파장 분할 다중화 광통신시스템에서 ITU-T 채널 그리드 값을 가지는 레이저들을 사용할 것을 권고하고 있다.
상기한 바와 같은 권고안을 적용한 종래의 파장 분할 다중화 광통신 시스템에서 각 채널 별로 사용하고 있는 파장 고정기(Wavelength Locker)로서는 에탈론(etalon) 필터를 이용하고 있으나, 이 에탈론 필터는 외부환경에 따라 기준 파장이 달라질 수 있고, 광통신시스템의 부피가 커지게 될 뿐더러 ITU-T 채널 그리드에 맞는 절대 파장값에 의해 각각의 DFB 레이저(Distributed Feedback laser)의 파장을 안정화할 수 없다는 문제가 있다.
또한, 1996년 발행된 J. Lightwave Tech(저자 : M. Teshima, M. Koga, and K. I. Sato)의 14회 2277-2285 페이지 10호(vol 14, pp 2277-2285, no 10)에 기재된 "Performance of multiwavelength simultaneous monitoring circuit employing arrayed-waveguide grating" 에 따르면, 한 개의 파장 분할 역다중화기의 인접한 출력단들 간에서 교차점을 얻어 채널을 안정화시키고 있으나, 이 경우도 절대파장의 기준을 제공하지 못하고 있다.
그리고 대한민국 공개특허공보 제2000-49867호(2000. 08. 05. 공개)에 개시된 "다중 광채널 파장 안정화방법"은 두 개의 파장분할 역다중화기(Wavelength Division Demultiplexer)를 이용하여 파장분할 다중화 광통신시스템의 광채널 파장을 안정화 시키기 위한 것으로서, 이는 미리 측정을 통하여 레이저 다이오드의 실제 측정값과 내부 광 검출기 사이의 함수관계 및 파장분할 다중화기와 파장분할 역다중화기를 결합한 경로에 대한 파장별 투과율(transmittance)을 파악하고, 레이저 다이오드의 내부 광 검출기 출력단과 파장분할 역다중화기 출력단에 연결된 외부 광 검출기의 출력값을 제어장치에 의해 확인하여 투과율을 계산한 후 미리 측정된 값과 투과율을 비교하여 파장분할 다중화된 광통신을 위한 채널의 파장을 측정할 수 있다. 하지만 이러한 방법에 의해서도 절대주파수가 안정되지 않는다는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 아세틸렌((12C2H2) 또는 (13C2H 2))분자나 시안화수소(HCN) 분자와 같은 분자 전이선 중에서 ITU-T 채널 그리드에 가까운 전이선을 이용하여 레이저 광원의 주파수를 안정화시킬 수 있도록 하는 방법으로서 ITU-T 채널 그리드에 맞는 주파수를 가지는 표준광원 수득방법을 제공하는데 있다.
즉, 분자 전이선의 흡수 스펙트럼은 도플러효과와 가스압력효과에 의해 선폭이 확대되는데, 특히 분자의 압력이 수 Torr 이상이 되면, 선폭은 주로 가스압력에 의해 결정된다는 점을 이용하여 본 발명은 ITU-T 채널 그리드 주파수가 흡수 스펙트럼 옆선(slope)의 중앙에 올 수 있도록 가스압력을 조절하여 흡수 스펙트럼 옆선의 중앙에 레이저 광원 주파수를 무변조 안정화시킬 수 있도록 한 것이다.
