KR100728328B1 - 파장분할다중화 기반 광통신을 위한 파장 잠금장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파장분할다중화(WDM)를 기반으로 하는 광통신 시스템에서 WDM 광원의 파장을 소정의 설정된 값에 고정시키기 위한 파장 잠금장치에 관한 것이다.

본 발명은 WDM을 기반으로 하는 광통신 시스템에서, 레이저 광원으로부터 출력된 레이저 광을 팔 길이가 가변가능한 간섭계로 통과시켜 레이저 광의 파장 천이를 검출하고, 상기 검출된 파장 천이값을 토대로 하여 레이저 광원의 온도를 조절함으로써 레이저 광원의 발진 파장을 원래의 고정 파장으로 환원시키는 방법으로 WDM 광원의 파장 잠금을 수행한다. 이를 위하여 본 발명의 파장 잠금장치는, 레이저 광을 출력하는 광원, 상기 광원의 온도를 사전에 설정된 값으로 일정하게 유지시키기 위한 자동 온도 제어수단, 상기 광원에서 출력된 레이저 광의 파장 변화에 따른 간섭신호의 위상변화를 검출하기 위한 팔 길이 가변가능 광 간섭계, 상기 광 간섭계에서 검출된 간섭신호를 수신하기 위한 광 수신수단, 상기 광 수신수단의 출력값을 소정의 기준 파장 정보 및 온도 정보와 비교하여 상기 자동 온도 제어수단을 통해 광원의 온도조절을 기반으로 파장을 고정시키기 위한 신호처리수단을 포함하여 구성된다.

광통신, 파장분할다중화, WDM, 파장잠금, 간섭계, 팔 길이 가변 간섭계

Description

파장분할다중화 기반 광통신을 위한 파장 잠금장치{Wavelength Locker For Optical Communication System Based-on Wavelength Division Multiplexing}

도1은 ITU-T에서 인접 채널 간의 간섭이 발생하지 않기 위한 파장 간격 권고의 예를 나타낸 도면

도2는 본 발명의 WDM 광통신을 위한 파장 잠금장치의 블록도

도3은 본 발명의 마이켈슨 간섭계의 출력 스펙트럼 및 동일 출력을 가지는 서로 다른 파장의 경우 예를 나타낸 도면

도4는 본 발명의 팔 길이 가변 광 간섭계의 출력에서 도3의 두 파장에 대한 간섭신호의 위상차 예를 나타낸 도면

도5는 본 발명의 WDM 광통신을 위한 파장 잠금장치에서 신호 처리부의 실시예를 나타낸 도면

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 레이저 발진부20: 마이켈슨 간섭계

30: 광 수신부40: 신호 처리부

11: 광원12: APC

13: ATC21: 광 분배기

22: 제1 반사경23: 제2 반사경

24: 등속도 왕복 이동체 41: A/D 변환기42: 제1 연산기 43: 제2 연산기

본 발명은 파장분할다중화(WDM: Wavelength Division Multiplexing)를 기반으로 하는 광통신 시스템에서 WDM 광원의 파장을 소정의 설정된 값에 고정시키기 위한 파장 잠금장치에 관한 것이다.

더욱 상세하게는 본 발명은 WDM을 기반으로 하는 광통신 시스템에서, 레이저 광원으로부터 출력된 레이저 광을 팔 길이가 가변가능한 간섭계로 통과시켜 레이저 광의 파장 천이를 검출하고, 상기 검출된 파장 천이값을 토대로 하여 레이저 광원의 온도를 조절함으로써 레이저 광원의 발진 파장을 원래의 고정 파장으로 환원시키는 방법으로 WDM 광원의 파장 잠금을 수행할 수 있도록 한 WDM 기반 광통신 시스템의 파장 잠금장치에 관한 것이다.

인터넷 사용의 급증에 따른 전송 용량의 증가를 효과적으로 수용하기 위한 방안으로 WDM을 이용한 광 네트워크의 구성이 활발히 진행되고 있으며, 장래에도 WDM의 채널간 파장 간격을 줄여 채널 수를 증가시키고자 하는 DWDM(Dense WDM) 기술이 막대한 정보 증가량에 유연히 대처할 수 있을 것으로 인식된다.

WDM 광통신 시스템은 하나의 광섬유에 여러 파장의 광신호를 다중화하여 전송함으로써 시스템을 효율적으로 초고속화 및 초 광대역화 시킬 수 있는 전송 시스템이다. WDM 광 전송방식은 송신단에서 좁은 간격의 여러 파장 빛들을 하나의 광섬유 안에 넣어 전송하여야 하므로 각 파장간의 간격 유지 및 분리가 전송성능에 큰 영향을 미치게 된다.