본 발명에 의한 ITU-T 채널 그리드에 맞는 주파수를 가지는 표준광원 수득방법은, 진공 밀폐된 분자셀 내부의 분자 온도 및/또는 압력을 조절하여 흡수 스펙트럼의 선폭을 조절함으로써 스펙트럼의 옆선의 기울기를 조정하여 ITU-T 채널 그리드(ITU-T G.692 Recommendation) 주파수에 가까이 있는 분자 전이선의 옆선(slope)의 중심에 ITU-T 채널 그리드 주파수와 일치하도록 하여, 레이저 광원의 주파수를 록킹(locking)시켜 파장 분할 다중화(WDM:Wavelength Division Multiplexing)를 위한 안정화된 표준광원을 수득할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한 ITU-T 채널 그리드에 맞는 주파수를 가지는 표준광원 수득방법은, DFB(Distributed Feed Back) 레이저로부터 출력되는 레이저 광의 일부를 분할하는 제1단계; 상기 레이저 광원의 주파수가 ITU-T 채널 그리드 주파수와 일치하도록 분자셀 내부의 분자 온도 및/또는 압력에 의해 흡수 스펙트럼의 선폭을 조절하여 분자 전이선의 옆선의 중심에 ITU-T 채널 그리드 주파수를 일치시키는 제2단계; 상기 DFB 레이저로부터 분할된 레이저 광을 검출한 검출기의 검출전기신호와 상기 분자셀을 통과한 레이저 광을 검출한 검출 전기신호를 증폭시켜 비교하고 그 차이값을 구하는 제3단계; 및 상기 제3단계에서 얻어진 차이 값을 PI 제어부를 통하여 DFB 레이저의 온도를 조절하여 DFB 레이저로부터 출력되는 레이저 광이 ITU-T 채널 그리드 주파수와 일치하도록 하여 표준광원으로 수득하는 제4단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 분자 전이선은, 시안화수소(HCN), 12C2H2 또는 13C2H2의 분자 전이선 중 하나인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 분자셀을 제작할 때, 상기 분자셀 내부로 GRIN 렌즈(gradient index lens)를 삽입하여 봉합함으로써 분자셀을 소형화하고, 레이저 광이 평행광 상태를 유지할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 아래의 표1 및 표2에 제시된 아세틸렌(12C2H2)( 13C 2H2) 분자나 시안화수소(HCN) 분자와 같은 분자 전이선의 흡수 스펙트럼을 이용하는 것으로서, ITU-T 채널 그리드의 주파수가 흡수 스펙트럼 옆선의 중심에 있을 때, 정확도가 높은 레이저 광원을 얻을 수 있기 때문에 이러한 조건을 맞는 스펙트럼의 선폭을 분자 가스셀의 압력을 조절하여 얻는다. 따라서 단일모드 반도체 레이저의 주파수를 스펙트럼의 옆선에 무변조 안정화하여, ITU-T 채널 그리드에 적합한 안정화된 광원이 얻어진다.
전이선 파장(nm) ITU-T 채널 그리드 주파수(THz) (ITU-T 채널 그리드 - 주파수)
R18 1516.0139 197.75 197.7504666 -0.00046656
R4 1522.5696 196.9 196.8990213 0.00097868
R5 1528.0142 196.2 196.1974282 0.0025718
P7 1529.1798 196.05 196.0478844 0.00211556
P14 1533.4613 196.5 195.5005106 -0.00051062
P20 1537.3821 195 195.001916 -0.00191597
전이선 파장(nm) ITU-T 채널 그리드 주파수(THz) (ITU-T 채널 그리드 - 주파수)
R14 1526.0576 196.45 196.449205 0.00079505
R4 1530.7401 195.85 195.8482014 0.00179858
P4 1535.4319 195.25 195.2498638 0.00013618
P11 1539.3872 194.75 194.7481415 0.00185846
P13 1540.5688 194.6 194.5987353 0.00126468
통상, 분자 전이선의 스펙트럼들은 약 50 GHz의 간격을 가지고 있으며, DFB 레이저의 온도를 변화시켜 레이저 주파수를 주사하여 두 개의 스펙트럼을 얻고, 두 개의 스펙트럼의 중심 주파수를 입력하는 방법으로 스펙트럼선의 선폭과 옆선의 기울기를 알 수가 있으며, 이를 이용하여 DFB 레이저의 온도를 레이저 주파수 계수를 알 수 있게 되며, 이 특성을 이용하여 DFB 레이저의 온도에 따른 발진 레이저 주파수를 알 수가 있다. 또, 도 2의 10번의 비교 및 증폭기의 출력단에서 나오는 스펙트럼선은 주파수축에 대한 전압 특성으로 스펙트럼 곡선 그래프가 나타나는데, 이 그래프 값을 이용하면, ITU-T 그리드 값과 일치하는 옆선의 위치를 알 수가 있다.