현재 인터넷을 비롯한 각종 데이터 트래픽(data traffic)의 폭증으로 인하여 WDM 광통신 시스템은 채널간격이 축소되고 있으며 또한 많은 채널을 수용하게 되었다. 상기 시스템에서 각 레이저의 주파수(파장)를 정확히 제어하는 것이 중요하게 되었다.

예를 들면 채널 파장이 잠금(locking)되지 않았을 경우 인접 채널간에 간섭이 발생할 뿐만 아니라 WDM 소자들을 통과한 출력특성들이 변화하게 되어 통신에서 많은 오류가 발생된다. 따라서 WDM 광 네트워크를 구성하기 위해서는 파장 안정화가 필수적이다.

그러나, 현재 널리 사용되고 있는 반도체 광궤환(DFB: Distributed Feed Back) 레이저들의 주파수는 레이저를 구동하는 전류와 온도 등을 일정하게 하더라도 수십 GHz까지 발진 주파수가 흔들릴 수 있으므로 각 레이저의 발진 주파수를 기준 주파수(파장)에 안정화시켜야 한다.

국제전기통신연합(ITU-T)에서는 WDM 광통신을 위하여 인접 채널간에 간섭이 발생하지 않기 위한 표준을 제시하였다. 예를 들면 도1은 ITU-T에서 제시하는 100GHz(1550nm의 경우 약 0.8nm)의 파장 간격 권고안을 보여주고 있다. 이러한 사실들로 미루어 파장 잠금 기술은 WDM 네트워크 구축에 필수불가결한 핵심 기술이다.

채널 파장의 안정화를 위하여 현재까지 여러 가지 다양한 방식들이 제안되어 왔다.

예를 들면 광섬유 격자(fiber grating), 도파관열 격자(AWG: Arrayed Waveguide Grating), 에탈론 필터 등을 주파수 기준기로 사용함으로써 WDM 레이저들의 주파수(파장) 안정도를 향상시키는 방법들이 제안되었다. 그러나 상기 광섬유 격자는 각 WDM 레이저들을 국제전기통신협회(ITU)에서 권고하는 광주파수에 안정화시키기 위하여 사용되는 채널의 개수만큼 필요하고, 각 광섬유 격자들의 반사 및 투과 특성이 표준 주파수에 정확히 일치되도록 제작해야 하는 단점이 있다.

상기 도파관열 격자를 사용한 파장 안정화 방법은 WDM 레이저들을 동시에 안정화시킬 수 있으나, 안정화(locking) 가능한 최대 채널이 상용화된 도파관열 격자의 주기(FSR: Free Spectral Range)에 의해 제한을 받고, 또한 도파관열 격자의 각 통과대역 특성이 조금씩 다르므로 각 WDM 채널의 파장 안정도가 저하될 우려가 있다. 한편, 기준 주파수에 일치된(synchronized) 에탈론 필터는 표준 주파수에 일치된 등간격의 절대 주파수들을 제공할 수 있으며, 상기 에탈론 필터의 입사 각도를 조정함으로써 절대 주파수들간의 간격을 조정할 수 있다.

전술한 바와 같이 WDM 광통신 시스템에서 채널 파장 안정화를 위하여 현재까지 여러 가지 방식들이 제안되었지만 크게 두가지 방식으로 나뉠 수 있다.

첫째는 다채널 광원들의 중심 파장과 채널간 간격을 하나의 소자로 제어하는 방식이다. 이를 위하여 페브리-페롯(Fabry-Perot) 에탈론 필터의 투과특성 피크(peak)들에 각 광원의 중심 파장들을 맞추고 이 필터의 자유분광폭(free spectral range, FSR)을 이용하여 채널간 간격을 일정하게 유지시키는 방법이다.

둘째는 각 채널 파장별로 각각의 기준 공진기에 잠금하는 방식으로 이때 기준 공진기로서는 주로 파장 잠금기를 이용한다. 이는 채널 수에 따라 파장 잠금기의 수량이 증가하는 단점은 있지만 채널별 독립성이 확보되며 전기광학적으로 구조가 간단하고 유지보수의 용이성 및 소자의 안정성이 높다는 장점 등으로 인하여 첫번째 방식보다 더 많이 활용된다. 파장 잠금기로서는 이 방식에서도 최근에 에탈론 필터를 주로 사용하고 있으며, 이는 선폭이 좁은 에탈론 필터를 통과한 채널의 투과세기를 디더링(dithering) 방식을 이용하여 일정하게 유지시킴으로써 채널의 파장 안정화를 구현하는 것이다.