이에 의하면, 스펙트럼 옆선에서 ITU-T 채널 그리드 값과 일치하는 온도 또는 전압 값이 저장되도록 할 수가 있기 때문에 이렇게 해서 제어되는 레이저 주파수 값은 가스의 압력변화에 의해 스펙트럼의 선폭이 변하더라도 레이저 주파수에 변화가 없다.
이와 같이 DFB 레이저의 동작온도를 레이저 광원의 주파수로 변환시키기 위한 본 발명의 시스템은 도2에 도시한 바와 같이, 아세틸렌 분자셀(9)과 아세틸렌 분자의 스펙트럼의 옆선에 무변조 주파수 안정화기술을 이용하여 ITU-T 채널 그리드 주파수에 맞는 안정화된 파장 표준광원(WRS : Wavelength Reference Source)을 얻고 있다.
한 가지의 예를 들어 설명하면, 도2에서 레이저 광을 출력하는 DFB 레이저(Distributed Feedback laser)(1)는 단일모드에 출력이 10 mW 정도이고, 상온에서 1530.7 nm의 파장을 발진한다. 상기 DFB 레이저(1)의 출력은 5 : 95 광 분할기(2)에 의해 분할되어 5 %의 출력의 일부는 광 검출기(3)에 전달되고, 동시에 5%중의 나머지의 일부 광은 아세틸렌 분자셀(9)의 흡수분광으로 사용되어 광 검출기(8)에서 검출되고, 95 %의 출력은 파장계를 이용한 레이저 파장 측정 및 파장표준광원으로 사용되어진다.
ITU-T 채널 그리드의 파장(주파수)의 안정화를 위해 본 발명은 아세틸렌 분자셀(9)에 의해 형성된 아세틸렌 흡수 스펙트럼의 옆선에 안정화 방법(locking)을 이용하고 있는데, 일반적으로 아세틸렌 분자셀(9) 내부의 압력과 외부온도에 의해 흡수 스펙트럼의 선폭 변화가 있을 수 있다. 하지만 아세틸렌 분자셀(9)이 가스 상태로 밀봉되어 있기 때문에 아세틸렌 분자셀(9) 내부의 압력변화는 무시할 수 있을 정도이다.
그러나 외부온도에 의한 흡수 스펙트럼의 선폭 변화는 압력에 의한 선폭변화에 비해 대단히 커서, 온도변화로 인한 흡수 스펙트럼의 선폭 변화로 레이저 광원의 파장변화가 발생될 수 있다.
아세틸렌 분자셀(9)의 경우, 온도에 의한 주파수 변화가 약 4 MHz/℃ 정도이기 때문에 본 발명에서는 별도의 온도조절장치(4)를 두어 아세틸렌 분자셀(9)의 온도를 ±0.1 ℃로 안정화시킬 수 있도록 하고 있다. 이때 레이저 광원의 주파수 변화 정 도가 ±0.4 MHz 정도로서 이는 상대주파수로 환산하면, 약 10-12 정도로 작은 것을 알 수 있다.
도1은 상기한 아세틸렌 분자셀(9)의 한 가지의 예를 나타낸 것으로서 길이가 2 cm이고 직경이 3 mm인 소형 아세틸렌 분자셀이다. 이 아세틸렌 분자셀(9)은 유리관(6)의 한 쪽에는 GRIN 렌즈(5)가 그리고 반대쪽에는 광 검출기(8)가 일체형으로 결합되고, 유리관(6) 내에는 아세틸렌 가스(7)가 진공 봉입되어 이루어진다. 유리관(6)의 주변에는 분자의 압력과 함께 분자 전이선의 파장값을 선택하는 중요한 요소 중의 하나인 온도를 조절하기 위한 온도조절장치(4)가 구비되어 있다.