알려진 파장 잠금 기술로는 Santec Optocal사에서 Wavelength Locker OWL Series를 출시하였는데, 이는 파장 정밀도가 0.01nm 이하이고 수동소자부로만 구성되며 크기가 40 × 21 × 8 mm이다. 그리고 Lucent Technologies에서는 광섬유 격자소자(Fiber Bragg Grating)를 이용하여 파장 잠금과 필터링을 동시에 수행하여 필터가 없을 경우에 비하여 평균 ON-OFF 비율을 2∼3배정도 낮출 수 있는 방법을 제안하였다. 국내에서는 0.16nm의 FWHM(Full Width at Half Maximum)을 가지는 에탈론 필터를 이용하여 WDM 시스템용 DFB 레이저 다이오드의 광세기와 파장안정화를 구현하였다. 이를 이용하여 0.8nm의 파장간격으로 발진하는 8개 채널에 대해 각 채널의 파장과 광세기 안정도로서 500분동안 0.036nm, 0.04dBm을 얻었다.

지금까지 설명한 종래 기술에서는 위에서 언급한 것처럼 파장 잠금기로서 주로 에탈론 필터를 사용하고 있으며, 이는 파장 변화에 따라 에탈론 필터를 통과하는 빛의 세기가 변화되는 특성을 이용하고 있다. 그러나 에탈론 필터의 제작 특성상(보통 수 mm 이내의 공진길이 가짐) 긴 공진길이를 얻기가 용이하지 않기 때문에 파장 변화에 따른 빛의 세기 변화가 상대적으로 작고 따라서 파장 잠금 정밀도가 상대적으로 떨어지며, 따라서 원래의 설정 파장으로 복귀시키기 위한 처리시간이 상대적으로 길어진다는 단점이 있다. 그리고 처음 동작을 위하여 레이저 광원을 ON시킬 때에 주위의 환경변화나 레이저 모듈의 비정상 등으로 인하여 원래 할당된 파장으로 동작되지 아니하고 다른 대역의 파장대역에서 동작하면서도 원래 설정된 값과 동일한 광 세기가 모니터링 되는 경우가 발생할 수 있다. 그러나 이러한 경우에 기존의 에탈론 파장 잠금기 구조에서는 파장의 광대역 천이 여부를 파악할 수 있는 방법이 없어 그냥 다른 채널과 동일한 파장으로 발진시키게 되어 광 네트워크에 치명적인 상황을 가져올 수 있다. 또한 레이저를 ON시에 온도 등과 같은 주위 환경변화로 인하여 간섭계의 스펙트럼 변형 등이 발생하였을 경우에 간섭계의 스펙트럼을 원래의 설정값으로 환원시킬 수 있는 방법이 용이하지 않아 간섭계의 온도보정 장치가 요구된다는 단점이 있다.

본 발명은 각 채널별로 파장 잠금기를 이용하여 파장 안정화를 수행하는 방식에 속하며, 팔 길이 가변 가능 마이켈슨 간섭계(Michelson Interferometer)의 파장 변화에 따른 간섭신호의 위상변화를 이용하는 새로운 방식의 파장 잠금기를 제공하는데 그 목적이 있다.

특히 본 발명에서 제안된 방식은 비교적 짧은 공진거리를 가지는 에탈론 필터보다 더 긴 공진거리를 가지는 마이켈슨 간섭계를 사용하므로 파장의 변화에 따른 통과 빛의 세기 변화가 더 크게 되므로 더 높은 파장 잠금 정밀도를 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 원래의 설정 파장으로 복귀시키기 위한 처리시간이 상대적으로 짧다는 장점이 있다. 이론적인 계산에 의하면 0.001nm급 이하의 정밀도도 용이하게 얻을 수 있음을 알 수 있다.

그리고 처음 동작을 위하여 레이저 광원을 ON시킬 때에 주위의 환경변화나 레이저 모듈의 비정상 등으로 인하여 원래 할당된 파장으로 동작되지 아니하고 다른 대역의 파장대역에서 동작하면서도 원래 설정된 값과 동일한 광 세기가 모니터링 되는 경우가 발생할 수 있다. 그러나 기존의 에탈론 파장 잠금기 구조에서는 이러한 경우에 파장의 광대역 천이 여부를 파악할 수 있는 방법이 없어 그냥 다른 채널과 동일한 파장으로 발진시키게 되어 광 네트워크에 치명적인 상황을 가져올 수 있다. 그러나 제안된 파장 잠금기 구조에서는 마이켈슨 간섭계의 한쪽 팔 길이를 등속으로 가변시키면서 두 시점에서의 위상값을 읽고 이를 원래의 설정값과 비교하여 파장대역의 정상여부를 판정할 수 있다. 또한 본 제안된 구조에서는 레이저를 ON시에 온도 등과 같은 주위 환경변화로 인하여 간섭계의 스펙트럼 변형 등이 발생하였을 경우에 단순히 간섭계의 팔 길이를 조정하므로써 간섭계의 스펙트럼을 원래의 설정값으로 환원시킬 수가 있어 에탈론 파장 잠금기의 경우와 달리 간섭계의 온도보정 장치가 요구되지 않는다는 장점이 있다. 일단 레이저가 정상동작 상태에 들어가게 되면 마이켈슨 간섭계의 팔 길이는 설정된 값으로 고정되며 이때부터는 일반적인 파장 잠금기능을 수행하게 된다. 따라서 궁극적으로는 환경 변화에 쉽게 대응할 수 있으며 기존의 파장 잠금기의 문제점들을 해결할 수 있는, 파장분할다중화 기반 광통신을 위한 파장 잠금장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 파장분할다중화 기반 광통신을 위한 파장 잠금장치는, 레이저 광을 출력하는 광원, 상기 광원의 온도를 사전에 설정된 값으로 일정하게 유지시키기 위한 자동 온도 제어수단, 상기 광원에서 출력된 레이저 광의 파장 변화에 따른 간섭신호 위상변화를 검출하기 위한 팔 길이 가변 마이켈슨 (또는 마하젠더) 광 간섭계, 상기 광 간섭계에서 검출된 간섭신호를 수신하기 위한 광 수신수단, 상기 광 수신수단의 출력값을 소정의 기준 파장 정보 및 온도 정보와 비교하여 상기 자동 온도 제어수단을 통해 광원의 온도조절을 기반으로 파장을 고정시키기 위한 신호처리수단을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

또한 상기 본 발명의 파장분할다중화 기반 광통신을 위한 파장 잠금장치에서, 상기 신호처리수단은 상기 광 수신수단의 출력값을 디지털 신호로 변환하기 위한 A/D변환수단, 상기 변환된 디지털 신호를 소정의 기준 파장 정보값과 비교하는 제1 연산수단, 상기 제1 연산수단의 출력을 소정의 기준 온도 정보값과 비교하여 원래의 기준 파장으로 되돌리기 위한 요구 온도 변화량을 자동 온도 제어기로 피드백시켜 주는 제2 연산수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 WDM 기반의 광통신 시스템에서 레이저 광의 파장을 안정화시키기 위한 수단으로 팔 길이 가변가능 광 간섭계 구조를 이용하기 때문에 초기 동작시에 광대역 파장 천이를 검출 할 수 있고 또 간섭계의 스펙트럼 변형을 원래의 모양으로 환원시킬 수 있으며 궁극적으로 초정밀도를 요구하는 파장 잠금기술로의 발전이 용이한 효과가 있다.

Claims (4)

1. 광원의 온도를 설정된 값으로 일정하게 유지시키는 자동온도 제어기(ATC), 광원에서 출력된 레이저 광의 파장변화에 따른 간섭신호 위상변화를 검출하는 마이켈슨 간섭계, 상기 마이켈슨 간섭계에서 검출된 간섭신호를 수신하는 광수신부를 포함하여 구성되어 상기 마이켈슨 간섭계의 파장 변화에 따른 간섭신호의 위상변화를 이용하는 파장잠금장치에 있어서,

   상기 광수신부의 출력값을 소정의 기준 파장 정보 및 온도 정보와 비교하여 상기 자동온도 제어기를 통해 광원의 온도조절을 기반으로 파장을 고정시키기 위한 신호처리수단를 포함하여 구성하되,

   상기 마이켈슨 간섭계는 레이저 광원의 온(ON)시에 온도를 포함한 주위 환경변화로 인하여 스펙트럼 변형이 발생하였을 경우에 간섭계의 두 팔(광분배기와 제1반사경, 광분배기와 제2 반사경)의 길이를 조정하여 간섭계의 스펙트럼을 최초 설정값으로 환원시키고,

   상기 신호처리수단은 처음 동작을 위하여 레이저 광원을 온(ON)시킬 때에 주위의 환경변화 및 레이저 모듈의 비정상 동작으로 인하여 최초 할당된 파장으로 동작하지 않고, 다른 대역의 파장대역에서 동작하면서 최초 설정된 값과 동일한 광 세기가 모니터링 되는 경우에, 제 2 반사경을 등속 운동시켜 얻어지는 정현파 간섭신호를 첫 출발시점과 위상차이가 큰 다른시점에서 샘플링하고, 상기 두 샘플링 값을 마이켈슨 간섭계로부터 광수신부를 통해 수신받아 사전에 설정된 기준값과 비교한 결과에 따라 발진 파장의 광대역 천이 여부를 검출하는 것을 특징으로 하는 파장분할다중화 기반 광통신을 위한 파장 잠금장치.
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