상기 아세틸렌 분자셀(9)의 한쪽 끝에 결합된 GRIN 렌즈(5)는 광섬유를 통해 나온 DFB 레이저(1)의 광이 아세틸렌 분자셀(9)을 평행광 상태로 통과할 수 있도록 하는 역할을 한다. DFB 레이저(1)의 광은 평행광 상태로 아세틸렌 분자셀(9) 내부를 약 2 cm 진행한 후 1.5 ㎛에서 무반사 코팅된 창을 통과하여 광 검출기(8)로 입사되도록 제작되어 있다.
상기한 구성에 의해 파장표준광원을 구현하는 과정을 설명한다.
먼저, DFB 레이저(1)의 광출력 중 광 분할기(2)에 의해 분할된 5%의 출력은 광 검출기(3)와 아세틸렌 분자셀(9)에서 아세틸렌 흡수분광에 사용되고, 95%의 출력은 파장계를 이용한 레이저 파장 측정 및 파장표준광원으로 사용된다.
여기서, DFB 레이저(1)는 단기 안정도에 있어서는 1×10-8 정도의 상대주파수 안정도를 가지고 있어, 단기 안정도의 개선보다 장기 안정도의 개선이 요구되므로 후술 하는 바와 같이 광 검출기(3)와 마이크로프로세서(11), PI 제어부(12) 등에 의해 레이저 광원의 변동에 의한 에러신호를 DFB 레이저(1)의 온도 조절장치(13)로 피드백(feedback)시켜 레이저 광원의 주파수가 안정화될 수 있도록 하고 있다.
상기의 광 검출기(3)에 의해 검출되어 비교 및 증폭기(10)에 전달되는 레이저 광은 DFB 레이저(1)로부터 출력될 때의 파장(주파수)을 그대로 가지고 전송되지만, 아세틸렌 분자셀(9)에 전송된 레이저 광은 그 주파수에 따라서 아세틸렌 흡수 스펙트럼에 의해 광의 세기가 영향을 받는다. 이렇게 출력의 세기가 영향을 받은 레이저 광은 광 검출기(8)를 통해 비교 및 증폭기(10)에 전달된다.
다시 말해, GRIN 렌즈(5)를 통해 아세틸렌가스(9)가 진공 봉입된 유리관(6)에 평행광 상태로 입사되는 DFB 레이저(1)의 레이저 광은 유리관(6) 내부의 압력과 온도조절장치(4)에 의해 조절된 온도 값에 따라 표1 및 표2와 같은 아세틸렌 분자의 전이선과 해당 전이선의 스펙트럼 선폭에 의해 영향을 받는다.
상기 비교 및 증폭기(10)는 광 검출기(3)로부터 전송된 전기신호와 아세틸렌 분자셀(9)에 통과된 레이저 광을 검출한 광검출기의 출력 신호를 일정 레벨까지 증폭한 후 이들 사이의 차이 값을 구하고, 그 차이 값에 대한 데이터를 마이크로프로세서(11)로 전송함과 아울러 이들의 차이값의 변화를 모니터로 전송한다.
이들 두 전기 신호의 차이 값에 대한 데이터를 전송받은 마이크로프로세서(11)는 DFB 레이저(1)의 레이저 광을 ITU-T 채널 그리드 주파수와 동일한 파장(주파수)으로 안정화시키기 위해 이 차이 값(실제로는 제로 전압 값)에 대응하는 에러신호를 PI 제어부(12)로 전송한다.
상기 마이크로프로세서(12)로부터 에러신호를 전송받은 PI 제어부(12)가 DFB 레이저(1)로부터 출력되는 레이저 광의 주파수(파장)를 안정화시키기 위해 DFB 레이저(1)의 온도조절장치(13)를 구동시켜 동작온도를 조절함으로써 DFB 레이저(1)는 온도조절장치(13)에 의해 조정되고 온도 제어된 환경 하에서 레이저광의 주파수는 ITU-T 그리드 값과 일치하고 또 안정화가 이루어진다. DFB 레이저의 95%의 출력광은 파장표준광원으로 사용될 수 있는 안정적인 레이저 광이 되며, 정밀 파장계를 이용한 레이저 파장 측정 등으로 레이저의 주파수 안정화 여부를 검증해 볼 수 있으며, 또 역으로 파장계의 교정 등에도 사용할 수가 있다.
따라서 본 발명은 DFB 레이저의 온도조절을 통해 레이저 광의 주파수를 안정화시킬 때, 온도조절을 통해 레이저 광원의 주파수를 조절함으로써 레이저 출력의 변화를 최소화시킬 수 있으며, 동시에 입력전류조절을 통해 레이저 출력 안정화를 동시에 실현할 수 있는 효과가 있다.
더 나아가서, 본 발명은 DWDM 광통신 시스템에서 사용하는 레이저 광원의 절대파장을 구현할 수 있기 때문에 국내뿐만 아니라 국제광통신에서 발생될 수 있는 송신용 레이저광 파장 변화에 의한 크로스토크에 기인하는 데이터 손실을 막을 수 있으며, 광통신용 파장기준을 제공하는 광원으로 사용할 수 있으며, 파장 측정 장비의 교정에 활용됨으로써 광통신부품 및 장비를 정확하게 교정하여 사용할 수가 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체적인 실시 예에 대해서만 상세히 설명하였지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (3)

  1. 진공 밀폐되고 레이저 광을 평행광 상태로 유지시켜 주는 분자셀 내부의 분자 온도 및/또는 압력을 조절하여 흡수 스펙트럼의 선폭을 조절함으로써 스펙트럼의 옆선의 기울기를 조정하여 ITU-T 채널 그리드(ITU-T G.692 Recommendation) 주파수에 가까이 있는 분자 전이선의 옆선(slope)의 중심에 ITU-T 채널 그리드 주파수와 일치하도록 하여, 레이저 광원의 주파수를 록킹(locking)시켜 파장 분할 다중화(WDM:Wavelength Division Multiplexing)를 위한 안정화된 표준광원을 수득할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 ITU-T 채널 그리드에 맞는 주파수를 가지는 표준광원 수득방법.
  2. DFB(Distributed Feed Back) 레이저로부터 출력되는 레이저 광의 일부를 분할하는 제1단계;
    레이저 광원의 주파수가 ITU-T 채널 그리드 주파수와 일치하도록 분자셀 내부의 분자 온도 및/또는 압력에 의해 흡수 스펙트럼의 선폭을 조절하여 분자 전이선의 옆선의 중심에 ITU-T 채널 그리드 주파수를 일치시키는 제2단계;
    상기 DFB 레이저로부터 분할된 레이저 광을 검출한 검출기의 검출전기신호와 상기 분자셀을 통과한 레이저 광을 검출한 검출 전기신호를 증폭시켜 비교하고 그 차이값을 구하는 제3단계; 및
    상기 제3단계에서 얻어진 차이 값을 PI 제어부를 통하여 DFB 레이저의 온도를 조절하여 DFB 레이저로부터 출력되는 레이저 광이 ITU-T 채널 그리드 주파수와 일치하도록 하여 표준광원으로 수득하는 제4단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 ITU-T 채널 그리드에 맞는 주파수를 가지는 표준광원 수득방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 분자셀은 분자셀을 제작할 때 상기 분자셀 내부로 GRIN 렌즈(gradient index lens)를 삽입하여 봉합함으로써 분자셀을 소형화하는 것을 특징으로 하는 ITU-T 채널 그리드에 맞는 주파수를 가지는 표준광원 수득방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH05291677A (ja) * 1992-04-13 1993-11-05 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 波長安定化レーザ装置
KR20000000695A (ko) * 1998-06-02 2000-01-15 서평원 파장분할다중 시스템을 위한 광채널 오류감시 및 검출장치

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